(57)【要約】      （修正有）【課題】パターン疎密差の影響を受けないハードマスク形成法を提供する。【解決手段】基板１０１上に、第１から第３の膜１１１，１１２，１１３およびレジスト層１１４を形成した後、疎部Ｒ１と密部Ｒ２が存在するパターンを前記レジスト層に形成して前記第３の膜をエッチングする。次に、前記第３の膜及び前記レジスト層をマスクとして、密部Ｒ２内では前記第２の膜が残存するが、疎部Ｒ１内では前記第１の膜が露出するまで、前記第２の膜を除去する。その後ＣXＦYＨZガスを使用して、第５の膜１１５を、疎部Ｒ１内に露出した前記第１の膜上に第１の膜厚Ｔ１で形成し、密部Ｒ２内に残存する前記第２の膜上には膜厚Ｔ１よりも薄い第２の膜厚Ｔ２で形成する。膜厚Ｔ１の前記第５の膜で疎部Ｒ１内に露出した前記第１の膜を保護しながら密部Ｒ２内に残存する前記第２の膜を除去し、最後に、前記第３から第５の膜を除去して前記第２の膜をハードマスクとする。【選択図】図５
2012109395.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に、第１の膜、第２の膜、第３の膜、及び第４の膜を順に形成し、
前記第４の膜をパターニングして、前記基板上に、前記第４の膜のパターンが疎に存在する疎部と、前記第４の膜のパターンが密に存在する密部とを形成し、
前記第４の膜をマスクとして、前記パターン間の前記第３の膜をエッチングし、
前記第３及び第４の膜をマスクとするエッチングにより、前記疎部内では、前記パターン間の前記第２の膜を、前記第１の膜が露出するよう除去すると共に、前記密部内では、前記パターン間の前記第２の膜を、前記第２の膜が残存するよう除去し、
ＣXＦYＨZガス（Ｘ、Ｙ、Ｚは０以上の整数。ただし０＜Ｙ＜２Ｘかつ０≦Ｚ≦４）を使用して、第５の膜を、前記疎部内に露出した前記第１の膜上に第１の膜厚で形成すると共に、前記密部内に残存する前記第２の膜上に、前記第１の膜厚よりも薄い第２の膜厚で形成し、
前記第３から第５の膜をマスクとするエッチングにより、前記密部内の前記パターン間に残存する前記第２の膜を、前記第１の膜が露出するよう除去し、
前記密部内の前記パターン間の前記第２の膜の除去後に、前記疎部内及び前記密部内の前記第４及び第５の膜又は前記第３から第５の膜を除去する、
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項２】
前記第５の膜は、炭素及びフッ素を含有するポリマー膜であることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項３】
前記第４の膜の前記パターンは、前記疎部内及び前記密部内の各々で一定のライン幅及びスペース幅を有するラインパターンであり、
前記疎部内における前記スペース幅は、２００ｎｍ以上であり、
前記密部内における前記スペース幅は、２００ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項４】
前記第３から第５の膜の除去後に、前記第２の膜をマスクとして、前記第１の膜をエッチングし、
前記第１の膜のエッチング後に、前記第２の膜を除去することを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項５】
前記第４及び第５の膜の除去後に、前記第２及び第３の膜をマスクとして、前記第１の膜をエッチングし、
前記第１の膜のエッチング後に、前記第２及び第３の膜を除去することを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項６】
前記第１の膜は、前記基板上に絶縁膜を介して形成された電極材であり、
前記絶縁膜、前記電極材はそれぞれ、前記基板上に、ゲート絶縁膜、ゲート電極を形成するために使用されることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項７】
前記ＣXＦYＨZガスは、Ｃ4Ｆ6ガス、Ｃ5Ｆ8ガス、又はＣＨ3Ｆガスであることを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載のエッチング方法。
【請求項８】
基板上に、第１の膜、第２の膜、第３の膜、及び第４の膜を順に形成し、
前記第４の膜をパターニングして、前記基板上に、前記第４の膜のパターンが疎に存在する疎部と、前記第４の膜のパターンが密に存在する密部とを形成し、
前記第４の膜をマスクとして、前記パターン間の前記第３の膜をエッチングし、前記第３の膜のエッチング後に、前記第４の膜を除去し、
前記第３の膜をマスクとするエッチングにより、前記疎部内では、前記パターン間の前記第２の膜を、前記第１の膜が露出するよう除去すると共に、前記密部内では、前記パターン間の前記第２の膜を、前記第２の膜が残存するよう除去し、
ＣXＦYＨZガス（Ｘ、Ｙ、Ｚは０以上の整数。ただし０＜Ｙ＜２Ｘかつ０≦Ｚ≦４）を使用して、第５の膜を、前記疎部内に露出した前記第１の膜上に第１の膜厚で形成すると共に、前記密部内に残存する前記第２の膜上に、前記第１の膜厚よりも薄い第２の膜厚で形成し、
前記第３及び第５の膜をマスクとするエッチングにより、前記密部内の前記パターン間に残存する前記第２の膜を、前記第１の膜が露出するよう除去し、
前記密部内の前記パターン間の前記第２の膜の除去後に、前記疎部内及び前記密部内の前記第５の膜又は前記第３及び第５の膜を除去する、
ことを特徴とする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、半導体装置の配線形成工程では、シリコン窒化膜やシリコン酸化膜で形成されたハードマスクを用いて配線層をエッチングする手法が主流となっている。ハードマスクは例えば、下地膜である配線層上に、ハードマスク材、レジスト膜を順に形成し、レジスト膜をパターニングし、レジスト膜をマスクとするドライエッチングにより、ハードマスク材をエッチングすることで形成される。当該ドライエッチングは例えば、ＣＨＦ3とＣＦ4とを含むガス系を用いてプラズマを励起させることで行われる。
【０００３】
また近年、半導体装置の微細化、高集積化に伴い、マスクパターンに疎密がある場合であっても、形状制御性よくエッチングを行うことが求められている。しかしながら、上記ガス系の場合、パターンが疎な部分（疎部）と密な部分（密部）との間でエッチング形状に差異が生じる。
【０００４】
上記ガス系によるドライエッチングでは、ＣAＦB（Ａ、Ｂは１以上の整数）で表されるラジカル種がプラズマ中で生成され、これがハードマスク材を構成するシリコン窒化膜やシリコン酸化膜と反応してＳｉＦ4等の反応生成物が気化脱離し、これによりエッチングが促進されることとなる。しかしながら、密部では、パターン間の溝の間隔が狭いため、溝内にラジカル種が入りにくく、ハードマスク材のエッチング速度が遅くなる。一方、疎部では、パターン間の溝の間隔が広いため、溝内にラジカル種が入りやすく、ハードマスク材のエッチング速度が速くなる。
【０００５】
その結果、疎部では、溝内における配線層（下地膜）の削れ量が大きくなり、逆に密部では、溝内における配線層の削れ量が小さくなる。そのため、ハードマスクを用いて配線層をエッチングする際、疎部にて本来エッチングすべきでない基板がエッチングされてしまう、あるいは密部にて本来エッチングして除去すべき配線層が残存してしまうという問題が生じる。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】A. Misaka et al. "Simulation study of micro-loading phenomena in silicon dioxide hole etching", Electron Devices, IEEE Transactions, Volume 44, Issue 5, Page 751-760 (May 1997).
