JP2009076661A - 半導体装置の製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】アモルファスカーボン膜をハードマスク形状に加工する際、ボーイングやパターンの細りの起こらないアモルファスカーボンハードマスクの形成方法を提供する。
【解決手段】アモルファスカーボン膜１３を加工する際、途中まで加工した後（１６）、露出したアモルファスカーボン膜の側壁に酸化膜からなる保護膜１２ｂを形成する。特に、この保護膜を、アモルファスカーボン膜を加工する際の中間マスク層１２ａをスパッタリングすることで形成する。
【選択図】図１−２

Description

本発明は、半導体装置の製造方法に関し、特にアモルファスカーボン膜をハードマスクとして用いる半導体装置の製造方法に関する。
近年の半導体微細加工技術の発展に伴い、短波長の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レジストはドライエッチング耐性が低く、また、焦点深度が浅いためレジスト膜厚は薄い。このため、ドライエッチング耐性の高いハードマスクが必要となっており、ハードマスクとしてアモルファスカーボン等を用いる技術（特許文献１）がある。
図５−１，図５−２はアモルファスカーボンをハードマスクとする従来の半導体装置の製造方法を示す工程断面図である。
図５−１（ａ）に示すように、下層配線５上にシリコン酸化膜４、アモルファスカーボン膜３、中間マスク層２となるシリコン酸窒化膜とシリコン酸化膜からなる積層膜を成膜し、リソグラフィ技術を用いてフォトレジスト材料からなるコンタクトパターン１をパターニングする。中間マスク層２は、炭素を主成分とするフォトレジストがアモルファスカーボンとのエッチング選択比を得ることが困難であることから、一旦、中間マスク層に転写した後、アモルファスカーボンに転写するために設けられている。また、中間マスク層は、フォトレジストに対して反射防止の機能も有する。次に、図５−１（ｂ）に示すように、ドライエッチングプロセスを用いて中間マスク層２を中間マスク２ａに加工する。このときエッチングガスとしてはＣＦ４等を用いる。
次に図５−２（ｃ）に示すように、中間マスク２ａをマスクとしてアモルファスカーボン膜３の加工を行う。このとき、エッチングガスとして酸素を用い、フッ素を用いないガス系を用いることで、アモルファスカーボン膜３は選択的にエッチングされ、薄いレジスト膜で形成したパターン１を厚いアモルファスカーボン膜３にアモルファスカーボンハードマスク３ａとして転写することが可能である。
次に、図５−２（ｄ）に示すように、Ｃ４Ｆ８ガス等を用いてアモルファスカーボンハードマスク３ａをマスクとしてシリコン酸化膜４をエッチングすることでコンタクトホール７を加工する。
その後、酸素またはオゾンプラズマアッシング等により残存するアモルファスカーボンハードマスクを除去する。
アモルファスカーボン膜の加工の際、エッチャントとして用いる酸素ラジカルはアモルファスカーボン膜３との反応性が強いため、高いエッチングレートで加工できる反面、横方向にもエッチングされる。このため、アモルファスカーボンハードマスク３ａに形成されるコンタクト開口部６が、図５−２（ｃ）に示すようなボーイング形状となるといった問題がある。また、アモルファスカーボンハードマスク３ａがこのようなボーイング形状であると、図５−２（ｄ）に示すようにように、コンタクトホール７もボーイング形状になりやすい傾向があり、コンタクトの形成不良が生じるといった問題が生じる。
また、アモルファスカーボンハードマスクを細線状のパターンに加工する場合、パターンの細りが発生し、所望のパターンが得られないという問題がある。
また、細線パターンでは被加工基板のエッチング時に、アモルファスカーボンハードマスクのパターン倒れが懸念される。さらに、細線パターン、開口パターンのいずれにおいても被加工基板のエッチング時のパターン崩れも問題となる場合がある。
