特許 7551542 半導体装置の製造方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-09-06

(45)【発行日】2024-09-17

(54)【発明の名称】半導体装置の製造方法

(51)【国際特許分類】

   H01L 21/3065 20060101AFI20240909BHJP

   H01J 37/08 20060101ALI20240909BHJP

   H01J 37/09 20060101ALI20240909BHJP

   H01J 37/305 20060101ALI20240909BHJP

   H10B 43/27 20230101ALI20240909BHJP

   H10B 43/40 20230101ALI20240909BHJP

   H10B 43/50 20230101ALI20240909BHJP

   H01L 21/336 20060101ALI20240909BHJP

   H01L 29/788 20060101ALI20240909BHJP

   H01L 29/792 20060101ALI20240909BHJP

【ＦＩ】

H01L21/302 105A

H01J37/08

H01J37/09

H01J37/305 A

H10B43/27

H10B43/40

H10B43/50

H01L29/78 371

【請求項の数】 10

(21)【出願番号】P 2021035803

(22)【出願日】2021-03-05

(65)【公開番号】P2022135775

(43)【公開日】2022-09-15

【審査請求日】2023-09-07

(73)【特許権者】

【識別番号】318010018

【氏名又は名称】キオクシア株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110000408

【氏名又は名称】弁理士法人高橋・林アンドパートナーズ

(72)【発明者】

【氏名】橋本 惇一

(72)【発明者】

【氏名】佐々木 俊行

【審査官】小▲高▼ 孔頌

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１９－０４７０９３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開昭５８－１０６７５０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０２－２３０７３１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００３－０８６５６８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００６－０４１４８６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１８－１５２１８３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１３－２４３３０７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特表２０１９－５１０３７３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特表２０１７－５１３２１６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特表２００９－５４４１２０（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２０１９／００７４２４９（ＵＳ，Ａ１）

【文献】米国特許出願公開第２０１７／０２６３４６０（ＵＳ，Ａ１）

【文献】米国特許出願公開第２０１８／０２６１４２７（ＵＳ，Ａ１）

【文献】米国特許出願公開第２０１７／００６９４８３（ＵＳ，Ａ１）

【文献】米国特許出願公開第２００９／０３０９０１８（ＵＳ，Ａ１）

【文献】米国特許第０４４５７８０３（ＵＳ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０１Ｌ ２１／３０６５

Ｈ０１Ｊ ３７／０８

Ｈ０１Ｊ ３７／０９

Ｈ０１Ｊ ３７／３０５

Ｈ１０Ｂ ４３／２７

Ｈ１０Ｂ ４３／４０

Ｈ１０Ｂ ４３／５０

Ｈ０１Ｌ ２１／３３６

Ｈ０１Ｌ ２１／７８８

Ｈ０１Ｌ ２１／７９２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

半導体基板上に第１の層と、第２の層と、第３の層と、第４の層とが第1の方向に順に積層され、第１の領域および前記第1の領域とは異なる第２の領域を含む積層体を準備し、
前記第１および第２の領域にイオンビームを照射することで前記第1および第２の領域における前記第４の層をエッチングして前記第３の層を露出し、
前記第１の領域において前記第３の層が露出した状態で、前記第２の領域にイオンビームを照射することで前記第２の領域における前記第３の層と前記第２の層とをエッチングして前記第１の層を露出すること、
を含み、
前記第４の層をエッチングすることは、前記第３の層より前記第４の層に対して選択比の高い第１のイオン種を含むイオンビームを照射することを含み、
前記第３の層をエッチングすることは、前記第２の層より前記第３の層に対して選択比の高い第２のイオン種を含むイオンビームを照射して、前記第２の層を露出することを含み、
前記第２の層をエッチングすることは、前記第１の層より前記第２の層に対して選択比の高い前記第１のイオン種を含むイオンビームを照射することを含み、
前記第１のイオン種を含むイオンビームと前記第２のイオン種を含むイオンビームとは異なるプラズマ生成室で生成し、シャッタを用いてイオン種を選択する、半導体装置の製造方法。

【請求項2】

半導体基板上に第１の層と、第２の層と、第３の層と、第４の層とが第1の方向に順に積層され、第１の領域および前記第1の領域とは異なる第２の領域を含む積層体を準備し、
前記第１および第２の領域にイオンビームを照射することで前記第1および第２の領域における前記第４の層をエッチングして前記第３の層を露出し、
前記第１の領域において前記第３の層が露出した状態で、前記第２の領域にイオンビームを照射することで前記第２の領域における前記第３の層と前記第２の層とをエッチングして前記第１の層を露出すること、
を含み、
前記第４の層をエッチングすることは、前記第３の層より前記第４の層に対して選択比の高い第１のイオン種を含むイオンビームを照射することを含み、
前記第３の層をエッチングすることは、前記第２の層より前記第３の層に対して選択比の高い第２のイオン種を含むイオンビームを照射して、前記第２の層を露出することを含み、
前記第２の層をエッチングすることは、前記第１の層より前記第２の層に対して選択比の高い前記第１のイオン種を含むイオンビームを照射することを含み、
前記第１のイオン種を含むイオンビームと前記第２のイオン種を含むイオンビームとは１つのプラズマ生成室で生成し、マスセレクタを用いてイオン種を選択する、半導体装置の製造方法。

【請求項3】

前記第２の層と前記第４の層とは酸化シリコンを含み、
前記第１のイオン種はＣｘＦｙ＋イオンを含み、
前記第１の層と前記第３の層は窒化シリコン又はシリコンを含み、
前記第２のイオン種はＣｘＨｙＦｚ＋イオンを含む、
請求項１又は２に記載の半導体装置の製造方法。

【請求項4】

前記第２の層と前記第４の層とは酸化シリコンを含み、
前記第１のイオン種はＣｘＦｙ＋イオンを含み、
前記第１の層と前記第３の層は金属を含み、
前記第２のイオン種はＮＦｘイオン（ｘ＞２）、ＳＦｘイオン（ｘ＞３）、ＣＦｘイオン（ｘ＞３）から成る群から選択される１種を含む、
請求項１又は２に記載の半導体装置の製造方法。

【請求項5】

前記プラズマ生成室を複数用い、複数のイオンビームを同時に照射する、
請求項２に記載の半導体装置の製造方法。

【請求項6】

前記積層体を準備することは、前記第４の層上に前記第１の領域と前記第２の領域とに開口を有するマスクを形成することをさらに含む、
請求項１乃至５の何れか１項に記載の半導体装置の製造方法。

【請求項7】

前記マスクの材料はカーボンを含む、
請求項６に記載の半導体装置の製造方法。

【請求項8】

前記第２の領域の積層方向に絶縁膜を形成することをさらに含む、
請求項１乃至７の何れか１項に記載の半導体装置の製造方法。

【請求項9】

前記第２の領域に導電体を形成することをさらに含む、
請求項１乃至８の何れか１項に記載の半導体装置の製造方法。

【請求項10】

前記第１の層と前記第３の層が窒化シリコン又はシリコンを含む場合、前記第１の層と前記第３の層を除去し、導電層を形成することをさらに含む、
請求項１乃至９の何れか１項に記載の半導体装置の製造方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示の実施形態は半導体装置の製造方法、積層配線構造体の製造方法、およびイオンビーム照射装置に関する。

【背景技術】

【0002】

半導体装置としてのＮＡＮＤ型フラッシュメモリを用いた半導体パッケージが知られている。このようなＮＡＮＤ型フラッシュメモリを大容量化するために、多くのメモリセルを積層した構成をとる３次元ＮＡＮＤ型フラッシュメモリが実用化されている。それぞれのメモリセルに接続される複数の導電層は基板上に積層され、駆動回路などに接続される。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】米国特許第７８５５４５７号明細書

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

本開示に係る実施形態は、製造効率を向上し且つ信頼性を向上した半導体装置の製造方法、積層配線構造体の製造方法、およびイオンビーム照射装置を提供する。

【課題を解決するための手段】

【0005】

一実施形態に係る半導体装置の製造方法は、半導体基板上に第１の層と、第２の層と、第３の層と、第４の層とが第１の方向に順に積層され、第１の領域および第1の領域とは異なる第２の領域を含む積層体を準備し、第１および第２の領域にイオンビームを照射することで第1および第２の領域における第４の層をエッチングして第３の層を露出し、第１の領域において第３の層が露出した状態で、第２の領域にイオンビームを照射することで第２の領域における第３の層と第２の層とをエッチングして第１の層を露出すること、を含む。

