JP4994161B2

JP4994161B2 - メタルゲートのドライエッチング方法

Info

Publication number: JP4994161B2
Application number: JP2007224431A
Authority: JP
Inventors: 譲山本; 昭人河内; 敏明西田
Original assignee: Hitachi High Technologies Corp
Current assignee: Hitachi High Tech Corp
Priority date: 2007-08-30
Filing date: 2007-08-30
Publication date: 2012-08-08
Anticipated expiration: 2027-08-30
Also published as: JP2009059806A

Description

本発明は、メタルゲートの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、メタルゲートのプラズマドライエッチング方法に関する。

近年、半導体デバイス技術の進歩により、下地二酸化ケイ素の薄膜化が進んでおり、量子トンネル効果によるリーク電流の増加が、問題となってきている。現在、二酸化ケイ素にかえて、電気特性が同じ状態で二酸化ケイ素より膜厚を厚くできる高誘電率の絶縁膜とメタルゲートの組み合わせによるトランジスタの開発が進められている。メタルゲートとしては、ｎ型メタルゲートとｐ型メタルゲートでは異なる材料が検討されているが、従来のシリコンゲートと同様のガス種でのドライエッチング方法では、ｎ型メタルゲートとｐ型メタルゲート間に形状差が発生することが、問題となっている。

従来のメタルゲートを用いた半導体装置の製造方法を、図３を用いて説明する。図２に示すウェハを、フォトレジスト１０をマスクとして、反射防止膜（ＢＡＲＣ）１１、ＳｉＮ膜１２、Ｗ膜１３、メタルゲート１４、１５を、それぞれ条件の異なるエッチングステップにて、上の層から順番にエッチングを行い、最終的に図３のエッチング形状を得た。

まず、従来のエッチング方法における各層の処理条件を説明する。レジストマスク１０を、酸素（Ｏ_２）とアルゴン（Ａｒ）の混合ガスを用いて、ガス流量比２：９で供給し、圧力０．１Ｐａ、ＵＨＦ電力５００Ｗ、高周波電力１０Ｗとしてスリミング処理を行った。

反射防止膜１１のエッチング条件は、処理ガスとして酸素（Ｏ_２）と臭化水素（ＨＢｒ）とアルゴン（Ａｒ）ガスの混合ガスを用い、ガス流量比１：３．５：７．５で供給し、圧力０．４Ｐａ、ＵＨＦ電力５００Ｗ、高周波電力４０Ｗとした。

ＳｉＮ膜１２のエッチング条件は、処理ガスとして六フッ化硫黄（ＳＦ_６）と三フッ化メタン（ＣＨＦ_３）とアルゴンの混合ガスを用い、ガス流量比５：３２：１０で供給し、圧力１．２Ｐａ、ＵＨＦ電力５００Ｗ、高周波電力２０Ｗとした。

Ｗ膜１３のエッチング条件は、塩素（Ｃｌ_２）と六フッ化硫黄と三フッ化メタンと窒素（Ｎ_２）の混合ガスを用い、ガス流量比１０：１：８：２１で供給し、圧力１．０Ｐａ、ＵＨＦ電力８００Ｗ、高周波電力２０Ｗとした。

この例では、メタルゲートとして、ｎ型メタルゲートにＴａＳｉＮ膜１４、ｐ型メタルゲートにＴｉＮ膜１５を使用し、下地絶縁膜としてＨｆＳｉＯＮ膜１６を用いた。メタルゲートのエッチング条件は、塩素と臭化水素の混合ガスを、ガス流量比３：５で供給し、圧力０．２Ｐａ、ＵＨＦ電力５００Ｗ、高周波電力２０Ｗとした。

各エッチングステップでは、材質の異なる各層を、同様の形状かつウェハ面内均一にエッチングするため、ガス種、ガス流量比、圧力、ＵＨＦ電力、高周波電力、磁場強度を、それぞれ調整している。また、各エッチングステップのエッチング時間は、プラズマ発光強度をモニタして、強度変化から定めている。

