JP2001237218A - 半導体装置の製造方法 - Google Patents

半導体装置の製造方法

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JP2001237218A JP2000043005A JP2000043005A JP2001237218A JP 2001237218 A JP2001237218 A JP 2001237218A JP 2000043005 A JP2000043005 A JP 2000043005A JP 2000043005 A JP2000043005 A JP 2000043005A JP 2001237218 A JP2001237218 A JP 2001237218A
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gate electrode
thickness
semiconductor device
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Kazuyoshi Yoshida
和由 吉田
Nobuyuki Ikezawa
延幸 池澤
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    • H01L21/32136Physical or chemical etching of the layers, e.g. to produce a patterned layer from a pre-deposited extensive layer by chemical means only by vapour etching only using plasmas
    • H01L21/32137Physical or chemical etching of the layers, e.g. to produce a patterned layer from a pre-deposited extensive layer by chemical means only by vapour etching only using plasmas of silicon-containing layers

Abstract

(57)【要約】 【課題】 MOSFETのゲート電極形成のためのパタ
ーニングに際して、ゲート酸化膜及び基板に生じるダメ
ージを防止する。 【解決手段】 基板10上に、SiO2から成るゲート酸
化膜11及びポリシリコンから成るゲート電極膜12を
形成し、フォトレジストマスク13を利用してゲート電
極膜12をドライエッチングでパターニングする。パタ
ーニング工程では、Cl2/HBr/CF4ガスを流し且つポ
リシリコン膜12の膜厚を測定しながら行うメインエッ
チングでポリシリコン膜12を100Å程度残し、次い
で、HBr/O2を流しながら行うオーバーエッチングで
残るポリシリコン膜12を除去する。パターン密度が高
いエリアにおいてもCF4の存在によってサブトレンチ
の形成を抑え、ゲート酸化膜及び基板表面に生ずるダメ
ージを防止する。

Description

【発明の詳細な説明】
【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、MOSFETのゲート電極の形成に
好適な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、MOSF
ETのゲート電極を縮小し、現時点で利用可能なフォト
リソグラフィ技術で形成可能な最小サイズよりも小さな
幅のゲート電極を形成する技術が提案されている。該技
術では、ゲート絶縁膜上に形成したポリシリコン膜か
ら、フォトリソグラフィ及びドライエッチング技術を利
用したパターニングによってゲート電極を形成する。ポ
リシリコン膜は、ゲート酸化膜(SiO2)との選択比が
低いメインエッチングで所定の厚さ迄にエッチングした
後に、ゲート酸化膜との選択比が高いオーバーエッチン
グによってゲート酸化膜の表面までエッチングする。
【0003】しかし、上記提案された技術に従ってゲー
ト電極をドライエッチングによって形成すると、ウエハ
