JP2009099742A - 半導体装置の製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】所望の形状を有するゲート電極を形成することのできる半導体装置の製造方法を提供する。
【解決手段】本発明の実施の形態に係る半導体装置の製造方法は、半導体基板上に形成された半導体膜を加工してゲート電極を形成する工程と、HBr、Cl、CF、SF若しくはNFのうち少なくとも1つおよびOを含み、Oの流量が全体の流量の合計の80%よりも大きいガス、または、HBr、Cl、CF、SF若しくはNFのうち少なくとも1つ、OおよびNを含み、OおよびNの流量の合計が全体の合計の80%よりも大きいガスのプラズマ放電により、前記ゲート電極の側面に保護膜を形成する工程と、前記保護膜を形成した後、前記半導体基板上の前記半導体膜の残渣を除去する工程と、を含む。
【選択図】図1C

Description

本発明は、エッチング法を用いた半導体装置の製造方法に関する。
近年の半導体素子の微細化に伴い、異方性ドライエッチングによって所望の加工形状を有するゲート電極を形成することが次第に難しくなってきている。
そこで、多結晶Si膜のエッチング加工を、エッチング選択比等のエッチング条件を途中で切り替えて行うことにより、多結晶Si膜を所望の形状のゲート電極に加工する技術が知られている(例えば、特許文献1参照)。
この技術によれば、2段階のエッチングステップを経て多結晶Si膜をゲート電極に加工した後にオーバーエッチングを行い、エッチング加工に用いたハードマスク下の領域以外に残っている多結晶Si膜を完全に除去する。
しかし、他の部材の側面等に残った多結晶Si膜を完全に除去するため、オーバーエッチングをある程度の等方性を有する条件で行うと、ゲート電極の側面にまでエッチングが及ぶおそれがある(サイドエッチ)。これにより、ゲート電極の形状は所望するものではなくなり、また、ゲート電極の側面に形成するオフセットスペーサの幅、位置等がばらつき、ソース・ドレイン領域のエクステンション領域の形成位置の制御が困難になるおそれがある。
特開2006−86295号公報
本発明の目的は、所望の形状を有するゲート電極を形成することのできる半導体装置の製造方法を提供することにある。
本発明の一態様は、半導体基板上に形成された半導体膜を加工してゲート電極を形成する工程と、HBr、Cl、CF、SF若しくはNFのうち少なくとも1つおよびOを含み、Oの流量が全体の流量の合計の80%よりも大きいガス、または、HBr、Cl、CF、SF若しくはNFのうち少なくとも1つ、OおよびNを含み、OおよびNの流量の合計が全体の合計の80%よりも大きいガスのプラズマ放電により、前記ゲート電極の側面に保護膜を形成する工程と、前記保護膜を形成した後、前記半導体基板上の前記半導体膜の残渣を除去する工程と、を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法を提供する。
また、本発明の他の一態様は、半導体基板上に絶縁膜を介してゲート電極としての半導体膜を積層する工程と、前記半導体膜を加工して所定のパターンを形成する工程と、Oを含むガス、またはOおよびNを含むガスのプラズマ放電により、前記所定のパターンの側面に保護膜を形成する工程と、前記保護膜を形成した後、前記絶縁膜の露出部分を除去し、前記半導体基板の前記絶縁膜の除去された部分の直下の領域に溝を形成する工程と、前記溝に絶縁材料を埋め込み、素子分離領域を形成する工程と、を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法を提供する。
また、本発明の他の一態様は、半導体基板上に絶縁膜を介して金属膜および半導体膜を積層する工程と、前記半導体膜を加工してゲート電極の半導体層を形成する工程と、Oを含むガス、またはOおよびNを含むガスのプラズマ放電により、前記ゲート電極の前記半導体層の側面に保護膜を形成する工程と、前記保護膜を形成した後、前記金属膜を加工して前記ゲート電極の金属層を形成する工程と、を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法を提供する。
