JP2007066928A - Etching method, etching apparatus and semiconductor device - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a kind of gas, a process or a treatment device which has a high selection ratio to a base Si and less change in processing length, and can process a gate at high accuracy when a high dielectric-constant gate insulating film is etched by plasma. <P>SOLUTION: Gas suitable for etching a high dielectric-constant gate insulating film by plasma is a mixed gas of BCl<SB>3</SB>and a carbon fluoride gas. The carbon fluoride gas uses CF<SB>3</SB>Cl, CF<SB>2</SB>Cl<SB>2</SB>, CHF<SB>3</SB>and CH<SB>2</SB>F<SB>2</SB>, or a mixed gas thereof, or a mixed gas of the mixed gas and CF<SB>4</SB>, or a mixed gas of the above mixed gas and Ar. Thus, a selection ratio to a base Si can be made high, and a change in processing length caused by deposition or surface roughness can be reduced. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

本発明は、プラズマを利用して被処理物を処理するプラズマエッチングにおける、エッチング方法,装置及びそれらによって製造された半導体装置に関するものである。   The present invention relates to an etching method and apparatus in plasma etching for processing an object to be processed using plasma, and a semiconductor device manufactured by them.

ULSI素子の微細化,高集積化が急速に進められ、ゲート長90nmデバイスは量産化へ移行し、さらに65nm,45nm,32nmのデバイスも開発されつつある。LSIの高速動作のためには、トランジスタの動作速度向上と多層金属配線の伝播遅延克服が必要になる。トランジスタの高速動作のためには、ゲート絶縁膜でのリーク防止とデバイスの低抵抗化が必要で、その解決手段として、高誘電率ゲート絶縁膜と高融点金属ゲート電極を用いたデバイスの開発が進められている。高誘電率ゲート絶縁膜には、非常に安定なHfやZrを含む酸化物が用いられ、Si基板上に薄い酸化膜が形成される。高誘電率ゲート絶縁膜上の高融点金属ゲート電極膜には、電気特性及び安定性からTaやTiを含む窒化物やWを用いて開発が進められている。特開2004−207481号公報(特許文献1)には、高誘電率ゲート絶縁膜と高融点金属ゲート電極膜に前記の材料を使用する例が述べられている。   With the progress of miniaturization and high integration of ULSI elements, devices with a gate length of 90 nm have shifted to mass production, and devices of 65 nm, 45 nm, and 32 nm are being developed. For high-speed operation of the LSI, it is necessary to improve the operation speed of the transistor and overcome the propagation delay of the multilayer metal wiring. For high-speed operation of transistors, it is necessary to prevent leakage in the gate insulating film and reduce the resistance of the device. As a solution to this problem, the development of a device using a high dielectric constant gate insulating film and a refractory metal gate electrode is required. It is being advanced. A very stable oxide containing Hf and Zr is used for the high dielectric constant gate insulating film, and a thin oxide film is formed on the Si substrate. Development of a refractory metal gate electrode film on a high dielectric constant gate insulating film is underway using nitride or W containing Ta or Ti in view of electrical characteristics and stability. Japanese Patent Application Laid-Open No. 2004-207481 (Patent Document 1) describes an example in which the above materials are used for a high dielectric constant gate insulating film and a refractory metal gate electrode film.

ULSIには多数の素子が搭載されて正確な動作が要求されるので、ゲート電極は正確なゲート長に加工される必要がある。90nmノードでは数nm以下の加工精度が要求される。この加工には、プラズマ処理装置によるドライエッチングが用いられる。従来は、多結晶Siをゲート電極に使用しており、このゲート電極のエッチングに際して、塩素,臭素を含むガスと酸素との混合ガスを使用した例が見受けられる。また、高融点金属ゲート電極膜のエッチングでもCl系のガスを用いてエッチングされる。   Since many elements are mounted on the ULSI and an accurate operation is required, the gate electrode needs to be processed to an accurate gate length. The 90 nm node requires processing accuracy of several nm or less. For this processing, dry etching using a plasma processing apparatus is used. Conventionally, polycrystalline Si has been used for the gate electrode, and an example of using a mixed gas of chlorine and bromine containing gas and oxygen can be seen when etching the gate electrode. Etching of the refractory metal gate electrode film is also performed using a Cl-based gas.

一方、プロセス工程数を省くため、同じ装置内でのドライ処理による高誘電率絶縁膜の除去が望ましい。ドライ処理による高誘電率絶縁膜の除去については、特開2004−
146787号公報「高誘電率材料のエッチング方法及び高誘電率材料の堆積チャンバーのクリーニング方法」(特許文献2)で、BCl3 ,COCl2,CxyClz等のCl系ガスを使用することが記されている。ゲート構造で、高誘電率絶縁層をドライエッチングする際は、下地のSi基板を削らないために選択比を高くした処理が必要になる。上記の従来技術では、この点への検討が記載されていない。
On the other hand, in order to save the number of process steps, it is desirable to remove the high dielectric constant insulating film by dry processing in the same apparatus. Regarding the removal of the high-dielectric-constant insulating film by dry processing, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2004-2004
No. 146787, “Cletching gas of high dielectric constant material and cleaning method of high dielectric constant material deposition chamber” (Patent Document 2) uses Cl-based gas such as BCl 3 , COCl 2 , C x H y Cl z It is written. When a high dielectric constant insulating layer is dry-etched with a gate structure, a process with a high selectivity is required in order not to scrape the underlying Si substrate. In the above-described prior art, the examination on this point is not described.

また、特開2005−045126号公報「半導体装置の製造方法」(特許文献3)では、高誘電率絶縁膜を安定した状態で再現性よくエッチングするために、BCl3 単独ではエッチング速度が速すぎるので、BCl3 をArで希釈してエッチング速度を遅くして制御性を上げることが述べられている。Ar希釈により、エッチング速度と堆積速度が低下する。 In addition, in Japanese Patent Laid-Open No. 2005-045126 “Semiconductor Device Manufacturing Method” (Patent Document 3), in order to etch a high dielectric constant insulating film in a stable state with good reproducibility, the etching rate is too high with BCl 3 alone. Therefore, it is stated that BCl 3 is diluted with Ar to lower the etching rate and improve controllability. Due to Ar dilution, the etching rate and the deposition rate decrease.

特開2004−356575号公報「半導体装置の製造方法」(特許文献4)では、高誘電率絶縁膜をエッチングする際のプロセスマージンを大きくするために、高誘電率絶縁膜をドライエッチングして、一部除去しつつ、ダメージ層を形成し、ダメージ層をウェットエッチングにより除去することが述べられており、ドライエッチングガスの例として
BCl3,Cl2,HBr,CF4,O2,Ar,N2 及びHeよりなる群から選ばれる少なくとも1種のガスを挙げている。高誘電率絶縁膜をドライエッチングして、一部除去しつつ、ダメージ層を形成できるガスとしては、堆積性が無い全てのガスが該当する。これに対して、ここでは、ドライエッチングで下地Siに対して酸化膜を選択的にエッチング加工することを目的にしており、BCl3/CF4として堆積性のないガスは除外する。
In Japanese Unexamined Patent Application Publication No. 2004-356575 “Method for Manufacturing Semiconductor Device” (Patent Document 4), in order to increase a process margin when etching a high dielectric constant insulating film, the high dielectric constant insulating film is dry-etched, It is described that a damaged layer is formed while removing a part thereof, and the damaged layer is removed by wet etching. As examples of dry etching gas, BCl 3 , Cl 2 , HBr, CF 4 , O 2 , Ar, N Mention is made of at least one gas selected from the group consisting of 2 and He. As a gas capable of forming a damaged layer while removing a part of the high dielectric constant insulating film by dry etching, all gases having no depositability are applicable. On the other hand, here, the purpose is to selectively etch the oxide film with respect to the underlying Si by dry etching, and gas having no depositability as BCl 3 / CF 4 is excluded.

