JP2004172311A - 半導体装置の製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】被加工膜を削ることなく、マスク材を選択的に除去する。微細パターンを容易に形成する。
【解決手段】基板１１上にゲート酸化膜１２を形成し、ゲート酸化膜上にポリシリコン膜１３を形成し、ポリシリコン膜上にマスク材としてのルテニウム膜１４を形成し、ルテニウム膜上にレジストパターン１５を形成する。レジストパターン１５をマスクとしてルテニウム膜１４をパターニングした後、パターニングされたルテニウム膜１４ａを収縮させる。収縮したルテニウム膜１４ｂをマスクとしてポリシリコン膜１３をパターニングした後、ルテニウム膜１４ｂを除去する。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体装置の製造方法に係り、特に微細パターンの形成方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、シリコン酸化膜、シリコン窒化膜、ポリシリコン等をマスク材として用いて、そのマスク材直下の被加工膜をエッチングする微細パターンの形成方法が知られている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、被加工膜のマスク材に対するエッチング選択比が低いため、被加工膜をエッチングする際に、マスク材に肩削れが発生してしまう。そして、この肩削れの量が多い場合には、図４に示すように、マスク材直下の被加工膜（ポリシリコン膜）３３にも肩削れ３３ａが発生してしまうという問題があった。なお、図４において、被加工膜３３は、基板３１上に形成されたゲート絶縁膜３２上に形成されている。
【０００４】
また、マスク材は、被加工膜をエッチングした後に不要となるため、除去する必要がある。しかし、従来は、パターニングされた被加工膜を削ることなく、マスク材のみを選択的に除去することが困難であった。このため、被加工膜３３の膜厚が変わってしまうという問題があった。
従って、従来の半導体装置の製造方法では、パターンの劣化が起こってしまうという問題があった。
【０００５】
本発明は、上記従来の課題を解決するためになされたもので、被加工膜を削ることなく、マスク材を選択的に除去することを目的とする。また、本発明は、微細パターンを容易に形成することも目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
この発明に係る半導体装置の製造方法は、基板上に被加工膜を形成する工程と、
前記被加工膜上にマスク材を形成する工程と、
前記マスク材上にレジストパターンを形成する工程と、
前記レジストパターンをマスクとして前記マスク材をパターニングする工程と、
パターニングされた前記マスク材を収縮させる工程と、
収縮した前記マスク材をマスクとして前記被加工膜をパターニングする工程と、
前記マスク材を除去する工程と、
を含むことを特徴とするものである。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。図中、同一又は相当する部分には同一の符号を付してその説明を簡略化ないし省略することがある。
【０００８】
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１による半導体装置の製造方法を説明するための断面図である。詳細には、図１は、ＡＳＩＣ等における微細なゲート配線の形成方法を説明するための図である。
先ず、図１（ａ）に示すように、基板１１としてのシリコンウェハ上に、ゲート絶縁膜１２としてのゲート酸化膜を膜厚５ｎｍ程度で形成し、ゲート絶縁膜１２上にゲート配線材料１３としてのポリシリコン膜を膜厚１５０ｎｍ程度で形成する。次に、ゲート配線材料１３上にマスク材１４としてのルテニウム（Ｒｕ）膜を膜厚２０ｎｍ程度で形成する。そして、マスク材１４上にレジストパターン１５を形成する。
【０００９】
次に、図１（ｂ）に示すように、レジストパターン１５をマスクとしてマスク材１４を異方性エッチングすることにより、マスク材パターン１４ａが形成される。この異方性エッチングは、例えば、ＩＣＰエッチング装置で行い、エッチング条件は次の通りである。
高周波電力：１５００Ｗ（上部）／２００Ｗ（下部）
圧力：３０ｍＴ
ガス：Ｏ２／Ｃｌ２＝１００／１０ｓｃｃｍ
【００１０】
