JP3674279B2

JP3674279B2 - 半導体装置の製造方法

Info

Publication number: JP3674279B2
Application number: JP33532997A
Authority: JP
Inventors: 傑田原
Original assignee: Yamaha Corp
Current assignee: Yamaha Corp
Priority date: 1997-12-05
Filing date: 1997-12-05
Publication date: 2005-07-20
Anticipated expiration: 2017-12-05
Also published as: JPH11168088A

Description

【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、特に高反射率層上のホトリソグラフィ工程を含む半導体装置の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体装置の製造において、レジストパターンを形成するホトリソグラフィは重要なプロセスである。高集積度の半導体装置を製造するためには、高精度のレジストパターンを作成する必要がある。レジストパターンの作成は、レジスト層の塗布、パターンの選択露光、現像の工程を通して行われる。パターンの選択露光工程は、通常所望パターンを有するマスク（レチクル）の像を半導体基板表面上のレジスト層に縮小投影して露光することによって行われる。
【０００３】
レジスト層に入射した露光光は、レジスト層を感光させながら下地層表面に達する。下地表面が高反射率を有する場合、下地表面に達した入射光のかなりの部分は再びレジスト層内に反射する。ここで下地層表面への露光光の入射方向が下地層表面の法線方向からずれていると、反射光は入射光とは異なる光路をたどる。露光領域の境界付近に入射した光は、反射した後、露光領域外に出ることもある。
【０００４】
下地表面が凹面鏡を形成していると、露光領域外に出た反射光が集光される場合もある。これをハレーションと呼ぶ。ハレーションが生じると、意図した露光領域外の領域が容易に露光されてしまう。ポジレジストの場合はパターンが細ったり、パターン内に孔が形成されたりする。ネガレジストの場合は、逆にパターンが太ったり、パターン外の領域にノイズパターンが形成されたりする。従って、段差を有する基板表面上でのホトリソグラフィで高精度を保つことが困難になる。
【０００５】
このような反射光によるホトリソグラフィの精度低下を防止するために、下地表面での光の反射率を低下させる技術が開発されている。光の反射率を低下させるには、通常反射防止膜が用いられる。ホトリソグラフィに用いられる反射防止膜は、反射光の強度を低下できればよく、吸光性であってもかまわない。
【０００６】
反射防止膜の材料としては、無機材料と有機材料が用いられている。無機材料としては、たとえばＳｉ（Ｏ）Ｎ、Ｔｉ（Ｏ）Ｎ、カーボン等が用いられる。有機材料としては、ブルーワーサイエンスインク（ＢｒｅｗｅｒＳｃｉｅｎｃｅＩｎｃ．）のＡＲＣやヘキスト社（Ｈｏｅｃｈｓｔ）のＡＺＢＡＲＬｉ等が知られている。その他レジスト層の表面に塗布するタイプの反射防止膜（たとえばヘキスト社のＡＺＡＱＵＡＴＡＲ）も知られている。
【０００７】
有機反射防止膜は、通常液状で塗布によって成膜でき、取り扱いが簡単である利点を有する。但し、レジストと同様の有機物であり、レジスト層の現像時にサイドエッチされたり、密着力が低下する現象も示す。この問題については、塗布後の有機反射防止膜を十分高温でべークする等の対策が提案されている（たとえば特開昭６１−２３１１８２号公報）。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
有機反射防止膜は、さらに別の課題も有している。有機反射防止膜はスピンコート等により塗布して成膜される。塗布した反射防止膜は、厚さの分布を有する。特に下地表面に段差がある場合、有機反射防止膜の厚さにバラツキが生じることは避け難い。
【０００９】
