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公開番号2019169580
公報種別公開特許公報(A)
公開日20191003
出願番号2018055447
出願日20180323
発明の名称半導体装置及びその製造方法
出願人株式会社東芝,東芝デバイス&ストレージ株式会社
代理人個人,個人,個人
主分類H01L 21/768 20060101AFI20190906BHJP(基本的電気素子)
要約【課題】ゲート電極へのエッチングダメージを低減する半導体装置を提供する。
【解決手段】実施形態の半導体装置は、ゲート電極と、導電層と、ゲート電極と導電層との間に設けられた絶縁層と、絶縁層に囲まれ、ゲート電極と導電層とを接続し、第1の領域と第1の領域よりも導電層に近い第2の領域とを有し、第1の領域の幅が第2の領域の幅よりも広いコンタクトプラグと、を備える。
【選択図】図1

特許請求の範囲約 1,800 文字を表示【請求項1】
ゲート電極と、
導電層と、
前記ゲート電極と前記導電層との間に設けられた絶縁層と、
前記絶縁層に囲まれ、前記ゲート電極と前記導電層とを接続し、第1の領域と前記第1の領域よりも前記導電層に近い第2の領域とを有し、前記第1の領域の幅が前記第2の領域の幅よりも広いコンタクトプラグと、
を備える半導体装置。
【請求項2】
前記第1の領域は前記ゲート電極に接する請求項1記載の半導体装置。
【請求項3】
前記絶縁層は、前記ゲート電極の上に設けられた第1の絶縁膜、前記第1の絶縁膜の上に設けられ前記第1の絶縁膜と異なる材料の第2の絶縁膜、前記第2の絶縁膜の上に設けられ前記第2の絶縁膜と異なる材料の第3の絶縁膜を有し、
前記第1の領域は前記第1の絶縁膜に囲まれ、前記第2の領域は前記第2の絶縁膜に囲まれる請求項1又は請求項2記載の半導体装置。
【請求項4】
前記第1の絶縁膜及び前記第3の絶縁膜は酸化シリコンであり、前記第2の絶縁膜は窒化シリコンである請求項3記載の半導体装置。
【請求項5】
前記絶縁層は、前記ゲート電極の上に設けられた第1の絶縁膜、前記第1の絶縁膜の上に設けられ前記第1の絶縁膜と異なる材料の第2の絶縁膜を有し、
前記第1の領域は前記第1の絶縁膜に囲まれ、前記第2の領域は前記第2の絶縁膜に囲まれる請求項1又は請求項2記載の半導体装置。
【請求項6】
前記第1の絶縁膜は窒化シリコンであり、前記第2の絶縁膜は酸化シリコンである請求項5記載の半導体装置。
【請求項7】
前記第2の領域と前記絶縁層との間に、側壁絶縁膜を有する請求項1又は請求項2記載の半導体装置。
【請求項8】
前記絶縁層は酸化シリコンであり、前記側壁絶縁膜は窒化シリコンである請求項7記載の半導体装置。
【請求項9】
ゲート電極を形成し、
前記ゲート電極の上に第1の絶縁膜を形成し、
前記第1の絶縁膜の上に前記第1の絶縁膜と異なる材料の第2の絶縁膜を形成し、
前記第2の絶縁膜の上に前記第2の絶縁膜と異なる材料の第3の絶縁膜を形成し、
異方性ドライエッチングにより前記第3の絶縁膜をエッチングし、底部に前記第2の絶縁膜が露出するコンタクトホールを形成し、
前記コンタクトホールの底部の前記第2の絶縁膜を除去し、
前記コンタクトホールの底部の前記第1の絶縁膜をウェットエッチングにより除去して前記ゲート電極を露出させる半導体装置の製造方法。
【請求項10】
前記第1の絶縁膜及び前記第3の絶縁膜は酸化シリコンであり、前記第2の絶縁膜は窒化シリコンである請求項9記載の半導体装置の製造方法。
【請求項11】
ゲート電極を形成し、
前記ゲート電極の上に第1の絶縁膜を形成し、
前記第1の絶縁膜の上に前記第1の絶縁膜と異なる材料の第2の絶縁膜を形成し、
異方性ドライエッチングにより前記第2の絶縁膜をエッチングし、底部に前記第1の絶縁膜が露出するコンタクトホールを形成し、
前記コンタクトホールの底部の前記第1の絶縁膜をウェットエッチングにより除去して前記ゲート電極を露出させる半導体装置の製造方法。
【請求項12】
前記第1の絶縁膜は窒化シリコンであり、前記第2の絶縁膜は酸化シリコンである請求項11記載の半導体装置の製造方法。
【請求項13】
ゲート電極を形成し、
前記ゲート電極の上に絶縁層を形成し、
異方性ドライエッチングにより前記絶縁層をエッチングし、前記ゲート電極との間に前記絶縁層の一部が残存するようにコンタクトホールを形成し、
