JP2008211027A - Manufacturing method of semiconductor device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、半導体装置の製造方法に関し、電気的に書き換え可能な不揮発性半導体記憶装置の製造方法に関する。特にNOR型不揮発性半導体記憶装置の製造方法に関する。 The present invention relates to a method for manufacturing a semiconductor device, and to a method for manufacturing an electrically rewritable nonvolatile semiconductor memory device. In particular, the present invention relates to a manufacturing method of a NOR type nonvolatile semiconductor memory device.
半導体集積回路の高性能化により、マイクロプロセッサ及び大容量の半導体メモリが開発され、情報化社会の進展に貢献している。特に電気的に書き込み及び消去が可能であって、電源を切っても記憶したデータを保持することができる不揮発性半導体メモリは、記憶容量の増大により、これまで使われてきたハードディスク等の磁気記録媒体の市場も凌駕しつつある。 With higher performance of semiconductor integrated circuits, microprocessors and large-capacity semiconductor memories have been developed, contributing to the progress of the information society. In particular, non-volatile semiconductor memory that can be electrically written and erased and can retain stored data even when the power is turned off is increasing the storage capacity. The media market is also surpassing.
このような技術の進展は、半導体集積回路の微細化によるところが大きく貢献している。半導体集積回路の微細化を支えてきたものはフォトリソグラフィ技術であり、今日ではナノメートルレベルの解像度を実現し、さらに微細化の方策が検討されている。 The progress of such technology greatly contributes to the miniaturization of semiconductor integrated circuits. Photolithography technology has supported the miniaturization of semiconductor integrated circuits. Today, resolution of nanometer level is realized, and further miniaturization measures are being studied.
フォトリソグラフィ技術は、半導体ウエハー上に塗布されたフォトレジストに所望のパターンを投影露光するための露光装置と、レチクルと呼ばれる微細なパターンが形成された露光用のマスクを用いて行われる。このフォトリソグラフィ技術の中でも難しいとされるのがコンタクトホールのパターンである。コンタクトホールは半導体集積回路の中で、層間絶縁層に形成される開口で、上層配線と下層配線とを接続するために形成されるものである。通常はコンタクトホールに対応するパターンをレチクルに形成し、これを用いて1回の露光でフォトレジスト上に投影露光し、現像後にレジストパターンを形成する。そして、レジストパターンをマスクとして、層間絶縁層のエッチングを行い、コンタクトホールを形成する。 The photolithography technique is performed using an exposure apparatus for projecting and exposing a desired pattern onto a photoresist coated on a semiconductor wafer and an exposure mask on which a fine pattern called a reticle is formed. A contact hole pattern is considered to be difficult in this photolithography technique. A contact hole is an opening formed in an interlayer insulating layer in a semiconductor integrated circuit, and is formed to connect an upper layer wiring and a lower layer wiring. Usually, a pattern corresponding to a contact hole is formed on a reticle, and projection exposure is performed on the photoresist by one exposure using this, and a resist pattern is formed after development. Then, using the resist pattern as a mask, the interlayer insulating layer is etched to form contact holes.
半導体集積回路において主要な構成要素となるトランジスタには、ソース領域及びドレイン領域と呼ばれる微細な拡散層が形成されている。配線はその微細な拡散層と、層間絶縁層に形成されたコンタクトホールを介してコンタクトを形成する必要がある。コンタクトホールは、その微細な拡散層上に確実に形成される必要がある。 In a transistor which is a main component in a semiconductor integrated circuit, fine diffusion layers called a source region and a drain region are formed. The wiring needs to form a contact through its fine diffusion layer and a contact hole formed in the interlayer insulating layer. The contact hole needs to be reliably formed on the fine diffusion layer.
NOR型フラッシュメモリのセルアレイは、メモリセルMCが行列状に配置されている。メモリセルアレイの列方向には、ビット線BLが延びており行方向にはワード線WLとソース線LIが延びている。 In the cell array of the NOR type flash memory, memory cells MC are arranged in a matrix. Bit lines BL extend in the column direction of the memory cell array, and word lines WL and source lines LI extend in the row direction.
メモリセルアレイにおいて、メモリセルMCは隣り合うもの同士がソース領域又はドレイン領域を共有するように列方向に直列接続されている。すなわち、隣り合うメモリセルMCがソース領域又はドレイン領域を共有するように配置されている。ビット線BLは同一列のメモリセルMCのドレイン領域とドレインコンタクトDCを形成している。ワード線WLは行方向に延びており、メモリセルMCのコントロールゲート電極とセルアレイの同一行で共通接続を形成するように設けられている。 In the memory cell array, adjacent memory cells MC are connected in series in the column direction so that adjacent ones share a source region or a drain region. That is, adjacent memory cells MC are arranged so as to share a source region or a drain region. The bit line BL forms a drain contact DC with the drain region of the memory cells MC in the same column. The word line WL extends in the row direction, and is provided so as to form a common connection in the same row of the control gate electrode of the memory cell MC and the cell array.
