JPH05299391A

JPH05299391A - ドライエッチング方法

Info

Publication number: JPH05299391A
Application number: JP9660792A
Authority: JP
Inventors: Toshiharu Yanagida; 敏治柳田
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 1992-04-16
Filing date: 1992-04-16
Publication date: 1993-11-12

Abstract

(57)【要約】【目的】ＣＦＣ（クロロフルオロカーボン）ガスを用
いずに、Ｗ−ポリサイド膜の高選択, 異方性エッチング
を行う。【構成】Ｗ−ポリサイド膜５をＮＯＦ（フッ化ニトロ
シル）／ＨＢｒ混合ガスでエッチングする。このとき、
レジスト・マスク６の分解生成物に由来して形成される
炭素系ポリマーＣＢｒ_xには、ニトロシル基（−Ｎ＝
Ｏ）の導入により強い化学結合と静電吸着力が付与され
るので、強固な側壁保護膜７を形成できる。異方性加工
に必要な入射イオン・エネルギーと炭素系ポリマーの堆
積量が低減でき、レジスト・マスク６やゲート酸化膜２
に対する選択性が向上する他、パーティクル汚染が抑制
できる。ガスにＳ₂Ｂｒ₂を添加してＳ（イオウ）や窒
化イオウ系化合物の堆積を併用すれば更なる高選択化
が、またＷＳｉ_x層４のエッチング時にＳＦ₆等を併用
すれば高速化が実現する。

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、
ポリサイド膜の高選択性，高異方性，低汚染性エッチン
グを行う方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】ＬＳＩのゲート配線材料としては、従来
から多結晶シリコンが広く使用されてきたが、高集積化
メモリ装置におけるアクセス時間の短縮等、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桁低い抵抗値が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形成する場合、デバイス特性や信頼
性に最も影響を与え易いゲート絶縁膜との界面特性を考
慮して、まずゲート絶縁膜上に従来から実績のある多結
晶シリコン層を形成し、これに高融点金属シリサイド層
を積層することが行われている。かかる積層構造を有す
る膜は、ポリサイド膜と呼ばれている。上記高融点金属
シリサイドとしては、タングステン・シリサイド（ＷＳ
ｉ_x）が最も一般的に用いられており、このＷＳｉ_x層
を有するポリサイド膜を特にタングステン・ポリサイド
（Ｗ−ポリサイド）膜と称している。

【０００３】ところで、このポリサイド膜は、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らな
いことから、ドライエッチング技術に新たな困難をもた
らした。それは、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サ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、および
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
ダカットやくびれ等が生じやすいからである。これらの
形状異常は、ソース・ドレイン領域を形成するためのイ
オン注入時に不純物の導入されないオフセット領域を発
生させたり、ＬＤＤ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因となり、
特にサブミクロン・デバイスでは許容されないものであ
る。したがって、ポリサイド膜の異方性加工を実現する
方法について、盛んに研究が行われている。

【０００４】従来、ポリサイド膜用のエッチング・ガス
としては、ＣＦＣ１１３ (Ｃ₂Ｃｌ ₃Ｆ₃）に代表され
るクロロフルオロカーボン（ＣＦＣ）ガスが広く使用さ
れてきた。これは、分子中のＦ原子とＣｌ原子の寄与に
よりラジカル反応とイオン・アシスト反応の両方が進行
し、しかも炭素系ポリマーが堆積して側壁保護が行われ
ることにより高速異方性エッチングが可能となるからで
ある。

【０００５】しかしながら、ＣＦＣガスは周知のように
地球のオゾン層破壊の大きな原因であることが指摘され
ているため、環境保護の観点から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されている。

【０００６】この脱ＣＦＣ対策のひとつとして有望と考
えられる技術に、Ｂｒ系化学種を主エッチング種として
利用するプロセスがある。たとえば、Ｄｉｇｅｓｔｏ
ｆＰａｐｅｒｓ１９８９２ｎｄＭｉｃｒｏＰｒｏ
ｃｅｓｓＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅ，ｐ．１９０には、Ｈ
Ｂｒを用いるゲート電極加工が報告されている。Ｂｒは
イオン半径が大きく、シリコン系材料層の結晶格子内も
しくは結晶粒界内に進入しない。したがって、シリコン
系材料層をＦ^*のように自発的かつ等方的にエッチング
する虞れが少なく、イオン・アシスト機構により異方的
なエッチングを進行させることができる。また、Ｓｉ−
Ｏ結合の結合エネルギーがＳｉ−Ｂｒ結合よりも遙かに
大きいことからも明らかなように、ＳｉＯ₂からなるゲ
ート酸化膜に対して高選択性が達成できる。さらに、レ
ジスト・マスクの表面を蒸気圧の低いＣＢｒ_xで被覆す
ることができるので、レジスト選択性を向上できる点も
Ｂｒ系化学種の大きなメリットである。

【０００７】ただし、上記の報告でエッチングの対象と
なっているのは、Ｗ−ポリサイド膜ではなく、ｎ⁺型多
結晶シリコン層である。

【０００８】また、他の脱ＣＦＣ対策としては、たとえ
ば第５２回応用物理学会学術講演会（１９９１年秋季年
会）講演予稿集，ｐ．５０８，講演番号９ａ−ＺＦ−６
に、ＣＦＣ１１３に替えてＣｌ₂／ＣＨ₂Ｆ₂混合ガス
を用いたＷ−ポリサイド膜のエッチングが報告されてい
る。このガス系によれば、ＣＨ₂Ｆ₂に由来して気相中
に生成する炭素系ポリマーを堆積させることにより、側
壁保護が行われる。また、ＣＨ₂Ｆ₂の流量比を最適化
すれば、ＷＳｉ_x層と多結晶シリコン層との間の選択比
を増大させ、段差部の残渣を低減することもできる。

