(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体装置の製造方法において、
窒化膜からなるスペーサを含むエッチング対象層上にマスク層を形成する工程と、
前記マスク層上にフォトレジストを塗布する工程と、
波長が157nmないし193nmである露光源を利用して、前記フォトレジストを露光する工程と、
前記フォトレジストを現像してフォトレジストパターンを形成する工程と、
前記フォトレジストパターンをエッチングマスクに利用して塩素系エッチングガスで前記マスク層を選択的にエッチングしてマスクパターンを形成する工程と、
前記マスクパターンをエッチングマスクに利用して前記エッチング対象層を選択的にエッチングし、前記スペーサ及び基板を露出させる工程とを含み、
前記マスク層が、ポリシリコン膜、TiN、及びAlからなる群の中から選択されるいずれか１つにより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】
前記露光源はF2レーザまたはArFレーザ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】
前記フォトレジストはCOMA(CycloOlefin-Maleic Anhydride)またはアクリラート(Acrylate)を含む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４】
前記マスクパターンを形成する工程において、塩素系ガス、あるいはHBrを利用して前記マスク層をエッチングす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５】
前記エッチング対象層をエッチングする工程において、フッ素系ガスをエッチング剤として利用す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６】
前記フォトレジストを塗布する工程後、前記フォトレジストを強化させる工程をさらに含む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７】
前記フォトレジストを強化させる工程において、前記フォトレジスト内に電子ビーム(Electron beam)を照射することを特徴とする請求項6に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項８】
前記フォトレジストを強化させる工程において、前記フォトレジスト内にArをイオン注入することを特徴とする請求項6に記載の半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は半導体装置の製造方法に関し、特にArFレーザを光源として利用するフォトレジストパターンをエッチングマスクに利用する半導体装置の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
フォトリソグラフィは半導体工程において多様な物質より基板上にパターンを形成するために用いられる。通常、有機物でポリマーを形成するフォトレジストを対象膜上に塗布し、マスクを利用して、選択的に光を透過させてフォトレジストに光反応を起こし、現像してフォトレジストパターンを形成させる。フォトレジストパターンは主に対象膜をエッチングする工程においてエッチング障壁として用いられる。
【０００３】
DRAM(Dynamic  Random  Access  Memory)を中核とする半導体製品が大量生産されて以来、フォトリソグラフィ技術の開発が飛躍的になされてきた。
【０００４】
フォトリソグラフィエッチング技術は大きい開口数(Numerical  Aperture)のレンズやハードウェア、すなわち開口、アレイメントなどのような露光装置自体の発展はもちろん、CAR(Chemically  Amplified  Resist)タイプのフォトレジストのような材料の開発、そして工程側面においては、TLR(Tri  Layer  Resist)、BLR(Bi-Layer  Resist)、TSI(Top  Surface  Imaging)、ARC(Anti  Reflective  Coating)、マスク面においては、PSM(Phase  Shift  Mask)やOPC(Optical  Proximity  Correction)などの多くの技術開発がなされてきた。
【０００５】
半導体工程におけるフォトリソグラフィエッチング技術は、基板上の多様な物質で回路基板を形成させることを目的として基板などの下地上に感光剤すなわち、フォトレジストという高分子物質を塗布した後、基板の原板の役割をするマスクを利用して光を透過させてフォトレジストに光反応を起こし、それを現像してフォトレジストパターンを形成させ、このフォトレジストパターンをエッチング障壁として基板をエッチングし、最終的に所望のパターンを形成する技術である。
【０００６】
初期の露光装置は、密着露光（コンタクト露光）装置で、基板上に直接マスクを当てて目で合わせた後、露光する方式であった。この技術がさらに発展してマスクと基板との間の隙間を小さくして、解像度を高めたが、隙間の大きさによって軟接触(Soft  contact)と硬接続(Hard  contact)(10μｍ以下)などの近接露光で露光される。
