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JP3971144B2 - Semiconductor device manufacturing method and semiconductor device - Google Patents
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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及びこれを用いた半導体装置に係り、特に半導体基板上に形成するデバイスパターンの粗密により生じるパターン変換差を低減する方法と、これを用いて製造された半導体装置を提供するものである。
【0002】
【従来の技術】
従来の半導体装置の製造方法には、半導体基板上に被加工材料からなる膜を形成し、この膜上にフォトレジストを塗布し、フォトマスクを用いてレジスト膜をパターニングし、このフォトレジスト膜をマスクとして被加工材料からなる膜をエッチングすることによりパターン形成するものがある。
【0003】
汎用DRAM及びメモリ・ロジック混載DRAMでは、MOSトランジスタのゲート等の配線層の加工は、ラインとスペースとが等間隔に並んだDRAMのメモリセルアレイ部と、孤立パターンからなるDRAMの周辺回路及びロジック回路を対象として行われる。
【0004】
このとき、孤立部及びメモリセルアレイの端部では、
(1)露光工程におけるパターンの跳び(パターン変換差による微細部の消失)を避けるために、微細部のレジスト膜を太めに形成する。
(2)被加工材料を異方性エッチングする際、マイクロ・ローディング効果(加工部周辺のパターン形状によるエッチング状態の変化)により加工部の断面形状にテーパー角が生じる。
等の問題があるため、孤立部及びメモリセルアレイの端部では、通常、加工部の形状が所望の寸法よりも20nm程度太く形成される。例えば、トランジスタのゲート長に所望の寸法からのずれを生じれば、トランジスタの動作速度の低下につながる。
【0005】
図5を用いて、上記の問題点をさらに具体的に説明する。図5では、MOSトランジスタのゲート電極の形成工程を例として説明を行うが、この問題は必ずしも配線層のレベルには依存せず、任意のレベルのパターン形成に共通するものである。
【0006】
図5(a)に示すように、シリコン基板1の上にゲート酸化膜2(SiO2)を形成し、次に、ゲート電極の材料として厚さ約100nmのポリシリコン膜3と、ハードマスクの材料として厚さ約200nmのシリコン窒化膜(SiN)を形成する。
【0007】
次に、このシリコン窒化膜上にフォトレジスト膜を塗布して露光し、パターン形成されたフォトレジスト膜をマスクとしてシリコン窒化膜の加工を行う。図5(a)には、このようにポリシリコン膜3の上にパターン形成されたシリコン窒化膜4a、4b、4cの断面形状が示されている。
【0008】
ここで、シリコン窒化膜4aは、例えば、メモリセルアレイ内のMOSトランジスタのポリシリコンゲートを加工するマスク、シリコン窒化膜4bは、メモリセルアレイ端におけるMOSトランジスタのポリシリコンゲートを加工するマスク、シリコン窒化膜4cは、メモリセルアレイの周辺回路のような、孤立部におけるMOSトランジスタのポリシリコンゲートを加工するマスクである。
【0009】
次に、図5(b)に示すように、シリコン窒化膜4a、4b、4cをマスクとしてReactive Ion Etching(RIE)を用いて異方性エッチングすることにより、ポリシリコンゲート3a、3b、3cを形成する。このとき、上記(1)、(2)の理由により、例えばメモリセルアレイ内部のポリシリコンゲート3aを130nmのline & spaceに仕上げた時、孤立部におけるポリシリコンゲート3cは、最小線幅150nm程度以上にしか実現することができない。
【0010】
このように、従来のリソグラフィー工程では、メモリセルアレイ内部の線幅とは独立に、孤立部の線幅を所望の値に設定することは非常に困難であった。
【0011】
【発明が解決しようとする課題】
上記のように、従来のリソグラフィー工程は、メモリセルアレイ内部のような、パターン形状の密部における線幅とは独立に、周辺回路の内部のようなパターン形状の疎部における孤立部の線幅を、所望の値に設定することが非常に困難であった。
【0012】
本発明は上記の問題点を解決すべくなされたもので、パターン形状の密部における線幅を保持したまま、パターン形状の疎部における孤立部の線幅を細くする方法とこれを用いた半導体装置を提供することを目的とする。
【0013】
【課題を解決するための手段】
本発明の半導体装置の製造方法は、例えば、ポリシリコン膜上にハードマスク形成用のシリコン窒化膜を形成し、このシリコン窒化膜をレジストマスクを用いて加工した後に、スリミング工程のハードマスクとなるシリコン酸化膜を形成し、等方性エッチングを用いてこのシリコン酸化膜を選択的に除去することにより、例えばメモリセルアレイの内部のようなパターン形状の密部にのみこのシリコン酸化膜を残留させる。
【0014】
この状態でシリコン窒化膜を選択的に等方性エッチングすることで、例えばメモリセルアレイ端部及び孤立パターン形成用のシリコン窒化膜からなるハードマスクのみがスリミングされるようにする。このようなスリミング工程を経たシリコン窒化膜をマスクとして、ポリシリコン膜を異方性エッチングすれば、パターン形状の粗密により生じるパターン変換差を軽減することができる。
【0015】
発明の半導体装置の製造方法は、半導体基板上に形成された第1の膜の上に疎部と密部とを有するように第2の膜のパターンを形成する工程と、前記第1、第2の膜を覆うように、前記第1、第2の膜よりもエッチング速度の大きい第3の膜を形成する工程と、前記疎部における前記第3の膜を除去すると同時に前記密部における前記第3の膜を前記第2の膜が露出するまで選択的に除去する第1のエッチング工程と、前記第1のエッチング工程で前記密部に残留した前記第3の膜をマスクとして前記第2の膜の表面を選択的に除去する工程と、前記第1のエッチング工程で前記密部に残留した前記第3の膜を除去する工程と、前記第2の膜をマスクとして前記第1の膜をエッチングする第2のエッチング工程と、を有することを特徴とする。
