JPS6148924A - 高融点金属のドライエツチング法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、高融点金属、例えばタングステン、モリブデ
ン等のドライエツチング方法に関し、更に詳しくは該エ
ツチング法において使用するエツチングガスに特徴を有
する高融点金属のドライエツチング法に関するものであ
る。

従来の技術 半導体素子の製造においては、特に半導体素子の高性能
化、高集積化が課題となっている。例えば、半導体ＬＳ
Ｉなどでは、一枚のシリコン基板上に微細かつ複雑な回
路が形成されており、これは微細かつ高密度化する程、
高速動作が可能であり、消費電力を節減でき、また信頼
性を向上させることができる等の各種の好ましい効果を
たらす。

従って、半導体素子等の微細、高集積化並びに動作の高
速化を可能にする素子の研究が広く行われている。

このような課題を解決するためには微細なパターンを正
確に形成し得る各種の技術が必要とされ、特にエツチン
グ技術は露光技術と共に微細加工技術の基本となってい
る。しかしながら、従来のウェットエツチングではアン
ダーカットが大きすぎ、高精度で微細パターンを高密度
で形成するには限界があった。また、アンダーカットが
小さく高精度で微細パターンを形成するのに有効な技術
として、従来からＡｒなどの不活性ガスを用いたスパッ
クエツチング、イオンビームエツチングなども知られて
いるが、これらの方法では、加速イオンの衝撃により被
エツチング体の原子を物理的に除去することによりエツ
チングを行っているため、下地材との選択性に乏しく、
また放射線損傷の問題なども有しているので、半導体素
子作製プロセスとしては余り利用されていない。

そこで最近では、平行平板電極を用いたいわゆる平行平
板型反応性プラズマドライエツチング法が、半導体素子
製造工程に急速に導入されつつある。これは、前述のよ
うに、半導体素子の高性能化・高集積化並びに動作の高
速化を図るための微細化が急務となっているため、アン
ダーカットの少いドライエツチングが有用であることに
起因している。

このようなドライエツチング法、例えば平行平板型反応
性ガスプラズマドライエツチング法によれば、前記のア
ンダーカットが少ないという利点の他、パターン寸法変
化の原因となるレジストパターンの面方向のエツチング
並びにパターン変化の原因となるエツチング中のレジス
トパターンの変形・変質を、条件によっては小さく、も
しくはまったくなくすことが可能であり、更にパターン
の欠陥の要因となる気泡による欠陥、塵埃粒子による欠
陥を形成する恐れも殆どない。

一方、例えばＧａＡｓ電子素子において、耐熱性に優れ
たショットキー電極を開発することは、その素子自体の
高性能化、信頼性の向上とも密接に関係しており、重要
なポイントとなっている。高融点金属のタングステンあ
るいはモリブデン等は、高温熱処理でも安定であること
から、耐熱性に優れたショットキー電極として有望な材
料と考えられており、事実その一例としてＰ、　Ｂ、　
Ｔ、　（Ｐｅｒａ＋ｅａｂｌｅＢａｓｅ　Ｔｒａｎｓｉ
ｓｔｏｒ）なるショットキー・ゲート埋込みトランジス
タにおけるショットキー・ゲート金属としてタングステ
ンが熱処理特性に優れた金属として活用されている。前
述のごとく、半導体素子の高性能化・高集積化を図るた
めには微細化が急務であり、このための高融点金属のド
ライエツチング用のエツチングガスとしては、従来口フ
ッ化炭素（ＣＦ、）　、四フッ化炭素と酸素（０□）と
の混合ガス、もしくは六フッ化イオウ（ＳＦ６）などが
使用されていた。

反応性ガスを用いるドライエツチングを行う場合、エツ
チングガスの選択は極めて重要となる。

該ガスの適否を判断する上で重要なファクターとなるの
は微細パターンの作製に不可欠であるホトエツチング用
ホトレジスト（例えば５ｈｉｐｌｅｙ社のＡ　Ｚ−１３
５０）のエツチング速度と、被エツチング材のエツチン
グ速度との比、即ちいわゆる選択比（選択比＝被エツチ
ング材のエツチング速度÷ホトレジストのエツチング速
度）である。この選択比を出来る限り大きくすることが
できるようなエツチングガスを選ぶことが微細パターン
の寸法精度の達成、ひいては信頼性を達成する上で極め
て重要となる。

