JP5515231B2 - Manufacturing method of semiconductor integrated circuit device - Google Patents
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Description
本発明は、半導体集積回路装置の製造方法に関し、とくに発振回路などに用いられる容量素子の一方の電極をゲート電極と同じ金属材料として使用する半導体集積回路装置の製造方法に関するものである。 The present invention relates to a method for manufacturing a semiconductor integrated circuit device, and more particularly to a method for manufacturing a semiconductor integrated circuit device in which one electrode of a capacitor used in an oscillation circuit or the like is used as the same metal material as a gate electrode.
高集積化が進むにつれて半導体集積回路装置は、その素子分離領域上にも容量素子や抵抗素子などの受動素子が形成されるようになっている。また、寄生容量調整や段差低減の為に、素子分離領域に用いられるLOCOS(Local Oxidation of Silicon)膜の膜厚をエッチングなどにより薄くすることがある。この場合、その上に配置される電極や配線などの導電層を形成する直前の工程でLOCOS膜の厚さ調整を行うことが知られている。
近年の半導体集積回路装置では多層化が進んでおり、さらに、ポリシリコン/層間絶縁膜/ポリシリコン構造の容量素子が用いられている。特許文献1では、容量素子の上部電極層をトランジスタのゲート電極と同じ導電層で形成し、下部電極層を別のレベルの導電層で形成する構造が開示されている。この場合、上部電極層と下部電極層との形成工程の間にLOCOS膜の厚さ調整を目的とするエッチング工程が行われる。
As the degree of integration increases, passive elements such as capacitive elements and resistive elements are formed on the element isolation region of the semiconductor integrated circuit device. In addition, the thickness of a LOCOS (Local Oxidation of Silicon) film used for the element isolation region may be reduced by etching or the like in order to adjust parasitic capacitance or reduce a step. In this case, it is known that the thickness of the LOCOS film is adjusted in a step immediately before forming a conductive layer such as an electrode or a wiring disposed thereon.
In recent years, semiconductor integrated circuit devices have been multilayered, and a capacitor of a polysilicon / interlayer insulating film / polysilicon structure is used.
図8乃至図10は、従来の素子分離領域上に容量素子が形成された半導体集積回路装置の製造方法を説明する工程断面図である。この容量素子は、上部電極にモリブデンなどの金属電極を用い、下部電極にはポリシリコンを用いており、上部電極を構成する金属層は、トランジスタのゲートも構成している。
まず、シリコン半導体基板101の主面を酸化して素子分離領域であるLOCOS膜102を形成する(図8(a))。半導体基板101主面及びLOCOS膜102上にポリシリコン膜104を、例えば、CVD(Chemical Vapor Deposition) 法により堆積する(図8(b))。その後、ポリシリコン膜104をエッチングしてLOCOS膜102上に下部電極104aを形成する(図8(c))。次に、LOCOS膜102の表面の下部電極104aが形成されていない表面の所定の領域をウエットエッチングなどにより薄くする。この薄くされた領域は、膜厚調整部103という。膜厚調整部103は、ウエットエッチングによりオーバーエッチングされ、下部電極104aの下に延在するオーバーエッチング部103aが付加される(図9(a))。
8 to 10 are process cross-sectional views illustrating a conventional method for manufacturing a semiconductor integrated circuit device in which a capacitor element is formed on an element isolation region. In this capacitive element, a metal electrode such as molybdenum is used for the upper electrode and polysilicon is used for the lower electrode, and the metal layer constituting the upper electrode also constitutes the gate of the transistor.
