JPH02170426A

JPH02170426A - 多層構造膜のドライエッチング方法

Info

Publication number: JPH02170426A
Application number: JP32486788A
Authority: JP
Inventors: Toshiya Muraguchi; 要也村口; Haruo Okano; 晴雄岡野
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1988-12-22
Filing date: 1988-12-22
Publication date: 1990-07-02

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】〔発明の目的〕（産業上の利用分野）本発明は、多層構造膜のドライエツチング方法に係り、
特に、金ｉ膜または金属化合物膜と多結晶シリコン膜と
からなる多層構造膜のドライエツチング方法に関する。

（従来の技術）半導体！＠の高集積化に伴い、回路の微細化は進む一方
であり、微細化に付随して種々の問題が生じてきている
。

例えば、従来、ゲート電極や配線に多結晶シリコン膜が
広く用いられてきているが、近年特に微細化が進む一方
で高抵抗化による信号の遅延が深刻な問題となってきて
いる。

そこで、ゲート材料としてタングステンシリサイドＷＳ
ｉ２．チタンシリサイドＴｉＳｉ２．タンタルシリサイ
ドＴａＳ　ｉ２等の硅化金属膜と多結晶シリコン膜との
多層構造膜の使用が検討されている。

一方、回路の微細化に伴い、ゲート電極も微細化する一
方であり、またゲート電極の下層に形成されるゲート絶
縁膜も次第に薄くなる傾向にあり、１００八以下の厚さ
になってきている。このため、ゲート電極のパターニン
グに際しては、加工形状の悪さがチャネル長のばらつき
の原因となり、また、ゲート絶縁膜を構成する酸化シリ
コン膜とのエツチング選択比が歩留まり低下の原因とな
り、いずれも多大な問題となっている。

ところで、エツチングこのようにゲート絶縁膜のｌｌＩ
！厚が１００八以下の場合、実用上、選択比は２０以を
必要である。

しかし、従来から用いられている硅化金層のエツチング
ガスである六フッ化硫黄ＳＦ６等のフッ素系ガスやフッ
素系ガスと四塩化炭素との混合ガス等によるエツチング
では、酸化シリコンに対する選択比が１０以下と十分で
ない。

また、多結晶シリコン膜のエツチングに際しては、従来
から反応性イオンエツチングが用いられているが、次に
詳述するように加工形状、選択比共に十分なエツチング
は不可能であった。

ところで、反応性イオンエツチングには、高周波電力の
印加される側の電極上に被エツチング材料をおく越権結
合方式と、接地電極上に被エツチング材料をおくＩ！ｌ
極結合方式とがある。

放電空間内で最も高い電位はプラズマ電位であり電子の
移動はイオンのそれに比較して極めて大きいため、プラ
ズマに接するあらゆる表面には電子がＩＦＪＡし、電位
はプラズマ電位よりも低くなる。

そして陰極の表面では放電を維持するために大きな陰極
降下Ｍ斤を生じるのに対し、陽極の表面ではプラズマ電
位の分だけしか電位差を生じない。

従って、陰極結合方式の方がイオン促進化学反応の寄与
が大きく、エツチングの方向性が良好である。また、陽
極結合方式ではイオン＊撃のエネルギーが小さいために
、エツチングの方向性が陰極結合方式に比較して悪く、
アンダーカッ１−や逆テーバ形状などを生じやすい。

方、１喰極結合方式の場合はイオン衝撃のエネルギーが
大きいために、月料の性質に無関係に表面が分解された
り励起されたりする結果、材料の違いに寄るエツチング
速度の差、すなわら選択比は陽極結合方式に比較して小
さい。

従って、多結晶シリコンのパターニングに際し、陽極結
合方式を用いた場合は選択比はとれるけれども加工形状
が悪＜、Ｉｔ３＃Ａ結合方式を用いた場合には、加工形
状は良いけれどｔ）選択比が小さいという問題があった
。

