マスクパターン形成方法
【課題】隣接するマスクパターンが揃った状態に形成できるマスクパターンを提供する。
【解決手段】下地層のシリコン酸化膜7上にマスク用の多結晶シリコン膜8を形成する。その上にシリコン酸化膜9を成膜し、リソグラフィ処理でラインパターン9aに加工し、シリコン窒化膜を膜厚dで形成しスペーサ加工する。スペース領域にシリコン酸化膜12aを埋め込み、シリコン窒化膜を除去して間隔dの空隙部を形成する。ラインパターン9a、12aを利用してRIE加工して多結晶シリコン膜8をエッチングし、さらにCDE加工で横方向にwだけエッチングする。ラインパターン9a、12aを除去すると幅寸法Aのラインパターン8aを間隔Bを存したパターンを得ることができる。
【解決手段】下地層のシリコン酸化膜7上にマスク用の多結晶シリコン膜8を形成する。その上にシリコン酸化膜9を成膜し、リソグラフィ処理でラインパターン9aに加工し、シリコン窒化膜を膜厚dで形成しスペーサ加工する。スペース領域にシリコン酸化膜12aを埋め込み、シリコン窒化膜を除去して間隔dの空隙部を形成する。ラインパターン9a、12aを利用してRIE加工して多結晶シリコン膜8をエッチングし、さらにCDE加工で横方向にwだけエッチングする。ラインパターン9a、12aを除去すると幅寸法Aのラインパターン8aを間隔Bを存したパターンを得ることができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、半導体基板などの加工において、フォトリソグラフィで形成できる幅よりも微細なマスクパターンを形成するマスクパターン形成方法に関する。
【背景技術】
【0002】
半導体加工技術では、フォトリソグラフィ処理で直接パターンニング加工できるパターン幅が限界に近づきつつあるが、通常のフォトリソグラフィ処理工程に加えて膜形成技術を組み合わせることにより、より微細なパターンを形成する方法が考えられている。
【0003】
例えば特許文献1に示される方法では、シリコン酸化膜を通常のフォトリソグラフィ処理でラインパターンに加工し、そのラインパターンの側壁にスペーサ加工されたシリコン膜を形成し、その後スペース領域をシリコン酸化膜で埋め込み、平坦化処理およびシリコン酸化膜の除去をすることでスペーサ加工した幅寸法が小さいシリコン膜のパターンを残すようにした側壁転写の技術が示されている。
【0004】
しかしながら、上記した特許文献1に示される側壁転写法では、スペーサを形成してこれをマスクパターンとして用いるので、スペーサ上部の形状が同一形状にそろえられないため、隣接するマスクパターンが不揃いになる不具合がある。
【特許文献1】特開2006−32648号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
本発明は、隣接するマスクパターンが揃った状態に形成できるマスクパターンの形成方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0006】
本発明のマスクパターンの形成方法は、加工対象となる下地層の上面にマスク用シリコン膜を形成する工程と、前記マスク用シリコン膜の上面に第1の絶縁膜を形成する工程と、前記第1の絶縁膜を、第1の幅(P)の第1のラインパターンを第1の間隔(Q)のスペースを存して繰り返し配置される第1のライン/スペースパターンに形成する工程と、前記第1のラインパターンの両側壁面に所定膜厚(d)の第2の絶縁膜を形成する工程と、前記第1のラインパターン間のスペースに第3の絶縁膜を埋め込み形成する工程と、前記第2の絶縁膜を選択的に除去して前記第2の絶縁膜の膜厚(d)に相当する間隔(d)の空隙部を設ける工程と、前記第1および第3の絶縁膜をマスクとして前記空隙部を介して前記マスク用シリコン膜に対して前記下地層が露出するまで異方性エッチングを行い、その後等方性エッチングを行って当該マスク用シリコン膜の幅を両側からそれぞれ所定幅(w)だけ細らせて第1の幅(P)よりも狭い第2の幅(A=P−2w)となる第2のラインパターンを形成する工程と、前記第1および第3の絶縁膜を選択的に除去して前記下地層の上面に前記第2のラインパターンを第2の間隔(B=d+2w)を存して繰り返し配置される第2のライン/スペースパターンを加工用のマスクとして設ける工程とを備えたところに特徴を有する。
【発明の効果】
【0007】
本発明によれば、隣接するマスクパターンが揃った状態のマスクパターンを形成することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0008】
以下、本発明をNAND型フラッシュメモリ装置の製造工程において、半導体基板に素子分離用溝を形成する工程に適用した場合の一実施形態について図1〜図12を参照して説明する。
【0009】
対象とするNAND型フラッシュメモリ装置においては、メモリセル領域と周辺回路領域とが設けられており、図1(a)はメモリセル領域のトランジスタが並んだ部分の断面を示し、図1(b)は周辺回路領域のトランジスタの断面を示している。図示の状態は、半導体基板であるシリコン基板1の表層部にメモリセル領域に対応して開口幅の狭い素子分離用溝2が形成され、周辺回路領域に対応して開口幅の広い素子分離用溝3が形成された状態を示している。シリコン基板1の上面には、ゲート絶縁膜4が形成され、その上面には多結晶シリコン膜5、シリコン窒化膜6および下地層としてのシリコン酸化膜7が積層形成されている。
【0010】
シリコン酸化膜7は、たとえばTEOS(tetraethyl orthosilicate)膜からなるもので、図示のように幅寸法Aで間隔Bを存して繰り返し配置された状態に加工形成されており、図面と垂直の方向に長く延びたラインパターン7aとして形成されている。図示の状態では幅寸法Aが間隔寸法Bよりも広くなるように(A>B)設定されているが、同じ寸法となるように(A=B)設定することもできる。図示の状態は、このラインパターン7aとして形成されたシリコン酸化膜7をマスクとしてシリコン窒化膜6、多結晶シリコン膜5およびゲート絶縁膜4がエッチングにより除去されると共に、シリコン基板1がエッチングされて素子分離溝(トレンチ)2が形成されている。また、素子分離溝2によって、シリコン基板1の表層部が活性領域1aに分離形成されている。
