(57)【要約】【課題】エッチング耐性の高いマスクを容易に形成することが可能な半導体装置の製造方法を提供する。【解決手段】一の実施形態によれば、半導体装置の製造方法は、基板上に第１膜を形成することを含む。前記方法はさらに、前記第１膜上に、炭素を含有する第２膜を形成し、前記第２膜を第２パターンに加工することを含む。前記方法はさらに、前記第２パターンの加工後に、前記第２パターン内に金属元素または半導体元素を含浸させることを含む。前記方法はさらに、前記金属元素または前記半導体元素の含浸後に、前記第２パターンを用いて前記第１膜を第１パターンに加工することを含む。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に第１膜を形成し、
前記第１膜上に、炭素を含有する第２膜を形成し、
前記第２膜を第２パターンに加工し、
前記第２パターンの加工後に、前記第２パターン内に金属元素または半導体元素を含浸させ、
前記金属元素または前記半導体元素の含浸後に、前記第２パターンを用いて前記第１膜を第１パターンに加工する、
ことを含む半導体装置の製造方法。
【請求項２】
前記第２パターンの加工では、
前記第２膜上に第３膜を形成し、
前記第３膜を第３パターンに加工し、
前記第３パターンを用いて前記第２膜を前記第２パターンに加工する、
請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項３】
前記第２パターンを構成する部分の最小ピッチは、５００ｎｍ以下である、請求項１または２に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項４】
前記金属元素または前記半導体元素の含浸は、真空槽内で行われる、請求項１から３のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項５】
前記金属元素または前記半導体元素は、元素の周期表の第４族から第１４族に属する元素である、請求項１から４のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項６】
前記金属元素または前記半導体元素は、前記第２パターンの上面からの距離と前記第２パターンの側面からの距離とに応じて、前記金属元素または前記半導体元素の濃度が変化するように含浸される、請求項１から５のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、半導体装置の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
エッチングマスクとして有機膜を使用する場合に、有機膜に金属元素を含浸させることで、有機膜のエッチング耐性を上げることが考えられる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平３−１７４７２４号公報
【特許文献２】特開２０１２−２０４４５６号公報
【特許文献３】特開平８−３１７２０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
エッチング耐性の高いマスクを容易に形成することが可能な半導体装置の製造方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
一の実施形態によれば、半導体装置の製造方法は、基板上に第１膜を形成することを含む。前記方法はさらに、前記第１膜上に、炭素を含有する第２膜を形成し、前記第２膜を第２パターンに加工することを含む。前記方法はさらに、前記第２パターンの加工後に、前記第２パターン内に金属元素または半導体元素を含浸させることを含む。前記方法はさらに、前記金属元素または前記半導体元素の含浸後に、前記第２パターンを用いて前記第１膜を第１パターンに加工することを含む。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
【図１】第１実施形態の半導体装置の製造方法を示す断面図(1/3)である。
