JP4368244B2 - ドライエッチング方法 - Google Patents

Description

本発明は、ドライエッチング方法に係り、特に半導体デバイスの製造における多結晶シリコン膜とシリコンゲルマニウム（ＳｉＧｅ）膜の積層構造のエッチング方法に関する。

近年、半導体デバイスにおいて、低消費電力化、動作速度向上、高集積化に伴い、ゲート電極のゲート長縮小化、ゲート酸化膜の薄膜化が進んでいる。ゲート電極の材料としては、多層膜化、デュアルゲート化などの技術も適用され始めた。

本発明に使用した多結晶シリコン膜とＳｉＧｅ膜の積層膜サンプルでは、エッチングプロセスにおいて、多結晶シリコン膜とＳｉＧｅ膜のエッチングレート差および形状差に基づく、積層膜での異方性形状の制御性が課題となる。従来用いられている技術である塩素と臭化水素と酸素の混合ガスによるエッチングでは、多結晶シリコン膜と比較し、ＳｉＧｅ膜のエッチングレートが速いことから、多結晶シリコン膜とＳｉＧｅ膜の界面で多結晶シリコンが順テーパー形状となり、ＳｉＧｅ膜がサイドエッチ形状となり、異方性形状の制御が困難であった。

多結晶シリコン膜とＳｉＧｅ膜からなる積層膜のドライエッチングにおいて、従来技術である塩素と臭化水素と酸素の混合ガスを用いたエッチングでは、多結晶シリコン膜と比較してＳｉＧｅ膜のエッチングレートが速いことから、図３（ａ），（ｂ）に示すように、多結晶シリコン膜とＳｉＧｅ膜の界面で多結晶シリコン膜１３が順テーパー形状となり、ＳｉＧｅ膜１２がサイドエッチ形状となり、異方性形状の制御が困難であった。すなわち、多結晶シリコン膜とＳｉＧｅ膜との積層膜を塩素と臭化水素と酸素との混合ガスでエッチングする従来の技術では、積層膜を構成する多結晶シリコン膜とＳｉＧｅ膜はそれぞれ組成が相違することからエッチングレートと再堆積（デポ）のバランスが異なっている。この積層膜の界面付近をエッチングするとき、ＳｉＧｅ膜に側壁保護膜を形成してＳｉＧｅ膜のサイドエッチ形状を抑制するように塩素と臭化水素と酸素の比率をデポ側に変化させると、ＳｉＧｅ膜は異方性に制御できるが、多結晶シリコン膜の界面付近の形状は、エッチング時の側壁へのデポ付着量が多くなりすぎることとなり、大きく順テーパー形状となる。逆に、多結晶シリコン膜を異方性形状に制御するために塩素と臭化水素と酸素の比率をデポ量が少ない条件に変更すると、ＳｉＧｅ膜の方に大きなサイドエッチが発生する。さらに、エッチング時に、界面付近でＳｉＧｅ膜が露出すると、ＳｉＧｅ膜の方がエッチングレートが速いことからＳｉＧｅ膜のほうにエッチングガスが消費され、界面付近のパターン側壁の多結晶シリコン膜がエッチングされきれずに残り、図３（ａ）に示すようなでっぱり（順テーパー）形状となる。

本発明の目的は、多結晶シリコン膜とＳｉＧｅ膜からなる積層膜のエッチングにおいて、多結晶シリコン膜とＳｉＧｅ膜の形状差を無くし、積層膜において異方性形状の制御を容易にすることである。

上記目的は、マスクによりパターニングされた多結晶シリコン膜の下層部にＳｉＧｅ膜を有する積層膜のエッチング方法において、エッチングガスとして少なくとも弗素を含むガスを用い、側壁保護効果のあるガスとしてＣＨ_ｘＦ_ｙを含むガスを用い、前記エッチングガスと側壁保護効果のあるガスの混合ガスから形成されたプラズマによるエッチングで前記多結晶シリコン膜およびＳｉＧｅ膜の積層構造を異方性形状に制御することを特徴とするドライエッチング方法により達成される。