前記コンタクトホールの側面に側壁絶縁膜を形成し、
前記コンタクトホールの底部の前記絶縁層の前記一部をウェットエッチングにより除去して前記ゲート電極を露出させる半導体装置の製造方法。
【請求項14】
前記絶縁層は酸化シリコンであり、前記側壁絶縁膜は窒化シリコンである請求項13記載の半導体装置の製造方法。

発明の詳細な説明約 14,000 文字を表示【技術分野】
【0001】
本発明の実施形態は、半導体装置及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【0002】
ゲート電極の上層に設けられた配線とゲート電極との接続を行うコンタクトプラグを形成する場合、異方性ドライエッチングを用いてコンタクトホールが形成される。しかし、異方性ドライエッチングのエッチングダメージにより、例えば、ゲート酸化膜の信頼性の低下、コンタクト抵抗の増大等の問題が生ずる場合がある。したがって、ゲート電極へのエッチングダメージを低減することが望まれる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
特開2012−4169号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
本発明が解決しようとする課題は、ゲート電極へのエッチングダメージを低減する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】
【0005】
本発明の一態様の半導体装置は、ゲート電極と、導電層と、前記ゲート電極と前記導電層との間に設けられた絶縁層と、前記絶縁層に囲まれ、前記ゲート電極と前記導電層とを接続し、第1の領域と前記第1の領域よりも前記導電層に近い第2の領域とを有し、前記第1の領域の幅が前記第2の領域の幅よりも広いコンタクトプラグと、を備える。
【図面の簡単な説明】
【0006】
第1の実施形態の半導体装置の模式断面図。
第1の実施形態の半導体装置の製造方法を示す模式断面図。
第1の実施形態の半導体装置の製造方法を示す模式断面図。
第1の実施形態の半導体装置の製造方法を示す模式断面図。
第1の実施形態の半導体装置の製造方法を示す模式断面図。
第1の実施形態の半導体装置の製造方法を示す模式断面図。
比較形態の半導体装置の製造方法を示す模式断面図。
比較形態の半導体装置の製造方法を示す模式断面図。
比較形態の半導体装置の製造方法を示す模式断面図。
比較形態の半導体装置の製造方法を示す模式断面図。
第2の実施形態の半導体装置の模式断面図。
第2の実施形態の半導体装置の製造方法を示す模式断面図。
第2の実施形態の半導体装置の製造方法を示す模式断面図。
第2の実施形態の半導体装置の製造方法を示す模式断面図。
第3の実施形態の半導体装置の模式断面図。
第3の実施形態の半導体装置の製造方法を示す模式断面図。
第3の実施形態の半導体装置の製造方法を示す模式断面図。
第3の実施形態の半導体装置の製造方法を示す模式断面図。
第3の実施形態の半導体装置の製造方法を示す模式断面図。
【発明を実施するための形態】
【0007】
本明細書中、同一又は類似する部材については、同一の符号を付し、重複する説明を省略する場合がある。
【0008】
本明細書中、部品等の位置関係を示すために、図面の上方向を「上」、図面の下方向を「下」と記述する場合がある。本明細書中、「上」、「下」の概念は、必ずしも重力の向きとの関係を示す用語ではない。
【0009】
(第1の実施形態)
第1の実施形態の半導体装置は、ゲート電極と、導電層と、ゲート電極と導電層との間に設けられた絶縁層と、絶縁層に囲まれ、ゲート電極と導電層とを接続し、第1の領域と第1の領域よりも導電層に近い第2の領域とを有し、第1の領域の幅が第2の領域の幅よりも広いコンタクトプラグと、を備える。そして、絶縁層は、ゲート電極の上に設けられた第1の絶縁膜、第1の絶縁膜の上に設けられ第1の絶縁膜と異なる材料の第2の絶縁膜、第2の絶縁膜の上に設けられ第2の絶縁膜と異なる材料の第3の絶縁膜を有し、第1の領域は第1の絶縁膜に囲まれ、第2の領域は第2の絶縁膜に囲まれる。
【0010】
図1は、第1の実施形態の半導体装置の模式断面図である。
【0011】
