JPH0555177A

JPH0555177A - ドライエツチング方法

Info

Publication number: JPH0555177A
Application number: JP3301281A
Authority: JP
Inventors: Shingo Kadomura; 新吾門村
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 1991-06-11
Filing date: 1991-10-22
Publication date: 1993-03-05
Anticipated expiration: 2016-11-05
Also published as: JP3225559B2

Abstract

(57)【要約】【目的】Ｓｉ系材料，Ａｌ系材料の異方性エッチング
を、炭素系ポリマー以外の物質で側壁保護を行いなが
ら、しかも実用的なウェハ温度域で実現する。【構成】ゲート電極加工において、多結晶シリコン層
３をＳ₂Ｃｌ₂／Ｎ₂混合ガスを用いて２０℃でエッチ
ングする。Ｃｌ^*を主エッチング種としてエッチングが
進行する一方で、Ｓ₂Ｃｌ₂から生成するＳとＮ₂との
反応によりポリチアジル（ＳＮ）_xを主体とする側壁保
護膜５が形成され、異方性形状を有するゲート電極３ａ
を形成できる。側壁保護膜５は、レジスト・マスク４の
アッシングと同時に昇華または分解除去されるので、パ
ーティクル汚染源とならない。段差部に発生するエッチ
ング残渣を除去するためにラジカル・モードでオーバー
エッチングを行っても、側壁保護膜５の優れた安定性ゆ
え、高異方性が維持される。

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
炭素系ポリマー以外の物質で側壁保護を行いながら異方
性エッチングを可能とする方法に関する。さらに本発明
は、特にたとえば多層配線プロセスにおいて段差の大き
いウェハ上で配線材料層の大幅なオーバーエッチングを
行う際にも、エッチング残渣や再付着物の発生、および
パターン断面形状の劣化等を防止する方法に関する。

【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。

【０００３】たとえば、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。トレンチ加工では、後工程におけるトレンチの
埋め込みや容量の制御を正確に行うために、高異方性が
要求される。一方、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、ゲート電極加工である。ゲート電極加工では、パタ
ーン幅がトランジスタのソース／ドレイン領域を自己整
合的に形成する場合のチャネル長や、ＬＤＤ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ので、やは
り高異方性が要求される。また、薄いゲート酸化膜に対
する高選択性も要求される。

【０００４】さらに、Ａｌ系材料層のエッチング・プロ
セスとは、言うまでもなく各種の配線加工である。Ａｌ
系材料層のエッチングに特有の問題点としては、アフタ
ーコロージョンをいかに防止するかが挙げられる。

【０００５】ところで、デバイス構造の三次元化が進行
すると必然的にウェハの表面段差が増大するが、これに
伴って近年では大幅なオーバーエッチングが要求される
ようになっている。大きな段差上では形成される各種材
料層の層厚が不均一になり易い上、ウェハ表面の形状効
果により段差の底部等の狭隘な部位ではエッチング種の
入射量の減少や、エッチング反応生成物の蒸気圧の低下
が生じ易くなる。これらの原因により、ジャスト・エッ
チングが終了した段階では、段差の底部にストリンガと
呼ばれるエッチング残渣がしばしば残存する。これを除
去するためには、オーバーエッチングが不可欠とされ
る。

【０００６】ただし、オーバーエッチング時には、高異
方性と高選択性との両立が一般に困難となる。これは、
被エッチング面積の減少と共に相対的に過剰となったラ
ジカルがウェハの表面でマイグレーションを起こし、パ
ターン側壁部を攻撃してパターンの断面形状を劣化させ
るからである。しかし、このような異方性の低下を懸念
してイオン・アシスト反応が主体となるようなエッチン
グ条件を設定すると、今度は下地にダメージが発生した
り、あるいはスパッタされた下地がパターン側壁部に再
付着するという問題が発生する。特に酸化シリコン（Ｓ
ｉＯ₂）系の層間絶縁膜を下地としてＡｌ系材料層のエ
ッチングを行う場合、このような下地の再付着物は残留
塩素を吸蔵してアフタコロージョンを促進する要因とな
り易いので、できるだけ再付着は防止したいところであ
る。

【０００７】上述のような問題の解決に従来から重要な
役割を果たしてきたものは、炭素系ポリマーによる側壁
保護である。シリコン系材料層のエッチングは、これま
でＣＦＣ１１３（Ｃ₂Ｃｌ₃Ｆ₃）等に代表されるクロ
ロフルオロカーボン（ＣＦＣ）ガスがエッチング・ガス
として広く用いられてきた。いわゆるフロン・ガスの一
種である上記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⁺，ＣＦ_x ⁺，ＣＣ
ｌ_x ⁺，Ｃｌ⁺等のイオンによるイオン・アシスト反応
の両方によりエッチングを進行させることができる。こ
の場合、放電解離条件下で生成するＣＦＣガスのフラグ
メントが重合してプラズマ中に炭素系ポリマーが生成
し、これがウェハ表面のパターン側壁部に堆積して側壁
保護効果を発揮することにより、高異方性が達成される
のである。

