(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2024123571
(43)【公開日】2024-09-12
(54)【発明の名称】半導体装置及びその製造方法
(51)【国際特許分類】
H01L 21/768 20060101AFI20240905BHJP
H10B 41/27 20230101ALI20240905BHJP
H10B 43/27 20230101ALI20240905BHJP
H01L 21/336 20060101ALI20240905BHJP
【FI】
H01L21/90 M
H10B41/27
H10B43/27
H01L29/78 371
【審査請求】未請求
【請求項の数】12
【出願形態】OL
(21)【出願番号】P 2023031106
(22)【出願日】2023-03-01
(71)【出願人】
【識別番号】318010018
【氏名又は名称】キオクシア株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】110000408
【氏名又は名称】弁理士法人高橋・林アンドパートナーズ
(72)【発明者】
【氏名】金澤 力斗
【テーマコード(参考)】
5F033
5F083
5F101
【Fターム(参考)】
5F033JJ11
5F033JJ12
5F033JJ18
5F033JJ32
5F033JJ34
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5F101BA01
5F101BA45
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5F101BD16
5F101BD30
5F101BD34
5F101BE07
5F101BH02
5F101BH13
(57)【要約】
【課題】半導体装置の信頼性を向上する。
【解決手段】一実施形態にかかる半導体装置は、第1面を有する第1絶縁膜と、第1絶縁膜の内部に配置され、第1方向に延びる線状の第1金属層と、第1金属層と第1絶縁膜との間に第1面と離隔して配置され、第1金属層および第1絶縁膜と接する第2金属層と、をそれぞれ含む複数の配線と、第1金属層の上部に接して配置される第1部分と、第1部分と接続され、隣り合う複数の配線どうしの間に配置される第1絶縁膜の第1面に接して配置される第2部分と、を含む第2絶縁膜と、を備える。
【選択図】
図1
【特許請求の範囲】
【請求項1】
第1面を有する第1絶縁膜と、
前記第1絶縁膜の内部に配置され、第1方向に延びる線状の第1金属層と、前記第1金属層と前記第1絶縁膜との間に前記第1面と離隔して配置され、前記第1金属層および前記第1絶縁膜と接する第2金属層と、をそれぞれ含む複数の配線と、
前記第1金属層の上部に接して配置される第1部分と、前記第1部分と接続され、隣り合う前記複数の配線どうしの間に配置される前記第1絶縁膜の前記第1面に接して配置される第2部分と、を含む第2絶縁膜と、を備える半導体装置。
【請求項2】
前記第2絶縁膜は、前記第1部分と接続され、前記第1絶縁膜と前記第1金属層との間に配置される第3部分をさらに含む、請求項1に記載の半導体装置。
【請求項3】
前記第1金属層は前記第1面と離隔している、請求項1に記載の半導体装置。
【請求項4】
前記第2絶縁膜は、前記第1部分と接続され、前記第1金属層と前記第1面の間に配置される第4部分をさらに含む、請求項3に記載の半導体装置。
【請求項5】
前記第2絶縁膜は、前記第1部分と接続され、前記第1絶縁膜と前記第1金属層との間に配置される第3部分をさらに含む、請求項4に記載の半導体装置。
【請求項6】
前記第2絶縁膜を貫通し、少なくとも1つの前記複数の配線の前記第1金属層接続する第3金属層をさらに含む、請求項1に記載の半導体装置。
【請求項7】
前記第1金属層は銅を含み、
前記第1絶縁膜はシリコンおよび酸素を含み、
前記第2絶縁膜はシリコンおよび窒素を含む、請求項1に記載の半導体装置。
【請求項8】
第1絶縁膜の第1面に凹部を形成し、前記第1面および前記凹部に第2金属層を形成し、
前記凹部に銅を含む第1金属層を形成し、
前記第1面および前記凹部の一部の前記第2金属層を除去し、
前記第1面および前記凹部に第2絶縁膜を形成すること、を含む半導体装置の製造方法。
【請求項9】
前記第2金属層を除去するとともに、前記第1金属層の一部を除去すること、をさらに含む請求項8に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項10】
前記第2絶縁膜を形成する前に、前記第1絶縁膜と前記第1金属層の間の一部の前記第2金属層を除去すること、をさらに含む請求項9に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項11】
前記第1面の前記第2絶縁膜を除去し、
前記凹部の前記第2絶縁膜の一部を除去するとともに、前記第1金属層の一部を除去し、
前記第1面および前記凹部に第2絶縁膜を形成すること、をさらに含む請求項8に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項12】
