JPH03241829A - 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】 〔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、通常ポリサ
イドと呼ばれている金属シリサイドとポリシリコンとの
サンドインチ構造のゲート配線のドライエツチング工程
を有する半導体装置の製造方法に適用することができ、
特に、ポリサイドをエツチング面が垂直になるように、
かつ高選択比でエツチングすることができる半導体装置
の製造方法に関する。

近時、半導体デバイスの微細化に伴い、比較的低い抵抗
を有するタングステンシリサイド（ｗｓｉ）等の金属シ
リサイドとポリシリコンとの二層構造からなるポリサイ
ドがゲート電極及び配線等に多く用いられている。従来
、このポリサイドのエツチング方法としては、六弗化イ
オウ（ＳＦ４）ガスやＣＩ！ｚガスを用いたドライエツ
チング方法が提供されているが、ポリサイドをエツチン
グ面が垂直になるようにエツチングすることができずポ
リサイドにアンダーカットが生したりして寸法精度が悪
くなるという問題があった。また、上記ガスを用いてポ
リサイドを１回のエツチングで行う際、下地のシリコン
酸化膜（Ｓｉｎ、）に対するポリサイドを構成するポリ
シリコンの選択比（以下、単に選択比と称す）が低いた
め、特に段差上でのポリサイドのパターニングが困難で
ありエツチング残しが生じ易いという問題がある。

そこで、ポリサイドをエツチング面が垂直になるように
、かつ高選択比で、しかも１回でエツチングすることが
できる半導体装置の製造方法が要求されている。

〔従来の技術〕

従来、金属シリサイド及びポリシリコンからなるポリサ
イドをエツチングする方法としては、■ＳＦｈガス、ま
たはＳＦ、ガスと０２ガスの混合ガスによるドライエツ
チング方法。〔文献名：°′低周波励起平行平板型リア
クタを用いたＳＦ。

グロー放電によるポリサイド構造のエツチング：　Ｍ、
Ｅ、Ｃｏｅ、　Ｓ、）１．Ｒｏｇｅｒｓ；５ｏｌｉｄ　
５ｔａｔｅ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ（日本版）　、０ｃ
ｔｏｂｅｒ　１９８２）■Ｃ１ｚガスと０２ガスの混合
ガスによる反応性イオンエンチング（ＲＩＥ）方法。

■Ｃｆ２ガスを使い、電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ
）プラズマを用いたドライエツチング方法。

■ＳＦ、ガスとＣｚ　Ｃｌ　３　Ｆ　ｓガス（フロン１
１３）の混合ガスを用い、ＥＣＲプラズマを用いたドラ
イエツチング方法。

等の方法が挙げられる。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかしながら、上記したＳＦ、ガスを用いたドライエン
チングではポリサイドをエツチング面が垂直になるよう
にエツチングすることができずポリサイドにアンダーカ
ットが入り易く形状制御が困難であり、また、ポリサイ
ドの下地にＳ　ｉ　Ｏｘ等の絶縁膜を用いた場合、ポリ
サイドと下地の絶縁膜との選択比を高くとれないという
問題があった。そして、その後ポリサイドを覆うように
５ｔＯｘ等の絶縁膜を堆積するとアンダーカットの部分
にボイドが発生し易かった。また、上記選択比を高くと
れないという問題は０２ガスを添加することにより解消
できるが、ポリサイドにアンダーカットが入ってしまう
という問題には効果がなかった。

ｃｐ、ガスと０２ガスの混合ガスにょるＲＩＥの場合も
上記と同様ポリサイドのエツチング面を垂直形状にする
のが困難であり、また垂直形状が得られたとしても選択
比が低くなってしまうという問題があった。

また、ＥＣＲを用いたエツチング方法も上記と同様、垂
直加工と選択比がトレード・オフの関係にあり、それら
の両立は困難であるという問題があった。

そのため、下地のシリコン酸化膜が表出するまでのポリ
シリコンのエツチングを垂直形状が得られる条件で行い
、オーバーエツチングを高選択比が得られる条件で行う
２ステツプエツチングが検討されているが、オーバーエ
ツチングの時間を長くするとアンダーカットが大きく生
じてしまう。