【０００８】この炭素系ポリマーによる側壁保護を強化
すれば、高異方性と高選択性を両立させることができ
る。つまり、実用的なエッチング速度を損なわない範囲
で入射イオン・エネルギーを低下させて高選択性を達成
し、これにより起こり得る異方性の低下は側壁保護を強
化することにより回避しようとする考え方である。その
典型的な例は、第３６回応用物理学関係連合講演会（１
９８９年春季）講演予稿集第２分冊５７１ページ，演題
番号１ｐ−Ｌ−５に述べられており、タングステン・ポ
リサイド膜をＣ₂Ｃｌ₃Ｆ₃（フロン１１３）／ＳＦ₆
混合ガスとＳｉＯ₂マスクを用いてエッチングしてい
る。

【０００９】Ａｌ系材料層の場合は、炭素系ポリマーは
レジスト・マスクから供給される。Ａｌ系材料層のエッ
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う。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ので
ある。

【００１０】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。

【００１１】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。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述の
炭素系ポリマーを側壁保護に利用する方法については、
次のような問題点が指摘されている。その第一は、シリ
コン系材料層のエッチング・ガスであるＣＦＣガスが周
知のように地球のオゾン層破壊の一因であり、その一部
は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。

【００１３】第二は、シリコン系材料層のエッチングに
おいて、ＣＦＣガスに含まれる炭素が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５７２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）１９９０年１月号，８１〜８
４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。

【００１４】第三は、炭素系ポリマーによるパーティク
ル汚染およびアフターコロージョンの懸念である。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。ま
た、特にＡｌ系材料層のエッチングでは、パターン側壁
部に付着した炭素系ポリマーに塩素もしくは塩素系化合
物が吸蔵され、これらの残留塩素がアフターコロージョ
ンを促進する原因となってしまう。近年では、Ａｌ系材
料層にエレクトロマイグレーション対策としてＣｕが添
加されたり、あるいはＡｌ系材料層がバリヤメタルや反
射防止膜等の異種材料層と積層されるなど、アフターコ
ローション防止の観点からは不利な要因が増えているの
で、炭素系ポリマーに代わる側壁保護物質が望まれると
ころである。

【００１５】ＣＦＣガス以外の堆積性のガスを使用する
ことも一部で検討されているが、今後、半導体装置のデ
ザイン・ルールの微細化がさらに進行すると、従来では
問題とならなかったような粒径のパーティクルでも、深
刻な歩留りの低下につながる虞れが大きい。

【００１６】これに対し、前述の低温エッチングは脱Ｃ
ＦＣ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。

【００１７】そこで本発明は、炭素系ポリマーに代わる
別の材料で側壁保護を行うことができ、大幅なオーバー
エッチングを行う際にも高異方性，低ダメージ性を維持
でき、しかも低汚染性で経済性に優れる実用的なドライ
エッチング方法を提供することを目的とする。

【００１８】

【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
である。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、窒素系化合物と放電解離条件下でプラ
ズマ中に遊離のＳを生成し得るイオウ系化合物とを含む
エッチング・ガスを用いて基板上の被エッチング材料層
をエッチングすることを特徴とする。

【００１９】本願の第２の発明にかかるドライエッチン
グ方法は、窒素系化合物と放電解離条件下でプラズマ中
に遊離のＳを生成し得るイオウ系化合物とを含むエッチ
ング・ガスを用いて段差を有する基板上の被エッチング
材料層をエッチングする工程と、前記段差の底部に残留
した前記被エッチング材料層の残渣をラジカル反応が主
体となるエッチング条件により除去する工程とを有する
ことを特徴とする。

【００２０】

【作用】本発明者は、上述の目的を達成するため、次の
ような解決方針を立てた。すなわち、パーティクル汚染
を防止する観点から、側壁保護物質としてはある特定の
条件下でのみ堆積し、不要時には昇華，分解，あるいは
揮発性物質の生成等の手段のいずれかにより容易に除去
できる物質を利用する。しかも、上記側壁保護物質とし
ては、イオン衝撃や過剰なラジカルに対して十分な耐性
を有するものを選択する必要がある。また、オーバーエ
ッチングは、下地への悪影響を回避し、また段差底部の
ような狭隘な部分に残るエッチング残渣を除去するため
に、ラジカル反応が主体となる条件で行う。このとき、
過剰なラジカルの攻撃からパターン側壁部を保護する意
味からも、側壁保護物質としては高い耐性を有するもの
が必要である。

【００２１】上記の方針にしたがって検討を進める過程
で本発明者が側壁保護物質として注目した化合物は、窒
化イオウ系化合物である。上記窒化イオウ系化合物とし
ては、後述するごとく種々の化合物が知られているが、
本発明において特に優れた側壁保護効果を期待される代
表的な化合物はポリチアジル（ＳＮ）_xである。（Ｓ
Ｎ）_xの性質，構造等については、Ｊ．Ａｍ．Ｃｈｅ
ｍ．Ｓｏｃ．，Ｖｏｌ．２９，ｐ．６３５８〜６３６３
（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
リマー状物質であり、結晶状態ではＳ−Ｎ−Ｓ−Ｎ−…
の繰り返し共有結合からなる主鎖が平行に配向してい
る。したがって、この（ＳＮ）_xを主体とする窒化イオ
ウ系化合物層は、Ｆ^*等の侵入を有効に阻止することが
できる。また、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。しかも、（ＳＮ）_xは減圧下で１４０〜１
５０℃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。

