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半導体装置の製造方法及び半導体装置
説明

半導体装置の製造方法及び半導体装置

【課題】接続孔の直径を小さくしても、接続孔に埋め込まれたプラグと、プラグ上の配線との接触抵抗を低くする。
【解決手段】第1の導電層4上に、絶縁膜8を形成し、絶縁膜8に、第1の導電層4上に位置する接続孔8cを形成する。接続孔8cの中及び絶縁膜上に導電膜を形成し、さらに、絶縁膜8a上に位置する導電膜をCMP法で除去することにより、接続孔8cに導電体9を埋め込む。接続孔8cに埋め込まれた導電体9の表層を、不活性イオンを用いたスパッタエッチングにより除去し、その後、絶縁膜8上に、導電体9に接続する第2の導電層10aを形成する。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、半導体装置の製造方法及び半導体装置に関する。特に本発明は、接続孔に埋め込まれた導電体と、この導電体の上に形成された配線との接触抵抗を低くすることができる半導体装置の製造方法及び半導体装置に関する。
【背景技術】
【0002】
図3の各図は、従来の半導体装置の製造方法を説明するための断面図である。まず、図3(A)に示すように、シリコン基板101に素子分離膜102を、例えばLOCOS法により形成する。次いで、シリコン基板101を熱酸化することにより、素子分離膜102の相互間に位置するシリコン基板101の表面にゲート酸化膜103を形成する。
【0003】
次いで、ゲート酸化膜103上にゲート電極104を形成し、その後、シリコン基板101に低濃度不純物領域106a,106bを形成する。次いで、ゲート電極104の側壁にサイドウォール105を形成し、その後、シリコン基板101に、ソース及びドレインとなる不純物領域107a,107bを形成する。このようにして、シリコン基板101にはトランジスタが形成される。
【0004】
次いで、トランジスタ上を含む全面上に、酸化シリコンを主成分とする層間絶縁膜108を形成する。次いで、層間絶縁膜108に、ゲート電極104上に位置するコンタクトホール108aを形成する。次いで、コンタクトホール108aの中及び層間絶縁膜108上に、バリア膜となるTiN膜109を形成した後、TiN膜109上にタングステン(W)膜110を形成する。
【0005】
次いで、図3(B)に示すように、層間絶縁膜108上に位置するタングステン膜110及びTiN膜109を、CMP法により除去する。これにより、コンタクトホール108aの中には、バリア膜109a及びWプラグ110aが埋め込まれる。
次いで、図3(C)に示すように、層間絶縁膜108上に、Wプラグ110aに接続するAl合金配線111を形成する(特許文献1参照)。
【特許文献1】特開2000−208436号公報(図8)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
半導体装置の微細化が進むにつれて、コンタクトホールやビアホール等の接続孔の直径、及び接続孔に埋め込まれるプラグの直径も小さくなっている。本発明者は、接続孔の直径がある大きさ以下(例えば300nm)になると、上述した従来工程では、プラグ等の導電体と、この導電体上の配線との間の接触抵抗が非常に大きくなることを見出した。半導体装置の微細化を進めるためには、この接触抵抗を小さくする必要がある。
【0007】
本発明は上記のような事情を考慮してなされたものであり、その目的は、接続孔の直径を小さくしても、接続孔に埋め込まれた導電体と、この導電体の上に形成された導電層との接触抵抗を低くすることができる半導体装置の製造方法及び半導体装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0008】
導電体と配線との間の接触抵抗が非常に大きくなる原因を突き止めるため、本発明者は誠意検討を重ねた。その結果、CMP工程を用いて接続孔内に埋め込まれた導電体は、表層に高抵抗の異常層を有することを見出した。この知見を元に、本発明者は以下の発明を行った。
【0009】
本発明にかかる半導体装置の製造方法は、
