JP7210647B2 - 薄膜蒸着方法及びこれを用いた半導体素子の製造方法 - Google Patents

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Description

本発明は、薄膜蒸着方法及びこれを用いた半導体素子の製造方法に関する。より具体的には、ハードマスク（hard mask）を形成するための薄膜蒸着方法及びこれを用いた半導体素子の製造方法に関する。
高集積化した半導体素子を製造する際に、パターンの微細化は必須である。狭い面積により多くの素子を集積するために、素子を構成する各々のパターン及びパターン間のピッチを縮小させる必要がある。最近、半導体素子のデザインルール（design rule）が急激に減少されることで、現在のフォトリソグラフィ工程の露光限界により、微細線幅及びピッチを持つパターンを形成するのに限界がある。
現在、露光限界の以下の微細パターンを限定するために、多様なエッチング方式が提案されており、その一つがハードマスクを用いる方法である。
ハードマスクは、被エッチング層に対する耐エッチング性を持つことが要求される。特に、複数のシリコン酸化膜及び複数のシリコン窒化膜が積層構造物を含む３Ｄナンド素子の場合、積層構造物に対して高いエッチング選択比が確保できるように、ハードマスクとして非晶質カーボン膜及びシリコン酸窒化膜の積層構造が用いられている。
一般に、非晶質カーボン膜及びシリコン酸窒化膜からなるハードマスクは、４５０℃乃至６５０℃の高温で蒸着される。しかしながら、前記のような高温でハードマスク膜を製作する場合、下部の被エッチング層の特性を劣化させ、更に素子の特性を変形させるという問題点があった。
よって、従来は、相対的に被エッチング層と隣接している非晶質カーボン膜のみを１００℃乃至２５０℃の低温で蒸着する技術が提案された。しかしながら、前記の方式は、相変らずハードマスクを構成するシリコン酸窒化膜が高温で蒸着されるので、下部の非晶質カーボン膜に高温によるダメージを与えることができる。これにより、ハードマスクパターンのパターン不良を発生させる恐れがある。
本発明の実施例等は、下部薄膜とエッチング選択比を維持しながら、下部薄膜のダメージを低減させることができる薄膜蒸着方法及びこれを用いた半導体素子の製造方法を提供するものである。
本実施例に係る薄膜蒸着方法は、内部に処理空間を限定するチャンバー、前記チャンバーの下部領域に位置し、基板が載置される基板支持部、前記チャンバーの上部領域に位置し、前記基板にソースガス及び反応ガスを提供するガス供給部、並びに、前記チャンバーに高周波及び低周波の電源を供給する電源供給部を含む基板処理装置を用いた薄膜蒸着方法であって、低温帯域の工程温度条件により蒸着された下部薄膜を含む前記基板を、前記基板支持部上に載置するステップ；前記下部薄膜の上部に、前記低温帯域の工程温度条件によりプラズマ雰囲気で上部薄膜を蒸着するステップ；及び、前記上部薄膜を蒸着するステップの以後、前記上部薄膜の表面を前記低温帯域の工程温度条件によりプラズマ雰囲気でプラズマトリートメントするステップを含み、前記低温帯域の工程温度は１００℃乃至２５０℃である。
また、本発明の一実施例に係る半導体素子の製造方法は、基板の上部に下地層を形成するステップ；前記下地層の上部に前記下地層とエッチング選択比を持つ下部薄膜を低温帯域の工程温度で蒸着するステップ；前記下部薄膜の上部に前記下部薄膜とエッチング選択比を持つ上部薄膜を前記低温帯域の工程温度で蒸着するステップ；前記上部薄膜をプラズマトリートメントして、ハードマスクを形成するステップ；及び、前記ハードマスクを用いて前記下地層をパタニングするステップを含み、前記低温帯域の工程温度は１００℃乃至２５０℃の範囲であり、前記上部薄膜は、反応ガス及び前記反応ガスよりも過量で含まれたソースガスを用いて蒸着し、前記プラズマトリートメントは、前記反応ガスを供給して進行される。
本発明の実施例によれば、ハードマスクを構成する下部薄膜及び上部薄膜を全部低温帯域の工程温度で蒸着する代りに、上部薄膜のエッチング選択比を補償するために、上部薄膜の蒸着方式を変更する。これにより、充分なエッチング選択比の補償と共にハードマスクを低温で蒸着できるので、つまり、パターン欠陥が防止できる。