【００２２】本発明では、この（ＳＮ）_xを生成させる
ために、窒素系化合物と放電解離によりプラズマ中に遊
離のイオウを生成し得るイオウ系化合物とを含むエッチ
ング・ガスを使用する。これは、両化合物の反応により
気相中に窒化イオウ系化合物を生成させ、これをウェハ
の表面に堆積させて側壁保護を行わせるためである。す
なわち、最も単純に考えれば、窒素系化合物の放電解離
によりプラズマ中に生成したＮと、イオウ系化合物の放
電解離によりプラズマ中に生成したＳとが結合して、ま
ずチアジル（Ｎ≡Ｓ）が形成される。このチアジルは、
酸素類似体である一酸化窒素（ＮＯ）の構造から類推さ
れるごとく不対電子を持っており、容易に重合して（Ｓ
Ｎ）₂，（ＳＮ）₄，さらには（ＳＮ）_nを生成する。
（ＳＮ）₂は２０℃付近で容易に重合して（ＳＮ）₄お
よび（ＳＮ）_nを生成し、自身は３０℃付近で分解す
る。（ＳＮ）₄は融点１７８℃，分解温度２０６℃の環
状物質である。（ＳＮ）_xは化学的に安定で１３０℃ま
では分解しない。したがって、おおよそウェハ温度が１
３０℃以下に制御されていれば、（ＳＮ）_xはウェハ上
で安定に存在できる。

【００２３】この他、プラズマ中にＦ^*，Ｃｌ^*，Ｂｒ
^*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、Ｆ^*の生成量を制
御するために水素系ガスが添加されている場合には、チ
アジル水素も生成し得る。さらに、条件によってはＳ₄
Ｎ₂（融点２３℃），Ｓ₁₁Ｎ₂（融点１５０〜１５５
℃），Ｓ₁₅Ｎ₂（融点１３７℃），Ｓ₁₆Ｎ₂（融点１２
２℃）等のように分子内の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Ｓ₇ＮＨ（融点
１１３．５℃），１，３−Ｓ₆（ＮＨ）₂（融点１３０
℃），１，４−Ｓ₆（ＮＨ）₂（融点１３３℃），１，
５−Ｓ₆（ＮＨ）₂（融点１５５℃），１，３，５−Ｓ
₅（ＮＨ）₃（融点１２４℃），１，３，６−Ｓ₅（Ｎ
Ｈ）₃（融点１３１℃），Ｓ₄（ＮＨ）₄（融点１４５
℃）等のイミド型の化合物等も生成可能である。

【００２４】上述の窒化イオウ系化合物はすべて、通常
のドライエッチング装置のウェハ載置電極上における温
度条件下では、ウェハ上で安定に存在することができ、
ラジカルによる攻撃からパターン側壁部を保護するに十
分な側壁保護膜を形成する。本願の第１の発明では、窒
化イオウ系化合物の堆積過程とエッチング過程とが競合
する系でエッチングを行うことにより、高異方性加工が
可能となる。

【００２５】また、本願の第２の発明では、上記のよう
なエッチングを行った後にラジカル反応が主体となるエ
ッチング条件でオーバーエッチングを行うわけである
が、上記窒化イオウ系化合物の側壁保護効果が極めて優
れているので、既に形成されたパターンの異方性形状が
損なわれる虞れがない。しかも、上記窒化イオウ系化合
物は、ウェハをおおよそ１３０℃以上に加熱すれば分解
する。あるいは、通常のＯ₂プラズマ・アッシングによ
りレジスト・マスクを除去する際に、昇華、燃焼もしく
は分解反応により該レジスト・マスクと同時に除去する
こともできる。このときの反応生成物はＮ₂，ＮＯ_x，
ＳＯ_x等の気体、もしくはＳの固体蒸気であり、何らパ
ーティクル汚染の原因となるものではない。

【００２６】

【実施例】以下、本発明の具体的な実施例について説明
する。

【００２７】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、Ｓ₂Ｃｌ₂／Ｎ₂混合ガスを用いて多結晶シリコン
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。本実施例でエッチング・サンプ
ルとしたウェハは、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厚さ約０．３μｍの多
結晶シリコン層３が積層され、さらにその上に所定の形
状にパターニングされたレジスト・マスク４が形成され
てなるものである。ここで、上記レジスト・マスク４
は、たとえばノボラック系ポジ型フフォトレジスト材料
（東京応化工業社製；商品名ＴＳＭＲ−Ｖ３）の塗膜に
対してｇ線露光および現像処理を行うことにより、約
０．５μｍのパターン幅に形成した。

【００２８】次に、上記多結晶シリコン層３をエッチン
グするため、上記のウェハをＲＦバイアス印加型の有磁
場マイクロ波プラズマ・エッチング装置のウェハ載置電
極にセットした。上記ウェハ載置電極は冷却配管を内蔵
しており、装置外部に設置されるチラー等の冷却設備か
ら適当な冷媒の供給を受けることにより、ウェハを所定
の温度に冷却できるようになされている。ここではエタ
ノール冷媒を使用した。エッチング条件の一例を下記に
示す。

