JP2000049340A - 半導体装置及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
己整合コンタクトホールのエッチング時におけるゲート
電極形状の損傷、ゲート電極とコンタクトホール内の金
属電極とのショートを防止し得るサイドウォール構造の
半導体装置及びその製造方法を提供する。 【解決手段】 シリコン基板1上に形成された下部がタ
ングステンポリサイド11のような導電膜及び上部が窒
化シリコン13のような第1の絶縁膜で構成された電極
配線と、その電極配線の側壁部に接して形成された窒化
シリコン15のような第2の絶縁膜と、窒化シリコン1
5とシリコン基板1との間に挿入形成された酸化シリコ
ン14のような第3の絶縁膜と、少なくとも電極配線、
その側壁部、第2の絶縁膜を被覆して層間絶縁膜16と
なるように形成された第4の絶縁膜と、ゲート電極と一
部が重なるように第4の絶縁膜に設けたコンタクトホー
ル17を備えたものである。
Description
(Metal−Oxide−Semiconducto
r)構造を有する半導体装置及びその製造方法に関する
ものである。
積化、パターンの微細化に伴い、ゲート電極等の配線や
上部配線と基板とを相互に接続するコンタクトのマスク
合わせが困難になってきており、これに対応するために
ゲート電極等の配線を窒化シリコン等の絶縁膜で覆い、
これをエッチング阻止膜にしてシリコン酸化膜にコンタ
クト開口を行うセルフ・アライン・コンタクト(以下S
ACという)技術が検討されている。
置及びその製造方法について説明する。図5は従来の半
導体装置の一例を示す断面図であり、SAC技術を用い
て製造されたものである。この図5に示す半導体装置
は、P型シリコン基板1の表面上にゲート酸化膜110
と下層がポリシリコン膜、上層がタングステンポリサイ
ドで構成されたタングステンポリサイド111からなる
導電性の電極配線と、その上部に酸化シリコン112と
窒化シリコン113からなる絶縁膜と、電極配線側壁部
に自己整合的に形成された酸化シリコン114と窒化シ
リコン115の側壁絶縁膜(以下サイドウォールとい
う)から構成されている。この構造のゲート電極上には
層間絶縁膜116が形成されてコンタクトホール117
が開口され、金属電極118がこのSAC技術によるコ
ンタクトホール117に形成されている。
して製造される。図6は従来の半導体装置の製造方法に
おける第1の工程説明図、図7は同第2の工程説明図で
ありSAC技術を用いて製造される前記半導体装置の製
造工程を示している。
コン基板101の表面上にゲート酸化膜110を堆積さ
せる。次に図6(b)に示すように、ゲート電極となる
タングステンポリサイド111を形成した後、後の工程
でSACのエッチングストッパーとなる保護絶縁膜とし
て酸化シリコン112及び窒化シリコン113を堆積さ
せる。レジスト塗布後、ゲート電極のマスクを用いてレ
ジスト120のパターニングを行う。次に図6(c)に
示すように、窒化シリコン113、酸化シリコン11
2、タングステンポリサイド111のエッチングを順次
行い、前述のパターニングされたレジスト120を除去
するとゲート電極が形成される。
の側壁にサイドウォールとして酸化シリコン114、及
び窒化シリコン115を堆積したのち、この絶縁膜を全
面エッチバックして自己整合的にこれらの膜から成るサ
イドウォールを形成する。このサイドウォールは、図6
(e)に示すように、ソース−ドレイン間の電界緩和の
ための不純物注入の際のマスクとしての役割と共に、ゲ
ート電極の極近傍にコンタクトホール117を開口する
時のエッチングに対するゲート電極保護絶縁膜の役割も
兼ねている。
電極を被覆して酸化シリコンを主成分とする層間絶縁膜
116を堆積し、コンタクトホール117用のレジスト
パターン121を形成する。そして、図7(b)に示す
ように、レジストパターン121をマスクとして層間絶
縁膜116を選択的にエッチングし、コンタクトホール
117を開口し、最後にアルミニウムを主成分とする金
属電極122を形成する。
コン115と酸化シリコン114の複合膜をサイドウォ
ールに用いるのはトランジスタの信頼性、高速動作に悪
影響を及ぼさないようにするためである。例えば、サイ
ドウォール側壁に窒化シリコンのみを用いた場合、窒化
シリコン膜は誘電率が高く、窒化シリコン膜とシリコン
基板とが直接接触するとシリコン基板表面と窒化シリコ
ンとの界面に界面準位が発生し、また、窒化シリコン膜
中には電子あるいは正孔を捕獲するトラップ中心が多量
