JP6906604B2 - コンタクトパッドの製造方法及びこれを用いた半導体装置の製造方法、並びに半導体装置 - Google Patents

コンタクトパッドの製造方法及びこれを用いた半導体装置の製造方法、並びに半導体装置 Download PDF

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Description

本開示は、コンタクトパッドの製造方法及びこれを用いた半導体装置の製造方法、並びに半導体装置に関する。
従来から、誘電体層／導電層の階段状のスタック構造を有する３次元積層メモリデバイスの製造において、デバイスの表面から導電層に層間コネクター（コンタクトプラグ）をエッチングで形成する際に、異なるコンタクトレベル毎に別個のエッチングマスクを用いると、マスクの数及びエッチング工程の数が膨大となることから、エッチングを行う領域と及び手順を工夫し、２Ｎ個の導電層へのアクセスを提供するのにＮ枚のマスクしか必要としない層間コネクターの形成方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。
特開２０１４−２２７１７号（特許第５８０１７８２号）公報
しかしながら、特許文献１に記載の層間コネクターの形成方法では、総てのコンタクトレベルに異なるマスクを用意するよりはマスクの枚数を低減できるものの、それでも２Ｎ個の層間コネクターの形成のためにＮ枚のマスクが必要であり、なお必要とされるマスク数は多いという問題があった。
そこで、本開示は、エッチング工程を複雑化することなく、少ないエッチング回数でコンタクトプラグを形成可能なコンタクトパッドの製造方法及びこれを用いた半導体装置の製造方法、並びに半導体装置を提供することを目的とする。
上記目的を達成するため、本開示の一態様に係るコンタクトパッドの製造方法は、絶縁層上に配線層が形成されたペア層が階段形状をなして積層され、前記階段形状のステップ部分をなす露出した前記配線層の上面に触媒液を供給して選択的に触媒処理を施す工程と、
該触媒処理が施された前記配線層の上面に無電解めっきを行い、金属層を選択成長させる工程と、を有する。
本開示によれば、配線層上にコンタクトパッドを形成し、エッチングによる配線層のパンチスルーを防止することができる。
本開示の第１の実施形態に係る半導体装置の一例を示した図である。 第１の実施形態に係る半導体装置の製造方法の酸化膜形成工程の一例を示した図である。 第１の実施形態に係る半導体装置の製造方法のスペーサ形成工程の一例を示した図である。 第１の実施形態に係る半導体装置の製造方法の触媒処理工程の一例を示した図である。 第１の実施形態に係る半導体装置の製造方法の無電解めっき工程の一例を示した図である。 第１の実施形態に係る半導体装置の製造方法の絶縁膜形成工程の一例を示した図である。 第２の実施形態に係る半導体装置の製造方法の酸化膜形成工程の一例を示した図である。 第２の実施形態に係る半導体装置の製造方法のスペーサ形成工程の一例を示した図である。 第２の実施形態に係る半導体装置の製造方法の触媒処理工程の一例を示した図である。 第２の実施形態に係る半導体装置の製造方法の無電解めっき工程の一例を示した図である。 第２の実施形態に係る半導体装置の製造方法の絶縁膜形成工程の一例を示した図である。 第２の実施形態に係る半導体装置の製造方法の配線層除去工程の一例を示した図である。 第２の実施形態に係る半導体装置の製造方法の配線層形成工程の一例を示した図である。 第２の実施形態に係る半導体装置の製造方法におけるコンタクトパッド形成工程が終了後の状態を示した図である。 第３の実施形態に係る半導体装置の製造方法の配線層除去工程の一例を示した図である。 第３の実施形態に係る半導体装置の製造方法の配線層形成工程の一例を示した図である。
以下、図面を参照して、本開示を実施するための形態の説明を行う。
［第１の実施形態］
図１は、本開示の第１の実施形態に係る半導体装置の一例を示した図である。第１の実施形態に係る半導体装置は、基板１０と、ストップレイヤー２０と、絶縁層３０と、配線層４０と、スペーサ７０と、コンタクトパッド９０と、絶縁膜１００と、コンタクトホール１１０と、コンタクトプラグ１２０とを有する。
第１の実施形態に係る半導体装置は、基板１０の表面上にストップレイヤー２０が形成され、ストップレイヤー２０の表面上に、階段形状の構造体６０が形成される。構造体６０は、絶縁層３０上に配線層４０が形成されたペア層５０が階段形状をなして積層されることにより形成される。つまり、全体としては絶縁層３０と配線層４０とが交互に積層されて構造体６０が形成されているが、階段形状は、ペア層を単位として１つの段が形成されている。階段形状のステップ部（水平面の部分）は、配線層４０の上面が露出し、段差部（垂直面の部分）は、ペア層５０の端部の側面が露出することにより構成されている。構造体６０の段差部は、スペーサ７０により覆われ、ステップ部は、コンタクトパッド９０により覆われている。配線層４０の上面の露出面上にコンタクトパッド９０が設けられることにより、この部分が局所的に厚くなっている。
