(57)【要約】【課題】ハードマスクをパターニングする際の変形を防止することにより、線幅が６０ｎｍ以下の微細パターンを形成することができる半導体素子の微細パターンの形成方法を提供すること。【解決手段】エッチング対象層２２上に第１ポリマー層２３を形成するステップと、第１ポリマー層２３上に第２ポリマー層２４を形成するステップと、第１の基板温度で前記第２ポリマー層２４をパターニングするステップと、パターニングされた第２ポリマー層２４Ａをエッチングマスクとして、Ｏ２を含まない第１エッチングガスにより、第２の基板温度で前記第１ポリマー層２３をエッチングするステップと、エッチングされた第１ポリマー層２３及びパターニングされた第２ポリマー層２３Ａをエッチングマスクとして、エッチング対象層２２をエッチングするステップとを含む。【選択図】図２Ｃ
2008016839.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
エッチング対象層上に第１ポリマー層を形成するステップと、
該第１ポリマー層上に第２ポリマー層を形成するステップと、
第１の基板温度で前記第２ポリマー層をパターニングするステップと、
パターニングされた前記第２ポリマー層をエッチングマスクとして、Ｏ２ガスを含まない第１エッチングガスにより、第２の基板温度で前記第１ポリマー層をエッチングするステップと、
エッチングされた前記第１ポリマー層及びパターニングされた前記第２ポリマー層をエッチングマスクとして、前記エッチング対象層をエッチングするステップとを含むことを特徴とする半導体素子の微細パターン形成方法。
【請求項２】
前記第１の基板温度及び第２の基板温度が、
−１０℃〜３０℃の範囲であることを特徴とする請求項１に記載の半導体素子の微細パターン形成方法。
【請求項３】
前記第２ポリマー層を、フッ素系ガスを含む第２エッチングガスによりパターニングすることを特徴とする請求項１に記載の半導体素子の微細パターン形成方法。
【請求項４】
前記第２エッチングガスとして、ＣＦ４ガス、ＣＦ４／ＣＨＦ３混合ガス及びＣＦ４／Ｏ２混合ガスからなるグループから選択された少なくとも１つのエッチングガスを用いることを特徴とする請求項３に記載の半導体素子の微細パターン形成方法。
【請求項５】
前記第１エッチングガスとして、Ｎ２／Ｈ２混合ガス、Ｎ２／Ｈ２／ＣＯ混合ガス、Ｎ２／Ｈ２／Ｃ２Ｈ４混合ガス、Ｎ２／Ｈ２／ＣＨ４混合ガス又はこれら混合ガスの少なくとも２つの混合ガスを用いることを特徴とする請求項１に記載の半導体素子の微細パターン形成方法。
【請求項６】
前記Ｎ２／Ｈ２混合ガス、Ｎ２／Ｈ２／ＣＯ混合ガス、Ｎ２／Ｈ２／Ｃ２Ｈ４混合ガス、Ｎ２／Ｈ２／ＣＨ４混合ガス又はこれら混合ガスの少なくとも２つの混合ガスにおいて、
Ｎ２とＨ２とが、体積割合で、１：２〜１：４の範囲であり、Ｃ２Ｈ４又はＣＨ４を含む場合、それらの流量が１０ｓｃｃｍ以下であることを特徴とする請求項５に記載の半導体素子の微細パターン形成方法。
【請求項７】
前記第１ポリマー層及び前記第２ポリマー層を、
回転塗布法によって形成することを特徴とする請求項１に記載の半導体素子の微細パターン形成方法。
【請求項８】
前記第２ポリマー層が、
シリコンを多量に含有することを特徴とする請求項１に記載の半導体素子の微細パターン形成方法。
【請求項９】
前記第２ポリマー層が、
シロキサン又はシルセスキオキサンを含むことを特徴とする請求項８に記載の半導体素子の微細パターン形成方法。
【請求項１０】
前記第２ポリマー層のシリコンの含有量が、質量割合で、３０％〜４５％の範囲であることを特徴とする請求項８に記載の半導体素子の微細パターン形成方法。
【請求項１１】