本発明によれば、所望の形状を有するゲート電極を形成することのできる半導体装置の製造方法を提供することができる。
〔第1の実施の形態〕
本実施の形態においては、多結晶Si等の半導体からなるゲート電極を形成する。
(半導体装置の製造)
図1A(a)〜(c)、図1B(d)〜(f)、図1C(g)〜(i)、図1D(j)〜(l)、図1E(m)は、本発明の第1の実施の形態に係る半導体装置の製造工程を示す断面図である。
本実施の形態においては、一例として、各部材の加工をICP(誘導結合プラズマ)型のエッチング装置を用いるRIE(Reactive Ion Etching)により行う。また、ゲート電極をパターン形成するためのエッチングマスクとして、SiN膜、非晶質Si膜、反射防止膜、レジスト膜の4層の膜を用いる。
まず、図1A(a)に示すように、単結晶Si等からなる半導体基板101内にSiO等からなるSTI(Shallow Trench Isolation)構造の素子分離領域102を形成し、その後、半導体基板101上に、厚さ1.5nmのシリコン酸化膜等からなるゲート絶縁膜103を形成する。
次に、図1A(b)に示すように、ゲート絶縁膜103および素子分離領域102上に、厚さ130nmの多結晶Si膜等からなるゲート材料膜104、厚さ60nmのSiN膜105、厚さ40nmの非晶質Si膜106、反射防止膜107、例えば厚さ280nmのレジスト膜108を形成する。
次に、図1A(c)に示すように、例えば、ArFエキシマレーザ光を用いた投影露光法により、レジスト膜108を90nmのマスク寸法になるようにパターニングする。
次に、図1B(d)に示すように、パターニングしたレジスト膜108をマスクとして、反射防止膜107、非晶質Si膜106にエッチングを施し、パターンを転写する。
反射防止膜107のエッチング条件は、圧力が10mT、ガスの種類および流量がCF/O=50/50sccm、装置の上部電極に印加するソースパワーが350W、下部電極に印加するバイアスパワーが30Vである。
また、非晶質Si膜106をエッチングする際には、エッチング条件を途中で切り替える。第1の条件は、圧力が6mT、ガスの種類および流量がHBr/CF/Cl=150/20/10sccm、装置の上部電極に印加するソースパワーが600W、下部電極に印加するバイアスパワーが150Vである。第2の条件は、圧力が90mT、ガスの種類および流量がHBr/O=150/4sccm、装置の上部電極に印加するソースパワーが800W、下部電極に印加するバイアスパワーが100Vである。第1の条件により大部分を除去した後、第2の条件により残りを除去する。
次に、図1B(e)に示すように、アッシング処理によりレジスト膜108および反射防止膜107を灰化し、硫酸過水液(硫酸+過酸化水素水)にてエッチング後の付着物の除去を行った後、非晶質Si膜106をマスクとして、SiN膜105にエッチングを施し、パターンを転写する。
SiN膜105のエッチング条件は、圧力が20mT、ガスの種類および流量がCHF/O/He=80/30/100sccm、装置の上部電極に印加するソースパワーが400W、下部電極に印加するバイアスパワーが200Vである。
次に、図1B(f)に示すように、パターニングされたSiN膜105をマスクとして、ゲート材料膜104に途中の所定の深さまでエッチングを施す。なお、この工程中に非晶質Si膜106が除去される。
このときのエッチング条件は、圧力が6mT、ガスの種類および流量がHBr/CF/Cl=150/20/10sccm、装置の上部電極に印加するソースパワーが600W、下部電極に印加するバイアスパワーが150Vである。SiN膜105のパターンをゲート材料膜104に正確に転写するために、異方性の強い条件となっている。なお、この段階ではゲート絶縁膜103が露出しないので、ゲート材料膜104とゲート絶縁膜103のエッチング選択比は大きくなくてもよい。また、この条件でのエッチングを止める所定の深さは、予め設定したエッチング時間で判断してもよいし、ゲート材料膜104のエッチング部分の厚さをモニターすることにより判断してもよい。
次に、図1C(g)に示すように、条件を変更してゲート材料膜104へのエッチングを継続し、ゲート材料膜104をゲート電極109に加工する。
