JPH02229431A - 半導体装置の製造方法 - Google Patents

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】 〔概　要］ 高融点金属層から成る電極もしくは配線を備えた半導体
装置に関し， 該高融点金属層を電極もしくは配線にパターンニングす
る際における該高融点金属層のサイドエッチングを防止
することを目的とし， 酸素成分を有する絶縁層により覆われた半導体基板の一
表面に酸素成分を有しない材料から成る中間層を形成す
る工程と．該中間層上に高融点金属層を形成する工程と
，硫黄成分およびハロゲン成分を含有する雰囲気中で該
高融点金属層を選択的にドライエッチングして該高融点
金属層から成る電極もしくは配線を形成する工程を含む
こと，または，上記の諸工程に加え．咳高融点金属層が
形成された該半導体基板を該ドライエッチングを施行す
るためのエッチング装置におけるターゲット電極上に載
置する工程と，該半導体基板の辺縁部から少なくとも５
Ｃ１１迄の外周領域に表出する該ターゲット電極表面を
酸素成分を有しない材料から成る部材もしくは薄膜によ
り覆った状態で該ドライエッチングを施行する工程を含
むことから構成される． 〔産業上の利用分野〕 本発明は，高融点金属層から成る電極もしくは配線を備
えた半導体装置の製造方法に関する。

〔従来の技術〕

半導体装置の高集積化あるいは高速化と共に電極および
配線を含む回路構成パターンが微細化しつつある。この
ため，電極・配線では低抵抗化が要求される。半導体装
置における低抵抗の電極・配線材料としては，従来から
アルミニウム（ＡＩ）が広く用いられているが，電極・
配線の微細化に伴って電流密度が増大すると，マイグレ
ーションが生じやす《なり，長期間の使用における信顛
性の保証が困難になる。Ａ１に代わるものとして−Ｓｉ
２やＭｏＳ　ｉ　ｚ等のシリサイド系の材料が用いられ
ている．しかしながら，上記シリサイド系配線材料は比
較的抵抗が大きい。これに対し，将来のＶＬＳＩに対応
できる低抵抗かつマイグレーションを生じ難い電極・配
線材料としてタングステン（Ｗ）やモリブデン（Ｍｏ）
等の高融点金属が注目されている。とりわけ，タングス
テンは熱的安定性・耐薬品性に優れており，有望視され
ている。

〔発明が解決しようとする課題〕

タングステン等の高融点金属薄膜から成る電極・配線の
パターンニングには．現在のところ．弗素（Ｆ）系ある
いは塩素（ＣＩ）系のガスを用いた反応性イオンエッチ
ングやケミカルドライエッチング等の方法が用いられる
。上記ハロゲン化合物系のエッチングガスとして，６弗
化硫黄（ＳＦ＆）は．エッチングレートが大きく，また
，絶縁層材料として多く用いられるＳｉｎｇとのエッチ
ング選択比が大きい特徴を有する． ところがＳｈを用いてタングステンのドライエッチング
を行ウた場合，雰囲気中に存在する酸素の影響を大きく
受けることが知られている。（Ｔ．Ｓａｉｔｏ．　ｅｔ
　ａｌ，，　Ｐｌａｓｍａ　Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ　（
７ｔｈ　Ｓｙｍｐｏ−ｓｉｕｓ＋　ｏｆ　ＥＣＳ＋　Ｐ
，２４０，　１９８８，および（；．７１ｒｂａｎ，Ｄ
ｒｙ　Ｐｒｏｃｅｓｓ　Ｓｙｍｐｏｓｉｕ＋＊（１９８
８），　ｐ．３３＋電気通信学会主催を参照） この現象は，　ｓｐａの成分である硫黄（Ｓ）がエッチ
ング途中のタングステンの側壁に対して示す保護作用が
，酸素の存在によって失われるためと考えられている。

