JP2009278039A - 半導体装置の製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】微細なラインアンドスペースパターンを含むパターンを精度良く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】本発明の一態様に係る半導体装置の製造方法は、被加工材上に芯材を形成する工程と、前記芯材の上面および側面を覆うようにアモルファス材料からなる被覆膜を形成する工程と、前記被覆膜を前記芯材の側面に位置する部分を残して除去し、前記心材の側壁に側壁マスクを形成する工程と、前記被覆膜から前記側壁マスクを形成する前または後に、熱処理を施すことにより前記側壁マスクに加工する前または後の前記被覆膜を結晶化させる工程と、前記側壁マスクを形成し、かつ前記側壁マスクに加工する前または後の前記被覆膜を結晶化させた後、前記芯材を除去する工程と、前記芯材を除去した後、前記側壁マスクをマスクとして用いて、前記被加工材をエッチング加工する工程と、を含む。
【選択図】図1B

Description

本発明は、半導体装置の製造方法に関する。
近年、半導体素子の微細化に伴い、リソグラフィーの解像限界(限界露光線幅)未満の寸法を有するパターンを形成する方法が求められている。その1つの方法として、ダミーパターン(芯材)の側面に側壁パターンを形成し、その側壁パターンをマスクとして被加工膜のエッチングを行う方法が知られている(例えば、特許文献1参照)。
特許文献1等に記載の従来の方法によれば、側壁パターンの形成後に、ウェット処理により側壁パターン間のダミーパターンを除去し、側壁パターンにより構成される微細なマスクを形成する。最近では、このような側壁パターンを利用したパターン形成方法に対し、さらなるパターン寸法の微細化、寸法精度の向上が求められている。
しかし、特許文献1等に記載の従来の方法によれば、ダミーパターンを除去するために用いる薬液に働く表面張力や、側壁パターンやダミーパターン中に発生する応力等により、側壁パターンが傾いてマスクパターンの精度が劣化するおそれがある。
特開2006−303022号公報
本発明の目的は、微細なラインアンドスペースパターンを含むパターンを精度良く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、被加工材上に芯材を形成する工程と、前記芯材の上面および側面を覆うようにアモルファス材料からなる被覆膜を形成する工程と、前記被覆膜を前記芯材の側面に位置する部分を残して除去し、前記心材の側壁に側壁マスクを形成する工程と、前記被覆膜から前記側壁マスクを形成する前または後に、熱処理を施すことにより前記側壁マスクに加工する前または後の前記被覆膜を結晶化させる工程と、前記側壁マスクを形成し、かつ前記側壁マスクに加工する前または後の前記被覆膜を結晶化させた後、前記芯材を除去する工程と、前記芯材を除去した後、前記側壁マスクをマスクとして用いて、前記被加工材をエッチング加工する工程と、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、本発明の他の態様は、被加工材上に芯材を形成する工程と、前記芯材の上面および側面を覆うようにアモルファス材料からなる被覆膜を形成する工程と、前記被覆膜上に圧縮応力を内包する応力膜を形成し、前記応力膜を形成する際の熱により前記被覆膜を結晶化させる工程と、前記被覆膜および前記応力膜にエッチングを施して、前記被覆膜と、その側面の前記応力膜とからなる側壁マスクを前記芯材の側壁に形成する工程と、前記側壁マスクを形成した後、前記芯材を除去する工程と、前記芯材を除去した後、前記側壁マスクをマスクとして用いて、前記被加工材をエッチング加工する工程と、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、微細なラインアンドスペースパターンを含むパターンを精度良く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〕
図1A(a)〜(d)、図1B(e)〜(h)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。
まず、図1A(a)に示すように、LPCVD(Low-Pressure Chemical Vapor Deposition)法等により、図示しない半導体基板上に積層された被加工膜1a、1b上に第1の膜2を形成し、所定のパターンを有するレジスト3を第1の膜2上に形成する。
