(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ドライエッチングにより被エッチング層を一方向にエッチングするときに被エッチング層のエッチング進行方向前側に積層されるエッチングストップ層において、
エッチングストップ層が、ボロンまたはイットリウムを２０〜５０重量％含有する酸化アルミニウム膜で構成され、
前記被エッチング層は、酸素ガスを用いてドライエッチングされる、ポリシリコン層とシリコンを含む絶縁層とが３２層以上積層された積層膜で構成されることを特徴とするエッチングストップ層。
【請求項２】
ドライエッチングにより被エッチング層を一方向にエッチングするときに被エッチング層のエッチング進行方向前側に積層されるエッチングストップ層において、
エッチングストップ層が、ボロンを２０〜５０重量％含有する酸化アルミニウム膜で構成されることを特徴とするエッチングストップ層。
【請求項３】
エッチングストップ層と被エッチング層との積層構造を有する半導体デバイスの製造方法であって、
前記エッチングストップ層が、ドライエッチングにより被エッチング層を一方向にエッチングするときに被エッチング層のエッチング進行方向前側に積層され、ボロンまたはイットリウムを２０〜５０重量％含有する酸化アルミニウム膜で構成されるものにおいて、
前記被エッチング層をドライエッチングした後に、フッ化水素酸からなるエッチング液を用いて前記エッチングストップ層をウェットエッチングする工程を含み、前記エッチングストップ層のウェットエッチング速度を１０〜５０Å／ｍｉｎの範囲に設定したことを特徴とする半導体デバイスの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、エッチングストップ層及びこのエッチングストップ層と被エッチング層との積層構造を有する半導体デバイスの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
大容量の半導体デバイスとして、メモリセルを縦方向に積層してなる３Ｄ（３次元）−ＮＡＮＤフラッシュメモリが、例えば特許文献１で知られている。この３Ｄ−ＮＡＮＤフラッシュメモリの製造工程には、エッチングストップ層を形成する工程と、エッチングストップ層の上に、メモリセルを構成するポリシリコン層や酸化シリコン層などを積層する工程と、これら積層されたものを被エッチング層とし、被エッチング層を縦方向にドライエッチングして配線形成用のホールを形成する工程がある。このようなエッチングストップ層として酸化アルミニウム膜が一般に用いられる。【０００３】
ところで、ドライエッチングによりホールを形成した後、エッチングストップ層はフッ化水素酸などのエッチング液を用いてウェットエッチングされる。然し、酸化アルミニウム膜のウェットエッチング速度は７０Å／ｍｉｎ程度と比較的速く、ウェットエッチングを適切なタイミングで終了させることが難しい。ウェットエッチングの終了タイミングが遅れると、ウェットエッチングは等方的に進行するため、エッチングストップ層が横方向に過度にエッチングされるという不具合が生じる。この不具合は、酸化アルミニウム膜の膜厚が薄い場合により一層顕著になる。このように、酸化アルミニウム膜で構成されるエッチングストップ層はウェットエッチングに対する制御性が良いものではなかった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１６−２５１４１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、以上の点に鑑み、ウェットエッチングされるときに優れた制御性を持つエッチングストップ層及び半導体デバイスの製造方法を提供することをその課題とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するために、ドライエッチングにより被エッチング層を一方向にエッチングするときに被エッチング層のエッチング進行方向前側に積層される本発明のエッチングストップ層は、ボロンを２０〜５０重量％含有する酸化アルミニウム膜で構成されることを特徴とする。【０００７】
本発明によれば、酸化アルミニウム膜にボロンを２０〜５０重量％含有させたため、エッチングストップ層のウェットエッチング速度を低く抑制することができる。後述する実験によれば、エッチング液としてフッ化水素酸を用いてウェットエッチングするとき、ウェットエッチング速度を１０〜５０Å／ｍｉｎの範囲に抑制できることが確認された。従って、ウェットエッチングされるときに優れた制御性を持つエッチングストップ層を得ることができる。【０００８】