【図面の簡単な説明】

【0006】

【図1】一実施形態に係る半導体装置の全体構成を示す斜視図である。

【図2】一実施形態に係る半導体装置のメモリセル領域ＭＣＲと引き出し領域ＨＵＲの構成を示す斜視図である。

【図3】一実施形態に係る半導体装置の積層配線構造体の構成を示す上面図および断面図である。

【図4】一実施形態に係る積層配線構造体の製造方法を示す上面図および断面図である。

【図5】一実施形態に係る積層配線構造体の製造方法を示す上面図および断面図である。

【図6】一実施形態に係る積層配線構造体の製造方法を示す上面図および断面図である。

【図7】一実施形態に係る積層配線構造体の製造方法を示す上面図および断面図である。

【図8】一実施形態に係る積層配線構造体の製造方法を示す上面図および断面図である。

【図9】一実施形態に係る積層配線構造体の製造方法を示す上面図および断面図である。

【図10】一実施形態に係る積層配線構造体の製造方法を示す上面図および断面図である。

【図11】一実施形態に係るイオンビーム照射装置の構成を示す模式図である。

【図12】一実施形態に係る積層配線構造体の製造方法を示す上面図および断面図である。

【図13】一実施形態に係る積層配線構造体の製造方法を示す上面図および断面図である。

【図14】一実施形態に係る半導体装置の積層配線構造体の構成を示す上面図および断面図である。

【図15】一実施形態に係る積層配線構造体の製造方法を示す上面図および断面図である。

【図16】一実施形態に係る半導体装置の積層配線構造体の構成を示す上面図および断面図である。

【図17】一実施形態に係る積層配線構造体の製造方法を示す上面図および断面図である。

【図18】一実施形態に係るイオンビーム照射装置の構成を示す模式図である。

【図19】一変形例に係るイオンビーム照射装置の構成を示す模式図である。

【発明を実施するための形態】

【0007】

以下、本実施形態に係る半導体装置の製造方法、積層配線構造体の製造方法、およびイオンビーム照射装置について図面を参照して具体的に説明する。以下の説明において、略同一の機能及び構成を有する要素について、同一符号又は同一符号の後にアルファベットが追加された符号が付されており、必要な場合にのみ重複して説明する。以下に示す各実施形態は、この実施形態の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示する。実施形態の技術的思想は、構成部品の材質、形状、構造、配置等を下記のものに特定されない。実施形態の技術的思想は、特許請求の範囲に対して、種々の変更を加えたものであってもよい。

【0008】

図面は、説明をより明確にするため、実際の態様に比べ、各部の幅、厚さ、形状等について模式的に表される場合があるが、あくまで一例であって、本発明の解釈を限定するものではない。本明細書と各図面において、既出の図面に関して説明したものと同様の機能を備えた要素には、同一の符号を付して、重複する説明を省略することがある。

【0009】

同一のプロセスにより形成された複数の膜は、同一の層構造を有し、かつ、同一の材料で構成される。本明細書においては、複数の膜がそれぞれ異なる機能又は役割を果たす場合であっても、このように同一のプロセスにより形成された複数の膜は、それぞれ同一の層に存在する膜として扱う。

【0010】

本発明の各実施の形態において、基板からメモリセルに向かう方向を上方という。逆に、メモリセルから基板に向かう方向を下方という。このように、説明の便宜上、上方又は下方という語句を用いて説明するが、例えば、基板とメモリセルとの上下関係が図示と逆になるように配置されてもよい。また、以下の説明で、例えば基板上のメモリセルという表現は、上記のように基板とメモリセルとの上下関係を説明しているに過ぎず、基板とメモリセルとの間に他の部材が配置されていてもよい。

【0011】

本明細書において「αはＡ、Ｂ又はＣ」を含む、「αはＡ，Ｂ及びＣのいずれか」を含む、「αはＡ，Ｂ及びＣからなる群から選択される一つ」を含む、といった表現は、特に明示が無い限り、αがＡ～Ｃの複数の組み合わせを含む場合を排除しない。さらに、これらの表現は、αが他の要素を含む場合も排除しない。

【0012】

以下の各実施形態は、技術的な矛盾を生じない限り、互いに組み合わせることができる。

【0013】

以下の各実施形態では、半導体装置としてメモリセルアレイを例示して説明するが、本開示の技術をメモリセルアレイ以外の半導体装置（例えば、ＣＰＵ、ディスプレイ、インターポーザなど）に適用することができる。

【0014】

＜第１実施形態＞
［半導体装置の全体構成］
本実施形態に係る半導体装置の全体構成について、図１を用いて説明する。図１は本実施形態にかかる半導体装置１０の各要素の配置を示した斜視図である。

【0015】

半導体装置１０はＮＡＮＤ型フラッシュメモリ装置であり、３次元配置されたメモリセルを含む。具体的には、半導体基板１１の表面に対して垂直方向にソース側セレクトゲートトランジスタ、多数（例えば６４個）のメモリセルトランジスタ、及びドレイン側セレクトゲートトランジスタが直列に接続されてメモリストリングを構成している。なお、直列に接続された多数のメモリセルトランジスタの両端、または多数のメモリセルトランジスタ間のうちの一部の間に、ダミーセルトランジスタを含んでも良い。

【0016】

半導体装置１０は半導体基板１１上に形成される。半導体基板１１上にはメモリセル領域ＭＣＲ、引き出し領域ＨＵＲが区画されている。メモリセル領域ＭＣＲには３次元に積層された複数のメモリセルを含むメモリセルアレイ１６が形成されている。メモリセルアレイ１６は、複数の導電層及び複数の絶縁層が交互に積層された積層体を有する。この複数の導電層がメモリストリングの各トランジスタに接続されたソース側セレクトゲート線、ワード線、ドレイン側セレクトゲート線となる。複数の導電層及び複数の絶縁層は引き出し領域ＨＵＲに延在して積層配線構造体１７が形成されている。メモリセルアレイ１６上には、図示しないビット線が設けられ、周辺回路１８に接続される。積層配線構造体１７上には、図示しない配線が設けられ、周辺回路１８に接続される。

【0017】

半導体基板１１上はさらに周辺回路領域ＰＥＲが区画されている。周辺回路領域ＰＥＲには周辺回路１８が形成される。周辺回路１８は、多数のＣＭＯＳトランジスタを有する。周辺回路１８は、メモリセルに接続された各ワード線を駆動する駆動回路、各ワード線を選択するデコーダ回路、読出時にビット線電位をセンスするセンスアンプ、及び書込時にビット線に電圧を供給するビット線電位制御回路を含むカラム系回路等を有する。なお、図１において周辺回路領域ＰＥＲの配線は省略する。半導体基板１１は、チップ外部と信号のやりとりや電源の供給をうけるところのパッド列１９を有する。

【0018】

［メモリセル領域ＭＣＲ及び引き出し領域ＨＵＲの構成］
図２は本実施形態に係る半導体装置のメモリセル領域ＭＣＲと引き出し領域ＨＵＲの構成を示す斜視図である。図が錯綜するのを防ぐため、導電性を有する部材を示し、図中のハッチングを省略してある。図２で部材が示されていない部分には、二酸化シリコン等の絶縁材料を用いて絶縁されている。

【0019】

メモリセル領域ＭＣＲには、シリコン単結晶を用いた半導体基板１１上にメモリセルアレイ１６が形成されている。メモリセルアレイ１６は、半導体基板１１の表面に対して平行に伸びる絶縁層、導電層７１、絶縁層、導電層７２、絶縁層、導電層７３、絶縁層、導電層７４、絶縁層を有する。メモリセルアレイ１６は、これら複数の絶縁層と複数の導電層とが交互に積層された積層体を有する。図中では導電層が４層しか示されていないが、３３層、６５層というようにさらに多数の層が積層される。これら導電層はトランジスタに接続されたソース側セレクトゲート線、ワード線、またはドレイン側セレクトゲート線に対応する。

【0020】

メモリセル領域ＭＣＲには、複数の絶縁層と複数の導電層を貫通するメモリピラー４０が形成される。メモリピラー４０は円筒状であり、外周側から中心側に向かって、二酸化シリコン膜を含むブロック絶縁膜、窒化シリコン膜を含む電荷蓄積膜、二酸化シリコン膜を含むトンネル絶縁膜、アモルファス又は多結晶シリコン膜を含む半導体チャネル、二酸化シリコン膜が積層されている。導電層７１、７２、７３、７４（セレクトゲート線、またはワード線に対応する）に囲まれた部分は、窒化シリコン膜にキャリアをトラップする不揮発性のメモリセルの一部として機能する。

【0021】

引き出し領域ＨＵＲには、シリコン単結晶を用いた半導体基板１１上に積層配線構造体１７が形成されている。引き出し領域ＨＵＲにも、メモリセル領域ＭＣＲから延在する複数の絶縁層と複数の導電層とが形成されている。積層配線構造体１７は、半導体基板１１の表面に対して平行に伸びる絶縁層、導電層７１、絶縁層、導電層７２、絶縁層、導電層７３、絶縁層、導電層７４、絶縁層を有する。積層配線構造体１７は、これら複数の絶縁層と複数の導電層が交互に積層された積層体を有する。図中では導電層が４層しか示されていないが、３３層、６５層というようにさらに多数の層が積層されることは前述したとおりである。そして、これら導電層は引き出し領域ＨＵＲにおいては、ワード線、ソース側セレクトゲート線、またはドレイン側セレクトゲート線から引き出された配線に対応する。

【0022】

引き出し領域ＨＵＲにおいて、導電層７１、７２、７３、７４（セレクトゲート線、またはワード線から引き出された配線に対応する）は、それぞれ対応するコンタクトプラグ５１、５２、５３、５４（ここでコンタクトプラグ５１、５２、５３、５４を区別しないときにはコンタクトプラグ５０とする）に接続される。各コンタクトプラグ５０は、複数の絶縁層と複数の導電層を貫通するコンタクトホールを介して積層配線構造体１７の上に引き出される。

