JP5367235B2 - 半導体装置の製造方法 - Google Patents

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Description

本発明は半導体装置の製造方法に関し、特に、被エッチング層をエッチングする工程を有する半導体装置の製造方法に関する。
半導体装置の製造方法において、被エッチング層をエッチングする場合がある。例えば、フラッシュメモリにおいて、ゲート電極を兼ねるワードラインの間隔を小さくすることはフラッシュメモリの微細化にとって重要である。特許文献1の図5から図10には、多結晶シリコン層をエッチングしワードラインを形成する方法が開示されている。特許文献1によれば、多結晶シリコン上に中間層と上部層(反射防止膜として機能する)を形成し、フォトレジストをマスクに上部層及び中間層をエッチングする(特許文献1の図6)。上部層及び中間層の側面にサイドウォール層を形成し、多結晶シリコン層をエッチングし、ワードラインを形成する(特許文献1の図8)。サイドウォール層により、形成されたワードライン間隔を小さくすることができる。特許文献1では、中間層として酸化膜が、上部層として窒化膜が例示されている。
特表2005−522029号公報
しかしながら、特許文献1の技術によれば、窒化膜を反射防止膜である上部層として用いる場合は、上部層の膜厚は厚くなってしまう。また、中間層と上部層の材料が異なり、上部層を除去する工程が必要となってしまう。
本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、上部層を除去する工程が不要な半導体装置の製造方法を提供することを目的とする。
本発明は、半導体基板上にシリコンからなる被エッチング層を形成する工程と、前記被エッチング層上に、酸化シリコン膜からなる中間層とシリコンからなる上部層とからなりパターンを有するマスク層を形成する工程と、前記マスク層をマスクに前記被エッチング層をエッチングし、かつ前記上部層を除去する工程と、を有することを特徴とする半導体装置の製造方法である。本発明によれば、被エッチング層のエッチング時に上部層を除去するため、上部層をエッチングする更なる工程が不要となる。よって、製造工程を削減することができる。
上記構成において、エッチングされた前記被エッチング層の間に酸化シリコン膜からなる第1層及び窒化シリコン層からなる第2層を順に形成する工程と、前記被エッチング層上の中間層を除去する工程と、を有する構成とすることができる。この構成によれば、被エッチング層上の中間層を除去する際に、第1層に生じるノッチを小さくすることができる。
上記構成において、前記被エッチング層の上部に珪化金属層を形成する工程を有する構成とすることができる。この構成によれば、珪化金属層を形成する際に、第1層上に形成される珪化金属層の膜厚を薄くすることができる。よって、被エッチング層間の間隔を小さくすることができる。
上記構成において、前記珪化金属層を形成する工程は、前記被エッチング層上に金属層を形成する工程と、熱処理することにより、前記金属層と前記被エッチング層の上部とから珪化金属層を形成する工程である構成とすることができる。この構成によれば、珪化金属層を形成する際に、第1層上に形成される珪化金属層の膜厚が厚くなりやすい構成においても、第1層上に形成される珪化金属層の膜厚を薄くすることができる。
上記構成において、前記マスク層を形成する工程は、前記被エッチング層上に前記中間層及び前記上部層を積層する工程と、前記中間層及び前記上部層をパターニングする工程と、パターニングされた前記中間層及び前記上部層上に酸化シリコン膜からなるカバー層を形成する工程と、前記カバー層を前記上部層が露出するように全面エッチングし、パターンニングされた前記中間層及び前記上部層の側面にサイドウォール層を形成する工程と、を有する構成とすることができる。この構成によれば、サイドウォール層により、被エッチング層間の間隔を小さくすることができる。
