JP3486867B2 - 半導体装置 - Google Patents
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Description
回路のような半導体装置に関する。
集積回路の構成要素である半導体素子間の電気的遮断の
ために、半導体基板にフィールド酸化膜が形成され、こ
のフィールド酸化膜により区画された各活性領域に半導
体素子が組み込まれる。
多層配線技術ある。多層配線技術では、半導体基板上に
形成された半導体素子および回路部分を覆う層間絶縁膜
を形成した後、この層間絶縁膜上に他の回路部分を形成
することができることから、多層配線技術は、集積化の
向上に有効である。
され、特に、層間絶縁膜上に形成される回路部分の製造
工程に例えばホトリソグラフィが適用されるとき、加工
精度の低下を防止する上で、層間絶縁膜の表面の平坦化
が強く要求される。このような要求を満足する層間絶縁
膜の材料として、硼素および燐を添加したシリケートグ
ラス(以下、BPSGと称する)がある。
域上に形成された例えばMOSトランジスタのような半
導体素子を覆うように堆積された後、このBPSG材料
に流動性を与えるためのリフローと呼ばれる熱処理を受
けることにより、なだらかな表面を有する層間絶縁膜が
形成される。
導体基板の活性領域を覆うBPSG材料がリフローを受
けるとき、このリフローでの熱により、BPSG材料中
の燐が活性領域に拡散することがある。
るとき、MOSトランジスタのゲートの両側にソースお
よびドレインとなる不純物拡散領域が形成される。この
不純物拡散領域は、一般的にはイオン注入法により形成
され、このイオン注入法では、活性領域をイオン注入に
よるダメージから保護するための保護酸化膜が用いられ
る。
領域は、一般的には、前記保護酸化膜により保護されて
いるが、BPSGのリフローでは、この保護酸化膜を透
過して燐が活性領域に拡散することがある。前記した活
性領域には、例えばソースドレインのための両不純物拡
散領域あるいは両不純物領域間のチャンネル領域のよう
な機能領域が形成されており、この機能領域への燐の拡
散は、各機能領域の不純物濃度の変更をもたらすことか
ら、この活性領域に組み込まれた半導体素子の電気特性
に悪影響を及ぼす。
よって活性領域が燐の汚染を受けることのない半導体装
置が望まれていた。
決するために、次の構成を採用する。 〈構成1〉 本発明に係る半導体装置は、半導体基板の活性領域を覆
う酸化膜を直接に覆う第1の層間絶縁膜と、該層間絶縁
膜を直接に覆う第2の層間絶縁膜とを含み、該第2の層
間絶縁膜は燐および硼素を含み、第1の層間絶縁膜は第
2の層間絶縁膜に含まれる燐が前記酸化膜を通して前記
活性領域に熱拡散することを防止するための燐拡散抑制
機能を有する電気絶縁材料からなる半導体装置におい
て、第1および第2の層間絶縁膜はそれぞれ燐および硼
素を含むBPSG膜からなり、前記第1の層間絶縁膜を
構成する前記BPSG膜中のB2O3濃度は10〜12
重量%であり、第2の層間絶縁膜を構成する前記BPS
G膜中のB2O3濃度は12〜18重量%であることを
特徴とする。
の活性領域を覆う酸化膜を直接に覆う第1の層間絶縁膜
と、該層間絶縁膜を直接に覆う第2の層間絶縁膜との積
層構造を有し、半導体基板の活性領域を覆う酸化膜を直
接に覆う第1の層間絶縁膜が燐拡散抑制機能を有する電
気絶縁材料からなる。従って、燐を含む第2の層間絶縁
膜と半導体基板上の酸化膜との間に介在する第1の層間
絶縁膜が、第2の層間絶縁膜から前記半導体基板への燐
の熱拡散を抑制することから、この半導体基板の活性領
域への燐の拡散に起因する悪影響を防止することができ
る。
硼素を含むBPSG膜でそれぞれ構成する。
では、燐の拡散係数が硼素の濃度に比例することが従来
よく知られている。このことから、第1の層間絶縁膜に
おける硼素の濃度を第2の層間絶縁膜におけるそれより
も小さくすることにより、第1の層間絶縁膜に第2の層
間絶縁膜よりも燐拡散係数を付与することができ、これ
により第1の層間絶縁膜に燐拡散抑制機能を与えること
ができる。
BPSG膜中のB2O3濃度を10〜12重量%とし、
