JP2010010573A - 半導体加工方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】高誘電率絶縁膜上に仕事関数制御金属導体を堆積した構造の半導体において、素子を劣化させることなく微細加工を施す。
【解決手段】半導体基板１０１上に形成されたＨｆあるいはＺｒを含む絶縁膜１０２、該絶縁膜上に形成されたＴｉあるいはＴａあるいはＲｕを含む導体膜１０３を有し、該導電膜上に形成したレジスト１０７を用いて、プラズマ雰囲気中で前記導電膜を加工する半導体加工方法において、前記レジスト１０７を、水素を含み酸素を含まないガスのプラズマ雰囲気中で除去する。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体加工方法に係り、特に高誘電率絶縁膜上に金属を堆積した構造の半導体を加工する半導体加工方法に関する。
例えば、特許文献１には、半導体素子の層間絶縁膜に用いられているｌｏｗ−ｋ膜と呼ばれる誘電率が低い絶縁膜上に形成されたレジスト除去に際して、水素と希ガスの混合ガスのプラズマから取り出した水素原子あるいは水素分子の中性ラジカルを用いることが示されている。ここでは、通常の酸素プラズマを用いたレジスト除去方法ではｌｏｗ−ｋ膜が酸化等の劣化により誘電率が上昇するために、酸素を用いないでレジストを除去する方法を採用することが開示されている。また、この文献には、基板の温度を２００℃から４００℃に上昇させてレジスト除去速度を増加する技術、ＮＨ３プラズマあるいはＣＦ4プラズマを照射してレジスト表面の変性層を除去する技術も開示されている。
特許文献２には、Ｗなどの高融点金属電極を備えるメタルゲートと呼ばれる半導体素子において、Ｗの劣化を防ぎながら汚染を除去する洗浄方法が記載されている。ここでは、水素および水蒸気を含む雰囲気中でウエハを熱酸化し、その後、過酸化水素を含まない液によりウエハを洗浄する技術が開示されている。この方法ではＷ層が酸化されないので洗浄によりＷ酸化層が除去されてしまうことはない。またこの文献の００５５、００５６段落には素子のドライエッチング後のレジスト除去には酸素プラズマを用いることが記載されている。
特開２００５−２６８３１２号公報 特開２００５−２２９１３０号公報
特許文献２に示すように、従来技術においては、メタルゲート構造の素子のレジスト除去に酸素プラズマが用いられる。しかし、素子の微細化が進み加工線幅が６５ｎｍ以下の領域になると、レジスト除去時に用いる酸素により、Ｔｉ、Ｔａ、Ｒｕなどの金属電極の側壁が酸化されてその抵抗が増加して素子が劣化するという問題が生じる。
素子の加工線幅が大きい場合には、前記側壁における酸化層の厚さの全体に占める割合は小さいため、前記抵抗の増大は問題とはならない。このため、従来技術では、この点に関する解決方法について言及するところはない。
本発明は、このような問題点に鑑みてなされたもので、高誘電率絶縁膜上に金属導体を堆積した構造の半導体に対する微細加工に適した加工方法を提供するものである。
本発明は上記課題を解決するため、次のような手段を採用した。
半導体基板上に形成されたＨｆあるいはＺｒを含む絶縁膜、該絶縁膜上に形成されたＴｉあるいはＴａあるいはＲｕを含む導体膜を有し、該導電膜上に形成したレジストを用いて、プラズマ雰囲気中で前記導電膜を加工する半導体加工方法において、前記レジストを、水素を含み酸素を含まないガスのプラズマ雰囲気中で除去する。
