JPH08115863A - 半導体デバイス - Google Patents
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Abstract
層のパターン形成時に、該電極層上に該電極表面で反射
する光を減少させる機能を持つ反射防止膜を有する構成
を持つ半導体デバイスに関する。デバイス作成工程中に
発生する該反射防止膜の剥離を低減し、反射防止膜のエ
ッチングを必要としない半導体デバイスを提供すること
を目的とする。 【構成】 電極層と反射防止膜層の間に一方の層がもう
一方の層に与える応力を緩和する機能を持つ応力緩和層
を挿入する。
Description
し、特にフォトリソグラフィによる導電層のパターン形
成時に、該導電層で反射する光を減少させる機能を持つ
反射防止膜を該導電層上に有する半導体デバイスに関す
る。
子であるトランジスタの各電極、容量電極、相互配線等
の微細化を必要とする。この微細化の動きに伴って、反
射防止膜を利用した電極や配線のパターン形成がおこな
われるようになった。
般にフォトリソグラフィの露光波長において高い反射率
を有する。これらの導電体表面での露光光の反射を制御
できないとフォトリソグラフィにおいて高精度を達成で
きない。
トリソグラフィの露光工程において導電膜面での光反射
を抑える。下地膜の凹凸面からの光反射によるレジスト
の細りや断線が防止され、より高精度な電極/配線パタ
ーンの形成ができる。
ターン形成時に効果をもたらすものであるが、デバイス
機能そのものには何の寄与もしない。よってこれまで
は、電極パターン形成後、エッチング除去されていた。
F4 ガスを用いたドライエッチングで除去される。この
時、エッチングを意図しない、表面に露出しているゲー
ト酸化膜や、さらにはこのゲート酸化膜の下層にある層
までエッチングし、ダメージを与えることがある。
は、デバイス機能に必要とされるものではないが、その
機能を妨げるものでなければ、特に除去することなくそ
のままデバイスに残しておくこともできる。
伴う素子へのダメージを避けることができる。また、エ
ッチング工程を省略できる為、処理時間の短縮と歩留り
の向上を図ることもできる。しかしながら、導電膜とし
て高融点金属シリサイドを用いた場合にはデバイス完成
までの他の工程の中に、高温、例えば800℃以上での
熱処理工程があると、反射防止膜が、その下層である導
電膜との界面で剥離することがある。反射防止膜のエッ
チング除去を不必要とする為には、工程中に発生する剥
離を低減する必要がある。
要のない半導体デバイスを提供することである。
導体基板上に形成された導電膜と該導電膜上に形成され
た反射防止膜の間に、該導電膜と該反射防止膜の間に発
生する応力を緩和する機能を持つ応力緩和層を挿入す
る。
入する。応力緩和層は、該導電膜と該反射防止膜の間で
発生する応力を緩和する。デバイス製造工程中に熱処理
工程が存在しても、反射防止膜の剥離が低減される。よ
って、反射防止膜を除去せず、そのままデバイスに残す
ことができる。
較し、処理時間の短縮化を図ることができる。また、エ
ッチング工程に伴う素子へのダメージがない為、半導体
デバイスの歩留りと信頼性を改善することができる。
CMOSトランジスタのゲート電極形成工程を例にとっ
て説明する。
ランジスタのゲート電極パターン形成例を示した。図4
(A)に示すように、p型Siウェハ基板1には、Pイ
オンの注入により作られたn型ウェル層2が形成されて
いる。n型ウェル層2の上には、基板の熱酸化により作
られた薄いゲート酸化膜4と選択酸化により形成された
厚いフィールド酸化膜3の連続した酸化膜が形成されて
いる。この酸化膜の上に、導電膜として多結晶Si膜5
と金属シリサイド膜6がそれぞれスパッタリングにより
全面に形成されている。
がスピン塗布されており、8で示すフォトマスクを介し
て露光が行われる。入射光9は、レジストを通過し、下
地膜の金属シリサイド膜6表面で反射する。図4(A)
に示すように、フィールド酸化膜端部の段差の影響によ
り、金属シリサイド表面に凹凸がある場合、特に、図中
αで示すような、表面形状が凹型となっている部分で
は、凹面鏡による光反射のように反射光が集光する、ハ
レーションと呼ぶ現象が起こる。こうして本来非露光部
であるべき場所のレジストが露光される。
うと図中βで示すハレーションにより光があたった部分
が細くなったレジストパターン7aが形成される。この
レジストパターンをマスクにして電極層である金属シリ
サイド膜6と、多結晶Si膜5をエッチングすると、図