例えば、段差のあるところでは、段差によってできた膜
厚差が存在し、これをエツチングするにはオーバーエツ
チング時間を長くする必要がある。

つまり、この２ステツプエツチングでは、段差のあると
ころでの良好なエツチングができないという問題があっ
た。

そして、Ｃ，Ｃｆ、Ｆ、はフロン規制の対象となるガス
であるから今後使用不可となっている。

また、本発明者は特願平１−２１８８９８号で塩素系ガ
スと臭素系ガスの混合ガスを用いてポリサイドをエツチ
ングすることにより、ポリサイドのエツチング面を垂直
にすることができることを見い出した。しかしながら、
下地との選択比を高くとれないという問題があった。

そこで、本発明は、ポリサイドをエンチング面が垂直に
なるように、かつ、高選択比で、しかも１ステツプでエ
ツチングすることができる半導体装置の製造方法を提供
することを目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

本発明による半導体装置の製造方法は上記目的達成のた
め、下地の膜上にポリシリコン層及び金属シリサイド層
からなるポリサイド層を形成する工程と、該ポリサイド
層上にマスクを形成する工程と、該マスクを用い、かつ
塩素系ガス、臭素系ガス及び酸素ガスの混合ガスを主と
するエツチングガスを用いて該ポリサイド層のエツチン
グを行う工程とを含むものである。

本発明に係る金属シリサイド層にはＷＳｉ層、ＴｉＳｉ
層、ＭｏＳｉ層等が挙げられる。

本発明に係る塩素系ガスにはＣ１，ガス、ＣＣｌ４ガス
、Ｓ　ｉ　Ｃｉ、ａガス、ＢＣｌ、ガス、ＣＨＣＺ３ガ
ス等が挙げられる。

本発明に係る臭素系ガスにはＨＢｒガス、Ｂｒｚガス、
ＢＢｒｚガス等が挙げられる。

〔作用〕

従来の塩素単独によるポリサイドの１ステツプエツチン
グでは、第３図に示すように、レジストからなるマスク
６を、Ｓｉ等の基板１上に形成された下地の５ｉＯｚ等
の絶縁膜２に対しポリシリコン層３及び金属シリサイド
層４からなるポリサイド層５を高い選択比で、かつ、エ
ツチング面が垂直になるようにエツチングすることは非
常に困難であった。多くは、形状にアンダーカットが生
じる。このアンダーカットを防ぐには側壁保護膜が必要
である。よく知られているマスク５を構成するレジスト
からの炭素の堆積作用による側壁保護膜のみでは、この
アンダーカットは防げない。

ゆえに、塩素系ガスと臭素系ガスを混合したエツチング
ガスを用いてエツチングし、塩素系化合物より蒸気圧の
低い臭素系化合物を形成することで、エンチング反応生
成物の離脱速度に差をつけ（臭素系化合物の方が離脱し
難く、これがポリサイド側壁に形成されている）、さら
にイオンアシストによって、イオンの多くあたる縦方向
のエツチングとイオンがほとんどあたらない横方向のエ
ツチングに反応速度差をつけることによってポリサイド
層５横方向のアンダーカット量を軽減させることができ
る。そして更に、マスク５を構成するレジストからの炭
素の堆積作用による側壁保護膜を用いることにより十分
に垂直形状を得ることができる（第４図）。

また、第５図に示すように、基板温度を変えてエツチン
グした結果、基板温度を高くするとポリシリコン層３よ
りも金属シリサイド層４（タングステンシリサイド）の
エッチレートの方がＸ点（ウェハー温度７２°Ｃ）を越
えて速くなる。このポリサイド層５を構成する上層の金
属シリサイド層４が速くエツチングされることは、絶縁
膜２上にポリシリコン層３のエツチング残しが生じない
でエツチング可能となる。更には、基板ｌ温度が高くな
るとポリシリコン層３及び金属シリサイド層４からなる
ポリサイド層５と絶縁膜２とのエッチレートの差が大き
くなり選択比も高くなる。

したがって、基板１温度を高くすることは絶縁膜２上に
ポリシリコン層３のエツチング残しを生じないようにす
ることができ好ましく、しかもポリサイド層５と絶縁＃
２との選択比を向上させることができ好ましい。

