JPH07254606A - 半導体装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 高融点導電膜と多結晶シリコン膜との積層構
造を有する配線又は電極を具備する半導体装置の製造方
法に際し、パターンの疎密に依存せずに、高融点導電膜
を多結晶シリコン膜に対し選択的かつ高精度にエッチン
グする方法を提供する。 【構成】 基板（６０）上に多結晶シリコン膜（６
２）、及び高融点導電膜（６３、６４）を順次成膜した
後、シリコン又は金属の酸化物又は窒化物から構成され
るマスクパターン（６５）を形成する。このマスクパタ
ーンをエッチングマスクとして用いて、フッ素原子及び
塩素原子の少なくとも一方を含むガスと酸素原子を含む
ガスとを含むもので、同等の酸素原子数となるように前
記酸素原子を含むガスを酸素（Ｏ₂ ）ガスに換算した場
合、その換算ガス量の全ガス量に対す割合が５０〜８０
体積％となる反応性ガスをエッチングガスとして用いて
高融点導電膜をエッチングする工程を具備する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、多結晶シリコン膜と、
高融点材料膜との積層構造からなる配線、または電極等
の導電性パターンを具備する半導体装置の製造方法に関
する。

【０００２】

【従来の技術】近年、半導体デバイスの高集積化及び高
速化に対する要求が高まりつつある。これらの要求を実
現するために、素子間および素子寸法の縮小化、微細化
が進められる一方、内部配線材料の低抵抗化などが検討
されている。

【０００３】とりわけＲＣ遅延が顕著に現れるワード線
では、低抵抗化が大きな課題となっている。そこで、最
近ではワード線の低抵抗化を図るため、多結晶シリコン
膜と金属シリサイド膜との２層構造からなるポリサイド
ゲートが広く採用されている。高融点金属のシリサイド
膜は、多結晶シリコン膜に比べて抵抗が約１桁低く、か
つ耐酸化性に優れているので、低抵抗配線の材料として
有望である。なお、シリサイドとしては、タングステン
シリサイド（ＷＳｉ_x ）が最も広く使用されている。

【０００４】しかしながら、０．２５μｍ以下の微細な
配線幅に対応するためには、さらに配線の低抵抗化を図
って遅延時間を短縮することが求められている。ポリサ
イド構造を用いてシート抵抗１Ω／□以下の低い抵抗を
有するゲート電極を実現するためには、シリサイド層の
膜厚を厚くしなければならないので、ゲート電極のアス
ペクト比が非常に大きくなってしまう。その結果、ゲー
ト電極パターンの加工や電極上の層間絶縁膜の形成が難
しくなるため、電極のアスペクト比を大きくすることな
く、低いシート抵抗を達成することが要求されている。

【０００５】そこで最近では、金属シリサイドよりも比
抵抗値の低い材料である高融点金属膜を多結晶シリコン
膜上に積層したポリメタル構造が注目されている。この
ポリメタル構造によると、例えば、タングステンの比抵
抗はＷＳｉ_x に比べ約１桁小さいので、ＲＣ遅延を大幅
に短縮することが可能である。

【０００６】０．２５μｍ以下の幅の配線あるいは電極
としてポリメタル構造を採用するためには、さらに高精
度なパターン形成技術が必要とされる。ポリメタル構造
を有するゲート電極を形成する場合には、エッチングマ
スクに対して高融点金属膜および多結晶シリコン膜を異
方性かつ選択的に加工し、下地の薄いゲート酸化膜に対
して高い選択比で多結晶シリコン膜をエッチングしなけ
ればならない。これに加えて、多結晶シリコン膜に対し
て選択的に高融点金属膜をエッチングすることが要求さ
れる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】前述のように、高精度
のパターンを形成するためには、下層にある多結晶シリ
コン膜に対して高い選択性を有し、かつ垂直に高融点金
属膜をエッチングする技術が必要である。しかしなが
ら、現在用いられているエッチング技術では、多結晶シ
リコン膜に対し高融点金属膜を選択的にエッチングする
ことができないために、高融点金属膜をエッチングする
段階で、下層にある多結晶シリコン膜が大幅に削られて
しまい、最悪の場合にはシリコン基板までエッチングさ
れることになる。このような状況では、０．２５μｍ以
下の配線幅を必要とする微細なパターン形成は不可能と
なってしまう。

【０００８】シリコン酸化膜上に形成されたモリブデン
（Ｍｏ）またはモリブデンシリサイド（ＭｏＳｉ₂ ）を
選択的にエッチングするために、エッチングガスとして
四塩化炭素（ＣＣｌ₄ ）と酸素との混合ガスを用いるこ
とが提案されている（Ｊ．Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍ．Ｓ
ｏｃ．，１３１，２３２５（１９８４））。しかしなが
ら、この文献では、多結晶シリコン膜上に形成された高
融点金属膜を選択的にエッチングすることについては触
れられていない。

【０００９】また、多結晶シリコン膜上に形成されたモ
リブデン膜をエッチングする際に、エッチングガスとし
てＣＣｌ₄ と酸素との混合ガスを用い、る方法が提案さ
れている（１９８５年春季第３２回応用物理学関係連合
講演会３０ｐ−Ｋ−３）。しかし、ＣＣｌ₄ と酸素との
混合ガスを用い、レジストをマスクとして多結晶シリコ
ン膜上のモリブデン膜をエッチングした場合には、次の
問題が生ずることが本発明者らにより確認された。すな
わち、異なる寸法を有するパターン間での多結晶シリコ
ン膜のエッチング速度の均一性は悪くなり、このため、
多結晶シリコン膜が深くエッチングされる個所が現れ、
場合によっては、下地の基板がエッチングされてしま
う。したがって、この方法は微細なパターンを形成する
には適していない。