このときのエッチング条件は、圧力が15mT、ガスの種類および流量がHBr/O=150/4sccm、装置の上部電極に印加するソースパワーが500W、下部電極に印加するバイアスパワーが45Vである。このエッチング工程において、ゲート絶縁膜103が露出し始めるため、ゲート材料膜104とゲート絶縁膜103のエッチング選択比が大きい条件となっている。
しかし、図1C(g)に示すように、ゲート材料膜104は完全に除去されず、素子分離領域102の側面近傍等に残渣104aとして残る。これは、素子分離領域102の上面とゲート絶縁膜103の上面の段差により、周辺の領域よりも大きな厚みをもった部分が除去しきれずに残ったものである。
なお、ここで、残渣104aを完全に除去するまでエッチングを続けると、ゲート電極109の側面にまでエッチングがおよび、後の工程に悪影響を及ぼすサイドエッチが入った形状となるおそれがある。
次に、図1C(h)に示すように、圧力が80mT、ガスの種類および流量がN/O/HBr=100/100/10sccm、装置の上部電極に印加するソースパワーが1200W、下部電極に印加するバイアスパワーが150V、放電時間10secという条件で、放電を行う。
このとき、導入ガスがプラズマ励起によりイオン化、および中性ラジカル化する。Oラジカル、Nラジカル等の中性ラジカル111は印加電圧の影響を受けず、等方的に移動して対象物に付着し、化学反応を起こす。そして、ゲート電極109と酸化反応、窒化反応を起こし、ゲート電極109の表面にSiON膜等からなる側壁保護膜112を形成する。なお、側壁保護膜112には、SiON膜の他に、SiO膜、SiN膜等が含まれていてもよい。
一方、HBrイオン、Oイオン、Nイオン等のイオン110は印加電圧により加速し、半導体基板101の表面にほぼ垂直な方向に異方的に打ち込まれる。
ここで、中性ラジカル111は、残渣104aとも反応を起こし、側壁保護膜112と同様の膜をその表面に形成しようとするが、この膜は形成される間もなく半導体基板101の表面にほぼ垂直な方向に打ち込まれるイオン110に削られ続ける。そのため、結局、残渣104aの表面には、側壁保護膜112と同様の膜は形成されない。なお、ゲート電極109の側面の側壁保護膜112は、イオンの打ち込まれる方向が半導体基板101の表面にほぼ垂直であるため、ほとんど削られない。
次に、図1C(i)に示すように、圧力が90mT、ガスの種類および流量がHBr/O=150/4sccm、装置の上部電極に印加するソースパワーが800W、下部電極に印加するバイアスパワーが100Vという条件でRIEを行い、残渣104aを除去する。
このとき、残渣104aを効率よく除去するために、等方性の条件でエッチングを行うが、ゲート電極109の側面には側壁保護膜112が形成されているため、ゲート電極109にサイドエッチが入ることを防ぐことができる。
なお、図1C(h)に示した、側壁保護膜112を形成する工程において、上記のN、OおよびHBrの混合ガスの他に、HBr、Cl、CF、SF若しくはNFのうち少なくとも1つ、OおよびNを含むガス、HBr、Cl、CF、SF若しくはNFのうち少なくとも1つおよびOを含むガス等を用いることができる。ここで、HBr、Cl、CF、SFおよびNFはいずれも、イオン化することにより、図1C(h)に示すイオン110として機能する。
HBr、Cl、CF、SF若しくはNFのうち少なくとも1つ、OおよびNを含むガスを用いる場合は、OおよびNの流量の合計がガス全体の流量の合計の80%よりも大きく設定され、さらには、96%よりも小さいことが好ましい。これは、OおよびNの流量の合計がHBr(Cl、CF、SF、NF)、OおよびNの流量の合計の80%以下である場合は、十分な厚さの側壁保護膜112を形成することが困難であり、ゲート電極109にサイドエッチが入ってしまうおそれがあるためである。また、96%以上である場合は、残渣104aの表面にも側壁保護膜112と同様の膜が形成されてしまい、図1C(i)に示した工程において、ゲート絶縁膜103とその直下の半導体基板101にダメージを与えることなく残渣104aを除去することが困難になるおそれがあるためである。
