JP6050491B2 - ドライエッチング方法および半導体装置の製造方法 - Google Patents

ドライエッチング方法および半導体装置の製造方法 Download PDF

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Description

本発明は、ドライエッチング方法および半導体装置の製造方法に関し、特に不揮発性メモリを有する半導体装置の製造方法に関する。
半導体装置の製造工程には、例えば、半導体基板に対する不純物導入工程、成膜工程、ホトレジストにマスクパターンを転写するリソグラフィ工程、そのマスクパターンをエッチングマスクとして用いて成膜した薄膜を加工するエッチング工程、洗浄工程などがある。
エッチング工程では、微細パターン形成の為に、ドライエッチング技術が必須である。
半導体装置は、複数のMISFET(Metal Insulator Semiconductor Field Effect Transistor)で構成されている。各MISFETは、ソース領域、ドレイン領域およびゲート電極を有し、ゲート電極の形成には、ドライエッチング技術が用いられる。例えば、半導体基板表面に酸化膜等のゲート絶縁膜を介して形成されたポリシリコン膜上に、リソグラフィ工程で、所望のマスクパターンを有するレジストマスクを形成し、このレジストマスクから露出した部分のポリシリコン膜をドライエッチングすることにより、ゲート電極が形成される。
このドライエッチング工程においては、ゲート電極の加工寸法を制御する技術、およびオーバーエッチングによる下地の酸化膜、あるいは、半導体基板のエッチングダメージを低減するために、ドライエッチングの終点を検出する技術が用いられている。
しかしながら、ドライエッチング工程において、エッチングマスクの開口率が小さくなるにつれて、加工寸法制御および終点検出が困難になる。
特開2009−152269号公報(特許文献1)には、開口率および局所パターンの立体角に応じて、エッチング条件を補正し、加工寸法のばらつきを制御する技術が記載されている。
特開2009−152269号公報
開口率が小さく、終点検出が困難な場合のドライエッチング方法として、エッチングする膜の膜厚とその膜のエッチングレートから、エッチング時間を算出しておき、それを利用してエッチングを終了させる時間制御エッチングを検討した。
時間制御エッチングにおいても、使用するドライエッチング装置、エッチング条件、エッチング対象膜の膜種、膜質等が一定であれば、エッチングレートは毎回一定のはずである。したがって、前述のゲート電極の加工の場合でも、所望の加工精度の確保および下地の酸化膜、あるいは、半導体基板のエッチングダメージを低減できる。
しかしながら、本願発明者らの検討により、一定であるはずのドライエッチング装置のエッチングレートが変動してしまい、ゲート電極の加工寸法が変動してMISFETのしきい値が変動し、半導体装置の信頼性が低下するという問題が発生することが分かった。
その他の課題と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。
一実施の形態によれば、エッチングマスク開口率とエッチング対象膜のエッチングレートとの相関関係を取得し、第1ウエハに形成した第1導電膜を第1ドライエッチングすることにより、第1導電膜の第1エッチングレートを算出する。次に、第2ウエハに形成した第2導電膜の上に第2エッチングマスクを形成して、第2導電膜を時間制御エッチングで第2ドライエッチングする際に、開口率とエッチングレートとの相関関係と、第1エッチングレートと、第2導電膜の膜厚から第2導電膜のエッチング時間を決めるものである。
一実施の形態によれば、信頼性の高い半導体装置を提供することができる。
実施の形態1に係わるドライエッチング方法を示す工程フローである。 実施の形態1に係わるドライエッチング装置における開口率とエッチングレートの相関関係を示すグラフである。 (a)、(b)および(c)は、実施の形態1に係わる半導体装置の製造工程の要部断面図である。 (a)および(b)は、実施の形態1に係わるドライエッチング方法において、エッチングレート算出方法を説明するための要部断面図である。 実施の形態2に係わる半導体装置の製造工程中の要部断面図である。 図5に続く半導体装置の製造工程中の要部断面図である。 図6に続く半導体装置の製造工程中の要部断面図である。 図7に続く半導体装置の製造工程中の要部断面図である。 図8に続く半導体装置の製造工程中の要部断面図である。 図9に続く半導体装置の製造工程中の要部断面図である。 図10に続く半導体装置の製造工程中の要部断面図である。 図11に続く半導体装置の製造工程中の要部断面図である。 図12に続く半導体装置の製造工程中の要部断面図である。 図13に続く半導体装置の製造工程中の要部断面図である。 図14に続く半導体装置の製造工程中の要部断面図である。 図15に続く半導体装置の製造工程中の要部断面図である。 (a)、(b)および(c)は、ドライエッチング方法を説明するための要部断面図である。 実施の形態3に係わる半導体ウエハの平面図である。 実施の形態4に係わる半導体ウエハの平面図である。
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。なお、実施の形態を説明するための全図において、同一部分には原則として同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。
(実施の形態1)
