JPH11500272A - 電気的に導電性を有するコンタクトプラグの形成に関する半導体の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 電気的に導電性を有するコンタクトプラグを基板に対して形成する半導体の製造方法であって、該製造方法は、ａ）これに対して電気的接続がなされる基板（３６）を提供する過程と、ｂ）前記基板（３６）上に第一材料層（４０）を所定の厚さ堆積する過程と、ｃ）前記第一材料層（４０）内に貫通する所望のコンタクト用開口（４４）形成のためのマスクパターンを形成する過程と、ｄ）前記基板と電気的接続をなすための、最外部領域を有して前記第一材料層を貫通するコンタクト用開口（４４）を形成するために、前記第一材料層（４０）をエッチングする過程と、ｅ）前記コンタクト用開口（４４）形成のためのエッチングを行った後、前記第一材料層からマスク材（４２）を除去する過程と、ｆ）前記第一材料層からマスク材（４２）を除去した後、コンタクト用開口の前記最外部領域を有効的に拡張する外方に向かって傾斜角度有する側壁（４８）であり、外方に向かって傾斜角度有する該側壁がそこで当初のコンタクト用開口と一致又は接合する内部ベース部分を具えた側壁（４８）を提供するために、前記第一材料層（４０）へ前記コンタクト用開口（４４）に対して面取りエッチングを行う過程と、ｇ）前記コンタクト用開口（４４）を充填するために、導電性材料層（５２）を前記ウェーハ上、及び面取りされた前記コンタクト用開口内に堆積する過程と、ｈ）前記基板（３６）に電気的に接続する電気的に導電性を有するコンタクトプラグを形成するために、前記導電性材料（５２）及び前記第一材料層（４０）を、少なくとも前記傾斜角度を有する側壁の内部ベース部分までエッチングする過程とを有する。

Description

【発明の詳細な説明】 電気的に導電性を有するコンタクトプラグの形成に関する半導体の製造方法技術分野 本発明は半導体の製造方法に関し、より詳しくは、電気的に導電性を有するコ ンタクトプラグを半導体ウェーハに対して形成する方法に関する。背景技術 本発明は、シリコン酸化絶縁層を貫通して設けられるコンタクトにタングステ ンプラグを形成することに関連して従来生じていた問題点を克服すべくなされた ものである。添付図面の図１及び図２を参照すれば、従来生じていたその問題点 が良く理解できる。図には、バルク基板１２及びその上にシリコン酸化層１４、 例えばＢＰＳＧガラスから成る半導体ウェーハ片が示されている。バルク基板１ ２は、それに対して電気的接続がなされる不純物拡散／活性領域１６を有する。 コンタクト用開口１８が、ＢＰＳＧガラスを貫通して活性領域１６まで設けられ る。 チタンの薄い層２０がウェーハ上及びコンタクト用開口１８内に堆積される。 このチタン層２０は、抵抗を減少するために、コンタクト用開口１８の根元部分 （ベース部分）にシリサイド層を形成するよう機能すべく設けられる。通常、拡 散領域１６の上には、好ましくない酸化層（図示せず）も形成される。堆積され るチタンはまた、この好ましくない酸化層を崩すとともに、基板１２のシリコン と共に、活性領域１６とその後堆積される充填プラグタングステンとの間の抵抗 を低くするためのチタンシリサイドを形成するように機能する。これに加えて、 チタン層２０は、その後堆積されるタングステンのための付着／核化層として機 能する。タングステンはシリコン酸化層及び露出したシリコン基板上には容易に は堆積しないが、その間にチタン層２０が介在することにより、それらに対する タングステンの堆積及び付着性が容易化される。 チタン層２０は代表的にはスパッリング法によって堆積されるが、この方法に よるとその際同時に、好ましくない張り出したコンタクト先端部２２が形成され てしまう。その結果、コンタクト用開口に対して後退又は侵入物阻止角２４を形 成することになってしまう。