JPH06275574A

JPH06275574A - ドライエッチング方法

Info

Publication number: JPH06275574A
Application number: JP5867493A
Authority: JP
Inventors: Tetsuya Tatsumi; 哲也辰巳
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 1993-03-18
Filing date: 1993-03-18
Publication date: 1994-09-30
Anticipated expiration: 2017-08-26
Also published as: JP3319003B2

Abstract

(57)【要約】【目的】パターン側壁上に堆積する側壁付着物の除去
工程を省略することにより、下地選択性を向上させる。【構成】Ｗポリサイド膜１５の表面の反射防止膜であ
るＳｉＯＮ膜１６がエッチングされた時点でレジスト・
マスク１７を除去または消耗させ、Ｗポリサイド膜１５
はＳｉＯＮ膜パターン１６ａをマスクとしてエッチング
する。蒸気圧の低いエッチング反応生成物ＳｉＢｒ_xを
含む側壁保護膜１８の付着範囲が実質的にゲート電極１
５ａの側壁面上に限定されるため、この側壁保護膜１８
を特に除去する必要はない。このため、ゲート酸化膜１
２の除去はオーバーエッチング時の除去分に限られる。
Ａｌ系配線膜上のＳｉＯ₂層間絶縁膜にビアホールを開
口するプロセスに適用すれば、アルミ・クラウンの発生
あるいはその除去に伴う下地のＡｌ系配線膜の除去を防
止することができる。

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
パターンの側壁面上への側壁付着物の付着量を最小限に
抑えることで後工程における該側壁付着物の除去作業を
省略可能とし、これにより下地選択性を改善する方法に
関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体集積回路の集積度の増大は、ほぼ
３年で２倍のペースを堅持しており、各種微細加工に対
する技術的要求もますます厳しいものとなっている。ド
ライエッチング技術についても、高異方性，高速性，高
選択性，低ダメージ性，低汚染性といった互いに取捨選
択の関係にある諸要求を、可能な限り高いレベルで満足
させる方法論が強く望まれている。

【０００３】ところで、ドライエッチングにおいて重要
視されるエッチング特性のひとつに、異方性がある。異
方性は、プラズマ中で運動方向を制御することが可能な
イオンの入射エネルギーを利用して達成され（イオン・
アシスト機構）、通常はＲＦ電界強度の制御によりイオ
ン・シースの厚さを変化させたり、あるいは基板にバイ
アス電圧を印加すること等により調節される。このイオ
ン・アシスト機構は、エッチングが主として等方的なラ
ジカル・モードに支配されている場合には、異方性を達
成する上で不可欠の機構である。

【０００４】イオン・アシスト機構においてイオンの入
射エネルギーを増大させれば、異方性は向上し、エッチ
ング速度も上昇するが、当然のことながら選択性は低下
し、またダメージも増大する。そこで、実用的なエッチ
ング速度を損なわない範囲で異方性加工に必要な入射イ
オン・エネルギーを最低限に抑える方法として、側壁保
護の概念が従来から提唱されている。この側壁保護と
は、イオンの垂直入射が原理的に起こらないパターンの
側壁面上に蒸気圧の低いエッチング反応生成物やレジス
ト・マスクの分解生成物等を堆積させることにより、こ
の側壁面をラジカルの側方攻撃から保護し、異方性を確
保しようとする考え方である。

【０００５】たとえば、ゲート電極材料として重要なポ
リシリコン膜やタングステン（Ｗ）・ポリサイド膜のエ
ッチングにおいては、エッチング・ガスとして臭素系ガ
スが従来のＣＦＣ（クロロフルオロカーボン）系ガスに
とって替わろうとしている。かかる臭素系ガスの利用
は、ＤｉｇｅｓｔｏｆＰａｐｅｒｓ１９８９２ｎ
ｄＭｉｃｒｏＰｒｏｃｅｓｓＣｏｎｆｅｒｅｎｃ
ｅｐ．１９０において、ＨＢｒガスによるｎ⁺型ポリ
シリコン層のＲＩＥ（反応性イオン・エッチング）とし
て初めに提唱された。Ｂｒ^*（臭素ラジカル）は、自発
的にはシリコン材料層をエッチングせず、また蒸気圧の
低い反応生成物ＳｉＢｒ_xを生成してこれをパターンの
側壁面上へ堆積させるため、異方性の達成に有利であ
る。また、Ｓｉ−Ｏ結合（４６４ｋＪ／ｍｏｌｅ）＞Ｓ
ｉ−Ｂｒ結合（３６８ｋＪ／ｍｏｌｅ）という原子間結
合エネルギーの大小関係から考えて、下地の酸化シリコ
ン系材料層に対して理論的に高選択性が得られるため、
薄いゲート酸化膜上でゲート電極加工等を行うプロセス
として極めて有利である。

【０００６】本願出願人はこのＨＢｒプロセスを高融点
金属シリサイド膜にも適用するため、たとえば特開平３
−２１５９３８号公報等においてＨＢｒをフッ素系ガス
と混合したエッチング・ガスを用いる技術を開示してい
る。これは、Ｆ^*の寄与により高融点金属をフッ化物の
形で除去可能とすることにより、エッチングの高速化と
低汚染化を図ったものである。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】ところで、Ｂｒ系のエ
ッチング種を用いるシリコン系材料層のドライエッチン
グには、高選択性や高異方性の達成に寄与した反応生成
物ＳｉＢｒ_xをエッチング後に除去することが困難であ
るという問題が残されている。この問題を、Ｗポリサイ
ド・ゲート電極加工を例として、図７を参照しながら説
明する。

