JP2004172186A - 半導体装置の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】半導体装置の製造方法に関し、簡単な手段を採ることで、ハード・マスク層をシュリンクする際、ハード・マスク層の側方からのみエッチングされるようにして、そのエッチング量の制御を容易にすると共にシュリンク後のハード・マスク層のばらつきを抑止できるようにする。
【解決手段】半導体基板21上にゲート絶縁膜22、導電層23、ハード・マスク層24、マスク保護膜25を順に積層形成し、マスク保護膜25及びハード・マスク層24をゲート・パターンにパターニングし、マスク保護膜25でハード・マスク層24上面を保護した状態でハード・マスク層24の等方性エッチングを行ってシュリンクし、シュリンクされたハード・マスク層24をマスクとして導電層23のエッチングを行いゲート電極を形成する。
【選択図】 図1
【解決手段】半導体基板21上にゲート絶縁膜22、導電層23、ハード・マスク層24、マスク保護膜25を順に積層形成し、マスク保護膜25及びハード・マスク層24をゲート・パターンにパターニングし、マスク保護膜25でハード・マスク層24上面を保護した状態でハード・マスク層24の等方性エッチングを行ってシュリンクし、シュリンクされたハード・マスク層24をマスクとして導電層23のエッチングを行いゲート電極を形成する。
【選択図】 図1
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、MOSトランジスタに於けるゲート電極を微細に形成するプロセスを含んだ半導体装置の製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
図4及び図5は従来のMOSトランジスタを製造する方法を説明する為の工程要所に於けるMOSトランジスタを表す要部切断側面図であり、以下、これ等の図を参照しつつ説明する。
【0003】
図4(A)参照
(1)
面指数(100)或いは(110)のSi基板1にSTI(shallow trench isolation)(図示せず)を形成した後、例えば熱酸化法を適用することに依り、ゲート酸化膜2を形成する。
【0004】
(2)
減圧CVD法を適用することに依り、ゲート酸化膜2上に厚さ80〔nm〕〜150〔nm〕の多結晶Siからなる導電層3を形成する。
【0005】
(3)
減圧CVD法を適用することに依り、導電層3上に厚さ120〔nm〕〜150〔nm〕の酸化膜からなるハード・マスク層4を形成する。
【0006】
(4)
リソグラフィ技術に於けるレジスト・プロセスを適用することに依り、ゲート電極を形成する為のレジスト・パターン6を形成する。
【0007】
図4(B)参照
(5)
ドライ・エッチング法を適用することに依り、レジスト・パターン6をマスクとしてハード・マスク層4のエッチングを行って、ハード・マスク層4をゲート・パターンにパターニングする。
【0008】
図5(A)参照
(6)
レジスト・パターン6を除去してから、エッチャントをHF水溶液とするウエット・エッチング法を適用することに依り、ハード・マスク層4をエッチングしてシュリンクさせる。
【0009】
図5(B)参照
(7)
ドライ・エッチング法を適用することに依り、前記シュリンクしたハード・マスク層4をマスクとして多結晶Siからなる導電層3をエッチングし、ゲート・パターンにパターニングする。
【0010】
前記説明した工程を採った場合、工程(6)でハード・マスク層4をHF水溶液を用いてエッチングすることでシュリンクさせているのであるが、その際、ハード・マスク層4に膜減りを生ずる。
【0011】
図6はハード・マスク層のシュリンクを行った場合に於ける要所の諸寸法を説明する為のMOSトランジスタを表す要部切断側面図であり、図4及び図5に於いて用いた記号と同記号は同部分を表すか或いは同じ意味を持つものとする。
【0012】
図に於いて、aは図4(B)に見られる状態のハード・マスク層4の長さ(ゲート長方向を長さと呼ぶ。)、bはHF水溶液でシュリンクした後のハード・マスク層4の長さ、cはハード・マスク層4をマスクとして多結晶Siからなる導電層3をエッチングしてゲート電極を形成した後のハード・マスク層4の長さ(導電層3をエッチングした際に若干エッチングされる。)、dはハード・マスク層4をシュリンクした分の長さ(即ち、a−b。)、eはシュリンクした際の厚さ方向の膜減り分、fはハード・マスク層4をマスクとして多結晶Siからなる導電層3をエッチングしてゲート電極を形成した後のハード・マスク層4の厚さ(導電層3をエッチングした際にエッチングされる。)、gは図4(B)に見られる状態のハード・マスク層4の厚さをそれぞれ示している。