前記被エッチング層は、酸素ガスを用いてドライエッチングされる、ポリシリコン層とシリコンを含む絶縁層とが３２層以上積層された積層膜で構成される場合に、本発明を好適に適用することができる。【０００９】
上記エッチングストップ層と被エッチング層との積層構造を有する半導体デバイスを製造する本発明の半導体デバイスの製造方法は、前記被エッチング層をドライエッチングした後に、フッ化水素酸等から選択される１つのエッチング液を用いて前記エッチングストップ層をウェットエッチングする工程を含み、前記エッチングストップ層のウェットエッチング速度を１０〜５０Å／ｍｉｎの範囲に設定したことを特徴とする。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の実施形態のエッチングストップ層を適用した半導体デバイスの模式断面図。
【図２】（ａ）〜（ｄ）は、半導体デバイスの製造方法を説明する模式断面図。
【図３】本発明の実施形態のエッチングストップ層を形成できるスパッタリング装置を模式的に説明する図。
【図４】本発明の効果を確認する実験結果を示すグラフ。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、図面を参照して、本発明の実施形態のエッチングストップ層を適用した半導体デバイスについて説明する。
【００１２】
図１に示すように、半導体デバイスＳＤは、基板Ｓと、基板Ｓ上に形成されたエッチングストップ層Ｌｓと、エッチングストップ層Ｌｓ上に形成された被エッチング層Ｌｅとを有する。
【００１３】
基板Ｓとしては、半導体デバイスＳＤの種類に応じて、シリコン基板、ＧａＡｓ基板、ＧａＰ基板、ＩｎＰ基板等から適宜選択して用いることができる。また、基板Ｓには、当該基板Ｓの表面にトランジスタなどの半導体素子が形成されたものを含むものとする。
【００１４】
エッチングストップ層Ｌｓは、ドライエッチングにより被エッチング層Ｌｅを一方向（下方）にエッチングするときに被エッチング層Ｌｅのエッチング進行前側（下側）に積層されるものである。エッチングストップ層Ｌｓは、ボロンを２０〜５０重量％含有する酸化アルミニウム膜（ＢＡｌＯｘ膜）で構成される。ボロン含有量が２０重量％未満では、エッチングストップ層Ｌｓのウェットエッチング速度を十分に抑制することができない場合がある一方で、ボロン含有量が５０重量％を超えると、ドライエッチング耐性が低下する場合がある。
【００１５】
被エッチング層Ｌｅは、例えば、ポリシリコン層やシリコンを含む絶縁層が多数（例えば、３２層以上）積層されたものである。ここで、シリコンを含む絶縁層としては、シリコン酸化膜、シリコン窒化膜やシリコン酸窒化膜を用いることができる。以下、図２を参照して、上記半導体デバイスＳＤの製造方法について説明する。
【００１６】
先ず、図２（ａ）に示すように、基板Ｓ上に、エッチングストップ層Ｌｓを形成する。ここで、エッチングストップ層Ｌｓは、図３に示すスパッタリング装置ＳＭを用いて形成することができる。スパッタリング装置ＳＭは、処理室１０を画成する真空チャンバ１を備える。真空チャンバ１の側壁には、処理室１０内にスパッタガスを導入するガス管１１が接続され、ガス管１１にはマスフローコントローラ１２が介設され、スパッタガスのガス源１３に連通している。スパッタガスには、アルゴン等の希ガスのほか、反応性スパッタリングを行う場合には、酸素ガスや水蒸気ガス等の反応性ガスが含まれるものとする。真空チャンバ１の底壁には、ロータリーポンプ、ターボ分子ポンプなどの真空排気手段Ｐに通じる排気管１４が接続されている。これにより、成膜中、処理室１０の圧力が略一定に保持されるようにしている。
【００１７】
真空チャンバ１の底部中央には、基板ステージ２が配置されている。基板ステージ２は、例えば基板Ｓの輪郭に対応した上面形状を持つ金属製の基台２１と、この基台２１の上面に装着されたチャックプレート２２とで構成される。チャックプレート２２には図示省略する公知の電極が埋設され、この電極にチャック電源からチャック電圧を印加することで、チャックプレート２２上面に基板Ｓをその成膜面を上にして吸着保持できるようになっている。基台２１の下面中央には、真空チャンバ１の底面に設けた開口に挿通された軸受け２３により支承された回転軸２４が連結され、この回転軸２４を真空チャンバ１外側の駆動部（図示省略）により回転駆動することにより、基板ステージ２が基板Ｓを保持した状態で回転できるようになっている。尚、基台２１に冷媒循環用の通路やヒータを内蔵しておき、スパッタリングによる成膜中、基板Ｓを所定温度に制御できるようにしてもよい。
