JP2001203366A

JP2001203366A - 半導体装置

Info

Publication number: JP2001203366A
Application number: JP2000364120A
Authority: JP
Inventors: Shunpei Yamazaki; 舜平山崎; Hideomi Suzawa; 英臣須沢; Shigefumi Sakai; 重史酒井; Yasuhiko Takemura; 保彦竹村
Original assignee: Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd
Current assignee: Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd
Priority date: 2000-11-30
Filing date: 2000-11-30
Publication date: 2001-07-27

Abstract

(57)【要約】【課題】ＧＯＬＤ構造の薄膜トランジスタの提供【解決手段】絶縁基板上の半導体層、ゲート絶縁
膜、導電性材料から成るサイドウォールを有するゲート
電極、低濃度Ｎ型不純物領域、ソース領域及びドレイン
領域から構成される薄膜トランジスタ。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、半導体集積回路の作製
方法に関し、シリコン、モリブテン、タングステンによ
って組成の９５％以上が占められている導電性被膜の異
方性エッチングに関する。このような導電性被膜として
は、単結晶、多結晶もしくはアモルファス状態のシリコ
ン、タングステンシリサイド（ＷＳｉ₂）、モリブテン
シリサイド（ＭｏＳｉ₂）あるいはこれらの多層膜が挙
げられ、本発明はこれらの被膜を実質的にプラズマを用
いないでエッチングする方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体集積回路の微細化の要求により、
各種のドライエッチング法が開発された。特に微細化に
よって、アスペクト比（縦と横の比率）が高くなるにつ
れ、異方性エッチング（垂直方向に選択的にエッチング
が進行するエッチング方法）技術が必要とされるように
なった。このような微細加工は特に、半導体基板、ゲイ
ト電極・配線や下層の配線の加工において必要である。
そして、このような配線にはシリコンやタングステン、
モリブテン、あるいはそれらのシリサイド（珪化物、例
えば、タングステンシリサイド（ＷＳｉ₂）、モリブテ
ンシリサイド（ＭｏＳｉ₂））が使用されるため、これ
らの材料の異方性エッチング技術が重要であった。

【０００３】従来、このようなエッチングはＣＦ₄、Ｓ
Ｆ₆その他のフッ化物気体をプラズマによって電離させ
ることによって、フッ素活性種を発生させ、これとシリ
コンやモリブテン、タングステンを反応させ、揮発性の
フッ化珪素、フッ化モリブテン、フッ化タングステンと
してエッチングする方法が一般的であった。しかしなが
ら、このようなエッチング工程においては、エッチング
ガス中に含まれる炭素や硫黄がシリコンと化合して半導
体素子に混入する危険性があり、また、長期間エッチン
グに使用したチャンバー内壁にはテフロン（登録商標）
状のポリマーが付着するという問題点があった。

【０００４】また、エッチングに際してプラズマを発生
させねばならず、それによる半導体素子へのプラズマダ
メージが素子信頼性を低下させるという問題もあった。
一方、シリコンやタングステン、モリブテンを主成分と
する材料のエッチングガスとしてはフッ化ハロゲン、す
なわち、化学式ＸＦ_n（Ｘはフッ素以外のハロゲン、ｎ
は整数）で示される物質（例えば、ＣｌＦ、ＣｌＦ₃、
ＢｒＦ、ＢｒＦ ₃、ＩＦ、ＩＦ₃等）が知られている。
これらの材料は極めて強力なフッ化作用を有するため、
プラズマによって活性種を発生させなくともエッチング
できる（ガスエッチング）という特徴があった。しか
し、通常のガスエッチングにおいては、側方へのエッチ
ングを抑制して、垂直方向のみを選択的にエッチングす
ることができず、したがって、異方性エッチングは難し
かった。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】本発明はこのような諸
問題を解決せんとしてなされたものである。すなわち、
エッチングガスとしてフッ化ハロゲンを用い、実質的に
プラズマを用いないで異方性エッチングをおこなう方法
を提供することを課題とする。この結果、炭素や硫黄と
いうようなシリコン半導体にとって好ましくない異元素
を素子中に混入させることがなくなる。また、エッチン
グチャンバーのメンテナンスも容易となる。もちろん、
半導体素子のプラズマダメージも減少し、信頼性も向上
させることが可能である。

