(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体技術における微細ピッチの製造方法であって、
互いに等間隔、かつ平行に延びて配置される、同一構造の側壁および同一の横寸法を有する複数の細片様構造が形成されているパターン層を主面に有する基板を準備した後に、上記パターン層の上に第１のスペーサ層を塗布し、塗布後に、上記第１のスペーサ層を異方性エッチングして上記パターン層の側壁に第１のスペーサを形成する工程（Ａ）であって、隣り合う２つの上記パターン層の間に形成された第１のスペーサ同士の距離が、上記パターン層の横寸法の２分の１未満となるように、上記パターン層及び上記第１のスペーサを形成する工程（Ａ）と、
上記第１のスペーサを残すように、上記パターン層を除去する工程（Ｂ）と、
上記パターン層を除去した後に、上記第１のスペーサを覆うように第２のスペーサ層を塗布する工程（Ｃ）であって、もともと上記パターン層を形成していなかった箇所において隣り合っている２つの第１のスペーサの間を、上記第２のスペーサ層によって完全に充填する工程（Ｃ）と、
上記第２のスペーサ層を異方性エッチングして、上記第１のスペーサの側壁に第２のスペーサを形成する工程（Ｄ）であって、上記工程（Ｃ）において除去される前に上記パターン層が在った箇所では、隣り合っている２つの第１のスペーサにおける、該箇所の側に対向している側壁にそれぞれ設けられた該第２のスペーサ同士の間に空隙が残るように第２のスペーサ層が異方性エッチングされ、一方、もともと上記パターン層が存在していなかった箇所において隣り合っている２つの第１のスペーサの間に充填された上記第２のスペーサ層は、該第１のスペーサ同士の距離と等しい横寸法をもつ上記第２のスペーサとなる工程（Ｄ）と、
上記空隙に補充層を充填する工程（Ｅ）と、
上記補充層を充填した後に、上記第１のスペーサ、上記第２のスペーサ、および上記補充層の上端を除去することによって、上記第１のスペーサと、上記第２のスペーサと、上記補充層との上部表面を平坦にする工程（Ｆ）と、
上記第１のスペーサと、上記第２のスペーサと、上記補充層と、上記第１のスペーサ及び第２のスペーサと、上記第１のスペーサ及び補充層と、第２のスペーサ及び補充層とからなる群から選択される少なくとも１つを除去する工程（Ｇ）と、を含むことを特徴とする製造方法。
【請求項２】
隣り合う２つの上記補充層の間には、３つの上記第２のスペーサが、第２のスペーサと第２のスペーサとの間に上記第１のスペーサを挟むようにして設けられていることを特徴とする請求項１に記載の製造方法。
【請求項３】
第２のスペーサ及び補充層と、第１のスペーサ及び補充層と、第１のスペーサ及び第２のスペーサと、第２のスペーサと、第１のスペーサとからなる群から選択された少なくとも１つの層をマスクとして利用して、上記パターン層の下部において別の層または別の連続層をエッチングすることを特徴とする請求項１または２に記載の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【発明の詳細な説明】
【０００１】
〔技術分野〕
本発明は、半導体装置の周期的な構造またはパターンの製造方法に関する。
【０００２】
〔本発明の背景〕
半導体メモリのような特定の種類の半導体装置では、少なくとも一次元において、構造素子もしくはパターン化された層が周期的に設けられている。例えばワード線およびビット線は、その多くが各々平行に延びた直線状に配されており、その線幅や、隣接している線と線との間の距離が装置全体において一定となっている。上記のような線の並びは周期的であって、その寸法は最小であることが好ましい。最小にすることによって、領域が最小のメモリセルアレイを実現することができる。線の寸法および、線と線との間の寸法は、周期的に並んだ方向に連続している。これら周期のうちの１つの長さは、パターンのピッチと呼ばれる。
【０００３】
ピッチの長さは、周期パターンを構築するために利用される製造技術によって制限される。この制限の一部は、構築プロセスにおいて導入されるマスク技術によるものである。マスクを用いた一般的なエッチングプロセスでは、得られる寸法に下限がある。一方、デバイスをさらに微細化するためには、ピッチをより微細化することができる製造方法を整える必要がある。これらの方法は、製造される構造が、デバイスの性能要求に適った十分な精密さを有している場合にのみ利用することができる。
