JPH0290521A - 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】 〔）既　　要〕 有機物マスクのアッシング方法に関し、有機物マスクを
用いて臭化水素含有ガスの反応性プラズマエツチングを
行った場合、アッシング工程で有機物マスクの側壁部に
フェンス状の膜が残る問題を解決することを目的とし、 上記エツチング後、有機物マスクをプラズマから分離さ
れた活性酸素原子含有雰囲気に曝す工程を有するように
構成する。

〔産業上の利用分野〕

本発明は半導体装置の製造方法に係り、とくに多結晶シ
リコン、シリサイド、高融点メタル、単結晶シリコンな
どの材料のエツチング及びその後のアッシング工程に関
する。

〔従来の技術〕

半導体装置を製造するには、多結晶シリコン、シリサイ
ド、高融点金属などの耐熱性をもった導電性材料の加工
が不可欠である。これらの導電性材料の加工は、トラン
ジスタの特性を左右するゲート長を定めるものとなるの
で、そのエツチングにおいてパターン幅の制御を精密に
行い、かつ、その下地のシリコン酸化膜、シリコン窒化
膜などのゲート絶縁膜に対して高い選択性をもつことが
要求される。これらの点で、プラズマエツチング、特に
反応性イオンエツチング（Ｒｅａｃｔｉｖｅ　ＪｏｎＥ
ｔｃｈｉｎｇ、　ＲＩＥ）が優れている。中でも本出願
人が先に特願昭６３−２６６５４号及び同６３−１７８
２４４号明細書に開示したような、臭化水素や臭素を含
むガスを用いる反応性イオンエツチング方法は、下地に
対する高い選択性と、異方性のすぐれた垂直エツチング
やテーパーエツチングを同時に実現する技術として、従
来のフッ素系ガスや塩素系ガスを用いた反応性イオンエ
ツチングよりはるかに優れている。特に、臭化水素は、
臭素と較べ腐食性が少なく取扱いが容易であり、実用性
が高い。本発明はこの臭化水素による反応性イオンエツ
チング方法に係る。

他に、高い選択性と異方性が両立するエツチング技術と
して、塩素や六フッ化硫黄を用いた反応性イオンエツチ
ングや有磁場μ波エツチングなどの低温エツチング方法
があるが、塩素では一２０℃以下、六フフ化硫黄では一
１００℃以下にエツチング中のウェハー温度を下げる必
要があり、エツチング装置が複雑で高価になる。これに
対し、この臭化水素や臭素をふくむガスを用いる反応性
イオンエツチング方法では、ウェハー温度は室温から１
５０℃と高くてもよくエツチング装置に対する要求が少
ない。

なお、これらのエツチングにおいて、所望の部分だけを
エツチングするための、マスク材料としてはシリコン酸
化膜やシリコン窒化膜も使われるが、フォトレジストの
ような有機ポリマーを用いる方が簡便であり、一般に用
いられている。そして、普通、このフォトレジストはエ
ツチング後、プラズマアッシングにより剥離される。

〔発明が解決しようとする課題） しかしながら、上記の臭化水素をふくむガスを用いた、
反応性イオンエツチング等のプラズマエツチングで、フ
ォトレジスト、電子ビームレジストなどの有機ポリマー
をマスクに用いてエツチングすると、レジストの側壁に
、炭素、臭素、酸素、水素、シリコンなどを含むと思わ
れる薄膜が形成され、エツチング後のレジスト剥離処理
を行った後も、この薄膜がフェンス状に残存する問題が
あることが見出された。

この薄膜は、剥がれてゴミを発生させたり、次の薄膜成
長工程において異常成長の核となり、半導体装置製造の
歩留りを悪くする。

このフェンス状の薄膜は、希フッ酸溶液による洗浄処理
で取り除くことが可能であるが、希フン酸溶液処理の際
に下地（例えばゲート絶縁膜）も侵されるので、実際の
半導体の製造工程には、用いることができない。又、有
機ポリマーの代わりに、シリコン酸化膜やシリコン窒化
膜をマスクに用いれば、このような問題はなく、また下
地に対する選択比も良くなるが、工程が複雑になる欠点
がある。

そこで本発明は、半導体装置の製造において、従来例に
比べ簡便化された工程で、ゴミを発生させることなく、
パターン幅制御が精度高くなされ、エツチングにおいて
下地に対し高い選択比をもち下地を損傷することのない
多結晶シリコン、シリサイド、高融点金属などの耐熱性
をもった導電性材料の加工方法を提供することを目的と
する。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的を達成するために、本発明は、有機物マスクで
選択的に覆われた被加工物を臭化水素含有ガスの反応性
プラズマに曝してエツチングする工程と、その後、その
被加工物をプラズマから分離された活性酸素原子含有雰
囲気に曝して有機物マスクの少なくとも側壁部を除去す
る工程とを含むことを特徴とする半導体装置の製造方法
を提供する。

