JPH0513383A - ドライエツチング方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 クロロフルオロカーボン（ＣＦＣ）ガスを使
用せずにＳｉ系材料層の異方性エッチングを実用的な低
温域で行う。 【構成】 ウェハを−７０°に冷却し、Ｓ₂ Ｆ₂ を用い
てＤＯＰＯＳ層３をエッチングする。Ｓ₂ Ｆ₂ から解離
生成するＦ^* の作用とＳＦ⁺ ，Ｓ⁺ 等の入射イオンのア
シストによりエッチングが進行する一方、プラズマ中に
放出された遊離のＳが低温冷却されたウェハの表面に堆
積し、側壁保護膜５を形成する。したがって、ＣＦＣガ
スやレジスト・マスクに由来する炭素系ポリマーに依存
せずに異方性加工が行える。しかも、エッチング終了後
にはＳはウェハ加熱もしくはアッシングにより容易に除
去できるので、パーティクル汚染を招かない。Ｓ₂Ｃｌ
₂ を用いればＡｌ系材料層もエッチング可能であり、コ
ロージョン耐性も向上する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は半導体装置の製造分野等
において適用されるドライエッチング方法に関し、特に
クロロフルオロカーボン（ＣＦＣ）ガスを使用せずにシ
リコン系材料層の異方性エッチングを行い、また良好な
アルミニウム（Ａｌ）系材料層の異方性エッチングを行
う方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年のＶＬＳＩ，ＵＬＳＩ等にみられる
ように半導体装置の高集積化および高性能化が進展する
に伴い、単結晶シリコン，多結晶シリコン，高融点金属
シリサイド，ポリサイド等のシリコン系材料層、あるい
はＡｌ系材料層のエッチングにおいても、高異方性，高
速性，高選択性，低汚染性等の諸要求のいずれをも犠牲
にすることなく達成する技術が強く望まれている。単結
晶シリコンの代表的なエッチング・プロセスは、微細素
子分離やセル容量面積の確保を目的としてトレンチを形
成するためのトレンチ加工である。このプロセスでは高
アスペクト比パターンの異方性加工が必要とされるが、
実際にはマスク・パターンやエッチング条件の変動等に
よってトレンチの断面形状が複雑に変化し易く、アンダ
カットやボウイング（ｂｏｗｉｎｇ）等の形状異常がし
ばしば経験される。これらは、いずれも後工程における
トレンチの埋め込みや容量の制御等を困難とする。多結
晶シリコン，高融点金属シリサイド，ポリサイド等の代
表的なエッチング・プロセスはゲート加工である。ゲー
ト電極のパターン幅は、トランジスタのソース・ドレイ
ン領域が自己整合的に形成される場合のチャネル長やＬ
ＤＤ構造におけるサイドウォールの寸法精度に直接影響
する。したがって、このプロセスにも極めて高い加工精
度が要求される。

【０００３】従来、これらシリコン系材料のエッチング
にはＣＦＣ１１３（Ｃ₂ Ｃｌ₃ Ｆ₃ ）等に代表されるＣ
ＦＣガス（いわゆるフロン・ガスの一種）がエッチング
・ガスとして広く用いられてきた。ＣＦＣガスは１分子
内にＦとＣｌとを構成元素として有するため、条件次第
でＦ^* ，Ｃｌ^* 等のラジカルによるラジカル反応と、Ｃ
Ｆ_x ⁺ ，ＣＣｌ_x ⁺ 等のイオンによるイオン・アシスト
反応の両方によるエッチングが可能であり、かつ気相中
から堆積する炭素系ポリマーで側壁保護を行いながら高
異方性を達成することができる。

【０００４】一方、上述のような炭素系ポリマーの側壁
保護作用により高異方性を達成するのではなく、被エッ
チング基板（ウェハ）の低温化によりこれを達成しよう
とする技術も提案されている。これは、いわゆる低温エ
ッチングと呼ばれるプロセスであり、ウェハの温度を０
℃以下に保持することにより、深さ方向のエッチング速
度をイオン・アシスト効果により実用レベルに維持した
まま、パターン側壁部におけるラジカル反応を凍結また
は抑制してアンダカット等の形状異常を防止しようとす
る技術である。たとえば、第３５回応用物理学関係連合
講演会（１９８８年春季年会）講演予稿集第４９５ペー
ジ，演題番号２８ａ−Ｇ−２には、ウェハを−１３０℃
に冷却し、ＳＦ₆ ガスを用いてシリコン・トレンチ・エ
ッチングおよびｎ⁺ 型多結晶シリコン層のエッチングを
行った例が報告されている。なお、一般にドライエッチ
ングのプロセスでは、特にウェハを冷却しなければプラ
ズマ輻射熱や反応熱等によりウェハの温度は２００℃付
近まで上昇するので、ウェハの温度を室温程度に制御す
る場合も広義の低温エッチングに含めることがある。

