JP3644013B2

JP3644013B2 - 半導体装置の製造方法

Info

Publication number: JP3644013B2
Application number: JP2000055410A
Authority: JP
Inventors: 和弘三輪; 英之片岡
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 2000-03-01
Filing date: 2000-03-01
Publication date: 2005-04-27
Anticipated expiration: 2020-03-01
Also published as: JP2001244247A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は半導体装置の製造方法に関し、特に、薄い酸化膜上に設けた非単結晶シリコン薄膜を高い選択比でプラズマエッチングするための手段に特徴のある半導体装置の製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年の半導体集積回路装置の集積度の向上に伴って半導体素子の微細化が求められており、例えば、ＭＯＳＦＥＴの微細化に伴ってゲート電極及びゲート絶縁膜の薄層化が進んでいる。
【０００３】
この様な多結晶シリコン膜／酸化膜からなるゲート構造をパターニングしてゲート電極を形成する際に、通常はドライ・エッチング法を用いており、例えば、ハロゲン／Ｏ₂の混合ガスを用いてプラズマエッチングしている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
この場合、多結晶シリコンのゲート酸化膜に対するエッチング選択比が小さいと、下地酸化膜や、その下部のシリコン基板もエッチングされて基板がダメージを受ける場合があり、特に、ゲート酸化膜が薄い場合に問題となる。
【０００５】
また、ゲート酸化膜に対する多結晶シリコンのエッチング選択比が、エッチング工程中に一定の値に安定しないこともある。
【０００６】
このようにゲート酸化膜に対する多結晶シリコンのエッチング選択比が小さかったり或いは変動したりする場合、ゲート電極を良好に形成することが出来ないという問題がある。
【０００７】
また、エッチング選択比の変化はリアルタイムで直接検出できないため、多結晶シリコンのゲート酸化膜に対するエッチング選択比が変動したまま連続的にプロセス処理してしまい、ウェハ間でプロセス結果が異なる場合が生ずる。
【０００８】
また、Ｓ₂Ｆ₂等のフッ化硫黄を用いて多結晶ゲート電極をパターニングする際に、ゲート酸化膜に対して高いエッチング選択比で多結晶シリコン膜をプラズマエッチングするために、エッチング装置をプラズマ生成室とエッチング反応室とに分割し、プラズマ生成室の内壁にシリコン部材を設け、過剰なＦラジカルをＳｉＦ_xの形でエッチング反応室の外へ排出してＦラジカルを低減することが提案されている（必要ならば、特開平４−３３４０２１号公報参照）。
なお、この場合のシリコン部材は、単結晶シリコンダミーウェハや、ＣＶＤ法によって被着したアモルファスシリコン膜や多結晶シリコン膜を用いるものである。
【０００９】
しかし、この提案の場合には、エッチング装置が複雑化及び大型化するという問題があり、また、シリコン部材として単結晶シリコンダミーウェハを用いた場合には、貼り付け工程が必要になり、また、ＣＶＤ法を用いた場合には、ＣＶＤ法を行うためのガスの供給源の準備や、ＣＶＤ法による成膜条件の整備等が必要になり、工程が複雑化するという問題がある。
【００１０】
さらに、上記の提案の場合には、酸化膜のエッチングレートを小さくすることができるものの、完全に０にすることができるものではなく、エッチング選択比を大きくするにも限界があると考えられる。
