JP2006080355A

JP2006080355A - 半導体装置の製造方法

Info

Publication number: JP2006080355A
Application number: JP2004263785A
Authority: JP
Inventors: Hideyuki Shoji; 秀行庄司
Original assignee: NEC Electronics Corp
Current assignee: NEC Electronics Corp
Priority date: 2004-09-10
Filing date: 2004-09-10
Publication date: 2006-03-23

Abstract

【課題】従来技術による金属ゲート電極形成ではシリコン基板が大口径化した場合、ウェハ面内、及び疎密間での寸法及び形状のばらつきが大きくなるという課題があった。
【解決手段】本発明は、タングステンゲートエッチングにおいて、寸法のウェハ面内均一性に優れた電極形成可能とした半導体装置の製法であって、具体的には、シリコン基板１０１にゲート絶縁膜としてシリコン酸化膜１０２、高誘電体膜（Ｈｉｇｈ−ｋ膜）１０３、ゲート電極材料としてタングステン膜１０４、マスク膜としてシリコン窒化膜１０５を順に成膜する。反射防止膜１０６を塗布し公知のリソグラフィ技術によりパターンを形成し、この基板を反射防止膜１０６、シリコン窒化膜１０５を一般的な条件でエッチングした後、タングステン膜をシリコン基板の中央と外周のプラズマ密度の比を３〜４：１の条件で残膜が３〜５ｎｍになるまでエッチングを行い、最後に残りのタングステン膜をプラズマ密度の比が中央：外周＝１：１の条件でエッチングを行うこと方法である。
【選択図】図１

Description

本発明は半導体装置の製造方法、特にタングステン膜のゲート電極の形成方法を改良した半導体装置の製造方法に関する。

現在の半導体集積回路に用いられる絶縁ゲート電界効果トランジスタ（ＭＩＳＦＥＴ）では、そのゲート電極として低抵抗化のために不純物を高濃度でドープした多結晶シリコン層が用いられることが多い。しかしながら、多結晶シリコン層は不純物を高濃度でドープしているにもかかわらず、チャネル反転時にゲート絶縁層側の部分が空乏化を起こしチャネルにかかる実効的な電界が低下してしまう。その結果、ＭＩＳＦＥＴの電流駆動能力が低下する。この問題点を解決するために、低抵抗でゲート空乏化を起こさないゲート電極材料として金属を用いることが検討されている。

金属ゲート電極の材料としては、Ｗ、Ｔｉ、Ｔａ、Ｚｒ、これらの窒化膜であるＷＮ、ＴｉＮ、ＴａＮ、ＺｒＮ、これらのシリサイド膜であるＷＳｉ、ＴｉＳｉ、ＴａＳｉ、ＺｒＳｉ、シリサイド膜を窒化したＷＳｉＮ、ＴｉＳｉＮ、ＴａＳｉＮ、ＺｒＳｉＮ等が考えられる。
Ｔｉ、Ｔａ、Ｚｒを含む電極材料に関しては、（１）５０ｎｍを超える膜厚を成膜することが容易ではないこと、（２）拡散層への不純物注入時にゲート電極直下へ注入されることを防ぐためにある程度の膜厚が必要であること、これら相反した問題があることから上記膜を１０ｎｍ程度成膜してその上にＷ膜を成膜した積層構造が検討されている。

しかし従来技術による金属ゲート電極形成ではシリコン基板が大口径化した場合、図５に示すようにウェハ面内、及び疎密間での寸法及び形状のばらつきが大きくなる問題があった。

特開２０００−２０８４９２号公報特開２００１−８５３９３号公報特開２００２−１９０４７２号公報

なお、上記特許文献１には、タングステンエッチレートの面内均一性を改善するために半導体基板外周に石英のフォーカスリングを具備することが記載されている。この特許文献１は全面エッチバックする時のエッチレート、つまり基板に対し垂直方向のエッチレート均一性の改善を目的とするものである。
また、特許文献２には、タングステン膜、ポリシリコン膜のエッチングに、ハロゲンガス＋Ｏ_２を用いた例が記載されているだけである。
さらに、特許文献３には、基板が載置される電極に複数接続されたＲＦ電源のバイアスパワーを調整することが記載されている。
しかしながら、特許文献１記載の技術をゲートエッチングに用いた場合、均一なゲート形状を得ることは困難である。また、特許文献３の如く、プラズマ生成部のプラズマ密度分布を調整することについては、全く記載されていない。

