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JP2015122471A - 半導体装置およびその製造方法 - Google Patents

半導体装置およびその製造方法 Download PDF

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知浩 角谷
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Abstract

【課題】半導体装置における上部配線(ビット線)と半導体基板との接続抵抗を低減する。
【解決手段】第1領域104においては、半導体基板102とビットコンタクト120が接続され、ビットコンタクト120の側面は第1絶縁層136により囲まれる。第2領域106においては、半導体基板102の上にゲート絶縁膜158が形成され、その上にゲート電極148が形成される。ゲート電極の上には金属シリサイド層が形成される。また、ビットコンタクト120と第1絶縁層136の上にも金属シリサイド層142が形成される。金属シリサイド層142の上に金属配線層等の配線層が形成される。
【選択図】図1

Description

本発明は、多層配線構造、特に、フルメタル構造のビット線を有する半導体装置とその製造方法に関する。
代表的な半導体メモリデバイスであるDRAM(Dynamic Random Access Memory)においては、高集積化にともなってメモリセルの縮小が要求され、メモリセルの縮小にともなってビット線の縮小が必要となる。ポリメタル構造のビット線の場合、シリコン層の分だけビット線が厚くなるため、シリコン層を有さないフルメタル構造のビット線が求められる(特許文献1,2参照)。
特開平07−058058号公報 特開2012−099793号公報
フルメタル構造のビット線の場合、半導体基板に形成されるソース/ドレイン領域とビット線を接続するコンタクトプラグ(ビットコンタクト)とビット線との接続面積は、ビット線の幅によって決まる。たとえば、ビット線が金属層(W)とバリアメタル(TiN)との積層構造であって、コンタクトプラグがシリコンからなる場合、バリアメタル(TiN)とシリコンとの接触抵抗を低減するために、その界面に金属シリサイド層を形成する。ビット線の細線化にともなってTiNと金属シリサイドとの接続面積が減少することによってビットコンタクトの抵抗値が大きくなりやすい。
本発明に係る半導体装置は、第1領域において、半導体基板と接続されるコンタクトプラグと、コンタクトプラグの側面を囲む絶縁層と、第2領域において、半導体基板の上面を覆うゲート絶縁膜と、ゲート絶縁膜と接続されるゲート電極と、コンタクトプラグおよび絶縁層の上表面に形成され、かつ、ゲート電極の上表面にも形成される金属シリサイド層と、金属シリサイド層に積層される配線層と、を備える。
本発明に係る半導体装置は、半導体基板と、半導体基板上に形成される金属シリサイド層と、半導体基板上に形成されるゲート絶縁膜と、を備える。金属シリサイド層は、第1の導電体を介して半導体基板に接続される第1の部分と、第1の導電体の側面を囲む絶縁層と接続される第2の部分と、第2の導体およびゲート絶縁膜を介して半導体基板と接続される第3の部分と、を含む。
本発明に係る半導体装置の製造方法は、第1の領域において、半導体基板上に第1の絶縁層を形成するステップと、第2の領域において、半導体基板に第2の絶縁層を形成するステップと、第2の絶縁層の上に第2の導電体を形成するステップと、第1の絶縁層に開口を形成し半導体基板を露出させるステップと、開口を第1の導電体により埋設するステップと、第1の絶縁層、第1の導電体、第2の導電体を覆うシリコン層を形成するステップと、シリコン層を覆う金属層を形成するステップと、シリコン層と金属層を熱処理により反応させて金属シリサイド層に転換するステップと、を備える。
本発明によれば、半導体装置における上部配線(ビット線)と半導体基板との接続抵抗を低減できる。
