JP2616100B2 - シリコン系被エッチング材のエッチング方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 以下の順序で本発明を説明する。

産業上の利用分野 発明の概要 発明の背景 発明が解決しようとする問題点 問題点を解決するための手段 作 用 実施例 実施例−１ 実施例−２ 実施例−３ 発明の効果 〔産業上の利用分野〕 本出願の各発明は、シリコン系被エッチング材のエッ
チング方法に関する。特に、基体上にシリコン層と高融
点金属シリサイド層とがこの順に形成されてなる被エッ
チング部をエッチングするエッチング方法に関するもの
である。本発明は、例えば半導体装置製造の際に、いわ
ゆるポリサイド構造等のエッチング方法として利用する
ことができる。

〔発明の概要〕

本出願の各発明は、基体上にシリコン層と高融点金属
シリサイド層とがこの順に形成されてなる被エッチング
部をエッチングするシリコン系被エッチング材のエッチ
ング方法において、臭化水素とフッ素ラジカルを発生し
得るガスとを含有するエッチングガスを用いてエッチン
グを行うとともに、更に、各々次のような特徴をもつ。

即ち、本出願の請求項１の発明は、上記エッチングの
後、フッ素ラジカルを発生し得るガスのみによってオー
バーエッチングすることにより、オーバーエッチング時
の側壁のアンダーカット発生を抑え、良好なエッチング
形状を得るようにしたものである。

本出願の請求項２の発明は、上記エッチングに酸素ア
ッシング処理を更に行い、その後オーバーエッチングす
ることによって、オーバーエッチング時の側壁のアンダ
ーカットの発生を抑え、良好なエッチング形状を得るよ
うにしたものである。

本出願の請求項３の発明は、発光スペクトル強度変化
をモニタすることにより高融点金属シリサイド層のエッ
チング終点を決定することによって、適切なエッチング
終了時を判定し、これにより良好なエッチングを実現し
たものである。

〔発明の背景〕

基体上にシリコン層と高融点金属シリサイド層とがこ
の順に形成されてなる構造は、例えば半導体装置の分野
において、例えばゲート配線構造を形成するために用い
られている。

高融点金属シリサイドは、従来のLSI等の半導体装置
のゲート配線材料として多用されて来たポリ（他結晶）
シリコンよりも抵抗値が小さいので有利であり、かつ、
高融点金属シリサイドと基体との間にシリコン（特にポ
リシリコン）層を介在させることにより、界面（例えば
ゲート絶縁膜としてのSiO₂との界面）における信頼性を
維持することができる。

上記構造は、通例ポリシリコン上にシリサイドが積層
されて成るという意味で、一般にポリサイドと称され
る。

このようなポリサイド構造をエッチングしてパターニ
ングする場合、異なる２種の材料に対してともに良好な
異方性をもってエッチングを行わなければならず、この
ため従来より、例えば、フロン113（C₂Cl₃F₃）に代表さ
れるようないわゆるフロンないしはフレオンと称される
フッ化炭素系ガスを主に含有するエッチングガスが使用
されて来た。

ところがこれらフッ化炭素系ガスは、オゾン層の破壊
をもたらすなど環境上の問題があって、使用を避けるこ
とが望まれる。いわゆるフロン規制により使用できなく
なる可能性も大きい。

このため、それに代わるエッチングガスであって、し
かもシリコン層と高融点金属シリサイド層との双方に対
して良好な異方性を実現でき、形状の良いエッチングを
達成できるエッチングガス系の開発が望まれている。

このような背景から、本発明者らは先きに、HBr/SF₆
混合ガス系等の、臭化水素と、フッ素ラジカルを生じ得
るガスとを含有するガス系によるエッチング技術を提案
した（平成２年１月22日特許願「ドライエッチング方
法」）。

この技術によれば、高融点金属シリサイド層とポリシ
リコン層とから成るポリサイド膜を、高速で、高異方性
を維持しつつ、選択性良好にエッチングすることができ
る。

〔発明が解決しようとする問題点〕

上述のように、本発明者らの提案による上記技術は、
フッ化炭素系ガスを用いることなくポリサイド構造を良
好にエッチングできるので有利なのであるが、被エッチ
ング材の下地によっては、該下地との選択比がとりにく
いことがあるという問題を残している。

