JP2020150225A - 半導体装置の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】基板上にマスク層として金属層を形成する場合の基板の反り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。【解決手段】一の実施形態によれば、半導体装置の製造方法は、基板上に第1膜を形成することを含む。さらに、前記方法は、前記第1膜上に、タングステン化合物で形成され、1.0×1020atoms/cm3以上の濃度の不純物原子を含む第2膜を形成することを含む。さらに、前記方法は、前記第2膜をエッチングマスクとして用いて前記第1膜をエッチングすることを含む。【選択図】図1
Description
本発明の実施形態は、半導体装置の製造方法に関する。
ウェハ上にエッチング用のハードマスク層として金属層を形成する場合、金属層によりウェハが反ることが問題となる。
基板上にマスク層として金属層を形成する場合の基板の反り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。
一の実施形態によれば、半導体装置の製造方法は、基板上に第1膜を形成することを含む。さらに、前記方法は、前記第1膜上に、タングステン化合物で形成され、1.0×1020atoms/cm3以上の濃度の不純物原子を含む第2膜を形成することを含む。さらに、前記方法は、前記第2膜をエッチングマスクとして用いて前記第1膜をエッチングすることを含む。
以下、本発明の実施形態を、図面を参照して説明する。
(第1実施形態)
図1および図2は、第1実施形態の半導体装置の製造方法を示す断面図である。本実施形態の半導体装置は、例えば3次元積層型メモリである。
図1および図2は、第1実施形態の半導体装置の製造方法を示す断面図である。本実施形態の半導体装置は、例えば3次元積層型メモリである。
まず、基板(ウェハ)1上に下部層2を形成し、下部層2上に、複数の絶縁層3と複数の犠牲層4とを交互に含む積層膜を形成する(図1(a))。次に、この積層膜上に上部層5を形成し、上部層5上にハードマスク層6を形成する(図1(a))。下部層2、複数の絶縁層3、複数の犠牲層4、および上部層5は第1膜の例であり、ハードマスク層6は第2膜の例である。また、各絶縁層3は、第1膜を構成する第1層の例であり、各犠牲層4は、第1膜を構成する第2層の例である。
基板1は例えば、シリコン(Si)基板などの半導体基板である。図1(a)は、基板1の表面に平行で互いに垂直なX方向およびY方向と、基板1の表面に垂直なZ方向とを示している。本明細書では、+Z方向を上方向として取り扱い、−Z方向を下方向として取り扱う。−Z方向は、重力方向と一致していてもよいし、重力方向と一致していなくてもよい。
下部層2は例えば、シリコン酸化膜(SiO2)やシリコン窒化膜(SiN)などの絶縁膜や、絶縁膜間に形成された導電層を含む。絶縁層3は例えばシリコン酸化膜であり、犠牲層4は例えばシリコン窒化膜である。上部層5は例えば、シリコン酸化膜やシリコン窒化膜などの絶縁膜や、絶縁膜間に形成された導電層を含む。
ハードマスク層6は例えば、タングステン化合物で形成されており、かつその他の不純物原子を含んでいる。タングステン化合物の例は、WB合金、WC合金、WBC合金などである(Wはタングステン、Bはボロン、Cは炭素を表す)。不純物原子の例は、F(フッ素)原子やCl(塩素)原子などのハロゲン原子である。
本実施形態のハードマスク層6は例えば、不純物原子としてF原子を含むWBC膜である。例えば、WF6ガス、B2H6ガス、C3H6ガス、およびH2ガス(Hは水素を表す)を用いたプラズマCVD(Chemical Vapor Deposition)により、F原子を含む上記WBC膜をアモルファス膜として形成する。このプラズマCVDは例えば、CVD装置内で10Torr以下の圧力下にて行われる。このようにして、上部層5上にハードマスク層6が形成される。
本実施形態のハードマスク層6は、1.0×1020atoms/cm3以上の濃度の不純物原子を含むように形成される。これにより、ハードマスク層6が原因で基板1が反ることを抑制することが可能となる。よって、実施形態によれば、基板1の反りの発生を抑制しつつ、ハードマスク層6を厚膜化することが可能となる。ハードマスク層6の膜厚は例えば、1〜3μmである。ハードマスク層6中の不純物原子の濃度は、4.0×1020atoms/cm3以下とすることが望ましい。本実施形態では、ハードマスク層6として、1.0×1020atoms/cm3以上かつ4.0×1020atoms/cm3以下の濃度のF原子を含むWBC膜が形成される。ハードマスク層6のさらなる詳細については後述する。
