(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体デバイス製造方法であって：
半導体基板（１０３）上にゲート誘電体層（１０５）を形成するステップと；
前記ゲート誘電体層（１０５）上にゲート形成用の金属ゲート形成層（１０７）を形成するステップであって、前記金属ゲート形成層（１０７）は、窒化チタン、窒化ケイ素タンタル、イリジウム、酸化イリジウム、ルテニウム、酸化ルテニウム、タングステン、窒化タングステン、および窒化ケイ素チタンのうち少なくとも１つを有することと；
前記金属ゲート形成層（１０７）上に窒化ケイ素からなる反射防止膜（２０１）を、窒素含有ガスとケイ素含有ガスから形成するステップであって、前記反射防止膜（２０１）は前記金属ゲート形成層（１０７）に隣接する底部と、その上の中間部と、その上の頂部とを有し、前記底部および前記頂部は、前記中間部と比較して高い窒素含有率を有することと；
前記反射防止膜（２０１）上にフォトレジスト層（３０１）を形成するステップと；
前記フォトレジスト層（３０１）をパターン化するステップと；
パターン化された前記フォトレジスト層（３０１）にしたがって、前記反射防止膜（２０１）と前記金属ゲート形成層（１０７）をエッチングすることによって、トランジスタの金属ゲート（４０３）を形成するステップと
を備えることを特徴とする、半導体デバイス製造方法。
【請求項２】
前記底部の窒素濃度は、化学量論的な窒化ケイ素の窒素濃度以上である、請求項１記載の半導体デバイス製造方法。
【請求項３】
前記反射防止膜（２０１）の屈折率は、前記フォトレジスト層（３０１）をパターン化するステップに使用される紫外光の波長２４８ｎｍにおいて、全体として２．４４である、請求項１記載の半導体デバイス製造方法。
【請求項４】
前記半導体デバイス製造方法は更に：
前記トランジスタのソース（５０３）とドレイン（５０７）を形成するステップ
を備える、請求項１記載の半導体デバイス製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は半導体デバイスに関し、より詳細には、半導体デバイスのための反射防止膜（ＡＲＣ）に関する。
【背景技術】
【０００２】
反射防止膜（ＡＲＣ）は半導体デバイスの製造に使用される。ＡＲＣ層は、リソグラフィープロセス等に使用されて、ＡＲＣ層の上部に配置されたフォトレジスト層の低部構造（例、トランジスタのゲート層）による望ましくない反射を低減し得る。
【０００３】
ＡＲＣの材料として、ケイ素に富んだ材料（例、ケイ素に富んだシリコンナイトライド）が使用され得る。ケイ素に富んだ材料をＡＲＣに使用する際の問題点の一つとしては、ケイ素が下部の材料（例、ＡＲＣ層の下部に配置された金属層中に金属）と反応して、ＡＲＣ層と金属層との間に望ましくないシリサイド層が形成され得ることである。この望ましくないシリサイド層は、エッチング工程中にエッチストップ層として作用して、ゲートスタックの完全なるエッチングを妨げ得るという問題を生じ得る。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ケイ素に富んだＡＲＣ層の別の問題点は、ＡＲＣ層のケイ素がフォトレジストを「汚染（poisoning）」して、フォトレジスト材料の完全な除去を妨げ得ることである。
従って、半導体デバイス製造のための改良されたＡＲＣ層が必要とされている。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
添付の図面を参照にして、本発明をより深く理解し、かつ多数の目的、特徴及び利点が明らかとなろう。
異なる図面中の同一の参照番号は、特に記述しない限り同一の部材を示す。
【０００６】
以下に本発明を実施するモードについて詳細に説明する。