前記の特願昭６３−２６６５４号及び同６３−１７８２
４４号明細書に記載されている如（、臭化水素含有ガス
による反応性プラズマエツチングによれば、多結晶シリ
コンをはじめとする単結晶シリコン、シリサイド、高融
点メタルなどの耐熱性導電性材料を有機レジストや二酸
化シリコン、窒化シリコンなどに対し高い選択比で、高
精度に、しかも基板温度を調整して垂直あるいは所望の
テーバ角でのエツチングが可能である。この反応性イオ
ンエツチング（ＲＩ　Ｅ）の詳しい条件は上記特許出願
明細書に詳述されているが、簡単に述べると、典型的に
は、真空容器内で被加工物の温度を約−４０℃から９０
℃の範囲に保ち、圧力約０．０１〜０．５　Ｔｏｒｒ。

Ｒ「パワー約２５〜５００　Ｗ、　Ｒｆパワー密度０．
０５〜ＩＷ／ｃａｌなどの条件下で行うものである。

この臭化水素を用いたＲＩＥの際のマスク材料として有
機レジストなどの有機物マスクを用いた後、慣用の有機
物マスクのアッシング方法である酸素プラズマアッシン
グを行ったところ、前述の如く、有機物マスクの側壁部
にフェンス状の薄膜が残るという問題が見出された。本
発明者は、この問題を解決すべく鋭意検討した結果、こ
のフェンス状の薄膜は臭化水素を用いたＲＩＢの際に有
機物マスクの側壁部に炭素、臭素、酸素、水素、さらに
被加工物の例えばシリコンなどからなる薄膜が形成され
ることが原因であること、この薄膜は酸素プラズマアッ
シングでは除去できないが、プラズマから分離された活
性酸素原子含有雰囲気に曝すことによって除去できるこ
とを見出した。

ここにプラズマから分離された活性酸素原子含有雰囲気
は、放電あるいはμ波照射などで発生されるプラズマ部
分（主にイオン状態）から圧力差によって活性酸素原子
（主に中性原子）が輸送されて形成される部分で、プラ
ズマの下流領域といってもよいものである。理由は定か
ではないが、酸素プラズマでは上記のフェンス状薄膜部
分をアッシングできないが、酸素プラズマから分離され
た（すなわち酸素プラズマには直接曝すことなく）活性
酸素原子含有雰囲気に曝すことによってそれがアッシン
グされた。

こうして、本発明は、臭化水素によれば有機物や二酸化
ケイ素、窒化ケイ素に対して高い選択比及び高精度に所
望の角度で耐熱性導電性材料をエツチングできること、
しかし臭化水素を用いると有機物マスクの側壁部に酸素
プラズマではアッシングできない薄膜が形成されること
、そしてこの酸素プラズマではアッシングされない有機
物マスクの側壁部に形成される薄膜は酸素プラズマから
分離された活性酸素原子含有雰囲気に曝すことによって
除去されることを合わせ見出し、完成されたものである
。

なお、有機物レジストは必ずしも全部をプラズマから分
離された活性酸素原子含有雰囲気で除去する必要はなく
、他の部分はその前あるいは後で通常の酸素プラズマア
ッシングを行って除去するようにしてもよい。さらに、
この被加工物をプラズマから分離された活性酸素原子（
０）を含む雰囲気に曝す処理は、反応性イオンエツチン
グ等のプラズマエツチングの後、被加工物を真空に保っ
たまま輸送して行うのが、ゴミ付着や汚染が少なく望ま
しいが、プラズマエツチング後−旦大気に取り出してか
ら行っても良い。

また、被加工物をプラズマから分離された活性酸素原子
（０）含有雰囲気に曝す処理は、酸素（０□）を主原料
に用いるが、酸素原子（０）の発生量を増やすため、Ｃ
Ｆ　ａなどのハロゲンを含むガスを酸素（０□）に混合
しても、また窒素や水などを酸素に混合してもよい。

活性酸素原子含有雰囲気で行うアッシングのその他の一
般的な条件は次の通りである。

ウェーハー温度　　　　　０〜１７０℃ガス圧力　　　
　　　　　０．１〜１０　Ｔｏｒｒ酸素ガス濃度　　　
　　０．１〜５５１ｍ酸素ガスに混合するガスの濃度 ＣＦ４０．１〜２５％ Ｎ２　　　　　　　　　　３〜１００％）１２０　　　
　　　　　　１００〜３００％プラズマ発生μ波パワー
１００〜３０００　Ｗ処理時間　　　　　　　　５〜６
００ｓｅｃ〔実施例〕 以下の実施例のために次の３種の試料を用意した。