【０００８】図７（ａ）は、シリコン基板４１上にＳｉ
Ｏ₂からなるゲート酸化膜４２を介してＷポリサイド膜
４５およびＴｉＯＮ反射防止膜４６が順次積層され、さ
らにその上にレジスト・マスク４７が選択的に形成され
たウェハの断面を示している。上記Ｗポリサイド膜４５
は、下層側から順にポリシリコン膜４３とタングステン
・シリサイド（ＷＳｉ_x）膜４４とが積層されたもので
ある。

【０００９】いま、このＷポリサイド膜４５をＨＢｒ／
ＳＦ₆混合ガスを用いてエッチングすると、図７（ｂ）
に示されるように、垂直イオン入射の起こらないパター
ン側壁面上に側壁保護膜４８が形成され、異方性形状を
有するゲート電極４５ａが形成される。この側壁保護膜
４８には、蒸気圧の低いエッチング反応生成物ＳｉＢｒ
_xが含まれている。この段階までのゲートＳｉＯ_x膜４
２に対する選択比は、極めて高い。なお、図中、エッチ
ング終了後の各材料膜は、元の符号に添字ａを付して示
してある。

【００１０】上記側壁保護膜４８中のＳｉＢｒ_xは化学
量論的な組成を有する化合物ではなく、ウェハを大気解
放すると容易にＢｒを放出し、ＳｉＯ_xに変化してしま
う。一旦ＳｉＯ_xに変化した側壁保護膜４８は極めて除
去しにくく、レジスト・マススク４７を除去した後にも
フェンスのようにゲート電極４５ａを囲む形で残存して
しまうため、この段階で除去しなければならない。

【００１１】そこで通常は、自然酸化膜の除去に用いら
れる希フッ酸溶液中にこのウェハを浸漬し、酸化された
側壁保護膜４８を除去している。しかし、かかるウェッ
トエッチングでは、当然のことながら図７（ｃ）に示さ
れるようにゲート酸化膜４２も浸食されてしまう。特
に、近年のテバイスでは高集積化、動作の高速化を目指
してゲート酸化膜４２の厚さが１０ｎｍ以下にまで薄く
なっているので、このようなプロセスでは残膜厚の管理
が極めて困難である。

【００１２】以上、エッチング反応生成物を含む側壁保
護膜の除去にかかわる問題について述べたが、このよう
にパターンの側壁面上の付着物の除去が問題となるケー
スは、まだ他にもある。たとえば、ＳｉＯ_x層間絶縁膜
上で金属配線層のパターニングを行う場合、オーバーエ
ッチング時に下地のＳｉＯ_x層間絶縁膜がスパッタさ
れ、このスパッタ生成物がパターンの側壁面上に再付着
することがある。このスパッタ生成物はＳｉＯ_xそのも
のであり、やはり上述のようにフェンス状に残存してし
まう。

【００１３】さらに、金属配線膜上でＳｉＯ_x層間絶縁
膜にビアホールを開口する場合には、オーバーエッチン
グにより下地の金属配線膜がスパッタされ、このスパッ
タ生成物がビアホールの内壁面上に再付着する。たとえ
ば、図８（ａ）に示されるように、金属配線膜５１上の
ＳｉＯ₂層間絶縁膜５２を、レジスト・マスク５３の開
口部５４を介してエッチングする場合を考える。ＳｉＯ
₂層間絶縁膜５２のエッチングは、イオン・アシスト反
応を主体とする機構で進行する。この結果、図８（ｂ）
に示されるように異方性形状を有するビアホール５６が
形成される。しかし、入射イオン・エネルギーを高めて
いる分、オーバーエッチング時に下地の金属配線膜５１
がスパッタされる危険も大きく、金属配線膜５１のスパ
ッタ生成物がビアホール５６の側壁面上に付着し、スパ
ッタ再付着物層５５が形成される。

【００１４】上記スパッタ再付着物層５５は、図８
（ｃ）に示されるようにレジスト・マスク５３が除去さ
れた後にも、ビアホール５６の開口端から突出した状態
で残存してしまい、パーティクル・レベルや上層配線膜
のステップ・カバレッジ（段差被覆性）を劣化させる原
因となる。特に、下地の金属配線膜５１がＡｌ系材料膜
である場合、スパッタ再付着物層が上から見たときの王
冠状の外観に因んでアルミ・クラウンと称されること
は、良く知られるところである。

【００１５】このように、パターンの側壁面上に発生す
る側壁付着物は、その除去の難しさに起因して様々な問
題を引き起こす。そこで本発明は、側壁付着物に起因す
る諸問題の発生を最小限に抑えることが可能なドライエ
ッチング方法を提供することを目的とする。

【００１６】

【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、基板上のパターンの側壁面上に堆積可能なエッ
チング反応生成物および／またはスパッタ生成物を生じ
得るエッチング反応系により多層膜をエッチングする方
法であって、前記多層膜上に形成された有機材料マスク
を介して該多層膜の少なくとも最上層を構成する材料膜
のエッチングを終了した後、得られた該材料膜のパター
ンのみをマスクとして該多層膜を構成する残りの材料膜
をエッチングすることにより、パターンの側壁面上への
エッチング反応生成物および／またはスパッタ生成物の
付着量を減ずるものである。