に存在すため、MOSトランジスタの動作時に発生する
ホットキャリアが界面準位、あるいは窒化シリコン膜内
のトラップ中心にトラップされると、トランジスタの閾
値電圧(Vt)を変動させたり、トランジスタのホット
エレクトロン耐性を劣化させる原因となり、トランジス
タの信頼性、高速動作に悪影響を及ぼすことになるが、
上述のようにサイドウォールを複合膜にすることによ
り、窒化シリコン膜とシリコン基板とが直接接触しなく
なるのでこの課題は解決される。
うな半導体装置及びその製造方法においては次のような
問題点がある。
ン115の全面エッチバックにより自己整合的にサイド
ウォールを形成した場合、酸化シリコン114と窒化シ
リコン115の異なる膜種を同時にエッチングするた
め、エッチング速度が膜によって異なり、サイドウォー
ル形状を制御することが困難である。
ン114からの酸素が放出されることにより、ゲート電
極肩部115’(図6(e)参照)の窒化シリコンのエ
ッチングレートが増大し、その窒化シリコン膜の削れが
大きくなるためである。これを窒化シリコンのみをサイ
ドウォール絶縁膜として同程度の膜厚に堆積させてエッ
チングした際の形状と比較すると、ゲート電極肩部11
5’の窒化シリコン残膜量が減少しており、この減少は
ゲート電極と一部がオーバーラップした後のコンタクト
ホール117の開口時のオーバーエッチングマージンを
減少させることになって、エッチング保護膜としての窒
化シリコン膜の能力を減少させる要因になる。
膜116に開口するとき、このコンタクトホール117
が図7(b)に示すように、サイドウォールと一部重な
り、エッチングによって窒化シリコン膜が露出すると、
窒化シリコン115及び酸化シリコン114が異常に速
くエッチングされる現象が観察される。これは、コンタ
クトホール117のエッチングにおいては酸化シリコン
膜114のエッチング速度が大きいので、そのエッチン
グ時に選択的に酸化シリコンがエッチングされてスリッ
トが生じ、さらにサイドウォール形成工程でゲート電極
肩部115’がなくなったのに加えて窒化シリコン11
5自体もエッチングされたことによると考えられる。こ
うしてゲート電極のタングステンポリサイド111の側
壁が露出し、金属電極122とのショートを引き起こす
ことになる(図7(b)の丸印破線部分参照)。コンタ
クトホール117の直径が約0.2ミクロン以下、深さ
が約0.8ミクロン〜1ミクロンの高アスペクト比にな
ると特にサイドウォールのエッチングが顕著になる。
であり、トランジスタの信頼性を損なうことなく、自己
整合コンタクトホールのエッチング時におけるゲート電
極形状の損傷、ゲート電極とコンタクトホール内の金属
電極とのショートを防止し得るサイドウォール構造の半
導体装置及びその製造方法を提供することを目的とす
る。
半導体基板上に形成された下部がポリサイドのような導
電膜及び上部が窒化シリコンのような第1の絶縁膜で構
成された電極配線と、その電極配線の側壁部に接して形
成された窒化シリコンのような第2の絶縁膜と、第2の
絶縁膜と半導体基板との間に挿入形成された酸化シリコ
ンのような第3の絶縁膜と、少なくとも電極配線、その
側壁部、第2の絶縁膜を被覆して層間絶縁膜となるよう
に形成された第4の絶縁膜と、電極配線と一部が重なる
ように第4の絶縁膜に設けたコンタクトホールを備えた
ものである。
ドウォールの絶縁膜は第2の絶縁膜1種類であり、異種
の膜が存在しないので、膜の異常に速いエッチングが起
こらず、金属電極とゲート電極がショートすることを防
止することができる。また、第2の絶縁膜と半導体基板
との間に酸化シリコンのような第3の膜が挿入されてい
るので、界面準位やトラップがなく高い信頼性が確保で
きる。
基板上に下部がポリサイドのような導電膜、上部が窒化
シリコン膜のような第1の絶縁膜で構成された電極配線
層を形成し、この電極配線上を含めて半導体基板上に酸
化シリコン膜のような第2の絶縁膜を形成し、第2の絶
縁膜の電極配線側壁部に形成された部分が例えば窒化シ
リコン膜となるように変化させる変質工程と、その後窒
化シリコン膜のような第3の絶縁膜を電極配線側壁部に
形成する工程と、電極配線の領域及び他の半導体基板領
域に酸化シリコン膜のような第4の絶縁膜を形成し、そ
れを選択的にエッチングし、電極配線と一部が重なるよ
うにコンタクトホールを設ける工程を備えたものであ
る。
膜のような第2の絶縁膜を電極配線側壁部の第3の絶縁
膜と同様な窒化シリコン膜に変質させるので、実質的に
上記側壁部の絶縁膜は窒化シリコン膜1種類となり、コ