次に、図１（ｃ）に示すように、マスク材パターン１４ａを等方性エッチングすることにより、マスク材パターン１４ａよりもパターン幅が細い微細なマスク材パターン１４ｂが形成される。すなわち、等方性エッチングによりマスク材パターン１４ａを収縮（シュリンク）又は後退させる。この等方性エッチングは、例えば、ＩＣＰ（Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｐｌａｓｍａ）エッチング装置で行い、エッチング条件は次の通りである。
高周波電力：１５００Ｗ（上部）／８０Ｗ（下部）
圧力：２０ｍＴ
ガス：Ｏ２／Ｃｌ２＝１６０／２０ｓｃｃｍ
【００１１】
そして、図１（ｄ）に示すように、レジストパターン１５を除去する。
【００１２】
次に、図１（ｅ）に示すように、マスク材パターン１４ｂをマスクとしてゲート配線材料１３を異方性エッチングすることにより、ゲート配線１３ａを形成する。この異方性エッチングは、例えば、ＥＣＲエッチング装置で行い、エッチング条件は次の通りである。
高周波電力：４００Ｗ（上部）／３０Ｗ（下部）
圧力：４ｍＴｏｒｒ
ガス：ＨＢｒ／Ｃｌ２／Ｏ２＝７０／３０／５０ｓｃｃｍ
【００１３】
最後に、図１（ｆ）に示すように、マスク材パターン１４ｂを除去することにより、ゲート絶縁膜１２上にゲート配線１３ａが形成される。このマスク材パターン１４ｂの除去は、例えば、ダウンフロー型アッシング装置で行い、アッシング条件は次の通りである。
マイクロ波電力：１４００Ｗ
圧力：２Ｔｏｒｒ
ガス：Ｏ２／Ｎ２＝９００／１００ｓｃｃｍ
温度：２００℃
【００１４】
以上説明したように、本実施の形態１では、金属膜であるルテニウム膜をマスク材として形成した。レジストパターン１５をマスクとした異方性エッチングによりマスク材パターン１４ａを形成した後、等方性エッチングを施すことによりマスク材パターン１４ａを収縮させ、この収縮した微細なマスク材パターン１４ｂをマスクとした異方性エッチングによりゲート配線１３ａを形成した。
【００１５】
本実施の形態１によれば、ゲート配線材料１３としてのポリシリコン膜は、マスク材１４としてのルテニウム膜に対して高いエッチング選択比を有するため、マスク材の肩削れ等のパターン劣化を防止することができる。さらに、マスク材１４としてのルテニウム膜の除去は、ゲート配線材料（ポリシリコン膜）やゲート絶縁膜（酸化膜）に対して高い選択比を有する。このため、ゲート配線１３ａを削ることなく、容易にマスク材パターン１４ｂを選択除去することができる。よって、ゲート配線１３ａの膜厚変化を防止することができる。従って、所望の形状のゲート配線１３ａを容易に形成することができる。
【００１６】
また、マスク材の収縮を容易に行うことができ、微細なマスク材パターン１４ｂが容易に得られるため、これをマスクとして微細パターン（微細なゲート配線１３ａ）を容易に形成することができる。
【００１７】
なお、本実施の形態１では、マスク材１４としてルテニウム膜を用いたが、これに限らず、タングステン（Ｗ）膜や窒化チタン（ＴｉＮ）膜のような金属膜を用いてもよい。ここで、タングステン膜をマスク材１４として用いる場合、マスク材の収縮や除去にＨ２Ｏ２水溶液を用いることにより、ルテニウム膜をマスク材として用いる場合と同様の効果が得られる。また、窒化チタン膜をマスク材１４として用いる場合には、マスク材の収縮や除去にＨ２ＳＯ４水溶液を用いることにより、それらと同様の効果が得られる。
【００１８】
また、本実施の形態１では、マスク材パターンを収縮させた後でレジストパターン１５を除去しているが、順序を逆にしてもよい。すなわち、レジストパターン１５をマスクとしたエッチングによりマスク材パターンを形成し、レジストパターン１５を除去した後で、マスク材パターンを収縮させてもよい。この場合、収縮時にマスク材パターン上面もエッチングされるため、マスク材１４の形成膜厚を例えば６０ｎｍ程度に厚くする。
【００１９】
実施の形態２．
図２は、本発明の実施の形態２による半導体装置の製造方法を説明するための断面図である。詳細には、図２は、図１と同様に、ＡＳＩＣ等における微細なゲート配線の形成方法を説明するための図である。
先ず、図２（ａ）に示すように、前述の実施の形態１と同様の方法（図１（ａ）参照）で、シリコンウェハ１１上にゲート絶縁膜１２、ゲート配線材料１３、マスク材１４としてのルテニウム膜（Ｒｕ膜）、及びレジストパターン１５を形成する。
次に、図２（ｂ）に示すように、実施の形態１と同様の方法（図１（ｂ）参照）で、マスク材パターン１４ａを形成する。
【００２０】
次に、図２（ｃ）に示すように、レジストパターン１５とマスク材パターン１４ａとを等方性エッチングする。これにより、レジストパターン１５とマスク材パターン１４ａとが収縮又は後退する。この等方性エッチングは、例えば、ＩＣＰエッチング装置で行い、エッチング条件は次の通りである。
高周波電力：１５００Ｗ（上部）／５０Ｗ（下部）
圧力：５０ｍＴ
