JP2007305892A - 金属膜のエッチング方法及び半導体装置の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】金属膜に設けられる下層の高誘電率材の薄膜をエッチングすることなく、金属膜を１層又は数層毎に少しずつエッチングする金属膜のエッチング方法及びこれをもちいる半導体装置の製造方法である。
【解決手段】半導体基板１０上のゲート１２を形成する工程が、前記金属膜２１にハロゲン原子のイオン又はラジカルに電気的バイアスを印加せずに金属膜２１に吸着させる第１工程と、酸素を含みイオン又はラジカルに電気的バイアスを印加してエッチングする第２工程とを有する金属膜のエッチング方法及び半導体装置１０の製造方法である。この半導体の製造方法は、第１工程と第２工程の双方を有することで、下地に高誘電率材のゲート用の絶縁層２２のエッチングを抑えることができる。
【選択図】 図４
【解決手段】半導体基板１０上のゲート１２を形成する工程が、前記金属膜２１にハロゲン原子のイオン又はラジカルに電気的バイアスを印加せずに金属膜２１に吸着させる第１工程と、酸素を含みイオン又はラジカルに電気的バイアスを印加してエッチングする第２工程とを有する金属膜のエッチング方法及び半導体装置１０の製造方法である。この半導体の製造方法は、第１工程と第２工程の双方を有することで、下地に高誘電率材のゲート用の絶縁層２２のエッチングを抑えることができる。
【選択図】 図４
Description
本発明は、金属膜、特に、高融点金属の薄膜をエッチングする金属膜のエッチング方法、および、これを用いる半導体装置の製造方法に関するものである。
近年の半導体装置における高集積化及び高速化に対する技術進展に伴い、半導体装置を構成するゲート電極、ソース・ドレイン等のチャネルの微細化が進められている。これらの微細化のうち、ゲート電極を構成するゲート絶縁膜の薄膜化を進めると、トンネル電流に起因するリーク電流が大きくなると言う不具合がある。この不具合を抑制するために、ハフニウム酸化物（ＨｆＯ2）、ジルコニム酸化物（ＺｒＯ2）、ランタニウム酸化物（ＬａＯ2）等を含む金属酸化物で誘電率が高い、一般にhigh-kといわれる高誘電率材料をゲート絶縁膜に用いることにより、薄い酸化膜でありながら物理的・電気的特性を満足するゲート絶縁膜の開発が進められている。
例えば、特許文献１では、多結晶Ｓｉ膜と高誘電率絶縁膜との界面特性を簡単な手段を適用することで改善し、高誘電率ゲート絶縁膜を用いたＭＯＳ−ＦＥＴにおける閾値電圧がシフトするのを防止する半導体装置の製造方法が開示されている。
例えば、特許文献１では、多結晶Ｓｉ膜と高誘電率絶縁膜との界面特性を簡単な手段を適用することで改善し、高誘電率ゲート絶縁膜を用いたＭＯＳ−ＦＥＴにおける閾値電圧がシフトするのを防止する半導体装置の製造方法が開示されている。
しかし、特許文献１では、ゲート絶縁膜を薄くすることで、ゲート絶縁膜への電圧の印加によるＳｉ基板中に形成される空乏層の制御を容易にし、短チャネル効果を抑制するものである。しかしながら、従来のように、半導体装置のゲート電極が不純物ドープされたポリシリコンにより形成されている場合には、ゲート絶縁膜の薄膜化によって相対的にゲート電極にかかる電場が強くなり、ゲート電極中にも空乏層が形成されて、トランジスタのオン電流が低下してしまう。また、高誘電率材によるゲート絶縁膜とポリシリコンゲート電極とが反応してしまうという不具合がある。そこで、ポリシリコンによるゲート電極の空乏化に対処するために、ゲート電極を金属材料によるメタルゲート電極で形成することが提案されている。
このメタルゲート電極に用いる金属材料としては、例えば、Ａｌは融点が低いため、ソースおよびドレインの活性化等を目的とした熱処理を行うと、ゲート電極の断線および周辺領域へのＡｌ原子の拡散等の問題が発生する。また、Ｗ、Ｍｏ、Ｔｉ等の融点の割合に高い金属が用いられる。しかし、これらの金属は酸化によりその特性が変化してしまうという不具合がある。更に、Ｗ等は酸洗浄を行うと溶解してしまい耐洗浄性が低いという不具合がある。
そこで、この高誘電率材料のゲート酸化膜の上に用いるポリシリコン、Ｗ等以外の金属によるゲート電極として、例えば、特許文献２では、ゲート絶縁膜の上に形成されるポリメタル構造を有するゲート電極をドライエッチングにより形成する際に、ゲート絶縁膜に突き抜け等の損傷が発生しないようにする半導体装置の製造方法が開示されている。
また、特許文献３では、高誘電率 ゲート絶縁膜削れ及び半導体 基板掘れを防止し、かつ、寸法変換差が少ない高精度なゲート電極の加工を実現することができる半導体 装置およびその製造方法が開示されている。
しかし、このような従来技術には、高融点金属によるゲート電極だけをエッチングし、下部にあるゲート絶縁膜を保護するのは不十分であるという問題点がある。