上でのパターン密度の粗密の違いによって、パターンサ
イズにばらつきが発生する、いわゆる面内形状差が生ず
るという不具合がある。
【0004】特開平11−260799号公報には、上
記不具合を解消する薄膜の微細加工方法が記載されてい
る。該公報に記載の方法を図9を参照して説明する。シ
リコンウエハ301上に、3nmの酸化膜(SiO2膜)
302、200nmのドープドポリシリコン(DOPO
S)膜303、200nmの窒化シリコン膜304をこ
の順に形成している。窒化シリコン膜304はフォトリ
ソグラフィによって加工されており、その最小線幅は
0.13μmである。
【0005】窒化シリコン膜304をマスクとして、D
OPOS膜303を複数のステップによってエッチング
する。第1のステップでは、例えば塩素ガス(Cl2)を
120ml/minの流量で供給しつつ、炉内圧力を0.1
Pa、RF電力を160mW、マイクロ波電力を500
mWとした条件で5秒間エッチングすることで、DOP
OS膜表面に発生した自然酸化膜を除去する。第2のス
テップはメインエッチングであり、このメインエッチン
グ工程では、Cl2流量を108ml/min、酸素ガス
(02)流量を12ml/minとして、DOPOS膜303
と酸化膜302との間での選択比を小さくしてDOPO
S膜303のエッチングを行う。
【0006】メインエッチング工程中に、光干渉式リア
ルタイム膜厚モニタによって、DOPOS膜303の残
りの膜厚を測定し、膜厚が30nmになった時点でメイ
ンエッチング工程から、第3のステップであるオーバー
エッチング工程に移行する。このオーバーエッチング工
程では、DOPOS膜303と酸化膜302の間の選択
比を高めるために、O2流量を3ml/min、HBr流量を
100ml/minとして行う。
【0007】DOPOS膜303のエッチングに際し
て、ゲート酸化膜301との間の選択比が低いメインエ
ッチング工程と、選択比が高いオーバーエッチング工程
とを組み合わせることによって、ゲート酸化膜302に
生ずるエッチングダメージを防止する。特に、光干渉式
膜厚モニタによってリアルタイムに膜厚を測定すること
で、メインエッチング工程とオーバーエッチング工程と
の間の切換えを、残存するDOPOS膜の膜厚に従って
制御している。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】上記公報に記載の薄膜
の微細加工方法では、ウエハ上でのパターン密度の差に
よって、DOPOS膜に望ましくないサブトレンチが発
生し、このため、残存するDOPOS膜の膜厚に差が出
来るという問題がある。この様子を図10(a)〜
(c)に示した。
【0009】まず、図10(a)に示すように、メイン
エッチング中に特にパターン密度が大きなエリアにおい
てDOPOS膜303の側壁となる部分に僅かなサブト
レンチ305が発生する。このサブトレンチ305は、
メインエッチングの終了時点では、同図(b)に示すよ
うに、ゲート酸化膜302の表面にまで進行し、その後
のオーバーエッチング工程において基板301の表面に
まで進行し、基板表面にダメージを発生させるものであ
る。つまり、メインエッチングでゲート酸化膜302に
形成されたサブトレンチ305は、その後のオーバーエ
ッチングによって基板表面にまで進行して基板ダメージ
を発生させ、得られるMOSFETの特性を劣化させる
ものである。
【0010】メインエッチング中にサブトレンチが発生
する原因としては、フォトレジストや窒化膜の側壁での
イオンの反射によって、ゲート電極の縁部でイオン密度
が増大することが挙げられ、また、特にパターン密度が
大きな領域では電子シェーディングがイオン入射軌道に
影響を与えること等が考えられる。サブトレンチの発生
は、デポジッション種、その量、或いは、カバレッジに
よって影響を受けることによってその程度が異なり、そ
の結果、DOPOS膜の残存膜厚のばらつきに大きく影
響する。しかし、従来は、この残存膜厚のばらつき抑制
に関して有効な対策が採られていなかった。
【0011】本発明は、上記に鑑み、半導体装置の製造
方法、特に、MOSFETを有する半導体装置の製造に
際して、基板やゲート酸化膜にエッチングによるダメー
ジが発生し難い、MOSFETのゲート電極のパターニ
