JP2010226022A - 半導体装置の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】エッチング時に、除去しにくい反応生成物を生じさせうる膜を含む積層構造の被加工膜にも対応できるエッチング技術を提供する。
【解決手段】ハードマスク膜と前記ハードマスク膜上に積層されたフォトレジスト膜とを含むマスク層を被加工膜上に選択的に形成し、フォトレジスト膜を含むマスク層をマスクとして前記被加工膜に対し第1のエッチングを行い、前記マスク層に前記フォトレジスト膜が実質的に存在しない状態で前記ハードマスク膜をマスクとして前記被加工膜に対し第2のエッチングをさらに行うことを特徴とする半導体装置の製造方法を採用する。
【選択図】なし
【解決手段】ハードマスク膜と前記ハードマスク膜上に積層されたフォトレジスト膜とを含むマスク層を被加工膜上に選択的に形成し、フォトレジスト膜を含むマスク層をマスクとして前記被加工膜に対し第1のエッチングを行い、前記マスク層に前記フォトレジスト膜が実質的に存在しない状態で前記ハードマスク膜をマスクとして前記被加工膜に対し第2のエッチングをさらに行うことを特徴とする半導体装置の製造方法を採用する。
【選択図】なし
Description
本発明は、半導体装置の製造方法に関し、特にレジストマスクとハードマスクの2層マスクを用いるドライエッチング方法に関する。
フォトレジスト層からなるマスクを利用して被加工膜を加工する際に、加工精度を向上させるためには、フォトレジスト層の厚みを薄くして解像度を高める必要がある。しかし、フォトレジスト層の厚みを薄くすると、フォトレジスト層と被加工膜の選択比の関係で、被加工膜の加工の途中でフォトレジスト層の厚みが減少してしまい、被加工膜の十分な加工が困難となる。
上記のように、フォトレジストの厚みを薄くせざるを得ない場合には、被加工膜と薄いフォトレジスト層との間にハードマスク層を形成し、そのハードマスク層を用いたエッチング方法が知られている。下記特許文献1では、ハードマスクのパターニングを行ったレジストマスクを残したまま、レジストマスクとハードマスクとの2層マスクで被加工膜のエッチングを行う方法と、ハードマスクの加工後にレジストマスクを除去してから、ハードマスクのみで被加工膜のエッチングを行う方法が開示されている。
ここで、前者のハードマスクとレジストマスクの2層構造のマスクによるエッチングは、ハードマスクの表面を覆っているレジストマスクが、エッチング時にハードマスクの膜減りを低減させるため、ハードマスクのみの単層マスクの場合に比べて、ハードマスクの膜厚を薄くできる利点がある。また、ハードマスク上のレジストマスクは、被加工膜に対するエッチングの際に同時にエッチングされるが、このときのレジストマスクの分解によってポリマーが生成し、このポリマーが被加工膜の被エッチング面である側壁に付着する。この側壁に付着したポリマーは、被加工膜の側壁エッチング(サイドエッチング)に対する保護膜として利用できるので、被加工膜に対する所謂サイドエッチを抑制できる利点もある。
ところで、近年の半導体装置のプロセスにおいては、被加工膜が、単層または同類の材料からなる積層膜のみならず、互いの素材が異なる複数の積層膜となることが多々ある。前述したポリマーは、被加工膜へのエッチングが完了した後に除去する必要があるが、被加工膜の材質によっては、エッチング反応によって生成する反応生成物がポリマーに取り込まれてしまう場合がある。反応生成物を取り込んだポリマーは、反応生成物の種類にもよるが、その後に洗浄処理を施しても被加工膜の被エッチング面から除去困難となる場合があった。このため、除去しにくい反応生成物を生じさせうる膜を一部に含む積層構造の被加工膜にも対応できるエッチング技術が必要とされているが、上記特許文献1に記載の技術では対処できないという問題がある。
本発明の半導体装置の製造方法は、ハードマスク膜と前記ハードマスク膜上に積層されたフォトレジスト膜とを含むマスク層を被加工膜上に選択的に形成し、前記フォトレジスト膜を含むマスク層をマスクとして前記被加工膜に対し第1のエッチングを行い、前記マスク層に前記フォトレジスト膜が実質的に存在しない状態で前記ハードマスク膜をマスクとして前記被加工膜に対し第2のエッチングをさらに行うことを特徴とする。
本発明の半導体装置の製造方法では、被加工膜に対するエッチングを少なくとも2回に分け、第1のエッチングはハードマスク膜上にフォトレジスト膜が残存した状態で行い、その後の第2のエッチングはフォトレジスト膜がハードマスク膜上に実質的に残っていない状態で行う。
したがって、被加工膜に、フォトレジスト膜の分解で生じたポリマーの除去を困難にするようなエッチング生成物をエッチングの際に生成し得る膜を含んでいたとしても、このような膜に対するエッチングを第2のエッチングにおいて行うことにより、ポリマー残留に基づく問題点が解決される。