本発明は、以上の構成を備えるため、高誘電率絶縁膜上に金属導体を堆積した構造の半導体において、素子を劣化させることなく微細加工を施すことができる。
以下、最良の実施形態を添付図面を参照しながら説明する。
図１は、第１の実施形態にかかる半導体加工方法を説明する図であり、図１（ａ）は加工対象となる半導体素子の断面図である。半導体素子は、図１（ａ）に示すようにＳｉ基板１０１、Ｓｉ基板１０１上に順次形成した高誘電率絶縁膜としてのＨｆＳｉＯＮ膜１０２、仕事関数制御金属導体膜としてのＴｉＮ膜１０３、電極材料としてのＷ膜１０４、キャップとしてのＳｉＮ膜１０５、反射防止膜１０６を備える。ここで、高誘電率のＨｆＳｉＯＮ膜１０２をＦＥＴのゲート絶縁膜（ｈｉｇｈ−ｋ膜）として利用し、ＴｉＮ膜１０３をメタルゲートとして利用することにより、ｈｉｇｈ−ｋ膜／メタルゲート構造を備えるＦＥＴを形成することができる。
なお、それぞれの膜厚はＨｆＳｉＯＮ膜１０２が２ｎｍ、ＴｉＮ膜１０３が１０ｎｍ、Ｗ膜１０４が５０ｎｍ、ＳｉＮ膜１０５が５０ｎｍ、反射防止膜１０６が８０ｎｍ、レジスト１０７が２００ｎｍである。
図１（ａ）は、処理の初期状態を表し、リソグラフィーによりパタニングされたレジスト１０７が最上層にある。
図１（ｂ）は、レジスト１０７をトリミングして線幅を細らせる工程を施した後、細らせたレジスト１０７を用いて、反射防止膜１０６、ＳｉＮ膜１０５、Ｗ膜１０４、ＴｉＮ膜１０３にドライエッチングを施した後の形状を表す。
トリミングはＡｒ／Ｏ２混合ガスのプラズマ雰囲気で行い、ＳｉＮ膜１０５のエッチングにはＳＦ６／ＣＨＦ３／Ａｒの混合ガスのプラズマを用いた。またＷ膜１０４とＴｉＮのエッチングには、ＳＦ２ガスを５ｍｌ／分、Ｃｌ２ガスを２０ｍｌ／分、ＣＨＦ３ガスを４０ｍｌ／分、Ｎ２ガスを１００ｍｌ／分の流量で供給し、圧力１Ｐａのプラズマを用いた。
図１（ｃ）は、水素プラズマによるレジスト除去工程を表している。ここでは、基板温度を３０℃に設定し、Ｈ２ガスを５０ｍｌ／分、Ｎ２ガスを５０ｍｌ／分の流量で供給し、圧力１Ｐａのプラズマを用いた。この工程により、レジスト１０７と反射防止膜１０６を除去することができる。
図１（ｃ）は、レジスト除去終了後の形状を表す図である。なお、仕事関数制御金属導体膜１０３としては、ＴｉＮの外にＴａＮ、ＴａＳｉＮ、Ｒｕ、ＲｕＯなどを用いることができる。
図２は、半導体素子を加工する加工装置（プラズマエッチング装置）を説明する図である。この装置は電子スピン共鳴（ＥＣＲ）方式と呼ばれる装置であり、プラズマ電源２０１から放出された電磁波をアンテナ２０２、石英などの電磁波を透過する窓２０３を通して真空チャンバ（減圧処理室）２０４内に導入する。チャンバ２０４内はエッチングガスが一定の圧力で保持されており、前記電磁波によりガスをプラズマ化し、反応性イオンをウエハ２０６に入射させることでエッチングあるいはレジスト除去作用が進行する。
ウエハ２０６を保持する試料台２０５には入射イオンを加速するためのバイアス電源２０７が接続されている。この装置では電磁コイル２０８によりチャンバ２０４内に磁場を発生する。プラズマ中の電子スピン周波数と、プラズマ電源２０１の周波数が一致するように磁場強度を設定すると、電力が効率よくプラズマに吸収されて、低圧にて高いプラズマ密度を維持することができる。電磁コイル２０８に流す電流値を変えることにより磁場強度をＥＣＲが生じるように設定することができる。なお、エッチングあるいはレジスト除去に用いる加工装置は、ＥＣＲ方式に限らず、例えば誘導結合型（ＩＣＰ）プラズマ処理装置などを用いることができる。
