JP2009135481A - 半導体装置 - Google Patents

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Abstract


【課題】インダクタのQ値を向上させ、かつ、半導体装置の小型化の要求に応えることができる半導体装置を提供すること。
【解決手段】半導体装置1は、インダクタ141を含む配線を有し、絶縁層21に形成された配線溝に前記インダクタ141を含む配線が埋設された銅配線層14と、インダクタを含まず、他の絶縁層15,17,19に形成された配線溝に埋設された銅配線層11〜13とが積層されている。
インダクタ141の平均グレインサイズが、インダクタを含まない銅配線層11〜13の配線の平均グレインサイズよりも大きい。
【選択図】図1

Description

本発明は、半導体装置に関する。
従来、図6,7に示すように、半導体装置900には、インダクタ901が設けられている(特許文献1参照)。図7は、図6のVII-VII方向の断面図である。
このインダクタ901は、多層配線の最上層の配線層904に設けられており、絶縁層903上に配置されている。そして、インダクタ901上にはSiOからなる絶縁層905、絶縁層902が設けられている。
インダクタ901は最上層の配線層904に設けられているため、半導体基板とインダクタ901との間の寄生容量が少なくなるとともに、インダクタ901の厚みを厚くして、抵抗値を下げ、インダクタのQ値を向上させている。
なお、インダクタ901およびインダクタ901以外の配線は、従来、電解めっき法により成膜されている。
特開2004−31520号公報 特開2006−196883号公報 特開2003−109960号公報
しかしながら、近年、さらなるQ値の向上が求められているが、従来の半導体装置では、Q値を高くすることが困難であった。
これは以下のような理由によるものである。
最上層の配線層904の厚みは最大で10μm程度であるため、インダクタ901の厚みは数μmが限界である。このため、インダクタ901のQ値が低くなってしまう。
また、インダクタのQ値を向上させるために、インダクタの配線幅を広くすることも考えられるが、半導体装置を平面視した場合のインダクタの専有面積が大きくなるため、半導体装置の小型化が阻害されてしまう。
本発明者らは、鋭意検討した結果、インダクタの平均グレインサイズがQ値向上に大きく寄与することを見出した。インダクタの平均グレインサイズを大きくすることで、インダクタのQ値を向上させることができ、かつ、半導体装置の小型化を達成することができることがわかった。
本発明によれば、インダクタを含む配線を有し、絶縁層に形成された配線溝に埋設された銅配線層と、インダクタを含まず、他の絶縁層に形成された配線溝に埋設された銅配線層とが積層された半導体装置において、前記インダクタの平均グレインサイズが、前記インダクタを含まない前記銅配線層の配線の平均グレインサイズよりも大きい半導体装置が提供される。
従来の半導体装置においては、インダクタおよびインダクタ以外の配線は、電解めっき法により形成されているため、インダクタの平均グレインサイズは、インダクタを含まない配線層の配線の平均グレインサイズと同じである。
これに対し、本発明では、インダクタの平均グレインサイズがインダクタを含まない銅配線層の配線の平均グレインサイズよりも大きい。インダクタの平均グレインサイズが従来の半導体装置に比べ大きくなっており、従来の半導体装置に比べ、インダクタの低抵抗化を図ることができ、Q値を向上させることができる。
本発明では、インダクタの平均グレインサイズを大きくすることで、インダクタの低抵抗化を図っており、インダクタの専有面積を大きくする必要がないので、半導体装置の小型化を妨げることがない。
なお、本発明において、グレインサイズとは、各グレインの長軸と短軸の平均値から求められ、平均グレインサイズとは、各グレインサイズの数平均のことである。グレインサイズはグレインをTEM等で観察することで測定することができる。
