JP2734344B2

JP2734344B2 - 半導体装置の製造方法

Info

Publication number: JP2734344B2
Application number: JP5206263A
Authority: JP
Inventors: 伊藤　　裕康; 敏之森下; 孝則島元
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 1993-08-20
Filing date: 1993-08-20
Publication date: 1998-03-30
Anticipated expiration: 2013-03-30
Also published as: US5552342A; JPH0758057A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ＶＬＳＩの微細化、高
集積化に関わり、特に半導体基板に形成した素子と素
子、或いは外部との導通をはかるためのコンタクト孔に
関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、ＶＬＳＩの高速化に伴い、配線の
低抵抗化の一環として、各素子の金属配線部と半導体基
板を電気的に導通させるコンタクト部におけるコンタク
ト抵抗の低抵抗化の要求が高まっている。ここで、コン
タクト抵抗は、配線金属とＳｉ基板との接触抵抗と、コ
ンタクト孔内部の金属配線抵抗により構成される。しか
しながら、ＶＬＳＩの高集積化を達成するための微細化
に伴い、コンタクト孔のサイズは縮小し、アスペリト比
（コンタクト孔の深さ／コンタクト孔のサイズ）は増々
増大している。それ故、微細化に伴い、接触面積の減少
による接触抵抗の増大に加え、コンタクト孔のアスペク
ト比の増大によって、コンタクト孔内部における配線金
属のステップカバレージ性又は埋め込み性の劣化が起こ
ることによるコンタクト孔内部の配線抵抗の増大も無視
できなくなる。加えて、ステップカバレージ性の劣化が
更に進むと、コンタクト孔内部で配線金属が断線すると
いう現象が発生する。

【０００３】接触抵抗の増大に対しては、従来Ｔｉを代
表とする高融点金属（バリアメタル）又はそのシリサイ
ドを用いて、接触抵抗の低抵抗化を図ることが一般的に
知られている。また、コンタクト孔内部での配線金属の
断線に対しては、図４、図５に示す技術が一般的に知ら
れている。これらを以下に図面に従って説明する。

【０００４】図４（ａ）に示すように、Ｓｉ基板１０上
にＬＯＣＯＳ酸化膜１１を形成し、ゲート絶縁膜１２、
ゲート電極１３を形成しソース層またはドレイン層１４
（以下、ソース・ドレイン層とする。）を形成した基板
上に、配線金属とゲート電極１３等の絶縁及び基板の平
坦化を行うための不純物が入ったＣＶＤ酸化膜として、
例えば一般的に用いられるボロンおよびリンを含むＢＰ
ＳＧ（Boronphosphosilicate Glass）膜１５を形成す
る。そして、高温におけるＢＰＳＧ膜の流動性を利用し
て、基板の平坦化を図る第１熱処理（リフロー処理，一
般的には９００℃±５０℃の熱処理）を行う。その後、
同図（ｂ）に示すように、ホト工程によりレジスト１６
をマスクとして、コンタクト孔１７を異方性エッチング
により形成し、同図（ｃ）に示すように、再度リフロー
処理と同様の温度で第２熱処理を施すことによって、コ
ンタクト孔開口部１８の形状を“上に凸”な漏斗状形状
に改善している。

【０００５】一方、図５に示した従来技術においては、
図４の場合と同様に図５（ａ）に示すように、ＢＰＳＧ
膜１５を成膜し、リフロー処理を行った後に、コンタク
ト孔開口部１８の形状を改善する等方性エッチングと、
Ｓｉ基板表面まで加工する異方性エッチングを組み合わ
せることにより漏斗状のコンタクト孔１７を形成するも
のである。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、図４に
示す技術においては、コンタクト孔を漏斗状形状にする
ための第２熱処理を、ソース・ドレイン層形成後に行っ
ており、ＶＬＳＩの微細化において要求されるソース・
ドレイン層の接合深さを浅くするという点に対し、過剰
な熱処理により不純物拡散がさらに進み、接合深さが深
くなるという問題点と、コンタクト孔形成後に熱処理を
行うことにより、熱処理中にコンタクト孔底部のシリコ
ン基板表面からのソース・ドレイン層を形成している不
純物の外部への離脱、及びコンタクト孔側面のＢＰＳＧ
膜から放出されたリン及びボロンのコンタクト孔底部に
露出しているシリコン基板表面への拡散により、ソース
・ドレイン層表面の不純物濃度が低下し、接触抵抗の劣
化という問題が生じる。