【図２】第１実施形態の半導体装置の製造方法を示す断面図(2/3)である。
【図３】第１実施形態の半導体装置の製造方法を示す断面図(3/3)である。
【図４】第１実施形態の比較例の半導体装置の製造方法を示す断面図(1/2)である。
【図５】第１実施形態の比較例の半導体装置の製造方法を示す断面図(2/2)である。
【発明を実施するための形態】
【０００７】
以下、本発明の実施形態を、図面を参照して説明する。
【０００８】
（第１実施形態）
図１〜図３は、第１実施形態の半導体装置の製造方法を示す断面図である。
【０００９】
まず、基板１上に層間絶縁膜２を形成し、層間絶縁膜２上に複数の第１絶縁層３と複数の第２絶縁層４とを交互に積層する（図１(ａ)）。第１および第２絶縁層３、４を含む積層膜は、第１膜の一例である。次に、この積層膜上に有機膜５とカバー膜６とを順番に形成する（図１(ａ)）。有機膜５とカバー膜６はそれぞれ、第２膜と第３膜の一例である。
【００１０】
基板１の例は、シリコン（Ｓｉ）基板などの半導体基板である。層間絶縁膜２の例は、シリコン酸化膜（ＳｉＯ２）やシリコン窒化膜（ＳｉＮ）である。図１(ａ)は、基板１の表面に平行で互いに垂直なＸ方向およびＹ方向と、基板１の表面に垂直なＺ方向とを示している。本明細書においては、＋Ｚ方向を上方向として取り扱い、−Ｚ方向を下方向として取り扱う。−Ｚ方向は、重力方向と一致していてもよいし、重力方向と一致していなくてもよい。
【００１１】
第１絶縁層３は例えば、シリコン酸化膜であり、３０ｎｍの膜厚を有する。第２絶縁層４は例えば、シリコン窒化膜であり、５０ｎｍの膜厚を有する。本実施形態の積層膜は、４８層の第１絶縁層３と４８層の第２絶縁層４とを含んでおり、合計で３８４０ｎｍの膜厚を有している。この積層膜がエッチングの被加工膜となる。なお、被加工膜は、積層膜ではなく単層膜としてもよい。また、被加工膜は、層間絶縁膜２上ではなく、基板１上に直接形成されていてもよい。
【００１２】
有機膜５は、炭素を含有する膜であり、例えばＰＭＭＡ（Polymethylmethacrylate）膜である。本実施形態の有機膜５は、１０００ｎｍの膜厚を有し、スピンコートにより形成される。有機膜５をスピンコートにより形成する場合、膜厚の上限が１０００ｎｍ程度に制限されるものの、有機膜５を安価かつ簡単に形成することができる。
【００１３】
カバー膜６は、例えばＳＯＧ（Spin on Glass）膜である。本実施形態のカバー膜６は、７０ｎｍの膜厚を有し、スピンコートにより形成される。
【００１４】
次に、カバー膜６上に反射防止膜７を形成する（図１(ｂ)）。反射防止膜７は例えば、６０ｎｍの膜厚を有し、スピンコートにより形成される。本実施形態では、有機膜５の上方に反射防止膜７を形成することで、有機膜５に反射防止機能を付与する必要がなくなり、有機膜５の材料を自由に選択しやすくなる。例えば、有機膜５の材料として、金属元素や半導体元素が含浸しやすい材料を選択することが可能となる。
【００１５】
次に、反射防止膜７上にレジスト膜８を形成し、ＡｒＦ液浸露光機を使用してレジスト膜８をパターニングする（図２(ａ)）。その結果、レジスト膜８に複数の開口部Ｈが開口され、レジスト膜８にレジストパターンＰ８が形成される。開口部Ｈ間の距離は、開口部Ｈが最も密な領域で、例えば１００ｎｍ程度となる。
【００１６】
図２(ａ)の工程では、レジスト膜８を複数のレジストパターンＰ８に加工しても１つのレジストパターンＰ８に加工してもよい。前者のレジストパターンＰ８は、開口部Ｈが例えば、Ｌ／Ｓ（Line and Space）パターンを構成するスペースパターンである場合に形成される。後者のレジストパターンＰ８は、開口部Ｈが例えば、ホールパターンである場合に形成される。本実施形態の開口部Ｈは、積層膜に複数のホールを形成するためのホールパターンであり、レジスト膜８は１つのレジストパターンＰ８に加工される。
【００１７】