【０００５】以上はシリコン系材料層のエッチングに関
する従来動向であるが、高精度加工はＡｌ系材料層につ
いても同様に求められている。一般にＡｌ系材料層のド
ライエッチングは、ＢＣｌ₃ ／Ｃｌ₂ 混合ガスに代表さ
れる塩素系ガスを使用して行われている。ＡｌとＣｌの
反応は自発的に進行するため、異方性を確保するために
は低ガス圧かつ高バイアスといった条件下でイオンの平
均自由行程を延長させてエッチングを行っている。また
このとき、高い入射エネルギーを有するイオンにスパッ
タされたレジスト・マスクの分解生成物が炭素系ポリマ
ーを形成し、これがパターン側壁部に付着して側壁保護
効果を発揮する。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】このように、シリコン
系材料層、あるいはＡｌ系材料層の異方性エッチングを
実現するための様々な努力が従来から続けられている
が、いまだ解決すべき問題も多い。まず、ＣＦＣガスに
対しては次のような問題点が指摘されている。その第一
は、周知のようにＣＦＣガスが地球のオゾン層破壊の一
因であり、近い将来に製造および使用が禁止される運び
となっていることである。したがって、ドライエッチン
グの分野においてもＣＦＣ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となっている。
第二は、ＣＦＣガスに含まれる炭素が、酸化シリコン
（ＳｉＯ₂ ）系材料層に対する選択性を劣化させるとい
う問題である。この問題点は、第３６回応用物理学関係
連合講演会（１９８９年春季），講演予稿集第２分冊５
７２ページ，演題番号１ｐ−Ｌ−７、あるいは月刊セミ
コンダクターワールド（プレスジャーナル社刊）１９９
０年１月号，８１〜８４ページ等の文献に報告されてい
る。ゲート酸化膜のようなＳｉＯ₂ 系材料層の表面に炭
素が吸着すると、原子間結合エネルギーの大きいＣ−Ｏ
結合（２５７ｋｃａｌ／ｍｏｌｅ）が生成してＳｉ−Ｏ
結合が弱められたり、あるいはＳｉＯ₂ がＳｉに還元さ
れてハロゲン系のエッチング種に引き抜かれ易くなって
しまうのである。このことは、薄いゲート酸化膜を下地
としてゲート電極加工を行う場合に、重大な問題とな
る。第三は、炭素系ポリマーによるパーティクル汚染の
懸念である。すなわち、半導体装置のデザイン・ルール
が今後さらに微細化されると、気相中から堆積する炭素
ポリマーも重大なパーティクル汚染源となることが十分
に予想される。

【０００７】前述の低温エッチングは、脱ＣＦＣ対策の
有効な手段のひとつと期待されているが、高異方性の達
成をラジカル反応の凍結もしくは抑制のみに頼ろうとす
ると、前述のように液体窒素を要するレベルの低温が必
要となる。しかしこれでは、大型で特殊な冷却装置が必
要となること、真空シール材の信頼性等が低下すること
等のハードウェア面の問題が生ずる。また、ウェハの冷
却および室温に戻すまでの加熱に時間がかかりスループ
ットが低下することも懸念され、経済性や生産性を損な
う虞れが大きい。

【０００８】さらに、Ａｌ系材料層のようにマスク材料
に由来する側壁保護膜により異方性を確保しているプロ
セスでは、マスクの構成によっては側壁保護が途中で中
断して異方性加工が不可能となる場合が生ずる。近年の
ように微細化されたデザイン・ルールのもとでは、ウェ
ハの表面段差はますます増大する傾向にある。このよう
なウェハの表面でフォトリソグラフィ工程において均一
な解像を実現するため、今後は多層レジスト・プロセス
の導入が必須であると考えられている。たとえば、３層
レジスト・プロセスでは、厚い下層レジスト層、酸化シ
リコンからなる中間膜、および薄い上層レジスト層を順
次積層する。次に、上層レジスト層を露光と現像により
パターニングし、これをマスクとして中間膜をＲＩＥ
（反応性イオン・エッチング）によりパターニングし、
さらに上層レジスト層と中間膜とをマスクとして下層レ
ジスト層をエッチングする。ここで、厚い下層レジスト
層のエッチング中には薄い上層レジスト層の除去も同時
に進行し、途中からは露出した中間膜が単独でマスクと
して機能する。しかし、この段階ではイオンの垂直入射
面に炭素系ポリマーの供給源となるレジスト材料がもは
や存在しないので、側壁保護膜が形成できなくなる。し
たがって、従来のエッチング・ガス系では３層レジスト
・プロセスによるＡｌ系材料層の異方性エッチングは不
可能ということになってしまう。

【０００９】そこで本発明は、ＣＦＣガスを使用せず、
低温エッチングを行うとしてもウェハ温度を実用的な温
度範囲に設定することができ、しかもレジスト材料層か
らの炭素系ポリマーの生成が期待できない系においても
良好な異方性加工を可能とするドライエッチング方法を
提供することを目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明者は、ウェハの低
温冷却に側壁保護を組み合わせれば、従来より高い温度
域でも異方性加工を行うことができ、実用的な低温エッ
チング・プロセスを提供できるものと考えた。このとき
のエッチング・ガスとして、放電解離条件下でプラズマ
中に炭素を含まない堆積性物質を生成し得るものを選択
すれば、マスクの構成によらず常に側壁保護が可能とな
る。しかも、その堆積性物質は、エッチング終了後には
容易に除去できるものでなければならない。以上の方針
にもとづいて鋭意検討を行った結果、Ｓ／Ｘ比〔分子内
のＳ原子数とＸ（ハロゲン）原子数の比〕が比較的大き
い各種のハロゲン化イオウを主体とするエッチング・ガ
スを用いれば、プラズマ中に解離生成する遊離のイオウ
（Ｓ）を堆積させて側壁保護を行うことができ、本発明
の目的が達成可能であることを見出した。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。

【００１１】すなわち、本願の第１の発明にかかるドラ
イエッチング方法は、被エッチング基板の温度を室温以
下に制御しながら、Ｓ₂ Ｆ₂ ，ＳＦ₂ ，ＳＦ₄ ，Ｓ₂ Ｆ
₁₀，Ｓ₃ Ｃｌ₂ ，Ｓ₂ Ｃｌ₂ ，ＳＣｌ₂ ，Ｓ₃ Ｂｒ₂ ，
Ｓ₂ Ｂｒ₂ ，ＳＢｒ₂ から選ばれる少なくとも１種類の
ハロゲン化イオウを含むエッチング・ガスを用いてシリ
コン系材料層のエッチングを行うことを特徴とする。

【００１２】本願の第２の発明にかかるドライエッチン
グ方法は、被エッチング基板の温度を室温以下に制御し
ながら、Ｓ₂ Ｆ₂ ，ＳＦ₂ ，ＳＦ₄ ，Ｓ₂ Ｆ₁₀から選ば
れる少なくとも１種類のフッ化イオウを含むエッチング
・ガスを用いてシリコン系材料層を実質的にその層厚分
だけエッチングする工程と、被エッチング基板の温度を
室温以下に制御しながら、Ｓ₃ Ｃｌ₂ ，Ｓ₂ Ｃｌ₂ ，Ｓ
Ｃｌ₂ ，Ｓ₃ Ｂｒ₂ ，Ｓ₂ Ｂｒ₂ ，ＳＢｒ₂ から選ばれ
る少なくとも１種類のハロゲン化イオウを含むエッチン
グ・ガスを用いてオーバーエッチングを行う工程とを有
することを特徴とする。

