JP2004079902A - 導電性接触構造及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】半導体基板の中のソース／ドレイン領域へ電気的に接続するための導電性接続構造及びその製造方法を提供する。
【解決手段】パッド開口及び底部開口を含むはめ込み開口は、半導体基板上の誘電層中に形成される。パッド開口は、ソース／ドレイン領域を露出している底部開口より大きく且つ底部開口の上に配置される。底部開口及びパッド開口は、それぞれ底部プラグ及び金属パッド層を形成するためにポリシリコン層とタングステン層で逐次的に充満される。
【選択図】　図５

Description

【０００１】
【本発明の分野】
本発明は、半導体構造及びその製造方法に、そして更に詳しくは接触構造の抵抗を減らすことができる導電性接触構造及びその製造方法に関する。
【０００２】
【本発明の背景】
近年、半導体デバイスの先進的な微小サイズ化に伴い、半導体デバイスを製造する際の配線は増々多層化されてきている。結果として、製造ステップ、即ち接触プラグや媒体プラグ（以下、一般的に「接触プラグ」と呼ぶ。）の製造工程は増え続けており、そして半導体デバイスの製造工程は増々複雑化してきている。
【０００３】
絶縁フィルムである中間層の中に形成させた接触プラグを通る上方レベル配線と、半導体基板中の拡散不純物層の導電性領域との間の接続は、半導体デバイスにおける重要な製造技術の一つである。集積回路デバイスの集積密度の度合が増加するにつれて、接触プラグのために絶縁層の中に形成された接触開口は、高密度デバイスを保証するために小さな開口サイズを有することが要求される。接触開口にはそれに重なる導体との間の整列余裕を増大させるためには、接触開口の限界寸法を縮小することが必要となる。
【０００４】
接触開口の限界寸法が減少するにつれて、接触開口を製造するためのフォトリソグラフィ工程の整列許容誤差は相対的に減少する。従って、ミスアライメントエラーにより起こる歩留り損失を防ぐために、高精度な制御が要求される。限界寸法の低減の下でも高整列許容誤差を有する新しい先進的製造方法を開発することが必要となる。
【０００５】
更に、限界寸法の最小化及び配線層の上昇の条件において、接触開口のアスペクト比は増加し、そしてこのことは接触開口を導電性材料で充満することを一層困難にする。その結果生じた接触プラグにおいては、隙間が不可避的に形成されてそのため接触プラグの抵抗が増加し、そして電流短絡さえ引き起こす。それ故に、デバイスの動作速度は不可避的に減速し、また不良デバイスが不可避的に製造される。また更には、接触開口は伝統的に接触プラグを形成するためにポリシリコンで充満される。たとえ接触平面の底部中のオーム抵抗を下げることができても、残念ながら、自然の酸化シリコン層が自然と形成される。その自然の酸化シリコン層を除去するためには、湿式クリーニング方法が使用される。そのため隣接しているシリコンベースの誘電層は損傷を受け、そしてかくして接触開口のオリジナルサイズを修正することとなる。
【０００６】
【発明の概要】
本発明の一目的は、接触開口のアスペクト比を減らし、そして接触プラグの中の空隙の形成を防ぐ導電性接触構造及び製造方法を提供することである。
【０００７】
本発明の他の目的は、接触構造の抵抗を低減でき、そして金属パッド層の利用によりデバイスの動作速度を高める導電性接触構造及び製造方法を提供することである。
【０００８】
本発明のさらなる目的は、自然の酸化シリコン層なしの金属パッド層を使用する導電性接触構造及び製造方法を提供することである。金属パッドより上の接触開口のサイズは、自然の酸化シリコン層を除去する必要が無いことから変化することはないのであろう。
【０００９】
