JP2002367924A

JP2002367924A - 半導体装置およびその製造方法

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Publication number: JP2002367924A
Application number: JP2001173028A
Authority: JP
Inventors: Kensaku Ishibashi; 健作石橋
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2001-06-07
Filing date: 2001-06-07
Publication date: 2002-12-20

Abstract

(57)【要約】【課題】コンタクトホールにおけるコンタクト抵抗が
小さく微細化が可能な半導体装置、およびその製造方法
を提供する。【解決手段】シリコン基板３１上に、酸化シリコンか
らなる絶縁膜３３を形成する第１の工程と、炭素および
フッ素を含むエッチングガスを用いたドライエッチング
によって、絶縁膜３３に貫通孔３３ａを形成する第２の
工程と、第２の工程の際にシリコン基板３１上に形成さ
れたポリマ（炭素化合物）３４と、第２の工程の際にシ
リコン基板３１の表面に形成された損傷層３５とを、プ
ラズマエッチングによって除去する第３の工程とを含
み、プラズマエッチングが、（炭素化合物のエッチング
速度）／（シリコン基板のエッチング速度）＝Ｘ（ただ
し、４≦Ｘ≦６）の関係を満たす条件で行われる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体装置および
その製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、ＶＬＳＩやＵＬＳＩなどにみられ
るように半導体装置の高集積化および高性能化が進むの
に伴い、絶縁膜のドライエッチングにおいても、高異方
性や、高速性、高選択性、低ダメージ性、低汚染性とい
った要求が高まっている。

【０００３】従来、絶縁膜の代表例である酸化シリコン
系絶縁膜（以下、「ＳｉＯｘ」膜という場合がある。）
のドライエッチングには、一般にＣＦ₄等のフルオロカ
ーボン、ＣＨＦ₃等のフルオロハイドロカーボン、また
はこれらの混合物を主体とするエッチングガスが広く用
いられている。

【０００４】これらのガスが使用されるのは、（ａ）フ
ルオロカーボン系ガスに含まれるＣがＳｉＯｘ膜の表面
でＣ−Ｏ結合を生成し、Ｓｉ−Ｏ結合を切断したり弱め
たりする働きがあり、（ｂ）ＳｉＯｘ膜の主エッチング
種であるＣＦｘ⁺（特にｘ＝３）を生成でき、さらに
（ｃ）プラズマ中でカーボン・リッチな状態が作り出さ
れるので、ＳｉＯｘ膜中の酸素がＣＯ、ＣＯ₂の形で除
去される一方、ガス系に含まれるＣ，Ｈ，Ｆなどの寄与
でシリコン系材料からなるＳｉＯｘ膜下地の表面では炭
素系のポリマが堆積してエッチング速度が低下し、高い
下地選択比が得られるからである。

【０００５】ところで、半導体装置の製造においては、
様々なプロセス中でＳｉＯｘ膜のドライエッチングが行
われる。たとえば、シリコン系材料層に対して選択性を
確保しながらＳｉＯｘ膜のドライエッチングを行う場合
として、拡散層やゲート電極上にコンタクトホールを開
口するためのエッチングや、コンタクトホールのアライ
メントマージンを確保するためのサイドウオール膜形成
のエッチングが代表的である。

【０００６】以下に、従来の半導体装置の製造方法にお
ける代表的なエッチング工程について、図６を参照しな
がら一例を説明する。

【０００７】図６は、絶縁膜にコンタクトホールを形成
するときの製造工程を示している。図６の製造工程で
は、まず、図６（ａ）に示すように、シリコン基板１上
に、貫通孔２ａを有する絶縁膜２を形成し、絶縁膜２を
覆うように絶縁膜３を形成する。