特許文献２では、Ｓｉ含有アモルファスカーボン膜をハードマスクとして用いることで、酸素を用いたアモルファスカーボンのエッチングの際、酸素とＳｉ含有アモルファスカーボンハードマスクが反応してハードマスクの表面に酸化膜を形成し、ハードマスクのサイドエッチが抑制できることが開示されている。しかしながら、Ｓｉの分散状況によって、側壁に形成される酸化膜厚も所々異なり、また除去される部分に含まれるＳｉも酸化され、露出した被加工基板の表面にこの酸化物がデポ物として堆積することが懸念されるため、更なる改良の余地がある。
特開２００２−１９４５４７号公報 特開２００５−４５０５３号公報
そこで、本発明は、アモルファスカーボン膜をハードマスク形状に加工する際、ボーイングやパターンの細りの起こらないアモルファスカーボンハードマスクの形成方法を提供することにある。また、パターン倒れやパターン崩れを防止する形成方法を提供することにある。
本発明者は、アモルファスカーボン膜を、酸素を含むガスで加工する際に、アモルファスカーボン膜の途中まで加工した後、加工によって形成される側壁部に保護膜、特にシリコン酸化膜からなる保護膜を形成することで加工形状の不良を防止することができることを見出した。
すなわち本発明は、
アモルファスカーボンをハードマスクとして用いる半導体装置の製造方法であって、
（Ａ）被加工基板上にアモルファスカーボン膜を成膜し、該アモルファスカーボン膜上にシリコン酸化膜を含む中間マスク層を形成する工程、
（Ｂ）該中間マスク層を中間マスク形状に加工する工程、
（Ｃ）該加工された中間マスク層をマスクとしてアモルファスカーボン膜の一部をエッチングし、アモルファスカーボン膜の側壁を露出させる工程、
（Ｄ）該アモルファスカーボン膜の側壁に酸化膜からなる保護膜を形成する工程、
（Ｅ）アモルファスカーボン膜を被加工基板が露出するまで加工する工程、および
（Ｆ）アモルファスカーボン膜をマスクに被加工基板を加工する工程
とを含むことを特徴とする前記製造方法に関する。
本発明によれば、アモルファスカーボン膜をハードマスク形状に加工する際、アモルファスカーボン膜の途中まで加工した後、アモルファスカーボン側壁にシリコン酸化膜の保護膜を形成し、さらにアモルファスカーボン膜の加工を行うことにより、アモルファスカーボン膜のサイドエッチングが防止され、異方性の高い垂直な加工形状を得ることができる。
また、本発明によれば、アモルファスカーボン膜の側壁に形成する保護膜を、アモルファスカーボン膜にパターンを転写するための中間マスク層のスパッタリングにより形成することで、加工の一括処理が可能であり、プロセスの簡略化が可能であると同時に、パターン依存性の無い、加工形状を得ることが可能である。
中間マスク層のスパッタリングでは、パターン底部に保護膜がほとんど形成されないため、酸化膜エッチング工程を追加することなくアモルファスカーボン膜の加工が可能となり、プロセス時間短縮及びプロセスマージン拡大が可能となる。
さらに本発明では、アモルファスカーボン側壁に保護膜を形成することにより、アモルファスカーボンをマスクとして加工する絶縁膜のエッチングの際、アモルファスカーボンのパターン倒れやパターン変形を防止する効果がある。
本発明の一実施例になる半導体装置の製造方法について、図面を参照しながら説明する。工程（ａ）〜（ｆ）〔図１−１〜図１−３〕は、本発明の一実施例になる半導体装置の製造方法を説明する工程断面図である。