（発明が解決しようとする問題点）このように、酸化シリコン膜上に形成された珪化金属膜
と多結晶シリコン膜との多層構造膜の加工に際して、十
分な選択性が得られないという問題があった。

本発明は、前記実情に鑑みてなされたしので、酸化シリ
コン膜上に形成された硅化金属膜と多結晶シリコン膜と
の多層溝造膜の加工に際して、十分な選択性を得ること
のできるエツチング方法を提供することを目的とする。

〔発明の構成〕

（課題を解決するだめの手段〉そこで本発明の第１の方法では、反応ガスの放電プラズ
マを発生せしめ、被処理基体表面の酸化シリコン膜上に
形成された硅化金属膜と多結晶シリコン膜との多層Ｍ４
造躾のパターニングのためのドライエツチングに際し、
該多結晶シリコン膜よりも上部の層をエツチングする第
１の工程と、多結晶シリコン膜をエツチングする第２の
工程との２つの工程に分け、第２の工程において基板温
度を、酸化シリコン膜の温度の逆数に対するエツチング
速度の関係曲線の変化点近傍の温度以下になるようにＩ
ＩＩＩＪ　ｌするようにしている。

また本発明の第２の方法では、これら第１および第２の
工程において同一の反応ガス雰囲気中でエツチングを行
うようにし、第２の工程において基板温度を、酸化シリ
コン膜の一度の逆数に対するエツチング速度の関係曲線
の変化点近傍の温度以下になるように制御するようにし
ている。

（作用）本発明者らは、塩素等を含む反応性ガスを用いて多結晶
シリコン薄膜と酸化シリコン膜とのエツチング速度の温
度依存性について種々の実験を重ねた結果、次に示１−
ような事実を発見した。

すなわち、多結晶シリコン薄膜では、温度の逆数に対し
てエツチング′ａ度は直線的に変化するのに対し、酸化
シリコン膜では、温度の逆数に対してエツチング速度を
プロットした曲線には、傾きが変化する変化点があり、
この変化点よりも高温側では変化の傾きが小さく、低温
側では傾きが大きくなる。

これは、変化点温度よりも低温側に、基板処理温度を設
定した場合、塩素プラズマが酸化シリコンと反応して、
蒸気圧の低い５ｉＣＩｘ（Ｘ：１〜２）、５ｉＯｘＣＩ
ｙ　（Ｙ：　１〜２）が生成され易く、これらはイオン
性が強いため、多結晶シリコンよりもイオン性の強い酸
化シリコン表面に凝縮し易い。このため、これら３ｉＣ
Ｉｘ（Ｘ＋１〜２）、５ＩＯｘＣｌｙ　（Ｙ：　１〜２
）が酸化シリコン表面を覆いエツチングの進行が抑制さ
れるためであると考えられる。

ところで、反応性イオンエツチングでは、プラズマ中の
イオンが被エツチング材料を衝撃して進行するイオン促
進反応と、ラジカルによって自然に進行する化学反応と
によってエツチングが進行する。前者が方向性エツチン
グの原動力であり、後者は等方性を有するものである。

さらに、一般に、反応性ガスの分解から生じる電荷を持
たない活性梯（ラジカル）による化学反応は、イオン促
進化学反応に比べ温度依存性が大きいために、基板温度
を低くすることにより、等方性エツチングは極めて進行
が小さくなり、サイドエッチが大幅に低減される。

ここで金属シリサイド膜のエツチング反応では、サイド
エッチは少ないが、多結晶シリコンのエツチングは十分
に長くしエツチング残しがないようにしなければならな
いため、長時間エツチング雰囲気に晒されているうちに
サイドエッチの問題が顕在化してくる。しかし、基板温
度の低温化によって横方向への１ツチングの進行はほと
んど皆無となり、アンダーカットが大幅に低減される。

