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JP4232222B2 - Manufacturing method of semiconductor device - Google Patents

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JP4232222B2
JP4232222B2 JP19767598A JP19767598A JP4232222B2 JP 4232222 B2 JP4232222 B2 JP 4232222B2 JP 19767598 A JP19767598 A JP 19767598A JP 19767598 A JP19767598 A JP 19767598A JP 4232222 B2 JP4232222 B2 JP 4232222B2
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Description

【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、レジスト下層に有機系反射防止膜を形成して導電体層のパターニングを行い、有機系反射防止膜の下地膜に損傷を与えずに有機系反射防止膜を除去することができる半導体装置の製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
半導体装置の高集積化に伴い、最小加工寸法は微細化し、フォトリソグラフィ技術に用いられる光源については水銀ランプのg線(436nm)から、i線(365nm)、KrFエキシマーレーザー(248nm)、さらにArFエキシマーレーザー(193nm)へと短波長化が進んでいる。光源として水銀ランプを用いる従来のフォトリソグラフィに対して、より短波長の光源を使用するフォトリソグラフィはDUV(Deep UV)リソグラフィと総称されている。
【0003】
g線やi線を用いたフォトリソグラフィにおいては、ポリシリコン、各種シリサイド、酸化膜あるいは窒化膜等の反射率は低く、通常これらの層からの反射は問題とならない。したがって、g線やi線を用いたフォトリソグラフィにおいては、可視光領域においても反射率が高い、Al等の金属配線層からの反射のみが問題となる。
しかしながら、DUVリソグラフィの波長領域においては、ポリシリコン、各種シリサイド、酸化膜あるいは窒化膜等のほとんどの層で反射率が上昇し、パターンの悪化の原因となる。したがって、Al等の金属配線層以外の層からの反射も問題となる。
【0004】
また、DUV用のレジストは、それ自体が下地の影響(例えば、下地段差からのハレーション)を受けやすい。レジストをマスクとしてパターニングを行う際、下地形状に段差がある場合には、段差部分からの反射によりレジストに局所的にノッチ(ポジ型レジスト)あるいはブリッジ(ネガ型レジスト)が生じて、パターンが悪化しやすくなる。
さらに、膜厚と光源の波長が近くなると、下地膜の界面における多重反射により定在波効果(多重干渉効果)が顕著となり、レジスト寸法が変動して露光マージンが減少する。これにより、レジストをマスクとした良好なパターニングが行えなくなる。
【0005】
半導体装置を微細化する上で、上記のような問題を解消して、寸法変動がなく安定したパターンを形成するため、反射防止技術の重要性がより高まっている。
光反射を防止する方法としては、反射防止膜をレジストの上層あるいは下層に形成する方法がある。反射防止膜をレジストの上層に形成する方法(ARCOR;anti reflecting coating on resist,あるいはTAR;top anti reflector)は、定在波効果の抑制には有効だが、下地段差部分からのハレーションの低減にはほとんど効果がない。一方、反射防止膜をレジストの下層に形成する方法(BARC;bottomanti−reflective coating)は、定在波効果の抑制と、下地からのハレーションの低減の双方に有効であり、汎用されている。
【0006】
レジストの下層に形成する反射防止膜には無機系と有機系の両方があり、それらの膜材料をレジスト塗布前の基板上に、塗布あるいは真空成膜(スパッタあるいはCVD;chemical vapor deposition)して反射防止膜を形成する。その後、反射防止膜の上層にレジストを塗布する。
無機系反射防止膜としては、アモルファスカーボン、窒化チタン(TiN)膜、酸化窒化シリコン(SiON)膜等があるが、塗布でなくドライでの成膜が必要であり、一般に成膜コストが高い。また、無機系反射防止膜はアッシング処理では除去されず、除去するにはウェットエッチングを行う必要がある。
【0007】
反射防止用の有機塗布膜としては、多種の材料のものが開発されている。それらの有機塗布膜は入射光に対し、大別して次のような二つの働きをもつ。一つは有機系反射防止膜自体が光を吸収して弱める働きである。もう一つの働きは、有機系反射防止膜の表面で反射する光と、有機系反射防止膜の下地膜で反射する光を互いに打ち消し合うように干渉させて、光を減衰する働きである。
現在、KrFエキシマーレーザー用レジストとして最も一般的に使用されているのは化学増幅ポジ型レジストであり、このタイプのレジスト下層に上記の有機系反射防止膜を形成すると、効果的に光反射が防止される。
【0008】
有機系反射防止膜を形成してゲート電極のパターニングを行うプロセスについて、図18〜図21を参照して以下に説明する。
まず、図18に示すように、Si基板21上にゲート酸化膜22、ポリシリコン層23を積層し、その上層に有機系反射防止膜24を塗布する。その上層にレジスト25を塗布し、レジスト25のパターニングを行う。
次に、図19に示すように、ゲート電極以外の部分の有機系反射防止膜24に、例えばECRエッチングを行って除去する。DUV以前のg、i線用有機反射防止膜は、現像液に溶解させて除去できるものが中心であったが、DUV用有機反射防止膜は、ドライエッチングで除去される材料からなるものが多い。
【0009】
続いて、図20に示すように、レジスト25をマスクとしてポリシリコン層23に異方性エッチングを行い、ポリシリコン層23を所定のゲートパターンに加工する。
その後、図21に示すように、酸素プラズマを用いたアッシング(灰化)処理によりレジスト25を除去する。さらに、ドライエッチングにより有機系反射防止膜24を除去する。これにより、図21に示すようにゲート電極が形成される。
【0010】
【発明が解決しようとする課題】
上記の従来の半導体装置の製造方法において、DUVリソグラフィ技術に用いられる有機系反射防止膜は、レジストパターニング時の現像液では通常、除去することができない。したがって、図18に示すレジストパターニング工程とは別に、図19に示すような有機系反射防止膜24をエッチングする工程が必要となる。有機系反射防止膜は、酸素ガスを供給して発生するプラズマによりエッチングされるが、レジストの側壁を保護する目的(酸素プラズマの高い反応性を制御・調整する目的)で、エッチングガスには塩素ガスも加えられる。
これにより、プラズマ中で塩素ガスから発生するClラジカルやClイオンにより、有機系反射防止膜の下層のポリシリコン層が浸食される現象が起こる。特に、ライン/スペース間隔の密な領域では上記のようなClラジカルやClイオンによる下地膜の浸食が顕著となる。
【0011】
図19に示すように、ゲート電極となるポリシリコン層23が、その上層の有機系反射防止膜24を除去するエッチング工程でダメージを受け、表面にノッチ(窪み)26ができると、図20に示すポリシリコン層23にエッチングを行う工程で、ノッチ箇所26のエッチング速度が周囲に比べて大きくなる。したがって、図21に示すように、ポリシリコン層23のノッチ箇所でゲート酸化膜22が過剰にエッチングされる(図21のノッチ27)。
【0012】
上記のような有機系反射防止膜の下層への過剰エッチングを防止するため、下地膜に影響を与えない有機系反射防止膜の除去方法が望まれている。
有機系反射防止膜の除去方法としては、例えば特開平8−153704号公報に、レジストをマスクとしてレジスト下層の有機系反射防止膜と、さらにその下層に設けられた導電膜または絶縁膜にエッチングを行う方法が開示されている。特開平8−153704号公報以前には、Chris A.Mackらにより酸素ガスをベースとしたガスプラズマを使用して有機系反射防止膜のRIEを行う方法が発表されている(J.Vac Sci Tech B9(6),3143(1991))。
【0013】
主に酸素ガスを用いるChrisらの方法によれば、酸素ガスから発生する酸素ラジカルの、有機系反射防止膜およびレジストに対する反応性が極めて高いため、有機系反射防止膜およびレジストの側壁部分もエッチングされるという問題があった。この方法によれば、レジストパターン形成時点(すなわちエッチング開始時点)に比較してエッチング完了時点でレジストおよび有機系反射防止膜のパターンが細くなるため、所望のパターンが得られず、半導体装置の製造に適用するのは困難であった。
【0014】
Chrisらの方法のレジストおよび有機系反射防止膜のパターンが横方向にもエッチングされる問題に対して、特開平8−153704号公報記載の方法においては、有機系反射防止膜およびレジストに対する反応性が酸素ガスよりも低いガスを用いることによりパターンの細りを抑制している。
特開平8−153704号公報記載の方法によれば、プラズマ化させるエッチングガスとして窒素ガス、窒素ガスに微量の酸素ガスを添加した混合ガス、または炭酸ガスを用いることを特徴としている。これにより、有機系反射防止膜のパターン側壁に対しては、酸素ラジカルよりも反応性が低い窒素ラジカル等が作用するため、過剰なエッチングは起こらない。