図１〜図５は、その厚さ方向において様々なケイ素含有率を有する、本発明によるＡＲＣ層を用いた半導体デバイスを製造する方法の一実施形態を示す部分断面図である。
【０００７】
図１は、製造の一段階における半導体ウエハ１０１を示す断面図である。ウエハ１０１は、半導体基板１０３と、同半導体基板１０３の頂部の上に配置された誘電体層１０５とを有する。誘電体層１０５は酸化ケイ素、シリコンオキシナイトライド、金属酸化物、金属酸化ケイ素、又は金属アルミン酸等から形成されてもよく、一実施形態では、トランジスタのゲート誘電体の形成に使用される。基板１０３内には従来の他の構造、例えばＰウエル、Ｎウエル、又はシャロー・トレンチ・アイソレーション構造（ＳＴＩ）等（図１に図示せず）が配置され得る。
【０００８】
ゲート誘電体層１０５の頂部の上に、金属層１０７が配置されている。金属層１０７は、化学気相蒸着法（ＣＶＤ）、物理気相蒸着法（ＰＶＤ）、原子層蒸着法（ＡＬＤ）、又は他の従来の方法によって形成され得る。金属層１０７に使用され得る材料の例には、窒化チタン（ＴｉＮ）、窒化ケイ素タンタル（ＴａＳｉＮ）、イリジウム（Ｉｒ）、酸化イリジウム（ＩｒＯ２）、ルテニウム（Ｒｕ）、及び酸化ルテニウム、タングステン（Ｗ）、窒化タングステン（ＷＮ）、並びに窒化ケイ素チタン（ＴｉＳｉＮ）がある。いくつかの実施形態において、金属層１０７はトランジスタのゲートを形成するために使用される。
【０００９】
図２を参照すると、金属層１０７上にＡＲＣ層２０１が形成されている。ＡＲＣ層２０１は単一ウエハ蒸着チャンバ（図示せず）、及び複数ウエハバッチ炉（図示せず）のいずれかの内部において、ＣＶＤ、低圧ＣＶＤ（ＬＰＣＶＤ）、プラズマ強化ＣＶＤ（ＰＥＣＶＤ）、又はＡＬＤのプロセスにて形成され得る。ＡＲＣ層２０１が窒素とケイ素とを含有する一実施形態では、層２０１は、蒸着チャンバ又は炉内において、ＣＶＤプロセスにより金属１０７を窒素含有ガス（例、アンモニア（ＮＨ３）、亜酸化窒素（Ｎ２Ｏ）、一酸化窒素（ＮＯ）、窒素）と、ケイ素含有ガス（例、シラン（ＳｉＨ４）、ジシラン（Ｓｉ２Ｈ６）、ジクロロシラン（ＳｉＨ２Ｃｌ２）、トリシラン（Ｓｉ３Ｈ８）、トリクロロシラン（ＳｉＨ２Ｃｌ３）、及び四フッ化ケイ素（ＳｉＦ４））とに晒すことによって蒸着される。ＡＲＣ層２０１はケイ素、シリコンオキシナイトライド、金属窒化ケイ素、又は金属シリコンオキシナイトライドを含有し得る。
【００１０】
一実施形態において、ＡＲＣ層２０１のケイ素の含有率は、層２０１の厚さ方向にて変動する。ここでケイ素含有率は、層２０１の底部で比較的低く、層２０１の中間部で比較的高く、層２０１の頂部で再び比較的低くなっている。一実施形態において、ケイ素含有率の変動は、蒸着プロセス中に窒素搬送ガスの流量を減少、又は増大させることによって達成される。別の一実施形態では、層２０１のケイ素含有率は、層２０１の底部で比較的低く、層２０１の頂部で比較的高い。
【００１１】
ＡＲＣ層２０１の底部にケイ素含有率が低いＡＲＣ層を形成することによって、金属層１０７／ＡＲＣ層２０１の界面における望ましくないシリサイドの形成を低減、又は排除し得る。一実施形態において、層２０１の底部の形成に使用される材料のケイ素は、そのケイ素の全てが中性分子化合物を形成し得る含有率にて存在する。従って、ＡＲＣ層２０１／金属層１０７の界面での望ましくないシリサイドの形成に使用され得るケイ素量は相当減少する。ＡＲＣ層２０１の材料が窒化ケイ素である一実施形態では、層２０１の底部部分は化学量論的な窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）からなる。別の一実施形態では、層２０１の底部部分の窒素濃度は、少なくとも化学量論的な窒化ケイ素の窒素濃度と等しい。
【００１２】