前記第１ポリマー層が、
炭素を多量に含むことを特徴とする請求項１に記載の半導体素子の微細パターン形成方法。
【請求項１２】
前記第１ポリマー層の炭素含有量が、質量割合で、８０〜９５％であることを特徴とする請求項１１に記載の半導体素子の微細パターン形成方法。
【請求項１３】
基板上にエッチング対象層を形成するステップと、
該エッチング対象層上に、炭素を多量に含む第１ポリマー層を形成するステップと、
該第１ポリマー層上に、第２ポリマー層を形成するステップと、
該第２ポリマー層上に、感光膜パターンを形成するステップと、
該感光膜パターンをエッチングマスクとして、第１の基板温度で前記第２ポリマー層をエッチングするステップと、
Ｏ２ガスを含まない第１エッチングガスにより、第２の基板温度で前記第１ポリマー層をエッチングするステップと、
エッチングされた前記第１ポリマー層及びエッチングされた前記第２ポリマー層をエッチングマスクとして、前記エッチング対象層をエッチングするステップとを含むことを特徴とする半導体素子の微細パターン形成方法。
【請求項１４】
前記第１の基板温度及び第２の基板温度が、
−１０℃〜３０℃の範囲であることを特徴とする請求項１３に記載の半導体素子の微細パターン形成方法。
【請求項１５】
前記第２ポリマー層を、フッ素系ガスを含む第２エッチングガスによりエッチングすることを特徴とする請求項１３に記載の半導体素子の微細パターン形成方法。
【請求項１６】
前記第２エッチングガスとして、ＣＦ４ガス、ＣＦ４／ＣＨＦ３混合ガス及びＣＦ４／Ｏ２混合ガスからなるグループから選択された少なくとも１つのエッチングガスを用いることを特徴とする請求項１５に記載の半導体素子の微細パターン形成方法。
【請求項１７】
前記第１エッチングガスとして、
Ｎ２／Ｈ２混合ガス、Ｎ２／Ｈ２／ＣＯ混合ガス、Ｎ２／Ｈ２／Ｃ２Ｈ４混合ガス、Ｎ２／Ｈ２／ＣＨ４混合ガス又はこれら混合ガスの少なくとも２つの混合ガスを用いることを特徴とする請求項１３に記載の半導体素子の微細パターン形成方法。
【請求項１８】
前記Ｎ２／Ｈ２混合ガス、Ｎ２／Ｈ２／ＣＯ混合ガス、Ｎ２／Ｈ２／Ｃ２Ｈ４混合ガス、Ｎ２／Ｈ２／ＣＨ４混合ガス又はこれら混合ガスの少なくとも２つの混合ガスにおいて、
Ｎ２とＨ２とが、体積割合で、１：２〜１：４の範囲であり、Ｃ２Ｈ４又はＣＨ４を含む場合、それらの流量が１０ｓｃｃｍ以下であることを特徴とする請求項１７に記載の半導体素子の微細パターン形成方法。
【請求項１９】
エッチングされた第２ポリマー層をエッチングマスクとして、前記第１ポリマー層をエッチングすることを特徴とする請求項１３に記載の半導体素子の微細パターン形成方法。
【請求項２０】
前記第２ポリマー層が、
シリコンを多量に含むことを特徴とする請求項１３に記載の半導体素子の微細パターン形成方法。
【請求項２１】
前記第２ポリマー層が、
シロキサン又はシルセスキオキサンを含むことを特徴とする請求項２０に記載の半導体素子の微細パターン形成方法。
【請求項２２】
前記第２ポリマー層のシリコンの含有量が、質量割合で、２０％〜４５％の範囲であることを特徴とする請求項２０に記載の半導体素子の微細パターン形成方法。
【請求項２３】
前記第１ポリマー層の炭素含有量が、質量割合で、８０〜９５％であることを特徴とする請求項１３に記載の半導体素子の微細パターン形成方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体素子の製造技術に関し、特に、半導体素子の微細パターンの形成方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、１００ｎｍ以下の微細パターンを形成する場合、ＮＭＯＳＦＥＴ素子のパターニング用に積層構造のハードマスクが用いられており、積層体の一部として非晶質炭素が用いられている。この非晶質炭素を用いる方法は、パターニングが容易であり、非晶質炭素は、従来のシリコン酸化物（ＳｉＯ２）、シリコン窒化物（Ｓｉ３Ｎ４）及びシリコン酸窒化物（ＳｉＯＮ）の膜によるキャッピング又は保護物質に比べて、エッチング選択比に優れている。
