JPH03215938A - ドライエッチング方法 - 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】 〔産業上の利用分野〕 本発明は高集積度を有する半導体装置の製造方法に関し
、特にゲート電極等に使用されるポリサイド膜をフロン
系ガスを使用せずに異方性エッチングを行う方法に関す
る。

〔発明の概要］ 本発明は、ゲート電極等を構成するボリサイド膜のエッ
チングを行うドライエッチング方法において、エッチン
グガスとしてフッ素系ガスに少なくともＨ　Ｂ　ｒを添
加してなる混合ガスを用いることにより、フロン系ガス
を使用せずとも、主としてレジストとＢｒとの反応生成
物により側壁保護を行いながら異方性エッチングを実現
するものである。

さらに本発明は、上述の過程を第１のエッチング工程と
し、さらに第２のエッチング工程としてＨＢｒを単独で
使用するオーバーエソヂングを行うことにより、高速性
１高異方性．高選択性を維持しなからウエハ全体にわた
る均一処理を実現するものである。

〔従来の技術〕

ＬＳＩのゲート配線材料としては従来、多結晶シリコン
が広く使用されてきたが、デバイスの高速化への要求が
高まるにつれ、多結晶シリコンよりも約１桁低い抵抗値
の得られる高融点金属シリサイドが用いられるようにな
っている。高融点金属シリサイドを用いてゲート配線層
を構成する場合、ゲート絶縁膜上に高融点金属シリサイ
ド層を直接に被着形成するのではなく、不純物を導入し
た多結晶シリコン層を介してこれを積層した、いわゆる
ポリサイド膜を採用することが主流となっている。これ
は、デハイス特性や信頼性に最も影響を与え易いゲート
絶縁膜との界面に従来のプロセスにおいて実績のある多
結晶シリコン層を配し、その上の高融点金属シリサイド
層で低抵抗化を図るためである。

ところで、かかるポリザイド膜は、異なる２種類の材料
に対して共に異方性を実現しなければな３ らないことから、ドライエノチング技術に新たな困難を
もたらした。すなわち、ポリサイト膜のエッチングにお
いては、生成するハロゲン化合物の蒸気圧の差に起因し
て上層の高融点金属シリ勺イド層よりも下層の多結晶シ
リコン層が速くエッチングされること、あるいは多結晶
シリコン層と高融点金属シリサイド層の界面に反応層が
形成されること等の理由により、パターンにアンダカノ
１〜やくびれ等が生じやすい。これらの形状異常は、ソ
ース・ドレイン領域を形成するだめのイオン注入時に不
純物の導入されないオフセン１・領域を発生させたり、
Ｌ　Ｄ　Ｄ構造を実現するためのサイドウォール形成時
の寸法精度を低下させること等の原囚となり、特にザブ
ミクロンデバイスでは許容されないものである。

異方性エッチングを実現するためには、■イオンエネル
ギーを高めること、■エッチングガス系に堆積性ガスを
添加して側壁保護を行うこと、■被エッチング物とエノ
チングガスとの反応生成物により側壁保護を行うこと、
等が考えられるが、４ それぞれ解決すべき課題も多い。すなわち、■について
はレジストの後退やダメージの増加、■についてはパー
ティクル汚染の発生、■については側壁保護効果が被エ
ッチング面積に依存して変化するので均一なパターンが
得られない等の問題があり、これらがすべて解決されな
げれば実用的な異方性エッチングを行うことはできない
。

従来、ポリサイド膜のエッチングガスとして最も広く使
用されているものは、たとえばセミコンダクター・ワー
ルド（プレスジャーナル社刊０９８９年１０月号１２６
〜１３０ページにも報告されているように、フロン１　
１　３　　（ＣＺ（１３Ｆ３）　　に代表されるフロン
系ガスを主体とするものである。このガスは、分子中に
フッ素原子と塩素原子を有するためにラジカル・モード
およびイオン・モードの双方により効果的にエッチング
反応を進行させ、かつ炭素系ポリマーの堆積により側壁
保護を行いながら高異方性エッチングを可能とするもの
である。

