半導体装置の製造方法
【課題】側壁転写技術により倒れにくいマスクパターンを形成するＮＡＮＤフラッシュメモリ等の製造方法を提供する。
【解決手段】非晶質シリコン膜２１上に第１膜のシリコン酸化膜２２を形成し（ａ）、所定のラインアンドスペースのパターンに加工して中間パターン２３を形成する（ｂ）。中間パターン２３は、パターン部２３ａを有するとともに、パターン部２３ａの間に残存部２３ｂを残してた状態で形成される。中間パターン２３をスリミング処理し、非晶質シリコン膜２１上に芯材パターン２４を形成する（ｃ）。残存部２３ｂは除去される。芯材パターン２４上に第２膜のシリコン窒化膜を形成し、エッチバック処理で側壁パターンを形成し、芯材パターン２４を除去してマスクパターンを得る。マスクパターンは、段差のない非晶質シリコン膜２１上に形成されるので応力差に起因した倒れの発生を抑制できる。
【解決手段】非晶質シリコン膜２１上に第１膜のシリコン酸化膜２２を形成し（ａ）、所定のラインアンドスペースのパターンに加工して中間パターン２３を形成する（ｂ）。中間パターン２３は、パターン部２３ａを有するとともに、パターン部２３ａの間に残存部２３ｂを残してた状態で形成される。中間パターン２３をスリミング処理し、非晶質シリコン膜２１上に芯材パターン２４を形成する（ｃ）。残存部２３ｂは除去される。芯材パターン２４上に第２膜のシリコン窒化膜を形成し、エッチバック処理で側壁パターンを形成し、芯材パターン２４を除去してマスクパターンを得る。マスクパターンは、段差のない非晶質シリコン膜２１上に形成されるので応力差に起因した倒れの発生を抑制できる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、微細なパターンを備えた半導体装置の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体加工技術のひとつであるフォトリソグラフィ技術においては、レジスト膜の光学的なパターニングの最小幅の限界を超えて微細化する技術として側壁転写加工技術がある。たとえば特許文献１に示すものでは、次のようなプロセスが採用される。
【０００３】
まず、被加工膜の上に芯材となる第１膜を形成し、この第１膜を通常のリソグラフィ処理によりパターニングして所定ピッチのパターンを形成する。次に、このパターンに対し所謂スリミング処理により等方的にエッチングを行って所定の幅寸法の芯材パターンとする。続いて、芯材パターンを覆うように第２膜を形成し、これをスペーサ加工することで芯材パターンの両側に側壁パターンを形成する。この後、芯材パターンを選択的に除去することで側壁パターンが残り、芯材パターンのピッチの半分のピッチでマスクパターンを形成できる。
【０００４】
しかしながら、パターンの微細化がさらに進んでマスクパターンの幅が狭くなると、エッチング加工に必要な膜厚を保持しながらマスクパターンを形成することになり、隣接するマスクパターン同士が接触する状態となったりするなど、マスクパターンが倒れやすい状況となる。マスクパターン同士が接触状態となったり、一方側に倒れたりする状態となると、所望の加工を実現することが難しくなり、エッチング不良が発生する原因となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００８−０２７９９１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、側壁転写技術を用いて微細なマスクパターンを形成する場合に、マスクパターンの倒れを防止でき、これによって被加工膜を確実にエッチング加工することができるようにした半導体装置の製造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】
【０００７】
本発明の一態様の半導体装置の製造方法は、被加工膜の上面に第１膜を形成する工程と、前記第１膜を上面から途中の深さまでパターニングして複数のパターン部とそれらパターン部間を連結する残存部とからなる中間パターンを形成する工程と、等方的エッチング処理により前記中間パターンの前記残存部を除去して前記被加工膜を露出させるとともに前記パターン部を所定幅に加工して芯材パターンを形成する工程と、前記芯材パターンの上面および側面と露出されている前記被加工膜の上面を覆うように所定膜厚の第２膜を形成する工程と、前記第２膜をエッチバック処理して前記芯材パターンの上面および前記被加工膜の上面を露出させて前記芯材パターンの両側壁にマスクパターンを形成する工程と、前記マスクパターンを形成した後、前記芯材パターンを選択的に除去する工程とを備えたところに特徴を有する。
【０００８】
また、本発明の異なる一態様の半導体装置の製造方法は、被加工膜上に第１膜および第２膜を積層形成する工程と、前記第２膜を前記第１膜が露出するまでパターニングして複数のパターン部からなる第１中間パターンを形成する工程と、前記第１中間パターン間を埋め込むとともに前記第１中間パターンを覆うように第３膜を形成する工程と、前記第３膜をエッチバック処理して前記第１中間パターンの上面を露出させる工程と、前記第１中間パターンを除去して前記第１膜を露出させることにより前記第３膜からなる第２中間パターンを形成する工程と、等方的エッチング処理により前記第２中間パターンを所定幅に加工するとともに前記第２中間パターン間に露出する前記第１膜を除去して前記被加工膜を露出させることで芯材パターンを形成する工程と、前記芯材パターンの上面および側面と露出されている前記被加工膜の上面を覆うように所定膜厚の第４膜を形成する工程と、前記第４膜をエッチバック処理して前記芯材パターンの上面および前記被加工膜の上面を露出させて前記芯材パターンの両側壁にマスクパターンを形成する工程と、前記マスクパターンを形成した後、前記芯材パターンとその下方の前記第１膜を選択的に除去する工程とを備えたところに特徴を有する。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、側壁転写技術を用いて微細なマスクパターンを形成する場合に、マスクパターンの倒れを防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】第１の実施形態を示し、ＮＡＮＤ型フラッシュメモリ装置のメモリセル領域の一部のレイアウトパターンを示す模式的な平面図
【図２】図１中切断線Ａ−Ａで示す部分のゲート電極の加工前と加工後の状態を概略的に示す模式的断面図
【図３】図１中切断線Ｂ−Ｂで示す部分の素子分離絶縁膜形成用の溝の加工前と加工後の状態を概略的に示す模式的断面図
【図４】製造工程の各段階に対応する模式的な縦断面図（その１）
【図５】製造工程の各段階に対応する模式的な縦断面図（その２）
【図６】第２の実施形態を示し、製造工程の各段階に対応する模式的な縦断面図（その１）
【図７】製造工程の各段階に対応する模式的な縦断面図（その２）
【図８】製造工程の各段階に対応する模式的な縦断面図（その３）
【発明を実施するための形態】
【００１１】
（第１の実施形態）
以下、ＮＡＮＤ型フラッシュメモリ装置の加工工程に適用した本発明の第１の実施形態について図１〜図５を参照しながら説明する。なお、以下の図面の記載において、同一または類似の部分には同一または類似の符号で表している。但し、図面は模式的なものであり、厚みと平面寸法との関係、各層の厚みの比率等は現実のものとは異なる模式的なものである。
【００１２】
ＮＡＮＤ型フラッシュメモリ装置は、メモリセルトランジスタが多数マトリクス状に配置されるメモリセル領域と、メモリセルトランジスタを駆動するための周辺回路トランジスタを備えた周辺回路領域とから構成されている。この実施形態では、メモリセル領域を対象とした例で説明する。
【００１３】
図１はメモリセル領域の一部のレイアウトパターンを示す平面図である。図１において、半導体基板としてのシリコン基板１に、ＳＴＩ（shallow trench isolation）技術により形成された素子分離絶縁膜２が図１中Ｙ方向に沿って複数本形成されている。複数本の素子分離絶縁膜２は、図１中Ｘ方向に所定間隔で配置されており、これによってシリコン基板１の表層部に複数の活性領域３が分離形成されている。
