JP2005327884A - 半導体装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 半導体装置の性能や製造歩留りを向上させる。
【解決手段】 半導体基板の主面に形成された窒化シリコン膜をＳＦ₆ガスとＯ₂ガスとＨｅガスとＮ₂ガスとの混合ガスを用いたプラズマで等方性エッチングすることによって除去する。エッチングガスとして用いる混合ガスにおけるＳＦ₆ガスの比率は１〜１０％の範囲内であることが好ましく、２〜７％の範囲内であれば更に好ましい。エッチングの際のエッチング処理室の圧力は２６．７〜５３．３Ｐａの範囲内であることが好ましい。これにより、半導体基板にピットを発生させることなく、窒化シリコン膜を速やかに除去することができる。
【選択図】 図１３

Description

本発明は、半導体装置の製造技術に関し、特に、半導体基板の主面上に形成された窒化シリコン膜を除去する工程を有する半導体装置の製造技術に適用して有効な技術に関する。

半導体装置の製造工程には、種々のエッチング工程があり、例えば半導体基板の主面に形成した窒化シリコン膜をエッチングにより除去する工程がある。

特開平６−２０８９７７号公報には、エッチングガスが存在する反応室内に、平行電極を設置し、一方の電極上に、被エッチング薄膜を有する被エッチング物を設置し、この被エッチング物を設置した電極に高周波電源を接続して、被エッチング物の被エッチング薄膜をエッチングするドライエッチング方法において、前記エッチングガスに、ＣＦ₄ガスとＯ₂ガスとの混合ガス等を使用し、前記被エッチング薄膜に、２種類以上の薄膜を積層した多層膜をドライエッチングした後、結果としてより上層の薄膜エッチング量が、より下層の薄膜のエッチング量より大きくするためにＳＦ₆ガスとＯ₂ガスの混合ガス等を使用することにより形状補正し正テーパ形状を得る技術が記載されている（特許文献１参照）。
特開平６−２０８９７７号公報

本発明者の検討によれば、次のようなことが新たに見出された。

半導体基板の主面に形成した窒化シリコン膜を除去する際に、ウェットエッチングを用いた場合、エッチング液の経時変化により、下地膜の削り量が変化するため、再現性の良い加工が困難である。また、エッチング液の温度を比較的高くしないと窒化シリコン膜を充分な速度でエッチングできないため、ウェットエッチング装置の構造部品の耐熱性を高めることが必要であり、窒化シリコン膜をウェットエッチングできる枚葉式装置の開発は容易ではない。

また、半導体基板の主面に形成した窒化シリコン膜を除去する際に、異方性のドライエッチングを用いた場合、下地膜へダメージが加わる可能性があり、それによって半導体基板の主面に形成される半導体素子の特性などに悪影響が生じる可能性がある。これは、半導体装置の性能や製造歩留まりを低下させる。

また、ＳＦ₆（六フッ化硫黄）含有ガスを用いたプラズマで窒化シリコン膜をドライエッチングする場合、ＮＨ₄Ｆなどの反応生成物が生成され、これが窒化シリコン膜に付着する可能性がある。反応生成物が付着した領域では、反応生成物がフッ素（Ｆ）を含有していることなどに起因して、増速エッチング（異常エッチング）が生じる。このため、反応生成物が付着した領域では、窒化シリコン膜の下地膜もエッチングされてしまい、窒化シリコン膜のエッチング工程が終了した段階で、下地膜にピット（穴、窪み）が生じる可能性があり、それによって、半導体基板の主面に形成される半導体素子の特性などに悪影響が生じる可能性がある。これは、半導体装置の性能や製造歩留まりを低下させる。

本発明の目的は、半導体装置の製造歩留まりを向上させることができる技術を提供することにある。

また、本発明の他の目的は、半導体装置の性能を向上させることができる技術を提供することにある。

本発明の前記ならびにその他の目的と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。

本願において開示される発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、次のとおりである。

本発明は、半導体基板の主面に形成した窒化シリコン膜を、ＳＦ₆ガスとＯ₂ガスと不活性ガスとの混合ガスを用いたプラズマで等方性エッチングすることで除去し、この混合ガスのＳＦ₆ガスの比率を１〜１０％の範囲内としたものである。

本願において開示される発明のうち、代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば以下のとおりである。

半導体装置の製造歩留まりを向上させることができる。

また、半導体装置の性能を向上させることができる。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、実施の形態を説明するための全図において、同一の機能を有する部材には同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。また、以下の実施の形態では、特に必要なとき以外は同一または同様な部分の説明を原則として繰り返さない。

また、実施の形態で用いる図面においては、断面図であっても図面を見易くするためにハッチングを省略する場合もある。また、平面図であっても図面を見易くするためにハッチングを付す場合もある。

本実施の形態の半導体装置の製造工程を図面を参照して説明する。図１〜図９は、本発明の一実施の形態である半導体装置、例えばＭＩＳＦＥＴ（Metal Insulator Semiconductor Field Effect Transistor）、の製造工程中の要部断面図である。

図１に示されるように、例えば１〜１０Ωｃｍ程度の比抵抗を有するｐ型の単結晶シリコンなどからなる半導体基板（半導体ウエハ）１を準備する。それから、半導体基板１の主面に素子分離領域を形成する。素子分離領域は酸化シリコンなどからなり、例えばＳＴＩ（Shallow Trench Isolation）法などにより形成される。

素子分離領域を形成するには、まず、図２に示されるように、例えば熱酸化法などを用いて半導体基板１の表面にストレス緩和や活性領域保護を目的とした酸化シリコン膜（パッド酸化膜）２を形成する。それから、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法などを用いて酸化シリコン膜２上に窒化シリコン膜（Ｓｉ_xＮ_y膜、例えばＳｉ₃Ｎ₄膜）３を形成する。

次に、フォトリソグラフィ法およびドライエッチング法などを用いて窒化シリコン膜３をパターニング（選択的に除去）する。それから、図３に示されるように、パターニングされた窒化シリコン膜３をエッチングマスク（ハードマスク）として用いて酸化シリコン膜２および半導体基板１を所定の深さまでエッチングして、半導体基板１の主面に素子分離溝４を形成する。