ング方法を提供することを目的とする。
【0012】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明の半導体装置の製造方法は、基板上に酸化膜
及びポリシリコン膜を順次に形成し、マスクを利用して
前記ポリシリコン膜を選択的にドライエッチングするパ
ターニング工程を有する、半導体装置の製造方法におい
て、前記パターニング工程が、Cl2、HBr及びCF4
存在下でポリシリコン膜をドライエッチングするメイン
エッチング工程と、HBr及びO2の存在下でポリシリコ
ン膜をドライエッチングするオーバーエッチング工程と
を順次に有することを特徴とする。本発明の半導体装置
の製造方法では、ゲート電極膜を、メインエッチングに
よって寸法制御性よくエッチングし、オーバーエッチン
グによってゲート酸化膜との選択比を高くしてエッチン
グする。メインエッチング工程に際して、形成されるサ
ブトレンチ中にはデポジッションによってCF4が付着
するので、ポリシリコン膜に形成されるサブトレンチの
形成が防止でき、メインエッチング工程後にポリシリコ
ン膜の膜厚が平均化する。この平均化した膜厚のため、
その後のオーバーエッチングによって発生しがちな酸化
膜及び基板表面のダメージが防止できる。
【0013】なお、特開平11−176804号公報に
は、チタンシリサイド膜及びポリシリコン膜を順次にエ
ッチングする際に、そのエッチングガスとしてHBrに
CF4を混合する旨が記載されている。しかし、該公報
においてCF4を混合する目的は、TiSi2とSiのエッ
チングレートを近付けてエッチングの際に生ずる残さを
防止するためであり、本発明におけるサブトレンチの形
成を防止するCF4の利用目的とは異なる。本発明に係
る半導体装置の製造方法の好ましい例では、前記メイン
エッチング工程中に、残存するポリシリコン膜の膜厚を
光干渉計モニタで測定し、該光干渉計モニタの出力を1
次微分した微分波形の変化に応答して、前記メインエッ
チング工程からオーバーエッチング工程に切り換える。
このように、1次微分波形の変化を検出することによっ
て、残存するポリシリコンの膜厚が所定値に達したこと
が特に効果的に検出できる。
【0014】また、前記メインエッチング工程では、C
4の流量が30〜50sccmの範囲であり、雰囲気
圧力が10mTorrであることも本発明の好ましい態様で
ある。この場合、サブトレンチの発生が特に良好に防止
でき、且つ、良好なスループットでエッチングが可能で
ある。CF4の流量がこの範囲以下ではサブトレンチの
効果的な抑制ができなく、この範囲以上では、得られる
ゲート電極の寸法にばらつきが生ずる。
【0015】更に、前記オーバーエッチングでは、雰囲
気圧力が50mTorr以上であり、HBr及びO2の流量が
夫々100〜200sccm、1〜3sccmであるこ
とも本発明の好ましい態様である。この場合、酸化膜と
ポリシリコン膜との選択比が特に大きくとれて、酸化膜
に与えるダメージが更に小さくなる。
【0016】本発明の半導体装置の製造方法によると、
ポリシリコン膜から0.1μm以下の幅を有するゲート
電極を形成することができ、特に次世代の微細MOSF
ETに好適な形状のゲート電極が得られる。ポリシリコ
ン膜のエッチングの際に利用するマスクとしては、フォ
トレジスト膜又は窒化シリコン膜等が利用できる。
【0017】
【発明の実施の形態】以下、図面を参照し本発明の好適
な実施形態例に基づいて本発明を更に詳細に説明する。
【0018】図1(a)〜(c)は夫々、本発明の一実
施形態例に係る半導体装置の製造方法の工程を順次に示
す、半導体装置の断面図である。本実施形態例の製造方
法では、まず、同図(a)に示すように、シリコン基板
10に、膜厚が60Åのシリコン酸化膜11及び膜厚が
1500Åのゲート電極膜12を形成し、その上にフォ
トレジスト膜13を塗布し、フォトリソグラフィ技術に
よって、フォトレジスト膜13をパターニングする。ゲ
ート電極膜12には、例えばドープトポリシリコン(D
OPOS)膜が用いられる。
【0019】次いで、ウエハステージの温度(基板温
度)を60℃、Cl2の流量を50sccmとし、雰囲気
圧力を5mTorr、ソースパワーを200W、バイアスパ
ワーを100Wとして、5秒間のエッチングを行い、D
