JP2007042979A - Manufacturing method of semiconductor device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、半導体装置の製造方法に関し、特に、n型ゲート電極を有するnチャネルトランジスタとp型ゲート電極を有するpチャネルトランジスタとが同一の基板に形成されたデュアルゲート構造を有する半導体装置の製造方法に関する。 The present invention relates to a method of manufacturing a semiconductor device, and in particular, manufacture of a semiconductor device having a dual gate structure in which an n-channel transistor having an n-type gate electrode and a p-channel transistor having a p-type gate electrode are formed on the same substrate. Regarding the method.
MOS(Metal Oxide Semiconductor)構造素子を用いた半導体装置では、nチャネルトランジスタとpチャネルトランジスタのいずれにも、n型のポリシリコンがゲート電極材料として使用されている(いわゆる、シングルゲート構造)。しかしながら、近年の半導体素子の微細化に伴い、0.3μm以下のゲート長のゲート電極を備えたトランジスタでは、pチャネルトランジスタにおいて生じる短チャネル効果を抑制する目的で、pチャンネルトランジスタのゲート材料にp型のポリシリコンが使用され、nチャンネルトランジスタのゲート電極にn型のポリシリコンが使用されるデュアルゲート構造が採用されている。 In a semiconductor device using a MOS (Metal Oxide Semiconductor) structure element, n-type polysilicon is used as a gate electrode material for both an n-channel transistor and a p-channel transistor (so-called single gate structure). However, with the recent miniaturization of semiconductor elements, in a transistor having a gate electrode having a gate length of 0.3 μm or less, p-channel transistor gate material is used for the purpose of suppressing the short channel effect generated in the p-channel transistor. A dual gate structure in which n-type polysilicon is used for the gate electrode of the n-channel transistor is employed.
図7は、上記デュアルゲート構造を有する半導体装置のゲート電極の形成工程を示す工程断面図である。なお、図7では、n型ポリシリコンゲートとp型ポリシリコンゲートとに加え、不純物が注入されていないポリシリコンのパターン(以下、当該パターンもゲートという。)を同時に形成している。 FIG. 7 is a process sectional view showing a process of forming a gate electrode of the semiconductor device having the dual gate structure. In FIG. 7, in addition to the n-type polysilicon gate and the p-type polysilicon gate, a polysilicon pattern in which no impurity is implanted (hereinafter, this pattern is also referred to as a gate) is formed at the same time.
図7(a)に示すように、まず、半導体基板11上に熱酸化法等によりシリコン酸化膜等からなる膜厚3nm程度のゲート絶縁膜12が形成され、当該ゲート絶縁膜12上に200nm程度の膜厚のポリシリコン膜13がCVD(Chemical Vapor Deposition)法により堆積される。
As shown in FIG. 7A, first, a
次に、ポリシリコン膜13上に、n型ポリシリコンゲートの形成領域を含む領域に開口を有するレジストパターン21がフォトリソグラフィにより形成される。当該レジストパターン21をマスクとして、リン(P)等のn型の不純物が、例えば、注入エネルギーが5keV、注入ドーズ量が5×1015atoms/cm2の条件でポリシリコン膜13に注入され、図7(b)に示すように、n型ポリシリコン領域14が形成される。
Next, a
レジストパターン21がアッシング処理等により除去された後、図7(c)に示すように、ポリシリコン膜13上に、p型ポリシリコンゲートの形成領域を含む領域に開口を有するレジストパターン22がフォトリソグラフィにより形成される。そして、当該レジストパターン22をマスクとして、ホウ素(B)等のp型の不純物が、例えば、注入エネルギーが5keV、注入ドーズ量が5×1015atoms/cm2の条件でポリシリコン膜13に注入され、p型ポリシリコン領域15が形成される。
After the
以上の工程により、ポリシリコン膜13は、n型ポリシリコン領域14、p型ポリシリコン領域15、及び、非注入領域16に区分される。
Through the above steps, the
続いて、図7(d)に示すように、フォトリソグラフィにより、上記各領域14、15、16上にそれぞれ、ゲート電極パターン形成領域を被覆するレジストパターン23が形成され、当該レジストパターン23をマスクとしてポリシリコン膜13のエッチングが行われる。
Subsequently, as shown in FIG. 7D, a
一般に、n型不純物が導入されたn型ポリシリコン領域14は、p型不純物が導入されたp型ポリシリコン領域15に比べてエッチング速度が大きい。このため、n型ポリシリコン領域14、p型ポリシリコン領域15、及び非注入領域18が混在したポリシリコン膜13を、同時にかつ均一にエッチングすることは困難となっている。すなわち、図8(a)に示すように、n型ポリシリコン領域14のエッチングが完了した状態では、p型ポリシリコン領域15ではエッチングが未完了の状態であり、図8(b)に示すように、p型ポリシリコン領域15のエッチングが完了した状態では、n型ポリシリコン領域14はオーバエッチングされてしまい、当該領域14下のゲート絶縁膜12にマイクロトレンチ等の欠陥80が生じてしまう。
In general, the n-
この対策として、図7(e)に示すように、上記ポリシリコン膜13のエッチング工程では、まず、Cl2ガスとHBrガスとO2ガスとの混合ガスをエッチングガスとして、ポリシリコン膜13とゲート絶縁膜12との選択比が比較的小さいエッチング条件で、n型ポリシリコン領域14のエッチングが完了するまでプラズマエッチングが行われる。この後、HBrガスとO2ガスとの混合ガスをエッチングガスとして、ポリシリコン膜13とゲート絶縁膜12との選択比が比較的大きいエッチング条件でのプラズマエッチングが行われる。これにより、図7(f)に示すように、n型ポリシリコン領域14のゲート絶縁膜12にダメージを与えることなくp型ポリシリコン領域15、非注入領域16のポリシリコン膜の残部が除去される。この結果、各領域14、15、16において良好な形状を有するゲート電極が形成される(例えば、特許文献1参照。)。
As a countermeasure, as shown in FIG. 7E, in the etching process of the
また、上記の製造工程では、n型ポリシリコン領域14のエッチングが完了した時点でエッチングガスを切替える必要があるため、n型ポリシリコン領域14のエッチング終点の検出が行われている。このような、エッチング終点の検出は、エッチング処理中にプラズマから放射される特定波長の光の強度を計測しておき、ゲート絶縁膜12が露出した際に当該光強度が変動することを利用して行われている(例えば、特許文献2参照。)。
