JP2000003915A - 集積回路にコンタクトプラグを形成し、同時に基板表面を平坦化する方法 - Google Patents

集積回路にコンタクトプラグを形成し、同時に基板表面を平坦化する方法

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 集積回路にコンタクトプラグ形成すると同時
に基板表面を平坦化する方法を提供する。 【解決手段】 多数の拡散領域を有する半導体基板上に
導電構造を形成する段階と、導電構造を含んで半導体基
板全面に導電構造が形成されない2番目領域B、Dより
導電構造が形成された1番目領域A、Cよりさらに高い
ステップを有する第1絶縁膜を形成する段階と、コンタ
クトホール形成用マスクを使用して第1絶縁膜をエッチ
ングする段階と、第1絶縁膜上に導電膜を形成する段階
と、第1絶縁膜の上部表面が露出されるときまで導電膜
をエッチングする段階と、第1絶縁膜全面に第2絶縁膜
を形成する段階と、コンタクトプラグを形成し、同時に
2番目領域B、Dにある第2絶縁膜の一部を残すことに
よって基板表面を平坦化するように第2絶縁膜と第1絶
縁膜を平坦化エッチングすることを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、半導体装置の製造
方法に関するものであり、より詳しくは、集積回路にコ
ンタクトプラグを形成し、同時に基板表面を平坦化する
新たな方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】集積回路装置がより複雑になり、もっと
多くの配線レベル(interconnect level)が装置のいろい
ろ部分を連結するように要求される。一般にコンタクト
ビア(contactvia)が配線レベルの間に形成されて1のレ
ベルと他のレベルを連結する。多重配線膜がこのような
方式で使用されるとき、下部配線レベルによって、平坦
ではないトポグラフィー模様が生じる。その結果、上部
配線レベルとコンタクトビアを形成することが難しくな
る。従って、配線レベルのトポグラフィーは集積回路装
置の安定的な製造に影響を与える。
【0003】多重配線レベルの平坦ではないトポグラフ
ィー模様は、各々の膜上にいろいろ配線膜(interconnec
t layer)を形成しながら生じ、結果的に装置の表面上に
丘(hill)と谷(valley)が生成される。技術的に熟達され
た人々は、平坦ではないトポグラフィーを交差(crossin
g over)するとき、一定の断面を維持するように上部配
線膜を形成することが難しいことが分かる。一定の断面
を維持できないことにより、電子が移動しにくいという
問題を生じ、これに起因して、装置不良を発生し、配線
ラインに高電流密度を有する部分が生じることにもな
る。このような段差問題は、配線ラインそのものにある
ボイド(void)や他の欠陥による可能性もあるし、配線ラ
インの間に形成されたコンタクトビアにあるボイドや他
の欠陥による可能性もある。
【0004】配線ラインにおける他の欠陥の一例とし
て、配線ラインの中に発生される断線(open)回路、又は
短絡(short)回路がある。即ち、種々の多重膜構造にお
いて配線膜によって発生されるトポグラフィー(平坦で
はない)により、その配線膜上に形成された他の配線膜
において、上述の断線回路や短絡回路が発生する。
【0005】配線ラインにおける他の欠陥の例として、
コンタクトプラグを形成するための非常に厚い絶縁膜が
下部領域(又は半導体基板)上に成長させたり、蒸着さ
せるコンタクトプラグ形成のための一般的な方法が使用
されることである。この方法によると、コンタクトプラ
グは、導電膜がコンタクトホールを充填するように蒸着
された後、又はビアが非常に厚い絶縁膜を貫通して形成
された後、すぐに行われるCMP(Chemical Mechanical
Polishing)工程で形成される。
【0006】絶縁膜は、コンタクトプラグを形成するた
めのCMP工程を考慮して非常に厚く形成される。コン
タクトホールとビアが非常に厚い絶縁膜を貫通して形成