〔特許文献１〕ＵＳ６，０６３，６８８
〔特許文献２〕ＵＳ５，２９６，４１０
〔特許文献３〕ＵＳ６，４１０，３８７
【０００４】
〔本発明の概要〕
一形態では、本発明は、従来よりも小さいピッチを有した半導体デバイスにおいて周期パターンを形成する方法に関する。
【０００５】
本発明はさらに、標準的な半導体技術に基づいた工程を用いてピッチを微細化することを目的とする。
【０００６】
本発明は、従来技術に代えて、周期パターンをより小さくして、素子をより狭小にするための反復スペーサ技術（repeated spacer technology）を用いる。これによってピッチを微細化することができる。すなわち本発明に係る方法は、互いに等間隔、かつ平行に延びて配置される、同一構造の側壁および同一の横寸法を有する複数の細片様構造が形成されているパターン層を主面に有する基板を準備する工程と、上記細片様構造及びパターン層の上に、第１のスペーサ層を塗布する工程と、上記第１のスペーサ層を異方性エッチングして、上記細片様構造の側壁に第１のスペーサを形成する工程と、主な側壁を２つ有する上記第１のスペーサを残すように、上記パターン層を除去する工程と、上記パターン層を除去した後に、上記第１のスペーサを覆うように第２のスペーサ層を塗布する工程と、上記第２のスペーサ層を異方性エッチングして、上記第１のスペーサの上記側壁に第２のスペーサを形成する工程であって、隣り合う２つの第１のスペーサにおける対向する側壁にそれぞれ設けられた該第２のスペーサ同士の間に空隙が残るように、第２のスペーサ層が異方性エッチングされる工程と、上記空隙に補充層（complementary layer ）を充填する工程と、上記補充層を充填した後に、上記第１のスペーサと、上記第２のスペーサと、上記補充層との上部表面を平坦にする工程と、上記第１のスペーサと、上記第２のスペーサと、上記補充層と、上記第１のスペーサ及び第２のスペーサと、上記第１のスペーサ及び補充層と、第２のスペーサ及び補充層とからなる群から選択される少なくとも１つを除去する工程と、を含むことを特徴としている。
【０００７】
本発明の上記および上記以外の目的、特徴、および利点は、以下の図面の簡単な説明、詳細な説明、特許請求の範囲、および添付図面から明らかとなるであろう。
【０００８】
本発明およびその利点をより完全に理解するために、添付図面と共に以下の説明を参照されたい。添付図面は以下の通りである。
【０００９】
図１は、本発明に係る方法の第１形態において第１の中間構造体として得られる構造の断面図である。
【００１０】
図２は、図１に示す中間構造体に更にスペーサ層を塗布した後の中間構造体の構造の断面図である。
【００１１】
図３は、図２に示す中間構造体において、スペーサを形成した後の構造を示す断面図である。
【００１２】
図４は、図３に示す中間構造体に第２のスペーサ層を塗布した後の構造を示す断面図である。
【００１３】
図５は、図４に示す中間構造体に第２のスペーサを形成した後、および補充層を塗布した後の構造を示す断面図である。
【００１４】
図６は、図５に示す中間構造体に対して平坦化工程を行った後の構造を示す断面図である。
【００１５】
図７は、図６に示す中間構造体に対して、ハーフピッチの周期パターンを形成するために上記スペーサを除去した後の構造を示す断面図である。
【００１６】
図８は、本発明に係る方法の他の形態によって得られる中間構造体の構造を示しており、図６に示した構造体とは横寸法が異なっている構造を示す断面図である。
【００１７】
図９は、図７に示す構造において、図８の中間構造体から得られる構造を示す断面図である。
【００１８】
図１０は、図２に示した中間構造体の別の実施形態の構造を示した断面図であり、図２に示した構造体とは横寸法が異なっている。
【００１９】
図１１は、図１０に示す構造に第２のスペーサ層を塗布した後に得られる中間構造体を示す断面図である。
【００２０】
図１２は、図１１に示す構造において第２のスペーサ層を形成した後、および補充層を塗布した後の構造を示す断面図である。
【００２１】
図１３は、図７に示す構造において、図１２に沿った中間構造体から得られる構造を示す図である。