また被加工膜全体が、ポリマー除去が容易なエッチング生成物を発生し得る材質であっても、第1のエッチングはフォトレジスト膜が残存している状態で行われるので、被加工膜の被エッチング面に付着するポリマーが、被加工膜のサイドエッチに対する保護膜として機能する。これにより、第2エッチングによるサイドエッチを最小限に押えることが可能になるから、フォトレジスト膜を残したままでの全体エッチングと比べてさほど変わらない効果を奏する。
なお、第2のエッチングは、第1のエッチングを施した後に残存するフォトレジスト膜を除去して行っても良いし、第1のエッチングが完了した時点でフォトレジスト膜も実質的に除去されるような膜厚にフォトレジスト膜を調整しても良い。
したがって、被加工膜に、フォトレジスト膜の分解で生じたポリマーの除去を困難にするようなエッチング生成物をエッチングの際に生成し得る膜を含んでいたとしても、このような膜に対するエッチングを第2のエッチングにおいて行うことにより、ポリマー残留に基づく問題点が解決される。
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なお、第2のエッチングは、第1のエッチングを施した後に残存するフォトレジスト膜を除去して行っても良いし、第1のエッチングが完了した時点でフォトレジスト膜も実質的に除去されるような膜厚にフォトレジスト膜を調整しても良い。
以下、本発明の実施形態について、図面を参照しつつ説明する。本実施形態の半導体装置の製造方法は、ハードマスク膜とフォトレジスト膜とを含むマスク層を用いて被加工膜を選択的にエッチングする際に、フォトレジスト膜の存在下で第1のエッチングを行い、次いで、フォトレジスト膜が実質的に存在しない状態で第2のエッチングを行うものである。尚、フォトレジスト膜が実質的に存在しないとは、フォトレジスト膜が現に存在しない他、フォトレジスト膜が第2のエッチングに影響しない程度に残存することを許容する意味である。
第1のエッチングは、フォトレジスト膜の存在下で行うため、この第1のエッチングによる被加工膜の被エッチング面には、フォトレジスト膜の分解に伴って生成するポリマーが付着する。このように第1のエッチングは、被加工膜のサイドエッチをポリマーによって抑制しつつエッチングが進行する。また、被加工膜のエッチング反応によってエッチング生成物が生じるが、第1のエッチングではこのエッチング生成物の生成とポリマーの生成とが同時に進行する。被加工膜に由来する反応生成物の種類によってはそのエッチング生成物とポリマーとが複合化し、その結果、ポリマーが洗浄処理工程で除去されにくくなる事態が想定される。よって、第1のエッチングによってエッチングされる被加工膜の材質は、ポリマーと複合化しにくいエッチング生成物を生じる材質が好ましい。例えば、エッチング生成物が被エッチング面に残留しにくい材質がよい。
次に、第2のエッチングは、フォトレジスト膜が実質的に存在しない状態で行うため、この第2のエッチングによる被加工膜の被エッチング面には、フォトレジスト膜の分解に伴って生成するポリマーが付着しない。従って、第2のエッチングによって加工される被加工膜には、サイドエッチを抑制する保護膜が生じない。その一方で、第2のエッチングによっても被加工膜に由来するエッチング生成物が生じるが、上記のようにポリマーの生成は起きないので、第2のエッチングではこのエッチング生成物とポリマーの生成が同時に進行しない。このため、エッチング生成物によってポリマーが除去されにくくなるおそれがない。従って、第2のエッチングによってエッチングされる被加工膜の材質は、エッチング生成物が洗浄処理工程において悪影響を及ぼさないような材質を選択することが好ましい。例えば、エッチング生成物が被エッチング面に残留しやすい材質であっても、洗浄処理工程において容易に除去可能であればよい。
フォトレジスト膜存在下の第1のエッチング工程で加工可能な被加工膜(第1の膜)は、例えば、Al2O3、SiO2、W、ポリシリコン等を例示できる。これらはいずれも、エッチング生成物が被エッチング面に残留しにくいものである。但し、本実施形態ではAl2O3をハードマスク膜として用いるため、Al2O3は被加工膜には含まれない。
また、フォトレジスト膜が実質的に存在しない状態の第2のエッチング工程で加工可能な被加工膜(第2の膜)は、TiNを例示できる。TiNは、第1の膜に比べて、エッチング生成物が被エッチング面に残留しやすいものである。
更に、AlO/ZrO積層膜またはSiNは、そのエッチング生成物が被エッチング面に残留しにくいため、第1のエッチング工程でもエッチング可能であるが、本実施形態ではこれらAlO/ZrO積層膜及びSiNを第2の膜として、第2のエッチング工程においてエッチングしている。
被加工膜は、これら第1の膜と第2の膜とを含む多層構造からなる膜であることが好ましい。また、被加工膜においては、第1の膜が第2の膜よりもマスク層側にあることが好ましい。
また、フォトレジスト膜が実質的に存在しない状態の第2のエッチング工程で加工可能な被加工膜(第2の膜)は、TiNを例示できる。TiNは、第1の膜に比べて、エッチング生成物が被エッチング面に残留しやすいものである。
