JP2016197759A - Semiconductor device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、半導体装置に関する。 The present invention relates to a semiconductor device.
SOI(Silicon On Insulator)デバイスは、シリコン基板層と、その上に形成される薄膜シリコン層(SOI層ともいう)とが埋め込み酸化膜層(BOX(Buried Oxide)層ともいう)で絶縁分離される構造を有する。これにより、薄膜シリコン層上の互いに隣接する素子間の絶縁分離を容易に行うことができ、また、シリコン基板層を介して寄生サイリスタが形成されることがないためラッチアップ現象を防ぐことが可能となる。また、トランジスタを埋め込み酸化膜層上の薄膜シリコン層に作り込むことが、トランジスタの微細化に伴って消費電力が増大するいわゆる短チャンネル効果の抑制に有効となる。更に、SOI基板上に形成されたトランジスタの接合容量は、バルク基板上に形成されたトランジスタに比べ小さいため、高速動作が可能である。このようにSOI基板上に形成されたトランジスタは、多くの優れた特性を有し、従来のバルク基板に形成されたものと比べ高速化、低消費電力化を図ることができる。 In an SOI (Silicon On Insulator) device, a silicon substrate layer and a thin film silicon layer (also referred to as SOI layer) formed thereon are insulated and separated by a buried oxide film layer (also referred to as BOX (Buried Oxide) layer). It has a structure. As a result, the isolation between adjacent elements on the thin film silicon layer can be easily performed, and a parasitic thyristor is not formed through the silicon substrate layer, thereby preventing a latch-up phenomenon. It becomes. In addition, it is effective to suppress the so-called short channel effect in which the power consumption increases with the miniaturization of the transistor, by forming the transistor in the thin silicon layer on the buried oxide film layer. Further, since the junction capacitance of the transistor formed over the SOI substrate is smaller than that of the transistor formed over the bulk substrate, high-speed operation is possible. Thus, a transistor formed over an SOI substrate has many excellent characteristics, and can achieve higher speed and lower power consumption than those formed over a conventional bulk substrate.
特許文献1には、SOIウエハを用いた半導体装置において、メタルスパッタやドライエッチングによるSOIウエハ表面のチャージアップを防止するために、シリコン基板層のエッジ領域を露出させ、露出部分を含むように導電層を形成する方法が記載されている。 In Patent Document 1, in a semiconductor device using an SOI wafer, in order to prevent the SOI wafer surface from being charged up by metal sputtering or dry etching, the edge region of the silicon substrate layer is exposed and conductive so as to include the exposed portion. A method of forming a layer is described.
図1(a)、(b)および(c)は、SOI基板10上に形成された中間絶縁体層30にコンタクトホールを形成する工程を例示する断面図である。SOI基板10は、基板層11、埋め込み酸化膜層12、半導体層13が積層されて構成される。半導体層13は、例えばSiO2等の絶縁体からなる素子分離層14を有し、素子分離層14の形成領域が素子分離領域15とされ、素子分離領域15以外の領域が素子形成領域16とされる。素子形成領域16上にMOSFETなどの半導体素子(図示せず)が形成された後、SiO2等の絶縁体からなる中間絶縁体層30が半導体層13を全体的に覆うように形成される。
FIGS. 1A, 1 </ b> B, and 1 </ b> C are cross-sectional views illustrating a process of forming a contact hole in the
次に、図1(a)に示すように、中間絶縁体層30の表面にフォトレジストを成膜し、フォトリソグラフィ技術を用いてフォトレジストにパターニングを施してレジストマスク40を形成する。レジストマスク40は、素子形成領域16上のコンタクトホール形成位置に開口部41a、42a、43aを有する。
Next, as illustrated in FIG. 1A, a photoresist is formed on the surface of the
次に、図1(b)に示すようにパターニングが施されたレジストマスク40を介してドライエッチングを行い、中間絶縁体層30にコンタクトホール51a、52a、53aを形成する。このドライエッチングにおいては、全てのコンタクトホールが一様なエッチングレートで形成されることはなく、エッチングの進行はコンタクトホール間である程度のばらつきを有する。すなわち、図1(b)に示すように、コンタクトホールが半導体層13に達するタイミングがコンタクトホール間で互いに異なる。このとき、先に半導体層13に達したコンタクトホール51aおよび53aを介して、ドライエッチングの際に照射されるプラズマによる電荷が半導体層13の素子形成領域16内に注入される。素子形成領域16は、埋め込み酸化膜層12および素子分離層14によって絶縁分離されている故、素子形成領域16内に注入された電荷はそこに蓄積されることとなる。その後、図1(c)に示すように、コンタクトホール52aのエッチングが進行するに従って、中間絶縁体層30のコンタクトホール52aの直下部分の厚さ薄くなり、当該部分において中間絶縁体層30の絶縁耐圧が低下する。コンタクトホール52aの直下部分において薄膜化した中間絶縁体層30が、半導体層13に蓄積された電荷によって生じた電界に耐え切れなくなると絶縁破壊を起こし、その影響は、半導体層13および埋め込み酸化膜層12にも及ぶこととなる。
Next, as shown in FIG. 1B, dry etching is performed through the patterned
図2は、コンタクトホール50の直下部分において上記したメカニズムによって破壊され、破壊痕Xが生じたSOI基板10の断面図である。
FIG. 2 is a cross-sectional view of the
本発明は、上記した点に鑑みてなされたものであり、基板層から絶縁された半導体層と、半導体層上に形成された絶縁体層とを有する半導体装置において、絶縁体層の表面から半導体層に達するコンタクトホールをドライエッチングで形成する場合において、半導体層における電荷の蓄積を防止することができる半導体装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above-described points. In a semiconductor device having a semiconductor layer insulated from a substrate layer and an insulator layer formed on the semiconductor layer, the semiconductor device is provided on the surface of the insulator layer. An object of the present invention is to provide a semiconductor device capable of preventing charge accumulation in a semiconductor layer when a contact hole reaching the layer is formed by dry etching.