【００２２】
図１４は、図１３に示す構造において、図１２の中間構造体から得られる更なる構造を示す断面図である。
【００２３】
図１５は、本発明に係る方法の他の形態によって得られる中間構造体の断面図である。
【００２４】
図１は、本発明に係る方法の第１形態に基づいて得られる第１の中間構造体の断面図を示している。図１の中間構造体では、基板１の主面上にパターン層２が塗布されている。尚、基板１には別の材料の層または半導体装置構造をさらに有しているが、これについては、以下に説明する本発明による方法にとって必須ではないため、図１には詳細に示さない。パターン層２には、個々に独立した細片様構造が設けられている。これら細片様構造は、互いに平行に延びている。該細片様構造は、ハードマスク３を用いて形成することができる。ハードマスク３は、フォトレジスト層を塗布する工程を含むフォトリソグラフィ工程によって形成可能であり、例えば窒化物から構成することが可能である。パターン層２の細片様構造は、側壁を有しており、該側壁は上記基板の主面に対して垂直であることが理想的である。細片様構造の横寸法、すなわち幅は、全体を通して同じである。隣接した２つの細片様構造間の距離もまた、全体にわたって同じである。従って、パターン層２は周期的な構造を有しているといえる。この周期はそれぞれ、１つの細片様構造と、隣接した２つの細変様構造間にできる１つの空隙とから構成されている。また、該周期の長さは、パターンのオリジナルピッチ１０として図１に示されている。言うまでもなく、周期性を表している区域は、図１に示す矢印のいずれの方向にも移動させることができるが、しかし周期の長さは一定であり、これがパターンのピッチを規定している。ハードマスク３は、続くプロセス工程が行われる前に除去されることが好ましい。
【００２５】
図２は、第１のスペーサ層４をコンフォーマルに塗布した後に得られる更なる中間構造体の断面図を示している。第１のスペーサ層４の材料は、電気的に絶縁するものであってよく、あるいは電気的に導電性のものであってもよく、パターン層２の材料とは異なる材料が選択することができる。これにより、第１のスペーサ層４からパターン層２を選択的に除去することができる。第１のスペーサ層４から形成される第１のスペーサ５の形状は、図２において破線で示されている。第１のスペーサ５は、基板１の主面に対して垂直な方向に第１のスペーサ層４を薄くする異方性エッチング工程によって形成することができる。このプロセスは、パターン層２上の第１のスペーサ層４の材料と、のちに第１のスペーサ５となる箇所に挟まれた第１のスペーサ層４の材料とが完全に除去されるまで続けられる。そして、パターン層２が除去される。
【００２６】
図３は、図２で示した構造体においてパターン層２を除去した後の状態を示す断面図である。第１のスペーサ５は基板１上に残留して、新しい周期パターンを形成している。個々の第１のスペーサ５は互いに独立している。図３にもまた、オリジナルピッチ１０が示されている。オリジナルピッチ１０の各周期には、第１のスペーサ５が２つある。図３に示す実施形態では、第１のスペーサ５が等しく隔てられるように、パターン層２の細片様構造の横寸法と、第１のスペーサ５の横寸法または厚さとが設定されている。このようにすれば、オリジナルピッチ１０の半分のピッチを有した新しい周期パターンを得ることができる。
【００２７】
図４は、図３で示した構造体において第２のスペーサ層６を塗布した後の状態を示す断面図である。第２のスペーサ層６は任意の材料であってよく、具体的には例えば下地（liner ）を用いることができる。第２のスペーサ層６もまたコンフォーマルに塗布される。この結果、次に行われる異方性エッチング後に第２のスペーサが残留する。これによって、図５に示すような、第１のスペーサ５と第２のスペーサ７とからなる構造が得られる。
【００２８】
図５は、第２のエッチング工程においてわずかに高さが低くなるように処理された第１のスペーサ５の対向する主要な側壁の双方に、第２のスペーサが設けられた状態を示している。尚、図５にもオリジナルピッチ１０を示している。得られる構造体には、補充層８がスペーサ間の隙間を充填するように形成されている。補充層８の材料は、半導体デバイスの実施形態の必要条件に応じて、そして次に行われる構造化工程に鑑みて選択される。