【０００６】

【発明を解決するための手段】本発明は、フッ化塩素
（ＣｌＦ）、三フッ化塩素（ＣｌＦ₃）、五フッ化塩素
（ＣｌＦ₅）、フッ化臭素（ＢｒＦ）、三フッ化臭素
（ＢｒＦ₃）、フッ化ヨウ素（ＩＦ）、三フッ化ヨウ素
（ＩＦ₃）等をはじめとしたフッ化ハロゲンをエッチン
グガスとして用い、かつ、基板に対して概略垂直に被エ
ッチング面に光（紫外光やレーザー光等）を照射せしめ
ることによって、エッチングに異方性を持たせることを
特徴とする。また、そのためには反応容器内にフッ化ハ
ロゲンを導入する手段と、基板に概略垂直に光を照射す
るための手段とを有するエッチング装置が必要である。

【０００７】

【作用】通常のフッ化ハライドによるガスエッチングで
は、ウェットエッチングと同様に等方的なエッチングと
なる。例えば、図１（Ａ）のごとく基板１０１上のシリ
コン膜１０２にフォトレジストのエッチングマスク１０
３を形成した膜のエッチングをおこなった場合、エッチ
ングを担っているフッ化ハロゲン分子は、等方的に試料
表面に入射するため、エッチング面は図１（Ｂ）に示す
ように斜めとなる。なお、エッチングにおいては、な
お、図１（Ｂ）中の点線は、当初のエッチングマスクで
ある。フッ化ハロゲンによるフッ化作用のため、フォト
レジストもエッチングされつつ、エッチングが進行す
る。（図１（Ｂ））

【０００８】エッチングにおいて、異方性を持たせるに
は、パターン側壁へのラジカルの入射量を減少させる。側壁に保護膜を形成し、側壁での被エッチング膜と
ラジカルとの接触を防止する。側壁での反応そのものを抑える。のいずれかを満たすことが必要である。本発明はこれら
のうち、に注目し、エッチング面での反応を、側面で
の反応に比較して優先して進行させることにより、エッ
チングの際に異方性を持たせる。

【０００９】本発明においては、光を基板に対して概略
垂直に照射することで、光が照射されるエッチング面で
のフッ化ハロゲンや被エッチング表面を活性化せしめ、
反応を容易に進行させる。一方、光が直接、入射しな
い、あるいは光の総量が小さい側面では反応が遅くな
る。その結果、エッチング方向に指向性を持たせ得るこ
とができ、図１（Ｃ）に示すように異方性を付けること
が可能となった。（図１（Ｂ））

【００１０】本発明をより効果的に実施するには、例え
ば、ＣｌＦ、ＣｌＦ₃のように反応性の強い材料におい
ては基板を冷却するとよい。なぜならば、このように反
応性の高い気体においては、常温でも十分に高いエッチ
ング速度が得られるため、垂直方向へのエッチングを選
択的におこなうことができない（異方性が高められな
い）からである。

【００１１】

【実施例】［実施例１］図２に本発明によるエッチング
装置を示す。反応容器（チャンバー）２０１には反応ガ
スを導入する為のガス導入系２０２および、反応容器を
減圧にし、かつ排ガス処理のための除害装置等を有する
排気系２０３が設けられてある。ガス導入系は、Ｃｌ
Ｆ、ＣｌＦ₃、ＣｌＦ₅、ＢｒＦ、ＢｒＦ₃、ＩＦ、Ｉ
Ｆ₃等をはじめとするフッ化ハロゲンの他にエッチング
速度を調整するために希釈用ガスとして、窒素およびア
ルゴンが備えてある。本実施例においてはフッ化ハロゲ
ンとしてＣｌＦ₃を使用した。