側面がスペーサ７０、上面がコンタクトパッド９０で覆われた構造体６０の表面上には、階段形状の段差の窪みを総て充填するように、絶縁膜１００が形成されている。絶縁膜１００の上面は平坦面を形成しており、構造体６０の階段状の窪みに絶縁膜１００を充填するとともに、上面を平坦面にした構成を有する。なお、上面の平坦面は、鏡面研磨された面であってもよい。絶縁膜１００内のコンタクトパッド９０の上には、鉛直方向に延びるコンタクトプラグ１２０が設けられている。コンタクトプラグ１２０には、タングステン（Ｗ）等の金属材料が充填され、配線用のプラグを構成している。コンタクトプラグ１２０は、コンタクトホール１１０がエッチングにより形成され、コンタクトホール１１０に金属材料を充填することにより形成される。構造体６０が階段形状を有するため、複数のコンタクトホール１１０を同時にエッチングにより形成しようとすると、下層のコンタクトパッド９０までコンタクトホール１１０が形成される前に、上層のコンタクトホール１１０が先に完全に形成されてしまう。
従来、コンタクトパッド９０が設けられていなかったため、その後もエッチングを継続すると、上層の配線層４０に穴を開けてしまうパンチスルーが発生してしまうおそれがあった。本実施形態に係る半導体装置では、コンタクトパッド９０を配線層４０上に形成し、コンタクトパッド９０が配線層４０のエッチングを妨げ、そのようなパンチスルーの発生を防止する。コンタクトパッド９０には、適切なエッチング選択比を有する金属材料が選択され、エッチング深さの異なる複数のコンタクトホール１１０を１回のエッチングで形成する場合であっても、上層におけるパンチスルーを食い止める。よって、１枚のマスクを用いた１回のエッチングでエッチング深さの異なる複数のコンタクトホール１１０を形成することができ、不具合の発生を防止するとともに、生産性を高めることができる。
なお、本実施形態に係る半導体装置は、３次元積層メモリデバイス、つまり３次元ＮＡＮＤフラッシュメモリに好適に適用され得るが、階段構造又は段差構造を有する半導体装置全般に適用することができ、その用途は問わない。なお、本実施形態に係る半導体装置が３次元積層メモリデバイスに適用される場合には、配線層４０はワードラインを構成する。
以上が本実施形態に係る半導体装置の概要であるが、以下、個々の構成要素についてより詳細に説明する。
基板１０は、その表面上に半導体装置を形成するためのベースである。基板１０には、例えば、シリコンからなるシリコン基板（シリコンウエハ）が用いられる。
ストップレイヤー２０は、エッチングがこれ以上進行しないようにストップさせるための層であり、基板１０の表面上に形成される。ストップレイヤー２０は、例えば、シリコン酸化膜（ＳｉＯ２）で構成される。ストップレイヤー２０は、本実施形態に係る半導体装置を形成する領域の全域に設けられる。
絶縁層３０は、いわゆる層間絶縁膜であり、例えば、ＳｉＯ２で構成される。配線層４０は、配線を形成する導電層であり、例えば、ポリシリコンから構成される。絶縁層３０とその表面上に形成された配線層４０で、ペア層５０を構成する。ペア層５０は、階段形状を有する構造体６０を構成する際の１段の単位となる層である。つまり、絶縁層３０が１層と、配線層４０が１層で、１つのペア層５０を形成し、１段分の階段を構成する。
構造体６０は、ペア層５０が形成する階段形状の構造物である。３次元積層メモリデバイスは、このような階段形状を有する構造体６０を含んで構成される場合が多い。なお、絶縁層３０が下層、配線層４０が上層となって１つのペア層５０を形成するので、階段形状のステップ部を構成する露出面は配線層４０の上面となる。一方、階段形状の段差部は、絶縁層３０及び配線層４０の双方が露出面となり、絶縁層３０上に配線層４０が設けられた積層構造を有する面が露出面となる。
スペーサ７０は、上段と下段のコンタクトパッド９０同士がショートしないように設けられている酸化膜（絶縁酸化膜）である。スペーサ７０は、例えば、ＳｉＯ２で構成される。後に詳細に説明するが、コンタクトパッド９０は、選択的な無電解めっきにより形成された無電解めっき層から構成される。選択的な無電解めっきとは、ここでは、配線層４０を構成するシリコンの表面上にのみ吸着し、ＳｉＯ２膜上には吸着しない無電解めっきを意味する。よって、スペーサ７０は、単なる物理的に間隔を形成するための役割だけではなく、コンタクトパッド９０が形成されない性質を有するという化学反応を抑制するという役割をも担っている。
コンタクトパッド９０は、コンタクトホール１１０が形成される箇所に選択的に形成され、配線層４０を覆って導電領域全体の厚さを厚くし、パンチスルーにより配線層４０が破壊されるのを防ぐ役割を果たす。よって、コンタクトパッド９０は、シリコン酸化膜に対してエッチング選択比が高い金属材料から構成されるとともに、パンチスルーを防ぐことが可能な所定厚さを有して形成される。コンタクトパッド９０が厚すぎても、デバイスの設計に悪影響を及ぼす恐れがあるため、最適化された厚みを有することが望ましい。後述するが、コンタクトパッド９０の厚さは、無電解めっきの時間、無電解めっき液の処理温度等で調整可能であるので、適切な厚さのコンタクトパッド９０を形成することが可能である。コンタクトパッド９０は、例えば、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、ルテニウム（Ｒｕ）、アルミニウム（Ａｌ）等の金属材料から選択されてもよく、より具体的には、コバルトを用いてもよい。コバルトは、シリコン酸化膜（ＳｉＯ２）に対するエッチング選択比が高いので、パンチスルーを防止するのに適する。