【0011】
上記構成は、シリコン酸化膜7の上面に形成される加工用のマスクを利用してシリコン酸化膜7を加工してマスクパターンとし、シリコン窒化膜6、多結晶シリコン膜5、ゲート絶縁膜4およびシリコン基板1をエッチングすることにより得られるものであるが、上記した下地層としてのシリコン酸化膜7のパターンの幅寸法Aは、通常のフォトリソグラフィ処理ではパターンニングができない程度の小さい寸法に形成されたものであり、後述する製造工程を経ることにより形成可能となったものである。
【0012】
同様にして周辺回路領域においてもマスクパターンとして形成されたシリコン酸化膜7を用いてシリコン窒化膜6、多結晶シリコン膜5、ゲート絶縁膜4をエッチングすると共に、シリコン基板1をエッチング加工して素子分離溝3が形成されている。この場合、素子分離溝3は、メモリセル領域に対応する素子分離溝2に比べて開口部の幅が広いので、通常のフォトリソグラフィ処理でもパターンニング可能な程度の幅寸法である。
【0013】
次に、上記構成に至る製造工程について図2〜図12を参照して説明する。なお、各図2〜図12において、分図(a)は図1(a)に対応し、分図(b)は図1(b)に対応している。
【0014】
まず、図2に示すように、シリコン基板1の上面に、シリコン酸化膜からなるゲート絶縁膜4が形成され、この上面に浮遊ゲート電極となる多結晶シリコン膜5が形成される。この後、多結晶シリコン膜5の上面にシリコン窒化膜6および下地層としてTEOS膜からなるシリコン酸化膜7が積層形成される。さらにシリコン酸化膜7の上面にマスク用シリコン膜としての多結晶シリコン膜8が形成され、その上面に第1の絶縁膜としてのシリコン酸化膜9が例えばBPSG(boro-phospho-silicate glass)膜により形成される。これらの膜の積層構造は、図2(a)、(b)に示しているように、メモリセル領域および周辺回路領域のいずれも同じである。
【0015】
次に、図3に示すように、リソグラフィ処理によりメモリセル領域側にレジストのパターンを形成し、形成したレジスト膜をマスクとしてメモリセル領域のシリコン酸化膜9をRIE法(reactive ion etching)により多結晶シリコン膜8の上面が露出するまでエッチングし、図3(a)に示すようなライン/スペースパターンを形成する。
【0016】
このライン/スペースパターンの形成では、前述のラインパターン7aの幅寸法Aよりも広い幅寸法P(P>A)のラインパターン9a(第1のラインパターンに相当)を、前述の間隔寸法Bよりよりも広いスペース幅Q(Q>B)で形成する(第1のライン/スペースパターンに相当)。なお、このラインパターン9aは、フォトリソグラフィ処理では限界に近いファインパターンとして形成されるものである。この後、レジスト膜は、酸素(O2)プラズマ雰囲気中にて除去される。
【0017】
次に、図4に示すように、ラインパターン9aが形成されたシリコン酸化膜9の上面および側面と、下地の多結晶シリコン膜8上にシリコン窒化膜10を所定膜厚dで形成する。続いて、図5に示すように、シリコン酸化膜9の側面に形成されたシリコン窒化膜10を残しつつ、シリコン酸化膜9の上面および多結晶シリコン膜8の上面に形成されたシリコン窒化膜10をRIE法によりエッチバックする。これにより、ラインパターン9aの側壁面のみにシリコン窒化膜10aを残した、いわゆるスペーサ加工がなされる。
【0018】
この状態で、ラインパターン9aの側壁にシリコン窒化膜10aが形成されているので、ラインパターン9aの幅寸法は、図中に示しているようにP+2dとなる。また、このときのスペース幅はQ−2dでありこれはラインパターン9aの幅寸法Pに等しくなるように設定される。なお、図示の状態では、シリコン窒化膜10aを多結晶シリコン膜8と接する部分から上端部まで均一な膜厚dとして示しているが、実際には、前述のようなスペーサ加工を行うことで、上端部の膜厚はdよりも小さくなっている。このため、後述する工程を経ることでその上端部の膜厚がdよりも薄くなっている部分を研削することが行われる。
【0019】
次に、図6に示すように、上記した構成の上面にシリコン酸化膜12が積層形成されてスペース部となっていたラインパターン9a間の領域が埋め込まれる。その後、積層形成されたシリコン酸化膜12に対してRIE法によりエッチング処理が行われ、シリコン窒化膜10aが露出する状態までエッチバックされて図6(a)に示す状態に形成される。これにより、スペース部にシリコン酸化膜12によるラインパターン12aが埋め込み形成された状態となる。また、このラインパターン12aは、ラインパターン9aと同じ幅寸法Pに形成されており、両者の間には膜厚dのシリコン窒化膜10aが介在された状態となっている。
【0020】
この状態から、全体をさらにRIE法によりエッチング加工することで前述のシリコン窒化膜10aが薄くなっている部分とともにシリコン酸化膜9、12の上部を除去することでシリコン窒化膜10aが均一な膜厚に形成された状態とすることができる。また、この加工は、CMP(chemical mechanical polishing)法により研削することでも実施できる。
【0021】
次に、図7(a)、(b)に示すように、今度はリソグラフィ工程によって周辺回路部のみパターニングされたレジスト膜をマスクとしてシリコン酸化膜9をRIE法によるエッチング処理をすることで開高幅Rの開口パターンを形成する。この後、レジストはO2プラズマ雰囲気中にて除去される。このとき、メモリセル領域では図7(a)に示すごとく、レジスト膜で覆われた状態で処理が行われるため、図6(a)に示した状態のままである。
【0022】