本５を明は、この点に着目してなされたもので、多結晶
シリコンのエツチング工程において、温度の逆数に対し
て酸化シリコン膜のエツチング速度をプロットした曲線
の傾きが変化する温度ずなわち変化点温度よりも低温側
に、基板処ｉ！ｌ！温度を設定することにより、多結晶
シリコン７ｉ１ｉ膜の酸化シリコン膜に対するエツチン
グ選択比は大幅に向上し、選択性の高いエツチングが可
能となると共に、上層の金属シリサイドはサイドエッチ
もなく良好に維持される。

また、本発明の第２の方法によれば、多結晶シリコン膜
をエツチングする第２の工程においてら、石１化金属膜
等上層の膜をエツチングする第１の工程において用いた
のと同一の反応ガス雰囲気中でエツチングを行うように
し、温度のみを変化点近傍の温度以下になるように制御
するようにしているため、ガスの排出供給などの操作が
不要となり、大幅に作業性が向上し、また、不純物の混
入などの不都合もなくすことが可能となる。

さらに、第２工程で圧力を上げるようにすれば、５ｉＣ
Ｉｘ　（Ｘ：　１〜２）、５ｉＯｘＣＩｙ　（ｙ：１〜
２）の凝縮成分の濃度が高まり、酸化シリコン表面を覆
いエツチングの進行の抑制にさらに大ぎく作用する。

（実施例）以下、本発明の実施例について、図面を参照しつつ詳細
に説明する。

第１図は、本発明の方法に用いられるドライエツチング
装置の概略構成図である。

このドライエツチング装置は、エツチング室１０と、搬
入用予備室２０と、搬出用予備室３０とから構成され、
エツチング室１０と、搬入用予備室２０および搬出用予
備室３０との間はそれぞれゲートパルプ２１および３１
により仕切られ、エツチング室を真空に保持したまま、
それぞれ搬入用予備室２０および搬出用予備室３０に配
設されたゲートバルブ２２および３２から被護］！！！
基体を搬入および搬出することができ、大気中の水分ヤ
Ｍ素笠の悪影響を避けることができるようになっている
。２３および３３は基板ａ置台である。

また、エツチング室１０は、真空容器１０ａ内に配設さ
れた、被処理基板１１を載置するための第１の電極１２
と、この第１の電極１２に１３．５０Ｍ）−１２の高周
波電圧を印加すべくブロッキングダイオード１３を介し
て接続された高周波電源１４と、第１の電極１２を冷却
するための冷却管１５と、ｊＭ格ガス供給うインａと、
酸素供給ラインｂと四塩化蛙素Ｃとを具備し、真空容器
１０ａ内に塩素および塩化硼素を導入しつつ、この第１
の電極１２と第２の電極を兼ねた真空容器１０ａの内壁
との間に高周波電圧が印加されるようになっている。

この塩素ガス供給ラインａ、酸素供給ラインｂおよび四
塩化硅素供給うインＣは、それぞれバルブ１６ａ、１６
ｂおよび１６ｃと、流ｆｆ１ｌｌ整器１７ａ、１７ｂお
よび１７ｃを具備し、流量およびガス圧を所望の値に調
整できるようになっている。

さらに、第２の電ＩＩ　Ｏａの後方には、永久磁石１８
が設置され、モータ１９により偏心回転せしめられ、被
処理基板１１表面上での磁束密度が８０Ｇとなるように
構成されている。

次に、このドライエツチング装置を用いたエツチング方
法について説明する。

まず、第２図（ａ）に示すように、被処理基体を形成す
る。すなわち、シリコン基板４０土に、熱酸化によって
膜厚１ｏ〇への酸化シリコン（Ｓｉ０２）膜４１を形成
した後、ＣＶＤ法により膜厚１０００Ａの多結晶シリコ
ン膜を堆積し、この膜内にヒ素をイオン注入し、ｎ型の
多結晶シリコンＩｆ！１４２を形成した後、さらにスパ
ッタＭＷ法により膜厚２０００へのタングステンシリサ
イド膜ＷＳｉ　　　４３を形成し、この上層にレジスト
バ２．７ターン４４を形成する。このレジストパターンは、東京
応化製の０ＦＰＲ８００と槓杵されているフ４１−レジ
ストを、基板表面に塗布し、フォトリソ法によって選択
的に除去することにより形成される。

