JP2014072380A - Method of manufacturing 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、特に、半導体装置におけるコンタクトプラグの製造方法に関する。 The present invention relates to a method for manufacturing a semiconductor device, and more particularly to a method for manufacturing a contact plug in a semiconductor device.
DRAM(Dynamic Random Access Memory)などの半導体装置の製造過程においては、半導体基板に形成されるトランジスタは層間絶縁膜により覆われる。次に、トランジスタのソースやドレインに達するまで層間絶縁膜にコンタクトホールを穿孔し、コンタクトホールに導電体を充填することによりコンタクトプラグを形成する。コンタクトプラグは、層間絶縁膜上に形成される配線層と半導体基板内のソースやドレインを電気的に接続する(特許文献1,2参照)。 In a manufacturing process of a semiconductor device such as a DRAM (Dynamic Random Access Memory), a transistor formed on a semiconductor substrate is covered with an interlayer insulating film. Next, contact holes are formed in the interlayer insulating film until reaching the source and drain of the transistor, and a contact plug is formed by filling the contact hole with a conductor. The contact plug electrically connects the wiring layer formed on the interlayer insulating film and the source and drain in the semiconductor substrate (see Patent Documents 1 and 2).
近年のトランジスタピッチの縮小化にともない、コンタクトホールの位置合わせにはますます高い精度が求められている。コンタクトホールがゲート電極に近づきすぎると、ゲート電極の下のLDD(Lightly-Doped-Drain)層とコンタクトプラグが接触する可能性がある。トランジスタピッチを縮小するためにLDD層のpn接合の深さは非常に浅く形成され、LDD層にコンタクトプラグが接触するとコンタクトプラグと半導体基板との間に過大なリーク電流が流れ、トランジスタの動作に不具合が生じる場合がある。 With the recent reduction in transistor pitch, contact hole alignment is required to have higher accuracy. If the contact hole is too close to the gate electrode, there is a possibility that the contact plug contacts an LDD (Lightly-Doped-Drain) layer under the gate electrode. In order to reduce the transistor pitch, the pn junction of the LDD layer is formed to be very shallow. When the contact plug comes into contact with the LDD layer, an excessive leakage current flows between the contact plug and the semiconductor substrate. Problems may occur.
本発明にかかる半導体装置の製造方法は、半導体基板上に形成されるゲート電極の側面にサイドウォールを形成する工程と、サイドウォールを覆う保護膜を形成する工程と、ゲート電極および保護膜を第1層間絶縁膜により覆う工程と、第1層間絶縁膜の上に第2層間絶縁膜を形成する工程と、第2層間絶縁膜に、第2の方向に延伸する第2の溝を形成する工程と、第2層間絶縁膜の上にマスク材を形成する工程と、マスク材に第1の方向に延伸する第1の溝を形成する工程と、マスク材および第2層間絶縁膜をエッチングマスクとして、第1層間絶縁膜における第1および第2の溝の交差部分をエッチングすることによりコンタクトホールを形成する工程と、を備える。 A method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention includes a step of forming a sidewall on a side surface of a gate electrode formed on a semiconductor substrate, a step of forming a protective film covering the sidewall, a gate electrode and a protective film. A step of covering with a first interlayer insulating film, a step of forming a second interlayer insulating film on the first interlayer insulating film, and a step of forming a second groove extending in the second direction in the second interlayer insulating film A step of forming a mask material on the second interlayer insulating film, a step of forming a first groove extending in the first direction in the mask material, and using the mask material and the second interlayer insulating film as an etching mask And a step of forming a contact hole by etching an intersection of the first and second grooves in the first interlayer insulating film.
本発明によれば、DRAM等の半導体装置の製造に際し、コンタクトプラグがLDD層と接触して生じるpn接合リーク電流増大によるトランジスタ動作の不具合を回避することができる。 According to the present invention, when a semiconductor device such as a DRAM is manufactured, it is possible to avoid a malfunction of a transistor operation due to an increase in a pn junction leakage current generated when a contact plug is in contact with an LDD layer.