【０００９】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。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】このように、従来から
幾つかの脱ＣＦＣ対策が提案されているが、それぞれに
解決しなければならない課題も残されている。まず、Ｈ
Ｂｒを用いるプロセスをそのままＷ−ポリサイド膜に適
用しようとすると、ＷＳｉ_xのエッチング中に蒸気圧の
低いＷＢｒ_xが大量に生成してエッチング・チャンバ内
のパーティクル・レベルを悪化させること、また元来Ｓ
ｉに対する反応性が低いＢｒを主エッチング種としてい
るために、エッチング速度が大幅に低下してしまうこと
等の問題が起きる。

【００１１】一方、Ｃｌ₂／ＣＨ₂Ｆ₂混合ガスを用い
る方法には、ＣＨ₂Ｆ₂の堆積性が過剰となり易いとい
う問題がある。１９８８年ドライ・プロセス・シンポジ
ウム抄録集ｐ．７４，II−８には、ＣＨ₂Ｆ₂はＣ₄Ｆ
₈，Ｃ₂Ｃｌ₂Ｆ₄（ＣＦＣ１１４），ＣＣｌ₄等のガ
スに比べて強固なポリマーを形成し、入射イオンによる
エッチング速度が低い事実が報告されている。したがっ
て、ＣＨ₂Ｆ₂を使用すると再現性やパーティクル・レ
ベルを大きく損なう虞れが大きい。

【００１２】また、エッチング反応系における炭素の存
在は、ＳｉＯ₂系材料層に対する選択性を劣化させる原
因ともなる。この問題点は、たとえば月刊セミコンダク
ターワールド１９９０年１月号，ｐ．８１〜８４（プレ
スジャーナル社刊）で指摘されている。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（１０７７ｋＪ
／ｍｏｌ）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加工を行う
場合等に、重大な問題となる。

【００１３】これらに対し、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の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
低温冷却が必要となる。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
るので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。

【００１４】そこで本発明は、高異方性、高速性、高選
択性、低汚染性といった両立の難しい諸特性を高いレベ
ルで満足させ、しかも実用的な温度域で実施できるポリ
サイド膜のドライエッチング方法を提供することを目的
とする。

【００１５】

【課題を解決するための手段】本発明のドライエッチン
グ方法は、上述の目的を達成するために提案されるもの
であり、分子内にニトロシル基もしくはニトリル基の少
なくとも一方の官能基とハロゲン原子とを有するハロゲ
ン化合物を含むエッチング・ガスを用いてポリサイド膜
をエッチングすることを特徴とする。

【００１６】本発明はまた、前記エッチング・ガスが放
電解離条件下でプラズマ中にイオウを生成し得るイオウ
系化合物を含むことを特徴とする。

【００１７】本発明はまた、前記エッチングのプロセス
を２段階に分け、前記ハロゲン化合物とフッ素系化合物
とを含むエッチング・ガスを用いて高融点金属シリサイ
ド層を実質的にその層厚分だけエッチングする第１の工
程と、放電解離条件下でプラズマ中に臭素系化学種を生
成し得るエッチング・ガスを用いて高融点金属シリサイ
ド層の残余部とシリコン系材料層とをエッチングする第
２の工程とを有することを特徴とする。

【００１８】本発明はさらに、前記第２の工程で用いら
れるエッチング・ガスが前記ハロゲン化合物を含むこと
を特徴とする。

【００１９】

【作用】本発明者は、上述の目的を達成するには、側壁
保護膜を構成する炭素系ポリマーの膜質を強化し、エッ
チング耐性を向上させることが極めて有効であるとの考
えに至った。それは、炭素系ポリマー強化に次のような
メリットが期待できるからである。

【００２０】第一に、側壁保護効果が向上するので、異
方性加工に必要な入射イオン・エネルギーを下げること
ができる。これにより、レジスト・マスクやゲート酸化
膜のスパッタ除去を抑制することができ、これらに対す
る選択性が向上し、ダメージが低減される。第二に、高
異方性、高選択性を達成するために必要な炭素系ポリマ
ーの堆積量を低減できるので、従来技術に比べてパーテ
ィクル汚染を減少させることができる。また、炭素系ポ
リマーを構成するＣ原子によるＳｉＯ₂からのＯ原子引
き抜きも抑制されるので、ゲート酸化膜に対する選択性
も向上する。

【００２１】第三に、側壁保護効果の向上によりＳｉと
の反応性の高いＦ系化学種やＣｌ系化学種をエッチング
に利用できるようになるので、高異方性、高選択性の達
成をＢｒ系化学種のみに依存していた場合に比べてエッ
チング速度が格段に上昇し、また高融点金属の臭化物に
よるパーティクル汚染が低減できる。

【００２２】本発明では、かかる炭素系ポリマーの強化
を可能とするエッチング・ガスの構成成分として、本発
明では分子中にニトロシル基（−Ｎ＝Ｏ）もしくはニト
リル基（−ＮＯ₂）の少なくとも一方の官能基とハロゲ
ン原子とを有するハロゲン化合物を使用する。上記ハロ
ゲン化合物中のハロゲン原子は、言うまでもなくポリサ
イド膜の主エッチング種として寄与する。すなわち、高
融点金属やシリコンは、それぞれハロゲン化物の形で除
去される。