第2の層間絶縁膜を構成するBPSG膜中のB2O3濃
度を12〜18重量%とする。
第1の層間絶縁膜として、燐を含まないSOG膜を採用
する。
について詳細に説明する。 〈具体例1〉図1および図2は、本発明に係る製造方法
をキャパシタがビット線上に伸びる、いわゆるCOB構
造を有するダイナミックランダムアクセスメモリ(DR
AM)の製造に適用した例を示す製造工程図である。
ンのような半導体単結晶基板10上に、例えばLOCO
S法を用いて、2000〜4000Åの厚さ寸法を有す
るフィールド酸化膜11が形成され、このフィールド酸
化膜11により、基板10上に活性領域12が区画され
る。活性領域12上には50〜150Åの厚さ寸法を有
するゲート酸化膜13が形成され、必要に応じて、ゲー
ト酸化膜13およびフィールド酸化膜11上にゲート1
4が形成される。
ン層15およびタングステンシリサイド層16からなる
従来よく知られた多層構造を有し、2000〜4000
Åの高さ寸法を与えられている。ゲート14上には、オ
ゾンTEOS法のようなCVD法を用いて堆積されるN
SG(ノンドープシリケートグラス)膜またはPSG
(燐ドープシリケートグラス)膜からなる2000〜3
000Åの厚さ寸法を有する絶縁層17が形成されてい
る。
板10上への堆積後、ホトリソグラフィおよびエッチン
グ技術を用いたパターニングにより、形成することがで
きる。ゲート14の両側には、サイドウォール部18が
形成される。このサイドウォール部18は、前記したと
同様なCVD法を用いてゲート14を覆うように、NS
G膜またはPSG膜を1500〜3000Åの厚さ寸法
に堆積した後、不要部分にエッチング処理を施すことに
より、形成することができる。
純物のイオン注入により、不純物領域19が形成され
る。このイオン注入による活性領域12の損傷を防止す
るために、イオン注入に先立って、活性領域12の露出
面には、保護膜として200〜500Åの厚さ寸法を有
する酸化膜20が形成され、この酸化膜20の保護下で
イオン注入が行われる。
の不純物領域19をソースおよびドレインとして、これ
らと共に、MOSトランジスタを構成する。
セレクトトランジスタとして、該セレクトトランジスタ
と共にメモリセルを構成するためのメモリキャパシタ
が、後述するように、活性領域12上の所定のゲート1
4間に形成される。このメモリキャパシタの形成に使用
される例えばシリコン窒化膜(Si3N4 )からなる犠牲膜
21が、図1(b)に示されているように、所定領域に
形成される。
ドウォール部18を覆いかつ活性領域12上の酸化膜2
0を覆うように、例えば低圧CVD法を用いて、シリコ
ン窒化膜を500〜1000Åの厚さ寸法に堆積した
後、このシリコン窒化膜をホトリソグラフィおよびエッ
チング技術を用いてパターニングすることにより、形成
することができる。前記したシリコン窒化膜のパターニ
ングにより、犠牲膜21は、後述するビットコンタクト
の形成部分を除く領域に形成される。
び該犠牲膜から露出部分を覆う第1の層間絶縁膜とし
て、例えばCVD法を用いて、1000〜2000Åの
厚さ寸法を有する第1のBPSG膜22が形成される。
この第1のBPSG膜22中のB2O3濃度は10〜12
重量%の範囲で適宜設定され、またP2O5濃度は10〜
15重量%の範囲で適宜設定される。
絶縁膜として、第1のBPSG膜22の形成におけると
同様なCVD法を用いて、例えば3000〜5000Å
の厚さ寸法を有する第2のBPSG膜23が形成され
る。この第2のBPSG膜23中のB2O3濃度は12〜
18重量%の範囲で、第1のBPSG膜22中のB2O3
濃度よりも高い値に設定される。換言すれば、第1のB
PSG膜22中のB2O3濃度が第2のBPSG膜23中
のそれよりも低い値に設定される。他方、第2のBPS
G膜23のP2O5濃度は10〜15重量%の範囲で、例
えば第1のBPSG膜22と同様な値に適宜設定され
る。
素雰囲気下で、800〜950℃の温度範囲でリフロー
のための熱処理が施される。この熱処理により、第2の
BPSG膜23の表面は、リフロー効果により、図1
(b)に示されているように、平坦化する。しかし、こ
