JP3206658B2 - 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】
【発明の属する技術分野】本発明は、微細なコンタクト
を有する半導体装置の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】近年、半導体装置の微細化にともない、
半導体基板上の拡散層領域も微細化され、このような微
細な拡散層と電極とを電気的に接続するためのコンタク
トもますます微細化する傾向にある。
【０００３】従来、コンタクトの形成のためには、半導
体基板上に形成された層間膜に拡散層に達するようにコ
ンタクトホールを形成し、このコンタクトホールに導電
性材料を埋め込んでコンタクトを形成していた。しか
し、コンタクトホールの微細化にともない、特に内径が
１μｍ以下においてはパターニングが著しく困難とな
る。そのため、コンタクトホールを予め大きめに形成し
た後、その内壁にＣＶＤ（Chemical Vapor Depositio
n）により酸化珪素等の絶縁材料からなるサイドウォー
ルを形成してコンタクトホールを微細化する方法が一般
に用いられている。
【０００４】また、ビット線の上に蓄積電極を形成する
ようなメモリ素子では、容量コンタクトが２つのビット
線の間を通っている。そこで、容量コンタクトとビット
線とが短絡することを防止するため、ビット線の周囲を
層間膜とはエッチングレートが異なる絶縁膜で覆った
り、あるいは、容量コンタクトの形成のための開口部
（コンタクトホール）側壁に絶縁膜を形成してから、導
電性材料を埋め込むことが一般に行われている。
【０００５】以下、従来の方法を、ＤＲＡＭにおけるメ
モリセル部のスタック型キャパシタの形成を例として図
５及び図６を参照して説明する。
【０００６】まず、図５（ａ）に示すように、シリコン
酸化膜からなる素子分離領域２が所定の領域に形成され
た半導体基板１上に、熱酸化法などによりゲート酸化膜
（不図示）を形成した後、不純物導入多結晶シリコン膜
を全面に形成しパターニングを行ってゲート電極３を形
成する。
【０００７】続いて、図５（ｂ）に示すように、イオン
注入により拡散層４を形成した後、全面にＢＰＳＧ膜
（ボロン・リン・シリカ・ガラス膜）等からなる第１の
層間膜５を形成する。
【０００８】次に、図５（ｃ）に示すように、拡散層４
に達するようにビットコンタクトホール６を形成し、続
いて図５（ｄ）に示すように、ビットコンタクトホール
６の内表面を含む第１の層間膜５の表面上に、ＣＶＤに
より絶縁膜７を形成する。このＣＶＤ絶縁膜７を、図５
（ｅ）に示すように、エッチバックしてサイドウォール
８を形成する。
【０００９】このサイドウォール８が形成されたビット
コンタクトホール６を埋め込むようにして導電性材料を
パターニング形成し、図５（ｆ）に示すようにビットコ
ンタクト９及びビット線１０を形成する。その後、全面
にＢＰＳＧ膜等の第２の層間膜１１を形成し、その上に
絶縁膜１２を形成する（図５（ｇ））。
【００１０】次に、図６（ａ）に示すように、容量コン
タクトホール１３を拡散層４に達するように形成した
後、図６（ｂ）に示すように、容量コンタクトホール１
３の内表面および絶縁膜１２の表面上に、ＣＶＤにより
絶縁膜１４を形成する。続いて、このＣＶＤ絶縁膜１４
を、図６（ｃ）に示すようにエッチバックしてサイドウ
ォール１５を形成する。
【００１１】このサイドウォール１５が形成された容量
コンタクトホール１３を埋め込むようにして導電性材料
をパターニング形成し、図６（ｄ）に示すように容量コ
ンタクト１６及び蓄積電極１７を形成する。
【００１２】その後、キャパシタ絶縁膜（不図示）を形
成した後、その上に、プレート電極形成用の不純物導入
多結晶シリコン膜１８を形成し、キャパシタ構造を形成
する。そして、この上に第３の層間膜（不図示）を形成
した後、上層配線等の他の構成（不図示）を形成する。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら上記従来
の構成では、ＣＶＤ絶縁膜からなるサイドウォールが基
板表面に直接接しているため、生成再結合センター（Ｇ
Ｒセンター）の形成によりリーク電流が発生するという
問題があった。特にメモリ回路の容量コンタクトにおけ