このようにNOR型フラッシュメモリのメモリセルアレイは、ビット線BLと接続するドレインコンタクトDCが、二つのメモリセルに対して一つの割合で必要となる。そのため、ドレインコンタクトDCはメモリセルアレイ内において周期的に配列している。ドレインコンタクトDCはワード線WLと素子分離領域18に挟まれる位置に設けられるものであり、メモリセルの微細化に伴って微小なドレインコンタクトホールを高精度に形成する必要がある。そのために、メモリセルアレイの加工精度は高度なものが要求されている。
As described above, in the memory cell array of the NOR type flash memory, the drain contact DC connected to the bit line BL is required at a ratio of one for two memory cells. Therefore, the drain contacts DC are periodically arranged in the memory cell array. The drain contact DC is provided at a position sandwiched between the word line WL and the
一方、限られた微小な領域においてコンタクト抵抗を下げるべく、コンタクトホールの口径は可能な限り広い面積で形成する必要がある。そのために、コンタクトホールの開口形状は、矩形の開口をもって形成することが望まれている。これはメモリセルアレイのレイアウトから見て明らかなように、許容された面積を最大限活用するためである。 On the other hand, the diameter of the contact hole needs to be formed as wide as possible in order to reduce the contact resistance in a limited minute region. Therefore, it is desired that the contact hole has a rectangular opening. As is apparent from the layout of the memory cell array, this is for maximizing the permitted area.
しかし、フォトリソグラフィ工程において用いるレチクルに、コンタクトホールとして矩形の開口パターンを形成しても、フォトレジストに転写されるパターンの形状は変形してしまう。実際にはレチクル上に形成される矩形の開口パターンに対し、露光により転写されるレジストパターンは開口部の角が丸くなり、略円形の開口パターンしか形成することができないという問題がある。この原因はフォトレジストの材質にもよるが、露光装置の解像度が大きく影響している。 However, even if a rectangular opening pattern is formed as a contact hole on a reticle used in a photolithography process, the shape of the pattern transferred to the photoresist is deformed. In practice, the resist pattern transferred by exposure has a problem that the corners of the openings are rounded, and only a substantially circular opening pattern can be formed, compared to the rectangular opening pattern formed on the reticle. The cause of this depends on the material of the photoresist, but the resolution of the exposure apparatus has a great influence.
この場合、どれだけ微細なコンタクトホールを形成できるかは、露光装置とフォトレジストの能力によってほぼ律束されてしまう。原理的には、レチクル上に孤立したパターンとして形成されるコンタクトホール径が小さくなると、これらを透過した光の回折効果により十分な解像度の投影パターンが得られなくなるといった問題がある。 In this case, how fine contact holes can be formed is almost determined by the capabilities of the exposure apparatus and the photoresist. In principle, when the diameter of the contact hole formed as an isolated pattern on the reticle is reduced, there is a problem that a projection pattern with sufficient resolution cannot be obtained due to the diffraction effect of light transmitted through these.
微小なパターンを投影露光する方法として、互いに交差する2枚のレチクルを用い二回の露光を行うクロス露光法が知られている。しかし、クロス露光法は露光を二回繰り返すことから、レチクルと半導体ウエハーのアライメントを二回繰り返す必要があり、プロセスの制御性及び生産性が悪いことが問題となっている。これに対し、光の偏光を利用して、偏光面が異なるクロスパターンをレチクル上に形成し、偏光方向を異ならせて二回の露光を行う方法が提案されている(例えば、特許文献1参照)。この方法によれば、レチクルと半導体ウエハーのアライメント処理を1回で済ませることが可能となる。しかし、この方法においても、フォトレジストを二回露光することに変わりはなく、露光条件の制御性やレチクルが高価になってしまうなどの問題が残されている。 As a method for projecting and exposing a minute pattern, a cross exposure method is known in which exposure is performed twice using two reticles that intersect each other. However, since the cross exposure method repeats the exposure twice, it is necessary to repeat the alignment between the reticle and the semiconductor wafer twice, and the process controllability and productivity are poor. On the other hand, a method has been proposed in which a cross pattern having different polarization planes is formed on a reticle using polarization of light, and exposure is performed twice with different polarization directions (see, for example, Patent Document 1). ). According to this method, the alignment process between the reticle and the semiconductor wafer can be performed only once. However, in this method as well, there is no change in exposing the photoresist twice, and problems such as controllability of exposure conditions and expensive reticles remain.
また、複数種類のレチクルを用意して、それぞれのレチクルパターンに形成される透光部の共通部分にコンタクトホールのパターンが形成されるように各レチクルパターンを形成し、共通部分についての合計の露光量がレジストのしきい値を超えるように各回の露光量を定めて露光する多重露光法が提案されている(例えば、特許文献2参照)。しかしながら、この方法によってもフォトレジストの制御性や欠陥に難点があり、実用的な技術ではない。
本発明は、半導体集積回路におけるコンタクトホールのような微細穴パターンを形成する場合において、形状を精度良くパターニングし且つ加工することができる半導体装置の製造方法を提供する。 The present invention provides a method for manufacturing a semiconductor device capable of accurately patterning and processing a shape when forming a fine hole pattern such as a contact hole in a semiconductor integrated circuit.