【0023】

コンタクトプラグ５０は、メモリピラー４０よりも直径が大きく、断面積が大きい。また、コンタクトプラグ５０は、メモリピラー４０よりも配置密度が小さい。言い換えると、コンタクトプラグ５０は、メモリピラー４０のように狭い面積に高密度に配置する必要がない。

【0024】

［積層配線構造体の構成］
図３は、積層配線構造体１７の構成を示す（Ａ）上面図及び（Ｂ）断面図である。積層配線構造体１７は、半導体基板１１上に積層された複数の導電層７１、７２、７３、７４（ここで複数の導電層７１、７２、７３、７４を区別しないときには導電層７０とする）を有する。複数の導電層７１、７２、７３、７４は、複数の絶縁層３１、３２、３３、３４、３５（ここで複数の絶縁層３１、３２、３３、３４、３５を区別しないときには絶縁層３０とする）と交互に、半導体基板１１の主面に対して垂直な方向（積層方向）に周期的に積層されている。各々の導電層７０は単層である。つまり、１つの導電層７０について断面形状を観察した場合、導電層７０の膜厚方向（Ｚ方向）に単一の材料が連続していてよい。また、１つの導電層７０内部に界面は存在しなくてよい。導電層７０の材料は例えばタングステンであってもよい。

【0025】

積層方向に隣接する導電層７０と導電層７０との間に、絶縁層３０が形成されている。半導体基板１１と最下層の導電層７１との間にも絶縁層３１が形成されている。積層方向に隣接する導電層７０は互いに絶縁されていればよく、絶縁層３０の材料は例えば二酸化シリコン（ＳｉＯ₂）、ＴＥＯＳ（Ｔｅｔｒａ Ｅｔｈｙｌ Ｏｒｔｈｏ Ｓｉｌｉｃａｔｅ）などの酸化シリコンであってもよい。絶縁層３０は例えばＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）装置を用いて堆積される。

【0026】

コンタクトホールＣＨ１、ＣＨ２、ＣＨ３、ＣＨ４（ここでコンタクトホールＣＨ１、ＣＨ２、ＣＨ３、ＣＨ４を区別しないときにはコンタクトホールＣＨとする）は、対応する導電層７１、７２、７３、７４まで、上層の互いに積層された複数の導電層７０および複数の絶縁層３０を貫通して形成されている。コンタクトホールＣＨ１は、導電層７１を底部として、導電層７２、７３、７４および絶縁層３２、３３、３４、３５に共通して形成されている。コンタクトホールＣＨ２は、導電層７２を底部として、導電層７３、７４および絶縁層３３、３４、３５に共通して形成されている。コンタクトホールＣＨ３は、導電層７３を底部として、導電層７４および絶縁層３４、３５に共通して形成されている。コンタクトホールＣＨ４は、導電層７４を底部として絶縁層３５に形成されている。すなわち、コンタクトホールＣＨ１、ＣＨ２、ＣＨ３、ＣＨ４はそれぞれ、積層配線構造体１７上面からの深さが異なる。本実施形態においてコンタクトホールＣＨは、絶縁層３５に囲まれる上部における径と、対応する導電層に接続する底部における径とが略同一である。しかしながらこれに限定されず、コンタクトホールＣＨは、上部における径と底部における径とが異なってもよいし、上部と底部との間の中間部における径が上部または底部における径より大きくてもよい。

【0027】

コンタクトホールＣＨにはコンタクトプラグ５０が形成されている。コンタクトプラグ５１はコンタクトホールＣＨ１の底部において導電層７１と接続されている。コンタクトプラグ５２はコンタクトホールＣＨ２の底部において対応する導電層７２と接続されている。コンタクトプラグ５３はコンタクトホールＣＨ３の底部において導電層７３と接続されている。コンタクトプラグ５４はコンタクトホールＣＨ４の底部において対応する導電層７４と接続されている。すなわち、コンタクトプラグ５１、５２、５３、５４はそれぞれ、積層配線構造体１７上面からの長さが異なる。コンタクトプラグ５０はいずれも円柱形であり、コンタクトプラグ５０の材料は例えばタングステンなどの金属であってもよい。

【0028】

コンタクトプラグ５０は、コンタクトホールＣＨにおいて貫通する上層の導電層７０と絶縁されている。コンタクトホールＣＨの側面には絶縁膜６０が円筒状に形成されている。すなわち、コンタクトプラグ５０の側面は、絶縁膜６０で覆われている。絶縁膜６０の材料は例えば二酸化シリコン（ＳｉＯ₂）、ＴＥＯＳなどの酸化シリコンであってもよい。

【0029】

［積層配線構造体の製造方法］
図４～図１０を参照して、本実施形態に係る積層配線構造体１７の製造方法について説明する。

【0030】

まず図４に示すように、半導体基板１１上に、絶縁層３１（ＴＥＯＳ膜）、犠牲層２１（ＳｉＮ膜）、絶縁層３２（ＴＥＯＳ膜）、犠牲層２２（ＳｉＮ膜）、絶縁層３３（ＴＥＯＳ膜）、犠牲層２３（ＳｉＮ膜）、絶縁層３４（ＴＥＯＳ膜）、犠牲層２４（ＳｉＮ膜）、絶縁層３５（ＴＥＯＳ膜）を順に成膜して、積層体を形成する。これら絶縁層３１、３２、３３、３４、３５（ＴＥＯＳ膜）および犠牲層２１、２２、２３、２４（ＳｉＮ膜、ここで犠牲層２１、２２、２３、２４を区別しないときには犠牲層２０とする）は例えばＣＶＤ装置を用いて堆積される。交互に積層された絶縁層３０と犠牲層２０とは互いに接するように形成される。本実施形態において絶縁層３０の材料はＴＥＯＳ膜を例示したが、絶縁層３０の材料はこれに限定されず、例えば二酸化シリコン（ＳｉＯ₂）であってもよい。本実施形態において犠牲層２０の材料は窒化シリコン膜（ＳｉＮ）を例示したが、犠牲層２０の材料はこれに限定されず、例えばシリコンであってもよく、タングステンなどの金属であってもよい。

【0031】

積層体の上にはコンタクトホールＣＨのパターンを有するマスク８０が形成される。マスク８０は、ハードマスクであることが好ましく、マスク８０の材料は例えばカーボンであってもよい。マスク８０の材料は組成の異なる２以上の材料を含んでもよく、その場合、マスク８０は組成の異なる材料を含む２以上の層を含む積層構造を有していてもよい。マスク８０は例えばＣＶＤ装置を用いて堆積される。マスク８０のパターンは、レジストをフォトリソグラフィすることにより形成されるレジストマスクを用いて形成される。マスク８０のパターンは、コンタクトホールＣＨを形成する領域に絶縁層３５を露出する開口を有する。

【0032】

図５～８に示すように、コンタクトホールＣＨは、後述するイオンビーム照射装置を用いてマスク８０を介して特定の領域にイオンビームを照射することによりエッチングをすることで形成される。まず図５に示すように、コンタクトホールＣＨ１、ＣＨ２、ＣＨ３、ＣＨ４が形成される領域すべてを含む領域Ａ（第１～第４の領域）にイオンビームを照射することにより、領域Ａ内のマスク８０が露出する積層体の絶縁層３５を選択的にエッチングする。領域Ａは、引き出し領域ＨＵＲ全体であってもよいし、コンタクトホールＣＨ１、ＣＨ２、ＣＨ３、ＣＨ４が形成される領域すべてを含む最小の領域であってもよい。絶縁層３５を選択的にエッチングするために、イオンビームは犠牲層２４より絶縁層３５に対して選択比の高いイオン種を含むことが好ましい。絶縁層３５が酸化シリコンを含み、犠牲層２４が窒化シリコン、シリコン、又はタングステンを含む場合、イオン種はＨを含まないＣｘＦｙ＋イオンであることが好ましい。ＣｘＦｙ＋イオンとしては例えば、Ｃ₃Ｆ₅＋イオンであってもよく、Ｃ₄Ｆ₆＋イオンであってもよい。このようなイオン種を含むイオンビームを照射することにより、犠牲層２４がエッチングストッパとなり、絶縁層３５を選択的にエッチングすることができる。積層体の絶縁層３５を選択的にエッチングすることで、犠牲層２４が露出されコンタクトホールＣＨ４が形成される。

