JP2010021172A - Method of manufacturing semiconductor device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、半導体装置の製造技術に関し、特に、電極導体膜の形成方法に適用して有効な技術に関するものである。 The present invention relates to a semiconductor device manufacturing technique, and more particularly to a technique effective when applied to a method for forming an electrode conductor film.
半導体装置として、半導体基板上に形成する半導体素子(半導体デバイス)の一つに、パワーデバイスがある。パワーデバイスは高電圧、大電流を扱うための素子であり、例えば、MIS(Metal Insulator Semiconductor)構造の電界効果トランジスタ(以下、単にMISトランジスタ)のなかでも高耐圧仕様となっている。パワーMISトランジスタには、チャネルが基板面に沿って形成される構造のプレーナ型や、チャネルが基板面に交差する方向に沿って形成される構造のトレンチ型などがある。近年、半導体素子の小型化、高集積化による高性能化の技術動向にあって、微細化に適した構造のトレンチ型のパワーMISトランジスタの需要が高まってきている。 As a semiconductor device, one of semiconductor elements (semiconductor devices) formed on a semiconductor substrate is a power device. The power device is an element for handling a high voltage and a large current. For example, a field effect transistor (hereinafter simply referred to as a MIS transistor) having a MIS (Metal Insulator Semiconductor) structure has a high breakdown voltage specification. The power MIS transistor includes a planar type having a structure in which a channel is formed along a substrate surface and a trench type having a structure in which a channel is formed along a direction intersecting the substrate surface. 2. Description of the Related Art In recent years, demands for trench type power MIS transistors having a structure suitable for miniaturization have increased due to technological trends of high performance due to miniaturization and high integration of semiconductor elements.
上記のように、高電圧、大電流を扱うパワーMISトランジスタの電極導体膜は、他の半導体素子と比較して配線幅が広く、また、電極パッドを兼ねた構造を有するものがある。また、パワーMISトランジスタに外部から電気的に接続するための結線方法は、種々考えられる。そのため、結線に耐え得るように、パワーMISトランジスタの電極導体膜は、例えば3〜6μmと、比較的厚い構造となっている。 As described above, the electrode conductor film of a power MIS transistor that handles high voltage and large current has a wiring width wider than that of other semiconductor elements and has a structure that also serves as an electrode pad. Various connection methods for electrically connecting to the power MIS transistor from the outside are conceivable. For this reason, the electrode conductor film of the power MIS transistor has a relatively thick structure of, for example, 3 to 6 μm so as to withstand the connection.
また、パワーMISトランジスタの端子に電極導体膜を接続させるための接続孔(コンタクトホール)は、平面的に見て、穴形状ではなく、スリット状(溝状、ラインアンドスペース状)となっているものがある。即ち、パワーMISトランジスタの電極導体膜では、このスリット状の接続孔に、正常に導体膜を埋め込む必要がある。ボイドを発生させること無く、また、表面が平坦となるように、接続孔に導体膜を埋め込む工程は、素子を微細化するに従ってより高度な技術を要する。 Further, the connection hole (contact hole) for connecting the electrode conductor film to the terminal of the power MIS transistor is not a hole shape but a slit shape (groove shape, line and space shape) in plan view. There is something. That is, in the electrode conductor film of the power MIS transistor, it is necessary to normally embed the conductor film in the slit-like connection hole. The process of embedding a conductor film in the connection hole so as not to generate voids and to have a flat surface requires more advanced technology as the element is miniaturized.
例えば、特開平10−64902号公報(特許文献1)には、アスペクト比が高い穴形状のコンタクトホールにアルミニウムを埋め込むために、薄い濡れ性改善膜を形成し、その後2層に分けてアルミニウムを形成する技術が開示されている。 For example, in JP-A-10-64902 (Patent Document 1), in order to embed aluminum in a hole-shaped contact hole having a high aspect ratio, a thin wettability improving film is formed, and then aluminum is divided into two layers. A forming technique is disclosed.
また、例えば、特開平10−125778号公報(特許文献2)には、接続孔内に濡れ性の高い下地薄膜を形成し、その上に高温スパッタ法によってアルミニウム系材料からなる種配線層を形成する技術が開示されている。 Further, for example, in Japanese Patent Laid-Open No. 10-125778 (Patent Document 2), a base thin film having high wettability is formed in a connection hole, and a seed wiring layer made of an aluminum-based material is formed thereon by high-temperature sputtering. Techniques to do this are disclosed.
また、例えば、特開2008−45219号公報(特許文献3)には、ホール内に150℃以下の温度でアルミのベース薄膜を作成し、その後、300℃程度の温度でアルミ膜をスパッタによって作成しながら、リフローさせ、リフロー薄膜を作成する技術が開示されている。
上記のようなパワーMISトランジスタにおいて、その電極導体膜を形成する技術に関し、以下のような課題を有することが本発明者らの検討によって明らかになった。 In the power MIS transistor as described above, the inventors have found that the following problems are associated with the technology for forming the electrode conductor film.
本発明者らが検討したパワーMISトランジスタでは、その電極導体膜は、スリット状の接続孔を持つようにパターニングされた層間絶縁膜上に、その接続孔を埋め込むようにして、スパッタリングによってアルミニウム(Al)を堆積することで形成する。その際、3〜6μmの厚さの電極導体膜を堆積する必要がある。そして、このように厚い電極導体膜をスパッタリングによって堆積する間に、輻射熱によって半導体基板が加熱されることが分かった。 In the power MIS transistor investigated by the present inventors, the electrode conductor film is made of aluminum (Al) by sputtering so that the connection hole is embedded in an interlayer insulating film patterned so as to have a slit-like connection hole. ) Is deposited. At that time, it is necessary to deposit an electrode conductor film having a thickness of 3 to 6 μm. Then, it was found that the semiconductor substrate is heated by radiant heat while the thick electrode conductor film is deposited by sputtering.
厚い電極導体膜を堆積する際の半導体基板への加熱は、以下のような影響を与えることが、本発明者らの更なる検討により明らかになった。 Further investigation by the present inventors has revealed that heating of the semiconductor substrate when depositing a thick electrode conductor film has the following effects.
通常、電極導体膜のアルミニウムが基板や層間絶縁膜に拡散するのを防止するために、両者の間にモリブデンシリサイド(MoSi)、チタン(Ti)、チタンタングステン(TiW)、または、窒化チタン(TiN)などからなるバリア導体膜を形成する。即ち、これらのバリア導体膜は、アルミニウムを堆積する前に、接続孔の内壁を覆うようにして形成する。その後、アルミニウムを堆積する際に半導体基板が加熱されると、バリア導体膜と半導体基板とが化合反応を起こし、合金化されることが分かった。 Usually, in order to prevent the aluminum of the electrode conductor film from diffusing into the substrate or the interlayer insulating film, molybdenum silicide (MoSi), titanium (Ti), titanium tungsten (TiW), or titanium nitride (TiN) is interposed therebetween. ) Or the like is formed. That is, these barrier conductor films are formed so as to cover the inner walls of the connection holes before depositing aluminum. Thereafter, it was found that when the semiconductor substrate is heated when aluminum is deposited, the barrier conductor film and the semiconductor substrate undergo a chemical reaction and are alloyed.
このような、バリア導体膜と半導体基板との合金層は、上層のアルミニウムに対してのドライエッチングや、バリア導体膜自体に対してのドライエッチングに対して強固であることが分かった。即ち、上記のような合金層が形成されると、電極導体膜をパターニングする際に、合金層のエッチング残りが生じることが分かった。そして、このようなエッチング残りは、後の電極導体膜のはがれを発生させる一原因となる。配線および電極として形成する電極導体膜のはがれは、パワーMISトランジスタを備えた半導体装置の信頼性の向上を妨げる一要因である。 It has been found that such an alloy layer of the barrier conductor film and the semiconductor substrate is strong against dry etching of the upper aluminum layer and dry etching of the barrier conductor film itself. That is, it was found that when the alloy layer as described above is formed, etching residue of the alloy layer occurs when the electrode conductor film is patterned. Such etching residue causes one of the subsequent peeling of the electrode conductor film. The peeling off of the electrode conductor film formed as the wiring and the electrode is one factor that hinders the improvement of the reliability of the semiconductor device including the power MIS transistor.
また、上記のバリア導体膜は、例えば接続孔の段差部などにおいて、局所的に薄く形成されることが分かった。そして、その上からアルミニウムを堆積した場合、バリア導体膜の薄い部分を介して、半導体基板中にアルミニウムが拡散し得る。このとき、半導体基板が輻射熱によって加熱されると、半導体基板とアルミニウムとが化合反応を起こし、合金化されることが分かった。 Further, it has been found that the above-described barrier conductor film is locally thinly formed, for example, at a step portion of the connection hole. When aluminum is deposited from above, aluminum can diffuse into the semiconductor substrate through the thin portion of the barrier conductor film. At this time, it was found that when the semiconductor substrate is heated by radiant heat, the semiconductor substrate and aluminum undergo a chemical reaction and are alloyed.
半導体基板中の意図しない領域にアルミニウムと半導体基板との合金層が形成されると、接合破壊による接合リークなどを起こし得る。このような予期せぬ電気特性の不良は、パワーMISトランジスタを備えた半導体装置の信頼性の向上を妨げる一要因である。 If an alloy layer of aluminum and the semiconductor substrate is formed in an unintended region in the semiconductor substrate, a junction leak or the like due to junction breakdown may occur. Such an unexpected failure in electrical characteristics is one factor that hinders the improvement of the reliability of a semiconductor device including a power MIS transistor.
以上のような観点から、厚い電極導体膜を堆積する際の輻射熱による温度上昇によって、電極導体膜のコンタクト構造を正常に形成するのが困難であるという課題が見出され、結果として、半導体装置の信頼性を低下させる一原因となっていることが分かった。 From the above viewpoints, it has been found that it is difficult to normally form a contact structure of an electrode conductor film due to a temperature rise due to radiant heat when depositing a thick electrode conductor film, and as a result, a semiconductor device It has been found that this is one cause of lowering the reliability.
他の現象として、層間絶縁膜の接続孔を電極導体膜で埋め込む際には、ボイドが発生し得る。このようなボイドは、空気や水分を含み、配線における導通不良の一原因となる。また、その中でも、電極導体膜の表面にまで達するようなボイドが生じると、後に電極導体膜の表面に施す工程(フォトリソグラフィやウェットエッチングなど)の影響を受け、電極導体膜が侵食される。これは、耐圧不良などの一原因となる。 As another phenomenon, voids may occur when the connection hole of the interlayer insulating film is filled with the electrode conductor film. Such voids contain air and moisture and cause a poor conduction in the wiring. In addition, among these, when a void that reaches the surface of the electrode conductor film is generated, the electrode conductor film is eroded by the influence of a process (such as photolithography or wet etching) to be performed on the surface of the electrode conductor film later. This causes one cause such as defective breakdown voltage.
これに対し、ボイドを発生させることなく、層間絶縁膜の接続孔を電極導体膜で埋め込むためには、ある程度高温でリフローさせながら電極導体膜を堆積する方法が好適であることが分かった。しかしながら、電極導体膜を堆積する工程中に半導体基板を加熱するという観点では、上記のように、バリア導体膜やアルミニウムと半導体基板との合金化などを原因とする、信頼性低下に繋がる課題が見出されている。また、実際に形成したパワーMISトランジスタのリーク電流の許容量の観点から、各工程での半導体基板の昇温には制限がある。 On the other hand, in order to fill the connection hole of the interlayer insulating film with the electrode conductor film without generating voids, it has been found that a method of depositing the electrode conductor film while reflowing at a certain high temperature is suitable. However, from the viewpoint of heating the semiconductor substrate during the step of depositing the electrode conductor film, as described above, there is a problem that leads to a decrease in reliability due to the barrier conductor film or the alloying of aluminum and the semiconductor substrate. Has been found. Further, from the viewpoint of the allowable amount of leakage current of the actually formed power MIS transistor, the temperature rise of the semiconductor substrate in each process is limited.
