JP4937489B2 - 受動素子を有する半導体デバイスおよびそれを作製する方法 - Google Patents
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Description
本発明は半導体デバイスおよび半導体デバイスを作製する方法、特に少なくとも1つの受動素子を備え、無線通信システムでの使用に適した半導体デバイスに関する。
【0002】
多くの電子デバイスが、半導体デバイス製造技術の技術水準の点から、設計の限界やその結果としての性能の限界に直面している。例えば無線通信システムは、一般に比較的少数の半導体チップしか含まないが数百の受動素子を有する。形状係数を高め電力削減を促進し、109Hzまたはそれより高いオーダーの周波数における性能と機能性を向上させる努力が続くにつれて、受動素子を個々のチップまたはモジュール内に、そして(シリコン含有基板のような)活性基板上に統合することが望まれるようになっている。
【0003】
様々なオンチップキャパシタおよびレジスタの技術が現在存在しており、その例にはダブルポリキャパシタ、ゲート酸化物キャパシタ、接合キャパシタまたは拡散シリコンレジスタもしくはポリシリコンレジスタが含まれる。多くの応用例が上記の技術の結果生じる性能特性の向上の恩恵を受けるであろう。例えば、寄生キャパシタンスの削減、電圧直線性の向上、電極のシリーズ抵抗の削減、1/fノイズ削減の分野において向上が求められている。また、結果としてできるデバイスが、活性基板(例えばSiチップ)の後面に統合されることも望まれており、このことはこれまで既存の技術を用いては達成されなかったことである。
【0004】
(図面の詳細な説明)
図1では、金属−絶縁体−金属キャパシタまたは薄膜レジスタのような半導体受動素子の組み合わせの例が示されている。図1に示すような好ましい実施形態では、発明は金属−絶縁体−金属キャパシタと少なくとも1つの薄膜レジスタとの組み合わせを内蔵するデバイスを意図している。図1は2つの薄膜レジスタを内蔵する実施形態も示す。別の実施形態では、金属−絶縁体−金属キャパシタ(または別の受動素子)が除かれてもよく、または本発明の方法に基づいて製造される1つまたは複数のレジスタ素子と電気的に連絡状態にある別個のデバイス内で用いられてもよいことが意図されている。
【0005】
概して、本発明のデバイスは、誘電体の層(すなわち絶縁層)に形成された溝に堆積される金属層であって、その後過剰な材料を取り除くよう処理して得られるその露出表面が実質的に誘電体層の最初の表面と同一平面上になる金属層を備えることにより特徴付けられる。金属層は銀、金、銅、アルミニウムまたはそれらの混合物であることが好ましく、銅が最も好ましい金属である。従って、より特定的には、デバイスは材料の層に形成される少なくとも1つの銅のダマシン金属層を備えることにより特徴付けられる。好適な実施形態では、キャパシタの電極は、1つまたはそれ以上のキャパシタ、レジスタ、もしくは両方の組み合わせの端子となる1つのダマシン銅層から形成される。しかしながら、当業者は1つの受動素子が複数のダマシン層上に形成されうること、1つの受動素子が1つのダマシン層上に形成されうること、1つまたはそれ以上の受動素子が多数のダマシン層上に形成されうることを認識するであろう。
【0006】
さらに詳しく説明するため、図1は適当な半導体基板10を備えたデバイスを示す。基板10に隣接するのは、内部に画成された溝15を有する第1の絶縁誘電層12である。溝15の底部を定める面では、ビア14が、溝15を満たす金属層16と基板10を導電的に接続する材料(好ましくはダマシン金属層、さらに好ましくはダマシン銅層)を含む。図1に示すように、金属層16の一部または全部上では除かれる可能性のある、金属層16の上に形成される任意選択のバリア誘電層18がある。例えば、図1は、金属層16の一部を露出させ、それによって金属層16と第1のすなわち下方のキャパシタ電極層20との間を直接接触させる、バリア誘電層18の窓口開口部を図示する。金属層16はひと続きに示されているが、多数の部分に分割されてもよい。多数のキャパシタが1つの金属層16の上に形成されてもよいことに注意すべきである。