しかしながら、半導体基板11上でn型ポリシリコン領域14が占める面積が小さい場合、n型ポリシリコン領域14のポリシリコン膜がエッチング除去された際に露出するゲート絶縁膜12の面積が小さくなる。このため、上記特定波長の光強度は小さく、当該光強度の変動を検知することは困難である。したがって、上記従来のエッチング終点の検出手法では、半導体基板11上において、p型ポリシリコン領域15や非注入領域16の占める面積が大きい場合に、エッチング終点を正確に検出することができないという問題がある。
However, when the area occupied by the n-
このため、上記従来技術を適用するためには、n型ポリシリコン領域14の面積は、p型ポリシリコン領域15及び非注入領域16が半導体基板上で占める面積よりも大きくなければならないというレイアウト上の制約があった。このような、レイアウト上の制約は、半導体装置の設計自由度を低下させるため好ましくない。
Therefore, in order to apply the above-described conventional technique, the area of the n-
本発明は、上記従来の事情を鑑みて提案されたものであって、ゲート絶縁膜に損傷を与えることなく、容易にデュアルゲート構造を形成することができる半導体装置の製造方法を提供することを目的とする。 The present invention has been proposed in view of the above-described conventional circumstances, and provides a method for manufacturing a semiconductor device capable of easily forming a dual gate structure without damaging the gate insulating film. Objective.
上述の課題を解決するために、本発明は、以下の技術的手段を採用している。すなわち、本発明に係る半導体装置の製造方法は、まず、半導体層上にゲート絶縁膜を形成し、当該ゲート絶縁膜上にポリシリコンまたはアモルファスシリコンからなるシリコン膜を形成する。次いで、シリコン膜の一部にn型の不純物を導入し、n型不純物の濃度が特定濃度以上である上部領域と、n型不純物の濃度が前記特定濃度未満である下部領域とからなるn型領域を形成する。続いて、シリコン膜上に、少なくとも前記n型領域のゲート形成領域を被覆するパターンと、前記n型領域以外の領域のゲート形成領域を被覆するパターンとを含むマスクパターンを形成する。この後、マスクパターンをエッチングマスクとして、上部領域を前記n型領域以外の領域とともにフッ素元素を含むエッチング種によりドライエッチングする。そして、前記マスクパターンをエッチングマスクとして、シリコン膜の残部を前記ドライエッチングと異なるエッチング種によりドライエッチングする。 In order to solve the above-described problems, the present invention employs the following technical means. That is, in the method for manufacturing a semiconductor device according to the present invention, a gate insulating film is first formed on a semiconductor layer, and a silicon film made of polysilicon or amorphous silicon is formed on the gate insulating film. Next, an n-type impurity is introduced into a part of the silicon film, and an n-type composed of an upper region where the concentration of the n-type impurity is equal to or higher than a specific concentration and a lower region where the concentration of the n-type impurity is lower than the specific concentration. Form a region. Subsequently, a mask pattern including at least a pattern covering the gate forming region of the n-type region and a pattern covering the gate forming region of the region other than the n-type region is formed on the silicon film. Thereafter, using the mask pattern as an etching mask, the upper region is dry-etched together with regions other than the n-type region using an etching species containing fluorine element. Then, using the mask pattern as an etching mask, the remaining portion of the silicon film is dry-etched with an etching species different from the dry etching.
シリコン膜残部のドライエッチングは、フッ素元素を含まないエッチング種により行うことができる。また、上記特定濃度は、例えば1×1019atoms/cm3であり、このような濃度分布は、600℃〜700℃の熱処理により形成することができる。 The dry etching of the remaining silicon film can be performed by using an etching species that does not contain a fluorine element. The specific concentration is, for example, 1 × 10 19 atoms / cm 3 , and such a concentration distribution can be formed by heat treatment at 600 ° C. to 700 ° C.
上記マスクパターンは、レジストや絶縁膜のパターンとして形成することができる。絶縁膜としては、例えば、テトラエトキシオキソシランを原料とした膜を使用することができる。このとき、600〜700℃の温度で絶縁膜を成膜することで、上記熱処理を成膜と同時に行うことができる。 The mask pattern can be formed as a resist or insulating film pattern. As the insulating film, for example, a film made of tetraethoxyoxosilane can be used. At this time, by forming the insulating film at a temperature of 600 to 700 ° C., the heat treatment can be performed simultaneously with the film formation.
また、上記上部領域のドライエッチングは、フッ素元素を含むエッチングガスにより行うことができる。当該エッチングガスには、例えば、CF4、CHF3、C2F6、C3F8、C4F8、NF3、及びSF6の中から選択されたガス、あるいはこれらの混合ガスを使用することができる。 The dry etching of the upper region can be performed with an etching gas containing a fluorine element. As the etching gas, for example, a gas selected from CF 4 , CHF 3 , C 2 F 6 , C 3 F 8 , C 4 F 8 , NF 3 , and SF 6 , or a mixed gas thereof is used. can do.