ンタクトエッチングにおいてスリットが形成されること
がなくなる。また、第2の絶縁膜の基板表面部は窒化せ
ずに残すことができるので、第2の絶縁膜と半導体基板
とが直接接触しなくなり、高い信頼性を確保することが
できる。
いて、図面を参照しながら説明する。
における構成を示す断面図であり、MOS型トランジス
タのゲート電極部分を示すものである。
板1の表面上にゲート酸化膜10とタングステンポリサ
イド11からなるゲート電極を兼ねる導電性の電極配線
と、その上部に酸化シリコン12と窒化シリコン13か
らなる絶縁膜と、ゲート電極配線側壁に自己整合的に形
成された薄い酸化シリコン14と窒化シリコン15のサ
イドウォールと、ゲート電極上に形成された層間絶縁膜
16を備え、層間絶縁膜16にはコンタクトホール17
が開口され、そしてアルミニウムを主成分とする金属電
極18が設けられている。この構成では、サイドウォー
ルの金属電極18と接触する部分が窒化シリコンのみで
あり、前記従来のもののように酸化シリコン膜がなく、
また、サイドウォール底部において、酸化シリコン14
がシリコン基板1と窒化シリコン15との間に薄く残存
しているのが特徴である。
実施の形態における第1の工程説明図、図3は同第2の
工程説明図であり、図1に示した半導体装置の製造工程
を示している。
プされたシリコン基板1上にゲート酸化膜10を例えば
膜厚5nm堆積する。次に図2(b)に示すように、低
温のCVD法によってゲート電極となるタングステンポ
リサイド11を例えば、WSi/DPS=100/10
0nm(DPS:リンドープポリシリコン)の膜厚で堆
積する。次にCVD法を用いて電極保護絶縁膜として酸
化シリコン12及び窒化シリコン13を例えばそれぞれ
20nm、200nm堆積する。酸化シリコン12は、
テトラエトキシシラン(以下TEOSという)と酸素ま
たはオゾンとの混合ガスにより堆積する。その後、レジ
スト20を塗布し、金属電極18のマスクを用いてレジ
スト20のパターニングを行う。
コン13、酸化シリコン12、タングステンポリサイド
11のドライエッチの処理を順次行い、パターニングさ
れたレジスト20を除去する。
より酸化シリコン14をTEOSと酸素/オゾンガスか
ら、例えば平坦面での目標膜厚で20nm堆積させる。
ここで酸化シリコン14は、平坦部(ゲートのパターン
の無い部分)の膜厚よりもゲート電極側壁部(垂直面)
の膜厚が薄くなるような条件で堆積させることが重要で
ある。なお、この図2(d)に示す状態は、後述の酸化
シリコン14の窒化処理及び窒化シリコン15の堆積後
の状態を示しており、この時点での酸化シリコン14の
堆積状態は破線に示すようになっている。こうした堆積
条件は減圧CVD法においては反応室内の圧力、温度を
適当に設定することによって可能である。発明者らの具
体的実験によれば、酸化シリコンのカバレッジ率を平坦
部とゲート電極側壁部とで比較した場合、後者のそれは
前者に比べておよそ60%から70%であった(膜厚に
して12〜14nm)。
施すが、この処理は、次の工程の、サイドウォール用窒
化シリコン15をNH3を含むガスを用いで堆積するた
めのCVD装置の反応室内で行う。すなわち、酸化シリ
コン14を堆積後、窒化シリコン15を堆積する前に行
うNH3パージ段階で窒化するのである。NH3パージと
は窒化シリコン成長時に原料であるNH3ガスを導入す
るステップである。
リコンCVD装置を利用する必要はなく、処理用の独立
した装置や他のNH3を導入できる装置を用いることが
できる。しかしながら窒化シリコンCVD装置を用いる
方法が次工程との連続性や処理時間の点から望ましいも
のである。なお、NH3以外の窒素化ガスを用いてもよ
い。
当たり、窒化シリコン15成膜時のNH3パージ条件に
ついて調べた。図4は本発明の半導体装置の製造方法の
一実施の形態における酸化シリコンの窒化特性を示す図
であり、NH3の流量を600sccm一定とし、NH3
パージ時間に対して酸化シリコンの窒化量をプロットし
た結果を示している。酸化シリコンの窒化量とNH3パ
ージ時間とはおよそリニアの関係にあり、例えばNH3
パージ時間5minでは酸化シリコンの窒化量はおよそ
7nm、NH3パージ時間を10minにすると酸化シ
リコンの窒化量はおよそ14nmであった。従って、酸
化シリコンを膜厚20nmで堆積させた場合として、す
なわちパターン側壁部分の酸化シリコン膜厚14nmを
完全に窒化するためにNH3パージ時間を10minに
した。この際、平坦部では未窒化の酸化シリコンがゲー