第1の導電層上に、絶縁膜を形成する工程と、
前記絶縁膜に、前記第1の導電層上に位置する接続孔を形成する工程と、
前記接続孔の中及び前記絶縁膜上に導電膜を形成する工程と、
前記絶縁膜上に位置する前記導電膜をCMP法で除去することにより、前記接続孔に導電体を埋め込む工程と、
前記接続孔に埋め込まれた前記導電体の表層を除去する工程と、
前記絶縁膜上に、前記導電体に接続する第2の導電層を形成する工程と
を具備する。
【0010】
この半導体装置の製造方法によれば、導電体の表層に形成された異常層が除去された後に、第2の導電層が形成される。従って、導電体と第2の導電層との接触抵抗を小さくすることができる。
【0011】
導電体の表層を除去する工程は、不活性イオンを用いたスパッタエッチングにより表層を除去する工程であるのが好ましい。
導電膜を形成する工程は、接続孔の内側面及び底面、並びに絶縁膜上それぞれに、バリア膜としてのTiN膜を形成する工程と、TiN膜上にW膜を形成する工程と、を有してもよい。
接続孔の直径は300nm以下である場合、本発明は特に効果を発揮する。
【0012】

第1の導電層は、半導体基板に形成された不純物領域であってもよいし、絶縁膜上に形成された配線であってもよい。導電体の表層を除去する工程は、該表層を5nm以上30nm以下除去する工程であるのが好ましい。
【0013】
本発明に係る半導体装置は、
第1の導電層上に形成された絶縁膜と、
前記絶縁膜に形成された接続孔と、
前記接続孔に埋め込まれた導電体と、
前記絶縁膜上に形成され、前記導電体に接続する第2の導電層と、
を具備し、前記導電体の表面が前記絶縁膜の表面より下に位置する。
【0014】
本発明に係る他の半導体装置は、
下地層上に形成された絶縁膜と、
前記絶縁膜に形成された接続孔と、
CMP法を用いて前記接続孔に埋め込まれ、かつ前記接続孔に埋め込まれた後に表層が除去された導電体と、
前記絶縁膜上に形成され、前記導電体に接続する導電層と
を具備する。
【発明を実施するための形態】
【0015】
以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。図1及び図2の各図は、本実施形態に係る半導体装置の製造方法を説明するための断面図である。
まず、図1(A)に示すように、シリコン基板1に、素子分離膜2をLOCOS法により形成する。次いで、シリコン基板1を熱酸化する。これにより、素子分離膜2の相互間に位置するシリコン基板1には、ゲート酸化膜3が形成される。
【0016】
次いで、ゲート酸化膜3上を含む全面上に、ポリシリコン膜を、CVD法により形成する。次いで、このポリシリコン膜上にフォトレジスト膜(図示せず)を塗布し、このフォトレジスト膜を露光及び現像する。これにより、ポリシリコン膜上にはレジストパターンが形成される。次いで、このレジストパターンをマスクとしてポリシリコン膜をエッチングする。これにより、ポリシリコン膜はパターニングされ、ゲート酸化膜3上に位置するゲート電極4が形成される。その後、レジストパターンを除去する。
【0017】
次いで、素子分離膜2及びゲート電極4をマスクとして、シリコン基板1に不純物イオンを注入する。これにより、シリコン基板1には低濃度不純物領域6a,6bが形成される。次いで、ゲート電極4上を含む全面上に酸化シリコン膜を形成し、この酸化シリコン膜をエッチバックする。これにより、ゲート電極4の側壁にはサイドウォール5が形成される。次いで、素子分離膜2、ゲート電極4及びサイドウォール5をマスクとして、シリコン基板1に不純物イオンを注入する。これにより、シリコン基板1には、ソース及びドレインとなる不純物領域7a,7bが形成される。
このようにして、シリコン基板1にはトランジスタが形成される。
【0018】
次いで、このトランジスタ上を含む全面上に、層間絶縁膜8の下層を構成する第1の絶縁膜8aを形成する。第1の絶縁膜8aは酸化シリコンからなり、TEOS(tetraethylorthosilicate)とOをCVD法で反応させることにより、段差被覆性がよい膜として形成される。次いで、第1の絶縁膜8a上に、層間絶縁膜8の上層を構成する第2の絶縁膜8bを形成する。第2の絶縁膜8bも酸化シリコンからなり、例えばシランを用いたプラズマCVD法によって形成される。このようにして、第1及び第2の絶縁膜8a,8bからなる層間絶縁膜8が形成される。