されるとき、それの縦横比が増加される。これによっ
て、次のような2つ欠陥を発生させる。第一、導電膜が
コンタクトホールとビアを充電しながら、絶縁膜上に蒸
着される間、ボイドが発生し得る。第二、絶縁膜が非常
に厚いため、CMP工程の時間を増加させる。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、上述の諸般
問題を解決するために提案されたものとして、ボイドや
その他の欠陥のないコンタクトビアを形成するための方
法を提供することによって、もっと平坦なトポグラフィ
ーを形成することを目的とする。又、製造工程の複雑さ
を増加させない方法を提供することも重要である。
【0008】
【課題を解決するための手段】上述の目的を達成するた
めの本発明によると、コンタクト形成と同時に基板表面
を平坦化する方法は、多数の拡散領域を有する半導体基
板上に導電構造を形成する段階と、導電構造を含んで半
導体基板全面に導電構造が形成されない2番目領域より
導電構造が形成された1番目領域よりもっと高いステッ
プを有する第1絶縁膜を形成する段階と、コンタクトホ
ールを形成するためコンタクトホール形成用マスクを使
用して第1絶縁膜をエッチングする段階と、導電膜でコ
ンタクトホールを充填しながら第1絶縁膜上に導電膜を
形成する段階と、第1絶縁膜の上部表面が露出されると
きまで導電膜をエッチングする段階と、第1絶縁膜全面
に第2絶縁膜を形成する段階と、コンタクトプラグを形
成し、同時に2番目領域第2絶縁膜の一部を残すことに
よって第1、第2絶縁膜を平坦化エッチングすることに
よって基板表面が平坦化される段階とを含む。
【0009】障壁膜は、導電膜形成前にコンタクトホー
ルの側面と底全部を含んで第1絶縁膜上に形成される。
又導電構造形成前に酸化膜が導電構造と半導体基板との
間に形成されることができる。
【0010】後述される工程段階と構造は、集積回路を
製造するための完全な工程流れではない。本発明は、技
術的に現在使用される集積回路製造と結合して実用化さ
れることができ、本発明の理解のため必要な程度の普通
の実用される工程段階だけが含まれている。製造過程の
うち、集積回路の部分的な断面を表現する図面は実際尺
度に示すものではない。本発明の重要な事項を説明する
ために必要なものだけを示している。
【0011】
【発明の実施の形態】(第1実施の形態)図1乃至図4
を参照すると、改善された第1実施の形態は、2の導電
膜が電気的に連結されるようにその間に挟まれた層間絶
縁膜にコンタクトプラグが形成され、同時に基板表面が
製造過程で平坦化される。より詳しくは、図1を参照す
ると、一般的にポリシリコンで形成される導電膜110
は、集積回路にコンタクトホール108を貫通して、下
部領域100上に形成される。下部領域100は、半導
体基板または配線ラインにすることができる。導電膜1
10が半導体基板100にあるコンタクトホール108
を通して充填される場合、基板100は、図1に示すよ
うに活性領域と非活性領域に区分される装置隔離領域1
02を有することができる。例えば、装置隔離領域10
2は、STI(Shallow Trench Isolation)法で形成され
る。
【0012】半導体メモリのワードライン(word line)
で使用されることができるゲート電極104は、ゲート
電極と基板との間に成長、又は蒸着されたゲート酸化膜
(未図示)を有する基板100上に形成される。図面に
示さなかったが、例えばメモリ装置のソースとドレーン
領域の拡散領域は、ゲート電極104両側にある活性領
域内にあり得る。CMP工程時間を減少させることがで
きる程度の適当な厚さを有する第1絶縁膜106がゲー
ト電極104を含んで基板100全面に蒸着される。
【0013】ここに、この実施の形態に2つの重要事項
がある。その1つは、第1絶縁膜106がコンタクトプ
ラグ形成が行われるようにCMP工程のための固有の厚
さを有することである。蒸着する過程で、第1絶縁膜1
06がコンタクトプラグ形成のための後続CMP工程を
考慮して厚く形成しなければならない。その理由は、第
1絶縁膜106がコンタクトプラグが形成されるように