【０００７】また、図５で示した技術においては、漏斗
状の開口部の曲率がボール状の“下に凸”な曲率である
ため、配線金属膜を成膜する際の配線金属膜の金属粒子
のマイグレーションが活発な場合には、ＢＰＳＧ膜と金
属粒子との粘性が低くなり、コンタクト孔の開口部周辺
に金属膜のボール状の“たまり”を生じる。そして、こ
の“たまり”が大きく成長しコンタクト孔内部へ直接到
達する金属粒子の径路を閉ぐことにより、コンタクト孔
内部に空洞を形成してしまい、コンタクト孔内部の配線
抵抗が高抵抗化する、あるいは配線が断線してしまい歩
留りが悪いといった問題が発生する。

【０００８】従って、本発明は上記問題点に鑑み、コン
タクト孔での配線断線がなく、かつ注入した不純物が必
要以上に拡散しないような、歩留りが良く、より微細化
が可能な半導体装置の製造方法を提供することを目的と
する。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に成された、本発明による半導体装置の製造方法は、半
導体基板の所定の箇所に不純物イオンを注入する工程
と、該半導体基板上に保護膜を形成する工程と、前記不
純物イオンを注入した箇所の半導体基板上において、前
記保護膜の所定の箇所をエッチングし該保護膜に凹部を
形成する工程と、前記半導体基板に注入した不純物イオ
ンを活性化するとともに、前記保護膜表面を平坦化し、
前記凹部が上に凸となる曲率を持った漏斗状のくぼみと
なるようにする熱処理工程と、該漏斗状となった部分の
前記保護膜をエッチングしコンタクト孔を形成する工程
とを有することを特徴としている。

【００１０】

【作用】本発明によると、半導体基板上に保護膜を成膜
し、コンタクト孔開口部となる箇所の該保護膜を一部エ
ッチングして凹部を形成した後、熱処理を行っているた
め、前記保護膜の表面を平坦化すると同時に、コンタク
ト孔開口部となる部分が上に凸となる曲率を持った漏斗
状になるように形成することができる。また、この熱処
理の際に半導体基板の所定の箇所に注入した不純物の活
性化を行っているため、過剰な加熱による不純物の再拡
散といった問題は発生しない。さらにこの際、前記半導
体基板上には前記保護膜が形成されているため、該半導
体基板表面からの前記不純物の外部への離脱は起こらな
い。

【００１１】

【実施例】本発明による半導体装置の製造方法の一実施
例を図１に示す。まず、図２（ａ）に示すように、Ｓｉ
基板１上にＬＯＣＯＳ酸化膜２を形成し、ゲート絶縁膜
３、ゲート電極４を形成し、このゲート電極４をマスク
としてソース・ドレイン不純物５をイオン注入する。そ
の後、配線金属とゲート電極４との絶縁と、基板の平坦
化を行うことを目的として、Ｓｉ基板１上に形成した不
純物を含むＣＶＤ酸化膜、例えば、一般的に用いられる
ＢＰＳＧ膜６を形成した直後に、第１フォトリソ工程
と、第１異方性エッチング工程により、コンタクト孔形
成位置に凹部を形成する。この時の異方性エッチング量
は、形成したＢＰＳＧ膜の膜厚の２０％以上１００％未
満とする。この場合、Ｓｉ基板１表面に達するまでＢＰ
ＳＧ膜６をエッチングしないため、その後の熱処理によ
る基板不純物の放出は無い。また、ＢＰＳＧ膜は成膜直
後の膜密度が１．６ｇ／cm³以上であることが好まし
い。

