JP3967311B2 - 半導体集積回路の作製方法 - Google Patents

Description

本発明は、半導体集積回路の作製方法に関し、シリコン、モリブテン、タングステンによって組成の９５％以上が占められている導電性被膜の異方性エッチングに関する。このような導電性被膜としては、単結晶、多結晶もしくはアモルファス状態のシリコン、タングステンシリサイド（ＷＳｉ₂ ）、モリブテンシリサイド（ＭｏＳｉ₂ ）あるいはこれらの多層膜が挙げられ、本発明はこれらの被膜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。

半導体集積回路の微細化の要求により、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・配線や下層の配線の加工において必要である。そして、このような配線にはシリコンやタングステン、モリブテン、あるいはそれらのシリサイド（珪化物、例えば、タングステンシリサイド（ＷＳｉ₂ ）、モリブテンシリサイド（ＭｏＳｉ₂ ））が使用されるため、これらの材料の異方性エッチング技術が重要であった。

従来、このようなエッチングはＣＦ₄ 、ＳＦ₆ 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、これとシリコンやモリブテン、タングステンを反応させ、揮発性のフッ化珪素、フッ化モリブテン、フッ化タングステン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。

また、エッチングに際してプラズマを発生させねばならず、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、シリコンやタングステン、モリブテ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ＸＦ_n （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、ＩＦ₃ 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、側方へのエッチングを抑制して、垂直方向のみを選択的にエッチングすることができず、したがって、異方性エッチングは難しかった。

本発明はこのような諸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。

本発明は、フッ化塩素（ＣｌＦ）、三フッ化塩素（ＣｌＦ₃ ）、五フッ化塩素（ＣｌＦ₅ ）、フッ化臭素（ＢｒＦ）、三フッ化臭素（ＢｒＦ₃ ）、フッ化ヨウ素（ＩＦ）、三フッ化ヨウ素（ＩＦ₃ ）等をはじめとしたフッ化ハロゲンをエッチングガスとして用い、かつ、基板に対して概略垂直に被エッチング面に光（紫外光やレーザー光等）を照射せしめることによって、エッチングに異方性を持たせることを特徴とする。
また、そのためには反応容器内にフッ化ハロゲンを導入する手段と、基板に概略垂直に光を照射するための手段とを有するエッチング装置が必要である。

通常のフッ化ハライドによるガスエッチングでは、ウェットエッチングと同様に等方的なエッチングとなる。例えば、図１（Ａ）のごとく基板１０１上のシリコン膜１０２にフォトレジストのエッチングマスク１０３を形成した膜のエッチングをおこなった場合、エッチングを担っているフッ化ハロゲン分子は、等方的に試料表面に入射するため、エッチング面は図１（Ｂ）に示すように斜めとなる。なお、エッチングにおいては、なお、図１（Ｂ）中の点線は、当初のエッチングマスクである。フッ化ハロゲンによるフッ化作用のため、フォトレジストもエッチングされつつ、エッチングが進行する。（図１（Ｂ））

エッチングにおいて、異方性を持たせるには、
１ パターン側壁へのラジカルの入射量を減少させる。
２ 側壁に保護膜を形成し、側壁での被エッチング膜とラジカルとの接触を防止する。
３ 側壁での反応そのものを抑える。
のいずれかを満たすことが必要である。本発明はこれらのうち、３に注目し、エッチング面での反応を、側面での反応に比較して優先して進行させることにより、エッチングの際に異方性を持たせる。

本発明においては、光を基板に対して概略垂直に照射することで、光が照射されるエッチング面でのフッ化ハロゲンや被エッチング表面を活性化せしめ、反応を容易に進行させる。一方、光が直接、入射しない、あるいは光の総量が小さい側面では反応が遅くなる。その結果、エッチング方向に指向性を持たせ得ることができ、図１（Ｃ）に示すように異方性を付けることが可能となった。（図１（Ｂ））