【0013】
ここで問題となるのは、ハード・マスク層4をシュリンクした際の厚さ方向の膜減り分e、及び、多結晶Siからなる導電層3をドライ・エッチングする際、多結晶SiとSiO2 との選択比が小さいことから、それに依っても膜減りを生ずることである。
【0014】
従って、ハード・マスク層4は厚く形成しておかないとピン・ホールが生成されてマスクとしての役割を果たすことができないのであるが、ハード・マスク層4を厚くするには、厚い酸化膜をパターニングしなければならず、その際にも、酸化膜とレジストとの選択比は大きくはないから、厚い酸化膜をパターニングするのは困難である。尚、厚い酸化膜をパターニングするには、厚いレジスト膜を形成すれば良いと考えられようが、この場合、レジスト膜のアスペクト比が大きくなって倒れてしまうので、実現不可能である。
【0015】
また、ハード・マスク層4の肩の部分はエッチング液に曝されるので、ハード・マスク層4のパターン寸法ばらつきに大きな影響を与え、微細なゲート・パターンを形成する妨げとなっている。
【0016】
ここで、本発明と部分的に関連をもつものと認識される先行技術文献情報について説明する。
【0017】
ゲート電極上にハード・マスク層が形成され、そのハード・マスク層上に多結晶Siからなる補償膜が形成され、ゲート電極のエッチング中に多結晶Siからなる補償膜も同時に除去する発明が知られていて、多結晶Siからなる補償膜は、ハード・マスク層をエッチング中にガスに曝されることがないので、膜減りは発生せず、従って、イオン注入時のマスク効果は向上し、イオンの突き抜けを防止することができるとしている(例えば、特許文献1参照。)。
【0018】
本発明に於いても、ゲート電極を形成する際のマスクとして用いるハード・マスク層上にはマスク保護膜を形成しているのであるが、特許文献1に開示された発明では、イオン注入時のイオン突き抜け防止が主目的であって、ハード・マスク層のシュリンクには無関係である。
【0019】
特許文献1に開示された発明では、補償膜の膜厚として200〔nm〕以下、例えば100〔nm〕であって、かなり厚いものを用いているが、本発明の場合のマスク保護膜は、ゲート電極のエッチング時に於いて、ブレーク・スルーのエッチングで消失し、ハード・マスク層が若干削れるような厚さにしてあり、その理由は、ゲート電極のメイン・エッチングで終点判断をする為、薄膜にしてあることに依る。
【0020】
また、レジスト/有機材料層/多結晶Si/G−Ox /半導体基板、の構造に於いて、レジスト・パターンを形成し、Cl2 +O2 である混合ガスを用いて有機材料層をエッチングすると共にレジスト・パターンをシュリンクさせる発明が知られている(例えば、特許文献2参照。)。
【0021】
特許文献2に開示された発明では、レジストのシュリンクについて記載され、マスク保護膜の下に在るハード・マスク層をシュリンクすることについては無関係である。
【0022】
【特許文献1】
特開2000−100965号公報
【特許文献2】
特開2001−308676号公報
【0023】
【発明が解決しようとする課題】
本発明では、簡単な手段を採ることに依って、ハード・マスク層をシュリンクする際、ハード・マスク層の側方からのみエッチングされるようにし、そのエッチング量の制御を容易にすると共にシュリンク後のハード・マスク層のばらつきを抑止できるようにする。
【0024】
【課題を解決するための手段】
本発明に依る半導体装置の製造方法では、半導体基板上にゲート絶縁膜、導電層、導電層と比較して選択比がとれる材質からなるハード・マスク層、ハード・マスク層と比較して等方性エッチングを加えた場合に選択比がとれる材質からなるマスク保護膜を順に積層形成し、マスク保護膜及びハード・マスク層をゲート・パターンにパターニングし、マスク保護膜でハード・マスク層上面を保護した状態でハード・マスク層の等方性エッチングを行ってシュリンクし、シュリンクされたハード・マスク層をマスクとして導電層のエッチングを行いゲート電極を形成することが基本になっている。
【0025】
前記手段を採ることに依り、シュリンク後のハード・マスク層、即ち、ハード・マスク層残膜のばらつきは極めて少なくなり、ハード・マスク層をシュリンクする場合のエッチングでは、側方からのみエッチング液に曝されるので、エッチング量の規制は容易であって、その制御性は大きく向上し、所要の極微細ゲート長を実現することができる。
【0026】
【発明の実施の形態】
実施の形態1
図1及び図2はMOSトランジスタを製造する方法を説明する為の工程要所に於けるMOSトランジスタを表す要部切断側面図であり、以下、これ等の図を参照しつつ説明する。
