JP4448807B2

JP4448807B2 - エッチング方法

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Publication number: JP4448807B2
Application number: JP2005246983A
Authority: JP
Inventors: 一農田子; 元彦吉開; 秀之数見
Original assignee: Hitachi High Technologies Corp
Current assignee: Hitachi High Tech Corp
Priority date: 2005-08-29
Filing date: 2005-08-29
Publication date: 2010-04-14
Anticipated expiration: 2025-08-29
Also published as: JP2007066928A

Description

本発明は、プラズマを利用して被処理物を処理するプラズマエッチングにおける、エッチング方法，装置及びそれらによって製造された半導体装置に関するものである。

ＵＬＳＩ素子の微細化，高集積化が急速に進められ、ゲート長９０ｎｍデバイスは量産化へ移行し、さらに６５ｎｍ,４５ｎｍ,３２ｎｍのデバイスも開発されつつある。ＬＳＩの高速動作のためには、トランジスタの動作速度向上と多層金属配線の伝播遅延克服が必要になる。トランジスタの高速動作のためには、ゲート絶縁膜でのリーク防止とデバイスの低抵抗化が必要で、その解決手段として、高誘電率ゲート絶縁膜と高融点金属ゲート電極を用いたデバイスの開発が進められている。高誘電率ゲート絶縁膜には、非常に安定なＨｆやＺｒを含む酸化物が用いられ、Ｓｉ基板上に薄い酸化膜が形成される。高誘電率ゲート絶縁膜上の高融点金属ゲート電極膜には、電気特性及び安定性からＴａやＴｉを含む窒化物やＷを用いて開発が進められている。特開２００４−２０７４８１号公報（特許文献１）には、高誘電率ゲート絶縁膜と高融点金属ゲート電極膜に前記の材料を使用する例が述べられている。

ＵＬＳＩには多数の素子が搭載されて正確な動作が要求されるので、ゲート電極は正確なゲート長に加工される必要がある。９０ｎｍノードでは数ｎｍ以下の加工精度が要求される。この加工には、プラズマ処理装置によるドライエッチングが用いられる。従来は、多結晶Ｓｉをゲート電極に使用しており、このゲート電極のエッチングに際して、塩素，臭素を含むガスと酸素との混合ガスを使用した例が見受けられる。また、高融点金属ゲート電極膜のエッチングでもＣｌ系のガスを用いてエッチングされる。

一方、プロセス工程数を省くため、同じ装置内でのドライ処理による高誘電率絶縁膜の除去が望ましい。ドライ処理による高誘電率絶縁膜の除去については、特開２００４−
１４６７８７号公報「高誘電率材料のエッチング方法及び高誘電率材料の堆積チャンバーのクリーニング方法」（特許文献２）で、ＢＣｌ₃ ，ＣＯＣｌ₂，Ｃ_xＨ_yＣｌ_z等のＣｌ系ガスを使用することが記されている。ゲート構造で、高誘電率絶縁層をドライエッチングする際は、下地のＳｉ基板を削らないために選択比を高くした処理が必要になる。上記の従来技術では、この点への検討が記載されていない。

また、特開２００５−０４５１２６号公報「半導体装置の製造方法」（特許文献３）では、高誘電率絶縁膜を安定した状態で再現性よくエッチングするために、ＢＣｌ₃ 単独ではエッチング速度が速すぎるので、ＢＣｌ₃ をＡｒで希釈してエッチング速度を遅くして制御性を上げることが述べられている。Ａｒ希釈により、エッチング速度と堆積速度が低下する。

特開２００４−３５６５７５号公報「半導体装置の製造方法」（特許文献４）では、高誘電率絶縁膜をエッチングする際のプロセスマージンを大きくするために、高誘電率絶縁膜をドライエッチングして、一部除去しつつ、ダメージ層を形成し、ダメージ層をウェットエッチングにより除去することが述べられており、ドライエッチングガスの例として
ＢＣｌ₃，Ｃｌ₂，ＨＢｒ，ＣＦ₄，Ｏ₂，Ａｒ，Ｎ₂ 及びＨｅよりなる群から選ばれる少なくとも１種のガスを挙げている。高誘電率絶縁膜をドライエッチングして、一部除去しつつ、ダメージ層を形成できるガスとしては、堆積性が無い全てのガスが該当する。これに対して、ここでは、ドライエッチングで下地Ｓｉに対して酸化膜を選択的にエッチング加工することを目的にしており、ＢＣｌ₃／ＣＦ₄として堆積性のないガスは除外する。