上記構成において、前記中間層及び前記上部層をパターニングする工程は、前記上部層上に反射防止膜及びフォトレジスト膜を形成する工程と、前記反射防止膜及び前記フォトレジスト膜をパターニングする工程と、前記フォトレジスト膜をマスクに前記中間層及び前記上部層をエッチングする工程を有する構成とすることができる。この構成によれば、上部層の膜厚を薄くすることができる。
本発明は、被エッチング層を形成する工程と、前記被エッチング層上に、中間層と前記被エッチング層と同じ元素からなる上部層とからなりパターンを有するマスク層を形成する工程と、前記マスク層をマスクに被エッチング層をエッチングし、かつ前記上部層を除去する工程と、を有することを特徴とする半導体装置の製造方法である。本発明によれば、被エッチング層のエッチング時に上部層を除去するため、上部層をエッチングする更なる工程が不要となる。よって、製造工程を削減することができる。
上記構成において、エッチングされた前記被エッチング層の間に、前記中間層と同じ材料からなる第1層、及び第2層を形成する工程と、前記被エッチング層上の中間層を除去する工程と、を有する構成とすることができる。この構成によれば、被エッチング層上の中間層を除去する際に、第1層に生じるノッチを小さくすることができる。
上記構成において、前記被エッチング層はゲート層である構成とすることができる。
本発明によれば、被エッチング層のエッチング時に上部層を除去するため、上部層をエッチングする更なる工程が不要となる。よって、製造工程を削減することができる。
まず、特許文献1に記載された技術を用いた比較例1に係る半導体装置の製造方法について図1(a)から図4(c)を用い説明する。比較例1は、仮想接地型SONOS(Semiconductor Oxide Nitraide Oxide Nitraide)型フラッシュメモリの例である。
図1(a)を参照に、P型シリコン半導体基板(または、半導体基板内のP型拡散領域)10上に、熱酸化法を用い酸化シリコン膜からなるトンネル酸化膜12、CVD法を用い窒化シリコン膜からなるトラップ層13、熱酸化法またはCVD法を用い酸化シリコン膜からなるトップ酸化膜14を順次形成する。これにより、ONO膜16が形成される。ONO膜16上にCVD法を用い多結晶シリコンからなり膜厚が例えば約200nmの被エッチング層17を形成する。被エッチング層17上にCVD法を用い酸化シリコン膜からなり膜厚が例えば50nmの中間層21aを形成する。中間層21a上にCVD法を用いシリコンリッチな窒化シリコン膜からなり膜厚が例えば50nmの上部層23aを形成する。上部層23a上をアッシングし約1nmの酸化シリコン膜27を形成する。
図1(b)を参照に、膜厚が例えば約300nmのフォトレジスト膜32を塗布する。露光現像により、例えばパターン寸法が約150nm及びパターン間隔が約140nmのパターンを形成する。上部層23aはパターンを露光する際、光の反射を防止するための反射防止膜であり、酸化シリコン膜27は、パターンの裾引きを抑制するための膜である。
図2(a)を参照に、フォトレジスト膜32をマスクに酸化シリコン膜27、上部層23a及び中間層21aを異方性ドライエッチングし、パターンを有する上部層24a及び中間層22aを形成する。上部層23aのエッチングは例えばCHF/Ar/O混合ガスを用い、中間層21aのエッチングは例えばC/CHF/Ar/O混合ガスを用いる。図2(b)を参照に、フォトレジスト膜32を除去し、上部層24a及び中間層22aを覆うように酸化シリコン膜からなり膜厚が約50nmのカバー層25aをCVD法を用い形成する。
図3(a)を参照に、全面を例えばC/CHF/Ar/Oを用いエッチングすることにより、上部層24a及び中間層22aの両側面にサイドウォール層26aが形成され、上部層24a上のカバー層25aは完全に除去される。図3(b)を参照に、CHF、/Ar/Oを用い上部層24aをエッチングし除去する。これにより、中間層22a及びサイドウォール層26aからマスク層20aが形成される。図3(c)を参照に、マスク層20aをマスクにHBr/Cl/Oを用い被エッチング層17をエッチングしワードライン18を形成する。