【００１４】
活性領域３と直交するように、図１中Ｘ方向に沿ってメモリセルトランジスタのワード線ＷＬが複数本形成されている。また、図１中Ｘ方向に沿って一対の選択ゲートトランジスタの選択ゲート線ＳＧＬ１が形成されている。一対の選択ゲート線ＳＧＬ１間の活性領域３にはビット線コンタクトＣＢがそれぞれ形成されている。ワード線ＷＬと交差する活性領域３上にはメモリセルトランジスタのゲート電極ＭＧが、選択ゲート線ＳＧＬ１と交差する活性領域３上には選択ゲートトランジスタのゲート電極（選択ゲート電極）ＳＧが形成されている。
【００１５】
次に、本実施形態において適用対象となる加工工程について説明する。まず、第１の対象として示す図２（ａ）、（ｂ）は、ワード線ＷＬとなるゲート電極の一括加工を行う場合の加工前と加工後の模式的断面を示しており、図１中、切断線Ａ−Ａで示す部分に相当している。
【００１６】
加工前の状態を示す図２（ａ）において、シリコン基板１の上面にはゲート絶縁膜４が形成され、その上面にゲート電極ＭＧを構成する膜が積層形成されている。ゲート電極ＭＧを構成する膜は、下から多結晶シリコン膜５、電極間絶縁膜６、多結晶シリコン膜７およびシリコン窒化膜８である。そして、これらの膜５〜８が最終的に加工対象となる膜の構成である。また、シリコン窒化膜８の上面には、被加工膜としての非晶質シリコン膜により形成された転写用パターン９が形成された状態を示している。
【００１７】
そして、上記構成の転写用パターン９を用いて、まずシリコン窒化膜８をエッチング加工してパターニングし、その後、転写用パターン９を除去し、パターニングされたシリコン窒化膜８の加工パターンを用いて多結晶シリコン膜７、電極間絶縁膜６、多結晶シリコン膜５を順次加工することにより、図２（ｂ）に示す構成を得る。
【００１８】
上記のゲート電極ＭＧの加工工程に先立って、マスクパターンを用いて転写用パターン９を形成する工程が行われるが、転写用パターン９は、パターンの幅寸法（ライン寸法）がたとえば２０ｎｍ程度で形成され、隣接するものとの間隔寸法（スペース寸法）もたとえば２０ｎｍ程度で形成されている。つまり、ラインアンドスペースの寸法が２０／２０ｎｍに形成されている。この微細な転写用パターン９は、後述するように、フォトリソグラフィ処理工程で可能なパターニングの寸法からさらに１／２程度の寸法にピッチを縮小させて形成したものである。
【００１９】
次に、第２の対象として示す図３（ａ）、（ｂ）は、ＮＡＮＤ型フラッシュメモリ装置の素子分離絶縁膜形成用の溝（トレンチ）を形成する加工工程の加工前と加工後の模式的断面を示しており、図１中切断線Ｂ−Ｂで示す部分に相当している。ただし、図１では、ワード線ＷＬを形成した状態での平面図を示しているが、この場合における構成では、ワード線ＷＬを形成する前の加工工程が対象である。
【００２０】
図３（ａ）に示す加工前の状態では、シリコン基板１上にゲート絶縁膜４が形成され、その上面にゲート電極ＭＧの浮遊ゲート電極となる多結晶シリコン膜５が形成され、さらに、その上面に加工用のシリコン窒化膜１０が積層形成されている。これら最終的な加工対象としてのシリコン基板１、ゲート絶縁膜４、多結晶シリコン膜５およびシリコン窒化膜１０に対して、被加工膜としてのシリコン酸化膜が所定のパターンに加工され転写用パターン１１として形成されている。この転写用パターン１１は、これに先立つ製造工程においてマスクパターンが上面に形成され、そのマスクパターンを用いてエッチング加工されたものである。転写用パターン１１は、パターンの幅寸法（ライン寸法）がたとえば２０ｎｍ程度で形成され、隣接するものとの間隔寸法（スペース寸法）もたとえば２０ｎｍ程度で形成されている。
【００２１】
上記した転写用パターン１１をマスクとして、図３（ｂ）に示すように、下地のシリコン窒化膜１０、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ＲＩＥ法などによりエッチング加工され、シリコン基板１に所定深さの溝１ａが形成される。溝１ａ内には後工程において素子分離用絶縁膜としてシリコン酸化膜などが埋め込み形成され、前述した素子分離絶縁膜２とされる。
【００２２】
次に、上記した図２（ａ）の転写用パターン９の形成工程について図４（ａ）〜（ｃ）、図５（ｄ）〜（ｆ）に示す一連の製造工程の各段階を示す模式的断面図を参照して説明する。なお、図４、図５では、図２で示した部分のうち、転写用パターン９として加工される被加工膜として非晶質シリコン膜２１を用いており、この非晶質シリコン膜２１より上の部分の構成について示している。
【００２３】
まず、図４（ａ）に示すように、シリコン窒化膜８（図示せず）の上に形成されている非晶質シリコン膜２１の上面に第１膜としてのシリコン酸化膜２２を例えば２００ｎｍ程度の膜厚で形成する。このシリコン酸化膜２２の膜厚は、被加工膜を加工する膜厚に応じた膜厚に設定すると良い。
【００２４】
次に、図４（ｂ）に示すように、シリコン酸化膜２２を加工して中間パターン２３を形成する。ここでは、例えばラインアンドスペース（４０ｎｍ／４０ｎｍ）のパターンを形成すべく、フォトリソグラフィ技術によりフォトレジストをパターニングし、そのレジストパターンをマスクとしてＲＩＥ（reactive ion etching）法によりシリコン酸化膜２２の異方性エッチングを行う。
【００２５】
シリコン酸化膜２２のエッチング量は、非晶質シリコン膜２１上に例えば１０ｎｍ以下程度の残存部２３ｂを残すように設定される。これにより、パターニングで形成される複数のパターン部２３ａ間を残存部２３ｂで連結した状態の中間パターン２３が得られる。また、このエッチングでは、中間パターン２３のパターン部２３ａは、側壁が順テーパ状つまり底面側から上部に向けて幅寸法が狭くなるような傾斜面を有する形状に形成されている。
【００２６】
続いて、図４（ｃ）に示すように、中間パターン２３をスリミング処理することにより芯材パターン２４を形成する。スリミング処理は、シリコン酸化膜からなる中間パターン２３のパターン部２３ａのパターン幅寸法を狭く、且つ高さ寸法を低くするとともに、残存部２３ｂを除去するように等方的エッチングを行う処理で、例えばウェット処理により行われる。
【００２７】
これにより、残存部２３ｂが除去されて非晶質シリコン膜２１が露出し、パターン部２３ａの両側壁および上面がそれぞれ１０ｎｍ程度エッチングされ、パターン幅が例えば２０ｎｍ程度の芯材パターン２４が形成される。一方、芯材パターン２４間のスペース幅は、エッチングでパターン幅寸法が狭くなったことで６０ｎｍ程度となっている。また、このスリミング処理は、中間パターン２３の残存部２３ｂが残った状態で開始して非晶質シリコン膜２１の上面を露出させるので、非晶質シリコン膜２１の露出面は平坦に形成されている。
【００２８】
次に、図５（ｄ）に示すように、芯材パターン２４の上面および側面に沿い、且つ芯材パターン２４間に露出している非晶質シリコン膜２１の上面に沿うように第２膜であるシリコン窒化膜２５を形成する。この場合、シリコン窒化膜２５の膜厚は、例えば２０ｎｍ程度であり、これはシリコン窒化膜２５を形成した状態での芯材パターン２４間の空隙の幅が略２０ｎｍ程度となる膜厚である。
【００２９】
続いて、図５（ｅ）に示すように、シリコン窒化膜２５をエッチバックして芯材パターン２４の上面および芯材パターン２４間の非晶質シリコン膜２１の上面を露出させる。これによって、シリコン窒化膜２５はスペーサ加工され、芯材パターン２４の両側壁に形成されたマスクパターン２６が得られる。
【００３０】
次に、図５（ｆ）に示すように、芯材パターン２４を選択的に除去することにより、マスクパターン２６を非晶質シリコン膜２１上面に残存させる。ここでは、芯材パターン２４の除去を、例えば芯材パターン２４を構成しているシリコン酸化膜のウェットエッチング処理により行う。
【００３１】