特開２００４−２９６４７７号公報「半導体装置の製造方法」（特許文献４）では、下地ＳｉＯ₂ 膜に対して選択的に高誘電率絶縁膜をエッチングする目的で、ドライエッチングガスとしてＢＣｌ₃，Ｃｌ₂，ＨＢｒ，ＣＦ₄，Ｏ₂，Ａｒ，Ｎ₂ 及びＨｅよりなる群から選ばれる少なくとも１種のガスを挙げている。下地ＳｉＯ₂ 膜に対して選択的比を得るためには、ＣＦ₄は不適であり、塩素（臭素）系とＯ₂の混合が不可欠である。また、ＣＦ₄の使用は、酸化膜のエッチング速度を上げるので、Ａｒ希釈等でエッチング速度を低下させる必要があるが、これは、同時に側壁や下地Ｓｉをエッチングする速度も上昇させる点が課題である。

特開２００４−２０７４８１号公報特開２００４−１４６７８７号公報特開２００５−０４５１２６号公報特開２００４−３５６５７５号公報

上記特許文献１〜４のエッチングガスを使用してエッチングする際に、下地Ｓｉの削り量が大きくなるが、Ｓｉの削り量は少ない方が良い。その理由は、エッチング後に洗浄工程があり、Ｓｉ表面の損傷・汚染にもよるが、Ｓｉはさらに後退する。この基板Ｓｉの欠落が大きいと素子の特性が変化する。しかも、欠落の大きさは、エッチング装置の加工速度の不均一性のために、ウェハの面内で不均一に生じるので、下地削れが大きいと素子特性のばらつきも大きくなる。したがって、下地削れ速度が小さい程、素子特性変化とそのばらつきを小さくできる。

本発明の目的は、酸化膜上に高誘電率絶縁膜層とゲート電極配線層を有する構成のデバイス構造をエッチングする際に、処理工程数削減のため高誘電率絶縁膜層もプラズマ処理装置でエッチングする場合において、下地Ｓｉに対する選択比が高く、低コストで処理できるガス種，プロセスや処理装置を提供することにある。

本発明の一つの特徴は、酸化膜上に高誘電率絶縁膜層とゲート電極配線層を有する構成のデバイス構造をエッチングする際に、ＢＣｌ₃ とＣＨ_xＦ_yまたはＣＦ_xＣｌ_yを含むガスをエッチングガスとして使用した点にある。

本発明のその他の特徴は、本願明細書の発明を実施するための最良の形態欄で説明する。

本発明によれば、高誘電率ゲート絶縁膜をエッチングする際に、下地Ｓｉに対する選択比を高め、堆積性の少ないエッチングガスを用いているので、プラズマ処理でゲート絶縁膜を除去して、下地Ｓｉ削れと加工長変化を小さくし、高精度のゲート加工が実現できる。

ガス導入系よりガスが導入される処理室と、ウエハを支持する電極とを備えた真空容器を有し、処理室外部には高周波発生手段があり、処理室内のガスを電離・解離させてプラズマを発生させるプラズマ処理装置において、上記のＳｉ基板上の高誘電率ゲート絶縁膜を下地Ｓｉに対して高選択比でエッチングし、低コストで使用できるガスやその方法について記載する。

使用ガスに関しては、相対的に、高誘電率絶縁膜層に対して反応して気化しやすく、下地Ｓｉに対しては気化反応を起こしにくく、低コストで使用できるガスがよい。予想される気化反応に対して、反応でのエンタルピー変化を調べることにより、反応の起こりやすさを知ることができる。これを各候補ガスについて調べれば、有望なエッチングガスを知ることができる。例えば、ＢＣｌ₃とＨｆＯ₂が反応する場合、(４／３)ＢＣｌ₃＋ＨｆＯ₂→ＨｆＣｌ₄＋(２／３)Ｂ₂Ｏ₃(ｇ)なる反応を想定できて、２５℃でエンタルピーが３１
kcal／mol増加することがＣＲＣ Handbook of Physics and Chemistry のようなデータブックから知ることができる。プラズマエッチング装置のようにガスＢＣｌ₃ を常に供給しつつ気体生成物ＨｆＣｌ₄と(２／３)Ｂ₂Ｏ₃ を排気し続ける場合は、エネルギー的に不利であっても、この反応は徐々に進行していく。むしろ、数ｎｍの薄膜であるＨｆＯ₂ には適したエッチング速度であると理解できる。このような検討を各候補ガスについて実施すればよい。一方、Ｓｉに対しては、(４／３)ＢＣｌ₃＋Ｓｉ→ＳｉＣｌ₄＋(４／３)Ｂ(ｃ)なる反応で、エンタルピーが２８kcal／mol 減少することが判る。このため、Ｓｉ表面に薄い固体Ｂ層ができるが、ＢはＢＣｌ₃として気化できるため、表面のＢ層は薄いままになり、イオンスパッタの効果によりＳｉはゆっくりエッチングされ続けることになる。したがって、ＢＣｌ₃ ガスのみでは、Ｓｉに対する選択比を高く取れないことになる。一方、ガスＣＨ₂Ｃｌ₂は、ＨｆＯ₂ はＢＣｌ₃ より気化しにくいが、Ｓｉについては、
ＳｉＨ₂Ｃｌ₂気化により表面にＣ層ができると、ＣＨ₂Ｃｌ₂→Ｃ(ｓ)＋２ＨＣｌ(ｇ)なる反応でエンタルピーが２２kcal／mol 低下するために、表面にＣ層が成長でき、Ｓｉを保護して選択比を高くできる。しかし、ＣＨ_xＣｌ_yのようにＣｌを含むガスは、安全性や環境問題の点から、特殊な除外装置が必要となるためコスト高となり、使用は好ましくない。また、下地Ｓｉに対する選択比が必要であるが、ゆっくりとしたＨｆＯ₂／ＳｉＯ₂のエッチングの際に堆積性のガスを使用すると、既に加工済みのゲート電極の側壁に堆積物が付着して、加工後寸法が設計値から変化してしまう課題が発生する。これは対下地Ｓｉの選択比とのトレードオフになるため、使用するガスを慎重に選ぶ必要がある。