のときに、熱処理に伴い、第1のBPSG膜22および
第2のBPSG膜23中の燐が酸化膜20を通してその
下にある不純物領域19に拡散しようとする。
膜(22および23)は2層構造を有し、しかも活性領
域12上の酸化膜20を直接に覆う第1のBPSG膜2
2は、上層たる第2のBPSG膜23のB2O3濃度に比
較して低いB2O3濃度を有する。
拡散係数が硼素の濃度に比例することが従来よく知られ
ている。従って、第2の層間絶縁膜(23)を構成する
第2のBPSG膜23における硼素の濃度よりも低い硼
素濃度を有する第1の層間絶縁膜(22)を構成する第
1のBPSG膜22は、第2の層間絶縁膜(23)にお
ける燐拡散係数よりも小さな値の燐拡散係数を示す。こ
のため、第2の層間絶縁膜(23)と酸化膜20との間
に位置する第1の層間絶縁膜(22)は、第2の層間絶
縁膜(23)に対して、相対的に燐拡散抑制膜として機
能する。
制膜の存在により、従来のB2O3濃度が12〜18重量
%を有する従来の単層構造の層間絶縁膜を用いた場合に
比較して、第2のBPSG膜23からの酸化膜20を通
した活性領域12への燐の拡散が抑制され、これによ
り、燐による活性領域12の汚染を防止することができ
る。
MOSトランジスタのような機能素子の特性の変化を防
止することができ、電気特性にばらつきのない安定した
特性を示す半導体装置を形成することができる。
図1(c)に示されているように、犠牲膜21で覆われ
ていない不純物領域19上に、従来よく知られたホトリ
ソグラフィおよびエッチング技術を用いて、コンタクト
ホール24が形成される。
については、一般的には、微細化の促進によりコンタク
トホールの開口径が小さくなると、エッチングの進行が
停止するエッチングストップ現象が見られる。
の形成のためのエッチング処理に、例えばC4F8ガスが
用いられると、このようなエッチングガスのBPSG膜
に対するエッチング速度は、該BPSG膜に含まれる硼
素の濃度が低い程、大きな値を示す。
を用いて前記2層構造の層間絶縁膜(22および23)
にコンタクトホール24を形成するについて、その深さ
寸法が比較的大きな場合であっても、エッチングガス
は、上層たる第2のBPSG膜23に比較して下層たる
第1のBPSG膜22に対して大きなエッチング速度を
示す。そのため、前記した層間絶縁膜(22および2
3)からなる2層構造によれば、エッチングストップ現
象が現れ易い下層が、上層よりもエッチングを受け易い
特性を示すことから、比較的開口径が小さくしかも深さ
寸法の大きなコンタクトホール24を好適に形成するこ
とが可能となる。
クトホールを経て不純物領域19に接続されるビット線
25が形成される。その後、図2(d)に示されている
ように、ビット線25を覆う層間絶縁膜26が第2のB
PSG膜23におけると同様に、形成される。この層間
絶縁膜26の形成についても、前記したリフロー処理が
用いられる。層間絶縁膜26の形成後、前記したメモリ
キャパシタの形成のために、層間絶縁膜26、第2のB
PSG膜23、第1のBPSG膜22、さらには、その
下に位置する犠牲膜21を貫通して不純物領域19上に
開放するセルコンタクト27が形成される。
られているように、メモリキャパシタのためのストレー
ジ電極28が不純物を添加したポリシリコンにより形成
され、シリコン窒化膜のような誘電体膜29を介して、
この誘電体膜29上に不純物を添加したポリシリコンか
らなるセルプレート30が形成され、これによりメモリ
キャパシタが完成する。
第1および第2のドライエッチング処理が用いられる。
第1のエッチング処理では、35mTorrのガス圧下
およびプラズマ発生のための1300mWの出力電力下
で、C4F8、一酸化酸素およびアルゴンガスがそれぞれ
16sccm、300sccmおよび400sccmの割合で供給さ
れるエッチングガスが用いられた。また、第2のエッチ
ング処理では、40mTorrのガス圧下およびプラズ
マ発生のための300mWの出力電力下で、CHF3、
酸素およびアルゴンガスがそれぞれ20sccm、20sccm
および100sccmの割合で供給されるエッチングガスが
用いられた。