更に、AlO/ZrO積層膜またはSiNは、そのエッチング生成物が被エッチング面に残留しにくいため、第1のエッチング工程でもエッチング可能であるが、本実施形態ではこれらAlO/ZrO積層膜及びSiNを第2の膜として、第2のエッチング工程においてエッチングしている。
被加工膜は、これら第1の膜と第2の膜とを含む多層構造からなる膜であることが好ましい。また、被加工膜においては、第1の膜が第2の膜よりもマスク層側にあることが好ましい。
以下、本実施形態の半導体装置の製造方法を、DRAM(Dynamic Random Access Memory)の容量プレート形成プロセスに適用した例について説明する。
この容量プレート形成プロセスは、キャパシタの形成工程、マスク層の形成工程、第1のエッチング工程、フォトレジスト膜の除去工程、第2のエッチング工程及び洗浄処理工程から概略構成されている。以下、各工程について順次説明する。
この容量プレート形成プロセスは、キャパシタの形成工程、マスク層の形成工程、第1のエッチング工程、フォトレジスト膜の除去工程、第2のエッチング工程及び洗浄処理工程から概略構成されている。以下、各工程について順次説明する。
[キャパシタの形成工程]
先ず、図1に示すように、シリコン基板等の半導体基板1上に、半導体装置として必要なトランジスタや配線等を形成し、これらトランジスタや配線等を層間絶縁膜2によって被覆する。次いで、フォトリソグラフィーとドライエッチングによって、層間絶縁膜2にコンタクトホール3を設け、このコンタクトホール3にW(タングステン)からなるコンタクトプラグ4を形成し、例えばコンタクトプラグ4とトランジスタのドレイン領域とを接続する。
先ず、図1に示すように、シリコン基板等の半導体基板1上に、半導体装置として必要なトランジスタや配線等を形成し、これらトランジスタや配線等を層間絶縁膜2によって被覆する。次いで、フォトリソグラフィーとドライエッチングによって、層間絶縁膜2にコンタクトホール3を設け、このコンタクトホール3にW(タングステン)からなるコンタクトプラグ4を形成し、例えばコンタクトプラグ4とトランジスタのドレイン領域とを接続する。
次いで、コンタクトプラグ4及び層間絶縁膜2を覆うようにSiNからなるシリンダストッパ膜5、酸化シリコンからなる層間膜6及びSiNからなる支持構造層7を順次積層する。シリンダストッパ膜5は層間膜6をエッチングする際のエッチングストッパとなる膜であり、層間膜6はキャパシタの下部電極の下地となるシリンダ開口部を設けるための膜であり、支持構造層7は下部電極を支持する支持体となる。本実施形態の半導体装置をDRAM素子のキャパシタとして用いる場合には、層間膜6の膜厚を2μm程度とするのが望ましく、支持構造層7の膜厚を100nm程度とするのが望ましい。また、層間膜6と支持構造層7は相互に異なる材質からなることが好ましく、特に層間膜6をウエットエッチングする際のエッチャントに対する支持構造層7のエッチング速度が、層間膜6のエッチング速度よりも低いものがよい。従って上述のように、例えば層間膜6を酸化シリコン膜で構成し、支持構造層7を窒化シリコン膜で構成するとよい。
次いで、フォトリソグラフィーとドライエッチングによって、支持構造層7と層間膜6とシリンダストッパ膜5をシリンダ状に開口してシリンダ開口部8を形成してから、シリンダ開口部8の内面及び支持構造層7の全面にキャパシタの下部電極となる膜厚7nmのTiNからなる下部電極膜9を形成する。シリンダ開口部8の底部にはコンタクトプラグ4の端面が露出し、下部電極膜9は開口部8の底部においてコンタクトプラグ4に接続される。
なお、シリンダ開口部8を形成するために支持構造層7をエッチングする際には、例えば、フッ素を含有するドライエッチング法を用いることができる。また、層間膜6をエッチングする際には、例えば、フッ素を含有するエッチングガスを用いたドライエッチング法を用いることができる。
次に、図2に示すように、シリンダ開口部8を埋めるように酸化シリコンからなる埋込膜10を形成する。次いで、CMP処理によって支持構造層7上の下部電極膜9を除去する。埋込膜10は、CMP処理の段階で、CMP処理の際に用いるスラリがシリンダ開口部8の内部に流入することを防止するために設けられる。支持構造層7上の下部電極膜9が除去されることで、シリンダ開口部8内に残存した下部電極膜がそれぞれ、キャパシタの下部電極19(第1電極)となる。
次に、図3に示すように、支持構造層7の一部をフォトリソグラフィーとドライエッチングにより開口して支持構造層開口部7aを設ける。支持構造層開口部7aは、支持構造層7を複数に分断するように設ける。支持構造層開口部7aを設けることで、内部にシリンダ開口部8及び下部電極19が設けられている層間膜6が露出した状態になる。
次に、図4に示すように、ウエットエッチング用のエッチング液を支持構造層開口部7aから流入させることで、埋込膜10及び層間膜6をウエットエッチングにより除去する。
ウエットエッチングは、例えば、常温下、濃度50%程度の濃フッ化水素酸による薬液処理によってシリコン酸化膜からなる埋込膜10及び層間膜6を除去する。また、ウエットエッチングにおいてシリンダストッパ膜5がエッチングストッパとして機能する。