【００２３】一方、ニトロシル基およびニトリル基は、
Ｎ原子が正電荷、Ｏ原子が負電荷を帯びるごとく分極し
た構造をとることができ、高い重合促進活性を有する。
したがって、これらの官能基、もしくはこれらに由来す
る原子団がプラズマ中に存在することにより、炭素系ポ
リマーの重合度が上昇し、イオン入射やラジカルの攻撃
に対する耐性を高めることができる。また、炭素系ポリ
マーに上述の官能基もしくはこれに由来するフラグメン
トが導入されると、単に−ＣＸ₂−（Ｘはハロゲン原子
を表す。）の繰り返し構造からなる従来の炭素系ポリマ
ーよりも化学的，物理的安定性が増すことも、近年の研
究により明らかとなっている。これは、２原子間の結合
エネルギーを比較すると、Ｃ−Ｎ結合（７７０ｋＪ／ｍ
ｏｌ）がＣ−Ｃ結合（６０７ｋＪ／ｍｏｌ）より大きい
ことからも直観的に理解される。さらに、上述のような
官能基の導入により炭素系ポリマーの極性が増大し、エ
ッチング中は負に帯電しているウェハに対してその静電
吸着力が高まることによっても、炭素系ポリマーのエッ
チング耐性は向上する。

【００２４】本発明は、以上のような考え方を基本とし
ているが、さらに一層の低汚染化と低ダメージ化を目指
す方法も提案する。その方法とは、上記のエッチング・
ガスに、さらに放電解離条件下でプラズマ中にイオウ
（Ｓ）を放出できるイオウ系化合物を添加することであ
る。この場合、エッチング反応生成物である炭素系ポリ
マーに加え、Ｓも側壁保護に利用できるようになる。Ｓ
は、条件にもよるが、ウェハがおおよそ室温以下に温度
制御されていればその表面に堆積する。したがって、入
射イオン・エネルギーを一層低減でき、低ダメージ化を
徹底することができる。また、炭素系ポリマーの堆積量
を相対的に減少させることができ、パーティクル汚染を
より効果的に低減することができる。しかも、Ｓはウェ
ハがおおよそ９０℃以上に加熱されれば容易に昇華する
ので、自身がパーティクル汚染源となる虞れがない。

【００２５】また、このＳの一部はさらにニトロシル基
もしくはニトリル基から放出されるＮと反応し、種々の
窒化イオウ系化合物を生成する。上記窒化イオウ系化合
物の主体をなし、本発明者が特に側壁保護効果を期待す
る化合物は、ポリチアジル（ＳＮ）_xである。ポリチア
ジルの単結晶状態における性質，構造等については、
Ｊ．Ａｍ．Ｃｈｅｍ．Ｓｏｃ．，Ｖｏｌ．２９，ｐ．６
３５８〜６３６３（１９７５）に詳述されている。常圧
下では２０８℃、減圧下では１４０〜１５０℃付近まで
安定に存在するポリマー状物質である。したがって、通
常のドライエッチングが行われるウェハ温度条件下では
該ウェハ上に堆積し、イオンの垂直入射面ではスパッタ
除去過程と競合することによりエッチング速度を低下さ
せ、パターン側壁部では側壁保護の役割を果たす。しか
も、（ＳＮ）_xの結晶中では、Ｓ−Ｎ−Ｓ−Ｎ−…の繰
り返し共有結合からなる主鎖が互いに平行に配向してい
る。したがって、この（ＳＮ）_xを主体とする窒化イオ
ウ系化合物は、Ｆ^*等の進入を有効に阻止することがで
きる。また、条件により加速されたイオンが入射したと
しても、結合角や立体配座の変化等に由来していわゆる
スポンジ効果が発揮され、イオン衝撃を吸収もしくは緩
和することができる。つまり、単体のＳの堆積物よりも
側壁保護効果が大きく、またイオン衝撃に対する緩衝性
も高いのである。さらに、（ＳＮ）_xは減圧下で１４０
〜１５０℃付近まで加熱すれば容易に分解または昇華
し、完全に除去することができる。

【００２６】この他、プラズマ中にＦ^*等のハロゲン・
ラジカルが存在している場合には、上記（ＳＮ）_xのＳ
原子上にハロゲン原子が結合したハロゲン化チアジルも
生成し得る。また、Ｈ^*が存在している場合にはチアジ
ル水素も生成し得る。さらに条件によっては、分子内の
Ｓ原子数とＮ原子数が不均衡な環状窒化イオウ化合物、
あるいはこれら環状窒化イオウ化合物のＮ原子上にＨ原
子が結合したイミド型化合物等も生成可能である。

【００２７】いずれにしても、上述の窒化イオウ系化合
物は、通常のウェハ温度条件下ではウェハ上に堆積可能
であり、ウェハを加熱すれば除去される。本発明では、
かかるＳおよび窒化イオウ系化合物の堆積が期待できる
ことにより、入射イオン・エネルギーを一層低減でき、
高選択性と低ダメージ性を向上させることができる。ま
た、これにより炭素系ポリマーの堆積量を相対的に低減
できるので、パーティクル汚染をそれたけ減少させるこ
とができる。

【００２８】以上のように、ハロゲン化合物、もしくは
これにイオウ系化合物を添加したエッチング・ガスを用
いれば、基本的にはポリサイド膜の１段階エッチングが
可能となるが、本発明では高速性、低汚染性、下地選択
性を向上させるためのさらに別の方法も提案する。それ
は、高融点金属シリサイド層のエッチング時とシリコン
系材料層のエッチング時とでガス組成を切り替える２段
階エッチングである。

【００２９】まず、高融点金属シリサイド層のエッチン
グを行う第１の工程では、前記ハロゲン化合物とフッ素
系化合物とを含むエッチング・ガスを用いる。ここでフ
ッ素系化合物を併用するのは、エッチング反応系にＦ^*
を供給することにより、たとえばＷＳｉ_x層をエッチン
グする場合に蒸気圧の高いＷＦ_xを生成させ、エッチン
グ速度を向上させるためである。なお、この第１の工程
では、理想的には被エッチング領域の全面にシリコン系
材料層の表面が露出した時点がエッチング終点となる
が、実際のプロセスではウェハ面内の温度分布やプラズ
マ密度の不均一性等に起因して、高融点金属シリサイド
層の残余部が若干残るのが普通である。

