半導体装置およびその製造方法
【課題】コンタクト孔に埋め込まれる金属プラグの材料が層間絶縁膜に染み出すのを防止できる半導体装置を提供する。
【解決手段】隣り合う２つのメモリセル１のサイドウォール間の不純物拡散領域に電気的接続されるコンタクトプラグ４０が、層間絶縁膜１８を貫通して設けられている。コンタクト孔４１の側壁は、層間絶縁膜１８より緻密なシール膜４２で覆われている。コンタクトプラグ４０は、シール膜４２の表面およびコンタクト孔４１の底面部を覆うように形成されたバリアメタル膜４３と、バリアメタル膜４３に包囲された状態でコンタクト孔４１内に埋め込まれた金属プラグ４４とを含む。
【解決手段】隣り合う２つのメモリセル１のサイドウォール間の不純物拡散領域に電気的接続されるコンタクトプラグ４０が、層間絶縁膜１８を貫通して設けられている。コンタクト孔４１の側壁は、層間絶縁膜１８より緻密なシール膜４２で覆われている。コンタクトプラグ４０は、シール膜４２の表面およびコンタクト孔４１の底面部を覆うように形成されたバリアメタル膜４３と、バリアメタル膜４３に包囲された状態でコンタクト孔４１内に埋め込まれた金属プラグ４４とを含む。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、半導体装置およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
微小ピッチ（たとえば、２５０ｎｍ以下）で形成された複数のゲートを含む半導体メモリ等の半導体装置においては、ゲート間に層間絶縁膜が埋め込まれ、この層間絶縁膜を貫通するようにコンタクトプラグが形成される。このような半導体装置においては、たとえば、埋め込み性のよいＢＰＳＧ（Boron Phosphorous Silicate Glass）が、層間絶縁膜としてゲート間に埋め込まれる。ＢＰＳＧは、微小間隔で形成されたゲート間に入り込んで、ゲート間の空間を隙間なく埋め込むことができる。
【０００３】
コンタクトプラグは、たとえば、メモリセルトランジスタのソースと上層配線とを電気的に接続する。コンタクトプラグは、たとえば、次のように形成される。まず、層間絶縁膜を貫通するコンタクト孔を形成する。次に、コンタクト孔の側面およびコンタクト孔の底面部を覆うバリアメタル膜を形成する。そして、前記バリアメタル膜に包囲された状態で、コンタクト孔内に金属プラグを埋め込む。金属プラグは、たとえば、タングステンからなる。バリアメタル膜は、たとえば、ＴｉＮとＴｉとの積層膜からなる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開2010-80771号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
層間絶縁膜にコンタクトプラグを形成した場合、バリアメタル膜と層間絶縁膜との密着性が良くなく、バリアメタル膜に貫通孔が形成されていると、金属プラグの材料（たとえば、タングステン）がバリアメタル膜を通って層間絶縁膜内に染み出すおそれがある。特に、層間絶縁膜がＢＰＳＧで構成されている場合には、その表面状態が粗いため、バリアメタル膜と層間絶縁膜との密着性が良くなく、バリアメタル膜に貫通孔が形成されているおそれがある。そのため、金属プラグの材料がバリアメタル膜を通って層間絶縁膜内に染み出すおそれがある。これにより、たとえば、コンタクトプラグ間が短絡したりするおそれがある。
【０００６】
この発明の目的は、コンタクト孔に埋め込まれる金属プラグの材料が層間絶縁膜に染み出すのを防止できる半導体装置およびその製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
この発明の半導体装置は、層間絶縁膜と、前記層間絶縁膜を貫通して形成されたコンタクト孔の側壁を覆うように形成され、前記層間絶縁膜よりも緻密なシール膜と、前記シール膜の表面および前記コンタクト孔の底面部を覆うように形成されたバリアメタル膜と、前記バリアメタル膜に包囲された状態で前記コンタクト孔内に埋め込まれた金属プラグとを含む（請求項１）。
【０００８】
この半導体装置では、層間絶縁膜を貫通して形成されたコンタクト孔の側壁を覆うように、層間絶縁膜よりも緻密なシール膜が形成されている。したがって、シール膜は滑らかな表面状態を有しているから、バリアメタル膜は良好な密着性を示し、かつ、意図しない（設計外の）貫通孔の発生を抑制または防止できる。これにより、コンタクト孔内に埋め込まれた金属プラグの材料が層間絶縁膜に染み出すのを抑制または防止できる。
【０００９】
この発明の一実施形態では、前記シール膜が窒化膜からなる（請求項２）。
この発明の一実施形態では、前記層間絶縁膜がＢＰＳＧからなる（請求項３）。
この発明の一実施形態では、前記金属プラグが、タングステンからなる（請求項４）。
この発明の一実施形態では、２５０ｎｍ以下のピッチで形成された複数のゲート部をさらに含み、前記コンタクト孔が隣接するゲート部の間に形成されている（請求項５）。このように微小ピッチで形成されたゲート部間に良好な埋込み性で層間絶縁膜を埋め込むには、ＢＰＳＧを層間絶縁膜として用いることが好ましい。ＢＰＳＧ膜は、膜質が粗く、それに応じて表面状態が粗い。そこで、ＢＰＳＧ膜よりも緻密なシール膜（たとえば、ＳｉＮ膜）をコンタクト孔の側壁に形成しておくことで、ゲート部を高密度で形成して半導体装置の高機能化および／または小型化を図りつつ信頼性を同時に確保できる。
【００１０】
この発明の一実施形態では、前記ゲートが、複数層の積層構造を有している（請求項６）。
この発明の半導体装置の製造方法は、半導体基板上に層間絶縁膜を形成する工程と、前記層間絶縁膜を貫通するコンタクト孔を形成する工程と、前記コンタクト孔の側壁を覆うように、前記層間絶縁膜よりも緻密なシール膜を形成する工程と、前記シール膜の表面および前記コンタクト孔の底面部を覆うバリアメタル膜を形成する工程と、前記層間絶縁膜に対する腐食性を有する原料ガスを用いて、前記バリアメタル膜に包囲された状態で前記コンタクト孔内に埋め込まれた金属プラグを形成する工程とを含む（請求項７）。
【００１１】
この半導体装置の製造方法では、バリアメタル膜の形成前に、コンタクト孔の側壁を覆うように、層間絶縁膜よりも緻密なシール膜が形成される。そして、バリアメタル膜の形成後に、層間絶縁膜に対する腐食性を有する原料ガスを用いて、バリアメタル膜に包囲された状態でコンタクト孔内に埋め込まれた金属プラグが形成される。したがって、金属プラグを形成する際に、シール膜により、原料ガスが層間絶縁膜に達するのを防止できる。これにより、原料ガスによって層間絶縁膜が腐食したり、金属プラグの材料が層間絶縁膜に染み出したりするのを防止できる。
【００１２】
この発明の一実施形態の製造方法では、前記シール膜が窒化膜からなる（請求項８）。
この発明の一実施形態の製造方法では、前記層間絶縁膜が酸化膜からなり、前記金属プラグを形成する工程が、フッ素を含む原料ガスを用いて前記金属プラグを形成する工程を含む（請求項９）。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】図１は、本発明の一実施形態に係る半導体装置に形成されたメモリセルの構造を模式的に示す断面図である。
【図２】図２は、メモリセル領域の一部を示す模式的な平面図である。
【図３】図３は、図２のIII-III線に沿う断面図である。
【図４】図４は、図２のIV-IV線に沿う断面図である。
【図５】図５は、比較例を示す断面図である。
【図６Ａ】図６Ａは、図２〜図４に示す半導体装置の製造方法を説明するための模式的な斜視図である。
【図６Ｂ】図６Ｂは、図６Ａの次の工程を示す模式的な斜視図である。
【図６Ｃ】図６Ｃは、図６Ｂの次の工程を示す模式的な斜視図である。
【図６Ｄ】図６Ｄは、図６Ｃの次の工程を示す模式的な斜視図である。
【図６Ｅ】図６Ｅは、図６Ｄの次の工程を示す模式的な斜視図である。
【図６Ｆ】図６Ｆは、図６Ｅの次の工程を示す模式的な斜視図である。
【図６Ｇ】図６Ｇは、図６Ｆの次の工程を示す模式的な断面図である。
【図６Ｈ】図６Ｈは、図６Ｇの次の工程を示す模式的な断面図である。
【図６Ｉ】図６Ｉは、図６Ｈの次の工程を示す模式的な断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下では、この発明の実施形態を、添付図面を参照して詳細に説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る半導体装置に設けられたメモリセルの構造を模式的に示す断面図である。