一面において、本発明はソース／ドレイン領域を覆っている第１の誘電層を有する半導体基板中のソース／ドレイン領域へ電気的に接続するための、導電性接触構造を形成する方法を提供する。この方法は以下のステップを含む。パッド開口及び底部開口は第１の誘電層の中に形成される。パッド開口はソース／ドレイン領域を露出するために、底部開口より大きく且つ底部開口上に配置される。底部開口及びパッド開口は、それぞれにポリシリコン層及び第１の金属層で充満される。第２の誘電層は、第１の誘電層の上に形成され、且つ頂部開口はその中に形成される。底部開口から実質的に離れてシフトしている頂部開口は金属層を露出するために、パッド開口より小さく且つパッド開口上に配置される。次に頂部開口は、そのうえに第２の金属層で充満される。
【００１０】
他の面において、本発明は半導体基板中のソース／ドレイン領域へ電気的に接続するために、半導体基板上に配置された誘電層の中の導電性接触構造を提供する。導電性接触構造体は、底部プラグ、金属パッド層及び頂部プラグから成る。
底部プラグは、ソース／ドレイン領域上に配列され且つそれへ電気的に接続される。棒状の形状を有する金属パッド層は、底部プラグより大きい。金属パッド層の一端は、底部プラグ上に配置され且つそれへ電気的に接続される。頂部プラグは、底部プラグから離れて実質的にシフトしている位置を有する。
【００１１】
【好ましい具体例の詳細な説明】
本発明は、底部プラグと頂部プラグとの間に金属パッド層のより大きな面積を形成する導電性接触構造及び製造方法を提供する。導電性接触構造のための接触開口のアスペクト比を減少させることができる。接触開口のためのフォトリソグラフィ工程のアラインメント窓を拡大し、ミスアライメントエラーによる歩留り損失を低減することができる。更に、金属パッド層を使用するために、接触構造の抵抗を減少させることができる。もし、表面上に自然の酸化金属層が形成されても、金属パッド層より上の接触開口のサイズは、酸化金属層を除去する工程の間は変化することはないであろう。
【００１２】
図１を参照すると、図１は本発明の好ましい一具体例に従った概略的なレイアウト図である。このレイアウトは半導体基板に適応される。レイアウト図の中には、図示されている複数の交差配置されたアクティブ領域ＡＡがある。各々のアクティブ領域ＡＡは分離構造、例えば浅溝分離（ＳＴＩ）によって分離される。
複数の並行した制御ゲートＧＣは、半導体基板の上に形成される。各々の制御ゲートの対は、同じ縦列にアクティブ領域ＡＡの上に配置される。接触プラグＨＢを含んでいる本発明の導電性接触構造は、ビットラインのような接触プラグＨＢ上の導電性構造へアクティブ領域ＡＡを電気的に接続するために、２つの制御ゲートＧＣの間のアクティブ領域ＡＡより上の位置に形成される。
【００１３】
以下に続く詳細な説明において、本発明の導電性接触構造及び製造方法が詳述されるであろう。図２−５は本発明の好ましい一具体例に従った図１の断面Ｉ−Ｉに一致する導電性接触構造の概略的断面図である。図２を参照すると、格子方位＜１００＞を持ったシリコン基板のような半導体基板が用意される。浅溝分離（ＳＴＩ）のような分離構造１０２は、アクティブ領域ＡＡ（即ち、図１のアクティブ領域）の区域を形成するために基板１００に形成される。制御ゲートＧＣ間のアクティブ領域ＡＡの中心部分は、ソース／ドレイン領域１０４として役立たすように計画される。制御ゲートＧＣとソース／ドレイン領域１０４とを含むトランジスタデバイスの製造工程が完了した後、誘電層１１０は基板１００を覆うように形成される。誘電層１１０は、例えば酸化シリコン又は低誘電性の他の材料から造ることができ、例えば、化学的蒸着，スピンコーティングなどにより形成される。
【００１４】