このメタルゲート電極に用いる金属材料としては、例えば、Ａｌは融点が低いため、ソースおよびドレインの活性化等を目的とした熱処理を行うと、ゲート電極の断線および周辺領域へのＡｌ原子の拡散等の問題が発生する。また、Ｗ、Ｍｏ、Ｔｉ等の融点の割合に高い金属が用いられる。しかし、これらの金属は酸化によりその特性が変化してしまうという不具合がある。更に、Ｗ等は酸洗浄を行うと溶解してしまい耐洗浄性が低いという不具合がある。
そこで、この高誘電率材料のゲート酸化膜の上に用いるポリシリコン、Ｗ等以外の金属によるゲート電極として、例えば、特許文献２では、ゲート絶縁膜の上に形成されるポリメタル構造を有するゲート電極をドライエッチングにより形成する際に、ゲート絶縁膜に突き抜け等の損傷が発生しないようにする半導体装置の製造方法が開示されている。
また、特許文献３では、高誘電率 ゲート絶縁膜削れ及び半導体 基板掘れを防止し、かつ、寸法変換差が少ない高精度なゲート電極の加工を実現することができる半導体 装置およびその製造方法が開示されている。
しかし、このような従来技術には、高融点金属によるゲート電極だけをエッチングし、下部にあるゲート絶縁膜を保護するのは不十分であるという問題点がある。
そこで、本発明は上記問題点に鑑みてなされたものであり、その課題は、金属膜を支持する下層の高誘電率材の薄膜をエッチングすることなく、金属膜を少しずつエッチングする高精細な金属膜のエッチング方法を提供することである。
さらに、半導体装置における高誘電率材のゲート絶縁膜、ゲート電極を形成するときに設けられるレジスト膜との選択比を大きくとって、ゲート電極となる金属膜をエッチングする半導体装置の製造方法を提供することである。
さらに、半導体装置における高誘電率材のゲート絶縁膜、ゲート電極を形成するときに設けられるレジスト膜との選択比を大きくとって、ゲート電極となる金属膜をエッチングする半導体装置の製造方法を提供することである。
本発明は、上記課題を解決するために、エッチング工程を、Ｒｕ、Ｉｒ、Ｐｔ等の金属及び／又はこれらのオキサイドによる金属膜に、ハロゲン原子のイオン又はラジカルを、高周波バイアス等の電界を印加せずに曝露して吸着させる第１工程と、酸素のイオン又はラジカルでハロゲン原子が吸着した金属膜をエッチングする第２工程を有することで、例えば、金属膜の下層に設けられるハロゲン原子及び／又は酸素原子のプラズマ等でエッチングされやすい酸化物層がエッチングされることなく、金属膜のみをエッチングする金属膜のエッチング方法である。
また、本発明は、前記金属膜の製造方法を適用したもので、半導体基板上のゲート電極を形成する工程が、前記半導体基板上の酸化物層の上に形成された金属膜にハロゲン原子のイオン又はラジカルに電気的バイアスを印加せずに金属膜に曝露して吸着させる第１工程と、酸素を含みイオン又はラジカルに電気的バイアスを印加してエッチングする第２工程とを有するの半導体装置の製造方法である。この半導体の製造方法は、第１工程と第２工程の双方を有することで、下地としてＨｆ、Ｚｒ、Ｌａ等の酸化物、ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３の酸化物を含む高誘電率材、特に、ＨｆＯ２によって形成されたゲート絶縁材のエッチングを抑制し、金属膜としてＲｕ、Ｉｒ、Ｐｔ等の金属及びこれらのオキサイドを１層ないし数層の薄層毎にエッチングすることができるもので、これを繰り返すことで金属膜を所定の厚さにエッチングする。
また、本発明は、前記金属膜の製造方法を適用したもので、半導体基板上のゲート電極を形成する工程が、前記半導体基板上の酸化物層の上に形成された金属膜にハロゲン原子のイオン又はラジカルに電気的バイアスを印加せずに金属膜に曝露して吸着させる第１工程と、酸素を含みイオン又はラジカルに電気的バイアスを印加してエッチングする第２工程とを有するの半導体装置の製造方法である。この半導体の製造方法は、第１工程と第２工程の双方を有することで、下地としてＨｆ、Ｚｒ、Ｌａ等の酸化物、ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３の酸化物を含む高誘電率材、特に、ＨｆＯ２によって形成されたゲート絶縁材のエッチングを抑制し、金属膜としてＲｕ、Ｉｒ、Ｐｔ等の金属及びこれらのオキサイドを１層ないし数層の薄層毎にエッチングすることができるもので、これを繰り返すことで金属膜を所定の厚さにエッチングする。
本発明の金属膜のエッチング方法では、他の下層に設けられる高誘電率材の層をエッチングすることなく、Ｒｕ、Ｉｒ、Ｐｔの金属及びこれらのオキサイドの金属膜を少ない層毎に高精細なエッチングをすることができる。
また、本発明の半導体装置の製造方法は、下層のＨｆ、Ｚｒ、Ｌａ等の酸化物を含む高誘電率材のゲート絶縁層をエッチングすることなく、Ｒｕ、Ｉｒ、Ｐｔの金属及びこれらのオキサイドによるゲート電極層を薄層にエッチングすることで、薄いゲート電極を有する半導体装置を製造することができる。
また、本発明の半導体装置の製造方法は、下層のＨｆ、Ｚｒ、Ｌａ等の酸化物を含む高誘電率材のゲート絶縁層をエッチングすることなく、Ｒｕ、Ｉｒ、Ｐｔの金属及びこれらのオキサイドによるゲート電極層を薄層にエッチングすることで、薄いゲート電極を有する半導体装置を製造することができる。
