JP3028306B2 - 半導体素子の多層膜の乾式エッチング方法 - Google Patents
半導体素子の多層膜の乾式エッチング方法Info
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Description
形成方法に係るもので、詳しくは、チタンポリサイド
(ポリシリコン層とチタンシリサイド層との総称であ
る)のような多層膜を乾式エッチングする方法に関す
る。
極は、ポリシリコンを用いて形成していたが、半導体素
子の微細化及び薄膜化に従い、ポリシリコンを用いる
と、抵抗が問題になってきた。そこで、該抵抗の問題を
改善するため、ポリシリコン層上にタングステンシリサ
イド又はチタンシリサイドを積層したタングステンポリ
サイド及びチタンポリサイドなどを利用しており、それ
らのタングステンポリサイド及びチタンポリサイドのよ
うな多層配線の乾式エッチング方法に関する研究が盛ん
に行われている。
ング方法について説明する。IBM 社が発明したタンタル
ポリサイド又はチタンポリサイドの異方性エッチング方
法が、米国特許5, 160, 407“Low pressure a
nisotropic etchprocess for tantalum silicide
or titanium silicide layer formedover polysil
icon layer deposited on silicon oxide layer
on semiconductor wafer ”に開示されている。該エ
ッチング方法は、まず、多層膜の最上層のタンタルシリ
サイド層又はチタンシリサイド層及びポリシリコン層上
部の一部を低圧、例えば、約10〜30mTorr の状態に
し一方側の電極には、高周波数の電圧が印加され、他方
側の電極には接地電圧が印加されるチャンバー内に、Cl
2 ガスのみを導入してプラズマを発生させ、前記タンタ
ルシリサイド層を異方性エッチングする(第1段階)。
つぎに、前記タンタルシリサイド層の下部のポリシリコ
ン層を同様な圧力条件下のチャンバー内で、HBr ガスの
みを導入して異方性エッチングを施す(第2段階)。
が、開示されている(日本応用物理学会1997, p6
07, “BCl3/Cl2ガスによるTiシリサイドエッチングへ
の検討”参照)。該エッチング方法は、図1に示したよ
うな多層膜の構造をエッチングするために反応性イオン
エッチング(RIE; reactive ion etching)装置を使
用し、BCl3/Cl2ガスを使用してチタンポリサイドをエッ
チングすると、チタンシリサイド層:ポリシリコン層の
エッチング選択比が1:3程度であるため、微細加工が
容易で、エッチングした後、残滓の無いチタンポリサイ
ドをエッチングすることができるという内容である。
層/ チタンシリサイド層の多層膜エッチング方法が、開
示されており(日本応用物理学会, 1997, p63
0, “TiSix etching in High Density Plasma ”
参照)、Cl2/N2混合ガス中、N2ガスの含有量を増加させ
ると、アンダーカットを減らすことができるという内容
である。
うな従来のチタンシリサイド/ ポリシリコンの多層膜エ
ッチング方法を施してチタンシリサイドをエッチングす
るとき、塩素系ガスを用いると、アンダーカットが発生
して垂直形状のエッチング側壁(Vertical etchprofil
e )を得ることが難かしかった。
き、Brガス系のガスを使用すると、ブロム再反応生成物
(Bromide reaction product)が揮発されずに、エッ
チングした後、ウェーハの表面に残滓が残るため、別途
の洗浄工程を必要としていた。その結果、半導体素子の
信頼性が低下し、別途の洗浄工程を要するため、工程が
煩雑になり、半導体素子の生産性を低下させるという不
都合な点があった。
に鑑みてなされたもので、アンダーカットが発生せず、
かつ、エッチングした後、残滓が存在しないチタンシリ
サイド/ ポリシリコンの多層膜をエッチングし得る半導
体素子の多層膜の乾式エッチング方法を提供することを
目的とする。
一方側の電極にソースパワーの電圧が印加し、他方側の
電極にバイアスパワーの電圧が印加するチャンバー内
で、半導体基板上にシリコン酸化膜が形成され、該シリ
コン酸化膜上にポリシリコン層とチタンシリサイド層と
が順次形成された多層膜を乾式エッチングする方法にお
いて、Cl 2 :N 2 の流量比を20:1程に維持したCl2/N2混
