(57)【要約】【課題】拡散領域等の上の絶縁膜に形成された接続孔に充填された導電材料と、拡散領域等との接触面積について、任意の接触面積を形成する。【解決手段】半導体基板１と、半導体基板１の表面側に形成された拡散領域１３と、拡散領域１３上を含む半導体基板１の表面に形成された窒化膜１９と、窒化膜１９上に形成された層間絶縁膜２１と、少なくとも拡散領域１３に対応して窒化膜１９に設けられた接続孔２３と、接続孔２３の形成領域を含んで層間絶縁膜２１に設けられた配線用溝２７と、接続孔２１内及び配線用溝２７内に同じ導電材料が埋め込まれて形成された配線パターン３１を備えている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板と、半導体基板の表面側に形成された拡散領域と、前記拡散領域上を含む半導体基板表面に形成された窒化膜と、前記窒化膜上に形成された、前記窒化膜とはエッチング選択比が大きい絶縁膜からなる層間絶縁膜と、少なくとも前記拡散領域に対応して前記窒化膜に設けられた接続孔と、前記接続孔の形成領域を含んで前記層間絶縁膜に設けられた配線用溝と、前記接続孔内及び前記配線用溝内に同じ導電材料が埋め込まれて形成された配線パターンを備えた半導体装置。
【請求項２】
前記導電材料はＣｕである請求項１に記載の半導体装置。
【請求項３】
前記層間絶縁膜は酸化膜又はLow-k膜である請求項１又は２に記載の半導体装置。
【請求項４】
前記半導体基板表面に形成された絶縁膜上に半導体膜を備え、前記窒化膜及び前記層間絶縁膜は前記半導体膜を被って形成されており、前記半導体膜に対応して前記窒化膜に第２接続孔が形成され、前記第２接続孔の形成領域の前記層間絶縁膜にも配線用溝が形成されている請求項１から３のいずれかに記載の半導体装置。
【請求項５】
前記層間絶縁膜上に第２窒化膜を介して形成された第２層間絶縁膜と、少なくとも前記配線パターンの所定の領域に対応して前記第２窒化膜に設けられた開口部と、前記開口部の形成領域を含んで前記第２層間絶縁膜に設けられた第２配線用溝と、前記開口部内及び前記第２配線用溝内にＣｕが埋め込まれて形成された第２配線パターンをさらに備えている請求項１から４のいずれかに記載の半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は半導体装置に関し、特に半導体基板の表面側に形成された拡散領域等の電気的接続をとるための金属配線パターンを備えた半導体装置に関するものである。本明細書において、拡散領域等とは、半導体基板の表面側に形成された拡散領域のほか、半導体基板上に絶縁膜を介して形成された多結晶シリコンゲート電極や多結晶シリコン抵抗などを構成する半導体膜も含むことを意味する。
【背景技術】
【０００２】
半導体基板にトランジスタなどの素子を備えた従来の半導体装置では、半導体基板上に層間絶縁膜を形成し、層間絶縁膜にコンタクト孔を形成し、コンタクト孔に金属材料を埋め込んだ後、コンタクト孔形成領域を含む層間絶縁膜上に第１層目の金属配線パターンを形成して素子の電気的接続を行なっている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００３】
図３を参照して従来の半導体装置を説明する。
Ｐ型のシリコン基板５１の表面に素子分離膜用の溝が形成され、その溝に酸化膜が埋め込まれて素子分離膜としてのＳＴＩ（shallow trench isolation）５３が形成されている。シリコン基板５１上にゲート絶縁膜５５を介して多結晶シリコンからなるゲート電極５７が形成されている。シリコン基板５１にゲート電極５７の形成領域を挟んで２つのＮ型低濃度拡散領域５９がゲート電極５７側面に一部重畳し、かつ互いに間隔をもって形成されている。ゲート電極５７側面に酸化膜からなるサイドウォールスペーサ６１が形成されている。Ｎ型低濃度拡散領域５９に対してゲート電極５７とは反対側のシリコン基板５１にＮ型高濃度拡散領域６３が形成されている。
【０００４】