まず、ＣＦ₄の効果とＢＣｌ₃混合効果について述べておく。ＣＦ₄単体の場合、ＣＦ₄＋ＨｆＯ₂→ＨｆＦ₄＋ＣＯ₂（−６０kcal／mol）のように酸化物のエッチングは進みやすい。以下、括弧内の単位、kcal／molは省略し、数値のみを記す。一方、Ｓｉに対しては、初期にはＣＦ₄＋Ｓｉ→ＳｉＦ₄＋Ｃ（−１６５）であり、Ｃが堆積するが、その後、(１)２Ｆ₂＋Ｃ（＋２２１）、(２)ＣＦ₄（０）、(３)０.５ＳｉＦ₄＋０.５Ｃ₂Ｆ₄（−５０）の反応式から判るように、Ｃ上に堆積するよりも気化した方がエネルギー的に有利であるため、Ｃ系堆積膜はごく薄いままとなり、下地Ｓｉもエッチングされる。次に、ＢＣｌ₃／ＣＦ₄混合ガスの場合、酸化膜のエッチングは同様に進む。ただし、Ｓｉ上では、(１)ＢＦ₃＋ＦＣｌ＋Ｃｌ₂＋Ｃ（＋３３）、(２)ＢＦ₃＋ＣＦＣｌ₃（−２０）、(３)ＢＦ₃＋０.２５ＳｉＦ₄＋１.５Ｃｌ₂＋Ｃ（−５１）の反応式から判るように、まだやや気化側にいるが、大幅に堆積方向に移行したことが判る。このことから、個別に用いると対Ｓｉ選択比が得られないガスでも、ＢＣｌ₃ とハロゲン化炭素ガスの混合により選択比の得られるガスとなり得ることが判る。一方、ＢＣｌ₃ ともともと堆積性の強いハロゲン化炭素ガスの混合は、堆積性がさらに強くなり形状に悪影響を及ぼすことが予想できる。したがって、ＢＣｌ₃ とハロゲン化炭素ガスの混合ガスで、可能な限り弱い堆積性を持つガスが必要になる。

ＨｆＯ₂／ＳｉＯ₂エッチングの進行と選択比・形状を満足させるガスの選定検討において、ＣＦ₄，ＣＦ₃Ｃｌ，ＣＦ₂Ｃｌ₂，ＣＨＦ₃，ＣＨ₂Ｆ₂とＢＣｌ₃との混合ガスを考える。これらのハロゲン化炭素ガスは単独であるいは混合して用いることができる。また、これらは酸化膜のエッチングに関しては十分使用できるものであるため、ゲート絶縁酸化膜のプラズマ処理による除去で課題となる、下地Ｓｉに対する選択比と側壁等の堆積物による形状の問題に集中して、使用の可否を論じる。すなわち、以下では、Ｓｉ上の反応を論じる。これらは、Ｓｉとの反応においても初期には、Ｓｉが気化してＣ系膜が表面に残るが、その後のＣ系膜上での混合ガスの反応からガスの堆積性を知ることができる。これにより、形状問題からの要請である、できるだけ弱い堆積性のガスを知ることができる。

