JP2009283674A

JP2009283674A - 半導体装置の製造方法

Info

Publication number: JP2009283674A
Application number: JP2008134152A
Authority: JP
Inventors: Masahiko Ouchi; 雅彦大内
Original assignee: Elpida Memory Inc
Current assignee: Micron Memory Japan Ltd
Priority date: 2008-05-22
Filing date: 2008-05-22
Publication date: 2009-12-03

Abstract

【課題】フォトマスクのパターンに対して、被加工膜に形成される形状が変動するのを抑制する。
【解決手段】被加工膜２上に、第１、第２のアモルファスカーボン膜３，５を形成する工程と、第１のフォトマスクを用いて第２のアモルファスカーボン膜５のエッチングを行う工程と、エッチングされた部分に充填して第２のアモルファスカーボン膜５を覆うように樹脂膜を形成する工程と、第１のフォトマスクのパターンの遮光部と交差するように遮光部が配置されたパターンを有する第２のフォトマスクを用いて樹脂膜をエッチングする工程と、第２のアモルファスカーボン膜５及び樹脂膜及をマスクとして用いて第１のアモルファスカーボン膜３をエッチングする工程と、第１のアモルファスカーボン膜をマスクとして用いて被加工膜２をエッチングする工程とを有する。
【選択図】図２

Description

本発明は、被加工膜に所望のパターンを形成する、半導体装置の製造方法に関する。

半導体デバイスの中で、例えばＭＰＵ（Micro Processing Unit)や、ＤＲＡＭ（Dynamic Random Access Memory）などの半導体装置では、微細化の進展に伴って、電極配線やコンタクトホールなどが露光技術の限界に近いレベルまで微細化されている。

従来の露光技術では、四角形状をなすホール用パターンを有するフォトマスクを用いて縮小投影露光を行った場合でも、光の回折効果によってフォトレジスト膜には円形状のホールパターンが形成されていた。すなわち、現状の縮小投影露光法では、ホール用パターンのような微細な四角形をなす開口を形成する場合には、フォトマスクがなす形状通りの形状を有するパターンを形成することが難しいだけでなく、投影転写されるパターンの変形に伴って焦点深度等の露光適正範囲が狭くなるという問題もあった。

このような問題に対する対策としては、直線状のパターンを２回組み合わせて露光することで、２つの直線状のパターンが交差する部分に所望する形状のパターン、例えばホールパターンを形成する方法が提案されている（特許文献１、２参照）。
特開平５−３２６３５８号公報特表２００２−５２０８７５号公報

しかしながら、特許文献１の方法では、ネガ型のフォトレジストを使用する必要がある。ネガ型のフォトレジストは、ポジ型のフォトレジストに比べて一般に感度が劣るため、微細なパターン形状のフォトレジスト膜に適応するのが困難であった。

また、特許文献２の方法では、まず第１のマスクパターンを用いてハードマスク膜を形成した後、このハードマスク膜がなすパターンと、第２のマスクパターンを有するフォトレジスト膜とを組み合わせることで、所望の開口パターンを形成している。このため、２回目の露光工程では、下地にハードマスク膜の段部が形成されているので、その段部の影響で局所的にフォトレジスト膜の膜厚が変動してしまい、微細な形状を有するパターンを形成することが困難であった。

そこで、本発明は、上述した課題を解決し、より一層微細な形状を高精度かつ容易に被加工膜に形成することを可能にし、フォトマスクのパターンがなす形状に対して、被加工膜に形成される形状が変動するのを抑制することが可能な半導体装置の製造方法を提供することを目的とする。

上述した目的を達成するため、本発明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被加工膜上に、第１のアモルファスカーボン膜を形成する第１工程と、第１のアモルファスカーボン膜上に第２のアモルファスカーボン膜を形成する第２工程と、第１のフォトマスクを用いて第２のアモルファスカーボン膜のエッチングを行う第３工程と、第２のアモルファスカーボン膜におけるエッチングされた部分に充填して第２のアモルファスカーボン膜を覆うように樹脂膜を形成する第４工程と、第１のフォトマスクのパターンの遮光部と交差するように遮光部が配置されたパターンを有する第２のフォトマスクを用いて樹脂膜をエッチングする第５工程と、第２のアモルファスカーボン膜及び樹脂膜及をマスクとして用いて第１のアモルファスカーボン膜をエッチングする第６工程と、第１のアモルファスカーボン膜をマスクとして用いて被加工膜をエッチングする第７工程と、を有する。本発明では、第１及び第２のフォトマスクの各パターンの非遮光部が交差する部分に対応した領域を被加工膜から除去する。