次に、タングステンの層２６が、コンタクト用開口 １８の残りの部分を完全にタングステンで充填する目的で堆積される。残念なが らその際、好ましくないキーホール２８が通常形成されてしまい、コンタクト２ ８の内部に意味の無い部分を残すことになる。 図２を参照すれば分かる通り、タングステン層２６とチタン層２０は次に、コ ンタクト充填プラグ３０を形成するために、化学機械研磨法のドライエッチング によりエッチバックされる。こうすることにより、残念ながらキーホール２８の 上端部に通常、孔が開いてしまう。処理過程において、この孔は、清掃及び洗浄 し難い薄い無効部分を形成することになる。また、最終的構造物では、キーホー ル２８によって形成されるこの無効部分によって、プラグ３０の外周面領域が減 ってしまうことになる。このことは、活性領域１６との電気的接続を最良とする ために、次に形成される層とプラグ３０との電気的接触を最大限としようとする ことの障害となる。さらに、プラグ３０を形成するために通常実施されるエッチ バックは、チタン層２０をオーバーエッチングし過ぎて、“凹状端部”３２を形 成することになる。 上記問題点を克服するための従来の解決方法を図３を参照しながら説明する。 図１及び図２の構成要素と同一要素には同一参照番号が付され、構成要素におい て差異があるものには、末尾に“ａ”を付して示されている。ここでは、ＢＰＳ Ｇ層１４は、外表面から活性領域１６の下方に向かって角度を持ってエッチング されている。したがって、次に堆積されるチタン層２０は尖端部又は突出部を形 成することがなく、これにより、更に次に堆積されるタングステン層内にキーホ ールを生じさせない結果となる。しかしながら、この方法によると、コンタクト 用開口１８ａは、その根元部分が図１及び図２に示されているものより更に狭く なると共に、最外部部分が極めて広くなるという新たな問題点を有することとな る。こうすると、貴重なウェーハ領域を無駄に消費することになり、それにより 、半導体装置をより小さくしようとする半導体処理の目的の障害となる。 電気的に導電性を有するコンタクトプラグの形成に関連したこれら及び他の問 題点を克服することが好ましい。本願発明は、特に、タングステンプラグの形成 に関連するものとしてなされたが、当業者であれば、他の材料及び構造にも適用 できることは容易に理解できよう。本願発明は、均等の原理に従って適当に解釈 されるべき、後に添付される請求の範囲によってのみ限定されるものである。図面の簡単な説明 以下、本願発明の好適実施例を添付図面を参照しながら説明する。 図１は、従来例の半導体ウェーハ片の概略断面図であり、“背景技術”の項目 内で説明されている。 図２は、図１に示す半導体処理過程に続く従来例の処理過程における、図１に 示すウェーハの概略断面図である。 図３は、他の従来例の処理を示す半導体ウェーハ片の概略断面図であり、“背 景技術”の項目内で説明されている。 図４は、本発明による半導体処理におけるある過程でのウェーハ片の概略断面 図である。 図５は、図４に示す過程に続く過程を示す図４のウェーハの概略断面図である 。 図６は、図５に示す過程に続く過程を示す図４のウェーハの概略断面図である 。 図７は、図６に示す過程に続く過程を示す図４のウェーハの概略断面図である 。 図８は、図７に示す過程に続く過程を示す図４のウェーハの概略断面図である 。 図９は、図８に示す過程に続く過程を示す図４のウェーハの概略断面図である 。