次に図8に示すように、ラインパターン9a、12aの間のシリコン窒化膜10aが選択的にエッチング除去される。この加工では、シリコン酸化膜に対してシリコン窒化膜の選択性があるウェットエッチング液が用いられてエッチング処理によりシリコン窒化膜10aが除去され、図8(a)に示す構造すなわち、ラインパターン9a、12aの間が間隔dを存して空隙部を有する状態に形成される。
【0023】
次に、図9に示すように、シリコン窒化膜10aが除去されて得られたシリコン酸化膜9および12のラインパターン9a、12aをマスクとして多結晶シリコン膜8がRIE法によりシリコン酸化膜7の上面が露出するまでエッチング加工される。これにより、メモリセル領域においては、多結晶シリコン膜8は、ラインパターン9aおよび12aの間に形成された空隙部の幅寸法dで上面から垂直にエッチングされ図9(a)に示す構造が得られる。また、周辺回路領域においてはシリコン酸化膜9の開口部の部分の多結晶シリコン膜8が垂直にエッチングされる。
【0024】
続いて、図10に示すように、上記の状態からCDE(chemical dry etching)法により多結晶シリコン膜8が等方的にエッチング加工される。これによって、多結晶シリコン膜8は、ラインパターン9a、12aの空隙部の幅dで垂直にエッチングされていた部分の側壁面から横方向にエッチングされ、例えば図示のように両側からそれぞれ寸法wだけ後退した形状となる。
【0025】
この結果、図10(a)に示しているように、メモリセル領域の多結晶シリコン膜8は、幅寸法d+2wだけの寸法がエッチングにより除去され、幅寸法がP−2wのラインパターン8aとして形成される。また、ラインパターン8aの配置間隔寸法は、d+2wとなる。
【0026】
次に、図11に示すように、ラインパターン9a、12aとなっているシリコン酸化膜9、12がウェットエッチング処理によって選択的に除去される。この場合、シリコン酸化膜9、12はBPSG膜であり、下地層のシリコン酸化膜7はTEOS膜であるから、同じシリコン酸化膜であってもエッチングの速度が異なることを利用してエッチングされる。これによって図1に示したのと同様の幅寸法Aのラインパターン8aが間隔Bを存した状態で並んで形成される。このラインパターン8aは、下地層であるシリコン酸化膜7をエッチング加工するためのマスクとなるものである。
【0027】
続いて、図12に示すように、多結晶シリコン膜8がラインパターン8aとして形成したものをマスク材としてシリコン酸化膜7がRIE法によりエッチング加工され、ラインパターン8aに対応したラインパターン7aが形成される。続いてラインパターン8aがシリコン酸化膜に対して選択性があるガス条件下でエッチングされ、図12(a)に示すライン/スペースパターンが形成される。このとき、周辺回路部のパターンも図12(b)に示されるように形成される。
【0028】
この結果、最初にリソグラフィ処理によりパターンニングしたシリコン酸化膜9のラインパターン9aの第1のライン/スペースパターンに対して、これよりも微細なピッチで下地となるシリコン酸化膜7を加工したラインパターン7aの第2のライン/スペースパターンを得ることができる。
【0029】
このようにして得られたラインパターン7aをマスクとしてシリコン窒化膜6、多結晶シリコン膜5、ゲート絶縁膜4およびシリコン基板1が順次RIE法によるエッチング加工されることで、前述の図1に示される形状に加工することができるようになる。シリコン窒化膜6、多結晶シリコン膜5、ゲート絶縁膜4は、ラインパターン7aの幅寸法Aに加工され、シリコン基板1は、幅寸法Aの素子分離溝2として形成することができる。
【0030】
ここで、上記のパターニングの際の寸法関係をまとめておく。
第1のライン/スペースパターンを構成するシリコン酸化膜9の第1のラインパターン9aは、幅寸法がPで、配置間隔の寸法がQであり、最終的な目標となる第2のライン/スペースパターンを構成するシリコン酸化膜7の第2のラインパターン7aは、幅寸法がAで、配置間隔の寸法がBである。また、加工途中でのシリコン窒化膜10の膜厚がd、多結晶シリコン膜8をCDE法にて等方的にエッチングする際の後退させる寸法がwである。上記の寸法のうちで、第2のライン/スペースパターンを形成する関係から、第1のラインパターン9aの幅寸法Pと配置間隔寸法Qとの間には次式(1)の関係が満たされる必要がある(図5参照)。
Q=P+2d …(1)
【0031】
そして、図10に示した加工工程での寸法関係から、A、Bの各寸法は次式(2)、(3)のようにあらわすことができる。
A=P−2w …(2)
B=d+2w …(3)
【0032】
したがって、最終的な加工寸法A、Bは、第1のラインパターン9aの幅寸法P、シリコン窒化膜10の膜厚dおよびCDE法のエッチングの寸法wを調整することで設定することができる。第1のラインパターン9aの幅寸法Pはリソグラフィ技術の限界となる最小寸法まで設定可能であるから、それよりも微細な寸法のラインパターンを得るためには、シリコン窒化膜10の膜厚およびCDE法によるエッチング量wを必要に応じて設定することで所望の幅寸法A、Bを設定することができる。また、この場合に、第2のライン/スペースパターンのピッチ(=A+B)は、第1のライン/スペースパターンのピッチ(=P+Q)の1/2となっている。
【0033】
また、第2のライン/スペースパターンとして、第2のラインパターン7aの幅寸法Aと配置間隔寸法Bとを等しい寸法に設定する場合(A=B)には、上記した式(2)、(3)の関係は、次式(4)のようになり、第1のラインパターン9aの幅寸法Pと配置間隔寸法Qについては、次式(5)のようになる。
A=B=d+2w …(4)
P=d+4w、Q=3d+4w …(5)
【0034】
このような本実施形態によれば、下地層としてのシリコン酸化膜7に対してマスク用シリコン膜として多結晶シリコン膜8を加工するために、シリコン酸化膜9を幅寸法Pで間隔寸法Qのラインパターン9aにパターンニングし、これを基にして多結晶シリコン膜8を半分のピッチのライン/スペースパターンとして形成するようにしたので、リソグラフィ処理のライン/スペースパターンの限界を超えて微細化を図ることができるようになる。