次に、素子分離溝４の底部および側壁などを必要に応じて熱酸化法などで酸化した後、図４に示されるように、素子分離溝４を埋めるように半導体基板１上に酸化シリコン膜５を形成する。酸化シリコン膜５は、例えばＣＶＤ法などを用いて形成することができ、例えばオゾン（Ｏ₃ ）とテトラエトキシシラン（（Ｃ₂ Ｈ₅ Ｏ）₄Ｓｉ）とを使って成膜される酸化シリコン膜（オゾンＴＥＯＳ（Tetraethoxysilane）酸化膜）である。

次に、図５に示されるように、ＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing：化学的機械的研磨）法などを用いて酸化シリコン膜５を研磨し、その表面を平坦化する。この研磨は、活性領域を覆う窒化シリコン膜３をストッパに用い、素子分離溝４の外部の酸化シリコン膜５を除去し、素子分離溝４の内部のみに酸化シリコン膜５が残るようにする。その後、図６に示されるように、窒化シリコン膜３を除去する。本実施の形態では、この窒化シリコン膜３の除去工程に、プラズマを用いた等方性エッチング（等方性のプラズマエッチング、等方性のドライエッチング）を用いる。すなわち、窒化シリコン膜３が主面に形成された半導体基板１の主面の全面を、ＳＦ₆ガス、Ｈｅガス、Ｎ₂ガスおよびＯ₂ガスの混合ガスを用いたプラズマによってエッチバックし、それによって、半導体基板１の主面の窒化シリコン膜３を除去する。この窒化シリコン膜３の除去工程については、後でより詳細に説明する。

このようにして、素子分離溝４に埋め込まれた絶縁膜（酸化シリコン膜５）によって素子分離領域６が形成される。なお本実施の形態では、酸化シリコン膜５の形成に引き続き、ＣＭＰ法で研磨する方式を説明しているが、ＣＭＰ法で研磨する前に、フォトリソグラフィ法およびドライエッチング法などを用いて活性領域上の酸化シリコン膜５をエッチングし、ＣＭＰ工程後の残膜厚を均一化するような手段を用いても良い。

上記のようにして、素子分離領域６を形成した後、図７に示されるように、半導体基板１のｎチャネル型ＭＩＳＦＥＴを形成する領域にｐ型ウエル１１を形成する。ｐ型ウエル１１は、例えばホウ素（Ｂ）などのｐ型の不純物をイオン注入することなどによって形成される。

次に、酸化シリコン膜２を除去した後、ｐ型ウエル１１の表面にゲート絶縁膜１２を形成する。ゲート絶縁膜１２は、例えば薄い酸化シリコン膜などからなり、例えば熱酸化法などによって形成することができる。

次に、ｐ型ウエル３のゲート絶縁膜１２上にゲート電極１３を形成する。例えば、半導体基板１上に多結晶シリコン膜を形成し、その多結晶シリコン膜にリン（Ｐ）などのｎ型の不純物をイオン注入して低抵抗のｎ型半導体膜とし、その多結晶シリコン膜をドライエッチングによってパターニングすることにより、ｎ型の不純物を導入した多結晶シリコン膜からなるゲート電極１３を形成することができる。

次に、図８に示されるように、ｐ型ウエル１１のゲート電極１３の両側の領域にリン（Ｐ）またはヒ素（Ａｓ）などのｎ型の不純物をイオン注入することにより、（一対の）ｎ^-型半導体領域１４を形成する。

次に、ゲート電極１３の側壁上に、例えば酸化シリコンまたは窒化シリコンあるいはそれらの積層膜などからなるサイドウォール（側壁スペーサ、側壁絶縁膜）１５を形成する。サイドウォール１５は、例えば、半導体基板１上に酸化シリコン膜（または窒化シリコン膜あるいはそれらの積層膜）を堆積し、この酸化シリコン膜（または窒化シリコン膜あるいはそれらの積層膜）を異方性エッチングすることによって形成することができる。

サイドウォール１５の形成後、（一対の）ｎ⁺型半導体領域１６（ソース、ドレイン）が、例えば、ｐ型ウエル１１のゲート電極１３およびサイドウォール１５の両側の領域にリン（Ｐ）またはヒ素（Ａｓ）などのｎ型の不純物をイオン注入することにより形成される。イオン注入後、導入した不純物の活性化のためのアニール処理（熱処理）を行うこともできる。ｎ⁺型半導体領域１６は、ｎ^-型半導体領域１４よりも不純物濃度が高い。これにより、ｎチャネル型ＭＩＳＦＥＴのソースまたはドレインとして機能するｎ型の半導体領域（不純物拡散層）が、ｎ⁺型半導体領域１６およびｎ^-型半導体領域１４により形成される。

このようにして、ｐ型ウエル１１にｎチャネル型のＭＩＳＦＥＴ（Metal Insulator Semiconductor Field Effect Transistor）２０が形成される。なお、ｎ型とｐ型の導電型を逆にして、ｐチャネル型のＭＩＳＦＥＴを形成することもできる。

次に、図９に示されるように、ゲート電極１３およびｎ⁺型半導体領域１６の表面を露出させ、例えばコバルト（Ｃｏ）膜を堆積して熱処理することによって、ゲート電極１３とｎ⁺型半導体領域１６との表面に、それぞれシリサイド膜（コバルトシリサイド膜）２１を形成する。これにより、拡散抵抗やコンタクト抵抗を低抵抗化することができる。その後、未反応のコバルト膜は除去する。

次に、半導体基板１上に絶縁膜２２を形成する。すなわち、ゲート電極１３を覆うように、半導体基板１上に絶縁膜２２を形成する。絶縁膜２２は、例えば相対的に薄い窒化シリコンとその上の相対的に厚い酸化シリコンの積層膜などからなる。絶縁膜２２は層間絶縁膜として機能することができる。