【００１２】次に、同図（ｂ）に示すように、基板の平
坦化を行うための熱処理（リフロー処理）を行う。この
とき条件は、例えば９３０℃，２０分である。このリフ
ロー処理により、ＢＰＳＧ膜６形成前にイオン注入され
た不純物５の活性化を行いソース・ドレイン層５’を形
成すると共に、コンタクト孔形成位置に形成された凹部
のＢＰＳＧを流動させることにより、コンタクト孔開口
部に相当する部分が“上に凸”な曲率を持つくぼみ８を
形成する。

【００１３】その後、同図（ｃ）に示すように、第２フ
ォトリソ工程と第２異方性エッチング工程により、Ｓｉ
基板１表面に形成したソース・ドレイン層５’にまで達
するコンタクト孔９を形成する。その後、公知技術によ
り配線金属を形成する。この場合、例えば接触抵抗低減
を目的として、本来の配線材料を形成する前にＴｉＮ膜
を１００ｎｍ程度成膜してもよいし、ＴｉＮ膜を形成せ
ずにＡｌ／Ｓｉ／ＣｕなどのＡｌを主成分とした膜を形
成するようにしてもよい。この時の成膜法としては、成
膜時のマイグレーション効果の高い高温スパッタ法（成
膜時の基板温度＝４５０℃）を用いる。

【００１４】以下に、本実施例において使用したＢＰＳ
Ｇ膜およびＢＰＳＧ膜に形成する凹部について説明す
る。まず、ＢＰＳＧ膜の膜質について、実験結果をもと
に説明する。平坦化させるためのリフロー膜として用い
られる、高濃度の不純物を添加したＰＳＧ(Phosphosili
cate Glass）膜やＢＰＳＧ膜は、吸湿性が高く不安定な
膜であることは一般的に知られている。これらの高濃度
の不純物を添加したＣＶＤ酸化膜中へ水分が拡散した場
合、膜中に添加不純物であるリン及びボロンの溶出が起
こり、例えば、リンと水との反応によりＨ₃ＰＯ₄が生
成され、一般に配線金属として用いられているアルミニ
ウムの腐蝕が起こることが報告されている。従って、一
般にはＢＰＳＧ膜成膜直後に耐湿性の向上も兼ねて高温
（９００℃程度）で熱処理するリフロー処理が行われて
いる。

【００１５】しかしながら、本実施例では、ＢＰＳＧ膜
成膜直後にリフロー処理を行わず、第１フォトリソ工程
と、第１エッチング工程を用いて、コンタクト孔形成位
置に“凹部”を形成した後に、リフローするようにして
いる。そのため、ＢＰＳＧ膜成膜後からリフロー工程の
間にＢＰＳＧ膜が水分を吸収してしまうことが予想され
る。

【００１６】これに関して本実施例では、ＢＰＳＧ膜を
成膜直後の膜密度を１．８ｇ／cm³程度とし、従来のＳ
ｉＨ₄ガスではなくＴＥＯＳ（Tetra Ethyl Ortlo-Sili
cate）をソースとし、不純物添加剤としてＴＭＰ（Tri-
Methyl Phosphate），及びＴＭＢ（Tri-Methyl Borate
）を用いてプラズマＣＶＤ法で形成した（Ｐ濃度；
４．５±０．５ｗｔ％，Ｂ濃度；３．０±０．３ｗｔ
％，膜密度；１．８〜２．０ｇ／cm³）。この方法によ
り形成したＢＰＳＧ膜の吸湿性をＦＴ−ＩＲで分析した
結果を図６に示す。