特開2004−296477号公報「半導体装置の製造方法」(特許文献4)では、下地SiO2 膜に対して選択的に高誘電率絶縁膜をエッチングする目的で、ドライエッチングガスとしてBCl3,Cl2,HBr,CF4,O2,Ar,N2 及びHeよりなる群から選ばれる少なくとも1種のガスを挙げている。下地SiO2 膜に対して選択的比を得るためには、CF4は不適であり、塩素(臭素)系とO2の混合が不可欠である。また、CF4の使用は、酸化膜のエッチング速度を上げるので、Ar希釈等でエッチング速度を低下させる必要があるが、これは、同時に側壁や下地Siをエッチングする速度も上昇させる点が課題である。 In Japanese Patent Laid-Open No. 2004-296477, “Manufacturing Method of Semiconductor Device” (Patent Document 4), BCl 3 , Cl is used as a dry etching gas for the purpose of selectively etching a high dielectric constant insulating film with respect to a base SiO 2 film. 2 , at least one gas selected from the group consisting of HBr, CF 4 , O 2 , Ar, N 2 and He is mentioned. In order to obtain a selective ratio with respect to the underlying SiO 2 film, CF 4 is not suitable, and a mixture of chlorine (bromine) and O 2 is indispensable. In addition, the use of CF 4 increases the etching rate of the oxide film, so it is necessary to decrease the etching rate by Ar dilution or the like. However, this is a problem that the etching rate of the side wall and the underlying Si is increased at the same time. is there.

特開2004−207481号公報JP 2004-207481 A 特開2004−146787号公報JP 2004-146787 A 特開2005−045126号公報Japanese Patent Laying-Open No. 2005-045126 特開2004−356575号公報JP 2004-356575 A

上記特許文献1〜4のエッチングガスを使用してエッチングする際に、下地Siの削り量が大きくなるが、Siの削り量は少ない方が良い。その理由は、エッチング後に洗浄工程があり、Si表面の損傷・汚染にもよるが、Siはさらに後退する。この基板Siの欠落が大きいと素子の特性が変化する。しかも、欠落の大きさは、エッチング装置の加工速度の不均一性のために、ウェハの面内で不均一に生じるので、下地削れが大きいと素子特性のばらつきも大きくなる。したがって、下地削れ速度が小さい程、素子特性変化とそのばらつきを小さくできる。   When etching is performed using the etching gas disclosed in Patent Documents 1 to 4, the amount of shaving of the underlying Si increases, but the amount of Si shaving is preferably small. The reason is that there is a cleaning process after etching, and Si is further retreated, although it depends on damage and contamination of the Si surface. If the substrate Si is largely missing, the characteristics of the element change. In addition, the size of the defect occurs non-uniformly within the wafer surface due to the non-uniformity of the processing speed of the etching apparatus. Therefore, the variation in device characteristics increases when the underlying surface is greatly removed. Therefore, the smaller the undercoat removal rate, the smaller the device characteristic change and its variation.

本発明の目的は、酸化膜上に高誘電率絶縁膜層とゲート電極配線層を有する構成のデバイス構造をエッチングする際に、処理工程数削減のため高誘電率絶縁膜層もプラズマ処理装置でエッチングする場合において、下地Siに対する選択比が高く、低コストで処理できるガス種,プロセスや処理装置を提供することにある。   An object of the present invention is to etch a high dielectric constant insulating film layer with a plasma processing apparatus in order to reduce the number of processing steps when etching a device structure having a high dielectric constant insulating film layer and a gate electrode wiring layer on an oxide film. An object of the present invention is to provide a gas type, a process and a processing apparatus which can be processed at a low cost with a high selection ratio with respect to the underlying Si.

本発明の一つの特徴は、酸化膜上に高誘電率絶縁膜層とゲート電極配線層を有する構成のデバイス構造をエッチングする際に、BCl3 とCHxyまたはCFxClyを含むガスをエッチングガスとして使用した点にある。 One feature of the present invention is that a gas containing BCl 3 and CH x F y or CF x Cl y is used when etching a device structure having a high dielectric constant insulating film layer and a gate electrode wiring layer on an oxide film. Is used as an etching gas.

本発明のその他の特徴は、本願明細書の発明を実施するための最良の形態欄で説明する。   Other features of the present invention will be described in the best mode section for carrying out the invention of the present specification.

本発明によれば、高誘電率ゲート絶縁膜をエッチングする際に、下地Siに対する選択比を高め、堆積性の少ないエッチングガスを用いているので、プラズマ処理でゲート絶縁膜を除去して、下地Si削れと加工長変化を小さくし、高精度のゲート加工が実現できる。   According to the present invention, when etching a high dielectric constant gate insulating film, an etching gas having a high deposition ratio with respect to the underlying Si and a low deposition property is used. Si machining and machining length change can be reduced, and high precision gate machining can be realized.

ガス導入系よりガスが導入される処理室と、ウエハを支持する電極とを備えた真空容器を有し、処理室外部には高周波発生手段があり、処理室内のガスを電離・解離させてプラズマを発生させるプラズマ処理装置において、上記のSi基板上の高誘電率ゲート絶縁膜を下地Siに対して高選択比でエッチングし、低コストで使用できるガスやその方法について記載する。   A vacuum chamber having a processing chamber into which a gas is introduced from a gas introduction system and an electrode for supporting a wafer is provided. There is a high-frequency generating means outside the processing chamber, and the gas in the processing chamber is ionized and dissociated to generate plasma. In the plasma processing apparatus that generates the above, a gas that can be used at a low cost and a method for etching the high dielectric constant gate insulating film on the Si substrate with a high selectivity relative to the underlying Si will be described.

使用ガスに関しては、相対的に、高誘電率絶縁膜層に対して反応して気化しやすく、下地Siに対しては気化反応を起こしにくく、低コストで使用できるガスがよい。予想される気化反応に対して、反応でのエンタルピー変化を調べることにより、反応の起こりやすさを知ることができる。これを各候補ガスについて調べれば、有望なエッチングガスを知ることができる。例えば、BCl3とHfO2が反応する場合、(4/3)BCl3+HfO2→HfCl4+(2/3)B23(g)なる反応を想定できて、25℃でエンタルピーが31
kcal/mol増加することがCRC Handbook of Physics and Chemistry のようなデータブックから知ることができる。プラズマエッチング装置のようにガスBCl3 を常に供給しつつ気体生成物HfCl4と(2/3)B23 を排気し続ける場合は、エネルギー的に不利であっても、この反応は徐々に進行していく。むしろ、数nmの薄膜であるHfO2 には適したエッチング速度であると理解できる。このような検討を各候補ガスについて実施すればよい。一方、Siに対しては、(4/3)BCl3+Si→SiCl4+(4/3)B(c)なる反応で、エンタルピーが28kcal/mol 減少することが判る。このため、Si表面に薄い固体B層ができるが、BはBCl3として気化できるため、表面のB層は薄いままになり、イオンスパッタの効果によりSiはゆっくりエッチングされ続けることになる。したがって、BCl3 ガスのみでは、Siに対する選択比を高く取れないことになる。一方、ガスCH2Cl2は、HfO2 はBCl3 より気化しにくいが、Siについては、
SiH2Cl2気化により表面にC層ができると、CH2Cl2→C(s)+2HCl(g)なる反応でエンタルピーが22kcal/mol 低下するために、表面にC層が成長でき、Siを保護して選択比を高くできる。しかし、CHxClyのようにClを含むガスは、安全性や環境問題の点から、特殊な除外装置が必要となるためコスト高となり、使用は好ましくない。また、下地Siに対する選択比が必要であるが、ゆっくりとしたHfO2/SiO2のエッチングの際に堆積性のガスを使用すると、既に加工済みのゲート電極の側壁に堆積物が付着して、加工後寸法が設計値から変化してしまう課題が発生する。これは対下地Siの選択比とのトレードオフになるため、使用するガスを慎重に選ぶ必要がある。
Regarding the gas used, it is preferable to use a gas that is relatively easy to react and vaporize with respect to the high dielectric constant insulating film layer, hardly causes a vaporization reaction to the underlying Si, and can be used at low cost. By examining the enthalpy change in the reaction against the expected vaporization reaction, it is possible to know the ease of the reaction. By examining this for each candidate gas, a promising etching gas can be known. For example, when BCl 3 and HfO 2 react, a reaction of (4/3) BCl 3 + HfO 2 → HfCl 4 + (2/3) B 2 O 3 (g) can be assumed, and the enthalpy at 25 ° C. is 31.
An increase in kcal / mol can be seen from data books such as CRC Handbook of Physics and Chemistry. When the gas products HfCl 4 and (2/3) B 2 O 3 are continuously exhausted while always supplying the gas BCl 3 as in the case of the plasma etching apparatus, this reaction is gradually increased even if it is disadvantageous in terms of energy. Progress. Rather, it can be understood that the etching rate is suitable for HfO 2 which is a thin film of several nm. Such examination may be performed for each candidate gas. On the other hand, for Si, it can be seen that the enthalpy is reduced by 28 kcal / mol in the reaction of (4/3) BCl 3 + Si → SiCl 4 + (4/3) B (c). For this reason, a thin solid B layer is formed on the Si surface, but since B can be vaporized as BCl 3 , the surface B layer remains thin, and Si is continuously etched by the effect of ion sputtering. Therefore, only BCl 3 gas cannot achieve a high selectivity with respect to Si. On the other hand, the gas CH 2 Cl 2, the HfO 2 is difficult to vaporize than BCl 3, but for Si is
When a C layer is formed on the surface by vaporizing SiH 2 Cl 2 , the enthalpy is reduced by 22 kcal / mol due to the reaction of CH 2 Cl 2 → C (s) + 2HCl (g). Protection can be increased. However, a gas containing Cl such as CH x Cl y is expensive because it requires a special excluding device from the viewpoint of safety and environmental problems, and is not preferable. In addition, although a selection ratio to the underlying Si is required, if a deposition gas is used for the slow etching of HfO 2 / SiO 2 , deposits adhere to the sidewalls of the already processed gate electrode, The problem that the dimension after a process changes from a design value generate | occur | produces. Since this is a trade-off with the selection ratio of Si to the base, it is necessary to carefully select the gas to be used.

