JP2014204014A - 半導体装置およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】無電解めっきに適したコンタクトホール形状の半導体装置を得る。
【解決手段】コンタクトホール４の側壁部２３の形状を、テラス面４１を有する多段形状とし、テラス面４１は、側壁部２３の他の傾斜面（２３ａ、２３ｂ）よりも傾斜が緩やかな面とする。また、コンタクトホール４の開口上端部の絶縁膜３を、その上面とコンタクトホール４の側壁部とのなす角が鈍角となるように形成することで、アルミニウムのスパッタリング工程において導電膜５を形成する際に、コンタクトホール４を穴埋めする導電膜５内にボイドが形成されず、その後、無電解めっき膜６を形成した際にボイドを膜内に内包しない構成とできる。
【選択図】図１

Description

この発明は、コンタクトホールを有する構造の半導体装置およびその製造方法に関するものである。

従来の半導体装置の製造方法において、コンタクトホール形成時に用いる多段プロセスでは、横方向のエッチング量が縦方向のエッチング量のそれと同等程度までにしかならないため、コンタクトホールの底の開口幅に対して表面側の開口部を大きく広げることに限界があった（例えば特許文献１）。

特開平８−１００２７８号公報

従来のように、コンタクトホール底の開口幅に対して表面側の開口幅を大きく広げて形成することができない場合、例えば、垂直な側壁を有するコンタクトホールでは、コンタクトホール内に電極メタル材料をスパッタリングにより埋め込もうとしても、スパッタリングの堆積機構から、入口の角部に多くのスパッタ膜が堆積し、コンタクトホール底部にスパッタ膜があまり堆積しない。そのため、コンタクトホール内部にスパッタ粒子が堆積して穴が埋まるより先に、開口部入口角に膜が堆積して入口が塞がり、スパッタ膜中に空洞が形成されてしまうという課題があった。さらに、このスパッタ膜よりなる導電膜に、デバイスの信頼性を向上させるためにめっき膜が形成される場合、導電膜の空洞に対応して、めっき膜にもボイドが形成されてしまう。このため、デバイスの信頼性が著しく低下してしまうという問題があった。
この発明は、上記のような問題点を解決するためになされたものであり、ボイドのないめっき膜を形成するのに適した形状のコンタクトホールを得ることを目的としている。

この発明に係わる半導体装置は、導電領域が形成された半導体基板、上記半導体基板上に積層された絶縁膜、上記絶縁膜を貫通し上記導電領域に達するとともに側壁部がテラス面を持つ多段形状のコンタクトホール、上記コンタクトホール内に埋設されるとともに上記絶縁膜上に形成された導電膜を備えたことを特徴とするものである。

また、この発明に係わる半導体装置の製造方法は、半導体基板上に積層された絶縁膜上に所定の抜きパターンを持つ第一のマスクを形成する工程、上記第一のマスクを用いてウェットエッチングを行い、さらにドライエッチングを行い、上記絶縁膜の所定深さまでエッチングし凹部を形成する工程、上記凹部の底面中央部を残して、上記凹部の周囲を含む上記絶縁膜の他の領域を覆うように第二のマスクを形成する工程、上記第二のマスクを用いてドライエッチングを行い、上記半導体基板の表面を露出させるコンタクトホールを形成する工程を含むことを特徴とするものである。

この発明の半導体装置は、コンタクトホールの側壁部にテラス面を設けることで、コンタクトホール底部の開口幅に対して、開口上端部の開口幅を大きく広げることが可能であり、そのため、導電膜としてメタル膜をスパッタリングで形成する際、ボイドを形成しに
くいという効果が得られる。

また、この発明の半導体装置の製造方法は、第一のマスクを用いたウェットエッチング工程で、第一のマスクと絶縁膜との界面にエッチング液が入り込み、第一のマスクの開口部周囲の絶縁膜に浅くサイドエッチングを施すことができ、第一のマスクを用いてドライエッチングによって絶縁膜に形成した凹部の周囲を覆うように第二のマスクを形成することで、凹部の底面の一部をコンタクトホール側壁部のテラス面とすることができ、その後のコンタクトホールへのメタル膜の埋設によってもボイドが形成されにくい形状のコンタクトホールを形成することができる。