ゲート電極５７及びＮ型高濃度拡散領域６３，６３の表面部にシリサイド層６５がそれぞれ形成されている。２組のＮ型低濃度拡散領域５９、Ｎ型高濃度拡散領域６３及びシリサイド層６５はトランジスタのソース領域とドレイン領域を構成する。
ＳＴＩ５３及びトランジスタ形成領域を含むシリコン基板５１上に酸化膜からなる層間絶縁膜６７が形成されている。層間絶縁膜６７に、ゲート電極５７及びＮ型高濃度拡散領域６３，６３の形成領域に対応してコンタクトホール６９が形成され、コンタクトホール６９に導電材料であるタングステン７１が埋め込まれている。図３ではゲート電極５７上に形成されるコンタクトホールの図示はしていない。１箇所のソース領域又はドレイン領域について、コンタクトホール６９は１個又は複数個形成されている。
コンタクトホール６９の形成領域を含んで層間絶縁膜６７上にアルミニウムからなる金属配線パターン７３が形成されている。
【０００５】
また、Local Inter Connectと呼ばれる、別の金属薄膜を用いて配線層を形成する手法も提案されているが、結局のところ、半導体基板に形成された拡散領域等と第１層目の配線パターンとの接続にはコンタクトホールを経由する必要がある。
【特許文献１】特開２００３−２８９１４４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
従来技術では、多結晶シリコン膜上や拡散領域上の層間絶縁膜に形成されるコンタクトホールは１個又は複数個で構成されている。しかし、ＣＶＤ（chemical vapor deposition）法によるタングステン等の埋込み技術では、複数のコンタクトホールにおいて埋込み性を確保するために同一サイズで形成することが好ましく、また、大きなコンタクトホールでは埋込み性が悪くなるなどにより、大きな接触面積を有するコンタクトホールの形成が困難であった。さらに、コンタクトホールの開口面積が小さいため、コンタクトホールの底面の開口面積の変化により接触抵抗にばらつきが生じるという問題もあった。
【０００７】
そこで本発明は、拡散領域等の上の絶縁膜に形成された接続孔に充填された導電材料と、拡散領域等との接触面積について、任意の接触面積を形成することができる半導体装置を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、半導体基板と、半導体基板の表面側に形成された拡散領域と、上記拡散領域上を含む半導体基板表面に形成された窒化膜と、上記窒化膜上に形成された層間絶縁膜と、少なくとも上記拡散領域に対応して上記窒化膜に設けられた接続孔と、上記接続孔の形成領域を含んで上記層間絶縁膜に設けられた配線用溝と、上記接続孔内及び上記配線用溝内に同じ導電材料が埋め込まれて形成された配線パターンを備えた半導体装置である。
【０００９】
本発明の半導体装置において、上記導電材料の一例としてＣｕ（銅）を挙げることができる。
また、上記層間絶縁膜として例えば酸化膜又はLow-k膜を挙げることができる。
さらに、上記半導体基板表面に形成された絶縁膜上に半導体膜を備え、上記窒化膜及び上記層間絶縁膜は上記半導体膜を被って形成されており、上記半導体膜に対応して上記窒化膜に第２接続孔が形成され、上記第２接続孔の形成領域の上記層間絶縁膜にも配線用溝が形成されているようにしてもよい。
【００１０】
さらに、上記層間絶縁膜上に第２窒化膜を介して形成された第２層間絶縁膜と、少なくとも上記配線パターンの一部の形成領域に対応して上記第２窒化膜に設けられた開口部と、上記開口部の形成領域を含んで上記第２層間絶縁膜に設けられた第２配線用溝と、上記開口部内及び上記第２配線用溝内にＣｕが埋め込まれて形成された第２配線パターンをさらに備えているようにしてもよい。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の半導体装置では、拡散領域上の窒化膜に接続孔が形成され、その接続孔の形成領域を含んで層間絶縁膜に配線用溝が形成され、接続孔内及び配線用溝内に導電材料が埋め込まれて配線パターンが形成されているようにしたので、接続孔が形成される窒化膜の膜厚を層間絶縁膜に比べて薄く、例えば５０〜２００Å（オングストローム）程度の膜厚にすることができる。これにより、接続孔の開口面積を大きくしても接続孔内に埋め込む導電材料のカバレッジの制限を受けることはないので、例えば拡散領域上の広さに応じた任意の接触面積を形成するなど、拡散領域と導電材料の接触面積について任意の接触面積を形成することができる。