図３に、上記ウェハをシリコンゲートと同様のガス種でのエッチングした後のウェハ断面形状を示す。図３は、図２と同様に、右側はｐ型メタルゲート１５部分を、左側はｎ型メタルゲート１４部分を示す。従来のシリコンゲートと二酸化ケイ素下地絶縁膜の組み合わせでは、下地抜け防止のため、エッチングガスである塩素とシリコン系反応生成物を生じる臭化水素を混合して、エッチングを行っている。この例では、塩素３７．５％、臭化水素６２．５％を混合して、ＴａＳｉＮ膜１４およびＴｉＮ膜１５のメタルゲートをエッチングした。その結果、図３に示すように、ＳｉＮ膜１２は逆テーパー状にサイドエッチングされ、Ｗ膜１３はテーパー状にサイドエッチングされ、さらに、ＴｉＮ膜１５は逆テーパー状のサイドエッチ形状１７となり、ＴａＳｉＮ膜１４との間に形状差を生じた。

本発明は、下地絶縁膜にＨｆＳｉＯＮ膜を用いその上にｎ型メタルゲート（ＴａＳｉＯＮ）およびｐ型メタルゲート（ＴｉＮ）を設けた半導体装置のメタルゲートのドライエッチング時に、フッ化炭素（ＣＦ）系ガスを使用することにより、異なる材料を用いたｎ型メタルゲートおよびｐ型メタルゲートの形状制御を行うことと、下地ＨｆＳｉＯＮ膜の突き抜け防止を両立させることを目的とする。

この課題は、シリコン基板の表面に形成されたＨｆＳｉＯＮ膜の上に、ｎ型メタルゲート部となるＴａＳｉＮ膜または、ｐ型メタルゲート部となるＴｉＮ膜が形成され、前記ＴａＳｉＮ膜または、前記ＴｉＮ膜のそれぞれの膜の上にＷ膜が形成された半導体装置に前記ｎ型メタルゲート部および前記ｐ型メタルゲート部を形成するドライエッチング方法において、前記ＴａＳｉＮ膜および前記ＴｉＮ膜を塩素ガスと三フッ化メタンガスと窒素ガスとの混合ガスまたは塩素ガスと四フッ化炭素ガスと窒素ガスとの混合ガスを使用し、前記塩素ガスと三フッ化メタンガスと窒素ガスとの混合ガスまたは前記塩素ガスと四フッ化炭素ガスと窒素ガスとの混合ガスの流量を３：１：１とし、処理圧力を０．５Ｐａ以下としてエッチングすることにより、達成できる。

本発明によれば、上記半導体装置のメタルゲートのドライエッチング時に、フッ化炭素系ガスを使用することにより、メタルゲートのエッチングによるｎ型メタルゲートとｐ型メタルゲート間の形状差の発生を抑制し、下地絶縁膜であるＨｆＳｉＯＮ膜の突き抜けを防止することができる。

以下、本発明によるドライエッチングの、メタルゲートのエッチング方法について説明する。図１に、本発明で使用したエッチング装置のエッチングチャンバの構造の概要を示す。この例は、プラズマ生成手段にＵＨＦ（ＵｌｔｒａＨｉｇｈＦｒｅｑｕｅｎｃｙ）と磁界を利用したＵＨＦプラズマエッチング装置の例である。

エッチング装置は、エッチングチャンバ内に、シャワープレート１と、ウェハホルダ８とを配置して構成される。図示を省略したＵＨＦ高周波電源に接続された同軸ケーブル２および同軸導波管３を介して上部電極からエッチングチャンバ内に高周波電力を供給する。エッチングチャンバ内では、ソレノイドコイル５によって磁場を形成してプラズマ４の生成を制御し、ウェハホルダ８上に載置したウェハ６に静電吸着電源７から直流電力を印加してウェハ６を吸着し、高周波電源９から高周波バイアスを印加してエッチングを行う。

エッチング処理に利用されるガスは、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の高周波は、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チャンバに導入される。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
ＣｙｃｌｏｔｒｏｎＲｅｓｏｎａｎｃｅ）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。エッチング処理時、処理ウェハ６は、搬送室(図省略)よりエッチング室のウェハホルダ８に搬入され、静電吸着電源７でウェハホルダ８に直流電圧を印加することによって、静電吸着力によりウェハホルダの電極に吸着固定される。また、電極には高周波電源９が接続してあり、高周波のバイアス電力を印加して、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。