本発明の一形態は、半導体基板に素子分離領域及び素子形成領域を形成し、前記素子形成領域にゲート電極を形成し、前記素子形成領域であって、前記ゲート電極の外側領域に一導電型の不純物領域を形成し、前記素子形成領域上に前記ゲート電極を埋め込む層間絶縁層を形成し、前記層間絶縁層上に、前記一導電型の不純物領域及び前記ゲート電極上を横断するストライプ状の開口パターンを有する第1のハードマスクを形成し、前記第1のハードマスクと交差する方向に開口パターンを有し、該開口が前記一導電型の不純物領域上に位置する第2のハードマスクを形成し、前記第1のハードマスク及び前記第2のハードマスクの開口パターンの交差部で露出する前記層間絶縁層をエッチングして、前記一導電型の不純物領域に貫通するコンタクトホールを形成することを有することを特徴とする半導体装置の製造方法である。 According to one embodiment of the present invention, an element isolation region and an element formation region are formed in a semiconductor substrate, a gate electrode is formed in the element formation region, and the element formation region has a one conductivity type in an outer region of the gate electrode. An impurity insulating region is formed, an interlayer insulating layer is formed on the element forming region to embed the gate electrode, and the one-conductivity type impurity region and the gate electrode are striped across the interlayer insulating layer. Forming a first hard mask having an opening pattern, having an opening pattern in a direction intersecting the first hard mask, and the opening is located on the impurity region of one conductivity type; Forming and etching the interlayer insulating layer exposed at the intersection of the opening patterns of the first hard mask and the second hard mask to penetrate the impurity region of one conductivity type. It is a manufacturing method of a semiconductor device and having forming a contact hole.
本発明の一実施形態によれば、ストライプ状のパターンを有する少なくとも二種類のレチクルを用い、二回のフォトリソグラフィ工程を行うことで、コンタクトホールを開口する微細な構造のハードマスクを形成することができる。このようにして作製されたハードマスクをエッチング用マスクとして用いることで、アスペクト比の高いコンタクトホールを形成することができる。また、前記したハードマスクを用いてコンタクトホールをドライエッチングで加工することにより、レジストに比べ高いエッチング選択性が得られるので、マスクパターンエッジの後退が抑えられ、微細なコンタクトホールを容易に形成することができる。 According to one embodiment of the present invention, a hard mask having a fine structure that opens a contact hole is formed by performing two photolithography processes using at least two types of reticles having a stripe pattern. Can do. By using the hard mask thus manufactured as an etching mask, a contact hole with a high aspect ratio can be formed. Further, by processing the contact hole by dry etching using the hard mask described above, high etching selectivity can be obtained compared to the resist, so that the recession of the mask pattern edge can be suppressed and a fine contact hole can be easily formed. be able to.
本発明に係る一実施形態の半導体装置の製造工程において、特に層間絶縁層にコンタクトホールの作製方法について説明する。半導体集積回路において、コンタクトホールは、半導体基板に一導電型不純物(n型若しくはp型を付与する不純物元素)を添加して形成される不純物領域と配線を接続するため、又は層間絶縁層を介して形成される配線間を接続するために必要とされている。本実施形態では、コンタクトホールの形成を、少なくとも二回のフォトリソグラフィ処理と二回のハードマスク加工処理によって行う工程を例示する。 In the manufacturing process of the semiconductor device according to one embodiment of the present invention, a method for forming a contact hole in the interlayer insulating layer will be described. In a semiconductor integrated circuit, a contact hole connects an impurity region formed by adding one conductivity type impurity (an impurity element imparting n-type or p-type) to a semiconductor substrate and a wiring, or through an interlayer insulating layer. It is necessary to connect the wirings formed in the same way. In the present embodiment, a process of forming a contact hole by at least two photolithography processes and two hard mask processing processes is exemplified.
以下に、本実施の形態に係る半導体装置の製造工程について図2乃至図17を参照して説明する。なお、図6乃至図17において、(A)は図5において示すA−A’線に対応する断面図(メモリセルのチャネル長方向の断面構造を示す図)、(B)は同様にB−B’線に対応する断面図(メモリセルのチャネル幅方向の断面構造を示す図)、(C)は同様にC−C’線に対応する断面図(メモリセルのドレインコンタクトの断面構造を示す図)を示している。 Hereinafter, a manufacturing process of the semiconductor device according to the present embodiment will be described with reference to FIGS. 6 to 17, (A) is a cross-sectional view corresponding to the AA ′ line shown in FIG. 5 (a view showing a cross-sectional structure of the memory cell in the channel length direction), and (B) is B- Cross-sectional view corresponding to line B ′ (showing a cross-sectional structure in the channel width direction of the memory cell), (C) is also a cross-sectional view corresponding to line CC ′ (showing a cross-sectional structure of the drain contact of the memory cell) Figure).