【0035】
また、従来と異なり、側壁転写型のパターンではなく、等方的にエッチング処理をすることで微細パターンを形成するので、スペーサ形状のような上端部が薄くなる形状のマスクを直接用いることがないので、確実にパターンニングを行うことができる。
【0036】
(他の実施形態)
本発明は、上記実施例にのみ限定されるものではなく、次のように変形または拡張できる。
下地層はシリコン酸化膜の場合で示したが、シリコン窒化膜などの他の材質の膜でも良い。
第1、第3の絶縁膜をシリコン酸化膜、第2の絶縁膜をシリコン窒化膜としたが、両者は互いにエッチングの選択比が得られる膜であれば他の絶縁膜でも良い。また、第1および第3の絶縁膜をシリコン窒化膜とし、第2の絶縁膜をシリコン酸化膜とすることができる。
【0037】
また、第1および第3の絶縁膜は、互いに異なる絶縁膜を用いることもできる。この場合、第2の絶縁膜に対してエッチングの選択比が高く取れる材料であれば良い。
マスク用シリコン膜は、多結晶シリコン膜以外に、アモルファスシリコン膜を用いこともできる。
【0038】
マスク用シリコン膜で形成するラインパターンの幅寸法Aとスペースの寸法Bは異なる寸法に設定することもできる。
加工対象とする下地層は、実施形態で示したシリコン基板に素子分離溝を形成する場合の他に、制御ゲート電極膜を積層して形成したゲート電極を素子分離溝と直交する方向に分離形成するゲート加工の工程にも適用することができる。
【0039】
等方性エッチングは、CDE法で行う場合で示したが、これ以外に等方性RIE法を用いることもできるし、ウェットエッチング処理も適用することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【0040】
【図1】マスクパターンを用いて素子分離用溝を形成した状態を示す模式的な断面図
【図2】マスクパターンの形成工程を示す模式的な断面図(その1)
【図3】マスクパターンの形成工程を示す模式的な断面図(その2)
【図4】マスクパターンの形成工程を示す模式的な断面図(その3)
【図5】マスクパターンの形成工程を示す模式的な断面図(その4)
【図6】マスクパターンの形成工程を示す模式的な断面図(その5)
【図7】マスクパターンの形成工程を示す模式的な断面図(その6)
【図8】マスクパターンの形成工程を示す模式的な断面図(その7)
【図9】マスクパターンの形成工程を示す模式的な断面図(その8)
【図10】マスクパターンの形成工程を示す模式的な断面図(その9)
【図11】マスクパターンの形成工程を示す模式的な断面図(その10)
【図12】マスクパターンの形成工程を示す模式的な断面図(その11)
【符号の説明】
【0041】
図面中、1はシリコン基板(半導体基板)、2、3は素子分離溝、4はゲート絶縁膜、5は多結晶シリコン膜、6はシリコン窒化膜、7はシリコン酸化膜(下地層)、8は多結晶シリコン膜(マスク用シリコン膜)、9はシリコン酸化膜(第1の絶縁膜)、10はシリコン窒化膜(第2の絶縁膜)、12はシリコン酸化膜(第3の絶縁膜)、9a、12aは第1のラインパターン、7aは第2のラインパターンである。
【技術分野】
【0001】
本発明は、半導体基板などの加工において、フォトリソグラフィで形成できる幅よりも微細なマスクパターンを形成するマスクパターン形成方法に関する。
【背景技術】
【0002】
半導体加工技術では、フォトリソグラフィ処理で直接パターンニング加工できるパターン幅が限界に近づきつつあるが、通常のフォトリソグラフィ処理工程に加えて膜形成技術を組み合わせることにより、より微細なパターンを形成する方法が考えられている。
【0003】
例えば特許文献1に示される方法では、シリコン酸化膜を通常のフォトリソグラフィ処理でラインパターンに加工し、そのラインパターンの側壁にスペーサ加工されたシリコン膜を形成し、その後スペース領域をシリコン酸化膜で埋め込み、平坦化処理およびシリコン酸化膜の除去をすることでスペーサ加工した幅寸法が小さいシリコン膜のパターンを残すようにした側壁転写の技術が示されている。
【0004】
しかしながら、上記した特許文献1に示される側壁転写法では、スペーサを形成してこれをマスクパターンとして用いるので、スペーサ上部の形状が同一形状にそろえられないため、隣接するマスクパターンが不揃いになる不具合がある。
【特許文献1】特開2006−32648号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
本発明は、隣接するマスクパターンが揃った状態に形成できるマスクパターンの形成方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0006】
本発明のマスクパターンの形成方法は、加工対象となる下地層の上面にマスク用シリコン膜を形成する工程と、前記マスク用シリコン膜の上面に第1の絶縁膜を形成する工程と、前記第1の絶縁膜を、第1の幅(P)の第1のラインパターンを第1の間隔(Q)のスペースを存して繰り返し配置される第1のライン/スペースパターンに形成する工程と、前記第1のラインパターンの両側壁面に所定膜厚(d)の第2の絶縁膜を形成する工程と、前記第1のラインパターン間のスペースに第3の絶縁膜を埋め込み形成する工程と、前記第2の絶縁膜を選択的に除去して前記第2の絶縁膜の膜厚(d)に相当する間隔(d)の空隙部を設ける工程と、前記第1および第3の絶縁膜をマスクとして前記空隙部を介して前記マスク用シリコン膜に対して前記下地層が露出するまで異方性エッチングを行い、その後等方性エッチングを行って当該マスク用シリコン膜の幅を両側からそれぞれ所定幅(w)だけ細らせて第1の幅(P)よりも狭い第2の幅(A=P−2w)となる第2のラインパターンを形成する工程と、前記第1および第3の絶縁膜を選択的に除去して前記下地層の上面に前記第2のラインパターンを第2の間隔(B=d+2w)を存して繰り返し配置される第2のライン/スペースパターンを加工用のマスクとして設ける工程とを備えたところに特徴を有する。