さらに、従来技術では半導体基板側から数えて第１層目の層間絶縁膜にコンタクトホールが形成されていたが、本発明では第１層目の層間絶縁膜に配線パターンを形成しているので、従来技術よりも１層分だけ多く配線層を確保することができる。
さらに、従来技術ではコンタクトホールの開口面積が層間絶縁膜の厚みに対して小さいためにアスペクト比が高くなるのでハーフトーンなどの特別な仕様のマスクを用いる必要があるなど、写真製版技術及びエッチング技術に起因して製造コストの上昇を招くという問題があったが、本発明の半導体装置では、接続孔の開口面積を任意の大きさに設定してアスペクト比を小さくすることができるので、写真製版技術及びエッチング技術に起因して製造コストの上昇をなくすことができる。
さらに、コンタクトホールと金属配線パターンに異なる導電材料を用いた従来技術では異なる導電材料間の接触抵抗や機械的ストレスが生じていたが、接続孔と配線用溝に同じ導電材料が埋め込まれて配線パターンが形成されているので、そのような接触抵抗や機械的ストレスをなくすことができる。
【００１２】
さらに、接続孔内及び配線用溝内に埋め込まれる導電材料としてＣｕを用いるようにすれば、抵抗低減を図ることができ、素子の高速動作に寄与できる。導電材料としてＣｕを用いる場合にはいわゆるダマシン（damascene）法により接続孔、配線用溝及び配線パターンを形成することができる。
また、層間絶縁膜の材料として、例えばＴＥＯＳ（tetraethyl orthosilicate）やＢＰＳＧ（Borophospho silicate glass）などの酸化膜やLow-k膜などを挙げることができる。特にLow-k（低誘電率）膜を用いることにより、配線パターンの局所的なフリンジ容量を低減させることができる。
【００１３】
さらに、半導体基板表面に形成された絶縁膜上に半導体膜を備え、窒化膜及び層間絶縁膜は半導体膜を被って形成されており、半導体膜に対応して窒化膜に第２接続孔が形成され、第２接続孔の形成領域の層間絶縁膜にも配線用溝が形成されているようにすれば、半導体膜上に任意の開口面積をもつ第２接続孔を形成することができ、半導体膜と導電材料の接触面積について任意の接触面積を形成することができる。ここで、半導体基板表面に形成された絶縁膜上に形成される半導体膜としては、例えばトランジスタのゲート電極、抵抗素子、ヒューズ素子、容量素子などを形成する多結晶シリコンや多結晶シリコンゲルマニウムなどを挙げることができる。
【００１４】
また、素子間の配線接続に本発明の半導体装置を構成する配線パターンを適用することができるが、信号線として用いた場合には配線パターンの寄生容量が信号伝播速度に影響を与える場合がある。そのような場合、層間絶縁膜上に第２窒化膜を介して形成された第２層間絶縁膜と、少なくとも配線パターンの一部の形成領域に対応して第２窒化膜に設けられた開口部と、開口部の形成領域を含んで第２層間絶縁膜に設けられた第２配線用溝と、開口部内及び第２配線用溝内にＣｕが埋め込まれて形成された第２配線パターンをさらに備えているようにすれば、第２配線パターンを信号線として用いることができ、信号伝播の遅延を抑制することができる。ここで、配線パターンの材料として第２配線パターンと同じＣｕを用いるようにすれば、接続孔、配線用溝、配線パターン、第２接続孔、第２配線用溝及び第２配線パターンをいわゆるデュアルダマシン（dual damascene）法により形成することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
図１は一実施例を示す図であり、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は（Ａ）のＡ−Ａ位置での断面図である。