図1は、半導体装置100に形成される1個のトランジスタ150の平面図である。トランジスタ150は素子分離絶縁層102より区画された活性領域内に形成される。トランジスタピッチ、すなわち、ソースSとドレインD間の距離をPとする。y方向(第2の方向)には、配線溝104,121,126(第2の溝)が形成される。配線溝104の中心と配線溝126の中心との距離がソースS・ドレインD間距離Pに対応する。
FIG. 1 is a plan view of one
配線溝104には、コンタクトプラグ110a,110bが形成される。配線溝104に形成される配線は、2つのコンタクトプラグ110a,110bを介してトランジスタ150のドレインDと接続される。配線溝126にも、コンタクトプラグ114a,114bが形成される。配線溝126に形成される配線は、2つのコンタクトプラグ114a,114bを介してトランジスタ150のソースSと接続される。中央の配線溝121には、コンタクトプラグ123が形成される。配線溝121にはゲート電極106が形成され、ゲート電極106はコンタクトプラグ123により外部に引き出される。
Contact
ゲートGとソースS、ゲートGとドレインDの境界にはLDD層111が形成され、ソースSやドレインDの下には高濃度層112が形成される。コンタクトプラグ110a,110bやコンタクトプラグ114a,114bは高濃度層112と接続されるが(詳細は後述)、LDD層111と接続されてはならない。トランジスタピッチPを縮小させると、コンタクトプラグ110,114がLDD層111と接触してしまうリスクが高くなる。以下においては、コンタクトプラグ110,114とLDD層111の接触を防止する方法を中心として説明する。
An
図2は、トランジスタ150の配線溝を形成するマスクパターン図である。y方向に延伸する第2配線パターン128,130,132により、図1の配線溝104,121,126が形成される。x方向(第1の方向)には、第1配線パターン134,136,138が延伸する。第1配線パターン134,136,138は、後述するように第2配線パターン128,130,132の下層に形成される。第1配線パターン134,136,138と第2配線パターン128,130,132のクロス領域に、コンタクトプラグ123,110,114が形成されることになる。
FIG. 2 is a mask pattern diagram for forming a wiring groove of the
[第1実施形態]
次に、第1実施形態における半導体装置100の製造工程について説明する。以降においては、図1,図2のA−A’断面およびB−B’断面の断面図を並べて示す。半導体基板101には素子分離絶縁層102が形成され、素子分離絶縁層102によって区画された領域に高濃度層112(ソース領域およびドレイン領域)が形成される(図3)。高濃度層112の表面には金属シリサイド113が形成される。
[First Embodiment]
Next, a manufacturing process of the
ゲート電極106は、ゲート絶縁膜105を介して半導体基板101を覆う。ゲート絶縁膜105の下部がチャネル層となる。チャネル層のうち、高濃度層112との境界付近にはLDD層111が形成される。LDD層111は、低濃度不純物領域であり、高濃度層112(ソースSやドレインD)の近傍に高電界が発生するのを抑制する。ゲート電極106およびゲート絶縁膜105の側面は酸化シリコンなどを主成分とするサイドウォール107により覆われる。LDD層111はゲート電極106をマスクとしたイオン注入によって形成され、高濃度層112はゲート電極106及びサイドウォール107をマスクとしたイオン注入によって形成されるため、これらLDD層111及び高濃度層112はゲート電極106に対して自己整合的に形成される。ここまでは、既知技術の応用である。
The
第1実施形態においては、更に、LPCVD(Low Pressure Chemical Vapor Deposition)により保護膜108を成膜する。保護膜108の主成分は窒化シリコンである。異方性エッチングによるエッチバックにより、サイドウォール107(酸化シリコン)の側面部にのみ保護膜108を残す。保護膜108は、LDD層111をカバーできるだけの厚みを有することが望ましい。
In the first embodiment, the
次に、トランジスタ150の上に第1層間絶縁膜115が形成される(図4)。第1層間絶縁膜115の主成分は酸化シリコンである。具体的には、酸化シリコンをCVD(Chemical Vapor Deposition)により堆積し、CMP(Chemical Mechanical Polishing)により平坦化することで第1層間絶縁膜115を形成する。平坦化後、第1層間絶縁膜115の上にも同様に第2層間絶縁膜116を形成する。第2層間絶縁膜116の主成分は、保護膜108と同じく窒化シリコンである。ここで第1層間絶縁膜115の材料は酸化シリコンに限定されず、BPSGやPSGなどの不純物を添加した酸化シリコン膜、あるいはSOD(Spin On Dielectric)膜を用いても同様な効果が得られる。また、保護膜108および第2層間絶縁膜116も窒化シリコン膜に限定されず、SiON膜やSiCN膜でも同様な効果が得られる。
