JP2004165369A

JP2004165369A - 半導体装置の製造方法

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Publication number: JP2004165369A
Application number: JP2002328551A
Authority: JP
Inventors: Tetsuya Komoguchi; 徹哉菰口
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 2002-11-12
Filing date: 2002-11-12
Publication date: 2004-06-10

Abstract

【課題】高アスペクト比で高い垂直加工性を有するコンタクトホールの形成ができる半導体装置の製造方法を提供する。
【解決手段】本発明の製造方法は、マスク１３を用い堆積性を有する第１のエッチングガスにて絶縁層７を下層導電層２に達する前までエッチングしてコンタクトホール２１を形成し、かつ、コンタクトホール２１に側面保護膜２２を形成する第１のエッチング工程と、第１のエッチングガスより堆積性の弱い第２のエッチングガスにて前記絶縁層７と前記側面保護膜２２をエッチングしてコンタクトホール２１を形成する第２のエッチング工程と、を有する。
【選択図】図４

Description

【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、詳細には、微細な構造の多層配線を接続するためのコンタクトホールを有する半導体装置の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、半導体装置における高密度化および高集積化の要求により、半導体装置の微細化が必須となっている。半導体装置を微細化するために、例えば、トランジスタのゲート電極のゲート幅や、ＤＲＡＭ（ＤｙｎａｍｉｃＲａｎｄｏｍＡｃｃｅｓｓＭｅｍｏｒｙ）のキャパシタ占有面積等の縮小が実施されてきた。そして、配線も同様に微細化が要求されており、配線の多層化が行われている。配線の多層化に伴い、配線等の導電層間を接続するプラグが埋め込まれるコンタクトホールは、高アスペクト比とする必要性が増している。このため、コンタクトホールの製造工程は高度化し複雑となって、製造設備コストの上昇、製造歩留まり低下、および信頼性低下等の問題が発生している。特にスタック型のキャパシタ構造を有するＤＲＡＭにおいては、高アスペクト比が可能なコンタクトホールの形成技術の向上および、その形成工程の効率化が重要な課題となっている。
【０００３】
コンタクトホール形成技術においては、高アスペクト比と共に、接続する導電層に対して高い垂直加工性が要求されている。垂直加工性が低いためにコンタクトホールが狭く形成される場合、コンタクト抵抗の上昇や所望な深さまでエッチングができない等の問題が発生する場合がある。一方、垂直加工性が低いためにコンタクトホールが広く形成される場合、コンタクトホールと隣接する他の導電層との間で電気的なショート等が発生する場合がある。このように、垂直加工性が低いコンタクトホールが形成される場合、半導体装置の製造歩留まり低下、信頼性の低下が発生する場合がある。また、これらの問題はコンタクトホールが高アスペクト比となるに伴い、より顕著になる。
【０００４】
従来、この問題に対応するため、以下のような２段階のエッチングをする方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。従来の方法によれば、まず第１のエッチング工程において、コンタクトホールの底部でエッチングを進行させやすいがコンタクトホール形状の垂直加工性が低いエッチングガスを用いる。次いで、第２のエッチング工程において、コンタクトホールの底部でエッチングを停止させやすいがコンタクトホール形状の垂直加工性が高いエッチングガスを用いる。
【０００５】
【特許文献１】
特開２０００−１５０４１３
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
