JP3460436B2 - 半導体装置の製造方法 - Google Patents

半導体装置の製造方法

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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は半導体装置の製造方
法に関し、さらに詳しくは、微細かつ厳密な寸法制御性
が求められるエッチング工程を有する半導体装置の製造
方法に関する。
【0002】
【従来の技術】LSI等の半導体装置の高集積化が進展
するに伴い、内部配線や電極等の微細化が進展してい
る。MOSトランジスタのゲート電極等に適用される最
小デザインルールは、DRAM(Dynamic Random Accses
s Memory) を例にとると、16MDRAMで0.5μ
m、64MDRAMで0.35μmそして次世代の25
6MDRAMで0.25μmとされている。かかる微細
幅のゲート電極エッチングにおいては、下地のゲート絶
縁膜の薄膜化に伴って高選択比が要求されるとともに、
パターン幅の厳密な寸法制御が求められる。n+ Pol
y−Si/WSi2 等の高融点金属ポリサイド層をレジ
ストマスクを用いてエッチングするゲート電極加工にお
いては、Cl系ガスやBr系ガスを用いるガスケミスト
リの進歩により、極めて薄い例えば4nm程度のゲート
酸化膜に対する高選択比、および寸法変換差(ΔCD、
パターンシフト)〜0.02μmすなわち20nm程度
の制御性が得られる段階にすでに達している。
【0003】今後さらに高集積化が進むと、コンタクト
ホール加工におけるマスク合わせを不要とするセルフア
ラインコンタクト構造が採用されるものと考えられる。
このセルフアラインコンタクト構造の製造工程の一例
を、図3および図4を参照して説明する。まず図3
(a)に示すように、半導体基板1上にゲート絶縁膜
2、多結晶シリコン膜3、高抵抗金属シリサイド膜4、
オフセット絶縁膜5および複数のレジストマスク6を隣
接して形成する。複数のレジストマスク6間のスペース
は、後工程において半導体基板1の不純物拡散層(図示
せず)に臨むセルフアラインコンタクトが形成される部
分である。つぎに図3(b)に示すようにレジストマス
ク6をエッチングマスクとしてオフセット絶縁膜5をパ
ターニングし、レジストマスク6を剥離する。この状態
を図3(c)に示す。この後図3(d)に示すようにオ
フセット絶縁膜5パターンをエッチングマスクとして、
高融点金属シリサイド膜5と多結晶シリコン膜4をエッ
チングし、高融点金属ポリサイド膜からなる複数のゲー
ト電極を隣接して形成する。
【0004】つぎに図4(e)に示すようにサイドウォ
ール形成膜7を全面に形成し、これを異方的にエッチバ
ックして、図4(f)に示すように複数のゲート電極の
側面にサイドウォールスペーサ7aを残す。この後図4
(g)に示すように層間絶縁膜8を全面に形成しセルフ
アラインコンタクトホール開口用レジストマスク9をパ
ターニングする。セルフアラインコンタクトホール開口
用レジストマスク9のパターニング露光時の位置合わせ
には、厳密性は要求されない。つづけてセルフアライン
コンタクトホール開口用レジストマスク9をエッチング
マスクとして層間絶縁膜8をエッチングし、セルフアラ
インコンタクトホール10を開口する。セルフアライン
コンタクトホール開口用レジストマスク9を剥離した状
態を図4(h)に示す。この後、図示はしないがセルフ
アラインコンタクトホール10内にコンタクトプラグ
や、層間絶縁膜8上にも延在する上層配線を形成し、セ
ルフアラインコンタクト構造を完成する。
【0005】このように、セルフアラインコンタクトホ
ール10底部のコンタクト面は、サイドウォールスペー
サ7aにより自己整合的に規制された幅と位置を有し、
リソグラフィの解像限界以下の微小開口幅とすることも