以下に、本発明を実施するための最良の形態を図面に基づいて説明する。なお、いわゆる当業者は特許請求の範囲内における本発明を変更・修正をして他の実施形態をなすことは容易であり、これらの変更・修正はこの特許請求の範囲に含まれるものであり、以下の説明はこの発明における最良の形態の例であって、この特許請求の範囲を限定するものではない。
本発明の金属膜のエッチング方法に用いるエッチング装置は、カソード・カップリング方式、フローティング方式、アノード・カップリング方式のいずれにも限定されないが、ＲＩＥ法のカソード・カップリング方式が好ましい。このＲＩＥ（Ｒｅａｃｔｉｖｅ Ｉｏｎ Ｅｔｃｈｉｎｇ（反応性イオンエッチング））法は、試料台の電極に高周波を印可し対向する電極をグランドにすることで、基板に対してイオンが垂直に入射するため、異方性のエッチングになる。
図１は、本発明の金属膜のエッチング方法に用いるエッチング装置の構成を示す概略図である。
このエッチング装置５０は、反応させるためのチャンバー５１の一部に透明なガラス窓（図示せず）を有し、このガラス窓から内部の反応による光等によって反応を確認することができる。チャンバー５１には、被エッチング体６０を載置するためのカソード側の平面電極５２と、対向する平面電極５３が配置されている。カソード側の平面電極５２は、１３．５６ＭＨｚの高周波電源５４に接続されており、チャンバー５１本体は接地されている。さらに、チャンバー５１には、エッチングガスの供給管５６および排気管５７が接続されている。被エッチング体６０を載置する平面電極５２には、加熱するための発熱体５５を配置する。
本発明の金属膜のエッチング方法に用いるエッチング装置は、カソード・カップリング方式、フローティング方式、アノード・カップリング方式のいずれにも限定されないが、ＲＩＥ法のカソード・カップリング方式が好ましい。このＲＩＥ（Ｒｅａｃｔｉｖｅ Ｉｏｎ Ｅｔｃｈｉｎｇ（反応性イオンエッチング））法は、試料台の電極に高周波を印可し対向する電極をグランドにすることで、基板に対してイオンが垂直に入射するため、異方性のエッチングになる。
図１は、本発明の金属膜のエッチング方法に用いるエッチング装置の構成を示す概略図である。
このエッチング装置５０は、反応させるためのチャンバー５１の一部に透明なガラス窓（図示せず）を有し、このガラス窓から内部の反応による光等によって反応を確認することができる。チャンバー５１には、被エッチング体６０を載置するためのカソード側の平面電極５２と、対向する平面電極５３が配置されている。カソード側の平面電極５２は、１３．５６ＭＨｚの高周波電源５４に接続されており、チャンバー５１本体は接地されている。さらに、チャンバー５１には、エッチングガスの供給管５６および排気管５７が接続されている。被エッチング体６０を載置する平面電極５２には、加熱するための発熱体５５を配置する。
図２は、本発明の金属膜のエッチング方法を説明するために示す概略図である。
反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）法は、高周波バイアスの印加により発生したプラズマ中のイオン及び／又はラジカルと被エッチング体６０との反応を利用している。被エッチング体６０に入射するイオンの方向性を高め、かつ高エネルギのプラズマを用いることで、エッチングの物理的作用を高めて高い異方性を得ている。しかし、これまでのＲＩＥ法にでは、高エネルギのイオン等によるエッチングのために被エッチング体６０の損傷は避けられない。そこで、本発明では、エッチングするイオン又はプラズマのエネルギを小さくして、精細なエッチングを可能にした。
図２（１）に示すように、本発明の金属膜のエッチング方法では、第１工程として、ハロゲン元素を含むエッチングガスを用い、金属膜６１にハロゲンのプラズマ等を曝露して吸着させる。ハロゲンガスとしては、例えば、ＣＦ４、ＣＨＦ３、ＨＢｒ、ＢＣｌ３、Ｃｌ2、Ｂｒ2、ＨＣｌ、ＣＣｌ４等が好ましいが、特に、塩素が好ましい。塩素プラズマは、化学反応性が強く、金属と反応しやすいからからである。
このときの金属としては、高融点の貴金属が好ましい。例えば、Ｒｕ、Ｉｒ、Ｐｔ等を挙げることができる。これらの貴金属であれば、半導体装置の製造過程等で熱処理を受ける場合、熱による酸化を抑えることができる。特に、Ｒｕ、Ｉｒ、Ｐｔが好ましく、これらの金属の中で、とくに、Ｒｕが好ましい。これらの金属はＰｔ、Ｉｒ、Ｒｕは酸化されないか、酸化されてもＲｕＯ２、ＩｒＯ２、ＰｔＯ２等の酸化物が導電性を有している。また、これらは仕事関数が大きいので、酸化物膜との界面のショットキィ障壁を高くできることがあげられる。
反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）法は、高周波バイアスの印加により発生したプラズマ中のイオン及び／又はラジカルと被エッチング体６０との反応を利用している。被エッチング体６０に入射するイオンの方向性を高め、かつ高エネルギのプラズマを用いることで、エッチングの物理的作用を高めて高い異方性を得ている。しかし、これまでのＲＩＥ法にでは、高エネルギのイオン等によるエッチングのために被エッチング体６０の損傷は避けられない。そこで、本発明では、エッチングするイオン又はプラズマのエネルギを小さくして、精細なエッチングを可能にした。