ＢＣｌ₃＋ＣＦ₄ →（１）ＢＦ₃＋ＦＣｌ＋Ｃｌ₂＋Ｃ（＋３３）、
（２）ＢＦ₃＋ＣＦＣｌ₃（−２０）
ＢＣｌ₃＋ＣＦ₃Ｃｌ →（１）ＢＦ₃＋２Ｃｌ₂＋Ｃ（−９）、
（２）ＢＣｌ₃＋ＣＦ₃Ｃｌ（０）
ＢＣｌ₃＋ＣＦ₂Ｃｌ₂ →（１）ＢＦ₂Ｃｌ＋２Ｃｌ₂＋Ｃ（−２）、
（２）ＢＣｌ₃＋ＣＦ₂Ｃｌ₂（０）、
ＢＣｌ₃＋Ｃｌ₂＋０.５＊Ｃ₂Ｆ₄（＋３６）
ＢＣｌ₃＋ＣＨＦ₃ →（１）ＢＦ₃＋ＨＣｌ＋Ｃｌ₂＋Ｃ（−３３）、
（２）ＢＦ₃＋ＣＨＣｌ₃（−２９）、
ＢＣｌ₃＋ＨＦ＋０.５＊Ｃ₂Ｆ₄（＋２２）
ＢＣｌ₃＋ＣＨ₂Ｆ₂ →（１）ＢＦ₂Ｃｌ＋２ＨＣｌ＋Ｃ（−５３）、
（２）ＢＦ₂Ｃｌ＋ＣＨ₂Ｃｌ₂（−３１）、
ＢＣｌ₃＋Ｈ₂＋０.５＊Ｃ₂Ｆ₄（＋２９）
上記５つの反応式で、（１）はＣ系膜の堆積を伴う反応、（２）は投入ガスが気化する反応で、括弧内の数字は反応後のエンタルピー変化で単位はkcal／molである。ＢＣｌ₃＋ＣＦ₄以外は、堆積反応の方が起こりやすいことが判り、特に、ＢＣｌ₃＋ＣＨ₂Ｆ₂は明らかに堆積反応の方が強いことが判る。ここで、（１）と（２）の反応を比べると、（１）の生成分子の方が小さく形成反応が速いことから、（２）より（１）の方が起こりやすいことをエンタルピーの差に加えて考慮する必要がある。このことから、気化側であるが、ＢＣｌ₃／ＣＦ₄は検討候補として残す。また、形状問題の制約からＣＨ₂Ｆ₂混合比は小さくして、堆積性を減少させる必要がある。また、ＢＣｌ₃ との混合により堆積性を示すガスＣＨ₂Ｆ₂，ＣＨＦ₃，ＣＦ₂Ｃｌ₂，ＣＦ₃Ｃｌに、ＣＦ₄ を混合することによりさらに堆積性を弱めることができる。以上ではＳｉ上を考えたが、堆積性に関してはガス自身の性質であるので、Ｓｉ上に限らず、ゲート電極側壁においても同様である。

ＢＣｌ₃ とＣＦ系のガスの混合により、ガスの堆積性と対下地Ｓｉ選択比は高まる方向であることが前記の議論から確認できた。一方、Ｃ，Ｆが加わることで酸化膜・窒化膜に対しては、エッチング性が増大する。ＢＣｌ₃ のみでも数ｎｍの酸化膜を短時間で除去し、エッチング速度が速いことが、特開２００５−０４５１２６号公報「半導体装置の製造方法」では述べられている。このため、基板に到達するラジカル量を低減して、酸化膜を除去する時間を長くし、加工停止制御が十分可能な範囲にする必要がある。この手段としては、低圧処理やＡｒ等の不活性ガスによる希釈がある。この場合、エッチング速度が低下するが、堆積性ラジカルも減少するので堆積速度も低下する。また、ラジカルに対してイオンの比率が大きくなるので、イオン衝撃による気化の比率が大きくなる。このため、気化側にあるガス、ＢＣｌ₃／ＣＦ₄，ＢＣｌ₃，ＣＦ₄等はＡｒ希釈等によって、より気化側に移行して下地Ｓｉを削りやすくなるので、使用ガスからは外すことになる。

以上から、酸化膜上に高誘電率絶縁膜層とゲート電極配線層を有する構成のデバイス構造をエッチングする際に、処理工程数削減のため高誘電率絶縁膜層もプラズマ処理装置でエッチングする場合において、下地Ｓｉに対する選択比が高く、加工寸法変化の小さい、低コストで処理できるガス種は、ＢＣｌ₃ とＦ化Ｃ系ガスとの混合ガスである。Ｆ化Ｃ系ガスは、ＣＨ₂Ｆ₂，ＣＨＦ₃，ＣＦ₂Ｃｌ₂，ＣＦ₃Ｃｌ、またはそれらの混合ガス、またはＣＦ₄ との混合ガス、またはＡｒ等の不活性ガスとの混合ガスである。また、高誘電率絶縁膜層は、ＨｆＯ₂，ＺｒＯ₂，Ｈｆ_xＳｉＯ_y，Ｚｒ_xＳｉＯ_yのいずれか、またはその窒化物、またはこれらの積層構造からなる絶縁層である。