可能である。またオフセット絶縁膜5は、ゲート電極と
コンタクトプラグあるいは上層配線との絶縁耐圧を向上
するために必要である一方、ゲート電極加工時のエッチ
ングマスク機能としての重要な役割を果たしている。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】さて、オフセット絶縁
膜をエッチングマスクとするゲート電極加工における寸
法変換差は、 1.レジストマスクのパターニング 2.オフセット絶縁膜のパターニング 3.ゲート電極のパターニング の3つのファクタの総和となって現れる。ここで1およ
び3の寸法変換差については、従来のレジストマスクを
エッチングマスクとするゲート電極加工においても同様
のファクタであるが、これに新たに2のファクタが加わ
ることにより、寸法変換差のばらつきはさらに大きくな
る。
【0007】オフセット絶縁膜に用いられるSiO2
酸化シリコン系材料層のプラズマエッチングは、強固な
Si−O結合(結合エネルギ705kJ/mol)を切
断するためにある程度以上のイオン入射エネルギが必要
とされる。一方下地のシリコンや高融点金属シリサイド
等とのエッチング選択比を得るために、過剰気味のフッ
化炭素系ポリマを生成するプラズマエッチング条件が採
用される。したがって、ゲート電極・配線のようなライ
ン状のパターン加工においては、レジストマスクやライ
ン状パターン側壁に過剰なフッ化炭素系ポリマが堆積
し、ライン状パターン幅が太る形で発生する被エッチン
グ材料層パターンの寸法変換差は、最大0.1μmにも
達する場合がある。さらにこの寸法変換差の絶対値およ
びばらつきは、オフセット絶縁膜加工に用いるレジスト
マスクの形状にも大きく依存して変化することが発明者
らの検討により明らかとなってきた。
【0008】このオフセット絶縁膜エッチング時の寸法
変換差の問題を図5(a)〜(d)を参照して説明す
る。まず図5(a)に示すように半導体基板1上にゲー
ト絶縁膜2、多結晶シリコン膜3、高融点金属シリサイ
ド膜4、オフセット絶縁膜5およびレジストマスク6を
順次形成し、これを被エッチング基板とする。レジスト
マスク6の側壁面とオフセット絶縁膜5表面がなす角度
θは通常90°に設定され、図5(a)では説明の簡単
のためにレジストマスク6は1個のみを示してある。つ
ぎに過剰のフッ化炭素系ポリマが発生する高選択比プラ
ズマエッチング条件により、オフセット絶縁膜をパター
ニングすると、図5(b)に示すようにレジストマスク
6および加工されつつあるオフセット絶縁膜5パターン
側壁には側壁堆積ポリマ11が付着しつつパターニング
が進行する。このため、完成したオフセット絶縁膜5パ
ターンの底辺幅は、レジストマスク6の幅より大きくな
る。レジストマスク6と側壁堆積ポリマを剥離した状態
が図5(c)である。つぎにこのオフセット絶縁膜5パ
ターンをエッチングマスクとして、高融点金属シリサイ
ド膜4および多結晶シリコン膜3をエッチングしてゲー
ト電極を完成する。図5(d)に示すこの状態から明ら
かなように、オフセット絶縁膜5パターンの形状はゲー
ト電極加工時にはほとんど変化しないので、ゲート電極
の幅はレジストマスク6の幅より拡がって正の寸法変換
差が発生することとなる。
【0009】本発明は上述したオフセット絶縁膜のよう
な微細幅の被エッチング材料層のパターニングにおける
寸法変換差を低減し、高集積度の半導体装置の高精度の
製造方法を提供することをその目的とする。
【0010】
【課題を解決するための手段】本発明の半導体装置の製
造方法は、上述の課題を解決するために提案するもので
あり、被エッチング材料層上に形成されたレジストマス
クをエッチングマスクとし、フッ化炭素系ガスを含むエ
ッチングガスにより、この被エッチング材料層をエッチ
ングする工程を有する半導体装置の製造方法において、
被エッチング材料層表面と、レジストマスクの内側から