上述したように、従来の技術では、半導体基板が大きくなるにつれてエッチング生成物は基板の中央部と外周部での滞在時間にも差があるために形状差が大きくなる。つまり外周部は滞在時間が短いためにエッチング側壁部に生成物が堆積し難いために、垂直または逆テーパー（ノッチ）形状となるが、中央部では滞在時間が長いために側壁に生成物が堆積し正テーパー形状となり面内で形状ばらつきが発生する。

このようなことから、ウェハ面内でのガス、プラズマ、反応生成物の滞在時間を均一にすることは困難なので、本発明の如く、中央部のプラズマ密度を高くしてプラズマの解離を促進してテーパー形状の原因となる生成物の発生を抑え、かつ外周部はプラズマ密度を抑えることにより解離を抑制して生成物が堆積しやすい状態にすることにより、面内形状差を改善可能となる。
即ち、本発明は、エッチング形状を均一にするために半導体基板が載置される電極と反対側、つまりプラズマを生成し、プラズマ密度をコントロールする方の分布を調整して形状制御を行なう、半導体装置の製造方法である。

本発明は、シリコン基板上に、ゲート絶縁膜としてシリコン酸化膜、高誘電体膜、ゲート電極材料としてタングステン膜、マスク膜としてシリコン窒化膜を順に成膜し、さらに、前記シリコン窒化膜上に反射防止膜を塗布し、リソグラフィ技術によりパターンを形成する工程と、前記反射防止膜、前記マスク膜となるシリコン窒化膜を所定のパターンにエッチングする工程と、この後、所定パターンにエッチングされたシリコン窒化膜をマスクとして、前記タングステン膜を前記シリコン基板の中央と外周のプラズマ密度の比を３〜４：１の条件で残膜が３〜５ｎｍになるまでエッチングを行い、最後に残りのタングステン膜をプラズマ密度の比が中央：外周＝１：１の条件でエッチングを行う工程とを具備したことを特徴とする。

本発明は、シリコン基板上に、ゲート絶縁膜としてシリコン酸化膜、高誘電体膜、ゲート電極材料としてチタン（Ｔｉ）、タンタル（Ｔａ）膜、またはＴｉＳｉ膜、ＴａＳｉ膜、もしくはＴｉＮ膜、ＴａＮ膜、もしくはＴｉＳｉＮ膜、ＴａＳｉＮ膜を成膜し、続いてタングステン膜、マスク膜としてシリコン窒化膜を順に成膜し、さらに、そのシリコン窒化膜上に反射防止膜を塗布し、リソグラフィ技術によりパターンを形成する工程と、前記反射防止膜、前記マスク膜となるシリコン窒化膜を所定のパターンにエッチングする工程と、この後、所定パターンにエッチングされたシリコン窒化膜をマスクとして、前記タングステン膜を前記シリコン基板の中央と外周のプラズマ密度の比を３〜４：１の条件でエッチングを行い、最後にを前記ゲート電極材料プラズマ密度の比が中央：外周＝１：１の条件でエッチングを行う工程とを具備したことを特徴とする。

なお、本発明において、タングステン膜のエッチングガスとして、塩素、四弗化炭素、窒素を用いることが望ましい。また、Ｔｉ、Ｔａ膜、ＴｉＳｉ膜、ＴａＳｉ膜、ＴｉＮ膜、ＴａＮ膜、ＴｉＳｉＮ膜、又はＴａＳｉＮ膜のエッチングガスとして、塩素、四弗化炭素、窒素を用いることが望ましい。

さらに、タングステン膜のエッチング量のモニターおよびエッチング終了をモニターする方法として、発光波長４２９５Åの発光強度の変化を用いることが望ましい。

本発明の方法によれば、タングステン／窒化チタンまたはその他の金属膜からなる積層構造のゲート電極形成においても面内均一なエッチングが可能である。

本発明の実施形態につき、図１乃至図４を用いて詳細に説明する。

（第１の実施形態）
図１は本発明の第１の実施形態として、ゲート絶縁膜に高誘電体膜であるＨｆＯ_２膜、ゲート電極材料にタングステン膜を用いた場合の半導体装置の製造法を説明するための工程順の断面図である。

