JP2004014918A - Manufacturing method of mis semiconductor device - Google Patents

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gate insulating
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etching
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Junichi Tonoya
戸野谷 純一
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a manufacturing method of an MIS semiconductor device in which an etching selection ratio between a high dielectric gate insulating film and a silicon layer of its base is taken greatly. <P>SOLUTION: The manufacturing method includes a step for forming a gate electrode by forming a gate insulating film composed of an oxide high dielectric material on the silicon layer, forming a gate electrode material film thereon, and selectively removing the exposed gate electrode material film by etching while using a prescribed etching mask; a step for installing the silicon layer having the etching mask within a plasma etching device, and selectively exposing a silicon layer surface by removing a gate insulating film portion exposed from the etching mask by alternately repeating an operation for exposing the gate insulating film exposed from the etching mask under a fluorocarbon gas atmosphere and operation for exposing it under a diluted gas ion radiation plasma atmosphere; and a step for forming a drain area by injecting impurities which imparts conductivity to the silicon layer. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、MIS型半導体装置の製造方法に関し、特にソースおよびドレインのコンタクトを形成するための絶縁膜のドライエッチング工程を改良した方法MIS型半導体装置の製造方法に係わる。
【0002】
【従来の技術】
従来、MOS(Metal−Oxide−Silicon)構造を有する半導体装置、例えばバルクシリコン基板を有する半導体装置は、ゲート絶縁膜としてシリコン酸化膜(SiO)が用いられている。このような半導体装置は、次のような方法により製造されている。すなわち、例えばp型シリコンウェハ(p型シリコン基板)の主面に素子分離領域を形成する工程と、シリコン基板の主面にゲート絶縁膜を形成する工程と、全面にゲート電極材料膜を堆積する工程と、このゲート電極材料膜をパターニングしてゲート電極を形成する工程と、このゲート電極をマスクとしてn型不純物をイオン注入し、n型のソース、ドレイン領域を形成する工程と、ゲート電極を含む全面にSiOからなる層間絶縁膜を堆積する工程と、前記ソース、ドレイン領域に対応する前記層間絶縁膜およびその下のゲート絶縁膜にコンタクトホールを開口する工程と、このコンタクトホールを含む層間絶縁膜上に配線材料膜を堆積し後、パターニングして前記コンタクトホールを通して前記ソース、ドレイン領域に接続される配線を形成する工程とによりMOS構造の半導体装置を製造する。
【0003】
このようなMOS構造の半導体装置の製造において、前記コンタクトホールの形成には通常、RIE(Reactive Ion Etching)が用いられるが、層間絶縁膜とゲート絶縁膜が共にSiOであるため、下地のシリコン基板に対して高い選択比を取ることができるため、シリコン基板が過度にエッチングされることなくコンタクトホールを形成することができる。
【0004】
上述したような従来のMOS構造の半導体装置では、低消費電力化と動作速度の高速化のためにMOSトランジスタを微細化すると、スケーリング則により同じ割合でゲート絶縁膜のSiOも薄膜化することが必要になる。例えば、ゲート長が0.1μmの場合、膜厚2nm以下のSiOがゲート絶縁膜として求められ、膜厚が物理的な薄膜限界に近づく。このため、物理的な膜厚を厚くすることができる酸化物系高誘電体材料からなるゲート絶縁膜(高誘電体ゲート絶縁膜)をSiOに替わって適用する検討が進められている。
【0005】
前記ゲート絶縁膜に用いられている酸化物系高誘電体材料としては、遷移金属酸化物や希土類酸化物などが有力と考えられている。前述した半導体装置の製造工程において、SiOの代わりに高誘電体ゲート絶縁膜を用いる場合には、シリコン基板の熱酸化から高誘電体ゲート絶縁膜の堆積によりゲート絶縁膜の形成がなされる他、ゲート電極のパターニング時におけるエッチング選択性の確保、その高誘電体ゲート絶縁膜を選択的エッチング除去する時の下地のシリコン基板に対する選択性の確保が必要になる。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
高誘電体ゲート絶縁膜の材料である遷移金属酸化物、特に希土類酸化物は、揮発性の高い化合物が殆どなく、通常のドライエッチングに用いられるハロゲンとのハロゲン化物の揮発性もきわめて低い。従って、ゲート電極をパターニングする際のエッチング工程では高誘電体ゲート絶縁膜のエッチングを抑制するため、大きな問題はないと予想される。
【0007】
一方、高誘電体ゲート絶縁膜そのものを選択的エッチング除去する時は、高誘電体ゲート絶縁膜のエッチング速度よりシリコン基板のエッチング速度が大きいため、下地のシリコン基板に対する選択性の確保が極めて困難であるという問題があった。
【0008】
本発明は、高誘電体ゲート絶縁膜とその下地のシリコン層との間のエッチング選択比を大きく取ることを可能にしてシリコン層を過度にエッチングすることなく不純物の注入窓、コンタクトホール等を形成することができるMIS型半導体装置の製造方法を提供しようとするものである。
【0009】
【課題を解決するための手段】
本発明に係るMIS型半導体装置の製造方法は、シリコン層に酸化物系高誘電体材料からなるゲート絶縁膜を形成する工程と、
前記ゲート絶縁膜上にゲート電極材料膜を形成し、このゲート電極材料膜上に所定のエッチングマスクを形成した後、このエッチングマスクから露出する前記ゲート電極材料膜を選択的にエッチング除去することによりゲート電極を形成する工程と、
プラズマエッチング装置内に前記エッチングマスクを有するシリコン層を設置し、前記エッチングマスクから露出する前記ゲート絶縁膜をフッ化炭素系ガス雰囲気に曝す操作と希ガスイオンの照射プラズマ雰囲気に曝す操作とを交互に繰り返して前記エッチングマスクから露出する前記ゲート絶縁膜部分を除去して前記シリコン層表面を選択的に露出する工程と
前記シリコン層に導電性を与える不純物をその露出表面を通して注入することにより互いに電気的に分離されたソース、ドレイン領域を形成する工程と
を含むことを特徴とするものである。
【0010】
本発明に係る別のMIS型半導体装置の製造方法は、シリコン層に酸化物系高誘電体材料からなるゲート絶縁膜を形成する工程と、
前記ゲート絶縁膜上にゲート電極材料膜を形成し、このゲート電極材料膜上に絶縁材料からなる所定のマスクを形成した後、このマスクから露出する前記ゲート電極材料膜を選択的にエッチング除去することによりゲート電極を形成する工程と、
導電性を与える不純物を前記マスクを除く前記シリコン層にゲート絶縁膜を通してイオン注入することにより低濃度の不純物領域を形成する工程と、
前記マスクを含む全面に前記ゲート絶縁膜に対して選択エッチング性を有する絶縁材料からなる被膜を形成した後、被膜をリアクティブイオンエッチングを施して前記ゲート電極および前記マスクの側面にスペーサを形成する工程と、
プラズマエッチング装置内に前記マスクおよびスペーサを有するシリコン層を設置し、前記マスクおよびスペーサから露出する前記ゲート絶縁膜をフッ化炭素系ガス雰囲気に曝す操作と希ガスイオンの照射プラズマ雰囲気に曝す操作とを交互に繰り返して前記マスクおよびスペーサから露出する前記ゲート絶縁膜部分を除去して前記シリコン層表面を選択的に露出する工程と
前記シリコン層に導電性を与える不純物をその露出表面を通して注入して高濃度の不純物領域を形成することにより互いに電気的に分離された低濃度、高濃度の領域からなるソース、ドレイン領域を形成する工程と
を含むことを特徴とするものである。
【0011】
本発明に係るさらに別のMIS型半導体装置の製造方法は、シリコン層に酸化物系高誘電体材料からなるゲート絶縁膜を形成する工程と、
前記ゲート絶縁膜の一部にゲート電極を形成する工程と、
前記シリコン層にソース、ドレイン領域を互いに電気的に分離して形成する工程と、
前記ゲート電極を含む前記ゲート絶縁膜上に層間絶縁膜を形成した後、所定のエッチングマスクを形成する工程と、
プラズマエッチング装置内に前記エッチングマスクを有するシリコン層を設置し、前記エッチングマスクから露出する前記層間絶縁膜をその下地のゲート絶縁膜が露出するまで選択的にエッチング除去した後、フッ化炭素系ガス雰囲気に曝す操作と希ガスイオンの照射プラズマ雰囲気に曝す操作とを交互に繰り返して前記層間絶縁膜のエッチィング穴から露出するゲート絶縁膜を選択的にエッチングすることによりコンタクトホールを開口する工程と
を含むことを特徴とするものである。
【0012】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を詳細に説明する。
【0013】
(第1実施形態)
まず、シリコン層に酸化物系高誘電体材料からなるゲート絶縁膜を形成する。
【0014】
前記シリコン層としては、不純物を含むシリコン基板、またはガラス基板のような透明絶縁基板上に形成された多結晶シリコン層を挙げることができる。
【0015】
前記酸化物系高誘電体材料としては、例えばHfO,ZrO,SiZrOなどの遷移金属酸化物、またはGdなどの希土類酸化物を挙げることができる。
【0016】
次いで、前記ゲート絶縁膜上に例えば多結晶シリコン、Mo,Taのようなゲート電極材料膜を形成し、このゲート電極材料膜上に所定のエッチングマスクを形成した後、このエッチングマスクから露出する前記ゲート電極材料膜を選択的にエッチング除去することによりゲート電極を形成する。
【0017】
前記エッチングマスクとしては、例えば写真蝕刻法により形成されたレジストパターンを挙げることができる。
【0018】
次いで、プラズマエッチング装置内に前記エッチングマスクを有するシリコン層を設置し、前記エッチングマスクから露出する前記ゲート絶縁膜をフッ化炭素系ガス雰囲気に曝す操作と希ガスイオンの照射雰囲気に曝す操作とを交互に繰り返して前記エッチングマスクから露出する前記ゲート絶縁膜部分を除去して前記シリコン層表面を選択的に露出させる。
【0019】