ト酸化膜膜厚(5nm)より厚く6nmほど残存する。
このようにして図2(d)に示すように酸化シリコンが
平坦部のみに残る。そして窒化シリコン15をNH3と
シランによる化学的気相成長法により約140nm堆積
させることにより、シリコン基板1と窒化シリコン15
とが直接接触しない構成を実現する。
ン15と酸化シリコン14の複合膜を反応性イオンエッ
チングにより全面エッチバックしてサイドウォールを形
成する。この際のゲート電極肩部の窒化シリコンの残膜
量はおよそ130nmであった。従来の製造方法ではこ
の残膜量がおよそ70nmであり、これと比較すると約
2倍の残膜量が得られる。これはゲート電極側壁部に接
した酸化シリコン膜がないため、窒化シリコン15のエ
ッチングが加速されなくなったためと考えられる。
上にノンドープシリカガラス(NSG)からなる層間絶
縁膜16をバイアススパッタ法により堆積し、コンタク
トホールパターンのマスクを用いてレジストパターン2
1を形成する。
6を、窒化シリコン15に対するエッチングレート比を
上げたエッチング条件にてエッチングを行い、レジスト
パターン21を除去すると自己整合的にゲート電極とオ
ーバラップしたコンタクトホール17が完成し、最後に
アルミニウムを主成分とする金属合金、高融点金属また
はそのシリサイド、半導体膜などの金属電極18を形成
する。
窒化シリコン15が図2(e)に示す工程で十分残留
し、また、ゲート電極側壁部に酸化シリコン14がない
ことにより、層間絶縁膜16のコンタクトエッチングを
行っても窒化シリコン15が速く除去されなくなってゲ
ート電極とコンタクトホール17内の金属電極18との
ショートも起こらないのである。
装置によれば、サイドウォールの全面エッチバック時に
おける電極肩部の窒化シリコンの削れ量の増大要因とな
る酸化シリコン層が無い構造にしているので、電極肩部
の窒化シリコンの削れが発生しないと同時に、コンタク
トホールエッチングの時、電極肩部で酸化シリコン層が
ある時に存在した酸化シリコンエッチによるサイドウォ
ールの速いエッチングがなくなるので、酸化シリコンの
選択的なエッチングが発生せず、ゲート電極と金属電極
とのショートを引き起こすことはない。また、サイドウ
ォールの底部にゲート酸化膜より厚い未窒化の酸化シリ
コンが残存する構造であるため、窒化シリコンとシリコ
ン基板との接触が防止され、界面順位やトラップのない
信頼性の高いトランジスタが得られ、また、半導体装置
の高速動作も可能になる。
製造方法によれば、酸化シリコン膜のような第2の絶縁
膜をゲート電極側壁部の第3の絶縁膜と同様な窒化シリ
コン膜に変質させるので、実質的に上記ゲート電極側壁
部には単一の膜が形成されているのと同じになり、コン
タクトホールエッチングにおいてスリットが形成される
ことがなくなる。また、第3の絶縁膜の基板表面部は窒
化せずに残すことができるので、窒化シリコンとシリコ
ン基板との接触が防止され、高い信頼性が確保できる。
また、第2の絶縁膜を変質させる工程には窒化を採用す
ると共に、第2の絶縁膜をゲート電極側壁部よりも半導
体基板表面部の方が厚くなるように形成し、前記窒化を
一様な厚さに行うことにより、ゲート電極側壁部の第2
の絶縁膜は全部窒化される一方で、半導体基板表面部で
は膜厚が厚いために窒化されない部分を具体的に残すこ
とができる。さらに、前記窒化を前記窒化膜のような第
3の絶縁膜を形成するための装置を用い、第3の絶縁膜
を形成するための窒化性ガスを用いて行うことにより、
窒化と第3の絶縁膜形成を兼ねることができ、効率的か
つ経済的であるという利点がある。
ば、電極肩部の窒化シリコンの削れが発生しないと同時
に、電極配線とコンタクトホール内の金属電極とのショ
ートを引き起こすことがないという効果が得られ、ま
た、本発明の半導体装置の製造方法によれば、酸化シリ
コン膜のような第2の絶縁膜をゲート電極側壁部の第3
の絶縁膜と同様な窒化シリコン膜に変質させるので、実
質的に上記ゲート電極側壁部には単一の膜が形成されコ
ンタクトエッチングにおいてスリットが形成されること
がなくなる他、第2の絶縁膜の基板表面部は窒化せずに
残すことができるので、第3の絶縁膜と半導体基板との
接触が防止され、高い信頼性が確保できるという有利な
効果が得られる。
成を示す断面図
における第1の工程説明図
における第2工の程説明図
における酸化シリコンの窒化特性を示す図
程説明図
程説明図
Claims (7)
- 【請求項1】 半導体基板上に形成された下部が導電
膜、上部が第1の絶縁膜で構成された電極配線と、前記