本発明に係る半導体装置は、半導体素子を備える素子形成領域と、平面視において前記素子形成領域に接すると共に第1開口部を備え且つ第1絶縁部材からなる素子分離領域と、を有する半導体層と、前記半導体層の主面に第1面を接して形成されると共に前記第1開口部に連通する第2開口部および前記第2開口部とは異なる位置に設けられた第3開口部を備えた第2絶縁部材と、前記半導体層の前記主面に対向する前記半導体層の裏面に接する第2面と前記第2面に対向する第3面とを備えると共に、前記第1開口部と連通する第4開口部を有する第3絶縁部材と、前記半導体層の前記主面と前記第3面との間の距離よりも小さい厚さを有する第1導電部材に接続されると共に、連続的な側壁を有する前記第1開口部と前記第2開口部と前記第4開口部との内部に形成された第2導電部材と、を備えることを特徴とする。 A semiconductor device according to the present invention includes an element formation region including a semiconductor element, and an element isolation region that is in contact with the element formation region in plan view and includes a first opening and is formed of a first insulating member. And a second opening formed in contact with the first surface of the semiconductor layer and communicating with the first opening, and a third opening provided at a position different from the second opening. A second insulating member, a second surface in contact with the back surface of the semiconductor layer facing the main surface of the semiconductor layer, and a third surface facing the second surface, and in communication with the first opening. Connected to a third insulating member having a fourth opening and a first conductive member having a thickness smaller than a distance between the main surface and the third surface of the semiconductor layer, and continuous The first opening and the second opening having side walls; A second conductive member formed in the interior of the serial fourth opening, characterized in that it comprises a.
本発明に係る半導体装置によれば、絶縁体層の表面から半導体層に達するコンタクトホールをドライエッチングで形成する場合において、半導体層における電荷の蓄積を防止することができる。したがって、エッチングに伴う絶縁体層の破壊や半導体層の破壊を防止することができる。 According to the semiconductor device of the present invention, when a contact hole reaching the semiconductor layer from the surface of the insulator layer is formed by dry etching, charge accumulation in the semiconductor layer can be prevented. Therefore, the insulator layer and the semiconductor layer can be prevented from being destroyed due to etching.
以下、本発明の実施形態について図面を参照しつつ説明する。尚、各図面において、実質的に同一又は等価な構成要素又は部分には同一の参照符号を付している。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. In the drawings, substantially the same or equivalent components or parts are denoted by the same reference numerals.
<第1の実施形態>
図3乃至図6は、本発明の第1の実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す断面図および平面図である。図3(a)、図3(c)、図3(e)、図4(a)、図4(c)、図4(e)、図5(a)、図5(c)、図5(e)および図6(a)は、本発明の実施形態に係る半導体装置の製造方法のプロセスステップ毎の平面図であり、図3(b)、図3(d)、図3(f)、図4(b)、図4(d)、図4(f)、図5(b)、図5(d)、図5(f)および図6(b)は、それぞれ、図3(a)、図3(c)、図3(e)、図4(a)、図4(c)、図4(e)、図5(a)、図5(c)、図5(e)および図6(a)における3b−3b線、3d−3d線、3f−3f、4b−4b線、4d−4d線、4f−4f、5b−5b線、5d−5d線、5f−5f、6b−6b線に沿った断面図である。すなわち、各図において、プロセスステップ毎の対応する平面図と断面図が併記されている。
<First Embodiment>
3 to 6 are a cross-sectional view and a plan view showing the method for manufacturing the semiconductor device according to the first embodiment of the present invention. 3 (a), 3 (c), 3 (e), 4 (a), 4 (c), 4 (e), 5 (a), 5 (c), 5 FIG. 6E and FIG. 6A are plan views for each process step of the method for manufacturing a semiconductor device according to the embodiment of the present invention. FIG. 3B, FIG. 3D, and FIG. 4 (b), FIG. 4 (d), FIG. 4 (f), FIG. 5 (b), FIG. 5 (d), FIG. 5 (f) and FIG. 6 (b) are respectively shown in FIG. 3), FIG. 3C, FIG. 3E, FIG. 4A, FIG. 4C, FIG. 4E, FIG. 5A, FIG. 5C, FIG. 3b-3b line, 3d-3d line, 3f-3f, 4b-4b line, 4d-4d line, 4f-4f, 5b-5b line, 5d-5d line, 5f-5f, 6b- in FIG. FIG. 6 is a cross-sectional view taken along