【００１３】本願の第３の発明にかかるドライエッチン
グ方法は、被エッチング基板上に多結晶シリコン層と高
融点金属シリサイド層が順次積層されてなるポリサイド
膜をエッチングする方法であって、前記被エッチング基
板の温度を室温以下に制御しながら、Ｓ₂ Ｆ₂ ，Ｓ
Ｆ₂ ，ＳＦ₄ ，Ｓ₂ Ｆ₁₀から選ばれる少なくとも１種類
のフッ化イオウを含むエッチング・ガスを用いて前記高
融点金属シリサイド層のエッチングを行う工程と、前記
被エッチング基板の温度を室温以下に制御しながら、Ｓ
₃ Ｃｌ₂ ，Ｓ₂ Ｃｌ₂ ，ＳＣｌ₂ ，Ｓ₃ Ｂｒ₂ ，Ｓ₂ Ｂ
ｒ₂ ，ＳＢｒ₂ から選ばれる少なくとも１種類のハロゲ
ン化イオウを含むエッチング・ガスを用いて前記多結晶
シリコン層のエッチングを行う工程とを有することを特
徴とする。

【００１４】さらに、本願の第４の発明にかかるドライ
エッチング方法は、被エッチング基板の温度を室温以下
に制御しながら、Ｓ₃ Ｃｌ₂ ，Ｓ₂ Ｃｌ₂ ，ＳＣｌ₂ ，
Ｓ₃ Ｂｒ₂ ，Ｓ₂ Ｂｒ₂ ，ＳＢｒ₂ から選ばれる少なく
とも１種類のハロゲン化イオウを含むエッチング・ガス
を用いてアルミニウム系材料層のエッチングを行うこと
を特徴とする。

【００１５】第１の発明の所で列挙したハロゲン化イオ
ウのうち最初の４者はフッ化イオウであり、一フッ化イ
オウＳ₂ Ｆ₂ は融点−１３３℃，沸点１５℃、二フッ化
イオウＳＦ₂ は詳しい物性データが得られていないが室
温で気体、四フッ化イオウＳＦ₄ は融点−１２１℃，沸
点−３８℃，五フッ化イオウＳ₂ Ｆ₁₀は融点−５２．７
℃，沸点３０℃である。フッ化イオウとしてはこの他
に、最も安定で従来からエッチング・ガスとして実用化
されている六フッ化イオウＳＦ₆ が知られているが、本
発明者はＳＦ₆ が放電解離条件下でもプラズマ中に遊離
のＳを放出しないことを実験的に確認している。したが
って、本発明ではＳＦ₆ は使用しない。次の３者は塩化
イオウであり、二塩化三イオウＳ₃ Ｃｌ₂ は融点−４６
℃、一塩化イオウＳ₂ Ｃｌ₂ は融点−８０℃，沸点１３
７．１℃、二塩化イオウＳＣｌ₂ は融点−１２２℃，沸
点５９．６℃である。塩化イオウには、これらの他に四
塩化イオウＳＣｌ₄ も知られているが、−３０℃以上で
ＳＣｌ₂ とＣｌ₂ とに分解する不安定物質である。最後
の３者は臭化イオウであり、一臭化イオウＳ₂ Ｂｒ₂ は
融点−４６℃、三臭化二イオウＳ₃ Ｂｒ₂ と二臭化イオ
ウＳＢｒ₂ については詳しい物性データが得られていな
いが室温で液体物質である。これらのハロゲン化イオウ
は、上記の物性データからも明らかなように常温常圧下
で気体ないし液体の物質である。たとえ液体であって
も、バブリング等の手段とによりエッチング反応系へ導
入すれば、ドライエッチングが行われるような高真空下
では容易に気体状態で存在することができる。

【００１６】

【作用】本願の第１の発明で使用される各種のハロゲン
化イオウは、放電解離条件下でシリコン系材料層のエッ
チング種となるハロゲン・ラジカル（Ｆ^*，Ｃｌ^* ，Ｂ
ｒ^* ）を生成すると共に、ラジカル反応をアシストする
イオン（ＳＦ_x ⁺ ，ＳＣｌ_x ⁺ ，ＳＢｒ_x ⁺ ，Ｓ_x ⁺ ，
Ｃｌ⁺ ，Ｂｒ⁺ 等）を生成する。また、プラズマ中に遊
離のイオウ（Ｓ）を放出することもできる。このＳを室
温以下に温度制御されたウェハの表面に堆積させて側壁
保護に利用することが、本発明の最大のポイントとなっ
ている。したがって、上記ハロゲン化イオウを使用すれ
ば、ラジカル反応にもとづく高速で本来は等方的なエッ
チング反応を、適度な入射イオン・エネルギーおよび適
度な量のＳの堆積とバランスさせることにより、シリコ
ン系材料層の異方性加工を行うことができるわけであ
る。ただし、入射イオン・エネルギーが高すぎると、Ｓ
ｉＯ₂ 系の下地材料に対する選択比が低下するので注意
を要する。このことは、本発明者が先に特願平２−１９
８０４５号明細書において、上記フッ化イオウをＳｉＯ
₂ 系材料層用のエッチング・ガスとして提案しているこ
とからも明らかである。