第1絶縁膜形成後直ぐに平坦化エッチングされないため
である。コンタクトプラグは、多層構造で上部と下部の
配線ライン、又は各々の拡散領域と配線ラインを電気的
に連結するように使用される。
【0014】第1絶縁膜106は、一般にシリコン酸化
膜SiO2で形成されるが、CVD(Chemical Vapor Dep
osition)、リフロー(reflow)、蒸着/エッチング、そし
てHDP(High Density Plasma)法のうちの1つを使用
してUSG(Undoped SilicateGlass)、BPSG(Boron
Phosphorous Silicate Glass)、PSG(PhosphorousSi
licate Glass)、SiN、SiON、SiOF、または
それらの混合物からなるものから選択して形成すること
ができる。第1絶縁膜106は、又スピン−コーティン
グ(spin-coating)法を使用して、SOG、FOX(flowa
ble oxide)、ポリマー(polymer)、またはそれらの混合
物からなるものから選択して形成することができる。
【0015】再び、図1を参照すると、フォトレジスト
マスク(未図示)が第1絶縁膜106上に蒸着され、パ
ターン形成される。そしてコンタクトプラグ110aが
形成される第1絶縁膜106を貫通するオープニング
(コンタクトホール108)を形成するためオープニン
グ形成用マスクとしてパターンされたフォトレジストマ
スクを使用してエッチング工程が行われる。一般に、ポ
リシリコンで形成される導電膜110がコンタクトホー
ル108を充填しながら、第1絶縁膜106上に蒸着さ
れる。
【0016】導電膜110は、ポリシリコンの代わりに
CVD、PVD(Physical Vapor Deposition)、リフロ
ー(reflow)、又はフォースフィル(force fill)法を使用
してW、Al、Cu、T、TiN、W−Si、Al−C
u、Al−Cu−Siで構成されたことのうち1つで形
成されることができる。実施の形態では、導電性ポリシ
リコン膜が1つの例として以後に続いて説明する。
【0017】図2は、平坦化エッチング工程がポリシリ
コンコンタクトプラグ110aが形成されるように行わ
れた後、集積回路を説明するするための図である。導電
性ポリシリコン膜110が第1絶縁膜106の上部表面
が完全に露出されるときまで、湿式、又は乾式平坦化エ
ッチングされ、それによってポリシリコンコンタクトプ
ラグ110aが形成される。ここに従来技術に説明した
ようにゲート電極104が形成された領域‘A’はゲー
ト電極104が形成されない領域‘B’より高い(凸凹
な表面)。これは、基板100表面の平坦ではないトポ
グラフィー、即ち基板表面上に丘と谷が生成される結果
を催す。
【0018】詳しくは、領域‘B’の第1絶縁膜106
が領域‘A’の第1絶縁膜106より薄いためトポグラ
フィー(平坦ではない)が領域‘A’と‘B’との間に
発生される。実施の形態によると、基板100表面の平
坦ではないトポグラフィーを除去するため絶縁膜の蒸着
と平坦化が図3と図4によって第1絶縁膜106上に行
われなければならない。
【0019】言い換えて、導電性ポリシリコン膜110
が過エッチングされることができる。それによって形成
されたポリシリコンコンタクトプラグ110aが第1絶
縁膜106よりさらに深く掘られなければならない。そ
れから、平坦化のためのCMP工程が行われる。図3を
参照すると、第2絶縁膜112がポリシリコンコンタク
トプラグ110aを含んで第1絶縁膜106上に蒸着さ
れる。第2絶縁膜112は、第1絶縁膜106、又はそ
の上に形成される層間絶縁膜のような物質で形成され
る。
【0020】最後に、図4を参照すると、技術的によく
知られたCMP工程がポリシリコンコンタクトプラグ1
10aの上部が露出されるときまで行われ、それによっ
て第2絶縁膜112の一部が谷が位置している‘B’領
域に残るようにする。CMP工程には、第1、第2絶縁
膜106、112と導電性ポリシリコン膜110とが1
0:1から1:10までの間のエッチング選択比を有す
