JP3608978B2 - 半導体装置の製造方法 - Google Patents
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Description
【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、特に半導体装置への微細パターンの形成方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
半導体素子の微細化および高密度化は依然として精力的に進められており、現在では0.13μm程度の寸法基準で設計されたメモリデバイスあるいはロジックデバイス等の超高集積の半導体デバイスが開発試作されている。このように半導体デバイスの高集積化に伴って、半導体素子の寸法はますます微細化される。そして、ゲート電極、配線、コンタクト孔(スルーホールも含むものとする)寸法の縮小および半導体素子を構成する材料の膜厚の低減が特に重要になる。
【0003】
上記の半導体素子の微細化においては、フォトリソグラフィ技術での感光性レジスト膜への微細パターン転写の技術が最も重要となる。現在、上記パターン転写では縮小投影露光法が用いられ、パターン寸法の縮小に伴い、この場合に使用される感光用照射光は短波長化される。そして、KrFからのエキシマレーザ光(波長:248nm程度)が実用化され、ArFからのエキシマレーザ光(波長:193nm程度)の実用化が検討されている。
【0004】
しかし、上記縮小投影露光時に感光性レジスト膜下の半導体素子の構成材料表面から生じる反射光の量が短波長化に伴い増大する。そして、いわゆるこのハレーションにより微細パターンの転写ができなくなる。
【0005】
このために、上記のような反射光量の低減を図る反射防止膜が必須となっている。この反射防止膜として現在2つの方式のものが用いられている。その1つの方式のものは、露光時の入射光を吸収し半導体素子の構成材料表面に到達しないようにするものである。この代表的なものに有機膜であるARC(Anti−Reflection Coating)といわれる光吸収膜がある。
【0006】
他の方式のものは、露光時の感光用照射光の入射光を相互干渉させ半導体素子の構成材料表面からの反射量を低減させる膜である(以下、干渉膜という)。この場合の干渉膜には、感光用照射光の透過する材料が用いられる。例えば、このような干渉膜には、特開平9−69479号公報に記載されている有機SOG(スピン・オン・グラス)、SiO2 あるいはシリコン窒化膜等がある。
【0007】
上記のようなフォトリソグラフィ技術にさらにドライエッチング技術を加味して微細化される半導体素子の構成要素パターンの寸法、その中でも特にコンタクト孔の寸法の制御は、半導体装置の高集積化にとって非常に難しくなる。これは、半導体装置の配線の多層化に伴い、化学機械研磨(CMP)法の技術等による層間絶縁膜表面の平坦化が進み、設けるべきコンタクト孔の深さが半導体チップ内の位置で非常に異なってくるためである。
【0008】
次に、フォトリソグラフィ技術で光吸収膜が用いられてコンタクト孔が形成される場合を、図5に基づいて説明する(以下、第1の従来例と記す)。図5は、半導体装置の一部断面図である。
【0009】
図5に示すように、シリコン基板101表面に選択的に素子分離絶縁膜102が形成される。そして、MOSトランジスタのソース領域あるいはドレイン領域である拡散層103が形成される。また、ゲート絶縁膜を介してシリコン基板101上にゲート電極104、素子分離絶縁膜102上に第1配線層105が形成される。
【0010】
さらに、全面に化学気相成長(CVD)法によるシリコン酸化膜の成膜、CMP法によるこのシリコン酸化膜の平坦化でもって第1層間絶縁膜106が形成される。そして、第2配線層107が形成され、上記第1層間絶縁膜の形成方法と同様にして第2層間絶縁膜108が形成される。
【0011】
そして、第2層間絶縁膜108表面に光吸収膜109が形成される。ここで、光吸収膜109は膜厚が200nm程度の有機膜である。この光吸収膜109上にレジスト膜110が形成される。ここで、光吸収膜109およびレジスト膜110は公知の回転塗布とベーク等の工程を通して形成される。
