(57)【要約】      （修正有）【課題】ソース/ドレインコンタクトホールを自己整列工程で形成する際に、窒化膜による膜ストレスを減らすことができ、エッチング停止膜の消失を防ぐことにより半導体基板を損傷から保護することができる製造方法を提供する。【解決手段】半導体基板１０２の上部に選択ラインとワードラインを形成する。それらの上部に薄い窒化膜からなる第１のエッチング停止膜１１８と、さらにエッチング選択比の異なる高誘電体膜からなる第２のエッチング停止膜１２０を形成する。この上に第１の絶縁膜１２２を形成する。第１の絶縁膜の一部をＣＦ４ガスによりエッチング除去する。第２のエッチング停止膜をＢＣｌ３ガスにより除去し、第１のエッチング停止膜をＣＨＦ３ガスにより除去し基板に達するコンタクトホールを形成する。【選択図】図１ｇ
2008166682.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板の上部に多数の選択ラインと多数のワードラインを形成する工程と、
前記選択ラインおよび前記ワードラインの上部に第１のエッチング停止膜を形成する工程と、
前記第１のエッチング停止膜の上部に前記第１のエッチング停止膜とエッチング選択比が異なる第２のエッチング停止膜を形成する工程と、
前記第２のエッチング停止膜の上部に第１の絶縁膜を形成する工程と、
前記選択ラインの間の前記第１の絶縁膜を除去する工程と、
前記選択ラインの間の前記第２のエッチング停止膜を除去する工程と、
前記選択ラインの間の前記第１のエッチング停止膜を除去して前記半導体基板の一部が露出されるコンタクトホールを形成する工程と、
前記コンタクトホールに伝導物質を形成してコンタクトプラグを形成する工程と、
を含むことを特徴とする半導体素子のコンタクトプラグ形成方法。
【請求項２】
前記第１のエッチング停止膜は、窒化膜で形成されることを特徴とする請求項１に記載の半導体素子のコンタクトプラグ形成方法。
【請求項３】
前記窒化膜は、100〜300Åの厚さで形成されることを特徴とする請求項２に記載の半導体素子のコンタクトプラグ形成方法。
【請求項４】
前記第２のエッチング停止膜は、高誘電体膜で形成されることを特徴とする請求項１に記載の半導体素子のコンタクトプラグ形成方法。
【請求項５】
前記高誘電体膜は、100〜300Åの厚さで形成されることを特徴とする請求項４に記載の半導体素子のコンタクトプラグ形成方法。
【請求項６】
前記高誘電体膜は、HfO2、Al2O3、ZrO2のいずれか一つで形成されることを特徴とする請求項４に記載の半導体素子のコンタクトプラグ形成方法。
【請求項７】
前記第２のエッチング停止膜は、乾式エッチングによって除去されることを特徴とする請求項１に記載の半導体素子のコンタクトプラグ形成方法。
【請求項８】
前記乾式エッチングは、BCl3ガスを用いることを特徴とする請求項７に記載の半導体素子のコンタクトプラグ形成方法。
【請求項９】
前記乾式エッチングは、窒化膜に比べて高誘電体膜がさらにエッチングされる条件で実施されることを特徴とする請求項７に記載の半導体素子のコンタクトプラグ形成方法。
【請求項１０】
前記乾式エッチングは、窒化膜と高誘電体膜のエッチング選択比が1:2〜1:100の条件で実施されることを特徴とする請求項９に記載の半導体素子のコンタクトプラグ形成方法。
【請求項１１】
前記第１のエッチング停止膜は、乾式エッチングによって除去されることを特徴とする請求項１に記載の半導体素子のコンタクトプラグ形成方法。
【請求項１２】
前記乾式エッチングは、CHF3、Arガスを用いることを特徴とする請求項１１に記載の半導体素子のコンタクトプラグ形成方法。
【請求項１３】
半導体基板の上部に多数の選択ラインと多数のワードラインを形成した後、前記選択ラインの間にイオン注入工程を実施して接合領域を形成する工程をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の半導体素子のコンタクトプラグ形成方法。
【請求項１４】
前記ワードラインと前記選択ラインを形成した後、前記半導体基板の全体構造の上部に第２の絶縁膜を形成する工程をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の半導体素子のコンタクトプラグ形成方法。
【請求項１５】
前記第２の絶縁膜に対してエッチング工程を実施し、前記選択ラインの側壁に絶縁膜スペーサが形成されることを特徴とする請求項１４に記載の半導体素子のコンタクトプラグ形成方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、特に自己整列コンタクト(Self Align Contact; SAC)工程でコンタクトプラグ(contact plug)を形成する半導体素子のコンタクトプラグ形成方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
