JP2007311431A - 積層膜パターン形成方法及びゲート電極形成方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】下地となる絶縁膜1上に、微結晶シリコン膜2とクロム膜3とを順に成膜し、レジスト4をマスクとして、ウェットエッチングを行い、クロム膜3をパターニングする。次に、塩素ガス及び酸素ガスを含む混合ガスによるプラズマに、残存物5が存在している微結晶シリコン膜2を晒し、微結晶シリコン膜2の表面の残存物5を選択的にエッチングし除去する。この後、微結晶シリコン膜2のドライエッチングを行う。
【選択図】図1
Description
トップゲート型の薄膜トランジスタのゲート電極を、シリコン膜、金属膜、金属シリサイド膜をそれぞれ単層で用いるほか、信頼性向上と、低抵抗化とのために、シリコン膜上に、金属膜又は金属シリサイド膜を形成してなる積層膜を用いて形成することが提案されている。
例えば、特許文献1及び特許文献2には、ゲート電極をパターン形成する際に、上層の金属膜又は金属シリサイド膜の金属系材料と、下層のポリシリコン膜又は微結晶シリコン膜のシリコン系材料の両方に対してドライエッチング法を用いることが記載されている。
このため、シリコン膜上にクロム膜を形成して積層膜を形成し、ゲート電極をパターン形成する場合には、クロム膜のエッチングにウェットエッチング法を用い、シリコン膜のエッチングにドライエッチング法を用いることによって、スループット(処理能力)を高めることができる。
トップゲート型のポリシリコン薄膜トランジスタのゲート電極形成時に、均一性が悪化し、残さが発生する問題について、薄膜トランジスタの製造工程の初期段階を含めて説明する。
まず、図7(a)に示すように、ガラス基板101上に、プラズマDVD法によって、二酸化シリコンや窒化シリコンからなる下地絶縁膜102を、300[nm]程度の厚さに成膜する。
次に、レジストをマスクとして、ドライエッチング法によって、ポリシリコン膜104を島状にパターニングして、薄膜トランジスタの活性層を形成する。
ここで、露出した微結晶シリコン膜106の表面は、ウェットエッチングで除去できなかった金属クロムの残さや、クロムとシリコンとの化合物であるクロムシリサイドからなる残存物110が不均一に発生した状態となる。
しかしながら、微結晶シリコン膜106の表面に、金属クロムの残さや、クロムシリサイドからなる残存物110が残存した状態では、これらの物質がマスクとなって、エッチングの進行を阻害する。このため、エッチングの均一性が悪化すると共に、ゲート絶縁膜105上に柱状のシリコンの残さ111が発生する。
このシリコンの残さ111は、この後のポリシリコン膜104への不純物注入工程や、コンタクトホール形成工程で、バリアとなるために、良好な特性を有する薄膜トランジスタを得ることができなくなる。
例えば、特許文献3に記載された技術では、残存物をエッチング除去することは困難である。
すなわち、ポリシリコン膜や微結晶シリコン膜は、小さな結晶が集合した膜であり、この表面には、結晶性に由来する微細な凹凸が現れる。また、トップゲート型のポリシリコン薄膜トランジスタのゲート電極で、下部にゲート絶縁膜を挟んで活性層のポリシリコン膜が存在する領域では、活性層のポリシリコン膜の凹凸の影響を受けて、ゲート電極のシリコン膜の表面の凹凸は、より大きく複雑となる。
例えば、特許文献4に記載された技術で、フッ酸を含む溶液を用いたウェットエッチング処理を行う場合に、次に行うシリコン膜をエッチングする工程と連続した処理ができないので、スループットが低下してしまう。
例えば、特許文献4に記載された技術で、フッ酸を含む溶液を用いたウェットエッチング処理を行う場合に、金属や金属シリサイドの残存物を除去する能力の高い溶液を用いると、処理中に金属膜のサイドエッチングが進行して、金属膜のパターン形状を保つことができない。