Next, a first
第2層間絶縁膜116の上に、更に、第1マスク材122を形成する(図5)。第1マスク材122には、y方向(第2の方向)に延伸する第2配線パターン128,130,132が形成される。具体的には、アモルファスカーボンをプラズマCVD法により第2層間絶縁膜116の上に成膜し、その表面を薄い酸化シリコン膜で覆うことにより第1マスク材122を形成する。そして、フォトリソグラフィー技術により、第1マスク材122に第2配線パターン128,130,132を加工する。
A
第1マスク材122をエッチングマスクとして、第2層間絶縁膜116を第1層間絶縁膜115が露出するまでエッチングする(図6)。第2配線パターン128,130,132にあわせて、第2層間絶縁膜116にはy方向に延伸する配線溝104,121,126(第2の溝)が形成される。第1マスク材122を酸素プラズマ処理により除去する(図7)。
Using the
次に、配線溝121を埋設するように第2マスク材124(マスク材)を形成する(図8)。具体的には、BARC(Bottom Anti-Reflection Coating)を塗布することにより第2マスク材124を形成し、フォトリソグラフィー技術により第2マスク材124に第1配線パターン134,136,138を加工する。すなわち、第2マスク材124は、x方向(第1の方向)に延伸する第1配線パターン134,136a,136b,138a、138bの5つの開口部(第1の溝)を有する。まとめると、図2に示す第2配線パターン128,130,132は第2層間絶縁膜116の開口部として形成され、第1配線パターン134,136a,136b,138a、138bは第2マスク材124の開口部として形成される。この結果、これらのパターンのクロス領域のみから第1層間絶縁膜115が露出する。これらのクロス領域が5つのコンタクトプラグ123,110a,110b,114a,114bに対応する(図1,図2参照)。
Next, a second mask material 124 (mask material) is formed so as to bury the wiring trench 121 (FIG. 8). Specifically, the
第2層間絶縁膜116および第2マスク材124をマスクとして、第1層間絶縁膜115をエッチングすることにより第1層間絶縁膜115にコンタクトホール118を形成する(図9)。コンタクトホール118のサイズは、第1配線パターン134等と第2配線パターン128等のパターン幅によって決まる。このときのエッチングにおいては、第1層間絶縁膜115のエッチングレートが第2層間絶縁膜116や第2マスク材124のエッチングレートよりも大きくなるエッチング条件により実行する。いいかえれば、第1層間絶縁膜115よりも第2層間絶縁膜116や第2マスク材124がエッチングされにくい条件でエッチングを行う。
Using the second
コンタクトホール118を形成する際には、保護膜108が露出する可能性がある。しなしながら、本実施形態においては、保護膜108と第2層間絶縁膜116は主成分がいずれも窒化シリコンであるため、第1層間絶縁膜115がエッチングされても保護膜108はエッチングに耐えることができる。なお、保護膜108と第2層間絶縁膜116は同一材料である必要はない。少なくとも、コンタクトホール118のエッチングは、第1層間絶縁膜115のエッチングレートが保護膜108のエッチングレートよりも大きくなるエッチング条件により実行する必要がある。すなわち、保護膜108がエッチングストッパーとしてLDD層111をエッチングから守るため、LDD層111とコンタクトホール118が接続するのを防ぐことができる。
When the
コンタクトホール118の形成後、第2マスク材124を除去する(図10)。コンタクトホール118にバリアメタル125を成膜し、配線材料を充填し、余分な配線材料をCMPにより除去することで配線層120を形成する(図11)。バリアメタル125はチタンや窒化チタンを順次成膜した積層膜であり、配線材料としてはタングステンを使用する。
After the
本実施形態においては第1層間絶縁膜115と第2層間絶縁膜116をz方向に貫くコンタクトプラグを形成できる(図12)。また、配線溝104,121,126の間隔を保つことができる。図1に示すように、コンタクトホール118の位置合わせは、素子分離絶縁層102および配線溝126等を対象として行われる。また、コンタクトホール118の位置がx方向やy方向に多少ずれたとしても、保護膜108の介在によりLDD層111とコンタクトプラグの短絡を防止できる。
In the present embodiment, a contact plug that penetrates the first
