JP2010021296A - 半導体装置の製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】コンタクトホールを形成する時に、コンタクトホールに加工不具合を生じさせることなく、ホール底の下地基板が削れることを抑制することを目的とする。
【解決手段】コンタクトホール11形成後、コンタクトホール11底面に露出したSiOC膜7を変質層12に変化させることにより、変質層12と半導体基板1の選択比大きくすることができ、選択的に変質層12をエッチング除去できるため、下地基板掘れ量を抑制し、重ね合わせずれなどが発生したときにも、基板リークの発生を抑制したコンタクトを形成することができる。
【選択図】図2

Description

本発明は、半導体装置にコンタクトホールを形成する半導体装置の製造方法に関するものである。
近年、半導体装置の微細化にともない、トランジスタの集積度をあげるために、リソグラフィー工程での各レイヤーの重ね合わせマージンはますます小さくなってきている。また、半導体基板の拡散層の深さはますます浅くなってきている。配線と半導体基板を接続するコンタクトは、層間絶縁膜をドライエッチングしてコンタクトホールを形成し、導電材料を埋め込んで形成する。しかし、リソグラフィー工程の重ね合わせマージンがほとんどないため、コンタクトホールがソース/ドレイン領域を踏み外す状態が発生する。また、層間絶縁膜をエッチングする場合、膜厚やエッチレートのバラツキを考慮して、オーバーエッチを行うが、そのため基板表面の拡散層も削れてしまう。このとき、下地削れ量が拡散層の深さよりも大きくなると、コンタクトから基板へのリークが発生し、デバイス不良となる。そのため、コンタクトホール形成時には、半導体基板の削れ量を抑制する必要がある。
以下、図5〜図6を参照しながら、従来技術の実施形態における半導体装置の製造方法について説明する。
図5,図6は従来の半導体装置の製造方法を説明する工程断面図である。
図5(a)に示すように、半導体基板1の素子形成領域に、エクステンション領域2とソース/ドレイン領域3とゲート酸化膜4とポリシリコンのゲート電極5とLDDサイドウォール6を形成する。
次に、図5(b)に示すように、エッチングストッパー膜として、減圧CVD法を用いて、半導体基板1上にシリコン窒化膜14を30nm堆積する。エッチングストッパー膜としてシリコン窒化膜14を用いるのは、次工程の層間絶縁膜にはシリコン酸化膜系の材料が一般的に用いられ、コンタクトエッチ時にシリコン酸化膜との選択比を確保しやすく、かつ、デバイスへの汚染などの懸念もないためである。
次に、図5(c)に示すように、シリコン窒化膜14の上に、層間絶縁膜としてSA−NSG膜8を500nm堆積し、CMP法にて、200nm研磨して平坦化する。
次に、図5(d)に示すように、有機膜材料の反射防止膜9を50nm塗布し、続いてArFレジスト10を用いてコンタクトパターンを形成する。
次に、図5(e)に示すように、ArFレジスト10のパターンにしたがって、反射防止膜9とSA−NSG膜8をシリコン窒化膜14が露出するまでドライエッチングし、ゲート電極5上にコンタクトホール11を形成する。ドライエッチング処理の条件として、二周波印加型容量結合式エッチング装置を使用し、反射防止膜9をドライエッチするときは、CF流量が100sccm、上部電極印加電力が1000W、下部電極印加電力が300W、ガス圧力が10Paの条件で処理を行い、SA−NSG膜8をドライエッチングするときは、Cを10sccm、Arを1000sccm、Oを5sccm、上部電極印加電力が800W、下部電極印加電力が600W、ガス圧力10Paの条件で処理を行う。このとき、コンタクトエッチングでシリコン窒化膜14が突き抜けない程度の選択比が確保されているので、シリコン窒化膜14はエッチングストッパー膜として機能している。