本発明の実施の形態１による半導体装置の構造を示す断面図である。 本発明の実施の形態１による半導体装置の製造工程を示す断面図である。 本発明の実施の形態１による半導体装置の製造工程を示す断面図である。 本発明の実施の形態１による半導体装置の製造過程で用いる写真製版のマスクのパターン形状を示す平面図である。 本発明の実施の形態１によるコンタクトホール形成時におけるウェットエッチングとドライエッチングとの組み合わせ効果を示す半導体装置の断面図である。 本発明の実施の形態２による半導体装置の構造を示す断面図である。 本発明の実施の形態３による半導体装置の構造を示す断面図である。

実施の形態１．
図１は本発明の実施の形態１によるコンタクトホールを有する半導体装置の構造を部分的に示す断面図である。
つまり、本発明の半導体装置（半導体デバイス）１００は、導電領域が形成された半導体基板１、その半導体基板１上に積層された絶縁膜３、絶縁膜３を介して半導体基板１上に設けられた信号線２、絶縁膜３を貫通し導電領域に達するとともに側壁部がテラス面（段差部）４１を持つ多段形状のコンタクトホール４、このコンタクトホール４内に埋設されるとともに絶縁膜３上に形成された導電膜（メタル電極膜、メタル膜）５を備えた構造である。

そして、コンタクトホール４の側壁部２３は、所定傾斜角の傾斜面（２３ａ、２３ｂ）と、その傾斜面の中間高さに位置する、傾斜面よりも緩やかな傾斜角（半導体基板平面と平行な場合を含む。）のテラス面４１を含む多段形状に形成されており、コンタクトホール４の開口上端部で開口寸法が大きく、開口底部で同寸法が小さくなっており、テラス面４１で区切られる側壁部２３の段差は２段以上である。
また、導電膜５を形成する下地となる絶縁膜３は、そのコンタクトホール４の開口上端部において、絶縁膜３の上面とコンタクトホール４の側壁部とのなす角が鈍角となるように形成され、スパッタ膜が堆積しにくい角度に調整されている。

このような構成によれば、コンタクトホール４を埋め込んでコンタクトを形成する際に、導電膜５をスパッタリングによって積層しても、コンタクトホール４内の導電膜５中にボイドが形成されることがなく、かつ、コンタクトホール４上部を、導電膜５で塞ぐことなく、開いた状態とすることができるので、その上層に形成する無電解めっき膜（無電解ニッケルめっき膜）６にもボイドを含まないようにすることができる。こうすることで、温度変化に対して安定で信頼性の高い半導体装置１００を得ることができる。

以下、本発明の実施の形態１による半導体装置１００のコンタクトホール４を形成する製造工程の一例を図２および図３に、使用する写真製版マスクの一例を図４にそれぞれ示
す。
例えば、半導体基板１としてエピＳｉＣ膜が形成されたＳｉＣ基板を用い、ドープトＳｉＣからなる制御配線である信号線２が、ＴＥＯＳ絶縁膜である絶縁膜３を介して形成された半導体装置１００に対し、絶縁膜３の上面に、レジストマスク７ａを形成する。このとき、図４に示す、大きい方の開口パターン８を用いて、ポジレジストを写真製版し、4μｍ厚のレジストマスク（第一のマスク）７ａを図２（ａ）のように形成する。開口パターン８の形状に対応した抜きパターン（第一のマスクの開口パターン）７１が、半導体基板１表面の導電領域上の、コンタクトホール４を形成する位置に配置されるようにパターニングされる（図２（ａ））。

次に、バッファード・フッ酸で絶縁膜３の表面を１μｍ程度エッチング（ウェットエッチング）する。このとき、レジストマスク７ａと絶縁膜３との界面の密着力が弱く、界面に沿ってサイドエッチング（サイドエッチング部３ａ）が入ることを利用して、レジストマスク７ａ端部に位置する絶縁膜３の上端部に鋭角な段差がつかないようにする（図２（ｂ））。

その後、クリーンオーブンに入れ、上記ウェットエッチングで吸湿したレジストを１００℃で６０分程度ベークして、水分を除去する。
次に、平行平板型ドライエッチング装置を用いて、ＣＨＦ３ガスにより、ドライエッチングを行う。この際、ＣＨＦ３ガスの分圧を高めに設定し、高パワー密度で処理する（側壁部に再付着膜付着しやすい圧力、ＲＦ出力条件で処理する）ことで、コンタクトホール４の側壁が入口上部で開口が広く底部で狭くなるように、絶縁膜３に凹部３ｂを形成する。ここで、凹部３ｂの底面の一部がテラス面４１となり、凹部３ｂの側壁は、第二の傾斜面２３ｂとなる（図２（ｃ））。