【0012】
このレジスト膜110に上述した方法でコンタクト孔用のパターン転写が行われ、レジスト開口111が形成される。そして、このようなレジスト膜110をエッチングマスクにしたドライエッチングで、光吸収膜109が開口され、さらに、第1層間絶縁膜と第2層間絶縁膜にコンタクト孔112が形成される。
【0013】
次に、 フォトリソグラフィ技術で干渉膜が用いられる場合を、図6に基づいて説明する(以下、第2の従来例と記す)。図6は、図5と同様に半導体装置の一部断面図である。ここで、図5と同様のものは同一符号で示される。
【0014】
図6に示すように、シリコン基板101表面に素子分離絶縁膜102、拡散層103が形成される。そして、ゲート電極104、第1配線層105が形成され、第1層間絶縁膜106が形成される。さらに、第2配線層107、第2層間絶縁膜108が形成される。
【0015】
そして、第2層間絶縁膜108表面に干渉膜113が形成される。ここで、干渉膜113は膜厚が40nm程度のシリコン窒化膜である。この干渉膜113上にレジスト膜110が形成される。ここで、干渉膜113はCVD法で形成される。
【0016】
このレジスト膜110に上述した方法でコンタクト孔用のパターン転写が行われる。このパターン転写でレジスト開口111a,111b,111cが形成される。そして、図示されていないが、ドライエッチング工程でコンタクト孔が形成される。
【0017】
【発明が解決しようとする課題】
上述したような従来の技術では、それぞれ次のような問題点が存在する。すなわち、第1の従来例では、図5に示すように、出来上がりのコンタクト孔112の寸法がレジスト開口111の寸法より大きくなる。例えば、レジスト開口111の寸法が0.13μm程度に形成されると、コンタクト孔112の寸法は0.2μm程度になる。
【0018】
これは、レジスト膜111をエッチングマスクにするドライエッチング工程において、通常のARCである光吸収膜109をドライエッチングする際にレジスト膜110もエッチングされるため、ARC膜厚が厚い場合にはレジスト開口111の寸法が大きくなる。そして、下部の第2、第1層間絶縁膜のドライエッチングでも出来上がりのコンタクト孔112の寸法が大きくなる。
【0019】
このような光吸収膜のサイドエッチングの増加は、光吸収膜の膜厚の低減により減少してくる。ここで、光吸収膜の膜厚低減をしようとすると、光吸収膜の複素屈折率(n+ik)のk値の増大が必要になる。しかし、k値の増大は上記感光用照射光の反射量の増大を招き、このハレーションにより微細パターンの転写が難しくなる。
【0020】
また、第2の従来例では、図6に示したように、レジスト膜110に形成されるレジスト開口の寸法が、コンタクト孔の形成領域により変化する。すなわち、図6に示すように、第1配線層105上に所定の寸法のレジスト開口111aが形成されると、拡散層103上にはレジスト開口111aより大きな寸法のレジスト開口111bが形成される。これに対して、第2配線層107上にはレジスト開口111aより小さな寸法のレジスト開口111cが形成される。
【0021】
この場合には、感光用照射光は、それぞれ、第1配線層105表面、拡散層103表面、第2配線層107表面で反射する。そして、感光用照射光の入射光と相互干渉するようになる。
【0022】
この場合に、レジスト膜下の第1あるいは第2層間絶縁膜の膜厚により、上記相互干渉後の感光用照射光の強度が異なってくる。そして、図7に示すように、出来上がりのレジスト開口の寸法は、層間絶縁膜の膜厚と共に周期的に変化するようになる。このようにして、それぞれ寸法の異なるレジスト開口が形成されることになる。そして、このようなレジスト膜をエッチングマスクに層間絶縁膜のドライエッチングがなされると、場所により寸法の異なるコンタクト孔が形成されるようになる。
【0023】
本発明の目的は、半導体素子の微細寸法パターンを形成する方法において、前述の問題点を解決し、コンタクト孔のような微細パターンを簡便にしかも高精度に形成する方法を提供することにある。
【0024】
【課題を解決するための手段】