4(C)に示すように、レジストパターン7aの細りが
そのまま反映し、部分的細りのあるゲート電極パターン
となってしまう。
ンジスタのゲート電極パターン形成例を図5に示した。
図5(A)に示すように、反射防止膜10は、金属シリ
サイド膜6上にスパッタリングで全面に形成される。レ
ジスト膜は、この反射防止膜10上に形成される。
る。入射光9は、フォトマスクを通してレジストに入射
し、反射防止膜10に達する。入射光9は、反射防止膜
10を通過する間に減衰され、金属シリサイド膜6表面
に達する光量が減る。金属シリサイド膜6表面での反射
光はさらに反射防止膜10を通過する間に減衰する。
属シリサイド膜6表面での反射光が逆位相で合波すれ
ば、レジスト膜7中での反射光強度は低減する。このよ
うにして、反射防止膜10の介在により、レジスト膜へ
の反射光の影響が取り除かれる。
行うことによって得たレジスト膜パターン7aは、部分
的細りのない良好なパターンとなる。このレジストパタ
ーンをマスクにして反射防止膜10、金属シリサイド膜
6、多結晶Si膜5をエッチングすることにより図5
(C)に示すような良好な電極パターンが得られる。
電性膜上に良好なレジストパターンを形成するには、反
射防止膜の効果は大きい。このように、反射防止膜は、
導電層のパターニング時には、欠かせない層であるが、
デバイス機能そのものには、なんの寄与もするものでは
ない。よって、レジスト等と同様、導電層のパターニン
グ後は、エッチング除去されていた。例えばCF4 ガス
を用いてドライエッチングされるが、この時エッチング
を意図しない部分のエッチングを伴ったり、Si層にダ
メージを導入してしまうことがあった。
上層絶縁膜と同等に扱え、導電膜であれば下層導電膜と
同等に扱えるので、最終のデバイスに残したままにして
おいても特にデバイス機能を阻害するものではない。む
しろ反射防止膜除去をしないことにより、エッチング工
程が省略でき、エッチング工程時に発生する素子へのダ
メージも避けられる。
Nx 膜の反射防止膜を形成した場合、デバイス工程の中
の800℃以上の熱処理時に、WSiとの界面でSiN
x 膜の剥離が発生する。SiNx 膜をそのままデバイス
に残しておくには、この剥離の発生を抑える必要があ
る。
積収縮により積層膜の界面で発生する応力が一原因で起
こると考えられる。また、積層された膜同志の結合力が
小さい場合や、膜材料のヤング率が大きい等の要因でも
剥離し易い状況となる。
止膜10の間で発生する応力を緩和する応力緩和層11
を前記2つの層の間に挟んだ構造を試みた。
さい、あるいは、アモルファス構造を持つ等比較的柔ら
かい材料であること、界面の化学的結合力が強いこと、
材料の主成分が反射防止膜もしくは、電極膜と共通する
こと等の種々の条件中のなるべく多くの条件を満足する
ものを選択すればよい。さらに、上記条件以外にも、反
射防止膜の反射防止効果を阻害しないこと、デバイス工
程に負担をかけないこと等の条件を備えることが好まし
い。
膜がSiNx 膜の場合、具体的な応力緩和層材料として
は、アモルファスSi、アモルファスSiC、アモルフ
ァスSiGe、多結晶Si、SiO2 、SiON等のS
i化合物、あるいはアモルファスC、PSG(フォスフ
ォシリケートガラス)、BSG(ボロンシリケートガラ
ス)、BPSG(ボロフォスフォシリケートガラス)等
があげられるだろう。尚、アモルファスSi、アモルフ
ァスSiC、アモルファスSiGeにはH、F、B、P
等の不純物を含有していても良い。
Siを選択して、実際にCMOSトランジスタを作製
し、剥離に対する効果、反射防止性能に与える影響等を
評価した。
いたゲート電極の形成方法と共通する。図1(A)で示
すように、上部にn型ウェル層2を形成したp型Si基
板1上に厚いフィールド酸化層3と約100Åの薄いゲ
ート酸化層4を形成した。酸化層3、4上全面にスパッ
タリングにより、多結晶Si膜5を1500Å形成し
た。多結晶Si膜上全面にWSi膜6を2000Åやは
りスパッタリングで形成した。
ルファスSiをスパッタリングで形成した。作製条件
は、ターゲットにSiを用い、雰囲気ガスにAr、圧力
は8mTorr、RF電源出力1kw、基板温度は20
0℃であった。膜厚は0Åから300Åまでの範囲で変
化させた。
10としてSiNx 膜をリアクティブスパッタリングで
形成した。この時の条件は、ターゲットとしてSiを用
い、雰囲気ガスN2 、圧力は8mTorr、RF電源出
力1Kw、基板温度は200℃であった。膜厚は、20