前記第1面の前記第2絶縁膜を貫通し、少なくとも1つの前記複数の配線の前記第1金属層の一部を露出する貫通孔を形成し、
前記貫通孔に前記第1金属層と接続する第3金属層を形成すること、をさらに含む請求項8に記載の半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本開示の実施形態は半導体装置及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【0002】
電子機器の高速化および小型化に伴い、電子機器を構成する半導体装置に関しても、高速化および高密度化の技術開発が進められている。半導体装置の高速インターフェースに対応するため、より電気抵抗の小さい銅(Cu)での配線化が検討されている。しかしながら、Cu原子は拡散係数が大きいため、Cu配線構造はCu原子の拡散によって配線間に電荷トラップサイトまたは欠陥サイトが形成され、配線間に電流がリークすることが懸念される。このため、Cu配線の周囲にはCuの拡散を抑制するバリア膜が配置される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
半導体装置の絶縁耐圧を向上する。
【課題を解決するための手段】
【0005】
一実施形態にかかる半導体装置は、半導体装置は、第1面を有する第1絶縁膜と、第1絶縁膜の内部に配置され、第1方向に延びる線状の第1金属層と、第1金属層と第1絶縁膜との間に第1面と離隔して配置され、第1金属層および第1絶縁膜と接する第2金属層と、をそれぞれ含む複数の配線と、第1金属層の上部に接して配置される第1部分と、第1部分と接続され、隣り合う複数の配線どうしの間に配置される第1絶縁膜の第1面に接して配置される第2部分と、を含む第2絶縁膜と、を備える。
【図面の簡単な説明】
【0006】
【
図1】本開示の一実施形態にかかる半導体装置を説明する断面図である。
【
図2A】本開示の一実施形態にかかる半導体装置の製造方法を説明する断面図である。
【
図2B】本開示の一実施形態にかかる半導体装置の製造方法を説明する断面図である。
【
図2C】本開示の一実施形態にかかる半導体装置の製造方法を説明する断面図である。
【
図3】本開示の一実施形態にかかる半導体装置を説明する断面図である。
【
図4A】本開示の一実施形態にかかる半導体装置の製造方法を説明する断面図である。
【
図4B】本開示の一実施形態にかかる半導体装置の製造方法を説明する断面図である。
【
図4C】本開示の一実施形態にかかる半導体装置の製造方法を説明する断面図である。
【
図5A】本開示の一実施形態にかかる半導体装置の製造方法を説明する断面図である。
【
図5B】本開示の一実施形態にかかる半導体装置の製造方法を説明する断面図である。
【
図5C】本開示の一実施形態にかかる半導体装置の製造方法を説明する断面図である。
【
図6】本開示の一実施形態にかかる半導体装置を説明する断面図である。
【
図7A】本開示の一実施形態にかかる半導体装置の製造方法を説明する断面図である。
【
図7B】本開示の一実施形態にかかる半導体装置の製造方法を説明する断面図である。
【
図7C】本開示の一実施形態にかかる半導体装置の製造方法を説明する断面図である。
【
図8A】本開示の一実施形態にかかる半導体装置の製造方法を説明する断面図である。
【
図8B】本開示の一実施形態にかかる半導体装置の製造方法を説明する断面図である。
【
図8C】本開示の一実施形態にかかる半導体装置の製造方法を説明する断面図である。
【
図8D】本開示の一実施形態にかかる半導体装置の製造方法を説明する断面図である。
【
図9】本開示の一実施形態にかかる半導体装置を説明する断面図である。
【
図10】本開示の一実施形態にかかる半導体装置を説明する断面図である。
【発明を実施するための形態】
【0007】
以下、本実施形態にかかる半導体装置及びその製造方法について図面を参照して具体的に説明する。以下の説明において、略同一の機能及び構成を有する要素について、同一符号又は同一符号の後にアルファベットが追加された符号が付されており、必要な場合にのみ重複して説明する。以下に示す各実施形態は、この実施形態の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示する。実施形態は、発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることができる。これら実施形態やその変形例は、特
許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【0008】
図面は、説明をより明確にするため、実際の態様に比べ、各部の幅、厚さ、形状等について模式的に表される場合があるが、あくまで一例であって、本発明の解釈を限定するものではない。本明細書と各図面において、既出の図面に関して説明したものと同様の機能を備えた要素には、同一の符号を付して、重複する説明を省略することがある。
【0009】