【００１７】本発明はまた、前記有機材料マスクを、前
記多層膜の少なくとも最上層を構成する材料膜のエッチ
ングを終了した後にアッシングするものである。

【００１８】本発明はまた、前記有機材料マスクが、前
記多層膜の少なくとも最上層を構成する材料膜のエッチ
ングを終了した時点で消耗されるものである。

【００１９】本発明はまた、前記多層膜の最上層を構成
する材料膜を、下層側を構成する材料膜の見掛け上の反
射率を低減させるための反射防止膜とするものである。

【００２０】本発明はまた、前記多層膜の最上層を構成
する材料膜を、酸窒化シリコン膜とするものである。

【００２１】本発明はまた、前記多層膜を高融点金属ポ
リサイド膜とし、該多層膜の最上層を構成する材料膜を
高融点金属シリサイド膜とするものである。

【００２２】本発明はさらに、前記多層膜として、シリ
コン化合物系材料膜とシリコン系材料膜とがこの順に積
層された膜を用いるものである。

【００２３】

【作用】本発明者は、エッチング反応生成物や下地のス
パッタ生成物の発生が原理的に避けられない以上、これ
をパターン側壁面上へ可能な限り付着させない手段を講
ずる方針で検討を行った。本発明のポイントは、レジス
ト・マスクを介して多層膜のエッチングを開始し、多層
膜の少なくとも最上層を構成する材料膜がパターニング
された以降は、この材料膜のパターンをエッチング・マ
スクとして用いる点にある。

【００２４】通常の半導体プロセスでは、レジスト・マ
スクはかなり厚く形成されており、パターンの側壁面の
面積中、レジスト・マスクの側壁面が占める割合が大き
い。したがって、レジスト・マスクがエッチング途中か
ら消失すれば、エッチング反応生成物や下地のスパッタ
生成物が付着できる側壁面の面積が大幅に減少し、これ
ら生成物の付着量が減少する。これにより、側壁付着物
を除去するための希フッ酸処理等を省略することができ
る。

【００２５】なお、付着の足場を失った生成物は、最終
的には高真空排気系統を通じてエッチング反応系外へ除
去される。

【００２６】ここで、プロセス途中からエッチング・マ
スクとして利用した多層膜の少なくとも最上層を構成す
る材料膜は、一般にはレジスト・マスクよりもはるかに
薄い膜である。したがって、エッチング終了後にそのま
ま導電材料膜もしくは絶縁材料膜の一部として利用した
としても、ウェハの表面段差を大幅に増大させる懸念が
ない。つまり、この材料膜を除去する必要はないので、
側壁付着物がパターンの上方に突出することも有り得な
い。したがって、上層配線または層間絶縁膜のステップ
・カバレッジが悪化する等の問題も生じない。

【００２７】ところで、上述のプロセスを進めるために
はレジスト・マスクがプロセス途中で消失することが必
要であるが、これを実現するために２通りの方法が考え
られる。ひとつは、これは、多層膜の少なくとも最上層
を構成する材料膜のエッチングが終了した時点でアッシ
ングによりレジスト・マスクの残膜分を除去する方法、
もうひとつはこの時点でレジスト・マスクがちょうど消
耗されるよう、レジスト選択比を考慮して初めからレジ
スト・マスクを薄く形成しておく方法である。

【００２８】上記多層膜の最上層を構成する材料層がそ
の下の材料層に対する反射防止膜であれば、敢えてエッ
チング・マスクの形成用に材料膜を１層余分に積層する
必要がない。近年の微細化されたデザイン・ルールの下
では、高融点金属ポリサイド膜、Ａｌ系配線膜、Ｗ配線
膜のような光反射率の高い材料層の上でフォトリソグラ
フィを行う際に、高解像度を確保する上で反射防止膜は
ほぼ必須の要素とされている。つまり、反射防止膜とし
ての役割を終えた材料層を、エッチング・マスクとして
再度活用できるわけである。

【００２９】本発明では、かかる多層膜の最上層を構成
する材料層のひとつとして、酸窒化シリコン（ＳｉＯ
Ｎ）膜を提案する。ＳｉＯＮ膜は、エッチング特性的に
はＳｉＯ_x膜と類似しているため、ポリシリコン膜、高
融点金属ポリサイド膜、Ａｌ系配線膜、Ｗ配線膜に対す
るエッチング・マスクとして用いることができる。この
うち、ポリシリコン膜は反射防止膜を必要としないが、
他の三者についてはＳｉＯＮ膜を反射防止膜として用い
れば良い。

【００３０】高融点金属ポリサイド膜をパターニングす
る場合には、上層側の高融点金属シリサイド膜のパター
ンを下層側のポリシリコン膜のエッチング・マスクとし
て用いることもできる。これは、蒸気圧の低い高融点金
属化合物を生成させ得るエッチング・ガス系を採用する
ことにより可能となる。さらに、シリコン系材料膜の薄
いパターンをマスクとしてその下のシリコン化合物系材
料膜をエッチングすることも可能である。つまり本発明
では、下層側の材料膜に対して選択比が確保できる材料
膜を少なくとも最上層に持つ多層膜であれば、すべて同
様の原理にもとづきエッチングできるわけである。

【００３１】

【実施例】以下、本発明の具体的な実施例について説明
する。

【００３２】実施例１本実施例は、本発明をポリシリコン・ゲート電極加工に
適用し、まずポリシリコン膜の表面のＳｉＯＮ膜をｃ−
Ｃ₄Ｆ₈／ＣＨＦ₃混合ガスを用いてエッチングした
後、レジスト・マスクを除去し、ＨＢｒガスを用いてポ
リ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。

【００３３】本実施例でエッチング・サンプルとして使
用したウェハを、図１（ａ）に示す。このウェハは、シ
リコン基板上１上にＳｉＯ₂からなる厚さ約１０ｎｍの
ゲート酸化膜２、厚さ約２００ｎｍのｎ⁺型不純物を含
有するポリシリコン層３、厚さ約３０ｎｍのＳｉＯＮ膜
４が順次積層され、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５が形成されたものであ
る。

