JP2003282706A - 半導体装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 半導体装置の製造方法において、微細構造を
有する配線間にボイドを発生させること無く絶縁膜を成
膜することによって、配線のショート不良を低減させて
歩留まりの向上を図るとともに、ボイドを埋めるための
加熱処理工程を不要にしてプロセス時間の短縮化を図
る。 【解決手段】 半導体基板に絶縁膜を介して複数の電極
を形成する工程と、前記複数の電極の上面および側面を
窒化シリコン膜で被覆する工程と、フッ素含有化合物を
含むガスのプラズマで異方性エッチングを行って前記窒
化シリコン膜の角部をテーパ状に加工する工程と、前記
窒化シリコン膜で被覆された前記電極の間隙を埋め込む
ように前記半導体基板の上に絶縁膜を形成する工程と、
前記絶縁膜をエッチングして前記複数の電極の間で前記
半導体基板に達するコンタクト孔を形成する工程により
半導体装置を製造する。

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
方法に関し、より詳しくは、微細構造を有する配線間に
ボイドを発生させること無く絶縁膜を成膜する半導体装
置の製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、半導体装置の集積度の増加に伴い
個々の素子の寸法は微小化が進み、各素子を構成する半
導体領域の寸法も微細化されている。そして、各半導体
領域に接続する配線を埋め込むために絶縁膜に形成する
コンタクト孔も微細化され、そのアスペクト比も高くな
る傾向にある。例えば、配線間隔が１３０ｎｍの素子構
造の場合、アスペクト比は３．０〜４．０である。

【０００３】コンタクト孔を形成する技術としては、従
来よりセルフアラインコンタクト（Ｓｅｌｆ Ａｌｉｇ
ｎｅｄ Ｃｏｎｔａｃｔ，以下、ＳＡＣという）形成技
術が用いられている。例えば、ＳＡＣ形成工程では各ゲ
ート電極の上面を窒化膜で覆い、ゲート電極の両側に窒
化膜スペーサを形成してコンタクトが形成される部分を
予め限定した後、酸化膜からなる層間絶縁膜を形成し、
層間絶縁膜をエッチングすることによって各ゲート電極
間にコンタクト孔を形成する。

【０００４】ＳＡＣ形成技術を用いた従来のコンタクト
孔形成工程の一例について、さらに具体的に図２を用い
て説明する。シリコン基板８の上にゲート絶縁膜１７，
１７′を形成し、その上にゲート電極９，９′を形成し
た後、絶縁のためにゲート電極９，９′の上面および側
面をシリコン窒化膜１０，１０′で覆って図２（ａ）の
形状とする。ゲート電極９，９′の側壁に形成されたシ
リコン窒化膜１０ａ，１０ｂ，１０′ａ，１０′ｂはサ
イドウォールスペーサである。

【０００５】次に、図２（ｂ）に示すように、この上
に、例えばシリコン酸化膜を用いて、層間絶縁膜１１を
形成する。層間絶縁膜の形成は、例えば化学気相成長法
（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏ
ｎ，以下、ＣＶＤという）により行い、具体的には準常
圧ＣＶＤ（Ｓｕｂ Ａｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃ ＣＶＤ）
法や高密度プラズマＣＶＤ（Ｈｉｇｈ Ｄｅｎｓｉｔｙ
Ｐｌａｓｍａ ＣＶＤ）法等により行う。

【０００６】続いて、フォトリソグラフィ法により、図
２（ｃ）に示すように、層間絶縁膜１１の上に開口部１
２ａを有するフォトレジスト１２を形成する。その後、
層間絶縁膜１１のエッチングを行い、フォトレジスト１
２を剥離して、図２（ｄ）の構造とする。以上の工程を
通じて、層間絶縁膜１１にコンタクト孔１３を形成す
る。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】上述したＳＡＣ形成技
術は、シリコン基板とシリコン窒化膜との段差を利用す
ることによりコンタクト孔を開口するものである。そし
て、層間絶縁膜はこの段差の上に形成されるものであ
り、配線間の間隙を完全に埋め込むようにして成膜され
る必要がある。

【０００８】しかしながら、素子構造の微細化に伴いア
スペクト比の大きな段差が形成されるようになると、微
細構造を有する配線間の間隙は深くて狭いものとなるた
めに、間隙内部に成膜ガスが進入し難くなる。図３を用
いてこの現象について説明する。

