JPH11233495A - 半導体素子の多層膜の乾式エッチング方法 - Google Patents
半導体素子の多層膜の乾式エッチング方法Info
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Abstract
ング妨害物質によってポリシリコン層のエッチングが未
完に終わることを未然に防止できるようにする。 【解決手段】O2 ,N2 ,CO2 のうちの少なくとも二
つ以上のガスを含む第1ガス、フッ素を含む第2ガス、
塩素を含む第3ガス及び臭素を含む第4ガスの混合プラ
ズマを利用して金属層又は金属シリサイド層15をエッチ
ングする第1工程と、炭素を含むフッ素系プラズマガス
を利用して前記半導体基板11上の全体構造をエッチング
する第2工程と、塩素を含むプラズマガスを利用してポ
リシリコン層13をエッチングする第3工程と、を順次行
って半導体素子の多層膜の乾式エッチングを終了する。
Description
ーン形成方法に関するもので、詳しくは、金属層とポリ
シリコン層とからなる半導体素子の多層膜の乾式エッチ
ング方法に関する。
て、ポリシリコン層上に金属層又は金属シリサイド層を
蒸着する多層膜構造、更に、前記ポリシリコン層と金属
層との間に拡散防止膜を形成する多層膜構造により金属
ゲートを利用する方法が知られている。
以下のような方法があった。米国特許5,295,923 には、
ポリシリコン層上に、金属層又は金属シリサイド層とし
て、タングステン,モリブデン,タングステンシリサイ
ド,モリブデンシリサイド層のうちのいずれか1つの層
を積層してなる多層膜をエッチングする方法が記載され
ている。
ン層上に形成された金属又は金属シリサイド層を第1工
程でエッチングするが、該第1工程は、SF6 , NF3
のようなフッ素を含むガスにHCl,HBr,Cl2 ,
Br2 ,CCl4 のうちのいずれか1つを添加した混合
ガスを利用する異方性エッチング工程である。次いで、
ポリシリコン層を第2工程でエッチングするが、該第2
工程は、前記HCl,HBr,Cl2 ,Br2 ,CCl
4 のうちのいずれか1つのガスと、SiCl4 , 不活性
化ガス, N2 ,O2 ,CO2 ガスのうちのいずれか1つ
と、を混合した混合ガスを利用する異方性エッチング工
程である。
N)/タングステン(W)の積層構造を有する多層膜の
エッチング方法として、W/TiN膜をSF6 ガスとC
l2 ガスとの混合ガスによりエッチングする第1工程
と、ポリシリコンをHBrガスによりエッチングする第
2工程と、を順次行う方法が、IEDM(Internationa
lElectron Devices Meeting) proceedings p447〜450
(1996 年発行) に記載されている。
iSix) 又はポリシリコン/タンタルシリサイド(TaSix)
構造の多層膜のエッチング方法が、米国特許5,160,407
に記載されており、前記TiSix 又はTaSix をCl2 ガス
のみを利用してエッチングし、続いてポリシリコンをH
Brガスのみを利用してエッチングする工程が開示され
ている。
金属シリサイド層をエッチングするとき、垂直な側壁を
得るため(異方性エッチングを可能にするため)、エッ
チングガスにAr,Heのような不活性ガス及びN2 ,
O2 ,CO2 のようなエッチング保護ガスを混合して用
いるが、前記不活性ガス又は保護ガスが金属と反応して
揮発されない反応生成物を生成し、これがポリシリコン
層上にエッチング妨害物質膜を形成することになる。そ
して、このエッチング妨害物質膜が、続くポリシリコン
層のエッチングを妨げ、エッチングの未完現象を誘発す
るか、又は、相当量の残滓を発生させるという問題があ
った。
従来のエッチング方法によりエッチングして形成した半
導体基板の縦断面図であり、図示したように、半導体基
板1上にシリコン酸化膜2が形成され、該シリコン酸化
膜2上にポリシリコン層パターン3a,金属層パターン
4a又は金属シリサイド層パターン4a及びマスクパタ
ーン5が順次積層形成されるが、シリコン酸化膜2上に
ポリシリコン層3の残滓6が残っている。
従来のエッチング方法によりエッチングして形成した他
の半導体基板の縦断面図であり、図示したように、半導
体基板1上にシリコン酸化膜2が形成され、該シリコン
酸化膜2上にポリシリコン層3b、金属層パターン4a
又は金属シリサイド層パターン4a及びマスクパターン
5が順次形成されるが、前記ポリシリコン層3bは完全
にエッチングされず、その一部分がシリコン酸化膜2上
にそのまま残っている。
ポリシリコン層のエッチング工程終了後に、シリコン酸
化膜2上に残ったポリシリコン層の残滓6を除去するた
め、塩素を用いたエッチングによる洗浄行程を施した後
の半導体基板を示した縦断面図であり、前記洗浄行程に
よって残滓は除去されるものの、ポリシリコン層パター
ン3aのアンダーカットが生じるという問題が発生し
た。
なされたもので、ポリシリコン層のエッチングがエッチ
