JP4058135B2 - 半導体装置のコンタクトホール形成方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は半導体装置の製造方法に係り、さらに詳細にはＳＯＧ層とその上部のキャッピング層を具備する半導体装置のコンタクトホール形成方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体装置を高集積化するためには充分なセル静電容量を確保すべきであるが、この場合、メモリセルの高さが１μｍ以上と高くなってしまう。これによって、セルアレー領域と周辺回路領域間の段差が大きくなり、この結果、後続フォトリソグラフィー工程で乱反射が生じて露光解像度が劣化してしまう。
【０００３】
従って、平坦度に優れた層間絶縁膜が必要とされている。このような層間絶縁膜の形成方法としては現在、ＢＰＳＧ(Borophosphosilicate) のリフロー方法又は０３−ＴＥＯＳ ＵＳＧ(tetraethyl orthosilicate undoped silicate glass) のエッチバック方法が一般に用いられている。
しかしながら、前記ＢＰＳＧのリフロー方法では高温（８５０℃）を一定時間（３０分）以上熱処理すべき短所がある。特に、２５６Ｍｂ以上の高集積半導体装置では高誘電物質としてＴａＯとＢＳＴを採用する必要が高まっており、このため、熱処理工程における適用温度が下がるべきである。一方、前記０３−ＴＥＯＳ ＵＳＧのエッチバック方法は工程が複雑である。さらに、前記二つの方法はいずれも充分な高平坦度を有する層間絶縁膜を提供することができないという限界がある。
【０００４】
単純な工程で熱処理温度が低められると共に高平坦度の層間絶縁膜が得られる方法としてＳＯＧ(Spin On Glass) を層間絶縁膜として用いる方法が提案されたことがある。
しかし、ＳＯＧ系統の物質を層間絶縁膜として用いるためには熱処理を通じて湿式食刻率と吸湿性を減らす必要がある。湿式食刻はコンタクト形成後、導電膜を蒸着する際に自然酸化膜を取り除くために行う。この際、湿式食刻率が大きすぎるとコンタクトホールが過度に大きくなる問題が生ずる。さらに、吸湿性が大きいほど層間絶縁膜の誘電率が大きくなる所、これは半導体装置における誤動作の原因となる。
【０００５】
本発明者らはＳＯＧ層の吸湿を防止するキャッピング層が前述したような吸湿性の問題を解決し得ることを見出した。詳しくは、所定のパターンの形成された下肢膜上にＳＯＧ層を形成した後、７５０℃以下でベーキングする。該ベーキング工程はＳＯＧ物質に含まれたソルベント成分を蒸発させてＳｉＯ2 膜に類似した性質を有する固形膜を残すためである。前記ＳＯＧ層上に吸湿を防止するキャッピング層を形成する。前記キャッピング層に対して任意にアニーリングを行っても良い。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前述したようにキャッピング層を形成する場合、ＳＯＧ層とキャッピング層の湿式食刻率が異なるため食刻後生成されるコンタクトホールのプロファイルが不良となり、よって後続くコンタクトホール埋立工程でボイドが発生してしまう。
【０００７】
一般に、ＳＯＧ層はＰＥＣＶＤ酸化物のような吸湿防止層より速く食刻される。この結果、コンタクトホール形成を形成するための食刻工程時コンタクトホールの縁部から吸湿防止層が突出され、突出部位の下部はＳＯＧが食刻されて凹状となる。このようなコンタクトホールプロファイルによって後続くコンタクトホールの埋立工程でボイドが生成されてしまう。
【０００８】
従って、本発明の目的は、ＳＯＧ層を用いて層間絶縁膜を形成した後、その上部に吸湿を防止するキャッピング層を形成する時、前記ＳＯＧ層とキャッピング層との食刻率の差によるコンタクトプロファイルの不良問題を解決し得る手段を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