【０００３】
しかし、非晶質炭素をハードマスクとして用いると、ポリシリコンをハードマスクとして用いたときに比べて、製造コストが５〜１０倍程度上昇するという問題がある。
【０００４】
また、非晶質炭素は、周辺部の回路上の大きな段差を有する領域、例えば、フォトリソグラフィ及びエッチングプロセスの監視に用いられる様々なキーボックス（整列キー）に、その膜が形成される際のステップカバレッジ性に劣るため、その後に形成されるシリコン酸窒化物（ＳｉＯＮ）の膜厚が不均一になる。このため、露光を行う際にフォトレジストに対する再加工を実施する場合、非晶質炭素の一部が消失し、その部分でリフティング及び粒子の発生などが生じ、素子の不良原因になるという問題がある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、上記の従来の技術の問題点を解決するためになされたものであって、その目的は、組成の異なるポリマーで構成されたハードマスクを適用し、ハードマスクをエッチングする際のハードマスクパターンの変形を防止することによって、６０ｎｍ以下の微細パターンの形成に適した半導体素子の微細パターンの形成方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記の目的を達成するための本発明に係る半導体素子の微細パターンの形成方法は、エッチング対象層上に第１ポリマー層を形成するステップと、該第１ポリマー層上に第２ポリマー層を形成するステップと、第１の基板温度で前記第２ポリマー層をパターニングするステップと、パターニングされた前記第２ポリマー層をエッチングマスクとして、Ｏ２ガスを含まない第１エッチングガスにより、第２の基板温度で前記第１ポリマー層をエッチングするステップと、エッチングされた前記第１ポリマー層及びパターニングされた前記第２ポリマー層をエッチングマスクとして、前記エッチング対象層をエッチングするステップとを含むことを特徴とする。
【０００７】
また、上記の目的を達成するための本発明に係る半導体素子の微細パターンの形成方法は、基板上にエッチング対象層を形成するステップと、該エッチング対象層上に炭素を多量に含む第１ポリマー層を形成するステップと、該第１ポリマー層上に、第２ポリマー層を形成するステップと、該第２ポリマー層上に、感光膜パターンを形成するステップと、該感光膜パターンをエッチングマスクとして、第１の基板温度で前記第２ポリマー層をエッチングするステップと、Ｏ２ガスを含まない第１エッチングガスにより、第２の基板温度で前記第１ポリマー層をエッチングするステップと、エッチングされた前記第１ポリマー層及びエッチングされた前記第２ポリマー層をエッチングマスクとして、前記エッチング対象層をエッチングするステップとを含む。
【発明の効果】
【０００８】
本発明に係る微細パターンの形成方法によれば、線幅が６０ｎｍ以下の高集積素子において、炭素を多量に含むポリマーのハードマスクのパターンをエッチングにより形成する際のパターンの変形が防止され、微細パターンを高精度にパターニングすることができるという効果が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、本発明の最も好ましい実施形態に係る半導体素子の微細パターンの形成方法を添付した図面を参照しながら説明する。
