JP4134405B2 - 半導体素子の製造方法及び半導体素子 - Google Patents
半導体素子の製造方法及び半導体素子 Download PDFInfo
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は,半導体素子の製造方法及び半導体素子にかかり,特に,配線層とコンタクトの構造に特徴を有する半導体素子の製造方法及び半導体素子に関する。
【0002】
【従来の技術】
近年における半導体集積回路のコンパクト化や歩留まりの向上等の要請により,半導体素子の製造過程において通常のフォトリソグラフィにより得られる線幅よりも微細な素子加工技術が要求される場合がある。かかる微細な配線層もしくはホールを形成しようとする際の素子加工技術を,図6を参照しながら説明する。なお,以下では,例えばCVD(Chemical Vapor Deposition)により堆積された酸化膜上に配線層を形成する場合について説明するが,酸化膜上にコンタクトホールを形成する場合等にも実質的に同様の技術が適用される。
【0003】
まず,配線層を形成する領域である酸化膜41に通常のフォトリソグラフィ技術によるエッチングで配線層を埋め込む溝41aを形成する(図6(a)参照のこと)。次いで,配線層を埋め込む溝41aの側壁に沿って,例えば窒化膜を形成する。配線層を埋め込む溝41aの側壁に沿って窒化膜(以下「サイドウォール」と称する。)を形成し,サイドウォールをマスクとして用いることにより,その下層に,通常のフォトリソグラフィにより得られる線幅よりも微細な配線層を形成することが可能である。
【0004】
上述のサイドウォールの形成は以下のように行われる。まず,配線層を埋め込む溝41aが形成された酸化膜41の上面全体に所定の厚さの窒化膜42を堆積させる(図6(b)参照のこと)。なお,窒化膜の代わりに酸化膜を堆積させる場合もある。次いで,異方性エッチングにより窒化膜41をエッチングして配線層を埋め込む溝41aの側壁に沿ってサイドウォール43を形成する。この際,サイドウォール43の上面に湾曲部43aが形成される(図6(c)参照のこと)。
【0005】
次いで,サイドウォール43が側壁に形成された溝41aの全面に配線層を形成する金属44をCVD法,スパッタ法,リフロー技術等で堆積させる(図6(d)参照のこと)。金属44としては,例えばアルミニウム(Al),銅(Cu),タングステン(W),ポリシリコン(Polysilicon)等が用いられる。さらに,金属44をエッチバック,もしくは,化学機械研磨(CMP:Chemical Mechanical Polishing)により平坦化し,配線層45を形成する(図6(e)参照のこと)。
【0006】
以上説明したように,サイドウォール形成を利用することで,通常のフォトリソグラフィにより得られる線幅より微細な寸法の配線やコンタクトホールの形成が可能となる。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
ところで,上述のように,サイドウォール43形成時には,図6(c)に示したように,サイドウォール43の上面に湾曲部43aが形成される。従って,サイドウォール43の上部に形成された湾曲部43aの形状に反映されて,配線層45は,図6(e)に示したように,上部が広がった形状になる。
【0008】
上記半導体素子の製造方法をDRAM(Dynamic Random Access Memory)のスタックトキャパシタセルに応用した場合の断面模式図を図7に示す。ビット線46は,図7に示したように,上部が広がった形状となる。そのため,セル・コンタクト47とのアライメント余裕(図中の符号a)を小さくしてしまい,歩留りを下げるという問題があった。また,ストレージノード48とセル・コンタクト47との余裕(図中の符号b)も小さくなり歩留りを下げるという問題があった。
【0009】
さらに,上記方法により配線層を形成し,窒化膜等の比誘電率の高い膜でサイドウォールを形成すると,微細配線で問題となる配線間の隣接容量をさらに増大させることになるという問題があった。また,配線層の下層にコンタクトを形成する場合には,その形成が困難になるという問題があった。
【0010】
