JP3454951B2 - 半導体装置の作製方法 - Google Patents
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Description
方法に関し、特に結晶性のシリコン(すなわち、単結
晶、多結晶等の結晶状態の(結晶性を有する)シリコ
ン)を主成分とする材料の(準)異方性エッチングに関
する。本発明はこのような材料を実質的にプラズマを用
いないでエッチングする方法に関する。
各種のドライエッチング法が開発された。特に微細化に
よって、アスペクト比(縦と横の比率)が高くなるにつ
れ、異方性エッチング(垂直方向に選択的にエッチング
が進行するエッチング方法)技術が必要とされるように
なった。このような微細加工は、特に、半導体基板、ゲ
イト電極・配線等のシリコンを主成分とする材料の加工
において要求され、そのため、これらの材料の異方性エ
ッチング技術が重要であった。
F6 その他のフッ化物気体をプラズマによって電離させ
ることによって、フッ素活性種を発生させ、これとシリ
コンを反応させ、揮発性のフッ化珪素としてエッチング
する方法が一般的であった。しかしながら、このような
エッチング工程においては、エッチングガス中に含まれ
る炭素や硫黄がシリコンと化合して半導体素子に混入す
る危険性があり、また、長期間エッチングに使用したチ
ャンバー内壁にはテフロン状のポリマーが付着するとい
う問題点があった。
させねばならず、それによる半導体素子へのプラズマダ
メージが素子信頼性を低下させるという問題もあった。
一方、シリコンを主成分とする材料のエッチングガスと
してはフッ化ハロゲン、すなわち、化学式XFn (Xは
フッ素以外のハロゲン、nは整数)で示される物質(例
えば、ClF、ClF3 、BrF、BrF3 、IF、I
F3 等)が知られている。これらの材料は極めて強力な
フッ化作用を有するため、プラズマによって活性種を発
生させなくともエッチングできる(ガスエッチング)と
いう特徴があった。しかし、通常のガスエッチングにお
いては、通常のウェットエッチングと同様、エッチング
が横方向も縦方向も同様に進行し、垂直方向のみをエッ
チングして、異方性を付与することができなかった。
問題を解決せんとしてなされたものである。すなわち、
エッチングガスとしてフッ化ハロゲンを用い、実質的に
プラズマを用いないで(準)異方性エッチングをおこな
う方法を提供することを課題とする。この結果、炭素や
硫黄というようなシリコン半導体にとって好ましくない
異元素を素子中に混入させることがなくなる。また、エ
ッチングチャンバーのメンテナンスも容易となる。もち
ろん、半導体素子のプラズマダメージも減少し、信頼性
も向上させることが可能である。
べき多結晶もしくは単結晶のシリコン被膜、シリコン基
板等に対して選択的に水素もしくはシリコンもしくはヘ
リウム、アルゴン等の希ガスのイオンを加速して照射
し、選択的に非晶質化せしめる。本発明人の研究によれ
ば、単結晶シリコンはフッ化ハライドによってもっとも
エッチングされにくく、以下、多結晶シリコン、非晶質
シリコンと続く。ClF3 による多結晶シリコンのエッ
チングレートは、非晶質シリコンの約2倍である。
トの差に着目したものであり、すなわち、意図的に非晶
質シリコンを形成することにより、(準)異方性エッチ
ングが可能となる。図1にその原理を説明する。図1に
おいては、基板1上に堆積された結晶性シリコン被膜2
をエッチングする場合を示す。公知のフォトリソグラフ
ィー法により、フォトレジストのマスク3を形成し、エ
ッチングすべき部分の開孔部を形成する。(図1
(A))
ンイオンもしくはアルゴン、ヘリウム等の希ガスイオン
を照射し、開孔部4のシリコン領域に非晶質領域5を形
成する。非晶質化を効率的におこなうには、イオンとし
て質量の大きなシリコンやアルゴン、キセノン、クリプ
トンを用いることが有効でる。水素は軽いので、非晶質
化という点では劣るが、水素がフッ化ハロゲンとシリコ