また、金属膜をエッチングした後の残存物を効率的に除去して、高スループットを維持することができる積層膜パターン形成方法及びゲート電極形成方法を提供することを第2の目的としている。
また、例えば、残すべき領域もエッチングしてしまうような不具合を防止し、金属膜をエッチングした後の残存物を正確に除去し、例えば、信頼性が高く、良好な特性を有する薄膜トランジスタを得ることができる積層膜パターン形成方法及びゲート電極形成方法を提供することを第3の目的としている。
これにより、第2のエッチング工程で、塩素及び酸素を含む混合ガスによるプラズマを用いて、上層膜をエッチングした後の残存物を除去できるので、下層膜のエッチング均一性を向上させ、かつ、エッチング残さの生成を防止することができる。
これにより、第1のエッチング工程で、上層膜を、ウェットエッチング法によってエッチングし、第2のエッチング工程で、塩素ガスと酸素ガスとを含む混合ガスによるプラズマを用いて、エッチング残さを除去し、第3のエッチング工程で、下層膜をドライエッチング法によってエッチングするので、上層膜をエッチングした後の残存物を確実に除去し、下層膜のエッチング均一性を向上させ、かつ、エッチング残さの生成を防止することができる。
これにより、下層膜の材料として、多結晶シリコン又は微結晶シリコンを用い、上層膜の材料として、クロム、モリブデン、タングステン、及びタンタルの群から選択された金属、又はこれらの金属を主成分とする合金を用いるので、下層膜の表面に残存物が残らないようにすることができるので、下層膜のエッチング均一性を向上させ、かつ、エッチング残さの生成を防止することができる。
これにより、混合ガス中の塩素ガスに対する酸素ガスの流量比率を、30%〜300%の範囲内に設定するので、下層膜の表面の残存物を選択的にエッチング除去し、下層膜のエッチング均一性を向上させ、かつ、エッチング残さの生成を防止することができる。
これにより、混合ガス中の塩素ガスに対する酸素ガスの流量比率を、70%以上150%以下の範囲内に設定するので、下層膜の表面の残存物を選択的にエッチング除去し、下層膜のエッチング均一性を一段と向上させ、かつ、エッチング残さの生成を防止することができる。
これにより、ゲート電極を形成する工程で、下部に活性層の半導体膜が存在する領域で、この半導体膜表面の凹凸の影響を受けて、ゲート電極を構成する下層膜表面の凹凸が大きくなり、上層膜をエッチングした後の残存物に多くの金属が含まれるような状況でも、塩素ガス及び酸素ガスを含む混合ガスによるプラズマを用いてエッチングするので、残存物を無くし、下層膜のエッチング均一性を向上させ、かつ、エッチング残さの生成を防止することができる。
これにより、ゲート電極を形成する工程で、下部に活性層の半導体膜が存在する領域で、この半導体膜表面の凹凸の影響を受けて、ゲート電極を構成する下層膜表面の凹凸が大きくなり、上層膜をウェットエッチングした後の残存物に多くの金属が含まれるような状況でも、塩素ガス及び酸素ガスを含む混合ガスによるプラズマを用いてエッチングするので、残存物を無くし、下層膜のエッチング均一性を向上させ、かつ、エッチング残さの生成を防止することができる。
この例の積層膜パターニング方法は、例えば、基板の上に形成された絶縁膜1の上に、シリコン膜に金属膜が積層されてなる2層構造の積層膜を、電極層6として形成するために用いられる(図2(c)参照。)。
微結晶シリコン膜は、粒径が10[nm]以下の極めて微細な結晶粒とアモルファスとが混在したシリコン膜であり、プラズマCVD法等によって形成される。
次に、スパッタリング法によって、金属膜として、クロム膜3を200[nm]程度の厚さに成膜する。