図1は、実施の形態1に係わる半導体装置のドライエッチング方法を示す工程フローである。図2は、実施の形態1に係わるドライエッチング装置におけるエッチングマスクの開口率とエッチング対象膜のエッチングレートの相関関係の一例を示すグラフである。図3の(a)、(b)および(c)は、実施の形態1に係わる半導体装置の製造方法における主な工程の要部断面図である。図4の(a)および(b)は、実施の形態1に係わるドライエッチング方法において、エッチングレート算出方法を説明するための要部断面図である。
本実施の形態の半導体装置は、nチャネルMISFETおよびpチャネルMISFETを有するが、nチャネルMISFETを用いて、その製造工程を説明する。nチャネルMISFETは、n型のソース領域、n型のドレイン領域およびゲート電極を有している。
図3(a)に示すように、まずp型の単結晶シリコンなどからなる半導体基板(半導体ウエハ)SBを準備し、半導体基板SBの主面に、活性領域を規定する素子分離領域STを形成する。図示しないが、平面視において、活性領域は素子分離領域STによりその周囲を囲まれており、一つの活性領域内には、一つまたは複数のMISFETが形成される。半導体基板(半導体ウエハ)SBには、一つの半導体装置が形成される領域(チップ領域と呼ぶ)が行列状に複数配置されている。
素子分離領域STは、半導体基板SBの主面に設けた溝内に選択的に形成された酸化シリコンなどの絶縁体からなり、素子分離領域STの上面と半導体基板SBの主面とは、ほぼ等しい高さとなっている。
次に、半導体基板SBの主面に、ゲート絶縁膜用の絶縁膜GIを形成する。絶縁膜GIは、例えば薄い酸化シリコン膜または酸窒化シリコン膜などからなり、その膜厚は、2〜3nm程度である。
次に、半導体基板SBの主面の絶縁膜GI上および素子分離領域ST上にポリシリコン膜(多結晶シリコン膜)PSを、例えば、CVD(Chemical Vapor Deposition:化学的気相成長)法などにより、膜厚100〜150nm程度形成する。
次に、フォトリソグラフィ技術を用いて、ポリシリコン膜PS上に、ゲート電極パターンに対応するパターンを有するレジストマスクPRを選択的に形成する。レジストマスクPRはホトレジスト膜からなる。
このレジストマスクPRは、半導体基板(半導体ウエハ)SBの主面に、所定の開口率をもって形成される。ここで開口率は、チップ単位で見たときのレジストマスクPRから露出した領域の比率であり、開口率OPR=(レジストマスク等のエッチングマスクから露出した領域の面積:EXP)/(チップ主面の面積:SA)で定義する。
図3(b)に示すように、ポリシリコン膜PSにドライエッチングを施す。レジストマスクPRで覆われていない部分のポリシリコン膜PS除去することにより、レジストマスクPRの下に選択的にポリシリコン膜PS残して、ゲート電極Gを形成する。この時のガス種としては、例えば、臭化水素(HBr)、酸素(O)、塩素(cl)が用いられる。ここで、レジストマスクPRは、エッチングマスクとして機能している。
次に、図3(c)に示すように、アッシング等により、レジストマスクPRを除去したのち、ゲート電極Gの両側の半導体基板SBの表面にn型半導体領域であるn型ソース領域S、n型ドレイン領域Dを形成することにより、nチャネルMISFETが形成できる。
ここで、ポリシリコン膜PSのドライエッチング工程においては、ゲート電極Gの加工寸法を制御する技術、およびオーバーエッチングによる下地の絶縁膜GI、あるいは、半導体基板SBのエッチングダメージを低減するために、ドライエッチングの終点を検出する技術が用いられている。
終点検出技術としては、エッチング対象膜であるポリシリコン膜PSの表面に白色光を照射し、ポリシリコン膜PSの表面からの反射光L1と、ポリシリコン膜PSを透過して下地の絶縁膜GIとポリシリコン膜PSの界面から反射した反射光L2を検出する。そして、両反射光L1,L2の位相差に基づいて残存するポリシリコン膜PSの膜厚を検出することで、ポリシリコン膜PSのエッチング終点を算出する干渉波形を用いた終点検出技術を使用する。
開口率が大きい場合には、この終点検出技術を用いてドライエッチングを実施できる。しかしながら、開口率が小さい場合、特に、開口率が20%以下の場合には、終点検出技術を用いることが難しくなる。そこで、予めエッチング時間を算出して、そのエッチング時間を利用してエッチングを終了させる時間制御エッチングを実施している。
なお、以下の説明で、開口率が大きいとは20%より大きいこと、小さいとは20%以下を意味する。
以下、信頼性の高い半導体装置を提供することができる、時間制御エッチングによるポリシリコン膜PSのドライエッチング方法について説明する。
図1および図2を用い、開口率が小さい場合の、ポリシリコン膜PSのドライエッチング方法を説明する。
まず、図1の工程S1に示すように、終点検出手段を有するドライエッチング装置を用いて、エッチング条件やエッチング対象膜などを固定した場合に、その装置に固有のエッチングレートと開口率との相関関係を取得した。
この相関関係は、ドライエッチング装置自体が有する演算・記憶部またはドライエッチング装置等の複数の製造装置が接続されたホストコンピュータにデータ保存される。以下、両者を含む意味でホストと表現し、図1で取得されるデータの記憶および演算、並びにエッチングにかかわる制御などもこのホストで行われる。
工程S1は、例えば、次のようにして行うことができる。
エッチング対象膜であるポリシリコン膜PS上に、所望の開口率を有するレジストマスクPRを形成したウエハを準備し、終点検出手段を用いてドライエッチングを実施する。終点検出手段により、ポリシリコン膜PSのエッチング開始から終了するまでの時間を取得できるので、得られたエッチング時間と、ポリシリコン膜PSの膜厚とからエッチングレートを算出する。このような処理を開口率が異なる複数のウエハに対して実行することにより、開口率とエッチングレートの相関関係を取得した。
