JP2007189153A

JP2007189153A - 半導体装置の製造方法

Info

Publication number: JP2007189153A
Application number: JP2006007522A
Authority: JP
Inventors: Mitsunari Sukegawa; 光成祐川
Original assignee: Elpida Memory Inc
Current assignee: Micron Memory Japan Ltd
Priority date: 2006-01-16
Filing date: 2006-01-16
Publication date: 2007-07-26

Abstract

【課題】ＡｒＦレジストをマスクとして、シリコン酸化膜とシリコン窒化膜の堆積膜をドライエッチングする際、良好にパターンを加工できる半導体装置の製造方法を提供する。
【解決手段】ＡｒＦレジストをマスクとして、シリコン窒化膜２及びシリコン酸化膜３の順に堆積された積層膜をドライエッチングする際、シリコン酸化膜３のエッチング時にＣＦ₄及び水素の混合ガスをエッチングガスとして用い、シリコン窒化膜２のエッチングの際にＣＨ_xＦ_y(ｘ=０〜３、ｙ＝４〜１)をエッチングガスとして用いてドライエッチングを行う。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体装置の製造方法に関し、詳しくは、ＡｒＦレジストをマスク材として、シリコン窒化膜とシリコン酸化膜の積層膜にドライエッチングを行なう方法に関する。

近年の半導体微細加工技術の発展に伴い、短波長（193ｎｍ）のＡｒＦエキシマレーザ光でパターニングされるAｒFレジストが用いられている。ＡｒＦレジストは、ＫｒＦエキシマレーザ光で露光されるＫｒＦレジストに比べてプラズマ耐性が低く、また、露光機の焦点深度が浅いため、レジスト膜厚も薄くなっている。このため、ＡｒＦレジストをマスクとして微細な配線加工を行うことは一般に難しいとされている。

ここで、従来技術として、配線加工のためのマスク材に、シリコン窒化膜にシリコン酸化膜を積層した積層材料を用い、この積層材料に配線加工パターンを形成する方法を図３に示す。図３（ａ）に示すように、配線材料であるタングステン２１の上にシリコン窒化膜２２とシリコン酸化膜２３と反射防止膜２４をこの順番に積層する。反射防止膜２４上にＫｒＦレジスト２５をパターニングする。このＫｒＦレジスト２５をマスクとして、ドライエッチング法によりＣＦ₄ガスを用いて図３（ｂ）に示すように反射防止膜２４を加工する。その後、ＣＦ₄、ＣＨＦ₃、およびＣＨ₂Ｆ₂のガスを用いてシリコン酸化膜２３及びシリコン窒化膜２２を加工し、図３（ｃ）に示すように、ＫｒＦレジスト２５及び反射防止膜２４をプラズマアッシング及び有機除去ウェット装置を用いて剥離する。しかし、レジストの薄膜化及びＡｒＦレジストへの移行に伴い、この方法は困難となった。

また、特許文献１には、ＣＦ₄ガスと水素ガスを用いてシリコン酸化膜及びシリコン窒化膜の積層膜をドライエッチングする方法が開示されている。具体的には図４の（ａ）〜（ｃ）に示すように、シリコン３１上にシリコン酸化膜３２、シリコン窒化膜３３およびシリコン酸化膜３４をこの順番に堆積する。そして、パターニングしたレジスト３５をマスクとしてシリコン酸化膜３２、シリコン窒化膜３３およびシリコン酸化膜３４の積層膜を、ＣＦ₄ガスと水素ガスの混合ガスを用いた反応性イオンエッチング法によってエッチングする。

この特許文献１に開示された方法は、シリコン酸化膜３４に対してシリコン窒化膜３３が薄い場合に限り用いることができる。その理由は次の通りである。シリコン窒化膜３４をＣＦ₄ガスと水素ガスの混合ガスを用いてエッチングすると、Ｃ原子とＦ原子の重合体がウエハ表面に堆積する。この堆積物をエッチングデポジションと呼ぶ。このエッチングデポジションの生成によりシリコン窒化膜３４のエッチング側壁はテーパー形状となるが、窒化膜が薄い場合は、このテーパーが無視できるからである。

