JP5122106B2 - 炭素含有膜エッチング方法及びこれを利用した半導体素子の製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、半導体素子製造のためのエッチング方法及びこれを利用した半導体素子の製造方法に係り、特に、新しいエッチングガスを利用する炭素含有膜エッチング方法及びこれを利用した半導体素子の製造方法に関する。
半導体素子の集積度が向上してフィーチャーサイズが縮小するにつれて、素子の水平方向サイズは縮小し、垂直方向サイズは増加しつつある。その結果、単位素子及びこれらを電気的に連結させるためのコンタクトの高さが増大し、それによって、コンタクトホールのアスペクト比が高まっている。このように高まったアスペクト比を有するパターンを形成するためのエッチング工程においては、エッチングされる膜厚は厚くなり、フォトレジストパターンの高さによるエッチング工程マージンも不足している。これにより、微細パターン形成のためのエッチング工程時のフォトレジスト膜の厚さは、次第に薄くなっている。薄くなった厚さを有するフォトレジストパターンから引き起こされる問題を克服するために、エッチングマスクとしてＡＣＬ(ａｍｏｒｐｈｏｕｓ ｃａｒｂｏｎ ｌａｙｅｒ)を導入する技術が開発されている(例えば、特許文献１)。
ＡＣＬを導入したエッチングマスクを利用するに当って、サブミクロン以下の高集積化された半導体素子の微細パターンを形成するために、通常、基板上の被エッチング膜上にＡＣＬ、キャッピング層、及びフォトレジスト膜を順次に積層した多層構造を利用したエッチングマスクが使われる。この場合、露光及び現像工程を通じて形成されたフォトレジストパターンは、反射防止膜及びキャッピング層に転写されてキャッピング層パターンを形成し、これをエッチングマスクとして使用してＡＣＬをエッチングして、前記キャッピング層パターンをＡＣＬに転写してＡＣＬパターンを形成する。このように形成されたＡＣＬパターンは、最終的に基板上の被エッチング膜をエッチングするためのエッチングマスクとして利用される。前記被エッチング膜がエッチングされた後、ＡＣＬパターンの残留物及びエッチング副産物は、アッシング及びストリップ工程によって除去される。
前記のように多層構造のエッチングマスクを利用するに当って、ＡＣＬは、主成分が炭素であるので、これをエッチングするために、一般的にＯ２、Ｎ２、またはこれらの組み合わせからなるエッチングガスを利用する。ＡＣＬとフォトレジスト膜との間に介在するキャッピング層は、ＡＣＬエッチングガスとして使われるＯ２、Ｎ２のような成分に対して耐エッチング性が高く、低温蒸着が可能な物質、例えばＳｉＯＮまたはＳｉＯ２からなる。
しかし、半導体素子の集積度が持続的に高まり、単位素子の幅も次第に縮小することによって、フォトレジスト膜の厚さもさらに縮小しており、それに比例してキャッピング層の厚さも縮小しつつある。このように薄くなったキャッピング層をエッチングマスクとして使用してＡＣＬをエッチングする時、キャッピング層とＡＣＬ膜とのエッチング選択比が最終エッチングマスクとして使われるＡＣＬパターンで良好な側壁プロファイルを得るのに重要な変数として作用する。特に、プラズマ方式によってＡＣＬをエッチングする時、イオンによってキャッピング層がスパッタリングされ、それによってキャッピング層の耐エッチング性が低下する現象が発生する。
従来技術では、薄くなった厚さを有するキャッピング層をエッチングマスクとして利用してＡＣＬをエッチングする時、キャッピング層の耐エッチング性を向上させるための方法としてフルオロカーボン系ガスを注入して、キャッピング層上に炭素系ポリマーを積み重ねた。しかし、ＡＣＬは、炭素が主成分であるので、炭素のエッチングに必要なＮ２、Ｏ２のようなエッチングガスを使用しなければならない。したがって、フルオロカーボン系ガスを使用するＡＣＬエッチング工程では、キャッピング層上に炭素系ポリマーが蒸着され難く、その結果、ＡＣＬとキャッピング層との間に所望のエッチング選択比を確保することが困難である。
