【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体装置の微細加工に用いるドライエッチング方法に関し、より詳しくは、金属化合物膜ならびに金属化合物膜とケイ素化合物膜との積層膜をエッチングするドライエッチング方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体素子の高集積化が進むにつれて、半導体素子を構成する微細パターンの線幅は減少しつつある。しかし、線幅の減少は、特に導電層パターンにおける抵抗を増大させて作動速度を低下させるなどの問題を引き起こす。したがって、近年は、ゲート電極またはビットラインなどの導電層の抵抗を減らすために、ポリシリコン膜および高融点を有する金属膜もしくは金属シリサイド膜の積層膜を用いている。
【０００３】
一方、絶縁表面を有する基板上に形成された厚さが数ｎｍから数百ｎｍ程度の半導体薄層を用いて薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）を構成する技術が注目されている。ＴＦＴはＩＣまたは電気光学装置のような電子デバイスに広く利用され、特に画像表示装置のスイッチング素子として実用化されている。
【０００４】
従来、ＴＦＴの配線材料には、加工のしやすさ、電気抵抗率の低さなどから、アルミニウム（Ａｌ）が用いられている。しかし、ＡｌをＴＦＴの配線に用いた場合、熱処理によるヒロックまたはウィスカーなどの突起物の形成ならびにＡｌ原子のチャネル形成領域への拡散により、ＴＦＴの作動不良または特性低下を引き起こしていた。そのため、ＡｌにＳｉ、Ｃｕなどを添加したり、高融点金属をキャップ層として用いたりする他、プロセスの低温化が図られてきている。
【０００５】
しかし、高温を要するプロセスもあり、Ａｌ以外の配線材料としては、バルクの比抵抗率が低く、高融点の材料が望まれる。かかる材料として、たとえばタングステン（Ｗ）（バルク比抵抗率は５．５μΩ・ｃｍ、融点は３４００℃）が挙げられる。
【０００６】
また、液晶ディスプレイにおいても、半導体素子における微細加工技術と同様に、高精度化および大画面化に伴い、配線の加工工程において、厳しい線幅の制御とともに高いエッチング選択比が求められている。特に、配線の微細加工が進むにつれて、ゲート電極などの配線材料として用いられているＡｌまたはＷなどの導電層とＳｉＯ２などのゲート絶縁層との更なる高選択比を実現するプロセスが求められている。
【０００７】
たとえば、Ｗ膜およびその下地のゲート酸化膜の２層膜の部分と、一部下地のゲート酸化膜が露出した部分とが存在する基板において、Ｗ膜厚を３００ｎｍ、ゲート酸化膜を５０ｎｍとすると、露出したゲート酸化膜を完全にエッチングするまでにＷ膜を完全にエッチングするためには、エッチング選択比Ｗ／ＳｉＯ２は６以上が必要である。
【０００８】
一般に、配線の加工は、溶液を用いるウェットエッチングまたはプラズマ励起されたガスを用いるドライエッチングにより行なうことができるが、配線の微細化、再現性確保、廃棄物の削減およびコスト低減などの観点から、ドライエッチングが主流になると考えられる。
【０００９】
Ｗなどの高融点材料をドライエッチングする場合、ドライエッチングガスとしては、ＳＦ６ガスとＣｌ２ガスとの混合ガスを用いることが提案されている（たとえば、特許文献１参照。）。
【００１０】
特許文献１に開示されているように、図１０に、ケイ素基板上に形成したＷ膜をフォトレジストを用いて反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）をする従来の工程図を示す。かかる工程は、図１０（ａ）に示すように、ケイ素基板１０１上に厚さ３００ｎｍのタングステン（Ｗ）膜１０２を直流スパッタリングにより堆積した後、タングステン（Ｗ）膜１０２上に厚さ１．０μｍのフォトレジスト膜１０３を塗布する。次に、図１０（ｂ）に示すように、フォトレジスト膜１０３をステッパーなどを用いてＵＶ照射し、図１０（ｃ）に示すように、所望のサイズにパターニングした後、図１０（ｄ）に示すように、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）を行うというものである。
【００１１】
特許文献１には、エッチングガスとしてはＳＦ６ガスとＣｌ２ガスとの混合ガスを用い、ＲＩＥ用装置としては放電励起周波数が１３．５６ＭＨｚの平行平板型装置を用い、該エッチング方法を用いることによって、タングステン（Ｗ）膜１０２にサイドエッチングが生じることがない異方性形状を得ることが可能であると記載されている。また、塩素系ガスを用いずにフッ素系ガスを用いるとレジスト下部パターンへのサイドエッチングが発生することも報告されている。
【００１２】
一方、タングステン（Ｗ）膜を全面エッチバックしてコンタクトプラグを形成する方法が提案されている（たとえば、特許文献２参照。）。
【００１３】
特許文献２に開示されているように、図１１に、タングステン（Ｗ）膜を全面エッチバックしてコンタクトプラグを形成する従来の工程図を示す。図１１（ａ）に示すように、ケイ素基板上の酸化ケイ素（ＳｉＯ２）膜１１１に形成されたコンタクトホール１１２の内壁にＴｉＮ、ＴｉＷなどの耐熱性金属膜１１３を成膜し、さらに該プラグ用孔が埋まるまで全面にタングステン（Ｗ）膜１１４を形成する。次に、図１１（ｂ）に示すように、ナローギャップ型ドライエッチング装置を用いて、タングステン（Ｗ）膜１１４の全厚さの７０％のエッチングを行なう。その際のエッチングガスとしてＳＦ６、Ｏ２、Ｈｅなどを用いる。さらに、図１１（ｃ）に示すように、同様のエッチング装置を用いて残りのタングステン（Ｗ）膜１１４をエッチングし、コンタクトホール１１２を表面に露出させる。その際のエッチングガスとしてＳＦ６、Ｃｌ２、Ｈｅなどを用いる。最後に、図１１（ｄ）に示すように、ＣｌとＨｅの混合ガスを用いてタングステン（Ｗ）膜１１４の下層膜である耐熱性金属膜１１３をエッチングしてコンタクトプラグを形成するというものである。
【００１４】
【特許文献１】
特開平２−３４９２０号公報
【００１５】
【特許文献２】
特開平３−１６１９３０号公報
【００１６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、特許文献１におけるタングステン（Ｗ）膜をエッチングする方法のようなエッチング条件では、ＷのＳｉＯ２に対する選択比は２倍〜５倍程度であり、ゲート酸化膜上に成膜したタングステンなどの金属膜をエッチングする際に、下地の酸化膜をオーバーエッチングするという弊害を引き起こす。また、半導体装置のさらなる特性向上には、ゲート酸化膜のさらなる薄膜化が必要であるが、かかる薄膜化によりＷとＳｉＯ２の高選択比が求められる。
