JPH0410535A - 残渣除去方法 - 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】 Ｃ産業上の利用分野〕 本発明は半導体装置の製造分野等において行われるエツ
チング工程で発生する不要な残渣を除去する方法に関す
る。

［発明の概要］ 本発明は、半導体装置等の製造分野において行われるド
ライエツチングにおいて、被エツチング層に所望のパタ
ーンを形成した後、下地材料に白来する再付着物や上記
被エツチング層自身の残存により形成される不要な残渣
部の表面に該残渣部のエッチャントを含有する凝縮層を
形成し、該残渣部および該凝縮層とを加熱反応せしめる
ことにより、下地材料に悪影響を及ぼすことなく残渣を
除去し、高精度のパターン形成および歩留りの向上等を
可能とするものである。

さらに本発明は、上記残渣部を一旦酸化もしくは窒化し
て残渣酸化物もしくは残渣窒化物に変化させ、各々のエ
ッチャントを含有する凝縮層と共に反応除去することに
より、同様の効果を得ようとするものである。

〔従来の技術〕

半導体装置のデザイン・ルールがサブミクロン・レベル
、さらにはクォーターミクロン・レベルと高度に微細化
されるに伴い、各種加工技術に対する要求も一段と厳し
さを増している。

フォトリソグラフィ技術も例外ではなく、高解像度を求
めて露光波長が遠紫外域へと短波長化されるに伴い、多
層レジスト法の採用が必須となりつつある。多層レジス
ト法は、基体の表面段差を吸収するに十分な厚い下層レ
ジスト層と、高解像度を達成するに十分な薄い上層レジ
スト層との少なくとも２種類のレジスト層を組み合わせ
て使用する方法である。多層レジスト法では、現像は一
般に酸素ガス等を用いるドライエツチングにより行われ
る。ここで高い形状異方性を達成するには、ガス圧を低
く、直流バイアス電圧を高くすることが行われている。

一方、ゲート材料のエツチング技術にも一層の高度化が
要求されている。つまり、ゲート電極幅が０．３５μｍ
レベルとなり、またその下地であるゲート酸化膜が益々
薄膜化される状況にあっては、高い異方性形状と薄いゲ
ート酸化膜に対して高い選択比を確保できるエツチング
条件が必須である。

そのため、エツチングガスの組成やエツチング工程の多
段階化等が従来から研究されている他、近年ではエツチ
ング装置のウェハ設置電極を液体窒素温度付近まで下げ
ることにより、ラジカル反応を凍結させて高異方性を達
成する低温エツチングも提案されるなど、プロセスは益
々複雑化している。

〔発明が解決しようとする課題〕

ところが、このように微細化されたデザイン・ルールに
対応すべく高異方性が追求された結果、所望の部位以外
に残存する。あるいは形成される残渣が改めて注目され
るようになってきた。

ここで、前述の多層レジスト法における残渣の影響につ
いて、アルミニウム配線層のバターニングを行う場合を
例として第３図（Ａ）および第３図（Ｂ）を参照しなが
ら説明する。

第３図（Ａ）は、酸化シリコン等からなる眉間絶縁膜（
２１）上にアルミニウム配線層（２２）が形成されてな
る基体上に、下層レジスト層（２３）、およびＳＯＣ（
スピン・オン・グラス）等からなる中間膜（２４）が形
成された状態を示している。上記中間膜（２４）は、図
示しない上層レジスト層をマスクとして既に所定のパタ
ーンに形成されたものである。