本発明の一実施例に係る薄膜を含む半導体素子の製造方法を説明するためのフローチャートである。 本発明の一実施例に係る薄膜を含む半導体素子の製造方法を説明するための工程別断面図である。 本発明の一実施例に係る薄膜を含む半導体素子の製造方法を説明するための工程別断面図である。 本発明の一実施例に係る薄膜を含む半導体素子の製造方法を説明するための工程別断面図である。 本発明の一実施例に係る基板処理装置を示す概略断面図である。 本発明の一実施例に係る上部薄膜蒸着方法を説明するためのフローチャートである。 本発明の一実施例に係る上部薄膜蒸着方法を説明するためのタイミング図である。
本発明の利点や特徴、並びにそれらを達成する方法は、添付図面と共に詳細に後述する実施例を参照すれば明確になる。しかしながら、本発明は、以下で開示している実施例に限定されず、互い異なる多様な形態で具現可能である。但し、本実施例等は、本発明の開示が完全になるようにし、本発明の属する技術の分野における通常の知識を有した者に、本発明のカテゴリを完全に理解させるために提供されるものであり、本発明は請求の範囲のカテゴリにより定義されるだけである。図において、層及び領域等の大きさ及び相対的な大きさは、説明の明確性を期するために誇張されたものであり得る。明細書の全体にわたって同一の参照符号は同一の構成要素を示す。
図１は、本発明の一実施例に係る薄膜を含む半導体素子の製造方法を説明するためのフローチャートである。図２乃至図４は、本発明の一実施例に係る薄膜を含む半導体素子の製造方法を説明するための各工程別断面図である。
図１、図２及び図３を参照すれば、下部薄膜１２０が形成された基板１００を提供する（Ｓ１）。本実施例において、基板１００及び下部薄膜１２０間に、被エッチング層に該当する下地層１１０がさらに形成され得る。下地層１１０は、例えば、シリコン酸化膜１１０ａ及びシリコン窒化膜１１０ｂが交互に繰返し積層された構造体であり得る。また、図では詳細に示していないが、基板１００及び下地層１１０間に別途の素子層がさらに介在されることもできる。本実施例において、下地層１１０は、シリコン酸化膜１１０ａ及びシリコン窒化膜１１０ｂを交互に積層した例に対して示しているが、多様な被エッチング層がここに該当することができる。
下部薄膜１２０は、被エッチング層とエッチング選択比を持つ物質として、例えば、非晶質炭素膜（amorphous carbon layer）、チタニウム酸化膜又はＳＯＧ（Spin on glass）が用いられる。本実施例の下部薄膜１２０は、低温帯域の工程温度、例えば、１００℃乃至２５０℃で形成されることができる。これにより、下部薄膜１２０を蒸着する際に、下部の被エッチング層に及ぼす熱的な影響が低減できる。
図１及び図４を参照すれば、下部薄膜１２０の上部にハードマスク膜の他の一部として、デュアル周波数（例えば、高周波及び低周波）下で上部薄膜１３０を蒸着する（Ｓ２）。上部薄膜１３０は、下部薄膜１２０とエッチング選択比を持つ物質膜、例えば、シリコン酸窒化膜（ＳｉＯＮ）が用いられる。本実施例の上部薄膜１３０は、低温帯域の工程温度、例えば、下部薄膜１２０の蒸着温度と実質的に同一の低温帯域の工程温度（１００℃乃至２５０℃）で蒸着されることができる。これにより、上部薄膜１３０を蒸着する際に、下部薄膜１２０に熱的なダメージを与えない。図において、“ＨＭ”はハードマスク膜を示すことができる。
シリコン酸窒化膜からなる本実施例の上部薄膜１３０は、例えば、ＳｉＨ４及びＮ２Ｏガス（又は、ＮＯガス）の反応により形成できる。一例として、ＳｉＨ４及びＮ２Ｏの比は１．２～２．５対１の割合で提供できる。Ｎ２Ｏに比べてＳｉＨ４ガスの含有量を増大させることにより、シリコン酸窒化膜のエッチング選択比が改善できる。また、シリコン酸窒化膜は１．５乃至４．０Ｔｏｒｒの圧力下で形成できる。また、本実施例において、シリコン酸窒化膜を形成するための反応ガスとして、ＮＨ３の代りにＮ２Ｏ又はＮＯを用いることで、シリコン酸窒化膜内の水素（Ｈ）の含有量を減少させることができる。これにより、低温蒸着によるシリコン酸窒化膜のエッチング選択比が補償できる。