前記レジストマスクの側壁面とが挟んでなす角度θは、
エッチングにより、レジストマスクの線幅が後退する角
度を超えるものであるとともに、このエッチングによ
り、レジストマスクの側壁にフッ化炭素系ポリマが堆積
する角度未満であることを特徴とする。
【0011】本発明で対象とする被エッチング材料層
は、SiO2 、Si3 4 、SiON、SiOFおよび
有機高分子のうちのいずれかすくなくとも一種である際
に好適に実施することができる。また本発明が対象とす
る被エッチング材料層の機能としては、ゲート電極上に
形成するオフセット絶縁膜である場合に好適に実施する
ことができる。
【0012】つぎに作用の説明に移る。フッ化炭素系ガ
スを用いたプラズマエッチングにおいて、レジストマス
クや被エッチング材料層パターンの側壁に付着するフッ
化炭素系ポリマの量は、レジストマスクの形状が一定の
場合には、次の3種のプラズマエッチング条件によりほ
ぼ決定される。 (1)フッ化炭素系ガスによるプラズマからのポリマ入
射量(プラズマ中の炭素とフッ素の比、C/F比) (2)被エッチング基板表面でのポリマの付着確率(被
エッチング基板温度等) (3)被エッチング基板表面でのポリマのスパッタリン
グ除去率(入射イオンエネルギ) これらのプラズマエッチング条件を一定とした上で、レ
ジストマスクの形状、すなわち被エッチング材料層表面
とレジストマスクの内側から前記レジストマスクの側壁
面とが挟んでなす角度θと、側壁堆積ポリマの付着量お
よび寸法変換差ΔCDの関係について、本発明者は鋭意
検討を加えた結果、両者にはある相関関係があることを
見出した。この関係を図2のグラフに示す。図2のグラ
フは、横軸にレジストマスクの角度θを、縦軸には寸法
変換差ΔCDをとってある。
【0013】このグラフから明らかなように、角度θが
小さい場合、すなわち順テーパ形状のレジストマスク6
の場合には、レジストマスク6の側壁は直接イオン入射
に曝されるので、この部分でのスパッタリング除去速度
が(1)〜(3)で決定されるフッ化炭素系ポリマの付
着速度を上回り、側壁堆積ポリマ11は付着せず、むし
ろレジストマスク6側壁がスパッタリングされてその幅
が後退し、結果として被エッチング材料層であるオフセ
ット絶縁膜5には負の寸法変換差が発生する。この条件
図2のグラフの左側、すなわち角度θがa点以下の角
度の場合に相当する。一方、角度θが大きい場合にはこ
の逆で、レジストマスク6の側壁が直接イオン入射に曝
される確率は小さく、この部分でのスパッタリング除去
速度が(1)〜(3)で決定されるフッ化炭素系ポリマ
の付着速度を下回る。このため側壁堆積ポリマ11がこ
の部分に付着して、レジストマスク6はその線幅が太
り、結果として被エッチング材料層であるオフセット絶
縁膜5には正の寸法変換差が発生する。この条件は図2
のグラフの右側、すなわち角度θがb点で示される角度
以上の場合に相当する。
【0014】図2に示すグラフにおいて、a点とb点の
間にはレジストマスク6の線幅が後退せず、フッ化炭素
系ポリマの過剰堆積が発生しない領域がある幅を持って
存在する。この領域は角度θは90°以下、すなわち弱
い順テーパ形状の領域に存在する。したがってこの領域
の角度θにレジストマスク6を設計すれば、寸法変換差
ΔCDを小さくしかも安定に制御することができる。レ
ジストマスクの角度θの最適範囲はa点とb点との間に
ある幅を持って存在するので、その制御は容易である。
レジストマスクの側壁角度θの制御は、露光量、PEB
(Post ExposureBake)の条件或いは化学増幅レジストで
あれば光酸発生剤PAG(Photo Acid Generator)の添加
量等、任意の方法で可能である。
【0015】
【実施例】以下、本発明の具体的実施例につき図1を参
照しながら説明する。以下の実施例はいずれもポリサイ