また、本発明において、グレインサイズとは、配線がシード膜とこのシード膜上に設けられた銅膜とを有する場合には、シード膜を除いた銅膜のグレインサイズを意味する。
本発明によれば、インダクタのQ値を向上させ、かつ、半導体装置の小型化の要求に応えることができる半導体装置が提供される。
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
図1を参照して、本実施形態の半導体装置1の概要について説明する。
本実施形態の半導体装置1は、インダクタ141を含む配線を有し、絶縁層21に形成された配線溝に前記インダクタ141を含む配線が埋設された銅配線層14と、インダクタを含まず、他の絶縁層15,17,19に形成された配線溝に埋設された銅配線層11〜13とが積層されている。
インダクタ141の平均グレインサイズが、インダクタを含まない銅配線層11〜13の配線の平均グレインサイズよりも大きい。
なお、図1においては図面の見やすさを考慮し、絶縁層の断面のハッチングを省略している。
次に、本実施形態の半導体装置1について詳細に説明する。
この半導体装置1は、図示しない半導体基板上に複数の銅配線層11〜14が積層されたものである。銅配線層11〜14は銅を含有していればよく、銅単体であってもよく、さらには銅合金であってもよい。
各配線層11〜14は、半導体基板上に積層された複数の絶縁層15、17,19,21中にそれぞれ設けられている。
各配線層11〜14は、ビアVにより接続されている。このビアVは配線層11〜14が設けられた絶縁層15、17,19,21間にそれぞれ配置された絶縁層16,18,20中に設けられている。ビアVも銅を含有していることが好ましく、銅単体であってもよく、さらには銅合金であってもよい。
ここで、絶縁層15〜21としては、たとえば、SiOC膜等の低誘電率膜や、SiO膜等があげられる。
最上層の配線層14は、インダクタ141と、インダクタ141以外の配線142とを含むものである。
インダクタ141の平面形状は、図2に示すように開環したリング形状である。なお、図1は図2のI-I方向の断面を示したものである。
インダクタ141は、銅のシード膜141Aと、このシード膜141A上に設けられた銅膜141Bとを有する。
ここで、インダクタ141は、絶縁層21に形成された配線溝中に埋設されており、インダクタ141の延在方向と直交する方向の断面におけるインダクタ141の配線幅W1は、5μm以上である。インダクタ141の配線幅W1の上限は特にないが、インダクタ141の専有面積等を考慮すると、20μm以下であることが好ましい。
配線142は、銅のシード膜141Aと、このシード膜141A上に設けられた銅膜142Bとを有する。
配線142の配線幅は、インダクタ141の配線幅よりも狭く、たとえば0.5μm以上、3μm以下である。
本実施形態では、インダクタ141の平均グレインサイズは、配線層14におけるインダクタ141以外の配線142の平均グレインサイズよりも大きい。
インダクタ141の平均グレインサイズはたとえば、4μm以上、20μm以下である。なかでも5μm以上であることが好ましい。このようにすることで、確実にインダクタ141の抵抗を低下させることができる。
また、インダクタ141の厚みTは、たとえば、0.5μm以上4μm以下であり、インダクタ141の厚みT/インダクタ141の配線幅W1で示されるアスペクト比が0.2以下であることが好ましい。なかでもインダクタ141の厚みTは、たとえば、0.5μm以上2μm以下であることが特に好ましい。なお、アスペクト比の下限値については特に限定がないが、インダクタ141の平面における専有面積等を考慮すると、0.05以上であることが好ましい。
このようなインダクタ141は、面方位が(200)である銅を含む。
また、インダクタ141は、図3に示すように、インダクタ141の延在方向と直交する方向の断面において、インダクタ141が埋設された配線溝の側壁から中心部に向かってインダクタ141のグレインサイズが大きくなっている。
このようにグレインの位置する場所によりグレインサイズが異なるが、いずれのグレインも他の配線層11〜13の配線の平均グレインサイズよりも大きい。
