JP3326644B2 - シリコン系材料層の加工方法 - Google Patents
シリコン系材料層の加工方法Info
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Description
加工に適用されるシリコン系材料層の加工方法に関し、
特にシリコン化合物を側壁保護膜に用いるドライエッチ
ング・プロセスの良好な後処理方法に関する。
デバイスにみられるように半導体装置のデザイン・ルー
ルが高度に微細化されるに伴い、ドライエッチングの分
野においても高選択性、高異方性、実用的なエッチング
速度、低汚染性、低ダメージ性等の諸要求を可能な限り
高いレベルで同時達成することが強く求められている。
ただし、これらの諸要求は互いに取捨選択される関係に
あるため、実際のプロセスではこれらを実用レベルで許
容できる範囲に適宜調整しながらエッチングを行ってい
るのが実情である。
融点金属シリサイド、ポリサイド等のシリコン系材料層
のエッチングには、フロン113(C2 Cl3 F3 )に
代表されるクロロフルオロカーボン・ガス(CFCガ
ス)がエッチング・ガスとして広く用いられてきた。し
かし、上記フロン113のようにいわゆる特定フロンに
指定されているガスはもちろん、それ以外のCFCガス
に対しても地球環境保護の観点から規制が厳しくなる方
向にあるため、様々な代替ガス系が提案されている。
フッ素系化学種以外のハロゲン系化学種、すなわち塩素
系化学種や臭素系化学種を用いるものが多い。これは、
シリコン系材料層に対して自発的な化学反応を起こし易
いF* (フッ素ラジカル)を排し、代わりにCl+ ,B
r+ 等のイオン・アシスト機構により異方性形状を確保
すること、また特にゲート電極加工を行う場合の下地材
料であるゲート絶縁膜(SiOx )に対して高選択性を
確保することを意図したものである。
グ種にさらに酸素系化学種を共存させたエッチングを行
い、SiOx 系の反応生成物を側壁保護に用いる方法も
提案されている。例えば、第39回応用物理学関係連合
講演会(1992年春期年会),講演予稿集p.50
4,演題番号28p−NC−4には、HBr/O2 混合
ガスを用いたSiエッチングにおいて、レジスト・マス
クがSiO2 系材料で被覆されることにより、レジスト
・マスクの後退を防止し、異方性形状を達成した実験例
が報告されている。
ッチング種と酸素系化学種とを共存させたエッチングを
行って、例えば、ゲート電極を形成する場合について説
明する。
板1上にゲート絶縁膜2、ポリシリコン層3と高融点金
属シリサイド層4とからなるポリサイド膜5、反射防止
膜6が順次形成されたウェハに対して、所定のパターニ
ングがなされたレジスト・マスク7を形成する。
として、例えば、HBr/O2 混合ガスを放電解離させ
て、反応性イオンエッチング(RIE)を行い、ポリサ
イド膜5をエッチングする。上記RIEが行われると、
図6に示されるように、レジスト・マスク7が側壁保護
膜8で被覆されながら、このレジスト・マスク7によっ
てマスキングされていない領域が除去される。
マスク7の後退を防止し、異方性形状を達成することに
寄与している。なお、この側壁保護膜8は、エッチング
によりポリサイド膜5から放出されたSi原子の直接酸
化、もしくはエッチング反応生成物SiBrx の酸化に
より生成したSiOx 系生成物を主体とするものである
が、レジスト・マスク7のフォワード・スパッタリング
によって生成した炭素系反応生成物等をも含有してい
る。
サイド膜5のエッチングがなされたら、後処理として、
レジスト・マスク7及び側壁保護膜8の除去を行う必要
がある。通常、この後処理としては、先ず、希フッ酸溶