【００３４】なお、ポリシリコン層３は反射率の低い材
料であるため、本実施例における上記ＳｉＯＮ膜４は特
に反射防止膜の機能を果たすものではない。

【００３５】このウェハをＲＦバイアス印加型有磁場マ
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ＳｉＯＮ膜４をエッチングした。ｃ−Ｃ₄Ｆ₈流量５０ＳＣＣＭＣＨＦ₃流量２０ＳＣＣＭガス圧１．０Ｐａマイクロ波パワー８５０Ｗ（２．４５ＧＨ
ｚ）ＲＦバイアス・パワー３００Ｗ（８００ｋＨ
ｚ）ウェハ載置電極温度 −５０ ℃（アルコール系冷
媒使用）上記エッチングは、主としてＣＦ_x ⁺のイオン・アシス
ト反応にもとづいて異方的に進行し、図１（ｂ）に示さ
れるようにＳｉＯＮ膜パターン４ａが形成された。この
時点では、側壁保護膜はほとんど形成されていない。

【００３６】次に、上記ウェハをマイクロ波プラズマ・
アッシング装置に移送し、一例として下記の条件でアッ
シングを行った。Ｏ₂流量１００ＳＣＣＭガス圧３．０Ｐａマイクロ波パワー８５０Ｗ（２．４５ＧＨ
ｚ）ＲＦパワー０Ｗウェハ載置電極温度３０ ℃（水冷）このアッシングにより、図１（ｃ）に示されるようにレ
ジスト・マスク５が除去され、ポリシリコン膜３上にＳ
ｉＯＮ膜パターン４ａが残された状態となった。

【００３７】次に、ウェハをＲＦバイアス印加型有磁場
マイクロ波プラズマ・エッチング装置に移送し、一例と
して下記の条件で上記ポリシリコン膜３をエッチングし
た。ＨＢｒ流量５０ＳＣＣＭガス圧１．０Ｐａマイクロ波パワー８５０Ｗ（２．４５ＧＨ
ｚ）ＲＦバイアス・パワー２０Ｗ（２ＭＨｚ）ウェハ載置電極温度０ ℃（アルコール系冷
媒使用）このエッチング反応系ではＢｒ^*が主エッチング種であ
るため、ポリシリコン膜３がＳｉＢｒ_xの形で除去され
る。このとき、ＳｉＯ_x系材料とほぼ同等のエッチング
特性を有するＳｉＯＮ膜パターン４ａ、および下地のゲ
ート酸化膜２に対しては、高い選択性が達成される。エ
ッチング反応生成物である上記ＳｉＢｒ _xは蒸気圧が低
く、パターン側壁面上に堆積して図１（ｄ）に示される
ような側壁保護膜６を形成した。なお、ここでは上記側
壁保護膜６を図示の都合上厚く描いているが、実際には
極めて薄い膜である。

【００３８】本プロセスではレジスト・マスク５が既に
除去され、パターン側壁面の面積が減少しているため、
側壁保護膜６の形成範囲もほぼゲート電極３ａの側壁面
上に限定されている。ＳｉＯＮ膜パターン４ａは除去す
る必要がないので、結局、側壁保護膜６を残したままに
しておいてもこれがパターン側壁面から突出する虞れが
ない。また、側壁保護膜６の除去が不要となることで、
ゲート酸化膜２の膜厚がこの時点における膜厚以下に減
少することもない。

【００３９】以降の工程では、この状態のまま常法にし
たがってソース／ドレイン領域形成のためのイオン注
入、サイドウォール形成、層間絶縁膜による被覆等を行
えば良い。

【００４０】実施例２本実施例は、本発明をＷポリサイド・ゲート電極加工に
適用し、まずＷポリサイド膜の表面の反射防止膜である
ＳｉＯＮ膜をエッチングした後、レジスト・マスクを除
去し、続いてＷポリサイド膜のエッチングをＣｌ₂／Ｏ
₂混合ガスによるジャストエッチングとＨＢｒ／Ｏ₂混
合ガスによるオーバーエッチングの２段階プロセスによ
り行った例である。このプロセスを、図２を参照しなが
ら説明する。

【００４１】本実施例でエッチング・サンプルとして使
用したウェハを、図２（ａ）に示す。このウェハは、シ
リコン基板上１１上にＳｉＯ₂からなる厚さ約１０ｎｍ
のゲート酸化膜１２、厚さ約２００ｎｍのＷポリサイド
膜１５、および反射防止膜として厚さ約２０ｎｍのＳｉ
ＯＮ膜１６が順次積層され、さらにこの上にレジスト・
マスク１７が形成されたものである。上記Ｗ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ポリ
シリコン膜１３とＷＳｉ_x膜１４とが積層されたもので
ある。

【００４２】このウェハをＲＦバイアス印加型有磁場マ
イクロ波プラズマ・エッチング装置にセットし、実施例
１と同じ条件でＳｉＯＮ膜１６をエッチングし、図２
（ｂ）に示されるようにＳｉＯＮ膜パターン１６ａを形
成した。さらに、実施例１と同じ条件でアッシングを行
い、図２（ｃ）に示されるようにレジスト・マスク１７
を除去した。

【００４３】次に、一例として下記の条件にしたがい、
上記ＳｉＯＮ膜パターン１６ａをマスクとしてＷポリサ
イド膜１５をジャストエッチングした。Ｃｌ₂流量７４ＳＣＣＭＯ₂流量６ＳＣＣＭガス圧０．４Ｐａマイクロ波パワー８５０Ｗ（２．４５ＧＨ
ｚ）ＲＦバイアス・パワー３０Ｗ（２ＭＨｚ）ウェハ載置電極温度３０ ℃（水冷）