しかるに、従来タングステン、モリブデン等の高融点金
属のドライエツチング用ガスとして使用されていたＣＦ
、もしくはこれと０２との混合ガスまたはＳＦｓなどは
、前記選択比を大きくとることができないという致命的
な欠点を有していた。

事実、従来のＣＦ　４と０□との混合ガスをエツチング
ガスとして使用した場合には、第６図に示したように、
タングステンのエツチング速度は０２の混合比率の増加
と共に大きくなり、０２添加量約３５％で最大となるが
、一方ホトレジストＡＺ−１３５０のエツチング速度も
、タングステンのエツチング速度と同様に０２の添加量
の増大に伴って増加するために、この混合ガスによる選
択比は１を越えることがなかった。

ここで、第６図のグラフは従来のＣＦ、と０２との混合
ガスをエツチングガスとした場合の０２の混合割合を横
軸にとり、縦軸にはこれに対応したタングステン、ホト
レジストＡ　Ｚ−１３５０のエツチング速度および選択
比をプロットしたものである。

なお、この測定において使用したタングステンは、アル
ゴンスパッタリングにより作製した３　Ｘｌ０−’Ωａ
ｍ程度の比抵抗を有する体心立方格子構造の高品質な薄
膜である。また、第６図の結果において、エツチングは
ガス流量３５ｃｄ／ｍｉｎ、圧力１０Ｐａ、印加高周波
電力５０Ｗで行った。

かくして、半導体デバイスの製造工程における高融点金
属のドライエツチングプロセスでは、微細加工を可能と
し、加工精度を高め、かつ該プロセスの自由度を高める
目的から、大きな選択比を得ることのできるエツチング
ガスの開発が強く要望されている。

更に、エツチング中に生成されるＣＦ、ガスの構成元素
からなる炭素の化合物が残留生成物として試料表面に堆
積されるが、この残留炭素化合物は、素子特性の向上に
悪影響を与え、時には素子寿命の劣化の一因ともなって
いる。

発明が解決しようとする問題点 以上詳しく述べたように半導体素子の高性能化・高集積
化を図るためには、微細なパターンを高精度で形成する
必要があり、そのために平行平板型プラズマドライエツ
チング法などのドライエツチング法が注目され、利用さ
れてきている。

また、同様に耐熱性に優れたショットキー電極を開発す
ることは各種半導体素子の性能並びに信頼性を向上させ
る上で重要であった。この目的のためにタングステン、
モリブデンなどの高融点金属が有望視されているが、こ
れを上記のような平行平板型プラズマエツチング法等の
ドライエツチング法でエツチングするためには、従来公
知のエツチングガスでは十分に高い選択比が得られない
ことから、新たなエツチングガスを開発する必要があっ
た。

そこで、本発明の目的は高融点金属とホトレジストとの
エツチング速度の比、即ち選択比を大きくすることの出
来るエツチングガスを開発することにあり、このような
ガスを用いた新規な高融点金属のエツチング方法を提供
しようとするものである。

問題点を解決するための手段 本発明者等は、高融点金属のドライエツチング法におけ
る上記の如き現状に鑑みて、新規なエツチングガス混合
物を得るべく種々検討を行った結果、六フッ化イオウ（
Ｓ　Ｆｓ）と窒素ガスとの混合ガスが選択比を改善する
ために極めて有効であることを見出した。本発明はこの
ような新規知見に基き完成されたものである。

即ち、本発明は、真空雰囲気とした真空容器内にエツチ
ングガスを導入しつつ、該真空容器内に設置した電極間
に放電によりガスプラズマを発生させ、該プラズマによ
りその発生空間内に配置された高融点金属表面をドライ
エツチングする各工程を含む高融点金属のドライエツチ
ング方法を提供するものであり、その特徴は前記エツチ
ングガスとして六フッ化イオウと窒素との混合ガスを使
用することにある。