First, the main surface of the
次に、例えば、CVD法などにより、シリコン酸化膜などの層間絶縁膜105を半導体基板101上、膜厚調整部103及びオーバーエッチング部103aを含むLOCOS膜102上、下部電極104a上に被覆する(図9(b))。その後、層間絶縁膜105上にスパッタリングなどによりモリブデンなどの金属膜106を堆積する(図9(b))。そして、金属膜106をパターニングして下部電極104a上に層間絶縁膜105を介してモリブデンなどの金属からなる上部電極106aを形成する。このようにして、LOCOS膜102上に下部電極/層間絶縁膜/上部電極から構成される容量素子が形成される(図10)。
このようなLOCOS膜の膜厚調整工程を有する半導体集積回路装置において、上部電極と下部電極が特許文献1のように、両方ともポリシリコンからなる場合には大きな問題とはならないが、背景技術で説明した半導体集積回路装置に組み込まれるとランジスタが金属ゲートを有し、上部電極がゲートと同じ金属層からなる場合には次のような問題が生じる。
すなわち、下部電極形成後に行われる膜厚調整のために行われるエッチングにより、ポリシリコン下部電極端部ではその下にもエッチングが回り込んで進行する(これをオーバーエッチングという)ため、その後の金属層のスパッタリング及びその後のパターニング時にエッチング回り込み部分(オーバーエッチング部分)での残渣の問題が発生する。
残渣106b(図10参照)は、エッチング進行部分(オーバーエッチング部分)103aで特に顕著に現れる。これは、このオーバーエッチング部分の形状に起因しており、スパッタリング時にその部分で金属結晶が異常成長することが問題である。正常な成長では、例えば、モリブデンからなる金属結晶は、柱状に成長する。しかし、オーバーエッチング部のような凹凸の大きい下地の部分では結晶が柱状に立っていないのでエッチングレートが遅くなっている。したがって、残渣が残るようになる。
In a semiconductor integrated circuit device having such a LOCOS film thickness adjusting step, when the upper electrode and the lower electrode are both made of polysilicon as in
That is, the etching performed to adjust the film thickness after the formation of the lower electrode causes the etching to wrap around under the polysilicon lower electrode end (this is called over-etching), so that the subsequent metal layer During sputtering and subsequent patterning, there arises a problem of a residue at an etching wrap-around portion (over-etched portion).
The
本発明は、以上のような問題を解決するためになされ、LOCOS膜の膜厚調整を行う半導体集積回路装置の製造方法において、エッチングの回り込みによる窪みの無い、したがって、金属層のエッチング残りの発生が少ない容量素子の形成方法を提供する。 The present invention has been made in order to solve the above-described problems, and in a method of manufacturing a semiconductor integrated circuit device for adjusting the film thickness of a LOCOS film, there is no depression due to etching wrapping, and therefore, an etching residue of a metal layer is generated. Provided is a method for forming a capacitor element with a small amount.
本発明の半導体集積回路装置の製造方法は、半導体基板主面を選択的に酸化して前記半導体基板に素子分離領域であるLOCOS膜を形成する工程と、前記LOCOS膜をエッチングして前記LOCOS膜の膜厚調整をする工程と、前記膜厚調整の工程後に前記半導体基板主面にポリシリコン膜を前記LOCOS膜を被覆するように形成する工程と、前記ポリシリコン膜をパターニングして少なくとも一部は前記LOCOS膜上に配置される下部電極を形成する工程と、前記半導体基板主面に層間絶縁膜を前記下部電極を被覆するように形成する工程と、前記層間絶縁膜上に金属膜を形成する工程と、前記金属膜をパターニングして前記下部電極上に前記層間絶縁膜を介して上部電極を形成する工程とを具備し、前記LOCOS膜の膜厚調整は前記下部電極を形成する予定の部分を除き、且つ、前記金属膜のパターニングにおけるエッチングの回り込みによる窪みがなく、前記金属膜のエッチング残りの発生が少ない容量素子を形成することを特徴としている。 The method for manufacturing a semiconductor integrated circuit device according to the present invention includes a step of selectively oxidizing a main surface of a semiconductor substrate to form a LOCOS film as an element isolation region on the semiconductor substrate, and etching the LOCOS film to form the LOCOS film. A film thickness adjusting step , a step of forming a polysilicon film on the main surface of the semiconductor substrate so as to cover the LOCOS film after the film thickness adjusting step, and patterning the polysilicon film to at least partly Forming a lower electrode disposed on the LOCOS film, forming an interlayer insulating film on the main surface of the semiconductor substrate so as to cover the lower electrode, and forming a metal film on the interlayer insulating film process and, by patterning the metal film and forming an upper electrode via the interlayer insulating film on the lower electrode, the film thickness adjustment of the LOCOS film Wherein except for the portion that will form the lower electrode, and has no depression by diffraction of the etching in the patterning of the metal film, it is characterized in that an etching remaining generate less capacitive element of said metal film.