【００４４】このエッチング反応系で主エッチング種と
してＢｒ^*ではなくＣｌ^*を用いたのは、ＷＳｉ_x膜１
４のエッチング中に蒸気圧の低いＷＢｒ_xを大量に生成
させないためである。ＳｉＯＮ膜パターン１６ａやゲー
ト酸化膜１２に対しては、高選択性が維持された。上記
ガス系により、Ｗポリサイド膜１５はＷＣｌ_xＯ_y，Ｓ
ｉＯ_xＣｌ_y等の形で除去され、図２（ｄ）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。なお、図中、エッチング後の各材料層は、もとの符
号に添字ａを付して表してある。

【００４５】上記ジャストエッチングは、下地のゲート
酸化膜１２が露出し始めた時点で終了した。

【００４６】次に、Ｗポリサイド膜１５の残余部を除去
するために、一例として下記の条件でオーバーエッチン
グを行った。ＨＢｒ流量１２０ＳＣＣＭＯ₂流量４ＳＣＣＭガス圧０．６Ｐａマイクロ波パワー８５０Ｗ（２．４５ＧＨ
ｚ）ＲＦバイアス・パワー２０Ｗ（２ＭＨｚ）ウェハ載置電極温度３０ ℃（水冷）一般に、ポリサイド膜のエッチングにおいては、エッチ
ング特性の異なる２種類の材料層の双方に対して異方性
を確保するという難題を克服する必要があり、特にポリ
シリコン膜へのアンダカット等の発生を防止することが
重要である。上記のエッチング条件では、エッチング種
としてＢｒ^*を使用したこと、ＲＦバイアス・パワーを
低減したこと等の効果により、高異方性・高選択エッチ
ングを行うことができた。

【００４７】またこのエッチング過程では、エッチング
反応生成物ＳｉＯ_xＢｒ_yが生成して側壁保護膜１８が
形成されるが、その形成範囲は限定されており、後処理
により除去する必要もなかった。したがって、ゲート酸
化膜１２の膜厚減少も、このオーバーエッチング時のス
パッタ除去分に限定され、残膜厚管理は極めて容易とな
った。

【００４８】実施例３本実施例では、表面に反射防止膜を持たないＷポリサイ
ド膜のエッチングにおいて、上層側のＷＳｉ_x膜をＳＦ
₆／ＨＢｒ混合ガスを用いてエッチングしたところでレ
ジスト・マスクを除去し、以降はＷＳｉ_xパターンをマ
スクとして下層側のポリシリコン膜をＨＢｒガスを用い
て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。なお、図３の参照符号は、図２と
共通である。

【００４９】なお、Ｗポリサイド膜を上記のガス系によ
り２段階エッチングする技術は、本願出願人が先に特開
平３−２１５９３８号公報において開示したものであ
り、ＷＳｉ_x膜の高速・低汚染エッチングとポリシリコ
ン膜の高選択・高異方性エッチングとを達成することが
できる。

【００５０】本実施例でエッチング・サンプルとして用
いたウェハを、図３（ａ）に示す。このウェハは、前出
の図２（ａ）に示したウェハからＳｉＯＮ膜１６を省略
したものに相当する。まず、この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ＷＳｉ_x膜１４をエッチングした。

【００５１】ＳＦ₆流量３０ＳＣＣＭＨＢｒ流量２０ＳＣＣＭガス圧０．５Ｐａマイクロ波パワー８５０Ｗ（２．４５ＧＨ
ｚ）ＲＦバイアス・パワー３０Ｗ（２ＭＨｚ）ウェハ載置電極温度 −３０ ℃（アルコール系冷
媒使用）このエッチングにより、図３（ｂ）に示されるように、
異方性形状を有するＷＳｉ_x膜パターン１４ａが形成さ
れた。

【００５２】なお、この段階ではＦ^*を主エッチング種
として用いることにより、ＳｉＢｒ _x系の側壁保護膜の
生成量は最低限に抑えてある。

【００５３】次に、一例として下記の条件でレジスト・
マスク１７をアッシングした。Ｏ₂流量１００ＳＣＣＭガス圧０．５Ｐａマイクロ波パワー８５０Ｗ（２．４５ＧＨ
ｚ）ＲＦバイアス・パワー０Ｗウェハ載置電極温度 −３０ ℃（アルコール系冷
媒使用）この結果、ウェハは図３（ｃ）に示されるように、ポリ
シリコン膜１３上にＷＳｉ_x膜パターン１４ａが残され
た状態となった。

【００５４】次に、上記ＷＳｉ_x膜パターン１４ａをエ
ッチング・マスクとして用い、一例として下記の条件で
ポリシリコン膜１３をエッチングした。ＨＢｒ流量１２０ＳＣＣＭガス圧０．５Ｐａマイクロ波パワー８５０Ｗ（２．４５ＧＨ
ｚ）ＲＦバイアス・パワー１５Ｗ（２ＭＨｚ）ウェハ載置電極温度 −３０ ℃（アルコール系冷
媒使用）この過程でＷＳｉ_x膜パターン１４ａがエッチング・マ
スクとして機能し得るのは、Ｗの臭化物が形成されたと
しても該臭化物の蒸気圧がかかるウェハ冷却条件下で非
常に低くて脱離に適さず、また、入射イオン・エネルギ
ーが低減されているためにスパッタリングもほとんど起
こらないからである。

【００５５】ここでは、図３（ｄ）に示されるようにＳ
ｉＢｒ_x系の側壁保護膜１８が形成され、異方性形状を
有するゲート電極１５ａが形成された。下地のゲート酸
化膜１２に対しても高選択性が達成された。