半導体素子にあって不揮発性メモリの代表的なフラッシュメモリ(flash memory)は、電源が遮断されても記憶情報のデータを保持し続けることができる。フラッシュメモリは、電気的にプログラムと消去が可能であり、一定の周期でデータ(data)を再作成するリフレッシュ機能が不要な特徴を有する。このようなフラッシュメモリ素子は、セルの構造及び動作条件により大きくNORフラッシュメモリとNANDフラッシュメモリに分けられる。NORフラッシュメモリは、複数のワード線(word line)が並列に連結され、任意の住所に対するプログラムと消去が可能であり、高速の動作を要求する応用分野に主に用いられている。反面、NANDフラッシュメモリは、複数のメモリセルトランジスタが直列に連結され、一つのストリング(string)を構成し、一つのストリングがソースとドレインに連結されている構造であり、高集積データ保管の応用分野で主に用いられる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ところで、かかるNANDフラッシュメモリの場合、ソース/ドレイン領域が形成された半導体基板と金属配線との間を連結するソース/ドレインコンタクトプラグを形成する工程では、メモリが次第に高集積化され、超小型化されるに伴い工程マージンが減るようになり、次第に難しくなっている。
【０００４】
また、自己整列コンタクト工程にてソース/ドレインコンタクトプラグを形成する際、その形成に用いるためのエッチング停止膜が損失を受けてしまうことから、半導体基板が露出して損傷を受けるといった問題がある。
【０００５】
以上から、本発明の目的は、自己整列コンタクト工程にてソース/ドレインコンタクトプラグを形成する際、窒化膜による膜ストレスを最小化でき、コンタクトプラグ形成のために形成されるエッチング停止膜を損失させず、半導体基板を損傷から保護することができる半導体素子のコンタクトプラグ形成方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の代表的な半導体素子のコンタクトプラグ形成方法は、半導体基板の上部に多数の選択ラインと多数のワードラインを形成する工程と、前記選択ラインおよび前記ワードラインの上部に第１のエッチング停止膜を形成する工程と、前記第１のエッチング停止膜の上部に前記第１のエッチング停止膜とエッチング選択比が異なる第２のエッチング停止膜を形成する工程と、前記第２のエッチング停止膜の上部に第１の絶縁膜を形成する工程と、前記選択ラインの間の前記第１の絶縁膜を除去する工程と、前記選択ラインの間の前記第２のエッチング停止膜を除去する工程と、前記選択ラインの間の前記第１のエッチング停止膜を除去して前記半導体基板の一部が露出されるコンタクトホールを形成する工程と、前記コンタクトホールに伝導物質を形成してコンタクトプラグを形成する工程と、を含むことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
本発明の半導体素子のコンタクトプラグ形成方法によれば、窒化膜を薄く形成した後、高誘電体膜を形成してエッチング停止膜を形成する。それにより、窒化膜による膜ストレスを最小化でき、エッチング停止膜の損失を防ぎ、半導体基板も露出せずに損傷を受けないで済む効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下、本発明に係る半導体素子のコンタクトプラグ形成方法についてその好適な実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。
【０００９】
図１（ａ）〜（ｇ）は、本実施形態によるコンタクトプラグ形成方法の各工程を順に示す素子の断面図である。
【００１０】
まず、図１（ａ）に示すように、ワードライン領域と選択ライン領域とを含む半導体基板(102)上には、多数のソース選択ライン(Source Select Line; SSL)と、多数のワードライン(WL0，WL1)と、そして多数のドレイン選択ライン(Drain Select Line; DSL)が所定の間隔で平行に形成される。ソース選択ラインとドレイン選択ラインとの間には普通16,32または64個のワードラインが形成されるが、図面ではワードラインを２本分ずつだけ示し、ドレイン選択ラインは図示を略し、ソース選択ラインのみ示している。以下、ソース選択ラインとドレイン選択ラインを共に指すときは「選択ライン」とする。
【００１１】
