(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリコン基板上に形成された層間絶縁膜内に前記シリコン基板表面を露出させるコンタクトホールを形成する第１ステップと、
前記コンタクトホール内部に形成された自然酸化膜を除去する第２ステップと、
１０−６Ｔｏｒｒ以下の高真空第１反応器で前記コンタクトホール内部のシリコン基板表面に単結晶シリコンをエピタキシャル成長させる第３ステップと、
第２反応器で前記コンタクトホール内部をポリシリコンで埋め込む第４ステップ
を含むことを特徴とするコンタクト抵抗を減少させたコンタクトプラグ形成方法。
【請求項２】
前記第１反応器の圧力は、１０−９乃至１０−６Ｔｏｒｒであることを特徴とする請求項１に記載のコンタクト抵抗を減少させたコンタクトプラグ形成方法。
【請求項３】
前記第１反応器は、シングルタイプまたはバッチタイプの装置であることを特徴とする請求項１に記載のコンタクト抵抗を減少させたコンタクトプラグ形成方法。
【請求項４】
前記第２反応器で前記コンタクトホール内部をポリシリコンで埋め込む第４ステップは、０．２〜１．５Ｔｏｒｒの圧力を有するバッチタイプの装置で化学気相蒸着法により行なうことを特徴とする請求項１に記載のコンタクト抵抗を減少させたコンタクトプラグ形成方法。
【請求項５】
前記シリコンをエピタキシャル成長させる第３ステップは、ＳｉＨ４またはＳｉ２Ｈ６ガスをソースガスに使用することを特徴とする請求項１に記載のコンタクト抵抗を減少させたコンタクトプラグ形成方法。
【請求項６】
前記エピタキシャル成長されたシリコンの厚さは、５０〜２００Åであることを特徴とする請求項１に記載のコンタクト抵抗を減少させたコンタクトプラグ形成方法。
【請求項７】
前記シリコンをエピタキシャル成長させる第３ステップは、５５０〜８００℃で行なうことを特徴とする請求項１に記載のコンタクト抵抗を減少させたコンタクトプラグ形成方法。
【請求項８】
前記シリコンをエピタキシャル成長させる第３ステップは、前記エピタキシャル成長されたシリコンをｎ型にドープするステップをさらに含むことを特徴とする請求項１に記載のコンタクト抵抗を減少させたコンタクトプラグ形成方法。
【請求項９】
前記シリコンをｎ型にドープするステップは、不活性気体とＰＨ３ガスを使用することを特徴とする請求項８に記載のコンタクト抵抗を減少させたコンタクトプラグ形成方法。
【請求項１０】
前記コンタクトホール内部をポリシリコンで埋め込む第４ステップでポリシリコンの厚さは、１５００〜３０００Åであることを特徴とする請求項１に記載のコンタクト抵抗を減少させたコンタクトプラグ形成方法。
【請求項１１】
前記コンタクトホール内部をポリシリコンで埋め込む第４ステップは、前記ポリシリコンをドープするステップをさらに含むことを特徴とする請求項１に記載のコンタクト抵抗を減少させたコンタクトプラグ形成方法。
【請求項１２】
前記ポリシリコンをドープするステップは、不活性ガスとＰＨ３ガスを使用し、燐の濃度が１．０×１０２０〜３．０×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｃであることを特徴とする請求項１１に記載のコンタクト抵抗を減少させたコンタクトプラグ形成方法。
【請求項１３】
前記自然酸化膜を除去する第２ステップは、ＢＯＥ（Ｂｕｆｆｅｒｅｄ  Ｏｘｉｄｅ  Ｅｔｃｈａｎｔ）、ＨＦ溶液またはＨＦ蒸気を利用した洗浄工程を行なうことを特徴とする請求項１に記載のコンタクト抵抗を減少させたコンタクトプラグ形成方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体素子のコンタクトプラグ形成方法に関し、特に、コンタクト抵抗を減少させたコンタクトプラグ形成方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、半導体素子が高集積化、縮小化及び高速化されることによって、コンタクト工程マージンの確保が至急な課題となっており、また情報の迅速な処理のため、信号伝達速度が速い素子が要求されている。