【００１１】
したがって、本発明は、簡単な装置構成及び工程によって、高いエッチング選択比で非単結晶シリコン薄膜をプラズマエッチングすることを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
図１は本発明の原理的構成の説明図であり、この図１を参照して本発明における課題を解決するための手段を説明する。
図１参照
（１）本発明は、半導体装置の製造方法において、エッチング反応室１の内壁にエッチング反応室１内でシリコンウェハ５をダミーエッチングすることによってシリコンを含有した薄膜２を被着させた状態で、酸化膜３上に堆積させた非単結晶シリコン薄膜４を酸素とハロゲンを含んだガスを使用してプラズマエッチングすることを特徴とする。
【００１３】
この様に、予めエッチング反応室１の内壁にシリコンを含有した薄膜２を被着させておくことによって、非単結晶シリコン薄膜４の酸化膜３に対するエッチング選択比を制御性良く飛躍的に大きくすることができ、それによって、下地の酸化膜３や基板６にダメージを与えることなく非単結晶シリコン薄膜４のエッチングを行うことができる。
なお、本発明における非単結晶シリコン薄膜４とは、多結晶シリコン薄膜、アモルファスシリコン薄膜、或いは、微結晶（マイクロクリスタル）シリコン薄膜を意味するものである。
【００１５】
特に、酸素とハロゲン（Ｘ）を含んだガスを用いることにより、酸化膜３の露出表面にシリコンを含有した薄膜２に由来するＳｉ−Ｏ結合を含有した反応抑制層が生成されるのに対し、酸素が欠乏する非単結晶シリコン薄膜４上には反応抑制層が生成されにくく、エッチング選択比が飛躍的に大きくなる。
【００１６】
また、シリコンを含有した薄膜２を、エッチング反応室１内でシリコンウェハ５、例えば、ベアーシリコンウェハをダミーエッチングして被着することによって、シリコンを含有した薄膜２の膜厚をダミーエッチング時間によって任意に制御することができ、このシリコンを含有した薄膜の膜厚に酸化膜３のエッチングレートは依存することになる。
【００１７】
（２）また、本発明は、上記（１）において、Ｓｉとハロゲンとの反応生成物であるＳｉＸの発光強度を測定し、発光強度が予め設定した値より低くなった時、シリコンウェハ５を再びダミーエッチングすることによってシリコンを含有した薄膜２をエッチング反応室１の内壁に被着することを特徴とする。
【００１８】
この様に、Ｓｉとハロゲンとの反応生成物であるＳｉＸの発光強度を測定することによって、発光強度の変動からエッチング選択比の変動をリアルタイムに監視することができ、エッチング選択比が許容範囲より低くなった場合に、エッチング処理を停止して、シリコンウェハ５を再びダミーエッチングすることによって、エッチング選択比を再び大きくすることができる。
なお、発光はエッチング反応室１に設けた石英窓７を介して取り出して、分光器８によって波長を分別し、その強度を光検出器によって測定すれば良い。
【００１９】
また、本発明は、上記（１）において、酸素とハロゲンを含んだガスが不活性ガスを含んでおり、プラズマ９中のＳｉＸの発光強度と、不活性ガスの発光強度を測定し、ＳｉＸの発光強度と不活性ガスの発光強度との比が予め設定した値より大きくなるように、エッチング反応室１の内壁へのシリコンを含有した薄膜２の被着量を制御することが望ましい。
この様に、シリコンを含有した薄膜２の被着量を制御することによって、エッチング選択比を大きくすることができ、基板６等にダメージを与えることなく非単結晶シリコン薄膜４をエッチングすることができる。
【００２０】
また、本発明は、上記（１）または（２）において、非単結晶シリコン薄膜４のエッチング工程が、ゲート電極の形成工程であることが最も好適である。