ンとの反応を促進させるため、水素を1×1021原子/
cm3 以上の高濃度に有せしめたシリコンは非常に選択
的にエッチングできる。また、シリコンの用途によって
はイオンに硼素のようなフッ化ハロゲンによって気体の
フッ化物を生成する材料を用いてもよい。(図1
(B))
くと、シリコン膜およびフォトレジストがエッチングさ
れる。フッ化ハロゲンの濃度、温度、流量等によってエ
ッチング速度が制御できる。図1(C)は、エッチング
途中のものを示したもので、フォトレジストの初期の表
面6(点線)はエッチングされて、7で示される部分ま
で後退する。また、開孔部4では、非晶質領域5が選択
的にエッチングされ。同時に非晶質領域の周囲の結晶性
シリコン膜もエッチングされるが、その程度は小さい。
このようにして、エッチング端面がほぼ垂直に切り立っ
た孔8が形成される(図1(C))
1(D)に示される。このように、本発明では側面への
エッチングを完全に抑制することができないので、準異
方性エッチングである。側面のエッチングを抑制するに
は非晶質シリコンのエッチング速度を結晶性シリコンの
ものよりも大幅に大きくすればよい。(図1(D)) もし、本発明を用いないで、単にフッ化ハロゲンによる
エッチングだけをおこなうのであれば、図1(E)に示
されるように、エッチング端面のなだらかな等方性エッ
チングとなる。(図1(E))
を用いて選択的にイオンを照射し、結晶性シリコン膜の
非晶質化を施したが、その他に、イオンの進入深さを制
御することによっても、選択的に非晶質領域を形成でき
る。その例を図2に示す。まず、基板11上に結晶性シ
リコンの配線12と、これを覆う結晶性シリコン被膜1
3を形成する。(図2(A))
ガスイオンを照射し、結晶性シリコン膜等に非晶質化領
域14を形成する。ただし、イオンの加速電圧によっ
て、その進入深さが制御でき、深い部分にはイオンが進
入できないため、結晶性が保たれる。この場合、シリコ
ン膜13は底部まで非晶質化していることが望ましい。
また、シリコンの配線12の上部も一部非晶質化されて
もよい。深さの制御に関しては、イオン半径の小さな水
素イオンを用いるよりもイオン半径の大きなシリコンや
アルゴン、クリプトン、キセノンのイオンを用いるほう
が好ましい。(図2(B))
き、シリコン膜等をエッチングする。すると、表面から
エッチングが開始されるが、やがて、非晶質化していな
い部分に達する。しかし、イオンによって非晶質化した
部分が優先的にエッチングされるため、図2(C)に示
すように、非晶質化していない部分がシリコン配線の側
面に三角形17のような形状で残る。その他の非晶質化
した部分は図において16で示される程度までエッチン
グされる。図において点線16は当初のシリコン膜を示
す。(図2(C))
(D)に示される。シリコン配線12’(当初のシリコ
ン配線の上部がエッチングされる)の側面にシリコン膜
によって概略三角形状の側壁18を形成することができ
る。実施例でも示すが、このような側壁は半導体素子を
形成する際に有益である。(図2(D))
タを作製する例を図4を用いて説明する。半導体集積回
路のデザインルールが縮小するにしたがって、電界効果
トランジスタにおいては、ドレイン−チャネル間の電界
強度の急峻さにより、ホットキャリヤ注入現象が生じる
ようになった。このようなデザインルールの縮小(すな
わち、チャネルが短くなること)による特性の劣化を一
般に短チャネル効果という。このような短チャネル効果
を抑制する方法として、図3に示すような低濃度不純物
領域(低濃度ドレイン、LDD)306、307を有す
るMIS型電界効果トランジスタが開発された。
ネル形成領域、あるいはドレイン305とチャネル形成
領域の間に、ソース/ドレインより低濃度のLDD30
6、307が設けられたために、電界を緩和する効果が
生じ、ホットキャリヤの発生を抑制することができた。
図3に示すようなLDDはまず、ゲイト電極301を形
成した後に、ドーピングをおこない、低濃度不純物領域