【０００８】その後、図６（ｂ）に示すように、たとえ
ば、ＣＦ₄とＣＨＦ₃の混合ガスをエッチングガスとして
使用し、絶縁膜３をドライエッチングする。このとき、
貫通孔２ａの壁面の絶縁膜３を残すように、異方性の高
いドライエッチングを行う。このようにして、貫通孔２
ａの側壁にサイドウォール３ａが形成される。絶縁膜３
のドライエッチングの際には、図６（ｂ）に示すよう
に、シリコン基板１の露出された表面に炭素系のポリマ
４が堆積する。また、シリコン基板１の露出された表面
には、イオン化したエッチングガスや、ＳｉＯｘ膜の成
分からのＣ、Ｆ、Ｏ、またはＨのイオンなどのエネルギ
ー粒子の入射によって、Ｓｉ−Ｃ結合やＳｉ−Ｏ結合な
どを多く含む損傷層５が生じる。

【０００９】このような損傷層５がシリコン基板１の表
面層に形成されると、コンタクト抵抗の上昇やリーク電
流の不安定化等、多くの悪影響が生じ、高い信頼性が要
求される半導体装置を形成するのは困難になる。

【００１０】そこで、従来の製造方法では、ＣＦ₄／Ｏ₂
混合ガス、またはＣＨＦ₃／Ｏ₂混合ガスを用いたダウン
ストリーム型プラズマエッチングによって、炭素系のポ
リマ４および損傷層５を同時に剥離・除去していた。

【００１１】このエッチング工程では、まず、図６
（ｃ）に示すように、炭素系のポリマ４だけでなく損傷
層５も同時にエッチングされ、炭素系のポリマが厚い部
分では、ポリマ４がマスクとなる。そのため、図６
（ｄ）に示すように、損傷層５が完全に除去されたとき
には、シリコン基板１に凹凸６が形成されることにな
る。すなわち、上記損傷層５を除去する過程の初期にお
いては、ポリマ４の除去が終了し損傷層５の除去が行わ
れている部分と、ポリマ４が残存し損傷層５の表面が露
出されずにエッチングされていない部分とが共存してい
る。そして、半導体シリコン基板１の表面のうち、早期
に露出されてエッチングされた部分は凹部となり、早期
に露出されなかった部分は凸部になる。このようにし
て、半導体シリコン基板１の表面に凹凸６が形成され
る。このような凹凸６を形成することによって、同一の
コンタクトホール径で、コンタクトホールと下地である
活性領域表面との接触面積を増大させることができる。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来
は、炭素系のポリマ４および損傷層５をドライエッチン
グで除去する際に、凹凸６の大きさを適当な値にするこ
とが困難であった。凹凸６の大きさが小さすぎると、コ
ンタクトホールと下地である活性領域表面との接触面積
が不十分となり、コンタクト抵抗が高くなる。一方、凹
凸６の大きさが大きすぎると、コンタクトホールが活性
領域を突き抜けて接合リークが生じたり、コンタクト抵
抗がばらついたりするという問題がある。これらの問題
は、特に、半導体装置の微細化に伴って大きくなる。

【００１３】上記問題を解決するため、本発明は、コン
タクトホールにおけるコンタクト抵抗が小さく微細化が
可能な半導体装置、およびその製造方法を提供すること
を目的とする。

【００１４】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明の半導体装置は、シリコン基板とシリコン基板
上に形成された絶縁膜とを備え、絶縁膜にコンタクトホ
ールが形成されており、シリコン基板のうちコンタクト
ホールの内部に面する表面に、平均高低差が１０ｎｍ以
上２５ｎｍ以下の凹凸が形成されていることを特徴とす
る。上記半導体装置によれば、コンタクトホールにおけ
るコンタクト抵抗が小さく微細化が可能な半導体装置が
得られる。

【００１５】また、本発明の半導体装置の製造方法は、
シリコン基板上に、酸化シリコンからなる絶縁膜を形成
する第１の工程と、炭素およびフッ素を含むエッチング
ガスを用いたドライエッチングによって、絶縁膜に貫通
孔を形成する第２の工程と、第２の工程の際にシリコン
基板上に形成された炭素化合物と、第２の工程の際にシ
リコン基板の表面に形成された損傷層とを、プラズマエ
ッチングによって除去する第３の工程とを含み、プラズ
マエッチングが、（炭素化合物のエッチング速度）／
（シリコン基板のエッチング速度）＝Ｘ（ただし、４≦
Ｘ≦６）の関係を満たす条件で行われることを特徴とす
る。上記製造方法によれば、シリコン基板のうちコンタ
クトホールの内部に面する表面に、平均高低差が１０ｎ
ｍ以上２５ｎｍ以下の凹凸を形成できる。したがって、
上記製造方法によれば、コンタクトホールにおけるコン
タクト抵抗が小さく微細化が可能な半導体装置を製造で
きる。