液処理を行ってから、酸素系ガスを用いたプラズマ処理
を行っている。
よってSiOx 系生成物よりなる側壁保護膜8を溶解除
去した後、上記酸素ガスを用いたプラズマ処理によって
有機物よりなるレジスト・マスク7をアッシング除去す
ることを意図したものである。しかしながら、実際に
は、希フッ酸溶液処理を行った後、酸素系ガスを用いた
プラズマ処理を行っても、図7に示すように、側壁保護
膜8が残留してしまい、十分な除去が困難であった。
不十分なまま、次工程、例えば層間絶縁膜の形成工程へ
ウェハを送ると、これが飛散してダストの原因となった
り、層間絶縁膜によるカバレッジが劣化する等の問題が
生ずる。
て提案されたものであり、側壁保護膜の除去を十分に、
且つ効率よく行うことが可能なシリコン系材料層の加工
方法を提供することを目的とする。
た後、酸素系ガスを用いたプラズマ処理を行っても、側
壁保護膜を十分に除去できなかった理由としては、側壁
保護膜8を構成するSiOx 系生成物が化学量論的に安
定な組成を有するものでなく、希フッ酸溶液に対する溶
解度が必ずしも高くないこと、側壁保護膜8中に混在す
る炭素系反応生成物等が何らかの働きをして、上記Si
Ox 系生成物の希フッ酸溶液に対する溶解度を低下させ
てしまうこと等が考えられる。
結果、上記側壁保護膜を、酸素プラズマ処理により変性
させて、SiO2 に近い組成を有するものとすれば、希
フッ酸溶液に対する溶解度が高まることを見い出し、本
発明を完成するに至った。
の加工方法は、有機膜パターンをマスクとして、フッ素
系化学種以外のハロゲン系化学種と酸素系化学種とを生
成し得るエッチング・ガスを用いてシリコン系材料層の
ドライエッチングを行いながら、上記有機膜マスク及び
シリコン系材料層に亘って、SiOx系生成物よりなる
側壁保護膜を形成する工程と、酸素系ガスを用いたプラ
ズマ処理を行い、前記有機膜マスクを除去する工程と、
上記エッチング中に形成された側壁保護膜をSiO2に
変性させる工程と、希フッ酸溶液処理により上記変性さ
れた側壁保護膜を除去する工程とを有するものである。
酸素系ガスを用いたプラズマ処理により側壁保護膜中の
炭素原子を除去し、また、側壁保護膜を構成するSiO
x 系生成物を酸化して化学量論的に安定したSiO2 に
近づけることを表している。
系化学種以外のハロゲン系化学種と酸素系化学種とを生
成し得るエッチング・ガスを用いて行うことが好まし
い。エッチング・ガスとして使用できるものとしては、
ハロゲン系化学種を生成するガスとして、Cl2 ,HC
l,NClx ,Br2 ,HBr等が挙げられ、酸素系化
学種を生成するガスとして、O2 ,ClOx ,NOx 等
が挙げられる。なお、上記ハロゲン系化学種と酸素系化
学種は、別々のガスから生成してもよいし、同一のガス
から生成してもよい。
種、例えばCl,Brを用いてエッチングを行うと、側
壁保護膜としてSiOx 系生成物が堆積するが、フッ素
系化学種を用いてエッチングを行っても、SiOx 系生
成物を側壁保護膜として堆積させることは難しい。これ
は、Si−F結合の原子間結合エネルギーがSi−O結
合のそれより大きいため、エッチングによりシリコン系
材料層からSi原子が放出されても、蒸気圧の高いSi
Fx が優先的に生成し、SiOx がほとんど堆積しない
からである。
は、常法に従って、エッチングされるシリコン系材料層
の種類や膜厚、用いるエッチング・ガスの種類等によっ
て適宜最適化して行えばよい。
ングを行った後、酸素系ガスを用いたプラズマ処理を行
うと、上述したように側壁保護膜は変性してSiO2 に
近い組成となるので、この側壁保護膜は希フッ酸溶液処
理によって溶解させて除去すればよい。このとき、上記