図２（１）に示すように、本発明の金属膜のエッチング方法では、第１工程として、ハロゲン元素を含むエッチングガスを用い、金属膜６１にハロゲンのプラズマ等を曝露して吸着させる。ハロゲンガスとしては、例えば、ＣＦ４、ＣＨＦ３、ＨＢｒ、ＢＣｌ３、Ｃｌ2、Ｂｒ2、ＨＣｌ、ＣＣｌ４等が好ましいが、特に、塩素が好ましい。塩素プラズマは、化学反応性が強く、金属と反応しやすいからからである。
このときの金属としては、高融点の貴金属が好ましい。例えば、Ｒｕ、Ｉｒ、Ｐｔ等を挙げることができる。これらの貴金属であれば、半導体装置の製造過程等で熱処理を受ける場合、熱による酸化を抑えることができる。特に、Ｒｕ、Ｉｒ、Ｐｔが好ましく、これらの金属の中で、とくに、Ｒｕが好ましい。これらの金属はＰｔ、Ｉｒ、Ｒｕは酸化されないか、酸化されてもＲｕＯ２、ＩｒＯ２、ＰｔＯ２等の酸化物が導電性を有している。また、これらは仕事関数が大きいので、酸化物膜との界面のショットキィ障壁を高くできることがあげられる。
塩素ガスを、チャンバー５１に供給管５６を通して供給して、高周波電源５４により高周波バイアスを印加する。これによって、エッチングガスが電離して、塩素ガスのイオン又はラジカルを発生させる。
この塩素イオン又はラジカルは、平面電極５２，５３間にバイアスを印加しない状態で曝露することで、被エッチング体６０に引き寄せられ、その表面に吸着する。その吸着は、金属膜６１表面に１層吸着する。化学吸着では、塩素プラズマが金属と反応して１層が吸着しない。このときに、図２（２）に示すように、金属と塩素プラズマが反応して二次生成物（Ｒｕ−Ｃｌ）を形成する。この二次生成物は、金属膜６１表面から分離しているが、蒸気圧が低いので、金属膜６１表面から離脱しないで、金属膜６１表面に存在する。これは、これらの貴金属が酸化物を形成しているときも同様である。したがって、第１工程では、高周波バイアス等を印加しないことから、塩素プラズマが吸着するだけで、ほとんどエッチングはされない。
この塩素イオン又はラジカルは、平面電極５２，５３間にバイアスを印加しない状態で曝露することで、被エッチング体６０に引き寄せられ、その表面に吸着する。その吸着は、金属膜６１表面に１層吸着する。化学吸着では、塩素プラズマが金属と反応して１層が吸着しない。このときに、図２（２）に示すように、金属と塩素プラズマが反応して二次生成物（Ｒｕ−Ｃｌ）を形成する。この二次生成物は、金属膜６１表面から分離しているが、蒸気圧が低いので、金属膜６１表面から離脱しないで、金属膜６１表面に存在する。これは、これらの貴金属が酸化物を形成しているときも同様である。したがって、第１工程では、高周波バイアス等を印加しないことから、塩素プラズマが吸着するだけで、ほとんどエッチングはされない。
次に、第２工程として、図２（３）に示すように、酸素分子Ｏ２に高周波バイアスを印加して、酸素原子のイオン又はラジカルを形成する。この酸素イオン又はラジカルを、高周波バイアスの電場で一定の速度を付加し、被エッチング体６０上の金属膜６１表面に衝突させてエッチングする。
このときに、図２（４）に示すように、エッチングは、金属のルテニウムＲｕとハロゲンプラズマとが反応した二次生成物（Ｒｕ−Ｃｌ）に、酸素イオン又はラジカルを衝突させることでエッチングされる。
これは、金属と塩素のプラズマとが反応した二次生成物が、自然に蒸発・離脱するほどのエネルギを有しないために金属膜表面に留まっている。そこに、加速された酸素プラズマを衝突させることで、三次生成物（Ｒｕ−Ｃｌ−Ｏ）にして、衝撃で離脱する二次生成物（Ｒｕ−Ｃｌ）とともにエッチングする。
このように、二次生成物は金属膜６１表面に留まっているが、金属膜６１表面から分離しているために、酸素プラズマのエネルギは小さくとも、離脱させてエッチングすることができる。このときの酸素プラズマのエネルギは、金属膜６１自体に衝突させたときに、金属を離脱させてエッチングできるエネルギより小さいことが好ましい。これによって、金属を１層毎ないし数層の薄い層毎にエッチングすることができる。
このときに、図２（４）に示すように、エッチングは、金属のルテニウムＲｕとハロゲンプラズマとが反応した二次生成物（Ｒｕ−Ｃｌ）に、酸素イオン又はラジカルを衝突させることでエッチングされる。
これは、金属と塩素のプラズマとが反応した二次生成物が、自然に蒸発・離脱するほどのエネルギを有しないために金属膜表面に留まっている。そこに、加速された酸素プラズマを衝突させることで、三次生成物（Ｒｕ−Ｃｌ−Ｏ）にして、衝撃で離脱する二次生成物（Ｒｕ−Ｃｌ）とともにエッチングする。