本発明をより効果的に実施するには、例えば、ＣｌＦ、ＣｌＦ₃ のように反応性の強い材料においては基板を冷却するとよい。なぜならば、このように反応性の高い気体においては、常温でも十分に高いエッチング速度が得られるため、垂直方向へのエッチングを選択的におこなうことができない（異方性が高められない）からである。

本発明によって、半導体集積回路におい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、モリブテン、タングステン、モリブテンシリサイド、タングステンシリサイド、ポリサイド（シリコンとタングステンシリサイドあるいはモリブテンシリサイドの多層膜）等の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。

しかも、本発明のエッチングはプラズマを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。

図２に本発明によるエッチング装置を示す。反応容器（チャンバー）２０１には反応ガスを導入する為のガス導入系２０２および、反応容器を減圧にし、かつ排ガス処理のための除害装置等を有する排気系２０３が設けられてある。ガス導入系は、ＣｌＦ、ＣｌＦ₃ 、ＣｌＦ₅ 、ＢｒＦ、ＢｒＦ₃ 、ＩＦ、ＩＦ₃ 等をはじめとするフッ化ハロゲンの他にエッチング速度を調整するために希釈用ガスとして、窒素およびアルゴンが備えてある。本実施例においてはフッ化ハロゲンとしてＣｌＦ₃ を使用した。

また、反応容器内部に設置された基板ホルダー２０４は枚様式であり、このホルダーには常温〜−２０℃程度まで温度を変化させることが可能な温度コントローラーが設けられてある。さらに、基板ホルダーの上部には光源２０５が設けられてある。この光源として、本実施例においてはＵＶランプを用いた。これは、大面積基板のエッチングには好ましかった。それ以外のものは長方形のレーザービーム等を使用してもかまわない。

上記のような構成をとるエッチング装置において、図１（Ａ）のようにマスクパターニングがされたシリコン膜のエッチングをおこなった例を示す。まず基板２０６を基板ホルダー２０４に設置して反応容器を減圧した。その後、基板２０４に光（本実施例においては紫外光）を概略垂直に照射しながら、エッチング速度を制御するために窒素やアルゴンによって１〜１０％に希釈したＣｌＦ₃ をエッチングガスとして導入した。本実施例においては、ＣｌＦ₃ の濃度が５％となるように窒素によって希釈した。そして、反応容器内の圧力を１００ｍＴｏｒｒとしてエッチングをおこなった。
以上のようにして、エッチングをおこなった結果、垂直方向に選択的にエッチングが進行し、図１（Ｃ）に示すように、ほぼ垂直のエッチング端面が得られた。

本発明を用いて、新しい電界効果トランジスタを作製する例を図５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。

この種のデバイスではソース３０４とチャネル形成領域、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ＬＤＤ３０６、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。

そのため、ＬＤＤ上にはゲイト電極が存在せず、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。

このような問題点を解決すべく、ＬＤＤ上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 Ｔｅｃｈ．Ｄｉｇｅｓｔ ７４２（１９８６））がある。その作製方法の概略を図４に示す。

まず、半導体基板４０１上にフィールド絶縁物４０２とゲイト絶縁膜４０３を形成した後、多結晶シリコン等の導電性被膜４０４を成膜する。（図４（Ａ））
そして、導電性被膜４０４を適度にエッチングし、ゲイト電極４０６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４０４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４０７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４０５は元の導電性被膜である。）

このようにして、薄い導電性被膜４０７とゲイト絶縁膜４０３を通して、スルードーピングにより、ＬＤＤ４０８、４０９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４（Ｂ））
その後、全面に酸化珪素等の材料で被膜４１０を成膜する。（図４（Ｃ））
そして、従来のＬＤＤ構造を作製する場合と同様に被膜４１０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４１２を形成する。このエッチング工程では薄い導電性被膜４０７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４１３、ドレイン４１４を形成する。（図４（Ｄ））