まず、CF4の効果とBCl3混合効果について述べておく。CF4単体の場合、CF4+HfO2→HfF4+CO2(−60kcal/mol)のように酸化物のエッチングは進みやすい。以下、括弧内の単位、kcal/molは省略し、数値のみを記す。一方、Siに対しては、初期にはCF4+Si→SiF4+C(−165)であり、Cが堆積するが、その後、(1)2F2+C(+221)、(2)CF4(0)、(3)0.5SiF4+0.5C24(−50)の反応式から判るように、C上に堆積するよりも気化した方がエネルギー的に有利であるため、C系堆積膜はごく薄いままとなり、下地Siもエッチングされる。次に、BCl3/CF4混合ガスの場合、酸化膜のエッチングは同様に進む。ただし、Si上では、(1)BF3+FCl+Cl2+C(+33)、(2)BF3+CFCl3(−20)、(3)BF3+0.25SiF4+1.5Cl2+C(−51)の反応式から判るように、まだやや気化側にいるが、大幅に堆積方向に移行したことが判る。このことから、個別に用いると対Si選択比が得られないガスでも、BCl3 とハロゲン化炭素ガスの混合により選択比の得られるガスとなり得ることが判る。一方、BCl3 ともともと堆積性の強いハロゲン化炭素ガスの混合は、堆積性がさらに強くなり形状に悪影響を及ぼすことが予想できる。したがって、BCl3 とハロゲン化炭素ガスの混合ガスで、可能な限り弱い堆積性を持つガスが必要になる。 First, the effect of CF 4 and the BCl 3 mixing effect will be described. In the case of CF 4 alone, oxide etching is likely to proceed as CF 4 + HfO 2 → HfF 4 + CO 2 (−60 kcal / mol). In the following, the unit in parentheses, kcal / mol is omitted, and only the numerical value is shown. On the other hand, for Si, initially CF 4 + Si → SiF 4 + C (−165), and C is deposited, but thereafter (1) 2F 2 + C (+221), (2) CF 4 (0 ), (3) As can be seen from the reaction formula 0.5SiF 4 + 0.5C 2 F 4 (−50), vaporization is more advantageous in energy than deposition on C. Remains very thin and the underlying Si is also etched. Next, in the case of a BCl 3 / CF 4 mixed gas, the etching of the oxide film proceeds in the same manner. However, on Si, (1) BF 3 + FCl + Cl 2 + C (+33), (2) BF 3 + CFCl 3 (−20), (3) BF 3 + 0.25SiF 4 + 1.5Cl 2 + C (−51) As you can see from the equation, it is still on the vaporization side, but it is clear that it has shifted significantly in the direction of deposition. From this, it can be seen that even when the gas is not used individually, a gas with which the selectivity to Si can be obtained can be obtained by mixing BCl 3 and a halogenated carbon gas. On the other hand, it can be expected that mixing of halogenated carbon gas, which has a strong deposition property with BCl 3 , further increases the deposition property and adversely affects the shape. Therefore, a gas having a weak deposition property as much as possible is required as a mixed gas of BCl 3 and a halogenated carbon gas.

HfO2/SiO2エッチングの進行と選択比・形状を満足させるガスの選定検討において、CF4,CF3Cl,CF2Cl2,CHF3,CH22とBCl3との混合ガスを考える。これらのハロゲン化炭素ガスは単独であるいは混合して用いることができる。また、これらは酸化膜のエッチングに関しては十分使用できるものであるため、ゲート絶縁酸化膜のプラズマ処理による除去で課題となる、下地Siに対する選択比と側壁等の堆積物による形状の問題に集中して、使用の可否を論じる。すなわち、以下では、Si上の反応を論じる。これらは、Siとの反応においても初期には、Siが気化してC系膜が表面に残るが、その後のC系膜上での混合ガスの反応からガスの堆積性を知ることができる。これにより、形状問題からの要請である、できるだけ弱い堆積性のガスを知ることができる。 Considering a mixed gas of CF 4 , CF 3 Cl, CF 2 Cl 2 , CHF 3 , CH 2 F 2, and BCl 3 in the selection of gas that satisfies the progress of the HfO 2 / SiO 2 etching and the selection ratio / shape. . These halogenated carbon gases can be used alone or in combination. In addition, since these can be used sufficiently for etching of oxide films, they concentrate on the problems of the selectivity with respect to the underlying Si and the shape caused by deposits such as sidewalls, which are problems in removing the gate insulating oxide film by plasma treatment. To discuss whether it can be used. That is, in the following, the reaction on Si will be discussed. In the reaction with Si, Si is vaporized at the initial stage and the C-based film remains on the surface. However, the deposition property of the gas can be known from the subsequent reaction of the mixed gas on the C-based film. As a result, it is possible to know the deposition gas as weak as possible, which is a request from the shape problem.