この半導体装置は、シリコン基板２を備えている。シリコン基板２には、メモリセル領域が設定されている。メモリセル領域には、図１に示すようなメモリセル１が複数個アレイ状に形成されている。メモリセル１は、シリコン基板２に形成されたＭＯＳ型電界効果トランジタ（Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor。以下、「ＭＯＳトランジスタ」という。）と、電荷蓄積部として機能する第１および第２のサイドウォール１２ａ，１２ｂとを含む。ＭＯＳトランジスタは、ゲート部３と、第１および第２のＬＤＤ（Lightly Doped Drain）領域４ａ，４ｂと、第１および第２の不純物拡散領域５ａ，５ｂとを備えている。
【００１５】
ゲート部３は、シリコン基板２の一主面上に形成されたゲート酸化膜６と、ゲート酸化膜６上に形成されたゲート電極７と、ゲート電極７上に形成された絶縁層８とを含む。ゲート酸化膜６は、たとえば、ＳｉＯ２からなる。ゲート電極７は、ゲート酸化膜６上に形成されたポリシリコン層９と、ポリシリコン層９上に積層されたタングステンシリサイド層１０とを含む。つまり、ゲート電極７は、いわゆるポリサイド構造とされている。絶縁層８は、たとえば、ＳｉＮからなる。
【００１６】
第１および第２のＬＤＤ領域４ａ，４ｂは、シリコン基板２の表層部のうち、ゲート部３直下のチャネル領域を挟む領域に、たとえば、ｎ型の不純物を拡散することにより形成されている。第１および第２の不純物拡散領域５ａ，５ｂは、それぞれ、シリコン基板２の表層部のうちの第１および第２のＬＤＤ部４ａ，４ｂの外側領域に、たとえば、ｎ型の不純物を拡散することにより形成されている。第１および第２の不純物拡散領域５ａ，５ｂは、ＭＯＳトランジスタのソース領域またはドレイン領域として機能する領域である。たとえば、第１の不純物拡散領域５ａがドレイン領域として使用され、第２の不純物拡散領域５ｂがソース領域として使用されてもよい。以下、第１の不純物拡散領域５ａを「ドレイン領域５ａ」といい、第２の不純物拡散領域５ｂを「ソース領域５ｂ」という場合がある。
【００１７】
第１および第２のＬＤＤ領域４ａ，４ｂの深さおよび不純物濃度は、第１および第２の不純物拡散領域５ａ，５ｂの深さおよび不純物濃度よりも小さくされている。つまり、このＭＯＳトランジスタでは、ＬＤＤ（Lightly Doped Drain）構造が採用されている。
第１のサイドウォール１２ａおよび第２のサイドウォール１２ｂは、ゲート部３の一方の側壁および他方の側壁にそれぞれ形成されている。以下、ドレイン領域５ａ側にあるサイドウォールを「ドレイン側サイドウォール」といい、ソース領域５ｂ側にあるサイドウォールを「ソース側サイドウォール」という場合がある。第１のサイドウォール１２ａ（ドレイン側サイドウォール）は、第１のＬＤＤ領域４ａ上に設けられている。第２のサイドウォール１２ｂ（ソース側サイドウォール）は、第２のＬＤＤ領域４ｂ上に設けられている。
【００１８】
各サイドウォール１２ａ，１２ｂは、内側酸化膜１３と、内側窒化膜１４と、外側酸化膜１５と、外側窒化膜１６とをゲート部３の側面に順に積層したＯＮＯＮ（Oxide-Nitride-Oxide-Nitride）層構造を有している。内側窒化膜１４は、電荷を蓄積するための電荷蓄積膜である。内側酸化膜１３および外側酸化膜１５は、たとえば、ＳｉＯ２からなる。内側窒化膜（電荷蓄積膜）１４および外側窒化膜１６は、たとえば、ＳｉＮからなる。
【００１９】
内側酸化膜１３は、ゲート部３の側壁面における下端部を除いた部分に形成されている。電荷蓄積膜１４は、内側酸化膜１３の外側面とゲート部３の側壁面の下端部に形成されている。電荷蓄積膜１４の下端部は、ゲート部３の下端部の側壁内に入り込んでいる。電荷蓄積膜１４におけるゲート部３の側壁内に入り込んでいる部分の長さは、たとえば、１〜５ｎｍ程度である。外側酸化膜１５は、電荷蓄積膜１４の外側面に形成されている。シリコン基板２の露出面には、外側酸化膜１５の下端部と繋がる酸化膜１９が形成されている。外側窒化膜１６は、外側酸化膜１５の外側面と、酸化膜１９におけるゲート部３の近傍部分とを覆うように形成されている。
【００２０】
この実施形態では、電荷蓄積膜１４の下端部がゲート部３の側壁内に入り込んでいるので、電荷蓄積膜１４にホットエレクトロンが捕捉されやすくなる。なお、ゲート部３の上側に、ゲート部３の上面、内側酸化膜１３の上端、電荷蓄積膜１４の上端および外側酸化膜１５の上端を覆うトップ酸化膜を形成してもよい。
メモリセル１への書き込み動作、読み出し動作および消去動作について説明する。メモリセル１への書き込み動作は、たとえば、第１の書き込み動作と、第２の書き込み動作とを含む。また、メモリセル１の読み出し動作は、たとえば、第１の読み出し動作と、第２の読み出し動作とを含む。以下、これらの各動作について説明する。
(ａ)第１の書き込み動作
ソース領域５ｂおよびシリコン基板２を接地し、ゲート電極７にたとえば１０Ｖの書込電圧を印加し、ドレイン領域５ａにたとえば６Ｖの電圧（ソースより高い電圧）を印加する。これにより、ソース領域５ｂからドレイン領域５ａへと電子が向かい、ドレイン領域５ａの近傍で生じたホットエレクトロンがドレイン側サイドウォール１２ａ内の電荷蓄積膜１４に飛び込んで捕捉される。
(ｂ)第２の書き込み動作
ドレイン領域５ａおよびシリコン基板２を接地し、ゲート電極７にたとえば１０Ｖの書込電圧を印加し、ソース領域５ｂにたとえば６Ｖの電圧（ドレインより高い電圧）を印加する。これにより、ドレイン領域５ａからソース領域５ｂへと電子が向かい、ソース領域５ｂの近傍で生じたホットエレクトロンがソース側サイドウォール１２ｂ内の電荷蓄積膜１４に飛び込んで捕捉される。
(ｃ)第１の読み出し動作
ドレイン領域５ａおよびシリコン基板２を接地し、ゲート電極７にたとえば３Ｖの読出電圧を印加し、ソース領域５ｂにたとえば２Ｖの電圧（ドレインよりも高い電圧）を印加する。これにより、ソース領域５ｂ近傍に大きな電界がかかる。したがって、ソース側サイドウォール１２ｂの直下に電位障壁があっても（ソース側サイドウォール１２ｂに電子が捕捉されていても）、電子は移動できる。しかし、ドレイン領域５ａ側には大きな電界がかからないので、ドレイン側サイドウォール１２ａの直下に電位障壁があると（ドレイン側サイドウォール１２ａに電子が捕捉されていると）電子が移動できず、電流が流れない。ドレイン側サイドウォール１２ａの直下に電位障壁がなければ、電子が移動できるので、電流が流れる。これにより、ドレイン側サイドウォール１２ａの捕捉電子の有無を検出できる。つまり、記憶値が「１」か「０」かを区別できる。
(ｄ)第２の読み出し動作
ソース領域５ｂおよびシリコン基板２を接地し、ゲート電極７にたとえば３Ｖの読出電圧を印加し、ドレイン領域５ａにたとえば２Ｖの電圧（ソースよりも高い電圧）を印加する。これにより、ドレイン領域５ａ近傍に大きな電界がかかる。したがって、ドレイン側サイドウォール１２ａの直下に電位障壁があっても（ドレイン側サイドウォール１２ａに電子が捕捉されていても）、電子は移動できる。しかし、ソース領域５ｂ側には大きな電界がかからないので、ソース側サイドウォール１２ｂの直下に電位障壁があると（ソース側サイドウォール１２ｂに電子が捕捉されていると）電子が移動できず、電流が流れない。ソース側サイドウォール１２ｂの直下に電位障壁がなければ、電子が移動できるので、電流が流れる。これにより、ソース側サイドウォール１２ｂの捕捉電子の有無を検出できる。つまり、記憶値が「１」か「０」かを区別できる。
（ｅ）消去動作
シリコン基板２を接地し、ゲート電極７にたとえば−６Ｖの負電圧（消去電圧）を印加し、ドレイン領域５ａに−６Ｖの負電圧を印加し、ソース領域５ｂに６Ｖの正電圧を印加する。これにより、ソース領域５ｂおよびドレイン領域５ａの界面付近で電子と正孔が対生成される。対生成された電子と正孔のうちの正孔が、ゲート電極７側に引かれて両サイドウォール１２ａ，１２ｂに入る。各サイドウォール１２ａ，１２ｂに入った正孔によって、そのサイドウォール１２ａ，１２ｂ内のマイナス電荷（捕捉電子）が打ち消される。
【００２１】
図２は、前記半導体装置のメモリセル領域の一部を示す模式的な平面図である。図３は、図２のIII-III線に沿う断面図である。図４は、図２のIV-IV線に沿う断面図である。