従来の方法における第１のエッチング工程のみを実施した場合は、図１０に示すように、コンタクトホール２１が底部までエッチングされ垂直加工性が低い形状となる。また、第２のエッチング工程のみを実施した場合は、図１１に示すように、コンタクトホール２１は底部までエッチングされにくく、垂直加工性が高い形状となる。従来の方法においては、第１のエッチング工程と第２のエッチング工程を順次実施することで、高い垂直加工性で高アスペクト比のコンタクトホール２１が形成できるとしていた。しかしながら、より高いアスペクト比が要求される場合、従来の方法においては第２のエッチング工程でコンタクトホール２１の底部までエッチングすることができないために、そのコンタクトホール２１の底部では第１のエッチングでの垂直加工性が低い形状が残存する場合があった。このようなコンタクトホール２１にプラグを形成し導電層間を接続した場合、第１導電層との接続面積が少なくなりコンタクト抵抗の上昇が発生する場合があり信頼性が低下した。以上のように、従来の方法において、より高いアスペクト比のコンタクトホール２１を形成する場合、所望のコンタクトホール２１の形状が形成できず、上記の問題等に十分な効果が得られなかった。
【０００７】
そこで本発明の目的は、高アスペクト比のコンタクトホールの形状を所望に形成することができる半導体装置の製造方法を提供することであって、特に、高い垂直加工性を有して、高い信頼性、高い製造歩留まりが可能なコンタクトホールの形成ができる半導体装置の製造方法を提供しようとすることにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、基板の上に形成された第１導電層と、前記第１導電層の上に形成された絶縁層と、前記絶縁層の上に形成された第２導電層とを有する半導体装置において、前記第１導電層と前記第２導電層を接続するためのコンタクトホールを前記絶縁層に形成する半導体装置の製造方法であって、前記コンタクトホールを設ける箇所にマスク開口を有するマスクを前記絶縁層の上に形成するマスク形成工程と、前記マスクを用い、堆積性を有する第１のエッチングガスにて前記絶縁層を所定の第１の深さまでエッチングして前記コンタクトホールを形成し、かつ、前記コンタクトホールに側面保護膜を形成する第１のエッチング工程と、前記第１のエッチングガスより堆積性の弱い第２のエッチングガスにて前記絶縁層と前記側面保護膜を所定の第２の深さまでエッチングして前記コンタクトホールを形成する第２のエッチング工程と、を有する半導体装置の製造方法である。
【０００９】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態としての半導体装置の製造方法について、以下の添付図面を参照し説明する。図１〜図７は本発明を実施する形態の一例であって、各製造工程で製造されるＤＲＡＭの周辺回路部の概略断面図を示す。なお、図中、同一の符号を付した部分は同一物を表わす。本実施形態は、図１に示す構成から順次、各工程を実施して、図７に示す構成の半導体装置を製造する方法について示す。
【００１０】
本実施形態においては、ＤＲＡＭのソース領域を第１導電層とし、その上部に設けた配線層を第２導電層とし、この第１導電層と第２導電層を接続するためのコンタクトホールを形成する製造方法について示す。本実施形態では、アスペクト比９．０（コンタクト径０．３５μｍ、コンタクトホール深さ３．２μｍ）のコンタクトホールを形成する場合について示す。
【００１１】
絶縁層形成工程
図１に示すように、基板１に、例えばＬＯＣＯＳ（ＬｏｃａｌＯｘｉｄａｔｉｏｎｏｆＳｉｌｉｃｏｎ）法により素子分離領域６を設けて活性領域を形成し、その活性領域にソース領域２、ドレイン領域３、ゲート電極（ワードライン）５、ゲート絶縁膜４からなるトランジスタ素子を形成する。そして、例えばＣＶＤ（ＣｈｅｍｉｃａｌＶａｐｏｒＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法によりＳｉＯ_２を堆積し絶縁層７を形成して、トランジスタ素子を被覆する。絶縁層７が形成される中間部で、例えばスパッタ法によりＡｌのビットライン８を形成し、再度、絶縁層７を堆積して、図１に示すような構成を形成する。
【００１２】
マスク形成工程