電極配線の側壁に接して形成された第2の絶縁膜と、前
記第2の絶縁膜と前記半導体基板との間に形成された第
3の絶縁膜と、少なくとも前記電極配線及び前記第2の
絶縁膜を被覆するように形成された第4の絶縁膜と、前
記電極配線と一部が重なるように前記第4の絶縁膜に設
けたコンタクトホールを有し、前記第1、第2の絶縁膜
は実質的に第1材質からなり、前記第3、第4の絶縁膜
は実質的に前記第1材質とは異なる第2材質からなるこ
とを特徴とする半導体装置。 - 【請求項2】 第1及び第2の絶縁膜は窒化シリコン系
の膜であり、第3及び第4の絶縁膜は酸化シリコン系の
膜であることを特徴とする請求項1記載の半導体装置。 - 【請求項3】 電極配線はゲート電極配線であることを
特徴とする請求項2記載の半導体装置。 - 【請求項4】 半導体基板上に下部が導電膜、上部が第
1の絶縁膜で構成された電極配線を形成する工程と、前
記電極配線上及び前記半導体基板上に第2の絶縁膜を形
成する工程と、前記第2の絶縁膜の少なくとも前記電極
配線側壁に形成された部分を変質させる工程と、その後
第3の絶縁膜を少なくとも前記電極配線側壁部に形成す
る工程と、前記電極配線の領域及び他の前記半導体基板
領域に第4の絶縁膜を形成する工程と、前記第4の絶縁
膜を選択的にエッチングし、前記電極配線と一部が重な
るようにコンタクトホールを設ける工程を含み、前記第
2の絶縁膜を変質させる工程は、実質的に前記エッチン
グに対して第3の絶縁膜と同一の性質を持つ材料に変化
させる変質工程であることを特徴とする半導体装置の製
造方法。 - 【請求項5】 第1及び第3の絶縁膜は窒化シリコン系
の膜であり、第2及び第4の絶縁膜は酸化シリコン系の
膜であり、変質工程は窒化工程であることを特徴とする
請求項4記載の半導体装置の製造方法。 - 【請求項6】 第2の絶縁膜を電極配線側壁部よりも前
記半導体基板表面部の方が厚くなるように形成し、変質
工程における窒化を一様な厚さに行うことを特徴とする
請求項5記載の半導体装置の製造方法。 - 【請求項7】 窒化工程は第3の絶縁膜を形成するため
の装置を用い、前記第3の絶縁膜を形成するための窒化
性ガスを用いて行うことを特徴とする請求項5または請
求項6記載の半導体装置の製造方法。
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|---|---|---|---|
| JP21420898A JP3380172B2 (ja) | 1998-07-29 | 1998-07-29 | 半導体装置の製造方法 |
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| JP3380172B2 JP3380172B2 (ja) | 2003-02-24 |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2002170487A (ja) * | 2000-11-30 | 2002-06-14 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | 電界放射型電子源の製造方法、電界放射型電子源、平面発光装置、ディスプレイ装置、及び固体真空デバイス |
| US6713337B2 (en) | 2000-05-15 | 2004-03-30 | Oki Electric Industry Co., Ltd. | Method for manufacturing a semiconductor device having self-aligned contacts |
| US7105438B2 (en) | 2004-02-20 | 2006-09-12 | Oki Electric Industry Co., Ltd. | Manufacturing method of a semiconductor device with a metal gate electrode and a structure thereof |
| JP2018006779A (ja) * | 2009-12-30 | 2018-01-11 | インテル コーポレイション | トランジスタ及びその製造方法 |
-
1998
- 1998-07-29 JP JP21420898A patent/JP3380172B2/ja not_active Expired - Fee Related
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