絶縁膜１００は、階段状の窪みを充填するための絶縁膜であり、例えば、ＳｉＯ２から構成されてもよい。
コンタクトプラグ１２０は、半導体装置の上面から配線層４０との電気的接続を行うための配線用のプラグであり、絶縁膜１００に形成されたコンタクトホール１１０に金属材料を充填することにより構成される。コンタクトホール１１０は、半導体装置の上面とコンタクトパッド９０とを導通すべく、絶縁膜１００のコンタクトパッド９０上の位置に貫通孔を形成することにより設けられる。コンタクトホール１１０に充填される金属材料は、用途に応じて種々の金属材料が選択されてよいが、例えば、タングステン（Ｗ）であってもよい。コンタクトプラグ１２０は、コンタクトパッド９０を介して配線層４０と電気的に接続される。
このように、第１の実施形態に係る半導体装置によれば、階段形状を有する構造体６０のステップ部分を構成する配線層４０の露出面上にコンタクトパッド９０を設けたことにより、配線層４０を保護するとともに配線領域の厚さを厚くすることができ、エッチングの際のパンチスルーの発生による配線層４０の破損を確実に防止することができる。また、１回のエッチングでエッチング深さの異なる複数のコンタクトホール１１０を同時に形成することができ、半導体装置の生産性を高めることができる。
次に、本開示の第１の実施形態に係る半導体装置の製造方法及びこれに含まれるコンタクトパッドの製造方法について説明する。
図２は、第１の実施形態に係る半導体装置の製造方法の第１の絶縁膜形成工程の一例を示した図である。第１の絶縁膜形成工程においては、階段形状を有する構造体６０の表面上に、絶縁膜７１を形成する。絶縁膜７１は、後の工程で一部がエッチバックにより除去されるため、階段形状を有する構造体６０の形状に沿って形成されることが好ましい。なお、絶縁膜７１は、スペーサ７０として機能し得る種々の絶縁膜が形成されてよいが、例えば、シリコン酸化膜であるＳｉＯ２膜が形成されてもよい。絶縁膜７１は、種々の成膜方法により形成されてよいが、例えば、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）により形成されてもよい。
図３は、第１の実施形態に係る半導体装置の製造方法のスペーサ形成工程の一例を示した図である。スペーサ形成工程においては、エッチバックにより、階段形状のステップ部分を形成する配線層４０の上面に形成された絶縁膜７１が除去され、階段形状の段差部分を形成するペア層５０の側面を覆う絶縁膜７１のみが残され、スペーサ７０が形成される。ここで、エッチバックは、例えば、ＲＩＥ（Reactive Ion Etching、反応性イオンエッチング）により行ってもよい。ここでのエッチバックは、配線層４０及びペア層５０の側面の絶縁膜７１をエッチングせず、配線層４０の上面の絶縁膜７１のみを精度よくエッチングすることが求められるため、ドライエッチングによりエッチングすることが好ましい。
なお、スペーサ７０の役割は、上述のように、無電解めっきによりコンタクトパッド９０を形成する際、配線層４０を形成するシリコンの側面への触媒吸着を防ぎ、側壁への無電解めっき層の析出を防止するためと、無電解めっき層がオーバーハングしても、下段のコンタクトパッド９０とが接続されてショートが発生するのを防止するためである。
図４は、第１の実施形態に係る半導体装置の製造方法の触媒処理工程の一例を示した図である。触媒処理工程においては、触媒液８０が構造体６０の表面上に供給される。
なお、触媒液８０は、めっき液中の還元剤の酸化反応に対して触媒活性を有する金属イオンを含有する。無電解めっき処理において、めっき液中の金属イオンの析出が開始されるためには、初期皮膜表面（すなわち、配線層４０の露出面）がめっき液中の還元剤の酸化反応に対して十分な触媒活性を有することが必要である。このような触媒としては、例えば、鉄族元素（Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ）、白金属元素（Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｐｔ）、Ｃｕ、Ａｇ又はＡｕを含むものが挙げられる。触媒活性を有する金属膜の形成は、置換反応により生じる。置換反応では、被めっき面を構成する成分が還元剤となり、触媒液８０中の金属イオン（例えばパラジウムイオン）が、被めっき面上に還元析出する。被めっき面がシリコンである場合においては、表層のシリコンがパラジウムに置換される。
このように、例えば、パラジウムを含む溶液、例えばイオンパラジウム溶液が触媒液８０として構造体６０の表面に供給される。ここで、パラジウムは、シリコン（ポリシリコンを含む）の表面のみに吸着し、酸化膜等の絶縁膜（例えばＳｉＯ２膜）には吸着しない性質を有し、露出した配線層４０の上面にのみ吸着する。つまり、階段形状のステップ部分のシリコンからなる配線層４０が露出した部分にのみ吸着する。これは、パラジウムが表層のＳｉと置換されるためである。一方、パラジウムはＳｉＯ２膜とは置換されないため、スペーサ７０の表面上には触媒液８０であるパラジウムは吸着しない。ＳｉＯ２膜上にもパラジウムが吸着する可能性はあるが、後洗浄を行うことにより、ＳｉＯ２膜上のパラジウムを洗い流すことができる。