頂部のパッド開口１１４及び底部の底部開口１１２を含むはめ込み開口は、誘電層１１０の中に形成される。底部開口１１２は、例えば円柱状の開口であり、そしてソース／ドレイン領域１０４を露出させる。棒状の開口のようなパッド開口１１４は、底部開口１１２より大きい。パッド開口１１４は、底部開口１１２の幅に実質的に類似した幅を有し且つ底部開口１１２より長い。パッド開口１１４の底部は底部開口１１２へ接続され、ソース／ドレイン領域に隣接した分離構造１０２の上に延長される。パッド開口１１４及び底部開口１１２は、はめ込み開口１１１を構成する。はめ込み開口の形成方法は以下に続く例示的なステップであるが、これらに限定されるものでない。例えば、底部開口１１２に類似した過渡的開口は、底部開口１１２の決められた位置に形成される。次に、パッド開口１１４のパターンを有するフォトレジスト層は、パッド開口１１４へ境界を画定するために誘電層１１０上に形成される。誘電層１１０の露光部分は、パッド開口１１４を形成するためにイオン反応性エッチング（ＲＩＥ）のようなものにより除去され、そして同時に過渡的開口の底部は、底部開口１１２を形成するためにソース／ドレイン領域１０４が露出されるまでエッチングされる。パッド開口１１４の深さは、過渡的開口及びエッチング時間の制御により最適化することができる。パッド開口１１４の下の誘電層１１０の部分は残されるため、制御ゲートＧＣ間の分離を改善し、そしてこのようにして接続キャパシタスを低減させることができる。
【００１５】
図３を参照すると、次に底部開口１１２はソース／ドレイン領域１０４へ電気的に接続された底部プラグ１１６を形成するために、ポリシリコン層で充満される。底部プラグ１１６のための製造工程は、例えばパッド開口１１４及び底部開口１１２を充満するために、ポリシリコンの層を沈着し、次に必要な部分を配置する底部開口１１２の中に残すようにエッチング戻しを行うことができる。パッド開口１１４の底部中の誘電層１１０の部分は、エッチング停止点を検出するための層であることができる。
【００１６】
図４を参照すると、パッド開口１１４は次に金属パッド層１２０を形成するために金属層で充満される。金属層で充満する前に、チタニウム／窒化チタニウム（Ｔｉ／ＴｉＮ）層又はＴｉ／ＴｉＮ／Ｔｉ層のような薄いバリアー層１１８は、誘電層又は金属層を湿気又は熱移動に対して護るためにパッド開口１１４の内側に適合して形成される。もし仮にバリアー層１１８が底部チタニウム層を有するとすれば、珪化チタニウムが接触抵抗を低減するように界面に形成されるであろう。その金属層は、好ましくはタングステン（Ｗ）層である。金属パッド層１２０は、例えばパッド開口１１４を充満するためにタングステンで沈着し、次に必要な部分を残すようにエッチングし戻すか、又は選択的なタングステン沈着を使用することにより、形成することができる。もし金属パッド層１２０がポリシリコンより低い固有抵抗を有するタングステンから造られるならば、駆動電流を改善するように接触構造の実効抵抗は減少されるであろう。
【００１７】
図５を参照すると、他の誘電層１２２が誘電層１１０の上に形成されている。
誘電層１２２は酸化シリコン又は低誘電性の他の材料から造ることができ、そして化学的蒸着（ＣＶＤ）又はスピンコーティングなどにより形成させることができる。頂部開口１２４は、次に図１の接触プラグＨＢの位置に対応して誘電層１２２の中に形成される。頂部開口１２４は金属パッド層１２０、即ち、パッド開口１１４の位置へ整列され、そして金属パッド層の一部分を露出させる。頂部開口１２４は、底部プラグ１１６から離れて実質的にシフトした位置、即ち、底部開口１１２から偏位した位置にある。頂部開口１２４は円柱状の開口であり且つ金属パッド層１２０より短い長さを有する。従って、より大きな作業窓が頂部開口のフォトリソグラフィ工程の間に得られ、そのためミスアライメントエラーの許容誤差を改善することができ、このようにして歩留り損失は低減される。
【００１８】
