JP4257357B2 - 半導体装置の製造方法 - Google Patents

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Description

本発明は、半導体プロセスに関する。
DRAMなどの半導体装置において、導電膜からなる下層プラグに、配線の間を通るコンタクトが開口されることがある。こうしたコンタクトは、次のような工程によって形成される。
シリコン窒化膜をマスクとして配線が加工される。配線の側壁がシリコン窒化膜によって覆われる。その結果、配線の上部と側壁がシリコン窒化膜によって覆われる。配線層が絶縁膜で埋め込まれ、平坦化が行われる。リソグラフィ技術によりレジストパターニングされる。シリコン窒化膜と絶縁膜とのエッチング選択比が大きいドライエッチングによってコンタクトが加工される。
この方法は、SAC(Self Aligned Contact)と呼ばれ、一般的に用いられている。ところが近年、半導体のパターンの微細化に伴い、コンタクト加工時に絶縁膜とシリコン窒化膜とのエッチング選択比が大きい条件を満たすことが困難となってきている。このためSACという手法を使用することが困難になってきている。
SAC手法を使用せずにコンタクトを形成する場合、コンタクトを確実に配線に接触しないように形成する技術が求められる。そのような技術として、本発明の発明者は、径の小さいコンタクトを形成する技術に着目した。
配線の間に配置されるコンタクトの径をより小さく設定することにより、配線に接触しないようにコンタクトを形成する工程での位置決めの余裕幅がより大きく得られる。そのためにコンタクトの径は、製造工程で発生する可能性のあるズレを考慮してもコンタクトと配線とが接触しないように設定される。製造工程で発生する可能性のあるズレとして、コンタクトリソグラフィ工程での配線層に対する位置合わせマージン、コンタクト開口におけるコンタクトの寸法のばらつき、および配線層でのコンタクトの寸法ばらつきが挙げられる。例えば配線ピッチ190nm、配線間スペース140nmの場合、コンタクトの径は100nm以下に設定されることが望ましい。
一方、このような微小なコンタクトを製造する工程の後で、重ね合わせとアラインメントを行ってリソグラフィ工程が実施されることがある。そのため、微小なコンタクトを有する半導体装置には、アラインメントのために幅1μm以上の大面積トレンチが形成される。
すなわち、SAC手法を用いずに径の小さいコンタクトを形成する技術においては、極端に面積の異なるパターン(径100nm以下のコンタクトと、幅1μm以上のトレンチ)を同一の半導体装置に形成することが求められる。
面積の異なるパターンを形成する技術の例として、特許文献1には、径の異なるコンタクトを開口する方法について記載されている。この方法によれば、自己整合コンタクト孔と共に、自己整合コンタクト孔よりも径の大きなコンタクト孔が形成される。以下、図1A〜1Dを参照して、この方法について説明する。
図1Aに示される断面構造を備えた半導体装置が以下の工程により製造される。p型シリコン基板101上に設けられたメモリセル部のゲート電極105Gと、周辺回路部の第1の配線層105aが、SiN膜107で覆われる。ゲート電極105Gと第1の配線層105aは、BPSG膜109に覆われる。
図1Bを参照して、パターニングされたレジストマスクにより、BPSG膜が選択的にエッチングされる。セルフアラインドコンタクト(SAC)による基板へのコンタクトホール111aがゲート電極間に、第1の配線層へのコンタクトホール111bが周辺回路部に形成される。コンタクトホール111aのホール径が0.15μm程度である場合、コンタクトホール111bのホール径は0.45μm程度であることが好ましいと記載されている。
図1Cを参照して、減圧CVD法によりドープトシリコン層が形成される。この形成によって、ドープトシリコン層は狭いコンタクトホール111aは埋め込むが、第1の配線層への広いコンタクトホール111bは埋め込まない。次いで、異方性エッチングにより平坦部上のドープトシリコン層が除去される。基板へのコンタクトホール111aにはプラグ113が形成される。第1の配線層へのコンタクトホール111bにはサイドウォール115が形成される。