第1の実施形態の半導体装置は、シリコン基板10、素子分離絶縁膜12、ゲート絶縁膜14、ゲート電極16、ゲート電極間絶縁層18、層間絶縁層20(絶縁層)、配線22(導電層)、コンタクトプラグ24を備える。層間絶縁層20は、第1の酸化シリコン膜20a(第1の絶縁膜)、窒化シリコン膜20b(第2の絶縁膜)、第2の酸化シリコン膜20c(第3の絶縁膜)を有する。また、コンタクトプラグ24は、第1の領域24a、第2の領域24bを有する。
【0012】
シリコン基板10は、単結晶シリコン基板である。シリコン基板10の中に、例えば、図示しないソース不純物領域やドレイン不純物領域が形成される。例えば、ゲート電極16、ソース不純物領域及びドレイン不純物領域で、トランジスタが形成される。
【0013】
素子分離絶縁膜12は、シリコン基板10に設けられたトレンチ内に設けられる。素子分離絶縁膜12は、例えば、酸化シリコンである。トレンチ内の素子分離絶縁膜12により、STI構造(Shallow Trench Isolation構造)が形成される。
【0014】
ゲート絶縁膜14は、ゲート電極16とシリコン基板10との間に設けられる。ゲート絶縁膜14は、例えば、酸化シリコンである。
【0015】
ゲート電極16は、ゲート絶縁膜14上及び素子分離絶縁膜12上に設けられる。ゲート電極16は、半導体、金属又は金属化合物である。
【0016】
ゲート電極間絶縁層18は、例えば、ゲート電極16と図示しない隣接するゲート電極16との間に設けられる。ゲート電極間絶縁層18は、例えば、酸化シリコンである。
【0017】
配線22は、導電層の一例である。配線22は、例えば、金属である。
【0018】
層間絶縁層20は、ゲート電極16と配線22との間に設けられる。層間絶縁層20は、絶縁層の一例である。
【0019】
層間絶縁層20は、第1の酸化シリコン膜20a、窒化シリコン膜20b、第2の酸化シリコン膜20cを有する。第1の酸化シリコン膜20aは、第1の絶縁膜の一例である。窒化シリコン膜20bは、第2の絶縁膜の一例である。第2の酸化シリコン膜20cは、第3の絶縁膜の一例である。
【0020】
第1の酸化シリコン膜20aは、ゲート電極16の上に設けられる。窒化シリコン膜20bは、第1の酸化シリコン膜20aの上に設けられる。第2の酸化シリコン膜20cは、窒化シリコン膜20bの上に設けられる。窒化シリコン膜20bは、第1の酸化シリコン膜20aと材料が異なる。第2の酸化シリコン膜20cは、窒化シリコン膜20bと材料が異なる。
【0021】
窒化シリコン膜20bは、コンタクトプラグ24を形成するためのコンタクトホールエッチングの際にエッチングストッパーとして機能する。
【0022】
コンタクトプラグ24は、層間絶縁層20に囲まれる。コンタクトプラグ24は、層間絶縁層20を貫通して設けられる。コンタクトプラグ24は、ゲート電極16と配線22を接続する。
【0023】
コンタクトプラグ24は、第1の領域24a、第2の領域24bを有する。第2の領域24bは、第1の領域24aよりも配線22に近い。第1の領域24aは、第2の領域24bよりもゲート電極16に近い。
【0024】
第1の領域24aは、ゲート電極16に接する。第1の領域24aは、ゲート電極16の直上にある。第1の領域24aは、第1の酸化シリコン膜20aに囲まれる。第1の領域24aの一部は、ゲート電極16と窒化シリコン膜20bとの間に挟まれる。
【0025】
第2の領域24bは、窒化シリコン膜20bに囲まれる。
【0026】
第1の領域24aの幅(図1中のd1)は、第2の領域24bの幅(図1中のd2)よりも広い。コンタクトプラグ24は、ゲート電極16の近傍で等方的に幅が広がっている。
【0027】
コンタクトプラグ24は、金属である。コンタクトプラグ24は、例えば、チタン、窒化チタン、タングステンである。コンタクトプラグ24は、バリアメタル膜を含んでいても構わない。
【0028】
次に、第1の実施形態の半導体装置の製造方法について説明する。
【0029】
第1の実施形態の半導体装置の製造方法は、ゲート電極を形成し、ゲート電極の上に第1の絶縁膜を形成し、第1の絶縁膜の上に第1の絶縁膜と異なる材料の第2の絶縁膜を形成し、第2の絶縁膜の上に第2の絶縁膜と異なる材料の第3の絶縁膜を形成し、異方性ドライエッチングにより第3の絶縁膜をエッチングし、底部に第2の絶縁膜が露出するコンタクトホールを形成し、コンタクトホールの底部の第2の絶縁膜を除去し、コンタクトホールの底部の第1の絶縁膜をウェットエッチングにより除去してゲート電極を露出させる。