【0007】
キャパシタ電極層20は、その長さの少なくとも一部が金属層16とキャパシタ誘電層22との間に挟まれている。第2のすなわち上方のキャパシタ電極層24がキャパシタ誘電層22の少なくとも一部に隣接する。第2のキャパシタ電極層24は任意選択でその表面の少なくとも一部を覆うエッチング停止層26を備えてもよい。キャパシタ電極層20、キャパシタ誘電層22、キャパシタ電極層24の組み合わせおよび任意選択のエッチング停止層26は、本発明のキャパシタ素子の構造を総括的に定義する。
【0008】
第1のレジスタ28、好ましくは薄膜レジスタは、(金属−絶縁体−金属キャパシタが使用される実施形態においては)第1のキャパシタ電極層20と同じ材料を用いることが好ましい、適当な材料で形成される。従って、レジスタ28と第1のキャパシタ電極層20は共通の材料で形成される。第1のレジスタ28は、第1の絶縁誘電層12と直接接するか、または任意選択のバリア誘電層18によりその表面の少なくとも一部の上で第1の絶縁誘電層12からは離れた状態で、第1の絶縁誘電層12に隣接する。レジスタ28は、ビア40および金属層44により上方から接触されるか、または任意選択で金属層16およびビア14によって接触される。金属層16がひと続きの場合にはビア14の1つだけでよいことに注意すべきである。任意選択で1つまたはそれ以上の誘電層が第1のレジスタ28の上に配置される。例えば図1には、キャパシタの金属層20および24の上のブランケット層として配置され、使用されていれば任意選択のエッチング停止層26の上にさらに配置される、第1の中間誘電層30が示される。
【0009】
中間誘電層30の表面に直接接触する任意選択の第2のレジスタ32を図1に示す。第2のレジスタは、デバイス中のほかの場所で他の層に接して用いられてもよい。例えば、第2のレジスタを、第1のレジスタに直接接触する同じ金属層に直接接触する関係に配置してもよい。任意選択の第2のレジスタ32を覆うもう1つの中間誘電層34が、図1に示すように中間誘電層30の上に配置される。前述のように、1つの誘電層を選択して、中間誘電層30または34のいずれかを除いてもよい。レジスタ28および32を異なる材料で形成してもよく、従ってこれらのレジスタの比抵抗は異なっていてもよい。
【0010】
複数のビアが、第2の中間誘電層34、もしあればその他の任意の層によって隔てられた、複数の金属層の間の連絡経路を提供する。例えば、ビア36は金属層44を金属層16に導電的に接続する材料を含む。1つまたはそれ以上の数のビア38は、金属層44をキャパシタ電極層24に導電的に接続する材料を含む。複数のビア40は、金属層44を第1のレジスタ28に導電的に接続する材料で満たされている。同様に、複数のビア42は金属層44を第2のレジスタ32に導電的に接続する材料を含む。任意選択で、1つまたはそれ以上の、例えば層46のような追加の層が金属層44の上に配置されてもよい。図1の実施形態は、金属層44に最も近い表面で受動素子に接触するビア38,40および42を表す。ビア36,38,40が中間誘電層30および34を貫通し、ビア42が中間誘電層34のみを貫通することが理解されるであろう。
【0011】
当業者は、任意の種々の材料が受動素子を製造するために適切に使用されうることを認識するであろうが、キャパシタ誘電層の材料のための好ましい誘電材料は、例えばTa2O5,SrTiO3,ZrO2,ZrSiO4,HfO2,HfSiO4,TiO2,Si3N4のような酸化物もしくは窒化物またはそれらの混合物およびそれらの各材料の化学量論的組成の変形物から選択される。レジスタおよびキャパシタ電極層のために好ましい材料には、例えばTaN,TaAlN,TiN,CrNi,WN,CrSiまたはそれらの混合物のような合金が含まれる。これらの材料の化学量論的組成の変形物を使用してもよい。