ここで、被加工膜1a、1bは、例えば、ゲート材料膜や、加工対象上のハードマスクである。また、被加工膜1a、1bは、複数の層からなる膜でもよく、例えば、フラッシュメモリのスタックゲート構造を構成するコントロール電極膜、電極間絶縁膜、フローティングゲート電極膜であってもよい。さらに、半導体基板自体を加工対象(被加工材)としてもよい。
また、第1の膜2は、TEOS(Tetraethoxysilane)、SiO、SiN、C等からなり、その膜厚は、被加工膜1と、後の工程で形成される側壁スペーサーマスク7との選択比等に基づいて決定される。なお、第1の膜2の材質により、レジスト3とのエッチング選択比を確保するための膜を第1の膜2上に形成し、その上にレジスト3をパターン形成してもよい。
また、レジスト3は、例えば、多結晶Siからなる。この場合、レジスト3は、多結晶Si膜をLPCVD法により成膜した後、フォトリソグラフィ法およびRIE(Reactive Ion Etching)法によりパターニングすることにより形成される。また、レジスト3の有する所定のパターンは、例えば、ラインアンドスペースである。
次に、図1A(b)に示すように、レジスト3をマスクとして、第1の膜2にエッチングを施し、パターンを転写する。
このとき、被加工膜1bにも所定の深さの溝が形成されるまでエッチングを施す。これにより、被加工膜1bに、表面に芯材が形成されている領域と、それ以外の領域の段差部sが形成される。ここで、所定の深さとは、第1の膜2へエッチングを施す際に、加工精度等の問題により意図せずに被加工膜1bが削れて形成される溝の深さよりも深い方が好ましいが、後の加工形状に悪影響が及ぼさない程度の深さとする。
次に、図1A(c)に示すように、第1の膜2にスリミング処理を施し、幅を細めて芯材4に加工する。これにより、芯材4の幅をリソグラフィーの解像限界よりも細くすることができる。なお、レジスト3はスリミング処理の前または後に、Oプラズマエッチング等により除去される。
ここで、スリミング処理はウェットエッチング、ドライエッチング、またはウェットエッチングとドライエッチングの組み合わせにより行われる。また、このスリミング処理により、被加工膜1bの段差部sが露出する。
次に、図1A(d)に示すように、CVD(Chemical Vapor Deposition)法等により、芯材4の上面および側面をコンフォーマルに覆うように非晶質膜5を形成する。ここで、非晶質膜5は、アモルファスSi、アモルファスアルミナ等の非晶質材料からなる。
次に、図1B(e)に示すように、熱処理を施して非晶質膜5を結晶化させ、結晶膜6に変える。非晶質膜5が結晶化して結晶膜6に変わることにより、結晶膜6中に圧縮応力が発生する。
ここで、例えば、非晶質膜5がアモルファスSiであった場合は、約600℃以上の熱処理により結晶化し、結晶膜6としての多結晶Siに変わる。さらに、アモルファスSiである非晶質膜5を効率よく結晶化させるためには、約650℃以上で熱処理を行うことが好ましい。また、熱処理温度の上限は、半導体基板上の他の部材に悪影響が及ばない程度の温度、例えば、ゲート酸化膜の膜質が劣化しない程度の温度であり、約950℃程度とすることができる。
また、非晶質膜5がアモルファスアルミナであった場合は、約900℃以上の熱処理により結晶化し、結晶膜6としての多結晶アルミナに変わる。また、熱処理温度の上限は、半導体基板上の他の部材に悪影響が及ばない程度の温度、例えば、ゲート酸化膜の膜質が劣化しない程度の温度であり、約950℃程度とすることができる。この場合の多結晶アルミナは、スピネル型のγ−Alとなることが多い。
次に、図1B(f)に示すように、RIE法等により、結晶膜6を芯材4の側面に位置する部分を残して除去し、側壁マスク7を形成する。また、側壁マスク7は、段差部s上に位置するように形成される。また、側壁マスク7は、加工前の結晶膜6と同様に、圧縮応力を内包している。
次に、図1B(g)に示すように、ウェットエッチング等により芯材4を除去する。
芯材4を除去する際には、芯材4の位置していた領域にウェットエッチングに用いられる薬液が入り込み、この薬液に働く表面張力等の影響により、芯材4の位置していた領域の両側に位置する側壁マスク7に互いに引き合うような力が働く。しかし、本実施の形態においては、側壁マスク7が内包する圧縮応力が、この芯材4の位置していた領域の両側に位置する側壁マスク7に働く互いに引き合うような力を妨げるため、薬液の表面張力等に起因する側壁マスク7の傾斜変形を抑制することができる。