Ｐ型のシリコン基板（Ｐｓｕｂ）１の表面に素子分離膜用の溝が形成され、その溝に酸化膜が埋め込まれて素子分離膜としてのＳＴＩ３が形成されている。ＳＴＩ３で囲まれたトランジスタ形成領域のシリコン基板１上にゲート絶縁膜５を介して多結晶シリコンからなるゲート電極７が形成されている。ゲート電極７はＳＴＩ３上に延伸して形成されている。ゲート電極７の材料は多結晶シリコンゲルマニウムであってもよい。
【００１６】
トランジスタ形成領域のシリコン基板１にゲート電極７の形成領域を挟んで２つのＮ型低濃度拡散領域（Ｎ＋）９がゲート電極７側面に一部重畳し、かつ互いに間隔をもって形成されている。ゲート電極７側面に酸化膜からなるサイドウォールスペーサ１１が形成されている。Ｎ型低濃度拡散領域９に対してゲート電極７とは反対側のシリコン基板１にＮ型高濃度拡散領域１３が形成されている。
シリコン基板１にはトランジスタ形成領域とは異なる領域にＰ型高濃度拡散領域（Ｐ＋）１５も形成されている。
【００１７】
ゲート電極７、Ｎ型高濃度拡散領域１３，１３及びＰ型高濃度拡散領域１５の表面部にシリサイド層１７がそれぞれ形成されている。シリサイド層１７の（Ａ）での図示は省略している。２組のＮ型低濃度拡散領域９、Ｎ型高濃度拡散領域１３及びシリサイド層１７はトランジスタのソース領域とドレイン領域を構成する。
ＳＴＩ３及びトランジスタ形成領域を含むシリコン基板１上に例えば膜厚が５０〜２００Åの窒化膜１９が形成され、さらにその上に例えば膜厚が２０００〜１００００ÅのLow-k膜からなる層間絶縁膜２１が形成されている。窒化膜１９及び層間絶縁膜２１の（Ａ）での図示は省略している。窒化膜１９はＳＴＩ３及びトランジスタ形成領域を含むシリコン基板１上に酸化膜を介して形成してもよい。また、層間絶縁膜２１の材料は酸化膜であってもよい。
【００１８】
ソース領域及びドレイン領域のシリサイド層１７上の窒化膜１９にコンタクトホール（接続孔）２３が形成され、ＳＴＩ３上でゲート電極７上の窒化膜１９にコンタクトホール（第２接続孔）２５が形成されている。層間絶縁膜２１のコンタクトホール２３，２５形成領域を含む領域に配線用溝２７が形成されている。ゲート電極７上のコンタクトホール２５上の配線用溝２７と、ソース領域及びドレイン領域のいずれか一方、例えばドレイン領域上のコンタクトホール２３上の配線用溝２７は連続して形成され、ソース領域上のコンタクトホール２３上の配線用溝２７とＰ型高濃度拡散領域１５上のコンタクトホール２５上の配線用溝２７は連続して形成されている。配線用溝２７はエッチング技術により窒化膜１９をエッチングストッパ層として形成することができる。
【００１９】
コンタクトホール２３，２５内及び配線用溝２７内にバリアメタル層２９を介して導電材料、例えばＣｕが埋め込まれてＣｕ配線パターン３１が形成されている。Ｃｕの埋め込みはダマシン法により形成することができる。ゲート電極７とドレイン領域のシリサイド層１７はＣｕ配線パターン３１を介して電気的に接続され、ソース領域のリシサイド層１７とＰ型高濃度拡散領域１５上のリシサイド層１７はＣｕ配線パターン３１を介して電気的に接続されている。
図示は省略しているが、層間絶縁膜２１及びＣｕ配線パターン３１よりも上層にはキャップ層、第２層目の層間絶縁膜、第２層目の配線パターン、最終保護膜等が形成されている。
【００２０】
この実施例では、窒化膜１９の膜厚は５０〜２００Åなので、埋め込む導電材料のカバレッジの制限を受けることはなく、コンタクトホール２３，２５を任意の形状にすることができ、コンタクトホール２３は拡散領域１３，１５の平面形状に合わせて長穴に形成され、コンタクトホール２５もゲート電極７の長手方向に合わせて長穴に形成されている。
さらに、層間絶縁膜２１にＣｕ配線パターン３１を形成しているので、従来技術よりも１層分だけ多く配線層を確保することができる。
【００２１】