このように、二次生成物は金属膜６１表面に留まっているが、金属膜６１表面から分離しているために、酸素プラズマのエネルギは小さくとも、離脱させてエッチングすることができる。このときの酸素プラズマのエネルギは、金属膜６１自体に衝突させたときに、金属を離脱させてエッチングできるエネルギより小さいことが好ましい。これによって、金属を１層毎ないし数層の薄い層毎にエッチングすることができる。
また、このときに金属膜６１の下に、ハロゲン及び／又は酸素を含むエッチングガスでエッチングされやすい、例えば、高誘電率の酸化物層６２が設けられることがある。エッチングされやすい高誘電率の絶縁材としては、Ｈｆ、Ｌａ、Ｚｒの中から選択される少なくとも１つの金属の酸化物、さらにＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３を含んでいても良い。これらの絶縁材は、酸化シリコンＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３単独よりも比誘電率の高い材料であり、好ましくは比誘電率１０以上の材料であって、いわゆるｈｉｇｈ−ｋとよばれるものを用いることができる。上記金属元素を含む酸化物層６２は、高い比誘電率を有するとともに良好な耐熱性を有するため、ＭＯＳ−ＦＥＴのサイズ縮小化、信頼性向上に寄与する。
しかし、高誘電率材は、ハロゲンと酸素の混合ガスをエッチングガスとして用いる場合はエッチングされやすい。また、混合ガスをエッチングガスにしたエッチングでは、１層又は複数の薄い層毎のエッチングが困難であり、金属薄層６１を突き抜けて下部の酸化物層６２までエッチングされることがあった。特に、半導体装置１等に使用する際は、high-kはを用いることで、酸化物層６２の厚さを薄くすることができ、通常数ｎｍであり、ここがエッチングされてはｈｉｇｈ−ｋを用いる意味がなくなる。さらに、例えば、酸化物層６２としてｈｉｇｈ−ｋ／ＳｉＯ２構造をとる場合、ＳｉＯ２層の厚さは０．５nm以下となり、通常のエッチング停止膜として効果が低く、下部にある酸化物層６２のエッチングを防止することができない。
しかし、本発明の金属膜のエッチング方法では、最初の第１工程におけるエッチングガスは、高周波バイアスを印加することなく曝露することで、比較的自由に運動するので金属膜６１に吸着する。一方、次の第２工程では、弱い高周波バイアスを印加して小さいエネルギの酸素プラズマで、下部の絶縁層までのエッチングを抑えることができる。この高周波バイアスで、酸素プラズマのエネルギを５００ｅＶ以下、好ましくは２００ｅＶ以下にする。これによって、金属膜６１を薄くエッチングすることができる。
このように、本発明の金属膜のエッチング方法は、エッチングガスと印加する高周波バイアスとの双方を、工程別に使い分けることで、微細加工を可能にしている。
また、第１工程と第２工程とを終了した後に、残る酸素イオン又はプラズマと二次生成物を排出して、次に、先のエッチング工程を繰り返す。これで、このエッチング工程を繰り返すことで、エッチングする金属膜６１の高精細な薄い膜厚を制御することはできる。
しかし、高誘電率材は、ハロゲンと酸素の混合ガスをエッチングガスとして用いる場合はエッチングされやすい。また、混合ガスをエッチングガスにしたエッチングでは、１層又は複数の薄い層毎のエッチングが困難であり、金属薄層６１を突き抜けて下部の酸化物層６２までエッチングされることがあった。特に、半導体装置１等に使用する際は、high-kはを用いることで、酸化物層６２の厚さを薄くすることができ、通常数ｎｍであり、ここがエッチングされてはｈｉｇｈ−ｋを用いる意味がなくなる。さらに、例えば、酸化物層６２としてｈｉｇｈ−ｋ／ＳｉＯ２構造をとる場合、ＳｉＯ２層の厚さは０．５nm以下となり、通常のエッチング停止膜として効果が低く、下部にある酸化物層６２のエッチングを防止することができない。
しかし、本発明の金属膜のエッチング方法では、最初の第１工程におけるエッチングガスは、高周波バイアスを印加することなく曝露することで、比較的自由に運動するので金属膜６１に吸着する。一方、次の第２工程では、弱い高周波バイアスを印加して小さいエネルギの酸素プラズマで、下部の絶縁層までのエッチングを抑えることができる。この高周波バイアスで、酸素プラズマのエネルギを５００ｅＶ以下、好ましくは２００ｅＶ以下にする。これによって、金属膜６１を薄くエッチングすることができる。
このように、本発明の金属膜のエッチング方法は、エッチングガスと印加する高周波バイアスとの双方を、工程別に使い分けることで、微細加工を可能にしている。
また、第１工程と第２工程とを終了した後に、残る酸素イオン又はプラズマと二次生成物を排出して、次に、先のエッチング工程を繰り返す。これで、このエッチング工程を繰り返すことで、エッチングする金属膜６１の高精細な薄い膜厚を制御することはできる。
さらに、本発明の半導体装置の製造方法では、半導体基板１０上に、高誘電率材のゲート酸化膜１２Ｂ上に金属膜電極１２Ａを有するゲート電極１２を形成される半導体装置１の製造方法において、前記ゲート電極１２を形成する工程が、前記金属膜２１にハロゲン原子のイオン又はラジカルを曝露して吸着させる第１工程と酸素原子のイオン又はラジカルでエッチングする第２工程を有している。