さらに、多結晶シリコン膜およびＳｉＧｅ膜の積層構造を異方性形状に制御する方法として、多結晶シリコン膜エッチング時に比べて、ＳｉＧｅ膜エッチング時でＣＨ_ｘＦ_ｙを含むガス混合比を増大させることを特徴としたドライエッチング方法により達成される。

さらに、多結晶シリコン膜およびＳｉＧｅ膜の積層構造を異方性形状に制御する方法として、上記エッチングガスとして六弗化硫黄を用い、上記側壁保護効果のあるガスとして三弗化メタンを用いることを特徴とするドライエッチング方法により達成される。

さらに、多結晶シリコン膜およびＳｉＧｅ膜の積層構造を異方性形状に制御する方法として、上記エッチングガスとして六弗化硫黄を用い、上記側壁保護効果のあるガスとして三弗化メタンを用い、ガスの混合比は六弗化硫黄を３０％未満、三弗化メタンを７０％以上とすることを特徴とするドライエッチング方法により達成される。

さらに、多結晶シリコン膜およびＳｉＧｅ膜の積層構造を異方性形状に制御する方法として、プラズマエッチング時の圧力をほぼ０．４Ｐａ以下の低圧力領域を用いることを特徴としたドライエッチング方法により達成される。

さらに、多結晶シリコン膜およびＳｉＧｅ膜の積層構造を異方性形状に制御する方法として、プラズマエッチング時に半導体基板に印加するウェハバイアス出力を３０Ｗ以下の領域を用いることを特徴としたドライエッチング方法により達成される。

さらに、多結晶シリコン膜およびＳｉＧｅ膜の積層構造を異方性形状に制御する方法として、処理ウェハの設置される試料台の温度は、ほぼ１０℃から４０℃の領域を用いることを特徴としたドライエッチング方法により達成される。

さらに、上記多結晶シリコン膜とＳｉＧｅ膜の積層構造の界面付近で異方性形状に制御することを特徴としたドライエッチング方法により達成される。

さらに、多結晶シリコン膜およびＳｉＧｅ膜の積層構造を異方性形状に制御する方法として、多結晶シリコンおよびＳｉＧｅ膜の膜質に依存せず異方性形状を制御することを特徴としたドライエッチング方法により達成される。

本発明によれば、多結晶シリコン膜とＳｉＧｅ膜の積層構造のエッチングにおいて、三弗化メタンと六弗化硫黄の混合ガスを用いて、前記多結晶シリコン膜とＳｉＧｅ膜の積層膜を一貫してエッチングすることにより、前記積層膜を異方性形状に制御できる。

以下、多結晶シリコン膜の下層部にＳｉＧｅ膜を有する積層膜のドライエッチング方法について説明する。図１に本発明で使用するエッチング装置の構造を示す。この実施の形態は、プラズマ生成手段にＵＨＦ（Ｕｌｔｒａ
Ｈｉｇｈ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）と磁界を利用したＵＨＦプラズマエッチング装置を用いた例を説明する。プラズマエッチング装置は、シャワープレート１と、同軸ケーブル２と、同軸導波管３と、ソレノイドコイル５と、静電吸着電源７と、試料台８と、高周波電源９とを有して構成される。試料台８には処理ウェハ６が静電吸着され、処理室内にはプラズマ４が生成される。

エッチング処理に利用されるプロセスガスは、シャワープレート１から導入され、所定の圧力に調圧される。次に、ＵＨＦ帯高周波電源（図省略）により発振された周波数４５０ＭＨｚの高周波が、同軸ケーブル２および同軸導波管３を介してエッチング室に導入される。高周波によって生じる電界でプラズマ４が生成され、ソレノイドコイル５による磁場との相互作用によって、電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ：Ｅｌｅｃｔｒｏｎ
Ｃｙｃｌｏｔｒｏｎ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ）を生じ、これによりプラズマの生成密度の空間分布が制御される。処理ウェハ６は、静電吸着電源７で試料台８に直流電圧を印加することで、静電吸着力により電極に固定される。また、電極には高周波電源９が接続してあり、高周波電力を印加して、プラズマ中のイオンにウェハに対して垂直方向の加速電位を与える。エッチング後のガスは装置下部に設けられた排気口から、ターボポンプ・ドライポンプ（図省略）により排気される。

