JP3877461B2

JP3877461B2 - 半導体装置の製造方法

Info

Publication number: JP3877461B2
Application number: JP06912899A
Authority: JP
Inventors: 渉二瀬田
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1999-03-15
Filing date: 1999-03-15
Publication date: 2007-02-07
Anticipated expiration: 2019-03-15
Also published as: JP2000269220A

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わり、有機シリコン化合物を含有する有機シリコン層を用いた半導体装置の製造方法を提供する事にある。
【０００２】
【従来の技術】
自己整合型コンタクト形成（ＳＡＣ）エッチングプロセスでは、ゲート配線の加工を行う際には、まず。ゲート配線層であるＷＳｉ層及びポリシリコン層上にＳｉＮ層を形成する。次にＳｉＮ層上にレジスト層を形成し、レジスト層をマスクとしてエッチングすることによりＳｉＮ層を加工し、さらにＳｉＮ層をマスクとしてゲート配線層であるＷＳｉ層及びポリシリコン層をエッチングする。
【０００３】
この際上記ＳｉＮ層は、ＷＳｉ及びポリシリコンの加工の際マスクとして用いられる以外に、後工程において例えば、ゲート配線上に自己整合型コンタクトホールを形成する際、エッチングストッパー層として用いられる。したがって、ＳｉＮ層はある程度厚さが必要であり、半導体装置の微細化が進むにつれてアスペクト比の高いエッチングが要求され、加工が困難になるという問題点があった。
【０００４】
このように、エッチングストッパー層や別のエッチングで使用されるマスク等、後工程で、エッチングからの保護機能を有する層として用いられる層を加工する際は、ある程度厚さが必要であるため、アスペクト比の高い加工が要求される。しかしながら、アスペクト比が高くなればなるほど加工が困難であるという問題点があった。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上記の問題点に鑑みてなされたもので、後工程でエッチングからの保護機能を有する層として用いられる層の加工を精度良く行うことができる半導体装置の製造方法を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、エッチングからの保護機能を有する被加工層上に、有機シリコン化合物を含有する有機シリコン層を形成する工程と、前記有機シリコン層および前記被加工層をパターニングする工程と、前記有機シリコン層に酸素のイオンあるいはラジカルを供給することによりシリコン酸化物層とする工程を備えることを特徴とする半導体装置の製造方法である。
【０００７】
本発明に係る有機シリコン層は反射防止層としての作用を示すものであり、また、前記有機シリコン層が酸化されてなる酸化シリコン層はエッチング耐性が高い。したがって、本発明によれば被加工層にエッチング耐性の高い保護層を精度良く形成することができる。前記保護層とは、後工程、例えば、被加工膜をマスクとして配線層をエッチングする際、あるいは被加工膜上に自己整合型コンタクトホールを形成する際に、被加工層を不要な削れから保護する、マスクや、エッチングストッパー層等の機能を示すものである。本発明によりこのような保護層を形成することにより被加工層を薄層化することができるため、被加工層の加工も精度良く行うことができる。
【０００８】
本発明は、自己整合型コンタクトホールの形成において有効であり、ゲートのアスペクト比の高くなるＮＡＮＤＥ^２ＰＲＯＭ構造プロセスにおける自己整合型コンタクト形成ではさらに有効である。
