コンタクトプラグとは
コンタクトプラグとは、層間絶縁膜に開けた穴を金属で埋めて、トランジスタと一番下の配線をつなぐ縦の柱です。
トランジスタを作り終えると、電極は絶縁膜の下に埋まります。細く深い穴の底まで金属を届けるのは難しく、全面に積んだ金属のほとんどは後で削り落とします。
トランジスタは絶縁膜の下に埋まり、穴を通してつなぐ
Section titled “トランジスタは絶縁膜の下に埋まり、穴を通してつなぐ”トランジスタを作り終えた時点で、ソースもドレインもゲートも絶縁膜の下に埋まっています。サリサイドの形成後に酸化膜と窒化膜をCVD法で成膜し、その上にBPSG膜（BとPを添加したSiO2膜）を成膜して層間絶縁膜にします1。BPSG膜の表面にはトランジスタのパターンが写って凹凸ができるので、CMPで平坦化します。上の配線と下のトランジスタの間にはこの絶縁膜が挟まったままなので、穴を開けて金属で埋めます。埋まった金属の柱がコンタクトプラグです。
寄生パラメータには、拡散層と配線をつなぐコンタクトホールの抵抗R2が含まれます。プラグは電流の通り道であると同時に、トランジスタの性能に直接加わる抵抗でもあります。コンタクトホールの形成はフロントエンドプロセス、つまり素子を作り込む工程に含まれます。プラグは配線に近い部品ですが、トランジスタ側の工程で作られます。
穴を開けて埋め、削って仕上げる4段階
Section titled “穴を開けて埋め、削って仕上げる4段階”- 露光でレジストのパターンを作り、BPSG膜をエッチングで削ります。平坦化のCMPの後でも、ポリシリコンの上とソース・ドレインの上ではBPSG膜の厚さが違うので、先に付けておいた窒化膜を研磨を止める膜として使います。
- 窒化膜と酸化膜をエッチングして、コンタクトホールを作ります。穴の深さと直径の比がアスペクト比です。
- Ti/TiNの薄い膜をバリアメタルとして付け、その内側に埋め込み用のWを付けます。
- WをCMPで磨いて、コンタクトメタルに仕上げます。
横の配線は削り、縦のプラグは埋めて作る
Section titled “横の配線は削り、縦のプラグは埋めて作る”AlCu配線は、絶縁膜の上にスパッタ法でAlCu合金を付け、RIE（反応性イオンエッチング）で余分を削って線の形にします3。金属を先に付け、余分を削り落とす作り方です。
縦の穴では、この順序が逆になります。配線層どうしをつなぐビアでは、高さを径で割った値が大きいほど断線が起きやすいので、穴を埋める方式を使います。Alを高温で流動させるAlリフローという方法もありますが、Wを使うビアが主流です。穴を開けた後にスパッタ法でTiNなどのバリアメタルを付け、WF6を原料ガスにするW-CVDでWをウェーハ全面に積み（ブランケットW成長）、RIEによるエッチバックかCMPで仕上げます。
細い穴の底まで金属を届けるために、ウェーハの全面を金属で覆います。そして覆った分のほとんどを、エッチバックかCMPで削り落とします。穴の中に残った分だけがプラグになります。
埋める作り方は、のちに横の配線にも広がった
Section titled “埋める作り方は、のちに横の配線にも広がった”CuはRIEでエッチング加工しにくい材料なので、配線加工にはダマシン法を使います。平らにした絶縁膜にRIEで配線の溝を彫り、そこに金属を流し込み、溝からはみ出した金属をCMPで削り取ると、溝の中の金属だけが残ります。
先にプラグを立ててから配線の溝を作る手順がシングルダマシン配線法、穴と溝を先に両方作っておいて金属を一度で流し込む手順がデュアルダマシン配線法です。プラグが先に取っていた埋める作り方へ、横の配線があとから合流したという順番になります。
アスペクト比は世代ごとに大きくなり、埋め込みを難しくする
Section titled “アスペクト比は世代ごとに大きくなり、埋め込みを難しくする”コンタクトホールのアスペクト比は、開口直径に対する開口深さの比率です。層を重ねるほど絶縁膜は厚くなり、微細化で開口の直径は小さくなるため、この比率は世代ごとに大きくなります。
ITRS 1999年版は、DRAMでは100nmのノードまで配線にAl、プラグにWが使われ続ける4と見込み、その結果として深い穴へのコンタクトや配線の埋め込み技術の改良が進むと見ていました。スタックト・キャパシタセルを使うDRAMのコンタクトのアスペクト比は、このロードマップで最も厳しい要求とされ、重点的に取り組む対象でした。