また、フォトリソグラフィ工程の解像限界を超えるサイズの微細パターン、例えばコンタクトホールパターンを形成するためには、通常、前記コンタクトホールの形成に必要なエッチングマスクによって限定されるホール形状は、その底部ＣＤ(ｃｒｉｔｉｃａｌ ｄｉｍｅｎｓｉｏｎ)がホールの入口である上部より小さく形成されることが要求される。したがって、ＡＣＬのエッチングによって得られるＡＣＬパターンは、その側壁プロファイルがホールの底部ＣＤを減少させる方向に傾斜して形成されなければならない。このように傾斜した側壁プロファイルを得るためには、ＡＣＬのエッチング過程でエッチングによって得られるホールの側壁にエッチングマスクとして作用されるポリマーが蒸着されなければならない。しかし、前記従来技術によるエッチング条件下では、ポリマー蒸着を利用した傾斜エッチングが困難である。
米国特許公開第２００４/００７９７２６Ａ１号公報
本発明は、前記従来技術での問題点を解決するためのものであって、微細パターン形成のためのエッチング工程時、ＡＣＬのような炭素含有膜とそのエッチングマスクとして使われるキャッピング層との間に十分なエッチング選択比を確保し、かつ炭素含有膜エッチングによって得られる炭素含有膜パターンにおいて、ホールの入口である上部より小さな底部ＣＤを有する傾斜した側壁プロファイルのコンタクトホールを形成しうる炭素含有膜エッチング方法を提供することである。
本発明の他の目的は、高集積化された半導体素子のコンタクト形成に必要な高いアスペクト比を有するコンタクトホールを形成するに当って、隣接したコンタクトホール間の間隔が数十ｎｍまたはそれ以下のレベルに非常に狭くても、コンタクトホール形成のためのエッチング時に隣接したコンタクトホールが互いにオープンされて、隣接したコンタクト間の短絡を引き起こす現象を防止するように、十分な耐エッチング性を有するエッチングマスクを利用してコンタクトホールを形成しうる半導体素子の製造方法を提供することである。
前記目的を達成するために、本発明による炭素含有膜エッチング方法では、炭素含有膜上に前記炭素含有膜の上面を一部露出させるマスクパターンを形成する。前記マスクパターンをエッチングマスクとして利用して、Ｏ２、及びＳｉ含有ガスからなる混合ガスのプラズマによって、前記炭素含有膜を異方性エッチングして炭素含有膜パターンを形成する。
前記他の目的を達成するために、本発明による半導体素子の製造方法では、半導体基板上に層間絶縁膜を形成する。前記層間絶縁膜上に炭素含有膜を形成する。前記炭素含有膜上にキャッピング層を形成する。フォトリソグラフィ工程を利用して、前記キャッピング層をパターニングして、前記炭素含有膜の上面を一部露出させるキャッピング層パターンを形成する。前記キャッピング層パターンをエッチングマスクとして、Ｏ２、及びＳｉ含有ガスからなる混合ガスのプラズマによって前記炭素含有膜を異方性エッチングして、炭素含有膜パターンを形成する。前記炭素含有膜パターンをエッチングマスクとして、前記層間絶縁膜を異方性エッチングして、前記層間絶縁膜を貫通するコンタクトホールを形成する。
前記Ｓｉ含有ガスは、ＳｉＦ４、ＳｉＣｌ４、ＳｉＨ４、及びＳｉＣｌｘＦｙ(ｘ＋ｙ＝４)からなる群から選択されるいずれか一つ、またはその組み合わせからなりうる。
前記混合ガスがＯ２、及びＳｉ含有ガスのみからなる場合、前記混合ガスは、その総量を基準に５０〜９５体積％のＯ２と、５〜５０体積％のＳｉ含有ガスからなることが望ましい。