HBr、Cl、CF、SF若しくはNFのうち少なくとも1つおよびOを含むガスを用いる場合は、同様の理由により、Oの流量がガス全体の流量の合計の80%よりも大きく設定され、さらには、96%よりも小さいことが好ましい。なお、HBr、Cl、CF、SF若しくはNFのうち少なくとも1つ、OおよびNを含むガスを用いる場合であっても、Oの流量がガス全体の流量の合計の10%よりも大きいことが好ましい。
また、図1C(h)に示した側壁保護膜112の形成と、図1C(i)に示した残渣104aの除去は、エッチング装置の動作条件の変更だけで、同一のチャンバー内で連続して行うことができる。
次に、図1D(j)に示すように、希フッ酸を用いたウェットエッチングより側壁保護膜112を除去し、SiN膜105およびゲート電極109をマスクとしてゲート絶縁膜103をエッチング加工する。
次に、図1D(k)に示すように、SiN膜105、ゲート電極109、およびゲート絶縁膜103の側面にオフセットスペーサ113を形成する。このとき、ゲート電極109にサイドエッチが入らないため、オフセットスペーサ113を望ましい幅で正確に形成することができる。
次に、図1D(l)に示すように、オフセットスペーサ113およびSiN膜105をマスクとして、イオン注入法等により導電型不純物を半導体基板101に注入し、ソース・ドレイン領域のエクステンション領域114を形成する。
エクステンション領域114の形成される位置は、オフセットスペーサ113の幅および位置により決定されるため、これらを正確に制御することが求められる。なお、エクステンション領域114が、半導体基板101の表面に溝を形成してエピタキシャル結晶を埋め込むことにより形成される場合であっても、溝はオフセットスペーサ113およびSiN膜105をマスクとして用いるエッチングにより形成されるため、同様に、エクステンション領域114の形成される位置は、オフセットスペーサ113の幅および位置により決定される。
次に、図1E(m)に示すように、オフセットスペーサ113の側面に絶縁材料からなるゲート側壁115を形成した後、例えば、ゲート側壁115およびSiN膜105をマスクとして、イオン注入法等により導電型不純物を半導体基板101に注入し、ソース・ドレイン領域116を形成する。
その後、SiN膜105を除去した後、図示しないが、通常の製造工程により、半導体基板101上に層間絶縁膜、コンタクト、配線等を形成する。
(第1の実施の形態の効果)
この第1の実施の形態によれば、ゲート電極109にサイドエッチを入れることなく、素子分離領域102の側面近傍等の残渣104aを除去することができる。ゲート電極109にサイドエッチが入らないため、オフセットスペーサ113を望ましい幅で望ましい位置に正確に形成することができ、トランジスタの性能のばらつきを抑えることができる。また、素子分離領域102の側面の残渣104aを除去することができるため、同じ素子分離領域102に囲まれた同じ素子領域内の複数のトランジスタ間で、残渣104aを介した短絡が発生することを防止できる。
なお、本実施の形態においては、一例として、素子分離領域102の側面近傍の残渣104aを除去する流れを説明したが、その他の位置のゲート材料膜104の残渣も除去することができる。
〔第2の実施の形態〕
本実施の形態においては、フラッシュメモリを構成するスタックゲート構造を形成する。
(半導体装置の製造)
図2A(a)〜(c)、図2B(d)〜(f)、図2C(g)〜(i)、図2D(j)〜(l)は、本発明の第2の実施の形態に係る半導体装置の製造工程を示す断面図である。
本実施の形態においては、一例として、各部材の加工をICP(誘導結合プラズマ)型のエッチング装置を用いるRIE(Reactive Ion Etching)により行う。また、フローティングゲートとなるゲート材料膜に所定のパターンを形成するためのエッチングマスクとして、SiN膜、TEOS(Tetraethoxysilane)膜、有機膜、SiO膜、レジスト膜の5層の膜を用いる。