このように、ボイドを無くすための半導体基板の昇温は、意図しない合金層の形成を回避したいという要求に対し、トレードオフの関係にあることが、本発明者らの更なる検討によって明らかになった。上記のように、寄生的な合金層の形成やボイドの発生は、電極導体膜のはがれ、接合リーク、導通不良、または、耐圧不良などの一原因となる。結果として、本発明者らが検討した電極導体膜の形成方法では、半導体装置の信頼性を向上させることが困難であることが分かった。 As described above, further investigation by the present inventors reveals that the temperature rise of the semiconductor substrate for eliminating voids is in a trade-off relationship with the request to avoid the formation of an unintended alloy layer. became. As described above, formation of a parasitic alloy layer and generation of a void cause peeling of the electrode conductor film, causing one cause such as junction leakage, poor conduction, or poor breakdown voltage. As a result, it has been found that it is difficult to improve the reliability of the semiconductor device by the electrode conductor film forming method studied by the present inventors.
そこで、本発明の目的は、電極導体膜を有する半導体装置の信頼性を向上させる技術を提供することにある。 Accordingly, an object of the present invention is to provide a technique for improving the reliability of a semiconductor device having an electrode conductor film.
本発明の前記ならびにその他の目的と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。 The above and other objects and novel features of the present invention will be apparent from the description of this specification and the accompanying drawings.
本願においては、複数の発明が開示されるが、そのうちの一実施例の概要を簡単に説明すれば以下の通りである。 In the present application, a plurality of inventions are disclosed. An outline of one embodiment of the inventions will be briefly described as follows.
半導体基板の主面に半導体素子を形成し、それを覆うようにして層間絶縁膜を形成し、層間絶縁膜に半導体基板の主面に達する接続孔を形成し、その接続孔を電極導体膜によって埋め込む工程を有する半導体装置の製造方法であって、接続孔を電極導体膜によって埋め込む工程では、アルミニウムを主体とする導体膜である1〜3μmの第1導体膜と、同1〜3μmの第2導体膜とに分けて電極導体膜を堆積し、特に、それぞれを堆積する工程の間で一時半導体基板を待機させ、また、第1導体膜は第2導体膜と比較して速い堆積速度で堆積する。 A semiconductor element is formed on the main surface of the semiconductor substrate, an interlayer insulating film is formed so as to cover it, a connection hole reaching the main surface of the semiconductor substrate is formed in the interlayer insulating film, and the connection hole is formed by an electrode conductor film. A method of manufacturing a semiconductor device including a step of embedding, wherein in the step of embedding a connection hole with an electrode conductor film, a first conductor film of 1 to 3 μm that is a conductor film mainly composed of aluminum and a second conductor of 1 to 3 μm. The electrode conductor film is deposited separately from the conductor film. In particular, the temporary semiconductor substrate is put on standby during the process of depositing each, and the first conductor film is deposited at a higher deposition rate than the second conductor film. To do.
本願において開示される複数の発明のうち、上記一実施例により得られる効果を代表して簡単に説明すれば以下のとおりである。 Of the plurality of inventions disclosed in the present application, effects obtained by the above-described embodiment will be briefly described as follows.
即ち、電極導体膜を有する半導体装置の信頼性を向上させることができる。 That is, the reliability of a semiconductor device having an electrode conductor film can be improved.
以下の実施の形態においては便宜上その必要があるときは、複数のセクションまたは実施の形態に分割して説明するが、特に明示した場合を除き、それらはお互いに無関係なものではなく、一方は他方の一部または全部の変形例、詳細、補足説明等の関係にある。また、以下の実施の形態において、要素の数等(個数、数値、量、範囲等を含む)に言及する場合、特に明示した場合および原理的に明らかに特定の数に限定される場合等を除き、その特定の数に限定されるものではなく、特定の数以上でも以下でも良い。さらに、以下の実施の形態において、その構成要素(要素ステップ等も含む)は、特に明示した場合および原理的に明らかに必須であると考えられる場合等を除き、必ずしも必須のものではないことは言うまでもない。同様に、以下の実施の形態において、構成要素等の形状、位置関係等に言及するときは、特に明示した場合および原理的に明らかにそうでないと考えられる場合等を除き、実質的にその形状等に近似または類似するもの等を含むものとする。このことは、上記数値および範囲についても同様である。また、本実施の形態を説明するための全図において同一機能を有するものは同一の符号を付すようにし、その繰り返しの説明は可能な限り省略するようにしている。以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。 In the following embodiments, when it is necessary for the sake of convenience, the description will be divided into a plurality of sections or embodiments. However, unless otherwise specified, they are not irrelevant to each other. There are some or all of the modifications, details, supplementary explanations, and the like. Further, in the following embodiments, when referring to the number of elements (including the number, numerical value, quantity, range, etc.), especially when clearly indicated and when clearly limited to a specific number in principle, etc. Except, it is not limited to the specific number, and may be more or less than the specific number. Further, in the following embodiments, the constituent elements (including element steps and the like) are not necessarily indispensable unless otherwise specified and apparently essential in principle. Needless to say. Similarly, in the following embodiments, when referring to the shapes, positional relationships, etc. of the components, etc., the shapes are substantially the same unless otherwise specified, or otherwise apparent in principle. And the like are included. The same applies to the above numerical values and ranges. Also, components having the same function are denoted by the same reference symbols throughout the drawings for describing the embodiments, and the repetitive description thereof is omitted as much as possible. Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
(実施の形態1)
本実施の形態1の半導体装置の製造方法に関して、図面を用いて詳しく説明する。
(Embodiment 1)
The method for manufacturing the semiconductor device according to the first embodiment will be described in detail with reference to the drawings.
図1には、本実施の形態1の半導体装置の製造方法によって形成されるパワーMISトランジスタの平面構造と断面構造を示すための説明図を示す。平面図中には、便宜上ハッチングを付して示している。また、平面図中には、便宜上、層間絶縁膜ILとシリコン基板1のみが現れるように示し、他の構成要素の記述は省略している。
FIG. 1 is an explanatory diagram for illustrating a planar structure and a cross-sectional structure of a power MIS transistor formed by the method of manufacturing a semiconductor device according to the first embodiment. In the plan view, hatching is given for convenience. Further, in the plan view, for convenience, only the interlayer insulating film IL and the
本実施の形態1の半導体装置は、以下のような構成を有している。第1に、シリコン基板(半導体基板)1上に形成された、nチャネル型のMISトランジスタ(半導体素子)Qn(以下、n型MISトランジスタQn)を有する。第2に、n型MISトランジスタに電気的に接続する電極導体膜E1を有する。第3に、n型MISトランジスタQnの要部と電極導体膜E1とを絶縁するために形成された層間絶縁膜ILを有する。それぞれの詳しい構成を以下で説明する。 The semiconductor device according to the first embodiment has the following configuration. First, it has an n-channel type MIS transistor (semiconductor element) Qn (hereinafter referred to as an n-type MIS transistor Qn) formed on a silicon substrate (semiconductor substrate) 1. Second, it has an electrode conductor film E1 that is electrically connected to the n-type MIS transistor. Third, it has an interlayer insulating film IL formed to insulate the main part of the n-type MIS transistor Qn from the electrode conductor film E1. Each detailed structure is demonstrated below.
n型MISトランジスタQnは、n型であるシリコン基板1の主面f1に形成されたn型素子領域nw中に配置された以下の要素により構成されている。n型素子領域nw内において、シリコン基板1の主面f1から深さ方向に溝状に配置した、ゲート電極GEが形成されている。このゲート電極GEとn型素子領域nwとは、ゲート絶縁膜GIによって絶縁されている。n型素子領域nw中のうち、溝状のゲート電極GEの間の領域には、ゲート絶縁膜GIに接するようにして、p型ウェル領域pwが形成されている。p型ウェル領域pwの表面であり、シリコン基板1の主面f1には、n型ソース領域nsが形成されている。p型ウェル領域pw内には、p型コンタクト領域pcが形成されている。
The n-type MIS transistor Qn includes the following elements arranged in the n-type element region nw formed on the main surface f1 of the n-
n型素子領域nwはn型のシリコン基板1よりも低いn型不純物濃度を有する。また、n型ソース領域nsは、n型素子領域nwよりも高いn型不純物濃度を有する。p型コンタクト領域pcは、p型ウェル領域pwよりも高いp型不純物濃度を有する。
The n-type element region nw has an n-type impurity concentration lower than that of the n-
上記の構成のうち、n型ソース領域nsがn型MISトランジスタQnのソース端子を構成し、n型素子領域nwがn型MISトランジスタQnのドレイン端子を構成する。そして、ゲート絶縁膜GIに接する領域のp型ウェル領域pwには、ゲート電極GEへの電圧印加による電界効果に応じたチャネル領域が形成される。 Of the above configuration, the n-type source region ns constitutes the source terminal of the n-type MIS transistor Qn, and the n-type element region nw constitutes the drain terminal of the n-type MIS transistor Qn. Then, in the p-type well region pw in the region in contact with the gate insulating film GI, a channel region corresponding to the electric field effect due to voltage application to the gate electrode GE is formed.
また、主に、n型ソース領域nsに電圧を印加するために、電極導体膜E1が形成されている。電極導体膜E1は、n型ソース領域nsとp型コンタクト領域pcとに電気的に接続するようにして、シリコン基板1の主面f1上に一体的に形成されている。電極導体膜E1がシリコン基板1やn型MISトランジスタQnの構成内に拡散しないように、電極導体膜E1の下地としてバリア導体膜BEが形成されている。このような電極導体膜E1を通じて、n型ソース領域nsに電圧を印加することができる。また、同様にして、電極導体膜E1を通じて、p型コンタクト領域pcを介して、p型ウェル領域pwに電圧を印加することができる。
In addition, mainly to apply a voltage to the n-type source region ns, an electrode conductor film E1 is formed. The electrode conductor film E1 is integrally formed on the main surface f1 of the
電極導体膜E1はアルミニウムを主体とし、1%程度のシリコン(Si)、銅(Cu)、または、それら両方を含む導体膜である。本実施の形態1では、1%程度のシリコンを含んだアルミニウム膜を用いる。以下、特筆しない限り、アルミニウム、Alと記した場合は、1%程度のシリコンを含むアルミニウムであるとする。バリア導体膜BEは、チタン、チタンタングステン、窒化チタン、または、それらの積層膜からなる導体膜である。 The electrode conductor film E1 is a conductor film mainly containing aluminum and containing about 1% of silicon (Si), copper (Cu), or both. In the first embodiment, an aluminum film containing about 1% silicon is used. Hereinafter, unless otherwise specified, aluminum and Al indicate aluminum containing about 1% silicon. The barrier conductor film BE is a conductor film made of titanium, titanium tungsten, titanium nitride, or a laminated film thereof.
上記のように電極導体膜E1は、n型ソース領域nsとp型コンタクト領域pcとに電圧を印加するための構成要素であり、ゲート電極GEとは絶縁されている必要がある。そこで、ゲート電極GEを覆うようにして、シリコン基板1の主面f1上に層間絶縁膜ILが形成されている。層間絶縁膜ILには、シリコン基板1の主面f1のn型ソース領域nsおよびp型コンタクト領域pcを露出させるような、コンタクトホール(接続孔)CHが形成されている。そして、コンタクトホールCHを埋め込むようにして、電極導体膜E1が形成されることで、電極導体膜E1を通じてn型ソース領域nsに電圧を印加できる。同様に、電極導体膜E1を通じて、p型コンタクト領域pcを介してp型ウェル領域pwに電圧を印加できる。
As described above, the electrode conductor film E1 is a component for applying a voltage to the n-type source region ns and the p-type contact region pc, and needs to be insulated from the gate electrode GE. Therefore, an interlayer insulating film IL is formed on the main surface f1 of the
コンタクトホールCHは、平面的に見て、穴形状ではなく、特定の方向に延在する溝が等間隔で配置したような、所謂スリット形状である。このような形状は、ラインアンドスペース形状とも称される。 The contact hole CH is not a hole shape in a plan view but a so-called slit shape in which grooves extending in a specific direction are arranged at equal intervals. Such a shape is also referred to as a line and space shape.
また、コンタクトホールCHには、n型ソース領域nsを露出させるために層間絶縁膜ILに形成された第1孔部h1と、p型コンタクト領域pcを露出させるためにシリコン基板1の主面f1を更に窪ませた第2孔部h2とからなる。コンタクトホールCHの構成に関しては、後の製造方法の説明で更に詳しく説明する。
The contact hole CH has a first hole h1 formed in the interlayer insulating film IL to expose the n-type source region ns and a main surface f1 of the
以上のような構成を有するn型MISトランジスタQnは、パワーMISトランジスタとして適用され得る。以下では、上記のn型MISトランジスタQnを有する本実施の形態1の半導体装置の製造方法について、詳しく説明する。 The n-type MIS transistor Qn having the above configuration can be applied as a power MIS transistor. Hereinafter, a method for manufacturing the semiconductor device of the first embodiment having the n-type MIS transistor Qn will be described in detail.