さらに、コンタクトホール２３，２５の開口面積を任意の大きさに設定してアスペクト比を小さくすることができるので、コンタクトホール２３，２５を形成するための写真製版工程においてハーフトーンなどの特別な仕様のマスクを用いる必要はなく、製造コストの上昇を防止することができる。
さらに、コンタクトホール２３，２５内と配線用溝２７内に同じ導電材料、ここではＣｕを埋め込んでいるので、コンタクトホール内に埋め込む導電材料と金属配線パターン用の導電材料として異なる導電材料を用いた従来技術のようにはコンタクトホール、金属配線パターン間の接触抵抗や機械的ストレスが生じない。
さらに、コンタクトホール２３，２５内及び配線用溝２７内に埋め込まれる導電材料としてＣｕを用いているので、抵抗低減を図ることができ、素子の高速動作に寄与できる。
さらに、層間絶縁膜２１の材料としてLow-k膜を用いているので、Ｃｕ配線パターン３１の局所的なフリンジ容量を低減させることができる。
【００２２】
図２は他の実施例を示す図であり、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は（Ａ）のＢ−Ｂ位置での断面図である。図１と同じ部分には同じ符号を付し、それらの部分の詳細な説明は省略する。
Ｐ型のシリコン基板１にＳＴＩ３、ゲート絶縁膜５、ゲート電極７Ｎ型低濃度拡散領域９、サイドウォールスペーサ１１、Ｎ型高濃度拡散領域１３、Ｐ型高濃度拡散領域１５及びシリサイド層１７が形成されている。
ＳＴＩ３及びトランジスタ形成領域を含むシリコン基板１上に窒化膜１９と層間絶縁膜２１が順に形成されている。
【００２３】
層間絶縁膜２１上に例えば膜厚が５０〜２００Åの第２窒化膜３３が形成され、さらにその上に例えば膜厚が２０００〜１００００ÅのLow-k膜からなる第２層間絶縁膜３５が形成されている。第２窒化膜３３及び第２層間絶縁膜３５の（Ａ）での図示は省略している。第２層間絶縁膜３５の材料は酸化膜であってもよい。
【００２４】
ソース領域及びドレイン領域のシリサイド層１７上の窒化膜１９にコンタクトホール２３が形成され、ゲート電極７上の窒化膜１９にコンタクトホール２５が形成されている。層間絶縁膜２１のコンタクトホール２３，２５形成領域を含む領域に配線用溝３７が形成されている。ソース領域及びドレイン領域のいずれか一方、例えばソース領域上のコンタクトホール２３上の配線用溝３７とＰ型高濃度拡散領域１５上のコンタクトホール２５上の配線用溝３７は連続して形成されている。
【００２５】
第２窒化膜３３に配線用溝３７の形成領域全部に対応して開口部３９が形成されている。第２層間絶縁膜３５の開口部３９形成領域を含む領域に第２配線用溝４１が形成されている。ゲート電極７上のコンタクトホール２５に対応する開口部３９上の第２配線用溝４１と、ソース領域及びドレイン領域のいずれか一方、ここではドレイン領域上のコンタクトホール２３に対応する開口部３９上の第２配線用溝４１は連続して形成されている。第２配線用溝４１はエッチング技術により第２窒化膜３３をエッチングストッパ層として第２層間絶縁膜３５を選択的に除去することにより形成することができる。さらに、配線用溝３７はエッチング技術により窒化膜１９をエッチングストッパ層として層間絶縁膜２１を選択的に除去することにより形成することができる。
【００２６】
コンタクトホール２３，２５内、配線用溝３７内、開口部３９内及び第２配線用溝４１内にバリアメタル層４３を介して導電材料、例えばＣｕが埋め込まれてＣｕ配線パターン４５が形成されている。Ｃｕの埋め込みはデュアルダマシン法により形成することができる。ゲート電極７とドレイン領域のシリサイド層１７はＣｕ配線パターン４５を介して電気的に接続され、ソース領域のリシサイド層１７とＰ型高濃度拡散領域１５上のリシサイド層１７はＣｕ配線パターン４５を介して電気的に接続されている。
図示は省略しているが、第２層間絶縁膜３５及びＣｕ配線パターン４５よりも上層にはキャップ層、第３層目の層間絶縁膜、第３層目の配線パターン、最終保護膜等が形成されている。
【００２７】
