JPH01132140A - パターン形成方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、選択酸化を利用したパターン形成方法に関す
る。この方法は、ＩＣ，ＬＳＩ等の半導体製造プロセス
における微細構造の形成や、その他一般の微細加工方法
に利用できる。

［従来の技術］ 一般に、シリコンもしくはシリサイド膜を選択酸化して
、シリコンもしくはシリサイド膜の少なくとも表面を所
望の平面形状とするには、シリコンもしくはシリサイド
膜の表面に、窒化膜もしくは酸化膜上に窒化膜を積層し
たもΦをマスク層として形成し、このマスク層をエツチ
ング等で所望形状にパターニングし、しかるのちに高温
の、酸素または水蒸気の雰囲気中に置くなどして酸化を
行い、シリコンもしくはシリサイド膜の、マスク層に覆
われずに露呈している部分を酸化し、マスク層下のシリ
コンもしくはシリサイド膜を、マスク層形状に残すとい
う方法が採られている。

［発明が解決しようとする課題］ このような方法に於いて、シリコンもしくはシリサイド
膜が、酸化シリコンや酸化アルミニウム等の酸化膜上に
形成されており、選択酸化により酸化されるシリコンも
しくはシリサイド膜の厚さが上記酸化膜上の全厚みに及
ぶような場合に、以下の如き問題がある。

即ち、第５図（Ａ）に於いて基板１０上には、厚い酸化
膜１２が形成され、その上にシリコンもしくはシリサイ
ド膜１４が形成されている。

符号１６はマスク層であって所望形状にパターニングさ
れている。

この状態で酸化を行い、マスク層１６の下にマスク層と
同一形状のシリコンもしくはシリサイド膜を残したい訳
であるが、実際に酸化を行うと、第５図（Ｂ）に示すよ
うに酸化されずに残るシリコンもしくはシリサイド膜１
４の形状はマスク層１６の形状より、−回り、二回り小
さくなってしまう。同図で符号１５は酸化によってシリ
コンもしくはシリサイド膜が酸化膜１２と一体となった
ものを示す。

このように、シリコンもしくはシリサイド膜１４が厚い
酸化膜１２上に形成されて居る場合、酸化されずに残る
シリコンもしくはシリサイド膜の大きさが、マスク層の
大きさより小さくなるため、極端な場合、マスク層の形
状が狭少な部分で、マスク層下のシリコンもしくはシリ
サイド膜が酸化され尽くしてしまうこともある。

また、第６１１１（Ａ）においては、基板１０の上の酸
化膜は厚い部分１２Ａと薄い部分１２Ｂとに形成されて
いる。この状態で酸化を行うと、第６図（Ｂ）に示すよ
うに、酸化膜の厚い部分１２Ａでは、酸化されずに残る
シリコンもしくはシリサイド膜１４Ａはマスク層１６Ａ
よりも−回りか二回り小さくなるが。

酸化膜がシリコンもしくはシリサイド膜１４の厚さより
も十分に薄い部分１２Ｂでは、マスク層１６Ｂと殆ど同
大・同形状のシリコンもしくはシリサイド膜１４Ｂが残
される。

このように、基板上の酸化膜に膜厚の厚薄が有る場合に
は、厚い部分での選択酸化の効果と、薄い部分での選択
酸化の効果が異なり、酸化工程後に残置されるシリコン
もしくはシリサイド膜とマスク層の大きさが、酸化膜の
膜厚により異なってくるため、膜厚の厚い部分と薄い部
分のパターニングを同時に行うのが難しい。

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであって
、その目的とする所は、上記の如き問題点を解決し、マ
スク層の形状と実質的に同大・同形状のシリコンもしく
はシリサイド膜あるいはこれらの多層膜を、下地となる
酸化膜の膜厚の厚薄に拘らず確実に得ることのできる新
規なパターン形成方法の提供にある。

［課題を解決するための手段］ 以下、本発明を説明する。

本発明のパターン形成方法は、基板上に酸化膜と、シリ
コンもしくはシリサイド膜あるいはこれらの多層膜とを
積層し、上記シリコンもしくはシリサイド膜あるいはこ
れらの多層膜の上に所望形状のマスク層を設けて酸化を
行い、上記マスク層形状に従ってシリコンもしくはシリ
サイド膜あるいはこれらの多層膜をパターニングする方
法である。上述の「これらの多層膜」とは、シリコン膜
とシリサイド膜とによる多層膜を意味する。以下。