より詳細に説明すると、インダクタ141の配線溝の側壁側に面方位が(111)である銅のグレインが配置され、配線溝の中央に面方位が(200)の銅のグレインが配置されている。詳しくは後述するが、バイアススパッタ(Cu膜)膜140Bを成膜して、熱処理を行う製法により、製造したインダクタ141ではグレインの配置が以上のような配置になる。
なお、図3は、図1のインダクタ141部分の拡大図である。
インダクタを含まない配線層11〜13は、インダクタ141を含む配線層14よりも下層の配線層であり、それぞれ半導体基板側から第一配線層11、第二配線層12、第三配線層13となっている。
各配線層11〜13の配線は、配線溝に沿って形成された銅のシード膜101と、この銅のシード膜101上に設けられた銅膜102とを有する。
第一配線層11の配線幅、第二配線層12の配線幅、第三配線層13の配線幅はたとえば0.1μm〜0.8μmである。
第一配線層11、第二配線層12、第三配線層13の各配線幅は、最上層の配線層14の配線幅W1よりも狭くなっている。
このような第一配線層11の配線の平均グレインサイズ、第二配線層12の平均グレインサイズ、第三配線層13の平均グレインサイズは、いずれも上述したインダクタ141の平均グレインサイズよりも小さくなっている。
たとえば、第一配線層11の配線の平均グレインサイズ、第二配線層12の平均グレインサイズ、第三配線層13の平均グレインサイズは、それぞれ、インダクタ141の平均グレインサイズの1/10以下である。具体的には0.01μm程度である。
ここで、本実施形態で、単に「平均グレインサイズ」といった場合には、銅膜141B,142B,102のグレインサイズの数平均を意味する。
なお、本実施形態では、第一配線層11、第二配線層12、第三配線層13のシード膜101の平均グレインサイズは、配線層14のシード膜141Aの平均グレインサイズと同等である。
次に、半導体装置1の製造方法について説明する。
はじめに絶縁層15に配線溝を形成し、CVD法等により、銅のシード膜101を設ける。その後、シード膜101上に電解めっきにより銅膜102を形成し、配線溝を埋め込んで第一配線層11を形成する。
次に、絶縁層15上に絶縁層16を設け、ビアVを形成する。
この操作を繰り返し、第二配線層12、ビアV、第三配線層13、ビアVを形成する。
次に、最上層の絶縁層21を設け、この絶縁層21中に配線溝を形成する。
ここで、図4を参照して、絶縁層21に形成される配線層14の形成方法について説明する。なお、図4では配線層14、およびこの配線層14が設けられる絶縁層21のみを示し、下層の配線層等については省略している。また、図4では見やすさを考慮し絶縁層21のハッチングを省略している。
はじめに、絶縁層21に形成された配線溝に、たとえば、15nm程度のTaN膜等のバリアメタルを設けた後(図示略)、このバリアメタル上に銅のシード膜141Aを形成する(図4(A))。
シード膜141Aは、たとえば厚みが100nmであり、スパッタリングにより成膜することができる。
次に、このシード膜141A上に電解めっきにより銅膜140Aを形成する。
銅膜140Aの厚みは、たとえば、500nmである。銅膜140Aは、(111)配向を有する。
ここで、シード膜141Aと銅膜140Aとの合計膜厚をt1とする(図4(B))。
次に、半導体基板に対しRF(高周波)バイアス又はDC(直流)バイアスを印加し、スパッタ成長表面をアルゴンイオンで照射しながら膜厚t2のCu(バイアススパッタCu膜)膜140Bを成膜する。この膜厚t2がt1よりも大きくなるように(t2>t1となるように)する(図4(C))。
t2はたとえば、700nmとする。また、アルゴンのイオンエネルギは、たとえば、80eVである。
次に、結晶制御のために、アルゴン(Ar)又は窒素雰囲気中で熱処理を行う。たとえば、熱処理は、400℃で30分行う。このとき、結晶配向性がCu(200)に変わり、同時に巨大なグレインを有するCu膜140Cが形成される(図4(D))。次に、機械的化学研磨(CMP)により配線以外のCuを除去することにより配線が形成される。
