JP4992150B2 - 半導体素子のゲート電極形成方法 - Google Patents
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Description
【発明が属する技術分野】
本発明は、ポリマーと酸化膜との研磨選択比の差を用いて、均一な高さのゲート電極を形成し得る半導体素子のゲート電極形成方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
一般的なダマシン工程を用いた従来の半導体素子のゲート電極形成方法を、添付した図8〜図12を参照しながら説明する。
【0003】
まず、図8に示すように、半導体基板10上にパッド酸化膜11とポリシリコン膜12とを蒸着した後、ポリシリコン膜12とパッド酸化膜11とを選択的にエッチングして、ダミーパターンとしての役割をするポリシリコン膜12のパターンを形成し、窒化膜又は酸化膜などの絶縁膜を蒸着し、全面エッチングを実施して、ポリシリコン膜12のパターンの両側壁に絶縁膜スペーサ13を形成し、該絶縁膜スペーサ13が形成された半導体基板10の上面全体に、平坦化対象である絶縁酸化膜14を蒸着して熱処理をする。
【0004】
次いで、酸化膜研磨用スラリーを用いて、ポリシリコン膜12のパターンが露出されるまで絶縁酸化膜14を化学的機械研磨する。このとき、ポリシリコン膜12と絶縁酸化膜14とに対する研磨選択比が極めて小さい一般的な酸化膜研磨用スラリーを用いて、絶縁酸化膜14を化学的機械研磨する。これにより、図9に示すように、ポリシリコン膜12のパターンが露出されたときに、半導体基板10の領域に応じて、化学的機械研磨が不均一となり、ポリシリコン膜12のパターンの厚さが位置に応じて変わることとなる。
【0005】
図9に示す工程が完了した状態で、ポリシリコン膜12及びパッド酸化膜11を除去すれば、図10に示すように、絶縁膜スペーサ13が露出され、半導体基板10の領域毎に深さが異なる開口部100が形成される。
【0006】
次いで、図11に示すように、前記開口部100内に、ゲート酸化膜15、バリア金属膜16及びタングステン膜17を埋め込み、絶縁酸化膜14が露出されるまで化学的機械研磨工程を行う。このとき、半導体基板10の領域に応じて、化学的機械研磨が不均一となり、開口部100内に埋め込まれるタングステン膜17の厚さが一定しない。
【0007】
次いで、図12に示すように、開口部100内のタングステン膜17の一部をエッチングで除去し、残留するタングステン膜17上にマスク窒化膜18を蒸着し、絶縁酸化膜14が露出されるまでマスク窒化膜18を研磨して、ゲート電極を形成する。
【0008】
図12に示すように、ゲート電極をなすタングステン膜17の高さが、半導体基板10の領域に応じて異なるように形成されるのは、前述したように、開口部100内にポリシリコン膜12が埋め込まれた状態で、一般的な酸化膜研磨用スラリーを用いて絶縁酸化膜14を化学的機械研磨する工程で、半導体基板10の領域に応じてポリシリコン膜12が不均一に研磨され、それによって、ポリシリコン膜12が除去されて形成された開口部100を埋め込むタングステン膜17も、半導体基板10の領域に応じて不均一な厚さとなり、さらに、均一な厚さにエッチングされるためである。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】
以上に説明した従来のダマシン工程による半導体素子のゲート電極形成方法では、半導体基板10の領域に応じてゲート電極の高さが異なって形成されるために、該ゲート電極を有する半導体素子の電気的特性が不安定になる短所がある。
【0010】
このような問題点を解決するために、絶縁膜スペーサ13及び絶縁酸化膜14の厚さを増加させる方法がある。しかし、この場合には、研磨対象であるタングステン膜17の厚さを増加させなければならない問題がある。
【0011】
そこで、本発明は、かかる問題に鑑みてなされたものであって、ダマシン工程を用いた半導体素子のゲート電極形成方法において、均一な高さのゲート電極を形成し得る半導体素子のゲート電極形成方法を提供することを目的とする。