(SOI基板の準備)
はじめに、図3(a)および図3(b)に示すような基板層11、埋め込み酸化膜層(BOX層)12および半導体層(SOI層)13が積層されて構成されるSOI基板10を用意する。基板層11は、例えばシリコン等の半導体材料により構成され得るが、これに限定されるものではなく、導電体材料などによって構成されていてもよい。半導体層13は、例えばシリコン等の半導体材料により構成され得るが、これに限定されるものではなく、シリコン以外の他の半導体材料により構成されていてもよい。SOI基板10は、貼り合せ法若しくはSIMOX(Silicon Implanted Oxide)法等どのような方法で作成されたものでもよい。因みに、SIMOX法では、プライムウエハ表面から高エネルギー且つ高濃度の酸素をイオン注入し、その後熱処理で注入酸素とシリコンを反応させ、ウエハ表面近傍の内部にSiO2膜からなる埋め込み酸化膜層を形成することによりSOI基板を作成する。一方、貼り合せ法では、表面にSiO2膜を形成したシリコンウエハと、もう1枚のシリコンウエハを熱と圧力で接着し、片側のシリコンウエハを所定厚さだけ残すように研削除去することによってSOI基板を作成する。尚、基板層11は本発明の基板層に対応し、埋め込み酸化膜層12は本発明の第1の絶縁体層に対応し、半導体層13は本発明の半導体層に対応する。また、本発明の実施形態に係る製造方法において、半導体層13はp型の導電型を有するものとする。
(Preparation of SOI substrate)
First, an
次に、図3(c)および図3(d)に示すように、公知のLOCOS(local oxidation of silicon)法、STI(Shallow Trench Isolation)法、DTI(Deep Trench Isolation)法などにより、埋め込み酸化膜層12の上に半導体層13を複数領域に電気的に分離するように例えばSiO2などからなる素子分離層14を形成する。素子分離層14は、半導体層13上に形成される互いに隣接する半導体素子間を絶縁分離するためのものである。半導体層13において、素子分離層14の形成領域が素子分離領域(非活性領域)15とされ、素子分離領域15以外の領域が素子形成領域(活性領域)16とされる。素子分離領域15は、例えば素子形成領域16を囲むようにして形成される。尚、各図において、1つの素子形成領域16が示されているが、半導体層13は、素子分離層14によって絶縁分離された複数の素子形成領域16を有していてもよい。また、半導体層13内にpチャネルMOSFETを形成する場合には、素子分離層14を形成する前に半導体層13内にn型の導電型を有するnウェル領域を形成しておく。
Next, as shown in FIGS. 3C and 3D, buried oxidation is performed by a known local oxidation of silicon (LOCOS) method, shallow trench isolation (STI) method, deep trench isolation (DTI) method, or the like. An
(半導体素子の形成)
次に、図3(e)および図3(f)に示すように、半導体層13の素子形成領域16内にMOSFET等の半導体素子20を形成する。具体的には、熱酸化処理によって半導体層13の表面にSiO2からなるゲート酸化膜21を形成する。続いて、例えばCVD法(化学気相成長法)等によりシラン(SiH4)ガスを窒素(N2)ガス中で熱分解させてゲート酸化膜21上にポリシリコン膜を形成した後、これをパターニングすることによりゲート電極22を形成する。次に、ゲート電極22をマスクとして、半導体層13に例えばリンをイオン注入することにより素子形成領域16内においてゲート電極22に対して自己整合的にn型のソース領域23およびドレイン領域24を形成する。これにより、半導体層13の素子形成領域16内に半導体素子20が形成される。尚、上記の説明においては、半導体素子としてnチャネルMOSFETを形成する場合を例示したが、pチャネルMOSFET、バイポーラトランジスタ、抵抗素子、キャパシタなどの他の半導体素子を形成してもよい。
(Formation of semiconductor elements)
Next, as shown in FIGS. 3E and 3F, a
(中間絶縁体層の形成)
次に、図4(a)および図4(b)に示すように、半導体素子20が形成された半導体層13の表面を全体的に覆うように、中間絶縁体層30を形成する。中間絶縁体層30は、例えばシラン(SiH4)ガスと酸素(O2)ガスとを材料ガスとして用いたCVD法により半導体層13の表面を全体的にSiO2膜で覆うことにより形成されが、このような方法に限定されるものではない。また、中間絶縁体層30をSiO2以外の他の絶縁体により構成することも可能である。尚、中間絶縁体層30は、本発明における第2の絶縁体層に対応する。
(Formation of intermediate insulator layer)
Next, as shown in FIGS. 4A and 4B, an
(第1層目のレジストマスクの形成)
次に、図4(c)および図4(d)に示すように、中間絶縁体層30上にコンタクトホールを形成するための第1層目のレジストマスク40を形成する。具体的には、フォトレジスト材として一般的に使用される感光性樹脂をスピンコート法などにより中間絶縁体層30上に成膜する。その後、塗布成膜されたフォトレジスト材に対して熱処理を施す(プリベーク)。次に、露光および現像処理によってフォトレジスト材に開口部41および42を形成する。これにより、中間絶縁体層30上にレジストマスク40が形成される。レジストマスク40は、素子分離領域15上に設けられた少なくとも1つの開口部41と、素子形成領域16上に設けられた少なくとも1つ開口部42と、を有する。尚、レジストマスク40は、本発明の第1のマスク層に対応する。
(Formation of first layer resist mask)
Next, as shown in FIGS. 4C and 4D, a first-layer resist
(コンタクトホールの形成:第1回目)
