JP2005045053A - Method for manufacturing semiconductor device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、半導体装置の製造方法に関し、特に、酸化シリコン膜や窒化シリコン膜等の下地層に対して、高いエッチ耐性及び良好な密着性を有し、且つ除去が容易なハードマスクを用いる半導体装置の製造方法に関する。 The present invention relates to a method of manufacturing a semiconductor device, and in particular, a semiconductor using a hard mask that has high etch resistance and good adhesion to an underlying layer such as a silicon oxide film or a silicon nitride film and is easy to remove. The present invention relates to a device manufacturing method.
DRAM等の半導体装置の製造において、層間絶縁膜などの下地層に対してスルーホールなどのパターンを形成する場合、下地層上にフォトレジストを塗布し、得られたフォトレジスト膜をパターニングし、これをマスクとして下地層のエッチングを行っている。近年、半導体装置の小型化に伴い、微細なパターンを形成することが要求されている。 In manufacturing a semiconductor device such as a DRAM, when forming a pattern such as a through hole on an underlayer such as an interlayer insulating film, a photoresist is applied on the underlayer, and the obtained photoresist film is patterned. The underlying layer is etched using as a mask. In recent years, with the miniaturization of semiconductor devices, it is required to form fine patterns.
微細なパターンを形成するには、パターンの解像度を高める必要があり、そのためには、露光時の焦点深度の観点からフォトレジスト膜の膜厚を小さくする必要がある。しかし、フォトレジスト膜の膜厚を小さくすると、エッチ耐性が低下し、マスクとしての機能が果たせない場合がある。そこで、フォトレジストマスクを利用したエッチングに代えて、下地層とのエッチ選択比の高いハードマスクをフォトレジスト層と下地層との間に設け、フォトレジストマスクのパターンを一旦ハードマスクに転写した後、更にハードマスクをマスクとして下地層をパターニングする方法が用いられる。 In order to form a fine pattern, it is necessary to increase the resolution of the pattern. To that end, it is necessary to reduce the film thickness of the photoresist film from the viewpoint of the depth of focus during exposure. However, when the film thickness of the photoresist film is reduced, the etch resistance is lowered and the function as a mask may not be achieved. Therefore, instead of etching using a photoresist mask, a hard mask having a high etch selectivity with the underlying layer is provided between the photoresist layer and the underlying layer, and the pattern of the photoresist mask is once transferred to the hard mask. Further, a method of patterning the underlayer using a hard mask as a mask is used.
ハードマスクの材料には、下地層に対して大きなエッチ選択比を有する、酸化シリコンや窒化シリコンなどが用いられている。しかし、このようなハードマスクを用いると、下地層が酸化シリコン膜や窒化シリコン膜を含むと、必要なエッチ選択比が得られない。そこで、これらの膜に対してエッチ選択比を得るハードマスクとして、特許文献1〜3ではアモルファスカーボンを、特許文献3では更にポリシリコン及びアモルファスシリコンを、それぞれハードマスクとして用いることを提案している。アモルファスカーボンから成るハードマスクは、特に、除去(ストリッピング)が容易であるという意味では、好ましいハードマスクである。
As a material for the hard mask, silicon oxide, silicon nitride, or the like having a large etch selectivity with respect to the base layer is used. However, when such a hard mask is used, a necessary etch selectivity cannot be obtained if the underlying layer includes a silicon oxide film or a silicon nitride film. Therefore, as hard masks for obtaining etch selectivity for these films,
しかし、アモルファスカーボンから成るハードマスクは、炭素を主成分とするフォトレジスト膜とのエッチ選択比を得ることが難しい。従って、特許文献1、2では、ハードマスクとフォトレジスト膜との間に更に中間層を介在させ、フォトレジストマスクのパターンを、一旦中間層に転写した後、更にハードマスクに転写する工程を採用している。この中間層は反射防止膜としても機能し、フォトレジスト膜に対する露光の際に、下地層からの光反射を抑制し、パターンの解像度を高めている。
ところで、0.11μmを下回る微細な設計ルールに基づいて製造される、近年のDRAMでは、キャパシタのシリンダ型ストレージ電極の形成に際して、下地層に深さ3μmを超える深い穴を、またスルーホールとして深さ4μmを超える深い穴を開孔しなければならない場合がある。このような深い穴の開孔は、例えば、パターンの微細化に伴う配線間クロストークの低減のために必要となる。 By the way, in a recent DRAM manufactured based on a fine design rule of less than 0.11 μm, when forming a cylindrical storage electrode of a capacitor, a deep hole having a depth exceeding 3 μm is formed as a through hole in the base layer. It may be necessary to open a deep hole exceeding 4 μm. Such deep hole opening is necessary, for example, for reducing crosstalk between wirings accompanying the miniaturization of patterns.
また、微細な設計ルールにおいては、セルフアラインコンタクト技術がしばしば使用されるが、セルフアラインコンタクト技術では、ゲート電極上やデジット線上にキャップと呼ばれる窒化膜などの厚いエッチングストッパ膜を設け、エッチングがキャップで自動的に停止するようにエッチングを行う。そこで、0.11μmを下回る設計ルールのDRAMでは、酸化シリコン膜や窒化シリコン膜を含む下地層への深い穴の開孔や、厚い窒化膜をキャップとするパターニングに耐える、十分なエッチ耐性を有するハードマスクが必要である。 In fine design rules, the self-alignment contact technology is often used. In the self-alignment contact technology, a thick etching stopper film such as a nitride film called a cap is provided on the gate electrode or the digit line, and etching is performed on the cap. Etching to stop automatically. Therefore, a DRAM having a design rule of less than 0.11 μm has sufficient etch resistance to withstand deep hole opening in a base layer including a silicon oxide film and a silicon nitride film and patterning using a thick nitride film as a cap. A hard mask is required.
本発明者が、アモルファスカーボンをハードマスクとして用いたところ、このハードマスクは、0.11μmを下回る設計ルールでのパターニングにおいては、上記エッチ耐性が十分に確保できない問題があることが判った。この問題は、パターン幅が0.09μm以下になった場合に特に顕著であり、大きなアスペクト比を有する深いホールやラインが密集する部分のパターニングにおいて発生した。この場合、ハードマスクの膜厚を大きくすると、エッチ耐性は向上するもののスループットの低下やそれに伴う製造コストの上昇、加工寸法のばらつき、及びライン状パターンの倒れなどの新たな問題が発生する。 When the present inventor used amorphous carbon as a hard mask, it was found that this hard mask has a problem that the etching resistance cannot be sufficiently ensured in patterning with a design rule lower than 0.11 μm. This problem is particularly prominent when the pattern width is 0.09 μm or less, and has occurred in patterning a portion where deep holes and lines having a large aspect ratio are dense. In this case, if the thickness of the hard mask is increased, the etch resistance is improved, but new problems such as a decrease in throughput, an increase in manufacturing cost, a variation in processing dimensions, and a fall of the line pattern occur.
また、本発明者の実験によれば、アモルファスカーボン膜は、酸化シリコン膜や窒化シリコン膜との密着性が不足し、酸化シリコン膜や窒化シリコン膜から成る下地層上に形成されたアモルファスカーボンから成るマスクパターンは、他の材料から成るマスクと同じアスペクト比でもパターンが倒れ易く、半導体装置の良好な歩留まりが得られないことが分った。 Further, according to the experiments by the present inventors, the amorphous carbon film has insufficient adhesion to the silicon oxide film or the silicon nitride film, and the amorphous carbon film is formed from the amorphous carbon formed on the base layer made of the silicon oxide film or the silicon nitride film. It has been found that the mask pattern easily collapses even with the same aspect ratio as the mask made of other materials, and a good yield of the semiconductor device cannot be obtained.
一方、アモルファスシリコンから成るハードマスクは、エッチ耐性は比較的良好であるものの、エッチング後の上記下地層からの除去が困難であり、ハードマスクの除去のために、余分な工程が増加することが判った。 On the other hand, although the hard mask made of amorphous silicon has relatively good etch resistance, it is difficult to remove from the underlying layer after etching, and extra steps may increase due to the removal of the hard mask. understood.
本発明は、上記に鑑み、酸化シリコン膜や窒化シリコン膜等の下地層に対して、高いエッチ耐性及び良好な密着性を有し、且つ除去が容易なハードマスクを用いてパターニングを行う半導体装置の製造方法を提供することを目的とする。 In view of the above, the present invention provides a semiconductor device that performs patterning on a base layer such as a silicon oxide film or a silicon nitride film using a hard mask that has high etch resistance and good adhesion and is easy to remove. It aims at providing the manufacturing method of.
上記目的を達成するため、本発明の第1発明に係る半導体装置の製造方法は、下地層上に、Si含有アモルファスカーボン層を堆積する工程と、
前記Si含有アモルファスカーボン層上にフォトレジストマスクを形成する工程と、
前記フォトレジストマスクをマスクとして、前記Si含有アモルファスカーボン層をパターニングして、ハードマスクに形成する工程と、
前記ハードマスクをマスクとして、前記下地層をパターニングする工程とを有することを特徴としている。
In order to achieve the above object, a method of manufacturing a semiconductor device according to the first aspect of the present invention includes a step of depositing a Si-containing amorphous carbon layer on a base layer,
Forming a photoresist mask on the Si-containing amorphous carbon layer;
Patterning the Si-containing amorphous carbon layer using the photoresist mask as a mask to form a hard mask;
And a step of patterning the underlayer using the hard mask as a mask.