これにより、層間絶縁膜2上に有底中空筒状の下部電極19が林立し、かつ下部電極19同士が支持構造層7によって相互に連結支持された構造が形成される。下部電極19は、その外周面上端部が支持構造層7に接合されることで支持構造層7に支持される。尚、図4の下部電極19の左側の領域はプレート端のダミーになるので、支持構造層開口部7aが開口されず、従ってその下の層間膜6もエッチングされずに残存する。
ウエットエッチングは、例えば、常温下、濃度50%程度の濃フッ化水素酸による薬液処理によってシリコン酸化膜からなる埋込膜10及び層間膜6を除去する。また、ウエットエッチングにおいてシリンダストッパ膜5がエッチングストッパとして機能する。
これにより、層間絶縁膜2上に有底中空筒状の下部電極19が林立し、かつ下部電極19同士が支持構造層7によって相互に連結支持された構造が形成される。下部電極19は、その外周面上端部が支持構造層7に接合されることで支持構造層7に支持される。尚、図4の下部電極19の左側の領域はプレート端のダミーになるので、支持構造層開口部7aが開口されず、従ってその下の層間膜6もエッチングされずに残存する。
次に、図5に示すように、下部電極19の表面に、誘電体膜20を成膜する。誘電体膜20は、例えばALD法(Atomic Layer Deposition(原子層堆積法))により形成する。誘電体膜20は、有底筒状の下部電極19の内周面と外周面の両面に積層される。また、誘電体膜20は、下部電極19の表面のみならず、支持構造層7の上面7bを含む全面にも形成される。更に、誘電体膜20は、シリンダストッパ膜5の上面にも形成される。誘電体膜20は、例えば酸化アルミニウム(AlO)と酸化ジルコニウム(ZrO)との積層膜で構成すればよい。誘電体膜20の厚みは、例えば7nmとすればよい。
次に、図6に示すように、誘電体膜20の表面に、上部電極21(第2電極、第2の膜)を成膜する。上部電極21は、CVD法で形成する。また、上部電極21は、支持構造層7の上にも形成される。上部電極21は、例えばカバレージ性に優れた窒化チタン(TiN)の単層膜で構成すればよい。上部電極21の厚みは、例えば10nmとすればよい。
以上により、下部電極19(第1電極)、誘電体膜20及び上部電極21(第2電極)からなるセルキャパシタ22が形成される。
以上により、下部電極19(第1電極)、誘電体膜20及び上部電極21(第2電極)からなるセルキャパシタ22が形成される。
次に、図7に示すように、容量プレート層の下地層となる埋込下地層31(半導体層、第1の膜)を、上部電極21の全面に形成する。埋込下地層31は、支持構造層7上の上部電極21が完全に埋まるように、支持構造層7における厚みdが150nm程度になるまで形成する。埋込下地層31は、容量プレート層の一部となるので、例えばポリシリコンからなる半導体層で構成すればよい。また、埋込下地層31は、例えばCVD法で形成すればよい。
次に、図8に示すように、埋込下地層31上に容量プレート層の一部となる金属層32(第1の膜)を形成する。金属層32は、例えばスパッタ法で形成する。金属層32は、例えばW(タングステン)の単層膜で構成すればよい。また、金属層32の厚みは、例えば100nmとすればよい。このようにして、埋込下地層31(半導体層)及び金属層32からなる容量プレート層33が形成される。
以上の工程により、セルキャパシタ22の下部電極19がコンタクトプラグ4を介して図示しないセルトランジスタに接続され、上部電極21が容量プレート層33に接続された構造が得られる。また、有底筒状の下部電極19の内周面のみならず、外周面にも誘電体膜20及び上部電極21が積層されたクラウン形状のセルキャパシタ22が得られる。
更に、以上の工程により、セルトランジスタ及びセルキャパシタ22を主体とするメモリセルが半導体基板1上に形成される。
更に、以上の工程により、セルトランジスタ及びセルキャパシタ22を主体とするメモリセルが半導体基板1上に形成される。
[マスク層の形成工程]
次に、ハードマスク膜42及びフォトレジスト膜43を順次積層してマスク層44を金属層32上に選択的に形成する。
先ず、図9に示すように、金属層32上に、ハードマスク膜の剥がれ防止膜41を積層する。剥がれ防止膜41は、例えば厚み50nmの酸化シリコン膜で構成する。次に、剥がれ防止膜41上にハードマスク膜42を積層する。ハードマスク膜42は、例えば厚み35nmの酸化アルミニウム(Al2O3)で構成する。
次に、ハードマスク膜42及びフォトレジスト膜43を順次積層してマスク層44を金属層32上に選択的に形成する。
先ず、図9に示すように、金属層32上に、ハードマスク膜の剥がれ防止膜41を積層する。剥がれ防止膜41は、例えば厚み50nmの酸化シリコン膜で構成する。次に、剥がれ防止膜41上にハードマスク膜42を積層する。ハードマスク膜42は、例えば厚み35nmの酸化アルミニウム(Al2O3)で構成する。
次に、図10に示すように、ハードマスク膜42上に、フォトレジスト膜43を塗布する。更に、フォトレジスト膜43の一部を露光し次いで現像することで、フォトレジスト膜43をパターニングして開口部43aを設ける。