前記プラズマエッチング装置としては、プラズマ中で50eV以上のエネルギーを持つ希ガスイオンを照射できるものであればよく、例えばRIE装置、マイクロ波プラズマ源とバイアス基板電極を有する装置、IPCプラズマ源とバイアス基板電極を有する装置を用いることができる。
【0020】
前記フッ化炭素系ガス雰囲気に曝す操作は、前記エッチング装置のチャンバ内にプラズマを生成せず、単にフッ化炭素系ガスをそのチャンバ内に供給することによりなされる。ここに用いるフッ化炭素系ガスとしては、例えばCFガス、CガスのようなCガスまたはCHFガスのようなCガス等を挙げることができる。
【0021】
前記希ガスイオンの照射雰囲気に曝す操作は、前記エッチング装置のチャンバ内に希ガスを供給し、そのチャンバ内にプラズマを生成して希ガスをイオン化し、そのイオンを加速させて露出するゲート絶縁膜に照射することによりなされる。ここに用いる希ガスとしては、Ar,He,Ne,Kr,Xe等を挙げることができ、この中で特にArが好ましい。
【0022】
前記2つの操作を交互に膜厚に応じた回数だけ繰り返すことにより成膜する。
【0023】
次いで、前記シリコン層に導電性を与える不純物をその露出表面を通して注入することにより互いに電気的に分離されたソース、ドレイン領域を形成する。つづいて、前記ゲート電極を含む全面に層間絶縁膜を形成した後、レジスト膜の被覆、露光、現像処理を施してレジストパターンを形成する。ひきつづき、このレジストパターンをマスクとして前記層間絶縁膜を選択的にエッチング除去することによりコンタクトホールを開口する。つづいて、このコンタクトホールを含む前記層間絶縁膜上にAl、Al合金のような配線材料膜を形成し、パターニングすることにより前記コンタクトホールを通して前記ソース、ドレインの領域に接続されたソース、ドレインの配線を形成してMIS型半導体装置を製造する。
【0024】
以上、第1実施形態によればゲート電極を形成するためのエッチングマスクを用いて露出する酸化物系高誘電体材料からなるゲート絶縁膜をエッチングする際、プラズマエッチング装置内で前記エッチングマスクから露出する前記ゲート絶縁膜をフッ化炭素系ガス雰囲気に曝す操作と希ガスイオンの照射雰囲気に曝す操作とを交互に繰り返すことによって、下地のシリコン層に対して高いエッチング選択比を以ってゲート絶縁膜部分をエッチング除去することができる。
【0025】
このような酸化物系高誘電体材料からなるゲート絶縁膜のエッチング時において下地のシリコン層に対して高いエッチング選択比を発揮できるのは、次のような作用によるものと考えられる。
【0026】
すなわち、酸化物系高誘電体材料からなるゲート絶縁膜をフッ化炭素系ガス雰囲気に曝す操作において、そのゲート絶縁膜表面にフッ化炭素フラグメントが吸着される。この後、希ガスイオンの照射雰囲気に曝す操作において物理的エッチィングによって酸化物系高誘電体材料から発生した酸素によりフッ化炭素フラグメントが酸化されて揮発するため、その堆積が妨げられる。つまり、フッ化炭素フラグメントによるエッチングを防止する作用が消失して、希ガスイオンの衝撃によるエッチング作用が支配的になって酸化物系高誘電体材料からなるゲート絶縁膜がエッチングされる。
【0027】
一方、ゲート絶縁膜がエッチングされてその下地のシリコン層が露出した後にフッ化炭素系ガス雰囲気に曝す操作がなされると、そのシリコン層表面にフッ化炭素フラグメントが吸着される。この後、希ガスイオンの照射雰囲気に曝す操作においてシリコン層は酸化物系高誘電体材料と異なり、物理的エッチィングによって酸素を発生しないため、フッ化炭素フラグメントが酸化されることなく、そのシリコン層表面に止まる。このため、希ガスイオンの衝撃に対してフッ化炭素フラグメントによるシリコン層のエッチングを防止する作用が働く。
【0028】
このような酸化物系高誘電体材料からなるゲート絶縁膜表面でのフッ化炭素フラグメントの消失、シリコン層表面でのフッ化炭素フラグメントの滞留がそれらゲート絶縁膜とシリコン層との間での大きなエッチング選択比として発現されるものと推定される。
【0029】
したがって、前記シリコン層を過度にエッチングすることなくそのシリコン層表面を選択的に露出させることができる。その結果、前記シリコン層に導電性を与える不純物をその露出表面を通して注入することができ、エッチングが殆どないシリコン層に互いに電気的に分離されたソース、ドレイン領域を形成することができるため、信頼性の高いMIS型半導体装置を製造することができる。
【0030】
(第2実施形態)
まず、シリコン層に酸化物系高誘電体材料からなるゲート絶縁膜を形成する。
【0031】
前記シリコン層としては、前記第1実施形態で説明したの同様、不純物を含むシリコン基板、多結晶シリコン層を挙げることができる。
【0032】
前記酸化物系高誘電体材料としては、前記第1実施形態で説明したの同様なものを用いることができる。
【0033】
次いで、前記ゲート絶縁膜上に例えば多結晶シリコン、Mo,Taのようなゲート電極材料膜を形成し、このゲート電極材料膜上に所定のマスクを形成した後、このマスクから露出する前記ゲート電極材料膜を選択的にエッチング除去することによりゲート電極を形成する。
【0034】
前記マスクとしては、例えば写真蝕刻法により形成されたレジストパターンをマスクとしてパターニングされた酸化シリコン(SiO)パターン、窒化シリコン(SiN)パターン等を挙げることができる。
【0035】
次いで、導電性を与える不純物を前記マスクを除く前記シリコン層にゲート絶縁膜を通してイオン注入することにより低濃度の不純物領域を形成する。
【0036】
前記導電性を与える不純物としては、砒素のようなn型不純物、ボロンのようなp型不純物を用いることができる。
【0037】
次いで、前記マスクを含む全面に前記ゲート絶縁膜に対して選択エッチング性を有する絶縁材料からなる被膜を形成した後、この被膜にリアクティブイオンエッチングを施して前記ゲート電極および前記マスクの側面にスペーサを形成する。
【0038】
前記絶縁材料は、前記マスクに対しても選択エッチング性を有することが好ましい。このような絶縁材料としては、例えば前記マスクが酸化シリコン(SiO)パターンからなる場合、窒化シリコンを用いることができる。
【0039】
次いで、プラズマエッチング装置内に前記マスクおよびスペーサを有するシリコン層を設置し、前記マスクおよびスペーサから露出する前記ゲート絶縁膜をフッ化炭素系ガス雰囲気に曝す操作と希ガスイオンの照射プラズマ雰囲気に曝す操作とを交互に繰り返して前記マスクおよびスペーサから露出する前記ゲート絶縁膜部分を除去して前記シリコン層表面を選択的に露出させる。
【0040】
前記プラズマエッチング装置としては、前記第1実施形態と同様、プラズマ中で50eV以上のエネルギーを持つ希ガスイオンを照射できるものであればよく、例えばRIE装置等を用いることができる。
【0041】
前記フッ化炭素系ガス雰囲気に曝す操作は、前記エッチング装置のチャンバ内にプラズマを生成せず、単にフッ化炭素系ガスをそのチャンバ内に供給することによりなされる。ここに用いるフッ化炭素系ガスとしては、例えばCFガス、CガスのようなCガスまたはCHFガスのようなCガス等を挙げることができる。
【0042】
前記希ガスイオンの照射雰囲気に曝す操作は、前記エッチング装置のチャンバ内に希ガスを供給し、そのチャンバ内にプラズマを生成して希ガスをイオン化し、そのイオンを加速させて露出するゲート絶縁膜に照射することによりなされる。ここに用いる希ガスとしては、Ar,He,Ne,Kr,Xe等を挙げることができ、この中で特にArが好ましい。
【0043】
前記2つの操作を交互に膜厚に応じた回数だけ繰り返すことにより成膜する。
【0044】
前記シリコン層に導電性を与える不純物(例えば砒素のようなn型不純物、ボロンのようなp型不純物)をその露出表面を通して注入して高濃度の不純物領域を形成することにより互いに電気的に分離された低濃度、高濃度の領域からなる、いわゆるLDD(Lightly doped drain)構造を有するソース、ドレイン領域を形成する。つづいて、前記ゲート電極を含む全面に層間絶縁膜を形成した後、レジスト膜の被覆、露光、現像処理を施してレジストパターンを形成する。ひきつづき、このレジストパターンをマスクとして前記層間絶縁膜を選択的にエッチング除去することによりコンタクトホールを開口する。このコンタクトホールを含む前記層間絶縁膜上にAl、Al合金のような配線材料膜を形成し、パターニングすることにより前記コンタクトホールを通して前記ソース、ドレインの領域に接続されたソース、ドレインの配線を形成してMIS型半導体装置を製造する。
【0045】
以上、第2実施形態によればゲート電極を形成するためのマスクおよびスペーサを用いて露出する酸化物系高誘電体材料からなるゲート絶縁膜をエッチングする際、プラズマエッチング装置内で前記マスクおよびスペーサから露出する前記ゲート絶縁膜をフッ化炭素系ガス雰囲気に曝す操作と希ガスイオンの照射雰囲気に曝す操作とを交互に繰り返すことによって、前述した第1実施形態と同様に下地のシリコン層に対して高いエッチング選択比を以って露出したゲート絶縁膜部分をエッチング除去することができる。
【0046】
したがって、前記シリコン層を過度にエッチングすることなくそのシリコン層表面を選択的に露出させることができる。その結果、前記シリコン層に2回目の導電性を与える不純物をその露出表面を通して注入することができ、エッチングが殆どないシリコン層に互いに電気的に分離されたLDD構造を有するソース、ドレイン領域を形成することができるため、信頼性の高いMIS型半導体装置を製造することができる。
【0047】
(第3実施形態)
まず、シリコン層に酸化物系高誘電体材料からなるゲート絶縁膜を形成する。
【0048】
前記シリコン層としては、前記第1実施形態で説明したの同様、不純物を含むシリコン基板、多結晶シリコン層を挙げることができる。
【0049】
前記酸化物系高誘電体材料としては、前記第1実施形態で説明したの同様なものを用いることができる。
【0050】
次いで、前記ゲート絶縁膜上に例えば多結晶シリコン、Mo,Taのようなゲート電極材料膜を形成し、このゲート電極材料膜上に所定のエッチングマスクを形成した後、このエッチングマスクから露出する前記ゲート電極材料膜を選択的にエッチング除去することによりゲート電極を形成する。つづいて、例えばこのゲート電極をマスクとして不純物を前記ゲート絶縁膜を通して前記シリコン層にイオン注入することにより前記シリコン層に互いに電気的に分離されたソース、ドレイン領域を形成する。
【0051】
次いで、前記ゲート電極を含む前記ゲート絶縁膜上に層間絶縁膜を形成した後、レジスト膜の被覆、露光、現像処理を施して所定のエッチングマスクとしてのレジストパターンを形成する。つづいて、プラズマエッチング装置内に前記エッチングマスクを有するシリコン層を設置し、このレジストパターンをマスクとして前記層間絶縁膜をエッチング除去した後、フッ化炭素系ガス雰囲気に曝す操作と希ガスイオンの照射雰囲気に曝す操作とを交互に繰り返して前記層間絶縁膜のエッチングにより露出したゲート絶縁膜に選択的に除去することによりコンタクトホールを開口する。
【0052】
前記プラズマエッチング装置としては、前記第1実施形態と同様、プラズマ中で50eV以上のエネルギーを持つ希ガスイオンを照射できるものであればよく、例えばRIE装置等を用いることができる。
【0053】
前記フッ化炭素系ガス雰囲気に曝す操作は、前記エッチング装置のチャンバ内にプラズマを生成せず、単にフッ化炭素系ガスをそのチャンバ内に供給することによりなされる。ここに用いるフッ化炭素系ガスとしては、例えばCFガス、CガスのようなCガスまたはCHFガスのようなCガス等を挙げることができる。
【0054】
前記希ガスイオンの照射雰囲気に曝す操作は、前記エッチング装置のチャンバ内に希ガスを供給し、そのチャンバ内にプラズマを生成して希ガスをイオン化し、そのイオンを加速させて露出するゲート絶縁膜に照射することによりなされる。ここに用いる希ガスとしては、Ar,He,Ne,Kr,Xe等を挙げることができ、この中で特にArが好ましい。
【0055】