東京エレクトロンのTriase+ Wは5、WF6を原料に使う300mmウェーハ向けの枚葉CVD装置で、同社はステップカバレッジの高いW成膜ができるとしています。核をつけるSFDの工程と、膜を厚く育てる通常のCVDの工程を1つのモジュールの中で続けて行うため、細いホールの中でも被覆が保てるという説明です。用途はコンタクトプラグの形成とビアフィルです。
Ti/TiNは、底では低抵抗の接続を、壁ではバリアを担う
Section titled “Ti/TiNは、底では低抵抗の接続を、壁ではバリアを担う”Ti/TiN薄膜をバリアメタルとし、その上にWを埋めます。1つの膜が、穴の底ではシリコン側と低抵抗でつなぐ役割を、壁ではバリアメタルとしての役割を同時に担います。
Triase+ Ti/TiNは、TiCl4を原料に使ってTiとTiNを段差によく回り込ませる装置で、東京エレクトロンはコンタクト工程で抵抗を下げることと接合のリークを減らすことを両立しているとしています。低抵抗と低リークは相反しやすい要求なので、この両立が設計のポイントになります。
穴を開けた直後の底面には、手入れも要ります。Certas LEAGAは6、洗浄液を使わずに表面エッチングとクリーニングを行うガスケミカルエッチング装置で、用途の1つがシリコンコンタクト前の表面クリーニングです。柱を立てる前に、底の面を整える工程が入ります。
よくある質問（FAQ）
Section titled “よくある質問（FAQ）”コンタクトプラグとは何ですか？
層間絶縁膜に開けた穴を金属で埋めて、トランジスタと一番下の配線をつなぐ縦の柱です。埋め込みにはWを使います。
なぜプラグが要るのですか？
トランジスタが絶縁膜の下に埋まっているためです。シリサイドを作った後に酸化膜と窒化膜をCVD法で成膜し、その上にBPSG膜を成膜して層間絶縁膜にするので、この絶縁膜を貫く経路が必要になります。
何の金属で作りますか？
タングステン（W）が主流です。Ti/TiNの薄い膜をバリアメタルとして先に付け、その内側に埋め込み用のWを付けた後、WをCMPで磨いてコンタクトメタルに仕上げます。
どうやって細い穴を埋めますか？
穴を開けた後にスパッタ法でTiNなどのバリアメタルを付け、WF6を原料ガスにするW-CVDでWをウェーハ全面に積み、RIEによるエッチバックかCMPで仕上げます。全面に積むこの方法をブランケットW成長と呼びます。
なぜウェーハ全面に積むのですか？
細い穴の底まで金属を届けるためです。そのぶん、覆った金属のほとんどをエッチバックかCMPで削り落とします。穴の中に残った分だけがプラグになります。
アスペクト比はどう影響しますか？
埋め込みやすさを左右します。コンタクトホールのアスペクト比は、開口直径に対する開口深さの比です。ビアではこの値が大きいほど断線が起きやすいので、穴を埋める方式を使います。
配線とプラグでは作り方がどのように異なりますか？
AlCu配線は、絶縁膜の上にスパッタ法でAlCu合金を付け、RIEで余分を削って線の形にします。横の配線は削って形を作り、縦のプラグは穴に埋めて形を作ります。CuはRIEで加工しにくいので、横の配線もダマシン法という埋める方式に移りました。
比較・違いを学ぶ
Section titled “比較・違いを学ぶ”6件を表示
- 1電子情報通信学会 知識ベース：10群2編1章 集積回路プロセス技術概論（2010年10月）ieice-hbkb.org ↩
- 2JEITA 半導体部会：半導体用語集（ICガイドブック2009年版）semicon.jeita.or.jp ↩
- 3電子情報通信学会 知識ベース：10群2編4章 プロセスモジュール技術（2010年4月）ieice-hbkb.org ↩
- 4JEITA 半導体技術ロードマップ専門委員会訳：国際半導体技術ロードマップ 1999年版 日本語版 配線home.jeita.or.jp ↩
- 5東京エレクトロン：成膜 Triase+シリーズtel.co.jp ↩
- 6東京エレクトロン：エッチング Certasシリーズ（Certas LEAGA）tel.co.jp ↩