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、マスクパターンに疎密のあるハードマスクを形成する場合において、疎部と密部との間における下地膜の削れ量の差を低減することが可能な半導体装置の製造方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の一の態様の半導体装置の製造方法では、基板上に、第１の膜、第２の膜、第３の膜、及び第４の膜を順に形成する。更に、前記方法では、前記第４の膜をパターニングして、前記基板上に、前記第４の膜のパターンが疎に存在する疎部と、前記第４の膜のパターンが密に存在する密部とを形成する。更に、前記方法では、前記第４の膜をマスクとして、前記パターン間の前記第３の膜をエッチングする。更に、前記方法では、前記第３及び第４の膜をマスクとするエッチングにより、前記疎部内では、前記パターン間の前記第２の膜を、前記第１の膜が露出するよう除去すると共に、前記密部内では、前記パターン間の前記第２の膜を、前記第２の膜が残存するよう除去する。更に、前記方法では、ＣXＦYＨZガス（Ｘ、Ｙ、Ｚは０以上の整数。ただし０＜Ｙ＜２Ｘかつ０≦Ｚ≦４）を使用して、第５の膜を、前記疎部内に露出した前記第１の膜上に第１の膜厚で形成すると共に、前記密部内に残存する前記第２の膜上に、前記第１の膜厚よりも薄い第２の膜厚で形成する。更に、前記方法では、前記第３から第５の膜をマスクとするエッチングにより、前記密部内の前記パターン間に残存する前記第２の膜を、前記第１の膜が露出するよう除去する。更に、前記方法では、前記密部内の前記パターン間の前記第２の膜の除去後に、前記疎部内及び前記密部内の前記第４及び第５の膜又は前記第３から第５の膜を除去する。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の実施形態の半導体装置の製造方法を示す側方断面図(1/9)である。
【図２】本発明の実施形態の半導体装置の製造方法を示す側方断面図(2/9)である。
【図３】本発明の実施形態の半導体装置の製造方法を示す側方断面図(3/9)である。
【図４】本発明の実施形態の半導体装置の製造方法を示す側方断面図(4/9)である。
【図５】本発明の実施形態の半導体装置の製造方法を示す側方断面図(5/9)である。
【図６】本発明の実施形態の半導体装置の製造方法を示す側方断面図(6/9)である。
【図７】本発明の実施形態の半導体装置の製造方法を示す側方断面図(7/9)である。
【図８】本発明の実施形態の半導体装置の製造方法を示す側方断面図(8/9)である。
【図９】本発明の実施形態の半導体装置の製造方法を示す側方断面図(9/9)である。
【図１０】種々のＣXＦYＨZガスのＹ／Ｘの値を示したグラフである。
【図１１】本発明の実施形態の半導体装置の製造方法の適用例について説明するための側方断面図である。
【図１２】ＦリッチなＣXＦYＨZガスにより形成された第５の膜のエッチング抑制作用について説明するための模式的な側方断面図である。
【図１３】ＣリッチなＣXＦYＨZガスにより形成された第５の膜のエッチング抑制作用について説明するための模式的な側方断面図である。
【図１４】本発明の実施形態の半導体装置の製造方法の変形例について説明するための側方断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
本発明の実施形態を、図面に基づいて説明する。
【００１１】
図１〜図９は、本発明の実施形態の半導体装置の製造方法を示す側方断面図である。
【００１２】
本方法ではまず、図１に示すように、基板１０１上に、下地膜であるポリシリコン膜１１１を形成する。ポリシリコン膜１１１は、本発明の第１の膜の例である。ポリシリコン膜１１１の膜厚は、ここでは１５０ｎｍとする。基板１０１は例えば、シリコン基板等の半導体基板である。
【００１３】
次に、図１に示すように、ポリシリコン膜１１１上に、第１のハードマスク材であるシリコン窒化膜１１２と、第２のハードマスク材であるシリコン酸化膜１１３と、レジスト膜１１４とを順に形成する。シリコン窒化膜１１２、シリコン酸化膜１１３、レジスト膜１１４はそれぞれ、本発明の第２の膜、第３の膜、第４の膜の例である。シリコン窒化膜１１２は例えば、減圧化学気相成長法（減圧ＣＶＤ法）により形成される。シリコン窒化膜１１２の膜厚は、ここでは２００ｎｍ程度とする。また、レジスト膜１１４の膜厚は、ここでは１００ｎｍ程度とする。
【００１４】
次に、図２に示すように、リソグラフィによりレジスト膜１１４をパターニングして、基板１０１上に、レジスト膜１１４のパターンが疎に存在する疎部Ｒ1と、レジスト膜１１４のパターンが密に存在する密部Ｒ2とを形成する。