本明細書において「αはA、B又はC」を含む、といった表現は、特に明示が無い限り、αがA~Cの複数の組み合わせを含む場合を排除しない。さらに、これらの表現は、αが他の要素を含む場合も排除しない。
【0010】
以下の各実施形態は、技術的な矛盾を生じない限り、互いに組み合わせることができる。
【0011】
<第1実施形態>
[配線構造体の構成]
本実施形態にかかる半導体装置の配線構造体の構成について、
図1を用いて説明する。
図1は本実施形態にかかる半導体装置の配線構造体10を説明する断面図である。
【0012】
図1に示すように配線構造体10は、第1絶縁膜20と、複数の配線30と、第2絶縁膜40と、を備える。第1絶縁膜20は、第2絶縁膜40と接する第1面20aと、第1面20aに開口を有する複数の凹部20bと、を含む。第1絶縁膜20は、シリコンおよび酸素を含むシリコン酸化膜であってもよく、例えば、テトラエトキシシラン(TEOS)であってもよい。
【0013】
第1絶縁膜20の複数の凹部20bのそれぞれには配線30が配置される。配線30は、第1絶縁膜20の複数の凹部20bの内部に配置される。配線30は、第1導電体32と、第1バリア膜34とを含む。第1バリア膜34は、凹部20bに第1絶縁膜20と接して配置される。第1バリア膜34は、凹部20bの底面および内側面の一部に連続して配置され、第1面20aと離隔している。すなわち、第1バリア膜34は、凹部20bの内側面の上部には配置されない。第1バリア膜34の上端部と第1面20aとの距離は、第1バリア膜34の膜厚以上であればよい。第1バリア膜34の上端部と第1面20aとの距離は、例えば、6nm以上であることが好ましい。第1バリア膜34の膜厚は、6nm以上であることが好ましい。第1バリア膜34は、窒素およびタングステン、またはチタンを含む導電性バリアメタルであってもよく、例えば、窒化タンタル(TaN)またはチタン(Ti)などであってもよい。
【0014】
第1導電体32は、凹部20bに第1バリア膜34と接して配置される。本実施形態において、第1導電体32は、第1面20aに露出する。第1導電体32は、底面および側面の一部において第1バリア膜34と接する。第1導電体32は、上面(第1面20a)および側面の上部において第2絶縁膜40と接する。第1導電体32は、第1バリア膜34および第2絶縁膜40で覆われる。第1導電体32が第1バリア膜34および第2絶縁膜40で覆われることによって、第1導電体32に含有されている成分が、隣接する膜に拡散することを抑制することができる。第1導電体32は、第1絶縁膜20と接触しないことが好ましい。第1導電体32は、銅を含んでもよく、例えば、銅または銅合金であってもよい。
【0015】
第2絶縁膜40は、第1面20aおよび凹部20bの内側面の上部に配置される。第2絶縁膜40は、第1面20aにおいて第1導電体32の上部に接して配置される(第1部分)。第2絶縁膜40はさらに、第1面20aにおいて隣り合う複数の配線30どうしの間に配置される第1絶縁膜20の第1面20aに接して配置される(第2部分)。第2絶縁膜40は、凹部20bの内側面の上部において第1バリア膜34の上端部と接する。第2絶縁膜40は、第1バリア膜34と第1面20aの間に配置され、第1導電体32と第1絶縁膜20の間を充填する(第3部分)。第2絶縁膜40は、連続する。すなわち、第1部分、第2部分、および第3部分は接続している。第2絶縁膜40は、銅の拡散を防止できる絶縁性バリア膜であればよく、例えば、シリコンおよび窒素を含む窒化シリコン(SiN)又は炭窒化シリコン(SiCN)などであってもよい。
【0016】
複数の配線30は、上面視でラインアンドスペース状に配置されてもよく、第1面20aにおける凹部20b内の第2絶縁膜40を含むスペースの幅(複数の第1導電体32間の距離)は、例えば、65nm以上であってもよい。
【0017】
本実施形態に係る配線構造体10は、第1バリア膜34が第1絶縁膜20の第1面20aと離隔し、第2絶縁膜40が第1導電体32と第1絶縁膜20の間に配置されることで、第1面20aにおける複数の配線30の間の距離を拡大することができる。このような構成を有することで、配線構造体10は、第1絶縁膜20と第2絶縁膜40の界面に形成される電荷トラップサイトまたは欠陥サイトによるリーク電流を抑制することができ、絶縁耐圧を向上することができる。これによって本実施形態に係る半導体装置の配線信頼性を向上することができる。
【0018】
配線構造体10はさらに、第3絶縁膜50と、層間接続体60と、を備える。第3絶縁膜50は、第2絶縁膜40の第1絶縁膜20とは反対側の面に配置される。第3絶縁膜50と第2絶縁膜40とは、連続する貫通孔50cを含む。貫通孔50cは、配線30の一部および/または第1面20aを露出してもよい。第3絶縁膜50は、シリコンおよび酸素を含むシリコン酸化膜であってもよく、例えば、テトラエトキシシラン(TEOS)であってもよい。
【0019】