るリーク電流の発生は、半導体装置の微細化の進展によ
り容量確保が困難となっている現状において非常に深刻
な問題である。
【００１４】そこで本発明の目的は、コンタクト部にお
いてリーク電流が抑制された半導体装置、特にメモリ回
路において良好なホールド特性を有する半導体装置の製
造方法を提供することである。
【００１５】
【課題を解決するための手段】本発明は、半導体基板上
の層間膜に、ＣＶＤ絶縁膜からなるサイドウォールを有
するコンタクトホールが形成され、該コンタクトホール
に導電性材料が埋め込まれて該半導体基板表面とのコン
タクトが形成されている半導体装置の製造方法であっ
て、半導体基板上の層間膜に、該半導体基板表面が露出
するように異方性エッチングにより開口部を設ける工程
と、該開口部の内表面を含む領域上にＣＶＤ絶縁膜を形
成する工程と、酸素含有雰囲気下で加熱して該開口部底
部の該半導体基板表面に熱酸化膜を形成する熱酸化工程
と、該開口部底部のＣＶＤ絶縁膜をエッチバックすると
ともに前記熱酸化膜を半導体基板表面が露出するように
除去する工程と、該開口部を導電性材料により埋め込む
工程を有することを特徴とする半導体装置の製造方法に
関する。
【００１６】また本発明は、上記方法において、前記熱
酸化工程の後、前記開口部の内表面を含む領域にシリコ
ン窒化膜を形成し、その後、該開口部底部のシリコン窒
化膜およびＣＶＤ絶縁膜をエッチバックするとともに前
記熱酸化膜を半導体基板表面が露出するように除去する
工程を行う半導体装置の製造方法に関する。
【００１７】また本発明は、半導体基板上に熱流動性の
異なる複数の絶縁層が積層された構造を有する半導体装
置の製造方法であって、半導体基板上に複数の絶縁層を
積層する工程と、該複数の絶縁層にまたがるコンタクト
ホールを前記半導体基板表面が露出するように開口する
工程と、該コンタクトホールの内表面にＣＶＤ絶縁膜を
形成する工程と、該ＣＶＤ絶縁膜を形成した後に該ＣＶ
Ｄ絶縁膜と接する前記半導体基板表面に熱酸化膜が形成
されるように酸素含有雰囲気下で熱処理を行う工程を有
する半導体装置の製造方法に関する。
【００１８】
【発明の実施の形態】以下、本発明の好適な実施の形態
を挙げて詳細に説明する。
【００１９】第１の実施の形態 まず、図１（ａ）に示すように、シリコン基板等の半導
体基板１上にＭＯＳトランジスタが形成され、その上に
層間膜が形成された構成を作製する。この構成は、前述
の図５（ｇ）に示す構成と同様にして作製される。図１
（ａ）中、符号２は素子分離領域、符号３はゲート電
極、符号４は拡散層、符号５は第１の層間膜、符号は８
はＣＶＤ絶縁膜からなるサイドウォール、符号９はビッ
トコンタクト、符号１０はビット線、符号１１は第２の
層間膜、符号１２は絶縁膜である。
【００２０】第１及び第２の層間膜５、１１はＢＰＳＧ
膜等の絶縁材料からなり、それぞれ厚さ２５０ｎｍ〜４
０００ｎｍ、２００ｎｍ〜４０００ｎｍ程度にＣＶＤ等
の方法で形成される。第１及び第２の層間膜５、１１
は、熱流動性を有し、例えば８５０℃で３０分程度の熱
処理を行うことで平坦化される。また、第１及び第２の
層間膜５、１１をＢＰＳＧ膜としたとき、熱処理を繰り
返すごとに熱流動性は低下する。
【００２１】絶縁膜１２は、キャパシタ絶縁膜形成時に
蓄積電極上の自然酸化膜を除去するウェットエッチング
のストッパーとして設けられるものであり、ＮＳＧ膜等
を用いてＣＶＤ等の方法で厚さ４００ｎｍ〜５００ｎｍ
程度に形成される。
【００２２】実施例１としては第１の層間膜および第２
の層間膜のいずれもＢＰＳＧ膜で構成し、それぞれの厚
さを３００ｎｍ及び４５０ｎｍとした。また、絶縁膜１
２はＮＳＧ膜で構成し、その厚さを約３００ｎｍとし
た。
【００２３】まず、図１（ａ）に示すように、半導体基
板１上にＭＯＳトランジスタが形成され、その上に層間
膜が形成された構成を作製する。
【００２４】次に、図１（ｂ）に示すように、開口部１
９を拡散層４の上部に半導体基板表面が露出するように
形成する。この開口部１９は、レジストをマスクして異
方性エッチングにより絶縁膜１２並びに第１及び第２の
層間膜を除去して形成する。開口部１９の形成後、レジ
ストをエッチングにより除去して、続いてＳＰＭ洗浄
（硫酸過酸化水素水洗浄）を行う。
【００２５】次に、図１（ｃ）に示すように、開口部１