その後、層間絶縁物４１５、ソース電極・配線４１６、ドレイン電極・配線４１７を形成してＭＩＳ型電界効果トランジスタが完成する。（図４（Ｅ））
図から明らかなように、ゲイト電極の部分が逆Ｔ字（Ｉｎｖｅｒｓｅ−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。

これらの利点はＩＴ−ＬＤＤ構造に固有のものではなく、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を浅くできるので、短チャネル効果やパンチスルーも抑制できる。

しかしながら、ＧＯＬＤの作製方法としては、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。

そして、ＩＴ−ＬＤＤ構造は上記のような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４（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４０７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。

本発明を用いれば、極めて簡単に、サイドウォールをシリコンやモリブテン、タングステン等を主成分とする（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、シリコンやモリブテン、タングステ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。

なお、本発明ではサイドウォールの形成の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。

以下、本実施例では、従来のＬＤＤ構造に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。

図５に本実施例を示す。まず、シリコン基板５０１上に公知のＬＯＣＯＳ形成法によって、厚さ３０００Å〜１μｍのフィールド絶縁物５０２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５０３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５０４を形成した。そして、ゲイト電極の中央部５０４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）５０５、５０６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５（Ａ））

そして、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２０００Å〜１μｍ）５０７を成膜した。（図５（Ｂ））
その後、ＣｌＦ₃ による異方性エッチングをおこなった。本実施例は図２に示された装置を用いて、実施例１と同様におこなった。まず、基板２０６を基板ホルダー２０４に設置して反応容器を減圧した。その後、基板２０４に光（本実施例においては紫外光）を照射しながら、アルゴンによって１〜１０％に希釈したＣｌＦ₃ をエッチングガスとして導入した。本実施例においては、ＣｌＦ₃ の濃度が５％となるように窒素によって希釈した。そして、反応容器内の圧力を１０Ｔｏｒｒとした。ＣｌＦ₃ の流量は５００ｓｃｃｍ、窒素の流量は５００ｓｃｃｍとした。

この結果、シリコン膜５０７は、垂直方向にエッチングされ、ゲイト電極の中央部５０４の側面にゲイト電極の側部（サイドウォール）５０９が形成された。（図５（Ｃ））
その後、砒素のイオン注入によって、ゲイ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５１０、ドレイン５１１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５（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５１２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５１３、ドレイン電極５１４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５（Ｅ））

等方性および本発明の異方性エッチング形状の断面を示す。 本発明のエッチング装置の概略を示す。（実施例１） 従来法によるＬＤＤ構造のトランジスタを示す。 従来法によるＩＴ−ＬＤＤ型トランジスタの作製方法を示す。 実施例２によるＧＯＬＤ型トランジスタの作製方法を示す。

符号の説明

１０１・・・・・基板
１０２・・・・・シリコン膜
１０３・・・・・マスクパターニング
２０１・・・・・反応容器（チャンバー）
２０２・・・・・ガス導入系
２０３・・・・・排気系
２０４・・・・・試料ホルダー
２０５・・・・・光源
２０６・・・・・基板

Claims (2)

1. 半導体集積回路の作製方法であって、
   前記半導体集積回路は、基板上にタングステンシリサイド又はモリブデンシリサイドを用いた配線を有し、
   前記配線は、フッ化ハロゲンをエッチングガスとして用い、常温〜−２０℃に冷却された前記基板に対して概略垂直に光を照射することにより垂直方向にエッチングされることを特徴とする半導体集積回路の作製方法。
2. 請求項１において、前記フッ化ハロゲンは、フッ化塩素（ＣｌＦ）、三フッ化塩素（ＣｌＦ _３ ）、五フッ化塩素（ＣｌＦ _５ ）、フッ化臭素（ＢｒＦ）、三フッ化臭素（ＢｒＦ _３ ）、フッ化ヨウ素（ＩＦ）または三フッ化ヨウ素（ＩＦ _３ ）であることを特徴とする半導体集積回路の作製方法。

Images