【００１６】上記製造方法では、プラズマエッチング
が、フッ素を含むガスと酸素ガスとの混合ガスを用いて
行ってもよい。

【００１７】上記製造方法では、プラズマエッチングに
おいて、シリコン基板の温度が１０℃以上６０℃以下で
あり、混合ガスが、（フッ素を含むガスの分圧）：（酸
素ガスの分圧）＝１：Ｙ（ただし、１０≦Ｙ≦４０）の
関係を満たすようにしてもよい。

【００１８】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て、図面を参照しながら説明する。

【００１９】（実施形態１）実施形態１では、本発明の
半導体装置について説明する。本発明の半導体装置は、
コンタクトホールを備える半導体装置である。

【００２０】実施形態１の半導体装置について、コンタ
クトホール周辺の一部断面図を図１に示す。図１を参照
して、実施形態１の半導体装置は、シリコン基板１１
と、シリコン基板１１上に形成された絶縁膜１２とを備
える。絶縁膜１２には、コンタクトホール１２ａが形成
されている。そして、コンタクトホール１２ａ内部に面
するシリコン基板１１の表面には、平均高低差が１０ｎ
ｍ以上２５ｎｍ以下の凹凸１１ａが形成されている。な
お、実際の半導体装置では、凹凸１１ａの部分に拡散層
が形成されたり、コンタクトホール内に電極が形成され
たりするが、図１では図示を省略している（以下の図面
においても同様である）。

【００２１】シリコン基板１１には、結晶シリコンや多
結晶シリコンなどの結晶系シリコン基板を用いることが
できる。

【００２２】なお、絶縁膜１２のコンタクトホール１２
ａの内側面に、他の絶縁膜であるサイドウォール１３が
形成されていてもよい。このような半導体装置につい
て、一例の一部断面図を図２に示す。絶縁膜１３には、
たとえば、ＴＥＯＳ膜（テトラエトキシシランを原料ガ
スとする酸化シリコン膜）などの酸化シリコン膜を用い
ることができる。

【００２３】実施形態１の半導体装置には、たとえば、
凹凸１１ａが形成された拡散層と接続し、コンタクトホ
ール１２ａを埋める電極として、Ｔｉ、ＴｉＮのバリア
層とともに積層されるアルミ電極コンタクトやタングス
テンプラグコンタクトが形成される。この中でも、たと
えば、タングステンプラグコンタクトを形成する場合の
一例について、以下に説明する。この場合には、まず、
スパッタリング法によって、Ｔｉ膜（厚さ３０ｎｍ）お
よびＴｉＮ膜（厚さ７０ｎｍ）の２層構造を有するバリ
アメタルを形成し、基板表面の凹凸１１ａをもつ拡散層
と接触させる。次に、ＣＶＤ法によってタングステンを
４００ｎｍ堆積させたのち、エッチバックを行い、コン
タクトホール１２ａを埋め込む。その後、銅を含むアル
ミニウムをスパッタリングしパターニングすることによ
って、上層配線を形成する。

【００２４】実施形態１の半導体装置では、コンタクト
ホール１２ａ内部に面するシリコン基板１１の表面に形
成されている凹凸１１ａの平均高低差が、１０ｎｍ以上
２５ｎｍ以下である。凹凸１１ａの平均高低差を１０ｎ
ｍ以上とすることによって、シリコン基板１１とコンタ
クト材料との接触面積が増加することから、コンタクト
抵抗を低減することができる。また、凹凸１１ａの高低
差を２５ｎｍ以下とすることによって、活性領域が浅い
場合にもリークなどが発生することを防止できる。した
がって、実施形態１の半導体装置によれば、コンタクト
ホールにおけるコンタクト抵抗が小さく微細化が可能な
半導体装置が得られる。

