(57)【要約】【課題】実施形態によれば、芯材除去後の側壁材の倒れを防ぐ半導体装置の製造方法を提供する。【解決手段】実施形態によれば、半導体装置の製造方法は、上端と下端との間にくびれた部分を有する芯材２０を、下地層上に形成する工程を備えている。また、半導体装置の製造方法は、芯材２０の側壁に、芯材２０とは異なる材料の側壁材１６を形成する工程を備えている。また、半導体装置の製造方法は、芯材２０を除去して、側壁材１６を下地層上に残す工程を備えている。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
上端と下端との間にくびれた部分を有する芯材を、下地層上に形成する工程と、
前記芯材の側壁に、前記芯材とは異なる材料であって、前記芯材の高さ方向に圧縮する圧縮応力を有する側壁材を形成する工程と、
前記芯材を除去して、前記側壁材を前記下地層上に残す工程と、
を備え、
前記芯材を形成する工程は、
前記下地層上で芯材膜のパターンをスリミングすると共に、上端と下端との間がくびれた形状にする工程を有し、
前記芯材の前記側壁における前記上端と前記下端とを結ぶ方向の長さは、前記芯材の高さよりも大きく、
前記側壁材を前記芯材の前記側壁に形成している途中または形成した後に、前記側壁材の少なくとも一部が前記側壁から剥離し、前記側壁材と前記側壁との間に空隙が形成されることを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項２】
上端と下端との間にくびれた部分を有する芯材を、下地層上に形成する工程と、
前記芯材の側壁に、前記芯材とは異なる材料の側壁材を形成する工程と、
前記芯材を除去して、前記側壁材を前記下地層上に残す工程と、
を備えたことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項３】
前記芯材の前記側壁における前記上端と前記下端とを結ぶ方向の長さは、前記芯材の高さよりも大きいことを特徴とする請求項２記載の半導体装置の製造方法。
【請求項４】
前記側壁材を前記芯材の前記側壁に形成している途中または形成した後に、前記側壁材の少なくとも一部が前記側壁から剥離し、前記側壁材と前記側壁との間に空隙が形成されることを特徴とする請求項２または３に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項５】
前記側壁材は、前記芯材の高さ方向に圧縮する圧縮応力を有することを特徴とする請求項２〜４のいずれか１つ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】
近年のデバイスの微細化の進展は、リソグラフィの解像限界を超えた微細化を要求してきている。リソグラフィの限界を超えるパターンの微細化を実現するための技術の一つとして、いわゆる側壁転写法が提案されている。
【０００３】
側壁転写法では、被加工膜上に芯材を形成した後、その芯材の側壁に別の材料からなる側壁材を形成する。その後、芯材を除去し、残された側壁材をマスクにして被加工膜を加工する。
【０００４】
側壁転写法では、芯材を除去した後、側壁材の残留応力により、側壁材が倒れてしまう問題が提起されている。今後、さらなるパターンの微細化が進み、側壁材がさらに細くなると、小さな残留応力でも側壁材は倒れやすくなる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００９−２９５７８５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
実施形態によれば、芯材除去後の側壁材の倒れを防ぐ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】
【０００７】