本実施例の上部薄膜１３０は、例えば、図５に示す基板処理装置により蒸着されることができる。
図５は、本発明の一実施例に係る基板処理装置を示す概略断面図である。
図５を参照すれば、基板処理装置１５０は、チャンバー２００、コントローラ２０１、シャワーヘッド２３０、基板支持部２４０、駆動部２５０、プラズマ電源供給部２６０、マッチングネットワーク２７０及びヒータ電源供給部２９０を含むことができる。
チャンバー２００は、上部が開放された本体２１０と、本体２１０の上端外周に設置されるトップリード２２０とを含むことができる。トップリード２２０の内部空間はシャワーヘッド２３０により閉鎖されることができる。シャワーヘッド２３０及びトップリード２２０間には絶縁リング（ｒ）が設置され、チャンバー２００及びシャワーヘッド２３０を電気的に絶縁させることができる。
チャンバー２００の内部空間において、上部薄膜１３０の蒸着工程が行われる。本体２１０の側面の所定の位置に基板（Ｗ）の搬出入が可能であるようにゲート（Ｇ）を備えることができる。
チャンバー２００の内部を真空化するために、チャンバー２００の下部に位置した排気口２１２にポンプ２１３を連結することができる。
シャワーヘッド２３０は、トップリード２２０の内側に基板支持部２４０と対向するように設置されることができる。シャワーヘッド２３０は、外部から供給される多様なソースガスをガス供給ライン（Ｌ）を介して受信して、チャンバー２００の内部に噴射できる。本実施例において、シャワーヘッド２３０は、プラズマを発生させるための第１の電極として作用できる。
本実施例のシャワーヘッド２３０のガス供給ライン（Ｌ）に、ソースガス供給部２４０ａ及び反応ガス供給部２４０ｂが連結できる。本実施例において、ソースガス供給部２４０ａは、例えば、ＳｉＨ４ガスが受容でき、反応ガス供給部２４０ｂは、例えば、Ｎ２Ｏガスが受容できる。
図５では、ソースガス供給部２４０ａ及び反応ガス供給部２４０ｂのみに対して示しているが、ガス供給ライン（Ｌ）にパージ（purge）ガス供給部、及び／又はシーズニング（seasoning）ガス供給部がさらに連結されることもできる。ソースガス供給部２４０ａ及びガス供給ライン（Ｌ）間と、反応ガス供給部２４０ｂ及びガス供給ライン（Ｌ）間とに、バルブＶ１、Ｖ２が各々設置されることができる。
基板支持部２４０は、基板載置部（サセプタ）２４２及び支持軸２４４を含むことができる。基板載置部２４２は、上面に少なくとも一つの基板（Ｗ）が載置されるように全体的に平板状を持つことができる。支持軸２４４は、基板載置部２４２の後面に垂直結合され、チャンバー２００の底部の貫通孔を通じて外部の駆動部２５０と連結され、基板載置部２４２を昇降及び／又は回転させることができる。本実施例において、基板載置部２４２は、プラズマを発生させるための第２の電極として作用できる。
また、基板載置部２４２の内部にヒータ２４６が具備されることで、上部に載置された基板１００の温度、更にチャンバー２００内の温度が調節できる。ヒータ電源供給部２９０は、ヒータ２４６と連結して電源が提供できる。
コントローラ２０１は、基板処理装置１５０の全般の動作を制御するように構成される。一実施例において、コントローラ２０１は、基板処理装置１５０の各構成要素２００～２９０、Ｖ１、Ｖ２の動作を制御し、上部薄膜１３０を蒸着するための制御パラメータが設定できる。図に示していないが、コントローラ２０１は、中央処理装置、メモリ及び入出力インターフェースなどを含むことができる。
プラズマ電源供給部２６０は、第１の電源供給部２６１及び第２の電源供給部２６３を含むことができる。第１の電源供給部２６１は、中心周波数帯域が１０ＭＨｚ～４０ＭＨｚ、例えば、１３．５６ＭＨｚを持つＨＦ（High frequency）電源をプラズマ電源ソースとして提供できる。かつ、第２の電源供給部２６３は、中心周波数帯域が３００ｋＨｚ～５００ｋＨｚ、例えば、３７０ｋＨｚを持つＬＦ（low frequency）電源をプラズマ電源ソースとして提供できる。コントローラ２０１は、制御パラメータによって第１の電源供給部２６１及び／又は第２の電源供給部２６３から供給される電源ソースが制御できる。