前記混合ガスは、Ｎ２及び非活性ガスのうちから選択される少なくとも一つの物質をさらに含みうる。この場合、前記混合ガスは、前記混合ガスの総量を基準に２０〜９５体積％のＯ２と、前記混合ガスの総量を基準に５〜５０体積％のＳｉ含有ガスと、前記Ｏ２の総量を基準に０〜１００体積％のＮ２と、前記Ｏ２の総量を基準に０〜５０体積％の非活性ガスとからなりうる。但し、Ｎ２及び非活性ガスの含有量が同時に０ではない。
本発明によれば、エッチングマスクとして使われる炭素含有膜を異方性エッチングするために、Ｏ２、及びＳｉ含有ガスからなる混合ガスのプラズマを利用することによって、炭素含有膜エッチング時に、エッチングマスクとして使われるキャッピング層パターン上にエッチング副産物であるＳｉ系ポリマー副産物層が形成される。これによって、キャッピング層パターンが保護されて、キャッピング層パターンと炭素含有膜との間に十分なエッチング選択比を確保することができる。また、炭素含有膜エッチングによって得られるホールの入口の上部より底部ＣＤをさらに小さくエッチングすることが可能である。したがって、本発明は、高集積化された半導体素子のコンタクト形成に必要な高いアスペクト比を有するコンタクトホールを形成するのに特に有利に適用されうる。
本発明では、高集積化された半導体素子の微細パターン形成のためのエッチング工程時、エッチングマスクとして使われる炭素含有膜を異方性エッチングするために、Ｏ２、及びＳｉ含有ガスからなる混合ガスのプラズマを利用する。かかる条件で前記炭素含有膜をエッチングすることによって、前記炭素含有膜エッチング時にエッチングマスクとして使われるキャッピング層パターン上にエッチング副産物であるＳｉ系ポリマー副産物層が形成され、このポリマー副産物層によって、前記キャッピング層パターンが保護されて、キャッピング層パターンと炭素含有膜との間に十分なエッチング選択比を確保することができる。また、前記炭素含有膜がエッチングされる間に、Ｓｉ系ポリマー副産物層が炭素含有膜パターンの側壁にも蒸着され、このように炭素含有膜側壁に蒸着されたポリマー副産物層は、後続のエッチング過程でエッチングマスクの役割を行って、結果的に得られるホールの底部ＣＤを減らすことができる。
したがって、本発明は、高集積化された半導体素子のコンタクト形成に必要な高いアスペクト比を有するコンタクトホールの形成に特に有利に適用され、隣接したコンタクトホール間の間隔が数十ｎｍまたはそれ以下のレベルに非常に狭くても、コンタクトホール形成のためのエッチング時、隣接したコンタクトホールが互いにオープンされて隣接したコンタクト間の短絡を引き起こす現象を防止できる。また、十分な耐エッチング性を有するエッチングマスクを利用して炭素含有膜をエッチングし、それから得られた炭素含有膜パターンをエッチングマスクとして利用して被エッチング膜をエッチングすることによって、所望の形状のコンタクトホールを安定的に形成することができる。
図１は、本発明の望ましい実施形態による半導体素子の製造方法が有利に適用されうる例示的な半導体素子の要部レイアウトである。
図１には、ＮＡＮＤ型フラッシュメモリ素子を構成するセルブロックの一部レイアウトが例示されており、そのうちでも特に、ビットラインＢＬに連結されるダイレクトコンタクトＤＣの配置が例示されている。最近要求されるデザインルールでは、前記ダイレクトコンタクトＤＣは、互いに数十ｎｍ、例えば２０〜４０ｎｍの間隔で配置される。本発明では、ＡＣＬをエッチングマスクとして利用して、前記のように狭い間隔をおいて配置されるパターンを形成する方法を提供する。
図２Ａないし図２Ｄは、本発明の望ましい実施形態による半導体素子の製造方法を説明するために工程順序によって示した断面図である。図２Ａないし図２Ｄは、半導体基板上に、図１に例示されたようにダイレクトコンタクトＤＣを形成する工程を例として説明するために、図１のＩＩ−ＩＩ'線の断面に対応する部分の断面図を工程順序に従って示した。
まず、図２Ａを参照すれば、半導体基板１００上に被エッチング膜である層間絶縁膜１１０を形成する。前記層間絶縁膜１１０は、例えば酸化膜、窒化膜またはこれらの組み合わせからなりうる。前記層間絶縁膜１１０は、例えば約５，０００〜１５，０００Åの厚さに形成されうる。