得られたマスクパターン２６は、非晶質シリコン膜２１の平坦な部分に直接形成されるので、孤立状態でも非晶質シリコン膜２１から受ける応力で倒れる方向への力は作用しなくなる。また、マスクパターン２６は、芯材パターン２４を挟んで対向していた一対のパターン２６ａ、２６ｂが繰り返し並べられた状態に形成される。さらに、マスクパターン２６は、芯材パターン２４がテーパ状で形成されていたことから、その傾斜面に沿うように傾斜したパターンとして形成される。
【００３２】
このようなマスクパターン２６は、パターン幅／間隔が２０ｎｍ／２０ｎｍ程度の微細なラインアンドスペースパターンとして形成することができる。これによりフォトリソグラフィ技術で形成した中間パターン２３のパターン幅に対して、その半分程度のパターン幅の微細なラインアンドスペースのパターンを形成することができる。そして、このマスクパターン２６をマスクとして非晶質シリコン膜２１をエッチング加工することにより、転写用パターン９を得ることができる。
【００３３】
また、マスクパターン２６は、前述のような側壁転写技術を用いて形成しているので、芯材パターン２４に面していた側面は平面状に形成されており、芯材パターン２４に面していない側の側面は上端部において丸みを帯びた形状に形成されている。尚、マスクパターン２６は芯材パターン２４に沿うように形成されることで傾斜した状態となっているが、これを非晶質シリコン膜２１に転写するエッチングを行うことで、図２（ａ）に示したように、傾斜状態が解消されるとともに上端部の丸みも少なくなった転写用パターン９を得ることができる。
【００３４】
このような第１の実施形態によれば、被加工膜である非晶質シリコン膜２１上にストッパ膜を設けることなく芯材パターン２４を形成したにも拘わらず、非晶質シリコン膜２１の芯材パターン２４から露出した部分に段差は生じておらず、非晶質シリコン膜２１の平坦面上に直接マスクパターン２６を形成することができる。これによって芯材パターン２４を除去して孤立された状態にマスクパターン２６が形成されたときに、非晶質シリコン膜２１との間で倒れる方向への応力を受けることがなくなり、マスクパターン２６が倒れるのを抑制することができる。
【００３５】
また、芯材パターン２４の形成に際して下地にストッパ膜を用いないでマスクパターン２６を形成することができるので、膜形成工程を減らすことができる。
図２のゲート電極の加工工程について説明したが、図３の素子分離絶縁膜形成用の溝加工に適用することもできる。
【００３６】
（第２の実施形態）
次に、図６ないし図８を参照して第２の実施形態について説明する。この実施形態では、前述した図３（ａ）に示す素子分離絶縁膜形成用の溝１ａを形成するための転写用パターン１１をシリコン酸化膜３１から形成する場合を示すもので、図６（ａ）〜（ｃ）、図７（ｄ）〜（ｆ）、図８（ｇ）〜（ｉ）に示す一連の製造工程の各段階を示す模式的断面図を参照して説明する。なお、図６〜図８では、図３で示した部分のうち、シリコン酸化膜３１を被加工膜として転写用パターン１１を形成する場合を想定し、シリコン酸化膜３１より上の部分の構成について示している。
【００３７】
まず、図６（ａ）に示すように、被加工膜であるシリコン酸化膜３１の上に第１膜としてストッパ膜となるシリコン窒化膜３２を所定膜厚で形成し、続いて第２膜としてシリコン酸化膜３３を例えば２００ｎｍの膜厚で形成する。このシリコン酸化膜３３の膜厚は、被加工膜を加工する膜厚に応じた膜厚に設定すると良い。
【００３８】
次に、図６（ｂ）に示すように、シリコン酸化膜３３をパターニング加工して第１中間パターン３４を形成する。ここでは、例えばラインアンドスペース（４０ｎｍ／４０ｎｍ）のパターンを形成すべく、フォトリソグラフィ技術によりパターニングしたレジストをマスクとしてＲＩＥ法によりシリコン酸化膜３３の異方性エッチングを行う。このエッチングでは、シリコン酸化膜３３をシリコン窒化膜３２が露出するまでエッチングして分離し、これにより第１中間パターン３４を形成する。
【００３９】
このエッチングでは、第１の実施形態と異なり第１中間パターン３４の各々のパターン部が分離されるまで加工がおこなわれるので、シリコン窒化膜３２の露出した第１部分３２ａは、第１中間パターン３４として形成された部分の下方に位置する被覆された第２部分３２ｂよりも若干薄くなり、図６（ｂ）に示したように、この部分に段差が生じている。また、第１中間パターン３４は、上部で幅寸法が狭くなるようにその両側壁が順テーパ状に形成されている。
【００４０】
次に、図６（ｃ）に示すように、第１中間パターン３４間の空隙を埋め込むとともに、第１中間パターン３４の全体を覆うように第３膜としてシリコン窒化膜３５を形成する。この場合、シリコン窒化膜３５は、第１中間パターン３４の上面よりも高い位置まで形成されている。
【００４１】
続いて、図７（ｄ）に示すように、エッチバック処理を行って、シリコン窒化膜３５を第１中間パターン３４の上面が露出する高さまで除去する。このエッチバック処理を行うことで、シリコン窒化膜３５は第１中間パターン３４のパターン部間に介在した状態となり、これにより第２中間パターン３６となる部分が形成される。
【００４２】
この後、図７（ｅ）に示すように、第１中間パターン３４をエッチングにより選択的に除去する。このエッチングは、例えばウェットエッチング処理で行い、これにより第２中間パターン３６がシリコン酸化膜３１上にシリコン窒化膜３２の第１部分３２ａを介して形成された状態となる。また、第１中間パターン３４の両側壁が順テーパ状に形成されていたのに対して、その反転されたパターンとなるように、第２中間パターン３６の両側壁は逆テーパ状に形成される。
【００４３】
次に、図７（ｆ）に示すように、第２中間パターン３６をスリミング処理することにより芯材パターン３７を形成する。スリミング処理は、シリコン窒化膜からなる第２中間パターン３６のパターン幅寸法を半分程度まで狭くするとともに、第２中間パターン３６間に露出しているシリコン窒化膜３２の第２部分３２ｂおよび第１部分３２ａの一部を除去するように等方的なエッチング処理を行う。
【００４４】
このスリミング処理では、第２中間パターン３６が第３膜に相当するシリコン窒化膜であるから、同種の材料である第１膜のシリコン窒化膜３２を同じエッチングレートで同時にエッチングすることができる。また、このため、第２中間パターン３６のパターン幅寸法を狭くするスリミング量に対して、第２部分３２ｂがエッチングで除去される程度もしくはそれよりも薄い膜厚となるように第２部分３２ｂを形成しておくことで、スリミング処理時にシリコン酸化膜３１の上面を露出させることができる。
【００４５】
これにより、第２中間パターン３６間はシリコン酸化膜３１が露出した状態となり、第２中間パターン３６は、両側壁および上面がそれぞれ１０ｎｍ程度エッチングされ、パターン幅が例えば２０ｎｍ程度の芯材パターン３７が形成される。また、芯材パターン３７間のスペース幅は、エッチングでパターン幅寸法が狭くなったことで６０ｎｍ程度となっている。
【００４６】
そして、芯材パターン３７は、シリコン窒化膜３２の平坦に形成された第１部分３２ａの上に形成され、段差部分を介した状態で形成されていないため、下地膜との間で段差に起因した応力差により倒れることを防止できる。また、芯材パターン３７は、第２中間パターン３６と同様に、両側壁が逆テーパ状に形成されている。
【００４７】
次に、図８（ｇ）に示すように、芯材パターン３７の上面および側面に沿うとともに芯材パターン３７間に露出しているシリコン酸化膜３１の上面に沿うように第４膜である非晶質シリコン膜３８を形成する。この場合、非晶質シリコン膜３８の膜厚は、例えば２０ｎｍ程度であり、これは非晶質シリコン膜３８を形成した状態での芯材パターン３７間の空隙の幅が略２０ｎｍ程度となる膜厚である。
【００４８】
続いて、図８（ｈ）に示すように、非晶質シリコン膜３８をエッチバック処理して芯材パターン３７の上面および芯材パターン３７間のシリコン酸化膜３１の上面を露出させる。これによって、非晶質シリコン膜３８はスペーサ加工され、芯材パターン３７の両側壁に形成されたマスクパターン３９が得られる。
