JP3415462B2 - 半導体装置の製造方法 - Google Patents
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- Semiconductor Memories (AREA)
Description
造方法に関し、特に電極配線のコンタクト孔部の構造お
よびその形成方法に関する。
は積極的に推し進められている。微細化については、現
在では0.25μm寸法で形成された半導体素子が用い
られ、この寸法を設計基準にした256メガビットDR
AMが開発試作されている。一方、高密度化について
は、微細化による平面的な高密度化と共に半導体素子の
3次元化による方法が検討され、その中で一部は既に実
用に供されている。事実、この半導体素子の3次元化
は、電極配線の多層構造化あるいは拡散層の多重構造化
と共に、現在では半導体素子の中でキャパシタのような
受動素子でも実用化され、製品レベルの半導体装置にお
いて具現化されている。そして現在では、この3次元化
はトランジスタ等の能動素子でも開発レベルで検討され
ている。
は、半導体装置の高集積化,高速化等による高性能化あ
るいは多機能化にとって最も効果的な手法であり、今後
の半導体装置の製造にとって必須となっている。
ために、半導体素子の平坦性が悪くなり、前記の多層配
線の形成は、その必要性にも拘らず益々難しくなってき
ている。これは、3次元化と共に、半導体素子の横寸法
に比べ縦寸法がより増大し、半導体素子が存在する領域
と存在しない領域とに段差が生じ、その段差が大きくな
るためである。このため、半導体基板表面の拡散層と配
線間あるいは多層配線間の層間絶縁膜の膜厚は増大し、
この層間絶縁膜に形成されるコンタクト孔のアスペクト
比が増大することとなり、コンタクト孔への金属の充填
が難しくなる傾向にある。この傾向は微細な半導体素子
ほどより顕著に表れる。
接続する方法及びコンタクト孔への導電体材の充填方法
については、例えば、0.25μmの設計基準で形成す
る256MビットDRAMの場合について、ジャパニー
ズ・ジャーナル・オブ・アプライド・フィジクス・パー
ト1(Japanese Journal of Ap
plied Physics Part1),第32
巻,1993年,1月,第339〜346頁に具体的に
記載されている。
のメモリセル部及び周辺回路部を示す断面図である。図
13に示されるように、導電型がp型のシリコン基板2
01の表面部に多重構造の拡散層が形成される。すなわ
ち、メモリセル部201aには導電型がn型の深いNウ
ェル層202aが形成され、この深いNウェル層202
aに、導電型がp型のPウェル層203aが形成され
る。一方メモリセル部201aに接近した周辺回路部2
01bにはPウェル層203b,n導電型のNウェル層
202bが横方向に隣接して形成される。
効果トランジスタのソースあるいはドレイン領域となる
拡散層が形成される。すなわちメモリセル部201aの
Pウェル層203a内には、n導電型のビット線拡散層
204及び容量拡散層205が形成され、周辺回路部2
01bのPウェル層203b内には、n導電型のn+拡
散層206がそれぞれ形成される。
されたシリコン基板の表面に、種々の電極配線が層間絶
縁膜を挾んで形成される。
回路部201bに、素子分離絶縁膜207及びゲート絶
縁膜208が形成され、ゲート絶縁膜208上にゲート
電極209が形成される。またメモリセル部201a及
び周辺回路部201bに第1層間絶縁膜210が形成さ
れ、メモリセル部201aの第1層間絶縁膜210にビ
ット線コンタクト孔211が設けられる。ビット線コン
タクト孔211は、CVD(化学気相成長)法によりn
型不純物を含むポリシリコンで充填され、このコンタク
ト孔211を介してビット線212はビット線拡散層2
04と電気的に接続される。ビット線212はタングス
テン等の高融点金属あるいは高融点金属のシリサイドか
ら構成され、これらの金属材料を用いてビット層配線2
13が第1層間絶縁膜210上にビット線212と同一
層に形成される。
覆するように第2層間絶縁膜214が堆積され、その後
にメモリセル部201aの第1層間絶縁膜210及び第
2層間絶縁膜214に容量電極コンタクト孔215が形
成される。容量電極コンタクト孔215は、ビット線コ
ンタクト孔211の場合と同様にしてn型不純物を含有
するポリシリコンで充填される。またメモリセル部20
1aの絶縁膜214上に容量電極216が形成され、容
量電極216上に容量誘電体膜を介してセルプレート電
極217が形成される。
覆する第3層間絶縁膜218が堆積される。その後、第
1層間絶縁膜210,第2層間絶縁膜214及び第3層
間絶縁膜218にn+拡散層コンタクト孔219とゲー
ト電極コンタクト孔220が、第3層間絶縁膜218に
セルプレート電極コンタクト孔221がそれぞれ設けら
れ、これらのコンタクト孔219,220,221には
導電体材が充填される。このときの充填材はバリヤ金属
膜とタングステン金属膜で構成される。ここで、バリヤ
金属膜はチタンのスパッタ成膜とチタンの熱窒化によ
り、タングステン金属膜はCVD法によりそれぞれ形成
される。その後、第1アルミ配線222が絶縁膜218
上に形成され、さらに層間絶縁膜,スルーホール及び第
2アルミ配線(図示略)が形成されて多層構造となる。
多層配線化の進む中で、これら配線間あるいは拡散層と
配線間を電気的に接続するコンタクト孔に導電体材を充
填する手法の開発は、特に重要となってきている。図1
3に示された従来技術におけるコンタクト孔としては、
ビット線コンタクト孔211,容量コンタクト孔215
