JP2016152275A - 半導体装置の製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】絶縁部材に開口と該開口より幅が大きく且つ深さが小さい他の開口とを形成する際に、絶縁部材の下地である構造のうち該開口によって露出される部分の損傷を低減するのに有利な技術を提供する。
【解決手段】高低差を有する構造の上に絶縁部材を形成する工程と、前記絶縁部材に複数の開口を形成する工程とを有し、前記複数の開口を形成する工程は、マイクロローディング現象を伴う条件で前記絶縁部材をエッチングする第1工程と、前記第1工程の後に逆マイクロローディング現象を伴う条件で前記絶縁部材をエッチングする第2工程とを含み、前記構造の上面が露出する前に前記第1工程のエッチングを中止して前記第2工程のエッチングを開始する。
【選択図】図1

Description

本発明は、半導体装置の製造方法に関する。
半導体製造工程において、層間絶縁膜等の絶縁部材に、開口(例えばコンタクトプラグ用の開口)を形成しながら該開口より幅(大きさ)が大きく且つ深さが小さい他の開口を形成する技術が求められる。例えば、該他の開口に金属部材を形成することによって、アライメントマーク、ガードリング等を形成することができる。また、光電変換部を備える固体撮像装置の場合には、例えば、該他の開口に金属部材を形成することによって、半導体基板の上面に近い位置に遮光部材を形成することもできる。
ところで、互いに幅が異なる複数の開口をドライエッチングにより絶縁部材に形成する場合、エッチング条件によっては、幅の大きい開口の方が幅の小さい開口より絶縁部材のエッチング量が大きくなる場合がある(マイクロローディング現象)。一方、他のエッチング条件によっては、幅の小さい開口の方が幅の大きい開口より絶縁部材のエッチング量が大きくなる場合がある(逆マイクロローディング現象)。そのため、互いに幅が異なる複数の開口を、それらの深さまで考慮しながら絶縁部材に形成することは容易ではない。
特開2010−287823号公報
特許文献1は、深さが互いに等しく且つ幅が互いに異なる複数の開口を、マイクロローディング現象を伴うエッチングと、逆マイクロローディング現象を伴うエッチングとを用いて形成する技術を開示している。
本願の発明者は、上述の2種類のエッチングを用いて、絶縁部材にコンタクトプラグ用の開口を形成しながらアライメントマーク用の開口(コンタクトプラグ用の開口より幅が大きく且つ深さが小さい他の開口)を形成することを試みた。ここで、絶縁部材の下地となる構造は、半導体基板に形成されたトランジスタのゲート電極等により、一般に、上面に凹凸(高低差)を有する。この場合、絶縁部材は厚さが互いに異なる部分を有し、具体的には、絶縁部材のうち、該構造の凸部の上の部分の厚さは該構造の凹部の上の部分の厚さよりも小さい。そのため、該構造の凸部及び凹部のそれぞれの上にコンタクトプラグ用の開口を形成する際には、該構造の凸部が先に露出され、該構造の凹部が露出するまでの間に該構造の凸部での損傷が大きくなる可能性がある。
本発明は、上述の2種類のエッチングを用いて絶縁部材に開口と該開口より幅が大きく且つ深さが小さい他の開口とを形成する際に、絶縁部材の下地である構造のうち該開口によって露出される部分の損傷を低減するのに有利な技術を提供することを目的とする。
本発明の一つの側面は半導体装置の製造方法にかかり、前記半導体装置の製造方法は、第1の高さと前記第1の高さよりも高い第2の高さとを有する構造の上に絶縁部材を形成する工程と、前記絶縁部材に複数の開口を形成する工程と、を有し、前記複数の開口を形成する工程は、前記絶縁部材のエッチングを、開口の大きさが大きいものほど前記絶縁部材のエッチング量が大きくなる条件で行う第1工程と、前記第1工程の後に、前記絶縁部材のエッチングを、開口の大きさが小さいものほど前記絶縁部材のエッチング量が大きくなる条件で行う第2工程と、を含んでおり、前記第1工程では、前記構造の前記第1の高さの上面の上に、第1の幅を有する第1の開口であってその底面が前記第2の高さよりも高い第1の開口を形成し、前記構造