BCl3+CF4 →(1)BF3+FCl+Cl2+C(+33)、
(2)BF3+CFCl3(−20)
BCl3+CF3Cl →(1)BF3+2Cl2+C(−9)、
(2)BCl3+CF3Cl(0)
BCl3+CF2Cl2 →(1)BF2Cl+2Cl2+C(−2)、
(2)BCl3+CF2Cl2(0)、
BCl3+Cl2+0.5*C24(+36)
BCl3+CHF3 →(1)BF3+HCl+Cl2+C(−33)、
(2)BF3+CHCl3(−29)、
BCl3+HF+0.5*C24(+22)
BCl3+CH22 →(1)BF2Cl+2HCl+C(−53)、
(2)BF2Cl+CH2Cl2(−31)、
BCl3+H2+0.5*C24(+29)
上記5つの反応式で、(1)はC系膜の堆積を伴う反応、(2)は投入ガスが気化する反応で、括弧内の数字は反応後のエンタルピー変化で単位はkcal/molである。BCl3+CF4以外は、堆積反応の方が起こりやすいことが判り、特に、BCl3+CH22は明らかに堆積反応の方が強いことが判る。ここで、(1)と(2)の反応を比べると、(1)の生成分子の方が小さく形成反応が速いことから、(2)より(1)の方が起こりやすいことをエンタルピーの差に加えて考慮する必要がある。このことから、気化側であるが、BCl3/CF4は検討候補として残す。また、形状問題の制約からCH22混合比は小さくして、堆積性を減少させる必要がある。また、BCl3 との混合により堆積性を示すガスCH22,CHF3,CF2Cl2,CF3Clに、CF4 を混合することによりさらに堆積性を弱めることができる。以上ではSi上を考えたが、堆積性に関してはガス自身の性質であるので、Si上に限らず、ゲート電極側壁においても同様である。
BCl 3 + CF 4 → (1) BF 3 + FCl + Cl 2 + C (+33),
(2) BF 3 + CFCl 3 (−20)
BCl 3 + CF 3 Cl → (1) BF 3 + 2Cl 2 + C (−9),
(2) BCl 3 + CF 3 Cl (0)
BCl 3 + CF 2 Cl 2 → (1) BF 2 Cl + 2Cl 2 + C (−2),
(2) BCl 3 + CF 2 Cl 2 (0),
BCl 3 + Cl 2 + 0.5 * C 2 F 4 (+36)
BCl 3 + CHF 3 → (1) BF 3 + HCl + Cl 2 + C (−33),
(2) BF 3 + CHCl 3 (−29),
BCl 3 + HF + 0.5 * C 2 F 4 (+22)
BCl 3 + CH 2 F 2 → (1) BF 2 Cl + 2HCl + C (−53),
(2) BF 2 Cl + CH 2 Cl 2 (−31),
BCl 3 + H 2 + 0.5 * C 2 F 4 (+29)
In the above five reaction formulas, (1) is a reaction involving the deposition of a C-based film, (2) is a reaction in which the input gas is vaporized, the numbers in parentheses are enthalpy changes after the reaction, and the unit is kcal / mol. . It can be seen that, except for BCl 3 + CF 4 , the deposition reaction is more likely to occur, and in particular, BCl 3 + CH 2 F 2 is clearly stronger in the deposition reaction. Here, when the reactions of (1) and (2) are compared, since the formation molecule of (1) is smaller and the formation reaction is faster, the difference in enthalpy indicates that (1) is more likely to occur than (2). It is necessary to consider in addition to. From this, on the vaporization side, BCl 3 / CF 4 is left as a candidate for examination. Further, due to the limitation of the shape problem, the CH 2 F 2 mixing ratio needs to be reduced to reduce the deposition property. Further, by mixing CF 4 with gases CH 2 F 2 , CHF 3 , CF 2 Cl 2 , and CF 3 Cl that exhibit deposition properties when mixed with BCl 3 , the deposition properties can be further reduced. In the above description, Si is considered. However, the deposition property is the property of the gas itself, and thus the same applies not only to Si but also to the side wall of the gate electrode.

BCl3 とCF系のガスの混合により、ガスの堆積性と対下地Si選択比は高まる方向であることが前記の議論から確認できた。一方、C,Fが加わることで酸化膜・窒化膜に対しては、エッチング性が増大する。BCl3 のみでも数nmの酸化膜を短時間で除去し、エッチング速度が速いことが、特開2005−045126号公報「半導体装置の製造方法」では述べられている。このため、基板に到達するラジカル量を低減して、酸化膜を除去する時間を長くし、加工停止制御が十分可能な範囲にする必要がある。この手段としては、低圧処理やAr等の不活性ガスによる希釈がある。この場合、エッチング速度が低下するが、堆積性ラジカルも減少するので堆積速度も低下する。また、ラジカルに対してイオンの比率が大きくなるので、イオン衝撃による気化の比率が大きくなる。このため、気化側にあるガス、BCl3/CF4,BCl3,CF4等はAr希釈等によって、より気化側に移行して下地Siを削りやすくなるので、使用ガスからは外すことになる。 It was confirmed from the above discussion that the gas deposition property and the Si selection ratio with respect to the base were increased by mixing BCl 3 and CF gas. On the other hand, the addition of C and F increases the etching property for oxide films and nitride films. Japanese Patent Application Laid-Open No. 2005-045126 “Semiconductor Device Manufacturing Method” states that an oxide film of several nm can be removed in a short time with only BCl 3 and the etching rate is high. For this reason, it is necessary to reduce the amount of radicals that reach the substrate, lengthen the time for removing the oxide film, and make the process stop control sufficiently possible. This means includes low pressure treatment and dilution with an inert gas such as Ar. In this case, the etching rate decreases, but the deposition rate also decreases because the deposition radicals also decrease. Further, since the ratio of ions to radicals is increased, the ratio of vaporization by ion bombardment is increased. For this reason, the gas on the vaporization side, such as BCl 3 / CF 4 , BCl 3 , CF 4, etc., moves to the vaporization side more easily due to Ar dilution or the like, so that the underlying Si can be easily removed, so that it is removed from the gas used. .

以上から、酸化膜上に高誘電率絶縁膜層とゲート電極配線層を有する構成のデバイス構造をエッチングする際に、処理工程数削減のため高誘電率絶縁膜層もプラズマ処理装置でエッチングする場合において、下地Siに対する選択比が高く、加工寸法変化の小さい、低コストで処理できるガス種は、BCl3 とF化C系ガスとの混合ガスである。F化C系ガスは、CH22,CHF3,CF2Cl2,CF3Cl、またはそれらの混合ガス、またはCF4 との混合ガス、またはAr等の不活性ガスとの混合ガスである。また、高誘電率絶縁膜層は、HfO2,ZrO2,HfxSiOy,ZrxSiOyのいずれか、またはその窒化物、またはこれらの積層構造からなる絶縁層である。 From the above, when etching a device structure that has a high dielectric constant insulating film layer and a gate electrode wiring layer on an oxide film, the high dielectric constant insulating film layer is also etched by a plasma processing apparatus to reduce the number of processing steps. The gas species that has a high selectivity with respect to the underlying Si, has a small change in processing dimensions, and can be processed at low cost is a mixed gas of BCl 3 and fluorinated C-based gas. The fluorinated C-based gas is CH 2 F 2 , CHF 3 , CF 2 Cl 2 , CF 3 Cl, a mixed gas thereof, a mixed gas with CF 4 , or a mixed gas with an inert gas such as Ar. is there. The high dielectric constant insulating film layer is an insulating layer made of any of HfO 2 , ZrO 2 , Hf x SiO y , Zr x SiO y, a nitride thereof, or a laminated structure thereof.

本発明の実施例を図1〜図3により説明する。   An embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.

ULSIには多数の素子が搭載されて正確な動作が要求されるので、ゲート電極は正確なゲート長に加工される。その後、高誘電率ゲート絶縁膜をプラズマ処理装置でエッチングする際に、下地Siに対して高選択比で加工し、正確なゲート長でゲート絶縁膜も加工する必要があり、そのように加工できるガス種,プロセスや処理装置が必要である。本実施例はガス6をプラズマ化してエッチングする方法に関するものであるが、その要点はガス6を構成するガス成分20にあり、上記の高誘電率ゲート絶縁膜を高精度に加工できる方法を提供することにある。そこで、はじめにガス選択の指針について述べ、実施例,効果の順に記述する。   Since a large number of elements are mounted on the ULSI and an accurate operation is required, the gate electrode is processed to an accurate gate length. After that, when the high dielectric constant gate insulating film is etched by the plasma processing apparatus, it is necessary to process with a high selection ratio with respect to the underlying Si, and to process the gate insulating film with an accurate gate length. Gas type, process and processing equipment are required. The present embodiment relates to a method of etching gas 6 into plasma, but the main point is in gas component 20 constituting gas 6 and provides a method for processing the high dielectric constant gate insulating film with high accuracy. There is to do. Therefore, first, gas selection guidelines will be described, followed by examples and effects.