【０００９】図３は、シリコン基板８の上に形成された
ゲート電極９とゲート電極９′の間隙１５に層間絶縁膜
１１が形成された様子を示したものである。間隙１５は
深くて狭いため、内部に成膜ガスが到達し難い。したが
って、シリコン窒化膜１０の表面１０ａ、間隙側面１５
ａおよび間隙底部１５ｂのそれぞれの箇所における層間
絶縁膜１１の堆積速度が異なって、層間絶縁膜１１の膜
厚に差が生じる。そして、間隙１５の内部が層間絶縁膜
１１で完全に充填される前に間隙の上端部１５ｃが塞が
れると、層間絶縁膜１１の中にボイド１４が発生すると
いう問題があった。このようなボイドの存在は、配線を
ショートさせて素子特性に悪影響を及ぼすことになる。

【００１０】また、従来、層間絶縁膜中にボイドが形成
された場合には、高温で加熱処理をして層間絶縁膜をリ
フローさせることによりボイドを埋めていた。しかしな
がら、高温での加熱処理は素子にダメージを与えるとと
もに、プロセス時間が長くなるという問題もあった。

【００１１】本発明はこのような問題点に鑑みてなされ
たものである。即ち、本発明は、微細構造を有する配線
間にボイドを発生させること無く絶縁膜を成膜できる半
導体装置の製造方法を提供するものである。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本願請求項１にかかる発
明は、半導体装置の製造方法であって、半導体基板に絶
縁膜を介して複数の電極を形成する工程と、前記複数の
電極の上面および側面を窒化シリコン膜で被覆する工程
と、フッ素含有化合物を含むガスのプラズマで異方性エ
ッチングを行って前記窒化シリコン膜の角部をテーパ状
に加工する工程と、前記窒化シリコン膜で被覆された前
記電極の間隙を埋め込むように前記半導体基板の上に絶
縁膜を形成する工程と、前記絶縁膜をエッチングして前
記複数の電極の間で前記半導体基板に達するコンタクト
孔を形成する工程とを有することを特徴とするものであ
る。

【００１３】請求項２にかかる発明は、請求項１に記載
の半導体装置の製造方法において、前記異方性エッチン
グは前記半導体基板に高周波交流バイアスパワーを印加
して行うことを特徴とするものである。

【００１４】請求項３にかかる発明は、請求項１または
２に記載の半導体装置の製造方法において、前記フッ素
含有化合物は三フッ化窒素であることを特徴とするもの
である。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
を参照して詳細に説明する。

【００１６】実施の形態１ 図１は、本発明にかかるコンタクト孔の形成工程を示し
たものである。まず、半導体基板としてシリコン基板を
用い、所定の間隔をおいて複数のゲート電極を形成す
る。すなわち、シリコン基板１の上にゲート絶縁膜１
６，１６′を形成し、ゲート絶縁膜１６，１６′を介し
てゲート電極２，２′を形成した後、絶縁のためにゲー
ト電極２，２′の上面および側面をシリコン窒化膜３，
３′で覆って図１（ａ）の形状とする。ゲート電極２，
２′の側壁に形成されたシリコン窒化膜３ａ，３ｂ，
３′ａ，３′ｂはサイドウォールスペーサである。図１
（ａ）の例では、ゲート電極２，２′が窒化シリコン膜
３，３′で被覆されているとともにシリコン基板１の表
面がゲート電極２と２′の間に露出している。

【００１７】次に、三フッ化窒素ガス（ＮＦ_３）を主成
分とするエッチングガスからなるプラズマを用いて異方
性エッチングを行い、シリコン窒化膜３，３′の角部を
図１（ｂ）に示すようにテーパ状に加工する。ここで、
シリコン窒化膜３，３′の角部とは、例えばゲート電極
２とゲート電極２′の間隙４において、間隙上端近傍３
ａ，３′ａをいう。また、テーパ状とは、具体的には、
図１（ｂ）に示すように、間隙上端近傍において、間隙
内部から間隙端部に向かって開口寸法が拡大するような
テーパ形状をいう。

【００１８】三フッ化窒素プラズマによる異方性エッチ
ングは、例えば高密度プラズマをプラズマ源とするＣＶ
Ｄ装置を用いて行う。すなわち、図（ａ）に示すゲート
電極およびシリコン窒化膜が形成されたシリコン基板を
ＣＶＤ装置の成膜チャンバに載置する。次に、成膜チャ
ンバ内を所定の真空度にした後、シリコン基板に高周波
の交流バイアスパワーを印加し、成膜チャンバ内にエッ
チングガスを導入してエッチングを行う。シリコン基板
に交流バイアス電圧を印加することによって、等方性の
三フッ化窒素ガスプラズマを異方性のプラズマとするこ
とができる。エッチング速度については、希釈ガスとし
て例えば窒素（Ｎ_２）ガスを用い、所望のエッチング速
度に応じた適当量の窒素ガスを三フッ化窒素ガスに混合
することにより制御することができる。