まず、工程（ａ）〔図１−１（ａ）〕に示すように、下層配線１５上にシリコン酸化膜１４、アモルファスカーボン膜１３、中間マスク層１２となるシリコン酸窒化膜とシリコン酸化膜からなる積層膜を成膜し、リソグラフィ技術を用いてフォトレジスト材料からなるコンタクトパターン１１をパターニングする。アモルファスカーボン膜３の成膜方法は、プラズマチャンバにプロピレン等の炭化水素化合物ＣｘＨｙ及び不活性ガスであるＡｒあるいはＨｅを供給し、混合ガスをプラズマにより熱分解し、チャンバ内のウェハにアモルファスカーボン膜を堆積させる方法を用い、このときウェハ温度は、例えば、１００℃〜６００℃、チャンバ内圧力は約１３３Ｐａ〜約２．６７ｋＰａ（約１〜約２０Ｔｏｒｒ）とする。中間マスク層１２はプラズマＣＶＤ法によって成膜されるシリコン酸窒化膜とシリコン酸化膜の積層膜であり、膜厚はそれぞれ１０〜３０ｎｍ、３０〜１００ｎｍとする。
次に、工程（ｂ）〔図１−１（ｂ）〕に示すように、ドライエッチングプロセスを用いて中間マスク層１２を加工する。ここでは、図４に示すＲＦ周波数が１３．５６ＭＨｚの有磁場ＲＩＥドライエッチング装置を用いて、中間マスク層１２の加工を行う。中間マスク層１２のエッチングガスとしてはＣＦ４を用い、チャンバ圧力は４．０〜２０．０Ｐａ（３０〜１５０ｍＴｏｒｒ）、ＲＦパワーは３００〜２０００Ｗ、ステージ温度は０〜６０℃とし、エッチング後は工程（ｂ）に示す形状となる。
図４に示す装置は、プラズマチャンバー３０内にウエハ３５を載置して処理する装置であり、ウエハ３５は静電チャックステージ３２上に静電的に固定載置されている。静電チャックステージ３２内には、ＲＦ電源３４に接続された下部電極が設置されている。プラズマチャンバー３０内のウエハに対向する側には上部電極３６があり、上部電極３６には、ガス吹き出し穴３７が設けられている。ドライエッチング処理時には、排気口３１よりチャンバー３０内を排気し、センターガスライン３８及びエッジガスライン３９よりエッチャントガスを導入し、ガス吹き出し穴３７より均一にガスを導入する。
次に工程（ｃ）〔図１−２（ｃ）〕に示すように、加工された中間マスク１２ａをマスクとしてアモルファスカーボン膜１３の加工を行う。前記同様に図４に示す装置により、アモルファスカーボン膜１３を途中までエッチングし、開口１６を形成する。このときのエッチングガスとして酸素、アルゴンを用い、チャンバ圧力は１．３３〜６．６７Ｐａ（１０〜５０ｍＴｏｒｒ）、ＲＦパワーは２００〜１０００Ｗとする。この際、レジスト材料が残らないようにエッチング時間を調整する。
次に、工程（ｄ）〔図１−２（ｄ）〕に示すように、中間マスク１２ａを、酸素を用いないガス系を用いてエッチングすることによりスパッタリングし、アモルファスカーボン膜１３に空けた開口１６の側壁に酸化物の保護膜１２ｂを形成する。このときエッチングガスはアルゴンを用い、チャンバ圧力は１．３３〜６．６７Ｐａ（１０〜５０ｍＴｏｒｒ）、ＲＦパワーは２００〜１０００Ｗとする。
次に、工程（ｅ）〔図１−３（ｅ）〕に示すように、アモルファスカーボン膜１３を下層のシリコン酸化膜１４が露出するまでエッチングし、開口１６’を有するアモルファスカーボンハードマスク１３ａとする。このときエッチングガスとして酸素、アルゴンを用い、チャンバ圧力は１．３３〜６．６７Ｐａ（１０〜５０ｍＴｏｒｒ）、ＲＦパワーは２００〜１０００Ｗとする。前記工程（ｄ）におけるアモルファスカーボン膜１３の開口１６底部の酸化物保護膜１２ｂは膜厚が薄く、エッチングの支障とはならない。
次に、工程（ｆ）〔図１−３（ｆ）〕に示すように、アモルファスカーボンハードマスク１３ａを通してＣ４Ｆ８ガス等を用いてシリコン酸化膜１４をドライエッチング加工し、酸素ガスを用いてボトムレイヤーを剥離することにより、シリコン酸化膜１４中にコンタクトホール１７を形成する。
工程（ｂ）におけるエッチングガスとして、ＣＨＦ３、ＣＨ２Ｆ２、ＣＨ３Ｆ、Ｃ４Ｆ６、Ｃ５Ｆ８、Ｃ４Ｆ６等のフロロカーボンガスを用いることができる。
また、工程（ｃ）におけるアモルファスカーボン膜のエッチングガスとして、水素と窒素の混合ガスを用いることで、酸素を用いた場合と比較して開口１６の口径の拡大を防ぐことができる。このとき、チャンバー圧力は６．６７〜２６．７Ｐａ（５０〜２００ｍＴｏｒｒ）、ＲＦパワーは４００Ｗ〜３０００Ｗ、ステージ温度は６０℃とし、水素と窒素の流量比は２：１〜４：１とすることが好ましい。