上記「シリコンもしくはシリサイド膜あるいはこれらの
多層膜」を、簡単に「シリコン膜等」と言うことにする
。

請求項１の方法では、上記酸化膜と、シリコン膜等との
間の、少なくとも上記酸化膜の膜厚の厚い部分に酸化種
拡散防止膜を設けて酸化を行う。

請求項２の方法は特に基板上の酸化膜が、膜厚の薄い部
分と厚い部分とを有し、膜厚の厚い部分と薄い部分のい
ずれにもパターニングを行う場合に、上記膜厚の厚い部
分と膜厚の薄い部分の何れにもシリコン膜等の上に各々
所望形状のマスク層を設けるとともに、上記酸化膜とシ
リコン膜等との間の、少なくとも上記酸化膜の膜厚の厚
い部分に、酸化種拡散防止膜を設け、酸化膜の膜厚の厚
い部分の上と膜厚の薄い部分の上とで、シリコン膜等を
同時にパターニングする。

請求項３の方法では、上記請求項１または２の方法で、
酸化種拡散防止膜上に、更に薄い酸化膜を設けて酸化に
よるパターニングを行う。

酸化種拡散防止膜としては、窒化膜または酸化窒化膜が
好適である。これら窒化膜、酸化窒化膜としては、窒化
シリコン、酸化窒化シリコン、窒化アルミニウム、酸化
窒化アルミニウム等を用い得る。

［作　　用〕 第５図及び第６図に即して説明したところをまとめると
以下のようになる。即ち、シリコン膜等の上にマスク層
を設けて選択酸化によるパターニングを行うと、シリコ
ン膜等の下地となっている酸化膜の膜厚がシリコン膜等
に比べて十分に薄い部分では、マスク層形状と実質的に
同大・同形状のシリコン膜等が残置されるが、酸化膜の
厚い部分では、残置されるシリコン膜等の大きさは、そ
の上のマスク層の大きさよりも−回りないし二回り小さ
くなってしまう。

発明者らは、この現象を研究した結果、かかる現象の発
生原因が、シリコン膜等の下地となっている酸化膜によ
る酸化種の輸送作用にあることを突きとめた。

この酸化種は、乾燥酸化による場合には酸素分子であり
、水蒸気による酸化の場合には水分子。

またはＯＨ基であり、　ＨＣＩ、Ｃ１ｇ、ＣＦ＜、ＮＦ
３等の他の気体を用いる場合には、その気体から発生す
るＣＩ、Ｆ等の反応物質を含むが、選択酸化が行われる
際、酸化がシリコン膜等の露呈した部分から始まって、
シリコン膜等の底面に達した後は、下地となっている酸
化膜に接している部分で酸化種の拡散が速く、膜面に沿
った輸送も行われるため、シリコン膜等の、マスク層で
覆われた部分にも、マスク層周辺部分から潜り、こむ様
にして酸化種が侵入し、この部分でシリコン膜等の酸化
を促進してしまうのである。その結果、酸化されずに残
るシリコン膜等の大きさは、マスク屡自体の大きさに比
して−１二回り小さくなってしまうのである。

一般に、膜の全厚みを酸化しようとする場合、有る程度
の余裕を見込んで、全厚さプラス余裕分を酸化しうるよ
うに酸化の条件が設定されるため、上記の如き状況が起
きやすい。

上記現象が、シリコン膜等の下地としての酸化膜による
酸化種の輸送に起因して生ずることは、次の事からも理
解される。第６図に示したように酸化膜の薄厚の薄い部
分１２Ｂでは、選択酸化の結果、残置されるシリコン膜
等１４Ｂの大きさは実質的にマスク層１８Ｂの大きさと
同一であり、その形状もマスク層１６の形状に等しい、
これは、酸化膜の膜厚が、シリコン膜等１４が上記余裕
分の酸化によって酸化されたと仮定した場合に生成する
酸化膜厚より薄いときは、酸化種の輸送量が小さく、マ
スク層下での酸化促進が小さいためであると考えられる
。

