JP4236805B2 - 半導体装置の製造方法および半導体装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体装置の製造方法および半導体装置に関し、特に、ゲート電極間を埋め込む層間絶縁膜として、水素を多量に含むSOG(Spin-on Glass)を塗布した半導体装置の製造方法および半導体装置に関する。
【従来の技術】
近年、ICの高集積化が進みゲート電極間が狭くなってきている。特にDRAMにおいてはセルフアラインコンタクト(SAC)構造をとり、ゲート電極をSiN膜で覆っているため、ゲート電極間のアスペクト比がさらに大きくなる。
このため、従来のような、BPSG(リンとボロンを含んだ酸化膜)等の酸化膜を化学気層成長法(CVD法)によって成膜させた絶縁膜では、この膜中にボイドができてしまうため、ゲート電極間に絶縁膜を埋め込むことが難しくなりつつある。
【0002】
このような狭いゲート電極間に対し、ボイドが無い状態で絶縁膜を埋め込むことができる方法としては、平坦化塗布膜であるSOG(Spin-on Glass)を用いて、埋め込む方法があげられる。
例えば、特開平6−97302号公報に開示された低粘性SOGを塗布する方法などがある。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、SOGは埋め込み性は良好だが、ウエットエッチングレートが速い等の性質があるため、従来のBPSG等のCVD膜と比べ膜質が劣る。
また、SOG膜の特性として、凹部に埋め込まれた部分は十分な収縮ができず、他の平坦な部分に比べ疎な膜質となってしまう。
すなわち、ゲート電極間の埋め込み絶縁膜としてSOGを用いた場合、ゲート電極間のみが疎な膜質となってしまう。このため、コンタクトホール形成後におけるプラグ電極形成の前処理である希釈フッ酸処理により、ゲート電極間のSOGのみがエッチングされてしまい、この状態でプラグ電極を形成するとショートしてしまうという問題点があった。
【0004】
本発明は、上記の問題点に鑑みて成されたものであり、ゲート電極間に埋め込まれたSOGを緻密化させ、コンタクト電極形成の前処理であるフッ酸系のウエット耐性を向上させ、かつゲート電極間の絶縁膜をボイドが無い状態で形成させ、良好なコンタクト形状及び良好なコンタクト抵抗特性を得ることができる半導体装置の製造方法および半導体装置を提供することを目的とする。
【0005】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するために、本発明に係る半導体装置の製造方法は、複数のゲート電極が形成された半導体基板に第1の絶縁膜を形成する工程と、前記第 1 の絶縁膜上にHSQ(Hydrogen Silsesquioxane)タイプのSOGを塗布する工程と、前記HSQタイプのSOGが塗布された基板を第1の温度で焼成する工程と、焼成された前記HSQタイプのSOG上に化学気相成長法(CVD法)により酸化膜を形成する工程と、前記ゲート電極間に前記HSQタイプのSOGおよび前記酸化膜をエッチングしてコンタクトホールを形成する工程と、前記コンタクトホールが形成された基板を前記第1の温度よりも高い第2の温度で焼成する工程と、前記コンタクトホールの底の第1の絶縁膜の除去を基板まで行う工程と、前記第 2 の温度で焼成された前記コンタクトホールに希釈フッ酸処理を行う工程と、前記希釈フッ酸処理の後、ポリシリコンのプラグ電極を形成する工程と、を含むことで、ゲート電極間に埋め込まれたSOGを緻密化させ、コンタクト電極形成の前処理であるフッ酸系のウエット耐性を向上させることができる(請求項1)。
【0006】
また、前記第1の温度は300〜400℃であり、前記第2の温度は700〜800℃であることで、この焼成により膜中の水素がほとんど離脱し無くなり、従来のSOG同様に20%程度の収縮が起こるので、緻密な膜ができ、希釈フッ酸によるウエットエッチレートが遅くなる(請求項2)。
【0007】
また、前記第1の絶縁膜はSiNであることを特徴とする(請求項3)。
【0008】
また、前記第1の温度で焼成する工程を窒素雰囲気中で行うことを特徴とする(請求項4)。
【0009】
また、前記第2の温度で焼成する工程を窒素雰囲気中で行うことを特徴とする(請求項5)。
【0010】
また、前記第2の温度で焼成する工程を希釈スチーム中で行うことを特徴とする(請求項6)。