図３、４は本発明による効果を説明する図であり、図３は従来技術である酸素プラズマを用いたレジスト除去の様子を表す図、図４は水素プラズマおよび酸素プラズマを用いてレジストを除去した後のゲート配線の抵抗率（単位断面積あたりの抵抗）を比較して示す図である。なお、図において図１に示される部分と同一部分については同一符号を付してその説明を省略する。
図３に示すように酸素プラズマ３０１を用いたレジスト除去では、金属導体膜、すなわちＷ膜１０４、ＴｉＮ膜１０３のプラズマに晒される側壁に酸化層３０２が生じる。このため、ゲート配線幅が１００ｍｍ以下、特に６５ｍｍ以下になると、図４に示すように酸化層３０２の影響が大きくなり、配線の抵抗率が上昇する。
一方、酸素プラズマに代えて水素プラズマを用いると、金属導体膜は酸化されないため、配線抵抗率の増加はほとんどない。なお、配線抵抗が増加すると素子の消費電力が増加し、また、素子の高速動作の妨げになる。
基板温度は高いほどレジスト除去速度は大きくなるが、メタル材料の変質などを考慮すると、２００℃以下が好ましい。また、３０℃ないし１００℃がより好ましい。
このように、ｈｉｇｈ−ｋ膜およびメタル材料（メタルゲート）を備える半導体素子のレジスト除去に際して水素プラズマを用いることにより、素子（メタルゲート）の劣化を抑制することができる
図５、６は、第２の実施形態を説明する図である。この例では、水素プラズマによるレジスト除去に際して、シリコン基板（ウエハ）にバイアスを印加することにより処理速度を向上している。
図２に示すように、プラズマエッチング装置はウエハ２０６に入射するイオンを加速するためのバイアス電源２０７を備えている。バイアス電源２０７の周波数は通常４００ＫＨｚから２０ＭＨｚくらいの高周波である。このバイアス電源によりウエハ２０６に入射するイオンを加速することにより、レジスト除去速度を向上できる。
図５は、Ｈ２／Ａｒの混合ガスプラズマ（１Ｐａ）における、ウエハバイアス電力（４００ＫＨｚ）とレジスト除去速度の関係を示す図である。バイアス電力の増大に伴いレジスト除去速度が増加することが分かる。
図６は、ウエハバイアス電力の有無によるゲート電極側壁の堆積物の除去性を示す図であり、図６（ａ）はウエハバイアスを印加しない場合、図６（ｂ）はウエハバイアスを印加（５０Ｗ）した場合を表している。
メタルゲート６０１を形成する金属として、ＴａＳｉＮなどの、ハロゲンとの化合物の蒸気圧が比較的低い材料を選択した場合は、エッチング中に電極側壁に堆積物６０２が生じる。
ウエハバイアスを印加しないでレジスト除去を行うと、図６（ａ）のようにレジスト除去後に堆積物６０２が残ってしまう。ウエハバイアスとして５０Ｗを印加すると、図６（ｂ）のように堆積物６０２を除去することができる。これは加速されたイオンのエネルギーにより堆積物６０２の分解反応が促進されると同時に物理的なスバッタにより堆積物６０２が除去されるからである。
なお、イオンエネルギーはウエハバイアス電圧の振幅Ｖｐｐ（Ｖ）にほぼ比例する。図５に示す例ではバイアス電力５０Ｗの場合Ｖｐｐは３５０Ｖ、バイアス電力１００Ｗの場合Ｖｐｐは６００Ｖとなる。
Ｖｐｐが大きいほどレジスト除去速度は大きくなるが、Ｖｐｐの増加に伴いゲート絶縁膜であるＨｆＳｉＯＮ膜１０２およびその下層のＳｉ基板１０１がイオン照射により損傷を受ける。素子特性の測定結果およびレジストの除去速度を考慮すると、バイアス電圧の振幅Ｖｐｐは１５００Ｖ以下が好ましい。また、５００Ｖ（８０Ｗ）ないし１００Ｖ（１５Ｗ）がより好ましい。
