JP2005166884A

JP2005166884A - 半導体装置の製造方法

Info

Publication number: JP2005166884A
Application number: JP2003402709A
Authority: JP
Inventors: Yoshihiro Otsuka; 純弘大塚
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2003-12-02
Filing date: 2003-12-02
Publication date: 2005-06-23

Abstract

【課題】レジストなどマスク層の解像限界を超えた微細なパターン間スペースを有する被加工膜のパターンを形成可能にする。
【解決手段】アルミニウム配線層１３上に配線のスペース制御膜としてシリコン酸窒化膜１２を形成し、その上にレジストパターン１１を形成する。レジストパターン１１をマスクとしてＣｌ系のガスを用いてシリコン酸窒化膜１２をエッチングすることで順テーパー形状のシリコン酸窒化膜パターン１６を形成する。シリコン酸窒化膜パターン１６をマスクとしてアルミニウム配線層１３を異方性エッチングしてアルミニウム配線層パターン１７を形成する。順テーパー形状に下部が広がったシリコン酸窒化膜パターン１６を形成できるので、間隔が解像限界を超えるレジストパターンを形成しなくても非常に狭いパターン間隔で配線層パターン１７の形成ができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、特にドライエッチングを用いて配線などの回路パターンを形成する半導体装置の製造方法に関するものである。

近年、半導体素子の微細加工の進展には目覚しいものがある。これを支えるリソグラフィ技術も光源の短波長化、レジスト材料の改良、位相シフト法などの超解像手法の適用をすることにより、解像度の向上を図っている。このリソグラフィ技術で形成されたレジストパターンをマスクとしてエッチングすることで微細な回路パターンを実現している。従って、回路パターンの最小パターン幅及び最小パターン間スペースはレジストの解像限界あるいは設計ルールで決められた最小幅により決定される。

ところが従来から、レジストの解像限界を超えた微細パターン幅を形成する必要が生じる場合があり、その技術としては、例えば特許文献１に記載されるものがある。この技術においては被加工膜を選択的にエッチング可能な２種類の膜で形成する。そして被加工膜の上にレジストパターンを形成後、上層膜を異方性エッチングした後、前記レジストパターンを残したまま、前記異方性エッチングした上層膜をさらに等方性エッチングし、横方向のサイドエッチングを生じさせ、レジストパターンよりも細い上層膜パターンを得る。次に前記レジストパターンを剥離し前記エッチングした上層膜をマスクとして下層膜を異方性エッチングする。
特開平９−１８６１６６号公報（第５頁、図１）

しかしながら、上記の従来技術では、レジストの解像限界を超えた微細な幅を有するパターンは形成することができるが、レジストの解像限界を超えた微細なパターン間スペースを形成することはできないという課題があった。これは、単にマスク上のパターン間隔を狭くしたり、レジストのアンダー露光などの方法を用いてレジストの解像限界を超えた微細なパターン間スペースを形成するとレジストパターンがショートしてしまう可能性が非常に大きいからである。

レジストの解像限界を超えるパターンを形成することが要求される場合として、例えば以下のような場合がある。すなわち、浅溝絶縁分離（ＳＴＩ）を形成するときは、半導体基板上に、トランジスタのソース・ドレインのような活性領域となる部分に、シリコン酸化膜とシリコン窒化膜との積層構造の残しパターンを形成し、それをマスクとして半導体基板に絶縁分離領域となる溝をエッチング形成する。このとき、トランジスタの大きいドレイン電流などを確保するには上記残しパターンの幅を広げる、つまり残しパターン間の間隔を狭くしなければならないが、この間隔がレジストの解像限界を超える。