例えば、ゲート配線構造に用いる場合、下地は一般に
ゲート酸化膜をなすためのSiO₂膜であることが多く、こ
のSiO₂膜がエッチングのストッパー膜ともなり得るもの
でなくてはいけないが、例えばエッチングガスとしてSF
₆/HBr混合ガス系を用いるとき、下地SiO₂との選択比が
とりにくく、良好なエッチングを実現しにくいことがあ
る。場合によっては、オーバーエッチングの際に、シリ
コン層にアンダーカット（えぐれ）などが生ずることが
ある。

この問題について、第７図を参照して説明すると次の
とおりである。

例えば、第７図（ａ）に示すように、被エッチング
材、基板１とエッチングストッパーとなる絶縁膜２（Si
O₂）から成る基体11上に、シリコン層３であるDOPOS
（ドープされたポリシリコン）と高融点シリサイド層４
であるWSix（タングステンシリサイド）から成るポリサ
イド膜である被エッチング部10が形成されて成る材料の
場合に、図示の如くフォトレジスト51,52をマスクにし
てSF₆/HBrエッチングガス系を用いてエッチングを行う
と、ジャストエッチ時に、第７図（ｂ）に符号3aで示す
シリコンのエッチング残りや、あるいは特にレジスタ5
1,52の間において、エッチング残り3bが生ずることがあ
る。これはエッチング条件の変動や、被エッチング材の
面内不均一性等によって、多かれ少なかれ発生する。こ
のため、オーバーエッチングを行ってかかるエッチング
残り3a,3bを除去する必要がある。ところがこの場合、
例えば上記SF₆/HBrガス系をそのまま用いるとSiO₂との
選択比がとれず、所望の良好なエッチングが達成されな
い。

当初からHBr単独で、あるいはSF₆単独でエッチングを
行い、引きつづいてオーバーエッチングを行うようにす
ると、SiO₂との選択比の問題は改善されるが、エッチン
グ速度が充分でなかったり、あるいはシリコン層のアン
ダーカットが生じたりする。例えば、第８図（ａ）の如
きポリサイド構造をこのようにエッチング及びオーバー
エッチングすると、第８図（ｂ）に示すように、シリコ
ンパターン31に、えぐれた形状のアンダーカット3a′が
生ずることがあり、良好なエッチングを実現できない。
（なお、第７図及び第８図中、31,311,312はエッチング
後のシリコンパターン、41,411,412は同じく高融点金属
シリサイドパターンである。またエッチング時の形状劣
化の防止のため、側壁保護の手法を用いる技術の一つと
して、特開昭63−239950号公報に記載のものがある）。

また更に、上記のように被エッチング部10が高融点金
属シリサイド層４とシリコン層３との、ドライエッチン
グ時の反応生成物の蒸気圧が互いにそれぞれ異なる２層
の材料の積層構造をとっている場合には、高融点金属シ
リサイド層４をエッチングする条件でシリコン層３まで
エッチングを行うと、同様に側壁にアンダーカット3a′
を生ずる場合がある。これを避けるためには、各層ごと
に最適条件を設定してエッチングを行うことが高精度の
異方性加工という観点からは望ましい。

しかしながら、上記の観点から、あるいはその他の事
情から、高融点金属シリサイド層４とシリコン層３との
エッチング条件を変えたいとしても、これを実現するた
めには、高融点金属シリサイド層４のエッチングの終点
の判定（例えばWSix/DOPOS間でのエッチング終点判定）
が高精度に行えることが必要であるが、従来迄の技術で
はこれはきわめて難しかった。

本出願の各発明は上記問題点を解決せんとするもので
あり、請求項1,2の発明は、オーバーエッチング時にシ
リコン層に生ずる可能性のあるアンダーカットの発生を
抑え、良好な形状のエッチングを達成することを目的と
する。また請求項３の発明は、高融点金属シリサイド層
のエッチング終点を容易かつ確実に判定して、これによ
り良好な形状のエッチングを達成することを目的とす
る。