ここで、フォトレジスト膜43の厚みは、エッチング対象となる各膜の厚みと、エッチング対象となる各膜のエッチング選択比とをそれぞれ乗じた値の合計値と同じか、その合計値より大きくすればよい。各膜のエッチング選択比とは、各膜とフォトレジスト膜43とのエッチング選択比である。
本実施形態では、ハードマスク膜42(厚み35nm)、剥がれ防止膜41(厚み50nm)、金属層32(厚み100nm)及び支持構造層7上の埋込下地層31(厚み150nm)をエッチング対象とする。これらの各膜と、フォトレジスト膜とのエッチング選択比を1とすると、フォトレジスト膜43の必要最低限の厚みは、35nm+50nm+100nm+150nm=335nmになる。本実施形態では、更に余裕をみて15nm上積みして、フォトレジスト膜43の厚みを350nmとする。
以下のエッチング工程では、誘導結合プラズマ(ICP:Inductively Cupled Plasma)による反応性イオンエッチング(RIE:Reactive Ion Etching)を実施する。第1エッチング工程における共通条件は、(1)ソースパワー:1000W、(2)高周波パワー:50〜200W、(3)圧力:5〜20mTorr、(4)ステージ温度:20〜40℃とする。
次に図11に示すように、フォトレジスト膜43をマスクにして、開口部43aから露出したハードマスク膜42をドライエッチングする。ハードマスク膜42がAl2O3からなるので、エッチングガスには、BCl3(流量:120sccm)とCl2(80sccm)の混合ガスを用いる。ハードマスク膜42の厚みは35nmであり、Al2O3とフォトレジスト膜43とのエッチング選択比が1であるので、エッチング後のフォトレジスト膜43の厚みは315nm(=350nm−35nm)となる。また、ドライエッチング特性上、フォトレジスト膜43の開口部43aの肩部にテーパーが生じる。
ドライエッチングされたフォトレジスト膜43がポリマーPとして、開口部43aの側壁面に付着する。開口部43aはエッチングによってハードマスク膜42まで延ばされているので、ポリマーPはハードマスク膜42の端面42aにも付着する。このポリマーPによって、ハードマスク膜42の端面42aがサイドエッチから保護される。
また、ハードマスク膜42のエッチング生成物であるアルミニウムの塩化物は昇華しやすいので、ハードマスク膜42のエッチングによって形成された端面42aには残留しにくい。このため、アルミニウムの塩化物がポリマーP内に取り込まれるおそれがない。このようなポリマーを洗浄処理工程でアッシング等の手段で除去すれば、アルミニウムの塩化物に由来するアルミニウムの酸化物が残留することがなく、ポリマーPを洗浄処理工程できれいに除去することが可能になる。
以上のようにして、フォトレジスト膜43をマスクにしてハードマスク膜42をパターニングすることで、金属層32上にフォトレジスト膜43及びハードマスク膜42が積層されてなるマスク層44が形成される。
以上のようにして、フォトレジスト膜43をマスクにしてハードマスク膜42をパターニングすることで、金属層32上にフォトレジスト膜43及びハードマスク膜42が積層されてなるマスク層44が形成される。
[第1のエッチング工程]
第1のエッチング工程では、剥がれ防止膜41、金属層32及び支持構造層7上の埋込下地層31を順次エッチングする。
図12に示すように、フォトレジスト膜43の存在下で、ハードマスク膜42をマスクにして、剥がれ防止膜41、金属層32及び支持構造層7上の埋込下地層31(半導体層)を順次ドライエッチングする。
先ず、剥がれ防止膜41がSiO2、金属層32がW、埋込下地層31がポリシリコンからそれぞれ構成されるので、エッチングガスには、SF6(90sccm)とCl2(100sccm)との混合ガスまたはCF4(90sccm)とCl2(100sccm)との混合ガスを用いる。剥がれ防止膜41の厚みが50nmであり、金属層32の厚みが100nmであり、支持構造層7上の埋込下地層31の厚みが150nmであり、各膜とフォトレジスト膜43とのエッチング選択比が1であるので、エッチング後のフォトレジスト膜の厚みは15nm(=315nm−50nm−100nm−150nm)となる。
第1のエッチング工程では、剥がれ防止膜41、金属層32及び支持構造層7上の埋込下地層31を順次エッチングする。
図12に示すように、フォトレジスト膜43の存在下で、ハードマスク膜42をマスクにして、剥がれ防止膜41、金属層32及び支持構造層7上の埋込下地層31(半導体層)を順次ドライエッチングする。
先ず、剥がれ防止膜41がSiO2、金属層32がW、埋込下地層31がポリシリコンからそれぞれ構成されるので、エッチングガスには、SF6(90sccm)とCl2(100sccm)との混合ガスまたはCF4(90sccm)とCl2(100sccm)との混合ガスを用いる。剥がれ防止膜41の厚みが50nmであり、金属層32の厚みが100nmであり、支持構造層7上の埋込下地層31の厚みが150nmであり、各膜とフォトレジスト膜43とのエッチング選択比が1であるので、エッチング後のフォトレジスト膜の厚みは15nm(=315nm−50nm−100nm−150nm)となる。