ング妨害物質膜によって妨げられることを回避し、ポリ
シリコン層のエッチングの未完現象の発生や相当量の残
滓が残ることを未然に防止できる乾式エッチング方法を
提供し、以て、洗浄工程を行うことなくポリシリコンを
完全にエッチングでき、信頼性の高い半導体素子が得ら
れるようにすることを目的とする。
るため、請求項1に係る発明は、半導体基板上にポリシ
リコン層,金属層又は金属シリサイド層及びマスクパタ
ーンが順次積層形成された多層膜構造をエッチングする
方法であって、前記金属層又は金属シリサイド層をエッ
チングする第1工程と、該第1行程におけるエッチング
で前記ポリシリコン層上に形成されたエッチング妨害膜
を除去すべくエッチングする第2工程と、前記ポリシリ
コン層をエッチングする第3工程と、を順次行うことを
特徴とする。
上にポリシリコン層,金属層又は金属シリサイド層及び
マスクパターンが順次積層形成された多層膜構造をエッ
チングする方法であって、N2 ,O2 ,CO2 のうちの
少なくとも2つ以上のガスを含む第1ガス、フッ素を含
む第2ガス、塩素を含む第3ガス及び臭素を含む第4ガ
スが混合された混合プラズマガスを用いて前記金属層又
は金属シリサイド層をエッチングする第1工程と、炭素
を含むフッ素系プラズマを用いて前記半導体基板上の全
体構造物をエッチングする第2工程と、塩素を含むプラ
ズマガスを用いて前記ポリシリコン層をエッチングする
第3工程と、を順次行うことを特徴とする。
エッチングガスを、炭素及びフッ素の混合され混合ガ
ス、又は、炭素,フッ素及び水素の混合された混合ガス
とする構成とした。請求項4記載の発明では、前記第
1,第2及び第3工程で使用するエッチング装置を、イ
オンエネルギー及びプラズマ密度を独立的又は相互依存
的に調節し得るエッチング装置とする構成とした。
使用するエッチング装置として、反応性イオンエッチン
グ装置,磁界強化反応性イオンエッチング装置及び高密
度プラズマエッチング装置のうちのいずれかを用いる構
成した。請求項6記載の発明では、前記高密度プラズマ
エッチング装置を、ヘリコンタイプとする構成とした。
イプのエッチング装置において、真空チャンバー内で放
電を誘導するための供給電力の範囲を100 〜2500Wとす
る構成とした。請求項8記載の発明では、前記ヘリコン
タイプのエッチング装置において、真空チャンバー内に
印加されるバイアス電力の範囲を、30〜500Wとする構成
とした。
て図面を用いて説明する。即ち、本発明に係る半導体素
子の多層膜の乾式エッチング方法について説明すると、
次のようである。先ず、図1(A)に示したように、半
導体基板11上にシリコン酸化膜12及びポリシリコン層13
を順次積層し、該ポリシリコン層13の上面にTiN 又はWS
iNの拡散防止層14を形成し、該拡散防止層14の上面にタ
ングステンW 又はモリブデンMoのような金属層15若しく
はタングステンシリサイド,チタンシリサイド及びモリ
ブデンシリサイドのような金属シリサイド層15を形成
し、前記金属層又は金属シリサイド層15上に、フォトレ
ジスト若しくは窒化膜のエッチング用マスクパターン16
を形成する。
は金属シリサイド層15との間に形成される拡散防止層14
は省略することもできる。次いで、図1(B)は、図1
(A)に示した金属層又は金属シリサイド層15をエッチ
ングして形成されたポリシリサイドパターン15aを示し
た縦断面図である。
チング(第1工程)は、一方側の電極にプラズマ放電を
誘導する高周波電圧が印加され、他方側の電極にバイア
ス電圧が印加されるエッチング装置の真空チャンバー内
に前記半導体基板11を挿入する一方、前記真空チャンバ
ー内にN2 ,O2 ,CO2 のうちの少なくとも2つ以上
のガスを含む第1ガス、フッ素Fを含む第2ガス、塩素
Clを含む第3ガス及び臭素Brを含む第4ガスの混合
された混合プラズマガスを前記真空チャンバー内に導入
させ、前記高周波電圧及びバイアス電圧が印加される各
電極に電源電圧を印加して行われる。
15を過度にエッチングして、拡散防止層14及び前記ポリ
シリコン層13の上面の一部までがエッチングされように
する。このようにエッチングすると、図1(B)に示し
たように、前記金属層又は金属シリサイド層15のエッチ
ング工程終了後、エッチング妨害膜17が、前記金属層又
は金属シリサイド層15のエッチングによって露出した前
記ポリシリコン層13の上面に形成されることになる。
の上面に形成されたエッチング妨害膜17を除去するた
め、炭素Cを含むフッ素プラズマを用いて半導体基板11
上の全体構造物にエッチングを施して、前記エッチング
妨害膜17を除去する(第2工程)。このとき、炭素及び
フッ素の混合ガスを用いるか、又は、炭素・フッ素ガス
に水素ガスを混合した混合ガスを用いる。
るためのエッチング装置は、高密度プラズマエッチング
装置(High density plasma etcher)を使用するが、
該高密度プラズマエッチング装置のうち、ヘリコンタイ
プ(Helicon type)のエッチング装置を使用する場合