高周波電力印加による処理ウェハ６の昇温を防止しウェハ表面の温度を一定に保つため、処理ウェハ６とウェハホルダ８の間に、ウェハホルダ８の裏面から冷却ガスを流している。冷却ガスを処理ウェハ６の裏面に均一に流すため、ウェハホルダ８の表面には、微細な表面加工が施されている。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に、本実施例で使用する、エッチング前のウェハに形成する半導体素子のｎ型部分とＰ型部分の部分断面構造を示す。図２の右側はｐ型部分を、左側はｎ型部分を示す。この実施例では、ウェハは、図示を省略したシリコン基板の上に下地ＨｆＳｉＯＮ膜１６を形成し、その上に、夫々の電極の仕事関数を制御する金属膜例えば、ｎ型メタルゲート部分ではＴａＳｉＮ膜１４を、ｐ型メタルゲート部分ではＴｉＮ膜１５を形成してメタルゲートとする。さらに、ウェハは、この上にＷ膜１３、ＳｉＮ膜１２、反射防止膜（ＢＡＲＣ）１１を積層して形成し、その表面にフォトレジスト１０からなるマスクを形成して構成される。

図４を用いて上記図３のエッチング処理を改善した処理について、ＳｉＮ膜１２、Ｗ膜１３の処理条件を上記条件から変更した時のウェハ断面形状をエッチング膜毎に並べて説明する。図４は、図２および図３と同様に、右側はｐ型メタルゲート１５部分を、左側はｎ型メタルゲート１４部分を示す。

まず、図３の場合と同一条件により、レジストマスク１０のスリミングと、反射防止膜１１をエッチングする（図４（Ａ））。

次に、ＳｉＮ膜１２を、図３と同様なエッチング条件で処理した。すなわち、ここでは、ＳｉＮ膜１２を異方性形状にする目的で、混合ガスに含まれる六フッ化硫黄の比率を１１％から７％へ下げた。すなわち、六フッ化硫黄と三フッ化メタンとアルゴンの流量比を３：３２：１０とした。これにより等方性エッチングを抑え、テーパー状の異方性形状にすることができた（図４（Ｂ））。

Ｗ膜１３については、塩素と四フッ化炭素（ＣＦ_４）と窒素の混合ガスを用い、流量比を１５：３５：５５とし、処理圧力を０．５Ｐａ以下にし、ＵＨＦ電力８００Ｗ、高周波電力２０Ｗとして処理することによって、ＷＣｌｘなどのデポを軽減し、より垂直に近い異方性形状を得ることができた（図４（Ｃ））。

次に、メタルゲート１４、１５のエッチングについては、図３と同様、塩素と臭化水素の混合ガスとし、ガス流量比３：５で供給し、圧力０．２Ｐａ、ＵＨＦ電力５００Ｗ、高周波電力２０Ｗとしたが、上層の形状を変更しても、ＴｉＮ膜１５にサイドエッチング１７を生じＴａＳｉＮ膜１４との間に形状差を生じた（図４（Ｄ））。

図５に、図４のエッチング処理をさらに改善した本発明の処理について、メタルゲート１４、１５のエッチングガスを上記条件から塩素と三フッ化メタンと窒素の混合ガスに変更した時のウェハ断面形状をエッチング膜毎に並べて示す。図５は、図２と同様に、右側はｐ型メタルゲート１５部分を、左側はｎ型メタルゲート１４部分を示す。

フォトレジスト１０、反射防止膜１１、ＳｉＮ膜１２、Ｗ膜１３までのエッチングについては、図４と同一のエッチング条件で処理した。

メタルゲート１４、１５のエッチングガスについて、本実施例では、塩素と四フッ化炭素（ＣＦ_４）と窒素の混合ガスを使用して流量比を６０：２０：２０とし、処理圧力を０．５Ｐａ以下にし、ＵＨＦ電力５００Ｗ、高周波電力１０Ｗとして処理した（図５（Ｄ））。