【0015】
一方、ガスプラズマ中ではセルフバイアス電圧によりイオンシースが形成されるため、膜表面近傍のイオンが加速される。したがって、ガスプラズマ中のイオンは膜表面に対して垂直に入射する性質がある。これにより、有機系反射防止膜の垂直方向(膜厚方向)には、イオンとラジカルが相補的・相乗的に作用するイオンアシストエッチング反応が進行し、横方向のエッチングは抑制される。
【0016】
特開平8−153704号公報記載の方法は、有機系反射防止膜の下地膜が導電膜、絶縁膜のいずれの場合にも適用することができ、導電膜にはポリシリコンのみでなく、金属シリサイドや合金等も含まれている。
特開平8−153704号公報記載の方法で、有機系反射防止膜の下層にTEOS等の絶縁膜(シリコン酸化膜)が設けられている場合の例を図22および図23に示す。
【0017】
図22に示すように、Si基板31上に、LOCOS部分の段差を有する酸化膜32が形成され、その上層に導電層33、さらに第2の酸化膜34が積層されている。レジスト36の下層に有機系反射防止膜35が形成されているため、レジスト36のパターニングを行う際に、下層の段差面からの反射によるパターンの崩れが抑制される。
レジスト36をマスクとして、導電層33に所定のパターニングを行った後、レジスト36および有機系反射防止膜35を除去すると、図23に示すような構造となる。
【0018】
上記の特開平8−153704号公報記載の方法は、有機系反射防止膜のパターン側壁部のエッチングを抑制するのに効果的であるが、前述した、有機系反射防止膜の下層のポリシリコン層が浸食される問題に対する有効な解決手段は示されていない。
また、特開平8−153704号公報記載の方法においては、有機系反射防止膜の下地膜の選択には特徴がなく、製造される半導体装置の構造に合わせて、この発明のエッチング方法がそれぞれ適用されている。有機系反射防止膜の下地膜として絶縁膜が形成されている場合も、絶縁膜は例えばコンタクトが形成される層間絶縁膜など、半導体装置の一部をなしている。
したがって、導電膜等のパターニングを行った後、レジストおよび有機系反射防止膜以外の膜は除去されない。
【0019】
本発明は上記の問題点を鑑みてなされたものであり、したがって本発明は、レジスト下層に有機系反射防止膜を形成してパターニングを行った後、有機系反射防止膜の下地膜に損傷を与えずに、有機系反射防止膜を除去することができる半導体装置の製造方法を提供することを目的とする。
【0020】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するため、本発明の半導体装置の製造方法は、半導体基板上に、導電体層を形成する工程と、前記導電体層上に、シリコン窒化膜からなるエッチングストッパー層を形成する工程と、前記エッチングストッパー層上に、有機系反射防止膜を形成する工程と、前記有機系反射防止膜上に、所定のパターンのレジストを形成する工程と、前記レジストをマスクとして、前記有機系反射防止膜をエッチング除去する工程と、前記レジストをマスクとして、前記エッチングストッパー層および前記導電体層をエッチング除去する工程とを有することを特徴とする。
本発明の半導体装置の製造方法は、好適には、前記導電体層は、ポリシリコンからなることを特徴とする。あるいは、本発明の半導体装置の製造方法は、好適には、前記導電体層は、アモルファスシリコンからなることを特徴とする。
【0021】
これにより、前記レジストをマスクとして前記有機系反射防止膜にエッチングを行う工程において、前記有機系反射防止膜下層の導電体層がエッチングされ、ノッチ等のダメージが発生するのを防ぐことができる。したがって、導電体層に生じたダメージに起因して、導電体層の下層に形成されているゲート酸化膜あるいは基板等にさらにダメージが生じるのを防ぐことができる。
【0022】
本発明の半導体装置の製造方法は、好適には、前記エッチングストッパー層は、シリコン酸化膜からなることを特徴とする。本発明の半導体装置の製造方法は、さらに好適には、前記シリコン酸化膜を形成する工程は、過酸化水素水を含む溶液を用いて、前記導電体層表面を洗浄する工程であることを特徴とする。あるいは、本発明の半導体装置の製造方法は、さらに好適には、前記シリコン酸化膜を形成する工程は、酸素プラズマを用いて前記導電体層表面を酸化する工程であることを特徴とする。
【0023】
本発明の半導体装置の製造方法は、好適には、前記エッチングストッパー層は、前記導電体層と同一のエッチング条件で除去できる範囲内の膜厚で薄く形成することを特徴とする。本発明の半導体装置の製造方法は、さらに好適には、前記エッチングストッパー層の膜厚は、3nm以下であることを特徴とする。
これにより、前記導電体層のパターニングを行う工程で、容易に除去が可能であるエッチングストッパー層を形成することができ、工程数の増加を抑えることができる。
【0024】
本発明の半導体装置の製造方法は、好適には、前記有機系反射防止膜をエッチングする工程は、酸素ガスと塩素ガスの混合ガスをプラズマ化させて前記有機系反射防止膜をエッチングする工程であることを特徴とする。
あるいは、本発明の半導体装置の製造方法は、好適には、前記有機系反射防止膜をエッチングする工程は、酸素ガスと窒素ガスの混合ガスをプラズマ化させて前記有機系反射防止膜をエッチングする工程であることを特徴とする。
これにより、有機系反射防止膜およびレジストに対する反応性が極めて高い酸素プラズマの濃度を調整することができ、主に酸素プラズマによりパターン側壁が過剰にエッチングされる現象を抑制することができる。したがって、半導体装置を微細化した場合にも、導電体層などに所望のパターンを形成することが可能となる。
【0025】
また、上記の目的を達成するため本発明の半導体装置の製造方法は、半導体基板上にゲート絶縁膜を形成する工程と、前記ゲート絶縁膜上に導電体層を形成する工程と、前記導電体層上にシリコン窒化膜からなるエッチングストッパー層を形成する工程と、前記エッチングストッパー層上に有機系反射防止膜を形成する工程と、前記有機系反射防止膜上に所定のパターンのレジストを形成する工程と、前記レジストをマスクとして前記有機系反射防止膜をエッチング除去する工程と、前記レジストをマスクとして前記エッチングストッパー層および前記導電体層をエッチング除去して、電界効果トランジスタのゲート電極を形成する工程と、前記半導体基板表面に、所定の間隔をあけてソース/ドレイン領域を形成する工程とを有することを特徴とする。
これにより、有機系反射防止膜をエッチング除去する工程で、導電体層が損傷するのを防止でき、損傷のない導電体層をパターニングすることにより、電界効果トランジスタのゲート電極を良好な特性で形成することができる。
【0026】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の半導体装置の製造方法の実施の形態について、図面を参照して下記に説明する。
(実施形態1)
図1は本実施形態の半導体装置の製造方法により、パターニングが行われた半導体装置の断面図である。Si基板1上にゲート酸化膜2が形成され、その上層にパターニングされた導電膜3および絶縁膜4が積層されている。ゲート酸化膜2およびSi基板1にはノッチ等のダメージは生じていない。
【0027】
次に、上記の本実施形態の半導体装置の製造方法について図2〜図5を参照して説明する。まず、図2に示すように、Si基板1上に、パイロジェニック酸化(H2 /O2 、850℃)によりゲート酸化膜2を例えば3.8nmの膜厚で形成する。その上層に、例えばCVD法によりポリシリコン層3を例えば250nmの膜厚で形成する。
さらに、エッチングストッパー層となる絶縁膜4を形成する。絶縁膜4としては、ポリシリコン層3の表面を塩酸/過酸化水素(HCl/H2 2 )混合液で洗浄することにより形成された、例えば1nm程度の膜厚のケミカル・オキサイド膜(シリコン酸化膜)を用いることができる。
ケミカル・オキサイド膜は熱酸化膜に比較して、膜の緻密さが低い。したがって、後述するポリシリコン層3をエッチング除去する工程において、容易に除去することができる。
【0028】
絶縁膜4の上層に、有機系反射防止膜5を例えばスピンコート法により70nmの膜厚となるように塗布する。有機系反射防止膜5は、溶媒を含む状態で塗布した後、焼成することにより樹脂を架橋させて成膜する。本実施形態においては、有機系反射防止膜5として例えば、主にアクリルポリマーと置換グリコール・ウリル樹脂からなる樹脂(AR2;シプレー社製)を塗布し、溶媒としてはプロピレングリコールモノメチルエーテルを用いる。
有機系反射防止膜5の上層に、レジスト6を例えば720nmの膜厚で堆積させ、レジスト6にパターニングを行う。
【0029】
レジスト6としては、現在、DUVリソグラフィ技術(特にKrFエキシマーレーザー用)において最も汎用されている化学増幅ポジ型のレジストを好適に用いることができる。ポジ型レジストは、光により発生する酸を触媒として反応が起こり、露光された部分の樹脂が、現像液であるアルカリ水溶液に可溶となってパターンが形成されるタイプのレジストである。ポジ型レジストは、不溶化させるための保護基の脱離を利用した2成分系のレジストと、溶解抑止成分の効果を消滅させる反応を利用した3成分系のレジストに大別される。
【0030】
2成分系のポジ型レジストとしては、例えばポリビニルフェノールを主鎖として、フェノールの水酸基がt−BOC基(t−ブトキシカルボニルオキシ基)で保護された樹脂などが挙げられる。保護基であるt−BOC基が酸の添加により脱離すると、樹脂が現像液に可溶となる。
