JP2019145714A - パターン形成方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】金属化によりエッチング耐性の高いマスクを形成することができるパターン形成方法を提供する。【解決手段】本実施形態によるパターン形成方法は、被加工材料の上方に第1膜を形成する。次に、第1膜を被加工材料のパターンに加工する。次に、第1膜および被加工材料上に第2膜を設ける。次に、第2膜に金属材料または半導体材料を含む前駆体を供給して、第2膜と前駆体とを選択的に反応させて金属材料または半導体材料を第2膜に含浸させる。次に、第1膜を除去し、金属材料または半導体材料を含浸させた第2膜をマスクとして用いて被加工材料を加工する。【選択図】 図3
Description
本実施形態は、パターン形成方法に関する。
半導体装置の製造プロセスにおいて、被加工材料をアスペクト比の高いパターンに加工するために、リソグラフィ工程のマスクとしてSOC(Spin-On-Carbon)膜またはCVD−C(Chemical Vapor Deposition-Carbon)等のCVD成膜による緻密度の高い材料が用いられることがある。このようなマスクのエッチング耐性をさらに向上させ、被加工材料のアスペクト比をさらに高めるためには、マスクを金属化することが考えられる。
しかし、樹脂からなるレジストと比較して、SOCまたはCVD−C等の緻密度が高い材料からなる膜は、金属を含浸させ難く、金属化することが困難である。
しかし、樹脂からなるレジストと比較して、SOCまたはCVD−C等の緻密度が高い材料からなる膜は、金属を含浸させ難く、金属化することが困難である。
金属化によりエッチング耐性の高いマスクを形成することができるパターン形成方法を提供する。
本実施形態によるパターン形成方法は、被加工材料の上方に第1膜を形成する。次に、第1膜を被加工材料のパターンに加工する。次に、第1膜および被加工材料上に第2膜を設ける。次に、第2膜に金属材料または半導体材料を含む前駆体を供給して、第2膜と前駆体とを選択的に反応させて金属材料または半導体材料を第2膜に含浸させる。次に、第1膜を除去し、金属材料または半導体材料を含浸させた第2膜をマスクとして用いて被加工材料を加工する。
以下、図面を参照して本発明に係る実施形態を説明する。本実施形態は、本発明を限定するものではない。以下の実施形態において、半導体基板の上下方向は、半導体素子が設けられる面を上とした場合の相対方向を示し、重力加速度に従った上下方向と異なる場合がある。図面は模式的または概念的なものであり、各部分の比率などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。明細書と図面において、既出の図面に関して前述したものと同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は適宜省略する。
(第1実施形態)
図1(A)〜図6(B)は、第1実施形態による半導体装置1の製造方法の一例を示す断面図である。半導体装置1は、例えば、NAND型EEPROM(Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory)でよい。NAND型EEPROMは、例えば、三次元構造を有する立体型メモリセルアレイと、該メモリセルアレイと同一基板上に設けられ該メモリセルアレイを制御する周辺回路とを備えている。周辺回路は、半導体基板上に設けられており、メモリセルアレイは、周辺回路の上方に設けられている。
図1(A)〜図6(B)は、第1実施形態による半導体装置1の製造方法の一例を示す断面図である。半導体装置1は、例えば、NAND型EEPROM(Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory)でよい。NAND型EEPROMは、例えば、三次元構造を有する立体型メモリセルアレイと、該メモリセルアレイと同一基板上に設けられ該メモリセルアレイを制御する周辺回路とを備えている。周辺回路は、半導体基板上に設けられており、メモリセルアレイは、周辺回路の上方に設けられている。