本発明は,従来の半導体素子の製造方法及び半導体素子が有する上記問題点に鑑みてなされたものであり,本発明の目的は,サイドウォール形成による微細加工技術において,配線層の上部が広がった形になることなく,歩留まりを上げることの可能な,新規かつ改良された半導体素子の製造方法及び半導体素子を提供することである。
【0011】
さらに,本発明の別の目的は,サイドウォール形成による微細加工技術において,配線層の厚さを正確に制御でき,歩留まりを上げることの可能な,新規かつ改良された半導体素子の製造方法及び半導体素子を提供することである。
【0012】
さらに,本発明の別の目的は,サイドウォール形成による微細加工技術において隣接容量を低減することの可能な,新規かつ改良された半導体素子の製造方法及び半導体素子を提供することである。
【0013】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため,請求項1によれば,半導体素子の製造方法において:酸化膜に開口部を形成する第1工程と;開口部の側壁に沿って絶縁膜を形成する第2工程と;開口部に金属を埋め込んだ後,当該金属を酸化膜に対して平坦化させる第3工程と;絶縁膜の上部に形成される湾曲部が突出するように,酸化膜をエッチングする第4工程と;第4工程により突出させた絶縁膜の湾曲部と当該湾曲部に対応した金属とを,第4工程でエッチングされた酸化膜上面と実質的に同一の高さになるまで除去して,酸化膜,絶縁膜及び金属を平坦化する第5工程とを含むことを特徴とする半導体素子の製造方法が提供される。なお,絶縁膜は,請求項2に記載のように,窒化膜であってもよい。
【0014】
かかる製造方法によれば,側壁に沿って形成された絶縁膜を使用することにより,開口部を通常のフォトリソグラフィにより得られる線幅より微細化することが可能である。さらに,埋め込まれた金属の上部の広がった部分を除去することにより,金属の上層が広がった形状でないパターンとすることができ,歩留まりを向上させることが可能である。
【0015】
さらに,第5工程,すなわち絶縁膜及び金属を除去する工程は,請求項3に記載のように,化学機械研磨(CMP)により行われることが好ましい。かかる方法によれば,CMPの機械的研磨の性質から,容易に,絶縁膜及び金属を同時に除去することが可能である。
【0016】
また,請求項4によれば,半導体素子の製造方法において:下層酸化膜,窒化膜,上層酸化膜を所定の膜厚で順次堆積させ層間膜を形成する第1工程と;層間膜に開口部を形成する第2工程と;開口部の側壁に沿って絶縁膜を形成する第3工程と;開口部に金属を埋め込んだ後,当該金属を上層酸化膜に対して平坦化させる第4工程と;絶縁膜の上部に形成される湾曲部が突出するように,上層酸化膜をエッチングする第5工程と;第5工程により突出させた絶縁膜の湾曲部と当該湾曲部に対応した金属とを,窒化膜上面と実質的に同一の高さになるまで除去して,酸化膜,絶縁膜及び金属を平坦化する第6工程とを含み,第1工程では,第2工程で絶縁膜の上部に形成される湾曲部が窒化膜上面から突出する高さまで,当該窒化膜を堆積させることを特徴とする半導体素子の製造方法が提供される。なお,絶縁膜は,請求項5に記載のように,窒化膜であってもよい。
【0017】
かかる製造方法によれば,配線層加工の際に,窒化膜を使用した選択エッチで制御しているので,配線層の形状を正確に制御することができ,歩留まりを向上させることが可能である。
【0018】
さらに,第6工程,すなわち絶縁膜及び金属を除去する工程は,請求項6に記載のように,化学機械研磨(CMP)により行われることが好ましい。かかる方法によれば,CMPの機械的研磨の性質から,容易に,絶縁膜及び金属を同時に除去することが可能である。
【0025】
【発明の実施の形態】
以下に添付図面を参照しながら,本発明にかかる半導体素子の製造方法及び半導体素子の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお,本明細書及び図面において,実質的に同一の機能構成を有する構成要素については,同一の符号を付することにより重複説明を省略する。
【0026】
(第1の実施の形態)
