JP2624181B2 - タングステンのパターン形成方法 - Google Patents

タングステンのパターン形成方法

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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、タングステンのパター
ンを形成する方法に関し、特に、半導体基板の絶縁膜上
に成膜されたタングステンの微細加工を制御性良く行う
ことができるパターン形成する方法に関する。
【0002】
【従来の技術】従来のタングステン(以下「W」と略
す)のパターン形成について、図4、図5、図6で説明
する。図4(a)においては、レジスト(11)をマス
クとして弗素系ガスを用いたドライエッチング技術が用
いられている。しかし、これらの方法では、W(12)
と弗素ラジカル(F)の反応のためにW(12)にサ
ンドエッチが入ってしまい配線形状の制御が困難であっ
た。
【0003】そこで、サンドエッチを制御するために弗
素系のガスに塩素系のガスを添加し、蒸気圧の低いWの
塩化物(WClx)によってWの側壁を保護する方法
(特開平2−34920)や、CHF3 を添加し、CH
3 から生ずるポリマーによって保護する方法(特開平
3−201529)が考えられている。しかし、これら
の方法は、堆積物(41)により側壁保護しているた
め、堆積物(41)自身がパーティクル(42)となっ
たり(図4(b))、また、弗素によって変質したレジ
ストや、前述の堆積物(41)がエッチング後のレジス
ト剥離工程で剥離しきれず、パーティクルとなることが
多かった(図4(c))。
【0004】これらの問題を解決する為に、ドライエッ
チング技術を用いず、W(12)にイオンを注入し、イ
オン注入領域のタングステンを選択的にエッチング除去
する方法が提案されている(特開平3−14983
7)。この方法では、集束イオンビームを走査しなが
ら、W(12)にリン(P)、砒素(As)、アンチモ
ン(Sb)、ホウ素(B)等のイオンを注入し、アモル
ファス化する(図5(a))。その後、希塩酸、リン酸
等でアモルファスW(51)を選択除去し、パターンを
形成する。
【0005】しかし、提案されている技術では、集束イ
オンビームを走査しながら、イオン注入を行うため、ス
ループットが著しく低下する。また、W(12)に直接
イオン注入した場合には、イオンビームの強度がガウス
分布を有することから、横方向(半導体基板に水平方
向)のイオンの濃度の分布が、図5(b)に示すよう
に、W(12)内部で不純物濃度に濃淡が生じてしまう
(図5(b)で、不純物濃度の濃い順に、(52)>
(53)>(54)>(55)である)。
【0006】このため、不純物濃度が異なる領域でのア
モルファスW(51)と溶液との反応速度が、溶液の濃
度や温度、または処理時間等の僅かな変化により大きく
ばらついてしまう。即ち、所望の形状及び寸法が得られ
ない(図5(c))という問題がある。更に、イオン注
入されたW(51)を除去する際に塩酸:水=1:10
の希塩酸を用いている。このように酸性溶液を用いてい
るのでW(12)の下層の窒化チタン(TiN)等のバ
リアメタル(63)の溶出(62)、著しくはW(1
2)自身が溶出してしまうという問題がある(図6)。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】前述したように、従来
のドライエッチング技術では、(イ)マスク(レジスト
(11))に対する寸法の制御が困難、(ロ)堆積物
(41)によるパーティクル(42)の発生、(ハ)レ
ジスト剥離工程で堆積物(41)が剥離しきれない、と
いう問題がある。また、以上の問題を解決するために提
案されているイオン注入による技術では、(ニ)イオン
ビーム自身を走査するためにスループットが著しく低
い、(ホ)イオンビームが横方向で強度分布を有するた
めに寸法及び形状の制御が困難、(ヘ)イオン注入後の
酸性溶液による処理時のバリアメタル(52)、若しく
はW(12)の溶出、という問題がある。
【0008】
【課題を解決するための手段】本発明は、半導体基板上
に絶縁層を形成する工程と、前記絶縁層の表面上にタン
グステンを成膜する工程と、前記タングステン表面上に
酸化膜、窒化膜、有機材料のうちの少なくとも一種から
なる、若しくは二種以上の積層構造からなるマスク層を
形成する工程と、前記マスク層を用いて前記タングステ
ンに選択的に不純物イオンを注入してタングステン化合
物を形成する工程と、前記タングステンと前記タングス
テン化合物とで溶解度が異なる溶液で、前記タングステ
ン若しくは前記タングステン化合物を選択的に除去する
工程を有することを特徴とするタングステンのパターン
形成方法である。
【0009】またタングステンを成膜する工程が、スパ
ッタリング法若しくは化学的気相成長法で成膜されるこ
とを特徴とするタングステンのパターン形成方法であ