次いで、図２に示すように、絶縁層７に例えばスピンコート法によりフォトレジストを塗布し、熱処理を実施してマスク層１１を形成する。次いで、例えばフォトマスクを用いてマスク合わせをして露光した後、現像処理をする。そして、コンタクトホールの形成される箇所にマスク開口１２を有するマスク１３が形成される。ここで、マスク開口１２は、図３に示すように順テーパー形状とすることが望ましい。詳細は後述するが、マスク１３のマスク開口１２をテーパー形状に形成した場合、次工程の第１のエッチング工程において、そのマスク開口１２の形状が転写されコンタクトホールが順テーパー形状となる。このため、第１のエッチング工程での側壁保護膜の形成を制御することが容易となる。
【００１３】
第１のエッチング工程
次いで、図４に示すように、第１のエッチング工程において、第１のエッチング深さＤ１までエッチングし、側壁保護膜２２を有し順テーパー形状のコンタクトホール２１を形成する。本実施形態の第１のエッチング工程においては、以下の条件にて、例えばＳｉＯ_２の絶縁層７のエッチングを実施する。エッチング装置は平行平板型のエッチング装置を用いる。そして、堆積性を有する第１のエッチングガスとして、例えば、Ｃ_４Ｈ_８／ＣＯ／Ａｒ／Ｏ_２の混合気体を各々の流量１０ｓｃｃｍ／５０ｓｃｃｍ／１００ｓｃｃｍ／５ｓｃｃｍにて用い、圧力を４．７Ｐａ（３５ｍＴｏｒｒ）、ＲＦ出力を１６００Ｗの条件にてエッチングを行う。ここで、堆積性とはエッチングで生成された生成物がコンタクトホール２１の側壁へ堆積し側壁保護膜２２を形成する性質をいう。例えば、ＳｉＯ_２の絶縁層７の場合、Ｃ_４Ｈ_８が高い堆積性を有する。また、第１のエッチング工程では、コンタクトホール２１を所定の第１の深さまで絶縁層７をエッチングし、第１導電層であるソース領域２に達するまでエッチングをしない。以下より、第１のエッチング工程について詳細に説明する。
【００１４】
図４のような順テーパー形状は、エッチングガスとして堆積性を有するガスを使用する場合や、マスク開口１２が順テーパー形状の場合に形成されやすい。
【００１５】
前者の堆積性を有するエッチングガスを用いる場合、以下に示す作用によって順テーパー形状となる。堆積性を有するエッチングガスは絶縁層７と化学反応して生成物を生成し、その生成物をエッチングすることでコンタクトホール２１が形成される。しかし、エッチングが進行してコンタクトホール２１が深く形成されるに伴い、エッチングガスと絶縁層７との反応による生成物はコンタクトホール２１の外部へエッチングされにくくなる。コンタクトホール２１の外部へエッチングされない生成物は、コンタクトホール２１の側壁に付着そして堆積して側壁保護膜２２を形成する。側壁保護膜２２は絶縁膜７と堆積性を有するエッチングガスとの反応生成物で形成されているために、同様なエッチングガスではエッチングされにくい。また、エッチングが進行してコンタクトホール２１が深く形成されると、側壁保護膜２２の形成と共に、堆積性を有するエッチングガスがコンタクトホール２１の深い底部へ供給されにくくなる。このために、コンタクトホール２１はエッチングガスの進行方向に伴って狭い径で形成される順テーパー形状となる。したがって、堆積性を有するエッチングガスを用いて調整することで、順テーパー形状のコンタクトホール２１を所望の深さであって所望のコンタクト径にて形成することができる。
【００１６】
後者のマスク開口１２を順テーパー形状に形成する場合は、そのマスク形状が絶縁層７に転写され、コンタクトホール２１は順テーパー形状として形成される。マスク開口１２を順テーパー形状とするが堆積性を有するエッチングガスを用いない場合、側壁保護膜２２が形成されにくいため、前者と比べてコンタクトホール２１はより深くエッチングが進行しやすい。したがって、マスク開口１２の順テーパー形状を調整することで、順テーパー形状のコンタクトホールをより深いエッチング深さまで所望に形成することができる。
【００１７】
以上のように、前者の堆積性を有するエッチングガスを用いることで、順テーパー形状のコンタクトホール２１を所望の深さであって所望のコンタクト径にて形成することができる。しかし、より深いエッチング深さにおいて、コンタクトホール２１の順テーパー形状を制御する必要がある場合、後者の如くマスク開口１２を順テーパー形状に形成することを共に実施することが好適である。
【００１８】