OPOS膜12上に生じた自然酸化膜を除去する。
【0020】次に、ゲート電極膜12をドライエッチン
グするメインエッチング工程に移行する。メインエッチ
ング工程は、Cl2の流量を50sccm、HBrの流量
を90sccm、CF4の流量を40sccmとし、雰
囲気圧力を5mTorr、ソースパワーを300W、バイア
スパワーを60Wとして行う。この条件によると、ゲー
ト電極膜12のエッチレートは1700Åで、均一性は
±4.4%である。また、ゲート電極膜12とゲート酸
化膜11との間の選択比は約4である。このように、ゲ
ート酸化膜11との選択比を小さくすることによって、
得られるゲート電極12の寸法制御性が高くなる。つま
り、ゲート電極12の側壁が垂直形状になり、例えば
0.1μm幅以下のゲート電極も寸法制御性よく形成可
能となる。
【0021】メインエッチングを行いながら、ゲート電
極膜12の残りの膜厚を測定する。膜厚の測定は、光干
渉計を利用してリアルタイムで行う。光干渉計の信号が
所定の変化を示したときに、残存するゲート電極膜12
の膜厚が例えば最小で100Å、最大で230Åであ
り、好ましい範囲にあるとして、オーバーエッチング工
程に移行する。このオーバーエッチング工程では、HB
rの流量を150sccm、O2の流量を1.5sccm
とし、雰囲気圧力を60mTorr、ソースパワーを250
W、バイアスパワーを75Wとして、約45秒間行う。
この条件によると、ゲート電極膜12のエッチレートは
1200Åで、均一性が±3.4%である。また、ゲー
ト電極膜12とゲート酸化膜11との間の選択比は、2
00以上と高くなる。
【0022】オーバーエッチング工程の終了時点では、
オーバーエッチング工程での高い選択比の採用によっ
て、ゲート電極膜12が完全にエッチングされ、ゲート
酸化膜11は殆どがそのまま残存し表面に露出する。ま
た、基板10の表面がゲート酸化膜11に保護されてお
り、基板表面に発生するダメージが低減する。
【0023】上記のように、メインエッチング工程から
オーバーエッチング工程に切り換える際に、残存するゲ
ート電極膜12の膜厚を最小で100Åとすると、メイ
ンエッチング工程での均一性条件から、最も遅いエッチ
ングレートのために、エッチングすべき位置に残存する
ゲート電極膜12の膜厚は230Å程度となる。メイン
エッチング工程でゲート電極膜12を厚く残すと、その
後の高選択比のオーバーエッチングによって、ゲート電
極の側壁の垂直性が損なわれる。このため、残すゲート
電極膜12は小さいほど好ましく、他方、メインエッチ
ング工程が終了した時点でゲート電極膜12の膜厚がゼ
ロとなってゲート酸化膜11を損傷する事態は防止する
必要がある。メインエッチング工程でゲート電極膜12
の側壁に良好な垂直性が得られれば、その後に行われる
オーバーエッチング工程では、その良好な垂直性が維持
される。実験によると、上記条件でゲート電極膜に所望
の膜厚が得られたメインエッチングの継続時間は45秒
であった。
【0024】図2は、光干渉計による、残存するゲート
酸化膜12の膜厚のリアルタイム測定の様子を示してい
る。水銀ランプ21からの光を光ファイバ22によって
ミラー23に照射し、ミラー23からの反射光をレンズ
24及び石英ウインドウ25を介して、エッチングチャ
ンバ26内の下部電極28上に搭載したウエハ27に投
射している。ウエハ27から反射した光は、再び、石英
ウインドウ25及びレンズ24を介してミラー23に照
射し、ミラー23からの反射光は光ファイバー22を経
由して干渉検出器29に入射している。ここで、ウエハ
27上の、ゲート電極膜を成す、光学的に透明なポリシ
リコン膜の表面で反射する光と、ポリシリコン膜を透過
しその裏面で反射する光の相互干渉の有無が光干渉検出
器29で検出される。
【0025】メインエッチング工程に際して、投射する
光の波長を変えて干渉測定を行い、良好な光干渉信号が
得られる波長を求めた。膜厚1500Åのゲート電極膜
をエッチングした際における、波長245nmの光、波
長365nmの光、及び、波長435nmの光による夫
々の光干渉の観測結果を、図3〜5に示した。横軸はエ
ッチングの進行時間を示し、縦軸は観測された干渉信号
の強度を任意単位で示している。なお、プラズマ発光の