【００１７】フッ化イオウを使用すれば、高速性を重視
したエッチングを行うことができる。これは、Ｆ^* のラ
ジカル半径が小さいので容易にシリコン系材料層の結晶
格子内に侵入できること、また原子間結合エネルギーで
みた場合、Ｓｉ−Ｆ結合（１３２ｋｃａｌ／ｍｏｌ）が
Ｓｉ−Ｓｉ結合（５４ｋｃａｌ／ｍｏｌ）に比べて極め
て大きいこと等から説明できる。また、塩化イオウおよ
び臭化イオウを使用すれば、異方性および下地選択性を
重視したエッチングを行うことができる。これは、Ｃｌ
^* やＢｒ^* のラジカル半径がシリコン系材料層の結晶格
子内に容易に侵入できない程度に大きく、イオン衝撃を
伴わないとエッチングが進行しないこと、また原子間結
合エネルギーの値をみるとＳｉ−Ｃｌ結合（９６ｋｃａ
ｌ／ｍｏｌ）とＳｉ−Ｂｒ結合（８８ｋｃａｌ／ｍｏ
ｌ）の値がＳｉ−Ｓｉ結合の値とそれほど離れていない
こと等から説明できる。

【００１８】さらに、本発明で特筆すべきことは、気相
中からの堆積物を利用するプロセスであるにもかかわら
ず、パーティクル汚染を発生させる虞れがないというこ
とである。ウェハ上に堆積したＳは、エッチング終了後
にウェハを９０℃程度に加熱すれば容易に昇華する。あ
るいは、レジスト・マスクをアッシングする際に同時に
燃焼し、ＳＯ_x の形でも完全に除去される。

【００１９】本願の第２の発明では、ハロゲン・ラジカ
ルのシリコン系材料層に対する反応性の違いを利用し
て、高速性を維持したまま対下地選択性を向上させ、か
つオーバーエッチング時の異方性の劣化を防止する。つ
まり、シリコン系材料層を実質的にその層厚分だけエッ
チングするまでの工程（ジャスト・エッチング工程）で
はフッ化イオウを用い、Ｆ^* による高速エッチングを行
う。しかし、このままオーバーエッチングを行うと、被
エッチング面積の減少に伴って大過剰となったＦ^* がパ
ターンの側壁部を攻撃し、異方性を劣化させ易くなる。
また、原子間結合エネルギーからみてＳｉ−Ｆ結合はＳ
ｉ−Ｏ結合（１１１ｋｃａｌ／ｍｏｌ）よりも安定であ
り、下地のＳｉＯ₂ 系材料層に対する選択性が低下する
虞れも大きい。そこで、オーバーエッチング時にはＦ^*
よりは反応性の低いＣｌ^* を生成させる塩化イオウ、も
しくはＢｒ^* を生成させる臭化イオウを用い、この問題
の解決を図る。

【００２０】第３の発明では、シリコン系材料層の中で
も特にポリサイド膜のエッチングに適したプロセスを提
供する。ポリサイド膜は、エッチング特性の異なる２種
類の材料層が積層されていることから異方性加工が困難
であり、従来から様々なプロセスが研究されている。今
回の発明では、まず高融点金属シリサイド層のエッチン
グをフッ化イオウを用いて行い、多結晶シリコン層のエ
ッチングを塩化イオウあるいは臭化イオウを用いて行
う。高融点金属シリサイド層のエッチングは、塩化イオ
ウや臭化イオウを用いても不可能ではない。しかし、こ
れらの化合物を用いると、生成する高融点金属の塩化物
もしくは臭化物の蒸気圧が概して低いため、ウェハ温度
が常温以下に制御されている状態ではエッチング反応生
成物が過剰に堆積し、パターン幅を太らせる原因とな
る。また、エッチング終了後のエッチング反応生成物の
除去も困難となる。そこで、本発明では高融点金属シリ
サイド層をフッ化イオウを用いてエッチングし、高融点
金属を蒸気圧の高いフッ化物の形で速やかに除去する。
一方、多結晶シリコン層はＦ^* の攻撃を極めて受け易い
ので、この層をエッチングする際にはエッチング・ガス
を塩化イオウあるいは臭化イオウに切り換え、異方性の
劣化を防止する。このとき、エッチング反応系からＦ^*
が無くなることにより、ＳｉＯ₂ 系の下地材料層に対す
る選択性も向上する。

【００２１】本願の第４の発明では、塩化イオウまたは
臭化イオウを用いてＡｌ系材料層をエッチングする。こ
れらの化合物から生成するＣｌ^* ，Ｂｒ^* がＡｌと化合
し、ＡｌＣｌ_x もしくはＡｌＢｒ_x の形でこれを除去す
る。ここでフッ化イオウを使用しないのは、エッチング
反応生成物ＡｌＦ_x の蒸気圧が低く、Ａｌ系材料層の表
面に不動態被膜を形成してエッチングを阻害するからで
ある。

【００２２】

【実施例】以下、本発明の好適な実施例について説明す
る。

【００２３】実施例１ 本実施例は、本願の第１の発明をゲート電極加工に適用
し、Ｓ₂ Ｆ₂ を用いてｎ型不純物を含有する多結晶シリ
コン（ＤＯＰＯＳ＝ｄｏｐｅｄ ｐｏｌｙｓｉｌｉｃｏ
ｎ）層をエッチングした例である。このプロセスを、図
１を参照しながら説明する。まず、たとえば図１（ａ）
に示されるように、単結晶シリコン基板１上にＳｉＯ₂
からなるゲート酸化膜２を介してｎ型不純物を含有する
ＤＯＰＯＳ層３を形成し、さらに該ＤＯＰＯＳ層３の上
に所定の形状にパターニングされたレジスト・マスク４
を形成したウェハを用意した。