〔問題点を解決するための手段〕

上記目的を達成するため、本出願の各発明は、以下の
構成をとる。

即ち、本出願の請求項１の発明は、基体上にシリコン
層と高融点金属シリサイド層とがこの順に形成されてな
る（即ちシリコン層が基体に近い側にあり、高融点金属
シリサイド層が基体から遠い側に形成されてなる）被エ
ッチング部をエッチングするシリコン系被エッチング材
のエッチング方法において、臭化水素とフッ素ラジカル
を発生し得るガスとを含有するエッチングガスを用いて
エッチングを行い、その後フッ素ラジカルを発生し得る
ガスのみによってオーバーエッチングすることを特徴と
するものである。

本出願の請求項２の発明は、基体上にシリコン層と高
融点金属シリサイド層とがこの順に形成されてなる被エ
ッチング部をエッチングするシリコン系被エッチング材
のエッチング方法において、臭化水素とフッ素ラジカル
を発生し得るガスとを含有するエッチングガスを用いて
エッチングを行い、更に酸素アッシング処理を行い、そ
の後オーバーエッチングすることを特徴とするものであ
る。

本出願の請求項３の発明は、基体上にシリコン層と高
融点金属シリサイド層とがこの順に形成されてなる被エ
ッチング部をエッチングするシリコン系被エッチング材
のエッチング方法において、臭化水素とフッ素ラジカル
を発生し得るガスとを含有するエッチングガスを用いて
エッチングを行うとともに、発光スペクトル強度変化を
モニタすることにより高融点金属シリサイド層をエッチ
ング終点を決定することを特徴とするものである。

〔作 用〕

本出願の請求項１の発明は、臭化水素とフッ素ラジカ
ルを発生し得るガスとを含有するエッチングガスを用い
てエッチングを行った後、フッ素ラジカルを発生し得る
ガスのみによってオーバーエッチングするので、基体上
にシリコン層と高融点金属シリサイド層とがこの順に形
成されてなる被エッチング部を、オーバーエッチング前
においては充分な速度で形状良好なエッチングが達成で
き、かつオーバーエッチング時においてはアンダーカッ
トなどが生じたりすることによる形状の劣化が防止で
き、良好なエッチングを達成できる。

本出願の請求項２の発明は、臭化水素とフッ素ラジカ
ルを発生し得るガスとを含有するエッチングガスを用い
てエッチングを行い、更に酸素アッシング処理を行い、
その後オーバーエッチングするので、基体上にシリコン
層と高融点金属シリサイド層とがこの順に形成されてな
る被エッチング部を、オーバーエッチング前においては
充分な速度で形状良好なエッチングが達成でき、かつオ
ーバーエッチング時においては酸化による側壁保護効果
によって、アンダーカットなどの発生が防止されて形状
の良好なエッチングを達成できる。

本出願の請求項３の発明は、臭化水素とフッ素ラジカ
ルを発生し得るガスとを含有するエッチングガスを用い
てエッチングを行うとともに、発光スペクトル強度変化
をモニタすることにより高融点金属シリサイド層のエッ
チング終点を決定することを特徴とするものであるの
で、被エッチング物質が変わる時点で特異的な挙動を示
す波長のスペクトルをモニタすることによって、高精度
のエッチング終点判定を行うことができる。

〔実施例〕

以下本出願の各発明の実施例について、図面を参照し
て説明する。但し当然のことではあるが、各発明は以下
に示す実施例により限定されるものではない。

実施例−１ この実施例は、本出願の請求項１の発明を具体化した
ものであり、特に、半導体装置のパターン形成に際し
て、第１図に示す如く近接したフォトレジスト51,52に
よりパターニングを行う場合にこの発明を適用したもの
である。

本実施例におけるシリコン系被エッチング材は、基体
11（本例では基板１であるシリコン基板と、エッチング
のストッパー膜２として機能をもつSiO₂とからなる基
体）上に形成されたシリコン層３と更にこの上に形成さ
れた高融点金属シリサイド層４とを有する被エッチング
部10を備えるものである。特に重金属シリサイド層４は
タンズステンシリサイドから成り、シリコン層はポリシ
リコン、特に不純物がドープされたDOPOSから成る。