【0016】
本発明の半導体装置は、半導体基板上にパターン形成された第1の膜と、前記第1の膜上に形成された第2の膜と、前記第1、第2の膜を覆う第3の膜とを具備し、前記第1、第2の膜のパターンは疎部と密部とからなり、前記密部にパターン形成された第2の膜は、その上部周辺の角部が除去されることを特徴とする。
【0017】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。
【0018】
<第1の実施形態>
図1、図2は、本発明の第1の実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す図である。図1、図2では、半導体メモリを構成するMOSトランジスタのゲート電極の形成工程を例として説明を行う。
【0019】
シリコン基板1の上に、ゲート絶縁膜となるシリコン酸化膜2(SiO2)を介してゲート電極となる厚さ約100nmのポリシリコン膜3(請求項1における第1の膜)を形成する。さらに、ポリシリコン膜3をゲート電極としてパターン形成するためのハードマスクとして厚さ約200nmのシリコン窒化膜(SiN;請求項1における第2の膜)を形成する。
【0020】
次に、フォトレジスト膜をマスクとして、例えば、RIEを用いてゲート電極形成用のハードマスクとなるシリコン窒化膜4a、4b、4cを異方性エッチングした後フォトレジスト膜を除去する。ここまでの工程は、先に図5を用いて説明した従来の製造工程と同様である。このとき、半導体メモリのセルアレイにおけるMOSトランジスタの所望のゲート長が、例えば130nmであるとする。
【0021】
次に、セルアレイを十分埋めるように、厚さ約85nmのBoron-Phosphorus-Silicate glass(BPSG)等の段差被覆性に優れた酸化膜5(請求項1記載の第3の膜;以下BPSG酸化膜と呼ぶ)を形成する。このとき、BPSG酸化膜5の厚さは、図1(b)の左側に示すように、line & space状に密に配列されたゲート電極形成用のハードマスクとなるシリコン窒化膜4a、4bが十分埋められる厚さ、すなわち、セルアレイ内部のスペース幅の50%乃至100%の厚さに設定される。
【0022】
次に、図1(c)の左側に示すように、通常のウェットエッチング等の等方性エッチング工程を用いてBPSG酸化膜5を選択的に除去することにより、セルアレイ内部のシリコン窒化膜4a、4b間に埋め込まれたBPSG酸化膜5aを、例えば、厚さ150nm程度残留させる。このとき、図1(c)の右側に配置された周辺回路領域における孤立ゲート形成用のシリコン窒化膜4cの周辺部からは、BPSG酸化膜5aが完全に除去され、シリコン窒化膜4cはむき出しの状態になる。
【0023】
次に、加熱燐酸によるウエットエッチング等の等方性エッチング工程を用いて、図1(c)に示すシリコン窒化膜4a、4b、4cを等方的にエッチングすることにより、シリコン窒化膜4b、4cを図2(d)の4b′、4c′に示すようにスリミングする。ここで、4b″、4c″はスリミング工程で除去されたシリコン窒化膜4b、4cの側壁部を示している。
【0024】
このスリミング量は、パターン変換差に応じて調整されるが、加熱燐酸を用いた等方性エッチング工程では、4b″、4c″の厚さが20nmの場合6分程度の時間で除去され、スリミング量の制御性も高い。なお、このとき、シリコン窒化膜4a′、4b′の頂上部も上記スリミング量だけ除去され、同時に頂上部の上部周辺領域の角部が除去されるが、ゲート電極形成用のハードマスクとして、この頂上部の除去分は何等の影響を及ぼさないので、ゲート電極形成工程上の問題は生じない。
【0025】
次に、フッ酸を用いたウエットエッチング工程を用いて図2(d)に示すBPSG酸化膜5aを選択的に除去し、シリコン窒化膜4a′、4b′、4c′をハードマスクとしてRIEを用いてポリシリコン膜3を異方性エッチングすれば、図2(e)に示すように、セルアレイ内部のポリシリコン3aのゲート長と周辺回路内部のポリシリコン3c′のゲート長をセルアレイ内部のポリシリコン3aのゲート長とは独立の値に設定することができる。
【0026】
なお図2(e)において、ポリシリコン3b′のスリム量はポリシリコン3aと3c′の中間程度になるので、このようにセルアレイの端部におけるMOSトランジスタは、ダミートランジスタとしてセルアレイ内部で特に高速なスイッチング動作を要しない部分に用いればよい。
【0027】
<第2の実施形態>
次に、図3を用いて、第2の実施形態について説明する。第2の実施形態では、第1の実施形態の応用例として、上記スリミング工程を半導体メモリの製造に用いる場合について、さらに具体的に説明する。図3は、トレンチキャパシタとスイッチングトランジスタを規則的に配列した半導体メモリのセルアレイのビット線方向に沿う断面構造を示す図である。
【0028】
図3に示すセルアレイの断面構造は、RIEの異方性エッチングを用いてシリコン基板にトレンチ(DT)を形成し、その内壁を覆うようにトレンチキャパシタの誘電体膜6を形成し、さらに誘電体膜6で覆われたトレンチの内部を埋め込むようにポリシリコンからなるメモリセルの蓄積電極7を形成する。この蓄積電極7はトレンチの上部に形成されたN領域8を介して、スイッチングトランジスタのソースに接続される。
【0029】
2はスイッチングトランジスタのゲート絶縁膜(SiO2)、3aはスイッチングトランジスタのゲート電極(ポリシリコン)、4a″は図2(e)に示すシリコン窒化膜(SiN)からなるゲート電極形成用のハードマスク4a′の上部と側壁及びゲート電極3aの側壁を覆うように形成されたゲート側壁絶縁膜を含むシリコン窒化膜である。
【0030】
ビット線(Mφ;以下φはゼロの意味する記号である)は、ゲート側壁絶縁膜を含むシリコン窒化膜4a″をエッチングの保護膜(マスク)として、ゲート電極3aの間に形成されたセルフ・アライン・コンタクト(CB)を介して、スイッチングトランジスタのドレインに接続される。
