JP5251107B2

JP5251107B2 - 半導体装置

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Publication number: JP5251107B2
Application number: JP2007324928A
Authority: JP
Inventors: 隆博中本
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2007-12-17
Filing date: 2007-12-17
Publication date: 2013-07-31
Anticipated expiration: 2027-12-17
Also published as: JP2009147219A

Description

この発明は、半導体装置に関する。

従来、例えば、下記の特許文献１に開示されているように、薄膜抵抗体を備える半導体装置が知られている。薄膜抵抗体が水分の影響により腐食すると、薄膜抵抗体の電気的特性が変化したり、薄膜抵抗体の破断を招いたりするなど、種々の弊害を招く。このため、薄膜抵抗体およびその周囲の構造は、水分の影響から薄膜抵抗体を保護可能な、高い信頼性を有する構造であることが好ましい。特許文献１の技術によれば、薄膜抵抗体にスリットを設けるなどの構造的な工夫により、対策を施している。

特開２００４−３９９１９号公報特開平５−２９１５０５号公報特開昭５８−１３５６６１号公報特開平９−６９５２３号公報

上記従来の技術では、薄膜抵抗体と配線との接続を行う部位の構造（以下、「配線コンタクト構造」とも称す）を、次のようなものとしている。先ず、薄膜抵抗体のうち配線とのコンタクトに用いる部分（以下、「コンタクト部」とも称す）をバリアメタルで覆い、この上に更に絶縁層等を積層している。そして、絶縁層に開口を設けて下層の構造を部分的に露出させ、この開口をコンタクトホールとして用いて薄膜抵抗体と配線とを電気的に接続している。

配線コンタクト構造周辺が多数の層の積層構造である場合、薄膜抵抗体の端部および積み重ねられた各々層の端部並びに開口の縁の部分といった、種々の部位に、段差が存在している。段差がある部分では、積層構造におけるカバレッジ（段差被覆性）が低下しやすい。被覆性の低さに起因して膜質の低い部分が生ずると、このような箇所から水分の浸入を招くおそれがある。例えば、段差部分において層と層の間に隙間が生じた場合には、この隙間を縫って水分が進行することが懸念される。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、薄膜抵抗体を水分から保護することができる配線コンタクト構造を備えた半導体装置を提供することを目的とする。

本願の第１の発明は、上記の目的を達成するため、半導体装置であって、
下地層と、
前記下地層に設けられ、配線とのコンタクトに用いられる部位であるコンタクト部を有する薄膜抵抗体と、
前記コンタクト部における前記薄膜抵抗体の上面および側面を覆うように設けられた金属層と、
前記金属層の上面および側面を覆うとともに、該金属層を部分的に露出させる開口が設けられた絶縁層と、
前記金属層の前記開口から露出する部位に重ねて設けられて、該金属層と電気的に接続する配線と、を備え、
前記絶縁層のうち前記金属層と接する部位が、該絶縁層のうち該金属層と接しない部位よりも耐湿性が高い構成とされていることを特徴とする。

本願の第２の発明は、上記の目的を達成するため、半導体装置であって、
下地層と、
前記下地層に設けられ、配線とのコンタクトに用いられる部位であるコンタクト部を有する薄膜抵抗体と、
前記下地層に重ねて設けられ、前記コンタクト部を露出させるように該コンタクト部よりも大きく形成された開口を有する絶縁層と、
前記開口を介して前記コンタクト部に重ねて設けられ、前記薄膜抵抗体と電気的に接続する配線と、
前記配線を覆うように設けられたパッシベーション膜と、
を備えることを特徴とする。

第１の発明によれば、金属層によって、開口の段差に起因した配線のカバレッジ悪化による水分の侵入を阻止でき、さらに、絶縁層のうち金属層と接する部位を高い耐湿性を備える構造としたことにより、金属層に対する絶縁層のカバレッジの悪化などに起因して絶縁層を透過してくる水分の進行を阻止することができる。

第２の発明によれば、コンタクトホールとしての開口が薄膜抵抗体のコンタクト部よりも大きく形成される。これにより、開口の縁、すなわち絶縁層の段差が、薄膜抵抗体の上面には位置しなくなる。その結果、開口の段差部分のカバレッジの悪化に起因して配線コンタクト構造内に水分が浸入したとしても、このような水分から薄膜抵抗体を確実に守ることができる。