次に、レジストマスク７ａを除去し、新たに図４に示すような、先の工程で用いた開口パターン８より小さな開口パターン（第二のマスクの開口パターン）９ａ、９ｂ、９ｃ用いて、ポジレジストを写真製版して、抜きパターン７２を持つレジストマスク（第二のマスク）７ｂを形成する。ここでは、大きな開口パターン８に小さな開口パターン９ａ、９ｂ、９ｃが３つ入っている例を示したが、３個に限るわけではない。（図２（ｄ））。

次に、平行平板型ドライエッチング装置を用いて、ＣＨＦ３ガスにより、エッチングを行い、半導体基板１の導電領域に達するように絶縁膜３を貫通したコンタクトホール４を形成する。この場合も、ＣＨＦ３ガスの分圧を高めに設定し、高パワー密度で処理することで、コンタクトホール４の側壁が入口上部で開口が広く底部で狭くなるようにする。このドライエッチングによって、コンタクトホール４の側壁部２３の第一の傾斜面２３ａが形成される（図３（ｅ））。
次に、レジストマスク７ｂを除去することで、側壁部２３にテラス面４１を形成したコンタクトホール４を得ることができる（図３（ｆ））。

次に、導電膜５としてメタル電極膜（例えばアルミニウム膜。）をスパッタリング法によって成膜する。このとき、コンタクトホール４の側壁部２３が、入口上部で開口が広く底部で狭くなるように形成されているので、アルミニウム膜よりなる導電膜５がコンタクトホール４の入口上部で、左右（断面形状においての左右）の膜が接触して封孔することなく、良好な形状に形成される（図３（ｇ））。

最後に、無電解めっき膜６として、例えば無電解ニッケルめっき膜を導電膜５の上層に形成する（図３（ｈ））。導電膜５であるアルミニウム膜上にニッケルによりなる無電解めっき膜６を形成するためには、アルミニウム表面の自然酸化膜を除去して、アルミニウム表面に亜鉛を析出させ、この析出させた亜鉛をニッケル置換させるジンケート処理でア
ルミニウム上にニッケルを析出形成させる。亜鉛との置換反応でアルミニウム表面がニッケルで覆われると、その後はニッケルの上にニッケルが連続して析出して厚く堆積し、ニッケルよりなる無電解めっき膜６が形成される。

図３（ｆ）までの工程で、コンタクトホール４の上部開口幅を広く、全体として側壁部２３の傾斜を緩く形成できるために、図３（ｇ）に示すアルミニウムのスパッタリング工程では、コンタクトホール４内に埋設される導電膜５に、大きな空洞が形成されることがないため、次の図３（ｈ）工程で、導電膜５の表面に形成する無電解めっき膜６は、ボイドの影響を受けずに良好な成膜条件下で析出形成させることが可能である。

なお、上述したように、図３（ｈ）工程で形成する無電解めっき膜６は、耐食性、高硬度、高強度、はんだ濡れ性が確保できるという観点からニッケル材料が用いられることが多い。一方、電解めっきの場合は、添加剤を使用してコンタクトホール内の穴埋性を改善する方策が有るため、本発明のコンタクトホール側壁部の多段形状の有効性は小さくなるが、無電解めっきの場合と同様に、コンタクトホール４の側壁部形状を多段に形成することは可能である。

次に、図５を用いて、この実施の形態１のコンタクトホール４の形成プロセスにおいて用いた、ウェットエッチングとドライエッチングとの組み合わせ効果について説明する。
図５（ａ）は、テラス面４１を持つタイプのコンタクトホール４の断面形状を模式的に示した図であり、図５（ｂ）は、テラス面４１が形成されていないタイプのコンタクトホール４０の断面形状を模式的に示した図である。

この図５では、コンタクトホール４、４０の断面形状が左右対称であるため、左側断面のみを記載しており、図中に示した破線、一点鎖線等を明確に示すため、ハッチングは記入しないものとしている。また、信号線２は例えば、ＭＯＳ素子のゲート電極であり、図５中の一点鎖線は、エッチング限界のラインを示すものであり、素子が正常動作するための、必要な絶縁膜膜厚（距離）を示している。図５中の破線は、一度のドライエッチングによって絶縁膜３を貫通させてコンタクトホール４、４０を開口した場合に得られる絶縁膜３の輪郭を示している。