その結果構造が形成された後、ウエハーは移送工程の間に大気にさらされることが避けられないため、ウエハーの頂部表面は酸化物を形成するように大気の酸素によって自然と酸化されるであろう。頂部開口１２４の下の金属パッド層１２０の露出された部分は、酸化タングステンのような頂部表面上の酸化金属を形成するように、自然と酸化されるであろう。酸化金属に対する除去剤は、酸化シリコン又はシリコンベースの材料を侵食しないであろうから、頂部開口１２４に隣接している誘電層１２２は侵食されないであろうし、頂部開口１２４の大きさが変化することはないであろう。従って、金属材料で頂部開口１２４を充満することにより後で形成されたプラグの大きさは、頂部開口１２４の大きさの変化により引き起こされる隣接した導電性構造との短絡を防ぐように固定される。
【００１９】
頂部開口１２４は、次に、金属パッド層１２０へ電気的に接続された頂部プラグ１２８を形成するために、金属材料で充満される。金属層で充満する前に、Ｔｉ／ＴｉＮ層又はＴｉ／ＴｉＮ／Ｔｉ層のような薄いバリアー層１２６は、誘電層１２２を湿気から護るために又は金属層の熱移動から護るために頂部開口１２４の内側に適合して形成される。金属層はチタニウム，タングステン，アルミニウム，銅，銀，金及びこれらの合金の群から選ばれた材料より造ることができる。頂部プラグ１２８は、例えば頂部開口１２４を充満するために金属層を沈着し、次に頂部開口１２４中の必要な部分へエッチング戻しによって形成することができる。金属パッド層１２０は低い固有抵抗を有するため、頂部プラグ１２８からの電流は、金属パッド層を介して底部プラグ１１６及びソース／ドレイン領域１０４に至るまでの通過が容易化され、従ってデバイスの動作速度が改善される。その後は、ビットライン又はキャパシターなどのような金属回路又は他の導電性構造が頂部プラグ１２８と電気的に接続するために頂部プラグ１２８の上に形成される。例えば、もし金属回路が形成されるならば、金属回路及び頂部プラグ１２８は一体的に又は別々に形成されることができる。もし金属回路及び頂部プラグ１２８が一体的に形成されるとすれば、その製造工程は、例えば頂部開口１２４を充満するために誘電層１２２上に金属層を形成することでよい。金属層は、次に従来のフォトリソグラフティ及びエッチング工程により金属回路の所望のパターンを得るように区画される。もし金属回路が個々に形成されるとすれば、その製造工程は当業者によく知られており、従って、ここではより詳細に説明しない。
【００２０】
上記説明に従って、本発明は導電性接触構造及び製造方法を提供する。金属パッド層は金属パッド層及び電導プラグの積層された接触構造を形成するために、底部及び頂部プラグとの間に挿入される。フォトリソグラフティ工程の間のアラインメントの作業窓を拡大することができ、そして接触開口のアスペクト比を減少させることができ、そして製造方法の困難性を低減できる。更には、金属層を使用することにより、総抵抗を減少させることができる。
【００２１】
その技術における当業者には理解されるように、本発明の以上の好ましい具体例は、本発明の限定ではなく本発明の例示である。特許請求の範囲の精神及び範囲内に含まれる種々の修飾及び類似の構成を包含することが意図され、その範囲はすべてそのような修飾及び類似の構成が含まれるように最も広い解釈に従うべきである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の好ましい一具体例による概略的なレイアウト図である。
【図２】本発明の好ましい一具体例による概略的な断面図である。
【図３】本発明の好ましい一具体例による概略的な断面図である。
【図４】本発明の好ましい一具体例による概略的な断面図である。
【図５】本発明の好ましい一具体例による概略的な断面図である。
【符号の説明】
ＡＡ・・・アクティブ領域
ＧＣ・・・制御ゲート
ＨＢ・・・接触プラグ
１００・・・半導体基板
１０２・・・分離構造
１０４・・・ソース／ドレイン領域
１１０，１２２・・・誘電層
１１１・・・はめ込み開口
１１２・・・底部開口
１１４・・・パッド開口
１１６・・・底部プラグ
１１８，１２６・・・薄いバリアー層
１２０・・・金属パッド層
１２４・・・頂部開口
１２８・・・頂部プラグ

Claims (20)