【発明の効果】
【0007】
本発明によれば、隣接するマスクパターンが揃った状態のマスクパターンを形成することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0008】
以下、本発明をNAND型フラッシュメモリ装置の製造工程において、半導体基板に素子分離用溝を形成する工程に適用した場合の一実施形態について図1〜図12を参照して説明する。
【0009】
対象とするNAND型フラッシュメモリ装置においては、メモリセル領域と周辺回路領域とが設けられており、図1(a)はメモリセル領域のトランジスタが並んだ部分の断面を示し、図1(b)は周辺回路領域のトランジスタの断面を示している。図示の状態は、半導体基板であるシリコン基板1の表層部にメモリセル領域に対応して開口幅の狭い素子分離用溝2が形成され、周辺回路領域に対応して開口幅の広い素子分離用溝3が形成された状態を示している。シリコン基板1の上面には、ゲート絶縁膜4が形成され、その上面には多結晶シリコン膜5、シリコン窒化膜6および下地層としてのシリコン酸化膜7が積層形成されている。
【0010】
シリコン酸化膜7は、たとえばTEOS(tetraethyl orthosilicate)膜からなるもので、図示のように幅寸法Aで間隔Bを存して繰り返し配置された状態に加工形成されており、図面と垂直の方向に長く延びたラインパターン7aとして形成されている。図示の状態では幅寸法Aが間隔寸法Bよりも広くなるように(A>B)設定されているが、同じ寸法となるように(A=B)設定することもできる。図示の状態は、このラインパターン7aとして形成されたシリコン酸化膜7をマスクとしてシリコン窒化膜6、多結晶シリコン膜5およびゲート絶縁膜4がエッチングにより除去されると共に、シリコン基板1がエッチングされて素子分離溝(トレンチ)2が形成されている。また、素子分離溝2によって、シリコン基板1の表層部が活性領域1aに分離形成されている。
【0011】
上記構成は、シリコン酸化膜7の上面に形成される加工用のマスクを利用してシリコン酸化膜7を加工してマスクパターンとし、シリコン窒化膜6、多結晶シリコン膜5、ゲート絶縁膜4およびシリコン基板1をエッチングすることにより得られるものであるが、上記した下地層としてのシリコン酸化膜7のパターンの幅寸法Aは、通常のフォトリソグラフィ処理ではパターンニングができない程度の小さい寸法に形成されたものであり、後述する製造工程を経ることにより形成可能となったものである。
【0012】
同様にして周辺回路領域においてもマスクパターンとして形成されたシリコン酸化膜7を用いてシリコン窒化膜6、多結晶シリコン膜5、ゲート絶縁膜4をエッチングすると共に、シリコン基板1をエッチング加工して素子分離溝3が形成されている。この場合、素子分離溝3は、メモリセル領域に対応する素子分離溝2に比べて開口部の幅が広いので、通常のフォトリソグラフィ処理でもパターンニング可能な程度の幅寸法である。
【0013】
次に、上記構成に至る製造工程について図2〜図12を参照して説明する。なお、各図2〜図12において、分図(a)は図1(a)に対応し、分図(b)は図1(b)に対応している。
【0014】
まず、図2に示すように、シリコン基板1の上面に、シリコン酸化膜からなるゲート絶縁膜4が形成され、この上面に浮遊ゲート電極となる多結晶シリコン膜5が形成される。この後、多結晶シリコン膜5の上面にシリコン窒化膜6および下地層としてTEOS膜からなるシリコン酸化膜7が積層形成される。さらにシリコン酸化膜7の上面にマスク用シリコン膜としての多結晶シリコン膜8が形成され、その上面に第1の絶縁膜としてのシリコン酸化膜9が例えばBPSG(boro-phospho-silicate glass)膜により形成される。これらの膜の積層構造は、図2(a)、(b)に示しているように、メモリセル領域および周辺回路領域のいずれも同じである。
【0015】
次に、図3に示すように、リソグラフィ処理によりメモリセル領域側にレジストのパターンを形成し、形成したレジスト膜をマスクとしてメモリセル領域のシリコン酸化膜9をRIE法(reactive ion etching)により多結晶シリコン膜8の上面が露出するまでエッチングし、図3(a)に示すようなライン/スペースパターンを形成する。
【0016】
このライン/スペースパターンの形成では、前述のラインパターン7aの幅寸法Aよりも広い幅寸法P(P>A)のラインパターン9a(第1のラインパターンに相当)を、前述の間隔寸法Bよりよりも広いスペース幅Q(Q>B)で形成する(第1のライン/スペースパターンに相当)。なお、このラインパターン9aは、フォトリソグラフィ処理では限界に近いファインパターンとして形成されるものである。この後、レジスト膜は、酸素(O2)プラズマ雰囲気中にて除去される。
【0017】
次に、図4に示すように、ラインパターン9aが形成されたシリコン酸化膜9の上面および側面と、下地の多結晶シリコン膜8上にシリコン窒化膜10を所定膜厚dで形成する。続いて、図5に示すように、シリコン酸化膜9の側面に形成されたシリコン窒化膜10を残しつつ、シリコン酸化膜9の上面および多結晶シリコン膜8の上面に形成されたシリコン窒化膜10をRIE法によりエッチバックする。これにより、ラインパターン9aの側壁面のみにシリコン窒化膜10aを残した、いわゆるスペーサ加工がなされる。
【0018】
この状態で、ラインパターン9aの側壁にシリコン窒化膜10aが形成されているので、ラインパターン9aの幅寸法は、図中に示しているようにP+2dとなる。また、このときのスペース幅はQ−2dでありこれはラインパターン9aの幅寸法Pに等しくなるように設定される。なお、図示の状態では、シリコン窒化膜10aを多結晶シリコン膜8と接する部分から上端部まで均一な膜厚dとして示しているが、実際には、前述のようなスペーサ加工を行うことで、上端部の膜厚はdよりも小さくなっている。このため、後述する工程を経ることでその上端部の膜厚がdよりも薄くなっている部分を研削することが行われる。