【0011】
また、前記第1の絶縁膜の除去と希釈フッ酸処理を行う工程の間でイオン注入を行うことを特徴とする(請求項7)。
【0012】
また、前記コンタクトホールの底の第1の絶縁膜の除去を行った後、前記第2の温度で焼成する工程を行い、第2の絶縁膜をCVD法により形成する工程と、エッチバックを行って第2の絶縁膜によるサイドウォールを形成する工程とを前記希釈フッ酸処理を行う工程の前に行うことを特徴とする(請求項8)。
【0013】
また、前記第2の絶縁膜がSiN膜であることを特徴とする(請求項9)。
【0014】
また、前記第2の絶縁膜がSiO2膜であることを特徴とする(請求項10)。
【0019】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る半導体装置の製造方法および半導体装置について、実施の形態を挙げ、図面を参照して詳細に説明する。
【0020】
(第1の実施の形態)
図1は、第1の実施の形態に係る半導体装置の製造方法の工程(a)〜(c)を説明する半導体装置の概略断面図である。
図2は、第1の実施の形態に係る半導体装置の製造方法の工程(d)〜(f)を説明する半導体装置の概略断面図である。
まず、図1の(a)に示すように、シリコン基板1上に予め設けられたゲート電極2上にブランケット状に絶縁膜であるSiN膜3を成膜する。
【0021】
次に、図1の(b)に示すように、に水素を多量に含むHSQ(Hydrogen Silsesquioxane)タイプのSOG4を3000〜4000Å程度塗布し、第1の焼成をする。具体的には例えば、この第1の焼成における温度条件(第1の温度)は300〜400℃で、窒素雰囲気で行う。
【0022】
次に、図1の(c)に示すように、グローバルに平坦化するため、CVD法により酸化膜5を成膜して、この酸化膜5に対して化学的機械的研磨法(CMP法:Chemical Mechnical Polishing)を行う。具体的には例えば、プラズマCVD法にて酸化膜5を8000Å程度で成膜し、この酸化膜5の凸部において5000Å程度研磨されるようにCMP法を行う。
【0023】
次に、図1の(d)に示すように、リソグラフィー技術によりコンタクトホールのパターニングを行い、SiN膜3と酸化膜5の選択比が、所定の選択比となる条件のドライエッチング法により、コンタクトホール6(セルフアラインコンタクト:SAC)を形成する。このコンタクトホール形成後に、コンタクトホール側壁にSOG4が露出している状態で第2の焼成を行う。この第2の焼成における温度条件(第2の温度)は700〜800℃で、窒素または希釈スチーム雰囲気で行う。
【0024】
次に、図2の(e)に示すように、コンタクトホール6の底部のSiN膜3を取り除くためドライエッチング法にてエッチバックを行う。
【0025】
次に、コンタクト抵抗を低抵抗化させるためのイオン注入を行う。そして、コンタクトホール6の底部のシリコン基板1上の自然酸化膜を除去するために希釈されたフッ酸処理を行い、その後、ポリシリコンを熱CVD法にて成膜し、エッチバックすることでプラグ電極7を形成することにより、図2の(f)に示すような本実施の形態に係る半導体装置が形成される。
【0026】
さらに、本実施の形態に係る半導体装置について詳しく説明をする。
図3は、コンタクトホール形成後(図2の(e)の工程)の本実施の形態に係る半導体装置の概略図であり、(a)は概略平面図、(b)はそのB−B線の概略断面図(図2の(e)と同じ図)、(c)はA−A線の概略断面図である。
本実施の形態に係る半導体装置は、前述の図1の(a)の様に、ゲート電極の間隔が狭くなってくるとCVD法にて絶縁膜をボイドが無い状態で埋め込むことは難しくなるので、埋め込み特性に非常に優れている塗布膜であるSOGを用いてボイドが無い状態で埋め込み絶縁膜を形成するものである。
【0027】
一般的にSOG膜は塗布後に焼成を行い緻密な膜を形成させるが、焼成時に少なからずSOGは収縮する。従来よく使われているSOGでは400℃の焼成で10〜20%程度収縮する。
そして、SOG塗布面が溝の様な凹部と凹凸のない平坦部とでは収縮できる体積が異なり、膜質も異なる。
すなわち、凹凸のない平坦部ではSOGは十分な収縮ができ緻密な膜質となるが、溝の様な凹部では十分な収縮ができず疎な膜質となり、溝の幅が狭くなるほど収縮されにくくなり、疎な膜質となってしまう。
【0028】