【００１０】そこで、本発明は、高融点金属膜と多結晶
シリコン膜との積層構造からなる配線または電極等の導
電性パターンを形成するにあたって、下地である多結晶
シリコン膜に対し高い選択比で高融点金属膜をエッチン
グすることができ、かつ異なる間隔を有するパターン間
においてもエッチング速度の均一性に優れたエッチング
方法を提供することを目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明は、基板上に多結晶シリコン膜を成膜する工
程、前記多結晶シリコン膜上に、高融点金属およびその
化合物の少なくとも１つからなる高融点導電膜を成膜す
る工程、前記高融点導電膜の上に、シリコンまたは金属
の、酸化物または窒化物からなるマスクパターンを形成
する工程、前記基板を収容する真空容器内に、フッ素原
子および塩素原子の少なくとも一方を含むガスと酸素原
子を含むガスとを含むもので、同等の酸素原子数となる
ように前記酸素原子を含むガスを酸素（Ｏ₂ ）ガスに換
算した場合、その換算ガス量の全ガス量に対する割合
が、５０ないし８０体積％となる反応性ガスを導入する
とともに、放電を誘起してプラズマを生成し、前記マス
クパターンをエッチングマスクとして用いて高融点導電
膜をエッチング処理し、高融点導電性パターンを形成す
る工程、および、前記マスクパターンをエッチングマス
クとして用いて前記多結晶シリコン膜をエッチング処理
し、多結晶シリコン膜と高融点導電膜との積層構造を有
する導電性パターンを得る工程を具備することを特徴と
する半導体装置の製造方法を提供する。

【００１２】本発明の半導体装置の製造方法において、
配線および電極等の導電性パターンを構成する多結晶シ
リコン膜は、ボロン（Ｂ）、リン（Ｐ）等の不純物を添
加したものである。

【００１３】高融点金属としては、タングステンおよび
モリブデン等が挙げられる。さらに、これらの合金およ
び窒化物等を使用してもよい。また、高融点金属または
この化合物からなる高融点導電膜をエッチングするため
のエッチングマスクの材料として用いられる金属として
は、アルミニウム及び高融点金属、例えば、チタン、ハ
フニウム、ジルコニウム、クロム等が挙げられる。

【００１４】高融点導電膜をエッチングする際に用いら
れるフッ素原子および塩素原子の少なくとも一方を含む
ガスとしては、ＳＦ₆ 、Ｃｌ₂ 、ＣＦ₄ 、およびＣＣｌ
₄ 等が挙げられ、これらのガスは混合ガスとして使用し
てもよい。また、酸素原子を含むガスとしては、Ｏ₂ 以
外にも、一酸化窒素（ＮＯ）、亜酸化窒素（ＮＯ₂ ）、
オゾン（Ｏ₃ ）等を使用することができる。同等の酸素
原子数となるように酸素原子を含むガスを酸素（Ｏ₂ ）
ガスに換算した場合、その換算ガス量の全ガス量に対す
る割合が５０体積％以上８０体積％以下であり、この割
合となるように、ガスの種類に応じて流量を選択する。
なお、選択比およびエッチング形状の点から、前記割合
は、好ましくは６０体積％以上７０体積％以下である。

【００１５】また、導電性パターン間の間隔は、任意の
値に設定することができるが、０．５μｍ、特に０．２
５μｍ以下となる場合であっても、本発明を有効に適用
可能である。

【００１６】さらに、上記導電性パターン間の間隔のア
スペクト比についても、通常は１以下の値とされること
が多いが、１以上となる場合であっても、本発明は適用
可能である。

【００１７】なお、本発明の製造方法で用いられるエッ
チング方法としては、異方性エッチングが可能な方法で
あれば、任意のものを使用することができる。例えば、
反応性イオンエッチング、ＥＣＲエッチング、マグネト
ロンエッチング、誘導結合型プラズマエッチング等が挙
げられる。

【００１８】

【作用】本発明の半導体装置の製造方法においては、エ
ッチングガスとして、フッ素および塩素の少なくとも一
方を含むガスと、酸素を含むガスとから構成される反応
性ガスを用い、同等の酸素原子数となるように酸素原子
を含むガスを酸素（Ｏ₂）ガスに換算した場合、その換
算ガス量の全ガス量に対する割合が、５０体積％以上８
０体積％以下の範囲となるように規定している。

【００１９】本発明者らは、このような割合で酸素を含
有するガスを用いて多結晶シリコン膜および高融点導電
膜をエッチングした際に、次のような現象が生じること
を見出だした。本発明は、以下のような知見のもとにな
されたものである。

【００２０】すなわち、上記エッチングガスを用いて多
結晶シリコン膜のエッチングを行なった場合には、多結
晶シリコン膜の表面が酸化されるとともに、シリコンの
エッチング生成物（ＳｉＣｌ_x 等）が酸素と反応してシ
リコン酸化物が生成する。このようなシリコン酸化物
は、多結晶シリコン膜の表面に堆積して、多結晶シリコ
ン膜のエッチングを抑制するので、多結晶シリコン膜の
エッチング速度は急激に低下する。一方、同様のガスを
用いて高融点金属であるタングステンやモリブデン等か
らなる膜をエッチングした場合には、これらの金属のハ
ロゲン酸化物が、エッチング生成物として生じる。高融
点金属のハロゲン酸化物は比較的高い蒸気圧を有するた
め、上述のような現象は起こらない。したがって、多結
晶シリコン膜ほどエッチング速度が低下しないので、高
融点導電膜を多結晶シリコン膜に対し選択的にエッチン
グすることができる。

【００２１】さらに、本発明では、高融点導電膜をエッ
チングするためのエッチングマスクの材料として、シリ
コンまたは金属の酸化物または窒化物を使用している。
従来、エッチングマスクとしては、レジスト等の有機物
からなる材料が一般に用いられていたが、これらの材料
は酸素と反応してエッチングされやすいものである。上
述のように酸素を含む反応性ガスをエッチングガスとし
て用いる場合には、酸素は、多結晶シリコン膜のエッチ
ングの進行を抑制する作用を有する堆積物、すなわちシ
リコン酸化物を生成するという大きな役割を担ってい
る。したがって、エッチングマスクの材料自体が酸素と
反応することによって雰囲気中の酸素量が減少すると、
上述のような堆積物の生成が抑制されてしまい、多結晶
シリコン膜のエッチングが進行することになる。