シリコン基板２の表層部には、直線状に延びた複数の素子分離部２０が、所定間隔をおいて互いに平行に形成されている。複数のゲート電極７は、平面視において素子分離部２０に直交する方向に、直線状に素子分離部２０の長手方向に所定間隔をあけて互いに平行に形成されている。隣り合う素子分離部２０の間の領域がアクティブ領域（活性領域）３０となる。各素子分離部２０の上方には、平面視において素子分離部２０の長手方向に延びた直線状のビットライン２５が配置されている。素子分離部２０は、シリコン基板２の表層部に形成された素子分離トレンチ２１と、素子分離トレンチ２１の内面に形成されたライナー酸化膜２２と、素子分離トレンチ２１間のアクティブ領域３０が突出するように、素子分離トレンチ２１の深さ方向途中まで埋め込まれた絶縁物（たとえば酸化膜）２３とを含む。
【００２２】
絶縁物２３は、素子分離トレンチ２１内全体に埋め込まれているのではなく、その深さ途中まで埋め込まれている。このため、隣り合う素子分離部２０間のアクティブ領域３０の上部の表面積を大きくできる。これにより、ゲート電極７は、平面視におけるアクティブ領域３０との重なり領域の面積よりも大きな面積でアクティブ領域３０に対向する。したがって、ゲート幅を拡大することができるので、チャネルに大きな電流を流せるようになる。つまり、この実施形態では、メモリセル１に含まれるＭＯＳトランジスタがフィン型トランジスタ構造とされている。
【００２３】
メモリセル領域において、シリコン基板２上には、図４に示すように、複数のメモリセル１（ゲート部３）が２５０ｎｍ以下（たとえば、２４０ｎｍ）の一定ピッチで形成されている。ゲート部３の長さ（チャネル幅方向の長さ）は、たとえば、９０ｎｍ〜１００ｎｍ程度である。ゲート電極７と直交する方向に隣り合う一対のメモリセル１においては、ゲート部３（ゲート電極７）を中心とするドレイン領域とソース領域との位置が互いに反対になるように形成されている。より具体的には、一方のメモリセル１のドレイン領域と、他方のメモリセル１のソース領域とは共通の不純物拡散領域５ａ，５ｂからなる。したがって、隣り合う２つのメモリセル１においては、ドレイン側サイドウォール１２ａどうしまたはソース側サイドウォール１２ｂどうしが向かい合っている。
【００２４】
シリコン基板２上の酸化膜１９の表面、サイドウォール１２ａ，１２ｂの表面およびゲート部３の表面には、たとえばＳｉＮからなる窒化膜１７が形成されている。窒化膜１７の表面上には、たとえばＢＰＳＧ（Boron Phosphorous Silicate Glass）からなる層間絶縁膜１８が形成されている。層間絶縁膜１８には、隣り合う２つのメモリセル１によって共有される不純物拡散領域（ドレイン領域５ａまたはソース領域５ｂ）をビットライン２５に電気的に接続するためのコンタクトプラグ４０が貫通して設けられている。
【００２５】
コンタクトプラグ４０は、バリアメタル膜４３と金属プラグ４４とを含む。層間絶縁膜１８を貫通して形成されたコンタクト孔４１の側壁は、層間絶縁膜１８より緻密なシール膜４２によって覆われている。バリアメタル膜４３は、シール膜４２の表面およびコンタクト孔４１の底面部を覆うように形成されている。金属プラグ４４は、バリアメタル膜４３に包囲された状態でコンタクト孔４１内に埋め込まれている。
【００２６】
シール膜４２は、たとえばＳｉＮからなり、厚さは５ｎｍ〜１０ｎｍ程度であってもよい。この実施形態では、シール膜４２の厚さは約７ｎｍである。バリアメタル膜４３は、Ｔｉ／ＴｉＮの２層構造膜からなっていてもよい。Ｔｉ層は、シール膜４２に接し、その厚さは３０ｎｍ程度であってもよい。ＴｉＮ層は、Ｔｉ層上に積層され、その厚さは６ｎｍ〜１０ｎｍ程度であってもよい。金属プラグ４４は、たとえばタングステン（Ｗ）からなる。金属プラグ４４は、たとえば、フッ素を含む原料ガスを用いて、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition：化学的気相成長）法により形成される。フッ素を含む原料ガスは、ＢＰＳＧからなる層間絶縁膜１８に対する腐食性を有しているけれども、シール膜４２により、層間絶縁膜１８の腐食が回避される。
【００２７】
この実施形態では、コンタクト孔４１の側壁を覆うように、層間絶縁膜１８より緻密なシール膜４２が形成されているので、その表面が滑らかである。したがって、バリアメタル膜４３をシール膜４２に密着させることができ、かつバリアメタル膜４３は貫通孔のない良好な膜質を有することができる。このため、コンタクトホール４１内に金属プラグ４４を堆積させるときに、原料ガスがバリアメタル膜４３およびシール膜４２を透過して、層間絶縁膜１８に達するのを防止できる。このため、フッ素を含む原料ガスによって、層間絶縁膜１８が腐食したり、金属プラグ４４の材料であるタングステンが層間絶縁膜１８内に染み出したりするのを防止できる。つまり、層間絶縁膜１８とコンタクトプラグ４０との間に明瞭な界面を形成できるから、コンタクト間ショート等の異常を抑制できる。
【００２８】
図５は、比較例を示す断面図である。図５において、図３の各部に対応する部分には、図３の参照符号を付してある。図５の比較例は、シール膜４２を備えていない。つまり、バリアメタル膜４３は、層間絶縁膜１８を貫通して形成されたコンタクト孔４１の側壁に接している。
ＢＰＳＧからなる層間絶縁膜１８は、シール膜４２と比較すると、緻密でないので、表面状態が粗い。そのため、バリアメタル膜４３と層間絶縁膜１８との密着性は必ずしも良くなく、バリアメタル膜４３には貫通孔が生じている場合がある。したがって、コンタクトホール４１内に金属プラグ４４を堆積させるときに、フッ素を含む原料ガスがバリアメタル膜４３を透過して、層間絶縁膜１８に達するおそれがある。そのため、図５に示すように、原料ガスによる層間絶縁膜１８の腐食や、金属プラグ４４の材料であるタングステンの層間絶縁膜１８内への染み出しが現われる場合がある。このようなタングステンの染み出しが発生すると、コンタクトプラグ４０間でショートが発生するおそれがある。
【００２９】
図６Ａ〜図６Ｆは、図２〜図４に示す半導体装置の製造工程の一例を示す模式的な斜視図である。図６Ｇ〜図６Ｉは、図６Ｆに続く製造工程を順に示す模式的な断面図である。
まず、熱酸化法により、シリコン基板２上に、ＳｉＯ２からなる図示しないパッド酸化膜（たとえば、１０ｎｍ厚）が形成される。次に、パッド酸化膜上に、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition：化学的気相成長）法により、図示しないマスク用窒化膜（たとえば、８０ｎｍ厚）が形成される。この後、フォトリソグラフィおよびエッチングにより、マスク用窒化膜およびパッド酸化膜のうち、シリコン基板２に素子分離トレンチ２１を形成すべき領域に対応する部分が除去される。そして、マスク用窒化膜およびパッド酸化膜からなるハードマスクを用いて、シリコン基板２がエッチングされることにより、図６Ａに示すように、複数本の直線状素子分離トレンチ２１（たとえば、深さ１８０ｎｍ）がストライプ状に形成される。
【００３０】
次に、素子分離トレンチ２１の内面に熱酸化法によりライナー酸化膜２２（図３参照。図６には図示せず。）が形成される。続いて、シリコン基板２が窒素雰囲気中で熱処理される。この後、ライナー酸化膜２２が薄膜化される。そして、たとえば、ＨＤＰ（High Density Plasma：高密度プラズマ）−ＣＶＤ法により、ＳｉＯ２からなる絶縁物（酸化膜）２３が素子分離トレンチ２１を含むシリコン基板２上に堆積される。この後、ＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing：化学的機械的研磨）法により、絶縁物２３がその表面から研削される。この絶縁物２３の研削は、絶縁物２３の表面と、マスク用窒化膜の表面とが面一となるまで続けられる。これにより、図６Ｂに示すように、素子分離トレンチ２１内に絶縁物２３が埋め込まれた状態となる。
【００３１】
この後、エッチングにより、シリコン基板２上のマスク用窒化膜が除去される。続いて、エッチングにより、シリコン基板２上のパッド酸化膜が除去される。そして、図６Ｃに示すように、エッチングにより、素子分離トレンチ２１内の絶縁物２３が掘り下げられる。シリコン基板２の表面から素子分離トレンチ２１内の絶縁物２３の表面までの深さ（掘り込み量）は、たとえば、２６ｎｍ程度である。これにより、素子分離部２０が形成される。シリコン基板２の表層部における隣り合う素子分離部２０の間の領域がアクティブ領域３０となる。すなわち、素子分離部２０を形成することにより、複数の直線状アクティブ領域３０がストライプ状に形成されることになる。