ガス選択の指針としては、課題を解決するための手段で述べた。BCl3とCF3Cl,CF2Cl2,CHF3,CH22,CF4のそれぞれ及び混合ガスについて、選択比・形状への効果を図1にまとめる。既に述べたように、図1に示したガスは、全て酸化膜をエッチングすることができる。また、炭素を含むガスは酸窒化膜をエッチングすることができる。したがって、Siに対する選択比とゲート電極側壁への堆積性が問題であり、図1にはその効果に関してまとめて示した。Siエッチング性に関しては、BCl3 のエッチング性より小さいことが必要である。このため、図1の単独ガスのほとんどを使用から外すことになる。また、堆積性はSi非エッチング性と関連しているが、これが大きいと側壁に堆積して加工寸法が変化し、堆積ムラが生じると表面に面荒れが生じることになる。したがって、単独ガスのCH22も使用から外れる。また、混合ガスは酸化膜・窒化膜エッチング性が大きいので、エッチング停止制御のために処理時間を長くする必要があり、低圧処理やAr等の不活性ガス希釈が必要なため、ガスの性質が気化方向にシフトする。したがって、使用に適するガスは、図1のSiエッチング性がなしで、堆積性は微小或いは小以下が望ましい。ただし、混合ガスでは、堆積性原因ガスの混合比を落として堆積性を弱い方向に調節できるので、使用は可能でありBCl3/CH22も使用できる。 As a guideline for gas selection, the means for solving the problems are described. FIG. 1 summarizes the effects on the selectivity and shape of each of BCl 3 , CF 3 Cl, CF 2 Cl 2 , CHF 3 , CH 2 F 2 , and CF 4 , and mixed gas. As already described, all of the gases shown in FIG. 1 can etch the oxide film. Further, the gas containing carbon can etch the oxynitride film. Therefore, the selectivity to Si and the depositability on the side wall of the gate electrode are problems, and FIG. 1 collectively shows the effect. Regarding the Si etching property, it is necessary to be smaller than the etching property of BCl 3 . For this reason, most of the single gas of FIG. 1 is removed from use. Further, the deposition property is related to the Si non-etching property, but if it is large, it will be deposited on the side wall and the processing dimension will change, and if uneven deposition occurs, the surface will become rough. Therefore, the single gas CH 2 F 2 is also excluded from use. In addition, since the mixed gas has a high oxide film / nitride film etching property, it is necessary to lengthen the processing time for controlling the etching stop, and low pressure processing and dilution of inert gas such as Ar are necessary. Shift in the direction of vaporization. Therefore, it is desirable that the gas suitable for use does not have the Si etching property of FIG. 1 and the deposition property is very small or small. However, in the case of a mixed gas, the deposition ratio can be adjusted to be weaker by decreasing the mixing ratio of the deposition cause gas, so that it can be used, and BCl 3 / CH 2 F 2 can also be used.

本発明の第1の実施例を図3のデバイス構造、図2のエッチング装置を用いて説明する。図3は対象とするデバイス構造であり、シリコン基板18の上に高誘電率ゲート絶縁膜19、さらにゲート電極に加工される高融点金属膜21,ハードマスク22から構成される。このゲート構造をプラズマを用いてエッチングし、続けてゲート絶縁膜もプラズマ処理で除去する。高融点金属膜としては、TiN等があり、1層とは限らず多層膜のこともある。高誘電率ゲート絶縁膜としては、HfO2 などがあり、これも2層以上のことがある。エッチングを実施するエッチング装置の例を図2に示す。プラズマ処理装置はガス導入系2を介しガス6が導入される処理室3と被処理物(ウエハ)4を支持する支持台(電極)5とを備えた真空容器1を有し、処理室内のガスは排気系7によって排気される。ウエハ4には図3のデバイスが構成されている。μ波発生源8で発生されたμ波9は導波路10を通して、金属壁で囲まれた空洞部11に導かれ、導入窓12を介して処理室3に導かれる。導入窓の下にはガスを供給するシャワープレートが配置されている。処理室の外側には磁石・コイル13により1kGauss程度の磁場を発生させる。処理室内に導かれたガス6はμ波電界と磁場との相互作用によって電離・解離され、プラズマ14や解離種(ラジカル)15が生成する。支持台5の上にはウエハ4が配置され、接続された高周波電源16からの高周波が印加される。ウエハ4の上には、拡散防止膜(エッチストップ膜)19と低誘電率膜18が形成されている。支持台5に印加された高周波によってプラズマ中のイオンを引込み、ウエハを加工する。 A first embodiment of the present invention will be described using the device structure of FIG. 3 and the etching apparatus of FIG. FIG. 3 shows a target device structure, which includes a high dielectric constant gate insulating film 19 on a silicon substrate 18, a refractory metal film 21 processed into a gate electrode, and a hard mask 22. This gate structure is etched using plasma, and then the gate insulating film is also removed by plasma treatment. An example of the refractory metal film is TiN, which is not limited to a single layer but may be a multilayer film. As the high dielectric gate insulating film, it includes HfO 2, which also may be of two or more layers. An example of an etching apparatus for performing etching is shown in FIG. The plasma processing apparatus includes a vacuum chamber 1 including a processing chamber 3 into which a gas 6 is introduced via a gas introduction system 2 and a support base (electrode) 5 that supports an object (wafer) 4 to be processed. The gas is exhausted by the exhaust system 7. The wafer 4 is configured with the device shown in FIG. The μ wave 9 generated by the μ wave generation source 8 is guided to the cavity 11 surrounded by the metal wall through the waveguide 10 and is guided to the processing chamber 3 through the introduction window 12. A shower plate for supplying gas is arranged under the introduction window. A magnetic field of about 1 kGauss is generated by the magnet / coil 13 outside the processing chamber. The gas 6 introduced into the processing chamber is ionized and dissociated by the interaction between the μ-wave electric field and the magnetic field, and plasma 14 and dissociated species (radicals) 15 are generated. The wafer 4 is disposed on the support 5 and a high frequency from the connected high frequency power supply 16 is applied. A diffusion prevention film (etch stop film) 19 and a low dielectric constant film 18 are formed on the wafer 4. Ions in the plasma are attracted by the high frequency applied to the support 5 to process the wafer.

上記においては、μ波と磁場とを用いたエッチング装置の場合を示したが、他のプラズマ生成方式による装置を用いても良い。他の方式としては、真空容器の中に平行に並べられた上下電極を持ち、上電極,下電極もしくはその両方に高周波を印加する平行平板型のRF装置,平行平板型の装置に磁場コイルや磁石を設けたマグネトロン型装置,誘電体で構成される真空容器とコイル状アンテナにRFを印加する誘導結合型の装置、またこれらの方式の周波数をVHF帯,UHF帯の高周波を用いた装置を用いても良い。   In the above, the case of an etching apparatus using a μ wave and a magnetic field is shown, but an apparatus using another plasma generation method may be used. Other methods include a parallel plate type RF device that has upper and lower electrodes arranged in parallel in a vacuum vessel, and applies a high frequency to the upper electrode, the lower electrode, or both, a magnetic field coil and a parallel plate type device. Magnetron type devices with magnets, inductively coupled devices that apply RF to vacuum vessels and coiled antennas made of dielectrics, and devices that use high frequency in the VHF band and UHF band. It may be used.

本実施例はガス6をプラズマ化してエッチングする方法に関するものであるが、その要点はガス6を構成するガス成分20にあり、ゲート絶縁膜をプラズマでエッチングするエッチングガス20aとして、BCl3 とF化炭素系ガスとの混合ガスを用いたことを特徴とする。図1に示すようにこれらのガスは、下地Siに対して選択的にゲート絶縁膜をエッチングし、しかも、堆積性が小さいためにゲート電極側壁に堆積が生じにくく、加工長変化が生じにくいし、表面の堆積ムラによる面荒れも生じない。 This embodiment relates to a method for etching gas 6 into plasma. The main point is in gas component 20 constituting gas 6, and BCl 3 and F are used as etching gas 20a for etching the gate insulating film with plasma. It is characterized by using a mixed gas with a carbonaceous gas. As shown in FIG. 1, these gases selectively etch the gate insulating film with respect to the underlying Si, and because the deposition property is small, deposition on the side wall of the gate electrode is difficult to occur, and the processing length hardly changes. In addition, surface roughness due to uneven deposition on the surface does not occur.