【０００３】
半導体素子において、下部導電層と上部導電層とを電気的に接続させるため、コンタクトホールを形成するが、素子の高集積化でコンタクトホールの大きさは益々減ることによって、コンタクトホールを良好に埋め込む方策としてランディングプラグコンタクトを形成する方法を適用している。ランディングプラグ（ｌａｎｄｉｎｇ  ｐｌｕｇ）コンタクトとは、ワードライン定義後、ビットラインコンタクトと電荷貯蔵電極コンタクト部分にプラグポリシリコンを形成し、ビットライン形成後、電荷貯蔵電極を形成することであって、自己整列コンタクト（Ｓｅｌｆ  Ａｌｉｇｎｍｅｎｔ  Ｃｏｎｔａｃｔ：ＳＡＣ）工程の一種である。
【０００４】
また、高速素子を具現させるため、ワードライン、ビットライン、キャパシタ、金属配線などのような半導体素子に適用される導電層を電気伝導度に優れた金属を用いて形成している傾向があり、現在半導体素子は、益々微細化小型化して行く傾向にある。メモリ素子を例に挙げると、１個のトランジスタと１個のキャパシタとから構成されたＤＲＡＭの場合、現在には２５６メガ（Ｍｅｇａ）級や１ギガ（Ｍｅｇａ）級ＤＲＡＭ量産段階に近づいている。
【０００５】
このようにメモリ素子や一般論理素子の集積度が高まっている状況において、回路線幅が０．１３μｍ以下である高密度素子では、セルサイズが縮小するほど、コンタクトサイズと接合深さ（ｊｕｎｃｔｉｏｎ  ｄｅｐｔｈ）が減少するにしたがって素子の電気的な特性確保のためのコンタクト抵抗を確保することに困難さがある（例えば、特許文献１参照）。
【０００６】
図１乃至図４は、従来のコンタクトプラグ形成方法を説明するための図であって、これを参照して説明すると、まず図１には、基板１０上にゲート絶縁膜１１と、ゲート電極１２及びソース／ドレイン接合１５とを備えるトランジスタを形成し層間絶縁膜１６を蒸着した状態が示されている。もちろん、通常の方法通りゲート電極１２の上部にはキャッピング絶縁膜１３が形成されており、その側壁にはスペーサ絶縁膜１４が形成されている。
【０００７】
ゲート電極１２は、金属、ポリシリコンまたはこれらが積層された形態の導電体、そして拡散防止膜等から構成された通常の構造を持っており、層間絶縁膜１６には種々の種類の酸化膜が用いられるが、たとえば、ＢＰＳＧ（Ｂｏｒｏｎ  Ｐｈｏｓｐｈｏｒｕｓ  Ｓｉｌｉｃａｔｅ  Ｇｌａｓｓ）、ＳＯＧ（Ｓｐｉｎ  Ｏｎ  Ｇｌａｓｓ）、ＵＳＧ（Ｕｎｄｏｐｅｄ  Ｓｉｌｉｃａｔｅ  Ｇｌａｓｓ）、ＰＳＧ（Ｐｈｏｓｐｈｏ  Ｓｉｌｉｃａｔｅ  Ｇｌａｓｓ）などが用いられる。
【０００８】
このように層間絶縁膜１６を形成した後、化学機械研磨（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ：ＣＭＰ）を行なうか、層間絶縁膜１６をフロー（ｆｌｏｗ）させて層間絶縁膜１６の表面を平坦化する。
【０００９】
次に、図２に示すように、コンタクトマスク（図示せず）を利用したエッチング工程を実行してランディングプラグコンタクトホール１７を形成する。コンタクトホール形成のためのエッチング工程では、コンタクトホールが確実に形成されて半導体基板が露出されるように３０％程度のオーバエッチング工程を適用する。
コンタクトホールを形成した後、コンタクトホール内に存在する自然酸化膜を除去するための洗浄工程を実行する。洗浄工程は、緩衝酸化膜エッチング剤（Ｂｕｆｆｅｒ  Ｏｘｉｄｅ  Ｅｃｈａｎｔ：ＢＯＥ）、ＨＦ溶液、またはＨＦ気体などを利用して行なう。