前記層間絶縁膜１１０上に炭素含有膜１２０を形成する。前記炭素含有膜１２０は、炭素及び水素からなる膜、または炭素、水素、及び酸素からなる膜から構成されうる。例えば、前記炭素含有膜１２０は、ＡＰＦ(商品名、ＡＭＡＴ社製、“ＡＣＬ”と称する)、ＳｉＬＫ(商品名、Ｄｏｗ Ｃｈｅｍｉｃａｌ社製)、ＮＣＰ(商品名、ＡＳＭ社製)、ＡＨＭ(商品名、Ｎｏｖｅｌｌｏｕｓ社製)などからなりうる。前記炭素含有膜１２０の厚さは、被エッチング膜の前記層間絶縁膜１１０の厚さを考慮して決定され、例えば１，０００〜２，０００Åの厚さに形成されうる。
前記炭素含有膜１２０上にキャッピング層１３０を形成する。前記キャッピング層１３０は、前記炭素含有膜１２０をエッチングする時に、エッチングマスクとして使用するために形成するものであって、低温蒸着、例えば、約４００℃以下の温度で蒸着可能な膜からなることが望ましい。例えば、前記キャッピング層１３０は、ＳｉＯＮ、ＰＥ（ｐｌａｓｍａ−ｅｎｈａｎｃｅｄ）酸化膜、ＴＥＯＳ（ｔｅｔｒａｅｔｈｙｌ ｏｒｔｈｏｓｉｌｉｃａｔｅ）、ＡＬＤ（ａｔｏｍｉｃ ｌａｙｅｒ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）によって形成された酸化膜、Ｓｉ、ＳｉＧｅ、またはこれらの組み合わせからなりうる。キャッピング層１３０の厚さは、その上に形成されるフォトレジスト膜の厚さによって決定される。例えば、前記キャッピング層１３０は、約３００〜５００Åの厚さに形成されうる。
前記キャッピング層１３０上に有機反射防止膜１４０及びフォトレジストパターン１５０を順次に形成する。前記有機反射防止膜１４０は、例えば、約３００〜５００Åの厚さに形成され、場合によっては省略可能である。
前記フォトレジストパターン１５０は、使われる光源によってＫｒＦ用、ＡｒＦ用、またはＦ２用のフォトレジスト物質からなり、これに制限されるものではない。
図２Ｂを参照すれば、前記フォトレジストパターン１５０をエッチングマスクとして、前記有機反射防止膜１４０及びキャッピング層１３０を順次に異方性乾式エッチングして、有機反射防止膜パターン１４０ａ及びキャッピング層パターン１３０ａを形成する。このエッチング過程中に前記フォトレジストパターン１５０の一部または全部が除去されうる。
図２Ｃを参照すれば、前記キャッピング層パターン１３０ａをエッチングマスクとして、プラズマエッチング工程によって前記炭素含有膜１２０を異方性エッチングして、ホール１２０ｈを限定する炭素含有膜パターン１２０ａを形成する。この過程中に、前記有機反射防止膜１４０は除去されうる。または、前記有機反射防止膜１４０は、前記炭素含有膜パターン１２０ａの形成のためのエッチング工程前または後に別途の工程によって除去されることもある。
前記炭素含有膜パターン１２０ａの形成のためのプラズマエッチング工程は、ＩＣＰ（ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ ｃｏｕｐｌｅｄ ｐｌａｓｍａ）方式または二重周波数ＣＣＰ（ｄｕａｌ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｃａｐａｃｉｔｉｖｅｌｙ ｃｏｕｐｌｅｄ ｐｌａｓｍａ）方式のプラズマエッチング設備を利用して行なわれる。この時、エッチングガスとしてＯ２、及びＳｉ含有ガスからなる混合ガス１６０を使用する。
本発明の例示的な実施形態において、前記Ｓｉ含有ガスは、ＳｉＦ４、ＳｉＣｌ４、ＳｉＨ４、及びＳｉＣｌｘＦｙ(ｘ＋ｙ＝４)からなる群から選択されるいずれか一つ、またはその組み合わせからなりうる。前記混合ガス１６０がＯ２、及びＳｉ含有ガスのみからなる場合、前記混合ガス１６０は、その総量を基準に約５０〜９５体積％のＯ２と、約５〜５０体積％のＳｉ含有ガスとからなりうる。