【0031】
先に図2(e)を用いて説明したように、シリコン窒化膜4a′は、スリミング工程において頂上部がエッチングされ上部周辺の角部が除去されることについて説明した。このため、図3に示すように、ゲート側壁絶縁膜を含むシリコン窒化膜4a″においても上部周辺の角部が除去された構造を示すのであるが、この構造は、次のようなデバイス構成上の利点を生じる。
【0032】
すなわち、次の層間絶縁膜9の形成工程において、通常この角部に異常成長等の問題を生じ易く、この近傍で応力分布が不均一となり欠陥発生の原因になっていたが、シリコン窒化膜4a″の上部周辺における角部が除去されることにより、この角部における応力の集中が緩和され、この近傍での欠陥の発生を抑制することができる。
【0033】
このような利点は、図2(e)に示すシリコン窒化膜4a′に対して直接他の材料膜を積層する場合にも有効であることはいうまでもない。なお、シリコン窒化膜4a″の上部周辺における角部が除去されることは、ゲート電極3aの間のセルフ・アライン・コンタクト(CB)形成過程に対しては、何等の悪影響を及ぼすものではない。
【0034】
<第3の実施形態>
次に、図4を用いて第3の実施形態について説明する。
第3の実施形態では、半導体メモリにおいてスイッチングトランジスタが密に形成されるメモリセル部と、周辺回路に含まれるセンスアンプ部に孤立的に形成されるトランジスタとの相互の配置状況、及び第1の実施形態で述べたメモリセル部の端部に形成されたダミートランジスタの使用状況について説明する。
【0035】
図4は、第1、第2の実施形態で説明したスリミング工程を経たスイッチングトランジスタとトレンチキャパシタが行方向と列方向に規則的に配列されたメモリセル部と、ビット線を介してメモリセル部と記憶情報のやりとりをするセンスアンプ部の平面構造を示す図である。
【0036】
図4に示す半導体メモリの平面構造は、トレンチDTと、スイッチングトランジスタのゲート電極が一続きに形成されたゲート電極(GC)と、スイッチングトランジスタのソース・ドレイン拡散層(AA)と、2層目配線(Mφ)と、スイッチングトランジスタのソースと2層目配線(Mφ)とを接続するセルフ・アライン・コンタクト(CB)と、ゲート電極(GC)及び2層目配線(Mφ)を接続するコンタクト(Cφ)と、ソース・ドレイン拡散層(AA)及び2層目配線(Mφ)を接続するコンタクト(CA)から構成される。
【0037】
図4のメモリセル部において、行方向に一続きに形成されたゲート電極(GC)は、ワード線として2層目配線(Mφ)を介してロウデコーダに接続される。また、セルフ・アライン・コンタクト(CB)を介してスイッチングトランジスタのソースに接続された2層目配線(Mφ)からなるビット線は、メモリセル部の列方向に引き出され、センスアンプを構成するトランジスタに接続される。
【0038】
図4において、一続きの密なゲート電極(GC)がline & space状に形成されるメモリセル部と、1本のゲート電極(GC)が孤立パターンとして形成されるセンスアンプ部との間には、RIEのマイクロ・ローディング効果に基づく大きなパターン変換差を生じることが避けられない。
【0039】
このとき、本発明のスリミング工程を用いれば、狙いのパターン寸法を最小寸法のパターンに合わせてマスク上の寸法やプロセス条件を厳密に設定し、その他の部分のパターン変換差については、短時間の簡単なウェットエッチング工程を付加するのみで容易に解消することができる。
【0040】
このとき、メモリセル部の端部におけるスリミング量は孤立パターンの約1/2となり、厳密に設定されたメモリセル部の内部のゲート電極(GC)に比べてゲート長がやや不確実になるが、図4においてダミーとして示されるように、これをウエルを通じて接地する選択トランジスタのゲートとして用いれば、半導体メモリの動作速度に悪影響を及ぼすことはない。
【0041】
なお、本発明は上記の実施形態に限定されるものではない。
上記の各実施の形態において、本発明のスリミング工程をMOSトランジスタのゲート電極形成工程に適用する場合について説明したが、必ずしも配線層のレベルには依存するものではなく、任意のレベルの配線層に対して同様に適用することができる。
【0042】
また本発明は、パターン形状の密部と疎部の加工寸法に一定の差を制御性よく付与する際に常に有効である。例えばメモリ・ロジック混載LSIにおいて、特に高速動作が要求される論理回路部のゲート長がメモリセル部のゲート長よりも小さい場合にも優れた効果が示される。
【0043】
また、上記の各実施の形態において、シリコン基板上のゲート電極の材料としてポリシリコンを用い、ゲート電極形成用のハードマスク材料としてシリコン窒化膜を用いる場合について説明したが、必ずしもこれらの材料に限定されるものではない。例えば、ゲート電極の材料としてポリシリコン膜の他金属膜又はポリシリコン膜と金属膜との積層膜を用いることができる。
【0044】
また、ゲート電極形成用のハードマスク材料としてシリコン窒化膜の他シリコン酸化膜、シリコン窒化膜とシリコン酸化膜との積層膜、シリコンオキシナイトライド膜を用いることができる。なお、ハードマスクのスリミング工程に用いる埋め込み酸化膜として、BPSGの他PSG (Phosphorous-
Silicate-Glass) を用いることができる。
【0045】
このように、本発明のスリミング工程は、ドライエッチング及びウエットエッチングに対して選択性のある材料を組み合わせた任意のデバイスの製造に適用することができる。その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々変形して実施することができる。
【0046】
【発明の効果】
上述したように本発明の半導体装置の製造方法によれば、半導体基板上に形成されるデバイスパターンの粗密により生じるパターン変換差を短時間のウエットエッチング工程を付加することで、容易に低減することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図1】第1の実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す工程断面図。