まず、図6(A)乃至(C)に示すように、半導体基板10の主表面にトンネル絶縁膜と呼ばれる第1の酸化シリコン層12を形成し、後工程でセルのフローティングゲート電極となる第1の多結晶シリコン層13を堆積する。さらに、第1の窒化シリコン層14、第2の酸化シリコン層15を順次形成する。なお、本例では半導体基板10としてp型シリコン基板を用い、メモリセルを形成する領域には深いnウエル領域を形成した後、pウエル領域11が形成されているものとする。
First, as shown in FIGS. 6A to 6C, a first
次に、図7(A)乃至(C)に示すように、素子分離領域を形成する部分にトレンチ16を形成する。この工程は、第2の酸化シリコン層15の上に、素子分離領域を開口するレジストパターンをフォトリソグラフィ工程により形成する。このレジストパターンは、メモリセルアレイにおいて列方向に延びるストライプ状の開口パターンとして形成される。これをマスクにして反応性イオンエッチング(Reactive Ion Etching;RIE)法により第2の酸化シリコン層15と第1の窒化シリコン層14をエッチング加工する。続いて、加工された第2の酸化シリコン層15及び第1の窒化シリコン層14をマスクとして、RIE法により第1の多結晶シリコン層13、第1の酸化シリコン層12及び半導体基板10をエッチング加工してトレンチ16を形成する。トレンチ16の深さは、素子分離をする目的からpウエル11よりも深く掘り込まれている。
Next, as shown in FIGS. 7A to 7C, a
その後、トレンチ16及び、第1の酸化シリコン層12、第1の多結晶シリコン層13、第1の窒化シリコン層14、第2の酸化シリコン層15までを十分に埋め込むように埋込絶縁膜を堆積する。埋込絶縁膜としては酸化シリコン膜が選択される。酸化シリコン膜の堆積は、例えばSiH4−N2O系のガス又はTEOS(Tetraethyl orthosilicate)−O2系のガスを用いてプラズマCVD法により行う。そして、化学的機械研磨(Chemical Mechanical Polishing;CMP)法により、第1の窒化シリコン層14を研磨におけるストッパーとして用い、堆積した酸化シリコン膜及び第2の酸化シリコン層15を研磨して表面が平坦になるように加工する。この加工により、第1の酸化シリコン層12は埋込絶縁膜と共に除去され、第1の窒化シリコン層14と埋込絶縁膜の表面の高さが揃えられる。その結果、図8に示すようにトレンチ16に酸化シリコン膜が埋め込まれたSTIによる素子分離領域18が形成される。
Thereafter, an embedded insulating film is formed so that the
図1は図8に示す段階におけるメモリセルアレイの平面図を示す。素子分離領域18はメモリセルアレイの列方向にストライプ状に形成され、それに挟まれるようにして素子形成領域17が設けられる。素子形成領域17には、第1の酸化シリコン層12、第1の多結晶シリコン層13、第1の窒化シリコン層14が積層された状態となっている。
FIG. 1 is a plan view of the memory cell array at the stage shown in FIG. The
次に、図9(A)乃至(C)に示すように、二層ゲート構造を形成する工程を行う。上述の図8の状態から、リン酸処理により第1の窒化シリコン層14を除去する。そして、第2の多結晶シリコン層19を形成する。例えば、原料ガスとしてSiH2Cl2、HCl及びPH3を用い、減圧CVD法によって堆積したリンが添加された多結晶シリコン膜を堆積する。その膜をフォトリソグラフィ工程によりレジストパターンを形成し、ドライエッチングにより素子分離領域18の上部で分離されるように加工することで第2の多結晶シリコン層19が形成される。これにより、第1の多結晶シリコン層13と第2の多結晶シリコン層19が積層され、メモリセルのフローティングゲート電極として用いられる。フローティングゲート電極は、図9(B)、(C)で示すようにB−B’線及びC−C’線から見た断面形状は略T字状に形成される。すなわち、フローティングゲート電極はメモリセル毎に設けられ、隣接するメモリセルとは絶縁分離される構成となる。
Next, as shown in FIGS. 9A to 9C, a step of forming a two-layer gate structure is performed. From the state of FIG. 8 described above, the first
続いて、ゲート間絶縁層20として、例えば酸化シリコン層/窒化シリコン層/酸化シリコン層が積層された所謂ONO層を減圧CVD法で形成する。さらにリンが添加された第3の多結晶シリコン層21及びタングステンシリサイド(WSi)層22を形成する。タングステンシリサイド層22は、例えば、WF6とSiH4を用いてCVD法により堆積する。さらに、後の工程で二層ゲート電極を形成するときにハードマスクとして用いる第3の酸化シリコン層23を順次堆積する。
Subsequently, as the inter-gate insulating
次に、図10(A)乃至(C)に示すようにフローティングゲート電極とコントロールゲート電極からなる二層構造のゲート電極を形成する。まず、フォトリソグラフィ法によりレジストパターンを形成する。このレジストパターンは、メモリセルアレイにおいて、行方向に延びるワード線に対応するパターンである。このレジストパターンを用いてRIE法により第3の酸化シリコン層23を加工する。そして、第3の酸化シリコン層23をマスクとして、タングステンシリサイド層22、第3の多結晶シリコン層21、ゲート間絶縁層20、第2の多結晶シリコン層19、第1の多結晶シリコン層13をRIE法で異方性エッチングしてゲート電極27を形成する。
Next, as shown in FIGS. 10A to 10C, a two-layer gate electrode including a floating gate electrode and a control gate electrode is formed. First, a resist pattern is formed by photolithography. This resist pattern is a pattern corresponding to a word line extending in the row direction in the memory cell array. Using this resist pattern, the third
次に、図11(A)乃至(C)に示すように、ゲート電極27の側壁にサイドウォールスペーサー26を形成する。まず、酸化処理を行い、ゲート電極27の第1の多結晶シリコン層13、第2の多結晶シリコン層19、第3の多結晶シリコン層21及びタングステンシリサイド層22の各側面に所望の厚さで第4の酸化シリコン層24を形成する。この後、一導電型の不純物領域を形成する。本形態では、メモリセルにおいてドレイン領域及びソース領域を構成する高濃度のn型不純物領域28に加え、低濃度ドレイン(LDD)を形成する低濃度のn型不純物領域25を形成する場合について例示する。
Next, as shown in FIGS. 11A to 11C,
まず、メモリセルにおいて低濃度ドレイン(LDD)を形成するためのイオン注入を行い、低濃度のn型不純物領域25を形成する。次に、ゲート電極27を埋め込むように窒化シリコン膜を堆積し、これをエッチバックしてサイドウォールスペーサー26を形成する。そして、サイドウォールスペーサー26をマスクとして高濃度のn型不純物領域28を形成するためのイオン注入を行う。このようにして、素子形成領域17であって、ゲート電極27の両側において、サイドウォールスペーサー26と重なる領域に低濃度のn型不純物領域25が形成され、サイドウォールスペーサー26の外側に高濃度のn型不純物領域28が形成される。図11(A)、(C)は、高濃度のn型不純物領域28のうち、メモリセルにおいてドレインとなる領域の断面を示している。
First, ion implantation for forming a low concentration drain (LDD) in the memory cell is performed to form a low concentration n-