【００２９】Ｓ₂Ｃｌ₂流量１０ＳＣＣＭＮ₂流量１０ＳＣＣＭガス圧１．３Ｐａ（１０ｍＴｏｒｒ）マイクロ波パワー８５０Ｗ（２．４５ＧＨｚ）ＲＦバイアス・パワー３０Ｗ（２ＭＨｚ）ウェハ温度２０℃

【００３０】ここで、上記Ｓ₂Ｃｌ₂は、本発明者が先
に特願平３−２１０５１６号明細書においてシリコン系
材料層もしくはＡｌ系材料層のエッチンク・ガスとして
提案した塩化イオウのひとつであり、極めて有効な脱Ｃ
ＦＣ対策を提供するものである。Ｓ₂Ｃｌ₂から生成す
るＣｌ^*は、多結晶シリコン層３の主エッチング種とし
て寄与し、このラジカル反応がＳＦ_x ⁺，Ｓ⁺，Ｎ⁺等
のイオンによりアシストされる機構でエッチングが進行
した。一方、Ｓ₂Ｃｌ₂から生成するＳとＮ₂とが反応
して（ＳＮ）_x等の窒化イオウ系化合物がプラズマ中に
生成した。これらの窒化イオウ系化合物は、２０℃に維
持されたウェハの表面のうち、イオンの垂直入射が原理
的に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、
良好な異方性形状を有するゲート電極３ａが形成され
た。

【００３１】なお、Ｎ₂は、自身が生成するＮ^*により
Ｓ₂Ｆ₂から生成するＦ^*の一部を捕捉してＮＦ₃等の
形で系外へ除去し、エッチング反応系のＳ／Ｆ比を高め
て窒化イオウ系化合物の生成を促進することにも寄与し
ている。上述のプロセスでは、高選択性も達成された。
これは、レジスト・マスク４の上面やゲート酸化膜２の
露出面等のイオンの垂直入射面において、窒化イオウ系
化合物の堆積とスパッタ除去とが競合するので、エッチ
ング速度が大幅に低下するからである。また、気相中か
らの生成物を側壁保護に利用しているため、異方性加工
に必要な入射イオン・エネルギーが低減できているから
である。本実施例において、レジスト・マスクに対する
選択比は約１０、ゲート酸化膜に対する選択比は約３０
であった。

【００３２】次に、ウェハをプラズマ・アッシング装置
に移設し、通常のＯ₂プラズマ・アッシングを行う条件
でレジスト・マスク４を除去した。この工程では、プラ
ズマ輻射熱や反応熱による加熱効果に加えてＯ^*による
直接的な燃焼反応が起こるので、図１（ｃ）に示される
ように、窒化イオウ系化合物からなる側壁保護膜５は分
解，燃焼，昇華等の機構によりＮＯ_x，Ｎ₂，ＳＯ_x，
Ｓ等の形で速やかに除去された。したがって、ウェハ上
に何らパーティクル汚染を発生させることはなかった。

【００３３】あるいは、窒化イオウ系化合物の多くは１
５０℃程度に加熱すれば分解するので、まずウェハを加
熱して側壁保護膜５を除去してからＯ₂プラズマ・アッ
シングによりレジスト・マスク４を除去するようにして
も良い。なお、本発明では、エッチング中に生成する窒
化イオウ系化合物をエッチング装置内部に過剰に堆積さ
せない対策を施しておくと、極めてクリーンなプロセス
を実現することができる。たとえば、エッチング・チャ
ンバの内壁部等のように、ウェハ温度に直接影響を与え
ないエッチング装置の内部部材を、内蔵ヒータ等により
１５０℃以上に加熱しておくことは、パーティクル汚染
を防止するための有効な手段である。

【００３４】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、Ｓ₂Ｃｌ₂／Ｎ₂／Ｈ₂Ｓ混合ガスを用いて多結晶
シリコン層をエッチングした例である。このプロセス
を、前出の図１（ａ）に加えて図２を参照しながら説明
する。本実施例でサンプルとして使用したウェハは、図
１（ａ）に示したものと同じである。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多結晶シリ
コン層３をエッチングした。

【００３５】Ｓ₂Ｃｌ₂流量１０ＳＣＣＭＮ₂流量１０ＳＣＣＭＨ₂Ｓ流量３ＳＣＣＭガス圧１．３Ｐａ（１０ｍＴｏｒｒ）マイクロ波パワー８５０Ｗ（２．４５ＧＨｚ）ＲＦバイアス・パワー３０Ｗ（２ＭＨｚ）ウェハ温度２０℃

【００３６】上記のエッチング条件では、実施例１で使
用したエッチング・ガスの組成にＨ₂Ｓが添加されてい
る。このＨ₂Ｓは、自身が放出するＨ^*でＣｌ^*を捕捉
すると同時に遊離のＳも放出し、エッチング反応系の見
掛け上のＳ／Ｘ比〔Ｓ原子数とハロゲン（Ｘ）原子数の
比〕を効率的に上昇させることに寄与している。このた
め、図２に示されるように、（ＳＮ）_xを主体とする側
壁保護膜５の形成が促進され、ゲート電極３ｂの断面形
状はテーパー化した。

【００３７】このように、本発明では窒化イオウ系化合
物の堆積量を制御することにより、形成されるパターン
の断面形状を変化させることも可能である。たとえば、
上述のようなテーパー化をＣＣＤの製造工程において１
層目ポリシリコン層に対して行えば、層間絶縁膜の段差
被覆性（ステップ・カバレッジ）が改良され、２層目以
降のポリシリコン層のエッチング時にストリンガの発生
を防止することが容易となる。