図1Dを参照して、第1の配線層105aの上のSiN膜7がドライエッチングされ、第1の配線層に達するコンタクトホール111cが自己整合的に形成される。
この技術によれば、SACによる微細化において、周辺回路部の第1の配線層に接続するコンタクトホールを形成するために、さらなる工程が必要とされない。
この特許文献1に記載の技術においては、径の異なるコンタクトが加工されている。上記の例では、コンタクトの径は0.15μmと0.45μmである([0057])。これは、本発明が課題とする、径が100nm以下のコンタクトと幅1μm以上のトレンチに例示される極端にエッチング面積の異なるコンタクトを加工することとは異なる技術である。
特許文献2には、アラインメントマークを形成する技術が記載されている。この技術について、図2Aから2Fを参照して説明する。
図2Aを参照して、シリコン基板201表面に窒化シリコン膜202が形成され、この上層にフォトリソグラフィによりレジストパターン203が形成されパターニングされる。
図2Bを参照して、レジストパターン203をマスクとしてエッチングが行われ、トレンチ形成領域に開口Hを有する窒化シリコン膜からなる第1のマスク202が形成される。
図2Cを参照して、窒化シリコン膜が形成される。これがフォトリソグラフィによりパターニングされる。開口Hのうちアラインメントマーク形成領域の開口周縁を覆うように第3のマスク208が形成される。このマスク202を介してプラズマエッチングが行われ、素子分離のためのトレンチ204が形成される。
図2Dを参照して、第3のマスク208が剥離除去される。CVD法により酸化シリコン膜が形成され、トレンチ204内部に酸化シリコン膜205が形成される。このとき第3のマスク208が除去されたあとのアラインメントマーク形成領域にも酸化シリコン膜が形成される。続いて、酸化シリコン膜205が除去されアラインメントマーク形成領域の基板表面201が露呈するまでCMPが行われる。
図2Eを参照して、シリコンのエッチングが行われ、アラインメントマーク形成領域にアラインメントマーク用トレンチ207が形成される。
図2Fを参照して、窒化シリコン膜202が除去され、表面の平坦な素子分離ウェハが形成される。
特開平10−321724号公報 特開2003−158179号公報
配線と接触しないようにコンタクトを形成するためには、コンタクトを開口するためのエッチングの工程において、リソグラフィパターンからの径の拡大が抑制されることが望まれる。すなわち、エッチングがリソグラフィパターンに対応して垂直に進み、リソグラフィパターンに水平な方向のエッチングが抑制されることが望まれる。
100nm以下の径の小さなコンタクトを、リソグラフィパターンからの径の拡大を抑制して開口するために、以下の条件でドライエッチングが行われる。条件1:対レジストマスク選択比が高い条件。条件2:デポジション種が多い条件。望ましくは、この両方の条件が設定される。
ところが、このような条件下ではエッチング面積の広いトレンチ部分ではデポジション種がエッチング種よりも多くなり、エッチングがストップしてしまう。このようにエッチング面積の小さい部分に対してエッチング面積の大きい部分のエッチングレートが遅くなる現象は、逆マイクロローディング現象と呼ばれる。
この現象のために、通常のリソグラフィ工程によって100nm以下の径の小さなコンタクトと幅1μm以上のトレンチとを同一の半導体デバイス上に形成するためには、各々の開口を形成するためのリソグラフィ工程を別個に実施することが必要とされる。その結果としてリソグラフィ工程が増加するため、生産性を向上させることが困難となる。径の小さなコンタクトと大面積トレンチを少ない工程で形成する技術が望まれる。
以下に、[発明を実施するための最良の形態]で使用される番号を括弧付きで用いて、課題を解決するための手段を説明する。これらの番号は、[特許請求の範囲]の記載と[発明を実施するための最良の形態]との対応関係を明らかにするために付加されたものである。ただし、それらの番号を、[特許請求の範囲]に記載されている発明の技術的範囲の解釈に用いてはならない。