【０００７】
フォトリソグラフィエッチング技術における解像度は、露光源の波長に反比例するが、「ステップ＆リピードアライナ」の露光方式を採択した初期のステッパ(Stepper)で使用した光源の波長は436nm(g線)から365nm(i線)を経て現在は248nm(KrF  Excimer  Laser)波長のDUV(Deep  Ultra-violet、遠紫外線)を利用するステッパやスキャナタイプの露光装置が広く用いられている。
【０００８】
その後、持続的な発展を通じて最近はKrFレーザ(λ=248nm)を光源とする露光装置の開発とフォトレジストの発展、そして、その他の付帯技術の向上により0.15μｍ以下のパターンも可能になった。
【０００９】
現在はArF(フッ化アルゴン)レーザ(λ=193nm)を光源とする装置の0.11μｍ以下のパターンを目標として開発している。DUVリソグラフィエッチング技術は、i線に比べ解像度及びDOF（Depth  Of  Focus）などの性能面において優れているが、工程制御が容易ではない。このような問題は短い波長による光学的な原因と化学増幅型フォトレジストの使用による化学的な原因とに区分できる。波長が短くなれば、定在波効果によるCD(critical  dimension)変動現象が激しくなる。CD変動とは、入射光と反射光の干渉の度合がフォトレジストの微小な厚さの差、または下部膜の厚さの差によって変わることことにより、結果的に線幅が周期的に変わる現象をいう。DUV工程では感度向上のために化学増幅型フォトレジストを用いざるを得ないが、その反応メカニズムと関連してPED(Post  Exposure  Delay)安定性、下地依存性などの問題点が発生する。
【００１０】
ArF露光技術の核心課題の一つは、ArF用フォトレジストの開発である。ArF用フォトレジストはKrFフォトレジストと同様に化学増幅型であるが、材料を根本的に改良する必要がある。しかし、ArF用フォトレジスト材料の開発が難しいのはベンゼン環を使用することができないためである。ベンゼン環はドライエッチング耐性を確保するため、i線及びKrF用フォトレジストに用いられてきた。しかし、ArF用フォトレジストにベンゼン環が用いられる場合、ArFレーザの波長領域である193nmで吸光度が大きいため、透明性が落ちて、フォトレジストの下部まで露光できないという問題が発生する。このため、ベンゼン環を有しないで、ドライエッチング耐性を確保できる材料の研究が進められている。現在まで世界的に多くの会社及び研究所により研究成果が発表されている状態である。しかし、現在ArF用フォトレジストに用いられるフォトレジストとしては、COMA(CycloOlefin-Maleic  Anhydride)、アクリラート(Acrylate)系統のポリマー型、またはこれらの混合型のフォトレジストがあり、前記と同様のベンゼン構造を有している。
【００１１】
したがって、図1Aに示すようにArF露光源を利用したフォトリソグラフィエッチングを通じてコンタクトホールなどの形成工程時、パターンの変形が生じたり、図1Bに示すようにエッチングの途中、フォトレジストパターンが片寄る問題点が発生する。したがって、ArF用フォトレジストの弱い耐性とフッ素系気体における弱い物性的特性を補完することは急務な課題となっている。図1A及び図1Bにおける「A」はフォトレジストパターン、「B」はエッチング領域を示す。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記のような問題点を解決するためになされたものであって、ArFレーザにより露光されたフォトレジストパターンを利用したエッチング過程における前記フォトレジストパターンの変形による問題点を解決することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記の技術的課題を達成するため、本発明のフォトレジストパターンを利用した半導体素子の製造方法は、半導体装置の製造方法において、窒化膜からなるスペーサを含むエッチング対象層上にマスク層を形成する工程と、前記マスク層上にフォトレジストを塗布する工程と、波長が157nmないし193nmである露光源を利用して、前記フォトレジストを露光する工程と、前記フォトレジストを現像してフォトレジストパターンを形成する工程と、前記フォトレジストパターンをエッチングマスクに利用して塩素系エッチングガスで前記マスク層を選択的にエッチングしてマスクパターンを形成する工程と、前記マスクパターンをエッチングマスクに利用して前記エッチング対象層を選択的にエッチングし、前記スペーサ及び基板を露出させる工程とを含み、前記マスク層が、ポリシリコン膜、TiN、及びAlからなる群の中から選択されるいずれか１つにより形成されることを特徴とする。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明にかかる好ましい実施の形態を、添付する図面を参照し詳細に説明する。
【００１５】