酸素系ガスを用いたプラズマ処理や上記希フッ酸溶液処
理は、常法に従い適宜最適化した条件にて行えばよい。
側壁保護膜が、希フッ酸溶液処理に先だって酸素系ガス
を用いたプラズマ処理を行うことによって除去可能とな
るのは以下のような理由によると考えられる。
i−O結合のそれより圧倒的に大きい。このため、酸素
系ガスを用いたプラズマ処理が行われると、炭素成分と
Si成分とが不安定な組成で混在している側壁保護膜中
から炭素原子が先に引き抜かれる。これより、上記処理
によって、側壁保護膜中から炭素原子が除去され、側壁
保護膜は殆どSiOx 系生成物のみより構成されるもの
となる。
SiOx 系生成物は酸化され、化学量論的に安定な組成
を有するSiO2 に近づく。なお、もちろん、上記酸素
系ガスを用いたプラズマ処理によって、有機膜マスクも
同時に燃焼除去される。
処理は、側壁保護膜を変性させて、希フッ酸溶液への溶
解度を高める。したがって、酸素系ガスを用いたプラズ
マ処理が行われた後に希フッ酸溶液処理を行うと、側壁
保護膜を十分に除去できるようになる。そして、側壁保
護膜が十分に除去されれば、ダストの発生も抑えられ、
層間絶縁膜によるカバレッジの劣化も防止できる。
方法を適用した具体的な実施例について、図面を参照し
ながら説明する。
スとO2 ガスを用いてポリサイド膜5のエッチングを行
い、ゲート電極を形成した。
〜図4を用いて説明する。先ず、図1に示されるよう
に、Si基板1上にゲート絶縁膜2、n+ 型ポリシリコ
ン層3及びタングステンシリサイド(WSix )層4よ
りなるポリサイド膜5(ゲート電極層)、反射防止膜6
を順次形成し、さらに、パターニングがなされたレジス
ト・マスク7を形成した。
拡散炉にてSi基板1を熱酸化することによって、10
nm厚に形成されたものである。また、ポリサイド膜5
を構成するn+ 型ポリシリコン層3及びタングステンシ
リサイド層4は、下記の条件にてそれぞれ約100nm
の厚さに成膜したものである。
400sccm PH3 ガス(SiH4 ベース0.5%) 100scc
m 圧力: 40Pa 成膜温度: 550℃
て、SiOx Ny 膜を28.3nm厚に成膜したもので
ある。
ポジ型のノボラック系フォトレジスト材料を反射防止膜
6上に1.2μmの厚さに塗布し、i線(365nm)
による選択露光、現像を行うことによって、所望のパタ
ーンに形成されたものである。
ハに対して、上記レジスト・マスク7をマスクとして、
反射防止膜6とポリサイド膜5のドライエッチングを行
った。エッチング条件は下記に示すとおりである。
確保するためにRFバイアスを下げ、ポリシリコン10
0nm相当のオーバーエッチングを行った。この条件は
下記に示されるとおりである。
により、図2に示されるように、側壁保護膜8が形成さ
れながら、レジスト・マスク7によってマスキングされ
ていない領域の反射防止膜6とポリサイド膜5が除去さ
れた。
膜8は、主に反射防止膜6やポリサイド膜5から放出さ
れたSi原子の直接酸素、もしくはエッチング反応生成
物SiBrx の酸化により生成したSiOx 系生成物よ
りなるが、レジスト・マスク7の分解生成物に由来する
CClx ポリマー等の炭素系反応生成物等をも取り込ん
だものとなっている。
したウェハに対して、酸素系ガスを用いたプラズマ処理
を行った。この酸素プラズマ処理の条件は下記に示され
るとおりである。
分はアッシングされるため、図3に示すように、レジス
ト・マスク7が除去された状態となった。なお、側壁保
護膜8においては、炭素成分がアッシング除去されると
共に、SiOx 系生成物が酸化されて化学量論的に安定
なSiO2 に近い組成となった。