【００２５】（実施形態２）実施形態２では、本発明の
半導体装置の製造方法について説明する。実施形態２の
半導体装置の製造方法によれば、実施形態１で説明した
半導体装置を製造できる。

【００２６】実施形態２の製造方法では、まず、結晶系
シリコン基板上に、酸化シリコンからなる絶縁膜を形成
する（第１の工程）。結晶系シリコン基板および絶縁膜
には、実施形態１で説明したシリコン基板１１および絶
縁膜１２と同様のものを用いることができる。なお、結
晶系シリコン基板は、製造する半導体装置に応じて、不
純物がドーピングされた領域などを備える。

【００２７】次に、炭素およびフッ素を含むエッチング
ガスを用いたドライエッチングによって、上記絶縁膜に
貫通孔（コンタクトホール）を形成する（第２の工
程）。エッチングガスには、たとえば、ＣＦ₄とＣＨＦ₃
との混合ガスや、Ｃ₄Ｆ₈、Ｃ₂Ｆ₆、ＣＨ₂Ｆ₂を用いるこ
とができる。

【００２８】次に、上記第２の工程の際に結晶系シリコ
ン基板上に形成された炭素化合物（炭素系のポリマ）
と、上記第２の工程の際に結晶系シリコン基板の表面に
形成された損傷層とを、フッ素を含むガスと酸素ガスと
の混合ガスを用いたプラズマエッチングによって除去す
る（第３の工程）。具体的には、たとえば、ＣＦ₄とＯ₂
との混合ガスや、ＣＨＦ₃とＯ₂との混合ガスを用いるこ
とができる。なお、フッ素を含むガスと酸素ガスとの混
合ガスに、ＡｒガスまたはＨｅガスなどを添加した混合
ガスを用いても同様の効果が得られる。ここで、第３の
工程におけるプラズマエッチングは、（炭素化合物のエ
ッチング速度）／（シリコン基板のエッチング速度）＝
Ｘ（ただし、４≦Ｘ≦６）の関係を満たす条件で行われ
る。なお、第２の工程で形成される炭素化合物は、エッ
チング工程で用いられるレジスト膜とエッチング速度が
ほぼ同じであり、レジスト膜のエッチング速度を用いて
炭素化合物のエッチング速度を推定することができる。

【００２９】上記エッチング速度比Ｘを制御する方法と
しては、エッチングに用いるフッ素を含むガスの分圧と
酸素ガスの分圧とを変化させる方法と、基板温度を変化
させる方法とがある。しかし、フッ素を含むガスの分圧
と酸素ガスの分圧とを変化させる方法では、絶縁膜のエ
ッチング速度と結晶系シリコン基板のエッチング速度と
の比も変化してしまう。このため、基板温度を制御する
ことによって上記エッチング速度比Ｘを変化させること
が好ましい。

【００３０】上記第３の工程においては、シリコン基板
の温度が１０℃以上６０℃以下であり、フッ素を含むガ
スと酸素ガスとが、（フッ素を含むガスの分圧）：（酸
素ガスの分圧）＝１：Ｙ（ただし、１０≦Ｙ≦４０）の
関係を満たすことが好ましい。

【００３１】上記第３の工程によって、コンタクトホー
ル内部に面した結晶系シリコン基板の表面に、平均高低
差が１０ｎｍ以上２５ｎｍ以下の凹凸が形成される。上
記第３の工程ののちは、製造する半導体に応じて電極の
形成などを行い、半導体装置を完成させる。

【００３２】

【実施例】以下、実施例を用いて本発明をさらに詳細に
説明する。

【００３３】本実施例では、実施形態２の製造方法を用
いてコンタクトホールを形成した一例について説明す
る。本実施例におけるコンタクトホールの製造工程を図
３に示す。