0Åから700Åまでの範囲で変化させた。
スパッタリングを用い、しかも同じターゲット材料を使
用することができるので、連続して同一の装置内で形成
することも可能である。
レジスト膜をスピン塗布し、所定のプリベークを行った
後、フォトマスク8を介して露光を行った。図1(B)
に示すように、レジストの現像を行い、レジストパター
ン7aを得た。さらに、このレジストパターン7aをマ
スクとして、CF4 、CHF3 、Arの混合ガスを用い
てSiNx 膜10のドライエッチングを行った。さら
に、パターニングしたSiNx 10をマスクとして、C
l2 、O2 、Heの混合ガス又は、HBr、SF6 の混
合ガスにより、アモルファスSi層11、WSi膜6、
多結晶Si膜5のポリサイド層のエッチングを行い図1
(C)に示すようなゲート電極パターンを得た。
1(C)に示すようなゲート電極の他、デバイス上の他
の部分例えば、フィールド酸化膜上では配線等を形成し
ている。
工程は、一般に使用されている作製工程と同様である。
以下、図2,図3を用いて説明する。図2(D)で示す
ように、ゲート電極をマスクとしてp型不純物例えばB
F2のイオン注入を行い、LDD構造の軽くドープされ
た領域13aを作った。この後、電極の側壁部分のみを
覆うサイドスペーサ12を形成した。これは、Si原料
としてTEOS(テトラエトキシシラン)を用い、減圧
CVD法で形成したSiO2 膜をリアクティブイオンエ
ッチング(RIE)で異方的にパターニングしたもので
ある。
イドスペーサ12とフィールド酸化膜の間の基板表層部
分にBF2+のイオンを注入し、ソース/ドレイン領域1
3を作製した。この後850℃の温度でアニール処理を
行った。
G(フォスフォシリケートガラス)とBPSG(ボロン
フォスフォシリケート)の2層よりなる約7000Åの
膜を常圧CVD法で形成した後、1000℃以上の温度
でリフローを行い、平坦化させ、層間絶縁膜14を形成
した。この後、フォトリソグラフィを用いてコンタクト
ホールを層間絶縁膜14に形成した。
で全面にWSi、続いてAlにSiとCuを含むAl合
金の電極膜を形成した後、必要な配線形状15にパター
ニングした。尚、この場合も図3(I)に示すように、
電極膜上に応力緩和層17、反射防止膜18を備える構
成にしてもよい。
を用いてPSGとSiNx の2層よりなるパッシベーシ
ョン膜16を形成した。パッシベーション膜の窓開けを
行い、最後に水素雰囲気にて400℃でアニールをして
CMOSトランジスタデバイスを完成した。
て、アモルファスSiの応力緩和層11を加えたことに
よる反射防止効果への影響と剥離防止の効果について確
認した。
す工程の試料、即ちWSi膜6、アモルファスSiの応
力緩和膜11、SiNx の反射防止膜10を基板全面に
形成した直後の試料を用いて確認した。応力緩和層であ
るアモルファスSiの膜厚を0Å(なし)、50Å、1
00Å、150Åの4通りに変化させた。また、それぞ
れの膜厚のアモルファスSiに対して反射防止膜のSi
Nx 膜の膜厚を200Åから100Å刻みに600Åま
で変えた。各試料について露光波長に対する反射率を測
定した。
のi線365nmおよびg線436nmに対するSi基
板の反射率を100%とした相対反射率の測定結果をそ
れぞれ示す。横軸にSiNx の膜厚、縦軸に相対反射率
を示した。反射率が低い程、反射防止効果が高いことを
示す。
は、アモルファスSi膜の膜厚によらず、300Å〜5
00Å好ましくは約400Åであった。また、概してア
モルファスSiの介在は、反射防止効果を妨げるもので
はなかった。むしろSiNx 膜の膜厚が500Åを越す
場合等は、アモルファスSi層の介在により反射防止効
果は改善された。
も、反射防止膜の効果は妨げられることはなく、良好な
ゲート電極パターンが形成された。図8は、応力緩和層
としてアモルファスSiを選択した場合のアモルファス
Siの各膜厚での露光光に対する反射率をシミュレーシ
ョンした結果を示す。横軸にアモルファスSiの膜厚、
縦軸に反射率を示した。尚、反射率は、理想鏡の反射率
を100%として、絶対反射率で表示した。前提とする
膜構造は、WSi膜とその上のアモルファスSiさらに
その上に形成された反射防止膜であるSiN x 膜の3層
構造である。
射率を示す。SiNx 膜の膜厚はi線に対して最も反射
防止効果が高い膜厚である400Åとし、SiNx 膜の
複素屈折率(N)の実数項(n)を2.03、虚数項
(k)を0、およびアモルファスSiの複素屈折率
(N)の実数項(n)を5.1、虚数項(k)を−3.