次に、フォトリソグラフィ法を用いて絶縁膜２２上に形成したフォトレジストパターン（図示せず）をエッチングマスクとして、絶縁膜２２をドライエッチングすることにより、ｎ⁺型半導体領域（ソース、ドレイン）１６の上部などにコンタクトホール（開口部）２３を形成する。コンタクトホール２３の底部では、半導体基板１の主面の一部、例えばｎ⁺型半導体領域１６（の表面上のシリサイド膜２１）の一部、やゲート電極１３（の表面上のシリサイド膜２１）の一部などが露出される。

次に、コンタクトホール２３内に、タングステン（Ｗ）などからなるプラグ２４を形成する。プラグ２４は、例えば、コンタクトホール２３の内部を含む絶縁膜２２上に導電性のバリア膜２４ａ（例えば窒化チタン膜）を形成した後、タングステン膜をＣＶＤ法などによってバリア膜２４ａ上にコンタクトホール２３を埋めるように形成し、絶縁膜２２上の不要なタングステン膜およびバリア膜２４ａをＣＭＰ法またはエッチバック法などによって除去することにより形成することができる。

次に、プラグ２４が埋め込まれた絶縁膜２３上に、第１層配線として配線２５を形成する。例えば、チタン膜２５ａ、窒化チタン膜２５ｂ、アルミニウム膜２５ｃ、チタン膜２５ｄおよび窒化チタン膜２５ｅをスパッタリング法などによって順に形成し、フォトリソグラフィ法およびドライエッチング法などを用いてパターン化することで、配線２５を形成することができる。配線２５はプラグ２４を介して、ｎチャネル型のＭＩＳＦＥＴ２０ソースまたはドレイン用のｎ⁺型半導体領域１６やゲート電極１３などと電気的に接続されている。配線２５は、アルミニウム配線に限定されず種々変更可能であり、例えばタングステン配線により形成しても良い。

次に、絶縁膜２２上に、配線２５を覆うように、絶縁膜２６を形成する。その後、配線２５に電気的に接続される第２層配線などが形成されるが、ここではその説明は省略する。第２層配線以降はダマシン法により形成した埋込銅配線とすることもできる。

このようにして半導体装置が製造されるが、半導体装置の製造工程のうち、半導体基板１上に形成した窒化シリコン膜を除去する工程、例えば窒化シリコン膜３を除去する工程についてより詳細に説明する。

半導体基板１の主面に形成された窒化シリコン膜（例えば窒化シリコン膜３）を除去する際に、ウェットエッチングを用いた場合、次のような問題が生じる。すなわち、エッチング液の経時変化により、下地膜（例えば酸化シリコン膜２や半導体基板１）の削り量が変化するため、再現性の良い加工が困難である。これは、製造される半導体装置の性能や製造歩留りを低下させる。また、エッチング液の温度を比較的高くしないと窒化シリコン膜を充分な速度でエッチングできないため、ウェットエッチング装置の構造部品の耐熱性を高めることが必要であり、窒化シリコン膜をウェットエッチングできる枚葉式装置の開発は容易ではない。

また、半導体基板１の主面に形成された窒化シリコン膜（例えば窒化シリコン膜３）を除去する際に、異方性のドライエッチングを用いた場合、次のような問題が生じる。すなわち、異方性のドライエッチングでは、下地膜（例えば酸化シリコン膜２や半導体基板１）へダメージが加わる恐れがある。特に、窒化シリコン膜３を除去する場合に異方性のドライエッチングを用いると、下地の半導体基板１にダメージが加わり、半導体基板１の主面に形成される半導体素子（例えばＭＩＳＦＥＴ２０）の特性に悪影響が生じる可能性がある。これは、製造される半導体装置の性能や製造歩留りを低下させる。

本実施の形態では、半導体基板（半導体ウエハ）１の主面に窒化シリコン膜（窒化シリコン膜３）を形成した後、その窒化シリコン膜を除去する際に、プラズマを用いた等方性エッチング（等方性のプラズマエッチング、等方性のドライエッチング）を用いる。プラズマを用いた等方性エッチングを用いて窒化シリコン膜を除去することで、下地膜にダメージを与えることなく、窒化シリコン膜を除去することが可能になる。特に、窒化シリコン膜３を除去する場合にプラズマを用いた等方性エッチングを用いると、下地の半導体基板１にダメージが加わることなく窒化シリコン膜３を除去することができ、その後に半導体基板１の主面に形成される半導体素子（例えばＭＩＳＦＥＴ２０）の特性に悪影響が生じることはない。このため、半導体装置の性能や製造歩留りを向上させることができる。また、プラズマを用いた等方性エッチングには、アッシング装置のようにプラズマを生成できる装置（プラズマ装置）を使用することができ、異方性のドライエッチング装置を使用する場合に比べて、窒化シリコン膜の除去に要するコストを低減できる。

また、本実施の形態は、ドライエッチング方式で窒化シリコン膜を除去するため、ウェットエッチング方式に比べて、安定したエッチングが可能であり、再現性の良い加工が実現できる。このため、製造される半導体装置の性能や製造歩留りを向上させることができる。また、枚葉式のエッチング装置の開発も容易である。

本実施の形態では、この半導体基板１の主面に形成した窒化シリコン膜（例えば窒化シリコン膜３）を除去するために行うプラズマを用いた等方性エッチングでは、ＳＦ₆（六フッ化硫黄）ガスとＯ₂（酸素）ガスと不活性ガスとの混合ガスを用いたプラズマで窒化シリコン膜を除去する。すなわち、エッチングガス（反応ガス）として、ＳＦ₆ガス、Ｏ₂ガスおよび不活性ガスの混合ガスを用いる。このときの圧力は２６．７〜５３．３Ｐａ（０．２〜０．４Ｔｏｒｒ）で制御し、混合するＳＦ₆ガス比率を１〜１０％の間で制御することが望ましい。なお、本実施の形態では、不活性ガスにはＮ₂（窒素）ガスを含むこともできる。ＳＦ₆（六フッ化硫黄）ガス、Ｏ₂（酸素）ガス、Ｈｅ（ヘリウム）ガスおよびＮ₂（窒素）ガスの混合ガスを用いたプラズマで窒化シリコン膜を除去すれば、より好ましい。すなわち、エッチングガス（反応ガス）として、ＳＦ₆ガス、Ｏ₂ガス、ＨｅガスおよびＮ₂ガスの混合ガスを用いることが好ましい。