試料ｌはシリコンウェハー上に、厚さ１００人のシリコ
ン熱酸化膜を形成し、その上に厚さ２０００人の多結晶
シリコンをＣＶＤ法により成長し、砒素を７０に＠Ｖで
４　Ｘ　Ｉ　Ｑ　１Ｓ／ｃｄイオン注入し、このうえに
ボジレジスｌ−ＴＳＭＲ８９００（東京応化製）を１．
２μ塗布し、露光現像して最小線幅０．６μのパターン
を形成した。

試料２は、試料１で砒素をイオン注入する代わりに、減
圧熱拡散法によって燐を６０Ω／ロ添加したもので、試
料１と同様にレジストパターンを形成した。

試料３はシリコンウェハー上にシリコン熱酸化膜を４０
００人形成し、試料ｌ、試料２の多結晶シリコンのウェ
ハーと同様にレジストパターンを形成した。

実崖貫土 第１図は枚葉式反応性イオンエツチング装置を示すが、
１はウェハー、２は電極、３は絶縁体、４は冷却水、５
は対向電極、６はガス導入口、７は真空排気口、８はマ
ツチングボックス、９はＲＦ電源、１０はエツチング室
（試料室）である。

この装置を用い、ウェハーを臭化水素１２０ｓｅｃｍ。

圧力０．　Ｉ　ＴｏｒｒＳＲＦパワー２００−、ウェハ
ー温度２０〜１５０℃でエツチングした。ウェハー温度
は図示しないが、蛍光光フアイバー温度針で測定した。

試料１．２の多結晶シリコンを、多結晶シリコンが全部
エツチングされない時間エツチングして、エツチングレ
ートを求めた。試料３のシリコン酸化膜のウェハーは５
分間エツチングし、シリコン酸化膜のレートと、多結晶
シリコンの酸化膜に対する選択比を求めた。結果を表１
に示す。

実施例Ｉ 試料１．２の多結晶シリコンを実施例１と同様な条件で
、ウェハー温度１００℃で、５０％のオーバーエツチン
グを行ったウェハーを、反応性イオンエツチング装置に
真空チャンバーで連結された第２図に示すμ波ダウンフ
ロー処理装置に真空中で搬送した。第２図中、ｌはウェ
ハー、６はガス４入口、７は真空排気口、１２はステー
ジ、１３は孔空きアルミ板、１４はμ波導入窓、１５は
プラズマ、１６はμ波導入口、１７はプラズマ室、１８
は試料室である。このμ波ダウンフロー処理装置で、上
記ウェハーを０□１．５Ｓ１１１．、ＣＦ４　２００Ｓ
ＣＣＩＩ％圧力１．５Ｔｏｒｒ、μ波パワー１．５　Ｋ
Ｗ、ウェハー温度６０℃で３０秒間処理し、ウエノ１−
を大気中にとりだした。第３図はバレル型ＲＦプラズマ
アッシング装置を示すが、１はウェハー、８はマツチン
グボックス、９はＲＦ電源、２１はウエノ１−ホルダー
、２２　、２３は電極、２４は石英チャンバー２５はふ
たである。このアッシング装置で、０□３００ｓｃｃａ
＋、圧力１．０ＴｏｒｒＳＲＦパワー３００−、ウェハ
ー温度２００℃〜３００℃で３０分間アッシングしてレ
ジストを剥離した。

このウェハーをＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）で観察した
結果、２０℃でエツチングしたものはテーパーになった
が他は垂直で、第４図（ａ）に示すように、エツチング
残もレジスト残もなく、また下地の酸化膜の損傷もなか
った。なお、第４図において、３０はシリコン基板、３
１はシリコン熱酸化膜、３２は多結晶シリコンである。

実施貫主 試料１．２の多結晶シリコンを実施例１と同様な条件で
、ウェハー温度１００℃で、５０％のオーバーエツチン
グを行ったウェハーを、反応性イオンエツチング装置に
真空チャンバーで連結された第２図に示すμ波ダウンフ
ロー処理装置に真空中で搬送し、（ｈ　１．５ｓｌａ＋
　ｓ　ＣＦ４２００ＳＣＣＩＩ　、圧力１．５Ｔｏｒｒ
　ｓｐ波パワー１．５　ＫＷ、ウェハー温度６０℃で１
２０秒間処理した。このウェハーをＳＥＭ（走査型電子
顕微鏡）で観察した結果、実施例２と同様、２０℃でエ
ツチングしたものはテーパーになったが他は垂直で、第
４図（ａ）に示すように、エツチング残もレジスト残も
なく、また下地の酸化膜の損傷もなかった。