【００３２】
次に、図６Ｄを参照して、シリコン基板２の表面に、たとえば熱酸化法によって、ＳｉＯ２からなるゲート酸化膜６（たとえば、７ｎｍ厚）が形成される。それから、ＣＶＤ法により、ゲート酸化膜６上に、ポリシリコン層９（たとえば、７０ｎｍ厚）が形成される。その後、イオン注入法により、ポリシリコン層９に不純物（たとえばＰ（リン））が導入される。そして、ＣＶＤ法により、ポリシリコン層９上に、タングステンシリサイド層１０（たとえば、１００ｎｍ厚）が積層される。続いて、ＣＶＤ法により、タングステンシリサイド層１０上に、ＳｉＮからなる絶縁層８（たとえば、１８０ｎｍ厚）が形成される。
【００３３】
その後、フォトリソグラフィおよびエッチングにより、ゲート酸化膜６、ポリシリコン層９、タングステンシリサイド層１０および絶縁層８を含む積層体がパターニングされる。これにより、図６Ｄに示すように、複数本の直線状ゲート部３がストライプ状に形成される。ゲート部３は、ゲート酸化膜６と、ポリシリコン層９およびタングステンシリサイド層１０からなるゲート電極７と、絶縁層８とを含む。
【００３４】
次に、図６Ｅに示すように、イオン注入法により、アクティブ領域３０の表層部のうち、各ゲート部３の直下のチャネル領域を挟む領域に、ＬＤＤ構造を作製するための不純物が導入される。これにより、ＬＤＤ部４が形成される。その後、各ゲート部３の側壁面およびシリコン基板２の表面を覆うように、たとえばＣＶＤ法により、ＳｉＯ２からなる内側酸化膜１３が形成される。この後、フォトリソグラフィおよびエッチングにより、ゲート部３の側壁面上の酸化膜１３を残して、シリコン基板２上の酸化膜１３が除去される。ゲート部３の側壁面上の酸化膜１３が内側酸化膜１３となる。エッチングによってシリコン基板２上の酸化膜１３が除去される際に、ゲート部３の側壁の下端部表面の酸化膜１３およびゲート部３の側壁の下端部の表層部が除去される。これにより、ゲート部３の側壁面の下端部にゲート電極７方向に延びた凹部が形成される。そして、たとえば、ＬＰ−ＣＶＤ(Low Pressure Chemical Vapor Deposition:減圧ＣＶＤ)法により、内側酸化膜１３上およびゲート部３の側壁面の下端部上に、ＳｉＮからなる電荷蓄積膜１４が形成される。電荷蓄積膜１４の下端部は、ゲート部３の側壁面の下端部の凹部に入り込んでいる。
【００３５】
次に、図６Ｆに示すように、たとえばＣＶＤ法により、電荷蓄積膜１４の側壁面に外側酸化膜１５が形成されると同時にシリコン基板２の表面に酸化膜１９が形成される。そして、たとえばＣＶＤ法により、メモリセル領域の表面全体にＳｉＮからなる窒化膜が形成される。この窒化膜の一部（より具体的には、隣り合うゲート部３の間から露出する酸化膜１９の幅方向中央部）がエッチングによって除去されることにより、外側酸化膜１５の表面および酸化膜１９のゲート部３近傍部分の表面を覆う外側窒化膜１６が形成される。これにより、ゲート部３の両側壁には、ＯＮＯＮ構造のドレイン側サイドウォール１２ａおよびソース側サイドウォール１２ｂがそれぞれ形成される。
【００３６】
その後、アクティブ領域３０の表層部のうち、外側窒化膜１６から酸化膜１９が露出している部分に対応する領域に、ドレイン領域およびソース領域を作成するための不純物がイオン注入される。これにより、ドレイン領域５ａおよびソース領域５ｂが形成され、ＬＤＤ部４がＬＤＤ部４ａ，４ｂに分けられる。続いて、ドレイン領域５ａおよびソース領域５ｂならびにＬＤＤ部４ａ，４ｂに導入された不純物イオンを活性化するための熱処理が行われる。これにより、メモリセル領域に複数のメモリセル１が形成される。
【００３７】
次に、図６Ｇに示すように、たとえば減圧ＣＶＤ法により、メモリセル領域の表面全体にエッチングストップ膜として機能する窒化膜１７が形成される。この後、ＣＶＤ法により、窒化膜１７上に、ＢＰＳＧからなる層間絶縁膜１８が形成される。そして、ＣＭＰ法により、層間絶縁膜１８が平坦化される。
次に、図６Ｈに示すように、たとえばプラズマエッチング法により、層間絶縁膜１８における隣り合うゲート部３の間に対応する領域に、層間絶縁膜１８を貫通するコンタクト孔４１が形成される。それから、図６Ｉに示すように、たとえば減圧ＣＶＤ法により、コンタクト孔４１の側壁を覆うようにＳｉＮからなるシール膜４２（たとえば、７ｎｍ厚）が形成される。続いて、コンタクト孔内のシール膜４２の表面およびコンタクト孔４１の底面部を覆うように、Ｔｉ／ＴｉＮからなる２層構造のバリアメタル層４３（たとえば、Ｔｉ層は３０ｎｍ厚、ＴｉＮ層は６ｎｍ〜１０ｎｍ厚）が形成される。Ｔｉ層は、たとえばスパッタ法により形成され、ＴｉＮ層はたとえばＣＶＤ法で形成される。そして、ＷＦ６ガスを用いたＣＶＤ法により、バリアメタル層４３に包囲されたコンタクト孔４１内を含む表面全域に、タングステン（Ｗ）が成長される。その後、ＣＭＰ法によって、コンタクト孔４１外のタングステン、バリアメタル層４３およびシール膜４２が除去される。
【００３８】
これにより、バリアメタル層４３に包囲された状態で、コンタクト孔４１内にタングステンからなる金属プラグ４４が埋め込まれた構造が得られる。このようにして、層間絶縁膜１８内に、層間絶縁膜１８を貫通するコンタクトプラグ４０が形成される。なお、図６Ｉは、２つのゲート部３の間のソース領域（一対のメモリセル１によって共通なソース領域）５ｂに電気的に接続されるコンタクトプラグ４０の例を示している。
【００３９】
以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は、さらに他の形態で実施することもできる。たとえば、前述の実施形態では、層間絶縁膜１８はＢＰＳＧで形成されているが、Ｓｉ０２等の他の絶縁膜で形成されていてもよい。また、シール膜４１はＳｉＮで形成されているが、たとえばＳｉ０２／ＳｉＮの積層膜であってもよい。この場合、Ｓｉ０２／ＳｉＮ積層膜は、その窒化膜（ＳｉＮ）側をバリアメタル４３側に配置してコンタクト孔４１の内面に形成されてもよい。また、この発明は、メモリセル以外のコンタクトプラグにも適用することができる。
【００４０】
その他、特許請求の範囲に記載された事項の範囲で種々の設計変更を施すことが可能である。
【符号の説明】
【００４１】
１ メモリセル
２ シリコン基板
３ ゲート部
１８ 層間絶縁膜
４０ コンタクトプラグ
４１ コンタクトホール
４２ シール膜
４３ バリアメタル
４４ 金属プラグ
【技術分野】
【０００１】
この発明は、半導体装置およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
微小ピッチ（たとえば、２５０ｎｍ以下）で形成された複数のゲートを含む半導体メモリ等の半導体装置においては、ゲート間に層間絶縁膜が埋め込まれ、この層間絶縁膜を貫通するようにコンタクトプラグが形成される。このような半導体装置においては、たとえば、埋め込み性のよいＢＰＳＧ（Boron Phosphorous Silicate Glass）が、層間絶縁膜としてゲート間に埋め込まれる。ＢＰＳＧは、微小間隔で形成されたゲート間に入り込んで、ゲート間の空間を隙間なく埋め込むことができる。
【０００３】
コンタクトプラグは、たとえば、メモリセルトランジスタのソースと上層配線とを電気的に接続する。コンタクトプラグは、たとえば、次のように形成される。まず、層間絶縁膜を貫通するコンタクト孔を形成する。次に、コンタクト孔の側面およびコンタクト孔の底面部を覆うバリアメタル膜を形成する。そして、前記バリアメタル膜に包囲された状態で、コンタクト孔内に金属プラグを埋め込む。金属プラグは、たとえば、タングステンからなる。バリアメタル膜は、たとえば、ＴｉＮとＴｉとの積層膜からなる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開2010-80771号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
層間絶縁膜にコンタクトプラグを形成した場合、バリアメタル膜と層間絶縁膜との密着性が良くなく、バリアメタル膜に貫通孔が形成されていると、金属プラグの材料（たとえば、タングステン）がバリアメタル膜を通って層間絶縁膜内に染み出すおそれがある。特に、層間絶縁膜がＢＰＳＧで構成されている場合には、その表面状態が粗いため、バリアメタル膜と層間絶縁膜との密着性が良くなく、バリアメタル膜に貫通孔が形成されているおそれがある。そのため、金属プラグの材料がバリアメタル膜を通って層間絶縁膜内に染み出すおそれがある。これにより、たとえば、コンタクトプラグ間が短絡したりするおそれがある。