【００３４】この実施例では、まず、図３（ａ）に示す
ように、シリコン基板３１上に、貫通孔３２ａを有する
膜厚８００ｎｍのボロフォスフォシリケートガラス膜
（以下、ＢＰＳＧ膜という）３２を形成した。ＢＰＳＧ
膜３２は、図２の絶縁膜１２に相当する。ＢＰＳＧ膜３
２は、シリコン基板３１上にＢＰＳＧ膜を形成したの
ち、窒素雰囲気中８００℃で３０分間アニールを行い、
さらに公知のフォトリソグラフィー技術とドライエッチ
ング技術とを用いて貫通孔３２ａを形成することによっ
て作製した。

【００３５】その後、図３（ｂ）に示すように、ＢＰＳ
Ｇ膜３２および貫通孔３２ａ内のシリコン基板３１を覆
うように、膜厚５０ｎｍの絶縁膜３３を形成した。絶縁
膜３３は、テトラエトキシシランを原料ガスとしてＬＰ
ＣＶＤ法によって形成した。

【００３６】その後、図３（ｃ）に示すように、絶縁膜
３３のうち貫通孔３２ａの側壁に形成されている部分以
外の部分を除去し、貫通孔３３ａを形成した。絶縁膜３
３の一部の除去は、ＣＦ₄とＣＨＦ₃との混合ガスをエッ
チングガスとする異方性のドライエッチングによって行
った。具体的には、ガス圧が２０Ｐａで、ＲＦパワーが
８００Ｗの条件で行った。このドライエッチングの際
に、シリコン基板３１上には異方性エッチング時の反応
生成物である炭素系のポリマ（炭素化合物）３４が堆積
し、シリコン基板３１の表面に損傷層３５が形成され
た。

【００３７】その後、図３（ｄ）に示すように、ポリマ
３４と損傷層３５とを、酸素ガスおよびＣＦ₄ガスを用
いたプラズマエッチング（プラズマ処理）によって除去
した。ドライエッチングには、ダウンフロー型の枚葉式
ケミカルドライエッチング装置を用いた。このときのプ
ラズマエッチングは、（ポリマ３４のエッチング速度）
／（シリコン基板３１のエッチング速度）＝Ｘ（ただ
し、４≦Ｘ≦６）となるように行った。具体的には、
（ＣＦ₄ガスの分圧）：（酸素ガスの分圧）＝１：２０
とし、ガス圧力を５０Ｐａとし、ＲＦパワーを１０００
Ｗとし、シリコン基板３１を配置した基板ステージの温
度を５０℃とした。なお、この条件でレジスト膜（住友
化学製：ＰＦＩ３８）のエッチングを行ったところ、
（レジスト膜のエッチング速度）／（シリコン基板３１
のエッチング速度）＝５であった。

【００３８】このようにして、コンタクトホール３６を
形成した。シリコン基板３１のうち、コンタクトホール
３６の内部に面する表面には、平均高低差が１０ｎｍ以
上２５ｎｍ以下の凹凸３１ａが形成された。

【００３９】なお、凹凸３１ａの平均高低差は、シリコ
ン基板のエッチング速度とポリマのエッチング速度との
比を変化させることによって調整できる。レジスト膜
（住友化学製：ＰＦＩ３８）のエッチング速度と多結晶
シリコン膜のエッチング速度とのエッチング速度比が変
化するエッチング条件を用いて、図３（ｄ）のプラズマ
エッチングを行い、凹凸３１ａの平均高低差を測定した
結果を図４に示す。このときのエッチング条件は、基板
ステージの温度以外は、図３（ｃ）のプラズマエッチン
グの条件と同様である。なお、レジスト膜とコンタクト
ホール内に形成されるポリマとは、エッチング時に同様
の挙動を示す。同様に、多結晶シリコン膜とシリコン基
板とは、エッチング時に同様の挙動を示す。