次に、図4(e)および図4(f)に示すように、レジストマスク40を介してプラズマドライエッチング処理を行うことにより、中間絶縁体層30の表面から素子分離層14を経由して基板層11に達する少なくとも1つのコンタクトホール51を形成するとともに、中間絶縁体層30の表面から半導体層13の素子形成領域16に達する少なくとも1つのコンタクトホール52を形成する。本実施形態では、コンタクトホール52は半導体素子20のソース領域に達するように形成される。このドライエッチングでは、中間絶縁体層30、素子分離層14および埋め込み酸化膜層12を構成するSiO2に対するエッチングレートが、半導体層13の素子形成領域16における半導体層13を構成するSiに対するエッチングレートよりも高いエッチングガスを用いる。すなわち、SiとSiO2の選択比が比較的高いエッチングガスを用いる。そのようなエッチングガスの例としてCH4とH2との混合ガス、CHF3、C2F6、などが挙げられる。このようなエッチング選択性を有するエッチングガスを用いたドライエッチング処理により、コンタクトホール52がエッチングレートの低いSiで構成される半導体層13の素子形成領域16に達するとエッチングの進行がほぼ停止する。一方、中間絶縁体層30、素子分離層14および埋め込み酸化膜層12は、それぞれエッチングレートの高いSiO2で構成されているのでコンタクトホール51は基板層11にまで達する。すなわち、本工程において、中間絶縁体層30、素子分離層14および埋め込み酸化膜層12を貫通して、基板層11に達するコンタクトホール51と、中間絶縁体層30を貫通して半導体層13の素子形成領域16に達するコンタクトホール52が同時に形成される。尚、サリサイドプロセスによって半導体素子20のゲート電極、ソース領域およびドレイン領域の表面に合金層を形成しておくことにより、コンタクトホール51におけるエッチングの進行を容易に停止させることができる。コンタクトホール51は本発明における第1のコンタクトホールに対応し、コンタクトホール52は本発明における第2のコンタクトホールに対応する。
また、一般的にプラズマドライエッチング処理においては、エッチングにより生じた反応生成物がエッチング部の側壁やレジストマスクの表面に堆積する。この反応生成物からなる堆積層は、通常、レジスト材やエッチングガスに含まれるカーボン(C)、酸素(O)、フッ素(F)、水素(H)などを含んでおり、特に、カーボン(C)の存在に起因して導電性を有している。尚、この堆積層は一般的に「デポ膜」と称される。本発明の実施形態に係る製造方法においても、コンタクトホール51および52の底面および側面と、レジストマスク40の表面および側面は、ドライエッチングの際に生成される反応生成物からなる堆積層60で覆われる。堆積層60は、導電性を有しているので、半導体層13の素子形成領域16と基板層11は、堆積層60を介して電気的に接続される。
(Contact hole formation: 1st time)
Next, as shown in FIGS. 4E and 4F, a plasma dry etching process is performed through the resist
In general, in the plasma dry etching process, a reaction product generated by etching is deposited on the side wall of the etching portion or the surface of the resist mask. The deposited layer made of this reaction product usually contains carbon (C), oxygen (O), fluorine (F), hydrogen (H), etc. contained in the resist material or etching gas. ) Due to the presence of). This deposited layer is generally called a “deposited film”. Also in the manufacturing method according to the embodiment of the present invention, the bottom and side surfaces of the contact holes 51 and 52 and the surface and side surfaces of the resist
また、一般的な半導体装置の製造工程では、レジストマスクおよび堆積層(デポ膜)は、コンタクトホールの形成後にアッシングおよび薬液処理によって除去される。しかしながら、本発明の実施形態に係る製造方法においては、コンタクトホール51および52の形成後においてもレジストマスク40および堆積層60を除去せず、これらを残したまま次工程に移行する。
In a general semiconductor device manufacturing process, the resist mask and the deposited layer (deposition film) are removed by ashing and chemical treatment after the contact holes are formed. However, in the manufacturing method according to the embodiment of the present invention, the resist
尚、本発明の実施形態に係る製造方法において、コンタクトホール52は、例えば半導体素子20のソースコンタクトを形成するためのものである。しかしながら、本工程において、素子形成領域16上に形成されるコンタクトホールは、ソースコンタクト以外の目的で形成されるものであってもよく、例えばドレインコンタクトやゲートコンタクトを形成するためのものであってもよいし、半導体素子とコンタクトしない所謂ダミーコンタクトを形成するためのものであってもよい。しかしながら、ゲート電極22の直下にはゲート酸化膜21が存在していることから、コンタクトホール52をゲート電極に接続した場合には、後の工程において行われる第3のコンタクトホールの形成の際のドライエッチングに伴って素子形成領域16に注入された電荷の排除が不十分となるおそれがある。従って、コンタクトホール52は、ソースまたはドレインに接続されることが好ましい。また、コンタクトホール52は、素子形成領域16の、ゲート、ソース、ドレイン以外の領域に接続されていてもよい。
In the manufacturing method according to the embodiment of the present invention, the
また、本工程において、素子形成領域16上に形成されるコンタクトホール52と、素子分離領域15上に形成され且つ基板層11に達するコンタクトホール51は、近接して配置されていることが好ましい。コンタクトホール51とコンタクトホール52とを近接させることにより、半導体層13の素子形成領域16から基板層11に至る堆積層60による導電経路上の電気抵抗を小さくすることができる。これにより、後の工程において行われる第3のコンタクトホールの形成の際のドライエッチングに伴って素子形成領域16に注入された電荷の排除に有利となる。従って、コンタクトホール52は、例えば半導体素子20を構成するドレイン、ソースのうち、コンタクトホール51に最も近くに配置されているものに対応して形成されるのが好ましい。
また、本工程において、1つの素子形成領域16上に形成されるコンタクトホール52の数は、少ない方が好ましく、より好ましくは1つである。半導体層13の素子形成領域16に達するコンタクトホールの数を少なくすることにより、素子形成領域16に蓄積される電荷量を小さくすることができる。1つの素子形成領域16に対してコンタクトホール52を1つのみ形成することとすれば、上記したような中間絶縁体層30の絶縁破壊が生じることはない。
In this step, the
In this step, the number of contact holes 52 formed on one
(第2層目のレジストマスクの形成)