下記実施形態は、NAND型EEPROMのメモリホールを形成するために用いられている。しかし、これに限定されず、下記実施形態は、他の半導体装置に用いてもよい。
図1(A)〜図6(B)において、周辺回路は、半導体基板上にすでに形成されており、周辺回路の上方にメモリセルアレイが形成される工程を示している。
半導体基板上に周辺回路を形成した後、周辺回路上に層間絶縁膜10が形成される。次に、図1(A)に示すように、層間絶縁膜10上にシリコン酸化膜21とシリコン窒化膜22との積層膜20を形成する。シリコン窒化膜22は、後の工程においてタングステン等の導電性材料に置換される。この導電性材料は、ワード線(図6(B)のWL)として機能する。シリコン酸化膜21は、積層体20の積層方向(半導体基板の表面に対して垂直方向)に隣接するワード線間を絶縁するために設けられている。
積層体20は、被加工材料として後に加工される。例えば、積層体20には、メモリホール等のアスペクト比の高いパターンが後に形成される。
次に、図1(B)に示すように、積層体20上にアモルファス・シリコン層30を形成する。続いて、アモルファス・シリコン層30上に第1膜としての犠牲膜40を形成する。犠牲膜40には、高アスペクト比のパターンを形成するために、例えば、CVD−C膜またはSOC膜等のカーボン膜を用いている。次に、犠牲膜40上に反射防止膜50を形成する。反射防止膜50は、例えば、露光波長域に吸収帯をもつ置換基を含んだメタクリル樹脂等の有機材料である。次に、反射防止膜50上にレジスト膜60を塗布する。レジスト膜60の露光工程において、反射防止膜50は、犠牲膜40からの反射を抑制し、反射光によるレジスト膜60の過剰な感光を抑制する。
次に、リソグラフィ技術を用いて、図1(C)に示すようにレジスト膜60をパターンニングする。このとき、レジスト膜60は、被加工材料としての積層体20に転写すべきパターンの反転パターンにパターニングされる。リソグラフィ技術は、フォトリソグラフィ技術、NIL(Nano-Imprint Lithography)技術、DSA(Directed Self-Assembly)技術等のいずれでもよい。
尚、レジスト膜60は、積層体20の抜きパターンを有するようにパターニングされる。抜きパターンとは、積層体20のエッチング工程において除去される部分のパターンである。残しパターンとは、抜きパターンの反転パターンであり、積層体20のエッチング工程において残置される部分のパターンである。
次に、図2(A)に示すように、レジスト膜60をメタライズ処理して、金属含有レジスト膜61に改質させる。メタライズ処理には、例えば、トリメチルアルミニウム(TMA(Trimethyl Aluminum))などの有機アルミニウム化合物、AlCl3などのアルミニウムハロゲン化物、テトラキスジメチルアミノチタン(TDMAT (Tetrakis(dimethylamido)titanium))などの有機チタン化合物、TiCl4などのチタンハロゲン化合物などを前駆体として用いて、レジスト膜60にアルミニウムまたはチタンなどの金属原子を含浸させる。これにより、レジスト膜60は、ドライエッチングに対して比較的耐性を有する金属含有レジスト膜61になる。
次に、図2(B)に示すように、金属含有レジスト膜61をマスクとして用いて、反射防止膜50をドライエッチングで加工する。これにより、反射防止膜50にメモリホールのパターンが転写される。
次に、金属含有レジスト膜61および反射防止膜50をマスクとして用いて、犠牲膜40をドライエッチングで加工する。これにより、図2(C)に示すように、犠牲膜40にメモリホールのパターンが転写される。
尚、犠牲膜40も、積層体20の抜きパターン上に残置されるようにパターニングされる。積層体20の抜きパターンがホールパターンである場合、犠牲膜40は、円柱状に形成される。犠牲膜40は、CVD−CまたはSOC等のカーボン膜で形成されているので、細長い円柱状に形成され得る。
