(57)【要約】  本発明は、半導体基板（１０）上に絶縁膜（１２ａ）を形成する工程と、絶縁膜（１２ａ）にコンタクトホール（１４）を形成する工程と、コンタクトホール（１４）内に金属層（１８）を形成する工程と、金属層（１８）の上部の上面より下側の絶縁膜（１２ａ）の上部を研磨する工程と、金属層（１８）の上部を研磨する工程と、を有する半導体装置の製造方法である。本発明によれば、コンタクトホールの寸法または間隔の微細化が可能な半導体装置およびその製造方法を提供することができる。
2007043100.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板上に絶縁膜を形成する工程と、
前記絶縁膜に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内に金属層を形成する工程と、
前記金属層の上部の上面より下側の前記絶縁膜の上部を研磨する工程と、
前記金属層の上部を研磨する工程と、を有する半導体装置の製造方法。
【請求項２】
前記コンタクトホールを形成する工程は、前記絶縁膜の上部のコンタクトホールが前記絶縁膜の下部のコンタクトホールより広くなるようにコンタクトホールを形成する工程である請求項１記載の半導体装置の製造方法。
【請求項３】
前記絶縁膜を形成する工程は、下部絶縁膜を形成する工程と、前記下部絶縁膜上に研磨のストッパ層を形成する工程と、前記ストッパ層上に上部絶縁膜を形成する工程とを有し、
前記絶縁膜の上部を研磨する工程は、前記上部絶縁膜を前記ストッパ層まで研磨する工程であり、
前記金属層を研磨する工程は、前記金属層を前記ストッパ層まで研磨する工程である請求項１または２記載の半導体装置の製造方法。
【請求項４】
前記ストッパ層は窒素を含む絶縁膜である請求項３記載の半導体装置の製造方法。
【請求項５】
前記ストッパ層は酸化窒化シリコン膜を含む請求項４記載の半導体装置の製造方法。
【請求項６】
前記絶縁膜を研磨する工程はセリアスラリを用い前記絶縁膜を研磨する工程である請求項１から５のいずれか一項記載の半導体装置の製造方法。
【請求項７】
前記上部絶縁膜は酸化シリコン膜を含む請求項３から６のいずれか一項記載の半導体装置の製造方法。
【請求項８】
前記金属層はタングステンを含む請求項１から７のいずれか一項記載の半導体装置の製造方法。
【請求項９】
前記金属層を形成する工程は、
金属層となるべき層を前記コンタクトホール内および前記絶縁膜上に形成する工程と、
前記金属層となるべき層を、前記絶縁膜まで研磨する工程と、を含む請求項１から８のいずれか一項記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１０】
半導体基板上に層間絶縁膜を形成する工程と、
前記層間絶縁膜の上部のコンタクトホールが前記層間絶縁膜の下部のコンタクトホールより広くなるように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内に金属層を形成する工程と、
前記金属層および前記層間絶縁膜の前記コンタクトホールが他の部分より広い上部を研磨する工程と、を有する半導体装置の製造方法。
【請求項１１】
半導体基板上に設けられた層間絶縁膜と、
前記層間絶縁膜上に設けられた酸化窒化シリコン膜と、
前記層間絶縁膜に形成されたコンタクトホール内に設けられ、前記酸化窒化シリコン膜の表面と実質的に同じ平面内の表面を有する金属層と、を具備する半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は半導体装置およびその製造方法に関し、特にコンタクトホールを有する層間絶縁膜を備えた半導体装置およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体装置の性能向上および低価格化のため、レイアウトルールの微細化の開発が進められている。配線層のレイアウトルールの微細化のためには層間絶縁膜に形成されたコンタクトホールの寸法および間隔を縮小することが求められている。コンタクトホールは、その中にプラグ金属が形成されており、下層配線（または半導体基板）と上層配線とを電気的に接続している。【０００３】