次に、図1B(h)に示すように、側壁マスク7をマスクとして用いて被加工膜1a、1bにエッチングを施し、パターンを転写する。
図2(a)は、図1B(g)の側壁マスク7周辺の拡大図である。図2(a)において、非晶質膜5が結晶化して結晶膜6に変わることにより発生する圧縮応力f1を模式的に表す。側壁マスク7の高さ方向に圧縮応力f1が働くことにより、対向する側壁マスク7に互いが引き合うような力が働いていた場合に、これを打ち消す方向に力f2が発生する。すなわち、力f2は、側壁マスク7の傾斜変形を抑制する力である。ここで、力f2は、側壁マスク7の上端部に発生する力を模式的に表したものである。
図2(b)は、図1B(g)の段差部s周辺の拡大図である。側壁マスク7の段差部sの下段の高さと上段の高さの間に位置する領域に発生する圧縮応力f1は、段差部sの上段の高さよりも上の領域において、側壁マスク7の外側(図2(b)中の左側)の方向の成分を有する力f3を発生させる。力f3が発生することにより、図2(a)に示した側壁マスク7の上端部に発生する力f2が大きくなる。すなわち、被加工膜1bに段差部sが存在することにより、側壁マスク7の傾斜変形を抑制する力が大きくなるといえる。
図3は、側壁マスク7の結晶化の有無、段差部sの有無の各条件を変えた場合のそれぞれの側壁マスク7の上端部の変位のシミュレーション結果を表したグラフである。なお、このシミュレーションにおける変位とは、水平方向(半導体基板の表面に平行な方向)の変位をいう。また、このシミュレーションにおいては、段差部sの段差(同断と下段の高さの差)を15nmとしている。
ここで、図3中の“結晶化有り”とは、上記の本実施の形態と同様に、非晶質膜5を結晶化させて結晶膜6に変えた後に、結晶化膜6を側壁マスク7に加工した場合をいう。また、“結晶化無し”とは、非晶質膜5を結晶化させずに、そのまま側壁形状に加工した場合をいう。また、“段差部有り”とは、上記の本実施の形態と同様に、被加工膜1bが段差部sを有する場合をいう。また、“段差部無し”とは、被加工膜1bが段差部sを有さない場合をいう。
また、図3中の変位[nm]は、正の値を取る場合には側壁マスク7の内側(図2(b)中の右側)の方向に変位し、負の値を取る場合には側壁マスク7の外側(図2(b)中の左側)の方向に変位することを示している。なお、変位の値については、側壁マスク7の高さ等の条件により変化するため、図3に示される値は一例に過ぎない。しかし、変位の値の大小関係は、諸条件にかかわらず同じである。
図3は、本実施の形態と同様に、“結晶化有り”かつ“段差部有り”の条件下において、側壁マスク7の外側への変位が大きいこと、すなわち、対向する側壁マスク7が互いに引き合うような力が働いていた場合に、これを打ち消す方向に働く力が大きいことを示している。なお、その他の条件下において、変位が正の値を持つのは、対向する側壁マスク7が互いに引き合うような力を考慮してシミュレーションを行ったところ、その力を打ち消すことができなかったためである。
図4は、段差部sの段差を変化させた場合のそれぞれの側壁マスク7の上端部の変位のシミュレーション結果を表したグラフである。なお、図4のシミュレーション結果における変位は、図3のシミュレーション結果における変位と同義である。
図4は、段差部sの段差が大きくなるほど、側壁マスク7の外側への変位が大きくなること、すなわち、対向する側壁マスク7が互いに引き合うような力が働いていた場合に、これを打ち消す方向に働く力が大きくなることを示している。なお、変位の値については、側壁マスク7の高さ等の条件により変化するため、図4に示される値は一例に過ぎない。しかし、段差部sの段差が大きくなるほど側壁マスク7の上端部の変位が大きくなる傾向は、諸条件にかかわらず同じである。
図5は、芯材4が圧縮応力f4を内包している場合に、側壁マスク7に及ぼされる力を模式的に示す。図1B(e)に示した、熱処理を施して非晶質膜5を結晶化させ、結晶膜6に変える工程において、芯材4に圧縮応力f4が発生する場合、両側面の側壁マスク7にその上部を芯材4側に引き寄せるような力f5が発生する。この力f5は、側壁マスク7内の圧縮応力f1により発生する力f2を弱めるため、芯材4の材料には、熱処理により発生する圧縮応力f4ができるだけ小さい材料を用いることが好ましい。
