(57)【要約】【課題】側壁転写によるマスクパターンの倒れ、マスクパターンの接触を抑制する。【解決手段】シリコン基板１上に、第１のＴＥＯＳ酸化膜２、シリコン窒化膜３、第１のアモルファスシリコン膜４、第２のＴＥＯＳ酸化膜５を積層形成する。レジストによるパターニングでＴＥＯＳ酸化膜５を第１幅Ｄ１の中間パターン５ａに加工し、スリミング処理をして第２幅Ｄ２の芯材パターン５ｂを形成する。第２のアモルファスシリコン膜６を形成してスペーサ処理をすることで側壁膜６ａを形成し、芯材パターン５ｂを除去して孤立したマスクパターン６ｂを得る。下地に同じアモルファスシリコン膜４を用いるので、マスクパターン６ｂの倒れや接触の発生を抑制できる。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
被加工膜の上に芯材下地膜、芯材膜を順次積層する工程と、
前記芯材膜を第１幅のラインアンドスペースパターンに加工して中間パターンを形成する工程と、
前記中間パターンをスリミング処理して前記第１幅よりも狭い第２幅の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に沿うとともに前記芯材パターン間に露出している前記芯材下地膜の上面に沿うように所定膜厚で且つ前記芯材下地膜と同じ材料からなるマスク膜を形成する工程と、
前記マスク膜をスペーサ加工して前記芯材パターンの側壁に側壁膜を形成する工程と、
前記芯材パターンを除去し、側壁膜からなる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マスクとして前記被加工膜をエッチング加工する工程と
を順次実行することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項２】
請求項１に記載の半導体装置の製造方法において、
前記芯材下地膜は、前記中間パターンが形成された際に前記中間パターンの下に位置する前記芯材下地膜の膜厚より前記中間パターン間に位置する前記芯材下地膜の膜厚が薄くなるよう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３】
被加工膜の上面にストッパ膜、芯材下地膜、芯材膜を順次積層する工程と、
前記芯材膜を第１幅のラインアンドスペースパターンに加工して中間パターンを形成する工程と、
前記中間パターンをスリミング処理して前記第１幅よりも狭い第２幅の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に沿うとともに前記芯材パターン間に露出している前記芯材下地膜の上面に沿うように所定膜厚で且つ前記芯材下地膜と同じ材料からなるマスク膜を形成する工程と、
前記マスク膜を前記ストッパ膜が露出するまでスペーサ加工して前記芯材パターンの側壁に側壁膜を形成する工程と、
前記芯材パターンを除去し、側壁膜からなる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マスクとして前記芯材下地膜および前記ストッパ膜をエッチングするとともに、前記被加工膜をエッチング加工する工程と
を順次実行す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１ないし３のいずれかに記載の半導体装置の製造方法において、
前記芯材膜、前記マスク膜は、シリコン膜、シリコン酸化膜、シリコン窒化膜、カーボン膜の中からそれぞれ互いに異なる材料を用いて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１ないし４のいずれかに記載の半導体装置の製造方法において、
前記マスク膜は、前記第２幅と同じ寸法の膜厚で形成されることを特徴とする半導体装置の製造方法。
【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、被加工膜である薄膜の上に、通常のリソグラフィ処理でレジストによるパターンを形成し、所定ピッチの芯材パターンを形成する。次に、シリコン酸化膜を芯材パターンの上面および側面並びに薄膜の露出上面に沿って所定膜厚で形成し、このシリコン酸化膜をスペーサ加工してレジストパターンの上面および薄膜の上面を露出させ、芯材パターンの側面にスペーサを形成する。この後、芯材パターンを除去してスペーサをマスクパターンとして残す。得られたマスクパターンをマスクとして利用して薄膜を加工することで、芯材パターンよりも小さいピッチの微細な加工を行えるようにした技術である。