本発明の実施例を図１〜図３により説明する。

ＵＬＳＩには多数の素子が搭載されて正確な動作が要求されるので、ゲート電極は正確なゲート長に加工される。その後、高誘電率ゲート絶縁膜をプラズマ処理装置でエッチングする際に、下地Ｓｉに対して高選択比で加工し、正確なゲート長でゲート絶縁膜も加工する必要があり、そのように加工できるガス種，プロセスや処理装置が必要である。本実施例はガス６をプラズマ化してエッチングする方法に関するものであるが、その要点はガス６を構成するガス成分２０にあり、上記の高誘電率ゲート絶縁膜を高精度に加工できる方法を提供することにある。そこで、はじめにガス選択の指針について述べ、実施例，効果の順に記述する。

ガス選択の指針としては、課題を解決するための手段で述べた。ＢＣｌ₃とＣＦ₃Ｃｌ，ＣＦ₂Ｃｌ₂，ＣＨＦ₃，ＣＨ₂Ｆ₂，ＣＦ₄のそれぞれ及び混合ガスについて、選択比・形状への効果を図１にまとめる。既に述べたように、図１に示したガスは、全て酸化膜をエッチングすることができる。また、炭素を含むガスは酸窒化膜をエッチングすることができる。したがって、Ｓｉに対する選択比とゲート電極側壁への堆積性が問題であり、図１にはその効果に関してまとめて示した。Ｓｉエッチング性に関しては、ＢＣｌ₃ のエッチング性より小さいことが必要である。このため、図１の単独ガスのほとんどを使用から外すことになる。また、堆積性はＳｉ非エッチング性と関連しているが、これが大きいと側壁に堆積して加工寸法が変化し、堆積ムラが生じると表面に面荒れが生じることになる。したがって、単独ガスのＣＨ₂Ｆ₂も使用から外れる。また、混合ガスは酸化膜・窒化膜エッチング性が大きいので、エッチング停止制御のために処理時間を長くする必要があり、低圧処理やＡｒ等の不活性ガス希釈が必要なため、ガスの性質が気化方向にシフトする。したがって、使用に適するガスは、図１のＳｉエッチング性がなしで、堆積性は微小或いは小以下が望ましい。ただし、混合ガスでは、堆積性原因ガスの混合比を落として堆積性を弱い方向に調節できるので、使用は可能でありＢＣｌ₃／ＣＨ₂Ｆ₂も使用できる。

本発明の第１の実施例を図３のデバイス構造、図２のエッチング装置を用いて説明する。図３は対象とするデバイス構造であり、シリコン基板１８の上に高誘電率ゲート絶縁膜１９、さらにゲート電極に加工される高融点金属膜２１，ハードマスク２２から構成される。このゲート構造をプラズマを用いてエッチングし、続けてゲート絶縁膜もプラズマ処理で除去する。高融点金属膜としては、ＴｉＮ等があり、１層とは限らず多層膜のこともある。高誘電率ゲート絶縁膜としては、ＨｆＯ₂ などがあり、これも２層以上のことがある。エッチングを実施するエッチング装置の例を図２に示す。プラズマ処理装置はガス導入系２を介しガス６が導入される処理室３と被処理物（ウエハ）４を支持する支持台（電極）５とを備えた真空容器１を有し、処理室内のガスは排気系７によって排気される。ウエハ４には図３のデバイスが構成されている。μ波発生源８で発生されたμ波９は導波路１０を通して、金属壁で囲まれた空洞部１１に導かれ、導入窓１２を介して処理室３に導かれる。導入窓の下にはガスを供給するシャワープレートが配置されている。処理室の外側には磁石・コイル１３により１kGauss程度の磁場を発生させる。処理室内に導かれたガス６はμ波電界と磁場との相互作用によって電離・解離され、プラズマ１４や解離種（ラジカル）１５が生成する。支持台５の上にはウエハ４が配置され、接続された高周波電源１６からの高周波が印加される。ウエハ４の上には、拡散防止膜(エッチストップ膜)１９と低誘電率膜１８が形成されている。支持台５に印加された高周波によってプラズマ中のイオンを引込み、ウエハを加工する。

上記においては、μ波と磁場とを用いたエッチング装置の場合を示したが、他のプラズマ生成方式による装置を用いても良い。他の方式としては、真空容器の中に平行に並べられた上下電極を持ち、上電極，下電極もしくはその両方に高周波を印加する平行平板型のＲＦ装置，平行平板型の装置に磁場コイルや磁石を設けたマグネトロン型装置，誘電体で構成される真空容器とコイル状アンテナにＲＦを印加する誘導結合型の装置、またこれらの方式の周波数をＶＨＦ帯，ＵＨＦ帯の高周波を用いた装置を用いても良い。

本実施例はガス６をプラズマ化してエッチングする方法に関するものであるが、その要点はガス６を構成するガス成分２０にあり、ゲート絶縁膜をプラズマでエッチングするエッチングガス２０ａとして、ＢＣｌ₃ とＦ化炭素系ガスとの混合ガスを用いたことを特徴とする。図１に示すようにこれらのガスは、下地Ｓｉに対して選択的にゲート絶縁膜をエッチングし、しかも、堆積性が小さいためにゲート電極側壁に堆積が生じにくく、加工長変化が生じにくいし、表面の堆積ムラによる面荒れも生じない。