【0033】

図６に示すように、コンタクトホールＣＨ１、ＣＨ２、ＣＨ３が形成される領域すべてを含む領域Ｂ（第２～第４の領域）にイオンビームを照射することにより、領域Ｂ内のマスク８０が露出する積層体の犠牲層２４を選択的にエッチングする。領域Ｂは、領域Ａの一部である。領域Ｂは、コンタクトホールＣＨ４が形成される領域を含まなければよく、コンタクトホールＣＨ１、ＣＨ２、ＣＨ３が形成される領域すべてを含む最小の領域であってもよい。犠牲層２４を選択的にエッチングするために、イオンビームは絶縁層３４より犠牲層２４に対して選択比の高いイオン種を含むことが好ましい。絶縁層３４が酸化シリコンを含み、犠牲層２４が窒化シリコン、又はシリコンを含む場合、イオン種はＨを含むＣｘＨｙＦｚ＋イオンであることが好ましい。ＣｘＨｙＦｚ＋イオンとしては例えば、ＣＨＦ₂＋イオンまたは、ＣＨ₂Ｆ＋イオンであってもよい。絶縁層３４が酸化シリコンを含み、犠牲層２４が金属、例えばタングステンを含む場合、イオン種はＦを多く含むＮＦｘイオン（ｘ＞２）、ＳＦｘイオン（ｘ＞３）、ＣＦｘイオン（ｘ＞３）から成る群から選択される１種であることが好ましい。このときのイオンエネルギーは例えば５００ｅＶ以下など、低いほうが絶縁層３４との選択比をとりやすいので好ましい。このようなイオン種を含むイオンビームを照射することにより、絶縁層３４がエッチングストッパとなり、犠牲層２４を選択的にエッチングすることができる。積層体の犠牲層２４を選択的にエッチングすることで、絶縁層３４が露出される。

【0034】

引き続き領域Ｂにイオンビームを照射することにより、領域Ｂ内のマスク８０が露出する積層体の絶縁層３４を選択的にエッチングする。絶縁層３４を選択的にエッチングするために、イオンビームは犠牲層２３より絶縁層３４に対して選択比の高いイオン種を含むことが好ましい。絶縁層３４が酸化シリコンを含み、犠牲層２３が窒化シリコン、シリコン、又はタングステンを含む場合、イオン種はＨを含まないＣｘＦｙ＋イオンであることが好ましい。ＣｘＦｙ＋イオンとしては例えば、Ｃ₃Ｆ₅＋イオンまたは、Ｃ₄Ｆ₆＋イオンであってもよい。このようなイオン種を含むイオンビームを照射することにより、犠牲層２３がエッチングストッパとなり、絶縁層３４を選択的にエッチングすることができる。積層体の絶縁層３４を選択的にエッチングすることで、犠牲層２３が露出されコンタクトホールＣＨ３が形成される。

【0035】

図７に示すように、コンタクトホールＣＨ１、ＣＨ２が形成される領域すべてを含む（第３および第４の領域）にイオンビームを照射することにより、領域Ｃ内のマスク８０が露出する積層体の犠牲層２３を選択的にエッチングする。領域Ｃは、領域Ａの一部であり、領域Ｂの一部である。領域Ｃは、コンタクトホールＣＨ３、ＣＨ４が形成される領域を含まなければよく、コンタクトホールＣＨ１、ＣＨ２が形成される領域すべてを含む最小の領域であってもよい。上述したように、犠牲層２３を選択的にエッチングするために、イオンビームは絶縁層３３より犠牲層２３に対して選択比の高いイオン種を含むことが好ましい。絶縁層３３が酸化シリコンを含み、犠牲層２３が窒化シリコン、又はシリコンを含む場合、イオン種はＨを含むＣｘＨｙＦｚ＋イオンであることが好ましい。ＣｘＨｙＦｚ＋イオンとしては例えば、ＣＨＦ₂＋イオンまたは、ＣＨ₂Ｆ＋イオンであってもよい。絶縁層３３が酸化シリコンを含み、犠牲層２３が金属、例えばタングステンを含む場合、イオン種はＦを多く含むＮＦｘイオン（ｘ＞２）、ＳＦｘイオン（ｘ＞３）、ＣＦｘイオン（ｘ＞３）から成る群から選択される１種であることが好ましい。このときのイオンエネルギーは例えば５００ｅＶ以下など、低いほうが絶縁層３３との選択比をとりやすいので好ましい。このようなイオン種を含むイオンビームを照射することにより、絶縁層３３がエッチングストッパとなり、犠牲層２３を選択的にエッチングすることができる。積層体の犠牲層２３を選択的にエッチングすることで、絶縁層３３が露出される。

【0036】

引き続き領域Ｃにイオンビームを照射することにより、領域Ｃ内のマスク８０が露出する積層体の絶縁層３３を選択的にエッチングする。上述したように、絶縁層３３を選択的にエッチングするために、イオンビームは犠牲層２２より絶縁層３３に対して選択比の高いイオン種を含むことが好ましい。絶縁層３３が酸化シリコンを含み、犠牲層２２が窒化シリコン、シリコン、又はタングステンを含む場合、イオン種はＨを含まないＣｘＦｙ＋イオンであることが好ましい。ＣｘＦｙ＋イオンとしては例えば、Ｃ₃Ｆ₅＋イオンであってもよく、Ｃ₄Ｆ₆＋イオンであってもよい。このようなイオン種を含むイオンビームを照射することにより、犠牲層２２がエッチングストッパとなり、絶縁層３３を選択的にエッチングすることができる。積層体の絶縁層３３を選択的にエッチングすることで、犠牲層２２が露出されコンタクトホールＣＨ２が形成される。

【0037】

図８に示すように、コンタクトホールＣＨ１が形成される領域を含む領域Ｄ（第４の領域）にイオンビームを照射することにより、領域Ｄ内のマスク８０が露出する積層体の犠牲層２２を選択的にエッチングする。領域Ｄは、領域Ａの一部であり、領域Ｂおよび領域Ｃの一部である。領域Ｄは、コンタクトホールＣＨ２、ＣＨ３、ＣＨ４が形成される領域を含まなければよく、コンタクトホールＣＨ１が形成される領域を含む最小の領域であってもよい。上述したように、犠牲層２２を選択的にエッチングするために、イオンビームは絶縁層３２より犠牲層２２に対して選択比の高いイオン種を含むことが好ましい。絶縁層３２が酸化シリコンを含み、犠牲層２２が窒化シリコン、又はシリコンを含む場合、イオン種はＨを含むＣｘＨｙＦｚ＋イオンであることが好ましい。ＣｘＨｙＦｚ＋イオンとしては例えば、ＣＨＦ₂＋イオンまたは、ＣＨ₂Ｆ＋イオンであってもよい。絶縁層３２が酸化シリコンを含み、犠牲層２２が金属、例えばタングステンを含む場合、イオン種はＦを多く含むＮＦｘイオン（ｘ＞２）、ＳＦｘイオン（ｘ＞３）、ＣＦｘイオン（ｘ＞３）から成る群から選択される１種であることが好ましい。このときのイオンエネルギーは例えば５００ｅＶ以下など、低いほうが絶縁層３２との選択比をとりやすいので好ましい。このようなイオン種を含むイオンビームを照射することにより、絶縁層３２がエッチングストッパとなり、犠牲層２２を選択的にエッチングすることができる。積層体の犠牲層２２を選択的にエッチングすることで、絶縁層３２が露出される。

【0038】

引き続き領域Ｄにイオンビームを照射することにより、領域Ｄ内のマスク８０が露出する積層体の絶縁層３２を選択的にエッチングする。上述したように、絶縁層３２を選択的にエッチングするために、イオンビームは犠牲層２１より絶縁層３２に対して選択比の高いイオン種を含むことが好ましい。絶縁層３２が酸化シリコンを含み、犠牲層２１が窒化シリコン、シリコン、又はタングステンを含む場合、イオン種はＨを含まないＣｘＦｙ＋イオンであることが好ましい。ＣｘＦｙ＋イオンとしては例えば、Ｃ₃Ｆ₅＋イオンであってもよく、Ｃ₄Ｆ₆＋イオンであってもよい。このようなイオン種を含むイオンビームを照射することにより、犠牲層２１がエッチングストッパとなり、絶縁層３２を選択的にエッチングすることができる。積層体の絶縁層３２を選択的にエッチングすることで、犠牲層２１が露出されコンタクトホールＣＨ１が形成される。

【0039】

本実施形態においては、異なる４層の犠牲層２１、２２、２３、２４を露出するコンタクトホールＣＨ１、ＣＨ２、ＣＨ３、ＣＨ４を形成する方法を示した。しかしながらこれに限定されず、さらに多数の層が積層される場合、対応するコンタクトホールを形成する領域毎に特定のイオン種を含むイオンビームを切り替えて照射することを繰り返すことにより、上述の方法でさらに多数の深さが異なるコンタクトホールＣＨを形成することができる。本実施形態においては、大きい領域Ａから小さい領域Ｄまで順に照射領域を縮小する方法を示した。しかしながらこれに限定されず、図６から図８に示す領域Ｂ、Ｃ、Ｄを用いる工程は順不同である。本実施形態においては、引き出し領域ＨＵＲの略全面を、コンタクトホールＣＨ毎に分割してそれぞれの照射領域とした。しかしながらこれに限定されず、照射領域の面積は、コンタクトホールＣＨの面積の約２倍まで縮小することができる。照射領域を縮小することで、イオンビームの照射時間を短縮することができ、積層配線構造体の製造効率を向上することができる。

【0040】

上述のように本実施形態に係る積層配線構造体の製造方法は、特定の領域に特定のイオン種を含むイオンビームを照射することにより特定の層を選択的にエッチングすることで、コンタクトホールＣＨの積層体上面からの深さを制御することができ、積層配線構造体の信頼性を向上することができる。

