JPH07130744A - 接続孔の形成方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 本発明は、接続孔の形状をいわゆる順テーパ
形状に形成するとともに接続孔の口径の縮小化を図り、
かつ絶縁膜の平坦化を達成する。 【構成】 第１工程では、基体11上に所定の膜厚よりも
厚く絶縁膜13を形成する。その上にエッチングマスク14
を形成してからそれに開口部15を形成する。次いで第２
工程で、開口部15から絶縁膜13をエッチングして基体11
側に向かうにしたがって口径が小さくなる接続孔16を形
成する。続いて第３工程で、エッチングマスク14のみを
除去した後、接続孔16を埋め込む状態にして絶縁膜13上
側に平坦化膜17を形成する。そして第４工程で、エッチ
バック処理によって、絶縁膜13が所定の膜厚だけ残る状
態にして平坦化膜17と絶縁膜13とをエッチングした後、
接続孔16内に埋め込まれた残りの平坦化膜17を除去す
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、半導体装置の製造プロ
セスにおける接続孔の形成方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、半導体装置の設計ルールの微細化
にともなって、接続孔（コンタクト孔）の口径も小さく
なってきている。ところが絶縁耐圧を確保するために層
間絶縁膜の膜厚はほとんど変わっていない。このため接
続孔のアスペクト比が大きくなってきている。このよう
にアスペクト比が大きい接続孔にアルミニウムのみで配
線を形成すると、アルミニウムは段差部における被覆性
が悪いので、接続孔で導通不良が起きる。この結果、半
導体装置の信頼性が低くなる。

【０００３】上記対策として、例えば特開昭６２−２２
９９５９号公報には、接続孔を形成した後、六フッ化タ
ングステン（ＷＦ₆ ）の還元反応を利用して接続孔の内
部にのみ選択的にタングステン（Ｗ）プラグを形成す
る、いわゆる選択タングステン−ＣＶＤ法が開示されて
いる。

【０００４】しかしながら、選択タングステン−ＣＶＤ
法は、常に完全な選択性を得ることが困難である。また
深さが異なる接続孔を同時に埋め込むことは、原理的に
できない。そこで、例えば特開昭６２−２２９９５９号
公報には、接続孔を形成した後に、タングステン（Ｗ）
膜を全面に堆積させ、このタングステン膜をエッチバッ
ク処理することによって、接続孔の内部にのみタングス
テン膜を残す、いわゆるブランケットタングステン−Ｃ
ＶＤ法が開示されている。この方法では、選択タングス
テン−ＣＶＤ法に比べて、タングステン膜を比較的容易
に形成することが可能であり、深さの異なる接続孔の内
部にもタングステン膜を同時に埋め込むことができる。
またタングステン膜は、ＣＶＤ法で形成されるので、接
続孔の側壁が基板に対してほぼ垂直に形成されている場
合にも、良好なカバリッジを得ることができる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記ブ
ランケットタングステン−ＣＶＤ法では、絶縁膜である
酸化シリコン（ＳｉＯ₂ ）膜とタングステン膜との密着
性を改善するために、接続孔の内壁にチタン系材料層
〔例えば、チタン（Ｔｉ）膜と窒化チタン（ＴｉＮ）膜
との積層膜〕を形成する。このチタン系材料層は、通常
スパッタ法によって形成されるため、接続孔の段差部に
おけるカバリッジ性が悪い。このため、接続孔の側壁が
基板に対してほぼ垂直に形成されていても、チタン系材
料層は接続孔の上部側に厚く接続孔の底部側に薄く形成
される。したがって、当該接続孔にチタン系材料層を形
成することによって、接続孔の側壁は、いわゆる逆テー
パ形状になる。このような状態の接続孔にタングステン
膜を形成した場合には、接続孔の内部にタングステンが
埋め込まれない空洞が発生する。そして上記のような空
洞を生じたタングステン膜でタングステンプラグを形成
した場合には、タングステンプラグの内部に空洞が残る
ので、信頼性の高い配線を形成することができない。