初めに、図１（ａ）に示すようにシリコン基板１０１上にシリコン酸化膜１０２を０．５ｎｍ、次にＨｆＯ_２膜１０３を２〜３ｎｍを成長し、ゲート電極となるタングステン膜１０４、マスク材となるシリコン窒化膜１０５を成長する。次にゲートの寸法均一性を向上するために反射防止膜１０６を、最後にフォトレジスト膜１０７を塗布し公知のリソグラフィ技術によりパターン形成を行う。

次に図１（ｂ）に示すように公知のドライエッチング技術により反射防止膜１０６、シリコン窒化膜１０５をエッチングする。

続いて図１（ｃ）に示すようにタングステン膜１０４をエッチングする。エッチング装置はウェハの中央部と外周部にてプラズマ密度の変更が可能な装置、例えば図２に示すようにプラズマ生成部側に独立した２つのコイルアンテナ、内側コイルアンテナ２０１、外側コイルアンテナ２０２、シリコン基板が載置される下部電極側にはエッチング時のイオンエネルギーを制御するＲＦ電源２０３を有する誘導結合型プラズマ（ＩＣＰ）エッチング装置にてエッチングを行う。

ここで、エッチング条件は塩素（Ｃｌ_２）、四弗化炭素（ＣＦ_４）、窒素（Ｎ_２）の混合ガスを用いる。各ガスの流量はＣｌ_２３０〜５０ｓｃｃｍ、ＣＦ_４３０〜５０ｓｃｃｍ、１０〜３０ｓｃｃｍ、圧力３〜５ｍＴ、プラズマ生成部パワー１．０〜１．２６Ｗ／ｃｍ^２、内側と外側の高周波パワーの比率中央：外周＝３〜４：１、下部電極パワー０．０３〜０．０６Ｗ／ｃｍ^２の範囲内の条件でタングステン膜１０４の残膜が３〜５ｎｍになるまでエッチングを行い、次に残りのタングステン膜１０４をガス種、ガス流量、圧力、ＲＦパワーは同じ条件でプラズマ生成部の内側と外側の高周波パワーの比率を中央：外周＝１：１の条件でエッチングを行う。フォトレジスト膜１０７、反射防止膜１０６をアッシングなどの公知の技術により除去する。

最後に図１（ｄ）に示すように公知のウェットエッチング技術によりＨｉｇｈ−ｋ膜１０３、シリコン酸化膜１０２をエッチングすることにより形状は垂直でかつゲート寸法の均一性も良好なタングステンゲートの形成が可能である。タングステンエッチングの終点検出方法としては発光波長４２９５Åの発光強度の変化をモニターすることにより可能である。

なお、本実施形態の説明図では、１つのゲート電極を用いて説明しているがシリコン基板の中央部、外周部、パターンの疎部、密部、全てのパターンにおいて垂直でかつゲート寸法の均一性も良好なタングステンゲートの形成が可能である。

また、本実施形態では、高誘電体膜としてＨｆＯ_２膜を例に説明したが、ＨｆＳｉＯｘ、ＨｆＡｌＯｘでも可能である。また反射防止膜、シリコン窒化膜のエッチングをタングステンのエッチングに用いた装置で行なっても構わない。

さらに、本実施形態で、シリコン窒化膜のエッチングに用いる不活性ガスは、Ａｒ、Ｎｅ、Ｈｅ、ＫｒまたはＸｅから選ばれて少なくとも１つであることが望ましく、また、反射防止膜をエッチングする時のガスの割合は、ＣＨＦ_３：ＣＦ_４：Ｏ_２＝１：２０〜２５：１〜１．５であることが望ましく、シリコン窒化膜をエッチングする時のガスの割合は、Ｈ_３Ｆ：ＣＦ_４：Ｏ_２：Ａｒ＝５：１２〜１３：１：１．５〜２．０であることが望ましい。そして、シリコン酸化膜をエッチングする時のガスの割合は、ＣＨＦ_３：ＣＦ_４：Ｏ_２：Ａｒ＝２：５：１：４０であることが望ましいい。