第1の実施の形態にかかる半導体素子の製造方法を,図1を参照しながら説明する。なお,以下では酸化膜上に配線層を形成する場合について説明するが,本発明はこれに限定されるものではなく,例えば,酸化膜上にコンタクトホールを形成する場合等にも本発明は適用可能である。
【0027】
まず,配線層を形成する領域である酸化膜11に通常のフォリソグラフィ技術によるエッチングで配線層を埋め込む溝11aを形成する(図1(a)参照のこと)。次いで,配線層を埋め込む溝11aが形成された酸化膜11の上面全体に所定の厚さの窒化膜12を堆積させる(図1(b)参照のこと)。なお,窒化膜の代わりに酸化膜を堆積させてもよい。
【0028】
次いで,異方性エッチングにより窒化膜12をエッチングして配線層を埋め込む溝11aの側壁にサイドウォール13を形成する。この際,サイドウォール13の上面に湾曲部13aが形成される(図1(c)参照のこと)。このサイドウォール13の膜厚を調整することで,仕上がり時の配線幅を調整することが可能である。
【0029】
次いで,サイドウォール13が側壁に形成された溝11aの全面に配線層を形成する金属14をCVD法,スパッタ法,リフロー技術等で堆積させる(図1(d)参照のこと)。金属14としては,例えばアルミニウム(Al),銅(Cu),タングステン(W),ポリシリコン(Polysilicon)等が用いられる。さらに,金属をエッチバック,もしくは,CMPにより平坦化し,配線層15を形成する。(図1(e)参照のこと)。
【0030】
その後,酸化膜11を所定の深さまでエッチングする。酸化膜11のエッチングは,後述の工程において,サイドウォール13の上部に形成された湾曲部13aを削除することができる深さdまで行われる(図1(f)参照のこと)。
【0031】
次いで,金属系のCMP技術を使うことにより,酸化膜11の上面より上部に突出した金属層15を選択的に除去する。この時,CMPの機械的研磨の性質から,酸化膜11の上面より上部に突出したサイドウォール13も同時に除去されるため,酸化膜11の上面は平坦化される(図1(g)参照のこと)。その後,平坦化された酸化膜11の上面全体に不図示の絶縁膜を堆積し,さらに,不図示の上層の配線層や保護膜を堆積することにより半導体素子が完成する。
【0032】
以上説明したように,本実施の形態にかかる半導体素子の製造方法によれば,サイドウォール13を使用することにより,配線を通常のフォトリソグラフィにより得られる線幅より微細化することが可能である。さらに,配線層の上部の広がった部分をCMPにより除去することにより,上層が広がらない形状でないパターンとずることができ,歩留まりを向上させることが可能である。
【0033】
(第2の実施の形態)
第2の実施の形態にかかる半導体素子の製造方法を,図2及び図3を参照しながら説明する。なお,本実施の形態は,第1の実施の形態にかかる半導体素子の製造方法の製造の制御性をさらに向上させた方法である。また,以下では下層酸化膜,窒化膜,上層酸化膜から成る膜(以下,「層間膜」と称する。)上に配線層を形成する場合について説明するが,本発明はこれに限定されるものではなく,例えば,層間膜上にコンタクトホールを形成する場合等にも本発明は適用可能である。
【0034】
まず,下層酸化膜211,窒化膜212,上層酸化膜213を順次堆積させることにより,層間膜21を形成する。次いで,層間膜21に通常のフォトリソグラフィ技術によるエッチングで配線層を埋め込む溝21aを形成する(図2(a)参照のこと)。次いで,配線層を埋め込む溝21aが形成された層間膜21の上面全体に所定の厚さの窒化膜22を堆積させる(図2(b)参照のこと)。なお,窒化膜の代わりに酸化膜を堆積させてもよい。
【0035】
次いで,異方性エッチングにより窒化膜22をエッチングして配線層を埋め込む溝21aの側壁にサイドウォール23を形成する。この際,サイドウォール23の上面に湾曲部23aが形成される(図2(c)参照のこと)。このサイドウォール23の膜厚を調整することで,仕上がり時の配線幅を調整することが可能である。
【0036】