【００３８】実施例３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、Ｓ₂Ｆ₂／Ｎ₂混合ガスおよびＳ₂Ｂｒ₂／Ｎ₂混
合ガスを用いた２段階エッチングによりタングステン・
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３を参照しながら説明する。

【００３９】本実施例で使用したウェハは、図３（ａ）
に示されるように、単結晶シリコン基板１１上にＳｉＯ
₂からなるゲート酸化膜１２を介してポリサイド膜１５
が積層され、さらにそ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１６が形成されてなるものであ
る。ここで、上記ポリサイド膜１５は、下層側から順に
ｎ型不純物を含有する厚さ約０．１μｍの多結晶シリコ
ン層１３と厚さ約０．１μｍのタングステン・シリサイ
ド（ＷＳｉ_x）層１４とが順次積層されたものである。

【００４０】上記のウェハを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、まず上層側の上記ＷＳｉ_x層１
４をエッチングした。Ｓ₂Ｆ₂流量１０ＳＣＣＭＮ₂流量１０ＳＣＣＭガス圧１．３Ｐａ（１０ｍＴｏｒｒ）マイクロ波パワー８５０Ｗ（２．４５ＧＨｚ）ＲＦバイアス・パワー３０Ｗ（２ＭＨｚ）ウェハ温度２０℃

【００４１】ここで、上記Ｓ₂Ｆ₂は、本発明者が先に
特願平３−２１０５１６号明細書においてシリコン系材
料層等のエッチングに使用したフッ化イオウのひとつで
ある。Ｓ₂Ｆ₂から生成するＦ^*は、ＷＳｉ_x層１４の
主エッチング種として寄与し、このラジカル反応がＳＦ
_x ⁺，Ｓ⁺等のイオンによりアシストされる機構でエッ
チングが進行する。また、前述の機構にもとづいて窒化
イオウ系化合物による側壁保護膜１７が形成された。こ
の結果、図３（ｂ）に示されるように、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。

【００４２】ところで、ＷＳｉ_x層のエッチングには従
来からＦ系ガスが使用されているが、これはＣｌ系ガス
やＢｒ系ガスでは生成するＷＣｌ_xやＷＢｒ_xの蒸気圧
が低く、エッチングが進行しないか、あるいは進行して
もこれらの生成物の過剰な付着により異方性エッチング
が困難となるからである。しかし、Ｆ系ガスを用いる場
合、Ｆ^*による異方性低下が大きな障害となるため、従
来はＣＦＣガスに由来する炭素系ポリマーで側壁保護を
行うか、あるいは−６０℃にも及ぶウェハの低温冷却を
行って高異方性を確保していたわけである。

【００４３】これに対して本発明では、窒化イオウ系化
合物による強固な側壁保護膜１７が常温付近で容易に形
成できるため、従来よりも遙かに実用的なエッチング・
プロセスが実現する。

【００４４】次に、下層側の多結晶シリコン層１３をエ
ッチングするため、エッチング条件を一例として下記の
ように切り換えた。Ｓ₂Ｂｒ₂流量１０ＳＣＣＭＮ₂流量１０ＳＣＣＭガス圧１．３Ｐａ（１０ｍＴｏｒｒ）マイクロ波パワー８５０ＷＲＦバイアス・パワー３０Ｗ（４００ｋＨｚ）ウェハ温度２０℃ ここで、エッチング・ガス組成のうちＳ₂Ｆ₂をＳ₂Ｂ
ｒ₂に変更したのは、エッチング反応系からＦ^*を排除
し、Ｓ₂Ｂｒ₂から生成するＢｒ^*を主エッチング種と
することにより、下地のゲート酸化膜１２に対する選択
性を向上させるためである。窒化イオウ系化合物の生成
機構は上述のとおりである。この結果、図３（ｃ）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１
５ａが形成された。図中、エッチング後の各材料層パタ
ーンは、エッチング前の各材料層の符号に添字ａを付し
て表示してある。

【００４５】ここまでのプロセスにおいて、レジスト・
マスク１６に対する選択比は約８、ゲート酸化膜１２に
対する選択比は約１００であった。対レジスト選択比が
実施例１よりもやや低下しているのは、ＷＳｉ_x層１４
のエッチング時にＳ₂Ｆ₂から生成するＦ^*によりレジ
スト・マスク１６が若干エッチングされたからである。

【００４６】最後に、Ｏ₂プラズマ・アッシングを行っ
たところ、図３（ｄ）に示されるように、レジスト・マ
スク１６と側壁保護膜１７とが除去された。このとき、
何らパーティクル汚染は発生しなかった。

【００４７】実施例４本実施例は、本願の第２の発明をＳＲＡＭのビット線加
工に適用し、Ｓ₂Ｆ₂／Ｎ₂混合ガスを用いてタングス
テン・ポリサイド膜をジャスト・エッチング状態までエ
ッチングした後、ＳＦ₆ガスを用いてオーバーエッチン
グを行うことにより残渣を除去した例である。このプロ
セスを、図４ないし図７を参照しながら説明する。