【００３０】次のシリコン系材料層のエッチングを行う
第２の工程では、プラズマ中に臭素系化学種を生成し得
るエッチング・ガスを用いる。ここでは、主エッチング
種として臭素系化学種を利用することにより、シリコン
系材料層へのアンダカットの発生等を防止し、かつゲー
ト酸化膜に対する高選択性を確保することを意図してい
る。このとき、上述の高融点金属シリサイド層の残余部
も同時に除去されることになるが、この残余部の量は少
ないため、高融点金属の臭化物によりパーティクル汚染
が発生する虞れはほとんどない。その一方で、側壁保護
は主としてＣＢｒ_xにより行われるので、高異方性は維
持される。

【００３１】本発明ではさらに、前記第２の工程におけ
るエッチング・ガスの構成成分として、上記ハロゲン化
合物を利用することを提案する。これにより第２の工程
でも、臭素系化学種の利用による高異方性と高選択性の
達成に加え、ニトロシル基、ニトリル基、もしくはこれ
らに由来するフラグメントの導入による炭素系ポリマー
の強化が期待できるようになる。この場合、臭素系化学
種はこのハロゲン化合物から供給されても、あるいは別
の臭素系化合物から供給されても、どちらでも構わな
い。いずれにしても、第２の工程における側壁保護効果
がさらに強化され、異方性、選択性が一層向上する。

【００３２】

【実施例】以下、本発明の具体的な実施例について説明
する。

【００３３】実施例１本実施例は、本発明をゲート電極加工に適用し、ＮＯＦ
（フッ化ニトロシル）／ＨＢｒ混合ガスを用いてＷ−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１を参照しながら説明する。まず、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
らなる厚さ約１０ｎｍのゲート酸化膜２を介してＷ−ポ
リサイド膜５が形成され、さらにこ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６が形成されてな
るウェハを準備した。ここで、上記Ｗ−ポリサイド膜５
は、ｎ型不純物をドープした厚さ約１００ｎｍの多結晶
シリコン層３と、厚さ約１００ｎｍのＷＳｉ _x層４とが
順次積層されてなるものである。また、上記レジスト・
マスク６は、一例としてネガ型３成分系の化学増幅型フ
ォトレジスト材料（シプレー社製；商品名ＳＡＬ−６０
１）を用い、ＫｒＦエキシマ・レーザ・リソグラフィを
行うことにより、約０．３５μｍのパターン幅に形成さ
れている。

【００３４】このウェハを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
として下記の条件で上記Ｗ−ポリサイド膜５をエッチン
グした。ＮＯＦ流量２５ＳＣＣＭＨＢｒ流量２５ＳＣＣＭガス圧０．６７Ｐａ（＝５ｍＴｏ
ｒｒ）マイクロ波パワー８５０Ｗ（２．４５ＧＨ
ｚ）ＲＦバイアス・パワー１５０Ｗ（１３．５６Ｍ
Ｈｚ）ウェハ温度常温このエッチング過程では、ＥＣＲ放電によりＮＯＦから
解離生成するＦ^*を主エッチング種とするラジカル反応
が、Ｎ⁺，ＮＯ⁺，ＮＯＦ⁺，Ｂｒ⁺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、Ｗ−ポリサイド
膜５はＷＦ_x，ＳｉＦ_x，ＳｉＢｒ_x等の形で選択的に
除去された。

【００３５】またこれと同時に、レジスト・マスク６の
分解生成物に由来してＣＢｒ_xが生成し、さらにニトロ
シル基がその構造中に取り込まれて強固な炭素系ポリマ
ーが生成した。ただし、レジスト・マスク６の表面もＣ
Ｂｒ_xで被覆されるため、炭素系ポリマーの供給量はそ
れ程多くない。この炭素系ポリマーは、パターン側壁部
に堆積して図１（ｂ）に示されるような側壁保護膜７を
形成し、堆積量こそ少ないものの高いエッチング耐性を
発揮し、異方性加工に寄与した。この側壁保護膜７に
は、ＷＳｉ_x層４のエッチング中に生成するＷＢｒ_x，
ＷＯ_x等も含まれている。

【００３６】このエッチングの結果、良好な異方性形状
を有するゲート電極５ａが形成された。ただし、図中、
パターニング後の各材料層は、対応する元の材料層の符
号に添字ａを付して表してある。さらに、エッチング反
応系にＢｒが関与していることにより、下地のゲート酸
化膜２に対しても高選択比が達成された。

【００３７】エッチング終了後、このウェハを上記エッ
チング装置に付属のプラズマ・アッシング装置に搬送
し、通常の条件でＯ₂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６と側壁保護膜７が燃焼除去された。

【００３８】実施例２本実施例は、同じＷ−ポリサイド膜を、ＮＯＦ／Ｓ₂Ｂ
ｒ₂／ＳＦ₆混合ガスを用いてエッチングした例であ
る。まず、図１（ａ）に示されるウェハを有磁場マイク
ロ波プラズマ・エッチング装置にセットし、一例として
下記の条件でＷ−ポリサイド膜５をエッチングした。

【００３９】ＮＯＦ流量２０ＳＣＣＭＳ₂Ｂｒ₂流量２０ＳＣＣＭＳＦ₆流量２０ＳＣＣＭガス圧０．６７Ｐａ（＝５ｍＴｏ
ｒｒ）マイクロ波パワー８５０Ｗ（２．４５ＧＨ
ｚ）ＲＦバイアス・パワー１００Ｗ（１３．５６Ｍ
Ｈｚ）ウェハ温度 −５０℃ ここで、上記のウェハ冷却は、ウェハ載置電極に内蔵さ
れる冷却配管に、装置外部に設置されるチラーからエタ
ノール系冷媒を供給し循環させることにより行った。