前記の目的を達成するために本発明は、キャッピング層とその下部のＳＯＧ層に対して湿式食刻及び乾式食刻を順次に行うことによってコンタクトホールを形成する段階を含む。次に、コンタクトホールの縁部から突出したキャッピング層の突出部位を取り除いてスムーズなプロファイルを得る。前記キャッピング層の突出部位はＡｒイオン食刻によって取り除かれる。
【００１０】
本発明の一実施例によれば、前記湿式食刻無しに乾式食刻のみでコンタクトホールを形成し得る。詳しくは、前記乾式食刻後ウェットコンタクトホールクリーニングを施した後、Ａｒイオン食刻法で食刻することによって、スムーズなプロファイルのコンタクトホールを形成し得る。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、添付した図面に基づき本発明の好ましい実施例を詳細に説明する。
（実施例１）
図１Ａを参照すれば、半導体基板１上にゲート、ビットライン又はＳ−ポリなどのパターン２を形成する。
【００１２】
図１Ｂを参照すれば、前記パターン２の形成された半導体基板上に層間絶縁膜３を形成する。ここで、層間絶縁膜物質としてＳＯＧを用いる。ＳＯＧは液状で適用されるのでボイドを発生させずに狭い空間を埋め込む長所がある。ＳＯＧ物質はアルコール性溶媒に混合されたシロキサン又はシリケートであって、これをベーキングすると溶媒は蒸発され、固形膜のみ残る。該固形膜はＳｉＯ2 膜に類似した性質を有する。
【００１３】
本発明では有機ＳＯＧと無機ＳＯＧの両方とも用いられる。有機ＳＯＧは工程の単純化、優れた平坦度及び低温熱処理工程の適用可能性などの長所はあるが、その膜内に炭素成分を含有し易く６００℃以上ではクラックが生成される短所がある。
これに対して、無機ＳＯＧの一種であるＨＳＱ(hydrogen silsesquioxan)はスピンコーティング方式によって３０００Å以上の膜を形成することができ、既存のＳＯＧと違ってＨＰＯ(hot plate oven)上でペーキングする時、特定温度に達するとセルフフローする特徴を有する。これによって、より優秀な平坦度を有する上に、７００℃以上の温度でもクラックが発生しない優れたクラック抵抗性を有する。従って、本発明の好ましい実施例によれば、ＳＯＧ物質として前記ＨＳＱが用いられる。
【００１４】
ＨＳＱは４００℃のキュアリング後、３位の誘電率を有する無機ＳＯＧの一種である。しかしながら、既存の無機ＳＯＧとは違って１回コーティングで４０００Å以上の厚さを得ることができる。該ＨＳＱのクラック抵抗力は、大きい段差を有する部分でもクラックが発生しないほど高い。さらに、既存の有機ＳＯＧと異なって膜内に炭素を含有していないためフォトレジストストリップ時行われるＯ2 プラズマの影響を少なく受ける。
【００１５】
前述のごとく、層間絶縁膜としてＨＳＱ層をコーティングした後、４００〜４５０℃で３０〜６０分間熱処理する。この結果、ＨＳＱ層は安定化される。
図１Ｃに示したように、前記ＨＳＱ層の上部に吸湿防止層４を１０００Å以下の厚さに形成する。前記吸湿防止層はＯ2 プラズマ処理したりＣＶＤ、プラズマＣＶＤ、又はＰＥＣＶＤ法などで形成し得る。
【００１６】
図１Ｄを参照すれば、前記吸収防止層４の上部にフォトレジスト５を塗布する。その後、図１Ｅに示したように整列、露光及び現像を通じてフォトレジストパターン５′を形成する。
図２Ａは前記フォトレジストパターン５′の形成された半導体基板に湿式食刻したことを示す。この際、ＨＳＱ層３と吸湿防止層４との食刻率の差によって、キャッピング層の下部が凹状となる。次いで、図２Ｂのように乾式食刻を行うことによってフォトレジストパターン５′を取り除く。その後、Ａｒイオン(Argon ion) で食刻することによって図２Ｃのようなスムーズなプロファイルのコンタクトホールが形成される。この際、７００Å以下の厚さが食刻される。図２Ｄは前記結果物の全面に金属層６を形成することを示したものである。これによって、コンタクトホールのプロファイルがスムーズになり、且つ前記コンタクトホールの埋立時ボイドが生じないことが判る。