前記の装置においてBCl3/CF3Clを用いた時のエッチング特性について述べる。エッチング特性は、処理後の下地Si削れ量とゲート電極側壁に対するゲート絶縁膜の加工長変化量を調べた。エッチングしたデバイス構造は、Si基板上に積層ゲート絶縁膜
HfxSiOy/HfO2を有し、その上にゲート電極膜PolySi を有し、その上にマスクを有する構造を使用した。処理時の条件は、プラズマソースパワー500W,12インチウェハ用電極RFパワー15W,流量BCl3/CF3Cl=50sccm/50sccm圧力0.2Pa,電極温度50℃,処理時間10秒であった。その時の下地Si削れ量は1nmであり、ゲート絶縁膜の加工長変化量は3nmであった。面荒れは観察されなかった。BCl3/CF3Cl は十分使用できるガスと確認できた。ここで、反応容器内の圧力を低くし、処理時間を短くしているのは、使用した混合ガスが酸化膜をエッチングする速度がBCl3より大きいためである。低圧化により、酸化膜をエッチングするラジカル量が減少し、エッチング停止制御の可能なエッチング速度となる。また、Ar等の不活性ガスを混合してラジカル量を減少させることもでき、この場合は、さらに制御範囲を広げることができる。このような、低圧化や不活性ガス希釈により、ラジカル量が減少すると、エッチング速度低下の他に、イオン密度は相対的に増加して物理スパッタが増加するので、堆積速度がラジカル減少効果以上に低下し、堆積性の混合ガスのプロセスには形状の点で有利に働く。一方、物理スパッタ増加は、BCl3 のように下地Siをエッチングするガスについては、エッチング速度低下以外は、下地Siエッチの点であまり有利にならない。
The etching characteristics when BCl 3 / CF 3 Cl is used in the above apparatus will be described. As for the etching characteristics, the amount of underlying Si shaving after processing and the amount of change in the processing length of the gate insulating film with respect to the side wall of the gate electrode were examined. The etched device structure used was a structure having a laminated gate insulating film Hf x SiO y / HfO 2 on a Si substrate, a gate electrode film PolySi on it, and a mask thereon. The processing conditions were: plasma source power 500 W, 12-inch wafer electrode RF power 15 W, flow rate BCl 3 / CF 3 Cl = 50 sccm / 50 sccm pressure 0.2 Pa, electrode temperature 50 ° C., and processing time 10 seconds. At that time, the amount of the underlying Si was 1 nm, and the amount of change in the processing length of the gate insulating film was 3 nm. Roughness was not observed. BCl 3 / CF 3 Cl was confirmed to be a sufficiently usable gas. Here, the reason why the pressure in the reaction vessel is lowered and the processing time is shortened is that the rate of etching the oxide film by the used mixed gas is higher than BCl 3 . By reducing the pressure, the amount of radicals that etch the oxide film decreases, and the etching rate can be controlled to stop etching. In addition, an inert gas such as Ar can be mixed to reduce the amount of radicals. In this case, the control range can be further expanded. When the amount of radicals decreases due to such low pressure or inert gas dilution, in addition to the etching rate decrease, the ion density relatively increases and physical sputtering increases, so the deposition rate exceeds the radical reduction effect. It is advantageous in terms of shape to the process of the lowered and depositing gas mixture. On the other hand, the increase in physical sputtering is not very advantageous in terms of the etching of the underlying Si, except for the etching rate reduction, for the gas for etching the underlying Si such as BCl 3 .

比較例として、前記の装置においてBCl3 のみを用いた時のエッチング特性について述べる。エッチング特性は、処理後の下地Si削れ量とゲート電極側壁に対するゲート絶縁膜の加工長変化量を調べた。エッチングしたデバイス構造は、Si基板上に積層ゲート絶縁膜HfxSiOy/HfO2 を有し、その上にゲート電極膜PolySiを有し、その上にマスクを有する構造を使用した。処理時の条件は、プラズマソースパワー500W,電極RFパワー10W,流量BCl3=100sccm,圧力0.2Pa、電極温度50℃,処理時間20秒であった。その時の下地Si削れ量は4nmであり、ゲート絶縁膜の加工長変化量は2nm以下で、面荒れも観察されなかった。下地Si削れ量が大きすぎ、BCl3 は使用し難いガスと確認できた。 As a comparative example, it described etching characteristics when using only BCl 3 in the apparatus. As for the etching characteristics, the amount of underlying Si shaving after processing and the amount of change in the processing length of the gate insulating film with respect to the side wall of the gate electrode were examined. The etched device structure used was a structure having a laminated gate insulating film Hf x SiO y / HfO 2 on a Si substrate, a gate electrode film PolySi thereon, and a mask thereon. The processing conditions were as follows: plasma source power 500 W, electrode RF power 10 W, flow rate BCl 3 = 100 sccm, pressure 0.2 Pa, electrode temperature 50 ° C., and processing time 20 seconds. At that time, the amount of the underlying Si was 4 nm, the processing length change of the gate insulating film was 2 nm or less, and no surface roughness was observed. It was confirmed that BCl 3 was a gas that was difficult to use because the amount of Si undercutting was too large.

第2の実施例として、前記の装置においてBCl3/CF2Cl2 を用いた時のエッチング特性について述べる。エッチング特性は、処理後の下地Si削れ量とゲート電極側壁に対するゲート絶縁膜の加工長変化量を調べた。エッチングしたデバイス構造は、Si基板上に積層ゲート絶縁膜HfxSiOy/HfO2 を有し、その上にゲート電極膜PolySiを有し、その上にマスクを有する構造を使用した。処理時の条件は、プラズマソースパワー500W,電極RFパワー15W,流量BCl3/CF2Cl2=55sccm/45sccm ,圧力0.2Pa ,電極温度50℃,処理時間10秒であった。その時の下地Si削れ量は1nm以下であり、ゲート絶縁膜の加工長変化量は4nmであった。面荒れも観察されなかった。BCl3/CF2Cl2は十分使用できるガスと確認できた。 As a second example describes the etching characteristics when using BCl 3 / CF 2 Cl 2 in the apparatus. As for the etching characteristics, the amount of underlying Si shaving after processing and the amount of change in the processing length of the gate insulating film with respect to the side wall of the gate electrode were examined. The etched device structure used was a structure having a laminated gate insulating film Hf x SiO y / HfO 2 on a Si substrate, a gate electrode film PolySi thereon, and a mask thereon. The processing conditions were: plasma source power 500 W, electrode RF power 15 W, flow rate BCl 3 / CF 2 Cl 2 = 55 sccm / 45 sccm, pressure 0.2 Pa, electrode temperature 50 ° C., and processing time 10 seconds. At that time, the amount of the underlying Si was 1 nm or less, and the amount of change in the processing length of the gate insulating film was 4 nm. Roughness was not observed. BCl 3 / CF 2 Cl 2 was confirmed to be a sufficiently usable gas.

第3の実施例として、前記の装置においてBCl3 /CHF3 を用いた時のエッチング特性について述べる。エッチング特性は、処理後の下地Si削れ量とゲート電極側壁に対するゲート絶縁膜の加工長変化量を調べた。エッチングしたデバイス構造は、Si基板上に積層ゲート絶縁膜HfxSiOy/HfO2 を有し、その上にゲート電極膜PolySiを有し、その上にマスクを有する構造を使用した。処理時の条件は、プラズマソースパワー
500W,電極RFパワー20W,流量BCl3/CHF3=70sccm/30sccm,圧力
0.2Pa ,電極温度50℃,処理時間10秒であった。その時の下地Si削れ量は1
nm以下であり、ゲート絶縁膜の加工長変化量は5nmであった。面荒れも観察されなかった。BCl3/CHF3は十分使用できるガスと確認できた。
As a third embodiment, etching characteristics when BCl 3 / CHF 3 is used in the above apparatus will be described. As for the etching characteristics, the amount of underlying Si shaving after processing and the amount of change in the processing length of the gate insulating film with respect to the side wall of the gate electrode were examined. The etched device structure used was a structure having a laminated gate insulating film Hf x SiO y / HfO 2 on a Si substrate, a gate electrode film PolySi thereon, and a mask thereon. The processing conditions were: plasma source power 500 W, electrode RF power 20 W, flow rate BCl 3 / CHF 3 = 70 sccm / 30 sccm, pressure 0.2 Pa, electrode temperature 50 ° C., and processing time 10 seconds. At that time, the amount of substrate Si shaving is 1
The processing length variation of the gate insulating film was 5 nm. Roughness was not observed. BCl 3 / CHF 3 was confirmed to be a sufficiently usable gas.