【００２４】次に、上記ウェハをＲＦバイアス印加型の
有磁場マイクロ波プラズマ・エッチング装置のウェハ載
置電極上にセットした。このウェハ載置電極には冷却配
管が内蔵されており、装置外部に接続されるチラー等の
冷却設備から有機溶媒やフロン系冷媒（住友３Ｍ社製，
商品名フロリナート等）を供給して循環させることによ
り、ウェハを冷却することができる。ここではエタノー
ルを冷媒として使用し、エッチング中のウェハ温度が約
−７０℃に維持されるようにした。この状態で、一例と
してＳ₂ Ｆ₂ 流量５ＳＣＣＭ，ガス圧１．３Ｐａ（１０
ｍＴｏｒｒ），マイクロ波パワー８５０Ｗ，ＲＦバイア
ス・パワー３０Ｗ（２ＭＨｚ）の条件で上記ＤＯＰＯＳ
層３をエッチングした。このエッチング過程では、Ｓ₂
Ｆ₂ から解離生成するＦ^*によるラジカル反応が、同じ
くＳ₂ Ｆ₂ から生成するＳＦ⁺ ，Ｓ_x ⁺ 等のイオンにア
シストされる機構でエッチングが進行した。さらに、Ｓ
₂ Ｆ₂ からは遊離のＳもプラズマ中に放出された。この
Ｓは、低温冷却されたウェハの表面のうちイオンの垂直
入射が起こらないパターンの側壁部に堆積し、図１
（ｂ）に示されるような側壁保護膜５を形成した。この
結果、レジスト・マスク４の直下にアンダカット等を生
ずることなく、良好な異方性形状を有するゲート電極３
ａが形成された。なおこのプロセスでは、ゲート酸化膜
２に対する高選択性も実現した。これは、ウェハの低温
冷却によりウェハ表面におけるラジカルの反応性が低下
しており、また側壁保護が行われる分だけＲＦバイアス
・パワーを低減できるからである。たとえば、上述のＲ
Ｆバイアス・パワーの値は、自己バイアス電位Ｖ_dcに換
算すれば２０Ｖ以下であり、入射イオン・エネルギーと
しては極めて低い領域に属する。近年ではゲート酸化膜
の膜厚もますます薄くなっているため、このようなプロ
セスは極めて有効である。さらに、上述のような低バイ
アス条件によれば、レジスト・マスク４のスパッタ除去
も抑制されるため、対レジスト選択性が向上する他、炭
素系ポリマーによるパーティクル汚染も防止することが
できる。

【００２５】次に、ウェハの温度を室温に戻した後、プ
ラズマ・アッシング装置に移設して通常の酸素プラズマ
・アッシングを行った。この結果、図１（ｃ）に示され
るように、レジスト・マスク４が燃焼反応により除去さ
れ、これと同時に側壁保護膜５も速やかに除去された。
この側壁保護膜５の除去の機構には、燃焼反応によるＳ
Ｏ_x の形成の他、反応熱やプラズマ輻射熱でウェハが加
熱されることによる昇華も寄与している。したがって、
ウェハ上には何らパーティクル汚染が発生しなかった。
なお、上述の例では側壁保護膜５の除去をレジスト・マ
スク４のアッシングと同時に行ったが、低温エッチング
後のウェハを室温に戻す際の加熱を延長して９０℃付近
までウェハを昇温させ、アッシング前に側壁保護膜５を
昇華除去しても良い。

【００２６】実施例２ 本実施例は、本願の第１の発明をゲート電極加工に適用
し、Ｓ₂ Ｃｌ₂ を用いてｎ型不純物を含有するＤＯＰＯ
Ｓ層をエッチングした例である。まず、前述の図１
（ａ）に示されるウェハをＲＦバイアス印加型のマイク
ロ波プラズマ・エッチング装置にセットし、一例として
Ｓ₂ Ｃｌ₂ 流量５０ＳＣＣＭ，ガス圧１．３Ｐａ（１０
ｍＴｏｒｒ），マイクロ波パワー８５０Ｗ, ＲＦバイア
ス・パワー１００Ｗ（２ＭＨｚ），ウェハ温度−２０℃
の条件でＤＯＰＯＳ層３をエッチングした。このエッチ
ング過程では、Ｓ₂ Ｃｌ₂ から生成したＳＣｌ⁺ ，Ｓ_x
⁺ ，Ｃｌ⁺ 等のイオンがＤＯＰＯＳ層３の表面に衝突し
てこれを活性化し、既に吸着されているＣｌとＤＯＰＯ
Ｓ層３との反応をアシストする形でエッチングが進行し
た。これと同時にパターンの側壁部にはＳが堆積し、図
１（ｂ）に示されるように側壁保護膜５が形成された。
本実施例によっても良好な異方性形状を有するゲート電
極３ａが形成された。本実施例では、Ｆ^* のようにシリ
コン系材料に対して高い反応性を有するエッチング種の
代わりに、Ｃｌ^* のイオン・アシスト反応を利用してい
るため、実施例１に比べてウェハ冷却温度が高い領域で
も異方性加工を実現することができた。また、下地のゲ
ート酸化膜２に対して高選択性が達成され、オーバーエ
ッチング時の異方性形状の劣化を防止する観点からも有
利であった。

【００２７】実施例３ 本実施例は、本願の第１の発明をポリサイド・ゲート電
極加工に適用し、Ｓ₂ Ｆ₂ を用いてタングステン・ポリ
サイド膜をエッチングした例である。このプロセスを、
図２を参照しながら説明する。まず、たとえば図２
（ａ）に示されるように、単結晶シリコン基板１１上に
ＳｉＯ₂ からなるゲート酸化膜１２を介してポリサイド
膜１５を形成し、さらに所定の形状にパターニングされ
たレジスト・マスク１６を形成したウェハを用意した。
ここで、上記ポリサイド膜１５は、下層側から順にそれ
ぞれ厚さ０．１μｍのＤＯＰＯＳ層１３とタングステン
・シリサイド（ＷＳｉ_x ）層１４とが積層されてなるも
のである。また、上記レジスト・マスク１６は、たとえ
ば化学増幅系ネガ型３成分レジスト（シプレー社製，商
品名ＳＡＬ−６０１）をＫｒＦエキシマ・レーザ・ステ
ッパを用いて露光し、アルカリ現像を行うことにより
０．３５μｍ幅に形成されている。