また、熱処理温度により圧縮応力f4の大きさが変化する場合、熱処理温度を圧縮応力f4が小さくなるような温度にすることが好ましい。例えば、芯材4の材料としてTEOSを用いた場合、TEOSは熱処理温度を約700℃としたときに圧縮応力f5が最大になり、熱処理温度が上がるにともなって圧縮応力f5が低下する。このため、芯材4の材料としてTEOSを用いる場合は、熱処理温度をなるべく高くすることにより、圧縮応力f4を小さくすることができる。
このため、熱処理温度は、側壁マスク7内の圧縮応力f2の大きさ(大きい方が好ましい)と、芯材4内の圧縮応力f4の大きさ(小さい方が好ましい)のバランスがよくなる温度を選ぶことが好ましい。非晶質膜5の材料としてアモルファスSi(側壁マスクは多結晶Si)、芯材4の材料としてTEOSを用いる場合、750℃〜850℃で熱処理を行うことが好ましい。
(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、圧縮応力を内包する側壁マスク7を形成することにより、側壁マスク7の傾斜変形を抑え、微細なラインアンドスペースパターンを含むパターンを精度良く被加工膜1a、1bに転写することができる。
また、被加工膜1bに段差部sを形成することにより、側壁マスク7の傾斜変形をより効果的に抑えることができる。
〔第2の実施の形態〕
本実施の形態は、非晶質膜5を結晶化させるタイミングが、第1の実施の形態と異なる。なお、第1の実施の形態と同様の点については、説明を省略または簡略化する。
図6(a)、(b)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。
まず、図1A(d)に示した非晶質膜5を形成するまでの工程を第1の実施の形態と同様に行う。
次に、図6(a)に示すように、RIE法等により、非晶質膜5を芯材4の側面に位置する部分を残して除去し、側壁マスク7を形成する。
次に、図6(b)に示すように、熱処理を施して側壁マスク7を結晶化させる。側壁マスク7が結晶化することにより、側壁マスク7中に圧縮応力が発生する。
その後、図1B(g)に示した芯材4を除去する工程以降の工程を第1の実施の形態と同様に行う。
(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、非晶質膜5を側壁形状に加工した後に結晶化させて側壁マスク7を形成した場合であっても、第1の実施の形態と同様の効果を得ることができる。
〔第3の実施の形態〕
本実施の形態は、側壁マスク7の側面に応力膜を形成する点において、第1の実施の形態と異なる。なお、第1の実施の形態と同様の点については、説明を省略または簡略化する。
図7(a)、(b)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。
まず、図1A(d)に示した非晶質膜5を形成するまでの工程を第1の実施の形態と同様に行う。なお、非晶質膜5の厚さと、後述する応力膜8の厚さの合計が、本実施の形態における側壁マスク7の幅とほぼ同じになるため、この点を考慮して非晶質膜5の厚さを決定することが好ましい。
次に、図7(a)に示すように、LPCVD法等により、非晶質膜5上に応力膜8を形成する。ここで、応力膜8を600℃以上、好ましくは650℃以上の温度条件下で形成することにより、非晶質膜5が結晶化して結晶膜6に変わる。ここで、応力膜8は、SiN膜等の、圧縮応力を内包する膜である。
次に、図7(b)に示すように、RIE法等により、結晶膜6および応力膜8を芯材4の側面に位置する部分を残して除去し、側壁形状に加工する。これにより、側面に応力膜8を有する側壁マスク7を得る。
その後、図1B(g)に示した芯材4を除去する工程以降の工程を第1の実施の形態と同様に行う。
図8は、本実施の形態に係る側壁マスク7周辺の拡大図である。応力膜8に圧縮応力f6が働くことにより、対向する側壁マスク7の上部を外側に引っ張る力f7が発生する。側壁マスク7内の圧縮応力f1により発生する力f2に加えて力f7が働くことにより、より効果的に側壁マスク7の傾斜変形を抑制することができる。
(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、側壁マスク7の構造を側面に応力膜8を有する構造とすることにより、側壁マスク7の傾斜変形をより効果的に抑え、微細なラインアンドスペースパターンを含むパターンを精度良く被加工膜1a、1bに転写することができる。