【００４８】図４は、エッチング前のウェハの一構成例
を示す概略断面図である。すなわち、予めシャロー・ト
レンチ型の素子分離領域２２が形成された単結晶シリコ
ン基板２１上にＳｉＯ₂からなるゲート酸化膜を介して
１層目ポリサイド膜によるワード線２５が形成されてい
る。このワード線２５は下層側の多結晶シリコン層２３
と上層側のＷＳｉ_x層２４とが積層されてなるものであ
る。さらに、ウェハの全面はたとえばＣＶＤによりＳｉ
Ｏ₂を堆積させることにより形成された層間絶縁膜２６
に被覆されており、その上には２層目ポリサイド膜２９
が形成されている。この２層目ポリサイド膜２９は下層
側の多結晶シリコン層２７と上層側のＷＳｉ_x層２８と
が積層されてなるものであり、ビット線の一部を構成す
る。さらに、上記２層目ポリサイド膜２９の上には、レ
ジスト・マスク３０が形成されている。このレジスト・
マスク３０は、たとえばウェハの表面段差を吸収できる
厚さに化学増幅系ネガ型３成分系フォトレジスト（シプ
レー社製；商品名ＳＡＬ−６０１）を塗布し、ＫｒＦエ
キシマ・レーザ・ステッパを使用して選択露光を行った
後、アルカリ現像処理を経て形成されたものである。

【００４９】上述のウェハを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２層目ポリサイド膜２９をエ
ッチングした。Ｓ₂Ｆ₂流量３５ＳＣＣＭＮ₂流量１５ＳＣＣＭガス圧１．３Ｐａ（１０ｍＴｏｒｒ）マイクロ波パワー８５０Ｗ（２．４５ＧＨｚ）ＲＦバイアス・パワー１００Ｗ（２ＭＨｚ）ウェハ温度 −３０℃ このエッチング過程では、図５に示されるように、２層
目ポリサイド膜２９のエッチングは側壁保護膜３１の形
成を伴いながら異方的に進行した。この結果、ほぼ垂直
壁を有するビット線２９ａが形成された。なお、パター
ニング後の各材料層は、もとの符号（数字）に添字ａを
付けて表記してある。

【００５０】しかし、このウェハは大きな表面段差を有
しているため、２層目ポリサイド膜２９の不要部分は完
全には除去されず、段差の底部あるいはパターンの密な
部位において残渣２９ｂが発生していた。この残渣２９
ｂは多結晶シリコン層２７を主体としているが、場所に
よりＷＳｉ_x層２８の一部も含んでいる。このように残
渣２９ｂが発生するのは、上述の部位がいずれも狭隘で
あって、エッチング種の入射確率や反応生成物の蒸気圧
が低下し易いためである。

【００５１】そこで、上記残渣２９ｂを除去するため、
エッチング条件を一例として下記のように変更した。ＳＦ₆流量５０ＳＣＣＭガス圧１．３Ｐａ（１０ｍＴｏｒｒ）マイクロ波パワー８５０Ｗ（２．４５ＧＨｚ）ＲＦバイアス・パワー０Ｗここでは、ラジカル反応が主体となるエッチング条件を
設定している。すなわち、ＳＦ₆はフッ化イオウの中で
も最もＳ／Ｆ比が低く、１分子から大量のＦ^*を生成さ
せる。この大量のＦ^*により、図６に示されるように、
残渣２９ｂは速やかに除去された。このとき、前述のジ
ャスト・エッチングまでの工程で形成された側壁保護膜
３１が、ラジカルの側方攻撃あるいはイオンの入射に対
して化学的にも物理的にも極めて優れた耐性を示すの
で、ビット線２９ａの断面形状が劣化することはなかっ
た。しかも、ＲＦバイアス・パワーが印加されていない
ので、発散磁界以外にはウェハ方向へイオンを加速する
要因がなく、下地である層間絶縁膜２６がスパッタ・ア
ウトされてパターン側壁部に再付着することもなかっ
た。

【００５２】この後、ウェハをプラズマ・アッシング装
置に移送し、通常の条件にしたがってＯ₂プラズマ・ア
ッシングを行った。この結果、図７に示されるように、
レジスト・マスク３０が除去されると同時に側壁保護膜
３１も分解もしくは燃焼し、Ｎ₂，ＮＯ_x，ＳＯ_x，Ｓ
等の形で除去された。

【００５３】実施例５本実施例は、前述の実施例４に続いて本発明を同じくＳ
ＲＡＭのビット線加工に適用し、Ｓ₂Ｃｌ₂／Ｎ₂混合
ガスを用いてＡｌ系配線材料層をジャスト・エッチング
状態までエッチングした後、Ｃｌ₂／ＳＦ₆混合ガスを
用いてオーバーエッチングを行うことにより残渣を除去
した例である。このプロセスを、図８ないし図１１を参
照しながら説明する。

【００５４】図８は、エッチング前のウェハの一構成例
を示す概略断面図である。すなわち、前述の図７に示す
ウェハの全面にＳｉＯ₂からなる層間絶縁膜３２が形成
され、ビット線２９ａに臨んでビア・ホール３２ａが開
口されている。該ビア・ホール３２ａは、たとえば選択
ＣＶＤ法により成長されたタングステン・プラグ層３３
により平坦に埋め込まれている。さらに、スパッタリン
グ法により全面に厚さ約０．５μｍのＡｌ系配線材料層
３４が被着形成され、その上には、レジスト・マスク３
５が形成されている。