上記中間膜（２４）をマスクとし、さらに酸素ガスを用
いたＲＩＥ（反応性イオン・エツチング）により、低ガ
ス圧、高直流バイアス電圧の条件で下層レジスト層（２
３）のエツチングを行うと、第３図（Ｂ）に示されるよ
うに、垂直壁を有するレジスト・パターン（２３ａ）を
得ることができる。しがし、下層レジスト層（２３）の
エツチングが終了してオーバー・エツチングの段階に移
行すると、かかる低ガス圧、高バイアス条件下ではエツ
チング種の平均自由行程が長くなり入射イオン・エネル
ギーも高くなっているため、下地のアルミニウム配線層
（２２）からアルミニウムがスパッタリングされてしま
う。スパッタリングされたアルミニウムはエツチング雰
囲気中で酸化され、酸化アルミニウムＡＩ！。Ｏｙの形
で上記中間膜（２４）およびレジスト・パターン（２３
ａ）の側壁部に付着して再付着層（２５）を形成する。

この再付着層（２５）は−旦形成されると除去が困難で
あるため、レジスト・パターン（２３ａ）の寸法精度を
劣化させる原因となる。再付着層（２５）の形成を防止
するためには入射イオン・エネルギーを低下させれば良
いわけであるが、これではエツチング速度の大幅な低下
や異方性の劣化が生し、低ガス圧、高バイアスの条件に
逆行する。このような再付着層（２５）の形成が、多層
レジスト法の実用化の障害であると言っても過言ではな
い。

一方、ゲート材料のエツチング技術における残渣の影響
について、第４図（Ａ）および第４図（Ｂ）を参照しな
がら説明する。

第４図（Ａ）は、シリコン基板（３１）上に酸化シリコ
ンからなるゲート酸化膜（３２）を介し、ｎ゛型ポリシ
リコン層（３３）およびタングステン等の金属を含む高
融点金属シリサイド層（３４）からなるポリサイド膜（
３５）がゲート材料層として形成された状態を示してい
る。

ここで、図示されない領域においてゲート電極を形成す
るために上記ポリサイド膜（３５）のエツチングを行う
と、詳しい原因は必ずしも明らかではないが、第４図（
Ｂ）に示されるように、ゲート電極の形成部位以外の場
所に、ポリサイド膜（３５）からなる直径１００人にも
満たない柱状残渣（３５ａ）が形成される。この柱状残
渣（３５ａ）は走査型電子顕微鏡でも観察が困難なほど
微細なものであり、たとえばＬＤＤ構造を目的としてゲ
ート電極の側壁部にサイドウオールを形成する際に該柱
状残渣（３５ａ）にも半球状にサイドウオールが被着す
ることで初めて観察されるケースが多い。この柱状残渣
（３５ａ）の発生頻度はＩｃｍ”当たり５００個程度に
も上ることがあり、短絡の原因となって半導体装置の歩
留りを低下させる広れがある。ゲート酸化膜（３２）が
十分に厚ければ、オーバーエツチングを余分に施して柱
状残渣（３５ａ）を除去することも可能であるが、ゲー
ト酸化膜（３２）が薄膜化されている現状ではかかる方
法は適用困難である。

以上の第３図（Ｂ）に示した再付着層（２５）、および
第４図（Ｂ）に示した柱状残渣（３５ａ）に代表される
残渣部は、いずれも所望のパターンとは別個に形成され
る不要部分であり、しかも寸法精度の劣化や歩留りの低
下等の原因となるものである。

しかし、これらの発生を初めから防止する方法、あるい
は除去を可能としておく方法はかえって半導体装置の高
集積化、高性能化に逆行する結果となる。したがって、
形成された残渣部を下地に悪影響を与えないように除去
する技術を確立する方がより現実的な対応と言える。

そこで本発明は、下地に悪影響を与えることなくこれら
の不要な残渣部を除去する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］ 本発明者は、上述の目的を達成するために鋭意検討を行
ったところ、１９８９年ドライ・プロセス・シンポジウ
ム抄録集第９０〜９２ページ（講演番号■−２）、ある
いは信学技報Ｓ　Ｄ　ＭＢ２−４８第３５〜３６ページ
に報告されているシリコン表面の自然酸化膜の除去方法
に発想を得、上述のような残渣部を除去し得る方法を見
出して本発明を完成するに至ったものである。