前記2つの操作を交互に膜厚に応じた回数だけ繰り返すことにより成膜する。
【0056】
次いで、前記コンタクトホールを含む前記層間絶縁膜上にAl、Al合金のような配線材料膜を形成し、パターニングすることにより前記コンタクトホールを通して前記ソース、ドレインの領域に接続されたソース、ドレインの配線を形成してMIS型半導体装置を製造する。
【0057】
以上、第3実施形態によればレジストパターンのようなマスクを用いて層間絶縁膜を選択的に除去し、さらにその下地である酸化物系高誘電体材料からなるゲート絶縁膜をエッチングする際、プラズマエッチング装置内で前記マスクから露出する前記ゲート絶縁膜をフッ化炭素系ガス雰囲気に曝す操作と希ガスイオンの照射雰囲気に曝す操作とを交互に繰り返すことによって、前述した第1実施形態と同様に下地のシリコン層に対して高いエッチング選択比を以って露出したゲート絶縁膜部分をエッチング除去することができる。
【0058】
したがって、前記シリコン層を過度にエッチングすることなく、層間絶縁膜およびゲート絶縁膜に亘るコンタクトホール開口できるため、信頼性の高いMIS型半導体装置を製造することができる。
【0059】
【実施例】
以下、本発明の実施例を図面を参照して詳細に説明する。
【0060】
図1は、本発明の実施例で用いられるRIE装置を示す概略断面図である。
【0061】
接地されたチャンバ1内には、電極を兼ねた基板の支持部材2が配置されている。この支持部材2は、冷却水の供給穴3および排出穴4と連通する中空部5を有する。高周波電源6は、整合器7を通して前記支持部材2に接続されている。
【0062】
排気管8は、前記チャンバ1の右側下部に形成されて、この排気管8の他端には図示しない真空ポンプが連結されている。ゲートバルブ9は、この排気管8に介装されている。
【0063】
第1、第2のガス供給管10、11は、それらの先端で配管12に連結され、この配管12は前記チャンバ1の左側上部に連結されている。第1、第2のフローコントローラ13,14はアルゴンガス供給管10およびCFガス供給管11にそれぞれ介装されている。バルブ15は、前記配管12に介装されている。
【0064】
(実施例1)
nチャンネルMIS半導体装置の製造方法を図2の(a)〜(d)を参照して説明する。
【0065】
まず、p型シリコン基板21の主面に電子ビーム蒸着法により酸化物系高誘電体材料、例えばGdからなる厚さ5nmのゲート絶縁膜22を成膜した後、400℃でアニールした。つづいて、このゲート絶縁膜22上にCVD法により多結晶シリコン膜を堆積した。この多結晶シリコン膜上に写真蝕刻法によりレジストパターン23を形成した後、このレジストパターン23をマスクとして前記多結晶シリコン膜を選択的にエッチング除去することにより図2の(a)に示すようにゲート絶縁膜22上に幅が5μmのゲート電極24を形成した。
【0066】
次いで、レジストパターン23を有するシリコン基板21を前述した図1に示すチャンバ1内の支持部材2上に設置した。つづいて、冷却水の供給穴3から前記支持部材2の中空部5を流通させて排出穴4から排出することにより前記支持部材2上のシリコン基板を冷却した。ひきつづき、排気管8のゲートバルブ9の開度を調節すると共に、図示しない真空ポンプを作動して前記チャンバ1内のガスを排気して所定の真空度にした。前記チャンバ1内の真空度が安定した後、以下の条件での第1操作と第2操作とを交互に10回繰り返した。
【0067】
<第1操作>
CFガスを第2供給管11に供給し、第2フローコントローラ14により流量調節し、開状態の配管12を通してCFガスを100sccmの流量で前記チャンバ1内に30秒間供給して20Paの圧力とした。この操作では、高周波電源6からの高周波電力を印加せず、チャンバ内へのプラズマ生成を行なわなかった。
【0068】
<第2操作>
CFガスの供給を停止し、アルゴンガスを第1供給管10に供給し、第1フローコントローラ13により流量調節し、開状態の配管12を通してアルゴンガスを100sccmの流量で前記チャンバ1内に30秒間供給し、20Paの圧力とし、同時に高周波電源6から13.56MHz、300Wの高周波電力を整合器7を通して前記支持部材2に印加し、その支持部材2とチャンバ1間にプラズマ16を生成してアルゴンイオンを前記基板上のレジストパターンから露出したゲート絶縁膜に照射した。
【0069】
このとき、シリコン基板21に対するGdからなるゲート絶縁膜22のエッチング選択比は約1.6で、シリコン基板21表面のエッチングが殆ど起こることなく、レジストパターン23から露出するGdからなるゲート絶縁膜22部分がエッチング除去され、シリコン基板21表面が露出した。つづいて、前記シリコン基板21に砒素をその露出表面を通して注入することにより、図2の(b)に示すように互いに電気的に分離されたn+型のソース領域25、ドレイン領域26を形成した。
【0070】
なお、比較のためにCFガスを第2供給管11に供給し、第2フローコントローラ14により流量調節すると共に、アルゴンガスを第1供給管10に供給し、第1フローコントローラ13により流量調節し、開状態の配管12を通してCFガスを75sccmの流量、アルゴンガスを25sccmの流量で前記チャンバ1内に5分間供給してガス圧力を4Paとし、同時に高周波電源6から13.56MHz、200Wの高周波電力を整合器7を通して前記支持部材2に印加し、その支持部材2とチャンバ1間に混合プラズマを生成してシリコン基板上のレジストパターンから露出したゲート絶縁膜をエッチングした。このとき、シリコン基板に対するGdからなるゲート絶縁膜のエッチング選択比は約0.03で、前記ゲート絶縁膜のエッチング除去において、シリコン基板表面もエッチングされることを確認した。
【0071】
次いで、レジストパターン23を剥離除去し、前記ゲート電極24を含む全面にSiOからなる層間絶縁膜27を形成した後、図示しないレジストパターンをマスクとして前記層間絶縁膜27を選択的にエッチング除去することにより図2の(c)に示すように前記ソース、ドレイン領域25,26に対応する前記層間絶縁膜27部分にコンタクトホール28、29を開口した。つづいて、これらのコンタクトホール28、29を含む前記層間絶縁膜27上にAl合金からなる配線材料膜を真空蒸着により堆積し、パターニングすることにより図2の(d)に示すように前記コンタクトホール28,29を通して前記ソース領域25、ドレイン領域26に接続されたソース、ドレインの配線30,31を形成してMIS型半導体装置を製造した。
【0072】
得られたMIS型半導体装置は、ゲート長が5μmと微細で、かつソース、ドレインの領域25、26表面がエッチングされておらず、高い信頼性を有するものであった。
【0073】
(実施例2)
nチャンネルMIS半導体装置の製造方法を図3の(a)〜(d)を参照して説明する。
【0074】
まず、p型シリコン基板41の主面に電子ビーム蒸着法により酸化物系高誘電体材料、例えばGdからなる厚さ5nmのゲート絶縁膜42を成膜した後、400℃でアニールした。つづいて、このゲート絶縁膜42上にCVD法により多結晶シリコン膜および酸化シリコン膜を順次堆積した。この酸化シリコン膜上に写真蝕刻法によりレジストパターン(図示せず)を形成した後、このレジストパターンをマスクとして前記酸化シリコン膜を選択的にエッチング除去することにより多結晶シリコン膜上に幅が5μmの酸化シリコンパターン43を形成した。ひきつづき、レジストパターンを剥離除去し、前記酸化シリコンパターン43をマスクとして前記多結晶シリコン膜を選択的にエッチングすることによりゲート絶縁膜42上に幅が5μmのゲート電極44を形成した。この後、記酸化シリコンパターン43をマスクとしてn型不純物である砒素を前記ゲート絶縁膜42を通して前記p型シリコン基板41にイオン注入することにより図3の(a)に示すように互いに電気的に分離される低濃度のn型領域45,45を形成した。
【0075】
次いで、図3の(b)に示すように酸化シリコンパターン43を含む全面に窒化シリコン膜46を堆積した。つづいて、窒化シリコン膜46をリアクティブイオンエッチングを行なった。このとき、図3の(c)に示すようにゲート電極44および酸化シリコンパターン43の積層物の側面に窒化シリコンからなるスペーサ47が形成された。
【0076】
次いで、スペーサ47が形成されたシリコン基板41を前述した図1に示すチャンバ1内の支持部材2上に設置した。つづいて、冷却水の供給穴3から前記支持部材2の中空部5を流通させて排出穴4から排出することにより前記支持部材2上のシリコン基板を冷却した。ひきつづき、排気管8のゲートバルブ9の開度を調節すると共に、図示しない真空ポンプを作動して前記チャンバ1内のガスを排気して所定の真空度にした。前記チャンバ1内の真空度が安定した後、実施例1と同様に第1操作(CFガスの雰囲気に曝す操作)と第2操作(アルゴンイオンを照射する操作)とを交互に10回繰り返した。このとき、シリコン基板41に対するGdからなるゲート絶縁膜42のエッチング選択比は約1.6で、シリコン基板41表面のエッチングが殆ど起こることなく、酸化シリコンパターン43およびスペーサ47から露出するGdからなるゲート絶縁膜42部分がエッチング除去され、シリコン基板41表面が露出した。つづいて、前記シリコン基板41に砒素をその露出表面を通して注入して高濃度のn型領域48,48を形成することにより、図3の(d)に示すように互いに電気的に分離されたn型領域45,45およびn+型領域48,48からなる、いわゆるLDD(Lightly doped drain)構造を有するソース49、ドレイン領域50を形成した。この後、図示しないが、実施例1と同様に層間絶縁膜の堆積、コンタクトホールの開口、これらコンタクトホールを通して前記ソース、ドレインの領域に接続されたソース、ドレインの配線を形成してMIS型半導体装置を製造した。
【0077】
得られたMIS型半導体装置は、ゲート長が5μmと微細で、LDD構造を有するソース、ドレインの領域49,50表面がエッチングされておらず、高い信頼性を有するものであった。
【0078】
(実施例3)
nチャンネルMIS半導体装置の製造方法を図4の(a)〜(d)を参照して説明する。
【0079】
まず、p型シリコン基板51の主面に電子ビーム蒸着法により酸化物系高誘電体材料、例えばGdからなる厚さ5nmのゲート絶縁膜52を成膜した後、400℃でアニールした。つづいて、このゲート絶縁膜52上にCVD法により多結晶シリコン膜を堆積した。この多結晶シリコン膜上に写真蝕刻法によりレジストパターン(図示せず)を形成した後、このレジストパターンをマスクとして前記多結晶シリコン膜を選択的にエッチング除去することによりゲート絶縁膜52上に幅が5μmのゲート電極53を形成した。ひきつづき、前記レジストパターンをマスクとし、砒素を前記シリコン基板51にゲート絶縁膜52を通してイオン注入することにより、図4の(a)に示すように互いに電気的に分離されたn+型のソース領域54、ドレイン領域55を形成した。
【0080】
次いで、前記レジストパターンを剥離除去し、前記ゲート電極53を含む前記ゲート絶縁膜52上にSiOからなる層間絶縁膜56を形成した後、レジスト膜の被覆、露光、現像処理を施すことにより、図4の(b)に示すようにレジストパターン57を形成した。つづいて、レジストパターン57を有するシリコン基板51を前述した図1に示すチャンバ1内の支持部材2上に設置した。つづいて、冷却水の供給穴3から前記支持部材2の中空部5を流通させて排出穴4から排出することにより前記支持部材2上のシリコン基板を冷却した。ひきつづき、排気管8のゲートバルブ9の開度を調節すると共に、図示しない真空ポンプを作動して前記チャンバ1内のガスを排気して所定の真空度にした。前記チャンバ1内の真空度が安定した後、CFガスを第2供給管11に供給し、第2フローコントローラ14により流量調節すると共に、アルゴンガスを第1供給管10に供給し、第1フローコントローラ13により流量調節し、開状態の配管12を通してCFガスおよびアルゴンガスを前記チャンバ1内に5分間供給し、同時に高周波電源6から13.56MHzの高周波電力を整合器7を通して前記支持部材2に印加し、その支持部材2とチャンバ1間に混合プラズマを生成することにより、レジストパターン57から露出するSiOからなる前記層間絶縁膜56をその下地であるゲート絶縁膜52が露出するまで選択的にエッチング除去した。この後、実施例1と同様に第1操作(CFガスの雰囲気に曝す操作)と第2操作(アルゴンイオンを照射する操作)とを交互に10回繰り返した。このとき、シリコン基板51に対するGdからなるゲート絶縁膜52のエッチング選択比は約1.6で、シリコン基板51表面のエッチングが殆ど起こることなく、既にエッチングされた層間絶縁膜56の穴から露出するGdからなるゲート絶縁膜52部分がエッチング除去され、図4の(c)に示すようにコンタクトホール58、59が開口された。