図３は、本発明の半導体装置の製造方法の実施形態を示す概略図である。
図３（１）に示すように、半導体基板１０に素子分離領域１１を画定する。半導体基板１０は、シリコン単結晶シリコン基板を用いる。具体的には、半導体基板１０に素子分離領域１１になる溝を形成し、この溝を埋め込む膜厚に絶縁物（ＳｉＯ2等）を堆積した後、ＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing）法により半導体基板１０上に溝を絶縁物で充填されたＳＴＩ（Shallow Trench Isolation）素子分離領域１１を形成する。
次に、（２）に示すように、半導体基板１０のゲート絶縁膜用の絶縁層２２を形成する。半導体基板１０表面に形成された自然酸化膜を除去した後、半導体基板１０上に、ＣＶＤ法等の化学蒸着法、ゾルゲル法等の溶液法により絶縁膜２２として膜厚数ｎｍ程度の高誘電率材による薄膜を形成する。この絶縁層２２が、いわゆｈｉｇｈ−ｋの高誘電率材で形成されている。高誘電率材としては、Ｈｆ、Ｌａ、Ｚｒの中から選択される少なくとも１つの金属の酸化物を含む材料を用いる。これらの酸化物によって形成されるゲート絶縁層１２Ｂでは、高い電気的絶縁性と誘電率を有し、半導体装置１におけるリーク電流を減少させることができる。また、誘電率が高いことで、一定の絶縁性を得るのにゲート絶縁層１２Ｂを薄くすることで、半導体装置１の集積度を上げることができる。ここでは、ＨｆシリケートをＭＯＣＶＤ(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)法により堆積させて、例えば、４ｎｍのゲート絶縁層１２Ｂを形成する。
図３は、本発明の半導体装置の製造方法の実施形態を示す概略図である。
図３（１）に示すように、半導体基板１０に素子分離領域１１を画定する。半導体基板１０は、シリコン単結晶シリコン基板を用いる。具体的には、半導体基板１０に素子分離領域１１になる溝を形成し、この溝を埋め込む膜厚に絶縁物（ＳｉＯ2等）を堆積した後、ＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing）法により半導体基板１０上に溝を絶縁物で充填されたＳＴＩ（Shallow Trench Isolation）素子分離領域１１を形成する。
次に、（２）に示すように、半導体基板１０のゲート絶縁膜用の絶縁層２２を形成する。半導体基板１０表面に形成された自然酸化膜を除去した後、半導体基板１０上に、ＣＶＤ法等の化学蒸着法、ゾルゲル法等の溶液法により絶縁膜２２として膜厚数ｎｍ程度の高誘電率材による薄膜を形成する。この絶縁層２２が、いわゆｈｉｇｈ−ｋの高誘電率材で形成されている。高誘電率材としては、Ｈｆ、Ｌａ、Ｚｒの中から選択される少なくとも１つの金属の酸化物を含む材料を用いる。これらの酸化物によって形成されるゲート絶縁層１２Ｂでは、高い電気的絶縁性と誘電率を有し、半導体装置１におけるリーク電流を減少させることができる。また、誘電率が高いことで、一定の絶縁性を得るのにゲート絶縁層１２Ｂを薄くすることで、半導体装置１の集積度を上げることができる。ここでは、ＨｆシリケートをＭＯＣＶＤ(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)法により堆積させて、例えば、４ｎｍのゲート絶縁層１２Ｂを形成する。
ＣＶＤ法等の化学蒸着法、ゾルゲル法等の溶液法によりＲｕ、Ｉｒ、Ｐｔ又はこれらのオキサイドによる金属膜層２１でゲート電極層１２Ａを形成する。ここでは、Ｒｕ（ＥｔＣｐ）２を用いたＭＯＣＶＤ法によりルテニウムＲｕを、２５ｎｍの厚さに堆積させて金属薄層としてＲｕ薄膜層２１を形成する。なお、このゲート絶縁層１２Ｂとゲート電極層１２Ａとの間に、他の絶縁材による層を設けても良い。例えば、例えばＬＰＣＶＤ(Low Pressure Chemical Vapor Deposition)法によりＳｉＨ2Ｃｌ2（ＤＣＳ；ジクロロシラン）−ＮＨ3（アンモニア）のガス系で、例えば６８０℃程度の所定の温度条件として、ＳｉＮを堆積させて、例えば０．２ｎｍのＳｉＮ膜（シリコン窒化膜）を形成しても良い。また、その上に、ＣＶＤ(Chemical Vapor Deposition)法により堆積させたＳｉＮ膜（ＣＶＤ−ＳｉＮ）の表面を、オゾン中で、かつ常温で酸化して、ＳｉＯ2膜（シリコン酸化膜）を形成することができる。なお、ＣＶＤ法により堆積させたＳｉＮ膜（ＣＶＤ−ＳｉＮ）の表面を、酸素中で、例えば６００℃程度の所定の温度条件で酸化して、ＳｉＯ2膜（シリコン酸化膜）を形成しても良い。
次に、図３（３）に示すように、Ｒｕ薄膜層２１上にレジスト層２０を設ける。次に、図３（４）に示すように、パターニングして、このレジストパターンをエッチングマスクとして使用し、ゲート電極１２を形成する。このときに、エッチング装置５０に半導体基板１０を装着して、金属膜層（Ｒｕ薄膜）２１をエッチングしてゲート電極１２Ａを形成する。