なお、パラジウムが表層のＳｉと置換される際には、薄いシリコン酸化膜（ＳｉＯ２膜）も形成されるので、かかる薄いシリコン酸化膜を除去すべく、フッ化水素（ＨＦ）を混入しておくことが好ましい。フッ化水素の混入は微量で良く、例えば、０．０５％〜１％の範囲内で良く、より具体的には、０．１％程度であってもよい。
なお、触媒液８０の供給は、構造体６０が形成された基板１０を触媒液８０に浸漬させてもよいし、構造体６０を含む基板１０の表面上に触媒液８０を盛るように滴下供給してもよい。また、必要に応じて、触媒処理工程の後、後洗浄を行うようにしてもよい。
図５は、第１の実施形態に係る半導体装置の製造方法の無電解めっき工程の一例を示した図である。無電解めっき工程においては、無電解めっき液を、構造体６０を含む基板１０の表面上に供給する。これにより、触媒処理が施された領域、即ち配線層４０の露出面上に無電解めっき層が選択成長し、コンタクトパッド９０が形成される。ここで、無電解めっき液は、エッチング選択比が良好であれば、種々の金属元素を含む無電解めっき液が選択されてよいが、例えば、コバルト、ニッケル、ルテニウム、アルミニウムを含む無電解めっき液が用いられてもよい。より具体的には、例えば、コバルトを含む無電解めっき液が用いられてもよい。なお、無電解めっき層の成長時に触媒処理の範囲を超えてオーバーハングしたとしても、スペーサ７０が存在するため、下段のコンタクトパッド９０とショートするおそれが無い。このように、選択的な触媒処理の後、無電解めっき処理を行うことにより、選択的に無電解めっき層を成長させることができ、コンタクトパッド９０を選択的に形成することができる。これより、コンタクトホール１１０の形成の際にエッチングが行われる露出した配線層４０の上方にのみコンタクトパッド９０を形成することができ、配線層４０の全体を厚くすることなく、必要な箇所のみ配線領域を厚くすることができる。
また、コンタクトパッド９０の厚さは、無電解めっき処理を行う時間、処理温度、めっき液の濃度等により調整可能である。よって、コンタクトホール１１０を形成するためのエッチングの際にパンチスルーが発生しないように、適切な厚さの無電解めっき層を成長できる時間を設けて、エッチングによりパンチスルーを発生させない所定厚さを有するコンタクトパッド９０を形成することが好ましい。コンタクトパッド９０が厚すぎても、デバイスの設計に悪影響を及ぼす恐れがあるため、最適化された厚みを有することが望ましい。なお、ここで、無電解めっき層の所定厚さは、エッチングの条件、エッチング選択比等を考慮して定めることができる。
なお、触媒液８０を露出した配線層４０の上面にのみ供給し、無電解めっきを行う際にも、触媒液８０の供給された箇所にのみ無電解めっき層を成長させ、下段の階段のステップ部分にまで無電解めっき層が成長してしまうオーバーハングを防止することができれば、スペーサ７０を形成することは必須ではない。スペーサ７０は、無電解めっき層がオーバーハングするまで成長してしまい、上段と下段のコンタクトパッド９０同士がショートすることを防止するために設けられている。よって、触媒処理工程及び無電解めっき工程で、そのようなオーバーハングの発生を確実に防止することができれば、スペーサ７０を設けることなくコンタクトパッド９０を形成することも可能である。
ここで、図４に示した触媒処理工程と、図５に示した無電解めっき工程とで、コンタクトパッド９０の形成方法を構成する。つまり、本実施形態に係る半導体装置の製造方法は、図４の触媒処理工程及び図５の無電解めっき工程からなるコンタクトパッド９０の製造方法を用いて構成されている。
図６は、第１の実施形態に係る半導体装置の製造方法の第２の絶縁膜形成工程の一例を示した図である。第２の絶縁膜形成工程においては、階段形状の構造体６０の窪み領域を総て充填するように絶縁膜１００が形成される。絶縁膜１００は、最も上層の絶縁層３０に到達するように形成される。絶縁膜１００は、例えば、ＳｉＯ２により形成される。
絶縁膜１００は、種々の成膜方法により形成することができ、例えば、ＣＶＤにより形成されてもよいし、スピンオングラス（Spin on Glass、ＳＯＧ）により形成されてもよい。また、絶縁膜１００を形成した後は、ＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing、化学機械的研磨）により、絶縁膜１００の上面を鏡面研磨して平坦化することが好ましい。
なお、第２の絶縁膜形成工程は、構造体６０の階段形状の窪み部分に絶縁膜１００を充填するように形成する工程であることから、絶縁膜充填工程と呼んでもよい。この場合、第１の絶縁膜形成工程は、単なる絶縁膜形成工程と呼ぶこととする。