ＳＦ₆ガスを用いることで、窒化シリコン膜のエッチングが可能になる。また、Ｏ₂ガスを用いることで、エッチング時に発生した反応生成物（ポリマ）を除去しながらエッチングを行うことが可能になる。また、ＨｅガスやＮ₂ガスのような不活性ガスを用いることで、プラズマの生成やエッチング装置のチャンバ内でのプラズマの広がりを促進することが可能になる。

図１０は、ＳＦ₆ガスを含む各種の混合ガスを用いたプラズマで窒化シリコン膜をエッチング（等方性エッチング）した場合のエッチングレート（エッチング速度）を示すグラフである。図１０のグラフの横軸は混合ガスにおけるＯ₂ガスの比率に対応し、縦軸は窒化シリコン膜のエッチングレートに対応する。図１０のグラフには、エッチングガスとして、ＳＦ₆ガスとＯ₂ガスとＨｅガスとＮ₂ガスとの混合ガスを用いた場合（図１０中の「ＳＦ₆／Ｏ₂／Ｈｅ／Ｎ₂（０．３Ｔｏｒｒ）」に対応し、括弧内の数値はエッチング時の圧力（エッチング処理室内の圧力）である）と、ＳＦ₆ガスとＯ₂ガスとＨｅガスとの混合ガスを用いた場合（図１０中の「ＳＦ₆／Ｏ₂／Ｈｅ（０．３Ｔｏｒｒ）」および「ＳＦ₆／Ｏ₂／Ｈｅ（０．７Ｔｏｒｒ）」に対応し、括弧内の数値はエッチング時の圧力である）と、ＳＦ₆ガスとＨｅガスとＮ₂ガスとの混合ガスを用いた場合（図１０中の「ＳＦ₆／Ｈｅ／Ｎ₂（０．７Ｔｏｒｒ）」に対応し、括弧内の数値はエッチング時の圧力である）とが示されている。なお、図１０のグラフに示される各種混合ガスにおいて、トータル流量（その混合ガス全体の流量）は１７００ｓｃｃｍ、ＳＦ₆ガスの流量は５０ｓｃｃｍで一定にしてある。従って、各混合ガスにおけるＳＦ₆ガスの比率は約３％である。また、ＳＦ₆／Ｏ₂／Ｈｅの混合ガスにおいてＯ₂ガスの比率が０％のときは、その混合ガスはＳＦ₆ガスとＨｅガスとの混合ガスに対応する。

図１０のグラフからも分かるように、エッチングガスとしてＳＦ₆ガスとＯ₂ガスとＨｅガスとＮ₂ガスとの混合ガスを用い、この混合ガスを用いたプラズマで窒化シリコン膜をエッチング（等方性エッチング）することで、エッチングレート（エッチング速度）を高めることができ、窒化シリコン膜のエッチング（除去）工程に要する時間を短縮でき、半導体装置の製造時間の短縮や製造コストの低減が可能になる。

このように、ＳＦ₆ガスとＯ₂ガスとＨｅガスとＮ₂ガスとの混合ガスを用いたプラズマにより、窒化シリコン膜を高いエッチングレートでエッチングすることができるが、本発明者の検討によれば、ＳＦ₆含有ガスを用いたプラズマにより窒化シリコン膜をエッチングする際には、窒化シリコン膜が局所的に異常にエッチングされるという問題が生じる可能性があることが分かった。図１１および図１２は、窒化シリコン膜が局所的に異常にエッチングされる現象の説明図であり、ここでは、上記窒化シリコン膜３をエッチング（除去）する場合について説明する。

ＳＦ₆（六フッ化硫黄）含有ガスを用いたプラズマで窒化シリコン膜３をエッチングする場合、ＮＨ₄Ｆなどの反応生成物３１が生成され、これが窒化シリコン膜３に付着する可能性がある。反応生成物３１が付着した領域では、反応生成物３１がフッ素（Ｆ）を含有していることなどに起因して、増速エッチング（異常エッチング）が生じる。図１１には、窒化シリコン膜３上に反応生成物３１が付着した状態が模式的に示されており、反応生成物３１の下部領域（増速エッチング領域）３１ａで、増速エッチング（異常エッチング）が発生する。このため、反応生成物３１が付着した領域では、窒化シリコン膜３の下地膜（酸化シリコン膜２および半導体基板１）もエッチングされてしまい、窒化シリコン膜３のエッチング（除去）工程が終了した段階で、図１２に示されるように、下地膜（酸化シリコン膜２および半導体基板１）にピット（ｐｉｔ、穴、窪み）３２が生じてしまい、それによって、半導体基板１に形成する半導体素子（例えばＭＩＳＦＥＴ２０）の特性などに悪影響が生じる可能性がある。これは、製造される半導体装置の性能や製造歩留まりを低下させる。従って、窒化シリコン膜３のエッチング工程で窒化シリコン膜３の局所的な異常エッチングを生じず、ピット３２を発生させることなく窒化シリコン膜３を除去することが望まれる。

本発明者の検討によれば、ＳＦ₆（六フッ化硫黄）含有ガス（ここではＳＦ₆ガスとＯ₂ガスとＨｅガスとＮ₂ガスとの混合ガス）を用いたプラズマで窒化シリコン膜をエッチングする際に、窒化シリコン膜が局所的に異常にエッチングされ、半導体基板１にピット３２が発生するという上記問題は、ガス比やエッチング時の圧力を調節することによって改善できることが分かった。