すなわち、本発明の第１の発明にがかる残渣除去方法は
、ドライエッチングにより基板上の被エツチング層に所
望のパターンを形成する工程と、前記所望のパターン以
外に形成された不要な残渣部の表面に該残渣部のエッチ
ャントを含有する凝縮層を形成する工程と、前記残渣部
と前記凝縮層とを加熱により反応せしめることにより該
残渣部を除去することを特徴とするものである。

本発明の第２の発明にかかる残渣除去方法は、ドライエ
ツチングにより基板上の被エツチング層に所望のパター
ンを形成する工程と、少なくとも前記所望のパターン以
外に形成された不要な残渣部を酸化して残渣酸化物に変
化させる工程と、前記残渣酸化物の表面に該酸化物のエ
ッチャントを含有する凝縮層を形成する工程と、前記残
渣酸化物と前記凝縮層とを加熱により反応せしめること
により該残渣酸化物を除去することを特徴とするもので
ある。

さらに、本発明の第３の発明にがかる残渣除去方法は、
ドライエツチングにより基板上の被エツチング層に所望
のパターンを形成する工程と、少なくとも前記所望のパ
ターン以外に形成された不要な残渣部を窒化して残渣窒
化物に変化させる工程と、前記残渣窒化物の表面に該酸
化物のエッチャントを含有する凝縮層を形成する工程と
、前記残渣窒化物と前記凝縮層とを加熱により反応せし
めることにより該残渣窒化物を除去することを特徴とす
るものである。

〔作用〕

本発明によれば、まず残渣部、あるいはその酸化物、さ
らにあるいはその窒化物の表面にこれらのエッチャント
を含む凝縮層が形成される。この過程は、たとえばダウ
ンフロー型のエツチング装置による凝縮層の全面的な堆
積、およびエッチバックにより可能とされる。

たとえば、上記残渣部が前述の第３図（Ｂ）に示される
ような再付着層（２５）である場合、該再付着層（２５
）はレジスト・パターン（２３ａ）の垂直壁面に形成さ
れているので、凝縮層が全面的に形成された後に該凝縮
層のエッチハックを行えば、該凝縮層は上記再付着層（
２５）の表面のみに選択的に残存することになり、下地
であるアルミニウム配線層（２２）や中間膜（２４）の
上面には残存しない。

また、上記残渣部が前述の第４図（Ｂ）に示されるよう
な柱状残渣（３５ａ）である場合には、該柱状残渣（３
５ａ）が基体上にほぼ直立した状態で存在するため、や
はり最終的には凝縮層が該柱状残渣（３５ａ）の酸化物
もしくは窒化物のみを包囲し、基体の表面〔ここではゲ
ート酸化膜（３２））には形成されない状態を現出させ
ることができる。

本発明では、上記凝縮層に残渣部のエッチャントが含有
されているので、加熱により両者を反応させることによ
り、残渣部を選択的に除去することができる。このとき
、下地の表面には凝縮層が残存しておらず、また除去は
化学的なプロセスで行われるため、この処理により下地
に何ら影響が及ぶことはない。

なお、本発明をゲート材料層のエツチングにおいて発生
する柱状残渣の除去に適用する場合、凝縮層のエッチバ
ック後に図示されない領域においてゲート電極の側壁部
等にも該凝縮層が残存するように思われるが、ゲート電
極は上記柱状残渣より逼かに寸法が大きいものであり、
該柱状残渣を除去する程度の条件では何ら損傷を受ける
ものではない。したがって、この場合にも柱状残渣が実
質的に選択的に除去されると考えて良い。

〔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】 本実施例は、本発明の第１の発明を３層レジスト法によ
るアルミニウム配線層のバターニングに適用した例であ
る。これを第１図（Ａ）ないし第１図（Ｅ）を参照しな
がら説明する。

第１図（Ａ）は、酸化シリコン等からなる眉間絶縁膜（
１）上にアルミニウム配線層（２）が形成されてなる基
体上に、下層レジスト層（３）、およびＳＯＧ　（スピ
ン・オン・グラス）等からなる中間膜（４）が形成され
た状態を示している。上記中間膜（４）は、図示しない
上層レジスト層をマスクとして既に所定のパターンに形
成されたものである。