本発明によれば、第１のフォトマスクと第２のフォトマスクの各パターンの組み合わせによって被加工膜にパターニングを行うので、例えば四角形などのコーナー部を有する形状のパターンを形成する場合にも、フォトレジスト膜のパターンにおけるコーナー部が丸み形状に変形することを抑制することができる。

また、本発明では、２回目の露光を行うときには、フォトレジスト膜の下層が樹脂膜で覆われているので、フォトレジスト膜の膜厚が均一になり、微細なパターンを高精度に露光転写することができる。したがって、本発明は、被加工膜に微細なパターンを高精度かつ容易に形成することが可能になる。

以下、本発明の具体的な実施形態について、図面を参照して説明する。

（第１の実施形態）
本実施形態の半導体装置の製造方法において、半導体基板上に形成されたシリコン酸化膜（ＳｉＯ₂）等の被加工膜に、複数の開口パターンを形成する場合について、図面を参照して説明する。

本実施形態では、被加工膜がシリコン酸化膜の場合を一例として説明するが、被加工膜が他の材料によって形成された膜であっても適用可能である。また、被加工膜としては、シリコン酸化膜とシリコン窒化膜（Ｓｉ₃Ｎ₄）が積層された構成のような積層膜の場合にも適用可能である。

図１は、被加工膜としてのシリコン酸化膜に形成する開口パターンの配置を示す平面図である。図１に示すように、シリコン酸化膜２の４箇所に四角形状の開口Ｈをそれぞれ形成する。なお、開口Ｈの数は４箇所に限定されるものではない。図２〜図６は、図１におけるＡ−Ａ’断面図である。

まず、図２に示すように、半導体基板１上にシリコン酸化膜２を形成し、このシリコン酸化膜２の上に、第１のアモルファスカーボン膜３、第１のマスク膜４、第２のアモルファスカーボン膜５及び第２のマスク膜６をこの順に積層して形成する。第１のアモルファスカーボン膜３は膜厚が６００ｎｍ程度に形成され、第２のアモルファスカーボン膜４は膜厚が１００ｎｍ程度に形成されている。

第１のマスク膜４及び第２のマスク膜６は、第１及び第２のアモルファスカーボン膜３，５をエッチングするときにハードマスク層としてそれぞれ機能する層であり、具体的にはプラズマＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法によって形成されたシリコン酸化膜や、シリコン酸化膜とシリコン酸窒化膜（ＳｉＯＮ）の積層膜等が使用される。第１のマスク膜４及び第２のマスク膜６は、エッチングするアモルファスカーボン膜３，５の膜厚に応じて、膜厚３０ｎｍ〜１００ｎｍ程度に形成する。第１、第２のアモルファスカーボン膜３，５は、ＣＶＤ法を用いて公知の装置によって形成する。

次に、第２のマスク膜６上にポジ型のフォトレジスト膜を塗布し、図３の平面図に示したパターンをなす第１のフォトマスクを用いて露光を行う。図３に示すように、第１のフォトマスクには、暗部（遮光部）Ｍ１が直線状（帯状）に形成されている。また、第１のフォトマスクの暗部Ｍ１以外の領域は明部（非遮光部）となっている。図３において、開口Ｈに対応する位置を破線で示す。

続いて、図４に示すように、図３に示した第１のフォトマスクを用いて露光することで形成された第１のフォトレジスト膜１０をマスクとして用いてエッチングを行い、第２のマスク膜６の一部を除去する。具体的には、ＭＲＩＥ（有磁場反応性イオンエッチング）型のエッチング装置を用いて、例えば次の条件でエッチングを行う。
使用ガス及び流量：ＣＦ₄／Ｏ₂＝（２５３．５／１０．１）×１０^-4 Ｐａ・ｍ³／ｓｅｃ
圧力：５．３３Ｐａ
ＲＦパワー：１０００Ｗ
次に、図５に示すように、ＭＲＩＥ型のエッチング装置を用いて、例えば次の条件でエッチングを行うことで、第２のアモルファスカーボン膜５の一部を除去する。
使用ガス及び流量：Ｏ₂／Ａｒ＝（１５２．１／２５３．５）×１０^-4 Ｐａ・ｍ³／ｓｅｃ
圧力：２．００Ｐａ
ＲＦパワー：５００Ｗ
このエッチング工程において、第２のマスク膜６の上に形成された第１のフォトレジスト膜１０も除去されるが、第２のマスク膜６が、エッチングするときのハードマスク層として機能するので、最初に形成された第１のフォトレジスト膜１０がなすパターンの通りに第２のアモルファスカーボン膜５をパターニングすることができる。