3成分系のポジ型レジストは、樹脂にナフタレン−t−ブチルカルボキシレート、ナフチル−t−ブチルカルボネート、ビフェニル−t−ブチルエーテル等の溶解抑止剤が混和されており、これらの溶解抑止剤が分解されると樹脂が現像液に可溶となる。
【0031】
上記の2成分系あるいは3成分系のポジ型レジストには、オニウム塩などの光により酸を発生する材料が添加される。
また、レジスト6としては、上記の化学増幅ポジ型のかわりに、露光部分で樹脂の架橋反応が進行してパターンが形成される化学増幅ネガ型レジストを用いることも可能である。
【0032】
レジスト6のパターニングを行った後、図3に示すように、例えばCl2 /O2 ガスを用いたECRエッチングにより、有機系反射防止膜5を除去する。絶縁膜(ケミカル・オキサイド)4がエッチング除去されない条件で有機系反射防止膜5のエッチングを行うことにより、絶縁膜4下層のポリシリコン層3がエッチングから保護される。
【0033】
続いて、レジスト6をマスクとしてポリシリコン層3に異方性エッチングを行い、ゲート電極パターンを形成する。これにより、図4に示す構造を経て、図5に示すような構造となる。
絶縁膜4は1nm程度の薄膜であり、膜の緻密さが低いケミカル・オキサイド膜であるため、このエッチング工程のブレークスルー時に除去することができる。したがって、エッチングストッパー層(絶縁膜4)を設けた場合にも、製造工程数の増加は抑えられる。
【0034】
絶縁膜4およびポリシリコン層3のエッチングは、例えばECRエッチングとし、ブレークスルー時はCl2 =120sccmの条件でエッチングを行う。絶縁膜4を除去後、ポリシリコン層をエッチングする過程(メインエッチング)のエッチング条件は、例えば、Cl2 :HBr:O2 =30:80:5とする。オーバーエッチングの条件はCl2 :HBr:O2 =90:20:10とする。
その後、酸素プラズマを用いてアッシング処理を行い、ゲート電極上のレジスト6および有機系反射防止膜5を除去する。これにより、図1に示すような構造となる。
【0035】
上記の本実施形態の半導体装置の製造方法によれば、ポリシリコン層3のパターニングを行う際に、エッチングストッパー層として絶縁膜4が形成されているため、ポリシリコン層3にノッチ等の損傷が生じるのを防ぐことができる。したがって、ポリシリコン層3下層のゲート酸化膜2が過剰にエッチングされることがなく、半導体装置の信頼性を向上させることができる。
【0036】
(実施形態2)
図6は本実施形態の半導体装置の製造方法により形成されたnチャネル型電界効果トランジスタ(NMOS)のゲート電極部分の断面図である。
Si基板1上にゲート酸化膜2が形成され、その上層にパターニングされた導電膜(ポリシリコン層)3が積層されている。ゲート電極には側壁にLDDサイドウォール10が形成され、LDDサイドウォール10の下部のSi基板にはLDD8が形成されている。LDD8と接続して、LDD8よりも高濃度の不純物を含有するソース/ドレイン領域11が形成されている。ソース/ドレイン領域11およびポリシリコン層(ゲート電極)3の表面には低抵抗化の目的で、チタンシリサイド層13が形成されている。
【0037】
実施形態1(図1)と同様に、図6に示す半導体装置のゲート酸化膜2およびSi基板1にも、ノッチ等のダメージは生じていない。
実施形態1においては、塩酸/過酸化水素水を用いた洗浄によりエッチングストッパー層を形成しているが、エッチングストッパー層の形成は、本実施形態に示すように、レジストを剥離する際のO2 アッシングによっても行うことができる。
【0038】
上記の本実施形態の半導体装置の製造方法について図7〜図17を参照して説明する。
まず、図7に示すように、Si基板1上にパイロジェニック酸化(H2 /O2 、850℃)によりゲート酸化膜2を例えば3.8nmの膜厚で形成する。その上層に、例えばCVD法によりポリシリコン層3を例えば250nmの膜厚で形成する。
その後、素子形成領域にn型不純物を導入するため、素子分離領域を被覆するレジスト7を形成する。レジスト7をマスクとして、n型不純物として例えばリン(P)をイオンエネルギー15keV、導入量5×1015/cm2 の条件でSi基板1にイオン注入する。
【0039】
次に、n型不純物のイオン注入マスクであるレジスト7を酸素プラズマを用いたアッシング処理により除去する。このアッシング工程で、図8に示すように、ポリシリコン層3上に膜厚1nm程度の絶縁膜(SiOx 膜)4が形成される。
続いて、図9に示すように、絶縁膜4の上層に有機系反射防止膜5を、例えばスピンコート法により70nmの膜厚で塗布する。有機系反射防止膜5は、溶媒を含む状態で塗布した後、焼成することにより樹脂を架橋させて成膜する。本実施形態においては、有機系反射防止膜5として例えば、主にアクリルポリマーと置換グリコール・ウリル樹脂からなる樹脂(AR2;シプレー社製)を塗布し、溶媒としてはプロピレングリコールモノメチルエーテルを用いる。
【0040】
さらに、有機系反射防止膜5の上層にレジスト6を、例えば720nmの膜厚で堆積させてから、図9に示すように、ゲート電極部分が残るようにレジスト6にパターニングを行う。
ここで、DUVリソグラフィ技術に用いられる有機系反射防止膜5は、g線、i線用の有機系反射防止膜と異なり、レジストパターニング時の現像では除去されないため、図9に示すような構造となる。
【0041】
次に、図10に示すように、ゲート電極以外の部分の有機系反射防止膜5を、例えばECRエッチングにより除去する。エッチング条件は、例えばCl2 /O2 =40/20sccmとする。有機系反射防止膜5のエッチング工程において、下層に絶縁膜4が形成されているため、ポリシリコン層3はエッチングから保護される。
続いて、レジスト6をマスクとしてポリシリコン層3に異方性エッチングを行うことにより、図11に示すように、ゲート電極が形成される。このエッチングは、実施形態1と同様な条件で行うことができる。また、絶縁膜4は1nm程度の薄膜であるため、このエッチング工程のブレークスルー時に除去される。
【0042】
次に、図12に示すように、レジスト6、有機系反射防止膜5を酸素プラズマを用いたアッシング処理により除去した後、NMOS形成領域にn型のLDD8を形成する。LDD8は、レジスト(不図示)をマスクとしてn型不純物、例えばヒ素(As)をイオンエネルギー20keV、導入量5×1013/cm2 の条件でイオン注入することにより形成する。
【0043】
ゲート電極にLDDサイドウォール10を形成するため、図13に示すように、全面にシリコン窒化膜(SiNx 膜)9を、例えば減圧CVD法により200nmの膜厚で堆積させる。その後、図14に示すように、ゲート電極側面のみシリコン窒化膜9が残るようにRIEを行い、LDDサイドウォール10を形成する。
さらに、図15に示すように、LDDサイドウォール10をマスクとしてn型不純物をイオン注入することにより、自己整合的にソース/ドレイン領域11が形成される。ソース/ドレイン領域11には、例えばヒ素(As)をイオンエネルギー20keV、導入量3×1015/cm2 の条件でイオン注入する。
【0044】
次に、図16に示すように、全面に高融点金属層として、例えばチタン層12をスパッタリングにより形成する。
続いて、熱処理(例えば、650℃、30秒のRTA;rapid thermal anneal)を行う。これにより、図17に示すように、ソース/ドレイン領域11上およびゲート電極のポリシリコン層3上のチタン層12がシリサイド化され、チタンシリサイド層13が形成される。
【0045】
その後、硫酸/過酸化水素水(H2 SO4 /H2 2 )処理により、フィールド酸化膜(不図示)およびLDDサイドウォール10表面の未反応のチタン層12を除去する。これにより、図6に示すような構造となる。
さらに、第2のRTA(例えば800℃、30秒)を行い、チタンシリサイド層13を低抵抗化する。図17に示す第1のRTA工程(650℃、30秒)においては、まず金属−シリコン界面でシリサイド化反応が起こるため、ニュークリエーションフェーズと呼ばれるTi5 Si3 を含む組成となっている。より高温の第2のRTA工程を行うと、シリサイドがファイナルフェーズと呼ばれる相に移行して、TiSi2 に近い組成となり、低抵抗化される。
【0046】
続いて、全面を被覆する層間絶縁膜を形成し、層間絶縁膜にコンタクトホールを形成する。コンタクトホールにAl等の配線材料を埋め込み、ゲート電極、ソース領域、ドレイン領域の配線を行い、MOS回路を形成する。また、上記の構成のNMOSトランジスタに隣接させてpチャネル型MOSトランジスタ(PMOS)を形成し、CMOSとしてもよい。
【0047】
上記の本実施形態の半導体装置の製造方法によれば、図7に示すように、NMOS形成領域のSi基板1に予めn型不純物をイオン注入するため、ゲートの空乏化が抑制されたNMOSトランジスタを形成することができる。
また、図7に示すイオン注入用のマスクであるレジスト7をアッシング除去する工程で、有機系反射防止膜5のエッチングストッパー層となる絶縁膜4を形成することができる。したがって、工程数を抑えながらポリシリコン層3にノッチ等の損傷が生じるのを防ぐことができる。
【0048】
本発明の半導体装置の製造方法は、上記の実施の形態に限定されない。
例えば、エッチングストッパー層となる絶縁膜4の形成は、実施形態1では塩酸/過酸化水素水を用いた洗浄により、実施形態2ではレジストのアッシング処理によりそれぞれ行っているが、これらの方法以外によっても、除去が容易である薄い絶縁膜を形成することができる。