また、ドライエッチングの際にフォトレジスト膜43の全面が更にエッチバックされることで、エッチングされたフォトレジスト膜43がポリマーPとなって、剥がれ防止膜41、金属層32及び支持構造層7上の埋込下地層31の各端面41a、32a、31aに付着する。各端面41a、32a、31aに付着したポリマーPによって、剥がれ防止膜41、金属層32及び埋込下地層31がサイドエッチから保護される。
また、剥がれ防止膜41及び埋込下地層31のエッチング生成物であるシリコンフッ化物と、金属層32のエッチング生成物であるタングステンフッ化物はそれぞれ昇華しやすいので、各端面41a、42a、31aには残留しにくい。このため、シリコンフッ化物またはタングステンフッ化物がポリマーP内に取り込まれるおそれがなく、このようなポリマーを洗浄処理工程でアッシング等の手段で除去すれば、きれいに除去することが可能になる。
[フォトレジスト膜の除去工程]
次に、図13に示すように、ハードマスク膜42上のフォトレジスト膜43をドライエッチングにて除去する。エッチングガスは、O2(40sccm)とCl2(60sccm)の混合ガスまたはO2(40sccm)とAr(60sccm)の混合ガスを用いる。この時のドライエッチングでは、フォトレジスト膜のエッチングよる新たにポリマーが生成されず、開口部42a内の既存のポリマーPも残留する。
次に、図13に示すように、ハードマスク膜42上のフォトレジスト膜43をドライエッチングにて除去する。エッチングガスは、O2(40sccm)とCl2(60sccm)の混合ガスまたはO2(40sccm)とAr(60sccm)の混合ガスを用いる。この時のドライエッチングでは、フォトレジスト膜のエッチングよる新たにポリマーが生成されず、開口部42a内の既存のポリマーPも残留する。
また、本実施形態では、フォトレジスト膜43の厚みを調整する際に、エッチング対象となる各膜とエッチング選択比との関係で求めた必要最低限の厚み(335nm)に更に15nmを積み増すことで、フォトレジスト膜43の厚みを必要最低限の厚みより厚くしたが、フォトレジスト膜43の厚みを必要最低限の厚みとしてもよい。この場合は、第1エッチング工程の終了時にフォトレジスト膜43が実質的に除去されるので、改めてフォトレジスト膜の除去工程を設ける必要が無く、工程を省略できる。
[第2のエッチング工程]
次に、図14に示すように、フォトレジスト膜43が実質的に存在しない状態で、ハードマスク膜42をマスクにして、支持構造層7上の上部電極21(第2電極)をドライエッチングする。上部電極21がTiNから構成されるので、エッチングガスには、Cl2(140sccm)とAr(60sccm)との混合ガスを用いる。ハードマスク膜42と上部電極21とのエッチング選択比が20であるので、エッチング後のハードマスク膜42の厚みは49.5nm(=50−10nm/20)となる。
次に、図14に示すように、フォトレジスト膜43が実質的に存在しない状態で、ハードマスク膜42をマスクにして、支持構造層7上の上部電極21(第2電極)をドライエッチングする。上部電極21がTiNから構成されるので、エッチングガスには、Cl2(140sccm)とAr(60sccm)との混合ガスを用いる。ハードマスク膜42と上部電極21とのエッチング選択比が20であるので、エッチング後のハードマスク膜42の厚みは49.5nm(=50−10nm/20)となる。
このときのエッチングは、フォトレジスト膜43が存在しないので、新たなポリマーが生成されず、また、第1エッチング工程の際に生成したポリマーPはそのまま残留する。従って、金属層32及び埋込下地層31はサイドエッチされることなく保護される。
また、上部電極21のエッチング生成物であるチタンの塩化物は、第1のエッチング工程でエッチングした第1の膜のエッチング生成物に比べて昇華しにくい。このため、上部電極21の端面21aに残留しやすい。しかし、第2エッチングでは、フォトレジスト膜のエッチングによるポリマーの生成が起きないので、チタンの塩化物がポリマーP内に取り込まれるおそれがない。従って、ポリマーPは洗浄処理工程においてアッシング等の手段できれいに除去することが可能になる。
第2エッチング工程においてフォトレジスト膜42が存在していると、エッチング生成物であるチタンの塩化物が新たに生成したポリマーPに取り込まれてしまい、ポリマーの除去が困難になる。
次に、図15に示すように、フォトレジスト膜43が実質的に存在しない状態で、ハードマスク膜42をマスクにして、支持構造層7上の誘電体膜20をドライエッチングする。誘電体膜20が酸化アルミニウムと酸化ジルコニウムの積層膜で構成されるので、エッチングガスには、BCl3(120sccm)とCl2(80sccm)とAr(60sccm)との混合ガスを用いる。ハードマスク膜42と誘電体膜20とのエッチング選択比が0.2であるので、エッチング後のハードマスク膜42の厚みは14.5nm(=49.5−7nm/0.2)となる。