本発明の第1の実施形態における半導体装置の断面図である。 半導体装置の第1領域における構成を示す平面図である。 図2のA−A'線における拡大断面図である。 図2のB−B'線における拡大断面図である。 半導体装置の製造工程を示す断面図(第1工程)である。 半導体装置の製造工程を示す断面図(第2工程)である。 半導体装置の製造工程を示す断面図(第3工程)である。 半導体装置の製造工程を示す断面図(第4工程)である。 半導体装置の製造工程を示す断面図(第5工程)である。 半導体装置の製造工程を示す断面図(第6工程)である。 半導体装置の製造工程を示す断面図(第7工程)である。 半導体装置の製造工程を示す断面図(第8工程)である。 半導体装置の製造工程を示す断面図(第9工程)である。 半導体装置の製造工程を示す断面図(第10工程)である。 半導体装置の製造工程を示す断面図(第11工程)である。 半導体装置の製造工程を示す断面図(第12工程)である。 半導体装置の製造工程を示す断面図(第13工程)である。 半導体装置の製造工程を示す断面図(第14工程)である。 半導体装置の製造工程を示す断面図(第15工程)である。 半導体装置の製造工程を示す断面図(第16工程)である。 半導体装置の製造工程を示す断面図(第17工程)である。 半導体装置の製造工程を示す断面図(第18工程)である。 本発明の第2の実施形態における半導体装置の構造を示す拡大断面図であり、図2のA−A'線に沿った断面に相当する。
以下、添付図面を参照しながら、本発明の好ましい実施形態について詳細に説明する。
図1は、本発明の第1の実施形態における半導体装置100の断面図である。図2は、半導体装置100の第1領域104における構成を示す平面図である。図3は、図2のA−A'線における拡大断面図である。図4は、図2のB−B'線における拡大断面図である。本実施形態における半導体装置100はDRAMのメモリセルアレイであるが、本発明はDRAMへの適用に限定されるものではない。
半導体装置100は、P型シリコンの半導体基板102に形成される。第1領域104にはトレンチ・トランジスタTr1が形成され、第2領域106にはプレーナ・トランジスタTr2が形成される。半導体基板102の第1領域104は、複数のトレンチ112と、2つのトレンチ112の間に形成される第1拡散層108(n型拡散層)および2つのトレンチ112の両側に形成される第2拡散層110(n型拡散層)を含む。第1拡散層108および第2拡散層110はソース/ドレイン領域となる。トレンチ112の内表面はゲート絶縁膜114(SiO)およびバリアメタル116(TiN)で覆われ、その内部にワード線118(W)が形成される。
第1拡散層108の上部にはビットコンタクト120が形成され、第2拡散層110の上部にはストレージコンタクト122(コンタクトプラグ)が形成される。ビットコンタクト120にはビット線124が接続される。また、ビットコンタクト120は、第1拡散層108と直接接続される。ビット線124は図2に示すように、蛇行することにより複数のビットコンタクト120と連続的に接続される。ビット線124の上部にはエッチング時にハードマスクとして機能する窒化膜140(SiN)が積層される。ストレージコンタクト122の上方にはストレージ素子126(シリンダキャパシタ)が接続される。ストレージ素子126は、プラグ132を介して上部配線134と接続される。
活性領域128はその周囲を素子分離領域130に囲まれた細長い島状の領域として形成される(図2参照)。素子分離領域130は半導体基板上の素子分離溝をフィールド絶縁層(SiO)で埋設して形成される。ストレージコンタクト122およびストレージ素子126は、活性領域128の両端部に形成される。ストレージコンタクト122は、第2拡散層110と重なる領域のみならずそれよりも内側(ワード線118側)にはみ出した形状を有する。すなわち、ワード線118と平面視にて重なる部分を有している。
半導体基板102の表面には第2絶縁層138(SiO)が形成され、ワード線118の上部および第2絶縁層138を覆うように第1絶縁層136が形成される(図4参照)。第1絶縁層136は、ビットコンタクト120の側面を囲む。
ビット線124は、金属シリサイド層142、バリアメタル層144、金属配線層146を含む。本実施形態における金属シリサイド層142は、チタンシリサイド(TiSi)により形成されるが、チタン(Ti)の代わりに、あるいは、チタンに加えて、コバルト、ニッケル、白金などを含有してもよい。バリアメタル層144は、窒化チタン(TiN)により形成され、金属配線層146はタングステン(W)により形成される。