に加えて、n+拡散層コンタクト孔219,ゲート電極
コンタクト孔220,セルプレート電極コンタクト孔2
21がある。これらのコンタクト孔のうち、n+拡散層
コンタクト孔219,ゲート電極コンタクト孔220及
びセルプレート電極コンタクト孔221は、半導体装置
の上層部に位置するアルミ配線に接続するためのもので
あり、これらのコンタクト孔に導電体材を同一工程で埋
め込むようにしている。
ンタクト孔219,220,221は、多層に堆積され
て膜厚が多くなった層間絶縁膜に形成されることとな
る。そのため、コンタクト孔の縦寸法(深さ方向の寸
法)の比すなわちコンタクト孔のアスペクト比は増大す
る。この傾向は半導体素子の微細化と共に、受動素子で
あるキャパシタの3次元化が必須となっているDRAM
において、より顕著になる。理由は、図示したようにメ
モリセル部201aと周辺回路部201bとの段差が益
々増大してきているDRAMにおいて、微細アルミ配線
を形成するためには、その下地の層間絶縁膜の平坦化が
必須となり、周辺回路部201bの高さをメモリセル部
201aの高さと同じにするために周辺回路部201b
の層間絶縁膜をより厚くする必要があるためである。
ト比の増大は、半導体素子の微細化と3次元化により避
けられなくなってきている。例えば256メガビットD
RAMにおいては、このアスペクト比は10程度になっ
てくる。これに対し、0.5μmの設計基準で現在製造
される16メガビットDRAMでは、このアスペクト比
は3〜4である。
これらのコンタクト孔に導電体材を充填することが困難
になってくる。そこで、これに対する抜本的対策が必要
になっている。
ンタクト孔に導電体材を埋め込む新しい技術を提供し、
半導体素子の微細化と高密度化に対応できる半導体装置
の構造およびその製造方法を提供することにある。
め、本発明に係る半導体装置は、キャパシタを有し、前
記キャパシタは容量誘電体膜と、上部のセルプレート電
極と、下部の容量電極とを有している半導体装置であっ
て、前記容量誘電体膜は、TiNよりなる容量バリアで
被覆され、前記容量電極の前記容量誘電体膜と接する部
分はTiNである。
されるメモリセルを有するものである。
クト孔が形成されており、該コンタクト孔は導電体材で
充填されているものであり、前記コンタクト孔を充填す
る前記導電体材がTiNである。
クト孔を有し、前記コンタクト孔は、下層のコンタクト
孔と上層のコンタクト孔とからなり、前記下層のコンタ
クト孔は、層間絶縁膜の下層に位置する拡散層或いは配
線に対応して設けられ、前記上層のコンタクト孔は、前
記下層のコンタクト孔と縦方向に接続するように配置し
て設けられ、前記コンタクト孔は、それぞれ導電体材が
充填され且つこれらの導電体材が互いに電気的に接続さ
れており、前記拡散層と配線間或いは多層の配線間は電
気的に接続されているものである。
前記導電体材がTiNである。
は、少なくとも容量誘電体膜と接する予定の部分はTi
Nで構成されるように容量電極を形成する容量電極形成
工程と、前記容量電極に容量誘電体膜を形成する容量誘
電体膜形成工程と、前記容量電極をTiNよりなる容量
バリアで被覆する容量バリア形成工程と、前記容量バリ
ア上に上部のセルプレート電極を形成するセルプレート
電極形成工程とを有するものである。
ト孔を形成するコンタクト孔形成工程と、該コンタクト
孔を導電体材で充填するコンタクト孔充填工程と、前記
容量電極を形成するときに同時に前記コンタクト孔を充
填する工程とを有するものである。また、前記コンタク
ト孔を充填する前記導電体材がTiNである。
絶縁膜形成工程と、前記下層層間絶縁膜に下層コンタク
ト孔を設ける下層コンタクト孔形成工程と、前記下層コ
ンタクト孔をTiNで充填する下層コンタクト孔充填工
程と、前記下層の層間絶縁膜の上部に上層層間絶縁膜を
形成する上層層間絶縁膜形成工程と、前記下層コンタク
ト孔と縦方向に接続するように配置して上層コンタクト
孔を設ける上層コンタクト孔形成工程と、前記容量電極
を形成するときに同時に前記下層コンタクト孔を充填す
る工程とを有するものである。
前記導電体材がTiNである。
膜の上下の容量電極がいずれもTiNで構成される。従
って、容量電極のコンタクト抵抗が小さくでき、タンタ
ル酸化膜や強誘電体の使用が容易となる。また、本発明
によれば、コンタクト孔の形成と、コンタクト孔への導
電体材の埋め込みとを、複数の段階に分けて重層構造と
なるように行う。従ってアスペクト比が増大したコント
クト孔への導電体材の充填を確実に行うことができる。
る。 (参考実施形態1)図1は本発明の参考実施形態1に係
る半導体装置を示す図であって、図2のA−A線断面
図、図2は同平面図である。
1上に半導体装置のメモリセル部1aと周辺回路部1b
が設けられている。周辺回路部1bの導電型がp型シリ
コン基板1の表面にはn導電型のNウェル層2が形成さ
れ、周辺回路部1b及びメモリセル部1aのシリコン基
板1の表面には素子間を絶縁分離する素子分離絶縁膜3
が形成され、メモリセル部1a内に素子分離絶縁膜3で
分離された部分には、ゲート絶縁膜(層間絶縁膜17の
一部)を介してゲート電極4が形成されている。更に、
nチャネルトランジスタのソースあるいはドレイン領域
となるn+拡散層5a,5b,5cとpチャネルトラン
ジスタのソースあるいはドレイン領域となるp+拡散層
6が形成される。
タクト孔が形成され、これらのコンタクト孔に導電体材
が埋め込まれて、この拡散層と電気的に接続する電極あ
るいは配線が形成される。これらの形成について下層か
ら順に説明する。
+拡散層5aにビット線コンタクト孔7を設け、このコ