また、特許文献２には、水素イオンをレジストに照射し、ＡｒＦレジストのドライエッチング耐性を改善する方法が示されている。具体的には図５の（ａ）〜（ｄ）に示すように、シリコン４１の上にシリコン酸化膜４２と反射防止膜４３をこの順番に積層する。反射防止膜４３上にＡｒＦレジスト４４をフォトリソグラフィ法によりパターニングする。このＡｒＦレジスト４４にプラスの水素イオンを照射して、ＡｒＦレジスト４４を、ドライエッチ耐性の向上したレジスト層４５に改質する。その後、このレジスト層４５をマスクとして、反射防止膜４３とシリコン酸化膜４２を順次エッチングする。

しかし、この特許文献２に開示された方法はイオン注入工程を増加させる必要があり、製造コストが上昇するといった問題がある。

また、特許文献３には有機系反射防止膜のエッチング時にＡｒＦレジストを改質させながら、エッチングを行うことが出来ると記載されているが、実施例において具体的にはエッチングガスの種類が特定されていないため、再現することが困難であった。
特開昭６１−８８５５４号公報（第５図（Ｂ）参照）特開２００４−１６３４５１号公報特開２００５−７２５１８号公報

半導体装置の製造方法において、ＫｒＦレジストに対してドライエッチ耐性の低いＡｒＦレジストをマスクとしてシリコン酸化膜とシリコン窒化膜の堆積膜を加工する際、ＣＦ₄及び酸素及びＣＨＦ₃(もしくはＣＨ₂Ｆ₂)をエッチングガスとして用いた場合、対レジスト選択比が低く、パターンの加工が困難であった。

また、Ｃ₄Ｆ₆、Ｃ₄Ｆ₈、Ｃ₅Ｆ₈等のエッチングガスを用いたドライエッチング技術では、シリコン酸化膜の加工は可能であるが、シリコン窒化膜の加工は困難であることが当業者において周知である。

また、最初にＡｒＦレジストに水素イオンを照射して該レジストを変質させ、対レジスト選択比を向上させる方法では、酸化膜エッチング時にＣ₄Ｆ₆、Ｃ₄Ｆ₈、Ｃ₅Ｆ₈等のガスを用いた場合にのみ効果を示すため、シリコン窒化膜の加工はできない。また、レジストに水素イオンを注入する為には、高密度のプラズマを生成でき、１ＭＨｚ以下の高周波バイアスを印加することが可能な特殊なプラズマ装置が必要である。

そこで本発明は、上記従来技術の課題に鑑み、ＡｒＦレジストをマスクとして、シリコン酸化膜とシリコン窒化膜の堆積膜をドライエッチングする際、良好にパターンを加工できる半導体装置の製造方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明では、ＡｒＦレジストをマスクとして、シリコン窒化膜及びシリコン酸化膜がこの順番で積層された積層膜をドライエッチングする際、前記シリコン酸化膜のエッチング時にＣＦ₄及び水素の混合ガスをエッチングガスとして用い、前記シリコン窒化膜のエッチング時にはＣＨ_xＦ_y(ｘ=０〜３、ｙ＝４〜１)をエッチングガスとして用いた。

このようにシリコン酸化膜のエッチングガスに水素ガスを含んでいることにより、ＡｒＦレジストが変質してエッチング耐性が向上するため、シリコン窒化膜エッチング時のレジストの削れ量が少なくなる。

さらに、上記シリコン窒化膜のエッチング時に、ウェハ中央におけるエッチングレートがウェハ外周のそれよりも大きくなるように、ウェハ中央とウェハ外周に吹き出すガスの組成もしくは組成比を変えた。

すなわち、ＣＦ₄及び水素ガスの混合ガスにより、シリコン酸化膜層をエッチングする場合には、ウェハ表面上にＣ原子とＦ原子からなる重合体であるエッチングデポジションは生じないが、このエッチングが下地のシリコン窒化膜層に達した瞬間に、ウェハ表面にエッチングデポジションが生成される。特に、一般的なＲＩＥ装置の構成ではこのディポジションはウェハ中央の方がウェハ外周よりも多く生成されることが確認されている。このため、シリコン窒化膜のエッチング時にウェハ面内の均一性を良好に保つことが困難になる。そこで、ウェハ中央のエッチングレートがウェハ外周のそれよりも大きくなるように、ウェハ中央とウェハ外周に吹き出すガスの組成もしくは組成比を変え、エッチングデポジションの不均一性を打ち消すことで、最終的なエッチング形状の面内均一性を良好にすることが可能となる。