あるいはアルミニウム合金配線の信頼性を確保するために、限られた領域に配列された配線の幅を少し広げたい場合があるがこのときも配線間隔がレジストの解像限界を超える。

本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、その目的は被加工膜をエッチングすることで回路パターンを形成する工程において、レジストなどマスク層の解像限界を超えた微細なパターン間スペースを有する被加工膜のパターンを形成できる半導体装置の製造方法を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明の半導体装置の製造方法は、半導体基板上に形成された被加工膜上にシリコン系の絶縁膜を形成する工程と、シリコン系の絶縁膜上に離間して配列された複数のパターンからなるマスク層を形成する工程と、マスク層をマスクとして前記シリコン系の絶縁膜を塩素系のガスを用いて選択的にエッチングする工程と、エッチングしたシリコン系の絶縁膜をマスクとして被加工膜をエッチングする工程とを含むものとする。

また本発明の半導体装置の製造方法は、半導体基板上に形成された被加工膜上にシリコン系の絶縁膜を形成する工程と、シリコン系の絶縁膜上に離間して配列された複数のパターンからなるマスク層を形成する工程と、マスク層をマスクとしてシリコン系の絶縁膜をフロロカーボン系のガスを用いて選択的にエッチングする工程と、エッチングしたシリコン系の絶縁膜をマスクとして被加工膜をエッチングする工程とを含むものとする。

本発明においては、以上の構成によりシリコン系の絶縁膜を順テーパー形状にエッチングする。そしてシリコン系の絶縁膜は、少なくともシリコン酸窒化膜、シリコン窒化膜またはシリコン酸化膜のうちのいずれかを選択できる。

またシリコン系の絶縁膜を、エッチングしたシリコン系の絶縁膜のパターン間隔が所定の間隔となるようにその膜厚を設定して形成する。

本発明によれば、順テーパー形状になったシリコン系絶縁膜のボトム部のパターン間隔はマスク層パターンよりも間隔が狭くなるため、レジストなどマスク層の解像限界を超えた微細なパターン間スペースを被加工膜に形成することが可能となる。更に、順テーパー形状になった膜のボトム部のパターン間隔は、シリコン系絶縁膜の膜厚が厚いほど狭くすることができるため、膜厚を変化させることでレジストなどマスク層の解像限界を超えた所望の間隔をもった被加工膜パターンを形成することが可能となる。このように、レジストパターン等のマスク層のパターンをその解像限界を超えた間隔に形成することなく、設計ルール以下またはレジスト等のマスク層の解像限界を超えた間隔を有する被加工膜パターンを形成でき、素子の高集積化、素子特性の高性能化を可能とすることができる。

（第１の実施の形態）
本発明の第１の実施の形態による配線パターンの形成方法を図１を用いて説明する。図１は本発明による配線パターンの形成方法を示す工程断面図であり、例えば、レジストパターン間スペースの最小値が解像限界である２００ｎｍの場合とする。

まず図１（ａ）に示すように、プラズマＣＶＤ（Chemical Vaper Deposition）法により形成したシリコン酸化膜１４上にアルミニウムを主とする配線層１３を形成する。アルミニウム配線層１３は膜厚２０ｎｍのチタンと膜厚４５ｎｍの窒化チタンの積層膜１３ａ，膜厚３００ｎｍのアルミニウム−銅合金膜１３ｂ，膜厚５ｎｍのチタンと膜厚３０ｎｍの窒化チタンの積層膜１３ｃをこの順で積層して形成する。アルミニウム配線層１３上に配線のスペース制御膜としてシリコン酸窒化膜１２をプラズマＣＶＤ法により形成する。次に、シリコン酸窒化膜１２上にレジストパターン１１を化学増幅型レジストを光源としてＫｒＦエキシマレーザを用いて形成する。

次に図１（ｂ）に示すように、レジストパターン１１をマスクとしてＣｌ系のガス、例えばＣｌ₂やＢＣｌ₃を用いてシリコン酸窒化膜１２をエッチングするとレジストパターン１１の下端部から順テーパー形状に広がるシリコン酸窒化膜パターン１６が形成できる。

その後、図１（ｃ）に示すように、同一の装置で処理が可能であるＣｌ系のガス、例えばＣｌ₂やＢＣｌ₃を用いて、シリコン酸窒化膜パターン１６をマスクとしてアルミニウム配線層１３を異方性エッチングしてアルミニウム配線層パターン１７を形成する。ここで１７ａ，１７ｂ，１７ｃはそれぞれ前述の膜１３ａ，１３ｂ，１３ｃがエッチングされた膜である。