従来のシリコンゲートと二酸化ケイ素下地絶縁膜の組み合わせでは、フッ素原子を含むガスを、シリコンゲートと下地絶縁膜の界面付近のエッチングに使用すると、下地突き抜けが容易に発生するため、使用不可能であった。本発明では、フッ素原子を含んだガスでのエッチングでも、下地絶縁膜１６の突き抜けが発生しにくい材料である、ＨｆＳｉＯＮを使用した。その結果、四フッ化炭素をメタルゲートのエッチングに使用することにより、メタルゲートをエッチングしてもＴｉＮ膜１５とＴａＳｉＮ膜１４の形状差が発生することなく、かつ下地絶縁膜であるＨｆＳｉＯＮ膜１６を突き抜けることなくエッチングすることができた。また、メタルゲート１４、１５のエッチングガスをＷ膜１３のエッチングと同じガス系にすることで、メタルゲートエッチング中にＷ膜１３のサイドエッチングも進行し、この結果、Ｗ膜の形状を更に垂直に近づけることができた。

メタルゲート１４、１５のエッチング処理において、四フッ化炭素を、同じ割合の三フッ化メタン（ＣＨＦ_３）としても同様の形状にエッチングすることができた。

Ｗ膜１３のエッチングガスとして、塩素と三フッ化メタンと窒素ガスの混合ガスを、流量比１５：３５：５５で用いることができる。この場合、処理圧力を０．５Ｐａ以下にし、ＵＨＦ電力８００Ｗ、高周波電力２０Ｗとして処理する。

さらに、本実施例では、メタルゲート１４、１５のエッチングガスとして、四フッ化炭素または三フッ化メタンと塩素および窒素ガスの混合ガスを例に挙げて説明を行ったが、二フッ化メタン（ＣＨ_２Ｆ_２）など炭素及びフッ素を含むガスであれば、本発明は適用可能であり、同等の効果を得ることができる。

なお、本発明は、図１に示したＵＨＦ波と磁場を用いたプラズマエッチング装置を使用したが、プラズマ生成方法に関らず適用可能であり、マイクロ波エッチング装置、ヘリコン波エッチング装置、誘導結合型エッチング装置等によって実施しても、同等の効果を得ることができる。

また、本実施例では、レジストマスクの例を挙げて説明を行ったが、ハードマスクなど、メタルゲート上の構造に関らず、本発明は適用可能であり、同等の効果を得ることができる。

本発明に用いたＵＨＦプラズマエッチング装置の概略断面図。本発明に用いたエッチング処理前のウェハ断面図。図２のウェハをシリコンゲートと同様のガス種でエッチングした後のウェハ断面図。ＳｉＮ、Ｗのエッチングガス等を変更し、シリコンゲートと同様のガス種でエッチングした後のウェハ断面図。本発明にかかる塩素と三フッ化メタンと窒素の混合ガスでメタルゲートをエッチングした後のウェハ断面図。

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…ウェハホルダ,９…高周波電源，１０…レジストマスク，１１…反射防止膜，１２…ＳｉＮ膜，１３…Ｗ膜，１４…ＴａＳｉＮ膜，１５…ＴｉＮ膜，１６…下地ＨｆＳｉＯＮ膜，１７…ＴｉＮ膜のサイドエッチ形状

Claims

シリコン基板の表面に形成されたＨｆＳｉＯＮ膜の上に、ｎ型メタルゲート部となるＴａＳｉＮ膜または、ｐ型メタルゲート部となるＴｉＮ膜が形成され、前記ＴａＳｉＮ膜または、前記ＴｉＮ膜のそれぞれの膜の上にＷ膜が形成された半導体装置に前記ｎ型メタルゲート部および前記ｐ型メタルゲート部を形成するドライエッチング方法において、
前記ＴａＳｉＮ膜および前記ＴｉＮ膜を塩素ガスと三フッ化メタンガスと窒素ガスとの混合ガスまたは塩素ガスと四フッ化炭素ガスと窒素ガスとの混合ガスを使用し、前記塩素ガスと三フッ化メタンガスと窒素ガスとの混合ガスまたは前記塩素ガスと四フッ化炭素ガスと窒素ガスとの混合ガスの流量を３：１：１とし、処理圧力を０．５Ｐａ以下とし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。
請求項１記載のドライエッチング方法において、
前記Ｗ膜を塩素ガスと四フッ化炭素ガスと窒素ガスとの混合ガスまたは塩素ガスと三フッ化メタンガスと窒素ガスとの混合ガスを使用し、前記塩素ガスと四フッ化炭素ガスと窒素ガスとの混合ガスまたは前記塩素ガスと三フッ化メタンガスと窒素ガスとの混合ガスの流量を３：７：１１とし、処理圧力を０．５Ｐａ以下とし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。