【0012】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明は、半導体基板上にポリマー層を形成する第1ステップと、前記ポリマー層を選択的にエッチングして、ポリマー層パターンを形成する第2ステップと、前記ポリマー層パターンが形成された半導体基板の上面全体に、平坦化のための絶縁酸化膜を形成する第3ステップと、前記ポリマー層パターンを研磨ストッパ層にして、前記ポリマー層に対する前記絶縁酸化膜の研磨選択比が大きい、SiO 2 、CeO 2 、Al 2 O 3 又はZrO 2 系列の研磨剤が含まれたスラリーを利用し、前記絶縁酸化膜を化学的機械研磨する第4ステップと、前記ポリマー層パターンを除去して前記半導体基板の上面を露出させて、開口部を形成する第5ステップと、前記開口部の底面の前記半導体基板上に、ゲート絶縁膜を形成する第6ステップと、前記ゲート絶縁膜が形成された半導体基板の上面全体に電導膜を蒸着して、前記開口部を埋める第7ステップと、前記絶縁酸化膜を研磨ストッパ層にして、前記電導膜を化学的機械研磨し、前記開口部内のみに前記電導膜を残留させる第8ステップと、前記開口部内の前記電導膜の一部をエッチングして除去する第9ステップと、前記電導膜の一部が除去された半導体基板の上面全体にマスク窒化膜を蒸着して、前記電導膜上部の開口部内を埋める第10ステップと、前記絶縁酸化膜が露出されるまで、前記マスク窒化膜を化学的機械研磨する第11ステップと、を順次行うこととする。
また、前記第4ステップでは、10〜500nmの大きさの前記研磨剤が含まれた前記スラリーを利用し、前記スラリーの水素イオン濃度(pH)は3〜12に保持し、前記スラリー内の有機物濃度は、0.01〜5wt%にすることとする。
また、前記第1ステップの後、ベーキング工程を実施する第12ステップと、硬化工程を実施する第13ステップと、をさらに含むこととする。
また、前記第12ステップは、90〜150℃の温度で実施する1次ベーキングと、200〜250℃の温度で実施する2次ベーキングと、300〜350℃の温度で実施する3次ベーキングと、を含むこととする。
また、前記第13ステップは、N2を含むガス雰囲気で実施し、400〜500℃の温度で実施する1次硬化と、350〜450℃の温度で実施する2次硬化と、300〜400℃の温度で実施する3次硬化と、を含むこととする。
また、前記第1ステップの後、前記ポリマー層上に、SiN、SiO2又はSiONからなるハードマスク層を形成する第14ステップをさらに行うこととする。
また、前記2ステップの後、前記ポリマー層パターンの両側壁に絶縁膜スペーサを形成する第15ステップをさらに行い、前記第5ステップで、前記ポリマー層パターンの両側壁の前記絶縁膜スペーサを露出させ、前記半導体基板の上面を露出させて開口部を形成することとする。
また、前記第5ステップでは、前記ポリマー層パターンは、O2とArとの混合ガス又はO2とN2との混合ガスを用いたプラズマ方式で除去するか、又は、ウェットエッチングで除去することとする。
また、前記電導膜は、前記ゲート酸化膜上に形成されたTi、TiN、TiAlN、TiSiN、TaN、WN又はTiSi2からなるバリア金属膜と、前記バリア金属膜上に形成されたW又はCuからなる金属膜とから構成されることとする。
また、前記第8ステップでは、シリカ又はアルミナの少なくともいずれか一つを含み、0.5〜10wt%の濃度の過酸化水素が添加されたスラリーを用いて化学的機械研磨を実施することとする。
また、前記第11ステップでは、SiO2、CeO2、Al2O3又はZrO2系列の研磨剤が含まれたスラリーの水素イオン濃度(pH)を3〜12に保持して、化学的機械研磨を実施することとする。
【0013】
【発明の実施の形態】
以下、添付する図1〜図7を参照しながら、本発明に係る半導体素子のゲート電極形成方法の実施形態を説明する。
【0014】
まず、図1に示すように、半導体基板20上に、パッド酸化膜21とポリマー層22とを積層する。
【0015】
前記パッド酸化膜21は、低圧化学気相蒸着法(low pressure chemical vapor deposition;以下「LPCVD」という)又はプラズマ化学気相蒸着法(plasma enhanced chemical vapor deposition;以下「PECVD」という)により、400〜1300℃で、4〜10nmの厚さに形成する。そして、前記ポリマー層22は、シルク(SiLK)、フレア(FLARE)又はBCB系の材料で形成する。