次に、図3(A)に示すように、犠牲膜40上の金属含有レジスト膜61および反射防止膜50を除去する。次に、図3(B)に示すように、アモルファス・シリコン層30および犠牲膜40上に第2膜としての樹脂膜70を塗布する。樹脂膜70は、犠牲膜40のパターンの間にも充填される。樹脂膜70は、CVD−C膜またはSOC膜等のカーボン膜からなる犠牲膜40よりも金属化し易い材料で構成されている。樹脂膜70は、金属材料を含む前駆体と錯体を形成しやすいカルボニル基、あるいは、ピリジン環などの非共有電子対を持つ置換基を含む樹脂であることが望ましい。樹脂膜70は、アクリル酸エステルまたはメタクリル酸エステル共重合体を主剤とする樹脂でよい。例えば、樹脂膜70には、カルボニル基を有するエステル骨格を持つメタクリル樹脂誘導体を用いることが望ましく、PMMA(ポリメチルメタクリレート)、PXMA(ポリキシロメチルメタクリレート)、PAcMA(ポリアセトニルメタクリレート)等を用いている。また、メタクリル樹脂を骨格とするレジスト材料も使用できる。
図7は、樹脂膜70をメタライズ処理した場合の金属含有率の一例を示すグラフである。樹脂膜70には、CVD−C膜、SOC膜、PMMA、PXMA樹脂またはArFレジストを用いている。樹脂膜70に含浸させる金属は、例えば、アルミニウムである。分析は、深さ方向のXPS測定によって行った。その結果、CVD−C膜およびSOC膜の表面近傍には、5〜10パーセントのアルミニウムが検出された。しかし、CVD−C膜およびSOC膜の膜中にはアルミニウムはほとんど検出されなかった。一方、PMMA、PXMA樹脂およびArFレジストは、膜中であっても10〜20atm%のアルミニウムが検出された。これは、PMMA、PXMA樹脂およびArFレジストは、CVD−C膜、SOC膜に比べて金属が含侵され易いことを意味する。
このようにメタライズされ易いPMMA、PXMA樹脂およびArFレジスト等のメタクリル樹脂を骨格とする材質からなる樹脂膜70に、金属材料を含む前駆体を供給する。前駆体には、例えば、アルミニウム、クロム、マンガン、モリブデン、タングステン、ジルコニウム、ハフニウム等の金属材料を含む有機金属化合物またはハロゲン化物などを用いている。例えば、有機金属化合物としては、TMA、ビス(シクロペンタジエニル)クロム(Cr(C2H5)2)、シクロペンタジエニルマンガントリカルボニル((C5H5)Mn(CO)3)、TDMAT、テトラキスエチルメチルアミノチタン(TEMAT)、チタンテトラターシャリブトキシド(Ti(OtBu)4)、テトラキスエチルメチルアミノジルコニウム(TEMAZ)、テトラジメチルアミノジルコニウム(TDMAZ)、ジルコニウムテトラターシャリブトキシド(Zr(OtBu)4)、テトラキスジメチルアミノハフニウム(TDMAH)、テトラキスエチルメチルアミノハフニウム(TEMAH)、テトラキスエチルメチルアミノハフニウム(TDEAH)、ハフニウムテトラターシャリブトキシド(Hf(OtBu)4)等を用いることができる。また、ハロゲン化物としては、AlCl3、MoF6、WF6、TiCl4、ZrCl4,HfCl4等を用いことができる。
次に、供給された前駆体は、樹脂膜70中に拡散し、膜中全体に分布する。次に、H2O、O3、O2プラズマ等の酸化プロセスを実施することで、前駆体が反応し、樹脂内に定着し、含侵プロセスが完了する。これにより、図3(C)に示すように、樹脂膜70が金属化される。樹脂膜70は、例えば、金属化されたPMMAまたはPXMAとなる。このとき、犠牲膜40はCVD−C膜またはSOC膜等の緻密なカーボン膜からなるので、犠牲膜40はほとんど金属化されず、樹脂膜70が選択的に金属化される。以下、金属化された樹脂膜70をハードマスク71と呼ぶ。ハードマスク71には、例えば、アルミニウム、クロム、マンガン、モリブデン、タングステン、ジルコニウム、ハフニウム等の金属材料が含浸されている。
尚、樹脂膜70に前駆体を供給するのと同時に、熱処理し、樹脂膜70に前駆体を反応させてもよい。これにより、半導体装置1の製造工程を短縮することができる。