ンタクト孔7に不純物を含有するポリシリコンを埋め込
む。このように導電体材(ポリシリコン)が充填された
コンタクト孔7に電気的に接続してビット線8を形成す
る。次に、メモリセル部1aの層間絶縁膜(層間絶縁膜
17の一部)に容量電極コンタクト孔9を設け、これに
接続して容量電極10を形成する。この容量電極コンタ
クト孔9には、不純物を含有するポリシリコン(導電体
材)が埋め込まれ、更に、容量電極10は同様にして不
純物を含有するポリシリコンで形成される。図2に示す
ように容量電極10は、メモリセル部1aの領域内にメ
モリ容量に相当する所定の個数が形成される。次に、こ
れらの容量電極10を被覆して容量誘電体膜11が成膜
される。更に容量誘電体膜11を被覆して容量バリヤメ
タル12が堆積される。
うに、n+拡散層5c上の層間絶縁膜(層間絶縁膜17
の一部)にn+拡散層コンタクト孔13bとn+拡散層コ
ンタクトパッド14bが形成される。同様にして、p+
拡散層6上の層間絶縁膜(層間絶縁膜17の一部)にp
+拡散層コンタクト孔13aとp+拡散層コンタクトパッ
ド14aが形成される。これらのコンタクトパッド14
a,14bは図2に示されているように、それぞれが独
立して形成される。このn+拡散層コンタクト孔13b
には、チタン,窒化チタンとn型の不純物を含有する高
融点金属例えばタングステンとが埋め込まれる。これに
対し、p+拡散層コンタクト孔13aにはチタン,窒化
チタンとp型の不純物を含有する高融点金属例えばタン
グステンとが埋め込まれる。また、n+拡散層コンタク
トパッド14b及びp+拡散層コンタクトパッド14a
は、それぞれのコンタクト孔13b,13aに埋め込ま
れた導電体材と同一の材料で構成される。
14b上の層間絶縁膜(層間絶縁膜17の一部)に上部
コンタクト孔15を設ける。図2に示すように上部コン
タクト孔15の横寸法はコンタクトパッド14a,14
bの寸法より小さく、n+拡散層コンタクト孔13b及
びp+拡散層コンタクト孔13aの寸法と同等あるいは
それよりも大きくなるようにする。この上部コンタクト
孔15に埋め込む導電体材はチタン薄膜とアルミ金属あ
るいは高融点金属である。このようにした後、アルミ配
線16を形成する。
には、バリヤメタル12に積層して接着金属薄膜12a
が形成され、さらにその上に積層してセルプレート電極
14cが堆積される。例えばバリヤメタル12は窒化チ
タンで、接着金属薄膜12aはチタン薄膜で、セルプレ
ート電極1cはタングステン金属膜でそれぞれ形成され
る。
拡散層コンタクト孔13aへの導電体材の埋込み処理、
更にはn+拡散層コンタクトパッド14b及びp+拡散層
コンタクトパッド14aへの導電体材の埋込み処理は、
容量誘電体膜11上に積層して形成する多層の金属膜と
同一の工程で行なうことができる。
配線との接続において、層間絶縁膜17に2段階の工程
でコンタクト孔が設けられ、それぞれに導電体材が充填
される。このように層間絶縁膜17を縦方向に多段階に
区分し、縦方向に複数のコンタクト孔を互いに電気的に
接続して多段階に形成することにより、益々増大する層
間絶縁膜厚に対応して、微細コンタクト孔を膜厚の増大
した層間絶縁膜に容易に形成することができる。
装置の製造方法について図3と図4に基づいて説明す
る。図3(a)に示すようにp導電型のシリコン基板3
1のうち周辺回路部に相当する領域にn導電型のNウェ
ル層32を形成し、その後メモリセル部及び周辺回路部
に相当する領域のシリコン基板31の表面の要所に選択
酸化法を用いて素子分離絶縁膜33を形成する。次にシ
リコン基板31の全面にゲート絶縁膜34を熱酸化法に
より形成し、ゲート絶縁膜34上にゲート電極35を形
成する。このゲート電極35の材料としては、ポリシリ
コン薄膜にタングステンシリサイドを積層したポリイミ
ドを用いている。さらに、nチャネルトランジスタのソ
ースあるいはドレイン領域となるn+拡散層36を基板
31の要所に形成するとともに、pチャネルトランジス
タのソースあるいはドレイン領域となるp+拡散層37
をNウェル層32内に形成する。
板1の全面を被覆して第1層間絶縁膜38を形成する。
この第1層間絶縁膜38は、シリコン酸化膜を公知のC
VD法で堆積した後、CMP(化学的機械研磨)法で平
坦化し、メモリセル部と周辺回路部とにおける膜厚を同
一厚さにして形成される。なお、ゲート絶縁膜34は、
第1層間絶縁膜38内に取り込まれて一体となる。また
第1層間絶縁膜38にはビット線コンタクト孔39を拡
散層36に達する深さに設ける。このコンタクト孔39
の形成は公知のシリコン酸化膜のドライエッチング法に
より処理する。n+拡散層36に達するコンタクト孔3
9には、n型不純物を含有するポリシリコンを埋め込
む。このポリシリコンの成膜は、CVD法によるドープ
ドポリシリコンの堆積手法により処理され、この成膜の
後、ポリシリコンのドライエッチングによるエッチバッ
クを行い、ビット線コントクト孔39内のみに前記ポリ
シリコンを埋め込む。また第1層間絶縁膜38上の要所
にビット線40を形成し、ビット線40をn+拡散層3
7にコンタクト孔39を介して電気的に接続する。ビッ
ト線40は膜厚が150nm程度のタングステンシリサ
イドで構成する。
縁膜38の平坦な表面上に第2層間絶縁膜41を形成す
る。この形成方法は、前記第1層間絶縁膜38の形成方
法と同じである。第2層間絶縁膜41としてはシリコン
酸化膜あるいはBPSG(ボロンガラス,リンガラスを
含むシリコン酸化物)膜等が用いられる。次に図3
(c)に示すようにメモリセル部のn+拡散層36上の
第1層間絶縁膜38と第2層間絶縁膜41にコンタクト