また、工程（ｄ）におけるエッチングガスとしても、同様に水素と窒素の混合ガスを用いることができる。
上記の説明では、アモルファスカーボン膜の側壁に酸化膜を形成する工程は１回のみ行っているが、アモルファスカーボン膜が厚い場合には、アモルファスカーボン膜を所定の深さに加工するたびに酸化膜形成のための中間マスク層のスパッタリングを実施しても良い。
〔他の実施例〕
図２−１〜図２−３を参照してその他の実施例の製造方法を説明する。
まず、図２−１（ａ）に示すように、配線材料２５上にシリコン窒化膜２４、アモルファスカーボン膜２３、中間マスク層２２をＣＶＤ法によって成膜し、リソグラフィ技術を用いて配線レジストパターン２１を形成する。中間マスク層２２はプラズマＣＶＤ法によって成膜されるシリコン酸窒化膜とシリコン酸化膜の積層膜であり、膜厚はそれぞれ１０〜３０ｎｍ、３０〜１００ｎｍとする。
次に、図４に示すＲＦ周波数が１３．５６ＭＨｚの有磁場ＲＩＥドライエッチング装置を用いて中間マスク層２２及びアモルファスカーボン膜２３の加工を行う。中間マスク層２２のエッチングガスとしてはＣＦ４を用い、チャンバ圧力は４．０〜２０．０Ｐａ（３０〜１５０ｍＴｏｒｒ）、ＲＦパワーは３００〜２０００Ｗ、ステージ温度は０〜６０℃とし、エッチング後は図２−１（ｂ）に示す中間マスク２２ａとなる。
次に図２−２（ｃ）に示すように、アモルファスカーボン膜２３を途中までエッチングする。このときエッチングガスとして酸素、アルゴンを用い、チャンバ圧力は１．３３〜６．６７Ｐａ（１０〜５０ｍＴｏｒｒ）、ＲＦパワーは２００〜１０００Ｗとする。
次に、図２−２（ｄ）に示すように、中間マスク２２ａを酸素を用いないガス系を用いてエッチングすることによりスパッタリングし、アモルファスカーボン膜２３の側壁に酸化物の保護膜２２ｂを形成する。エッチングガスはアルゴンを用い、チャンバ圧力は１．３３〜６．６７Ｐａ（１０〜５０ｍＴｏｒｒ）、ＲＦパワーは２００〜１０００Ｗとする。
次に、図２−３（ｅ）に示すように、アモルファスカーボン膜２３を下層のシリコン窒化膜２４が露出するまでエッチングしてアモルファスカーボンハードマスク２３ａとする。このときエッチングガスとして酸素、アルゴンを用い、チャンバ圧力は１．３３〜６．６７Ｐａ（１０〜５０ｍＴｏｒｒ）、ＲＦパワーは２００〜１０００Ｗとする。
次に、図２−３（ｆ）に示すように、ＣＦ４ガス等を用いてシリコン窒化膜２４をドライエッチング加工し、酸素ガスを用いてボトムレイヤーを剥離することにより、シリコン窒化膜２４にパターンを転写する。
このようにして、アモルファスカーボン膜２３の細りを防止することができる。
また、アモルファスカーボン膜の膜厚があまり厚くなく、細りがあまり問題とならない場合でも、パターン精度をより向上するために、中間マスク層のスパッタリングによる保護膜の形成を利用することができる。
図２−１（ｂ）まで前記同様に処理したのち、図３（ｃ）に示すようにアモルファスカーボン膜２３をエッチングする。次に、図３（ｄ）に示すように、中間マスク２２ａを酸素を用いないガス系を用いてエッチングすることによりスパッタリングし、アモルファスカーボン膜２３の側壁に酸化物の保護膜２２ｃを形成する。その後、前記同様にＣＦ４ガス等を用いてシリコン窒化膜２４をドライエッチング加工し、酸素ガスを用いてボトムレイヤーを剥離することにより、シリコン窒化膜２４にパターンを転写する。
このように、アモルファスカーボンハードマスクパターン自体を保護膜で覆うことにより、シリコン窒化膜のドライエッチング時のパターン精度がさらに良好なものとなる。
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において、シリンダ型容量を形成する開口の形成や微細なコンタクトホールの形成が挙げられる。