次に、CMP(Chemical Mechanical Polishing)法を用いて、図4(A)に示すように犠牲膜40が露出されるまでハードマスク71を研磨する。また、図4(A)に示すように犠牲膜40を露出するためには、ハードマスク71をドライエッチング処理によってエッチバックしてもよい。このとき、ドライエッチングのガス種はメタル種に応じたエッチングガスを選択すればよい。あるいは、Arイオンなどによるイオンビームエッチングを用いて犠牲膜40をエッチバックしてもよい。
次に、RIE(Reactive Ion Etching)法を用いて、図4(B)に示すように、第2膜としてのハードマスク71を残置させたまま、第1膜としての犠牲膜40を選択的に除去する。犠牲膜40は、積層体20の抜きパターン上に設けられていたので、ハードマスク71は、抜きパターンの反転パターン、即ち、積層体20の残しパターンの上に残置される。従って、例えば、積層体20にメモリホールを形成する場合、ハードマスク71には、アスペクト比の高いホールパターンが形成され得る。ハードマスク71を積層体20のホールパターンに形成することによって、ハードマスク71は、積層体20のエッチング時のマスクとして用いることができる。
次に、図4(C)に示すように、ハードマスク71をマスクとして用いて、RIE(Reactive Ion Etching)法でアモルファス・シリコン層30を加工する。
次に、図5(A)に示すように、ハードマスク71をマスクとして用いて、RIE法で積層体20を加工する。このとき、ハードマスク71は、金属化された樹脂であり、シリコン酸化膜およびシリコン窒化膜から成る積層体20に比較して充分なエッチング耐性を有する。また、樹脂膜70はカーボン膜からなる犠牲膜40をもとにパターニングされている。従って、ハードマスク71も充分に厚く形成され、ハードマスク71のホールパターンは充分に高いアスペクト比を有することができる。これにより、ハードマスク71を用いて、厚い積層体20を加工することができる。また、積層体20には高アスペクト比を有するホールパターンを形成することができる。
また、積層体20に対するハードマスク71の加工選択比(エッチング耐性)が、積層体20に対する犠牲膜40の加工選択比(エッチング耐性)よりも高い。従って、ハードマスク71の高さを低くできるため、犠牲膜40の高さも低くできる。これは、犠牲膜40および樹脂膜70の成膜のスループットを向上させ、エッチング処理のスループットを向上させることに繋がる。
また、積層体20に対するハードマスク71の加工選択比(エッチング耐性)が、積層体20に対する犠牲膜40の加工選択比(エッチング耐性)よりも高い。従って、ハードマスク71の高さを低くできるため、犠牲膜40の高さも低くできる。これは、犠牲膜40および樹脂膜70の成膜のスループットを向上させ、エッチング処理のスループットを向上させることに繋がる。
次に、ハードマスク71を除去することによって、図5(B)に示す構造が得られる。さらに、アモルファス・シリコン層30を除去することによって、図5(C)に示すように、積層体20にメモリホールMHが形成される。
次に、図6(A)に示すように、メモリホールMH内に、ブロック膜110、電荷トラップ膜120、トンネル膜130、および、コア140をこの順に形成する。図6(A)および図6(B)は、1つのメモリホールMHおよびその周辺の断面図である。図6(A)および図6(B)を参照して、メモリホールMHの形成後の工程および構造を説明する。
ブロック膜110は、電荷トラップ膜120と図6(B)に示すワード線WLとの間に設けられ、電荷トラップ膜120に捕捉された電荷がワード線へリークしないように機能する。ブロック膜110には、例えば、シリコン酸化膜を用いている。
電荷トラップ膜120は、データ書込み時に、コア140のチャネル部からトンネル膜130を介して電荷(例えば、電子)を取り込み、その電荷を捕捉する。ワード線WLに対応した電荷トラップ膜120の部分に電荷を捕捉することによって、各メモリセルにデータを書き込むことができる。逆に、電荷トラップ膜120は、データ消去時に、トンネル膜130を介して電荷をチャネル部へ放出する。ワード線WLに対応した電荷トラップ膜120の部分の電荷を放出することによって、各メモリセルのデータを消去することができる。電荷トラップ膜120には、例えば、シリコン窒化膜を用いている。
