JP3185408B2 - ドライエッチング方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は半導体装置の製造分野等
において適用されるドライエッチング方法に関し、特に
クロロフルオロカーボン（ＣＦＣ）ガスを使用せずに、
シリコン系材料層の異方性エッチングを行う方法に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】近年のＶＬＳＩ，ＵＬＳＩ等にみられる
ように半導体装置の高集積化および高性能化が進展する
に伴い、単結晶シリコン，多結晶シリコン，高融点金属
シリサイド，ポリサイド等からなるシリコン系材料層の
エッチングにおいても、高異方性，高速性，高選択性，
低汚染性等の諸要求のいずれをも高いレベルで満足させ
得る技術が切望されている。

【０００３】単結晶シリコン材料の代表的なエッチング
・プロセスは、微細素子分離やセル容量面積の確保を目
的としてトレンチを形成するためのトレンチ加工であ
る。特にアスペクト比が１以上となるディープ・トレン
チ加工においては、マスク・パターンやエッチング条件
の変動等によってトレンチの断面形状が複雑に変化し易
く、アンダカットやボウイング（ｂｏｗｉｎｇ）等の形
状異常がしばしば経験される。これらは、いずれも後工
程におけるトレンチの埋め込みや容量の制御等を困難と
する。

【０００４】一方、多結晶シリコン層，高融点金属シリ
サイド層，ポリサイド膜等の代表的なエッチング・プロ
セスは、ゲート電極加工である。ゲート電極のパターン
幅は、ＦＥＴのソース／ドレイン領域が自己整合的に形
成される場合のチャネル長や、ＬＤＤ構造におけるサイ
ドウォールの寸法制度に直接影響する。したがって、こ
のプロセスにも極めて高い加工精度が要求される。

【０００５】中でも、ポリサイド膜のエッチングには高
度な技術が要求される。ポリサイド膜は、従来からＬＳ
Ｉのゲート電極材料として広く用いられている多結晶シ
リコンに比べて抵抗値が約１桁低いことから、高集積化
メモリ装置においてアクセス時間を短縮し、動作を高速
化する新しいゲート電極材料として期待されている。最
も一般的には、下層側に不純物を含有する多結晶シリコ
ン層、上層側にタングステン・シリサイド層を配した積
層構造を有する。しかし、このようにエッチング特性の
異なる材料層が積層されていることが、両方の材料層に
対して同時に異方性加工を実現することを困難としてい
るわけである。

【０００６】従来、これらシリコン系材料のエッチング
には、ＣＦＣ１１３ (Ｃ₂ Ｃｌ₃ Ｆ₃ ）に代表されるク
ロロフルオロカーボン（ＣＦＣ）ガスがエッチング・ガ
スとして広く用いられてきた。ＣＦＣガスは、日本国内
においてフロンと通称されているガスである。このＣＦ
Ｃガスによれば、分子中にＦ原子とＣｌ原子の双方が含
まれていることにより、条件次第でラジカル反応とイオ
ン・アシスト反応のバランスを調節しながらエッチング
を進行させることができ、しかもプラズマ中に生成する
カーボン系ポリマーをウェハ上へ堆積させて側壁保護を
行わせることにより、異方性エッチングを実現すること
ができる。

【０００７】しかしながら、ＣＦＣガスは周知のように
地球のオゾン層破壊の大きな原因であることが指摘され
ており、その全廃が目前に迫っていることから、ドライ
エッチングの分野においてもＣＦＣガスの代替品を見出
し、その効果的な利用方法を確立することが急務とされ
ている。この脱ＣＦＣ対策のひとつとして、対流圏にお
ける寿命が比較的短いとされるハイドロクロロフルオロ
カーボン（ＨＣＦＣ）ガス等の、いわゆる代替フロンを
用いる技術も提案されている。しかし、今後、半導体装
置のデザイン・ルールの一層の微細化に伴ってカーボン
系ポリマーに起因するパーティクル汚染が強く懸念され
るようになると、必ずしも有利な解決策とは言えない。

【０００８】この脱ＣＦＣ対策のひとつとして有望と考
えられる技術に、Ｂｒ系化学種を主エッチング種として
利用するプロセスがある。たとえば、Ｄｉｇｅｓｔ ｏ
ｆＰａｐｅｒｓ １９８９ ２ｎｄ ＭｉｃｒｏＰｒｏ
ｃｅｓｓ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ，ｐ．１９０には、Ｈ
Ｂｒを用いる多結晶シリコン・ゲート電極加工が報告さ
れている。Ｂｒはイオン半径が大きく、シリコン系材料
層の結晶格子内もしくは結晶粒界内に進入しない。した
がって、シリコン系材料層をＦ^* のように自発的かつ等
方的にエッチングする虞れが少なく、イオン・アシスト
機構により異方的なエッチングを進行させることができ
る。また、Ｓｉ−Ｏ結合の結合エネルギーがＳｉ−Ｂｒ
結合よりも かに大きいことからも明らかなように、Ｓ
ｉＯ₂からなるゲート酸化膜に対して高選択性が達成で
きる。さらに、レジスト・マスクの表面を蒸気圧の低い
ＣＢｒ_x で被覆することができるので、レジスト選択性
を向上できる点もＢｒ系化学種の大きなメリットであ
る。