１施■↓ 試料１．２の多結晶シリコンを実施例２と同様条件で、
５０％のオーバーエツチングを行ったウェハーを、第２
図に示すμ波ダウンフロー処理装置で、Ｏｘ　１，５５
１ｍ　、　　Ｎｚ　２００ｓｃｃｎ　、　Ｈ２Ｏ１１０
０５ＣＣＩ　。

圧力１．５Ｔｏｒｒｓ　ｐ波パワー１．５ＫＷ、ウェハ
ー温度１５０℃で１２０秒間処理した。このウェハーを
第３図に示すバレル型ＲＦプラズマアッシング装置で、
Ｏｆ　３００ＳＣＣＩＩ％圧力１．０Ｔｏｒｒ、　ＲＦ
パワー３００−、ウェハー温度２００℃〜３００℃で３
０分間アッシングしてレジストを剥離した。このウェハ
ーをＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）で断面を観察した結果
、実施例２と同様、２０℃でエツチングしたものはテー
パーになったが他は垂直で、第４図（ａ）に示すように
、エツチング残もレジスト残もなく、下地の酸化膜の損
傷もなかった。

此ＭＪＬＬ 試料１．２の多結晶シリコンを実施例２と同様な条件で
、５０％のオーバーエツチングを行ったウェハーを、第
４図に示すバレル型ＲＦプラズマアッシング装置で、０
．３００ｓｃｃｍ、圧力１．ＱＴｏｒｒ、ＲＦパワー３
００Ｗ　、ウェハー温度２００℃〜３００℃で３０分間
アッシングしてレジストを剥離した。

このウェハーをＳＦ、Ｍ（走査型電子顕微鏡）で観察し
た結果、第４図（ｂ）に示すように、レジストの側壁部
のみがフェンス状に、残っていた。

このウェハーを希フン酸で洗浄したところ、フェンス状
基は除去されたが、第４図（Ｃ）のように、希フン酸洗
浄により下地のシリコン酸化膜３１′もエツチングされ
てしまった。

ル較拠ｌ 比較として、各種のエツチングガスを用い、ＲＦパワー
２００Ｗ　、圧力Ｑ、　１Ｔｏｒｒで、第５図の低温に
ウェハー温度制御のできる反応性イオンエツチング装置
でエツチングした。この装置は基本的には、第１図の反
応性イオンエツチング装置と同じものであるが、ウェハ
ー１と電極２の温度差を小さくするために、Ｈｅ導入口
４２からウェハー１の裏側に圧力１０　Ｔｏｒｒのｔ（
ｅガスを満たし、また低温でも漏れのないように、真空
シールをゴムＯリングからメタルＯリングかインジウム
シールまたは溶接に変更し、冷却媒体４３を温度によっ
て、水、メチルアルコール、窒素ガス及び液体窒素から
選択使用できるものである。

ウェハー温度は実施例１と同様に、蛍光光フアイバー温
度計で測定し、垂直形状が得られるようにウェハー温度
を選択した。上記臭化水素を用いた実施例１と同様にし
て、エツチングレート及び選択比をもとめた。また、比
較例１と同様に５０％のオーバーエツチングを行ったウ
ェハーをバレル型プラズマアッシング装置で酸素を用い
てレジスト剥離し、エツチング形状をＳＥＭで確認した
ところ、臭化水素以外はどれもエツチング残及びアッシ
ング残はなく第４図（ａ）のようになった。

しかし、選択比の悪い四塩化炭素では、下地のシリコン
酸化膜３１“がエツチングされてなくなり、第４図（ｄ
）のように、シリコン基板３０まで掘られてしまった。

結果をまとめて表２に示す。

実施■工 試料１．２の多結晶シリコンを実施例２と同様な条件で
、５０％のオーバーエツチングを行ったウェハーを、比
較例１と同じ条件で、すなわち、第３図に示すバレル型
ＲＦプラズマアッシング装置で、Ｏｚ　３００ｓｃｃｍ
、圧力１．０Ｔｏｒｒ、　ＲＦパワー３００す、ウェハ
ー温度２００℃〜３００℃で３０分間アッシングしてレ
ジストを剥離した。このウェハーを、第２図に示すμ波
ダウンフロー処理装置で、Ｏｚ　１．５５１ｍ　、　Ｃ
Ｆ４２００ｓｃｃｍ　、圧力１　、５Ｔｏｒｒ、μ波パ
ワー１．５ＫＷ、ウェハー温度６０℃で１２０秒間処理
した。このウェハーをＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）で断
面を観察した結果、実施例２と同様、２０℃でエツチン
グしたものはテーパーになったが他は垂直で、第４図（
ａ）に示すように、エツチング残もレジスト残もなく、
下地の酸化膜の損傷もなかった。