【００２２】これに対して、本発明では、高融点導電膜
をエッチングするためのエッチングマスクとして酸化物
を使用するので雰囲気中の酸素量は減少しない。なお、
エッチングマスクとして窒化物を用いた場合には、酸化
窒素が発生するが、これは酸化作用を有しているので酸
素と同様に作用する。したがって、雰囲気中の酸素量
は、実質的に減少しないことになる。

【００２３】そこで、エッチングマスクとして、雰囲気
中の酸素量を減少させない材料である、シリコンまたは
金属の酸化物または窒化物を選択することにより、微細
なパターン間においても高融点導電膜の多結晶シリコン
膜に対する選択比が劣化することなく、垂直に高融点導
電膜をエッチングして高融点導電性パターンを形成する
ことができる。

【００２４】さらに、上記シリコンまたは金属の酸化物
または窒化物をエッチングマスクとして用いて、下地の
薄い酸化膜に対して高い選択比で、多結晶シリコン膜を
エッチングすることができる。したがって、異なるパタ
ーン間隔を有するパターン間においても均一性に優れ、
高い精度を有する導電性パターンを形成することができ
る。

【００２５】

【実施例】

＜実施例１＞以下、図面を参照して本発明を詳細に説明
する。図１に、本発明の半導体装置の製造方法における
エッチングに用いられる装置の一例の概略図を示す。

【００２６】図１に示すように、装置４４は、エッチン
グ室１０、導入予備室２０および排出予備室３０を具備
しており、エッチング室１０と導入予備室２０との間、
およびエッチング室１０と排出予備室３０との間は、そ
れぞれゲートバルブ２１および３１によって仕切られて
いる。導入予備室２０のゲートバルブ２１に対向する面
には、ゲートバルブ２２が設けられており、排出予備室
３０のゲートバルブ３１に対向する面には、ゲートバル
ブ３２が設けられている。これらのゲートバルブ２２お
よび３２により、エッチング室１０を真空に保持しつ
つ、導入予備室２０を経て被エッチング基板１１を導入
し、排出予備室３０を経て被エッチング基板１１を排出
することができるので、大気雰囲気の悪影響を避け、基
板を一枚づつ短時間でドライエッチングすることが可能
となる。なお、予備室２０および３０内には、基板載置
台２３および３３がそれぞれ設置されている。

【００２７】エッチング室１０内には、被エッチング基
板１１を載置するための電極１２が設けられており、こ
の電極１２は、被エッチング基板１１を所望の温度に制
御するための冷却管１３を備えている。さらに、電極１
２にはプラズマの励起に用いられる１３．５６ＭＨｚの
高周波電力を印加するために、ブロッキングキャパシタ
１４および整合装置１５を介して高周波電源１６が接続
されている。

【００２８】エッチング室１０には、反応ガス供給ライ
ン４０が接続されており、バルブ４１および流量制御器
４２により所望の流量値に調整された反応ガスが導入さ
れる。なお、エッチング室１０内は、コントロールバル
ブ４３によって一定圧力に保持される。

【００２９】また、エッチング室１０の内壁（上壁）は
接地されており、電極１２との間に高周波電圧が印加さ
れるようになっている。このエッチング室１０の上壁上
部には永久磁石１７が設置されており、電磁モーターに
より回転軸１８を中心にして回転運動する。この永久磁
石１７の発する約２００ガウスの磁界によって、１０^-3
Ｔｏｒｒ台の高真空でも高イオン密度のプラズマを発生
維持することが可能になるように構成されている。この
ようにして生成された高イオン密度のプラズマから大量
のイオンが被エッチング基板１１に照射されることによ
って、エッチングが行われる。 （予備実験）上述のエッチング装置を用いて、エッチン
グガスとして六フッ化硫黄（ＳＦ₆）と塩素（Ｃｌ₂ ）
との混合ガスを用い、タングステンおよびｎ型多結晶シ
リコン膜をエッチングし、そのエッチング速度を調べ
た。なお、エッチング条件は、高周波印加電力０．７Ｗ
／ｃｍ² 、圧力８ｍＴｏｒｒ、全流量５０ＳＣＣＭと
し、電極を６５℃に保持した。

【００３０】図２に、Ｃｌ₂ ／（ＳＦ₆ ＋Ｃｌ₂ ）ガス
流量比を０〜１００％までの範囲で変化させてエッチン
グを行った際の、タングステン膜および多結晶シリコン
膜のエッチング速度、および選択比（タングステン膜／
多結晶シリコン膜）を示す。図２（ａ）中、曲線２ａお
よび２ｂは、それぞれ、タングステンのエッチング速度
および多結晶シリコン膜のエッチング速度を表わす。図
示するように、Ｃｌ₂のガス流量比が高くなるにしたが
って、いずれの膜のエッチング速度も低下している。し
かしながら、タンデステンのエッチング速度２ａは、Ｃ
ｌ₂ ガス流量比とは無関係に、多結晶シリコン膜のエッ
チング速度２ｂに比べ３〜４倍遅いことがわかる。

【００３１】図２（ｂ）には、（タングステン膜のエッ
チング速度）／（多結晶シリコン膜のエッチング速度）
で表わされる選択比を示す。このように、タングステン
膜の多結晶シリコン膜に対する選択比は、０．２〜０．
３と極めて低いことがわかる。

【００３２】上述の結果から、多結晶シリコン膜とタン
グステン膜との積層構造からなる電極等を形成するにあ
たって、エッチングガスとしてＳＦ₆ とＣｌ₂ とを含む
混合ガスを用いた場合には、下層にある多結晶シリコン
膜が大幅に削られてしまうことが予測される。