【０００６】そこでブランケットタングステン−ＣＶＤ
法でタングステン膜を形成する際に、接続孔の内部に空
洞が発生するのを防止するには、接続孔の口径と同程度
の値の膜厚でタングステン膜を形成することが必要にな
る。しかしながら、接続孔の最小径は接続孔を開口する
際のリソグラフィー技術の限界値で制限されるので、接
続孔の口径を十分に小さくすることはできない。また接
続孔の口径が大きい場合には、タングステン膜の膜厚を
厚くしなければならない。このため、タングステン膜の
成膜時間は長くなる。またエッチバック処理の時間も長
くなる。このように処理速度が遅くなるので、スループ
ットが低下する。

【０００７】さらに、ブランケットタングステン−ＣＶ
Ｄ法でタングステン膜を成膜した後、タングステン膜の
エッチバック処理を行ってタングステンプラグを形成す
る際に、下地に段差がある場合には、段差部にエッチン
グ残りが生じる。このエッチング残りを無くすために
は、十分なオーバエッチングが必要になる。ところが、
段差が大きい場合には、エッチング残りを完全に除去す
ると、同時に接続孔の内部に形成したプラグの上面もエ
ッチングされる。このため、プラグ上面に配線層を形成
する場合に、プラグ上での配線層のカバリッジ性が低下
する。

【０００８】したがって、タングステンプラグを半導体
装置に適用するには、タングステンプラグを形成する前
に、絶縁膜の段差を少なくする必要がある。さらに処理
速度を高めるには、接続孔の口径をできる限り小さくす
るとともに、接続孔の形状をいわゆる順テーパ形状に形
成する必要がある。

【０００９】本発明は、接続孔の形状をいわゆる順テー
パ形状に形成するとともに接続孔の口径の縮小化を図
り、かつ絶縁膜の平坦化を達成する接続孔の形成方法を
提供することを目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記目的を達
成するためになされた接続孔の形成方法である。すなわ
ち、第１工程では、基体上に所定の膜厚よりも厚く絶縁
膜を形成した後、当該絶縁膜上にエッチングマスクを形
成してから当該エッチングマスクに開口部を形成する。
次いで第２工程で、開口部から絶縁膜をエッチングして
基体側に向かうにしたがって口径が小さくなる接続孔を
形成する。続いて第３工程で、エッチングマスクのみを
除去した後、接続孔を埋め込む状態にして絶縁膜上側に
平坦化膜を形成する。そして第４工程で、エッチバック
処理によって、絶縁膜が所定の膜厚だけ残る状態にして
平坦化膜と絶縁膜とをエッチングした後、接続孔内に埋
め込まれた残りの平坦化膜を除去する。

【００１１】

【作用】上記接続孔の形成方法では、リソグラフィー技
術でエッチングマスクに開口部を形成し、開口部から絶
縁膜をエッチングして基体側に向かうにしたがって口径
が小さくなる接続孔を形成する。このため、絶縁膜の上
面側をエッチバック処理して当該絶縁膜の膜厚を薄くす
ればするほど、接続孔の口径は小さくなる。したがっ
て、開口部をリソグラフィー技術の限界値で形成すれ
ば、接続孔の口径はリソグラフィー技術の限界値よりも
小さくなる。また接続孔の形状はいわゆる順テーパ形状
になる。さらにエッチバック処理によって絶縁膜をエッ
チングするので、絶縁膜の上面はほぼ平坦になる。