本実施例では、まず第１ステップとして、次の条件
で、ジャッストエッチまでエッチングを行った。

エッチングガス:SF₆/HBr＝20/30SCCM 電流:250mA RF印加電力:100W ガス圧:5mTorr 次に、第２のステップとして、オーバーエッチングを
行う。第７図を用いて説明したように、ジェットエッチ
条件でエッチングしても、被エッチング材の面内不均一
や、エッチング条件のぶれなどにより、第７図（ｂ）に
極端に示した如くエッチング残り3aや、またこのように
レジスト51,52間の距離が狭い場合は、第７図（ｂ）に
おけるエッチング残り3bが残存する可能性があるからで
ある。

本実施例のオーバーエッチング条件は、エッチングガ
スとしてフッ素ラジカルを発生し得るガスであるSF₆単
独のガス系を用いて行うものである。即ち、SF₆＝50SCC
Mの条件で行った。

本例においてシリコン層３をなしているDOPOSは、そ
のエッチング速度が、ガス系がSF₆/HBr＝20/30SCCMの場
合では7700Å/minであるのに対し、ガス系がSF₆＝50SCC
Mの場合では、RFバイアス電力＝100Wの場合で15200Å/m
inとなる。従ってオーバーエッチングの時間は、エッチ
ングガスをSF₆に単独にすることで、約半分に短縮でき
る。

またオーバーエッチング時のRFバイアス電力をセロＷ
に落とせば、下地のストッパー膜２であるSiO₂に対する
選択比も上がる。SiO₂のエッチング速度が下がるのに対
し、DOPOS等のシリコンは、そのエッチング速度はあま
り変化しないからである。シリコンはフッ素ラジカルで
エッチングが進行するので、イオンアシストによるSiO₂
のエッチングほどRFバイアス電力に依存しないからと考
えられる。これにより、下地SiO₂層のエッチングを低減
しつつ、オーバーエッチングを行うことが可能となる。
最初からSF₆単独でエッチングを行うとアンダーカット
が生じてしまい、一方HBr/SF₆混合系をそのままオーバ
ーエッチングにも用いると、速度が上がらず、実用的で
ない。

第１図（ｂ）に、エッチングにより得られたパターン
形状を例示する。同図中、411,412は高融点金属シリサ
イド（WSix）パターン、311,312はシリコン層（DOPOS）
パターンである。

上記例は２つのパターニング用レジスト51,52が隣接
して存在する場合への適用であるが、勿論単独のレジス
トパターンによりパターニングする場合にも好適に利用
することができることは当然である。本実施例は、例え
ば、ポリサイド構造のゲート構造の形成に用いることが
できる。

上述したように、本実施例は、タングステンポリサイ
ドをエッチングする場合に、まずSF₆/HBr系ガスによる
ジャストエッチの後、オーバーエッチングプロセスとし
て、エッチングガスにSF₆のみを用いたものであり、ま
たこのSF₆によるオーバーエッチングプロセスにおけるR
Fバイアス電力をゼロＷとするように構成でき、これに
よってSF₆/HBrによる異方性エッチング後のオーバーエ
ッチングプロセスの時間を短縮し、また選択比を確保す
ることを可能ならしめたものである。

実施例−２ 本実施例は、本出願の請求項２の発明を具体化したも
のである。本実施例におけるシリコン系被エッチング材
は、第２図（ａ）に示すもので、実施例−１におけると
同様、基体11（本例では基板１であるシリコン基板と、
エッチングのストッパー膜２として機能をもつSiO₂とか
ら成る基体）上に形成されたシリコン層３と更にこの上
に形成された高融点金属シリサイド層４とを有する被エ
ッチング部10を備えるものである。特に重金属シリサイ
ド層４はタングステンシリサイドから成り、シリコン層
はポリシリコン、特に不純物がドープされたDOPOSから
成る。

本実施例では、まず第１ステップとして、SF₆/HBrエ
ッチングガス系によって異方性エッチングをジャストエ
ッチまで行う。ここまでのエッチングは、実施例−１と
同じ条件を用いてよい。

次に第２ステップとして、次の条件で酸素アッシング
処理を行う。即ち、 雰囲気ガス:O₂＝50SCCM 電流:250mA RFバイアス電力：ゼロＷ の条件で放電を５秒行う。これにより側壁にごく薄い酸
化膜が形成される。側壁を酸化することにより側壁保護
を行うことは知られているが、この方法においては、エ
ッチングされた各パターン41,31（第２図（ｂ）参照）
の側壁に付着する反応生成物SiBrxが非常に不安定であ
るため、化学的に活性となっていて容易に酸化され、従
ってより効率的に酸化が行われると考えられる。