まず、本実施の形態1の製造方法で用いる半導体製造装置について、図2〜図4を用いて詳しく説明する。 First, a semiconductor manufacturing apparatus used in the manufacturing method of the first embodiment will be described in detail with reference to FIGS.
図2は、本実施の形態1の製造方法で用いる半導体製造装置2(クラスター装置)の全体上面図である。半導体製造装置2は、スパッタリング装置(Mo系スパッタリングチャンバ3、Al系スパッタリングチャンバ4、Ti系スパッタリングチャンバ5)、熱処理装置(熱処理チャンバ6)、エッチング装置(ドライエッチングチャンバ7)を備えている。この半導体製造装置2には複数のウェハカセット8を常圧下で収容するロードポート9がある。ロードポート9に収容されたウェハ状のシリコン基板1は、2つのロードロック室10のいずれかを介して、真空に変換されて真空搬送室11を通して各処理チャンバ3〜7に供給される。排出時はその逆である。
FIG. 2 is an overall top view of the semiconductor manufacturing apparatus 2 (cluster apparatus) used in the manufacturing method of the first embodiment. The
図3は、半導体製造装置2のうち、特に、Al系スパッタリングチャンバ4(またはTi系スパッタリングチャンバ5)の詳細構造を示す正断面図である。シリコン基板1は、膜を堆積する面を上にして、ウェハステージ12上の静電チャック(Electrostatic chuck:ESC)13上に設置される。スパッタリングチャンバ4,5の上方には励起電極14が設けられており、その下面にはスパッタリングターゲット15が設置されている。更に、Al系スパッタリングチャンバ4にはガス供給系16が備えられ、アルゴン(Ar)ガスや、他に必要なガスを供給し得る機構となっている。
FIG. 3 is a front sectional view showing a detailed structure of the Al-based sputtering chamber 4 (or Ti-based sputtering chamber 5) in the
図4は、半導体製造装置2のうち、特に、ドライエッチングチャンバ7の詳細構造を示す正断面図である。シリコン基板1は、エッチングの対象となる面を上にして、下部電極17上のウェハステージ18上に設置される。この下部電極17には高周波(radio frequency:RF)電源19が接続されている。一方、ドライエッチングチャンバ7の上方には、上部電極20が設けられている。更に、ドライエッチングチャンバ7には、上記と同様のガス供給系16が備えられている。
FIG. 4 is a front sectional view showing a detailed structure of the
図5は、本実施の形態1の半導体装置の製造方法を示すフロー図である。本図5のフローおよび上記図2〜図4の製造装置を参照しながら、以下で本実施の形態1の製造方法を説明する。図6以降は、本実施の形態1の半導体装置の製造工程中における要部断面図を示している。 FIG. 5 is a flowchart showing the method for manufacturing the semiconductor device of the first embodiment. The manufacturing method of the first embodiment will be described below with reference to the flow of FIG. 5 and the manufacturing apparatus of FIGS. 6 and subsequent drawings show cross-sectional views of main parts during the manufacturing process of the semiconductor device of the first embodiment.
図6に示すように、シリコン基板(半導体基板)1にn型MISトランジスタ(半導体素子)Qnを形成する(図5の工程s01)。以下では、その工程をより具体的に説明する。 As shown in FIG. 6, an n-type MIS transistor (semiconductor element) Qn is formed on a silicon substrate (semiconductor substrate) 1 (step s01 in FIG. 5). Below, the process is demonstrated more concretely.
シリコン基板1は高純度の単結晶シリコンを母材とした平面略円形状の薄板(ウェハと称される)であり、十分低抵抗となるように高濃度のn型不純物を含んだものを用いる。n型の不純物とは、IV族のシリコン中でドナーとなるV族のリン(P)、ヒ素(As)などである(以下同様)。シリコン基板1上に数μm程度の厚さのn型素子領域nwを形成する。n型素子領域nwは、n型となる不純物を含む単結晶シリコンからなる半導体領域であり、例えば、エピタキシャル成長などにより形成する。n型素子領域nwのn型不純物濃度は、シリコン基板1のn型不純物濃度よりも低い。なお、シリコン基板1上のn型素子領域nwまでを含めて基板材料とする場合がある。以下の説明では、シリコン基板1上のn型素子領域nwの表面を、シリコン基板1の主面f1として記述する。
The
続いて、シリコン基板1の主面f1から厚さ方向に延びるトレンチ(溝)trを、フォトリソグラフィ法やドライエッチング法などにより形成する。その後、トレンチtrの内面にゲート絶縁膜GIを形成する。これには、例えば、トレンチtrの内面を含むシリコン基板1の主面f1を熱酸化することで、酸化シリコンを主体とする絶縁膜からなるゲート絶縁膜GIを形成する。続いて、ゲート絶縁膜GIを覆い、トレンチtrを埋め込むようにゲート電極GEを形成する。これには、例えば、トレンチtrの内部を含むシリコン基板1の主面f1上に、化学気相成長(Chemical Vapor Deposition:CVD)法により、多結晶シリコン(ポリシリコン)を形成する。その後、フォトリソグラフィ法やドライエッチング法などにより、不要部分の多結晶シリコン膜を除去することで、ゲート電極GEを形成する。
Subsequently, a trench (groove) tr extending in the thickness direction from the main surface f1 of the
その後、シリコン基板1の主面f1のうち、上記で形成したゲート構造(トレンチtr、ゲート絶縁膜GI、ゲート電極GE)に挟まれた領域に、p型ウェル領域pwを形成する。これには、例えば、シリコン基板1の主面f1にp型となる不純物をイオン注入し、その後、活性化および拡散のための熱処理(アニール)を施すことで、p型ウェル領域pwを形成する。p型の不純物とは、IV族のシリコン中でアクセプタとなるIII族のホウ素(B)などである(以下同様)。ここでは、p型ウェル領域pwの主面f1からの深さが、トレンチtrよりも深くならないように調整する。
Thereafter, a p-type well region pw is formed in a region sandwiched between the gate structures (trench tr, gate insulating film GI, and gate electrode GE) formed above in the main surface f1 of the
続いて、シリコン基板1の主面f1のうち、p型ウェル領域pwの表面付近に、n型ソース領域nsを形成する。これには、例えば、シリコン基板1の主面f1にn型となる不純物をイオン注入し、その後、活性化および拡散のための熱処理を施すことで、n型ソース領域nsを形成する。ここでは、n型ソース領域nsのn型不純物濃度は、n型素子領域nwのn型不純物濃度よりも高くなるようにして形成する。なお、上記のp型ウェル領域pwを形成する工程と、n型ソース領域nsを形成する本工程とで、注入した不純物を活性化および拡散させるための熱処理工程の条件が同じであれば、両者を共有させてもよい。これにより、工程を簡略化できる。
Subsequently, an n-type source region ns is formed in the main surface f1 of the
以上の工程により、トレンチtr、ゲート絶縁膜GIおよびゲート電極GEからなるゲート構造、ソース端子の役割を担うn型ソース領域ns、ドレイン端子の役割を担うn型素子領域nw、および、チャネル領域となるp型ウェル領域pwを形成した。即ち、本工程によりシリコン基板1の主面f1に、n型MISトランジスタQnの基本構成を形成したことになる。
Through the above process, the gate structure including the trench tr, the gate insulating film GI and the gate electrode GE, the n-type source region ns serving as the source terminal, the n-type element region nw serving as the drain terminal, and the channel region A p-type well region pw was formed. That is, the basic configuration of the n-type MIS transistor Qn is formed on the main surface f1 of the
次に、図7に示すように、シリコン基板1の主面f1において、n型MISトランジスタQnのゲート電極GEなどを覆うようにして、層間絶縁膜ILを形成する(図5の工程s02)。これには、例えばCVD法などにより、酸化シリコンを主体とする絶縁膜からなる層間絶縁膜ILを形成する。また、例えば、600nm程度のCVD−PSG(phospho silicate glass)膜上に、100nm程度のSOG(spin on glass)を形成した、二層の酸化シリコン膜を層間絶縁膜ILとしても良い。
Next, as shown in FIG. 7, an interlayer insulating film IL is formed on the main surface f1 of the
続く工程では、層間絶縁膜ILに上記図1に示したようなコンタクトホール(接続孔)CHを形成する(図5の工程s03〜工程s07)。即ち、層間絶縁膜ILに対し、それを貫通し、n型MISトランジスタQnを形成したシリコン基板1の主面に達するようなコンタクトホールCHを形成する。以下では、その工程をより詳しく説明する。
In subsequent steps, contact holes (connection holes) CH as shown in FIG. 1 are formed in the interlayer insulating film IL (steps s03 to s07 in FIG. 5). That is, a contact hole CH is formed through the interlayer insulating film IL so as to reach the main surface of the
まず、図8に示すように、層間絶縁膜IL上にフォトレジスト膜21を形成する。フォトレジスト膜21は、後の工程でエッチングにより除去する部分の層間絶縁膜ILが露出するような開口パターンを有している。これは、全面的に塗布したフォトレジスト膜21を、フォトリソグラフィ法などによってパターニングすることで形成する。
First, as shown in FIG. 8, a
次に、図9に示すように、フォトレジスト膜21をエッチングマスクとして、層間絶縁膜ILに異方的なドライエッチングを施すことで、フォトレジスト膜21の開口部に露出した部分の層間絶縁膜ILを除去する。このようにして、層間絶縁膜ILには、シリコン基板1の主面f1まで貫通し、かつ、フォトレジスト膜21の開口部とほぼ同じ平面パターンを有する第1孔部h1を形成する(図5の工程s03)。本工程により、n型MISトランジスタQnの一部分であるシリコン基板1の主面f1(特にn型ソース領域nsの一部)を露出させるように、層間絶縁膜ILの一部に第1孔部h1を形成する。その後、フォトレジスト膜21を除去する。
Next, as shown in FIG. 9, by performing anisotropic dry etching on the interlayer insulating film IL using the
次に、図10に示すように、層間絶縁膜ILをエッチングマスクとして、シリコン基板1に異方的なドライエッチングを施すことで、層間絶縁膜ILの第1孔部h1に露出した部分のシリコン基板1を除去する。このようにして、層間絶縁膜ILの第1孔部h1に露出した部分のシリコン基板1の主面f1を削って、他の部分の主面f1よりも低い第2孔部h2を形成する(図5の工程s04)。このように、シリコン基板1の主面f1の第2孔部h2は、層間絶縁膜ILをエッチングマスクとした異方性エッチングにより形成する。そのため、シリコン基板1の第2孔部h2は、その平面的な輪郭形状が層間絶縁膜ILの第1孔部h1と重なるように形成される。更に、本工程では、第2孔部h2のシリコン基板1の主面f1からの深さは、n型ソース領域nsよりも深く、その底部がp型ウェル領域pw内に位置するように加工する。
Next, as shown in FIG. 10, by performing anisotropic dry etching on the
以上の工程により、第1孔部h1と第2孔部h2とを有するコンタクトホールCHの基本構成が形成されたことになる。一方、以下で詳しく説明する後の工程を施すことで、コンタクトホールCHの形状は変わり、最終的には、図5の工程s07を終えた段階で、本実施の形態1のコンタクトホールCHが完成する。 Through the above steps, the basic configuration of the contact hole CH having the first hole h1 and the second hole h2 is formed. On the other hand, the shape of the contact hole CH is changed by performing the subsequent steps described in detail below. Finally, the contact hole CH of the first embodiment is completed at the stage where the step s07 in FIG. 5 is completed. To do.