好適実施例及び発明の詳細な説明 本発明の一態様によれば、電気的に導電性を有するコンタクトプラグをウェー ハに対して形成する方法であって、該方法は、 これに対して電気的接続がなされる基板を提供する過程と、 前記基板上に第１の材料からなる層を所定の厚さ堆積する過程と、 前記第１材料層を貫通する所望のコンタクト用開口を設けるために、前記第１ 材料層にマスクパターンを設ける過程と、 前記基板との電気的接続を行うための、最外部領域を有するコンタクト用開口 を形成するために、前記第１材料層をエッチングする過程と、 コンタクト用開口を形成するためのエッチングを行った後、前記第１材料層か らマスクパターンを除去する過程と、 前記第１材料層からマスクパターンを除去した後、コンタクト用開口最外部領 域を有効的に拡げると共に当初のコンタクト用開口と接続する内部ベース部分を 有する、外方に向かった傾斜角度を有する側壁部を形成するように、前記コンタ クト用開口に対して前記第１材料層の面取りスパッターエンチングを行う過程と 、 コンタクト用開口を充填するべく、ウェーハ上及び面取りされたコンタクト用 開口内に導電性材料からなる層を堆積する過程と、 前記基板と電気的に接続される電気的に導電性を有するコンタクトプラグを画 定すべく、前記導電性材料層及び前記第１材料層を内側方向に少なくとも傾斜角 度を有する側壁部の内部ベース部分までエッチングする過程と、 を有する方法が提供される。 より具体的には、先ず、図４乃至図８に示されるように、本発明の方法による ある過程における半導体ウェーハ片は、参照番号３５によって表されている。半 導体ウェーハ片３５は、バルク基板３６及びそれに対して電気的接続がなされる 活性領域３８を有する。第１材料による層４０が所定の厚さ“Ａ”となるように 基板３６上に堆積される。好ましくは、層４０の材料は、電気的な絶縁材料であ って、好ましい材料の例としてＢＰＳＧが挙げられる。層４０は、それを貫通す る所望のコンタクト用開口を形成するために、パターンマスクされる。具体的に は且つ好ましくは、フォトレジストのマスク層４２が設けられ、そして次に、基 板領域３８と電気的接続をなすためのコンタクト用開口を形成するために、第１ 材料層４０がエッチングされる。以下の説明を分かり易くするために、コンタク ト用開口４４は最外部領域を有するものとし、この部分は点線４６で囲まれた部 分として示されている。コンタクト用開口４４を形成するためのＢＰＳＧ酸化物 のエッチングは、炭素／フッ素に基づく化学薬品である例えば、ＣＦ₄，ＣＨＦ₃ 及びＡｒを用いたドライエッチング法である。重合体の形成を最小とするために 、物理的スパッタリングにある程度なるように、アルゴン（Ａｒ）が加えられる ことが望ましい。 図５を参照すれば分かる通り、コンタクト用開口４４を形成するエッチングが 行われた後、マスク層４２が除去される。そして次に、コンタクト用開口４４に 関して第１材料層に対して、外方に向かって傾斜角度を有する側壁４８を形成す るべく面取りスパッタエッチングが実施される。この外方に向かって傾斜角度を 有する側壁４８は、コンタクト用開口４４を最外部領域４６に有効的に拡張する 。側壁４８を形成するための面取りエッチング技術の例としては、先ず最初に、 コンタクト用開口を従来の反応性又は非反応性手法によってエッチングし、次に 、レジストを剥がし且つコンタクト用開口の縁部からそれを取り去るように酸素 エッチングを行うことである。目的とする効果は、レジストを必ずしも完全に剥 がすことではなく、コンタクト用開口からレジストを動かすことである。例示的 な条件は、酸素１００sccm，３０mTorr,５００ワット，１００ガウスである。こ れに続き、アルゴンによる物理的ドライエッチングが、例えば、アルゴン５０sc cm，３０mTorr,３５０ワット，６０ガウスの条件の下で行われる。アルゴンのス パッタ量は、所定の面取り部は提供するが、コンタクト用開口のベース部分のシ リコンは露出させないように調節（最少化）される。上記の処理過程（マスクの 除去及び全てのエッチング）は、好ましくは全て同一反応室（チェンバー）内で 行われる。以下の説明を分かり易くするため、外方に向けて傾斜角度を有する側 壁４８は、内側ベース部分５０を有し、この部分で側壁４８は当初のコンタクト 用開口４４と合致する。 次に、図６を参照して説明する。