次に、リソグラフィおよびエッチングにより、ハードマスク層6をエッチングマスクに加工する(図1(b))。その結果、3次元積層型メモリのメモリホールを形成するためのホールHがハードマスク層6に形成される(図1(b))。
次に、ハードマスク層6をエッチングマスクとして用いたエッチングにより、上部層5と、複数の絶縁層4と、複数の犠牲層3と、下部層2とを貫通するようにホールHを加工する(図1(c))。
次に、上部層5上のハードマスク層6を除去する(図2(a))。図2(a)に示すホールHは、3次元積層型メモリのメモリホールとして使用される。このホールHは、第1膜内の凹部の例である。
次に、ホールH内にブロック絶縁膜11と、電荷蓄積層12と、トンネル絶縁膜13とを順に形成する(図2(b))。次に、ホールHの底部からブロック絶縁膜11と、電荷蓄積層12と、トンネル絶縁膜13とを除去し、ホールH内にチャネル半導体層14と、コア絶縁膜15とを順に形成する(図2(b))。電荷蓄積層12は、例えばシリコン窒化膜である。チャネル半導体層14は、例えばポリシリコン層である。ブロック絶縁膜11、トンネル絶縁膜13、およびコア絶縁膜15は、例えばシリコン酸化膜や金属絶縁膜である。
次に、複数の犠牲層4を複数の電極層16に置き換える(図2(c))。この置き換えは、例えば次の手順で行われる。まず、ウェットエッチングにより犠牲層4を除去し、上述の積層膜内に複数の空洞を形成する。次に、これらの空洞内に電極層16を埋め込む。このようにして、犠牲層4が電極層16に置き換えられる。電極層16は例えば、タングステン層であり、3次元積層型メモリのワード線として機能する。
その後、基板1上に種々のプラグ層、配線層、層間絶縁膜などを形成する。このようにして、本実施形態の半導体装置が製造される。
このように、本実施形態のハードマスク層6は、3次元積層型メモリのメモリホールを加工するために使用される。この場合、メモリホールは深いことから、メモリホールの加工中にハードマスク層6がエッチングされて除去されてしまうおそれがある。そこで、本実施形態のハードマスク層6は、タングステン化合物で形成されており、かつ厚い膜厚を有している。
しかしながら、ハードマスク層6をタングステン化合物で形成し、かつハードマスク層6の膜厚を厚くすると、ハードマスク層6から基板1に大きな応力が作用し、基板1が反る可能性がある。そこで、本実施形態では、ハードマスク層6を、高濃度の不純物原子を含むタングステン化合物で形成する。これにより、ハードマスク層6から基板1に作用する応力を低減することが可能となり、ハードマスク層6が原因で基板1が反ることを抑制することが可能となる。以下、この理由の詳細を説明する。
図3は、第1実施形態の基板1の反りについて説明するための模式図である。
図3(a)は、低濃度のF原子を含むWBCの格子を模式的に示し、図3(b)は、高濃度のF原子を含むWBCの格子を模式的に示している。図3(b)に示す個々の円は、WBCの格子に入り込んだF原子を示している。
一般に、W(タングステン)中のF原子の濃度が高くなるほど、基板1上のWから基板1に作用する応力は増加する。一方、実験の結果、WBC中のF原子の濃度が高くなるほど、WBCから基板1に作用する応力は減少することが分かった。同様に、実験の結果、WBやWC中のF原子の濃度が高くなるほど、WBやWCから基板1に作用する応力は減少することが分かった。
この理由は、以下のように考えられる。不純物原子を含まないWBCは、基板1に対して引張応力を及ぼす。一方、WBCがF原子を含むと、F原子などのハロゲン原子のイオン半径が大きいことから、WBCの格子が膨らむ。これは、WBCからの応力を、引張応力側から圧縮応力側へと変化させる。よって、WBC中のF原子の濃度が高くなると、WBCから基板1に作用する引張応力が減少していく。これが、上述のような実験結果が得られた理由と考えられる。この現象の詳細については後述する。
図4は、第1実施形態の基板1の反りについて説明するためのグラフである。
図4のグラフは、ハードマスク層6が、F原子を含むWBC膜である場合の、F濃度と応力との関係を示している。横軸は、WBC膜中のF原子の濃度を示す。横軸は、WBC膜から基板1に作用する応力を示す。正の応力が引張応力に相当し、負の応力が圧縮応力に相当する。
曲線C1は、WBC膜をアニールする前の応力を示す。曲線C2は、WBC膜をアニールした後の応力を示す。図1(a)を参照して説明したように、本実施形態のWBC膜は、アモルファス膜として形成される。図4のグラフにおけるアニール温度は、550℃である。基板1の反りは、WBC膜のアニール前にもアニール後にも問題となるため、WBC膜の応力は、アニール前にもアニール後にも低いことが望ましい。
曲線C1から分かるように、アニール前のF濃度が1×1019atoms/cm3から1×1020atoms/cm3に増えると、応力は約1/2に減少する。よって、本実施形態では、F濃度を1.0×1020atoms/cm3以上に設定している。