【0081】
次いで、前記コンタクトホール58、59を含む前記層間絶縁膜56上にAl合金からなる配線材料膜を真空蒸着により堆積し、パターニングすることにより図4の(d)に示すように前記コンタクトホール58,59を通して前記ソース領域54、ドレイン領域55に接続されたソース、ドレインの配線60,61を形成してMIS型半導体装置を製造した。
【0082】
得られたMIS型半導体装置は、ゲート長が5μmと微細で、かつコンタクトホール58、59下のシリコン基板51表面がエッチングされておらず、高い信頼性を有するものであった。
【0083】
(実施例4)
液晶表示装置のnチャンネル薄膜トランジスタ(TFT)の製造方法を図5の(a)〜(d)を参照して説明する。
【0084】
まず、ガラス基板71上に多結晶シリコン層を成膜した後、この多結晶シリコン層をパターニングして島状の活性層72を形成した。つづいて、この活性層72を含む前記ガラス基板71上に電子ビーム蒸着法により酸化物系高誘電体材料、例えばGdからなる厚さ5nmのゲート絶縁膜73を成膜した後、400℃でアニールした。ひきつづき、このゲート絶縁膜73上にスパッタ法によりMo膜を堆積した。このMo膜上に写真蝕刻法によりレジストパターン74を形成した後、このレジストパターン74をマスクとして前記Mo膜を選択的にエッチング除去することにより図5の(a)に示すように前記活性層72上のゲート絶縁膜73に幅が5μmのゲート電極75を形成した。
【0085】
次いで、レジストパターン74を有するガラス基板71を前述した図1に示すチャンバ1内の支持部材2上に設置した。つづいて、冷却水の供給穴3から前記支持部材2の中空部5を流通させて排出穴4から排出することにより前記支持部材2上のシリコン基板を冷却した。ひきつづき、排気管8のゲートバルブ9の開度を調節すると共に、図示しない真空ポンプを作動して前記チャンバ1内のガスを排気して所定の真空度にした。前記チャンバ1内の真空度が安定した後、実施例1と同様に第1操作(CFガスの雰囲気に曝す操作)と第2操作(アルゴンイオンを照射する操作)とを交互に10回繰り返した。このとき、多結晶シリコンからなる活性層67に対するGdからなるゲート絶縁膜73のエッチング選択比は約1.6で、活性層72表面のエッチングが殆ど起こることなく、レジストパターン74から露出するGdからなるゲート絶縁膜73部分がエッチング除去され、活性層72表面が露出した。つづいて、砒素を前記活性層72に砒素をその露出表面を通して注入することにより、図5の(b)に示すように互いに電気的に分離されたn+型のソース領域76、ドレイン領域77を形成した。
【0086】
次いで、レジストパターン74を剥離除去し、前記ゲート電極75を含む全面にSiOからなる層間絶縁膜78を形成した後、図示しないレジストパターンをマスクとして前記層間絶縁膜78を選択的にエッチング除去することにより図5の(c)に示すように前記ソース、ドレイン領域76,77に対応する前記層間絶縁膜78部分にコンタクトホール79、80を開口した。つづいて、これらのコンタクトホール79、80を含む前記層間絶縁膜78上にAl合金からなる配線材料膜を真空蒸着により堆積し、パターニングすることにより図5の(d)に示すように前記コンタクトホール79,80を通して前記ソース領域76、ドレイン領域77に接続されたソース、ドレインの配線81,82を形成して液晶表示装置のTFTを製造した。
【0087】
得られたTFTは、ゲート長が5μmと微細で、かつソース、ドレインの領域66、67表面がエッチングされておらず、高い信頼性を有するものであった。
【0088】
【発明の効果】
以上詳述したように本発明によれば、高誘電体ゲート絶縁膜とその下地のシリコン層との間のエッチング選択比を大きく取ることを可能にしてシリコン層を過度にエッチングすることなく不純物の注入窓、コンタクトホール等を形成することができる高集積度で高信頼性のMIS型半導体装置の製造方法を提供することことができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施例で用いたRIE装置を示す概略図。
【図2】本発明の実施例1におけるnチャンネルMIS半導体装置の製造工程を示す断面図。
【図3】本発明の実施例2におけるnチャンネルMIS半導体装置の製造工程を示す断面図。
【図4】本発明の実施例3におけるnチャンネルMIS半導体装置の製造工程を示す断面図。
【図5】本発明の実施例4におけるnチャンネルTFTの製造工程を示す断面図。
【符号の説明】
1…チャンバ、
2…支持部材、
6…高周波電源、
8…排気管、
10,11…ガス供給管、
16…プラズマ、
21,41,51…シリコン基板、
22,42、52,73…ゲート絶縁膜、
24,44,53,75…ゲート電極、
25,49,54,76…ソース領域、
26,50,55,77…ドレイン領域、
27,56,78…層間絶縁膜、
71…ガラス基板、
72…活性層。
[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a method for manufacturing a MIS type semiconductor device, and more particularly to a method for manufacturing a MIS type semiconductor device in which a dry etching step of an insulating film for forming source and drain contacts is improved.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, a semiconductor device having a MOS (Metal-Oxide-Silicon) structure, for example, a semiconductor device having a bulk silicon substrate, has a silicon oxide film (SiO 2) as a gate insulating film. 2 ) Is used. Such a semiconductor device is manufactured by the following method. That is, for example, a step of forming an element isolation region on the main surface of a p-type silicon wafer (p-type silicon substrate), a step of forming a gate insulating film on the main surface of the silicon substrate, and depositing a gate electrode material film on the entire surface A step of patterning the gate electrode material film to form a gate electrode, and ion-implanting an n-type impurity using the gate electrode as a mask. + Forming source and drain regions of the mold, and forming SiO 2 on the entire surface including the gate electrode. 2 Depositing an interlayer insulating film consisting of: a step of opening a contact hole in the interlayer insulating film corresponding to the source and drain regions and a gate insulating film thereunder; and forming a wiring on the interlayer insulating film including the contact hole. After depositing a material film, patterning and forming a wiring connected to the source / drain region through the contact hole, thereby manufacturing a semiconductor device having a MOS structure.
[0003]
In the manufacture of a semiconductor device having such a MOS structure, RIE (Reactive Ion Etching) is usually used to form the contact hole. However, both the interlayer insulating film and the gate insulating film are made of SiO. 2 Therefore, a high selectivity can be obtained with respect to the underlying silicon substrate, so that the contact hole can be formed without excessively etching the silicon substrate.
[0004]
In the conventional MOS device having the MOS structure as described above, when the MOS transistor is miniaturized for low power consumption and high operation speed, the SiO2 of the gate insulating film is formed at the same ratio according to the scaling law. 2 Also need to be made thinner. For example, when the gate length is 0.1 μm, the thickness of SiO 2 2 Is required as a gate insulating film, and the film thickness approaches the physical thin film limit. Therefore, a gate insulating film (high-dielectric gate insulating film) made of an oxide-based high-dielectric material capable of increasing the physical film thickness is formed of SiO. 2 Considerations are being made to apply it instead of.