【００２９】
次に、図５に従った中間構造体の最上表面が平坦化され、好ましくは、図６に示すような一般的な高さまで研磨される。図６は、補充層８、第２のスペーサ７、第１のスペーサ５、第２のスペーサ７などの細片様構造の残留部分が、層の細片を縦に延長した場合これに垂直な方向に周期的に連続している順番を示している。そして、オリジナルピッチの半分の周期パターンを得るために、第１および第２のスペーサが除去される。
【００３０】
図７は、第１および第２のスペーサを除去した後に得られる構造体であって、補充層８の細片様の残留部分のみが残っている状態を示している。尚、前の工程によってピッチが半分になったことを明確にするため、図７にはオリジナルピッチ１０が示されている。
【００３１】
図８は、本発明に係る方法を用いて得られる中間構造体であり、図６に示した構造に相当するが、図６に示した構造とは横寸法が異なっている。ここでは、第１のスペーサの細片様構造と、第２のスペーサと、補充層８の残留部分との横寸法が同じになるように、パターン層２の細片様構造の寸法と、第１のスペーサ５および第２のスペーサ７の厚さとが設定される。尚、これは、少なくとも、補充層８の複数の部分における横寸法と、第１のスペーサ５の複数の部分における横寸法とが同じになれば十分である。これによって、第２のスペーサ７の並んだものと、第１のスペーサ５及び補充層８が交互に並んだものとの両方によって、オリジナルピッチ１０の周期パターンの４分の１の周期パターンを確実に形成している。
【００３２】
図９は、オリジナルピッチ１０の周期パターンの４分の１である中間構造体を示しており、図８の中間構造体から第２のスペーサ７を除去した後の構造である。第２のスペーサ７からなる相補的な周期パターンは、第１のスペーサ５と補充層８の上記部分との両方が除去された場合に生成される。図８に示す中間構造体の内の任意の層を１つ、あるいは組み合わせて除去することによって、様々な別の周期パターンを得ることができる。従って、第１のスペーサ５のみ、第２のスペーサ７のみ、補充層８のみ、第１のスペーサと第２のスペーサとの両方、第１のスペーサと補充層との両方、あるいは第２のスペーサと補充層との両方を除去することによって、異なるパターンが得られる。
【００３３】
図１０は、図２に示した中間構造体の別の実施形態の断面図を示している。図１０に示す実施形態は、図２に示す実施形態とはパターン層２の細片様構造の横寸法が異なっている。この寸法は、互いに向かい合って隣接した２つの細片様構造の側壁に位置している、各２つの第１のスペーサ５間の距離の２倍よりも大きくなるように選択されている。
【００３４】
図１１は、図１０に示した中間構造体において第２のスペーサ層６を塗布した後に得られる更なる中間構造体を示している。第１のスペーサ５間の距離は、第１のスペーサの並びに沿ってにおいて大小交互になっている。第１のスペーサ５間の小さい方の間隔は、第２のスペーサ層６の材料によって完全に充填されている。大きい方の間隔では、コンフォーマルに堆積された第２のスペーサ層６の側壁部分の間に小さな隙間がある。
【００３５】
図１２は、図１１に示した中間構造体において第２のスペーサ層７を形成した後の構造を示した断面図である。第２のスペーサ層６の厚さは、隣接する第２のスペーサ７間の隙間の寸法が第１のスペーサ５と同じになるように選択されていることが好ましい。パターン層２の細片様構造の横寸法もが適切に選択されている場合は、第１のスペーサ５間の狭い間隔内に位置する第２のスペーサ６の残留部分の厚さと、第２のスペーサ層７の厚さとが同じになる。この場合、第２のスペーサ６の全ての残留部分が等間隔で隔てられる。次の平坦化工程では、図１２の平行な破線によって示されている高さまで材料が除去される。この平坦化工程によって、図８に示す構造と同様であるが、比較的厚い第２のスペーサ７を有する構造が提供される。図１１と比較すると、この構造体では、オリジナルピッチ１０のスペース内には第２のスペーサ７が常に３つあるという、第２のスペーサ７の周期パターンを提供していることが示される。従って新しいピッチは、オリジナルピッチの３分の１である。
【００３６】
図１３は、第１のスペーサ５と、補充層８とを除去した後に得られる更なる中間構造体の構造を示している。残留した第２のスペーサ７は全て、幅が同じであると共に、等間隔で隔てられている。