【００３３】下層に位置する膜に対する選択比が小さい
ことは、基板に段差のある場合に、特に問題を生じる。
図３に、デバイス段差の代表的な例を示す。図３に示す
ように、段差４６を有する基板４５上に、多結晶シリコ
ン膜４７および高融点金属膜４８が順次形成されてい
る。段差４６が存在するために、この部分における高融
点金属膜の膜厚４８ｂは、実膜厚４８ａよりも厚くなっ
てしまう。異方性エッチングは、被処理膜の面に対して
垂直に進行するので、段差部において高融点金属膜４８
のエッチング残りが無いように、このような形状を有す
る膜を異方性エッチングするためには、さらに段差部の
膜厚４８ｂに対応した時間だけエッチング行なう必要が
ある。すなわち、被処理膜の実膜厚をエッチングするの
に要する時間に加えて、さらに余分にエッチングを行な
う、いわゆるオーバエッチングが行なわれる。

【００３４】このように、オーバエッチングは、デバイ
ス段差やエッチング速度のバラツキを考慮してエッチン
グ残りを無くすために必要であり、これによって半導体
装置の信頼性を向上させることになる。しかしながら、
オーバエッチングは被処理膜の下地をエッチングするこ
とに他ならないために、下地が被処理膜に対し選択性の
低い材料である場合には、被処理膜のオーバエッチング
時に下地が大幅に削られてしまうことになる。

【００３５】ポリメタル構造を用いて電極等を形成する
ためには、下層にある多結晶シリコン膜に対し高い選択
比で高融点導電膜をエッチングする技術を確立しなけれ
ばならない。

【００３６】そこで、多結晶シリコン膜に対する高融点
導電膜の選択比を向上させるための手掛かりとして、シ
リコン、タングステンおよびモリブデンのハロゲン化物
およびハロゲン酸化物の物性データをまとめ、下記表
１、２に示した。

【００３７】

【表１】

【００３８】

【表２】

【００３９】ハロゲンガスをエッチングガスとして用い
た際のエッチング生成物であるハロゲン化物の物性を比
較すると、タングステンの場合は、フッ化物（ＷＦ₆ ）
の蒸気圧が最も高く、塩化物（ＷＣｌ₅ 、ＷＣｌ₆ ）は
あまり高くないことがわかる。一方、シリコンの場合に
は、フッ化物（ＳｉＦ₄ ）、塩化物（ＳｉＣｌ₄ ）とも
に蒸気圧が非常に高い。

【００４０】したがって、純粋の六フッ化硫黄（ＳＦ
₆ ）やＣＦ₄ 等フッ素系ガスをエッチングガスとして用
いた場合には、タングステンの多結晶シリコン膜に対す
る選択比を向上させることは難しいことがわかる。ま
た、Ｃｌ₂ や四塩化炭素（ＣＣｌ₄ ）等の塩素系ガスを
用いた場合でも、選択比を向上させることは同様に難し
いことが予想される。

【００４１】一方、ハロゲン酸化物に注目すると、タン
グステンのフッ素酸化物（ＷＯＦ₄）や塩素酸化物（Ｗ
ＯＣｌ₄ ）など比較的蒸気圧が高い化合物が存在するこ
とがわかる。

【００４２】なお、シリコンのエッチング機構について
は、これまでに詳しく研究されており、特に、ＣＦ₄ と
酸素（Ｏ₂ ）との混合ガスを用いたイオンアシストエッ
チングに関する事例が、数多く報告されている。図４
に、Ｏ₂ ／（ＣＦ₄ ＋Ｏ₂ ）ガス流量比を０〜１００％
の範囲で変化させた場合のシリコンのエッチング速度を
示す。図４に示すように、Ｏ₂ ガス流量比が低い場合に
は、ＣＦ₄ ガスの解離が促進され、かつシリコン表面に
付着したフルオロカーボン膜が除去されることによっ
て、シリコンのエッチング速度は上昇する。しかしなが
ら、Ｏ₂ ガス流量比をさらに増加させるとシリコン膜の
表面が酸化されるので、エッチング速度が低下する。

【００４３】以上の予備実験、および各種化合物の物性
データから、ハロゲン酸化物がエッチング生成物として
生成されるような条件のもとで、高融点金属膜および多
結晶シリコン膜をエッチングすることによって、多結晶
シリコン膜に対する選択比が向上することが予想され
る。

【００４４】（実験例１）エッチングガスとして六フッ
化硫黄（ＳＦ₆ ）とＯ₂ との混合ガスを用いて、タング
ステン膜および多結晶シリコン膜のエッチングを行なっ
た。エッチング条件は、高周波印加電力０．７Ｗ／ｃｍ
² 、圧力８ｍＴｏｒｒ、全流量５０ＳＣＣＭとし、６５
℃で電極を保持した。ガス流量比（Ｏ₂ ／（ＳＦ₆ ＋Ｏ
₂ ））を０〜１００％の範囲で変化させてエッチングを
行った際の各膜のエッチング速度および選択比を、それ
ぞれ図５（ａ）および図５（ｂ）に示す。

【００４５】図５（ａ）において、タングステン膜およ
び多結晶シリコン膜のエッチング速度は、それぞれ曲線
５ａおよび曲線５ｂで表わされる。図５（ａ）に示すよ
うに、タングステン膜のエッチング速度５ａはあまり変
化しないが、多結晶シリコン膜のエッチング速度５ｂ
は、Ｏ₂ ガス流量比が高くなるにつれて、一度増加した
後、低下することがわかる。したがって、図５（ｂ）に
示すように、Ｏ₂ ガス流量比が６０％以上になると多結
晶シリコン膜に対するタングステン膜の選択比は１程度
になる。

【００４６】そこで、選択比が１程度になるガス条件
（ＳＦ₆ ／Ｏ₂ ＝２０／３０ＳＣＣＭ）でタングステン
膜をエッチングし、その断面形状を走査型電子顕微鏡
（ＳＥＭ）を用いて観察したところ、タングステン膜の
断面形状は逆テーパ気味であった。これは、プラズマ中
で発生したＦラジカルによりタングステン膜が等方的に
エッチングされるためであると考えられる。したがっ
て、このような混合ガス条件では、側壁がえぐれた形状
になってしまい、タングステン膜を垂直にエッチングす
ることができないことがわかった。