しかしながら、フロン系ガスは周知のように地球のオゾ
ン層破壊の元凶となることが指摘されており、今後は使
用が困難となることが予想される。

したがって、ドライエッチングの分野においてもフロン
系ガスの代替品を見出し、その効果的な利用方法を確立
することが急務である。

以上のようなデバイスの微細化要求および脱フロン対策
の観点から、近年ＨＢｒがエッチングガスとして注目さ
れている。たとえば、ダイジェスト・オブ・ペーパーズ
　１９８９　　セカンド・マイクロプロセス・コンファ
レンス　（Ｄｉｇｅｓｔ　ｏｆ　Ｐａｐｅｒｓ１９Ｂ９
　２ｎｄ　ＭｉｃｒｏＰｒｏｃｅｓｓ　Ｃｏｎｆｅｒｅ
ｎｃｅ）第１９０ページには、ｎ゛型多結晶シリコン層
に対してＨ　Ｂ　ｒを使用した反応性イオンエッチング
を行い、良好な異方性形状を達成した例が報告されてい
る。Ｂｒは原子半径が大きく容易に被エッチング物の結
晶格子１ノ〕もしくは結晶粒界内に侵入しないため、自
発的なエッチング反応を起こすことは困難であるが、イ
オン衝撃を伴った場合に工冫チング反応を起こすことが
でき、異方性の達磨には有利なエソチング種を提供する
ことができる。したがって、Ｂｒ系のエッチング種を使
用し、かつバイアスパワーを最適に設定して下地である
ゲート酸化膜との高選択比を確保することにより、良好
な異方性エソチングを行おうとする試みが種々行われて
いる。

〔発明が解決しようとする課題〕

ところが、上記ＨＢｒによるドライエッチングは、多結
晶シリコン層の異方性エッチングに関してはある程度の
成果を上げたものの、シリサイド膜のエッチングに適用
しようとすると次のような不都合が生ずることが明らか
となった。すなわち、高融点金属シリサイド層のエノチ
ング時にスバソタリング除去された高融点金属の臭化物
がエッチング室内を汚染すること、および、元来反応性
の低いＢｒ系ラジカルをエッチング種とするために、従
来のフロン系ガスを使用するエソチングに比べてエッチ
ング速度が大幅に低下してしまうこと、等である。

そこで本発明は、フロン系ガスを使用せずに、ボリサイ
１・膜のエノチングを高速性，高選択性７ 高異方性，低汚染性をもって実現することを目的とする
。

〔課題を解決するための手段〕

本発明者は、上述の目的を達成するために鋭意検討を行
った結果、フッ素系ガスに少なくとも■１Ｂｒを混合し
てなるエッチングガスを使用すれば、フッ素系ラジカル
により実用的な速度でエッチングが行われる一方で、主
としてレジスＩＩＪ料とＢｒとの反応生成物による側壁
保護効果が期待できるため高異方性も達成されることを
見出した。

さらに本発明者らは、ポリサイド膜のエッチングがほぼ
終了した後のオーバーエッチングをＨＢｒ単独により行
えば、全体としてのエッチング速度を大幅に低下させる
ことなく、ゲート酸化膜との選択比を大きく維持したま
まウエハ全体にわたってポリサイド膜の完全な除去が可
能となることを見出した。

本発明は、上述の知見にもとづいて提案されるものであ
る。

８ すなわち、本発明の第１の発明にががるドライエノチン
グ方法は、フッ素系ガスに少なくともＨＢｒを添加して
なるエッチングガスを用いて高融点金属シリサイド層と
多結晶シリコン層からなるポリサイド膜のエッチングを
行うことを特徴とするものである。

さらに、本発明の第２の発明にかかるドライエッチング
方法は、フッ素系ガスに少なくともＨＢｒを添加してな
るエッチングガスを用いて高融点金属シリサイド層と多
結晶シリコン層からなるポリサイド膜のエッチングを行
う第１のエッチング工程と、Ｈ　Ｂ　ｒを用いてオーハ
ーエッチングを行う第２のエッチング工程を有すること
を特徴とするものである。

〔作用〕

本発明のドライエッチング方法によれば、高融点金属シ
リサイド層と多結晶シリコン層とが積層されてなるポリ
サイド膜のエッチングを行うに際し、フノ素系ガスとＨ
Ｂｒ各々の長所を活かしたエソチング反応を進行させる
ことができる。

仮に上記フッ素系ガスを単独で使用したとすると、多結
晶シリコン層の断面が露出した時点で該多結晶シリコン
層とフッ素系ラジカルの反応生成物がその高い蒸気圧ゆ
えに速やかに除去されるようになるため、この層のエッ
チング速度が高融点金属シリサイド層のエッチング速度
よりも相対的に速くなり、多くの場合は該多結晶シリコ
ン層にアンダカットを生ずる。