【００２８】次に、上記ウェハをＲＦバイアス印加型の
有磁場マイクロ波プラズマ・エッチング装置にセット
し、一例としてＳ₂ Ｆ₂ 流量５ＳＣＣＭ，ガス圧１．３
Ｐａ（１０ｍＴｏｒｒ），マイクロ波パワー８５０Ｗ，
ＲＦバイアス・パワー３０Ｗ（２ＭＨｚ），ウェハ温度
−１０℃の条件で上記ポリサイド膜１５をエッチングし
た。このエッチング過程では、ＷＳｉ_x 層１４がＷ
Ｆ_x ，ＳｉＦ_x の形で除去されることによりＷＳｉ_x パ
ターン１４ａが形成され、またＤＯＰＯＳ層１３がＳｉ
Ｆ_x の形で除去されることによりＤＯＰＯＳパターン１
３ａが形成された。このとき、パターン側壁部にはＳが
堆積して側壁保護膜１７が形成された。この結果、図２
（ｂ）に示されるように、異方性形状を有するゲート電
極１５ａが形成された。フッ素系ガスによるポリサイド
膜の異方性エッチングは、従来から極めて困難とされて
きた。それは、ＷＳｉ_x 層１４に比べてＤＯＰＯＳ層１
３の方がＦ^* の攻撃を受け易いからである。したがっ
て、たとえばＳＦ₆ のように１分子から大量のＦ^* を生
成するフッ素系ガスを使用すると、ＤＯＰＯＳ層１３へ
のアンダカットの発生を防止することができなかった。
しかし、上述のＳ₂ Ｆ₂ は気相中からＳを堆積させるこ
とができるため、異方性加工が可能となる。最後にレジ
スト・マスク１６をアッシングにより除去したところ、
側壁保護膜１７も速やかに除去された。

【００２９】実施例４ 本実施例は、本願の第１の発明をトレンチ加工に適用
し、Ｓ₂ Ｂｒ₂ を用いて単結晶シリコン基板をエッチン
グした例である。このプロセスを、図３を参照しながら
説明する。まず、第３（ａ）に示されるように、単結晶
シリコン基板２１上にＳｉＯ₂ マスク２２を形成し、パ
ターニングにより開口部２２ａを形成したウェハを用意
した。上記ウェハをＲＦバイアス印加型の有磁場マイク
ロ波プラズマ・エッチング装置にセットし、一例として
Ｓ₂ Ｂｒ₂ 流量５０ＳＣＣＭ，ガス圧１．３Ｐａ（１０
ｍＴｏｒｒ），マイクロ波パワー８５０Ｗ, ＲＦバイア
ス・パワー２００Ｗ（２ＭＨｚ）の条件で上記単結晶シ
リコン基板２１のエッチングを行った。このエッチング
過程では、Ｓ₂ Ｂｒ₂ から解離生成するＳがＳｉＢｒ_x
等の反応生成物と共に側壁部に堆積して側壁保護膜２３
を形成し、図３（ｂ）に示されるように良好な異方性形
状を有するトレンチ２１ａが形成された。なおこのと
き、高バイアス条件下で加速されるＳＢｒ⁺ ，Ｓ_x ⁺ ，
Ｂｒ⁺ 等のイオンのスパッタ作用により、ＳｉＯ₂ マス
ク２２のエッジ部は後退して丸みを帯びた。従来のプロ
セスでは、マスクの後退部分で散乱されたイオンが開口
部２２ａ内へ斜めに入射し、これがトレンチの側壁部を
攻撃していわゆるボウイングを発生させる原因となって
いた。しかし、本発明によれば、Ｓの側壁保護作用によ
りほぼ垂直壁を有するトレンチ２１ａを形成することが
できた。エッチング終了後にウェハを約９０℃に加熱し
たところ、図３（ｃ）に示されるように側壁保護膜２３
は速やかに昇華除去され、何らパーティクル汚染を発生
させることはなかった。

【００３０】実施例５ 本実施例は、本願の第２の発明をゲート電極加工に適用
し、まずＳ₂ Ｆ₂ を用いてＤＯＰＯＳ層をジャスト・エ
ッチングした後、Ｓ₂Ｃｌ₂ を用いてオーバーエッチン
グを行った例である。まず、前述の図１（ａ）に示され
るウェハをＲＦバイアス印加型の有磁場マイクロ波プラ
ズマ・エッチング装置にセットし、一例としてＳ₂ Ｆ₂
流量５ＳＣＣＭ，ガス圧１．３Ｐａ（１０ｍＴｏｒ
ｒ），マイクロ波パワー８５０Ｗ，ＲＦバイアス・パワ
ー３０Ｗ（２ＭＨｚ），ウェハ温度−７０℃の条件でＤ
ＯＰＯＳ層３をエッチングした。この結果、図１（ｂ）
に示されるように、良好な異方性形状を有するゲート電
極３ａがほぼ完成された。なお、このエッチングは発光
スペクトルをモニタしながら行い、ＳｉＦ_x に由来する
発光ピーク強度が減少し始めた時点で停止した。

【００３１】次に、エッチング条件を一例としてＳ₂ Ｃ
ｌ₂ 流量２０ＳＣＣＭ，ガス圧１．３Ｐａ（１０ｍＴｏ
ｒｒ），マイクロ波パワー８５０Ｗ，ＲＦバイアス・パ
ワー１０Ｗ（２ＭＨｚ），ウェハ温度−７０℃に切り換
え、オーバーエッチングを行った。このエッチング過程
では、Ｆ^* が存在せず、また入射イオン・エネルギーが
低下されていることにより、実施例１に比べて下地のゲ
ート酸化膜２に対する選択性が一層向上した。また、気
相中からは継続的にＳが堆積するので、オーバーエッチ
ング中にゲート電極３ａの異方性形状が劣化することも
なかった。