続いて、図６に示すように、ＢＡＲＣ（Bottom Anti-Reflective Coating）膜１１を第２のアモルファスカーボン膜５を覆うように形成し、第２のアモルファスカーボン膜５の開口５ａに充填する。ＢＡＲＣ膜１１としては、樹脂膜であり、例えば、ノボラック系樹脂（膜厚２００ｎｍ程度）と、シリコンを含有したシロキサン系樹脂（膜厚４０ｎｍ程度）からなる積層膜を使用することができる。

次に、ＢＡＲＣ膜１１上にポジ型のフォトレジスト膜を塗布し、図７の平面図に示すようなパターンをなす第２のフォトマスクを用いて露光を行う。図７に示すように、第２のフォトマスクは、暗部（遮光部）Ｍ２が直線状に形成されている。また、第２のフォトマスクにおける暗部Ｍ２以外の領域は明部（非遮光部）になっている。図７において、開口Ｈに対応する位置を破線で示す。この第２のフォトマスクは、暗部Ｍ２のパターンと、先に露光で使用した第１のフォトマスク（図３）における暗部Ｍ１のパターンとが交差するように配置されている。したがって、暗部Ｍ２と暗部Ｍ１の各パターンを重ね合わせたときに、共に明部（非遮光部）になっている交差する部分に対応した領域が、開口Ｈのパターンが形成される位置となる。

なお、ＢＡＲＣ膜１１は、第２のアモルファスカーボン膜５の開口５ａに充填されることで、開口５ａによる段差を平坦化するだけでなく、フォトレジスト１２膜を露光する際の反射防止膜としても機能する。したがって、微細なパターンを高精度に露光転写することができる。

なお、図８Ａ，８Ｂ〜図１２Ａ，１２Ｂにおいて、図番にＡが付けられた図は、図７におけるＡ−Ａ’断面図である。また、図番にＢが付けられた図は、図７におけるＢ−Ｂ’断面図である。

図８Ａ，８Ｂに、図７に示した第２のフォトマスクを用いて露光することによって形成された第２のフォトレジスト膜１２がなすパターンを示す。

次に、図９Ａ、９Ｂに示すように、第２のフォトレジスト膜１２をマスクとして用いてエッチングを行うことで、ＢＡＲＣ膜１１の一部を除去する。具体的には、ＭＲＩＥ型の装置を用いて、例えば次の条件でエッチングを行うことで、まずＢＡＲＣ膜１１の上層のシリコン含有シロキサン系樹脂を除去する。
使用ガス及び流量：ＣＦ₄／ＣＨＦ₃＝（４０５．６／５０．７）×１０^-4 Ｐａ・ｍ³／ｓｅｃ
圧力：５．３３Ｐａ
ＲＦパワー：４００Ｗ
そして、引き続き、例えば次の条件でエッチングを行うことで、ＢＡＲＣ膜１１の下層のノボラック系樹脂の除去を行う。
使用ガス及び流量：Ｈ₂／Ｎ₂＝（１３５２／３３８）×１０^-4 Ｐａ・ｍ³／ｓｅｃ
圧力：８．００Ｐａ
ＲＦパワー：７００Ｗ
この時点では、エッチングに際して第２のフォトレジスト膜１２が除去されていても、ＢＡＲＣ膜１１上に残った状態であっても、どちらでもかまわない。ＢＡＲＣ膜１１上に第２のフォトレジスト膜１２が残存している場合であっても、第２のフォトレジスト膜１２は後のエッチング工程でＢＡＲＣ膜１１と共に除去される。

次に、図１０Ａ、１０Ｂに示すように、ＢＡＲＣ膜１１をマスクとして用いてエッチングを行うことで、第１のマスク膜４の一部を除去する。このエッチング工程では、第２のマスク膜６の一部を除去する工程と同様の条件を使用することができる。