【０００９】また、他の脱ＣＦＣ対策としては、たとえ
ば第５２回応用物理学会学術講演会（１９９１年秋季年
会）講演予稿集，ｐ．５０８，講演番号９ａ−ＺＦ−６
に、ＣＦＣ１１３に替えてＣｌ₂ ／ＣＨ₂ Ｆ₂ 混合ガス
を用いたＷ−ポリサイド膜のエッチングが報告されてい
る。このガス系によれば、ＣＨ₂ Ｆ₂ に由来して気相中
に生成するカーボン系ポリマーを堆積させることによ
り、側壁保護が行われる。また、ＣＨ₂ Ｆ₂ の流量比を
最適化すれば、ＷＳｉ_x 層と多結晶シリコン層との間の
選択比を増大させ、段差部の残渣を低減することもでき
る。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】このように、従来から
幾つかの脱ＣＦＣ対策が提案されているが、それぞれに
解決しなければならない課題も残されている。まず、上
述のＨＢｒを用いるプロセスは、Ｗ−ポリサイド膜のエ
ッチングに適用した場合に、蒸気圧の低いＷＢｒ_x を大
量に生成させ、エッチング・チャンバ内のパーティクル
・レベルを悪化させる虞れが大きい。また、元来Ｓｉに
対する反応性が低いＢｒを主エッチング種としているた
めに、エッチング速度が大幅に低下してしまうことも懸
念される。

【００１１】一方、Ｃｌ₂ ／ＣＨ₂ Ｆ₂ 混合ガスを用い
る方法には、ＣＨ₂ Ｆ₂ の堆積性が過剰となり易いとい
う問題がある。１９８８年ドライ・プロセス・シンポジ
ウム抄録集ｐ．７４，II−８には、ＣＨ₂ Ｆ₂ はＣ₄ Ｆ
₈ ，Ｃ₂ Ｃｌ₂ Ｆ₄ （ＣＦＣ１１４），ＣＣｌ₄ 等のガ
スに比べて強固なポリマーを形成し、入射イオンによる
エッチング速度が低い事実が報告されている。したがっ
て、ＣＨ₂ Ｆ₂ を使用すると再現性やパーティクル・レ
ベルを大きく損なう虞れが大きい。

【００１２】そこで本発明は、高異方性、高速性、高選
択性、低汚染性といった両立の難しい諸特性を高いレベ
ルで満足させながら、シリコン系材料層をエッチングす
ることが可能なドライエッチング方法を提供することを
目的とする。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明のドライエッチン
グ方法は、上述の目的を達成するために提案されるもの
であり、分子内にハロゲン原子とチオカルボニル基とを
有するチオカルボニル化合物を含むエッチング・ガスを
用いてシリコン系材料層をエッチングすることを特徴と
する。

【００１４】本発明はまた、Ｓ₂ Ｆ₂ ，ＳＦ₂ ，Ｓ
Ｆ₄ ，Ｓ₂ Ｆ₂ から選ばれる少なくとも１種類のフッ化
イオウを含むエッチング・ガスを用い、ポリサイド膜の
上層側を構成する高融点金属シリサイド層をエッチング
する工程と、分子内にチオカルボニル基とフッ素原子以
外のハロゲン原子とを有するチオカルボニル化合物を含
むエッチング・ガスを用い、前記ポリサイド膜の下層側
を構成する多結晶シリコン層をエッチンクする工程とを
有することを特徴とする。

【００１５】本発明はまた、分子内にフッ素原子以外の
ハロゲン原子とチオカルボニル基とを有するチオカルボ
ニル化合物を含むエッチング・ガスを用い、多結晶シリ
コン層と高融点金属シリサイド層とがこの順に積層され
てなるポリサイド膜を、該ポリサイド膜を保持する基体
を加熱しながらエッチングすることを特徴とする。

【００１６】本発明はまた、前記エッチング・ガスがＨ
₂ ，Ｈ₂ Ｓ，シラン系化合物から選ばれる少なくとも１
種類のハロゲン・ラジカル消費性化合物を含むことを特
徴とする。

【００１７】本発明はまた、前記エッチング・ガスが放
電解離条件下で遊離のイオウを放出し得るイオウ系化合
物を含むことを特徴とする。

【００１８】本発明はさらに、前記エッチング・ガスが
窒素系化合物を含むことを特徴とする。

【００１９】

【作用】本発明のドライエッチング方法では、分子内に
ハロゲン原子とチオカルボニル基（＞Ｃ＝Ｓ）を有する
チオカルボニル化合物をエッチング・ガスの主成分とし
て使用する。このチオカルボニル化合物は、放電解離条
件下でハロゲン系化学種を生成する他、堆積性物質とし
てカーボン系ポリマーと遊離のＳ（イオウ）を生成する
ことができる。

【００２０】上記ハロゲン系化学種の代表例は、ハロゲ
ン・ラジカルである。これは、言うまでもなく、シリコ
ン系材料層の主エッチング種である。

【００２１】上記炭素系ポリマーは、たとえばフルオロ
カーボン系化合物が放電解離条件下で生成する通常のカ
ーボン系ポリマーとは異なり、分子骨格の一部にＣ−Ｓ
結合、＞Ｃ＝Ｓ基等の形でＳ原子を採り込んでいる。Ｃ
−Ｓ結合の原子間結合エネルギーは７３３ｋＪ／ｍｏｌ
であって、Ｃ−Ｃ結合の６０３ｋＪ／ｍｏｌよりも大き
いため、本発明で生ずるカーボン系ポリマーは、従来の
カーボン系ポリマーよりもイオン衝撃やラジカルの攻撃
に対して高い耐性を持つものと考えられる。また、分子
骨格中に＞Ｃ＝Ｓ基のような極性基が導入されることに
より、エッチング中、負に帯電しているウェハ面へのカ
ーボン系ポリマーの静電吸着力が高まり、このことによ
っても本発明のカーボン系ポリマーは高い表面保護効果
を示す。

【００２２】このようにカーボン系ポリマー自身が強化
されることは、次のようなメリットをもたらす。まず、
表面保護効果が向上することにより、異方性加工に必要
な入射イオン・エネルギーを下げることができる。した
がって、レジスト・マスクやゲート酸化膜のスパッタ除
去を抑制することができ、これらに対する選択性が向上
する。下地選択性を考慮する必要のないトレンチ加工に
おいては、基板ダメージを低減することができる。