従って１本発明では請求項１，２の方法ともシリコン膜
等とその下地としての酸化膜との間に酸化種拡散防止膜
を設けて選択酸化によるパターニングを行うのである。

酸化種拡散防止膜として先に例示した窒化膜や酸化窒化
膜は、酸化膜に比して膜の組成が緻密であり、酸化種の
拡散が遅く、従ってこれらの膜に沿ってシリコン膜等の
酸化が促進されるということは極めて起こりにくい。

また、前述のように、下地としての酸化膜の厚さが厚い
所と薄い所とのうち、酸化種の輸送は主として酸化膜の
厚い所で生ずるから、酸化膜の膜厚に厚い部分と薄い部
分とがあり、膜厚の厚い部分のみをパターニングする場
合や、膜厚の厚い部分と薄い部分とで同時にパターニン
グを行う場合には、酸化膜の膜厚の厚い部分にのみ酸化
種拡散防止膜を設けても良い、　ＭＯ５ＩＣ／ＬＳＩに
於いては、ゲート絶縁膜には窒化膜を設けない場合が多
いので、具体的な実施の態様としては、このような場合
が多い。

請求項３の方法では、酸化種拡散防止膜上にさらに薄い
酸化膜が形成される。この点に付いては後述する。

［実施例］ 以下、具体的な実施例に即して説明する。

第１図は、請求項１の発明の詳細な説明するための図で
ある。同図に於いて符号ｌＯは、第５図におけると同じ
く基板を示している。

同図（Ａ）に示すように基板１０の上には、下地として
の酸化シリコン膜が酸化膜２０として形成されている。

酸化膜２０はこの例では、その膜厚の厚薄で所定の２次
元パターンを形成している。

この酸化膜上に同図（Ｂ）に示すように、窒化シリコン
膜を酸化種拡散防止膜３０として厚さ１００Å以上に設
ける。

その上に、アモルファスシリコンや多結晶シリコン等の
シリコン、もしくはＴｉ−５ｉや、Ａｌ−５ｉ、Ｍｏ−
５ｉ、トＳｉ等のシリサイドの膜あるいはこれらシリコ
ン膜とシリサイド膜とによる多層膜、即ちシリコン膜等
４０を設け、その上に、さらに窒化シリコン等によるマ
スク層５０を設ける。

次いで、フォトリソグラフィとドライエツチング等のパ
ターニング手段により、マスク層５０を所望のマスク形
状に加工する（第１図（Ｃ））。

この状態で選択酸化を行うと第１図（Ｄ）に示すような
、所望の選択酸化が行われシリコン膜等のパターニング
が実現する。

符号６０で示す部分は、選択酸化により酸化されたシリ
コン膜等の部分である。

選択酸化によるパターニングの際にシリコン膜等４０の
酸化が終了し、厚さ方向に於いてすべて酸化膜となった
後に、余裕度のために付加的な酸化が続行されたとして
も、下地に設けられた酸化種拡散防止膜３０の作用によ
り酸素、水分子等の酸化種の拡散が有効に防止されるた
め、マスク層に覆筒２図も請求項１の方法の実施例であ
る。同図（Ａ）の状態は、第１図（Ａ）の状態と同じで
ある。第２図の実施例では、同図（Ｂ）に示すように、
酸化膜２０上に酸化種拡散防止膜３０を、窒化シリコン
膜により形成したのち、酸化膜２０の膜厚の薄い部分で
は上記酸化種拡散防止膜を除去する。

そして、その上に第２図（Ｃ）に示すようにシリコン膜
等４０とマスクＭ５０を設け、マスク層５０はこれを所
望のマスク形状にバターニング加工する。

そしてこの状態で選択酸化によるパターニングを行い第
２図（Ｄ）に示すような状態を実現する。

符号６０で示された部分は、選択的に酸化されたシリコ
ン膜等の部分である。

この実施例の場合、酸化膜２０の厚い部分では。

酸化種の輸送は酸化種拡散防止膜３０の作用により防止
され、酸化膜が薄い部分では、酸化膜が薄いことにより
酸化種の輸送が規制されるため所望の結果を得ることが
できる。

この実施例では、酸化膜２０の薄い部分で酸化膜２０と
シリコン膜等４０とを直接的に接触させることができる
。従って例えば、酸化膜２０の膜厚の薄い所をＭＯＳ−
ＦＥＴのゲート酸化膜に用いたい様な場合に、この第２
図の実施例は極めて有効である。