【００１２】また、反応容器内部に設置された基板ホル
ダー２０４は枚様式であり、このホルダーには常温〜−
２０℃程度まで温度を変化させることが可能な温度コン
トローラーが設けられてある。さらに、基板ホルダーの
上部には光源２０５が設けられてある。この光源とし
て、本実施例においてはＵＶランプを用いた。これは、
大面積基板のエッチングには好ましかった。それ以外の
ものは長方形のレーザービーム等を使用してもかまわな
い。

【００１３】上記のような構成をとるエッチング装置に
おいて、図１（Ａ）のようにマスクパターニングがされ
たシリコン膜のエッチングをおこなった例を示す。まず
基板２０６を基板ホルダー２０４に設置して反応容器を
減圧した。その後、基板２０４に光（本実施例において
は紫外光）を概略垂直に照射しながら、エッチング速度
を制御するために窒素やアルゴンによって１〜１０％に
希釈したＣｌＦ₃をエッチングガスとして導入した。本
実施例においては、ＣｌＦ₃の濃度が５％となるように
窒素によって希釈した。そして、反応容器内の圧力を１
００ｍＴｏｒｒとしてエッチングをおこなった。以上の
ようにして、エッチングをおこなった結果、垂直方向に
選択的にエッチングが進行し、図１（Ｃ）に示すよう
に、ほぼ垂直のエッチング端面が得られた。

【００１４】〔実施例２〕本発明を用いて、新しい電
界効果トランジスタを作製する例を図５を用いて説明す
る。半導体集積回路のデザインルールが縮小するにした
がって、電界効果トランジスタにおいては、ドレイン−
チャネル間の電界強度の急峻さにより、ホットキャリヤ
注入現象が生じるようになった。このようなデザインル
ールの縮小（すなわち、チャネルが短くなること）によ
る特性の劣化を一般に短チャネル効果という。このよう
な短チャネル効果を抑制する方法として、図３に示すよ
うな低濃度不純物領域（低濃度ドレイン、ＬＤＤ）３０
６、３０７を有するＭＩＳ型電界効果トランジスタが開
発された。

【００１５】この種のデバイスではソース３０４とチャ
ネル形成領域、あるいはドレイン３０５とチャネル形成
領域の間に、ソース／ドレインより低濃度のＬＤＤ３０
６、３０７が設けられたために、電界を緩和する効果が
生じ、ホットキャリヤの発生を抑制することができた。
図３に示すようなＬＤＤはまず、ゲイト電極３０１を形
成した後に、ドーピングをおこない、低濃度不純物領域
を形成し、その後、酸化珪素等の材料によってサイドウ
ォール３０２を形成し、これをマスクとして自己整合的
にドーピングをおこなって、ソース／ドレインを形成す
る方法が採用された。

【００１６】そのため、ＬＤＤ上にはゲイト電極が存在
せず、さらなる短チャネル化によっては、ＬＤＤ上のゲ
イト絶縁膜にホットキャリヤがトラップされる現象が生
じた。そして、このようなホットキャリヤ、特にホット
エレクトロンのトラップによって、ＬＤＤの導電型が反
転してしまい、しきい値の変動や、サブスレシュホール
ド係数の増加、パンチスルー耐圧の低下という短チャネ
ル効果が避けられなくなった。

【００１７】このような問題点を解決すべく、ＬＤＤ上
をもゲイト電極で覆った、オーバーラップＬＤＤ構造
（ＧＯＬＤ）構造が提唱された。この構造を採用すれ
ば、上記のようなＬＤＤ上のゲイト絶縁膜にホットキャ
リヤがトラップされたことによる特性の劣化は避けるこ
とができる。しかしながら、ＧＯＬＤを作製することは
容易ではなかった。これまでに報告されているＧＯＬＤ
構造のＭＩＳ型電界効果トランジスタとしては、ＩＴ−
ＬＤＤ構造（Ｔ．Ｙ．Ｈｕａｎｇ：ＩＥＤＭＴｅｃ
ｈ．Ｄｉｇｅｓｔ７４２（１９８６））がある。その
作製方法の概略を図４に示す。