【００１５】
図２では、疎部Ｒ1内のレジスト膜１１４のパターンが、Ｐ1で示され、密部Ｒ2内のレジスト膜１１４のパターンが、Ｐ2で示されている。図２では更に、これらのパターン間の溝のうち、疎部Ｒ1内の溝がＶ1で示され、密部Ｒ2内の溝がＶ2で示されている。
【００１６】
本実施形態では、レジスト膜１１４のパターンは、ライン状の平面形状を有するラインパターンとなっており、疎部Ｒ1内及び密部Ｒ2内の各々で、一定のライン幅及びスペース幅を有している。また、本実施形態では、疎部Ｒ1内及び密部Ｒ2内の各々で、ライン幅とスペース幅が同じ値に設定されている。図２では、疎部Ｒ1内におけるライン幅及びスペース幅が、Ｗ1で示され、密部Ｒ2内におけるライン幅及びスペース幅が、Ｗ2で示されている。
【００１７】
本実施形態では、幅Ｗ1，Ｗ2が、Ｗ1＞Ｗ2の関係を満たすよう設定されており、これにより、領域Ｒ1が疎部、領域Ｒ2が密部となっている。本実施形態では、幅Ｗ1は、２００ｎｍ以上に設定され、幅Ｗ2は、２００ｎｍ以下に設定されている。なお、疎部Ｒ1内及び密部Ｒ2内の各々で、ライン幅とスペース幅は異なる値に設定しても構わない。
【００１８】
また、本実施形態では、密部Ｒ2内のパターンＰ2は、複数本のパターンからなる密集パターンとなっており、互いに平行に形成されている。そして、密部Ｒ2内におけるスペース幅Ｗ2は、図２に示すように、隣接するパターンＰ2間の距離となっている。一方、疎部Ｒ1内のパターンＰ1は、１本のパターンからなる孤立パターンとなっており、密部Ｒ2内のパターンＰ2と平行に形成されている。そして、疎部Ｒ1内におけるスペース幅Ｗ1は、図２に示すように、隣接するパターンＰ1とパターンＰ2との間の距離となっている。
【００１９】
なお、疎部Ｒ1内のパターンＰ1は、密部Ｒ2内のパターンＰ2と同様、複数本のパターンからなる密集パターンとしても構わない。
【００２０】
次に、図３に示すように、レジスト膜１１４をマスクとするドライエッチングにより、溝Ｖ1，Ｖ2内のシリコン酸化膜１１３を除去する。続いて、図４に示すように、レジスト膜１１４及びシリコン酸化膜１１３をマスクとするドライエッチングにより、溝Ｖ1，Ｖ2内のシリコン窒化膜１１２を除去する。これらのドライエッチングのエッチング条件は、次の通りである。
・使用するプラズマ装置：平行平板型反応性プラズマエッチング装置
・使用するエッチングガス（括弧内は流量）：以下のガスを含有する混合ガス
ＣＨＦ3ガス（２２５ｓｃｃｍ）
ＣＦ4ガス（４５ｓｃｃｍ）
Ａｒガス（５３７ｓｃｃｍ）
Ｏ2ガス（２６ｓｃｃｍ）
・ソースパワー：６００Ｗ（１００ＭＨｚ）
・バイアスパワー：３００Ｗ（１３．５６ＭＨｚ）
・圧力：４０ｍＴ
【００２１】
図３及び図４のエッチング時には、プラズマ中で解離され生成されたラジカル種が、溝Ｖ1，Ｖ2内に入り込み、エッチングを促進させる。しかしながら、密部Ｒ2では、スペース幅Ｗ2が狭いため、溝Ｖ2内にラジカル種が入りにくく、シリコン酸化膜１１３やシリコン窒化膜１１２のエッチング速度が遅くなる。一方、疎部Ｒ1では、スペース幅Ｗ1が広いため、溝Ｖ1内にラジカル種が入りやすく、シリコン酸化膜１１３やシリコン窒化膜１１２のエッチング速度が速くなる。
【００２２】
その結果、図３に示すように、溝Ｖ1，Ｖ2内のシリコン酸化膜１１３のエッチングが終了した直後の時点で、溝Ｖ1内では、シリコン窒化膜１１２の削れ量が大きくなり、逆に溝Ｖ2内では、シリコン窒化膜１１２の削れ量が小さくなる。即ち、疎部Ｒ1と密部Ｒ2との間で、シリコン窒化膜１１２の削れ量に差が生じる。この削れ量の差は、図４のエッチングを通じて更に広がる。
【００２３】
そのため、図４のエッチングを、溝Ｖ2がポリシリコン膜１１１に到達するまで行おうとすると、溝Ｖ1内のポリシリコン膜１１１が大きくオーバーエッチングされてしまう。このようなオーバーエッチングは、後述するポリシリコン膜１１１のエッチングの際に、溝Ｖ2内にポリシリコン膜１１１が残存したり、溝Ｖ1内の基板１０１がエッチングされる原因となってしまう。
【００２４】
そこで、本実施形態では、図４のエッチングを、溝Ｖ1がポリシリコン膜１１１に到達するまで行い、図４に示すように、疎部Ｒ1内では、溝Ｖ1内のシリコン窒化膜１１２を、ポリシリコン膜１１１が露出するよう除去すると共に、密部Ｒ2内では、溝Ｖ2内のシリコン窒化膜１１２を、シリコン窒化膜１１２が残存するよう除去する。これにより、本実施形態では、溝Ｖ1内のポリシリコン膜１１１のオーバーエッチングを抑制することが可能となる。溝Ｖ2内に残存するシリコン窒化膜１１２は、後述する図５及び図６の工程にて除去されることとなる。
【００２５】
