説明

半導体装置の製造方法

【課題】段差上に被覆された被エッチング膜を大幅にオーバーエッチングすることなく、エッチング残渣を除去することができるとともに、下地酸化膜を薄膜化することができる半導体装置の製造方法を提供する。
【解決手段】配線パターンが形成された半導体基板上に酸化膜を被覆する工程と、酸化膜上に導電材料の被エッチング膜を被覆する工程と、炭素を含まず硫黄を含む化合物を添加して、被エッチング膜を酸化膜に対して選択性を持たせつつプラズマエッチングしてパターニングする工程とを含む。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、キャパシタ電極の形成工程などのように、段差上に被覆された被エッチング膜をプラズマエッチングする工程を含む半導体装置の製造方法に関するものである。
【背景技術】
【0002】
半導体装置内にキャパシタを形成する場合、代表的な手法として、下層(1層目)のPolySi(ポリシリコン)層の配線パターン上に酸化膜(キャパシタ絶縁膜)を被覆し、その上に上層(2層目)のPolySi層の配線パターンを形成する方法がある。
【0003】
この手法において、下層の配線パターンは、トランジスタのソース・ドレイン間の電流を制御するゲート電極の役割も果たすため、その両側面(側壁面)にサイドウォールが形成される。このサイドウォールは、ゲート電極を含む半導体基板の表面に堆積された絶縁膜をエッチバックすることで形成され、続くソース・ドレインのインプランテーション時のマスクとなり、LDD(Light Doped Drain)構造が形成される。
【0004】
このLDD構造は、上層のPolySi層のエッチングにとっても段差緩和効果を発揮し、上層のPolySi層の残渣除去のために、上層のPolySi層のオーバーエッチングが軽減できるので都合がよい。
【0005】
しかし、キャパシタの容量アップのために下地酸化膜の薄膜化が行われるとともに、ソース・ドレインプロファイルの制御性向上のために、上層のPolySi層のエッチング後に、サイドウォールとソース・ドレインの形成が行われるようになってきた。
【0006】
この場合、下層の配線パターンが矩形段差となり、この部分の上層のPolySi層の膜厚は最大で下層と上層のPolySi層の膜厚を加算した厚さになる。そのため、上層のPolySi層のエッチング残渣を生じないようにするために、大幅なオーバーエッチングを行う必要が生じる。しかし、オーバーエッチングによる下地酸化膜の膜減りを考えると、その薄膜化との両立が難しいという問題があった。
【0007】
この問題の根底部分には、高段差に起因したプラズマエッチング自体の問題が存在する。以下、この問題について説明する。
【0008】
図4(A)、(B)および(C)は、従来の半導体装置の製造方法の各工程を表す一例のレイアウト断面図である。同図は、下層のPolySiの配線パターン(POLY1)14の上に、酸化膜(キャパシタ絶縁膜)16を介して上層のPolySi層(POLY2)18の配線パターン22を形成することにより、キャパシタを形成する場合の工程を表したものである。
【0009】
図4(A)に示す半導体装置では、シリコン(Si)基板10の表面にゲート酸化膜12が形成され、その上に下層の配線パターン14が形成されている。これらを含むシリコン基板10の表面に酸化膜16が被覆され、酸化膜16の上に上層のPolySi層18が被覆されている。そして、下層の配線パターン14の上に被覆された上層のPolySi層18の上にレジストパターン(PR)20が形成されている。
【0010】
下層の配線パターン14による矩形段差部では、上層のPolySi層18表面の自然酸化膜が縦方向(シリコン基板10に対して垂直方向)に存在する。そのため、一般的な塩素系のエッチングプロセスではこの部分のエッチングが若干遅れ、下地酸化膜16が露出したタイミングでは、同図(B)に示すように、下層の配線パターン14の両側面の酸化膜16表面に被覆された上層のPolySi層18がフェンス状に残留する。
【0011】
図5(A)に示すように、上層のPolySi層18のエッチング中の成膜チャンバ24内壁にはSiClxが付着するが、下地酸化膜16が露出すると酸素ラジカルO*が発生し始める。酸素ラジカルO*は、図4(C)に示すように、フェンス状に残留した上層のPolySi層18表面を酸化することで残渣23を引き起こすとともに、図5(B)に示すように、成膜チャンバ24内壁に付着したSiClxを酸化することでSiOとし、Clが放出され、さらに下地酸化膜16のエッチングを促進する。
【0012】