この後は、図１において説明したように、コンタクトホール１１０をエッチングにより形成し、形成したコンタクトホール１１０に金属材料を充填してコンタクトプラグ１２０を形成する。ここで、エッチングは、階段形状の構造体６０のステップ部分を構成する配線層４０との導通を図るべく行われるため、エッチング深さの異なる複数のコンタクトホール１１０を形成する必要がある。第１の実施形態に係る半導体装置においては、コンタクトパッド９０で配線層４０が覆われており、配線層４０をエッチング選択比の高い金属層からなるコンタクトパッド９０で保護するとともに、配線層４０にコンタクトパッド９０の厚さが加算されて配線領域が厚く形成されている。よって、１回のエッチングで、配線層４０のパンチスルーを発生させることなくエッチング深さの異なる複数のコンタクトホール１１０を形成することが可能となる。なお、本開示の実施形態に係る半導体装置、コンタクトパッドの製造方法、半導体装置の製造方法は、少ないエッチング回数（例えば１回のみ）で配線層４０のパンチスルーを発生させることなくエッチング深さの異なる複数のコンタクトホール１１０を形成可能な半導体装置を提供することを意図しているため、エッチング工程及び導電材料充填工程の詳細については説明及び図示を省略する。エッチングは、例えば、上述のＲＩＥ等の通常のドライエッチングを用いることができ、用途に応じて適切なエッチング方法を採用することができる。また、導電性材料の充填は、めっき等の湿式処理や、ＣＶＤ、ＡＬＤ等の処理ガスを用いた成膜処理等の種々の方法から、適切な方法を選択して行うことができる。
［第２の実施形態］
図７乃至図１３を参照して、本開示の第２の実施形態に係る半導体装置の製造方法及びこれに含まれるコンタクトパッドの製造方法について説明する。なお、第２の実施形態において、第１の実施形態と重複又は類似する箇所は、適宜説明を省略する。また、第１の実施形態の構成要素に対応する構成要素については、同一の参照符号を付してその説明を省略する。
図７は、第２の実施形態に係る半導体装置の製造方法の酸化膜形成工程の一例を示した図である。第２の実施形態に係る半導体装置の製造方法では、絶縁層３０の上に窒化シリコン（ＳｉＮ）膜からなる配線層４５が形成され、ペア層５５を形成している点で、第１の実施形態に係る半導体装置の製造方法と異なっている。窒化シリコン膜は絶縁膜の一種であり、そのままでは配線層４５として機能しないが、最終的に窒化シリコン膜を除去し、導電性を有する配線材料に置換し、配線層４５として機能させることになる。絶縁層３０は、第１の実施形態に係る半導体装置の製造方法と同様に、例えば、シリコン酸化膜（ＳｉＯ２）を用いることができる。よって、最初の段階では、種類の異なる絶縁膜の積層構造でペア層５５を構成する。
なお、ペア層５５が階段形状を有する構造体６５を形成している点は、第１の実施形態と同様である。よって、構造体６５は、第１の実施形態と同様に、階段形状のステップ部分を構成する配線層４５の上面が露出し、段差部分を構成する絶縁層３０及び配線層４５の積層部分の側面が露出した構成を有する。また、基板１０の表面上にストップレイヤー２０が形成され、その上に構造体６５が形成されている点も、第１の実施形態と同様であるので、対応する構成要素に同一の参照符号を付してその説明を省略する。
酸化膜形成工程では、第１の実施形態の図２で説明したのと同様に、階段形状の構造体６５の表面上に、ＣＶＤ等の成膜方法を用いて酸化膜７１を形成する。酸化膜７１は、例えば、シリコン酸化膜（ＳｉＯ２）であってもよい。また、酸化膜７１は、構造体６５の階段形状に沿って形成されることが好ましい点も第１の実施形態で説明したのと同様である。
図８は、第２の実施形態に係る半導体装置の製造方法のスペーサ形成工程の一例を示した図である。スペーサ形成工程においては、エッチバックにより、階段形状のステップ部分を形成する配線層４５の上面に形成された酸化膜７１が除去され、階段形状の段差部分を形成するペア層５０の側面を覆う酸化膜７１のみが残され、スペーサ７０が形成される。これにより、階段形状のステップ部分をなす、窒化シリコン膜からなる配線層４５の上面が露出する。一方、ペア層５５の側面は、酸化膜からなるスペーサ７０により覆われる。
なお、スペーサ形成工程及びスペーサの役割は、第１の実施形態に係る半導体装置の製造方法において図３を参照して説明した内容と同様であるので、その説明を省略する。
図９は、第２の実施形態に係る半導体装置の製造方法の触媒処理工程の一例を示した図である。触媒処理工程において、触媒液８５が構造体６５の表面上に供給される点は、第１の実施形態に係る半導体装置の製造方法及びコンタクトパッドの製造方法と同様である。
しかしながら、第２の実施形態に係るコンタクトパッドの製造方法では、ナノ粒子状の金属触媒を含有する触媒液８５を用いるようにしてもよい。具体的には、触媒液８５は、ナノ粒子状の金属触媒（例えばナノ粒子状のパラジウム）と、分散剤と、水溶液とを含んでいても良い。被めっき面が窒化シリコン膜である場合においては、窒化シリコン膜の表面にナノ粒子状パラジウムが吸着される。よって、窒化シリコン膜からなる配線層４５を用いた第２の実施形態に係るコンタクトパッドの製造方法においては、例えば、ナノパラジウム溶液を触媒液８５として用いてもよい。
なお、触媒液８５として、ナノパラジウム溶液だけでなく、鉄族元素（Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ）、白金属元素（Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｐｔ）、Ｃｕ、Ａｇ又はＡｕのナノ粒子を含む溶液も使用可能であることは、第１の実施形態に係るコンタクトパッドの製造方法と同様である。これらの場合にも、各金属のナノ粒子が窒化シリコン膜の表面に吸着する。