このように、前記キャッピング層パターン１３０ａをエッチングマスクとして、炭素含有膜１２０をエッチングするに当って、Ｏ２と共にＳｉ含有ガスを使用することによって、前記キャッピング層パターン１３０ａと炭素含有膜１２０とのエッチング選択比を高めることができ、前記ホール１２０ｈの底部Ｂ ＣＤを効果的に縮小させることができる。すなわち、図２Ｃに概略的なメカニズムを例示したように、前記炭素含有膜１２０をエッチングするために、Ｓｉ含有ガスが含まれた混合ガス１６０を使用すれば、Ｓｉ含有ガスから解離して生じたＳｉ含有物質、例えば、ＳｉＦ４を使用した場合には、ＳｉＦ４から解離して生じたＳｉｘＦｙのようなラジカル及びイオンが前記キャッピング層パターン１３０ａの表面に蒸着されて、ＳｉｘＦｙＯｚ(ｘ，ｙ，ｚはそれぞれ定数)のようなポリマー副産物層１７０を形成して、前記キャッピング層パターン１３０ａをパッシベーションすると共に、前記キャッピング層パターン１３０ａと炭素含有膜１２０とのエッチング選択比を向上させる役割を行う。図２Ｃには、便宜上前記ポリマー副産物層１７０にＳｉ原子及びＯ原子のみを表示したが、本発明はこれに限定されるものではない。また、ＳｉｘＦｙのようなＳｉ含有ガスのラジカル及びイオンは、前記炭素含有膜１２０のエッチングが進んでホール１２０ｈが形成される間、前記ホール１２０ｈの側壁にＳｉｘＦｙＯｚのようなポリマー副産物層１７０が形成されてパッシベーション膜を形成し、このパッシベーション膜は、前記ホール１２０ｈの形成のためのエッチング工程が終了するまでエッチングマスクの役割を行って、前記ホール１２０ｈの入口側ＣＤより底部Ｂ ＣＤを縮小できる。
本発明者によって行なわれた実験結果によれば、前記ホール１２０ｈの底部Ｂでは、Ｓｉ含有ガスから解離された前記ＳｉｘＦｙのようなラジカル及びイオンから形成されるポリマー副産物層１７０の形成は観察されなかった。この理由は、ＳｉｘＦｙのようなラジカル及びイオンは、前記ホール１２０ｈの底部Ｂまで到達することはできるが、前記ホール１２０ｈの底部Ｂ付近まで到達すれば、ホール１２０ｈの入口側の上部に比べてそのフラックス(ｆｌｕｘ)が少ないだけでなく、ホール１２０ｈの側壁にさらに蒸着されて、ホール１２０ｈの底に行くほどフラックス減少量が大きくなるためであると推定される。
本発明の他の例示的な実施形態において、前記混合ガス１６０は、Ｏ２、及びＳｉ含有ガスと、Ｎ２及び非活性ガスのうちから選択される少なくとも一つの物質をさらに含みうる。この場合、前記混合ガス１６０は、前記混合ガス１６０の総量を基準に約２０〜９５体積％のＯ２と、前記混合ガス１６０の総量を基準に約５〜５０体積％のＳｉ含有ガスと、前記混合ガス１６０内のＯ２の総量を基準に約０〜１００体積％のＮ２と、前記混合ガス１６０内のＯ２の総量を基準に約０〜５０体積％の非活性ガスとからなりうる。この場合、Ｎ２及び非活性ガスの含有量が同時に０ではない。Ｎ２ガスは、前記炭素含有膜１２０に対してＯ２よりは低いエッチング率を提供するが、前記炭素含有膜１２０がエッチングされながらホール１２０ｈ内に露出される前記炭素含有膜パターン１２０ａの側壁をパッシベーションする役割を行うことで、異方性エッチング特性を向上させると共に、前記ホール１２０ｈの底部ＣＤを減らすのに役立つ。前記非活性ガスは、異方性乾式エッチング特性を向上させながらプラズマ雰囲気を安定化させる役割を行う。前記非活性ガスは、Ａｒ、Ｈｅ、Ｘｅ、及びＫｒからなる群から選択されるいずれか一つでありうる。
本発明のさらに他の例示的な実施形態において、前記混合ガス１６０は、ＣＦ４、Ｃ２Ｆ６、Ｃ３Ｆ８、Ｃ４Ｆ８、Ｃ４Ｆ６、Ｃ５Ｆ８のようなＣｘＦｙ系列のガスをさらに含んでもよい。前記ＣｘＦｙ系列のガスは、前記炭素含有膜１２０のエッチング率を高めるために必要に応じて追加するものであって、その量は、前記混合ガス１６０総量を基準に１０体積％を超えない範囲内で使用する。