【０００６】
この発明の目的は、コンタクト孔に埋め込まれる金属プラグの材料が層間絶縁膜に染み出すのを防止できる半導体装置およびその製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
この発明の半導体装置は、層間絶縁膜と、前記層間絶縁膜を貫通して形成されたコンタクト孔の側壁を覆うように形成され、前記層間絶縁膜よりも緻密なシール膜と、前記シール膜の表面および前記コンタクト孔の底面部を覆うように形成されたバリアメタル膜と、前記バリアメタル膜に包囲された状態で前記コンタクト孔内に埋め込まれた金属プラグとを含む（請求項１）。
【０００８】
この半導体装置では、層間絶縁膜を貫通して形成されたコンタクト孔の側壁を覆うように、層間絶縁膜よりも緻密なシール膜が形成されている。したがって、シール膜は滑らかな表面状態を有しているから、バリアメタル膜は良好な密着性を示し、かつ、意図しない（設計外の）貫通孔の発生を抑制または防止できる。これにより、コンタクト孔内に埋め込まれた金属プラグの材料が層間絶縁膜に染み出すのを抑制または防止できる。
【０００９】
この発明の一実施形態では、前記シール膜が窒化膜からなる（請求項２）。
この発明の一実施形態では、前記層間絶縁膜がＢＰＳＧからなる（請求項３）。
この発明の一実施形態では、前記金属プラグが、タングステンからなる（請求項４）。
この発明の一実施形態では、２５０ｎｍ以下のピッチで形成された複数のゲート部をさらに含み、前記コンタクト孔が隣接するゲート部の間に形成されている（請求項５）。このように微小ピッチで形成されたゲート部間に良好な埋込み性で層間絶縁膜を埋め込むには、ＢＰＳＧを層間絶縁膜として用いることが好ましい。ＢＰＳＧ膜は、膜質が粗く、それに応じて表面状態が粗い。そこで、ＢＰＳＧ膜よりも緻密なシール膜（たとえば、ＳｉＮ膜）をコンタクト孔の側壁に形成しておくことで、ゲート部を高密度で形成して半導体装置の高機能化および／または小型化を図りつつ信頼性を同時に確保できる。
【００１０】
この発明の一実施形態では、前記ゲートが、複数層の積層構造を有している（請求項６）。
この発明の半導体装置の製造方法は、半導体基板上に層間絶縁膜を形成する工程と、前記層間絶縁膜を貫通するコンタクト孔を形成する工程と、前記コンタクト孔の側壁を覆うように、前記層間絶縁膜よりも緻密なシール膜を形成する工程と、前記シール膜の表面および前記コンタクト孔の底面部を覆うバリアメタル膜を形成する工程と、前記層間絶縁膜に対する腐食性を有する原料ガスを用いて、前記バリアメタル膜に包囲された状態で前記コンタクト孔内に埋め込まれた金属プラグを形成する工程とを含む（請求項７）。
【００１１】
この半導体装置の製造方法では、バリアメタル膜の形成前に、コンタクト孔の側壁を覆うように、層間絶縁膜よりも緻密なシール膜が形成される。そして、バリアメタル膜の形成後に、層間絶縁膜に対する腐食性を有する原料ガスを用いて、バリアメタル膜に包囲された状態でコンタクト孔内に埋め込まれた金属プラグが形成される。したがって、金属プラグを形成する際に、シール膜により、原料ガスが層間絶縁膜に達するのを防止できる。これにより、原料ガスによって層間絶縁膜が腐食したり、金属プラグの材料が層間絶縁膜に染み出したりするのを防止できる。
【００１２】
この発明の一実施形態の製造方法では、前記シール膜が窒化膜からなる（請求項８）。
この発明の一実施形態の製造方法では、前記層間絶縁膜が酸化膜からなり、前記金属プラグを形成する工程が、フッ素を含む原料ガスを用いて前記金属プラグを形成する工程を含む（請求項９）。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】図１は、本発明の一実施形態に係る半導体装置に形成されたメモリセルの構造を模式的に示す断面図である。
【図２】図２は、メモリセル領域の一部を示す模式的な平面図である。
【図３】図３は、図２のIII-III線に沿う断面図である。
【図４】図４は、図２のIV-IV線に沿う断面図である。
【図５】図５は、比較例を示す断面図である。
【図６Ａ】図６Ａは、図２〜図４に示す半導体装置の製造方法を説明するための模式的な斜視図である。
【図６Ｂ】図６Ｂは、図６Ａの次の工程を示す模式的な斜視図である。
【図６Ｃ】図６Ｃは、図６Ｂの次の工程を示す模式的な斜視図である。
【図６Ｄ】図６Ｄは、図６Ｃの次の工程を示す模式的な斜視図である。
【図６Ｅ】図６Ｅは、図６Ｄの次の工程を示す模式的な斜視図である。
【図６Ｆ】図６Ｆは、図６Ｅの次の工程を示す模式的な斜視図である。
【図６Ｇ】図６Ｇは、図６Ｆの次の工程を示す模式的な断面図である。
【図６Ｈ】図６Ｈは、図６Ｇの次の工程を示す模式的な断面図である。
【図６Ｉ】図６Ｉは、図６Ｈの次の工程を示す模式的な断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下では、この発明の実施形態を、添付図面を参照して詳細に説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る半導体装置に設けられたメモリセルの構造を模式的に示す断面図である。
この半導体装置は、シリコン基板２を備えている。シリコン基板２には、メモリセル領域が設定されている。メモリセル領域には、図１に示すようなメモリセル１が複数個アレイ状に形成されている。メモリセル１は、シリコン基板２に形成されたＭＯＳ型電界効果トランジタ（Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor。以下、「ＭＯＳトランジスタ」という。）と、電荷蓄積部として機能する第１および第２のサイドウォール１２ａ，１２ｂとを含む。ＭＯＳトランジスタは、ゲート部３と、第１および第２のＬＤＤ（Lightly Doped Drain）領域４ａ，４ｂと、第１および第２の不純物拡散領域５ａ，５ｂとを備えている。
【００１５】
ゲート部３は、シリコン基板２の一主面上に形成されたゲート酸化膜６と、ゲート酸化膜６上に形成されたゲート電極７と、ゲート電極７上に形成された絶縁層８とを含む。ゲート酸化膜６は、たとえば、ＳｉＯ２からなる。ゲート電極７は、ゲート酸化膜６上に形成されたポリシリコン層９と、ポリシリコン層９上に積層されたタングステンシリサイド層１０とを含む。つまり、ゲート電極７は、いわゆるポリサイド構造とされている。絶縁層８は、たとえば、ＳｉＮからなる。
【００１６】
第１および第２のＬＤＤ領域４ａ，４ｂは、シリコン基板２の表層部のうち、ゲート部３直下のチャネル領域を挟む領域に、たとえば、ｎ型の不純物を拡散することにより形成されている。第１および第２の不純物拡散領域５ａ，５ｂは、それぞれ、シリコン基板２の表層部のうちの第１および第２のＬＤＤ部４ａ，４ｂの外側領域に、たとえば、ｎ型の不純物を拡散することにより形成されている。第１および第２の不純物拡散領域５ａ，５ｂは、ＭＯＳトランジスタのソース領域またはドレイン領域として機能する領域である。たとえば、第１の不純物拡散領域５ａがドレイン領域として使用され、第２の不純物拡散領域５ｂがソース領域として使用されてもよい。以下、第１の不純物拡散領域５ａを「ドレイン領域５ａ」といい、第２の不純物拡散領域５ｂを「ソース領域５ｂ」という場合がある。
【００１７】
第１および第２のＬＤＤ領域４ａ，４ｂの深さおよび不純物濃度は、第１および第２の不純物拡散領域５ａ，５ｂの深さおよび不純物濃度よりも小さくされている。つまり、このＭＯＳトランジスタでは、ＬＤＤ（Lightly Doped Drain）構造が採用されている。
第１のサイドウォール１２ａおよび第２のサイドウォール１２ｂは、ゲート部３の一方の側壁および他方の側壁にそれぞれ形成されている。以下、ドレイン領域５ａ側にあるサイドウォールを「ドレイン側サイドウォール」といい、ソース領域５ｂ側にあるサイドウォールを「ソース側サイドウォール」という場合がある。第１のサイドウォール１２ａ（ドレイン側サイドウォール）は、第１のＬＤＤ領域４ａ上に設けられている。第２のサイドウォール１２ｂ（ソース側サイドウォール）は、第２のＬＤＤ領域４ｂ上に設けられている。
【００１８】
各サイドウォール１２ａ，１２ｂは、内側酸化膜１３と、内側窒化膜１４と、外側酸化膜１５と、外側窒化膜１６とをゲート部３の側面に順に積層したＯＮＯＮ（Oxide-Nitride-Oxide-Nitride）層構造を有している。内側窒化膜１４は、電荷を蓄積するための電荷蓄積膜である。内側酸化膜１３および外側酸化膜１５は、たとえば、ＳｉＯ２からなる。内側窒化膜（電荷蓄積膜）１４および外側窒化膜１６は、たとえば、ＳｉＮからなる。