【００４９】
次に、図８（ｉ）に示すように、芯材パターン３７とその下方の第１部分３２ａを選択的に除去することで、マスクパターン３９をシリコン酸化膜３１上面に残存させる。芯材パターン３７および第１部分３２ａの除去は、これら芯材パターン３７と第１部分３２ａを構成しているシリコン窒化膜をウェットエッチング処理することで行う。得られたマスクパターン３９は、除去した芯材パターン３７を挟んで対向していた一対のパターン３９ａ、３９ｂを繰り返し並べた状態に形成される。
【００５０】
この場合、第１の実施形態と異なり芯材パターン３７の両側壁が、逆テーパ状とされていたことから、マスクパターン３９はその逆テーパ状の芯材パターン３７に沿うように形成される部分（芯材パターン３７を挟んで対向するペア部Ｐ）の一対のパターン３９ａ、３９ｂの側面同士が上部で間隔が広がるように傾斜したパターンとして形成される。反対に、マスクパターン３９の芯材パターン３７と反対側の部分（隣接部Ａｊ）では、パターン３９ａ、３９ｂの上部の丸みを帯びた部分の間隔が狭くなるように傾斜したパターンとなる。
【００５１】
このようなマスクパターン３９は、被加工膜であるシリコン酸化膜３１の上に直接形成されたものであり、下地の段差に起因した応力差を受けることがないので倒れにくいものとすることができる。そして、このマスクパターン３９は、パターン幅／間隔が２０ｎｍ／２０ｎｍ程度の微細なラインアンドスペースパターンとして形成することができる。そして、このマスクパターン３９をマスクとしてシリコン酸化膜３１をエッチング加工することにより、転写用パターン１１を得ることができる。この場合、マスクパターン３９は、ペア部Ｐの間隔が上部において広くなるように傾斜された状態に形成されているので、転写用パターン１１の形成時にペア部Ｐと隣接部Ａｊとでエッチングを均等に進行させることができる。
【００５２】
また、マスクパターン３９は、上述したように断面が左右対称の形状に形成されていないが、これをシリコン酸化膜３１に転写することで図３（ａ）に示したように、傾斜状態が解消されるとともに上端部の丸みも少なくなった左右対称に近い形状の転写用パターン１１を得ることができる。
【００５３】
本発明は、上記実施形態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。
上記各実施形態では、被加工膜を転写用パターン９あるいは１１を形成するための膜である非晶質シリコン膜２１あるいはシリコン酸化膜３１としているが、最終的な加工対象であるゲート電極の膜構成あるいは素子分離膜形成用の溝の膜構成を被加工膜として、その上面に直接マスクパターン２６あるいは３９を形成することもできる。
【００５４】
第１実施形態においては、被加工膜である非晶質シリコン膜２１に対する第１膜としてシリコン酸化膜２２を用い、第２膜としてシリコン窒化膜２５を用いる場合で示したが、第１膜及び第２膜は、これらの材料に限らず、被加工膜を構成する膜の種類に応じて、互いにエッチングの選択性を得られる膜を選択して用いることができる。
【００５５】
同様に、第２実施形態においては、被加工膜であるシリコン酸化膜３１に対する第１膜としてシリコン窒化膜３２、第２膜としてシリコン酸化膜３３、第３膜としてシリコン窒化膜３５、第４膜として非晶質シリコン膜３８を用いる場合で示したが、第１膜と第３膜とを互いにエッチングの選択性を有することなく等方的なエッチング処理を行うことが可能な膜種を選ぶことを条件として、第１膜、第２膜、第４膜について互いにエッチングの選択性を得られる膜種を選ぶことができる。
【００５６】
中間パターン２３あるいは第２中間パターン３６のスリミング処理は、ウェット処理以外に、ＣＤＥ（chemical dry etching）法などの等方的なエッチングが可能なドライプロセスによる処理を採用することができる。
【００５７】
加工対象とするパターンの寸法は、２０ｎｍ／２０ｎｍのラインアンドスペースのパターンに限らず、パターン寸法は適宜所望する寸法に設定することができる。また、これに応じて、エッチング量や膜厚などの設定を適宜行うことができる。
【符号の説明】
【００５８】
図面中、８はシリコン窒化膜、９は転写用パターン、１０はシリコン窒化膜、１１は転写用パターン、２１は非晶質シリコン膜（被加工膜）、２２はシリコン酸化膜（第１膜）、２３は中間パターン、２４は芯材パターン、２５はシリコン窒化膜（第２膜）、２６はマスクパターン、３１はシリコン酸化膜（被加工膜）、３２はシリコン窒化膜（第１膜）、３３はシリコン酸化膜（第２膜）、３４は第１中間パターン、３５はシリコン窒化膜（第３膜）、３６は第２中間パターン、３７は芯材パターン、３８は非晶質シリコン膜（第４膜）、３９はマスクパターンである。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、微細なパターンを備えた半導体装置の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体加工技術のひとつであるフォトリソグラフィ技術においては、レジスト膜の光学的なパターニングの最小幅の限界を超えて微細化する技術として側壁転写加工技術がある。たとえば特許文献１に示すものでは、次のようなプロセスが採用される。
【０００３】
まず、被加工膜の上に芯材となる第１膜を形成し、この第１膜を通常のリソグラフィ処理によりパターニングして所定ピッチのパターンを形成する。次に、このパターンに対し所謂スリミング処理により等方的にエッチングを行って所定の幅寸法の芯材パターンとする。続いて、芯材パターンを覆うように第２膜を形成し、これをスペーサ加工することで芯材パターンの両側に側壁パターンを形成する。この後、芯材パターンを選択的に除去することで側壁パターンが残り、芯材パターンのピッチの半分のピッチでマスクパターンを形成できる。
【０００４】
しかしながら、パターンの微細化がさらに進んでマスクパターンの幅が狭くなると、エッチング加工に必要な膜厚を保持しながらマスクパターンを形成することになり、隣接するマスクパターン同士が接触する状態となったりするなど、マスクパターンが倒れやすい状況となる。マスクパターン同士が接触状態となったり、一方側に倒れたりする状態となると、所望の加工を実現することが難しくなり、エッチング不良が発生する原因となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００８−０２７９９１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、側壁転写技術を用いて微細なマスクパターンを形成する場合に、マスクパターンの倒れを防止でき、これによって被加工膜を確実にエッチング加工することができるようにした半導体装置の製造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】
【０００７】
本発明の一態様の半導体装置の製造方法は、被加工膜の上面に第１膜を形成する工程と、前記第１膜を上面から途中の深さまでパターニングして複数のパターン部とそれらパターン部間を連結する残存部とからなる中間パターンを形成する工程と、等方的エッチング処理により前記中間パターンの前記残存部を除去して前記被加工膜を露出させるとともに前記パターン部を所定幅に加工して芯材パターンを形成する工程と、前記芯材パターンの上面および側面と露出されている前記被加工膜の上面を覆うように所定膜厚の第２膜を形成する工程と、前記第２膜をエッチバック処理して前記芯材パターンの上面および前記被加工膜の上面を露出させて前記芯材パターンの両側壁にマスクパターンを形成する工程と、前記マスクパターンを形成した後、前記芯材パターンを選択的に除去する工程とを備えたところに特徴を有する。
【０００８】