【図2】第1の実施形態に係る半導体装置の製造方法の続きを示す工程断面図。
【図3】第2の実施形態に係る半導体メモリのメモルセル部の構造を示す断面図。
【図4】第3の実施形態に係る半導体メモリのレイアウトを示す平面図。
【図5】従来の半導体装置の製造方法を示す工程断面図。
【符号の説明】
1…シリコン基板
2…ゲート酸化膜
3…ポリシリコン膜
3a、3b、3c、3b′…ポリシリコンゲート
4a、4b、4c、4a′、4b′、4c′…シリコン窒化膜マスク
4b″、4c″…スリム量
5…BPSG膜
5a…残留BPSG膜
6…キャパシタ誘電膜
7…ポリシリコン埋め込み蓄積電極
8…N接続領域
9…層間絶縁膜
DT…トレンチ
GC…ゲート電極
CB…セルフ・アライン・コンタクト
Mφ…2層目配線
AA…ソース・ドレイン拡散層
CA…Mφ−AAコンタクト
Cφ…GC−Mφコンタクト
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a method of manufacturing a semiconductor device and a semiconductor device using the same, and more particularly, to a method of reducing pattern conversion difference caused by density of device patterns formed on a semiconductor substrate, and a semiconductor device manufactured using the method. It is to provide.
[0002]
[Prior art]
In a conventional method for manufacturing a semiconductor device, a film made of a material to be processed is formed on a semiconductor substrate, a photoresist is applied on the film, a resist film is patterned using a photomask, and the photoresist film is formed. Some masks form a pattern by etching a film made of a material to be processed.
[0003]
In general-purpose DRAMs and memory / logic mixed DRAMs, the processing of wiring layers such as the gates of MOS transistors is performed by DRAM memory cell array sections in which lines and spaces are arranged at equal intervals, and DRAM peripheral circuits and logic circuits composed of isolated patterns. It is performed on the subject.
[0004]
At this time, in the isolated portion and the end of the memory cell array,
(1) In order to avoid pattern jumping (disappearance of fine parts due to pattern conversion differences) in the exposure process, the resist film of the fine parts is formed thicker.
(2) When anisotropically etching the material to be processed, a taper angle is generated in the cross-sectional shape of the processed portion due to the micro loading effect (change in the etching state due to the pattern shape around the processed portion).
Therefore, in the isolated portion and the end portion of the memory cell array, the shape of the processed portion is usually formed to be about 20 nm thicker than a desired dimension. For example, if the gate length of the transistor deviates from a desired dimension, the operation speed of the transistor is reduced.
[0005]
The above problem will be described more specifically with reference to FIG. In FIG. 5, the process of forming the gate electrode of the MOS transistor will be described as an example. However, this problem does not necessarily depend on the level of the wiring layer, and is common to pattern formation at an arbitrary level.