ドゲート電極・配線上のオフセット絶縁膜加工に本発明
を適用した例である。なお従来例の説明に供した図5中
と同様の構成要素部分には同一の参照符号を付すものと
する。
【0016】実施例1 本実施例は、フッ化炭素系ポリマの堆積量が比較的多い
高選択比条件でのオフセット絶縁膜加工を施した例であ
る。被エッチング基板として図1(a)に示すように、
シリコン等の半導体基板1上にSiO2 からなるゲート
絶縁膜2、多結晶シリコン膜3およびWSi2 からなる
高融点金属シリサイド膜4、オフセット絶縁膜5および
レジストマスク6が順次形成されたものである。このう
ち多結晶シリコン膜3および高融点金属シリサイド膜4
の厚さは一例としていずれも100nm、オフセット絶
縁膜5の厚さは230nm、レジストマスク6はポジ型
の化学増幅レジストとエキシマレーザリソグラフィによ
り線幅250nm、側壁角度θ=85°に形成した。
【0017】この被エッチング基板を平行平板型マグネ
トロンRIE装置のカソード電極上に載置し、一例とし
て下記プラズマエッチング条件によりレジストマスク6
から露出するオフセット絶縁膜5をパターニングした。 C4 8 10 sccm O2 10 sccm Ar 100 sccm ガス圧力 0.5 Pa RF電源パワー 1000 W(13.56M
Hz) 被エッチング基板温度 20 ℃ 本プラズマエッチング条件はプラズマ中のC/F比が大
きく、比較的堆積性が大きく選択比がとれる一方で、線
幅は太り易い。したがって図2のグラフでのa点は82
°、b点は87°であり、この間に5°の幅がある。本
実施例では角度θを85°に設定することにより、レジ
ストマスク6やパターニングされつつあるオフセット絶
縁膜5パターンの側面にフッ化炭素系ポリマが付着する
ことなく、またレジストマスク6が後退することなく、
オフセット絶縁膜5パターンの寸法変換差ΔCDを+2
0nm以内に抑えることができた。オフセット絶縁膜パ
ターンの側面の角度θoは88°であった。オフセット
絶縁膜5のパターニング終了後の被エッチング基板を図
1(b)に示す。
【0018】この後レジストマスク6を剥離して図1
(c)の状態とした被エッチング基板を、基板バイアス
印加型ECRプラズマエッチング装置の基板ステージ上
に載置し、オフセット絶縁膜5パターンをエッチングマ
スクとして、高融点金属ポリサイド膜を連続してパター
ニングする。エッチングは一例として下記条件によっ
た。 Cl2 75 sccm O2 6 sccm ガス圧力 0.4 Pa マイクロ波パワー 850 W(2.45GHz) 基板バイアスパワー メインエッチング時 80 W(13.56MHz) オーバーエッチング時 40 W(13.56MHz) 被エッチング基板温度 20 ℃ 本プラズマエッチング工程は、エッチングマスクである
オフセット絶縁膜パターンの側面が88°であるので、
ポリサイドゲート電極・配線にも顕著な寸法変換差が発
生せず、初期のレジストマスク6幅とほぼ同一幅の加工
ができた。
【0019】以下のサイドウォールスペーサ形成工程、
セルフアラインコンタクト開口工程およびコンタクトプ
ラグ形成工程等は従来技術と同様であるので重複する説
明は省略する。本実施例によれば、フッ化炭素系ポリマ
の堆積性が強い高選択比エッチング条件を採用しても、
正の寸法変換差が発生することなく微細ゲート電極・配
線加工を施すことが可能である。
【0020】実施例2 本実施例は、フッ化炭素系ポリマの堆積量が比較的少な
い高エッチングレートド条件でのオフセット絶縁膜加工
を施した例である。本実施例で採用した図1(a)に示
す被エッチング基板は前実施例1とほぼ同様であるので
重複する説明は省略する。本実施例においては、レジス
トマスク6はポジ型の化学増幅レジストとエキシマレー
ザリソグラフィにより、線幅250nm、側壁角度θ=
87°に形成した。
【0021】この被エッチング基板を平行平板型マグネ