【００１７】
（実施例２）
前記実施例１では湿式食刻後乾式食刻を行うことでコンタクトホールを形成したが、実施例２は乾式食刻のみでコンタクトホールを形成した後、Ａｒイオン食刻を用いてコンタクトホールのプロファイルを改善する。
図３Ａ乃至図３Ｃは実施例２によるコンタクトホールの製造方法を順に示した概略断面図である。
図３Ａを参照すれば、半導体基板１１、パターン１２、ＨＳＱ層１３及び吸湿防止層１４が順次に形成され、ここにコンタクトホールが乾式食刻のみで形成される。次いで、ウェットコンタクトホールクリーニングによって、図３Ｂに示したように、吸湿防止層１４の左右縁部が突出したコンタクトホールのプロファイルが形成される。後続工程の金属層の形成前にin-situ で７００Å程度のＡｒイオン食刻を行うと、左右に突出した縁部が食刻されて実施例１のようなスムーズなプロファイルのコンタクトホールが得られる。その後、図３Ｃのように金属層１６を形成するとボイドを発生させずにコンタクトホールを埋め立て得る。
【００１８】
【発明の効果】
以上の実施例は金属配線の下の層間絶縁膜（ＩＬＤ膜）に対するものであったが、当業者にとって本発明は金属配線間の層間絶縁膜（ＩＭＤ膜）にも容易に適用されることが判る。
本発明によれば、ＳＯＧ層上の吸湿防止層が食刻されてもスムーズなプロファイルを有するコンタクトホールが提供されるので、金属層でコンタクトホールを埋め立てる時にボイドが生じない。
【００１９】
本発明は二つの実施例を通じて説明されたが、当業者によって本発明の技術的思想内で多様な変形が可能なのは無論である。
【図面の簡単な説明】
【図１】Ａ〜Ｅは本発明の第１実施例によるコンタクトホール製造方法を順次に示した概略断面図である。
【図２】Ａ〜Ｄは本発明の第１実施例によるコンタクトホール製造方法を順次に示した概略断面図である。
【図３】Ａ〜Ｃは本発明の第２実施例によるコンタクトホール製造方法を順次に示した概略断面図である。
【符号の説明】
１ 半導体基板
２ パターン
３ 層間絶縁膜（ＳＯＧ層、ＨＳＱ層）
４ 吸湿防止層
５ フォトレジスト
５′ フォトレジストパターン
６ 金属層
【発明の属する技術分野】
本発明は半導体装置の製造方法に係り、さらに詳細にはＳＯＧ層とその上部のキャッピング層を具備する半導体装置のコンタクトホール形成方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体装置を高集積化するためには充分なセル静電容量を確保すべきであるが、この場合、メモリセルの高さが１μｍ以上と高くなってしまう。これによって、セルアレー領域と周辺回路領域間の段差が大きくなり、この結果、後続フォトリソグラフィー工程で乱反射が生じて露光解像度が劣化してしまう。
【０００３】
従って、平坦度に優れた層間絶縁膜が必要とされている。このような層間絶縁膜の形成方法としては現在、ＢＰＳＧ(Borophosphosilicate) のリフロー方法又は０３−ＴＥＯＳ ＵＳＧ(tetraethyl orthosilicate undoped silicate glass) のエッチバック方法が一般に用いられている。
しかしながら、前記ＢＰＳＧのリフロー方法では高温（８５０℃）を一定時間（３０分）以上熱処理すべき短所がある。特に、２５６Ｍｂ以上の高集積半導体装置では高誘電物質としてＴａＯとＢＳＴを採用する必要が高まっており、このため、熱処理工程における適用温度が下がるべきである。一方、前記０３−ＴＥＯＳ ＵＳＧのエッチバック方法は工程が複雑である。さらに、前記二つの方法はいずれも充分な高平坦度を有する層間絶縁膜を提供することができないという限界がある。