【００１０】
本発明の実施の形態に係る微細パターニングの形成方法では、組成の異なるポリマーで構成された２層のハードマスク（上部はシリコンを多量に含む第２ポリマー層、下部は炭素を多量に含む第１ポリマー層）を回転塗布(Spin on Coating)法により形成し、その上にフォトレジストパターン（感光膜パターン）を形成する。
【００１１】
その後、プラズマを用いたエッチングの際に、パターニングされた上部のシリコンを多量に含む第２ポリマー層をハードマスクとして、下部のハードマスクとして用いられる炭素を多量に含む第１ポリマー層をエッチングする。
【００１２】
通常、素子の高集積化に伴い、第２ポリマー層をエッチングする際に側壁の制御が難しいため、曲がり(bowing)現象が発生しやすくなってきており、さらに、第１ポリマー層をエッチングする際に用いるエッチングガスによる第２ポリマー層の損傷が生じやすく、ハードマスクパターンの不良発生の原因となっている。
【００１３】
図１Ａ及び図１Ｂは、ハードマスクパターンの変形を示す図であり、ＴＥＭ写真を示している。なお、図１Ａは、パターンサイズが８０ｎｍの場合、図１Ｂは、パターンサイズが６０ｎｍの場合であり、パターニングされた第２ポリマー層をハードマスクとして、いずれも同じ処理条件で第１ポリマー層をエッチングした結果である。パターンサイズが小さいほど、すなわち、図１Ａに比べて図１Ｂの方が、第１ポリマー層のハードマスクパターンの変形（図１Ｂに示す符号Ａ部）が顕著なことを確認することができる。
【００１４】
本発明の実施の形態に係る微細パターンの形成方法の場合には、組成が異なるポリマーで構成された２層のハードマスクを用いるとともに、パターニングサイズが６０ｎｍの微細パターンを形成する際に生じる変形を防止することができるエッチング条件を採用する。
【００１５】
図２Ａ〜図２Ｄは、実施の形態に係る半導体素子の微細パターン形成方法を説明するための図であり、製造工程の各段階における素子の構造を示す断面図である。
【００１６】
図２Ａは、半導体基板上に、エッチング対象層、第１ポリマー層、第２ポリマー層及びフォトレジストパターンを形成した段階における素子の構造を示している。図２Ａに示すように、半導体基板２１上にエッチング対象層２２を形成する。エッチング対象層２２は、導電層、絶縁層又はシリコンなど半導体層である。
【００１７】
続いて、エッチング対象層２２上に回転塗布法により炭素を多量に含む第１ポリマー層２３及びシリコンを多量に含む第２ポリマー層２４を順に形成する。なお、第１ポリマー層２３の炭素含有量は、質量割合で、８０〜９５％の範囲であることが好ましい。第２ポリマー層２４は、例えば、シロキサン(Siloxane)又はシルセスキオキサン(Silsesquioxane)で形成する。なお、これらのポリマーのシリコン含有量は、質量割合で、３０％〜４５％の範囲であることが好ましい。続いて、第２ポリマー層２４上の所定の領域にフォトレジストパターン２５を形成する。
【００１８】
図２Ｂは、第２ポリマー層のエッチングを行った段階における素子の構造を示す断面図である。図２Ｂに示すように、フォトレジストパターン２５をエッチングマスクとして用いて、第２ポリマー層２４をエッチングすることにより、第２ポリマーハードマスク２４Ａを形成する。以下、エッチングされた第２ポリマー層２４を第２ポリマーハードマスク２４Ａと称する。
【００１９】
第２ポリマー層２４のエッチングには、フッ素系ガス、例えば、ＣＦ４ガスを含むエッチングガス、好ましくは、ＣＦ４ガス、ＣＦ４／ＣＨＦ３混合ガス及びＣＦ４／Ｏ２混合ガスからなるグループから選択されたいずれか１つのエッチングガスを用いる。