このときのエッチングは、フォトレジスト膜43が実質的に存在しないしないので、新たなポリマーが生成されず、また、第1エッチング工程の際に生成したポリマーPはそのまま残留する。従って、金属層32及び埋込下地層31はサイドエッチされることなく保護される。
また、誘電体膜20のエッチング生成物であるアルミニウムの塩化物とジルコニウムの塩化物は、先のチタンの塩化物に比べると昇華しやすい。このため、誘電体膜20の端面20aにエッチング生成物が残留しにくい。しかも、第2エッチングでは、フォトレジスト膜のエッチングによるポリマーの生成が起きないので、これらのエッチング生成物がポリマーP内に取り込まれるおそれがない。従って、ポリマーPは後工程においてアッシング等の手段できれいに除去することが可能になる。
次に、図16に示すように、フォトレジスト膜43の不存在下で、ハードマスク膜42をマスクにして、支持構造層7をドライエッチングする。支持構造層7が窒化シリコン(SiN)で構成されるので、エッチングガスには、SF6(100sccm)とAr(100sccm)との混合ガスを用いる。ハードマスク膜42と支持構造層7とのエッチング選択比が20とすると、エッチング後のハードマスク膜42の厚みは9.5nm(=14.5−100nm/20)となる。
このときのエッチングは、フォトレジスト膜43が存在しないので、新たなポリマーが生成されず、また、第1エッチング工程の際に生成したポリマーPはそのまま残留する。従って、金属層32及び埋込下地層31はサイドエッチされることなく保護される。
また、支持構造層7のエッチング生成物であるシリコンのフッ化物は、先のチタンの塩化物に比べると昇華しやすい。このため、支持構造層7の端面7cにエッチング生成物が残留しにくい。しかも、第2エッチングでは、フォトレジスト膜のエッチングによるポリマーの生成が起きないので、これらのエッチング生成物がポリマーP内に取り込まれるおそれがない。従って、ポリマーPは後工程においてアッシング等の手段できれいに除去することが可能になる。
[洗浄処理工程]
次に、図17に示すように、各層の端面に付着したポリマーPを除去する。ポリマーPの除去は例えばアッシング処理で行えばよい。アッシングの前後でのハードマスク膜42の残膜厚の減少はない。
ここで、ポリマーP内にエッチング生成物が混入していると、ポリマーPの除去が困難となり、残渣となる。この残渣は、後続の工程でウエット洗浄しても除去できず、腐食の原因となる。しかし、本実施形態では、揮発性の高いエッチング生成物が生じ得る膜のエッチングをフォトレジスト膜43の存在下で行い、揮発性の低いエッチング生成物が生じ得る膜のエッチングをフォトレジスト膜43が実質的に存在しない状態で行うことで、ポリマーP内にエッチング生成物が混入するおそれがなく、ポリマーPの除去が容易になり、残渣も残らない。
次に、図17に示すように、各層の端面に付着したポリマーPを除去する。ポリマーPの除去は例えばアッシング処理で行えばよい。アッシングの前後でのハードマスク膜42の残膜厚の減少はない。
ここで、ポリマーP内にエッチング生成物が混入していると、ポリマーPの除去が困難となり、残渣となる。この残渣は、後続の工程でウエット洗浄しても除去できず、腐食の原因となる。しかし、本実施形態では、揮発性の高いエッチング生成物が生じ得る膜のエッチングをフォトレジスト膜43の存在下で行い、揮発性の低いエッチング生成物が生じ得る膜のエッチングをフォトレジスト膜43が実質的に存在しない状態で行うことで、ポリマーP内にエッチング生成物が混入するおそれがなく、ポリマーPの除去が容易になり、残渣も残らない。
この後、更に製造を続けて行うことで、セルトランジスタおよびセルキャパシタを有するメモリセルを複数備える半導体装置が製造される。
以上説明したように、本実施形態の半導体装置の製造方法によれば、第1のエッチングを、フォトレジスト膜43の存在下で行うので、この第1のエッチングの主たる被加工膜である金属層32及び埋込下地層31の各端面32a、31aには、フォトレジスト膜43の分解に伴って生成するポリマーPが付着し、金属層32及び埋込下地層31のサイドエッチをポリマーによって抑制しつつエッチングを進めることができる。
また、金属層32及び埋込下地層31のエッチング反応によってエッチング生成物が生じ、このエッチング生成物の生成とポリマーPの生成とが同時に進行するが、これらエッチング生成物は被エッチング面に残留しにくいので、ポリマーPに取り込まれることがなく、ポリマーPの除去工程においてポリマーPを容易に除去できる。
また、金属層32及び埋込下地層31のエッチング反応によってエッチング生成物が生じ、このエッチング生成物の生成とポリマーPの生成とが同時に進行するが、これらエッチング生成物は被エッチング面に残留しにくいので、ポリマーPに取り込まれることがなく、ポリマーPの除去工程においてポリマーPを容易に除去できる。