さらに、マスクパターンとして使用される絶縁膜がフッ素元素を含む膜であってもよい。この場合、上記上部領域のドライエッチングに用いられるエッチング種のフッ素元素は、絶縁膜から生じる。このようなドライエッチングを行うときは、塩素元素と臭素元素との少なくとも一方を含むエッチングガスを用いて上部領域のドライエッチングを行えばよい。 Furthermore, the insulating film used as the mask pattern may be a film containing fluorine element. In this case, the fluorine element of the etching species used for the dry etching of the upper region is generated from the insulating film. When such dry etching is performed, the upper region may be dry etched using an etching gas containing at least one of chlorine element and bromine element.
本発明によれば、n型不純物濃度が1×1019atoms/cm3以上である上部領域のエッチングに、n型ポリシリコン領域とそれ以外の領域とでエッチング速度に差が生じないフッ素元素を含有するエッチングガスを使用し、n型不純物濃度が1×1019atoms/cm3未満である下部領域を、ゲート絶縁膜に対して高い選択比を有するエッチング条件によりエッチングする。このため、ゲート絶縁膜の損傷を防止することができるとともに、エッチング条件を切替える時点を容易に検出することができる。 According to the present invention, in the etching of the upper region where the n-type impurity concentration is 1 × 10 19 atoms / cm 3 or more, a fluorine element that does not cause a difference in etching rate between the n-type polysilicon region and the other regions is used. Using the contained etching gas, the lower region having an n-type impurity concentration of less than 1 × 10 19 atoms / cm 3 is etched under etching conditions having a high selectivity with respect to the gate insulating film. For this reason, it is possible to prevent damage to the gate insulating film and to easily detect the point in time when the etching conditions are switched.
(第1の実施形態)
以下、本発明の第1の実施形態に係る半導体装置の製造方法を、図面を参照しながら詳細に説明する。図1は、本実施形態に係る半導体装置の製造方法示す工程断面図である。なお、以下では、上記従来の半導体装置と同一である部位には同一の符号を付し、ゲート電極の形成工程のみを説明する。
(First embodiment)
Hereinafter, a semiconductor device manufacturing method according to a first embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. FIG. 1 is a process cross-sectional view illustrating a method for manufacturing a semiconductor device according to the present embodiment. In the following, the same parts as those in the conventional semiconductor device are denoted by the same reference numerals, and only the gate electrode forming process will be described.
まず、図1(a)に示すように、シリコンからなる半導体基板11上にゲート絶縁膜12が形成される。ゲート絶縁膜12には、例えば、熱酸化法により成膜したシリコン酸化膜を採用することができる。ここでは、850℃で3nmのシリコン酸化膜を成膜している。続いて、ゲート絶縁膜12上にCVD法等によりポリシリコン膜13が形成される。本実施形態では、600℃の成膜温度で200nmの膜厚を有するポリシリコン膜13をCVD法により成膜している。
First, as shown in FIG. 1A, a
次に、図1(b)に示すように、ポリシリコン膜13上に、n型不純物の注入領域に開口を有するレジストパターン21がフォトリソグラフィにより形成される。そして、レジストパターン21を注入マスクとして、n型の不純物がポリシリコン膜13に注入され、ポリシリコン膜13にn型ポリシリコン領域15が形成される。本実施形態では、n型不純物であるリンを、注入エネルギーが15keV、注入ドーズ量が5×1015atoms/cm2の条件でポリシリコン膜13に注入している。
Next, as shown in FIG. 1B, a resist
続いて、レジストパターン21がアッシング処理等により除去された後、ポリシリコン膜13上に、p型不純物の注入領域に開口を有するレジストパターン22がフォトリソグラフィにより形成され、当該レジストパターン22を注入マスクとして、p型の不純物がポリシリコン膜13に導入される。本実施形態では、p型不純物であるホウ素が、注入エネルギー10keV、注入ドーズ量5×1015atoms/cm2の条件でポリシリコン膜13に注入され、p型ポリシリコン領域15が形成される。
Subsequently, after the resist
さて、本実施形態では、次に、図1(d)に示すように、n型ポリシリコン領域14に、n型不純物(ここでは、リン)の濃度が1×1019atoms/cm3以上である上部領域17と、1×1019atoms/cm3未満である下部領域18とを形成する熱処理が行われる。当該熱処理は、例えば、基板温度を700℃に昇温し、当該温度を、例えば、10秒程度維持することで実施される。本実施形態では、当該熱処理により、図2に示すような、リンの濃度分布が実現される。なお、図2において、横軸は、ポリシリコン膜13の上面を原点とした深さに対応し、縦軸がリンの濃度に対応する。図2では、ポリシリコン膜13の上面から150nmまでの領域が1×1019atoms/cm3以上のリン濃度を有する上部領域17であり、上部領域17の下端からポリシリコン膜13の底面までの領域が、リン濃度が1×1019atoms/cm3未満である下部領域18となる。また、当該熱処理は、上部領域と下部領域を形成可能であればいかなる条件で行ってもよく、例えば、600℃〜700℃程度の基板温度で実施可能である。
In this embodiment, next, as shown in FIG. 1D, the n-
n型ポリシリコン領域14に上部領域17と下部領域18とを形成する熱処理が完了すると、図1(e)に示すように、n型ポリシリコン領域14、p型ポリシリコン領域15、非注入領域16上に、ゲート電極パターン形成領域を被覆するレジストパターン23がフォトリソグラフィによりそれぞれ形成される。