【００２３】また、高異方性、高選択性を達成するため
に必要なカーボン系ポリマーの堆積量を低減できるの
で、従来技術に比べてパーティクル汚染を減少させるこ
とができる。また、カーボン系ポリマー中のＣ原子によ
るＳｉＯ₂ からのＯ原子引き抜きも抑制されるので、ゲ
ート電極加工ではゲート酸化膜に対する選択性も向上す
る。

【００２４】もう一方の堆積性物質であるＳは、条件に
もよるが、ウェハがおおよそ室温以下に温度制御されて
いればその表面へ堆積し、側壁保護もしくは下地表面保
護に寄与する。しかも、Ｓは昇華性物質であるから、ウ
ェハをおおよそ９０℃以上に加熱すれば容易に除去さ
れ、何らパーティクル汚染源となるものではない。エッ
チング・マスクとしてレジスト・マスクを用いるプロセ
スであれば、Ｓはこのレジスト・マスクを除去するため
のアッシング工程において同時に燃焼除去することがで
きる。

【００２５】上述のように、強化されたカーボン系ポリ
マーとＳとを堆積性物質として生成させながらハロゲン
系化学種でエッチングを行えるエッチング・ガスを用い
れば、基本的にはシリコン系材料層の１段階エッチング
が可能となる。これに加え、本発明では特にポリサイド
膜をエッチングする場合を想定し、さらに高速性、低汚
染性、下地選択性を向上させるための別の方法も提案す
る。

【００２６】たとえば請求項２では、高融点金属シリサ
イド層のエッチング時と多結晶シリコン層のエッチング
時とでガス組成を切り替える２段階エッチングを提案し
ている。すなわち、高融点金属シリサイド層をエッチン
グする工程では、Ｓ₂ Ｆ₂ ，ＳＦ₂ ，ＳＦ₄ ，Ｓ₂ Ｆ₂
から選ばれる少なくとも１種類のフッ化イオウを含むエ
ッチング・ガスを用い、多結晶シリコン層をエッチング
する工程では 分子内にフッ素原子以外のハロゲン原子
とチオカルボニル基とを有するチオカルボニル化合物を
含むエッチング・ガスを用いる。

【００２７】まず、高融点金属シリサイド層のエッチン
グ工程で、幾つか知られているハロゲン化イオウのうち
Ｆ^* を放出し得るフッ化イオウを用いるのは、たとえば
ＷＳｉ_x 層をエッチングする場合に蒸気圧の高いＷＦ_x
を生成させるためである。これにより、エッチング速度
が向上し、蒸気圧の低いＷのハロゲン化物による汚染を
防止することができる。

【００２８】次の多結晶シリコン層のエッチング工程で
は、エッチング反応系から反応性の高いＦ^* を除外する
ことにより、多結晶シリコン層へのアンダカットの発生
等を防止し、かつゲート酸化膜に対する高選択性を確保
することを意図している。この工程ではエッチング・ガ
スの成分としてチオカルボニル化合物が含まれているこ
とから、側壁保護は前述のようにＳと強化されたカーボ
ン系ポリマーにより同様に行われる。

【００２９】ただし、エッチングすべきポリサイド膜が
極端に大きな段差を有している場合等には、上述のよう
に高融点金属シリサイド層と多結晶シリコン層の境界を
精度良く判定することが困難となる。そこで請求項３に
記載される発明では、１段階プロセスによるポリサイド
膜のエッチングを可能とするために、フッ素原子以外の
ハロゲン原子とチオカルボニル基とを有するチオカルボ
ニル化合物を含むエッチング・ガスを用い、かつウェハ
を加熱しながらエッチングを行う。

【００３０】ここで、エッチング反応系からＦ^* を排除
しているのは、多結晶シリコン層のエッチング時に異方
性を低下させないためである。その代わりに、エッチン
グ種としては他のハロゲン系化学種、具体的にはＣ
ｌ^* ，Ｂｒ^* 等を用いることになる。ところで、従来技
術においてＣｌ^* ，Ｂｒ^* 等がＷ−ポリサイド膜のエッ
チングに積極的に利用されていなかったのは、Ｗの塩化
物や臭化物の蒸気圧が低いからである。たとえば、沸点
でみるとＷＣｌ₅ は２７５．６℃、ＷＣｌ₆ は３４６．
７℃、ＷＢｒ₆ は２３２℃であり、常温で気体であるＷ
Ｆ₆ に比べると かに高い。しかし、常圧下でこの程度
の沸点を有する化合物は、エッチングが行われるような
減圧下であればウェハをある程度加熱することにより脱
離に必要な蒸気圧を得て、エッチングの進行を妨げなく
なるものと考えられる。

【００３１】なお、側壁保護の機構は、前述のとおりで
ある。

【００３２】以上が、本発明の基本的な考え方である。
さらに、エッチングすべきシリコン系材料の種類を問わ
ず、一層の低汚染化、高選択化、低ダメージ化を図る方
法として、さらに３通りの方法を提案する。そのひとつ
は、請求項４に記載されるように、エッチング・ガスに
Ｈ₂ ，Ｈ₂Ｓ，シラン系化合物から選ばれる少なくとも
１種類のハロゲン・ラジカル消費性化合物を添加するこ
とである。この場合、これらハロゲン・ラジカル消費性
化合物から生成するＨ^* ，Ｓｉ^* 等によりハロゲン・ラ
ジカル（Ｘ^* ）の一部がＨＸ，ＳｉＸ_y 等の形で除去さ
れ、エッチング反応系の見掛け上のＳ／Ｘ比（Ｓ原子数
とハロゲン原子数の比）を上昇させることができる。つ
まり、Ｓの堆積が促進されるのである。これにより、入
射イオン・エネルギーを一層低減でき、高選択化、低汚
染化、低ダメージ化を徹底させることができる。また、
カーボン系ポリマーの堆積量を相対的に減少させること
ができ、パーティクル汚染を一層効果的に低減させるこ
とができる。