９の内表面および絶縁膜１２の表面上に、ＣＶＤにより
酸化珪素等からなるＣＶＤ絶縁膜１４を厚さ５０ｎｍ〜
１００ｎｍ程度に形成する。但し、ＣＶＤ絶縁膜１４の
厚さは、開口部１９が閉塞されないような膜厚条件に設
定するものとする。ＣＶＤ絶縁膜としては、酸化珪素の
他、ＴＥＯＳ ＮＳＧ（Tetra ethyl ortho silicate no
n-dope silicate grass）膜やＨＴＯ（High Temperatur
e Oxide）膜も使用できる。
【００２６】続いて、開口部１９の底部の半導体基板表
面に、酸素含有雰囲気下で加熱して厚さ５〜１０ｎｍの
熱酸化膜（不図示）を形成する。この熱酸化膜の形成
は、７００〜８５０℃、１０分〜６０分程度行うことが
好ましい。酸素含有雰囲気は、酸素雰囲気の他、酸素を
窒素やアルゴン等の不活性ガスにより希釈した雰囲気で
あってもよい。より好ましい熱酸化条件は、７８０〜８
２０℃、１０分〜３０分である。実施例１としては、酸
素雰囲気下で８００℃、２０分間、熱酸化を行った。な
お、開口部の底部表面にはＣＶＤ絶縁膜１４が形成され
ているが、このＣＶＤ絶縁膜は酸素を透過する（酸素透
過性を有する）ため、シリコン基板表面で熱酸化が生
じ、シリコン酸化膜、すなわち熱酸化膜が形成される。
【００２７】続いて、図１（ｄ）に示すように、異方性
エッチングによりＣＶＤ絶縁膜１４をエッチバックして
サイドウォール２０を形成するとともに、基板表面の熱
酸化膜もエッチング除去して半導体基板表面を露出させ
る。その後、ＡＰＭ洗浄（アンモニア過酸化水素水洗
浄）を行う。なお、実施例１として内径０．２μｍの開
口を形成し、サイドウォール形成後の内径は０．１４μ
ｍとした。
【００２８】次に、このようにサイドウォール２０が形
成された開口部（容量コンタクトホール）を埋め込むよ
うにして不純物導入多結晶シリコン等の導電性材料をパ
ターニング形成し、図１（ｅ）に示すように容量コンタ
クト１６及び蓄積電極１７を形成する。
【００２９】その後、キャパシタ絶縁膜（不図示）を形
成した後、その上に、プレート電極形成用の不純物導入
多結晶シリコン膜１８を形成し、図１（ｆ）に示すよう
にキャパシタ構造を形成する。そして、この上に第３の
層間膜（不図示）を形成した後、上層配線等の他の構成
（不図示）を形成する。
【００３０】以上の第１の実施の形態の方法によれば、
コンタクト部において、ＣＶＤ絶縁膜からなるサイドウ
ォールが基板表面に直接接していないため、リーク電流
が抑制され、優れたホールド特性が得られる。
【００３１】さらに本発明の他の効果を図３及び図４を
用いて説明する。図３は、上記第１の実施の形態の方法
（実施例１）によって形成された容量コンタクトの断面
形状を示すＳＥＭ写真である。また図４は、ＣＶＤ絶縁
膜１４を形成する前に熱酸化を行って開口部の底部に熱
酸化膜を形成した以外は実施例１と同様にして形成され
た容量コンタクト（参考例）の断面形状を示すＳＥＭ写
真である。
【００３２】図３と図４を比較すると明らかなように、
図４（参考例）に示すコンタクトは、コンタクトのほぼ
中央の両側にあるビット線の上方部分で右へシフトする
ように変形している。このような変形は、特にセルアレ
イの端部で著しかった。図３（実施例１）に示す本発明
の方法によるコンタクトにはこのような変形はみられな
い。
【００３３】参考例におけるコンタクトの変形は、熱酸
化工程における加熱による層間膜の膨張等に起因するも
のと考えられる。特にセルアレイ部端部で変形が著しい
のは、セルアレイ端部では側面が空間であり変形しやす
いためと推測される。これに対して、セルアレイ中央付
近では、層間膜の膨張等による応力は周りからほぼ均等
に開口部に加わるので、開口部の変形量は小さいと推測
される。また、第２の層間膜の領域で変形が大きいの
は、第１の層間膜であるＢＰＳＧ膜は、第２の層間膜の
形成の際の焼き締めにより再度の焼き締めが成されてい
ることから、第１の層間膜は比較的機械的強度が高く、
第２の層間膜で変形が生じやすいためと考えられる。
【００３４】図４に示す参考例のようにコンタクトが変
形すると次のような問題が生じる。
【００３５】まず第１の問題は、ＣＶＤ絶縁膜をエッチ
バックして開口部底部のＣＶＤ絶縁膜を除去する際、開
口部内側面のＣＶＤ絶縁膜も変形部分においてエッチン