【００４７】（実験例２）エッチングガスとして塩素
（Ｃｌ₂ ）とＯ₂ との混合ガスを用い、タングステン膜
および多結晶シリコン膜のエッチングを行った。エッチ
ング条件は高周波印加電力０．７Ｗ／ｃｍ² 、圧力８ｍ
Ｔｏｒｒ、全流量５０ＳＣＣＭとし、６５℃で電極を保
持した。ガス流量比（Ｏ₂ ／（Ｃｌ₂ ＋Ｏ₂ ））を０〜
１００％の範囲で変化させてエッチングを行った際の各
膜のエッチング速度および選択比を、それぞれ図６
（ａ）および図６（ｂ）に示す。

【００４８】図６（ａ）において、タングステン膜およ
び多結晶シリコン膜のエッチング速度は、それぞれ曲線
６ａおよび曲線６ｂで表わされる。図６（ａ）に示すよ
うに、タングステン膜のエッチング速度６ａは、Ｏ₂ ガ
ス流量比が上昇するとともに増加し、６０％で最大とな
る。一方、多結晶シリコン膜のエッチング速度６ｂは、
Ｏ₂ ガス流量比の上昇に従って急激に低下しており、こ
のことから、６０％以上のＯ₂ ガス流量比では、多結晶
シリコン膜のエッチングを抑制する物質が、多結晶シリ
コン膜の表面に堆積し始めていることが予測される。し
たがって、図６（ｂ）に示すように、Ｏ₂ ガス流量比が
６０％近づくと、多結晶シリコン膜に対するタングステ
ン膜の選択比は飛躍的に上昇することがわかる。

【００４９】そこで、プラズマに曝した多結晶シリコン
膜の表面を光電子分光（ＸＰＳ）法を用いて評価したと
ころ、酸素の存在を示すＯlsスペクトルが強く観察さ
れ、Ｓｉ2pのスペクトルはケミカルシフトしていること
がわかった。なお、エッチングガスであるＣｌは検出さ
れなかった。

【００５０】この結果から、多結晶シリコン膜の表面は
シリコン酸化膜（ＳｉＯ_x ）に近い状態にあることがわ
かり、Ｏ₂ ガス流量比６０％以上の条件で多結晶シリコ
ン膜をエッチングした場合には、このＳｉＯ_x が多結晶
シリコン膜の表面に堆積してエッチングの進行を妨げた
ものと考えられる。

【００５１】なお、絶縁膜の化学的気相成長（ＣＶＤ）
の分野では、ＳｉＣｌ₄ とＯ₂ との混合ガスを用いてＳ
ｉＯ₂ を成膜する研究が古くから行われており、９００
℃付近の成膜温度では、ＳｉＯ₂ の他にＳｉ₂ ＯＣｌ₆
やＳｉ₄ ＯＣｌ₈ が生成することが報告されている。一
方、プラズマを用いたＣＶＤでは、２００℃の成膜温度
で良好なＳｉＯ₂ 膜が形成された例があり、膜成分を分
析した結果から、膜中にはＣｌ等の不純物は含まれない
ことが知られている。

【００５２】本実験例のように、Ｃｌ₂ ／Ｏ₂ の混合ガ
スを用いて多結晶シリコン膜をエッチングした場合も、
下記に示す反応式のように多結晶シリコン膜のエッチン
グ生成物であるＳｉＣｌ₄ と酸素もしくは酸素ラジカル
とが反応した可能性は高く、プラズマＣＶＤの場合と類
似した状態であることが予測できる。

【００５３】 ＳｉＣｌ_X ＋Ｏ₂ or Ｏ^* →ＳｉＯ_y ＋Ｃｌ₂ そこで、選択比が２程度になるガス条件（Ｃｌ₂ ／Ｏ₂
＝２０／３０ＳＣＣＭ）でタングステン膜をエッチング
し、その断面形状をＳＥＭを用いて観察したところ、エ
ッチング後のタングステン膜の断面形状は垂直であっ
た。

【００５４】（実験例３）エッチングガスとしてＳＦ
₆ 、Ｃｌ₂ およびＯ₂ により構成される混合ガスを用い
て、タングステン膜および多結晶シリコン膜をエッチン
グした。エッチング条件は、高周波印加電力０．７Ｗ／
ｃｍ² 、圧力２０ｍＴｏｒｒ、全ガス流量１００ＳＣＣ
Ｍとし、６５℃で電極を保持した。Ｏ₂ ガス流量を６０
ＳＣＣＭに固定し、ガス流量比（Ｃｌ₂ ／（ＳＦ₆ ＋Ｃ
ｌ₂ ））を０〜１００％までの範囲で変化させてエッチ
ングを行った際の各膜のエッチング速度および選択比
を、それぞれ図７（ａ）および図７（ｂ）に示す。

【００５５】図７（ａ）において、タングステン膜およ
び多結晶シリコン膜のエッチング速度は、それぞれ曲線
７ａおよび曲線７ｂで表わされる。図７（ａ）に示すよ
うに、多結晶シリコン膜のエッチング速度７ｂは、ガス
流量比が５０％付近となるところで急激に低下してお
り、ガス流量比が５０％以上になると、シリコン酸化物
が多結晶シリコン膜の表面に堆積し始めていることがわ
かる。これに対し、タングステン膜のエッチング速度７
ａの低下は小さく、ガス流量比が約３０％以上で多結晶
シリコン膜のエッチング速度７ｂ以上となる。Ｃｌ₂ と
Ｏ₂ との混合ガスを用いた場合と同様の結果が得られ
た。したがって、図７（ｂ）に示すように、ガス流量比
が５０％以上になると、多結晶シリコン膜に対するタン
グステン膜の選択比は飛躍的に向上することがわかる。