このようにして形成された被処理基体を、第１図に示し
たドライエツチング装置を用いて、まず第２図（ｂ）に
示すようにタングステンシリ゛す゛イド膜４３をエツチ
ングする。

このときのエツチング条件は、冷ｆＪ］Ｗ１５の冷却液
の温度を」−２０℃に保ち、エツチングガスとして塩素
（ＣＩ２）ガスを用い、ガス流伍は５０１１１７分、圧
力は１，２Ｐａとした。この条件で、マグネ１〜ロン敢
電を行い、タングステンシリサイド１詠４３が完全にエ
ツチングされる時間まで反応性イオンエツチングを行っ
た。

次に、塩素ガスの供給を止め、排気を十分に行った後、
冷却管１５の冷却液の温度を一２８℃に保ら、Ｊ：Ａ素
ガス５Ｑｎｌ／分、四塩化６を素ガス７゜５＋ａｌ／分
、Ｍｌ　１　、６Ｐｌ／分、圧力は５．ＱＰａとし、マ
グネトロン放電を行い、多結晶シリコン膜４２のエツチ
ングを行った。ここでエツチング終７後、エツチング時
間の２０％さらにエツチングを続行し完全にエツチング
を行うようにした。

このときのエツチング結果を、第２図（Ｃ）に示す。こ
の図から明らかなように、タングステンシリサイド膜４
３にもサイドエツチングは生じておらず、断面垂直な形
状でエツチングを行うことができた。また、下地材の酸
化シリコンはエツチングされることなく良好に維持され
ている。

このように、本発明の方法では、タングステンシリサイ
ド膜４３のエツチング工程と、多結晶シリコン膜のエツ
チング工程と２工程に分け、多結晶シリコン膜のエツチ
ング工程では、基板温度を２８℃と変化点以下の温度に
設定するようにしているため、酸化シリコンのエツチン
グが抑制され、極めて選択性よく多層膜のパターニング
を行うことができた。

比較のために、多結晶シリコン膜のエツチング工程にお
いて、基板温度を一２８℃に下げることなく、タングス
テンシリサイド膜４３のエツチング工程と同様２０℃と
し、他の条件は前記実施例と同４Ｊにした場合、エツチ
ング結果を第３図に示すように、酸化シリコン膜４１が
エツチングされ、さらには、シリコン基板表面にまでエ
ツチングが及んでいる。また、タングステンシリサイド
膜４３のサイド１ツチも生じている。

この方法を用いてゲート電極のパターン形成を行うよう
にすれば、サイドエッチもなく高精度のパターン形成が
可能となり、また、酸化シリコン膜が損傷を受けること
がないため、グー１〜絶縁膜は良好に維持され、信頼性
が高く、低抵抗のグーｊ−電極の形成が可能となる。

次に、本発明の第２の実施例として、反応性ガスを２工
程共に共通とした場合について説明する。

前記第１の実施例の場合と同様に第１図に示した装置を
用い、まずタングステンシリサイド膜４３をエツチング
する。

このときのエツチング条件は、前記第１の実施例の場合
と全く同様であり、冷却管１５の冷却液の一度を＋２０
℃に保ち、エツチングガスとして塩素（ＣＩ２）ガスを
用い、ガス流量は５Ｑ＋ｉｌ／分、圧力は１．２Ｐａと
し、マグネトロン放電を行い、タングステンシリサイド
＃４３が完全にエツチングされる時間まで反応性イオン
エツチングを行う。