その結果、オーバーエッチング時間を延長しても思い通りに残渣を除去することができず、下地酸化膜16の膜減りだけが進行するという状況が生まれる。上記の通り、残渣を除去するためのオーバーエッチングのために下地酸化膜16のエッチング量も増大する。そのため、キャパシタの容量アップのために下地酸化膜16を薄膜化したくても、下地酸化膜16の膜厚を薄くできないという相反する問題が生じている。
【0013】
ここで、本発明に関連性のあると思われる先行技術文献として、例えば、特許文献1,2がある。これらの文献では、被エッチング物は異なるものの、カーボンリッチな(耐プラズマ性に優れた)側壁保護膜を形成するために、少なくとも炭素Cと硫黄Sを構成元素とする化合物(CS2、C32)を含むエッチングガスを用いて、被エッチング物をプラズマエッチングすることが開示されている。
【0014】
通常のレジスト成分がPolySiの配線パターンの側面に付着して形成される側壁保護膜では、炭素Cが塩素Clや酸素Oと反応してCCl4やCOの形で除去される。そのため、露出したPolySi表面は容易に酸化される。
【0015】
これに対し、プラズマエッチング時に硫化炭素化合物をエッチングガスに添加すると、PolySi表面には強固なSi−S結合が形成され、その上が硫黄Sを含むポリマーで保護されると考えられる。この場合、オーバーエッチングで酸素ラジカルO*のアタックを受けても、保護膜はSC=Oとなって排出され、PolySi表面も強固なSi−S結合が存在するため、ほとんど酸化されない。
【0016】
一方、成膜チャンバ内にCS2ガスを直接導入すると、CS2がプラズマ中で分解して不揮発性のCSが堆積する。ここで、CS2およびCSの常圧下での沸点は、それぞれ、46.3℃および200℃(200℃以上で分解する)である。通常、CSは側壁保護膜として作用するが、高段差部のフェンス状残渣に厚く付着した場合には抵抗層となり、残渣のエッチング除去が困難になる。
【0017】
【特許文献1】特開平9−270419号公報
【特許文献2】特開平10−150024号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0018】
本発明の目的は、段差上に被覆された被エッチング膜を大幅にオーバーエッチングすることなく、エッチング残渣を除去することができるとともに、下地酸化膜を薄膜化することができる半導体装置の製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0019】
上記目的を達成するために、本発明は、配線パターンが形成された半導体基板上に酸化膜を被覆する工程と、
前記酸化膜上に導電材料の被エッチング膜を被覆する工程と、
炭素を含まず硫黄を含む化合物を添加して、前記被エッチング膜を前記酸化膜に対して選択性を持たせつつプラズマエッチングしてパターニングする工程とを含むことを特徴とする半導体装置の製造方法を提供するものである。
【0020】
ここで、前記被エッチング膜は、PolySiまたはWSi2であることが好ましい。また、前記炭素を含まず硫黄を含む化合物は、H2S、SF6、SCl2のいずれかであることが好ましい。
【0021】
また、前記炭素を含まず硫黄を含む化合物に加えて、硫黄を含まず炭素を含む化合物を添加して、前記パターニングする工程を行うことが好ましい。
【発明の効果】
【0022】
本発明によれば、被エッチング膜のオーバーエッチング時に下地酸化膜から発生する酸素ラジカルによっても、下層の配線パターンの両側面に沿ってフェンス状に残留する上層の被エッチング膜の表面が酸化されず、その残渣も生じにくくなる。この結果、高段差上であっても下地酸化膜の薄膜化(キャパシタの大容量化ないしは小型化)が可能であり、低コストかつ高品質の半導体装置を提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0023】
以下に、添付の図面に示す好適実施形態に基づいて、本発明の半導体装置の製造方法を詳細に説明する。
【0024】
図1(A)〜(C)は、本発明の半導体装置の製造方法の各工程を表す一実施形態のレイアウト断面図である。同図(A)は、本発明を適用する半導体装置の構成を表す。図1(A)に示す本実施形態の半導体装置は、図4(A)に示す従来の半導体装置と同じ構成である。また、図1(B)は、上層のPolySi層をエッチング中の半導体装置の構成を表し、同図(C)は、そのエッチング終了時の構成を表す。
【0025】
以下、本実施形態の半導体装置の製造工程について説明する。
【0026】
まず、熱酸化により、シリコン基板10の表面(トランジスタ等の素子形成面)に、膜厚約15nmのゲート酸化膜12を形成する。