レジスト層を成膜してレジストパターンを形成した後、下地層をエッチングするには、まず有機反射防止膜をエッチする必要がある。有機反射防止膜と下地層とは通常エッチング特性が異なるため、有機反射防止膜用のエッチングを先ず行う。有機反射防止膜が厚さの分布を有すると、厚さが薄い部分でのエッチングが終了した後も、厚さが厚い部分のエッチングを終了させるまでオーバーエッチングを行う必要がある。
【００１０】
以下、図３を参照して従来の技術による有機反射防止膜を用いた配線層のエッチングを例にとって説明する。図３（Ａ）−（Ｄ）は、配線層のエッチング工程を説明するための半導体基板の断面図である。
【００１１】
図３（Ａ）に示すように、半導体基板１の表面には活性領域ＡＲを画定するフィールド酸化膜２が形成されており、表面に段差が形成されているものとする。なお、半導体基板表面には半導体素子構造も形成されるが、簡単のため図示を省略する。半導体基板１の表面に金属配線層８が形成され、その上に有機反射防止膜１４が塗布されている。
【００１２】
有機反射防止膜１４は、フィールド酸化膜２の上では薄く、活性領域ＡＲ上では厚く形成されている。有機反射防止膜１４の上にレジストパターン１５が形成されたとする。レジストパターン１５は、フィールド酸化膜２の上方で幅Ｗｓ１のパターンを有し、活性領域ＡＲ上で幅Ｗｓ２のパターンを有するとする。
【００１３】
図３（Ｂ）に示すように、酸素、窒素のいずれか又は両者を含むガスを用いたプラズマＰ１により、有機反射防止膜１４のエッチングを行う。有機反射防止膜１４は、フィールド酸化膜２の上方では薄く、活性領域ＡＲの上方では厚く形成されている。このため、図に示すように先ずフィールド酸化膜２の上方で有機反射防止膜１４のエッチングが終了する。
【００１４】
この時、活性領域ＡＲ上では、有機反射防止膜１４の一部は未だ残存する。活性領域ＡＲの有機反射防止膜１４もエッチングし終わるには、さらにオーバーエッチングを行う必要がある。
【００１５】
図３（Ｃ）は、オーバーエッチングを終了した時の状態を示す。レジストパターン１５の下に、有機反射防止膜１４の各パターンが形成される。オーバーエッチング終了時でのパターン幅をフィールド酸化膜２上方でＷｉ１、活性領域上方でＷｉ２とすると、Ｗｉ１＜Ｗｓ１、Ｗｉ２＜Ｗｓ２となってしまう。
【００１６】
このように、パターン幅が減少してしまう現象は、有機反射防止膜をエッチングできるエチャントは、同じ有機物であるレジストもエッチングする性質を有するためである。オーバーエッチング時過剰な酸素または窒素がレジストパターンをサイドエッチングしてしまうため、レジストパターンの幅が減少し、同様有機反射防止膜のパターンの幅も減少してしまうと考えられる。
【００１７】
その後、有機反射防止膜１４、レジストパターン１５の積層パターンをエッチングマスクとし、金属配線層８のエッチングを行う。例えば、塩素系ガスを含むエッチャントを用い、アルミニウム等の配線層をエッチングする。
【００１８】
図３（Ｄ）は、配線層８のエッチングが終了した状態を示す。フィールド酸化膜２の上に幅Ｗｅ１の配線層がエッチングされ、活性領域ＡＲの上に幅Ｗｅ２の配線層がエッチングされる。ここで、Ｗｅ１（＜又は≒）Ｗｉ１＜Ｗｓ１、Ｗｅ２（＜又は≒）Ｗｉ２＜Ｗｓ２である。
【００１９】
このように、有機反射防止膜を用いて下地層のエッチングを行うと、レジストパターンのパターン幅より減少した幅のパターンが形成されてしまう。従って、高精度のパターニングを行うことが困難となる。
【００２０】
本発明の目的は、有機系反射防止膜を用い、かつ高寸法精度のエッチングを行うことのできる半導体装置の製造方法を提供することである。
【００２１】
本発明の一観点によれば、半導体装置の段差のある表面上に、加工対象層を形成する工程と、前記加工対象層の上に、前記段差の高い部分で薄く、前記段差の低い部分で厚い有機反射防止膜を形成する工程と、前記有機反射防止膜上にレジストパターンを形成する工程と、前記レジストパターンをエッチングマスクとして用い、前記有機反射防止膜をエッチングし、前記段差の高い部分で有機反射防止膜のエッチングを終了すると共に、前記段差の低い部分で有機反射防止膜を残存させるメインエッチング工程と、エッチャントガスと反応生成物により保護膜を形成する反応ガスとを含む混合ガスを用いて、前記段差の低い部分に残った前記有機反射防止膜をさらにエッチングするオーバーエッチング工程と、前記レジストパターンと前記有機反射防止膜との積層をエッチングマスクとして用い、前記加工対象層をエッチングする工程と、を含む半導体装置の製造方法が提供される。