第4の実施例として、前記の装置においてBCl3/CH22 を用いた時のエッチング特性について述べる。エッチング特性は、処理後の下地Si削れ量とゲート電極側壁に対するゲート絶縁膜の加工長変化量を調べた。エッチングしたデバイス構造は、Si基板上に積層ゲート絶縁膜HfxSiOy/HfO2 を有し、その上にゲート電極膜PolySiを有し、その上にマスクを有する構造を使用した。処理時の条件は、プラズマソースパワー
500W,電極RFパワー20W,流量BCl3/CH22=90sccm/10sccm ,圧力0.2Pa,電極温度50℃,処理時間10秒であった。その時の下地Si削れ量は1nm以下であり、ゲート絶縁膜の加工長変化量は5nmであった。面荒れも観察されなかった。BCl3/CH22は十分使用できるガスと確認できた。
As a fourth embodiment, etching characteristics when BCl 3 / CH 2 F 2 is used in the above apparatus will be described. As for the etching characteristics, the amount of underlying Si shaving after processing and the amount of change in the processing length of the gate insulating film with respect to the side wall of the gate electrode were examined. The etched device structure used was a structure having a laminated gate insulating film Hf x SiO y / HfO 2 on a Si substrate, a gate electrode film PolySi thereon, and a mask thereon. The processing conditions were: plasma source power 500 W, electrode RF power 20 W, flow rate BCl 3 / CH 2 F 2 = 90 sccm / 10 sccm, pressure 0.2 Pa, electrode temperature 50 ° C., and processing time 10 seconds. At that time, the amount of underlying Si shaving was 1 nm or less, and the amount of change in the processing length of the gate insulating film was 5 nm. Roughness was not observed. BCl 3 / CH 2 F 2 was confirmed to be a sufficiently usable gas.

第5の実施例として、前記の装置においてBCl3/CF2Cl2/CF4を用いた時のエッチング特性について述べる。エッチング特性は、処理後の下地Si削れ量とゲート電極側壁に対するゲート絶縁膜の加工長変化量を調べた。エッチングしたデバイス構造は、
Si基板上に積層ゲート絶縁膜HfxSiOy/HfO2を有し、その上にゲート電極膜
PolySiを有し、その上にマスクを有する構造を使用した。処理時の条件は、プラズマソースパワー500W,電極RFパワー15W,流量BCl3/CF2Cl2/CF4=50
sccm/20/30sccm,圧力0.2Pa ,電極温度50℃,処理時間10秒であった。その時の下地Si削れ量は1.5nm であり、ゲート絶縁膜の加工長変化量は2nmであった。面荒れも観察されなかった。BCl3/CF2Cl2/CF4は十分使用できるガスと確認できた。
As a fifth embodiment, etching characteristics when BCl 3 / CF 2 Cl 2 / CF 4 is used in the above apparatus will be described. As for the etching characteristics, the amount of underlying Si shaving after processing and the amount of change in the processing length of the gate insulating film with respect to the side wall of the gate electrode were examined. The etched device structure is
A laminated gate insulating film Hf x SiO y / HfO 2 is formed on the Si substrate, and a gate electrode film is formed thereon.
A structure with PolySi and a mask thereon was used. The processing conditions are: plasma source power 500 W, electrode RF power 15 W, flow rate BCl 3 / CF 2 Cl 2 / CF 4 = 50
sccm / 20/30 sccm, pressure 0.2 Pa, electrode temperature 50 ° C., treatment time 10 seconds. At that time, the amount of underlying Si scraping was 1.5 nm, and the processing length variation of the gate insulating film was 2 nm. Roughness was not observed. BCl 3 / CF 2 Cl 2 / CF 4 was confirmed to be a sufficiently usable gas.

第6の実施例として、前記の装置においてBCl3/CHF3/CF4 を用いた時のエッチング特性について述べる。エッチング特性は、処理後の下地Si削れ量とゲート電極側壁に対するゲート絶縁膜の加工長変化量を調べた。エッチングしたデバイス構造は、Si基板上に積層ゲート絶縁膜HfxSiOy/HfO2を有し、その上にゲート電極膜PolySiを有し、その上にマスクを有する構造を使用した。処理時の条件は、プラズマソースパワー500W、電極RFパワー15W,流量BCl3/CHF3/CF4 =50sccm/10/40sccm,圧力0.2Pa,電極温度50℃,処理時間10秒であった。その時の下地
Si削れ量は1.5nm であり、ゲート絶縁膜の加工長変化量は2nmであった。面荒れも観察されなかった。BCl3/CHF3/CF4 は十分使用できるガスと確認できた。
As a sixth embodiment, etching characteristics when BCl 3 / CHF 3 / CF 4 is used in the above apparatus will be described. As for the etching characteristics, the amount of underlying Si shaving after processing and the amount of change in the processing length of the gate insulating film with respect to the side wall of the gate electrode were examined. The etched device structure used was a structure having a laminated gate insulating film Hf x SiO y / HfO 2 on a Si substrate, a gate electrode film PolySi thereon, and a mask thereon. The processing conditions were plasma source power 500 W, electrode RF power 15 W, flow rate BCl 3 / CHF 3 / CF 4 = 50 sccm / 10/40 sccm, pressure 0.2 Pa, electrode temperature 50 ° C., and processing time 10 seconds. At that time, the amount of underlying Si scraping was 1.5 nm, and the processing length variation of the gate insulating film was 2 nm. Roughness was not observed. BCl 3 / CHF 3 / CF 4 was confirmed to be a sufficiently usable gas.

比較実施例として、前記の装置においてBCl3/CF4を用いた時のエッチング特性について述べる。エッチング特性は、処理後の下地Si削れ量とゲート電極側壁に対するゲート絶縁膜の加工長変化量を調べた。エッチングしたデバイス構造は、Si基板上に積層ゲート絶縁膜HfxSiOy/HfO2 を有し、その上にゲート電極膜PolySiを有し、その上にマスクを有する構造を使用した。処理時の条件は、プラズマソースパワー500W,電極RFパワー10W,流量BCl3/CF4=50sccm/50sccm,圧力0.2Pa,電極温度50℃,処理時間10秒であった。その時の下地Si削れ量は3nmであり、ゲート絶縁膜の加工長変化量は1nm以下であった。面荒れも観察されなかった。下地Si削れ量が大きく、BCl3/CF4は使用し難いガスと確認できた。 As a comparative example, the etching characteristics when BCl 3 / CF 4 is used in the above apparatus will be described. As for the etching characteristics, the amount of underlying Si shaving after processing and the amount of change in the processing length of the gate insulating film with respect to the side wall of the gate electrode were examined. The etched device structure used was a structure having a laminated gate insulating film Hf x SiO y / HfO 2 on a Si substrate, a gate electrode film PolySi thereon, and a mask thereon. The processing conditions were: plasma source power 500 W, electrode RF power 10 W, flow rate BCl 3 / CF 4 = 50 sccm / 50 sccm, pressure 0.2 Pa, electrode temperature 50 ° C., and processing time 10 seconds. At that time, the amount of underlying Si shaving was 3 nm, and the amount of change in the processing length of the gate insulating film was 1 nm or less. Roughness was not observed. The amount of underlying Si was large, and BCl 3 / CF 4 was confirmed to be a difficult gas to use.