ＭＯＳＦＥＴの微細化に伴って、ゲート酸化膜が薄くなるので、下地の酸化膜３にダメージを与えない上記（１）または（２）の工程は、特に重要になる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
ここで、図２乃至図６を参照して、本発明の実施の形態のプラズマエッチング工程を説明する。
図２参照
図２は、本発明の実施の形態に用いるＩＣＰ（誘導結合型プラズマ）−エッチング装置の概略的構成図であり、エッチング反応室１１の天井に設けた石英板１２を介してプレーナコイル１３を設けるとともに、エッチング反応室１１の側壁に石英窓１４を設け、反応に伴って発生する発光を石英窓１４から光ファイバ１８を介して分光器１９に導き、分光器１９において２００〜８００ｎｍの範囲において０．６ｎｍ毎に各波長に分光し、分光された各波長毎の発光強度をフォトダイオードアレイ（図示せず）によって測定するように構成する。
【００２２】
また、エッチング反応室１１内には、電極を兼ねるとともに試料１６を載置するステージ１５を設ける。
このエッチング反応室１１内にハロゲン、酸素、及び、不活性ガスからなる反応性ガスを導入し、プレーナコイル１３及びステージ１５に１３．５６ＭＨｚの高周波電力ＲＦを印加することによってプラズマ１７を発生させ、このプラズマ１７によって試料１６をエッチング処理する。
なお、反応性ガスの導入管、ガス排出手段等は図示を省略する。
【００２３】
図３（ａ）及び（ｂ）参照
図２に示したＩＣＰ−エッチング装置を用いて、まず、エッチング反応室１１内に、ＳＦ₆／Ｃｌ₂／混合ガスを導入し、プレーナコイル１３及びステージ１５に１３．５６ＭＨｚの高周波電力ＲＦを印加することによってプラズマを発生させ、このプラズマによってエッチング反応室１１の内壁をドライクリーニングし、エッチング反応室１１の内壁に被着物が付着してない状態にする。
【００２４】
次いで、エッチング反応室１１内にベアーシリコンウェハ２０を導入してステージ１５上に搭載したのち、エッチング反応室１１内にＨＢｒ：Ｏ₂：Ｈｅ＝１０〜２００ｓｃｃｍ：１〜１０ｓｃｃｍ：０〜２００ｓｃｃｍ、例えば、ＨＢｒ：Ｏ₂：Ｈｅ＝１００ｓｃｃｍ：１ｓｃｃｍ：２０ｓｃｃｍの流量比でＨＢｒ／Ｏ₂／Ｈｅ混合ガスを導入し、気圧を１〜１００ｍＴｏｒｒ、例えば、１０ｍＴｏｒｒとした状態で、プレーナコイル１３及びステージ１５に１３．５６ＭＨｚの高周波電力ＲＦを０．１〜５Ｗ／ｃｍ²、例えば、２．５Ｗ／ｃｍ²のエネルギー密度で印加し、プラズマ１７を発生させ、このプラズマ１７によってベアーシリコンウェハ２０をダミーエッチングすることによって、エッチング反応室１１の内壁にシリコン被膜２１を被着する。
なお、この場合の基板温度は、１０〜８０℃、例えば、５０℃とする。
この場合のシリコン被膜２１の厚さ、即ち、被着量はダミーエッチング時間に比例することになる。
【００２５】
図４（ｃ）及び（ｄ）参照
次いで、エッチング反応室１１からベアーシリコンウェハ２０を取り出したのち、ゲート酸化膜２３を介して設けた多結晶シリコン薄膜２４上にレジストパターン２５を設けたシリコン基板２２をステージ１５上に載置したのち、再び、エッチング反応室１１内にＨＢｒ：Ｏ₂：Ｈｅ＝１０〜２００ｓｃｃｍ：１〜１０ｓｃｃｍ：０〜２００ｓｃｃｍ、例えば、ＨＢｒ：Ｏ₂：Ｈｅ＝１００ｓｃｃｍ：１ｓｃｃｍ：１００ｓｃｃｍの流量比でＨＢｒ／Ｏ₂／Ｈｅ混合ガスを導入し、気圧を１〜１００Ｔｏｒｒ、例えば、５０ｍＴｏｒｒとした状態で、プレーナコイル１３及びステージ１５に１３．５６ＭＨｚの高周波電力ＲＦを０．１〜５Ｗ／ｃｍ²、例えば、２．５Ｗ／ｃｍ²のエネルギー密度で印加し、プラズマ２６を発生させ、石英窓１４を介してプラズマ中で発生する各発光の強度を測定・監視しながらこのプラズマ２６によって多結晶シリコン薄膜２４の露出部を選択的にエッチングしてゲート電極２７を形成する。