次に、図5(a)および図5(b)に示すように、先に形成した第1層目のレジストマスク40上に第2層目のレジストマスク70を形成する。具体的には、フォトレジスト材として一般的に使用される感光性樹脂をスピンコート法などにより第1層目のレジストマスク40上に成膜する。その後、塗布成膜されたフォトレジスト材に対して熱処理を施す(プリベーク)。次に、露光および現像処理によってフォトレジスト材に開口部71および72を形成する。これにより第1層目のレジストマスク40上に第2層目のレジストマスク70が形成される。開口部71および72は、半導体層13の素子形成領域16上に配置され且つ先に形成されたコンタクトホール52の形成位置とは異なる位置に配置される。
(Formation of second layer resist mask)
Next, as shown in FIGS. 5A and 5B, a second-layer resist
(コンタクトホールの形成:第2回目)
次に、図5(c)および図5(d)に示すように、レジストマスク70を介してプラズマドライエッチング処理を行うことにより、堆積層60、第1層目のレジストマスク40および中間絶縁体層30を貫通して素子形成領域16に達するコンタクトホール81および82を形成する。コンタクトホール81は、例えば半導体素子20のゲートコンタクトを形成するためのものであり、コンタクトホール82は、例えば半導体素子20のドレインコンタクトを形成するためのものである。しかしながら、本工程において形成されるコンタクトホールは、ドレインコンタクトやゲートコンタクト以外の目的で形成されるものであってもよい。また、本工程において形成されるコンタクトホールの数は、必要に応じて適宜変更することが可能である。すなわち、ゲート、ソース、又はドレイン等に対して複数のコンタクトを形成しても良い。また、先に形成されたコンタクトホール52を機能上必要とされるソースコンタクト又はドレインコンタクトを形成するためのものとしておくことで、本工程において、別途ソースコンタクトやドレインコンタクト用のコンタクトホールを形成する必要がなくなり、素子面積を縮小することが可能となる。尚、コンタクトホール81および82は、本発明の第3のコンタクトホールに対応する。
(Contact hole formation: 2nd)
Next, as shown in FIGS. 5C and 5D, a plasma dry etching process is performed through the resist
本工程において、ドライエッチングの際に照射されるプラズマによる電荷eは、図7に示すように、コンタクトホール82を介して半導体層13の素子形成領域16に注入された後、先のコンタクトホール51および52を形成するためのドライエッチングによって形成された導電性の堆積層60を伝って基板層11に流れ込む。これにより、半導体層13への電荷蓄積が回避され、上記したような中間絶縁体層30の絶縁破壊やこれに伴う半導体層13や埋め込み酸化膜層12の破壊を防止することが可能となる。先の工程において、半導体層13の素子形成領域16に達するコンタクトホール52と、基板層11に達するコンタクトホール51とを近接させて配置することにより、素子形成領域16から基板層11に至る堆積層60による導電経路の電気抵抗を小さくすることができ、素子形成領域16に注入された電荷eの基板層11への引き抜き効果を促進させることが可能となる。すなわち、コンタクトホール52とコンタクトホール51とのSOI基板10の主面方向における距離を、コンタクトホール81および82とコンタクトホール51とのSOI基板10の主面方向における距離よりも小さくすることが好ましい。
In this step, as shown in FIG. 7, the charge e due to the plasma irradiated during dry etching is injected into the
(レジストマスクおよび堆積層の除去)
次に、図5(e)および図5(f)に示すように、第2層目のレジストマスク70、第堆積層60および1層目のレジストマスク40を除去する。具体的には、O2プラズマを用いたプラズマアッシングによりレジストマスク40、70および堆積層60を除去した後、レジスト剥離液を用いてレジスト残渣を除去する。以上の各工程を経ることにより、半導体素子20のソース領域23、ゲート電極22およびドレイン領域24にそれぞれ対応するコンタクトホール52、81および82が完成する。
(Removal of resist mask and deposited layer)
Next, as shown in FIGS. 5E and 5F, the second-layer resist
(配線の形成)
次に、図6(a)および図6(b)に示すように、スパッタリング法などを用いてAlなどの配線材料をコンタクトホール51、52、81および82に埋め込むとともに中間絶縁体層30上に配線材料を形成する。次に、フォトリソグラフィ技術およびドライエッチング技術を用いて中間絶縁体層30上に形成された配線材料をパターニングする。これにより、半導体素子20のソース領域23に接続されたソース配線91、ゲート電極22に接続されたゲート配線92、ドレイン領域24に接続されたドレイン配線93および基板層11に接続された基板配線94を互いに分離させる。尚、配線材料のパターニングは、回路構成などに応じて適宜変更することが可能であるが、基板配線94は、他の配線91、92および93から分離しておくことが望ましい。また、基板配線94は、接地電位(グランド電位)に接続しておくことが望ましい。基板層11の電位を接地電位に固定しておくことで、フローティングとした場合と比較して回路動作の安定性等を確保することが可能となる。その後、必要に応じてH2とN2の混合ガス雰囲気中で熱処理を施すことによりソース配線91、ゲート配線92およびドレイン配線93とシリコン(ソース領域23およびドレイン領域24)およびポリシリコン(ゲート電極22)とのオーミック性を確保する。
(Wiring formation)
Next, as shown in FIGS. 6A and 6B, a wiring material such as Al is embedded in the contact holes 51, 52, 81, and 82 by using a sputtering method or the like, and on the
以上の説明から明らかなように、本発明の実施形態に係る半導体装置の製造方法においては、第1層目のレジストマスク40を介したドライエッチングにより、中間絶縁体層30、素子分離層14および埋め込み酸化膜層12を貫通して基板層11に達する第1のコンタクトホール51と、中間絶縁体層30を貫通して半導体層13の素子形成領域16に達する第2のコンタクトホール52とを形成する。このとき、ドライエッチングに伴って生成される導電性を有する反応生成物からなる堆積層60が、コンタクトホール51および52の内壁面全体およびレジストマスク40の表面全体を覆う。これにより、半導体層13の素子形成領域16から基板層11に至る導電経路が形成される。
As is clear from the above description, in the method for manufacturing a semiconductor device according to the embodiment of the present invention, the