貫通孔50cには層間接続体60が配置される。層間接続体60は、第2導電体62と、第2バリア膜64とを含む。第2バリア膜64は、貫通孔50cに第3絶縁膜50と第2絶縁膜40と第1絶縁膜20と接して配置される。第2バリア膜64は、貫通孔50cの内側面および貫通孔50cが露出する配線30の一部および/または第1面20aに連続して配置され、第3絶縁膜50の第2絶縁膜40とは反対側の第2面50aに露出する。第2バリア膜64の膜厚は、6nm以上12nm以下であることが好ましい。第2バリア膜64は、窒素およびタングステン、またはチタンを含む導電性バリアメタルであってもよく、例えば、窒化タンタル(TaN)またはチタン(Ti)などであってもよい。
【0020】
第2導電体62は、貫通孔50cに第2バリア膜64と接して配置される。第2導電体62は、第2面50aに露出する。第2導電体62は、第2バリア膜64で覆われる。第2導電体62は、第3絶縁膜50および第1絶縁膜20と接触しないことが好ましい。第2導電体62は、銅を含んでもよく、例えば、銅または銅合金であってもよい。
【0021】
本実施形態に係る配線構造体10は、第1バリア膜34が第1絶縁膜20の第1面20aと離隔し、第2絶縁膜40が第1導電体32と第1絶縁膜20の間に配置されることで、第1面20aにおける配線30と層間接続体60との間の距離を拡大することができる。このような構成を有することで、配線構造体10は、第1絶縁膜20と第2絶縁膜40の界面に形成される電荷トラップサイトまたは欠陥サイトによるリーク電流を抑制することができ、絶縁耐圧を向上することができる。これによって本実施形態に係る半導体装置の配線信頼性を向上することができる。
【0022】
[配線構造体の製造方法]
図2Aから
図2Cは本実施形態にかかる半導体装置の配線構造体の製造方法を説明する断面図である。
【0023】
図2Aに示すように、第1絶縁膜20に配線30’を形成する。まず第1絶縁膜20の第1面20aに複数の凹部20bを形成する。第1絶縁膜20に、フォトリソグラフィ法により、複数の凹部20bが形成される領域を露出するようにレジストパターンを形成する。レジストパターンから露出した第1絶縁膜20に対するエッチングを行い、複数の凹部20bを形成する。第1絶縁膜20はシリコンおよび酸素を含んでもよく、例えば、シリコン酸化膜であってもよい。
【0024】
次に複数の凹部20b内に第1バリア膜34’を介して第1導電体32を形成することで、配線30’を形成する。第1バリア膜34’は、例えば、スパッタリングによって複数の凹部20bを含む第1面20aの略全面に形成される。第1導電体32は、例えば、電解めっき法によって形成される。第1導電体32は、例えば、スパッタリングによって第1バリア膜34’上にシード層を形成したうえで、シード層を介して電解めっき法によって形成されてもよい。第1面20a上の第1バリア膜34’および第1導電体32は、化学機械研磨法(Chemical Mechanical Polishing)によって除去することで、複数の凹部20bの開口に第1バリア膜34’および第1導電体32を露出する配線30’を形成する。第1導電体32は、銅または銅合金を含んでもよく、第1バリア膜34は、窒素およびタングステン、またはチタンを含んでもよく、例えば、窒化タンタル(TaN)またはチタン(Ti)であってもよい。
【0025】
図2Bに示すように、配線30’の第1バリア膜34’の一部(上端部)を除去する。凹部20bの開口付近の第1バリア膜34’は、例えば、反応性イオンエッチングにより異方性エッチングすることで選択的に除去され、凹部20bの開口付近の第1絶縁膜20と第1導電体32の間にスペースが形成される。一方で、凹部の底面および内側面の一部に連続した第1バリア膜34が残る。
【0026】
図2Cに示すように、第1絶縁膜20の第1面20aに第2絶縁膜40を形成する。第2絶縁膜40は、例えば、CVD装置を用いて堆積される。第2絶縁膜40は、凹部20bの開口付近の第1絶縁膜20と第1導電体32の間のスペースにも形成される。第2絶縁膜40は、例えば、シリコンおよび窒素を含む窒化シリコン(SiN)又は炭窒化シリコン(SiCN)などであってもよい。
【0027】
次に、第2絶縁膜40の上に第3絶縁膜50を形成してもよい。第3絶縁膜50は、例えば、CVD装置を用いて堆積される。第3絶縁膜50は、シリコンおよび酸素を含むシリコン酸化膜であってもよく、例えば、テトラエトキシシラン(TEOS)であってもよい。
【0028】
さらに、配線30と第2面50aを接続する層間接続体60を形成してもよい。第3絶縁膜50と第2絶縁膜40を貫通する貫通孔50cを形成し、配線30’と同様の方法で層間接続体60を形成することで、
図1に示す配線構造体10を形成することができる。
【0029】
<第2実施形態>
[配線構造体の構成]
本実施形態にかかる半導体装置の配線構造体の構成について、
図3を用いて説明する。
図3は本実施形態にかかる半導体装置の配線構造体10aを説明する断面図である。本実施形態にかかる配線構造体の構成は、第1導電体32の高さ以外、第1実施形態にかかる配線構造体の構成と同じである。第1実施形態と同じである説明は省略し、ここでは第1実施形態に係る配線構造体の構成と相違する部分について説明する。
【0030】
図3に示すように配線構造体10aは、第1絶縁膜20と、複数の配線30aと、第2絶縁膜40と、を備える。