次に、レジスト膜８をマスクとするＲＩＥ（Reactive Ion Etching）により反射防止膜７とカバー膜６とをエッチングし、さらに、カバー膜６をマスクとするＲＩＥにより有機膜５をエッチングする（図２(ｂ)）。その結果、開口部Ｈが反射防止膜７、カバー膜６、および有機膜５を貫通し、レジストパターンＰ８が反射防止膜７、カバー膜６、および有機膜５に転写される。図２(ｂ)は、カバー膜６に形成されたパターンＰ６と、有機膜５に形成されたパターンＰ５とを示している。パターンＰ６は第３パターンの一例であり、パターンＰ５は第２パターンの一例である。以下、パターンＰ５を「有機膜パターンＰ５」と表記する。
【００１８】
次に、有機膜５上のカバー膜６を除去する（図２(ｃ)）。カバー膜６は、有機膜パターンＰ５に金属元素や半導体元素を含浸させやすくするために除去される。金属元素や半導体元素は有機膜パターンＰ５の上面Ｓ１だけでなく有機膜パターンＰ５の側面Ｓ２からも含浸するため、この工程は省略することも可能だが、含浸をより促進するためにはこの工程を行うことが望ましい。
【００１９】
次に、有機膜パターンＰ５内に金属元素または半導体元素を含浸させる（図３(ａ)）。本実施形態では、ＴＭＡ（Trimethylaluminium）ガスを使用して、有機膜パターンＰ５の上面Ｓ１や側面Ｓ２から有機膜パターンＰ５内にアルミニウム（Ａｌ）を含浸させる。これにより、有機膜パターンＰ５のエッチング耐性を上げることが可能となる。以下、この金属含浸処理の具体例を説明する。
【００２０】
金属含浸処理では、基板１を真空槽の一例である真空チャンバ内に設置し、基板１の温度を１００℃に設定する。次に、真空チャンバ内にＴＭＡガスを導入し、真空チャンバ内の圧力を１００Ｐａに設定する。これにより、有機膜パターンＰ５がＴＭＡガスに暴露され、ＴＭＡガスが有機膜パターンＰ５の上面Ｓ１や側面Ｓ２から有機膜パターンＰ５内に含浸していく。ＴＭＡガスへの暴露は、５分間継続される。
【００２１】
ＴＭＡガスへの暴露が終了したら、真空チャンバの真空引きを行い、真空チャンバからＴＭＡガスを排気する。次に、真空チャンバ内に水蒸気（Ｈ２Ｏ）を導入し、真空チャンバ内の圧力を２５０Ｐａに設定する。これにより、ＴＭＡと水が反応し、有機膜パターンＰ５内に酸化アルミが定着する。
【００２２】
このように、金属含浸処理では、有機膜パターンＰ５をＴＭＡガスに暴露する第１工程と、有機膜パターンＰ５を水蒸気に暴露する第２工程とを行う。この際、１回の第１工程と１回の第２工程のみを行ってもよいし、複数回の第１工程と複数回の第２工程とを交互に繰り返してもよい。本実施形態では、１回の第１工程と１回の第２工程のみを行い、有機膜パターンＰ５内のＡｌ原子の平均濃度を約３０％にする。Ａｌ原子の平均濃度をより高めたい場合には、複数回の第１工程と複数回の第２工程とを交互に繰り返してもよい。
【００２３】
ＴＭＡガスは、有機膜パターンＰ５の上面Ｓ１や側面Ｓ２から含浸するため、有機膜パターンＰ５内の各地点におけるＡｌ原子の濃度は、上面Ｓ１からの距離や側面Ｓ２からの距離に応じて変化する。例えば、上面Ｓ１からも側面Ｓ２からも遠い地点では、Ａｌ原子の濃度が低くなる。その結果、有機膜パターンＰ５内には、Ａｌ原子の濃度の濃度勾配が発生する。
【００２４】
本実施形態の金属含浸処理では、上面Ｓ１または側面Ｓ２から２００ｎｍ程度の距離までＴＭＡガスが含浸する。本実施形態の有機膜５の膜厚は１０００ｎｍであるため、もし有機膜パターンＰ５を形成する前に金属含浸処理を行うと、有機膜５内の底部領域（８００ｎｍ分の領域）にＴＭＡガスが含浸しない。すなわち、有機膜５内の底部領域がメタル化されない。その結果、底部領域のエッチング耐性が低くなるため、有機膜パターンＰ５をマスクとして積層膜をエッチングする際に、底部領域が側面Ｓ２からエッチングされてしまう。
【００２５】
しかしながら、本実施形態では、有機膜パターンＰ５を形成した後に金属含浸処理を行うため、有機膜パターンＰ５の上面Ｓ１付近の領域だけでなく、有機膜パターンＰ５の側面Ｓ２付近の領域もメタル化される。よって、有機膜パターンＰ５をマスクとして積層膜をエッチングする際に、底部領域が側面Ｓ２からエッチングされることを抑制することができる。