図２を用いて、図１のエッチング装置を用いた半導体装置のドライエッチング方法を説明する。本実施例に用いられたウェハは、図２（ａ）に示すようにシリコン基板１０上にゲート酸化膜１１、ＳｉＧｅ膜１２、多結晶シリコン膜１３、反射防止膜１４、ＡｒＦエキシマレジストパターン１５が形成される。

このＡｒＦエキシマレジストパターン１５をエッチングマスクとして、反射防止膜１４をエッチングすると、図２（ｂ）に示す状態となる。

次に、多結晶シリコン膜１３およびＳｉＧｅ膜１２の膜厚の約６０％をエッチングする。これは実施例に用いたウェハのゲート酸化膜１１が薄膜であり、対酸化膜選択比の低い条件による一貫したＳｉＧｅ膜１２エッチング処理では、下地抜けが発生するおそれがあるためである。従来技術である塩素と臭化水素と酸素の混合ガスを用いて多結晶シリコン膜１３およびＳｉＧｅ膜１２をエッチングすると、多結晶シリコン膜１３と比較してＳｉＧｅ膜１２のエッチングレートが速いことから、図３（ａ）に示すように、多結晶シリコン膜１３とＳｉＧｅ膜１２の界面で多結晶シリコン膜１３が順テーパー形状となり、ＳｉＧｅ膜１２がサイドエッチ形状となる。さらに、ゲート酸化膜１１の表面までエッチングを進めると図３（ｂ）に示す状態となる。すなわち、他結晶シリコン膜１３とＳｉＧｅ膜１２との境界面付近に突出部が形成されることとなり、この突出部は後の工程の障害となる恐れがある。すなわち、デバイスを製造する際、設計時に配線寸法などがあらかじめ決められており、このような突出部の存在は、断面の面積が変化し電気的な抵抗値などが異なってくるので、設計ルールに合わなくなるという問題を引き起こす。さらに、順テーパー形状やサイドエッチ形状の存在は、配線間のショートを引き起こしたり後工程で膜付けするときの不良の発生を引き起こすおそれがある

本発明においては、約９０％の三弗化メタンと約１０％の六弗化硫黄の混合ガスを用いて、圧力０．２Ｐａで半導体基板に印加するウェハバイアス出力を１５Ｗとして、多結晶シリコン膜１３およびＳｉＧｅ膜１２の膜厚の約６０％をエッチングすると、図４（ａ）に示す状態となる。この場合、多結晶シリコン膜１３とＳｉＧｅ膜１２の境界面付近は形状差がでない状態となる。通常、弗素ガスを用いたエッチングでは、多結晶シリコン膜１３とＳｉＧｅ膜１２の組成の相違によるエッチングレート差および形状差が出にくいが、共に等方的にエッチングが進行しサイドエッチ形状が発生する。しかしながら、本発明の異方性作用については、プラズマ中で分解された三弗化メタンのＣＨ、ＣＦ、ＣＦ_２のようなポリマー先駆物質がＳｉＧｅ膜１２の側面に側壁保護膜を形成し、等方性エッチングを抑制しているものと考えられる。こうして多結晶シリコン膜１３とＳｉＧｅ膜１２の積層膜において、図４（ａ）の異方性形状に制御することが可能となる。

図４（ａ）の状態から残り約４０％のＳｉＧｅ膜をエッチングするため、ゲート酸化膜１１との選択比が比較的高い臭素と酸素の混合ガスを用いてエッチングする。次に、微量のＳｉＧｅ膜の残りを完全にエッチングするため、さらに酸化膜選択比の高い臭素と酸素の混合ガスを用いて、高圧力条件化でエッチングすることによって、図４（ｂ）に示す異方性形状を得ることができた。

上記実施例において、少なくとも弗素を含むエッチングガスとして、六弗化硫黄を用いたが、このほかに、4弗化炭素（ＣＦ_４）や三弗化窒素（ＮＦ_３）など弗素を含む混合ガスを用いることができる。