【００５５】ここで、上記Ａｌ系配線材料層３４は前述
の２層目ポリサイド膜２９からなるビット線２９ａと共
に最終的なビット線を構成する部分であり、低抵抗化を
図るために厚さ約０．４μｍのＡｌ−１％Ｓｉ層を主体
としている。実際には、このＡｌ−１％Ｓｉ層と層間絶
縁膜３２との間に厚さ約０．１μｍのＴｉＷバリヤメタ
ルが介在されているが、図面上では簡略化するためにＡ
ｌ−１％Ｓｉ層とＴｉＷバリヤメタルとを一体化し、単
層膜状のＡｌ系配線材料層３４として表した。

【００５６】また、上記レジスト・マスク３５は、たと
えばノボラック系ポジ型フォトレジスト（東京応化工業
社製；商品名ＴＳＭＲ−Ｖ３）を塗布し、ｇ線により選
択露光を行った後、アルカリ現像処理を経て形成された
ものである。

【００５７】このウェハをＲＦバイアス印加型の有磁場
マイク波プラズマ・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Ａｌ配線材料層３４をエッチング
した。Ｓ₂Ｃｌ₂流量８０ＳＣＣＭＮ₂流量２０ＳＣＣＭガス圧１．３Ｐａ（１０ｍＴｏｒｒ）マイクロ波パワー８５０Ｗ（２．４５ＧＨｚ）ＲＦバイアス・パワー１００Ｗ（２ＭＨｚ）ウェハ温度２５℃ 上述の条件では、Ｓ₂Ｃｌ₂から生成するＣｌ^*が主エ
ッチング種となってＡｌ系配線材料層３４のエッチング
が進行する一方、前述の機構にしたがって（ＳＮ）_nが
パターン側壁部に堆積した。

【００５８】上述の機構により、図９に示されるよう
に、Ａｌ系配線材料層３４のエッチングは側壁保護膜３
６の形成を伴いながら異方的に進行し、ほぼ垂直壁を有
するビット線３４ａが形成された。しかしこのとき、Ａ
ｌ系配線材料層３４の不要部分は完全には除去されず、
段差の底部あるいはパターンの密な部位において残渣３
４ｂが発生していた。この残渣３４ｂは、ＴｉＷバリヤ
メタルを主体としているが、場所によりＡｌ−１％Ｓｉ
層の一部も含んでいる。

【００５９】そこで、上記残渣３４ｂを除去するため、
エッチング条件を一例として下記のように変更した。Ｃｌ₂流量５０ＳＣＣＭＳＦ₆流量５０ＳＣＣＭガス圧１．３Ｐａ（１０ｍＴｏｒｒ）マイクロ波パワー８５０Ｗ（２．４５ＧＨｚ）ＲＦバイアス・パワー０Ｗここでは、Ｃｌ₂から生成するＣｌ^*がＡｌとＴｉを塩
化物の形で除去し、またＳＦ₆から生成するＦ^*がＷを
フッ化物の形で除去することにそれぞれ寄与し、図１０
に示されるように、残渣３４ｂが速やかに除去された。
このとき、前述のジャスト・エッチングまでの工程で形
成された側壁保護膜３６が強固な側壁保護効果を有する
ため、ビット線３４ａの断面形状が劣化することはなか
った。

【００６０】しかも、ＲＦバイアス・パワーが印加され
ていないので、下地の層間絶縁膜３２がスパッタ・アウ
トされてパターン側壁部に再付着することもなかった。
このことは、Ａｌ系材料層のパターニングにおいて特に
重要である。それは、再付着物が形成されなければ、残
留塩素がその内部に吸蔵されることもなく、アフタコロ
ージョン耐性が大幅に向上するからである。

【００６１】最後に、ウェハをプラズマ・アッシング装
置に移送し、通常の条件にしたがってＯ₂プラズマ・ア
ッシングを行った。この結果、図１１に示されるよう
に、レジスト・マスク３５が除去されると同時に側壁保
護膜３６も昇華、分解もしくは燃焼除去された。

【００６２】以上、本発明を５つ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
ものではなく、たとえば放電解離条件下でプラズマ中に
遊離のＳを生成し得るイオウ系化合物としては、被エッ
チング材料層の種類に応じて他の化合物を使用すること
もできる。たとえば被エッチング材料層がシリコン系化
合物である場合には、上述のＳ₂Ｆ₂の他にもＳＦ₂，
ＳＦ₄，Ｓ₂Ｆ₁₀等のフッ化イオウ、Ｓ₃Ｃｌ₂，Ｓ₂
Ｃｌ₂，ＳＣｌ₂等の塩化イオウ、Ｓ₃Ｂｒ₂，Ｓ₂Ｂ
ｒ₂，ＳＢｒ₂等の臭化イオウ、あるいはＳＯＦ₂，Ｓ
ＯＣｌ₂，ＳＯＢｒ₂等を使用することができる。被エ
ッチング材料層がＡｌ系化合物である場合には、上記の
化合物のうちＦを構成元素とする化合物を除外すれば使
用することができる。