【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】特表２００８−５１２００２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、マスクパターンが倒れにくいように形成し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、被加工膜の上に芯材下地膜、芯材膜を順次積層する工程と、前記芯材膜を第１幅のラインアンドスペースパターンに加工して中間パターンを形成する工程と、前記中間パターンをスリミング処理して前記第１幅よりも狭い第２幅の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に沿うとともに前記芯材パターン間に露出している前記芯材下地膜の上面に沿うように所定膜厚で且つ前記芯材下地膜と同じ材料からなるマスク膜を形成する工程と、前記マスク膜をスペーサ加工して前記芯材パターンの側壁に側壁膜を形成する工程と、前記芯材パターンを除去し、側壁膜からなる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マスクとして前記被加工膜をエッチング加工する工程とを順次実行する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、被加工膜の上面にストッパ膜、芯材下地膜、芯材膜を順次積層する工程と、前記芯材膜を第１幅のラインアンドスペースパターンに加工して中間パターンを形成する工程と、前記中間パターンをスリミング処理して前記第１幅よりも狭い第２幅の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に沿うとともに前記芯材パターン間に露出している前記芯材下地膜の上面に沿うように所定膜厚で且つ前記芯材下地膜と同じ材料からなるマスク膜を形成する工程と、前記マスク膜を前記ストッパ膜が露出するまでスペーサ加工して前記芯材パターンの側壁に側壁膜を形成する工程と、前記芯材パターンを除去し、側壁膜からなる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マスクとして前記芯材下地膜および前記ストッパ膜をエッチングするとともに、前記被加工膜をエッチング加工する工程とを順次実行する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、マスクパターンが倒れにくいように形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の一実施形態に係る製造工程の各段階の模式的な縦断面図（その１）
【図２】製造工程の各段階の模式的な縦断面図（その２）
【図３】製造工程の各段階の模式的な縦断面図（その３）
【図４】製造工程の各段階の模式的な縦断面図（その４）
【図５】比較例に係る製造工程の各段階における模式的な縦断面図
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明の一実施形態について、ＮＡＮＤ型フラッシュメモリ装置などのラインアンドスペースパターンを形成する工程に適用した場合について図１〜図４を参照しながら説明する。尚、以下の図面の記載において、同一又は類似の部分は同一又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、各層の厚みの比率等は現実のものとは異なる。
【００１２】
図１〜図４は、分図（ａ）〜（ｈ）にわたって一連の製造工程に対応した各工程での模式的な断面を示すものである。この実施形態では、半導体基板などに代表されるシリコン基板の上に形成したＴＥＯＳ酸化膜を微細なラインアンドスペースパターンに加工してマスクパターンを形成し、シリコン基板１を微細加工する場合の各製造工程での縦断側面を模式的に示している。
【００１３】
まず、図１（ａ）に示すように、下地となるシリコン基板１上に、第１のＴＥＯＳ酸化膜２、シリコン窒化膜３、第１のアモルファスシリコン膜４、第２のＴＥＯＳ酸化膜５を積層形成する。第１のＴＥＯＳ酸化膜２は、被加工膜として形成されるもので、例えば３００ｎｍの膜厚で形成される。シリコン窒化膜３は、ストッパ膜として機能するもので、側壁加工プロセスにて使用される。このシリコン窒化膜３は、例えば減圧ＣＶＤ法により５０ｎｍの膜厚で形成される。第１のアモルファスシリコン膜４は、芯材下地膜として形成されるもので、所定膜厚で形成される。第２のＴＥＯＳ酸化膜５は、芯材膜として形成されるもので、例えば膜厚２００ｎｍで形成される。
【００１４】
