JP3948472B2 - 半導体装置の製造方法 - Google Patents
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Description
この方法では、ダミーゲートパターンをマスクとしてイオン注入後、ダミーゲートパターン及びダミー絶縁膜を除去し、その後、新たにゲート絶縁膜及びゲート電極を形成する。これにより、新たに形成したゲート絶縁膜及びゲート電極については、ゲート電極加工時のプラズマダメージや、チャネル領域及びソース・ドレイン領域へのイオン注入の際のダメージなど、ゲート絶縁膜へのダメージを回避することができる。
さらに、ダミーゲートパターンは、このような多数の工程、高コスト、高エネルギーを必要とするにも係らず、上記特許文献1において、シリコン基板上に形成したダミー絶縁膜及びダミーゲートパターンは、イオン注入後、基板上から除去されてしまう。
従って、最終的に除去してしまうようなパターンである場合には、低コストで形成し、さらには低コストで形成した場合においてもイオン注入工程の高温等の条件に対して耐性を有するようなダミーゲートパターンの形成方法の提案が急務であると考えられる。
本発明では、従来のダミーゲートパターン形成プロセスとは全く異なる新規な形成工程によりダミーゲートパターンを形成している。具体的には、ダミーゲートパターン酸化膜形成→マスク材パターニング→機能液塗布→機能液乾燥→機能膜焼成→マスク材除去という工程を経てダミーゲートパターンを形成する。従来の方法と比較した場合、本発明では、マスク材をパターニングして凹部を形成し、この凹部に直接機能液を配置してダミーゲートパターンを形成する。従って、従来のように、ダミーゲートパターンを形成する際に、ポリシリコンを成膜する必要がない。またこれに伴い、ポリシリコンを所定形状にパターニングするためのエッチング処理工程も削減できる。よって、従来では、イオン注入後には除去してしまうダミーゲートパターンに対して製造コスト、製造時間を要していたが、本発明によれば、一般的にポリシリコンよりも安価な材料を使用することができ、コスト削減を図ることができる。また、従来と同様の加工精度により所定形状のダミーゲートパターンを形成することができる。さらには、製造工程の簡略化及びこれに伴って製造装置種数が少なくなることで設備を含めた工場設計の単純化を図ることが可能となる。
なお、本明細書において、機能液とは所定の機能をもった液の総称であり、係る機能としては、電気・電子的機能(導電性、絶縁性、圧電性、焦電性、誘電性等)、光学的機能(光選択吸収、反射性、偏光性、光選択透過性、非線形光学性、蛍光あるいはリン光等のルミネッセンス、フォトクロミック性等)、磁気的機能(硬磁性、軟磁性、非磁性、透磁性等)、化学的機能(吸着性、脱着性、触媒性、吸水性、イオン伝導性、酸化還元性、電気化学特性、エレクトロクロミック性等)、機械的機能(耐摩耗性等)、熱的機能(伝熱性、断熱性、赤外線放射性等)、生体的機能(生体適合性、抗血栓性等)等の種々の機能がある。
この構成によれば、シロキサン結合を有する化合物又はポリシラザンを含んだ機能液を用いるため、機能液に熱処理等を施すことにより、ダミーゲートパターンとしてのシリコン酸化膜を形成することができる。また、一般的にダミーゲートパターンをマスクとして基板にイオン注入を行った後、イオンを基板の所定領域(所定の深さ方向、幅方向)に拡散させるため、基板に対して熱処理を施す。このときの温度としては、例えば、1000℃程度であり、高温状態での処理となる。本発明では、シロキサン結合を有する化合物又はポリシラザンを添加した機能液を使用している。そのため、この機能液は上記高温の熱処理に対しても耐性を有する。よって、イオン拡散のための熱処理に対しても耐性を有し、良好にイオン注入を行うことができる。
マスク材に形成した凹部に機能液を配置する際に、機能液がマスク材上に残ってしまった場合、その後マスク材の除去の段階において、機能液の残渣のためにマスク材が除去できない場合がある。本発明によれば、マスク材上に撥液処理を施しているため、マスク材上に機能液を残すことなく、マスク材の凹部に機能液を配置することができ、歩留まりの低下を回避することができる。
例えば、ダマシンゲート法、リプレースメント法により、ダミーゲートパターン部分を除去して凹部を形成し、ゲート電極や配線等を形成する場合、ダミーゲートパターンのエッチング速度が、絶縁層のエッチング速度よりも速いため、ダミーゲートパターンのみを選択的に除去するとができる。これにより、絶縁層にゲート電極を形成するための凹部を形成して、この凹部に金属等を配置することにより、ゲート電極を形成することができる。
この構成によれば、絶縁層は炭素添加シリコン酸化物により形成されている。炭素添加シリコン酸化物は、撥液性であり、エッチング処理の際のエッチング液を弾くため、エッチング液に対して耐性を有する。これにより、エッチング選択比(シリコン酸化物/炭素添加シリコン酸化膜)が大きくなり、シリコン酸化物のみを選択的にエッチング処理により除去することができる。