〔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、非晶質膜5の代わりに、熱処理により結晶相が変化する結晶からなる膜を用いることができる。結晶相転移により、結晶内に圧縮応力が発生する場合、このような結晶を用いて圧縮応力を内包する側壁マスク7を形成することができる。
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)〜(d)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。 (e)〜(h)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。 (a)、(b)は、それぞれ図1B(g)の側壁マスク7周辺の拡大図、および段差部s周辺の拡大図。 各条件下における側壁マスク7の上端部の変位のシミュレーション結果を表したグラフ。 段差部sの段差を変化させた場合のそれぞれの側壁マスク7の上端部の変位のシミュレーション結果を表したグラフ。 芯材4が圧縮応力f4を内包している場合に、側壁マスク7に及ぼされる力を模式的に示す図。 (a)、(b)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。 (a)、(b)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。 本発明の第3の実施の形態に係る半導体装置の側壁マスク7周辺の拡大図。
符号の説明
1a、1b 被加工膜。 2 第1の膜。 4 芯材。 5 非晶質膜。 6 結晶膜。 7 側壁マスク。 8 応力膜。 s 段差部。

Claims (5)

  1. 被加工材上に芯材を形成する工程と、
    前記芯材の上面および側面を覆うようにアモルファス材料からなる被覆膜を形成する工程と、
    前記被覆膜を前記芯材の側面に位置する部分を残して除去し、前記心材の側壁に側壁マスクを形成する工程と、
    前記被覆膜から前記側壁マスクを形成する前または後に、熱処理を施すことにより前記側壁マスクに加工する前または後の前記被覆膜を結晶化させる工程と、
    前記側壁マスクを形成し、かつ前記側壁マスクに加工する前または後の前記被覆膜を結晶化させた後、前記芯材を除去する工程と、
    前記芯材を除去した後、前記側壁マスクをマスクとして用いて、前記被加工材をエッチング加工する工程と、
    を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
  2. 被加工材上に芯材を形成する工程と、
    前記芯材の上面および側面を覆うようにアモルファス材料からなる被覆膜を形成する工程と、
    前記被覆膜上に圧縮応力を内包する応力膜を形成し、前記応力膜を形成する際の熱により前記被覆膜を結晶化させる工程と、
    前記被覆膜および前記応力膜にエッチングを施して、前記被覆膜と、その側面の前記応力膜とからなる側壁マスクを前記芯材の側壁に形成する工程と、
    前記側壁マスクを形成した後、前記芯材を除去する工程と、
    前記芯材を除去した後、前記側壁マスクをマスクとして用いて、前記被加工材をエッチング加工する工程と、
    を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
  3. 前記被覆膜はアモルファスSiからなり、約600〜950℃の条件下で加熱されることにより、多結晶Siへ転移す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。
  4. 前記被覆膜はアモルファスアルミナからなり、約900〜950℃の条件下で加熱されることにより、γ−Alへ転移す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。
  5. 前記芯材を形成する工程は、前記被加工膜上に前記芯材の材料膜を形成する工程と、前記材料膜の所定の部分および前記所定の部分の直下に位置する前記被加工膜の上面から一部をエッチング除去する工程と、前記所定の部分をエッチング除去した前記材料膜にスリミング加工を施す工程と、を含み、
    前記芯材を形成することにより、前記被加工膜の前記芯材の両側に露出した領域に段差が形成されることを特徴とする請求項1から4のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
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