前記の装置においてＢＣｌ₃／ＣＦ₃Ｃｌを用いた時のエッチング特性について述べる。エッチング特性は、処理後の下地Ｓｉ削れ量とゲート電極側壁に対するゲート絶縁膜の加工長変化量を調べた。エッチングしたデバイス構造は、Ｓｉ基板上に積層ゲート絶縁膜
Ｈｆ_xＳｉＯ_y／ＨｆＯ₂を有し、その上にゲート電極膜PolyＳｉを有し、その上にマスクを有する構造を使用した。処理時の条件は、プラズマソースパワー５００Ｗ，１２インチウェハ用電極ＲＦパワー１５Ｗ，流量ＢＣｌ₃／ＣＦ₃Ｃｌ＝５０sccm／５０sccm圧力0.2Ｐａ，電極温度５０℃，処理時間１０秒であった。その時の下地Ｓｉ削れ量は１ｎｍであり、ゲート絶縁膜の加工長変化量は３ｎｍであった。面荒れは観察されなかった。ＢＣl₃／ＣＦ₃Ｃｌは十分使用できるガスと確認できた。ここで、反応容器内の圧力を低くし、処理時間を短くしているのは、使用した混合ガスが酸化膜をエッチングする速度がＢＣl₃より大きいためである。低圧化により、酸化膜をエッチングするラジカル量が減少し、エッチング停止制御の可能なエッチング速度となる。また、Ａｒ等の不活性ガスを混合してラジカル量を減少させることもでき、この場合は、さらに制御範囲を広げることができる。このような、低圧化や不活性ガス希釈により、ラジカル量が減少すると、エッチング速度低下の他に、イオン密度は相対的に増加して物理スパッタが増加するので、堆積速度がラジカル減少効果以上に低下し、堆積性の混合ガスのプロセスには形状の点で有利に働く。一方、物理スパッタ増加は、ＢＣｌ₃ のように下地Ｓｉをエッチングするガスについては、エッチング速度低下以外は、下地Ｓｉエッチの点であまり有利にならない。

比較例として、前記の装置においてＢＣｌ₃ のみを用いた時のエッチング特性について述べる。エッチング特性は、処理後の下地Ｓｉ削れ量とゲート電極側壁に対するゲート絶縁膜の加工長変化量を調べた。エッチングしたデバイス構造は、Ｓｉ基板上に積層ゲート絶縁膜Ｈｆ_xＳｉＯ_y／ＨｆＯ₂ を有し、その上にゲート電極膜PolyＳｉを有し、その上にマスクを有する構造を使用した。処理時の条件は、プラズマソースパワー５００Ｗ，電極ＲＦパワー１０Ｗ，流量ＢＣｌ₃＝１００sccm，圧力０.２Ｐａ、電極温度５０℃，処理時間２０秒であった。その時の下地Ｓｉ削れ量は４ｎｍであり、ゲート絶縁膜の加工長変化量は２ｎｍ以下で、面荒れも観察されなかった。下地Ｓｉ削れ量が大きすぎ、ＢＣｌ₃ は使用し難いガスと確認できた。

第２の実施例として、前記の装置においてＢＣｌ₃／ＣＦ₂Ｃｌ₂ を用いた時のエッチング特性について述べる。エッチング特性は、処理後の下地Ｓｉ削れ量とゲート電極側壁に対するゲート絶縁膜の加工長変化量を調べた。エッチングしたデバイス構造は、Ｓｉ基板上に積層ゲート絶縁膜Ｈｆ_xＳｉＯ_y／ＨｆＯ₂ を有し、その上にゲート電極膜PolyＳｉを有し、その上にマスクを有する構造を使用した。処理時の条件は、プラズマソースパワー５００Ｗ，電極ＲＦパワー１５Ｗ，流量ＢＣｌ₃／ＣＦ₂Ｃｌ₂＝５５sccm／４５sccm ，圧力０.２Ｐａ，電極温度５０℃，処理時間１０秒であった。その時の下地Ｓｉ削れ量は１ｎｍ以下であり、ゲート絶縁膜の加工長変化量は４ｎｍであった。面荒れも観察されなかった。ＢＣｌ₃／ＣＦ₂Ｃｌ₂は十分使用できるガスと確認できた。