まず、図2A(a)に示すように、単結晶Si等からなる半導体基板201上に、厚さ6nmのシリコン酸化膜等からなるゲート絶縁膜202、厚さ80nmのPを含む非晶質Si膜等からなるゲート材料膜203、厚さ100nmのSiN膜204、厚さ300nmのTEOS膜205、厚さ300nmの有機膜206、厚さ80nmのSiO膜207を形成する。ここで、ゲート材料膜203、SiN膜204は、CVD(Chemical Vapor Deposition)法により形成され、有機膜206、SiO膜207は、スピン塗布法により形成する。さらに、フォトリソグラフィ技術を用いて、SiO膜207上にレジスト膜208をパターン形成する。
次に、図2A(b)に示すように、パターニングしたレジスト膜208をマスクとして、SiO膜207にエッチングを施し、パターンを転写する。ここで、SiO膜207のエッチングは、CHF等のガスを用いて行う。
次に、図2A(c)に示すように、TEOS膜205のパターニングを行う。具体的には、以下に述べるような工程を行う。まず、図2A(b)に示した工程においてパターニングされたレジスト膜208、SiO膜207をマスクとして、有機膜206にエッチングを施してパターンを転写する。なお、レジスト膜208はこの工程中に除去される。続けて、パターニングされたSiO膜207、有機膜206をマスクとして、TEOS膜205にエッチングを施してパターンを転写する。さらに、TEOS膜205をパターニングした後、アッシング処理により有機膜206を灰化し、硫酸過水液にてエッチング後の付着物の除去を行う。なお、SiO膜207はこの工程中に除去される。ここで、有機膜206のエッチングはOを含むガスを用いて行い、TEOS膜205のエッチングはCF系のガスを用いて行う。
次に、図2B(d)に示すように、パターニングされたTEOS膜205をマスクとして、SiN膜204、ゲート材料膜203にエッチングを施して、ゲート材料膜203をワード線方向に沿ってセル間を分離してなるフローティングゲート膜パターン209に加工する。
SiN膜204のエッチング条件は、圧力が15mT、ガスの種類および流量がCHF/O=100/50sccm、装置の上部電極に印加するソースパワーが400W、下部電極に印加するバイアスパワーが400Vである。また、ゲート材料膜203のエッチング条件は、圧力が10mT、ガスの種類および流量がHBr/O/CF=245/5/50sccm、装置の上部電極に印加するソースパワーが600W、下部電極に印加するバイアスパワーが100Vである。
なお、このままゲート絶縁膜202および半導体基板201のエッチングを続けると、フローティングゲート膜パターン209にサイドエッチが入るおそれがある。
次に、図2B(e)に示すように、圧力が80mT、ガスの種類および流量がO=100sccm、装置の上部電極に印加するソースパワーが1200W、下部電極に印加するバイアスパワーが0V、放電時間30secという条件で、放電を行い、フローティングゲート膜パターン209の側面を酸化することにより、側面を覆うように側壁保護膜210を形成する。例えば、フローティングゲート膜パターン209が、熱処理により非晶質Siが結晶化した多結晶Siからなる場合は、側壁保護膜309はSiOを主成分とする膜である。
次に、図2B(f)に示すように、ガスの種類および流量がCF=100sccm、装置の上部電極に印加するソースパワーが1000W、下部電極に印加するバイアスパワーが200Vという条件でエッチングを行い、ゲート絶縁膜202を加工する。続けて、圧力が20mT、ガスの種類および流量がHBr/Cl/CF/O=250/20/50/5sccm、装置の上部電極に印加するソースパワーが1000W、下部電極に印加するバイアスパワーが200Vという条件でエッチングを行い、半導体基板201を所定の深さまで掘り下げる。
このとき、フローティングゲート膜パターン209の側面には側壁保護膜210が形成されているため、フローティングゲート膜パターン209にサイドエッチが入ることを防止できる。
次に、図2C(g)に示すように、エッチングした半導体基板201の表面に後処理として希フッ酸を用いたウェットエッチングを施し、同時に側壁保護膜210を除去する。
次に、図2C(h)に示すように、半導体基板201上の全面にSiO等からなる絶縁膜211を堆積させる。