次に、図6(a)に示すように、シリコン窒化膜14を、半導体基板1との選択比を確保してドライエッチングする。ドライエッチ条件としては、平行平板型の容量結合型ドライエッチング装置を用いて、CHF流量が50sccm、Ar流量が1000sccm、酸素流量が5sccm、放電電力200W、ガス圧力10Paとする。ここでも、シリコン窒化膜14と下地の半導体基板1との選択比は高く設定したいが、高選択比の条件にするとシリコン窒化膜14のエッチングが停止するため、あまり高く設定できない(〜3程度)。例えば、シリコン窒化膜膜厚を30nmとして、シリコン窒化膜14をドライエッチする場合、エッチング時のオーバーエッチ量を膜厚の50%とし、シリコン窒化膜14と下地基板との選択比を2.5とすると、基板の削れ量は6nmにもなる。これは、エクステンション領域2の拡散層深さ(〜3nm)よりも十分大きい。リソグラフィー工程にてコンタクトパターン形成時(図5(d))に、重ね合わせがすれて、コンタクトパターン位置が、ゲート電極上からソース/ドレイン領域3にずれた場合、図6(a)に示すように、エクステンション領域2を突き抜ける箇所15が発生する。
次に、図6(b)に示すように、反射防止膜9とArFレジスト10を除去する。
次に、図6(c)に示すように、形成されたコンタクトホール11に、コンタクト材料となる導電材料13を充填させてコンタクトを形成する。このとき、導電材料13がエクステンション領域3を突き抜けている箇所15を介して、電流の基板リークが発生する。
これらの課題に対して、従来、エッチングストッパー膜であるポリシリコン膜やシリコン窒化膜を、薬液を用いた湿式エッチングや、CFガスプラズマによる等方性エッチングで処理することで、基板が削れることを抑制している(例えば、特許文献1参照)。また、エッチングストッパー膜としてWSxを用いることで、重ね合わせがずれても、ソース/ドレイン領域にコンタクトがとれるような構造をとっている(例えば、特許文献2参照)。
特開平4−048644号公報 特開平9−321280号公報
しかしながら、半導体デバイスの微細化が進むにともない、ゲート電極間ピッチやコンタクトホール径などの寸法も小さくなる。そのため、薬液を用いた湿式エッチングや、CFガスプラズマによる等方性エッチングでは、コンタクトホール内に導電材料を埋め込む時に、エッチングストッパー膜のサイドエッチ起因でボイドが発生し、埋め込み不良となりデバイス歩留りが低下するという問題点があった。また、WSxを用いる方法では、微細化にともない、ストッパー膜として使用するWSx膜のパターン加工はますます困難になり、WSx残りなどの新たな加工不具合が発生するという問題点があった。
前記問題点に鑑み、本発明は、コンタクトホールを形成する時に、コンタクトホールに加工不具合を生じさせることなく、ホール底の下地基板が削れることを抑制することを目的とする。
前記の目的を達成するため、請求項1記載の半導体装置の製造方法は、半導体装置にコンタクトを形成するに際し、半導体基板上に半導体素子または配線を形成する工程と、前記半導体素子上または前記配線上を含む前記半導体基板上の全面にSiOC膜を堆積する工程と、前記SiOC膜の上に層間絶縁膜を堆積する工程と、前記層間絶縁膜の上に反射防止膜を堆積する工程と、前記反射防止膜の上に感光性樹脂を塗布した後前記感光性樹脂のコンタクトホール形成領域を開口してコンタクトホールのパターンに形成する工程と、前記感光性樹脂のパターンにしたがって前記反射防止膜と前記層間絶縁膜とを前記SiOC膜の表面が露出するまでドライエッチングしてコンタクトホールを形成する工程と、前記半導体基板全面に酸素ガスプラズマを照射して前記SiOC膜の露出している部分を変質層に変質する工程と、前記変質層をドライエッチングして前記半導体基板の表面を露出する工程と、前記感光性樹脂と前記反射防止膜を除去する工程と、前記コンタクトホール内に導電材料を充填してコンタクトを形成する工程とを有することを特徴とする。