【0027】
図1(A)参照
(1)
面指数(100)或いは(110)のSi基板21にSTI(図示せず)を形成した後、全面にゲート絶縁膜22を形成する。
【0028】
このゲート絶縁膜22の材料は、SiO2 、SiON、高誘電体(high−k)などを用いることができ、その場合の成膜には、熱酸化法、減圧CVD法などを適用することができる。
【0029】
(2)
ゲート絶縁膜22上に厚さ20〔nm〕〜150〔nm〕の導電層23を形成する。この場合の導電層23としては、多結晶Si層、多結晶Si層+金属層、WN層、W層、Mo層、Ag層、Al層などを用いることができ、多結晶Siの場合には減圧CVD法を適用し、また、他の金属の場合にはスパッタリング法を適用するなどして成膜すれば良い。
【0030】
(3)
減圧CVD法を適用することに依り、多結晶Si層3上に厚さ50〔nm〕〜150〔nm〕のハード・マスク層24を形成する。この場合のハード・マスク層24としては、SiO2 、SiN、SiONなどを用いることができる。
【0031】
(4)
減圧CVD法を適用することに依り、ハード・マスク層24上に厚さ5〔nm〕〜20〔nm〕の多結晶Siからなるマスク保護膜25を形成する。
【0032】
(5)
リソグラフィ技術に於けるレジスト・プロセスを適用することに依り、ゲート電極を形成する為のレジスト・パターン26を形成する。
【0033】
図1(B)参照
(6)
ドライ・エッチング法を適用することに依り、レジスト・パターン26をマスクとしてマスク保護膜25及びハード・マスク層24のエッチングを行って、マスク保護膜25及びハード・マスク層24をゲート・パターンにパターニングする。
【0034】
図2(A)参照
(7)
レジスト・パターン26を除去してから、エッチャントをHF水溶液とするウエット・エッチング法を適用することに依り、マスク保護膜25をマスクにハード・マスク層24をエッチングしてシュリンクさせる。尚、ハード・マスク層24のシュリンクには、ドライ・エッチング法を適用することもできる。
【0035】
図2(B)参照
(8)
ドライ・エッチング法を適用することに依り、前記シュリンクしたハード・マスク層24をマスクとして多結晶Siからなる導電層23をエッチングし、ゲート電極23Gを形成する。
【0036】
前記説明した工程(7)でハード・マスク層24をHF水溶液を用いてエッチングすることでシュリンクさせているのであるが、その際、ハード・マスク層24上にはマスク保護膜25が在るのでハード・マスク層24の膜減りは生じない。又、マスク保護膜25は、前記説明した工程(8)でゲート電極23Gを形成した際に消滅する。
【0037】
図3はハード・マスク層のシュリンクを行った場合に於ける要所の諸寸法を説明する為のMOSトランジスタを表す要部切断側面図であり、図1及び図2に於いて用いた記号と同記号は同部分を表すか或いは同じ意味を持つものとする。
【0038】
図に於いて、hは図1(B)に見られる状態のマスク保護膜25及びハード・マスク層24の長さ(ゲート長方向を長さと呼ぶ。)、iはHF水溶液でシュリンクした後のハード・マスク層24の長さ、jはハード・マスク層24をマスクとして多結晶Siからなる導電層23をエッチングしてゲート電極23Gを形成した後のハード・マスク層24の長さ(導電層23をエッチングした際に若干エッチングされる。)、kはハード・マスク層24をシュリンクした分の長さ(即ち、h−i。)、lはハード・マスク層24をマスクとして多結晶Siからなる導電層23をエッチングしてゲート電極23Gを形成した後のハード・マスク層24の厚さ(導電層23をエッチングした際に若干エッチングされる。)、mは図1(A)、図1(B)、図2(A)に見られる状態のハード・マスク層24の厚さをそれぞれ示している。
【0039】
図3から明らかなようにh>iであって、ハード・マスク層24はサイド方向からのみ等方エッチングされるので、kのみがシュリンク量である。
【0040】
また、c(図6参照)>jであって、シュリンク量の違いは明らかであり、レジスト寸法が同じでも微細なゲート・パターンを実現することができる。
【0041】
更に、g(図6参照)>mであって、従来のハード・マスク層よりも薄くできることが特徴である。
【0042】
実施の形態2
前記説明した工程に於いて、マスク保護膜25の材料として多結晶Siを用いたが、これは、他の材料、例えばSiNに代替することができる。但し、その場合は、ハード・マスク層24をシュリンクさせた後、熱リン酸をエッチャントとしてマスク保護膜25を除去することになるが、SiO2 からなるハード・マスク層24は、熱リン酸に耐性があるので、シュリンクさせた後の寸法であるjに何ら変化はない。