【0012】
半導体デバイス内に形成される少なくとも1つの受動素子について、金属層16が該素子の端を越えて延在するか、または端に対して側方に位置がずらされる(オフセットされる)ことが望ましいであろう。例えば、金属層16は第1のキャパシタ電極層20、第1のキャパシタ誘電層22、および第2のキャパシタ電極層24の端を越えて側方に延在する。このような方法で、ビア36と金属層16により、金属層44から直接デバイスの第1のキャパシタ電極層20への電気的接続が作成され得る。別の方法では、レジスタ28および32に関して、層間の接触がビア40および42を介してレジスタの第1の表面へ直接的であってもよい。
【0013】
図1のデバイスを参照することにより、半導体基板10上の受動デバイスの加工について述べる。半導体基板10の上に堆積させた第1の絶縁誘電層12をパターン形成し、エッチングして、受動デバイスの金属層16を受け入れる溝15およびビア14を形成する。比抵抗が低いかまたは導電性の高い材料を溝15およびビア14に堆積させる。溝15内に材料を堆積させた後、余分な材料を除いて、その結果得られる金属層16の露出表面が第1の絶縁誘電層12の露出表面に対して連続的であり、好ましくは該表面と実質的に同一平面になるようにする。材料の除去のために、化学機械研磨技術のような任意の適当な技術を用いることができる。
【0014】
任意選択で、バリア誘電層18が用いられる場合、バリア誘電層18を絶縁誘電層12および金属層16の上に堆積し、次いで該層18を貫通する開口部をエッチングし、図1のキャパシタのために金属層16の少なくとも一部を露出させる。受動素子が、バリア誘電層18の上に(使用する場合。そうでなければ第1の絶縁誘電層12および金属層16の上に)材料を堆積させることにより金属層上に構成され、次にパターン形成されエッチングされる。図1では、パターン形成のステップおよびエッチングのステップすなわち化学機械研磨法により、キャパシタ電極20およびレジスタ28が画成される。
【0015】
1つまたはそれ以上の追加の堆積、パターン形成およびエッチングのステップが、(キャパシタが形成される、図1で示されるような実施形態について)キャパシタ誘電層22および金属層24の形成を含む、受動素子の追加の構成要素または層を形成するために、必要に応じて用いられる。当業者は、追加の層を形成するために利用可能な様々な技術の種類を理解するであろう。ブランケット堆積技術と、それに続く1つまたはそれ以上のパターン形成およびエッチングのステップを用いてもよい。1つの実施形態では、エッチングの前に、任意選択の第2のバリアすなわちエッチング停止層26を金属層24の上に堆積させてもよい。
【0016】
結果として生じる図1のキャパシタの構造を製造するためには、わずか1回のマスキングステップを(付随するエッチングとともに)用いればよい。任意選択のバリア層18が使用される場合、任意選択のマスキングステップが金属層16を露出させる窓口を形成することに注意すべきである。第1のマスキングステップは、第2の電極材料を用いて第2のキャパシタ電極層24および任意選択の第2のレジスタを形成する。第2のマスキングステップは、レジスタとキャパシタの組み合わせが用いられる場合、第1のキャパシタ電極層20および第1のレジスタ28を形成する。当業者には、上述のエッチング手順を用いて、受動素子上に少なくとも誘電材料の薄膜を残し、受動素子へのエッチング液の攻撃を(特にビアエッチングステップの間)制御するのを助けることが可能であるということが理解されるであろう。もう1つの方法としては、受動素子に直接エッチングすることが望まれる場合には、そのような誘電体の薄膜を備えることを避けてもよい。
【0017】