従来のコンタクトホールの形成方法を説明する。まず、図１（ａ）ないし図１（ｃ）を用い特許文献１に開示された従来例１について説明する。図１（ａ）を参照に、半導体基板１０上に例えば酸化シリコン膜からなる層間絶縁膜１２を形成する。層間絶縁膜１２にコンタクトホール１４ａを形成する。図１（ｂ）を参照に、層間絶縁膜およびコンタクトホール１４ａ内にタングステン膜１６ａを形成する。図１（ｂ）はその形成途中を示す図である。図１（ｃ）を参照に、タングステン膜１６ｂがコンタクトホール１４ａ内および層間絶縁膜１２上に形成される。【０００４】
次に、図２（ａ）および図２（ｂ）を用い特許文献２に開示された従来例２について説明する。図２（ａ）を参照に、半導体基板１０上に層間絶縁膜１２を形成する。層間絶縁膜１２にコンタクトホール１４を形成する。このとき、コンタクトホール１４の上部の開口がコンタクトホール１４の下部に対し広くなるように形成する。図２（ｂ）を参照に、タングステン膜１６をコンタクトホール１４内および層間絶縁膜１２上に形成する。図２（ｃ）を参照に、タングステン膜１６を層間絶縁膜１２の上面までＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing）法を用い研磨する。これにより、コンタクトホール１４内に埋め込まれたプラグ金属１８が形成される。その後、プラグ金属１８に接続する上層配線層（図示せず）を形成する。このようにして、コンタクトホール１４およびプラグ金属１８が形成される。なお、従来例１および従来例２はコンタクトホール１４、１４ａが半導体基板１０と接続する場合を説明したが、同様にコンタクトホール１４，１４ａが下層配線と接続する場合もある。【０００５】
また、特許文献３ないし特許文献５には窒化シリコン膜を研磨のストッパ層とし、セリアスラリと称される酸化セリウムを砥粒として含む研磨剤を用いた研磨方法が開示されている。【０００６】
【特許文献１】特開平９−３２６４３６号公報
【特許文献２】特開平１０−１９９９７７号公報
【特許文献３】特開２００４−１４６５８２号公報
【特許文献４】特開２００４−２２８５１９号公報
【特許文献５】特開２００１−８５３７３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
従来例１においては、コンタクトホール１４ａの寸法が小さくなると、図１（ｂ）コンタクトホール１４ａの上部の開口部でタングステン膜１６ａが閉塞してしまう。コンタクトホール１４ａの上部の開口部ではタングステン膜１６ａが成長しやすいためである。この結果、コンタクトホール１４ａ内部のタングステン膜１６ｂの成長が妨げられ、コンタクトホール１４ａ内のタングステン膜１６ｂにボイド１５が形成されてしまう。ボイド１５により、コンタクトホール１４ａ内のプラグ金属１８の電気抵抗の増加や断線等が生じる可能性がある。【０００８】
従来例２においては、図２（ａ）のように、コンタクトホール１４の上部の開口部を広くしているため、この部分でのタングステン膜１６の閉塞を遅らせることができる。よって、図２（ｂ）のように、コンタクトホール１４内のタングステン膜１６のボイドの発生を抑制することができる。しかしながら、図２（ｃ）のように、コンタクトホール１４の間隔が小さくなると、層間絶縁膜１２の上部ではプラグ金属１８間の層間絶縁膜１２の間隔は非常に小さくなる。この結果、プラグ金属１８間のショートが生じる可能性がある。【０００９】
このように、コンタクトホール１４の寸法、間隔の縮小化にともない、コンタクトホール１４内のプラグ金属１８の電気抵抗の増加、断線、プラグ金属１８間のショートが生じる可能性がある。そのため、コンタクトホールの寸法、間隔の縮小化が難しいという課題がある。【００１０】