【0049】
例えば、ポリシリコン層3をCVD装置内で成膜した後、ウェハを搬出する前にN2 /O2 ガスを装置内に供給することにより、ポリシリコン層3表面に1nm程度の薄い自然酸化膜を形成させ、この自然酸化膜をエッチングストッパー層として用いることもできる。この場合、ウェハ上に絶縁膜を形成するために、別の装置を用いる必要がなく、工程数の増加を抑えることができる。
また、エッチングストッパー層としてシリコン酸化膜にかえてシリコン窒化膜の薄膜を用いることもできる。その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の変更が可能である。
【0050】
【発明の効果】
本発明の半導体装置の製造方法によれば、レジストをマスクとして有機系反射防止膜にエッチングを行う工程において、有機系反射防止膜下層の導電体層がエッチングされ、ノッチ等のダメージが発生するのを防ぐことができる。これにより、導電体層に生じたダメージに起因して、導電体層の下層に形成されているゲート酸化膜あるいは基板等にさらにダメージが生じるのを防ぐことができる。
したがって、本発明の半導体装置の製造方法によれば、微細化された所望のパターンが形成された、信頼性の高い半導体装置を製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施形態1の半導体装置の製造方法により製造された半導体装置の断面図である。
【図2】本発明の実施形態1の半導体装置の製造方法の製造工程を示す断面図である。
【図3】本発明の実施形態1の半導体装置の製造方法の製造工程を示す断面図である。
【図4】本発明の実施形態1の半導体装置の製造方法の製造工程を示す断面図である。
【図5】本発明の実施形態1の半導体装置の製造方法の製造工程を示す断面図である。
【図6】本発明の実施形態2の半導体装置の製造方法により製造された半導体装置の断面図である。
【図7】本発明の実施形態2の半導体装置の製造方法の製造工程を示す断面図である。
【図8】本発明の実施形態2の半導体装置の製造方法の製造工程を示す断面図である。
【図9】本発明の実施形態2の半導体装置の製造方法の製造工程を示す断面図である。
【図10】本発明の実施形態2の半導体装置の製造方法の製造工程を示す断面図である。
【図11】本発明の実施形態2の半導体装置の製造方法の製造工程を示す断面図である。
【図12】本発明の実施形態2の半導体装置の製造方法の製造工程を示す断面図である。
【図13】本発明の実施形態2の半導体装置の製造方法の製造工程を示す断面図である。
【図14】本発明の実施形態2の半導体装置の製造方法の製造工程を示す断面図である。
【図15】本発明の実施形態2の半導体装置の製造方法の製造工程を示す断面図である。
【図16】本発明の実施形態2の半導体装置の製造方法の製造工程を示す断面図である。
【図17】本発明の実施形態2の半導体装置の製造方法の製造工程を示す断面図である。
【図18】従来の半導体装置の製造方法の製造工程を示す断面図である。
【図19】従来の半導体装置の製造方法の製造工程を示す断面図である。
【図20】従来の半導体装置の製造方法の製造工程を示す断面図である。
【図21】従来の半導体装置の製造方法の製造工程を示す断面図である。
【図22】従来の半導体装置の製造方法の製造工程を示す断面図である。
【図23】従来の半導体装置の製造方法の製造工程を示す断面図である。
【符号の説明】
1、21、31…Si基板、2、22…ゲート絶縁膜、3、23、33…ポリシリコン層、4…絶縁膜(エッチングストッパー層)、5、24、35…有機系反射防止膜、6、7、25、36…フォトレジスト、8…LDD(lightly doped drain)、9、32、34…絶縁膜、10…LDDサイドウォール、11…ソース/ドレイン領域、12…チタン層、13…チタンシリサイド層、26…ポリシリコン層のノッチ、27…ゲート酸化膜およびSi基板のノッチ。
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a method for manufacturing a semiconductor device, and more particularly, an organic antireflection film is formed on a resist underlayer to pattern a conductor layer, and the organic antireflection film is not damaged without damaging the base film of the organic antireflection film. The present invention relates to a method for manufacturing a semiconductor device capable of removing a protective film.
[0002]
[Prior art]
With the high integration of semiconductor devices, the minimum processing dimension is miniaturized, and the light source used for the photolithography technology is from g-line (436 nm) of mercury lamp, i-line (365 nm), KrF excimer laser (248 nm), and ArF. Shortening of wavelength is progressing to excimer laser (193 nm). In contrast to conventional photolithography using a mercury lamp as a light source, photolithography using a light source with a shorter wavelength is generically referred to as DUV (Deep UV) lithography.
[0003]
In photolithography using g-line or i-line, the reflectivity of polysilicon, various silicides, oxide films or nitride films is low, and reflection from these layers usually does not cause a problem. Therefore, in photolithography using g-line or i-line, only reflection from a metal wiring layer such as Al, which has a high reflectance even in the visible light region, becomes a problem.
However, in the wavelength region of DUV lithography, the reflectivity increases in almost all layers such as polysilicon, various silicides, oxide films or nitride films, which causes deterioration of the pattern. Therefore, reflection from layers other than the metal wiring layer such as Al is also a problem.
[0004]
Further, the resist for DUV itself is susceptible to the influence of the base (for example, halation from the base step). When patterning using resist as a mask, if there is a step in the underlying shape, the notch (positive type resist) or bridge (negative type resist) is locally generated in the resist due to reflection from the stepped portion, and the pattern deteriorates. It becomes easy to do.
Further, when the film thickness and the wavelength of the light source are close to each other, the standing wave effect (multiple interference effect) becomes conspicuous due to the multiple reflection at the interface of the base film, and the resist size varies to reduce the exposure margin. This makes it impossible to perform good patterning using a resist as a mask.