次に、図１（ｂ）に示すように、通常のフォトリソグラフィ技術によりフォトレジストを第１幅Ｄ１のピッチでラインアンドスペースのパターニングを行い、これをマスクとしてＴＥＯＳ酸化膜５をＲＩＥ（reactive ion etching）法によりエッチング加工して中間パターン５ａを形成する。第１幅Ｄ１は、光学的なパターニングの限界の最小幅に対応させることができる。また、ＴＥＯＳ酸化膜５を確実に加工するためにオーバーエッチングが行われ、下地となる第１のアモルファスシリコン膜４が若干掘り下げられることで凹部４ａが形成される。すなわち中間パターン５ａ間に位置するアモルファスシリコン膜４の膜厚が中間パターン５ａの下に位置するアモルファスシリコン膜４の膜厚より薄く形成される。これは、ＲＩＥ法によるエッチング処理で選択比が無限大に取れない関係に起因している。
【００１５】
こののち、図２（ｃ）に示すように、上記のように加工した中間パターン５ａをスリミング（sliming）加工して芯材パターン５ｂを形成する。ここでは、中間パターン５ａのＴＥＯＳ酸化膜５をエッチングするためにウェットプロセスとしてフッ酸（ＨＦ）処理を行って中間パターン５ａの幅寸法を約半分の第２幅Ｄ２（＝Ｄ１／２）にする。これにより、芯材パターン５ｂ間の距離Ｄ３は第１幅Ｄ１に第２幅Ｄ２を加えた寸法となり、換言すれば第２幅Ｄ２の３倍の寸法となる。尚、ウェットプロセスは等方的にエッチングが進行するので、中間パターン５ａの側面に加えて上面もエッチングされる。
【００１６】
次に、図２（ｄ）に示すように、マスク膜としての第２のアモルファスシリコン膜６を形成する。第２のアモルファスシリコン膜６は、スリミング加工で形成された芯材パターン５ｂの上面および側面に沿うとともに、芯材パターン５ｂ間に露出している第１のアモルファスシリコン膜４の上面に沿うように全面に形成される。また、このとき、第２のアモルファスシリコン膜６は、芯材パターン５ｂの幅である第２幅Ｄ２と同じ寸法の膜厚に形成される。
【００１７】
続いて、図３（ｅ）に示すように、上記形成した第２のアモルファスシリコン膜６をスペーサ加工して芯材パターン５ｂの側壁に側壁膜６ａを形成する。スペーサ加工は、ＲＩＥ法によりエッチバック処理を行うことで、芯材パターン５ｂ間のシリコン窒化膜３の上面を露出させるまで行う。これにより、芯材パターン５ｂの両側壁に側壁膜６ａが形成される。側壁膜６ａは、芯材パターン５ｂと反対側の側面部分では下部から上部にかけて細くなると共に丸みを帯びた形状に形成される。
【００１８】
次に、図３（ｆ）に示すように、芯材パターン５ｂを除去して側壁膜６ａを残すことでマスクパターン６ｂを形成する。ここでは、芯材パターン５ｂを形成している第２のＴＥＯＳ酸化膜５をフッ酸処理により選択的にエッチングして除去する。このとき、フッ酸処理によるエッチングで、芯材パターン５ｂがエッチングされるとその底面に露出する第１のアモルファスシリコン膜４がストッパとなってエッチングが停止する。また、芯材パターン５ｂが形成されていない側では、シリコン窒化膜３がストッパとなってエッチングは進行しない。
【００１９】
上記のようにマスクパターン６ｂを形成する場合に、下地全体がマスクパターン６ｂと同じ材質のアモルファスシリコン膜であるため、後述するような比較例（図５参照）において発生していたマスクパターン６ｂの傾き不良が解消され、マスクパターン６ｂ同士が上端部において接触してパターンの開口を閉塞状態にする不具合が解消されている。
【００２０】
続いて、図４（ｇ）に示すように、第２のアモルファスシリコン膜をスペーサ加工して形成されたマスクパターン６ａをマスクとして、ＲＩＥ法により、芯材パターン５ｂが除去されることにより露出した第１のアモルファスシリコン膜４をエッチングする。この場合、マスクとして使用するマスクパターン６ｂも同じアモルファスシリコン膜で形成されているので、エッチングが同時に進行するが、エッチングの進行方向に対する膜厚が厚いのでその膜厚差によって第１のアモルファスシリコン膜４を除去することができる。
【００２１】
この後、図４（ｈ）に示すように、同じくマスクパターン６ｂをマスクとしてＲＩＥ法により、シリコン窒化膜３および第１のＴＥＯＳ酸化膜２をエッチング加工する。続いて、マスクパターン６ｂおよびシリコン窒化膜３を除去することで、被加工膜である第１のＴＥＯＳ酸化膜２を所望の加工パターン２ａを得る。この場合、加工パターン２ａは、マスクパターン６ｂの幅寸法と同じ第２幅Ｄ２のラインアンドスペースのパターンに形成される。この結果、最初にフォトリソグラフィ技術によりパターニングした第１幅Ｄ１の半分の第２幅Ｄ２のパターニング加工をすることができる。尚、得られた加工パターン２ａをさらにマスクとして用いて下地のシリコン基板をエッチング加工することができる。
【００２２】
このような本実施形態によれば、被加工膜である第１のＴＥＯＳ酸化膜２の上面にシリコン窒化膜３を介して第１のアモルファスシリコン膜４を形成しているので、マスク膜である第２のアモルファスシリコン膜６のエッチバック加工によるスペーサ化の工程の後に、芯材パターン５ｂを除去しても、形成されたマスクパターン６ｂの下地として同種の膜が形成されていることから、応力によるマスクパターン６ｂの倒れや接触の発生を抑制することができる。