続く工程では、p型ウェル領域pw内のうち、シリコン基板1の第2孔部h2の底面付近の領域に、p型コンタクト領域pcを形成する。これには、層間絶縁膜ILをイオン注入マスクとしてシリコン基板1にp型となる不純物をイオン注入し、熱処理を施すことで、p型の半導体領域であるp型コンタクト領域pcを形成する。
In the subsequent process, a p-type contact region pc is formed in a region near the bottom surface of the second hole h2 of the
イオン注入の対象であるp型ウェル領域pwは既にp型の半導体領域であったから、更にp型の不純物を導入して形成したp型コンタクト領域pcは、よりp型不純物濃度の高い領域となる。即ち、p型コンタクト領域pcは、p型ウェル領域よりも低い抵抗値を有する。このように低抵抗であるp型コンタクト領域pcは、後の電極導体膜E1(上記図1参照)とp型ウェル領域pwとのオーミック接続を実現するために形成する。 Since the p-type well region pw to be ion-implanted is already a p-type semiconductor region, the p-type contact region pc formed by further introducing p-type impurities becomes a region having a higher p-type impurity concentration. . That is, the p-type contact region pc has a lower resistance value than the p-type well region. The p-type contact region pc having a low resistance is formed in order to realize ohmic connection between the electrode conductor film E1 (see FIG. 1) and the p-type well region pw.
続いて、コンタクトホールを埋め込むように電極導体膜E1を形成する工程に移る。ここで、ドライエッチングやイオン注入など、上記の種々の工程を施されたシリコン基板1の表面には自然酸化膜が形成されている。そして、このような自然酸化膜は抵抗値が高く、電極導体膜E1を形成する前に除去しておく必要がある。そこで、本実施の形態1の製造方法では、スパッタリング前洗浄と称して、シリコン基板1の表面酸化膜の除去を行う(図5の工程s05)。ここでは、酸化シリコン膜のエッチャントとなるフッ酸(弗化水素酸、HF)とフッ化アンモニウム(NH4F)との混合液(バッファードフッ酸、例えば重量比1:20)にシリコン基板1を浸すことで、シリコン基板1に等方的なウェットエッチングを施す。これにより、シリコン基板1を洗浄する。
Subsequently, the process proceeds to the step of forming the electrode conductor film E1 so as to fill the contact hole. Here, a natural oxide film is formed on the surface of the
このとき、図11に示すように、酸化シリコン膜からなる層間絶縁膜ILも当該ウェットエッチングの作用を受け、エッチング時間に応じて等方的に除去される。即ち、本工程の等方的なウェットエッチングによって、層間絶縁膜ILの第1孔部h1の平面的な輪郭が、シリコン基板1の第2孔部h2の平面的な輪郭よりも大きくなるように後退する。一例として、第1孔部h1の輪郭から第2孔部h2の輪郭まで、80nm程度後退させるように、層間絶縁膜ILに対して等方的なウェットエッチングを施す。
At this time, as shown in FIG. 11, the interlayer insulating film IL made of a silicon oxide film is also subjected to the wet etching and isotropically removed according to the etching time. That is, by the isotropic wet etching in this process, the planar outline of the first hole h1 of the interlayer insulating film IL is larger than the planar outline of the second hole h2 of the
ここで、層間絶縁膜ILの第1孔部h1の輪郭がシリコン基板1の第2孔部h2の輪郭よりも後退したため、シリコン基板1の主面f1であり、n型ソース領域nsの表面が一部露出する。言い換えれば、本工程を施した段階で、n型ソース領域nsは、第2孔部h2の側壁部分に加え、表面の一部が露出したことになる。この露出部分は、後に電極導体膜E1との接続部分となる。即ち、電極導体膜E1と接触するn型ソース領域nsの表面積がより広がることになり、これは、大電流を扱うパワーデバイスとしてのn型MISトランジスタQnにとって、より好適な構造である。
Here, since the outline of the first hole h1 of the interlayer insulating film IL has receded from the outline of the second hole h2 of the
なお、図5では、スパッタリング前洗浄の工程s05をコンタクトホールCH形成工程の一部として示したが、スパッタリング前洗浄の工程s05自体は、シリコン基板1の表面に形成された自然酸化膜を除去することを目的としている。ただし、上記図11を用いて説明したように、このスパッタリング前洗浄の工程s05によって、コンタクトホールCHを構成する第1孔部h1の輪郭形状が決まる。従って、図5では、スパッタリング前洗浄の工程s05はコンタクトホールCH形成工程の一部であるように示した。
In FIG. 5, the pre-sputtering cleaning step s05 is shown as a part of the contact hole CH forming step, but the pre-sputtering cleaning step s05 itself removes the natural oxide film formed on the surface of the
上記のスパッタリング前洗浄工程(図5の工程s05)を施した後、シリコン基板1を、上記図2を用いて説明した半導体製造装置2に投入する。以下、半導体製造装置2の各要素においては、上記図2〜上記図4を参照する。まず、シリコン基板1を熱処理チャンバ6に移送して熱処理を施すことで、脱ガス処理(プリヒート)を施す(図5の工程s06)。ここでは、例えば、摂氏400度程度に設定し、50秒程度加熱する。その後、シリコン基板1をドライエッチングチャンバ7に移送して、アルゴン雰囲気中で、スパッタリングエッチング処理を施す(図5の工程s07)。より具体的には、高周波パワー400Wで30秒程度のアルゴンスパッタリングを施す。
After performing the pre-sputtering cleaning step (step s05 in FIG. 5), the
本工程により形成される構造を、図12、図13を用いて詳しく説明する。図12は上記図6〜上記図11と同様の要部断面図であり、図13は、図12の要部p100を拡大して示す拡大断面図である。上記のような、スパッタリングエッチング処理によって、シリコン基板1の第2孔部h2の端部p101がテーパ形状に加工される。
The structure formed by this process will be described in detail with reference to FIGS. 12 is a cross-sectional view of the main part similar to FIGS. 6 to 11, and FIG. 13 is an enlarged cross-sectional view showing the main part p100 of FIG. The end portion p101 of the second hole h2 of the
ここで、テーパ形状に加工することとは、シリコン基板1の第2孔部h2の端部p101の形状を見たときに、その断面がなだらかな曲線を描くような形状となるように加工することをいう。言い換えれば、シリコン基板1の主面であり、n型ソース領域nsの表面において、ゲート電極GEから離れる方向に沿って見た場合、その表面が平坦なまま端部である第2孔部h2に達するのではなく、なだらかに傾斜して第2孔部h2に達するような形状に加工する。これは、アルゴンスパッタリングエッチングでは、他に比べて突出した箇所がエッチングの作用を受けやすいことを利用し、段丘状の第2孔部h2の端部が優先的に削られる現象による。
Here, processing into a tapered shape means processing so that the cross-section of the
以上、上記図8〜上記図12の工程(図5の工程s03〜工程s07)のようにして、第1孔部h1と第2孔部h2とを有するコンタクトホール(接続孔)CHが完成する。特に、本実施の形態1の半導体装置の製造方法において、コンタクトホールCHの構成要素である第2孔部h2の端部を、上記のようにテーパ形状に加工することの効果は後に詳しく説明する。 As described above, the contact hole (connection hole) CH having the first hole portion h1 and the second hole portion h2 is completed as in the steps of FIGS. 8 to 12 (steps s03 to s07 in FIG. 5). . In particular, in the method of manufacturing the semiconductor device according to the first embodiment, the effect of processing the end of the second hole h2 that is a component of the contact hole CH into a tapered shape as described above will be described in detail later. .
続く工程では、シリコン基板1をTi系スパッタリングチャンバ5に移送する。そして、図14に示すように、コンタクトホールCHの内壁を覆うようにして、シリコン基板1の主面f1上にバリア導体膜BEを堆積する(図5の工程s08)。より詳しくは、Ti系スパッタリングチャンバ5の中で、スパッタリング法により、チタンを主体とする導体膜を10nm程度堆積し、続いて、窒化チタンを主体とする導体膜を70nm程度堆積する。その他、バリア導体膜BEとしては、モリブデンシリサイドを主体とする導体膜や、チタンタングステンを主体とする導体膜であっても良い。
In the subsequent process, the
本図14の要部p200の拡大図である図15に示すように、本実施の形態1の製造方法によれば、コンタクトホールCHの内壁を一様に覆うようにして、バリア導体膜BEを形成できる。これに関しては、後により詳しく説明する。 As shown in FIG. 15 which is an enlarged view of the main part p200 of FIG. 14, according to the manufacturing method of the first embodiment, the barrier conductor film BE is formed so as to uniformly cover the inner wall of the contact hole CH. Can be formed. This will be described in more detail later.
続く工程では、シリコン基板1を半導体製造装置2の外部に出し、他の熱処理装置(例えば炉体など)に移送される。そこで、例えば、摂氏550〜摂氏650度で10分程度、常圧の窒素雰囲気で熱処理を施す(図5の工程s09)。本工程により、上記で形成したチタン膜を有するバリア導体膜BEとシリコン基板1とが接している箇所でシリサイド化反応が起こり、抵抗値のより低い金属シリサイド層(この場合チタンシリサイド層)が形成される。これにより、バリア導体膜BEとシリコン基板1(特に、n型ソース領域nsおよびp型コンタクト領域pc)との界面の抵抗値が下がり、また、密着性が向上する。
In the subsequent process, the
続いて、シリコン基板1を、再度、半導体製造装置2に投入する。まず、シリコン基板1を熱処理チャンバ6に移送して熱処理を施すことで、脱ガス処理(プリヒート)を施す(図5の工程s10)。ここでは、例えば、摂氏250度程度に設定し、45秒程度加熱する。
Subsequently, the
その後、シリコン基板1をAl系スパッタリングチャンバ4に移送する。続く工程では、このAl系スパッタリングチャンバ4の中で、スパッタリング法により、アルミニウムを主体とする導体膜からなる電極導体膜E1(上記図1参照)を堆積する(図5の工程s11〜工程s14)。これにより、シリコン基板1上のコンタクトホールCHを電極導体膜E1で埋め込む。以下では、本工程をより詳しく説明する。
Thereafter, the
まず、図16に示すように、バリア導体膜BEを覆うようにして、ウェッティング膜E1wを堆積する(図5の工程s11)。即ち、本工程では、バリア導体膜BEを介して、コンタクトホールCHの内壁を覆うようにして、ウェッティング膜E1wを形成する。これには、Al系スパッタリングチャンバ4内でのスパッタリングによって、アルミニウムを主体とする導体膜からなるウェッティング膜E1wを堆積する。より具体的には、次のような条件下で、シリコン基板1上にウェッティング膜E1wを堆積する。即ち、スパッタリングレートは150〜155nm/kW、かつ、18〜22nm/secとなるように設定する。また、シリコン基板1には所定の加熱を施さない。また、ウェッティング膜E1wの膜厚が0.1〜0.5μmとなるように設定する。一例として、上記の条件下で、0.2μm程度の厚さとなるように、シリコン基板1上にウェッティング膜E1wを堆積する。
First, as shown in FIG. 16, a wetting film E1w is deposited so as to cover the barrier conductor film BE (step s11 in FIG. 5). That is, in this step, the wetting film E1w is formed so as to cover the inner wall of the contact hole CH via the barrier conductor film BE. For this purpose, a wetting film E1w made of a conductor film mainly composed of aluminum is deposited by sputtering in the Al-based
本工程でウェッティング膜E1wを形成するのは、更に上層にアルミニウム膜を堆積する際に、同じ材料の膜を予め形成しておくことで濡れ性を向上させ、埋め込み性を高めるためである。この観点から、シリコン基板1に所定の加熱を施さずにスパッタリングすることで、堆積中のアルミニウムの動きを抑え、均一にウェッティング膜E1wを形成できる。更に、本工程でウェッティング膜E1wを形成する際には、上記図3の静電チャック13をオフにすることで、シリコン基板1の昇温をより抑制できる。
The reason why the wetting film E1w is formed in this step is to improve wettability and improve embedding by forming a film of the same material in advance when an aluminum film is further deposited on the upper layer. From this point of view, by sputtering without applying predetermined heating to the
次に、図17に示すように、バリア導体膜BEおよびウェッティング膜E1wを介して、コンタクトホールCHを埋め込むようにして、第1導体膜E1aを堆積する(図5の工程s12)。これには、Al系スパッタリングチャンバ4内でのスパッタリングによって、アルミニウムを主体とする導体膜からなる第1導体膜E1aを堆積する。より具体的には、次のような条件下で、シリコン基板1上に第1導体膜E1aを堆積する。即ち、スパッタリングレートは150〜155nm/kW、かつ、18〜22nm/secとなるように設定する。また、シリコン基板1の温度が、実温度で摂氏400〜500度となるように設定する。また、第1導体膜E1aの膜厚が1〜3μmとなるように設定する。一例として、上記の条件下で、1.55μm程度の厚さとなるように、シリコン基板1上に第1導体膜E1aを堆積する。
Next, as shown in FIG. 17, the first conductor film E1a is deposited so as to fill the contact hole CH through the barrier conductor film BE and the wetting film E1w (step s12 in FIG. 5). For this purpose, a first conductor film E1a made of a conductor film mainly composed of aluminum is deposited by sputtering in the Al-based
続く工程では、シリコン基板1には所定の工程を施さないで待機させる(図5の工程s13)。待機中は、シリコン基板1をAl系スパッタリングチャンバ4内に載置したままでも良いし、ロードロック室10に移送しても良い。いずれにしても、本工程でシリコン基板1を待機させる間も大気に曝露させることなく、真空環境下で扱う。
In the subsequent step, the
次に、図18に示すように、第1導体膜E1aを覆うようにして第2導体膜E1bを堆積する(図5の工程s14)。これには、Al系スパッタリングチャンバ4内でのスパッタリングによって、アルミニウムを主体とする導体膜からなる第2導体膜E1bを堆積する。より具体的には、次のような条件下で、シリコン基板1上に第2導体膜E1bを堆積する。即ち、スパッタリングレートは190〜200nm/kW、かつ、15〜18nm/secとなるように設定する。また、シリコン基板1の温度が、実温度で摂氏400〜500度となるように設定する。また、第2導体膜E1bの膜厚が1〜3μmとなるように設定する。一例として、上記の条件下で、1.75μm程度の厚さとなるように、シリコン基板1上に第2導体膜E1bを堆積する。
Next, as shown in FIG. 18, a second conductor film E1b is deposited so as to cover the first conductor film E1a (step s14 in FIG. 5). For this purpose, a second conductor film E1b made of a conductor film mainly composed of aluminum is deposited by sputtering in the Al-based
以上、図16〜図18を用いて説明した図5の工程s11〜工程s14によって、シリコン基板1上に、ウェッティング膜E1w、第1導体膜E1a、および、第2導体膜E1bからなる電極導体膜E1を堆積する。即ち、本実施の形態1の製造方法によれば、2〜6μmと比較的厚い電極導体膜E1を、1〜3μmの2層の第1、第2導体膜E1a,E1bに分けて堆積する。このようにして、厚い電極導体膜E1を2回以上に分けて堆積することの効果に関しては、後に詳しく説明する。なお、上記の例では、3.5μm程度の厚さとなるように、シリコン基板1上に電極導体膜E1を堆積したことになる。
As described above, the electrode conductor composed of the wetting film E1w, the first conductor film E1a, and the second conductor film E1b on the
また、本実施の形態1の製造方法では、上記の電極導体膜E1を堆積する工程中は、シリコン基板1を大気曝露することなく、真空環境下において各工程を施す。また、本実施の形態1の製造方法では、上記のように、下層の第1導体膜E1aを、上層の第2導体膜E2bよりも速い堆積速度で堆積する。これらの効果に関しても、後に詳しく説明する。
In the manufacturing method of the first embodiment, during the step of depositing the electrode conductor film E1, the steps are performed in a vacuum environment without exposing the
続く工程では、フォトリソグラフィ法や各種のエッチング法により、電極導体膜E1を所望の形状に加工する(図5の工程s15)。その後、裏面電極の形成、切り出し工程、パッケージング工程などへと続く。 In subsequent steps, the electrode conductor film E1 is processed into a desired shape by photolithography and various etching methods (step s15 in FIG. 5). Then, it continues to formation of a back electrode, a cutting-out process, a packaging process, and the like.