の前記第2の高さの上面の上に、第2の幅を有する第2の開口であってその底面が前記第2の高さよりも高い第2の開口を形成し、前記構造の前記第1の高さの上面の上かつ前記第1の開口とは異なる位置に、前記第1の幅および前記第2の幅よりも大きい第3の幅を有する第3の開口であってその底面が前記第2の高さよりも高い第3の開口を形成し、前記第2工程では、前記絶縁部材のうちの前記第3の開口の下の部分を残存させながら、前記絶縁部材のうちの前記第1の開口および前記第2の開口のそれぞれの下の部分を前記構造の前記第1の高さおよび前記第2の高さのそれぞれの上面が露出するように除去することを特徴とする。
本発明によれば、絶縁部材に開口と該開口より幅が大きく且つ深さが小さい他の開口とを形成する際に、絶縁部材の下地である構造のうち該開口によって露出される部分の損傷を低減することができる。
半導体装置の構造の例を説明するための図である。 絶縁部材に形成する開口の形状の例を説明するための図である。 半導体装置の製造方法の例を説明するための図である。 マイクロローディング現象および逆マイクロローディング現象を説明するための図である。
図1は、半導体装置Iの製造工程の途中における構造を説明するための模式図である。半導体装置Iは、構造STと、構造STの上に形成された絶縁部材OXとを備える。構造STは、その上面に高低差を有しており、第1の高さH1と、高さH1よりも高い第2の高さH2とを有する。構造STは、例えば、半導体基板SUBと、基板SUBに形成されたMOSトランジスタ(ここではゲート電極Gのみ図示)と、それらを覆う絶縁性の膜Fとを含む。構造STの上面の高低差は、ゲート電極Gの厚さにしたがう。ゲート電極Gの厚さは例えば50〜200nm程度である。
絶縁部材OXは、例えば、複数の層間絶縁膜のうちの第1層の絶縁膜である。絶縁部材OXは、開口OP1〜OP3を含む複数の開口を有しており、これらの開口OP1〜OP3には、後に金属部材がそれぞれ設けられる。開口OP1の深さは、開口OP2および開口OP3のそれぞれの深さよりも大きい。開口OP3の深さは、典型的には、開口OP2の深さより小さいが、開口OP2の深さより大きくてもよい。
より詳細には、絶縁部材OXは、図1に例示されるように、ゲート電極Gによって厚さが互いに異なる2つの部分(即ち、ゲート電極Gが存在しない部分の上に位置し且つ厚さが大きくなっている部分、及び、ゲート電極Gが存在する部分の上に位置し且つ厚さが小さくなっている部分)を有する。例えば、厚さが大きくなっている部分の厚さは、300〜700nm程度である。開口OP1は、絶縁部材OXのうち該厚さが大きくなっている部分に形成される。開口OP1の深さは、該厚さが大きくなっている部分の厚さと等しく、又は、それより大きい。一方、開口OP2は、絶縁部材OXのうち、厚さが小さくなっている部分に形成される。該厚さが小さくなっている部分の厚さは、実質的には、上述の厚さが大きくなっている部分の厚さから構造STの上面の高低差を差し引いた値(例えば、200〜600nm程度、典型的には300〜500nm程度)である。
開口OP1に設けられる金属部材は、例えば、上記トランジスタのソース又はドレインに接続されたコンタクトプラグを形成する(「成す」と表現してもよい。)。開口OP2に設けられる金属部材は、ゲート電極Gに接続されたコンタクトプラグを形成する。また、開口OP3に設けられる金属部材は、例えば、アライメントマーク(又はその一部)を形成する。
ここで、アライメントマーク用の開口OP3の深さについて述べる。例えば露光装置を用いて半導体ウェハ等の対象物に対して露光処理を行う際には、アライメントマークを用いて露光位置を調整する。具体的には、アライメントマークを有する対象物に光を照射し、その反射光に基づいて該アライメントマークが検出される。より具体的には、アライメントマークは高低差を有しており、該高低差によって反射光の位相がずれる(高さが高い部分からの反射光と、高さが低い部分からの反射光とで位相がずれる)ため、コントラストが生じる。アライメントマークは、このコントラストに基づいて検出されうる。アライメントマークを検出しやすくするため、例えば、アライメントマークの高低差(即ち、開口OP3の深さ)を、50nmより大きくするとよく、典型的には、100nm程度またはそれ以上にするとよい。また、該高低差を400nm以下に抑えてもよい。