【００１７】
また、特許文献２におけるエッチング方法では、図１１（ｂ）に示される第１段階目のエッチングのエッチングガスに、フッ素系ガスによるサイドエッチングを抑制するための塩素系ガスを含んでいないため、タングステン（Ｗ）膜のサイドエッチングが生じやすく、寸法制御が困難で安定性にかけるという問題がある。
【００１８】
上記弊害または問題を解決するために、本発明は、ケイ素化合物膜を下地膜とした高融点金属化合物膜をエッチングする場合において、サイドエッチングを生じさせずに下地のケイ素化合物膜に対する高融点金属化合物膜のエッチング選択比が大きいエッチング方法を提供することを目的とする。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明にかかるドライエッチング方法は、エッチングガスとして、少なくともＳＦ６、Ｃｌ２、Ｏ２を用い、ＳＦ６とＣｌ２との流量比をＳＦ６：Ｃｌ２＝１：１〜２：１、総流量に対するＯ２流量比を３０％〜４０％とし、被エッチング物としてケイ素化合物膜を下地膜とした高融点金属化合物膜を用いることを特徴とする。ここで、マイクロ波を用いてエッチングガスを励起することが好ましく、マイクロ波励起周波数が２ＧＨｚ〜３ＧＨｚであることがさらに好ましい。また、高融点金属化合物膜が金属元素として少なくともＷ、Ｔａ、Ｔｉのいずれかを含み、金属以外の元素を含む場合には金属以外の元素として少なくともＣ、Ｓｉ、Ｂ、Ｎのいずれかを含むことが好ましい。また、基板バイアス電力密度を６．０Ｗ／ｍ２以下とすることが好ましい。
【００２０】
【発明の実施の形態】
本発明にかかるドライエッチング方法は、エッチングガスとして、少なくともＳＦ６、Ｃｌ２、Ｏ２を用い、ＳＦ６とＣｌ２との流量比をＳＦ６：Ｃｌ２＝１：１〜２：１、総流量に対するＯ２流量比を３０％〜４０％とし、被エッチング物としてケイ素化合物膜を下地膜とした高融点金属化合物膜を用いることを特徴とする。かかるエッチング条件を採用することにより、サイドエッチングを生じさせずに下地のケイ素化合物膜に対する高融点金属化合物膜のエッチング選択比を従来以上に向上させることができるからである。
【００２１】
本発明にかかるドライエッチング方法の実施の形態について、図面に基づいて説明する。図１は、本発明にかかるエッチング方法を説明するための素子基板断面の概略図である。図１に示すように、該素子基板は、基板１１表面上に絶縁膜としてケイ素化合物膜１２が、ケイ素化合物膜１２表面上に導電膜として高融点金属化合物膜１３が積層された構造を有する。ここで、ケイ素化合物膜１２は、ＳｉＯ２、ＳｉＮｘもしくはＳｉＯＮなどの絶縁性のケイ素化合物からなり、スパッタリング法または化学気相成長法（ＣＶＤ）を用いて形成される。高融点金属化合物膜１３は、Ｔａ、ＴｉまたはＷなどの高融点金属またはそれらの高融点金属とＣ、Ｓｉ、ＢまたはＮとの化合物からなり、スパッタリング法を用いて膜厚４００ｎｍ程度に形成される。さらに、該素子の全面にフォトレジスト膜１４を塗布し、該レジストを１００℃〜１５０℃でベーキングを行ない、次いでステッパーを用いてパターニングを行なった後に、ドライエッチングを行なう。
【００２２】
ドライエッチングを行なう方法は、特に制限はなく、円筒型、平行平板型またはマイクロ波型の各種のドライエッチング装置を用いることができる。これらの中で、マイクロ波を用いてエッチングガスを励起することを特徴とするマイクロ波型エッチング装置を用いることが好ましい。マイクロ波型の場合、プラズマ励起箇所がチャンバー上部に設けられた誘電体付近であるため、基板付近で加速されるイオン量が他の型のものに比べて少ないことから、被エッチング物のイオンダメージが少なく、基板上に形成された半導体素子の性能劣化が軽減されるからである。
【００２３】
図２に、本発明の一の実施形態に関わるマイクロ波型エッチング装置の概略図を示す。マイクロ波型エッチング装置は、チャンバー２５の上部にガス供給機構２４およびマイクロ波導入窓２２が設けられており、ガス供給機構２４から供給されたエッチングガスを、マイクロ波導入窓２２から導入されたマイクロ波によってプラズマ化させ、かかるプラズマを用いてチャンバー２５内部に設置された下部電極２３上に置かれた半導体素子２１をエッチングする装置である。
【００２４】
かかるマイクロ波型エッチング装置を用いて、エッチングガスにはＳＦ６、Ｃｌ２、Ｏ２およびＡｒを用いて、図１において絶縁膜であるケイ素化合物膜１２としてＳｉＯ２を、導電膜である高融点金属化合物１３としてＷを用いた積層膜を被エッチング物として、エッチング条件の検討を行なった。
【００２５】
図３に、Ｃｌ２／（ＳＦ６＋Ｃｌ２）流量比に対するＷ単膜もしくはＳｉＯ２単膜のエッチング速度またはＷ／（ＳｉＯ２）選択比の関係を示す。また、図３上部にＳＦ６流量とＣｌ２流量の比（ＳＦ６流量：Ｃｌ２流量）を示す。ここで、Ｏ２流量は５６ｓｃｃｍ（標準ｃｍ３／ｍｉｎ）に、Ａｒ流量は１１３ｓｃｃｍに固定した。なお、ガス圧はいずれも２．０Ｐａとした。ＳＦ６流量：Ｃｌ２流量を２：１から１：１にすると、ＷとＳｉＯ２両者のエッチング速度は低下したが、ＳｉＯ２のエッチング速度の低下率が大きいためＷ／ＳｉＯ２選択比は大きくなった。さらに、ＳＦ６流量：Ｃｌ２流量を１：２とすると、Ｗ膜表面に反応性生物が析出したため、Ｗのエッチング速度を測定することができなかった。したがって、図３においては、ＳＦ６流量：Ｃｌ２流量が１：１のときにＷ／ＳｉＯ２選択比は最大値５．３となった。
【００２６】
図４に、Ｏ２／（ＳＦ６＋Ｃｌ２＋Ｏ２）流量比に対するＷ単膜もしくはＳｉＯ２単膜のエッチング速度またはＷ／（ＳｉＯ２）選択比の関係を示す。ここで、Ａｒ流量は１１３ｓｃｃｍに固定した。なお、ガス圧はいずれも２．０Ｐａとした。また、基板バイアス電力は０Ｗ（電力密度：０Ｗ／ｍ２）とした。Ｏ２流量比率が３０％から０％に低下すると、ＳｉＯ２のエッチング速度は増大、Ｗのエッチング速度は減少して、Ｗ／ＳｉＯ２選択比は低下した。
【００２７】
図５に、基板バイアス電力を５００Ｗ（電力密度：３０．２Ｗ／ｍ２）としたときのＯ２／（ＳＦ６＋Ｃｌ２＋Ｏ２）流量比に対するＷ単膜もしくはＳｉＯ２単膜のエッチング速度またはＷ／（ＳｉＯ２）選択比の関係を示す。ここで、Ａｒ流量は１１３ｓｃｃｍに固定した。なお、ガス圧はいずれも２．０Ｐａとした。Ｏ２流量比率が４０％以下ではＷのエッチング速度がほとんど低下しない（２５０〜３００ｎｍ／ｍｉｎ）のに対し、Ｏ２流量比率が５０％になるとＷのエッチング速度は１８０ｎｍ／ｍｉｎと急激に低下した。