ここでは、以上で説明した本実施の形態1の製造方法を構成する各要素がもたらす作用、効果について、詳しく説明する。 Here, the actions and effects brought about by the respective elements constituting the manufacturing method of the first embodiment described above will be described in detail.
本実施の形態1の半導体装置の製造方法では、コンタクトホールCHを形成する際に、上記図12、図13を用いて説明したように、シリコン基板1の第2孔部h2の端部が断面曲線状のテーパ形状となるように加工する。以下では、その効果に関して説明する。
In the method of manufacturing the semiconductor device according to the first embodiment, when the contact hole CH is formed, the end of the second hole h2 of the
例えば、図5の工程s07のスパッタリングエッチングを施さず、シリコン基板1の第2孔部h2の端部をテーパ形状に加工しない状態でその後の工程を施す方法を、本発明者らは検討した。図19には、第2孔部h2の端部をテーパ状に加工せずに、バリア導体膜BEを形成する工程中の断面図を示す。図20は、同工程中におけるコンタクトホールCH付近の要部p300の拡大図である。
For example, the present inventors have studied a method in which the subsequent process is performed in a state where the end of the second hole h2 of the
第2孔部h2の端部にテーパ状の加工を施さず、断面直線状の段丘部を有したままであると、その端部p301において、バリア導体膜BEが庇状に形成される(オーバーハング)。このように庇状にバリア導体膜BEが形成され始めると、その庇の下ではバリア導体膜BEが形成され難く、結果として、局所的にバリア導体膜BEが薄い部分が形成されてしまう。即ち、コンタクトホールCHの内壁に対するバリア導体膜BEのカバレージが低下する。 If the end portion of the second hole h2 is not tapered and has a stepped portion having a linear cross section, the barrier conductor film BE is formed in a bowl shape at the end portion p301 (over). hang). When the barrier conductor film BE starts to be formed in a bowl shape in this way, the barrier conductor film BE is hardly formed under the bowl, and as a result, a portion where the barrier conductor film BE is locally thin is formed. That is, the coverage of the barrier conductor film BE with respect to the inner wall of the contact hole CH is lowered.
バリア導体膜BEの薄い箇所では、後に堆積する電極導体膜E1材料がシリコン基板1に侵入することによる、電気特性の変調などを起こし得る。これは、製造した半導体装置の信頼性を低下させる一原因となる。また、電極導体膜E1材料がシリコン基板1のn型ソース領域nsに侵入した状態で、工程に依る昇温が施された場合、両者の合金化が起こる(アロイピットの生成)。このように、抵抗値の低い合金層が形成されると、接合リークを増加させるなど、半導体装置の信頼性を低下させる一原因となる。
In the thin portion of the barrier conductor film BE, the material of the electrode conductor film E1 deposited later may cause an electrical characteristic modulation or the like due to the
これに対し、本実施の形態1の半導体装置の製造方法では、第2孔部h2の端部を断面曲線状のテーパ状に加工している。これにより、上記図14、図15の工程においてバリア導体膜BEを形成する際に、オーバーハングを起こし難くすることができる(上記図15の端部p201)。従って、後に形成する電極導体膜E1のシリコン基板1への侵入による電気特性の変調や、合金化による接合リークの増加などを、回避し易い構造とすることができる。結果として、電極導体膜を有する半導体装置の信頼性を向上させることができる。
On the other hand, in the manufacturing method of the semiconductor device according to the first embodiment, the end of the second hole h2 is processed into a taper shape having a curved cross section. Thereby, when the barrier conductor film BE is formed in the steps of FIGS. 14 and 15, overhang can be made difficult to occur (end portion p <b> 201 in FIG. 15). Therefore, it is possible to make a structure in which it is easy to avoid modulation of electrical characteristics due to penetration of the electrode conductor film E1 formed later into the
また、本実施の形態1の半導体装置の製造方法では、電極導体膜E1を堆積する際に、上記図17、図18を用いて説明したように、第1導体膜E1aと第2導体膜E1bとの2層に分けて、電極導体膜E1を堆積する。以下では、その効果に関して説明する。 Further, in the method of manufacturing the semiconductor device of the first embodiment, when the electrode conductor film E1 is deposited, as described with reference to FIGS. 17 and 18, the first conductor film E1a and the second conductor film E1b. The electrode conductor film E1 is deposited in two layers. Below, the effect is demonstrated.
スパッタリングによって、2〜6μmと比較的厚い電極導体膜E1をシリコン基板1に堆積する場合、上述のように、堆積中の輻射熱による昇温によって、電極導体膜E1のコンタクト構造を正常に形成するのが困難であるという課題が見出されている。これに対し、本実施の形態1の半導体装置の製造方法によれば、2層に分けて電極導体膜E1を堆積し、各層を堆積する工程の間で一時待機する工程を有するため、継続的な堆積による昇温を抑制できる。これにより、バリア導体膜BEとシリコン基板1との合金層のエッチング残りや、電極導体膜E1材料とシリコン基板1との合金化が起こり難くなる。結果として、電極導体膜を有する半導体装置の信頼性をより向上させることができる。
When a relatively thick electrode conductor film E1 of 2 to 6 μm is deposited on the
更に、本実施の形態1の製造方法では、電極導体膜E1を形成する工程のうち、下層の第1導体膜E1aを、上層の第2導体膜E2bよりも速い堆積速度で堆積している。特に、第1導体膜E1aを18〜22nm/secで堆積し、第2導体膜E1bを15〜18nm/secで堆積する方法を示した。このように、下層の第1導体膜E1aを比較して速い堆積速度で堆積することで、コンタクトホールCHに対する埋め込み性を向上させることができる。また、上層の第2導体膜E1bを比較して遅い堆積速度で堆積することで、リフロー性が向上し、表面がより平坦になるように電極導体膜E1を堆積できる。これらの効果により、後の工程による電極導体膜E1自体の侵食や、電気特性の劣化の原因となるボイドの生成を低減できる。結果として、電極導体膜を有する半導体装置の信頼性をより向上させることができる。特に、上記の効果をもたらす方法の要素は、第1導体膜E1の堆積速度の制御という方法であるため、シリコン基板1の過度の加熱を要せずに、ボイドの生成を低減できる。即ち、上述の、ボイドを無くすための半導体基板の昇温と、意図しない合金層の形成を回避したいという要求の間にあるトレードオフの関係を解消しつつ、効果を得ることができる方法である。
Further, in the manufacturing method of the first embodiment, in the step of forming the electrode conductor film E1, the lower first conductor film E1a is deposited at a higher deposition rate than the upper second conductor film E2b. In particular, a method of depositing the first conductor film E1a at 18 to 22 nm / sec and depositing the second conductor film E1b at 15 to 18 nm / sec was shown. In this way, by depositing the lower-layer first conductor film E1a at a higher deposition rate, the burying property with respect to the contact hole CH can be improved. Further, by depositing the upper second conductive film E1b at a slower deposition rate, the reflow property is improved, and the electrode conductive film E1 can be deposited so that the surface becomes flatter. Due to these effects, it is possible to reduce the generation of voids that cause the erosion of the electrode conductor film E1 itself and the deterioration of electrical characteristics in the subsequent steps. As a result, the reliability of the semiconductor device having the electrode conductor film can be further improved. In particular, since an element of the method that brings about the above effect is a method of controlling the deposition rate of the first conductor film E1, generation of voids can be reduced without requiring excessive heating of the
また、本実施の形態1の半導体装置の製造方法では、電極導体膜E1を形成する工程中は、待機工程(図5の工程s13)も含め、シリコン基板1を大気曝露することなく、真空環境下で扱う。これにより、電極導体膜E1を完成する途中での酸化膜の生成を抑制できる。例えば、第1導体膜E1aを堆積した後、第2導体膜E1bを堆積する間にもシリコン基板1は大気曝露しないから、第1導体膜E1a表面における酸化膜の生成を抑制できる。大電流、高電圧のパワーデバイスとしてのn型MISトランジスタQnにおいて、電極導体膜E1中に抵抗値の高い酸化膜が生成されることは、電流駆動力を低下させ、半導体装置の信頼性を低下させる一原因となる。この観点から、本実施の形態1の半導体装置の製造方法によれば、酸化膜を生成し難い電極導体膜E1を形成することができ、結果として、電極導体膜を有する半導体装置の信頼性をより向上させることができる。
Further, in the method of manufacturing the semiconductor device according to the first embodiment, the vacuum environment can be obtained without exposing the
また、例えば、第1導体膜E1aと第2導体膜E1bとを、シリコン基板1に対して異なる加熱条件下で形成する場合、その昇温、降温のための時間が余計に必要である。その時間を省略するためには、異なるチャンバを導入する方法が考えられる。これに対し、本実施の形態1の製造方法によれば、第1導体膜E1aと第2導体膜E1bとを同じシリコン基板1の加熱条件下で堆積するため、昇温、降温の時間を要することなく、また、同一のAl系スパッタリングチャンバ4内で堆積することができる。これにより、電極導体膜を有する半導体装置の製造装置を小型化することができる。また、電極導体膜を有する半導体装置の生産性を向上できる。
Further, for example, when the first conductor film E1a and the second conductor film E1b are formed on the
また、本実施の形態1の半導体装置の製造方法では、電極導体膜E1を構成する導体膜として、最下層にウェッティング膜E1wを形成した。昇温工程に依らずに電極導体膜E1に生成するボイドを低減する製造方法としては、上述のように、電極導体膜E1を2層に分けて堆積する工程を要素として含んだ製造方法であれば、十分効果的である。一方、本実施の形態1の半導体装置の製造方法としては、更に、電極導体膜E1の最下層としてウェッティング膜E1wを形成する方が、より好ましい。その理由は、以下の通りである。即ち、下層にウェッティング膜E1wを形成しておくことは、上層に同様の材料(アルミニウム)からなる第1導体膜E1aを堆積する際の濡れ性を向上させ、埋め込み性を高める効果を有する。これにより、コンタクトホールCH内に電極導体膜E1を埋め込む際に、よりボイドを生じ難くすることができる。結果として、電極導体膜を有する半導体装置の信頼性をより向上させることができる。 Further, in the method of manufacturing the semiconductor device of the first embodiment, the wetting film E1w is formed in the lowermost layer as the conductor film constituting the electrode conductor film E1. As described above, the manufacturing method for reducing voids generated in the electrode conductor film E1 without depending on the temperature raising step may be a manufacturing method including the step of depositing the electrode conductor film E1 in two layers as an element. It is effective enough. On the other hand, as a manufacturing method of the semiconductor device of the first embodiment, it is more preferable to form the wetting film E1w as the lowermost layer of the electrode conductor film E1. The reason is as follows. That is, the formation of the wetting film E1w in the lower layer has the effect of improving the wettability when the first conductor film E1a made of the same material (aluminum) is deposited in the upper layer and improving the embedding property. Thereby, when embedding the electrode conductor film E1 in the contact hole CH, it is possible to make a void less likely to occur. As a result, the reliability of the semiconductor device having the electrode conductor film can be further improved.