上述したように、無電解めっきに最適なコンタクトホール形状は、図５（ａ）の断面図に太い実線で示すような、側壁部２３の中間位置にテラス面４１を持つコンタクトホール４の形状である。しかし、テラス面４１を形成しない場合でも、コンタクトホール開口上端部に位置する絶縁膜３の角部を、鈍角となるように形成することで、スパッタ膜によるコンタクトホールの穴埋め性を改善することができる。

その一例が、図５（ｂ）のコンタクトホール４０の形状である。つまり、図５（ｂ）に示すように、レジストマスク７ａのみを用いてウェットエッチングを行った後、一度のドライエッチングによってコンタクトホール４０を貫通させた場合、絶縁膜３の輪郭は太い実線で示す形状とすることができる。ウェットエッチングによって、絶縁膜３にサイドエッチング部３ａが形成されるため、絶縁膜３の表面は、サイドエッチング部３ａの形状を反映し、コンタクトホール４０の開口端に向かって緩やかに傾斜し、また、コンタクトホール４０の側壁部４００は、ドライエッチングにより所定の傾斜角となるように形成される。テラス面４１を形成しない分だけ、コンタクトホール４０の上部開口幅は小さくなるが、ウェットエッチング（サイドエッチング）の効果により、ドライエッチングのみによってコンタクトホール開口を行う場合（破線）よりも開口上端部の絶縁膜３の角度を鈍角に形成することが可能となる。

この図５で示したように、先にウェットエッチングしてから、ドライエッチングしてコ
ンタクトホール４、４０を形成した場合は、コンタクトホール４、４０の開口上端部の絶縁膜３の角（絶縁膜３の上面とコンタクトホール４、４０の側壁部とのなす角。）が９０度以上の鈍角となり、その後の導電膜５形成をスパッタリングで行う際、ボイドが形成されにくくなるという効果が得られる。
ドライエッチングで形成できるコンタクトホール側壁の傾斜角は８５度程度が限界であり、ドライエッチング工程のみで、コンタクトホール開口上端部の絶縁膜３の角度を大きく鈍角にすることは困難である。また、ウェットエッチング時のサイドエッチング量は、深さ方向の１０倍程度である。

なお、図５（ａ）に示したように、コンタクトホール４の側壁部２３にテラス面４１を設けることで、テラス面４１の広さに応じて側壁部２３の全体としての傾斜を緩くすることができ、導電膜５を埋め込む開口溝のアスペクト比が小さくなるため、その後、メタル電極膜をスパッタリングで形成する際、さらにボイドを形成しにくくすることが可能となることは言うまでもない。

上記の例では、コンタクトホール４の側壁部２３が、絶縁膜３の底面側に繋がるコンタクトホール４の第一の傾斜面２３ａと、絶縁膜３の上面側に繋がるコンタクトホール４の第二の傾斜面２３ｂとの間に、一つのテラス面４１が形成されたものを示したが、これに限らず、テラス面４１が複数設けられ、より多段となるように側壁が分割されたコンタクトホール４が形成される場合もある。

実施の形態２．
図６は、本発明の実施の形態２によるコンタクトホール４を有する半導体装置１００の構造を示す断面図である。その製造方法は、コンタクトホール４の形成工程までは、実施の形態１と同様である。
この実施の形態２では、導電膜５となるメタル電極膜を形成する際、一度にアルミニウム膜を成膜するのではなく、例えば３回に分けてアルミニウム膜１０ａ、１０ｂ、１０ｃを順次形成することで導電膜５を形成する。

具体的には、第一層目となるアルミニウム膜１０ａ形成後に、真空中でアニール処理することで、アルミニウム膜１０ａを流動させ、表面を滑らかにし、その後形成するアルミニウム膜１０ｂ、１０ｃも同様に、この処理を繰り返すことで導電膜５表面（すなわちアルミニウム膜１０ｃ表面）に発生する段差を小さく抑制し、その後のめっき析出時にボイドを含有しにくい構造とした。このような、導電膜５を分割して形成し、アニール処理によって溶融させて表面を滑らかな状態にすることを分割リフロー形成という。なお、本実施の形態２では、導電膜５となるメタル電極膜を３回に分割して形成したが、この回数に限るものではない。

実施の形態３．
図７は、本発明の実施の形態３によるコンタクトホール４を有する半導体装置１００の構造を示す断面図である。コンタクトホール４の形成工程までは、実施の形態１と同様である。この実施の形態３では、導電膜５を３回の分割成膜で形成する場合、最後のアルミニウム膜１０ｃを成膜する前に、ニッケル膜１１をスパッタリングによって、例えば０．５μｍ程度の厚さとなるように、２層目となるアルミニウム膜１０ｂ上に成膜した。つまり、導電膜５は、ニッケル膜１１がアルミニウム膜中に形成（複数層よりなるアルミニウム膜の層間に形成）された構造のアルミニウム電極膜である。