請求項2記載の半導体装置の製造方法は、半導体装置にコンタクトを形成するに際し、半導体基板上に半導体素子または配線を形成する工程と、前記半導体素子上または前記配線上を含む前記半導体基板上の全面にSiOC膜を堆積する工程と、前記SiOC膜の上に層間絶縁膜を堆積する工程と、前記層間絶縁膜の上に反射防止膜を堆積する工程と、前記反射防止膜の上に感光性樹脂を塗布した後前記感光性樹脂のコンタクトホール形成領域を開口してコンタクトホールのパターンに形成する工程と、前記感光性樹脂のパターンにしたがって前記反射防止膜と前記層間絶縁膜とを前記SiOC膜の表面が露出するまでドライエッチングしてコンタクトホールを形成する工程と、前記半導体基板全面に酸素ガスプラズマを照射して前記SiOC膜の露出している部分を変質層に変質すると同時に前記感光性樹脂と前記反射防止膜を除去する工程と、前記変質層をドライエッチングして前記半導体基板の表面を露出する工程と、前記コンタクトホール内に導電材料を充填してコンタクトを形成する工程とを有することを特徴とする。
請求項3記載の半導体装置の製造方法は、請求項1または請求項2のいずれかに記載の半導体装置の製造方法において、前記変質層へ変質する際に、酸素ガスプラズマの照射に替えて、酸素原子を含むガスのプラズマ照射を行うことを特徴とする。
以上により、コンタクトホールに加工不具合を生じさせることなく、ホール底の下地基板が削れることを抑制することができる。
以上のように、コンタクトホール形成後、コンタクトホール底面に露出したSiOC膜を変質層に変化させることにより、変質層と半導体基板の選択比大きくすることができ、選択的に変質層をエッチング除去できるため、下地基板掘れ量を抑制し、重ね合わせずれなどが発生したときにも、基板リークの発生を抑制したコンタクトを形成することができる。
(第1の実施形態)
以下、本発明の第1の実施形態に係る半導体装置の製造方法について、図1,図2を参照しながら説明する。
図1,図2は第1の実施形態における半導体装置の製造方法を説明する工程断面図である。
まず、図1(a)に示すように、半導体基板1の素子形成領域に、エクステンション領域2とソース/ドレイン領域3とゲート酸化膜4とポリシリコンのゲート電極5と絶縁膜であるLDDサイドウォール6を形成して半導体素子を形成する。
次に、図1(b)に示すように、エッチングストッパー膜として、プラズマCVD法を用いて、半導体基板1上の全面にSiOC膜7を30nm堆積する。プラズマCVD処理の条件として、原料ガスとしてDMDMOSを用い、成膜温度を300〜450℃で成膜をおこなう。
次に、図1(c)に示すように、SiOC膜7の上に、層間絶縁膜としてSA−NSG膜8を500nm堆積し、CMP法にて、200nm研磨して平坦化する。
次に、図1(d)に示すように、有機膜材料の反射防止膜9を50nm塗布し、続いてArFレジスト10を用いて、SA−NSG膜8,反射防止膜9を介するゲート電極5上にコンタクトパターンを形成する。
次に、図1(e)に示すように、ArFレジスト10のパターンにしたがって、反射防止膜9とSA−NSG膜8をSiOC膜7が露出するまでドライエッチングし、ゲート電極5上にコンタクトホール11を形成する。ドライエッチング処理の条件として、二周波印加型容量結合式エッチング装置を使用し、反射防止膜9をドライエッチするときは、CF流量が100sccm、上部電極印加電力が1000W、下部電極印加電力が300W、ガス圧力が10Paの条件で処理を行い、SA−NSG膜8をドライエッチングするときは、Cを10sccm、Arを1000sccm、Oを5sccm、上部電極印加電力が800W、下部電極印加電力が600W、ガス圧力10Paの条件で処理を行う。このとき、SA−NSG膜8とSiOC膜7とで選択比を取ることができ、エッチングストッパー膜としてSiOC膜7を使用することができる。
次に、図2(a)に示すように、半導体基板1全体を酸素プラズマを照射する。プラズマ照射には、誘導結合型プラズマ装置を用い、酸素ガス流量1000sccm、放電電力1000W、ガス圧力10Paで酸素プラズマを発生させて処理を行う。プラズマ中の酸素ラジカルは、SiOC膜7中のSi−C結合からCを取り除き、Si−O結合を形成し、シリコン酸化膜に近い膜質に変化する。前述の酸素プラズマ処理の場合、60秒間の処理でSiOC膜表面から50nm程度まで変質層の形成が確認できており、ストッパー膜として堆積しているSiOC膜7の膜厚が30nmであれば、60秒間の処理で露出部分については十分変質していると言える。ここでは、60秒間の酸素プラズマ処理でシリコン酸化膜に近い膜質に変化した箇所を変質層12とする。