また、本発明の異なる一態様の半導体装置の製造方法は、被加工膜上に第１膜および第２膜を積層形成する工程と、前記第２膜を前記第１膜が露出するまでパターニングして複数のパターン部からなる第１中間パターンを形成する工程と、前記第１中間パターン間を埋め込むとともに前記第１中間パターンを覆うように第３膜を形成する工程と、前記第３膜をエッチバック処理して前記第１中間パターンの上面を露出させる工程と、前記第１中間パターンを除去して前記第１膜を露出させることにより前記第３膜からなる第２中間パターンを形成する工程と、等方的エッチング処理により前記第２中間パターンを所定幅に加工するとともに前記第２中間パターン間に露出する前記第１膜を除去して前記被加工膜を露出させることで芯材パターンを形成する工程と、前記芯材パターンの上面および側面と露出されている前記被加工膜の上面を覆うように所定膜厚の第４膜を形成する工程と、前記第４膜をエッチバック処理して前記芯材パターンの上面および前記被加工膜の上面を露出させて前記芯材パターンの両側壁にマスクパターンを形成する工程と、前記マスクパターンを形成した後、前記芯材パターンとその下方の前記第１膜を選択的に除去する工程とを備えたところに特徴を有する。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、側壁転写技術を用いて微細なマスクパターンを形成する場合に、マスクパターンの倒れを防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】第１の実施形態を示し、ＮＡＮＤ型フラッシュメモリ装置のメモリセル領域の一部のレイアウトパターンを示す模式的な平面図
【図２】図１中切断線Ａ−Ａで示す部分のゲート電極の加工前と加工後の状態を概略的に示す模式的断面図
【図３】図１中切断線Ｂ−Ｂで示す部分の素子分離絶縁膜形成用の溝の加工前と加工後の状態を概略的に示す模式的断面図
【図４】製造工程の各段階に対応する模式的な縦断面図（その１）
【図５】製造工程の各段階に対応する模式的な縦断面図（その２）
【図６】第２の実施形態を示し、製造工程の各段階に対応する模式的な縦断面図（その１）
【図７】製造工程の各段階に対応する模式的な縦断面図（その２）
【図８】製造工程の各段階に対応する模式的な縦断面図（その３）
【発明を実施するための形態】
【００１１】
（第１の実施形態）
以下、ＮＡＮＤ型フラッシュメモリ装置の加工工程に適用した本発明の第１の実施形態について図１〜図５を参照しながら説明する。なお、以下の図面の記載において、同一または類似の部分には同一または類似の符号で表している。但し、図面は模式的なものであり、厚みと平面寸法との関係、各層の厚みの比率等は現実のものとは異なる模式的なものである。
【００１２】
ＮＡＮＤ型フラッシュメモリ装置は、メモリセルトランジスタが多数マトリクス状に配置されるメモリセル領域と、メモリセルトランジスタを駆動するための周辺回路トランジスタを備えた周辺回路領域とから構成されている。この実施形態では、メモリセル領域を対象とした例で説明する。
【００１３】
図１はメモリセル領域の一部のレイアウトパターンを示す平面図である。図１において、半導体基板としてのシリコン基板１に、ＳＴＩ（shallow trench isolation）技術により形成された素子分離絶縁膜２が図１中Ｙ方向に沿って複数本形成されている。複数本の素子分離絶縁膜２は、図１中Ｘ方向に所定間隔で配置されており、これによってシリコン基板１の表層部に複数の活性領域３が分離形成されている。
【００１４】
活性領域３と直交するように、図１中Ｘ方向に沿ってメモリセルトランジスタのワード線ＷＬが複数本形成されている。また、図１中Ｘ方向に沿って一対の選択ゲートトランジスタの選択ゲート線ＳＧＬ１が形成されている。一対の選択ゲート線ＳＧＬ１間の活性領域３にはビット線コンタクトＣＢがそれぞれ形成されている。ワード線ＷＬと交差する活性領域３上にはメモリセルトランジスタのゲート電極ＭＧが、選択ゲート線ＳＧＬ１と交差する活性領域３上には選択ゲートトランジスタのゲート電極（選択ゲート電極）ＳＧが形成されている。
【００１５】
次に、本実施形態において適用対象となる加工工程について説明する。まず、第１の対象として示す図２（ａ）、（ｂ）は、ワード線ＷＬとなるゲート電極の一括加工を行う場合の加工前と加工後の模式的断面を示しており、図１中、切断線Ａ−Ａで示す部分に相当している。
【００１６】
加工前の状態を示す図２（ａ）において、シリコン基板１の上面にはゲート絶縁膜４が形成され、その上面にゲート電極ＭＧを構成する膜が積層形成されている。ゲート電極ＭＧを構成する膜は、下から多結晶シリコン膜５、電極間絶縁膜６、多結晶シリコン膜７およびシリコン窒化膜８である。そして、これらの膜５〜８が最終的に加工対象となる膜の構成である。また、シリコン窒化膜８の上面には、被加工膜としての非晶質シリコン膜により形成された転写用パターン９が形成された状態を示している。
【００１７】
そして、上記構成の転写用パターン９を用いて、まずシリコン窒化膜８をエッチング加工してパターニングし、その後、転写用パターン９を除去し、パターニングされたシリコン窒化膜８の加工パターンを用いて多結晶シリコン膜７、電極間絶縁膜６、多結晶シリコン膜５を順次加工することにより、図２（ｂ）に示す構成を得る。
【００１８】
上記のゲート電極ＭＧの加工工程に先立って、マスクパターンを用いて転写用パターン９を形成する工程が行われるが、転写用パターン９は、パターンの幅寸法（ライン寸法）がたとえば２０ｎｍ程度で形成され、隣接するものとの間隔寸法（スペース寸法）もたとえば２０ｎｍ程度で形成されている。つまり、ラインアンドスペースの寸法が２０／２０ｎｍに形成されている。この微細な転写用パターン９は、後述するように、フォトリソグラフィ処理工程で可能なパターニングの寸法からさらに１／２程度の寸法にピッチを縮小させて形成したものである。
【００１９】
次に、第２の対象として示す図３（ａ）、（ｂ）は、ＮＡＮＤ型フラッシュメモリ装置の素子分離絶縁膜形成用の溝（トレンチ）を形成する加工工程の加工前と加工後の模式的断面を示しており、図１中切断線Ｂ−Ｂで示す部分に相当している。ただし、図１では、ワード線ＷＬを形成した状態での平面図を示しているが、この場合における構成では、ワード線ＷＬを形成する前の加工工程が対象である。
【００２０】
図３（ａ）に示す加工前の状態では、シリコン基板１上にゲート絶縁膜４が形成され、その上面にゲート電極ＭＧの浮遊ゲート電極となる多結晶シリコン膜５が形成され、さらに、その上面に加工用のシリコン窒化膜１０が積層形成されている。これら最終的な加工対象としてのシリコン基板１、ゲート絶縁膜４、多結晶シリコン膜５およびシリコン窒化膜１０に対して、被加工膜としてのシリコン酸化膜が所定のパターンに加工され転写用パターン１１として形成されている。この転写用パターン１１は、これに先立つ製造工程においてマスクパターンが上面に形成され、そのマスクパターンを用いてエッチング加工されたものである。転写用パターン１１は、パターンの幅寸法（ライン寸法）がたとえば２０ｎｍ程度で形成され、隣接するものとの間隔寸法（スペース寸法）もたとえば２０ｎｍ程度で形成されている。
【００２１】
上記した転写用パターン１１をマスクとして、図３（ｂ）に示すように、下地のシリコン窒化膜１０、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ＲＩＥ法などによりエッチング加工され、シリコン基板１に所定深さの溝１ａが形成される。溝１ａ内には後工程において素子分離用絶縁膜としてシリコン酸化膜などが埋め込み形成され、前述した素子分離絶縁膜２とされる。
【００２２】
次に、上記した図２（ａ）の転写用パターン９の形成工程について図４（ａ）〜（ｃ）、図５（ｄ）〜（ｆ）に示す一連の製造工程の各段階を示す模式的断面図を参照して説明する。なお、図４、図５では、図２で示した部分のうち、転写用パターン９として加工される被加工膜として非晶質シリコン膜２１を用いており、この非晶質シリコン膜２１より上の部分の構成について示している。
【００２３】