【００５６】そこで、選択比が２程度になる条件（ＳＦ
₆ ／Ｃｌ₂ ／Ｏ₂ ＝２０／２０／６０ＳＣＣＭ）でタン
グステン膜をエッチングし、その断面形状をＳＥＭを用
いて観察したところ、垂直な断面形状が得られることが
わかった。

【００５７】以上の実験例から、ハロゲンガスと酸素と
を含む反応性ガスであって、同等の酸素原子数となるよ
うに前記酸素原子を含むガスを酸素（Ｏ₂ ）ガスに換算
した場合、その換算ガス量の全ガス量に対する割合が全
ガス量に対して酸素量で５０〜８０体積％の範囲内とな
る反応性ガスを用いると、多結晶シリコン膜に対して高
選択的に高融点金属膜をエッチングすることができるこ
とがわかった。

【００５８】次に、多結晶シリコン膜に対する選択比が
高い条件で多結晶シリコン膜をエッチングして、得られ
た断面形状を調査した。図８に、エッチング工程を表わ
す断面図を示す。

【００５９】まず、図８（ａ）に示すように、多結晶シ
リコン膜５０の上にレジストパターン５１を形成した。
なお、レジストパターンの幅および高さは、それぞれ、
約０．８μｍ、および約１μｍとした。また、パターン
の間隔は、約０．８μｍ程度に接近したものと、５０μ
ｍ以上に離れたものとを採用した。

【００６０】次いで、前記レジストパターン５１をエッ
チングマスクとして用いて、多結晶シリコン膜５０をエ
ッチングした。エッチング条件は、高周波印加電力０．
７Ｗ／ｃｍ² 、圧力２０ｍＴｏｒｒ、ガス流量ＳＦ₆ ／
Ｃｌ₂ ／Ｏ₂ ＝１０／３０／６０ＳＣＣＭとし、６５℃
で電極を保持した。

【００６１】エッチング後の加工形状をＳＥＭを用いて
観察した結果を、図８（ｂ）に示す。図８（ｂ）に示す
ように、レジストパターン５１の間隔が大きく、多結晶
シリコン膜５０の表面が広く露出しているところ（図８
（ｂ）・左）では、多結晶シリコン膜がエッチングが止
まっており、前述したような多結晶シリコン膜のエッチ
ング速度が急激に低下するという結果と一致する。

【００６２】しかしながら、レジストパターンの間隔が
０．８μｍ程度であるパターン５１の間（図８（ｂ）・
右）では、多結晶シリコン膜５０のエッチングが進行し
ており、表に示した結果とは一致しない。したがって、
多結晶シリコン膜のエッチング速度には、パターン依存
性があり、前述した選択比が基板全面において満たされ
るわけではないことがわかった。

【００６３】なお、図８（ｂ）に示すように、レジスト
側壁には、堆積物５２が形成されていた。多結晶シリコ
ン膜のエッチング速度にパターン依存性がある理由は、
二つ考えられる。まず一つは、レジストパターンのアス
ペクト比である。図８（ｂ）に示したように、０．８μ
ｍ程度の間隔でレジストパターンが接近しているパター
ン間では、堆積物がレジスト側壁に付着してしまう。こ
のため、堆積物がエッチング面に到達しにくくなり、多
結晶シリコン膜のエッチングを抑制する効果が小さくな
る。そのため、エッチングマスクのアスペクト比が、選
択比に大きく影響を及ぼすものと考えられる。なお、上
述の例では、エッチングマスクの幅及び高さから、アス
ペクト比は１．３程度と計算される。したがって、０．
２５μｍ程度の間隔でパターンを形成する場合には、パ
ターンのアスペクト比は、１以下であることが好ましい
ことがわかる。

【００６４】もう一つの原因は、エッチングマスクの材
料である。上述の例では、エッチングマスクとしてレジ
ストを用いたことから、レジストをエッチングする分だ
け酸素量が減少してしまう。このため、間隔の狭いパタ
ーン間では、特にエッチング生成物の酸化剤が減少し、
シリコン酸化物などの反応生成物が生成されにくいと考
えられる。

【００６５】そこで、エッチングマスクの材料としてシ
リコン酸化膜と炭素膜とを用いて、マスク材料の違い
が、多結晶シリコン膜のエッチング速度に及ぼす影響を
調査した。

【００６６】図９を参照して、マスクパターンの形成手
順を説明する。まず、図９（ａ）に示すように、多結晶
シリコン膜５３の上に、ＣＶＤ法によりシリコン酸化膜
５４を２００ｎｍの膜厚で堆積した後、スピンコート法
により約１μｍの膜厚でフォトレジストを塗布し、露光
・現像処理してレジストパターン５５を形成した。な
お、パターンの幅は、約１μｍとし、パターン間の間隔
は、約５０μｍのものと、約０．４μｍのものとを採用
した。

【００６７】次に、図９（ｂ）に示すように、レジスト
パターン５５をエッチングマスクとし、ＣＦ₄ ガスをエ
ッチングガスとして用いてシリコン酸化膜５４をエッチ
ングした。その後、硫酸と過酸化水素との混合溶液を用
いて残存したレジストパターン５５を除去し、図９
（ｃ）に示すようなシリコン酸化膜からなるマスクパタ
ーン５４を得た。

【００６８】次に、このマスクパターン５４をエッチン
グマスクとして、ＳＦ₆ ／Ｃｌ₂ ／Ｏ₂ 混合ガスをエッ
チングガスとして用いて多結晶シリコン膜５３をエッチ
ングした。なお、Ｏ₂ のガス流量比は、約６０％とし
た。

【００６９】得られた形状を図９（ｄ）に示す。図示す
るように、エッチングマスクとしてシリコン酸化膜５４
を用いてエッチングした場合には、多結晶シリコン膜５
３がエッチングされる量はごくわずかである。さらに、
異なるパターン間隔においても、エッチングされる量に
差が生じないことから、多結晶シリコン膜のエッチング
速度にパターン依存性がないことがわかる。