図2は、アライメントマーク用の開口OP3の例を示す模式図である。図2(a1)は、開口OP3の形状の第1の例の上面図を示しており、図2(b1)は、カットラインA−A’での断面構造を示している。図2(a2)は、開口OP3の形状の第2の例の上面図を示しており、図2(b2)は、カットラインB−B’での断面構造を示している。開口OP3は、所定の溝を有していればよく、平面視(基板SUBの上面に対する平面視)において、円形形状、多角形形状、ライン状、その他任意の形状をとりうる。例えば、平面視において、開口OP3は、図2(a1)及び(b1)に示されるようにリング状に形成されてもよいし、図2(a2)及び(b2)に示されるように矩形形状に形成されてもよい。
本例では、開口OP3に設けられる金属部材がアライメントマークを形成する例を示したが、この例に限られるものではない。例えば、該金属部材は、半導体装置I(又は半導体チップ)の外周に沿って設けられるガードリング(又はその一部)を形成してもよい。或いは、半導体装置Iが、光電変換部を備える固体撮像装置の場合には、該金属部材は、光電変換部への光を制限し又は光電変換部以外の部分への光を制限するための遮光部材(又はその一部)を形成してもよい。なお、該光電変換部以外の部分は、例えば、CMOSイメージセンサにおける増幅トランジスタなどの画素トランジスタや、グローバル電子シャッター構造のCMOSイメージセンサにおける光電変換部で生成された信号電荷を保持するための電荷保持部を含む。
なお、絶縁部材OXおよび各開口OP1〜OP3に設けられる金属部材の上には、配線パターン(第1の配線層又はそれより上の配線層)や他の絶縁部材(第2層又はそれより上の層の層間絶縁膜)等が配されうるが、ここでは説明を容易にするため不図示とする。
以下、図3を参照しながら、半導体装置Iの製造方法のうち、主に上述の開口OP1〜OP3を形成する工程を、実施例の1つとして述べる。半導体装置Iは、公知の半導体製造プロセスを用いて製造することが可能である。
図3(a)の工程では、シリコン等で構成された基板SUBにMOSトランジスタ等の各素子を形成した後、該トランジスタのゲート電極Gと基板SUBとを覆うように絶縁性の膜Fを形成する。膜Fは、例えば窒化シリコン等で構成されればよく、膜Fは、後述するようにエッチングストッパとして作用しうる他、半導体装置Iが固体撮像装置の場合には、光電変換部の上に配されることによって反射防止膜としても作用しうる。これにより構造STが得られる。
さらに、構造STの上には、絶縁部材OXが形成される。絶縁部材OXは、例えば酸化シリコン等で構成され、堆積法により形成された後に化学機械研磨(CMP)によってその上面が平坦化されればよい。
図3(b)の工程では、絶縁部材OXの上にレジストパターンRを形成する。レジストパターンRは、開口OP10、OP20及びOP30を有する。レジストパターンRの開口OP10は、絶縁部材OXに形成される前述の開口OP1に対応する。同様に、レジストパターンRの開口OP20及びOP30は、絶縁部材OXに形成される前述の開口OP2及びOP3にそれぞれ対応する。
図3(c)の工程(「工程S1」とする)では、絶縁部材OXに対して第1のエッチングを行い、該エッチングは、マイクロローディング現象を伴う条件の下で為される。マイクロローディング現象を伴うエッチングとは、図4(a)に例示されるように、具体的には、開口の幅(大きさ)が大きいものほど絶縁部材OXのエッチング量が大きくなる条件でエッチングをいう。この現象は、幅の小さい開口の場合、その底部に到達するエッチングガス、イオン、ラジカル等の量が、幅の大きい開口の場合に対して少なくなることに起因すると考えられる。