一実施形態において、ＡＲＣ層２０１の中間部の材料は、ケイ素に富んだ窒化ケイ素からなる。ＡＲＣ層の底部上の部分のケイ素含有率を増大させると、ＡＲＣ層の底部上の部分の反射防止特性が上昇し得る。従って、底部のケイ素含有率が比較的低く、底部上の部分のケイ素含有率が比較的高いＡＲＣ層を提供することにより、金属層／ＡＲＣ層の界面において望ましくないシリサイドが形成されず、かつ良好な反射防止特性を有するＡＲＣ層が提供され得る。
【００１３】
図６は、本発明によるＡＲＣ層２０１を形成する一実施形態のプロセスの詳細を表すグラフである。図６の実施形態では、ＡＲＣ層２０１は、ＣＶＤプロセスによってケイ素含有ガス及び窒素含有ガスから形成される。ケイ素含有ガスと窒素含有ガスとは反応して、ケイ素−窒素化合物を形成する。図６のグラフは、層２０１の蒸着中の窒素含有ガス流量のケイ素含有ガス流量に対する比（図６で“窒素／ケイ素比と記されている）を表す。水平軸は、層２０１を形成する蒸着プロセス中の蒸着時間を表す。
【００１４】
図６の実施形態では、窒素含有ガスのケイ素含有ガスに対する比は、蒸着時間（Ｔ０）において最も高くなっている（Ａ）。この時点で蒸着される層２０１の部分は、窒素に富み、ケイ素の含有率は比較的低い。一実施形態にて、窒素／ケイ素比は５：１である。Ｔ１において、窒素／ケイ素比はＢに減少している。この時点で蒸着される層２０１の部分は、Ｔ０〜Ｔ１間で蒸着された層２０１部分と比較すると高いケイ素含有率を有する。ＡからＢへの窒素／ケイ素比の勾配は、特定の蒸着チャンバ又は炉内でガス流量が瞬時に変化しない性質を表している。Ｔ２において、窒素／ケイ素比はＣに減少している。この時
点で蒸着される層２０１の部分は、Ｔ１〜Ｔ２の間で蒸着された層２０１部分と比較すると高いケイ素含有率を有する。Ｔ３において、窒素／ケイ素比はＤに減少している。この時点で蒸着される層２０１の部分は、Ｔ２〜Ｔ３間で蒸着された層２０１部分と比較すると高いケイ素含有率を有する。Ｔ４において、窒素／ケイ素比はＥに減少している。この時点で蒸着される層２０１部分は、Ｔ３〜Ｔ４間で蒸着された層２０１の部分と比較すると高いケイ素含有率を有する。
【００１５】
図６の実施形態では、窒素ガス／ケイ素ガス比は、Ｔ５の後に増大して、層２０１の頂部のケイ素含有率は減少する。Ｔ５において、窒素／ケイ素比はＤに増大している。この時点で蒸着される層２０１の部分は、Ｔ４〜Ｔ５間で蒸着された層２０１部分と比較すると低いケイ素含有率を有する。Ｔ６において、窒素／ケイ素比はＣに増大している。この時点で蒸着される層２０１の部分は、Ｔ５〜Ｔ６間で蒸着された層２０１部分と比較すると低いケイ素含有率を有する。Ｔ７において、窒素／ケイ素比はＢに増大している。この時点で蒸着される層２０１の部分は、Ｔ６〜Ｔ７間で蒸着された層２０１部分と比較すると低いケイ素含有率を有する。Ｔ８において、窒素／ケイ素比はＡに増大している。この時点で蒸着される層２０１の部分は、Ｔ７〜Ｔ８間で蒸着された層２０１部分と比較すると低いケイ素含有率を有する。
【００１６】
一実施形態において、２００Ａの厚さと、３．００の屈折率とを有するＡＲＣ層を蒸着するために、窒素／ケイ素比と蒸着時間について、図６に示すように以下の値が提供される。ここでＡＲＣ層は、窒素搬送ガスがアンモニア（ＮＨ３）であり、かつケイ素搬送ガスがシランであるＣＶＤ法を用いて単一ウエハ蒸着チャンバ内にて、タングステンからなる金属層上に形成される。
【００１７】
Ａ＝５：１，Ｂ＝４：１，Ｃ＝３：１，Ｄ＝２：１，及びＥ＝１：１、
Ｔ１＝２秒、Ｔ２＝２秒、Ｔ３＝３秒、Ｔ４＝３秒、Ｔ５＝３秒、Ｔ６＝３秒、Ｔ７＝２秒、Ｔ８＝２秒、及びＴ９＝２秒。
【００１８】