【００３３】また、請求項５に記載されるように、エッ
チング・ガスに放電解離条件下で遊離のイオウを放出し
得るイオウ系化合物を添加しても良い。この場合には、
請求項４のようにハロゲン・ラジカルの減少によりＳ／
Ｘ比を上昇させるのではなく、Ｓを増加させることによ
り積極的にＳ／Ｘ比を上昇させることができる。

【００３４】さらに、請求項６では、エッチング・ガス
に窒素系化合物を添加することを提案する。これは、プ
ラズマ中に窒化イオウ系化合物を生成させることによ
り、一層高い表面保護効果を得るためである。ここで、
窒化イオウ系化合物による表面保護については、本発明
者が先に特願平３−３０１２８１号明細書で詳述してい
るが、主としてポリマー状のポリチアジル（ＳＮ）_x の
寄与によるものである。この（ＳＮ）_x は、−Ｓ−Ｎ−
Ｓ−Ｎ−…のような繰り返し共有結合鎖を有しており、
単体のＳよりもイオン衝撃やラジカルの攻撃に対して高
い耐性を発揮する。したがって、表面保護効果が向上
し、一層の高選択化、低汚染化、低ダメージ化を図るこ
とができる。

【００３５】

【実施例】以下、本発明の具体的な実施例について説明
する。

【００３６】実施例１ 本実施例は、本発明を多結晶シリコン・ゲート電極加工
に適用し、ＣＳＣｌ₂（塩化チオカルボニル）ガスを用
いて多結晶シリコン層をエッチングした例である。この
プロセスを、図１を参照しながら説明する。本実施例で
エッチング・サンプルとして用いたウェハを、図１
（ａ）に示す。このウェハは、単結晶シリコン基板１上
にＳｉＯ₂ からなる厚さ約１０ｎｍのゲートＳｉＯ₂ 膜
２を介してｎ型不純物を含有する厚さ約３００ｎｍの多
結晶シリコン層３が形成され、さらにこの上に所定の形
状にパターニングされたレジスト・マスク４が形成され
たものである。ここで、上記レジスト・マスク４は、た
とえばネガ型３成分系化学増幅レジスト材料（シプレー
社製，商品名ＳＡＬ−６０１）を用い、ＫｒＦエキシマ
・レーザ・ステッパによるフォトリソグラフィと現像処
理を経て、約０．３５μｍの線幅に形成されている。

【００３７】このウェハを、ＲＦバイアス印加型の有磁
場マイクロ波プラズマ・エッチング装置にセットし、一
例として下記の条件で多結晶シリコン層３をエッチング
した。 ＣＳＣｌ₂ 流量 １０ ＳＣＣＭ ガス圧 １．３ Ｐａ マイクロ波パワー ８５０ Ｗ（２．４５ ＧＨ
ｚ） ＲＦバイアス・パワー ３０ Ｗ（２ ＭＨｚ） ウェハ温度 ２０ ℃ このエッチング過程では、ＣＳＣｌ₂ から解離生成する
Ｃｌ^* を主エッチング種として多結晶シリコン層３のエ
ッチングが進行した。これと同時に、プラズマ中に生成
したＳ、およびエッチング耐性の高いカーボン系ポリマ
ー等がパターンの側壁面上に堆積し、図１（ｂ）に示さ
れるような側壁保護膜５を形成した。この結果、入射イ
オン・エネルギーが比較的低い条件であるにもかかわら
ず、優れた異方性形状を有するゲート電極３ａを形成す
ることができた。

【００３８】また、このエッチング反応系にはＦ^* が発
生しないため、下地のゲート酸化膜２に対しても高い選
択性が達成された。なお、側壁保護膜５はレジスト・マ
スク４をアッシングする工程で同時に除去することがで
きた。

【００３９】実施例２ 本実施例では、実施例１と同じ多結晶シリコン層を、Ｃ
ＳＣｌ₂ ／Ｈ₂ Ｓ混合ガスを用いて行い、ゲート電極の
断面形状を意図的にテーパー化させた。本実施例でエッ
チング・サンプルとして用いたウェハは、図１（ａ）に
示したものと同じである。

【００４０】このウェハを有磁場マイクロ波プラズマ・
エッチング装置にセットし、一例として下記の条件で多
結晶シリコン層３をエッチングした。 ＣＳＣｌ₂ 流量 １０ ＳＣＣＭ Ｈ₂ Ｓ流量 ３ ＳＣＣＭ ガス圧 １．３ Ｐａ マイクロ波パワー ８５０ Ｗ（２．４５ ＧＨ
ｚ） ＲＦバイアス・パワー ３０ Ｗ（２ ＭＨｚ） ウェハ温度 ２０ ℃

【００４１】このエッチング過程では、Ｈ₂ Ｓの添加に
よりプラズマ中に生成したＨ^* がＣｌ^* の一部を捕捉す
ること、およびＨ₂ Ｓから遊離のＳが放出されることに
より、エッチング反応系の見掛け上のＳ／Ｃｌ比が上昇
し、Ｓやカーボン系ポリマーの堆積がやや過剰となる条
件でエッチングが進行した。つまり、これらの過剰な堆
積物によりレジスト・マスク４側壁面に形成される側壁
保護膜５が、見掛け上のマスク幅を漸次拡大させるた
め、図２に示されるように断面形状がテーパー化したゲ
ート電極３ｂが得られた。

【００４２】このようにテーパー化されたゲート電極３
ｂは、たとえば多層配線構造を有するデバイスの上層配
線として用いられた場合に、層間絶縁膜のステップ・カ
バレッジを改善する効果を有する。

【００４３】実施例３ 本実施例では、同様の多結晶シリコン・ゲート電極加工
において多結晶シリコン層のエッチングを２段階化し、
ジャストエッチング工程ではＣＳＦ₂ ガス、オーバーエ
ッチング工程ではＣＳＣｌ₂ ガスを用いた例である。ま
ず、前出の図１（ａ）に示される状態のウェハを有磁場
マイクロ波プラズマ・エッチング装置にセットし、一例
として下記の条件で多結晶シリコン層３をジャストエッ
チングした。