まず、図４（ａ）に示すように、シリコン窒化膜８（図示せず）の上に形成されている非晶質シリコン膜２１の上面に第１膜としてのシリコン酸化膜２２を例えば２００ｎｍ程度の膜厚で形成する。このシリコン酸化膜２２の膜厚は、被加工膜を加工する膜厚に応じた膜厚に設定すると良い。
【００２４】
次に、図４（ｂ）に示すように、シリコン酸化膜２２を加工して中間パターン２３を形成する。ここでは、例えばラインアンドスペース（４０ｎｍ／４０ｎｍ）のパターンを形成すべく、フォトリソグラフィ技術によりフォトレジストをパターニングし、そのレジストパターンをマスクとしてＲＩＥ（reactive ion etching）法によりシリコン酸化膜２２の異方性エッチングを行う。
【００２５】
シリコン酸化膜２２のエッチング量は、非晶質シリコン膜２１上に例えば１０ｎｍ以下程度の残存部２３ｂを残すように設定される。これにより、パターニングで形成される複数のパターン部２３ａ間を残存部２３ｂで連結した状態の中間パターン２３が得られる。また、このエッチングでは、中間パターン２３のパターン部２３ａは、側壁が順テーパ状つまり底面側から上部に向けて幅寸法が狭くなるような傾斜面を有する形状に形成されている。
【００２６】
続いて、図４（ｃ）に示すように、中間パターン２３をスリミング処理することにより芯材パターン２４を形成する。スリミング処理は、シリコン酸化膜からなる中間パターン２３のパターン部２３ａのパターン幅寸法を狭く、且つ高さ寸法を低くするとともに、残存部２３ｂを除去するように等方的エッチングを行う処理で、例えばウェット処理により行われる。
【００２７】
これにより、残存部２３ｂが除去されて非晶質シリコン膜２１が露出し、パターン部２３ａの両側壁および上面がそれぞれ１０ｎｍ程度エッチングされ、パターン幅が例えば２０ｎｍ程度の芯材パターン２４が形成される。一方、芯材パターン２４間のスペース幅は、エッチングでパターン幅寸法が狭くなったことで６０ｎｍ程度となっている。また、このスリミング処理は、中間パターン２３の残存部２３ｂが残った状態で開始して非晶質シリコン膜２１の上面を露出させるので、非晶質シリコン膜２１の露出面は平坦に形成されている。
【００２８】
次に、図５（ｄ）に示すように、芯材パターン２４の上面および側面に沿い、且つ芯材パターン２４間に露出している非晶質シリコン膜２１の上面に沿うように第２膜であるシリコン窒化膜２５を形成する。この場合、シリコン窒化膜２５の膜厚は、例えば２０ｎｍ程度であり、これはシリコン窒化膜２５を形成した状態での芯材パターン２４間の空隙の幅が略２０ｎｍ程度となる膜厚である。
【００２９】
続いて、図５（ｅ）に示すように、シリコン窒化膜２５をエッチバックして芯材パターン２４の上面および芯材パターン２４間の非晶質シリコン膜２１の上面を露出させる。これによって、シリコン窒化膜２５はスペーサ加工され、芯材パターン２４の両側壁に形成されたマスクパターン２６が得られる。
【００３０】
次に、図５（ｆ）に示すように、芯材パターン２４を選択的に除去することにより、マスクパターン２６を非晶質シリコン膜２１上面に残存させる。ここでは、芯材パターン２４の除去を、例えば芯材パターン２４を構成しているシリコン酸化膜のウェットエッチング処理により行う。
【００３１】
得られたマスクパターン２６は、非晶質シリコン膜２１の平坦な部分に直接形成されるので、孤立状態でも非晶質シリコン膜２１から受ける応力で倒れる方向への力は作用しなくなる。また、マスクパターン２６は、芯材パターン２４を挟んで対向していた一対のパターン２６ａ、２６ｂが繰り返し並べられた状態に形成される。さらに、マスクパターン２６は、芯材パターン２４がテーパ状で形成されていたことから、その傾斜面に沿うように傾斜したパターンとして形成される。
【００３２】
このようなマスクパターン２６は、パターン幅／間隔が２０ｎｍ／２０ｎｍ程度の微細なラインアンドスペースパターンとして形成することができる。これによりフォトリソグラフィ技術で形成した中間パターン２３のパターン幅に対して、その半分程度のパターン幅の微細なラインアンドスペースのパターンを形成することができる。そして、このマスクパターン２６をマスクとして非晶質シリコン膜２１をエッチング加工することにより、転写用パターン９を得ることができる。
【００３３】
また、マスクパターン２６は、前述のような側壁転写技術を用いて形成しているので、芯材パターン２４に面していた側面は平面状に形成されており、芯材パターン２４に面していない側の側面は上端部において丸みを帯びた形状に形成されている。尚、マスクパターン２６は芯材パターン２４に沿うように形成されることで傾斜した状態となっているが、これを非晶質シリコン膜２１に転写するエッチングを行うことで、図２（ａ）に示したように、傾斜状態が解消されるとともに上端部の丸みも少なくなった転写用パターン９を得ることができる。
【００３４】
このような第１の実施形態によれば、被加工膜である非晶質シリコン膜２１上にストッパ膜を設けることなく芯材パターン２４を形成したにも拘わらず、非晶質シリコン膜２１の芯材パターン２４から露出した部分に段差は生じておらず、非晶質シリコン膜２１の平坦面上に直接マスクパターン２６を形成することができる。これによって芯材パターン２４を除去して孤立された状態にマスクパターン２６が形成されたときに、非晶質シリコン膜２１との間で倒れる方向への応力を受けることがなくなり、マスクパターン２６が倒れるのを抑制することができる。
【００３５】
また、芯材パターン２４の形成に際して下地にストッパ膜を用いないでマスクパターン２６を形成することができるので、膜形成工程を減らすことができる。
図２のゲート電極の加工工程について説明したが、図３の素子分離絶縁膜形成用の溝加工に適用することもできる。
【００３６】
（第２の実施形態）
次に、図６ないし図８を参照して第２の実施形態について説明する。この実施形態では、前述した図３（ａ）に示す素子分離絶縁膜形成用の溝１ａを形成するための転写用パターン１１をシリコン酸化膜３１から形成する場合を示すもので、図６（ａ）〜（ｃ）、図７（ｄ）〜（ｆ）、図８（ｇ）〜（ｉ）に示す一連の製造工程の各段階を示す模式的断面図を参照して説明する。なお、図６〜図８では、図３で示した部分のうち、シリコン酸化膜３１を被加工膜として転写用パターン１１を形成する場合を想定し、シリコン酸化膜３１より上の部分の構成について示している。
【００３７】
まず、図６（ａ）に示すように、被加工膜であるシリコン酸化膜３１の上に第１膜としてストッパ膜となるシリコン窒化膜３２を所定膜厚で形成し、続いて第２膜としてシリコン酸化膜３３を例えば２００ｎｍの膜厚で形成する。このシリコン酸化膜３３の膜厚は、被加工膜を加工する膜厚に応じた膜厚に設定すると良い。
【００３８】
次に、図６（ｂ）に示すように、シリコン酸化膜３３をパターニング加工して第１中間パターン３４を形成する。ここでは、例えばラインアンドスペース（４０ｎｍ／４０ｎｍ）のパターンを形成すべく、フォトリソグラフィ技術によりパターニングしたレジストをマスクとしてＲＩＥ法によりシリコン酸化膜３３の異方性エッチングを行う。このエッチングでは、シリコン酸化膜３３をシリコン窒化膜３２が露出するまでエッチングして分離し、これにより第１中間パターン３４を形成する。
【００３９】
このエッチングでは、第１の実施形態と異なり第１中間パターン３４の各々のパターン部が分離されるまで加工がおこなわれるので、シリコン窒化膜３２の露出した第１部分３２ａは、第１中間パターン３４として形成された部分の下方に位置する被覆された第２部分３２ｂよりも若干薄くなり、図６（ｂ）に示したように、この部分に段差が生じている。また、第１中間パターン３４は、上部で幅寸法が狭くなるようにその両側壁が順テーパ状に形成されている。
【００４０】
次に、図６（ｃ）に示すように、第１中間パターン３４間の空隙を埋め込むとともに、第１中間パターン３４の全体を覆うように第３膜としてシリコン窒化膜３５を形成する。この場合、シリコン窒化膜３５は、第１中間パターン３４の上面よりも高い位置まで形成されている。
【００４１】