【0019】
次に、図6に示すように、上記した構成の上面にシリコン酸化膜12が積層形成されてスペース部となっていたラインパターン9a間の領域が埋め込まれる。その後、積層形成されたシリコン酸化膜12に対してRIE法によりエッチング処理が行われ、シリコン窒化膜10aが露出する状態までエッチバックされて図6(a)に示す状態に形成される。これにより、スペース部にシリコン酸化膜12によるラインパターン12aが埋め込み形成された状態となる。また、このラインパターン12aは、ラインパターン9aと同じ幅寸法Pに形成されており、両者の間には膜厚dのシリコン窒化膜10aが介在された状態となっている。
【0020】
この状態から、全体をさらにRIE法によりエッチング加工することで前述のシリコン窒化膜10aが薄くなっている部分とともにシリコン酸化膜9、12の上部を除去することでシリコン窒化膜10aが均一な膜厚に形成された状態とすることができる。また、この加工は、CMP(chemical mechanical polishing)法により研削することでも実施できる。
【0021】
次に、図7(a)、(b)に示すように、今度はリソグラフィ工程によって周辺回路部のみパターニングされたレジスト膜をマスクとしてシリコン酸化膜9をRIE法によるエッチング処理をすることで開高幅Rの開口パターンを形成する。この後、レジストはO2プラズマ雰囲気中にて除去される。このとき、メモリセル領域では図7(a)に示すごとく、レジスト膜で覆われた状態で処理が行われるため、図6(a)に示した状態のままである。
【0022】
次に図8に示すように、ラインパターン9a、12aの間のシリコン窒化膜10aが選択的にエッチング除去される。この加工では、シリコン酸化膜に対してシリコン窒化膜の選択性があるウェットエッチング液が用いられてエッチング処理によりシリコン窒化膜10aが除去され、図8(a)に示す構造すなわち、ラインパターン9a、12aの間が間隔dを存して空隙部を有する状態に形成される。
【0023】
次に、図9に示すように、シリコン窒化膜10aが除去されて得られたシリコン酸化膜9および12のラインパターン9a、12aをマスクとして多結晶シリコン膜8がRIE法によりシリコン酸化膜7の上面が露出するまでエッチング加工される。これにより、メモリセル領域においては、多結晶シリコン膜8は、ラインパターン9aおよび12aの間に形成された空隙部の幅寸法dで上面から垂直にエッチングされ図9(a)に示す構造が得られる。また、周辺回路領域においてはシリコン酸化膜9の開口部の部分の多結晶シリコン膜8が垂直にエッチングされる。
【0024】
続いて、図10に示すように、上記の状態からCDE(chemical dry etching)法により多結晶シリコン膜8が等方的にエッチング加工される。これによって、多結晶シリコン膜8は、ラインパターン9a、12aの空隙部の幅dで垂直にエッチングされていた部分の側壁面から横方向にエッチングされ、例えば図示のように両側からそれぞれ寸法wだけ後退した形状となる。
【0025】
この結果、図10(a)に示しているように、メモリセル領域の多結晶シリコン膜8は、幅寸法d+2wだけの寸法がエッチングにより除去され、幅寸法がP−2wのラインパターン8aとして形成される。また、ラインパターン8aの配置間隔寸法は、d+2wとなる。
【0026】
次に、図11に示すように、ラインパターン9a、12aとなっているシリコン酸化膜9、12がウェットエッチング処理によって選択的に除去される。この場合、シリコン酸化膜9、12はBPSG膜であり、下地層のシリコン酸化膜7はTEOS膜であるから、同じシリコン酸化膜であってもエッチングの速度が異なることを利用してエッチングされる。これによって図1に示したのと同様の幅寸法Aのラインパターン8aが間隔Bを存した状態で並んで形成される。このラインパターン8aは、下地層であるシリコン酸化膜7をエッチング加工するためのマスクとなるものである。
【0027】
続いて、図12に示すように、多結晶シリコン膜8がラインパターン8aとして形成したものをマスク材としてシリコン酸化膜7がRIE法によりエッチング加工され、ラインパターン8aに対応したラインパターン7aが形成される。続いてラインパターン8aがシリコン酸化膜に対して選択性があるガス条件下でエッチングされ、図12(a)に示すライン/スペースパターンが形成される。このとき、周辺回路部のパターンも図12(b)に示されるように形成される。
【0028】
この結果、最初にリソグラフィ処理によりパターンニングしたシリコン酸化膜9のラインパターン9aの第1のライン/スペースパターンに対して、これよりも微細なピッチで下地となるシリコン酸化膜7を加工したラインパターン7aの第2のライン/スペースパターンを得ることができる。
【0029】
このようにして得られたラインパターン7aをマスクとしてシリコン窒化膜6、多結晶シリコン膜5、ゲート絶縁膜4およびシリコン基板1が順次RIE法によるエッチング加工されることで、前述の図1に示される形状に加工することができるようになる。シリコン窒化膜6、多結晶シリコン膜5、ゲート絶縁膜4は、ラインパターン7aの幅寸法Aに加工され、シリコン基板1は、幅寸法Aの素子分離溝2として形成することができる。
【0030】
ここで、上記のパターニングの際の寸法関係をまとめておく。
第1のライン/スペースパターンを構成するシリコン酸化膜9の第1のラインパターン9aは、幅寸法がPで、配置間隔の寸法がQであり、最終的な目標となる第2のライン/スペースパターンを構成するシリコン酸化膜7の第2のラインパターン7aは、幅寸法がAで、配置間隔の寸法がBである。また、加工途中でのシリコン窒化膜10の膜厚がd、多結晶シリコン膜8をCDE法にて等方的にエッチングする際の後退させる寸法がwである。上記の寸法のうちで、第2のライン/スペースパターンを形成する関係から、第1のラインパターン9aの幅寸法Pと配置間隔寸法Qとの間には次式(1)の関係が満たされる必要がある(図5参照)。