一方、水素を多量に含むHSQタイプのSOGは400℃程度の熱処理では収縮率は1〜3%程度で極めて小さく、塗布面の形状に関わらず膜質に差は出にくい。膜収縮が極めて小さいのは膜中に多くの水素が残っているためである。
ただし、収縮しない反面その膜質は疎であり、希釈フッ酸によるウエットエッチングレートはCVD法による酸化膜と比べて非常に大きい。
また、HSQタイプのSOGを700〜800℃程度の高温で焼成すると膜中の水素はほとんど離脱し、無くなってしまうため、従来のSOG同様に20%程度の収縮が起こる。
【0029】
次に、コンタクトホール形成後(図3の(c))の希釈フッ酸処理における本実施の形態と従来の半導体装置(通常のSOGを用いた場合)の比較について説明する。
図4は、コンタクトホール形成後の希釈フッ酸処理を説明する概略断面図であり、(a)は従来の半導体装置(通常のSOGを用いた場合)、(b)は本実施の形態に係る半導体装置である。
【0030】
従来の半導体装置のように、ゲート電極間を埋め込む層間絶縁膜として、通常のSOGを用いた場合には、コンタクトホール形成後(図3の(c))の希釈フッ酸処理により、図4の(a)に示すように、溝形状の凹部のSOG4のみが溶けてしまう。
これは前述した様に凹部のSOG4が十分に収縮できず、膜質が疎になってしまうことに起因している。この状態でポリシリコンのプラグ電極を形成するとショートしてしまう。
【0031】
本実施の形態は、この様な不具合をなくすため、水素を多量に含むHSQタイプのSOGを用い、塗布直後の焼成をほとんど収縮しない300〜400℃程度の焼成を行い、コンタクトホールを形成してから700〜800℃程度の高温の焼成を行うものである。
【0032】
コンタクトホール形成によりSOG4は空間的に自由な箇所ができ、高温の焼成により収縮ができやすく、コンタクトホール6は収縮のため、図4の(b)のように弓なり気味の形状となる。この収縮により緻密な膜ができ、希釈フッ酸によるウエットエッチレートは遅くなる。
また、700〜800℃の焼成時の雰囲気は窒素雰囲気中でも構わないが、希釈スチーム中の方が酸化が進みより緻密な膜質となる。
【0033】
(第2の実施の形態)
図5は、第2の実施の形態に係る半導体装置の製造方法の工程(a)〜(c)を説明する半導体装置の概略断面図である。
図6は、第2の実施の形態に係る半導体装置の製造方法の工程(d)〜(e)を説明する半導体装置の概略断面図である。
まず、第1の実施の形態と同様にして、コンタクトホール形成(図2の(e))の工程までを行う。
この時の状態を図3の(c)と同様に、ゲート電極に平行な方向の断面を図5の(a)に示す。この形成後に、第1の実施の形態と同様に、第2の焼成を温度700〜800℃、窒素または希釈スチーム雰囲気で行うことにより、ゲート電極間に埋め込まれたSOGを緻密化させるが、図5の(b)に示すようにSOGを収縮させるので、コンタクトホール形状は弓なり気味の形状となる。
【0034】
本実施の形態は、この弓なり気味の形状の改善を行うことを特徴としており、図5の(c)に示すように、前記700〜800℃で行う第2の焼成後に、100〜1000Å程度のSiN膜8を、熱CVD法により成膜させる。または、熱CVD法によって成膜するかわりに、プラズマCVD法を用いて成膜してもよい。また、SiN膜の代わりにSiO2膜を用いてもよい。
【0035】
次に、図6の(d)に示すように、ドライエッチング法によりエッチバックを行い、サイドウォール8aを形成させる。これにより、コンタクトホール6の形状が図5の(b)のような、サイドウォール8aがない場合に比べて改善される。
【0036】
次に、図6の(e)に示すように、コンタクト抵抗を低抵抗化させるためのイオン注入を行う。次いで、コンタクトホール6の底部のシリコン基板1上の自然酸化膜を除去するために、希釈されたフッ酸処理を行い、その後、ポリシリコンを熱CVD法にて成膜し、エッチバックすることでプラグ電極7を形成し、本実施の形態に係る半導体装置が形成される。
【0037】
【発明の効果】
本発明に係る半導体装置の製造方法および半導体装置によれば、半導体素子のゲート電極間を埋め込む層間絶縁膜に、水素を多量に含むHSQタイプのSOGを用いることにより、このSOG塗布直後の焼成を窒素雰囲気中で300〜400℃程度の低温で行い、コンタクトホール形成後にさらに、窒素雰囲気中もしくは希釈スチーム中で、700〜800℃程度の高温の焼成を行うことで、ゲート電極間に埋め込まれたSOGを緻密化させ、コンタクト電極形成の前処理であるフッ酸系のウエット耐性を向上させることができる。