また、本発明の第2発明に係る半導体装置の製造方法は、下地層上に、Si含有アモルファスカーボン層及び中間層を順次に堆積する工程と、
前記中間層上にフォトレジストマスクを形成する工程と、
前記フォトレジストマスクをマスクとして、前記中間層をパターニングして、中間マスクに形成する工程と、
前記中間マスクをマスクとして、前記Si含有アモルファスカーボン層をパターニングして、ハードマスクに形成する工程と、
前記ハードマスクをマスクとして、前記下地層をパターニングする工程とを有することを特徴としている。
The method for manufacturing a semiconductor device according to the second aspect of the present invention includes a step of sequentially depositing a Si-containing amorphous carbon layer and an intermediate layer on a base layer,
Forming a photoresist mask on the intermediate layer;
Patterning the intermediate layer using the photoresist mask as a mask to form an intermediate mask;
Patterning the Si-containing amorphous carbon layer using the intermediate mask as a mask to form a hard mask;
And a step of patterning the underlayer using the hard mask as a mask.
本発明の第1発明に係る半導体装置の製造方法によれば、酸化シリコン膜や窒化シリコン膜に対する高いエッチ選択比を有するSi含有アモルファスカーボンをハードマスクとして用いることにより、酸化シリコン膜や窒化シリコン膜等の下地層に対する深い穴の開孔や、厚い窒化膜をキャップとするパターニングに対して、良好なエッチ耐性を確保することができる。また、Si含有アモルファスカーボンから成るハードマスクを用いることにより、アモルファスシリコンから成るハードマスクと比較して、下地層からのハードマスクの除去を容易にすることが出来る。 According to the method for manufacturing a semiconductor device according to the first aspect of the present invention, a silicon oxide film or a silicon nitride film is obtained by using, as a hard mask, Si-containing amorphous carbon having a high etch selectivity with respect to a silicon oxide film or a silicon nitride film. Good etch resistance can be ensured for the formation of deep holes in the underlayer such as the above and patterning using a thick nitride film as a cap. Further, by using a hard mask made of Si-containing amorphous carbon, it is possible to facilitate removal of the hard mask from the underlayer as compared with a hard mask made of amorphous silicon.
更に、Si含有アモルファスカーボンが、酸化シリコン膜や窒化シリコン膜との良好な密着性を有するので、これらの膜から成る下地層上に形成されたハードマスクパターンのパターン倒れを抑制し、半導体装置の歩留まりを向上させることができる。従って、微細なパターンにおいても、大きいアスペクト比を採用することができる。更に、エッチングガスに酸素が添加された場合、酸素とSi含有アモルファスカーボンから成るハードマスクとが反応してハードマスクの表面に酸化膜を形成するので、ハードマスクのサイドエッチを抑制することが出来る。従って、寸法変動の少ないハードマスクが得られ、これによって、微細で且つ高い寸法精度を有するパターンを形成できる。 Furthermore, since Si-containing amorphous carbon has good adhesion to a silicon oxide film or a silicon nitride film, the pattern collapse of the hard mask pattern formed on the base layer made of these films is suppressed, and the semiconductor device Yield can be improved. Therefore, a large aspect ratio can be adopted even in a fine pattern. Further, when oxygen is added to the etching gas, oxygen and a hard mask made of Si-containing amorphous carbon react to form an oxide film on the surface of the hard mask, so that side etching of the hard mask can be suppressed. . Therefore, a hard mask with little dimensional variation can be obtained, and thereby a fine pattern with high dimensional accuracy can be formed.
本発明で用いるSi含有アモルファスカーボンから成るハードマスクは、従来のアモルファスカーボンなどから成るハードマスクでは適用が困難な、微細で且つ高密度なパターンを形成する半導体装置の製造を行うことができる。 The hard mask made of Si-containing amorphous carbon used in the present invention can manufacture a semiconductor device that forms a fine and high-density pattern, which is difficult to apply with a conventional hard mask made of amorphous carbon or the like.
ところで、Si含有アモルファスカーボン層はSi含有率が低くなると、フォトレジスト膜とのエッチ選択比が低くなる。従って、本発明の第2発明に係る半導体装置の製造方法では、Si含有アモルファスカーボン層及びフォトレジスト膜との高いエッチ選択比を有する中間層を、Si含有アモルファスカーボン層とフォトレジスト層との間に介在させることによって、フォトレジストマスクのパターンを中間マスクを介してハードマスクに精度良く転写することができる。 Incidentally, when the Si-containing amorphous carbon layer has a low Si content, the etch selectivity with respect to the photoresist film is lowered. Therefore, in the method for manufacturing a semiconductor device according to the second aspect of the present invention, an intermediate layer having a high etch selectivity between the Si-containing amorphous carbon layer and the photoresist film is provided between the Si-containing amorphous carbon layer and the photoresist layer. By interposing, the pattern of the photoresist mask can be accurately transferred to the hard mask through the intermediate mask.
本発明は、好適には、前記中間層は光反射防止機能を有する。これによって、フォトレジスト膜に対する露光を行う際に、下地層などからの光反射を抑制し、より高い解像度を有するフォトレジストマスクを得ることができる。 In the present invention, preferably, the intermediate layer has a light reflection preventing function. Thereby, when performing exposure to the photoresist film, light reflection from an underlayer or the like can be suppressed, and a photoresist mask having higher resolution can be obtained.
本発明は、好適には、前記中間層が、酸化シリコン層及び酸化窒化シリコン層のうちの少なくとも1つを含む。また、本発明は、好適には、前記中間層が、膜厚が50nm以下の酸化窒化シリコン層と、該酸化窒化シリコン層上に形成され、膜厚が20nm〜60nmの酸化シリコン層とを含む。良好な上記効果を得ることができる。 In the present invention, it is preferable that the intermediate layer includes at least one of a silicon oxide layer and a silicon oxynitride layer. In the present invention, it is preferable that the intermediate layer includes a silicon oxynitride layer having a thickness of 50 nm or less and a silicon oxide layer having a thickness of 20 nm to 60 nm formed on the silicon oxynitride layer. . Good effects can be obtained.
本発明の好適な実施態様では、前記中間層が、少なくとも1層の別のSi含有アモルファスカーボン層を含む。この場合、ハードマスクを構成するSi含有アモルファスカーボン層を堆積した後、Si含有率を変更することにより、同一チャンバ内で連続して堆積できるので、工程数を削減できる。 In a preferred embodiment of the present invention, the intermediate layer includes at least one other Si-containing amorphous carbon layer. In this case, after depositing the Si-containing amorphous carbon layer constituting the hard mask, by changing the Si content rate, it can be continuously deposited in the same chamber, so the number of steps can be reduced.
本発明は、好適には、前記別のSi含有アモルファスカーボン層のSi含有率が、20重量%〜80重量%の範囲である。Si含有率が20重量%〜80重量%の範囲のSi含有アモルファスカーボン層は、Si含有率が低いSi含有アモルファスカーボン層やフォトレジスト層との間で、高いエッチ選択比を有するので、中間層に好適に適用できる。 In the present invention, preferably, the Si content of the other Si-containing amorphous carbon layer is in the range of 20 wt% to 80 wt%. Since the Si-containing amorphous carbon layer having a Si content in the range of 20 wt% to 80 wt% has a high etch selectivity with respect to the Si-containing amorphous carbon layer and the photoresist layer having a low Si content, the intermediate layer It can be suitably applied to.
本発明の好適な実施態様では、前記Si含有アモルファスカーボン層のSi含有率が、0.1重量%〜10.0重量%の範囲である。Si含有アモルファスカーボン層のSi含有率が0.1重量%以上の場合、Si含有アモルファスカーボンと、酸化シリコン膜や窒化シリコン膜との間でより良好なエッチ選択比が得られる。従って、設計ルールが0.11μmを下回るような半導体装置の製造工程においても、十分な上記エッチ耐性を確保することができる。また、Si含有アモルファスカーボン層のSi含有率が10.0重量%以下の場合、下地層の形状に実質的に影響を与えることなく、Si含有アモルファスカーボンから成るハードマスクを容易に除去することが出来る。このようなハードマスクは、例えば、酸素プラズマにフロロカーボン系のガス、アンモニア、又はNF3などのプラズマを添加したアッシングによって容易に除去できる。 In a preferred embodiment of the present invention, the Si content of the Si-containing amorphous carbon layer is in the range of 0.1 wt% to 10.0 wt%. When the Si content of the Si-containing amorphous carbon layer is 0.1% by weight or more, a better etch selectivity can be obtained between the Si-containing amorphous carbon and the silicon oxide film or silicon nitride film. Therefore, sufficient etch resistance can be ensured even in the manufacturing process of a semiconductor device whose design rule is less than 0.11 μm. Further, when the Si content of the Si-containing amorphous carbon layer is 10.0% by weight or less, the hard mask made of Si-containing amorphous carbon can be easily removed without substantially affecting the shape of the underlayer. I can do it. Such a hard mask can be easily removed by, for example, ashing in which a plasma such as a fluorocarbon-based gas, ammonia, or NF 3 is added to oxygen plasma.