実施の形態１．
［実施の形態１の構成］
図１は、実施の形態１の半導体装置における、薄膜抵抗体と配線との接続を行う部位の構造（以下、「配線コンタクト構造」とも称す）を説明するための図である。実施の形態１では、半導体基板２の上に薄膜抵抗体１０が形成されている。半導体基板２は、実施の形態１ではＧａＡｓ基板である。実施の形態１では、薄膜抵抗体１０の材料は、タングステン窒化シリサイド（ＷＳｉＮ）である。なお、本実施形態では特に言及しないが、半導体基板２の他の位置には、他の半導体素子（トランジスタ、容量素子等）が形成されている。半導体基板２は、薄膜抵抗体１０の下地層としても機能している。

図２は、図１の紙面上方から見下ろした場合の、半導体基板２上の薄膜抵抗体１０の形状（パターン）を示している。図１は、図２におけるＸ−Ｘ線に沿う断面を示している。なお、図２では、便宜上、薄膜抵抗体１０以外の層を透視して図示している。図２に示すように、薄膜抵抗体１０は、その両端に、矩形に幅広く形成された部位を備えている（図中、符号８が付された点線により囲まれた部位）。これらの部位は、薄膜抵抗体１０の上層において配線と接続するために用いられる部位であり、本実施形態にかかる配線コンタクト構造が形成される部位である。以下、この部位を、コンタクト部８とも称す。

再び図１に戻り、実施の形態１にかかる配線コンタクト構造について説明する。半導体基板２上の薄膜抵抗体１０は、上面１０ａおよび側面１０ｂを備えている。なお、「上面」とは、便宜上、薄膜抵抗体１０表面のうち積層面と平行な面（すなわち図１中の面１０ａ）を指しており、半導体装置内における絶対的な意味での位置関係を意味するものではない。側面１０ｂは、すなわち薄膜抵抗体１０の周縁部の端面である。

実施の形態１の装置は、薄膜抵抗体１０を覆うように設けられた中間金属層１２を備えている。中間金属層１２は、薄膜抵抗体１０の上面１０ａおよび側面１０ｂの両方を覆っている。実施の形態１では、中間金属層１２を形成するための金属材料として、Ｔｉ／Ａｕ（ここで、Ｔｉ／Ａｕとは、下層としてＴｉを蒸着し、このＴｉにＡｕを蒸着した２層構造の金属層を意味する）を用いる。中間金属層１２により、薄膜抵抗体１０を水分から保護することができる。

実施の形態１の装置では、中間金属層１２に重ねて、絶縁膜１４が設けられている。絶縁膜１４には、さらに絶縁膜１６が積層されている。そして、絶縁膜１４、１６を貫通して、Ｌ_１の径を有する開口がコンタクトホールとして設けられている。絶縁膜１４、１６は、図示しない他の位置にある半導体素子の保護膜としてや、より上層に設けられる図示しない配線構造等に対する層間絶縁膜として機能する。

実施の形態１では、配線コンタクト構造に、複数の絶縁膜を積み重ねた多層膜構造の絶縁層を用いる。そして、実施の形態１では、絶縁膜１４を、絶縁膜１６よりも、高い耐湿性を有する膜とする。実施の形態１では、絶縁膜１４は屈折率ｎが１．９以上の窒化シリコン（ＳｉＮ）膜とし、絶縁膜１６は絶縁膜１４よりも屈折率が低くされた窒化シリコン（ＳｉＮ）膜とする。実施の形態１では、絶縁膜１６は、屈折率ｎが１．８〜１．９程度（１．８以上１．９未満）の範囲にある膜とする。

絶縁膜が不純物や欠陥等を含まずに理想的に形成されれば、その絶縁膜の組成は、より化学量論比に近づくことになる。現実に得られた膜の光学特性（ここでは屈折率）が、化学量論比どおりの理想的な膜の光学特性に近いほど、欠陥の少ない良質な膜が得られていると考えることができる。良質な膜は、すなわち水分を通さない耐湿性の高い膜と考えることができる。

実施の形態１では、理想的に形成された（すなわち化学量論比どおりに形成された）Ｓｉ_３Ｎ_４の屈折率が２．０４であることから、屈折率ｎ＝１．９を境界値として、絶縁膜１４、１６の屈折率をそれぞれ決定することとした。このような構成によれば、高い耐湿性を備える絶縁膜１６により中間金属層１２の側面側の領域を被覆することができ、薄膜抵抗体１０を水分から厳重に保護することができる。なお、上記説明したように、ここでいう「耐湿性」の高低については、「水が透過し難いほど耐湿性が高い」と考えるものとする。