なお、図４のエッチングは、溝Ｖ1内のポリシリコン膜１１１の削れ量（オーバーエッチング量）が小さくなるよう、溝Ｖ1がポリシリコン膜１１１に到達した直後に終了するようにすることが望ましい。
【００２６】
次に、図５に示すように、疎部Ｒ1上及び密部Ｒ2上に、ＣＦ系ポリマー膜１１５を形成する。ＣＦ系ポリマー膜１１５は、Ｃ（炭素）とＦ（フッ素）を構成元素とするポリマー膜であり、本発明の第５の膜の例である。ＣＦ系ポリマー膜１１５は例えば、フロロカーボン膜である。
【００２７】
ＣＦ系ポリマー膜１１５は、疎部Ｒ1及び密部Ｒ2において、マスク（１１２，１１３，１１４）の上面及び側面と、溝Ｖ1，Ｖ2の底面とに付着している。ただし、疎部Ｒ1内の溝Ｖ1の底面には、マスクの上面と同等の厚さのＣＦ系ポリマー膜１１５が付着している。これに対し、密部Ｒ2内の溝Ｖ2の底面には、マスクの上面に比べ、わずかな厚さのＣＦ系ポリマー膜１１５しか付着していない。
【００２８】
図５では、溝Ｖ1の底面に形成されたＣＦ系ポリマー膜１１５の膜厚が、Ｔ1で示され、溝Ｖ2の底面に形成されたＣＦ系ポリマー膜１１５の膜厚が、Ｔ2で示されている。これらの膜厚Ｔ1，Ｔ2の間には、Ｔ1＞Ｔ2、より詳細には、Ｔ1＞＞Ｔ2の関係が成り立っている。膜厚Ｔ1，Ｔ2はそれぞれ、本発明の第１、第２の膜厚の例である。
【００２９】
このように、ＣＦ系ポリマー膜１１５は、疎部Ｒ1内に露出したポリシリコン膜１１１上に膜厚Ｔ1で形成されると共に、密部Ｒ2内に残存するシリコン窒化膜１１２上に、膜厚Ｔ1よりも薄い膜厚Ｔ2で形成される。本実施形態では、膜厚Ｔ2は、膜厚Ｔ1に比べわずかな厚さとなる。ＣＦ系ポリマー膜１１５がこのような形態で形成される理由については、後述する。
【００３０】
また、本実施形態では、ＣＦ系ポリマー膜１１５は、ＣXＦYＨZガスを使用して形成される。ここで、Ｃ、Ｆ、Ｈはそれぞれ、炭素、フッ素、水素を表す。また、Ｘ、Ｙ、Ｚは０以上の整数であり、ただし、０＜Ｙ＜２Ｘかつ０≦Ｚ≦４の条件を満たすとする。本実施形態で使用可能なＣXＦYＨZガスの例としては、Ｃ4Ｆ6ガス、Ｃ5Ｆ8ガス、ＣＨ3Ｆガス等が挙げられる。
【００３１】
ＣＦ系ポリマー膜１１５は、ドライエッチングを行う際と同様の装置及び条件により形成することが可能である。本実施形態では、次のような条件下でＣＦ系ポリマー膜１１５を形成する。
・使用するプラズマ装置：平行平板型反応性プラズマエッチング装置
・使用するガス（括弧内は流量）：以下のガスを含有する混合ガス
Ｃ4Ｆ6ガス（２０ｓｃｃｍ）
Ａｒガス（４０６ｓｃｃｍ）
Ｏ2ガス（１４ｓｃｃｍ）
・ソースパワー：３００Ｗ（１００ＭＨｚ）
・バイアスパワー：１５００Ｗ（１３．５６ＭＨｚ）
・圧力：２０ｍＴ
【００３２】
このように、本実施形態では、ＣＦ系ポリマー膜１１５が、ＣXＦYＨZガスの例であるＣ4Ｆ6ガスと、Ａｒガスと、Ｏ2ガスとを使用して形成される。なお、上記の混合ガスは、２種類以上のＣXＦYＨZガスを含有していても構わない。
【００３３】
ＣＦ系ポリマー膜１１５の形成時には、図３及び図４のエッチング時と同様、プラズマ中で解離され生成されたラジカル種が、溝Ｖ1，Ｖ2内に入り込み、ＣＦ系ポリマー膜１１５の形成を促進させる。しかしながら、密部Ｒ2では、スペース幅Ｗ2が狭いため、溝Ｖ2内にラジカル種が入りにくく、溝Ｖ2の底面にＣＦ系ポリマー膜１１５が付着しにくい。一方、疎部Ｒ1では、スペース幅Ｗ1が広いため、溝Ｖ1内にラジカル種が入りやすく、溝Ｖ1の底面にＣＦ系ポリマー膜１１５が付着しやすい。
【００３４】
よって、ＣＦ系ポリマー膜１１５は、疎部Ｒ1内に露出したポリシリコン膜１１１上に膜厚Ｔ1で形成されると共に、密部Ｒ2内に残存するシリコン窒化膜１１２上に、膜厚Ｔ1よりも薄い膜厚Ｔ2で形成される。本実施形態では、スペース幅Ｗ1とスペース幅Ｗ2との差が大きく、その結果、膜厚Ｔ2は、膜厚Ｔ1に比べわずかな厚さとなる。
【００３５】
次に、図６に示すように、シリコン酸化膜１１３、レジスト膜１１４、及びＣＦ系ポリマー膜１１５をマスクとするドライエッチングにより、溝Ｖ2内に残存するシリコン窒化膜１１２を、ポリシリコン膜１１１が露出するよう除去する。当該ドライエッチングにおいて、ＣＦ系ポリマー膜１１５は、溝Ｖ1内のポリシリコン膜１１１をエッチングから保護する保護マスクとして機能する。当該ドライエッチングは、図３及び図４のドライエッチングと同じエッチング条件下で行われる。
【００３６】
図６のエッチングが開始される際、溝Ｖ1の底面には、マスク（１１３，１１４，１１５）の上面と同等の厚さのＣＦ系ポリマー膜１１５が付着しているのに対し、溝Ｖ2の底面には、マスクの上面に比べ、わずかな厚さのＣＦ系ポリマー膜１１５しか付着していない（図５参照）。
【００３７】