実施形態によれば、半導体装置の製造方法は、上端と下端との間にくびれた部分を有する芯材を、下地層上に形成する工程を備えている。また、半導体装置の製造方法は、前記芯材の側壁に、前記芯材とは異なる材料の側壁材を形成する工程を備えている。また、半導体装置の製造方法は、前記芯材を除去して、前記側壁材を前記下地層上に残す工程を備えている。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】実施形態の半導体装置の製造方法を示す模式断面図。
【図２】実施形態の半導体装置の製造方法を示す模式断面図。
【図３】実施形態の半導体装置の製造方法を示す模式断面図。
【図４】実施形態の半導体装置の製造方法を示す模式断面図。
【図５】（ａ）は実施形態における芯材の他の形状を示す模式断面図であり、（ｂ）は比較例の芯材の形状を示す模式断面図。
【図６】実施形態の半導体装置の製造方法を示す模式平面図。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、図面を参照し、実施形態について説明する。なお、各図面中、同じ要素には同じ符号を付している。
【００１０】
実施形態の半導体装置の製造方法は、下地層を所望のパターン（例えばラインアンドスペースパターン、島状パターンなど）に加工する工程を有する。図１（ａ）〜図３（ｂ）は、そのパターン形成工程を示す模式断面図である。
【００１１】
図１（ａ）に示すように、下地層１０は、例えば、基板１１とその上に形成された被加工膜１２とを含む。被加工膜１２上には、芯材膜１３が形成される。
【００１２】
芯材膜１３として、例えば、カーボン膜、シリコン酸化膜、ＴＥＯＳ（tetraethoxysilane）膜、アモルファスシリコン膜、シリコン窒化膜などを用いることができる。これらは、例えば、ＣＶＤ（chemical vapor deposition）法、塗布法などで形成することができる。
【００１３】
芯材膜１３上には、マスク１４として、例えばシリコン酸化膜が形成される。あるいは、芯材膜１３にシリコン酸化膜やＴＥＯＳ膜を使った場合には、マスク１４にはシリコン酸化膜以外の材料が用いられる。
【００１４】
マスク１４上にはレジスト１５が形成され、その後レジスト１５はリソグラフィによりパターニングされる。レジスト１５は、例えばラインアンドスペースパターンにパターニングされる。なお、マスク１４とレジスト１５との間には、リソグラフィにおける露光光の反射を抑える反射防止膜が必要に応じて形成される。
【００１５】
次に、パターニングされたレジスト１５をマスクにして、マスク１４を例えばドライエッチングし、図１（ｂ）に示すように、マスク１４をパターニングする。さらに、パターニングされたマスク１４をマスクにして、芯材膜１３を例えばドライエッチングする。これにより、図１（ｃ）に示すように、例えばフィン状の複数の芯材膜１３のパターンが被加工膜１２上に選択的に残される。
【００１６】
また、芯材膜１３は、上記エッチングによってパターニングされると共に、図２（ａ）に示すように、スリミングもされる。あるいは、パターニング後に、別の処理としてドライエッチングまたはウェットエッチングをして、フィン状の芯材膜１３をスリミングし、図２（ａ）に示す芯材２０を形成してもよい。すなわち、芯材膜１３を、そのパターニング時に所望のサイズにスリミングしてもよいし、パターニング後に別の処理で所望のサイズにスリミングしてもよい。あるいは、芯材膜１３を、パターニング時にスリミングし、且つパターニング後の処理でさらにスリミングする２段階のスリミング処理で所望のサイズにしてもよい。
【００１７】
図４（ａ）に、芯材膜１３のパターンをスリミングして得られた芯材２０の１つを抽出して表す。
【００１８】
芯材２０は、上端及び下端よりも幅の細いくびれた部分を上端と下端との間に有する。例えば、図４（ａ）に示す芯材２０では、側壁の高さ方向の中間部分がへこむように、側壁が湾曲している。したがって、芯材２０の側壁における上端と下端とを結ぶ方向の長さａは、芯材２０の高さｈよりも大きい。
【００１９】
このような芯材２０のくびれた形状は、スリミング途中に形成される。あるいは、スリミングが終わった後に、スリミングとは別の処理によって、芯材２０にくびれた形状を形成してもよい。図１（ｃ）に示すスリミング前の芯材膜１３上に残っているマスク１４を、スリミング時や、くびれた形状にする処理時のマスクに用いることができる。