【0030】
図2、図3、図4、図5、図6は、第1の実施形態の半導体装置の製造方法を示す模式断面図である。
【0031】
最初に、シリコン基板10に、公知の方法で、素子分離絶縁膜12、ゲート絶縁膜14、ゲート電極16を形成する(図2)。次に、ゲート電極間絶縁層18を形成する。
【0032】
次に、ゲート電極16の上に、第1の酸化シリコン膜20aを形成し、第1の酸化シリコン膜20aの上に、窒化シリコン膜20bを形成し、窒化シリコン膜20bの上に第2の酸化シリコン膜20cを形成する(図3)。第1の酸化シリコン膜20a、窒化シリコン膜20b、第2の酸化シリコン膜20cは、例えば、CVD法(Chemical Vapor Deposition法)により形成する。
【0033】
次に、異方性ドライエッチングにより、第2の酸化シリコン膜20cをエッチングしてコンタクトホール30を形成する(図4)。第2の酸化シリコン膜20cをエッチングする際の窒化シリコン膜20bのエッチングレートは、第2の酸化シリコン膜20cのエッチングレートよりも小さい。したがって、コンタクトホール30の形成の際に、窒化シリコン膜20bがエッチングストッパーとして機能する。コンタクトホール30の底部に窒化シリコン膜20bが露出する。異方性ドライエッチングは、例えば、RIE(Reactive Ion Etching)である。
【0034】
次に、異方性ドライエッチングにより、コンタクトホール30底部の窒化シリコン膜20bを除去する(図5)。窒化シリコン膜20bをウェットエッチングにより除去することも可能である。
【0035】
次に、ウェットエッチングによりコンタクトホール30底部の第1の酸化シリコン膜20aを除去する(図6)。第1の酸化シリコン膜20aを除去することにより、ゲート電極16の表面が露出する。
【0036】
ウェットエッチングは、等方性エッチングのため、第1の酸化シリコン膜20aのエッチングは横方向へも進み、コンタクトホール30の底部の幅が等方的に広がる。また、第2の酸化シリコン膜20cも横方向にエッチングされる。
【0037】
ウェットエッチングにはフッ化水素酸系の薬液を用いる。用いる薬液は、例えば、バッファードフッ酸である。バッファードフッ酸は、フッ化水素酸とフッ化アンモニウムの混合溶液である。
【0038】
その後、公知の方法で、コンタクトプラグ24及び配線22を形成する。
【0039】
以上の製造方法により、ゲート電極16の上にコンタクトプラグ24が設けられた図1に示す半導体装置が製造される。
【0040】
次に、第1の実施形態の作用及び効果について説明する。
【0041】
ゲート電極の上層に設けられた配線とゲート電極との接続を行うコンタクトプラグを形成する場合、異方性ドライエッチングを用いてコンタクトホールが形成される。しかし、異方性ドライエッチングのエッチングダメージにより、例えば、ゲート酸化膜の信頼性の低下、コンタクト抵抗の増大等の問題が生ずる場合がある。したがって、ゲート電極へのエッチングダメージを低減することが望まれる。
【0042】
図7、図8、図9、図10は、比較形態の半導体装置の製造方法を示す模式断面図である。
【0043】
比較形態の半導体装置の製造方法は、エッチングストッパーとして機能する窒化シリコン膜20bを形成しない点で、第1の実施形態の半導体装置の製造方法と異なる。以下、第1の実施形態の製造方法と重複する内容については一部記述を省略する。
【0044】
最初に、シリコン基板10に、公知の方法で、素子分離絶縁膜12、ゲート絶縁膜14、ゲート電極16を形成する。次に、ゲート電極間絶縁層18を形成する。
【0045】
次に、ゲート電極16の上に、層間絶縁層20を形成する。層間絶縁層20は、例えば、酸化シリコンである(図7)。
【0046】
次に、異方性ドライエッチングにより、層間絶縁層20をエッチングしてコンタクトホール30を形成する(図8)。この時、エッチングを層間絶縁層20の途中で止める。コンタクトホール30の底部に層間絶縁層20が露出する。
【0047】
次に、ウェットエッチングによりコンタクトホール30の底部の層間絶縁層20を除去する(図9)。層間絶縁層20を除去することにより、ゲート電極16の表面が露出する。
【0048】