このため半導体基板上に絶縁膜を形成する工程と、ArFのエキシマレーザ光の感光用照射光に対応する感光性レジスト膜をパターニングするフォトリソグラフィ工程で用いられ、前記感光用照射光の反射防止膜を、反射率が高い反射層と、前記感光用照射光に対する複素屈折率(n+ik)のk値が大きく、前記反射層上に積層し、前記感光用照射光の前記反射層表面からの反射光の強度とその表面からの反射光の強度とが同じでありかつ位相が半波長分ずれている干渉層とで構成し、前記絶縁膜上に形成する工程と、前記反射防止膜上に前記感光性レジスト膜を形成し所定の形状にパターニングする工程とを含み、前記反射層が導電体で構成されており、前記パターニングした感光性レジスト膜をマスクにして前記反射防止膜と前記絶縁膜とをドライエッチングし前記絶縁膜にコンタクト孔を形成する工程と、前記感光性レジスト膜と干渉層とを除去する工程と、前記反射層をパターニングし配線層の一部とする工程と、を含む。
【0026】
また、前記干渉層はシリコン酸化膜、シリコン窒化膜あるいはシリコンオキシナイトライド膜で構成される。
【0029】
本発明では、反射防止膜は積層する反射層と干渉層とで構成される。そして、フォトリソグラフィ技術の露光工程で、感光用照射光は反射層表面で反射し上記干渉層表面での反射光と相互に干渉し消滅するようになる。このような積層膜構造は、感光用照射光に対して透明な層間絶縁膜上でも反射防止膜として効果的に機能する。そして、半導体装置の層間絶縁膜に微細なコンタクト孔が高精度に形成できるようになる。
【0030】
【発明の実施の形態】
次に、図面を参照して本発明の詳細な説明を行う。図1乃至図3は、本発明の第1の実施の形態を説明するための図である。ここで、図1はコンタクト孔形成領域の半導体装置の断面図である。そして、図2乃至図3は、フォトリソグラフィの露光時の感光用照射光の反射率を示すグラフである。
【0031】
図1に示すように、シリコン基板1表面に絶縁膜を介して配線層2が形成され、全面にシリコン酸化膜でもって層間絶縁膜3が形成される。ここで、層間絶縁膜3の表面はCMP法等で平坦化されている。
【0032】
次に、層間絶縁膜3表面に光の反射層4が形成される。この反射層4は膜厚20nm程度の無定形のシリコン薄膜である。ここで、反射層4であるシリコン薄膜にはリンあるいはヒ素等の不純物が含まれていてもよい。
【0033】
そして、この反射層4上に積層するように光の干渉層5が形成される。ここで、干渉層5は、膜厚30nmのARCである。このようにして、本発明では、積層する反射層4と干渉層5とで反射防止膜6が形成される。
【0034】
そして、この反射防止膜6上にレジスト膜7が形成される。ここで、レジスト膜7は公知の回転塗布とベーク等の工程を通して形成される。このレジスト膜7に上述した方法でコンタクト孔用のパターン転写が行われ、レジスト開口8が形成される。
【0035】
このような方法であれば、シリコン基板1上、配線層2上に関係なく同一寸法のレジスト開口8が形成されるようになる。この理由について図2と図3に基づいて説明する。図2および図3は、本発明の反射防止膜を用いる場合の、感光用照射光の反射率と層間絶縁膜であるシリコン酸化膜との関係を示すシミュレーション結果である。ここで、反射防止膜のうち反射層(シリコン薄膜)の膜厚をパラメータとして示している。
【0036】
上記シミュレーションは、図1の構造に即して行われている。すなわち、図2の模式図に示されているように、シリコン基板上にシリコン酸化膜が形成され、このシリコン酸化膜上に反射層(シリコン薄膜)と干渉層(膜厚30nmのARC)とが積層して形成されている。そして、レジスト膜が形成され、ArFのエキシマレーザ光(波長:193nm)で露光がなされる。
【0037】
図2に示されるように、反射層の膜厚が5nmの場合には、露光時の感光用照射光の反射率は、シリコン酸化膜の厚さに従って周期的に変動する。そして、反射層の膜厚が大きくなると、例えば、膜厚20nm程度になると、反射率はシリコン酸化膜の厚さに依存せずほぼゼロになる。このために、図1で説明したようにレジスト開口の寸法は、反射防止膜下の層間絶縁膜の膜厚に依存せず一定となる。そして、ドライエッチング工程を通して、コンタクト孔の深さに依存しないで開口寸法の一定なコンタクト孔が形成できるようになる。