これを第５図を参照して説明する。

？５図（ａ）および（ロ）において，ｌは絶縁層によっ
て覆われた基板ｌであり，この上に堆積されたタングス
テン薄膜２が．レジスト層３をマスクとし，ＳＦ，をエ
ッチングガスとしてエッチングされているとする。

第５図（ａ）は雰囲気中に酸素が存在しない場合を示し
，タングステン薄膜２は，　ＳＦ＆のプラズマから発生
した弗素イオン（Ｆ゛）と反応して一Ｆ６を生成し，基
板ｌから離脱する。一方，タングステン薄膜２の側壁は
，イオン衝撃を受け難いため，ここに，　ＳＦ．が分解
して生じた原子状の硫黄（Ｓ）が堆積する。その結果，
タングステン薄膜２の側壁は硫黄の層によって保護され
，ほとんどエッチングされない。すなわち，タングステ
ン薄膜２にはサイドエッチングが生じない。

ところが．雰囲気中に酸素が存在する場合には，第５図
（ｂ）に示すように，タングステン薄膜２の側壁に堆積
した硫黄（Ｓ）は，この酸素と反応して酸化硫黄（Ｓｏ
またはＳＯ■）となって離脱する。すなわち，酸素の存
在によってタングステン薄膜２の側壁に対する硫黄の保
護作用が失われ，その結果，側壁表面は活性弗素原子と
反応して畦，を生成する。このようにして，レジスト層
３下のタングステン薄膜２には，サイドエッチングない
しはアンダーカットが生じる。

上記のような雰囲気中に存在する酸素源としては，エッ
チング装置内の残留ガスあるいは装置内にリークした大
気の他，タングステン薄膜２の下地のＳｉＯｚ絶縁層あ
るいは基板ｌが載置されるターゲット電極の露出表面を
覆うために設置される石英板等の等の酸素成分を有する
絶縁物質がある。

すなわち，これら酸素成分を有する絶縁物質がエッチン
グガスイオンによりスパッタリングされて生じた酸素が
上記の作用により，タングステン薄膜２のサイドエッチ
ングを引き起こす。したがって，ドライエッチング装置
内の真空度の管理だけでは，上記のようなサイドエッチ
ングは防止できない。

例えば，タングステン薄膜２が大きな段差を有する絶縁
層上に形成されている場合，この段差部？残留するタン
グステン薄膜の残渣を除去するために，等方性のケミカ
ルドライエッチングが付随的に施されるが，この際にレ
ジスト層３下のサイドエッチングが顕著に現れる．この
様子を第５図（Ｃ）に示す。同図においては．基板１上
に，例えばＳｉＯ■のような酸素成分を有する材料から
成る絶縁層４が形成されており．この上に堆積されたタ
ングステン薄膜２が，レジスト層３をマスクとする異方
性ドライエッチングによりパターンニングされた後の状
況を示している。

タングステン薄膜２のエッチングが完了し，絶縁層４が
表出した時点で，絶縁層４表面の図示しない段差部に，
タングステン薄膜２の一部が残留していることがある。

このようなタングステン薄膜２の残渣を除去するために
，引続き，　ＷＦ＆を用いて等方性のドライエッチング
（ケミカルドライエッチング）が施される。このケミカ
ルドライエッチングにおいてＳｉｎ．から成る絶縁層４
表面がエッチングされ，活性な遊離酸素（０）を生成す
る。

この遊離酸素により．タングステン薄膜２の側壁を保護
している硫黄（Ｓ）が除去されるため，タングステン薄
膜２にアンダーカットが生じる．上記のようにして微細
幅の電極あるいは配線にサイドエッチングが生じると，
抵抗値の増大あるいは断線を生じ，半導体装置の特性お
よび信頼性を低下する原因となり，また．　ＭＯＳ　　
｝ランジスタのゲート電極の場合には．ゲート長の誤差
が大きくなり，所望のトランジスタ特性が得られない等
の問題がある。