【0019】
次いで、層間絶縁膜8上にフォトレジスト膜(図示せず)を塗布し、このフォトレジスト膜を露光及び現像する。これにより、層間絶縁膜8上にはレジストパターンが形成される。次いで、このレジストパターンをマスクとして層間絶縁膜8をエッチングする。これにより、層間絶縁膜8には、ゲート電極4上に位置するコンタクトホール8c、及び不純物領域7a,7bそれぞれの上に位置するコンタクトホール(図示せず)が形成される。これらコンタクトホールの直径は、300nm以下である。
その後、レジストパターンを除去する。
【0020】
次いで、図1(B)に示すように、コンタクトホールそれぞれの中及び層間絶縁膜8上に、バリアメタルとなるTiN膜を、スパッタリング法を用いて形成し、更にその上に、タングステン(W)膜をCVD法により形成する。次いで、層間絶縁膜8上のタングステン膜及びTiN膜を、CMP(Chemical Mechanical Polishing)により研磨除去する。これにより、コンタクトホール8cにはTiN膜9a及びWプラグ9が埋め込まれる。また、不純物領域7a,7bそれぞれの上に位置するコンタクトホールにもTiN膜及びWプラグ(図示せず)が埋め込まれる。
【0021】
この工程において、Wプラグそれぞれの表層は酸化され、高抵抗の異常層となる。異常層の厚さは、例えば10nmである。異常層が形成される理由は、以下のように推定される。
CMPにおいて、Wは酸化シリコンより優先的に研磨除去される。このため、Wプラグ9の上面は、層間絶縁膜8の上面より低くなり、Wプラグ9上に位置する凹部8dが形成される。そして、この凹部8dには、CMPで生じた研磨スラリーが残留する。残留した研磨スラリーにより、Wプラグ9の表層は酸化され、高抵抗の異常層となる。
【0022】
なお、コンタクトホールの径が300nmより大きい場合、Wプラグ上に位置する凹部の中央部には研磨スラリーが残らず、このためWプラグの上層は、中央部が低抵抗の状態に維持されると推定される。
【0023】
次いで、図1(C)に示すように、Wプラグそれぞれの表層を含む全面上を、Ar等の不活性ガスをプラズマ化したプラズマに曝露する。これにより、Wプラグそれぞれの表層に形成された異常層、及び層間絶縁膜8の表層それぞれが、不活性イオンによってスパッタエッチングされ、除去される。なお、スパッタエッチング条件(エッチング時間を含む)は、Wプラグの表層が5nm以上30nm以下ほど除去される条件にする。例えば、酸化シリコンを主成分とする層間絶縁膜8が15nm程度除去される条件にする。
【0024】
次いで、図1(D)に示すように、Wプラグそれぞれの上及び層間絶縁膜8上に、導電膜を形成する。この導電膜は、例えば、バリア膜であるTiN膜、Al合金膜、ならびに反射防止膜であるTi膜及びTiN膜を、この順に積層した積層膜である。次いで、この導電膜の上にフォトレジスト膜(図示せず)を塗布し、このフォトレジスト膜を露光及び現像する。これにより、導電膜の上にはレジストパターンが形成される。次いで、このレジストパターンをマスクとして導電膜をエッチングする。これにより、層間絶縁膜8上には、Al合金配線10a,10b,10cが形成される。Al合金配線10aは、Wプラグ9を介してゲート電極4に接続しており、Al合金配線10b,10cそれぞれは、図示していないWプラグを介して不純物領域7a,7bに接続している。
その後、レジストパターンを除去する。
【0025】
次いで、図2(A)に示すように、Al合金配線10a〜10c上を含む全面上に、第2の層間絶縁膜11の下層となる第3の絶縁膜11aを形成する。第3の絶縁膜11aは、酸化シリコンを主成分としており、高密度プラズマCVD法により段差被覆性がよい膜として形成される。次いで、第3の絶縁膜11a上に、第2の層間絶縁膜11の上層を構成する第4の絶縁膜11bを形成する。第4の絶縁膜11bも酸化シリコンからなり、例えばプラズマCVD法によって形成される。このようにして、第3及び第4の絶縁膜11a,11bからなる第2の層間絶縁膜11が形成される。