本発明で意図する高融点金属タングステン、モリブデン
等であり、いずれの場合にも優れた結果を期待すること
ができる。

また、本発明の方法において使用するエツチングガス混
合物において窒素の含有率は選択比を１より大きくする
ためには約９５容量％以下とすることが好ましい。

また、本発明において有利に使用できるホトレジストと
しては既にのべたＡ　Ｚ−１３５０の他、ゴム−アジド
系のＯＭ　Ｒ８３、ノボラックジ゛アゾキノン系のＯＦ
　Ｐ　Ｒ？？および７８（いずれも東京応化製）等を例
示でき、同等の効果を期待することができる。

作用 かくして、　本発明によれば、六フッ化（ＳＦ６）に窒
素ガス（Ｎ２）を添加子ることにより、ホトレジストの
エツチング速度よりもタングステンのエツチング速度の
大きな、言いかえれば選択比が１よりも大きくなる高融
点金属のドライエツチングが可能となる。

本発明の方法は、例えば第１図に概略的に示した装置に
よって実施することができる。第１図の装置は代表的な
平行平板電極型プラズマエツチング装置であり、真空反
応室１と、その内部に設けられた高周波（ＲＦ）電極２
および接地電極３とから主として構成され、ＲＦ電極２
は更に、適当なマツチング回路を介してＲＦ発振器に接
続されていて、反応器１内に所定のＲＦ雷電圧印加し得
るようになっている。

この装置によりタングステン基板４をエツチングするに
は、まず、反応室を拡散ポンプなどにより排気して真空
とし、次いでエツチングガスとしてＳＦｓとＮ２とを反
応室１内のガス圧が一般的には１０−３〜１ＯＴｏｒｒ
となるように導入しＲＦ電極２によって高周波を印加す
ると、電極間の放電によりエツチングガスが解離して、
イオン、電子、中性ラジカルなどが発生し、活性状態と
なる。このように極めて反応性の高いガスが被エツチン
グ体とし・てのタングステンと反応し、揮発性の反応生
成物（フッ化物、この場合ＷＦ６）が形成され、これは
排気口から外部に放出される。

本発明の方法において使用するエツチングガスはＳＦｓ
とＮ２との混合ガスであるが、例えば第２図に示したよ
うに、ＡＺ−１３５０をホトレジストとして使用した場
合には、タングステンのエツチング速度と、Ａ　Ｚ−１
３５０のエツチング速度とが、Ｎ２の含有率約９５容量
％においてほぼ等しく、従ってこの含有率以下ではタン
グステンのエツチング速度の方が大きくなっている。

従って、本発明の意図するタングステンのプラズマエツ
チングにおいて、上記混合ガスの使用が極めて有効であ
ることがわかる。また、上に例示したＡ　Ｚ−１３５０
以外のホトレジストについても、プラズマエツチング速
度はＡ　Ｚ−１３５０と同等もしくはそれ以下であるこ
とがわかっているので、このようなホトレジストに対し
ても本発明において使用するエツチングガスがタングス
テンのエツチングに対して有効であることは明白である
。

一般にエツチングは、エツチング圧力（一般に１０〜１
００Ｐａ）　、エツチング出力、エツチングガス流量、
高周波の周波数、排気速度並びに試料温度等の条件によ
り変化するので、これらを一定となるように制御する必
要がある。そこで、例えば試料温度を一定とするために
、接地電極を中空構造とし、これに冷媒を循環させるこ
とにより冷却し、試料の温度制御を行うことができ、そ
の他の条件も公知の各種制御システムによって一定に維
持することができる。

この平行平板電極型プラズマエツチング装置によれば、
異方性エツチングおよび等方性エツチングの両者が可能
であり、これはガス圧力に依存し、高圧側では等方性エ
ツチングが生じ、低圧側では異方性エツチングが主とな
る。