次いで,サイドウォール23が側壁に形成された溝21aの全面に配線層を形成する金属24をCVD法,スパッタ法,リフロー技術等で堆積させる(図2(d)参照のこと)。金属24としては,例えばアルミニウム(Al),銅(Cu),タングステン(W),ポリシリコン(Polysilicon)等が用いられる。さらに,金属をエッチバック,もしくは,CMPにより平坦化し,配線層25を形成する(図2(e)参照のこと)。
【0037】
次いで,上層酸化膜213をエッチングする。このとき,第2の酸化膜213と窒化膜212の選択比がとれるエッチング条件により行い,エッチングが窒化膜212上面で確実に終了するようにする(図2(f)参照のこと)。
【0038】
次いで,金属系のCMP技術を使うことにより,窒化膜212の上面より上部に突出した金属層25を選択的に除去する。この時,CMPの機械的研磨の性質から,窒化膜212の上面より上部に突出したサイドウォール23も同時に除去されるため,窒化膜212の上面は平坦化される(図2(g)参照のこと)。その後,不図示の絶縁膜を堆積し,さらに,平坦化された窒化膜212の上面全体に不図示の上層の配線層や保護膜を堆積することにより半導体素子が完成する。
【0039】
以上説明したように,本実施の形態にかかる半導体素子の製造方法によれば,第1の実施の形態の場合と同様の効果が得られるほか,窒化膜212を使用した選択エッチで制御しているので,サイドウォール23の湾曲部23aを除去する際のエッチング深さを正確に制御することができ,略垂直な形状の配線層を正確に制御することが可能である。
【0040】
上記第1の実施の形態または第2の実施の形態をDRAMのスタックト・キャパシタ・セルに応用した場合について,図3に示した断面模式図を参照しながら説明する。ビット線26は,図3に示したように,フォトリソグラフィで決まる寸法以下に微細化され,さらに,上部も広がった形状になっていない。そのため,セル・コンタクト27とのアライメント余裕(図中の符号a)を十分にとることができ,歩留りを向上させることが可能である。また,ストレージ・ノード28と,セル・コンタクト27との余裕(図中の符号b)も大きくなり,この点でもさらに歩留りを向上させることが可能である。
【0041】
(第3の実施の形態)
第3の実施の形態にかかる半導体素子の製造方法を,図4及び図5を参照しながら説明する。なお,本実施の形態は,配線層の下に小さいコンタクトホールを開け,さらに,配線間容量も下げられるようにした構造の製造方法である。なお,以下では下層酸化膜上にコンタクトを形成し,上層酸化膜上に配線層を形成する場合について説明するが,本発明はこれに限定されるものではなく,例えば,上層酸化膜上にコンタクトを形成する場合等にも本発明は適用可能である。
【0042】
まず,コンタクト層を形成する領域である下層酸化膜30を堆積させ,その上面に,配線層を形成する領域である上層酸化膜311を堆積させる。さらに,上層酸化膜311の上面には,第2の実施の形態と同様に,エッチングを確実に終了させるための窒化膜312を堆積させておくことが望ましい。窒化膜312の膜厚は,コンタクトホールをエッチングする際に,なくならない程度の膜厚を選択すればよい。
【0043】
次いで,配線層を形成する領域である上層酸化膜311に通常のフォトリソグラフィ技術によるエッチングで配線層を埋め込む溝31aを形成する(図4(a)参照のこと)。次いで,配線層を埋め込む溝31aが形成された上層酸化膜311の上面全体に所定の厚さの窒化膜32を堆積させる(図4(b)参照のこと)。なお,窒化膜の代わりに酸化膜を堆積させてもよい。
【0044】
次いで,異方性エッチングにより窒化膜32をエッチングして配線層を埋め込む溝11aの側壁にサイドウォール33を形成する。この際,サイドウォール33の上部に湾曲部33aが形成される(図4(c)参照のこと)。このサイドウォール33の膜厚を調整することで,仕上がり時の配線幅を調整することが可能である。さらに,上面に堆積した窒化膜312,及び,側面に堆積したサイドウォール33をマスクに,異方性エッチングにより下層のコンタクト層が形成される下層酸化膜30にコンタクトホール30aを形成する(図4(c)参照のこと)。
【0045】