[0005]
As the oxide-based high dielectric material used for the gate insulating film, transition metal oxides and rare earth oxides are considered to be effective. In the above-described semiconductor device manufacturing process, SiO 2 2 When a high dielectric gate insulating film is used in place of the gate insulating film, the gate insulating film is formed by thermal oxidation of the silicon substrate and the deposition of the high dielectric gate insulating film. It is necessary to ensure the selectivity with respect to the underlying silicon substrate when the high dielectric gate insulating film is selectively removed by etching.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
Transition metal oxides, particularly rare earth oxides, which are materials for the high-dielectric gate insulating film, have few compounds with high volatility, and have extremely low volatility of halides with halogens used in ordinary dry etching. Therefore, it is expected that there is no major problem in the etching step for patterning the gate electrode because the etching of the high dielectric gate insulating film is suppressed.
[0007]
On the other hand, when the high dielectric gate insulating film itself is selectively etched away, the etching rate of the silicon substrate is higher than the etching rate of the high dielectric gate insulating film, so that it is extremely difficult to ensure the selectivity to the underlying silicon substrate. There was a problem.
[0008]
The present invention makes it possible to increase the etching selectivity between the high dielectric gate insulating film and the underlying silicon layer, thereby forming impurity injection windows, contact holes, etc. without excessively etching the silicon layer. It is an object of the present invention to provide a method of manufacturing a MIS type semiconductor device that can perform the above-mentioned steps.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
A method for manufacturing a MIS type semiconductor device according to the present invention includes the steps of: forming a gate insulating film made of an oxide-based high dielectric material on a silicon layer;
Forming a gate electrode material film on the gate insulating film, forming a predetermined etching mask on the gate electrode material film, and selectively etching away the gate electrode material film exposed from the etching mask. Forming a gate electrode;
An operation of exposing a silicon layer having the etching mask in a plasma etching apparatus and exposing the gate insulating film exposed from the etching mask to a fluorocarbon-based gas atmosphere and an operation of exposing to a rare gas ion-irradiated plasma atmosphere is alternately performed. Repeatedly removing the gate insulating film portion exposed from the etching mask to selectively expose the silicon layer surface; and
Forming source and drain regions electrically isolated from each other by implanting impurities imparting conductivity to the silicon layer through the exposed surface;
It is characterized by including.
[0010]
Another method for manufacturing a MIS type semiconductor device according to the present invention includes a step of forming a gate insulating film made of an oxide-based high dielectric material on a silicon layer;
A gate electrode material film is formed on the gate insulating film, a predetermined mask made of an insulating material is formed on the gate electrode material film, and the gate electrode material film exposed from the mask is selectively etched away. Forming a gate electrode by
Forming a low-concentration impurity region by ion-implanting an impurity imparting conductivity through the gate insulating film into the silicon layer excluding the mask;
After forming a film made of an insulating material having a selective etching property with respect to the gate insulating film on the entire surface including the mask, the film is subjected to reactive ion etching to form spacers on the side surfaces of the gate electrode and the mask. Process and
An operation in which a silicon layer having the mask and the spacer is provided in a plasma etching apparatus, and an operation of exposing the gate insulating film exposed from the mask and the spacer to a fluorocarbon-based gas atmosphere and an operation of exposing to a rare gas ion-irradiated plasma atmosphere Alternately removing the gate insulating film portion exposed from the mask and the spacer to selectively expose the silicon layer surface; and
Impurities that impart conductivity to the silicon layer are implanted through the exposed surface to form high-concentration impurity regions, thereby forming source and drain regions composed of low-concentration and high-concentration regions electrically separated from each other. Process and
It is characterized by including.
[0011]
Still another method for manufacturing a MIS semiconductor device according to the present invention includes a step of forming a gate insulating film made of an oxide-based high dielectric material on a silicon layer;
Forming a gate electrode on a part of the gate insulating film;
Forming a source and a drain region in the silicon layer by electrically separating each other;
After forming an interlayer insulating film on the gate insulating film including the gate electrode, forming a predetermined etching mask,
A silicon layer having the etching mask is provided in a plasma etching apparatus, and the interlayer insulating film exposed from the etching mask is selectively removed by etching until the underlying gate insulating film is exposed. Opening a contact hole by selectively etching the gate insulating film exposed from the etching hole of the interlayer insulating film by alternately repeating an operation of exposing to an atmosphere and an operation of exposing to a rare gas ion irradiation plasma atmosphere;
It is characterized by including.
[0012]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, the present invention will be described in detail.
[0013]
(1st Embodiment)
First, a gate insulating film made of an oxide-based high dielectric material is formed on a silicon layer.
[0014]
Examples of the silicon layer include a polycrystalline silicon layer formed on a transparent insulating substrate such as a silicon substrate containing impurities or a glass substrate.
[0015]
As the oxide-based high dielectric material, for example, HfO 2 , ZrO 2 , SiZrO 4 Or a transition metal oxide such as Gd 2 O 3 And rare earth oxides.
[0016]
Next, a gate electrode material film such as, for example, polycrystalline silicon, Mo, or Ta is formed on the gate insulating film, and a predetermined etching mask is formed on the gate electrode material film. A gate electrode is formed by selectively etching away the gate electrode material film.
[0017]
Examples of the etching mask include a resist pattern formed by a photolithography method.
[0018]
Next, a silicon layer having the etching mask is provided in a plasma etching apparatus, and an operation of exposing the gate insulating film exposed from the etching mask to a fluorocarbon-based gas atmosphere and an operation of exposing to a rare gas ion irradiation atmosphere are performed. The gate insulating film portion exposed from the etching mask is alternately removed to selectively expose the surface of the silicon layer.
[0019]
The plasma etching apparatus may be any apparatus capable of irradiating rare gas ions having an energy of 50 eV or more in plasma, such as an RIE apparatus, an apparatus having a microwave plasma source and a bias substrate electrode, and an IPC plasma source and a bias substrate. A device having electrodes can be used.
[0020]
The operation of exposing to the fluorocarbon-based gas atmosphere is performed by simply supplying the fluorocarbon-based gas into the chamber of the etching apparatus without generating plasma in the chamber. As the fluorocarbon-based gas used here, for example, CF 4 Gas, C 2 F 6 C like gas x F y Gas or CHF 3 C like gas x H y F z Gas and the like can be mentioned.
[0021]
The operation of exposing to the rare gas ion irradiation atmosphere includes supplying a rare gas into the chamber of the etching apparatus, generating plasma in the chamber to ionize the rare gas, accelerating the ions, and exposing the gate insulation. This is done by irradiating the film. Examples of the rare gas used here include Ar, He, Ne, Kr, and Xe. Among them, Ar is particularly preferable.
[0022]
The above two operations are alternately repeated a number of times corresponding to the film thickness to form a film.
[0023]
Next, source and drain regions electrically isolated from each other are formed by injecting impurities imparting conductivity to the silicon layer through the exposed surface. Subsequently, after an interlayer insulating film is formed on the entire surface including the gate electrode, a resist film is coated, exposed, and developed to form a resist pattern. Subsequently, a contact hole is opened by selectively etching away the interlayer insulating film using the resist pattern as a mask. Subsequently, a wiring material film such as Al or an Al alloy is formed on the interlayer insulating film including the contact hole, and is patterned to form a source / drain connected to the source / drain region through the contact hole. Wiring is formed to manufacture a MIS type semiconductor device.
[0024]
As described above, according to the first embodiment, when an exposed gate insulating film made of an oxide-based high dielectric material is etched using an etching mask for forming a gate electrode, the gate insulating film is exposed from the etching mask in a plasma etching apparatus. By alternately repeating the operation of exposing the gate insulating film to a fluorocarbon-based gas atmosphere and the operation of exposing to a rare gas ion irradiation atmosphere, the gate insulating film has a high etching selectivity with respect to the underlying silicon layer. The film portion can be removed by etching.
[0025]
It is thought that the following effects can exert a high etching selectivity with respect to the underlying silicon layer when the gate insulating film made of such an oxide-based high dielectric material is etched.
[0026]
That is, in an operation of exposing a gate insulating film made of an oxide-based high dielectric material to a fluorocarbon gas atmosphere, fluorocarbon fragments are adsorbed on the surface of the gate insulating film. Thereafter, in an operation of exposing to an atmosphere of irradiation of rare gas ions, the carbon fluoride fragments are oxidized and volatilized by oxygen generated from the oxide-based high dielectric material due to physical etching, so that the deposition is prevented. That is, the effect of preventing the etching by the fluorocarbon fragment disappears, and the etching effect by the impact of the rare gas ions becomes dominant, and the gate insulating film made of the oxide-based high dielectric material is etched.
[0027]
On the other hand, when the gate insulating film is etched and the underlying silicon layer is exposed and then exposed to a fluorocarbon gas atmosphere, fluorocarbon fragments are adsorbed on the surface of the silicon layer. After that, unlike the oxide-based high dielectric material, the silicon layer does not generate oxygen by physical etching in the operation of exposing to the rare gas ion irradiation atmosphere, so that the fluorocarbon fragment is not oxidized and the silicon layer is not oxidized. Stop at the layer surface. For this reason, the effect of preventing the silicon layer from being etched by the fluorocarbon fragments against the impact of rare gas ions works.
[0028]
The disappearance of the fluorocarbon fragments on the surface of the gate insulating film made of such an oxide-based high-dielectric material and the retention of the fluorocarbon fragments on the surface of the silicon layer greatly increase the distance between the gate insulating film and the silicon layer. It is estimated that this is expressed as an etching selectivity.
[0029]
Therefore, the silicon layer surface can be selectively exposed without excessively etching the silicon layer. As a result, impurities imparting conductivity to the silicon layer can be implanted through the exposed surface thereof, and the source and drain regions electrically isolated from each other can be formed in the silicon layer having almost no etching. It is possible to manufacture a highly reliable MIS semiconductor device.
[0030]
(2nd Embodiment)
First, a gate insulating film made of an oxide-based high dielectric material is formed on a silicon layer.
[0031]
Examples of the silicon layer include a silicon substrate containing impurities and a polycrystalline silicon layer, as described in the first embodiment.
[0032]
As the oxide-based high dielectric material, the same material as described in the first embodiment can be used.
[0033]
Next, a gate electrode material film such as polycrystalline silicon, Mo or Ta is formed on the gate insulating film, a predetermined mask is formed on the gate electrode material film, and then the gate electrode exposed from the mask is formed. A gate electrode is formed by selectively etching away the material film.
[0034]
As the mask, for example, a silicon oxide (SiO 2) patterned using a resist pattern formed by photolithography as a mask is used. 2 ) Patterns, silicon nitride (SiN) patterns, and the like.