【0043】
本発明に於いては、前記説明した実施の形態を含め、多くの形態で実施することができ、以下、それを付記として例示する。
【0044】
(付記1)
半導体基板上にゲート絶縁膜、導電層、前記導電層と比較して選択比がとれる材質からなるハード・マスク層、前記ハード・マスク層と比較して等方性エッチングを加えた場合に選択比がとれる材質からなるマスク保護膜を順に積層形成する工程と、
次いで、前記マスク保護膜及び前記ハード・マスク層をゲート・パターンにパターニングする工程と、
次いで、前記マスク保護膜で前記ハード・マスク層上面を保護した状態で前記ハード・マスク層の等方性エッチングを行ってシュリンクする工程と
次いで、シュリンクされた前記ハード・マスク層をマスクとして前記導電層のエッチングを行いゲート電極を形成する工程と
が含まれてなることを特徴とする半導体装置の製造方法。
【0045】
(付記2)
ハード・マスク層がSiO2 、SiN、SiONの何れかの膜、或いは、それ等から選択された材料の積層膜であること
を特徴とする(付記1)記載の半導体装置の製造方法。
【0046】
(付記3)
ハード・マスク層がSiO2 膜で構成されると共にマスク保護膜がSiN膜で構成されること
を特徴とする(付記1)記載の半導体装置の製造方法。
【0047】
(付記4)
導電層をエッチングしてゲート電極を形成する際にマスク保護膜が同時に除去されること
を特徴とする(付記1)記載の半導体装置の製造方法。
【0048】
(付記5)
ハード・マスク層が塗布に依って形成されること
を特徴とする(付記1)から(付記4)までの何れか1記載の半導体装置の製造方法。
【0049】
(付記6)
導電層が多結晶Si、WN、W、Mo、Ag、Alから選択された材料で構成されること
を特徴とする(付記1)から(付記5)までの何れか1記載の半導体装置の製造方法。
【0050】
(付記7)
ゲート絶縁膜がSiO2 、SiON、高誘電率材料(high−k)から選択された材料で構成されること
を特徴とする(付記1)から(付記6)までの何れか1記載の半導体装置の製造方法。
【0051】
(付記8)
ハード・マスク層がHF水溶液に溶解する材料からなること
を特徴とする(付記1)から(付記7)までの何れか1記載の半導体装置の製造方法。
【0052】
(付記9)
マスク保護膜の膜厚がハード・マスク層の膜厚に比較して薄いこと
を特徴とする(付記1)から(付記8)までの何れか1記載の半導体装置の製造方法。
【0053】
【発明の効果】
本発明に依る半導体装置の製造方法では、半導体基板上にゲート絶縁膜、導電層、導電層と比較して選択比がとれる材質からなるハード・マスク層、ハード・マスク層と比較して等方性エッチングを加えた場合に選択比がとれる材質からなるマスク保護膜を順に積層形成し、マスク保護膜及びハード・マスク層をゲート・パターンにパターニングし、マスク保護膜でハード・マスク層上面を保護した状態でハード・マスク層の等方性エッチングを行ってシュリンクし、シュリンクされたハード・マスク層をマスクとして導電層のエッチングを行いゲート電極を形成する。
【0054】
前記構成を採ることに依り、シュリンク後のハード・マスク層、即ち、ハード・マスク層残膜のばらつきは極めて少なくなり、ハード・マスク層をシュリンクする場合のエッチングでは、側方からのみエッチング液に曝されるので、エッチング量の規制は容易であって、その制御性は大きく向上し、所要の極微細ゲート長を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】MOSトランジスタを製造する方法を説明する為の工程要所に於けるMOSトランジスタを表す要部切断側面図である。
【図2】MOSトランジスタを製造する方法を説明する為の工程要所に於けるMOSトランジスタを表す要部切断側面図である。
【図3】ハード・マスク層のシュリンクを行った場合に於ける要所の諸寸法を説明する為のMOSトランジスタを表す要部切断側面図である。
【図4】従来のMOSトランジスタを製造する方法を説明する為の工程要所に於けるMOSトランジスタを表す要部切断側面図である。
【図5】従来のMOSトランジスタを製造する方法を説明する為の工程要所に於けるMOSトランジスタを表す要部切断側面図である。
【図6】ハード・マスク層のシュリンクを行った場合に於ける要所の諸寸法を説明する為のMOSトランジスタを表す要部切断側面図である。
【符号の説明】
21 Si基板
22 ゲート絶縁膜
23 導電層
23G ゲート電極
24 ハード・マスク層
25 マスク保護膜
26 レジスト・パターン