【００７０】また、シリコン酸化膜５４の替わりに炭素
膜５６をエッチングマスクとして用いる以外は、図９
（ａ）〜（ｃ）と同様の工程によってマスクパターンを
形成し、さらにこれをエッチングマスクとして用いて、
多結晶シリコン膜５３を同様にエッチングした。得られ
た形状の断面図を図９（ｅ）に示す。

【００７１】図９（ｅ）に示すように、炭素膜５６をエ
ッチングマスクとして用いてエッチングを行なった場合
には、多結晶シリコン膜５３のエッチングは進行する。
さらに、パターン間の間隔が０．４μｍと狭い部分で
は、間隔が５０μｍと大きい部分よりもエッチングの進
行が大きく、多結晶シリコン膜のエッチング速度のパタ
ーン依存性が大きいことがわかる。

【００７２】図６で示したように、エッチングガスとし
てＣｌ₂ とＯ₂ との混合ガスを用いて多結晶シリコン膜
をエッチングを行なう場合には、Ｏ₂ ／（Ｃｌ₂ ＋Ｏ
₂ ）流量比が１０％でも低下すると、多結晶シリコン膜
のエッチング速度が急激に上昇する。このため、炭素の
ように酸素を消費して、雰囲気中の酸素量を減少させる
材料をエッチングマスクとして用いた場合には、多結晶
シリコン膜のエッチング速度は、パターン間の間隔に大
きく依存する傾向を示す。

【００７３】したがって、タングステン膜の多結晶シリ
コン膜に対する選択比を維持しつつ、微細なパターンを
形成するためには、エッチングマスクは、雰囲気中の酸
素量を減少させないような材料を選定しなければならな
い。

【００７４】以上の結果から、シリコン酸化膜系のマス
クパターンをエッチングマスクとして選択し、Ｃｌ₂ ガ
スまたはＳＦ₆ とＣｌ₂ との混合ガスと、全ガス量に対
して５０〜８０体積％の範囲で酸素を含むガスとから構
成される反応性ガスをエッチングガスとして用いて、タ
ングステン膜のエッチングを行うことにより、下地であ
る多結晶シリコン膜に対し高い選択性が得られ、かつ垂
直に加工することができることがわかった。 ＜実施例２＞次に、図面を参照して、本発明の製造方法
を用いて電界効果型トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）の電
極パターンを形成した例を説明する。

【００７５】図１０に、電極パターンの製造工程を表わ
す断面図を示す。まず、図１０（ａ）に示すように単結
晶シリコンからなる基板６０の表面に、７ｎｍの膜厚を
有する酸化膜６１を酸化雰囲気中で酸化することによっ
て形成し、その上に化学的気相成長（ＣＶＤ）法を用い
て、多結晶シリコン膜６２を１００ｎｍの膜厚で堆積し
た。さらに、多結晶シリコン膜６２上に反応性スパッタ
リング法により窒化タングステン膜６３（ＷＮ_X ：膜厚
５ｎｍ）、及びスパッタリング法によりタングステン膜
６４（膜厚１００ｎｍ）を順次堆積した後、ＣＶＤ法を
用いてシリコン酸化膜６５を２００ｎｍの膜厚で堆積し
た。

【００７６】次に、シリコン酸化膜６５上に、約１μｍ
の膜厚でフォトレジストをスピンコート法により塗布
し、フォトマスクを通して露光・現像処理して、約０．
２５μｍの線幅を有するレジストパターン６６を得た。

【００７７】次いで、以下に示すように、シリコン酸化
膜６５からなるパターンマスクを形成した後、これをエ
ッチングマスクとし、ドライエッチング装置を用いて、
タングステン膜６４および窒化タングステン膜６３を選
択的にエッチングした後、多結晶シリコン膜６２をエッ
チングする。

【００７８】まず、前記レジストパターン６６をエッチ
ングマスクとして用い、シリコン酸化膜６５をＣＨＦ₃
とＣＦ₄ の混合ガスを使用してエッチングした後、酸素
プラズマアッシングによってレジスト残膜を除去し、図
１０（ｂ）に示すようなシリコン酸化膜６５からなるマ
スクパターンを得た。

【００７９】次に、前記シリコン酸化膜６５をエッチン
グマスクとして、ＳＦ₆ 、Ｃｌ₂ およびＯ₂ の混合ガス
を用い、タングステン膜６４および窒化タングステン膜
６３を異方性エッチングした。エッチング条件は、高周
波印加電力０．７Ｗ／ｃｍ²、圧力８ｍＴｏｒｒ、流量
ＳＦ₆ ／Ｃｌ₂ ／Ｏ₂ ＝１０／１０／３０ＳＣＣＭと
し、電極を６５℃に保持した。

【００８０】このエッチング条件では、タングステン膜
６４は約１２０ｎｍ／分でエッチングされたのに対し、
シリコン酸化膜６５は約４０ｎｍ／分でエッチングされ
たので、タングステン膜６４とシリコン酸化膜６５との
選択比は約３であった。一方、下地である多結晶シリコ
ン膜６２は６０ｎｍ／分でエッチングされるため、タン
グステン膜６４と多結晶シリコン膜６２の選択比は２程
度であった。したがって、タングステン膜６４のオーバ
エッチングによって多結晶シリコン膜６２がエッチング
される量は少なく、図１０（ｃ）に示すような形状が得
られた。

【００８１】なお、窒化タングステン膜６３は約１００
ｎｍ／分でエッチングされるため、タングステン膜６４
とほぼ同様な傾向を有する。また、パターン間の間隔が
異なる部分においても、多結晶シリコン膜６２がエッチ
ングされる量は均一であり、多結晶シリコン膜のエッチ
ング速度はパターン依存性がないことがわかった。

【００８２】その後、図１０（ｄ）に示すようにシリコ
ン酸化膜６５、タングステン膜６４および窒化タングス
テン膜６３をエッチングマスクとして用いて、臭化水素
（ＨＢｒ）ガスにより多結晶シリコン膜６２をエッチン
グした。