前記素子分離領域により区画される素子領域にはトランジスタが形成され、前記トランジスタのゲート電極は、前記上部電極を形成する工程と同じ工程で形成されるようにしても良い。前記下部電極の側面はテーパー状に傾斜しているようにしても良い。前記下部電極、前記層間絶縁膜及び前記上部電極は、少なくとも一部は、前記素子領域に形成するようにしても良い。 A transistor may be formed in the element region partitioned by the element isolation region, and the gate electrode of the transistor may be formed in the same step as the step of forming the upper electrode. The side surface of the lower electrode may be inclined in a tapered shape. The lower electrode, the interlayer insulating film, and the upper electrode may be at least partially formed in the element region.
本発明は、LOCOS膜の膜厚調整工程を下部電極用ポリシリコン膜のエッチング処理前に行うことにより、エッチングの回り込みによる窪みの無い、したがって、金属層のエッチング残りの発生が少ない容量素子を得ることが出来る。 According to the present invention, by performing the LOCOS film thickness adjustment process before the etching process of the polysilicon film for the lower electrode, a capacitor element free from the depression due to the etching wrapping and hence with little occurrence of etching residue of the metal layer is obtained. I can do it.
以下、実施例を参照して発明の実施の形態を説明する。 Hereinafter, embodiments of the invention will be described with reference to examples.
まず、図1乃至図5を参照して実施例1を説明する。
図1乃至図4は、容量素子を有する半導体集積回路装置の製造方法を説明する工程断面図、図5は、この容量素子が用いられる発振回路の一例を示す回路図である。例えば、P型シリコン半導体基板1主面上にシリコン酸化膜(SiO2 )を熱酸化法により形成する。このシリコン酸化膜上にシリコン窒化膜(Si3 N4 )をCVDにより堆積する。次に、シリコン窒化膜上にフォトレジスト(ポジ)を塗布する。その後、フォトレジストをガラスマスクなどのフォトマスク7を介して光を照射する(露光工程、図1(a))。遮光された部分を残してフォトレジストを除去する。残された遮光された部分は、レジストマスク8となる(現像工程、図1(b))。レジストマスク8をマスクとしてエッチングガスを用いてシリコン窒化膜をエッチングして(エッチング工程、図1(c))、窒化膜マスク9を形成する(エッチング工程、図2(a))。
First,
1 to 4 are process cross-sectional views illustrating a method for manufacturing a semiconductor integrated circuit device having a capacitive element, and FIG. 5 is a circuit diagram illustrating an example of an oscillation circuit in which the capacitive element is used. For example, a silicon oxide film (SiO2) is formed on the main surface of the P-type
この後、硼素(B)イオンなどの不純物イオンをドープして半導体基板1の素子領域となる表面領域に選択的にチャネルストッパーを形成することもできる。次に、窒化膜マスク9をマスクとして半導体基板1表面の選択酸化を行う。シリコン窒化膜は耐酸化性を有するので、窒化膜マスク9で被覆されていない部分のみ酸化される(選択酸化工程、図2(a))。選択酸化が終了すると、窒化膜マスク9を除去する。その結果、半導体基板1主面には、素子分離領域であるLOCOS膜2が形成される。素子分離領域に区画される領域は、トランジスタなどが形成される素子領域11である(マスク除去工程、図2(b))。
次に、LOCOS膜上に容量素子を形成する工程を説明する。図3乃至図4は、図2(b)に示す半導体基板の容量素子が形成される素子分離領域とその周辺の素子領域を含む領域Aを表している。この容量素子は、上部電極にモリブデンからなる金属電極を用い、下部電極にはポリシリコンを用いており、上部電極を構成する金属層は、トランジスタのゲートも構成している。金属電極に用いる金属としては、モリブデン以外にタングステン、チタニウムなどを用いることが出来る。
Thereafter, impurity ions such as boron (B) ions can be doped to selectively form channel stoppers in the surface region to be an element region of the
Next, a process for forming a capacitive element on the LOCOS film will be described. 3 to 4 show a region A including an element isolation region in which the capacitor element of the semiconductor substrate shown in FIG. 2B is formed and a peripheral device region. In this capacitive element, a metal electrode made of molybdenum is used for the upper electrode and polysilicon is used for the lower electrode, and the metal layer constituting the upper electrode also constitutes the gate of the transistor. As a metal used for the metal electrode, tungsten, titanium, or the like can be used in addition to molybdenum.