【００１８】
真空チャンバ１の天井部には、スパッタ面３１ａ，３１ｂが基板Ｓを夫々臨むように、周方向に１８０°の間隔を存して２個のターゲット３ａ，３ｂが傾斜配置されている。ターゲット３ａとしては酸化アルミニウム製のものを用いることができ、ターゲット３ｂとしてはボロン製のものを用いることができる。図示省略するが、ターゲット３ａ，３ｂの上面（スパッタ面３１ａ，３１ｂと背向する面）には、スパッタリングによる成膜中、ターゲット３ａ，３ｂを冷却する銅製のバッキングプレートがインジウムやスズなどの熱伝導率が高い材料からなるボンディング材を介して接合されている。尚、各ターゲット３ａ，３ｂの上方に公知の磁石ユニットを夫々配置し、ターゲット３ａ，３ｂのスパッタ面３１ａ，３１ｂの下方空間に磁場（公知の閉鎖磁場やカスプ磁場）を発生させ、スパッタリング時にスパッタ面３１ａ，３１ｂの下方で電離した電子等を捕捉してターゲット３ａ，３ｂから飛散したスパッタ粒子を効率よくイオン化するように構成してもよい。
【００１９】
ターゲット３ａ，３ｂにはスパッタ電源たる高周波電源Ｅ１，Ｅ２が夫々接続され、スパッタリング時、アースとの間で所定周波数（例えば、１３．５６ＭＨｚ）の高周波電力
が投入されるようにしている。尚、上記スパッタリング装置ＳＭは、マイクロコンピュータやシーケンサ等を備えた公知の制御手段を有し、マスフローコントローラ１２の稼働、真空排気手段Ｐの稼働及びスパッタ電源Ｅ１，Ｅ２の稼働等を統括制御するようにしている。
【００２０】
上記スパッタリング装置ＳＭを用いて基板Ｓ上にエッチングストップ層Ｌｓとしての酸化アルミニウム膜を形成する場合、真空チャンバ１内（処理室１０）を所定の真空度（例えば、１×１０−５Ｐａ）まで真空引きし、図外の搬送ロボットにより真空チャンバ１内に基板Ｓを搬送し、基板ステージ２上に基板Ｓを位置決め保持する。次いで、マスフローコントローラ１２を制御してアルゴンガスを所定の流量で導入し（このとき、処理室１０の圧力は０．１〜０．２Ｐａとなる）、これと併せて、高周波電源Ｅ１からターゲット３ａに例えば１３．５６ＭＨｚの高周波電力を１００Ｗ〜５００Ｗ投入すると共に高周波電源Ｅ２からターゲット３ｂに例えば１３．５６ＭＨｚの高周波電力を１００Ｗ〜５００Ｗ投入する。これにより、真空チャンバ１内にプラズマが形成され、ターゲット３１がスパッタリングされる。スパッタリングによりターゲット３ａ，３ｂから飛散したスパッタ粒子を基板Ｓの表面に付着、堆積させることで、基板Ｓ表面にボロンを含有する酸化アルミニウム膜（ＢＡｌＯｘ膜）が形成される。酸化アルミニウム膜中のボロン含有量は、ターゲット３ａへの投入電力と、ターゲット３ｂへの投入電力との比率を変化させることによって制御することができる。
【００２１】
次に、エッチングストップ層Ｌｓ上に被エッチング層Ｌｅとして、ポリシリコン膜やシリコン酸化膜等を多層形成する。これらポリシリコン膜やシリコン酸化膜は、スパッタリング法やＣＶＤ法等の公知の方法を用いて形成することができるため、ここでは、詳細な説明を省略する。公知のスパッタリング装置を用いる場合、処理室内にターゲットとしてシリコン製のものを用いればよい。被エッチング層Ｌｅ上に、公知の方法を用いてマスク層Ｌｍたるレジストパターンを形成すると、図２（ａ）に示す構造が得られる。
【００２２】
次に、図２（ｂ）に示すように、被エッチング層Ｌｅを縦方向にドライエッチングして、被エッチング層Ｌｅに配線用のホールｈを形成する。尚、ドライエッチングの条件については、例えば、ＣＨＦ３、Ｃ２Ｆ６、ＣＦ４などのフッ素含有ガスをエッチングガスとして用いる公知のＲＩＥ条件を用いることができるため、ここでは詳細な説明を省略する。
【００２３】
ドライエッチング終了後、図２（ｃ）に示すように、エッチングストップ層Ｌｓをウェットエッチングする。ウェットエッチングに用いるエッチング液としては、例えばフッ化水素酸等から選択される公知のものを用いることができる。ここで、本実施形態のエッチングストップ層Ｌｓは、ボロンを２０〜５０重量％含有する酸化アルミニウム膜で構成されるため、エッチングストップ層Ｌｓのウェットエッチング速度を低く抑制することができる。このため、ウェットエッチングを適切なタイミングで終了させることができ、エッチングストップ層Ｌｓが横方向に過度に進行することを防止できる。従って、本実施形態のエッチングストップ層Ｌｓは、ウェットエッチングに対して優れた制御性を持つものと言える。