なお、この場合の基板温度は、１０〜８０℃、例えば、５０℃とする。
【００２６】
図５参照
図５は、上記の条件でエッチングを行った場合のエッチングレートのダミーエッチング時間依存性の説明図であり、図から明らかなように、多結晶シリコンのエッチングレートは１４７．４〜１４８．９ｎｍ、即ち、約１５０ｎｍでほぼ一定の値を示した。
なお、これらの結果は、レジストパターンを設けずに、多結晶シリコン膜及び酸化膜をそのままエッチングした場合の平均値であり、例えば、酸化膜の場合には、３分間エッチング行った場合の１分間当たりのエッチングレートを算出したものである。
【００２７】
この場合のエッチング反応は、プラズマ２６中に存在するＢｒラジカルが多結晶シリコン薄膜２４の露出表面に吸着して表面反応層を形成し、そこへ表面反応層の活性化エネルギー以上のエネルギーを有するＢｒ⁺，Ｈｅ⁺等のイオンが衝突してエネルギーを与えることによってＳｉＢｒ_x（ｘ＝１〜４）等の分子が生成される。
これらの生成分子が表面から離脱したり、イオンでスパッタリングされたりすることによって多結晶シリコン薄膜のエッチングが進行する。
【００２８】
一方、酸化膜のエッチングレートは、ＳｉＯの原子間結合エネルギーはＳｉＢｒの原子間結合エネルギーより大きく、Ｂｒラジカルはゲート酸化膜２３を自発的にエッチングすることができないため非常に小さく、ダミーエッチング時間とともに急激に低下し、傾向外挿からは１５分のダミーエッチング時間でエッチングレートは０になり、それ以上では負に転じる。
【００２９】
なお、ダミーエッチング時間が０．５分の場合には、エッチングレートは２．５８ｎｍであり、多結晶シリコンのエッチングレートに対し、２．５８／１５０＝１．７２％であるが、酸化膜のエッチングレートが２ｎｍ／分以上であると、多結晶シリコン薄膜２４を１分間行っているあいだに、薄いゲート酸化膜２３が消失し、シリコン基板２２がエッチングされてダメージを受けたり、甚だしい場合には、シリコン基板２２にトレンチ（溝）が形成されたりする。
【００３０】
また、この負のエッチングレートとは被膜の堆積を意味するものであり、反応性ガス中にＯ₂を含有させることにより、ゲート酸化膜２３の表面にＳｉ−Ｏ結合を含有した反応抑制層が堆積するものと考えられる（必要ならば、Ｔ．Ｔｓｕｃｈｉｚａｗａ，ｅｔ．ａｌ．，ＪｏｕｒｎａｌｏｆＡｐｐｌｉｅｄＰｈｙｓｉｃｓ，Ｖｏｌ．３３，Ｎｏ．１０，ｐ．６０１９，１９９４参照）。
そして、上述のようにＳｉＯの原子間結合エネルギーはＳｉＢｒの原子間結合エネルギーより大きいためＢｒラジカルは反応抑制層をエッチングしずらく、この反応抑制層の下にあるゲート酸化膜２３のエッチングは起きにくくなる。
【００３１】
一方、多結晶シリコン薄膜２４の表面では、反応抑制層が形成されにくく、反応抑制層の堆積の影響は少ないため、上述のようにエッチングレートがほぼ一定になると考えられる。
なお、ゲート電極２７の露出面、即ち、側面に形成された反応抑制層は、エッチング後工程、或いは、次の工程の前処理でウェット・エッチングによって除去すれば良い。
【００３２】
この結果を確認するために、Ｏ₂を含まないＨＢｒ／Ｈｅガスを用いて酸化膜をエッチングし、その結果を図において●で示した。
図から明らかなように、酸化膜のエッチングレートはほぼ４ｎｍ／分でほぼ一定になり、エッチングレートの低下が見られなかった。
これは、反応性ガス中にＯ₂が含まれていないので、反応抑制層が形成されないためと考えられる。
【００３３】
したがって、ダミーエッチングを上記の条件で約１５分間以上、例えば、１５分間行ってエッチング反応室１１の内壁にシリコン被膜を所定量被着したのち、ゲート電極のエッチングを行うことによって、多結晶シリコン薄膜２４のゲート酸化膜２３に対するエッチングレートを無限大にすることができ、ゲート電極２７の形成工程におけるプロセスマージンを大きくすることができる。