【００１７】図６には、上記の方法で形成したＢＰＳＧ
膜の成膜直後のスペクトルＡに加え、成膜後２４時間放
置し、純水によるブラシ洗浄を行った後のスペクトル
Ｂ，ブラシ洗浄後、希フッ酸によりＢＰＳＧ膜を膜厚の
１／３程度エッチングを行った後のスペクトルＣ，更に
エッチング後フォトレジストの剥離のため、一般的に用
いられる濃硫酸と過酸化水素水の混合液で洗浄を行った
後のＦＴ−ＩＲのスペクトルＤを示した。

【００１８】この図６より明らかなように、本実施例の
プラズマＣＶＤ法によるＴＥＯＳベースのＢＰＳＧ膜に
おいては、成膜後の各種水洗処理においても、スペクト
ル変化が無く、特に、波数３６５０〜３２００cm^-1に現
れるであろう、−ＯＨ基による吸収が見られないため、
吸湿性は十分に低いと考えられ、本発明において十分使
用可能と考える。なお、本発明者らの測定によれば、膜
密度が１．７ｇ／ｃｍにおいても、同じ結果が得られ
た。従って、誤差を考慮して膜密度は１．６ｇ／ｃｍ以
上であればよいと考える。

【００１９】次に、以下にＢＰＳＧ膜に形成する凹部の
形状について、実験した結果をもとに説明する。まず、
図７に上記の凹部を形成した後、リフロー処理を行うこ
とによって、形成される開口部周辺の曲率と、第１異方
性エッチング工程におけるエッチバック比率（エッチン
グ深さ；ｔ_EB／初期ＢＰＳＧ膜厚；ｔ_Initial) の関係
を測定した結果を示す。この場合の開口部周辺の曲率
は、図１の“ｒ”で示したＢＰＳＧ膜平坦部から、第２
異方性エッチング工程によって形成されるコンタクト孔
上端部までの曲率であり、エッチング比率＝０すなわ
ち、図２に示す第１異方性エッチング工程におけるエッ
チング量が０の時、開口部周辺の曲率ｒはｒ＝∞とな
る。

【００２０】この図７より明らかなように、エッチング
比率が増大すると、すなわち、エッチング深さが増加す
ると開口部の曲率は指数関数的に減少し、コンタクト孔
の開口部周辺の曲率が急峻になる。次に、凹部を形成し
た後にリフロー処理を施すことによって形成した“上に
凸”なコンタクト孔開口部周辺の曲率ｒを変化させたコ
ンタクト孔に対する配線金属膜の埋め込み性を図８に示
す。この図は、コンタクト部の配線膜厚比率（コンタク
ト孔内部の配線金属の膜厚；ｔ_CONT／平坦部での配線金
属の膜厚；ｔ_Depo）と先に定義したエッチバック比率の
関係を示すものである。また、この図では、２種類のコ
ンタクト孔サイズにおいて実験しており、コンタクト孔
φ１．０μｍを実線で示し、コンタクト孔φ０．８μｍ
を破線で示す。なお、この時の配線金属には、ＴｉＮ系
バリアメタルと、Ａｌ／Ｓｉ／Ｃｕとの積層構造とし、
成膜時のマイグレーション効果の高い高温スパッタ法
（成膜時の基板温度４５０℃）を用いて上層のＡｌ／Ｓ
ｉ／Ｃｕ膜を形成した。また、この時成膜した配線金属
の膜厚は、コンタクト孔の深さと同じ５００ｎｍとし
た。すなわち、コンタクト部の配線膜厚比率＝１．０の
時、コンタクト孔内部にすべてに配線金属が埋め込まれ
たこと（埋め込み率＝１００％）を意味する。

【００２１】図８から明らかなように、エッチバック比
率＝０％（凹部を形成しなかった場合）に比べ、エッチ
バック比率≧２０％の場合は、コンタクト部の配線膜厚
比率が飛躍的に向上し、エッチバック比率に依存して、
コンタクト部の配線膜厚比率が増大することがわかる。
ここで、電気的導通の目安となる配線金属のコンタクト
孔に対する埋め込み形状について述べる。