次に、図2C(i)に示すように、SiN膜204の上面をストッパとしてCMP(Chemical Mechanical Polishing)を行い、絶縁膜211を平坦化するとともに、TEOS膜205を除去する。
次に、図2D(j)に示すように、RIEにより絶縁膜211をエッチバックし、素子分離領域212に加工するとともに、SiN膜204を除去する。このとき、素子分離領域212の上面がフローティングゲート膜パターン209の上面と下面の間の高さに位置することが好ましい。
次に、図2D(k)に示すように、フローティングゲート膜パターン209および素子分離領域212上にSiO等からなるゲート間絶縁膜213を形成する。
次に、図2D(l)に示すように、ゲート間絶縁膜213上に多結晶Si等からなるコントロールゲート膜214を形成する。
その後、図示しないが、例えばリソグラフィ法とRIEによりコントロールゲート膜214、ゲート間絶縁膜213、およびフローティングゲート膜パターン209をワード線形状に加工して、スタックゲート構造を形成し、半導体基板201のスタックゲート構造間に不純物イオンを注入してソース・ドレインを形成することでメモリセルを得る。
(第2の実施の形態の効果)
この第2の実施の形態によれば、スタックゲート構造を有する半導体装置の製造工程において、フローティングゲート膜パターン209にサイドエッチを入れることなく、素子分離領域212を形成するための半導体基板201のエッチング加工を行うことができる。これにより、所望の形状のフローティングゲートを得て、半導体装置の信頼性の低下を抑えることができる。
なお、本実施の形態においては、一例として、Oを含むガスのプラズマ放電により側壁保護膜210を形成する場合について説明したが、OおよびNを含むガスのプラズマ放電により側壁保護膜を形成してもよく、このときOの流量をガス全体の流量の合計の10%よりも大きくすることが好ましい。
〔第3の実施の形態〕
本実施の形態においては、半導体層と金属層の2層構造を有するゲート電極を形成する。
(半導体装置の製造)
図3A(a)〜(c)、図3B(d)〜(f)は、本発明の第3の実施の形態に係る半導体装置の製造工程を示す断面図である。
本実施の形態においては、一例として、各部材の加工をICP(誘導結合プラズマ)型のエッチング装置を用いるRIEにより行う。また、ゲート電極をパターン形成するためのエッチングマスクとして、SiN膜、反射防止膜、レジスト膜の3層の膜を用いる。
まず、図3A(a)に示すように、単結晶Si等からなる半導体基板301上に、厚さ3nmのHfO膜等からなるゲート絶縁膜302、厚さ30nmのTiN膜等からなる金属膜303、厚さ70nmの多結晶Si等からなる半導体膜304、厚さ50nmのSiN膜305、厚さ80nmの反射防止膜306を形成する。ここで、金属膜303は、PVD(Physical Vapor Deposition)法により形成され、半導体膜304は、CVD法により形成される。さらに、ArFエキシマレーザ光を用いた投影露光法を利用したフォトリソグラフィ技術により、反射防止膜306上にレジスト膜307をパターン形成する。
次に、図3A(b)に示すように、パターニングしたレジスト膜307をマスクとして、反射防止膜306、SiN膜305にエッチングを施し、パターンを転写する。
反射防止膜306のエッチング条件は、圧力が10mT、ガスの種類および流量がCF/O=50/50sccm、装置の上部電極に印加するソースパワーが350W、下部電極に印加するバイアスパワーが30Vである。
また、SiN膜305のエッチング条件は、圧力が20mT、ガスの種類および流量がCHF/O/He=80/30/100sccm、装置の上部電極に印加するソースパワーが400W、下部電極に印加するバイアスパワーが400Vである。
次に、図3A(c)に示すように、パターニングされたレジスト膜307、反射防止膜306、SiN膜305をマスクとして、半導体膜304にエッチングを施し、半導体層308aに加工する。その後、さらに、オーバーエッチングを行い、金属膜303等の上に残った半導体膜304の残渣を除去する。