【0041】

図９に示すように、マスク８０を除去した後、積層体の上面、コンタクトホールＣＨの内側面および底部には、絶縁膜６０が形成される。絶縁膜６０は例えば酸化シリコンであってもよく、ＣＶＤ装置を用いて堆積される。絶縁膜６０はコンタクトホールＣＨの底部である犠牲層２０の上にも形成される。このため図１０に示すように、ＲＩＥのような異方性エッチングを行い、積層体の上面およびコンタクトホールの底部の絶縁膜６０を除去する。コンタクトホールＣＨの内側面には絶縁膜６０が残る。

【0042】

底部に対応する犠牲層２０を露出するコンタクトホールＣＨには、例えばタングステンなどの金属を埋め込むことで、コンタクトプラグ５０が形成される。さらに、積層体の所定領域に図示しないスリットを掘り下げ、そのスリットより、積層体に含まれる犠牲層２０を一括して除去する。その結果、犠牲層２０が存在していた部分に空洞が生じる。そして、その空洞にタングステン等の金属を埋め込むことによって、図３に示す導電層７０が形成される。

【0043】

上述のように本実施形態に係る積層配線構造体の製造方法は、特定の領域に特定のイオン種を含むイオンビームを照射することにより積層体上面からの深さが異なるコンタクトホールＣＨ１、ＣＨ２、ＣＨ３、ＣＨ４を形成することで、積層体内のそれぞれの導電層に接続するコンタクトプラグ５０を容易に形成することができる。フォトリソグラフィを多用する必要がなく、積層配線構造体の製造効率を向上することができる。

【0044】

［イオンビーム照射装置の構成］
図１１は、イオンビーム照射装置の構成を示す模式図である。図１１に示すイオンビーム照射装置１００は、ＥＣＲ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｃｙｃｌｏｔｒｏｎ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ）プラズマ型であり、プラズマ生成室２００と、ビームライン３００と、ビーム照射室４００と、を備える。

【0045】

プラズマ生成室２００は、真空チャンバ内で磁界を発生させてマイクロ波を導入することでプラズマを発生する。プラズマが発生した状態でガスを導入して、加速電極に所定の加速電圧を印加すると、イオンビームを生成する。本実施形態に係るイオンビーム照射装置１００は、異なるイオン種を含むイオンビームを生成する２つのプラズマ生成室２００a、２００ｂ（ここでプラズマ生成室２００a、２００ｂを区別しないときはプラズマ生成室２００とする）を備える。プラズマ生成室２００aは、例えば、Ｃ₄Ｆ₆ガスを用いて絶縁層３０（ＴＥＯＳ膜）を選択的にエッチングするＣ₃Ｆ₅＋イオンまたは、Ｃ₄Ｆ₆＋イオンを含むイオンビームを生成してもよい。プラズマ生成室２００ｂは、例えば、ＣＨ₃Ｆガスを用いて犠牲層２０（ＳｉＮ膜）を選択的にエッチングするＣＨＦ₂＋イオンまたは、ＣＨ₂Ｆ＋イオンを含むイオンビームを生成してもよい。

【0046】

プラズマ生成室２００ａ、２００ｂで生成されたイオンビームは、それぞれマスセレクタ２１０ａ、２１０ｂ、シャッタ２２０ａ、２２０ｂを介して１つのビームライン３００に到達する。マスセレクタ２１０ａ、２１０ｂは、それぞれの目的イオンを分離して引き出す。例えば、真空チャンバ内で、炭素元素およびフッ素元素を含むＣＦ系のプラズマ、または炭素元素、水素元素、フッ素元素を含むＣＨＦ系のプラズマを発生させた後、マスセレクタ２１０ａ、２１０ｂでＣ₃Ｆ₅＋イオンまたは、Ｃ₄Ｆ₆＋イオン、またはＣＨＦ₂＋イオンまたは、ＣＨ₂Ｆ＋イオンを抽出することができる。シャッタ２２０ａ、２２０ｂは、例えばファラデーカップであり、それぞれのイオンビームを遮蔽する。シャッタ制御部２３０は、シャッタ２２０ａ、２２０ｂの開閉を制御する。シャッタ制御部２３０は、異なるイオン種を含む２つのイオンビームのうち何れか１つを選択、または両方遮蔽する。すなわち、シャッタ制御部２３０は、少なくともシャッタ２２０ａを開くときシャッタ２２０ｂを閉じ、シャッタ２２０ｂを開くときシャッタ２２０ａを閉じる。このような構成を有することで、異なるイオン種を含む２つのイオンビームを適宜切り替えることができる。

【0047】

ビームライン３００は、プラズマ生成室２００ａまたはプラズマ生成室２００ｂで生成されたイオンビームを、コンデンサレンズ３１０、絞り３２０、偏向器３３０、対物レンズ３４０を介してビーム照射室４００まで到達させる。イオンビームは、コンデンサレンズ３１０、絞り３２０、対物レンズ３４０で集束することによってイオンビームのスポットサイズを制御することができる。イオンビームのスポットサイズ（半値全幅）は例えばナノメートルオーダーからマイクロメートルオーダーであってもよい。偏向器３３０は、イオンビームを一定の順序で走査したり、任意の位置に偏向することができる。このような構成を有することで、イオンビームを特定の照射領域内だけに照射することができる。

【0048】

ビーム照射室４００は、基板を固定するステージ４１０と、ステージ４１０とイオンビームの相対位置を制御する相対位置制御部４２０と、を備える。相対位置制御部４２０は、例えばステージ４１０を動かすことによってイオンビームの照射領域を制御することができる。このような構成を有することで、イオンビームを照射する領域を制御することができる。

【0049】

上述のように本実施形態に係るイオンビーム照射装置は、特定の領域に特定のイオン種を含むイオンビームを照射することにより特定の層を選択的にエッチングすることで、コンタクトホールＣＨの積層体上面からの深さを制御することができ、半導体装置の信頼性を向上することができる。また、フォトリソグラフィを多用する必要がなく、半導体装置の製造効率を向上することができる。

【0050】

＜第２実施形態＞
本実施形態に係る積層配線構造体の構成は、第１実施形態に係る積層配線構造体の構成と同じである。本実施形態に係る積層配線構造体の製造方法は、コンタクトホールＣＨ１、ＣＨ２、ＣＨ３の形成方法以外、第１実施形態に係る積層配線構造体の製造方法と同じである。第１実施形態と同じである説明は省略し、ここでは第１実施形態に係る積層配線構造体の製造方法と相違する部分について説明する。

【0051】

［積層配線構造体の製造方法］
図１２および図１３を参照して、本実施形態に係る積層配線構造体１７の製造方法について説明する。

【0052】

まず図４および図５で説明した方法によって、コンタクトホールＣＨ４が形成される。

【0053】

図１２に示すように、コンタクトホールＣＨ１、ＣＨ２が形成される領域すべてを含む領域Ｅ（第３および第４の領域）にイオンビームを照射することにより、領域Ｅ内のマスク８０が露出する積層体の犠牲層２４を選択的にエッチングする。領域Ｅは、領域Ａの一部である。領域Ｂは、コンタクトホールＣＨ３、ＣＨ４が形成される領域を含まなければよく、コンタクトホールＣＨ１、ＣＨ２が形成される領域を含む最小の領域であってもよい。犠牲層２４を選択的にエッチングするために、イオンビームは絶縁層３４より犠牲層２４に対して選択比の高いイオン種を含むことが好ましい。絶縁層３４が酸化シリコンを含み、犠牲層２４が窒化シリコン、又はシリコンを含む場合、イオン種はＨを含むＣｘＨｙＦｚ＋イオンであることが好ましい。ＣｘＨｙＦｚ＋イオンとしては例えば、ＣＨＦ₂＋イオンまたは、ＣＨ₂Ｆ＋イオンであってもよい。絶縁層３４が酸化シリコンを含み、犠牲層２４が金属、例えばタングステンを含む場合、イオン種はＦを多く含むＮＦｘイオン（ｘ＞２）、ＳＦｘイオン（ｘ＞３）、ＣＦｘイオン（ｘ＞３）から成る群から選択される１種であることが好ましい。このときのイオンエネルギーは例えば５００ｅＶ以下など、低いほうが絶縁層３４との選択比をとりやすいので好ましい。このようなイオン種を含むイオンビームを照射することにより、絶縁層３４がエッチングストッパとなり、犠牲層２４を選択的にエッチングすることができる。積層体の犠牲層２４を選択的にエッチングすることで、絶縁層３４が露出される。

【0054】

引き続き領域Ｅにイオンビームを照射することにより、領域Ｂ内のマスク８０が露出する積層体の絶縁層３４を選択的にエッチングする。絶縁層３４を選択的にエッチングするために、イオンビームは犠牲層２３より絶縁層３４に対して選択比の高いイオン種を含むことが好ましい。絶縁層３４が酸化シリコンを含み、犠牲層２３が窒化シリコン、シリコン、又はタングステンを含む場合、イオン種はＨを含まないＣｘＦｙ＋イオンであることが好ましい。ＣｘＦｙ＋イオンとしては例えば、Ｃ₃Ｆ₅＋イオンであってもよく、Ｃ₄Ｆ₆＋イオンであってもよい。このようなイオン種を含むイオンビームを照射することにより、犠牲層２３がエッチングストッパとなり、絶縁層３４を選択的にエッチングすることができる。積層体の絶縁層３４を選択的にエッチングすることで、犠牲層２３が露出される。