【００２０】
例えば、エッチング中に芯材２０の側壁に堆積物を生じさせる種類のガスの量を比較的少なめにした条件、もしくはそのガスを使わない条件で、等方的なドライエッチングをすると、芯材２０の側壁に対するエッチングが促進され、図４（ａ）に示すような側壁が湾曲したくびれ形状になりやすい。
【００２１】
例えば、酸素を含むガスを処理室内に導入してプラズマ化させ、これにより発生した酸素ラジカルによる化学的作用を主に利用してエッチングすることで、等方性のエッチングをすることができる。このプラズマエッチングにおいて、基板１１側に印加するバイアスは、図１（ｃ）に示す芯材膜１３を加工するときに基板１１側に印加するバイアスよりも低くすることが好ましい。これにより、基板１１側に加速されるイオンの衝撃による異方性のエッチング作用を弱めて、等方的なエッチングを実現できる。
【００２２】
その後、マスク１４を例えばウェットエッチングによって除去する。ここで、図２（ａ）に示すスリミング後の芯材２０間の間隔は、図１（ｃ）に示すスリミング前の芯材膜１３間の間隔よりも拡がる。
【００２３】
次に、図２（ｂ）に示すように、被加工膜１２上に側壁材１６を形成する。側壁材１６は、芯材２０の側壁を隙間なく覆う。また、芯材２０の上面上にも側壁材１６が形成される。側壁材１６は、隣り合う芯材２０間のスペースを完全には埋めず、芯材２０の形状に沿って形成される。
【００２４】
側壁材１６として、例えば、シリコン酸化膜、アモルファスシリコン、シリコン窒化膜を用いることができる。ただし、側壁材１６は、芯材２０とは異なる材料にする。側壁膜１６は、例えばＣＶＤ法で形成することができる。
【００２５】
また、側壁材１６は、材料自体の特性、あるいはその成膜時の条件などによって、芯材２０の高さ方向に圧縮する圧縮応力を持つ。
【００２６】
側壁材１６の成膜工程について、図４（ｂ）〜図４（ｄ）を参照して、さらに詳しく説明する。
【００２７】
図４（ｂ）は、側壁材１６の成膜初期の状態を表す。側壁材１６は、図４（ｂ）において矢印で表すように、芯材２０の高さ方向に縮もうとする圧縮応力を有する。この成膜初期では、側壁材１６の膜厚はまだ薄く、圧縮応力も小さい。
【００２８】
側壁材１６の成膜が進み、図４（ｃ）に示すように、側壁材１６の膜厚が厚くなると、圧縮応力も増大する。
【００２９】
芯材２０の側壁は高さ方向の途中でへこむように湾曲し、芯材２０の側壁の長さａは芯材２０の高さｈよりも大きい。芯材２０の高さｈは、芯材２０の側壁が被加工膜１２の表面に対して垂直な場合の側壁長さに対応する。
【００３０】
そのような芯材２０の湾曲した側壁に形成された側壁材１６は、芯材２０の高さ方向に縮もうとする圧縮応力により、自身をより低く（短く）する状態になろうとし、すなわち被加工膜１２の表面に対して垂直になろうとする。これは、側壁材１６を芯材２０の側壁に形成している途中または形成した後に、湾曲した芯材２０の側壁からの側壁材１６の剥離を生じさせる。
【００３１】
芯材２０の側壁にへこんだ部分があることで、側壁材１６が芯材２０の側壁から剥離すると、図４（ｄ）に示すように、側壁材１６と、芯材２０の側壁との間に空隙５０が生じる。本発明者等が実験したところ、特に芯材１６の下端付近に空隙５０ができやすいことを確認できた。
【００３２】
少なくとも側壁材１６の一部が、芯材２０の側壁から剥離することで、側壁材１６の残留応力が緩和される。これにより、後述する工程で芯材２０を除去した後の側壁材１６の倒れを防ぐことができる。
【００３３】
ここで、図５（ｂ）は、比較例の芯材１００を表す。この芯材１００は上端から下端にいたるまでほぼ同じ幅で形成され、くびれがない。芯材１００の側壁は、被加工膜１２の表面に対して垂直である。したがって、芯材１００の側壁の上端と下端とを結ぶ方向の長さは、芯材１００の高さｈと同じである。
【００３４】