このように本実施の形態によれば、順テーパー形状に下部が広がったシリコン酸窒化膜パターン１６が形成できるので、間隔が解像限界を超えるレジストパターンを形成しなくても非常に狭いパターン間隔で配線形成ができる。図２は、図１の工程を用いたときのシリコン酸窒化膜１２の膜厚と、レジストパターン１１のパターン間スペースが解像限界の２００ｎｍである部分に対応するアルミニウム配線（１７）の配線パターン間スペースとの関係を示す。例えば、スペース制御膜として膜厚３０ｎｍのシリコン酸窒化膜を用いると、アルミニウム配線パターン間スペースを１７５ｎｍに制御して形成することが可能となる。図２から明らかなように配線上に形成するシリコン酸窒化膜の膜厚と配線パターン間隔とは線形的に変化するという関係にあり、シリコン酸窒化膜の膜厚を選択することによって、ある程度自由に所定の配線パターン間隔を実現することができるのである。

（第２の実施の形態）
図3は、本発明の第２の実施の形態によるＳＴＩ（Shallow Trench Isolation）絶縁分離の形成方法を示す一部の工程断面図である。この工程では半導体（シリコン）基板３４に分離用溝を形成するための間隔の狭いエッチングマスクを形成する工程を特に示している。

まず図３（ａ）に示すように、半導体基板３４の上にシリコン窒化膜３３を形成する。シリコン窒化膜３３の上にスペース制御膜としてシリコン酸窒化膜３２をプラズマＣＶＤ法などで形成する。次に、シリコン酸窒化膜３２上にレジストパターン３１をポジ型の化学増幅型レジストを光源としてＫｒＦエキシマレーザを用いて形成する。

次に図３（ｂ）に示すように、レジストパターン３１をマスクとしてフロロカーボン（ＣＦ）系のガスを用いてシリコン酸窒化膜３２をエッチングすると、レジスト下端から順テーパー形状の斜面を有するシリコン酸窒化膜パターン３６を形成することができる。ＣＦ系のガスとしては具体的にＣＦ₄＋ＣＨＦ₃＋Ｏ₂の混合ガスまたはＣＦ₄、ＣＨＦ₃の単独ガスであっても使用することができる。

その後、図３（ｃ）に示すように、同一のエッチング装置の同一反応室内で処理が可能であるＣＦ系のガスを用い、シリコン窒化膜パターン３７を異方性エッチングで形成する。このパターン３７は次の工程で半導体基板３４に素子分離用溝を形成するためのエッチングマスクとして使用される。

本実施の形態では、ＣＦ系のガスを用い、スペース制御膜としてシリコン酸窒化膜３２をエッチングすることで順テーパー形状のシリコン酸窒化膜パターン３６が得られ、しかも酸窒化膜３２の膜厚を選択することにより、シリコン酸窒化膜３２をエッチングして形成したパターン３６のボトム部のパターン間スペースを、設計ルール以下あるいはフォトリソにおける解像限界以下の所望の値にすることができる。したがってこのパターン３６をマスクとして異方性エッチングしたシリコン窒化膜パターン３７のパターン間スペースも、設計ルール以下あるいはフォトリソにおける解像限界以下の所望の値にすることができる。したがって、パターン間隔のシリコン酸窒化膜３２膜厚依存性は図２と同様である。すなわち、本実施の形態によれば、順テーパー形状に下部が広がったシリコン酸窒化膜パターン３６が形成できるので、間隔が解像限界を超えるレジストパターンを形成しなくても、非常に狭いパターン間隔でシリコン窒化膜パターン３７の形成ができる。そしてこのシリコン窒化膜パターン３７をマスクとして半導体基板３４をエッチングして素子分離用溝を形成すれば、溝幅が非常に狭い素子分離用溝を形成できる。