【０００９】
【発明の実施の形態】
本発明の半導体装置の製造方法を、図１に示したゲート配線加工のマスクとなるＳｉＮ層の加工工程を例として工程毎に説明する。
【００１０】
（第１工程）
第１工程は被加工層上に有機シリコン層を形成する工程である。図１（ａ）に示すように、シリコン基板１上にゲート配線となる配線層２が形成され、さらに配線層２上には、ゲート配線加工のマスクとして用いられるＳｉＮ層（被加工層）３が形成されている。このような被加工層３を加工するためには、まず、被加工層３上に有機シリコン層４を形成する。
【００１１】
本発明において被加工層は、図１に示したＳｉＮ層に限らず、シリコン基板上に成膜された配線材料、電極材料などからなる導電性層、ポリイミド、ＳＯＧなどの有機系材料あるいは無機系材料からなる絶縁層、またはブランクマスク材などを用いることができる。
【００１２】
本発明における被加工層は、後工程でエッチングマスクとして用いられる層、あるいはエッチングストッパーとして用いられる層であることが望ましい。
【００１３】
一方、本発明において用いられる有機シリコン層は、有機シリコン化合物を含有してなるものである。
【００１４】
本発明において用いられる有機シリコン化合物は、炭素とケイ素の直接結合を持つ化合物である。特に炭素とケイ素の直接結合を持ちかつ主鎖にＳｉ−Ｓｉ結合を有する高分子化合物が望ましく、例えばポリシラン、ポリシレン等を挙げることができる。これらの化合物の分子量は特に限定されないが、好ましくは２００〜１００，１００、より好ましくは５００〜３００，０００が良い。
【００１５】
具体例としては例えば下記化学式１−１〜１―１９、及び２−１〜２−１３に示す等を挙げることができる。なおこれらの化学式中のｎ、ｍは正の整数を表す。
【化１】

【化２】

【化３】

【化４】

有機シリコン層は、上記有機シリコン化合物以外に必要に応じて貯蔵安定性を図るために熱重合防止剤、基体との密着性を向上させるための密着性向上剤等の各種添加物を含有するものであってもよい。
【００１６】
有機シリコン層は通常、上記有機シリコン化合物及び場合によっては添加物を溶媒に溶解して溶液とし、該溶液を基体上にコーティングした後加熱して溶媒を揮発することにより形成される。
【００１７】
有機シリコン層の層厚は１０〜５０００ｎｍ程度が好ましい。
【００１８】
上記有機シリコン化合物を含有してなる有機シリコン層は、酸化によりマスクや保護層として機能するのみならず、レジスト層の露光時の反射防止層としても機能する。
【００１９】
（第２工程）
第２工程は前記有機シリコン層をパターンニングする工程である。
【００２０】
有機シリコン層のパターンニングは、例えば、図１（ｂ）に示す如く、有機シリコン層４上にフォトリソグラフィーを用いてレジストパターン５を形成し、次に図１（ｃ）に示す如くレジストパターン５をエッチングマスクとして有機シリコン層４をエッチングすることにより行うことができる。レジストパターン５の形成はレジスト層に所望マスクを通して露光光を照射し、露光後のレジスト層を現像処理することにより得られる。
【００２１】
また、有機シリコン層のエッチングは、反応性プラズマエッチング方式、マグネトロン反応性プラズマエッチング方式、電子ビームプラズマエッチング方式、ＴＣＰエッチング方式、ＩＣＰエッチング方式、あるいはＥＣＲプラズマエッチング方式などのエッチング装置を使用することができる。
【００２２】
（第３工程）
第３工程は有機シリコン層をマスクに被加工層を加工する。
【００２３】
図１（ｄ）に示す如く、レジストパターン５及びシリコン酸化物層４′をマスクとして、反応性プラズマエッチング方式、マグネトロン反応性プラズマエッチング方式、電子ビームプラズマエッチング方式、ＴＣＰエッチング方式、ＩＣＰエッチング方式、あるいはＥＣＲプラズマエッチング方式などのエッチング装置により被加工層３をエッチングする。