【００２０】
フッ素系ガスは、第２ポリマー層２４をエッチングする際にメインのエッチングガスとして用いられる。上記ガスのうち、ＣＨＦ３及びＯ２には、クリティカルディメンジョン（ＣＤ）を調節する機能がある。また、第２ポリマー層２４をエッチングする際には、例えば、基板の温度を−１０℃〜３０℃の範囲に保持する。このような温度範囲でエッチングを行うことにより、パターンの変形を効果的に抑制することができる。第２ポリマー層２４をエッチングした後、フォトレジストパターン２５の全て又は一部を除去する。
【００２１】
図２Ｃは、第１ポリマー層のエッチングを行った段階における素子の構造を示す断面図である。図２Ｃに示すように、第２ポリマーハードマスク２４Ａをエッチングマスクとして用いて、第１ポリマー層２３をエッチングする。第１ポリマー層２３は、Ｎ２／Ｈ２混合ガス、Ｎ２／Ｈ２／ＣＯ混合ガス、Ｎ２／Ｈ２／Ｃ２Ｈ４混合ガス、Ｎ２／Ｈ２／ＣＨ４混合ガス又はこれら混合ガスの少なくとも２つの混合ガスを用いてエッチングする。
【００２２】
通常、第１ポリマー層をエッチングする際には、Ｎ２／Ｏ２混合ガス又はＮ２／Ｈ２混合ガスを用いる。Ｎ２／Ｏ２混合ガスを用いるエッチングは、第２ポリマーハードマスク２４Ａの側壁の制御が難しいため、曲がり(bowing)現象が発生しやすい。さらに、第１ポリマー層２３をエッチングする際に用いるエッチングガスによって、第２ポリマーハードマスク２４Ａが損傷を受け、下部の第１ポリマー層２３をパターニングする際にパターンの変形を起こすという問題がある。一方、Ｎ２／Ｈ２混合ガスを用いるエッチングは、第１ポリマー層２３のエッチング速度が遅いという難点があるが、曲がり現象は生じにくい。
【００２３】
本実施の形態に係る方法では、第１ポリマー層２３をエッチングする際に、Ｏ２を含まないＮ２／Ｈ２混合ガス、Ｎ２／Ｈ２／ＣＯ混合ガス、Ｎ２／Ｈ２／Ｃ２Ｈ４混合ガス、Ｎ２／Ｈ２／ＣＨ４混合ガス又はこれら混合ガスの少なくとも２つの混合ガスを用いるので、第１ポリマー層２３をエッチングする際に生じるパターンの変形を防止することができる。このようなエッチングガスを用いて第１ポリマー層２３をエッチングするため、パターンが変形することなく、目標の線幅を維持することができる。
【００２４】
また、Ｎ２／Ｈ２混合ガス、Ｎ２／Ｈ２／ＣＯ混合ガス、Ｎ２／Ｈ２／Ｃ２Ｈ４混合ガス、Ｎ２／Ｈ２／ＣＨ４混合ガス又はこれら混合ガスの少なくとも２つの混合ガスにおいて、Ｎ２とＨ２の体積割合を１：２〜１：４の範囲とすることにより、パターンの変形を効果的に抑制することが可能で、かつ、クリティカルディメンジョンの調節にも有効である。なお、Ｃ２Ｈ４又はＣＨ４を含む場合、それらの流量を１０ｓｃｃｍ以下にすることが好ましい。
【００２５】
第１ポリマー層２３をエッチングする際には、例えば、基板の温度を−１０℃〜３０℃の範囲に保持する。このような温度条件でエッチングを行うことによって、パターンの変形を効果的に抑制することができる。以下、エッチングされた第１ポリマー層２３を、第１ポリマーハードマスク２３Ａと称する。
【００２６】
図２Ｄは、エッチング対象層のエッチングを行った段階における素子の構造を示す断面図である。図２Ｄに示すように、第２ポリマーハードマスク２４Ａ及び第１ポリマーハードマスク２３Ａをエッチングマスクとして用いて、エッチング対象層２２をエッチングすることにより、エッチング対象層パターン２２Ａを形成する。以下、エッチングされたエッチング対象層２２をエッチング対象層パターン２２Ａと称する。
【００２７】