を形成し、その後、酸化珪素等の材料によってサイドウ
ォール302を形成し、これをマスクとして自己整合的
にドーピングをおこなって、ソース/ドレインを形成す
る方法が採用された。
せず、さらなる短チャネル化によっては、LDD上のゲ
イト絶縁膜にホットキャリヤがトラップされる現象が生
じた。そして、このようなホットキャリヤ、特にホット
エレクトロンのトラップによって、LDDの導電型が反
転してしまい、しきい値の変動や、サブスレシュホール
ド係数の増加、パンチスルー耐圧の低下という短チャネ
ル効果が避けられなくなった。
をもゲイト電極で覆った、オーバーラップLDD構造
(GOLD)構造が提唱された。この構造を採用すれ
ば、上記のようなLDD上のゲイト絶縁膜にホットキャ
リヤがトラップされたことによる特性の劣化は避けるこ
とができる。しかしながら、GOLDを作製することは
容易ではなかった。これまでに報告されているGOLD
構造のMIS型電界効果トランジスタとしては、IT−
LDD構造(T.Y.Huang:IEDM Tec
h.Digest 742(1986))がある。その
作製方法の概略を図5に示す。
縁物502とゲイト絶縁膜503を形成した後、多結晶
シリコン等の導電性被膜504を成膜する。(図5
(A)) そして、導電性被膜504を適度にエッチングし、ゲイ
ト電極506を形成する。このとき注意しなければなら
ないのは、導電性被膜504を全てエッチングしてしま
うのではなく、適当な厚さ(100〜1000Å)だ
け、残して薄い導電性被膜507とすることである。こ
のため、このエッチング工程は極めて難しい。(点線で
示される505は元の導電性被膜である。)
ゲイト絶縁膜503を通して、スルードーピングによ
り、LDD508、509を形成する。この際に、導電
性被膜が厚いと十分にスルードピングできない。また、
基板間、バッチ間で導電性被膜の厚さが異なると、ドー
ズ量がバラツクこととなる。(図5(B)) その後、全面に酸化珪素等の材料で被膜510を成膜す
る。(図5(C)) そして、従来のLDD構造を作製する場合と同様に被膜
510を異方性エッチング法によりエッチングすること
により、サイドウォール512を形成する。このエッチ
ング工程では薄い導電性被膜507もエッチングする。
そして、このようにして形成したサイドウォールをマス
クとして、自己整合的にドーピングをおこない、ソース
513、ドレイン514を形成する。(図5(D))
配線516、ドレイン電極・配線517を形成してMI
S型電界効果トランジスタが完成する。(図5(E)) 図から明らかなように、ゲイト電極の部分が逆T字(I
nverse−T)であるので、IT−LDDと呼ばれ
る。そして、ゲイト電極の薄い部分がLDD上に存在す
るため、LDD表面のキャリヤ密度もゲイト電極によっ
てある程度制御できる。その結果、LDDの不純物濃度
をより小さくしてもLDDの直列抵抗によって相互コン
ダクタンスが減少したり、LDD上の絶縁膜中に注入さ
れたホットキャリヤによってデバイス特性が変動するこ
とが少なくなる。
ものではなく、全てのGOLD構造に共通することであ
る。そして、LDDの不純物濃度を低くできるので電界
緩和効果も大きく、また、LDDの浅くできるので、短
チャネル効果やパンチスルーも抑制できる。
は、IT−LDD構造以外には効果的な方法がなかっ
た。従来のLDD構造において、単にサイドウォールを
シリコンを主成分とする導電性被膜で構成することは実
用的でなかった。それは、サイドウォールを形成する際
のエッチングが、酸化珪素を主成分とするゲイト絶縁膜
でストップさせることが難しく、基板を大きくエッチン
グする可能性があったためである。これは、従来のドラ
イエッチングプロセスでは、シリコンをエッチングする
際の酸化珪素との選択比が十分に大きくないことと、ゲ
イト電極(=サイドウォール)の厚さに比較してゲイト
絶縁膜の厚さが1/10程度と小さかったためである。
利点を多く有するものの、その作製方法が極めて難しい