次に、平行平板型プラズマ・エツチング装置内における
ＲＩＥ（反応性イオン・エツチング）により、上記中間
膜（４）をマスクとする下層レジスト層（３）のエツチ
ングを行った。エツチングガスとしては酸素ガスを使用
し、条件はたとえばガス圧５　ｍＴｏｒｒ＋　直流バイ
アス電圧−５００ｖの低ガス圧、高バイアス条件とした
。この条件により、第１図（Ｂ）に示されるように、下
層レジスト層（３）のエツチングは良好な異方性をもっ
て進行し、はぼ垂直壁を有するレジスト・パターン（３
ａ）が形成された。下層レジスト層（３）のエツチング
が終了してアルミニウム配線層（２）の表面が露出した
時点からさらにオーバーエツチングを行うと、該アルミ
ニウム配線層（２）の表面からアルミニウムがスパッタ
リングされ、これが直ちにエツチング雰囲気中で酸化さ
れて酸化アルミニウムＡｆ、Ｏ，に変化し、上記レジス
ト・パターン（３ａ）および中間膜（４）の側壁部に付
着して再付着層（５）が形成された。

なお、このエツチングに用いる装置は、ＥＣＲ（電子サ
イクロトロン共鳴型）プラズマ・エツチング装置等であ
っても良い。

次に、基体をダウンフロー型エツチング装置に設置して
ＳＦ、流量を２０３Ｃ（：？Ｉ、　　Ｈ２０流量を４０
３ＣＣ？Ｉとし、第１図（Ｃ）に示されるように、全面
に凝縮層（６）を形成した。ここで、ダウンフロー型の
エツチング装置を使用するのは、プラズマ輻射熱や紫外
光エネルギーの影響を排除し、寿命の長い活性種を生成
させて凝縮層（６）の形成を容易とするためである。上
述のようにして形成された凝縮層（６）には、酸化アル
ミニウム／１．０．のエッチャントとなるＨ、ＳＯ，や
ＨＦ等が含まれている。

次に、基体を平行平板型エツチング装置に戻し、Ａｒ等
の希ガスあるいは酸素ガス等を使用して全面エッチバッ
クを行い、第１１１（Ｄ）に示されるように、上記再付
着層（５）の表面のみに凝縮層（６）を残した。

次に、基体を加熱チャンバーに移し、真空中で約１００
°Ｃに加熱したところ、上記凝縮層（６）に含まれるＨ
、ＳＯ，、ＨＦ等のエッチャントが酸化アルミニウムを
分解し、第１図（Ｅ）に示されるように再付着層（５）
が除去された。このとき、下地であるアルミニウム配線
層（２）および形成されたパターンには、何ら悪影響は
及ばなかった。この結果、基体上には初めの中間膜（４
）のパターンを忠実に反映したレジスト・パターン（３
ａ）が形成された。かかるレジスト・パターン（３ａ）
を使用すれば、アルミニウム配線層（２）をパターニン
グする際の線幅制御性が劣化することがない。

実施例２ 本実施例は、本発明の第２の発明をゲート電極等を形成
するためのポリサイド膜のエツチングに適用した例であ
る。これを第２図（Ａ）ないし第２図（Ｆ）を参照しな
がら説明する。

第２図（Ａ）は、シリコン基板（１１）上に酸化シリコ
ンからなるゲート酸化膜（１２）を介し、ｎ゛型ポリシ
リコン層（１３）およびタングステン等の金属を含む高
融点金属シリサイド層（１４）からなるポリサイド膜（
１５）がゲート材料層として形成された状態を示してい
る。