1. ソース／ドレイン領域を覆う第１の誘電層を有する半導体基板中にソース／ドレイン領域へ電気的に接続するための導電性接触構造を形成する方法であって、前記第１の誘電層中に、前記ソース／ドレイン領域を露出させる底部開口と、該底部開口より大きくかつその上に位置するパッド開口を形成するステップ、
   前記底部開口を充満するようにポリシリコン層を形成するステップ、
   前記パット開口を充満するように第１の金属層を形成するステップ、
   前記第１の誘電層の上に第２の誘電層を形成するステップ、
   前記第２の誘電層中に、前記パット開口より小さくかつその上に位置し、そして前記底部開口から離れて実質的にシフトしている頂部開口を形成するステップ、および
   前記頂部開口を充満するように第２の金属層を形成するステップ、
   よりなる方法。
2. 前記パッド開口は前記ソース／ドレイン領域に隣接した分離構造上に延長されている請求項１の方法。
3. 前記金属層はタングステン層よりなる請求項１の方法。
4. 前記パッド開口を充満するために前記第１の金属層を形成する前に、前記パッド開口の内側に薄いバリアー層を形成することを更に含んでいる請求項１の方法。
5. 前記第２の誘電層の材料はチタニウム，タングステン，アルミニウム，銅，銀，金及びそれらの組合せからなる群から選ばれる請求項１の方法。
6. 前記底部開口を充満するためにポリシリコン層を形成するステップは、
   前記底部開口及び前記パッド開口をポリシリコン材料で充満し、そして前記底部開口中に前記ポリシリコン層を形成するために、前記第１の誘電層において終点を有するように前記ポリシリコン層材料をエッチングを戻すことによって該パッド開口中の前記ポリシリコン材料を除去するステップよりなる請求項１の方法。
7. 半導体基板中のソース／ドレイン領域へ電気的に接続するために、前記半導体基板上に配置された誘電層中の導電性接触構造であって、
   前記ソース／ドレイン領域上に配置され且つ電気的に接続された底部プラグ；前記底部プラグ上に配列され且つ電気的に接続された、前記底部プラグより大きな金属パッド層；及び
   前記金属パッド層上に配置され且つ電気的に接続され、前記底部プラグから離れて実質的に移動している頂部プラグを備えることを特徴とする前記導電性接触構造。
8. 前記底部プラグの材料はポリシリコンよりなる請求項７の構造。
9. 前記金属パッド層は前記ソース／ドレイン領域に隣接した分離構造上へ延長している請求項７の構造。
10. 前記金属パッド層の形状は棒状よりなる請求項７の構造。
11. 前記金属パッド層の材料はタングステンよりなる請求項７の構造。
12. 前記金属パッド層と前記誘電層との間に薄いバリアー層を更に備えている請求項７の構造。
13. 前記頂部プラグの材料はチタニウム，タングステン，アルミニウム，銅，銀，金及びそれらの組合せからなる群から選ばれる請求項７の構造。
14. 半導体基板中の導電性領域へ電気的に接続するために、前記半導体基板上に配置された誘電層中の導電性接触構造であって、
    前記導電性領域上に配列され且つ電気的に接続された底部プラグ；
    前記底部プラグ上に配列され且つ電気的に接続された、前記底部プラグより大きな金属パッド層を備えることを特徴とする前記導電性接触構造。
15. 前記底部プラグの材料はポリシリコンよりなる請求項１４の構造。
16. 前記金属パッド層は前記ソース／ドレイン領域に隣接した分離構造上へ延長している請求項１４の構造。
17. 前記金属パッド層の形状は棒状よりなる請求項１４の構造。
18. 前記金属パッド層の材料はタングステンよりなる請求項１４の構造。
19. 前記金属パッド層と前記誘電層との間に薄いバリアー層を更に備えている請求項１４の構造。
20. 前記金属パッド上に配置され且つ電気的に接続され、前記底部プラグから離れてシフトしている金属プラグを更に備えている請求項１４の構造。

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