その後、第1層目のレジストマスク40および堆積層60を残したまま、第2層目のレジストマスク70を形成し、第2層目のレジストマスクを介したドライエッチングにより、中間絶縁体層30を貫通して半導体層13の素子形成領域16に達する第3のコンタクトホール81および82を形成する。このドライエッチングの際のプラズマ照射によって半導体層13の素子形成領域16に注入された電荷は、導電性の堆積層60を伝って基板層11に流れる。従って、半導体層13への電荷蓄積が回避される。
Thereafter, the second resist
すなわち、本発明の実施形態に係る半導体装置の製造方法によれば、ドライエッチングの際の半導体層13への電荷蓄積が回避されるので、ドライエッチングの進行に伴って薄膜化される中間絶縁体層30の絶縁破壊を防止することが可能となり、半導体層13や埋め込み酸化膜層12の破壊も防止することが可能となる。
That is, according to the method for manufacturing a semiconductor device according to the embodiment of the present invention, since charge accumulation in the
<第2の実施形態>
上記した本発明の第1の実施形態に係る半導体装置の製造方法では、第1層目のレジストマスク40と、第2層目のレジストマスク70は、同じ感光性樹脂を用いることとした。この場合、第2回目におけるコンタクトホール81および82の形成の際のドライエッチング処理において、マスク材(第2層目のレジストマスク70)と被エッチング膜(第1層目のレジストマスク40)が同じ材料となることから、レジストマスク40をエッチングによって除去する際にレジストマスク70をも多少なりとも除去してしまったり、また、レジストマスク40のエッチングを行う際、開口部71、72がエッチングによって徐々に広がっていき、コンタクトホール81、82の径が大きくなってしまうおそれがあるため、ドライエッチングの条件設定が困難となる。そこで、本発明の第2の実施形態に係る半導体装置の製造方法では、第1層目のマスク材と第2層目のマスク材を異ならせることにより、第2回目におけるコンタクトホールの形成の際のドライエッチングの条件設定を容易にしている。
<Second Embodiment>
In the semiconductor device manufacturing method according to the first embodiment of the present invention described above, the same photosensitive resin is used for the first-layer resist
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面を参照しつつ説明する。尚、SOI基板10上に中間絶縁体層30を形成する工程までは、上記した第1の実施形態に係る製造方法と同様であるので、その説明は省略する。
A method for manufacturing a semiconductor device according to the second embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings. Note that the steps up to the step of forming the
図8および図10は、本発明の第2の実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す断面図および平面図である。図8(a)、図8(c)、図8(e)、図9(a)、図9(c)、図9(e)は、本発明の第2の実施形態に係る製造方法のプロセスステップ毎の平面図であり、図8(b)、図8(d)、図8(f)、図9(b)、図9(d)、図9(f)は、それぞれ、図8(a)、図8(c)、図8(e)、図9(a)、図9(c)、図9(e)における8b−8b線、8d−8d線、8f−8f、9b−9b線、9d−9d線、9f−9f線に沿った断面図である。すなわち、各図において、プロセスステップ毎の対応する平面図と断面図が併記されている。 8 and 10 are a cross-sectional view and a plan view showing a method for manufacturing a semiconductor device according to the second embodiment of the present invention. 8 (a), FIG. 8 (c), FIG. 8 (e), FIG. 9 (a), FIG. 9 (c), and FIG. 9 (e) are views of the manufacturing method according to the second embodiment of the present invention. FIG. 8B is a plan view for each process step. FIG. 8B, FIG. 8D, FIG. 8F, FIG. 9B, FIG. 9D, and FIG. (A), FIG. 8 (c), FIG. 8 (e), FIG. 9 (a), FIG. 9 (c), FIG. 9 (e), 8b-8b line, 8d-8d line, 8f-8f, 9b- It is sectional drawing along a 9b line, 9d-9d line, and 9f-9f line. That is, in each drawing, a plan view and a sectional view corresponding to each process step are shown.
(ハードマスクの形成)
上記した第1の実施形態に係る製造方法と同様の方法によってSOI基板の準備、素子分離層の形成、半導体素子の形成および中間絶縁体層の形成を行う。
次に、図8(a)および図8(b)に示すように、中間絶縁体層30上にコンタクトホールを形成するためのハードマスク40aを形成する。ハードマスク40aは、一般的なフォトレジスト材として使用される感光性樹脂とは異なる材料、例えばシリコン窒化膜(Si3N4)などにより構成され、例えばCVD法などによって成膜される。その後、公知のフォトグラフィ技術およびドライエッチング技術によってシリコン窒化膜に開口部41および42を形成する。これにより、中間絶縁体層30上にハードマスク40aが形成される。ハードマスク40aは、素子分離領域15上に設けられた少なくとも1つ開口部41と、素子形成領域15上に設けられた少なくとも1つの開口部42と、を有するようにパターニングされる。
(Hard mask formation)
An SOI substrate is prepared, an element isolation layer is formed, a semiconductor element is formed, and an intermediate insulator layer is formed by a method similar to the manufacturing method according to the first embodiment described above.