実施の形態１の装置では、中間金属層１２に重ねて、コンタクトホールを埋めるように配線１８が設けられる。配線１８は、コンタクトホールの縁から出張って、絶縁膜１６に覆い被さっている。実施の形態１では、配線１８の材料として、Ｔｉ／Ａｕを用いることとする（つまり、配線１８を、下層としてＴｉを蒸着しこのＴｉにＡｕを蒸着した２層構造の配線とする）。実施の形態１では、図１に示すように、コンタクトホールの縁の段差部分においてカバレッジが悪化したことを仮定して、隙間Ｓを示している。

実施の形態１では、配線１８および絶縁膜１６を覆うように、パッシベーション膜２０が設けられる。実施の形態１では、このパッシベーション膜２０を、絶縁膜１６と同じく、屈折率１．９以上のＳｉＮ膜とする。パッシベーション膜２０によって、最終的な耐湿性の確保を行うことができる。

［実施の形態１の効果］
以下、比較例を用いながら、実施の形態１の半導体装置の作用効果について説明する。図５は、実施の形態１に対する比較例を説明するための図である。図５の比較例は、中間金属層１２および絶縁膜１４を取り除いた他は、図１の実施の形態１の構造と共通の構造を備えている。

配線１８と絶縁膜１６との段差が生じている部分（図５中のＡ部）におけるパッシベーション膜２０のカバレッジが悪ければ、Ａ部からの水分の浸入を完全には防ぎきれない恐れがある。また、配線１８とのコンタクトをとるべく薄膜抵抗体１０上面の内側にコンタクトホールを設けた場合、コンタクトホールの縁の段差部分でカバレッジが悪化し、隙間Ｓが生ずる可能性がある。

Ａ部からの水分の浸入を許すと、その後、図５中にＡ１の符号を付した矢印の経路を伝って、水分が薄膜抵抗体１０へと到達してしまうおそれがある。また、絶縁膜１６の耐湿性が低ければ、Ａ２の符号を付した矢印のように、絶縁膜１６を透過して薄膜抵抗体１０に水分が到達することも懸念される。

この点に鑑み、中間金属層１２を用いて薄膜抵抗体１０を覆うことも考えられる。中間金属層１２によれば、水分の浸入から薄膜抵抗体１０を保護することができる。しかしながら、絶縁膜１６のカバレッジの悪化などに起因して、経路Ａ２を伝って絶縁膜１６内を水分が透過してきた場合、この水分が悪影響を及ぼすことが考えられる。例えば、中間金属層１２に成膜性の劣る部位があれば、このような部位に上記の水分が到達して、薄膜抵抗体１０側への水分の侵入を許すことも懸念される。

そこで、実施の形態１によれば、絶縁膜１６の下層に高耐湿性の絶縁膜１４を設けておくことにより、経路Ａ２の水分の侵入（すなわち、絶縁膜１６を透過してきた水分が中間金属層１２に到達する事態）を阻止できる。このように、第１の発明によれば、経路Ａ１および経路Ａ２の両方に対して水分の進行を阻止することができ、配線コンタクト構造における水分の浸入防止に関して漏れのない対策を施すことができる。

尚、上述した実施の形態１では、半導体基板２が、前記第１の発明における「下地層」に、薄膜抵抗体１０が、前記第１の発明における「薄膜抵抗体」に、薄膜抵抗体１０のコンタクト部８が、前記第１の発明における「コンタクト部」に、中間金属層１２が、前記第１の発明における「金属層」に、それぞれ相当している。

また、実施の形態１では、絶縁膜１４、１６が前記第１の発明における「絶縁層」を形成している。また、実施の形態１では、絶縁膜１４、１６を貫通して穿たれたＬ_１の径を有するコンタクトホールが、前記第１の発明における「開口」に、配線１８が、前記第１の発明における「配線」に、それぞれ相当している。

［実施の形態１の変形例］
実施の形態１では、絶縁膜１６を屈折率ｎが１．８〜１．９程度（１．８以上１．９未満）の範囲にある膜としたが、絶縁膜１６の屈折率の値の範囲はこれに限られず、例えば、絶縁膜１６を屈折率が１．８よりも更に低い膜にしてもよい。また、実施の形態１では、窒化シリコン膜に関して屈折率ｎ＝１．９を境界値とし、この境界値に基づいて耐湿性の高低を判断することにした。しかしながら、本発明は必ずしもこれに限定されるものではなく、境界値は、想定使用環境等に応じて適宜定めればよい。