トンネル膜130は、データ書込みおよびデータ消去時に、チャネル部と電荷トラップ膜120との間で電荷を通過させつつ、電荷トラップ膜120に捕捉された電荷がチャネル部へリークすることを抑制する。トンネル膜130には、例えば、シリコン酸化膜を用いている。
コア140は、例えば、角柱または円柱のピラー形状を有する。トンネル膜130、電荷トラップ膜120、ブロック膜110は、コア140の側面に設けられ、全体としてピラー構造となっている。コア140は、メモリセルのチャネル部として機能する。コア140には、例えば、ポリシリコンを用いている。
その後、積層体20にスリット(図示せず)が形成され、スリットを介してシリコン窒化膜22が除去される。図6(B)に示すように、シリコン窒化膜22に代えてタングステン等の金属が、積層体20の積層方向に隣接するシリコン酸化膜21間に形成される。これにより、タングステン等の金属からなるワード線WLが形成される。
その後、コア140に電気的に接続されるコンタクトプラグやビット線(図示せず)が形成され、NAND型EEPROMが完成する。
メモリセルは、ワード線WLと上記ピラー構造との交差部に対応して設けられている。従って、各ワード線WLに対応する電荷トラップ膜120の部分に電荷を捕捉することによって、ワード線WLに対応するメモリセルにデータを書き込むことができる。
以上のように、本実施形態によれば、CVD−C膜またはSOC膜等のカーボン膜からなる犠牲膜40を用いて積層体20の抜きパターンを形成し、金属化されたハードマスク71を用いて積層体20の残しパターン(犠牲膜40の反転パターン)を形成する。これにより、ハードマスク71は、メモリホールMHのようなアスペクト比の高いパターンを形成するために充分なエッチング耐性を有しかつ厚く形成され得る。その結果、積層体20にアスペクト比の高いメモリホールMHを形成することができる。
一方、CVD−C膜またはSOC膜等のカーボン膜はエッチング耐性において金属化されたハードマスク71に劣る。従って、もし、CVD−C膜またはSOC膜等のカーボン膜をマスクとして用いて積層体20をエッチングしようとすると、積層体20に形成されるメモリホールのアスペクト比は、本実施形態によって形成されたメモリホールMHのそれよりも低くなってしまう。また、CVD−C膜またはSOC膜等のカーボン膜は、前駆体により金属化することが困難であり、エッチング耐性を上げることが困難である。
これに対し、カーボン膜からなる犠牲膜40のパターンを用いて、樹脂膜70をその反対パターンに残す。その樹脂膜70を金属化することによって、カーボン膜よりもエッチング耐性の高い金属化されたハードマスク71を形成することができる。これにより、カーボン膜と同等のアスペクト比を有する微細パターンを、エッチング耐性の高いハードマスク71で形成することができる。その結果、被加工材料としての積層体20を、アスペクト比の高い微細パターンに加工することができる。
(変形例)
上記実施形態において、ハードマスク71は、樹脂を金属化することによって形成されている。しかし、ハードマスク71は、樹脂に半導体材料を含浸させることによって形成されてもよい。このように、半導体材料を含むハードマスク71であっても、カーボン膜からなる犠牲膜40よりもエッチング耐性を高くすることができる。この場合、前駆体には、例えば、シリコン、ゲルマニウム、亜鉛等の半導体材料を含む有機半導体化合物を用いればよい。本変形例のその他の工程は、上記実施形態の対応する工程と同様でよい。
上記実施形態において、ハードマスク71は、樹脂を金属化することによって形成されている。しかし、ハードマスク71は、樹脂に半導体材料を含浸させることによって形成されてもよい。このように、半導体材料を含むハードマスク71であっても、カーボン膜からなる犠牲膜40よりもエッチング耐性を高くすることができる。この場合、前駆体には、例えば、シリコン、ゲルマニウム、亜鉛等の半導体材料を含む有機半導体化合物を用いればよい。本変形例のその他の工程は、上記実施形態の対応する工程と同様でよい。
このように、半導体材料を含浸させたハードマスク71を用いても、本実施形態の効果は失われない。