[0006]
As shown in FIG. 5A, a gate oxide film 2 (SiO 2 ) is formed on a silicon substrate 1, and then a polysilicon film 3 having a thickness of about 100 nm as a material for a gate electrode, and a hard mask. A silicon nitride film (SiN) having a thickness of about 200 nm is formed as a material.
[0007]
Next, a photoresist film is applied onto the silicon nitride film and exposed, and the silicon nitride film is processed using the patterned photoresist film as a mask. FIG. 5A shows the cross-sectional shapes of the silicon nitride films 4a, 4b, and 4c patterned on the polysilicon film 3 in this way.
[0008]
Here, the silicon nitride film 4a is, for example, a mask for processing the polysilicon gate of the MOS transistor in the memory cell array, the silicon nitride film 4b is a mask for processing the polysilicon gate of the MOS transistor in the memory cell array end, and the silicon nitride film 4c is a mask for processing the polysilicon gate of the MOS transistor in the isolated portion such as a peripheral circuit of the memory cell array.
[0009]
Next, as shown in FIG. 5B, the polysilicon gates 3a, 3b, and 3c are formed by anisotropic etching using Reactive Ion Etching (RIE) using the silicon nitride films 4a, 4b, and 4c as a mask. Form. At this time, for the reasons (1) and (2) above, for example, when the polysilicon gate 3a in the memory cell array is finished to a 130 nm line & space, the polysilicon gate 3c in the isolated portion has a minimum line width of about 150 nm or more. Can only be realized.
[0010]
Thus, in the conventional lithography process, it is very difficult to set the line width of the isolated portion to a desired value independently of the line width inside the memory cell array.
[0011]
[Problems to be solved by the invention]
As described above, the conventional lithography process reduces the line width of the isolated portion in the sparse part of the pattern shape such as the inside of the peripheral circuit independently of the line width in the dense part of the pattern shape such as the inside of the memory cell array. It was very difficult to set the desired value.
[0012]
The present invention has been made to solve the above problems, and a method for reducing the line width of an isolated portion in a sparse part of a pattern shape while maintaining the line width in a dense part of the pattern shape, and a semiconductor using the same An object is to provide an apparatus.
[0013]
[Means for Solving the Problems]
In the method for manufacturing a semiconductor device of the present invention, for example, a silicon nitride film for forming a hard mask is formed on a polysilicon film, the silicon nitride film is processed using a resist mask, and then used as a hard mask for a slimming process. By forming a silicon oxide film and selectively removing the silicon oxide film by using isotropic etching, the silicon oxide film is left only in a dense portion having a pattern shape, for example, inside the memory cell array.
[0014]
In this state, the silicon nitride film is selectively isotropically etched so that only the hard mask made of the silicon nitride film for forming the edge of the memory cell array and the isolated pattern is slimmed, for example. If the polysilicon film is anisotropically etched using the silicon nitride film that has undergone such a slimming process as a mask, a difference in pattern conversion caused by pattern density can be reduced.
[0015]
According to another aspect of the present invention, there is provided a method for manufacturing a semiconductor device, comprising: forming a pattern of a second film on a first film formed on a semiconductor substrate so as to have a sparse part and a dense part ; so as to cover the second layer, the first step and, when removing the third film in the sparse portion simultaneously the dense portion that form a large third film etching rate than the second film The first etching step for selectively removing the third film in the step until the second film is exposed, and the third film remaining in the dense part in the first etching step as a mask. A step of selectively removing the surface of the second film; a step of removing the third film remaining in the dense portion in the first etching process; and the first film using the second film as a mask. And a second etching step for etching the film. .
[0016]
The semiconductor device of the present invention includes a first film which is patterned on the semiconductor substrate, and a second film made form on said first layer, said first, third covering the second film The pattern of the first and second films is composed of a sparse part and a dense part, and the second film patterned in the dense part has corners around the upper part removed. It is characterized by that.
[0017]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
[0018]
<First Embodiment>
1 and 2 are views showing a method for manufacturing a semiconductor device according to the first embodiment of the present invention. 1 and 2 will be described by taking as an example a process of forming a gate electrode of a MOS transistor constituting a semiconductor memory.
[0019]
On the silicon substrate 1, a polysilicon film 3 (first film in claim 1) having a thickness of about 100 nm serving as a gate electrode is formed via a silicon oxide film 2 (SiO 2 ) serving as a gate insulating film. Further, a silicon nitride film (SiN; second film in claim 1) having a thickness of about 200 nm is formed as a hard mask for pattern formation using the polysilicon film 3 as a gate electrode.
[0020]
Next, using the photoresist film as a mask, for example, the silicon nitride films 4a, 4b, and 4c serving as a hard mask for forming a gate electrode are anisotropically etched using RIE, and then the photoresist film is removed. The steps up to here are the same as the conventional manufacturing steps described above with reference to FIG. At this time, it is assumed that the desired gate length of the MOS transistor in the cell array of the semiconductor memory is, for example, 130 nm.
[0021]
Next, the oxide film 5 having excellent step coverage such as Boron-Phosphorus-Silicate glass (BPSG) having a thickness of about 85 nm so as to sufficiently fill the cell array (third film according to claim 1; hereinafter referred to as BPSG oxide film) Called). At this time, as shown on the left side of FIG. 1B, the thickness of the BPSG oxide film 5 is such that the silicon nitride films 4a and 4b serving as hard masks for forming gate electrodes arranged in a line & space manner are densely arranged. The thickness is sufficiently filled, that is, 50% to 100% of the space width inside the cell array.