図示される実施形態では、Ｔ０〜Ｔ４（ケイ素が増加する期間）において層２０１の部分の蒸着に用いられる窒素／ケイ素比（Ａ，Ｂ，Ｃ，及びＤ）は、Ｔ５〜Ｔ９（ケイ素が減少する期間）において層２０１の部分の蒸着に用いられる窒素／ケイ素比（Ｄ，Ｃ，Ｂ，及びＡ）と同一である。別の一実施形態において、ケイ素が増加する期間に用いられる窒素／ケイ素比は、ケイ素が減少する期間に用いられる窒素／ケイ素比と異なっていてもよい。例えば、層２０１の頂部の蒸着に用いられる窒素／ケイ素比は、層２０１に底部の蒸着に用いられる窒素／ケイ素比と異なっていてもよい。別の一実施形態において、より多数の窒素／ケイ素比のステップ（例、Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅ，Ｆ，及びＧ）を含む場合、ガス比のステップ数は増加し得る。更に、ガス比のステップ数は、ケイ素の増加期間と減少期間とで異なっていてもよい。例えば、蒸着プロセスはＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅ，Ｄ，Ａの比の連続を含み得る。また別の実施形態にて、各ガス比がチャンバ又は炉に対して適用される時間（例、Ｔ４からＴ５）は、異なる実施形態にて変動し得る。また別の実施形態にて、ＡＲＣ層の頂部は、ケイ素減少部分を有さなくてもよい。
【００１９】
図６に示されたプロセスの詳細を説明した上記の例において、層２０１の屈折率（ｎ）は、波長２４８ｎｍにおいて２．４４である。層２０１の屈折率は、窒素／ケイ素比と、層２０１の厚さとを変動することによって変更され得る。反射率は、Ｔ４〜Ｔ５の時間を延長することにより増大され、Ｔ０〜Ｔ１と、Ｔ８〜Ｔ９との時間を短縮することにより減少され得る。
【００２０】
別の実施形態において、窒素／ケイ素比を連続的に減少、又は増大させるように蒸着装置を構成してもよい（例、図６のグラフが「Ｖ」又は「Ｕ」字状に出現するように）。
図７は、図６に示したプロセスの詳細に従って形成されたＡＲＣ層のケイ素含有率を示すグラフである。図７に示すように、ケイ素含有率はＡＲＣ層２０１の底部と頂部とにおいて最も低く、期間Ｔ４〜Ｔ５（図６参照）にて蒸着される中間部７０５において最も高い。異なるプロセスにより形成されるＡＲＣ層は、異なるケイ素含有率のプロファイルを有し得る。
【００２１】
別の実施形態では、ＡＲＣ層材料中の他の物質を変更することによって、ＡＲＣ層中のケイ素含有率を増大又は減少させ得る。例えば、シリコンオキシナイトライドからなるＡＲＣでは、蒸着中の酸素含有ガスのケイ素含有ガスに対する比を、図６に示した窒素含有ガスのケイ素含有ガスに対する比の変動と同様に変動し得る。従って、ケイ素の酸素に対する比（及び、酸素の窒素に対する比）を、ＡＲＣ層の厚さ方向に増大、又は減少させ得る。また、ＡＲＣ層の底部を形成する際に、（窒素量を一定に保つ一方で）、ケイ素の酸素に対する比を低下させることによって、ＡＲＣ層／金属層の界面におけるシリサイドの形成を減少させる。別の実施形態では、蒸着プロセス中、酸素含有ガスと窒素含有ガスの双方の量を減少、又は増大させて、ＡＲＣ層の厚さ方向においてケイ素のケイ素反応物（酸素及び窒素）に対する含有率を変動させ得る。
【００２２】
図３に、製造中の別の一段階におけるウエハ１０１を示す。ＡＲＣ層２０１を形成した後、ＡＲＣ層２０１上にフォトレジスト層３０１を形成する。ケイ素含有率がＡＲＣ層２０１の頂部にて減少されている実施形態においては、頂部ケイ素含有率が比較的低いことによって、ＡＲＣ層２０１の頂部中のケイ素の、フォトレジスト層３０１との反応（フォトレジスト層３０１への毒の付与）が抑制され得る。
【００２３】
図４に、フォトレジストがパターン化されてパターンが形成され（図示せず）、ＡＲＣ層２０１と金属層１０７とがパターンに従ってエッチングされてゲートスタック４０３が形成された後のウエハ１０１の断面図を示す。
【００２４】
図５に、ＡＲＣ層２０１の残留部分が（例、ドライエッチング、またはウエットエッチングにより）除去されて、ソース５０３、ドレイン５０７、及びトランジスタの側壁５０９が形成された後のウエハ１０１の断面図を示す。