【００３７】
図１４は、第２のスペーサ７が除去されて、第１のスペーサ５と補充層８とが基板１上に残された、相補的な構造を示している。第１のスペーサ５と、補充層８の上記部分とが同じ厚さになるように寸法が調節されているため、図１４に示す構造体の構造は、オリジナルピッチ１０の周期パターンの３分の１を有している。
【００３８】
図１５に示す構造体は、図１３に示した構造体において、第２のスペーサ７のパターンと、基板１との間にデバイス層９をさらに有している。この実施形態では、本方法によって得られる微細化されたオリジナルピッチのパターンをマスクとして用いて、従来よりもピッチが小さい周期パターンに別のデバイス層９を構築できることを示している。この実施形態では、第２のスペーサ７は、ハードマスクに適した材料（例えば窒化ケイ素など）から形成されていることが好ましい。同様に、図７、図９、または図１４に示すパターンだけでなく、本方法によって得られる別の標準的なパターンを別の構築工程においてマスクとして用いることができる。上記の構築工程によって、デバイス層９は小さいピッチで構築される。デバイス層９は、具体的にはゲート誘電体を有したワード線層、特にワード線スタック内に構築されたメモリ層、ポリシリコン層、金属または金属シリサイド層、および電気的絶縁最上層を有したワード線層であってよい。しかし、本方法によるピッチ微細化の応用は、メモリデバイスに限定されるものではない。
【００３９】
本発明およびその利点について詳細な説明してきた。しかし言うまでも無く、請求項によって規定された精神および範囲から逸脱することなく、様々な変更、置き換え、および修正を加えることができる。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本発明に係る方法の第１形態において第１の中間構造体として得られる構造の断面図である。
【図２】図１に示す中間構造体に更にスペーサ層を塗布した後の中間構造体の構造の断面図である。
【図３】図２に示す中間構造体において、スペーサを形成した後の構造を示す断面図である。
【図４】図３に示す中間構造体に第２のスペーサ層を塗布した後の構造を示す断面図である。
【図５】図４に示す中間構造体に第２のスペーサを形成した後、および補充層を塗布した後の構造を示す断面図である。
【図６】図５に示す中間構造体に対して平坦化工程を行った後の構造を示す断面図である。
【図７】図６に示す中間構造体に対して、ハーフピッチの周期パターンを形成するために上記スペーサを除去した後の構造を示す断面図である。
【図８】本発明に係る方法の他の形態によって得られる中間構造体の構造を示しており、図６に示した構造体とは横寸法が異なっている構造を示す断面図である。
【図９】図７に示した構造体の形態に相当し、図８の中間構造体から得られる構造を示す断面図である。
【図１０】図２に示した中間構造体の別の実施形態の構造を示した断面図であり、図２に示した構造体とは横寸法が異なっている。
【図１１】図１０に示した構造体において第２のスペーサ層を塗布した後に得られる更なる中間構造体を示した断面図である。
【図１２】図１１に示す構造において第２のスペーサ層を形成した後、および補充層を塗布した後の構造を示す断面図である。
【図１３】図７に示す構造において、図１２に沿った中間構造体から得られる構造を示す図である。
【図１４】図１３に示す構造において、図１２の中間構造体から得られる更なる構造を示す断面図である。
【図１５】本発明に係る方法の他の形態によって得られる中間構造体の断面図である。
【符号の説明】
【００４１】
１    基板
２    パターン層
３    ハードマスク
４    第１のスペーサ層
５    第１のスペーサ
６    第２のスペーサ層
７    第２のスペーサ
８    補充層
９    デバイス層
１０  オリジナルピッチ
【図１】
0004405484.tif 000002
【図２】
0004405484.tif 000003
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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