導電性材料（即ち、チタン）の層５２が、ウ ェーハ上及び面取りされたコンタクト用開口４４内に堆積される。層５２はコン タクト用開口４４内を完全にではないが充填する。コンタクト用開口４４に対し て傾斜角度を有する側壁４８は、従来技術において生じていた好ましくない突出 部を形成しないように機能する。もしそのような突出部が生じた場合、前述した ように、コンタクト用開口４４を歪ませることとなる。 図７を参照して更に説明する。もう一つの層、好ましくはタングステンの層５ ４が、ウェーハ上、及びコンタクト用開口４４を充填するように面取りされたコ ンタクト用開口４４内部に堆積される。チタン層５２とタングステン層５４は共 にコンタクト用開口４４を充填する導電材料を形成する。コンタクト用開口４４ は、二つの層による前記例とは代替的に、単一の層の堆積によって充填されても よい。更には、三つ又はそれ以上の分離した異なる層を堆積することによりコン タクト用開口４４を充填してもよい。何れにしても、傾斜した側壁４８を設ける ことにより、突出部の形成を容易に無くすことができる。パターンニングされる コンタクト用開口４４は、ベース部分のところで最も小さいフォトリソグラフィ ックサイズとなるように設計することができる。ウェーハの拡がり部分は、最外 部部分即ち領域４６の部分だけで起こる。従って、回路密度は、突出部の形成を 最少にしたままで最大限とすることができる。 次に図８を参照して説明する。チタン層５２とタングステン層５４は共に、少 なくとも傾斜角度を有する側壁４８の内部ベース部分５０のところまで内側方向 にエッチングされる。これにより、基板領域３８と電気的に接続される電気的に 導電性を有するコンタクトプラグ５６がコンタクト用開口４４内に形成される。 好ましくは、エッチングはベース部分５０（図５参照）より僅かにその下まで行 われ、こうすることにより、コンタクト用開口４４の最下位置最小径のコンタク トプラグ５６を形成できることを確実とする。こうすることにより、層４０は、 当初の厚さ“Ａ”より薄い最終的な厚さ“Ｂ”を有することとなる。したがって 、層４０の初期の厚さは、最終的に希望する厚さよりも厚いものとして与えられ 、これにより、プラグ５６が、コンタクト用開口４４を規定する最小フォトリソ グラフィーサイズに一致した外径を有することが容易となる。したがって、突出 部の形成が防げることにより、キーホール及び凹部が実質的に無くなり、そして サイズ最小化／密度最大化の目的は阻害されることはない。 層５４，５２及び層４０をエッチングするための好ましい方法は、化学・機械 研磨の手法である。上に説明した好ましい材料を用いた場合、例示的な化学・機 械研磨用スラリーは、Ｋ₃Ｆｅ(ＣＮ)₆又は拡散されたコロイド状のシリカまたは アルミナを有するＨ₂Ｏ₂を含むものである。選択的な酸化物の研磨は、必要によ り、スラリー内の固形物パーセント比を変えることにより調整することができる 。最終的に、しかしながら、酸化物の研磨は、層４０を少なくとも側壁の内部ベ ース部分まで除去するのに要求される。勿論、ドライエッチングで行うこともで きる。 最後に図９を参照して説明する。最後に、導電材料の層５２及び５４よりも速 い速度で第１材料の層４０をエッチングし、第１材料の層４０から外側に突出す る最終的なプラグ５６を形成する。こうすることにより、如何なる凹部が形成さ れることを防げ、そして、プラグ５６と電気的に接続される次に堆積される導電 層のためのより広い表面領域の形成が容易になる。