これにより、窒化シリコン膜から構成される被めっき面に対して選択的に触媒が付与され、めっき材料に触媒活性を有する金属膜が形成される。一方、上記各金属はＳｉＯ２に対しては吸着しにくい性質を有していることから、ＳｉＯ２からなるスペーサ７０には実質的に触媒が付与されることはなく、触媒活性を有する金属膜が形成されない。このため、上記各金属を触媒として用いることにより、窒化シリコンから構成される被めっき面に対して選択的にめっき金属を析出させることが可能となる。
なお、他の点については、第１の実施形態における図４の説明と同様であるので、その説明を省略する。
図１０は、第２の実施形態に係る半導体装置の製造方法の無電解めっき工程の一例を示した図である。無電解めっき工程においては、無電解めっき液を、構造体６５を含む基板１０の表面上に供給する。これにより、触媒処理が施された領域、即ち配線層４５の露出面上に無電解めっき層が選択成長し、コンタクトパッド９５が形成される。コンタクトパッド９５は、触媒液８５がナノ粒子を用いた溶液である点で相違するだけであり、選択成長において、第１の実施形態のコンタクトパッド９０と殆ど差は無いと考えられる。
なお、無電解めっき工程は、第１の実施形態における図５の説明と同様であるので、その説明を省略する。
無電解めっき工程により、窒化シリコン膜からなる配線層４５の露出面上にコンタクトパッド９５が形成される。
なお、図９の触媒処理工程及び図１０の無電解めっき工程が、第２の実施形態に係るコンタクトパッドの製造方法を構成する。
図１１は、第２の実施形態に係る半導体装置の製造方法の絶縁膜形成工程の一例を示した図である。絶縁膜形成工程においては、階段形状の構造体６５の窪み領域を総て充填するように絶縁膜１００が形成される。
絶縁膜形成工程は、第１の実施形態における図６の説明と同様であるので、その説明を省略する。
図１２は、第２の実施形態に係る半導体装置の製造方法の配線層除去工程の一例を示した図である。配線層除去工程においては、配線層４５を形成していた窒化シリコン膜が除去され、配線層４５の部分に空間４６（空洞）が形成される。上述のように、窒化シリコン膜は絶縁膜であるので、最終的に導電材料と置換する必要がある。そのため、配線層４５の領域を確保すべく、仮の配線層４５として設けられていた窒化シリコン膜を除去し、導電材料を充填するための空間４６を形成する。
なお、窒化シリコン膜の除去は、種々の方法により行われてよいが、例えば、熱リン酸を用いてウェットエッチングにより窒化シリコン膜を除去するようにしてもよい。熱リン酸を用いたウェットエッチングは、窒化シリコン膜の除去に多く用いられている方法であり、窒化シリコン膜を容易かつ確実に除去することができる。
図１３は、第２の実施形態に係る半導体装置の製造方法の配線層形成工程の一例を示した図である。配線層形成工程においては、配線層除去工程において形成された空間４６に導電材料が充填され、配線層４７が形成される。
配線層４７は、導電性を有する材料であれば、種々の材料から構成されてよいが、例えば、金属材料から構成されてもよい。また、導電材料の充填方法も、用途に応じて種々の成膜方法又は充填方法を用いることができる。
例えば、窒化チタン（ＴｉＮ）をライナー、タングステン（Ｗ）をバルクとしてＣＶＤ又はＡＬＤ（Atomic Layer Deposition、原子層堆積法）により埋め込み成膜を行ってもよい。
一方、このような処理ガスを用いた成膜方法に代えて、無電解めっきで配線層４７を形成してもよい。上述のように、コンタクトパッド９５は無電解めっきで形成されており、コンタクトパッド９５の無電解めっき層から配線層４７を成長させることができる。シームレスな成長が可能となるので、信頼性を向上させることができる。
なお、配線層４７は、本実施形態に係る半導体装置の製造方法が、３次元積層メモリデバイス（３次元ＮＡＮＤフラッシュメモリ）に適用される場合には、配線層４７はワードラインを構成する点も、第１の実施形態で説明したのと同様である。
この後は、第１の実施形態の図１で説明したように、コンタクトホール１１０をエッチングにより形成する。コンタクトパッド９５が配線層４７の階段形状のステップ部分に形成されているので、エッチング深さの異なるエッチングが同時に行われても、上層におけるパンチスルーを防止することができる。
上述の３次元積層メモリデバイスには、コントロールゲートにポリシリコンを用い、そこで電荷をチャージするタイプと、タングステンゲートを用いたタイプがあるが、第１の実施形態に係る半導体装置、コンタクトパッドの製造方法及び半導体装置の製造方法は、コントロールゲートにポリシリコンを用いたタイプの３次元積層メモリデバイスに好適に適用することができる。一方、第２の実施形態に係る半導体装置、コンタクトパッドの製造方法及び半導体装置の製造方法は、タングステンゲートを用いたタイプの３次元積層メモリデバイスに好適に適用することができる。このように、用途に応じて、第１の実施形態に係る半導体装置、コンタクトパッドの製造方法及び半導体装置の製造方法と、第２の実施形態に係る半導体装置、コンタクトパッドの製造方法及び半導体装置の製造方法を好適に適用することができる。
［第３の実施形態］