第2領域106においては、ビット線124は、半導体基板102、第2絶縁層138およびアモルファスシリコン層148(ゲート電極)の上に形成される。また、半導体基板102には第3拡散層150(ソース/ドレイン領域)が形成される。第3拡散層150は、ストレージコンタクト122と同じ構造のコンタクトプラグ152を介して上部の配線層154と接続される。
図3,図4に示すように、本実施形態におけるビット線124の下層には金属シリサイド層142が形成されている。金属シリサイド層142は、ビットコンタクト120だけではなく、ビットコンタクト120の周囲に形成される第1絶縁層136とも接触する。このように、ビットコンタクト120は、ビットコンタクト120自身よりも面積の大きな金属シリサイド層142と接続されている。半導体基板102においては、金属シリサイド層142は、ビットコンタクト120(第1の導電体)と接続される部分(第1の部分)だけでなく、第1絶縁層136と接触する部分(第2の部分)を有する(図3参照)。このため、ビット線124を構成するバリアメタル116とビットコンタクト120上の金属シリサイド層142との接続面積を充分に確保できるため、両者の接続抵抗を小さくできる。
第2領域106に形成されるプレーナ・トランジスタTr2においては、ゲート電極となるアモルファスシリコン層148は、ゲート絶縁膜158を介して半導体基板102と接触する。プレーナ・トランジスタTr2においては、金属シリサイド層142はアモルファスシリコン層148(第2の導電体)とゲート絶縁膜158を介して半導体基板102と接続される(第3の部分)。
次に、本実施形態における半導体装置100の製造方法について説明する。
まず、公知のように、半導体基板102の全面には、CVDにより第2絶縁層138(第1の絶縁層)が形成される。その上で、半導体基板102に素子分離溝(トレンチ)を形成し、トレンチに酸化シリコン(SiO)を埋設することにより素子分離領域130を形成する(図5)。更に、高エネルギーのリンを注入することによりnウェル156(拡散領域)を形成する。
次に、ワード線118を形成するために、まず、エッチングによりトレンチ112を形成する(図6)。熱酸化により、トレンチ112の内側面にゲート絶縁膜114を形成し、更に、バリアメタル116(TiN)を形成したあと、トレンチ112にワード線118(W)を埋設する(図7)。ワード線118の上表面が、半導体基板102の上表面より低くなるようにワード線118をエッチバックする。
次に、トレンチ112の上部を、第1絶縁層136の成膜により埋設する(図8)。第1絶縁層136は、単層のシリコン窒化膜として形成されてもよいし、LPCVDによるシリコン窒化膜とALD(Atomic Layer Deposition)によるシリコン窒化膜の積層膜として形成してもよい。また、第2領域106からは第2絶縁層138をウェットエッチング等により除去する。これにより、第2領域106においては半導体基板102の表面が露出する。
次に、ゲート絶縁膜158を熱酸化により形成する(図9)。その後、半導体基板102の全面にアモルファスシリコン層148(第2の導電体)をCVDにより成膜する。
続いて、第2領域106のトランジスタ形成領域をレジスト160で保護して、リンを低エネルギーにて、アモルファスシリコン層148のnチャネル領域に注入する(図10)。更に、第2領域106のトランジスタ形成領域以外をレジスト160で保護して、ボロンをpチャネル領域に注入する(図11)。
次に、アモルファスシリコン層148の上に、キャップ絶縁膜162(SiO)をプラズマCVDにより成膜する(図12)。第2領域106をレジスト160により保護し、第1領域104のアモルファスシリコン層148、キャップ絶縁膜162をエッチングにより除去する(図13)。
続いて、ビット線コンタクトマスクによるドライエッチングにより、第1絶縁層136をエッチングし、ビットコンタクト120のための開口を作る(図14)。続いて、半導体基板102の全面にCVDによりシリコン膜(ビットコンタクト120:第1の導電体)を成膜する(図15)。このシリコン膜にはリンがドープされる。
このシリコン膜(ビットコンタクト120)を第1絶縁層136が露出するまでエッチバックする。このとき、キャップ絶縁膜162も除去される(図16)。こうして、第1領域104のトレンチ型のトランジスタにおいて、ビットコンタクト120が形成される。