グされ、その結果、サイドウォールの厚さが不均一にな
ったり、サイドウォールが無くなる部分が生じたりす
る。サイドウォールが薄い部分や無い部分では絶縁性が
低下し、特にビット線に対する絶縁不良が生じやすくな
る。
【００３６】第２の問題は、ＣＶＤ絶縁膜をエッチバッ
クして開口部底部のＣＶＤ絶縁膜を除去する際、開口部
の変形により開口部底部に影が生じて開口部底部のＣＶ
Ｄ絶縁膜が十分に除去できず、その結果、基板との接触
面積が低減し、コンタクト抵抗が増加したり、コンタク
ト不良が生じやすくなる。第３の問題は、開口部を導電
性材料で埋め込む前に行う開口部内の洗浄処理におい
て、サイドウォールに薄い部分やサイドウォールが無い
部分があると、層間膜が洗浄液によって侵食され、ビッ
ト線等の層間配線に対する絶縁不良が生じる虞がある。
【００３７】第４の問題は、拡散層の濃度プロファイル
の最適化を行うために、導電性材料の埋め込み前の開口
部から基板表面へイオン注入を行う際、開口部の変形に
より開口部底部へ影が生じ、開口部底部の基板表面に均
一にイオン注入できなくなり、その結果、所望の濃度プ
ロファイルを形成できなくなる。
【００３８】実施例１では、熱酸化工程後でも開口部が
変形しないため、開口部の変形に起因する上記の問題は
いずれも起こらない。本発明では、熱酸化工程をサイド
ウォール形成後に行うため、開口部内のサイドウォール
により機械的強度が増したため、変形が生じなかったと
考えられる。
【００３９】次に、図２を用いて第２の実施の形態を説
明する。
【００４０】第２の実施の形態では、酸化珪素等からな
るＣＶＤ絶縁膜１４を形成した後（図２（ａ））、熱酸
化工程を行い、その後、ＣＶＤ絶縁膜１４上にシリコン
窒化膜３１をＣＶＤにより積層し（図２（ｂ））、続い
てエッチバックを行う（図２（ｃ））。その結果、ＣＶ
Ｄ絶縁膜からなるサイドウォール３２とシリコン窒化膜
３１からなるサイドウォール３３で構成される２層構造
のサイドウォールが形成される。
【００４１】実施例２として、上記の様にシリコン窒化
膜を積層し、最終的な開口部の内径を０．０８μｍとし
た以外は、実施例１と同様にしてコンタクトを形成し
た。
【００４２】シリコン窒化膜は酸化珪素膜より成膜性が
良好であるため、サイドウォールを良好に成膜できると
もに開口径をより小さくできる。また、シリコン窒化膜
は、酸化珪素膜より耐薬品性に優れるため、開口部内の
洗浄工程において層間膜が侵食されにくく、また洗浄液
の選択の幅が広くなり、洗浄工程が効率的かつ容易に実
施できる。さらに、シリコン窒化膜はＣＶＤ絶縁膜上に
積層した後にエッチバックを行っているため、図２
（ｃ）に示すように、シリコン窒化膜からなるサイドウ
ォール３３が半導体基板に直接接していない。
【００４３】なお、シリコン窒化膜を成膜する場合は、
熱酸化工程を、酸化珪素等からなるＣＶＤ絶縁膜を形成
した後であって、シリコン窒化膜の形成前に行うことが
必要である。これは、シリコン窒化膜は酸素の透過性が
低いため、シリコン窒化膜形成後に熱酸化を行っても、
開口部底部の基板表面には熱酸化膜が形成されにくいた
めである。
【００４４】
【発明の効果】以上の説明から明らかなように本発明に
よれば、コンタクト部において、ＣＶＤ絶縁膜からなる
サイドウォールが基板表面に直接接していないため、リ
ーク電流が抑制され、特にメモリ回路においてはホール
ド特性に優れる。
【００４５】さらに、コンタクト形成のために形成した
開口部が深さ方向において変形しない。そのため、均一
なサイドウォールが形成され良好な絶縁性が確保でき
る。また、コンタクト底部において基板との接触が十分
に行われ良好な電気的接続が可能となる。さらに、開口
部の埋め込み前における拡散層の濃度プロファイルの最
適化のためのイオン注入が容易に行える。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の製造方法を説明するための工程断面図
である。
【図２】本発明の製造方法を説明するための工程断面図
である。
【図３】本発明の製造方法により形成された容量コンタ
クトの断面形状を示すＳＥＭ写真である。
【図４】参考例の製造方法により形成された容量コンタ
クトの断面形状を示すＳＥＭ写真である。
【図５】従来の製造方法を説明するための工程断面図で
ある。