本発明の好適な実施態様では、前記Si含有アモルファスカーボン層のSi含有率が、0.1重量%〜5.0重量%の範囲である。Si含有アモルファスカーボン層のSi含有率が5.0重量%以下である場合には、通常の酸素プラズマのみを用いたアッシングによってSi含有アモルファスカーボンから成るハードマスクを容易に除去できる。 In a preferred embodiment of the present invention, the Si content of the Si-containing amorphous carbon layer is in the range of 0.1 wt% to 5.0 wt%. When the Si content of the Si-containing amorphous carbon layer is 5.0% by weight or less, the hard mask made of Si-containing amorphous carbon can be easily removed by ashing using only ordinary oxygen plasma.
本発明の好適な実施態様では、前記Si含有アモルファスカーボン層を堆積する工程に先立って、前記下地層上にアモルファスカーボン層を堆積し、
前記ハードマスクに形成する工程では、前記Si含有アモルファスカーボン層及び前記アモルファスカーボン層を同時にパターニングして、ハードマスクに形成する。
In a preferred embodiment of the present invention, prior to the step of depositing the Si-containing amorphous carbon layer, an amorphous carbon layer is deposited on the underlayer,
In the step of forming the hard mask, the Si-containing amorphous carbon layer and the amorphous carbon layer are simultaneously patterned to form the hard mask.
アモルファスカーボンは、Si含有アモルファスカーボンと比べて酸化シリコン膜や窒化シリコン膜から成る下地層からの除去が容易である。従って、ハードマスクを用いたエッチング後に、アモルファスカーボンのみが残存するような膜厚を設定することによって、ハードマスクを容易に除去することができる。この場合、アモルファスカーボン層を堆積した後、Si含有率を変更することにより、同一チャンバ内で連続してSi含有アモルファスカーボン層を堆積できる。 Amorphous carbon is easier to remove from a base layer made of a silicon oxide film or a silicon nitride film than Si-containing amorphous carbon. Therefore, the hard mask can be easily removed by setting the film thickness such that only amorphous carbon remains after etching using the hard mask. In this case, the Si-containing amorphous carbon layer can be continuously deposited in the same chamber by changing the Si content after depositing the amorphous carbon layer.
本発明の好適な実施態様では、前記Si含有アモルファスカーボン層が、炭化水素化合物ガスとシリコン化合物ガスとを含む混合ガスを用いるプラズマ化学気相堆積法によって堆積される。Si含有アモルファスカーボン層を堆積する、好適な態様である。 In a preferred embodiment of the present invention, the Si-containing amorphous carbon layer is deposited by plasma enhanced chemical vapor deposition using a mixed gas containing a hydrocarbon compound gas and a silicon compound gas. This is a preferred mode of depositing a Si-containing amorphous carbon layer.
本発明は、好適には、前記炭化水素化合物ガスは、メタン(CH4)、エタン(C2H6)、プロパン(C3H8)、ブタン(C4H10)、アセチレン(C2H2)、プロピレン(C3H6)、及びプロピン(C3H4)の少なくとも1つを含む。本発明は、好適には、前記シリコン化合物ガスは、モノシラン(SiH4)、ジシラン(Si2H6)、及びテトラメチルシラン(Si(CH3)4)のうちの少なくとも1つを含む。本発明は、好適には、前記混合ガスは、ヘリウム(He)及びアルゴン(Ar)のうちの少なくとも1つを更に含む。 In the present invention, preferably, the hydrocarbon compound gas is methane (CH 4 ), ethane (C 2 H 6 ), propane (C 3 H 8 ), butane (C 4 H 10 ), acetylene (C 2 H). 2 ), propylene (C 3 H 6 ), and propyne (C 3 H 4 ). In the present invention, it is preferable that the silicon compound gas includes at least one of monosilane (SiH 4 ), disilane (Si 2 H 6 ), and tetramethylsilane (Si (CH 3 ) 4 ). In the present invention, it is preferable that the mixed gas further includes at least one of helium (He) and argon (Ar).
本発明の好適な実施態様では、前記Si含有アモルファスカーボン層が、平行平板型プラズマCVD装置又は高密度プラズマCVD装置を用いて堆積される。高密度プラズマCVD装置は、平行平板型プラズマCVD装置と比較して、低い圧力下で高密度のプラズマを得られ、ソースガスの分解効率が高いという特長を有する。従って、同じSi含有率において、平行平板型プラズマCVD装置で堆積したSi含有アモルファスカーボン層よりも、酸化シリコン膜や窒化シリコン膜に対して高いエッチ選択比を得るSi含有アモルファスカーボン層を堆積することができる。 In a preferred embodiment of the present invention, the Si-containing amorphous carbon layer is deposited using a parallel plate type plasma CVD apparatus or a high density plasma CVD apparatus. Compared with a parallel plate type plasma CVD apparatus, the high density plasma CVD apparatus has a feature that a high density plasma can be obtained under a low pressure and the decomposition efficiency of the source gas is high. Therefore, at the same Si content, deposit an Si-containing amorphous carbon layer that obtains a higher etch selectivity for a silicon oxide film or a silicon nitride film than an Si-containing amorphous carbon layer deposited by a parallel plate plasma CVD apparatus. Can do.
本発明の好適な実施態様では、前記Si含有アモルファスカーボン層の全部又は一部が、酸素プラズマ、アンモニアプラズマ及びフロロカーボン系プラズマの少なくとも1つを含むプラズマによって除去される。また、本発明の好適な実施態様では、前記Si含有アモルファスカーボン層の全部又は一部が、CF4プラズマ、C2F6プラズマ、及びC3F8プラズマのうちの少なくとも1つを含むプラズマによって除去される。Si含有アモルファスカーボンのSi含有率が高い場合には、酸素プラズマとアンモニアプラズマ又はフロロカーボン系プラズマとを併用することによりSi含有アモルファスカーボンを容易に除去できる。 In a preferred embodiment of the present invention, all or a part of the Si-containing amorphous carbon layer is removed by a plasma containing at least one of oxygen plasma, ammonia plasma, and fluorocarbon plasma. In a preferred embodiment of the present invention, all or part of the Si-containing amorphous carbon layer is a plasma containing at least one of CF 4 plasma, C 2 F 6 plasma, and C 3 F 8 plasma. Removed. When the Si content of the Si-containing amorphous carbon is high, the Si-containing amorphous carbon can be easily removed by using oxygen plasma and ammonia plasma or fluorocarbon plasma in combination.
以下、図面を参照し、本発明に係る実施形態例に基づいて本発明を更に詳細に説明する。 Hereinafter, with reference to the drawings, the present invention will be described in more detail based on exemplary embodiments according to the present invention.