例えば、工程S1では、CおよびArを含むガス雰囲気の下でエッチングを行うとよい。この条件の下、工程S1では、絶縁部材OXに、開口OP11、OP21及びOP31を形成する。開口OP11は、構造STの高さH1の上面の上に形成され、第1の幅W1を有する。開口OP21は、構造STの高さH2の上面の上に形成され、第2の幅W2を有する。開口OP31は、構造STの高さH1の上面の上かつ開口OP11とは異なる位置に形成され、第3の幅W3を有する。典型的には、幅W1および幅W2は、0.15μmから0.4μmの範囲内であり、幅W3は、0.4μmから2μmの範囲内である。幅W3は、幅W1および幅W2よりも大きい。幅W1と幅W2とは互いに等しくてもよいし、互いに異なっていてもよい。なお、開口OP11、OP21及びOP31の各々はテーパー形状を有していてもよく、この場合、開口OP11、OP21及びOP31の各々の幅の大小関係は、絶縁部材OXの上面での幅について比較されればよい。開口OP11、OP21及びOP31の底面はいずれも高さH2よりも高くに位置し、また、工程S1のエッチング条件によると、開口OP31の底面は開口OP11及びOP21の底面よりも高くに位置する。
その後、図3(d)の工程(「工程S2」とする)では、絶縁部材OXに対して第2のエッチングを行い、該エッチングは、逆マイクロローディング現象を伴う条件の下で為される。逆マイクロローディング現象を伴うエッチングとは、図4(b)に例示されるように、具体的には、開口の幅が小さいものほど絶縁部材OXのエッチング量が大きくなる条件でエッチングをいう。この現象は、幅の大きい開口の場合、その底部に形成され且つエッチングを妨げうる反応生成物の量が、幅の小さい開口の場合に対して多くなることに起因すると考えられる。
例えば、工程S2では、CおよびOを含むガスの雰囲気の下でエッチングを行うとよい。この条件の下、工程S2では、絶縁部材OXのうち、開口OP31の下の部分を残存させながら、開口OP11及びOP21のそれぞれの下の部分を、構造STの高さH1及びH2のそれぞれの上面が露出するように除去する。工程S2により、開口OP12、OP22及びOP32が形成される。
工程S2のエッチング条件は、絶縁部材OXのエッチング量が構造STのエッチング量よりも大きくなるように設定される(即ち、絶縁部材OXの選択比を大きくする。)。本例では、絶縁部材OX(酸化シリコン)の下地である構造STは、その表面を覆う膜Fであって絶縁部材OXとは異なる材料で構成された絶縁性の膜F(窒化シリコン)を含む。この膜Fは、工程S2のエッチング条件の下では、エッチングストッパとして作用する。
なお、開口OP12、OP22及びOP32は、前述の工程S1で形成された開口OP11、OP21及びOP31にそれぞれ対応する。換言すると、工程S1で形成された開口OP11、OP21及びOP31は、工程S2によって開口OP12、OP22及びOP32にそれぞれ成形されるとも言える。
なお、工程S2のエッチング条件の下では、開口OP31での絶縁部材OXのエッチング量は比較的少ないが、該エッチング量は実質的になくてもよく、その場合、開口OP31の深さと開口OP32の深さとは互いに実質的に等しくてもよい。
図3(e)の工程では、膜Fのうち各開口により露出された部分をエッチングにより除去して、各開口に対応するゲート電極Gの上面および基板SUBの上面を露出させる。図1を参照しながら述べた開口OP1、OP2及びOP3は、本工程によって形成され、前述の工程S2で形成された開口OP12、OP22及びOP32にそれぞれ対応する。換言すると、工程S2で形成された開口OP12、OP22及びOP32は、本工程によって開口OP1、OP2及びOP3にそれぞれ成形されるとも言える。
その後、図3(f)〜(g)の工程では、開口OP1〜OP3に金属部材を形成する。具体的には、開口OP1及びOP2を金属部材でそれぞれ埋めて、コンタクトプラグCT1及びCT2を形成する。また、開口OP3に、金属部材を、該金属部材が開口OP3の側面および底部を覆いながら凹形状の上面を形成するように形成し、アライメントマークの一部である部分PT3を形成する。より具体的には、まず、図3(f)に例示されるように、開口OP1〜OP3が形成された絶縁部材OXの上に、開口OP3の深さよりも小さい厚さの金属部材M0を堆積する。その後、図3(g)に例示されるように、該堆積された金属部材M0の一部を、絶縁部材OXの上面が露出するようにCMPによって除去する。なお、金属部材M0は、各素子の端子を所定の配線パターンに電気的に接続するための金属(タングステンや銅等)の他、バリアメタル(チタンや窒化チタン等)を含んでもよい。