次に、図1(c)に示すように、レジスト4をマスクとして、例えば、硝酸第2セリウムアンモニウム系のエッチング液を用いて、ウェットエッチングを行い、クロム膜3をパターニングする。この状態で、露出した微結晶シリコン膜2の表面には、ウェットエッチングで除去できなかった金属クロムの残さや、クロムとシリコンとの化合物(上層膜と下層膜との境界層を構成する金属と導電性半導体との化合物)であるクロムシリサイドからなる残存物5が存在している。
このプラズマ処理では、例えば、図3に示すような並行平板型のドライエッチング装置を用い、所定のエッチング条件下で、残存物5をエッチング除去する。
なお、ドライエッチング装置としては、プラズマエッチング型のほか、反応性イオンエッチング型の装置を用いても良い。
残存物5としてのクロムは、塩素ガスと酸素ガスとの両者と反応し、揮発性が比較的高い化合物が生成されて除去される。このため、塩素ガスと酸素ガスとは、両者とも同時に十分な流量が必要であり、上記流量比が、30[%]より小さいような酸素ガスが少な過ぎる場合でも、上記流量比が、300[%]より大きいような塩素ガスが少な過ぎる場合でも、クロムの除去が十分になされない。
ここで、例えば、240[sccm]は、標準状態換算時で240[cc/min](240[cm3/min])を意味する。
また、圧力は、10[Pa]、パワーは、1000[W]、処理時間は、60[sec]として、実施する。なお、エッチングガスに、ヘリウム(He)ガス等の不活性ガスを添加しても良い。
このドライエッチングでは、エッチングガスとして、例えば、Cl2とCF4との混合ガスや、HClとSF6との混合ガス等の下地としての絶縁膜1に対して高選択エッチングが可能なガスを用いる。
次に、図2(c)に示すように、レジスト4を除去する。このようにして、例えば、基板の上に形成された絶縁膜の上に、シリコン膜に金属膜が積層されてなる2層構造の積層膜が、電極層6として形成される。
このため、プラズマ処理を行った後の微結晶シリコン膜2の厚さに不均一な分布を生じさせることなく、残存物5を除去することができる。
したがって、金属膜をエッチングした後の残存物を確実に除去し、シリコン膜のエッチング均一性を向上させ、かつ、エッチング残さの生成を防止することができる。また、これにより、信頼性が高い電極層を得ることができる。
また、プラズマ処理は、ウェットエッチングよりも高い異方性を示すので、プラズマ処理中に、クロム膜3のサイドエッチングが進行して、クロム膜3のパターンが崩れることがない。しかも、プラズマ処理は、スパッタエッチングほどの高い異方性はなく、若干の等方性もあるので、段差がある箇所でも、段差部の側面の残存物5も除去することができる。
したがって、例えば、残すべき領域もエッチングしてしまうような不具合を防止し、金属膜をエッチングした後の残存物を正確に除去することができる。また、これにより、信頼性が高い電極層を得ることができる。
この例が上述した第1の実施例と大きく異なるところは、クロム膜を途中まで(所定の厚さ分だけ)ウェットエッチングする点である。
これ以外の構成は、上述した第1の実施例の構成と略同一であるので、第1の実施例と同一の構成要素については、図4において、図1で用いた符号と同一の符号を用いて、その説明を簡略に行う。
次に、塩素ガスと、酸素ガスとを含む混合ガスを、原料ガスとして用い、プラズマ反応によって活性ガスを生成し、残存させたクロム膜3aに対してプラズマ処理を行うことによって、図4(b)に示すように、クロム膜3を、ドライエッチングして、パターニングする。
加えて、クロム膜3を途中まで(所定の厚さ分だけ)ウェットエッチングして、残存させたクロム膜3aをドライエッチングする際に、塩素ガスと、酸素ガスとを含む混合ガスを、原料ガスとして用い、プラズマ反応によって活性ガスを生成して、プラズマ処理を行うので、微結晶シリコン膜2表面に、金属クロムの残さや、クロムシリサイドからなる残存物の生成を防止して、エッチングを行うことができる。
さらに、クロム膜3のエッチングを、ウェットエッチング法とドライエッチング法とを併用して行っているので、クロム膜3を最後まで(微結晶シリコン膜2の表面を露出させるまで)ウェットエッチング法を実施する第1の実施例と比べて、クロム膜3のサイドエッチングを減少させることができる。