本発明は上記タングステン薄膜を，ドライエッチングに
より電極あるいは配線にパターンニングする際における
サイドエッチングを防止すること，具体的には，　　Ｓ
Ｆ＆のような硫黄とハロゲン成分を含有するガスを用い
てタングステン薄膜をエッチングする際に，硫黄による
保護作市がタングステン薄膜の下地の絶縁層またはエッ
チング装置のターゲット電極被覆材料から発生する酸素
により失われることを防止したエッチング方法を提供す
ることを目的とする。

Ｃ課題を解決するための手段〕 上記目的は，酸素成分を有する絶縁層により覆われた半
導体基板の一表面に酸素成分を有しない材料から成る中
間層を形成する工程と，該中間層上に高融点金属層を形
成する工程と，硫黄成分およびハロゲン成分を含有する
雰囲気中で該高融点金属層を選択的にドライエッチング
して該高融点金属層から成る電極もしくは配線を形成す
る工程を含むことを特徴とする本発明に係る半導体装置
の製造方法，さらに．上記において，咳高融点金属層が
形成された該半導体基板を該ドライエッチングを施行す
るためのエッチング装置におけるターゲット電極上に載
置する工程と１該半導体基板の辺縁部から少なくとも５
ｃＩＩｌ迄の外周領域に表出する該ターゲット電極表面
を酸素成分を有しない材料から成る部材もしくは薄膜に
より覆った状態で該ドライエッチングを施行する工程を
含むことを特徴とする本発明に係る半導体装置の製造方
法によって達成される。

〔作　用〕

ゲート電極または配線を構成するためのタングステン薄
膜とＳｉｎｇ等から成る下地絶縁層との間にＳｉＪ４等
の酸素成分を有しない層を介在させること．さらに，基
板外周領域のターゲット電極表面をマスクする石英板等
の表面をＳｉｚＮ４等の酸素成分を有しない物質で覆う
ことにより，前記下地絶縁層あるいは基板周囲の石英板
表面のエッチングによる酸素の発生が防止され，その結
果，タングステン薄膜のサイドエッチングが抑止される
．〔実施例〕 以下本発明の実施例を図面を参照して説明する．以下の
図面において，既掲の図面におけるのと同じ部分には同
一符号を付してある． 第１図は本発明の第１の実施例の工程説明図であって．
　ＭＯＳ　　｝ランジスタのゲート電極をタングステン
薄膜を用いて形成する場合を示す。すなわち，第１図（
ａ）に示すように，例えばシリコンウエハ等の基板ｌ上
に，各々が１００人程度の厚さを有？るＳｉｎｇ層６と
ＳｉＪｎ層７を形成し，　　Ｓｉ３Ｎ４層７上には，ゲ
ート電極を構成する厚さ約２０００人のタングステン薄
膜２が形成される。これらの層の形成は，例えばＣＶＯ
法等の周知の成膜技術を用いて行えばよい。

ＳｌＯ■層６は，通常，シリコン基板ｌの表面を熱酸化
して形成されるゲート酸化膜に相当し，酸素成分を有す
る絶縁層である。ＳｉｘＮａ層７は本発明によって導入
される酸素成分を有しない中間層であって．　Ｓｉｎ．
層６とともにゲート絶縁層を構成する．したがって．　
ＳｉＯ■層６とＳｉｚＮ４層７の層厚の合計は２００人
程度に留める。

タングステン薄膜２上には．例えばＳｉ＋Ｎａから成る
後述する不純物遮断層８とレジスト層３を形成する。次
いで，レジスト層３を所定のゲート電極形成領域をマス
クするようにパターンニングする。そして，レジスト層
３をマスクとして，不純物遮断層８をパターンニングす
る。