図４は、本発明の半導体装置の製造方法におけるエッチング工程を模式的に説明するための概略図である。図４（１）に示すように、エッチング工程の第１工程として、プラズマ化した塩素プラズマを導入して、半導体基板１０を塩素プラズマにして、塩素プラズマはＲｕ薄膜層２１上に吸着する。エッチング条件は、例えば、圧力を０．１Ｐａ〜１００００Ｐａ、基板温度を６００〜９００℃の範囲に設定し、高周波バイアスは印加しない。このときに、図４（２）に示すように、Ｒｕ薄膜層２１上の塩素プラズマは、Ｒｕ原子と二次生成物（Ｒｕ−Ｃｌ）を形成するが、蒸気圧が低く、Ｒｕ薄膜層２１表面から離脱しない。
そこに、図４（３）に示すように、第２工程として、酸素プラズマを導入し、エッチング条件は、例えば、圧力を０．１Ｐａ〜１００００Ｐａ、基板温度を６００〜９００℃の範囲に設定し、酸素プラズマに２００〜５００ｅＶの小さいエネルギを付加するような高周波バイアスを印加する。
このときに、図４（４）に示すように、酸素プラズマの衝撃により、Ｒｕ薄膜層２１上の二次生成物（Ｒｕ−Ｃｌ）に軽い衝撃を与え、Ｒｕ薄膜層２１上から二次生成物（Ｒｕ−Ｃｌ）又は酸素との三次生成物（Ｒｕ−Ｃｌ−Ｏ）として離脱させる。しかし、酸素プラズマのエネルギは小さいために、Ｒｕ薄膜層２１からＲｕ原子を少しづつエッチングすることができる。
さらに、酸素プラズマによりレジスト層２０が除去される。酸素プラズマによるレジスト除去は、レジスト用の樹脂が、酸素プラズマにより炭酸ガス（ＣＯ２）と水（Ｈ２Ｏ）になることを利用している。しかし、本発明の半導体装置の製造方法では、酸素プラズマのエネルギが小さいために、レジスト層２０のエッチング・除去される量が小さい。このために、Ｒｕ薄膜層２１とレジスト層２０との選択比を大きくすることができる。
しかし、このときに、離脱した二次生成物（Ｒｕ−Ｃｌ）等がＲｕ薄膜層２１がエッチングされたゲート電極層１２Ａの側面に析出して堆積層２３を形成する。この堆積層２３によって、酸素プラズマによるエッチングの進行が抑えられて異方性エッチングを可能にしている。
次に、図４（５）に示すように、酸素プラズマにより堆積層２３を除去し、かつ、絶縁層２２をエッチングして除去する。したがって、ここでは、ゲート電極層１２Ａの側壁の堆積層２３を除去するために過剰なエッチングをすると、下層の絶縁層２２のエッチングが進行してしまう。したがって、Ｒｕ薄膜層２１をエッチングする際に、エッチングの均一性が必要になる。Ｒｕ薄膜層２１のエッチングが不均一になると、絶縁層２２のエッチングも不均一になり、半導体基板１０の表面まで不均一にエッチングしてしまう。したがって、本発明のように、Ｒｕ薄膜層２１を均一にエッチングすることで、下層の絶縁層２２のエッチングを均一に行うことができる。
図４は、本発明の半導体装置の製造方法におけるエッチング工程を模式的に説明するための概略図である。図４（１）に示すように、エッチング工程の第１工程として、プラズマ化した塩素プラズマを導入して、半導体基板１０を塩素プラズマにして、塩素プラズマはＲｕ薄膜層２１上に吸着する。エッチング条件は、例えば、圧力を０．１Ｐａ〜１００００Ｐａ、基板温度を６００〜９００℃の範囲に設定し、高周波バイアスは印加しない。このときに、図４（２）に示すように、Ｒｕ薄膜層２１上の塩素プラズマは、Ｒｕ原子と二次生成物（Ｒｕ−Ｃｌ）を形成するが、蒸気圧が低く、Ｒｕ薄膜層２１表面から離脱しない。
そこに、図４（３）に示すように、第２工程として、酸素プラズマを導入し、エッチング条件は、例えば、圧力を０．１Ｐａ〜１００００Ｐａ、基板温度を６００〜９００℃の範囲に設定し、酸素プラズマに２００〜５００ｅＶの小さいエネルギを付加するような高周波バイアスを印加する。
このときに、図４（４）に示すように、酸素プラズマの衝撃により、Ｒｕ薄膜層２１上の二次生成物（Ｒｕ−Ｃｌ）に軽い衝撃を与え、Ｒｕ薄膜層２１上から二次生成物（Ｒｕ−Ｃｌ）又は酸素との三次生成物（Ｒｕ−Ｃｌ−Ｏ）として離脱させる。しかし、酸素プラズマのエネルギは小さいために、Ｒｕ薄膜層２１からＲｕ原子を少しづつエッチングすることができる。
さらに、酸素プラズマによりレジスト層２０が除去される。酸素プラズマによるレジスト除去は、レジスト用の樹脂が、酸素プラズマにより炭酸ガス（ＣＯ２）と水（Ｈ２Ｏ）になることを利用している。しかし、本発明の半導体装置の製造方法では、酸素プラズマのエネルギが小さいために、レジスト層２０のエッチング・除去される量が小さい。このために、Ｒｕ薄膜層２１とレジスト層２０との選択比を大きくすることができる。
しかし、このときに、離脱した二次生成物（Ｒｕ−Ｃｌ）等がＲｕ薄膜層２１がエッチングされたゲート電極層１２Ａの側面に析出して堆積層２３を形成する。この堆積層２３によって、酸素プラズマによるエッチングの進行が抑えられて異方性エッチングを可能にしている。