この芯材１００の側壁に、高さ方向に縮もうとする圧縮応力を有する側壁材１６を形成すると、側壁材１６は芯材１００の側壁に沿って縮もうとする。しかし、側壁材１６が縮もうとする方向と、芯材１００の側壁が高さ方向に延びている方向とが同じであるため、側壁材１６が芯材１００の側壁から剥離する力が生じにくい。
【００３５】
側壁にへこんだ部分が生じるように芯材がくびれていると、芯材の高さ方向に圧縮応力を持つ側壁材１６を芯材の側壁から剥離させて、側壁材１６の応力を緩和させることができる。
【００３６】
そのような芯材の形状の一例として、前述した図４（ａ）に示す芯材２０が挙げられる。芯材２０の側壁はへこむように湾曲している。
【００３７】
あるいは、図５（ａ）に示すように、芯材２１における上部２１ａと下部２１ｂとの間のくびれた部分の幅が、上端よりは細く下端とは略同じとされた形状でもよい。この芯材２１は、側壁が逆テーパ状の上部２１ａと、その上部２１ａの下に設けられ、側壁が被加工膜１２の表面に対してほぼ垂直な下部２１ｂとを有し、上部２１ａと下部２１ｂとの間がくびれている。
【００３８】
この芯材２１の側壁の上端と下端とを結ぶ方向の長さ（ｂ＋ｃ）は、芯材２１の高さｈよりも大きい。その側壁に形成された側壁材１６は、芯材２１の高さ方向に縮もうとする圧縮応力により、自身をより低く（短く）する状態になろうとし、図４（ｄ）に示す場合と同様に、芯材２１のくびれた形状の側壁からの側壁材１６の剥離を生じさせる。側壁材１６が芯材２１の側壁から剥離することで、側壁材１６の残留応力が緩和され、後の工程で芯材２１を除去した後の側壁材１６の倒れを防ぐことができる。
【００３９】
例えば、エッチングガスに、芯材２１の側壁に堆積物を生じさせる種類のガスを含有させることで、芯材２１の側壁を図５（ａ）に示す形状にしやすい。さらに、基板１１側に印加するバイアスを、前述した図４（ａ）に示す形状にする等方性エッチングのときよりも高くして、イオン衝撃による作用を強める。これにより、芯材２１上に形成されたマスクをイオンが叩き、そのマスク材が保護膜として、特にマスクに近い上部２１ａの側壁に付着する。その保護膜によって、上部２１ａの側壁のエッチングが、下部２１ｂに比べて抑制され、図５（ａ）に示す形状が形成されやすくなる。
【００４０】
図２（ｂ）の工程で側壁材１６を形成した後、側壁材１６を例えばエッチバックする。これにより、図２（ｃ）に示すように、芯材２０の上面及び被加工膜１２の表面が露出される。側壁材１６は、芯材２０の側壁に残る。
【００４１】
その後、図３（ａ）に示すように、芯材２０を例えばアッシングにより除去する。これにより、被加工膜１２上に側壁材１６が残される。図６（ａ）の上面図に示すように、側壁材１６は、芯材２０が除去されたスペース４０を閉ループ状に囲んでいる。
【００４２】
この後、図６（ｂ）に示すように、側壁材１６における長手方向の端部１６ａ以外の領域をマスク７０で覆って、端部１６ａをエッチングにより除去する。
【００４３】
これにより、図６（ｃ）に示すように、上面視でラインアンドスペースパターンの側壁材１６のパターンが得られる。側壁材１６間のピッチは、図１（ａ）に示すレジスト１５間のピッチよりも小さい。
【００４４】
その後、側壁材１６をマスクにして被加工膜１２をエッチングし、図３（ｂ）に示すように、被加工膜１２をパターニングする。側壁材１６をマスクにして加工される被加工膜１２間のピッチも、図１（ａ）に示すレジスト１５間のピッチよりも小さい。すなわち、リソグラフィの解像限界を超えた微細パターンが得られる。
【００４５】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００４６】
１０…下地層、１１…基板、１２…被加工膜、１３…芯材膜、１４…マスク、１５…レジスト、１６…側壁材、２０，２１…芯材、５０…空隙
【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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