またＨ　Ｂ　ｒを単独で使用したとすると、生成するＢ
ｒ系ラジカルがが自発的には高融点金属シリサイド層．
多結晶シリコン層のいずれとも自発的には反応しにくい
化学種であることに加えて、レジスト材料とＢｒとの反
応生成物等が堆積するために、エソチング速度が大幅に
低下する。また、高融点金属シリサイド層のエッチング
時に高融点金属の臭化物が生成してパーティクル汚染の
原因ともなり、実用的なプロセスとはならない。

しかし、本発明の第１の発明のごとく、少なくともこれ
らフッ素系ガスとＨＢｒを適切な割合にて混合したエッ
チングガスによれば、これらの欠点が相補的にカハーさ
れる。すなわち、まず反応性の高いフッ素系ガスにより
実用レベルのエノチング速度が確保される。また、質量
の大きいＢｒが効果的にレジスト材料をスパンタリング
して反応生成物を形成し、これがＳｉＢｒ１等と共にポ
リサイド膜の側壁部に堆積するする結果、多結晶シリコ
ン層におけるアンダカットの発生が防止される。さらに
、Ｈ　Ｂ　ｒに含まれるＨがレジスト材料の分解に寄与
したり、系内の過剰なフッ素系ラジカルを捕捉してフッ
酸の形で除去する効果もある。また、このエッチング系
内では堆積性ガスが使用されていないので、気相中から
パーティクルが発生してエッチング室内が汚染される虞
れもない。したがって、第１の発明によれば、異方性エ
ッチングが高速にしかもクリーンな条件下で実現される
。

さらに、本発明の第２の発明では、上述のような過程を
第１のエッチング工程としてポリサイド膜のエッチング
をほぼ終了した後、第２のエンチ１１ ング工程としてＨ　Ｂ　ｒ単独によるオーハーエッチン
グを行うことにより、下地であるゲート酸化膜との高選
択比を維持したままポリサイド膜の除去を完全に終了さ
せることができる。このオーハーエッチングは、ウェハ
の中央部と周辺部との間のエッチング速度の不均一さを
カハーずるために行われるものである。すなわち、ウェ
ハの中央部でポリサイド膜のエッチングが終了していて
も、多くの場合、周辺部には多結晶シリコン層が若干残
存する領域も存在する。そこで、この残存した多結晶シ
リコン層を除去するために、反応性の低いＨＢｒを単独
で使用してこれを除去するのである。

この場合、大部分のエッチングは第１のエソチング工程
において既に終了しているため、全体的なエソチング速
度を大きく低下させることはない。

また、ＨＢｒが単独で使用されることにより、般に酸化
シリコン等から構成されるゲート絶縁膜に対する選択性
も向上する。さらに、第２のエソチング工程が実施され
る段階では高融点金属シリサイド層は存在しないので、
ＨＢｒが単独で使用１２ されたとしても高融点金属の臭化物によるパーティクル
汚染を招く虞れもない。

〔実施例〕

以下、本発明の好適な実施例について図面を参照しなが
ら説明する。

実施例１ 本実施例は、本発明の第１の発明をゲート電極となるポ
リサイド膜のエッチングに適用した例である。この工程
を第１図（Ａ）および第１図（Ｂ）を参照しながら説明
する。

まず第１図（Ａ）に示すように、単結晶シリコン等から
なる半導体基板（１）上にたとえば酸化シリコンからな
るゲート酸化膜（２）、ポリサイド膜（５）の下層に相
当し、ｎ型不純物をドーブした多結晶シリコンＮ（３）
、ポリサイド膜（５）の上層に相当するタングステンシ
リサイド層（４）を順次積層した後、上記タングステン
シリサイド層の表面に、上記ポリサイド膜（５）のエッ
チング用マスクとしてフォトレジスト層（６）を選択的
に形成した。

次に、上記第１図（Ａ）に示す基体を平行平板型ＲＩＥ
（反応性イオンエッチング）装置内にセットし、ＳＦ６
流量２０　５ＣＣＭ，　Ｈ　Ｂ　ｒ流ｆｉｔ　１０　３
ＣＣＭガス圧１．０　Ｐ　ａ　　（＝７．５　ｍＴｏｒ
ｒ），　ＲＦ電力３００Ｗの条件でエソチングを行った
。この条件により、ラジカル反応を主体とするエッチン
グ反応が速やかに進行し、第１図（Ｂ）に示すように、
少なくともポリサイド膜（５）の側壁部において若干の
側壁保護膜（７）の形成を伴いながら、パターン幅０．
３５μｍのゲート電極が良好な異方性形状をもって形成
された。この条件によるイオン入射エネルギーは２５０
■程度と比較的低いため、ダメージの発生は抑制された
。ここで」二記側壁保護膜（７）は、フォトレジスト層
（６）がＢｒによりスパッタリングされて生成した炭素
系ポリマーを主体とし、これにＳ　ｉ　Ｂ　ｒ　＊等が
混在するものであると考えられる。上記のエッチングガ
スは、堆積性ガスを含まないために気相中においてほと
んどパーティクルを生成せず、また高融点金属臭化物に
よる汚染？発生さセないため、極めてクリーンなプロセ
スを進行させることができた。