図１３は、プラズマを用いた等方性エッチングによって半導体基板１の主面の窒化シリコン膜（例えば窒化シリコン膜３）を除去する工程で使用される混合ガス（エッチングガス、ここではＳＦ₆ガスとＯ₂ガスとＨｅガスとＮ₂ガスとの混合ガス）におけるＳＦ₆ガスの比率と、その混合ガス（エッチングガス）を用いて窒化シリコン膜をエッチングしたときの半導体基板（半導体ウエハ）におけるピット（ピット３２）の発生状況（発生量）と、窒化シリコン膜のエッチングレート（エッチング速度）との相関を示す表である。図１３には、窒化シリコン膜のエッチング工程でのピット（ピット３２）の発生状況を、ピット（ピット３２）が生じなかった場合を「無し」、ピット（ピット３２）が少量生じた場合を「少ない」、ピット（ピット３２）が多量に生じた場合を「多い」として記載している。

図１３からも分かるように、窒化シリコン膜のエッチングガスにおけるＳＦ₆ガスの比率が高いとピット（ピット３２）が発生しやすくなる。これは、ＳＦ₆ガスの比率が高いとＮＨ₄Ｆなどの反応生成物３１の発生が促進され、この反応生成物３１が半導体基板（半導体ウエハ）の表面、すなわち半導体基板の主面上のエッチングすべき窒化シリコン膜の表面に再付着しやすくなり、そこで増速エッチング（異常エッチング）を発生させるためと考えられる。本発明者の実験によれば、このようなピットの発生は、ＳＦ₆ガスの比率を１０％以下にすることで抑制することができ、ＳＦ₆ガスの比率を７％以下にすることで、更に抑制してピットの発生をほぼ無くすことが可能になる。この時の圧力は、２６．７〜５３．３Ｐａ（０．２〜０．４Ｔｏｒｒ）に制御する必要がある。

一方、ＳＦ₆ガスの比率を低くしすぎると、窒化シリコン膜のエッチングレートが低下してしまうが、本発明者の実験によれば、ＳＦ₆ガスの比率を２％以上にすると、窒化シリコン膜のエッチングレートの低下を抑制でき、窒化シリコン膜（例えば窒化シリコン膜３）の除去工程での実用上問題が生じないことが分かった。また、ＳＦ₆ガスの比率を１〜２％にすると、窒化シリコン膜のエッチングレートが若干低下するが、窒化シリコン膜（例えば窒化シリコン膜３）の除去工程への適用は可能である。更にＳＦ₆ガスの比率を低下させて１％よりも低くすると、窒化シリコン膜のエッチングレートがかなり低下してしまい、窒化シリコン膜（例えば窒化シリコン膜３）の除去工程での実用（適用）上問題が生じることが分かった。この時の圧力は、２６．７〜５３．３Ｐａ（０．２〜０．４Ｔｏｒｒ）に制御する必要がある。

従って、窒化シリコン膜のエッチング（プラズマを用いた等方性エッチング）に用いる混合ガス（エッチングガス）は、ＳＦ₆ガスの比率を１〜１０％の範囲内にすることが好ましく、ＳＦ₆ガスの比率を２〜７％の範囲内にすれば更に好ましい。これにより、ピットの発生を防止でき、かつ窒化シリコン膜のエッチングレートを高くすることができ、半導体基板にピットを発生させることなく、速やかに窒化シリコン膜を除去することが可能になる。従って、製造される半導体装置の性能や製造歩留りを向上させることができる。すなわち、ＳＦ₆ガスの比率を１０％以下、より好ましくは７％以下とすることで、エッチング工程中のＮＨ₄Ｆなどの反応生成物３１の発生およびその反応生成物３１の半導体基板の表面（すなわち半導体基板の主面上のエッチングすべき窒化シリコン膜の表面）への再付着を防止でき、反応生成物の再付着領域での増速エッチング（異常エッチング）を防止して、半導体基板におけるピットの発生を防止し、製造される半導体装置の性能や製造歩留りを向上させることができる。そして、ＳＦ₆ガスの比率を１％以上、より好ましくは２％以上とすることで、窒化シリコン膜のエッチングレートを高めて、窒化シリコン膜のエッチング（除去）工程に要する時間を短縮でき、半導体装置の製造時間の短縮や製造コストの低減などが可能になる。

また、エッチングガス全体の流量に対するＳＦ₆ガスの流量の比率を調節することで、エッチングガスにおけるＳＦ₆ガスの比率を制御することができる。例えば、エッチングガス全体の流量に対するＳＦ₆ガスの流量の比率を１〜１０％に調節することで、エッチングガスにおけるＳＦ₆ガスの比率を１〜１０％に制御することができる。

また、上記のようにエッチングガスとしてＳＦ₆ガスとＯ₂ガスとＨｅガスとＮ₂ガスとの混合ガスを用いれば、窒化シリコン膜のエッチングレートを高めることができるのでより好ましいが、エッチングガスとしてＳＦ₆ガスとＯ₂ガスとＨｅガスとの混合ガスを用いた場合（すなわちＮ₂ガスを含まない場合）、およびエッチングガスとしてＳＦ₆ガスとＯ₂ガスとＮ₂ガスとの混合ガスを用いた場合（すなわちＨｅガスを含まない場合）についても、（エッチングガスがＨｅガスとＮ₂ガスとの両方を含む場合に比べて）窒化シリコン膜のエッチングレートはやや小さくなるものの、ＳＦ₆ガスの比率を制御することで上記のようなピットの防止効果を得ることができる。この場合（エッチングガスとしてＳＦ₆ガスとＯ₂ガスとＨｅガスとの混合ガスを用いた場合、およびエッチングガスとしてＳＦ₆ガスとＯ₂ガスとＮ₂ガスとの混合ガスを用いた場合）についても、窒化シリコン膜のエッチング（プラズマを用いた等方性エッチング）に用いる混合ガス（エッチングガス）は、ＳＦ₆ガスの比率を１〜１０％の範囲内にすることが好ましく、ＳＦ₆ガスの比率を２〜７％の範囲内にすれば更に好ましく、これにより、半導体基板にピットを発生させることなく、速やかに窒化シリコン膜を除去することが可能になる。