また、実施の形態１では、絶縁膜１４、１６を、ともに窒化シリコンからなる膜とした。しかしながら、本発明はこれに限られるものではない。絶縁膜１４と絶縁膜１６を異なる材料で形成してもよく、用いる絶縁膜材料も窒化シリコンに限られるものではない。具体的には、例えば、絶縁膜１４を実施の形態１と同じく屈折率１．９以上のＳｉＮ膜とし、絶縁膜１６を比較的低耐湿に形成した酸化シリコン膜（ＳｉＯ膜）としてもよい。耐湿性の高い、すなわち水透過性の低い（水遮断性の高い）絶縁膜を、絶縁膜１４に採用すればよい。なお、実施の形態１の絶縁膜１４、１６の構造のように、屈折率の異なる同系列材料の膜の積層構造を用いることとすれば、製造工程の複雑化を抑えつつ、高耐湿膜と低耐湿膜の積層構造を得ることができる。

また、実施の形態１では、半導体基板２に薄膜抵抗体が直接形成されているが、本発明はこれに限られない。基板上に形成された絶縁層（例えば基板上に平坦化処理用に設けられた絶縁膜など）や、基板上に形成された他の半導体層を、薄膜抵抗体を形成するための下地層としても良い。

実施の形態２．
図３は、実施の形態２の半導体装置の配線コンタクト構造を説明するための図である。図３は、実施の形態１における図１の断面図に相当する図である。実施の形態２の装置も、実施の形態１と同じく半導体基板２および薄膜抵抗体１０を備えている。実施の形態２でも、半導体基板２上における薄膜抵抗体１０の平面視のパターンは、実施の形態１と同様の形状（図２に示す形状）とする。

実施の形態２では、半導体基板２上に絶縁膜３６が設けられ、この絶縁膜３６にはＬ_２の径を有する開口がコンタクトホールとして形成されている。コンタクトホールは薄膜抵抗体１０よりも大きく形成されている。つまり、コンタクトホールの端面（内周面）が、薄膜抵抗体１０の周縁部分から距離Ｌ_３だけ離間して位置し、コンタクトホールの端面が薄膜抵抗体１０を囲うように位置している。

なお、図３の紙面上方から見た場合のコンタクトホールの外形形状はここでは言及しないが、例えば、図２における符号８を付した破線に沿ってコンタクトホールの端面（すなわち絶縁膜３６の端面）が位置するように、コンタクトホールを形成することができる。

実施の形態２では、コンタクトホールの内側において、配線３８が薄膜抵抗体１０の上面１０ａ及び側面１０ｂを覆うように形成される。配線３８は、実施の形態１の配線１８と同様、Ｔｉ／Ａｕを用いて形成される。実施の形態２では、配線３８の側面のうち図３中の紙面左右側の側面については、絶縁膜３６の端面から離間して位置している。

実施の形態２では、配線３８を覆うように、配線３８および絶縁膜３６に重ねて、パッシベーション膜４０が設けられる。パッシベーション膜４０は、実施の形態１のパッシベーション膜と同様に、屈折率１．９以上のＳｉＮ膜とする。実施の形態２では、パッシベーション膜４０が、配線３８の表面、配線３８と絶縁膜３６の隙間、および絶縁膜３６表面を連続的に被覆している。

以上説明した実施の形態２の構成によれば、絶縁膜３６に穿たれたコンタクトホールが薄膜抵抗体１０よりも大きな径を有しているので、薄膜抵抗体１０の上面１０ａにコンタクトホールの段差による隙間Ｓが位置することを避けられる。従って、上述の経路Ａ１を伝って水分が侵入してくるような事態を、確実に回避できる。

尚、上述した実施の形態２では、半導体基板２が、前記第２の発明における「下地層」に、薄膜抵抗体１０が、前記第２の発明における「薄膜抵抗体」に、薄膜抵抗体１０のコンタクト部８が、前記第２の発明における「コンタクト部」に、絶縁膜３６が、前記第２の発明における「絶縁層」に、それぞれ相当している。また、実施の形態２では、絶縁膜３６を貫通して穿たれたＬ_２の径を有するコンタクトホールが、前記第２の発明における「開口」に、配線３８が、前記第２の発明における「配線」に、パッシベーション膜４０が、前記第２の発明における「パッシベーション膜」に、それぞれ相当している。