図2はこの段階におけるメモリセルアレイの平面図を示す。図10及び図11で示す工程で形成されるゲート電極27は、メモリセルアレイにおいて同じ層構造で行方向に延設されることによりワード線WLとみなすことができる。ワード線WLは、素子形成領域17及び素子分離領域18を横断するように形成されている。
FIG. 2 is a plan view of the memory cell array at this stage. The
次に、図12(A)乃至(C)に示すように第2の窒化シリコン層29及び層間絶縁層30を形成する。まず、コンタクト開口時にエッチングストッパーとなる第2の窒化シリコン層29を形成する。その上にSiH4、B2H6、PH3及びO2ガスを導入して常圧CVD法によりボロン・リン・シリケート・ガラス(BPSG)膜を堆積する。成膜されたBPSG膜をリフローした後に、CMP法により第2の窒化シリコン層29をストッパーとして上面が露出するまで削り平坦化を行うことで、層間絶縁層30が形成される。
Next, as shown in FIGS. 12A to 12C, a second
次に、ドレインコンタクトを形成するためのマスクパターンを形成する。このマスクパターンは、ストライプ状に形成される酸化シリコン層又は窒化シリコン層を用いたハードマスクパターンとして形成する。以下にその工程を示す。なお、ハードマスクとは、酸化シリコン素材(SiO2)や窒化シリコン素材(Si3N4)を用いたマスクを指していう。 Next, a mask pattern for forming a drain contact is formed. This mask pattern is formed as a hard mask pattern using a silicon oxide layer or a silicon nitride layer formed in a stripe shape. The process is shown below. The hard mask refers to a mask using a silicon oxide material (SiO 2 ) or a silicon nitride material (Si 3 N 4 ).
図13(A)乃至(C)に示すように、BPSG膜で形成された層間絶縁層30の上に第1のハードマスク32を形成する。第1のハードマスク32は酸化シリコン膜又は窒化シリコン膜などの絶縁膜を層間絶縁層30上に堆積して形成する。例えば、TEOSを用いたCVD法により酸化シリコン膜で形成する。この絶縁膜上にフォトリソグラフィ工程によりレジストパターン31を形成する。レジストパターン31は、素子形成領域17上に開口部が形成され、該開口部が素子形成領域17と平行に延びるようなストライプパターンで形成される。このようなレジストパターン31で酸化シリコン膜をエッチングすると、図3で示す平面図のように、素子形成領域17と平行に延びる第1のハードマスク32が形成される。
As shown in FIGS. 13A to 13C, a first
このときのエッチングの深さは、酸化シリコン膜を選択的に除去しても良いし、その下地であるBPSG膜の一部まで除去する深さで加工しても良い。例えば、第1のハードマスク32が酸化シリコンである場合には、CHF3、CF4、COガスを用いてドライエッチングすることで、BPSG膜で形成される層間絶縁層30と選択比をもって加工することができる。なお、第1のハードマスク32は素子分離領域18上に設けられ、開口部の幅はコンタクトホールの幅と略一致するように形成する。
The etching depth at this time may be selectively removed from the silicon oxide film, or may be processed at such a depth that even a part of the underlying BPSG film is removed. For example, when the first
次いで、図14(A)乃至(C)で示すように第2のハードマスク34を形成する。まず、第1のハードマスク32上のレジストパターン31を除去した後、第2のハードマスク34を形成するための絶縁層を堆積する。第2のハードマスク34は窒化シリコン膜又は酸化シリコン膜で形成する。例えば、SiH4とNH3ガスを用いてプラズマCVD法により窒化シリコン膜を全面に堆積し、フォトリソグラフィ工程によりレジストパターン33を形成する。このレジストパターンは第1のハードマスク32と交差する方向に開口部が設けられている。このレジストパターンで窒化シリコン膜をエッチングすると、図4で示す平面図のように、素子形成領域17と交差する方向に延びる第2のハードマスク34が形成される。
Next, as shown in FIGS. 14A to 14C, a second
このときのエッチングの深さは、窒化シリコン膜を選択的に除去しても良いし、その下地にある第1のハードマスク32の一部まで除去する深さで加工しても良い。例えば、第2のハードマスクが窒化シリコンである場合、CHF3、又はCF4、O2、Arを用いてドライエッチングを行うことができる。なお、第2のハードマスク34は素子形成領域17及び素子分離領域18を横断するように設けられ、開口部の幅はコンタクトホールの幅と略一致するように形成する。
The etching depth at this time may be selectively removed from the silicon nitride film, or may be processed at such a depth as to remove part of the first
ストライプ状の第1のハードマスク32及び第2のハードマスク34を交差させて重ね合わせることにより、それぞれのハードマスクの開口部の交差部に層間絶縁層30が露出する領域が形成される。この層間絶縁層30の露出領域がコンタクトホール形成領域となる。すなわち、二回の露光と二回の加工プロセスによりハードマスクを形成することで、矩形の開口形状を有するコンタクトホール形成用のマスクを作製することができる。この場合、第1のハードマスク32及び第2のハードマスク34は、それぞれを高解像度の露光でパターンを形成することが可能であり、この両者を重ね合わせて作製されるコンタクトホール形成用のマスクも高精細なものとすることができる。
By overlapping and overlapping the first
図13及び図14は、第1のハードマスク32を先に形成し、第2のハードマスク34を後で形成する工程について示すが、これらのハードマスクの作製順を逆にしても良い。しかしながら、素子形成領域17との関係でアライメント精度が比較的厳しい第1のハードマスク32を先に形成することで、コンタクトホールの位置精度を高めることが可能となる。平坦化された層間絶縁層30上に、先に第1のハードマスク32を形成するレジストパターンを露光することで、レチクルと半導体基板とのアライメントが容易となる。
FIGS. 13 and 14 show a process of forming the first