第1実施形態例
図1は、第1実施形態例における、Si含有アモルファスカーボンの堆積に用いられる平行平板型プラズマCVD装置の構成を示す断面図である。平行平板型プラズマCVD装置400は、枚様式のリアクタ401を備えている。リアクタ401は、堆積チャンバ402、半導体基板(ウエハ)422を保持するウエハサセプタ403、混合ガスを通過させる多数の孔を有するシャワーヘッド型電極404、及び混合ガスを拡散するガス拡散板405を備える。シャワーヘッド型電極404と堆積チャンバ402との間には、絶縁リング410が設けられている。ウエハサセプタ403は、上部電極としてのシャワーヘッド型電極404に対応する下部電極としても機能し、接地されている。
First Embodiment FIG. 1 is a cross-sectional view showing a configuration of a parallel plate plasma CVD apparatus used for deposition of Si-containing amorphous carbon in the first embodiment. The parallel plate type
堆積チャンバ402は、堆積チャンバ402内に混合ガスを供給するガスノズル406、反応済みのガスが一時的に排出される排気室407、排気室407のガスを外部に排出する排気ライン408、及び半導体基板422の出し入れが行われるゲートバルブ409を備える。排気ライン408は、図示しない圧力調整弁を備え、堆積チャンバ402内の圧力を所定の圧力に調節する。ウエハサセプタ403は、ヒータを内臓し、半導体基板422を載せた状態で昇降可能であり、半導体基板422に堆積を行う際には、同図に示す堆積ポジションにセットし、半導体基板422を出し入れする際には、図示しないウエハ搬送ポジションにセットする。
The
平行平板型プラズマCVD装置400は、また、ガスノズル406に接続するガス供給系統として、カーボン・ソースガス・ライン(CSL)411、シリコン・ソースガス・ライン(SSL)412、及びキャリアガス・ライン(CL)413を有する。CSL411、SSL412、及びCL413は、それぞれのガス源に接続し、ガスの流量を調節するマスフローコントローラ(MFC)414、415、416、及びこれらのMFC414、415、416に対してガスノズル406側に設けられたガスバルブ417、418、419をそれぞれ有している。
The parallel plate type
CSL411、SSL412、及びCL413から供給されるガスは、ガスノズル406に到達する前に混合され、ガスノズル406を通過した後、ガス拡散板405によってシャワーヘッド型電極404全体に均一に行き渡るように拡散され、シャワーヘッド型電極404に設けられた多数の孔を通過して半導体基板422上に供給される。CSL411、SSL412、及びCL413の分圧を調節することによって、シリコン(Si)、カーボン(C),及び水素(H)の様々な組成比の膜を形成できる。本実施形態例では、シャワーヘッド型電極404の孔はガスの通過方向に対してストレートな孔を用いるが、コニカルな孔を用いれば、ガスプラズマによる分解効率を更に上げることができる。
The gas supplied from the
シャワーヘッド型電極404に電気的に接続して、13.56MHzの電力を供給可能な高周波電源420、及び400KHzの電力を供給可能な低周波電源421が設けられ、それぞれ、シャワーヘッド型電極404にプラズマ励起用の電力を供給する。高周波電源420及び低周波電源421の他端はそれぞれ接地されている。
A high-
平行平板型プラズマCVD装置400を用いてSi含有アモルファスカーボンを堆積するには、以下のように行う。まず、ゲートバルブ409から半導体基板422をリアクタ401内に挿入し、ウエハ搬送ポジションでウエハサセプタ403上に載せ、次いで、ウエハサセプタ403を堆積ポジションにセットする。続いて、半導体基板422をウエハサセプタ403が内臓するヒータによって、300℃〜560℃に加熱する。本実施形態例では、540℃に加熱する。
In order to deposit Si-containing amorphous carbon using the parallel plate type
次に、ガス供給系統に対する操作により、ガスノズル406から堆積チャンバ402内に所定流量の混合ガスを供給しつつ、圧力調整弁を制御して、堆積チャンバ402内を所定の圧力に調節する。本実施形態例では、CSL411から供給されるカーボン・ソースガスとしてメタン(CH4)を、SSL412から供給されるシリコン・ソースガスとしてモノシラン(SiH4)を、CL413から供給されるキャリアガスとしてHeをそれぞれ用いた。堆積チャンバ402内の圧力は、1torr〜10torrの範囲に設定できるが、本実施形態例では、膜厚の均一性を維持するため、4torrに設定する。
Next, by operating the gas supply system, while supplying a predetermined flow rate of the mixed gas from the
カーボン・ソースガスとしては、メタン以外にも、エタン(C2H6)、プロパン(C3H8)、ブタン(C4H10)、アセチレン(C2H2)、プロピレン(C3H6)、プロピン(C3H4)などの炭化水素化合物ガス、及びこれらの混合物を用いることができる。これらのガスは、従来のアモルファスシリコンを堆積する工程で用いられているガスである。 As carbon source gas, in addition to methane, ethane (C 2 H 6 ), propane (C 3 H 8 ), butane (C 4 H 10 ), acetylene (C 2 H 2 ), propylene (C 3 H 6) ), Hydrocarbon compounds such as propyne (C 3 H 4 ), and mixtures thereof. These gases are gases used in the conventional process of depositing amorphous silicon.
シリコン・ソースガスとしては、モノシラン以外にも、ジシラン(Si2H6)、トラメチルシラン(Si(CH3)4)などのシリコン化合物ガス、及びこれらの混合物を用いることができる。キャリアガスとしては、ヘリウム(He)、又はアルゴン(Ar)などの不活性ガスを用いることができる。 As the silicon source gas, in addition to monosilane, silicon compound gas such as disilane (Si 2 H 6 ), tramethylsilane (Si (CH 3 ) 4 ), and a mixture thereof can be used. As the carrier gas, an inert gas such as helium (He) or argon (Ar) can be used.
堆積チャンバ内の圧力が安定し、半導体基板422の温度が所定の温度に達したら、高周波電源420及び低周波電源421を用いて、シャワーヘッド型電極404とウエハサセプタ403の間に電力を供給し、プラズマを発生させる。これによって、半導体基板422上にSi含有アモルファスカーボンの堆積が開始される。この際に、高周波電源は、0.5W/cm2〜3.5W/cm2の範囲に設定し、好ましくは2.0W/cm2〜2.5W/cm2の範囲に設定する。低周波電源は、0.5W/cm2〜2.0W/cm2の範囲に設定し、好ましくは1.0W/cm2〜1.5W/cm2の範囲に設定する。
When the pressure in the deposition chamber is stabilized and the temperature of the
Si含有アモルファスカーボン層が所望の膜厚に達したら、高周波電源420及び低周波電源421による電力の供給を停止し、続いて、ガス供給系統からの混合ガスの供給を停止して、堆積を終了する。最後に、ウエハサセプタ403をウエハ搬送ポジションまで下降させ、ゲートバルブ409から半導体基板422を取り出す。
When the Si-containing amorphous carbon layer reaches a desired film thickness, the power supply from the high-
本実施形態例における平行平板型プラズマCVD装置で堆積されたSi含有アモルファスカーボン層は、酸化シリコン膜や窒化シリコン膜に対して高いエッチ選択比を有し、且つ酸化シリコン膜や窒化シリコン膜に対する良好な密着性を有する。また、アモルファスシリコンと比較して、酸化シリコン膜や窒化シリコン膜からの除去が容易である。更に、Si含有アモルファスカーボン層をハードマスクとして下地層のエッチングを行う際に、エッチングガスに酸素が添加される場合、酸素とSi含有アモルファスカーボンとが反応して、表面に酸化膜を形成するので、ハードマスクのサイドエッチを抑制することができる。 The Si-containing amorphous carbon layer deposited by the parallel plate type plasma CVD apparatus in the present embodiment has a high etch selectivity with respect to the silicon oxide film or the silicon nitride film, and is good for the silicon oxide film or the silicon nitride film. Has good adhesion. In addition, removal from a silicon oxide film or a silicon nitride film is easier than amorphous silicon. Furthermore, when etching the underlayer using the Si-containing amorphous carbon layer as a hard mask, if oxygen is added to the etching gas, the oxygen and the Si-containing amorphous carbon react to form an oxide film on the surface. The side etching of the hard mask can be suppressed.
ところで、上述のように半導体基板422にSi含有アモルファスカーボンの堆積を行った場合、堆積チャンバ402の内壁にもSi含有アモルファスカーボンが堆積する。堆積チャンバ402の内壁に堆積したSi含有アモルファスカーボン層は、そのままにしておくと、層内の応力等により半導体基板422上に剥落し、パーティクルとなって半導体装置の歩留りを悪化させる。そこで、定期的に堆積チャンバ402の内壁に堆積したSi含有アモルファスカーボンを除去するクリーニングを行うことが好ましい。
By the way, when Si-containing amorphous carbon is deposited on the
従来、半導体基板422にアモルファスカーボンの堆積を行う際に、堆積チャンバ402の内壁に堆積したアモルファスカーボンは、酸素プラズマなどを用いる既知の方法により除去可能であった。本実施形態例では、Si含有アモルファスカーボンは、そのSi含有率が低い場合には、アモルファスカーボンと同様に酸素プラズマを用いて除去可能である。この場合、Si含有アモルファスカーボンの堆積後の毎回に、又は、数回の堆積に一回の割合でクリーニングを行うのが好ましい。
Conventionally, when amorphous carbon is deposited on the
一方、Si含有アモルファスカーボンのSi含有率が増加すると酸素プラズマのみでは除去が困難である。この場合、リモートプラズマで励起した、NF3やフロロカーボン(Fluorocarbon)系のガスを併用すると、効率よく除去できる。これらのガスの供給には、図示しないクリーニング用のガスラインを用いることができる。 On the other hand, when the Si content of the Si-containing amorphous carbon increases, it is difficult to remove it with only oxygen plasma. In this case, when NF 3 or fluorocarbon gas excited by remote plasma is used in combination, it can be efficiently removed. For supplying these gases, a cleaning gas line (not shown) can be used.
実験例1
本発明者らは、Si含有アモルファスカーボンから成るハードマスクを用いて、酸化シリコン膜に対するエッチングを行い、Si含有アモルファスカーボンのSi含有率とエッチ選択比との関係を調べる実験を行い、図2(a)、(b)のグラフ中に○で示す結果を得た。図2(b)は、図2(a)のグラフの横軸を対数表示に置き換えたグラフである。
Experimental example 1
The present inventors performed etching on the silicon oxide film using a hard mask made of Si-containing amorphous carbon, and conducted an experiment to investigate the relationship between the Si content of Si-containing amorphous carbon and the etch selectivity, and FIG. The result shown by (circle) in the graph of a) and (b) was obtained. FIG. 2B is a graph in which the horizontal axis of the graph of FIG.
ここで、エッチ選択比とは、
エッチ選択比=(被加工材料のエッチレート)/(ハードマスクのエッチレート)
と定義され、エッチ選択比が大きいほど、マスクのエッチングに対する耐性が高いことを示す。また、本実験例で、被加工材料とは酸化シリコンである。
Here, etch selectivity is
Etch selectivity = (etch rate of work material) / (hard mask etch rate)
The higher the etch selectivity, the higher the resistance of the mask to etching. In this experimental example, the material to be processed is silicon oxide.