この例では、ポリシリコン薄膜トランジスタの製造方法のうち、ゲート電極を形成する工程で、第1の実施例又は第2の実施例の積層膜パターニング方法を用いて、ゲート電極層として、シリコン膜に金属膜が積層されてなる2層構造の積層膜を、ゲート絶縁膜上にパターニングし半導体層にはポリシリコン(p−Si)を用いる。
次に、この下地保護膜22上に、プラズマCVD法又は減圧CVD法によって、半導体膜としてアモルファスシリコン(a−Si)膜23を50[nm]程度の厚さに成膜する。
次に、図5(b)に示すように、このアモルファスシリコン膜23に、例えば、エキシマレーザ光Aをスキャン照射し、多結晶化させて半導体膜としてのポリシリコン(p−Si)膜24を形成する。
次に、図5(c)に示すように、レジストをマスクとして、ドライエッチング法によって、ポリシリコン膜24を島状にパターニングし、薄膜トランジスタの活性層を形成する。
次に、上述した第1の実施例又は第2の実施例の積層膜パターニング方法を用いて、図6(b)に示すように、ゲート絶縁膜25上に、ゲート電極26を形成する。このゲート電極26は、10[nm]程度の厚さのリンを不純物として含むn型の微結晶シリコン膜27と、微結晶シリコン膜27上に形成された200[nm]程度の厚さのクロム膜28とから構成される積層膜からなっている。
次に、レジストをマスクとして、ドライエッチング法、又はドライエッチング法とウェットエッチング法との併用によって、ソース領域29及びドレイン領域31の上方に位置するゲート絶縁膜25及び層間絶縁膜33を、ソース領域29及びドレイン領域31のポリシリコン膜に対して選択的にエッチングして、コンタクトホール34,35を形成する。
次に、レジストをマスクとして、ドライエッチング法又はウェットエッチング法によって、この金属膜をパターニングして、ソース領域29及びドレイン領域31にそれぞれ接続するソース電極36ドレイン電極37をそれぞれ形成する。
こうして、半導体層にポリシリコンを用いたトップゲート型のポリシリコン薄膜トランジスタ38を得る。
すなわち、トップゲート型のポリシリコン薄膜トランジスタの製造方法のうち、積層構造のゲート電極を形成する工程で、下部に活性層のポリシリコン膜が存在する領域では、ポリシリコン膜表面の凹凸の影響を受けて、微結晶シリコン膜表面の凹凸が大きくなり、上層のクロム膜をウェットエッチングした後の残存物に多くの金属状態のクロムが含まれるようになる。
したがって、良好な特性を有する薄膜トランジスタを得ることができる。
例えば、上述の実施例では、ゲート電極を構成する金属膜として、クロムを用いる場合について述べたが、これに限らず、塩素ガスと酸素ガスとを含む混合ガスを原料ガスとするプラズマによってエッチングが可能な金属又は合金を用いて良い。クロムに代えて、例えば、モリブデン、タングステン、タンタル等の金属や、クロムを含めてこれらの金属を主成分とする合金を用いても良い。
また、CVD法としては、プラズマCVDや減圧CVD法のほか、例えば、常圧CVD法等を選択することができる。
また、塩素系ガスとして、塩素ガスに限らず、例えば、四塩化炭素等を用いても良い。
また、第2の実施例で、クロム膜を、途中までウェットエッチングを行い、所定の厚さ分のクロム膜を残存させ、この後、塩素ガス及び酸素ガスの混合ガスのプラズマによって、エッチングを行う場合について述べたが、このプラズマによって、クロム膜を全厚さに亘ってエッチングするようにしても良い。
また、プラズマ処理で、並行平板型のドライエッチング装置を用いる場合について述べたが、バレル型(円筒型)の装置を用いても良い。また、プラズマエッチング装置では、発生域分離型の装置でも良い。また、反応性イオンエッチング装置では、トライオード構造の装置でも良いし、マグネトロンを応用した装置、マイクロウェーブを応用した装置でも良い。