図4(a)を参照に、ワードライン18を酸化させ酸化シリコン膜からなる第1層34を形成する。CVD法を用い、全面に窒化シリコン膜を被覆させ、全面エッチングすることにより、第1層34の側面に窒化シリコン膜からなる第2層36を形成する。ワードライン18間では、第2層36はワードライン18間を埋め込んでおり、最端のワードライン18においては、第2層36はワードライン18側方のサイドウォールとなる。ここで、第1層34を形成するのは、ワードライン18に直接窒化シリコン膜である第2層36を形成すると、ストレス等によりトランジスタ特性が劣化してしまうためである。このように、第1層34はストレスを緩和する機能を有する。
図4(b)を参照に、酸化シリコン膜からなるマスク層20aを弗酸系の薬液を用い除去する。中間層22a及びサイドウォール層26aはともに酸化シリコン膜であるため、1回の処理でマスク層20aを除去することができる。また、第2層36は窒化シリコン膜のため、ほとんどエッチングされない。図4(c)を参照に、ワードライン18上にコバルトを形成し熱処理することにより、コバルトとワードライン18上部の多結晶シリコンとが反応し、珪化金属層38が形成される。以下、通常のフラッシュメモリの製造方法を用いることにより、比較例1に係るフラッシュメモリが完成する。
比較例1の課題について説明する。まず、第1の課題について以下に説明する。図3(b)において、窒化シリコン膜である上部層24aを除去する際に、サイドウィール層26aもエッチングされてしまう。これは、窒化シリコン膜に対する酸化シリコン膜のエッチング選択比が20以下と小さいためである。さらに、窒化シリコン膜からなる上部層24aは、反射防止膜として機能を発揮するため50nm程度の厚さが必要である。これにより、酸化シリコン膜からなるサイドウォール層26aは大きくエッチングされてしまい。図3(a)のサイドウィール層26a間距離t1に比べ、図3(b)のサイドウィール層26a間距離t1´は大きくなってしまう。
次に第2の課題について説明する。図4(b)において、マスク層20aを除去する際に、第1層34がマスク層20aと同じ酸化シリコン膜のため、ワードライン18と第2層36との間に深さt2の第1層34のノッチ51が形成される。これにより、図4(c)において、ワードライン18上に例えばコバルトを形成した際に、ノッチ51内にコバルトが厚く形成されてしまう。よって、ノッチ51上に形成される珪化金属層38が厚くなってしまう。ワードライン18間の距離が短いと、珪化金属層38が矢印54のように接触してしまう。図4(b)を参照に、さらに、ONO膜16と第2層36との間にもノッチ52が形成される。これにより、第2層36が剥がれ易くなってしまう。
以上の課題を解決するための実施例につき以下に説明する。
実施例1に係る半導体装置の製造方法につき、図5(a)から図8(c)を用い説明する。図5(a)を参照に、比較例1の図1(a)と同じように、半導体基板10上にONO膜16及び被エッチング層17を形成する。被エッチング層17上にプラズマ酸化法またはCVD法を用い酸化シリコン膜からなる膜厚が20nmの中間層21を形成する。中間層21上にCVD法を用いアモルファスシリコン膜からなり膜厚が10nmの上部層23を形成する。
図5(b)を参照に、上部層23上に膜厚が40nmのBARC(Bottom Anti−Reflrctive Coating)膜30を形成する。BARC膜30上にフォトレジスト膜32を形成し、パターンを形成する。パターン寸法及びパターン間隔は比較例1と同じである。BARC膜30はn(屈折率)、k(吸収係数)が小さく、上部層23はn、kが大きい。これにより、反射防止膜を上部層23とBARC膜30とで構成することができる。また、上部層23の膜厚を比較例1の上部層23aに比べ薄くすることができる。また、上部層23をアモルファスシリコンとすることにより、比較例1の図1(a)のように酸化シリコン膜27を形成しなくとも、フォトレジスト膜32の裾引きが生じることを抑制することができる。
図6(a)を参照に、比較例1の図2(a)と同様に、フォトレジスト膜32をマスクに上部層24および中間層22をエッチングする。上部層23のエッチングは例えばHBr/Cl/Oを用い、中間層21aのエッチングは例えばC/CHF/Ar/Oを用いる。図6(b)を参照に、比較例1の図2(b)と同様に、酸化シリコン膜からなり膜厚が例えば50nmのカバー層25を形成する。