【0031】
第1絶縁膜20の複数の凹部20bのそれぞれには配線30aが配置される。配線30aは、第1絶縁膜20の複数の凹部20bの内部に配置される。配線30aは、第1導電体32aと、第1バリア膜34aとを含む。第1バリア膜34aは、凹部20bに第1絶縁膜20と接して配置される。第1バリア膜34aは、凹部20bの底面および内側面の一部に連続して配置され、第1面20aと離隔している。すなわち、第1バリア膜34aは、凹部20bの内側面の上部には配置されない。第1バリア膜34aの上端部と第1面20aとの距離は、例えば、6nm以上であることが好ましい。
【0032】
第1導電体32aは、凹部20bに第1バリア膜34aと接して配置される。本実施形態において、第1導電体32aは、第1面20aと離隔している。凹部20bにおいて、第1導電体32aの上端部の位置は第1バリア膜34aの上端部の位置と略同じである。第1導電体32aは、底面および側面において第1バリア膜34aと接する。第1導電体32aは、上端部において第2絶縁膜40と接する。第1導電体32aは、第1バリア膜34aおよび第2絶縁膜40で覆われる。第1導電体32aが第1バリア膜34aおよび第2絶縁膜40で覆われることによって、第1導電体32aに含有されている成分が、隣接する膜に拡散することを抑制することができる。第1導電体32aは、第1絶縁膜20と接触しないことが好ましい。
【0033】
第2絶縁膜40は、第1面20aおよび凹部20bの上部に配置される。第2絶縁膜40は、第1面20aにおいて第1導電体32aの上部に配置される(第1部分)。第2絶縁膜40はさらに、第1面20aにおいて隣り合う複数の配線30aどうしの間に配置される第1絶縁膜20の第1面20aに接して配置される(第2部分)。第2絶縁膜40は、凹部20bの上部において第1バリア膜34aの上端部と接して配置される(第3部分)。第2絶縁膜40はさらに、凹部20bの上部において第1導電体32aの上端部と接して配置される(第4部分)。第2絶縁膜40は、第1バリア膜34aの上端部および第1導電体32aの上端部と第1面20aの間に配置され、凹部20bの上部を充填する。
【0034】
本実施形態に係る配線構造体10aは、第1バリア膜34aと第1導電体32aが第1絶縁膜20の第1面20aと離隔し、第2絶縁膜40が凹部20bの上部に配置されることで、第1絶縁膜20と第2絶縁膜40の界面における複数の配線30aの間の距離を拡大することができる。このような構成を有することで、配線構造体10aは、第1絶縁膜20と第2絶縁膜40の界面に形成される電荷トラップサイトまたは欠陥サイトによるリーク電流を抑制することができ、絶縁耐圧を向上することができる。これによって本実施形態に係る半導体装置の配線信頼性を向上することができる。
【0035】
配線構造体10aはさらに、第3絶縁膜50と、層間接続体60と、を備える。本実施形態に係る配線構造体10aは、第1バリア膜34aと第1導電体32aが第1絶縁膜20の第1面20aと離隔し、第2絶縁膜40が凹部20bの上部に配置されることで、第1絶縁膜20と第2絶縁膜40の界面における配線30aと層間接続体60との間の距離を拡大することができる。このような構成を有することで、配線構造体10aは、第1絶縁膜20と第2絶縁膜40の界面に形成される電荷トラップサイトまたは欠陥サイトによるリーク電流を抑制することができ、絶縁耐圧を向上することができる。これによって本実施形態に係る半導体装置の配線信頼性を向上することができる。
【0036】
[配線構造体の製造方法1]
図4Aから
図4Cは本実施形態にかかる半導体装置の配線構造体の製造方法を説明する断面図である。本実施形態にかかる配線構造体の製造方法は、配線30aの形成方法以外、第1実施形態にかかる配線構造体の製造方法と同じである。第1実施形態と同じである説明は省略し、ここでは第1実施形態に係る配線構造体の構成と相違する部分について説明する。
【0037】
図4Aに示すように、第1絶縁膜20に配線30a’を形成する。第1実施形態と同様に、まず第1絶縁膜20の第1面20aに複数の凹部20bを形成し、次に複数の凹部20b内に第1バリア膜34a’を介して第1導電体32a’を形成することで、配線30a’を形成する。
【0038】
図4Bに示すように、配線30a’の第1バリア膜34a’の一部(上端部)および第1導電体32a’の一部(上端部)を除去する。凹部20bの開口付近の第1バリア膜34a’および第1導電体32a’は、例えば、CMPのリセスによって除去され、凹部20bの開口付近にスペースが形成される。一方で、凹部の底面および内側面の一部に連続した第1バリア膜34aとその内側に配置される第1導電体32aとが残る。
【0039】
図4Cに示すように、第1絶縁膜20の第1面20aに第2絶縁膜40を形成する。第2絶縁膜40は、例えば、CVD装置を用いて堆積される。第2絶縁膜40は、凹部20bの開口付近のスペースにも形成される。
【0040】
次に、第2絶縁膜40の上に第3絶縁膜50を形成してもよい。さらに、配線30aと第2面50aを接続する層間接続体60を形成してもよい。第1実施形態と同様の方法で第3絶縁膜50と層間接続体60を形成することで、