[0035]
Next, a low concentration impurity region is formed by ion-implanting an impurity imparting conductivity into the silicon layer excluding the mask through the gate insulating film.
[0036]
As the impurity imparting conductivity, an n-type impurity such as arsenic and a p-type impurity such as boron can be used.
[0037]
Then, after forming a film made of an insulating material having a selective etching property with respect to the gate insulating film over the entire surface including the mask, the film is subjected to reactive ion etching to form spacers on the side surfaces of the gate electrode and the mask. To form
[0038]
It is preferable that the insulating material also has a selective etching property with respect to the mask. As such an insulating material, for example, the mask is made of silicon oxide (SiO 2). 2 ) In the case of a pattern, silicon nitride can be used.
[0039]
Next, a silicon layer having the mask and the spacer is provided in a plasma etching apparatus, and the gate insulating film exposed from the mask and the spacer is exposed to a fluorocarbon-based gas atmosphere and exposed to a rare gas ion-irradiated plasma atmosphere. The operation is alternately repeated to remove the gate insulating film portion exposed from the mask and the spacer to selectively expose the silicon layer surface.
[0040]
As the plasma etching apparatus, similar to the first embodiment, any apparatus capable of irradiating rare gas ions having an energy of 50 eV or more in plasma may be used.
[0041]
The operation of exposing to the fluorocarbon-based gas atmosphere is performed by simply supplying the fluorocarbon-based gas into the chamber of the etching apparatus without generating plasma in the chamber. As the fluorocarbon-based gas used here, for example, CF 4 Gas, C 2 F 6 C like gas x F y Gas or CHF 3 C like gas x H y F z Gas and the like can be mentioned.
[0042]
The operation of exposing to the rare gas ion irradiation atmosphere includes supplying a rare gas into the chamber of the etching apparatus, generating plasma in the chamber to ionize the rare gas, accelerating the ions, and exposing the gate insulation. This is done by irradiating the film. Examples of the rare gas used here include Ar, He, Ne, Kr, and Xe. Among them, Ar is particularly preferable.
[0043]
The above two operations are alternately repeated a number of times corresponding to the film thickness to form a film.
[0044]
Impurities (for example, n-type impurities such as arsenic, or p-type impurities such as boron) that impart conductivity to the silicon layer are implanted through the exposed surface to form high-concentration impurity regions, thereby electrically isolating the silicon layers from each other. A source / drain region having a so-called LDD (Lightly Doped Drain) structure formed of the low-concentration and high-concentration regions is formed. Subsequently, after an interlayer insulating film is formed on the entire surface including the gate electrode, a resist film is coated, exposed, and developed to form a resist pattern. Subsequently, a contact hole is opened by selectively etching away the interlayer insulating film using the resist pattern as a mask. A wiring material film such as Al or Al alloy is formed on the interlayer insulating film including the contact hole, and is patterned to form a source / drain wiring connected to the source / drain region through the contact hole. Then, an MIS type semiconductor device is manufactured.
[0045]
As described above, according to the second embodiment, when a gate insulating film made of an oxide-based high dielectric material is exposed using a mask and a spacer for forming a gate electrode, the mask and the spacer are etched in a plasma etching apparatus. By alternately repeating the operation of exposing the gate insulating film exposed from the substrate to a fluorocarbon-based gas atmosphere and the operation of exposing to a rare gas ion irradiation atmosphere, the underlying silicon layer can be removed similarly to the first embodiment. Thus, the gate insulating film portion exposed with a high etching selectivity can be removed by etching.
[0046]
Therefore, the silicon layer surface can be selectively exposed without excessively etching the silicon layer. As a result, the second conductivity-imparting impurity can be implanted into the silicon layer through the exposed surface, and the source and drain regions having the LDD structure electrically isolated from each other are formed in the silicon layer having almost no etching. Therefore, a highly reliable MIS type semiconductor device can be manufactured.
[0047]
(Third embodiment)
First, a gate insulating film made of an oxide-based high dielectric material is formed on a silicon layer.
[0048]
Examples of the silicon layer include a silicon substrate containing impurities and a polycrystalline silicon layer, as described in the first embodiment.
[0049]
As the oxide-based high dielectric material, the same material as described in the first embodiment can be used.
[0050]
Next, a gate electrode material film such as, for example, polycrystalline silicon, Mo, or Ta is formed on the gate insulating film, and a predetermined etching mask is formed on the gate electrode material film. A gate electrode is formed by selectively etching away the gate electrode material film. Subsequently, using the gate electrode as a mask, impurities are ion-implanted into the silicon layer through the gate insulating film to form source and drain regions electrically separated from each other in the silicon layer.
[0051]
Next, after forming an interlayer insulating film on the gate insulating film including the gate electrode, the resist film is coated, exposed and developed to form a resist pattern as a predetermined etching mask. Subsequently, a silicon layer having the etching mask is set in a plasma etching apparatus, the interlayer insulating film is removed by etching using the resist pattern as a mask, and then exposed to a fluorocarbon-based gas atmosphere and irradiated with rare gas ions. An operation of exposing to an atmosphere is alternately repeated to selectively remove the gate insulating film exposed by etching the interlayer insulating film, thereby opening a contact hole.
[0052]
As the plasma etching apparatus, similar to the first embodiment, any apparatus capable of irradiating rare gas ions having an energy of 50 eV or more in plasma may be used.
[0053]
The operation of exposing to the fluorocarbon-based gas atmosphere is performed by simply supplying the fluorocarbon-based gas into the chamber of the etching apparatus without generating plasma in the chamber. As the fluorocarbon-based gas used here, for example, CF 4 Gas, C 2 F 6 C like gas x F y Gas or CHF 3 C like gas x H y F z Gas and the like can be mentioned.
[0054]
The operation of exposing to the rare gas ion irradiation atmosphere includes supplying a rare gas into the chamber of the etching apparatus, generating plasma in the chamber to ionize the rare gas, accelerating the ions, and exposing the gate insulation. This is done by irradiating the film. Examples of the rare gas used here include Ar, He, Ne, Kr, and Xe. Among them, Ar is particularly preferable.
[0055]
The above two operations are alternately repeated a number of times corresponding to the film thickness to form a film.
[0056]
Next, a wiring material film such as Al or an Al alloy is formed on the interlayer insulating film including the contact hole, and is patterned to form a source / drain wiring connected to the source / drain region through the contact hole. Is formed to manufacture a MIS type semiconductor device.
[0057]
As described above, according to the third embodiment, when the interlayer insulating film is selectively removed by using a mask such as a resist pattern, and the underlying gate insulating film made of an oxide-based high dielectric material is etched, As in the first embodiment described above, the operation of exposing the gate insulating film exposed from the mask in a plasma etching apparatus to a fluorocarbon-based gas atmosphere and the operation of exposing the gate insulating film to a rare gas ion irradiation atmosphere are alternately repeated. In addition, the gate insulating film portion exposed with a high etching selectivity to the underlying silicon layer can be removed by etching.
[0058]
Therefore, since a contact hole can be opened over the interlayer insulating film and the gate insulating film without excessively etching the silicon layer, a highly reliable MIS semiconductor device can be manufactured.
[0059]
【Example】
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
[0060]
FIG. 1 is a schematic sectional view showing an RIE apparatus used in the embodiment of the present invention.
[0061]
In a grounded chamber 1, a substrate support member 2 also serving as an electrode is disposed. The support member 2 has a hollow portion 5 communicating with the supply hole 3 and the discharge hole 4 of the cooling water. The high frequency power supply 6 is connected to the support member 2 through a matching device 7.
[0062]
The exhaust pipe 8 is formed on the lower right side of the chamber 1, and a vacuum pump (not shown) is connected to the other end of the exhaust pipe 8. The gate valve 9 is interposed in the exhaust pipe 8.
[0063]
The first and second gas supply pipes 10 and 11 are connected to a pipe 12 at their ends, and the pipe 12 is connected to an upper left portion of the chamber 1. The first and second flow controllers 13 and 14 are provided with an argon gas supply pipe 10 and a CF. 4 The gas supply pipes 11 are respectively provided. The valve 15 is interposed in the pipe 12.
[0064]
(Example 1)
A method for manufacturing an n-channel MIS semiconductor device will be described with reference to FIGS.
[0065]
First, an oxide-based high dielectric material such as Gd is deposited on the main surface of the p-type silicon substrate 21 by electron beam evaporation. 2 O 3 Was formed at a temperature of 400 ° C. after forming a gate insulating film 22 having a thickness of 5 nm. Subsequently, a polycrystalline silicon film was deposited on the gate insulating film 22 by a CVD method. After a resist pattern 23 is formed on the polycrystalline silicon film by photolithography, the polycrystalline silicon film is selectively etched away using the resist pattern 23 as a mask, as shown in FIG. A gate electrode 24 having a width of 5 μm was formed on the gate insulating film 22.
[0066]
Next, the silicon substrate 21 having the resist pattern 23 was set on the support member 2 in the chamber 1 shown in FIG. Subsequently, the silicon substrate on the support member 2 was cooled by flowing the hollow portion 5 of the support member 2 through the cooling water supply hole 3 and discharging the hollow water through the discharge hole 4. Subsequently, the opening degree of the gate valve 9 of the exhaust pipe 8 was adjusted, and a vacuum pump (not shown) was operated to exhaust the gas in the chamber 1 to a predetermined degree of vacuum. After the degree of vacuum in the chamber 1 was stabilized, the first operation and the second operation under the following conditions were alternately repeated 10 times.
[0067]
<First operation>
CF 4 The gas is supplied to the second supply pipe 11, the flow rate is adjusted by the second flow controller 14, and the CF is supplied through the open pipe 12. 4 Gas was supplied into the chamber 1 at a flow rate of 100 sccm for 30 seconds to a pressure of 20 Pa. In this operation, no high-frequency power was applied from the high-frequency power supply 6 and no plasma was generated in the chamber.
[0068]
<Second operation>
CF 4 The supply of gas is stopped, argon gas is supplied to the first supply pipe 10, the flow rate is adjusted by the first flow controller 13, and argon gas is supplied into the chamber 1 at a flow rate of 100 sccm through the open pipe 12 for 30 seconds. Then, at a pressure of 20 Pa, at the same time, a high frequency power of 13.56 MHz and 300 W is applied from the high frequency power source 6 to the support member 2 through the matching unit 7 to generate a plasma 16 between the support member 2 and the chamber 1 to generate argon ions. Was applied to the gate insulating film exposed from the resist pattern on the substrate.