【００３４】
図６参照
図６は、図４（ｃ）から図４（ｄ）にかけての多結晶シリコン薄膜２４のエッチングにともなってプラズマ２６中で発生する光を、石英窓１４、光ファイバ１８、分光器１９、及び、フォトダイオードアレイ（図示せず）を用いて０．６ｎｍ毎の波長に分光して発光強度を測定し、測定した発光強度の内、５０３ｎｍのＳｉＢｒの発光強度と４１７ｎｍのＨｅの発光強度との比を示したものである。なお、シリコン被膜２１は、石英窓１４の表面にも被着するが、このシリコン被膜２１は２００〜８００ｎｍの測定波長に対してはほぼ透明であるので、問題は生じない。
【００３５】
この場合のＳｉＢｒは、エッチング反応室１１の内壁に被着されたシリコン被膜２１がプラズマ２６中のＢｒと反応して生成されたものと考えられ、このＳｉＢｒ分子に高エネルギーの電子が衝突することによって励起され、励起されたＳｉＢｒ分子が光エネルギーを放出して発光するものであり、また、Ｈｅの発光原理も同様である。
また、各発光強度は、エッチング処理工程における最大値であり、エッチング中に低下していく。
【００３６】
図から明らかなように、発光強度比（ＳｉＢｒ／Ｈｅ）は、ダミーエッチング時間に比例して増加し、図５と対比するならば、発光強度比（ＳｉＢｒ／Ｈｅ）が１．０５以上において酸化膜、即ち、反応抑制層の堆積が生ずることが理解される。
これは、シリコン被膜２１から発生したＳｉＢｒによって、プラズマ２６中におけるＳｉＢｒ密度が増加することによるものと考えられ、ダミーエッチング時間が長いとシリコン被膜２１の量も多くなり、それによってＳｉＢｒ密度の増加するためと考えられる。
【００３７】
したがって、高い選択比で多結晶シリコン薄膜をエッチングする場合には、プラズマ中の発光強度比（ＳｉＢｒ／Ｈｅ）が、所定値以上、例えば、１．０以上になるようにダミーエッチング時間を制御すれば良い。
但し、あまりダミーエッチング時間が長いと、シリコン被膜が厚くなりすぎ、プラズマエッチング工程中にシリコン被膜が剥離してパーティクルが発生し、エッチング処理の障害になる虞がある。
【００３８】
この様に、本発明の実施の形態においては、予めダミーエッチングを行ってエッチング反応室の内壁にシリコン被膜を被着したのち多結晶シリコン膜を選択的にエッチングしているので、簡単な装置構成及び工程によってエッチング選択比が非常に大きな条件でエッチングすることができ、ゲート酸化膜が消失したり或いはシリコン基板がエッチングダメージを受けることがない。
【００３９】
以上、本発明の実施の形態を説明してきたが、本発明は実施の形態に記載された構成・条件に限られるものではなく、各種の変更が可能である。
例えば、反応性ガスを構成するハロゲンガスはＨＢｒに限られるものではなく、ＨＢｒの代わりにＣｌ₂或いはＦ系ガスを用いても良いものである。
【００４０】
また、上記の実施の形態の説明においては、プラズマ中の発光強度の監視の詳細については言及していないが、プラズマ中におけるＳｉＢｒに起因する５０３ｎｍの発光強度をリアルタイムで測定し、発光強度の変動からゲート酸化膜に対する多結晶シリコン薄膜のエッチング選択比の変動をリアルタイムに監視するものである。
【００４１】
即ち、このプラズマ中におけるＳｉＢｒに起因する５０３ｎｍの発光強度が、予め測定した発光強度比（ＳｉＢｒ／Ｈｅ）が必要なエッチング選択比が得られる値より低下した場合に、エッチングを停止し、エッチング途中のシリコン基板２２とベアーシリコンウェハ２１とを入れ替え、予め測定しておいた発光強度比（ＳｉＢｒ／Ｈｅ）が、例えば、１．０５になるまでの時間ダミーエッチングを行ったのち、ベアーシリコンウェハ２１とエッチング途中のシリコン基板２２とを入れ替えてエッチングを再開すれば良い。