図7(a)を参照に、比較例1の図3(a)と同様に、全面を例えばC/CHF/Ar/Oを用いエッチングすることにより、上部層24及び中間層22の両側面にサイドウォール層26が形成され、上部層24上のかバー層25は完全に除去される。これにより、中間層22、上部層24及びサイドウォール層26よりマスク層20が形成される。図7(b)を参照に、比較例1の図3(c)と同様に、マスク層20をマスクに被エッチング層17をエッチングする。これにより、被エッチング層17よりワードライン18が形成される。さらに、上部層24が除去される。図7(c)を参照に、比較例1の図4(a)と同様に、第1層34及び第2層36を形成する。
図8(a)を参照に、比較例1の図4(b)と同じように、ワードライン18上のマスク層20を弗酸系の薬液を用い除去する。図8(b)を参照に、ワードライン18、第1層34及び第2層36上に例えばコバルト等の金属層37を形成する。熱処理を行うことにより、ワードライン18上に珪化金属層38を形成する。以下、通常のフラッシュメモリの製造方法を用いることにより、実施例1に係るフラッシュメモリが完成する。
実施例1によれば、図5(a)のように、被エッチング層17を形成する。図7(a)のように、被エッチング層17上に、中間層22と被エッチング層17と同じ元素からなる上部層24とからなりパターンを有するマスク層20を形成する。そして、マスク層20をマスクに被エッチング層17をエッチングし、かつ同時に上部層24を除去する。これにより、比較例1の図3(b)のように、上部層24aを除去するための工程が不要となる。よって、製造工程を削減することができる。
被エッチング層17と上部層24とが同じ元素からなれば、実施例1以外の材料を用いることもできる。しかしながら、被エッチング層17はシリコン(例えば多結晶シリコン、アモルファスシリコンや単結晶シリコン)からなり、中間層22は酸化シリコン膜からなり、上部層24もシリコン(例えば多結晶シリコン、アモルファスシリコンや単結晶シリコン)からなることが好ましい。上部層24がシリコン膜の場合、上部層24に対する中間層22のエッチング選択比を大きくすることができる。例えば、C/CHF/Ar/Oを用いエッチングする場合、比較例1における上部層24aに対する中間層22aの選択比は20程度に対し、実施例においては上部層24に対する中間層22のエッチング選択比は100以上となる。このように、一般的に酸化シリコン膜とシリコンとのエッチング選択比は酸化シリコン膜と窒化シリコン膜とのエッチング選択比より大きくできる。よって、図7(a)において、上部層24の膜厚が薄くともマスク層20がエッチングされてしまうことはない。よって、上部層24の膜厚を薄くすることができる。さらに、エッチング選択比のより大きな上部層24と中間層22を用いるため、上層部24のエッチング時での膜厚減少が抑えられる。これにより、中間層22を薄くすることがきる。
比較例1の図3(b)のように、窒化シリコン膜からなる上部層24aを除去する工程がないため、図7(a)のマスク層20間の間隔t3のまま図7(b)のように被エッチング層17をエッチングすることができる。よって、比較例1に比べ、ワードライン18間隔を小さくすることができる。さらに、上部層24をアモルファスシリコン膜とすることにより、比較例1の図1(a)のように、裾引き抑制のための酸化シリコン膜27を設ける必要がなく、工程削減が可能となる。
さらに、実施例1では、上部層23のアモルファスシリコンは500℃程度で成長することができる。一方、比較例1では、上部層23aの窒化シリコン膜は700℃から800℃で成長する。このため、実施例1は比較例1に対し低温プロセスが可能となる。さらに、中間層22の膜厚を薄くできるため、中間層22を被エッチング層17のプラズマ酸化で形成することもできる。一方、比較例1では中間層21aの膜厚が厚いため、中間層22の形成にプラズマ酸化を用い難い。そこで、中間層21aをCVD法で形成することとなる。このように、実施例1では、プラズマ酸化を用いることにより500℃程度の低温プロセスが可能となる。