この実施例では、図１を参照して説明した実施例の作用効果に加えて、寄生容量による影響で信号伝播の遅延を考慮に入れる必要のある配線部分では、第２配線用溝４１内に形成されたＣｕ配線パターン４５を経由して接続することができるので、第１層目の配線用溝３７内のＣｕ配線パターンだけで接続するよりも速度向上が可能となる。
【００２８】
以上、本発明の実施例を説明したが、本発明は実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の範囲内で種々の変更が可能である。
例えば、上記の実施例では本発明をＮチャネル型のトランジスタに適用しているが、本発明はこれに限定されるものではなく、Ｐチャネル型のトランジスタにも適用することができる。
【００２９】
また、上記の実施例ではソース領域及びドレイン領域を二重拡散構造で形成しているが、本発明はこれに限定されるものではなく、ソース領域及びドレイン領域を単層の拡散領域により形成してもよい。
また、上記の実施例ではソース領域及びドレイン領域の表面部にシリサイド層を形成しているが、本発明はこれに限定されるものではなく、ソース領域及びドレイン領域の表面部に必ずしもシリサイド層を形成しなくてもよい。
【００３０】
また、図１及び図２を参照して説明した実施例では、Ｃｕ配線パターン３１，４５によりゲート電極７とソース領域を短絡するように配線用溝２７，３７を形成しているが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えばゲート電極とドレイン領域を短絡するように配線用溝を形成したり、ゲート電極、ソース領域及びドレイン領域を短絡させずにそれらの電位を所望の領域に導いたりするなど、配線用溝２７，３７を所望の領域に形成することができる。
また、図１及び図２を参照して説明した実施例では、配線材料としてＣｕを用いているが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば配線材料としてタングステンを用いてもよい。
【００３１】
また、上記の実施例では、シリコン基板１上に絶縁膜を介して形成された半導体膜として多結晶シリコン膜からなるゲート電極７を備えているが、本発明はこれに限定されるものではなく、多結晶シリコン膜からなる抵抗素子やヒューズ素子、容量素子などを備え、それらの素子の上の窒化膜にコンタクトホールが形成されているようにしてもよい。また、それらの素子の材料は多結晶シリコンゲルマニウムであってもよい。
また、素子分離用の絶縁膜はＳＴＩに限定されるものではなく、例えばＬＯＣＯＳ（local oxidation of silicon）酸化膜など、他の絶縁膜であってもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】一実施例を示す図であり、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は（Ａ）のＡ−Ａ位置での断面図である。
【図２】他の実施例を示す図であり、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は（Ａ）のＢ−Ｂ位置での断面図である。
【図３】従来の半導体装置を説明するための断面図である。
【符号の説明】
【００３３】
１    シリコン基板
３    ＳＴＩ
５    ゲート絶縁膜
７    ゲート電極
９    Ｎ型低濃度拡散領域
１１    サイドウォールスペーサ
１３    Ｎ型高濃度拡散領域
１５    Ｐ型高濃度拡散領域
１７    シリサイド層
１９    窒化膜
２１    層間絶縁膜
２３，２５    コンタクトホール
２７    配線用溝
２９    バリアメタル
３１    Ｃｕ配線パターン
３３    第２窒化膜
３５    第２層間絶縁膜
３７    配線用溝
３９    開口部
４１    第２配線用溝
４３    バリアメタル
４５    Ｃｕ配線パターン
【図１】
2005175252.tif 000003
【図２】
2005175252.tif 000004
【図３】
2005175252.tif 000005