合ガスを包含するプラズマにより前記チタンシリサイド
層を異方性エッチングする第1工程と、Cl2/O2混合ガス
を包含するプラズマにより前記ポリシリコン層を異方性
エッチングする第2工程と、を順次行うことを特徴とす
る。
工程で使用するエッチング装置は、反応性イオンエッチ
ング装置、磁界強化反応性イオンエッチング装置及び高
密度プラズマエッチング装置の内、いずれか一つを利用
することを特徴とする。
用するエッチング装置は、ヘリコンタイプのエッチング
装置であり、チャンバー内に印加するソースパワーの範
囲は、100〜2500W であることを特徴とする。請
求項4に係る発明は、前記第1工程で使用するエッチン
グ装置は、ヘリコンタイプのエッチング装置であり、チ
ャンバー内に印加するバイアスパワーの範囲は、20〜
300W であることを特徴とする。
用するエッチング装置は、ヘリコンタイプのエッチング
装置であり、チャンバー内の圧力の範囲は、20mTorr
以下であることを特徴とする。請求項6に係る発明は、
前記第1工程で使用するエッチング装置は、ヘリコンタ
イプのエッチング装置であり、チャンバー内の温度の範
囲は、−10〜−50℃であることを特徴とする。
用するエッチング装置は、ヘリコンタイプのエッチング
装置であり、総ガス流量に対して、酸素ガス流量が10
% 以下であることを特徴とする。
する異方性エッチング工程と、Cl2/O2混合ガスを使用す
る異方性エッチング工程と、を順次行うようになってい
るので、アンダーカットの発生を防止して垂直形状のエ
ッチング壁を形成し、なおかつ、エッチングした後、残
滓が存在しないため、別途の洗浄工程を必要とせず、そ
の結果、半導体素子の信頼性及び生産性を向上すること
ができるという効果が得られる。
て図面に基づいて説明する。図1〜図3は、本発明に係
る半導体素子の多層膜の乾式エッチング方法を示した工
程縦断面図である。まず、図1に示したように、半導体
基板1上にシリコン酸化膜2及びポリシリコン層3を形
成し、該ポリシリコン層3上にチタンシリサイド層4を
形成し、マスク5を施す。その後、前記半導体基板1
に、一方側の電極にはバイアスを調節する電力(以下、
バイアスパワー(bias power)と称す)の電圧が印加し、
他方側の電極にはプラズマ発生を誘導するための高周波
の電力(以下、ソースパワー(source power)と称す)の
電圧が印加するチャンバー内に装着する。
に電圧を印加し、前記チャンバー内にCl2/N2混合ガスを
フローイング(Flowing )しながら前記チタンシリサイ
ド層4をエッチングして、図2に示したように、エッチ
ング側壁が垂直なチタンシリサイド層パターン4a を形
成する。その後、前記チャンバー内にCl2/O2混合ガスを
フローイングしながら前記ポリシリコン層3をエッチン
グして、図3に示したように、エッチング側壁が垂直な
チタンシリサイド層パターン3a を形成する。
しないため、別途に洗浄工程を行う必要はない。以下、
本発明に係る半導体素子の多層膜乾式エッチング方法に
ついて詳しく説明する。上記に示したように、本発明で
は、チタンシリサイド層をCl2/N2混合ガスを使用してエ
ッチングする第1工程と、ポリシリコン層をCl2/O2混合
ガスを使用してエッチングする第2工程と、を行うが、
前記第1工程においては、チャンバー内でCl2/N2ガスの
プラズマを発生させると、反応性窒素イオン(Reactive
nigrogen ion )が形成され、該反応性窒素イオン
は、チタンシリサイドと結合してチタンシリサイド膜の
エッチング側壁にTi−N 及びSi−N 化合物を形成して、
前記エッチング側壁がプラズマによりエッチングされる
ことを防止するため、Cl2/N2混合ガスを利用する。従っ
て、このような前記第1工程を行うと、アンダーカット
の発生を抑制して、垂直形状のエッチング側壁を得るこ
とができる。このとき、混合ガスとしてO2を添加しない
理由は、酸素プラズマがチタンと結合してTiO2を形成
し、該TiO2が、Cl2 プラズマと反応してエッチング側壁
を効率的に保護することができず、アンダーカットが発
生するためである。
Cl2/N2混合ガスに対するCl2:N2の流量比を20:1程に
維持することが好ましい。また、第2工程のポリシリコ
ン層のエッチング工程において、Cl2/O2混合ガスを使用
する理由は、前記Cl2/N2混合ガスプラズマを使用した場
合と比較して、ゲート電極として用いられているポリシ
リコン層3と該ポリシリコン層3の下地膜であるシリコ