【００２３】
また、本実施形態によれば、ストッパ膜としてのシリコン窒化膜３を形成しているので、中間パターン５ａの加工時やマスクパターン６ｂの加工時にオーバーエッチングで第１のアモルファスシリコン膜４がエッチングにより消失してシリコン窒化膜３が露出する場合でも芯材パターン５ｂの除去をするウェット処理でシリコン窒化膜３がストッパとなって被加工膜である第１のＴＥＯＳ酸化膜２に悪影響を与えることがない。
【００２４】
次に、上記した本実施形態の効果をより明確にするために、不具合の発生が予測される比較例について図５を参照して説明する。
図５（ａ）は、本実施形態の図２（ｃ）の状態と同じ加工工程の段階を示している。この比較例では、本実施形態における第１のアモルファスシリコン膜４に相当する芯材下地膜が設けられない構成で加工工程が進められる。本実施形態と同じように、中間パターン５ａを形成する工程ではオーバーエッチングが行われるので、シリコン窒化膜３に凹部３ａが形成されている。中間パターン５ａがスリミング処理されると、芯材パターン５ｂが得られる。
【００２５】
この後、図５（ｂ）に示すように、マスク膜としてのアモルファスシリコン膜６が形成され、エッチバック処理によりスペーサ加工されると、マスクパターン６ａが形成される。このとき、シリコン窒化膜３には凹部３ｂが形成される。
【００２６】
続いて、図５（ｃ）に示すように、芯材パターン５ｂを除去するためウェット処理を行うと、形成されたマスクパターン６ａは、下地であるシリコン窒化膜３の上に孤立した状態で形成されることになる。この状態では、マスクパターン６ａがシリコン窒化膜３の凹部３ａの段差がある部分の上にまたがるように形成されている。このため、各マスクパターン６ａは、下端部において異なる膜厚のシリコン窒化膜３上に形成されていることになり、芯材パターン５ｂが除去されたときに異なる応力がマスクパターン６ａに対して作用することになる。
【００２７】
例えば、シリコン窒化膜３は、収縮応力を発生するので、膜厚が厚い部分でより収縮応力が強く、一方、マスクパターン６ａを構成するアモルファスシリコン膜６は膨脹応力を発生するので、図中黒矢印で示すように、マスクパターン６ａに対して左右で異なる応力を受けることになる。この結果、マスクパターン６ａは、図中白矢印で示すように、芯材パターン５が形成されていた側に向けて向かい合う部分が接触する方向に応力を生じ、これがマスクパターン６ａが倒れ、接触する（図５（ｃ）中破線で示す）原因となっていた。
【００２８】
上記のような原因を本実施形態においては、同じ材料であるアモルファスシリコンを用いることで同種の応力を左右で受けるため、結果として下地である第１のアモルファスシリコン膜４に段差となる凹部４ａが加工途中で形成された場合でも、その悪影響を受けることなくマスクパターン６ｂを形成することができるようになり、マスクパターン６ｂの倒れ、接触の不具合の発生を極力回避でき、工程能力の高いプロセスとして適用することができる。
【００２９】
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。
被加工膜は、第１のＴＥＯＳ酸化膜２以外に、多結晶シリコン膜やアモルファスシリコン膜などのシリコン膜や、他のシリコン酸化膜あるいはシリコン窒化膜やカーボン膜などを対象とすることができる。尚、被加工膜の材料に応じてストッパ膜、芯材膜（芯材下地膜）、マスク膜などの材料を適宜互いに異なる材料に選ぶことで、所望の加工パターンを形成することができる。
【００３０】
下地とした基板は、シリコン基板１以外に他の半導体基板あるいは絶縁基板などの基板を対象とすることができるし、あるいはそれらの基板上に形成された導体膜、絶縁膜、半導体膜などを対象とすることもできる。
【００３１】
第２のＴＥＯＳ酸化膜５を加工して得た中間パターン５ａ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。
【符号の説明】
【００３２】
図面中、１はシリコン基板、２は第１のＴＥＯＳ酸化膜（被加工膜）、３はシリコン窒化膜（ストッパ膜）、４は第１のアモルファスシリコン膜（芯材下地膜）、５は第２のＴＥＯＳ酸化膜（芯材膜）、５ａは中間パターン、５ｂは芯材パターン、６は第２のアモルファスシリコン膜（マスク膜）、６ｂはマスクパターンである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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