【００２８】
図４および図５から、従来に比べ高いＷ／（ＳｉＯ２）選択比を発現するＯ２流量比率は、３０％〜４０％であることがわかる。また、図３〜図５の検討において、ＳＦ６とＣｌ２の流量比を１：１とし、ＳＦ６、Ｃｌ２およびＯ２の総流量に対するＯ２流量比率を３０％とし、基板バイアス電力を０Ｗとすることにより、Ｗ／（ＳｉＯ２）選択比５．３を得た。
【００２９】
図６に、ＳＦ６、Ｃｌ２およびＯ２の総流量に対するＷ単膜もしくはＳｉＯ２単膜のエッチング速度またはＷ／（ＳｉＯ２）選択比の関係を示す。ここで、ＳＦ６流量：Ｃｌ２流量は１：１、ＳＦ６、Ｃｌ２およびＯ２の総流量に対するＯ２流量比率は３０％、Ａｒ流量は５０〜６０ｓｃｃｍとした。なお、ガス圧はいずれも２．０Ｐａとした。また、基板バイアス電力は印加しなかった（０Ｗ）。ＳＦ６、Ｃｌ２およびＯ２の総流量の増加に伴い、Ｗのエッチング速度は単調に増大したのに対し、ＳｉＯ２のエッチング速度はほぼ一定であったため、Ｗ／（ＳｉＯ２）選択比が増大した。ＳＦ６、Ｃｌ２およびＯ２の総流量を３００ｓｃｃｍまで増加させることにより、Ｗ／（ＳｉＯ２）選択比＝６．０という高い選択比が得られた。ＳＦ６、Ｃｌ２およびＯ２の総流量をさらに増加させることにより、６．０以上の高Ｗ／（ＳｉＯ２）選択比を得ることが予想される。
【００３０】
図７に、Ａｒガス流量に対するＷ単膜もしくはＳｉＯ２単膜のエッチング速度またはＷ／（ＳｉＯ２）選択比の関係を示す。ここで、ＳＦ６、Ｃｌ２およびＯ２の総流量は３００ｓｃｃｍであり、ＳＦ６流量：Ｃｌ２流量：Ｏ２流量＝１：１：０．９で、ガス圧はいずれも２．０Ｐａであった。また、基板バイアスは印加しなかった（０Ｗ）。Ａｒ流量量を６５ｓｃｃｍから１１３ｓｃｃｍに変化させると、Ｗ／（ＳｉＯ２）選択比は４．５から５．２に上昇した。
【００３１】
図８に、基板バイアス電力に対するＷ単膜もしくはＳｉＯ２単膜のエッチング速度またはＷ／（ＳｉＯ２）選択比の関係を示す。ここで、ＳＦ６流量：Ｃｌ２流量＝１：１、ＳＦ６、Ｃｌ２およびＯ２の総流量に対するＯ２総流量は３０％、Ａｒ流量は１１３ｓｃｃｍであった。基板バイアス電力を、０Ｗ（電力密度：０Ｗ／ｍ２）、１００Ｗ（電力密度：６．０Ｗ／ｍ２）、５００Ｗ（電力密度：３０．２Ｗ／ｍ２）と変化させると、Ｗのエッチング速度は低下しＳｉＯ２のエッチング速度は増大したため、Ｗ／（ＳｉＯ２）選択比は低下した。図８から、従来に比べ高いＷ／ＳｉＯ２選択比を満たす基板バイアス電力は１００Ｗ（電力密度は６．０Ｗ／ｍ２）以下であることがわかる。
【００３２】
図９に、電極間距離に対するＷ単膜もしくはＳｉＯ２単膜のエッチング速度またはＷ／（ＳｉＯ２）選択比の関係を示す。ここで、ＳＦ６流量：Ｃｌ２流量＝１：１、ＳＦ６、Ｃｌ２およびＯ２の総流量に対するＯ２総流量は３０％、Ａｒ流量は５０ｓｃｃｍ、ガス圧はいずれも２．０Ｐａであった。電極間距離を２２０ｎｍから３００ｎｍに拡張するとＷのエッチング速度が増大しＳｉＯ２のエッチング速度が低下するためＷ／（ＳｉＯ２）選択比は増大し、さらに電極間距離を３００ｎｍから４５０ｎｍに拡張すると基板に到達する活性種（イオン、ラジカル）の総量が低下するためＷ／（ＳｉＯ２）選択比は低下した。図９から、従来に比べ高いＷ／ＳｉＯ２選択比を満たす電極間距離は２５０ｎｍ〜３５０ｎｍであることがわかる。
【００３３】
図３〜図９の検討において、ＳＦ６とＣｌ２の流量比を１：１とし、ＳＦ６、Ｃｌ２およびＯ２の総流量に対するＯ２総流量を３０％、ＳＦ６、Ｃｌ２およびＯ２の総流量を３００ｓｃｃｍ、基板バイアス電力を０Ｗとすることにより、Ｗ／（ＳｉＯ２）選択比が６．０に向上した。
【００３４】
また、上記の本発明の実施形態において、従来以上のＷ／（ＳｉＯ２）選択比が５．０以上のエッチング条件においては、いずれの場合もサイドエッチングは生じなかった。高Ｗ／（ＳｉＯ２）選択比に加えて、エッチングガス中にＣｌ２が含まれていることによりＷのエッチング面に保護膜が形成され、オーバーエッチに対するサイドエッチングを低減したためと考えられる。
【００３５】
本発明にかかるドライエッチング方法において、被エッチング物であるケイ素化合物膜を下地膜とした高融点金属化合物膜が、金属元素として少なくともＷ、Ｔａ、Ｔｉのいずれかを含むことが好ましい。これらの金属元素が含有されていることにより特性に優れた高融点金属化合物膜が形成されるからである。
【００３６】
また、上記高融点金属化合物膜が、さらに金属以外の元素としてＣ、Ｓｉ、Ｂ、Ｎのいずれかを含むことがさらに好ましい。Ｗ、Ｔａ、Ｔｉなどの高融点金属とＣ、Ｓｉ、Ｂ、Ｎなどの元素の組み合わせにより効率良く半導体素子を形成することができるからである。
【００３７】
本発明におけるドライエッチング方法において、基板バイアス電力密度を６．０Ｗ／ｍ２以下とすることは、Ｗ／（ＳｉＯ２）選択比を向上させる観点から、好ましい。
【００３８】
また、ドライエッチング方法として、マイクロ波を用いてエッチングガスを励起することを特徴とするマイクロ波型エッチング装置を用いる場合は、マイクロ波励起周波数が２ＧＨｚ〜３ＧＨｚであることが好ましい。かかる周波数帯で励起したプラズマは、ガス圧、投入パワーなどのパラメーターを調節することにより、幅広いプロセス制御ができるからである。また、かかる周波数帯で励起されたプラズマによるエッチング処理ではサイドエッチは生じなかった。
【００３９】
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した説明でなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内のすべての変更が含まれることが意図される。
【００４０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、エッチングガスとして、少なくともＳＦ６、Ｃｌ２、Ｏ２を用い、ＳＦ６とＣｌ２との流量比がＳＦ６：Ｃｌ２＝１：１〜２：１、総流量に対するＯ２流量比が３０％〜４０％のエッチング条件を用いることにより、タングステン（Ｗ）などの高融点金属膜のドライエッチング方法において、サイドエッチングが発生せず、下地膜に用いられるケイ素化合物膜などに対し選択性の優れたエッチングができるという効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明にかかるエッチング方法を説明するための素子基板断面の概略図である。
【図２】本発明の一の実施形態に関わるマイクロ波型エッチング装置の概略図である。