【００５６】実施例４本実施例では、実施例３と同様のＷポリサイド膜の加工
において、レジスト・マスクを予め薄く形成し、ＷＳｉ
_x膜のエッチングが終了した時点でちょうどレジスト・
マスクも消耗されるようなエッチング条件を設定するこ
とにより、アッシングの工程を省略した。このプロセス
を、図４を参照しながら説明する。

【００５７】本実施例でエッチング・サンプルとして用
いたウェハは、図４（ａ）に示されるように、Ｗポリサ
イド膜１５の上に厚さ約５０ｎｍのレジスト・マスク１
７が形成されたものである。この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
以下の条件でＷＳｉ_x膜１４をエッチングした。

【００５８】Ｃｌ₂流量７０ＳＣＣＭＯ₂流量２０ＳＣＣＭガス圧０．４Ｐａマイクロ波パワー８５０Ｗ（２．４５ＧＨ
ｚ）ＲＦバイアス・パワー５０Ｗ（２ＭＨｚ）ウェハ載置電極温度０ ℃（水冷）

【００５９】ここでは、Ｏ₂添加と比較的高いバイアス
条件の採用によりレジスト選択性を意図的に低減させ、
レジスト・マスク１７のＷＳｉ_x膜１４に対する選択比
を約０．５となるように調整した。したがって、エッチ
ングの途中段階では、図４（ｂ）に示されるようにＷＳ
ｉ_x膜１４の減少と共にレジスト・マスク１７の膜厚も
減少した。最終的には、図４（ｃ）に示されるように、
ＷＳｉ_x膜パターン１４ａが形成されたところでレジス
ト・マスク１７も消失した。

【００６０】以降のポリシリコン膜１３のエッチングに
ついては、実施例３で上述したとおりである。

【００６１】実施例５本実施例は、本発明をＡｌ系配線加工に適用したプロセ
ス例であり、表面に反射防止膜を有するＡｌ系配線層を
エッチングする際に、途中でレジスト・マスクを除去す
ることにより、下地のＳｉＯ₂層間絶縁膜に由来するス
パッタ生成物の再付着領域を制限した例である。このプ
ロセスを、図５を参照しながら説明する。

【００６２】本実施例でエッチング・サンプルとして用
いたウェハを図５（ａ）に示す。このウェハは、ＳｉＯ
₂層間絶縁膜２１上にＡｌ系配線膜２２とＳｉＯＮ膜２
３が順次積層され、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２４が形成されたものである。
ここで、図５（ａ）には上記Ａｌ系配線膜２２を単層膜
のように図示しているが、これは実際にＡｌ−１％Ｓｉ
膜等の単層膜であっても、あるいはチタン系バリヤメタ
ルとＡｌ−１％Ｓｉ膜とが積層された多層膜であっても
良い。また、本実施例におけるＳｉＯＮ膜２３の役割
は、反射防止膜である。

【００６３】この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、まず実施例１と同じ条件で
ＳｉＯＮ膜２３をエッチングした。この結果、図５
（ｂ）に示されるように、ＳｉＯＮ膜パターン２３ａが
形成された。次に、実施例１と同じ条件でレジスト・マ
スク２４をアッシングした。この結果、図５（ｃ）に示
されるように、Ａｌ系配線膜２２上にＳｉＯＮ膜パター
ン２３ａが残った状態となった。

【００６４】次に、一例として下記の条件によりＡｌ系
配線膜２２をエッチングした。ＢＣｌ₃流量６０ＳＣＣＭＣｌ₂流量９０ＳＣＣＭガス圧２．０Ｐａマイクロ波パワー８５０Ｗ（２．４５ＧＨ
ｚ）ＲＦバイアス・パワー５０Ｗ（２ＭＨｚ）ウェハ載置電極温度４０ ℃（水冷）このエッチング過程では、ＢＣｌ₃の還元作用によりＡ
ｌの酸化が防止されながら、Ａｌ系配線膜２２がＡｌＣ
ｌ_x等の形で除去され、図５（ｄ）に示されるように、
異方性形状を有するＡｌ系配線膜パターン２２ａが形成
された。また、ＡｌＣｌ_xのうち蒸気圧の低い一部の化
合物がパターン側壁面に堆積し、側壁保護膜２５を形成
した。

【００６５】なお、下地のＳｉＯ₂層間絶縁膜２１が露
出した時点で若干のＳｉＯ₂がスパッタアウトされた
が、予めレジスト・マスク２４が除去されているために
その付着範囲はほぼＡｌ系配線膜パターン２２ａの側壁
面に限定され、何ら除去する必要はなかった。

【００６６】なお、一般にＡｌ系配線膜のエッチングで
は残留塩素に起因するアフターコロージョンの防止が重
要課題である。通常のプロセスでは、エッチング終了後
にレジスト・マスクに大量の残留塩素が吸蔵され易く、
また側壁保護膜にも相当量の塩素が残留する。しかし、
本プロセスでは、塩素系ガスによるエッチング開始前に
既にレジスト・マスク２４が除去されており、また側壁
保護膜２５の生成量も少ない。したがって本実施例のプ
ロセスは、アフターコロージョン防止の観点からも極め
て優れている。

【００６７】実施例６本実施例は、本発明をＷ配線加工に適用したプロセス例
であり、表面に反射防止膜を有するＷ配線層をエッチン
グする際に、途中でレジスト・マスクを除去することに
より、下地のＳｉＯ₂層間絶縁膜に由来するスパッタ生
成物の再付着領域を制限した例である。本実施例のプロ
セスの考え方は、前述の実施例５とほぼ同じなので、本
実施例の説明は同じく図５を参照しながら行う。ただ
し、前述のＡｌ系配線膜２２に替えてＷ配線膜２６を用
いた。