また、図４に示すように本実施形態における第１のエッチング工程では絶縁層７をソース領域２に達する前でエッチングを止め、例えば、所望の第１のエッチング深さＤ１までエッチングをする。したがって、第１のエッチング工程でのコンタクトホール２１は、第１のエッチング深さＤ１までエッチングされ、その第１のエッチング深さＤ１では狭い径となる順テーパー形状で形成される。図４に示すように、コンタクトホール２１は第１のエッチング深さＤ１では所望のコンタクト径Ｒ１に対して、狭いコンタクト径Ｒ２となる。コンタクトホール２１を垂直形状とするためには、幅Ｘが不足している。ここで幅Ｘは（Ｒ１−Ｒ２）／２で示される。第１のエッチング深さＤ１のコンタクト径Ｒ２は、前述したように堆積性を有するエッチングガスを用いて側壁保護膜２２を形成するため、エッチング時間等を調整することで容易に制御できる。例えば、第１のエッチング深さＤ１でエッチングを停止させない場合、本条件においては図８に示すようにソース領域２に到達せず、エッチングができないコンタクト径まで狭くすることができる。なお、詳細は後述するが、第１のエッチング工程での第１のエッチング深さＤ１は、次工程の第２のエッチング工程で広げることできるコンタクト径の深さを考慮して決定することが好ましい。
【００１９】
（第２のエッチング工程）
次いで、本実施形態の第２のエッチング工程において以下の条件にて、例えばＳｉＯ_２の絶縁層７と側壁保護膜２２のエッチングを実施する。エッチング装置は、平行平板型のエッチング装置を用いる。第２のエッチングガスとして、例えば、Ｃ_４Ｈ_８／ＣＯ／Ａｒ／Ｏ_２混合気体を各々の流量５ｓｃｃｍ／５０ｓｃｃｍ／３００ｓｃｃｍ／５ｓｃｃｍにて用い、圧力を５．３Ｐａ（４０ｍＴｏｒｒ）、ＲＦ出力を１７００Ｗにてエッチングを行う。第１のエッチング工程後、本条件にて第２のエッチング工程を実施することで、例えば、図５に示すように、第２のエッチング深さＤ２であるソース領域２までエッチングをし、垂直加工性を有し高アスペクト比（９．０）のコンタクトホール２１を形成する。以下より、本第１のエッチング工程について詳細に説明する。
【００２０】
第２のエッチング工程においては、第１のエッチング工程と同様なマスク１３を用いることができる。そして、第１のエッチング工程で用いた第１のエッチングガスより、堆積性の弱い第２のエッチングガスを用いる。第１のエッチングガスより堆積性が弱いために、側壁保護膜２２は形成されにくい。第２のエッチングガスは、第１のエッチングガスより希ガス（例えばＡｒ）の割合が多いエッチングガスを用いることが好適である。エッチングガスとして希ガスを用いると、主に物理的なスパッタリング作用によりエッチングが実施される。希ガスによる物理的スパッタリング効果によって、第１エッチング工程で形成された側壁保護膜２２は容易に削除することができる。また、物理的なスパッタリング作用によるエッチングのため、絶縁層７が等方的にエッチングされる。このため、コンタクトホール２１は所望のコンタクト径より広く形成され易い。
【００２１】
第１のエッチング工程を実施せず本実施形態の第２のエッチング工程を実施した場合、図９に示すように、コンタクトホール２１は深さ中間部Ｄ３において広く広がったボウイング形状となる。第２のエッチングガス中で支配的に存在する希ガスは、プラズマ中でイオン化され、基板側に向けて異方的に電界加速される。高アスペクト比のコンタクトホール２１を形成する場合、その異方的に電界加速されたイオンはコンタクトホール２１の底部までは充分到達しないが、コンタクトホール２１の深さ中間部Ｄ３までは充分に入り込む。このため、この深さ中間部Ｄ３で等方的にエッチングが進行する。また、堆積性を有するガス（例えばＣ_４Ｈ_８）がエッチングガス中に含まれている場合であっても、コンタクトホール２１の底部までは、その堆積性を有するガスは供給されにくいため側壁保護膜２２が形成されにくい。したがって、コンタクトホール２１はその深さ中間部Ｄ３において広く広がるボウイング形状となる。
【００２２】
よって、ボウイング形状は、図９に示すように、深さ中間部Ｄ３では所望のコンタクトホール２１の径Ｒ１に対して広いコンタクト径Ｒ３となる。つまり、所望のコンタクト径Ｒ１に対して幅Ｙが広がっている。ここで幅Ｙは（Ｒ３−Ｒ１）／２で示すことができる。このようにボウイング形状となる場合、例えば図９に示すように、広く広がった深さ中間部Ｄ３に位置するビットライン８との間隔が狭くなるため、ビットラインとコンタクトホール２１に埋込み形成されるプラグとの電気的なショートが発生する等の問題となり、製造歩留まりの低下、信頼性低下となる。