この基体を、ＥＣＲプラズマ・エツチング装置のチャン
バー内に設置し、Ｃ２Ｃｆ、Ｆ、とＳＦ。

の混合ガス系を用いて上記ポリサイド膜（１５）のエツ
チングを行った。その結果、図示されない領域において
ゲート電極が形成されると同時に、第２図（Ｂ）に示さ
れるように、ゲート電極の形成部位以外の場所に該ポリ
サイド膜（１５）の一部が直径１００人にも満たない柱
状残渣（１５ａ）として残存した。

次に、同じチャンバー内において、酸素ガス流量１００
５ＣＣＭ、ガス圧１０　ｍＴｏｒｒ、　　マイクロ波パ
ワー　８５０Ｗの条件で酸素プラズマ酸化を行い、第２
図（Ｃ）に示されるように、上記柱状残渣（１５ａ）を
酸化して残渣酸化物（１５ｂ）とした。

次に、基体をダウンフロー型のエツチング装置に設置し
てＮＦ、流量１０　ＳＣＣＭ、　ＮＨ３流量３０ＳＣＣ
Ｍとし、第２図（Ｄ）に示されるように、上記残渣酸化
物（１５ｂ）およびゲート酸化膜（１２）の表面に凝縮
層（１６）を形成した。この凝縮層（１６）の組成は、
前述の１９８９年ドライ・プロセス・シンポジウム抄録
集第９０〜９２ページ（講演番号１ｆ−２）、あるいは
信学技報Ｓ　Ｄ　Ｍ８９−４８第３５〜３６ページに報
告されているように（ＮＨ，）２Ｓ　ｒ　Ｆｂであり、
上述のガス系によるエツチング生成物である５ｉＦａ　
とＮＨ４Ｆの反応生成物であると考えられる。

次に、基体をＥＣＲプラズマ・エツチング装置に戻し、
Ａｒ等の希ガスあるいは酸素ガス等を使用して全面エッ
チバックを行い、第２図（Ｅ）に示されるように、上記
残渣酸化物（１５ｂ）の表面のみに凝縮層（１６）を残
した。

次に、基体を加熱チャンバーに移し、真空中で約１００
°Ｃに加熱したところ、上記凝縮層（１６）と残渣酸化
物（１５ｂ）　とが反応して揮発性物質に変化し、第２
図（Ｆ）に示されるように、これらが共に除去された。

この機構は、まず凝縮層（１６）から生成したＮＨ４Ｆ
　がさらに解離してフッ素イオンを生じ、これが５ｉ−
０結合のＳｉ原子を攻撃して５ｉ−Ｆ結合を生成し、揮
発性の５ｉＦａの形で酸化シリコンをエツチング除去し
たものと考えられる。５ｉ−０結合の切断に伴って生成
した酸素イオンもＮＨ，Ｆと反応し、ＮＨｆｆおよびＨ
２Ｏの形でそれぞれ除去される。

なお、本実施例では凝縮層（１６）の形成に使用するガ
ス系をＮＦ、／ＮＨ，系としたが、実施例１で述べたよ
うなＳＦ、／Ｈ，○系も適用可能である。

実施例３ 本実施例は、本発明の第３の発明を実施例２と同様のゲ
ート材料層のエツチングに適用した例である。図面によ
る説明は省略する。

すなわち、ポリサイド膜（１５）のエツチングにより形
成された柱状残渣（１５ａ）をＮ　ＨｓガスもしくはＮ
２ガスを使用したプラズマ窒化により残渣窒化物に変化
させた後、同様にＮ　Ｆ　＝　／　Ｎ　Ｈｚのガス系に
より凝縮層を形成し、加熱を行ったところ、下地に何ら
影響を与えることなく残渣窒化物が除去された。

なお、本発明の残渣除去方法を実施するにあたっては、
多層レジスト層やゲート材料層のエツチングもしくは凝
縮層のエッチバックを行うためのエツチング装置（マグ
ネトロン・プラズマ・エツチング装置、ＥＣＲエツチン
グ装置等）、凝縮層を形成するためのダウンフロー型エ
ツチング装置、および再付着層や柱状残渣の酸化物もし
くは窒化物と凝縮層とを反応させるための加熱チャンバ
ーとが真空搬送手段により相互に接続されてなり、これ
らの間をウェハ等の被処理基体が移動可能となされた装
置を使用することが、効率良く信転性の高い作業を行う
上で特に有効である。