When the heat treatment for forming the
次に、図1(f)及び図1(g)に示すように、レジストパターン23をエッチングマスクとしたポリシリコン膜13のエッチングが行われる。当該エッチング工程では、まず、n型ポリシリコン領域14の上部領域17と、n型ポリシリコン領域以外の領域(p型ポリシリコン領域15及び非注入領域16)の上部領域17に対応する領域のエッチングを行う第1のエッチング処理(図1(e))が行われる。そして、当該第1のエッチング処理に続いて、n型ポリシリコン領域14の下部領域18と、n型ポリシリコン領域以外の領域の下部領域18に対応する領域のエッチングを行う第2のエッチング処理(図1(f))が行われる。
Next, as shown in FIGS. 1F and 1G, the
これらのエッチング処理には、例えば、ICP(Inductive Coupling Plasma)方式のプラズマエッチング装置を使用することができる。図3に示すように、ICP方式のプラズマエッチング装置60は、内壁がセラミック、アルミナ、石英等の絶縁膜で被覆されたチャンバ61を有し、当該チャンバ61内に被処理基板70が載置される試料台となる下部電極62を備えている。下部電極62と対向するチャンバ壁は、石英等の誘電体壁67により構成され、誘電体壁67上に、コイル状の上部電極63が配設されている。上部電極63には、整合器64を介して高周波電源65が接続され、下部電極62には、整合器69を介して高周波電源68が接続されている。
For these etching processes, for example, an ICP (Inductive Coupling Plasma) plasma etching apparatus can be used. As shown in FIG. 3, the ICP
また、チャンバ61の側壁上部には、マスフローコントローラを介してエッチングガスが導入されるガス導入口71が連通されており、チャンバ61の下壁には、チャンバ内のガスを排気するガス排気口72が連通されている。ガス排気口72には、図示しないターボポンプが介在されており、チャンバ61の内部圧力が、0.1Paから10Pa程度の一定圧力に維持される構成になっている。また、下部電極62の内部には、電極を一定温度に保持する温度制御機構が内蔵されている。
In addition, a
このようなプラズマエッチング装置60において、まず、上部領域17をエッチングする第1のエッチング処理が行われる。当該エッチング処理では、チャンバ61内に、フッ素元素を含有するガス、例えば、CF4ガスが30ml/min、Cl2ガスが20ml/min、HBrガスが30ml/min、O2ガスが6ml/minの流量(1℃、1気圧での流量)で導入される。このとき、チャンバ61の内部圧力は0.7Paに維持される。当該状態で、高周波電源65により上部電極63に400Wの高周波電力が印加され、高周波電源68により下部電極62に50Wの高周波電力が印加される。そして、上部電極62に印加された高周波電力により、チャンバ61内に上記エッチングガスのプラズマが生成される。当該プラズマ中のイオンは、下部電極62に印加された高周波電力がバイアスとなって下部電極62上の被処理基板70の入射し、エッチングが行われる。なお、本実施形態では、下部電極62の温度は20℃に維持されている。
In such a
ここで、ポリシリコン膜のエッチングについて説明する。図4は、n型ポリシリコン膜に対するp型ポリシリコン膜のエッチングレートの比のn型不純物濃度依存性を示す図である。なお、エッチングレート比は、(p型ポリシリコンのエッチング速度)/(n型ポリシリコンのエッチング速度)により算出される値である。また、図4において、実線Aは、エッチングに寄与するフッ素元素が存在しない状態でのエッチングレート比を示しており、破線Bはエッチングに寄与するフッ素元素が存在する状態でのエッチングレート比を示している。 Here, the etching of the polysilicon film will be described. FIG. 4 is a diagram showing the n-type impurity concentration dependence of the ratio of the etching rate of the p-type polysilicon film to the n-type polysilicon film. The etching rate ratio is a value calculated by (etching rate of p-type polysilicon) / (etching rate of n-type polysilicon). In FIG. 4, a solid line A indicates an etching rate ratio in a state where there is no fluorine element contributing to etching, and a broken line B indicates an etching rate ratio in a state where a fluorine element contributing to etching exists. ing.
図4に示すように、フッ素元素が存在しない状況下(実線A)では、n型ポリシリコン膜中の不純物濃度が1×1019atoms/cm3以上になると、エッチングレート比は徐々に低下し、「0.8」以下の値になっている。これは、上述したように、n型不純物濃度が高くなると、n型ポリシリコン膜のエッチング速度が、p型ポリシリコン膜のエッチング速度よりも20%程度速くなることを示している。 As shown in FIG. 4, in the situation where no fluorine element exists (solid line A), when the impurity concentration in the n-type polysilicon film is 1 × 10 19 atoms / cm 3 or more, the etching rate ratio gradually decreases. , “0.8” or less. As described above, this indicates that the etching rate of the n-type polysilicon film is about 20% faster than the etching rate of the p-type polysilicon film when the n-type impurity concentration is increased.
一方、フッ素元素が存在する状況下(破線B)では、エッチングレート比は、n型ポリシリコン膜に導入された不純物濃度に依存せず、ほぼ「1.0」の一定値となっている。これは、フッ素元素が存在する状況下では、n型ポリシリコン膜とp型ポリシリコン膜とは、同一のエッチング速度でエッチングされることを示している。 On the other hand, under the situation where fluorine element exists (broken line B), the etching rate ratio does not depend on the impurity concentration introduced into the n-type polysilicon film, and is a constant value of “1.0”. This indicates that the n-type polysilicon film and the p-type polysilicon film are etched at the same etching rate under the situation where fluorine element exists.