以上説明したように本発明によれば、ＫｒＦレジストよりもドライエッチ耐性の低いＡｒＦレジストをマスクとして、シリコン窒化膜及びシリコン酸化膜の積層膜をドライエッチングする際、対レジスト選択比が向上し、シリコン窒化膜及びシリコン酸化膜に対して良好にパターン加工を行なうことができる。

次に、本発明の実施形態について図１及び図２を参照して説明する。

図１は本発明の実施形態による半導体装置の製造方法を示す工程図、図２は本発明の製造方法を実施するためのドライエッチング装置の模式図である。

本実施形態では、微細配線加工のためのマスク材として、シリコン窒化膜とシリコン酸化膜の積層膜を用いた場合に、この積層膜を、ＡｒＦレジストを用いたドライエッチング法によりパターニングする例を説明する。

図１（ａ）において、始めに配線材料であるタングステン１上にシリコン窒化膜２及びシリコン酸化膜３をこの順番でプラズマCVD法を用いて成膜する。次に、シリコン酸化膜３上に有機系反射防止膜４を塗布し、さらに反射防止膜４上にＡｒＦレジスト５をリソグラフィ技術を用いてパターニングする。

ＡｒＦレジスト５はアクリル系のＪＳＲ製ＡＲ１２２１Ｊを用い、反射防止膜４は日産化学製ＡＲ２９Ａを用いる。

図２に上記の積層膜に加工を行うドライエッチング装置の模式図を示す。このドライエッチング装置は一般的な平行平板型のＲＩＥ（リアクティブイオンエッチング）装置である。被加工物であるシリコンウェハ１５がプラズマチャンバー１０内においてウェハステージ（静電チャックステージ）１２に載置されている。シリコンウェハ１５の下部にはカソード電極である平面電極１３が設置され、これに相対してシリコンウェハ１５の上部には、アノード電極である対向電極１６が設置されている。平面電極１３は１３．５６ＭＨｚの高周波電源（ＲＦ電源）に接続され、対向電極１６はアースに接続されている。

対向電極１６には、シリコンウェハ１２上に一様にガスを吹き出せるようにガス吹き出し口１７が設けられている。対向電極１６の上部空間には、ウェハ中央に対応する位置からガスを導入するセンターガスライン１８が設置され、ウェハ外周に対応する位置からガスを導入するエッジガスライン１９が設置されている。ガスライン１８，１９は上流側で１本に繋がっているが、エッジガスライン１９には所望の組成のガスを更に添加できる構成である。したがって、基本的にはガスライン１８，１９の両方から同一組成のガスを導入し、対向電極１６のガス吹き出し口１７によってウェハ１５上に一様に当該ガスを吹き出せる構成になっているが、エッジガスライン１９中に所望のガス成分が更に添加されると、ウェハ外周とウェハ中央に吹き出すガスの組成もしくは組成比が変わる。

また、プラズマチャンバー１０における雰囲気ガスは、平面電極１３が設けられたウェハステージ１２の周囲の排気口１１より排気されるようになっている。

このドライエッチング装置を用い、パターニングされたＡｒＦレジスト５をマスクとして、図１（ｂ）に示すように反射防止膜４を加工する。ドライエッチングガスとしてＣＦ₄を用い、ＣＦ₄ガス流量は２４０ｓｃｃｍ（２４０ｍｉｌ／ｍｉｎ（ｎｏｒｍａｌ））、チャンバー圧力（プラズマチャンバー１０の真空度）は１００ｍＴｏｒｒ（１３．３３Ｐａ）、高周波電源１４のＲＦパワーは４００Ｗ、ウェハステージ１２の温度は６０℃とした。