本発明による半導体装置の製造方法は、半導体基板上に形成された積層構造中の絶縁膜(10)に開口幅の小さい第1開口部(13)と開口幅の大きい第2開口部(14)とを有するレジストマスク(12)を形成するステップと、第1開口部(13)において絶縁膜(10)を貫通する第1孔(16)が形成されるようにエッチングする第1エッチングステップと、デポジション膜(15)を形成するステップと、第2開口部(14)において絶縁膜(10)が露出するようにデポジション膜(15)をエッチングする第2エッチングステップと、第2開口部(14)において露出した絶縁膜(10)を貫通する第2孔(17)が形成されるようにエッチングする第3エッチングステップとを備える。
本発明により、半導体装置に径の小さなコンタクトと大面積トレンチとを少ない工程数で形成することが可能となる。
以下、図面を参照しながら本発明を実施するための最良の形態について説明する。図3Aと図3Bは、本実施の形態における半導体装置の製造方法によって加工される対象である半導体装置の構成を示す。図3Aにおける半導体装置において、配線9の長手方向は紙面に平行である。図3Bにおける半導体装置において、配線9の長手方向は紙面の法線方向である。本実施の形態における半導体装置の製造方法は、図3Aと図3Bに示される加工対象半導体装置に対して適用される。
加工対象半導体装置は、以下のように製造される。半導体基板1にイオン注入を用いてp型領域、n型領域、素子分離領域が形成される。ゲート絶縁膜3、ゲート電極4、シリコン窒化膜5を含むゲート電極構造が形成される。ゲート層間絶縁膜6が形成される。ゲート層間絶縁膜6の表面が平坦化される。半導体基板1とゲート層間絶縁膜6の表面とを接続する第1のコンタクト7が形成される。ゲート層間絶縁膜6の表面に絶縁膜8が形成される。絶縁膜8上に配線9が形成される。絶縁膜8と配線9の上に配線層間絶縁膜10が形成される。配線層間絶縁膜10の表面が平坦化される。典型的には、配線9の厚さ(深さ)は50nm、配線9の幅は50nm、配線間スペース(隣接する配線9の間の距離の典型値)は140nm、配線9上の層間絶縁膜10の厚さは200nmである。
加工対象半導体装置には、以下のように、互いにサイズの大きく異なる孔である第2のコンタクトと大面積トレンチとが形成される。
第2のコンタクトは、第1のコンタクト7と配線層間絶縁膜10の表面とを接続する。第2のコンタクトは、配線9と接触しないように形成される。配線9と接触しないように第2のコンタクトを形成するために、径の小さい孔を形成することが望まれる。このため、高精度な異方性エッチングを行うことが求められる。具体的には、リソグラフィによって100nm以下の径でパターニングされた後、そのパターンのホール径からの拡大が抑制されたドライエッチング手法が用いられる。
第2のコンタクトを形成するとき、その次の段階で行われるリソグラフィ工程における重ね合わせとアラインメントのために、アラインメントマーク用に幅1μm以上の大面積トレンチが同時に形成される。
100nm以下の径の小さなコンタクトをリソグラフィパターンのホール径からの拡大を抑制して開口するために、対レジストマスク選択比が高く、デポジション種が多い条件でドライエッチングが行われる。このような条件下では、エッチング面積の大きいトレンチ部分ではデポジション種がエッチング種よりも多くなり、エッチングがストップする。もしエッチング面積の大きいトレンチ部分をエッチングするためにデポジション種を減らすと、対マスク選択比が減少し、第2のコンタクトの径がリソグラフィパターンのホール径よりも大きく形成される。
アラインメントマーク部におけるエッチングが深さ200nm以下でエッチストップする場合、次の段階で行われるリソグラフィ工程における重ね合わせとアラインメントが困難であり、製品の品質を維持することが難しくなる。第2のコンタクトの径がドライエッチングにおいてリソグラフィパターンよりも大きくなると、配線9と第2のコンタクトとの絶縁を維持することが困難であり、製品の品質を維持することが難しくなる。