すなわち、上述の第1のエッチング処理のエッチング条件は、チャンバ61内にCF4ガスを導入しているため、n型ポリシリコン領域14、p型ポリシリコン領域15、及び非注入領域16の各領域においてエッチング速度に差は発生せず、同一のエッチング速度でエッチングを行うことができる。このため、エッチング速度に応じた一定時間のエッチングを行うことで、図1(f)に示すように、各領域14、15、16においてポリシリコン膜13の上面から所定深さまでの、均等なエッチングを行うことができる。本実施形態では、当該第1のエッチング処理により、n型ポリシリコン領域14の上部領域17に対応する150nmのエッチングが行われる(50nm厚のポリシリコン膜が残留する)。なお、第1のエッチング処理では、各領域14、15、16においてエッチング速度に差が生じないので、公知の反射光を利用した膜厚検知型のEPD(End Point Detector)を用いてポリシリコン膜13の残厚を測定し、エッチング終点を検出することも可能である。
That is, since the CF 4 gas is introduced into the
第1のエッチング処理に続いて、上記第2のエッチング処理が行われる。当該エッチング処理では、エッチング領域に残留しているポリシリコン膜13(ここでは,50nm厚のポリシリコン膜)がエッチングされる。図2に示したように、第2のエッチング処理によりエッチングされるn型ポリシリコン膜中の不純物濃度は1×1019atoms/cm3未満であるので、図4に示したように、フッ素元素が存在しない状況下でも、n型ポリシリコン領域14、p型ポリシリコン領域15、及び非注入領域16の各領域においてエッチング速度に差は発生せず、同一のエッチング速度でエッチングを行うことができる。
Subsequent to the first etching process, the second etching process is performed. In the etching process, the polysilicon film 13 (here, a 50 nm thick polysilicon film) remaining in the etching region is etched. As shown in FIG. 2, since the impurity concentration in the n-type polysilicon film etched by the second etching process is less than 1 × 10 19 atoms / cm 3 , as shown in FIG. Even in a situation where there is no etching, there is no difference in etching rate between the n-
本実施形態では、第2のエッチング処理を、プラズマエッチング装置60のチャンバ61に、エッチングガスとして、HBrガスを150ml/min、O2ガスを10ml/minの流量で導入するとともに、内部圧力を1.3Paに維持する。この状態で、上部電極63に300W、下部電極62に30Wの高周波電力を印加することによりエッチングを行っている。当該エッチング条件は、第1のエッチング処理のエッチング条件に比べて、ゲート絶縁膜12に対して高い選択比を得ることができるエッチング条件である。
In the present embodiment, the second etching process is performed by introducing HBr gas at a flow rate of 150 ml / min and O 2 gas at a flow rate of 10 ml / min as an etching gas into the
したがって、第2のエッチング処理は、第1のエッチング処理と同様に、n型ポリシリコン領域14、p型ポリシリコン領域15、及び非注入領域16の各領域において、同一のエッチング速度でエッチングを行うことができるとともに、ゲート絶縁膜12に損傷を与えることなくエッチングを行うことができる。また、各領域14、15、16においてエッチング速度に差が生じないため、第2のエッチング処理のエッチング終点は、エッチング処理中のプラズマ放射光のうち、ゲート絶縁膜12が露出した際に光強度が変化する特定波長の光を常時計測し、当該光強度変化を検出することで精度良く検出することが可能である。
Accordingly, in the second etching process, the n-
この後、レジストパターン23が除去され、図1(h)に示すように、ゲート電極パターンが完成する。
Thereafter, the resist
以上説明したように、本実施形態によれば、n型ポリシリコン領域、p型ポリシリコン領域、及び非注入領域が混在するポリシリコン膜を同時にエッチングする場合でも、各領域を同一のエッチング速度でエッチングすることができる。このため、エッチング時間、あるいは、ポリシリコン膜の残厚を計測することにより、エッチングガスを切替える時点や完全にエッチングが完了した時点を容易に検出することができる。したがって、n型ポリシリコン領域、p型ポリシリコン領域、及び非注入領域が混在するポリシリコン膜のエッチングを、ゲート絶縁膜に損傷を与えることなく容易に行うことができる。 As described above, according to the present embodiment, even when simultaneously etching a polysilicon film in which an n-type polysilicon region, a p-type polysilicon region, and a non-implanted region are mixed, each region is formed at the same etching rate. It can be etched. Therefore, by measuring the etching time or the remaining thickness of the polysilicon film, it is possible to easily detect when the etching gas is switched or when etching is completely completed. Therefore, the etching of the polysilicon film including the n-type polysilicon region, the p-type polysilicon region, and the non-implanted region can be easily performed without damaging the gate insulating film.
なお、上記説明では、第1のエッチング処理のエッチングガスとしてCF4を含有するガスを使用したが、ポリシリコン膜のエッチングに作用可能なフッ素元素を含有するガスであれば任意のガスを使用することができる。当該エッチングガスは、例えば、CHF3、C2F6、C3F8、C4F8、NF3、あるいは、SF6等を含有するガスであってもよい。 In the above description, a gas containing CF 4 is used as the etching gas for the first etching process, but any gas may be used as long as it contains a fluorine element that can act on the etching of the polysilicon film. be able to. The etching gas may be, for example, a gas containing CHF 3 , C 2 F 6 , C 3 F 8 , C 4 F 8 , NF 3 , or SF 6 .
(第2の実施形態)
続いて、本発明の第2の実施形態に係る半導体装置の製造方法を、図面を参照しながら詳細に説明する。図5は、本実施形態に係る半導体装置の製造方法示す工程断面図である。
本実施形態は、第1の実施形態と異なり、ゲート電極のエッチングマスクが絶縁膜により構成される。なお、ポリシリコン膜13にn型ポリシリコン領域14及びp型ポリシリコン領域15を形成するまでの工程は、第1の実施形態と同一である。
(Second Embodiment)
Next, a semiconductor device manufacturing method according to the second embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. FIG. 5 is a process cross-sectional view illustrating the method for manufacturing the semiconductor device according to the present embodiment.