【００４４】 ＣＳＦ₂ 流量 １０ ＳＣＣＭ ガス圧 １．３ Ｐａ マイクロ波パワー ８５０ Ｗ（２．４５ ＧＨ
ｚ） ＲＦバイアス・パワー ３０ Ｗ（２ ＭＨｚ） ウェハ温度 ２０ ℃ このジャストエッチングは、ウェハ上の一部で下地のゲ
ート酸化膜２が露出した時点で停止させた。この過程で
は、Ｓｉとの反応性が高いＦ^* をエッチング種として用
いることにより、実施例１に比べてエッチング速度が約
２０％上昇した。

【００４５】続いて、一例として下記の条件でオーバー
エッチングを行い、多結晶シリコン層３の残余部を除去
した。 ＣＳＣｌ₂ 流量 １０ ＳＣＣＭ ガス圧 １．３ Ｐａ マイクロ波パワー ８５０ Ｗ（２．４５ ＧＨ
ｚ） ＲＦバイアス・パワー １０ Ｗ（２ ＭＨｚ） ウェハ温度 ２０ ℃ 上記の条件は、実施例１のエッチング条件とほぼ同じで
あるが、ＲＦバイアス・パワーを低減させた。このオー
バーエッチング工程では、エッチング種がＣｌ^* に変更
されたこと、および入射イオン・エネルギーが低減され
たことにより、実施例１に比べてゲート酸化膜２に対す
る選択比が向上した。

【００４６】実施例４ 本実施例では、同様の多結晶シリコン・ゲート電極加工
において、１段階エッチングで高選択性、高異方性を維
持しながら高速化を図るために、ＣＳＣｌ₂ ／ＣＳＦ₂
（フッ化チオカルボニル）混合ガスを用いた。エッチン
グ条件の一例を以下に示す。

【００４７】 ＣＳＣｌ₂ 流量 ５ ＳＣＣＭ ＣＳＦ₂ 流量 ５ ＳＣＣＭ ガス圧 １．３ Ｐａ マイクロ波パワー ８５０ Ｗ（２．４５ ＧＨ
ｚ） ＲＦバイアス・パワー ３０ Ｗ（２ ＭＨｚ） ウェハ温度 ２０ ℃ このエッチング過程では、Ｆ^* がエッチング種として寄
与することにより、Ｃｌ^* のみをエッチング種としてい
た実施例１に比べてエッチング速度が上昇した。しか
し、ＣＳＦ₂ からもＳやカーボン系ポリマーが生成する
ため、何ら異方性が劣化することはなかった。

【００４８】実施例５ 本実施例は、本発明をディープ・トレンチ加工に適用
し、ＣＳＣｌ₂ ガスを用いて単結晶シリコン基板をエッ
チングした例である。このプロセスを、図３を参照しな
がら説明する。本実施例においてエッチング・サンプル
として使用したウェハを、図３（ａ）に示す。このウェ
ハは、単結晶シリコン基板１１上に、所定の形状にパタ
ーニングされたレジスト・マスク１２が形成されたもの
である。ここで、上記レジスト・マスク１２は、ノボラ
ック系ポジ型フォトレジスト（東京応化工業社製；商品
名ＴＳＭＲ−Ｖ３）で構成されており、ｇ線ステッパに
よるフォトリソグラフィと現像処理を経て、約０．４μ
ｍの開口径を有する開口部１３が形成されている。

【００４９】このウェハを有磁場マイクロ波プラズマ・
エッチング装置にセットし、一例と下記の条件で単結晶
シリコン基板１１をエッチングした ＣＳＣｌ₂ 流量 ２０ ＳＣＣＭ ガス圧 １．３ Ｐａ マイクロ波パワー ８５０ Ｗ（２．４５ ＧＨ
ｚ） ＲＦバイアス・パワー ３０ Ｗ（２ ＭＨｚ） ウェハ温度 ２０ ℃ このエッチング過程では、ＣＳＣｌ₂ から生成するＣｌ
^* の寄与により単結晶シリコン基板１１のエッチングが
進行した。通常のディープ・トレンチ・エッチングで
は、高アスペクト比の異方性エッチングを行う必要から
入射イオン・エネルギーを高めた条件が採用されるが、
上述のＲＦバイアス・パワーにより得られる入射イオン
・エネルギーはそれほど大きくはない。しかし、図３
（ｂ）に示されるようにＳやカーボン系ポリマーにより
強固な側壁保護膜５が形成されるため、良好な異方性形
状を有するディープ・トレンチ１１ａを形成することが
できた。また、入射イオン・エネルギーの低減によりレ
ジスト・マスク１２に対する選択比が向上した他、単結
晶シリコン基板１１への照射損傷も大幅に軽減された。

【００５０】実施例６ 本実施例は、本発明をＷ−ポリサイド・ゲート電極加工
に適用し、まず上層側のＷＳｉ_x 層をＳ₂ Ｆ₂ ／Ｎ₂ 混
合ガスを用いてエッチングし、続いて下層側の多結晶シ
リコン層をＣＳＣｌ₂ ガスを用いてエッチングした例で
ある。このプロセスを、図４を参照しながら説明する。
なお、図４の参照符号は図１と一部共通である。

【００５１】本実施例において、エッチング・サンプル
として使用したウェハを図４（ａ）に示す。このウェハ
は、単結晶シリコン基板１上にＳｉＯ₂ からなる厚さ約
１０ｎｍのゲート酸化膜２を介してＷ−ポリサイド膜８
が形成され、さらにこの上に所定の形状にパターニング
されたレジスト・マスク４が形成されたものである。こ
こで、上記Ｗ−ポリサイド膜８は、ｎ型不純物をドープ
した厚さ約１００ｎｍの多結晶シリコン層６と、厚さ約
１００ｎｍのＷＳｉ_x 層７とが順次積層されたものであ
る。また、上記レジスト・マスク４は、ＫｒＦエキシマ
・レーザ・ステッパを用いたフォトリソグラフィと現像
処理によりパターニングされている。