上記実施例においては、側壁保護効果のあるガスとして、三弗化メタンを用いたが、このほかに、二弗化メタン（ＣＨ_２Ｆ_２）、一弗化メタン（ＣＨ_３Ｆ）など弗化メタン（ＣＨ_ｘＦ_ｙ）などを含む混合ガスを用いることができる。

上記実施例においては、ガス混合比を約９０％の三弗化メタンと約１０％の六弗化硫黄の混合ガスとしたが、六弗化硫黄を３０％以下とし三弗化メタンを７０パーセント以上とすれば上記実施例と同様な効果を奏することができる。すなわち、六弗化硫黄ガス比率を横軸にとり、ＳｉＧｅ膜のサイドエッチ形状の発生と多結晶シリコン膜の順テーパー形状の発生を縦軸にとった図５に示すように、六弗化硫黄ガス比率が、およそ５％を下回ると順テーパー形状の発生が大きくなり、３０％以上となるとサイドエッチ形状の発生が大きくなって、それぞれ好ましくない。したがって、多結晶シリコン膜とＳｉＧｅ膜の双方の異方性形状を制御できる領域は、六弗化硫黄ガス比率が5〜３０％であることが必要となる。

上記実施例においては、プラズマエッチング時の圧力を０．２Ｐａとしたが、この圧力は、０．４Ｐａ以下の範囲であれば、実施例と同様な効果を奏することができる。すなわち、プラズマエッチング時の圧力を横軸にとり、エッチングレートウェハ面内の均一性（エッチングレートのウェハ面内のばらつき）を縦軸にとった図６に示すように、圧力が０．４Ｐａを越えるとエッチングレートのウェハ面内の均一性を保つことが困難となり好ましくない。

上記実施例においては、プラズマエッチング時に半導体装置に印加するウェハバイアスを１５Ｗとしたが、３０Ｗ以下１０Ｗ以上であれば実施例と同様な効果を奏することができる。すなわち、ウェハバイアスを横軸にとり、ＳｉＧｅ膜のサイドエッチ形状の発生と多結晶シリコン膜の順テーパー形状の発生を縦軸にとった図７に示すように、ウェハバイアスが、３０Ｗを越えると順テーパー形状の発生が大きくなり、１０Ｗを下回るとサイドエッチ形状の発生が大きくなって、それぞれ好ましくない。したがって、多結晶シリコン膜とＳｉＧｅ膜の双方の異方性形状を制御できる領域は、ウェハバイアスが１０〜３０Ｗであることが必要となる。

本発明においては、試料台すなわち電極の温度をほぼ１０℃から４０℃の領域とすることにより、実施例と同様の効果を奏することができる。すなわち、電極の温度を横軸にとり、ＳｉＧｅ膜のサイドエッチ形状の発生と多結晶シリコン膜の順テーパー形状の発生を縦軸にとった図８に示すように、電極の温度が、４０℃を越えるとサイドエッチ形状の発生が大きくなり、１０℃を下回ると形順テーパー状の発生が大きくなって、それぞれ好ましくない。したがって、多結晶シリコン膜とＳｉＧｅ膜の双方の異方性形状を制御できる領域は、試料台（電極）の温度が１０〜４０℃であることが必要となる。

以上、本―実施例によれば、ＡｒＦエキシマレジストをマスクとする多結晶シリコン膜とＳｉＧｅ膜の積層構造を有するサンプルにおいて、上記条件を用いることにより、容易に異方性形状を制御することができる。

この実施例では、ＡｒＦエキシマレジストをマスクとするサンプルを用いているが、マスクの材質によらず、同様の方法により異方性形状を制御することができる。

本実施例では、ＵＨＦプラズマエッチング装置を用いているが、本発明のプラズマ化学は、他の種類のプラズマエッチング装置を使用しても同等の効果を得ることができる。

本発明の一実施例に用いたＵＨＦプラズマエッチング装置の概略断面図。 本発明の一実施例を説明するための半導体基板の要所断面図。 従来の半導体基板の要所断面図。 本発明の一実施例を説明するための半導体基板の要所断面図。 六弗化硫黄ガス比率と異方形状制御領域の関係を説明する特性図。 プラズマエッチング時の圧力とエチングレートのウェハ面内の均一性の関係を説明する特性図。 ウェハバイアスと異方形状制御領域の関係を説明する特性図。 電極の温度と異方形状制御領域の関係を説明する特性図。