次に、図１（ｃ）に示すようにシリコン酸化膜３をＣＦ₄ガス及び水素ガスの混合ガスを用いて加工する。このとき、ＣＦ₄ガス流量は１４０ｓｃｃｍ（１４０ｍｉｌ／ｍｉｎ（ｎｏｒｍａｌ））、水素ガス流量は３０ｓｃｃｍ（３０ｍｉｌ／ｍｉｎ（ｎｏｒｍａｌ））、チャンバー圧力は６０ｍＴｏｒｒ（７．９８Ｐａ）、高周波電源１４のＲＦパワーは５００Ｗとした。ここで、ＣＦ₄ガス及び水素ガスは図２のＲＩＥ装置ではガスライン１８，１９の上流側で繋がった１本のガスライン（不図示）で混合されて、夫々のガスライン１８，１９からＣＦ₄ガスと水素ガスの混合ガスが導入され、ガス吹き出し口１７によりウェハ１５上に一様に吹き出されている。

また、シリコン酸化膜３のエッチングガスに水素ガスを含んでいるため、このエッチング時にＡｒＦレジスト５が、ドライエッチ耐性の向上した変質レジスト層６に改質される。このため、次工程におけるシリコン窒化膜２のエッチング時にＡｒＦレジスト５の削れ量が少ないといった効果がある。この効果が生じる理由は明確では無いが、レジスト材料はＣＨ基を有しており、ＣＦ₄に含まれるカーボン原子と水素ガスの水素原子とにより重合反応が生じ、レジストが変質するためと考えられる。したがって、ＡｒＦレジスト５が改質され、レジストの表面及び内部にカーボン原子と水素原子の重合体が生成されると、次工程のシリコン窒化膜エッチング時に対レジスト選択比が向上する。このレジスト改質効果は、ＣＦ₄ガス及び水素ガスの組み合わせがＣＨＦ₃またはＣＨ₂Ｆ₂等のガスを用いた場合よりも有効であった。

次に、図１（ｄ）に示すようにシリコン窒化膜２の加工を行う。なお、前工程のシリコン酸化膜３のエッチング終点はプラズマ中のイオンやラジカルなどの発光強度の変化を監視して検出している。

この窒化膜のエッチング加工には、ＣＦ₄ガスとＣＨ₂Ｆ₂ガスの混合ガスを用いた。このとき、ＣＦ₄ガス流量は８０ｓｃｃｍ（８０ｍｉｌ／ｍｉｎ（ｎｏｒｍａｌ））、ＣＨ₂Ｆ₂ガス流量が２０ｓｃｃｍ（２０ｍｉｌ／ｍｉｎ（ｎｏｒｍａｌ））、チャンバー圧力は１４０ｍＴｏｒｒ（１８．６２Ｐａ）、高周波電源１４のＲＦパワーは５００Ｗとした。

ここで、ＣＦ₄ガス及びＣＨ₂Ｆ₂ガスは図２のＲＩＥ装置ではガスライン１８，１９の上流側で繋がった１本のガスライン（不図示）で混合されて、夫々のガスライン１８，１９からＣＦ₄ガスとＣＨ₂Ｆ₂ガスの混合ガスが導入され、ガス吹き出し口１７によりウェハ１５上に一様に吹き出される。このとき、ウェハ面内のエッチングレート均一性を制御するために、エッジガスライン１９中に更にＣＨ₂Ｆ₂ガスを２ｓｃｃｍ（２ｍｉｌ／ｍｉｎ（ｎｏｒｍａｌ））添加して、ウェハ中央に比べてウェハ外周に吹き出されるＣＨ₂Ｆ₂ガスを多くした。