孔42をドライエッチングにより開口する。このコンタ
クト孔42にも、前記と同様にn型不純物を含有するポ
リシリコンを埋め込む。この埋め込まれたコンタクト孔
42と電気的に接続する容量電極43をメモリセル部1
aの容量電極コンタクト孔42上に形成する。容量電極
43も同様にn型不純物を含有するポリシリコンにより
構成される。
41及び容量電極43上に容量誘電体膜44を成膜した
後、容量誘電体膜44を被覆するように容量バリヤメタ
ル45を堆積する。これらの膜44,45はそれぞれ膜
厚が5〜10nmのシリコン窒化膜,20〜50nmの
窒化チタン膜により構成される。その後、周辺回路部の
n+拡散層36上及びp+拡散層37上の第1層間絶縁膜
38と第2層間絶縁膜41とにn+拡散層コンタクト孔
46b及びp+拡散層コンタクト孔46aを開口する。
コンタクト孔46a,46bの開口は公知のドライエッ
チングにより処理されるが、このドライエッチング工程
では容量誘電体膜44と容量バリヤメタル45に対して
もエッチングが行われ、コンタクト孔46a,46b
は、絶縁膜38,41、容量誘電体膜44、容量バリア
メタル45に渡って形成される。
メタル45,コンタクト孔46a,46bの側壁及び底
部に接着金属薄膜47とタングステン金属薄膜48を堆
積する。ここで、接着金属薄膜47としては、膜厚が5
0nm程度のチタン金属膜をコリメートスパッタ法によ
り成膜させたものを用いる。またタングステン金属薄膜
48はCVD法により成膜する。このCVD法の場合、
反応ガスとしてWF6とSiH4を用いたブランケットタ
ングステンといわれる方法を用いて、コンタクト孔46
a,46bの開口部における段差被覆性の優れた成膜が
なされる。タングステン金属薄膜48の膜厚は200n
m程度にする。これにより、n+拡散層コンタクト孔4
6bとp+拡散層コンタクト孔46aの内部にチタン金
属膜47とタングステン金属膜48とを隙間なく完全に
埋め込むことができる。
金属薄膜48及び接着金属薄膜47を加工する。この加
工は、公知のフォトリソグラフィ技術とドライエッチン
グ技術を用いて処理する。この加工工程で、n+拡散層
コンタクトパッド49bとp+拡散層コンタクトパッド
49aをそれぞれn+拡散層コンタクト孔46b上及び
p+拡散層コンタクト孔46a上に形成する。これらの
コンタクトパッド49a,49bの形成と同一の工程中
にてセルプレート電極50を容量電極43の真上に形成
する。ここで、このドライエッチングでの反応ガスとし
ては、SF6,Cl2とHBrの混合ガスが用いられる。
タクト孔46b及びコンタクトパッド49bにリンを選
択的にイオン注入し、n型不純物を含有させる。一方、
p+拡散層コンタクト孔46a及びコンタクトパッド4
9bに同様にしてp型不純物を含有させる。
縁膜41,コンタクトパッド49a,49b,セルプレ
ート電極50上に第3層間絶縁膜51を平坦化して形成
する。第3層間絶縁膜51はシリコン酸化膜により構成
され、その成膜方法及び平坦化方法は第1層間絶縁膜3
8の形成の場合と同じである。第3層間絶縁膜51を形
成した後、第3層間絶縁膜51をドライエッチングによ
り加工し、n+拡散層コンタクトパッド49b上及びp+
拡散層コンタクトパッド49a上に上部コンタクト孔5
2を設ける。その後、上部コンタクト孔52を前記と同
様にしてチタン金属膜とタングステン金属膜により埋め
込む。この場合には、これらの金属薄膜はスパッタ法で
成膜した後、ドライエッチングによるエッチバックを施
して上部コンタクト孔52の領域以外に残留するものを
除去する。その後、メモリセル部及び周辺回路部の要所
にアルミ金属配線53を形成し、図1に示す半導体装置
を完成させる。
施形態2に係る半導体装置を示す図であって、図6のA
−B線断面図、図6は同平面図である。
は、参考実施形態1の場合に形成したn+拡散層コンタ
クトパッド,p+拡散層コンタクトパッド等のコンタク
トパッドが形成されていない点で相違するが、この点以
外は参考実施形態1とほぼ同じ構成となっている。以下
参考実施形態1と相違する構成について詳述する。
p型のシリコン基板61の表面にn導電型のNウェル層
62を形成し、周辺回路部とメモリセル部のシリコン基
板61の所定の領域にn導電型のn+拡散層63を形成
し、またNウェル層62内にp導電型のp+拡散層64
を形成する。その後、下部層間絶縁膜65を2層に分け
て形成し(図では一層として図示している)、参考実施
形態1と同様にメモリセルの要所にコンタクト孔及びビ
ット線を形成する。下部層間絶縁膜65はシリコン酸化
膜により構成する。下部層間絶縁膜65の表面は平坦化
し、メモリセル部と周辺回路部との膜厚を同じにする
が、絶縁膜65の平坦化はCMP法により処理される。
下部層間絶縁膜65を被覆するように中間部層間絶縁膜
66を形成し、n+拡散層コンタクト孔67b及びp+拡
散層コンタクト孔67aをそれぞれ周辺回路部のn+拡
散層63上及びp+拡散層64上に設ける。これらのコ
ンタクト孔67a,67bは下部層間絶縁膜65と中間
部層間絶縁膜66のドライエッチング処理の工程中にお
いて形成する。
は導電体材を埋め込む。この導電体材としては、セルプ
レート電極68と同様に例えばチタン金属膜とタングス
テン金属膜等が用いられる。また、このように選択する
ことで、このコンタクト孔67a,67bへの導電体材
の埋め込みとセルプレート電極68の形成とを同一工程
で行うことができる。
間絶縁膜66上に上部層間絶縁膜69を形成する。この
形成後、周辺回路部の上部層間絶縁膜69をドライエッ
チングして上部コンタクト孔70を開口する。更に、上