【００１０】
次に、図３に示すように、層間絶縁膜１６上部を含むコンタクトホール１７内部をポリシリコンで埋め込む工程を行なう。
現在、ポリシリコンプラグ工程は、大部分バッチ（ｂａｔｃｈ）タイプの装置で実施されるか、またはシングル反応室（ｓｉｎｇｌｅ  ｃｈａｍｂｅｒ）タイプの装置で実施される。バッチタイプの装備を利用してコンタクトプラグを形成する場合には、シリコン薄膜のステップカバレッジ（ｓｔｅｐ  ｃｏｖｅｒａｇｅ）特性は優れるが、装置構造上イン−シトゥ（ｉｎ−ｓｉｔｕ）洗浄が不可能である。
【００１１】
したがって、ポリシリコンプラグ工程が一般的なバッチタイプの装置で実施される場合には、一度に数百枚ずつのウェーハが装置にローディング（ｌｏａｄｉｎｇ）された後、ポリシリコンを蒸着するが、この場合、バッチタイプ装置にウェーハがローディングされる時間の間コンタクトホールの内部が大気に露出されて自然酸化膜が再成長してしまうという問題があった。
すなわち、上述のように、コンタクトホールエッチング後、ＢＯＥ、ＨＦ溶液またはＨＦ気体等で自然酸化膜を除去する洗浄工程を実行したとしても、ウェーハをバッチタイプ装置にローディングする間に自然酸化膜がコンタクトホール内部で再成長してコンタクト抵抗を増加させる要因として作用する。
【００１２】
このような問題点を補完するため、イン−シトゥ洗浄機能があるシングル反応室タイプの装置をバッチタイプ装置と共に利用してポリシリコンプラグ工程に適用する方法が提案された。
この方法では、ＢＯＥ、ＨＦ、ＨＦｖａｐｏｒ等で自然酸化膜を除去する洗浄工程の後、シングル反応室タイプ装置にウェーハを移動してイン−シトゥ洗浄を実施し、第１段階でシリコン薄膜をコンタクトホール内に蒸着する。以後、バッチタイプ装置を利用して第２段階でシリコン薄膜を蒸着してコンタクトホールを埋め込むことによって、ポリシリコンプラグ工程が行なわれる。
【００１３】
上述したシングル反応室タイプ装置で行なわれるイン−シトゥ洗浄は、水素ベーキング工程または急速熱処理を利用するが、このようなイン−シトゥ洗浄をポリシリコンプラグ工程に適用することによって、自然酸化膜の成長を抑制した。しかし、このように水素ベーキングや急速熱処理のようなイン−シトゥ洗浄工程を導入する場合には、自然酸化膜の成長抑制にはある程度効果があるが、シングル反応室タイプの装置と一般的なバッチタイプ装置を順に使用してポリシリコンを蒸着するべきであり、またシングル反応室タイプの装置でのイン−シトゥ洗浄工程も実行するべき工程が煩雑となる問題があった。また、イン−シトゥ洗浄に用いられる水素ベーキングや急速熱処理は、全部高温工程であるのでトランジスタの特性を劣化させる可能性が非常に高いという問題点があった。
【００１４】
【特許文献１】
米国特許第５７４７８５６号明細書
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、本発明は上記従来のコンタクトプラグ形成方法における問題点に鑑みてなされたものであって、本発明の目的は、工程の単純化をなすとともに自然酸化膜形成を抑制してコンタクト抵抗を減少させたコンタクトプラグ形成方法を提供することにある。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するためになされた本発明によるコンタクト抵抗を減少させたコンタクトプラグ形成方法は、シリコン基板上に形成された層間絶縁膜内に前記シリコン基板表面を露出させるコンタクトホールを形成する第１ステップと、前記コンタクトホール内部に形成された自然酸化膜を除去する第２ステップと、１０−６Ｔｏｒｒ以下の高真空第１反応器で前記コンタクトホール内部のシリコン基板表面に単結晶シリコンをエピタキシャル成長させる第３ステップと、第２反応器で前記コンタクトホール内部をポリシリコンで埋め込む第４ステップとを含むことを特徴とする。