よって、図６のエッチングが開始されると、溝Ｖ2の底面のＣＦ系ポリマー膜１１５はただちに除去され、溝Ｖ2内にシリコン窒化膜１１２が露出する。その後、図６のエッチングでは、溝Ｖ2内に露出したシリコン窒化膜１１２のエッチングと、溝Ｖ1内に残存するＣＦ系ポリマー膜１１５のエッチングが同時進行することとなる。図６のエッチングは、溝Ｖ2内のシリコン窒化膜１１２が除去され、溝Ｖ2内にポリシリコン膜１１１が露出するまで継続される。
【００３８】
仮に、溝Ｖ2内にＣＦ系ポリマー膜１１５が付着していない状態で図６のエッチングを行うとすると、溝Ｖ2内のシリコン窒化膜１１２のエッチング時には、溝Ｖ1内のポリシリコン膜１１１のオーバーエッチングが同時進行してしまう。このことから、溝Ｖ1内のＣＦ系ポリマー膜１１５には、溝Ｖ1内のポリシリコン膜１１１のオーバーエッチングを抑制し、疎部Ｒ1と密部Ｒ2との間でのポリシリコン膜１１１の削れ量の差を低減する効果があることが解る。
【００３９】
なお、図６のエッチングでは、溝Ｖ2がポリシリコン膜１１１に到達するまで、溝Ｖ1の底面にＣＦ系ポリマー膜１１５が残存していることが望ましい。これにより、溝Ｖ1内のポリシリコン膜１１１のオーバーエッチングの抑制効果を、図６のエッチングの開始から終了まで持続させることが可能となる。このようなＣＦ系ポリマー膜１１５は例えば、図５の工程にて、膜厚Ｔ1を、膜厚Ｔ2に対し十分に厚く設定することで形成可能である。
【００４０】
また、図５の工程にてＣＦ系ポリマー膜１１５を形成する際、ＣＦ系ポリマー膜１１５は、密部Ｒ2内のマスク上のＣＦ系ポリマー膜１１５同士が接触しないよう形成することが望ましい。理由は、これらのＣＦ系ポリマー膜１１５同士が接触すると、溝Ｖ2の開口部がＣＦ系ポリマー膜１１５で塞がれてしまい、図６のエッチングの際に溝Ｖ2内のシリコン窒化膜１１２をエッチングすることが困難になるからである。
【００４１】
次に、図７に示すように、溝Ｖ2内のシリコン窒化膜１１２の除去後に、疎部Ｒ1内及び密部Ｒ2内のシリコン酸化膜１１３、レジスト膜１１４、及びＣＦ系ポリマー膜１１５を除去する。ＣＦ系ポリマー膜１１５は例えば、Ｏ2ガスを使用した処理により除去可能である。同様に、レジスト膜１１４及びシリコン酸化膜１１３は、Ｏ2ガスを使用した処理により除去可能である。図７には、シリコン窒化膜１１２により、ポリシリコン膜１１１のエッチング用のハードマスクが形成された様子が示されている。
【００４２】
次に、図８に示すように、シリコン酸化膜１１３、レジスト膜１１４、及びＣＦ系ポリマー膜１１５の除去後に、シリコン窒化膜１１２をマスクとして、ポリシリコン膜１１１をエッチングする。当該エッチングは例えば、ＲＩＥ（Reactive Ion Etching）により行われる。
【００４３】
次に、図９に示すように、ポリシリコン膜１１１のエッチング後に、シリコン窒化膜１１２を除去する。このようにして、ポリシリコン膜１１１のエッチング加工が完了する。
【００４４】
以上のように、本実施形態では、図４に示すように、シリコン窒化膜１１２のエッチングを、溝Ｖ1がポリシリコン膜１１１に到達するまで行い、疎部Ｒ1内では、溝Ｖ1内のシリコン窒化膜１１２を、ポリシリコン膜１１１が露出するよう除去すると共に、密部Ｒ2内では、溝Ｖ2内のシリコン窒化膜１１２を、シリコン窒化膜１１２が残存するよう除去する。
【００４５】
更には、図５に示すように、ＣXＦYＨZガスを使用して、ＣＦ系ポリマー膜１１５を、溝Ｖ1内に露出したポリシリコン膜１１１上に膜厚Ｔ1で形成すると共に、溝Ｖ2内に残存するシリコン窒化膜１１２上に、膜厚Ｔ1よりも薄い膜厚Ｔ2で形成する。
【００４６】
更には、図６に示すように、シリコン酸化膜１１３、レジスト膜１１４、及びＣＦ系ポリマー膜１１５をマスクとするエッチングにより、溝Ｖ2内に残存するシリコン窒化膜１１２を、ポリシリコン膜１１１が露出するよう除去する。
【００４７】
これにより、本実施形態では、溝Ｖ1内のポリシリコン膜１１１のオーバーエッチングを抑制し、疎部Ｒ1と密部Ｒ2との間でのポリシリコン膜１１１の削れ量の差を低減することが可能となる。よって、本実施形態によれば、ポリシリコン膜１１１を配線層として使用することで、寸法精度の良好な配線パターンを形成することが可能となる。
【００４８】
（ＣXＦYＨZガスの詳細）
以下、図１０を参照して、ＣXＦYＨZガスの詳細について説明する。図１０は、種々のＣXＦYＨZガスのＹ／Ｘの値を示したグラフである。図１０の横軸は、Ｘの値を表し、図１０の縦軸は、Ｙ／Ｘの値を表す。
【００４９】
上述の通り、ＣXＦYＨZガスは、図５の工程にて、ＣＦ系ポリマー膜（第５の膜）１１５を形成するために使用される。ここで、Ｃ、Ｆ、Ｈはそれぞれ、炭素、フッ素、水素を表す。また、Ｘ、Ｙ、Ｚは０以上の整数であり、ただし、０＜Ｙ＜２Ｘかつ０≦Ｚ≦４の条件を満たすとする。