【００１９】
内側酸化膜１３は、ゲート部３の側壁面における下端部を除いた部分に形成されている。電荷蓄積膜１４は、内側酸化膜１３の外側面とゲート部３の側壁面の下端部に形成されている。電荷蓄積膜１４の下端部は、ゲート部３の下端部の側壁内に入り込んでいる。電荷蓄積膜１４におけるゲート部３の側壁内に入り込んでいる部分の長さは、たとえば、１〜５ｎｍ程度である。外側酸化膜１５は、電荷蓄積膜１４の外側面に形成されている。シリコン基板２の露出面には、外側酸化膜１５の下端部と繋がる酸化膜１９が形成されている。外側窒化膜１６は、外側酸化膜１５の外側面と、酸化膜１９におけるゲート部３の近傍部分とを覆うように形成されている。
【００２０】
この実施形態では、電荷蓄積膜１４の下端部がゲート部３の側壁内に入り込んでいるので、電荷蓄積膜１４にホットエレクトロンが捕捉されやすくなる。なお、ゲート部３の上側に、ゲート部３の上面、内側酸化膜１３の上端、電荷蓄積膜１４の上端および外側酸化膜１５の上端を覆うトップ酸化膜を形成してもよい。
メモリセル１への書き込み動作、読み出し動作および消去動作について説明する。メモリセル１への書き込み動作は、たとえば、第１の書き込み動作と、第２の書き込み動作とを含む。また、メモリセル１の読み出し動作は、たとえば、第１の読み出し動作と、第２の読み出し動作とを含む。以下、これらの各動作について説明する。
(ａ)第１の書き込み動作
ソース領域５ｂおよびシリコン基板２を接地し、ゲート電極７にたとえば１０Ｖの書込電圧を印加し、ドレイン領域５ａにたとえば６Ｖの電圧（ソースより高い電圧）を印加する。これにより、ソース領域５ｂからドレイン領域５ａへと電子が向かい、ドレイン領域５ａの近傍で生じたホットエレクトロンがドレイン側サイドウォール１２ａ内の電荷蓄積膜１４に飛び込んで捕捉される。
(ｂ)第２の書き込み動作
ドレイン領域５ａおよびシリコン基板２を接地し、ゲート電極７にたとえば１０Ｖの書込電圧を印加し、ソース領域５ｂにたとえば６Ｖの電圧（ドレインより高い電圧）を印加する。これにより、ドレイン領域５ａからソース領域５ｂへと電子が向かい、ソース領域５ｂの近傍で生じたホットエレクトロンがソース側サイドウォール１２ｂ内の電荷蓄積膜１４に飛び込んで捕捉される。
(ｃ)第１の読み出し動作
ドレイン領域５ａおよびシリコン基板２を接地し、ゲート電極７にたとえば３Ｖの読出電圧を印加し、ソース領域５ｂにたとえば２Ｖの電圧（ドレインよりも高い電圧）を印加する。これにより、ソース領域５ｂ近傍に大きな電界がかかる。したがって、ソース側サイドウォール１２ｂの直下に電位障壁があっても（ソース側サイドウォール１２ｂに電子が捕捉されていても）、電子は移動できる。しかし、ドレイン領域５ａ側には大きな電界がかからないので、ドレイン側サイドウォール１２ａの直下に電位障壁があると（ドレイン側サイドウォール１２ａに電子が捕捉されていると）電子が移動できず、電流が流れない。ドレイン側サイドウォール１２ａの直下に電位障壁がなければ、電子が移動できるので、電流が流れる。これにより、ドレイン側サイドウォール１２ａの捕捉電子の有無を検出できる。つまり、記憶値が「１」か「０」かを区別できる。
(ｄ)第２の読み出し動作
ソース領域５ｂおよびシリコン基板２を接地し、ゲート電極７にたとえば３Ｖの読出電圧を印加し、ドレイン領域５ａにたとえば２Ｖの電圧（ソースよりも高い電圧）を印加する。これにより、ドレイン領域５ａ近傍に大きな電界がかかる。したがって、ドレイン側サイドウォール１２ａの直下に電位障壁があっても（ドレイン側サイドウォール１２ａに電子が捕捉されていても）、電子は移動できる。しかし、ソース領域５ｂ側には大きな電界がかからないので、ソース側サイドウォール１２ｂの直下に電位障壁があると（ソース側サイドウォール１２ｂに電子が捕捉されていると）電子が移動できず、電流が流れない。ソース側サイドウォール１２ｂの直下に電位障壁がなければ、電子が移動できるので、電流が流れる。これにより、ソース側サイドウォール１２ｂの捕捉電子の有無を検出できる。つまり、記憶値が「１」か「０」かを区別できる。
（ｅ）消去動作
シリコン基板２を接地し、ゲート電極７にたとえば−６Ｖの負電圧（消去電圧）を印加し、ドレイン領域５ａに−６Ｖの負電圧を印加し、ソース領域５ｂに６Ｖの正電圧を印加する。これにより、ソース領域５ｂおよびドレイン領域５ａの界面付近で電子と正孔が対生成される。対生成された電子と正孔のうちの正孔が、ゲート電極７側に引かれて両サイドウォール１２ａ，１２ｂに入る。各サイドウォール１２ａ，１２ｂに入った正孔によって、そのサイドウォール１２ａ，１２ｂ内のマイナス電荷（捕捉電子）が打ち消される。
【００２１】
図２は、前記半導体装置のメモリセル領域の一部を示す模式的な平面図である。図３は、図２のIII-III線に沿う断面図である。図４は、図２のIV-IV線に沿う断面図である。
シリコン基板２の表層部には、直線状に延びた複数の素子分離部２０が、所定間隔をおいて互いに平行に形成されている。複数のゲート電極７は、平面視において素子分離部２０に直交する方向に、直線状に素子分離部２０の長手方向に所定間隔をあけて互いに平行に形成されている。隣り合う素子分離部２０の間の領域がアクティブ領域（活性領域）３０となる。各素子分離部２０の上方には、平面視において素子分離部２０の長手方向に延びた直線状のビットライン２５が配置されている。素子分離部２０は、シリコン基板２の表層部に形成された素子分離トレンチ２１と、素子分離トレンチ２１の内面に形成されたライナー酸化膜２２と、素子分離トレンチ２１間のアクティブ領域３０が突出するように、素子分離トレンチ２１の深さ方向途中まで埋め込まれた絶縁物（たとえば酸化膜）２３とを含む。
【００２２】
絶縁物２３は、素子分離トレンチ２１内全体に埋め込まれているのではなく、その深さ途中まで埋め込まれている。このため、隣り合う素子分離部２０間のアクティブ領域３０の上部の表面積を大きくできる。これにより、ゲート電極７は、平面視におけるアクティブ領域３０との重なり領域の面積よりも大きな面積でアクティブ領域３０に対向する。したがって、ゲート幅を拡大することができるので、チャネルに大きな電流を流せるようになる。つまり、この実施形態では、メモリセル１に含まれるＭＯＳトランジスタがフィン型トランジスタ構造とされている。
【００２３】
メモリセル領域において、シリコン基板２上には、図４に示すように、複数のメモリセル１（ゲート部３）が２５０ｎｍ以下（たとえば、２４０ｎｍ）の一定ピッチで形成されている。ゲート部３の長さ（チャネル幅方向の長さ）は、たとえば、９０ｎｍ〜１００ｎｍ程度である。ゲート電極７と直交する方向に隣り合う一対のメモリセル１においては、ゲート部３（ゲート電極７）を中心とするドレイン領域とソース領域との位置が互いに反対になるように形成されている。より具体的には、一方のメモリセル１のドレイン領域と、他方のメモリセル１のソース領域とは共通の不純物拡散領域５ａ，５ｂからなる。したがって、隣り合う２つのメモリセル１においては、ドレイン側サイドウォール１２ａどうしまたはソース側サイドウォール１２ｂどうしが向かい合っている。
【００２４】
シリコン基板２上の酸化膜１９の表面、サイドウォール１２ａ，１２ｂの表面およびゲート部３の表面には、たとえばＳｉＮからなる窒化膜１７が形成されている。窒化膜１７の表面上には、たとえばＢＰＳＧ（Boron Phosphorous Silicate Glass）からなる層間絶縁膜１８が形成されている。層間絶縁膜１８には、隣り合う２つのメモリセル１によって共有される不純物拡散領域（ドレイン領域５ａまたはソース領域５ｂ）をビットライン２５に電気的に接続するためのコンタクトプラグ４０が貫通して設けられている。
【００２５】
コンタクトプラグ４０は、バリアメタル膜４３と金属プラグ４４とを含む。層間絶縁膜１８を貫通して形成されたコンタクト孔４１の側壁は、層間絶縁膜１８より緻密なシール膜４２によって覆われている。バリアメタル膜４３は、シール膜４２の表面およびコンタクト孔４１の底面部を覆うように形成されている。金属プラグ４４は、バリアメタル膜４３に包囲された状態でコンタクト孔４１内に埋め込まれている。
【００２６】