【図３】Ｃｌ２／（ＳＦ６＋Ｃｌ２）流量比に対するＷ単膜もしくはＳｉＯ２単膜のエッチング速度またはＷ／（ＳｉＯ２）選択比の関係を示す図である。
【図４】Ｏ２／（ＳＦ６＋Ｃｌ２＋Ｏ２）流量比に対するＷ単膜もしくはＳｉＯ２単膜のエッチング速度またはＷ／（ＳｉＯ２）選択比の関係を示す図である。
【図５】基板バイアス電力を５００Ｗ（電力密度：３０．２Ｗ／ｍ２）としたときのＯ２／（ＳＦ６＋Ｃｌ２＋Ｏ２）流量比に対するＷ単膜もしくはＳｉＯ２単膜のエッチング速度またはＷ／（ＳｉＯ２）選択比の関係を示す図である。
【図６】ＳＦ６、Ｃｌ２およびＯ２の総流量に対するＷ単膜もしくはＳｉＯ２単膜のエッチング速度またはＷ／（ＳｉＯ２）選択比の関係を示す図である。
【図７】Ａｒガス流量に対するＷ単膜もしくはＳｉＯ２単膜のエッチング速度またはＷ／（ＳｉＯ２）選択比の関係を示す図である。
【図８】基板バイアス電力に対するＷ単膜もしくはＳｉＯ２単膜のエッチング速度またはＷ／（ＳｉＯ２）選択比の関係を示す図である。
【図９】電極間距離に対するＷ単膜もしくはＳｉＯ２単膜のエッチング速度またはＷ／（ＳｉＯ２）選択比の関係を示す図である。
【図１０】ケイ素基板上に形成したＷ膜をフォトレジストを用いて反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）をする従来の工程図である。
【図１１】タングステン（Ｗ）膜を全面バックエッチしてコンタクトプラグを形成する従来の工程図である。
【符号の説明】
１１ 基板、１２ ケイ素化合物膜、１３ 高融点金属化合物膜、１４レジスト膜、２１ 半導体素子、２２ マイクロ波導入窓、２３ 下部電極、２４ ガス供給機構、２５ チャンバー、１０１ ケイ素基板、１０２，１１４ タングステン膜、１０３ フォトレジスト膜、１１１ 酸化ケイ素膜、１１２ コンタクトホール、１１３ 耐熱性金属膜。[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a dry etching method used for microfabrication of a semiconductor device, and more particularly, to a dry etching method for etching a metal compound film and a stacked film of a metal compound film and a silicon compound film.
[0002]
[Prior art]
2. Description of the Related Art As semiconductor devices become more highly integrated, the line width of fine patterns constituting the semiconductor devices is decreasing. However, the reduction in the line width causes problems such as increasing the resistance in the conductive layer pattern and reducing the operation speed. Therefore, in recent years, a stacked film of a polysilicon film and a metal film or a metal silicide film having a high melting point is used to reduce the resistance of a conductive layer such as a gate electrode or a bit line.
[0003]
On the other hand, a technique of forming a thin film transistor (TFT) using a thin semiconductor layer having a thickness of about several nm to several hundred nm formed on a substrate having an insulating surface has been attracting attention. TFTs are widely used in electronic devices such as ICs and electro-optical devices, and are particularly used as switching elements in image display devices.
[0004]
Conventionally, aluminum (Al) has been used as a wiring material for a TFT because of its ease of processing and low electrical resistivity. However, when Al is used for the wiring of the TFT, the formation of protrusions such as hillocks or whiskers due to the heat treatment and the diffusion of Al atoms into the channel formation region have caused the TFT to malfunction or deteriorate its characteristics. Therefore, in addition to adding Si, Cu, or the like to Al, using a high-melting-point metal as a cap layer, the process has been reduced in temperature.
[0005]
However, some processes require a high temperature, and as a wiring material other than Al, a material having a low bulk resistivity and a high melting point is desired. An example of such a material is tungsten (W) (having a bulk resistivity of 5.5 μΩ · cm and a melting point of 3400 ° C.).