[0005]
In miniaturizing a semiconductor device, the problem as described above is solved, and a stable pattern without dimensional variation is formed. Therefore, the importance of the antireflection technology is increasing.
As a method for preventing light reflection, there is a method of forming an antireflection film on an upper layer or a lower layer of a resist. A method of forming an antireflection film on the upper layer of the resist (ARCOR: anti-reflecting coating on resist, or TAR; top anti-reflector) is effective for suppressing the standing wave effect, but for reducing the halation from the base step portion. Almost no effect. On the other hand, a method of forming an antireflection film below the resist (BARC: bottomant-reflective coating) is effective for both the suppression of the standing wave effect and the reduction of halation from the base, and is widely used.
[0006]
There are both inorganic and organic antireflection films formed under the resist, and these film materials are applied or vacuum-formed (sputtering or CVD; chemical vapor deposition) on the substrate before applying the resist. An antireflection film is formed. Thereafter, a resist is applied to the upper layer of the antireflection film.
As the inorganic antireflection film, there are amorphous carbon, titanium nitride (TiN) film, silicon oxynitride (SiON) film, and the like. However, it is necessary to form the film by dry rather than coating, and the film formation cost is generally high. Further, the inorganic antireflection film is not removed by the ashing process, and it is necessary to perform wet etching to remove it.
[0007]
A variety of materials have been developed as an organic coating film for antireflection. These organic coating films have the following two functions for incident light. One is that the organic antireflection film itself absorbs and weakens light. Another function is to attenuate light by causing interference between the light reflected by the surface of the organic antireflection film and the light reflected by the base film of the organic antireflection film so as to cancel each other.
At present, the most commonly used resist for KrF excimer laser is a chemically amplified positive resist. When the above-mentioned organic antireflection film is formed under this type of resist, light reflection is effectively prevented. Is done.
[0008]
A process of forming an organic antireflection film and patterning the gate electrode will be described below with reference to FIGS.
First, as shown in FIG. 18, a gate oxide film 22 and a polysilicon layer 23 are stacked on a Si substrate 21, and an organic antireflection film 24 is applied thereon. A resist 25 is applied to the upper layer, and the resist 25 is patterned.
Next, as shown in FIG. 19, the organic antireflection film 24 other than the gate electrode is removed by, for example, ECR etching. Prior to DUV, organic antireflective coatings for g and i rays could be removed by dissolving them in a developer. However, organic antireflective coatings for DUV are often made of materials that can be removed by dry etching. .
[0009]
Subsequently, as shown in FIG. 20, the polysilicon layer 23 is anisotropically etched using the resist 25 as a mask to process the polysilicon layer 23 into a predetermined gate pattern.
Thereafter, as shown in FIG. 21, the resist 25 is removed by an ashing process using oxygen plasma. Further, the organic antireflection film 24 is removed by dry etching. Thereby, a gate electrode is formed as shown in FIG.
[0010]
[Problems to be solved by the invention]
In the above-described conventional method for manufacturing a semiconductor device, the organic antireflection film used in the DUV lithography technique cannot usually be removed with a developer at the time of resist patterning. Therefore, in addition to the resist patterning step shown in FIG. 18, a step of etching the organic antireflection film 24 as shown in FIG. 19 is required. The organic antireflection film is etched by plasma generated by supplying oxygen gas, but the etching gas is chlorine for the purpose of protecting the resist sidewall (controlling and adjusting the high reactivity of oxygen plasma). Gas is also added.
This causes a phenomenon that the polysilicon layer under the organic antireflection film is eroded by Cl radicals and Cl ions generated from chlorine gas in the plasma. In particular, in the region where the line / space interval is close, the erosion of the base film due to Cl radicals and Cl ions as described above becomes significant.
[0011]
As shown in FIG. 19, when the polysilicon layer 23 to be the gate electrode is damaged in the etching process for removing the organic antireflection film 24 thereabove, and a notch (recess) 26 is formed on the surface, FIG. In the step of etching the polysilicon layer 23 shown, the etching rate of the notch portion 26 is increased as compared with the surrounding area. Therefore, as shown in FIG. 21, the gate oxide film 22 is excessively etched at the notch portion of the polysilicon layer 23 (notch 27 in FIG. 21).
[0012]
In order to prevent excessive etching of the organic antireflection film into the lower layer as described above, a method for removing the organic antireflection film that does not affect the underlying film is desired.
As a method for removing the organic antireflection film, for example, in Japanese Patent Application Laid-Open No. 8-153704, the resist is used as a mask to etch the organic antireflection film under the resist and the conductive film or insulating film provided thereunder. A method of performing is disclosed. Prior to JP-A-8-153704, Chris A. et al. A method of performing RIE of an organic antireflection film using gas plasma based on oxygen gas has been disclosed by Mack et al. (J. Vac Sci Tech B9 (6), 3143 (1991)).
[0013]
According to the method of Chris et al. Mainly using oxygen gas, the reactivity of oxygen radicals generated from oxygen gas to the organic antireflective film and the resist is extremely high, so the side walls of the organic antireflective film and resist are also etched. There was a problem of being. According to this method, since the pattern of the resist and the organic antireflection film becomes thinner at the time of completion of etching as compared with the time of forming the resist pattern (that is, the time of starting etching), a desired pattern cannot be obtained and the semiconductor device is manufactured. It was difficult to apply to.
[0014]
In contrast to the problem that the pattern of the resist and the organic antireflection film in the method of Chris et al. Is etched in the lateral direction, the method described in JP-A-8-153704 is reactive to the organic antireflection film and the resist. However, by using a gas lower than oxygen gas, pattern thinning is suppressed.
According to the method described in JP-A-8-153704, nitrogen gas, a mixed gas obtained by adding a small amount of oxygen gas to nitrogen gas, or carbon dioxide gas is used as an etching gas to be converted into plasma. As a result, nitrogen radicals having a lower reactivity than oxygen radicals act on the pattern side walls of the organic antireflection film, so that excessive etching does not occur.
[0015]
On the other hand, in the gas plasma, an ion sheath is formed by the self-bias voltage, so that ions in the vicinity of the film surface are accelerated. Therefore, ions in the gas plasma have a property of being incident perpendicular to the film surface. Thereby, in the vertical direction (film thickness direction) of the organic antireflection film, an ion-assisted etching reaction in which ions and radicals act in a complementary and synergistic manner proceeds, and lateral etching is suppressed.
[0016]
The method described in Japanese Patent Laid-Open No. 8-153704 can be applied to the case where the base film of the organic antireflection film is either a conductive film or an insulating film. And alloys are also included.
An example in which an insulating film (silicon oxide film) such as TEOS is provided under the organic antireflection film by the method described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 8-153704 is shown in FIGS.
[0017]
As shown in FIG. 22, an oxide film 32 having a LOCOS step is formed on a Si substrate 31, and a conductive layer 33 and a second oxide film 34 are stacked thereon. Since the organic antireflection film 35 is formed in the lower layer of the resist 36, the pattern collapse due to reflection from the step surface of the lower layer is suppressed when the resist 36 is patterned.
When the resist 36 and the organic antireflection film 35 are removed after the conductive layer 33 is subjected to predetermined patterning using the resist 36 as a mask, the structure shown in FIG. 23 is obtained.
[0018]
The method described in JP-A-8-153704 is effective for suppressing etching of the pattern side wall portion of the organic antireflection film. However, the polysilicon layer under the organic antireflection film described above is effective. An effective solution to the problem of erosion is not shown.
In the method described in Japanese Patent Laid-Open No. 8-153704, there is no feature in the selection of the base film of the organic antireflection film, and the etching method of the present invention is applied in accordance with the structure of the semiconductor device to be manufactured. Has been. Even when an insulating film is formed as a base film of the organic antireflection film, the insulating film forms a part of the semiconductor device such as an interlayer insulating film on which a contact is formed.
Therefore, after patterning the conductive film and the like, films other than the resist and the organic antireflection film are not removed.
[0019]
The present invention has been made in view of the above problems. Therefore, the present invention forms an organic antireflection film under the resist and performs patterning, and then damages the underlying film of the organic antireflection film. It is an object of the present invention to provide a method for manufacturing a semiconductor device in which an organic antireflection film can be removed without giving.
