JP3877461B2 - 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NANDE2PROM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/O2=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),CF4/O2=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、O2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),O2=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O2が供給され、SiO2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、O2アッシングでSiO2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SiO2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/Cl2/O2=50/10/5(sccm)でエッチングを行った。この時、対SiO2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/Cl2=100/10(sccm)でエッチングを行った。この時、対SiO2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SiO2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、SiO2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SiO2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SiO2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、SiO2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、SiO2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(SiO2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SiO2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(SiO2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/O2=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),CF4/O2=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O2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)、O2=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、SiO2層45′となった。
【0042】
次に図4(c)に示すごとく、このSiO2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),C4F8/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(SiO2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/O2=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),O2=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、SiO2層64′となるが、SiO2は酸素エッチングによっては削れないため、実質SiO2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SiO2層の選択比は200程度である。
【0053】
次に図4(d)に示すごとく、SiO2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),C4F8/CO/Ar/O2=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SiO2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、SiO2層64′を剥離せずに、カーボン層と、SiO2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O2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O2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′…SiO2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′…SiO2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′…SiO2層
65…レジスト層
Claims (4)
- 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。
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