【００１２】

【実施例】本発明の第１実施例を、図１の形成工程図に
よって説明する。

【００１３】図１の（１）に示すように、基体（例えば
シリコン基板）１１の表面側には拡散層１２が形成され
ている。

【００１４】まず第１工程では、例えばＣＶＤ法によっ
て、上記基体１１上に所定の膜厚よりも厚く絶縁膜１３
を形成する。この絶縁膜１３は、例えば酸化シリコン
（ＳｉＯ₂ ）からなり、所定の膜厚として、例えば絶縁
耐圧を考慮して４００ｎｍの膜厚が必要な場合には、例
えば８００ｎｍ程度の膜厚に形成されている。

【００１５】その後、塗布技術によって、上記絶縁膜１
３上にレジストからなるエッチングマスク１４を形成す
る。そして、リソグラフィー技術（例えばフォトリソグ
ラフィー技術）によって、上記エッチングマスク１４の
所定の位置に、例えば口径がｄ１の開口部１５を形成す
る。ここでは、拡散層１２と接続を取るので、拡散層１
２の上方におけるエッチングマスク１４に上記開口部１
５を設ける。

【００１６】次いで図１の（２）に示す第２工程を行
う。この工程では、エッチング（例えば反応性イオンエ
ッチング）によって、上記開口部１５の下方の絶縁膜１
３に、上記基体１１側に向かうにしたがって口径が小さ
くなる、いわゆる順テーパ形状の接続孔１６を形成す
る。この時に形成される接続孔１６の上部開口部１６ａ
は、上記開口部１５の断面形状がほぼ転写された形状に
なる。したがって、上部開口部１６ａの口径ｄ２は開口
部１５の口径ｄ１とほぼ同等になる。

【００１７】上記エッチング条件としては、例えば、エ
ッチングガスに流量が３ｓｃｃｍの酸素（Ｏ₂ ）と流量
が７５ｓｃｃｍのトリフルオロメタン（ＣＨＦ₃ ）との
混合ガスを用い、エッチング雰囲気の圧力を６．７Ｐ
ａ、高周波パワーを１ｋＷに設定する。

【００１８】続いて図１の（３）に示す第３工程を行
う。この工程では、例えば酸素アッシングまたはウェッ
トエッチングによって、上記エッチングマスク１４のみ
を除去する。その後、塗布技術によって、上記接続孔１
６の内部を埋め込む状態にして上記絶縁膜１３上側に平
坦化膜１７を形成する。この平坦化膜１７は、例えばレ
ジストで形成され、その上面はほぼ平坦面に形成され
る。

【００１９】そして図１の（４）に示す第４工程を行
う。この工程では、エッチバック処理によって、上記絶
縁膜１３が所定の膜厚（例えばこの場合には４００ｎ
ｍ）だけ残る状態にして上記平坦化膜１７（２点鎖線で
示す部分）と当該絶縁膜１３（１点鎖線で示す部分）と
をエッチングする。このエッチングは、例えば反応性イ
オンエッチング装置を用いて、平坦化膜１７と絶縁膜１
３とのエッチング速度がほぼ等しくなる処理条件で行わ
れる。そして絶縁膜１３の表面を平滑化するためには、
例えばレジストからなる平坦化膜１７と酸化シリコンか
らなる絶縁膜１３とのエッチング速度の比（レジストの
エッチング速度／酸化シリコンのエッチング速度）が
０．５〜２程度になるように設定する。この範囲を外れ
ると絶縁膜１３の表面の平滑性が悪化する。

【００２０】その処理条件としては、例えば、エッチン
グガスに流量が１５ｓｃｃｍの酸素（Ｏ₂ ）と流量が７
５ｓｃｃｍのトリフルオロメタン（ＣＨＦ₃ ）との混合
ガスを用い、エッチング雰囲気の圧力を６．７Ｐａ、高
周波パワーを１ｋＷに設定する。

【００２１】その後、酸素（Ｏ₂ ）アッシング処理また
はウェットエッチングによって、上記接続孔１６の内部
に埋め込まれている残りの平坦化膜１７（破線で示す部
分）を除去して、絶縁膜１３に接続孔１６を形成する。
上記エッチングによって、接続孔１６の上部開口部１６
ｂの口径ｄ３は、上記開口部１５の口径ｄ１よりも小さ
くなる。