ン酸化膜2とのエッチング選択比は、ポリシリコン層3
の方がシリコン酸化膜2と比較して非常に大きいため、
シリコン酸化膜2はエッチングされず、たとえポリシリ
コン層3がオーバーエッチングされても、半導体基板1
の表面がエッチングされるのを防ぎ、同時に、安定的に
ポリシリコン層3をエッチングすることができるので、
エッチングした後、ポリシリコン層3に残滓が存在しな
いためである。
る装置は、反応性イオンエッチング装置、磁界強化反応
性イオンエッチング装置(Magnetically enhanced re
active ion etcher :MERIE )、高密度プラズマエッ
チング装置(High Densityplasma etcher )のような
イオンエネルギー及びプラズマの密度を調節し得る装置
を使用するこが好ましい。
ズマエッチング装置としてヘリコンタイプのエッチング
装置を使用する場合は、総ガス流量に対する酸素ガスの
流量比を10% 以下に維持することが好ましい。また、
前記第1工程において、高密度プラズマエッチング装置
としてヘリコンタイプのエッチング装置を使用する場合
は、プラズマ放電を誘導するため一方側の電極に印加す
るソースパワー(source power)の範囲は、100〜25
00W であることが好ましく、他方側の電極に印加する
バイアスパワー(bias power)の範囲は、20〜300W
であることが好ましい。更に、前記ヘリコンタイプのエ
ッチング装置を使用する場合は、20mTorr 以下の圧力
及び−10〜−50℃の温度条件下のチャンバー内でエ
ッチングを施す方法が、垂直な側壁の形成に最も適合し
た方法である。
チング方法を示した工程縦断面図。
チング方法を示した工程縦断面図。
チング方法を示した工程縦断面図。
ド層 2:シリコン酸化膜 4a :チタンシリサ
イド層パターン 3:ポリシリコン層 5:マスク 3a :ポリシリコン層パターン
Claims (7)
- 【請求項1】一方側の電極にソースパワーの電圧が印加
し、他方側の電極にバイアスパワーの電圧が印加するチ
ャンバー内で、半導体基板上にシリコン酸化膜が形成さ
れ、該シリコン酸化膜上にポリシリコン層とチタンシリ
サイド層とが順次形成された多層膜を乾式エッチングす
る方法において、Cl 2 :N 2 の流量比を20:1程に維持した Cl2/N2混合ガス
を包含するプラズマにより前記チタンシリサイド層を異
方性エッチングする第1工程と、 Cl2/O2混合ガスを包含するプラズマにより前記ポリシリ
コン層を異方性エッチングする第2工程と、を順次行う
ことを特徴とする半導体素子の多層膜の乾式エッチング
方法。 - 【請求項2】前記第1及び第2工程で使用するエッチン
グ装置は、反応性イオンエッチング装置、磁界強化反応
性イオンエッチング装置及び高密度プラズマエッチング
装置の内、いずれか一つを利用することを特徴とする請
求項1に記載の半導体素子の多層膜の乾式エッチング方
法。 - 【請求項3】前記第1工程で使用するエッチング装置
は、ヘリコンタイプのエッチング装置であり、チャンバ
ー内に印加するソースパワーの範囲は、100〜250
0W であることを特徴とする請求項1又は請求項2に記
載の半導体素子の多層膜の乾式エッチング方法。 - 【請求項4】前記第1工程で使用するエッチング装置
は、ヘリコンタイプのエッチング装置であり、チャンバ
ー内に印加するバイアスパワーの範囲は、20〜300
W であることを特徴とする請求項1〜請求項3のいずれ
か1つに記載の半導体素子の多層膜の乾式エッチング方
法。 - 【請求項5】前記第1工程で使用するエッチング装置
は、ヘリコンタイプのエッチング装置であり、チャンバ
ー内の圧力の範囲は、20mTorr 以下であることを特徴
とする 請求項1〜請求項4のいずれか1つに記載の半導
体素子の多層膜の乾式エッチング方法。 - 【請求項6】前記第1工程で使用するエッチング装置
は、ヘリコンタイプのエッチング装置であり、チャンバ
ー内の温度の範囲は、−10〜−50℃であることを特
徴とする請求項1〜請求項5のいずれか1つに記載の半
導体素子の多層膜の乾式エッチング方法。 - 【請求項7】前記第2工程で使用するエッチング装置
は、ヘリコンタイプのエッチング装置であり、総ガス流
量に対して、酸素ガス流量が10% 以下であることを特
徴とする請求項1又は請求項2に記載の半導体素子の多
層膜の乾式エッチング方法。
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