【００４０】上記のガス組成のうち、ＳＦ₆はエッチン
グの高速化を図るために添加されており、特にＷＳｉ_x
層４のエッチング時にＷＢｒ_xの堆積が過剰となるのを
防止する効果を有する。また、Ｓ₂Ｂｒ₂は、Ｂｒ系化
学種を供給して多結晶シリコン層３のエッチング時の高
選択化に寄与することはもちろんであるが、放電解離条
件下でＳを放出するという重要な役目を担っている。す
なわち、本実施例では、ＣＢｒ_x、ニトロシル基で強化
されたＣＢｒ_xに加えて、このＳも側壁保護膜７の形成
に関与できるようになる。また、このＳの一部は、ＮＯ
Ｆから供給されるＮとさらに反応して（ＳＮ）_xを主体
とする窒化イオウ系化合物を生成し、これも側壁保護膜
７の構成成分となった。しかも、本実施例ではパターン
側壁面におけるラジカル反応がウェハ冷却の効果により
抑制されている。

【００４１】これらの効果により、実施例１よりも入射
イオン・エネルギーを下げた条件であるにもかかわら
ず、良好な異方性加工を行うことができた。また、Ｓや
窒化イオウ系化合物の堆積が期待できる分だけ炭素系ポ
リマーの生成量を低減できたので、パーティクル汚染が
減少した他、Ｃ原子によるゲート酸化膜２からのＯ原子
引き抜きも抑制され、ゲート酸化膜２に対する選択性も
向上した。

【００４２】エッチング終了後にＯ₂プラズマ・アッシ
ングを行ったところ、図１（ｃ）に示されるように、レ
ジスト・マスク６と側壁保護膜７は速やかに除去され
た。ここで、側壁保護膜７には炭素系ポリマー，Ｓ，窒
化イオウ系化合物等が含まれているが、Ｓと窒化イオウ
系化合物はプラズマ輻射熱や反応熱により昇華除去され
る他、Ｏ^*による燃焼反応によっても除去され、何らウ
ェハ上にパーティクル汚染を残すことはなかった。

【００４３】実施例３本実施例では、同じＷ−ポリサイド膜を、ＮＯＣｌ（塩
化ニトロシル）／Ｓ₂Ｆ₂混合ガスを用いてエッチング
した。まず、図１（ａ）に示されるウェハを有磁場マイ
クロ波プラズマ・エッチング装置にセットし、一例とし
て下記の条件でＷ−ポリサイド膜５をエッチングした。

【００４４】ＮＯＣｌ流量２５ＳＣＣＭＳ₂Ｆ₂流量２５ＳＣＣＭガス圧０．６７Ｐａ（＝５ｍＴｏ
ｒｒ）マイクロ波パワー８５０Ｗ（２．４５ＧＨ
ｚ）ＲＦバイアス・パワー１００Ｗ（１３．５６Ｍ
Ｈｚ）ウェハ温度 −５０℃ このエッチング過程では、Ｆ^*，Ｃｌ^*が主エッチング
種となり、Ｗ−ポリサイド膜５はＳｉＦ_x，ＳｉＣ
ｌ_x，ＷＦ_x等の形て選択的に除去された。また、ＣＣ
ｌ_x、ニトロシル基で強化されたＣＣｌ_x、Ｓ₂Ｆ₂か
ら解離生成するＳ、このＳがＮと反応して生成する窒化
イオウ系化合物等が側壁保護膜７を形成した。

【００４５】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５ａを形成することができた。

【００４６】実施例４本実施例では、同じＷ−ポリサイド膜を、ＮＯＢｒ（臭
化ニトロシル）／Ｓ₂Ｆ₂混合ガスを用いてエッチング
した。まず、図１（ａ）に示されるウェハを有磁場マイ
クロ波プラズマ・エッチング装置にセットし、一例とし
て下記の条件でＷ−ポリサイド膜５をエッチングした。

【００４７】ＮＯＢｒ流量２５ＳＣＣＭＳ₂Ｆ₂流量２５ＳＣＣＭガス圧０．６７Ｐａ（＝５ｍＴｏ
ｒｒ）マイクロ波パワー８５０Ｗ（２．４５ＧＨ
ｚ）ＲＦバイアス・パワー１００Ｗ（１３．５６Ｍ
Ｈｚ）ウェハ温度 −３０℃ ここで、ＮＯＢｒは常温で液体物質であるため、Ｈｅガ
ス・バブリングにより気化させた後、エッチング・チャ
ンバへ導入した。

【００４８】本実施例ではエッチング反応系にＢｒが関
与していることにより、実施例３ほどウェハを低温冷却
せずに、同様の異方性加工を行うことができた。

【００４９】実施例５本実施例では、同じＷ−ポリサイド膜のエッチングを２
段階化し、第１の工程でＷＳｉ_x層をＮＯＦ／ＳＦ₆／
ＨＢｒ混合ガスを用いてエッチングした後、第２の工程
で多結晶シリコン層をＨＢｒを用いてエッチングした。
このプロセスを、図２を参照しながら説明する。なお、
図２の参照符号は図１と共通である。