【００２４】
最後に、マスク層Ｌｍをアッシングにより除去すると、図２（ｄ）に示す半導体デバイスＳＤが得られる。尚、必要に応じて、ホールｈ内に導電膜が成膜される。アッシングの条件については、公知のものを用いることができるため、ここでは詳細な説明を省略する。
【００２５】
次に、上記効果を確認するために、上記スパッタリング装置ＳＭを用いて、以下の実験を行った。本実験では、基板Ｓとしてφ３００ｍｍのシリコン基板を用い、この基板Ｓを真空チャンバ１内の基板ステージ２にセットした後、アルゴンガスを流量３００ｓｃｃｍで処理室１０内に導入し（このときの処理室１０内の圧力は約１．３５Ｐａ）、電源Ｅ１から酸化アルミニウム製ターゲット３ａに１３．５６ＭＨｚの高周波電力を２２７Ｗ投入すると共に電源Ｅ２からボロン製ターゲット３ｂに１３．５６ＭＨｚの高周波電力を３００Ｗ投入した（このとき、ターゲット３ａ，３ｂへの投入電力比は１：１．３２）。これにより、ターゲット３ａ，３ｂをスパッタリングして、基板Ｓ表面にボロンを２０重量％（ｗｔ％）含有する酸化アルミニウム膜（ＢＡｌＯｘ膜）を成膜した。このボロンを２０重量％含有する酸化アルミニウムをウェットエッチングし、エッチング速度を測定したところ４５Å／ｍｉｎであった。ウェットエッチングのエッチング液としては、ＨＦ：Ｈ２Ｏ＝１：２０００（０．０５重量％）のフッ化水素酸溶液を用いた。また、ターゲット３ａ，３ｂへの投入電力比を１：０、１：０．７、１：１、１：１．３、１：１．５、１：１．８、１：２．６のように変化させることにより、ボロンを０重量％、１０重量％、１５重量％、２５重量％、３０重量％、５０重量％含有する酸化アルミニウム膜を夫々成膜し、ウェットエッチング速度を夫々測定したところ、７０Å／ｍｉｎ、１２０Å／ｍｉｎ、８０Å／ｍｉｎ、２５Å／ｍｉｎ、２０Å／ｍｉｎ、１５Å／ｍｉｎであった。その結果を図４に示す。これによれば、酸化アルミニウム膜中のボロン含有量を２０〜５０重量％の範囲内に設定することで、酸化アルミニウム膜のウェットエッチング速度を１０〜５０Å／ｍｉｎの範囲に制御できることが確認された。また、酸化アルミニウム膜中のボロン含有量を２５〜５０重量％の範囲内に設定することで、酸化アルミニウム膜のウェットエッチング速度を１０〜２５Å／ｍｉｎの範囲に抑制することができることが確認された。尚、ボロン含有量が５０重量％を超えると、ウェットエッチング速度が変わらず、パーティクルが多いことが確認された。
【００２６】
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記に限定されるものではない。上記実施形態では、ターゲット３ａとして酸化アルミニウム製のものを用いているが、ターゲット３ａとしてアルミニウム製のターゲットを用い、このアルミニウム製のターゲットを反応性スパッタリングするように構成してもよい。
【００２７】
また、上記実施形態においては、２枚のターゲット３ａ，３ｂを用いてエッチングストップ層Ｌｓを形成する場合を例に説明したが、ボロンを所定濃度（例えば３０重量％）含有する酸化アルミニウム製ターゲット（ＢＡｌＯｘターゲット）を１枚用いてエッチングストップ層Ｌｓを成膜することができる。
【００２８】
また、上記実施形態においては、スパッタリングによりエッチングストップ層Ｌｓを形成する場合を例に説明したが、エッチングストップ層Ｌｓの形成方法はこれに限定されず、例えばＣＶＤ法などの公知の成膜方法を用いることができる。ＣＶＤ法を用いる場合、ボロン含有の原料ガスと、アルミニウム含有の原料ガスとの流量比を制御することで、ボロン含有量を制御することができる。
【００２９】
また、上記実施形態においては、エッチングストップ層Ｌｓとしてボロンを２０〜５０重量％含有する酸化アルミニウム膜を用いる場合を例に説明したが、ボロンに代えてイットリウムを２０〜５０重量％含有する酸化アルミニウム膜を用いる場合も同様の結果が得られた。
【符号の説明】
【００３０】
Ｓ…基板、Ｌｓ…エッチングストップ層、Ｌｅ…被エッチング層。
【図１】
0006603436.tif 000002
【図２】
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【図３】
0006603436.tif 000004
【図４】
0006603436.tif 000005