【００１７】
本発明は、半導体製品の高密度化によるコンタクトサイズの微細化によって高くなったコンタクト抵抗を減少させたコンタクトプラグ及びその形成方法に関するものであって、イン−シトゥ洗浄なしに高真空システム（Ｈｉｇｈ  Ｖａｃｕｕｍ  Ｓｙｓｔｅｍ）を利用してコンタクトホール内部に単結晶シリコンプラグを第１段階でエピタキシャル成長させた後、一般的なバッチタイプ装置を利用して第２段階でポリシリコンプラグを形成し、化学機械研磨またはエッチバック工程を利用してコンタクトプラグを完成させる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
次に、本発明に係るコンタクト抵抗を減少させたコンタクトプラグ形成方法の実施の形態の具体例を図面を参照しながら説明する。
図５乃至図８は、本発明の一実施例に係るコンタクトプラグ形成方法を説明するための断面面であって、以下これを参照して説明する。コンタクトホールを形成するところまでの工程は従来技術と同様である。
【００１９】
すなわち、図５には基板２０上にゲート絶縁膜２１、ゲート電極２２及びソース／ドレイン接合２５を備えるトランジスタを形成し層間絶縁膜２６を蒸着した状態が示されている。もちろん、通常の方法通りゲート電極２２の上部にはキャッピング絶縁膜２３が形成されており、その側壁にはスペーサ絶縁膜２４が形成されている。
スペーサ２４は、ゲート電極２２を含む半導体基板上に窒化膜などを蒸着し全面エッチバック工程を行なってゲート電極の側壁に形成されるが、この場合、スペーサ形成のための全面エッチバック工程時、好ましくは３０％程度のオーバエッチングを実行して半導体基板２０の表面が確実に露出されるようにする。
【００２０】
ゲート電極２２は、金属、ポリシリコンまたはこれらが積層された形態の導電体、そして拡散防止膜等から構成された通常の構造であって、層間絶縁膜２６には、種々の種類の酸化膜が用いられ、例えば、ＢＰＳＧ（Ｂｏｒｏｎ  Ｐｈｏｓｐｈｏｒｕｓ  Ｓｉｌｉｃａｔｅ  Ｇｌａｓｓ）、ＳＯＧ（Ｓｐｉｎ  Ｏｎ  Ｇｌａｓｓ）、ＵＳＧ（Ｕｎｄｏｐｅｄ  Ｓｉｌｉｃａｔｅ  Ｇｌａｓｓ）、ＰＳＧ（Ｐｈｏｓｐｈｏ  Ｓｉｌｉｃａｔｅ  Ｇｌａｓｓ）などが用いられる。
このように層間絶縁膜２６を形成した後、化学機械研磨（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ：ＣＭＰ）を行なうか、層間絶縁膜２６をフロー（ｆｌｏｗ）させて層間絶縁膜２６の表面を平坦化する。
【００２１】
次に、コンタクトマスク（図示せず）を利用したエッチング工程を実行してランディングプラグコンタクトホール２７を形成し、洗浄工程を通してコンタクトホール内部に形成された自然酸化膜を除去する。コンタクトホール形成のためのエッチング工程では、半導体基板の表面が確実に露出されるように、好ましく３０％程度のオーバエッチング工程を適用する。
【００２２】
コンタクトホール形成のためのエッチング工程以後、自然酸化膜を除去するための洗浄工程が行なわれるが、本発明では水素ベーキングや急速熱処理のようなイン−シトゥ洗浄工程を行なわず一般的な洗浄工程のみを行なう。すなわち、ＢＯＥ、ＨＦ溶液またはＨＦ気体などを利用した一般的な洗浄工程でコンタクトホール内部の自然酸化膜を除去する。
このようにエッチング工程と洗浄工程が実行されたウェーハは、高真空システムに移動して次の工程に用いられる。この場合、洗浄工程後、概略２時間以内に高真空システムに移動するようにすれば、自然酸化膜の成長は微々たるものとなる。
【００２３】