図3に示す配線構造体10aを形成することができる。
【0041】
[配線構造体の製造方法2]
図5Aから
図5Cは本実施形態にかかる半導体装置の配線構造体の他の製造方法を説明する断面図である。本実施形態にかかる配線構造体の製造方法は、第1絶縁膜20の形成方法以外、第1実施形態にかかる配線構造体の製造方法と同じである。第1実施形態と同じである説明は省略し、ここでは第1実施形態に係る配線構造体の構成と相違する部分について説明する。
【0042】
図5Aに示すように、第1絶縁膜20に配線30aを形成する。第1実施形態と同様に、まず第1絶縁膜20の第1面20a’に複数の凹部20bを形成し、次に複数の凹部20b内に第1バリア膜34aを介して第1導電体32aを形成することで、配線30aを形成する。
【0043】
図5Bに示すように、複数の凹部20b以外の領域の第1面20a’に第1絶縁膜20をさらに成膜する。第1絶縁膜20を第1面20a’に選択的に成膜するために、まず第1面20a’に露出する第1バリア膜34aと第1導電体32aに成膜阻害剤を成膜してもよい。成膜阻害剤は、例えば、自己組織化単分子膜(Self Assembled Monolayer)であってもよい。成膜阻害剤が露出する第1面20a’に第1絶縁膜20をさらに成膜する。第1絶縁膜20は、例えば、原子層堆積法(ALD: Atomic Layer Deposition)によって成膜してもよい。第1絶縁膜20を追加成膜後、自己組織化単分子膜は除去してもよい。第1面20a’に第1絶縁膜20を追加で成膜することによって、第1面20aは第1バリア膜34aと第1導電体32aの上端部より高くなる。すなわち、複数の凹部20bは深くなり、凹部20bの上部にスぺ―スが形成される。
【0044】
図5Cに示すように、第1絶縁膜20の第1面20aに第2絶縁膜40を形成する。第2絶縁膜40は、例えば、CVD装置を用いて堆積される。第2絶縁膜40は、凹部20bの開口付近のスペースにも形成される。
【0045】
次に、第2絶縁膜40の上に第3絶縁膜50を形成してもよい。さらに、配線30aと第2面50aを接続する層間接続体60を形成してもよい。第1実施形態と同様の方法で第3絶縁膜50と層間接続体60を形成することで、
図3に示す配線構造体10aを形成することができる。
【0046】
<第3実施形態>
[配線構造体の構成]
本実施形態にかかる半導体装置の配線構造体の構成について、
図6を用いて説明する。
図6は本実施形態にかかる半導体装置の配線構造体10bを説明する断面図である。本実施形態にかかる配線構造体の構成は、第1バリア膜34aの高さ以外、第2実施形態にかかる配線構造体の構成と同じである。第1実施形態および第2実施形態と同じである説明は省略し、ここでは第1実施形態および第2実施形態に係る配線構造体の構成と相違する部分について説明する。
【0047】
図6に示すように配線構造体10bは、第1絶縁膜20と、複数の配線30bと、第2絶縁膜40と、を備える。
【0048】
第1絶縁膜20の複数の凹部20bのそれぞれには配線30bが配置される。配線30bは、第1絶縁膜20の複数の凹部20bの内部に配置される。配線30bは、第1導電体32bと、第1バリア膜34bとを含む。第1バリア膜34bは、凹部20bに第1絶縁膜20と接して配置される。第1バリア膜34bは、凹部20bの底面および内側面の一部に連続して配置され、第1面20aと離隔している。すなわち、第1バリア膜34bは、凹部20bの内側面の上部には配置されない。第1バリア膜34bの上端部と第1面20aとの距離は、例えば、6nm以上であることが好ましい。
【0049】
第1導電体32bは、凹部20bに第1バリア膜34bと接して配置される。本実施形態において、第1導電体32bは、第1面20aと離隔している。凹部20bにおいて、第1導電体32bの上端部の位置は第1バリア膜34bの上端部の位置より高い。すなわち、第1導電体32bの上端部の位置は、第1バリア膜34bの上端部の位置と第1面20aの間にある。第1導電体32bは、底面および側面の一部において第1バリア膜34bと接する。第1導電体32bは、上面および側面の一部において第2絶縁膜40と接する。第1導電体32bは、第1バリア膜34bおよび第2絶縁膜40で覆われる。第1導電体32bが第1バリア膜34bおよび第2絶縁膜40で覆われることによって、第1導電体32bに含有されている成分が、隣接する膜に拡散することを抑制することができる。第1導電体32bは、第1絶縁膜20と接触しないことが好ましい。
【0050】
第2絶縁膜40は、第1面20aおよび凹部20bの上部に配置される。第2絶縁膜40は、第1面20aにおいて第1導電体32bの上部に配置される(第1部分)。第2絶縁膜40はさらに、第1面20aにおいて隣り合う複数の配線30bどうしの間に配置される第1絶縁膜20の第1面20aに接して配置される(第2部分)。第2絶縁膜40は、凹部20bの上部において第1導電体32bの上端部と接して配置される(第4部分)。第2絶縁膜40はさらに、凹部20bの内側面において第1バリア膜34bの上端部と接して配置される(第3部分)。第2絶縁膜40は、第1バリア膜34bの上端部と第1面20aおよび第1導電体32bの上端部と第1面20aの間に配置され、凹部20bの上部および第1導電体32bと第1絶縁膜20の間を充填する。