[0006]
Also in liquid crystal displays, as in the case of fine processing technology for semiconductor devices, with the increase in precision and screen size, strict control of line width and high etching selectivity are required in wiring processing steps. In particular, as the fine processing of wiring progresses, a process for realizing a higher selectivity between a conductive layer such as Al or W used as a wiring material such as a gate electrode and a gate insulating layer such as SiO 2 is required. ing.
[0007]
For example, in a substrate having a two-layer film portion of a W film and an underlying gate oxide film and a portion where the underlying gate oxide film is partially exposed, if the W film thickness is 300 nm and the gate oxide film is 50 nm, In order to completely etch the W film until the exposed gate oxide film is completely etched, the etching selectivity W / SiO 2 needs to be 6 or more.
[0008]
In general, processing of wiring can be performed by wet etching using a solution or dry etching using a plasma-excited gas, but from the viewpoint of miniaturization of wiring, securing reproducibility, reduction of waste and cost reduction, etc. It is thought that dry etching will be the mainstream.
[0009]
When dry etching a high melting point material such as W, it has been proposed to use a mixed gas of SF 6 gas and Cl 2 gas as a dry etching gas (for example, see Patent Document 1).
[0010]
FIG. 10 shows a conventional process diagram in which a W film formed on a silicon substrate is subjected to reactive ion etching (RIE) using a photoresist as disclosed in Patent Document 1. In this step, as shown in FIG. 10A, after a tungsten (W) film 102 having a thickness of 300 nm is deposited on a silicon substrate 101 by DC sputtering, a 1.0 μm thick film is formed on the tungsten (W) film 102. Of a photoresist film 103 is applied. Next, as shown in FIG. 10B, the photoresist film 103 is irradiated with UV using a stepper or the like, and is patterned into a desired size as shown in FIG. As shown in FIG. 2, reactive ion etching (RIE) is performed.
[0011]
In Patent Document 1, a mixed gas of SF 6 gas and Cl 2 gas is used as an etching gas, and a parallel plate type device having a discharge excitation frequency of 13.56 MHz is used as an RIE device, and the etching method is used. It is described that it is possible to obtain an anisotropic shape in which side etching does not occur in the tungsten (W) film 102. It has also been reported that when a fluorine-based gas is used instead of a chlorine-based gas, side etching occurs in the lower pattern of the resist.
[0012]
On the other hand, a method of forming a contact plug by etching back a tungsten (W) film over the entire surface has been proposed (for example, see Patent Document 2).