という問題があった。特に図5(B)の導電性被膜のエ
ッチングの制御が極めて難しかった。もし、基板間、基
板内で薄い導電性被膜507の厚さにバラツキがある
と、ソース/ドレインの不純物濃度が変動してしまい、
よって、トランジスタの特性がバラつくこととなる。
ウォールをシリコンを主成分とする(純度95%以上の
シリコンよりなる)材料とすることが可能となる。すな
わち、サイドウォールをゲイト電極の一部とすることに
より、GOLD構造を得ることができる。このような構
造を得るために、シリコンを主成分とする材料よりなる
導電性被膜をゲイト電極の中央部となる部分を覆って成
膜したのち、本発明を実施することによって、異方性エ
ッチングをおこなえばよい。
ためのエッチングにおいて、サイドウォール材料とゲイ
ト絶縁膜材料とのエッチングの選択比を十分に大きくす
ることも可能となる。これはフッ化ハライドが酸化珪素
をほとんどエッチングしないという特性を有しているた
めである。その結果、半導体基板のオーバーエッチング
が回避できるのみか、ゲイト絶縁膜のオーバーエッチン
グも無くなる。
おいてゲイト電極に相当する部分(図3の301)はゲ
イト電極であるが、それはゲイト電極の全てではないと
いう意味で、ゲイト電極の中央部と称する。また、従来
のLDD構造のサイドウォールに相当する部分(図3の
302)もシリコンを主成分とする材料によって構成さ
れた導電性材料で、同時にゲイト電極の一部であるの
で、サイドウォールという呼び名以外にゲイト電極の側
部とも称することとする。
板401上に公知のLOCOS形成法によって、厚さ3
000Å〜1μmのフィールド絶縁物402を形成し
た。また、ゲイト絶縁膜として、厚さ100〜500Å
の酸化珪素膜403を熱酸化法によって形成した。さら
に、熱CVD法によって燐をドーピングして導電率を高
めた多結晶シリコン膜(厚さ2000〜5000Å)を
堆積し、これをエッチングしてゲイト電極の中央部40
4を形成した。そして、ゲイト電極の中央部404をマ
スクとして自己整合的に燐のイオン注入をおこない、低
濃度のN型不純物領域(=LDD)405、406を形
成した。LDDの燐の濃度は1×1016〜1×1017原
子/cm3 、深さは300〜1000Åとすると好まし
かった。(図4(A))
グして導電率を高めた多結晶シリコン膜(厚さ2000
Å〜1μm)407を成膜した。なお、シリコン膜40
7の結晶性は、フッ化ハロゲンによるエッチング選択
比、ひいては本発明の(準)異方性エッチングのアスペ
クト比を高めるうえで重要であるが、非晶質シリコンに
ニッケル等の元素を微量添加して熱アニールすることに
より結晶化せしめた結晶性シリコンは極めて結晶性が良
かった。ニッケル等を添加して結晶化する技術につい
て、特開平6−244103、同6−244205、同
6−296020、同6−296023他に示されてい
る。(図4(B))
をおこなった。本実施例は図2に示された原理を用いて
おこなった。まず、イオン注入法により、1×1014〜
5×1015原子/cm2 のドーズ量のシリコンイオンを
注入した。加速電圧は50〜200kVが好ましかっ
た。この結果、多結晶シリコン膜407のうち、ゲイト
電極404の側面の部分以外が非晶質化した。次に、基
板を石英チャンバー中に置き、窒素とClF3 を導入し
た。ClF3の流量は500sccm、窒素の流量は5
00sccmとし、チャンバー内の圧力は1〜5tor
rとした。
極の中央部404の側面の非晶質化しなかった部分を除
いてエッチングされ(図の点線408は元の多結晶シリ
コン膜を示す)、ゲイト電極の中央部の側面にゲイト電
極の側部(サイドウォール)409が形成された。本実
施例の条件では、非晶質シリコンのエッチング速度は多
結晶シリコンの約2倍の準異方性エッチングであったの
で、ゲイト電極の側部409の形状は完全な異方性エッ
チングの場合に比較して、やや幅が狭くなった。(図4
(C))
ト電極をマスクとして自己整合的にドーピングをおこな