また、上記のようにＳＦ₆ガスの比率を１〜１０％、より好ましくは２〜７％の範囲内にすることで、半導体基板にピットを発生させることなく、速やかに窒化シリコン膜を除去することが可能になるが、このようなピット発生を抑制可能なＳＦ₆ガス比の領域においても、ピットの発生やエッチングレートはエッチング時の圧力（エッチング処理室内の圧力）にも依存することが本発明者の検討により分かった。図１４は、ＳＦ₆含有ガス（ここではＳＦ₆ガスとＯ₂ガスとＨｅガスとＮ₂ガスとの混合ガス）を用いたプラズマで窒化シリコン膜をエッチング（等方性エッチング）する際の圧力（エッチング処理室内の圧力）と、その圧力条件で窒化シリコン膜をエッチングしたときの半導体基板（半導体ウエハ）におけるピット（ピット３２）の発生状況（発生量）と、窒化シリコン膜のエッチングレート（エッチング速度）との相関を示す表である。

図１４からも分かるように、ＳＦ₆含有ガス（ここではＳＦ₆ガスとＯ₂ガスとＨｅガスとＮ₂ガスとの混合ガス）を用いたプラズマで窒化シリコン膜をエッチング（等方性エッチング）する際に、圧力（エッチング処理室内の圧力）が０．２〜０．４Ｔｏｒｒ（すなわち２６．７〜５３．３Ｐａ）の範囲内であればより好ましい。窒化シリコン膜のエッチング時の圧力（エッチング処理室内の圧力）が高すぎると（５３．３Ｐａよりも高いと）、エッチング中のＮＨ₄Ｆなどの反応生成物３１の発生およびその反応生成物３１の半導体基板の表面（すなわち半導体基板の主面上のエッチングすべき窒化シリコン膜の表面）への再付着が促進され、上記のようなピット（ピット３２）が生じやすくなる。また、窒化シリコン膜のエッチング時の圧力（エッチング処理室内の圧力）が低すぎると（２６．７Ｐａよりも低いと）窒化シリコン膜のエッチングレートが低下し、窒化シリコン膜のエッチング（除去）工程に要する時間が長くなってしまう。本実施の形態では、ＳＦ₆含有ガス（ここではＳＦ₆ガスとＯ₂ガスとＨｅガスとＮ₂ガスとの混合ガス）を用いたプラズマで窒化シリコン膜をエッチング（等方性エッチング）し、ＳＦ₆ガスの比率を１〜１０％、より好ましくは２〜７％の範囲内にするが、更にそのエッチングの際の圧力（エッチング処理室内の圧力）を０．２〜０．４Ｔｏｒｒ（２６．７〜５３．３Ｐａ）の範囲内とすることで、上記のようなピットの発生をより的確に防止し、かつ窒化シリコン膜のエッチングレートをより的確に高めることができる。

また、上記のようなガス比のＳＦ₆ガスとＯ₂ガスとＨｅガスとＮ₂ガスとの混合ガスを用いたプラズマで窒化シリコン膜をエッチングする工程は、半導体装置の製造工程における種々の窒化シリコン膜の除去工程に適用できるが、等方性エッチングにより窒化シリコン膜を除去するため、フォトレジストパターンなどをエッチングマスクとして用いて窒化シリコン膜を選択的にエッチングする工程（すなわち窒化シリコン膜を選択的に除去して一部の窒化シリコン膜を残す工程、窒化シリコン膜をパターニングする工程）ではなく、半導体基板（半導体ウエハ）の主面の全体で窒化シリコン膜を除去する工程（すなわち窒化シリコン膜全体を除去し、窒化シリコン膜を部分的に残さない工程）に適用することが好ましい。特に、上記窒化シリコン膜３のエッチング工程では半導体基板１にピット３２が発生しやすく、この段階で発生したピット３２はその後に形成される半導体素子の特性に悪影響を与えやすいので、上記のようなガス比のＳＦ₆ガスとＯ₂ガスとＨｅガスとＮ₂ガスとの混合ガスを用いたプラズマで窒化シリコン膜をエッチングする工程は、上記窒化シリコン膜３の除去工程に適用すれば特に効果が大きいが、上記窒化シリコン膜３以外の他の窒化シリコン膜を半導体基板の主面全体から除去する工程について適用しても有効である。

図１５は、本実施の形態における窒化シリコン膜（例えば窒化シリコン膜３）のエッチング（除去）工程で用いられるエッチング装置の概念的な構造を示す説明図である。図１５では、半導体ウエハの流れ（移動）が矢印で示されている。

図１５に示されるエッチング装置５０は、枚葉式のドライエッチング装置であり、ウエハカセット５１に収容されていた半導体ウエハ（半導体基板１に対応）を受け入れるロードロック室（Load Lock：ロードロック）５２と、ロードロック室５２から搬送された半導体ウエハを受け入れ、その内部を真空（減圧）状態にできる真空搬送室５３と、真空（減圧）状態の真空搬送室５３から半導体ウエハを受け入れ、その内部で半導体ウエハ表面に形成されている窒化シリコン膜のエッチング処理を行うエッチング処理室５４と、エッチング処理室５４でのエッチング処理を終了し、真空搬送室５３に搬送して真空（減圧）状態を解除してから半導体ウエハを受け入れるアンロードロック室（Unload Lock：アンロードロック）５５と、アンロードロック室５５から半導体ウエハを受け入れ、内部で半導体ウエハの洗浄処理と洗浄処理後の乾燥処理とを行う洗浄・乾燥室５６とを有している。