1として計算した。
射率を示す。SiNx 膜の膜厚は、g線に対して最も反
射防止効果が高い膜厚である500Åとし、SiNx 膜
の複素屈折率(N)の実数項(n)を1.99、虚数項
(k)を0、およびアモルファスSiの複素屈折率
(N)の実数項(n)を5.2、虚数項(k)を−1.
4として計算した。
シミュレーション値は、良い一致を示しており、シミュ
レーション値の信頼性が高いと言える。実際には、0か
ら1000ÅまでのアモルファスSi膜厚に対する反射
率を求めた。いずれの露光波長に対する反射率も、この
アモルファスSiの膜厚範囲において変動は5%以内に
収まっていた。
結晶Siを選択した場合の多結晶Siの各膜厚での露光
光に対する反射率をシミュレ−ションした結果を示す。
図9(A)は、i線365nmに対する反射率を示す。
多結晶Siの複素屈折率(N)の実数項(n)を6.0
3、虚数項(k)を−1.81として計算した。図9
(B)は、g線436nmに対する反射率を示す。多結
晶Siの複素屈折率(N)の実数項(n)を4.96、
虚数項(k)を−0.48として計算した。その他の条
件は、先の図8に示したシミュレーションの場合と共通
である。
に、多結晶Siの膜厚を増加させても反射率は低い値を
保っている。この結果から多結晶Siを応力緩和層に選
択してもSiNx 膜の反射率効果を劣化させることはな
いものと予想できる。
ついては、図2(E)で示すソース/ドレイン層形成時
の850℃でのアニール処理直後の試料を用いて確認し
た。アモルファスSi膜11の膜厚を0〜300Åの間
で変え、SiNx 膜の剥離の有無を顕微鏡で観察した。
尚、この時のSiNx 膜の膜厚は400Åとした。
00Å未満の場合、反射防止膜の剥離が発生する場合も
あったが、100Å以上の膜厚の場合は、剥離は観察さ
れなかった。また、この時剥離が発生しなかった試料
は、この後の熱処理工程でも剥離は発生しなかった。こ
のようにアモルファスSiの膜厚が100Å以上である
ことが好ましいが、1000Å以上になると次工程にお
ける加工が困難になったり、平坦化工程が複雑になると
いう別の問題が発生する。
層として、WSi膜と反射防止膜であるSiNx 膜との
間に介在させ、反射防止膜をそのまま残存させることに
より、反射防止効果を保持したまま、デバイス工程中の
熱処理時の反射防止膜の剥離を低減することができた。
膜を使用しているが他の高融点金属のシリサイド化合物
に置き換えることもできる。例えば、Mo、Ti、T
a、Pt、Co、Ni等の材料とSiによるシリサイド
化合物が考えられる。
成した導電膜に際しても、上記実施例のゲート電極の場
合と同様に、導電膜上に応力緩和層、さらに応力緩和層
上に反射防止膜を形成した構成にすれば、良好な配線パ
ターニングができるとともに、反射防止膜をエッチング
せず残すことができる。
Nx 以外にもSiON、アモルファスSi、TiO2 、
TiON、TiN等が使用できる。尚、反射防止膜と、
応力緩和層の選択できる材料に重複があるが、当然なが
ら同じ材料を同時に選択することはできない。
pチャネル部分の形成工程のみを説明したが、CMOS
作製工程の中では、もちろんnチャネルも形成した。各
チャネルは、不要部分をレジストマスクで覆ってイオン
注入する等同様な工程を交互に繰り返すことで作成し
た。但し、nチャネルの形成時のイオンドーピング種
は、P+ 等を用いた。
条件を充たす実施態様として、次のような材料を選択す
ることが可能である。例えば第1の層としては、上記し
たWの他Ti、Ta、Pt、Co、Ni等の高融点金属