次に、図2(b)に示すように、変質層12を、半導体基板1と選択比を確保してドライエッチングする。ドライエッチ条件としては、平行平板型の容量結合型ドライエッチング装置を用いて、C流量が10sccm、Ar流量が1000sccm、放電電力100W、ガス圧力10Paとする。一般的に、シリコン酸化膜やシリコン窒化膜をドライエッチする場合は、フルオロカーボンガスを使用することが多い。下地(今回の場合は、シリコン基板)との選択比を確保する場合、下地の表面に反応生成物(CFポリマー膜)を堆積させてエッチングを阻害することで、エッチレートを低下させる。しかし、堆積する反応生成物の量が多くなると、シリコン酸化膜やシリコン窒化膜のエッチレート自体も低下する。ただし、シリコン酸化膜は膜中に酸素原子を含んでいるため、エッチング中に膜中の酸素が反応生成物の炭素と反応し、C+2O→COの形でCを除去する。したがって、シリコン酸化膜は、シリコン窒化膜などの他の材料と比べて、下地(シリコン基板)と選択比を確保しやすいことが分かる。実際、前述のドライエッチ条件の場合、シリコン酸化膜とシリコン基板との選択比は15となり、従来の方法でのシリコン窒化膜と下地との選択比(〜3)より、大きく改善(削れ量が5分の1)することがわかる。
次に、図2(c)に示すように、アッシング処理で反射防止膜9とArFレジスト10を除去し、硫過水洗浄およびアンモニア過水洗浄でレジスト残渣やポリマー残渣を除去する。
最後に、図2(d)に示すように、形成されたコンタクトホール11に、コンタクト材料となる導電材料13を充填させてコンタクトを形成する。
このように、第1の実施形態によると、エッチングストッパー膜をエッチングするとき、ストッパー膜をシリコン酸化膜に近い構造の変質層に変化させてからエッチングするため、コンタクトホール形成領域がゲート電極上からソース/ドレイン領域にずれたとしても、下地との選択比が高い加工条件を採用することが可能となり、コンタクトホールに加工不具合を生じさせることなく、下地削れ量を低減した加工技術が実現でき、電流の基板リークを抑制することができる。
なお、上述の実施形態では、図2(a)に示す工程において、SiOC膜7を変質させるのに、酸素ガスのプラズマを用いたが、二酸化炭素や水などの酸素原子を含むガス、もしくは、それらのガスや酸素のうち、少なくとも一つを含む混合ガスを用いて、SiOC膜7を変質させても構わない。また、上述の実施形態では、ソース/ドレイン領域3の表面はシリサイド化していないが、シリサイド化していても構わない。
(第2の実施形態)
以下、本発明の第2の実施形態に係る半導体装置の製造方法について、図3,図4を参照しながら説明する。
図3,図4は第2の実施形態における半導体装置の製造方法を説明する工程断面図である。
まず、図3(a)に示すように、半導体基板1の素子形成領域に、エクステンション領域2とソース/ドレイン領域3とゲート酸化膜4とポリシリコンのゲート電極5と絶縁膜であるLDDサイドウォール6を形成して半導体素子を形成する。
次に、図3(b)に示すように、エッチングストッパー膜として、プラズマCVD法を用いて、半導体基板1上の全面にSiOC膜7を30nm堆積する。プラズマCVD処理の条件として、原料ガスとしてDMDMOSを用い、成膜温度を300〜450℃で成膜をおこなう。
次に、図3(c)に示すように、SiOC膜7の上に、層間絶縁膜としてSA−NSG膜8を500nm堆積し、CMP法にて、200nm研磨して平坦化する。
次に、図3(d)に示すように、有機膜材料の反射防止膜9を50nm塗布し、続いてArFレジスト10を用いて、SA−NSG膜8,反射防止膜9を介するゲート電極5上にコンタクトパターンを形成する。