続いて、図７（ｄ）に示すように、エッチバック処理を行って、シリコン窒化膜３５を第１中間パターン３４の上面が露出する高さまで除去する。このエッチバック処理を行うことで、シリコン窒化膜３５は第１中間パターン３４のパターン部間に介在した状態となり、これにより第２中間パターン３６となる部分が形成される。
【００４２】
この後、図７（ｅ）に示すように、第１中間パターン３４をエッチングにより選択的に除去する。このエッチングは、例えばウェットエッチング処理で行い、これにより第２中間パターン３６がシリコン酸化膜３１上にシリコン窒化膜３２の第１部分３２ａを介して形成された状態となる。また、第１中間パターン３４の両側壁が順テーパ状に形成されていたのに対して、その反転されたパターンとなるように、第２中間パターン３６の両側壁は逆テーパ状に形成される。
【００４３】
次に、図７（ｆ）に示すように、第２中間パターン３６をスリミング処理することにより芯材パターン３７を形成する。スリミング処理は、シリコン窒化膜からなる第２中間パターン３６のパターン幅寸法を半分程度まで狭くするとともに、第２中間パターン３６間に露出しているシリコン窒化膜３２の第２部分３２ｂおよび第１部分３２ａの一部を除去するように等方的なエッチング処理を行う。
【００４４】
このスリミング処理では、第２中間パターン３６が第３膜に相当するシリコン窒化膜であるから、同種の材料である第１膜のシリコン窒化膜３２を同じエッチングレートで同時にエッチングすることができる。また、このため、第２中間パターン３６のパターン幅寸法を狭くするスリミング量に対して、第２部分３２ｂがエッチングで除去される程度もしくはそれよりも薄い膜厚となるように第２部分３２ｂを形成しておくことで、スリミング処理時にシリコン酸化膜３１の上面を露出させることができる。
【００４５】
これにより、第２中間パターン３６間はシリコン酸化膜３１が露出した状態となり、第２中間パターン３６は、両側壁および上面がそれぞれ１０ｎｍ程度エッチングされ、パターン幅が例えば２０ｎｍ程度の芯材パターン３７が形成される。また、芯材パターン３７間のスペース幅は、エッチングでパターン幅寸法が狭くなったことで６０ｎｍ程度となっている。
【００４６】
そして、芯材パターン３７は、シリコン窒化膜３２の平坦に形成された第１部分３２ａの上に形成され、段差部分を介した状態で形成されていないため、下地膜との間で段差に起因した応力差により倒れることを防止できる。また、芯材パターン３７は、第２中間パターン３６と同様に、両側壁が逆テーパ状に形成されている。
【００４７】
次に、図８（ｇ）に示すように、芯材パターン３７の上面および側面に沿うとともに芯材パターン３７間に露出しているシリコン酸化膜３１の上面に沿うように第４膜である非晶質シリコン膜３８を形成する。この場合、非晶質シリコン膜３８の膜厚は、例えば２０ｎｍ程度であり、これは非晶質シリコン膜３８を形成した状態での芯材パターン３７間の空隙の幅が略２０ｎｍ程度となる膜厚である。
【００４８】
続いて、図８（ｈ）に示すように、非晶質シリコン膜３８をエッチバック処理して芯材パターン３７の上面および芯材パターン３７間のシリコン酸化膜３１の上面を露出させる。これによって、非晶質シリコン膜３８はスペーサ加工され、芯材パターン３７の両側壁に形成されたマスクパターン３９が得られる。
【００４９】
次に、図８（ｉ）に示すように、芯材パターン３７とその下方の第１部分３２ａを選択的に除去することで、マスクパターン３９をシリコン酸化膜３１上面に残存させる。芯材パターン３７および第１部分３２ａの除去は、これら芯材パターン３７と第１部分３２ａを構成しているシリコン窒化膜をウェットエッチング処理することで行う。得られたマスクパターン３９は、除去した芯材パターン３７を挟んで対向していた一対のパターン３９ａ、３９ｂを繰り返し並べた状態に形成される。
【００５０】
この場合、第１の実施形態と異なり芯材パターン３７の両側壁が、逆テーパ状とされていたことから、マスクパターン３９はその逆テーパ状の芯材パターン３７に沿うように形成される部分（芯材パターン３７を挟んで対向するペア部Ｐ）の一対のパターン３９ａ、３９ｂの側面同士が上部で間隔が広がるように傾斜したパターンとして形成される。反対に、マスクパターン３９の芯材パターン３７と反対側の部分（隣接部Ａｊ）では、パターン３９ａ、３９ｂの上部の丸みを帯びた部分の間隔が狭くなるように傾斜したパターンとなる。
【００５１】
このようなマスクパターン３９は、被加工膜であるシリコン酸化膜３１の上に直接形成されたものであり、下地の段差に起因した応力差を受けることがないので倒れにくいものとすることができる。そして、このマスクパターン３９は、パターン幅／間隔が２０ｎｍ／２０ｎｍ程度の微細なラインアンドスペースパターンとして形成することができる。そして、このマスクパターン３９をマスクとしてシリコン酸化膜３１をエッチング加工することにより、転写用パターン１１を得ることができる。この場合、マスクパターン３９は、ペア部Ｐの間隔が上部において広くなるように傾斜された状態に形成されているので、転写用パターン１１の形成時にペア部Ｐと隣接部Ａｊとでエッチングを均等に進行させることができる。
【００５２】
また、マスクパターン３９は、上述したように断面が左右対称の形状に形成されていないが、これをシリコン酸化膜３１に転写することで図３（ａ）に示したように、傾斜状態が解消されるとともに上端部の丸みも少なくなった左右対称に近い形状の転写用パターン１１を得ることができる。
【００５３】
本発明は、上記実施形態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。
上記各実施形態では、被加工膜を転写用パターン９あるいは１１を形成するための膜である非晶質シリコン膜２１あるいはシリコン酸化膜３１としているが、最終的な加工対象であるゲート電極の膜構成あるいは素子分離膜形成用の溝の膜構成を被加工膜として、その上面に直接マスクパターン２６あるいは３９を形成することもできる。
【００５４】
第１実施形態においては、被加工膜である非晶質シリコン膜２１に対する第１膜としてシリコン酸化膜２２を用い、第２膜としてシリコン窒化膜２５を用いる場合で示したが、第１膜及び第２膜は、これらの材料に限らず、被加工膜を構成する膜の種類に応じて、互いにエッチングの選択性を得られる膜を選択して用いることができる。
【００５５】
同様に、第２実施形態においては、被加工膜であるシリコン酸化膜３１に対する第１膜としてシリコン窒化膜３２、第２膜としてシリコン酸化膜３３、第３膜としてシリコン窒化膜３５、第４膜として非晶質シリコン膜３８を用いる場合で示したが、第１膜と第３膜とを互いにエッチングの選択性を有することなく等方的なエッチング処理を行うことが可能な膜種を選ぶことを条件として、第１膜、第２膜、第４膜について互いにエッチングの選択性を得られる膜種を選ぶことができる。
【００５６】
中間パターン２３あるいは第２中間パターン３６のスリミング処理は、ウェット処理以外に、ＣＤＥ（chemical dry etching）法などの等方的なエッチングが可能なドライプロセスによる処理を採用することができる。
【００５７】
加工対象とするパターンの寸法は、２０ｎｍ／２０ｎｍのラインアンドスペースのパターンに限らず、パターン寸法は適宜所望する寸法に設定することができる。また、これに応じて、エッチング量や膜厚などの設定を適宜行うことができる。
【符号の説明】
【００５８】
図面中、８はシリコン窒化膜、９は転写用パターン、１０はシリコン窒化膜、１１は転写用パターン、２１は非晶質シリコン膜（被加工膜）、２２はシリコン酸化膜（第１膜）、２３は中間パターン、２４は芯材パターン、２５はシリコン窒化膜（第２膜）、２６はマスクパターン、３１はシリコン酸化膜（被加工膜）、３２はシリコン窒化膜（第１膜）、３３はシリコン酸化膜（第２膜）、３４は第１中間パターン、３５はシリコン窒化膜（第３膜）、３６は第２中間パターン、３７は芯材パターン、３８は非晶質シリコン膜（第４膜）、３９はマスクパターンである。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被加工膜の上面に第１膜を形成する工程と、