トロンRIE装置のカソード電極上に載置し、一例とし
て下記プラズマエッチング条件によりレジストマスク6
から露出するオフセット絶縁膜5をパターニングした。 CHF3 30 sccm Ar 100 sccm ガス圧力 0.5 Pa RF電源パワー 1000 W(13.56MHz) 被エッチング基板温度 20 ℃ 本プラズマエッチング条件はプラズマ中のC/F比が小
さいので、堆積性が少なくエッチングレートは大きい一
方で、線幅は比較的細り易い。したがって図4のグラフ
でのa点およびb点は大角度側にシフトし、a点は85
°、b点は89°付近となり、この間に4°の幅があ
る。本実施例では角度θを87°に設定することによ
り、レジストマスク6が後退することなく、またレジス
トマスク6やパターニングされつつあるオフセット絶縁
膜パターンの側面にフッ化炭素系ポリマが付着すること
なく、オフセット絶縁膜5パターンの寸法変換差ΔCD
を0〜−20nmの範囲に抑えることができた。オフセ
ット絶縁膜パターンの側面の角度θO は88°であっ
た。オフセット絶縁膜5のパターニング終了後の被エッ
チング基板を図1(b)に示す。本プラズマエッチング
条件はまた、比較的選択比の小さなエッチング条件であ
り、下地の高融点金属シリサイド膜4との選択比をとり
難い。しかしオフセット絶縁膜加工においては後工程で
高融点金属シリサイド膜4をエッチングするので、選択
比は特に問題とはならない。
【0022】この後のレジストマスク6の剥離工程以
後、コンタクトプラグの形成工程までは前実施例1と同
様であり、重複する説明は省略する。本実施例によれ
ば、フッ化炭素系ポリマの堆積性が少ない高エッチング
レート条件を採用しても、負の寸法変換差が発生するこ
となく、微細ゲート電極・配線加工を施すことが可能で
ある。
【0023】以上、本発明を2種の実施例により説明し
たが、本発明はこれら実施例に何ら限定されるものでは
ない。
【0024】例えば被エッチング材料層としてSiO2
を例示したが、他にSi3 4 、SiON、SiOFお
よび有機高分子等の材料層を用いることができる。特に
SiOFや有機高分子等は比誘電率が小さいので、セル
フアラインコンタクト構造のオフセット絶縁膜に採用し
ても配線間容量の低減に有利である。有機高分子材料と
してはシロキサン結合を含む有機SOG、ポリイミド、
ポリパラキシリレン(商品名パリレン)、ポリナフタレ
ンや、さらにフッ素を含む高分子材料がある。低誘電率
材料層は、単独でオフセット絶縁膜としてもよく、Si
2 等の無機絶縁膜と積層して用いてもよい。
【0025】フッ化炭素系ガスとしてC4 8 およびC
HF3 を例示したが、CF4 、C26 、C3 6 ある
いはCH2 2 等を用いることができる。ただし各フッ
化炭素系ガスによりプラズマ中のC/F比が異なるの
で、図2のグラフ中のa点とb点は変動する。これはエ
ッチングガス中にH2 やCO等のフッ素化学種捕捉ガス
を混合した場合も同様である。したがって、各種エッチ
ングガス、エッチング条件ごとに予めa点とb点の値を
調べておくことが望ましい。エッチングガス中にO2
2 、ArあるいはHe等の添加ガスを混合した場合も
同様である。
【0026】本発明は、オフセット絶縁膜加工における
寸法変換差ΔCD低減のみならず、先述した各種被エッ
チング材料層を例えば層間絶縁膜に用いた接続孔加工に
おける寸法変換差低減にも用いることができる。
【0027】
【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
によればレジストマスクの側壁面の角度θを制御する方
法により、被エッチング材料層の寸法変換差ΔCDを低
減することができる。したがって、オフセット絶縁膜加
工等の精度が要求されるプラズマエッチング工程を含む