また、同様のこの観点から、シリコン基板1に所定の加熱を施さずにスパッタリングすることで、堆積中のアルミニウムの動きを抑えることができる。更に、本工程でウェッティング膜E1wを形成する際には、上記図3の静電チャック13をオフにすることで、シリコン基板1の昇温をより抑制できる。このようにすることで、より均一なウェッティング膜E1wを形成することができる。これにより、コンタクトホールCH内に電極導体膜E1を埋め込む際に、よりボイドを生じ難くすることができる。結果として、電極導体膜を有する半導体装置の信頼性をより向上させることができる。
Further, from this same viewpoint, the movement of aluminum during deposition can be suppressed by sputtering the
(実施の形態2)
本実施の形態2の半導体装置の製造方法を詳しく説明する。本実施の形態2では、以下で説明する製造工程を除いて、上記実施の形態1の半導体装置の製造方法と同様の工程を施す。即ち、上記図1〜図3を用いて説明した半導体製造装置2を用い、上記図5を用いて説明したフローに基づいて、工程を施す。まず、上記図6〜図15を用いて説明した工程と同様にして、シリコン基板1上にn型MISトランジスタQn、層間絶縁膜IL、コンタクトホールCH、および、バリア導体膜BEを形成する。
(Embodiment 2)
A method for manufacturing the semiconductor device according to the second embodiment will be described in detail. In the second embodiment, the same processes as those of the semiconductor device manufacturing method of the first embodiment are performed except for the manufacturing processes described below. That is, a process is performed based on the flow described with reference to FIG. 5 using the
続く工程では、バリア導体膜BEを介してコンタクトホールCHを埋め込むようにして、電極導体膜E1を堆積する。以下では、その電極導体膜E1の堆積方法に関して、複数種類の堆積方法を説明する。 In the subsequent process, the electrode conductor film E1 is deposited so as to fill the contact hole CH through the barrier conductor film BE. Hereinafter, a plurality of kinds of deposition methods will be described with respect to the deposition method of the electrode conductor film E1.
電極導体膜E1の第1の堆積方法としては、上記実施の形態1の工程の中で説明した堆積方法がある。ここでは、まず、薄いウェッティング膜E1wを堆積し、その上に、堆積速度が比較的速いスパッタリング条件で第1導体膜E1aを堆積した後、一時シリコン基板1を待機させ、続いて、堆積速度が比較的遅いスパッタリング条件で第2導体膜E1bを堆積した。また、第1導体膜E1aおよび第2導体膜E1bを堆積する際のシリコン基板1の温度は、実温度が摂氏400〜500度となるように条件を設定した。このようにして電極導体膜E1を形成することの効果は、上記実施の形態1において説明した通りである。
As the first deposition method of the electrode conductor film E1, there is the deposition method described in the process of the first embodiment. Here, first, a thin wetting film E1w is deposited, and a first conductor film E1a is deposited thereon under sputtering conditions with a relatively high deposition rate, and then the
本実施の形態2の半導体装置の製造方法において、電極導体膜E1の第2、第3の堆積方法に関する以下の点は、上記第1の堆積方法と同様である。即ち、1層目の第1導体膜E1aは、2層目の第2導体膜E1bの堆積速度よりも速い堆積速度となる条件で堆積する。そのため、第1、第2導体膜E1a,E1bを堆積するためのスパッタリングレートの条件も、上記と同様である。従って、このような堆積速度で第1、第2導体膜E1a,E1bを堆積することによる効果に関しても、同様の効果を有する。 In the method of manufacturing the semiconductor device according to the second embodiment, the following points regarding the second and third deposition methods of the electrode conductor film E1 are the same as those of the first deposition method. That is, the first conductor film E1a in the first layer is deposited under conditions that provide a deposition rate faster than the deposition rate of the second conductor film E1b in the second layer. Therefore, the sputtering rate conditions for depositing the first and second conductor films E1a and E1b are the same as described above. Accordingly, the same effect can be obtained with respect to the effect obtained by depositing the first and second conductor films E1a and E1b at such a deposition rate.
電極導体膜E1の第2の堆積方法を、上記図14、図15で説明した工程に続く工程として説明する。電極導体膜E1の第2の堆積方法では、以下の点を除いて、上記図16〜図18で説明した工程と同様の工程を施す。電極導体膜E1の第2の堆積方法では、シリコン基板1の温度が、実温度で摂氏280〜320度となるような条件で加熱して、第1および第2導体膜E1a,E1bを堆積する(図5の工程s12および工程s14)。即ち、電極導体膜E1の第2の堆積方法では、上記第1の堆積方法と比較して、シリコン基板1の温度が低くなるように設定して、第1および第2導体膜E1a,E1bを堆積する。なお、一例として、第1および第2導体膜E1a,E1bの膜厚は、それぞれ2.75μm程度であり、電極導体膜E1全体では5.5μm程度の膜厚となるように堆積する。
A second deposition method of the electrode conductor film E1 will be described as a step subsequent to the steps described with reference to FIGS. In the second deposition method of the electrode conductor film E1, the same processes as those described in FIGS. 16 to 18 are performed except for the following points. In the second deposition method of the electrode conductor film E1, the first and second conductor films E1a and E1b are deposited by heating under the condition that the temperature of the
このように、シリコン基板1の温度を低く設定して第1および第2導体膜E1a,E1bを堆積することで、特に、1層目の第1導体膜E1aをより平坦に堆積できる。下層の第1導体膜E1aをより平坦に堆積できれば、上層の第2導体膜E1bにおいても、より平坦に堆積し得る。積層導体膜が平坦であることは、素子特性の安定性の向上や、更に上層に堆積するパッシベーション膜の密着性の向上などに効果的である。結果として、電極導体膜を有する半導体装置の信頼性をより向上させることができる。
Thus, by depositing the first and second conductor films E1a and E1b with the temperature of the
また、電極導体膜E1の第2の堆積方法においては、第1の堆積方法と比較してシリコン基板1の加熱条件が異なるものの、第1導体膜E1aと第2導体膜E1bとを同一のシリコン基板1の加熱条件下で堆積するという点で同様である。第1導体膜E1aと第2導体膜E1bとを同一のシリコン基板1の加熱条件下で堆積するということの効果に関しては、上記実施の形態1での説明と同様である。
Further, in the second deposition method of the electrode conductor film E1, the heating conditions of the
また、電極導体膜E1の第2の堆積方法は、上記の通りで十分効果的であるが、更に、第2導体膜E1bを堆積した後に熱処理(ポストヒート)を施す方が、より好ましい。より詳しくは、第2導体膜E1bを堆積する工程s14を施した後、シリコン基板1を熱処理チャンバ6に移送し、シリコン基板1が摂氏350〜400度となるような条件で熱処理を施す。これにより、堆積した電極導体膜E1をリフローさせ、埋め込み性を向上させることができる。従って、電極導体膜E1の第1の堆積方法と比較して、全体的に堆積温度が低かった第2の堆積方法においても、よりボイドの少ない電極導体膜E1を堆積することができる。結果として、電極導体膜を有する半導体装置の信頼性をより向上させることができる。
In addition, the second deposition method of the electrode conductor film E1 is sufficiently effective as described above, but it is more preferable to perform heat treatment (post heat) after depositing the second conductor film E1b. More specifically, after performing step s14 for depositing the second conductor film E1b, the
なお、上記のポストヒート工程では、第1および第2導体膜E1a,E1b堆積時と異なるシリコン基板1の加熱条件となっている。ただし、ポストヒート工程は、第1および第2導体膜E1a,E1bを堆積するAlスパッタリングチャンバ4とは異なる熱処理チャンバ6内で施すから、スループットの向上を妨げる要因とはならない。
In the post-heating process, the heating conditions for the
電極導体膜E1の第3の堆積方法を、上記図14、図15で説明した工程に続く工程として説明する。電極導体膜E1の第3の堆積方法では、以下の点を除いて、上記図16〜図18で説明した工程と同様の工程を施す。電極導体膜E1の第3の堆積方法では、まず、シリコン基板1の温度が、実温度で摂氏280〜320度となるような条件で加熱して、第1導体膜E1aを堆積する(図5の工程s12)。その後、シリコン基板1を一時待機させる(図5の工程s13)。続いて、シリコン基板1の温度が、実温度で摂氏400〜500度となるような条件で加熱して、第2導体膜E1bを堆積する(図5の工程s13)。即ち、電極導体膜E1の第3の堆積方法では、第1導体膜E1aと第2導体膜E1bとでシリコン基板1の温度を変えて、それぞれを堆積する点が、上記第1および第2の堆積方法と比較して異なる。
A third deposition method of the electrode conductor film E1 will be described as a step subsequent to the steps described with reference to FIGS. In the third deposition method of the electrode conductor film E1, the same processes as those described in FIGS. 16 to 18 are performed except for the following points. In the third deposition method of the electrode conductor film E1, first, the first conductor film E1a is deposited by heating the
特に、第1導体膜E1aを堆積するときのシリコン基板1の温度を比較して低く設定し、第2導体膜E1bを堆積するときのシリコン基板1の温度を比較して高く設定することは、以下のような効果を有する。上述のように、コンタクトホールCHを埋め込む第1導体膜E1aにおいては、成長速度を速くして埋め込み性を向上させ、かつ、堆積時のシリコン基板1の温度を低くして平坦性を向上させることが好適である。一方、上層となる第2導体膜E1bにおいては、成長速度を遅くしてリフロー性を向上させ、かつ、堆積時のシリコン基板1の温度を高くして埋め込み性を向上させることが好適である。
In particular, setting the temperature of the
これらの観点から、電極導体膜E1の第3の堆積方法に依れば、上記の好適な条件を満たした堆積方法とすることができる。即ち、電極導体膜E1の堆積方法において、コンタクトホールCHの埋め込み性をより向上させ、かつ、平坦性をより向上させることができる。これにより、よりボイドの生成が少なく、より平坦な電極導体膜E1を形成することができる。結果として、電極導体膜を有する半導体装置の信頼性をより向上させることができる。 From these viewpoints, according to the third deposition method of the electrode conductor film E1, a deposition method satisfying the above-described preferable conditions can be obtained. That is, in the electrode conductor film E1 deposition method, it is possible to further improve the burying property of the contact hole CH and further improve the flatness. As a result, it is possible to form a flatter electrode conductor film E1 with less generation of voids. As a result, the reliability of the semiconductor device having the electrode conductor film can be further improved.