また、前記炭素含有膜パターン１２０によって限定されるホール１２０ｈで良好な側壁プロファイルを得るための異方性エッチング条件を最適に設定するために、エッチング設備内で前記半導体基板１００側のＲＦバイアスパワーの大きさを適切に制御する必要がある。
図２Ｄを参照すれば、前記ポリマー副産物層１７０を除去する。このために、例えば、ＣＦ４及びＡｒの混合ガス、またはＣｌ２及びＡｒの混合ガスを使用するエッチング工程を利用しうる。
その後、前記炭素含有膜パターン１２０ａをエッチングマスクとして前記層間絶縁膜１１０を異方性エッチングして、ダイレクトコンタクトホール(ＤＣＨ)を限定する層間絶縁膜パターン１１０ａを形成する。この過程で、前記キャッピング層パターン１３０ａは除去されうる。または、前記キャッピング層パターン１３０ａは、前記ダイレクトコンタクトホール(ＤＣＨ)の形成のためのエッチング工程前または後に別途の工程によって除去されてもよい。
本例では、層間絶縁膜１１０にダイレクトコンタクトホール(ＤＣＨ)を形成するために、炭素含有膜パターン１２０ａ及びキャッピング層パターン１３０ａを利用する方法について例示したが、本発明はこれに限定されるものではない。すなわち、本発明の基本思想によれば、層間絶縁膜のエッチング時のみならず、半導体素子に必要な他の膜質、例えばポリシリコン層、絶縁層、導電層などの多様な物質膜のエッチングのために、炭素含有膜パターン１２０ａをエッチングマスクとして利用する場合であれば、いずれの場合でも同一に適用されうるということは、当業者であれば理解できるであろう。
本発明の方法によってキャッピング層パターンをエッチングマスクとして、炭素含有膜をエッチングするに当って、エッチングガスの含有量による炭素含有膜のエッチング特性を評価するために、次のように実験用サンプルを準備した。まず、半導体基板上の層間絶縁膜上にＡＣＬを約１５００Åの厚さに形成した後、その上にＳｉＯＮからなるキャッピング層を約２６０Åの厚さに形成した。そして、前記キャッピング層上に有機反射防止膜及びフォトレジスト膜をそれぞれ約３８０Å及び１６００Åの厚さに形成した。通常の方法でフォトレジスト膜をパターニングしてフォトレジストパターンを形成し、そのパターンを前記キャッピング層に転写してキャッピング層パターンを形成した。その後、デュアルプラズマＣＣＰ方式のプラズマエッチング設備で、前記キャッピング層パターンをエッチングマスクとして前記ＡＣＬをエッチングした。エッチング条件として、工程温度(基板側温度）は約３０℃であり、工程圧力は約１５ｍＴであった。そして、エッチングガスとしてＯ２、ＳｉＦ４、Ｎ２、及びＡｒの混合ガスを使用した。この時、Ｏ２、ＳｉＦ４、Ｎ２、及びＡｒの流量をそれぞれ４０ｓｃｃｍ、２０ｓｃｃｍ、２０ｓｃｃｍ、及び２０ｓｃｃｍとした。エッチング時間は約９０秒であった。
図３Ａ及び図３Ｂは、それぞれ前記のような方法によって、キャッピング層パターンをエッチングマスクとして炭素含有膜をエッチングした例の結果物を示す断面ＳＥＭイメージ及び斜線方向から見た平面ＳＥＭイメージである。
図３Ａ及び図３Ｂにおいて、ＡＣＬパターン３１０と、その上に残っているキャッピング層パターン３２０と、Ｓｉ系ポリマーと推定されるポリマー副産物層３３０とを見ることができる。また、図３Ａに示された前記ＡＣＬパターン３１０の幅は、約８０ｎｍであった。
図４Ａ及び図４Ｂは、エッチング時間を１８００秒に設定したことを除いて、図３Ａ及び図３Ｂの場合と同じ条件で評価した例の結果物を示す断面ＳＥＭイメージ及び斜線方向から見た平面ＳＥＭイメージである。