熱処理されたスパッタ・アルミニウム膜は結晶化し粒成長する。無電解ニッケルめっきの前処理にある、アルミニウム表面に亜鉛粒子を析出させるジンケート処理を施すと、アルミニウム粒界部に局所的な小さな貫通穴が、連続成膜した膜厚単位で形成されることが
ある。この小さな貫通穴のアルミニウム壁面に亜鉛粒子を均一に析出させることが困難なため、ニッケルめっきが析出せず、この小さな貫通穴を充填できずに欠陥を作ってしまうことが多い。アルミニウム膜１０ｂ表面に予めニッケル膜１１を形成することで、例え、めっき前処理によりアルミニウム１０ｃに小さな貫通穴が形成されても、その下に形成したニッケル膜１１が露出してくる。その小さな貫通穴の底部から無電解ニッケルめっきが析出してくるので、この小さな貫通穴をニッケルめっきで充填して、ボイドのない無電解めっき膜６を得ることができる。

なお、本発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせること、各実施の形態を適宜、変形、省略することが可能であることは言うまでもない。

１半導体基板、２信号線、３絶縁膜、３ａサイドエッチング部、３ｂ凹部、４、４０コンタクトホール、５導電膜（メタル電極膜）、６無電解めっき膜（無電解ニッケルめっき膜）、７ａレジストマスク（第一のマスク）、７ｂレジストマスク（第二のマスク）、８開口パターン（第一のマスクの開口パターン）、９ａ、９ｂ、９ｃ開口パターン（第二のマスクの開口パターン）、１０ａ、１０ｂ、１０ｃアルミニウム膜、１１ニッケル膜、２３側壁部（多段形状）、２３ａ第一の傾斜面、２３ｂ第二の傾斜面、４１テラス面、７１、７２抜きパターン、１００半導体装置（半導体デバイス）、４００側壁部。

Claims (9)

1. 導電領域が形成された半導体基板、上記半導体基板上に積層された絶縁膜、上記絶縁膜を貫通し上記導電領域に達するとともに側壁部がテラス面を持つ多段形状のコンタクトホール、上記コンタクトホール内に埋設されるとともに上記絶縁膜上に形成された導電膜を備えたことを特徴とする半導体装置。
2. 上記コンタクトホールの上記側壁部は、所定傾斜角の傾斜面と、上記傾斜面の中間高さに位置する上記傾斜面よりも緩やかな傾斜角の上記テラス面を含むことを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
3. 上記コンタクトホールの上記側壁部は、上記絶縁膜の底面側に繋がる上記コンタクトホールの第一の上記傾斜面と、上記絶縁膜の上面側に繋がる上記コンタクトホールの第二の上記傾斜面との間に、上記テラス面が形成されたことを特徴とする請求項２記載の半導体装置。
4. 上記導電膜を形成する下地となる上記コンタクトホール開口上端部の上記絶縁膜は、上記絶縁膜の上面と上記コンタクトホールの上記側壁部とのなす角が鈍角となるように形成されたことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項記載の半導体装置。
5. 上記導電膜は、メタル電極膜であり、分割リフロー形成により形成されたことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項記載の半導体装置。
6. 上記導電膜は、ニッケル膜がアルミニウム膜中に形成された構造のアルミニウム電極膜であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項記載の半導体装置。
7. 上記導電膜上に、無電解めっき膜を形成したことを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項記載の半導体装置。
8. 半導体基板上に積層された絶縁膜上に所定の抜きパターンを持つ第一のマスクを形成する工程、上記第一のマスクを用いてウェットエッチングを行い、さらにドライエッチングを行い、上記絶縁膜の所定深さまでエッチングし凹部を形成する工程、上記凹部の底面中央部を残して、上記凹部の周囲を含む上記絶縁膜の他の領域を覆うように第二のマスクを形成する工程、上記第二のマスクを用いてドライエッチングを行い、上記半導体基板の表面を露出させるコンタクトホールを形成する工程を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
9. メタル膜を上記絶縁膜の上面に形成するとともに上記コンタクトホール内に埋設してコンタクトを得る工程、上記メタル膜上に無電解めっき膜を形成する工程を含むことを特徴とする請求項８記載の半導体装置の製造方法。
   

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