【００２２】
有機反射防止膜のオーバーエッチングにおいて、パターン側壁上に保護膜を形成することにより、パターンの細りを防止することができる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
図２（Ａ）を参照して、半導体装置の構成例を説明する。なお、図２（Ａ）に示す構成は単なる例示であり、なんら制限的な意味を有さない。
【００２４】
例えば、ｐ型のシリコン基板１の表面領域に、ｐ型ウエル１ａ、ｎ型ウエル１ｂが形成されている。基板表面には、ＬＯＣＯＳにより作成されたフィールド酸化膜２が形成され、活性領域ＡＲを画定している。
【００２５】
活性領域ＡＲ上には、ゲート酸化膜１２、多結晶シリコン層３ａ、タングステンシリサイド層３ｂの積層構造により、絶縁ゲート電極構造が形成されている。なお、多結晶シリコン層３ａ、タングステンシリサイド３ｂの積層を併せてゲート電極３と呼ぶ。
【００２６】
ゲート電極３をマスクとして用い、ゲート電極両側に低不純物濃度のｎ型領域４ａ、４ｂが形成されている。ゲート電極３の側壁上には、サイドウオ−ルスペーサ５が酸化膜堆積と異方性エッチングにより形成されている。サイドウオ−ルスペーサを形成したゲート電極構造をマスクとしたイオン注入により、高不純物濃度のｎ型領域６ａ、６ｂが形成されている。これらのｎ型領域がソース／ドレイン領域を構成する。なお、ゲート電極作成工程と同時に、フィールド酸化膜２の上にも多結晶シリコン層とタングステンシリサイド層の積層による配線１３が形成されている。
【００２７】
このような工程により、半導体基板表面上にＭＯＳトランジスタ構造が形成される。なお、ｐ型ウエルにはｎチャネルＭＯＳトランジスタが形成されるが、ｎ型ウエルにはｐチャネルＭＯＳトランジスタが形成される。導電型の異なる領域を形成するためには、マスクを用い、それぞれ別個の工程が行われる。
【００２８】
ゲート電極３、配線１３を形成した後、これらの表面を覆ってＢＰＳＧ等の酸化膜７が形成される。酸化膜７を貫通してソース／ドレイン領域６に達する接続孔が形成され、この接続孔を埋め込んで電極１８ａ、１８ｂが形成される。電極１８ａ、１８ｂ形成後、その表面を覆ってＢＰＳＧ等の酸化膜９が形成される。酸化膜９の所要個所に接続孔が形成され、酸化膜９表面上に配線層１０が形成される。配線層１０の表面は再び酸化膜等の絶縁膜１１で覆われる。
【００２９】
以上説明した構成において、ウエル形成、フィールド酸化膜形成、ゲート電極形成、接続孔形成、電極形成、配線層形成の各工程において、レジストを用いたホトリソグラフィー工程が行われる。
【００３０】
ホトリソグラフィー工程における露光光は、紫外線であり、シリコン等の半導体やシリサイド、アルミニウム等の金属は高い反射率を有する。又、酸化膜上のホトリソグラフィーにおいても酸化膜の下に高反射率表面が存在すると、酸化膜を透過した露光光が高反射率表面で反射され、高反射率表面上のホトリソグラフィー同様の問題を生じる。
【００３１】
図１を参照し、本発明の実施例による配線層のパターニング方法を説明する。図１（Ａ）−（Ｄ）は、半導体基板の断面構造を示す。
【００３２】
図１（Ａ）に示すように、半導体基板１の表面には、フィールド酸化膜２が形成され活性領域ＡＲを画定している。なお、活性領域ＡＲ、フィールド酸化膜２の上には図２（Ａ）に示すような半導体素子構造、配線等が形成されていてもよいが、簡単化のため図示を省略する。
【００３３】
半導体基板１表面上に配線層８が形成されている。配線層８の表面は、フィールド酸化膜２の部分で高くなり段差を形成している。配線層８の上に有機反射防止膜１４がスピン塗布により形成されている。配線層８は、導電層で形成される。導電層の材質は、Ａｌ、Ａｌ合金（ＡｌＳｉ、ＡｌＣｕ、ＡｌＳｉＣｕ等）、シリコン等である。有機反射防止膜は、例えばヘキスト社のＡＺＢＡＲＬｉで形成され、厚さ約０．１〜０．２μｍである。
【００３４】