さらに、図8(a)のように、エッチングされた被エッチング層17(ワードライン18)の間に、中間層22と同じ材料からなる第1層34及び第2層36を順に形成する。図8(a)のようにワードライン18(被エッチング層)上の中間層22を除去する。比較例1では、第1層34は中間層22と同じ材料であることから、図4(b)のようにノッチ51及び52が形成される。実施例1では、第1層34は中間層22と同じ材料であるが、中間層22の膜厚が比較例1より薄いため、ワードライン18(被エッチング層)上の中間層22をエッチングするエッチング時間を比較例1の図4(b)に比べ短くすることができる。よって、ノッチ51、52を小さくすることができる。
第1層34は、中間層22と同じ材料からなれば、酸化シリコン膜以外でも良い。しかしながら、第1層34及び中間層22が酸化シリコン膜及び第2層36が窒化シリコン膜の場合、弗酸系の薬液で前記中間層22を選択的に除去することができるものの、図4(b)のように、大きなノッチ51及び52が発生し易い。そこで、実施例1のように、上部層24を多結晶シリコン膜とし、中間層22の膜厚を比較例1より薄くすることが有効である。
比較例1の図4(c)のように、ワードライン18(被エッチング層)の上部に珪化金属層38を形成する場合、矢印54のように珪化金属層38は短絡することが起こりえる。実施例1においては、図8(a)のように、ノッチ51、52を小さくできるため、珪化金属層38の短絡を抑制し、ワードライン18間隔を狭くすることができる。
さらに、珪化金属層38を形成する工程は、図8(b)のように、ワードライン18(被エッチング層)上に金属層37を形成する。図8(c)のように、熱処理することにより、金属層37とワードライン18の上部とから珪化金属層を形成する。このように、珪化金属層38を形成する場合は、比較例1の図4(b)及び図4(c)のようにノッチ51の深さが大きいと、ノッチ51内に金属層37が厚く形成される。よって、実施例1のように、ノッチ51を浅く形成することが有効である。
サイドウォール層26は必ずしも必要ではない。しかしながら、図5(a)のように、被エッチング層17上に中間層21及び上部層23を積層する。図6(a)のように、中間層22及び上部層24をパターニングする。図6(b)のように、パターニングされた中間層22及び上部層24上に酸化シリコン膜からなるカバー層25を形成する。図7(a)のように、カバー層25を上部層24が露出するように全面エッチングし、パターンニングされた中間層22及び上部層24の側面にサイドウォール層26を形成することが好ましい。これにより、ワードライン18幅を小さくすることができる。
さらに、図5(b)のように、中間層22及び上部層24をパターニングする際には、上部層24上にBARC膜30(反射防止膜)及びフォトレジスト膜32を形成する。BARC膜30及びフォトレジスト膜32をパターニングする。図6(a)のように、フォトレジスト膜32をマスクに中間層22及び上部層24をエッチングする。このように、上部層24上にBARC膜30を形成することにより、上部層24の膜厚を薄くしても、上部層24とBARC膜30とで、フォトレジスト膜32をパターニングする際の反射防止として機能することができる。よって、上部層23の膜厚を薄くすることができる。
被エッチング層17はワードライン18(ゲート層)とすることができる。ゲート層は、多結晶シリコンで形成されることが多く、また微細化が求められている。よって、本発明を適用することが特に有効である。なお、比較例1及び実施例1における多結晶シリコンとはアモルファス状のシリコンを含んでもよい。
以上、本発明の好ましい実施例について詳述したが、本発明は係る特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。