Next, as shown in FIGS. 8A and 8B, a
(コンタクトホールの形成:第1回目)
次に、図8(c)および図8(d)に示すように、ハードマスク40aを介してプラズマドライエッチング処理を行うことにより、中間絶縁体層30の表面から素子分離層14を経由して基板層11に達する少なくとも1つのコンタクトホール(第1のコンタクトホール)51を形成するとともに、中間絶縁体層30の表面から素子形成領域16に達する少なくとも1つのコンタクトホール(第2のコンタクトホール)52を形成する。このドライエッチングでは、中間絶縁体層30、素子分離層14および埋め込み酸化膜層12を構成するSiO2に対するエッチングレートが、半導体層13の素子形成領域16を構成するSiに対するエッチングレートよりも高いエッチングガスを用いる。すなわち、SiとSiO2の選択比が比較的高いエッチングガスを用いる。そのようなエッチングガスの例としてCF4とH2との混合ガス、CHF3、C2F6、などが挙げられる。このようなエッチング選択性を有するエッチングガスを用いたドライエッチング処理により、コンタクトホール52がエッチングレートの低いSiで構成される素子形成領域16に達するとエッチングの進行がほぼ停止する。一方、中間絶縁体層30、素子分離層14および埋め込み酸化膜層12は、それぞれエッチングレートの高いSiO2で構成されているのでコンタクトホール51は基板層11にまで達する。すなわち、中間絶縁体層30、素子分離層14および埋め込み酸化膜層12を貫通して、基板層11に達するコンタクトホール51と、中間絶縁体層30を貫通して半導体層13の素子形成領域16に達するコンタクトホール52が同時に形成される。更に、コンタクトホール51および52の底面および側面と、ハードマスク40aの表面および側面は、ドライエッチングの際の反応生成物からなる堆積層60で覆われる。堆積層60は、導電性を有しているので、半導体層13の素子形成領域16と基板層11は、堆積層60を介して電気的に接続される。
(Contact hole formation: 1st time)
Next, as shown in FIGS. 8C and 8D, a plasma dry etching process is performed through the
一般的な半導体装置の製造工程では、レジストマスクおよび堆積層(デポ膜)は、コンタクトホールの形成後にアッシングおよび薬液処理によって除去される。しかしながら、本発明の実施形態に係る製造方法においては、コンタクトホール51および52の形成後においてもハードマスク40aおよび堆積層60を除去せず、これらを残したまま次工程に移行する。
In a general semiconductor device manufacturing process, the resist mask and the deposited layer (deposition film) are removed by ashing and chemical treatment after the contact holes are formed. However, in the manufacturing method according to the embodiment of the present invention, the
尚、本発明の実施形態に係る製造方法において、コンタクトホール52は、例えば半導体素子20のソースコンタクトを形成するためのものである。しかしながら、本工程において形成されるコンタクトホールは、ソースコンタクト以外の目的で形成されるものであってもよく、例えばドレインコンタクトやゲートコンタクトを形成するためのものであってもよいし、半導体素子とコンタクトしない所謂ダミーコンタクトを形成するためのものであってもよい。
In the manufacturing method according to the embodiment of the present invention, the
(レジストマスクの形成)
次に、図8(e)および図8(f)に示すように、先に形成したハードマスク40a上にレジストマスク70を形成する。具体的には、フォトレジスト材として一般的に使用される感光性樹脂をスピンコート法などによりハードマスク40a上に成膜する。その後、塗布成膜されたレジスト材に対して熱処理を施す(プリベーク)。次に、露光および現像処理によってレジスト材に開口部71および72を形成する。これによりハードマスク40a上にレジストマスク70が形成される。レジストマスク70は、素子形成領域16上に設けられた開口部71および72を有する。開口部71および72は、先に形成されたコンタクトホール52の形成位置とは異なる位置に配置される。
(Formation of resist mask)
Next, as shown in FIGS. 8E and 8F, a resist
(コンタクトホールの形成:第2回目)
次に、図9(a)および図9(b)に示すように、レジストマスク70を介してプラズマドライエッチングを行うことにより、堆積層60、ハードマスク40aおよび中間絶縁体層30を貫通して半導体層13の素子形成領域16に達するコンタクトホール(第3のコンタクトホール)81および82を形成する。本ドライエッチング工程においては、マスク材として使用されるレジストマスク70と、被エッチング膜であるハードマスク40aは、互いに異なる材料により構成されているので、上記した本発明の第1の実施形態に係る製造方法と比較して、エッチング条件の設定が容易となる。尚、本工程において、Si3N4などからなるハードマスク40aをエッチングする段階と、SiO2などからなる中間絶縁体層30をエッチングする段階で、エッチングガスの切り替えを行うこととしてもよい。
(Contact hole formation: 2nd)
Next, as shown in FIGS. 9A and 9B, plasma dry etching is performed through the resist
コンタクトホール81は、例えば半導体素子20のゲートコンタクトを形成するためのものであり、コンタクトホール82は、例えば半導体素子20のドレインコンタクトを形成するためのものである。しかしながら、本工程において形成されるコンタクトホールは、ドレインコンタクトやゲートコンタクト以外の目的で形成されるものであってもよく、本工程において形成されるコンタクトホールの数は、必要に応じて適宜変更することが可能である。すなわち、ゲート、ソース、又はドレイン等に対して複数のコンタクトを形成しても良い。また、先に形成されたコンタクトホール52を機能上必要とされるソースコンタクト又はドレインコンタクトを形成するためのものとしておくことで、本工程において、別途ソースコンタクトやドレインコンタクト用のコンタクトホールを形成する必要がなくなり、素子面積を縮小することが可能となる。
The
第1の実施形態における場合と同様、本工程においてドライエッチングの際に照射されるプラズマによる電荷は、半導体層13の素子形成領域16に注入された後、先のコンタクトホール51および52を形成するためのドライエッチングによって形成された導電性の堆積層60を伝って基板層11に流れ込む。これにより、半導体層13への電荷蓄積が回避され、中間絶縁体層30の絶縁破壊やこれに伴う半導体層13や埋め込み酸化膜層12の破壊を防止することが可能となる。半導体層13の素子形成領域16に達するコンタクトホール52と、基板層11に達するコンタクトホール51とを近接させて配置することにより、半導体層13の素子形成領域16から基板層11に至る堆積層60による導電経路上の電気抵抗を小さくすることができ、半導体層13の素子形成領域16に注入された電荷の基板層11への引き抜き効果を促進させることが可能となる。
As in the case of the first embodiment, the charge due to the plasma irradiated during the dry etching in this step is injected into the
(レジストマスク、ハードマスクおよび堆積層の除去)