開口率が、例えば20%より大の場合は、所望の開口率を有する製品ウエハまたはデータ取得用ウエハを用いて、前述の方法でエッチングレートを取得した。開口率が20%以下の場合は、データ取得用ウエハを準備してエッチングレートを取得した。この場合、例えば、データ取得用ウエハ内に干渉波形による終点検出のための専用領域(数cm×数cm)を設け、その専用領域の開口率を20%より大とし、それ以外のチップ領域には20%以下の開口率を有するパターンを形成したデータ取得用ウエハを用いてエッチングレートを取得した。
このようにして取得した開口率(OPR)とエッチングレート(ER)の関係式の一例を、図2に実線(A)で示す。実線(A)の関係式は、エッチングレート(ER)=a(開口率(OPR))+b(a=−0.024、b=3.54)となった。以下の説明において、図2の実線(A)を、「相関関係(A)」と表現する。
この相関関係(A)は、そのエッチング装置に固有であり、同一のエッチング条件で同種のエッチング対象をエッチングする場合には、この相関関係(A)は維持されるものである。従って、図2の相関関係(A)を利用すれば、時間制御エッチングにおいても、エッチング対象膜のエッチング後の寸法、形状をきちんと制御できるはずである。
しかしながら、本願発明者の検討により、このエッチング装置で時間制御エッチングを繰り返し実施していると、図2で取得した相関関係(A)からエッチングレートがずれるものが発生することが明らかになった。本願発明者の検討の結果、エッチングレートのずれの要因としては、エッチング装置または付帯設備部品の経時劣化又は、直前のエッチング材料やエッチング条件に有ることが判明した。さらに、その他ガス流量の変動、電源系統の劣化・故障、真空リーク量の変動、圧力ずれ、ウエハ温度変動等が有り得ることが判明した。
また、エッチングレートのずれが発生しているにもかかわらず、相関関係(A)のエッチングレートを使用して、開口率小のエッチングマスクでドライエッチングを実施すると、出来上がった膜の加工形状や寸法が変動してしまう不都合が生じる。ゲート電極形成用のドライエッチングの場合、MISFETのしきい値が変動してしまう。
更には、エッチングレートのずれに気付かず、相関関係(A)のエッチングレートを使用して、開口率小のエッチングマスクでドライエッチングを続けていると、大量の不良を作り込んでしまう危険性があった。
実施の形態1に示す、ドライエッチング方法および半導体装置の製造方法は、上記の課題を解決するものである。
次に、図1の工程S2に示すように第1ウエハ加工を実施する。工程S2は、図3を用いて説明したように、半導体基板SB表面に絶縁膜GIを設けた第1ウエハに第1ポリシリコン膜を形成する工程S21、その第1ポリシリコン膜の膜厚を測定する工程S22、第1ポリシリコン膜上に第1開口率OPR1を有する第1エッチングマスクを形成する工程S23、第1ポリシリコン膜に終点検出手段を用いた第1ドライエッチングを施す工程S24を含んでいる。
この第1ポリシリコン膜の膜厚d1を測定する工程S22では、公知の膜厚測定方法を用いる。例えば、上記の終点検出手段で説明した干渉波形を利用することができる。
ここで、第1開口率OPR1は20%より大きく、第1ドライエッチングにおいて終点検出が可能である。この終点検出手段を利用して、第1ポリシリコン膜のエッチングに要したエッチング時間T1を求める。
次に、図1の工程S3に示すように、第1ポリシリコン膜の膜厚d1と第1ポリシリコン膜のエッチング時間T1から、第1ポリシリコン膜の第1エッチングレートER1を求める。これらのデータは、ドライエッチング装置、エッチング条件などと関連付けて、逐次ホストに保存される。全てのウエハ加工に対してこのようなデータが取得、保存されるので、ホストには、常に最新のエッチングレートのデータが保存されている。
次に、図1の工程S4に示すように第2ウエハ加工を実施する。ここで、第2ウエハは、前述の第1ウエハとは異なる製品である。工程S4は、図3を用いて説明したように、半導体基板SB表面に絶縁膜GIを設けた第2ウエハに第2ポリシリコン膜を形成する工程S41、その第2ポリシリコン膜の膜厚d2を測定する工程S42を含む。更に、工程S4は、第2ポリシリコン膜上に第2開口率OPR2を有する第2エッチングマスクを形成する工程S43、第2ポリシリコン膜に時間制御エッチングを用いた第2ドライエッチングを施す工程S44を含んでいる。
第2ポリシリコン膜は、工程S21の第1ポリシリコン膜と同一の成膜条件で形成され、同様の膜質を有する。
例えば、工程S42では、工程22と同様の方法で、第2ポリシリコン膜の膜厚d2を求める。ここで、形成する第2ポリシリコン膜の膜厚バラツキが非常に小さければ、この膜厚測定工程S42は省略でき、第2ポリシリコン膜の堆積予定膜厚を使用すれば良い。
第2ドライエッチングにおいて、第2開口率OPR2は、第1開口率OPR1よりも小であり、第2開口率OPR2は、ドライエッチングにおいて終点検出手段が利用できない20%以下であるため、第2ドライエッチング工程S44は、時間制御エッチングを行う。その際のエッチング時間T2は、図1に示すように、開口率とエッチングレートの相関関係(A)と、第2ポリシリコン膜の膜厚d2と、第1ポリシリコン膜の第1エッチングレートER1を用いて決定する。具体的には、次のように決定する。
まず、工程S3で求めた第1開口率OPR1における第1ポリシリコン膜のエッチングレートER1の、開口率とエッチングレートの相関関係(A)に対する「ずれ量(R)」を求め、ずれ量(R)の程度に応じて以下のような処理をする。
例えば、ずれ量(R)が、第1の範囲内(0≦|R|≦|R1|)の場合、エッチング装置または付帯設備などに異常はなく、相関関係(A)をそのまま用いて、第2開口率に対する第2エッチングレートER2を求め、そこからエッチング時間T2を算出する。