[0020]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, a method of manufacturing a semiconductor device of the present invention includes a step of forming a conductor layer on a semiconductor substrate, and a step of forming a conductor layer on the conductor layer. Made of silicon nitride film A step of forming an etching stopper layer, a step of forming an organic antireflection film on the etching stopper layer, a step of forming a resist of a predetermined pattern on the organic antireflection film, and the resist The method includes a step of etching and removing the organic antireflection film as a mask, and a step of etching and removing the etching stopper layer and the conductor layer using the resist as a mask.
In the method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention, preferably, the conductor layer is made of polysilicon. Alternatively, the semiconductor device manufacturing method of the present invention is preferably characterized in that the conductor layer is made of amorphous silicon.
[0021]
Accordingly, in the step of etching the organic antireflection film using the resist as a mask, it is possible to prevent the conductor layer under the organic antireflection film from being etched and damage such as notches from occurring. Therefore, it is possible to prevent further damage from occurring in the gate oxide film or the substrate formed in the lower layer of the conductor layer due to the damage generated in the conductor layer.
[0022]
In the method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention, preferably, the etching stopper layer is made of a silicon oxide film. More preferably, in the method of manufacturing a semiconductor device of the present invention, the step of forming the silicon oxide film is a step of cleaning the surface of the conductor layer using a solution containing hydrogen peroxide. And Alternatively, in the semiconductor device manufacturing method of the present invention, it is more preferable that the step of forming the silicon oxide film is a step of oxidizing the surface of the conductor layer using oxygen plasma.
[0023]
The manufacturing method of the semiconductor device of the present invention is as follows. Good Suitably, the etching stopper layer is formed thin with a thickness within a range that can be removed under the same etching conditions as the conductor layer. In the semiconductor device manufacturing method of the present invention, more preferably, the thickness of the etching stopper layer is 3 nm or less.
Accordingly, an etching stopper layer that can be easily removed can be formed in the step of patterning the conductor layer, and an increase in the number of steps can be suppressed.
[0024]
In the method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention, preferably, the step of etching the organic antireflection film is a step of etching the organic antireflection film by converting a mixed gas of oxygen gas and chlorine gas into plasma. It is characterized by being.
Alternatively, in the method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention, preferably, the step of etching the organic antireflection film comprises etching the organic antireflection film by converting a mixed gas of oxygen gas and nitrogen gas into plasma. It is a process.
As a result, the concentration of oxygen plasma having extremely high reactivity with respect to the organic antireflection film and the resist can be adjusted, and the phenomenon that the pattern side wall is excessively etched mainly by oxygen plasma can be suppressed. Therefore, even when the semiconductor device is miniaturized, a desired pattern can be formed on the conductor layer or the like.
[0025]
In order to achieve the above object, a method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention includes a step of forming a gate insulating film on a semiconductor substrate, a step of forming a conductor layer on the gate insulating film, and the conductor On the layer Made of silicon nitride film Forming an etching stopper layer; forming an organic antireflection film on the etching stopper layer; forming a resist having a predetermined pattern on the organic antireflection film; and using the resist as a mask Etching and removing the organic antireflection film, etching and removing the etching stopper layer and the conductor layer by using the resist as a mask, and forming a gate electrode of a field effect transistor on the surface of the semiconductor substrate And a step of forming source / drain regions at a predetermined interval.
As a result, it is possible to prevent the conductor layer from being damaged in the step of etching away the organic antireflection film, and to form the gate electrode of the field effect transistor with good characteristics by patterning the conductor layer without damage. can do.
[0026]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of a method for manufacturing a semiconductor device according to the present invention will be described below with reference to the drawings.
(Embodiment 1)
FIG. 1 is a cross-sectional view of a semiconductor device that has been patterned by the semiconductor device manufacturing method of this embodiment. A gate oxide film 2 is formed on the Si substrate 1, and a patterned conductive film 3 and insulating film 4 are stacked thereon. The gate oxide film 2 and the Si substrate 1 are not damaged such as notches.
[0027]
Next, a method for manufacturing the semiconductor device of the present embodiment will be described with reference to FIGS. First, as shown in FIG. 2, pyrogenic oxidation (H 2 / O 2 850 ° C.), the gate oxide film 2 is formed with a film thickness of, for example, 3.8 nm. On the upper layer, a polysilicon layer 3 is formed with a film thickness of, for example, 250 nm by, eg, CVD.
Further, an insulating film 4 to be an etching stopper layer is formed. As the insulating film 4, the surface of the polysilicon layer 3 is made of hydrochloric acid / hydrogen peroxide (HCl / H 2 O 2 ) A chemical oxide film (silicon oxide film) having a thickness of, for example, about 1 nm formed by washing with a mixed solution can be used.
A chemical oxide film is less dense than a thermal oxide film. Therefore, it can be easily removed in the step of etching away the polysilicon layer 3 described later.
[0028]
An organic antireflection film 5 is applied on the insulating film 4 so as to have a film thickness of 70 nm by, for example, spin coating. The organic antireflection film 5 is formed by coating the resin in a state containing a solvent, followed by baking to crosslink the resin. In this embodiment, for example, a resin (AR2; manufactured by Shipley Co., Ltd.) mainly composed of an acrylic polymer and a substituted glycol / uril resin is applied as the organic antireflection film 5, and propylene glycol monomethyl ether is used as the solvent.
A resist 6 is deposited on the organic antireflection film 5 to a thickness of, for example, 720 nm, and the resist 6 is patterned.
[0029]
As the resist 6, a chemically amplified positive resist most widely used in the DUV lithography technology (particularly for KrF excimer laser) can be suitably used. The positive type resist is a resist in which a reaction occurs using an acid generated by light as a catalyst, and the exposed resin is soluble in an alkaline aqueous solution as a developer to form a pattern. Positive resists are broadly classified into two-component resists that utilize the removal of protecting groups for insolubilization and three-component resists that utilize a reaction that eliminates the effects of dissolution inhibiting components.
[0030]
Examples of the two-component positive resist include a resin in which polyvinyl phenol is used as a main chain and the hydroxyl group of phenol is protected by a t-BOC group (t-butoxycarbonyloxy group). When the t-BOC group which is a protecting group is eliminated by addition of an acid, the resin becomes soluble in the developer.
Three-component positive resists are mixed with dissolution inhibitors such as naphthalene-t-butylcarboxylate, naphthyl-t-butyl carbonate, and biphenyl-t-butyl ether in the resin, and these dissolution inhibitors are decomposed. Then, the resin becomes soluble in the developer.
[0031]
A material that generates an acid by light, such as an onium salt, is added to the above-described two-component or three-component positive resist.
Further, as the resist 6, it is also possible to use a chemically amplified negative resist in which a pattern is formed by the cross-linking reaction of the resin at the exposed portion, instead of the chemical amplified positive type.
[0032]
After patterning of the resist 6, as shown in FIG. 2 / O 2 The organic antireflection film 5 is removed by ECR etching using a gas. By etching the organic antireflection film 5 under conditions where the insulating film (chemical oxide) 4 is not etched away, the polysilicon layer 3 under the insulating film 4 is protected from etching.
[0033]
Subsequently, anisotropic etching is performed on the polysilicon layer 3 using the resist 6 as a mask to form a gate electrode pattern. As a result, the structure shown in FIG. 5 is obtained after the structure shown in FIG.
Since the insulating film 4 is a thin film of about 1 nm and is a chemical oxide film having a low film density, it can be removed during a breakthrough in this etching process. Therefore, even when an etching stopper layer (insulating film 4) is provided, an increase in the number of manufacturing steps can be suppressed.
[0034]
Etching of the insulating film 4 and the polysilicon layer 3 is, for example, ECR etching, and during breakthrough, Cl 2 Etching is performed under the condition of = 120 sccm. Etching conditions in the process of etching the polysilicon layer (main etching) after removing the insulating film 4 are, for example, Cl 2 : HBr: O 2 = 30: 80: 5. Overetching conditions are Cl 2 : HBr: O 2 = 90: 20: 10.
Thereafter, an ashing process is performed using oxygen plasma, and the resist 6 and the organic antireflection film 5 on the gate electrode are removed. As a result, the structure shown in FIG. 1 is obtained.