このように、ウェハ外周とウェハ中央に吹き出すガスの組成（本例のように当該各ガスが同一組成の混合ガスの場合は組成比）を変えた理由は次の通りである。

ＣＦ₄及び水素ガスの混合ガスにより、シリコン酸化膜層をエッチングする場合には、ウェハ表面上にＣ原子とＦ原子からなる重合体であるエッチングデポジションは生じないが、このエッチングが下地のシリコン窒化膜層に達した瞬間に、ウェハ表面にエッチングデポジションが生成される。特に、図２のような一般的なＲＩＥ装置の構成ではこのデポジションはウェハ中央の方がウェハ外周よりも多く生成されることが確認されている。このため、シリコン窒化膜２のエッチング時にウェハ面内の均一性を良好に保つことが困難になる。そこで、上記の窒化膜エッチング時において、ウェハ外周にはウェハ中央側よりもＣＨ₂Ｆ₂ガス量が多いＣＦ₄ガスとＣＨ₂Ｆ₂ガスの混合ガスを用いること、言い換えればウェハ中央にはウェハ外周側よりもＣＨ₂Ｆ₂ガス量が少ないＣＦ₄ガスとＣＨ₂Ｆ₂ガスの混合ガスを用いることで、ウェハ中央におけるエッチングレートをウェハ外周のそれよりも大きくした。すなわち、ガス組成（混合ガスの場合は組成比）のウェハ面内分布を変化させ、エッチングデポジションの不均一性を打ち消すことで、最終的なエッチング形状の面内均一性を良好にすることが可能になる。

また、前工程のシリコン酸化膜エッチング時にＡｒＦレジスト５が改質され、対レジスト選択比が向上しているため、ＣＦ₄ガスとＣＨ₂Ｆ₂ガスの混合ガスで良好にシリコン窒化膜２の加工を行なえた。

なお、以上説明した実施形態では、シリコン窒化膜２の加工に用いるエッチングガスとしてＣＦ₄ガスとＣＨ₂Ｆ₂ガスの混合ガスを用いているが、本発明の効果を奏するシリコン窒化膜エッチング用のガスはこれに限られず、ＣＨ_xＦ_y(ｘ=０〜３、ｙ＝４〜１)をエッチングガスとして用いればよい。つまり、ＣＦ₄、ＣＨＦ₃、ＣＨ₂Ｆ₂、またはＣＨ₃Ｆの単独ガスを用いても、あるいは、ＣＦ₄、ＣＨＦ₃、ＣＨ₂Ｆ₂、またはＣＨ₃Ｆのうちの２以上の任意の組み合わせの混合ガスを用いても本発明の効果を奏する。

さらに、窒化膜エッチング形状のウェハ面内均一性を向上するために、ウェハ外周とウェハ中央に吹き出すガスの組成を変える、もしくは、そのガスが同一組成の混合ガスの場合に組成比を変えるとき、そのガスの選定は、ウェハ中央におけるエッチングレートがウェハ外周のそれよりも大きくなるという効果が得られれば任意である。

本発明の活用例として、記憶装置に用いるDRAM半導体装置の製造方法が挙げられる。

本発明の実施形態である半導体装置の製造方法を示す断面図である。本発明の半導体装置の製造方法に用いるドライエッチング装置を示す概略断面図である。従来の半導体装置の製造方法を示す断面図である。特許文献１に開示された従来の半導体装置の製造方法を示す断面図である。特許文献２に開示された従来の半導体装置の製造方法を示す断面図である。

符号の説明

１タングステン
２シリコン窒化膜
３シリコン酸化膜
４反射防止膜
５ＡｒＦレジスト
６変質レジスト層
１０プラズマチャンバー
１１排気口
１２ウェハステージ（静電チャックステージ）
１３平面電極
１４高周波電源（ＲＦ）
１５シリコンウェハ
１６対向電極
１７ガス吹き出し口
１８センターガスライン
１９エッジガスライン

Claims

ドライエッチング法を用いてＡｒＦレジストをマスクとして、シリコン窒化膜及びシリコン酸化膜がこの順番で積層された積層膜をエッチングする際、前記シリコン酸化膜のエッチング時にＣＦ₄及び水素の混合ガスをエッチングガスとして用い、前記シリコン窒化膜のエッチング時にはＣＨ_xＦ_y(ｘ=０〜３、ｙ＝４〜１)をエッチングガスとして用いる半導体装置の製造方法。
シリコン窒化膜のエッチング時に、ウェハ中央におけるエッチングレートがウェハ外周のそれよりも大きくなるように、ウェハ中央とウェハ外周に吹き出すガスの組成もしくは組成比を変えることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
前記ドライエッチングにはリアクティブイオンエッチング装置を用いることを特徴とする請求項１または２に記載の半導体装置の製造方法。