図2Aないし図2Eは本発明の第1実施の形態にかかるArFまたはF2レーザビームを光源として利用して形成したフォトレジストパターンをエッチングマスクに利用してコンタクトホールを形成する工程を示す断面図である。
【００１６】
図2Aに示すように隣り合う導電膜パターンの例としてゲート電極11を半導体基板10上に形成し、ゲート電極の上部及び側面にそれぞれハードマスク12及びスペーサ13を形成した後、層間絶縁膜14を形成する。本発明の実施の形態においては、前記ハードマスク12及び前記スペーサ13のそれぞれを窒化膜で形成し、前記層間絶縁膜14はAPL(Advanced  Planarization  Layer)酸化膜、BPSG(Boro  Phospho  Silicate  Glass)、SOG(Spin  On  Glass)、またはHDP(High  Density  Plasma)酸化膜で形成する。
【００１７】
次いで、層間絶縁膜14上にマスク層15を形成する。前記マスク層15は塩素系ガスに対するエッチング率が優れたポリシリコンなどを500Åないし5000Åの厚さに蒸着して形成する。
【００１８】
次に、マスク層15上にフォトレジストを塗布し、ArFまたはF2レーザ光源を利用して露光した後、現像することによってフォトレジストパターン16を形成してマスク層15の所定部分を露出させる。
【００１９】
次いで、図2Bに示すように露出されたマスク層15をCl2、Cl3、BCl3、HCl、またはSiCl4などの塩素系ガス、あるいはHBrで選択的にエッチングして層間絶縁膜14を露出させることによってコンタクトホールの形成領域を定義しつつ、マスクパターン15Aを形成する。このように本発明では波長が157nmないし193nmである露光源、すなわちF2またはArFレーザで露光されて形成されたフォトレジストパターン16が、フッ素系ガスに比べて塩素系ガス対するエッチング耐性に優れているという点を利用して、フォトレジストパターン16をエッチング障壁に利用するエッチング過程において塩素系ガスを利用することによってエッチングに伴うフォトレジストパターン16の変形を最小化できる。
【００２０】
次に、図2Cに示すようにフォトレジストパターン16を除去しない状態で、前記フォトレジストパターン16とマスクパターン15Aをエッチングマスクにして露出された層間絶縁膜14を選択的にエッチングしてゲート電極の間の半導体基板10の表面を露出させるコンタクトホール17を形成する。この場合、エッチング気体としては、CxFy(x、y=1〜10)、CxHyFz(x、y=1〜10)、O2、Coなどのガスまたはこれらの混合ガスを利用する。即ち、前記層間絶縁膜14のエッチングは、前記フォトレジストパターン16が除去されない状態でも実施できる。
【００２１】
次に、フォトレジストパターン16を除去して、図2Dに示すように全体構造上にポリシリコン膜18を形成する。
【００２２】
次に、層間絶縁膜14が露出されるまでポリシリコン膜18及びマスクパターン15Aを化学機械的研磨(Chemical  Mechanical  Polishing;以下、CMPと略す)またはエッチバック(Etch-back)して、図2Eに示すようにポリシリコンプラグ18Aを形成する。
【００２３】
図3Aないし図3Dは本発明の第2実施の形態にかかる波長が157nmないし193nmである露光源、すなわちF2またはArFレーザビームを光源として利用して形成したフォトレジストパターンをエッチングマスクに利用してコンタクトホールを形成する工程を示す断面図である。
【００２４】
図3Aに示すように隣り合う導電膜パターンの例としてゲート電極11を半導体基板10上に形成して、ゲート電極の上部及び側面にそれぞれハードマスク12及びスペーサ13を形成した後、層間絶縁膜14を形成する。本発明の実施の形態においては、前記ハードマスク12及び前記スペーサ13のそれぞれを窒化膜で形成して、前記層間絶縁膜14はAPL(Advanced  Planarization  Layer)酸化膜、BPSG(Boro  Phospho  Silicate  Glass)、SOG(Spin  On  Glass)、またはHDP(High  Density  Plasma)酸化膜で形成する。
【００２５】
次いで、層間絶縁膜14上にマスク層20を形成する。前記マスク層20は500Åないし3000Åの厚さの有機系列の物質で形成する。前記マスク層20は反射防止層としての役割も可能であることを特徴とする。
【００２６】
次に、マスク層20上にフォトレジストを塗布し、ArFまたはF2レーザ光源を利用して露光した後、現像することによってフォトレジストパターン16を形成してマスク層20の所定部分を露出させる。
【００２７】
前記フォトレジストパターン16は、次のような過程によって形成する。すなわち、マスク層20上にCOMAまたはアクリラートなどのArF用フォトレジストを1000Åないし5000Åの厚さとなるように塗布して形成し、フォトレジストパターン16の耐性を強化させるために露光前に電子ビーム(Electron  beam)照射またはArイオン注入(Ion  implantation)の中、いずれか一つの工程を追加的に行うことができる。
【００２８】