次に、ずれ量(R)が第2の範囲(|R1|<|R|≦|R2|)の場合、エッチング装置または付帯設備などは正常であるものの、エッチングレートはシフトしていると判断し、補正された第2エッチングレートER2を用いる。例えば、相関関係(A)をY軸方向に|R|だけシフトさせた相関関係(B)(図2に破線で示す)を用いて、第2エッチングレートER2を求める。
更に、ずれ量(R)が第3の範囲(|R|>|R2|)の場合、エッチング装置または付帯設備などに異常ありと判断して第2ドライエッチングは実行せずに、原因の究明、対策を行う。
つまり、開口率が小のエッチングマスクを用いて、第2ウエハの第2ポリシリコン膜を時間制御エッチングで第2ドライエッチングする場合の第2エッチングレートER2を、第1ウエハに対する、開口率が大の第1ドライエッチングで得られた第1エッチングレートER1に応じて決定するものである。
従って、エッチング装置または付帯設備などに起因して、第1エッチングレートER1にわずかなずれが発生したとしても、そのずれの程度に応じて、開口率が小の第2ドライエッチングのエッチングレートER2を適切に設定できるので、エッチングされる膜の加工形状や寸法の変動を防止または低減できるという効果が有る。
また、第1エッチングレートER1が、相関関係(A)から大きくずれた場合には、エッチング装置または付帯設備に異常が発生したものとして第2ドライエッチングを実行しない。その為、エッチング装置または付帯設備の変動に気付かず、大量の不良を作り込んでしまう危険性も排除できる。
工程S3で算出する第1エッチングレートER1は、第2ドライエッチングを行う前のものであれば良いが、この第1エッチングレートER1のデータが複数ある場合には、最新のデータを使用することがより望ましい。
なお、第1ドライエッチングと第2ドライエッチングは、同一のエッチング装置、同一のエッチング条件(関係性が判れば類似のエッチング条件でも良い)、同一種類のエッチング対象膜で行われる。異なって良いのは、エッチング対象膜の膜厚、エッチングマスクの開口率である。また、開口率の違いによって、エッチング終点検出技術を使用できるかどうかの相違点もある。同一装置で行われるので、第1ドライエッチングが先で、第2ドライエッチングが後である。
次に、図4(a)、(b)を用いて、図1の工程S3である、開口率が大の場合の、第1エッチングレートER1の算出方法を説明する。この場合にも、干渉波形を用いた終点検出技術を使用する。
図4(a)は、第1ポリシリコン膜PSのエッチングを開始してt1秒後の第1終点の状態を示しており、エッチングマスクPRに覆われていない領域に、エッチングされずに残っている第1ポリシリコン膜PSの残膜厚をr1とする。図4(b)は、その後、同じ条件でエッチングを進めていって、エッチングを開始してt2秒後の第2終点の状態を示しており、エッチングマスクPRに覆われていない領域に、エッチングされずに残っている第1ポリシリコン膜PSの残膜厚をr2とする。
このように第1終点および第2終点における第1ポリシリコン膜PSの残膜厚と、エッチング開始からの経過時間を求めるより、エッチングレートER1は、(r1-r2)/(t2-t1)で求めることができる。つまり、工程S21で形成した第1ポリシリコン膜PSの膜厚を測定することなく、エッチングレートER1を算出することができる。従って、図1の第1ポリシリコン膜の膜厚測定工程S22を省略することができる。
エッチング対象膜としてポリシリコン膜を用いて説明したが、その他の導電膜(例えば、W膜、Al膜)でも良い。また、酸化シリコン膜(SiO)、窒化シリコン膜(SiN)又はLow−k膜等の絶縁膜であっても良い。
本実施の形態のドライエッチング方法および半導体装置の製造方法によれば、第2ウエハの第2導電膜を時間制御エッチングで第2ドライエッチングする場合の第2エッチングレートER2を、第1ウエハに対する、終点検出手段を用いた第1ドライエッチングで得られた第1エッチングレートER1に応じて決定するものである。
また、開口率が小のエッチングマスクを用いて、第2ウエハの第2導電膜を第2ドライエッチングする場合の第2エッチングレートER2を、第1ウエハに対する、開口率が大の第1ドライエッチングで得られた第1エッチングレートER1に応じて決定するものである。
従って、エッチング装置または付帯設備などに起因して、第1エッチングレートER1にわずかなずれが発生したとしても、そのずれの程度に応じて、開口率が小の第2ドライエッチングのエッチングレートER2を適切に設定できるので、エッチングされる膜の加工寸法の変動を防止または低減できるという効果が有る。
また、MISFETのしきい値の変動を防止でき、信頼性の高い半導体装置を提供することができる。
また、第1エッチングレートER1が、相関関係(A)から大きくずれた場合には、エッチング装置または付帯設備に異常が発生したものとして第2ドライエッチングを実行しない。その為、エッチング装置または付帯設備の変動に気付かず、大量の不良を作り込んでしまう危険性も排除できる。
(実施の形態2)
本実施の形態は、上記実施の形態1で説明したドライエッチング方法を、不揮発性メモリ(不揮発性記憶素子、フラッシュメモリ、不揮発性半導体記憶装置)を備えた半導体装置に適用した半導体装置の製造方法である。
この半導体装置は、複数の不揮発性メモリが行列状に配置された不揮発性メモリアレイと、不揮発性メモリの読出し、書込み、消去等の動作を実行するための第1周辺回路と、不揮発性メモリとは独立して動作する第2周辺回路とを有する。第1周辺回路には、デコーダ、センスアンプ等が含まれ、第2周辺回路には、CPU(CPU:Central Processing Unit)コア、SRAM等が含まれる。