本発明は、上記課題に鑑み、コンタクトホールの寸法または間隔の縮小化が可能な半導体装置およびその製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明は、半導体基板上に絶縁膜を形成する工程と、前記絶縁膜に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内に金属層を形成する工程と、前記金属層の上部の上面より下側の前記絶縁膜の上部を研磨する工程と、前記金属層の上部を研磨する工程と、を有する半導体装置の製造方法である。本発明によれば、コンタクトホールの寸法または間隔の縮小化が可能な半導体装置の製造方法を提供することができる。【００１２】
本発明は、前記コンタクトホールを形成する工程は、前記絶縁膜の上部のコンタクトホールが前記絶縁膜の下部のコンタクトホールより広くなるようにコンタクトホールを形成する工程である半導体装置の製造方法とすることができる。本発明によれば、コンタクトホールの寸法または間隔の縮小化が可能となる。【００１３】
本発明は、前記絶縁膜を形成する工程は、下部絶縁膜を形成する工程と、前記下部絶縁膜上に研磨のストッパ層を形成する工程と、前記ストッパ層上に上部絶縁膜を形成する工程とを有し、前記絶縁膜の上部を研磨する工程は、前記上部絶縁膜を前記ストッパ層まで研磨する工程であり、前記金属層を研磨する工程は、前記金属層を前記ストッパ層まで研磨する工程である半導体装置の製造方法とすることができる。本発明によれば、ウェハ面内での下部絶縁膜および金属層の膜厚の分布を小さくすることができる。【００１４】
本発明は、前記ストッパ層は窒素を含む絶縁膜である半導体装置の製造方法とすることができる。本発明によれば、ウェハ面内での下部絶縁膜および金属層の膜厚の分布を一層小さくすることができる。【００１５】
本発明は、前記ストッパ層は酸化窒化シリコン膜を含む請求項４記載の半導体装置の製造方法とすることができる。また、本発明は、前記絶縁膜を研磨する工程はセリアスラリを用い前記絶縁膜を研磨する工程である半導体装置の製造方法とすることができる。本発明によれば、ウェハ面内での下部絶縁膜および金属層の膜厚の分布を一層小さくすることができる。【００１６】
本発明は、前記上部絶縁膜は酸化シリコン膜を含む半導体装置の製造方法とすることができる。本発明によれば、ストッパ層の選択比を大きくすることができる。【００１７】
本発明は、前記金属層はタングステンを含む半導体装置の製造方法とすることができる。本発明は、前記金属層を形成する工程は、金属層となるべき層を前記コンタクトホール内および前記絶縁膜上に形成する工程と、前記金属層となるべき層を、前記絶縁膜まで研磨する工程を含む半導体装置の製造方法とすることができる。【００１８】
本発明は、半導体基板上に層間絶縁膜を形成する工程と、前記層間絶縁膜の上部のコンタクトホールが前記層間絶縁膜の下部のコンタクトホールより広くなるように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内に金属層を形成する工程と、前記金属層および前記層間絶縁膜の前記コンタクトホールが他の部分より広い上部を研磨する工程と、を有する半導体装置の製造方法である。本発明によれば、コンタクトホールの寸法または間隔の縮小化が可能な半導体装置の製造方法を提供することができる。【００１９】
本発明は、半導体基板上に設けられた層間絶縁膜と、前記層間絶縁膜上に設けられた酸化窒化シリコン膜と、前記層間絶縁膜に形成されたコンタクトホール内に設けられ、前記酸化窒化シリコン膜の表面と実質的に同じ平面内の表面を有する金属層と、を具備する半導体装置である。本発明によれば、コンタクトホールの寸法または間隔の縮小化が可能な半導体装置を提供することができる。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、コンタクトホールの寸法または間隔の縮小化が可能な半導体装置およびその製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】図１（ａ）ないし図１（ｃ）は従来例１に係る半導体装置の製造工程の断面図である。