図2(a)から判るように、エッチ選択比は、Si含有アモルファスカーボン層のSi含有率が0重量%から高くなるに従って上昇し、Si含有率が50重量%〜80重量%で最大となり、その後は急速に低下し、Si含有率が100重量%のアモルファスシリコンでは、アモルファスカーボンのエッチ選択比と大差ない程度まで低下する。また、図2(b)から判るように、エッチ選択比は、シリコンを添加することで上昇するものの、0.1重量%未満ではアモルファスカーボン層との違いが殆ど無い。 As can be seen from FIG. 2A, the etch selectivity increases as the Si content of the Si-containing amorphous carbon layer increases from 0% by weight, and becomes maximum when the Si content is 50% by weight to 80% by weight. Thereafter, it rapidly decreases, and in the case of amorphous silicon having a Si content of 100% by weight, it decreases to a level that is not significantly different from the etch selectivity of amorphous carbon. Further, as can be seen from FIG. 2B, the etch selectivity increases by adding silicon, but there is almost no difference from the amorphous carbon layer if it is less than 0.1% by weight.
エッチ選択比の観点から言えば、Si含有率が50重量%〜80重量%の範囲が最も望ましい。しかし、Si含有アモルファスカーボン層のSi含有率が約10重量%を超えると、除去が困難になる。従って、Si含有アモルファスカーボン層中のSi含有率を0.1重量%以上10重量%以下にすることで、酸化シリコン膜に対する高いエッチ選択比を有し、且つ除去が容易なSi含有アモルファスカーボン層を得ることが出来る。 From the viewpoint of the etch selectivity, the Si content is most preferably in the range of 50 wt% to 80 wt%. However, when the Si content of the Si-containing amorphous carbon layer exceeds about 10% by weight, removal becomes difficult. Therefore, by setting the Si content in the Si-containing amorphous carbon layer to 0.1 wt% or more and 10 wt% or less, the Si-containing amorphous carbon layer has a high etch selectivity with respect to the silicon oxide film and can be easily removed. Can be obtained.
第2実施形態例
図3は、本発明の第2実施形態例における、Si含有アモルファスカーボンの堆積に用いられる高密度プラズマCVD装置の構成を示す断面図である。高密度プラズマCVD装置は、プラズマ源の相違により誘導結合型、電子サイクロトロン共鳴(ECR)型、及びヘリコン波型などがあり、何れも数mtorrという低い圧力下で高密度のプラズマが得られ、ソースガスの分解効率が高いという特長を有している。また、分解され、イオン化したソースガスを半導体基板に引き込むためのバイアス電源を有し、緻密性の高い膜を堆積できる。このため、従来は酸化シリコン膜のギャップ埋設性を向上させる手段として用いられてきた。
Second Embodiment FIG. 3 is a cross-sectional view showing a configuration of a high-density plasma CVD apparatus used for deposition of Si-containing amorphous carbon in a second embodiment of the present invention. High-density plasma CVD devices include inductive coupling type, electron cyclotron resonance (ECR) type, and helicon wave type depending on the plasma source, all of which can produce high-density plasma under a low pressure of several mtorr. It has the feature of high gas decomposition efficiency. In addition, a highly dense film can be deposited by having a bias power source for drawing the decomposed and ionized source gas into the semiconductor substrate. For this reason, conventionally, it has been used as a means for improving the gap filling property of the silicon oxide film.
高密度プラズマCVD装置500は、誘導結合型の高密度プラズマCVD装置であって、枚様式のリアクタ501を備えている。リアクタ501は、半導体基板529を保持するウエハサセプタ502と、ウエハサセプタ502を覆い、アルミナ(Al2O3)を材料とするセラミックドーム503と、セラミックドーム503の外部に設けられたコイル状の電極504とを備える。ウエハサセプタ502は、図示しない静電誘導チャック(ESC)を内臓する。また、半導体基板529を載せた状態で昇降が可能であり、半導体基板529に堆積を行う際には、同図に示す堆積ポジションにセットし、半導体基板529をリアクタ501に出し入れする際には、図示しないウエハ搬送ポジションにセットする。
The high-density
リアクタ501は、更に、セラミックドーム503上部に設けられた第1ガスノズル505、及びウエハサセプタ502の上方を取り囲むように、セラミックドーム503に設けられた第2ガスノズル506の2系統のガスノズル、排気を行う排気ライン507、及び、半導体基板529の出し入れが行われるゲートバルブ508を有する。排気ライン507は、図示しないターボ分子ポンプを備え、所定流量のガスを排気することによって、リアクタ501内を所定の圧力に制御できる。
The
高密度プラズマCVD装置500は、第1ガスノズル505に接続する第1ガス供給系統、及び、第2ガスノズル506に接続する第2ガス供給系統を有する。第1ガス供給系統は、第1CSL509、第1SSL510、及び第1CL511を有し、それぞれ、第1MFC512、513、514、及び、第1ガスバルブ515、516、517を備える。第2ガス供給系統506は、第2CSL518、第2SSL519、及び第2CL520を有し、それぞれ、第2MFC521、522、523、及び、第2ガスバルブ524、525、526を備える。
The high-density
第1ガス供給系統及び第2ガス供給系統は、それぞれ、第1実施形態例のガス供給系統と同様の構成を有している。第1ガス供給系統と第2ガス供給系統のガス流量比を調整することで、堆積されるSi含有アモルファスカーボンの膜厚の均一性を調整できる。 Each of the first gas supply system and the second gas supply system has the same configuration as the gas supply system of the first embodiment. By adjusting the gas flow rate ratio between the first gas supply system and the second gas supply system, the uniformity of the film thickness of the deposited Si-containing amorphous carbon can be adjusted.
コイル状電極504は、2MHzの電力を供給可能な第1高周波電源527に接続され、第1高周波電源527はコイル状電極504に電力を供給して、誘導結合により堆積チャンバ内に高密度プラズマを発生させることができる。ウエハサセプタ502は、13.56MHzの高周波電力を供給可能な第2高周波電源528に接続され、第2高周波電源528はウエハサセプタ502に高周波電力を供給し、誘導結合によって発生させたプラズマとウエハサセプタ923の間に、バイアスを印加し、解離してプラズマとなったイオンを基板表面に誘導することが出来る。第1高周波電源527及び第2高周波電源528の他端はそれぞれ接地されている。
The
高密度プラズマCVD装置500を用いてSi含有アモルファスカーボン層を堆積するには、以下のように行う。まず、ゲートバルブ508から半導体基板529をリアクタ501内に挿入し、ウエハ搬送ポジションでウエハサセプタ502上に載せ、次いで、ウエハサセプタ502を上昇させ、所定の堆積ポジションにセットする。この際に、反応時の半導体基板529の温度を400℃以下にしたい場合には、ウエハサセプタ502が内臓する静電誘導チャックによって半導体基板529をチャックし、裏面からの熱伝導によって半導体基板529の温度が上昇するのを防ぐ。半導体基板529をチャックした場合には、半導体基板529の温度は半導体基板529の裏面とウエハサセプタ502との間に、図示しないガスノズルから流されるHeの圧力によって制御される。
The Si-containing amorphous carbon layer is deposited using the high-density
次に、第1ガス供給系統及び第2ガス供給系統より所定流量の混合ガスを供給しつつ、排気ライン507のターボ分子ポンプで排気を行い、リアクタ501内が所定の圧力になるように制御する。リアクタ501内の圧力は、1mtorr〜10mtorrの範囲に設定できるが、本実施形態例では6mtorrに設定した。リアクタ501内の圧力が安定したら、第1高周波電源527からコイル状電極504に2MHzの高周波電力を印加し、第2高周波電源528からウエハサセプタ502に13.56MHzの高周波電力を印加して、半導体基板529上にSi含有アモルファスカーボンの堆積を開始する。
Next, while supplying a mixed gas at a predetermined flow rate from the first gas supply system and the second gas supply system, exhaust is performed by the turbo molecular pump in the
8インチウエハに対応した装置では、第1高周波電源527の電力を1000W〜4000Wの範囲に設定し、好ましくは1500W〜3500Wの範囲に設定する。また、第2高周波電源528の電力は、0W〜4000Wの範囲に設定し、好ましくは1000W〜3500Wの範囲に設定する。
In an apparatus corresponding to an 8-inch wafer, the power of the first high-
Si含有アモルファスカーボン層の膜厚が所望の膜厚に達したら、第1高周波電源527及び第2高周波電源528からの電力供給を停止し、続いて第1ガス供給系統及び第2ガス供給系統からの混合ガスの供給を停止して堆積を終了する。最後に、ウエハサセプタ502を所定のウエハ搬送ポジションに降下させ、ゲートバルブ508から半導体基板529を取り出す。
When the film thickness of the Si-containing amorphous carbon layer reaches a desired film thickness, the power supply from the first high-
本実施形態例によれば、第1実施形態例の効果に加えて、本実施形態例における高密度プラズマCVD装置で堆積されたSi含有アモルファスカーボン層は、第1実施形態例の平行平板型プラズマCVD装置で堆積されたSi含有アモルファスカーボン層よりも、酸化シリコン膜や窒化シリコン膜に対して高いエッチ選択比を有している。 According to the present embodiment example, in addition to the effects of the first embodiment example, the Si-containing amorphous carbon layer deposited by the high-density plasma CVD apparatus in the present embodiment example is the parallel plate type plasma of the first embodiment example. It has a higher etch selectivity with respect to a silicon oxide film or a silicon nitride film than a Si-containing amorphous carbon layer deposited by a CVD apparatus.