【００５０】本実施例でエッチング・サンプルとしたウ
ェハを、図２（ａ）に示す。このウェハは、図１（ａ）
に示したものと同じである。上記ウェハを有磁場マイク
ロ波プラズマ・エッチング装置にセットし、一例として
下記の条件でまずＷＳｉ_x層４をエッチングした。ＮＯＦ流量２０ＳＣＣＭＳＦ₆流量２５ＳＣＣＭＨＢｒ流量５ＳＣＣＭガス圧０．６７Ｐａ（＝５ｍＴｏ
ｒｒ）マイクロ波パワー８５０Ｗ（２．４５ＧＨ
ｚ）ＲＦバイアス・パワー１５０Ｗ（１３．５６Ｍ
Ｈｚ）ウェハ温度常温このエッチング・ガス組成は、実施例１で用いたガス組
成にＳＦ₆を添加したものとなっているが、ＨＢｒは大
幅に減少させ、ＳＦ₆の添加量を大としている。これ
は、Ｂｒの添加量をレジスト選択性および異方性の確保
に必要な最低量とし、Ｆ^*によるエッチングの高速化を
図るためである。側壁保護膜７の形成機構は、ほぼ実施
例１で前述したとおりである。

【００５１】このエッチングは、多結晶シリコン層３の
表面が露出した時点で終了したが、被エッチング領域に
は図２（ｂ）に示されるように部分的にＷＳｉ_x層４の
残余部４ｂが残っていた。

【００５２】次に、一例として下記の条件で残余部４ｂ
および多結晶シリコン層３をエッチングした。ＨＢｒ流量５０ＳＣＣＭガス圧０．６７Ｐａ（＝５ｍＴｏ
ｒｒ）マイクロ波パワー８５０Ｗ（２．４５ＧＨ
ｚ）ＲＦバイアス・パワー１５０Ｗ（１３．５６Ｍ
Ｈｚ）ウェハ温度常温この段階では、エッチング反応系にＦ^*が関与していな
いため、図２（ｃ）に示されるように、ゲート電極５ａ
がアンダカットを生ずることなく良好な形状に形成さ
れ、かつ下地のゲート酸化膜２に対しても高選択性と低
ダメージ性とが確保された。この後、通常のＯ₂プラズ
マ・アッシングを行ってレジスト・マスク６と側壁保護
膜７を除去し、図２（ｄ）に示されるようにゲート電極
５ａを完成した。

【００５３】実施例６本実施例では、同じＷ−ポリサイド膜のエッチングにお
いて、第１の工程でＷＳｉ_x層をＮＯＣｌ／ＳＦ₆混合
ガスを用いてエッチングした後、第２の工程で多結晶シ
リコン層をＨＢｒを用いてエッチングした。まず、図２
（ａ）に示されるウェハを有磁場マイクロ波プラズマ・
エッチング装置にセットし、第１の工程としてたとえば
下記の条件でＷＳｉ_x層４をエッチングした。

【００５４】ＮＯＣｌ流量２５ＳＣＣＭＳＦ₆流量２５ＳＣＣＭガス圧０．６７Ｐａ（＝５ｍＴｏ
ｒｒ）マイクロ波パワー８５０Ｗ（２．４５ＧＨ
ｚ）ＲＦバイアス・パワー１５０Ｗ（１３．５６Ｍ
Ｈｚ）ウェハ温度常温ここでは、Ｃｌ⁺のイオン・アシスト作用により実施例
５の第１の工程よりも高速にエッチングが進行する一方
で、ＣＣｌ_xおよびニトロシル基の導入により強化され
たＣＣｌ_xが側壁保護膜７を形成し、異方性加工に寄与
した。

【００５５】続いて、実施例５の第２の工程と同じ条件
でＷＳｉ_x層４の残余部４ｂおよび多結晶シリコン層３
をエッチングし、良好な異方性形状を有するゲート電極
５ａを完成した。

【００５６】実施例７本実施例では、同じＷ−ポリサイド膜のエッチングにお
いて、第１の工程でＷＳｉ_x層をＮＯＢｒ／ＳＦ₆混合
ガスを用いてエッチングした後、第２の工程で多結晶シ
リコン層をＨＢｒを用いてエッチングした。第１の工程
のエッチング条件は、一例として下記のとおりである。

【００５７】ＮＯＢｒ流量２５ＳＣＣＭＳＦ₆流量２５ＳＣＣＭガス圧０．６７Ｐａ（＝５ｍＴｏ
ｒｒ）マイクロ波パワー８５０Ｗ（２．４５ＧＨ
ｚ）ＲＦバイアス・パワー１２０Ｗ（１３．５６Ｍ
Ｈｚ）ウェハ温度常温ここでは、実施例６のＮＯＣｌに代えてＮＯＢｒを使用
することにより、ＲＦバイアス・パワーを低減させて炭
素系ポリマーの供給量を減少させても、ＷＢｒ _xの側壁
保護効果により良好な異方性加工を行うことができた。
また、低バイアス化とＣＢｒ_xの形成により、レジスト
・マスク６に対する選択性も実施例６に比べて向上し
た。

【００５８】続く第２の工程のエッチングは、実施例５
と同じ条件で行った。

【００５９】実施例８本実施例では、同じＷ−ポリサイド膜のエッチングにお
いて、第１の工程でＷＳｉ_x層をＮＯ₂Ｆ（フッ化ニト
リル）／ＳＦ₆／ＨＢｒ混合ガスを用いてエッチングし
た後、第２の工程で多結晶シリコン層をＮＯ₂Ｆ／Ｃｌ
₂／ＨＢｒ混合ガスを用いてエッチングした。