Q=P+2d …(1)
【0031】
そして、図10に示した加工工程での寸法関係から、A、Bの各寸法は次式(2)、(3)のようにあらわすことができる。
A=P−2w …(2)
B=d+2w …(3)
【0032】
したがって、最終的な加工寸法A、Bは、第1のラインパターン9aの幅寸法P、シリコン窒化膜10の膜厚dおよびCDE法のエッチングの寸法wを調整することで設定することができる。第1のラインパターン9aの幅寸法Pはリソグラフィ技術の限界となる最小寸法まで設定可能であるから、それよりも微細な寸法のラインパターンを得るためには、シリコン窒化膜10の膜厚およびCDE法によるエッチング量wを必要に応じて設定することで所望の幅寸法A、Bを設定することができる。また、この場合に、第2のライン/スペースパターンのピッチ(=A+B)は、第1のライン/スペースパターンのピッチ(=P+Q)の1/2となっている。
【0033】
また、第2のライン/スペースパターンとして、第2のラインパターン7aの幅寸法Aと配置間隔寸法Bとを等しい寸法に設定する場合(A=B)には、上記した式(2)、(3)の関係は、次式(4)のようになり、第1のラインパターン9aの幅寸法Pと配置間隔寸法Qについては、次式(5)のようになる。
A=B=d+2w …(4)
P=d+4w、Q=3d+4w …(5)
【0034】
このような本実施形態によれば、下地層としてのシリコン酸化膜7に対してマスク用シリコン膜として多結晶シリコン膜8を加工するために、シリコン酸化膜9を幅寸法Pで間隔寸法Qのラインパターン9aにパターンニングし、これを基にして多結晶シリコン膜8を半分のピッチのライン/スペースパターンとして形成するようにしたので、リソグラフィ処理のライン/スペースパターンの限界を超えて微細化を図ることができるようになる。
【0035】
また、従来と異なり、側壁転写型のパターンではなく、等方的にエッチング処理をすることで微細パターンを形成するので、スペーサ形状のような上端部が薄くなる形状のマスクを直接用いることがないので、確実にパターンニングを行うことができる。
【0036】
(他の実施形態)
本発明は、上記実施例にのみ限定されるものではなく、次のように変形または拡張できる。
下地層はシリコン酸化膜の場合で示したが、シリコン窒化膜などの他の材質の膜でも良い。
第1、第3の絶縁膜をシリコン酸化膜、第2の絶縁膜をシリコン窒化膜としたが、両者は互いにエッチングの選択比が得られる膜であれば他の絶縁膜でも良い。また、第1および第3の絶縁膜をシリコン窒化膜とし、第2の絶縁膜をシリコン酸化膜とすることができる。
【0037】
また、第1および第3の絶縁膜は、互いに異なる絶縁膜を用いることもできる。この場合、第2の絶縁膜に対してエッチングの選択比が高く取れる材料であれば良い。
マスク用シリコン膜は、多結晶シリコン膜以外に、アモルファスシリコン膜を用いこともできる。
【0038】
マスク用シリコン膜で形成するラインパターンの幅寸法Aとスペースの寸法Bは異なる寸法に設定することもできる。
加工対象とする下地層は、実施形態で示したシリコン基板に素子分離溝を形成する場合の他に、制御ゲート電極膜を積層して形成したゲート電極を素子分離溝と直交する方向に分離形成するゲート加工の工程にも適用することができる。
【0039】
等方性エッチングは、CDE法で行う場合で示したが、これ以外に等方性RIE法を用いることもできるし、ウェットエッチング処理も適用することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【0040】
【図1】マスクパターンを用いて素子分離用溝を形成した状態を示す模式的な断面図
【図2】マスクパターンの形成工程を示す模式的な断面図(その1)
【図3】マスクパターンの形成工程を示す模式的な断面図(その2)
【図4】マスクパターンの形成工程を示す模式的な断面図(その3)
【図5】マスクパターンの形成工程を示す模式的な断面図(その4)
【図6】マスクパターンの形成工程を示す模式的な断面図(その5)
【図7】マスクパターンの形成工程を示す模式的な断面図(その6)
【図8】マスクパターンの形成工程を示す模式的な断面図(その7)
【図9】マスクパターンの形成工程を示す模式的な断面図(その8)
【図10】マスクパターンの形成工程を示す模式的な断面図(その9)
【図11】マスクパターンの形成工程を示す模式的な断面図(その10)
【図12】マスクパターンの形成工程を示す模式的な断面図(その11)
【符号の説明】
【0041】
図面中、1はシリコン基板(半導体基板)、2、3は素子分離溝、4はゲート絶縁膜、5は多結晶シリコン膜、6はシリコン窒化膜、7はシリコン酸化膜(下地層)、8は多結晶シリコン膜(マスク用シリコン膜)、9はシリコン酸化膜(第1の絶縁膜)、10はシリコン窒化膜(第2の絶縁膜)、12はシリコン酸化膜(第3の絶縁膜)、9a、12aは第1のラインパターン、7aは第2のラインパターンである。
【特許請求の範囲】
【請求項1】
加工対象となる下地層の上面にマスク用シリコン膜を形成する工程と、
前記マスク用シリコン膜の上面に第1の絶縁膜を形成する工程と、
前記第1の絶縁膜を、第1の幅(P)の第1のラインパターンを第1の間隔(Q)のスペースを存して繰り返し配置される第1のライン/スペースパターンに形成する工程と、
前記第1のラインパターンの両側壁面に所定膜厚(d)の第2の絶縁膜を形成する工程と、
前記第1のラインパターン間のスペースに第3の絶縁膜を埋め込み形成する工程と、
前記第2の絶縁膜を選択的に除去して前記第2の絶縁膜の膜厚(d)に相当する間隔(d)の空隙部を設ける工程と、
前記第1および第3の絶縁膜をマスクとして前記空隙部を介して前記マスク用シリコン膜に対して前記下地層が露出するまで異方性エッチングを行い、その後等方性エッチングを行って当該マスク用シリコン膜の幅を両側からそれぞれ所定幅(w)だけ細らせて第1の幅(P)よりも狭い第2の幅(A=P−2w)となる第2のラインパターンを形成する工程と、