次いで,サイドウォール33が側壁に形成された溝31a,及びコンタクトホール30aの全面に配線層及びコンタクトを形成する金属34をCVD法,スパッタ法,リフロー技術等で堆積させる(図4(d)参照のこと)。金属34としては,例えばアルミニウム(Al),銅(Cu),タングステン(W),ポリシリコン(Polysilicon)等が用いられる。さらに,金属をエッチバック,もしくは,CMPにより平坦化し,配線層及びコンタクト35を形成する(図5(e)参照のこと)。
【0046】
次いで,等方性エッチングにより上面の窒化膜312,及び,配線層及びコンタクト35の側面のサイドウォール33を選択的に除去する(図5(f)参照のこと)。
【0047】
次いで,上層酸化膜311の上面に酸化膜36を堆積する。この時,CVD法の条件を調整する等してステップカバレージ(段差被覆性)の悪い条件を使用し,配線層の側面には空洞37を残すように,酸化膜36を堆積する(図5(g)参照のこと)。ステップカバレージの悪い条件とするには,例えば,シラン(SiH4)を原料ガスとし,さらに,リンをドーピングする方法等がある。
【0048】
以上説明したように,本実施の形態にかかる半導体素子の製造方法によれば,サイドウォール33をマスクとして用いて,下層のコンタクトホール30aを開口しており,フォトリソグラフィの限界で決まる寸法以下のホールを形成できる。従って,コンタクトと配線とのマスク合わせのずれが発生することがない。従って,微細な配線と微細なコンタクトとの接触から成る半導体素子を歩留り良く製造することが可能である。
【0049】
さらに,配線層の側壁窒化膜を除去することにより,配線層の両隣りに,寸法の制御性の良く,確実に空洞を形成することができる。配線層の両隣りに空洞を形成することで,配線が平行に複数本走る場合,配線間のカップリング容量(隣接容量)を大幅に低減することができ,配線負荷容量を小さくし,LSIの動作速度の向上,消費電力の低減を図ることが可能である。
【0050】
以上,添付図面を参照しながら本発明にかかる半導体素子の製造方法及び半導体素子の好適な実施形態について説明したが,本発明はかかる例に限定されない。当業者であれば,特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり,それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
【0051】
例えば,本発明は,DRAMに代表されるメモリセル内の配線,及び,コンタクト,また,Logic系に代表される多層配線,Viaホール等,LSIの配線,及び,コンタクト形成に対して一般的に応用できる。
【0052】
また,上記実施の形態では,窒化膜によりサイドウォールを形成する場合について説明したが,本発明はこれに限定されない。例えば,酸化膜によりサイドウォールを形成する場合であっても同様に本発明は適用可能である。
【0053】
また,上記第3の実施の形態では,配線とコンタクトとを同様の組成の金属で形成する場合について説明したが,本発明はこれに限定されない。配線とコンタクトとを異なる組成の金属で形成する場合であっても同様に本発明は適用可能である。
【0054】
【発明の効果】
以上説明したように,本発明にかかる半導体素子の製造方法及び半導体素子によれば,以下のような優れた効果を奏する。
【0055】
請求項1または2に記載の半導体素子の製造方法によれば,側壁に沿って形成された絶縁膜を使用することにより,開口部を通常のフォトリソグラフィにより得られる線幅より微細化することが可能である。さらに,埋め込まれた金属の上部の広がった部分を除去することにより,金属の上層が広がった形状でないパターンとすることができ,歩留まりを向上させることが可能である。
【0056】
請求項3または6に記載の半導体素子の製造方法によれば,CMPの機械的研磨の性質から,容易に,絶縁膜及び金属を同時に除去することが可能である。
【0057】
請求項4または5に記載の半導体素子の製造方法によれば,配線層加工の際に,窒化膜を使用した選択エッチで制御しているので,配線層の形状を正確に制御することができ,歩留まりを向上させることが可能である。
【0058】