最後に、図3(h)に例示されるように、配線パターン等を形成するための金属部材M1を堆積する。金属部材M1は、その上面に、絶縁部材OXの上面と、部分PT3が形成された開口OP3とにしたがって形成された高低差を有し、該高低差によってアライメントマークの検出が可能になる。その後、金属部材M1のパターニングを行えばよい。なお、この金属部材M1は、アルミニウムや銅等で構成された第1部分M11と、該第1部分の下面および上面に配され且つチタンや窒化チタン等で構成された第2部分M12とを含んでもよい。部分M12は、バリアメタルや反射防止膜として作用しうる。
上述の実施例によると、開口OP1〜OP3を形成する工程は、主に2つのエッチング工程S1及びS2を含み、工程S1ではマイクロローディング現象を伴うエッチングを行い、工程S2では逆マイクロローディング現象を伴うエッチングを行う。
開口OP1〜OP3を、逆マイクロローディング現象を伴うエッチングのみで(マイクロローディング現象を伴うエッチングを用いないで)形成しようとすると、開口OP3を十分な深さを確保しながら形成することが難しい。図4(b)は、幅の大きい開口を形成している間に、幅の小さい開口でのエッチングが進み、ゲート電極Gが損傷した態様を例示している。そこで、マイクロローディング現象を伴うエッチングおよび逆マイクロローディング現象を伴うエッチングの双方を用いることにより、開口OP1及びOP2を形成すると共に、開口OP3を十分な深さを確保しながら形成することができる。
また、逆マイクロローディング現象を伴うエッチングでは、構造ST(本例では膜F)に対する絶縁部材OXの選択比が、マイクロローディング現象を伴うエッチングの場合よりも大きい。そこで、先にマイクロローディング現象を伴うエッチングを行い、その後、逆マイクロローディング現象を伴うエッチングを行う。例えば、高さH2から絶縁部材OXの上面までの大きさが350nm程度の場合には、工程S1のエッチングを、絶縁部材OXのエッチング量を300nm以下に抑えて中止し、その後、工程S2のエッチングを開始するとよい。これにより、ゲート電極Gの上面の損傷を防ぐことができ、一般に、工程S1及びS2の順序を逆にした場合に比べて、構造STの高さH1の上面の損傷を低減することができる。
なお、本発明は上述の実施例に限られるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、その一部(例えば、上述の実施例において示されたパラメータ、材料等)は、適宜、変更されてもよい。
I:半導体装置、H1:第1の高さ、H2:第2の高さ、ST:構造、OX:絶縁部材。

Claims (13)

  1. 第1の高さと前記第1の高さよりも高い第2の高さとを有する構造の上に絶縁部材を形成する工程と、
    前記絶縁部材に複数の開口を形成する工程と、を有し、
    前記複数の開口を形成する工程は、
    前記絶縁部材のエッチングを、開口の大きさが大きいものほど前記絶縁部材のエッチング量が大きくなる条件で行う第1工程と、
    前記第1工程の後に、前記絶縁部材のエッチングを、開口の大きさが小さいものほど前記絶縁部材のエッチング量が大きくなる条件で行う第2工程と、
    を含んでおり、
    前記第1工程では、
    前記構造の前記第1の高さの上面の上に、第1の幅を有する第1の開口であってその底面が前記第2の高さよりも高い第1の開口を形成し、
    前記構造の前記第2の高さの上面の上に、前記第2の幅を有する第2の開口であってその底面が前記第2の高さよりも高い第2の開口を形成し、
    前記構造の前記第1の高さの上面の上かつ前記第1の開口とは異なる位置に、前記第1の幅および前記第2の幅よりも大きい第3の幅を有する第3の開口であってその底面が前記第2の高さよりも高い第3の開口を形成し、