るスラリー(slurry)が研磨剤(polishing)として使用さ
れる。コンタクトプラグ110aは、CMP工程のう
ち、エッチング停止役割を果たす。ここで、平坦ではな
い基板100表面の谷が第2絶縁膜112で充填された
後、CMP工程がコンタクトプラグ110aを形成する
ように行われることが重要である。
【0021】その結果、本発明によると、コンタクトプ
ラグ110aが完全に形成され、同じ時間に基板表面が
‘B’領域に残っている第2絶縁膜の一部分112aに
よって平坦化される。
【0022】又、コンタクトプラグ110a形成のため
後続CMP工程を考慮して第1絶縁膜106を厚く形成
させる必要がない。即ち、本発明の第1絶縁膜106
は、適当な厚さを有して形成されることができ、従来技
術と比較して厚くなく形成されることができる。従っ
て、コンタクトプラグ110a形成のため必要なCMP
工程の時間が減少される。さらに、第1絶縁膜106が
割と薄く形成されるためコンタクトホール108とビア
の縦横比が減少される。ボイドのないコンタクトプラグ
110aが形成されることができる。
【0023】(第2実施の形態)図5乃至図8は、本発
明の第2実施の形態によって集積でコンタクトプラグ2
08aの形成と同時に基板表面を平坦化するための新た
な方法を説明する図である。図5を参照すると、例えば
集積回路で金属からなる配線ライン202が下部領域2
00上に形成される。下部領域200は、半導体基板及
び配線ラインのうち1つになることができる。厚さを有
する第1絶縁膜204が配線ライン202を含んで下部
領域200全面に蒸着される。第1絶縁膜204は、第
1実施の形態のように後続CMP工程時間を減少させる
ためできるだけ固有の厚さを有する。
【0024】配線ライン202は、多重レベル(multi-l
evel)配線ラインを電気的に連結するように使用される
が、一例として下部領域200上に形成されるコンタク
トプラグ208aを有する下部領域200がある。第1
絶縁膜204は、一般にシリコン酸化膜SiO2で形成
されるが、CVD、リフロー、蒸着/エッチング、そし
てHDP方法によってUSG、BPSG、PSG、Si
N、SiON、SiOF、またはそれらの混合物からな
るものから選択して形成することができる。第1絶縁膜
204は、又スピン−コーティング方法で、SOG、F
OX、ポリマー、またはそれらの混合物からなるものか
ら選択して形成することができる。
【0025】ここに、この実施の形態の一番重要な事項
がある。それは、第1絶縁膜204がコンタクトプラグ
208aを形成するように行われるCMP工程のための
固有の厚さを有することである。蒸着する過程で、第1
絶縁膜204がコンタクトプラグ208a形成のための
後続CMP工程を考慮して厚く形成されなければならな
い。その理由は、第1絶縁膜204がコンタクトプラグ
208aが形成されるように第1絶縁膜204形成後、
直ぐ平坦化エッチングされないためである。
【0026】再び、図5を参照すると、フォトレジスト
マスク(未図示)が第1絶縁膜204上に蒸着され、パ
ターン形成される。そしてコンタクトプラグ208aが
形成される第1絶縁膜204を貫通するビア(コンタク
トホール206)を形成するようにオープニング形成用
マスクとしてパターンされたフォトレジストマスクを使
用してエッチング工程が行われる。コンタクトホール1
06が第1絶縁膜204を貫通して配線ライン202上
に形成される。
【0027】一般に、TiNからなる障壁膜207が後
に形成されるコンタクトプラグ208aが有するコンタ
クト抵抗を改善し、配線ライン202とコンタクトプラ
グ208aとの間の反応を抑制し、コンタクトプラグ2
08aに附着を改善するようにコンタクトホール206
の側面と底全部を含んで第1絶縁膜204上に形成され
る。障壁膜207は、TiNの代わりにTi、Ta、T
aN、WN、そしてTiSiNからなるものから選択し
て形成されることができる。
【0028】一般に、タングステンWからなる導電膜2
08がコンタクトホール206を充填しながら第1絶縁
膜204上にコーティングされる。タングステンの代わ