ウェットエッチングは、等方性エッチングのため、層間絶縁層20のエッチングは横方向へも進み、コンタクトホール30の底部及び側面の幅が等方的に広がる。
【0049】
その後、公知の方法で、コンタクトプラグ24及び配線22を形成する(図10)。
【0050】
比較形態の製造方法では、異方性ドライエッチングの際、コンタクトホール30がゲート電極16に達する前にエッチングを止める。このため、ゲート電極16が異方性ドライエッチングに曝されることがない。したがって、ゲート電極16へのエッチングダメージを低減することが可能である。
【0051】
しかし、コンタクトホール30の底部に残る層間絶縁層20が厚いため、等方性のウェットエッチングによるコンタクトホール30の径の拡大が極めて大きくなる。したがって、図10に示すようにコンタクトプラグ24の幅も極めて広くなる。よって、例えば、隣接するコンタクトプラグ24とのショートや、隣接する配線とのショートが懸念される。
【0052】
第1の実施形態の製造方法では、比較形態の製造方法と同様、ゲート電極16が異方性ドライエッチングに曝されることがない。したがって、ゲート電極16へのエッチングダメージを低減することが可能である。
【0053】
さらに、第1の実施形態の製造方法では、エッチングストッパーとして機能する窒化シリコン膜20bを形成する。このため、ウェットエッチングでエッチングする膜は、薄い第1の酸化シリコン膜20aのみとなる。したがって、等方性のウェットエッチングによるコンタクトホール30の径の拡大が抑制される。よって、コンタクトプラグ24の幅も狭くすることができる。
【0054】
以上、第1の実施形態によれば、ゲート電極へのエッチングダメージを低減する半導体装置及びその製造方法が実現される。
【0055】
(第2の実施形態)
第2の実施形態の半導体装置は、絶縁層は、ゲート電極の上に設けられた第1の絶縁膜、第1の絶縁膜の上に設けられ第1の絶縁膜と異なる材料の第2の絶縁膜を有し、第1の領域は第1の絶縁膜に囲まれ、第2の領域は第2の絶縁膜に囲まれる。第2の実施形態の半導体装置は、第3の絶縁膜を備えない点で、第1の実施形態と異なっている。以下、第1の実施形態と重複する内容については、一部記述を省略する。
【0056】
図11は、第2の実施形態の半導体装置の模式断面図である。
【0057】
第2の実施形態の半導体装置は、シリコン基板10、素子分離絶縁膜12、ゲート絶縁膜14、ゲート電極16、ゲート電極間絶縁層18、層間絶縁層120(絶縁層)、配線22(導電層)、コンタクトプラグ24を備える。層間絶縁層120は、窒化シリコン膜120a(第1の絶縁膜)、酸化シリコン膜120b(第2の絶縁膜)を有する。また、コンタクトプラグ24は、第1の領域24a、第2の領域24bを有する。
【0058】
シリコン基板10は、単結晶シリコン基板である。シリコン基板10の中に、例えば、図示しないソース不純物領域やドレイン不純物領域が形成される。例えば、ゲート電極16、ソース不純物領域及びドレイン不純物領域で、トランジスタが形成される。
【0059】
素子分離絶縁膜12は、シリコン基板10に設けられたトレンチ内に設けられる。素子分離絶縁膜12は、例えば、酸化シリコンである。
【0060】
ゲート絶縁膜14は、ゲート電極16とシリコン基板10との間に設けられる。ゲート絶縁膜14は、例えば、酸化シリコンである。
【0061】
ゲート電極16は、ゲート絶縁膜14上及び素子分離絶縁膜12上に設けられる。ゲート電極16は、半導体、金属又は金属化合物である。
【0062】
ゲート電極間絶縁層18は、例えば、ゲート電極16と図示しないゲート電極16との間に設けられる。ゲート電極間絶縁層18は、例えば、酸化シリコンである。
【0063】
配線22は、導電層の一例である。配線22は、例えば、金属である。
【0064】
層間絶縁層120は、ゲート電極16と配線22との間に設けられる。層間絶縁層120は、絶縁層の一例である。
【0065】
層間絶縁層120は、窒化シリコン膜120a、酸化シリコン膜120bを有する。窒化シリコン膜120aは、第1の絶縁膜の一例である。酸化シリコン膜120bは、第2の絶縁膜の一例である。
【0066】
窒化シリコン膜120aは、ゲート電極16の上に設けられる。酸化シリコン膜120bは、窒化シリコン膜120aの上に設けられる。酸化シリコン膜120bは、窒化シリコン膜120aと材料が異なる。