【0051】
本実施形態に係る配線構造体10bは、第1バリア膜34bと第1導電体32bが第1絶縁膜20の第1面20aと離隔し、第2絶縁膜40が凹部20bの上部および第1導電体32bと第1絶縁膜20の間に配置されることで、第1絶縁膜20と第2絶縁膜40の界面における複数の配線30bの間の距離を拡大することができる。このような構成を有することで、配線構造体10bは、第1絶縁膜20と第2絶縁膜40の界面に形成される電荷トラップサイトまたは欠陥サイトによるリーク電流を抑制することができ、絶縁耐圧を向上することができる。これによって本実施形態に係る半導体装置の配線信頼性を向上することができる。
【0052】
配線構造体10bはさらに、第3絶縁膜50と、層間接続体60と、を備える。本実施形態に係る配線構造体10bは、第1バリア膜34bと第1導電体32bが第1絶縁膜20の第1面20aと離隔し、第2絶縁膜40が凹部20bの上部および第1導電体32bと第1絶縁膜20の間に配置されることで、第1絶縁膜20と第2絶縁膜40の界面における配線30bと層間接続体60との間の距離を拡大することができる。このような構成を有することで、配線構造体10bは、第1絶縁膜20と第2絶縁膜40の界面に形成される電荷トラップサイトまたは欠陥サイトによるリーク電流を抑制することができ、絶縁耐圧を向上することができる。これによって本実施形態に係る半導体装置の配線信頼性を向上することができる。
【0053】
[配線構造体の製造方法1]
図7Aから
図7Cは本実施形態にかかる半導体装置の配線構造体の製造方法を説明する断面図である。本実施形態にかかる配線構造体の製造方法は、配線30aの形成方法まで、第2実施形態にかかる配線構造体の製造方法と同じである。第1実施形態および第2実施形態と同じである説明は省略し、ここでは第1実施形態および第2実施形態に係る配線構造体の構成と相違する部分について説明する。
【0054】
図7Aに示すように、第1絶縁膜20に配線30b’を形成する。配線30b’の形成方法は、第2実施形態の
図4Aから
図4Bまたは
図5Aから
図5Bまでと同じであることからここでは省略する。
【0055】
図7Bに示すように、配線30b’の第1バリア膜34b’の一部(上端部)を除去する。第1バリア膜34b’の上端部は、例えば、反応性イオンエッチングにより異方性エッチングすることで選択的に除去され、凹部20bの第1絶縁膜20と第1導電体32bの間にスペースが形成される。一方で、凹部の底面および内側面の一部に連続した第1バリア膜34bが残る。
【0056】
図7Cに示すように、第1絶縁膜20の第1面20aに第2絶縁膜40を形成する。第2絶縁膜40は、例えば、CVD装置を用いて堆積される。第2絶縁膜40は、凹部20bの開口付近および凹部20bの第1絶縁膜20と第1導電体32bの間のスペースにも形成される。
【0057】
次に、第2絶縁膜40の上に第3絶縁膜50を形成してもよい。さらに、配線30bと第2面50aを接続する層間接続体60を形成してもよい。第1実施形態と同様の方法で第3絶縁膜50と層間接続体60を形成することで、
図6に示す配線構造体10aを形成することができる。
【0058】
[配線構造体の製造方法2]
図8Aから
図8Dは本実施形態にかかる半導体装置の配線構造体の他の製造方法を説明する断面図である。本実施形態にかかる配線構造体の製造方法は、配線30の形成方法まで、第1実施形態にかかる配線構造体の製造方法と同じである。第1実施形態および第2実施形態と同じである説明は省略し、ここでは第1実施形態および第2実施形態に係る配線構造体の構成と相違する部分について説明する。
【0059】
図8Aに示すように、第1絶縁膜20に配線30b’を形成する。配線30b’の形成方法は、第1実施形態の
図2Aから
図2Cまでと同じであることからここでは省略する。
【0060】
図8Bに示すように、第1面20a上の第2絶縁膜40’は、化学機械研磨法(Chemical Mechanical Polishing)によって除去することで、複数の凹部20bの開口に第2絶縁膜40’および第1導電体32b’を露出する配線30b’を形成する。
【0061】
図8Cに示すように、第2絶縁膜40’の一部(上端部)および配線30b’の第1導電体32b’の一部(上端部)を除去する。凹部20bの開口付近の第2絶縁膜40’および第1導電体32b’は、例えば、CMPのリセスによって除去され、凹部20bの開口付近にスペースが形成される。一方で、凹部20bの第1絶縁膜20と第1導電体32bとの間の第2絶縁膜40’、凹部の底面および内側面の一部に連続した第1バリア膜34bとその内側に配置される第1導電体32bとが残る。
【0062】
図8Dに示すように、第1絶縁膜20の第1面20aに第2絶縁膜40を形成する。第2絶縁膜40は、例えば、CVD装置を用いて堆積される。第2絶縁膜40は、凹部20bの開口付近のスペースにも形成される。