【0038】
ここで、感光用照射光の反射層表面からの反射光の強度と干渉層表面からの反射光の強度とが同じであり、そして、これらの反射光の位相が感光用照射光の半波長分ズレていると非常に効果的となる。この場合には、感光用照射光は反射層表面で反射し上記干渉層表面での反射光と相互に干渉し消滅するようになる。
【0039】
これに対して、図3に示すように、上記の構造で反射層のない場合、すなわち第2の従来例に相当する場合では、感光用照射光の反射率はシリコン酸化膜の厚さにより周期的に変動するようになる。このために、ドライエッチング工程を通して、コンタクト孔の深さにより異なる開口寸法のコンタクト孔が形成されるようになる。
【0040】
次に、図4に基づいて本発明の第2の実施の形態を説明する。ここで、図4は、従来の技術で説明したのと同様な半導体装置の一部断面図である。
【0041】
図4に示すように、導電型がp型のシリコン基板11表面に選択的に素子分離絶縁膜12が形成される。そして、MOSトランジスタのソース領域あるいはドレイン領域であり導電型がn型の拡散層13が形成される。また、ゲート絶縁膜を介してシリコン基板11上にゲート電極14、素子分離絶縁膜12上に第1配線層15が形成される。ここで、ゲート電極14および第1配線層15はタングステンポリサイドで構成される。
【0042】
さらに、第1の従来例で説明したように、表面の平坦化された第1層間絶縁膜16が形成され、第2配線層17が形成される。ここで、第2配線層17はアルミ金属で構成される。そして、上記第1層間絶縁膜の形成方法と同様にして第2層間絶縁膜18が形成される。
【0043】
そして、第2層間絶縁膜18表面に本発明の反射層4と干渉層5とで反射防止膜6が形成される。ここで、反射層4は膜厚10nm程度の窒化チタン膜で構成され、干渉層5は膜厚25nmのシリコン窒化膜で構成される。
【0044】
次に、反射防止膜6上にレジスト膜7が形成される。そして、このレジスト膜7に上述した方法でコンタクト孔用のパターン転写が行われ、レジスト開口8が形成される。このようなレジスト膜7をエッチングマスクにしたドライエッチングで、反射防止膜6が開口され、さらに、第1層間絶縁膜と第2層間絶縁膜にコンタクト孔19が形成される。
【0045】
このようにして、一度のフォトリソグラフィ工程と一度のドライエッチング工程とでもってコンタクト孔が形成できるようになる。
【0046】
次に、図示していないが、レジスト膜7が公知のアッシング法で除去され、干渉層5も除去される。そして、コンタクト孔19内に埋め込まれるようにして、反射層4上にタングステンのような金属膜が堆積される。さらには、この金属膜と反射層とがパターニングされ上層の配線層が形成される。
【0047】
また、上記のドライエッチグ工程では、レジスト膜7をエッチングマスクにしたドライエッチングで、反射防止膜6が開口され、次にレジスト膜7がアッシングで除去される。そして、反射防止膜6をエッチングマスクにして、第2層間絶縁膜18と第1層間絶縁膜16とがドライエッチングされ、コンタクト孔19が形成されてもよい。
【0048】
この場合には、第2層間絶縁膜18が上記アッシング工程に弱く比誘電率の小さな有機絶縁膜で構成される場合に効果的となる。
【0049】
以上の実施の形態では、本発明がコンタクト孔あるいはスルーホール形成に適用される場合について説明された。本発明はこれに限定されるものでなく、その他の半導体素子の構成要素、例えばハードマスクを用いる配線層の形成にも同様に適用できることに言及しておく。
【0050】
そして、本発明の反射層としては、感光用照射光がKrFのエキシマレーザ光となる場合には、Poly−Si、WSi、W、Al系合金、Cu、Tiが使用できる。また、感光用照射光がArFのエキシマレーザ光となる場合には、Poly−Si、WSi、Al系合金が使用できる。
【0051】
また、干渉層としては、その他、SiON膜、アモルファスカーボン膜が使用できることにも言及しておく。
【0052】
また、本発明は、感光用照射光がF2 のエキシマレーザ光となる場合でも同様に適用できるものである。