【００５０】
図１０には、０＜Ｙ＜２Ｘかつ０≦Ｚ≦４の条件を満たすＣXＦYＨZガスの例として、Ｃ4Ｆ6ガス、Ｃ5Ｆ8ガス、ＣＨ3Ｆガスが示されている。また、０＜Ｙ＜２Ｘかつ０≦Ｚ≦４の条件を満たさないＣXＦYＨZガスの例として、Ｃ4Ｆ8ガス、ＣＨ2Ｆ2ガス、ＣＨＦ3ガス、ＣＦ4ガスが示されている。
【００５１】
ここで、０＜Ｙ＜２Ｘかつ０≦Ｚ≦４という条件の意義について説明する。
【００５２】
まず、Ｘ＞０という条件から、ＣXＦYＨZガスの構成分子は、Ｃ原子を含有することが解る。Ｃ原子には、ポリシリコン膜、シリコン窒化膜、シリコン酸化膜等の、Ｓｉ（シリコン）原子を含有する膜への付着確率が高いという性質がある。よって、図５の工程に、Ｘ＞０の条件を満たすＣXＦYＨZガスを使用することには、ＣＶＤ等の一般的な成膜方法で第５の膜１１５を形成できるという利点がある。ＣＶＤ等の一般的な成膜方法を採用可能であれば、図５の工程を、図１〜図４の工程を行うチャンバから出さずに実施することが可能となる。
【００５３】
また、Ｙ＞０という条件から、ＣXＦYＨZガスの構成分子は、Ｆ原子を含有することが解る。よって、ＣXＦYＨZガスの例に、Ｃ原子とＦ原子のみを含有するガスは含まれ得るが、ＣＨ4ガスのように、Ｃ原子とＨ原子のみを含有するガスは含まれない。本発明者らによる実験によれば、Ｆ原子を含有しないＣXＦYＨZガスを使用して形成された第５の膜１１５は、Ｆ原子を含有するＣXＦYＨZガスを使用して形成された第５の膜１１５に比べて、膜質が悪いことが解っている。更には、ＣＨ4ガスを使用すると、付着確率が高過ぎるため、チャンバの排管がつまる等の問題が生じることが解っている。そのため、本実施形態では、使用するＣXＦYＨZガスを、Ｙ＞０の条件を満たすものに限定している。
【００５４】
また、本実施形態で使用するＣXＦYＨZガスは、Ｙ＜２Ｘという条件を満たす。以下、Ｙ＜２Ｘを満たすＣXＦYＨZガスを、Ｃ原子の含有量が多いという意味で、ＣリッチなＣXＦYＨZガスと呼ぶ。一方、Ｙ≧２Ｘを満たすＣXＦYＨZガスを、Ｆ原子の含有量が多いという意味で、ＦリッチなＣXＦYＨZガスと呼ぶ。よって、本実施形態で使用するＣXＦYＨZガスは、ＣリッチなＣXＦYＨZガスと言い表すことができる。
【００５５】
上述の通り、Ｃ原子には、シリコン原子を含有する膜への付着確率が高いという性質がある。よって、ＣリッチなＣXＦYＨZガスには、ＦリッチなＣXＦYＨZガスに比べ、第５の膜１１５を、ポリシリコン膜１１１、シリコン窒化膜１１２、及びシリコン酸化膜１１３に付着させやすいという利点がある。よって、ＣリッチなＣXＦYＨZガスを用いて第５の膜１１５を形成すれば、図６のエッチング時に、溝Ｖ1内のポリシリコン膜１１１のオーバーエッチングを効果的に抑制することが可能となる。
【００５６】
このことを、図１２、図１３を参照して詳細に説明する。図１２、図１３はそれぞれ、Ｆリッチ、ＣリッチなＣXＦYＨZガスにより形成された第５の膜１１５のエッチング抑制作用について説明するための模式的な側方断面図である。
【００５７】
図１２及び図１３には、図５の工程にて、溝Ｖ1内のポリシリコン膜１１１上に形成された第５の膜１１５が模式的に示されている。第５の膜１１５として、円で囲まれて描かれたＣ及びＦは、第５の膜１１５を構成するＣ原子及びＦ原子を表す。これらＣ原子及びＦ原子のうち、Ｆ原子は、図１２及び図１３に示すように、ポリシリコン膜１１１等と反応して、ＳｉＦ4となり気化脱離してしまう。これが、Ｆ原子が、Ｃ原子に比べ、シリコン原子を含有する膜への付着確率が低い原因である。
【００５８】
図１２に示すように、ＦリッチなＣXＦYＨZガスにより形成される第５の膜１１５は、比較的多くのＦ原子を含有している。そのため、図１２に示すように、第５の膜１１５が、溝Ｖ1内のポリシリコン膜１１１上に付着しにくい。よって、ＦリッチなＣXＦYＨZガスを使用して第５の膜１１５を形成すると、図６のエッチング時に、溝Ｖ1内のポリシリコン膜１１１のオーバーエッチングを効果的に抑制することができない。
【００５９】
一方、図１３に示すように、ＣリッチなＣXＦYＨZガスにより形成される第５の膜１１５は、比較的多くのＣ原子を含有している。そのため、図１３に示すように、第５の膜１１５が、溝Ｖ1内のポリシリコン膜１１１上に付着しやすい。よって、ＣリッチなＣXＦYＨZガスを使用して第５の膜１１５を形成すれば、図６のエッチング時に、溝Ｖ1内のポリシリコン膜１１１のオーバーエッチングを効果的に抑制することが可能となる。
【００６０】