【００１８】まず、半導体基板４０１上にフィールド絶
縁物４０２とゲイト絶縁膜４０３を形成した後、多結晶
シリコン等の導電性被膜４０４を成膜する。（図４
（Ａ））そして、導電性被膜４０４を適度にエッチング
し、ゲイト電極４０６を形成する。このとき注意しなけ
ればならないのは、導電性被膜４０４を全てエッチング
してしまうのではなく、適当な厚さ（１００〜１０００
Å）だけ、残して薄い導電性被膜４０７とすることであ
る。このため、このエッチング工程は極めて難しい。
（点線で示される４０５は元の導電性被膜である。）

【００１９】このようにして、薄い導電性被膜４０７と
ゲイト絶縁膜４０３を通して、スルードーピングによ
り、ＬＤＤ４０８、４０９を形成する。この際に、導電
性被膜が厚いと十分にスルードピングできない。また、
基板間、バッチ間で導電性被膜の厚さが異なると、ドー
ズ量がバラツクこととなる。（図４（Ｂ））その後、全面に酸化珪素等の材料で被膜４１０を成膜す
る。（図４（Ｃ））そして、従来のＬＤＤ構造を作製する場合と同様に被膜
４１０を異方性エッチング法によりエッチングすること
により、サイドウォール４１２を形成する。このエッチ
ング工程では薄い導電性被膜４０７もエッチングする。
そして、このようにして形成したサイドウォールをマス
クとして、自己整合的にドーピングをおこない、ソース
４１３、ドレイン４１４を形成する。（図４（Ｄ））

【００２０】その後、層間絶縁物４１５、ソース電極・
配線４１６、ドレイン電極・配線４１７を形成してＭＩ
Ｓ型電界効果トランジスタが完成する。（図４（Ｅ））図から明らかなように、ゲイト電極の部分が逆Ｔ字（Ｉ
ｎｖｅｒｓｅ−Ｔ）であるので、ＩＴ−ＬＤＤと呼ばれ
る。そして、ゲイト電極の薄い部分がＬＤＤ上に存在す
るため、ＬＤＤ表面のキャリヤ密度もゲイト電極によっ
てある程度制御できる。その結果、ＬＤＤの不純物濃度
をより小さくしてもＬＤＤの直列抵抗によって相互コン
ダクタンスが減少したり、ＬＤＤ上の絶縁膜中に注入さ
れたホットキャリヤによってデバイス特性が変動するこ
とが少なくなる。

【００２１】これらの利点はＩＴ−ＬＤＤ構造に固有の
ものではなく、全てのＧＯＬＤ構造に共通することであ
る。そして、ＬＤＤの不純物濃度を低くできるので電界
緩和効果も大きく、また、ＬＤＤを浅くできるので、短
チャネル効果やパンチスルーも抑制できる。

【００２２】しかしながら、ＧＯＬＤの作製方法として
は、ＩＴ−ＬＤＤ構造以外には効果的な方法がなかっ
た。従来のＬＤＤ構造において、単にサイドウォールを
シリコンを主成分とする導電性被膜で構成することは実
用的でなかった。それは、サイドウォールを形成する際
のエッチングが、酸化珪素を主成分とするゲイト絶縁膜
でストップさせることが難しく、基板を大きくエッチン
グする可能性があったためである。これは、従来のドラ
イエッチングプロセスでは、シリコンをエッチングする
際の酸化珪素との選択比が十分に大きくないことと、ゲ
イト電極（＝サイドウォール）の厚さに比較してゲイト
絶縁膜の厚さが１／１０程度と小さかったためである。