半導体膜304を加工するためのエッチング条件は、圧力が6mT、ガスの種類および流量がHBr/O=300/5sccm、装置の上部電極に印加するソースパワーが600W、下部電極に印加するバイアスパワーが200Vであり、半導体膜304の残渣を除去するためのエッチング条件は、圧力が90mT、ガスの種類および流量がHBr/O=150/4sccm、装置の上部電極に印加するソースパワーが800W、下部電極に印加するバイアスパワーが300Vである。なお、半導体膜304の残渣を除去するためのオーバーエッチングは、半導体膜304を40nmエッチングする設定で行う。
次に、図3B(d)に示すように、圧力が80mT、ガスの種類および流量がO=100sccm、装置の上部電極に印加するソースパワーが1200W、下部電極に印加するバイアスパワーが150V、放電時間30secという条件で放電を行い、半導体層308aの側面を酸化することにより側壁保護膜309を形成する。例えば、半導体層308aが多結晶Siからなる場合は、半導体層308aの側面の側壁保護膜309は、SiOを主成分とする膜である。ここで、側壁保護膜309はSiN膜305の側面および上面、金属膜303の上面に形成されてもよい。なお、レジスト膜307および反射防止膜306は、この工程中に除去される。
次に、図3B(e)に示すように、金属膜303の上面の側壁保護膜309および自然酸化膜を除去した後、金属膜303をエッチングして金属層308bに加工する。さらに、オーバーエッチングを行い、ゲート絶縁膜302等の上面に残った金属膜303の残渣を除去する。ここで、金属層308bは、上層の半導体層308aとともに、ゲート電極308を構成する。
金属膜303の上面の側壁保護膜309、自然酸化膜を除去するためのエッチング条件は、圧力が4mT、ガスの種類および流量がCl=100sccm、装置の上部電極に印加するソースパワーが500W、下部電極に印加するバイアスパワーが100V、放電時間が6secであり、金属膜303を加工するためのエッチング条件は、圧力が6mT、ガスの種類および流量がHBr/Cl/O=120/50/1.2sccm、装置の上部電極に印加するソースパワーが575W、下部電極に印加するバイアスパワーが70Vであり、金属膜303の残渣を除去するためのエッチング条件は、圧力が55mT、ガスの種類および流量がHBr/Cl/O=120/35/1.2sccm、装置の上部電極に印加するソースパワーが575W、下部電極に印加するバイアスパワーが70V、放電時間が30secである。
このとき、半導体層308aの側面は側壁保護膜309により覆われているため、半導体層308aにはエッチングが及ばない。半導体層308aの側面に側壁保護膜309を形成しない場合は、金属膜303を加工、および金属膜303の残渣を除去するために、上記のように、Clを多く含んだガスを用いるため、半導体層308aにサイドエッチが入ってしまうおそれがある。
次に、図3B(f)に示すように、希フッ酸を用いたウェットエッチングにより側壁保護膜309を除去し、ゲート電極308等をマスクとしてゲート絶縁膜302をエッチング加工する。
その後、図示しないが、第1の実施の形態と同様に、オフセットスペーサ、ゲート側壁、エクステンション領域を含むソース・ドレイン領域等を形成する。
(第3の実施の形態の効果)
この第3の実施の形態によれば、半導体層308aと金属層308bからなる2層構造を有するゲート電極308の製造工程において、半導体層308aにサイドエッチを入れることなく、金属層308bを形成するための金属膜303のエッチング加工を行うことができる。これにより、所望の形状のゲート電極308を得て、半導体装置の信頼性の低下を抑えることができる。
なお、本実施の形態においては、一例として、Oを含むガスのプラズマ放電により側壁保護膜309を形成する場合について説明したが、OおよびNを含むガスのプラズマ放電により側壁保護膜を形成してもよく、このときOの流量をガス全体の流量の合計の10%よりも大きくすることが好ましい。
〔他の実施の形態〕
本発明は、上記各実施の形態に限定されず、発明の主旨を逸脱しない範囲内において種々変形実施が可能である。例えば、上記各実施の形態においては、RIE装置として、ICP型のエッチング装置を用いたが、実際にはこれに限られず、例えば、平行平板型のエッチング装置を用いてもよい