【発明の属する技術分野】
本発明は、MOSトランジスタに於けるゲート電極を微細に形成するプロセスを含んだ半導体装置の製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
図4及び図5は従来のMOSトランジスタを製造する方法を説明する為の工程要所に於けるMOSトランジスタを表す要部切断側面図であり、以下、これ等の図を参照しつつ説明する。
【0003】
図4(A)参照
(1)
面指数(100)或いは(110)のSi基板1にSTI(shallow trench isolation)(図示せず)を形成した後、例えば熱酸化法を適用することに依り、ゲート酸化膜2を形成する。
【0004】
(2)
減圧CVD法を適用することに依り、ゲート酸化膜2上に厚さ80〔nm〕〜150〔nm〕の多結晶Siからなる導電層3を形成する。
【0005】
(3)
減圧CVD法を適用することに依り、導電層3上に厚さ120〔nm〕〜150〔nm〕の酸化膜からなるハード・マスク層4を形成する。
【0006】
(4)
リソグラフィ技術に於けるレジスト・プロセスを適用することに依り、ゲート電極を形成する為のレジスト・パターン6を形成する。
【0007】
図4(B)参照
(5)
ドライ・エッチング法を適用することに依り、レジスト・パターン6をマスクとしてハード・マスク層4のエッチングを行って、ハード・マスク層4をゲート・パターンにパターニングする。
【0008】
図5(A)参照
(6)
レジスト・パターン6を除去してから、エッチャントをHF水溶液とするウエット・エッチング法を適用することに依り、ハード・マスク層4をエッチングしてシュリンクさせる。
【0009】
図5(B)参照
(7)
ドライ・エッチング法を適用することに依り、前記シュリンクしたハード・マスク層4をマスクとして多結晶Siからなる導電層3をエッチングし、ゲート・パターンにパターニングする。
【0010】
前記説明した工程を採った場合、工程(6)でハード・マスク層4をHF水溶液を用いてエッチングすることでシュリンクさせているのであるが、その際、ハード・マスク層4に膜減りを生ずる。
【0011】
図6はハード・マスク層のシュリンクを行った場合に於ける要所の諸寸法を説明する為のMOSトランジスタを表す要部切断側面図であり、図4及び図5に於いて用いた記号と同記号は同部分を表すか或いは同じ意味を持つものとする。
【0012】
図に於いて、aは図4(B)に見られる状態のハード・マスク層4の長さ(ゲート長方向を長さと呼ぶ。)、bはHF水溶液でシュリンクした後のハード・マスク層4の長さ、cはハード・マスク層4をマスクとして多結晶Siからなる導電層3をエッチングしてゲート電極を形成した後のハード・マスク層4の長さ(導電層3をエッチングした際に若干エッチングされる。)、dはハード・マスク層4をシュリンクした分の長さ(即ち、a−b。)、eはシュリンクした際の厚さ方向の膜減り分、fはハード・マスク層4をマスクとして多結晶Siからなる導電層3をエッチングしてゲート電極を形成した後のハード・マスク層4の厚さ(導電層3をエッチングした際にエッチングされる。)、gは図4(B)に見られる状態のハード・マスク層4の厚さをそれぞれ示している。
【0013】
ここで問題となるのは、ハード・マスク層4をシュリンクした際の厚さ方向の膜減り分e、及び、多結晶Siからなる導電層3をドライ・エッチングする際、多結晶SiとSiO2 との選択比が小さいことから、それに依っても膜減りを生ずることである。
【0014】
従って、ハード・マスク層4は厚く形成しておかないとピン・ホールが生成されてマスクとしての役割を果たすことができないのであるが、ハード・マスク層4を厚くするには、厚い酸化膜をパターニングしなければならず、その際にも、酸化膜とレジストとの選択比は大きくはないから、厚い酸化膜をパターニングするのは困難である。尚、厚い酸化膜をパターニングするには、厚いレジスト膜を形成すれば良いと考えられようが、この場合、レジスト膜のアスペクト比が大きくなって倒れてしまうので、実現不可能である。
【0015】
また、ハード・マスク層4の肩の部分はエッチング液に曝されるので、ハード・マスク層4のパターン寸法ばらつきに大きな影響を与え、微細なゲート・パターンを形成する妨げとなっている。
【0016】
ここで、本発明と部分的に関連をもつものと認識される先行技術文献情報について説明する。
【0017】
ゲート電極上にハード・マスク層が形成され、そのハード・マスク層上に多結晶Siからなる補償膜が形成され、ゲート電極のエッチング中に多結晶Siからなる補償膜も同時に除去する発明が知られていて、多結晶Siからなる補償膜は、ハード・マスク層をエッチング中にガスに曝されることがないので、膜減りは発生せず、従って、イオン注入時のマスク効果は向上し、イオンの突き抜けを防止することができるとしている(例えば、特許文献1参照。)。