【0053】
【発明の効果】
以上に説明したように、本発明の半導体装置の製造方法は、半導体基板上に絶縁膜を形成する工程と、フォトリソグラフィ技術の露光工程で用いる感光用照射光の反射防止膜を反射層とこの反射層上に積層する干渉層とで構成して上記絶縁膜上に形成する工程と、このような反射防止膜上に感光性レジスト膜を形成し所定の形状にパターニングする工程とを含む。そして、感光用照射光は反射層表面で反射し上記干渉層表面での反射光と相互に干渉し消滅するようになる。
【0054】
また、本発明の半導体装置の製造方法は、上記反射層を導電体で形成し、パターニングした感光性レジスト膜をマスクにして反射防止膜と前記絶縁膜とをドライエッチングし上記絶縁膜にコンタクト孔を形成する工程と、上記感光性レジスト膜と干渉層とを除去した後上記反射層をパターニングし配線層の一部とする工程とを含む。
【0055】
このために、感光用照射光に対して透明な層間絶縁膜上でも反射防止膜として効果的に機能し、半導体装置の層間絶縁膜に微細なコンタクト孔が高精度に形成できるようになる。
【0056】
また、層間絶縁膜に形成されるコンタクト孔の深さに依存しないで、開口寸法が一定になるコンタクト孔の形成が容易になる。
【0057】
このようにして、本発明は、半導体素子の微細化による半導体装置の高集積化および高速化を促進するようになる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施の形態を説明するための半導体装置の一部断面図である。
【図2】上記実施の形態の効果を説明するためのシミュレーション結果のグラフである。
【図3】上記実施の形態を説明するためのシミュレーションのグラフである。
【図4】本発明の第2の実施の形態を説明するための半導体装置の一部断面図である。
【図5】第1の従来例を説明するための半導体装置の一部断面図である。
【図6】第2の従来例を説明するための半導体装置の一部断面図である。
【図7】第2の従来例でレジスト開口寸法の変動を説明するためのグラフである。
【符号の説明】
1,11,101 シリコン基板
2 配線層
3 層間絶縁膜
4 反射層
5 干渉層
6 反射防止膜
7,110 レジスト膜
8,111,111a,111b,111c レジスト開口
12,102 素子分離絶縁膜
13,103 拡散層
14,104 ゲート電極
15,105 第1配線層
16,106 第1層間絶縁膜
17,107 第2配線層
18,108 第2層間絶縁膜
19,112 コンタクト孔
109 光吸収膜
113 干渉膜
Claims (3)
- 半導体基板上に絶縁膜を形成する工程と、ArFのエキシマレーザ光の感光用照射光に対応する感光性レジスト膜をパターニングするフォトリソグラフィ工程で用いられ、前記感光用照射光の反射防止膜を、反射率が高い反射層と、前記感光用照射光に対する複素屈折率(n+ik)のk値が大きく、前記反射層上に積層し、前記感光用照射光の前記反射層表面からの反射光の強度とその表面からの反射光の強度とが同じでありかつ位相が半波長分ずれている干渉層とで構成し、前記絶縁膜上に形成する工程と、前記反射防止膜上に前記感光性レジスト膜を形成し所定の形状にパターニングする工程とを含み、前記反射層が導電体で構成されており、前記パターニングした感光性レジスト膜をマスクにして前記反射防止膜と前記絶縁膜とをドライエッチングし前記絶縁膜にコンタクト孔を形成する工程と、前記感光性レジスト膜と干渉層とを除去する工程と、前記反射層をパターニングし配線層の一部とする工程と、を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
- 前記反射層がシリコン薄膜あるいは窒化チタン薄膜で構成され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。
- 前記干渉層がシリコン酸化膜、シリコン窒化膜あるいはシリコンオキシナイトライド膜で構成されることを特徴とする請求項1または請求項2のうち1つの請求項に記載の半導体装置の製造方法。
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