【００６０】第１の工程のエッチング条件は、一例とし
て下記のとおりである。ＮＯ₂Ｆ流量２０ＳＣＣＭＳＦ₆流量２５ＳＣＣＭＨＢｒ流量５ＳＣＣＭガス圧０．６７Ｐａ（＝５ｍＴｏ
ｒｒ）マイクロ波パワー８５０Ｗ（２．４５ＧＨ
ｚ）ＲＦバイアス・パワー１５０Ｗ（１３．５６Ｍ
Ｈｚ）ウェハ温度常温上記のエッチング・ガス組成は、実施例５のＮＯＦをＮ
Ｏ₂Ｆに代えたものである。ＮＯ₂ＦはＮＯＦよりも分
子内にＯ原子を１個余分に有するため、側壁保護膜７の
構成成分としては、ＷＯ_xがやや増大しているものと考
えられる。また、炭素系ポリマーＣＢｒ_xの強化は、ニ
トリル基、もしくはそのフラグメントであるニトロシル
基等によって行われている。

【００６１】続く第２の工程のエッチング条件は、一例
として下記のとおりである。ＮＯ₂Ｆ流量２０ＳＣＣＭＣｌ₂流量２０ＳＣＣＭＨＢｒ流量２０ＳＣＣＭガス圧０．６７Ｐａ（＝５ｍＴｏ
ｒｒ）マイクロ波パワー８５０Ｗ（２．４５ＧＨ
ｚ）ＲＦバイアス・パワー１２０Ｗ（１３．５６Ｍ
Ｈｚ）ウェハ温度常温この工程では、エッチング反応系にＣｌが関与し、Ｃｌ
⁺によるイオン・アシスト効果が期待できるため、ＨＢ
ｒを単独で使用するプロセスに比べてエッチングを高速
化することができた。

【００６２】ところで、本実施例（後述の実施例９およ
び実施例１０も同様。）が前述の実施例５〜実施例７と
異なる点は、第２の工程においてもニトリル基もしくは
ニトロシル基の導入による炭素系ポリマーの強化が引き
続き行われることである。これにより、一層の低バイア
ス化が可能となり、高選択化、低ダメージ化が達成され
た。

【００６３】実施例９本実施例では、同じＷ−ポリサイド膜のエッチングにお
いて、第１の工程でＷＳｉ_x層をＮＯ₂Ｃｌ（塩化ニト
リル）／ＳＦ₆混合ガスを用いてエッチングした後、第
２の工程で多結晶シリコン層をＮＯ₂Ｃｌ／ＨＢｒ混合
ガスを用いてエッチングした。

【００６４】第１の工程のエッチング条件は、一例とし
て下記のとおりである。ＮＯ₂Ｃｌ流量２０ＳＣＣＭＳＦ₆流量２５ＳＣＣＭガス圧０．６７Ｐａ（＝５ｍＴｏ
ｒｒ）マイクロ波パワー８５０Ｗ（２．４５ＧＨ
ｚ）ＲＦバイアス・パワー１５０Ｗ（１３．５６Ｍ
Ｈｚ）ウェハ温度常温ここでは、Ｃｌ⁺のイオン・アシスト効果により、高速
エッチングが進行した。

【００６５】続く第２の工程のエッチング条件は、一例
として下記のとおりである。ＮＯ₂Ｃｌ流量２０ＳＣＣＭＨＢｒ流量３０ＳＣＣＭガス圧０．６７Ｐａ（＝５ｍＴｏ
ｒｒ）マイクロ波パワー８５０Ｗ（２．４５ＧＨ
ｚ）ＲＦバイアス・パワー１２０Ｗ（１３．５６Ｍ
Ｈｚ）ウェハ温度常温この工程では、Ｃｌの寄与により高速性を維持しなが
ら、Ｂｒの寄与により高選択、低ダメージ・エッチング
を行うことができた。

【００６６】実施例１０本実施例では、同じＷ−ポリサイド膜のエッチングにお
いて、第１の工程でＷＳｉ_x層をＮＯＢｒ／ＳＦ₆混合
ガスを用いてエッチングした後、第２の工程で多結晶シ
リコン層をＮＯＢｒ／Ｃｌ₂混合ガスを用いてエッチン
グした。第１の工程のエッチング条件は、一例として下
記のとおりである。

【００６７】ＮＯＢｒ流量２０ＳＣＣＭＳＦ₆流量２５ＳＣＣＭガス圧０．６７Ｐａ（＝５ｍＴｏ
ｒｒ）マイクロ波パワー８５０Ｗ（２．４５ＧＨ
ｚ）ＲＦバイアス・パワー１２０Ｗ（１３．５６Ｍ
Ｈｚ）ウェハ温度常温この工程では、実施例９の第１の工程よりもさらにＲＦ
バイアス・パワーを下げた条件でも異方性加工が行われ
た。

【００６８】続く第２の工程のエッチング条件は、一例
として下記のとおりである。ＮＯＢｒ流量２５ＳＣＣＭＣｌ₂流量２５ＳＣＣＭガス圧０．６７Ｐａ（＝５ｍＴｏ
ｒｒ）マイクロ波パワー８５０Ｗ（２．４５ＧＨ
ｚ）ＲＦバイアス・パワー１００Ｗ（１３．５６Ｍ
Ｈｚ）ウェハ温度常温この工程でも、Ｃｌの寄与により高速性を維持しなが
ら、Ｂｒの寄与により高選択、低ダメージ・エッチング
を行うことができた。

【００６９】以上、本発明を１０例の実施例にもとづい
て説明したが、本発明はこれらの各実施例に何ら限定さ
れるものではない。たとえば、分子内にニトロシル基と
ハロゲン原子とを有するハロゲン化合物としては、上述
のＮＯＦ，ＮＯＣｌ，ＮＯＢｒの他、ＮＯＣｌ₂（二塩
化ニトロシル），ＮＯＣｌ₃（三塩化ニトロシル），Ｎ
ＯＢｒ₂（二臭化ニトロシル），ＮＯＢｒ₃（三臭化ニ
トロシル）等を使用することができる。