また、上記のようにして堆積時のシリコン基板1の加熱条件を変える、電極導体膜E1の第3の堆積方法においては、それぞれ異なるスパッタリングチャンバ(処理室)内において、第1導体膜E1aと第2導体膜E1bとを堆積する方が、より好ましい。これにより、第1導体膜E1aと第2導体膜E1bとでシリコン基板1の加熱条件を変えた場合でも、スループットを低下させることなく、上記の効果をもたらす半導体装置の製造方法を実現できる。結果として、電極導体膜を有し、信頼性の高い半導体装置の製造方法において、その生産性をより向上できる。
Further, in the third deposition method of the electrode conductor film E1 in which the heating conditions of the
また、上記実施の形態1または本実施の形態2の半導体装置の製造方法では、層間絶縁膜ILに形成するコンタクトホールCHの平面形状がスリット形状(溝形状、ラインアンドスペース形状ともいう)である場合を説明した。これに対し、上記の製造方法は、コンタクトホールCHの平面形状が穴形状のものに適用しても、同様に効果的である。一方、平面形状がスリット形状であるコンタクトホールCHを、上記のように2〜6μmと比較的厚い電極導体膜E1で埋め込む場合、微細化に伴うアスペクト比の上昇と共に、上記の課題はより顕著となり易い。従って、上記実施の形態1または本実施の形態2の半導体装置の製造方法は、平面形状がスリット形状のコンタクトホールCHを厚い電極導体膜E1で埋め込む工程に適用して、より効果的である。結果として、電極導体膜を有する半導体装置の信頼性をより向上させることができる。 In the method for manufacturing the semiconductor device according to the first embodiment or the second embodiment, the planar shape of the contact hole CH formed in the interlayer insulating film IL is a slit shape (also referred to as a groove shape or a line and space shape). Explained the case. On the other hand, the manufacturing method described above is similarly effective even if the planar shape of the contact hole CH is applied to a hole shape. On the other hand, when the contact hole CH whose planar shape is a slit shape is embedded with the electrode conductor film E1 having a relatively large thickness of 2 to 6 μm as described above, the above problem becomes more conspicuous as the aspect ratio increases with miniaturization. easy. Therefore, the semiconductor device manufacturing method of the first embodiment or the second embodiment is more effective when applied to the step of filling the contact hole CH having a slit shape with the thick electrode conductor film E1. As a result, the reliability of the semiconductor device having the electrode conductor film can be further improved.
以上、本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。 As mentioned above, the invention made by the present inventor has been specifically described based on the embodiment. However, the present invention is not limited to the embodiment, and various modifications can be made without departing from the scope of the invention. Needless to say.
例えば、上記実施の形態1,2の半導体装置の製造方法においては、n型MISトランジスタを有する半導体装置の製造方法を説明したが、全ての半導体領域の極性を逆にすることでp型MISトランジスタを有する半導体装置の製造方法に適用可能である。そして、上記実施の形態1,2の半導体装置の製造方法においては、p型MISトランジスタを有する半導体装置の製造方法に適用しても、同様に効果的である。 For example, in the manufacturing method of the semiconductor device of the first and second embodiments, the manufacturing method of the semiconductor device having the n-type MIS transistor has been described. However, the p-type MIS transistor is obtained by reversing the polarities of all the semiconductor regions. It is applicable to a method for manufacturing a semiconductor device having The semiconductor device manufacturing methods of the first and second embodiments are also effective when applied to a method of manufacturing a semiconductor device having a p-type MIS transistor.
本発明は、種々の産業機器から電化製品において、例えば、電力制御や電源制御を行うために必要な半導体産業に適用することができる。 INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention can be applied to, for example, the semiconductor industry necessary for performing power control and power supply control in various industrial equipment and electrical appliances.
1 シリコン基板(半導体基板)
2 半導体製造装置
3 Mo系スパッタリングチャンバ
4 Al系スパッタリングチャンバ
5 Ti系スパッタリングチャンバ
6 熱処理チャンバ
7 ドライエッチングチャンバ
8 ウェハカセット
9 ロードポート
10 ロードロック室
11 真空搬送室
12,18 ウェハステージ
13 静電チャック
14 励起電極
15 スパッタリングターゲット
16 ガス供給系
17 下部電極
19 高周波電源
20 上部電極
21 フォトレジスト膜
BE バリア導体膜
CH コンタクトホール(接続孔)
E1 電極導体膜
E1a 第1導体膜
E1b 第2導体膜
E1w ウェッティング膜
f1 主面
GE ゲート電極
GI ゲート絶縁膜
h1 第1孔部
h2 第2孔部
IL 層間絶縁膜
ns n型ソース領域
nw n型素子領域
pc p型コンタクト領域
pw p型ウェル領域
Qn n型MISトランジスタ(半導体素子)
tr トレンチ
1 Silicon substrate (semiconductor substrate)
DESCRIPTION OF
E1 electrode conductor film E1a first conductor film E1b second conductor film E1w wetting film f1 main surface GE gate electrode GI gate insulating film h1 first hole h2 second hole IL interlayer insulating film ns n-type source region nw n-type Element area pc p-type contact area pw p-type well area Qn n-type MIS transistor (semiconductor element)
tr trench
Claims (25)
(b)前記半導体基板の主面を覆うようにして層間絶縁膜を形成する工程と、
(c)前記層間絶縁膜に対し、前記層間絶縁膜を貫通し、前記半導体素子を形成した前記半導体基板の主面に達するような接続孔を形成する工程と、
(d)前記接続孔を電極導体膜で埋め込む工程とを有し、
前記(d)工程は、
(d1)前記接続孔を埋め込むようにして第1導体膜を堆積する工程と、
(d2)前記半導体基板に所定の工程を施さない状態で待機する工程と、
(d3)前記第1導体膜を覆うようにして第2導体膜を堆積する工程とを有し、
前記(d)工程の間は前記半導体基板を大気曝露することなく、真空環境下において各工程を施し、
前記(d1)および(d3)工程では、アルミニウムを主体とする導体膜によって、前記第1および第2導体膜からなる前記電極導体膜を形成し、
前記(d1)工程では、前記(d3)工程の前記第2導体膜の堆積速度よりも速い堆積速度で、前記第1導体膜を堆積することを特徴とする半導体装置の製造方法。 (A) forming a semiconductor element on the main surface of the semiconductor substrate;
(B) forming an interlayer insulating film so as to cover the main surface of the semiconductor substrate;
(C) forming a connection hole that penetrates the interlayer insulating film and reaches the main surface of the semiconductor substrate on which the semiconductor element is formed, with respect to the interlayer insulating film;
(D) burying the connection hole with an electrode conductor film,
The step (d)
(D1) depositing a first conductor film so as to fill the connection hole;
(D2) a step of waiting without performing a predetermined step on the semiconductor substrate;
(D3) depositing a second conductor film so as to cover the first conductor film,
During the step (d), each step is performed in a vacuum environment without exposing the semiconductor substrate to the atmosphere.
In the steps (d1) and (d3), the electrode conductor film composed of the first and second conductor films is formed of a conductor film mainly composed of aluminum,
In the step (d1), the first conductor film is deposited at a deposition rate faster than the deposition rate of the second conductor film in the step (d3).
前記(d1)および(d3)工程では、スパッタリングによって前記第1および第2導体膜を堆積し、
前記(d1)工程では、スパッタリングレートが150〜155nm/kW、かつ、18〜22nm/secである条件下で、膜厚が1〜3μmの前記第1導体膜を堆積し、
前記(d3)工程では、スパッタリングレートが190〜200nm/kW、かつ、15〜18nm/secである条件下で、膜厚が1〜3μmの前記第2導体膜を堆積することを特徴とする半導体装置の製造方法。 In the manufacturing method of the semiconductor device according to claim 1,
In the steps (d1) and (d3), the first and second conductive films are deposited by sputtering,
In the step (d1), the first conductor film having a film thickness of 1 to 3 μm is deposited under conditions where the sputtering rate is 150 to 155 nm / kW and 18 to 22 nm / sec.
In the step (d3), the second conductor film having a thickness of 1 to 3 μm is deposited under the conditions where the sputtering rate is 190 to 200 nm / kW and 15 to 18 nm / sec. Device manufacturing method.
前記(c)工程では、前記層間絶縁膜に対し、前記半導体基板の主面を平面的に見て、スリット形状となるように、前記接続孔を形成することを特徴とする半導体装置の製造方法。 The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 2.
In the step (c), the connection hole is formed in the interlayer insulating film so as to have a slit shape when the main surface of the semiconductor substrate is viewed in a plan view. .
前記(d1)および(d3)工程は、同一の処理室で施し、
前記(d1)工程と前記(d3)工程とでは、前記半導体基板を同一の条件で加熱して、前記第1および第2導体膜を堆積することを特徴とする半導体装置の製造方法。 In the manufacturing method of the semiconductor device according to claim 3,
The steps (d1) and (d3) are performed in the same processing chamber,
In the step (d1) and the step (d3), the semiconductor substrate is heated under the same conditions to deposit the first and second conductor films.
前記(d1)および(d3)工程では、前記半導体基板の温度が摂氏400〜500度となるような条件で加熱して、前記第1および第2導体膜を堆積することを特徴とする半導体装置の製造方法。 In the manufacturing method of the semiconductor device according to claim 4,
In the steps (d1) and (d3), the semiconductor device is characterized in that the first and second conductor films are deposited by heating the semiconductor substrate at a temperature of 400 to 500 degrees Celsius. Manufacturing method.
前記(d)工程は、前記(d1)工程の前に、更に、
(d4)前記接続孔の内壁を覆うようにして、前記第1および第2導体膜よりも膜厚が薄い前記アルミニウムを主体とする導体膜によって、ウェッティング膜を堆積する工程を有し、
前記(d1)工程では、前記ウェッティング膜を介して前記第1導体膜を形成し、
前記(d1)〜(d4)工程によって、前記ウェッティング膜、前記第1導体膜、および、前記第2導体膜からなる前記電極導体膜を形成することを特徴とする半導体装置の製造方法。 In the manufacturing method of the semiconductor device according to claim 5,
In the step (d), before the step (d1),
(D4) including a step of depositing a wetting film with a conductor film mainly composed of aluminum having a thickness smaller than that of the first and second conductor films so as to cover an inner wall of the connection hole;
In the step (d1), the first conductor film is formed through the wetting film,
A method of manufacturing a semiconductor device, wherein the electrode conductor film comprising the wetting film, the first conductor film, and the second conductor film is formed by the steps (d1) to (d4).
前記(d4)工程では、スパッタリングによって前記ウェッティング膜を堆積し、そのスパッタリングレートは、150〜155nm/kW、かつ、18〜22nm/secである条件下で前記ウェッティング膜を堆積し、
前記(d4)工程では、半導体基板に所定の加熱を施さずに、前記ウェッティング膜を堆積することを特徴とする半導体装置の製造方法。 The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 6.
In the step (d4), the wetting film is deposited by sputtering, and the wetting film is deposited under the conditions that the sputtering rate is 150 to 155 nm / kW and 18 to 22 nm / sec.
In the step (d4), the wetting film is deposited without subjecting the semiconductor substrate to predetermined heating.
前記(d1)および(d3)工程では、前記半導体基板の温度が摂氏280〜320度となるような条件で加熱して、前記第1および第2導体膜を堆積することを特徴とする半導体装置の製造方法。 In the manufacturing method of the semiconductor device according to claim 4,
In the steps (d1) and (d3), the semiconductor device is characterized in that the first and second conductor films are deposited by heating the semiconductor substrate at a temperature of 280 to 320 degrees Celsius. Manufacturing method.
前記(d)工程は、前記(d3)工程の後に、更に、
(d5)前記半導体基板が摂氏350〜400度となるような条件で熱処理を施す工程を有し、
前記(d5)工程は、前記(d1)〜(d3)工程とは異なる処理室において施すことを特徴とする半導体装置の製造方法。 The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 8.
In the step (d), after the step (d3),
(D5) having a step of performing a heat treatment under conditions such that the semiconductor substrate has a temperature of 350 to 400 degrees Celsius;
The method (d5) is performed in a different processing chamber from the steps (d1) to (d3).