部コンタクト孔70内にチタン金属,アルミ金属,タン
グステン金属等の導電体材を埋め込んだ後、アルミ金属
配線71を形成する。このようにして図5に示す半導体
装置を完成させる。
考実施形態1のようなコンタクトパッドの形成を省略す
ることにより、図6からもわかるように配線の集積度を
向上させることができ、より高密度化した半導体装置に
対応できるという利点を有する。
施形態3に係る半導体装置を示す断面図である。図7に
示すものでは、コンタクト孔が拡散層上の他、ゲート電
極上あるいはビット線上等の上層配線層にも形成される
構成が参考実施形態2と相違している。以下、その相違
点について説明する。
形成したn+拡散層92上,ゲート電極93上、更には
ビット線94上にそれぞれ対応するようにして、n+拡
散層コンタクト孔95,ゲート電極コンタクト孔96及
びビット線コンタクト孔97を形成する。これらの形成
方法は、参考実施形態2で述べたものと同様にして、下
部層間絶縁膜98と中間部層間絶縁膜99の所定の領域
をドライエッチングで加工することにより行われる。こ
の場合には、それぞれの層によってコンタクト孔の深さ
が異なってくる。しかし、これらのコンタクト孔への導
電体材の埋め込みはセルプレート電極100の形成と同
一の工程で行なわれる。また全体を被覆する上部層間絶
縁膜101を形成し、更に絶縁膜101に上部コンタク
ト孔102を設ける。そしてアルミ配線103を形成し
て図7の半導体装置を完成させる。
線の密度は実施形態2の場合よりも更に向上でき、半導
体装置の更なる高密度化に対応できるという利点があ
る。
装置の製造方法について図8と図9に基づいて説明す
る。この場合、半導体装置の製造の初期の工程は参考実
施形態1の製造工程と同じになるところがある。このた
め以下において、同一となる工程は省略するか、あるい
は簡単にして説明する。
び周辺回路部の導電型がp型のシリコン基板111表面
の所定の領域にn導電型のn+拡散層112を形成し、
周辺回路部の基板111の要所にp導電型のPウェル層
113を形成する。その後、ゲート電極114,第1層
間絶縁膜115を形成する。更にビット線116を形成
し、これを被覆して第2層間絶縁膜117を形成する。
そして第2層間絶縁膜117に積層して中間部層間絶縁
膜118を成膜する。ここで、第1層間絶縁膜115及
び第2層間絶縁膜117はシリコン酸化膜により構成す
る。一方中間部層間絶縁膜118は、過剰シリコンを含
むシリコン酸化膜あるいはシリコン窒化膜等の絶縁膜に
より構成する。
の中間部層間絶縁膜118上に容量電極119を設け、
容量電極119を被覆するように容量誘電体膜120を
成膜し、その後、容量誘電体膜120を被覆する容量バ
リヤメタル121を堆積する。
路部におけるn+拡散層112,ゲート電極114及び
ビット線116上の層間絶縁膜115,117にそれぞ
れn+拡散層コンタクト孔122,ゲート電極コンタク
ト孔123及びビット線コンタクト孔124を設ける。
これらのコンタクト孔を形成するにあたっては、まず容
量バリヤメタル121と容量誘電体膜120をドライエ
ッチングで除去した後、中間部層間絶縁膜118及び第
2層間絶縁膜117並びに第1層間絶縁膜115を順次
にエッチングする。次に接着金属薄膜125を、コンタ
クト孔122,123,124の側壁,底部及び容量バ
リアメタル121上に堆積する。ここで、接着金属薄膜
125としては、膜厚が20〜50nmのチタン金属膜
がコリメートスパッタ法により成膜させて形成する。こ
の成膜後、NH3ガス雰囲気の熱処理で、このチタン金
属膜の表面は窒化チタンに置き換える。更に前記熱処理
により、n+拡散層112,ゲート電極114あるいは
ビット線116とチタン金属膜との接触部にチタンシリ
サイドを形成する。このチタンシリサイドは、これら接
触する2物質間の接触抵抗を低減させる働きがある。
を含む基板上にタングステン金属薄膜126をCVD法
により成膜する。この成膜方法は実施形態1の製造方法
で説明したものと同一である。以上のようにして、n+
拡散層コンタクト孔122,ゲート電極コンタクト孔1
23及びビット線コンタクト孔124にチタン金属とタ
ングステン金属とを埋め込む。
部にセルプレートレジストマスク127を形成し、これ
をドライエッチングのマスクとしてタングステン金属薄
膜126と接着金属薄膜125を順次にエッチングす
る。この場合のエッチングガスには、SF6,Cl2及び
HBrの混合ガスを使用し、2ステップのエッチング手
法によりエッチング処理を行う。この2ステップのエッ
チング方法によれば、1ステップでタングステン金属薄
膜126をエッチングし、2ステップで接着金属薄膜1
25をエッチングする。ここで2ステップのエッチング
は、1ステップにおけるエッチング速度よりも小さいエ
ッチング速度にして行う。
122,ゲート電極コンタクト孔123及びビット線コ
ンタクト孔124に導電体材を埋め込むと共に、セルプ
レート電極128も同時に形成する。
縁膜129を成膜し、コンタクトレジストマスク130
をドライエッチングのマスクとして上部コンタクト孔1
31を第3層間絶縁膜129に開口する。ここで第3層
間絶縁膜129はシリコン酸化膜により構成する。この
ドライエッチングにおけるエッチングガスはC4F5とC
Iの混合ガスを用いる。このようなエッチングガスを選
択することにより、第3層間絶縁膜129と中間部層間
絶縁膜118のエッチング比を高め、上部コンタクト孔
131が形成された後でも中間部層間絶縁膜118が残
存するようにする。例えば、中間部層間絶縁膜118が
過剰シリコンを含むシリコン酸化膜で形成されている場