【0018】
本発明に於いても、ゲート電極を形成する際のマスクとして用いるハード・マスク層上にはマスク保護膜を形成しているのであるが、特許文献1に開示された発明では、イオン注入時のイオン突き抜け防止が主目的であって、ハード・マスク層のシュリンクには無関係である。
【0019】
特許文献1に開示された発明では、補償膜の膜厚として200〔nm〕以下、例えば100〔nm〕であって、かなり厚いものを用いているが、本発明の場合のマスク保護膜は、ゲート電極のエッチング時に於いて、ブレーク・スルーのエッチングで消失し、ハード・マスク層が若干削れるような厚さにしてあり、その理由は、ゲート電極のメイン・エッチングで終点判断をする為、薄膜にしてあることに依る。
【0020】
また、レジスト/有機材料層/多結晶Si/G−Ox /半導体基板、の構造に於いて、レジスト・パターンを形成し、Cl2 +O2 である混合ガスを用いて有機材料層をエッチングすると共にレジスト・パターンをシュリンクさせる発明が知られている(例えば、特許文献2参照。)。
【0021】
特許文献2に開示された発明では、レジストのシュリンクについて記載され、マスク保護膜の下に在るハード・マスク層をシュリンクすることについては無関係である。
【0022】
【特許文献1】
特開2000−100965号公報
【特許文献2】
特開2001−308676号公報
【0023】
【発明が解決しようとする課題】
本発明では、簡単な手段を採ることに依って、ハード・マスク層をシュリンクする際、ハード・マスク層の側方からのみエッチングされるようにし、そのエッチング量の制御を容易にすると共にシュリンク後のハード・マスク層のばらつきを抑止できるようにする。
【0024】
【課題を解決するための手段】
本発明に依る半導体装置の製造方法では、半導体基板上にゲート絶縁膜、導電層、導電層と比較して選択比がとれる材質からなるハード・マスク層、ハード・マスク層と比較して等方性エッチングを加えた場合に選択比がとれる材質からなるマスク保護膜を順に積層形成し、マスク保護膜及びハード・マスク層をゲート・パターンにパターニングし、マスク保護膜でハード・マスク層上面を保護した状態でハード・マスク層の等方性エッチングを行ってシュリンクし、シュリンクされたハード・マスク層をマスクとして導電層のエッチングを行いゲート電極を形成することが基本になっている。
【0025】
前記手段を採ることに依り、シュリンク後のハード・マスク層、即ち、ハード・マスク層残膜のばらつきは極めて少なくなり、ハード・マスク層をシュリンクする場合のエッチングでは、側方からのみエッチング液に曝されるので、エッチング量の規制は容易であって、その制御性は大きく向上し、所要の極微細ゲート長を実現することができる。
【0026】
【発明の実施の形態】
実施の形態1
図1及び図2はMOSトランジスタを製造する方法を説明する為の工程要所に於けるMOSトランジスタを表す要部切断側面図であり、以下、これ等の図を参照しつつ説明する。
【0027】
図1(A)参照
(1)
面指数(100)或いは(110)のSi基板21にSTI(図示せず)を形成した後、全面にゲート絶縁膜22を形成する。
【0028】
このゲート絶縁膜22の材料は、SiO2 、SiON、高誘電体(high−k)などを用いることができ、その場合の成膜には、熱酸化法、減圧CVD法などを適用することができる。
【0029】
(2)
ゲート絶縁膜22上に厚さ20〔nm〕〜150〔nm〕の導電層23を形成する。この場合の導電層23としては、多結晶Si層、多結晶Si層+金属層、WN層、W層、Mo層、Ag層、Al層などを用いることができ、多結晶Siの場合には減圧CVD法を適用し、また、他の金属の場合にはスパッタリング法を適用するなどして成膜すれば良い。
【0030】
(3)
減圧CVD法を適用することに依り、多結晶Si層3上に厚さ50〔nm〕〜150〔nm〕のハード・マスク層24を形成する。この場合のハード・マスク層24としては、SiO2 、SiN、SiONなどを用いることができる。
【0031】
(4)
減圧CVD法を適用することに依り、ハード・マスク層24上に厚さ5〔nm〕〜20〔nm〕の多結晶Siからなるマスク保護膜25を形成する。
【0032】
(5)
リソグラフィ技術に於けるレジスト・プロセスを適用することに依り、ゲート電極を形成する為のレジスト・パターン26を形成する。
【0033】
図1(B)参照
(6)