【図６】従来の製造方法を説明するための工程断面図で
ある。
【符号の説明】
１ 半導体基板 ２ 素子分離領域 ３ ゲート電極 ４ 拡散層 ５ 第１の層間膜 ６ ビットコンタクトホール ７ ＣＶＤ絶縁膜 ８ サイドウォール ９ ビットコンタクト １０ ビット線 １１ 第２の層間膜 １２ 絶縁膜 １３ 容量コンタクトホール １４ ＣＶＤ絶縁膜 １５ サイドウォール １６ 容量コンタクト １７ 蓄積電極 １８ 不純物導入多結晶シリコン膜 １９ 開口部 ２０ サイドウォール ２１ 基板保護膜 ２２ 不純物導入多結晶シリコン膜 ２３ 第３の層間膜 ３１ シリコン窒化膜 ３２、３３ サイドウォール

Claims (10)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 半導体基板上の層間膜に、ＣＶＤ絶縁膜
    からなるサイドウォールを有するコンタクトホールが形
    成され、該コンタクトホールに導電性材料が埋め込まれ
    て該半導体基板表面とのコンタクトが形成されている半
    導体装置の製造方法であって、 半導体基板上の層間膜に、該半導体基板表面が露出する
    ように異方性エッチングにより開口部を設ける工程と、
    該開口部の内表面を含む領域上にＣＶＤ絶縁膜を形成す
    る工程と、酸素含有雰囲気下で加熱して該開口部底部の
    該半導体基板表面に熱酸化膜を形成する熱酸化工程と、
    該開口部底部のＣＶＤ絶縁膜をエッチバックするととも
    に前記熱酸化膜を半導体基板表面が露出するように除去
    する工程と、該開口部を導電性材料により埋め込む工程
    を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
  2. 【請求項２】 前記ＣＶＤ絶縁膜が酸素透過性を有する
    請求項１記載の半導体装置の製造方法。
  3. 【請求項３】 前記ＣＶＤ絶縁膜が酸化珪素からなる請
    求項１記載の半導体装置の製造方法。
  4. 【請求項４】 前記層間膜は、半導体基板上に形成され
    た第１の層間膜にコンタクト及び配線が形成され、その
    上に第２の層間膜が形成されて成る請求項１、２又は３
    記載の半導体装置の製造方法。
  5. 【請求項５】 前記熱酸化工程の後、前記開口部の内表
    面を含む領域にシリコン窒化膜を形成し、その後、該開
    口部底部のシリコン窒化膜およびＣＶＤ絶縁膜をエッチ
    バックするとともに前記熱酸化膜を半導体基板表面が露
    出するように除去する工程を行う請求項１〜４のいずれ
    か１項に記載の半導体装置の製造方法。
  6. 【請求項６】 前記層間膜がＢＰＳＧからなる請求項１
    〜５のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法。
  7. 【請求項７】 前記半導体基板がシリコン基板である請
    求項１〜６のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方
    法。
  8. 【請求項８】 前記開口部を導電性性材料で埋め込む工
    程で形成されたコンタクトが、ＤＲＡＭのスタック型キ
    ャパシタの容量コンタクトである請求項１〜７のいずれ
    か１項に記載の半導体装置の製造方法。
  9. 【請求項９】 半導体基板上に熱流動性の異なる複数の
    絶縁層が積層された構造を有する半導体装置の製造方法
    であって、 半導体基板上に複数の絶縁層を積層する工程と、該複数
    の絶縁層にまたがるコンタクトホールを前記半導体基板
    表面が露出するように開口する工程と、該コンタクトホ
    ールの内表面にＣＶＤ絶縁膜を形成する工程と、該ＣＶ
    Ｄ絶縁膜を形成した後に該ＣＶＤ絶縁膜と接する前記半
    導体基板表面に熱酸化膜が形成されるように酸素含有雰
    囲気下で熱処理を行う工程を有する半導体装置の製造方
    法。
  10. 【請求項１０】前記複数の絶縁層のうちの少なくとも１
    層はＢＰＳＧからなる請求項９記載の半導体装置の製造
    方法。
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