合には、二酸化シリコン膜に過剰シリコンを2〜12a
t%含有するようにする。ここで過剰シリコン量が2a
t%以上になると、この膜のエッチング速度は急激に低
下し、上記エッチング比は15以上になる。しかし過剰
シリコンの含有量が12at%を超えると膜の絶縁性は
急激に低下し、その電気抵抗値は二酸化シリコン膜の1
/100以下になる。そこで、層間絶縁膜の絶縁性の確
保からは過剰シリコン量は12at%以下が好ましい。
に上部コンタクト孔131にチタン金属とタングステン
金属を埋め込み、その上部にアルミ金属配線132を形
成し、図7に示す半導体装置を完成させる。
1に係る半導体装置を示す断面図である。図10に示す
ようにシリコン基板301表面に形成したn+拡散層3
02上,ゲート電極305上、更にはビット線307上
にそれぞれ対応するようにn+拡散層コンタクト孔30
9,ゲート電極コンタクト310及びビット線コンタク
ト孔311を形成する。その後、窒化チタニウム313
を容量電極に必要な膜厚だけ形成して各コンタクト孔3
09,310,311内に充填し、窒化チタニウム31
3をパターニングして容量電極314とn+拡散層30
2に対するコンタクトパッド315とゲート電極305
に対するコンタクトパッド316と更にはビット線30
7に対するコンタクトパッド317をそれぞれ形成す
る。
成する。容量誘電体膜としては、従来から広く使われて
いる窒化シリコン膜でも良いが、誘電率の高いタンタル
酸化膜(Ta2O5)318を用いても良く、ここでは1
0nm程度のTa2O5膜318を用いている。
タニウム膜319とタングステンシリサイド320を順
次形成した後、これらタンタル酸化膜318,タングス
テンシリサイド320によりメモリセル領域の容量電極
314上にセルプレート電極321を形成する。
た後、n+拡散層302,ゲート電極305,ビット線
307に対するコンタクトパッド315,316,31
7に達する第2のコンタクト孔326を形成する。
4で第1のAl配線325を形成する。この際、バリア
金属として、例えば下からチタニウム,窒化チタニウム
を用い、その上にCVD法で形成したタングステン金属
膜により第2のコンタクト孔326内を充填してもよ
い。
回路部とメモリセル部のn+拡散層,p+拡散層,ゲート
電極,ビット線すべてに対し、同時に第2のコンタクト
孔326を形成しているため、メモリセル領域と周辺回
路領域とで別の工程でコンタクト孔を形成した実施形態
1,2,3に比べて工程数を少なくすることができる。
ト電極,ビット線に対するコンタクトパッドを形成して
いるため、メモリセル部と周辺回路部で高低差がほとん
ど形成されないため、第2のコンタクト孔は浅く形成で
き、必ずしもコンタクト孔内をCVD法によるタングス
テン金属等で充填する必要はなく、浅いコンタクト孔は
容易に形成可能であり、歩留りも向上することができ
る。
の製造方法について図11と図12に基づいて説明す
る。本実施形態の場合、半導体装置の製造の初期の工程
では参考実施形態3と同じとなるところがある。このた
め以下において、同一となる工程は省略するか、あるい
は簡単に説明する。
及び周辺回路部の導電型がp型のシリコン基板301表
面の所定の領域にn導電型のn+拡散層302を形成
し、周辺回路部領域の基板301にp導電型のPウェル
層303を形成する。このようにした後、ゲート電極3
05,第1層間絶縁膜306を形成する。更にビット線
307を形成し、これを被覆して第2層間絶縁膜308
を形成し、層間絶縁膜308にn+拡散層302,ゲー
ト電極3,5,ビット線307に達する第1のコンタク
ト孔309,310,311を形成する。
よりチタニウム膜312と窒化チタニウム膜313を、
コンタクト孔309,310,311を含む基板301
上に形成する。チタニウム膜312は四塩化チタニウム
(TiCl4)と水素(H2)を用いたプラズマCVD法
により5〜30nmの厚さに形成し、窒化チタニウム膜
313は四塩化チタニウムとアンモニア(NH3)を用
いた減圧CVDで0.6〜1.0μmの厚さに形成す
る。成長温度は、チタニウム膜312,窒化チタニウム
膜313ともに650℃程度とする。チタニウム膜31
2の成長時、温度が高いため、n+拡散層302上は、
図には記載していないが、チタンシリサイドになってい
る。窒化チタニウム膜313の成長は、テトラキシジメ
チルアミノチタニウム(TDMAT)やテトラキシジエ
チルアミノチタニウム(TDEAT)等の有機系の材料
ガスを用いて熱分解による減圧CVD法で形成しても良
い。この膜は、膜中に炭素が入って比抵抗は高くなる
が、応力が小さいため、膜厚を厚く形成可能であり、コ
ンタクト孔部分での段差被覆性も優れているため、微細
なコンタクト孔にも充填可能となる。
フィ技術及び及びドライエッチング技術を用いて窒化チ
タニウム膜313,チタニウム膜312をパターニング
して容量電極314を形成すると同時に、n+拡散層3
02とゲート電極305とビット線307に対するコン
タクトパッド315,316,317をそれぞれ形成す
る。
酸化膜(Ta2O5)318,窒化チタニウム膜319,
タングステンシリサイド320をそれぞれ10nm,1
00nm,100nm程度の厚さに形成する。タンタル
酸化膜318はエトキシタンタルと酸素を用い、例えば
圧力1Tarr,基板温度450℃程度条件で減圧CV
D法により形成し、窒化チタニウム膜319,タングス
テンシリサイド320をスパッタリング法により形成す
る。
リセル部にセルプレートパターンとなるフォトレジスト
マスクを形成し、このフォトレジストマスクをマスクと
してタンタル酸化膜318,窒化チタニウム319,タ