前記第１膜を上面から途中の深さまでパターニングして複数のパターン部とそれらパターン部間を連結する残存部とからなる中間パターンを形成する工程と、
等方的エッチング処理により前記中間パターンの前記残存部を除去して前記被加工膜を露出させるとともに前記パターン部を所定幅に加工して芯材パターンを形成する工程と、
前記芯材パターンの上面および側面と露出されている前記被加工膜の上面を覆うように所定膜厚の第２膜を形成する工程と、
前記第２膜をエッチバック処理して前記芯材パターンの上面および前記被加工膜の上面を露出させて前記芯材パターンの両側壁にマスクパターンを形成する工程と、
前記マスクパターンを形成した後、前記芯材パターンを選択的に除去する工程と
を具備することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項２】
被加工膜上に第１膜および第２膜を積層形成する工程と、
前記第２膜を前記第１膜が露出するまでパターニングして複数のパターン部からなる第１中間パターンを形成する工程と、
前記第１中間パターン間を埋め込むとともに前記第１中間パターンを覆うように第３膜を形成する工程と、
前記第３膜をエッチバック処理して前記第１中間パターンの上面を露出させる工程と、
前記第１中間パターンを除去して前記第１膜を露出させることにより前記第３膜からなる第２中間パターンを形成する工程と、
等方的エッチング処理により前記第２中間パターンを所定幅に加工するとともに前記第２中間パターン間に露出する前記第１膜を除去して前記被加工膜を露出させることで芯材パターンを形成する工程と、
前記芯材パターンの上面および側面と露出されている前記被加工膜の上面を覆うように所定膜厚の第４膜を形成する工程と、
前記第４膜をエッチバック処理して前記芯材パターンの上面および前記被加工膜の上面を露出させて前記芯材パターンの両側壁にマスクパターンを形成する工程と、
前記マスクパターンを形成した後、前記芯材パターンとその下方の前記第１膜を選択的に除去する工程と
を具備することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項３】
請求項２に記載の半導体装置の製造方法において、
前記第１中間パターンを形成する工程では、前記パターン部の両側壁が順テーパ状となるように前記第１中間パターンが形成され、
前記芯材パターンを形成する工程では、前記芯材パターンの両側壁が逆テーパ状になるように前記芯材パターンが形成され、
前記マスクパターンを形成する工程では、前記芯材パターンを挟んで対向する一対のパターンの側面同士が下部よりも上部で間隔が広がるように傾斜したパターンとして前記マスクパターンが形成されることを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項４】
請求項２または３に記載の半導体装置の製造方法において、
前記第１膜および前記第３膜は、前記等方的エッチング処理の際、互いに選択性を有することなくエッチングされる材料により形成されることを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項５】
請求項４に記載の半導体装置の製造方法において、
前記第１膜および前記第３膜は、同種の材料により形成されることを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項１】
被加工膜の上面に第１膜を形成する工程と、
前記第１膜を上面から途中の深さまでパターニングして複数のパターン部とそれらパターン部間を連結する残存部とからなる中間パターンを形成する工程と、
等方的エッチング処理により前記中間パターンの前記残存部を除去して前記被加工膜を露出させるとともに前記パターン部を所定幅に加工して芯材パターンを形成する工程と、
前記芯材パターンの上面および側面と露出されている前記被加工膜の上面を覆うように所定膜厚の第２膜を形成する工程と、
前記第２膜をエッチバック処理して前記芯材パターンの上面および前記被加工膜の上面を露出させて前記芯材パターンの両側壁にマスクパターンを形成する工程と、
前記マスクパターンを形成した後、前記芯材パターンを選択的に除去する工程と
を具備することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項２】
被加工膜上に第１膜および第２膜を積層形成する工程と、
前記第２膜を前記第１膜が露出するまでパターニングして複数のパターン部からなる第１中間パターンを形成する工程と、
前記第１中間パターン間を埋め込むとともに前記第１中間パターンを覆うように第３膜を形成する工程と、
前記第３膜をエッチバック処理して前記第１中間パターンの上面を露出させる工程と、
前記第１中間パターンを除去して前記第１膜を露出させることにより前記第３膜からなる第２中間パターンを形成する工程と、
等方的エッチング処理により前記第２中間パターンを所定幅に加工するとともに前記第２中間パターン間に露出する前記第１膜を除去して前記被加工膜を露出させることで芯材パターンを形成する工程と、
前記芯材パターンの上面および側面と露出されている前記被加工膜の上面を覆うように所定膜厚の第４膜を形成する工程と、
前記第４膜をエッチバック処理して前記芯材パターンの上面および前記被加工膜の上面を露出させて前記芯材パターンの両側壁にマスクパターンを形成する工程と、
前記マスクパターンを形成した後、前記芯材パターンとその下方の前記第１膜を選択的に除去する工程と
を具備することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項３】
請求項２に記載の半導体装置の製造方法において、
前記第１中間パターンを形成する工程では、前記パターン部の両側壁が順テーパ状となるように前記第１中間パターンが形成され、
前記芯材パターンを形成する工程では、前記芯材パターンの両側壁が逆テーパ状になるように前記芯材パターンが形成され、
前記マスクパターンを形成する工程では、前記芯材パターンを挟んで対向する一対のパターンの側面同士が下部よりも上部で間隔が広がるように傾斜したパターンとして前記マスクパターンが形成されることを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項４】
請求項２または３に記載の半導体装置の製造方法において、
前記第１膜および前記第３膜は、前記等方的エッチング処理の際、互いに選択性を有することなくエッチングされる材料により形成されることを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項５】
請求項４に記載の半導体装置の製造方法において、
前記第１膜および前記第３膜は、同種の材料により形成されることを特徴とする半導体装置の製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２０１１−１９９０１３（Ｐ２０１１−１９９０１３Ａ）
【公開日】平成２３年１０月６日（２０１１．１０．６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−６４２００（Ｐ２０１０−６４２００）
【出願日】平成２２年３月１９日（２０１０．３．１９）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年１０月６日（２０１１．１０．６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年３月１９日（２０１０．３．１９）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【Ｆターム（参考）】
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