有機反射防止膜１４の表面はフィールド酸化膜２の部分で若干持ち上がっているが、有機反射防止膜１４の厚さはフィールド酸化膜２上で薄くなっている。有機反射防止膜１４の上にレジスト膜がスピン塗布され、露光、現像されることによりレジストパターン１５が形成される。レジストパターン１５は、フィールド酸化膜２上方で幅Ｗｓ１を有し、活性領域ＡＲ上方で幅Ｗｓ２を有するものとする。
【００３５】
図１（Ｂ）に示すように、酸素、窒素のいずれか又は両方を含むガスをエッチャントとしたプラズマＰ１により、レジストパターン１５をエッチングマスクとした有機反射防止膜１４のエッチングが行われる。エッチングは、例えば図２（Ｂ）に示すようなエッチャーを用いて行われる。
【００３６】
図２（Ｂ）は、ＥＣＲプラズマエッチャーの構成を示す。エッチングチャンバ２１は、導波管２２に接続され、石英窓などのマイクロ波透過窓２３を介して例えば周波数２．４５ＧＨｚのマイクロ波を導入する。エッチングチャンバ２１下方には、例えば１３．５６ＭＨｚのＲＦ電源２７に接続されたサセプタ２６が配置されている。
【００３７】
サセプタ２６上にエッチング対象層を有する半導体基板１が載置される。エッチングチャンバ２１の一部は排気管２９を介してターボモレキュラポンプ等の排気装置に接続される。エッチングチャンバ２１を取り囲むように、２つの電磁石３０、３１が配置され、エッチングチャンバ２１内の空間に所望の磁場を発生させる。磁場とマイクロ波の組み合わせにより、ＥＣＲエッチング条件を形成する。
【００３８】
有機反射防止膜のエッチングには、酸度、窒素のいずれか或いは両方を含むガスがエッチャントガスとして用いられる。例えば、Ｏ₂，Ｎ₂、Ｎ₂Ｏ、ＮＯ₂、ＮＯ、ＣＯ₂のいずれか又は組み合わせが使用可能である。
【００３９】
図１（Ｂ）に示すように、エッチングが進行すると、先ずフィールド酸化膜２上の領域において有機反射防止膜１４のエッチングが終了する。しかしながら、図に示すように厚さの薄い領域で有機反射防止膜１４のエッチングが終了しても、活性領域ＡＲ上の厚さの厚い有機反射防止膜１４はその一部が残存し、エッチングは終了していない。従って、さらに有機反射防止膜１４のオーバーエッチングを行う必要がある。
【００４０】
フィールド酸化膜上での有機反射防止膜１４のエッチングが終了するまでのメインエッチングは、例えば以下のような条件で行われる。
【００４１】
例１チャンバ内圧力：１ｍＴｏｒｒ、
マイクロ波パワー：６００Ｗ
ＲＦパワー：６０Ｗ、
Ｏ₂流量：２０ｓｃｃｍ、
ウエハステージ冷媒温度：−２０〜＋２０°Ｃ。
【００４２】
例２チャンバ内圧力：１ｍＴｏｒｒ、
マイクロ波パワー：６００Ｗ
ＲＦパワー：６０Ｗ、
Ｏ₂／Ｃｌ₂流量：２０／５ｓｃｃｍ、
ウエハステージ冷媒温度：＋５〜＋２０°Ｃ。
【００４３】
図１（Ｃ）に示すように、エッチャントガスに酸素、窒素と反応して保護膜となる反応生成物を形成することのできる反応ガスを添加し、この混合ガスのプラズマＰ２により有機反射防止膜１４のオーバーエッチングを行う。
【００４４】
反応ガスとしては、ＳｉＸ₄（Ｘ＝Ｆ、Ｃｌ、Ｂｒ、Ｉ）、ＢＸ₃（Ｘ＝Ｆ、Ｃｌ、Ｂｒ）、ＴｉＣｌ₄等を用いることができる。ＳｉＸ₄は、ＳｉＯ_xＸ_yやＳｉＮ_xＸ_yを形成することができる。ＢＸ₃は、ＢＯ_XＸ_yやＢＮを形成することができる。ＴｉＣｌ₄は、ＴｉＯ_xやＴｉＮ_xを形成することができる。
【００４５】
オーバーエッチングの間、凹み部分に残った有機反射防止膜１４のエッチングが進行すると共に、レジストパターン１５およびパターニングされた有機反射防止膜１４の側壁上に反応性成物による保護膜１７が形成される。なお、オーバーエッチングの間、レジストパターン１５上面や有機反射防止膜１４の上面にも反応生成物が堆積するはずであるが、堆積と同時にプラズマによる物理的スパッタリングによって除去されるものと考えられる。
【００４６】
メインエッチングに続くオーバーエッチングは、例えば以下のような条件で行われる。
【００４７】
例１
チャンバ内圧力：１ｍＴｏｒｒ、
マイクロ波パワー：６００Ｗ
ＲＦパワー：６０Ｗ、
Ｏ₂／ＳｉＣｌ₂流量：２０／１ｓｃｃｍ、
ウエハステージ冷媒温度：−２０〜＋２０°Ｃ。
【００４８】
例２
チャンバ内圧力：１ｍＴｏｒｒ、
マイクロ波パワー：６００Ｗ
ＲＦパワー：６０Ｗ、
Ｎ₂Ｏ／ＢＣｌ₃流量：５０／５ｓｃｃｍ、
ウエハステージ冷媒温度：−２０〜＋２０°Ｃ。
【００４９】