なお、ハードマスクの材質は様々な組み合わせが可能であり用途に応じて適宜選択可能である。例えば、窒化シリコン膜は垂直加工性に優れるため、ハードマスクの材質として適している。そのため、第1のハードマスク及び第2のハードマスクの少なくとも一方を窒化シリコンで形成すると好ましい。また、酸化シリコン膜はエッチングの加工性に優れることから微細なパターンの形成が容易である。そのため、第1のハードマスク及び第2のハードマスクの少なくとも一方は酸化シリコンで形成することができる。これら素材の特性を活かして、第1のハードマスク及び第2のハードマスクの両方を、窒化シリコン又は酸化シリコンで形成しても良い。 Note that the hard mask material can be variously combined and can be appropriately selected according to the application. For example, since a silicon nitride film is excellent in vertical workability, it is suitable as a material for a hard mask. Therefore, it is preferable to form at least one of the first hard mask and the second hard mask with silicon nitride. Further, since the silicon oxide film is excellent in etching processability, it is easy to form a fine pattern. Therefore, at least one of the first hard mask and the second hard mask can be formed using silicon oxide. Taking advantage of the characteristics of these materials, both the first hard mask and the second hard mask may be formed of silicon nitride or silicon oxide.
また、第1のハードマスク及び第2のハードマスクのそれぞれを異なる素材で形成しても良い。例えば、第1のハードマスクを窒化シリコンで形成し、第2のハードマスクを酸化シリコンで形成することができる。この組み合わせとすることにより反射防止効果を得ることができる。これにより、フォトリソグラフィ工程の露光時に反射が抑えられるので、露光に際してレチクルのアライメント精度を高めることができる。また、第1のハードマスクを酸化シリコンで形成し、第2のハードマスクを窒化シリコンで形成することができる。第2のハードマスクはゲート電極上に形成されるため、窒化シリコンで形成されていることによりセルフアラインコンタクトを形成しやすくなるといった利点がある。 Further, each of the first hard mask and the second hard mask may be formed of different materials. For example, the first hard mask can be formed of silicon nitride, and the second hard mask can be formed of silicon oxide. With this combination, an antireflection effect can be obtained. Thereby, since reflection is suppressed during exposure in the photolithography process, the alignment accuracy of the reticle can be increased during exposure. In addition, the first hard mask can be formed using silicon oxide, and the second hard mask can be formed using silicon nitride. Since the second hard mask is formed on the gate electrode, there is an advantage that it is easy to form a self-aligned contact by being formed of silicon nitride.
図15(A)乃至(C)に示すように、第1のハードマスク32及び第2のハードマスク34を用い、RIE法により第2の窒化シリコン層29をストッパーとして層間絶縁層30をエッチングしてコンタクトホール35を形成する。その後、コンタクトホール35の底部における第2の窒化シリコン層29を除去して高濃度のn型不純物領域28を露出させる。例えば、層間絶縁層30がBPSG膜である場合、CHF3とArガスを用いてドライエッチングすることにより、第1のハードマスク及び第2のハードマスクを形成する酸化シリコン膜、窒化シリコン膜と選択比をもって加工することができる。
As shown in FIGS. 15A to 15C, using the first
コンタクトホール35の位置は第1のハードマスク32及び第2のハードマスク34が交差することにより形成される開口部によって規定されるが、このときセルフアラインコンタクトを採用しても良い。すなわち、コンタクトホール35が、図15(A)で示すようにサイドウォールスペーサー26によって自己整合的に位置決めされる形状となることを利用している。
The position of the
いずれにしても、樹脂材料であるフォトレジストを用いて形成されるマスクでなく、無機材料で形成されるハードマスクを用いてコンタクトホールをドライエッチングで加工することにより、レジストに比べ高いエッチング選択性が得られるためマスクパターンのエッジの後退が抑えられ、コンタクトホール径の微細化を実現することができる。すなわち、当初の設計寸法に近いコンタクトホールを形成することができ、開口の平面形状も矩形若しくはそれに近い形状とすることが可能となる。このことは、コンタクトホールが深く、口径が小さい高アスペクト比の微細加工に適している。それにより、素子形成領域17に形成されるドレイン領域からコンタクトホールの位置がずれてしまうことを防止して高精度の加工をすることができる。
In any case, the contact hole is processed by dry etching using a hard mask formed of an inorganic material instead of a mask formed using a resin resin photoresist, so that the etching selectivity is higher than that of a resist. Therefore, the recession of the edge of the mask pattern is suppressed, and the contact hole diameter can be miniaturized. That is, a contact hole close to the original design dimension can be formed, and the planar shape of the opening can be rectangular or a shape close thereto. This is suitable for fine processing of a high aspect ratio with a deep contact hole and a small diameter. Thereby, the position of the contact hole can be prevented from being shifted from the drain region formed in the
二回露光二回加工プロセスによりハードマスクを作製することで、同じ解像度の露光装置を用いた場合にあっては、抜きパターンのレチクルでパターニングを行うよりも微細なコンタクトホールの加工が可能となる。すなわち、過大な設備投資をしなくても、半導体集積回路の微細化に対応することができる。 By producing a hard mask by a double exposure double processing process, it becomes possible to process a fine contact hole when patterning with a reticle with a blank pattern when using an exposure apparatus with the same resolution. . That is, it is possible to cope with miniaturization of a semiconductor integrated circuit without excessive capital investment.