続いて、図１１Ａ、１１Ｂに示すように、第２のアモルファスカーボン膜５のエッチング工程と同様にエッチングを行うことで、第１のアモルファスカーボン膜３の一部を除去する。このエッチング工程では、先に形成されたＢＡＲＣ膜１１及びこのＢＡＲＣ膜１１上に残存している第２のフォトレジスト膜１２も除去されるが、第１のマスク膜４が、エッチングするときのハードマスク層として機能する。このため、最初に形成された第２のフォトレジスト膜１２がなすパターンの通りに第１のアモルファスカーボン膜３をパターニングすることができる。

図１１Ａ、１１Ｂに示した工程まで終了した時点で、図１に示した開口Ｈに対応した位置に開口パターンが形成された、第１のアモルファスカーボン膜３及び第１のマスク膜４のパターンがそれぞれ形成される。

次に、図１２Ａ、１２Ｂに示すように、第１のアモルファスカーボン膜３及び第１のマスク膜４をマスクとして用いてエッチングを行うことで、シリコン酸化膜２の一部を除去する。このエッチング工程では、シリコン酸化膜２の一部と共に第１のマスク膜４も同時に除去される。また、このエッチング工程では、第１のアモルファスカーボン膜３もその一部が除去されるので、シリコン酸化膜２である被加工膜の膜厚に応じて、エッチング工程でマスクとして使用する第１のアモルファスカーボン膜３が完全に無くならないように、成膜時の第１のアモルファスカーボン膜３の膜厚が適宜調整されている。

続いて、図１３Ａ、１３Ｂに示すように、エッチング工程の後、シリコン酸化膜２上に残存している第１のアモルファスカーボン膜３を例えばＯ₂ガス又はＯ₃ガス等を使用したアッシング法によって除去する。これにより、所望の開口Ｈを有するシリコン酸化膜２のパターニングが完了する。

本実施形態では、第１のフォトマスクと第２のフォトマスクを使用した２回の露光の組み合わせによって被加工膜としてのシリコン酸化膜２のパターニングを行う。このため、１回の露光のみでコーナー部を有する四角形状を有するパターンを形成する場合に、フォトレジスト膜のコーナー部に丸み形状が生じるのを防ぐことができる。

また、２回目の露光を行うときには、フォトレジスト膜１２の下層が樹脂膜（ＢＡＲＣ膜１１）で平坦化されているので、フォトレジスト膜１２の膜厚が、面内方向に対する位置にかかわらずに均一に形成され、微細なパターンを高精度に露光転写することができる。

したがって、本実施形態によれば、微細化されたパターンを有するシリコン酸化膜２を高精度かつ容易に形成することができる。

（第２の実施形態）
本実施形態の半導体装置の製造方法によって形成されるパターンは、上述した四角形状の開口を有するパターンに限定されるものではない。

第１の実施形態では、図３及び図７に示したように、直線形状の暗部（遮光部）を有する第１及び第２のフォトマスクを組み合わせることで、四角形状の開口Ｈを形成した。これに対して、本実施形態で使用する第１及び第２のフォトマスクを組み合わせた状態を、図１４の平面図に示す。

図１４に示すように、１回目の露光で使用する第１のフォトマスクは、直線状の暗部（遮光部）Ｍ１を有している。これに対して２回目の露光で使用する第２のフォトマスクは、厚み方向に直交する面内方向において、波形状に湾曲された形状をなす暗部Ｍ２を有している。言い換えれば、この第２のフォトマスクは、面内方向に対して波形状に湾曲された形状をなす明部を有している。したがって、このような第１及び第２のフォトマスクを使用して、第１の実施形態と同様の工程を経て製造することによって、図１４に示した、対向する２つの辺が湾曲された形状をなす開口Ｈを形成することができる。

これにより、例えばＤＲＡＭのメモリセルに使用するシリンダ型のキャパシタ素子を形成するような場合に、メモリセルの形状に応じて最大の開口面積を有するような開口部を高精度かつ容易に形成することができる。

また、２回目の露光で使用する第２のフォトマスクは、対向する２つの辺が面内方向に対して湾曲された開口におけるコーナー部が鋭角状をなしているが、本実施形態によれば、このようなコーナー部の形状が円弧状に変形することなく、鋭角状のコーナー部を有する開口を高精度に形成することができる。

なお、上述した実施形態では、第１及び第２のフォトマスクの一方のみが波形状に湾曲された暗部Ｍ２を有する構成が採られたが、組み合わせる第１及び第２のフォトマスクにおける暗部のパターンが、両方共に湾曲させて形成されてもよいことは勿論である。