【0016】
前記ポリマー層22の形成後には、90〜350℃で、1分以上ベーキング工程を実施する。ベーキング工程は、90〜150℃の温度で実施される1次ベーキングと、200〜250℃の温度で実施される2次ベーキングと、300〜350℃の温度で実施される3次ベーキングとからなる。
また、ベーキング後には、300〜500℃で、30分〜1時間の間、N2を含むガス雰囲気で硬化工程を実施する。前記硬化工程は、400〜500℃の温度で実施する1次硬化と、350〜450℃の温度で実施する2次硬化と、300〜400℃の温度で実施する3次硬化とからなる。硬化工程における酸素の濃度は、数百ppm以下となるようにする。
尚、前記ポリマー層22上に、SiN、SiO2、SiON等でハードマスク層を形成してもよい。この場合には、ハードマスク層は、PECVD法により、200〜550℃の温度で10〜100nmの厚さに形成する。
【0017】
次いで、図2に示すように、ポリマー層22とパッド酸化膜21とを選択的にエッチングして、ダミーパターンとしての役割をするポリマー層22のパターンを形成し、前記半導体基板20内に不純物をイオン注入して、ソース領域及びドレイン領域(図示せず)を形成する。その後、ソース領域及びドレイン領域が形成された半導体基板20の上面全体に、窒化膜又は酸化膜などの絶縁膜を蒸着し、全面にエッチングを実施して、ポリマー層22のパターンの両側壁に絶縁膜スペーサ23を形成する。さらに、不純物イオン注入を実施して、高濃度のソース領域及びドレイン領域(図示せず)を形成した後、高濃度のソース領域及びドレイン領域が形成された半導体基板20の上面全体に、平坦化のための絶縁酸化膜24を蒸着し、熱処理を実施する。
【0018】
前記絶縁膜スペーサ23の形成のための窒化膜又は酸化膜は、LPCVD法又はPECVD法を利用して、300〜1300℃で10〜100nmの厚さにそれぞれ形成する。
また、前記絶縁酸化膜24は、BPSG(borophosphor silicate glass)、PSG(phosphor silicate glass)、FSG(fluorinated silicate glass)、PECVD法により形成されたTEOS(tetraethyl orthosilicate)又はSiH4、高密度プラズマを利用して形成したPSG又はUSG(undoped silicate glass)、APL(advanced planarization layer)のうちのいずれか一つを、300〜1000nmの厚さに蒸着して形成する。前記絶縁酸化膜24の形成後には、膜の種類に応じて、300〜1000℃の温度で熱処理を実施する。
【0019】
次に、図3に示すように、酸化膜研磨用スラリーを用いて、ポリマー層22のパターンを研磨ストッパ層にして、絶縁酸化膜24を化学的機械研磨する。
【0020】
前記化学的機械研磨工程における酸化膜研磨用スラリーには、10〜500nmの大きさのSiO2、CeO2、Al2O3又はZrO2系列の研磨剤が含まれたスラリーを利用する。また、前記スラリーの水素イオン濃度(pH)は3〜12に保持し、該スラリー内の有機物濃度は、全体の重さに対して0.01〜5wt%となるようにする。該スラリーは、ポリマー層22に対する研磨選択比よりも絶縁酸化膜24に対する研磨選択比が大きいために、化学的機械研磨の均一度を向上させることができる。
【0021】
次いで、図4に示すように、ポリマー層22のパターン及びパッド酸化膜21を除去して、絶縁膜スペーサ23の側面及び前記半導体基板20の上面を露出させて、開口部200を形成する。前記ポリマー層22は、O2とArとの混合ガス又はO2とN2との混合ガスを用いたプラズマ方式で除去するか、又は、ウェットエッチングで除去する。
【0022】
前述したように、前記絶縁酸化膜24の化学的機械研磨が均一に行われるために、半導体基板20の領域毎に、均一な深さの開口部200を形成することができる。
【0023】