また、本実施形態で使用するＣXＦYＨZガスは、０≦Ｚ≦４という条件を満たす。Ｚ≧０という条件には、ＣXＦYＨZガスに含まれるＦ原子の割合を減らし、ＣXＦYＨZガスをＣリッチにできるという効果がある。また、Ｚ≦４という条件には、ＣXＦYＨZガスに含まれるＨ原子の割合を抑制し、Ｘの値が大きい場合にＣXＦYＨZガスを概ねＣ原子とＦ原子のみで構成できるという効果がある。
【００６１】
例えば、ＣXＦYＨZ分子が一重結合のみからなる場合、Ｘ、Ｙ、Ｚの間には２Ｘ＋２＝Ｙ＋Ｚの関係が成り立つ。この２Ｘ＋２＝Ｙ＋Ｚという関係と、上述のＹ＜２Ｘという条件とを連立すると、Ｚ＞２（即ちＺ≧３）という条件が導かれる。よって、ＣXＦYＨZ分子が一重結合のみからなる場合、Ｚの値は３又は４に限定されることとなる。
【００６２】
なお、本実施形態で使用するＣXＦYＨZガスは、Ｚ≧０という条件から解るように、Ｈ原子を含有していてもよいし、含有していなくてもよい。また、ＣXＦYＨZ分子は、二重結合や三重結合を含んでいてもよいし、含んでいなくてもよい。
【００６３】
以上のように、本実施形態では、図５の工程にて、０＜Ｙ＜２Ｘかつ０≦Ｚ≦４の条件を満たすＣXＦYＨZガスを使用して、第５の膜（ＣＦ系ポリマー膜）１１５を形成する。これにより、本実施形態では、第５の膜１１５を形成しやすい、膜質の良い第５の膜１１５を形成できる等の利点を享受することが可能となる。更には、図６のエッチング時に、溝Ｖ1内のポリシリコン膜１１１のオーバーエッチングを効果的に抑制することが可能となる。
【００６４】
（ポリシリコン膜１１１の使用方法の例）
図１１は、本発明の実施形態の半導体装置の製造方法の適用例について説明するための側方断面図である。図１１には、図１〜図９に示すポリシリコン膜１１１の使用方法の例が示されている。
【００６５】
図１１(Ａ)は、図１に対応する側方断面図である。本適用例では、図１１(Ａ)に示すように、ポリシリコン膜１１１は、絶縁膜１２１を介して基板１０１上に形成される。絶縁膜１２１は例えば、シリコン酸化膜である。
【００６６】
図１１(Ｂ)は、図９に対応する側方断面図である。本適用例では、図１１(Ｂ)に示すように、基板１０１上に絶縁膜１２１を介して形成されたポリシリコン膜１１１のパターンＰ1，Ｐ2が形成される。
【００６７】
図１１(Ｂ)のパターンＰ1，Ｐ2は、例えば、ＭＯＳＦＥＴとして使用可能である。この場合、図１１(Ｂ)に示す絶縁膜１２１、ポリシリコン膜１１１はそれぞれ、ＭＯＳＦＥＴのゲート絶縁膜、ゲート電極として使用される。
【００６８】
また、図１１(Ｂ)のパターンＰ2は、例えば、ゲート絶縁膜、浮遊ゲート（第１のゲート電極）、ゲート間絶縁膜、及び制御ゲート（第２のゲート電極）を含むメモリセルトランジスタを形成するために使用可能である。この場合、図１１(Ｂ)に示す絶縁膜１２１、ポリシリコン膜１１１はそれぞれ、メモリセルトランジスタのゲート絶縁膜、浮遊ゲートとして使用される。
【００６９】
また、図１１(Ｂ)のパターンＰ1は、例えば、ゲート絶縁膜、及びゲート電極を含む選択トランジスタを形成するために使用可能である。この場合、図１１(Ｂ)に示す絶縁膜１２１は、選択トランジスタのゲート絶縁膜として使用され、図１１(Ｂ)に示すポリシリコン膜１１１は、選択トランジスタのゲート電極の一部として使用される。
【００７０】
より詳細に言うと、選択トランジスタのゲート電極は、基板上に順に形成された第１電極層、ゲート間絶縁膜、及び第２電極層を含んでおり、ゲート間絶縁膜に形成された開口部を通じて、第１電極層と第２電極層とが導通している。図１１(Ｂ)に示すポリシリコン膜１１１は、この第１電極層として使用される。
【００７１】
これらの例では、ポリシリコン膜１１１は、ゲート電極を形成するための電極材として使用されている。しかしながら、ポリシリコン膜１１１の用途は、電極材に限定されるものではなく、例えば、多層配線構造を形成するための配線層として使用しても構わない。また、ポリシリコン膜１１１は、メタル膜、又はポリシリコン膜とメタル膜とを含む積層膜に置き換えても構わない。また、ポリシリコン膜１１１は、半導体膜に置き換えても、導電膜に置き換えても構わない。
【００７２】
また、図１〜図９に示すシリコン窒化膜１１２は、別の絶縁膜（例えばシリコンオキシナイトライド膜）、又はシリコン窒化膜を含む積層絶縁膜に置き換えても構わない。
【００７３】
同様に、図１〜図９に示すシリコン酸化膜１１３は、別の絶縁膜、又はシリコン酸化膜を含む積層絶縁膜に置き換えても構わない。
【００７４】
（ＣＦ系ポリマー膜１１５の形成条件の変形例）
以下、ＣＦ系ポリマー膜１１５の形成条件の変形例を示す。本実施形態では、次のような条件下でＣＦ系ポリマー膜１１５を形成してもよい。
・使用するプラズマ装置：平行平板型反応性プラズマエッチング装置
・使用するガス（括弧内は流量）：以下のガスを含有する混合ガス