なお、オーバーエッチングにおける反応ガスの添加量は、総ガス流量に対して１％以上添加すれば良いであろう。
【００５０】
図１（Ｄ）に示すように、有機反射防止膜１４のエッチングが終了した後、エッチャントガスを切り換え、配線層８のエッチングを行う。例えば、Ｃｌ₂系ガスを用いたプラズマＰ３により、側壁保護膜１７を備えたレジストパターン１５、有機反射防止膜１４の積層パターンをマスクとして配線層８のエッチングを行う。エッチングマスクの側壁が保護膜１７によって覆われているため、パターン寸法の減少が防止され、高精度のエッチングを行うことができる。
【００５１】
フィールド酸化膜２上の配線層８のパターン幅をＷｅ１、活性領域ＡＲ上の配線層８のパターン幅をＷｅ２とすると、
Ｗｅ１≒Ｗｉ１≒Ｗｓ１、
Ｗｅ２≒Ｗｉ２≒Ｗｓ２
となる。
【００５２】
なお、以上説明した配線層のパターニング工程は、ゲート電極（ゲート配線）、半導体表面に接続される電極、絶縁層上に形成される配線のパターニングのいづれにも応用できる。さらに、高反射率表面上に形成された透明又は半透明の絶縁層のパターニングにも応用できる。
【００５３】
以上実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに制限されるものではない。例えば種々の変更、改良、組み合わせが可能なことは当業者に自明であろう。
【００５４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、有機反射防止膜を用いたホトリソグラフィ工程において、レジストパターンの寸法を高精度に保つことができ、半導体製造プロセスの加工精度を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例による配線層のパターニングを説明するための半導体基板の断面図である。
【図２】半導体装置の構成例を示す断面図および半導体装置の製造プロセスに用いるエッチング装置の構成例を示す断面図である。
【図３】従来の技術による配線層のパターニングプロセスを説明するための半導体基板の断面図である。
【符号の説明】
１半導体基板、１ａ、１ｂウエル、２フィールド酸化膜、３ゲート電極、３ａ多結晶シリコン層、３ｂタングステンシリサイド層、４低不純物濃度ｎ型領域、５サイドウオ−ルスペーサ、６高不純物濃度ｎ型領域、７酸化膜、８配線層、９酸化膜、１０配線層、１１絶縁層、１４有機反射防止膜、１５レジストパターン、１７保護膜、１８電極、Ｐプラズマ、Ｗパターン幅

Claims

半導体装置の段差のある表面上に、加工対象層を形成する工程と、
前記加工対象層の上に、前記段差の高い部分で薄く、前記段差の低い部分で厚い有機反射防止膜を形成する工程と、
前記有機反射防止膜上にレジストパターンを形成する工程と、
前記レジストパターンをエッチングマスクとして用い、前記有機反射防止膜をエッチングし、前記段差の高い部分で有機反射防止膜のエッチングを終了すると共に、前記段差の低い部分で有機反射防止膜を残存させるメインエッチング工程と、
エッチャントガスと反応生成物により保護膜を形成する反応ガスとを含む混合ガスを用いて、前記段差の低い部分に残った前記有機反射防止膜をさらにエッチングするオーバーエッチング工程と、
前記レジストパターンと前記有機反射防止膜との積層をエッチングマスクとして用い、前記加工対象層をエッチングする工程と、
を含む半導体装置の製造方法。
前記段差の高い部分はフィールド酸化膜が形成された領域であり、前記段差の低い部分は活性領域である請求項１記載の半導体装置の製造方法。
前記メインエッチング工程がエッチャントガスとして酸素、窒素の少なくとも１方を含むガスを用い、前記反応ガスがＳｉＸ_４（Ｘ＝Ｆ，Ｃｌ，ＢｒまたはＩ）、ＢＸ_３（Ｘ＝Ｆ，ＣｌまたはＢｒ）、ＴｉＣｌ_４のいずれかである請求項１または２記載の半導体装置の製造方法。
前記オーバーエッチング工程では、総ガス流量に対して、前記反応ガスの添加量を１％以上とし、側壁保護膜を備えたレジストパターンおよびパターニングされた反射防止膜を形成し、前記加工対象層をエッチングする工程では側壁保護膜を備えたレジストパターンと有機反射防止膜の積層パターンをマスクとして前記加工対象層をエッチングする請求項３記載の半導体装置の製造方法。