【0055】

引き続き領域Ｅにイオンビームを照射することにより、領域Ｅ内のマスク８０が露出する積層体の犠牲層２３を選択的にエッチングする。上述したように、犠牲層２３を選択的にエッチングするために、イオンビームは絶縁層３３より犠牲層２３に対して選択比の高いイオン種を含むことが好ましい。絶縁層３３が酸化シリコンを含み、犠牲層２３が窒化シリコン、又はシリコンを含む場合、イオン種はＨを含むＣｘＨｙＦｚ＋イオンであることが好ましい。ＣｘＨｙＦｚ＋イオンとしては例えば、ＣＨＦ₂＋イオンまたは、ＣＨ₂Ｆ＋イオンであってもよい。絶縁層３３が酸化シリコンを含み、犠牲層２３が金属、例えばタングステンを含む場合、イオン種はＦを多く含むＮＦｘイオン（ｘ＞２）、ＳＦｘイオン（ｘ＞３）、ＣＦｘイオン（ｘ＞３）から成る群から選択される１種であることが好ましい。このときのイオンエネルギーは例えば５００ｅＶ以下など、低いほうが絶縁層３３との選択比をとりやすいので好ましい。このようなイオン種を含むイオンビームを照射することにより、絶縁層３３がエッチングストッパとなり、犠牲層２３を選択的にエッチングすることができる。積層体の犠牲層２３を選択的にエッチングすることで、絶縁層３３が露出される。

【0056】

引き続き領域Ｅにイオンビームを照射することにより、領域Ｅ内のマスク８０が露出する積層体の絶縁層３３を選択的にエッチングする。上述したように、絶縁層３３を選択的にエッチングするために、イオンビームは犠牲層２２より絶縁層３３に対して選択比の高いイオン種を含むことが好ましい。絶縁層３３が酸化シリコンを含み、犠牲層２２が窒化シリコン、シリコン、又はタングステンを含む場合、イオン種はＨを含まないＣｘＦｙ＋イオンであることが好ましい。ＣｘＦｙ＋イオンとしては例えば、Ｃ₃Ｆ₅＋イオンであってもよく、Ｃ₄Ｆ₆＋イオンであってもよい。このようなイオン種を含むイオンビームを照射することにより、犠牲層２２がエッチングストッパとなり、絶縁層３３を選択的にエッチングすることができる。積層体の絶縁層３３を選択的にエッチングすることで、犠牲層２２が露出されコンタクトホールＣＨ２が形成される。

【0057】

図１３に示すように、コンタクトホールＣＨ１、ＣＨ３が形成される領域を含む領域Ｆ（第２および第４の領域）にイオンビームを照射することにより、領域Ｆ内のマスク８０が露出する積層体の犠牲層２２および犠牲層２４を選択的にエッチングする。領域Ｆは、領域Ａの一部である。領域Ｆは、コンタクトホールＣＨ２、ＣＨ４が形成される領域を含まなければよく、コンタクトホールＣＨ１、ＣＨ３が形成される領域を含む最小の領域であってもよい。上述したように、犠牲層２２および犠牲層２４を選択的にエッチングするために、イオンビームは絶縁層３２および絶縁層３４より犠牲層２２および犠牲層２４に対して選択比の高いイオン種を含むことが好ましい。絶縁層３２および絶縁層３４が酸化シリコンを含み、犠牲層２２および犠牲層２４が窒化シリコン、又はシリコンを含む場合、イオン種はＨを含むＣｘＨｙＦｚ＋イオンであることが好ましい。ＣｘＨｙＦｚ＋イオンとしては例えば、ＣＨＦ₂＋イオンまたは、ＣＨ₂Ｆ＋イオンであってもよい。絶縁層３２および絶縁層３４が酸化シリコンを含み、犠牲層２２および犠牲層２４が金属、例えばタングステンを含む場合、イオン種はＦを多く含むＮＦｘイオン（ｘ＞２）、ＳＦｘイオン（ｘ＞３）、ＣＦｘイオン（ｘ＞３）から成る群から選択される１種であることが好ましい。このときのイオンエネルギーは例えば５００ｅＶ以下など、低いほうが絶縁層３２および絶縁層３４との選択比をとりやすいので好ましい。このようなイオン種を含むイオンビームを照射することにより、絶縁層３２および絶縁層３４がエッチングストッパとなり、犠牲層２２および犠牲層２４を選択的にエッチングすることができる。積層体の犠牲層２２および犠牲層２４を選択的にエッチングすることで、絶縁層３２および絶縁層３４が露出される。

【0058】

引き続き領域Ｆにイオンビームを照射することにより、領域Ｆ内のマスク８０が露出する積層体の絶縁層３２および絶縁層３４を選択的にエッチングする。上述したように、絶縁層３２および絶縁層３４を選択的にエッチングするために、イオンビームは犠牲層２１および犠牲層２３より絶縁層３２および絶縁層３４に対して選択比の高いイオン種を含むことが好ましい。絶縁層３２および絶縁層３４が酸化シリコンを含み、犠牲層２１および犠牲層２３が窒化シリコン、シリコン、又はタングステンを含む場合、イオン種はＨを含まないＣｘＦｙ＋イオンであることが好ましい。ＣｘＦｙ＋イオンとしては例えば、Ｃ₃Ｆ₅＋イオンであってもよく、Ｃ₄Ｆ₆＋イオンであってもよい。このようなイオン種を含むイオンビームを照射することにより、犠牲層２１および犠牲層２３がエッチングストッパとなり、絶縁層３２および絶縁層３４を選択的にエッチングすることができる。積層体の絶縁層３２および絶縁層３４を選択的にエッチングすることで、犠牲層２１および犠牲層２３が露出されコンタクトホールＣＨ１およびＣＨ３が形成される。

【0059】

本実施形態においては、異なる４層の犠牲層２１、２２、２３、２４を露出するコンタクトホールＣＨ１、ＣＨ２、ＣＨ３、ＣＨ４を形成する方法を示した。しかしながらこれに限定されず、さらに多数の層が積層される場合、対応するコンタクトホールを形成する領域毎に特定のイオン種を含むイオンビームを切り替えて照射することを繰り返すことにより、上述の方法でさらに多数の深さが異なるコンタクトホールＣＨを形成することができる。また、図１２および図１３に示す領域Ｅ、Ｆを用いる工程は順不同である。第１実施形態に係る積層配線構造体の製造方法よりも照射領域の切り替えが１回少なく、同様の積層配線構造体を製造することができる。

【0060】

次に図９および図１０で説明した方法によって、図３に示す積層配線構造体１７が形成される。

【0061】

上述のように本実施形態に係る積層配線構造体の製造方法は、特定の領域に特定のイオン種を含むイオンビームを照射することにより特定の層を選択的にエッチングすることで、コンタクトホールＣＨの積層体上面からの深さを制御することができ、積層配線構造体の信頼性を向上することができる。また、積層体内のそれぞれの導電層に接続するコンタクトプラグ５０を容易に形成することができ、積層配線構造体の製造効率を向上することができる。

【0062】

＜第３実施形態＞
本実施形態に係る積層配線構造体の構成は、コンタクトホールＣＨおよびコンタクトプラグ５０の形状以外、第１実施形態に係る積層配線構造体の構成と同じである。本実施形態に係る積層配線構造体の製造方法は、マスク８０を用いずイオンビームをコンタクトホールＣＨが形成される領域にのみ照射すること以外、第１実施形態に係る積層配線構造体の製造方法と同じである。第１実施形態と同じである説明は省略し、ここでは第１実施形態に係る積層配線構造体の構成および製造方法と相違する部分について説明する。

【0063】

［積層配線構造体の構成］
図１４は、積層配線構造体１７ａの構成を示す（Ａ）上面図及び（Ｂ）断面図である。積層配線構造体１７ａは、半導体基板１１上に積層された複数の導電層７１、７２、７３、７４を有する。複数の導電層７１、７２、７３、７４は、複数の絶縁層３１、３２、３３、３４、３５と交互に、半導体基板１１の主面に対して垂直な方向に周期的に積層されている。

【0064】

コンタクトホールＣＨ１ａ、ＣＨ２ａ、ＣＨ３ａ、ＣＨ４ａ（ここでコンタクトホールＣＨ１ａ、ＣＨ２ａ、ＣＨ３ａ、ＣＨ４ａを区別しないときにはコンタクトホールＣＨａとする）は、対応する導電層７１、７２、７３、７４まで、上層の互いに積層された複数の導電層７０および複数の絶縁層３０を貫通して形成されている。すなわち、コンタクトホールＣＨ１ａ、ＣＨ２ａ、ＣＨ３ａ、ＣＨ４ａはそれぞれ、積層配線構造体１７ａ上面からの深さが異なる。本実施形態においてコンタクトホールＣＨａは、絶縁層３５に囲まれる上部における径と、対応する導電層に接続する底部における径とが異なる。コンタクトホールＣＨａは、上部における径より底部における径が小さい。しかしながらこれに限定されず、上部と底部との間の中間部における径が上部における径より大きくてもよい。