次に、ガスの供給はこのままにして、冷ｕＪ管１５の冷
却液の温度を一２８゛Ｃに保ち、圧力は８゜ＱＰａとし
、マグネトロン放電を行い、多結晶シリコン膜４２の１
ツヂングを行った。ここでもエツチング終了後、１７７
２７時間の２０％さらにエツチングを続行し完全にエツ
チングを行うようにした。

このときのエツチング結果は、第２図（Ｃ）にホしたの
と同様、タングステンシリサイドＴｌＡ４３に６サイド
エツチングは生じておらず、断面垂直な形状でエツチン
グを行うことができた。また、下地材の酸化シリコンは
エツチングされることなく良好に維持されている。

このように、この方法では、基板温度と圧力のみを変化
させることにより、選択性の良好なポリサイド膜のパタ
ーン形成が可能となり、ノｊスの供給及び排出更に新し
いガスの供給、安定化等に要する時間が不要となり、作
業性が大幅に向上する上、不純物の混入も低減すること
ができる。ここで、圧力を上げたことにより選択性が向
上したのは、５ｉＣＩｘ　（ｘ　：　１〜２）、５ｉＯ
ｘＣＩｙ（ｙ：１〜２）の凝縮成分の９度が高まり、酸
化シリコン表面を覆いエツチングの逆行の抑制に大きく
作用するためであると汚えられる。

なお、これらの実施例では、マグネトロン放電を用いた
が、必ずしもマグネトロン放電を用いる必要はない。第
４図に、マグネトロン放電を用いた場合（第４図（ａ）
　）　、用いない場合（第４図（ｂ））およびガスその
もの（第４図（Ｃ））の四塩化硅素の解離成分を示す。

マグネトロン放電を用いた場合、より選択性が向上する
が、これらの比較からもよりこの理由があきらかとなる
。すなわち、マグネトロン放電を用いることにより、５
ｉＣＩｘ　（Ｘ：１〜２）、５ｉＯｘＣＩｙ　（Ｙ：　
１〜２）等のの凝縮成分の濃度が高められ、より選択性
は向上するものと思われる。また、マグネトロン放電を
用いた場合、用いない場合のｎ型多結晶シリコンと酸化
シリコンとのエツチング速度を温度の逆数との関係を第
５図に示す。この図からも、マグネトロン放電を用いた
場合低温下では選択性が大幅に向上することがわかる。

但し、マグネトロン放電を用いない場合は、さらに基板
温度を低くしたところに変化点があるため、この図中に
は変化点があられれていないが、さらに低温化すること
によって変化点は出現し、この変化点以下まで基板温度
を下げることによって、高精度で選択性の良好なパター
ン形成が可能となる。

なお、実施例で用いたマグネトロン型の反応性イオンエ
ツチング装置を用いて説明したが、この他、平行平板型
反応性イオンエツチング装置、電子サイクロトロン共鳴
型ドライエツチングＨＨにおいても、有効である。

〔発明の効果〕

以上説明してきたように、本発明の第１の方法では、反
応ガスの放電プラズマを発生せしめ、被処理基体表面の
酸化シリコン膜上に形成された硅化金属膜と多結晶シリ
コン膜との多層構造膜のバターニングのためのドライエ
ツチングに際し、該多結晶シリコン膜よりも上部の層を
エツチングする第１の工程と、多結晶シリコン膜をエツ
チングする第２の工程との２つの工程に分け、第２の工
程にＪ５いて基板温度を、酸化シリコン膜の温度の逆数
に対するエツチング速度の関係曲線の変化点近傍の温度
以下になるようにｔｌＪ＆するようにしているため、サ
イドエッチが少なくかつ酸化シリコンを良好に維持し極
めて高開度のパターン形成が可能となる。