[0013]
FIG. 11 shows a conventional process diagram for forming a contact plug by etching back the entire surface of a tungsten (W) film as disclosed in Patent Document 2. As shown in FIG. 11A, a heat-resistant metal film 113 such as TiN or TiW is formed on the inner wall of a contact hole 112 formed in a silicon oxide (SiO 2 ) film 111 on a silicon substrate. A tungsten (W) film 114 is formed on the entire surface until the holes are filled. Next, as shown in FIG. 11B, etching of 70% of the total thickness of the tungsten (W) film 114 is performed using a narrow gap type dry etching apparatus. At that time, SF 6 , O 2 , He, or the like is used as an etching gas. Further, as shown in FIG. 11C, the remaining tungsten (W) film 114 is etched by using a similar etching apparatus to expose the contact hole 112 on the surface. At that time, SF 6 , Cl 2 , He, or the like is used as an etching gas. Finally, as shown in FIG. 11D, a contact plug is formed by etching a heat-resistant metal film 113 which is a lower layer film of the tungsten (W) film 114 using a mixed gas of Cl and He. is there.
[0014]
[Patent Document 1]
JP-A-2-34920
[Patent Document 2]
JP-A-3-161930
[Problems to be solved by the invention]
However, under etching conditions such as the method of etching a tungsten (W) film in Patent Document 1, the selectivity ratio of W to SiO 2 is about 2 to 5 times, and tungsten and the like formed on the gate oxide film are not used. When etching the metal film, a problem of over-etching the underlying oxide film is caused. Further, in order to further improve the characteristics of the semiconductor device, it is necessary to further reduce the thickness of the gate oxide film. Such thinning requires a high selectivity of W and SiO 2 .
[0017]
Further, in the etching method of Patent Document 2, since the etching gas for the first etching shown in FIG. 11B does not contain a chlorine-based gas for suppressing side etching with a fluorine-based gas, tungsten (W) There is a problem that side etching of the film easily occurs, dimensional control is difficult, and stability is impaired.
[0018]
In order to solve the above-mentioned adverse effects or problems, the present invention relates to a method for etching a high-melting metal compound film using a silicon compound film as a base film, wherein a high-melting metal compound with respect to the underlying silicon compound film without causing side etching. An object of the present invention is to provide an etching method having a large film etching selectivity.
[0019]
[Means for Solving the Problems]
To achieve the above object, the dry etching method according to the present invention, as an etching gas, at least SF 6, Cl 2, the used O 2, the flow ratio of SF 6 and Cl 2 SF 6: Cl 2 = 1 : 1-2: 1, the flow rate ratio of O 2 to the total flow rate is 30% to 40%, and a high melting point metal compound film having a silicon compound film as a base film is used as an object to be etched. Here, it is preferable to excite the etching gas using microwaves, and it is more preferable that the microwave excitation frequency is 2 GHz to 3 GHz. When the refractory metal compound film contains at least one of W, Ta, and Ti as a metal element, and contains an element other than a metal, it contains at least one of C, Si, B, and N as an element other than the metal. Is preferred. Further, the substrate bias power density is preferably set to 6.0 W / m 2 or less.
[0020]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
In the dry etching method according to the present invention, at least SF 6 , Cl 2 , and O 2 are used as an etching gas, and the flow rate ratio between SF 6 and Cl 2 is SF 6 : Cl 2 = 1: 1 to 2: 1. the O 2 flow rate ratio to the flow rate was 30% to 40%, characterized by using a refractory metal compound film of the silicon compound film was a base film as the etching object. By adopting such etching conditions, the etching selectivity of the refractory metal compound film to the underlying silicon compound film can be improved more than before without causing side etching.
[0021]
An embodiment of a dry etching method according to the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a schematic view of a cross section of an element substrate for explaining an etching method according to the present invention. As shown in FIG. 1, the element substrate has a structure in which a silicon compound film 12 is laminated as an insulating film on the surface of a substrate 11 and a high melting point metal compound film 13 is laminated as a conductive film on the surface of the silicon compound film 12. Here, the silicon compound film 12 is made of an insulating silicon compound such as SiO 2 , SiN x, or SiON, and is formed by using a sputtering method or a chemical vapor deposition method (CVD). The refractory metal compound film 13 is made of a refractory metal such as Ta, Ti or W or a compound of these refractory metals and C, Si, B or N, and is formed to a thickness of about 400 nm by a sputtering method. You. Further, a photoresist film 14 is applied to the entire surface of the device, the resist is baked at 100 ° C. to 150 ° C., and then patterned using a stepper, and then dry-etched.
[0022]
The method for performing dry etching is not particularly limited, and various types of dry etching devices of a cylindrical type, a parallel plate type or a microwave type can be used. Among these, it is preferable to use a microwave type etching apparatus characterized in that an etching gas is excited by using a microwave. In the case of the microwave type, since the plasma excitation point is near the dielectric provided in the upper part of the chamber, the amount of ions accelerated near the substrate is smaller than that of other types, so the ion damage of the etching target is This is because the deterioration of the performance of the semiconductor element formed on the substrate is reduced.
[0023]
FIG. 2 is a schematic view of a microwave etching apparatus according to one embodiment of the present invention. In the microwave type etching apparatus, a gas supply mechanism 24 and a microwave introduction window 22 are provided at an upper portion of a chamber 25, and the etching gas supplied from the gas supply mechanism 24 is supplied to the microwave supply apparatus 24 through the microwave introduction window 22. This is an apparatus for forming a plasma by a wave and etching the semiconductor element 21 placed on the lower electrode 23 installed in the chamber 25 using the plasma.