本実施形態の半導体装置の製造方法によって形成される開口を示す平面図である。上記半導体装置の製造工程を示す断面図である。上記半導体装置の製造方法で用いる第１のフォトマスクのパターンを示す平面図である。上記半導体装置の製造工程を示すＡ−Ａ’断面図である。上記半導体装置の製造工程を示すＡ−Ａ’断面図である。上記半導体装置の製造工程を示すＡ−Ａ’断面図である。上記半導体装置の製造方法で用いる第２のフォトマスクのパターンを示す平面図である。上記半導体装置の製造工程を示すＡ−Ａ’断面図である。上記半導体装置の製造工程を示すＢ−Ｂ’断面図である。上記半導体装置の製造工程を示すＡ−Ａ’断面図である。上記半導体装置の製造工程を示すＢ−Ｂ’断面図である。上記半導体装置の製造工程を示すＡ−Ａ’断面図である。上記半導体装置の製造工程を示すＢ−Ｂ’断面図である。上記半導体装置の製造工程を示すＡ−Ａ’断面図である。上記半導体装置の製造工程を示すＢ−Ｂ’断面図である。上記半導体装置の製造工程を示すＡ−Ａ’断面図である。上記半導体装置の製造工程を示すＢ−Ｂ’断面図である。上記半導体装置の製造工程を示すＡ−Ａ’断面図である。上記半導体装置の製造工程を示すＢ−Ｂ’断面図である。第２の実施形態の半導体装置の製造方法で用いる第２のフォトマスクのパターンを示す平面図である。

符号の説明

１半導体基板
２シリコン酸化膜（被加工膜）
３第１のアモルファスカーボン膜
４第１のマスク膜
５第２のアモルファスカーボン膜
６第２のマスク膜
１０第１のフォトレジスト膜
１１ＢＡＲＣ膜（樹脂膜）
１２第２のフォトレジスト膜
Ｈ開口

Claims

半導体基板上に形成された被加工膜上に、第１のアモルファスカーボン膜を形成する第１工程と、
前記第１のアモルファスカーボン膜上に第２のアモルファスカーボン膜を形成する第２工程と、
第１のフォトマスクを用いて前記第２のアモルファスカーボン膜のエッチングを行う第３工程と、
前記第２のアモルファスカーボン膜におけるエッチングされた部分に充填して前記第２のアモルファスカーボン膜を覆うように樹脂膜を形成する第４工程と、
前記第１のフォトマスクのパターンの遮光部と交差するように遮光部が配置されたパターンを有する第２のフォトマスクを用いて、前記樹脂膜をエッチングする第５工程と、
前記第２のアモルファスカーボン膜及び前記樹脂膜及をマスクとして用いて、前記第１のアモルファスカーボン膜をエッチングする第６工程と、
前記第１のアモルファスカーボン膜をマスクとして用いて前記被加工膜をエッチングする第７工程と、を有し、
前記第１及び第２のフォトマスクの各パターンの非遮光部が交差する部分に対応した領域を前記被加工膜から除去する、半導体装置の製造方法。
前記第１のアモルファスカーボン膜上に第１のマスク膜が形成されており、
前記第６工程において、
前記第１のマスク膜をハードマスクとして用いてエッチングを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。
前記第２のアモルファスカーボン膜上に第２のマスク膜が形成されており、
前記第３工程において、
前記第２のマスク膜をハードマスクとして用いてエッチングを行うことを特徴とする、請求項１又は２に記載の半導体装置の製造方法。
前記樹脂膜が異なる種類の樹脂膜を積層して形成されていることを特徴とする、請求項１乃至３のいずれか一項に記載の半導体装置の製造方法。
前記第１のフォトマスク及び前記第２のフォトマスクの前記非遮光部は共に、直線状のパターンを有していることを特徴とする、請求項１乃至４のいずれか一項に記載の半導体装置の製造方法。
前記第１及び第２のフォトマスクの少なくとも一方のフォトマスクは、他方のフォトマスクの前記非遮光部のパターンと交差され、かつ、湾曲された形状の非遮光部のパターンを有することを特徴とする、請求項１乃至４のいずれか一項に記載の半導体装置の製造方法。
前記第３及び第５工程は、ポジ型のフォトレジスト膜を露光して前記第１及び第２のフォトマスクの前記非遮光部のパターンを形成する工程を含むことを特徴とする、請求項１乃至６のいずれか一項に記載の半導体装置の製造方法。