第３の実施例として、前記の装置においてＢＣｌ₃ ／ＣＨＦ₃ を用いた時のエッチング特性について述べる。エッチング特性は、処理後の下地Ｓｉ削れ量とゲート電極側壁に対するゲート絶縁膜の加工長変化量を調べた。エッチングしたデバイス構造は、Ｓｉ基板上に積層ゲート絶縁膜Ｈｆ_xＳｉＯ_y／ＨｆＯ₂ を有し、その上にゲート電極膜PolyＳｉを有し、その上にマスクを有する構造を使用した。処理時の条件は、プラズマソースパワー
５００Ｗ，電極ＲＦパワー２０Ｗ，流量ＢＣｌ₃／ＣＨＦ₃＝７０sccm／３０sccm，圧力
０.２Ｐａ，電極温度５０℃，処理時間１０秒であった。その時の下地Ｓｉ削れ量は１
ｎｍ以下であり、ゲート絶縁膜の加工長変化量は５ｎｍであった。面荒れも観察されなかった。ＢＣｌ₃／ＣＨＦ₃は十分使用できるガスと確認できた。

第４の実施例として、前記の装置においてＢＣｌ₃／ＣＨ₂Ｆ₂ を用いた時のエッチング特性について述べる。エッチング特性は、処理後の下地Ｓｉ削れ量とゲート電極側壁に対するゲート絶縁膜の加工長変化量を調べた。エッチングしたデバイス構造は、Ｓｉ基板上に積層ゲート絶縁膜Ｈｆ_xＳｉＯ_y／ＨｆＯ₂ を有し、その上にゲート電極膜PolyＳｉを有し、その上にマスクを有する構造を使用した。処理時の条件は、プラズマソースパワー
５００Ｗ，電極ＲＦパワー２０Ｗ，流量ＢＣｌ₃／ＣＨ₂Ｆ₂＝９０sccm／１０sccm ，圧力０.２Ｐａ,電極温度５０℃，処理時間１０秒であった。その時の下地Ｓｉ削れ量は１ｎｍ以下であり、ゲート絶縁膜の加工長変化量は５ｎｍであった。面荒れも観察されなかった。ＢＣｌ₃／ＣＨ₂Ｆ₂は十分使用できるガスと確認できた。

第５の実施例として、前記の装置においてＢＣｌ₃／ＣＦ₂Ｃｌ₂／ＣＦ₄を用いた時のエッチング特性について述べる。エッチング特性は、処理後の下地Ｓｉ削れ量とゲート電極側壁に対するゲート絶縁膜の加工長変化量を調べた。エッチングしたデバイス構造は、
Ｓｉ基板上に積層ゲート絶縁膜Ｈｆ_xＳｉＯ_y／ＨｆＯ₂を有し、その上にゲート電極膜
PolyＳｉを有し、その上にマスクを有する構造を使用した。処理時の条件は、プラズマソースパワー５００Ｗ，電極ＲＦパワー１５Ｗ，流量ＢＣｌ₃／ＣＦ₂Ｃｌ₂／ＣＦ₄＝５０
sccm／２０／３０sccm，圧力０.２Ｐａ，電極温度５０℃，処理時間１０秒であった。その時の下地Ｓｉ削れ量は１.５ｎｍであり、ゲート絶縁膜の加工長変化量は２ｎｍであった。面荒れも観察されなかった。ＢＣｌ₃／ＣＦ₂Ｃｌ₂／ＣＦ₄は十分使用できるガスと確認できた。

第６の実施例として、前記の装置においてＢＣｌ₃／ＣＨＦ₃／ＣＦ₄ を用いた時のエッチング特性について述べる。エッチング特性は、処理後の下地Ｓｉ削れ量とゲート電極側壁に対するゲート絶縁膜の加工長変化量を調べた。エッチングしたデバイス構造は、Ｓｉ基板上に積層ゲート絶縁膜Ｈｆ_xＳｉＯ_y／ＨｆＯ₂を有し、その上にゲート電極膜PolyＳiを有し、その上にマスクを有する構造を使用した。処理時の条件は、プラズマソースパワー５００Ｗ、電極ＲＦパワー１５Ｗ，流量ＢＣｌ₃／ＣＨＦ₃／ＣＦ₄ ＝５０sccm／１０／４０sccm，圧力０.２Ｐａ，電極温度５０℃，処理時間１０秒であった。その時の下地
Ｓｉ削れ量は１.５ｎｍであり、ゲート絶縁膜の加工長変化量は２ｎｍであった。面荒れも観察されなかった。ＢＣｌ₃／ＣＨＦ₃／ＣＦ₄ は十分使用できるガスと確認できた。