次に、ビット線124を形成する。まず、半導体基板102の上に薄くアモルファスシリコン膜164を形成する。アモルファスシリコン膜164の厚みは3nm程度の薄さが好ましい(図17)。更に、PVD法により2nm程度の厚みにてチタン膜166を形成し、続いてバリアメタル層144(TiN)、金属配線層146(W)をPVD法により形成する(図18)。
このあと、850度程度の急速熱アニール(RTA:Rapid Thermal Annealing)を行うと、アモルファスシリコン膜164とチタン膜166が反応し、金属シリサイド層142(TiSi)が生成される(図19)。こうして、金属シリサイド層142、バリアメタル層144および金属配線層146が積層されたビット線124が形成される。ビット線124の上には窒化膜140が成膜される。このように、トレンチ・トランジスタTr1およびプレーナ・トランジスタTr2の双方の金属シリサイド層142を同一プロセスにて作ることができる。
次に、ハードマスクを用いたドライエッチングにより、第1領域104のビット線124、第2領域106のゲート電極を生成する(図20)。ここで、第1領域104では、窒化膜140(SiN)、金属配線層146(W)、バリアメタル層144(TiN)、金属シリサイド層142(TiSi)が積層され、第2領域106では、窒化膜140(SiN)、金属配線層146(W)、バリアメタル層144(TiN)、アモルファスシリコン層148(ポリシリコン)が積層される。
以後のプロセスは、公知技術の応用であるため簡単に説明する。まず、半導体基板102の全面にシリコン窒化膜168をCVD法により形成する(図21)。シリコン窒化膜168のエッチバックを行い、これをゲート電極のサイドウォールとして残す。第3拡散層150の上にあるゲート絶縁膜158を除去したあと、第3拡散層150にイオン注入を行う。更に、シリコン窒化膜170をCVD法により形成し、同じくエッチバックによりサイドウォール化する。
あとは、各ゲート電極を層間絶縁膜172に埋設し、ストレージコンタクト122やコンタクトプラグ152を形成する(図22)。第3拡散層150は、コンタクトプラグ152を介して上層の配線層154と接続される。その後、図1に示したように更に上層にストレージ素子126、プラグ132、上部配線134等を順次形成することにより、半導体装置100の全体構造が形成される。
図23は、本発明の第2の実施形態における半導体装置の構造を示す拡大断面図であり、図2のA−A'線に沿った断面に相当する。
図23に示すように、第2の実施形態による半導体装置は、ビットコンタクト120が金属プラグによって構成されている点において、上述した第1の実施形態による半導体装置と相違している。その他の点については第1の実施形態と同一であることから、同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
本実施形態においては、チタンシリサイド(TiSi)などの金属シリサイドからなる金属シリサイド膜120A、窒化チタン(TiN)などからなるバリアメタル層120B及びタングステン(W)などの金属からなる金属層120Cによってビットコンタクト120が構成されている。金属シリサイド膜120A及びバリアメタル層120Bは有底円筒形であり、金属層120Cは、該円筒を埋めるよう、コンタクトプラグ120の中心部分を構成する。このように、ビットコンタクト120をメタル材料によって構成すれば、ビットコンタクト120自体の抵抗値を下げることができるだけでなく、ビット線124とビットコンタクト120との界面抵抗も下げることができる。
図23に示すビットコンタクト120の製造方法は次の通りである。
まず、図14に示した工程を行うことによりビットコンタクト120のための開口を形成した後、全面に薄いシリコンライナー膜を形成する。シリコンライナー膜の膜厚は例えば3nmである。そして、シリコンライナー膜にリンをドープした後、チタン(Ti)、窒化チタン(TiN)及びタングステン(W)をこの順に堆積させる。次に、第1絶縁層136の上面に形成された不要なシリコンライナー膜、チタン(Ti)、窒化チタン(TiN)及びタングステン(W)をCMP法などによって除去した後、熱処理によってシリコンライナー膜とチタン(Ti)を反応させる。これにより、チタンシリサイド(TiSi)からなる金属シリサイド膜120Aが形成される。また、開口に残った窒化チタン(TiN)及びタングステン(W)は、それぞれバリアメタル層120B及び金属層120Cとなる。