図７は、第３の実施形態を説明する図である。図７の例では、ゲート電極として、メタルゲート金属ＴｉＮ膜ｌ０７の上にｐｏｌｙ−Ｓｉ膜７０１を堆積した電極を用いる。この電極構造によれば、ｐｏｌｙ−Ｓｉ膜７０１は図１に示すＷよりも酸化されにくいために、酸素プラズマによる劣化は比較的小さい、しかしＴｉＮ膜ｌ０７の金属部分は酸化されるため、やはり素子の劣化が生じる。したがって、この構造素子においても水素プラズマによるレジスト除去は素子の特性劣化を抑える効果がある。
図８は、エッチングに用いるＨ２／Ａｒの混合ガスにおけるＡｒの割合とレジスト除去速度の関係を表す図である
酸素を用いないでレジストを除去するには、前記特許文献１に記載されている方法、すなわち水素原子あるいは水素分子の中性ラジカルを用いる方法がある。しかし、この方法はプラズマを用いる方法よりレジスト除去能力が低く、メタルゲート加工後のレジスト除去では、残渣が出やすくなる。
また、レジスト除去に用いるガスはＨ２、Ｈ２／Ｎ２、Ｈ２／希ガスに加えてＮＨ３などの水素を含むガスのプラズマでも同様に効果がある。なお、水素とＮ２あるいは希ガスとを混合するときの混合比は主に安全性を考慮した水素の希釈である。
図８は前述のようにＨ２／Ａｒの混合ガスにおけるＡｒの割合とレジスト除去速度の関係を表す図であり、Ａｒの割合が５０％を超えるとレジスト除去速度が低下する。したがって、希ガスあるいはＮ２の混合割合は５０％以下が好ましい。
なお、水素を含むガスにＣＦ４、ＣＨＦ３、ＮＦ３、ＳＦ６などのハロゲンを含むガスを混合すると金属を含む堆積物の除去性が向上する。ハロゲンガスの混合割合が増加するとエッチングが生じてしまうので、混合比は３０％以下が好ましい。また、５％ないし１０％がより好ましい。
以上説明したように、本発明の実施形態によれば、トランジスタの高速化のために提案されているｈｉｇｈ−ｋ／メタルゲートと呼ばれる構造を持つ半導体素子の微細加工に適した加工方法を提供することができる。
特に、ｈｉｇｈ−ｋ膜と呼ばれるＨｆＯやＺｒＯなどの誘電率が高いゲート絶縁膜上にＴｉＮ、ＴａＮ、ＲｕあるいはＲｕＯなどの仕事関数の制御を目的とした金属を堆積した構造のゲート電極を備える半導体素子の製造における、ドライエッチング後のレジスト除去に際して、水素を含み酸素を含まないガスのプラズマを用いることにより、前記ＴｉＮ、ＴａＮ、ＲｕあるいはＲｕＯなどの金属を堆積した構造のゲート電極を酸化させることなくレジストを除去することができる。
第１の実施形態にかかる半導体加工方法を説明する図である。 半導体素子を加工する加工装置（プラズマエッチング装置）を説明する図である。 図３は酸素プラズマを用いたレジスト除去の様子を表す図である。 水素プラズマおよび酸素プラズマを用いてレジストを除去した後のゲート配線の抵抗率を比較して示す図である。プラント監視制御装置を説明する図である。 第２の実施形態を説明する図である。 第２の実施形態を説明する図である。 第３の実施形態を説明する図である。 混合ガスにおけるＡｒの割合とレジスト除去速度の関係を表す図である。
符号の説明
１０１ Ｓｉ基板
１０２ ＨｆＳｉＯＮ膜
１０３ ＴｉＮ膜
１０４ Ｗ膜
１０５ ＳｉＮ膜
１０６ 反射防止膜
１０７ レジスト
１０８ 水素イオン
２０１ プラズマ電源
２０２ アンテナ
２０３ 窓
２０４ 真空チャンバ
２０５ 試料台
２０６ ウエハ
２０７ バイアス電源
２０８ 電磁コイル
３０１ 酸素イオン
３０２ 酸化層
６０１ ＴａＳｉＮ膜
６０２ 堆積物
７０１ ｐｏｌｙ−Ｓｉ膜

Claims (10)