半導体装置を、信頼性よく製造することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施例を、その工程順に説明する概略
断面図である。
【図2】レジストマスクの側壁面の角度θと、寸法変換
差ΔCDの関係を示すグラフである。
【図3】セルフアラインコンタクトの製造工程の前半
を、その工程順に説明する概略断面図である。
【図4】セルフアラインコンタクトの製造工程の後半
を、その工程順に説明する概略断面図である。
【図5】オフセット絶縁膜加工における問題点を、その
工程順に説明する概略断面図である。
【符号の説明】
1…半導体基板、2…ゲート絶縁膜、3…多結晶シリコ
ン膜、4…高融点金属シリサイド膜、5…オフセット絶
縁膜、6…レジストマスク、7…サイドウォール形成
膜、7a…サイドウォールスペーサ、8…層間絶縁膜、
9…セルフアラインコンタクト開口用レジストマスク、
10…セルフアラインコンタクトホール、11…側壁堆
積ポリマ

Claims (6)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 被エッチング材料層上に形成されたレジ
    ストマスクをエッチングマスクとし、 フッ化炭素系ガスを含むエッチングガスにより、前記被
    エッチング材料層をエッチングする工程を有する半導体
    装置の製造方法において、 前記被エッチング材料層表面と、前記レジストマスクの
    内側から前記レジストマスクの側壁面とが挟んでなす角
    度θは、前記レジストマスクの側壁が順テーパ形状となる範囲
    で、 前記エッチングにより、前記レジストマスクの線幅が後
    退する角度を超えるものであるとともに、 前記エッチングにより、前記レジストマスクの側壁にフ
    ッ化炭素系ポリマが堆積する角度未満であることを特徴
    とする半導体装置の製造方法。
  2. 【請求項2】 被エッチング材料層は、SiO2 、Si
    3 4 、SiON、SiOFおよび有機高分子のうちの
    いずれかすくなくとも一種であることを特徴とする請求
    項1記載の半導体装置の製造方法。
  3. 【請求項3】 被エッチング材料層は、ゲート電極上に
    形成するオフセット絶縁膜であることを特徴とする請求
    項1記載の半導体装置の製造方法。
  4. 【請求項4】 前記被エッチング材料層をエッチングす
    る工程におけるエッチングガスおよびエッチング条件毎
    に、前記レジストマスクの角度θを設定することを特徴
    とする請求項2記載の半導体装置の製造方法。
  5. 【請求項5】 被エッチング材料層上に形成されたレジ
    ストマスクをエッチングマスクとし、 フッ化炭素系ガスを含むエッチングガスにより、前記被
    エッチング材料層をエッチングする工程を有する半導体
    装置の製造方法において、予め、前記被エッチング材料層表面と前記レジストマス
    クの内側から前記レジストマスクの側壁面とが挟んでな
    す角度θと、当該レジストマスクを用いたエッチングに
    よる被エッチング材料層の寸法変換差との関係を得てお
    き、 前記関係に基づいて、 前記エッチングにより前記レジス
    トマスクの線幅が後退する角度を超え、かつ前記エッチ
    ングにより前記レジストマスクの側壁にフッ化炭素系ポ
    リマが堆積する角度未満である、前記角度θを設定する
    ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
  6. 【請求項6】 前記角度θと前記寸法変換差との関係
    は、エッチングガスおよびエッチング条件毎に求められ
    ることを特徴とする請求項5記載の半導体装置の製造方
    法。
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