請求項7,8または9のいずれかに記載の半導体素子の製造方法によれば,開口部の側壁に沿って形成された絶縁膜をマスクとして用いて,下層の酸化膜に開口部を形成しており,フォトリソグラフィの限界で決まる寸法以下の開口部を,上層の酸化膜に形成する開口部と同時に形成できる。従って,上層の酸化膜に形成される開口部と下層の酸化膜に形成される開口部とにマスク合わせのずれが発生することがない。従って,例えば,上層の酸化膜に配線を形成し,下層の酸化膜にコンタクトを形成する場合,配線とコンタクトとの接触を高精度で実現できる。
【0059】
さらに,上層の開口部の側壁に形成された絶縁膜を除去することにより,配線層の両隣りに,寸法の制御性良く,確実に空洞を作ることができる。このことは,配線が平行に複数本走る場合,その間のカップリング容量(隣接容量)を大幅に低減することに効果があり,配線負荷容量を小さくし,LSIの動作速度の向上,消費電力の低減に有効である。
【0060】
請求項10に記載の半導体素子によれば,素子基板において配線が平行に複数形成される場合,配線間のカップリング容量(隣接容量)を大幅に低減することができ,配線負荷容量を小さくし,LSIの動作速度の向上,消費電力の低減等に有効である。
【0061】
請求項11に記載の半導体素子は,上記半導体素子と同様の効果を奏するだけでなく,少ない工程数で容易に製造することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図1】発明の第1の実施の形態にかかる半導体素子の製造方法の説明図である。
【図2】発明の第2の実施の形態にかかる半導体素子の製造方法の説明図である。
【図3】第2の実施の形態にかかる半導体素子の製造方法をDRAMのスタックト・キャパシタ・セルに応用した場合の断面図である。
【図4】発明の第3の実施の形態にかかる半導体素子の製造方法の第1〜第4工程の説明図である。
【図5】発明の第3の実施の形態にかかる半導体素子の製造方法の第5〜第7工程の説明図である。
【図6】従来の半導体素子の製造方法の説明図である。
【図7】従来の半導体素子の製造方法をDRAMのスタックト・キャパシタ・セルに応用した場合の断面図である。
【符号の説明】
11 酸化膜
11a 溝
12 窒化膜
13 サイドウォール
13a 湾曲部
14 金属
15 配線層
Claims (6)
- 半導体素子の製造方法において:
酸化膜に開口部を形成する第1工程と;
前記開口部の側壁に沿って絶縁膜を形成する第2工程と;
前記開口部に金属を埋め込んだ後,当該金属を前記酸化膜に対して平坦化させる第3工程と;
前記絶縁膜の上部に形成される湾曲部が突出するように,前記酸化膜をエッチングする第4工程と;
前記第4工程により突出させた前記絶縁膜の湾曲部と当該湾曲部に対応した前記金属とを,前記第4工程でエッチングされた前記酸化膜上面と実質的に同一の高さになるまで除去して,前記酸化膜,前記絶縁膜及び前記金属を平坦化する第5工程と;
を含むことを特徴とする,半導体素子の製造方法。 - 前記絶縁膜は,窒化膜であることを特徴とする,請求項1に記載の半導体素子の製造方法。
- 前記第5工程は,化学機械研磨により行われることを特徴とする,請求項1または2に記載の半導体素子の製造方法。
- 半導体素子の製造方法において:
下層酸化膜,窒化膜,上層酸化膜を所定の膜厚で順次堆積させ層間膜を形成する第1工程と;
前記層間膜に開口部を形成する第2工程と;
前記開口部の側壁に沿って絶縁膜を形成する第3工程と;
前記開口部に金属を埋め込んだ後,当該金属を前記上層酸化膜に対して平坦化させる第4工程と;
前記絶縁膜の上部に形成される湾曲部が突出するように,前記上層酸化膜をエッチングする第5工程と;
前記第5工程により突出させた前記絶縁膜の湾曲部と当該湾曲部に対応した前記金属とを,前記窒化膜上面と実質的に同一の高さになるまで除去して,前記酸化膜,前記絶縁膜及び前記金属を平坦化する第6工程と;
を含み,
前記第1工程では,前記第2工程で前記絶縁膜の上部に形成される前記湾曲部が前記窒化膜上面から突出する高さまで,当該窒化膜を堆積させることを特徴とする,半導体素子の製造方法 - 前記絶縁膜は,窒化膜であることを特徴とする,請求項4に記載の半導体素子の製造方法。
- 前記第6工程は,化学機械研磨により行われることを特徴とする,請求項4または5に記載の半導体素子の製造方法。
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