一方、ワードラインや選択ラインは、ゲート絶縁膜(104)、フローティングゲート用導電膜(106)、誘電体膜(108)、コントロールゲート用導電膜(110)、導電層(112)を含む積層膜構造で形成される。望ましくは、フローティングゲート用導電膜(106)及びコントロールゲート用導電膜(110)はポリシリコンを用いて形成でき、誘電体膜(108)は酸化膜、窒化膜及び酸化膜が積層されたONO(Oxide/Nitride/Oxide)構造で形成することができる。また、導電層(112)は金属シリサイド層を用いて形成することができる。
【００１２】
また、選択ラインの上記フローティングゲート用導電膜(106)とコントロールゲート用導電膜(110)はいずれも図示を略したが所定の工程を通じて電気的に連結される。具体的に示せば、ワードラインと選択ラインの形成時に選択ライン領域から誘電体膜を除去し、選択ラインのフローティングゲート用導電膜(106)とコントロールゲート用導電膜(110)とを電気的に連結させることができる。他の方法として、後続工程において選択ラインのフローティングゲート用導電膜(106)とコントロールゲート用導電膜(110)が連結されるように選択ラインにプラグを形成することもできる。
【００１３】
そして、ゲートラインを形成するためのエッチング工程時に発生されたエッチング損傷を減少させるために再酸化工程を実施する。また、後続イオン注入工程のダメージを防止するためのバッファ膜(図示略)を形成する。バッファ膜は、酸化膜または窒化膜または酸化膜/窒化膜の積層構造で形成することが望ましい。その後、露出された半導体基板(102)にイオン注入工程を実施して接合領域(114a,114b)を形成する。ここで、ソース選択ライン(SSL)の間に形成される接合領域(114b)は共通ソースとなり、ドレイン選択ラインの間に形成される接合領域(図示略)は後続工程でビットラインと連結されるドレインとなる。
【００１４】
つぎに、図１（ｂ）に示すように、ワードラインと選択ラインを含む半導体基板(102)の全体構造の上部に絶縁膜(116)を形成する。絶縁膜(116)は、ワードラインと選択ラインが埋め込まれるように形成することが望ましい。次いで、絶縁膜(116)の上部に対してエッチング工程を実施し、半導体基板(102)の選択ラインの間の領域に形成された絶縁膜(116)の一部を除去する。これにより、選択ラインの間に形成された接合領域(114b)が露出され、ソース選択ラインとドレイン選択ラインの側壁に絶縁膜スペーサ(116a)が形成される。また、それぞれのワードラインの間と選択ライン及びワードラインの間は幅が狭いため、絶縁膜(116)が残留し、それぞれのワードラインの間と、選択ラインとワードラインとの間は絶縁膜(116)で満たされる。
【００１５】
つぎに、図１（ｃ）に示すように、絶縁膜(116)を含む半導体基板(100)の全体構造の上部に窒化膜(118)が形成される。窒化膜(118)は、後続のコンタクトホール形成のためのエッチング工程中に発生し得るセル損傷を防止し、イオン注入工程時にイオンからセルを保護し、後続の平坦化工程時にエッチング停止膜としても用いられる。また、窒化膜(118)は、後続工程で接合領域(114b)上にコンタクトホールを形成するとき、整列誤差が発生しても選択ライン側壁の絶縁膜スペーサ(116a)がエッチングされるのを防止するための自己整列コンタクト工程のためにも用いられる。
【００１６】
一方、窒化膜(118)は、通常形成する厚さ、例えば、200Å〜300Åと類似または薄い厚さ、例えば、100〜300Åの厚さで形成する。これにより、窒化膜(118)のため誘発される膜ストレスを最小化し、サイクリングしきい値電圧変動効果を最小化することができる。サイクリングしきい値電圧変動効果とは、プログラム動作と消去動作を反復的に行う過程による反復的なF-Nトンネリング過程によってメモリセルのしきい値電圧が変動してセル動作に誤りが示される現象をいう。
【００１７】
つぎに、図１（ｄ）に示すように、窒化膜(118)の上部に高誘電体膜(120)を形成する。高誘電体膜(120)は、窒化膜(118)とエッチング選択比が異なり、一般的なエッチング工程で容易に除去されないため、エッチング停止膜としての機能をするのに適している。これにより、前述した工程で窒化膜(118)の厚さが薄く形成され、エッチング工程中に窒化膜(118)が損傷しても高誘電体膜(120)がエッチング停止膜の機能を補完することができる。これを通じて、後続のエッチング工程中に窒化膜(118)が除去され、半導体基板(102)が露出され、半導体基板(102)が損傷する問題を解決することができる。高誘電体膜(120)はHfO2、Al2O3、ZrO2等を用いて100〜300Åの厚さでもって形成することができる。
【００１８】