【0067】
窒化シリコン膜120aは、コンタクトプラグ24を形成するためのコンタクトホールエッチングの際にエッチングストッパーとして機能する。
【0068】
コンタクトプラグ24は、層間絶縁層120に囲まれる。コンタクトプラグ24は、層間絶縁層120を貫通して設けられる。コンタクトプラグ24は、ゲート電極16と配線22を接続する。
【0069】
コンタクトプラグ24は、第1の領域24a、第2の領域24bを有する。第2の領域24bは、第1の領域24aよりも配線22に近い。第1の領域24aは、第2の領域24bよりもゲート電極16に近い。
【0070】
第1の領域24aは、ゲート電極16に接する。第1の領域24aは、ゲート電極16の直上に設けられる。第1の領域24aは、窒化シリコン膜120aに囲まれる。第1の領域24aの一部は、ゲート電極16と酸化シリコン膜120bとの間に挟まれる。
【0071】
第2の領域24bは、酸化シリコン膜120bに囲まれる。
【0072】
第1の領域24aの幅(図11中のd3)は、第2の領域24bの幅(図11中のd4)よりも広い。コンタクトプラグ24は、ゲート電極16の近傍で幅が等方的に広がっている。
【0073】
コンタクトプラグ24は、金属である。コンタクトプラグ24は、例えば、チタン、窒化チタン、タングステンである。コンタクトプラグ24は、バリアメタル膜を含んでいても構わない。
【0074】
次に、第2の実施形態の半導体装置の製造方法について説明する。
【0075】
第2の実施形態の半導体装置の製造方法は、ゲート電極を形成し、ゲート電極の上に第1の絶縁膜を形成し、第1の絶縁膜の上に第1の絶縁膜と異なる材料の第2の絶縁膜を形成し、異方性ドライエッチングにより第2の絶縁膜をエッチングし、底部に第1の絶縁膜が露出するコンタクトホールを形成し、コンタクトホールの底部の第1の絶縁膜をウェットエッチングにより除去してゲート電極を露出させる。
【0076】
図12、図13、図14は、第2の実施形態の半導体装置の製造方法を示す模式断面図である。
【0077】
最初に、シリコン基板10に、公知の方法で、素子分離絶縁膜12、ゲート絶縁膜14、ゲート電極16を形成する。次に、ゲート電極間絶縁層18を形成する。
【0078】
次に、ゲート電極16の上に、窒化シリコン膜120aを形成し、窒化シリコン膜120aの上に、酸化シリコン膜120bを形成する(図12)。
【0079】
次に、異方性ドライエッチングにより、酸化シリコン膜120bをエッチングしてコンタクトホール30を形成する(図13)。コンタクトホール30の形成の際に、窒化シリコン膜120aがエッチングストッパーとして機能する。コンタクトホール30の底部に窒化シリコン膜120aが露出する。異方性ドライエッチングは、例えば、RIEである。
【0080】
次に、ウェットエッチングによりコンタクトホール30の底部の窒化シリコン膜120aを除去する(図14)。窒化シリコン膜120aを除去することにより、ゲート電極16の表面が露出する。
【0081】
ウェットエッチングは、例えば、熱リン酸を用いて行う。ウェットエッチングは、等方性エッチングのため、窒化シリコン膜120aのエッチングは横方向へも進み、コンタクトホール30の底部の幅が等方的に広がる。酸化シリコン膜120bは、例えば、熱リン酸に対するエッチングレートが極めて遅いため、横方向のエッチングは進まない。
【0082】
その後、公知の方法で、コンタクトプラグ24及び配線22を形成する。
【0083】
以上の製造方法により、ゲート電極16の上にコンタクトプラグ24が設けられた図11に示す半導体装置が製造される。
【0084】
第2の実施形態の製造方法では、第1の実施形態の製造方法と同様、ゲート電極16が異方性ドライエッチングに曝されることがない。したがって、ゲート電極16へのエッチングダメージを低減することが可能である。
【0085】
さらに、第2の実施形態の製造方法では、ゲート電極16の直上にエッチングストッパーとして機能する窒化シリコン膜120aを形成する。ウェットエッチングでエッチングする膜は、窒化シリコン膜120aのみとなる。窒化シリコン膜120aのウェットエッチングの際に、酸化シリコン膜120bは、ほとんどエッチングが進まないため、コンタクトホール30の底部以外の幅は広がらない。したがって、コンタクトプラグ24の幅も第1の実施形態よりも狭くすることができる。よって、例えば、隣接するコンタクトプラグ24とのショートや、隣接する配線とのショートが抑制される。