【００２３】
しかしながら、前述したように第１のエッチング工程において、第１のエッチング深さＤ１にて狭い幅Ｘである順テーパー形状のコンタクトホール２１を形成している。そして、第２のエッチング工程において、深さ中間部Ｄ３にて幅Ｙが広がるボウイング形状とする条件にて、第２のエッチング深さＤ２までエッチングをする。したがって、第１のエッチング工程において第１のエッチング深さＤ１で狭まった幅Ｘを、第２のエッチング工程での深さ中間部Ｄ３とその位置で広がる幅Ｙとを同等に制御することで、第１のエッチング深さＤ１および深さ中間部Ｄ３は高い垂直加工性を実現することができる。
【００２４】
また、第２のエッチング工程でのコンタクトホール２１の底部においては、絶縁層７と側壁保護膜２２をスパッタリング効果にてエッチングする際、そのエッチング物がコンタクトホール２１の外部へ除去されにくい。このため、側壁保護膜２２のエッチング物はコンタクトホール２１の側壁に再付着し堆積する場合がある。しかし、第２のエッチングガスは、コンタクトホール２１の底部に対して等方的なエッチング特性を有するため、ガス流量を増加させることで再付着を防止することができる。このように、コンタクトホール２１の底部においては、等方的なエッチングの効果と再付着の効果により垂直加工性を実現することができる。
【００２５】
また、第２のエッチング工程でのコンタクトホール２１の上部においては、絶縁層７と側壁保護膜２２をスパッタリング効果にてエッチングする際、底部と異なり、そのエッチング物がコンタクトホール２１の外部へ除去されやすい。このため、エッチング物がコンタクトホール２１の側壁に再付着することは少ない。しかし、堆積性を有するガス（Ｃ_４Ｈ_８等）の解離による付着が促進される。このように、コンタクトホール２１の上部においては、再付着の防止の効果と堆積性を有するガスの解離による付着の効果により垂直加工性を実現することができる。
【００２６】
以上、上述したように第１のエッチング工程では堆積性を有する第１のエッチングガスを用い、エッチング時間等を制御することで所望の側壁保護膜２２の形成をすることができる。このため、容易に第１のエッチング深さのコンタクト径を制御できる。一方、第２のエッチング工程においては、堆積性の弱いエッチングガスを用いエッチング時間、第２のエッチング深さ等を制御することで、第１のエッチング深さで狭まったコンタクト径を容易に所望に広げることができる。したがって、高アスペクト比のコンタクトホールの形状を所望に形成することができ、高い垂直加工性を有して、高い信頼性、高い製造歩留まりが可能なコンタクトホールの形成ができる。
【００２７】
次いで、図６に示すようにマスク１３はアッシングされる。上記の工程を経て、高いアスペクト比９．０であって垂直加工性の高いコンタクトホール２１を形成することができる。
【００２８】
（プラグ・配線層形成工程）
次いで、図７に示すようにコンタクトホール２１にプラグを埋め込んで形成する。そして、このプラグと接続する第２導電層としての配線層を形成する。プラグはコンタクトホール２１の表面にＴｉＮを密着層（図示せず）として設け、例えばＣＶＤ法にてＷを埋め込み形成する。また、配線層は例えばスパッタ法にてＡｌを用いて形成する。垂直加工性の高いコンタクトホール２１にプラグを形成することができるため、コンタクト抵抗の上昇がなく、また、ビットライン８等との接触による電気的なショートの発生を防止することができる。
【００２９】
上述したように本発明の実施形態においては、高アスペクト比のコンタクトホール２１を所望の形状で形成することができる。したがって、垂直加工性に優れるコンタクトホール２１を形成することができるため、コンタクト抵抗の上昇がなく、また、他の隣接する導電層等との接触による電気的なショートの発生を防止することができる。
【００３０】
本実施形態における基板１、ソース領域２、絶縁層７、マスク開口１２、マスク１３、コンタクトホール２１、側壁保護膜２２、配線層３２は、順次、本発明の基板、第１導電層、絶縁層、マスク開口、マスク、コンタクトホール、側壁保護膜、第２導電層に相当する。