更に、エツチング形式は周波数にも依存し、被エツチン
グ体を高周波電圧印加電極上に置く陰極結合の場合には
異方度は周波数に依存しないが、被エツチング体を接地
電極上に置く陽極結合の場合には、低周波数側で異方度
が大きく、陰極結合の場合よりも大きくなる。

更に、本発明の方法によればＳＦｓを使用しているので
、従来のＣＦ、またはＣＦ４と０□との混合ガスを使用
した場合にみられた残留炭素あるいはその化合物を形成
することはない。この残留炭素等は揮発性が著しく低く
、また炭素は例えばＧａＡｓ中で深いアクセプタ準位を
形成し、素子特性に悪影響を与え、素子の信頼性・寿命
等を低下させる要因となっている。しかじな゛がら、本
発明の方法においてＳＦｓを使用したことに基き生成す
るイオウもしくはその化合物は揮発性が高いばかりでな
く、イオウ単体はＧａＡｓで浅いドナー準位を形成する
にすぎない。

実施例 以下、本発明を実施例に基き更に具体的に説明する。し
かしながら、本発明は以下の実施例により何等制限され
ない。

以下、高融点金属としてタングステン、ホトレジストと
してＡ　Ｚ−１３５０を例にして、説明する。

第２図は、本発明によるＳＦ６とＮ２の混合ガスによる
ドライエツチングの実施結果である。実験は、ＳＦｓと
Ｎ２との混合ガスを流量３５ｃ＋＋ｌ／ｍｉｎ　テ供給
し、圧力は１０Ｐａ、印加高周波電力を５０Ｗとした。

第２図において横軸には、Ｎ２の混合割合（Ｖ／Ｖ％）
、縦軸にはこれに対するタングステン、ホトレジストＡ
　Ｚ−１３５０のエツチング速度および選択比をプロッ
トしたものである。この図より、従来のＣＦ４と０２と
の混合ガスでは不可能であった選択比が１よりも大きな
ドライエツチングがＳＦ６にＮ２の添加で可能となるこ
とがわかる。

また、第３図および第４図には、比較のためにＮ２のか
わりに０゜、Ａｒを混合ガスとした場合の同様の実験結
果を示した。第３図のＳＦ６＋０２ガス系では、０２の
添加割合の増加とともにタングステンのエツチング速度
が急激に減少し、選択比も１より小さくなる。また、第
４図のＳＦｓ＋Ａｒガス系では、ＳＦ６＋０□系の場合
（第３図）とは異なり、Ａｒの添加とともにタングステ
ンのエツチング速度が減少することは無いが、第２図の
ＳＦｓ＋Ｎ２系で得られた様な大きな選択比を得ること
ができず、最良の場合でもたかだか１゜６程度であるに
すぎない。

以上の説明のごとく、本発明によるＳＦ６とＮ２の混合
ガスは、ホトレジストに対する選択比が大きくとれると
いう点で優れたエツチングガスであることが容易に理解
されよう。

本発明の他の実施例を以下に述べる。

第５図は、ＳＦ、＋２０％Ｎ２混合ガスの流量を３５ｃ
ｎｆ／ｍ１ｎ一定、印加高周波電力を５０Ｗ一定にした
場合の、圧力に対するタングステンとＡ　Ｚ　−１３５
０のエツチング速度をプロットしたものである。選択比
は圧力約２０Ｐａで最大となり、この時の選択比は約１
０とと大きな値を示す。

ここで、選択比の重要性を示すため、我々の具体的な実
施例を例にとって説明する。０．４μｍピッチ、０１μ
ｍ厚のタングステンのラインアンドスペース・コルゲー
ションを製作するためには、エッチパターンとなるホト
レジストの膜厚は、選択比が１の場合、最低限０．２μ
ｍ必要となる。しかし、選択比が本発明のごと＜１０の
場合では、ホトレジストの必要膜厚は原理的には０．０
２μｍ程度の非常に薄いものでも可能となる。事実、我
々は極めて薄いホトレジストにより写真食刻技術の手法
で微細パターンを容易に形成し、これをマスクとしてタ
ングステンのドライエツチングを試みて所望のエツチン
グ特性を得ている。