つぎに、図１（ｅ）に示すように、高誘電体膜(120)を含む半導体基板(102)の全体構造の上部に絶縁膜(122)を形成する。絶縁膜(122)は酸化膜で形成することが望ましい。そして、絶縁膜(122)の一部をエッチングしてコンタクトホールを形成し、コンタクトホールの下部には、接合領域(114b)の上部に形成された高誘電体膜(120)が露出される。絶縁膜(122)はCF4、CHF3等酸化膜を除去することができる一般的なガスを用いた乾式エッチングにより除去することができる。この時、前述したように、高誘電体膜(120)はエッチング停止膜として機能をする。
【００１９】
つぎに、図１（ｆ）に示すように、露出された高誘電体膜(120)を除去し、高誘電体膜(120)の下部に形成された窒化膜(118)の一部が露出されるようにする。高誘電体膜(120)は、BCl3ガスを用いる乾式エッチング工程を用いて除去されることができ、窒化膜(118)がエッチング停止膜の役割をすることができる。このため、窒化膜に比べて高誘電体膜がさらにエッチングされる条件、例えば、窒化膜と高誘電体膜のエッチング選択比が1:2〜1:100の条件でエッチング工程を実施することができる。
【００２０】
それに続いて、露出された窒化膜(118)を除去し、下部に形成された接合領域(114b)が露出されるようにする。窒化膜(118)はCHF3、Arガスを用いる乾式エッチング工程により除去することができる。
【００２１】
そして、図１（ｇ）に示すように、伝導性物質であるたとえば金属物質のコンタクトホールを埋め込んでコンタクトプラグ(124)を形成する。
【００２２】
ここで、本実施形態によるコンタクトプラグ形成方法について以下に要点をまとめて記載する。
【００２３】
第１のエッチング停止膜は窒化膜で形成することができる。窒化膜としては100〜300Åの厚さに形成することができる。
【００２４】
第２のエッチング停止膜は高誘電体膜で形成することができる。高誘電体膜としては100〜300Åの厚さに形成することができる。また、高誘電体膜はHfO2、Al2O3、ZrO2のどれかを用いて形成することができる。
【００２５】
また、上記第２のエッチング停止膜は乾式エッチングを行って除去できる。上記乾式エッチングはBCl3ガスを用いることができる。この乾式エッチングの場合、窒化膜に比べて高誘電体膜がさらにエッチングされる条件で実施できる。さらに乾式エッチングは、窒化膜と高誘電体膜のエッチング選択比を1:2〜1:100の条件でもって実施できる。
【００２６】
また、上記第１のエッチング停止膜は乾式エッチングを行って除去できる。上記乾式エッチングの場合はCHF3、Arガスを用いることができる。
【００２７】
そこで、半導体基板の上部に多数の選択ラインと多数のワードラインを形成後、選択ラインの間にイオン注入工程を実施して接合領域を形成する工程をさらに加えることもできる。また、ワードラインと選択ラインを形成後、半導体基板の全体構造の上部に第２の絶縁膜を形成する工程をさらに加えることもできる。さらに、第２の絶縁膜に対してエッチング工程を実施して選択ラインの側壁に絶縁膜スペーサを形成することができる。
【００２８】
以上、本実施形態のコンタクトプラグ形成方法について説明したが、そう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その他の実施形態、応用例、変形例およびそれらの組み合わせも可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１ａ】本発明による半導体素子のコンタクトプラグ形成方法の各工程を示す素子の断面図。
【図１ｂ】本実施形態における次の工程を示す素子の断面図。
【図１ｃ】本実施形態における次の工程を示す素子の断面図。
【図１ｄ】本実施形態における次の工程を示す素子の断面図。
【図１ｅ】本実施形態における次の工程を示す素子の断面図。
【図１ｆ】本実施形態における次の工程を示す素子の断面図。
【図１ｇ】本実施形態における次の工程を示す素子の断面図。
【符号の説明】
【００３０】
102   半導体基板
104   ゲート絶縁膜
106   フローティングゲート用導電膜
108   誘電体膜
110   コントロールゲート用導電膜
112   導電層
114a,114b   接合領域
116, 122    絶縁膜
116a   絶縁膜スペーサ
118   窒化膜
120   高誘電体膜
124   コンタクトプラグ
【図１ａ】
2008166682.tif 000003
【図１ｂ】
2008166682.tif 000004
【図１ｃ】
2008166682.tif 000005
【図１ｄ】
2008166682.tif 000006
【図１ｅ】
2008166682.tif 000007
【図１ｆ】
2008166682.tif 000008
【図１ｇ】
2008166682.tif 000009