前記第1および第3の絶縁膜を選択的に除去して前記下地層の上面に前記第2のラインパターンを第2の間隔(B=d+2w)を存して繰り返し配置される第2のライン/スペースパターンを加工用のマスクとして設ける工程と
を備えたことを特徴とするマスクパターン形成方法。
【請求項2】
請求項1に記載のマスクパターン形成方法において、
前記第1のラインパターン間のスペース部分に前記第3の絶縁膜を埋め込み形成する工程では、
全面に前記第3の絶縁膜を成膜する工程と、
CMP(chemical mechanical polishing)法により前記第1および第2の絶縁膜上の前記第3の絶縁膜を除去して前記第1のラインパターン間のスペース部分に前記第3の絶縁膜が残るように研削加工する工程と
を実施することを特徴とするマスクパターンの形成方法。
【請求項3】
請求項1または2に記載のマスクパターン形成方法において、
前記第1のラインパターンの両側壁に膜厚(d)で第2の絶縁膜を形成する工程では、
全面に前記第2の絶縁膜を所定膜厚(d)で成膜する工程と、
エッチバック処理により前記第2の絶縁膜をスペーサ加工する工程と
を実施することを特徴とするマスクパターン形成方法。
【請求項4】
請求項3に記載のマスクパターンの形成方法において、
前記研削加工を実施する工程では、前記第2の絶縁膜を研削すると共に、前記第1および第3の絶縁膜を研削して前記スペーサ加工した前記第2の絶縁膜の上部を除去することを特徴とするマスクパターンの形成方法。
【請求項5】
請求項1ないし4のいずれかに記載のマスクパターン形成方法において、
前記第1および第3の絶縁膜をマスクとして前記空隙部を介して前記マスク用シリコン膜に対して等方性エッチングを行う工程では、
CDE(chemical dry etching)法、等方的なRIE(reactive ion etching)法、あるいはウェットエッチング法のいずれかを用いて行うことを特徴とするマスクパターン形成方法。
【請求項1】
加工対象となる下地層の上面にマスク用シリコン膜を形成する工程と、
前記マスク用シリコン膜の上面に第1の絶縁膜を形成する工程と、
前記第1の絶縁膜を、第1の幅(P)の第1のラインパターンを第1の間隔(Q)のスペースを存して繰り返し配置される第1のライン/スペースパターンに形成する工程と、
前記第1のラインパターンの両側壁面に所定膜厚(d)の第2の絶縁膜を形成する工程と、
前記第1のラインパターン間のスペースに第3の絶縁膜を埋め込み形成する工程と、
前記第2の絶縁膜を選択的に除去して前記第2の絶縁膜の膜厚(d)に相当する間隔(d)の空隙部を設ける工程と、
前記第1および第3の絶縁膜をマスクとして前記空隙部を介して前記マスク用シリコン膜に対して前記下地層が露出するまで異方性エッチングを行い、その後等方性エッチングを行って当該マスク用シリコン膜の幅を両側からそれぞれ所定幅(w)だけ細らせて第1の幅(P)よりも狭い第2の幅(A=P−2w)となる第2のラインパターンを形成する工程と、
前記第1および第3の絶縁膜を選択的に除去して前記下地層の上面に前記第2のラインパターンを第2の間隔(B=d+2w)を存して繰り返し配置される第2のライン/スペースパターンを加工用のマスクとして設ける工程と
を備えたことを特徴とするマスクパターン形成方法。
【請求項2】
請求項1に記載のマスクパターン形成方法において、
前記第1のラインパターン間のスペース部分に前記第3の絶縁膜を埋め込み形成する工程では、
全面に前記第3の絶縁膜を成膜する工程と、
CMP(chemical mechanical polishing)法により前記第1および第2の絶縁膜上の前記第3の絶縁膜を除去して前記第1のラインパターン間のスペース部分に前記第3の絶縁膜が残るように研削加工する工程と
を実施することを特徴とするマスクパターンの形成方法。
【請求項3】
請求項1または2に記載のマスクパターン形成方法において、
前記第1のラインパターンの両側壁に膜厚(d)で第2の絶縁膜を形成する工程では、
全面に前記第2の絶縁膜を所定膜厚(d)で成膜する工程と、
エッチバック処理により前記第2の絶縁膜をスペーサ加工する工程と
を実施することを特徴とするマスクパターン形成方法。
【請求項4】
請求項3に記載のマスクパターンの形成方法において、
前記研削加工を実施する工程では、前記第2の絶縁膜を研削すると共に、前記第1および第3の絶縁膜を研削して前記スペーサ加工した前記第2の絶縁膜の上部を除去することを特徴とするマスクパターンの形成方法。
【請求項5】
請求項1ないし4のいずれかに記載のマスクパターン形成方法において、
前記第1および第3の絶縁膜をマスクとして前記空隙部を介して前記マスク用シリコン膜に対して等方性エッチングを行う工程では、
CDE(chemical dry etching)法、等方的なRIE(reactive ion etching)法、あるいはウェットエッチング法のいずれかを用いて行うことを特徴とするマスクパターン形成方法。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
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【図10】
【図11】
【図12】
【公開番号】特開2009−231459(P2009−231459A)
【公開日】平成21年10月8日(2009.10.8)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2008−73713(P2008−73713)
【出願日】平成20年3月21日(2008.3.21)
【出願人】(000003078)株式会社東芝 (54,554)
【Fターム(参考)】
【公開日】平成21年10月8日(2009.10.8)
【国際特許分類】
【出願日】平成20年3月21日(2008.3.21)
【出願人】(000003078)株式会社東芝 (54,554)
【Fターム(参考)】
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