次に、図5に示すように、前記開口部200内に、熱酸化膜、高温酸化膜、Al2O3又はTa2O5で、4〜10nmの厚さのゲート絶縁膜25を形成する。さらに、スパッタリングなどの物理気相蒸着法、化学気相蒸着法又は電気メッキ法により、Ti、TiN、TiAlN、TiSiN、TaN、WN又はTiSi2を、5〜80nmの厚さに蒸着して、バリア金属膜26を形成する。その後、バリア金属膜26上に、ゲート電極をなす金属膜27を形成して、開口部200を埋める。
【0024】
前記金属膜27は、W、Cuなどをスパッタリングなどの物理気相蒸着法又は化学気相蒸着法により、常温〜1000℃で、200〜500nmの厚さに蒸着して形成する。
また、前記バリア金属膜26の形成後、膜の種類に応じて選択的に、N2雰囲気で、400〜800℃の温度で熱処理を実施してもよい。
尚、前記バリア金属膜26及び金属膜27が電導膜に相当する。
【0025】
次いで、図6に示すように、絶縁酸化膜24を研磨ストッパ層膜にして、金属膜27を化学的機械研磨し、開口部200のみに金属膜27が残るようにする。この場合、研磨剤として、シリカ又はアルミナのうちの少なくともいずれか一つを含み、0.5〜10wt%の濃度の過酸化水素が添加されたスラリーを利用する。
【0026】
次に、開口部200内の金属膜27の一部をエッチングで除去し、残留する金属膜27を含む半導体基板20の上面全体にマスク窒化膜28を蒸着し、絶縁酸化膜24が露出されるまでマスク窒化膜28を化学的機械研磨して、図7に示すように、ゲート電極を形成する。
【0027】
前記マスク窒化膜28は、LPCVD法又はPECVD方法により、400〜1300℃の温度で、20〜200nmの厚さに蒸着する。マスク窒化膜28の研磨時には、SiO2、CeO2、Al2O3又はZrO2系列の研磨剤が含まれたスラリーを使用する。また、該スラリーの水素イオン濃度(pH)は、3〜12に保持する。
【0028】
前述した本発明によって、半導体基板20の各領域に、均一な高さのゲート電極を形成することができる。
【0029】
尚、本発明の技術的思想は、上記好ましい実施形態によって具体的に記述したが、上記実施形態はその説明のためのものであって、その制限のためのものではない。また、本発明の技術分野における通常の専門家であるならば、本発明の技術的思想の範囲内で種々の実施形態が実施可能である。
【0030】
【発明の効果】
上述した本発明によれば、絶縁酸化膜とポリマー層パターンとの研磨選択比の差によって、一般的な酸化膜研磨用スラリーを用いた化学的機械研磨工程でも、均一な高さのゲート電極を形成することができるので、半導体素子の電気的特性を安定化させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の半導体素子のゲート電極形成方法における工程を示す断面図である。
【図2】 同じく本発明の半導体素子のゲート電極形成方法における工程を示す断面図である。
【図3】 同じく本発明の半導体素子のゲート電極形成方法における工程を示す断面図である。
【図4】 同じく本発明の半導体素子のゲート電極形成方法における工程を示す断面図である。
【図5】 同じく本発明の半導体素子のゲート電極形成方法における工程を示す断面図である。
【図6】 同じく本発明の半導体素子のゲート電極形成方法における工程を示す断面図である。
【図7】 同じく本発明の半導体素子のゲート電極形成方法における工程を示す断面図である。
【図8】 従来の半導体素子のゲート電極形成方法における工程を示す断面図である。
【図9】 同じく従来の半導体素子のゲート電極形成方法における工程を示す断面図である。
【図10】 同じく従来の半導体素子のゲート電極形成方法における工程を示す断面図である。
【図11】 同じく従来の半導体素子のゲート電極形成方法における工程を示す断面図である。
【図12】 同じく従来の半導体素子のゲート電極形成方法における工程を示す断面図である。
【符号の説明】
20 半導体基板
21 パッド酸化膜
22 ポリマー層
23 絶縁膜スペーサ
24 絶縁酸化膜
25 ゲート絶縁膜
26 バリア金属膜
27 金属膜
28 マスク窒化膜
200 開口部
Claims (10)
- 半導体基板上にポリマー層を形成する第1ステップと、