不揮発性メモリは、nチャネル型MISFETを基本としたメモリセルをもとに説明するが、pチャネル型MISFETであっても良い。不揮発性メモリセルは、後述の図16の要部断面図に示すように、ソースまたはドレインとして機能するSD1、SD2間に、制御ゲート電極CGと、メモリゲート電極MGという2つのゲート電極が設けられた構造となっている。
また、第1および第2周辺回路は、複数のpチャネルMISFETと複数のnチャネルMISFETとで構成されており、それぞれ、ソース領域、ドレイン領域およびゲート電極を有している。
図5〜図16は、メモリセル領域MCと周辺回路領域PCの製造工程を示す要部断面図である。メモリセル領域MCは、複数の不揮発性メモリが行列状に配置された不揮発性メモリアレイ部であるが、要部断面図ではその内の1つの不揮発性メモリを用いて製造工程を説明する。他の不揮発性メモリも同様の構造で、同様の製法で形成される。
また、周辺回路領域PCは、第1および第2周辺回路を構成する複数のpチャネルMISFETと複数のnチャネルMISFETを形成するための領域であるが、要部断面図では、その内の1つのnチャネルMISFETを示しているが、他のnチャネルMISFETも基本的に同様の構造であり、同様の製法で形成される。不揮発性メモリとnチャネルMISFETとは同一の半導体基板SBの主面に形成される。
まず、図5に示す、半導体基板SBの準備工程、素子分離領域STの形成工程は、実施の形態1と同様である。要部断面図では、周辺回路領域PCのみに素子分離領域STを図示している。図示されていないが、メモリセル領域MCにも素子分離領域STと活性領域とが存在している。
次に、図6に示すように、半導体基板SBのメモリセル領域MCにp型ウエルPW1を、周辺回路領域PCにp型ウエルPW2を形成する。1つのp型ウエルPW1内には、複数の不揮発性メモリが形成され、1つのp型ウエルPW2内には、複数のnチャネルMISFETが形成される。p型ウエルPW1,PW2は、例えばホウ素(B)などのp型の不純物を半導体基板SBにイオン注入することなどによって形成できる。
次に、半導体基板SBの主面(p型ウエルPW1,PW2の表面)に、ゲート絶縁膜用の絶縁膜GIを形成する。絶縁膜GIは、酸化シリコン膜または酸窒化シリコン膜などにより、例えば2〜3nm程度の膜厚を有するように形成する。周辺回路領域PCの絶縁膜GIを、メモリセル領域MCの絶縁膜GIとは別の工程で形成して、周辺回路領域PCの絶縁膜GIを、メモリセル領域MCの絶縁膜GIよりも厚く又は薄く、更には、厚いものと薄いものの両方を形成しても良い。
次に、図7に示すように、半導体基板SBの主面上に、制御ゲート電極CG形成用の導電膜としてポリシリコン膜PS1を、50〜250nm程度の膜厚で形成する。ポリシリコン膜PS1は、周辺回路領域PCにpチャネルMISFETおよびnチャネルMISFETのゲート電極を形成するための導電膜を兼ねている。
次に、ポリシリコン膜PS1をフォトリソグラフィ技術およびエッチング技術によりパターニングして、メモリセル領域MCに制御ゲート電極CGを形成する。まず、図7に示されるように、ポリシリコン膜PS1上にフォトリソグラフィ法を用いてレジストマスクPR1を形成する。それから、このレジストマスクPR1をエッチングマスクとして用いて、ポリシリコン膜PS1をドライエッチングしてパターニングする。その後、このレジストマスクPR1を除去する。これにより、図8に示すように、パターニングされたポリシリコン膜PS1からなる制御ゲート電極CGが形成される。
この半導体装置は、不揮発性メモリの制御ゲート電極CGおよびメモリゲート電極MGを形成した後に、第1および第2周辺回路を構成するpチャネルMISFETおよびnチャネルMISFETのゲート電極を形成している。
その為、制御ゲート電極CG形成用のエッチング工程では、周辺回路領域PCはレジストマスクPR1で覆われており、周辺回路領域PCのpチャネルMISFETおよびnチャネルMISFETのゲート電極は、この段階では加工されない。
また、この半導体装置に要求される不揮発性メモリの容量(ビット数)がそれ程大きくない場合があるため、1つの半導体装置の形成領域であるチップ領域における不揮発性メモリアレイの占有面積は小さい。その為、この制御ゲート電極CGのエッチング工程におけるレジストマスクPR1の開口率は小さく、例えば、5〜15%であり、20%以下となっている。従って、制御ゲート電極CGのドライエッチング工程では、終点検出技術を使用できず、予めエッチング時間を算出してポリシリコン膜PS1のエッチングを終了する時間制御エッチングを実施している。
つまり、この制御ゲート電極CGのエッチング工程が、実施の形態1の第2ドライエッチングに対応している。この不揮発性メモリを備えた半導体装置が第2ウエハに相当しており、図1の第1ウエハとは、この不揮発性メモリを備えた半導体装置とは全く別の半導体装置でも良いし、開口率が20%より大のレジストマスクPR1で制御ゲート電極CGを加工する大容量の不揮発性メモリを備えた半導体装置であっても良い。
また、図7のポリシリコン膜PS1形成工程の後には、実際に堆積されたポリシリコン膜PS1の膜厚測定工程を有する。因みに、設定膜厚200nmに対して、測定結果は210nmであった。ここでは、不揮発性メモリを備えた半導体装置とは全く別の製品であって、開口率が大のレジストマスクPR1でドライエッチングしたポリシリコン膜のエッチングレートに応じて、制御ゲート電極CG用のポリシリコン膜PS1のエッチングレート、エッチング時間を決めて、時間制御エッチングを行い、図8における制御ゲート電極CGを形成した。