  1. 半導体基板上に形成されたＨｆあるいはＺｒを含む絶縁膜、該絶縁膜上に形成されたＴｉあるいはＴａあるいはＲｕを含む導体膜を有し、該導電膜上に形成したレジストを用いて、プラズマ雰囲気中で前記導電膜を加工する半導体加工方法において、
    前記レジストを、水素を含み酸素を含まないガスのプラズマ雰囲気中で除去することを特徴とする半導体加工方法。
  2. 請求項１記載の半導体加工方法において、
    前記水素を含み酸素を含まないガスは、Ｈ２、Ｈ２と希ガスの混合ガス、ＮＨ３、Ｈ２とＮ２とハロゲンとの混合ガスの何れかであることを特徴とする半導体加工方法。
  3. 請求項１記載の半導体加工方法において、
    前記水素を含み酸素を含まないガスは、Ｈ２、Ｈ２と希ガスの混合ガス、ＮＨ３、Ｈ２とＮ２にＣＦ４あるいはＣＨＦ３あるいはＳＦ６あるいはＮＦ３を混合したガスの何れかであることを特徴とする半導体加工方法。
  4. 請求項１記載の半導体加工方法において、
    前記導電膜は仕事関数制御金属からなり、前記導電膜上にはＷからなる電極層を備えることを特徴とする半導体加工方法。
  5. 請求項１記載の半導体加工方法において、
    レジストを用いて加工する前記導電膜の最小寸法は６５ｎｍ以下であることを特徴とする半導体加工方法。
  6. 請求項１記載の半導体加工方法において、
    前記半導体基板に、該半導体基板に向けてプラズマ中のイオンを加速するためのバイアス電圧を印加することを特徴とする半導体加工方法。
  7. 請求項６記載の半導体加工方法において、
    前記バイアス電圧の振幅は１５００Ｖ以下であることを特徴とする半導体加工方法。
  8. 請求項１記載の半導体加工方法において、
    レジストの除去行程におけるウエハ温度は２００℃以下であることを特徴とする半導体加工方法。
  9. 減圧処理室と、該減圧処理室に処理ガスを供給するガス供給手段と、前記減圧処理室内に、半導体基板を載置して保持する試料台と、前記減圧処理室に供給された処理ガスに高周波エネルギを供給してプラズマを生成するプラズマ生成手段を備え、生成したプラズマにより前記半導体基板にプラズマエッチング処理を施す半導体加工方法であって
    前記試料台上に、ＨｆあるいはＺｒを含む高誘電率絶縁膜、ＴｉあるいはＴａあるいはＲｕを含む仕事関数制御金属導体膜、およびレジストを順次形成した半導体基板を載置し前記レジストを用いて前記導体膜を加工したのち、前記処理ガスとして、水素を含み酸素を含まないガス供給した状態で処理室内にプラズマを生成して、前記レジストを除去することを特徴とする半導体加工方法。
  10. 減圧処理室と、該減圧処理室に処理ガスを供給するガス供給手段と、前記減圧処理室内に、半導体基板を載置して保持する試料台と、前記減圧処理室に供給された処理ガスに高周波エネルギを供給してプラズマを生成するプラズマ生成手段を備え、生成したプラズマにより前記半導体基板にプラズマエッチング処理を施す半導体加工方法であって
    前記試料台上に、ＨｆあるいはＺｒを含む高誘電率絶縁膜、ＴｉあるいはＴａあるいはＲｕを含む仕事関数制御金属導体膜、およびレジストを順次形成した半導体基板を載置し前記レジストを用いて前記導体膜を加工したのち、前記処理ガスとして、水素を含み酸素を含まないガス供給し、かつ前記試料台に基板バイアスを印加した状態で処理室内にプラズマを生成して、前記レジストを除去することを特徴とする半導体加工方法。
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