【００６３】一方、窒素系化合物としては、上述のＮ₂
の他にもＮ₂Ｈ₂，ＮＦ₃，ＮＣｌ₃，ＮＢｒ₃，ＮＯ
₂等を使用することができる。ＮＨ₃は上記イオウ系化
合物と反応して除去が困難な硫化アンモニウムを副生す
るので、好ましくない。また、エッチング反応系の見掛
け上のＳ／Ｘ比を上昇させるための化合物として、上記
実施例２ではＨ₂Ｓを使用したが、これ以外にもＨ₂，
シラン系化合物等を使用することができる。特に、シラ
ン系化合物を使用する場合には、放電解離条件下で生成
するＨ^*とＳｉ^*が共にＸ^*（ハロゲン・ラジカル）の
捕捉に寄与するので、大きなＳ／Ｘ比の上昇効果が期待
できる。

【００６４】さらに、スパッタリング効果，冷却効果，
希釈効果を得る目的でエッチング・ガスにＨｅ，Ａｒ等
の希ガスを添加しても良い。

【００６５】

【発明の効果】以上の説明からも明らかなように、本発
明のドライエッチング方法によれば、従来の炭素系ポリ
マーに代わり窒化イオウ系化合物を利用して側壁保護を
行うことができる。したがって、シリコン系化合物層の
エッチングに関しては有効な脱ＣＦＣ対策を提供するこ
とができ、またＡｌ系材料層のエッチングに関しては対
レジスト選択性やアフターコロージョン耐性を向上させ
ることができる。しかも、窒化イオウ系化合物は通常の
ドライエッチング装置のウェハ載置電極上における温度
条件下でウェハ上に堆積可能であり、また炭素系ポリマ
ーに比べて低汚染性である。さらに、上記窒化イオウ系
化合物の側壁保護効果が極めて良好であるため、ラジカ
ル・モードで大幅なオーバーエッチングを行う際にも、
高異方性，低ダメージ性を維持することができる。

【００６６】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に好適であり、その産業上の価値
は極めて大きい。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明を多結晶シリコン・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）は多結晶シリコン層の上にレジスト
・マスクが形成された状態、（ｂ）は多結晶シリコン層
のエッチングによりゲート電極が形成された状態、
（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】本発明を多結晶シリコン・ゲート電極加工に適
用した他のプロセス例において、側壁保護膜の過剰な堆
積によりテーパー形状を有するゲート電極が形成された
状態を示す概略断面図である。

【図３】本発明をポリサイド・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）はポリサイド膜の上にレジスト・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）は多結晶シリコン層のエッチングによ
りゲート電極が形成された状態、（ｄ）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４】本発明をＳＲＡＭのビット線加工に適用したプ
ロセス例において、２層目ポリサイド膜の上にレジスト
・マスクが形成された状態を示す概略断面図である。

【図５】図４の２層目ポリサイド膜がパターニングさ
れ、残渣が形成された状態を示す概略断面図である。

【図６】図５の残渣が除去された状態を示す概略断面図
である。

【図７】図６のレジスト・マスクおよび側壁保護膜が除
去された状態を示す概略断面図である。

【図８】本発明をＳＲＡＭのビット線加工に適用したプ
ロセス例において、Ａｌ系配線材料層の上にレジスト・
マスクが形成された状態を示す概略断面図である。

【図９】図８の配線材料層がパターニングされ、残渣が
形成された状態を示す概略断面図である。

【図１０】図９の残渣が除去された状態を示す概略断面
図である。

【図１１】図１０のレジスト・マスクおよび側壁保護膜
が除去された状態を示す概略断面図である。

【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３，１３，２３，２７・・・多結晶シリコン層３ａ・・・（多結晶シリコン層によ
る）ゲート電極４，１６，３０，３５・・・レジスト・マスク５，１７，３１，３６・・・側壁保護膜１４，２４，２８・・・ＷＳｉ_x層１５ａ・・・（ポリサイド膜による）ゲ
ート電極２５・・・ワード線２６，３２・・・層間絶縁膜２９・・・２層目ポリサイド膜２９ａ・・・（２層目ポリサイド膜によ
る）ビット線２９ｂ・・・（２層目ポリサイド膜の）
残渣３４・・・Ａｌ系配線材料層３４ａ・・・（Ａｌ系配線材料層によ
る）ビット線３４ｂ・・・（Ａｌ系配線材料層の）残
渣

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁵ 識別記号庁内整理番号ＦＩ技術表示箇所Ｈ０１Ｌ 21/302 Ｇ 7353−4ＭＪ 7353−4Ｍ 21/3205 29/784 Ｈ０５Ｈ 1/18 9014−2Ｇ 8225−4ＭＨ０１Ｌ 29/78 ３０１Ｇ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】窒素系化合物と放電解離条件下でプラズ
マ中に遊離のイオウを生成し得るイオウ系化合物とを含
むエッチング・ガスを用いて基板上の被エッチング材料
層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】窒素系化合物と放電解離条件下でプラズ
マ中に遊離のイオウを生成し得るイオウ系化合物とを含
むエッチング・ガスを用いて表面に段差を有する基板上
の被エッチング材料層をエッチングする工程と、前記段差の底部に残留した前記被エッチング材料層の残
渣をラジカル反応が主体となるエッチング条件により除
去する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。