次に、図9に示すように、半導体基板SBの主面上と制御ゲート電極CG表面上に、メモリトランジスタのゲート絶縁膜用の絶縁膜MZを形成する。周辺回路領域PCでは、ポリシリコン膜PS1が残存しているので、このポリシリコン膜PS1の表面上にも絶縁膜MZが形成される。
絶縁膜MZは、メモリトランジスタのゲート絶縁膜用の絶縁膜であり、この絶縁膜MZは、酸化シリコン膜(酸化膜)MZ1と、酸化シリコン膜MZ1上に形成された窒化シリコン膜(窒化膜)MZ2と、窒化シリコン膜MZ2上に形成された酸化シリコン膜(酸化膜)MZ3との積層膜からなる。窒化シリコン膜MZ2は、電荷蓄積機能を有し、酸化シリコン膜MZ1と酸化シリコン膜MZ3とは、窒化シリコン膜MZ2から電荷が抜けるのを防止する機能が有る。なお、図面を見やすくするために、図10以降では、酸化シリコン膜MZ1、窒化シリコン膜MZ2および酸化シリコン膜MZ3からなる絶縁膜MZを、単に絶縁膜MZとして図示している。
酸化シリコン膜MZ1の厚みは、例えば2〜10nm程度とすることができ、窒化シリコン膜MZ2の厚みは、例えば5〜15nm程度とすることができ、酸化シリコン膜MZ3の厚みは、例えば2〜10nm程度とすることができる。
次に、半導体基板SBの主面上に、すなわち絶縁膜MZ上に、メモリゲート電極MG形成用の導電膜としてポリシリコン膜PS2を形成し、それに異方性エッチングを施すことにより、ポリシリコン膜PS2をエッチバック(異方性エッチング)することにより、図10に示すように、メモリゲート電極MGを形成する。図10から分かるように、メモリゲート電極MGは、制御ゲート電極CGの側壁および半導体基板SB上に絶縁膜MZを介して形成される。
次に、制御ゲート電極CGと一方のメモリゲート電極MGを覆うレジストパターン(図示しない)を形成して、それをマスクに他方のメモリゲート電極MGを除去することにより、図11に示すように制御ゲート電極CGの一方の側壁上にのみメモリゲート電極MGが形成された構造とする。
次に、図12に示すように、絶縁膜MZのうち、メモリゲート電極MGで覆われずに露出する部分をエッチングによって除去する。この際、メモリセル領域MCにおいて、メモリゲート電極MGの下とメモリゲート電極MGおよび制御ゲート電極CG間とに位置する絶縁膜MZは、除去されずに残存する。この時、周辺回路領域PCの絶縁膜MZもポリシリコン膜PS1の表面から除去される。
次に、周辺回路領域PCにゲート電極GEを形成する。図13に示すように、半導体基板SBの主面上に、レジストマスクPR2を形成する。それから、このレジストマスクPR2をエッチングマスクとして用いて、ポリシリコン膜PS1をドライエッチングしてパターニングする。その後、このレジストマスクPR2を除去する。これにより、図14に示すように、パターニングされたポリシリコン膜PS1からなるゲート電極GEが形成される。
次に、図15に示すように、n型半導体領域(不純物拡散層)EX1,EX2,EX3を、イオン注入法などを用いて形成する。例えばヒ素(As)またはリン(P)などのn型の不純物を、制御ゲート電極CG、メモリゲート電極MGおよびゲート電極GEをマスクとして用いて半導体基板SB(p型ウエルPW1,PW2)にイオン注入法で導入することにより、n型半導体領域EX1,EX2,EX3を形成することができる。
次に、図15に示すように、制御ゲート電極CGおよびメモリゲート電極MGの側壁上と、ゲート電極GEの側壁上に、絶縁膜からなるサイドウォールスペーサSWを形成する。例えば、酸化シリコン膜等の絶縁膜を半導体基板SBの主面全面上に、サイドウォールスペーサSW形成用の絶縁膜として形成したのち、異方性エッチングを施すことにより、サイドウォールスペーサSWを形成することができる。
次に、図15に示すように、n型半導体領域SD1,SD2,SD3を、イオン注入法などを用いて形成する。例えば、ヒ素(As)又はリン(P)等のn型不純物が用いられる。n型半導体領域SD1,SD2,SD3は、サイドウォールスペーサSWをマスクにp型ウエルPW1、PW2内に導入されるので、n型半導体領域(不純物拡散層)EX1,EX2,EX3よりも制御ゲート電極CG、メモリゲート電極MGおよびゲート電極GEから離れた位置に形成される。また、n型半導体領域(不純物拡散層)EX1,EX2,EX3よりも高濃度で深い位置に形成される。
次に、図16に示すように、n型半導体領域SD1,SD2,SD3、制御ゲート電極CG、メモリゲート電極MGおよびゲート電極GEの各上層部分(表層部分)に金属シリサイド層SLを選択的に形成する。金属シリサイド層SLは、例えばコバルトシリサイド層、ニッケルシリサイド層、または、白金添加ニッケルシリサイド層(白金を含有するニッケルシリサイド層)などとすることができる。
本実施の形態の不揮発性メモリでは、制御ゲート電極CGの側壁にサイドウォール状のメモリゲート電極MGが設けられているので、制御ゲート電極CGの加工形状のバラツキが、メモリゲート電極MGの加工形状に大きく影響するという特徴が有り、例えば、メモリゲート電極MGのゲート長が大きく変動してしまう。
本実施の形態によれば、制御ゲート電極CGを形成するためのポリシリコン膜PS1を時間制御エッチングにより加工する際に、エッチング装置または付帯設備などに起因するエッチング条件の変動に対応して、ドライエッチングのエッチングレートを設定できるので、制御ゲート電極CGを高精度に加工でき、メモリゲート電極MGのゲート長の変動を防止または低減できる。
図17(a)、(b)および(c)は、実施の形態1の第2ポリシリコン膜PS2および実施の形態2の制御ゲート電極形成用のポリシリコン膜PS1のドライエッチングの変形例である。図面17(a)、(b)および(c)では、ポリシリコン膜の符号は、便宜上PS1としている。