ここで、シリコンライナー膜とチタン(Ti)を熱処理によって全て反応させることは必須でなく、一部のシリコンライナー膜が開口内に残存しても構わない。この場合、開口の表面、つまり、ビットコンタクト120の底部及び側面は未反応のシリコンによって構成され、金属シリサイド層120Aと第1の絶縁層136の間にはシリコン層が介在することになる。
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は、上記の実施形態に限定されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能であり、それらも本発明の範囲内に包含されるものであることはいうまでもない。
100 半導体装置
102 半導体基板
104 第1領域
106 第2領域
108 第1拡散層
110 第2拡散層
112 トレンチ
114 ゲート絶縁膜
116 バリアメタル
118 ワード線
120 ビットコンタクト
120A 金属シリサイド膜
120B バリアメタル層
120C 金属層
122 ストレージコンタクト
124 ビット線
126 ストレージ素子
128 活性領域
130 素子分離領域
132 プラグ
134 上部配線
136 第1絶縁層
138 第2絶縁層
140 窒化膜
142 金属シリサイド層
144 バリアメタル層
146 金属配線層
148 アモルファスシリコン層
150 第3拡散層
152 コンタクトプラグ
154 配線層
156 nウェル
158 ゲート絶縁膜
160 レジスト
162 キャップ絶縁膜
164 アモルファスシリコン膜
166 チタン膜
168 シリコン窒化膜
170 シリコン窒化膜
172 層間絶縁膜
Tr1 トレンチ・トランジスタ
Tr2 プレーナ・トランジスタ

Claims (23)

  1. 第1領域において、半導体基板と接続されるコンタクトプラグと、
    前記コンタクトプラグの側面を囲む絶縁層と、
    第2領域において、前記半導体基板の上面を覆うゲート絶縁膜と、
    前記ゲート絶縁膜と接続されるゲート電極と、
    前記コンタクトプラグおよび前記絶縁層の上表面に形成され、かつ、前記ゲート電極の上表面にも形成される金属シリサイド層と、
    前記金属シリサイド層に積層される配線層と、
    を備えることを特徴とする半導体装置。
  2. 前記金属シリサイド層は、チタン、コバルト、ニッケルおよび白金のうちの一以上を含有することを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。
  3. 前記配線層は、タングステンを含有する金属層と、前記金属シリサイド層と接触するバリアメタル層を含むことを特徴とする請求項1または2に記載の半導体装置。
  4. 前記バリアメタル層は、窒化チタンを含有することを特徴とする請求項3に記載の半導体装置。
  5. 前記コンタクトプラグは不純物を含むシリコンから成ることを特徴とする請求項1から4のいずれかに記載の半導体装置。
  6. 前記コンタクトプラグは、前記半導体基板と接続され前記絶縁層の側面を覆う別の金属シリサイド層と、前記別の金属シリサイド層と接する別のバリアメタル層と、前記別のバリアメタル層を覆い前記コンタクトプラグの中心部分を構成する別の金属層を含むことを特徴とする請求項1から4のいずれかに記載の半導体装置。
  7. 前記別の金属シリサイド層と前記絶縁層の間にシリコン層が設けられていることを特徴とする請求項6に記載の半導体装置。
  8. 前記第1の領域において前記半導体基板に形成される溝と、
    前記溝の一部を埋設するワード線と、を更に備え、
    前記絶縁層は、前記溝において前記ワード線の直上に積層されるとともに前記半導体基板の上表面よりも突出することを特徴とする請求項1から7のいずれかに記載の半導体装置。
  9. 前記第1の領域において前記半導体基板上の素子分離領域と、
    前記素子分離領域に囲まれた活性領域と、を更に備え、
    互いに平行に配置された2つの前記溝が前記活性領域を横断し、前記2つの溝は前記活性領域から前記素子分離領域に渡って連続して延在することを特徴とする請求項8に記載の半導体装置。