【００８３】最後に、公知のウェットエッチングまたは
ドライエッチングによりシリコン酸化膜６５を除去し
て、タングステン膜／窒化タングステン膜／多結晶シリ
コン膜の積層構造を有する電極パターンが得られた。な
お、上記多結晶シリコン膜６２は、残しておいてもよ
い。

【００８４】（実施例３）エッチングマスクとして、窒
化ケイ素を使用した以外は、実施例２と同様にして、多
結晶シリコン膜上に形成された窒化タングステン膜およ
びタングステン膜をエッチングした後、同様に多結晶シ
リコン膜をエッチングして電極パターンを形成した。そ
の結果、実施例２と同様に、多結晶シリコン膜に対して
高い選択性を有し、間隔の異なるパターン間でのエッチ
ング速度の均一性も優れていた。

【００８５】

【発明の効果】以上詳述したように、本発明によれば、
エッチングマスクとして雰囲気中の酸素量を減少させな
い材料を使用し、フッ素原子および塩素原子の少なくと
も一方を含むガスと、酸素原子を含むガスとを含むもの
で、同等の酸素原子数となるように前記酸素原子を含ん
だガスを酸素（Ｏ₂ ）ガスに換算した場合、その換算ガ
ス量の全ガス量に対する割合が、５０ないし８０体積％
となる反応性ガスをエッチングガスとして用いて高融点
導電膜をエッチングすることにより、高融点導電膜の下
層にある多結晶シリコン膜に対し高い選択性が得られる
とともに、高精度かつ均一なパターン形成が可能とな
る。

【００８６】このような効果によって、高融点導電膜と
多結晶シリコン膜との積層構造からなる配線あるいは電
極を微細なパターンで形成することが可能となるので、
本発明は、ＭＯＳ型トランジスタの低抵抗ゲート電極を
実現する際に、特に有望である。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例に用いたエッチング装置を示す概略図。

【図２】Ｃｌ₂ とＳＦ₆ との混合ガスを用いてタングス
テン膜およびｎ⁺ 型多結晶シリコン膜をエッチングした
際のエッチング特性を示す図。

【図３】代表的なデバイス段差を示す図。

【図４】Ｏ₂ とＣＦ₄ との混合ガスを用いてシリコン膜
をエッチングした際のエッチング特性を示す図。

【図５】Ｏ₂ とＳＦ₆ との混合ガスを用いてタングステ
ン膜およびｎ⁺ 型多結晶シリコン膜をエッチングした際
のエッチング特性を示す図。

【図６】Ｏ₂ とＣｌ₂ との混合ガスを用いてタングステ
ン膜およびｎ⁺ 型多結晶シリコン膜をエッチングした際
のエッチング特性を示す図。

【図７】Ｏ₂ 、ＳＦ₆ 、およびＣｌ₂ の混合ガスを用い
てタングステン膜およびｎ⁺ 型多結晶シリコン膜をエッ
チングした際のエッチング特性を示す図。

【図８】エッチングマスクとしてレジストを用いた際の
多結晶シリコン膜のエッチング工程を示す断面図。

【図９】エッチングマスクとして、シリコン酸化膜また
は炭素膜を用いた際の、多結晶シリコン膜のエッチング
工程を示す断面図。

【図１０】本発明の製造方法によりポリメタルゲート構
造の電極パターンを製造する工程を示す断面図。

【符号の説明】

１０…エッチング室，１１…被エッチング基板，１２…
電極，１３…冷却管 １４…ブロッキングキャパシタ，１５…整合装置，１６
…高周波電源 １７…永久磁石，１８…回転軸，２０…導入予備室，２
１…ゲートバルブ ２２…ゲートバルブ，２３…基板載置台，３０…排気導
入室 ３１…ゲートバルブ，３２…ゲートバルブ，３３…基板
載置台 ４０…ガス供給ライン，４１…バルブ，４２…流量制御
器 ４３…コントロールバルブ，４４…エッチング装置，４
５…基板 ４６…段差，４７…多結晶シリコン膜，４８…高融点金
属膜 ５０…基板，５１…レジストパターン，５２…堆積物，
５３…基板 ５４…シリコン酸化膜，５５…レジストパターン，５６
…炭素膜 ６０…基板，６１…薄いシリコン酸化膜，６２…多結晶
シリコン膜 ６３…窒化タングステン膜，６４…タングステン膜，６
５…シリコン酸化膜 ６６…レジストパターン。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｈ０１Ｌ 21/3205

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 基板上に多結晶シリコン膜を成膜する工
   程、 前記多結晶シリコン膜上に、高融点金属およびその化合
   物の少なくとも１つからなる高融点導電膜を成膜する工
   程、 前記高融点導電膜の上に、シリコンまたは金属の、酸化
   物または窒化物からなるマスクパターンを形成する工
   程、 前記基板を収容する真空容器内に、フッ素原子および塩
   素原子の少なくとも一方を含むガスと酸素原子を含むガ
   スとを含むもので、同等の酸素原子数となるように前記
   酸素原子を含むガスを酸素（Ｏ₂ ）ガスに換算した場
   合、その換算ガス量の全ガス量に対する割合が、５０な
   いし８０体積％となる反応性ガスを導入するとともに、
   放電を誘起してプラズマを生成し、前記マスクパターン
   をエッチングマスクとして用いて高融点導電膜をエッチ
   ング処理し、高融点導電性パターンを形成する工程、お
   よび前記マスクパターンをエッチングマスクとして用い
   て前記多結晶シリコン膜をエッチング処理し、多結晶シ
   リコン膜と高融点導電膜との積層構造を有する導電性パ
   ターンを得る工程を具備することを特徴とする半導体装
   置の製造方法。
2. 【請求項２】 前記高融点金属がモリブデン、タングス
   テン、及びそれらの合金からなる群から選択された材料
   である請求項１に記載の半導体装置の製造方法。