マッチングネットワーク２７０は、第１の電源供給部２６１と接続される第１のマッチング部２７１、及び、第２の電源供給部２６３と接続される第２のマッチング部２７３を含むことができる。マッチングネットワーク２７０の第１及び第２のマッチング部２７１、２７３は、各々第１及び第２の電源供給部２６１、２６３の出力インピーダンス及びチャンバー２００内の負荷インピーダンスを相互マッチングさせて、ＲＦ電源がチャンバー２００から反射されることによる反射損失を除去するように構成できる。
図６は、本発明の一実施例に係る上部薄膜蒸着方法を説明するためのフローチャートである。図７は、本発明の一実施例に係る上部薄膜蒸着方法を説明するためのタイミング図である。
図１、図４乃至図７を参照すれば、上部薄膜を蒸着するステップ（Ｓ２）は、チャンバー２００の内部を安定化させるステップ（Ｓ２１）を含むことができる。安定化ステップ（Ｓ２１）は、低温帯域の工程温度で上部薄膜１３０を蒸着させることができる雰囲気を造成するステップであり得る。上部薄膜１３０を蒸着させるために、チャンバー２００の内部は、例えば、１００℃乃至２５０℃の温度及び１．５乃至４．０Ｔｏｒｒの圧力を造成することができる。
チャンバー２００の内部を安定化させた状態において、下部薄膜１２０上に上部薄膜１３０を蒸着する（Ｓ２２）。上部薄膜１３０は、前述したように、１００℃乃至２５０℃の温度及び１．５乃至４．０Ｔｏｒｒの圧力下で、ソースガス（ＳｉＨ４）及び反応ガス（Ｎ２Ｏ）を１．２～２．５対１の割合で供給して形成できる。ソースガス（ＳｉＨ４）の比率を反応ガス（Ｎ２Ｏ）の比率よりも所定量増大させることにより、下部薄膜１２０に対する上部薄膜１３０のエッチング選択比を改善させることができる。結果として、上部薄膜１３０の低温蒸着によるエッチング選択比が補償できる。
また、本実施例の上部薄膜１３０は、デュアル周波数、すなわち、高周波（ＨＦ）及び低周波（ＬＦ）下で蒸着される。低周波（ＬＦ）の利用により、イオンエネルギー及びイオン衝撃（ion bombardment）が促進されて、低温蒸着による上部薄膜１３０の熱エネルギーが補償され、不安定な結合の発生が防止できる。
その後、デュアル周波数下でプラズマトリートメントを進行する（Ｓ３）。プラズマトリートメントステップ（Ｓ３）は、ソースガス（ＳｉＨ４）の供給は中断し、反応ガス（Ｎ２Ｏ）のみを供給して進行できる。Ｎ２Ｏガスによるプラズマトリートメントステップ（Ｓ３）は、低温帯域の工程温度、例えば、１００℃乃至２５０℃の温度で上部薄膜１３０の蒸着ステップと連続して進行されることができる。プラズマトリートメントにより上部薄膜１３０の表面の硬度が改善されるように、上部薄膜１３０の表面の改質が行われる。これにより、エッチング選択比が一層改善できる。図に詳細に示していないが、プラズマトリートメント工程により、上部薄膜１３０の表面に酸化膜が生成されることもできる。
その後、図に示していないが、工程チャンバー２００の内部をパージ（purge）して、未反応成分及びチャンバー２００内の不純物を除去する。
一般に、ハードマスク膜を構成する上部薄膜１３０は、高いエッチング選択比を確保するために高温で蒸着される。ところが、高温下で上部薄膜１３０を蒸着する場合、下部薄膜１２０、甚だしくは下地層１１０まで熱的にダメージが印加される恐れがある。
よって、本実施例では、上部薄膜１３０を下部薄膜１２０と同様に、下地層１１０の物質特性に影響を与えない低温帯域の工程温度、例えば、１００℃乃至２５０℃で蒸着する。
合わせて、低温で蒸着される上部薄膜１３０のエッチング選択比が補償できるように、ソースガスの比率を反応ガスの比率よりも増加させ、１．５乃至４．０Ｔｏｒｒの圧力下で上部薄膜１３０が蒸着できる。また、本実施例において、低温で蒸着される上部薄膜１３０のエッチング選択比が補償できるように、上部薄膜１３０の蒸着と連続して反応ガスのみを供給して、プラズマトリートメントを低温帯域で進行する。従って、上部薄膜の表面特性の改質によりエッチング選択比が補償される。
また、上部薄膜を蒸着するための反応ガスとして、水素含有量が少ないＮ２Ｏガスを用いることで、エッチング選択比を一層補償できる。