更に、タングステンの代りにモリブデンを用いて同様に
エツチング処理を行ったが、タングステンと同様に、Ｓ
ＦａとＮ２との混合ガスを使用することによって、優れ
た結果を得ることができた。

発明の詳細 な説明したごとく、本発明の方法に従って、タングステ
ンのドライエツチング用のエツチングガスとして、六フ
ッ化イオウ（ＳＦｓ）と窒素（Ｎ２）との混合ガスを使
用することにより、タングステンとホトレジストとのエ
ツチング速度の比、いわゆる選択比の大きなドライエツ
チングが可能となる。このエツチングガスはタングステ
ンのみならず他の高融点金属、即ち、モリブデン等に対
しても同様に有用である。上記利点に基き、ホトレジス
トによる写真食刻を用いた高融点金属の微細パターン加
工が可能となる。また、選択比が大きくとれるので、例
えば膜厚０．５μｍ程度の厚いタングステン膜のパター
ンニングされたドライエツチング加工も容易に可能とな
る。

加えて、従来のＣＦ、またはＣＦ　４　＋　０２ガスで
生成される残留炭素あるいはその化合物は揮発性が悪く
、さらにこの炭素がＧａＡｓ中で深いアクセプタ準位を
形成するため、素子特性に悪影響を与え、また信頼性・
長寿命化の悪い要因ともなっていたが、本発明で使用す
るＳＦ６＋Ｎ２ガスで生成されるイオウあるいはその化
合物は揮発性か高く、更にイオウ単体はＧａＡｓ中では
浅いドナー準位を形成することから、素子特性への影響
が少ないという長所も有している。

従って、本発明により面１熱性に優れた高融点金属の自
由度のある加工が可能になることから、高性能、高信頼
性の半導体素子の実現に期待が持てることになる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の方法を実施するのに有用な平行手板電
極型プラズマエツチング装置を説明するための概略的な
図であり、 第２図は、本発明によるＳＦｓとＮ２の混合ガスをエツ
チングガスとした場合のＮ２の混合割合に対するタング
ステンとＡ　Ｚ−１３５０のエツチング速度および選択
比をプロットしたものであり、第３図は、ＳＦ６と０２
との混合ガス、第４図はＳＦｓとＡｒとの混合ガスをエ
ツチングガスとした場合の０２あるいはＡｒの混合割合
に対するタングステンとＡ　Ｚ−１３５０のエツチング
速度および選択比をプロットしたグラフであり、 第５図は、Ｓ　Ｆ　ｓ　＋２０　μｍ　Ｎ２の流量を３
５ｃｒｌ／ｍｉｎ　。 高周波電力を５０Ｗ一定にした場合の、圧力に対するタ
ングステンとＡ　Ｚ−１３５０のエツチング速度をプロ
ットしたグラフであり、 第６図は、従来のＣＦ、と０□との混合ガスをエツチン
グガスとした場合の０２の添加割合を横軸にとり、縦軸
にはこれに対応したタングステンとホトレジストＡ　Ｚ
−１３５０のエツチング速度および選択比をプロットし
たグラフである。 （主な参照番号） １・°゛真空反応室、　２・・°°高周波電極、３・　
接地電極、　４−被エツチング体、５−・拡散ポンプ 第１図 第２図 Ｎ２添カロυ１合　（％） 第３図 ０２メシカロ営１１さ　（％） Ａｒ添加割合（％） 足力　（Ｐａ） 第６図 ０２添カロ客１１心（＝／＝）

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）真空雰囲気とした真空容器内にエッチングガスを
   導入しつつ、該真空容器中に設置した電極間に放電によ
   りガスプラズマを発生させ、該ガスプラズマにより、そ
   の発生空間に配置された高融点金属表面をドライエッチ
   ングする各工程を含む、反応性ガスを用いるドライエッ
   チング方法において、前記エッチングガスとして六フッ
   化イオウと窒素との混合ガスを使用することを特徴とす
   る上記ドライエッチング方法。