及−−１ え−−ユ 表１１表２および第４図から理解されるように、臭化水
素を用いて反応性イオンエツチングを行い、被加工物を
プラズマから分離された活性酸素原子（０）含有雰囲気
に曝す処理を行うことにより、複雑で高価な低温用反応
性イオンエツチング装置を用いなくとも、高い選択比で
、かつ垂直で異方性に優れ、幅の精度の高いエツチング
ができた。

なお、被加工物を直接プラズマに曝すことなく活性酸素
原子（０）を含む雰囲気に曝す処理で、活性酸素原子（
０）の発生を増すために酸素（０，）にＣＦ、などのハ
ロゲンを含みガスを添加する場合は、ハロゲンの量が多
すぎると、多結晶シリコンや酸化膜が同時にエツチング
されてしまうので添加量には注意が必要である。

また、プラズマエツチングとして、反応性イオンエツチ
ングの他に、平行平板プラズマエツチング、有磁場μ被
プラズマエツチング、ＥＣＲプラズマエツチング等被加
工物を反応性プラズマに曝してエツチングするものを用
いても同様である。

また、エツチングガスとして、臭化水素単体をもちいた
が、他に、酸素、窒素、水素や、アルゴン、ヘリウム等
の希ガスや、ＣＦ　４．ＣＢｒ　Ｆ　ｓ　＋　ＣＨＦ　
ｚ　＋ＣｚＣＩＦｓ等のフロンガスや、ＳＦ４．　ＮＦ
ｓ、　ＣＬ、　ＢＣｌ３゜５ｉＣ１４，ＣＣ１，等のハ
ロゲン系ガス等を、臭化水素に添加した場合でも同様で
ある。

さらには、多結晶シリコンのかわりに単結晶シリコンや
シリサイド、高融点金属を被エツチング材料に用いても
、同様な高選択比、高精度なエツチングができることが
確認された。

〔発明の効果〕

以上のように本発明によれば、レジストマスクで、臭化
水素を含むガスを用い、反応性イオンエツチング等のプ
ラズマエツチングを行った後、被加工物をプラズマから
分離された活性酸素原子（０）含有雰囲気；曝す処理を
行うことにより、半導体装置の製造において、従来例に
比べ簡易化された工程で、複雑で高価な装置を用いるこ
となく、またゴミを発生させることなく、パターン幅制
御が精度高くなされ、エツチングにおいて下地に対し高
い選択比をもち下地を損傷することのない多結晶シリコ
ン、単結晶シリコン、シリサイド、高融点金属などの耐
熱性をもった導電性材料の加工が可能になり、半導体装
置の性能向上、半導体装置製造の歩留り向上の寄与する
ところが大きい。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の方法で用いる反応性イオンエツチング
装置の断面図、 第２図は本発明の方法で用いるダウンフローアッシング
装置の断面図、 第３図は比較例で用いたバレル型プラズマアッシング装
置の断面図、 第４図（ａ）〜（ｄ）は本発明の実施例および比較例の
加工結果を示す断面図、 第５図は比較例で用いた反応性イオンエツチング装置の
断面図である。 図中、ｌはウェハー、２は電極、３は絶縁体、４は冷却
水、５は対向電極、６はガス導入口、７は真空排気口、
８はマツチングボックス、９はＲＦ電源、１２はステー
ジ、１３は孔空きアルミ板、１４はμ波導入窓、１５は
プラズマ、１６はμ波導入口、１７はプラズマ室、１８
は試料室、２１はウェハーホルダー、２２　、２３は電
極、２４は石英チャンバー、２５はふた、３０はシリコ
ン基板、３１．３１’　、３１’はシリコン熱酸化膜、
３２は多結晶シリコン、３３はフェンス状残、４１はウ
ェハー押さえ、４２はＨｅ導入口、４３は冷却媒体、を
示す。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、有機物マスクで選択的に覆われた被加工物を臭化水
   素含有ガスの反応性プラズマに曝してエッチングする工
   程と、その後、 その被加工物をプラズマから分離された活性酸素原子含
   有雰囲気に曝す工程と を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。