【００３１】
なお、本発明の実施に際しては、上記した実施の形態に限定されず、種の変形形態を採用することができる。
【００３２】
例えば、上記実施形態においては第１のエッチング工程と第２のエッチング工程を各１回ずつ実施してコンタクトホール２１を形成したが、第１のエッチング工程と第２のエッチング工程を交互に複数回実施しても良い。
【００３３】
【発明の効果】
本発明の半導体装置の製造方法によれば、高アスペクト比のコンタクトホールの形状を所望に形成することができ、特に垂直加工性に優れるコンタクトホールを形成することができる。その結果、本発明の半導体装置の製造方法によれば、半導体装置の製造歩留まりと信頼性を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明の実施形態に係る製造方法において製造される半導体装置を示す概略断面図である。
【図２】図２は、本発明の実施形態に係る製造方法において、図１に示した工程を実施後、マスク層を絶縁層に形成する工程まで実施したことを示す図である。
【図３】図３は、本発明の実施形態に係る製造方法において、図２に示した工程を実施後、マスク層をパターニングしマスクを形成する工程まで実施したことを示す図である。
【図４】図４は、本発明の実施形態に係る製造方法において、図３に示した工程を実施後、側壁保護膜を形成し、かつ、マスクを用いて絶縁層をエッチングする第１のエッチング工程まで実施したことを示す図である。
【図５】図５は、本発明の実施形態に係る製造方法において、図４に示した工程を実施後、側壁保護膜および絶縁層をエッチングしコンタクトホールを形成する第２の工程まで実施したことを示す図である。
【図６】図６は、本発明の実施形態に係る製造方法において、図５に示した工程を実施後、マスクを除去する工程まで実施したことを示す図である。
【図７】図７は、本発明の実施形態に係る製造方法において、図６に示した工程を実施後、コンタクトホールにプラグを形成し、プラグに接続する配線層を形成する工程まで実施したことを示す図である。
【図８】図８は、本発明の実施形態に係る製造方法における第１のエッチング工程において、第１導電層までエッチングができない場合について示す図である。
【図９】図９は、本発明の実施形態に係る製造方法において、第１のエッチング工程を実施せず、第２のエッチング工程を実施した場合について示す。
【図１０】図１０は、従来の半導体装置の製造方法で製造した半導体装置を示す概略断面図であり、順テーパー形状となるコンタクトホールが形成されることを示す。
【図１１】図１１は従来の半導体装置の製造方法で製造した半導体装置を示す概略断面図であり、第２導電層まで達していないコンタクトホールが形成されることを示す。
【符号の説明】
１…基板、２…ソース領域（下層導電層）、３…ドレイン領域、４…ゲート絶縁膜、５…ゲート電極、６…素子分離領域、７…絶縁層、８…ビットライン、１１…マスク層、１２…マスク開口、１３…マスク、２１…コンタクトホール、２２…側壁保護膜、３１…プラグ、３２…配線層（上層導電層）

Claims

基板の上に形成された第１導電層と、前記第１導電層の上に形成された絶縁層と、前記絶縁層の上に形成された第２導電層とを有する半導体装置において、前記第１導電層と前記第２導電層を接続するためのコンタクトホールを前記絶縁層に形成する半導体装置の製造方法であって、
前記コンタクトホールを設ける箇所にマスク開口を有するマスクを前記絶縁層の上に形成するマスク形成工程と、
前記マスクを用い、堆積性を有する第１のエッチングガスにて前記絶縁層を所定の第１の深さまでエッチングして前記コンタクトホールを形成し、かつ、前記コンタクトホールに側面保護膜を形成する第１のエッチング工程と、
前記第１のエッチングガスより堆積性の弱い第２のエッチングガスにて前記絶縁層と前記側面保護膜を所定の第２の深さまでエッチングして前記コンタクトホールを形成する第２のエッチング工程と、
を有する半導体装置の製造方法。
前記マスク形成工程において前記マスク開口を順テーパー形状に形成する
請求項１記載の半導体装置の製造方法。
前記第２のエッチング工程において前記第１のエッチングガスより希ガスの割合が多い前記第２のエッチングガスを用いる
請求項１記載の半導体装置の製造方法。