シール膜４２は、たとえばＳｉＮからなり、厚さは５ｎｍ〜１０ｎｍ程度であってもよい。この実施形態では、シール膜４２の厚さは約７ｎｍである。バリアメタル膜４３は、Ｔｉ／ＴｉＮの２層構造膜からなっていてもよい。Ｔｉ層は、シール膜４２に接し、その厚さは３０ｎｍ程度であってもよい。ＴｉＮ層は、Ｔｉ層上に積層され、その厚さは６ｎｍ〜１０ｎｍ程度であってもよい。金属プラグ４４は、たとえばタングステン（Ｗ）からなる。金属プラグ４４は、たとえば、フッ素を含む原料ガスを用いて、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition：化学的気相成長）法により形成される。フッ素を含む原料ガスは、ＢＰＳＧからなる層間絶縁膜１８に対する腐食性を有しているけれども、シール膜４２により、層間絶縁膜１８の腐食が回避される。
【００２７】
この実施形態では、コンタクト孔４１の側壁を覆うように、層間絶縁膜１８より緻密なシール膜４２が形成されているので、その表面が滑らかである。したがって、バリアメタル膜４３をシール膜４２に密着させることができ、かつバリアメタル膜４３は貫通孔のない良好な膜質を有することができる。このため、コンタクトホール４１内に金属プラグ４４を堆積させるときに、原料ガスがバリアメタル膜４３およびシール膜４２を透過して、層間絶縁膜１８に達するのを防止できる。このため、フッ素を含む原料ガスによって、層間絶縁膜１８が腐食したり、金属プラグ４４の材料であるタングステンが層間絶縁膜１８内に染み出したりするのを防止できる。つまり、層間絶縁膜１８とコンタクトプラグ４０との間に明瞭な界面を形成できるから、コンタクト間ショート等の異常を抑制できる。
【００２８】
図５は、比較例を示す断面図である。図５において、図３の各部に対応する部分には、図３の参照符号を付してある。図５の比較例は、シール膜４２を備えていない。つまり、バリアメタル膜４３は、層間絶縁膜１８を貫通して形成されたコンタクト孔４１の側壁に接している。
ＢＰＳＧからなる層間絶縁膜１８は、シール膜４２と比較すると、緻密でないので、表面状態が粗い。そのため、バリアメタル膜４３と層間絶縁膜１８との密着性は必ずしも良くなく、バリアメタル膜４３には貫通孔が生じている場合がある。したがって、コンタクトホール４１内に金属プラグ４４を堆積させるときに、フッ素を含む原料ガスがバリアメタル膜４３を透過して、層間絶縁膜１８に達するおそれがある。そのため、図５に示すように、原料ガスによる層間絶縁膜１８の腐食や、金属プラグ４４の材料であるタングステンの層間絶縁膜１８内への染み出しが現われる場合がある。このようなタングステンの染み出しが発生すると、コンタクトプラグ４０間でショートが発生するおそれがある。
【００２９】
図６Ａ〜図６Ｆは、図２〜図４に示す半導体装置の製造工程の一例を示す模式的な斜視図である。図６Ｇ〜図６Ｉは、図６Ｆに続く製造工程を順に示す模式的な断面図である。
まず、熱酸化法により、シリコン基板２上に、ＳｉＯ２からなる図示しないパッド酸化膜（たとえば、１０ｎｍ厚）が形成される。次に、パッド酸化膜上に、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition：化学的気相成長）法により、図示しないマスク用窒化膜（たとえば、８０ｎｍ厚）が形成される。この後、フォトリソグラフィおよびエッチングにより、マスク用窒化膜およびパッド酸化膜のうち、シリコン基板２に素子分離トレンチ２１を形成すべき領域に対応する部分が除去される。そして、マスク用窒化膜およびパッド酸化膜からなるハードマスクを用いて、シリコン基板２がエッチングされることにより、図６Ａに示すように、複数本の直線状素子分離トレンチ２１（たとえば、深さ１８０ｎｍ）がストライプ状に形成される。
【００３０】
次に、素子分離トレンチ２１の内面に熱酸化法によりライナー酸化膜２２（図３参照。図６には図示せず。）が形成される。続いて、シリコン基板２が窒素雰囲気中で熱処理される。この後、ライナー酸化膜２２が薄膜化される。そして、たとえば、ＨＤＰ（High Density Plasma：高密度プラズマ）−ＣＶＤ法により、ＳｉＯ２からなる絶縁物（酸化膜）２３が素子分離トレンチ２１を含むシリコン基板２上に堆積される。この後、ＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing：化学的機械的研磨）法により、絶縁物２３がその表面から研削される。この絶縁物２３の研削は、絶縁物２３の表面と、マスク用窒化膜の表面とが面一となるまで続けられる。これにより、図６Ｂに示すように、素子分離トレンチ２１内に絶縁物２３が埋め込まれた状態となる。
【００３１】
この後、エッチングにより、シリコン基板２上のマスク用窒化膜が除去される。続いて、エッチングにより、シリコン基板２上のパッド酸化膜が除去される。そして、図６Ｃに示すように、エッチングにより、素子分離トレンチ２１内の絶縁物２３が掘り下げられる。シリコン基板２の表面から素子分離トレンチ２１内の絶縁物２３の表面までの深さ（掘り込み量）は、たとえば、２６ｎｍ程度である。これにより、素子分離部２０が形成される。シリコン基板２の表層部における隣り合う素子分離部２０の間の領域がアクティブ領域３０となる。すなわち、素子分離部２０を形成することにより、複数の直線状アクティブ領域３０がストライプ状に形成されることになる。
【００３２】
次に、図６Ｄを参照して、シリコン基板２の表面に、たとえば熱酸化法によって、ＳｉＯ２からなるゲート酸化膜６（たとえば、７ｎｍ厚）が形成される。それから、ＣＶＤ法により、ゲート酸化膜６上に、ポリシリコン層９（たとえば、７０ｎｍ厚）が形成される。その後、イオン注入法により、ポリシリコン層９に不純物（たとえばＰ（リン））が導入される。そして、ＣＶＤ法により、ポリシリコン層９上に、タングステンシリサイド層１０（たとえば、１００ｎｍ厚）が積層される。続いて、ＣＶＤ法により、タングステンシリサイド層１０上に、ＳｉＮからなる絶縁層８（たとえば、１８０ｎｍ厚）が形成される。
【００３３】
その後、フォトリソグラフィおよびエッチングにより、ゲート酸化膜６、ポリシリコン層９、タングステンシリサイド層１０および絶縁層８を含む積層体がパターニングされる。これにより、図６Ｄに示すように、複数本の直線状ゲート部３がストライプ状に形成される。ゲート部３は、ゲート酸化膜６と、ポリシリコン層９およびタングステンシリサイド層１０からなるゲート電極７と、絶縁層８とを含む。
【００３４】
次に、図６Ｅに示すように、イオン注入法により、アクティブ領域３０の表層部のうち、各ゲート部３の直下のチャネル領域を挟む領域に、ＬＤＤ構造を作製するための不純物が導入される。これにより、ＬＤＤ部４が形成される。その後、各ゲート部３の側壁面およびシリコン基板２の表面を覆うように、たとえばＣＶＤ法により、ＳｉＯ２からなる内側酸化膜１３が形成される。この後、フォトリソグラフィおよびエッチングにより、ゲート部３の側壁面上の酸化膜１３を残して、シリコン基板２上の酸化膜１３が除去される。ゲート部３の側壁面上の酸化膜１３が内側酸化膜１３となる。エッチングによってシリコン基板２上の酸化膜１３が除去される際に、ゲート部３の側壁の下端部表面の酸化膜１３およびゲート部３の側壁の下端部の表層部が除去される。これにより、ゲート部３の側壁面の下端部にゲート電極７方向に延びた凹部が形成される。そして、たとえば、ＬＰ−ＣＶＤ(Low Pressure Chemical Vapor Deposition:減圧ＣＶＤ)法により、内側酸化膜１３上およびゲート部３の側壁面の下端部上に、ＳｉＮからなる電荷蓄積膜１４が形成される。電荷蓄積膜１４の下端部は、ゲート部３の側壁面の下端部の凹部に入り込んでいる。
【００３５】
次に、図６Ｆに示すように、たとえばＣＶＤ法により、電荷蓄積膜１４の側壁面に外側酸化膜１５が形成されると同時にシリコン基板２の表面に酸化膜１９が形成される。そして、たとえばＣＶＤ法により、メモリセル領域の表面全体にＳｉＮからなる窒化膜が形成される。この窒化膜の一部（より具体的には、隣り合うゲート部３の間から露出する酸化膜１９の幅方向中央部）がエッチングによって除去されることにより、外側酸化膜１５の表面および酸化膜１９のゲート部３近傍部分の表面を覆う外側窒化膜１６が形成される。これにより、ゲート部３の両側壁には、ＯＮＯＮ構造のドレイン側サイドウォール１２ａおよびソース側サイドウォール１２ｂがそれぞれ形成される。
【００３６】