また本発明の第２の方法では、さらにこれら第１および
第２の工程において同一の反応ガス雰囲気中でエツチン
グを行うようにしているため、上記効果に加え、作業性
が良好でかつ信頼性の高いパターン形成が可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明実施例のエツチング方法に用いられる
エツチング装置を示す概略図、第２図（ａ）および第２
図（Ｃ）は、本発明の方法によるエツチング工程を示す
図、第３図は、従来の方法で形成したパターンを示す図
、第４図は、マグネットを用いた場合と用いない場合の
プラズマ掃の比較図、第５図は同様にマグネットを用い
た場合と用いない場合のエツチング速度と基板温度との
関係を示す図である。９・・・ポリエステル板、１０・・・エツチング室、１
０ａ・・・真空容器、２０・・・搬入用予備室、３・・
・搬出用予備室、２１，２２，３１，３２・・・ゲルト
バルブ、２３，３３・・・基板叔画台、１１・・・被９
８浬塁板、１２・・・第１の電極、１３・・・ブロッキ
ングダイオード、１４・・・高周波電源、１５・・・冷
却管、ａ・・・塩素ガス供給ライン、ｂ・・・酸素供給
ライン、Ｃ・・・四塩化硅素供給ライン、１６ａ、１６
ｂ、１６ｃ・・・バルブ、１７ａ、１７ｂ、１７ｃｍ・
・流量調整器、１８・・・永久磁石、１９・・・回転軸
、４０・・・シリコン基板、４１・・・酸化シリコン委
、４２・・・多結晶シリコン躾、４３・・・タングステ
ンシリサイド膜、４４・・・レジストパターン。工〜テンゲ速隻（λ／ｍｉｎ　　１目ト廊−律ｑ：：

Claims

【特許請求の範囲】

（１）酸化シリコン膜上に、最下層が多結晶シリコン膜
で構成されると共に上層に金属膜または金属化合物膜を
含む多層構造膜を表面に形成してなる被処理基体を、エ
ッチングガスを含む容器内に設置し、放電プラズマを形
成し、該多層構造膜を酸化シリコン膜に対して選択的に
エッチングするドライエッチング方法において、該多結晶シリコン膜よりも上部の層をエッチングする第
１の工程と、前記酸化シリコン膜の温度の逆数に対するエッチング速
度の関係曲線の変化点近傍の温度以下になるように温度
を制御しつつ前記多結晶シリコン膜をエッチングする第
２の工程とを具備したことを特徴とする多層構造膜のド
ライエッチング方法。
（２）前記真空容器内に印加される高周波電力により発
生せしめられる電場に対し直角方向に磁場を発生せしめ
、反応性ガスの放電プラズマを生じさせるようにしたこ
とを特徴とする請求項（１）記載の多層構造膜のドライ
エッチング方法。
（３）前記反応性ガスは、ハロゲンガスとハロゲン元素
と水素元素とを含む化合物ガスとを含有するものあるこ
とを特徴とする請求項（２）記載の多層構造膜のドライ
エッチング方法。
（４）酸化シリコン膜上に、最下層が多結晶シリコン膜
で構成されると共に上層に金属膜または金属化合物膜を
含む多層構造膜を表面に形成してなる被処理基体を、エ
ッチングガスを含む容器内に設置し、放電プラズマを形
成し、該多層構造膜を酸化シリコン膜に対して選択的に
エッチングするドライエッチング方法において、該多結晶シリコン膜よりも上部の層をエッチングする第
１の工程と、前記酸化シリコン膜の湿度の逆数に対するエッチング速
度の関係曲線の変化点近傍の温度以下になるように温度
を制御しつつ前記多結晶シリコン膜を前記第１の工程で
用いられる前記反応性ガスと同一組成のガス雰囲気中で
エッチングする第２の工程とを具備したことを特徴とす
る多層構造膜のドライエッチング方法。
（５）前記第２の工程におけるガス圧は第１の工程にお
けるガス圧よりも高いことを特徴とする請求項（４）記
載の多層構造膜のドライエッチング方法。