ガス：Ｏ２／Ｃｌ２＝２００／２０ｓｃｃｍ
【００２１】
次に、図２（ｄ）に示すように、収縮したレジストパターン１５ａ及びマスク材パターン１４ｂをマスクとしてゲート配線材料１３を異方性エッチングすることにより、ゲート配線１３ａを形成する。この異方性エッチングは、例えば、ＥＣＲエッチング装置で行い、エッチング条件は次の通りである。
高周波電力：４００Ｗ（上部）／３０Ｗ（下部）
圧力：４ｍＴｏｒｒ
ガス：ＨＢｒ／Ｃｌ２／Ｏ２＝７０／３０／５０ｓｃｃｍ
【００２２】
最後に、図２（ｅ）に示すように、レジストパターン１５ａとマスク材パターン１４ｂを除去することにより、ゲート絶縁膜１２上にゲート配線１３ａが形成される。このレジストパターン１５ａとマスク材パターン１４ｂの除去は、例えば、ダウンフロー型アッシング装置で行い、アッシング条件は次の通りである。
マイクロ波電力：１４００Ｗ
圧力：２Ｔｏｒｒ
ガス：Ｏ２／Ｎ２＝９００／１００ｓｃｃｍ
温度：２００℃
【００２３】
以上説明したように、本実施の形態２では、レジストパターン１５をマスクとした異方性エッチングによりマスク材パターン１４ａを形成した後、等方性エッチングによりレジストパターン１５とマスク材パターン１４ａとを収縮させ、この収縮した微細なレジストパターン１５ａ及びマスク材パターン１４ｂをマスクとした異方性エッチングによりゲート配線１３ａを形成した。その後、レジストパターン１５ａとマスク材パターン１４ｂとを同時に除去した。
本実施の形態２によれば、ゲート配線１３ａ形成後に、マスク材パターン１４ｂであるＲｕ膜を除去する条件で、マスク材パターン１４ｂとレジストパターン１５とを同時に除去することができる。
従って、実施の形態１で得られる効果に加えて、Ｒｕ膜にパターン転写した後にレジストパターン１５のみを除去する工程が不要であり、製造工程数を少なくすることができるという効果が得られる。
【００２４】
実施の形態３．
図３は、本発明の実施の形態３による半導体装置の製造方法を説明するための断面図である。詳細には、図３は、ＡＳＩＣ若しくはＤＲＡＭ等のメモリ素子における金属配線に接続するヴィアホールの形成方法を説明するための断面図である。
先ず、図３（ａ）に示すように、基板（図示省略）上に下層配線２１を形成し、下層配線２１上に層間絶縁膜２２としてのシリコン酸化膜（例えば、ＴＥＯＳ膜、ＢＳＧ膜、ＢＰＳＧ膜等）を膜厚１．５μｍ程度で形成する。次に、層間絶縁膜２２上に、マスク材２４としてルテニウム（Ｒｕ）膜を膜厚３０ｎｍ程度で形成する。そして、マスク材２４上にレジストパターン２５を形成する。
【００２５】
次に、図３（ｂ）に示すように、レジストパターン２５をマスクとしてマスク材２４を異方性エッチングすることにより、マスク材パターン２４ａが形成される。この異方性エッチングは、例えば、ＩＣＰエッチング装置で行い、エッチング条件は次の通りである。
高周波電力：１５００Ｗ（上部）／２００Ｗ（下部）
圧力：３０ｍＴ
ガス：Ｏ２／Ｃｌ２＝１００／１０ｓｃｃｍ
【００２６】
次に、図３（ｃ）に示すように、レジストパターン２５とマスク材パターン２４ａをマスクとして層間絶縁膜２２を異方性エッチングすることにより、層間絶縁膜２２の表面から下層配線２１に達するヴィアホール２６を形成する。この異方性エッチングは、例えば、ＥＣＲエッチング装置で行い、エッチング条件は次の通りである。
高周波電力：１７００Ｗ（上部）／７００Ｗ（下部）
圧力：４ｍＴｏｒｒ
ガス：Ｃ４Ｆ８／Ａｒ／ＣＯ＝２５／２００／２０ｓｃｃｍ
【００２７】
最後に、図３（ｄ）に示すように、レジストパターン２５とマスク材パターン２４ａを除去することにより、層間絶縁膜２２内に、下層配線２１に繋がるヴィアホール２６が形成される。このレジストパターン２５とマスク材パターン２４ａの除去は、例えば、ダウンフロー型アッシング装置で行い、アッシング条件は次の通りである。
マイクロ波電力：１４００Ｗ
圧力：２Ｔｏｒｒ
ガス：Ｏ２／Ｎ２＝９００／１００ｓｃｃｍ
温度：２００℃
【００２８】
以上説明したように、本実施の形態３では、レジストパターン２５をマスクとした異方性エッチングによりマスク材パターン２４ａを形成した後、レジストパターン２５とマスク材パターン２４ａをマスクとした異方性エッチングにより、層間絶縁膜２２内に下層配線２１に繋がるヴィアホール２６を形成した。その後、マスク材パターン２４ａを除去した。
【００２９】
本実施の形態３によれば、マスク材としてのルテニウム膜の除去は、層間絶縁膜、金属材料及び基板材料に対して高い選択比を有する。このため、層間絶縁膜２２、下層配線２１および基板を削ることなく、容易にマスク材パターン２４ａを選択除去することができる。特に、ルテニウム膜をアッシングによりドライ除去しているため、配線のような金属材料が基板表面に露出した状態でも、ウェットエッチングする場合のように金属材料を溶かしてしまうことがない。従って、層間絶縁膜や下層配線を削ることなく、すなわちパターンの劣化がなく、所望の形状のヴィアホール２６を容易に形成することができる。