グマスクが用いられ、第1のエッチング条件では、犠牲
膜21がエッチングストッパとして機能する。
の縮小およびホールを形成すべき層間絶縁膜の厚さ寸法
が増大すると、従来の第1のエッチング処理では、エッ
チング孔が犠牲膜21の底部すなわち酸化膜20に接す
る部分21a(図1(c)参照)に達する前に、エッチ
ングの深さ方向の進行が停止し、犠牲膜21の前記底部
21aよりも浅い位置にある犠牲膜21の肩部21b
(図1(c)参照)が第1のエッチング処理により浸食
を受け、そのために犠牲膜21の肩部21bが薄くなる
ことがあった。
は、第1のエッチング処理に引き続くサイドウォール部
18を利用したセルフアラインによる第2のエッチング
処理により、残存した犠牲膜21の底部21aおよび酸
化膜20を除去するときに、サイドウォール部18の部
分的な除去をも許すこととなり、このサイドウォール部
18の部分的な除去により、ゲート14がストレージ電
極28に短絡することがあった。
理に関して、2層構造を有する層間絶縁膜(22および
23)のうち、下層たる第1のBPSG膜22は、上層
たる第2のBPSG膜23に比較して、低いB2O3濃度
を示すことにより、高いエッチングレートを示す。この
ことから、第1のBPSG膜22は、第2のBPSG膜
23に比較して、エッチングを受け易い。そのため、前
記した2層構造の層間絶縁膜(22および23)によれ
ば、第1のエッチング処理によって、犠牲膜21の肩部
21bが浸食を受ける前に、犠牲膜21の底部21aを
露出させることができる。このことから、前記2層構造
によれば、犠牲膜21の肩部21bの浸食を招くことな
く、第1のエッチング処理を終えることができる。
よる第2のエッチング処理でのサイドウォール部18の
損傷を招くことなく、第2のエッチング処理により不純
物領域19に開放するセルコンタクト27を形成するこ
とができ、その結果、ゲート14に短絡することのない
ストレージ電極28を確実に形成することが可能とな
る。
間絶縁膜によれば、該層間絶縁膜中の異なる深さ位置を
有するコンタクトホールを1つのエッチングマスクを用
いた単一のエッチング処理で以て、形成することができ
る。
装置の断面図である。半導体基板10上にフィールド酸
化膜11により規定される不純物領域19上には、酸化
膜20が形成され、また酸化膜20を覆うように基板1
0の表面上には具体例1で説明したと同様な第1のBP
SG膜22が形成されている。第1のBPSG膜22上
には、具体例1について説明したと同様な第2のBPS
G膜23が形成されている。第2のBPSG膜23上に
は、セルプレート30が形成されており、さらに該セル
プレートを覆う例えば4000〜8000Åの厚さ寸法
を有する層間絶縁膜26が形成されている。そのため、
層間絶縁膜26の表面からそれぞれセルプレート30に
至るコンタクト31および不純物領域19に至るコンタ
クト32を形成するについて、両コンタクトのためのコ
ンタクトホール33および34の深さ寸法に大きな差が
ある。
タクトホール33および34を形成する場合、従来で
は、両コンタクトホール33および34の一括的なエッ
チング処理は、前記したエッチングストップ現象によ
り、コンタクトホール34の完成の前に浅い位置にある
セルプレート30にエッチングによる損傷を生じさせる
虞があることから、容易ではなかった。
間絶縁膜(22および23)によれば、前記したと同様
に、不純物領域19上の酸化膜20を覆う第1のBPS
G膜22が前記したエッチングに対し、上層たる第2の
BPSG膜23よりもエッチングを受け易いことから、
セルプレート30が前記したエッチング処理により損傷
を受ける前に、コンタクトホール34を形成することが
できる。
ッチング処理により、深さ寸法のことなるコンタクトホ
ール33および34を、セルプレート30のような回路
構成部分に損傷を与えることなく、形成することが可能
となる。
して、第1のBPSG膜22および第2のBPSG膜2
3からなるの2層構造を示したが、第1のBPSG膜2
2に代えて、PSG膜あるいはSOG膜を用いることが
できる。
は、例えばCVD法を用いて、P2O5濃度が10〜15