また、ゲート電極間の絶縁膜をボイドが無い状態で形成でき、良好なコンタクト形状及び良好なコンタクト抵抗特性を得ることができる。
よってこれらの効果により、製品の歩留を向上させることができる半導体装置の製造方法および半導体装置を提供できるものである。
【図面の簡単な説明】
【図1】第1の実施の形態に係る半導体装置の製造方法の工程(a)〜(c)を説明する半導体装置の概略断面図である。
【図2】第1の実施の形態に係る半導体装置の製造方法の工程(d)〜(f)を説明する半導体装置の概略断面図である。
【図3】コンタクトホール形成後の第1の実施の形態に係る半導体装置の概略図であり、(a)は概略平面図、(b)はそのB−B線の概略断面図(図2の(e)と同じ)、(c)はA−A線の概略断面図である。
【図4】コンタクトホール形成後の希釈フッ酸処理を説明する概略断面図であり、(a)は従来の半導体装置(通常のSOGを用いた場合)、(b)は第1の実施の形態に係る半導体装置である。
【図5】第2の実施の形態に係る半導体装置の製造方法の工程(a)〜(c)を説明する半導体装置の概略断面図である。
【図6】第2の実施の形態に係る半導体装置の製造方法の工程(d)〜(e)を説明する半導体装置の概略断面図である。
【符号の説明】
1 シリコン基板
2 ゲート電極
3 SiN膜
4 SOG
5 酸化膜
6 コンタクトホール
7 プラグ電極
8 SiN膜
8a サイドウォール
Claims (10)
- 複数のゲート電極が形成された半導体基板に第1の絶縁膜を形成する工程と、
前記第 1 の絶縁膜上にHSQ(Hydrogen Silsesquioxane)タイプのSOGを塗布する工程と、
前記HSQタイプのSOGが塗布された基板を第1の温度で焼成する工程と、
焼成された前記HSQタイプのSOG上に化学気相成長法(CVD法)により酸化膜を形成する工程と、
前記ゲート電極間に前記HSQタイプのSOGおよび前記酸化膜をエッチングしてコンタクトホールを形成する工程と、
前記コンタクトホールが形成された基板を前記第1の温度よりも高い第2の温度で焼成する工程と、
前記コンタクトホールの底の第1の絶縁膜の除去を基板まで行う工程と、
前記第 2 の温度で焼成された前記コンタクトホールに希釈フッ酸処理を行う工程と、
前記希釈フッ酸処理の後、ポリシリコンのプラグ電極を形成する工程と、
を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 前記第1の温度は300〜400℃であり、前記第2の温度は700〜800℃であることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記第1の絶縁膜はSiNであることを特徴とする請求項1または2に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記第1の温度で焼成する工程を窒素雰囲気中で行うことを特徴とする請求項1−3のいずれか1つに記載の半導体装置の製造方法。
- 前記第2の温度で焼成する工程を窒素雰囲気中で行うことを特徴とする請求項1−4のいずれか1つに記載の半導体装置の製造方法。
- 前記第2の温度で焼成する工程を希釈スチーム中で行うことを特徴とする請求項1−4のいずれか1つに記載の半導体装置の製造方法。
- 前記第1の絶縁膜の除去と希釈フッ酸処理を行う工程の間でイオン注入を行うことを特徴とする請求項1−6のいずれか1つに記載の半導体装置の製造方法。
- 前記コンタクトホールの底の第1の絶縁膜の除去を行った後、前記第2の温度で焼成する工程を行い、第2の絶縁膜をCVD法により形成する工程と、エッチバックを行って第2の絶縁膜によるサイドウォールを形成する工程とを前記希釈フッ酸処理を行う工程の前に行うことを特徴とする請求項1−7のいずれか1つに記載の半導体装置の製造方法。
- 前記第2の絶縁膜がSiN膜であることを特徴とする請求項8に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記第2の絶縁膜がSiO2膜であることを特徴とする請求項8に記載の半導体装置の製造方法。
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