【００１９】続いて、ＣＶＤ装置の成膜チャンバからエ
ッチングガスを排気し、新たに層間絶縁膜を成膜するた
めに適当な材料ガスを導入する。図１（ｂ）において、
上記異方性エッチングをしてシリコン窒化膜３，３′の
角部をテーパ状に加工したことにより間隙４の上端４ａ
での開口寸法が広がるために、成膜ガスが間隙４の内部
に進入し易くなる。したがって、図１（ｃ）に示すよう
に、ボイドを発生させること無く層間絶縁膜５で間隙４
を埋め込むようにして、層間絶縁膜１１を窒化シリコン
膜３およびシリコン基板１の上に形成することができ
る。

【００２０】次に、フォトリソグラフィ法により、図１
（ｄ）に示すように、層間絶縁膜５の上に開口部６ａを
有するフォトレジスト６を形成する。その後、間隙４の
部分の層間絶縁膜５をエッチングして開口した後、フォ
トレジスト６を剥離する。以上の工程により、図１
（ｅ）に示すように、セルフアラインでゲート電極２と
ゲート電極２′の間にコンタクト孔７を形成する。

【００２１】尚、三フッ化窒素プラズマによる異方性エ
ッチングプロセスを行う代わりに、絶縁膜成膜プロセス
において、シリコン基板に印加する交流バイアスパワー
を高くしてもシリコン窒化膜の開口端部をテーパ状に加
工することは可能である。しかしながら、シリコン基板
に印加する交流バイアスパワーを高くすることによって
シリコン基板にダメージを与えるおそれがあることか
ら、かかる方法は好ましくない。

【００２２】また、三フッ化窒素は一般にＣＶＤ装置の
成膜チャンバのクリーニングに用いられる材料でもある
ことから、三フッ化窒素プラズマによる異方性エッチン
グプロセスを経ることによって、エッチングに加えてシ
リコン基板に対するクリーニング効果も得られる。クリ
ーニングは、例えば、前工程でシリコン基板に付着した
粒子と三フッ化窒素の放電により生成した活性種とが反
応し、反応生成物が成膜チャンバから排気されることに
よって行われる。

【００２３】本実施の形態では三フッ化窒素ガスプラズ
マを用いた異方性エッチングについて述べたが、シリコ
ン窒化膜の角部をテーパ状に加工することができるもの
であれば三フッ化窒素ガスプラズマに限定されるもので
はなく、他のフッ素含有ガスであってもよい。

【００２４】本実施の形態ではゲート電極が形成された
シリコン基板に形成された層間絶縁膜にコンタクト孔を
形成する例について説明したが、これらに限定されるも
のではなく、他の電極、半導体基板等であってもよい。
半導体領域に配線を接続するために該配線を埋め込むた
めの接続孔を絶縁膜に形成する場合であれば本発明を適
用することにより同様の効果を得ることができる。

【００２５】

【発明の効果】本発明によれば、微細構造を有する配線
間にボイドを発生させること無く絶縁膜を成膜すること
ができるので、配線のショート不良を低減させて歩留ま
りの向上を図ることができる。また、ボイドを埋めるた
めの加熱処理工程が不要になるので、プロセス時間の短
縮化を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係るコンタクト孔の形成工程を示した
ものである。

【図２】従来のコンタクト孔の形成工程を示したもので
ある。

【図３】ボイドの発生を説明する図である。

【符号の説明】

１，８ シリコン基板、 ２，９ ゲート電極、
３，１０ シリコン窒化膜、 ４，１５ 間隙、
５，１１ 層間絶縁膜、 ６，１２ レジスト、
７，１３ コンタクト孔、 １４ ボイド、 １
６，１７ ゲート絶縁膜。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 半導体基板に絶縁膜を介して複数の電極
   を形成する工程と、 前記複数の電極の上面および側面を窒化シリコン膜で被
   覆する工程と、 フッ素含有化合物を含むガスのプラズマで異方性エッチ
   ングを行って前記窒化シリコン膜の角部をテーパ状に加
   工する工程と、 前記窒化シリコン膜で被覆された前記電極の間隙を埋め
   込むように前記半導体基板の上に絶縁膜を形成する工程
   と、 前記絶縁膜をエッチングして前記複数の電極の間で前記
   半導体基板に達するコンタクト孔を形成する工程とを有
   することを特徴とする半導体装置の製造方法。
2. 【請求項２】 前記異方性エッチングは、前記半導体基
   板に高周波交流バイアスパワーを印加して行う請求項１
   に記載の半導体装置の製造方法。
3. 【請求項３】 前記フッ素含有化合物は三フッ化窒素で
   ある請求項１または２に記載の半導体装置の製造方法。