その後オーバーエッチングを行う。本実施例では、上
記酸素アッシング処理に続くオーバーエッチングプロセ
スでは、次の条件を用いた。

エッチングガス:HBr＝50SCCM 電流:150mA RFバイアス電力:50W このようにオーバーエッチング時のエッチングガスと
して、臭化水素を用いると、SiO₂に対する高い選択比が
得られるため、酸化された側壁のアンダーカットを抑え
ることができる。

これにより、異方性形状を保ちながら下地SiO₂との高
選択比をとったエッチングが実現可能となる。

但しオーバーエッチングは、SF₆や、その他のガスを
用いるのでもよい。

上述したように本実施例では、臭化水素とフッ素ラジ
カルを生じ得るガスとの混合ガス系であるSF₆/HBrによ
るジャストエッチの後に、O₂プラズマ処理を行い側壁酸
化を行った後にオーバーエッチングを行うものであり、
かつ本実施例では特にオーバーエッチングプロセスのエ
ッチングガスにHBrを用いたので、タングステンポリサ
イド構造のオーバーエッチングプロセスをアンダーカッ
トを生じさせることなく、良好な形状のエッチングパタ
ーンが得られるように処理することが可能ならしめられ
た。

エッチング後の構造を、第２図（ｂ）に示す。

実施例−３ 本実施例は、本出願の請求項３の発明を具体化したも
のである。

本実施例におけるシリコン系被エッチング材は、第３
図（ａ）に示すとおりであり、これは実施例−２におけ
る被エッチング材と同様のものである。

本実施例においては、第１ステップのエッチングガス
として少なくともフッ素ラジカルを容易に発生し得るガ
スにHBrを添加してなるガスを用い、500〜600nmに現れ
る発光ライン強度の変化で、高融点金属シリサイド層４
であるWSix層エッチングの終点判定を行うように構成し
た。

本実施例ではまず第１ステップとして、第３図（ａ）
に示したタングステンポリサイド構造から成る被エッチ
ング部10について、次の条件でエッチングを行った。

エッチングガス:SF₆/HBr＝20/30SCCM マイクロ波電力:250mA RFバイアス:100W 上記条件でエッチングすることにより、反応生成物に
よる汚染（再付着）のないエッチングが達成できる。こ
のエッチングの時に、発光ライン519nmをモニターし
て、高融点金属シリサイド層４であるWSix層のエッチン
グの終点判定を行った。

上記により、エッチングを高融点金属シリサイド層４
（WSix層）で停止することができ、第３図（ｂ）のよう
なシリコン層３の表面が露出する形状が得られた。

エッチング時の519nmにおける発光強度変化を第６図
に示す。感度67でこのピークが検出された。

このエッチング終点判定方法は、WSix等の高融点金属
シリサイドのエッチング時と、DOPOS等のシリコンのエ
ッチング時とにおいて、発光強度に差があることを利用
するものである。

これについて第４図及び第５図を用いて説明すると次
のとおりである。

第４図は、WSixエッチング時の発光スペクトルＩ（破
線で示す）と、DOPOSエッチング時の発光スペクトルII
（実線で示す）とを重ねて示したものであるが、波長に
よって、両者にかなりの差が見られることがわかる。

第５図は、両者の差を示したもので、WSiエッチング
時の発光スペクトルＩからDOPOSエッチング時の発光ス
ペクトルIIを差し引いたものである。横軸より上がWSix
エッチング時の方が強い発光ラインを示す場合、横軸よ
り下がDOPOSエッチング時の方が強い発生ラインを示す
場合である。

各図から理解できるように、実施例で用いた波長519n
mをはじめとする500〜600nm間では、発光スペクトルの
強度に明らかに差があることがわかる。

上記のように、WSixのエッチング速度の方がDOPOSの
エッチング速度よりも大きいにも拘らず、発生強度の方
は大きくなっているが、この差の生ずる原因の詳細は不
明である。恐らく、高融点金属（Ｗ）の性質に基因する
ものではないかと推定される。