[0035]
According to the manufacturing method of the semiconductor device of the present embodiment, since the insulating film 4 is formed as the etching stopper layer when the polysilicon layer 3 is patterned, the polysilicon layer 3 is damaged such as notches. It can be prevented from occurring. Therefore, the gate oxide film 2 under the polysilicon layer 3 is not excessively etched, and the reliability of the semiconductor device can be improved.
[0036]
(Embodiment 2)
FIG. 6 is a cross-sectional view of a gate electrode portion of an n-channel field effect transistor (NMOS) formed by the semiconductor device manufacturing method of this embodiment.
A gate oxide film 2 is formed on a Si substrate 1, and a patterned conductive film (polysilicon layer) 3 is laminated thereon. An LDD sidewall 10 is formed on the side wall of the gate electrode, and an LDD 8 is formed on the Si substrate below the LDD sidewall 10. A source / drain region 11 containing impurities at a concentration higher than that of LDD 8 is formed in connection with LDD 8. A titanium silicide layer 13 is formed on the surfaces of the source / drain regions 11 and the polysilicon layer (gate electrode) 3 for the purpose of reducing resistance.
[0037]
As in the first embodiment (FIG. 1), the gate oxide film 2 and the Si substrate 1 of the semiconductor device shown in FIG.
In the first embodiment, the etching stopper layer is formed by cleaning with hydrochloric acid / hydrogen peroxide solution. However, as shown in the present embodiment, the etching stopper layer is formed by removing the resist when removing the resist. 2 It can also be done by ashing.
[0038]
A method of manufacturing the semiconductor device according to the present embodiment will be described with reference to FIGS.
First, as shown in FIG. 7, pyrogenic oxidation (H 2 / O 2 850 ° C.), the gate oxide film 2 is formed with a film thickness of, for example, 3.8 nm. On the upper layer, a polysilicon layer 3 is formed with a film thickness of, for example, 250 nm by, eg, CVD.
Thereafter, in order to introduce an n-type impurity into the element formation region, a resist 7 covering the element isolation region is formed. Using the resist 7 as a mask, for example, phosphorus (P) as an n-type impurity has an ion energy of 15 keV and an introduction amount of 5 × 10 15 / Cm 2 Ions are implanted into the Si substrate 1 under the following conditions.
[0039]
Next, the resist 7 which is an n-type impurity ion implantation mask is removed by an ashing process using oxygen plasma. In this ashing process, as shown in FIG. 8, an insulating film (SiO 2 having a thickness of about 1 nm is formed on the polysilicon layer 3. x Film) 4 is formed.
Subsequently, as shown in FIG. 9, an organic antireflection film 5 is applied to the upper layer of the insulating film 4 with a film thickness of 70 nm by, for example, spin coating. The organic antireflection film 5 is formed by coating the resin in a state containing a solvent, followed by baking to crosslink the resin. In this embodiment, for example, a resin (AR2; manufactured by Shipley Co., Ltd.) mainly composed of an acrylic polymer and a substituted glycol / uril resin is applied as the organic antireflection film 5, and propylene glycol monomethyl ether is used as the solvent.
[0040]
Further, after a resist 6 is deposited on the organic antireflection film 5 with a film thickness of, for example, 720 nm, the resist 6 is patterned so that the gate electrode portion remains as shown in FIG.
Here, the organic antireflection film 5 used in the DUV lithography technique is not removed by development at the time of resist patterning, unlike the organic antireflection film for g-line and i-line, and has a structure as shown in FIG. Become.
[0041]
Next, as shown in FIG. 10, the organic antireflection film 5 in portions other than the gate electrode is removed by, for example, ECR etching. Etching conditions are, for example, Cl 2 / O 2 = 40/20 sccm. In the etching process of the organic antireflection film 5, since the insulating film 4 is formed in the lower layer, the polysilicon layer 3 is protected from etching.
Subsequently, by performing anisotropic etching on the polysilicon layer 3 using the resist 6 as a mask, a gate electrode is formed as shown in FIG. This etching can be performed under the same conditions as in the first embodiment. Further, since the insulating film 4 is a thin film of about 1 nm, it is removed at the time of breakthrough in this etching process.
[0042]
Next, as shown in FIG. 12, after removing the resist 6 and the organic antireflection film 5 by an ashing process using oxygen plasma, an n-type LDD 8 is formed in the NMOS formation region. The LDD 8 uses a resist (not shown) as a mask and an n-type impurity such as arsenic (As) with an ion energy of 20 keV and an introduction amount of 5 × 10. 13 / Cm 2 It is formed by ion implantation under the conditions of
[0043]
In order to form the LDD sidewall 10 on the gate electrode, a silicon nitride film (SiN) is formed on the entire surface as shown in FIG. x A film 9 is deposited with a film thickness of 200 nm by, for example, a low pressure CVD method. Thereafter, as shown in FIG. 14, RIE is performed so that the silicon nitride film 9 remains only on the side surface of the gate electrode, thereby forming the LDD sidewall 10.
Further, as shown in FIG. 15, source / drain regions 11 are formed in a self-aligned manner by ion-implanting n-type impurities using the LDD sidewall 10 as a mask. In the source / drain region 11, for example, arsenic (As) has an ion energy of 20 keV and an introduction amount of 3 × 10 6. 15 / Cm 2 Ion implantation is performed under the following conditions.
[0044]
Next, as shown in FIG. 16, as a refractory metal layer, for example, a titanium layer 12 is formed on the entire surface by sputtering.
Subsequently, heat treatment (for example, RTA for 30 seconds at 650 ° C .; rapid thermal annealing) is performed. As a result, as shown in FIG. 17, the titanium layer 12 on the source / drain region 11 and the polysilicon layer 3 of the gate electrode is silicided to form a titanium silicide layer 13.
[0045]
Then, sulfuric acid / hydrogen peroxide solution (H 2 SO Four / H 2 O 2 ) The field oxide film (not shown) and the unreacted titanium layer 12 on the surface of the LDD sidewall 10 are removed by the treatment. As a result, the structure shown in FIG. 6 is obtained.
Further, a second RTA (for example, 800 ° C., 30 seconds) is performed to reduce the resistance of the titanium silicide layer 13. In the first RTA process (650 ° C., 30 seconds) shown in FIG. 17, first, a silicidation reaction takes place at the metal-silicon interface. Five Si Three The composition contains. When the second RTA process at a higher temperature is performed, the silicide shifts to a phase called a final phase, and TiSi 2 The composition is close to that of low resistance.
[0046]
Subsequently, an interlayer insulating film covering the entire surface is formed, and a contact hole is formed in the interlayer insulating film. A wiring material such as Al is buried in the contact hole, and wiring of the gate electrode, source region, and drain region is performed to form a MOS circuit. Further, a p-channel MOS transistor (PMOS) may be formed adjacent to the NMOS transistor having the above-described configuration to form a CMOS.
[0047]
According to the method of manufacturing a semiconductor device of the present embodiment, as shown in FIG. 7, since an n-type impurity is ion-implanted in advance into the Si substrate 1 in the NMOS formation region, the NMOS transistor in which gate depletion is suppressed Can be formed.
Further, in the step of ashing and removing the resist 7 which is a mask for ion implantation shown in FIG. Therefore, it is possible to prevent the polysilicon layer 3 from being damaged such as notches while suppressing the number of steps.
[0048]
The method for manufacturing a semiconductor device of the present invention is not limited to the above embodiment.
For example, the insulating film 4 serving as an etching stopper layer is formed by cleaning with hydrochloric acid / hydrogen peroxide solution in the first embodiment and ashing treatment of the resist in the second embodiment. However, a thin insulating film that can be easily removed can be formed.
[0049]
For example, after the polysilicon layer 3 is formed in a CVD apparatus, N 2 / O 2 By supplying gas into the apparatus, a thin natural oxide film of about 1 nm can be formed on the surface of the polysilicon layer 3, and this natural oxide film can be used as an etching stopper layer. In this case, it is not necessary to use another apparatus for forming the insulating film on the wafer, and an increase in the number of processes can be suppressed.
Also, a silicon nitride thin film can be used as the etching stopper layer instead of the silicon oxide film. In addition, various modifications can be made without departing from the scope of the present invention.
[0050]
【The invention's effect】
According to the method for manufacturing a semiconductor device of the present invention, in the step of etching the organic antireflection film using the resist as a mask, the conductor layer under the organic antireflection film is etched, and damage such as notches occurs. Can be prevented. As a result, it is possible to prevent further damage to the gate oxide film or the substrate formed below the conductor layer due to the damage generated in the conductor layer.