【００６８】まず、図５（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、ま
ず実施例１と同じ条件でＳｉＯＮ膜２３をエッチングし
た。この結果、図５（ｂ）に示されるように、ＳｉＯＮ
膜パターン２３ａが形成された。次に、実施例１と同じ
条件でレジスト・マスク２４をアッシングした。この結
果、図５（ｃ）に示されるように、Ｗ配線膜２６上にＳ
ｉＯＮ膜パターン２３ａが残った状態となった。

【００６９】次に、一例として下記の条件によりＷ配線
膜２６をエッチングした。ＳＦ₆流量５０ＳＣＣＭＣｌ₂流量２０ＳＣＣＭガス圧１．０Ｐａマイクロ波パワー８５０Ｗ（２．４５ＧＨ
ｚ）ＲＦバイアス・パワー４０Ｗ（２ＭＨｚ）ウェハ載置電極温度２０ ℃（水冷）このエッチング過程では、図５（ｄ）に示されるよう
に、異方性形状を有するＷ配線膜パターン２６ａが形成
された。この場合の側壁保護膜は、ＷＣｌ_xのうち蒸気
圧の低い化合物の一部、およびＳｉＯ₂層間絶縁膜２１
のスパッタ生成物により構成される。しかし、これらは
ほぼＷ配線膜パターン２６ａの側壁面上にのみ形成され
るため、後工程に何ら悪影響を与えることはなかった。

【００７０】実施例７本実施例は、本発明をビアホール加工に適用したプロセ
ス例であり、表面にポリシリコン膜を有するＳｉＯ₂層
間絶縁膜をエッチングする際に、途中でレジスト・マス
クを除去することにより、下地のＡｌ系配線膜のスパッ
タ生成物の再付着領域を制限し、いわゆるＡｌクラウン
の発生を抑制したものである。このプロセスを、図６を
参照しながら説明する。

【００７１】本実施例においてエッチング・サンプルと
して用いたウェハを、図６（ａ）に示す。このウェハ
は、Ａｌ系配線膜３１上にＳｉＯ₂層間絶縁膜３２とポ
リシリコン膜３３が順次積層され、さらにこの上にレジ
スト・マスク３４が形成されたものである。上記レジス
ト・マスク３４には、ビアホールの開口位置に開口部３
５が形成されている。なお、上記ポリシリコン膜３３は
反射防止膜ではない。また、Ａｌ系配線膜３１は図６
（ａ）では単層膜のように描かれているが、表面に反射
防止膜が形成されたものであっても良い。

【００７２】この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ポ
リシリコン膜３３をエッチングした。ＨＢｒ流量５０ＳＣＣＭガス圧１．０Ｐａマイクロ波パワー８５０Ｗ（２．４５ＧＨ
ｚ）ＲＦバイアス・パワー２０Ｗ（２ＭＨｚ）ウェハ載置電極温度０ ℃（アルコール系冷
媒使用）これにより、図６（ｂ）に示されるようにポリシリコン
膜パターン３３ａが形成された。

【００７３】次に、実施例１と同じ条件でレジスト・マ
スク３４をアッシングし、図６（ｃ）に示されるよう
に、ＳｉＯ₂層間絶縁膜３２上にポリシリコン膜パター
ン３３ａのみを残した状態とした。さらに、一例として
以下の条件でＳｉＯ₂層間絶縁膜３２をエッチングし
た。ｃ−Ｃ₄Ｆ₈流量１５ＳＣＣＭＣＨ₂Ｆ₂流量１０ＳＣＣＭガス圧２．０Ｐａマイクロ波パワー１０００Ｗ（２．４５ＧＨ
ｚ）ＲＦバイアス・パワー３００Ｗ（８００ｋＨ
ｚ）ウェハ載置電極温度 −５０ ℃（アルコール系冷
媒使用）このエッチング過程により、異方性形状を有するビアホ
ール３６が形成された。なお、下地のＡｌ系配線膜３１
が露出した時点で若干のＡｌがスパッタアウトされ、ス
パッタ再付着物層３７が形成されたが、これは決してビ
アホール３７の開口端より突出することはない。したが
って、いわゆるＡｌクラウンは発生せず、上層配線膜に
よる上記ビアホール３７の埋め込みにも何ら支障を来す
ことはなかった。

【００７４】以上、本発明を７例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、たとえばウェハの構成、エッチング条
件、エッチング装置の種類等が適宜変更可能であること
は言うまでもない。

【００７５】

【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、エッチングの途中
で膜厚の大きいレジスト・マスクを除去もしくは消耗さ
せ、蒸気圧の低いエッチング反応生成物や下地材料膜の
スパッタ生成物の付着範囲を実質的に本来の回路パター
ンの側壁面上のみに制限することにより、これら側壁付
着物の除去工程を省略することが可能となる。したがっ
て、半導体デバイスの歩留りや信頼性を格段に向上させ
ることが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明をポリシリコン・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）はゲート酸化膜上にポリシリコン膜、
ＳｉＯＮ膜、レジスト・マスクが順次形成された状態、
（ｂ）はエッチングによりＳｉＯＮ膜パターンが形成さ
れた状態、（ｃ）はレジスト・マスクがアッシングされ
た状態、（ｄ）はＳｉＯＮ膜パターンをマスクとしてポ
リシリコン膜がエッチングされ、ゲート電極が形成され
た状態をそれぞれ表す。

【図２】本発明をＷ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）はゲート酸化膜上にＷポリサイド膜、
ＳｉＯＮ膜、レジスト・マスクが順次形成された状態、
（ｂ）はエッチングによりＳｉＯＮ膜パターンが形成さ
れた状態、（ｃ）はレジスト・マスクがアッシングされ
た状態、（ｄ）はＳｉＯＮ膜パターンをマスクとしてＷ
ポリサイド膜がエッチングされ、ゲート電極が形成され
た状態をそれぞれ表す。