【図２】図２（ａ）ないし図２（ｃ）は従来例２に係る半導体装置の製造工程の断面図である。
【図３】図３（ａ）ないし図３（ｄ）は実施例１に係る半導体装置の製造工程の断面図（その１）である。
【図４】図４（ａ）ないし図４（ｃ）は実施例１に係る半導体装置の製造工程の断面図（その２）である。
【図５】図５は実施例１の変形例に係る半導体装置の断面図である。
【図６】図６（ａ）ないし図６（ｄ）は実施例１に係る半導体装置の製造工程の断面図（その３）であり、そこ課題を説明するための図である。
【図７】図７（ａ）ないし図７（ｃ）は実施例２に係る半導体装置の製造工程の断面図（その１）である。
【図８】図８（ａ）ないし図８（ｄ）は実施例２に係る半導体装置の製造工程の断面図（その２）である。
【図９】図９は各絶縁膜の研磨レートを示した図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下、図面を用い本発明に係る実施例について説明する。
【実施例１】
【００２３】
図３（ａ）ないし図４（ｃ）を用い実施例１について説明する。図３（ａ）を参照に、シリコン半導体基板１０上に層間絶縁膜１２として酸化シリコン膜を例えばＴＥＯＳ法を用い例えば６５０ｎｍ形成する。図３（ｂ）を参照に、層間絶縁膜１２にドライエッチング法を用い層間絶縁膜１２を貫通するコンタクトホール１４を形成する。このとき、層間絶縁膜１２の上部絶縁膜１２ｂ(絶縁膜の上部)のコンタクトホール１４が層間絶縁膜１２の下部層間絶縁膜１２ａ（絶縁膜の下部）のコンタクトホールより広く、上に行くにしたがい開口部が徐々に広くなるように形成する。【００２４】
図３（ｃ）を参照に、コンタクトホール１４内および層間絶縁膜１２上にタングステン膜１６（金属層となるべき層）を形成する。図３（ｄ）を参照に、タングステン膜１６（金属層となるべき層）を層間絶縁膜１２まで、ＣＭＰ法を用い研磨する。これにより、層間絶縁膜１２のコンタクトホール１４内に埋め込まれたプラグ金属１８（金属層）が形成される。【００２５】
図４（ａ）を参照に、層間絶縁膜１２の上部絶縁膜１２ｂをＣＭＰ法により例えば５０ｎｍ研磨する。このとき、研磨材の濃度を高くし、酸化剤（過酸化水素水）の添加量を減らし、機械的に研磨することにより、プラグ金属１８は研磨されにくく、上部絶縁膜１２ｂを選択的に研磨する。これにより、下部層間絶縁膜１２ａより突き出したプラグ金属１８が残存する。図４（ｂ）を参照に、プラグ金属１８を下部層間絶縁膜１２ａまで研磨する。このとき、研磨材の濃度を低くし、酸化剤（過酸化水素水）を多く添加することにより、プラグ金属１８を選択的に研磨する。この結果、プラグ金属１８の表面と下部層間絶縁膜１２ａの表面をほぼ同じ高さとすることができる。【００２６】
図４（ｃ）を参照に、下部層間絶縁膜１２ａおよびプラグ金属１８上に、例えばアルミニウムを用い配線層２２を形成する。配線層２２上に例えば酸化シリコン膜からなる上層層間絶縁膜または保護膜２４を形成する。以上により１層の配線層が完成する。その後、同様に上層層間絶縁膜２４にコンタクトホールを形成し、図３（ａ）ないし図４（ｃ）の工程を行うことで多層配線を形成することもできる。【００２７】
図３（ｄ）ないし図４（ｃ）は半導体基板１０に直接コンタククトホール１４が接続されているが、図５のように、下層配線層１１にコンタクトホール１を接続しても良い。【００２８】