[0069]
At this time, Gd for the silicon substrate 21 2 O 3 The etching selectivity of the gate insulating film 22 made of is approximately 1.6, and almost no etching of the surface of the silicon substrate 21 occurs. 2 O 3 The portion of the gate insulating film 22 made of was removed by etching, and the surface of the silicon substrate 21 was exposed. Subsequently, by implanting arsenic into the silicon substrate 21 through the exposed surface, n + type source and drain regions 25 and 26 which are electrically separated from each other were formed as shown in FIG. 2B.
[0070]
For comparison, CF 4 The gas is supplied to the second supply pipe 11, the flow rate is adjusted by the second flow controller 14, the argon gas is supplied to the first supply pipe 10, the flow rate is adjusted by the first flow controller 13, and the gas is supplied through the open pipe 12. CF 4 A gas is supplied at a flow rate of 75 sccm and an argon gas is supplied at a flow rate of 25 sccm into the chamber 1 for 5 minutes to make the gas pressure 4 Pa. At the same time, a high frequency power of 13.56 MHz and 200 W is supplied from the high frequency power supply 6 through the matching unit 7 to the supporting member. 2 and a mixed plasma was generated between the support member 2 and the chamber 1 to etch the gate insulating film exposed from the resist pattern on the silicon substrate. At this time, Gd with respect to the silicon substrate 2 O 3 The etching selectivity of the gate insulating film made of was about 0.03, and it was confirmed that the silicon substrate surface was also etched when the gate insulating film was removed by etching.
[0071]
Next, the resist pattern 23 is peeled off and the entire surface including the gate electrode 24 is covered with SiO 2. 2 After the interlayer insulating film 27 is formed, the interlayer insulating film 27 is selectively etched away using a resist pattern (not shown) as a mask, thereby forming the source and drain regions 25 and 26 as shown in FIG. Contact holes 28 and 29 were opened in the portion of the interlayer insulating film 27 corresponding to. Subsequently, a wiring material film made of an Al alloy is deposited on the interlayer insulating film 27 including the contact holes 28 and 29 by vacuum deposition and patterned, thereby forming the contact holes as shown in FIG. Source and drain wirings 30 and 31 connected to the source region 25 and the drain region 26 through 28 and 29 were formed to manufacture an MIS type semiconductor device.
[0072]
The obtained MIS type semiconductor device had a small gate length of 5 μm, and had high reliability because the surfaces of the source and drain regions 25 and 26 were not etched.
[0073]
(Example 2)
A method for manufacturing an n-channel MIS semiconductor device will be described with reference to FIGS.
[0074]
First, an oxide-based high dielectric material such as Gd is deposited on the main surface of the p-type silicon substrate 41 by electron beam evaporation. 2 O 3 After forming a gate insulating film 42 having a thickness of 5 nm, the film was annealed at 400 ° C. Subsequently, a polycrystalline silicon film and a silicon oxide film were sequentially deposited on the gate insulating film 42 by a CVD method. After a resist pattern (not shown) is formed on the silicon oxide film by photolithography, the silicon oxide film is selectively etched and removed using the resist pattern as a mask to form a 5 μm-wide width on the polycrystalline silicon film. The silicon oxide pattern 43 was formed. Subsequently, the resist pattern was peeled off and the polycrystalline silicon film was selectively etched using the silicon oxide pattern 43 as a mask to form a gate electrode 44 having a width of 5 μm on the gate insulating film 42. Thereafter, arsenic, which is an n-type impurity, is ion-implanted into the p-type silicon substrate 41 through the gate insulating film 42 using the silicon oxide pattern 43 as a mask, thereby electrically connecting each other as shown in FIG. Low concentration n-type region 45 to be isolated 1 , 45 2 Was formed.
[0075]
Next, as shown in FIG. 3B, a silicon nitride film 46 was deposited on the entire surface including the silicon oxide pattern 43. Subsequently, the silicon nitride film 46 was subjected to reactive ion etching. At this time, as shown in FIG. 3C, spacers 47 made of silicon nitride were formed on the side surfaces of the stacked body of the gate electrode 44 and the silicon oxide pattern 43.
[0076]
Next, the silicon substrate 41 on which the spacer 47 was formed was set on the support member 2 in the chamber 1 shown in FIG. Subsequently, the silicon substrate on the support member 2 was cooled by flowing the hollow portion 5 of the support member 2 through the cooling water supply hole 3 and discharging the hollow water through the discharge hole 4. Subsequently, the opening degree of the gate valve 9 of the exhaust pipe 8 was adjusted, and a vacuum pump (not shown) was operated to exhaust the gas in the chamber 1 to a predetermined degree of vacuum. After the degree of vacuum in the chamber 1 is stabilized, the first operation (CF 4 The operation of exposing to a gas atmosphere) and the second operation (operation of irradiating with argon ions) were alternately repeated 10 times. At this time, Gd for the silicon substrate 41 2 O 3 The etching selectivity of the gate insulating film 42 made of is approximately 1.6, and the etching of the surface of the silicon substrate 41 hardly occurs, and the Gd exposed from the silicon oxide pattern 43 and the spacer 47 is formed. 2 O 3 The portion of the gate insulating film 42 made of was removed by etching, and the surface of the silicon substrate 41 was exposed. Subsequently, arsenic is implanted into the silicon substrate 41 through the exposed surface to thereby provide a high-concentration n. + Mold area 48 1 , 48 2 Is formed, the n-type regions 45 electrically isolated from each other as shown in FIG. 1 , 45 2 And n + type region 48 1 , 48 2 , A source 49 and a drain region 50 having a so-called LDD (Lightly doped drain) structure were formed. Thereafter, although not shown, an MIS type semiconductor is formed by forming an interlayer insulating film, opening contact holes, and forming source and drain wirings connected to the source and drain regions through these contact holes, as in the first embodiment. The device was manufactured.
[0077]
The obtained MIS type semiconductor device had high reliability with a fine gate length of 5 μm and no etching of the surfaces of the source and drain regions 49 and 50 having the LDD structure.
[0078]
(Example 3)
A method for manufacturing an n-channel MIS semiconductor device will be described with reference to FIGS.
[0079]
First, an oxide-based high dielectric material such as Gd is deposited on the main surface of the p-type silicon substrate 51 by electron beam evaporation. 2 O 3 After forming a gate insulating film 52 having a thickness of 5 nm made of, annealed at 400 ° C. Subsequently, a polycrystalline silicon film was deposited on the gate insulating film 52 by a CVD method. After a resist pattern (not shown) is formed on the polycrystalline silicon film by photolithography, the polycrystalline silicon film is selectively etched away using the resist pattern as a mask to form a width on the gate insulating film 52. Formed a gate electrode 53 of 5 μm. Subsequently, by using the resist pattern as a mask, arsenic is ion-implanted into the silicon substrate 51 through the gate insulating film 52, so that the n + type source regions 54 electrically separated from each other as shown in FIG. , A drain region 55 was formed.
[0080]
Next, the resist pattern is peeled and removed, and SiO 2 is formed on the gate insulating film 52 including the gate electrode 53. 2 After the formation of the interlayer insulating film 56 made of, a resist pattern was formed as shown in FIG. 4B by applying a resist film, exposing, and developing. Subsequently, the silicon substrate 51 having the resist pattern 57 was set on the support member 2 in the chamber 1 shown in FIG. Subsequently, the silicon substrate on the support member 2 was cooled by flowing the hollow portion 5 of the support member 2 through the cooling water supply hole 3 and discharging the hollow water through the discharge hole 4. Subsequently, the opening degree of the gate valve 9 of the exhaust pipe 8 was adjusted, and a vacuum pump (not shown) was operated to exhaust the gas in the chamber 1 to a predetermined degree of vacuum. After the degree of vacuum in the chamber 1 is stabilized, CF 4 The gas is supplied to the second supply pipe 11, the flow rate is adjusted by the second flow controller 14, the argon gas is supplied to the first supply pipe 10, the flow rate is adjusted by the first flow controller 13, and the gas is supplied through the open pipe 12. CF 4 A gas and an argon gas are supplied into the chamber 1 for 5 minutes, and at the same time, a high frequency power of 13.56 MHz is applied from the high frequency power source 6 to the support member 2 through the matching unit 7, and the mixed plasma is supplied between the support member 2 and the chamber 1. Is generated, the SiO 2 exposed from the resist pattern 57 is formed. 2 Was selectively removed by etching until the underlying gate insulating film 52 was exposed. Thereafter, the first operation (CF 4 The operation of exposing to a gas atmosphere) and the second operation (operation of irradiating with argon ions) were alternately repeated 10 times. At this time, Gd for the silicon substrate 51 2 O 3 The etching selectivity of the gate insulating film 52 made of is approximately 1.6, and almost no etching occurs on the surface of the silicon substrate 51, and Gd exposed from the hole of the interlayer insulating film 56 already etched. 2 O 3 The portion of the gate insulating film 52 made of was removed by etching, and contact holes 58 and 59 were opened as shown in FIG.
[0081]
Then, a wiring material film made of an Al alloy is deposited on the interlayer insulating film 56 including the contact holes 58 and 59 by vacuum deposition and patterned, thereby forming the contact holes 58 and 59 as shown in FIG. Source and drain wirings 60 and 61 connected to the source region 54 and the drain region 55 through 59 were formed to manufacture a MIS type semiconductor device.
[0082]
The obtained MIS type semiconductor device had high reliability with a fine gate length of 5 μm and no etching of the surface of the silicon substrate 51 under the contact holes 58 and 59.
[0083]
(Example 4)
A method for manufacturing an n-channel thin film transistor (TFT) of a liquid crystal display device will be described with reference to FIGS.
[0084]
First, after forming a polycrystalline silicon layer on a glass substrate 71, the polycrystalline silicon layer was patterned to form an island-shaped active layer 72. Subsequently, on the glass substrate 71 including the active layer 72, an oxide-based high dielectric material, for example, Gd 2 O 3 After forming a 5 nm-thick gate insulating film 73 made of, annealed at 400 ° C. Subsequently, a Mo film was deposited on the gate insulating film 73 by a sputtering method. After forming a resist pattern 74 on the Mo film by photolithography, the Mo film is selectively etched away using the resist pattern 74 as a mask, thereby forming the active layer 72 as shown in FIG. A gate electrode 75 having a width of 5 μm was formed on the upper gate insulating film 73.