次いで，レジスト層３をマスクとして，　ＳＦ．を用い
る異方性ドライエッチングによりタングステン薄ｙ４２
をエッチングして，第１図（ロ）に示すように，タング
ステン薄膜から成るゲート電極２＾を形成する。このエ
ッチングにおいては，　ＳｉＯｚ層６はＳｔ，Ｎ４層７
によって覆われているのでエッチングされず，したがっ
て，酸素の発生がないので，ゲート電極２Ａの側壁にお
けるサイドエッチングが生じない。

次いで，上記エッチングののち，段差部に存在するタン
グステン薄膜の残渣を除去するためのケミカルドライエ
ッチングを行うが，タングステンとＳ１３Ｎ４のエッチ
ング選択比はｌＯ程度であるため，通常５００人程度の
層厚を有する上記残渣を除去するための上記ケミカルド
ライエッチングの期間に，あるいは１００人のＳｉＪ４
層７が消失してしまうおそれはない。

上記ののち，通常の工程にしたがって，基板１表面に画
定された素子領域に対応する開口が設けられたレジスト
層を形成し，ゲート電極２Ａをマスクとして，該開口内
の基板ｌに不純物をイオン注入してソース／ドレイン領
域（図示省略）を形成する。

不純物遮断層８は，上記イオン注入において、不純物が
ゲート電極２Ａ表面に注入されるのを阻止するために設
けられるもので，このため，５００人程度の充分な厚さ
を有する。不純物遮断層８は．また，レジスト層３中に
含まれるナトリウム（Ｎａ）やＡｔ等の不純物がゲート
電極２Ａを通過して基板１に拡散するのを阻止する機能
をも有する。上記タングステン薄膜中を不純物が拡散し
やすい理由は，その結晶構造に基づくものである。

不純物遮断層８は，タングステン薄膜２の下地層である
ＳｉｓＮｉ層７と同様の理由から，酸素成分を有しない
の材料で構成されることが必要である。

この要求と上記不純物の拡散阻止の点から，例えばＳｌ
ｓＮ４が適している。

第２図は本発明の第２の実施例の工程説明図であって，
例えばＰＳＧ（燐珪酸ガラス）から成る絶縁層上にタン
グステン薄膜から成る配線を形成する場合を示す． 第２図（ａ）を参照して，例えばｎ型の不純物拡散領域
１１が形成されたシリコンから成る基板ｌ上に，周知の
ＣＶＤ技術を用いてＰＳＧのような酸素成分を有する材
料から成る約１μ一の厚さを有する絶縁層９を形成し，
絶縁層９上に．酸素成分を有しない中間層として厚さ約
５００人のＳｉ３Ｎ４層７を形成する，　　Ｓｉ．Ｎ．
層７上にレジスト層１２を塗布したのち，不純物拡散領
域１ｌに対応する開口ｌ３を設ける。

そして．開口１３内に表出するＳｉ３Ｎａ層７およびＰ
ＳＧ絶縁層９を順次選択的にエッチング除去し，不純物
拡散領域１１を表出する。

次いで，第２図（ロ）に示すように，　　Ｓｉ３Ｎ４層
７上に，厚さ約３０００人のタングステン薄膜２を形成
する。タングステン薄膜２は，絶縁層９に形成された開
口（コンタクトホール）を通じて．不純物拡散領域ｌ１
と接続される。こののちタングステン薄膜２上に，所定
の配線パターンに対応するレジスト層３を形成する。