実施例１によれば、図３（ｂ）のように、タングステン膜１６の形成時はコンタクトホール１４の上部の開口部が広がっており、コンタクトホール１４内のタングステン膜１６のボイドを抑制することができる。図４（ａ）および図４（ｂ）のように、プラグ金属１８（金属層）および層間絶縁膜１２（絶縁膜）のコンタクトホール１４が他の部分より広い上部を研磨する。この結果、コンタクトホール１４の上部の開口部の間隔が広くなり、コンタクトホール１４間のショートを抑制することができる。よって、コンタクトホールの寸法または間隔の縮小化が可能になる。【００２９】
また、酸化シリコン等の絶縁膜からなる層間絶縁膜とタングステン等の金属かららなるプラグ金属で研磨速度が異なる。このため、まず、プラグ金属１８の上部の上面より下側の層間絶縁膜１２の上部絶縁膜１２ｂを選択的に研磨する。その後、プラグ金属１８（金属層）の上部を選択的に研磨する。これにより、プラグ金属１８の表面と層間絶縁膜１２の表面とを平坦にすることができる。
【実施例２】
【００３０】
実施例１においては、プラグ金属１８の表面と層間絶縁膜１２の表面とを平坦にすることができるものの、シリコン半導体基板１０であるウェハ面内では、研磨速度のウェハ面内不均一性やデッシングにより下部層間絶縁膜１２ａおよびプラグ金属１８の膜厚が異なってしまう。これは、ウェハ内の位置やプラグ金属の密度に起因する。図６（ａ）ないし図６（ｄ）は上記を説明するための図である。図６（ａ）および図６（ｂ）は、図４（ａ）に相当する図であり、同じウェハ内で場所の異なる箇所の断面図である。図４（ａ）と同じ部材は同じ符号を付し説明を省略する。図６（ｂ）では図６（ａ）に比べ、下部層間絶縁膜１２ａが多く研磨されている。図６（ｃ）および図６（ｄ）は、図６（ａ）および図６（ｂ）の後、図４（ｂ）と同等に、プラグ金属１８をＣＭＰ法を用い研磨した図である。図６（ｄ）は図６（ｃ）に比べ、下部層間絶縁膜１２ａおよびプラグ金属１８の厚さが薄くなる。実施例１においては、ウェハ面内の下部層間絶縁膜１２ａおよびプラグ金属１８の厚さの分布であるＤ1は５０ｎｍ程度となる。このように、ウェハ面内で下部層間絶縁膜１２ａおよびプラグ金属１８の厚さの分布が大きいと、層間絶縁膜１２の縦方向の絶縁性が異なる。また、上層のパターンを形成する際、露光の焦点ずれを生じる。【００３１】
実施例２においては、上記課題を解決することを目的とする。図７（ａ）を参照に、シリコン半導体基板１０上に例えば酸化シリコン膜からなる下部層間絶縁膜１２ａを形成する。下部層間絶縁膜１２ａ(下部絶縁膜)上にストッパ層２０としてＣＶＤ法を用い酸化窒化シリコン膜または窒化シリコン膜を形成する。ストッパ層２０上に例えば酸化シリコン膜からなる上部絶縁膜１２ｂを形成する。【００３２】
図７（ｂ）を参照に、上部絶縁膜１２ｂ、ストッパ層２０および下部層間絶縁膜１２ａを貫通するコンタクトホール１４を形成する。このとき、上部絶縁膜１２ｂ内のコンタクトホール１４が下部層間絶縁膜１２ａのコンタクトホールより広く、上に行くにしたがい開口部が徐々に広くなるように形成する。コンタクトホール１４内および上部絶縁膜１２ｂ上にタングステン膜１６を形成する。図７（ｃ）を参照に、タングステン膜１６を上部絶縁膜１２ｂの上面までＣＭＰ法を用い研磨する。【００３３】
図８（ａ）および図８（ｂ）は図６（ａ）および図６（ｂ）と同様に、ウェハ面内の異なる場所を示している。図８（ａ）および図８（ｂ）を参照に、上部絶縁膜１２ｂをＣＭＰ法を用いた研磨によりストッパ層２０まで研磨する。このとき、ストッパ層２０の研磨レートは上部絶縁膜１２ｂの研磨レートより遅いため、研磨はストッパ層２０で停止する。図８（ｃ）および図８（ｄ）は、それぞれ図８（ａ）および図８（ｂ）の後、プラグ金属１８をＣＭＰ法を用いストッパ層２０まで研磨した図である。図８（ｄ）は図８（ｃ）に比べ、下部層間絶縁膜１２ａおよびプラグ金属１８の厚さが薄くなる。しかし、実施例２においてストッパ層として窒化シリコン膜を使用した場合、ウェハ面内の下部層間絶縁膜１２ａおよびプラグ金属１８の厚さの分布であるＤ２は１０ｎｍ程度である。このように、実施例１のＤ１が５０ｎｍであったのに比べ、小さくすることができる。その後、実施例１と同様に、配線層２２および上層層間絶縁膜または保護膜２４を形成する。【００３４】