【0027】
続いて、減圧CVDにより、成膜ガスSiH4の流量を100sccmとして、圧力27Pa、温度600℃の条件で、ゲート酸化膜12の上に膜厚約360nmのPolySi層を堆積する。そして、このPolySi層を、フォトリソグラフィ技術により形成したレジストパターン(マスクパターン)をマスクとして用いてエッチングし、下層のPolySi層の配線パターン(ゲート電極)14を形成する。
【0028】
続いて、減圧CVDにより、成膜ガスSiH4の流量を8sccm、成膜ガスN2Oの流量を720sccm、同Heの流量を64sccmとして、圧力100Pa、温度800℃の条件で、ゲート酸化膜12および下層の配線パターン14を含む、シリコン基板10の表面に膜厚約20nmのHTO(High Temperature Oxide)膜(酸化膜)16を堆積する。
【0029】
続いて、減圧CVDにより、成膜ガスSiH4の流量を8sccmとして、下層のPolySi層の成膜工程と同一条件で、HTO膜16の上に膜厚約200nmの上層のPolySi層(導電材料の被エッチング膜)18を堆積する。
【0030】
そして、この上層のPolySi層18の上にレジストパターン20を形成し、図1(A)に示す構成の半導体装置を得る。なお、この時の上層のPolySiの配線パターン(レジストパターン20)の線幅は0.5μm未満であるとする。
【0031】
続いて、有磁場マイクロ波プラズマエッチング装置を使用して、レジストパターン20をマスクとして上層のPolySi層18をプラズマエッチングしてパターニングし、上層のPolySiの配線パターン22を形成する。
【0032】
ここで、上層のPolySi層18をアンダーエッチング(メインエッチング)する時には、Cl2−C22Cl2−O2−H2S系のエッチングガスを使用して、上層のPolySi層18をプラズマエッチングし、図1(B)に示す構成の半導体装置を得る。同図(B)に示すように、アンダーエッチングでは、下層の配線パターン14の両側面に沿ってフェンス状に上層のPolySi層18が残留する。
【0033】
この時、炭素Cを含まず硫黄Sを含む化合物H2Sと、硫黄Sを含まず炭素Cを含む化合物C22Cl2とを所定の比率で添加することにより、図2(A)の概念図に示すように、成膜チャンバ24の内の各表面に硫化炭素化合物CSx(xは1または2)が付着する。前述の比率は、生成される硫化炭素化合物CSxの構成(xを1にするか2にするか)を考慮して適宜決定する。
【0034】
また、下層の配線パターン14の両側面に沿ってフェンス状に堆積された上層のPolySi層18の表面には、−SiCl2+H2S→−Si−S+2HClにより、Si−S結合が形成される。この化合物H2Sは、Si表面だけでなく、レジスト成分が付着した上層のPolySi層18の側壁保護膜にも作用してC−S結合を形成する。そのため、PolySi層18表面は酸化作用から2重に保護されることになる。
【0035】
続いて、上層のPolySi層18をオーバーエッチングする時には、H2S−HBr−O2系のエッチングガスを使用して、上層のPolySi層18をHTO膜16に対して選択性を持たせつつプラズマエッチングする。
【0036】
この時、図2(B)の概念図に示すように、塩素ラジカルCl*あるいは臭素ラジカルBr*は上層のPolySi層18と反応してSiClxあるいはSiBrxを生成する。また、オーバーエッチングによりHTO膜16から発生する酸素ラジカルO*は、成膜チャンバ24内の各表面に付着した硫化炭素化合物CSxないしは硫黄Sと反応してCOSないしはSOを生成する。
【0037】
上記の通り、オーバーエッチングによりHTO膜16から酸素ラジカルO*が発生する。しかし、下層の配線パターン14の側面に沿ってフェンス状に堆積された上層のPolySi層18の表面には、前述の通り、Si−S結合やC−S結合が形成されている。そのため、酸化膜16のエッチングで発生した酸素ラジカルO*によっても、フェンス状に残留した上層のPolySi層18表面は酸化されず、その残渣も生じにくくなる。
【0038】
その結果、オーバーエッチング時間を延長しなくても、フェンス状に残留した上層のPolySi層18の残渣を容易に除去することができ、下地のHTO膜16の膜減りの大幅な進行を防止することができる。従って、残渣を除去するためのオーバーエッチング時におけるHTO膜16のエッチング量は大幅に減少する。そのため、HTO膜16を薄膜化することができ、例えば、キャパシタの容量アップを実現することができる。
【0039】