なお、第６図に示すように、Ｃ１！ガスとＨＢｒガスの
ガス混合比は、Ｃ２ｚガスに対しＨＢｒガスが５０％以
下であるのが好ましい。ＨＢｒガス量が５０％を越えて
多くなると金属シリサイド層４（タングステンシリサイ
ド）がエツチングし難くなるからである。実用上ＨＢｒ
ガスの流量割合は、ＣＬガスに対して２０％以下が望ま
しい。２０％以下では金属シリサイド層４のエッチレー
トがポリシリコンＪｉｔ３のエッチレートよりも大きく
なるからである。

このように、Ｃ１２ガスとＨＢｒガスの混合ガスを用い
、下記に示す条件でエツチングしたところ垂直形状が得
られ、選択比１３という結果を得た。

（エツチング条件） ＨＢｒガス／ＣＬガス流量：　１０／８０ｓｃｃｍ、Ｒ
Ｆ小パワー　　２５０Ｗ、圧カニ　０．０５Ｔｏｒｒ、
冷却水温＝８０°Ｃ０ 更に今回は、このＣ２□ガスとＨＢｒガスの混合ガスに
０２ガス添加を試みた。この０２ガス添加は、従来技術
でも述べたようにシリコン酸化膜に対する選択比の向上
を期待して行ったものである。その結果、選択比の向上
が確認され、さらに金属シリサイド層４（タングステン
シリサイド）とポリシリコン層３の両方のエッチレート
が太きくなるという良好な結果を得た。しかし、０□ガ
スの添加量がＣ１２ガスとＨＢｒガスの混合ガスに対し
３５％を越える添加ではエツチング残しが生じた（第７
図）。よって、０２ガスの添加量は３５％以下が好まし
い。また、０２ガスの添加量が増えるに伴って側壁保護
膜が薄くなり、ポリサイド層５のエツチング後の形状の
側壁が荒れてくるが、ＨＢｒガスの混合割合を若干増や
すことでこの荒れをなくすことができる。

〔実施例〕

以下、本発明を図面に基づいて説明する。

第１図及び第２図は本発明に係る半導体装置の製造方法
の一実施例を説明する図であり、第１図は一実施例の製
造方法を説明する図、第２図は一実施例のＲＩＥ装置の
概略図である。

これらの図において、１は例えばＳｉからなる基板、２
は例えばＳｉｎ、からなる絶縁膜、３はポリシリコン層
、４は例えばＷＳｉからなる金属シリサイド層、５はポ
リシリコン層３及び金属シリサイド層４からなるポリサ
イド層、６は例えばレジストからなるマスク、７はエツ
チング室、８は絶縁膜、９は電極、１０は電極９を冷却
するための冷却水循環機構、１１は蛍光光フアイバー温
度計、１２はＨｅガス排気口、１３は直流出力（ＤＣパ
ワー）供給源、１４はＨｅガス供給口、１５はＲＦｔ源
、１６は石英カバー、１７は試料、１８は蛍光物質、１
９は試料１７を固定するための静電チャック、２０はガ
ス排気口、２１はレーザー干渉計、２２はエツチングガ
ス供給口、２３はターボポンプ、２４ａ、２４ｂはメカ
ニカルブースタポンプ、２５はターボポンプである。

次に、その製造方法について説明する。

まず、第１図（ａ）に示すように、例えば熱酸化法によ
り基板１上にＳｆＯ，を堆積して膜厚が例えば１１００
ｎの絶縁膜２を形成し、例えばＣＶＤ法により絶縁膜２
上にポリシリコンを堆積して膜厚が例えば２００ｎ−の
ポリシリコン層３を形成した後、同様に例えばＣＶＤ法
によりポリシリコン層３上にＷＳｉを堆積して膜厚が例
えば２００ｎｍの金属シリサイド層４を形成する。この
時、ポリシリコン層３及び金属シリサイド層４からなる
ポリサイド層５が形成される。

次に、第１図（ｂ）に示すように、金属シリサイド層４
上にレジストを塗布した後、露光・現像によりレジスト
をパターニングして線幅が例えば０．８μｍで厚さが例
えば１μｍのマスク６を形成する。次いで、マスク６を
用い、Ｐ（リン）等をイオン注入法により金属シリサイ
ドＮ４内に導入した後、アニール処理する。

次に、第２図に示すＲＩＥ装置を用い、第１図（Ｃ）に
示すように、マスク６を用い、Ｃｆ、ガス、ＨＢｒガス
及びＯｘガスの混合ガスを主とするエツチングガスを用
いてポリシリコン層３及び金属シリサイド層４からなる
ポリサイド層５のエツチングを行うとともに、絶縁膜２
を露出させる。