ここで、本実施形態では、インダクタ141の配線幅W1を5μm以上としているのに対し、インダクタ141以外の配線142の配線幅を3μm以下としている。
そのため、インダクタ141の平均グレインサイズは、大きくなるものの、インダクタ141以外の配線142の平均グレインサイズはさほど大きくならない。
これは、配線溝の幅が狭い場合には、グレインが巨大化できないことによるものである。
このような本実施形態によれば、以下の効果を奏することができる。
インダクタ141の平均グレインサイズがインダクタを含まない銅配線層11〜13の配線の平均グレインサイズよりも大きい。
従来の半導体装置においては、インダクタを含む銅配線層およびインダクタを含まない銅配線層いずれも、通常、電解めっき法により成膜されており、インダクタの平均グレインサイズは、インダクタを含まない配線層の配線の平均グレインサイズと同じである。従って、本実施形態では、インダクタ141の平均グレインサイズが電解めっき法で成膜された銅配線層11〜13の平均グレインサイズよりも大きくなっており、インダクタの平均グレインサイズが従来の半導体装置に比べ大きくなっている。従って、従来の半導体装置に比べ、インダクタ141の低抵抗化を図ることができ、Q値を向上させることができる。
たとえば、本実施形態においては、インダクタ141の抵抗値が1.75μΩ・cmであるのに対し、銅配線層11〜13の各配線の抵抗値は2.0μΩ・cmとなる。
本実施形態では、インダクタ141の平均グレインサイズを大きくすることで、インダクタ141の低抵抗化を図っており、インダクタ141の専有面積を大きくする必要がないので、半導体装置1の小型化を妨げることがない。
さらに、インダクタ141の平均グレインサイズがインダクタを含まない銅配線層11〜13の配線の平均グレインサイズの10倍以上となっている。そのため、インダクタの平均グレインサイズがインダクタを含まない配線層の配線の平均グレインサイズと同じである従来の半導体装置に比べて、インダクタ141の低抵抗化を確実に図ることができ、Q値を向上させることができる。
また、本実施形態では、インダクタ141の配線幅W1を5μm以上としている。
本発明者は、以前に特許文献3に開示された技術を発案している。これは、配線のグレインサイズを大きくすることで、配線の低抵抗化、エレクトロマイグレーション耐性の向上を図るものである。しかしながら、本発明者らが検討した結果、配線幅が小さいとグレインサイズが大きくならならず、ある程度の配線幅がないとグレインサイズは大きくならないことが判明した。
通常、インダクタはその抵抗値を低下させるために、配線幅が幅広に形成されている。本発明者らは、特許文献3の技術を一定以上の配線幅を有するインダクタに使用することで、はじめてグレインサイズを十分に大きくすることができ、抵抗値を下げてインダクタのQ値を向上させることができることがわかった。
以上のような点から、インダクタ141の配線幅W1を5μm以上とすることで、インダクタ141の平均グレインサイズを確実に大きくすることができる。
さらには、インダクタ141の厚みT/インダクタ141の配線幅W1で示されるアスペクト比を0.2以下としている。アスペクト比が小さい、換言すると、インダクタ141の厚みが薄く、配線幅が広い場合において、本実施形態のインダクタの形成方法を使用することで、確実にグレインサイズを大きくすることができる。
なお、インダクタのアスペクト比が大きい場合には、配線溝の底部のグレインサイズが大きくならない場合がある。
さらには、インダクタ141の平均グレインサイズを4μm以上、好ましくは5μm以上としている。
本発明者が検討した結果、図5に示すようにインダクタの平均グレインサイズを4μm以上とすることで、抵抗値が急激に低下することが確認された。
従って、インダクタ141のグレインサイズの平均値を4μm以上とすることで、より低抵抗のインダクタとすることができる。
また、本実施形態では、インダクタ141の延在方向と直交する方向の断面において、インダクタ141が埋設された配線溝の側壁から中心部に向かってインダクタ141のグレインサイズが大きくなっている。