[0022]
Next, as shown on the left side of FIG. 1C, by selectively removing the BPSG oxide film 5 using an isotropic etching process such as normal wet etching, the silicon nitride film 4a inside the cell array, The BPSG oxide film 5a buried between 4b is left, for example, with a thickness of about 150 nm. At this time, the BPSG oxide film 5a is completely removed from the peripheral portion of the silicon nitride film 4c for forming an isolated gate in the peripheral circuit region arranged on the right side of FIG. 1C, and the silicon nitride film 4c is exposed. It becomes a state.
[0023]
Next, by using an isotropic etching process such as wet etching with heated phosphoric acid, the silicon nitride films 4a, 4b, and 4c shown in FIG. Is slimmed as indicated by 4b 'and 4c' in FIG. Here, 4b ″ and 4c ″ indicate side walls of the silicon nitride films 4b and 4c removed in the slimming process.
[0024]
This slimming amount is adjusted in accordance with the pattern conversion difference. In the isotropic etching process using heated phosphoric acid, when the thickness of 4b ″ and 4c ″ is 20 nm, the slimming amount is removed in about 6 minutes. The amount is highly controllable. At this time, the tops of the silicon nitride films 4a ′ and 4b ′ are also removed by the slimming amount, and at the same time, the corners of the upper peripheral region of the tops are removed. As a hard mask for forming the gate electrode, Since the removal of the top does not have any influence, there is no problem in the gate electrode formation process.
[0025]
Next, a wet etching process using hydrofluoric acid is used to selectively remove the BPSG oxide film 5a shown in FIG. 2D, and the silicon nitride films 4a ', 4b' and 4c 'are used as hard masks and RIE is used. If the polysilicon film 3 is anisotropically etched, as shown in FIG. 2E, the gate length of the polysilicon 3a inside the cell array and the gate length of the polysilicon 3c 'inside the peripheral circuit are set to the polysilicon inside the cell array. The gate length of 3a can be set to an independent value.
[0026]
In FIG. 2E, the slim amount of the polysilicon 3b 'is about halfway between the polysilicons 3a and 3c'. Thus, the MOS transistor at the end of the cell array as a dummy transistor has a particularly high speed inside the cell array. What is necessary is just to use for the part which does not require switching operation.
[0027]
<Second Embodiment>
Next, with reference to FIG. 3, a second embodiment will be described. In the second embodiment, as an application example of the first embodiment, a case where the above-described slimming process is used for manufacturing a semiconductor memory will be described more specifically. FIG. 3 is a diagram showing a cross-sectional structure along the bit line direction of a cell array of a semiconductor memory in which trench capacitors and switching transistors are regularly arranged.
[0028]
In the cross-sectional structure of the cell array shown in FIG. 3, a trench (DT) is formed in a silicon substrate using RIE anisotropic etching, a dielectric film 6 of a trench capacitor is formed so as to cover the inner wall, and a dielectric A storage electrode 7 of a memory cell made of polysilicon is formed so as to fill the inside of the trench covered with the film 6. This storage electrode 7 is connected to the source of the switching transistor through an N + region 8 formed in the upper part of the trench.
[0029]
2 is a gate insulating film (SiO 2 ) of the switching transistor, 3a is a gate electrode (polysilicon) of the switching transistor, and 4a ″ is a hard mask for forming a gate electrode made of the silicon nitride film (SiN) shown in FIG. This is a silicon nitride film including a gate side wall insulating film formed so as to cover the upper and side walls of 4a 'and the side wall of the gate electrode 3a.
[0030]
A bit line (Mφ; hereinafter φ is a symbol meaning zero) is a self-resonant film formed between the gate electrodes 3a using the silicon nitride film 4a ″ including the gate sidewall insulating film as an etching protective film (mask). It is connected to the drain of the switching transistor through an align contact (CB).
[0031]
As described above with reference to FIG. 2E, the silicon nitride film 4a ′ has been described in which the top is etched and the corners around the top are removed in the slimming process. Therefore, as shown in FIG. 3, the silicon nitride film 4a ″ including the gate sidewall insulating film also has a structure in which corners around the upper part are removed. This structure is based on the following device configuration. Produces the advantage of
[0032]
That is, in the next step of forming the interlayer insulating film 9, problems such as abnormal growth are usually likely to occur at the corners, and the stress distribution becomes non-uniform in the vicinity, which causes defects, but the silicon nitride film 4a By removing the corners around the upper portion of ″, the stress concentration at the corners is alleviated, and the generation of defects in the vicinity of the corners can be suppressed.
[0033]
It goes without saying that such an advantage is also effective when another material film is directly laminated on the silicon nitride film 4a ′ shown in FIG. The removal of the corners around the upper portion of the silicon nitride film 4a ″ has no adverse effect on the self-aligned contact (CB) formation process between the gate electrodes 3a.
[0034]
<Third Embodiment>
Next, a third embodiment will be described with reference to FIG.