【００２３】そして、ＩＴ−ＬＤＤ構造は上記のような
利点を多く有するものの、その作製方法が極めて難しい
という問題があった。特に図４（Ｂ）の導電性被膜のエ
ッチングの制御が極めて難しかった。もし、基板間、基
板内で薄い導電性被膜４０７の厚さにバラツキがある
と、ソース／ドレインの不純物濃度が変動してしまい、
よって、トランジスタの特性がバラつくこととなる。

【００２４】本発明を用いれば、極めて簡単に、サイド
ウォールをシリコンやモリブテン、タングステン等を主
成分とする（純度９５％以上のシリコンよりなる）材料
とすることが可能となる。すなわち、サイドウォールを
ゲイト電極の一部とすることにより、ＧＯＬＤ構造を得
ることができる。このような構造を得るために、シリコ
ンやモリブテン、タングステンを主成分とする材料より
なる導電性被膜をゲイト電極の中央部となる部分を覆っ
て成膜したのち、本発明を実施することによって、異方
性エッチングをおこなえばよい。

【００２５】なお、本発明ではサイドウォールの形成の
ためのエッチングにおいて、サイドウォール材料とゲイ
ト絶縁膜材料とのエッチングの選択比を十分に大きくす
ることも可能となる。これはフッ化ハライドが酸化珪素
をほとんどエッチングしないという特性を有しているた
めである。その結果、半導体基板のオーバーエッチング
が回避できるのみか、ゲイト絶縁膜のオーバーエッチン
グも無くなる。

【００２６】以下、本実施例では、従来のＬＤＤ構造に
おいてゲイト電極に相当する部分（図３の３０１）はゲ
イト電極であるが、それはゲイト電極の全てではないと
いう意味で、ゲイト電極の中央部と称する。また、従来
のＬＤＤ構造のサイドウォールに相当する部分（図３の
３０２）もシリコンを主成分とする材料によって構成さ
れた導電性材料で、同時にゲイト電極の一部であるの
で、サイドウォールという呼び名以外にゲイト電極の側
部とも称することとする。

【００２７】図５に本実施例を示す。まず、シリコン基
板５０１上に公知のＬＯＣＯＳ形成法によって、厚さ３
０００Å〜１μｍのフィールド絶縁物５０２を形成し
た。また、ゲイト絶縁膜として、厚さ１００〜５００Å
の酸化珪素膜５０３を熱酸化法によって形成した。さら
に、熱ＣＶＤ法によって燐をドーピングして導電率を高
めた多結晶シリコン膜（厚さ２０００〜５０００Å）を
堆積し、これをエッチングしてゲイト電極の中央部５０
４を形成した。そして、ゲイト電極の中央部５０４をマ
スクとして自己整合的に燐のイオン注入をおこない、低
濃度のＮ型不純物領域（＝ＬＤＤ）５０５、５０６を形
成した。ＬＤＤの燐の濃度は１×１０¹⁶〜１×１０¹⁷原
子／ｃｍ³、深さは３００〜１０００Åとすると好まし
かった。（図５（Ａ））

【００２８】そして、熱ＣＶＤ法によって燐をドーピン
グして導電率を高めた多結晶シリコン膜（厚さ２０００
Å〜１μｍ）５０７を成膜した。（図５（Ｂ））その後、ＣｌＦ₃による異方性エッチングをおこなっ
た。本実施例は図２に示された装置を用いて、実施例１
と同様におこなった。まず、基板２０６を基板ホルダー
２０４に設置して反応容器を減圧した。その後、基板２
０４に光（本実施例においては紫外光）を照射しなが
ら、アルゴンによって１〜１０％に希釈したＣｌＦ₃を
エッチングガスとして導入した。本実施例においては、
ＣｌＦ₃の濃度が５％となるように窒素によって希釈し
た。そして、反応容器内の圧力を１０Ｔｏｒｒとした。
ＣｌＦ₃の流量は５００ｓｃｃｍ、窒素の流量は５００
ｓｃｃｍとした。