[0085]
Next, the glass substrate 71 having the resist pattern 74 was set on the support member 2 in the chamber 1 shown in FIG. Subsequently, the silicon substrate on the support member 2 was cooled by flowing the hollow portion 5 of the support member 2 through the cooling water supply hole 3 and discharging the hollow water through the discharge hole 4. Subsequently, the opening degree of the gate valve 9 of the exhaust pipe 8 was adjusted, and a vacuum pump (not shown) was operated to exhaust the gas in the chamber 1 to a predetermined degree of vacuum. After the degree of vacuum in the chamber 1 is stabilized, the first operation (CF 4 The operation of exposing to a gas atmosphere) and the second operation (operation of irradiating with argon ions) were alternately repeated 10 times. At this time, Gd for the active layer 67 made of polycrystalline silicon 2 O 3 The etching selectivity of the gate insulating film 73 made of is approximately 1.6, and the etching of the surface of the active layer 72 hardly occurs. 2 O 3 The gate insulating film 73 made of was removed by etching, and the surface of the active layer 72 was exposed. Subsequently, by implanting arsenic into the active layer 72 through the exposed surface thereof, an n + type source region 76 and a drain region 77 which are electrically separated from each other are formed as shown in FIG. did.
[0086]
Next, the resist pattern 74 is peeled off and the entire surface including the gate electrode 75 is covered with SiO 2. 2 After an interlayer insulating film 78 made of is formed, the interlayer insulating film 78 is selectively etched away using a resist pattern (not shown) as a mask, thereby forming the source and drain regions 76 and 77 as shown in FIG. Contact holes 79 and 80 were opened in the portion of the interlayer insulating film 78 corresponding to. Subsequently, a wiring material film made of an Al alloy is deposited on the interlayer insulating film 78 including the contact holes 79 and 80 by vacuum deposition and patterned, thereby forming the contact holes as shown in FIG. Source and drain wirings 81 and 82 connected to the source region 76 and the drain region 77 through 79 and 80 were formed to manufacture a TFT of a liquid crystal display device.
[0087]
The obtained TFT had a very small gate length of 5 μm and had high reliability because the surfaces of the source and drain regions 66 and 67 were not etched.
[0088]
【The invention's effect】
As described above in detail, according to the present invention, it is possible to increase the etching selectivity between the high-dielectric gate insulating film and the underlying silicon layer so that impurities can be removed without excessively etching the silicon layer. It is possible to provide a method of manufacturing a highly integrated and highly reliable MIS semiconductor device capable of forming an injection window, a contact hole, and the like.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic diagram showing an RIE apparatus used in an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a sectional view showing a manufacturing process of the n-channel MIS semiconductor device according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a sectional view illustrating a manufacturing process of an n-channel MIS semiconductor device according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a sectional view showing a manufacturing process of an n-channel MIS semiconductor device according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a sectional view showing a manufacturing process of an n-channel TFT according to a fourth embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
1 ... chamber,
2. Support member,
6 ... High frequency power supply,
8 ... exhaust pipe,
10, 11 ... gas supply pipe,
16 ... plasma,
21, 41, 51 ... silicon substrate,
22, 42, 52, 73 ... gate insulating film,
24, 44, 53, 75 ... gate electrode,
25, 49, 54, 76 ... source areas,
26, 50, 55, 77 ... drain regions,
27, 56, 78 ... interlayer insulating film,
71 ... glass substrate,
72 ... Active layer.

Claims (6)

シリコン層に酸化物系高誘電体材料からなるゲート絶縁膜を形成する工程と、
前記ゲート絶縁膜上にゲート電極材料膜を形成し、このゲート電極材料膜上に所定のエッチングマスクを形成した後、このエッチングマスクから露出する前記ゲート電極材料膜を選択的にエッチング除去することによりゲート電極を形成する工程と、
プラズマエッチング装置内に前記エッチングマスクを有するシリコン層を設置し、前記エッチングマスクから露出する前記ゲート絶縁膜をフッ化炭素系ガス雰囲気に曝す操作と希ガスイオンの照射プラズマ雰囲気に曝す操作とを交互に繰り返して前記エッチングマスクから露出する前記ゲート絶縁膜部分を除去して前記シリコン層表面を選択的に露出する工程と
前記シリコン層に導電性を与える不純物をその露出表面を通して注入することにより互いに電気的に分離されたソース、ドレイン領域を形成する工程と
を含むことを特徴とするMIS型半導体装置の製造方法。
Forming a gate insulating film made of an oxide-based high dielectric material on the silicon layer;
Forming a gate electrode material film on the gate insulating film, forming a predetermined etching mask on the gate electrode material film, and selectively etching away the gate electrode material film exposed from the etching mask. Forming a gate electrode;
An operation of exposing a silicon layer having the etching mask in a plasma etching apparatus and exposing the gate insulating film exposed from the etching mask to a fluorocarbon-based gas atmosphere and an operation of exposing to a rare gas ion-irradiated plasma atmosphere is alternately performed. The step of selectively exposing the surface of the silicon layer by removing the portion of the gate insulating film exposed from the etching mask and the step of implanting an impurity imparting conductivity to the silicon layer through the exposed surface to thereby electrically connect the silicon layer to each other. Forming a source and drain region which are separated from each other.
シリコン層に酸化物系高誘電体材料からなるゲート絶縁膜を形成する工程と、
前記ゲート絶縁膜上にゲート電極材料膜を形成し、このゲート電極材料膜上に絶縁材料からなる所定のマスクを形成した後、このマスクから露出する前記ゲート電極材料膜を選択的にエッチング除去することによりゲート電極を形成する工程と、
導電性を与える不純物を前記マスクを除く前記シリコン層にゲート絶縁膜を通してイオン注入することにより低濃度の不純物領域を形成する工程と、
前記マスクを含む全面に前記ゲート絶縁膜に対して選択エッチング性を有する絶縁材料からなる被膜を形成した後、被膜にリアクティブイオンエッチングを施して前記ゲート電極および前記マスクの側面にスペーサを形成する工程と、
プラズマエッチング装置内に前記マスクおよびスペーサを有するシリコン層を設置し、前記マスクおよびスペーサから露出する前記ゲート絶縁膜をフッ化炭素系ガス雰囲気に曝す操作と希ガスイオンの照射プラズマ雰囲気に曝す操作とを交互に繰り返して前記マスクおよびスペーサから露出する前記ゲート絶縁膜部分を除去して前記シリコン層表面を選択的に露出する工程と
前記シリコン層に導電性を与える不純物をその露出表面を通して注入して高濃度の不純物領域を形成することにより互いに電気的に分離された低濃度、高濃度の領域からなるソース、ドレイン領域を形成する工程と
を含むことを特徴とするMIS型半導体装置の製造方法。
Forming a gate insulating film made of an oxide-based high dielectric material on the silicon layer;
A gate electrode material film is formed on the gate insulating film, a predetermined mask made of an insulating material is formed on the gate electrode material film, and the gate electrode material film exposed from the mask is selectively etched away. Forming a gate electrode by
Forming a low-concentration impurity region by ion-implanting an impurity imparting conductivity through the gate insulating film into the silicon layer excluding the mask;
After forming a film made of an insulating material having a selective etching property with respect to the gate insulating film over the entire surface including the mask, reactive ion etching is performed on the film to form spacers on the side surfaces of the gate electrode and the mask. Process and
An operation in which a silicon layer having the mask and the spacer is provided in a plasma etching apparatus, and an operation of exposing the gate insulating film exposed from the mask and the spacer to a fluorocarbon-based gas atmosphere and an operation of exposing to a rare gas ion-irradiated plasma atmosphere Alternately repeating the step of selectively exposing the silicon layer surface by removing the gate insulating film portion exposed from the mask and the spacer, and implanting impurities imparting conductivity to the silicon layer through the exposed surface. Forming a source and drain region composed of low-concentration and high-concentration regions electrically separated from each other by forming high-concentration impurity regions. .
シリコン層に酸化物系高誘電体材料からなるゲート絶縁膜を形成する工程と、
前記ゲート絶縁膜上にゲート電極を形成する工程と、
前記シリコン層に互いに電気的に分離されたソース、ドレイン領域を形成する工程と、
前記ゲート電極を含む前記ゲート絶縁膜上に層間絶縁膜を形成した後、所定のエッチングマスクを形成する工程と、
プラズマエッチング装置内に前記エッチングマスクを有するシリコン層を設置し、前記エッチングマスクから露出する前記層間絶縁膜をその下地のゲート絶縁膜が露出するまで選択的にエッチング除去した後、フッ化炭素系ガス雰囲気に曝す操作と希ガスイオンの照射プラズマ雰囲気に曝す操作とを交互に繰り返して前記層間絶縁膜のエッチィング穴から露出するゲート絶縁膜を選択的にエッチングすることによりコンタクトホールを開口する工程と
を含むことを特徴とするMIS型半導体装置の製造方法。
Forming a gate insulating film made of an oxide-based high dielectric material on the silicon layer;
Forming a gate electrode on the gate insulating film;
Forming source and drain regions electrically isolated from each other in the silicon layer;
After forming an interlayer insulating film on the gate insulating film including the gate electrode, forming a predetermined etching mask,
A silicon layer having the etching mask is provided in a plasma etching apparatus, and the interlayer insulating film exposed from the etching mask is selectively removed by etching until the underlying gate insulating film is exposed. Opening a contact hole by selectively etching the gate insulating film exposed from the etching hole of the interlayer insulating film by alternately repeating an operation of exposing to an atmosphere and an operation of exposing to a rare gas ion irradiation plasma atmosphere; A method for manufacturing a MIS type semiconductor device, comprising:
前記シリコン層は、不純物を含むシリコン基板であることを特徴とする請求項1ないし3いずれか記載のMIS型半導体装置の製造方法。4. The method according to claim 1, wherein the silicon layer is a silicon substrate containing impurities. 前記シリコン層は、透明絶縁基板上に形成された多結晶シリコン層であることを特徴とする請求項1ないし3いずれか記載のMIS型半導体装置の製造方法。4. The method according to claim 1, wherein the silicon layer is a polycrystalline silicon layer formed on a transparent insulating substrate. フッ化炭素系ガスは、CガスまたはCガスであることを特徴とする請求項1ないし5いずれか記載のMIS型半導体装置の製造方法。Fluorocarbon-based gas, C x F y gas or C x H y F z manufacturing method of the MIS-type semiconductor device of claims 1 to 5, wherein any one, characterized in that a gas.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2007201215A (en) * 2006-01-27 2007-08-09 Toshiba Corp Plasma etching device, plasma etching method, and manufacturing method for semiconductor device
JP2013130603A (en) * 2011-12-20 2013-07-04 Konica Minolta Business Technologies Inc Electrophotographic photoreceptor

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2007201215A (en) * 2006-01-27 2007-08-09 Toshiba Corp Plasma etching device, plasma etching method, and manufacturing method for semiconductor device
JP2013130603A (en) * 2011-12-20 2013-07-04 Konica Minolta Business Technologies Inc Electrophotographic photoreceptor

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