図４Ａ及び図４Ｂにおいて、図３Ａ及び図３Ｂの場合と同様にＡＣＬパターン４１０と、その上に残っているキャッピング層パターン４２０と、Ｓｉ系ポリマーと推定されるポリマー副産物層４３０とを見ることができる。但し、図３Ａ及び図３Ｂとの差異点は、前記ＡＣＬパターン４１０の側壁プロファイルの傾斜度が大きくなって、ホールの底部ＣＤが図３Ａ及び図３Ｂの場合よりさらに小さくなり、前記キャッピング層パターン４２０上に残っているポリマー副産物層４３０の厚さがさらに厚くなった。このような結果から、ＡＣＬのエッチング時にエッチング時間を調節することによって、ポリマーによるパッシベーション効果を所望の程度で調節でき、その結果、所望の側壁傾斜度及び底部ＣＤを有するホールを限定するＡＣＬパターンを形成することが可能であるということが分かる。かかる側壁傾斜度及び底部ＣＤ制御効果は、エッチング時間によってのみ制御されるのではなく、Ｓｉ含有ガスの流量比を調節する方法によっても同じ効果を得ることができる。
図５Ａ及び図５Ｂは、本発明による方法との比較のために実施した実験例の結果物を示す断面ＳＥＭイメージ及び斜線方向から見た平面ＳＥＭイメージである。
図５Ａ及び図５Ｂは、エッチングガスとしてＯ２、Ｎ２、及びＡｒの混合ガスを使用し、ここでＯ２、Ｎ２、及びＡｒの流量をそれぞれ４０ｓｃｃｍ、２０ｓｃｃｍ、及び２０ｓｃｃｍとしたことを除いて、図３Ａ及び図３Ｂの場合と同じ方法で実験した結果を示す。
図５Ａ及び図５Ｂに示したように、ＡＣＬパターン５１０上には、キャッピング層パターン５２０の一部のみ残っていて、ＡＣＬのエッチング時にエッチングマスクの役割を十分に行えず、その結果、図５Ｂに示したように、互いに隣接しているホールが分離されずに部分的に連結されている。
すなわち、図５Ａ及び図５Ｂに示す例のように、エッチングガスとしてＳｉＦ４を添加しない混合ガスを使用してＡＣＬをエッチングした場合には、キャッピング層として使われたＳｉＯＮ膜の損傷(ｅｒｏｓｉｏｎ）が大きく起こる。しかし、図３Ａ及び図３Ｂと図４Ａ及び図４Ｂとに示す例のように、ＳｉＦ４を添加したエッチングガスを使用してＡＣＬをエッチングした場合には、ＳｉＦｘによるパッシベーション効果によってキャッピング層パターンのエッチング率が遅くなり、キャッピング層として使われたＳｉＯＮ膜の損傷が著しく抑制される。また、図４Ａ及び図４Ｂに示す例のように、ＳｉＦ４を添加したエッチングガスを使用してＡＣＬをエッチングした場合には、エッチング時間を延長させてもＳｉＯＮ膜に悪影響がないのみならず、むしろＳｉｘＦｙＯｚのようなポリマー残留物層によってＳｉＯＮ膜及びＡＣＬパターンの側壁がパッシベーションされてＳｉＯＮ膜の損傷を防止し、ＡＣＬパターンによって限定されるホールの底部ＣＤを減らす効果を示す。
以上、本発明を望ましい実施形態を挙げて詳細に説明したが、本発明は、前記実施形態に限定されず、本発明の技術的思想及び範囲内で当業者によって多様な変形及び変更が可能である。
本発明による半導体素子の微細パターン形成方法は、大規模、高集積の半導体回路素子を製造するのに有用に適用されうる。
１００ 半導体基板
１１０ 層間絶縁膜
１１０ａ 層間絶縁膜パターン
１２０ 炭素含有膜
１２０ａ 炭素含有膜パターン
１２０ｈ ホール
１３０ キャッピング層
１３０ａ、３２０、４２０ キャッピング層パターン
１４０ 有機反射防止膜
１４０ａ 有機反射防止膜パターン
１５０ フォトレジストパターン
１６０ 混合ガス
１７０、３３０、４３０ ポリマー副産物層
３１０、４１０ ＡＣＬパターン
Ｂ 底部
１１０ 層間絶縁膜
１１０ａ 層間絶縁膜パターン
１２０ 炭素含有膜
１２０ａ 炭素含有膜パターン
１２０ｈ ホール
１３０ キャッピング層
１３０ａ、３２０、４２０ キャッピング層パターン
１４０ 有機反射防止膜
１４０ａ 有機反射防止膜パターン
１５０ フォトレジストパターン
１６０ 混合ガス
１７０、３３０、４３０ ポリマー副産物層
３１０、４１０ ＡＣＬパターン
Ｂ 底部
Claims (12)