【0026】
次いで、第2の層間絶縁膜11上にフォトレジスト膜(図示せず)を塗布し、このフォトレジスト膜を露光及び現像する。これにより、第2の層間絶縁膜11上にはレジストパターンが形成される。次いで、このレジストパターンをマスクとして第2の層間絶縁膜11をエッチングする。これにより、第2の層間絶縁膜11には、Al合金配線10a上に位置するビアホール11aが形成される。ビアホール11aの直径は300nm以下である。
その後、レジストパターンを除去する。
【0027】
次いで、図2(B)に示すように、ビアホール11aの中及び第2の層間絶縁膜11上に、バリアメタルとなるTiN膜を、スパッタリング法を用いて形成し、更にその上に、タングステン(W)膜をCVD法により形成する。次いで、第2の層間絶縁膜11上のタングステン膜及びTiN膜を、CMP(Chemical Mechanical Polishing)により研磨除去する。これにより、ビアホール11aにはTiN膜12a及びWプラグ12が埋め込まれる。
この工程において、Wプラグ12の表層は、Wプラグ9の表層と同様に酸化され、高抵抗の異常層となる。また、Wプラグ12の上には凹部11dが形成される
【0028】
次いで、Wプラグ12の表層を含む全面上を、Ar等の不活性ガスをプラズマ化したプラズマに曝露する。これにより、Wプラグ12の表層に形成された異常層、及び第2の層間絶縁膜11の表層それぞれが、不活性イオンによってスパッタエッチングされ、除去される。
【0029】
次いで、図2(D)に示すように、Wプラグ12の上及び第2の層間絶縁膜11上に、導電膜を形成する。この導電膜は、例えば、バリア膜であるTiN膜、Al合金膜、ならびに反射防止膜であるTi膜及びTiN膜を、この順に積層した積層膜である。次いで、この導電膜の上にフォトレジスト膜(図示せず)を塗布し、このフォトレジスト膜を露光及び現像する。これにより、導電膜の上にはレジストパターンが形成される。次いで、このレジストパターンをマスクとして導電膜をエッチングする。これにより、第2の層間絶縁膜11上には、Wプラグ12に接続するAl合金配線13が形成される。
その後、レジストパターンを除去する。
【0030】
このように本実施形態によれば、Wプラグ9,12それぞれを形成した後、Al合金配線10a,13を形成する前に、Wプラグ9,12それぞれの表層を、不活性イオンを用いたスパッタエッチングにより除去している。このため、CMPにおいてWプラグ9,12の表層に高抵抗の異常層が形成されても、この異常層はAl合金配線10a,13を形成する前に除去される。従って、コンタクトホール8c,ビアホール11aそれぞれの直径を小さくしても、Wプラグ9とAl合金配線10aの接触抵抗、およびWプラグ12とAl合金配線13の接触抵抗それぞれを低くすることができる。
なお、Al合金配線13の代わりにパッドを形成しても、同様の効果を得ることができる。
【0031】
尚、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲内で種々変更して実施することが可能である。例えば、Wプラグ9,12それぞれの表層を除去する方法として、不活性イオンを用いたスパッタエッチングを用いたが、これら以外の方法であってもよい。例えば、Wを高抵抗化させないような条件下で、ドライエッチングやウェットエッチングを行ってもよい。
【図面の簡単な説明】
【0032】
【図1】(A)は実施形態に係る半導体装置の製造方法を説明するための断面図、(B)は(A)の次の工程を説明するための断面図、(C)は(B)の次の工程を説明するための断面図、(D)は(C)の次の工程を説明するための断面図。
【図2】(A)は図1(D)の次の工程を説明するための断面図、(B)は(A)の次の工程を説明するための断面図、(C)は(B)の次の工程を説明するための断面図、(D)は(C)の次の工程を説明するための断面図。
【図3】(A)は従来の半導体装置の製造方法を説明するための断面図、(B)は(A)の次の工程を説明するための断面図、(C)は(B)の次の工程を説明するための断面図。