以下、図4Aから図9を用いて、互いにサイズの大きく異なる孔である第2のコンタクト(すなわち微小コンタクト、または径の小さいコンタクト)と大面積トレンチとを同時に形成する工程について説明する。図4A、5A、6A、7A、8A及び9(a)は第2のコンタクトが形成される領域の断面を示す。図4B、5B、6B、7B、8B及び9(b)は大面積トレンチが形成される領域の断面を示す。第2のコンタクトが形成される領域付近には配線9が存在する。大面積トレンチが形成される領域付近には配線9が存在しない。
図4A、4Bは、第2のコンタクトとトレンチを形成するためのリソグラフィ工程後の半導体装置の断面を示す。配線層間絶縁膜10の上に有機物からなる反射防止膜11が形成される。反射防止膜11の厚さは50nmである。反射防止膜11の上に、KrF露光によってパターニングされたレジスト12が形成される。レジスト12の膜厚は450nmである。第2のコンタクトを形成するためにレジスト12に設けられる孔である径小コンタクトパターン13の径は100nmである。トレンチを形成するためにレジスト12に設けられる大面積トレンチパターン14の幅は1μm以上である。
図5A、5Bは、リソグラフィ工程後に第1のエッチングステップが行われた後の半導体装置の断面を示す。図5Aを参照して、レジスト12の径小コンタクトパターン13が設けられた位置に、有機反射防止膜11、配線層間絶縁膜10及び絶縁膜8を貫通するスルーホールが形成される。スルーホールは配線9に接しない。スルーホールの底はゲート層間絶縁膜6と第1のコンタクト7との表面に接する。スルーホールの底において第1のコンタクト7の表面が露出する。
第1のエッチングステップにおいて、径小コンタクトパターン13に対するスルーホールの径の拡大が抑制される微小コンタクト条件でエッチングが行われる。微小コンタクト条件は、例えば以下のように設定される。上部電極とウェハが置かれる下部電極それぞれにRF電極を印加する2周波RIE装置が用いられる。エッチングガスはC、O及びArである。C、O及びArのガス流量はそれぞれ30sccm、45sccm、400sccmである。圧力は25mTorrである。上部電極に印加されるRFパワーは2500W、下部電極に印加されるRFパワーは3000Wである。この条件での対レジスト選択比は5程度であるため、レジスト下層の有機物からなる反射防止膜11をエッチングするのに相当の時間が必要である。この時間は、反射防止膜11をエッチングするための反射防止膜エッチングステップを実行することにより削減される。反射防止膜エッチングステップにおいては、エッチングガスのOの流量が増加され、エッチングガスにCFが混合されてもよい。
図5Bを参照して、レジスト12の大面積トレンチパターン14が設けられた位置に、浅いトレンチが形成される。浅いトレンチは、有機反射防止膜11と、配線層間絶縁膜10の表面に近い一部分とがエッチされることによって形成される。微小コンタクト条件でエッチングが行われると、アラインメントマークに例示される大面積トレンチパターン14ではエッチング深さ50nm程度でエッチングストップする。
図6A、6Bは、第1のエッチングステップの後に行われるデポジションステップが終了した後の半導体装置の断面を示す。図6Aを参照して、第1のエッチングステップにおいて径小コンタクトパターン13に対応する位置に形成されたホールがデポジション15によって埋められる。径小コンタクトパターン13に対応する位置のデポジション15の表面とレジスト12に対応する位置のデポジション15の表面とは実質的に同一平面を形成する。
デポジションステップは、以下の条件で行われる。デポジションガスはCHFとAr。CHFとArのガス流量はそれぞれ30sccm、400sccm。圧力は25mTorr。上部電極印加RFパワーは2500W。下部電極印加RFパワーは500W。デポジションレートは30nm/min.程度である。デポジションレートはガス条件及び印加されるRFパワーで制御可能である。
この条件でデポジションが行われると、大面積トレンチパターン14における浅いトレンチはデポジション15によって埋められない。すなわち、デポジション15の表面は浅いトレンチの底部の形状に沿った形状に形成される。