実験例2
本発明者は、実験例1の場合と同様に、Si含有アモルファスカーボンから成るハードマスクを用いて、酸化シリコン膜に対するエッチングを行い、Si含有アモルファスカーボン層のSi含有率とエッチ選択比との関係を調べる実験を行い、図2(a)、(b)のグラフ中に△で示す結果を得た。
Experimental example 2
As in the case of Experimental Example 1, the inventor performed etching on the silicon oxide film using a hard mask made of Si-containing amorphous carbon, and the relationship between the Si content of the Si-containing amorphous carbon layer and the etch selectivity. An experiment was conducted to obtain a result indicated by Δ in the graphs of FIGS. 2 (a) and 2 (b).
これらの図から判るように、高密度プラズマCVD装置500を用いて堆積する場合には、平行平板型プラズマCVD装置400で堆積する場合よりも、酸化シリコン膜に対する高いエッチ選択比を得ることが出来る。また、本実験例の場合も、図2(b)に示すように、Si含有率が0.1重量%程度以上で、アモルファスシリコン層よりエッチ選択比の違いが十分に大きくなる。尚、本実施形態例では、誘導結合型の高密度プラズマCVD装置を用いたが、ECR型やヘリコン波型の高密度プラズマCVD装置を用いても同様の効果を得ることが出来る。また、実験例1及び実験例2では、Si含有アモルファスカーボン層と酸化シリコン膜との間のエッチ選択比について調べたが、窒化シリコン膜との間についても同様の効果を有し、その他の酸化膜、窒化膜との間についても同様の効果を有するものと思われる。
As can be seen from these figures, when the deposition is performed using the high-density
第3実施形態例
図4(a)〜図6(e)は、本発明の第3実施形態例に係る半導体装置の製造方法を段階的に示す断面図である。第3実施形態例は、本発明を、高アスペクト比のスルーホールの開孔に適用する実施形態の一例であり、DRAMのシリンダ型キャパシタにおける酸化シリコン膜の加工、コンタクトホール、及びスルーホールの開孔などに適用することができる。
Third Embodiment FIG. 4A to FIG. 6E are cross-sectional views showing stepwise a method for manufacturing a semiconductor device according to a third embodiment of the present invention. The third embodiment is an example in which the present invention is applied to the opening of a through hole having a high aspect ratio. Processing of a silicon oxide film, contact hole, and opening of a through hole in a cylinder type capacitor of a DRAM are performed. It can be applied to holes and the like.
まず、半導体基板101上にトランジスタ等の素子を形成し、次いで、その上に下地層102を堆積する。下地層102は、例えば酸化シリコン膜であり、プラズマ化学気相堆積法などの既知の方法を用いて堆積できる。次に、下地層102上に、Si含有率が0.1重量%〜10重量%のSi含有アモルファスカーボン層103を、第1実施形態例又は第2実施形態例に示した方法に従って堆積する。Si含有アモルファスカーボン層103の膜厚は、下地層102の膜厚等に応じて適宜設定することができるが、同じ膜厚の下地層102のエッチングに際して、アモルファスシリコン層の膜厚に対して25%〜50%の大きさに設定することができる。
First, an element such as a transistor is formed on the
次いで、膜厚が15nmの酸化窒化シリコン(SiON)膜104、及び酸化窒化シリコン膜104上に形成された、膜厚30nmの酸化シリコン(SiO2)膜105から成る中間層110を堆積する。中間層110は、Si含有アモルファスカーボン層103をパターニングする中間マスクとして機能する共に、反射防止膜として機能する。
Next, an
本実施形態例で、酸化窒化シリコン膜104の屈折率n及び吸収係数kは、波長248nmに対してn=1.96、k=0.30である。また、酸化シリコン膜105の屈折率n及び吸収係数kは、波長248nmに対してn=1.46、k=0.00である。尚、反射防止膜の機能が不要な場合には、中間層110に代えて、単層の酸化シリコン膜を堆積できる。この場合、酸化シリコン膜の膜厚は、リソグラフィ工程において光多重干渉効果の影響による寸法ばらつきの少ない範囲に設定するのが好ましい。
In this embodiment, the refractive index n and the absorption coefficient k of the
次に、フォトレジストを塗布した後、得られたフォトレジスト層にパターンを露光、現像して転写し、フォトレジストマスク106とする(図4(a))。このパターニングの際に、中間層110は反射防止膜として機能する。次いで、図4(b)に示すように、フォトレジストマスク106をマスクとして、異方性ドライエッチング法を用いて、中間層110をエッチングし、フォトレジストマスク106のパターンを中間層110に転写する。
Next, after applying a photoresist, a pattern is exposed, developed and transferred to the obtained photoresist layer to form a photoresist mask 106 (FIG. 4A). During the patterning, the
続いて、図5(c)に示すように、パターニングされた中間層110を中間マスクとして、異方性ドライエッチング法を用いて、Si含有アモルファスカーボン層103をパターニングする。このパターニングの際に、SiO2系の残渣が出る場合には、エッチングガスに、CF4、C2F6、又はC3F8などのフロロカーボン系ガス、若しくはこれらの混合物を添加する。但し、これらのガスを多量に添加すると、中間層110とSi含有アモルファスカーボン層103とのエッチ選択比が低下するので、少量を添加するのが好ましい。
Subsequently, as shown in FIG. 5C, the Si-containing
フォトレジストマスク106はSi含有アモルファスカーボン層103よりもエッチレートが大きいので、Si含有アモルファスカーボン層103の膜厚が適切な場合には、Si含有アモルファスカーボン層103のパターニングが完了した時には中間マスク110上のフォトレジストマスク106は殆ど残っていない。少量残った場合には、次のエッチング工程で完全に除去される。
Since the
次に、図5(d)に示すように、パターニングされたSi含有アモルファスカーボン層103をハードマスクとして、下地層102をエッチングする。
Next, as shown in FIG. 5D, the
次いで、図6(e)に示すように、Si含有アモルファスカーボン層103を除去する。Si含有アモルファスカーボン層103のSi含有率が概ね5.0重量%を超えない場合には、アモルファスカーボンの場合と同様に、通常の酸素プラズマによるアッシングにより除去可能である。
Next, as shown in FIG. 6E, the Si-containing
Si含有アモルファスカーボン層103のSi含有率が5.0重量%を超える場合は、酸素プラズマのみを用いたアッシングでは除去が困難なので、フロロカーボン系のガスを添加してアッシングする。これによって、Si含有アモルファスカーボン層103を効率良く除去できる。フロロカーボン系のガスとしては、CF4、C2F6、又はC3F8、若しくはこれらの混合物等を用いることが出来る。
When the Si content of the Si-containing
尚、Si含有アモルファスカーボン層103のSi含有率が10重量%を超えると、前述のように、酸素プラズマにフロロカーボン系のガスプラズマを添加しても、Si含有アモルファスカーボン層103の除去は困難である。この場合、無理に除去しようとしてフロロカーボン系のガスの添加量を増やしていくと、これによって被加工材料がエッチングされ、その形状に影響を与えることになる。
If the Si content of the Si-containing
本実施形態例によれば、第1実施形態例又は第2実施形態例の効果に加えて、Si含有アモルファスカーボン層103のSi含有率を0.1重量%〜10重量%に設定したことにより、0.11μmを下回る設計ルールの半導体装置の製造においても、十分なエッチ耐性を有し、且つ容易に除去できるハードマスクを得ることができる。
According to the present embodiment example, in addition to the effects of the first embodiment example or the second embodiment example, the Si content of the Si-containing
従来、酸化シリコン膜に深いホールを開孔しようとした場合、エッチストップと呼ばれる現象が起こる場合がある。エッチストップとは、エッチングの際に酸化シリコン膜の側壁保護のためにフロロカーボン系のポリマーが堆積し易い条件を用いるが、このポリマーの堆積が多過ぎることによって、本来のエッチングが停止してしまう現象を言う。エッチストップを防止するためには、エッチングガスに酸素を添加すればよいが、アモルファスカーボンから成るハードマスクを用いた場合には、この酸素によってハードマスクのサイドエッチが入り易くなり、ハードマスクのパターンがリソグラフィで形成したパターンよりも広がるので、寸法制御性に問題があった。 Conventionally, when a deep hole is to be formed in a silicon oxide film, a phenomenon called etch stop may occur. Etch stop is a condition in which fluorocarbon-based polymer is likely to be deposited to protect the sidewall of the silicon oxide film during etching, but the original etching stops due to excessive deposition of this polymer. Say. In order to prevent etch stop, oxygen may be added to the etching gas. However, when a hard mask made of amorphous carbon is used, this oxygen makes it easier for side etching of the hard mask to enter, and the hard mask pattern. However, there is a problem in the dimensional controllability because it spreads more than the pattern formed by lithography.