次に、図６に示すように、高真空システムを利用してコンタクトホールの底部分に単結晶シリコン２８をエピタキシャル成長させる。コンタクトホールの底は、シリコン基板２０と接触される部分であるので、単結晶シリコン２８がエピタキシャル成長されるが、コンタクトホールの側壁部分は、窒化膜等より構成されたスペーサ２４と酸化膜等から構成された層間絶縁膜２６に接しているので、単結晶シリコンではないポリシリコン２９が形成される。
【００２４】
高真空システムを利用する理由は、反応室内の環境が高真空である場合、自然酸化膜の成長が抑制され、また不純物が少ない状態で単結晶シリコンが容易にエピタキシャル成長されるためである。本発明の実施例では、反応室の圧力が１０−９乃至１０−６Ｔｏｒｒである高真空状態を利用する。
【００２５】
エピタキシャル成長された単結晶シリコン２８は、コンタクトホールの底から５０〜２００Åの厚さを有するように形成され、ＳｉＨ４またはＳｉ２Ｈ６のように、Ｓｉを含むガスをソースガスと使用して５５０〜８００℃の温度でエピタキシャル成長させる。エピタキシャル成長された単結晶シリコン２８は、ドープしない状態で使用することもでき、Ｈｅ、Ｎ２、Ａｒのような不活性気体に稀釈されたＰＨ３ガスをドーパントにしてドープすることもできる。
【００２６】
本発明に用いられた高真空システムは、高性能のポンプが付属され、反応室内の圧力が１０−６Ｔｏｒｒ以下となる装置であって、シングル反応室タイプの装置でもよく、バッチタイプの装置でもよい。しかし、大部分シングル反応室タイプの装置にこのようなポンプが付属されて高真空システムに用いられるが、本発明では高真空システムを高性能ポンプが付属されたシングルタイプの装置に限定しない。
【００２７】
本発明では、高真空システム内でエピタキシャル成長された単結晶シリコンが自然酸化膜の成長を抑制するので、従来のようなイン−シトゥ洗浄工程が不要となる。すなわち、水素ベーキング工程や急速熱処理工程が省略されてもトランジスタの特性劣化を防止でき、また工程の煩雑化を防止できる。
【００２８】
図９は、コンタクトホールの底部分に単結晶シリコンをエピタキシャル成長させた後、コンタクトホールとシリコン基板の断面を撮った透過電子顕微鏡写真であるが、図９の断面において、（１）の部分はコンタクトホール底の上部分を示し、（２）の部分は、シリコン基板とコンタクトホールの底が接する部分を示し、（３）の部分はシリコン基板部分を示す。
【００２９】
図１０乃至図１２は、図９に示されている（１）、（２）、（３）の各部分に対するＳＡＤ（Ｓｅｌｅｃｔｅｄ  Ａｒｅａ  Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ）パターンを示す図面である。シリコン基板部分の回折パターンである図１２とコンタクトホールの底とシリコン基板とが接する部分の回折パターンである図１１を参照すると、二つの回折パターン共に規則的な回折パターンを示していることが分かる。
これは、シリコン基板のシリコン結晶とエピタキシャル成長された単結晶シリコンが同じ結晶方向を持っていることを示し、シリコン基板とエピタキシャル成長された単結晶シリコンとの間に自然酸化膜をはじめとする異質物の存在が微々たる物であるということを意味する。
【００３０】
図１０は、コンタクトホール底上部分の回折パターンを示す図であり、エピタキシャル成長された単結晶シリコンのみ存在するので、図１１または図１２のように、規則的な回折パターンを示していることが分かる。
もし、コンタクトホールの側壁部分に対するＳＡＤパターンを測定すると、図１０乃至図１２に示されているものとは異なって、不規則的な回折パターンを示すだろう。これはコンタクトホールの側壁部分には、単結晶シリコンではないポリシリコンが形成されているためである。
【００３１】