その後、アクティブ領域３０の表層部のうち、外側窒化膜１６から酸化膜１９が露出している部分に対応する領域に、ドレイン領域およびソース領域を作成するための不純物がイオン注入される。これにより、ドレイン領域５ａおよびソース領域５ｂが形成され、ＬＤＤ部４がＬＤＤ部４ａ，４ｂに分けられる。続いて、ドレイン領域５ａおよびソース領域５ｂならびにＬＤＤ部４ａ，４ｂに導入された不純物イオンを活性化するための熱処理が行われる。これにより、メモリセル領域に複数のメモリセル１が形成される。
【００３７】
次に、図６Ｇに示すように、たとえば減圧ＣＶＤ法により、メモリセル領域の表面全体にエッチングストップ膜として機能する窒化膜１７が形成される。この後、ＣＶＤ法により、窒化膜１７上に、ＢＰＳＧからなる層間絶縁膜１８が形成される。そして、ＣＭＰ法により、層間絶縁膜１８が平坦化される。
次に、図６Ｈに示すように、たとえばプラズマエッチング法により、層間絶縁膜１８における隣り合うゲート部３の間に対応する領域に、層間絶縁膜１８を貫通するコンタクト孔４１が形成される。それから、図６Ｉに示すように、たとえば減圧ＣＶＤ法により、コンタクト孔４１の側壁を覆うようにＳｉＮからなるシール膜４２（たとえば、７ｎｍ厚）が形成される。続いて、コンタクト孔内のシール膜４２の表面およびコンタクト孔４１の底面部を覆うように、Ｔｉ／ＴｉＮからなる２層構造のバリアメタル層４３（たとえば、Ｔｉ層は３０ｎｍ厚、ＴｉＮ層は６ｎｍ〜１０ｎｍ厚）が形成される。Ｔｉ層は、たとえばスパッタ法により形成され、ＴｉＮ層はたとえばＣＶＤ法で形成される。そして、ＷＦ６ガスを用いたＣＶＤ法により、バリアメタル層４３に包囲されたコンタクト孔４１内を含む表面全域に、タングステン（Ｗ）が成長される。その後、ＣＭＰ法によって、コンタクト孔４１外のタングステン、バリアメタル層４３およびシール膜４２が除去される。
【００３８】
これにより、バリアメタル層４３に包囲された状態で、コンタクト孔４１内にタングステンからなる金属プラグ４４が埋め込まれた構造が得られる。このようにして、層間絶縁膜１８内に、層間絶縁膜１８を貫通するコンタクトプラグ４０が形成される。なお、図６Ｉは、２つのゲート部３の間のソース領域（一対のメモリセル１によって共通なソース領域）５ｂに電気的に接続されるコンタクトプラグ４０の例を示している。
【００３９】
以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は、さらに他の形態で実施することもできる。たとえば、前述の実施形態では、層間絶縁膜１８はＢＰＳＧで形成されているが、Ｓｉ０２等の他の絶縁膜で形成されていてもよい。また、シール膜４１はＳｉＮで形成されているが、たとえばＳｉ０２／ＳｉＮの積層膜であってもよい。この場合、Ｓｉ０２／ＳｉＮ積層膜は、その窒化膜（ＳｉＮ）側をバリアメタル４３側に配置してコンタクト孔４１の内面に形成されてもよい。また、この発明は、メモリセル以外のコンタクトプラグにも適用することができる。
【００４０】
その他、特許請求の範囲に記載された事項の範囲で種々の設計変更を施すことが可能である。
【符号の説明】
【００４１】
１ メモリセル
２ シリコン基板
３ ゲート部
１８ 層間絶縁膜
４０ コンタクトプラグ
４１ コンタクトホール
４２ シール膜
４３ バリアメタル
４４ 金属プラグ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
層間絶縁膜と、
前記層間絶縁膜を貫通して形成されたコンタクト孔の側壁を覆うように形成され、前記層間絶縁膜よりも緻密なシール膜と、
前記シール膜の表面および前記コンタクト孔の底面部を覆うように形成されたバリアメタル膜と、
前記バリアメタル膜に包囲された状態で前記コンタクト孔内に埋め込まれた金属プラグとを含む、半導体装置。
【請求項２】
前記シール膜が窒化膜からなる、請求項１に記載の半導体装置。
【請求項３】
前記層間絶縁膜がＢＰＳＧからなる、請求項１または２に記載の半導体装置。
【請求項４】
前記金属プラグが、タングステンからなる、請求項１〜３のいずれか一項に記載の半導体装置。
【請求項５】
２５０ｎｍ以下のピッチで形成された複数のゲート部をさらに含み、
前記コンタクト孔が隣接するゲート部の間に形成されている、請求項１〜４のいずれか一項に記載の半導体装置。
【請求項６】
前記ゲート部が、複数層の積層構造を有している、請求項５に記載の半導体装置。
【請求項７】
半導体基板上に層間絶縁膜を形成する工程と、
前記層間絶縁膜を貫通するコンタクト孔を形成する工程と、
前記コンタクト孔の側壁を覆うように、前記層間絶縁膜よりも緻密なシール膜を形成する工程と、
前記シール膜の表面および前記コンタクト孔の底面部を覆うバリアメタル膜を形成する工程と、
前記層間絶縁膜に対する腐食性を有する原料ガスを用いて、前記バリアメタル膜に包囲された状態で前記コンタクト孔内に埋め込まれた金属プラグを形成する工程とを含む、半導体装置の製造方法。
【請求項８】
前記シール膜が窒化膜からなる、請求項７に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項９】
前記層間絶縁膜が酸化膜からなり、
前記金属プラグを形成する工程が、フッ素を含む原料ガスを用いて前記金属プラグを形成する工程を含む、請求項７または８に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１】
層間絶縁膜と、
前記層間絶縁膜を貫通して形成されたコンタクト孔の側壁を覆うように形成され、前記層間絶縁膜よりも緻密なシール膜と、
前記シール膜の表面および前記コンタクト孔の底面部を覆うように形成されたバリアメタル膜と、
前記バリアメタル膜に包囲された状態で前記コンタクト孔内に埋め込まれた金属プラグとを含む、半導体装置。
【請求項２】
前記シール膜が窒化膜からなる、請求項１に記載の半導体装置。
【請求項３】
前記層間絶縁膜がＢＰＳＧからなる、請求項１または２に記載の半導体装置。
【請求項４】
前記金属プラグが、タングステンからなる、請求項１〜３のいずれか一項に記載の半導体装置。
【請求項５】
２５０ｎｍ以下のピッチで形成された複数のゲート部をさらに含み、
前記コンタクト孔が隣接するゲート部の間に形成されている、請求項１〜４のいずれか一項に記載の半導体装置。
【請求項６】
前記ゲート部が、複数層の積層構造を有している、請求項５に記載の半導体装置。
【請求項７】
半導体基板上に層間絶縁膜を形成する工程と、
前記層間絶縁膜を貫通するコンタクト孔を形成する工程と、
前記コンタクト孔の側壁を覆うように、前記層間絶縁膜よりも緻密なシール膜を形成する工程と、
前記シール膜の表面および前記コンタクト孔の底面部を覆うバリアメタル膜を形成する工程と、
前記層間絶縁膜に対する腐食性を有する原料ガスを用いて、前記バリアメタル膜に包囲された状態で前記コンタクト孔内に埋め込まれた金属プラグを形成する工程とを含む、半導体装置の製造方法。
【請求項８】
前記シール膜が窒化膜からなる、請求項７に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項９】
前記層間絶縁膜が酸化膜からなり、
前記金属プラグを形成する工程が、フッ素を含む原料ガスを用いて前記金属プラグを形成する工程を含む、請求項７または８に記載の半導体装置の製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６Ａ】
【図６Ｂ】
【図６Ｃ】
【図６Ｄ】
【図６Ｅ】
【図６Ｆ】
【図６Ｇ】
【図６Ｈ】
【図６Ｉ】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６Ａ】
【図６Ｂ】
【図６Ｃ】
【図６Ｄ】
【図６Ｅ】
【図６Ｆ】
【図６Ｇ】
【図６Ｈ】
【図６Ｉ】
【公開番号】特開２０１２−５９９５８（Ｐ２０１２−５９９５８Ａ）
【公開日】平成２４年３月２２日（２０１２．３．２２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２０２３６９（Ｐ２０１０−２０２３６９）
【出願日】平成２２年９月９日（２０１０．９．９）
【出願人】（０００１１６０２４）ローム株式会社 (3,539)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年３月２２日（２０１２．３．２２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年９月９日（２０１０．９．９）
【出願人】（０００１１６０２４）ローム株式会社 (3,539)
【Ｆターム（参考）】
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