【００２６】
図３(ａ)は、有機膜５内に形成された金属含浸領域５ａと金属非含浸領域５ｂを示している。金属含浸領域５ａは、ＴＭＡガスが含浸した領域であり、金属非含浸領域５ｂは、ＴＭＡガスが含浸しなかった領域である。
【００２７】
図３(ａ)に示すように、有機膜パターンＰ５内の密ピッチの部分は、金属非含浸領域５ｂを含んでおらず、全部分がメタル化されている。よって、本実施形態では、密ピッチの部分のエッチングを抑制することができる。一方、有機膜パターンＰ５内の疎ピッチの部分は、金属非含浸領域５ｂを含んでいる。しかしながら、疎ピッチの部分もその側面Ｓ２はメタルされているし、疎ピッチの部分はそもそもエッチングレートが小さいことから、本実施形態では、疎ピッチの部分のマスクとして機能させることができる。
【００２８】
符号Ｄは、有機膜パターンＰ５を構成する部分のピッチを示している。本実施形態の金属含浸処理は、このピッチが小さい場合に必要となることが多いと考えられる。例えば、有機膜パターンＰ５を構成する部分の最小ピッチが５００ｎｍ以下の場合に、本実施形態の金属含浸処理が必要となると考えられる。本実施形態では、開口部Ｈ間の距離が、開口部Ｈが最も密な領域で１００ｎｍ程度であるため、有機膜パターンＰ５を構成する部分の最小ピッチも数１００ｎｍ程度である。
【００２９】
次に、有機膜５をマスクとするＲＩＥにより、第１および第２絶縁層３、４を含む積層膜をエッチングする（図３(ｂ)）。その結果、開口部Ｈが積層膜を貫通し、有機膜パターンＰ５が積層膜に転写される。図３(ｂ)は、積層膜に形成された積層膜パターンＰを示している。積層膜パターンＰは第１パターンの一例である。
【００３０】
図３(ｂ)は、このＲＩＥにより部分的に除去された有機膜５を示している。金属非含浸領域５ｂが大きくエッチングされていることに留意されたい。これは、金属非含浸領域５ｂが金属含浸領域５ａよりもエッチングされやすいからである。また、有機膜５のエッチング条件、有機膜パターンＰ５のレイアウト、有機膜パターンＰ５のピッチなどによっては、密ピッチの部分のエッチングの方が早く開口部Ｈの近くで凹になることもある。
【００３１】
次に、アッシングおよびウェットエッチングにより有機膜５を除去する（図３(ｃ)）。こうして、所望の形状に加工された積層膜を得ることができる。
【００３２】
なお、本実施形態の金属含浸処理は、アルミニウム以外の金属元素を含むガスを用いて実施してもよい。このような金属元素の例は、チタン（Ｔｉ）、ハフニウム（Ｈｆ）、タングステン（Ｗ）、タンタル（Ｔａ）、ルテニウム（Ｒｕ）、ジルコニウム（Ｚｒ）などである。このような金属元素を有機膜５に含浸させることで、有機膜５のエッチング耐性を上げることが可能となる。
【００３３】
また、本実施形態の金属含浸処理は、半導体元素を含むガスを用いて実施してもよい。このような半導体元素の例は、シリコン（Ｓｉ）やゲルマニウム（Ｇｅ）などである。このような半導体元素を有機膜５に含浸させることで、有機膜５のエッチング耐性を上げることが可能となる。
【００３４】
本実施形態の金属含浸処理では、元素の周期表の第４族から第１４族に属する金属元素または半導体元素を有機膜５に含浸させることが考えられる。理由は、第１族から第３族の元素の多くは活性であるため使いにくく、第１５属から第１８族の元素の多くは単体で気体であるため使いにくいからである。
【００３５】
図４と図５は、第１実施形態の比較例の半導体装置の製造方法を示す断面図である。
【００３６】
まず、基板１上に層間絶縁膜２を形成し、層間絶縁膜２上に複数の第１絶縁層３と複数の第２絶縁層４とを交互に積層する（図４(ａ)）。次に、第１および第２絶縁層３、４を含む積層膜上に、有機膜１１、第１反射防止膜１２、および第２反射防止膜１３を順番に形成する（図４(ａ)）。本比較例の有機膜１１は、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）により形成されたカーボン膜である。
【００３７】