【０００４】
単純な工程で熱処理温度が低められると共に高平坦度の層間絶縁膜が得られる方法としてＳＯＧ(Spin On Glass) を層間絶縁膜として用いる方法が提案されたことがある。
しかし、ＳＯＧ系統の物質を層間絶縁膜として用いるためには熱処理を通じて湿式食刻率と吸湿性を減らす必要がある。湿式食刻はコンタクト形成後、導電膜を蒸着する際に自然酸化膜を取り除くために行う。この際、湿式食刻率が大きすぎるとコンタクトホールが過度に大きくなる問題が生ずる。さらに、吸湿性が大きいほど層間絶縁膜の誘電率が大きくなる所、これは半導体装置における誤動作の原因となる。
【０００５】
本発明者らはＳＯＧ層の吸湿を防止するキャッピング層が前述したような吸湿性の問題を解決し得ることを見出した。詳しくは、所定のパターンの形成された下肢膜上にＳＯＧ層を形成した後、７５０℃以下でベーキングする。該ベーキング工程はＳＯＧ物質に含まれたソルベント成分を蒸発させてＳｉＯ2 膜に類似した性質を有する固形膜を残すためである。前記ＳＯＧ層上に吸湿を防止するキャッピング層を形成する。前記キャッピング層に対して任意にアニーリングを行っても良い。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前述したようにキャッピング層を形成する場合、ＳＯＧ層とキャッピング層の湿式食刻率が異なるため食刻後生成されるコンタクトホールのプロファイルが不良となり、よって後続くコンタクトホール埋立工程でボイドが発生してしまう。
【０００７】
一般に、ＳＯＧ層はＰＥＣＶＤ酸化物のような吸湿防止層より速く食刻される。この結果、コンタクトホール形成を形成するための食刻工程時コンタクトホールの縁部から吸湿防止層が突出され、突出部位の下部はＳＯＧが食刻されて凹状となる。このようなコンタクトホールプロファイルによって後続くコンタクトホールの埋立工程でボイドが生成されてしまう。
【０００８】
従って、本発明の目的は、ＳＯＧ層を用いて層間絶縁膜を形成した後、その上部に吸湿を防止するキャッピング層を形成する時、前記ＳＯＧ層とキャッピング層との食刻率の差によるコンタクトプロファイルの不良問題を解決し得る手段を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
前記の目的を達成するために本発明は、キャッピング層とその下部のＳＯＧ層に対して湿式食刻及び乾式食刻を順次に行うことによってコンタクトホールを形成する段階を含む。次に、コンタクトホールの縁部から突出したキャッピング層の突出部位を取り除いてスムーズなプロファイルを得る。前記キャッピング層の突出部位はＡｒイオン食刻によって取り除かれる。
【００１０】
本発明の一実施例によれば、前記湿式食刻無しに乾式食刻のみでコンタクトホールを形成し得る。詳しくは、前記乾式食刻後ウェットコンタクトホールクリーニングを施した後、Ａｒイオン食刻法で食刻することによって、スムーズなプロファイルのコンタクトホールを形成し得る。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、添付した図面に基づき本発明の好ましい実施例を詳細に説明する。
（実施例１）
図１Ａを参照すれば、半導体基板１上にゲート、ビットライン又はＳ−ポリなどのパターン２を形成する。
【００１２】
図１Ｂを参照すれば、前記パターン２の形成された半導体基板上に層間絶縁膜３を形成する。ここで、層間絶縁膜物質としてＳＯＧを用いる。ＳＯＧは液状で適用されるのでボイドを発生させずに狭い空間を埋め込む長所がある。ＳＯＧ物質はアルコール性溶媒に混合されたシロキサン又はシリケートであって、これをベーキングすると溶媒は蒸発され、固形膜のみ残る。該固形膜はＳｉＯ2 膜に類似した性質を有する。
【００１３】