そして，レジスト層３をマスクとし，表出するタングス
テン薄膜２に対してＳＦ．を用いる異方性のドライエッ
チングを施す。その結果，第２図（Ｃ）に示すように，
タングステン薄膜２から成る配線２Ｂが形成される． 本第２実施例におけるようにＳｉＪ４層７が５００人あ
るいはそれ以上の厚さを有している場合には，上記エッ
チングあるいは図示しない段差部におけるタングステン
残渣を除去するためのケミカルドライエッチングにおい
てＳｉｓＮａ層７が消失し，ＰｓＧ絶縁層９が表出して
も，タングステン配線２Ｂにサイドエッチングが生じな
い．すなわち．　　ＳｉＪ４層７の厚さを５００人以上
としておけば，タングステン薄膜２のエッチング終点を
，タングステン薄膜２がちょうどエッチングされた時点
に決める必要がなく，終点制御が容易になる．　　Ｓｉ
．Ｎ．層７の厚さを５００人以上とすることによりサイ
ドエッチングを防止できるようになる理由については現
在のところ不明である． タングステン薄膜２下の酸素成分を有しない中間層を構
成する材料としては，上記実施例におけるＳｔ．Ｎ４層
７に限らず．例えばＴｉＮ（窒化チタン）のような導電
性材料を用いることができる．この場合には，　ＴｉＮ
中間層をタングステンから成る電極または配線下のみに
形成する必要がある．したがって．　ＴｉＮ中間層はタ
ングステン電極または配線と同一形状にパターンニング
されることになり２このためのエッチングにおいてＳｉ
ｎｇあるいはＰＳＧのような酸素成分を有する絶縁層が
表出することになる。この場合，前記第２実施例におい
て説明したごと（，ＴｉＮ中間層の厚さを５００人ない
しそれ以上としておくことにより，タングステン電極も
しくは配線のサイドエッチングを防止することができる
。

第３図は本発明の第３の実施例の説明図であって，同図
（ａ）はエッチング装置断面．（ロ）はターゲット電極
上の部分の平面図，（Ｃ）は変形例を示す。

タングステン薄膜のパターンニングに用いられるドライ
エッチング装置は，第３図（ａ）に示すように，例えば
石英から成るチャンバー１４内に．　ＡＩ板から成るタ
ーゲット電極■５と対向電極工６が設けられており，チ
ャンバー１４上にタングステン薄膜が形成された基板１
が載置される。そして．ガス導入管Ｉ７を通じて導入さ
れたＳＦ＆のようなエッチングガスが，対向電極１６に
設けられた多数の小穴１８を通じて．チャンバー１４内
に供給される．一方，導入ガスは排気管ｌ９により排気
され，チャンバー１４内は所定の圧力に保持される．タ
ーゲット電極ｌ５と対向電極１６間に高周波電力が印加
され，これら電極間に発生したプラズマ中のイオンが基
板１面に衝突して上記タングステン薄膜２のエッチング
が行われる。

通常．基板１の外周領域に表出するターゲット電極１５
表面がスパッタリングされて生じた電極材料による汚染
を防止するために．ターゲット電極１５表面を石英板等
により覆った杖態でエッチングを行う。その結果．基板
ｌ外周領域の石英表面がエッチングされ，遊離酸素が生
成する。この酸素は，前記実施例においてＳｉｎｇある
いはＰＳＧから成る絶縁層から発生した酸素と同様に，
タングステン薄膜２にサイドエッチングを生じる．本発
明者は，基板１の周縁部からある範囲内に石英等の酸素
成分を有する物質が存在する場合に，？板ｌ上のタング
ステン薄膜２にサイドエッチングが生じることを見出し
た．この様子を第４図に示す。