［実施の形態２の変形例］
（第１変形例）
図４は、実施の形態２の第１変形例にかかる配線コンタクト構造を示す図である。この第１変形例は、実施の形態２と同様の構造において、配線３８と薄膜抵抗体１０との間に、中間金属層４２を挿入する。中間金属層４２は、実施の形態１の中間金属層１２と同様に、薄膜抵抗体１０の上面１０ａおよび側面１０ｂをともに覆う。中間金属層４２の材料は、中間金属層１２と同じく、Ｔｉ／Ａｕとする。

第１変形例では、配線３８が、中間金属層４２の上面と側面とを覆うように設けられる。配線３８は、更にパッシベーション膜４０によって被覆され、水分から保護される。このように、第１変形例によれば、薄膜抵抗体１０、中間金属層４２、配線３８、パッシベーション膜４０の積層構造において、前段の層の上面と側面を次段の層が被覆していく構造となっているので、薄膜抵抗体１０の上面１０ａ側と側面１０ｂ側の両方について、水分の浸入を多重に阻止することができる。

（第２変形例）
実施の形態２では絶縁膜３６をＳｉＮ膜としたが、酸化シリコン膜（ＳｉＯ膜）などの他の材料の絶縁膜にしてもよい。また、実施の形態２では、配線３８の一部の側面をコンタクトホールの内側に納めるようにしたが、本発明はこれに限られず、配線３８の側面が絶縁膜３６の表面に載るように設けられても良い。つまり、コンタクトホール内を配線３８によって埋めてしまってもよい。

また、実施の形態２においても、実施の形態１と同様に、基板上に形成された絶縁層（例えば平坦化処理用の絶縁膜など）や他の半導体層を、薄膜抵抗体を形成する下地層として用いるという変形が可能である。

本発明の実施の形態１の半導体装置の構成を示す図である。実施の形態１の半導体装置にかかる、薄膜抵抗体のパターンを示す図である。本発明の実施の形態２の半導体装置の構成を示す図である。実施の形態２の変形例の構成を示す図である。実施の形態１に対する比較例の構成を示す図である。

符号の説明

２半導体基板
８コンタクト部
１０薄膜抵抗体
１０ａ上面
１０ｂ側面
１２中間金属層
１４絶縁膜
１６絶縁膜
１８配線
２０パッシベーション膜
３６絶縁膜
３８配線
４０パッシベーション膜
４２中間金属層

Claims

下地層と、
前記下地層に設けられ、配線とのコンタクトに用いられる部位であるコンタクト部を有する薄膜抵抗体と、
前記コンタクト部における前記薄膜抵抗体の上面および側面を覆うように設けられた金属層と、
前記金属層の上面および側面を覆うとともに、該金属層を部分的に露出させる開口が設けられた絶縁層と、
前記金属層の前記開口から露出する部位に重ねて設けられて、該金属層と電気的に接続する配線と、を備え、
前記絶縁層のうち前記金属層と接する部位が、該絶縁層のうち該金属層と接しない部位よりも耐湿性が高い構成とされていることを特徴とする半導体装置。
前記絶縁層は、複数の絶縁膜が積み重ねられて形成された層であり、
前記複数の絶縁膜は、前記金属層に接して設けられる第１絶縁膜と、該第１絶縁膜に重ねて設けられる第２絶縁膜とを含み、
前記第１絶縁膜は、前記第２絶縁膜に比して、耐湿性が高い膜であることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
前記第１絶縁膜および前記第２絶縁膜がともに窒化シリコンで形成された膜であり、
前記第１絶縁膜は前記第２絶縁膜よりも屈折率が高く形成されていることを特徴とする請求項２に記載の半導体装置。
下地層と、
前記下地層に設けられ、配線とのコンタクトに用いられる部位であるコンタクト部を有する薄膜抵抗体と、
前記下地層に重ねて設けられ、前記コンタクト部を露出させるように該コンタクト部よりも大きく形成された開口を有する絶縁層と、
前記開口を介して前記コンタクト部に重ねて設けられ、前記薄膜抵抗体と電気的に接続する配線と、
前記配線を覆うように設けられたパッシベーション膜と、
を備えることを特徴とする半導体装置。
前記薄膜抵抗体の前記コンタクト部と前記配線との間に、該コンタクト部を覆う金属層が挿入されていることを特徴とする請求項４に記載の半導体装置。