[0024]
Using such a microwave type etching apparatus, SF 6 , Cl 2 , O 2 and Ar are used as an etching gas, SiO 2 is used as a silicon compound film 12 which is an insulating film in FIG. The etching conditions were examined using a laminated film using W as the metal compound 13 as an object to be etched.
[0025]
FIG. 3 shows the relationship between the etching rate of the W single film or the SiO 2 single film or the W / (SiO 2 ) selection ratio with respect to the flow ratio of Cl 2 / (SF 6 + Cl 2 ). The upper part of FIG. 3 shows the ratio between the SF 6 flow rate and the Cl 2 flow rate (SF 6 flow rate: Cl 2 flow rate). Here, the O 2 flow rate was fixed at 56 sccm (standard cm 3 / min), and the Ar flow rate was fixed at 113 sccm. In addition, the gas pressure was 2.0 Pa in each case. SF 6 flow rate of Cl 2 flow rate of 2: 1 to 1: When 1 has been reduced W and the etching rate of SiO 2 both for W / SiO 2 selectivity is high reduction rate of the etching rate of SiO 2 is greater became. Furthermore, when the SF 6 flow rate: Cl 2 flow rate was 1: 2, reactive products were deposited on the W film surface, so that the W etching rate could not be measured. Therefore, in FIG. 3, when the SF 6 flow rate: Cl 2 flow rate was 1: 1, the W / SiO 2 selectivity reached the maximum value 5.3.
[0026]
FIG. 4 shows the relationship between the etching rate of the W single film or the SiO 2 single film or the W / (SiO 2 ) selection ratio with respect to the flow rate ratio of O 2 / (SF 6 + Cl 2 + O 2 ). Here, the Ar flow rate was fixed at 113 sccm. In addition, the gas pressure was 2.0 Pa in each case. The substrate bias power was set to 0 W (power density: 0 W / m 2 ). When the O 2 flow rate ratio decreased from 30% to 0%, the etching rate of SiO 2 increased, the etching rate of W decreased, and the W / SiO 2 selectivity decreased.
[0027]
FIG. 5 shows the etching rate of the W single film or the SiO 2 single film with respect to the O 2 / (SF 6 + Cl 2 + O 2 ) flow ratio when the substrate bias power is 500 W (power density: 30.2 W / m 2 ). The relationship of W / (SiO 2 ) selectivity is shown. Here, the Ar flow rate was fixed at 113 sccm. In addition, the gas pressure was 2.0 Pa in each case. When the O 2 flow rate ratio is 40% or less, the W etching rate hardly decreases (250 to 300 nm / min), whereas when the O 2 flow rate rate becomes 50%, the W etching rate sharply decreases to 180 nm / min. .
[0028]
4 and 5, it can be seen that the O 2 flow rate ratio that exhibits a higher W / (SiO 2 ) selectivity than the conventional one is 30% to 40%. 3 to 5, the flow ratio of SF 6 to Cl 2 was set to 1: 1, the O 2 flow ratio to the total flow of SF 6 , Cl 2 and O 2 was set to 30%, and the substrate bias power was set to 30%. By setting it to 0 W, a W / (SiO 2 ) selectivity of 5.3 was obtained.
[0029]
FIG. 6 shows the relationship between the total flow rate of SF 6 , Cl 2 and O 2 with respect to the etching rate of the W single film or the SiO 2 single film or the W / (SiO 2 ) selectivity. Here, the SF 6 flow rate: Cl 2 flow rate was 1: 1, the O 2 flow rate ratio to the total flow rate of SF 6 , Cl 2 and O 2 was 30%, and the Ar flow rate was 50 to 60 sccm. In addition, the gas pressure was 2.0 Pa in each case. No substrate bias power was applied (0 W). With the increase in the total flow rate of SF 6 , Cl 2 and O 2 , the etching rate of W monotonically increased, while the etching rate of SiO 2 was almost constant, so that the W / (SiO 2 ) selectivity was reduced. Increased. By increasing the total flow rate of SF 6 , Cl 2 and O 2 to 300 sccm, a high selectivity of W / (SiO 2 ) selectivity = 6.0 was obtained. By further increasing the total flow of SF 6 , Cl 2 and O 2 , it is expected that a high W / (SiO 2 ) selectivity of 6.0 or more will be obtained.
[0030]
FIG. 7 shows the relationship between the etching rate of the W single film or the SiO 2 single film or the W / (SiO 2 ) selectivity with respect to the Ar gas flow rate. Here, the total flow rate of SF 6 , Cl 2 and O 2 was 300 sccm, SF 6 flow rate: Cl 2 flow rate: O 2 flow rate = 1: 1: 0.9, and the gas pressure was 2.0 Pa. Was. No substrate bias was applied (0 W). When the Ar flow rate was changed from 65 sccm to 113 sccm, the W / (SiO 2 ) selectivity increased from 4.5 to 5.2.
[0031]
FIG. 8 shows the relationship between the substrate bias power and the etching rate of the W single film or the SiO 2 single film or the W / (SiO 2 ) selectivity. Here, SF 6 flow rate: Cl 2 flow rate = 1: 1, the total O 2 flow rate to the total flow rate of SF 6 , Cl 2 and O 2 was 30%, and the Ar flow rate was 113 sccm. The substrate bias power, 0 W (power density: 0W / m 2), 100W ( power density: 6.0W / m 2), 500W ( power density: 30.2W / m 2) when to alter the etching rate of the W because of the increased etch rate of the decreased SiO2, W / (SiO 2) selection ratio was decreased. From FIG. 8, it can be seen that the substrate bias power satisfying the W / SiO 2 selectivity higher than the conventional one is 100 W or less (the power density is 6.0 W / m 2 ).