ウエハカセット５１に収容されていた半導体ウエハ（除去すべき窒化シリコン膜が主面に形成されている半導体ウエハ）は、エッチング装置５０のロードロック室５２に送られ、更に真空搬送室５３で真空（減圧）環境下に置かれてから、エッチング処理室５４に送られる。そして、ＳＦ₆ガスとＯ₂ガスとＨｅガスとＮ₂ガスとの混合ガスをエッチング処理室５４内に導入しプラズマを生成して、エッチング処理室５４内の半導体ウエハ表面の窒化シリコン膜（例えば窒化シリコン膜３）をエッチング（等方性エッチング）処理する。このエッチング処理の際のエッチングガスのＳＦ₆ガスの比率は、上記のように、１〜１０％の範囲内にすることが好ましく、２〜７％の範囲内にすれば更に好ましく、エッチング処理室５４内の圧力は、上記のように、０．２〜０．４Ｔｏｒｒ（すなわち２６．７〜５３．３Ｐａ）の範囲内であることが好ましい。エッチング処理室５４での窒化シリコン膜のエッチング処理が終了した後、半導体ウエハは真空搬送室５３に送られ、真空（減圧）環境を解除されてからアンロードロック室５５に送られ、今度は洗浄・乾燥室５６内に送られる。洗浄・乾燥室５６内で、半導体ウエハは例えば純水などを用いて洗浄処理され、その後、洗浄された半導体ウエハの乾燥処理が行われる。洗浄・乾燥室５６内で洗浄および乾燥処理が行われた半導体ウエハは、ウエハカセット５１に再度収容される。

本実施の形態では、エッチング処理室５４でＳＦ₆（六フッ化硫黄）ガスとＯ₂（酸素）ガスとＨｅ（ヘリウム）ガスとＮ₂（窒素）ガスとの混合ガスを用いたプラズマで半導体ウエハ上の窒化シリコン膜をエッチングした後に、洗浄・乾燥室５６で半導体ウエハの洗浄処理を行う。

窒化シリコン膜のエッチングの際に生じたＮＨ₄Ｆなどの反応生成物３１がエッチング処理後の半導体ウエハに付着していると、このＮＨ₄Ｆなどの反応生成物３１が外気中の水分などと反応して下地膜（反応生成物が付着した領域、付着した反応生成物の下地膜）を変質させてしまう可能性があるが、本実施の形態のようにエッチング処理室５４で窒化シリコン膜をエッチングした後に、洗浄・乾燥室５６で半導体ウエハの洗浄処理を行うことで、半導体ウエハに付着したＮＨ₄Ｆなどの反応生成物３１を洗浄処理によって除去することができ、半導体ウエハに付着したＮＨ₄Ｆなどの反応生成物３１が大気（外気）中の水分などと反応して下地膜を変質させてしまう現象を防止することができる。これにより、製造される半導体装置の性能や信頼性をより向上させることができる。

また、本実施の形態では、エッチング装置５０に洗浄・乾燥室５６を設け、エッチング処理室５４でのエッチング処理後、速やかに洗浄処理を行うことができるようにしている。このため、たとえＮＨ₄Ｆなどの反応生成物３１がエッチング処理後の半導体ウエハに付着していたとしても、半導体ウエハが大気（外気）中に長時間さらされることなく速やかに洗浄・乾燥室５６で洗浄処理を行って反応生成物３１を除去できるので、半導体ウエハに付着したＮＨ₄Ｆなどの反応生成物３１が大気（外気）中の水分などと反応して下地膜を変質させてしまうのをより的確に防止することができる。

また、本実施の形態では、エッチング装置５０において、ロードロック室５２とアンロードロック室５５とを分け（分離し）て両者を別個に設け、エッチング処理前の半導体ウエハ（エッチング処理すべき半導体ウエハ）の搬入経路（搬送経路）と、エッチング処理後の半導体ウエハ（エッチング処理を終えた半導体ウエハ）の搬出経路（搬送経路）とを、異なるものとしている（別にしている）。また、真空搬送室５３において、エッチング処理前の半導体ウエハのロードロック室５２からエッチング処理室５４への搬送経路と、エッチング処理後の半導体ウエハのエッチング処理室５４からアンロードロック室５５への搬送経路とを分けていれば（分離していれば）、より好ましい。

本実施の形態とは異なり、エッチング装置５０のロードロック室５２とアンロードロック室５５とを分離しなかった場合、ロードロック室とアンロードロック室を兼ねたロード・アンロードロック室から真空搬送室５３を経てエッチング処理室５４に半導体ウエハを運んでエッチング処理を行った後、この半導体ウエハを再度ロード・アンロードロック室に戻すことになるので、エッチング処理後の半導体ウエハにＮＨ₄Ｆなどの反応生成物（反応生成物３１）が付着していると、この反応生成物がロード・アンロードロック室の機器を介して、エッチング処理前の半導体ウエハに付着してしまう可能性がある。エッチング処理前の半導体ウエハにＮＨ₄Ｆなどの反応生成物が付着していると、エッチング処理室５４でのエッチングの際に、反応生成物に起因した増速エッチング（異常エッチング）が発生する可能性がある。本実施の形態では、エッチング装置５０において、ロードロック室５２とアンロードロック室５５とを分離し、エッチング前の半導体ウエハの搬入経路（搬送経路）とエッチング後の半導体ウエハの搬出経路（搬送経路）とを異なるものとしている（別にしている）。このため、たとえエッチング処理後の半導体ウエハにＮＨ₄Ｆなどの反応生成物が付着していたとしても、この反応生成物がエッチング処理前の半導体ウエハに付着するのを防止することができる。従って、半導体ウエハの表面の窒化シリコン膜をエッチングする際の異常エッチングをより的確に防止することが可能となる。これにより、製造される半導体装置の性能や信頼性をより向上させることができる。

図１６は、他の形態のエッチング装置５０ａの概念的な構造を示す説明図である。図１６のエッチング装置５０ａは、洗浄・乾燥室５６が設けられておらず、エッチング処理室５４でエッチング処理を行った後、アンロードロック室５５に送られた半導体ウエハはウエハカセット５１に再度収容される。エッチング処理を行ってからウエハカセット５１に一旦収容された半導体ウエハは、その後、洗浄・乾燥装置５６ａに搬送され、洗浄・乾燥装置５６ａ内で、例えば純水などを用いて半導体ウエハが洗浄処理され、その後、洗浄された半導体ウエハの乾燥処理が行われる。洗浄・乾燥装置５６ａ内で洗浄および乾燥処理が行われた半導体ウエハは、ウエハカセット５１に再度収容される。