2 微結晶シリコン膜(下層膜)
3 クロム膜(金属膜、上層膜)
5 残存物(残滓)
6 電極層(積層膜)
11 ドライエッチング装置
24 ポリシリコン膜(半導体膜)
25 ゲート絶縁膜
26 ゲート電極(電極層、積層膜)
27 微結晶シリコン膜(下層膜)
28 クロム膜(上層膜)
38 薄膜トランジスタ
Claims (7)
- 導電性半導体からなる下層膜と、金属からなる上層膜とから構成される積層膜を、エッチングして、所望の積層膜パターンを得る方法であって、
前記金属からなる前記上層膜の所定領域を除去する第1のエッチング工程と、
前記第1のエッチング工程の終了後、塩素ガスと酸素ガスとを含む混合ガスによるプラズマを用いて、前記金属の残滓又は前記金属と前記導電性半導体との化合物を除去する第2のエッチング工程と、
前記第2のエッチング工程の終了後、前記導電性半導体からなる前記下層膜を除去する第3のエッチング工程とを有してなることを特徴とする積層膜パターン形成方法。 - 導電性半導体からなる下層膜と、金属からなる上層膜とから構成される積層膜を、エッチングして、所望の積層膜パターンを得る方法であって、
前記金属からなる前記上層膜の所定領域をウェットエッチング法を用いて除去する第1のエッチング工程と、
前記第1のエッチング工程の終了後、塩素ガスと酸素ガスとを含む混合ガスによるプラズマを用いて、前記金属の残滓又は前記金属と前記導電性半導体との化合物を除去する第2のエッチング工程と、
前記第2のエッチング工程の終了後、前記導電性半導体からなる前記下層膜をドライエッチング法を用いて除去する第3のエッチング工程とを有してなることを特徴とする積層膜パターン形成方法。 - 前記下層膜は、多結晶シリコン又は微結晶シリコンからなり、前記上層膜は、クロム、モリブデン、タングステン、及びタンタルの群から選択された金属、又は該金属を含む合金からなることを特徴とする請求項1又は2記載の積層膜パターン形成方法。
- 前記塩素ガスに対する前記酸素ガスの流量比率を、30%以上300%以下の範囲内に設定することを特徴とする請求項1、2又は3記載の積層膜パターン形成方法。
- 前記流量比率を、70%以上150%以下の範囲内に設定することを特徴とする請求項4記載の積層膜パターン形成方法。
- 基板上に順に形成された半導体膜及びゲート絶縁膜の上に、ポリシリコンからなる下層膜と、金属からなる上層膜とから構成される積層膜を形成し、該積層膜をエッチングして所望のゲート電極パターンを得る方法であって、
前記金属からなる前記上層膜の所定領域を除去する第1のエッチング工程と、
前記第1のエッチング工程の終了後、塩素ガスと酸素ガスとを含む混合ガスによるプラズマを用いて、前記金属の残滓又は前記金属とシリコンとの化合物を除去する第2のエッチング工程と、
前記第2のエッチング工程の終了後、前記ポリシリコンからなる前記下層膜を除去する第3のエッチング工程とを有してなることを特徴とするゲート電極形成方法。 - 基板上に順に形成された半導体膜及びゲート絶縁膜の上に、ポリシリコンからなる下層膜と、金属からなる上層膜とから構成される積層膜を形成し、該積層膜をエッチングして所望のゲート電極パターンを得る方法であって、
前記金属からなる前記上層膜の所定領域をウェットエッチング法を用いて除去する第1のエッチング工程と、
前記第1のエッチング工程の終了後、塩素ガスと酸素ガスとを含む混合ガスによるプラズマを用いて、前記金属の残滓又は前記金属とシリコンとの化合物を除去する第2のエッチング工程と、
前記第2のエッチング工程の終了後、前記ポリシリコンからなる前記下層膜をドライエッチング法を用いて除去する第3のエッチング工程とを有してなることを特徴とするゲート電極形成方法。
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