ドライ・エッチング法を適用することに依り、レジスト・パターン26をマスクとしてマスク保護膜25及びハード・マスク層24のエッチングを行って、マスク保護膜25及びハード・マスク層24をゲート・パターンにパターニングする。
【0034】
図2(A)参照
(7)
レジスト・パターン26を除去してから、エッチャントをHF水溶液とするウエット・エッチング法を適用することに依り、マスク保護膜25をマスクにハード・マスク層24をエッチングしてシュリンクさせる。尚、ハード・マスク層24のシュリンクには、ドライ・エッチング法を適用することもできる。
【0035】
図2(B)参照
(8)
ドライ・エッチング法を適用することに依り、前記シュリンクしたハード・マスク層24をマスクとして多結晶Siからなる導電層23をエッチングし、ゲート電極23Gを形成する。
【0036】
前記説明した工程(7)でハード・マスク層24をHF水溶液を用いてエッチングすることでシュリンクさせているのであるが、その際、ハード・マスク層24上にはマスク保護膜25が在るのでハード・マスク層24の膜減りは生じない。又、マスク保護膜25は、前記説明した工程(8)でゲート電極23Gを形成した際に消滅する。
【0037】
図3はハード・マスク層のシュリンクを行った場合に於ける要所の諸寸法を説明する為のMOSトランジスタを表す要部切断側面図であり、図1及び図2に於いて用いた記号と同記号は同部分を表すか或いは同じ意味を持つものとする。
【0038】
図に於いて、hは図1(B)に見られる状態のマスク保護膜25及びハード・マスク層24の長さ(ゲート長方向を長さと呼ぶ。)、iはHF水溶液でシュリンクした後のハード・マスク層24の長さ、jはハード・マスク層24をマスクとして多結晶Siからなる導電層23をエッチングしてゲート電極23Gを形成した後のハード・マスク層24の長さ(導電層23をエッチングした際に若干エッチングされる。)、kはハード・マスク層24をシュリンクした分の長さ(即ち、h−i。)、lはハード・マスク層24をマスクとして多結晶Siからなる導電層23をエッチングしてゲート電極23Gを形成した後のハード・マスク層24の厚さ(導電層23をエッチングした際に若干エッチングされる。)、mは図1(A)、図1(B)、図2(A)に見られる状態のハード・マスク層24の厚さをそれぞれ示している。
【0039】
図3から明らかなようにh>iであって、ハード・マスク層24はサイド方向からのみ等方エッチングされるので、kのみがシュリンク量である。
【0040】
また、c(図6参照)>jであって、シュリンク量の違いは明らかであり、レジスト寸法が同じでも微細なゲート・パターンを実現することができる。
【0041】
更に、g(図6参照)>mであって、従来のハード・マスク層よりも薄くできることが特徴である。
【0042】
実施の形態2
前記説明した工程に於いて、マスク保護膜25の材料として多結晶Siを用いたが、これは、他の材料、例えばSiNに代替することができる。但し、その場合は、ハード・マスク層24をシュリンクさせた後、熱リン酸をエッチャントとしてマスク保護膜25を除去することになるが、SiO2 からなるハード・マスク層24は、熱リン酸に耐性があるので、シュリンクさせた後の寸法であるjに何ら変化はない。
【0043】
本発明に於いては、前記説明した実施の形態を含め、多くの形態で実施することができ、以下、それを付記として例示する。
【0044】
(付記1)
半導体基板上にゲート絶縁膜、導電層、前記導電層と比較して選択比がとれる材質からなるハード・マスク層、前記ハード・マスク層と比較して等方性エッチングを加えた場合に選択比がとれる材質からなるマスク保護膜を順に積層形成する工程と、
次いで、前記マスク保護膜及び前記ハード・マスク層をゲート・パターンにパターニングする工程と、
次いで、前記マスク保護膜で前記ハード・マスク層上面を保護した状態で前記ハード・マスク層の等方性エッチングを行ってシュリンクする工程と
次いで、シュリンクされた前記ハード・マスク層をマスクとして前記導電層のエッチングを行いゲート電極を形成する工程と
が含まれてなることを特徴とする半導体装置の製造方法。
【0045】
(付記2)
ハード・マスク層がSiO2 、SiN、SiONの何れかの膜、或いは、それ等から選択された材料の積層膜であること
を特徴とする(付記1)記載の半導体装置の製造方法。
【0046】
(付記3)
ハード・マスク層がSiO2 膜で構成されると共にマスク保護膜がSiN膜で構成されること
を特徴とする(付記1)記載の半導体装置の製造方法。
【0047】
(付記4)
導電層をエッチングしてゲート電極を形成する際にマスク保護膜が同時に除去されること