エッチング装置５０ａでエッチング処理を行った半導体ウエハを収容するウエハカセット５１内は、窒素（Ｎ₂）ガスで置換した状態にし（窒素ガスでパージし）、エッチング処理後の半導体ウエハを窒素ガス中で保管することがより好ましい。すなわち、エッチング装置５０ａのエッチング処理室５４でエッチング処理を行った後、洗浄・乾燥装置５６ａで洗浄処理を行う前は、窒素雰囲気中（窒素ガス中）で半導体ウエハを保管することがより好ましい。エッチング装置５０ａのエッチング処理室５４でエッチング処理を行った後、ウエハカセット５１で窒素雰囲気中（窒素ガス中）で半導体ウエハを保管し、その後、洗浄・乾燥装置５６ａで半導体ウエハを洗浄処理することで、たとえＮＨ₄Ｆなどの反応生成物（反応生成物３１）がエッチング処理後の半導体ウエハに付着していたとしても、半導体ウエハが大気（外気）中に長時間さらされるのを防止でき、半導体ウエハに付着したＮＨ₄Ｆなどの反応生成物が大気（外気）中の水分などと反応して下地膜（反応生成物が付着した領域、付着した反応生成物の下地膜）を変質させてしまうのを防止することができる。

以上、本発明者によってなされた発明をその実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることは言うまでもない。

前記実施の形態では、ＭＩＳＦＥＴを有する半導体装置の製造工程について説明したが、本発明は、これに限定されるものではなく、半導体基板（半導体ウエハ）上に形成した窒化シリコン膜を除去する工程を有する種々の半導体装置の製造工程に適用することができる。

本発明は、半導体基板の主面上に形成された窒化シリコン膜を除去する工程を有する半導体装置の製造技術に適用して有効である。

本発明の一実施の形態である半導体装置の製造工程中の要部断面図である。 図１に続く半導体装置の製造工程中における要部断面図である。 図２に続く半導体装置の製造工程中における要部断面図である。 図３に続く半導体装置の製造工程中における要部断面図である。 図４に続く半導体装置の製造工程中における要部断面図である。 図５に続く半導体装置の製造工程中における要部断面図である。 図６に続く半導体装置の製造工程中における要部断面図である。 図７に続く半導体装置の製造工程中における要部断面図である。 図８に続く半導体装置の製造工程中における要部断面図である。 ＳＦ₆ガスを含む各種の混合ガスを用いたプラズマで窒化シリコン膜をエッチングした場合のエッチングレートを示すグラフである。 窒化シリコン膜が局所的に異常にエッチングされる現象の説明図である。 窒化シリコン膜が局所的に異常にエッチングされる現象の説明図である。 窒化シリコン膜のエッチング工程で使用される混合ガスにおけるＳＦ₆ガスの比率と、ピットの発生状況と、窒化シリコン膜のエッチングレートとの相関を示す表である。 窒化シリコン膜をエッチングする際の圧力と、ピットの発生状況と、窒化シリコン膜のエッチングレートとの相関を示す表である。 窒化シリコン膜のエッチング工程で用いられるエッチング装置の概念的な構造を示す説明図である。 窒化シリコン膜のエッチング工程で用いられるエッチング装置の概念的な構造を示す説明図である。

符号の説明

１ 半導体基板（半導体ウエハ）
２ 酸化シリコン膜
３ 窒化シリコン膜
４ 素子分離溝
５ 酸化シリコン膜
６ 素子分離領域
１１ ｐ型ウエル
１２ ゲート絶縁膜
１３ ゲート電極
１４ ｎ^-型半導体領域
１５ サイドウォール
１６ ｎ⁺型半導体領域
２０ ＭＩＳＦＥＴ
２１ シリサイド膜
２２ 絶縁膜
２３ コンタクトホール
２４ プラグ
２４ａ バリア膜
２５ 配線
２５ａ チタン膜
２５ｂ 窒化チタン膜
２５ｃ アルミニウム膜
２５ｄ チタン膜
２５ｅ 窒化チタン膜
２６ 絶縁膜
３１ 反応生成物
３１ａ 下部領域
３２ ピット
５０ エッチング装置
５０ａ エッチング装置
５１ ウエハカセット
５２ ロードロック室
５３ 真空搬送室
５４ エッチング処理室
５５ アンロードロック室
５６ 洗浄・乾燥室
５６ａ 洗浄・乾燥装置

Claims (7)

1. ＳＦ₆ガスとＯ₂ガスと不活性ガスとの混合ガスを用いたプラズマで等方性エッチングすることによって、半導体基板の主面に形成された窒化シリコン膜を除去する工程を有し、
   前記混合ガスのＳＦ₆ガスの比率が１〜１０％の範囲内であることを特徴とする半導体装置の製造方法。
2. 請求項１記載の半導体装置の製造方法において、
   前記混合ガスのＳＦ₆ガスの比率が２〜７％の範囲内であることを特徴とする半導体装置の製造方法。
3. 請求項１記載の半導体装置の製造方法において、
   前記窒化シリコン膜を除去する工程におけるエッチング処理室の圧力が２６．７〜５３．３Ｐａの範囲内であることを特徴とする半導体装置の製造方法。
4. 請求項１記載の半導体装置の製造方法において、
   前記混合ガスは、ＳＦ₆ガスとＯ₂ガスとＨｅガスとＮ₂ガスとの混合ガスであることを特徴とする半導体装置の製造方法。
5. 請求項１記載の半導体装置の製造方法において、
   前記窒化シリコン膜を除去する工程後に、前記半導体基板を洗浄する工程を更に有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
6. 請求項５記載の半導体装置の製造方法において、
   前記窒化シリコン膜を除去する工程後で、前記半導体基板を洗浄する工程前に、半導体基板を窒素ガス中で保管することを特徴とする半導体装置の製造方法。
7. 請求項１記載の半導体装置の製造方法において、
   前記窒化シリコン膜を除去する工程で用いられるエッチング装置は、エッチング処理前の半導体基板の搬入経路と、エッチング処理後の半導体基板の搬出経路とが異なることを特徴とする半導体装置の製造方法。
   
   

Images