図7A、7Bは、デポジションステップの後に行われる第2のエッチングステップが終了した後の半導体装置の断面を示す。図7Aを参照して、ドライエッチングによりレジスト12上のデポジション15が除去され、レジスト12の表面が露出する。径小コンタクトパターン13に対応する位置に設けられたホールに充填されたデポジション15は除去されない。図7Bを参照して、大面積トレンチパターン14の底のデポジション15が除去される。その結果、大面積トレンチパターン14の底の配線層間絶縁膜10が露出する。また、大面積トレンチパターン14の付近のレジスト12上のデポジション15が除去される。大面積トレンチパターン14の側壁にデポジション15が残される。
このエッチングは、以下の条件で行われる。エッチングガスはOを含み、典型的にはCF、O及びArを含む。CF、O及びArのガス流量はそれぞれ70sccm、30sccm、750sccmである。圧力は25mTorr。上部電極印加RFパワーは3000W。下部電極印加RFパワーは1000W。この条件下で、大面積トレンチパターン14の底部に堆積しているデポジション15は10sec程度の処理時間で除去可能である。
図8A、8Bは、第2のエッチングステップの後に行われる第3のエッチングステップが終了した後の半導体装置の断面を示す。図8Aを参照して、半導体装置の表面にはレジスト12と、径小コンタクトパターン13の位置に埋められたデポジション15が残される。図8Bを参照して、第2のエッチングステップによって配線層間絶縁膜10が露出した大面積トレンチパターン14の底がエッチングされる。エッチング深さは、以後のアラインメントで使用されるのに必要な深さである。図8Bの例では、大面積トレンチパターン14に対応する位置の配線層間絶縁膜10と絶縁膜8が除去され、ゲート層間絶縁膜6が露出している。
第3のエッチングステップでの大面積トレンチパターン14におけるエッチング深さは、第1のエッチングステップよりも大きくなるようにエッチングの条件が設定される。第3のエッチングステップでの大面積トレンチパターン14におけるエッチング深さは、このステップで形成されるトレンチがアラインメントとして使用されるのに十分な深さである。この十分な深さは、少なくとも200nm以上であり、以後にこのトレンチを用いたアラインメントと共に実施されるリソグラフィ工程までに施される工程によって大きく異なる。
第3のエッチングステップは、具体的には以下のような条件で実施される。エッチングガスはC、O及びArを含む。C、O及びArのガス流量はそれぞれ30sccm、55sccm、400sccmである。Oのガス流量は第1のエッチングステップよりも大きく設定されている。希ガスが加えられることも好ましい。圧力は25mTorr。上部電極に印加されるRFパワーは2500W。下部電極に印加されるRFパワーは3000W。
図9は、第3のエッチングステップの後に行われる除去ステップが終了した後の半導体装置の断面を示す。除去ステップは、アッシング処理とウェットクリーンによりレジスト12、反射防止膜11及びデポジション15を除去するステップである。図9(a)を参照して、径小コンタクトパターン13の位置に設けられたスルーホールに充填されたデポジション15が除去されることにより、第2のコンタクト16が形成される。第2のコンタクト16は、配線層間絶縁膜10の表面に開口し、第1のコンタクト7に届く。図9(b)を参照して、大面積トレンチパターン14の位置に大面積トレンチ17が形成される。配線層間絶縁膜10の表面に近い部分での第2のコンタクト16の径は100nmである。大面積トレンチ17はアラインメントに必要な深さを有する。
以上の工程は、同一チャンバー内の連続的なステップによって実施することが可能である。すなわち、同一チャンバー内の連続的なステップにより径が100nm以下の小さなコンタクトとアラインメントマーク用の幅1μm以上の大面積トレンチを同時に加工することが可能である。
次に、上述の説明で例示した処理条件以外に可能な処理条件について説明する。第1のエッチングステップにおいて、Cに代えて、C及びCに例示されるカーボンリッチなガスを用いることが可能である。こうしたガスによっても、ホール径の小さなコンタクトではエッチストップせず、アラインメントマークに用いられるような大面積トレンチパターンではエッチストップする条件を実現することが可能である。
デポジションステップにおいて、CHFに代えて、CFとHの混合ガスまたはCHガスを用いてデポジション膜を形成することが可能である。