群の中の一つの金属とSiとの化合物である高融点金属
シリサイド化合物を選択することができる。
結晶Siの他、アモルファスSiC、アモルファスSi
Ge、SiO2 、SiON等のSi化合物、あるいはア
モルファスC、PSG(フォスフォシリケートガラ
ス)、BSG(ボロンシリケートガラス)、BPSG
(ボロフォスフォシリケートガラス)等の材料を選択す
ることができる。尚、上記アモルファスSi、アモルフ
ァスSiC、アモルファスSiGeにはH、F、B、P
等の不純物を含有してもよい。
N、アモルファスSi、TiO2 、TiON、TiN等
を選択することができる。以上、nチャネルMOSトラ
ンジスタとpチャネルMOSトランジスタを含むCMO
Sゲート電極への応用について記載したが、nチャネル
MOSトランジスタのみを含むNMOS,pチャネルM
OSトランジスタのみを含むPMOSへの応用は自明で
あろう。
電層はゲート電極に限らない。他の配線/電極への応用
も可能なことは言うまでもない。以上、実施例に沿って
本発明を説明したが、本発明はこれらに制限されるもの
ではない。例えば、種々の変更、改良、組み合わせ等が
可能なことは当業者に自明であろう。
止膜の間に応力緩和層を有するデバイス構成は、応力緩
和層が導電体膜と反射防止膜の間に発生する応力を緩和
し、デバイス製造工程時の反射防止膜の剥離を防止す
る。よって、反射防止膜をデバイスに残すことが可能と
なり、反射防止膜のエッチングが不要となる。
程を示す断面図である。
程を示す断面図である。
程を示す断面図である。
製工程を示す断面図である。
工程を示す断面図である。
る反射防止膜の反射防止特性を示すグラフである。
る反射防止膜の反射防止特性を示すグラフである。
すグラフである。
すグラフである。
ールド酸化膜、4・・・ゲート酸化膜、5・・・多結晶
Si膜、6・・・金属シリサイド膜、7・・・レジスト
膜、7a・・・レジストパターン、8・・・フォトマス
ク、9・・・入射光、10・・・反射防止膜、11・・
・応力緩和層、12・・・サイドスペーサ、13a・・
・浅いイオン注入領域、13・・・イオン注入層、14
・・・層間絶縁膜、15・・・配線膜、16・・・パッ
シベーション膜、17・・・応力緩和層、18・・・反
射防止膜
Claims (5)
- 【請求項1】 凹凸のある表面を有する半導体基板と、 前記半導体基板上に配置され、高融点金属とSiの化合
物よりなる導電体で形成された第1の層と、 前記第1の層上に形成された第2の層と、 前記第2の層上に形成され、上方より前記第1の層に入
射し、反射する光の強度を減少させる機能を有する反射
防止膜である第3の層と、を有し、前記第2の層が前記
第1の層および前記第3の層とは異なる組成からなり、
前記第1の層と前記第3の層の間に発生する応力を緩和
する機能を持つ半導体デバイス。 - 【請求項2】 前記第2の層が、Siを主成分とする単
体もしくは、化合物で形成された請求項1に記載の半導
体デバイス。 - 【請求項3】 前記第1の層の導電体がWSiであり、
前記第2の層がアモルファスSiもしくは多結晶Siで
形成され、前記第3の層がSiNx で形成された請求項
1に記載の半導体デバイス。 - 【請求項4】 前記第2の層のアモルファスSiの膜厚
が100Å以上である請求項3に記載の半導体デバイ
ス。 - 【請求項5】 前記第1の層がデバイス上の配線もしく
はトランジスタのゲート電極を構成する請求項1〜4の
いずれかに記載の半導体デバイス。
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