ングステンシリサイド320を順次ドライエッチング法
によりエッチングして、セルプレート電極321を形成
する。
絶縁膜322を形成した後、コンタクトのフォトレジス
トマスクパターンをマスクとしてドライエッチング法に
よりn+拡散層302,ゲート電極305,ビット線3
07に対するコンタクトパッド315,316,317
に達する第2のコンタクト孔326を第3層間絶縁膜3
21に形成する。第3層間絶縁膜322はシリコン酸化
膜で形成し、ドライエッチングはCHF3とCOガスを
用いることにより、コンタクトパッド315,316,
317をなす窒化チタニウム313はほとんどエッチン
グされない。
トパッド315,316,317を含む基板上にバリア
金属膜323,Al合金膜324を形成し、その後バリ
ア金属膜323とAl合金膜324を順次スパッタリン
グ法により形成し、これらをAl配線のフォトレジスト
をマスクとしてドライエッチング法により、Al合金膜
324,バリア金属膜323をエッチングして第1のA
l配線325を形成するとともに、コンタクト孔31
5,316,317内にバリア金属膜323及びAl合
金膜324を充填する。バリア金属膜323としては窒
化チタニウムやチタニウムを用い、Al合金膜324は
450〜550℃の高温でスパッタすることにより第2
のコンタクト孔315,316,317内にAl合金膜
324により充填することが可能である。その理由は、
第2のコンタクト孔が浅く形成できるためである。
ば、メモリセル領域におけるn+拡散層302に対する
コンタクト孔309内に容量電極をなすチタニウム膜3
12,窒化チタニウム膜313を充填しているため、従
来技術及び他の参考実施形態のようにポリシリコンで形
成する方法に比べコンタクト抵抗を低抵抗に形成できる
という利点がある。
等の高温のプロセスを必要としないため、浅い接合で形
成された素子の特性を悪化させることはなく、またタン
タル酸化膜のように500℃以上の熱で特性が悪化する
ような容量誘電体膜も使用可能となる。したがって、容
量誘電体膜として、タンタル酸化膜の他、Y1と呼ばれ
るSrBi2Ta2O9等の強誘電体材料も使用可能とな
る。
Mに適用した場合について示したが、本発明はDRAM
以外の半導体装置にも同様に適用できる。
成及びコンタクト孔への導電体の埋め込みが2階層で形
成される場合について説明したが、本発明はこれに限定
されるものでなく、それ以上の階層で形成する場合も含
むものである。
上部層間絶縁膜と下部層間絶縁膜との間に中間部層間絶
縁膜を形成し、上部層間絶縁膜に上部コンタクト孔を形
成する際のエッチングストッパーの役割を持たせたが、
上部層間絶縁膜のエッチング速度が下部層間絶縁膜のそ
れに比し大きくなる材料を選択すれば、この中間部層間
絶縁膜は不要となる。例えば、このような材料として上
部層間絶縁膜にポリイミドなどの有機絶縁膜を選択する
と効果がある。
導体装置の多層の配線間の接続あるいはシリコン基板表
面に形成された拡散層と配線の接続を行うにあたって、
それらを接続するためのコンタクト孔の形成と、コンタ
クト孔への導電体材の埋め込みとを、複数の段階に分け
て重層構造になるように行うため、層間絶縁膜厚が増大
してコンタクト孔のアスペクト比が増大した半導体装置
を容易に製造することができる。
体材の埋め込みを例えばセルプレート電極や容量電極の
ような電極配線の形成と同一の工程で行うことにより、
配線形成全体の工程を短縮することができる。また容量
電極を窒化チタニウムで形成すれば、容量電極のコンタ
クト抵抗を小さくでき、タンタル酸化膜や強誘電体の使
用が容易となる。
増大は、半導体素子の微細化と3次元化によって必至と
なってきており、これに対応できる本発明は、今後更に
高集積化し高機能化する半導体装置の実現を容易にす
る。
面図である。
図である。
断面図である。
断面図である。
面図である。
図である。
面図である。
断面図である。
断面図である。
図である。
面図である。
面図である。
ある。
n+拡散層 6,37,64 p+拡散層 7,39,211, ビット線コンタクト孔 8,40,94,116,307 ビット線 9,42 容量電極コンタクト孔 10,43,68a,119,314 容量電極 11,44,120 容量誘電体膜 12,45,121 容量バリヤメタル 12a,47,125 接着金属薄膜 13b,46a,67b,95,122,309 n+
拡散層コンタクト孔 13a,46a,67a p+拡散層コンタクト孔 14b,49b,315 n+拡散層コンタクトパッド 14a,49a p+拡散層コンタクトパッド 14c,50,68,100,128,321 セルプ
レート電極 15,52,70,102,131 上部コンタクト孔 16,53,71,101,132 アルミ配線 17 層間絶縁膜 38,115,306 第1層間絶縁膜 41,117,308 第2層間絶縁膜 48,126 タングステン金属薄膜 51,129,322 第3層間絶縁膜 65,98 下部層間絶縁膜 66,99,118 中間部層間絶縁膜 69,101 上部層間絶縁膜 96,123,310 ゲート電極コンタクト孔 97,124,311 ビット線上コンタクト孔 127 セルプレートレジストマスク 130 コンタクトレジストマスク 303 Pウェル層 312 チタニウム膜 313,319 窒化チタニウム膜 316 ゲート電極コンタクトパッド 317 ビット線コンタクトパッド 318 タンタル酸化膜 320 タングステンシリサイド 323 バリア金属膜 324 Al合金膜
Claims (5)
- 【請求項1】 シリコン基板のメモリセル拡散領域及び