しかし、ハードマスクに本実施形態例のSi含有アモルファスカーボンを用いれば、この酸素と、Si含有アモルファスカーボン中のシリコンとが反応して酸化膜を形成し、ハードマスクのサイドエッチを抑制することができる。 However, if the Si-containing amorphous carbon of the present embodiment is used for the hard mask, this oxygen and silicon in the Si-containing amorphous carbon react to form an oxide film, thereby suppressing the side etch of the hard mask. it can.
第4実施形態例
図7(a)〜図9(f)は、本発明の第4実施形態例に係る半導体装置の製造方法を段階的に示す断面図である。本実施形態例は、本発明をライン状のパターン及びスペースから成る、ライン系パターンの形成に適用した実施形態の一例である。本実施形態例では、DRAMのデジット線又はビット線の形成、及びセルフアラインコンタクト法によるコンタクトの形成について説明する。ゲート電極等も本実施形態例と同様にして形成することができる。
Fourth Embodiment FIGS. 7A to 9F are cross-sectional views showing stepwise a method of manufacturing a semiconductor device according to a fourth embodiment of the present invention. The present embodiment is an example of an embodiment in which the present invention is applied to the formation of a line system pattern composed of a line pattern and a space. In this embodiment, formation of a digit line or bit line of a DRAM and formation of a contact by a self-alignment contact method will be described. The gate electrode and the like can be formed in the same manner as in this embodiment.
まず、トランジスタ等の素子及び導電性プラグ221等が形成された半導体基板上220に酸化シリコン膜201を形成する。次に、膜厚が10nmの窒化タングステン(WN)202、膜厚が70nmのタングステン(W)203、及び膜厚が180nmの窒化シリコン膜204を順次に形成する。次いで、Si含有率が0.1重量%〜10重量%のSi含有アモルファスカーボン層205を、第1実施形態例又は第2実施形態例に示した堆積方法に従って堆積する。続いて、膜厚が15nmの酸化窒化シリコン膜206、及び酸化窒化シリコン膜206上に形成された膜厚が30nmの酸化シリコン膜207から成る中間層210を堆積する。
First, a
中間層210は、Si含有アモルファスカーボン層205をパターニングするための中間マスクとして機能すると共に、反射防止膜として機能する。本実施形態例で、酸化窒化シリコン膜206の屈折率n及び吸収係数kは、波長248nmに対して、n=1.96、k=0.30である。また、酸化シリコン膜207の屈折率n及び吸収係数kは、測定波長248nmに対して、n=1.46、k=0.00である。尚、反射防止膜としての機能が不要な場合には、中間層110に代えて、単層の酸化シリコン膜を堆積できる。この場合、酸化シリコン膜の膜厚は、リソグラフィ工程において光多重干渉効果の影響による寸法ばらつきの少ない範囲に設定するのが好ましい。
The
次に、フォトレジストを塗布した後、得られたフォトレジスト層にパターンを露光、現像して転写し、フォトレジストマスク208とする(図7(a))。このパターニングの際に、中間層210は反射防止膜として機能する。次いで、図7(b)に示すように、フォトレジストマスク208をマスクとして、異方性ドライエッチング法を用いて、中間層210をエッチングして、フォトレジストマスク208のパターンを中間層210に転写する。
Next, after applying a photoresist, a pattern is exposed to the obtained photoresist layer, developed, and transferred to form a photoresist mask 208 (FIG. 7A). During this patterning, the
続いて、図8(c)に示すように、中間層210を中間マスクとして、Si含有アモルファスカーボン層205をアルゴン及び酸素のプラズマを含むエッチングガスでエッチングし、中間層210に形成されたパターンをSi含有アモルファスカーボン層205に転写する。このパターニングの際に、SiO2系の残渣が出る場合は、CF4、C2F6、又はC3F8などのフロロカーボン系ガス、若しくはこれらの混合物をエッチングガスに添加する。
Subsequently, as shown in FIG. 8C, using the
次に、図8(d)に示すように、パターンが転写されたSi含有アモルファスカーボン層205をハードマスクとして、窒化シリコン膜204、タングステン膜203、及び窒化タングステン膜202の上部をエッチングする。次いで、図9(e)に示すように、Si含有アモルファスカーボン層205をアッシングにより除去する。アッシングには酸素及びアルゴンのプラズマを用いるが、除去し難い場合は、フロロカーボン系のガスを若干添加する。
Next, as shown in FIG. 8D, the
次に、図9(f)に示すように窒化シリコン膜を全面に堆積し、エッチバックを行って、窒化シリコン膜204、タングステン膜203、及び窒化タングステン膜202の側壁にサイドウォール状に残して、セルフアラインコンタクトのスペーサ209を形成する。
Next, as shown in FIG. 9F, a silicon nitride film is deposited on the entire surface and etched back to leave sidewalls on the sidewalls of the
続いて、図10(g)に示すように、層間絶縁膜211を形成し、セルフアラインコンタクト法を用いて導電性のコンタクトプラグ212を形成する。コンタクトプラグ212の開孔には、第3実施形態例で説明したホールの形成方法をそのまま適用することが出来る。
Subsequently, as shown in FIG. 10G, an
ライン状パターンの形成においては、従来、アモルファスシリコンから成るハードマスクに形成されたパターンは倒れ易く、高アスペクト比のパターンを形成することができなかった。本実施形態例では、Si含有アモルファスカーボンから成るハードマスク205が窒化シリコン膜204との間で良好な密着性を有するので、パターンが倒れ難く、パターン倒れマージンが大きく、高アスペクト比のライン状パターンを形成することができる。パターン倒れマージンが増加したことは、特に、設計ルールが0.1μm程度のライン状パターンの加工において有利である。
Conventionally, in the formation of a line pattern, a pattern formed on a hard mask made of amorphous silicon tends to collapse, and a pattern with a high aspect ratio cannot be formed. In this embodiment, since the
一例として、本発明者が、8インチウエハで0.11μmルールのゲート工程にハードマスクを適用する実験を行ったところ、アモルファスカーボンから成るハードマスクでは、226個のパターン倒れによる欠陥が検出されたのに対し、Si含有率が5.0重量%のSi含有アモルファスカーボンから成るハードマスクでは、パターン倒れによる欠陥は3個しか検出されず、その数が激減した。 As an example, when the present inventor conducted an experiment in which a hard mask was applied to a 0.11 μm rule gate process using an 8-inch wafer, 226 pattern collapse defects were detected in the hard mask made of amorphous carbon. On the other hand, in the hard mask made of Si-containing amorphous carbon having a Si content of 5.0% by weight, only three defects due to pattern collapse were detected, and the number thereof was drastically reduced.
尚、本実施形態例では窒化シリコン膜204、タングステン膜203、及び窒化タングステン膜202のエッチングを、Si含有アモルファスカーボン層205をハードマスクとして行うが、タングステン膜203及び窒化タングステン膜202のエッチングをカーボンの無い状態で行いたい場合もある。その場合には、まず、窒化シリコン膜204をエッチングした後、Si含有アモルファスカーボン層205をアッシングによって除去し、窒化シリコン膜204をマスクとして、タングステン膜203及び窒化タングステン膜202の上部をエッチングすることができる。
In this embodiment, the
第5実施形態例
本発明の第5実施形態例について説明する。図2(a)、(b)に示した実験例1、2の実験結果から、Si含有アモルファスカーボンについて、酸素プラズマでは除去困難なSi含有率の範囲が存在する。本実施形態例では、この実験結果を利用して、シリコン含有量がより大きなSi含有アモルファスカーボンを中間層として用いる例について示す。
Fifth Embodiment A fifth embodiment of the present invention will be described. From the experimental results of Experimental Examples 1 and 2 shown in FIGS. 2A and 2B, there is a range of Si content that is difficult to remove by oxygen plasma for Si-containing amorphous carbon. In the present embodiment, an example in which Si-containing amorphous carbon having a larger silicon content is used as an intermediate layer using the experimental results will be described.
本実施形態例の半導体装置の製造方法は、第3実施形態例に係る半導体装置の製造方法とは、図4(a)に示した中間層110として、Si含有率が20〜80重量%のSi含有アモルファスカーボン層を堆積することを除いては同様である。Si含有アモルファスカーボン層のシリコン含有量の調整には、第1実施形態例又は第2実施形態例に示した方法を用いることができる。
The semiconductor device manufacturing method according to the present embodiment is different from the semiconductor device manufacturing method according to the third embodiment in that the Si content is 20 to 80% by weight as the
本実施形態例によれば、Si含有率が20〜80重量%のSi含有アモルファスカーボン層が、Si含有率が0.1重量%〜10重量%のSi含有アモルファスカーボン層及びフォトレジスト層との間で、高いエッチ選択比を有することにより、中間層として良好に機能させることが出来る。また、ハードマスクとして用いる、Si含有率が0.1重量%〜10重量%のSi含有アモルファスカーボン層と、中間層として用いる、Si含有率が20重量%〜80重量%のSi含有アモルファスカーボン層とは、同一チャンバ内でガス流量比を変えることにより、連続的に堆積することが出来る。従って、工程数の削減が可能である。 According to the present embodiment example, the Si-containing amorphous carbon layer having a Si content of 20 to 80% by weight is compared with the Si-containing amorphous carbon layer and the photoresist layer having a Si content of 0.1 to 10% by weight. In the meantime, by having a high etch selectivity, it can function well as an intermediate layer. Also, a Si-containing amorphous carbon layer having a Si content of 0.1 wt% to 10 wt% used as a hard mask, and a Si-containing amorphous carbon layer having a Si content of 20 wt% to 80 wt% used as an intermediate layer. Can be continuously deposited by changing the gas flow rate ratio in the same chamber. Therefore, the number of processes can be reduced.