本発明では有機ＳＯＧと無機ＳＯＧの両方とも用いられる。有機ＳＯＧは工程の単純化、優れた平坦度及び低温熱処理工程の適用可能性などの長所はあるが、その膜内に炭素成分を含有し易く６００℃以上ではクラックが生成される短所がある。
これに対して、無機ＳＯＧの一種であるＨＳＱ(hydrogen silsesquioxan)はスピンコーティング方式によって３０００Å以上の膜を形成することができ、既存のＳＯＧと違ってＨＰＯ(hot plate oven)上でペーキングする時、特定温度に達するとセルフフローする特徴を有する。これによって、より優秀な平坦度を有する上に、７００℃以上の温度でもクラックが発生しない優れたクラック抵抗性を有する。従って、本発明の好ましい実施例によれば、ＳＯＧ物質として前記ＨＳＱが用いられる。
【００１４】
ＨＳＱは４００℃のキュアリング後、３位の誘電率を有する無機ＳＯＧの一種である。しかしながら、既存の無機ＳＯＧとは違って１回コーティングで４０００Å以上の厚さを得ることができる。該ＨＳＱのクラック抵抗力は、大きい段差を有する部分でもクラックが発生しないほど高い。さらに、既存の有機ＳＯＧと異なって膜内に炭素を含有していないためフォトレジストストリップ時行われるＯ2 プラズマの影響を少なく受ける。
【００１５】
前述のごとく、層間絶縁膜としてＨＳＱ層をコーティングした後、４００〜４５０℃で３０〜６０分間熱処理する。この結果、ＨＳＱ層は安定化される。
図１Ｃに示したように、前記ＨＳＱ層の上部に吸湿防止層４を１０００Å以下の厚さに形成する。前記吸湿防止層はＯ2 プラズマ処理したりＣＶＤ、プラズマＣＶＤ、又はＰＥＣＶＤ法などで形成し得る。
【００１６】
図１Ｄを参照すれば、前記吸収防止層４の上部にフォトレジスト５を塗布する。その後、図１Ｅに示したように整列、露光及び現像を通じてフォトレジストパターン５′を形成する。
図２Ａは前記フォトレジストパターン５′の形成された半導体基板に湿式食刻したことを示す。この際、ＨＳＱ層３と吸湿防止層４との食刻率の差によって、キャッピング層の下部が凹状となる。次いで、図２Ｂのように乾式食刻を行うことによってフォトレジストパターン５′を取り除く。その後、Ａｒイオン(Argon ion) で食刻することによって図２Ｃのようなスムーズなプロファイルのコンタクトホールが形成される。この際、７００Å以下の厚さが食刻される。図２Ｄは前記結果物の全面に金属層６を形成することを示したものである。これによって、コンタクトホールのプロファイルがスムーズになり、且つ前記コンタクトホールの埋立時ボイドが生じないことが判る。
【００１７】
（実施例２）
前記実施例１では湿式食刻後乾式食刻を行うことでコンタクトホールを形成したが、実施例２は乾式食刻のみでコンタクトホールを形成した後、Ａｒイオン食刻を用いてコンタクトホールのプロファイルを改善する。
図３Ａ乃至図３Ｃは実施例２によるコンタクトホールの製造方法を順に示した概略断面図である。
図３Ａを参照すれば、半導体基板１１、パターン１２、ＨＳＱ層１３及び吸湿防止層１４が順次に形成され、ここにコンタクトホールが乾式食刻のみで形成される。次いで、ウェットコンタクトホールクリーニングによって、図３Ｂに示したように、吸湿防止層１４の左右縁部が突出したコンタクトホールのプロファイルが形成される。後続工程の金属層の形成前にin-situ で７００Å程度のＡｒイオン食刻を行うと、左右に突出した縁部が食刻されて実施例１のようなスムーズなプロファイルのコンタクトホールが得られる。その後、図３Ｃのように金属層１６を形成するとボイドを発生させずにコンタクトホールを埋め立て得る。
【００１８】
【発明の効果】
以上の実施例は金属配線の下の層間絶縁膜（ＩＬＤ膜）に対するものであったが、当業者にとって本発明は金属配線間の層間絶縁膜（ＩＭＤ膜）にも容易に適用されることが判る。
本発明によれば、ＳＯＧ層上の吸湿防止層が食刻されてもスムーズなプロファイルを有するコンタクトホールが提供されるので、金属層でコンタクトホールを埋め立てる時にボイドが生じない。