また、本実施例において、上部薄膜１３０を蒸着する際に、ＨＦ電源と共にＬＦ電源を用いることで、熱的エネルギー及びイオン反応の効率が補償されて、上部薄膜１３０のエッチング選択比をさらに補償できる。
なお、本発明を好適な実施例により詳細に説明したが、本発明は、前記実施例に限定されず、本発明の技術的思想の範囲内において当該分野における通常の知識を有した者によって色々な変形が可能である。
１００ 基板
１１０ 下地層
１２０ 下部薄膜
１３０ 上部薄膜
１５０ 基板処理装置

Claims (11)

  1. 内部に処理空間を限定するチャンバー、前記チャンバーの下部領域に位置し、基板が載置される基板支持部、前記チャンバーの上部領域に位置し、前記基板にソースガス及び反応ガスを提供するガス供給部、並びに、前記チャンバーに高周波及び低周波の電源を供給する電源供給部を含む基板処理装置を用いた薄膜蒸着方法であって、
    低温帯域の工程温度条件により蒸着された下部薄膜を含む前記基板を、前記基板支持部上に載置するステップ；
    前記下部薄膜の上部に、前記低温帯域の工程温度条件によりプラズマ雰囲気で上部薄膜を蒸着するステップ；及び、
    前記上部薄膜を蒸着するステップの以後、前記上部薄膜の表面を前記低温帯域の工程温度条件によりプラズマ雰囲気でプラズマトリートメントするステップを含み、
    前記低温帯域の工程温度は１００℃乃至２５０℃であり、
    前記下部薄膜は、非晶質炭素膜、チタニウム酸化膜又はＳＯＧである
    ことを特徴とする、薄膜蒸着方法。
  2. 前記上部薄膜を蒸着するステップは、前記基板上にシリコンを含有するソースガスと、窒素及び酸素を含有する反応ガスとを供給し、前記チャンバーの内部に高周波及び低周波を印加してプラズマを発生させた状態で進行することを特徴とする、請求項１に記載の薄膜蒸着方法。
  3. 前記上部薄膜を蒸着するステップは、前記ソースガス対前記反応ガスの比率を１．２～２．５対１の割合で供給することを特徴とする、請求項１に記載の薄膜蒸着方法。
  4. 前記ソースガスは、ＳｉＨ４ガスを含むことを特徴とする、請求項１に記載の薄膜蒸着方法。
  5. 前記反応ガスは、Ｎ２Ｏ及びＮＯの何れか一つを含むことを特徴とする、請求項１に記載の薄膜蒸着方法。
  6. 前記上部薄膜を蒸着する際に、前記チャンバー内の圧力は１．５乃至４．０Ｔｏｒｒであることを特徴とする、請求項１に記載の薄膜蒸着方法。
  7. 前記上部薄膜は、シリコン酸窒化膜を含むことを特徴とする、請求項１に記載の薄膜蒸着方法。
  8. 前記電源供給部において、
    前記高周波は、中心周波数帯域が１０ＭＨｚ～４０ＭＨｚを持つＨＦであり、
    前記低周波は、前記中心周波数帯域が３００ｋＨｚ～５００ｋＨｚを持つＬＦであることを特徴とする、請求項１に記載の薄膜蒸着方法。
  9. 前記トリートメントステップは、前記反応ガスを供給し、前記チャンバーの内部に高周波及び低周波を印加して、プラズマを発生させた状態で進行することを特徴とする、請求項１に記載の薄膜蒸着方法。
  10. 前記プラズマトリートメントステップは、前記上部薄膜蒸着ステップと連続して、前記ソースガスの供給を中断したままに進行することを特徴とする、請求項１に記載の薄膜蒸着方法。
  11. 基板の上部に下地層を形成するステップ；
    前記下地層の上部に前記下地層とエッチング選択比を持つ下部薄膜を低温帯域の工程温度で蒸着するステップ；
    前記下部薄膜の上部に前記下部薄膜とエッチング選択比を持つ上部薄膜を前記低温帯域の工程温度で蒸着するステップ；
    前記上部薄膜をプラズマトリートメントして、ハードマスクを形成するステップ；及び、
    前記ハードマスクを用いて前記下地層をパタニングするステップを含み、
    前記低温帯域の工程温度は１００℃乃至２５０℃の範囲であり、
    前記上部薄膜は、反応ガス及び前記反応ガスよりも過量で含まれたソースガスを用いて蒸着し、
    前記プラズマトリートメントは、前記反応ガスを供給して進行されることを特徴とする、請求項１乃至１０に記載の薄膜蒸着方法を用いた半導体素子の製造方法。
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