- 炭素及び水素を含む炭素含有膜上に前記炭素含有膜の上面を一部露出させるマスクパターンを形成する段階と、
前記マスクパターンをエッチングマスクとして利用して、Ｏ２、及びＳｉ含有ガスからなる混合ガスのプラズマによって前記炭素含有膜を異方性エッチングして、炭素含有膜パターンを形成する段階とを含み、
前記混合ガスは、その総量を基準に５０〜９５体積％のＯ ２ と、５〜５０体積％のＳｉ含有ガスからなることを特徴とする炭素含有膜エッチング方法。 - 前記Ｓｉ含有ガスは、ＳｉＦ４、ＳｉＣｌ４、ＳｉＨ４、及びＳｉＣｌｘＦｙ(ｘ＋ｙ＝４)からなる群から選択されるいずれか一つ、またはその組み合わせからなることを特徴とする請求項１に記載の炭素含有膜エッチング方法。
- 前記混合ガスは、Ｎ２及び非活性ガスのうちから選択される少なくとも一つの物質をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の炭素含有膜エッチング方法。
- 前記混合ガスは、前記Ｏ２の総量を基準に０〜１００体積％のＮ２と、前記Ｏ２の総量を基準に０〜５０体積％の非活性ガスを更に含むこと(但し、Ｎ２及び非活性ガスの含有量が同時に０ではない)を特徴とする請求項３に記載の炭素含有膜エッチング方法。
- 前記非活性ガスは、Ａｒ、Ｈｅ、Ｘｅ、及びＫｒからなる群から選択されるいずれか一つであることを特徴とする請求項３に記載の炭素含有膜エッチング方法。
- 前記混合ガスは、ＣｘＦｙ(ｘ，ｙはそれぞれ定数)系ガスをさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の炭素含有膜エッチング方法。
- 前記ＣｘＦｙ系ガスは、前記混合ガスの総量を基準に１０体積％未満の量で含まれることを特徴とする請求項６に記載の炭素含有膜エッチング方法。
- 前記炭素含有膜は、ＡＣＬ、ＳｉＬＫ、ＮＣＰ、及びＡＨＭからなる群から選択されるいずれか一つからなることを特徴とする請求項１に記載の炭素含有膜エッチング方法。
- 前記炭素含有膜パターンが形成された後、前記炭素含有膜パターン及び前記マスクパターン上に存在するポリマー副産物を、ＣＦ４、Ｃｌ２、またはこれらの組み合わせからなるガスを利用するプラズマエッチング工程によって除去する段階をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の炭素含有膜エッチング方法。
- 前記マスクパターンは、シリコン酸化膜、シリコン酸化窒化膜、Ｓｉ、ＳｉＧｅ、またはこれらの組み合わせからなることを特徴とする請求項１に記載の炭素含有膜エッチング方法。
- 半導体基板上に層間絶縁膜を形成する段階と、
前記層間絶縁膜上に炭素及び水素を含む炭素含有膜を形成する段階と、
前記炭素含有膜上にキャッピング層を形成する段階と、
フォトリソグラフィ工程を利用して前記キャッピング層をパターニングして、前記炭素含有膜の上面を一部露出させるキャッピング層パターンを形成する段階と、
前記キャッピング層パターンをエッチングマスクとして、Ｏ２、及びＳｉ含有ガスからなる混合ガスのプラズマによって、前記炭素含有膜を異方性エッチングして炭素含有膜パターンを形成する段階と、
前記炭素含有膜パターンをエッチングマスクとして、前記層間絶縁膜を異方性エッチングして、前記層間絶縁膜を貫通するコンタクトホールを形成する段階とを含み、
前記混合ガスは、その総量を基準に５０〜９５体積％のＯ ２ と、５〜５０体積％のＳｉ含有ガスとからなることを特徴とする半導体素子の製造方法。 - 前記Ｓｉ含有ガスは、ＳｉＦ４、ＳｉＣｌ４、ＳｉＨ４、及びＳｉＣｌｘＦｙ(ｘ＋ｙ＝４)からなる群から選択されるいずれか一つ、またはその組み合わせからなることを特徴とする請求項１１に記載の半導体素子の製造方法。
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