本実施形態では、上記のようにして、従来技術と比べて、オーバーエッチング時間を延長することもなく、フェンス状に残留した上層のPolySi層18の残渣を除去することができ、図1(C)に示す構成の半導体装置を得ることができる。
【0040】
ここで、図3(A)および(B)は、それぞれ、本発明および従来技術を適用して上層のPolySi層を同一条件でオーバーエッチングした後の下層のPolySiパターンによる矩形段差部をSEM(走査電子顕微鏡)によって撮影した図面代用写真である。図3(A)および(B)は、それぞれ、図1(C)および図4(C)において、図中、上方から半導体装置をSEMで観察したものである。
【0041】
これらの写真の中央部で上下に延びる黒色部分は、下層の配線パターン14に相当する部分である。その両側(左右)の白色部分は、下層の配線パターン14の両側面に沿って堆積されたHTO膜16であり、さらにその両側の黒色部分およびその両側の白色部分は、オーバーエッチング後のHTO膜16である(色の違いは、オーバーエッチングによってHTO膜16の膜厚が部分的に(残渣部とそれ以外の部分で)異なるためである)。
【0042】
まず、同図(B)に示すように、従来技術を適用して上層のPolySi層18をオーバーエッチングした場合、下層の配線パターン14の両側面に沿ってフェンス状に堆積された上層のPolySi層18の両側面近傍に不定形の残渣が発生している。
【0043】
これに対し、同図(A)に示すように、本実施形態において上層のPolySi層18をオーバーエッチングした場合、下層の配線パターン14の両側面に沿ってフェンス状に堆積された上層のPolySi層18の両側面近傍にはほとんど残渣が発生していないことが確認できる。つまり、本実施形態では、高段差上でもHTO膜16の薄膜化が可能であり、低コストかつ高品質の半導体装置を提供できる。
【0044】
本発明では、Si表面(下層の配線パターンの両側面に沿って堆積された上層のPolySi層の両側面)にSi−S結合を形成することが重要なことである。上記実施形態では、上層のPolySi層をアンダーエッチングする時に、炭素Cを含まず硫黄Sを含む化合物と、硫黄Sを含まず炭素Cを含む化合物とを添加しているが、炭素Cを含まず硫黄Sを含む化合物だけを用いることもできる。
【0045】
この場合、例えば、アンダーエッチング時には、Cl2−SCl2−O2系のエッチングガスを使用して、上層のPolySi層をプラズマエッチングする。また、オーバーエッチング時には、SCl2−HBr−O2系のエッチングガスを使用して、上層のPolySi層をプラズマエッチングする。
【0046】
つまり、本発明では、上層のPolySi層のオーバーエッチング時に、下層の配線パターンの両側面に沿って堆積された上層のPolySi層の両側面に、酸化防止のための硫黄化合物を形成するにあたり、硫黄のハロゲン化物を添加することを要件とする。
【0047】
ここで、従来技術を用いてエッチングを行った場合と、Cl2−C22Cl2−O2−H2S系のエッチングガスおよびH2S−HBr−O2系のエッチングガスを使用してエッチングを行った場合(実施例1)と、Cl2−SCl2−O2系のエッチングガスおよびSCl2−HBr−O2系のエッチングガスを使用してエッチングを行った場合(実施例2)について、段差と下地酸化膜の膜厚との比は下記表1の通りであった。
【0048】
【表1】

【0049】
表1に示す通り、従来技術では、段差と下地酸化膜の膜厚との比が10以下であるのに対して、本実施形態では、実施例1の、配線パターンの幅が約0.5μm未満の場合の比は15以上となり、実施例2の、同幅が0.5μmよりも太い場合の比は15程度となった。すなわち、本実施形態では、従来技術よりも確実に段差と下地酸化膜の膜厚との比を大きくできる、すなわち、下地酸化膜の膜厚を薄くできることが分かる。
【0050】
なお、従来技術のように、炭素Cと硫黄Sの両方を構成元素とする硫化炭素化合物(CS2、C32等)を添加しても同様の効果が得られるが、同時に多くの炭素C(デポジション)が導入され、残渣除去の妨げとなる場合がある。従って、上層のPolySi層の側壁保護は、C/S比が固定される硫化炭素化合物ではなく、本発明のように、炭素成分Cと硫黄成分Sを任意の比率で制御する方が望ましい。
【0051】
また、半導体基板はシリコン基板に限らず、各種材質の半導体基板を用いることができる。下層および上層の配線パターンの材料はPolySiに限らず、各種の導電材料を用いることができる。上記実施形態では、膜厚、処理条件等の具体的な数値を挙げて説明したが、これに限定されるわけではなく、これらの数値は必要に応じて適宜変更すべきものである。
【0052】