Therefore, according to the method for manufacturing a semiconductor device of the present invention, a highly reliable semiconductor device in which a desired miniaturized pattern is formed can be manufactured.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view of a semiconductor device manufactured by a method for manufacturing a semiconductor device according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a cross-sectional view showing a manufacturing process of the semiconductor device manufacturing method according to the first embodiment of the present invention;
3 is a cross-sectional view showing a manufacturing step in the method for manufacturing the semiconductor device according to the first embodiment of the present invention. FIG.
4 is a cross-sectional view showing a manufacturing step in the method for manufacturing the semiconductor device according to the first embodiment of the present invention. FIG.
5 is a cross-sectional view showing a manufacturing step in the method for manufacturing the semiconductor device according to the first embodiment of the present invention. FIG.
6 is a cross-sectional view of a semiconductor device manufactured by a semiconductor device manufacturing method according to Embodiment 2 of the present invention; FIG.
FIG. 7 is a cross-sectional view showing a manufacturing process of a semiconductor device manufacturing method according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 8 is a cross-sectional view showing a manufacturing process of a semiconductor device manufacturing method according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 9 is a cross-sectional view showing a manufacturing step in the method for manufacturing a semiconductor device according to the second embodiment of the present invention.
FIG. 10 is a cross-sectional view showing a manufacturing step in the method for manufacturing the semiconductor device according to the second embodiment of the present invention.
FIG. 11 is a cross-sectional view showing a manufacturing step in the method for manufacturing the semiconductor device according to the second embodiment of the present invention.
FIG. 12 is a cross-sectional view showing a manufacturing step in the method for manufacturing the semiconductor device according to the second embodiment of the present invention.
FIG. 13 is a cross-sectional view showing a manufacturing step in the method for manufacturing the semiconductor device according to the second embodiment of the present invention.
FIG. 14 is a cross-sectional view showing a manufacturing step in the method for manufacturing the semiconductor device according to the second embodiment of the present invention.
FIG. 15 is a cross-sectional view showing a manufacturing step in the method for manufacturing the semiconductor device according to the second embodiment of the present invention.
FIG. 16 is a cross-sectional view showing a manufacturing step in the method for manufacturing the semiconductor device according to the second embodiment of the present invention.
FIG. 17 is a cross-sectional view showing a manufacturing step in the method for manufacturing the semiconductor device according to the second embodiment of the present invention.
FIG. 18 is a cross-sectional view showing a manufacturing process of a conventional method for manufacturing a semiconductor device.
FIG. 19 is a cross-sectional view showing a manufacturing process of a conventional method for manufacturing a semiconductor device.
FIG. 20 is a cross-sectional view showing a manufacturing process of a conventional method for manufacturing a semiconductor device.
FIG. 21 is a cross-sectional view showing a manufacturing process of a conventional method for manufacturing a semiconductor device.
FIG. 22 is a cross-sectional view showing a manufacturing process of a conventional method for manufacturing a semiconductor device.
FIG. 23 is a cross-sectional view showing a manufacturing process of a conventional method for manufacturing a semiconductor device.
[Explanation of symbols]
1, 21, 31 ... Si substrate, 2, 22 ... gate insulating film, 3, 23, 33 ... polysilicon layer, 4 ... insulating film (etching stopper layer), 5, 24, 35 ... organic antireflection film, 6 7, 25, 36 ... Photoresist, 8 ... LDD (lightly doped drain), 9, 32, 34 ... Insulating film, 10 ... LDD sidewall, 11 ... Source / drain region, 12 ... Titanium layer, 13 ... Titanium silicide Layer, 26 ... notch in the polysilicon layer, 27 ... notch in the gate oxide film and the Si substrate.

Claims (11)

半導体基板上に、導電体層を形成する工程と、
前記導電体層上に、シリコン窒化膜からなるエッチングストッパー層を形成する工程と、
前記エッチングストッパー層上に、有機系反射防止膜を形成する工程と、
前記有機系反射防止膜上に、所定のパターンのレジストを形成する工程と、
前記レジストをマスクとして、前記有機系反射防止膜をエッチング除去する工程と、
前記レジストをマスクとして、前記エッチングストッパー層および前記導電体層をエッチング除去する工程とを有する
半導体装置の製造方法。
Forming a conductor layer on a semiconductor substrate;
Forming an etching stopper layer made of a silicon nitride film on the conductor layer;
Forming an organic antireflection film on the etching stopper layer;
Forming a resist with a predetermined pattern on the organic antireflection film;
Etching the organic antireflection film using the resist as a mask; and
And a step of etching and removing the etching stopper layer and the conductor layer using the resist as a mask.
前記導電体層は、ポリシリコンからなる
請求項1記載の半導体装置の製造方法。
The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 1, wherein the conductor layer is made of polysilicon.
前記導電体層は、アモルファスシリコンからなる
請求項1記載の半導体装置の製造方法。
The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 1, wherein the conductor layer is made of amorphous silicon.
前記エッチングストッパー層は、シリコン酸化膜からなる
請求項1記載の半導体装置の製造方法。
The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 1, wherein the etching stopper layer is made of a silicon oxide film.
前記シリコン酸化膜を形成する工程は、過酸化水素水を含む溶液を用いて、前記導電体層表面を洗浄する工程である
請求項4記載の半導体装置の製造方法。
The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 4, wherein the step of forming the silicon oxide film is a step of cleaning the surface of the conductor layer using a solution containing hydrogen peroxide.
前記シリコン酸化膜を形成する工程は、酸素プラズマを用いて前記導電体層表面を酸化する工程である
請求項4記載の半導体装置の製造方法。
The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 4, wherein the step of forming the silicon oxide film is a step of oxidizing the surface of the conductor layer using oxygen plasma.
前記エッチングストッパー層は、前記導電体層と同一のエッチング条件で除去できる範囲内の膜厚で薄く形成する
請求項1記載の半導体装置の製造方法。
The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 1, wherein the etching stopper layer is formed thin with a film thickness within a range that can be removed under the same etching conditions as the conductor layer.
前記エッチングストッパー層の膜厚は、3nm以下である
請求項記載の半導体装置の製造方法。
The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 7 , wherein the thickness of the etching stopper layer is 3 nm or less.
前記有機系反射防止膜をエッチングする工程は、酸素ガスと塩素ガスの混合ガスをプラズマ化させて前記有機系反射防止膜をエッチングする工程である
請求項1記載の半導体装置の製造方法。
The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 1, wherein the step of etching the organic antireflection film is a step of etching the organic antireflection film by converting a mixed gas of oxygen gas and chlorine gas into plasma.
前記有機系反射防止膜をエッチングする工程は、酸素ガスと窒素ガスの混合ガスをプラズマ化させて前記有機系反射防止膜をエッチングする工程である
請求項1記載の半導体装置の製造方法。
The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 1, wherein the step of etching the organic antireflection film is a step of etching the organic antireflection film by converting a mixed gas of oxygen gas and nitrogen gas into plasma.
半導体基板上に、ゲート絶縁膜を形成する工程と、
前記ゲート絶縁膜上に、導電体層を形成する工程と、
前記導電体層上に、シリコン窒化膜からなるエッチングストッパー層を形成する工程と、
前記エッチングストッパー層上に、有機系反射防止膜を形成する工程と、
前記有機系反射防止膜上に、所定のパターンのレジストを形成する工程と、
前記レジストをマスクとして、前記有機系反射防止膜をエッチング除去する工程と、
前記レジストをマスクとして、前記エッチングストッパー層および前記導電体層をエッチング除去して、電界効果トランジスタのゲート電極を形成する工程と、
前記半導体基板表面に、所定の間隔をあけてソース/ドレイン領域を形成する工程とを有する
半導体装置の製造方法。
Forming a gate insulating film on the semiconductor substrate;
Forming a conductor layer on the gate insulating film;
Forming an etching stopper layer made of a silicon nitride film on the conductor layer;
Forming an organic antireflection film on the etching stopper layer;
Forming a resist with a predetermined pattern on the organic antireflection film;
Etching the organic antireflection film using the resist as a mask; and
Using the resist as a mask, etching away the etching stopper layer and the conductor layer to form a gate electrode of a field effect transistor;
Forming a source / drain region at a predetermined interval on the surface of the semiconductor substrate. A method for manufacturing a semiconductor device.
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