【００５２】このウェハをＲＦバイアス印加型の有磁場
マイクロ波プラズマ・エッチング装置にセットし、一例
として下記の条件で上記Ｗ−ポリサイド膜８をエッチン
グした。 Ｓ₂ Ｆ₂ 流量 １０ ＳＣＣＭ Ｎ₂ 流量 １０ ＳＣＣＭ ガス圧 １．３ Ｐａ マイクロ波パワー ８５０ Ｗ（２．４５
ＧＨｚ） ＲＦバイアス・パワー ３０ Ｗ（２ ＭＨ
ｚ） ウェハ温度 ２０ ℃ このエッチング過程では、Ｓ₂ Ｆ₂ から解離生成するＦ
^* が主エッチング種として寄与することにより、Ｗ−ポ
リサイド膜８がＷＦ_x ，ＳｉＦ_x 等の形で除去された。
この過程で形成される側壁保護膜５には、前述のＳやカ
ーボン系ポリマーの他に、Ｓ₂ Ｆ₂ から放出されるＳ原
子とＮ₂ との反応により生成する（ＳＮ）_x 等の窒化イ
オウ系化合物が含まれている。これにより、極めて高い
側壁保護効果が得られ、図４（ｂ）に示されるように優
れた異方性形状を有するＷＳｉ_xパターン７ａが形成さ
れた。

【００５３】次に、エッチング条件を一例として下記の
ように変更し、多結晶シリコン層６をエッチングした。 ＣＳＣｌ₂ 流量 １０ ＳＣＣＭ ガス圧 １．３ Ｐａ マイクロ波パワー ８５０ Ｗ（２．４５
ＧＨｚ） ＲＦバイアス・パワー ３０ Ｗ（２ ＭＨ
ｚ） ウェハ温度 ２０ ℃ ポリサイド膜８の下層側の多結晶シリコン層６をエッチ
ングする工程では、下地のゲート酸化膜２に対して高選
択比を達成することが必要となる。本実施例では、上記
のようにエッチング反応系からＦ^* を除外してＣｌ^* に
よるエッチングを進行させることにより、ゲート酸化膜
２に対して高選択比が達成され、また継続的に側壁保護
膜５が形成されることにより優れた異方性形状を有する
多結晶シリコン・パターン６ａが得られた。結果とし
て、異方性形状を有するゲート電極８ａを完成すること
ができた。

【００５４】実施例７ 本実施例では、Ｗ−ポリサイド膜の１段階エッチングを
可能とするため、ＣＳＣｌ₂ ガスを用いるＷ−ポリサイ
ド膜のエッチングをウェハを加熱しながら行った。この
プロセスを、前出の図４（ａ）および図４（ｃ）を参照
しながら説明する。

【００５５】まず、前出の図４（ａ）に示したウェハに
対し、一例として下記の条件でＷ−ポリサイド膜８をエ
ッチングした。 ＣＳＣｌ₂ 流量 ５０ ＳＣＣＭ ガス圧 １．３ Ｐａ マイクロ波パワー ８５０ Ｗ（２．４５
ＧＨｚ） ＲＦバイアス・パワー ５０ Ｗ（２ ＭＨ
ｚ） ウェハ温度 １２０ ℃

【００５６】このエッチング過程における反応生成物Ｗ
Ｃｌ_x は、常温常圧下では融点が高く蒸気圧の低い化合
物であるが、上述のように高真空下でウェハが加熱され
ることにより脱離に十分な蒸気圧が付与され、エッチン
グは速やかに進行した。この結果、前述の機構により側
壁保護膜５が形成されながら、図４（ｃ）に示されるよ
うな異方性形状に優れるゲート電極８ａが形成された。
また、エッチング反応系にＦ^* が含まれていないことか
ら、下地のゲートＳｉＯ₂ 膜２に対しても高選択比が確
保された。

【００５７】なお、上述のような加熱条件下では通常、
レジスト・マスク４に対する選択性の低下が懸念され
る。しかし、本実施例ではレジスト・マスク４の表面に
おいてＳやカーボン系ポリマー等の堆積性物質の堆積過
程とスパッタ除去過程とが競合するため、レジスト・マ
スク４に対しても十分に高い選択性が確保された。

【００５８】実施例８ 本実施例では、レジスト・マスクを用いた上述の各実施
例とは異なり、使用後のＴｉＯＮ反射防止膜をパターニ
ングしてエッチング・マスクとして用い、ＣＳＣｌ₂ ／
Ｓ₂ Ｂｒ₂ 混合ガスを用いてＷ−ポリサイド膜を１段階
エッチングした。このプロセスを、図５を参照しながら
説明する。なお、図５の参照符号は、図４と一部共通で
ある。

【００５９】図５（ａ）は、レジスト・マスク４が形成
された段階のウェハの状態を示している。このウェハ
は、前出の図４（ａ）に示したウェハとは異なり、Ｗ−
ポリサイド膜８の表面に厚さ約４０ｎｍのＴｉＯＮ反射
防止膜９が形成されたものである。レジスト・マスク４
は、このＴｉＯＮ反射防止膜９の存在によりＫｒＦエキ
シマ・レーザ露光時にＷＳｉ_x 層７からの強い反射光の
影響を免れており、良好な異方性形状にパターニングさ
れている。