次に、本実施形態による効果を説明する。
図３はシリコン基板中央部と外周部のプラズマ密度を変化させてタングステンエッチングを行った時の中央部、外周部、密部、疎部での寸法差、テーパー角、タングステン残膜を示す。エッチング時間はプラズマの特定の波長をモニターし、タングステンが丁度抜けたと考えられるところを設定している。その結果、プラズマ密度が中央：外周＝１：１の場合、中央部のエッチング形状は裾引き形状、外周部のエッチング形状はサイドエッチにより寸法の細りが見られるのに対し、プラズマ密度の比率を中央部：外周部＝２：１、３：１、４：１、５：１と変化させていくと３〜４：１の範囲で面内均一に垂直形状を得ることが可能となる。これはプラズマ密度が面内均一な場合、外周部は中央部に比べ排気されやすいので反応生成物による側壁保護効果が小さいのに対し中央部では外周部に比べて排気されにくいので反応生成物による側壁保護効果が大きいために裾引き形状になると考えられる。この形状のばらつきを改善するには中央部では側壁保護効果が少なくなるように解離効率を上げる環境にし、外周部では排気されやすいので解離効率が少なくして側壁保護効果を大きくする環境にしてあげれば面内、及び疎密間において均一なゲート形状を得ることが可能であると考えた。

その結果、タングステンゲートのエッチングにおいてウェハ中央部、外周部のプラズマ密度を適正化することによりシリコン基板に対し横方向のエッチング量のばらつきを抑えることが可能となりゲート寸法のばらつきを抑制することが可能となった。

ただ、シリコン基板面内にプラズマ密度の差が大きすぎると下地膜が露出し、各ゲート電極が分離した場合、チャージダメージを受ける可能性があるので、タングステン膜が抜ける直前まで本発明の方法を用い、残りのタングステン膜のエッチングをプラズマ密度の差がない条件でエッチングすることにより形状、寸法、チャージダメージ耐性、全てにおいて良好なエッチングが可能である。

（第２の実施形態）
次に本発明の第２の実施形態について図面を参照して説明する。
図４は本発明の第２実施例としてゲート絶縁膜にＨｆＯ_２膜、ゲート電極材料に窒化チタン膜を用いた時の半導体装置の製造法を説明するための工程順の断面図である。

初めに、図４（ａ）に示すようにシリコン基板４０１上にシリコン酸化膜４０２を０．５ｎｍ、次にＨｆＯ_２膜４０３を２〜３ｎｍ成長し、ゲート電極となる窒化チタン膜４０４、タングステン膜４０５、マスク材となるシリコン窒化膜４０６を成長する。次にゲートの寸法均一性を向上するために反射防止膜４０７を、最後にフォトレジスト膜４０８を塗布し公知のリソグラフィ技術によりパターン形成を行う。

次に図４（ｂ）に示すように公知のドライエッチング技術により反射防止膜４０７、シリコン窒化膜４０６をエッチングする。

続いて、図３（ｃ）に示すようにタングステン膜４０５をエッチングする。エッチング装置はウェハの中央部と外周部にてプラズマ密度の変更が可能な装置、例えば図２に示すようにプラズマ生成部側に独立した２つのコイル内側コイル２０１、外側コイル２０２、シリコン基板が載置される下部電極側にはＲＦ電源２０３を有する誘導結合型プラズマ（ＩＣＰ）エッチング装置にてエッチングを行う。

エッチング条件は塩素（Ｃｌ_２）、四弗化炭素（ＣＦ_４）、窒素（Ｎ_２）の混合ガスを用いる。各ガスの流量はＣｌ_２３０〜５０ｓｃｃｍ、ＣＦ_４３０〜５０ｓｃｃｍ、１０〜３０ｓｃｃｍ、圧力３〜５ｍＴ、プラズマ生成部パワー１．０〜１．２６Ｗ／ｃｍ^２、内側と外側の高周波パワーの比率中央：外周＝３〜４：１、下部電極パワー０．０３〜０．０６Ｗ／ｃｍ^２の範囲内の条件でタングステン膜３０５をエッチングする。次に窒化チタン膜３０４をガス種、ガス流量、圧力、ＲＦパワーは同じ条件でプラズマ生成部の内側と外側の高周波パワーの比率を中央：外周＝１：１の条件でエッチングを行う。フォトレジスト膜４０８、反射防止膜４０７をアッシングなどの公知の技術により除去する。

最後に公知のウェットエッチング技術により、図４（ｄ）の如く高誘電体膜４０３、シリコン酸化膜４０２をエッチングすることにより形状は垂直でかつゲート寸法の均一性も良好なタングステンゲートの形成が可能である。タングステンエッチングの終点検出方法としては発光波長４２９５Åの発光強度の変化をモニターすることにより可能である。