る。また、タングステン化合物を形成する工程において
注入するイオンが、塩素であることを特徴とするタング
ステンのパターン形成方法である。また、選択的に除去
する工程において用いる溶液が、エーテル、クロロホル
ム、四塩化炭素、または二硫化炭素のいずれかであるこ
とを特徴とするタングステンのパターン形成方法であ
る。
【0010】また、タングステン化合物を形成する工程
において注入するイオンが臭素であり、選択的に除去す
る工程において用いる溶液が水であることを特徴とする
タングステンのパターン形成方法である。また、タング
ステン化合物を形成する工程において注入するイオンが
酸素であり、選択的に除去する工程において用いる溶液
がアルカリ溶液であることを特徴とするタングステンの
パターン形成方法である。さらにまた、選択的に除去す
る工程において用いる溶液は、非酸性であることを特徴
とするタングステンのパターン形成方法である。
【0011】
【作用】本発明のタングステンのパターン形成方法は、
タングステンのパターンを形成する工程において、マス
ク層をマスクとして不純物をイオンに注入することでパ
ターン寸法の精度を上げ、かつ、注入されたイオン種に
対応する非酸性の溶液で処理することでタングステン自
身、もしくは下地のバリアメタル等の溶出を防ぐことが
できるものである。そして、従来例ではマスク層を用い
ずに、直接集束イオンビームを照射するものであるが、
本発明では、マスク層を用いてイオン注入することによ
り、イオンビームが有する横方向(半導体基板に水平方
向)の強度分布の影響を受けず、マスク寸法に対してイ
オン注入領域を精度良く形成できる。また、イオン注入
領域をウェット処理する際に、非酸性溶液を用いるの
で、タングステンや下地のバリアメタル、絶縁膜等への
影響がないものである。
【0012】
【実施例】本発明の好適な実施例について図面を参照し
て説明する。
【実施例1】第1の実施例について図1(a)〜(c)
に示す。まず図1(a)に示すように、半導体基板(1
4)上に厚さ800nmの熱酸化膜(13)を成長し、
熱酸化膜(13)上に厚さ500nmのタングステン
(以下Wと略す)(12)をスパッタリング法により堆
積させ、W(12)上に厚さ2.5μmのレジスト(1
1)を塗布し、レジスト(11)をステッパーでパター
ニングしてからイオン注入を行う。
【0013】不純物イオンは塩素イオンCl- とし、イ
オン注入時の加速電圧は600keVとする。ここで加
速電圧を600keVとする理由は、W(12)に塩素
イオンを注入したときのRp(Projection range;投影
飛程)を、W(12)の膜厚500nmの半分(250
nm)より大きくするためである。RpをW(12)の
膜厚の半分より大きくすることで、W(12)中に、均
一にW化合物が形成される。この結果、図1(b)に示
すように、レジスト(11)の寸法に忠実にWと塩素の
化合物である塩化W(12a)が形成される。
【0014】次に、イオン注入を行ったウェハを、エー
テルを用いてウェット処理する。この結果、図1(c)
に示すように、塩化W(12a)はエーテルに溶出し、
エーテルに不溶なW(12)が残り、パターンが形成さ
れる。エーテルの他、クロロホルム、四塩化炭素、二硫
化炭素が使える。
【0015】
【実施例2】第2実施例について図2(a)〜(c)に
示す。図2(a)に示すように、堆積した膜構造は既述
の図1と同じである。注入するイオン種は臭素イオンB
- とし、注入時の加速電圧は900keVとする。9
00keVという値は、第1実施例と同様にRp>25
0nmとなるように設定したものである。注入した結
果、図2(b)に示すようにW(12)の臭化物である
臭化W(12b)が形成される。
【0016】次に、イオン注入を行ったウェハを、水を
用いてウェット処理する。この結果、図2(c)に示す
ように、臭化W(12b)は水に溶出し、水に不溶なW
(12)が残り、パターンが形成される。実施例1に比
べ、イオン注入後のウェット処理に水を用いている為、
取り扱いが容易であるという利点がある。
【0017】
【実施例3】第3実施例を図3(a)〜(c)に示す。
図3(a)に示すように、堆積する膜構造は既述の図
1、図2と同じである。注入するイオン種は酸素イオン
2-とし、注入時の加速電圧は300keVとする。3
00keVという値は、第1実施例、第2実施例と同様
にRp>250nmとなるように設定したものである。
注入した結果、図3(b)に示すようにW(12)の酸
化物である酸化W(12c)が形成される。
【0018】次に、イオン注入を行ったウェハを、アル
カリ溶液、例えばTMAH(テトラメチルアンモニウム
ヒドラオキサイド)の水溶液を用いてウェット処理す
る。この結果、図3(c)に示すように、酸化W(12
c)はアルカリ溶液に溶出し、アルカリ溶液に不溶なW
(12)が残り、パターンが形成される。また、アルカ
リ溶液で処理することで、イオン注入時にマスクとして