比較実施例として、前記の装置においてＢＣｌ₃／ＣＦ₄を用いた時のエッチング特性について述べる。エッチング特性は、処理後の下地Ｓｉ削れ量とゲート電極側壁に対するゲート絶縁膜の加工長変化量を調べた。エッチングしたデバイス構造は、Ｓｉ基板上に積層ゲート絶縁膜Ｈｆ_xＳｉＯ_y／ＨｆＯ₂ を有し、その上にゲート電極膜PolyＳｉを有し、その上にマスクを有する構造を使用した。処理時の条件は、プラズマソースパワー５００Ｗ，電極ＲＦパワー１０Ｗ，流量ＢＣｌ₃／ＣＦ₄＝５０sccm／５０sccm，圧力０.２Ｐａ，電極温度５０℃，処理時間１０秒であった。その時の下地Ｓｉ削れ量は３ｎｍであり、ゲート絶縁膜の加工長変化量は１ｎｍ以下であった。面荒れも観察されなかった。下地Ｓｉ削れ量が大きく、ＢＣｌ₃／ＣＦ₄は使用し難いガスと確認できた。

第７の実施例として、前記の装置においてＢＣｌ₃／ＣＦ₃Ｃｌ／Ａｒを用いた時のエッチング特性について述べる。エッチング特性は、処理後の下地Ｓｉ削れ量とゲート電極側壁に対するゲート絶縁膜の加工長変化量を調べた。エッチングしたデバイス構造は、Ｓｉ基板上に積層ゲート絶縁膜Ｈｆ_xＳｉＯ_y／ＨｆＯ₂を有し、その上にゲート電極膜PolyＳiを有し、その上にマスクを有する構造を使用した。処理時の条件は、プラズマソースパワー５００Ｗ，電極ＲＦパワー１０Ｗ，流量ＢＣｌ₃／ＣＦ₃Ｃｌ／Ａｒ＝１０sccm／１０
sccm／８０sccm，圧力０.２Ｐａ，電極温度５０℃，処理時間３０秒であった。その時の下地Ｓｉ削れ量は１ｎｍ以下であり、ゲート絶縁膜の加工長変化量は１ｎｍ以下であった。面荒れも観察されなかった。ＢＣｌ₃／ＣＦ₃Ｃｌ／Ａｒは十分使用できるガスと確認できた。

比較例として、前記の装置においてＢＣｌ₃／Ａｒを用いた時のエッチング特性について述べる。エッチング特性は、処理後の下地Ｓｉ削れ量とゲート電極側壁に対するゲート絶縁膜の加工長変化量を調べた。エッチングしたデバイス構造は、Ｓｉ基板上に積層ゲート絶縁膜Ｈｆ_xＳｉＯ_y／ＨｆＯ₂ を有し、その上にゲート電極膜PolyＳｉを有し、その上にマスクを有する構造を使用した。処理時の条件は、プラズマソースパワー５００Ｗ，電極ＲＦパワー１０Ｗ，流量ＢＣｌ₃／Ａｒ＝２０／８０sccm，圧力０.２Ｐａ，電極温度
５０℃，処理時間５０秒であった。その時の下地Ｓｉ削れ量は３ｎｍであり、ゲート絶縁膜の加工長変化量は−１ｎｍで、面荒れも観察されなかった。しかし、下地Ｓｉ削れ量が大きすぎ、ＢＣｌ₃／Ａｒは使用しにくいと考えた。

本発明の実施例によるガス成分及びその組合せを示す図。本発明の実施例に使用したプラズマ処理装置を示す図。本発明の実施例に関するＳｉ基板と高誘電率ゲート絶縁膜／ゲート電極膜／マスクからなるデバイス構造を示す図。

符号の説明

１…真空容器、２…ガス導入系、３…処理室、４…被処理物、５…支持台、６…ガス、７…排気系、８…μ波発生源、９…μ波、１０…導波路、１１…空洞、１２…導入窓、
１３…磁石・コイル、１４…プラズマ、１５…ラジカル、１６…高周波電源、１７…温度制御手段、１８…シリコン基板、１９…高誘電率ゲート絶縁膜、２０…ガス成分、２１…高融点金属膜（Ｔａを含む窒化物）、２２…ハードマスク、２３…積層ゲート電極膜。

Claims

酸化膜上に高誘電率絶縁膜層及びゲート電極配線層を有する構成のデバイス構造をエッチングする際に、高誘電率絶縁膜層もプラズマ処理装置でエッチングする方法であって、ＢＣｌ₃とＣＨＦ ₃ またはＣＨ ₂ Ｆ ₂ またはＣＦ ₃ ＣｌまたはＣＦ ₂ Ｃｌ ₂ のうち少なくとも一つの混合ガスをエッチングガスとして用いたエッチング方法。
請求項１において、前記エッチングガスにさらにＣＦ ₄ を混合したエッチング方法。
請求項１において、前記エッチングガスはＢＣｌ ₃ とＣＦ ₃ Ｃｌの混合ガスにさらにＡｒを混合することを特徴とするエッチング方法。
請求項１において、前記高誘電率絶縁膜層が、ＨｆＯ ₂ ，ＺｒＯ ₂ ，Ｈｆ _x ＳｉＯ _y ，Ｚｒ _x ＳｉＯ _y のいずれか、またはその窒化物、またはこれらの積層構造であることを特徴とするエッチング方法。