次に、図４（５）に示すように、酸素プラズマにより堆積層２３を除去し、かつ、絶縁層２２をエッチングして除去する。したがって、ここでは、ゲート電極層１２Ａの側壁の堆積層２３を除去するために過剰なエッチングをすると、下層の絶縁層２２のエッチングが進行してしまう。したがって、Ｒｕ薄膜層２１をエッチングする際に、エッチングの均一性が必要になる。Ｒｕ薄膜層２１のエッチングが不均一になると、絶縁層２２のエッチングも不均一になり、半導体基板１０の表面まで不均一にエッチングしてしまう。したがって、本発明のように、Ｒｕ薄膜層２１を均一にエッチングすることで、下層の絶縁層２２のエッチングを均一に行うことができる。
次に、図３（５）に示すように、半導体基板１０中におけるゲート電極１２を自己整合マスクにｎ型あるいはｐ型不純物元素のイオン注入を行ない、ゲート電極１２の両側にｎ型あるいはｐ型のソースエクステンション領域又はドレインエクステンション領域を形成する。また、半導体基板１０上にＳｉＯ２膜などの絶縁膜をＣＶＤ法によりゲート電極１２を覆うように形成し、さらにこれをエッチバックすることにより、ゲート電極１２の両側壁面上に側壁絶縁膜１２Ｃを形成する。
さらに、図３（６）に示すように、ゲート電極１２および側壁絶縁膜１２Ｃをマスクに、半導体基板１０中にｎ型あるいはｐ型不純物元素のイオン注入を行ない、側壁絶縁膜１２Ｃの外側のｎ型あるいはｐ型のソースあるいはドレイン拡散領域に、それぞれソース１４及びドレイン１５を形成する。そして、熱処理（アニール処理）を行なって不純物を活性化させる。その後、メタル配線、層間絶縁膜、ビアホールの形成工程へ進み、積層された半導体装置を製造する。
以上説明したように、本発明の半導体装置１の製造方法によって、
さらに、図３（６）に示すように、ゲート電極１２および側壁絶縁膜１２Ｃをマスクに、半導体基板１０中にｎ型あるいはｐ型不純物元素のイオン注入を行ない、側壁絶縁膜１２Ｃの外側のｎ型あるいはｐ型のソースあるいはドレイン拡散領域に、それぞれソース１４及びドレイン１５を形成する。そして、熱処理（アニール処理）を行なって不純物を活性化させる。その後、メタル配線、層間絶縁膜、ビアホールの形成工程へ進み、積層された半導体装置を製造する。
以上説明したように、本発明の半導体装置１の製造方法によって、
１ 半導体装置
１０ 半導体基板
１１ ＳＴＩ素子分離領域
１２ ゲート
１２Ａ ゲート電極層
１２Ｂ ゲート絶縁層
１２Ｃ 側壁絶縁膜
１４ ソース
１５ ドレイン
１６ チャネル領域
２０ レジスト層
２１ 金属膜（Ｒｕ薄膜）
２２ 絶縁層
５０ エッチング装置
５１ チャンバー
５２ カソード側の平面電極
５３ アノード側の平面電極
５４ 高周波電源
５５ 発熱体
５６ 供給管
５７ 排気管
６０ 被エッチング体
６１ 金属膜
６２ 酸化物層
１０ 半導体基板
１１ ＳＴＩ素子分離領域
１２ ゲート
１２Ａ ゲート電極層
１２Ｂ ゲート絶縁層
１２Ｃ 側壁絶縁膜
１４ ソース
１５ ドレイン
１６ チャネル領域
２０ レジスト層
２１ 金属膜（Ｒｕ薄膜）
２２ 絶縁層
５０ エッチング装置
５１ チャンバー
５２ カソード側の平面電極
５３ アノード側の平面電極
５４ 高周波電源
５５ 発熱体
５６ 供給管
５７ 排気管
６０ 被エッチング体
６１ 金属膜
６２ 酸化物層
Claims (5)
- 高誘電率材上に形成された金属膜をエッチングする金属膜のエッチング方法において、
前記金属膜に塩素を含むイオン又はラジカルを吸着させる第１工程と、
酸素原子のイオン又はラジカルでエッチングする第２工程と、を有する
ことを特徴とする金属膜のエッチング方法。 - 請求項１に記載の金属膜のエッチング方法において、
前記金属膜が、ルテニウム又はルテニウムオキサイドで形成されている
ことを特徴とする金属膜のエッチング方法。 - 請求項１又は２に記載の金属膜のエッチング方法において、
前記高誘電率材が、Ｈｆ、Ｌａ、Ｚｒの中から選択される少なくとも１つの金属の酸化物を含む
ことを特徴とする金属膜のエッチング方法。 - 請求項１ないし３のいずれかに記載の金属膜のエッチング方法において、
前記第１工程では、前記イオン又はラジカルに電気的バイアスを印加せず、
前記第２工程では、前記イオン又はラジカルに電気的バイアスを印加する
ことを特徴とする金属膜のエッチング方法。 - 半導体基板上に、高誘電率材のゲート酸化膜表面に積層された金属膜を有するゲート電極を形成する半導体装置の製造方法において、
前記ゲート電極を形成する工程が、前記ゲート酸化膜表面に積層された金属膜にハロゲン原子のイオン又はラジカルを電気的バイアスを印加せずに吸着させる第１工程と
酸素原子のイオン又はラジカルを電気的バイアスを印加してエッチングする第２工程とを含む
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
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|---|---|---|---|
| JP2006134745A JP5130652B2 (ja) | 2006-05-15 | 2006-05-15 | 金属膜のエッチング方法及び半導体装置の製造方法 |
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