第3実施形態例や第4実施形態例で用いられる酸化窒化シリコン膜及び酸化シリコン膜から成る中間層は、組成に窒素を含むので、製造段階で微量のアンモニアが発生する場合がある。従って、フォトレジストにArFフォトレジストなどを用いる場合には、ArFフォトレジストはアンモニアの影響を受け易いので、パターンの寸法変動が生じることがある。本実施形態例の半導体装置の製造方法では、Si含有アモルファスカーボン膜を中間層として用いるため、アンモニアの発生を抑制し、アンモニアの影響を受けやすいフォトレジストを用いる場合にも、パターンの寸法変動を抑制できる。 Since the intermediate layer made of the silicon oxynitride film and the silicon oxide film used in the third embodiment example and the fourth embodiment example contains nitrogen in the composition, a trace amount of ammonia may be generated in the manufacturing stage. Therefore, when an ArF photoresist or the like is used as the photoresist, the ArF photoresist is easily affected by ammonia, so that the pattern dimension may vary. In the semiconductor device manufacturing method according to this embodiment, since the Si-containing amorphous carbon film is used as an intermediate layer, the generation of ammonia is suppressed, and even when a photoresist that is susceptible to ammonia is used, pattern dimensional variation is reduced. Can be suppressed.
第6実施形態例
本発明の第6実施形態例について説明する。本実施形態例の半導体装置の製造方法は、第6実施形態例に係る半導体装置の製造方法とは、図5(a)に示した中間層210として、Si含有率が20〜80重量%のSi含有アモルファスカーボン層を堆積することを除いては同様である。Si含有アモルファスカーボン層のシリコン含有量の調整には、第1実施形態例又は第2実施形態例に示した方法を用いることができる。尚、第5実施形態例及び第6実施形態例では、Si含有率が20〜80重量%のSi含有アモルファスカーボン層を中間層110の一部として用いてもよい。また、Si含有率が20〜80重量%のSi含有アモルファスカーボン層から成る中間層は、アモルファスカーボンをハードマスクとして用いる際にも、適用することができる。
Sixth Embodiment A sixth embodiment of the present invention will be described. The semiconductor device manufacturing method according to the present embodiment is different from the semiconductor device manufacturing method according to the sixth embodiment in that the Si content is 20 to 80 wt% as the
以上、本発明をその好適な実施形態例に基づいて説明したが、本発明に係る半導体装置の製造方法は、上記実施形態例の構成にのみ限定されるものではなく、上記実施形態例の構成から種々の修正及び変更を施した半導体装置の製造方法も、本発明の範囲に含まれる。 Although the present invention has been described based on the preferred embodiment, the method for manufacturing a semiconductor device according to the present invention is not limited to the configuration of the above embodiment, and the configuration of the above embodiment. Thus, a method for manufacturing a semiconductor device subjected to various modifications and changes is also included in the scope of the present invention.
本発明は、ハードマスクを用いた半導体装置の製造に適用でき、特に、0.11μm以下の設計ルールの半導体装置の製造に好適に適用できる。 The present invention can be applied to manufacture of a semiconductor device using a hard mask, and can be preferably applied to manufacture of a semiconductor device having a design rule of 0.11 μm or less.
101:半導体基板
102:下地層
103:Si含有アモルファスカーボン膜
104:酸化窒化シリコン膜
105:酸化シリコン膜
106:フォトレジストマスク
110:中間層
201:酸化シリコン膜
202:窒化タングステン膜
203:タングステン膜
204:窒化シリコン膜
205:Si含有アモルファスカーボン膜
206:酸化窒化シリコン膜
207:酸化シリコン膜
208:フォトレジストマスク
209:スペーサ
210:中間層
211:層間絶縁膜
212:導電性プラグ
220:層間絶縁膜
221:導電性プラグ
400:平行平板型プラズマCVD装置
401:リアクタ
402:堆積チャンバ
403:ウエハサセプタ
404:シャワーヘッド型電極
405:ガス拡散板
406:ガスノズル
407:排気室
408:排気ライン
409:ゲートバルブ
410:絶縁リング
411:カーボン・ソースガス・ライン(CSL)
412:シリコン・ソースガス・ライン(SSL)
413:キャリアガス・ライン(CL)
414、415、416:マスフローコントローラ(MFC)
417、418、419:ガスバルブ
420:高周波電源
421:低周波電源
422:半導体基板
500:高密度プラズマCVD装置
501:リアクタ
502:ウエハサセプタ
503:セラミックドーム
504:コイル状電極
505:第1ガスノズル
506:第2ガスノズル
507:排気ライン
508:ゲートバルブ
509:第1CSL
510:第1SSL
511:第1CL
512、513、514:第1MFC
515、516、517:第1ガスバルブ
518:第2CSL
519:第2SSL
520:第2CL
521、522、523:第2MFC
524、525、526:第2ガスバルブ
527:第1高周波電源
528:第2高周波電源
529:半導体基板
101: Semiconductor substrate 102: Underlayer 103: Si-containing amorphous carbon film 104: Silicon oxynitride film 105: Silicon oxide film 106: Photoresist mask 110: Intermediate layer 201: Silicon oxide film 202: Tungsten nitride film 203: Tungsten film 204 : Silicon nitride film 205: Si-containing amorphous carbon film 206: Silicon oxynitride film 207: Silicon oxide film 208: Photoresist mask 209: Spacer 210: Intermediate layer 211: Interlayer insulating film 212: Conductive plug 220: Interlayer insulating film 221 : Conductive plug 400: Parallel plate type plasma CVD apparatus 401: Reactor 402: Deposition chamber 403: Wafer susceptor 404: Shower head type electrode 405: Gas diffusion plate 406: Gas nozzle 407: Exhaust chamber 408: Exhaust line 40 : Gate valve 410: insulating ring 411: Carbon source gas line (CSL)
412: Silicon source gas line (SSL)
413: Carrier gas line (CL)
414, 415, 416: Mass flow controller (MFC)
417, 418, 419: gas valve 420: high frequency power supply 421: low frequency power supply 422: semiconductor substrate 500: high density plasma CVD apparatus 501: reactor 502: wafer susceptor 503: ceramic dome 504: coiled electrode 505: first gas nozzle 506: Second gas nozzle 507: exhaust line 508: gate valve 509: first CSL
510: First SSL
511: 1st CL
512, 513, 514: 1st MFC
515, 516, 517: first gas valve 518: second CSL
519: Second SSL
520: 2nd CL
521, 522, 523: 2nd MFC
524, 525, 526: second gas valve 527: first high frequency power source 528: second high frequency power source 529: semiconductor substrate
Claims (17)
前記Si含有アモルファスカーボン層上にフォトレジストマスクを形成する工程と、
前記フォトレジストマスクをマスクとして、前記Si含有アモルファスカーボン層をパターニングして、ハードマスクに形成する工程と、
前記ハードマスクをマスクとして、前記下地層をパターニングする工程とを有することを特徴とする半導体装置の製造方法。 Depositing a Si-containing amorphous carbon layer on the underlayer;
Forming a photoresist mask on the Si-containing amorphous carbon layer;
Patterning the Si-containing amorphous carbon layer using the photoresist mask as a mask to form a hard mask;
And a step of patterning the underlayer using the hard mask as a mask.
前記中間層上にフォトレジストマスクを形成する工程と、
前記フォトレジストマスクをマスクとして、前記中間層をパターニングして、中間マスクに形成する工程と、
前記中間マスクをマスクとして、前記Si含有アモルファスカーボン層をパターニングして、ハードマスクに形成する工程と、
前記ハードマスクをマスクとして、前記下地層をパターニングする工程とを有することを特徴とする半導体装置の製造方法。 A step of sequentially depositing an Si-containing amorphous carbon layer and an intermediate layer on the underlayer;
Forming a photoresist mask on the intermediate layer;
Patterning the intermediate layer using the photoresist mask as a mask to form an intermediate mask;
Patterning the Si-containing amorphous carbon layer using the intermediate mask as a mask to form a hard mask;
And a step of patterning the underlayer using the hard mask as a mask.
前記ハードマスクに形成する工程では、前記Si含有アモルファスカーボン層及び前記アモルファスカーボン層を同時にパターニングして、ハードマスクに形成する、請求項1〜9の何れか一に記載の半導体装置の製造方法。 Prior to the step of depositing the Si-containing amorphous carbon layer, depositing an amorphous carbon layer on the underlayer,
The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 1, wherein in the step of forming the hard mask, the Si-containing amorphous carbon layer and the amorphous carbon layer are simultaneously patterned to form the hard mask.
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