第３図は、請求項２の方法の実施例であるが。

第３図（Ａ）、（Ｂ）の状態は、第１図（ム）、（Ｂ）
の状態と同じである。この実施例では、第３図（Ｃ）に
示すように、マスク層５０のパターニングで、酸化膜２
０の膜厚の厚い部分と薄い部分の両方にマス・り層５０
Ａ、５０Ｂを所望のマスク形状に加工する。そして、こ
の状態で選択酸化によるパターニングを行えば。

第３図（Ｄ）に示すように、各マスク層５０Ａ　、　５
０Ｂの下に、実質的にこれらマスク層５０Ａ、５０Ｂと
同大・　同形状のシリコン膜等部分４０Ａ、４０Ｂを残
置させることができる。

第４図は、請求項３の方法の実施例を説明するための図
である。この実施例では、酸化種拡散防止膜として窒化
シリコン膜を下地酸化膜に自己整合状態として形成する
技術を利用している。

同図（Ａ）に於いて、符号ｌＯはシリコンによる基板を
示す、この基板１０の上には、薄い酸化シリコン膜２２
、シリコン膜（多結晶シリコン等）２３、および窒化シ
リコン膜２４が形成されている。窒化シリコン膜２４は
、当初シリコン膜２３上に均一に形成され、しかる後に
フォトリソグラフィーにより所望の２次元形状にパター
ニングされている。なお、このとき窒化シリコン膜以外
にも、その下層のシリコン膜及び酸化シリコン膜も必要
とあれば同様の形状にパターニングして良い。

次いで、窒化シリコン膜２４をマスク層として。

酸化を行う、するとマスク層に覆われていない部分では
、シリコン膜２３が酸化されて、その下層の酸化シリコ
ン膜２２と一体化し、さらにシリコンによる基板１０の
一部もシリコン表面の側から酸化して酸化シリコンとな
る。このようにして酸化シリコン膜２０が成長する。こ
うして第４図（Ｂ）に示す状態が実現する。

次いで、マスク層としての窒化シリコン膜２４を除去す
ると、この状態では酸化シリコン膜２０の膜厚の厚薄に
より、所望の２次元パターンが形成され、同パターンの
地の部分は、シリコン膜２３で被覆されている。

続いて直接窒化を行うと、第４図（Ｃ）に示すように酸
化シリコン２０の厚い部分には、厚い窒化変質層３０が
、またシリコン膜２０の薄い部分には、薄い変質層２３
Ｂが形成されるので、厚い変質層３０を残置させつつ、
薄い変質層２３Ｂを除去すれば、第４図（Ｄ）に示す如
く、酸化膜の厚い部分に酸化種拡散防止膜として窒化変
質層３０を自己整合ルだ状態で得ることができる。２次
元パターンの地の部分に残ったシリコン層２３とその下
の薄い酸化シリコン膜とは必要とあれば除去することが
できる。

薄い酸化シリコン膜下のシリコン表面は、薄い酸化シリ
コン膜とシリコン膜により保護され、欠陥発生を有効に
防止されている。

残ったシリコン膜２３を除去するか、シリコン膜２３と
その下の薄い酸化シリコン膜とを除去し、基板全体を薄
く再酸化して、第４図（Ｅ）に示す構造を得ることがで
きる。再酸化した場合は、窒化変質層の表面に再度、薄
く酸化膜７０が形成されるが、この酸化膜７０は厚さが
薄いため、酸化種拡散防止膜とこの薄い酸化膜７０との
多層膜は、シリコン膜等が、酸化膜２０の厚い部分も薄
い部分により近い状態でパターニングする効果を発揮す
る。

続いて第４図（Ｆ）に示すように、シリコン膜等４０と
マスク層５０を設け、マスク層５０はこれを所望のマス
ク形状にパターニングする。この状態で選択酸化を行い
、第４図（Ｇ）に示すような状態を実現する。符号６０
で示す部分は、選択酸化により酸化されたシリコン膜等
の部分である。

この実施例の場合も酸化膜２０の厚い部分での酸化種の
輸送は、酸化種拡散防止膜３０の作用により防止され、
酸化膜２０の薄い部分では、酸化膜が薄いことにより酸
化種の輸送が規制され、従って、酸化膜２０の厚い部分
でも薄い部分でもマスク層５０の形状と実質的に同大・
同形状のシリコン膜等を残置できる５例えば酸化膜２０
の薄い所をＮＯ３−ＦＥＴのゲート酸化膜に用いたい要
な場合に、この実施例も極めて有効である。