なお、この場合、エッチング途中のシリコン基板２２を廃棄して、新たなシリコン基板２２を用いてエッチング処理を再開しても良いものである。
【００４２】
また、上記の実施の形態の説明においては、エッチング対象を多結晶シリコン薄膜としているが、多結晶シリコンに限られるものではなく、アモルファスシリコン或いは微結晶（マイクロクリスタル）シリコン等の他の非単結晶シリコン膜であっても良い。
【００４３】
さらに、ゲート電極を構成する導電膜は、多結晶シリコン薄膜の単層膜に限られるものではなく、ポリサイド構造の多層膜でも良く、この様な多層膜を構成する多結晶シリコン膜をゲート酸化膜に対して選択的にエッチングする場合にも適用されるものである。
【００４４】
また、上記の実施の形態の説明においては、ゲート電極の形成工程として説明しているが、本発明はゲート電極の形成工程に限られるものではなく、非単結晶シリコン膜を含む配線層或いはコンタクト電極のエッチング工程にも適用されることは言うまでもない。
【００４５】
また、上記の酸化膜のエッチングレートが０以下になるダミーエッチング時間は、反応性ガスの流量及び流量比、印加ＲＦ電力、エッチング反応室の容積等に依存するものであり、具体的にエッチングを行う条件に基づいて決定するものであり、１５分間の値は絶対的なものではない。
【００４６】
また、酸化膜のエッチングレートが０以下になる発光強度比（ＳｉＢｒ／Ｈｅ）も、反応性ガスの流量及び流量比、印加ＲＦ電力、エッチング反応室の容積等に依存するものであり、具体的にエッチングを行う条件に基づいて決定するものであり、１．０５の値は絶対的なものではない。
【００４７】
【発明の効果】
本発明によれば、予めダミーエッチングを行ってエッチング反応室の内壁にシリコン被膜を被着してから、多結晶シリコン膜のエッチングを行っているので、簡単な装置構成及び工程によって、ゲート酸化膜或いはシリコン基板にダメージを与えることなく多結晶シリコン膜のみを選択的に除去することができ、また、プロセスマージンを大きくすることができるので製造歩留りの向上、高集積度半導体集積回路装置の信頼性の向上に寄与するところが大きい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の原理的構成の説明図である。
【図２】本発明の実施の形態に用いるＩＣＰ−エッチング装置の概略的構成図である。
【図３】本発明の実施の形態の途中までの製造工程の説明図である。
【図４】本発明の実施の形態の図３以降の製造工程の説明図である。
【図５】エッチングレートのダミーエッチング時間依存性の説明図である。
【図６】発光強度比（ＳｉＢｒ／Ｈｅ）のダミーエッチング時間依存性の説明図である。
【符号の説明】
１エッチング反応室
２シリコンを含有した薄膜
３酸化膜
４非単結晶シリコン薄膜
５シリコンウェハ
６基板
７石英窓
８分光器
９プラズマ
１１エッチング反応室
１２石英板
１３プレーナコイル
１４石英窓
１５ステージ
１６試料
１７プラズマ
１８光ファイバ
１９分光器
２０ベアーシリコンウェハ
２１シリコン被膜
２２シリコン基板
２３ゲート酸化膜
２４多結晶シリコン薄膜
２５レジストパターン
２６プラズマ
２７ゲート電極

Claims

エッチング反応室の内壁に前記エッチング反応室内でシリコンウェハをダミーエッチングすることによってシリコンを含有した薄膜を被着させた状態で、酸化膜上に堆積させた非単結晶シリコン薄膜を酸素とハロゲンを含んだガスを使用してプラズマエッチングすることを特徴とする半導体装置の製造方法。
Ｓｉとハロゲンとの反応生成物であるＳｉＸの発光強度を測定し、前記発光強度が予め設定した値より低くなった時、上記シリコンウェハをダミーエッチングすることによってシリコンを含有した薄膜をエッチング反応室の内壁に被着することを特徴とする請求項１記載の半導体装置の製造方法。