次に、第３の実施形態に係る半導体装置の製造方法について説明する。第３の実施形態に係る半導体装置の製造方法は、第２の実施形態に係る半導体装置の製造方法と同様に、配線層４５を窒化シリコン膜で構成し、コンタクトパッド９５を形成するまでは、第２の実施形態に係る半導体装置の製造方法と同様であるので、その説明を省略し、異なる工程についてのみ説明する。
図１４は、コンタクトパッド形成工程が終了し、コンタクトパッド９５が形成された状態を示した図である。ここまでは、第２の実施形態に係るコンタクトパッドの製造方法及び半導体装置の製造方法と同様であるので、対応する構成要素に同一の参照符号を付してその説明を省略する。
図１５は、第３の実施形態に係る半導体装置の製造方法の配線層除去工程の一例を示した図である。第３の実施形態における配線層除去工程においては、配線層４５の窒化シリコン膜のみならず、コンタクトパッド９５の金属層も含めて除去され、配線層４５及びコンタクトパッド９５が存在した領域に空間（空洞）４８が形成される。なお、配線層４５及びコンタクトパッド９５は、種々の方法により除去されてよいが、例えば、コンタクトパッド９５がコバルトからなる場合、熱リン酸及び硫酸を用いてウェットエッチングすることにより、窒化シリコン膜及びコバルト無電解めっき層を除去することができ、空間４８を形成することができる。
図１６は、第３の実施形態に係る半導体装置の製造方法の配線層形成工程の一例を示した図である。第３の実施形態における配線層形成工程においては、空間４８全体に導電材料が充填され、配線層４９が形成される。
配線層４９は、第２の実施形態と同様、導電性を有する材料であれば、種々の材料から構成されてよく、例えば、金属材料から構成されてもよい。また、導電材料の充填方法も、用途に応じて種々の成膜方法又は充填方法を用いることができるが、空間４８は、内壁面が総て絶縁膜からなり、導電性物質は存在しないので、無電解めっきによる埋め込みを行うことはできない。よって、例えば、ＣＶＤ、ＡＬＤ等の処理ガスを用いた成膜方法を用いて、空間４８の埋め込みを行う。
例えば、窒化チタン（ＴｉＮ）をライナー、タングステン（Ｗ）をバルクとしてＣＶＤ又はＡＬＤ（Atomic Layer Deposition、原子層堆積法）により埋め込み成膜を行ってもよい。配線層４５の部分の更に奥側に、コンタクトパッド９５の空間が広がっているため、ＣＶＤ、ＡＬＤ等による埋め込み成膜時にボイドが出来易いという懸念はあるが、低抵抗の単一金属で埋め込みを行うことができ、接合部は存在しないので、コンタクト抵抗は低くなるという利点がある。
このように、コンタクト抵抗を低下させたい場合には、第３の実施形態に係る半導体装置の製造方法を用いることにより、低抵抗の半導体装置を製造することができる。
この後、コンタクトホール１１０を形成する点は、第１及び第２の実施形態と同様であるので、その説明を省略する。
本開示の実施形態に係るコンタクトパッドの製造方法、半導体装置の製造方法及び半導体装置によれば、コンタクトパッド９０、９５を階段形状の構造体６０、６５のステップ部分の配線層４０、４５が露出した箇所に形成し、配線層４０、４５を保護することにより、エッチングによる配線層４０、４５のパンチスルーを防止しつつ、１回のエッチング処理で複数のコンタクトホール１１０を形成することが可能な半導体装置を提供することができる。階段形状の構造体６０、６５において、１回のエッチングですべてのコンタクトホール１１０を形成してもよいし、深さレベルの違う複数のコンタクトホール１１０をグループ化しておき、何回かに分けてエッチングしてもよい。
また、第１乃至第３の実施形態においては、配線層４０、４５がシリコン又は窒化シリコンからなる場合のプロセスを説明したが、選択的な無電解めっきにより構造体６０の階段形状のステップ部分にコンタクトパッド９０、９５を形成することができれば、配線層４０、４５の材料は問わない。第１の実施形態に係るコンタクトパッドの製造方法、半導体装置の製造方法及び半導体装置は、配線層４０が導電性材料から構成されている種々の態様に適用可能である。また、第２及び第３の実施形態に係るコンタクトパッドの製造方法、半導体装置の製造方法及び半導体装置は、最終的に配線層４５を導電材料に入れ替えるので、絶縁材料を含めた種々の材料を配線層４５として用いることが可能である。つまり、配線層４０、４５の材料に応じて触媒液８０、無電解めっき液を適切に選択し、無電解めっき層を構造体６０、６５の階段形状のステップ部分にのみ選択的に成長させてコンタクトパッド９０、９５を形成できれば、種々の材料からなる配線層４０、４５を用いたプロセスに適用可能である。
以上、本開示の好ましい実施形態について詳説したが、本開示は、上述した実施形態に制限されることはなく、特許請求の範囲を逸脱することなく、上述した実施形態に種々の変形及び置換を加えることができる。
本願は、日本特許庁に２０１７年３月９日に出願された基礎出願2017-044808号の優先権を主張するものであり、その全内容を参照によりここに援用する。
１０ 基板
２０ ストップレイヤー
３０ 絶縁層
４０、４５、４７、４９ 配線層
４６、４８ 空間
５０、５５ ペア層
６０、６５ 構造体
７０ スペーサ
７１ 酸化膜
８０、８５ 触媒液
９０、９５ コンタクトパッド
１００ 絶縁膜
１１０ コンタクトホール
１２０ コンタクトプラグ

Claims (24)