【００７０】同様に、分子内にニトリル基とハロゲン原
子とを有するハロゲン化合物としては、上述のＮＯ
₂Ｆ，ＮＯ₂Ｃｌの他、ＮＯ₂Ｂｒ（臭化ニトリル）等
も使用することができる。また、イオウ系化合物として
は、上述のＳ₂Ｆ₂，Ｓ₂Ｂｒ₂の他、ＳＦ₂，Ｓ
Ｆ₄，Ｓ₂Ｆ₁₀等の他のフッ化イオウ、Ｓ₂Ｃｌ₂，Ｓ
₃Ｃｌ₂，ＳＣｌ₂等の塩化イオウ、Ｓ₃Ｂｒ₂，ＳＢ
ｒ₂等の他の臭化イオウ、Ｈ₂Ｓ等を使用することがで
きる。

【００７１】以上の化合物の組み合わせは任意である
が、本発明では、少なくとも高融点金属シリサイドのエ
ッチング中にはエッチング・ガスにＦ^*を放出し得る化
合物が含まれ、少なくともシリコン系材料層のエッチン
グ時にはＢｒ^*を放出し得る化合物が含まれていること
が特に望ましい。エッチング・ガスには、スパッタリン
グ効果，冷却効果，希釈効果を得る目的でＨｅ，Ａｒ等
の希ガスが添加されていても良い。

【００７２】高融点金属シリサイド層は、上述のＷＳｉ
_x層の他、ＭｏＳｉ_x層，ＴｉＳｉ _x層，ＴａＳｉ_x層
等であっても良い。ポリサイド膜の下層側を構成するシ
リコン系材料層としては、上述のように多結晶シリコン
層を用いるのが一般的であるが、本願出願人が先に特開
昭６３−１６３号公報に開示したように、不純物を導入
した非晶質シリコン層を用いても良い。多結晶シリコン
層も非晶質シリコン層も、エッチング特性はほぼ同じで
ある。この非晶質シリコン層も、最終的にＭＯＳ−ＦＥ
Ｔのゲート電極として機能する段階では多結晶シリコン
層に変化しているので、上記ゲート電極は従前のポリサ
イド・ゲート電極と同じ構成となる。それは、ソース／
ドレイン領域に注入された不純物を拡散させるための熱
処理工程で、非晶質が多結晶に変化するからである。

【００７３】さらに、使用するエッチング装置、エッチ
ング条件、ウェハの構成等は適宜変更可能であることは
言うまでもない。

【００７４】

【発明の効果】以上の説明からも明らかなように、本発
明ではポリサイド膜のエッチングにおいてニトロシル基
もしくはニトリル基を含むハロゲン化合物を添加したエ
ッチング・ガスを使用することにより、炭素系ポリマー
の膜質を強化し、その堆積量を減少させても高異方性、
高選択性を達成することが可能となる。しかも、これら
は実用的なウェハ温度域で達成できる。また、上記ハロ
ゲン化合物を放電解離条件下でＳを放出し得るイオウ系
化合物と併用すれば、更なる高選択化、低汚染化、低ダ
メージ化を図ることができる。また、高融点金属シリサ
イド層と多結晶シリコン層のエッチング工程間でエッチ
ング・ガスの組成を切り替えることにより、高速化を図
ることも可能となる。

【００７５】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，高性能，高信頼性を要求され
る半導体装置の製造に極めて好適である。もちろん、本
発明が有望な脱ＣＦＣ対策であることは言うまでもな
い。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明をゲート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
Ｗ−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Ｗ−ポリサイド膜が側壁保護膜の形成を伴
いながらエッチングされた状態、（ｃ）は側壁保護膜お
よびレジスト・マスクが除去された状態をそれぞれ表
す。

【図２】本発明をゲート加工に適用した他のプロセス例
をその工程順にしたがって示す概略断面図であり、
（ａ）はＷ−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ＷＳｉ_x層がエッチングされた状
態、（ｃ）はＷＳｉ_x層の残余部と多結晶シリコン層が
エッチングされた状態、（ｄ）は側壁保護膜およびレジ
スト・マスクが除去された状態をそれぞれ表す。

【符号の説明】１・・・単結晶シリコン基板２・・・ゲート酸化膜３・・・多結晶シリコン層４・・・ＷＳｉ_x層４ｂ・・・（ＷＳｉ_x層の）残余部５・・・Ｗ−ポリサイド膜５ａ・・・ゲート電極６・・・レジスト・マスク７・・・側壁保護膜

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】シリコン系材料層と高融点金属シリサイ
ド層とがこの順に積層された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、分子内にニトロシル基もしくはニトリル基の少なくとも
一方の官能基とハロゲン原子とを有するハロゲン化合物
を含むエッチング・ガスを用いて前記ポリサイド膜をエ
ッチングすることを特徴とするドライエッチング方法。
【請求項２】前記エッチング・ガスが放電解離条件下
でプラズマ中にイオウを生成し得るイオウ系化合物を含
むことを特徴とする請求項１記載のドライエッチング方
法。
【請求項３】シリコン系材料層と高融点金属シリサイ
ド層とがこの順に積層された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、分子内にニトロシル基もしくはニトリル基の少なくとも
一方の官能基とハロゲン原子とを有するハロゲン化合物
とフッ素系化合物とを含むエッチング・ガスを用いて前
記高融点金属シリサイド層を実質的にその層厚分だけエ
ッチングする第１の工程と、放電解離条件下でプラズマ中に臭素系化学種を生成し得
るエッチング・ガスを用いて前記高融点金属シリサイド
層の残余部と前記シリコン系材料層とをエッチングする
第２の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。
【請求項４】前記第２の工程で用いられるエッチング
・ガスが前記ハロゲン化合物を含むことを特徴とする請
求項３記載のドライエッチング方法。