JP2684846B2 - 半導体装置の製造方法 - Google Patents

半導体装置の製造方法

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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は半導体装置の製造方法に
関し、特に層間絶縁膜の貫通孔内に埋め込まれる層間接
続体の形成方法に関する。
【0002】
【従来の技術】半導体基板に設けられた不純物拡散層や
層次の低い下層配線などの導電領域と層次の高い上層配
線との間の接続は、半導体装置における重要な技術の一
つである。下層の導電領域と上層配線との間にある層間
絶縁膜の所定箇所に貫通孔を設け、その貫通孔を通して
上層配線と下層の導電領域との接続をとる。集積度の低
い半導体装置においては、上層配線形成時のアルミニウ
ムなど金属膜被着工程で貫通孔を埋めることができる。
しかし、半導体メモリなどのように、集積度が高いもの
では、貫通孔のアスペクト比が大きくなり、金属膜のカ
バレッジが悪くなって上層配線で貫通孔を埋めることが
できない。そこでポリシリコン膜で貫通孔を埋めて層間
接続体を形成する埋込みコンタクトが利用される。すな
わち、下層配線−層間接続体−上層配線という構成によ
り接続を行なうのである。
【0003】層間接続体のポリシリコンは、抵抗値を低
くするため不純物がドーピングされている。貫通孔はポ
リシリコン膜の気相成長法による堆積で埋められる。不
純物をドーピングしつつ気相成長を行なって形成された
ドープトポリシリコン膜のエッチングを行なって層間接
続体を形成する第1の方法、ノンドープポリシリコン膜
を堆積し、熱拡散法又はイオン注入法によりドーピング
を行なって層間接続体を形成する第2の方法、ノンドー
プポリシリコン膜を堆積し、エッチングを行なった後に
ドーピングを行なう第3の方法が考えられる。この第3
の方法についての記述を、日経マイクロデバイス、19
89年、3月号、第70頁から第74頁の論文に見い出
すことができる。すなわち、貫通孔形成後に、ポリシリ
コン膜を堆積し、エッチバックして貫通孔だけにポリシ
リコンを残して平坦化する。不純物イオンを打込み、ラ
ンプ加熱による熱処理を行なうのである。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】第1の方法は、貫通孔
のアスペクト比が1程度に大きくなると使用できない。
ドープトポリシリコン膜の気相成長法による堆積は、カ
バレッジが良好でないからである。
【0005】第2の方法は、貫通孔を埋め込む為に形成
された厚いポリシリコン膜中に過度の熱処理を加えるこ
となく均一に不純物を分布せしめることは困難である。
不純物分布のばらつきは一般にエッチング速度をもばら
つかせるため、エッチング後に貫通孔内部に残されるポ
リシリコン膜の量及び膜質にばらつきを生じ、良好な層
間接続体の形成が困難となる。
【0006】第3の方法でも、活性化のための熱処理が
必要となるが、このとき、すでに形成されている半導体
基板内のPN接合の位置が変化しないようにしなければ
ならない。高度に微細化された半導体素子において、こ
のことを実現するのは容易ではない。
【0007】以上の問題点を解決する方法として次のも
のがある。
【0008】まず、薄いポリシリコン膜を堆積し不純物
を拡散する。次に厚いポリシリコン膜を堆積して貫通孔
を埋める。次に、これらのポリシリコン膜を貫通孔に残
してエッチングを行ない層間接続体を形成することがで
きる。このような技術については、「ダイジェスト・オ
ブ・テクニカル・ペーパー,1987シンポジウム・オ
ン・VLSIテクノロジー」(DIGEST OF T
ECHNICAL PAPERS,1987 SYMP
OSIUM ON VLSI TECHNOLOGY)
の103頁から104頁に記述されている。
【0009】ポリシリコン膜のエッチングには、六フッ
化硫黄や四フッ化炭素などのフッ素系のラジカルを多く
発生するガスを用いるプラズマエッチングが使用される
のが普通である。最後に述べた方法でポリシリコン膜の
エッチングにこのようなプラズマエッチングを使用する
と、層間接続体の表面に好ましくない凹凸が生じる。ノ
ンドープポリシリコン膜よりドープトポリシリコン膜の
方が速やかにエッチングされるからである。例えば、リ
ンを立法センチメートル当り10の20乗の5倍(5E
20と記す。以下これに準じる。)程度にドーピングし
たポリシリコン膜は六フッ化硫黄によるプラズマエッチ
ングでノンドープポリシリコン膜の1.2倍の速さでエ