次いで、図3Bに示すように基板10の温度を-40〜30℃に保持し、露出されたマスク層20をCl2、SiCl4またはHCl、SiCl4などの中、いずれか一つの塩素系ガスあるいはHBrまたは混合ガスを利用して選択的にエッチングして層間絶縁膜14を露出させることによってコンタクトホールの形成領域を定義しつつ、マスクパターン20Aを形成する。この場合、前記塩素系ガスにN2、Ar、He、Xe、O2を追加できる。
【００２９】
次に図3Cに示すようにフォトレジストパターン16を除去する。
【００３０】
次いで、図3Dに示すように前記マスクパターン20Aをエッチングマスクとして露出された層間絶縁膜14を選択的にエッチングしてゲート電極の間の半導体基板10の表面を露出させるコンタクトホール17を形成する。この場合、基板10の温度を20℃ないし100℃に保持する。エッチング気体としては、CxFy(x、y=1〜10)、CxHyFz(x、y=1〜10)からなるフッ素系グループから選択されたいずれか一つを利用し、ここにアルゴンガスまたはヘリウムガスを単一または混合してさらに含むこともできる。
【００３１】
次いで、洗浄工程を通じて前述したエッチング工程で発生した副産物であるポリマーなどを除去した後、マスクパターン20Aを除去する。
【００３２】
図4Aないし図4Cは前述した本発明の第2実施の形態にかかるArF光源により露光されたフォトレジストパターンを利用したフォトリソグラフィエッチング工程後の断面及び平面を示す注射顕微鏡写真であり、パターンの中央及び縁側でいずれもパターンの変形が最小化することを示している。
【００３３】
前記のようになされる本発明は、塩素系ガスに対するエッチング率が高いポリシリコンまたは有機系列の物質でマスクパターンを形成して、これをエッチング障壁として利用して層間絶縁膜をエッチングすることによってArFレーザで露光されたフォトレジストパターンの変形に伴う問題の発生を防止できる。
【００３４】
尚、この発明は上記の実施の形態に限られるものではない。この発明の趣旨から逸脱しない範囲内で多様に変更実施することが可能である。
【００３５】
【発明の効果】
上述したように本発明によると、ArF光源により露光されて形成されたフォトレジストパターンをエッチングマスクに利用する過程におけるフォトレジストパターンの変形と損失を防止できる。
【図面の簡単な説明】
【図１Ａ】  従来の技術にかかるArF露光源で形成されたフォトレジストパターンを利用したエッチング工程時に発生するフォトレジストパターンの変形を示す注射顕微鏡写真である。
【図１Ｂ】  従来の技術にかかるArF露光源で形成されたフォトレジストパターンを利用したエッチング工程時に発生するフォトレジストパターンの変形を示す注射顕微鏡写真である。
【図２Ａ】  本発明の第1実施の形態にかかる半導体素子の製造工程の断面図である。
【図２Ｂ】  本発明の第1実施の形態にかかる半導体素子の製造工程の断面図である。
【図２Ｃ】  本発明の第1実施の形態にかかる半導体素子の製造工程の断面図である。
【図２Ｄ】  本発明の第1実施の形態にかかる半導体素子の製造工程の断面図である。
【図２Ｅ】  本発明の第1実施の形態にかかる半導体素子の製造工程の断面図である。
【図３Ａ】  本発明の第2実施の形態にかかる半導体素子の製造工程の断面図である。
【図３Ｂ】  本発明の第2実施の形態にかかる半導体素子の製造工程の断面図である。
【図３Ｃ】  本発明の第2実施の形態にかかる半導体素子の製造工程の断面図である。
【図３Ｄ】  本発明の第2実施の形態にかかる半導体素子の製造工程の断面図である。
【図４Ａ】  本発明にかかるArF露光源で形成されたフォトレジストパターンを利用したエッチング工程後のフォトレジストパターンの状態を示す注射顕微鏡写真である。
【図４Ｂ】  本発明にかかるArF露光源で形成されたフォトレジストパターンを利用したエッチング工程後のフォトレジストパターンの状態を示す注射顕微鏡写真である。
【図４Ｃ】  本発明にかかるArF露光源で形成されたフォトレジストパターンを利用したエッチング工程後のフォトレジストパターンの状態を示す注射顕微鏡写真である。
【符号の説明】
10      基板
11      ゲート電極
12      ハードマスク
13      スペーサ
14      層間絶縁膜
15A、20A      マスクパターン
18A      プラグ
【図１Ａ】
0004081793.tif 000002
【図１Ｂ】
0004081793.tif 000003
【図２Ａ】
0004081793.tif 000004
【図２Ｂ】
0004081793.tif 000005
【図２Ｃ】
0004081793.tif 000006
【図２Ｄ】
0004081793.tif 000007
【図２Ｅ】
0004081793.tif 000008
【図３Ａ】
0004081793.tif 000009
【図３Ｂ】
0004081793.tif 000010
【図３Ｃ】
0004081793.tif 000011
【図３Ｄ】
0004081793.tif 000012
【図４Ａ】
0004081793.tif 000013
【図４Ｂ】
0004081793.tif 000014
【図４Ｃ】
0004081793.tif 000015