本実施形態の説明図では、１つのゲート電極を用いて説明しているがシリコン基板の中央部、外周部、パターンの疎部、密部、全てのパターンにおいて垂直でかつゲート寸法の均一性も良好なタングステンゲートの形成が可能である。

本実施形態では、ゲート材料にＴｉＮ膜を用いて説明したが、Ｔｉ膜、Ｔａ膜、ＴｉＳｉ膜、ＴａＳｉ膜、ＴｉＳｉＮ膜、ＴａＳｉＮ膜、ＷＳｉ膜でも可能である。
また本実施形態では、高誘電体膜としてＨｆＯ_２膜を例に説明したが、ＨｆＳｉＯｘ、ＨｆＡｌＯｘでも可能である。また、反射防止膜、シリコン窒化膜のエッチングをタングステンのエッチングに用いた装置で行なっても構わない。

以上説明したように、本実施形態では、タングステン／窒化チタンまたはその他の金属膜からなる積層構造のゲート電極形成においても面内均一なエッチングが可能である。

本発明の第１の実施形態を説明するための断面図。本発明の実施形態に用いるエッチング装置の断面図。本発明の実施形態１の効果を説明するための図。本発明の第２の実施形態を説明するための図。従来の半導体装置を説明するための図。

符号の説明

１０１及び４０１：シリコン基板
１０２及び４０２：シリコン酸化膜
１０３及び４０３：ＨｆＯ２膜
１０４及び４０５：タングステン膜
１０５及び４０６：シリコン窒化膜
１０６及び４０７：反射防止膜
１０７及び４０８：フォトレジスト膜
４０４：窒化チタン膜

Claims

シリコン基板上に、ゲート絶縁膜としてシリコン酸化膜、高誘電体膜、ゲート電極材料としてタングステン膜、マスク膜としてシリコン窒化膜を順に成膜し、さらに、前記シリコン窒化膜上に反射防止膜を塗布し、リソグラフィ技術によりパターンを形成する工程と、前記反射防止膜、前記マスク膜となるシリコン窒化膜を所定のパターンにエッチングする工程と、この後、所定パターンにエッチングされたシリコン窒化膜をマスクとして、前記タングステン膜を前記シリコン基板の中央と外周のプラズマ密度の比を３〜４：１の条件で残膜が３〜５ｎｍになるまでエッチングを行い、最後に残りのタングステン膜をプラズマ密度の比が中央：外周＝１：１の条件でエッチングを行う工程とを具備したことを特徴とする半導体装置の製造方法。
シリコン基板上に、ゲート絶縁膜としてシリコン酸化膜、高誘電体膜、ゲート電極材料としてチタン（Ｔｉ）、タンタル（Ｔａ）膜、またはＴｉＳｉ膜、ＴａＳｉ膜、もしくはＴｉＮ膜、ＴａＮ膜、もしくはＴｉＳｉＮ膜、ＴａＳｉＮ膜を成膜し、続いてタングステン膜、マスク膜としてシリコン窒化膜を順に成膜し、さらに、そのシリコン窒化膜上に反射防止膜を塗布し、リソグラフィ技術によりパターンを形成する工程と、前記反射防止膜、前記マスク膜となるシリコン窒化膜を所定のパターンにエッチングする工程と、この後、所定パターンにエッチングされたシリコン窒化膜をマスクとして、前記タングステン膜を前記シリコン基板の中央と外周のプラズマ密度の比を３〜４：１の条件でエッチングを行い、最後にを前記ゲート電極材料プラズマ密度の比が中央：外周＝１：１の条件でエッチングを行う工程とを具備したことを特徴とする半導体装置の製造方法。
前記タングステン膜のエッチングガスとして、塩素、四弗化炭素、窒素を用いることを特徴とする請求項１及び２記載の半導体装置の製造方法。
前記Ｔｉ、Ｔａ膜、ＴｉＳｉ膜、ＴａＳｉ膜、ＴｉＮ膜、ＴａＮ膜、ＴｉＳｉＮ膜、又はＴａＳｉＮ膜のエッチングガスとして、塩素、四弗化炭素、窒素を用いることを特徴とする請求項２記載の半導体装置の製造方法。
前記タングステン膜のエッチング量のモニターおよびエッチング終了をモニターする方法として、発光波長４２９５Åの発光強度の変化を用いることを特徴とする請求項１及び２記載の半導体装置の製造方法。