【００４０】図４から明らかなように、エッチング速度
比を変化させることによって、シリコン基板の表面に形
成される凹凸の平均高低差を変化させることができた。
そして、（レジスト膜のエッチング速度）／（多結晶シ
リコン膜のエッチング速度）の比を４以上６以下とする
ことによって、シリコン基板に形成される凹凸の平均高
低差を１０ｎｍ以上２５ｎｍ以下の範囲内に調整できる
ことがわかった。

【００４１】図４のプラズマエッチングにおいて、エッ
チング速度比は、基板ステージの温度を変化させること
によって行った。基板ステージの温度とエッチング速度
比との関係を図５に示す。図５に示すように、基板ステ
ージの温度を変化させることによってエッチング速度比
を変化させることができた。なお、エッチング速度比が
４となる基板ステージ温度は約１０℃であり、エッチン
グ速度比が６となる基板ステージ温度は約６０℃であっ
た。

【００４２】以上、本発明の実施の形態について例を挙
げて説明したが、本発明は、上記実施の形態に限定され
ず本発明の技術的思想に基づき他の実施形態に適用する
ことができる。

【００４３】

【発明の効果】以上のように本発明にかかる半導体装置
およびその製造方法によれば、コンタクトホールに面す
る基板表面に平均高さが１０ｎｍ以上２５ｎｍ以下の凹
凸が形成された半導体装置が得られる。したがって、本
発明によれば、コンタクト抵抗が小さく、接合リークの
発生が少ない半導体装置が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の半導体装置について一例の一部を模
式的に示す断面図である。

【図２】本発明の半導体装置について他の一例の一部
を模式的に示す断面図である。

【図３】本発明の半導体装置の製造方法について一例
を示す工程図である。

【図４】エッチング速度比とシリコン基板に形成され
る凹凸の平均高低差との関係を示すグラフである。

【図５】基板ステージ温度とエッチング速度比との関
係を示すグラフである。

【図６】従来の半導体装置の製造方法について一例を
示す工程図である。

【符号の説明】

１１シリコン基板１１ａ凹凸１２絶縁膜１２ａコンタクトホール１３絶縁膜３１シリコン基板３１ａ凹凸３２ＢＰＳＧ膜３３絶縁膜３３ａ貫通孔３４ポリマ（炭素化合物）３５損傷層３６コンタクトホール

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続きＦターム(参考） 4M104 AA01 BB14 CC01 DD04 DD08 DD16 DD19 DD24 HH04 HH15 5F004 AA02 AA09 BB13 DA00 DA01 DA02 DA15 DA16 DA22 DA23 DA26 DB03 DB05 EB01 FA01

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】シリコン基板と、前記シリコン基板上に
形成された絶縁膜とを備え、前記絶縁膜にコンタクトホールが形成されており、前記シリコン基板のうち前記コンタクトホールの内部に
面する表面に、平均高低差が１０ｎｍ以上２５ｎｍ以下
の凹凸が形成されていることを特徴とする半導体装置。
【請求項２】シリコン基板上に、酸化シリコンからな
る絶縁膜を形成する第１の工程と、炭素およびフッ素を含むエッチングガスを用いたドライ
エッチングによって、前記絶縁膜に貫通孔を形成する第
２の工程と、前記第２の工程の際に前記シリコン基板上に形成された
炭素化合物と、前記第２の工程の際に前記シリコン基板
の表面に形成された損傷層とを、プラズマエッチングに
よって除去する第３の工程とを含み、前記プラズマエッチングが、（炭素化合物のエッチング
速度）／（シリコン基板のエッチング速度）＝Ｘ（ただ
し、４≦Ｘ≦６）の関係を満たす条件で行われることを
特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項３】前記プラズマエッチングが、フッ素を含
むガスと酸素ガスとの混合ガスを用いて行われる請求項
２に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項４】前記プラズマエッチングにおいて、前記シリコン基板の温度が１０℃以上６０℃以下であ
り、前記混合ガスが、（フッ素を含むガスの分圧）：（酸素
ガスの分圧）＝１：Ｙ（ただし、１０≦Ｙ≦４０）の関
係を満たす請求項３に記載の半導体装置の製造方法。