【００１９】
本発明は二つの実施例を通じて説明されたが、当業者によって本発明の技術的思想内で多様な変形が可能なのは無論である。
【図面の簡単な説明】
【図１】Ａ〜Ｅは本発明の第１実施例によるコンタクトホール製造方法を順次に示した概略断面図である。
【図２】Ａ〜Ｄは本発明の第１実施例によるコンタクトホール製造方法を順次に示した概略断面図である。
【図３】Ａ〜Ｃは本発明の第２実施例によるコンタクトホール製造方法を順次に示した概略断面図である。
【符号の説明】
１ 半導体基板
２ パターン
３ 層間絶縁膜（ＳＯＧ層、ＨＳＱ層）
４ 吸湿防止層
５ フォトレジスト
５′ フォトレジストパターン
６ 金属層
Claims (10)
- ＳＯＧ層を層間絶縁膜として用いる半導体装置において、
前記ＳＯＧ層の上部にキャッピング層を形成する段階と、
前記キャッピング層の上部にフォトレジストパターンを形成する段階と、
前記フォトレジストパターンを食刻マスクとして湿式蝕刻を利用して、前記キャッピング層及び前記キャッピング層に隣接した前記ＳＯＧ層の一部を取り除く段階と、
前記フォトレジストパターンを食刻マスクとして乾式蝕刻を利用して、前記ＳＯＧ層の除去された領域の下側を除去してコンタクトホールを形成する段階と、
前記フォトレジストパターンを取り除く段階と、
前記コンタクトホールの縁部に突出したキャッピング層をＡｒイオン食刻で取り除く段階とを含めてなるＳＯＧ層を絶縁膜として具備した半導体装置のコンタクトホール形成方法。 - 前記キャッピング層は１０００Å以下の厚さに形成されることを特徴とする請求項１に記載のＳＯＧ層を絶縁膜として具備した半導体装置のコンタクトホール形成方法。
- 前記キャッピング層はＰＥＣＶＤ法で形成されることを特徴とする請求項１に記載のＳＯＧ層を絶縁膜として具備した半導体装置のコンタクトホール形成方法。
- 前記ＳＯＧ層がＨＳＱからなることを特徴とする請求項１に記載のＳＯＧ層を絶縁膜として具備した半導体装置のコンタクトホール形成方法。
- 前記キャッピング層は７００Å以下の厚さにＡｒ食刻されることを特徴とする請求項１に記載のＳＯＧ層を絶縁膜として具備した半導体装置のコンタクトホール形成方法。
- ＳＯＧ層を層間絶縁膜として用いる半導体装置において、
前記ＳＯＧ層の上部にキャッピング層を形成する段階と、
前記キャッピング層の上部にフォトレジストパターンを形成する段階と、
前記フォトレジストパターンを蝕刻マスクとして乾式蝕刻を利用して、前記キャッピング層及び前記ＳＯＧ層を除去してコンタクトホールを形成する段階と、
前記コンタクトホールをウエットクリーニングする段階と、
前記フォトレジストパターンを取り除く段階と、
前記コンタクトホールの縁部から突出したキャッピング層の突出部をＡｒイオン食刻で取り除く段階と、
前記コンタクトホールを埋め込む金属層を形成する段階と、を含み、
前記Ａｒイオン蝕刻する段階と前記金属層を形成する段階は、 in-situ で行われるＳＯＧ層を絶縁膜として具備した半導体装置のコンタクトホール形成方法。 - 前記キャッピング層は１０００Å以下の厚さに形成されることを特徴とする請求項６に記載のＳＯＧ層を絶縁膜として具備した半導体装置のコンタクトホール形成方法。
- 前記キャッピング層はＰＥＣＶＤ法で形成される酸化膜であることを特徴とする請求項６に記載のＳＯＧ層を絶縁膜として具備した半導体装置のコンタクトホール形成方法。
- 前記ＳＯＧ層がＨＳＱからなることを特徴とする請求項６に記載のＳＯＧ層を絶縁膜として具備した半導体装置のコンタクトホール形成方法。
- 前記キャッピング層は７００Å以下の厚さにＡｒイオン食刻されることを特徴とする請求項６に記載のＳＯＧ層を絶縁膜として具備した半導体装置のコンタクトホール形成方法。
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