このように、半導体基板と接触するコンタクトホール底部分には、単結晶シリコンをエピタキシャル成長させ、コンタクトホールの側壁には、ポリシリコンを所定厚さに形成した後、図７に示すように、一般的なバッチタイプ装置を利用してポリシリコンプラグ３０を形成してコンタクトホールを埋め込む。
一般的なバッチタイプ装置を利用してポリシリコンプラグ３０を形成する場合には、４８０〜６２０℃の温度、０．２〜１．５Ｔｏｒｒの圧力でシリコンを含むガスをソースガスにして１５００〜３０００Åの厚さを有するポリシリコンプラグ３０を形成する。
【００３２】
以後、ポリシリコンプラグ３０の抵抗を下げるため、後続ドーピング工程を行なうが、Ｈｅ、Ｎ２またはＡｒのような不活性気体に希釈させたＰＨ３ガスをドーパントにして、燐（Ｐ）の濃度が１．０×１０２０〜３．０×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｃの濃度を有するようにドーピング工程を行なう。
このように層間絶縁膜２６上部とコンタクトホール内部を含む全体構造上にポリシリコンプラグ３０を蒸着した後、層間絶縁膜２６の表面が露出するまで、化学機械研磨や全面エッチバック工程を行なって、図８に示すような、コンタクトプラグを完成する。
化学機械研磨を行なう場合には、ｐＨ６〜１１で、５０〜３００ｎｍ大きさのシリカ、アルミナまたはセリアなどの研磨剤を用いて化学機械研磨を行なう。
【００３３】
尚、本発明は、本実施例に限られるものではない。本発明の趣旨から逸脱しない範囲内で多様に変更実施することが可能である。
【００３４】
【発明の効果】
上述したようになされる本発明によるコンタクト抵抗を減少させたコンタクトプラグ形成方法によれば、工程の単純化と同時に自然酸化膜によるコンタクト抵抗の増加を防止してコンタクト抵抗を減少させたコンタクトプラグを形成できるので、素子の信頼性を増加させる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来のコンタクトプラグ形成方法を説明するための断面図である。
【図２】従来のコンタクトプラグ形成方法を説明するための断面図である。
【図３】従来のコンタクトプラグ形成方法を説明するための断面図である。
【図４】従来のコンタクトプラグ形成方法を説明するための断面図である。
【図５】本発明の一実施例に係るコンタクトプラグ形成方法を説明するための断面図である。
【図６】本発明の一実施例に係るコンタクトプラグ形成方法を説明するための断面図である。
【図７】本発明の一実施例に係るコンタクトプラグ形成方法を説明するための断面図である。
【図８】本発明の一実施例に係るコンタクトプラグ形成方法を説明するための断面図である。
【図９】半導体基板とコンタクトホールの断面を撮った透過電子顕微鏡写真である。
【図１０】図３の（１）の部分のコンタクトホール底上部分の回折パターンを示す図である。
【図１１】図３の（２）の部分のコンタクトホールの底とシリコン基板とが接する部分の回折パターンを示す図である。
【図１２】図３の（３）の部分のシリコン基板部分の回折パターンを示す図である。
【符号の説明】
２０        基板
２１        ゲート絶縁膜
２２        ゲート電極
２３        キャッピング絶縁膜
２４        スペーサ
２５        ソース／ドレイン接合
２６        層間絶縁膜
２７        コンタクトホール
２８        エピタキシャル成長単結晶シリコン
２９        ポリシリコン
３０        ポリシリコンプラグ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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