また、発明の主旨を逸脱しない範囲内において上記各実施の形態の構成要素を任意に組み合わせることができる。
(a)〜(c)は、本発明の第1の実施の形態に係る半導体装置の製造工程を示す断面図である。 (d)〜(f)は、本発明の第1の実施の形態に係る半導体装置の製造工程を示す断面図である。 (g)〜(i)は、本発明の第1の実施の形態に係る半導体装置の製造工程を示す断面図である。 (j)〜(l)は、本発明の第1の実施の形態に係る半導体装置の製造工程を示す断面図である。 (m)は、本発明の第1の実施の形態に係る半導体装置の製造工程を示す断面図である。 (a)〜(c)は、本発明の第2の実施の形態に係る半導体装置の製造工程を示す断面図である。 (d)〜(f)は、本発明の第2の実施の形態に係る半導体装置の製造工程を示す断面図である。 (g)〜(i)は、本発明の第2の実施の形態に係る半導体装置の製造工程を示す断面図である。 (j)〜(l)は、本発明の第2の実施の形態に係る半導体装置の製造工程を示す断面図である。 (a)〜(c)は、本発明の第3の実施の形態に係る半導体装置の製造工程を示す断面図である。 (d)〜(f)は、本発明の第3の実施の形態に係る半導体装置の製造工程を示す断面図である。
符号の説明
101、201、301 半導体基板
102 素子分離領域
103、202、302 ゲート絶縁膜
104、203 ゲート材料膜
104a 残渣
109、308 ゲート電極
110 イオン
111 中性ラジカル
112、210、309 側壁保護膜
209 フローティングゲート膜パターン
303 金属膜
304 半導体膜
308a 半導体層
308b 金属層

Claims (5)

  1. 半導体基板上に形成された半導体膜を加工してゲート電極を形成する工程と、
    HBr、Cl、CF、SF若しくはNFのうち少なくとも1つおよびOを含み、Oの流量が全体の流量の合計の80%よりも大きいガス、または、HBr、Cl、CF、SF若しくはNFのうち少なくとも1つ、OおよびNを含み、OおよびNの流量の合計が全体の合計の80%よりも大きいガスのプラズマ放電により、前記ゲート電極の側面に保護膜を形成する工程と、
    前記保護膜を形成した後、前記半導体基板上の前記半導体膜の残渣を除去する工程と、
    を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
  2. 前記保護膜の形成および前記半導体膜の残渣の除去を同一チャンバー内で行う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。
  3. 前記半導体基板に形成された素子分離領域の側面近傍の前記半導体膜の残渣を除去することを特徴とする請求項1または2のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
  4. 半導体基板上に絶縁膜を介してゲート材料としての半導体膜を積層する工程と、
    前記半導体膜を加工して所定のパターンを形成する工程と、
    を含むガス、またはOおよびNを含むガスのプラズマ放電により、前記所定のパターンの側面に保護膜を形成する工程と、
    前記保護膜を形成した後、前記絶縁膜の露出部分を除去し、前記半導体基板の前記絶縁膜の除去された部分の直下の領域に溝を形成する工程と、
    前記溝に絶縁材料を埋め込み、素子分離領域を形成する工程と、
    を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
  5. 半導体基板上に絶縁膜を介して金属膜および半導体膜を積層する工程と、
    前記半導体膜を加工してゲート電極の半導体層を形成する工程と、
    を含むガス、またはOおよびNを含むガスのプラズマ放電により、前記ゲート電極の前記半導体層の側面に保護膜を形成する工程と、
    前記保護膜を形成した後、前記金属膜を加工して前記ゲート電極の金属層を形成する工程と、
    を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
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