（発明の効果〕 以上の説明からも明らかなように、本発明にょれば、微
細なデザイン・ルールにもとづく半導体装置の製造にお
いて、高異方性、高エツチング速度を何ら損なうことな
く不要な残渣部を除去し、寸法精度の劣化や歩留りの低
下を防止することができる。したがって、本発明は高集
積度、高性能を有する半導体装置の製造等において極め
て有用である。

【図面の簡単な説明】

第１図（Ａ）ないし第１図（Ｅ）は本発明の残渣除去方
法の一実施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３層レジスト法における中
間膜のバターニング工程、第１図（Ｂ）は下層レジスト
層のエツチングによるレジスト・パターンおよび再付着
層の形成工程、第１図（Ｃ）は凝縮層の形成工程、第１
図（Ｄ）は凝縮層のエッチバック工程、第１図（Ｅ）は
再付着層と凝縮層の除去工程をそれぞれ表す。第２図（
Ａ）ないし第２図（Ｆ）は本発明の残渣除去方法の他の
実施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２図（Ａ）はポリサイド膜の形成工程、第２図
（Ｂ）はエツチングによる柱状残渣の形成工程、第２図
（Ｃ）は酸化による残渣酸化物の形成工程、第２図（Ｄ
）は凝縮層の形成工程、第２図（Ｅ）は凝縮層のエッチ
バック工程、第２回（Ｆ）は残渣酸化物と凝縮層の除去
工程をそれぞれ表す。第３図（Ａ）および第３［１ａ　
（Ｂ）は従来の多層レジスト法における問題点を説明す
る概略断面図であり、第３図（Ａ）は中間膜のバターニ
ング工程、第３図（Ｂ）はエツチングによるレジスト・
パターンおよび再付着層の形成工程をそれぞれ表す。第
４図（Ａ）および第４図（Ｂ）は従来のゲート材料のエ
ツチングにおける問題点を説明する概略断面図であり、
第４図（Ａ）はポリサイド膜の形成工程、第４図（Ｂ）
はエツチングによる柱状残渣の形成工程をそれぞれ表す
。 １　　・・・層間絶縁膜 ２　　・・・アルミニウム配線層 下層レジスト層 レジスト・パターン 中間膜 再付着層 凝縮層 シリコン基板 ゲート酸化膜 ポリサイド膜 柱状残渣 残渣酸化物

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）ドライエッチングにより基板上の被エッチング層
   に所望のパターンを形成する工程と、 前記所望のパターン以外に形成された不要な残渣部の表
   面に該残渣部のエッチャントを含有する凝縮層を形成す
   る工程と、 前記残渣部と前記凝縮層とを加熱により反応せしめるこ
   とにより該残渣部を除去することを特徴とする残渣除去
   方法。
2. （２）ドライエッチングにより基板上の被エッチング層
   に所望のパターンを形成する工程と、 少なくとも前記所望のパターン以外に形成された不要な
   残渣部を酸化して残渣酸化物に変化させる工程と、 前記残渣酸化物の表面に該酸化物のエッチャントを含有
   する凝縮層を形成する工程と、 前記残渣酸化物と前記凝縮層とを加熱により反応せしめ
   ることにより該残渣酸化物を除去することを特徴とする
   残渣除去方法。
3. （３）ドライエッチングにより基板上の被エッチング層
   に所望のパターンを形成する工程と、 少なくとも前記所望のパターン以外に形成された不要な
   残渣部を窒化して残渣窒化物に変化させる工程と、 前記残渣窒化物の表面に該酸化物のエッチャントを含有
   する凝縮層を形成する工程と、 前記残渣窒化物と前記凝縮層とを加熱により反応せしめ
   ることにより該残渣窒化物を除去することを特徴とする
   残渣除去方法。