第４図（ａ）に示すように，タングステン薄膜２が形成
された基板ｌの周囲に円環状の石英板（ＳｉＯ■）２０
を配１ｆＬ．石英板２０表面における基板１の周縁部か
ら距離Ｘの範囲をＳｉＪ４膜２１でマスクした状態でエ
ッチングを行う．そして３基板１上の周縁部から５ｌＩ
一内側の位置におけるタングステン薄膜２のアンダーカ
ット量ｙ（第４図（ｂ）参照）を前記距離Ｘを変えて測
定した結果は，第４図（Ｃ）のグラフに示すごとくであ
る。第４図（Ｃ）において，横軸は前記距離ｘ　（ｃｍ
）　．縦軸はアンダーカット量ｙ（μＭ）である。図示
のように，距ｆｇｘが５ｃｍ以上ではアンダーカットは
生じないが，　　５ｃ一以下になると，アンダーカット
量（ｙ）が直線的に増大する． 第４図に示す結果から，基板１上の周縁部から５０一以
内の外周領域に石英等の酸素成分を有する物質表面が露
出していなければ．基板ｌ上のタングステン薄膜２にサ
イドエッチングが生じないことが分かる。そこで，本発
明においては，基板１の外周領域表面を，第３図（ａ）
および（ｂ）に示すような．例えばＳｉ３Ｎ４から成る
円環状部材２２により覆うか，あるいは．第３図（Ｃ）
に示すように，基板１の外周領域表面を覆う石英板２０
の表面に，ＳｉＪ．膜２１をコーティングした状態で，
タングステン薄膜２のエッチングを行う。Ｓｉ３Ｎａ膜
２１および円環状部材２２の幅（Ｗ）は，少なくとも５
ｃｍもしくはそれ以上としてお《。なお，　Ｓｉ．Ｎ．
膜２１および円環状部材２２は，　　Ｓｉ３Ｎ４に限ら
ず，　ＴｉＮのような酸素成分を有しない導電性材料か
ら構成されてもよい．なお．本発明は，タングステン薄
膜２のドライエッチングに用いられる硫黄成分を有する
ガスとして，例えばＣＦ４とＨｔＳの混合ガスを用いる
場合にも適用可能である。

〔発明の効果〕

本発明によれば，タングステン薄膜から成る微細幅の電
極および配線におけるサイドエッチングを防止でき，高
集積度・高性能の半導体装置の信鯨性および製造歩留り
を向上可能とする効果がある． ２０は石英板，２２は円環状部材， ２八はゲート電極．　２Ｂは配線 である。

【図面の簡単な説明】

第１図ないし第３図は本発明の種々の実施例説明図， 第４図は第３の実施例の原理説明図． 第５図はタングステン薄膜におけるサイドエッチングの
発生説明図 である。 図において， １は基板，２はタングステン薄膜， ３と１２はレジスト層， ４と９は酸素成分を有する材料から成る絶縁層，６はｓ
ｔｏｔ層，７と２１はＳｉ３Ｎ４層，８は不純物遮断層
，ｌｌは不純物拡散領域，１３は開口．　１４はチャン
バー １５はターゲット電極，１６は対向電極，ｌ７はガス導
入管，　１８は小穴，１９は排気管，本Ｊａ羽の室ｌの
突舶引例） 箪ｌ図 第３図 距離（χ；Ｃ′ｒｎ） 木梵１月の京３の大ホＥ砕１１の，原、ｆｆ説８月目隼
４図

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）酸素成分を有する絶縁層により覆われた半導体基
   板の一表面に酸素成分を有しない材料から成る中間層を
   形成する工程と、 該中間層上に高融点金属層を形成する工程と、硫黄成分
   およびハロゲン成分を含有する雰囲気中で該高融点金属
   層を選択的にドライエッチングして該高融点金属層から
   成る電極もしくは配線を形成する工程 を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
2. （２）該中間層の層厚を５００Å乃至それ以上とするこ
   とを特徴とする請求項１に記載の半導体装置の製造方法
   。
3. （３）該中間層は導電性を有する材料から成り、該電極
   下部もしくは配線下部を除いて選択的に除去されること
   を特徴とする請求項２に記載の半導体装置の製造方法。
4. （４）該高融点金属層が形成された該半導体基板を該ド
   ライエッチングを施行するためのエッチング装置におけ
   るターゲット電極上に載置する工程と、該半導体基板の
   辺縁部から少なくとも５ｃｍ迄の外周領域に表出する該
   ターゲット電極表面を酸素成分を有しない材料から成る
   部材もしくは薄膜により覆った状態で該ドライエッチン
   グを施行する工程 を含むことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一つ
   に記載の半導体装置の製造方法。