このエッチング方法では、3段階でポリシリコン膜PS1をエッチングするところに特徴が有る。先ず、第1段階は、図17(a)に示すように、ポリシリコン膜PS1上にレジストマスクPR1を形成した状態で、ドライエッチングをスタートし、図17(b)に示すようにエッチングの残膜がd2(例えば、50nm程度)になるまでの段階である。第1段階では、下地のシリコン酸化膜等からなる絶縁膜GIに対する選択比は小さいがエッチングレートが高い条件で高速でエッチングを行う。例えば、CH2F2/SF6/N2ガスを用いる。
次に、図17(c)に示すように、第2段階は、残った50nm程度のポリシリコン膜PS1をエッチングする工程で、下地の絶縁膜GIに対する選択比は第1段階よりも高く、エッチングレートは、第1段階よりも低い条件で、例えば、HBr/O2ガスを用いて行う。
次に、第3段階では、半導体基板SB表面およびSTI段差部分に残ったポリシリコン膜PS1をエッチングするために、下地の絶縁膜GIに対する選択比が高く、エッチングレートが第2段階よりも更に低い条件で、例えば、He/HBr/O2ガスを用いて行う。
因みに、図1を用いて説明したエッチング方法は、第1段階のエッチングに適用するのが効果的である。第1段階でのエッチングレートがずれてしまうと、第2段階のための残膜の膜厚が変動してしまい、最終的な加工形状に大きく影響してしまうからである。
本実施の形態の半導体装置の製造方法によれば、前述の実施の形態1で述べた効果の他に、制御ゲート電極CGの加工形状及び寸法の変動を防止または低減できるという効果がある。
また、制御ゲート電極CGの側壁にサイドウォール形状に形成されるメモリゲート電極MGの加工寸法、加工形状のバラツキを低減できるという効果がある。
また、制御ゲート電極とメモリゲート電極の加工寸法、加工形状のバラツキを低減できるので、不揮発性メモリのしきい値変動を低減できるという効果がある。
(実施の形態3)
本実施の形態は、開口率が小のエッチングマスクを用いたドライエッチングの際に、ウエハに工夫をして、干渉波形を用いた終点検出技術を使ってドライエッチングをする例を説明する。
図18は、ドライエッチングが施されるウエハであり、四角部分が実施の形態1または2に示した半導体装置が形成される1つのチップ領域である。ここでは、図3(a)に示したように、半導体基板SB表面にポリシリコン膜PSが形成されており、その上に所定のパターンを有するレジストマスクPRが形成されている。
図18でAと表示した部分が製品となるチップ領域であり、このチップ領域には各々開口率が小のエッチングマスクが設けられている。図18でBと表示した部分は、干渉波形を用いた終点検出を行うための専用領域であり、Bの部分の開口率は大(例えば、20%より大きい)となっている。
この例は、干渉波形を用いた終点検出を行うための専用領域が大きな面積を占めてしまうので、製品取得率の面では不利であるが、製品の取得数が少なくても良い場合には、有効な方法である。
本実施の形態の半導体装置の製造方法としては、第1開口率を有する終点検出専用領域と、第2開口率を有する半導体装置形成用チップ領域とを有する半導体ウエハを準備する工程と、半導体ウエハ表面に形成された導電膜に、干渉波形を用いた終点検出手段を使ってドライエッチングを施す工程とからなり、第1開口率は第2開口率よりも大きいという特徴を有する。
(実施の形態4)
本実施の形態は、開口率が小のエッチングマスクを用いたドライエッチングの際に、ウエハに工夫をして、発光波形を用いた終点検出技術を使ってドライエッチングをする例を説明する。
実施の形態3と同様に、半導体基板SB表面にポリシリコン膜PSが形成されており、その上に所定のパターンを有するレジストマスクPRが形成されている。
図19でAと表示した部分が製品となるチップ領域であり、このチップ領域には各々開口率が小のエッチングマスクが設けられている。図19でCと表示した部分は、ダミーチップ領域であり、ウエハ単位で見た場合の開口率を大きくするための領域であり、レジストマスクPRから完全に露出した領域またはレジストマスクPRの開口率が大の領域である。
本実施の形態の場合には、ウエハ表面全体で見た場合のエッチングマスクの開口率が大(例えば、20%より大きい)となっている。
発光波形を用いた終点検出技術の場合、エッチングガスのラジカルやイオンおよび反応生成物のプラズマ発光を検出することで終点検出を行うので、ウエハ全体の開口率を大とすれば終点検出が可能となる。
ダミーチップ領域は、ウエハ内のどの位置に配置しても良い。ダミーチップ領域をウエハの外周部分に配置することで、製品となるチップ領域を確保できないウエハ外周部分を有効に活用することができる。
本実施の形態の半導体装置の製造方法としては、第1開口率を有するダミーチップ領域と、第2開口率を有する半導体装置形成用チップ領域とを有する半導体ウエハを準備する工程と、半導体ウエハ表面に形成された導電膜に、発光波形を用いた終点検出手段を使ってドライエッチングを施す工程とからなり、第1開口率は第2開口率よりも大きいという特徴を有する。
以上の実施の形態1から4において、エッチングマスクは、レジスト以外の材料、例えばシリコン酸化膜、シリコンナイトライド膜などのハードマスクを含んで良い。また、レジストマスク、エッチングマスクには、レジスト膜と反射防止膜(ARC、BARC)の積層構造も含まれる。
以上、本発明者によってなされた発明をその実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることは言うまでもない。
CG 制御ゲート電極
D n型ドレイン領域
EX1,EX2,EX3 n型半導体領域
G,GE ゲート電極
GI 絶縁膜
MC メモリセル領域
MG メモリゲート電極
MZ 絶縁膜
PC 周辺回路領域
PR,PR1 レジストマスク
PS,PS1,PS2 ポリシリコン膜