上記実施形態および変形例は、積層体20にメモリホールMHを形成するために用いられている。しかし、上記実施形態および変形例による半導体装置1の製造方法は、他の材料に他のパターンを形成するために用いられてもよい。
(第2実施形態)
第1実施形態では、レジスト膜60をメタライズ処理して、メタル含有レジスト膜61に変質されている。これに対し、第2実施形態では、レジスト膜60をメタライズ処理せずに、そのまま用いている点で異なる。
第1実施形態では、レジスト膜60をメタライズ処理して、メタル含有レジスト膜61に変質されている。これに対し、第2実施形態では、レジスト膜60をメタライズ処理せずに、そのまま用いている点で異なる。
例えば、図1(A)〜図1(C)を参照して説明したように、アモルファス・シリコン層30、犠牲膜40、反射防止膜50およびレジスト膜60を積層体20上に形成する。反射防止膜50には、例えば、シリコン含有の誘電体膜(SiO2またはSiONなど)を用いる。反射防止膜50は、SOG(Spin on Glass)材料を塗布してベーク処理を行ってもよいし、CVD装置を用いて成膜してもよい。また、反射防止膜50とレジスト膜60の間に、有機材の反射防止膜を追加で設けてもよい。
次に、レジスト膜60をメタライズ処理することなくマスクとして用いて、ドライエッチング法で反射防止膜50を加工する。これにより、レジスト膜60のパターンを反射防止膜50に転写する。
次に、レジスト膜60および反射防止膜50をマスクとして用いて、ドライエッチング法で犠牲膜40をエッチング加工する。
その後、図3(A)〜図5(C)を参照して説明したように、犠牲膜40を用いてハードマスク71を形成し、ハードマスク71をマスクとして用いて、アモルファス・シリコン層30および積層体20を加工する。このように、レジスト膜60は、メタライズ処理しなくても、本実施形態の効果は失われない。
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。
10 層間絶縁膜、20 積層膜、21 シリコン酸化膜、22 シリコン窒化膜、30 アモルファス・シリコン層、40 犠牲膜、50 反射防止膜、60 レジスト膜、61 メタライズドレジスト膜、70 樹脂膜、71 ハードマスク、110 ブロック膜、120 電荷トラップ膜、130 トンネル膜、140 コア
Claims (6)
- 被加工材料の上方に第1膜を形成し、
前記第1膜を前記被加工材料のパターンに加工し、
前記第1膜および前記被加工材料上に第2膜を設け、
前記第2膜に金属材料または半導体材料を含む前駆体を供給して、前記第2膜と前記前駆体とを選択的に反応させて前記金属材料または前記半導体材料を前記第2膜に含浸させ、
前記第1膜を除去し、
前記金属材料または前記半導体材料を含浸させた前記第2膜をマスクとして用いて前記被加工材料を加工する、ことを具備するパターン形成方法。 - 前記第1膜は、SOC(Spin-On-Carbon)またはCVD−C(Chemical Vapor Deposition-Carbon)からなる、炭素を主成分とする膜であり、
前記第2膜は、樹脂膜である、請求項1に記載のパターン形成方法。 - 前記第2膜は、アクリル酸エステルまたはメタクリル酸エステル共重合体を主成分とする樹脂である、請求項1または請求項2に記載のパターン形成方法。
- 前記金属材料または前記半導体材料を前記第2膜に含浸させるときに、前記第2膜に前記前駆体を供給し、同時に熱処理し、前記第2膜と前記前駆体とを反応させる、請求項1から請求項3のいずれか一項に記載のパターン形成方法。
- 前記前駆体は、アルミニウム、クロム、マンガン、モリブデン、タングステン、チタン、ジルコニウム、ハフニウムのいずれかの前駆体である、請求項1から請求項4のいずれか一項に記載のパターン形成方法。
- 前記第2膜は、前記第1膜よりも前記前駆体により金属化し易い材料で形成されている、請求項1から請求項5のいずれか一項に記載のパターン形成方法。
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