【0065】

コンタクトホールＣＨａにはコンタクトプラグ５０ａが形成されている。コンタクトプラグ５１ａ、５２ａ、５３ａ、５４ａはそれぞれ、積層配線構造体１７ａ上面からの長さが異なる。コンタクトプラグ５０ａはいずれも円錐台形であってもよい。

【0066】

コンタクトプラグ５０ａは、コンタクトホールＣＨａにおいて貫通する上層の導電層７０と絶縁されている。コンタクトホールＣＨａの側面には絶縁膜６０が円筒状に形成されている。すなわち、コンタクトプラグ５０ａの側面は、絶縁膜６０で覆われている。

【0067】

［積層配線構造体の製造方法］
図１５を参照して、本実施形態に係る積層配線構造体１７ａの製造方法について説明する。

【0068】

本実施形態においてマスクは形成しなくてもよい。コンタクトホールＣＨａは、それぞれのコンタクトホールＣＨａを形成する領域にイオンビームを照射することによりエッチングをすることで形成される。イオンビームを照射する領域がコンタクトホールＣＨａを形成する領域に限定されること以外は、第１実施形態および第２実施形態に係る積層配線構造体の製造方法と同じであるので省略する。第１実施形態に係る積層配線構造体の製造方法よりも、マスクを形成する必要なく類似の積層配線構造体を製造することができる。

【0069】

上述のように本実施形態に係る積層配線構造体の製造方法は、特定の領域に特定のイオン種を含むイオンビームを照射することにより特定の層を選択的にエッチングすることで、コンタクトホールＣＨａの積層体上面からの深さを制御することができ、積層配線構造体の信頼性を向上することができる。また、積層体内のそれぞれの導電層に接続するコンタクトプラグ５０ａを容易に形成することができ、積層配線構造体の製造効率を向上することができる。

【0070】

＜第４実施形態＞
本実施形態に係る積層配線構造体の構成は、積層体が階段構造であること以外、第１実施形態に係る積層配線構造体の構成と同じである。本実施形態に係る積層配線構造体の製造方法は、マスク８０を用いずイオンビームを用いて積層体の階段構造が形成されること以外、第１実施形態に係る積層配線構造体の製造方法と同じである。第１実施形態と同じである説明は省略し、ここでは第１実施形態に係る積層配線構造体の構成および製造方法と相違する部分について説明する。

【0071】

［積層配線構造体の構成］
図１６は、積層配線構造体１７ｂの構成を示す（Ａ）上面図及び（Ｂ）断面図である。積層配線構造体１７ｂは、半導体基板１１上に積層された複数の導電層７１ｂ、７２ｂ、７３ｂ、７４ｂを有する。複数の導電層７１ｂ、７２ｂ、７３ｂ、７４ｂは、複数の絶縁層３１ｂ、３２ｂ、３３ｂ、３４ｂ、３５ｂと交互に、半導体基板１１の主面に対して垂直な方向に周期的に積層されている。複数の導電層７１ｂ、７２ｂ、７３ｂ、７４ｂおよび複数の絶縁層３１ｂ、３２ｂ、３３ｂ、３４ｂ、３５ｂはそれぞれ、下層の導電層７０ｂを露出するように階段構造に形成されている。積層体の上には階段構造を包埋する絶縁体９０ｂが形成されている。

【0072】

絶縁体９０ｂには、コンタクトホールＣＨ１ｂ、ＣＨ２ｂ、ＣＨ３ｂ、ＣＨ４ｂ（ここでコンタクトホールＣＨ１ｂ、ＣＨ２ｂ、ＣＨ３ｂ、ＣＨ４ｂを区別しないときにはコンタクトホールＣＨｂとする）が形成されている。コンタクトホールＣＨ１ｂ、ＣＨ２ｂ、ＣＨ３ｂ、ＣＨ４ｂは、対応する導電層７１ｂ、７２ｂ、７３ｂ、７４ｂまで、絶縁体９０ｂを貫通して形成されている。すなわち、コンタクトホールＣＨ１ｂ、ＣＨ２ｂ、ＣＨ３ｂ、ＣＨ４ｂはそれぞれ、積層配線構造体１７ｂ上面からの深さが異なる。本実施形態においてコンタクトホールＣＨｂは、絶縁体９０ｂに囲まれる上部における径と、対応する導電層に接続する底部における径とが略同一である。しかしながらこれに限定されず、コンタクトホールＣＨｂは、上部における径と底部における径とが異なってもよいし、上部と底部との間の中間部における径が上部または底部における径より大きくてもよい。

【0073】

コンタクトホールＣＨｂにはコンタクトプラグ５１ｂ、５２ｂ、５３ｂ、５４ｂが形成されている。コンタクトプラグ５１ｂ、５２ｂ、５３ｂ、５４ｂはそれぞれ、積層配線構造体１７ｂ上面からの長さが異なる。

【0074】

［積層配線構造体の製造方法］
図１７を参照して、本実施形態に係る積層配線構造体１７ｂの製造方法について説明する。

【0075】

本実施形態においてマスクは形成しない。本実施形態に係る積層体の階段構造は、マスクを用いずに第１実施形態に係る積層配線構造体の製造方法で説明したようにイオンビームを照射することによりエッチングをすることで形成される。イオンビームを照射するときマスクを用いないこと以外は、第１実施形態および第２実施形態に係る積層配線構造体の製造方法と同じであるので省略する。第１実施形態に係る積層配線構造体の製造方法よりも、マスクを形成する必要なく類似の積層配線構造体を製造することができる。

【0076】

上述のように本実施形態に係る積層配線構造体の製造方法は、特定の領域に特定のイオン種を含むイオンビームを照射することにより特定の層を選択的にエッチングすることで、階段構造の段差を制御することができ、積層配線構造体の信頼性を向上することができる。また、積層体内のそれぞれの導電層に接続するコンタクトプラグ５０ｂを容易に形成することができ、積層配線構造体の製造効率を向上することができる。

【0077】

＜第５実施形態＞
本実施形態に係る積層配線構造体の構成は、第１実施形態に係る積層配線構造体の構成と同じである。本実施形態に係る積層配線構造体の製造方法は、第１実施形態に係る積層配線構造体の製造方法と同じである。本実施形態に係るイオンビーム照射装置の構成は、２つのビームラインを備えること以外、第１実施形態に係るイオンビーム照射装置の構成と同じである。第１実施形態と同じである説明は省略し、ここでは第１実施形態に係るイオンビーム照射装置の構成と相違する部分について説明する。

【0078】

［イオンビーム照射装置の構成］
図１８は、イオンビーム照射装置の構成を示す模式図である。図１８に示すイオンビーム照射装置１００ａは、ＥＣＲ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｃｙｃｌｏｔｒｏｎ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ）プラズマ型であり、プラズマ生成室２００と、ビームライン３００と、ビーム照射室４００と、を備える。

【0079】

本実施形態に係るイオンビーム照射装置１００ａは、同じイオン種を含むイオンビームを生成する２つのプラズマ生成室２００a、２００ｂ（ここでプラズマ生成室２００a、２００ｂを区別しないときはプラズマ生成室２００とする）を備える。プラズマ生成室２００a、２００ｂは例えば、絶縁層３０（ＴＥＯＳ膜）を選択的にエッチングするＣ₃Ｆ₅＋イオンまたは、Ｃ₄Ｆ₆＋イオン、および犠牲層２０（ＳｉＮ膜）を選択的にエッチングするＣＨＦ₂＋イオンまたは、ＣＨ₂Ｆ＋イオンの両方を含むイオンビームを生成してもよい。

【0080】

プラズマ生成室２００ａ、２００ｂで生成されたイオンビームは、それぞれマスセレクタ２１０ａ、２１０ｂ、シャッタ２２０ａ、２２０ｂを介してそれぞれのビームライン３００ａ、３００ｂに到達する。マスセレクタ２１０ａ、２１０ｂは、それぞれの目的イオンを分離して引き出す。例えば、真空チャンバ内で、炭素元素およびフッ素元素を含むＣＦ系のプラズマ、および炭素元素、水素元素、フッ素元素を含むＣＨＦ系のプラズマの両方を発生させた後、マスセレクタ２１０ａ、２１０ｂでＣ₃Ｆ₅＋イオンまたは、Ｃ₄Ｆ₆＋イオン、またはＣＨＦ₂＋イオンまたは、ＣＨ₂Ｆ＋イオンのどちらかを抽出（選択）することができる。マスセレクタ２１０ａ、２１０ｂは、同じイオン種を抽出（選択）する。シャッタ２２０ａ、２２０ｂは、例えばファラデーカップであり、それぞれのイオンビームを遮蔽する。シャッタ制御部２３０は、シャッタ２２０ａ、２２０ｂの開閉を制御する。シャッタ制御部２３０は、同じイオン種を含む２つのイオンビームの両方を照射、または両方を遮蔽する。すなわち、シャッタ制御部２３０は、少なくともシャッタ２２０ａを開くときシャッタ２２０ｂを開き、シャッタ２２０ａを閉じるときシャッタ２２０ｂを閉じる。このような構成を有することで、同じイオン種を含む２つのイオンビームを同時に照射することができ、エッチングの効率を向上することができる。