図2(b)に示すように、シリコン半導体基板1の主面には、素子分離領域であるLOCOS膜2が形成されている。このLOCOS膜2の表面の所定の領域をウエットエッチングなどにより薄く、例えば、約38nm程薄くする。この薄くされた領域は、膜厚調整部3という(図3(a))。次に、半導体基板1主面及びLOCOS膜2上に膜厚が、例えば、300nmのポリシリコン膜4を、CVD法により堆積する(図3(b))。その後、ポリシリコン膜4をエッチングしてLOCOS膜102上の膜厚調整部3以外の領域に下部電極4aを形成する。下部電極4aは、側面がテーパー状に傾斜している。この形状は、下部電極上に堆積される膜の被着性を向上させるために採用される(図3(c))。
次に、例えば、CVD法などにより、膜厚が、例えば、20nmのシリコン酸化膜などの層間絶縁膜5を半導体基板1上及び膜厚調整部3を含むLOCOS膜2上及び下部電極4a上に被覆する(図4(a))。その後、層間絶縁膜3上にスパッタリングなどにより膜厚が、例えば、200nmの金属膜6を堆積する(図4(b))。
As shown in FIG. 2B, a
Next, an
スパッタリングは、物質に金属などの膜を被着する方法であり、メッキなどとは異なり、薬品を使わず真空中で行われるものである。表面に膜を被着する試料と金属などの原料のターゲットとをスパッタリング装置内に近接配置する。スパッタリング装置内を真空状態にして試料とターゲット間に電圧をかける。両者間で電子やイオンが高速移動し、イオンがターゲットに衝突する。高速移動した電子やイオンは、気体分子に衝突し、分子の電子をはじき飛ばし、さらに、イオンとなる。ターゲットに衝突したイオンは、ターゲットの粒子をはじき飛ばし、はじき飛ばされた粒子は、試料に衝突し、付着して膜が形成される。
次に、金属膜6をパターニングして下部電極4a上に層間絶縁膜5を介してモリブデンなどの金属からなる上部電極6aを形成する。このようにして、LOCOS膜2上に下部電極4a/層間絶縁膜5/上部電極6aから構成される容量素子10が形成される(図4(c)。なお、金属膜6は、パターニングによって、素子領域に形成されるトランジスタの金属ゲートにも用いられる。
Sputtering is a method of depositing a film of metal or the like on a substance, and unlike plating, it is performed in a vacuum without using chemicals. A sample for depositing a film on the surface and a target of a raw material such as a metal are arranged close to each other in a sputtering apparatus. A voltage is applied between the sample and the target in a vacuum state in the sputtering apparatus. Electrons and ions move at high speed between them, and the ions collide with the target. Electrons and ions that move at high speed collide with gas molecules, repel the electrons of the molecules, and become ions. The ions that collide with the target repel the target particles, and the repelled particles collide with the sample and adhere to form a film.
Next, the
以上のように形成された容量素子は、例えば、図5に示す発振制御回路及び発振回路に使用される。図において、13はPチャネルMOSトランジスタ、14はNチャネルMOSトランジスタであり、こられによりCMOSインバータBが構成される。PチャネルMOSトランジスタ13のソースはプラス電源ライン(図示せず)に接続し、NチャネルMOSトランジスタ14のソースはグランドライン(図示せず)に接続している。15はCMOSインバータBに並列に接続された第1の抵抗、16はPチャネルMOSトランジスタ13に並列に接続された第2の抵抗であり、この場合はCMOSインバータBの出力端子と前記プラス電源ライン間に接続されたプルアップ抵抗となっている。このプルアップ抵抗16の抵抗値はPチャネルMOSトランジスタ13及びNチャネルMOSトランジスタ14のオン抵抗より十分大きく且つオフ抵抗より十分小さい値(例えば10キロオーム)であることが好ましい。CMOSインバータB、第1及び第2の抵抗15、16により発振制御回路Aが構成される。
The capacitive element formed as described above is used, for example, in the oscillation control circuit and the oscillation circuit shown in FIG. In the figure,
この発振制御回路Aは1つのシリコンなどの半導体基板上に形成される集積回路である。17は水晶振動子であり、この集積回路の外部接続用端子18、19によりCMOSインバータB及び第1の抵抗15に並列に接続している。10及び12は半導体基板に設けられた容量素子である。容量素子10は、図1乃至図4に示す製造工程で形成されたものを使用している。
The oscillation control circuit A is an integrated circuit formed on a single semiconductor substrate such as silicon.