そして、例えば０２アツシングによりマスク６を除去す
ることにより、第１図（ｄ）に示すようなポリサイド層
５の配線パターンを得ることができる。

なお、ここではポリサイド層５のエツチングは第２図に
示す平行平板電極型ＲＩＥ装置を用いており、エンチン
グガス供給口２２からエツチング室７内にＣｌｔガスと
ＨＢｒガスと０２ガスの混合ガスを主とするエツチング
ガスを導入し、ガス排気口２０より排気してエツチング
室７内の圧力を０．０５Ｔｏｒｒになるように調節した
。そして、高周波電源から周波数１３．５６ＭＨｚの電
力を基板１当り２５０Ｗ印加して、第１図（ｂ）に示し
た試料のポリサイド層５のドライエツチングを行った。

エツチング中の基板ｌ温度は蛍光光フアイバー温度計１
１で測定した。このようにポリサイド層５のエツチング
はＣｌ　ｔガス流量を８０ｓｅｃｍ、　ＨＢ　ｒガス流
量を１０１０５ｅ、圧力を０．０５Ｔｏｒｒ、　ＲＦパ
ワーを２５０Ｗ。

基板１温度を８０°Ｃで一定とし、０２ガスの添加量を
変えて行ってみた。その結果を表１に示す。

（本頁１．以下余白） 表１から判るように、０２ガスの流量割合が大きくなる
につれて金属シリサイド層４（タングステンシリサイド
）とポリシリコン層３のエッチレートが速くなり、下地
の絶縁膜２（シリコン酸化膜）に対する選択比も上昇し
た。特に、０２ガスが５　ｓｅｃｍ以上添加すると金属
シリサイド層４のエッチレートがポリシリコン層３より
も大きくなっていることが判った。また、形状は、酸素
添加量が５０ｓｅｃｍまでほとんど差はなく垂直形状が
得られた（第２図（Ｃ））。そして、０．ガスが５０ｓ
ｃｃ復を越えて混合させた場合は、エツチングしたポリ
サイド層５の側壁がやや荒れ、エツチング残しが生じた
（第７図）。

なお、上記実施例の他、実施例２として、ＨＢｒガス流
量を変えてポリサイド層５のエツチングを行ってみた。

具体的には、Ｃ１２ガス流量を８０ｓｃｃｓ、　ＨＢ　
ｒガス流量を３０ｓｅｃｍ、圧力を０．０５Ｔｏｒｒ。

ＲＦパワーを２５０Ｗ、基板１温度を８０°Ｃで一定と
し、Ｏｚガスの添加量を変えて第１図（ｂ）に示す試料
のポリサイド層５のエツチングを行った。

その結果を表２に示す。

（本頁、以下余白） 果を表３に示す。

（本頁、以下余白） 表２から判るように、Ｏｔガスの流量割合が大きくなる
につれて金属シリサイド層４（タングステンシリサイド
）とポリシリコン層３のエッチレートが速くなり、下地
の絶縁膜２（シリコン酸化膜）に対する選択比も上昇し
た。特に、０２ガスｌＱｓｃｃｍ以上添加すると金属シ
リサイド層４のエッチレートがポリシリコン層３よりも
大きくなっていることが判った。また、形状は、０２ガ
ス添加量が５０ｓｅｃｍまではほとんど差はなく垂直形
状が得られた（第２図（Ｃ））。そして、０２ガス酸素
が５０ｓｅｃｍを越えて混合させた場合は、エツチング
したポリサイド層５被加工物の側壁がやや荒れ、エッチ
レート残しが生じた（第７図）。