【００３２】実施例６ 本実施例は、本願の第３の発明をポリサイド・ゲート電
極加工に適用し、Ｓ₂ Ｆ₂ を用いてＷＳｉ_x 層をエッチ
ングした後、Ｓ₂ Ｃｌ₂ を用いてＤＯＰＯＳ層をエッチ
ングした例である。このプロセスを、図４を参照しなが
ら説明する。まず、前述の図２（ａ）に示されるウェハ
をＲＦバイアス印加型の有磁場マイクロ波プラズマ・エ
ッチング装置にセットし、一例としてＳ₂ Ｆ₂ 流量５０
ＳＣＣＭ，ガス圧１．３Ｐａ（１０ｍＴｏｒｒ），マイ
クロ波パワー８５０Ｗ, ＲＦバイアス・パワー１００Ｗ
（２ＭＨｚ）の条件でＷＳｉ_x 層１４をエッチングし
た。このエッチング過程では、側壁保護膜１７が形成さ
れながらエッチングが進行し、良好な異方性形状を有す
るＷＳｉ_x パターン１４ａが形成された。

【００３３】次に、Ｓ₂ Ｆ₂ をＳ₂ Ｃｌ₂に替えた他は
同じ条件によりＤＯＰＯＳ層１３のエッチングを行い、
良好な異方性形状を有するＤＯＰＯＳパターン１３ａを
形成した。このようにして、全体としては良好な異方性
形状を有するゲート電極１５ａが形成された。なお、Ｄ
ＯＰＯＳ層１３のエッチング時に、エッチング・ガスの
切り換えに加えて入射イオン・エネルギーを低減させれ
ば、下地のゲート酸化膜１２に対する選択性を一層向上
させることができる。入射イオン・エネルギーは、ＲＦ
バイアス・パワーを低減させたり、あるいはＲＦ周波数
を増大させることにより、容易に低減させることができ
る。

【００３４】実施例７ 本実施例は、本願の第４の発明を適用し、３層レジスト
・プロセスによりエッチング・マスクを形成した後、Ｓ
₂ Ｃｌ₂ を用いてＡｌ−１％Ｓｉ層をエッチングした例
である。このプロセスを、図５を参照しながら説明す
る。まず、図５（ａ）に示されるように、層間絶縁膜３
１上にＡｌ−１％Ｓｉ層３２が形成され、さらにその上
に下層レジスト層３３とＳＯＧ中間膜３４からなるエッ
チング・マスク３５が所定のパターンに形成されたウェ
ハを用意した。ここで、上記ＳＯＧ中間膜３４は、フォ
トリソグラフィおよび現像により形成された上層レジス
ト層（図示せず。）マスクとしてＲＩＥ（反応性イオン
・エッチング）を行うことにより形成されている。ま
た、下層レジスト層３３は、上層レジスト層とＳＯＧ中
間膜３４とをマスクとしてエッチングを行うことにより
形成されている。上層レジスト層は解像度を重視した薄
い層であるため、厚い下層レジスト層をエッチングして
いる間に同時に除去されてしまう。したがって、３層レ
ジスト・プロセスにおいて最終的にエッチング・マスク
の表面に露出する層は、ＳＯＧ中間膜３４となる。

【００３５】上記ウェハをＲＦバイアス印加型の有磁場
マイクロ波プラズマ・エッチング装置にセットし、一例
としてＳ₂ Ｃｌ₂ 流量８０ＳＣＣＭ，ガス圧１．３Ｐａ
（１０ｍＴｏｒｒ），マイクロ波パワー８５０Ｗ，ＲＦ
バイアス・パワー５０Ｗ (２ＭＨｚ），ウェハ温度０℃
の条件で上記Ａｌ−１％Ｓｉ層３２をエッチングした。
このエッチング過程では、Ａｌ−１％Ｓｉ層３２がＡｌ
Ｃｌ_x ，ＳｉＣｌ_x の形で除去された。この場合、エッ
チング・マスクの表層部のＳＯＧ中間膜３４はＳｉＯ₂
系材料層であるため、レジスト・マスクのように炭素系
ポリマーを供給することはできない。しかし、Ｓ₂ Ｃｌ
₂ から解離生成するＳがパターン側壁部に堆積し、図５
（ｂ）に示されるように側壁保護膜３６を形成した。し
たがって、良好な異方性形状を有するＡｌ系配線層３２
ａが形成された。なお、側壁保護に炭素系ポリマーを必
要としないことは、塩素系ガスを用いるＡｌ系材料層の
エッチングにおいて、アフタコロージョンを抑制するた
めの有効な手段となる。側壁保護膜が炭素系ポリマーに
より形成されると、炭素系ポリマー自身が構成元素とし
て塩素を含んだり、あるいは塩素化合物を吸蔵する等の
機構により、パターン側壁部に多量の塩素を残留させる
原因となる。しかし、側壁保護膜がＳで形成されれば、
このような懸念は生じない。

【００３６】以上、本発明を７種の実施例にもとづいて
説明したが、本発明はこれらの実施例に何ら限定される
ものではない。たとえば、本発明で使用されるエッチン
グ・ガスには、希釈効果，スパッタリング効果，冷却効
果等を得る目的でＨｅ，Ａｒ等の希ガスを適宜添加して
も良い。また、サンプル・ウェハの構成、エッチング装
置、エッチング条件等は適宜変更可能であることは言う
までもない。

【００３７】

【発明の効果】以上の説明からも明らかなように、本発
明を適用すれば、ＣＦＣガスを使用しなくともＳによる
側壁保護を行いながら良好な異方性加工を行うことがで
きる。したがって、本発明はまず脱ＣＦＣ対策として極
めて有望である。しかも、異方性加工を従来の低温エッ
チングと比べて遙かに高い温度域で実現することができ
るので、経済性や生産性にも優れている。さらに、側壁
保護膜をレジスト・マスクの分解生成物やエッチング反
応生成物等に依存するのではなく、気相中からの堆積物
により形成しているため、エッチング・マスクの構成を
問わず異方性加工を行うことができ、またオーバーエッ
チング時に側壁保護効果が低下する虞れもない。したが
って、本発明は、微細なデザイン・ルールにもとづいて
設計され、高集積度および高性能を有する半導体装置の
製造等に特に有効である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本願の第１の発明および第２の発明をＤＯＰＯ
Ｓゲート電極加工に適用したプロセス例をその工程順に
したがって示す概略断面図であり、（ａ）はＤＯＰＯＳ
層上にレジスト・マスクが形成された状態、（ｂ）はＤ
ＯＰＯＳ層が異方性エッチングされた状態、（ｃ）はレ
ジスト・マスクと側壁保護膜が除去された状態をそれぞ
れ表す。