In the third embodiment, the mutual arrangement state between the memory cell portion in which the switching transistors are densely formed in the semiconductor memory and the transistors formed in isolation in the sense amplifier portion included in the peripheral circuit, and the first A use state of the dummy transistor formed at the end portion of the memory cell portion described in the embodiment will be described.
[0035]
FIG. 4 shows a memory cell unit in which switching transistors and trench capacitors that have undergone the slimming process described in the first and second embodiments are regularly arranged in a row direction and a column direction, and a memory cell unit via a bit line. 2 is a diagram illustrating a planar structure of a sense amplifier unit that exchanges stored information with each other. FIG.
[0036]
The planar structure of the semiconductor memory shown in FIG. 4 includes a trench DT, a gate electrode (GC) in which a gate electrode of a switching transistor is continuously formed, a source / drain diffusion layer (AA) of the switching transistor, and a second layer. A wiring (Mφ), a self-aligned contact (CB) that connects the source of the switching transistor and the second layer wiring (Mφ), and a contact that connects the gate electrode (GC) and the second layer wiring (Mφ) ( Cφ), and contacts (CA) connecting the source / drain diffusion layers (AA) and the second-layer wiring (Mφ).
[0037]
In the memory cell portion of FIG. 4, the gate electrodes (GC) formed continuously in the row direction are connected as word lines to the row decoder via the second layer wiring (Mφ). In addition, the bit line formed of the second layer wiring (Mφ) connected to the source of the switching transistor via the self-aligned contact (CB) is drawn in the column direction of the memory cell portion, and constitutes a sense amplifier Connected to.
[0038]
In FIG. 4, between a memory cell portion in which a continuous dense gate electrode (GC) is formed in a line & space shape and a sense amplifier portion in which one gate electrode (GC) is formed as an isolated pattern. Inevitably causes a large pattern conversion difference based on the micro-loading effect of RIE.
[0039]
At this time, if the slimming process of the present invention is used, the target pattern dimension is matched with the minimum dimension pattern, the dimension on the mask and the process conditions are strictly set, and the pattern conversion difference in other parts is reduced in a short time. It can be easily solved by adding a simple wet etching process.
[0040]
At this time, the amount of slimming at the end of the memory cell portion is about ½ of the isolated pattern, and the gate length is somewhat uncertain compared to the gate electrode (GC) inside the memory cell portion set strictly. As shown as a dummy in FIG. 4, if this is used as the gate of the select transistor grounded through the well, the operation speed of the semiconductor memory is not adversely affected.
[0041]
In addition, this invention is not limited to said embodiment.
In each of the above-described embodiments, the case where the slimming process of the present invention is applied to the gate electrode forming process of the MOS transistor has been described. However, the invention does not necessarily depend on the level of the wiring layer, and the wiring layer of any level is used. The same can be applied to this.
[0042]
In addition, the present invention is always effective when a certain difference is imparted with good controllability to the processing dimensions of the dense and sparse portions of the pattern shape. For example, in a memory / logic mixed LSI, an excellent effect is exhibited even when the gate length of a logic circuit portion that requires high speed operation is smaller than the gate length of a memory cell portion.
[0043]
In each of the embodiments described above, the case where polysilicon is used as the material for the gate electrode on the silicon substrate and the silicon nitride film is used as the hard mask material for forming the gate electrode has been described. However, the present invention is not limited to these materials. Is not to be done. For example, as a material for the gate electrode, a polysilicon film or a metal film or a laminated film of a polysilicon film and a metal film can be used.
[0044]
In addition to the silicon nitride film, a silicon oxide film, a stacked film of a silicon nitride film and a silicon oxide film, and a silicon oxynitride film can be used as a hard mask material for forming the gate electrode. As a buried oxide film used in the hard mask slimming process, PSG (Phosphorous-
Silicate-Glass) can be used.
[0045]
Thus, the slimming process of the present invention can be applied to the manufacture of any device that combines materials that are selective to dry etching and wet etching. In addition, various modifications can be made without departing from the scope of the present invention.
[0046]
【The invention's effect】
As described above, according to the method for manufacturing a semiconductor device of the present invention, a pattern conversion difference caused by the density of device patterns formed on a semiconductor substrate can be easily reduced by adding a short wet etching process. Is possible.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a process cross-sectional view illustrating a method for manufacturing a semiconductor device according to a first embodiment.
FIG. 2 is a process cross-sectional view illustrating the continuation of the method for manufacturing the semiconductor device according to the first embodiment.
FIG. 3 is a cross-sectional view showing a structure of a memole cell portion of a semiconductor memory according to a second embodiment.
FIG. 4 is a plan view showing a layout of a semiconductor memory according to a third embodiment.