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ， ＤＫ，ＥＳ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，ＬＵ，Ｍ Ｃ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＪＰ，ＫＲ (72)発明者 フェイゼン，ピエール シー. アメリカ合衆国，アイダホ州 83706，ボ イズ，イリノイ アヴェニュー 2267 【要約の続き】 コンタクト用開口（４４）に対して面取りエッチングを 行う過程と、ｇ）前記コンタクト用開口（４４）を充填 するために、導電性材料層（５２）を前記ウェーハ上、 及び面取りされた前記コンタクト用開口内に堆積する過 程と、ｈ）前記基板（３６）に電気的に接続する電気的 に導電性を有するコンタクトプラグを形成するために、 前記導電性材料（５２）及び前記第一材料層（４０） を、少なくとも前記傾斜角度を有する側壁の内部ベース 部分までエッチングする過程とを有する。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．電気的に導電性を有するコンタクトプラグを基板に対して形成する半導体の 製造方法であって、該製造方法は、 基板を提供する過程と、 前記基板上に第一材料層を形成する過程と、 前記第一材料層内にコンタクト用開口を形成する過程、即ち、前記コンタク ト用開口がほぼ垂直な内部側壁部分を有する側壁及びほぼ垂直な内部側壁部分の 結合点において垂直から実質的に傾いて結合する外部方向に傾いた側壁外部部分 を有するコンタクト用開口を形成する過程と、 前記コンタクト用開口内および前記外部方向に傾いた側壁外部部分の上に導 電性材料を提供する過程と、 前記第一材料層を少なくとも前記結合点までエッチングする過程と、 を有することを特徴とする製造方法。 ２．前記エッチングする過程が、前記基板と電気的に接続し且つ前記第一材料層 から外方に突出する導電性を有するコンタクトプラグを画定するように行われる ことを特徴とする請求項１記載の製造方法。 ３．前記各過程が記載の順序で行われることを特徴とする請求項１記載の製造方 法。 ４．前記導電性材料の提供が、 第一導電性材料を前記コンタクト用開口を完全には充填しないように形成す ることと、 第二導電性材料を前記第一導電性材料の上に形成すること、 からなることを特徴とする請求項１記載の製造方法。 ５．前記第二導電性材料の形成が前記コンタクト用開口を完全に充填することを 特徴とする請求項４記載の製造方法。 ６．前記第二導電性材料が前記第一導電性材料と異なることを特徴とする請求項 ４記載の製造方法。 ７．前記第一導電性材料がチタンからなり、前記第二導電性材料がタングステン からなることを特徴とする請求項４記載の製造方法。 ８．電気的に導電性を有するコンタクトプラグを基板に対して形成する半導体の 製造方法であって、該製造方法は、 基板を提供する過程と、 前記基板上に第一材料層を形成する過程と、 前記第一材料層内にコンタクト用開口を形成する過程、即ち、前記コンタク ト用開口が第一の角度のテーパで外方に傾いた側壁を有し、前記外方に傾いた側 壁が内部ベース部分を有し、該内部ベース部分において前記第一の角度のテーパ が該第一の角度のテーパより小さい角度で第二の角度のテーパに変わる、コンタ クト用開口を形成する過程と、 前記コンタクト用開口内において前記外方に傾いた側壁の内部ベース部分を 越えて前記コンタクト用開口を充填するように導電性材料を提供する過程であっ て、前記導電性材料が前記第一の角度のテーパを有する前記外方に傾いた側壁の 少なくとも一部を覆うようになっている、導電性材料を提供する過程と、 前記導電性材料をエッチングする過程であって、少なくとも前記外方に傾い た側壁の内部ベース部分までエッチングして前記基板に電気的に接続するコンタ クトプラグを画定するようにエッチングする過程と、 を有することを特徴とする製造方法。 ９．前記エッチングする過程が、前記第一材料層から外方に突出する電気的に導 電性を有するコンタクトプラグを画定するように行われることを特徴とする請求 項８記載の製造方法。 １０．前記各過程が記載の順序で行われることを特徴とする請求項８記載の製造 方法。 １１．