【符号の説明】
【0033】
1,101…シリコン基板、2,102…素子分離膜、3,103…ゲート酸化膜、4,104…ゲート電極、5,105…サイドウォール、6a,6b,106a,106b…低濃度不純物領域、7a,7b,107a,107b…不純物領域、8,108…層間絶縁膜、8a…第1の絶縁層、8b…第2の絶縁層、8c,108a…コンタクトホール、8d,11d…凹部、9,12,110a…Wプラグ、9a,12a,109…TiN膜、10a,10b,10c,13…Al合金配線、11…第2の層間絶縁膜、11a…第3の絶縁膜、11b…第4の絶縁膜、109a…バリア膜、110…タングステン膜

【特許請求の範囲】
【請求項1】
第1の導電層上に、絶縁膜を形成する工程と、
前記絶縁膜に、前記第1の導電層上に位置する接続孔を形成する工程と、
前記接続孔の中及び前記絶縁膜上に導電膜を形成する工程と、
前記絶縁膜上に位置する前記導電膜をCMP法で除去することにより、前記接続孔に導電体を埋め込む工程と、
前記接続孔に埋め込まれた前記導電体の表層を除去する工程と、
前記絶縁膜上に、前記導電体に接続する第2の導電層を形成する工程と
を具備する半導体装置の製造方法。
【請求項2】
前記導電体の表層を除去する工程は、不活性イオンを用いたスパッタエッチングにより前記表層を除去する工程である請求項1に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項3】
前記導電膜を形成する工程は、
前記接続孔の内側面及び底面、並びに前記絶縁膜上それぞれに、バリア膜としてのTiN膜を形成する工程と、
前記TiN膜上にW膜を形成する工程と、を有する請求項1又は2に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項4】
前記接続孔の直径は300nm以下である請求項1〜3のいずれか一項に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項5】
前記第1の導電層は、半導体基板に形成された不純物領域である請求項1〜4のいずれか一項に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項6】
前記第1の導電層は配線である請求項1〜4のいずれか一項に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項7】
前記導電体の表層を除去する工程は、該表層を5nm以上30nm以下除去する工程である請求項1〜6のいずれか一項に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項8】
第1の導電層上に形成された絶縁膜と、
前記絶縁膜に形成された接続孔と、
前記接続孔に埋め込まれた導電体と、
前記絶縁膜上に形成され、前記導電体に接続する第2の導電層と、
を具備し、前記導電体の表面が前記絶縁膜の表面より下に位置する半導体装置。
【請求項9】
第1の導電層上に形成された絶縁膜と、
前記絶縁膜に形成された接続孔と、
CMP法を用いて前記接続孔に埋め込まれ、かつ前記接続孔に埋め込まれた後に表層が除去された導電体と、
前記絶縁膜上に形成され、前記導電体に接続する第2の導電層と
を具備する半導体装置。

【図1】
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【図2】
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【図3】
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【公開番号】特開2006−41109(P2006−41109A)
【公開日】平成18年2月9日(2006.2.9)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2004−217359(P2004−217359)
【出願日】平成16年7月26日(2004.7.26)
【出願人】(000002369)セイコーエプソン株式会社 (-1)
【Fターム(参考)】