In the present embodiment, unlike the first embodiment, the etching mask of the gate electrode is formed of an insulating film. The process until the n-
図5(a)に示すように、図1(a)〜(c)に示した工程により、半導体基板11上に、ゲート絶縁膜12を介して、n型ポリシリコン領域14、p型ポリシリコン領域15、及び非注入領域16に区分されたポリシリコン膜13が形成される。
As shown in FIG. 5A, the n-
次に、図5(b)に示すように、ポリシリコン膜13上に、絶縁膜31が形成される。当該絶縁膜31は、例えば、テトラエトキシオキソシラン(TEOS)とO2ガスとを原料としたLP−CVD(Low Pressure-CVD)法により成膜したTEOS膜を使用することができる。ここでは、600℃の成膜温度で膜厚100nmのTEOS膜を成膜している。また、本実施形態では、絶縁膜31を成膜する際の昇温を利用して、n型ポリシリコン領域14に、n型不純物(ここでは、リン)の濃度が1×1019atoms/cm3以上である上部領域17と、1×1019atoms/cm3未満である下部領域18とを形成している。
Next, as shown in FIG. 5B, an insulating
続いて、図5(c)に示すように、公知のフォトリソグラフィ及びエッチング技術を使用して、絶縁膜31が、n型ポリシリコン領域14、p型ポリシリコン領域15、非注入領域16のゲート電極パターン形成領域を被覆するパターンに加工される。
Subsequently, as shown in FIG. 5C, the insulating
そして、図5(d)に示すように、絶縁膜31のパターンをエッチングマスクとして、n型ポリシリコン領域14の上部領域17と、n型ポリシリコン領域以外の領域(p型ポリシリコン領域15及び非注入領域16)の上部領域17に対応する領域のエッチングを行う第1のエッチング処理が行われる。当該第1のエッチング処理は、上記第1の実施形態と同様の条件で行うことが可能である。
Then, as shown in FIG. 5D, using the pattern of the insulating
第1のエッチング処理に続いて、図5(e)に示すように、n型ポリシリコン領域14の下部領域18と、n型ポリシリコン領域以外の領域の下部領域18に対応する領域のエッチングを行う第2のエッチング処理が行われる。当該第2のエッチング処理も、上記第1の実施形態と同様に行えばよい。この後、絶縁膜31のパターンが除去され、図5(f)に示すように、ゲート電極パターンの形成が完了する。
Subsequent to the first etching process, as shown in FIG. 5E, the
本実施形態においても、第1の実施形態と同様に、n型ポリシリコン領域、p型ポリシリコン領域、及び非注入領域が混在するポリシリコン膜を同時にエッチングする場合でも、各領域を同一のエッチング速度でエッチングすることができる。このため、n型ポリシリコン領域、p型ポリシリコン領域、及び非注入領域が混在するポリシリコン膜のエッチングを、ゲート絶縁膜に損傷を与えることなく容易に行うことができる。 Also in the present embodiment, as in the first embodiment, even when simultaneously etching a polysilicon film in which an n-type polysilicon region, a p-type polysilicon region, and a non-implanted region are mixed, each region is subjected to the same etching. Can be etched at a rate. For this reason, the etching of the polysilicon film in which the n-type polysilicon region, the p-type polysilicon region, and the non-implanted region are mixed can be easily performed without damaging the gate insulating film.
加えて、本実施形態では、エッチングマスクがTEOS膜等の絶縁膜により構成されている。絶縁体からなるマスクは、レジストにより構成されたエッチングマスクに比べて、高いエッチング耐性を有するため、上記第1の実施形態に比べてエッチングマスクの膜厚を小さくすることができる。したがって、エッチングマスクのアスペクト比を小さくすることができ、エッチング処理時に、基板に入射するイオンがエッチングマスクの側壁に衝突して散乱される確率を低下させることができる。この結果、エッチングマスク側壁に散乱されたイオンがゲート絶縁膜に入射して、ゲート絶縁膜が損傷を受けることを抑制することができる。 In addition, in the present embodiment, the etching mask is composed of an insulating film such as a TEOS film. Since the mask made of an insulator has higher etching resistance than an etching mask made of resist, the thickness of the etching mask can be made smaller than that of the first embodiment. Therefore, the aspect ratio of the etching mask can be reduced, and the probability that ions incident on the substrate collide with the sidewall of the etching mask and are scattered during the etching process can be reduced. As a result, it is possible to prevent the ions scattered on the sidewall of the etching mask from entering the gate insulating film and damaging the gate insulating film.
(第3の実施形態)
次いで、本発明の第3の実施形態に係る半導体装置の製造方法を、図面を参照しながら詳細に説明する。図6は、本実施形態に係る半導体装置の製造方法示す工程断面図である。
本実施形態は、第2の実施形態と異なり、ゲート電極のエッチングマスクがフッ素元素を含有する絶縁膜により構成される。なお、本実施形態において、ポリシリコン膜13にn型ポリシリコン領域14及びp型ポリシリコン領域15を形成し、上部領域17と下部領域18とを形成するまでの工程は、第1の実施形態と同一である。
(Third embodiment)
Next, a semiconductor device manufacturing method according to the third embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. FIG. 6 is a process cross-sectional view illustrating the method for manufacturing the semiconductor device according to the present embodiment.