前記ポリマー層上に、SiN、SiO 2 又はSiONからなるハードマスク層を形成する第1’ステップと、
前記ポリマー層を選択的にエッチングして、ポリマー層パターンを形成する第2ステップと、
前記ポリマー層パターンが形成された半導体基板の上面全体に、平坦化のための絶縁酸化膜を形成する第3ステップと、
前記ポリマー層パターンを研磨ストッパ層にして、前記ポリマー層に対する前記絶縁酸化膜の研磨選択比が大きい、SiO2、CeO2、Al2O3又はZrO2系列の研磨剤が含まれたスラリーを利用し、前記絶縁酸化膜を化学的機械研磨する第4ステップと、
前記ポリマー層パターンを除去して前記半導体基板の上面を露出させて、開口部を形成する第5ステップと、
前記開口部の底面の前記半導体基板上に、ゲート絶縁膜を形成する第6ステップと、
前記ゲート絶縁膜が形成された半導体基板の上面全体に電導膜を蒸着して、前記開口部を埋める第7ステップと、
前記絶縁酸化膜を研磨ストッパ層にして、前記電導膜を化学的機械研磨し、前記開口部内のみに前記電導膜を残留させる第8ステップと、
前記開口部内の前記電導膜の一部をエッチングして除去する第9ステップと、
前記電導膜の一部が除去された半導体基板の上面全体にマスク窒化膜を蒸着して、前記電導膜上部の開口部内を埋める第10ステップと、
前記絶縁酸化膜が露出されるまで、前記マスク窒化膜を化学的機械研磨する第11ステップと、
を順次行うことを特徴とする半導体素子のゲート電極形成方法。 - 前記第4ステップでは、10〜500nmの大きさの前記研磨剤が含まれた前記スラリーを利用し、前記スラリーの水素イオン濃度(pH)は3〜12に保持し、前記スラリー内の有機物濃度は、0.01〜5wt%にすることを特徴とする請求項1に記載の半導体素子のゲート電極形成方法。
- 前記第1ステップの後、
ベーキング工程を実施する第12ステップと、
硬化工程を実施する第13ステップと、
をさらに含むことを特徴とする請求項1又は2に記載の半導体素子のゲート電極形成方法。 - 前記第12ステップは、
90〜150℃の温度で実施する1次ベーキングと、
200〜250℃の温度で実施する2次ベーキングと、
300〜350℃の温度で実施する3次ベーキングと、
を含むことを特徴とする請求項3に記載の半導体素子のゲート電極形成方法。 - 前記第13ステップは、
N2を含むガス雰囲気で実施し、
400〜500℃の温度で実施する1次硬化と、
350〜450℃の温度で実施する2次硬化と、
300〜400℃の温度で実施する3次硬化と、
を含むことを特徴とする請求項3又は4に記載の半導体素子のゲート電極形成方法。 - 前記第2ステップの後、
前記ポリマー層パターンの両側壁に絶縁膜スペーサを形成する第15ステップをさらに行い、
前記第5ステップで、
前記ポリマー層パターンの両側壁の前記絶縁膜スペーサを露出させ、前記半導体基板の上面を露出させて開口部を形成することを特徴とする請求項1〜5のいずれか1つに記載の半導体素子のゲート電極形成方法。 - 前記第5ステップでは、前記ポリマー層パターンは、O2とArとの混合ガス又はO2とN2との混合ガスを用いたプラズマ方式で除去するか、又は、ウェットエッチングで除去することを特徴とする請求項1〜6のいずれか1つに記載の半導体素子のゲート電極形成方法。
- 前記電導膜は、前記ゲート酸化膜上に形成されたTi、TiN、TiAlN、TiSiN、TaN、WN又はTiSi2からなるバリア金属膜と、前記バリア金属膜上に形成されたW又はCuからなる金属膜とから構成されることを特徴とする請求項1〜7のいずれか1つに記載の半導体素子のゲート電極形成方法。
- 前記第8ステップでは、シリカ又はアルミナの少なくともいずれか一つを含み、0.5〜10wt%の濃度の過酸化水素が添加されたスラリーを用いて化学的機械研磨を実施することを特徴とする請求項1〜8のいずれか1つに記載の半導体素子のゲート電極形成方法。
- 前記第11ステップでは、SiO2、CeO2、Al2O3又はZrO2系列の研磨剤が含まれたスラリーの水素イオン濃度(pH)を3〜12に保持して、化学的機械研磨を実施することを特徴とする請求項1〜9のいずれか1つに記載の半導体素子のゲート電極形成方法。
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