【0086】
以上、第2の実施形態によれば、ゲート電極へのエッチングダメージを低減する半導体装置及びその製造方法が実現される。また、コンタクトプラグ24の幅を第1の実施形態よりも狭くすることが可能となる。
【0087】
(第3の実施形態)
第3の実施形態の半導体装置は、コンタクトプラグの第2の領域と絶縁層との間に、側壁絶縁膜を有する点で、第1の実施形態と異なっている。以下、第1の実施形態と重複する内容については、一部記述を省略する。
【0088】
図15は、第3の実施形態の半導体装置の模式断面図である。
【0089】
第3の実施形態の半導体装置は、シリコン基板10、素子分離絶縁膜12、ゲート絶縁膜14、ゲート電極16、ゲート電極間絶縁層18、層間絶縁層120(絶縁層)、配線22(導電層)、コンタクトプラグ24、側壁絶縁膜40を備える。また、コンタクトプラグ24は、第1の領域24a、第2の領域24bを有する。
【0090】
シリコン基板10は、単結晶シリコン基板である。シリコン基板10の中に、例えば、図示しないソース不純物領域やドレイン不純物領域が形成される。例えば、ゲート電極16、ソース不純物領域及びドレイン不純物領域で、トランジスタが形成される。
【0091】
素子分離絶縁膜12は、シリコン基板10に設けられたトレンチ内に設けられる。素子分離絶縁膜12は、例えば、酸化シリコンである。
【0092】
ゲート絶縁膜14は、ゲート電極16とシリコン基板10との間に設けられる。ゲート絶縁膜14は、例えば、酸化シリコンである。
【0093】
ゲート電極16は、ゲート絶縁膜14上及び素子分離絶縁膜12上に設けられる。ゲート電極16は、半導体、金属又は金属化合物である。
【0094】
ゲート電極間絶縁層18は、ゲート電極16と図示しないゲート電極との間に設けられる。ゲート電極間絶縁層18は、例えば、酸化シリコンである。
【0095】
配線22は、導電層の一例である。配線22は、例えば、金属である。
【0096】
層間絶縁層20は、ゲート電極16と配線22との間に設けられる。層間絶縁層20は、絶縁層の一例である。層間絶縁層20は、例えば、酸化シリコンである。
【0097】
側壁絶縁膜40は、コンタクトプラグ24の第2の領域24bと層間絶縁層20との間に設けられる。側壁絶縁膜40は、例えば、窒化シリコンである。
【0098】
コンタクトプラグ24は、層間絶縁層20に囲まれる。コンタクトプラグ24は、層間絶縁層120を貫通して設けられる。コンタクトプラグ24は、ゲート電極16と配線22を接続する。
【0099】
コンタクトプラグ24は、第1の領域24a、第2の領域24bを有する。第2の領域24bは、第1の領域24aよりも配線22に近い。第1の領域24aは、第2の領域24bよりもゲート電極16に近い。
【0100】
第1の領域24aは、ゲート電極16に接する。第1の領域24aの一部は、ゲート電極16と側壁絶縁膜40との間に挟まれる。
【0101】
第2の領域24bは、側壁絶縁膜40に囲まれる。
【0102】
第1の領域24aの幅(図15中のd5)は、第2の領域24bの幅(図15中のd6)よりも広い。コンタクトプラグ24は、ゲート電極16の近傍で幅が等方的に広がっている。
【0103】
コンタクトプラグ24は、金属である。コンタクトプラグ24は、例えば、チタン、窒化チタン、タングステンである。コンタクトプラグ24は、バリアメタル膜を含んでいても構わない。
【0104】
次に、第3の実施形態の半導体装置の製造方法について説明する。
【0105】
第3の実施形態の半導体装置の製造方法は、ゲート電極を形成し、ゲート電極の上に絶縁層を形成し、異方性ドライエッチングにより絶縁層をエッチングし、ゲート電極との間に絶縁層の一部が残存するようにコンタクトホールを形成し、コンタクトホールの側面に側壁絶縁膜を形成し、コンタクトホールの底部の絶縁層の一部をウェットエッチングにより除去してゲート電極を露出させる。
【0106】
図16、図17、図18、図19は、第3の実施形態の半導体装置の製造方法を示す模式断面図である。
【0107】
最初に、シリコン基板10に、公知の方法で、素子分離絶縁膜12、ゲート絶縁膜14、ゲート電極16を形成する。次に、ゲート電極間絶縁層18を形成する。