りに導電膜208は、CVD、PVD、リフロー、又は
フォースフィル方法を使用してAl、Cu、Ti、Ti
N、ポリシリコン、W−Si、Al−Cu、そして、A
l−Cu−Siからなるものいずれか1つで形成される
ことができる。実施の形態では、導電性タングステン膜
208が一例として後述されるはずである。
【0029】図6は、平坦化エッチング工程がコンタク
トプラグ208aを形成するように行われた後の集積回
路を説明する図である。導電性タングステン膜208が
湿式、又は乾式平坦化エッチングされながら、TiN障
壁膜207も除去される。平坦化エッチング工程は、第
1絶縁膜204の上部表面が完全に露出されるときまで
続いて行われ、それによってタングステンコンタクトプ
ラグ208aが形成される。平坦化エッチング工程で、
TiN障壁膜207の一部が相対的に低いステップ
(‘D’領域)にむしろ残っていない。
【0030】第1絶縁膜204は、図5に示したように
隣接な配線ライン202の間の間隙の長い領域‘D’と
比較して隣接な配線ライン202の間隙の短い領域
‘C’より高い。又、領域‘D’の第1絶縁膜204が
領域‘C’の第1絶縁膜204よりもっと薄いため、ト
ポグラフィー(平坦ではない)が領域‘C’と‘D’と
の間に発生される。それで、基板表面の平坦ではないフ
ォトグラフィを除去するように絶縁膜の蒸着と平坦化が
図7と図8に示したように第1絶縁膜204上に行われ
る。
【0031】図7を参照すると、導電性タングステン膜
208とTiN障壁膜207の平坦化エッチングが行わ
れた後、第2絶縁膜210がコンタクトプラグ208a
を含んで第1絶縁膜204上に蒸着される。第2絶縁膜
210は、第1絶縁膜204の物質、又は後にその上に
形成される絶縁膜の物質のようなもので形成されること
ができる。
【0032】第2絶縁膜210の平坦化後、図8に示し
たように装置構造が形成される。図8に示したように装
置構造は、基板表面が平坦化されている図4から示した
装置構造と同じである。第2絶縁膜210のこのような
平坦化は、技術的によく知られたCMP工程によって成
し、コンタクトプラグ208aの上部表面が露出される
ときまで、続けて行われる。CMP工程には、第2絶縁
膜210と導電性タングステンプラグ208aを同時に
研磨する程度の低い選択比を有するスラリーが使用され
る。
【0033】結果的に、第2絶縁膜210の一部210
aがコンタクトプラグ208aの割りに相対的に低いス
テップに位置している‘C’と‘D’領域に残ってい
る。それで、コンタクトプラグ208aが完全に形成さ
れ、同時に基板表面が第2絶縁膜210が残っている一
部分210aによって平坦化される。ここで、平坦では
ない基板表面の谷が第2絶縁膜210で充填された後、
CMP工程がコンタクトプラグ208aを形成するよう
に行われることが重要である。
【0034】
【発明の効果】本発明は、ゲートコンタクトプラグとコ
ンタクトビアを形成する時、発生可能性のあるボイドと
他の欠陥を最小化することができる効果がある。そして
その結果で電極及び配線ライン等の装置が形成された領
域と形成されない領域との間のトポグラフィー(平坦で
はない)を平坦なトポグラフィーにして回路の断線と短
絡を防止することができる効果がある。又、層間絶縁膜
の厚さを最小化することができるため、コンタクトホー
ルとコンタクトビアの縦横比を減らし、平坦化エッチン
グ工程時間を減らすことができる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の第1実施の形態によって集積回路に
コンタクトホールを形成し、同時に基板表面を平坦化す
るための新たな方法を示した断面図である。
【図2】 本発明の第1実施の形態によって集積回路に
コンタクトホールを形成し、同時に基板表面を平坦化す
るための新たな方法を示した断面図である。
【図3】 本発明の第1実施の形態によって集積回路に
コンタクトホールを形成し、同時に基板表面を平坦化す
るための新たな方法を示した断面図である。
【図4】 本発明の第1実施の形態によって集積回路に
コンタクトホールを形成し、同時に基板表面を平坦化す