強度も併せて示している。何れの場合にも、ポリシリコ
ン膜を完全にエッチングし終わるまで観測を続けた。
【0026】図3〜図5の比較から理解できるように、
図3に示した波長254nmの光での干渉観測では、有
効な光干渉信号が得られなかった。これは、エッチング
チャンバ26の石英ウインドウ25の内側に堆積物が付
着して有効な信号が得られなかったからと推定された。
【0027】図4では、ポリシリコン膜が完全にエッチ
ングされた時点から逆算して、エッチング開始から約4
0秒経過後に発生する干渉信号がエッチング工程の切換
え時期を示すものと理解できる。この時点のポリシリコ
ン膜の残存膜厚は最大で500Åであり、比較的有効に
エッチング工程の切換え時期を検出している。
【0028】図5では、エッチング開始から約20秒後
に光干渉を示す信号が発生するが、この時点では残存膜
厚の最大は1000Åであった。つまり、検知された信
号は、工程切換えに適当な時点での信号ではなく、従っ
て、この波長の光では、有効な光干渉信号が得られない
ことが判明した。
【0029】上記観測結果から、波長365nmの光を
光干渉の観測に利用すると、エッチング工程の切換え時
期(エンドポイント)を有効に検知できる旨が判る。
【0030】図6は、膜厚1000Åのポリシリコン膜
をエッチングする際に波長365nmの光で観測された
光干渉信号を1次微分した微分信号を示している。エッ
チング工程の切換え時点を示すエンドポイントは、エッ
チング開始から54秒経過後に発生した。その際に、メ
インエッチング工程の前後で膜厚分布を測定した結果を
図7に示す。図7(a)はエッチング前のゲート電極の
原膜厚分布を示し、同図(b)はエンドポイントにおけ
る膜厚分布を示している。エンドポイントにおける膜厚
は、119〜174Åの範囲にあり、その平均は252
Åであった。この結果から、波長365nmの光で観測
された光信号を1次微分した微分信号によって特に有効
にエンドポイントが検知できる旨が理解できる。
【0031】上記実施形態例のゲート電極形成プロセス
では、自然酸化膜除去工程でCl2をエッチングガスとし
て使用したが、これに代えて例えば100sccmのC
4をエッチングガスとして使用できる。実施例 本発明方法と従来方法とを比較した。何れもライン幅/
スペースが0.18/0.24μmの場合について上記
本発明の実施形態例及び従来技術で方法とで行った。
【0032】従来技術の方法では、エッチング条件とし
て、自然酸化膜除去ステップでは、Cl2の流量を50s
ccm、雰囲気圧力を5mTorr、ソース/バイアスパワ
ーを200/100Wとし、5秒間行った。メインエッ
チングではCl2/HBr/O2の流量を100/150/
3sccm、雰囲気圧力を10mTorr、ソース/バイア
スパワーを300/25Wとし、膜厚測定を行ってオー
バーエッチングに切り換えた。結果としてメインエッチ
ングのエッチング時間は45秒間であった。オーバーエ
ッチングでは、HBr/O2の流量を150/1.5sc
cm、雰囲気圧力を60mTorr、ソース/バイアスパワ
ーを250/75Wとし、45秒間行った。基板温度は
60℃とした。
【0033】実施形態例の方法では、自然酸化膜除去ス
テップは、従来方法の条件と同じとした。メインエッチ
ングでは、Cl2/HBr/CF4の流量を50/90/4
0sccm、雰囲気圧力を5mTorr、ソース/バイアス
パワーを300/60Wとし、従来方法と同じ45秒間
のエッチングを行った。オーバーエッチングでは、HB
r/O2の流量を150/1.5sccm、雰囲気圧力を
60mTorr、ソース/バイアスパワーを250/75W
とし5秒間行った。基板温度は60℃に保った。
【0034】観測結果を図8(a)〜(d)に示す。同図
(a)及び(b)は従来方法のメインエッチング後及び
オーバーエッチング後のゲート電極形状を示し、同図
(c)及び(d)は、本発明方法のメインエッチング後
及びオーバーエッチング後の電極形状を示す。
【0035】従来方法で形成されたゲート電極には、メ
インエッチング後に、サイドエッチング及び裾引きエッ
チング形状、並びに、特にパターン密度が高いエリアで
のサブトレンチの形成が見られた。これに起因して、オ
ーバーエッチング後に裾引き形状が見られた。一方、本