また本発明において、前記パターン形成工程と前記絶縁層形成工程との間に、前記ダミーゲートパターンをマスクとする第1のイオン注入工程と、前記ダミーゲートパターンの側壁部に側壁絶縁膜を形成する工程と、前記ダミーゲートパターン及び前記側壁絶縁膜をマスクとする第2のイオン注入工程とを有することも好ましい。
本実施形態では、LDD構造を有するMOSFETを製造するプロセスについて図面を参照して説明する。以下には、まず、シリコン基板に所定濃度の不純物を注入する際に、マスクとして使用するダミーゲートパターンの形成工程について詳細に説明する。なお、以下の説明に用いる各図面では、各部材を認識可能な大きさとするため、各部材の縮尺を適宜変更している。
図1(a)〜(d)は、本実施形態のダミーゲートパターン形成工程を示した断面図である。
まず、図1(a)に示すように、隣接する素子間を電気的に絶縁する素子分離膜12を形成する。具体的には、反応性イオンエッチング(RIE)法等により、シリコン基板10に浅い溝部を形成する。そして、この溝部に絶縁膜を埋め込んでいわゆるSTI(Shallow Trench Isolation)構造の素子分離膜12を形成する。
次に、図1(a)に示すように、シリコン基板10の全面にCVD法により、所定の膜厚の第1シリコン酸化膜14を形成する。
ここで、自己組織化膜を形成する化合物としては、ヘプタデカフルオロ−1,1,2,2テトラヒドロデシルトリエトキシシラン、ヘプタデカフルオロ−1,1,2,2テトラヒドロデシルトリメトキシシラン、ヘプタデカフルオロ−1,1,2,2テトラヒドロデシルトリクロロシラン、トリデカフルオロ−1,1,2,2テトラヒドロオクチルトリエトキシシラン、トリデカフルオロ−1,1,2,2テトラヒドロオクチルトリメトキシシラン、トリデカフルオロ−1,1,2,2テトラヒドロオクチルトリクロロシラン、トリフルオロプロピルトリメトキシシラン等のフルオロアルキルシラン(以下「FAS」という)を例示できる。これらの化合物は、単独で使用してもよく、2種以上を組み合わせて使用してもよい。有機分子膜などからなる自己組織化膜は、上記の原料化合物と基板とを同一の密閉容器中に入れておき、室温で2〜3日程度の間放置することにより基板上に形成される。これらは気相からの形成法であるが、液相からも自己組織化膜を形成できる。例えば、原料化合物を含む溶液中に基板を浸積し、洗浄、乾燥することで基板上に自己組織化膜が形成される。
本実施形態で用いる機能液としては、例えば、有機溶媒中にシロキサン結合を基本構造とするポリマーで無機系の材料を分散させたものを使用することが好ましい。この場合には、機能液を分散させる有機溶媒として、アルコール等を使用することが好ましい。
また、別の機能液としては、有機溶媒中にポリシラザン(Si−N結合を有する高分子の総称である)を分散させたものを使用することが好ましい。ポリシラザンの一つは、[SiH2NH]n(nは正の整数)であり、ポリペルヒドロシラザンと言われる。なお、[SiH2NH]n中のHがアルキル基(例えばメチル基、エチル基など)で置換されると、有機ポリシラザンとなり、無機ポリシラザンとは区別されることがある。本実施形態では、無機ポリシラザンを使用することが好ましい。この場合には、機能液を分散させる有機溶媒としてキシレン等を使用することが好ましい。機能液にポリシラザンを含有させることにより、後述するアニール(焼成)工程において耐熱性を有することができる。
さらに、機能液として、シリコン酸化膜の前駆体、あるいは、シリコン酸化膜の微粒子を有機溶媒中に分散させたものを使用することも好ましい。
このようにして、図1(d)に示すように、シリコン基板10上の後述するゲート電極を形成する領域に、シリコン酸化膜(絶縁膜)からなるダミーゲートパターン20を形成する。
続けて、上記ダミーゲートパターンを用いてLDD構造を有するMOSFETを形成する方法について図2(a)〜(e)を参照して説明する。なお、上記図1に示すダミーゲートパターン形成工程と共通の構成要素については同一の符号を付し、詳細な説明は省略する。
次に、ダミーゲートパターン20を覆うようにして、n型シリコン基板10上の全面にシリコン窒化膜(Si3N4)又はシリコン酸化膜を堆積する。次に、RIE(Reactive Ion Etching)法によりエッチング処理を施す。このエッチング処理により、ダミーゲートパターン20の側壁部にシリコン窒化膜(Si3N4膜)又はシリコン酸化膜を残し、図2(a)に示すような、テーパ状の側壁絶縁膜30を形成する。
ここで、本実施形態のウエットエッチング処理工程について詳細に説明する。
まず、エッチング液として希フッ酸を用いる。この希フッ酸は、50%濃度のフッ酸を水に希釈させたものであり、フッ酸と水の割合が1:99の比率により構成されている。
本実施形態では、第1層間絶縁膜32は炭素添加シリコン酸化膜により形成され、ダミーゲートパターン20はシリコン酸化膜により形成されている。従って、炭素添加シリコン酸化膜により形成される第1層間絶縁膜32は、撥液性を有し、エッチング液を弾くため、上記希フッ酸からなるエッチング液に対して耐性を有する。よって、図2(b)に示す工程において、上記エッチング液を用いてウエットエッチング処理を行った場合、(シリコン酸化膜/炭素添加シリコン酸化膜)の選択比が大きくなるため、ダミーゲートパターン20のみを選択的にエッチングすることができる。このようにして、図2(c)に示すように、ダミーゲートパターン20を除去して、第1層間絶縁膜32にゲート電極用の溝部H2を形成する。