このようにグレインの位置する場所によりグレインサイズが異なるが、いずれのグレインも従来の電解めっき法により成膜されたインダクタのグレインよりも大きいため、低抵抗のインダクタ141となる。
なお、本発明は前述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれるものである。
たとえば、前記実施形態では、配線層14の配線142の平均グレインサイズは、インダクタ141の平均グレインサイズよりも小さいとしたが、インダクタ141の平均グレインサイズと同じであってもよい。
この場合には、インダクタ141の配線幅と、配線142の配線幅とを同じにすればよい。
さらに、前記実施形態では、インダクタ141の延在方向と直交する方向の断面において、インダクタ141が埋設された配線溝の側壁から中心部に向かってインダクタ141のグレインサイズが大きくなっているとしたが、これに限らず、インダクタ141の延在方向と直交する方向の断面において、配線溝にグレインが一つしかなくてもよい。前述したバイアススパッタ(Cu膜)膜140Bを成膜して、熱処理を行う製法により、製造することで、インダクタ141の延在方向と直交する方向の断面において、配線溝にグレインが一つしかないものとすることも可能である。
次に、本発明の実施例について説明する。
前記実施形態と同様の方法で半導体装置1を製造した。
具体的には、半導体基板上に、絶縁層15を積層するとともにこの絶縁層15中に銅の配線層11を形成した。
配線層11の配線幅は0.1μmであり、シード膜101はスパッタリングにより成膜した。このシード膜101の厚みは100nmである。銅膜102は電解めっきにより成膜した。
同様の操作を繰り返し、絶縁層16〜21を設けるとともに、配線層12,13およびビアVを形成した。
配線層12,13,ビアVのシード膜101はスパッタリングにより成膜した。また、シード膜101の厚みは100nmである。銅膜102は電解めっきにより成膜した。さらに、配線層12,13の配線幅は0.1μmである。
なお、絶縁層15、17,19,21としては、SiCN膜を使用し、絶縁層16,18,20としては、SiO膜を使用した。
次に、絶縁層21中に配線溝を形成した。インダクタ141を形成すべき配線溝の配線幅は10μmであり、インダクタ141以外の配線142の配線幅は2μmであり、インダクタ141の厚み/インダクタ141の配線幅で示されるアスペクト比は0.1であった。
その後、配線溝にシード膜141Aをスパッタリングにより成膜した。このシード膜141Aの厚みは100nmである。
次に、電解めっきにより、500nm厚の銅膜140Aを成膜した。このとき、シード膜141Aと銅膜140Aの結晶配向性はCu(111)であった。次に、クリーニングチャンバにて室温のAr/Hプラズマにより、銅膜140A表面の酸化銅が還元された。
その後、大気中に曝さずに、Cuスパッタチャンバにて、基板にRF又はDCバイアスが印加され、アルゴンイオンを成長表面に照射しながらスパッタ成膜した。その結果、銅膜140A上にCu(バイアススパッタCu層)膜140Bが形成された。このときのアルゴンのイオンエネルギ(プラズマポテンシャル、即ち自己バイアス)は80eVであった。又、成膜膜厚(t2)は膜厚(t1)よりも厚い700nmとした。即ち、t2>t1となるようにした。又、基板は成膜中のプラズマ照射による温度上昇を防ぐために、−5℃に設定した。
次に、アルゴン雰囲気中で温度400℃で30分間熱処理を行った。このとき、インダクタ141の結晶配向性がCu(111)からCu(200)に変化し、同時に巨大なグレインを有するCu膜140Cが形成された。次に、機械的化学研磨(CMP)により配線部以外のCuを除去した。
このような半導体装置では、インダクタ141の平均グレインサイズは4μmであった。さらに、配線層11〜13の配線の平均グレインサイズは0.01μmであった。また、配線層14のインダクタ141以外の配線142の平均グレインサイズは、インダクタ141の平均グレインサイズよりも小さかった。