さらに、曲線C1から分かるように、アニール前のF濃度が1×1020atoms/cm3から1×1021atoms/cm3に増える途中で、応力は正から負に転じる。そのため、F濃度が高くなり過ぎると、応力の大きさが増加してしまう。よって、本実施形態では、F濃度を4.0×1020atoms/cm3以下に設定することが望ましい。例えば、F濃度を1.5〜4.0×1020atoms/cm3の範囲内や、2.0〜4.0×1020atoms/cm3の範囲内で設定することが考えられる。
F原子は、どのような方法でWBC膜内に与えられてもよい。本実施形態では、上述のWF6ガスに由来するフッ素がWBC膜に入り込むことで、F原子を含むWBC膜が形成される。すなわち、本実施形態のF原子は、WBC膜を形成する際にWBC膜内にドーピングされる。
この場合、WBC膜中のF原子の濃度は、プラズマCVDの条件を調整することで制御可能である。本実施形態では、CVD装置内の圧力や、B2H6ガスの流量を調整することで、F濃度を制御する。一般にWBC膜を形成するときには、CVD装置内の圧力は16Torr程度に設定され、B2H6ガスの流量は100sccm程度に設定される。しかしながら、本実施形態のWBC膜を形成するときには例えば、CVD装置内の圧力を10Torr以下(例えば6Torr)の低圧に設定し、B2H6ガスの流量を100sccm未満(例えば90sccm)の低流量に設定する。これにより、1.0〜4.0×1020atoms/cm3というF濃度を有するWBC膜を形成することが可能となる。理由は、上記のような低圧および低流量によりWF6分子の分解が抑制され、WF6分子がWBC膜に入りやすくなるためであると考えらえる。
以上のように、本実施形態のハードマスク層6は、タングステン化合物で形成され、かつその他の不純物原子を含んでいる。よって、本実施形態によれば、基板1上にハードマスク層6として金属層を形成する場合の基板1の反りを抑制することが可能となる。
なお、本実施形態の半導体装置は3次元積層型メモリであるが、本実施形態のハードマスク層6は3次元積層型メモリ以外の半導体装置にも適用可能である。本実施形態のハードマスク層6は例えば、アスペクト比の高いホールや、深い溝を形成する場合に採用可能である。
さらに、ハードマスク層6内の不純物原子は、本実施形態ではF原子やCl原子などのハロゲン原子であるが、その他の原子でもよい。例えば、ハロゲンと同様にイオン半径が大きい原子を不純物原子として採用することが考えられる。
以上、いくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例としてのみ提示したものであり、発明の範囲を限定することを意図したものではない。本明細書で説明した新規な方法は、その他の様々な形態で実施することができる。また、本明細書で説明した方法の形態に対し、発明の要旨を逸脱しない範囲内で、種々の省略、置換、変更を行うことができる。添付の特許請求の範囲およびこれに均等な範囲は、発明の範囲や要旨に含まれるこのような形態や変形例を含むように意図されている。
1:基板、2:下部層、3:絶縁層、4:犠牲層、5:上部層、6:ハードマスク層、
11:ブロック絶縁膜、12:電荷蓄積層、13:トンネル絶縁膜、
14:チャネル半導体層、15:コア絶縁膜、16:電極層
11:ブロック絶縁膜、12:電荷蓄積層、13:トンネル絶縁膜、
14:チャネル半導体層、15:コア絶縁膜、16:電極層
Claims (5)
- 基板上に第1膜を形成し、
前記第1膜上に、タングステン化合物で形成され、1.0×1020atoms/cm3以上の濃度の不純物原子を含む第2膜を形成し、
前記第2膜をエッチングマスクとして用いて前記第1膜をエッチングする、
ことを含む半導体装置の製造方法。 - 前記タングステン化合物は、タングステンと、少なくともボロンおよび炭素のいずれかとを含む、請求項1に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記第2膜は、タングステン原子と前記ハロゲン原子とを含むガスにより形成される、請求項1または2に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記第2膜は、1.0×1020atoms/cm3以上かつ4.0×1020atoms/cm3以下の濃度の前記不純物原子を含む、請求項1から3のいずれか1項に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記不純物原子は、ハロゲン原子である、請求項1から4のいずれか1項に記載の半導体装置の製造方法。
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