ッチングされる。従って、貫通孔の周辺部のドープトポ
リシリコン膜を除去し終っても貫通孔部においては層間
絶縁膜の面より上方にノンドープポリシリコン膜が残
る。ノンドープポリシリコン膜の表面が層間絶縁膜の表
面と同じ高さになる迄エッチングを続行すると、ドープ
トポリシリコン膜の被着時の厚さの20から100%程
度の段差がつく。段差とエッチング速度の差が一致しな
いのはマイクロローディング効果による。ある程度微細
な形状のポリシリコン膜をエッチングするときは、ポリ
シリコン膜の中央部より縁端部の方が速やかにエッチン
グされるのである。このように層間接続体の表面に凹凸
がつき貫通孔部で層間絶縁膜との間に段差が生じると、
貫通孔上方に細い溝ができる。従って、エッチングの終
点制御を正確に行なわないとこの溝のアスペクト比が大
きくなる。上層配線を形成するために行なうアルミニウ
ム膜などが層間接続体のドープトポリシリコンと接触せ
ず、高抵抗のコンタクトしか得られない事態も生じる。
【0010】本発明の目的は、層間絶縁膜に設けた貫通
孔を埋める層間接続体の表面を平坦にし上層配線と低抵
抗のコンタクトをとれる半導体装置の製造方法を提供す
ることにある。
【0011】
【課題を解決するための手段】本発明の半導体装置の製
造方法においては、まず、半導体素子および層間絶縁膜
を有する半導体チップを用意する。次に、層間絶縁膜の
表面から下層の導電領域、例えば不純物拡散層に達する
貫通孔を形成する。所定の不純物、例えばリンを含むド
ープトポリシリコン膜、次いでノンドープポリシリコン
膜を順次に堆積して貫通孔をポリシリコンで埋める。ノ
ンドープポリシリコン膜を前工程で堆積した厚さとほぼ
同じ厚さ分任意のエッチング方法で除去する。フッ化炭
素ガス、好ましくは四フッ化炭素ガスを使用する反応性
イオンエッチングで層間絶縁膜の表面が露出するまでポ
リシリコン膜のエッチングを行なう。
【0012】
【作用】フッ化炭素ガス、特に四フッ化炭素ガスを使用
した反応性イオンエッチングでは、ノンドープポリシリ
コン膜とドープトポリシリコン膜を同じ速さでエッチン
グできるので層間絶縁体の表面に凹凸が生じることを防
ぐことができる。又、反応性イオンエッチングは、プラ
ズマエッチングに比べて制御性がよいためそれだけ正確
にエッチングの終点をきめられる。従って層間絶縁膜と
の間の段差も少なくすることができる。このようにし
て、上層配線と良好なコンタクトをとることが可能とな
る。
【0013】
【実施例】本発明の一実施例について図面を参照して説
明する。
【0014】まず、図1に示すように、半導体素子を形
成したP型シリコン基板101を準備する。ここで、半
導体素子を代表してMOSトランジスタのソースまたは
ドレイン領域のN型拡散層102のみを示してある。実
際にはMOSトランジスタの活性領域を区画するフィー
ルド酸化膜、活性領域上に設けられたゲート絶縁膜、ゲ
ート絶縁膜上に設けられたゲート電極などが存在してい
る。次に、層間絶縁膜103として化学的気相成長法に
より酸化シリコン膜を厚さ1μm堆積する。層間絶縁膜
103を選択的にエッチングして下層の導電領域である
N型拡散層102に達する,大きさ1.2μm×1.2
μmの貫通孔104を形成する。
【0015】次に、図2に示すように、リンを不純物と
して添加しつつ減圧化学的気相成長法により全面にドー
プトポリシリコン膜105を0.3μmの厚さに成長さ
せる。成長温度は550℃から650℃、好ましくは6
00℃とし、ドープトポリシリコン膜105の不純物濃
度は立法センチメートル当り5E20とする。ドープト
ポリシリコン膜105の厚さは、できるだけ厚い方が好
ましいが、厚すぎるとドープトポリシリコン膜105を
被着した後の貫通孔104aの形状が大きくくずれる。
貫通孔104の大きさ、この例では1.2μmの25%
前後の厚さが適当である。
【0016】次に、図3に示すように、ノンドープポリ
シリコン膜106を1μmの厚さ堆積し貫通孔104a
を埋め込む。不純物の添加を行なわないことを除き、成
長条件は前述したドープトポリシリコン膜105と同じ
である。ノンドープポリシリコン膜の厚さは、貫通孔1
04aの大きさ、ここでは0.6μmと同程度にすると
表面がほぼ平坦になる。
【0017】次に、六フッ化硫黄(SF6)による反応
性イオンエッチングにより、ポリシリコン膜を除去す
る。厚さは0.8から1.1μm、好ましくは、図4に
示すように、貫通孔以外の部分でドープトポリシリコン
膜105の表面がちょうど露出する厚さ(1μm)とす
る。六フッ化硫黄ガス流量は20から300SCCM、
好ましくは50SCCM,圧力は5から60Pa,好ま