次に、図3(e)に示すように、ArFレジスト10のパターンにしたがって、反射防止膜9とSA−NSG膜8をSiOC膜7が露出するまでドライエッチングし、ゲート電極上にコンタクトホール11を形成する。ドライエッチング処理の条件として、二周波印加型容量結合式エッチング装置を使用し、反射防止膜9をドライエッチするときは、CF流量が100sccm、上部電極印加電力が1000W、下部電極印加電力が300W、ガス圧力が10Paの条件で処理を行い、SA−NSG膜8をドライエッチングするときは、Cを10sccm、Arを1000sccm、Oを5sccm、上部電極印加電力が800W、下部電極印加電力が600W、ガス圧力10Paの条件で処理を行う。このとき、SA−NSG膜8とSiOC膜7とで選択比を取ることができ、エッチングストッパー膜としてSiOC膜7を使用することができる。
次に、図4(a)に示すように、半導体基板1全体に酸素プラズマを照射する。プラズマ照射には、誘導結合型プラズマ装置を用い、酸素ガス流量1000sccm、放電電力1000W、ガス圧力10Paで酸素プラズマを発生させて処理を行う。このとき、反射防止膜9とArFレジスト10も同時に除去する。プラズマ中の酸素ラジカルは、SiOC膜7中のSi−C結合からCを取り除き、Si−O結合を形成し、シリコン酸化膜に近い膜質に変化する。前述の酸素プラズマ処理の場合、60秒間の処理でSiOC膜表面から50nm程度まで変質層の形成が確認できており、ストッパー膜として堆積しているSiOC膜7の膜厚が30nmであれば、60秒間の処理で露出部分については十分変質していると言える。ここでは、60秒間の酸素プラズマ処理でシリコン酸化膜に近い膜質に変化した箇所を変質層12とする。
次に、図4(b)に示すように、変質層12を、半導体基板1と選択比を確保してドライエッチングする。ドライエッチ条件としては、平行平板型の容量結合型ドライエッチング装置を用いて、C流量が10sccm、Ar流量が1000sccm、放電電力100W、ガス圧力10Paとする。一般的に、シリコン酸化膜やシリコン窒化膜をドライエッチする場合は、フルオロカーボンガスを使用することが多い。下地(今回の場合は、シリコン基板)との選択比を確保する場合、下地の表面に反応生成物(CFポリマー膜)を堆積させてエッチングを阻害することで、エッチレートを低下させる。しかし、堆積する反応生成物の量が多くなると、シリコン酸化膜やシリコン窒化膜のエッチレート自体も低下する。ただし、シリコン酸化膜は膜中に酸素原子を含んでいるため、エッチング中に膜中の酸素が反応生成物の炭素と反応し、C+2O→COの形でCを除去する。したがって、シリコン酸化膜は、シリコン窒化膜などの他の材料と比べて、下地(シリコン基板)と選択比を確保しやすいことが分かる。実際、前述のドライエッチ条件の場合、シリコン酸化膜とシリコン基板との選択比は15となり、従来の方法でのシリコン窒化膜と下地との選択比(〜3)より、大きく改善(削れ量が5分の1)することがわかる。
次に、図4(c)に示すように、硫過水洗浄およびアンモニア過水洗浄でレジスト残渣やポリマー残渣を除去する。
最後に、図4(d)に示すように、形成されたコンタクトホール11に、コンタクト材料となる導電材料13を充填させてコンタクトを形成する。
このように、第2の実施形態においても、エッチングストッパー膜をエッチングするとき、ストッパー膜をシリコン酸化膜に近い構造の変質層に変化させてからエッチングするため、コンタクトホール形成領域がゲート電極上からソース/ドレイン領域にずれたとしても、下地との選択比が高い加工条件を採用することが可能となり、コンタクトホールに加工不具合を生じさせることなく、下地削れ量を低減した加工技術が実現でき、電流の基板リークを抑制することができる。
なお、上述の実施形態では、図4(a)に示す工程において、SiOC膜7を変質させるのに、酸素ガスのプラズマを用いたが、二酸化炭素や水などの酸素原子を含むガス、もしくは、それらのガスや酸素のうち、少なくとも一つを含む混合ガスを用いて、SiOC膜7を変質させても構わない。また、上述の実施形態では、ソース/ドレイン領域3の表面はシリサイド化していないが、シリサイド化していても構わない。