【００２９】この結果、シリコン膜５０７は、垂直方向
にエッチングされ、ゲイト電極の中央部５０４の側面に
ゲイト電極の側部（サイドウォール）５０９が形成され
た。（図５（Ｃ））その後、砒素のイオン注入によって、ゲイト電極をマス
クとして自己整合的にドーピングをおこない、ソース５
１０、ドレイン５１１を作製した。砒素の濃度は１×１
０¹⁹〜５×１０²⁰原子／ｃｍ³とした。そして、熱アニ
ール処理により、ＬＤＤおよびソース／ドレインの再結
晶化をおこなった。（図５（Ｄ））その後、熱ＣＶＤ法によって、層間絶縁物として、厚さ
３０００Å〜１μｍの酸化珪素膜５１２を堆積した。そ
して、これにコンタクトホールを形成し、ソース電極５
１３、ドレイン電極５１４を形成した。このようにし
て、ＧＯＬＤ型トランジスタを作製することができた。
（図５（Ｅ））

【００３０】

【発明の効果】本発明によって、半導体集積回路におい
て重要なシリコン基板のエッチング、あるいは多結晶シ
リコン、モリブテン、タングステン、モリブテンシリサ
イド、タングステンシリサイド、ポリサイド（シリコン
とタングステンシリサイドあるいはモリブテンシリサイ
ドの多層膜）等の配線のエッチングをおこなうことがで
きる。しかも、本発明のエッチングにおいては、炭素や
硫黄が副産することがないので、半導体素子の特性に悪
影響を及ぼすことがない。また、長期間にわたってエッ
チングをおこなっても、チャンバーの内壁にポリマー等
が付着することはなく、メンテナンスが容易である。

【００３１】しかも、本発明のエッチングはプラズマを
用いることがないので、半導体素子の信頼性を高めるこ
とができる。特に本発明の対象とする半導体基板、ゲイ
ト電極・配線等において、プラズマのダメージがないこ
とは有利である。実施例では、ＧＯＬＤ構造の電界効果
トランジスタを作製する例について記述したが、その他
の場合においても本発明は効果的である。また、半導体
基板上の素子以外に、絶縁基板上に形成されるＴＦＴに
本発明を適用しても同様な効果が得られることは言うま
でもない。このように本発明は工業上、有益な発明であ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】等方性および本発明の異方性エッチング形状
の断面を示す。

【図２】本発明のエッチング装置の概略を示す。（実
施例１）

【図３】従来法によるＬＤＤ構造のトランジスタを示
す。

【図４】従来法によるＩＴ−ＬＤＤ型トランジスタの
作製方法を示す。

【図５】実施例２によるＧＯＬＤ型トランジスタの作
製方法を示す。

【符号の説明】

１０１・・・・・基板１０２・・・・・シリコン膜１０３・・・・・マスクパターニング２０１・・・・・反応容器（チャンバー）２０２・・・・・ガス導入系２０３・・・・・排気系２０４・・・・・試料ホルダー２０５・・・・・光源２０６・・・・・基板

フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考）Ｈ０１Ｌ 29/78 ６１６Ａ (72)発明者竹村保彦神奈川県厚木市長谷398番地株式会社半導体エネルギー研究所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】絶縁基板上の半導体層と、前記半導体層上
のゲート絶縁膜と、前記ゲート絶縁膜上の導電性被膜か
ら成るサイドウォールを有するゲート電極とを有し、前
記ゲート絶縁膜を介して前記サイドウォールと重なる半
導体層にはソース領域及びドレイン領域のＮ型不純物よ
りも低濃度のＮ型不純物が含まれること、を特徴とする
薄膜トランジスタ。
【請求項２】請求項１において前記サイドウォールと重
なる半導体層に含まれるＮ型不純物は燐であること、ソ
ース領域及びドレイン領域に含まれるＮ型不純物は砒素
であること、を特徴とする薄膜トランジスタ。