を特徴とする(付記1)記載の半導体装置の製造方法。
【0048】
(付記5)
ハード・マスク層が塗布に依って形成されること
を特徴とする(付記1)から(付記4)までの何れか1記載の半導体装置の製造方法。
【0049】
(付記6)
導電層が多結晶Si、WN、W、Mo、Ag、Alから選択された材料で構成されること
を特徴とする(付記1)から(付記5)までの何れか1記載の半導体装置の製造方法。
【0050】
(付記7)
ゲート絶縁膜がSiO2 、SiON、高誘電率材料(high−k)から選択された材料で構成されること
を特徴とする(付記1)から(付記6)までの何れか1記載の半導体装置の製造方法。
【0051】
(付記8)
ハード・マスク層がHF水溶液に溶解する材料からなること
を特徴とする(付記1)から(付記7)までの何れか1記載の半導体装置の製造方法。
【0052】
(付記9)
マスク保護膜の膜厚がハード・マスク層の膜厚に比較して薄いこと
を特徴とする(付記1)から(付記8)までの何れか1記載の半導体装置の製造方法。
【0053】
【発明の効果】
本発明に依る半導体装置の製造方法では、半導体基板上にゲート絶縁膜、導電層、導電層と比較して選択比がとれる材質からなるハード・マスク層、ハード・マスク層と比較して等方性エッチングを加えた場合に選択比がとれる材質からなるマスク保護膜を順に積層形成し、マスク保護膜及びハード・マスク層をゲート・パターンにパターニングし、マスク保護膜でハード・マスク層上面を保護した状態でハード・マスク層の等方性エッチングを行ってシュリンクし、シュリンクされたハード・マスク層をマスクとして導電層のエッチングを行いゲート電極を形成する。
【0054】
前記構成を採ることに依り、シュリンク後のハード・マスク層、即ち、ハード・マスク層残膜のばらつきは極めて少なくなり、ハード・マスク層をシュリンクする場合のエッチングでは、側方からのみエッチング液に曝されるので、エッチング量の規制は容易であって、その制御性は大きく向上し、所要の極微細ゲート長を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】MOSトランジスタを製造する方法を説明する為の工程要所に於けるMOSトランジスタを表す要部切断側面図である。
【図2】MOSトランジスタを製造する方法を説明する為の工程要所に於けるMOSトランジスタを表す要部切断側面図である。
【図3】ハード・マスク層のシュリンクを行った場合に於ける要所の諸寸法を説明する為のMOSトランジスタを表す要部切断側面図である。
【図4】従来のMOSトランジスタを製造する方法を説明する為の工程要所に於けるMOSトランジスタを表す要部切断側面図である。
【図5】従来のMOSトランジスタを製造する方法を説明する為の工程要所に於けるMOSトランジスタを表す要部切断側面図である。
【図6】ハード・マスク層のシュリンクを行った場合に於ける要所の諸寸法を説明する為のMOSトランジスタを表す要部切断側面図である。
【符号の説明】
21 Si基板
22 ゲート絶縁膜
23 導電層
23G ゲート電極
24 ハード・マスク層
25 マスク保護膜
26 レジスト・パターン
Claims (5)
- 半導体基板上にゲート絶縁膜、導電層、前記導電層と比較して選択比がとれる材質からなるハード・マスク層、前記ハード・マスク層と比較して等方性エッチングを加えた場合に選択比がとれる材質からなるマスク保護膜を順に積層形成する工程と、
次いで、前記マスク保護膜及び前記ハード・マスク層をゲート・パターンにパターニングする工程と、
次いで、前記マスク保護膜で前記ハード・マスク層上面を保護した状態で前記ハード・マスク層の等方性エッチングを行ってシュリンクする工程と
次いで、シュリンクされた前記ハード・マスク層をマスクとして前記導電層のエッチングを行いゲート電極を形成する工程と
が含まれてなることを特徴とする半導体装置の製造方法。 - ハード・マスク層がSiO2 、SiN、SiONの何れかの膜、或いは、それ等から選択された材料の積層膜であること
を特徴とする請求項1記載の半導体装置の製造方法。 - ハード・マスク層がSiO2 膜で構成されると共にマスク保護膜がSiN膜で構成されること
を特徴とする請求項1記載の半導体装置の製造方法。 - 導電層をエッチングしてゲート電極を形成する際にマスク保護膜が同時に除去されること
を特徴とする請求項1記載の半導体装置の製造方法。 - ハード・マスク層がHF水溶液に溶解する材料からなること
を特徴とする請求項1乃至請求項4の何れか1記載の半導体装置の製造方法。
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