また、第2のエッチングを、フォトレジスト膜43が実質的に存在しない状態で行うので、第2のエッチングの主たる被加工膜である上部電極21の端面21aには、フォトレジスト膜の分解に伴って生成するポリマーPが付着しない。従って、第2のエッチングでは、エッチング生成物が揮発しにくい材質の膜を好適にエッチングできる。即ち、第2エッチングで主としてエッチングする上部電極21は、比較的揮発性の低いエッチング生成物を生成するが、第2のエッチングではポリマーPが生成しないので、ポリマーPに揮発性が低いエッチング生成物が取り込まれず、これにより、洗浄処理工程のポリマーPのアッシング除去においてポリマーPの除去が困難にならない。
また、第1エッチングの後に、フォトレジスト膜43を除去するか、または実質的に除去されるように形成するので、第2エッチング工程においてフォトレジスト膜の分解に伴うポリマーPが生じるおそれがない。
7…支持構造層、19…下部電極(第1電極)、20…誘電体膜、21…上部電極(第2電極、第2の膜)、21a…上部電極の被エッチング面(第2電極の被エッチング面)、22…セルキャパシタ、31…埋込下地層(半導体層、第1の膜)、31a…埋込下地層の被エッチング面、32…金属層(第1の膜)、32a…金属層の被エッチング面、42…ハードマスク膜、43…フォトレジスト膜、44…マスク層。
Claims (11)
- ハードマスク膜と前記ハードマスク膜上に積層されたフォトレジスト膜とを含むマスク層を被加工膜上に選択的に形成し、前記マスク層をマスクとして前記被加工膜に対し第1のエッチングを行い、前記マスク層に前記フォトレジスト膜が実質的に存在しない状態で前記ハードマスク膜をマスクとして前記被加工膜に対し第2のエッチングをさらに行うことを特徴とする半導体装置の製造方法。
- 前記第1のエッチングが完了した時点で前記マスク層内に残存する前記フォトレジスト膜を除去し、その後、前記第2の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1のエッチングが完了した時点で前記マスク層内の前記フォトレジスト層が実質的に除去されるように前記フォトレジスト膜が形成されてい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。
- 前記被加工膜は、複数の膜が積層された多層構造膜であることを特徴とする請求項1乃至3の何れか一項に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記多層構造の被加工膜は、前記フォトレジスト膜のエッチングに伴うエッチング生成物がエッチング面に残留しやすい第1の膜と、この第1の膜上に形成され前記エッチング生成物がエッチング面に残留しにくい第2の膜とを有する請求項4に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記第1の膜は、タングステンおよびポリシリコンの少なくとも一方またはそれらの積層を含み、前記第2の膜は、窒化チタンを含む請求項5に記載の半導体装置の製造方法。
- セルトランジスタおよびセルキャパシタを有するメモリセルを複数備える半導体装置の製造方法であって、
第1電極、誘電体膜及び第2電極が積層されてなるセルキャパシタと、前記セルキャパシタを埋める半導体層と、前記半導体層上に積層され前記半導体層と共に容量プレート層を構成する金属層とを順次形成した後、
ハードマスク膜及びフォトレジスト膜が順次積層されてなるマスク層を前記金属層上に選択的に形成する工程と、
前記マスク層をマスクにして前記金属層及び前記半導体層をエッチングする第1エッチング工程と、
前記フォトレジスト膜が実質的に存在しない状態で、前記ハードマスク膜をマスクにして前記第2電極をエッチングする第2エッチング工程と、を具備してなることを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 前記第1エッチング工程が完了した時点で前記マスク層内に残存する前記フォトレジスト膜を除去し、その後、前記第2エッチング工程を行うことを特徴とする請求項7に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記第1エッチング工程が完了した時点で前記マスク層内の前記フォトレジスト膜が実質的に除去されるように前記フォトレジスト膜が形成されていることを特徴とする請求項7に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記第2電極は、エッチングされたことにより生成するエッチング生成物が被エッチング面に残留しやすい材質で構成し、
前記金属層及び前記半導体層は、エッチングされたことにより生成するエッチング生成物が前記第2電極に比べてそれぞれの被エッチング面に残留しにくい材質で構成することを特徴とする請求項7乃至請求項9の何れか一項に記載の半導体装置の製造方法。 - 前記第2電極を窒化チタンで構成し、前記金属層をタングステンで構成し、前記半導体層をポリシリコンで構成することを特徴とする請求項7乃至請求項10の何れか一項に記載の半導体装置の製造方法。
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