【００２２】上記接続孔の形成方法では、リソグラフィ
ー技術でエッチングマスク１４に開口部１５を形成し、
エッチングで開口部１５の下方の絶縁膜１３に、基体１
１側に向かうにしたがって口径が小さくなる接続孔１６
を形成する。このため、絶縁膜１３の上面側をエッチバ
ック処理して当該絶縁膜１３の膜厚を薄くすればするほ
ど、接続孔１６の口径ｄ３は小さくなる。したがって、
開口部１５をリソグラフィー技術の限界値で形成すれ
ば、接続孔１６の口径ｄ３はリソグラフィー技術の限界
値よりも小さくなる。また接続孔１６の形状はいわゆる
順テーパ形状になる。さらにエッチバック処理によって
絶縁膜１３をエッチングするので、絶縁膜１３の上面は
ほぼ平坦になる。

【００２３】さらに絶縁膜１３の平坦化と接続孔１６の
形成を行う際に、従来では先に絶縁膜の平坦化処理を行
ってから接続孔を形成していたが、上記形成方法では接
続孔を形成してから平坦化処理を行うので、従来技術に
比較してプロセスの負担増がない。

【００２４】次に、上記のような方法で形成した接続孔
１６にブランケットタングステン法によってタングステ
ンプラグを形成する方法を、図２によって説明する。な
お、図では上記図１で説明したのと同様の構成部品には
同一符号を付す。

【００２５】図２の（１）に示すように、まず、スパッ
タ法によって、接続孔１６の内壁と絶縁膜１３の上面と
に、絶縁膜１３と後述するタングステン膜（２３）との
密着性を向上させるためのチタン（Ｔｉ）膜２１を形成
する。さらに、スパッタ法によって、チタン膜２１の表
面に窒化チタン（ＴｉＮ）膜２２を形成する。このよう
に、スパッタ法でチタン膜２１および窒化チタン膜２２
を形成するために、接続孔１６の側壁に形成された窒化
チタン膜２２の壁面は、基体１１の表面に対してほぼ垂
直になる。

【００２６】次いで、例えばコールドウォール型のＣＶ
Ｄ装置を用いた成膜法によって、接続孔１６の内部を含
む上記窒化チタン膜２２の表面にタングステン（Ｗ）膜
２３を形成する。

【００２７】上記成膜条件としては、例えば、反応ガス
に水素（Ｈ₂ ）を１に対して六フッ化タングステン（Ｗ
Ｆ₆ ）を１９の割合で混合した混合ガスを用い、基体１
１の温度を４００℃、反応雰囲気の圧力を８６７Ｐａに
設定する。

【００２８】上記条件のもとでタングステン膜２３を成
膜した場合には、タングステン膜２３は、接続孔１６の
側壁および底面から成長する。このため、接続孔１６の
口径の５０％以上の値と同じ値の膜厚になるようにタン
グステン膜２３を形成することで、接続孔１６の埋め込
みは達成できる。しかしながら、接続孔１６の上部での
凹みを無くすために、通常は接続孔１６の口径の値と同
程度またはそれ以上の値と同じ値の膜厚になるようにタ
ングステン膜２３を堆積する。

【００２９】その後図２の（２）に示すように、エッチ
バックによって、上記絶縁膜１３が露出するまで２点鎖
線で示す上記タングステン膜２３、窒化チタン膜２２お
よびチタン膜２１をエッチングする。そして、接続孔１
６の内部にタングステン膜（２３）、窒化チタン膜（２
２）およびチタン膜（２１）からなるプラグ２４を形成
する。

【００３０】上記エッチバック条件としては、例えばエ
ッチングガスに流量が４０ｓｃｃｍの六フッ化イオウ
（ＳＦ₆ ）と流量が３０ｓｃｃｍの塩素（Ｃｌ₂ ）との
混合ガスを用い、エッチング雰囲気の圧力を６．７Ｐ
ａ、高周波パワーを５００Ｗに設定する。