以上２つの実施の形態においては、スペース制御膜にシリコン酸窒化膜１２、３２を用いたがシリコン酸化膜、シリコン窒化膜のようなシリコン系絶縁膜でも使用可能である。しかしシリコン酸窒化膜、シリコン窒化膜はフォトリソ工程における反射防止膜としての役割を兼ねることができるのでシリコン酸化膜よりも望ましい。また第２の実施の形態のようにスペース制御膜の下地がシリコン窒化膜３７からなる場合はエッチング速度の選択性からシリコン酸窒化膜を用いるのが望ましい。

以上、実施の形態を説明したが本発明はこれらに限定されるものではなく、種々変形可能である。実施の形態では、形成するパターンをアルミニウム配線（１７）または分離溝形成用シリコン窒化膜（３７）として、被加工膜としてアルミニウム配線層１３またはシリコン窒化膜３３を用い、スペース制御膜としてシリコン酸窒化膜１２、３２を用いたものについて説明したが、被加工膜とスペース制御膜はエッチング特性が異なり、スペース制御膜がテーパー形状にエッチングされ、更にスペース制御膜が被加工膜に対してエッチング選択比を有する膜であれば同様の結果を得ることができる。

本発明にかかる半導体装置の製造方法は、間隔が解像限界を超えるレジスト等のパターンを形成しなくても、非常に狭い間隔を有する被加工膜パターンを形成でき、配線や分離溝形成用マスク等の形成に有用である。

本発明の第１の実施の形態による半導体装置の配線パターンの製造工程を示す断面図シリコン酸窒化膜の膜厚と配線パターン間スペースの関係を示した図本発明の第２の実施の形態による半導体装置のＳＴＩ形成用パターンの製造工程を示す断面図

符号の説明

１１レジストパターン
１２シリコン酸窒化膜
１３アルミニウム配線層
１３ａ窒化チタンとチタンの積層膜
１３ｂアルミニウム銅（ＡｌＣｕ）膜
１３ｃ窒化チタンとチタンの積層膜
１４シリコン酸化膜
１６シリコン酸窒化膜パターン
１７アルミニウム配線層パターン
１７ａ窒化チタンとチタンの積層膜パターン
１７ｂアルミニウム銅（ＡｌＣｕ）膜パターン
１７ｃ窒化チタンとチタンの積層膜
３１レジストパターン
３２シリコン酸窒化膜
３３シリコン窒化膜
３４シリコン基板
３６シリコン酸窒化膜パターン
３７シリコン窒化膜パターン

Claims

半導体基板上に形成された被加工膜上にシリコン系の絶縁膜を形成する工程と、前記シリコン系の絶縁膜上に離間して配列された複数のパターンからなるマスク層を形成する工程と、前記マスク層をマスクとして前記シリコン系の絶縁膜を塩素系のガスを用いて選択的にエッチングする工程と、前記エッチングしたシリコン系の絶縁膜をマスクとして前記被加工膜をエッチ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。
半導体基板上に形成された被加工膜上にシリコン系の絶縁膜を形成する工程と、前記シリコン系の絶縁膜上に離間して配列された複数のパターンからなるマスク層を形成する工程と、前記マスク層をマスクとして前記シリコン系の絶縁膜をフロロカーボン系のガスを用いて選択的にエッチングする工程と、前記エッチングしたシリコン系の絶縁膜をマスクとして前記被加工膜をエッチ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。
前記マスク層をマスクとして前記シリコン系の絶縁膜をエッチングする工程は、前記シリコン系の絶縁膜を順テーパー形状にエッチングすることを特徴とする請求項１または２記載の半導体装置の製造方法。
前記シリコン系の絶縁膜は、少なくともシリコン酸窒化膜、シリコン窒化膜またはシリコン酸化膜のうちのいずれかであることを特徴とする請求項１または２記載の半導体装置の製造方法。
前記シリコン系の絶縁膜を、前記エッチングしたシリコン系の絶縁膜のパターン間隔が所定の間隔となるように、その膜厚を設定して形成することを特徴とする請求項３記載の半導体装置の製造方法。