このように、ストッパ層２０として酸化窒化シリコン膜または窒化シリコン膜を用いた実施例２に係る半導体装置は、図８（ｃ）のように、半導体基板１０上に設けられた下部層間絶縁膜１２ａ（層間絶縁膜）と、下部層間絶縁膜１２ａ上に設けられたストッパ層２０（酸化窒化シリコン膜）とを有し、下部層間絶縁膜１２ａに形成されたコンタクトホール１４内に設けられ、ストッパ層２０（酸化窒化シリコン膜）の表面と実質的に同じ平面内の表面を有するプラグ金属１８（金属層）と、を有する。【００３５】
図９は研磨剤としてセリアスラリ（ＣｅＯ２砥粒）を用い、酸化シリコン膜、窒化シリコン膜および酸化窒化シリコン膜を研磨したときの研磨レートを示す図である。酸化シリコン膜の研磨レートは約２１０ｎｍ／分であるのに対し、窒化シリコン膜の研磨レートは約２１ｎｍ／分、酸化窒化シリコン膜の研磨レートは約２．６ｎｍ／分である。このように、窒素を有する絶縁膜は研磨レートが小さく、特に酸化窒化シリコン膜の研磨レートを小さくすることができる。【００３６】
そこで、実施例２において、上部絶縁膜１２ｂとして酸化シリコン膜、ストッパ層２０として窒化シリコン膜、上部絶縁膜１２ｂを研磨する際の研磨剤およびプラグ金属１８を研磨する際の研磨剤としてセリアスラリを用いすることにより、ウェハ面内の下部層間絶縁膜１２ａおよびプラグ金属１８の厚さＤ２を約１０ｎｍとすることができる。さらに、ストッパ層２０として酸化窒化シリコン膜を用いることにより、Ｄ２を約１ｎｍとすることができる。【００３７】
実施例２によれば、研磨のストッパ層２０を設けることにより、ウェハ面内での層間絶縁膜１２およびプラグ金属１８の膜厚の分布を小さくすることができる。ストッパ層２０は上部絶縁膜１２ｂを研磨する際、上部絶縁膜１２ｂに対し研磨レートが小さければ良く、窒化シリコン膜および酸化窒化シリコン膜に限られるものではない。【００３８】
しかし、ストッパ層２０は窒素を含む絶縁膜であることが好ましい。これにより、ストッパ層２０の研磨レートを小さくし、ウェハ面内での層間絶縁膜１２およびプラグ金属１８の膜厚の分布を一層小さくすることができる。【００３９】
さらに、ストッパ層２０は酸化窒化シリコン膜を含むことが好ましい。さらに、セリアスラリを研磨剤として用い上部絶縁膜１２ｂ（絶縁膜層）を研磨することが好ましい。これにより、ストッパ層２０の研磨レートをより小さくし、ウェハ面内での層間絶縁膜１２およびプラグ金属１８の膜厚の分布をより一層小さくすることができる。【００４０】
さらに、上部絶縁膜１２ｂは酸化シリコン膜を含むことが好ましい。これにより、ストッパ層２０との選択比を大きくすることができる。【００４１】
実施例１および実施例２においては、層間絶縁膜１２、下部層間絶縁膜１２ａおよび上部絶縁膜１２ｂとして酸化シリコン膜、プラグ金属１８としてタングステンの場合を例に説明したが、これらに限られない。層間絶縁膜１２、上部絶縁膜１２ｂは絶縁膜、プラグ金属１８は金属層であれば良い。【００４２】
以上、本発明の好ましい実施例について詳述したが、本発明は係る特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。
【図１】
2007043100.tif 000003
【図２】
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【図３】
2007043100.tif 000005
【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2007043100.tif 000009
【図８】
2007043100.tif 000010
【図９】
2007043100.tif 000011
【国際調査報告】
2007043100.tif 000012
2007043100.tif 000013
2007043100.tif 000014
2007043100.tif 000015