は、供給電力の範囲を100 〜2500W に設定し、バイアス
電力の範囲を30〜500 Wに設定してエッチングを行い、
真空チャンバー内の真空圧力は、20mTorr 以下の低圧を
維持する。又、前記エッチング妨害膜17を除去する時間
は、20秒以内にする。
を用いる場合を説明したが、これに限定されず、反応性
イオンエッチング装置(RIE :reactive ion etche
r)、磁界強化反応性イオンエッチング装置(MERIE :m
agnetically enhanced reactive ion etcher)な
どのようなプラズマ内のイオン密度及びイオンエネルギ
ーを調節し得るエッチング装置を用いることができる。
スプラズマを導入させて、図1(C)に示したように、
ポリシリコン層13をエッチングしてポリシリコンパター
ン13aを形成し(第3工程)、本発明に係る半導体素子
の多層膜のエッチングを終了する。尚、前記エッチング
妨害膜17を除去するためのエッチング行程を含む全ての
エッチング工程において、エッチング装置としては、プ
ラズマ内のイオン密度及びイオンエネルギーを調節し得
る装置を使用する。
載の発明によれば、ポリシリコン層のエッチングの未完
現象が発生することを回避できるため、別途の洗浄工程
を省略して工程を簡便化できる一方、洗浄工程によるア
ンダーカットの発生を未然に回避でき、以て、信頼性の
高い半導体素子を提供できるという効果がある。
妨害膜を確実に除去でき、後続する工程でポリシリコン
層を完全にエッチングさせることができるという効果が
ある。請求項4記載の発明によれば、イオンエネルギー
及びプラズマの密度を調節することができるので、マス
クパターンに従い異方性エッチングを施して、パターン
の微細化に効率的に対応し得るという効果がある。
ング妨害膜を除去する第2工程を、半導体の製造工程を
延長させることなく適切に行わせることができるという
効果がある。
ング方法を示した工程縦断面図である。
施して形成した半導体基板を示した縦断面図である。
施して形成した半導体基板を示した縦断面図である。
洗浄工程を施した場合の半導体基板を示した縦断面図で
ある。
Claims (8)
- 【請求項1】半導体基板上にポリシリコン層,金属層又
は金属シリサイド層及びマスクパターンが順次積層形成
された多層膜構造をエッチングする方法であって、 前記金属層又は金属シリサイド層をエッチングする第1
工程と、 該第1行程におけるエッチングで前記ポリシリコン層上
に形成されたエッチング妨害膜を除去すべくエッチング
する第2工程と、 前記ポリシリコン層をエッチングする第3工程と、 を順次行うことを特徴とする半導体素子の多層膜の乾式
エッチング方法。 - 【請求項2】半導体基板上にポリシリコン層,金属層又
は金属シリサイド層及びマスクパターンが順次積層形成
された多層膜構造をエッチングする方法であって、 N2 ,O2 ,CO2 のうちの少なくとも2つ以上のガス
を含む第1ガス、フッ素を含む第2ガス、塩素を含む第
3ガス及び臭素を含む第4ガスが混合された混合プラズ
マガスを用いて前記金属層又は金属シリサイド層をエッ
チングする第1工程と、 炭素を含むフッ素系プラズマを用いて前記半導体基板上
の全体構造物をエッチングする第2工程と、 塩素を含むプラズマガスを用いて前記ポリシリコン層を
エッチングする第3工程と、 を順次行うことを特徴とする半導体素子の多層膜の乾式
エッチング方法。 - 【請求項3】前記第2工程のエッチングガスが、炭素及
びフッ素の混合され混合ガス、又は、炭素,フッ素及び
水素の混合された混合ガスであることを特徴とする請求
項2記載の半導体素子の多層膜の乾式エッチング方法。 - 【請求項4】前記第1,第2及び第3工程で使用するエ
ッチング装置が、イオンエネルギー及びプラズマ密度を
独立的又は相互依存的に調節し得るエッチング装置であ
ることを特徴とする請求項2又は3に記載の半導体素子
の多層膜の乾式エッチング方法。 - 【請求項5】前記第2工程で使用するエッチング装置
が、反応性イオンエッチング装置,磁界強化反応性イオ
ンエッチング装置及び高密度プラズマエッチング装置の
うちのいずれかであることを特徴とする請求項4記載の
半導体素子の多層膜の乾式エッチング方法。 - 【請求項6】前記高密度プラズマエッチング装置が、ヘ
リコンタイプであることを特徴とする請求項5記載の半
導体素子の多層膜の乾式エッチング方法。 - 【請求項7】前記ヘリコンタイプのエッチング装置にお
いて、真空チャンバー内で放電を誘導するための供給電
力の範囲が100 〜2500Wであることを特徴とする請求項
6記載の半導体素子の多層膜の乾式エッチング方法。 - 【請求項8】前記ヘリコンタイプのエッチング装置にお
いて、真空チャンバー内に印加されるバイアス電力の範
囲が、30〜500Wであることを特徴とする請求項7記載の
半導体素子の多層膜の乾式エッチング方法。
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