次に、図16(A)乃至(C)で示すように、第1のバリアメタル層36及び第1のコンタクトプラグ37の形成を行う。第1のバリアメタル層36はスパッタリング法により、チタン膜、窒化チタン膜、又はチタン膜と窒化チタン膜を積層させて形成する。さらに六フッ化タングステンを用いたCVD法によりタングステン膜をコンタクトホールに埋め込むように堆積する。そして、タングステン膜とチタン膜の露出部分をCMP法により研磨して平坦化する。この工程により第1のコンタクトプラグ37が形成される。
Next, as shown in FIGS. 16A to 16C, the first
次に、図17(A)乃至(C)に示すように、TEOS系のCVD法で第5の酸化シリコン層38を堆積する。その後、フォトリソグラフィ工程により所定のレジストパターンを形成し、RIE法により第1のコンタクトプラグ37に対応する位置に第5の酸化シリコン層38にコンタクトホールを形成する。次に、第2のバリアメタル層39を堆積し、その上にタングステン膜を堆積してコンタクトホールの埋め込みを行う。そして、タングステン膜とチタン膜の露出部分をCMP法により研磨して平坦化することにより第2のコンタクトプラグ40を形成する。その後、ビット線に相当する配線41を形成することで素子形成が終了する。
Next, as shown in FIGS. 17A to 17C, a fifth
図5は上記の工程で作製されたメモリセルアレイの平面図を示す。半導体基板には、列方向に素子形成領域17が設けられ、隣の素子形成領域との間には素子分離領域18が形成されている。素子形成領域17にはメモリセルのチャネル領域と、ドレイン領域及びソース領域を形成する一導電型の不純物領域が形成されている。メモリセルアレイにおいて一導電型の不純物領域としては、n型の不純物領域が形成される。
FIG. 5 is a plan view of the memory cell array manufactured in the above process. In the semiconductor substrate,
メモリセルアレイの行方向に延びるワード線WLは素子形成領域17及び素子分離領域18を横断している。ワード線WLはメモリセルのゲート電極を兼ねるものであり二層ゲート構造を有している。ビット線BLはワード線WLの上層に層間絶縁層を介して設けられ、列方向に延びると共に素子形成領域17上のドレインコンタクトDCによってドレイン領域とコンタクトを形成している。
このドレインコンタクトDCは、第1のハードマスク32と第2のハードマスク34に囲まれている。ドレインコンタクトDCは、これらのハードマスクによって形成されたコンタクトホールに第1のコンタクトプラグ37及び第2のコンタクトプラグ40によって形成されている。ビット線に相当する配線41はドレインコンタクトDCに接し、素子形成領域17と平行な方向に配設されている。
A word line WL extending in the row direction of the memory cell array crosses the
The drain contact DC is surrounded by the first
本形態によれば、メモリセルのドレインコンタクトを精度良く形成することが可能となる。また、半導体基板の平面から見たコンタクトホールの開口形状を矩形に近くすることができるので、接触面積が大きくなりコンタクト抵抗を下げることができる。なお本形態では第1のハードマスク及び第2のハードマスクを残存させてその後の配線形成工程を進める場合について示したが、所望のコンタクトホールを形成した後にこれらのハードマスクを除去しても良い。 According to this embodiment, the drain contact of the memory cell can be formed with high accuracy. In addition, since the contact hole opening shape as viewed from the plane of the semiconductor substrate can be made substantially rectangular, the contact area is increased and the contact resistance can be lowered. Note that although the first hard mask and the second hard mask are left and the subsequent wiring formation process is performed in this embodiment mode, these hard masks may be removed after a desired contact hole is formed. .
以上、本発明の一実施形態としてNOR型フラッシュメモリに適用した場合を例示して説明したが、本発明はこれに限定されず、他の半導体集積回路においても同様に実施することができる。すなわち、二回露光二回加工プロセスにより作製されるハードマスクによって、トランジスタのドレイン領域及びソース領域に対するコンタクトホール、層間絶縁層を介して形成される配線間のコンタクトホールの形成にも適用することができる。 As described above, the case where the present invention is applied to a NOR type flash memory has been described as an example. However, the present invention is not limited to this, and can be similarly implemented in other semiconductor integrated circuits. That is, it can be applied to the formation of contact holes between the drain region and the source region of the transistor and between the wirings formed through the interlayer insulating layer by using a hard mask manufactured by a double exposure twice processing process. it can.