なお、上述の例ではフッ素系ガスとしてＳＦ６を使用し
たが、他にもＮＦ．．ＣβＦ３，　　Ｆ２，　　ＨＦ等
を使用することができる。これらのフッ素系ガスに対す
るＨＢｒの混合比は、１〜５０モル％程度とすることが
望ましい。上記範囲よりも少ない場合には側壁保護効果
が不足し、上記範囲よりも多い場合にはエソチング速度
が低下する戊れがある。

さらに、」二記エノヂングガスにはＮ２や０■を適宜添
加し、これらのガスと３１との反応生成物を側壁保護膜
の構成成分に加えて側壁保護効果を増強しても良い。ま
た、スパノタリング効果，希釈効果および冷却効果を期
待する意味でアルゴンヘリウム等の希ガスを適宜混合し
ても良い。

また、」二述の例ではポリザイド膜（５）の上層を構成
する高融点金属シリザイドとしてタングステンシリ勺イ
ドを使用したが、高融点金属シリサイドの種類はこれに
限られるものではなく、モリブデン，チタン，タンクル
等の他の高融点金属を含１５ むものであっても良い。

実施例２ 本実施例は、上記実施例１で行ったエッチングに引き続
き、オーバーエッチングを行った例である。

すなわち、実施例１に上述した条件により第１のエッチ
ング工程を終了した後、ＳＦ６の供給を停止し、ＨＢｒ
流量を３０　５ＣＣＭとして第２のエッチング（オーバ
ーエッチング）工程を実施した。

第２のエッチング工程では、第１のエッチング工程より
もゲート酸化膜（２）に対する選択性が一層高くなって
いるために、下地にダメージを与えることなく、残存す
る多結晶シリコン層（３）のみが効果的に除去された。

したがって、ウェハ内の全体にわたって均一なエッチン
グが達成された。また、第２のエッチング工程によりパ
ーティクル汚染が発生することはなかった。さらに、上
記第２のエソチングは短時間にて終了し、トータルのエ
ッチング時間を延長ずることもなかった。

１６ 〔発明の効果］ 以上の説明からも明らかなように、フッ素系ガスに少な
くともＨＢｒを添加してなるエッチングガスは、高異方
性．低汚染，高選択性．高速のエッチング反応を進行さ
せるため、従来ポリサイド膜のエッチングガスとして多
用されているフロン系ガスの代替品として極めて有望で
ある。さらに、上記エッチングガスによるエッチングと
ＨＢｒ単独によるオーバーエッチングとを組み合わせる
ことにより、ウェハ内における処理の均一性を高めるこ
とができる。本発明は、特に高い加工精度が要求される
ゲート電極等のドライエッチングに極めて好適である。

【図面の簡単な説明】

第１図（Ａ）および第１図（Ｂ）は本発明のドライエッ
チング方法をゲート電極の形成に適用した場合の一例を
その工程順にしたがって説明する概略断面図であり、第
１図（Ａ）はゲート酸化膜ボリザイド膜，フォトレジス
ト層の形成工程、第１図（Ｂ）はポリサイド膜のエッチ
ング工程をそれぞれ示すものである。 １　・・・ ２　・・・ ３　・・・ ４　・・・ ５　・・・ ６　・・・ ７　・・・ 半導体基板 ゲート酸化膜 多結晶シリコン層 タングステンシリサイ ポリサイド膜 フォトレジスト層 側壁保護膜 ド層

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）フッ素系ガスに少なくともＨＢｒを添加してなる
   エッチングガスを用いて高融点金属シリサイド層と多結
   晶シリコン層からなるポリサイド膜のエッチングを行う
   ことを特徴とするドライエッチング方法。
2. （２）フッ素系ガスに少なくともＨＢｒを添加してなる
   エッチングガスを用いて高融点金属シリサイド層と多結
   晶シリコン層からなるポリサイド膜のエッチングを行う
   第１のエッチング工程と、ＨＢｒを用いてオーバーエッ
   チングを行う第２のエッチング工程を有することを特徴
   とするドライエッチング方法。