上述したように本実施例では、高融点金属ポリサイド
構造時にタングステンポリサイド構造のエッチングにお
いて、第１ステップのWSix層エッチングに少なくともＦ
ラジカルを容易に発生し得るガスにHBrを添加してなる
ガスを用い、かつ500〜600nm付近の発光強度変化を該層
のエッチング終点判定に用いたので、高融点金属シリサ
イド層４のエッチング終点の判定を容易かつ精密に行え
る。よって、高融点金属シリサイド層４と、DOPOS等の
シリコン層３とのエッチングを、互いに条件を変えて各
々最適条件で行おうとする場合などの、条件の切り換え
を行う場合に有効である。

本実施例の条件において、エッチングガスとして上記
SF₆のほか、NF₃,ClF₃,F₂,HF等のフッ素ラジカルを生じ
るガスに少なくともHBrを添加してなるガスを用いるこ
とができる。DOPOS自体は、HBrのみでも充分エッチング
可能である。

また終点判定に用いる発光ラインを519nmとしたが、
発光強度差が確認できる波長であればよく、その他例え
ば505nm、539nmなどを用いることができる。

このように本実施例は、本発明の採用により、高融点
金属シリサイド層４（本例ではWSix層）のエッチング時
の終点判定を高精度に行うことができ、タングステンポ
リサイド構造等の良好な異方性加工を容易に実現でき
る。

〔発明の効果〕

上述の如く本出願の各発明によれば、基体上にシリコ
ン層と高融点金属シリサイド層とがこの順に形成されて
なる被エッチング部をエッチングする場合に、良好なエ
ッチングを実現でき、特に請求項1,2の発明は、オーバ
ーエッチング時にシリコン層に生ずる可能性のあるアン
ダーカットの発生を抑え、良好な形状のエッチングを達
成でき、また請求項３の発明は、高融点シリサイド層の
エッチング終点を容易かつ確実に判定して、これにより
良好な形状のエッチングを達成できる。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）（ｂ）は、実施例−１の工程を被エッチン
グ材の各工程における断面図で示すものである。第２図
（ａ）（ｂ）は、同じく実施例−２の工程を示すもので
ある。第３図（ａ）（ｂ）は、同じく実施例−３の工程
を示すものである。第４図乃至第６図は実施例−３を説
明するための図であり、第４図は発光スペクトル図、第
５図は発光スペクトルの差を示す図、第６図は519nmに
おける発光強度変化を示す図である。第７図及び第８図
は、各々従来技術を示す図である。 ３……シリコン（DOPOS）、４……高融点金属シリサイ
ド（WSix）、５……フォトレジスト、10……被エッチン
グ部、11……基体。

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】基体上にシリコン層と高融点金属シリサイ
   ド層とがこの順に形成されてなる被エッチング部をエッ
   チングするシリコン系被エッチング材のエッチング方法
   において、 臭化水素とフッ素ラジカルを発生し得るガスとを含有す
   るエッチングガスを用いてエッチングを行い、 その後フッ素ラジカルを発生し得るガスのみによってオ
   ーバーエッチングすることを特徴とするシリコン系被エ
   ッチング材のエッチング方法。
2. 【請求項２】基体上にシリコン層と高融点金属シリサイ
   ド層とがこの順に形成されてなる被エッチング部をエッ
   チングするシリコン系被エッチング材のエッチング方法
   において、 臭化水素とフッ素ラジカルを発生し得るガスとを含有す
   るエッチングガスを用いてエッチングを行い、 更に酸素アッシング処理を行い、 その後オーバーエッチングすることを特徴とするシリコ
   ン系被エッチング材のエッチング方法。
3. 【請求項３】基体上にシリコン層と高融点金属シリサイ
   ド層とがこの順に形成されてなる被エッチング部をエッ
   チングするシリコン系被エッチング材のエッチング方法
   において、 臭化水素とフッ素ラジカルを発生し得るガスとを含有す
   るエッチングガスを用いてエッチングを行うとともに、
   発光スペクトル強度変化をモニタすることにより高融点
   金属シリサイド層をエッチング終点を決定することを特
   徴とするシリコン系被エッチング材のエッチング方法。