重量%の範囲となり、厚さ寸法が1000〜2000Å
となるように、適宜形成することができる。このPSG
膜は、硼素が含まれていないことから、硼素が含まれた
第1のBPSG膜22よりも優れた燐拡散抑制機能を発
揮する。また、このPSG膜は、前記したエッチングに
対しても第2のBPSG膜23に比較して高いエッチン
グレートを示すことから、具体例1および2に関連して
説明したエッチング問題をも解決することができる。
は、スピンコータを用いて、厚さ寸法が1000〜30
00Åとなるように、適宜形成することができる。この
SOG膜は、前記したPSG膜と同様な優れた燐拡散抑
制機能を発揮する。また、このPSG膜は、前記したエ
ッチングに対しても第2のBPSG膜23に比較して高
いエッチングレートを示すことから、具体例1および2
に関連して説明したエッチング問題をも解決することが
できる。
る下層すなわち燐拡散機能を有する第1の層間絶縁膜
は、図3に示した具体例2におけるようなエッチング処
理について、セルプレート30を構成するポリシリコン
に対して高いエッチング選択比を示す。すなわち、PS
G膜あるいはSOG膜からなる第1の層間絶縁膜(2
2)は、ポリシリコンに比較してエッチングを受け易
い。そのため、前記したPSG膜あるいはSOG膜から
なる第1の層間絶縁膜(22)を用いる例は、多層配線
に関連して深さ寸法の大きく異なる複数のコンタクトホ
ールを一括的に形成するときの前記したエッチング問題
の解決に特に有効である。
メモリセルの形成について説明したが、これに限らず本
発明をメモリセルアレイの周辺回路のMOSトランジス
タあるいはその他の半導体装置に適用することができ
る。また、燐拡散抑制機能を有する第1の層間絶縁膜の
材料として、前記したBPSG膜、PSG膜およびSO
G膜以外に、上層のBPSG膜よりも小さな燐拡散係数
を示す種々の電気絶縁材料を適宜選択することができ
る。
前記したように、燐を含む第2の層間絶縁膜と半導体基
板上の酸化膜との間に介在する第1の層間絶縁膜が、第
2の層間絶縁膜から半導体基板への燐の熱拡散を抑制す
ることから、この半導体基板の活性領域への燐の拡散に
起因する悪影響を防止することができる。
に流動性を与えるための熱処理を施すとき、この第2の
絶縁材料と半導体基板の活性領域を覆う酸化膜との間に
は、燐拡散抑制機能を有する第1の絶縁材料が介在する
ことから、この熱処理による第2の絶縁材料から活性領
域への燐の拡散が効果的に防止され、これにより、平坦
性に優れた層間絶縁膜の形成に関連する燐の拡散問題を
招くことなく、この燐の拡散による特性のばらつきを示
すことのない均一な特性の半導体装置を効果的に製造す
ることができる。
示す工程断面図(その1)である。
示す工程断面図(その2)である。
面図である。
Claims (2)
- 【請求項1】 半導体基板の活性領域を覆う酸化膜を直
接に覆う第1の層間絶縁膜と、該層間絶縁膜を直接に覆
う第2の層間絶縁膜とを含み、該第2の層間絶縁膜は燐
および硼素を含み、前記第1の層間絶縁膜は前記第2の
層間絶縁膜に含まれる燐が前記酸化膜を通して前記活性
領域に熱拡散することを防止するための燐拡散抑制機能
を有する電気絶縁材料からなる半導体装置において、 第1および第2の層間絶縁膜はそれぞれ燐および硼素を
含むBPSG膜からなり、 前記第1の層間絶縁膜を構成する前記BPSG膜中のB
2O3濃度は10〜12重量%であり、第2の層間絶縁
膜を構成する前記BPSG膜中のB2O3濃度は12〜
18重量%であることを特徴とする半導体装置。 - 【請求項2】 半導体基板の活性領域を覆う酸化膜を直
接に覆う第1の層間絶縁膜と、該層間絶縁膜を直接に覆
う第2の層間絶縁膜とを含み、該第2の層間絶縁膜は燐
および硼素を含み、前記第1の層間絶縁膜は前記第2の
層間絶縁膜に含まれる燐が前記酸化膜を通して前記活性
領域に熱拡散することを防止するための燐拡散抑制機能
を有する電気絶縁材料からなる半導体装置において、 前記第1の層間絶縁膜は燐を含まないSOG膜からなる
ことを特徴とする半導体装置。
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