PW1,PW2 p型ウエル
S n型ソース領域
SB 半導体基板
SD1,SD2,SD3 n型半導体領域
SL 金属シリサイド層
ST 素子分離領域
SW サイドウォールスペーサ

Claims (16)

  1. ドライエッチング装置を用いて、導電膜をエッチングする場合の、エッチングマスク開口率と前記導電膜のエッチングレートとの相関関係を取得する工程と、
    第1ウエハの上に第1導電膜を形成し、前記第1導電膜の上に第1エッチングマスクを形成する工程と、
    エッチング終点検出手段を用いて、前記第1導電膜に第1ドライエッチングを施すことにより、前記第1導電膜の第1エッチングレートを算出する工程と、
    第2ウエハの上に第2導電膜を形成し、前記第2導電膜の上に第2エッチングマスクを形成する工程と、
    前記第2ウエハの上に形成された前記第2導電膜の膜厚を測定する工程と、
    前記第2導電膜に第2ドライエッチングを施し、所定のエッチング時間で前記第2ドライエッチングを終了させる工程と、
    を有し、
    前記相関関係と、前記第1エッチングレートと、前記第2導電膜の膜厚とから前記所定のエッチング時間を決め
    前記第1エッチングマスクは第1開口率を有し、前記第2エッチングマスクは第2開口率を有し、前記第2開口率は前記第1開口率よりも小である、ドライエッチング方法。
  2. 請求項1に記載のドライエッチング方法において、
    前記第1導電膜は第1ポリシリコン膜からなり、前記第2導電膜は第2ポリシリコン膜からなる。
  3. 請求項に記載のドライエッチング方法において、
    前記第2開口率は、20%以下である。
  4. 請求項1に記載のドライエッチング方法において、
    前記第1エッチングマスクは第1ホトレジスト膜からなり、前記第2エッチングマスクは第2ホトレジスト膜からなる。
  5. 請求項1に記載のドライエッチング方法において、
    前記第1ドライエッチングおよび前記第2ドライエッチングは、前記ドライエッチング装置を用いて行われる。
  6. 請求項に記載のドライエッチング方法において、
    前記第1導電膜と前記第2導電膜とは、同一の成膜条件で形成されている。
  7. 請求項1に記載のドライエッチング方法において、
    前記第1ドライエッチングは、前記エッチング終点検出手段により、前記第1導電膜の残り膜厚が第1膜厚となる第1終点と、前記第1導電膜の残り膜厚が第2膜厚となる第2終点とを検出することにより、前記第1エッチングレートを算出する。
  8. 請求項7に記載のドライエッチング方法において、
    前記第1終点および前記第2終点は、干渉波形を用いた前記エッチング終点検出手段により検出する。
  9. 第2半導体基板の上に第2導電膜を形成する工程と、
    前記第2半導体基板をドライエッチング装置に入れ、前記第2導電膜に第2ドライエッチングを施す工程と、
    を有し、
    前記第2ドライエッチングでは、前記第2導電膜の第2エッチングレートを用いて算出されたエッチング時間で第2ドライエッチングを終了させ、
    前記第2エッチングレートは、前記ドライエッチング装置に固有のエッチングマスク開口率とエッチングレートとの相関関係と、前記第2ドライエッチングより前に、第1半導体基板上の第1導電膜に対して施された第1ドライエッチングによって算出された前記第1導電膜の第1エッチングレートに応じて決定され
    前記第2ドライエッチングの際には、前記第2導電膜の上に、第2開口率を有する第2エッチングマスクが形成されており、
    前記第1ドライエッチングの際には、前記第1導電膜の上に、第1開口率を有する第1エッチングマスクが形成されており、
    前記第2開口率は、前記第1開口率よりも小である、半導体装置の製造方法。
  10. 請求項に記載の半導体装置の製造方法において、
    前記第2開口率は、20%以下である。
  11. 請求項に記載の半導体装置の製造方法において、
    前記第1ドライエッチングでは、終点検出手段が用いられる。
  12. 請求項に記載の半導体装置の製造方法において、
    前記第1導電膜は第1ポリシリコン膜であり、前記第2導電膜は第2ポリシリコン膜である。
  13. 請求項に記載の半導体装置の製造方法において、
    前記第1ドライエッチングと前記第2ドライエッチングは、同一のエッチング条件で実施する。
  14. 請求項に記載の半導体装置の製造方法において、
    前記半導体装置は、ゲート電極と、ソース領域およびドレイン領域を有するMISFETを複数有し、前記第2導電膜の前記第2ドライエッチングにより前記ゲート電極が形成される。
  15. 請求項に記載の半導体装置の製造方法において、
    前記半導体装置は、制御ゲート電極、メモリゲート電極と第1ソース領域および第1ドレイン領域を有する不揮発性メモリからなるメモリアレイと、各々がゲート電極と、第2ソース領域および第2ドレイン領域を有する複数のMISFETを有する周辺回路領域とを有し、
    前記第2ドライエッチングの際には、前記第2導電膜の上に、第2開口率を有する第2エッチングマスクが形成されており、
    前記第2導電膜の前記第2ドライエッチングにより、前記制御ゲート電極を加工する際に、前記周辺回路領域は前記第2エッチングマスクにより覆われている。
  16. 請求項15に記載の半導体装置の製造方法において、更に、
    前記第2導電膜の上に、第3エッチングマスクを形成して、前記第2導電膜に第3ドライエッチングを施すことにより、前記周辺回路領域の前記ゲート電極を形成する工程を有する。
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