周辺回路領域の各領域に拡散層及び配線層を形成するト
ランジスタ形成工程と、 前記トランジスタ形成工程後、前記シリコン基板上に第
1の層間絶縁膜を形成する第1層間絶縁膜形成工程と、 前記第1の層間絶縁膜の表面を平坦化する層間絶縁膜平
坦化工程と、 前記平坦化した第1の層間絶縁膜にメモリセル拡散領域
に達する第1のコンタクト孔と、前記周辺回路領域の拡
散層又は配線層に達する第2のコンタクト孔を形成する
第1コンタクト孔形成工程と、 前記第1コンタクト孔形成工程後、前記第1及び第2の
コンタクト孔を埋設する容量電極膜を形成する容量電極
膜形成工程と、 前記容量電極膜を前記第1のコンタクト孔を介して前記
メモリセル拡散領域と接続する容量電極と、前記第2の
コンタクト孔を介して前記周辺回路領域の拡散層又は配
線層と接続するとともに、前記第1の層間絶縁膜の表面
にコンタクトパッドを有するコンタクト電極とにパタニ
ングする容量電極膜エッチング工程と、前記容量電極膜
エッチング工程後、前記シリコン基板に容量誘電体膜を
形成する容量誘電体膜形成工程と、 前記容量電極にセルプレート電極膜を形成するセルプレ
ート電極形成工程と、前記セルプレート電極形成工程後、前記シリコン基板上
に第2の層間絶縁膜を形成する第2層間絶縁膜形成工程
と、 前記コンタクト電極に達する第3のコンタクト孔を前記
第2の層間絶縁膜に形成する第2コンタクト孔形成工程
と、 前記第2コンタクト孔形成工程後、配線層を形成する配
線層形成工程とをさらに有する、 ことを特徴とする半導
体装置の製造方法。 - 【請求項2】 前記容量電極膜は、窒化チタニウム膜か
らなることを特徴とする請求項1記載の半導体装置の製
造方法。 - 【請求項3】 前記容量電極膜は、チタニウム膜及び窒
化チタニウム膜の積層膜であることを特徴とする請求項
1記載の半導体装置の製造方法。 - 【請求項4】 前記容量誘電体膜はタンタル酸化膜であ
ることを特徴とする請求項1乃至3何れか一項に記載の
半導体装置の製造方法。 - 【請求項5】 前記セルプレート電極膜は、窒化チタニ
ウム膜及びタングステンシリサイド膜の積層膜であるこ
とを特徴とする請求項1乃至4何れか一項に記載の半導
体装置の製造方法。
Priority Applications (1)
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JP00373599A JP3415462B2 (ja) | 1994-07-29 | 1999-01-11 | 半導体装置の製造方法 |
Applications Claiming Priority (3)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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JP17788194 | 1994-07-29 | ||
JP6-177881 | 1994-07-29 | ||
JP00373599A JP3415462B2 (ja) | 1994-07-29 | 1999-01-11 | 半導体装置の製造方法 |
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Publication Number | Publication Date |
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JPH11251559A JPH11251559A (ja) | 1999-09-17 |
JP3415462B2 true JP3415462B2 (ja) | 2003-06-09 |
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ID=26337371
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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JP00373599A Expired - Lifetime JP3415462B2 (ja) | 1994-07-29 | 1999-01-11 | 半導体装置の製造方法 |
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Country | Link |
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JP (1) | JP3415462B2 (ja) |
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JP2011082223A (ja) * | 2009-10-02 | 2011-04-21 | Renesas Electronics Corp | 半導体集積回路装置 |
-
1999
- 1999-01-11 JP JP00373599A patent/JP3415462B2/ja not_active Expired - Lifetime
Also Published As
Publication number | Publication date |
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JPH11251559A (ja) | 1999-09-17 |
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