図1(a)及び図1(b)は従来例1に係るフラッシュメモリの製造工程を示す断面図(その1)である。 図2(a)及び図2(b)は従来例1に係るフラッシュメモリの製造工程を示す断面図(その2)である。 図3(a)から図3(c)は従来例1に係るフラッシュメモリの製造工程を示す断面図(その3)である。 図4(a)から図4(c)は従来例1に係るフラッシュメモリの製造工程を示す断面図(その4)である。 図5(a)及び図5(b)は実施例1に係るフラッシュメモリの製造工程を示す断面図(その1)である。 図6(a)及び図6(b)は実施例1に係るフラッシュメモリの製造工程を示す断面図(その2)である。 図7(a)から図7(c)は実施例1に係るフラッシュメモリの製造工程を示す断面図(その3)である。 図8(a)から図8(c)は実施例1に係るフラッシュメモリの製造工程を示す断面図(その4)である。
符号の説明
10 半導体基板
12 トンネル酸化膜
13 トラップ層
14 トップ酸化膜
16 ONO膜
17 被エッチング層
18 ワードライン
20 マスク層
21、22 中間層
23、24 上部層
30 BARC膜
32 フォトレジスト層
25 カバー膜
26 サイドウォール層
34 第1層
36 第2層
38 珪化金属層

Claims (7)

  1. 半導体基板上にシリコンからなる被エッチング層を形成する工程と、
    前記被エッチング層上に、酸化シリコン膜からなる中間層とシリコンからなる上部層とからなりパターンを有するマスク層を形成する工程と、
    前記マスク層をマスクに前記被エッチング層をエッチングし、かつ前記上部層を除去する工程と、
    エッチングされた前記被エッチング層の間に酸化シリコン膜からなる第1層及び窒化シリコン層からなる第2層を順に形成して2つの被エッチング層間の隙間を埋める工程と、
    前記第1層及び前記第2層を形成した後、前記被エッチング層上の中間層を除去する工程と、を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
  2. 前記被エッチング層の上部に珪化金属層を形成する工程を有す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。
  3. 前記珪化金属層を形成する工程は、前記被エッチング層上に金属層を形成する工程と、熱処理することにより、前記金属層と前記被エッチング層の上部とから珪化金属層を形成する工程であることを特徴とする請求項2記載の半導体装置の製造方法。
  4. 前記マスク層を形成する工程は、前記被エッチング層上に前記中間層及び前記上部層を積層する工程と、
    前記中間層及び前記上部層をパターニングする工程と、
    パターニングされた前記中間層及び前記上部層上に酸化シリコン膜からなるカバー層を形成する工程と、
    前記カバー層を前記上部層が露出するように全面エッチングし、パターンニングされた前記中間層及び前記上部層の側面にサイドウォール層を形成する工程と、を有することを特徴とする請求項1から3のいずれか一項記載の半導体装置の製造方法。
  5. 前記中間層及び前記上部層をパターニングする工程は、前記上部層上に反射防止膜及びフォトレジスト膜を形成する工程と、前記反射防止膜及び前記フォトレジスト膜をパターニングする工程と、前記フォトレジスト膜をマスクに前記中間層及び前記上部層をエッチングする工程を有することを特徴とする請求項4記載の半導体装置の製造方法。
  6. 被エッチング層を形成する工程と、
    前記被エッチング層上に、中間層と前記被エッチング層と同じ元素からなる上部層とからなりパターンを有するマスク層を形成する工程と、
    前記マスク層をマスクに被エッチング層をエッチングし、かつ前記上部層を除去する工程と、
    エッチングされた前記被エッチング層の間に、前記中間層と同じ材料からなる第1層、及び第2層を形成して2つの被エッチング層間の隙間を埋める工程と、
    前記第1層及び前記第2層を形成した後、前記被エッチング層上の中間層を除去する工程と、を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
  7. 前記被エッチング層はゲート層であることを特徴とする請求項1から6のいずれか一項記載の半導体装置の製造方法。
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