一方、第1層間絶縁膜115にコンタクトホールをいったん形成したあと、第2層間絶縁膜116を成膜し、更に、第2層間絶縁膜116に配線層120を形成するという製造方法も考えられる(図13:比較例)。この場合には、第1層間絶縁膜115のコンタクトホールと、第2層間絶縁膜116の配線層120に位置ずれが生じるため、配線層120の幅をコンタクトホールの幅よりも大きめに設計しなければならない。配線層120の拡幅の結果、配線間距離が短くなるため寄生容量が増加し信号品質が劣化してしまう。また、図13のように保護膜108を設けない場合には、コンタクトホールがLDD層111まで到達することにより、LDD層111がコンタクトプラグ123を介して配線層120とショートしてしまう可能性がある。特に、トランジスタピッチが縮小化するほどこのようなリスクが顕在化しやすい。これに対して、第1実施形態に示した半導体装置100によれば、過度に配線層120を太くする必要はなく、LDD層111とコンタクトプラグ123の短絡を防止できる。
On the other hand, a manufacturing method is also conceivable in which a contact hole is once formed in the first
[第2実施形態]
第1実施形態においては、保護膜108をLPCVD(Low Pressure Chemical Vapor Deposition)により成膜したあと、異方性エッチングによるエッチバックにより、サイドウォール107の側面部にのみ保護膜108を残しているが、第2実施形態においては異方性エッチバックを行わない(図14)。このため、サイドウォール107の側面だけでなく、ゲート電極106や半導体基板101(高濃度層112と素子分離絶縁層102)の上面にも保護膜108が残る。第1層間絶縁膜115や第2層間絶縁膜116を形成し、配線溝104等を第2層間絶縁膜116に形成するプロセスは第1実施形態と同じである。
[Second Embodiment]
In the first embodiment, after the
配線溝121を埋設する第2マスク材124を形成し、第2マスク材124には第1配線パターン136,138等が加工される(図15)。第2マスク材124と第2層間絶縁膜116をマスクとして第1層間絶縁膜115(酸化シリコン)をエッチング(以下、「第1エッチング」とよぶ)することによりコンタクトホール118を形成する(図16)。このとき、半導体基板101の上に残っている保護膜108がエッチングストッパーとして機能するため、コンタクトホール118が高濃度層112を突き抜けて半導体基板101まで穿孔されてしまう可能性は格段に低くなる。
A
保護膜108が露出したら、保護膜108(窒化シリコン)を対象としたエッチング条件に変更し、エッチング(以下、「第2エッチング」とよぶ)を続行する(図17)。こうして、高濃度層112(ソース領域とドレイン領域)と接続するコンタクトホール118を形成する。第2実施形態においては、保護膜108をエッチングストッパーとすることで、コンタクトホール118の深さを高濃度層112の位置に調整しやすいというメリットがある。最後に、保護膜108にバリアメタル125および配線溝126を埋設する(図18)。こうして、コンタクトホール118内に導電性のコンタクトプラグ123が形成される。
When the
[第3実施形態]
第3実施形態においては、第2層間絶縁膜116の材料を任意とする代わりに、第2層間絶縁膜116の上層に窒化シリコンのエッチングストッパー層117を形成する(図19)。一般的には窒化シリコンの比誘電率は7程度あるが、酸化シリコンの比誘電率は4程度である。このため、第2層間絶縁膜116を酸化シリコンを主成分として形成すれば、配線間容量を抑制できるというメリットがある。
[Third Embodiment]
In the third embodiment, instead of using an arbitrary material for the second
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は、上記の実施形態に限定されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能であり、それらも本発明の範囲内に包含されるものであることはいうまでもない。 The preferred embodiments of the present invention have been described above, but the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications can be made without departing from the spirit of the present invention. Needless to say, it is included in the range.