第7の実施例として、前記の装置においてBCl3/CF3Cl/Arを用いた時のエッチング特性について述べる。エッチング特性は、処理後の下地Si削れ量とゲート電極側壁に対するゲート絶縁膜の加工長変化量を調べた。エッチングしたデバイス構造は、Si基板上に積層ゲート絶縁膜HfxSiOy/HfO2を有し、その上にゲート電極膜PolySiを有し、その上にマスクを有する構造を使用した。処理時の条件は、プラズマソースパワー500W,電極RFパワー10W,流量BCl3/CF3Cl/Ar=10sccm/10
sccm/80sccm,圧力0.2Pa ,電極温度50℃,処理時間30秒であった。その時の下地Si削れ量は1nm以下であり、ゲート絶縁膜の加工長変化量は1nm以下であった。面荒れも観察されなかった。BCl3/CF3Cl/Arは十分使用できるガスと確認できた。
As a seventh embodiment, etching characteristics when BCl 3 / CF 3 Cl / Ar is used in the above apparatus will be described. As for the etching characteristics, the amount of underlying Si shaving after processing and the amount of change in the processing length of the gate insulating film with respect to the side wall of the gate electrode were examined. The etched device structure used was a structure having a laminated gate insulating film Hf x SiO y / HfO 2 on a Si substrate, a gate electrode film PolySi thereon, and a mask thereon. The processing conditions are: plasma source power 500 W, electrode RF power 10 W, flow rate BCl 3 / CF 3 Cl / Ar = 10 sccm / 10
sccm / 80 sccm, pressure 0.2 Pa, electrode temperature 50 ° C., treatment time 30 seconds. At that time, the amount of underlying Si shaving was 1 nm or less, and the processing length variation of the gate insulating film was 1 nm or less. Roughness was not observed. BCl 3 / CF 3 Cl / Ar was confirmed to be a sufficiently usable gas.

比較例として、前記の装置においてBCl3/Ar を用いた時のエッチング特性について述べる。エッチング特性は、処理後の下地Si削れ量とゲート電極側壁に対するゲート絶縁膜の加工長変化量を調べた。エッチングしたデバイス構造は、Si基板上に積層ゲート絶縁膜HfxSiOy/HfO2 を有し、その上にゲート電極膜PolySiを有し、その上にマスクを有する構造を使用した。処理時の条件は、プラズマソースパワー500W,電極RFパワー10W,流量BCl3/Ar=20/80sccm,圧力0.2Pa,電極温度
50℃,処理時間50秒であった。その時の下地Si削れ量は3nmであり、ゲート絶縁膜の加工長変化量は−1nmで、面荒れも観察されなかった。しかし、下地Si削れ量が大きすぎ、BCl3/Arは使用しにくいと考えた。
As a comparative example, the etching characteristics when BCl 3 / Ar is used in the above apparatus will be described. As for the etching characteristics, the amount of underlying Si shaving after processing and the amount of change in the processing length of the gate insulating film with respect to the side wall of the gate electrode were examined. The etched device structure used was a structure having a laminated gate insulating film Hf x SiO y / HfO 2 on a Si substrate, a gate electrode film PolySi thereon, and a mask thereon. The processing conditions were plasma source power 500 W, electrode RF power 10 W, flow rate BCl 3 / Ar = 20/80 sccm, pressure 0.2 Pa, electrode temperature 50 ° C., and processing time 50 seconds. At that time, the amount of the underlying Si was 3 nm, the processing length change of the gate insulating film was −1 nm, and no surface roughness was observed. However, it was thought that BCl 3 / Ar was difficult to use because the amount of Si undercutting was too large.

本発明の実施例によるガス成分及びその組合せを示す図。The figure which shows the gas component by the Example of this invention, and its combination. 本発明の実施例に使用したプラズマ処理装置を示す図。The figure which shows the plasma processing apparatus used for the Example of this invention. 本発明の実施例に関するSi基板と高誘電率ゲート絶縁膜/ゲート電極膜/マスクからなるデバイス構造を示す図。The figure which shows the device structure which consists of Si substrate and the high dielectric constant gate insulating film / gate electrode film / mask concerning the Example of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

1…真空容器、2…ガス導入系、3…処理室、4…被処理物、5…支持台、6…ガス、7…排気系、8…μ波発生源、9…μ波、10…導波路、11…空洞、12…導入窓、
13…磁石・コイル、14…プラズマ、15…ラジカル、16…高周波電源、17…温度制御手段、18…シリコン基板、19…高誘電率ゲート絶縁膜、20…ガス成分、21…高融点金属膜(Taを含む窒化物)、22…ハードマスク、23…積層ゲート電極膜。
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Vacuum vessel, 2 ... Gas introduction system, 3 ... Processing chamber, 4 ... To-be-processed object, 5 ... Support stand, 6 ... Gas, 7 ... Exhaust system, 8 ... Microwave generation source, 9 ... Microwave, 10 ... Waveguide, 11 ... cavity, 12 ... introduction window,
DESCRIPTION OF SYMBOLS 13 ... Magnet / coil, 14 ... Plasma, 15 ... Radical, 16 ... High frequency power supply, 17 ... Temperature control means, 18 ... Silicon substrate, 19 ... High dielectric constant gate insulating film, 20 ... Gas component, 21 ... High melting point metal film (Nitride containing Ta), 22... Hard mask, 23.

Claims (13)

酸化膜上に高誘電率絶縁膜層及びゲート電極配線層を有する構成のデバイス構造をエッチングする際に、高誘電率絶縁膜層もプラズマ処理装置でエッチングする方法であって、BCl3 とCHxyまたはCFxClyを含むガスをエッチングガスとして用いたエッチング方法。 When etching a device structure having a high dielectric constant insulating film layer and a gate electrode wiring layer on an oxide film, the high dielectric constant insulating film layer is also etched by a plasma processing apparatus, and includes BCl 3 and CH x An etching method using a gas containing F y or CF x Cl y as an etching gas. 請求項1において、BCl3とCF3Clをエッチングガスとして用いたエッチング方法。 2. The etching method according to claim 1, wherein BCl 3 and CF 3 Cl are used as etching gases. 請求項1において、BCl3 とCF2Cl2をエッチングガスとして用いたエッチング方法。 2. The etching method according to claim 1, wherein BCl 3 and CF 2 Cl 2 are used as etching gases. 請求項1において、BCl3 とCHF3をエッチングガスとして用いたエッチング方法。 2. The etching method according to claim 1, wherein BCl 3 and CHF 3 are used as etching gases. 請求項1において、BCl3 とCH22をエッチングガスとして用いたエッチング方法。 2. The etching method according to claim 1, wherein BCl 3 and CH 2 F 2 are used as etching gases. 請求項2において、前記エッチングガスにさらにCF4 を混合したエッチング方法。 The etching method according to claim 2, wherein CF 4 is further mixed with the etching gas. 請求項3において、前記エッチングガスにさらにCF4 を混合したエッチング方法。 4. The etching method according to claim 3, wherein CF 4 is further mixed with the etching gas. 請求項4において、前記エッチングガスにさらにCF4 を混合したエッチング方法。 5. The etching method according to claim 4, wherein CF 4 is further mixed with the etching gas. 請求項5において、前記エッチングガスにさらにCF4 を混合したエッチング方法。 6. The etching method according to claim 5, wherein CF 4 is further mixed with the etching gas. 請求項2において、前記エッチングガスにさらにArを混合することを特徴とするエッチング方法。   The etching method according to claim 2, wherein Ar is further mixed with the etching gas. 請求項1において、前記高誘電率絶縁膜層が、HfO2,ZrO2,HfxSiOy
ZrxSiOyのいずれか、またはその窒化物、またはこれらの積層構造であることを特徴とするエッチング方法。
2. The high dielectric constant insulating film layer according to claim 1, wherein the high dielectric constant insulating film layer is formed of HfO 2 , ZrO 2 , Hf x SiO y ,
An etching method comprising any one of Zr x SiO y, a nitride thereof, or a laminated structure thereof.
酸化膜上に高誘電率絶縁膜層及びゲート電極配線層を有する構成のデバイス構造をエッチングするエッチング手段を備えるエッチング装置であって、前記エッチング手段は
BCl3 とCHxyまたはCFxClyを含むガスをエッチングガスとして用いたエッチング装置。
An etching apparatus comprising an etching means for etching a device structure having a high dielectric constant insulating film layer and a gate electrode wiring layer on an oxide film, the etching means comprising BCl 3 and CH x F y or CF x Cl y An etching apparatus using a gas containing oxygen as an etching gas.
BCl3 とCHxyまたはCFxClyを含むガスをエッチングガスとして用いてエッチングされた高誘電率絶縁膜層及びゲート電極配線層を有する半導体装置。
A semiconductor device having a high dielectric constant insulating film layer and a gate electrode wiring layer etched using a gas containing BCl 3 and CH x F y or CF x Cl y as an etching gas.
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