図３は、本実施の形態に係る微細パターンの形成方法によって得られたパターンを示す図であり、ＴＥＭ写真を示している。図３に示すように、第２ポリマーハードマスクを用いて第１ポリマー層をエッチングすることにより、パターンの変形が防止され、変形がほとんど認められない微細パターンを形成可能なことが確認された。
【００２８】
上述のように、エッチング対象層をエッチングするハードマスクとしては、炭素を多量に含む第１ポリマー層、及びシリコンを多量に含む第２ポリマー層を用いて、段差が大きい領域におけるステップカバレッジ性を改善することができる。
【００２９】
また、第２ポリマーハードマスクを利用して第１ポリマー層をエッチングする際に、Ｏ２を含まないＮ２／Ｈ２混合ガス、Ｎ２／Ｈ２／ＣＯ混合ガス、Ｎ２／Ｈ２／Ｃ２Ｈ４混合ガス、Ｎ２／Ｈ２／ＣＨ４混合ガス又はこれら混合ガスの少なくとも２つの混合ガスをメインエッチングガスとして用いるので、第１ポリマー層をエッチングする際に、第２ポリマーハードマスクが損傷することを防止することができる。
【００３０】
したがって、第２ポリマーハードマスク及び第１ポリマーハードマスクのパターンの変形が防止され、６０ｎｍという狭い線幅のパターンを形成することができる。
【００３１】
上述の本発明に係る微細パターンの形成方法によれば、線幅が６０ｎｍ以下の高集積素子において、炭素を多量に含むポリマーハードマスクのパターンをエッチングにより形成する際のパターンの変形が防止され、微細パターンを高精度にパターニングすることができるという効果が得られる。
【００３２】
なお、本発明は、上記した実施の形態に限定されるものではなく、本発明に係る技術的思想の範囲内から逸脱しない範囲内で様々な変更又は改良が可能であり、それらも本発明の技術的範囲に属する。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１Ａ】パターンの変形を示す図であり、ＴＥＭ写真を示している。
【図１Ｂ】パターンの変形を示す図であり、ＴＥＭ写真を示している。
【図２Ａ】本発明の実施の形態に係る半導体素子の微細パターン形成方法を説明するための図であり、半導体基板上に、エッチング対象層、第１ポリマー層、第２ポリマー層及びフォトレジストパターンを形成した段階における素子の構造を示す断面図である。
【図２Ｂ】本発明の実施の形態に係る半導体素子の微細パターン形成方法を説明するための図であり、第２ポリマー層のエッチングを行った段階における素子の構造を示す断面図である。
【図２Ｃ】本発明の実施の形態に係る半導体素子の微細パターン形成方法を説明するための図であり、第１ポリマー層のエッチングを行った段階における素子の構造を示す断面図である。
【図２Ｄ】本発明の実施の形態に係る半導体素子の微細パターン形成方法を説明するための図であり、エッチング対象層のエッチングを行った段階における素子の構造を示す断面図である。
【図３】本発明の実施の形態に係る微細パターニングの形成方法によって得られたパターンを示す図であり、ＴＥＭ写真を示している。
【符号の説明】
【００３４】
２１      半導体基板
２２      エッチング対象層
２３      第１ポリマー層
２４      第２ポリマー層
２５      フォトレジストパターン
【図２Ａ】
2008016839.tif 000003
【図２Ｂ】
2008016839.tif 000004
【図２Ｃ】
2008016839.tif 000005
【図２Ｄ】
2008016839.tif 000006
【図１Ａ】
2008016839.tif 000007
【図１Ｂ】
2008016839.tif 000008
【図３】
2008016839.tif 000009