しくは30Pa、ドライエッチング装置の実効パワー密
度は平方センチメートル当り2から15W,好ましくは
5Wである。
【0018】次に、同一のエッチング装置を用い、四フ
ッ化炭素(CF4)ガスによる反応性イオンエッチング
を行ない、図5に示すように、層間絶縁膜103表面に
残っているドープトポリシリコン膜105を除去する。
四フッ化炭素ガス流量は20から200SCCM、好ま
しくは50SCCM,圧力は5から60Pa,好ましく
は30Pa、実行パワー密度は平方センチメートル当り
2から30W,好ましくは8Wである。
【0019】反応性イオンエッチングではポリシリコン
膜の不純物によるエッチング速度の選択性が少なく、特
に四フッ化炭素ガスによる反応性イオンエッチングでは
ほどんど選択性が少ないので、表面がほぼ平坦な層間接
続体(図5の105,106から構成されている。)が
得られる。又、CF4を使用した反応性イオンエッチン
グによるポリシリコン膜のエッチングレートは約100
nm/minであり、制御性もよい。従って層間絶縁膜
103と層間接続体105,106との間にほとんど段
差は生じない。従来技術のようにアスペクト比の大きい
溝が生じることはないわけである。
【0020】その後、改めて不純物ドーピングや熱処理
を行ないってもいが、その場合に、すでにドープトポリ
シリコン膜105が貫通孔の底面および側面に付着して
いるので、ノンドープポリシリコン膜106の底部にま
で不純物を導入する必要はない。
【0021】次に、図6に示すように、アルミニウム膜
を被着し、整形加工することにより、上層配線107を
形成する。層間接続体の表面は平坦で段差もないので、
上層配線107はドープトポリシリコン膜105と確実
な接触をとることができる。上層配線107とN型拡散
層102との間の抵抗は約60Ωである。
【0022】この実施例において、六フッ化硫黄ガスに
よる反応性イオンエッチングを用いてノンドープポリシ
リコン膜をエッチングしたのは、エッチング速度が大き
いからである。
【0023】以上、リンをドーパントとして使用する場
合について説明したが、ドーパントとしてはその外にヒ
素、ボロンなどを使用することができる。
【0024】
【発明の効果】以上説明したように本発明は、半導体チ
ップの層間絶縁膜に貫通孔を設け、ドープトポリシリコ
ン膜とノンドープポリシリコン膜を順次に形成して貫通
孔を埋めたのち、フッ化炭素ガスによる反応性イオンエ
ッチングによりポリシリコン膜をエッチングし貫通孔を
埋め込む層間接続体を形成するので、層間接続体の表面
が平坦になり、上層の電極配線と良好な接触をとること
ができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施例の説明に使用する断面図であ
る。
【図2】本発明の一実施例の説明に使用する断面図であ
る。
【図3】本発明の一実施例の説明に使用する断面図であ
る。
【図4】本発明の一実施例の説明に使用する断面図であ
る。
【図5】本発明の一実施例の説明に使用する断面図であ
る。
【図6】本発明の一実施例の説明に使用する断面図であ
る。
【符号の説明】
101 P型シリコン基板 102 N型拡散層 103 層間絶縁膜 104 貫通孔 104a 貫通孔 105 ドープトポリシリコン膜 106 ノンドープポリシリコン膜 107 上層配線

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 半導体基板上に層間絶縁膜を形成する工
    程と、前記層間絶縁膜の表面から下層の導電領域に達す
    る貫通孔を形成する工程と、所定の不純物を含むドープ
    トポリシリコン膜を前記層間絶縁膜の表面、前記貫通孔
    の表面および前記導電領域の露出表面に前記貫通孔が閉
    鎖されない程度の厚さに被着する工程と、前記貫通孔の
    上方で表面がほぼ平坦になるまでノンドープトポリシリ
    コンを前記ドープトポリシリコン膜上に堆積する工程
    と、前記ノンドープトポリシリコン膜を前記層間絶縁膜
    上に堆積した厚さとほぼ等しい厚さ分を六フッ化硫黄ガ
    スによる反応性イオンエッチングで除去する工程と、四
    フッ化炭素ガスを使用する反応性イオンエッチングによ
    り前記層間絶縁膜上に残存するポリシリコン膜を除去し
    て前記層間絶縁膜の表面を露出させ前記貫通孔を埋め込
    むポリシリコンからなる層間接続体を形成する工程とを
    有する半導体装置の製造方法。
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