【００６０】ここで、使用後のＴｉＯＮ反射防止膜９か
らエッチング・マスクを形成するため、上記のウェハを
マグネトロンＲＩＥ装置にセットし、一例として下記の
条件でこのＴｉＯＮ反射防止膜９をエッチングした。 ｃ−Ｃ₄ Ｆ₈ 流量 ３０ ＳＣＣＭ Ｏ₂ 流量 ２０ ＳＣＣＭ ガス圧 １．３ Ｐａ ＲＦパワー １０００ Ｗ（１３．５６
ＭＨｚ） 上記ｃ−Ｃ₄ Ｆ₈ （オクタフルオロシクロブタン）は、
いわゆる高次フルオロカーボン化合物の一種である。こ
のエッチング過程では、ｃ−Ｃ₄ Ｆ₈ から生成する大量
のＣＦ_x ⁺ により高速イオン・アシスト反応が進行し、
ＴｉＯＮ反射防止膜パターン９ａが形成された。

【００６１】次に、このウェハをプラズマ・アッシング
装置に移設し、通常のＯ₂ プラズマ・アッシング条件に
よりレジスト・マスク４を除去した。この結果、図５
（ｂ）に示されるように、Ｗ−ポリサイド膜８の表面に
ＴｉＯＮ反射防止膜パターン９ａがエッチング・マスク
として残された状態となった。

【００６２】次に、このウェハを有磁場マイクロ波プラ
ズマ・エッチング装置に移設し、一例として下記の条件
でＷ−ポリサイド膜８をエッチングした。 ＣＳＣｌ₂ 流量 ２０ ＳＣＣＭ Ｓ₂ Ｂｒ₂ 流量 ５０ ＳＣＣＭ ガス圧 １．３ Ｐａ マイクロ波パワー ８５０ Ｗ（２．４５
ＧＨｚ） ＲＦバイアス・パワー ５０ Ｗ（１３．５６
ＭＨｚ） ウェハ温度 １００ ℃ このエッチング過程では、実施例７と異なり、エッチン
グ反応生成物としてＷＣｌ_x の他にＷＢｒ_x が生成す
る。ＷＢｒ_x の蒸気圧はＷＣｌ_x の蒸気圧よりも高いた
め、本実施例では実施例７と比べてウェハ温度をやや低
く設定しても速やかにエッチングを進行させることがで
きた。また、前述の機構にもとづいて図５（ｃ）に示さ
れるような側壁保護膜５が形成されることにより、異方
性形状を有するゲート電極８ａが形成された。

【００６３】ところで、このエッチング過程のいまひと
つの重要な特徴は、エッチング・マスクであるＴｉＯＮ
反射防止膜パターン９ａに対して高選択性が達成される
メカニズムにある。つまり、ＴｉＯＮ反射防止膜パター
ン９ａの表面において、Ｃｌ^* ，Ｂｒ^* 等の作用により
Ｔｉ原子が引き抜かれると同時にＮ原子のダングリング
・ボンドが生成し、このダングリング・ボンドにプラズ
マ中のＳ原子が結合して窒化イオウ系化合物からなる表
面保護膜１０が形成されるからである。この表面保護膜
１０の優れた効果により、かくも薄いＴｉＯＮ反射防止
膜パターン９ａがエッチング・マスクとして十分な機能
を発揮するわけである。

【００６４】また、本実施例ではレジスト・マスクが用
いられていないことにより、Ｃ原子によるゲート酸化膜
２の還元作用を大幅に抑制することができ、ゲート酸化
膜２に対して１００以上もの選択比を達成することがで
きた。なお、上記側壁保護膜５および表面保護膜１０
は、レジスト・マスク４をアッシングする工程において
同時に除去することができた。

【００６５】以上、本発明を８例の実施例にもとづいて
説明したが、本発明はこれらの各実施例に何ら限定され
るものではない。たとえば、放電解離条件下でプラズマ
中に遊離のＳを放出できるイオウ系化合物としては、上
述のＳ₂ Ｆ₂ ，Ｓ₂ Ｂｒ₂ の他、ＳＦ₂ ，ＳＦ₄ ，Ｓ₂
Ｆ₁₀等の他のフッ化イオウ、Ｓ₂ Ｃｌ₂ ，Ｓ₃ Ｃｌ₂ ，
ＳＣｌ₂ 等の塩化イオウ、Ｓ₃ Ｂｒ₂ ，ＳＢｒ₂ 等の臭
化イオウ、Ｈ₂ Ｓ等を使用することができる。

【００６６】以上のイオウ系化合物とチオカルボニル化
合物の組み合わせは任意であるが、特にポリサイド膜の
エッチングを行う場合には、高融点金属のハロゲン化物
の蒸気圧を考慮して、エッチングの進行を妨げない工夫
をすることが、高速化、低汚染化を図る観点から特に望
ましい。エッチング・ガスに添加される窒素系化合物と
しては、上述のＮ₂ の他、ＮＦ₃ 等を用いることができ
る。ＮＨ₃ は、Ｓと反応して蒸気圧の低い硫化アンモニ
ウムを生成させる虞れがあるので、推奨されない。

【００６７】さらに、エッチング・ガスには、スパッタ
リング効果，冷却効果，希釈効果を得る目的でＨｅ，Ａ
ｒ等の希ガスが添加されていても良い。

【００６８】高融点金属シリサイド層は、上述のＷＳｉ
_x 層の他、ＭｏＳｉ_x 層，ＴｉＳｉ_x 層，ＴａＳｉ_x 層
等であっても良い。ポリサイド膜の下層側は上述のよう
に多結晶シリコン層を用いるのが一般的であるが、本願
出願人が先に特開昭６３−１６３号公報に開示したよう
に、不純物を導入した非晶質シリコン層を用いても良
い。多結晶シリコン層も非晶質シリコン層も、エッチン
グ特性はほぼ同じである。この非晶質シリコン層も、最
終的にＭＯＳ−ＦＥＴのゲート電極として機能する段階
では多結晶シリコン層に変化しているので、上記ゲート
電極は従前のポリサイド・ゲート電極と同じ構成とな
る。それは、ソース／ドレイン領域に注入された不純物
を拡散させるための熱処理工程で、非晶質が多結晶に変
化するからである。