100 半導体装置、101 半導体基板、102 素子分離絶縁層、104 配線溝、105 ゲート絶縁膜、106 ゲート電極、107 サイドウォール、108 保護膜、110 コンタクトプラグ、111 LDD層、112 高濃度層、113 金属シリサイド、114 コンタクトプラグ、115 第1層間絶縁膜、116 第2層間絶縁膜、117 エッチングストッパー層、118 コンタクトホール、120 配線層、121 配線溝、122 第1マスク材、123 コンタクトプラグ、124 第2マスク材、125 バリアメタル、126 配線溝、128 第2配線パターン、130 第2配線パターン、132 第2配線パターン、134 第1配線パターン、136 第1配線パターン、138 第1配線パターン、150 トランジスタ。
DESCRIPTION OF
Claims (10)
前記サイドウォールを覆う保護膜を形成する工程と、
前記ゲート電極および前記保護膜を第1層間絶縁膜により覆う工程と、
前記第1層間絶縁膜の上に第2層間絶縁膜を形成する工程と、
前記第2層間絶縁膜に、第2の方向に延伸する第2の溝を形成する工程と、
前記第2層間絶縁膜の上にマスク材を形成する工程と、
前記マスク材に第1の方向に延伸する第1の溝を形成する工程と、
前記マスク材および前記第2層間絶縁膜をエッチングマスクとして、前記第1層間絶縁膜における前記第1および第2の溝の交差部分をエッチングすることによりコンタクトホールを形成する工程と、
を備えることを特徴とする半導体装置の製造方法。 Forming a sidewall on the side surface of the gate electrode formed on the semiconductor substrate;
Forming a protective film covering the sidewall;
Covering the gate electrode and the protective film with a first interlayer insulating film;
Forming a second interlayer insulating film on the first interlayer insulating film;
Forming a second groove extending in a second direction in the second interlayer insulating film;
Forming a mask material on the second interlayer insulating film;
Forming a first groove extending in a first direction in the mask material;
Forming a contact hole by etching an intersection of the first and second grooves in the first interlayer insulating film using the mask material and the second interlayer insulating film as an etching mask;
A method for manufacturing a semiconductor device, comprising:
前記コンタクトホールの形成時には、前記半導体基板の表面の前記保護膜をエッチングストッパーとして利用することを特徴とする請求項1から6のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。 The protective film is formed on the surface of the gate electrode and the semiconductor substrate,
7. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 1, wherein when forming the contact hole, the protective film on the surface of the semiconductor substrate is used as an etching stopper. 8.
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Cited By (1)
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JP2016039226A (en) * | 2014-08-07 | 2016-03-22 | ルネサスエレクトロニクス株式会社 | Semiconductor device |
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- 2012-09-28 JP JP2012217459A patent/JP2014072380A/en active Pending
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