【0063】
次に、第2絶縁膜40の上に第3絶縁膜50を形成してもよい。さらに、配線30bと第2面50aを接続する層間接続体60を形成してもよい。第1実施形態と同様の方法で第3絶縁膜50と層間接続体60を形成することで、
図6に示す配線構造体10aを形成することができる。
【0064】
<第4実施形態>
[半導体装置の構成]
本実施形態にかかる半導体装置1の構成について、
図9を用いて説明する。
図9は、半導体装置1の基本的な構成を示す断面図である。
図9に示すように、半導体装置1は貼合基板であり、メモリセルアレイチップ100と、制御回路(CMOS回路)チップ200とを備える。メモリセルアレイチップ100と、制御回路チップ200とは、接続面C1にて接続される。
【0065】
[メモリセルアレイチップの構造]
図9に示すように、メモリセルアレイチップ100は、複数の電極層160と、メモリ側配線層170と、を有する。複数の電極層160は、図示しない複数の絶縁層と交互に積層される。積層された複数の電極層160を貫通して基板と垂直方向に半導体ピラーCLが配置される。それぞれの半導体ピラーCLは、絶縁層を介して複数の電極層160と組み合わされることで、メモリセルを含む複数のトランジスタとして機能する。すなわち、メモリセルアレイ領域110においては、メモリセルを含む複数のトランジスタが3次元配置される。半導体ピラーCLは、一方の端(基板側)においてソース線に電気的に接続され、他方の端(基板とは反対側)においてビット線BLを含むメモリ側配線層170に電気的に接続される。メモリ側配線層170の接続面C1には、制御回路チップ200と接続するための接続端子が配置される。
【0066】
基板上には、メモリセルアレイ領域110と並んでコンタクト領域120が配置される。コンタクト領域120において、複数の電極層160は、それぞれ階段状に端子部分が引き出されている。そして、それぞれの端子部分は絶縁膜に開口されたコンタクトホールを介して垂直方向の配線と接続されている。これら垂直方向の配線はメモリ側配線層170と電気的に接続され、接続端子を介して制御回路チップ200と接続される。
【0067】
[制御回路チップの構造]
図9に示すように、制御回路チップ200は、基板250と、制御回路を構成する複数のトランジスタ260と、回路側配線層270と、を有する。複数のトランジスタ260は基板250に形成され、基板250とは反対側において回路側配線層270に電気的に接続される。回路側配線層270の接続面C1にはメモリセルアレイチップ100と接続するための接続端子が配置される。基板250はシリコン基板などの半導体ウエハであってもよい。
【0068】
本実施形態に係る配線構造体10dは第1実施形態から第3実施形態で説明した構成を有し、メモリ側配線層170および回路側配線層270に含まれてもよい。ここで配線構造体10dは、メモリ側配線層170および回路側配線層270の配線やビアプラグに相当する。メモリ側配線層170において配線構造体10dは、例えば、ビット線BLとビット線BLの接続面C1側に接続するビアVIAであってもよい。回路側配線層270において配線構造体10dは、例えば、複数のトランジスタ260と接続する配線30と配線30の接続面C1側に接続する層間接続体60であってもよい。
【0069】
本実施形態にかかる配線構造体10dの構成について、
図10を用いて説明する。
図10は、半導体装置1の回路側配線層の構成を示す断面図である。
図10に示すように、回路側配線層は複数の配線30および複数の層間接続体60を含む。複数の配線30のそれぞれは、例えば、線状で一方向(Y方向)に延在する。複数の層間接続体60は、少なくとも1つの配線30cに接続する。層間接続体60が接続される配線30cと隣接する配線30dは、例えば、層間接続体60の位置ずれなどが生じた際に、層間接続体60との距離が近づくことがある。このため、本実施形態に係る配線構造体10dは、層間接続体60が接続される配線30cと、それに隣接する配線30dであってもよい。本実施形態に係る配線構造体10dは、層間接続体60が接続される配線30cに隣接する配線30dであることが好ましい。
【0070】
本実施形態に係る配線構造体10dは、層間接続体60が接続される配線30cに隣接する配線30dの第1バリア膜34が第1絶縁膜20の第1面20aと離隔して配置されることで、第1絶縁膜20と第2絶縁膜40の界面における層間接続体60と配線30dとの間の距離を拡大することができる。このような構成を有することで、配線構造体10dは、第1絶縁膜20と第2絶縁膜40の界面に形成される電荷トラップサイトまたは欠陥サイトによるリーク電流を抑制することができ、絶縁耐圧を向上することができる。これによって本実施形態に係る半導体装置の配線信頼性を向上することができる。
【符号の説明】
【0071】
1 半導体装置、10 配線構造体、20 第1絶縁膜、30 配線、32 第1導電体、34 第1バリア膜、40 第2絶縁膜、50 第3絶縁膜、60 層間接続体、62 第2導電体、64 第2バリア膜、100 メモリセルアレイチップ、200 制御回路チップ