MC メモリセル
BL ビット線
LI ソース線
WL ワード線
DC ドレインコンタクト
10 半導体基板
11 pウエル
12 第1の酸化シリコン層
13 第1の多結晶シリコン層
14 第1の窒化シリコン層
15 第2の酸化シリコン層
16 トレンチ
17 素子形成領域
18 素子分離領域
19 第2の多結晶シリコン層
20 ゲート間絶縁層
21 第3の多結晶シリコン層
22 タングステンシリサイド層
23 第3の酸化シリコン層
24 第4の酸化シリコン層
25 低濃度のn型不純物領域
26 サイドウォールスペーサー
27 ゲート電極
28 高濃度のn型不純物領域
29 第2の窒化シリコン層
30 層間絶縁層
31 レジストパターン
32 第1のハードマスク
33 レジストパターン
34 第2のハードマスク
35 コンタクトホール
36 第1のバリアメタル層
37 第1のコンタクトプラグ
38 第5の酸化シリコン層
39 第2のバリアメタル層
40 第2のコンタクトプラグ
41 配線
MC memory cell BL bit line LI source line WL word line
Claims (5)
前記素子形成領域にゲート電極を形成し、
前記素子形成領域であって、前記ゲート電極の外側領域に一導電型の不純物領域を形成し、
前記素子形成領域上に前記ゲート電極を埋め込む層間絶縁層を形成し、
前記層間絶縁層上に、前記一導電型の不純物領域及び前記ゲート電極上を横断するストライプ状の開口パターンを有する第1のハードマスクを形成し、
前記第1のハードマスクと交差する方向に開口パターンを有し、該開口が前記一導電型の不純物領域上に位置する第2のハードマスクを形成し、
前記第1のハードマスク及び前記第2のハードマスクの開口パターンの交差部で露出する前記層間絶縁層をエッチングして、前記一導電型の不純物領域に貫通するコンタクトホールを形成することを有することを特徴とする半導体装置の製造方法。 Forming an element isolation region and an element formation region on a semiconductor substrate;
Forming a gate electrode in the element formation region;
Forming an impurity region of one conductivity type in the outer region of the gate electrode in the element formation region;
Forming an interlayer insulating layer for embedding the gate electrode on the element formation region;
Forming a first hard mask having a stripe-shaped opening pattern across the impurity region of one conductivity type and the gate electrode on the interlayer insulating layer;
Forming a second hard mask having an opening pattern in a direction intersecting with the first hard mask, the opening being located on the impurity region of the one conductivity type;
Etching the interlayer insulating layer exposed at an intersection of opening patterns of the first hard mask and the second hard mask to form a contact hole penetrating the impurity region of the one conductivity type; A method of manufacturing a semiconductor device.
前記素子分離領域及び前記素子形成領域を横断するゲート電極を形成し、
前記素子形成領域であって、前記ゲート電極の外側領域にドレイン領域を形成し、
前記ゲート電極を埋め込むように層間絶縁層を形成し、
前記層間絶縁層上に、前記素子分離領域と平行な方向に開口パターンを有し、該開口が前記素子形成領域上に配置される第1のハードマスクを形成し、
前記第1のハードマスクと交差する方向に開口パターンを有する第2のハードマスクを形成し、
前記第1のハードマスク及び前記第2のハードマスクの開口パターンの交差部で露出する前記層間絶縁層をエッチングして、前記ドレイン領域に貫通するコンタクトホールを形成することを有することを特徴とする半導体装置の製造方法。 In the semiconductor substrate on which the NOR type nonvolatile semiconductor memory cell array is formed, an element isolation region extending in one direction and an element formation region sandwiched between the element isolation regions are formed,
Forming a gate electrode across the element isolation region and the element formation region;
Forming a drain region in an outer region of the gate electrode in the element formation region;
Forming an interlayer insulating layer so as to embed the gate electrode;
Forming a first hard mask having an opening pattern in a direction parallel to the element isolation region on the interlayer insulating layer, the opening being disposed on the element formation region;
Forming a second hard mask having an opening pattern in a direction intersecting the first hard mask;
Etching the interlayer insulating layer exposed at the intersection of the opening patterns of the first hard mask and the second hard mask to form a contact hole penetrating the drain region. A method for manufacturing a semiconductor device.
前記第1のハードマスク及び前記第2のハードマスクの少なくとも一方は、窒化シリコンで形成することを特徴とする半導体装置の製造方法。 In claim 1 or claim 2,
At least one of the first hard mask and the second hard mask is formed of silicon nitride.
前記第1のハードマスク及び前記第2のハードマスクの少なくとも一方は、酸化シリコンで形成することを特徴とする半導体装置の製造方法。 In claim 1 or claim 2,
At least one of the first hard mask and the second hard mask is formed of silicon oxide.
前記第1のハードマスク及び前記第2のハードマスクのうち、一方を窒化シリコンで形成し、他方を酸化シリコンで形成することを特徴とする半導体装置の製造方法。 In claim 1 or claim 2,
One of the first hard mask and the second hard mask is formed of silicon nitride, and the other is formed of silicon oxide.
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JP2007046957A JP2008211027A (en) | 2007-02-27 | 2007-02-27 | Manufacturing method of semiconductor device |
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US8563412B2 (en) | 2010-08-25 | 2013-10-22 | Samsung Electronics Co., Ltd. | Method of fabricating semiconductor device |
US8716117B2 (en) | 2010-05-14 | 2014-05-06 | Samsung Electronics Co., Ltd. | Semiconductor device and method of forming the same |
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