【００３１】このようにして、リソグラフィー技術の限
界値よりも小さい口径の接続孔１６の内部にプラグ２４
を形成することができるので、接続孔１６の形成領域は
縮小化される。また、例えば上記接続孔１６を配線（図
示せず）上に形成した場合には、当該配線の幅および配
線と配線との間隔を狭くすることができる。したがっ
て、半導体装置の高集積化が実現できる。

【００３２】また接続孔１６の口径が小さく形成されて
いるので、タングステン膜２３の膜厚を薄く形成するこ
とが可能になる。このため、タングステン膜のエッチバ
ック処理時間が短縮される。

【００３３】上記説明では接続孔１６を埋め込む材料に
タングステンを用いた場合を説明したが、埋め込み材料
はタングステンプラグに限定されることは無く、例えば
モリブデン（Ｍｏ）、チタン（Ｔｉ）、銅（Ｃｕ）また
はアルミニウム（Ａｌ）を含む材料にも適用することが
可能である。

【００３４】次に第２実施例として、段差を有する下地
上に絶縁膜を形成し、その絶縁膜に接続孔を形成する場
合を、図３，図４の形成工程図（その１），（その２）
によって説明する。なお、図では上記図１で説明したの
と同様の構成部品には同一符号を付す。

【００３５】図３の（１）に示すように、基体（例えば
シリコン基板）１１の上層の一部分には素子分離領域３
１が形成されている。この素子分離領域３１は、例えば
ＬＯＣＯＳ酸化膜からなる。さらに上記素子分離領域３
１の上面には、配線層３２が形成されている。この配線
層３２は、例えばポリシリコンからなる。一方、上記素
子分離領域３１が形成されていない上記基体１１の上層
の一部分には拡散層１２が形成されている。

【００３６】まず第１工程では、例えばＣＶＤ法によっ
て、上記配線層３２を覆う状態に上記基体１１上に所定
の膜厚よりも厚く絶縁膜１３を形成する。この絶縁膜１
３は、例えば酸化シリコン（ＳｉＯ₂ ）からなり、所定
の膜厚として例えば絶縁耐圧が確保される膜厚に設定さ
れる。

【００３７】その後、塗布技術によって、上記絶縁膜１
３上にレジストからなるエッチングマスク１４を形成す
る。そして、リソグラフィー技術（例えばフォトリソグ
ラフィー技術）によって、上記エッチングマスク１４の
所定の位置に開口部３３，３４を形成する。ここでは、
拡散層１２と接続を取るので、拡散層１２の上方のエッ
チングマスク１４に開口部３３を設け、配線層３２の上
方のエッチングマスク１４に開口部３４を設ける。

【００３８】次いで図３の（２）に示す第２工程を行
う。この工程では、エッチング（例えば反応性イオンエ
ッチング）によって、上記開口部３３，３４の下方の絶
縁膜１３に、上記基体１１側に向かうにしたがって口径
が小さくなる、いわゆる順テーパ形状の接続孔３５，３
６を形成する。この時に形成される接続孔３５，３６の
上部開口部３５ａ，３６ａは、上記開口部３３，３４の
断面形状がほぼ転写された形状になる。なお、上記エッ
チング条件は、例えば、上記図１の（２）で説明したの
と同様の条件に設定される。

【００３９】続いて図４の（３）に示す第３工程を行
う。この工程では、例えば酸素アッシングまたはウェッ
トエッチングによって、上記エッチングマスク１４のみ
を除去する。その後、塗布技術によって、上記接続孔３
５，３６のそれぞれの内部を埋め込む状態にして上記絶
縁膜１３上側に平坦化膜１７を形成する。この平坦化膜
１７は、例えばレジストで形成され、その上面はほぼ平
坦面に形成される。