  1. 絶縁層上に配線層が形成されたペア層が階段形状をなして積層され、前記階段形状のステップ部分をなす露出した前記配線層の上面に触媒液を供給して選択的に触媒処理を施す工程と、
    該触媒処理が施された前記配線層の上面に無電解めっきを行い、金属層を選択成長させる工程と、を有するコンタクトパッドの製造方法。
  2. 前記金属層は、エッチングによりパンチスルーが生じない所定厚さに形成されることを特徴とする請求項１に記載のコンタクトパッドの製造方法。
  3. 前記配線層は、シリコン又は窒化シリコンからなる請求項１に記載のコンタクトパッドの製造方法。
  4. 前記階段形状の段差部分をなす前記ペア層の側面が、絶縁膜のスペーサに予め覆われている請求項３に記載のコンタクトパッドの製造方法。
  5. 前記触媒液は、シリコン又は窒化シリコンには吸着するが、前記絶縁膜には吸着しない金属元素を含む請求項４に記載のコンタクトパッドの製造方法。
  6. 前記触媒液に含まれる前記金属元素は、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ｃｕ、Ａｇ又はＡｕのいずれかである請求項５に記載のコンタクトパッドの製造方法。
  7. 前記触媒液に含まれる前記金属元素はパラジウムであり、
    前記配線層がシリコンからなるときには、パラジウムをイオン状態で含むイオンパラジウム溶液が前記触媒液として用いられ、
    前記配線層が窒化シリコンからなるときには、パラジウムをナノ粒子状態で含むナノパラジウム溶液が前記触媒液として用いられる請求項６に記載のコンタクトパッドの製造方法。
  8. 前記触媒液には、フッ化水素が含まれている請求項３に記載のコンタクトパッドの製造方法。
  9. 前記絶縁膜及び前記スペーサは、シリコン酸化膜からなる請求項４に記載のコンタクトパッドの製造方法。
  10. 前記無電解めっきは、コバルト、ニッケル、ルテニウム、アルミニウムのいずれかを含む無電解めっき液を用いて行われる請求項１に記載のコンタクトパッドの製造方法。
  11. 絶縁層上に配線層が形成されたペア層が階段形状をなして積層され、前記階段形状のステップ部分をなす前記配線層の上面が露出した構造体の表面上に、前記階段形状に沿った第１の絶縁膜を形成する工程と、
    露出した前記配線層の上面上の前記第１の絶縁膜を除去し、前記階段形状の段差部分をなす側面を覆う前記第１の絶縁膜のみを残してスペーサを形成する工程と、
    露出した前記配線層の上面に触媒液を供給して選択的に触媒処理を施す工程と、
    該触媒処理が施された前記配線層の上面に無電解めっきを行い、金属層を選択成長させてコンタクトパッドを形成する工程と、
    前記構造体の表面上に、前記階段形状の最上段まで到達し、前記階段形状を充填する第２の絶縁膜を形成する工程と、を有する半導体装置の製造方法。
  12. 前記金属層は、エッチングによりパンチスルーが生じない所定厚さに形成される請求項１１に記載の半導体装置の製造方法。
  13. 前記無電解めっきは、コバルト、ニッケル、ルテニウム、アルミニウムのいずれかを含む無電解めっき液を用いて行われる請求項１１に記載の半導体装置の製造方法。
  14. 前記配線層は、シリコン又は窒化シリコンからなる請求項１１に記載の半導体装置の製造方法。
  15. 前記触媒液は、シリコン又は窒化シリコンには吸着するが、前記第１の絶縁膜には吸着しない金属元素を含む請求項１４に記載の半導体装置の製造方法。
  16. 前記絶縁層、前記第１及び第２の絶縁膜は、シリコン酸化膜からなる請求項１５に記載の半導体装置の製造方法。
  17. 前記触媒液に含まれる前記金属元素は、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ｃｕ、Ａｇ又はＡｕのいずれかである請求項１６に記載の半導体装置の製造方法。
  18. 前記触媒液中には、フッ化水素が含まれている請求項１７に記載の半導体装置の製造方法。
  19. 前記配線層がシリコンからなり、前記触媒液としてイオンパラジウム溶液が用いられる請求項１４に記載の半導体装置の製造方法。
  20. 前記配線層が窒化シリコンからなり、前記触媒液としてナノパラジウム溶液が用いられる請求項１４に記載の半導体装置の製造方法。
  21. 前記第２の絶縁膜を形成する工程の後、前記窒化シリコンを除去し、前記配線層の領域に空間を形成する工程と、
    前記配線層の領域に形成された前記空間に導電性材料を充填する工程と、を更に有する請求項２０に記載の半導体装置の製造方法。
  22. 前記窒化シリコンは、熱リン酸を用いたウェットエッチングにより除去される請求項２１に記載の半導体装置の製造方法。
  23. 前記第２の絶縁膜を形成する工程の後、前記窒化シリコン及び前記金属層を除去し、前記配線層及び前記コンタクトパッドの領域に空間を形成する工程と、
    前記配線層及び前記コンタクトパッドの領域に形成された前記空間に導電性材料を充填する工程と、を更に有する請求項２０に記載の半導体装置の製造方法。
  24. 前記窒化シリコン及び前記金属層は、熱リン酸及び硫酸を用いたウェットエッチングにより除去される請求項２３に記載の半導体装置の製造方法。
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