なお、ゲート絶縁膜42が高誘電体膜である場合、シリコン界面との間に界面準位等ができにくいように、界面に薄いシリコン酸化膜、又は、TP(Rapid Thermal Process )を用いてNH3ガス雰囲気でシリコン表面に直接窒化した膜等を形成することも好ましい。
また、本実施形態では、ダミーゲートパターン20をシロキサン結合又はポリシラザンを添加した機能液を使用している。そのため、例えば、上記ダミーゲートパターン20をマスクとしてイオン注入する場合、又はCVD法により第1層間絶縁膜32を成膜する場合等の高温の熱処理に対しても耐性を有する。よって、イオン注入工程、CVD工程等を良好に行うことができる。
なお、上述した電界効果トランジスタは、種々の電子機器に搭載させることができる。例えば、携帯電話、液晶プロジェクタ、マルチメディア対応のパーソナルコンピュータ(PC)及びエンジニアリング・ワークステーション(EWS)、ページャ、ワードプロセッサ、テレビ、ビューファインダ型又はモニタ直視型のビデオテープレコーダ、電子手帳、電子卓上計算機、カーナビゲーション装置、POS端末、タッチパネルを備えた装置などの電子機器に適用することが可能である。
例えば、上記撥液処理工程は、レジスト16に溝部H1を形成する前に、レジスト16の全面に行うことも好ましい。また、本実施の形態においては、レジスト16の全面に撥液処理を施したが、撥液処理を施すことなく溝部H1に機能液を配置することも可能である。また、溝部H1を除いたレジスト16表面のみに撥液処理を施すことも好ましい。
また、ダミーゲートパターン20及び第1層間絶縁膜32を構成する材料としては、上記材料に限定されることなく、(第1層間絶縁膜32/ダミーゲートパターン20)の選択比が大きくなるような材料であれば、種々の材料を適用することが可能である。
また、上記実施形態において第1層間絶縁膜32は、炭素添加シリコン酸化膜(SiOC)の1層で形成したが、これに代えて、最初にシリコン酸化膜を形成し、次いで炭素添加シリコン酸化膜を形成して2層構造とすることも好ましい。これにより、少なくとも第1層間絶縁膜32の表面を撥液性とすることができ、ダミーゲートバターンと選択比が取れ、ダミーゲートパターンのみを選択的に除去することが可能となる。
さらに、本実施実施形態では、ダミーゲートパターン20をMOS型トランジスタに適用した場合について説明したが、TFT(Thin film transistor)にも適用可能であることはもちろんである。
Claims (5)
- ダミーゲートパターンをマスクとしてイオン注入を行いMOSトランジスタを形成する工程を含む半導体装置の製造方法であって、
基板上にマスク材を形成するマスク材形成工程と、
前記マスク材を所定形状にパターニングし、前記マスク材に凹部を形成する凹部形成工程と、
前記凹部にシロキサン結合を有する化合物又はポリシラザンを含む機能液を配置する配置工程と、
前記凹部に配置した前記機能液を乾燥する乾燥工程と、
前記乾燥工程により形成された機能膜のアニール(焼成)工程と、
前記マスク材を除去して前記機能液の構成材料からなるダミーゲートパターンを形成するパターン形成工程と、を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 少なくとも前記マスク材の上面を撥液処理す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。
- 前記パターン形成工程後、前記基板上に前記ダミーゲートパターンを覆うようにして前記絶縁層を形成する絶縁層形成工程と、前記絶縁層の一部を除去して前記ダミーゲートパターンを露出させ、前記絶縁層及び前記ダミーゲートパターン上を平坦化する平坦化工程と、前記絶縁層に囲まれた前記ダミーゲートパターンをエッチング処理により除去して、前記絶縁層に凹部を形成する凹部形成工程と、前記凹部の内部にゲート絶縁膜を介してゲート電極を形成する工程とを有し、
前記ダミーゲートパターンのエッチング速度は、前記絶縁層のエッチング速度よりも速いことを特徴とする請求項1又は2に記載の半導体装置の製造方法。 - 前記絶縁層は炭素添加シリコン酸化物からなり、前記ダミーゲートパターンはシリコン酸化物からなることを特徴とする請求項3に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記パターン形成工程と前記絶縁層形成工程との間に、
前記ダミーゲートパターンをマスクとする第1のイオン注入工程と、
前記ダミーゲートパターンの側壁部に側壁絶縁膜を形成する工程と、
前記ダミーゲートパターン及び前記側壁絶縁膜をマスクとする第2のイオン注入工程と
を有することを特徴とする請求項3又は4に記載の半導体装置の製造方法。
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