以上の実施例に於いて、酸化種拡散防止膜は窒化シリコ
ン膜を用いているが、これはＳｉＨ４とＮＨ，。

またはＳｉＨ，Ｃ１，とＮＨ３等を材料として、熱、光
、プラズマ等を用いたＣＶＤ法により酸化膜表面に堆積
させて形成することもできるし、同様のＣＶＤ法で堆積
させたシリコン膜に対して、窒素イオンの打ち込みや、
窒素やアンモニアの雰囲気中で、熱あるいはプラズマ等
によって窒化を行う直接窒化の方法で形成することもで
きる。また、酸化膜上に窒化シリコン膜を堆積するかお
りに、酸化膜の表面を上述の直接窒化の方法で窒化させ
酸化窒化膜を形成し、これを酸化種拡散防止膜として用
いることもできる９以上の説明で、酸化膜は酸化シリコ
ン膜でも酸化アルミニウム膜でも良い、また、酸化種拡
散防止膜上に薄い酸化膜を設けて良いことは上述の通り
である。

上記各実施例に於いてマスク層５０としては窒化シリコ
ン膜の他に、酸化膜と窒化シリコン膜とをこの順序に積
層したものを用いることができる。

また、選択酸化によるパターニングに先立ってシリコン
膜等の表面を必要に応じて必要な深さにエツチングして
おくこともできる。

［発明の効果］ 以上１本発明によれば新規なパターン形成方法を提供で
きる。この方法は上記の如く構成されているので、マス
ク層の形状と実質的に同大・同形状に、シリコンもしく
はシリサイド膜あるいはこれらの多層膜、即ちシリコン
膜等をパターニングでき（請求項１，２．３の方法）、
またシリコン膜等の下地となっている酸化膜の厚い部分
・と薄い部分とに、同時にパターニングすることもでき
（請求項２の方法）、従って、゛微細パターン形状のシ
リコン膜等を酸化膜に挟み込まれた状態で確実に得るこ
とができる。このため表面の平坦化、微細パターン配線
等の高信頼化が可能になる。

【図面の簡単な説明】

第１図は１本発明の１実施例を説明するための図、第２
図は、別実施例を説明するための図、第３図は、他の実
施例を説明するための図、第４図は、さらに他の実施例
を説明するための図、第５図及び第６図は１発明の解決
課題を説明するための図である。 １０、、、基板、２０．、、酸化膜、　３０．、、酸化
種拡散防塵Ｚ　図 ３ｂ　図 ／６ 心　θ　図 ／ＫＡ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、基板上に酸化膜と、シリコンもしくはシリサイド膜
   あるいはこれらの多層膜とを、上記順序に積層し、上記
   シリコンもしくはシリサイド膜あるいはこれらの多層膜
   の上に所望形状のマスク層を設けて酸化を行い、上記マ
   スク層形状に従ってシリコンもしくはシリサイド膜ある
   いはこれらの多層膜をパターニングする方法であって、 上記酸化膜と、シリコンもしくはシリサイド膜あるいは
   これらの多層膜との間の、少なくとも上記酸化膜の膜厚
   の厚い部分に、酸化種拡散防止膜を設けることを特徴と
   する、パターン形成方法。 ２、基板上に、膜厚の薄い部分と厚い部分とを有する酸
   化膜と、シリコンもしくはシリサイド膜あるいはこれら
   の多層膜とを上記順序で積層し、上記シリコンもしくは
   シリサイド膜あるいはこれらの多層膜の上に所望形状の
   マスク層を設けて酸化を行い、上記マスク層形状に従っ
   てシリコンもしくはシリサイド膜あるいはこれらの多層
   膜をパターニングする方法であって、 上記酸化膜と、シリコンもしくはシリサイド膜あるいは
   これらの多層膜との間の、少なくとも上記酸化膜の膜厚
   の厚い部分に、酸化種拡散防止膜を設け、 酸化膜の膜厚の厚い部分の上と膜厚の薄い部分の上とで
   、シリコンもしくはシリサイド膜あるいはこれらの多層
   膜を同時にパターニングすることを特徴とする、パター
   ン形成方法。 ３、請求項１または２に於いて、酸化種拡散防止膜上に
   、薄い酸化膜を設けることを特徴とする、パターン形成
   方法。