【図２】本願の第１の発明をポリサイド・ゲート電極加
工に適用したプロセス例をその工程順にしたがって示す
概略断面図であり、（ａ）はポリサイド膜上にレジスト
・マスクが形成された状態、（ｂ）はポリサイド膜が異
方性エッチングされた状態、（ｃ）はレジスト・マスク
と側壁保護膜が除去された状態をそれぞれ表す。

【図３】本願の第１の発明をトレンチ加工に適用したプ
ロセス例をその工程順にしたがって示す概略断面図であ
り、（ａ）は単結晶シリコン基板上にＳｉＯ₂ マスクが
形成された状態、（ｂ）はトレンチが形成された状態、
（ｃ）は側壁保護膜が除去された状態をそれぞれ表す。

【図４】本願の第３の発明をポリサイド・ゲート電極加
工に適用したプロセス例をその工程順にしたがって示す
概略断面図であり、（ａ）はＷＳｉ_x 層が異方性エッチ
ングされた状態、（ｂ）はＤＯＰＯＳ層が異方性エッチ
ングされた状態をそれぞれ表す。

【図５】本願の第４の発明を３層レジスト・プロセスに
よるＡｌ配線加工に適用したプロセス例をその工程順に
したがって示す概略断面図であり、（ａ）はＡｌ−１％
Ｓｉ層上に下層レジスト層とＳＯＧ中間膜とからなるエ
ッチング・マスクが形成された状態、（ｂ）はＡｌ−１
％Ｓｉ層が異方性エッチングされた状態をそれぞれ表
す。

【符号の説明】

１，１１，２１ ・・・単結晶シリコン基板 ２，１２ ・・・ゲート酸化膜 ３，１３ ・・・ＤＯＰＯＳ層 ３ａ，１５ａ ・・・ゲート電極 ４，１６ ・・・レジスト・マスク ５，１７，２３，３６・・・側壁保護膜（Ｓ） １４ ・・・ＷＳｉ_x 層 １５ ・・・ポリサイド膜 ２２ ・・・ＳｉＯ₂ マスク ２１ａ ・・・トレンチ ３１ ・・・層間絶縁膜 ３２ ・・・Ａｌ−１％Ｓｉ層 ３２ａ ・・・Ａｌ系配線層 ３３ ・・・下層レジスト層 ３４ ・・・ＳＯＧ中間膜 ３５ ・・・エッチング・マスク

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 被エッチング基板の温度を室温以下に制
   御しながら、Ｓ₂ Ｆ₂ ，ＳＦ₂ ，ＳＦ₄ ，Ｓ₂ Ｆ₁₀，Ｓ
   ₃ Ｃｌ₂ ，Ｓ₂ Ｃｌ₂ ，ＳＣｌ₂ ，Ｓ₃ Ｂｒ₂ ，Ｓ₂ Ｂ
   ｒ₂ ，ＳＢｒ₂ から選ばれる少なくとも１種類のハロゲ
   ン化イオウを含むエッチング・ガスを用いてシリコン系
   材料層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. 【請求項２】 被エッチング基板の温度を室温以下に制
   御しながら、Ｓ₂ Ｆ₂ ，ＳＦ₂ ，ＳＦ₄ ，Ｓ₂ Ｆ₁₀から
   選ばれる少なくとも１種類のフッ化イオウを含むエッチ
   ング・ガスを用いてシリコン系材料層を実質的にその層
   厚分だけエッチングする工程と、 被エッチング基板の温度を室温以下に制御しながら、Ｓ
   ₃ Ｃｌ₂，Ｓ₂ Ｃｌ₂ ，ＳＣｌ₂ ，Ｓ₃ Ｂｒ₂ ，Ｓ₂ Ｂ
   ｒ₂ ，ＳＢｒ₂ から選ばれる少なくとも１種類のハロゲ
   ン化イオウを含むエッチング・ガスを用いてオーバーエ
   ッチングを行う工程とを有することを特徴とするドライ
   エッチング方法。
3. 【請求項３】 被エッチング基板上に多結晶シリコン層
   と高融点金属シリサイド層が順次積層されてなるポリサ
   イド膜をエッチングするドライエッチング方法におい
   て、 前記被エッチング基板の温度を室温以下に制御しなが
   ら、Ｓ₂ Ｆ₂ ，ＳＦ₂ ，ＳＦ₄ ，Ｓ₂ Ｆ₁₀から選ばれる
   少なくとも１種類のフッ化イオウを含むエッチング・ガ
   スを用いて前記高融点金属シリサイド層のエッチングを
   行う工程と、 前記被エッチング基板の温度を室温以下に制御しなが
   ら、Ｓ₃ Ｃｌ₂ ，Ｓ₂ Ｃｌ₂ ，ＳＣｌ₂ ，Ｓ₃ Ｂｒ₂ ，
   Ｓ₂ Ｂｒ₂ ，ＳＢｒ₂ から選ばれる少なくとも１種類の
   ハロゲン化イオウを含むエッチング・ガスを用いて前記
   多結晶シリコン層のエッチングを行う工程とを有するこ
   とを特徴とするドライエッチング方法。
4. 【請求項４】被エッチング基板の温度を室温以下に制御
   しながら、Ｓ₃ Ｃｌ₂ ，Ｓ₂ Ｃｌ₂ ，ＳＣｌ₂ ，Ｓ₃ Ｂ
   ｒ₂ ，Ｓ₂ Ｂｒ₂ ，ＳＢｒ₂ から選ばれる少なくとも１
   種類のハロゲン化イオウを含むエッチング・ガスを用い
   てアルミニウム系材料層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。