い、ソース410、ドレイン411を作製した。砒素の
濃度は1×1019〜5×1020原子/cm3 とした。そ
して、熱アニール処理により、LDDおよびソース/ド
レインの再結晶化をおこなった。(図4(D)) その後、熱CVD法によって、層間絶縁物として、厚さ
3000Å〜1μmの酸化珪素膜412を堆積した。そ
して、これにコンタクトホールを形成し、ソース電極4
13、ドレイン電極414を形成した。このようにし
て、GOLD型トランジスタを作製することができた。
(図4(E))
て重要なシリコン基板のエッチング、あるいは多結晶シ
リコン配線のエッチングをおこなうことができる。しか
も、本発明のエッチングにおいては、炭素や硫黄が副産
することがないので、半導体素子の特性に悪影響を及ぼ
すことがない。また、長期間にわたってエッチングをお
こなっても、チャンバーの内壁にポリマー等が付着する
ことはなく、メンテナンスが容易である。
用いることがないので、半導体素子の信頼性を高めるこ
とができる。特に本発明の対象とする、半導体基板、ゲ
イト電極・配線等において、プラズマのダメージがない
ことは有利である。実施例では、GOLD構造の電界効
果トランジスタを作製する例について記述したが、その
他の場合においても本発明は効果的である。また、半導
体基板上の素子以外に、絶縁基板上に形成されるTFT
に本発明を適用しても同様な効果が得られることは言う
までもない。このように本発明は工業上、有益な発明で
ある。
す。
方法を示す。
作製方法を示す。
ング部分 11 基板 12 結晶性シリコンの配線 13 結晶性シリコン膜 14 非晶質化した部分 15 元の結晶性シリコン膜 16 エッチングされたシリコン膜 17、18 側壁
Claims (4)
- 【請求項1】 結晶性シリコンを主成分とする膜を形成
する工程と、 前記結晶性シリコンを主成分とする膜に水素イオンを添
加して非晶質な部分を選択的に形成する工程と、 前記非晶質な部分をフッ化ハロゲンガスによってエッチ
ング処理する工程と、を有する半導体装置の作製方法で
あって、 前記結晶性シリコンを主成分とする膜に水素イオンを添
加して非晶質な部分を選択的に形成する工程は、前記結
晶性シリコンを主成分とする膜に1×1021原子/cm
3以上の加速した水素イオンを照射して前記エッチング
処理のエッチング選択比を向上させるものであり、 前記エッチング処理は、プラズマを用いないで行われる
ことを特徴とする半導体装置の作製方法。 - 【請求項2】 第1の結晶性シリコンを主成分とする膜
からなる配線を形成する工程と、 前記配線を覆って、第2の結晶性シリコンを主成分とす
る膜を形成する工程と、 前記第2の結晶性シリコンを主成分とする膜に水素イオ
ンを添加して非晶質な部分を選択的に形成する工程と、 前記非晶質な部分をフッ化ハロゲンガスによってエッチ
ング処理し、前記配線の側部に接して結晶性のシリコン
を主成分とする材料からなるサイドウォールを形成する
工程と、を有する半導体装置の作製方法であって、 前記結晶性シリコンを主成分とする膜に水素イオンを添
加して非晶質な部分を選択的に形成する工程は、前記結
晶性シリコンを主成分とする膜に1×1021原子/cm
3以上の加速した水素イオンを照射して前記エッチング
処理のエッチング選択比を向上させるものであり、 前記エッチング処理は、プラズマを用いないで行われる
ことを特徴とする半導体装置の作製方法。 - 【請求項3】 請求項1又は2において、 前記エッチング処理は、添加する前記イオンの加速電圧
を調整して前記結晶性シリコンを主成分とする膜への浸
入深さを制御する工程を有することを特徴とする半導体
装置の作製方法。 - 【請求項4】 請求項1から3のいずれか一項におい
て、 前記フッ化ハロゲンは、ClF、ClF3、BrF、B
rF3、IFまたはIF3であることを特徴とする半導体
装置の作製方法。
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