次に、実施例３としてＨＢｒガスに変えてＢｒｚガスで
ポリサイド層５のエツチングを行ってみた。

具体的には、Ｃ１，ガス流量を８０ｓｃｃｍ、　ＨＢ　
ｒガス流量を１０１０５ｅ、圧力を０．０５Ｔｏｒｒ、
　ＲＦパワーを２５０Ｗ、基板１温度を８０°Ｃで一定
とし、０２ガスの添加量を変えて第１図（ｂ）に示す試
料のポリサイド層５のエツチングを行った。このときの
結表３から判るように、０２ガスの流量割合が大きくな
るにつれて金属シリサイド層４（タングステンシリサイ
ド）とポリシリコン層３のエッチレートが速くなり、下
地の絶縁膜２（シリコン酸化膜）に対する選択比も上昇
した。特に、０２ガス５　ｓｅｃｍ以上添加すると金属
シリサイド層４のエッチし・−ＦがポリシリコンＮ３よ
りも大きくなっていることが判った。また、形状は、０
２ガス添加量が５０ｓｅｃｍまではほとんど差はなく垂
直形状が得られた（第２図（Ｃ））。そして、０２ガス
が５０ｓｅｃ＋＊を越えて混合させた場合は、エツチン
グしたポリサイド層５の側壁がやや荒れ、エツチング残
しが生した（第７図）。

次に、実施例４としてＢｒｚガス流量を変えてポリサイ
ド層５のエツチングを行ってみた。具体的には、ＣＺ、
ガス流量を８０ｓｃｃＩｌ、　ＨＢ　ｒガス流量を３０
ｓｅｃｍ、圧力を０．０５Ｔｏｒｒ、　ＲＦパワーを２
５０Ｗ、基板１温度を８０℃で一定とし、０．ガスの添
加量を変えて第１図（ｂ）に示す試料のポリサイド層５
のエツチングを行った。その結果を表４に示す。

（本頁、以下余白） 表４から判るように、０２ガスの流量割合が大きくなる
につれて金属シリサイドＩ’！４　（タングステンシリ
サイド）とポリシリコンＮ３のエッチレートが速くなり
、下地の絶縁膜２（シリコン酸化膜）に対する選択比も
上昇した。特に、０２ガス５　ｓｅｃｍ以上添加すると
金属シリサイド層４の工・ンチレートがポリシリコン層
３よりも大きくなっていることが判った。また、形状は
、０２ガス添加量が５０ｓｅｃｍまではほとんど差はな
く垂直形状が得られた（第２図（Ｃ））。そして、０□
ガスが５０ｓｅｃｍを越えて混合させた場合は、工・ノ
チングしたポリサイド層５の側壁がやや荒れ、エツチン
グ残しが生じた（第７図）。

〔発明の効果〕

本発明によれば、ポリサイドを工・ノチング面が垂直に
なるように、かつ高選択比で、しかも１ステツプでエツ
チングすることができるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図及び第２図は本発明に係る半導体装置の製造方法
の一実施例を説明する図であり、第１図は一実施例の製
造方法を説明する図、第２図は一実施例のＲＩＥ装置を
示す概略図、第３図はポリサイドにアンダーカットが入
ったときの様子を示す図、 第４図は垂直加工できたポリサイドの形状を示す図、 第５図はＣ１２ガスとＨＢｒガスの混合ガスをエツチン
グガスに用いたときの基板温度に対する各材料（ポリＳ
ｉ、ＷＳｉｘ、、Ｓｉｎ、）のエッチレートとの関係を
示す図、 第６図はＣ２ｚガスにＨＢｒガスを添加したときの添加
量に対する各材料（ポリＳｉ、ＷＳｉｘ、５ｉＯ２）の
エッチレートとの関係を示す図、第７図はエツチング残
しが生したときの様子を示す図である。 ２・・・・・・絶縁膜、 ３・・・・・・ポリシリコン層、 ４・・・・・・金属シリサイド層、 ６・・・・・・マスク。 １・・・・・・基板、 一実施例のＲＩＥ装置を示す鴎図 第２図 第１図 ポリサイドにアンダーカットが入ったときの様子を示す
国策３図 垂直加工できたポリサイドの形状を示す間第４図 ＨＢｒ添加量（ｓｃａｎ） 第 図

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）下地の膜（２）上にポリシリコン層（３）及び金
   属シリサイド層（４）からなるポリサイド層（５）を形
   成する工程と、 該ポリサイド層（５）上にマスク（６）を形成する工程
   と、 該マスク（６）を用い、かつ塩素系ガス、臭素系ガス及
   び酸素ガスの混合ガスを主とするエッチングガスを用い
   て該ポリサイド層（５）のエッチングを行う工程とを含
   むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
2. （２）酸素ガスの添加量が塩素系ガス及び臭素系ガスの
   混合ガスに対して３５％以下であることを特徴とする半
   導体装置の製造方法。