【００２５】
別の一実施形態において、本発明に従ったＡＲＣ層は、相互接続ライン又は他の導電性の金属構造等、他の構造を形成するために使用され得る。例えば、ＡＲＣ層は相互接続構造を形成し得る金属層上に形成される。これら実施形態のいくつかでは、ＡＲＣ層の一部はパターンニング及びエッチング中に除去されずに、最終的に形成された半導体構造の一部として残留する。
【００２６】
本発明の一局面にて、半導体デバイスは、半導体基板と、同基板上の金属層とを備える。半導体デバイスは金属層上の反射防止膜（ＡＲＣ）も備え、同反射防止膜は金属層に隣接する底部と、中間部とを有する。中間部は、底部と比較するとケイ素含有率が大きい。
【００２７】
本発明の別の一局面にて、半導体デバイスを製造する方法は、半導体基板上に金属層を形成する工程と、窒素／ケイ素が第一の比を有する窒素含有ガスとケイ素含有ガスとを、金属層上にて混合する工程を含む方法によって、金属層上にＡＲＣ層を蒸着させる工程とを含む。金属層上にＡＲＣ層を蒸着する方法は、第一の比にて混合した後、窒素／ケイ素が第二の比を有する窒素含有ガスとケイ素含有ガスとを、金属層上にて混合する工程も含む。第一の比は、第二の比と比較して大きい。
【００２８】
本の別の一局面にて、半導体デバイスを形成する方法は、半導体基板上に金属層を形成する工程と、ケイ素／ケイ素反応物が第一の比を有するＡＲＣ層の第一の部分を形成する
工程を含む方法によって、金属層上にＡＲＣ層を蒸着させる工程とを含む。ケイ素反応物は、酸素及び窒素の少なくとも一方からなる。ＡＲＣ層を蒸着させる方法は、第一の部分を形成した後、ケイ素／ケイ素反応物が第二の比を有するＡＲＣ層の第二の部分を形成する工程も含む。第二の比は、第一の比と比較して大きい。
【００２９】
本発明の別の一局面にて、半導体デバイスを製造する方法は、半導体基板上に金属層を形成する工程と、第一のケイ素含有率を有するＡＲＣ層の第一の部分を形成する工程を含む方法によって、金属層上にＡＲＣ層を蒸着させる工程とを含む。ＡＲＣ層を蒸着させる方法は、第一の部分を形成した後、第二のケイ素含有率を有するＡＲＣ層の第二の部分を形成する工程も含む。第二のケイ素含有率は、第一のケイ素含有率と比較して大きい。
【００３０】
本発明の特定の実施形態を図示かつ説明してきたが、本願の教授をもとに本発明と、本発明のより広い概念とから逸脱せずに、更なる変更及び改良を行うことが可能である。従って、添付の特許請求項は、その範囲内において、本発明の正当な精神及び範囲内のものとして、そのような変更及び改良の全てを包含する。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】製造の一段階における本発明による半導体デバイスの一実施形態を示す部分断面図。
【図２】製造の別の一段階における本発明による半導体デバイスの一実施形態を示す部分断面図。
【図３】製造の別の一段階における本発明による半導体デバイスの一実施形態を示す部分断面図。
【図４】製造の別の一段階における本発明による半導体デバイスの一実施形態を示す部分断面図。
【図５】製造の別の一段階における本発明による半導体デバイスの一実施形態を示す部分断面図。
【図６】本発明によるＡＲＣ層を形成するプロセスの詳細を表す一実施形態のグラフ。
【図７】本発明によるＡＲＣ層のケイ素含有率を表すグラフ。
【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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【図６】
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【図７】
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