    前記第2工程では、前記絶縁部材のうちの前記第3の開口の下の部分を残存させながら、前記絶縁部材のうちの前記第1の開口および前記第2の開口のそれぞれの下の部分を前記構造の前記第1の高さおよび前記第2の高さのそれぞれの上面が露出するように除去する
    ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
  2. 前記構造は、半導体基板と該半導体基板に形成されたMOSトランジスタとを含み、
    前記第1の高さと前記第2の高さにより形成される前記構造の上面の高低差は、前記MOSトランジスタのゲート電極の厚さにしたがう
    ことを特徴とする請求項1に記載の半導体装置の製造方法。
  3. 前記第2工程では、前記絶縁部材のエッチング量が前記構造のエッチング量よりも大きくなる条件でエッチングを行う
    ことを特徴とする請求項1または請求項2に記載の半導体装置の製造方法。
  4. 前記構造は、その表面が、前記絶縁部材とは異なる材料で構成された絶縁性の膜で覆われており、
    前記第2工程では、前記絶縁性の膜はエッチングストッパとして作用する
    ことを特徴とする請求項1から請求項3のいずれか1項に記載の半導体装置の製造方法。
  5. 前記絶縁部材は酸化シリコンで構成され、前記絶縁性の膜は窒化シリコンで構成されている
    ことを特徴とする請求項4に記載の半導体装置の製造方法。
  6. 前記第1工程では、CおよびArを含むガス雰囲気の下でエッチングを行い、
    前記第2工程では、CおよびOを含むガスの雰囲気の下でエッチングを行う
    ことを特徴とする請求項1から請求項5のいずれか1項に記載の半導体装置の製造方法。
  7. 前記第1の幅および前記第2の幅は、0.15μmから0.4μmの範囲内であり、
    前記第3の幅は、0.4μmから2μmの範囲内である
    ことを特徴とする請求項1から請求項6のいずれか1項に記載の半導体装置の製造方法。
  8. 前記複数の開口を形成する工程の後に前記複数の開口に金属部材を形成する工程をさらに有する
    ことを特徴とする請求項1から請求項7のいずれか1項に記載の半導体装置の製造方法。
  9. 前記金属部材を形成する工程では、
    前記複数の開口を形成する工程で形成された開口であって前記第1の開口に対応する開口と、前記複数の開口を形成する工程で形成された開口であって前記第2の開口に対応する開口とを金属部材で埋め、且つ、
    前記複数の開口を形成する工程で形成された開口であって前記第3の開口に対応する開口に、金属部材を、該金属部材が該開口の側面および底部を覆いながら凹形状の上面を形成するように形成する
    ことを特徴とする請求項8に記載の半導体装置の製造方法。
  10. 前記金属部材を形成する工程は、
    前記複数の開口が形成された前記絶縁部材の上に、金属部材を、前記第3の開口に対応する前記開口の深さよりも小さい厚さで堆積する工程と、
    前記堆積された金属部材の一部を、前記絶縁部材の上面が露出するように化学機械研磨によって除去する工程と、を含む
    ことを特徴とする請求項7または請求項8に記載の半導体装置の製造方法。
  11. 前記第3の開口に対応する前記開口に形成された金属部材は、アライメントマークを成す
    ことを特徴とする請求項8から請求項10のいずれか1項に記載の半導体装置の製造方法。
  12. 前記第3の開口に対応する前記開口に形成された金属部材は、ガードリングを成す
    ことを特徴とする請求項8から請求項10のいずれか1項に記載の半導体装置の製造方法。
  13. 前記半導体装置は、光電変換部を備える固体撮像装置であり、
    前記第3の開口に対応する前記開口に形成された金属部材は、光を制限するための遮光部材を成す
    ことを特徴とする請求項8から請求項10のいずれか1項に記載の半導体装置の製造方法。
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