【００２４】
（第４工程）
第４工程は、前記パターンニングされた有機シリコン層に酸素のイオンあるいはラジカルを供給することにより、シリコン酸化物層にする工程を行う。
【００２５】
図１（ｄ）に示す如く、有機シリコン層４に酸素のイオンまたはラジカルを供給して、シリコン酸化物層４′形成する。このとき、有機シリコン層４からシリコン酸化物層４′を得るには酸素の存在する雰囲気下で高エネルギービームを照射することで、シリコンとシリコンの結合を酸化させることによりおこなうことができる。高エネルギービームとしては紫外光、電子ビーム、イオンビーム、Ｘ線を挙げることができる。このときレジスト層５も同時に剥離してもよい。
【００２６】
このあと、デバイスの構造に応じた後工程を施すが、例えば、被加工膜をマスクとして配線層をエッチングする際、あるいは被加工膜上に自己整合型コンタクトホールを形成する際などおいて、被加工層３表面にはシリコン酸化膜層４′が形成されているため、被加工膜３を不要な削れから保護することができる。
【００２７】
【実施例】
（実施例１）
図２は実施例１、実施例２で使用したエッチング装置であるマグネトロンＲＩＥ装置である。図２において真空チャンバー２１内には、被処理物２２を載置する載置台２３が設けられており、この載置台２３に対向して対向電極２４が設けられている。載置台２３は、温度調節機構を有しており、被処理物２２の温度を制御できるようになっている。
【００２８】
また、真空チャンバーの天壁には、ガス導入管２５が接続されている。ガス導入管２５から、真空チャンバー２１にガスが導入され、排気口２６の弁により圧力が調整される。圧力が安定を示した後、載置台２３下の高周波電極２７から高周波を印可する事により真空チャンバー内にプラズマが発生する。また、真空チャンバーの外周部には磁石２８が設けられており、真空中に高密度な磁界を作り、プラズマ中のイオンに異方性を持たせ、被処理物２２がエッチングされる。
【００２９】
本発明においては、マグネトロンＲＩＥ装置以外にも、ＥＣＲ、ヘリコン、誘導結合型プラズマ等の他のドライエッチング装置も使用可能である。
【００３０】
本実施例では本発明を用いて以下の手順で自己整合型コンタクトホールを有するデバイスのゲート配線加工を行った。図３に本実施例のゲート配線加工工程を示す概略図を示す。まず、図３（ａ）に示す如く、シリコン基板３１上に、薄い熱酸化層３２を形成し、ついでポリシリコン層３３、ＷＳｉ層３４を成膜し、次いで減圧ＣＶＤ装置を用いて、被加工層であるＳｉＮ層３５を成膜する。ＳｉＮ層３５を成膜後、反射防止層にポリシラン３６を塗布し、ポリシラン３６に塗布、露光、現像したレジスト層３７を用いてゲート配線のパターンニングを行う。
次に、図２のエッチング装置を用いて、７５（ｍＴｏｒｒ），３００（Ｗ），Ｃｌ／Ｏ_２＝７５／１０（ｓｃｃｍ）の混合ガスを用いて、レジスト層３７をマスクとしてポリシラン３６のエッチングを行った後、図３（ｂ）に示す如く、レジスト層３７及び、ポリシラン３６をマスクに４０（ｍＴｏｒｒ），１２００（Ｗ），ＣＦ_４／Ｏ_２＝１００／２０（ｓｃｃｍ）で、ＳｉＮ層３５のエッチングを行う。
次に、図３（ｃ）に示す如く、Ｏ_２アッシングによリレジスト層３７の剥離を行った。条件は３００（ｍＴｏｒｒ），７００（Ｗ），Ｏ_２＝８０（ｓｃｃｍ）であった。この際、レジスト層３７剥離が剥離されると同時にポリシラン３６のＣが、ＣＯとして取リ際かれ、Ｃの部分にＯ_２が供給され、ＳｉＯ_２層３６′となる。この時、ポリシラン３６は、形成時に１８００（Ａ）程度であった層厚が、Ｏ_２アッシングでＳｉＯ_２層３６′とした後は、６００（Ａ）程度になった。
【００３１】