【００４０】そして図１の（４）に示す第４工程を行
う。この工程では、エッチバック処理によって、例えば
素子分離領域３１上の上記絶縁膜１３が所定の膜厚だけ
残る状態にして上記平坦化膜１７（２点鎖線で示す部
分）と当該絶縁膜１３（１点鎖線で示す部分）とをエッ
チングする。このエッチングは、例えば反応性イオンエ
ッチング装置を用いて、平坦化膜１７と絶縁膜１３との
エッチングレートがほぼ等しくなる処理条件で行われ
る。その処理条件としては、例えば、上記図１の（４）
で説明したのと同様の条件に設定される。

【００４１】その後、酸素（Ｏ₂ ）アッシング処理また
はウェットエッチングによって、上記接続孔３５，３６
の内部に埋め込まれている残りの平坦化膜１７（破線で
示す部分）を除去して、絶縁膜１３に接続孔３５，３６
を形成する。

【００４２】上記第２実施例で説明した形成方法でも上
記第１実施例で説明したと同様に、リソグラフィー技術
で形成できる限界の開口部３３，３４の口径よりも小さ
い口径の接続孔３５，３６が形成される。またエッチバ
ック処理によって絶縁膜１３をエッチングするので、絶
縁膜１３の上面はほぼ平坦になる。

【００４３】上記の如くに形成した接続孔３５，３６に
タングステンプラグを形成する場合には、上記図２で説
明したと同様の方法によって行えばよい。この場合、下
地に段差があっても絶縁膜１３の表面はほぼ平坦化され
ているので、従来のように段差部にエッチング残りは発
生しない。このため、タングステン膜のエッチバック処
理では、従来のようなオーバエッチングを行う必要はな
い。

【００４４】

【発明の効果】以上、説明したように本発明によれば、
エッチングマスクに形成した開口部から絶縁膜をエッチ
ングして、基体側に向かうにしたがって口径が小さくな
る接続孔を形成する。そして絶縁膜上に平坦化膜を形成
したから、平坦化膜とともに絶縁膜の上面側をエッチバ
ック処理するので、当該絶縁膜の膜厚を薄くすればする
ほど、接続孔の口径は小さくなる。したがって、開口部
をリソグラフィー技術の限界値で形成すれば、リソグラ
フィー技術の限界値よりも小さい口径の接続孔を形成す
ることが可能になる。この結果、接続孔の形成面積を縮
小することができるので、半導体装置の高集積化が図れ
る。またエッチバック処理によって絶縁膜をエッチング
するので、絶縁膜の上面はほぼ平坦に形成することがで
きる。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１実施例の接続孔の形成工程図である。

【図２】プラグの形成工程図である。

【図３】第２実施例の接続孔の形成工程図（その１）で
ある。

【図４】第２実施例の接続孔の形成工程図（その２）で
ある。

【符号の説明】

１１ 基体 １３ 絶縁膜 １４ エッチングマスク １５ 開口部 １６ 接続孔 １７ 平坦化膜

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 基体上に所定の膜厚よりも厚く絶縁膜を
   形成した後、当該絶縁膜上にエッチングマスクを形成し
   てからリソグラフィー技術によって当該エッチングマス
   クに開口部を形成する第１工程と、 前記開口部から前記絶縁膜をエッチングして前記基体側
   に向かうにしたがって口径が小さくなる接続孔を形成す
   る第２工程と、 前記エッチングマスクのみを除去した後、前記接続孔を
   埋め込む状態にして前記絶縁膜上側に平坦化膜を形成す
   る第３工程と、 エッチバック処理によって前記絶縁膜が所定の膜厚だけ
   残る状態にして前記平坦化膜と前記絶縁膜とをエッチン
   グした後、前記接続孔内に埋め込まれた残りの平坦化膜
   を除去する第４工程とからなることを特徴とする接続孔
   の形成方法。