In the present embodiment, unlike the second embodiment, the gate electrode etching mask is formed of an insulating film containing a fluorine element. In the present embodiment, the steps from forming the n-
図6(a)に示すように、図1(a)〜(d)に示した工程により、半導体基板11上に、ゲート絶縁膜12を介して、n型ポリシリコン領域14、p型ポリシリコン領域15、及び非注入領域16に区分されたポリシリコン膜13が形成される。ここで、n型ポリシリコン領域14には、第1の実施形態で説明した熱処理により、n型不純物の濃度が1×1019atoms/cm3以上である上部領域17と、1×1019atoms/cm3未満である下部領域18とが形成されている。
As shown in FIG. 6A, the n-
次に、図6(b)に示すように、ポリシリコン膜13上に、フッ素元素を含有する絶縁膜32が形成される。当該絶縁膜32は、例えば、SiH4ガス、SiF4ガス、及びO2ガスを原料としたHDP−CVD(High Density Plasma-CVD)法により成膜したFSG(Fluorosilicate Glass)膜を使用することができる。ここでは、200℃の成膜温度で膜厚100nmのFSG膜を成膜している。
Next, as shown in FIG. 6B, an insulating
続いて、図6(c)に示すように、公知のフォトリソグラフィ及びエッチング技術を使用して、絶縁膜32が、n型ポリシリコン領域14、p型ポリシリコン領域15、非注入領域16のゲート電極パターン形成領域を被覆するパターンに加工される。
Subsequently, as shown in FIG. 6C, the insulating
そして、図6(d)に示すように、絶縁膜32のパターンをエッチングマスクとして、n型ポリシリコン領域14の上部領域17と、n型ポリシリコン領域以外の領域(p型ポリシリコン領域15及び非注入領域16)の上部領域17に対応する領域のエッチングを行う第1のエッチング処理が行われる。
Then, as shown in FIG. 6D, using the pattern of the insulating
本実施形態では、当該第1のエッチング処理は、第1の実施形態で説明したプラズマエッチング装置60のチャンバ61に、例えば、Cl2ガスが30ml/min、HBrガスが20ml/min、O2ガスが6ml/minの流量(1℃、1気圧での流量)で導入される。このとき、チャンバ61の内部圧力は0.7Paに維持される。当該状態で、高周波電源65により上部電極63に400Wの高周波電力が印加され、高周波電源68により下部電極62に50Wの高周波電力が印加される。そして、上部電極62に印加された高周波電力により、チャンバ61内に上記エッチングガスのプラズマが生成され、エッチングが行われる。このとき、下部電極62の温度は20℃に維持されている。
In the present embodiment, the first etching process is performed in the
当該エッチング条件は、低圧力かつ高電圧であるため異方性の強いエッチング条件であり、基板11に入射するイオンが、フッ素元素を含有する絶縁膜32のパターンに激しく衝突する。このとき、絶縁膜32のパターン表面では、ハロゲンイオンと絶縁膜32(ここでは、FSG膜)とが反応し、フッ素が生成される。このため、当該エッチング条件によれば、上記各実施形態と同様に、n型ポリシリコン領域14、p型ポリシリコン領域15、及び非注入領域16の各領域においてエッチング速度に差は発生せず、同一のエッチング速度でエッチングを行うことができる。
Since the etching conditions are low pressure and high voltage, the etching conditions are strongly anisotropic, and ions incident on the
第1のエッチング処理に続いて、図6(e)に示すように、n型ポリシリコン領域14の下部領域18と、n型ポリシリコン領域以外の領域の下部領域18に対応する領域のエッチングを行う第2のエッチング処理が行われる。
Following the first etching process, as shown in FIG. 6E, the
本実施形態では、当該第2のエッチング処理は、上記第1の実施形態と同様のエッチング条件で行われる。当該エッチング条件は、高圧力かつ低電圧であるため等方性のエッチングとなる。このため、絶縁膜32表面で、ハロゲンイオンとフッ素元素を含有する絶縁膜32との反応が発生せず、絶縁膜32のパターンからフッ素は発生しない。このため、上記各実施形態と同様、n型ポリシリコン領域14、p型ポリシリコン領域15、及び非注入領域16の各領域において、同一のエッチング速度でエッチングを行うことができるとともに、ゲート絶縁膜12に損傷を与えることなくエッチングを行うことができる。
In the present embodiment, the second etching process is performed under the same etching conditions as in the first embodiment. The etching conditions are isotropic etching because of high pressure and low voltage. For this reason, reaction between halogen ions and the insulating
この後、絶縁膜32のパターンが除去され、図6(f)に示すように、ゲート電極パターンの形成が完了する。
Thereafter, the pattern of the insulating
本実施形態においても、上記各実施形態と同様に、n型ポリシリコン領域、p型ポリシリコン領域、及び非注入領域が混在するポリシリコン膜を同時にエッチングする場合でも、各領域を同一のエッチング速度でエッチングすることができる。このため、n型ポリシリコン領域、p型ポリシリコン領域、及び非注入領域が混在するポリシリコン膜のエッチングを、ゲート絶縁膜に損傷を与えることなく容易に行うことができる。 Also in this embodiment, as in the above embodiments, even when simultaneously etching a polysilicon film in which an n-type polysilicon region, a p-type polysilicon region, and a non-implanted region are mixed, each region has the same etching rate. Can be etched. For this reason, the etching of the polysilicon film in which the n-type polysilicon region, the p-type polysilicon region, and the non-implanted region are mixed can be easily performed without damaging the gate insulating film.