さらに図３（ｄ）に示す如くこのＳｉＯ_２層３６′及びＳｉＮ層３５をマスクとして、ＷＳｉ層３４及びポリシリコン層３３の加工を行い、下地の熱酸化層で止める。この時、ＷＳｉ層３４は、図２のエッチング装置を用いて、２０（ｍＴｏｒｒ）２００（Ｗ），ＨＣｌ／Ｃｌ_２／Ｏ_２＝５０／１０／５（ｓｃｃｍ）でエッチングを行った。この時、対ＳｉＯ_２との選択比は、２０程度得る事が可能であった。また、ポリシリコン層３３は、１００（ｍＴｏｒｒ），３００（Ｗ），ＨＢｒ／Ｃｌ_２＝１００／１０（ｓｃｃｍ）でエッチングを行った。この時、対ＳｉＯ_２との選択比は、１００程度得る事が可能であった。
【００３２】
このようなＳｉＯ_２層３６′をマスクとするゲート配線のエッチングで、ＷＳｉ層３４を約６００（Ａ）程度エッチングし、またポリシリコン層３３を１０００（Ａ）程度エッチングした場合でも、ＳｉＯ_２層３６′が、約４０（Ａ）程度しか削れず、充分加工が可能であった。
【００３３】
一方、通常窒化シリコン層のみをマスクとして同様にゲート配線のエッチングを行うと、窒化シリコン層は約２００−３００（Ａ）削れてしまう。
【００３４】
したがって、上部のＳｉＮ層はＳｉＯ_２層によリ保護され、その分ＳｉＮ層を薄層化する事が可能となった。
【００３５】
本発明によれば、ＮＡＮＤ構造の様な高アスペクトのゲート配線構造の時も、加工が容易になると共に、ＳｉＮの薄層化も充分できる。今回は、６００（Ａ）程度の厚さのポリシランをＳｉＯ_２にし、加工を行っているが、高アスペクトの配線加工の際にはポリシランを厚く塗布する事により、ＳｉＯ_２層厚を大きくする事も可能である。
【００３６】
また、後の工程で図３（ｅ）に示す如くゲート配線上に形成された有機シリコン酸化膜あるいは無機シリコン酸化膜からなる層間絶縁層３８をエッチングし自己整合型コンタクトホールを形成した。この際、ゲート配線層上のＳｉＯ _２層３６’がエッチングストッパーとなり、高選択エッチングを行う事ができた。
【００３７】
一方、ＳｉＯ_２層３６′を形成せずにＳｉＮ層のみ形成し、後工程で自己整合型コンタクトホールの形成を行うとゲート配線の肩の部分で、エッチング選択比が平らな所と比較し三分の１程度に減少していたものが（約３９から約１３程度（ＳｉＯ_２の対ＳｉＮエッチング選択比））、本実施例では２０程度に向上した。この原因としては、本実施例ではＳｉＮ層がＳｉＯ_２層に保護され、ゲート配線加工でイオンにさらされないため、ＳｉＮ層の肩部分にイオンのダメージが生じなかったためと考えられる。
（実施例２）
本実施例では本発明を用いて以下の手順でメタル配線加工を行った。図４、図５に本実施例のメタル配線加工工程を示す該略図を示す。
【００３８】
シリコン基板４１上に（ＳｉＯ_２又はＦＳＧよりなる）層間絶縁層４２を介して、２箇所にＡｌ，Ａｌ−Ｃｕ配線材料層４３を形成し、さらに配線材料層４３上にＳｉＮ層４４を成膜した。その後、図４（ａ）に示すごとく、ＳｉＮ層４４上にポリシラン４５及びレジスト層４６を塗布し、レジスト層４６を露光、現像しパターンニングした。
【００３９】
次に実施例１と同様の装置を用いてレジスト層４６をマスクとして７５（ｍＴｏｒｒ），３００（ｗ），Ｃｌ／Ｏ_２＝７５／１０（ｓｃｃｍ）でポリシラン４５のエッチングを行った。
【００４０】
次にレジスト層４６及び、ポリシラン４５をマスクに４０（ｍＴｏｒｒ），１２００（Ｗ），ＣＦ_４／Ｏ_２＝１００／２０（ｓｃｃｍ）で、ＳｉＮ層４４のエッチングを行った。
【００４１】
次に図４（ｂ）に示すごとくＯ_２アッシングによりレジスト層４６の剥離を行った。条件は３００（ｍＴｏｒｒ）、７９９（Ｗ）、Ｏ_２＝８０（ｓｃｃｍ）であった。このときポリシラン４５を構成するＣが、ＣＯとして取り除かれ、Ｃの部分にＯが供給され、ＳｉＯ_２層４５′となった。
【００４２】