前記(d1)工程では、前記(d3)工程で前記第2導体膜を堆積するときの前記半導体基板の温度よりも低い温度となるような条件で前記半導体基板を加熱して、前記第1導体膜を堆積することを特徴とする半導体装置の製造方法。 In the manufacturing method of the semiconductor device according to claim 3,
In the step (d1), the first conductor is heated by heating the semiconductor substrate under a condition that the temperature is lower than the temperature of the semiconductor substrate when the second conductor film is deposited in the step (d3). A method of manufacturing a semiconductor device, comprising depositing a film.
前記(d1)工程では、前記半導体基板の温度が摂氏280〜320度となるような条件で加熱して、前記第1導体膜を堆積し、
前記(d3)工程では、前記半導体基板の温度が摂氏400〜500度となるような条件で加熱して、前記第2導体膜を堆積することを特徴とする半導体装置の製造方法。 The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 10.
In the step (d1), the first conductor film is deposited by heating under the condition that the temperature of the semiconductor substrate is 280 to 320 degrees Celsius.
In the step (d3), the semiconductor device is deposited by heating the semiconductor substrate at a temperature of 400 to 500 degrees Celsius to deposit the second conductor film.
前記(d1)〜(d3)工程は、それぞれ異なる処理室内において施すことを特徴とする半導体装置の製造方法。 The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 11.
The method of manufacturing a semiconductor device, wherein the steps (d1) to (d3) are performed in different processing chambers.
(b)前記半導体基板の主面を覆うようにして、層間絶縁膜を形成する工程と、
(c)前記層間絶縁膜に対し、前記層間絶縁膜を貫通し、前記半導体素子を形成した前記半導体基板の主面に達するような接続孔を形成する工程と、
(d)前記接続孔の内壁を覆うようにして、バリア導体膜を堆積する工程と、
(e)前記接続孔を電極導体膜で埋め込む工程とを有し、
前記(c)工程は、
(c1)前記半導体素子の一部である前記半導体基板の主面を露出させるように、前記層間絶縁膜の一部に第1孔部を形成する工程と、
(c2)前記第1孔部に露出した部分の前記半導体基板の主面を削って、他の部分よりも低くすることで、その平面的な輪郭形状が前記第1孔部と重なるような第2孔部を形成する工程と、
(c3)前記半導体基板に等方的なエッチングを施すことで、前記半導体基板を洗浄する工程と、
(c4)前記半導体基板の第2孔部の端部をテーパ形状に加工する工程とを有し、
前記(c2)工程では、前記層間絶縁膜をエッチングマスクとした異方的なエッチングを、前記第1孔部に露出した部分の前記半導体基板の主面に施して削ることで、前記第2孔部を形成し、
前記(c3)工程では、前記等方的なエッチングによって、前記層間絶縁膜の前記第1孔部の平面的な輪郭は、前記第2孔部の平面的な輪郭よりも大きくなるように後退され、
前記(c4)工程では、前記半導体基板に対してスパッタリングエッチングを施して、前記半導体基板の前記第2孔部を削ることで、前記第2孔部の端部に前記テーパ形状を形成することを特徴とする半導体装置の製造方法。 (A) forming a semiconductor element on the main surface of the semiconductor substrate;
(B) forming an interlayer insulating film so as to cover the main surface of the semiconductor substrate;
(C) forming a connection hole that penetrates the interlayer insulating film and reaches the main surface of the semiconductor substrate on which the semiconductor element is formed, with respect to the interlayer insulating film;
(D) depositing a barrier conductor film so as to cover the inner wall of the connection hole;
(E) burying the connection hole with an electrode conductor film,
The step (c)
(C1) forming a first hole in a part of the interlayer insulating film so as to expose a main surface of the semiconductor substrate that is a part of the semiconductor element;
(C2) The main surface of the semiconductor substrate in the portion exposed in the first hole is scraped to be lower than the other portions, so that the planar contour shape overlaps with the first hole. Forming two holes;
(C3) cleaning the semiconductor substrate by performing isotropic etching on the semiconductor substrate;
(C4) processing the end of the second hole of the semiconductor substrate into a tapered shape,
In the step (c2), anisotropic etching using the interlayer insulating film as an etching mask is performed on the main surface of the semiconductor substrate at a portion exposed in the first hole portion, and the second hole is removed. Forming part,
In the step (c3), by the isotropic etching, the planar outline of the first hole portion of the interlayer insulating film is retracted so as to be larger than the planar outline of the second hole portion. ,
In the step (c4), the tapered shape is formed at the end of the second hole by performing sputtering etching on the semiconductor substrate and cutting the second hole of the semiconductor substrate. A method of manufacturing a semiconductor device.
前記(e)工程は、
(e1)前記接続孔を埋め込むようにして第1導体膜を堆積する工程と、
(e2)前記半導体基板に所定の工程を施さない状態で待機する工程と、
(e3)前記第1導体膜を覆うようにして第2導体膜を堆積する工程とを有し、
前記(e)工程の間は前記半導体基板を大気曝露することなく、真空環境下において各工程を施し、
前記(e1)および(e3)工程では、アルミニウムを主体とする導体膜によって、前記第1および第2導体膜からなる前記電極導体膜を形成し、
前記(e1)工程では、前記(e3)工程の前記第2導体膜の堆積速度よりも速い堆積速度で、前記第1導体膜を堆積することを特徴とする半導体装置の製造方法。 14. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 13,
The step (e)
(E1) depositing a first conductor film so as to fill the connection hole;
(E2) a step of waiting without performing a predetermined step on the semiconductor substrate;
(E3) having a step of depositing a second conductor film so as to cover the first conductor film,
During the step (e), each step is performed in a vacuum environment without exposing the semiconductor substrate to the atmosphere.
In the steps (e1) and (e3), the electrode conductor film composed of the first and second conductor films is formed of a conductor film mainly composed of aluminum,
In the step (e1), the first conductor film is deposited at a deposition rate faster than the deposition rate of the second conductor film in the step (e3).
前記(e1)および(e3)工程では、スパッタリングによって前記第1および第2導体膜を堆積し、
前記(e1)工程では、スパッタリングレートが150〜155nm/kW、かつ、18〜22nm/secである条件下で、膜厚が1〜3μmの前記第1導体膜を堆積し、
前記(e3)工程では、スパッタリングレートが190〜200nm/kW、かつ、15〜18nm/secである条件下で、膜厚が1〜3μmの前記第2導体膜を堆積することを特徴とする半導体装置の製造方法。 15. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 14,
In the steps (e1) and (e3), the first and second conductive films are deposited by sputtering,
In the step (e1), the first conductor film having a film thickness of 1 to 3 μm is deposited under conditions where the sputtering rate is 150 to 155 nm / kW and 18 to 22 nm / sec.
In the step (e3), the second conductor film having a film thickness of 1 to 3 μm is deposited under conditions where the sputtering rate is 190 to 200 nm / kW and 15 to 18 nm / sec. Device manufacturing method.
前記(c)工程では、前記層間絶縁膜に対し、前記半導体基板の主面を平面的に見て、スリット形状となるように、前記接続孔を形成することを特徴とする半導体装置の製造方法。 15. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 14,
In the step (c), the connection hole is formed in the interlayer insulating film so as to have a slit shape when the main surface of the semiconductor substrate is viewed in a plan view. .
前記(e1)および(e3)工程は、同一の処理室で施し、
前記(e1)工程と前記(e3)工程とでは、前記半導体基板を同一の条件で加熱して、前記第1および第2導体膜を堆積することを特徴とする半導体装置の製造方法。 In the manufacturing method of the semiconductor device according to claim 16,
The steps (e1) and (e3) are performed in the same processing chamber,
In the step (e1) and the step (e3), the semiconductor substrate is heated under the same conditions to deposit the first and second conductor films.
前記(e1)および(e3)工程では、前記半導体基板の温度が摂氏400〜500度となるような条件で加熱して、前記第1および第2導体膜を堆積することを特徴とする半導体装置の製造方法。 The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 17.
In the steps (e1) and (e3), the semiconductor device is characterized in that the first and second conductive films are deposited by heating the semiconductor substrate at a temperature of 400 to 500 degrees Celsius. Manufacturing method.
前記(e)工程は、前記(e1)工程の前に、更に、
(e4)前記接続孔の内壁を、前記バリア導体膜を介して覆うようにして、前記第1および第2導体膜よりも膜厚が薄い前記アルミニウムを主体とする導体膜によって、ウェッティング膜を堆積する工程を有し、
前記(e1)工程では、前記ウェッティング膜を介して、前記第1導体膜を形成し、
前記(e1)〜(e4)工程によって、前記ウェッティング膜、前記第1導体膜、および、前記第2導体膜からなる前記電極導体膜を形成することを特徴とする半導体装置の製造方法。 The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 18.
In the step (e), before the step (e1),
(E4) A wetting film is formed by the conductor film mainly composed of aluminum having a smaller film thickness than the first and second conductor films so as to cover the inner wall of the connection hole via the barrier conductor film. Having a process of depositing,
In the step (e1), the first conductor film is formed via the wetting film,
A method of manufacturing a semiconductor device, wherein the electrode conductor film comprising the wetting film, the first conductor film, and the second conductor film is formed by the steps (e1) to (e4).
前記(e4)工程では、スパッタリングによって前記ウェッティング膜を堆積し、そのスパッタリングレートは、150〜155nm/kW、かつ、18〜22nm/secである条件下で前記ウェッティング膜を堆積し、
前記(e4)工程では、半導体基板に所定の加熱を施さずに、前記ウェッティング膜を堆積することを特徴とする半導体装置の製造方法。 In the manufacturing method of the semiconductor device according to claim 19,
In the step (e4), the wetting film is deposited by sputtering, and the wetting film is deposited under conditions where the sputtering rate is 150 to 155 nm / kW and 18 to 22 nm / sec.
In the step (e4), the wetting film is deposited without subjecting the semiconductor substrate to predetermined heating.
前記(e1)および(e3)工程では、前記半導体基板の温度が摂氏280〜320度となるような条件で加熱して、前記第1および第2導体膜を堆積することを特徴とする半導体装置の製造方法。 The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 17.
In the steps (e1) and (e3), the semiconductor device is characterized by depositing the first and second conductive films by heating the semiconductor substrate at a temperature of 280 to 320 degrees Celsius. Manufacturing method.
前記(e)工程は、前記(e3)工程の後に、更に、
(e5)前記半導体基板が摂氏350〜400度となるような条件で熱処理を施す工程を有し、
前記(e5)工程は、前記(e1)〜(e3)工程とは異なる処理室において施すことを特徴とする半導体装置の製造方法。 In the manufacturing method of the semiconductor device according to claim 21,
In the step (e), after the step (e3),
(E5) having a step of performing a heat treatment under conditions such that the semiconductor substrate has a temperature of 350 to 400 degrees Celsius;
The method (e5) is performed in a different processing chamber from the steps (e1) to (e3).
前記(e1)工程では、前記(e3)工程で前記第2導体膜を堆積するときの前記半導体基板の温度よりも低い温度となるような条件で前記半導体基板を加熱して、前記第1導体膜を堆積することを特徴とする半導体装置の製造方法。 In the manufacturing method of the semiconductor device according to claim 16,
In the step (e1), the first conductor is heated by heating the semiconductor substrate under a condition that the temperature is lower than the temperature of the semiconductor substrate when the second conductor film is deposited in the step (e3). A method of manufacturing a semiconductor device, comprising depositing a film.
前記(e1)工程では、前記半導体基板の温度が摂氏280〜320度となるような条件で加熱して、前記第1導体膜を堆積し、
前記(e3)工程では、前記半導体基板の温度が摂氏400〜500度となるような条件で加熱して、前記第2導体膜を堆積することを特徴とする半導体装置の製造方法。 24. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 23.
In the step (e1), the first conductive film is deposited by heating under the condition that the temperature of the semiconductor substrate is 280 to 320 degrees Celsius,
In the step (e3), the semiconductor device is deposited by heating the semiconductor substrate under conditions such that the temperature of the semiconductor substrate is 400 to 500 degrees Celsius.
前記(e1)〜(e3)工程は、それぞれ異なる処理室内において施すことを特徴とする半導体装置の製造方法。 The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 24,
The method of manufacturing a semiconductor device, wherein the steps (e1) to (e3) are performed in different processing chambers.
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