なお、ここでは、配線あるいはインダクタの延在方向と直交する2から4の断面を解析し、各断面のグレインを計測した。そして、各配線のグレインサイズの数平均と、インダクタのグレインサイズの数平均を算出した。
また、インダクタ141は、面方位が(200)である銅を含み、インダクタ141が埋設された配線溝の側壁から中心部に向かってインダクタ141のグレインサイズが大きくなっていた。さらには、インダクタの配線溝の側壁側に面方位が(111)である銅のグレインが配置され、配線溝の中央に面方位が(200)の銅のグレインが配置されていた。
また、インダクタ141の抵抗値は1.75μΩ・cmであったのに対し、銅配線層11〜13の各配線の抵抗値は2.0μΩ・cmであった。
なお、インダクタ141の延在方向と直交する断面におけるインダクタ141の配線幅を5μm以上とすることで、インダクタ141の平均グレインサイズを確実に4μm以上とでき、配線層11〜13の配線の平均グレインサイズよりも確実に大きくできる(たとえば、10倍以上)ことがわかっている。さらに、インダクタ141の厚みT/インダクタ141の配線幅W1で示されるアスペクト比を0.2以下とすることで、平均グレインサイズを確実に大きくできることがわかっている。
本発明の一実施形態にかかる半導体装置を示す断面図である。 半導体装置のインダクタを示す平面図である。 半導体装置の要部を示す断面図である。 半導体装置の製造工程を示す図である。 インダクタの平均グレインサイズと抵抗値との関係を示す図である。 従来の半導体装置を示す平面図である。 従来の半導体装置の断面図である。
符号の説明
1 半導体装置
11 第一配線層
12 第二配線層
13 第三配線層
14 銅配線層
15〜21 絶縁層
101 シード膜
102 銅膜
140A 銅膜
140B 銅膜
140C 銅膜
141 インダクタ
141A シード膜
141B 銅膜
142 配線
142B 銅膜
900 半導体装置
901 インダクタ
902 絶縁層
903 絶縁層
904 配線層
905 絶縁層
V ビア

Claims (8)

  1. インダクタを含む配線を有し、絶縁層に形成された配線溝に埋設された銅配線層と、
    インダクタを含まず、他の絶縁層に形成された配線溝に埋設された銅配線層とが積層された半導体装置において、
    前記インダクタの平均グレインサイズが、前記インダクタを含まない前記銅配線層の配線の平均グレインサイズよりも大きい半導体装置。
  2. 請求項1に記載の半導体装置において、
    前記インダクタの延在方向と直交する断面における前記インダクタの配線幅が5μm以上である半導体装置。
  3. 請求項1または2に記載の半導体装置において、
    前記インダクタの厚み/前記インダクタの配線幅で示されるアスペクト比が0.2以下である半導体装置。
  4. 請求項1乃至3のいずれかに記載の半導体装置において、
    前記インダクタの平均グレインサイズが4μm以上である半導体装置。
  5. 請求項1乃至4のいずれかに記載の半導体装置において、
    前記インダクタは、面方位が(200)である銅を含む半導体装置。
  6. 請求項1乃至5のいずれかに記載の半導体装置において、
    前記インダクタの延在方向と直交する断面において、前記インダクタが埋設された前記配線溝の側壁から中心部に向かって前記インダクタのグレインサイズが大きくなる半導体装置。
  7. 請求項1乃至6のいずれかに記載の半導体装置において、
    前記インダクタの延在方向と直交する断面において、前記インダクタの前記配線溝の側壁側に面方位が(111)である銅のグレインが配置され、前記配線溝の中央に面方位が(200)の銅のグレインが配置されている半導体装置。
  8. 請求項1乃至7のいずれかに記載の半導体装置において、
    前記インダクタの平均グレインサイズが、前記インダクタを含まない前記銅配線層の配線の平均グレインサイズの10倍以上である半導体装置。
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