  10. 前記ワード線は前記活性領域から前記素子分離領域に渡って連続して延在することを特徴とする請求項9に記載の半導体装置。
  11. 前記素子分離領域を覆うフィールド絶縁層と、
    前記溝の内面を覆い、前記活性領域から前記素子分離領域に渡って連続して延在するセルゲート絶縁膜を更に備え、
    前記活性領域において前記ワード線が前記セルゲート絶縁膜を介して前記半導体基板と対向し、前記素子分離領域において前記ワード線が前記セルゲート絶縁膜を介して前記フィールド絶縁層と対向することを特徴とする請求項10に記載の半導体装置。
  12. 半導体基板と、
    前記半導体基板上に形成される金属シリサイド層と、
    前記半導体基板上に形成されるゲート絶縁膜と、を備え、
    前記金属シリサイド層は、
    第1の導電体を介して前記半導体基板に接続される第1の部分と、
    前記第1の導電体の側面を囲む絶縁層と接続される第2の部分と、
    第2の導体および前記ゲート絶縁膜を介して前記半導体基板と接続される第3の部分と、を含むことを特徴とする半導体装置。
  13. 前記金属シリサイド層上に形成される配線層を更に備えることを特徴とする請求項12に記載の半導体装置。
  14. 前記配線層は、窒化チタン層および前記窒化チタン層上に積層されるタングステン層を含むことを特徴とする請求項13に記載の半導体装置。
  15. 前記第1の部分および前記第2の部分は連続して延在することを特徴とする請求項12に記載の半導体装置。
  16. 前記第1の導電体はシリコンを主成分とするコンタクトプラグであって、前記第2の導電体はシリコンを主成分とするゲート電極である、ことを特徴とする請求項12に記載の半導体装置。
  17. 前記第1の導電体は、前記半導体基板と接続され前記絶縁層の側面を覆う別の金属シリサイド層と、前記別の金属シリサイド層と接するバリアメタル層と、前記バリアメタル層を覆い前記コンタクトプラグの中心部分を構成する金属層を含むことを特徴とする請求項12に記載の半導体装置。
  18. 半導体基板と、
    前記半導体基板と底部で接続される有底円筒形の第1金属シリサイドと、
    前記第1金属シリサイドの側面を囲む絶縁層と、
    前記第1金属シリサイドの内面を覆って前記円筒を埋設する金属層と、
    前記絶縁層上、前記第1金属シリサイド層上及び前記金属層上に渡って延在する第2金属シリサイド層と、
    を備える半導体装置。
  19. 前記第1金属シリサイド層と前記絶縁層の間にシリコン層が設けられていることを特徴とする請求項18に記載の半導体装置。
  20. 第1の領域において、半導体基板上に第1の絶縁層を形成するステップと、
    第2の領域において、前記半導体基板に第2の絶縁層を形成するステップと、
    前記第2の絶縁層の上に第2の導電体を形成するステップと、
    前記第1の絶縁層に開口を形成し前記半導体基板を露出させるステップと、
    前記開口を第1の導電体により埋設するステップと、
    前記第1の絶縁層、前記第1の導電体、前記第2の導電体を覆うシリコン層を形成するステップと、
    前記シリコン層を覆う金属層を形成するステップと、
    前記シリコン層と前記金属層を熱処理により反応させて金属シリサイド層に転換するステップと、
    を備えることを特徴とする半導体装置の製造方法。
  21. 前記第1の導電体及び前記第2の導電体のそれぞれはシリコンが主成分であって、
    前記金属層は、前記熱処理の間に、前記第1の導電体及び前記第2の導電体の各々の少なくとも一部と反応することを特徴とする請求項20に記載の半導体装置の製造方法。
  22. 前記シリサイド層上に、配線層と絶縁材料から成るハードマスク層とを、この順序で積層するステップを更に備えることを特徴とする請求項20または21に記載の半導体装置の製造方法。
  23. 前記ハードマスクをマスクとして、前記第1の領域においては前記配線層及び前記金属シリサイド層を選択的に除去すると共に、前記第2の領域においては前記配線層、前記金属シリサイド層及び前記第2の導電体を選択的に除去するステップを更に備えることを特徴とする請求項22に記載の半導体装置の製造方法。
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