1つまたはそれ以上の受動素子の形成後、材料の追加の層を各受動素子の上に望みどおりに形成することができる。例えば、第1および第2の中間誘電層30および34を堆積させることができる(例えばブランケット堆積)。第2のレジスタ32を形成する場合は、該レジスタ32を第2の中間誘電層34の堆積の前に堆積させる。次いで第2のレジスタ32は、適当なマスキングおよびエッチング手順を用いて画成される。
【0018】
ビアは(好適な材料除去技術であるエッチングとともに)任意の適当な技術の使用と、それに続く導電材料の堆積によって生成される。該相互接続金属層は、金属層16を形成するプロセスのような技術を含む、任意の適当な方法で形成してもよい。当然のことながら、金属層44はダマシン法で形成する必要はなく、任意の他の適当な方法で形成可能である。追加の層または構成要素(層46として図示)を、望みどおりに定められた適切な電気的連絡経路(図示せず)とともに、誘電層34および金属層44の上に形成することができる。
【0019】
上記の方法は、一般に、1つまたはそれ以上の材料を提供し、該材料をパターン形成してその結果生じるデバイスの機能的構成要素の層を形成するという、複数のステップを含む。パターン形成には、材料の堆積すなわち形成のステップと材料の除去のステップを含む、多くの任意の従来のステップが使用されうる。通常、該ステップには、作業層の露出表面へのフォトレジストの塗布と、それに続く、該フォトレジストを現像し、その結果として、作業層の露出表面に所定のパターンを形成する該フォトレジストを選択的に除去する、フォトリソグラフィのステップとが含まれる。次いで該作業層の露出表面を望みどおりにエッチングし、該表面およびその下の材料を除去する。フォトレジストは、保護層、すなわち材料の除去に用いられた物質(例えばエッチング液)が作業片(ワークピース)の下にある材料に接触するのを防ぐための層として、作業片に選択的に付着して残る。
【0020】
図2も金属−絶縁体−金属キャパシタおよび薄膜レジスタのような半導体受動素子の組み合わせを示す。両図において同じ参照番号が同じ素子を示すべく使用されることに注意すべきである。絶縁誘導層12が半導体基板10の上に形成され、該誘電層の一部がその中に溝15を画成すべくエッチングされる。ビア14が溝15の底面から絶縁誘導層12を貫通して半導体基板10までエッチングされる。金属層16が、基板10と金属層16との間に電気的接触を提供する導電材料で溝15およびビア14を満たす。
【0021】
金属層16の少なくとも一部を覆って下方のキャパシタ電極層20が形成される。レジスタ28は下方のキャパシタ電極層20を形成するのと同じ材料で形成される。レジスタ28は絶縁誘導層12の上に形成され、金属層16に接触してもよい。誘電層22を下方のキャパシタ電極層20およびレジスタ28の上に堆積させ、キャパシタの誘電層としても使用する。上方のキャパシタ電極層24は、キャパシタ誘電層22の少なくとも一部と隣接する。上方のキャパシタ電極層24は、任意選択でその表面の少なくとも一部を覆うエッチング停止層26を含んでもよい。キャパシタ電極層20、キャパシタ誘電層22、キャパシタ電極層24、および使用する場合は任意選択のエッチング停止層26の組み合わせが、本実施形態に示すキャパシタ素子の構造を定義する。
【0022】
誘電層34はキャパシタおよびレジスタ28,23を覆う。レジスタ28,23の端子には、それぞれビア40,42を誘電層34中に形成し該ビアを金属層44で満たすことにより、上方から接触することができる。任意選択で、レジスタ28は金属層16および金属で満たされたビア14によって下方から接触されうる。本実施形態では、レジスタ28,23は異なる比抵抗値を有する材料で形成されてもよいことに注意すべきである。キャパシタ電極層24を形成するのに使用される材料を、レジスタ23を形成するのと同じ処理ステップで堆積させることにさらに注意すべきである。
【0023】