FIG. 5 is a process cross-sectional view illustrating a conventional method for manufacturing a semiconductor device.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Silicon substrate 2 ... Gate oxide film 3 ... Polysilicon film 3a, 3b, 3c, 3b '... Polysilicon gate 4a, 4b, 4c, 4a', 4b ', 4c' ... Silicon nitride film mask 4b ", 4c" ... Slim amount 5 ... BPSG film 5a ... Residual BPSG film 6 ... Capacitor dielectric film 7 ... Polysilicon buried storage electrode 8 ... N + connection region 9 ... Interlayer insulating film DT ... Trench GC ... Gate electrode CB ... Self-aligned contact Mφ ... Second-layer wiring AA ... Source / drain diffusion layer CA ... Mφ-AA contact Cφ ... GC-Mφ contact

Claims (7)

半導体基板上に形成された第1の膜の上に疎部と密部とを有するように第2の膜のパターンを形成する工程と、
前記第1、第2の膜を覆うように、前記第1、第2の膜よりもエッチング速度の大きい第3の膜を形成する工程と、
前記疎部における前記第3の膜を除去すると同時に前記密部における前記第3の膜を前記第2の膜が露出するまで選択的に除去する第1のエッチング工程と、
前記第1のエッチング工程で前記密部に残留した前記第3の膜をマスクとして前記第2の膜の表面を選択的に除去する工程と、
前記第1のエッチング工程で前記密部に残留した前記第3の膜を除去する工程と、
前記第2の膜をマスクとして前記第1の膜をエッチングする第2のエッチング工程と、
を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
Forming a pattern of the second film so as to have a sparse part and a dense part on the first film formed on the semiconductor substrate;
The first, so as to cover the second layer, comprising the steps that form the first, high etch rate than the second layer a third layer,
A first etching step of removing the third film in the sparse part and simultaneously removing the third film in the dense part until the second film is exposed ;
Selectively removing the surface of the second film using the third film remaining in the dense portion in the first etching step as a mask;
Removing the third film remaining in the dense part in the first etching step;
A second etching step of etching the first film using the second film as a mask;
A method for manufacturing a semiconductor device, comprising:
前記第3の膜を形成する工程において、前記第2の膜のパターンの疎部における前記第3の膜の厚さは、前記第1の膜をエッチングする工程で形成された前記第1の膜のパターン形状の密部におけるスペース幅の50%乃至100%であることを特徴とする請求項1記載の半導体装置の製造方法。  In the step of forming the third film, the thickness of the third film in the sparse part of the pattern of the second film is the first film formed in the step of etching the first film. 2. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 1, wherein the space width is 50% to 100% of the dense portion of the pattern shape. 前記第2の膜のパターンは、一定幅のラインパターンであって、前記半導体基板上に形成されたラインパターンの疎部における孤立パターンの幅は、前記半導体基板上に形成されたラインパターンの密部における幅と同等であることを特徴とする請求項1記載の半導体装置の製造方法。The pattern of the second film is a line pattern having a constant width, and the width of the isolated pattern in the sparse part of the line pattern formed on the semiconductor substrate is the density of the line pattern formed on the semiconductor substrate. the method according to claim 1, wherein the equivalent der Rukoto the width in section. 前記ラインパターンは、前記半導体基板上のMOSトランジスタのゲートをなすラインパターンであって、
前記第1の膜は、ゲート絶縁膜を介して半導体基板上に形成されたポリシリコン膜、金属膜、又は前記ポリシリコン膜と金属膜との積層膜であり、前記第2の膜はシリコン窒化膜、シリコン酸化膜、シリコン窒化膜とシリコン酸化膜との積層膜、又はシリコンオキシナイトライド膜であり、前記第3の膜はPSG膜、又はBPSG膜であることを特徴とする請求項3記載の半導体装置の製造方法。
The line pattern is a line pattern forming a gate of a MOS transistor on the semiconductor substrate,
The first film is a polysilicon film, a metal film, or a laminated film of the polysilicon film and the metal film formed on a semiconductor substrate through a gate insulating film, and the second film is a silicon nitride film 4. A film, a silicon oxide film, a laminated film of a silicon nitride film and a silicon oxide film, or a silicon oxynitride film, and the third film is a PSG film or a BPSG film. Manufacturing method of the semiconductor device.
半導体基板上にパターン形成された第1の膜と、前記第1の膜上に形成された第2の膜と、前記第1、第2の膜を覆う第3の膜とを具備し、
前記第1、第2の膜のパターンは疎部と密部とからなり、
前記密部にパターン形成された第2の膜は、その上部周辺の角部が除去されることを特徴とする半導体装置。
Comprising a first film which is patterned on the semiconductor substrate, and a second film made form on said first layer, said first and a third layer covering the second layer,
The pattern of the first and second films consists of a sparse part and a dense part,
The second film patterned in the dense part has a corner around its upper part removed.
前記パターンの密部にはメモリセルアレイが形成され、前記パターンの疎部には前記メモリセルアレイの周辺回路が形成されることを特徴とする請求項5記載の半導体装置。  6. The semiconductor device according to claim 5, wherein a memory cell array is formed in a dense portion of the pattern, and a peripheral circuit of the memory cell array is formed in a sparse portion of the pattern. 前記パターンの疎部には、前記メモリセルアレイ及び前記周辺回路からなる半導体記憶装置と同一チップ上に混載された論理装置がさらに形成されることを特徴とする請求項6記載の半導体装置。  7. The semiconductor device according to claim 6, wherein a logic device mixedly mounted on the same chip as the semiconductor memory device including the memory cell array and the peripheral circuit is further formed in the sparse part of the pattern.
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