次に図４（ｃ）に示すごとく、このＳｉＯ_２層４５′及びＳｉＮ層４４をマスクとして、配線材料層４３のエッチングを行った。配線材料層４３のエッチングは層間絶縁層４２で止まった。
【００４３】
次に、図４（ｄ）に示すごとく、ＳｉＮ層４４をマスクにして、対ＳｉＮとの非常に高いエッチング条件を用いて（４０（ｍＴｏｒｒ），１４００（ｗ），Ｃ_４Ｆ_８／ＣＯ／Ａｒ＝１０／５０／２００（ｓｃｃｍ））、下層部の層間絶縁層４２にコンタクトホールのエッチングを行い、アルカリのウエット処理を行う。
【００４４】
次に図５（ｅ）に示すごとく、配線材料４３をコンタクトホールに成膜した。
【００４５】
次に図５（ｆ）に示すごとく、ＣＭＰによりＳｉＮ層４４をストッパーとして配線材料４３の平坦化を行った。
【００４６】
次に図５（ｇ）に示すごとく、層間絶縁層４２′を成膜し、再度、層間絶縁層４２′にコンタクトホールを形成した。
【００４７】
ＳｉＮ層４４はコンタクトホール形成エッチングプロセスでは、ボーダレスエッチングのストッパーとして寄与する。これにより、ボーダレスエッチングを抑制し、容易に配線を形成する事が可能である。特に、フリンジ幅の狭い混載のＬｏｇｉｃ部分、及びＬｏｇｉｃ部分には、非常に有効な技術である。
【００４８】
今回は、配線の材料として、Ａｌ，Ａｌ−Ｃｕを使用しているが、ポリシリコン、タングステン、ＷＳｉ，Ｎｂ等でも構わない。
（実施例３）
本実施例では本発明を用いて以下の手順で層間絶縁膜加工を行った。図６に本実施例の層間絶縁膜加工工程を示す該略図を示す。
【００４９】
まず、シリコン基板６１上に（ＳｉＯ_２又はＦＳＧよりなる）層間絶縁層６２を形成し、さらに被加工膜としてカーボン層６３を形成した。カーボン層６３は前記層間絶縁層６２のエッチングの際マスクとして使用するものである。このとき層間絶縁膜６２としては有機シリコン膜、無機シリコン膜、あるいはシリコン酸化膜を使用した。また、カーボン層６３はＣＶＤ法で形成したが、塗布型装置で成膜したものであってもよい。
【００５０】
その後、図６（ａ）に示すごとく、カーボン層６３上にポリシラン６４及びレジスト層６５を塗布し、レジスト層６４を露光、現像しパターンニングした。
【００５１】
次に図６（ｂ）に示すごとく実施例１と同様の装置を用いてレジスト層６４をマスクとして７５（ｍＴｏｒｒ），３００（ｗ），Ｃｌ／Ｏ_２＝７５／１０（ｓｃｃｍ）でポリシラン６４のエッチングを行った。
【００５２】
次に図６（ｃ）に示すごとくレジスト層６５及び、ポリシラン６４をマスクに７０（ｍＴｏｒｒ），５００（Ｗ），Ｏ_２＝２０（ｓｃｃｍ）で、カーボン層６３のエッチングを行った。このときレジスト層６５は剥離され、ポリシラン６４を構成するＣが、ＣＯとして取り除かれ、Ｃの部分にＯが供給され、ＳｉＯ_２層６４′となるが、ＳｉＯ_２は酸素エッチングによっては削れないため、実質ＳｉＯ_２層６４′がカーボン層６３のマスクとなる。このときのカーボン層とＳｉＯ_２層の選択比は２００程度である。
【００５３】
次に図４（ｄ）に示すごとく、ＳｉＯ_２層６４′を剥離した後、カーボン層６３をマスクとして、４０（ｍＴｏｒｒ），１４００（Ｗ），Ｃ_４Ｆ_８／ＣＯ／Ａｒ／Ｏ_２＝１０／５０／２００／８（ｓｃｃｍ）の条件で層間絶縁層６２のエッチングを行った。層間絶縁膜６２とカーボン層との選択比は、層間絶縁膜が有機シリコン膜、無機シリコン膜、シリコン酸化膜を用いた場合いずれも２０程度であった。
【００５４】
本実施例ではＳｉＯ_２層６４′を剥離した後、カーボン層６３をマスクとして層間絶縁層６２のエッチングを行ったが、ＳｉＯ_２層６４′を剥離せずに、カーボン層と、ＳｉＯ_２層６４′をマスクとしてエッチングを行ってもよい。
【００５５】
本実施例によれば、被加工層であるカーボン層６３の加工から層間絶縁膜６２の加工までを同一の手法で行うことができた。