第3のエッチングステップにおいて、Cに代えて、C、C6等のガスを用い、かつ酸素の流量を増加することで、大面積トレンチパターンにおいて十分なエッチング深さを達成することが可能である。また第3のエッチングステップでは、第1のエッチングステップに比べて酸素流量が大きく他の条件は同一の例が示された。この条件に代えて、CF、CHFに例示されるカーボンの少ないガスを混合することによっても、大面積トレンチパターンにおける十分なエッチング深さを達成することが可能である。
図1Aは、背景技術を説明するための図である。 図1Bは、背景技術を説明するための図である。 図1Cは、背景技術を説明するための図である。 図1Dは、背景技術を説明するための図である。 図2Aは、背景技術を説明するための図である。 図2Bは、背景技術を説明するための図である。 図2Cは、背景技術を説明するための図である。 図2Dは、背景技術を説明するための図である。 図2Eは、背景技術を説明するための図である。 図2Fは、背景技術を説明するための図である。 図3Aは、実施の形態における製造方法が適用される対象となる半導体装置を示す。 図3Bは、実施の形態における製造方法が適用される対象となる半導体装置を示す。 図4Aは、微小コンタクトのリソグラフィ工程を示す。 図4Bは、大面積トレンチのリソグラフィ工程を示す。 図5Aは、微小コンタクトの第1のエッチングステップを示す。 図5Bは、大面積トレンチの第1のエッチングステップを示す。 図6Aは、微小コンタクトのデポジションステップを示す。 図6Bは、大面積トレンチのデポジションステップを示す。 図7Aは、微小コンタクトの第2のエッチングステップを示す。 図7Bは、大面積トレンチの第2のエッチングステップを示す。 図8Aは、微小コンタクトの第3のエッチングステップを示す。 図8Bは、大面積トレンチの第3のエッチングステップを示す。 図9は、除去ステップによって形成が完了した微小コンタクトと大面積トレンチを示す。
符号の説明
1…半導体基板
2…素子分離領域
3…ゲート絶縁膜
4…ゲート電極
5…シリコン窒化膜
6…ゲート層間絶縁膜
7…第1のコンタクト
8…絶縁膜
9…配線
10…配線層間絶縁膜
11…反射防止膜
12…レジスト
13…径小コンタクトパターン
14…大面積トレンチパターン
15…デポジション
16…第2のコンタクト
17…大面積トレンチ

Claims (4)

  1. 半導体基板上に形成された積層構造中の絶縁膜に開口幅の小さい第1開口部と開口幅の大きい第2開口部とを有するレジストマスクを形成するステップと、
    前記第1開口部において前記絶縁膜を貫通する第1孔が形成されるようにエッチングする第1エッチングステップと、
    第1孔内部、第2開口部下の前記絶縁膜に形成された凹部の底面及び側面、並びにレジストマスク上面にデポジション膜を形成するステップと
    前記第2開口部において前記絶縁膜が露出するように前記凹部底面上及びレジストマスク上面上から前記デポジション膜をエッチングする第2エッチングステップと、
    前記第2開口部において露出した前記絶縁膜を貫通する第2孔が形成されるようにエッチングする第3エッチングステップと
    を具備し、
    前記第1エッチングステップは、前記第1開口部におけるエッチングレートに比べて前記第2開口部におけるエッチングレートが小さい条件で行われる
    半導体装置の製造方法。
  2. 請求項において、
    前記第1開口部の開口幅は100nm以下である
    半導体装置の製造方法。
  3. 請求項1又は2において、
    前記第2開口部の開口幅は1μm以上である
    半導体装置の製造方法。
  4. 請求項1からのいずれか1項において、
    前記積層構造は、前記半導体基板と前記絶縁膜との間に形成された他の絶縁膜と、前記他の絶縁膜に形成されたコンタクトと、前記絶縁膜中に形成された配線層とを含み、
    前記第1開口部は、前記配線層において配線が存在しない位置に対応して設けられ、
    前記第1孔は、前記コンタクトに接続する
    半導体装置の製造方法。
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