用いたレジスト(11)も同時に除去でき、レジスト剥
離工程の削減も可能となる。なお、上述いずれの実施例
においても、イオン注入時のマスクにレジストを用いて
いるが酸化膜、窒化膜等の他のマスク層を使用すること
もできる。また、実施例3におけるアルカリ溶液にTM
AHの水溶液を用いたが、他のアルカリ溶液を使用する
こともできる。
【0019】
【発明の効果】この様に本発明によれば、マスク層を用
いてイオン注入を行ってW化合物を形成し、非酸性溶液
でW化合物を除去し、パターンを形成することで、マス
クに対して急峻な不純物濃度分布が得られるため、マス
クに対して精密なタングステン化合物が形成でき、微細
で正確な寸法制御が可能となる。また、Wのパターンは
マスク形成時に決定されるため、イオン注入に要する時
間は極短時間であり、スループットは従来行われている
イオン注入工程と同じである。更に、イオン注入と溶液
処理でパターンを形成するため、パーティクルの発生は
なく、マスク層の剥離も容易であり、かつ、用いる溶液
は非酸性であるため、Wやバリアメタルの溶出、その他
半導体基板へのダメージ等の問題はないという効果を奏
するものである。
【図面の簡単な説明】
[図1](a)〜(c)は本発明の第1実施例の効果を
示す断面図。 [図2](a)〜(c)は第2実施例の効果を示す断面
図。 [図3](a)〜(c)は第3実施例の効果を示す断面
図。 [図4](a)〜(c)は従来のドライエッチング技術
によるWのパターン形成方法を示す断面図。 [図5](a)〜(c)は従来のイオン注入技術による
Wのパターン形成方法を示す断面図。 [図6]従来のイオン注入後に酸性溶液で半導体基板を
処理した場合の断面図。
【符号の説明】
11. レジスト 12. W 12a.塩化W 12b.臭化W 12c.酸化W 13. 熱酸化膜 14. 半導体基板 41. 堆積物 42. パーティクル 51. アモルファスW(イオン注入されたW) 52. タングステン中の不純物濃度 53. タングステン中の不純物濃度 54. タングステン中の不純物濃度 55. タングステン中の不純物濃度 61. 溶出したタングステン 62. 溶出したバリアメタル 63. バリアメタル
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 庁内整理番号 FI 技術表示箇所 H01L 21/28 H01L 21/265 M 21/306 F 21/308 21/306 F

Claims (7)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 半導体基板上に絶縁層を形成する工程
    と、前記絶縁層の表面上にタングステンを成膜する工程
    と、前記タングステン表面上に酸化膜、窒化膜、有機材
    料のうちの少なくとも一種からなる、若しくは二種以上
    の積層構造からなるマスク層を形成する工程と、前記マ
    スク層を用いて前記タングステンに選択的に不純物イオ
    ンを注入してタングステン化合物を形成する工程と、前
    記タングステンと前記タングステン化合物とで溶解度が
    異なる溶液で、前記タングステン若しくは前記タングス
    テン化合物を選択的に除去する工程を有することを特徴
    とするタングステンのパターン形成方法。
  2. 【請求項2】 タングステンを成膜する工程が、スパッ
    タリング法若しくは化学的気相成長法で成膜されること
    を特徴とする請求項1に記載のタングステンのパターン
    形成方法。
  3. 【請求項3】 タングステン化合物を形成する工程にお
    いて注入するイオンが、塩素であることを特徴とする請
    求項1または2に記載のタングステンのパターン形成方
    法。
  4. 【請求項4】 選択的に除去する工程において用いる溶
    液が、エーテル、クロロホルム、四塩化炭素、または二
    硫化炭素のいずれかであることを特徴とする請求項3に
    記載のタングステンのパターン形成方法。
  5. 【請求項5】 タングステン化合物を形成する工程にお
    いて注入するイオンが臭素であり、選択的に除去する工
    程において用いる溶液が水であることを特徴とする請求
    項1または2に記載のタングステンのパターン形成方
    法。
  6. 【請求項6】 タングステン化合物を形成する工程にお
    いて注入するイオンが酸素であり、選択的に除去する工
    程において用いる溶液がアルカリ溶液であることを特徴
    とする請求項1または2に記載のタングステンのパター
    ン形成方法。
  7. 【請求項7】 選択的に除去する工程において用いる溶
    液は、非酸性であることを特徴とする請求項1または2
    に記載のタングステンのパターン形成方法。
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