Ｃ5Ｆ8ガス（２０ｓｃｃｍ）
Ａｒガス（４００ｓｃｃｍ）
Ｏ2ガス（５ｓｃｃｍ）
・ソースパワー：３００Ｗ（１００ＭＨｚ）
・バイアスパワー：３５００Ｗ（１３．５６ＭＨｚ）
・圧力：２０ｍＴ
【００７５】
このように、本変形例では、ＣＦ系ポリマー膜１１５が、ＣXＦYＨZガスの例であるＣ5Ｆ8ガスと、Ａｒガスと、Ｏ2ガスとを使用して形成される。なお、上記の混合ガスは、２種類以上のＣXＦYＨZガスを含有していても構わない。
【００７６】
（図１〜図９の工程の変形例）
図１４は、本発明の実施形態の半導体装置の製造方法の変形例について説明するための側方断面図である。
【００７７】
図３の工程では、溝Ｖ1，Ｖ2内のシリコン酸化膜１１３の除去後に、レジスト膜１１４を除去しても構わない。この場合、図４の工程では、シリコン酸化膜１１３をマスクとするドライエッチングにより、溝Ｖ1，Ｖ2内のシリコン窒化膜１１２が除去される。また、図５の工程では、ポリシリコン膜１１１、シリコン窒化膜１１２、及びシリコン酸化膜１１３上に、ＣＦ系ポリマー膜１１５が形成される。こうして形成されたＣＦ系ポリマー膜１１５の例が、図１４(Ａ)に示されている。図１４(Ａ)以降の工程は、図６〜図９の工程と同様に実行可能である。
【００７８】
また、図７の工程では、レジスト膜１１４及びＣＦ系ポリマー膜１１５のみを除去し、シリコン窒化膜１１２とシリコン酸化膜１１３とを残存させても構わない。この場合、図８の工程では、シリコン窒化膜１１２及びシリコン酸化膜１１３をマスクとして、ポリシリコン膜１１１がエッチングされる。こうしてエッチングされたポリシリコン膜１１１の例が、図１４(Ｂ)に示されている。図１４(Ｂ)以降の工程は、図９の工程と同様に実行可能である。
【００７９】
なお、図１４(Ａ)の工程を採用する場合、図７の工程では、シリコン酸化膜１１３及びＣＦ系ポリマー膜１１５を除去し、シリコン窒化膜１１２を残存させてもよいし、ＣＦ系ポリマー膜１１５のみを除去し、シリコン窒化膜１１２とシリコン酸化膜１１３とを残存させてもよい。
【００８０】
（本実施形態の効果）
最後に、本実施形態の効果について説明する。
【００８１】
以上のように、本実施形態では、図４に示すように、シリコン窒化膜１１２のエッチングを、溝Ｖ1がポリシリコン膜１１１に到達するまで行い、疎部Ｒ1内では、溝Ｖ1内のシリコン窒化膜１１２を、ポリシリコン膜１１１が露出するよう除去すると共に、密部Ｒ2内では、溝Ｖ2内のシリコン窒化膜１１２を、シリコン窒化膜１１２が残存するよう除去する。
【００８２】
更には、図５に示すように、ＣXＦYＨZガスを使用して、ＣＦ系ポリマー膜１１５を、溝Ｖ1内に露出したポリシリコン膜１１１上に膜厚Ｔ1で形成すると共に、溝Ｖ2内に残存するシリコン窒化膜１１２上に、膜厚Ｔ1よりも薄い膜厚Ｔ2で形成する。
【００８３】
更には、図６に示すように、シリコン酸化膜１１３、レジスト膜１１４、及びＣＦ系ポリマー膜１１５をマスクとするエッチング（シリコン酸化膜１１３及びＣＦ系ポリマー膜１１５をマスクとするエッチングでもよい）により、溝Ｖ2内に残存するシリコン窒化膜１１２を、ポリシリコン膜１１１が露出するよう除去する。
【００８４】
これにより、本実施形態では、溝Ｖ1内のポリシリコン膜１１１のオーバーエッチングを抑制し、疎部Ｒ1と密部Ｒ2との間でのポリシリコン膜１１１の削れ量の差を低減することが可能となる。
【００８５】
また、本実施形態では、図５の工程にて、０＜Ｙ＜２Ｘかつ０≦Ｚ≦４の条件を満たすＣXＦYＨZガスを使用して、ＣＦ系ポリマー膜１１５を形成する。これにより、本実施形態では、図６のエッチング時に、溝Ｖ1内のポリシリコン膜１１１のオーバーエッチングを効果的に抑制することが可能となる。更には、第５の膜１１５を形成しやすい、膜質の良い第５の膜１１５を形成できる等の利点を享受することが可能となる。
【００８６】
以上、本発明の具体的な態様の例を、本発明の実施形態により説明したが、本発明は、当該実施形態に限定されるものではない。
【符号の説明】
【００８７】
１０１  基板
１１１  ポリシリコン膜（第１の膜）
１１２  シリコン窒化膜（第２の膜）
１１３  シリコン酸化膜（第３の膜）
１１４  レジスト膜（第４の膜）
１１５  ＣＦ系ポリマー膜（第５の膜）
１２１  絶縁膜
【図１】
2012109395.tif 000003
【図２】
2012109395.tif 000004
【図３】
2012109395.tif 000005
【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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