【００２２】エッチバック比率＝０％の場合、高温スパ
ッタ法により通常のスパッタ法（基板温度≦３００°
Ｃ）に比べ、コンタクト孔内に占める配線金属の埋め込
み量はコンタクト孔深さの約８０％と向上する。しかし
ながら、マイグレーション効果の小さい通常のスパッタ
法においては、配線金属の埋め込み量がコンタクト孔深
さの約８０％もあれば十分導通できたものが、今回の高
温スパッタにおいては、高温スパッタ時の金属粒子のマ
イグレーション効果が大きいため、配線金属がコンタク
ト孔開口部付近で断線してしまう。これに対し、エッチ
バック比率≧２０％の場合は、コンタクト孔の配線金属
表面に若干のくぼみが発生するものの、コンタクト孔内
部は完全に埋め込まれると共にコンタクト孔開口部は、
良好なステップカバレージを示す。従って、エッチバッ
ク比率≧２０％の場合は、良好なコンタクトを得ること
ができると言える。また、図８での実験結果は、エッチ
バック比率が８０％までしか示されていないが、エッチ
バック比率が１００％でも良好なコンタクトが得られる
ことは容易に分かることである。

【００２３】以上のことから、基板表面が露出しないよ
うにすることを考慮して、エッチバック比率は２０％以
上１００％未満とすることが望ましいといえる。また、
エッチバック比率とコンタクト孔内に占める配線金属の
埋め込み量との関係は、図８をみてもわかるように、コ
ンタクト孔のサイズにもあまり影響を受けないことがう
かがえるため、より微細なコンタクト孔が形成可能とい
える。

【００２４】以上のように、本実施例によれば、ソース
・ドレイン不純物の活性化と、コンタクト孔開口部の形
状改善のためのリフローとを同時に行うようにしている
ため、ソース・ドレイン不純物の活性化工程と、ＢＰＳ
Ｇ膜の形成後の第１リフロー工程およびコンタクト孔形
成後のコンタクト孔開口部の形状改善の為の第２リフロ
ー工程とを別々に行う際に発生していたソース・ドレイ
ン不純物の再拡散等の問題を抑止することができる。加
えて、この時初期に形成したＢＰＳＧ膜の凹部は、Ｓｉ
基面まで達しないようにしているため、上記リフロー処
理の際に、ソース・ドレイン層を形成させるために注入
した所定のイオンが外部に放出されることは無く、ソー
ス・ドレイン層形成時に表面不純物濃度が低下してしま
うは無い。さらに、開口部が“上に凸”な曲率を持つ漏
斗状コンタクト孔を形成するようにしているため、配線
金属膜を成膜する際に、金属粒子が基板表面到達時に受
ける運動エネルギーによって生ずる基板表面での粒子運
動（マイグレーション）により、コンタクト孔内部へ金
属粒子が入りやすくなり、コンタクト孔開口部が“下に
凸”な曲率のときに発生する配線金属抵抗の増加あるい
は配線金属の断線といった問題を抑止することができ
る。

【００２５】本発明の他の実施例としては、図３に示す
ように、ソース、ドレイン層５’ａ、５’ｂを形成する
ために、イオン注入法で所定のイオンを注入した半導体
基板に対し、リン，ボロンと素等不純物を含まない絶縁
性のあるＣＶＤ膜（例えば、ＣＶＤ酸化膜等）を形成し
た後にＢＰＳＧ膜を形成し、前述のコンタクト孔形成手
法を用いることにより、開口部が“上に凸”な曲率を持
つ漏斗状のコンタクト孔を形成する。