【図３】本発明をＷポリサイド・ゲート電極加工に適用
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）はゲート酸化膜上にＷポリサイド
膜とレジスト・マスクが順次形成された状態、（ｂ）は
エッチングによりＷＳｉ _x膜パターンが形成された状
態、（ｃ）はレジスト・マスクがアッシングされた状
態、（ｄ）はＷＳｉ_x膜パターンをマスクとしてポリシ
リコン膜がエッチングされ、ゲート電極が形成された状
態をそれぞれ表す。

【図４】本発明をＷポリサイド・ゲート電極加工に適用
したさらに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）はゲート酸化膜上にＷポリ
サイド膜と薄いレジスト・マスクが順次形成された状
態、（ｂ）はＷＳｉ_x膜のエッチングの途中状態、
（ｃ）はＷＳｉ_x膜パターンの完成とほぼ同時にレジス
ト・マスクが消失した状態をそれぞれ表す。

【図５】本発明をＡｌ系配線またはＷ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ＳｉＯ₂層間絶縁膜上にＡｌ系配線膜
またはＷ配線膜、ＳｉＯＮ膜、レジスト・マスクが順次
形成された状態、（ｂ）はエッチングによりＳｉＯＮ膜
パターンが形成された状態、（ｃ）はレジスト・マスク
がアッシングされた状態、（ｄ）はＳｉＯＮ膜パターン
をマスクとしたエッチングによりＡｌ系配線膜パターン
またはＷ配線膜パターンが形成された状態をそれぞれ表
す。

【図６】本発明をビアホール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系配線膜上にＳｉＯ₂層間絶縁膜、ポリシ
リコン膜、レジスト・マスクが順次形成された状態、
（ｂ）はエッチングによりポリシリコン膜パターンが形
成された状態、（ｃ）はレジスト・マスクがアッシング
された状態、（ｄ）ポリシリコン膜パターンをマスクと
したエッチングによりビアホールが形成された状態をそ
れぞれ表す。

【図７】従来のポリサイド・ゲート電極加工の問題点を
説明するための概略断面図であり、（ａ）はシリコン基
板上にゲート酸化膜、Ｗポリサイド膜、ＴｉＯＮ反射防
止膜、レジスト・マスクが順次形成された状態、（ｂ）
はポリサイド・ゲート電極が形成された状態、（ｃ）は
側壁保護膜の除去に伴ってゲート酸化膜が浸触された状
態をそれぞれ表す。

【図８】従来のビアホール加工の問題点を説明するため
の概略断面図であり、（ａ）は金属配線膜上にＳｉＯ₂
層間絶縁膜とレジスト・マスクが順次形成された状態、
（ｂ）はビアホールが開口された状態、（ｃ）は下地の
金属配線膜に由来するスパッタ再付着物層がビアホール
の開口端から突出した状態をそれぞれ表す。

【符号の説明】

１，１１・・・シリコン基板２，１２・・・ゲート酸化膜３，１３，３３・・・ポリシリコン膜３ａ・・・（ポリシリコン）ゲート電
極４，１６，２３・・・ＳｉＯＮ膜５，１７，２４，３４・・・レジスト・マスク６，１８，２５・・・側壁保護膜１４・・・ＷＳｉ_x膜１５・・・Ｗポリサイド膜１５ａ・・・（ポリサイド）ゲート電極２１，３２・・・ＳｉＯ₂層間絶縁膜２２，３１・・・Ａｌ系配線膜２２ａ・・・Ａｌ系配線膜パターン２６・・・Ｗ配線膜２６ａ・・・Ｗ配線膜ターン３６・・・ビアホール３７・・・スパッタ再付着物層

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】基板上のパターンの側壁面上に堆積可能
なエッチング反応生成物および／またはスパッタ生成物
を生じ得るエッチング反応系により多層膜をエッチング
するドライエッチング方法において、前記多層膜上に形成された有機材料マスクを介して該多
層膜の少なくとも最上層を構成する材料膜のエッチング
を終了した後、得られた該材料膜のパターンのみをマス
クとして該多層膜を構成する残りの材料膜をエッチング
することにより、パターンの側壁面上へのエッチング反
応生成物および／またはスパッタ生成物の付着量を減ず
ることを特徴とするドライエッチング方法。
【請求項２】前記有機材料マスクは、前記多層膜の少
なくとも最上層を構成する材料膜のエッチングを終了し
た後にアッシングされる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】前記有機材料マスクは、前記多層膜の少
なくとも最上層を構成する材料膜のエッチングを終了し
た時点で消耗される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４】前記多層膜の最上層を構成する材料膜
は、下層側を構成する材料膜の見掛け上の反射率を低減
させるための反射防止膜であることを特徴とする請求項
１ないし請求項３のいずれか１項に記載のドライエッチ
ング方法。
【請求項５】前記多層膜の最上層を構成する材料膜
が、酸窒化シリコン膜であることを特徴とする請求項１
ないし請求項４のいずれか１項に記載のドライエッチン
グ方法。
【請求項６】前記多層膜が高融点金属ポリサイド膜で
あり、該多層膜の最上層を構成する材料膜が高融点金属
シリサイド膜であることを特徴とする請求項１ないし請
求項３のいずれか１項に記載のドライエッチング方法。
【請求項７】前記多層膜は、シリコン化合物系材料膜
とシリコン系材料膜とがこの順に積層されたものである
ことを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１
項に記載のドライエッチング方法。