るための新たな方法を示した断面図である。
【図5】 本発明の第2実施の形態によって集積回路に
コンタクトホールを形成し、同時に基板表面を平坦化す
るための新たな方法を示した断面図である。
【図6】 本発明の第2実施の形態によって集積回路に
コンタクトホールを形成し、同時に基板表面を平坦化す
るための新たな方法を示した断面図である。
【図7】 本発明の第2実施の形態によって集積回路に
コンタクトホールを形成し、同時に基板表面を平坦化す
るための新たな方法を示した断面図である。
【図8】 本発明の第2実施の形態によって集積回路に
コンタクトホールを形成し、同時に基板表面を平坦化す
るための新たな方法を示した断面図である。
【符号の説明】
100,200 基板 102 装置隔離膜 104 ゲート電極 106,106a,204 第1絶縁膜 108,206 コンタクトホール 110,208 導電膜 207 障壁膜 112,112a,210,210a 第2絶縁膜 202 配線ライン 110a,208a コンタクトプラグ

Claims (9)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 集積回路でコンタクトプラグを形成する
    ための方法において、 多数の拡散領域を有する半導体基板上に導電構造を形成
    する段階と、 前記導電構造を含んで前記半導体基板全面に前記導電構
    造が形成されない2番目領域B、Dより導電構造が形成
    された1番目領域A、Cにもっと高いステップを有する
    第1絶縁膜を形成する段階と、 コンタクトホールを形成するためのコンタクトホール形
    成用マスクを使用して前記第1絶縁膜をエッチングする
    段階と、 前記コンタクトホールを導電膜で充填しながら前記第1
    絶縁膜上に前記導電膜を形成する段階と、 前記第1絶縁膜の上部表面が露出されるときまで前記導
    電膜をエッチングする段階と、 前記第1絶縁膜全面に第2絶縁膜を形成する段階と、 コンタクトプラグを形成し、同時に2番目領域B、Dに
    ある前記第2絶縁膜の一部を残すことによって前記基板
    表面を平坦化するように前記第2絶縁膜と前記第1絶縁
    膜を平坦化エッチングすることを特徴とするコンタクト
    プラグ形成方法。
  2. 【請求項2】 前記コンタクトホールは、前記第1絶縁
    膜を貫通して前記基板表面に形成されることを特徴とす
    る請求項1に記載のコンタクトプラグ形成方法。
  3. 【請求項3】 前記コンタクトホールは、前記基板表面
    にある各々の前記拡散領域上に形成されることを特徴と
    する請求項2に記載のコンタクトプラグ形成方法。
  4. 【請求項4】 前記コンタクトホールは、前記第1絶縁
    膜を貫通して導電構造上に形成されることを特徴とする
    請求項1に記載のコンタクトプラグ形成方法。
  5. 【請求項5】 前記導電膜形成前に前記コンタクトホー
    ルの側面と底全部を含んで前記第1絶縁膜上に障壁膜が
    形成されることを特徴とする請求項4に記載のコンタク
    トプラグ形成方法。
  6. 【請求項6】 前記障壁膜は、Ti、TiN、Ta、T
    aN、WN、TiSiNまたはそれらの混合物からなる
    ものから選択して形成することを特徴とする請求項5に
    記載のコンタクトプラグ形成方法。
  7. 【請求項7】 前記コンタクトホールは、前記導電構造
    と前記半導体基板にある各々の前記拡散領域に形成され
    ることを特徴とする請求項1に記載のコンタクトプラグ
    形成方法。
  8. 【請求項8】 前記第2絶縁膜は、前記第1絶縁膜のよ
    うな物質で形成されることを特徴とする請求項1に記載
    のコンタクトプラグ形成方法。
  9. 【請求項9】 前記導電構造形成前に、前記導電構造と
    前記半導体基板との間に酸化膜を形成することを特徴と
    する請求項1に記載のコンタクトプラグ形成方法。
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