【００２６】上記不純物を含まないＣＶＤ膜を挿入する
ことにより、リフロー処理時に発生するＢＰＳＧ膜中の
不純物のＳｉ基板への拡散が防止されることにより、ソ
ース・ドレイン層表面の不純物濃度の低下を抑止するこ
とができる。更に、上記不純物を含まないＣＶＤ膜とし
て、ＢＰＳＧ膜に対しそのエッチング速度が小さい（エ
ッチングの選択性を持つ）ＣＶＤ膜を用いれば、コンタ
クト孔形成位置に凹部を形成する際のエッチング工程に
おいて、ＣＶＤ膜６’をエッチングストッパとして、Ｂ
ＰＳＧ膜を１００％エッチングすることにより、半導体
基板全体の凹部の深さの均一性を向上させることがで
る。その結果、開口部の曲率の均一性が高い漏斗状のコ
ンタクト孔を形成することができる。

【００２７】

【発明の効果】以上のように本発明によると、半導体基
板上に形成した保護膜を平坦化するための熱処理と、コ
ンタクト孔開口部を、金属粒子がそのマイグレーション
により該コンタクト孔に入りやすい、上に凸となる曲率
をもった漏斗状となるように形成することと、半導体基
板表面に保護膜を残した状態で不純物の活性化を同時に
行っている。そのため、従来技術に見られたような数回
の加熱による不純物の再拡散や半導体基板からの離脱と
いった問題と、コンタクト孔開口部形状による配線金属
のコンタクト孔内での断線といった問題とを同時に解決
できる優れた効果がある。これにより、歩留りが良くよ
り微細化が可能な半導体装置の製造方法を提供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例を表す半導体装置の断面図で
ある。

【図２】（ａ）は、本発明の一実施例を表す半導体装置
の製造工程を表す断面図である。（ｂ）は、本発明の一
実施例を表す半導体装置の製造工程を表す断面図であ
る。（ｃ）は、本発明の一実施例を表す半導体装置の製
造工程を表す断面図である。

【図３】本発明の他の実施例を表す半導体装置の断面図
である。

【図４】（ａ）は、従来の半導体装置の製造工程を表す
断面図である。（ｂ）は、従来の半導体装置の製造工程
を表す断面図である。（ｃ）は、従来の半導体装置の製
造工程を表す断面図である。

【図５】（ａ）は、従来の半導体装置の製造工程を表す
断面図である。（ｂ）は、従来の半導体装置の製造工程
を表す断面図である。（ｃ）は、従来の半導体装置の製
造工程を表す断面図である。

【図６】ＢＰＳＧ膜のＦＴ−ＩＲ特性である。

【図７】ＢＰＳＧ膜のエッチング深さとコンタクト孔開
口部の曲率との関係を示す図である。

【図８】ＢＰＳＧ膜のエッチング深さと配線膜厚との関
係を示す図である。

【符号の説明】

１Ｓｉ基板２ＬＯＣＯＳ酸化膜３ゲート酸化膜４ゲート電極５ソース・ドレイン不純物６ＢＰＳＧ膜

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献特開昭56−98832（ＪＰ，Ａ) 特開昭64−32651（ＪＰ，Ａ) 特開平３−77321（ＪＰ，Ａ)

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】半導体基板の所定の箇所に不純物イオン
を注入する工程と、該半導体基板上に保護膜を形成する工程と、前記不純物イオンを注入した箇所の半導体基板上におい
て、前記保護膜の所定の箇所をエッチングし該保護膜に
凹部を形成する工程と、前記半導体基板に注入した不純物イオンを活性化すると
ともに、前記保護膜表面を平坦化し、前記凹部が上に凸
となる曲率を持った漏斗状のくぼみとなるようにする熱
処理工程と、該漏斗状となった部分の前記保護膜をエッチングしコン
タクト孔を形成する工程と、を有することを特徴とした半導体装置の製造方法。
【請求項２】前記凹部を形成するためのエッチング深
さは、前記保護膜の膜厚の２０％以上１００％未満とす
ることを特徴とした請求項１記載の半導体装置の製造方
法。
【請求項３】前記保護膜を形成する前に、該保護膜よ
りもエッチング速度の遅い絶縁膜を前記半導体基板上に
形成することを特徴とした請求項１記載の半導体装置の
製造方法。