[0032]
FIG. 9 shows the relationship between the distance between the electrodes and the etching rate of the W single film or the SiO 2 single film or the W / (SiO 2 ) selectivity. Here, SF 6 flow rate: Cl 2 flow rate = 1: 1, the total O 2 flow rate to the total flow rate of SF 6 , Cl 2 and O 2 was 30%, the Ar flow rate was 50 sccm, and the gas pressure was 2.0 Pa in each case. Was. When W / (SiO 2) selectivity of the etching rate of the inter-electrode distance increases the etching rate of the W Extending to 300nm from 220 nm SiO 2 is reduced is increased, further extend the distance between electrodes from 300nm to 450nm substrate , The total amount of active species (ions, radicals) reaching the ion beam decreases, and the W / (SiO 2 ) selectivity decreases. From FIG. 9, it can be seen that the distance between the electrodes that satisfies the higher W / SiO 2 selectivity than the conventional one is 250 nm to 350 nm.
[0033]
In study of FIGS. 9, a flow ratio of SF 6 and Cl 2 1: 1 and then, SF 6, and O 2 total flow rate to the total flow of Cl 2 and O 2 30%, SF 6, Cl 2 and O By setting the total flow rate of No. 2 to 300 sccm and the substrate bias power to 0 W, the W / (SiO 2 ) selectivity was improved to 6.0.
[0034]
Further, in the above-described embodiment of the present invention, under the etching condition in which the W / (SiO 2 ) selectivity was 5.0 or more, the side etching did not occur in any case. It is considered that, because Cl2 is contained in the etching gas in addition to the high W / (SiO 2 ) selectivity, a protective film is formed on the etched surface of W, and side etching for overetching is reduced.
[0035]
In the dry etching method according to the present invention, it is preferable that the refractory metal compound film having the silicon compound film as the substrate to be etched as a base film contains at least one of W, Ta, and Ti as a metal element. This is because a high melting point metal compound film having excellent characteristics is formed by containing these metal elements.
[0036]
More preferably, the high melting point metal compound film further contains any of C, Si, B, and N as an element other than the metal. This is because a semiconductor element can be efficiently formed by combining a refractory metal such as W, Ta, and Ti with an element such as C, Si, B, and N.
[0037]
In the dry etching method according to the present invention, it is preferable that the substrate bias power density be 6.0 W / m 2 or less from the viewpoint of improving the W / (SiO 2 ) selectivity.
[0038]
In the case where a microwave etching apparatus characterized in that a microwave is used to excite an etching gas as a dry etching method, the microwave excitation frequency is preferably 2 GHz to 3 GHz. This is because the plasma excited in such a frequency band can perform a wide range of process control by adjusting parameters such as gas pressure and input power. Further, side etching did not occur in the etching process using the plasma excited in such a frequency band.
[0039]
The embodiments disclosed this time are to be considered in all respects as illustrative and not restrictive. The scope of the present invention is defined by the terms of the claims, rather than the description above, and is intended to include any modifications within the scope and meaning equivalent to the terms of the claims.
[0040]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, at least SF 6 , Cl 2 , and O 2 are used as the etching gas, and the flow ratio between SF 6 and Cl 2 is SF 6 : Cl 2 = 1: 1 to 2: 1. By using an etching condition in which the O 2 flow rate ratio with respect to the total flow rate is 30% to 40%, side etching does not occur in a dry etching method for a high melting point metal film such as tungsten (W), and the dry etching method is used for a base film. This has an effect that etching with excellent selectivity can be performed on a silicon compound film to be obtained.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic view of a cross section of an element substrate for explaining an etching method according to the present invention.
FIG. 2 is a schematic diagram of a microwave etching apparatus according to one embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a graph showing a relationship between a flow rate ratio of Cl 2 / (SF 6 + Cl 2 ) and an etching rate of a W single film or a SiO 2 single film or a W / (SiO 2 ) selectivity.
FIG. 4 is a diagram showing the relationship between the flow rate ratio of O 2 / (SF 6 + Cl 2 + O 2 ) and the etching rate or W / (SiO 2 ) selectivity of a W single film or a SiO 2 single film.
FIG. 5 shows an etching rate of a W single film or a SiO 2 single film with respect to an O 2 / (SF 6 + Cl 2 + O 2 ) flow rate ratio when a substrate bias power is set to 500 W (power density: 30.2 W / m 2 ). W / is a diagram showing a relationship (SiO 2) selectivity.
FIG. 6 is a graph showing the relationship between the total flow rate of SF 6 , Cl 2 and O 2 , the etching rate of a single W film or a single SiO 2 film, or the W / (SiO 2 ) selectivity.
FIG. 7 is a diagram showing a relationship between an etching rate of a W single film or a SiO 2 single film or a W / (SiO 2 ) selectivity with respect to an Ar gas flow rate.
FIG. 8 is a graph showing the relationship between the substrate bias power and the etching rate of the W single film or the SiO 2 single film or the W / (SiO 2 ) selectivity.
FIG. 9 is a diagram showing the relationship between the distance between the electrodes and the etching rate of the W single film or the SiO 2 single film or the W / (SiO 2 ) selectivity.
FIG. 10 is a conventional process diagram of performing reactive ion etching (RIE) on a W film formed on a silicon substrate using a photoresist.
FIG. 11 is a conventional process diagram for forming a contact plug by back-etching the entire surface of a tungsten (W) film.
[Explanation of symbols]
Reference Signs List 11 substrate, 12 silicon compound film, 13 high melting point metal compound film, 14 resist film, 21 semiconductor element, 22 microwave introduction window, 23 lower electrode, 24 gas supply mechanism, 25 chamber, 101 silicon substrate, 102, 114 tungsten film , 103 photoresist film, 111 silicon oxide film, 112 contact hole, 113 heat resistant metal film.