【0081】

ビームライン３００ａ、３００ｂは、プラズマ生成室２００ａまたはプラズマ生成室２００ｂで生成されたイオンビームを、コンデンサレンズ３１０ａ、３１０ｂ、絞り３２０ａ、３２０ｂ、偏向器３３０ａ、３３０ｂ、対物レンズ３４０ａ、３４０ｂを介してビーム照射室４００まで到達させる。イオンビームは、コンデンサレンズ３１０ａ、３１０ｂ、絞り３２０ａ、３２０ｂ、対物レンズ３４０ａ、３４０ｂで集束することによってイオンビームのスポットサイズを制御することができる。イオンビームのスポットサイズ（半値全幅）は例えばナノメートルオーダーからマイクロメートルオーダーであってもよい。偏向器３３０ａ、３３０ｂは、イオンビームを一定の順序で走査したり、任意の位置に偏向することができる。このような構成を有することで、２つのイオンビームを特定の照射領域内だけに照射することができる。

【0082】

ビーム照射室４００は、基板を固定するステージ４１０と、ステージ４１０とイオンビームの相対位置を制御する相対位置制御部４２０と、を備える。相対位置制御部４２０は、例えばステージ４１０を動かすことによってイオンビームの照射領域を制御することができる。このような構成を有することで、２つのイオンビームを照射する領域を制御することができる。

【0083】

上述のように本実施形態に係るイオンビーム照射装置は、特定の領域に特定のイオン種を含むイオンビームを照射することにより特定の層を選択的にエッチングすることで、コンタクトホールＣＨの積層体上面からの深さを制御することができ、半導体装置の信頼性を向上することができる。また、フォトリソグラフィを多用する必要がなく、半導体装置の製造効率を向上することができる。

【0084】

＜変形例１＞
本変形例に係るイオンビーム照射装置の構成は、２つのマスセレクタで異なるイオン種を選択すること以外、第５実施形態に係るイオンビーム照射装置の構成と同じである。第５実施形態と同じである説明は省略し、ここでは第５実施形態に係るイオンビーム照射装置の構成と相違する部分について説明する。

【0085】

［イオンビーム照射装置の構成］
本変形例に係るイオンビーム照射装置１００ａは、同じイオン種を含むイオンビームを生成する２つのプラズマ生成室２００a、２００ｂ（ここでプラズマ生成室２００a、２００ｂを区別しないときはプラズマ生成室２００とする）を備える。プラズマ生成室２００a、２００ｂは例えば、絶縁層３０（ＴＥＯＳ膜）を選択的にエッチングするＣ₃Ｆ₅＋イオンまたは、Ｃ₄Ｆ₆＋イオン、および犠牲層２０（ＳｉＮ膜）を選択的にエッチングするＣＨＦ₂＋イオンまたは、ＣＨ₂Ｆ＋イオンの両方を含むイオンビームを生成してもよい。

【0086】

プラズマ生成室２００ａ、２００ｂで生成されたイオンビームは、それぞれマスセレクタ２１０ａ、２１０ｂ、シャッタ２２０ａ、２２０ｂを介してそれぞれのビームライン３００ａ、３００ｂに到達する。マスセレクタ２１０ａ、２１０ｂは、それぞれの目的イオンを分離して引き出す。例えば、真空チャンバ内で、炭素元素およびフッ素元素を含むＣＦ系のプラズマ、および炭素元素、水素元素、フッ素元素を含むＣＨＦ系のプラズマの両方を発生させた後、マスセレクタ２１０ａ、２１０ｂでＣ₃Ｆ₅＋イオンまたは、Ｃ₄Ｆ₆＋イオン、またはＣＨＦ₂＋イオンまたは、ＣＨ₂Ｆ＋イオンのどちらかを抽出（選択）することができる。マスセレクタ２１０ａ、２１０ｂは、異なるイオン種を抽出（選択）する。シャッタ２２０ａ、２２０ｂは、例えばファラデーカップであり、それぞれのイオンビームを遮蔽する。シャッタ制御部２３０は、シャッタ２２０ａ、２２０ｂの開閉を制御する。シャッタ制御部２３０は、異なるイオン種を含む２つのイオンビームのうち何れか１つを選択、または両方を遮蔽する。すなわち、シャッタ制御部２３０は、少なくともシャッタ２２０ａを開くときシャッタ２２０ｂを閉じ、シャッタ２２０ｂを開くときシャッタ２２０ａを閉じる。このような構成を有することで、異なるイオン種を含む２つのイオンビームを適宜切り替えることができる。

【0087】

上述のように本変形例に係るイオンビーム照射装置は、特定の領域に特定のイオン種を含むイオンビームを照射することにより特定の層を選択的にエッチングすることで、コンタクトホールＣＨの積層体上面からの深さを制御することができ、半導体装置の信頼性を向上することができる。また、フォトリソグラフィを多用する必要がなく、半導体装置の製造効率を向上することができる。

【0088】

＜変形例２＞
本変形例に係るイオンビーム照射装置の構成は、プラズマ生成室と、ビームラインと、ビーム照射室を１つずつ備えること以外、第５実施形態に係るイオンビーム照射装置の構成と同じである。第５実施形態と同じである説明は省略し、ここでは第５実施形態に係るイオンビーム照射装置の構成と相違する部分について説明する。

【0089】

［イオンビーム照射装置の構成］
図１９は、イオンビーム照射装置の構成を示す模式図である。図１９に示すイオンビーム照射装置１００ｂは、ＥＣＲ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｃｙｃｌｏｔｒｏｎ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ）プラズマ型であり、プラズマ生成室２００と、ビームライン３００と、ビーム照射室４００と、を備える。

【0090】

本変形例に係るイオンビーム照射装置１００ｂは、１つのプラズマ生成室２００を備える。プラズマ生成室２００は例えば、絶縁層３０（ＴＥＯＳ膜）を選択的にエッチングするＣ₃Ｆ₅＋イオンまたは、Ｃ₄Ｆ₆＋イオン、および犠牲層２０（ＳｉＮ膜）を選択的にエッチングするＣＨＦ₂＋イオンまたは、ＣＨ₂Ｆ＋イオンの両方を含むイオンビームを生成してもよい。

【0091】

プラズマ生成室２００で生成されたイオンビームは、マスセレクタ２１０、シャッタ２２０を介して１つのビームライン３００に到達する。マスセレクタ２１０は、目的イオンを分離して引き出す。例えば、真空チャンバ内で、炭素元素およびフッ素元素を含むＣＦ系のプラズマ、および炭素元素、水素元素、フッ素元素を含むＣＨＦ系のプラズマの両方を発生させた後、マスセレクタ２１０でＣ₃Ｆ₅＋イオンまたは、Ｃ₄Ｆ₆＋イオン、またはＣＨＦ₂＋イオンまたは、ＣＨ₂Ｆ＋イオンのどちらかを抽出することができる。シャッタ２２０は、例えばファラデーカップであり、イオンビームを遮蔽する。シャッタ制御部２３０は、シャッタ２２０の開閉を制御する。このような構成を有することで、異なる２つのイオン種を含むイオンビームを適宜切り替えることができる。

【0092】

上述のように本変形例に係るイオンビーム照射装置は、特定の領域に特定のイオン種を含むイオンビームを照射することにより特定の層を選択的にエッチングすることで、コンタクトホールＣＨの積層体上面からの深さを制御することができ、半導体装置の信頼性を向上することができる。また、フォトリソグラフィを多用する必要がなく、半導体装置の製造効率を向上することができる。

【0093】

以上、本発明について図面を参照しながら説明したが、本発明は上記の実施形態に限られるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。例えば、本実施形態の半導体装置を基にして、当業者が適宜構成要素の追加、削除もしくは設計変更を行ったものも、本発明の要旨を備えている限り、本発明の範囲に含まれる。さらに、上述した各実施形態は、相互に矛盾がない限り適宜組み合わせが可能であり、各実施形態に共通する技術事項については、明示の記載がなくても各実施形態に含まれる。

【0094】

上述した各実施形態の態様によりもたらされる作用効果とは異なる他の作用効果であっても、本明細書の記載から明らかなもの、又は、当業者において容易に予測し得るものについては、当然に本発明によりもたらされるものと解される。

【符号の説明】

【0095】

１：メモリセルアレイ、１０：半導体装置、１１：半導体基板、１６：メモリセルアレイ、１７：積層配線構造体、１８：周辺回路、１９：パッド列、２０：犠牲層、３０：絶縁層、４０：メモリピラー、５０：コンタクトプラグ、６０：絶縁膜、７０：導電層、８０：マスク、１００：イオンビーム照射装置、２００：プラズマ生成室、２１０：マスセレクタ、２２０：シャッタ、２３０：シャッタ制御部、３００：ビームライン、３１０：コンデンサレンズ、３３０：偏向器、３４０：対物レンズ、４００：ビーム照射室、４１０：ステージ、４２０：相対位置制御部

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】

【図18】

【図19】