符号の説明

１… シャワープレート、２…
同軸ケーブル、３… 同軸導波管、４… プラズマ、５…ソレノイドコイル、６…
ウェハ、７… 静電吸着電源、８… 試料台、９…
高周波電源、１０… シリコン基板、１１… ゲート酸化膜 、１２… ＳｉＧｅ膜、１３…多結晶シリコン膜、１４…
反射防止膜、１５… ＡｒＦエキシマレジストパターン

Claims (9)

1. マスクによりパターニングされた多結晶シリコン膜の下層部にＳｉＧｅ膜を有する積層膜の積層構造を異方性形状に制御するドライエッチング方法において、
   エッチングガスとして少なくとも弗素を含むガスと、側壁保護効果のあるガスとしてＣＨ_ｘＦ_ｙを含むガスを用い、前記エッチングガスと側壁保護効果のあるガスの混合ガスから形成されたプラズマによるエッチングで前記多結晶シリコン膜及びＳｉＧｅ膜の積層構造を異方性形状に制御する
   ことを特徴とするドライエッチング方法。
2. 請求項１記載の多結晶シリコン膜及びＳｉＧｅ膜の積層構造を異方性形状に制御するドライエッチング方法において、
   処理ウェハが設置される試料台の温度に、ほぼ１０℃から４０℃の領域を用いる
   ことを特徴としたドライエッチング方法。
3. 請求項１または請求項２記載の多結晶シリコン膜及びＳｉＧｅ膜の積層構造を異方性形状に制御するドライエッチング方法において、
   上記エッチングガスとして六弗化硫黄を用い、上記側壁保護効果のあるガスとして三弗化メタンを用いる
   ことを特徴とするドライエッチング方法。
4. 請求項１ないし請求項３のいずれか１項記載の多結晶シリコン膜及びＳｉＧｅ膜の積層構造を異方性形状に制御するドライエッチング方法において、
   上記エッチングガスとして六弗化硫黄を用い、上記側壁保護効果のあるガスとして三弗化メタンを用い、ガスの混合比は六弗化硫黄を１０％以上３０％未満、三弗化メタンを７０％以上９０％以下とする
   ことを特徴とするドライエッチング方法。
5. 請求項１ないし請求項４のいずれか１項記載の多結晶シリコン膜及びＳｉＧｅ膜の積層構造を異方性形状に制御するドライエッチング方法において、
   プラズマエッチング時の圧力をほぼ０．４Ｐａ以下の低圧力領域を用いる
   ことを特徴としたドライエッチング方法。
6. 請求項１ないし請求項５のいずれか１項記載の多結晶シリコン膜及びＳｉＧｅ膜の積層構造を異方性形状に制御するドライエッチング方法において、
   プラズマエッチング時に半導体基板に印加するウェハバイアス出力を１０Ｗ以上３０Ｗ以下の領域を用いる
   ことを特徴としたドライエッチング方法。
7. 請求項１ないし請求項６のいずれか１項記載の多結晶シリコン膜及びＳｉＧｅ膜の積層構造を異方性形状に制御するドライエッチング方法において、
   多結晶シリコンエッチングした後、ＳｉＧｅ膜のエッチングを６０％行い、残余を臭素と酸素のガスを用いてエッチングする
   ことを特徴とするドライエッチング方法。
8. 請求項１ないし請求項７のいずれか１項記載の多結晶シリコン膜及びＳｉＧｅ膜の積層構造を異方性形状に制御するドライエッチング方法において、
   上記多結晶シリコン膜とＳｉＧｅ膜の積層構造の界面付近で異方性形状に制御する
   ことを特徴とするドライエッチング方法。
9. 請求項１ないし請求項８のいずれか１項記載の多結晶シリコン膜及びＳｉＧｅ膜の積層構造を異方性形状に制御するドライエッチング方法において、
   多結晶シリコン及びＳｉＧｅ膜の膜質に依存せず異方性形状を制御する
   ことを特徴とするドライエッチング方法。

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