この実施例では、LOCOS膜の膜厚調整工程を下部電極用ポリシリコン膜のエッチング処理前に行うことにより、エッチングの回り込みによる窪みの無い、その結果、金属層のエッチング残りの発生が少ない容量素子を素子分離領域上に得ることが出来る。そして、上述の実施例では、LOCOS膜の膜厚調整は容量形成予定部分を除くよう限定的な範囲で行われる例を示した。LOCOS膜全体に対して膜厚調整した場合には、容量部が半導体基板に調整膜厚分だけ近づく為、寄生容量の変化が懸念される。 In this embodiment, the LOCOS film thickness adjusting step is performed before the etching process of the polysilicon film for the lower electrode, so that there is no depression due to the wraparound of the etching, and as a result, the generation of the etching residue of the metal layer is small. Can be obtained on the element isolation region. In the above-described embodiment, the example in which the film thickness adjustment of the LOCOS film is performed in a limited range so as to exclude the capacity formation scheduled portion . When the film thickness is adjusted with respect to the entire LOCOS film, the capacitance portion approaches the semiconductor substrate by the adjusted film thickness, so there is a concern about a change in parasitic capacitance.
次に、図6及び図7を参照して実施例2を説明する。
図6は、容量素子を有する半導体集積回路装置の断面図、図7は、この容量素子が用いられる発振回路の一例を示す回路図である。この実施例では、素子領域及び素子分離領域の双方に容量素子が形成されていることに特徴がある。
図6に示すように、シリコンなどの半導体基板21に設けられた素子領域31a及びその周辺の素子分離領域22の一部には、半導体基板21の表面領域にPN接合ダイオード29及びその上の半導体基板21上に容量素子28が形成され、素子領域31bにはMOSトランジスタ30が形成されている。
Next,
FIG. 6 is a cross-sectional view of a semiconductor integrated circuit device having a capacitive element, and FIG. 7 is a circuit diagram showing an example of an oscillation circuit in which the capacitive element is used. This embodiment is characterized in that capacitive elements are formed in both the element region and the element isolation region.
As shown in FIG. 6, a part of the
PN接合ダイオード29が設けられた素子領域31aは、LOCOS膜(素子分離領域)22に区画されている。LOCOS膜22は、実施例1で説明した図1乃至図4に示す工程により形成される。この工程で形成された寄生容量などを調整する膜厚調整部23の上には容量素子28は形成しない。PN接合ダイオード29は、高濃度P型拡散領域21a及びその上の高濃度N型拡散領域21bから構成され、双方の拡散領域によりPN接合を構成している。N型拡散領域21bの表面にはシリコン酸化膜27aが形成されている。シリコン酸化膜27aの上及びその周辺のLOCOS膜23の膜厚調整部23以外の領域上にポリシリコンからなる下部電極24aが形成される。下部電極24a上にはシリコン酸化膜などの層間絶縁膜25が形成される。また、下部電極24a上には層間絶縁膜25を介してモリブデンなどの金属層からなる上部電極26aが形成される。このように、下部電極/層間絶縁膜/上部電極から構成される容量素子28が形成される。
The
素子領域31bにはソース/ドレイン領域20が形成され、ゲート絶縁膜27bを介して、ソース/ドレイン領域20上に金属ゲート26bが形成される。金属ゲート26bは、上部電極26aと同じ工程で形成され、ソース/ドレイン領域、ゲート絶縁膜及び金属ゲートで構成されるNMOSトランジスタ30を得る。