また、以上の各実施形態では、コンタクトホールを半導体素子のゲート電極上に形成する場合について説明したが、半導体素子の他の領域上や、半導体素子間等に形成された配線上にコンタクトホールを形成することもできる。
本発明は、コンタクトホールに加工不具合を生じさせることなく、ホール底の下地基板が削れることを抑制することができ、半導体装置にコンタクトホールを形成する半導体装置の製造方法等に有用である。
第1の実施形態における半導体装置の製造方法を説明する工程断面図 第1の実施形態における半導体装置の製造方法を説明する工程断面図 第2の実施形態における半導体装置の製造方法を説明する工程断面図 第2の実施形態における半導体装置の製造方法を説明する工程断面図 従来の半導体装置の製造方法を説明する工程断面図 従来の半導体装置の製造方法を説明する工程断面図
符号の説明
1 半導体基板
2 エクステンション領域
3 ソース/ドレイン領域
4 ゲート絶縁膜
5 ゲート電極
6 LDDサイドウォール
7 SiOC膜
8 SA−NSG膜
9 反射防止膜
10 ArFレジスト
11 コンタクトホール
12 酸化されたSiOC膜
13 導電材料
14 シリコン窒化膜
15 箇所

Claims (3)

  1. 半導体装置にコンタクトを形成するに際し、
    半導体基板上に半導体素子または配線を形成する工程と、
    前記半導体素子上または前記配線上を含む前記半導体基板上の全面にSiOC膜を堆積する工程と、
    前記SiOC膜の上に層間絶縁膜を堆積する工程と、
    前記層間絶縁膜の上に反射防止膜を堆積する工程と、
    前記反射防止膜の上に感光性樹脂を塗布した後前記感光性樹脂のコンタクトホール形成領域を開口してコンタクトホールのパターンに形成する工程と、
    前記感光性樹脂のパターンにしたがって前記反射防止膜と前記層間絶縁膜とを前記SiOC膜の表面が露出するまでドライエッチングしてコンタクトホールを形成する工程と、
    前記半導体基板全面に酸素ガスプラズマを照射して前記SiOC膜の露出している部分を変質層に変質する工程と、
    前記変質層をドライエッチングして前記半導体基板の表面を露出する工程と、
    前記感光性樹脂と前記反射防止膜を除去する工程と、
    前記コンタクトホール内に導電材料を充填してコンタクトを形成する工程と
    を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
  2. 半導体装置にコンタクトを形成するに際し、
    半導体基板上に半導体素子または配線を形成する工程と、
    前記半導体素子上または前記配線上を含む前記半導体基板上の全面にSiOC膜を堆積する工程と、
    前記SiOC膜の上に層間絶縁膜を堆積する工程と、
    前記層間絶縁膜の上に反射防止膜を堆積する工程と、
    前記反射防止膜の上に感光性樹脂を塗布した後前記感光性樹脂のコンタクトホール形成領域を開口してコンタクトホールのパターンに形成する工程と、
    前記感光性樹脂のパターンにしたがって前記反射防止膜と前記層間絶縁膜とを前記SiOC膜の表面が露出するまでドライエッチングしてコンタクトホールを形成する工程と、
    前記半導体基板全面に酸素ガスプラズマを照射して前記SiOC膜の露出している部分を変質層に変質すると同時に前記感光性樹脂と前記反射防止膜を除去する工程と、
    前記変質層をドライエッチングして前記半導体基板の表面を露出する工程と、
    前記コンタクトホール内に導電材料を充填してコンタクトを形成する工程と
    を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
  3. 前記変質層へ変質する際に、酸素ガスプラズマの照射に替えて、酸素原子を含むガスのプラズマ照射を行うことを特徴とする請求項1または請求項2のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
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