【００３０】
また、本実施の形態３では、ヴィアホール２６形成後に、マスク材パターン２４ａを除去する条件で、マスク材パターン２４ａとレジストパターン２５とを同時に除去することができる。従って、Ｒｕ膜にパターン転写した後にレジストパターン２５のみを除去する工程が不要であり、製造工程数を少なくすることができるという効果が得られる。
【００３１】
なお、本実施の形態３では、下層配線２１に繋がるヴィアホールの形成方法について説明したが、基板に繋がるコンタクトホールの形成にも本発明を適用可能である。この場合、マスク材の除去にウェットエッチングを用いることができるため、マスク材としてルテニウム膜以外の金属膜であるタングステン膜や窒化チタン膜を形成することができる。タングステン膜の除去にはＨ２Ｏ２水溶液を用い、窒化チタン膜の除去にはＨ２ＳＯ４水溶液を用いればよい。
【００３２】
また、製造工程数は増えてしまうが、実施の形態１のように、マスク材パターン２４ａを形成した後にレジストパターン２５のみを除去し、マスク材パターン２４ａをマスクとしてヴィアホール２６を形成してもよい。
【００３３】
【発明の効果】
本発明によれば、被加工膜を削ることなく、マスク材を選択的に除去することができる。また、本発明によれば、微細パターンを容易に形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１による半導体装置の製造方法を説明するための断面図である。
【図２】本発明の実施の形態２による半導体装置の製造方法を説明するための断面図である。
【図３】本発明の実施の形態３による半導体装置の製造方法を説明するための断面図である。
【図４】従来の半導体装置の製造方法における問題点を説明するための断面図である。
【符号の説明】
１１ 基板（シリコンウェハ）、 １２ ゲート絶縁膜（ゲート酸化膜）、 １３ ゲート配線材料（ポリシリコン膜）、 １３ａ ゲート配線、 １４ マスク材（ルテニウム膜）、 １４ａ マスク材パターン、 １４ｂ マスク材パターン、 １５ レジストパターン、 ２１ 下層配線、 ２２ 層間絶縁膜（シリコン酸化膜）、 ２４ マスク材（ルテニウム膜）、 ２４ａ マスク材パターン、 ２５ レジストパターン、 ２６ ヴィアホール。

Claims (6)

  1. 基板上に被加工膜を形成する工程と、
    前記被加工膜上にマスク材を形成する工程と、
    前記マスク材上にレジストパターンを形成する工程と、
    前記レジストパターンをマスクとして前記マスク材をパターニングする工程と、
    パターニングされた前記マスク材を収縮させる工程と、
    収縮した前記マスク材をマスクとして前記被加工膜をパターニングする工程と、
    前記マスク材を除去する工程と、
    を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
  2. 請求項１に記載の製造方法において、
    前記マスク材として金属膜を形成することを特徴とする半導体装置の製造方法。
  3. 請求項２に記載の製造方法において、
    前記マスク材としてルテニウム膜を形成し、
    酸素を含むプラズマを用いて前記マスク材を除去するとともに、前記レジストパターンを除去することを特徴とする半導体装置の製造方法。
  4. 基板上に被加工膜を形成する工程と、
    前記被加工膜上にマスク材としてルテニウム膜を形成する工程と、
    前記マスク材上にレジストパターンを形成する工程と、
    前記レジストパターンをマスクとして前記マスク材をパターニングする工程と、
    パターニングされた前記マスク材をマスクとして前記被加工膜をパターニングする工程と、
    前記マスク材を除去する工程と、
    を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
  5. 請求項４に記載の製造方法において、
    酸素を含むプラズマを用いて前記マスク材を除去するとともに、前記レジストパターンを除去することを特徴とする半導体装置の製造方法。
  6. 請求項５に記載の製造方法において、
    前記基板上に金属材料が露出する状態で、前記マスク材を除去することを特徴とする半導体装置の製造方法。
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