本発明は、半導体装置において、導電材料を用いて構成される容量素子や抵抗素子を形成する場合に適用可能である。被エッチング膜(上層の配線パターン)の少なくとも一部を下層の配線パターン上に残すようにパターニングすることで容量素子を形成することができ、上に残さないようにパターニングすることで抵抗素子を形成できる。また、下層の配線パターンは、トランジスタのゲート電極に限定されない。
【0053】
被エッチング膜、炭素を含まず硫黄を含む化合物、硫黄を含まず炭素を含む化合物は何ら制限されないが、被エッチング膜として、PolySi、WSi2、W、TiW、TiN、Tiを例示できる。また、炭素を含まず硫黄を含む化合物としては、H2S(常圧下の沸点は−60.7℃)、SF6(同−40℃)、SCl2(同59℃)を例示でき、硫黄を含まず炭素を含む化合物としては、C22Cl2、または、CF4を例示できる。
【0054】
本発明は、基本的に以上のようなものである。
以上、本発明について詳細に説明したが、本発明は上記実施形態に限定されず、本発明の主旨を逸脱しない範囲において、種々の改良や変更をしてもよいのはもちろんである。
【図面の簡単な説明】
【0055】
【図1】(A)、(B)および(C)は、本発明の半導体装置の製造方法の各工程を表す一実施形態のレイアウト断面図である。
【図2】(A)および(B)は、それぞれ、本発明を適用して上層のPolySi層をアンダーエッチングおよびオーバーエッチングする時の状態を表す概念図である。
【図3】(A)および(B)は、それぞれ、本発明および従来技術を適用して上層のPolySi層を同一条件でオーバーエッチングした後の下層のPolySiパターンによる矩形段差部をSEM(走査電子顕微鏡)によって撮影した図面代用写真である。
【図4】(A)、(B)および(C)は、従来の半導体装置の製造方法の各工程を表す一例のレイアウト断面図である。
【図5】(A)および(B)は、それぞれ、従来技術を適用して上層のPolySi層をアンダーエッチングおよびオーバーエッチングする時の状態を表す概念図である。
【符号の説明】
【0056】
10 シリコン基板
12 ゲート酸化膜
14、22 配線パターン
16 酸化膜
18 PolySi層
20 レジストパターン
23 残渣
24 成膜チャンバ

【特許請求の範囲】
【請求項1】
配線パターンが形成された半導体基板上に酸化膜を被覆する工程と、
前記酸化膜上に導電材料の被エッチング膜を被覆する工程と、
炭素を含まず硫黄を含む化合物を添加して、前記被エッチング膜を前記酸化膜に対して選択性を持たせつつプラズマエッチングしてパターニングする工程とを含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項2】
前記被エッチング膜は、PolySiまたはWSi2であ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。
【請求項3】
前記炭素を含まず硫黄を含む化合物は、H2S、SF6、SCl2のいずれかであることを特徴とする請求項1または2に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項4】
前記炭素を含まず硫黄を含む化合物に加えて、硫黄を含まず炭素を含む化合物を添加して、前記パターニングする工程を行うことを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。

【図1】
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【図2】
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【図4】
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【図5】
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【図3】
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【公開番号】特開2010−153696(P2010−153696A)
【公開日】平成22年7月8日(2010.7.8)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2008−332147(P2008−332147)
【出願日】平成20年12月26日(2008.12.26)
【出願人】(501285133)川崎マイクロエレクトロニクス株式会社 (449)
【Fターム(参考)】