加えて、本実施形態では、FSG膜等のフッ素を含有する絶縁膜によりエッチングマスクを構成し、当該絶縁膜から上記第1のエッチング処理の際に必要となるフッ素を発生させている。このため、プラズマエッチング装置のチャンバ内に、フッ素元素を含有するガスを直接導入必要がない。フッ素元素を含有するガスは、腐食性が高いため、当該ガスが導入されたチャンバの内壁は少なからず腐食される。このようなチャンバ内壁の腐食は、半導体装置の製造歩留まりを低下させるパーティクルの発生要因となるため、本実施形態ではこのようなパーティクルの発生をも抑制することが可能となる。 In addition, in the present embodiment, an etching mask is constituted by an insulating film containing fluorine such as an FSG film, and fluorine necessary for the first etching process is generated from the insulating film. For this reason, it is not necessary to directly introduce a gas containing a fluorine element into the chamber of the plasma etching apparatus. Since the gas containing elemental fluorine is highly corrosive, the inner wall of the chamber into which the gas is introduced is corroded. Such corrosion of the inner wall of the chamber causes generation of particles that reduce the manufacturing yield of the semiconductor device. Therefore, in this embodiment, generation of such particles can be suppressed.
以上説明したように、本発明によれば、n型不純物濃度が1×1019atoms/cm3以上である上部領域のエッチングに、n型ポリシリコン領域とそれ以外の領域とでエッチング速度に差が生じないフッ素元素を含有するエッチングガスを使用し、n型不純物濃度が1×1019atoms/cm3未満である下部領域を、ゲート絶縁膜に対して高い選択比を有するエッチング条件によりエッチングを行うため、エッチング条件を切替える時点やエッチング終了点を容易に検出することができ、ゲート絶縁膜の損傷を確実に防止することができる。この結果、デュアルゲート構造を有する半導体装置を容易に、かつ、
歩留まりよく製造することができる。
As described above, according to the present invention, the etching rate of the upper region where the n-type impurity concentration is 1 × 10 19 atoms / cm 3 or more differs between the n-type polysilicon region and the other regions. Etching is performed using an etching gas containing an elemental fluorine that does not cause an n-type impurity, with an n-type impurity concentration of less than 1 × 10 19 atoms / cm 3 under etching conditions having a high selectivity to the gate insulating film. Therefore, it is possible to easily detect the time when the etching conditions are switched and the etching end point, and it is possible to reliably prevent damage to the gate insulating film. As a result, a semiconductor device having a dual gate structure can be easily and
It can be manufactured with good yield.
本発明は、以上で説明した各実施形態に限定されるものではなく、本発明の効果を奏する範囲において、種々の変形及び応用が可能である。例えば、上記では、本発明をゲート電極がポリシリコンにより構成される半導体装置に適用した事例に基づいて説明を行ったが、ゲート電極がポリシリコンに代えてアモルファスシリコンにより構成された場合であっても同様の効果を得ることができる。また、本発明の技術的思想を逸脱しない範囲において、上記半導体装置を製造する各工程に採用したプロセスは、他の等価なプロセスに置換することが可能である。 The present invention is not limited to the embodiments described above, and various modifications and applications are possible within the scope of the effects of the present invention. For example, in the above description, the present invention has been described based on an example in which the present invention is applied to a semiconductor device in which the gate electrode is made of polysilicon. The same effect can be obtained. In addition, the process employed in each process for manufacturing the semiconductor device can be replaced with another equivalent process without departing from the technical idea of the present invention.
本発明は、デュアルゲート構造を容易に、かつ歩留まりよく形成することができ、半導体装置の製造方法として有用である。 The present invention can form a dual gate structure easily and with high yield, and is useful as a method for manufacturing a semiconductor device.
11 基板
12 ゲート絶縁膜
13 ポロシリコン膜
14 n型ポリシリコン領域
15 p型ポリシリコン領域
16 非注入領域
17 上部領域
18 下部領域
31 TEOS膜
32 FSG膜
60 ドライエッチング装置
DESCRIPTION OF
Claims (13)
半導体層上にゲート絶縁膜を形成する工程と、
前記ゲート絶縁膜上に、ポリシリコンまたはアモルファスシリコンからなるシリコン膜を形成する工程と、
前記シリコン膜の一部にn型の不純物を導入し、n型不純物の濃度が特定濃度以上である上部領域と、n型不純物の濃度が前記特定濃度未満である下部領域とからなるn型領域を形成する工程と、
前記シリコン膜上に、少なくとも前記n型領域のゲート形成領域を被覆するパターンと、前記n型領域以外の領域のゲート形成領域を被覆するパターンとを有するマスクパターンを形成する工程と、
前記マスクパターンをエッチングマスクとして、前記上部領域を前記n型領域以外の領域とともにフッ素元素を含むエッチング種によりドライエッチングする工程と、
前記マスクパターンをエッチングマスクとして、前記シリコン膜の残部を前記ドライエッチングと異なるエッチング種によりドライエッチングする工程と、
を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。 In a method for manufacturing a semiconductor device having a dual gate structure,
Forming a gate insulating film on the semiconductor layer;
Forming a silicon film made of polysilicon or amorphous silicon on the gate insulating film;
An n-type region comprising an upper region in which an n-type impurity is introduced into a part of the silicon film and the concentration of the n-type impurity is equal to or higher than a specific concentration and a lower region in which the concentration of the n-type impurity is lower than the specific concentration Forming a step;
Forming a mask pattern having a pattern covering at least the gate formation region of the n-type region and a pattern covering a gate formation region other than the n-type region on the silicon film;
Using the mask pattern as an etching mask, and dry-etching the upper region together with a region other than the n-type region with an etching species containing fluorine element;
Using the mask pattern as an etching mask, dry etching the remainder of the silicon film with an etching species different from the dry etching;
A method for manufacturing a semiconductor device, comprising:
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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JP2008235534A (en) * | 2007-03-20 | 2008-10-02 | Fujitsu Ltd | Method of manufacturing semiconductor device |
-
2005
- 2005-08-05 JP JP2005227645A patent/JP2007042979A/en not_active Withdrawn
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