発明方法で得られたゲート電極には、メインエッチング
後のサイドエッチングや裾引きエッチング形状、サブト
レンチの形成は見られず、このため、オーバーエッチン
グ後には、良好な垂直形状の側壁を有するゲート電極が
得られた。
【0036】本発明方法における好ましいエッチング条
件としては、メインエッチング工程におけるCF4の流
量は30〜50sccmの範囲とし、雰囲気圧力を10
mTorrとする。オーバーエッチング工程では、雰囲気圧
力を50mTorr以上とし、HBr及びO2の流量が夫々、
100〜200sccm及び1〜3sccmの範囲とす
る。上記条件によると、特に、0.1μm幅以下のゲー
ト電極を形成する際にも好ましい形状及ぶ寸法制御性が
得られる。
【0037】以上、本発明をその好適な実施形態例に基
づいて説明したが、本発明におけるゲート電極の形成方
法は、上記実施形態例の構成にのみ限定されるものでは
なく、上記実施形態例の構成から種々の修正及び変更を
施したものも、本発明の範囲に含まれる。
【0038】
【発明の効果】以上説明したように、本発明の半導体装
置の製造方法によると、ゲート酸化膜及び基板にダメー
ジを発生させることなく、ゲート電極を形状制御性よく
且つ高いスループットで形成できる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図1】(a)〜(c)は夫々、本発明の一実施形態例
の半導体装置の製造方法を順次に示す断面図。
【図2】リアルタイム光干渉計式膜厚モニタによる膜厚
観測の様子を示す模式的断面図。
【図3】波長254nmの光を用いた際の光干渉計の出
力を示すグラフ。
【図4】波長365nmの光を用いた際の光干渉計の出
力を示すグラフ。
【図5】波長435nmの光を用いた際の光干渉計の出
力を示すグラフ。
【図6】波長365nmの光を用いた光干渉計の出力を
微分した信号を示すグラフ。
【図7】図6で示されたエンドポイントで得られた膜厚
分布を原膜厚分布と比較して示す平面図。
【図8】実施例及び比較例の方法で得られたゲート電極
の断面形状を比較して示す走査顕微鏡写真。
【図9】従来の半導体装置の製造方法で得られるゲート
電極構造を示す断面図。
【図10】従来の半導体装置の製造方法で得られるゲー
ト電極の形状を順次に示す断面図。
【符号の説明】
10:シリコン基板 11:ゲート酸化膜 12:ポリシリコン膜 13:フォトレジスト膜 21:水銀ランプ 22:光ファイバー 23:ミラー 24:レンズ 25:石英ウインドウ 26:エッチングチャンバ 27:ウエハ 28:下部電極 29:干渉検出器
フロントページの続き Fターム(参考) 5F004 AA06 BB26 CA01 CA02 CB09 CB16 CB18 DA01 DA04 DA26 DB02 EB02 5F040 DA00 DC01 EC07 FC00 FC21 FC23

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 基板上に酸化膜及びポリシリコン膜を順
    次に形成し、マスクを利用して前記ポリシリコン膜を選
    択的にドライエッチングするパターニング工程を有す
    る、半導体装置の製造方法において、前記パターニング
    工程が、Cl2、HBr及びCF4の存在下でポリシリコン
    膜をドライエッチングするメインエッチング工程と、H
    Br及びO2の存在下でポリシリコン膜をドライエッチン
    グするオーバーエッチング工程とを順次に有することを
    特徴とする半導体装置の製造方法。
  2. 【請求項2】 前記メインエッチング工程では、CF4
    の流量が30〜50sccmの範囲であり、雰囲気圧力
    が10mTorrであることを特徴とする、請求項1に記載
    の半導体装置の製造方法。
  3. 【請求項3】 前記オーバーエッチング工程では、雰囲
    気圧力が50mTorr以上であり、HBr及びO2の流量が
    夫々、100〜200sccm及び1〜3sccmの範
    囲であることを特徴とする、請求項1又は2に記載の半
    導体装置の製造方法。
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