次に、第２反射防止膜１３上にレジスト膜１４を形成し、レジスト膜１４をパターニングする（図４(ｂ)）。その結果、レジスト膜１４に複数の開口部Ｈが開口され、レジスト膜１４にレジストパターンＰ１４が形成される。
【００３８】
次に、レジスト膜１４をマスクとするＲＩＥにより第２反射防止膜１３、第１反射防止膜１２、および有機膜１１をエッチングする（図５(ａ)）。その結果、開口部Ｈが第２反射防止膜１３、第１反射防止膜１２、および有機膜１１を貫通し、レジストパターンＰ１４が第２反射防止膜１３、第１反射防止膜１２、および有機膜１１に転写される。図５(ａ)は、第１反射防止膜１２に形成されたパターンＰ１２と、有機膜１１に形成された有機膜パターンＰ１１とを示している。
【００３９】
次に、有機膜１１をマスクとするＲＩＥにより、第１および第２絶縁層３、４を含む積層膜をエッチングする（図５(ｂ)）。その結果、開口部Ｈが積層膜を貫通し、有機膜パターンＰ１１が積層膜に転写される。図５(ｂ)は、積層膜に形成された積層膜パターンＰを示している。次に、有機膜１１を除去する（図５(ｃ)）。
【００４０】
本比較例では、有機膜１１がメタル化されないため、有機膜１１のエッチング耐性が低い。よって、積層膜が厚くなるほど、有機膜１１も厚くする必要がある。この場合、有機膜１１の膜厚が１０００ｎｍを超えると、有機膜１１をスピンコートにより形成することができなくなる。よって、本比較例の有機膜１１は、スピンコートではなくＣＶＤにより形成される。その結果、有機膜１１を形成するコストや手間が大きくなる。
【００４１】
そのため、有機膜１１をメタル化することが考えられる。しかし、有機膜１１を有機膜パターンＰ１１に加工する前にメタル化を行うと、有機膜１１内の底部領域がメタル化されないという問題が生じる。この場合、底部領域のエッチング耐性が低くなるため、有機膜パターンＰ１１をマスクとして積層膜をエッチングする際に、底部領域が側面Ｓ２からエッチングされてしまう。
【００４２】
そこで、本実施形態では、有機膜５を有機膜パターンＰ５に加工した後にメタル化を行う。これにより、有機膜５内の底部領域の側面Ｓ２をメタル化することができ、底部領域が側面Ｓ２からエッチングされることを抑制することができる。
【００４３】
以上のように、本実施形態では、有機膜５を有機膜パターンＰ５に加工した後に、金属含浸処理を実施する。そして、金属含浸処理の実施後に、有機膜パターンＰ５をマスクとして積層膜を加工する。これにより、有機膜パターンＰ５の上面Ｓ１と側面Ｓ２から有機膜パターンＰ５内に金属元素を含浸させることができ、有機膜パターンＰ５のエッチング耐性を上げることができる。これは、金属含浸処理を実施するタイミングを、有機膜パターンＰ５の加工前のタイミングから、有機膜パターンＰ５の加工後のタイミングに変更すれば、簡単かつ安価に実現可能である。よって、本実施形態によれば、エッチング耐性の高いエッチングマスクを容易に形成することが可能となる。
【００４４】
以上、いくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例としてのみ提示したものであり、発明の範囲を限定することを意図したものではない。本明細書で説明した新規な方法は、その他の様々な形態で実施することができる。また、本明細書で説明した方法の形態に対し、発明の要旨を逸脱しない範囲内で、種々の省略、置換、変更を行うことができる。添付の特許請求の範囲およびこれに均等な範囲は、発明の範囲や要旨に含まれるこのような形態や変形例を含むように意図されている。
【符号の説明】
【００４５】
１：基板、２：層間絶縁膜、３：第１絶縁層、４：第２絶縁層、
５：有機膜、５ａ：金属含浸領域、５ｂ：金属非含浸領域、
６：カバー膜、７：反射防止膜、８：レジスト膜、
１１：有機膜、１２：第１反射防止膜、１３：第２反射防止膜、１４：レジスト膜
【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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