任意選択で、キャパシタ電極層20を除き、金属層16をキャパシタの電極を形成するために用いることが可能である。この実施形態では(図示せず)、金属層16、キャパシタ誘電層22、およびキャパシタ電極層24の組み合わせがキャパシタ素子の構造を定義する。キャパシタ電極層20を使用しない場合、レジスタ23を含む複数の抵抗素子を利用可能である。
【0024】
ここで、本発明に従って製造されたデバイスは、無線周波数システム、アナログ回路を有するシステムまたはミックスシグナルの適用例のような(限定ではない)種々の固定または携帯用システムの任意のものに実用的用途があることが理解されるべきである。例えば、本デバイスを利用した、無線通信機器システム(例えば携帯電話、電話、インターネットアクセス装置、コンピュータシステム、ネットワークシステム、テレビもしくはラジオ放送システム、測位システム、一方向もしくは双方向通信、または他の無線周波数通信システム)のようなシステムが本発明の範囲内にあるものとして意図される。そのようなシステムは、特に1つまたはそれ以上の受動素子を別々のチップもしくはモジュールに、または活性基板上に統合することができるという観点において、本発明のデバイスおよび方法を用いて向上した性能の恩恵を受ける。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明に基づいて製造される1つの好適な半導体デバイスの説明図。
【図2】 本発明に基づいて製造されるキャパシタおよびレジスタの説明図。
Claims (5)
- 半導体デバイスを製造する方法であって、
半導体基板を提供するステップ;
前記半導体基板の上に絶縁層を形成するステップ;
前記絶縁層中に、半導体基板と電気的に連絡するための第1のダマシン金属層を形成するステップ;
前記の第1のダマシン金属層上に、第1のキャパシタ電極と第2のキャパシタ電極とを有するキャパシタを形成するステップ;
第1のダマシン金属層上に、第1のキャパシタ電極を形成するのと同時に、同第1のキャパシタ電極を形成するのに用いたのと同じ材料の層で少なくとも1つのレジスタを形成するステップ;および
キャパシタと電気的に連絡するための第2の金属層を形成するステップ;からなる方法。 - 第1のダマシン金属層の金属は、銅、金、銀、およびこれらの混合物から選択される、請求項1に記載の方法。
- 前記第1のダマシン金属層を形成するステップは、前記絶縁層中の溝に銅を堆積する工程と、前記銅の表面が、前記絶縁層の表面と同一平面になるように化学的に研磨する工程とを含む、請求項1に記載の方法。
- 半導体デバイスを製造する方法であって、
絶縁層の平らな表面に画成された溝の中へ銅層を堆積させるステップ;
前記の銅層の上に、絶縁層の平らな表面と同一平面となる表面を形成するステップ;
前記の銅層の上に、該銅層に直接形成され、自身の表面の少なくとも一部に亘り該銅層に接触するレジスタを形成するステップ;および
前記の銅層の上にキャパシタを形成するステップであって、同キャパシタは第1のキャパシタ電極と第2のキャパシタ電極とを有し、第1のキャパシタ電極と前記レジスタとは同じ材料の層で同時に形成されるステップ;からなる方法。 - 半導体デバイスを製造する方法であって、
ダマシン銅層を形成するステップ;
前記ダマシン銅層の上に誘電層を形成するステップ;
ダマシン銅層の一部を露出させるために前記誘電層に開口部をパターン形成するステップ;
少なくとも一部が誘電層上にあり、かつ少なくとも一部が誘電層中の前記開口部によってダマシン銅層に直接接触する受動素子を形成するステップであって、前記受動素子はキャパシタであり、前記キャパシタの下方の電極は前記ダマシン銅層と直接接触するステップ;および
前記キャパシタの前記下方の電極を形成するのと同時に、同下方の電極と同じ材料の層によりレジスタを形成するステップ;からなる方法。
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