A source / drain region 20 is formed in the
図6に示す半導体集積回路装置は、例えば、図7に示す発振回路に用いられる。発振回路は、水晶振動子31を外付けするための端子32、33と増幅用インバータ34及び帰還抵抗35を設け、インバータ34の入力端子と端子32との間には直流遮断用の容量素子であるモリブデン電極(図6の26a)とポリシリコン電極(図2の24a)を有するコンデンサ28を設け、インバータ34の出力端子と端子33との間には直列接続されたダンピング抵抗36と直流遮断用の容量素子であるコンデンサ37を備えている。コンデンサ28のモリブデン電極は、インバータ34側、ポリシリコン電極は、端子32側に位置している。
端子32とコンデンサ28との間には、発振周波数制御用可変容量素子であるPN接合ダイオード29のカソード側を接続している。このPN接合ダイオード29のカソード側(図6の21b)は、負荷抵抗43を介して周波数制御用外部電圧を入力する制御電圧端子41に接続し、アノード側(図6の21a)は、接地(VSS電位)している。同様に、端子33とコンデンサ37との間には発振周波数制御用可変容量素子であるPN接合ダイオード38のカソード側が接続されている。PN接合ダイオード38のカソード側は、負荷抵抗40を介して周波数制御用外部電圧を入力するための制御電圧端子41にも接続し、アノード側は、接地(VSS電位)している。
The semiconductor integrated circuit device shown in FIG. 6 is used, for example, in the oscillation circuit shown in FIG. The oscillation circuit is provided with
Between the terminal 32 and the
PN接合ダイオード29のカソードには破壊電圧保護用NPN型スナップバックトランジスタ42のコレクタ端子を接続し、PN接合ダイオード29のアノードにはスナップバックトランジスタ42のエミッタ端子を接続している。スナップバックトランジスタ42のゲート端子とエミッタ端子は、接地(VSS電位)している。PN接合ダイオード38のカソードには破壊電圧保護用NPN型スナップバックトランジスタ39のコレクタ端子を接続し、PN接合ダイオード38のアノードにはスナップバックトランジスタ39のエミッタ端子を接続している。スナップバックトランジスタ39のゲート端子とエミッタ端子は、接地(VSS電位)している。
図6に示す素子領域31bに形成されるNMOSトランジスタ30は、図7の発振回路のインバータ34を構成するトランジスタに用いられる。また、NMOSトランジスタ30を構成するゲートの形成は、容量素子28を構成する上部電極26aと同じ工程で行われる。
The cathode of the
The
この実施例では、LOCOS膜の膜厚調整工程を下部電極用ポリシリコン膜のエッチング処理前に行うことにより、エッチングの回り込みによる窪みの無い、その結果、金属層のエッチング残りの発生が少ない容量素子を素子分離領域上及び素子領域上に得ることが出来る。 In this embodiment, the LOCOS film thickness adjusting step is performed before the etching process of the polysilicon film for the lower electrode, so that there is no depression due to the wraparound of the etching, and as a result, the generation of the etching residue of the metal layer is small. Can be obtained on the element isolation region and the element region.
1、21・・・半導体基板
2、22・・・LOCOS膜(素子分離領域)
3、23・・・膜厚調整部
4・・・ポリシリコン膜
4a、24a・・・下部電極
5、25・・・層間絶縁膜
6・・・金属膜
6a、26a・・・上部電極
7・・・フォトマスク
8・・・フォトレジスト
9・・・窒化膜マスク
10、12・・・容量素子
11、31a、31b・・・素子領域
13、14・・・MOSトランジスタ
15、16、35、36、40、43・・・抵抗
17、31・・・水晶振動子
18、19、32、33、41・・・端子
20・・・ソース/ドレイン領域
21a・・・P型拡散領域
21b・・・N型拡散領域
26b・・・金属ゲート
27a・・・フィールド酸化膜
27b・・・ゲート絶縁膜
28・・・容量素子(コンデンサ)
29、38・・・PN接合ダイオード
30・・・MOSトランジスタ
34・・・インバータ
37・・・コンデンサ
39、42・・・スナップバックトランジスタ
1, 21 ...
3, 23... Thickness adjuster 4...
29, 38 ...
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