本発明の一実施例になる半導体装置の製造方法を説明する工程断面図である。 本発明の一実施例になる半導体装置の製造方法を説明する工程断面図である。 本発明の一実施例になる半導体装置の製造方法を説明する工程断面図である。 本発明の別の一実施例になる半導体装置の製造方法を説明する工程断面図である。 本発明の別の一実施例になる半導体装置の製造方法を説明する工程断面図である。 本発明の別の一実施例になる半導体装置の製造方法を説明する工程断面図である。 本発明の別の一実施例の変形例を説明する工程断面図である。 本発明の実施例で使用した有磁場ＲＩＥドライエッチング装置の構成を示す概略図である。 従来の半導体装置の製造方法を説明する工程断面図である。 従来の半導体装置の製造方法を説明する工程断面図である。
符号の説明
１ コンタクトパターンフォトレジスト
２ 中間マスク層
２ａ 中間マスク
３ アモルファスカーボン膜
３ａ アモルファスカーボンハードマスク
４ シリコン酸化膜
５ 下層配線
６ 開口
７ コンタクトホール
１１ コンタクトパターンフォトレジスト
１２ 中間マスク層
１２ａ 中間マスク
１２ｂ 側壁保護膜
１３ アモルファスカーボン膜
１３ａ アモルファスカーボンハードマスク
１４ シリコン酸化膜
１５ 下層配線
１６、１６’ 開口
１７ コンタクトホール
２１ 配線レジストパターン
２２ 中間マスク層
２２ａ 中間マスク
２２ｂ 側壁保護膜
２２ｃ 側壁保護膜
２３ アモルファスカーボン膜
２３ａ アモルファスカーボンハードマスク
２４ シリコン窒化膜
２５ 導電膜
３０ プラズマチャンバー
３１ 排気口
３２ 静電チャックステージ
３３ 下部電極
３４ ＲＦ電源
３５ シリコンウェハ
３６ 上部電極
３７ ガス吹き出し穴
３８ センターガスライン
３９ エッジガスライン

Claims (6)

  1. アモルファスカーボンをハードマスクとして用いる半導体装置の製造方法であって、
    （Ａ）被加工基板上にアモルファスカーボン膜を成膜し、該アモルファスカーボン膜上にシリコン酸化膜を含む中間マスク層を形成する工程、
    （Ｂ）該中間マスク層を中間マスク形状に加工する工程、
    （Ｃ）該加工された中間マスク層をマスクとしてアモルファスカーボン膜の一部をエッチングし、アモルファスカーボン膜の側壁を露出させる工程、
    （Ｄ）該アモルファスカーボン膜の側壁に酸化膜からなる保護膜を形成する工程、
    （Ｅ）アモルファスカーボン膜を被加工基板が露出するまで加工する工程、および
    （Ｆ）アモルファスカーボン膜をマスクに被加工基板を加工する工程
    とを含むことを特徴とする前記製造方法。
  2. 前記酸化膜からなる保護膜を形成する際、前記中間マスク層をスパッタリングすることにより、前記保護膜を形成することを特徴とする請求項１に記載の製造方法。
  3. 前記中間マスク層をスパッタリングするガスとして、アルゴンを含むガスを用いることを特徴とする請求項２に記載の製造方法。
  4. アモルファスカーボン膜の側壁に酸化膜の保護膜を形成した後、残りのアモルファスカーボンを加工する際、酸素を用いたガス系を用いてドライエッチングを行うことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の製造方法。
  5. 被加工基板を露出させた後、アモルファスカーボン膜の側壁に酸化膜の保護膜を形成することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の製造方法。
  6. 前記酸化膜からなる保護膜を形成する際、前記残存する中間マスク層をスパッタリングすることにより、前記保護膜を形成することを特徴とする請求項５に記載の製造方法。
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