【0108】
次に、ゲート電極16の上に、層間絶縁層20を形成する。層間絶縁層20は、例えば、酸化シリコンである(図16)。
【0109】
次に、異方性ドライエッチングにより、層間絶縁層20をエッチングしてコンタクトホール30を形成する(図17)。この時、層間絶縁層20の一部がゲート電極16とコンタクトホール30との間に残存するようにする。いいかえれば、コンタクトホール30のエッチングを層間絶縁層20の途中で止める。コンタクトホール30の底部には層間絶縁層20が露出する。
【0110】
次に、コンタクトホール30の側面に側壁絶縁膜40を形成する(図18)。側壁絶縁膜40は、窒化シリコンである。側壁絶縁膜40は、例えば、CVD法による窒化シリコン膜の堆積と、RIE法によるコンタクトホール30の底部の窒化シリコン膜の選択的エッチングにより形成する。
【0111】
次に、ウェットエッチングによりコンタクトホール30の底部の層間絶縁層20を除去する(図19)。層間絶縁層20を除去することにより、ゲート電極16の表面が露出する。
【0112】
ウェットエッチングにはフッ化水素酸系の薬液を用いる。用いる薬液は、例えば、バッファードフッ酸である。バッファードフッ酸は、フッ化水素酸とフッ化アンモニウムの混合溶液である。
【0113】
ウェットエッチングは、等方性エッチングのため、層間絶縁層20のエッチングは横方向へも進み、コンタクトホール30の底部の幅が等方的に広がる。一方、側壁絶縁膜40に覆われるコンタクトホール30の側面は、層間絶縁層20がエッチングされず、コンタクトホール30の幅は拡大しない。
【0114】
その後、公知の方法で、コンタクトプラグ24及び配線22を形成する。
【0115】
以上の製造方法により、ゲート電極16の上にコンタクトプラグ24が設けられた図15に示す半導体装置が製造される。
【0116】
第3の実施形態の製造方法では、第1の実施形態の製造方法と同様、ゲート電極16が異方性ドライエッチングに曝されることがない。したがって、ゲート電極16へのエッチングダメージを低減することが可能である。
【0117】
さらに、第3の実施形態の製造方法では、コンタクトホール30の側面に側壁絶縁膜40を形成する。コンタクトホール30の底部の層間絶縁層20のウェットエッチングの際、コンタクトホール30の側面に側壁絶縁膜40があるため、コンタクトホール30の側面の幅は広がらない。したがって、コンタクトプラグ24の幅も第1の実施形態よりも狭くすることができる。よって、例えば、隣接するコンタクトプラグ24とのショートや、隣接する配線とのショートが抑制される。
【0118】
以上、第3の実施形態によれば、ゲート電極へのエッチングダメージを低減する半導体装置及びその製造方法が実現される。また、コンタクトプラグ24の幅を第1の実施形態よりも狭くすることが可能となる。
【0119】
第1及び第2の実施形態では、エッチングストッパーとして機能する第2の絶縁膜又は第1の絶縁膜として、窒化シリコンを用いる場合を例に説明したが、窒化シリコンにかえて、例えば、SiCN又はSiCO等、その他の材料を用いることも可能である。
【0120】
第3の実施形態では、側壁絶縁膜として、窒化シリコンを用いる場合を例に説明したが、窒化シリコンにかえて、例えば、SiCN又はSiCO等、その他の材料を用いることも可能である。
【0121】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。例えば、一実施形態の構成要素を他の実施形態の構成要素と置き換え又は変更してもよい。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【0122】
16 ゲート電極
20 層間絶縁層(絶縁層)
20a 第1の酸化シリコン膜(第1の絶縁膜)
20b 窒化シリコン膜(第2の絶縁膜)
20c 第2の酸化シリコン膜(第3の絶縁膜)
22 配線(導電層)
24 コンタクトプラグ
24a 第1の領域
24b 第2の領域
30 コンタクトホール
40 側壁絶縁膜
120 層間絶縁層(絶縁層)
120a 窒化シリコン膜(第1の絶縁膜)
120b 酸化シリコン膜(第2の絶縁膜)

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