次に、図9(c)および図9(d)に示すように、レジストマスク70および堆積層60を除去する。具体的には、O2プラズマを用いたプラズマアッシングによりレジストマスク70および堆積層60を除去する。ハードマスク40aは、工程数を削減する観点から残しておくことが好ましい。しかしながら、ハードマスク40aを除去することとしてもよい。ハードマスク40aが例えばシリコン窒化膜からなる場合には例えばリン酸(H3PO4)を用いたウェット処理により除去することが可能である。以上の各工程を経ることにより、半導体素子20のソース領域23、ゲート電極22およびドレイン領域24にそれぞれ対応するコンタクトホール52、81および82が完成する。
(Removal of resist mask, hard mask and deposited layer)
Next, as shown in FIGS. 9C and 9D, the resist
(配線の形成)
次に、図9(e)および図9(f)に示すように、スパッタリング法などを用いてAlなどの配線材料をコンタクトホール51、52、81および82に埋め込むとともに中間絶縁体層30上に配線材料を形成する。次に、フォトリソグラフィ技術およびドライエッチング技術を用いて中間絶縁体層30上に形成された配線材料をパターニングする。これにより、半導体素子20のソース領域23に接続されたソース配線91、ゲート電極22に接続されたゲート配線92、ドレイン領域24に接続されたドレイン配線93および基板層11に接続された基板配線94を互いに分離させる。尚、配線材料のパターニングは、回路構成などに応じて適宜変更することが可能であるが、基板配線94は、他の配線91、92および93から分離しておくことが望ましい。また、基板配線94は、接地電位(グランド電位)に接続しておくことが望ましい。これにより基板層11の電位を接地電位に固定しておくことで、フローティング時と比較して回路動作の安定性を確保することが可能となる。その後、必要に応じてH2とN2の混合ガス雰囲気中で熱処理を施すことによりソース配線91、ゲート配線92およびドレイン配線93とシリコン(ソース領域23およびドレイン領域24)およびポリシリコン(ゲート電極22)とのオーミック性を確保する。
(Wiring formation)
Next, as shown in FIGS. 9E and 9F, a wiring material such as Al is embedded in the contact holes 51, 52, 81, and 82 by using a sputtering method or the like, and on the
このように、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よれば、上記した本発明の第1の実施形態に係る製造方法と同様、ドライエッチングの際の半導体層13への電荷蓄積が回避されるので、中間絶縁体層30の絶縁破壊を防止することが可能となり、半導体層13や埋め込み酸化膜層12の破壊も防止することが可能となる。更に、第1回目におけるコンタクトホールを形成するためのドライエッチングにおいて使用するマスクの材料と、第2回目におけるコンタクトホールを形成するためのドライエッチングにおいて使用するマスクの材料を異ならせているので、第2回目におけるコンタクトホールを形成するためのドライエッチングにおいて、マスク材と被エッチング膜の材料が異なることとなり、ドライエッチングの条件設定を容易にすることが可能となる。
Thus, according to the manufacturing method of the semiconductor device according to the second embodiment of the present invention, as in the manufacturing method according to the first embodiment of the present invention described above, the
10 SOI基板
11 基板層
12 埋め込み酸化膜層
13 半導体層
14 素子分離層
15 素子分離領域
16 素子形成領域
20 半導体装置
30 中間絶縁体層
40 レジストマスク
40a ハードマスク
51、52 コンタクトホール
60 堆積層
70 レジストマスク
81、82 コンタクトホール
DESCRIPTION OF
Claims (4)
前記半導体層の主面に第1面を接して形成されると共に前記第1開口部に連通する第2開口部および前記第2開口部とは異なる位置に設けられた第3開口部を備えた第2絶縁部材と、
前記半導体層の前記主面に対向する前記半導体層の裏面に接する第2面と前記第2面に対向する第3面とを備えると共に、前記第1開口部と連通する第4開口部を有する第3絶縁部材と、
前記半導体層の前記主面と前記第3面との間の距離よりも小さい厚さを有する第1導電部材に接続されると共に、連続的な側壁を有する前記第1開口部と前記第2開口部と前記第4開口部との内部に形成された第2導電部材と、
を備えることを特徴とする半導体装置。 A semiconductor layer having an element formation region including a semiconductor element, and an element isolation region that is in contact with the element formation region in plan view and includes a first opening and made of a first insulating member;
A second opening formed in contact with the first surface of the main surface of the semiconductor layer and communicating with the first opening; and a third opening provided at a position different from the second opening. A second insulating member;
A second surface contacting the back surface of the semiconductor layer facing the main surface of the semiconductor layer; and a third surface facing the second surface; and a fourth opening communicating with the first opening. A third insulating member;
The first opening and the second opening are connected to a first conductive member having a thickness smaller than a distance between the main surface and the third surface of the semiconductor layer and have continuous side walls. A second conductive member formed inside the portion and the fourth opening,
A semiconductor device comprising:
4. The semiconductor device according to claim 1, wherein the semiconductor layer, the third insulating member, and the first conductive member are SOI substrates. 5.
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