【００６９】この他、使用するエッチング装置、エッチ
ング条件、ウェハの構成等は適宜変更可能であることは
言うまでもない。

【００７０】

【発明の効果】以上の説明からも明らかなように、本発
明ではシリコン系材料層のエッチングにおいて、エッチ
ング・ガスの成分としてチオカルボニル化合物を用いる
ことにより、カーボン系ポリマーの膜質を強化すると共
に、Ｓを側壁保護膜の構成成分として寄与させることが
できるようになる。したがって、異方性加工に必要な入
射イオン・エネルギーを低下させることができ、高選
択，低ダメージ加工が可能となる。しかも、炭素系ポリ
マーの堆積量を相対的に減ずることができるので、従来
プロセスに比べて低汚染性であり、かつゲート酸化膜に
対する選択性も向上する。また上記プロセスは、従来の
低温エッチングのような中低温域〜極低温域におよぶウ
ェハ冷却を必要とせず、実用的なウェハ温度域で実施で
きる。

【００７１】したがって本発明は、微細なデザイン・ル
ールにもとづいて設計され、高集積度，高性能，高信頼
性を要求される半導体装置の製造に極めて好適である。
もちろん、本発明が有望な脱ＣＦＣ対策であることは言
うまでもない。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明を多結晶シリコン・ゲート電極加工に適
用したプロセス例をその工程順にしたがって示す概略断
面図であり、（ａ）は多結晶シリコン層上にレジスト・
マスクが形成された状態、（ｂ）はゲート電極が形成さ
れた状態をそれぞれ表す。

【図２】多結晶シリコン・ゲート電極加工の他のプロセ
ス例において、テーパー化した断面形状を有するゲート
電極が形成された状態を示す概略断面図である。

【図３】本発明をディープ・トレンチ加工に適用したプ
ロセス例をその工程順にしたがって示す概略断面図であ
り、（ａ）は単結晶シリコン基板上にレジスト・マスク
が形成された状態、（ｂ）はディープ・トレンチが形成
された状態をそれぞれ表す。

【図４】本発明をＷ−ポリサイド・ゲート電極加工に適
用したプロセス例をその工程順にしたがって示す概略断
面図であり、（ａ）はＷ−ポリサイド膜上にレジスト・
マスクが形成された状態、（ｂ）はＷＳｉ_x 層がエッチ
ングされた状態、（ｃ）は多結晶シリコン層がエッチン
グされ、ゲート電極が完成された状態をそれぞれ表す。

【図５】本発明をＷ−ポリサイド・ゲート電極加工に適
用した他のプロセス例をその工程順にしたがって示す概
略断面図であり、（ａ）はＷ−ポリサイド膜上にＴｉＯ
Ｎ反射防止膜を介してレジスト・マスクが形成された状
態、（ｂ）はＴｉＯＮ反射防止膜パターンが形成された
状態、（ｃ）はＴｉＯＮ反射防止膜パターンをマスクと
してＷ−ポリサイド膜がエッチングされた状態、（ｄ）
は側壁保護膜と表面保護膜が除去された状態をそれぞれ
表す。

【符号の説明】

１，１１ ・・・単結晶シリコン基板 ２ ・・・ゲート酸化膜 ３，６ ・・・多結晶シリコン層 ３ａ，３ｂ・・・（多結晶シリコン）ゲート電極 ４，１２ ・・・レジスト・マスク ５ ・・・側壁保護膜 ７ ・・・ＷＳｉ_x 層 ８ ・・・Ｗ−ポリサイド膜 ８ａ ・・・（Ｗ−ポリサイド）ゲート電極 ９ａ ・・・ＴｉＯＮ反射防止膜パターン １０ ・・・表面保護膜 １１ａ ・・・ディープ・トレンチ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01L 21/3065 C23F 4/00

Claims (6)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 分子内にハロゲン原子とチオカルボニル
   基とを有するチオカルボニル化合物を含むエッチング・
   ガスを用いてシリコン系材料層をエッチングすることを
   特徴とするドライエッチング方法。
2. 【請求項２】 Ｓ₂ Ｆ₂ ，ＳＦ₂ ，ＳＦ₄ ，Ｓ₂ Ｆ₂ か
   ら選ばれる少なくとも１種類のフッ化イオウを含むエッ
   チング・ガスを用い、ポリサイド膜の上層側を構成する
   高融点金属シリサイド層をエッチングする工程と、 分子内にフッ素原子以外のハロゲン原子とチオカルボニ
   ル基とを有するチオカルボニル化合物を含むエッチング
   ・ガスを用い、前記ポリサイド膜の下層側を構成する多
   結晶シリコン層をエッチングする工程とを有することを
   特徴とするドライエッチング方法。
3. 【請求項３】 分子内にフッ素原子以外のハロゲン原子
   とチオカルボニル基とを有するチオカルボニル化合物を
   含むエッチング・ガスを用い、多結晶シリコン層と高融
   点金属シリサイド層とがこの順に積層されてなるポリサ
   イド膜を、該ポリサイド膜を保持する基体を加熱しなが
   らエッチングすることを特徴とするドライエッチング方
   法。
4. 【請求項４】 前記エッチング・ガスがＨ₂ ，Ｈ₂ Ｓ，
   シラン系化合物から選ばれる少なくとも１種類のハロゲ
   ン・ラジカル消費性化合物を含むことを特徴とする請求
   項１ないし請求項３のいずれか１項に記載のドライエッ
   チング方法。
5. 【請求項５】 前記エッチング・ガスが放電解離条件下
   で遊離のイオウを放出し得るイオウ系化合物を含むこと
   を特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に
   記載のドライエッチング方法。
6. 【請求項６】 前記エッチング・ガスが窒素系化合物を
   含むことを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれ
   か１項に記載のドライエッチング方法。