【００５６】
本実施例において層間絶縁膜として用いられる有機シリコン酸化膜、無機シリコン酸化膜等のような低誘電率膜のエッチングを行う際にはエッチングガスとしてＯ_２が大量に必要となる。従来、レジストパターンをマスクとしてこのような低誘電率膜をエッチングしていたが、前述の如く多量のＯ_２ガスを用いてエッチングを行うとレジストとの選択比が取れなくなり、またレジストが加工の微細化に伴い薄膜化するため非常に加工が困難であった。
【００５７】
しかしながら、本実施例の如くエッチングを行えば有機シリコン酸化膜、無機シリコン酸化膜等のような低誘電率膜も高選択エッチングすることができる。本実施例においてはカーボン膜をマスクとして層間絶縁膜をエッチングしているが、カーボン膜の代わりにレジスト層を使用しても良い。
【００５８】
【発明の効果】
以上述べた如く本発明によれば、後工程で保護機能を有する層として用いられる層の加工を精度良く行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例に適用する、ゲート配線加工のマスクとなるＳｉＮ層の加工工程を示す該略図。
【図２】実施例に適用するエッチング装置の構成図。
【図３】実施例１のゲート配線加工工程を示す該略図。
【図４】実施例２のメタル配線加工工程を示す該略図。
【図５】実施例２のメタル配線加工工程を示す該略図。
【図６】実施例３の層間絶縁膜加工工程を示す該略図。
【符号の説明】
１…シリコン基板
２…配線層
３…被加工層（ＳｉＮ層）
４…有機シリコン層
４′…シリコン酸化物層
５…レジストパターン
２１…真空チャンバー
２２…被処理物
２３…載置台
２４…対向電極
２５…ガス導入管
２６…排気口
２７…高周波電極
２８…磁石
３１…シリコン基板
３２…熱酸化層
３３…ポリシリコン層
３４…ＷＳｉ層
３５…ＳｉＮ層
３６…ポリシラン
３６′…ＳｉＯ_２層
３７…レジスト層
３８…層間絶縁膜
４１…シリコン基板
４２、４２′…層間絶縁層
４３…配線材料（層）
４４…ＳｉＮ層
４５…ポリシラン
４５′…ＳｉＯ_２層
４６…レジスト層
６１…シリコン基板
６２…層間絶縁層
６３…カーボン層
６４…ポリシラン
６４′…ＳｉＯ_２層
６５…レジスト層

Claims

エッチングからの保護機能を有する被加工層上に、有機シリコン化合物を含有する有機シリコン層を形成する工程と、
前記有機シリコン層および前記被加工層をパターニングする工程と、
前記有機シリコン層に酸素のイオンあるいはラジカルを供給することによりエッチングからの保護機能を有するシリコン酸化物層を形成する工程を備えることを特徴とする半導体装置の製造方法。
前記シリコン酸化物層および前記被加工層、又は前記被加工層をマスクとして被エッチング層をエッチングする工程をさらに備え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。
前記シリコン酸化物層又は前記被加工層をエッチングストッパー層として被エッチング層をエッチングする工程をさらに備え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。
層間絶縁膜上に形成されたカーボン層あるいはレジスト層からなる被加工層上に有機シリコン化合物を含有する有機シリコン層を形成する工程と、前記有機シリコン層をパターンニングする工程と、前記有機シリコン層をマスクに前記被加工層をエッチングする工程と、前記有機シリコン層に酸素のイオンあるいはラジカルを供給することにより、シリコン酸化物層とする工程と、前記シリコン酸化物層及び前記被加工層、あるいは前記被加工層をマスクに前記層間絶縁膜のエッチングを行う工程とを備え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。