前記導電性材料の提供が、 第一導電性材料を前記コンタクト用開口を完全には充填しないように形成す ることと、 第二導電性材料を前記第一導電性材料の上に形成すること、 からなることを特徴とする請求項８記載の製造方法。 １２．前記第二導電性材料が前記第一導電性材料と異なることを特徴とする請求 項１１記載の製造方法。 １３．前記第一導電性材料がチタンからなることを特徴とする請求項１２記載の 製造方法。 １４．前記第二導電性材料がタングステンからなることを特徴とする請求項１２ 記載の製造方法。 １５．電気的に導電性を有するコンタクトプラグを基板に対して形成する半導体 の製造方法であって、該製造方法は、 電気的接続が行われる基板の上に絶縁性材料層を形成する過程と、 前記絶縁性材料層の上にマスキング材料層を形成する過程と、 コンタクト開口パターンを画定するために前記マスキング材料層をパターン ニングする過程と、 前記絶縁性材料層に、前記コンタクト開口パターンを介してコンタクト用開 口をエッチングする過程であって、前記コンタクト用開口が前記基板に隣接して 最内部領域を有し該最内部領域の外方に最外部領域を有するようにコンタクト用 開口をエッチングする過程と、 前記コンタクト用開口をエッチングした後で、前記絶縁性材料層からマスキ ング材料を除去する過程と、 前記マスキング材料を除去した後、前記コンタクト用開口に隣接する前記絶 縁性材料層へエッチングする過程であって、前記最外部領域内に外方に傾いた側 壁を提供し、それにより前記最内部領域に比較して前記最外部領域を有効的に拡 張するようにし、前記の外方に傾いた側壁が内部ベース部分を有して、そこで前 記側壁が初めに形成された前記最内部領域に接合するようになる、エッチングす る過程と、 前記基板上と前記のエッチングされたコンタクト用開口内に前記コンタクト 用開口を完全には充填しないように導電性材料の第一層を堆積する過程と、 前記基板上と前記のエッチングされたコンタクト用開口内に前記コンタクト 用開口を完全に充填するように導電性材料の第二層を堆積する過程と、 前記基板に対して電気的に導電性を有するコンタクトプラグを画定するため に、前記導電性材料の第一及び二層並びに前記絶縁性材料層を少なくとも前記の 外方に傾いた側壁の内部ベース部分までエッチングする過程と、 を有することを特徴とする製造方法。 １６．電気的に導電性を有するコンタクトプラグを基板に対して形成する半導体 の製造方法であって、該製造方法は、 電気的接続が行われる基板の上に絶縁性酸化物層を形成する過程と、 前記絶縁性酸化物層の上にマスキング材料層を形成する過程と、 コンタクト開口パターンを画定するために前記マスキング材料層をパターン ニングする過程と、 前記絶縁性酸化物層に、最外部領域を有するコンタクト用開口を、前記コン タクト開口パターンを介してエッチングする過程と 前記絶縁性酸化物層からマスキング材料を除去する過程と、 前記コンタクト用開口に隣接する前記絶縁酸化物層へエッチングする過程で あって、前記最外部領域内に外方に傾いた側壁を提供し、それにより前記最外部 領域を有効的に拡張するようにし、前記の外方に傾いた側壁が第一の角度のテー パと内部ベース部分を有して、該内部ベース部分において前記第一の角度 のテーパが該第一の角度のテーパより小さい角度で第二の角度のテーパに変わる ように、エッチングする過程と、 前記基板上と前記コンタクト用開口内に前記コンタクト用開口を完全には充 填しないように、前記第一の角度のテーパを有する前記の外方に傾いた側壁の少 なくとも一部を覆うチタン層を堆積する過程と、 前記基板上と前記コンタクト用開口内に前記コンタクト用開口を完全に充填 するように、タングステン層を形成する過程と、 前記基板に対して電気的に導電性を有するコンタクトプラグを画定するため に、前記チタン層、タングステン層、絶縁性酸化物層をエッチングする過程と、 とからなることを特徴とする製造方法。