8を除去するために希フッ酸(HF)溶液処理を行っ
た。この条件を下記に示す。
処理を行うと、図4に示すように、側壁保護膜8が十分
に除去され、残渣が残ることはなかった。
ト電極加工および後処理を行うと、側壁保護膜8が残留
することもなく、ドライエッチング後の後処理が効率よ
く行えた。
において、オーバーエッチング時にHBr/O2 混合ガ
スを用いた。
図1に示されるように、Si基板1上にゲート絶縁膜
2、N+ ポリシリコン層3及びタングステンシリサイド
(WSix )層4よりなるポリサイド膜5(ゲート電極
層)、反射防止膜6を形成し、さらに、パターニングが
なされたレジスト・マスク7を形成した。
した反射防止膜6、ポリサイド層5のドライエッチング
を、実施例1と同様の条件でジャストエッチング状態ま
で行った後、下記の条件のオーバーエッチングを行っ
た。
Clの代わりにBrが寄与するエッチングであるため、
実施例1にて行われたオーバーエッチングより、ゲート
絶縁膜2に対して高い選択比が得られた。
によって、図2に示されるように、側壁保護膜8が形成
されながら、レジスト・マスク7によってマスキングさ
れていない領域の反射防止膜6、ポリサイド5が除去さ
れた。なお、上記側壁保護膜8は、SiOx 系生成物,
CClx ポリマーの他に、CBrx ポリマー,SiBr
x 等が取り込まれたものとなっている。
したウェハに対して、酸素系ガスを用いたプラズマ処理
を下記の条件にて行った。
はアッシングされ、図3に示すように、レジスト・マス
ク7は除去された。なお、側壁保護膜8においては、炭
素成分が同様にアッシング除去され、また、SiOx 系
生成物が酸化されて、化学量論的に安定なSiO2 に近
い組成となった。
8を除去するために希フッ酸(HF)溶液処理を行っ
た。この条件を下記に示す。
理を行うと、図4に示すように、側壁保護膜8が十分に
除去され、残渣が残ることがなかった。なお、本実施例
の希フッ酸(HF)溶液処理は、スプレー式スピン洗浄
にて行ったため、ディップ式のような薬液中からのダス
トの付着が起こりにくく、実施例1よりもパーティクル
レベルを低下させることができた。
ト電極加工および後処理を行えば、側壁保護膜8の除去
を十分に且つ効率よく行うことができた。
係るシリコン系材料層の加工方法を適用すると、側壁保
護膜の除去を十分に且つ効率よく行うことができる。し
たがって、CFC系ガスを用いずとも、優れた異方性を
有し且つ高選択性の確保されたドライエッチングが可能
であるという、塩素系化学種や臭素系化学種によるエッ
チングのメリットを最大限に活かすことができる。
から、ダストの発生も抑えられ、次工程作業の信頼性が
向上するので、製造された半導体装置等の品質及び歩留
まりの向上を図ることができる。
あり、エッチング前のウェハを模式的に示す断面図であ
る。
を行った後のウェハを模式的に示す断面図である。
を模式的に示す断面図である。
的に示す断面図である。
であり、エッチング前のウェハを模式的に示す断面図で
ある。
を行った後ウェハを模式的に示す断面図である。
護膜が残留したウェハを模式的に示す断面図である。
Claims (1)
- 【請求項1】 有機膜パターンをマスクとして、フッ素
系化学種以外のハロゲン系化学種と酸素系化学種とを生
成し得るエッチング・ガスを用いてシリコン系材料層の
ドライエッチングを行いながら、上記有機膜マスク及び
シリコン系材料層に亘って、SiOx系生成物よりなる
側壁保護膜を形成する工程と、 酸素系ガスを用いたプラズマ処理を行い、前記有機膜マ
スクを除去する工程と、 上記エッチング中に形成された側壁保護膜をSiO 2 に
変性させる工程と、 希フッ酸溶液処理により上記変性された側壁保護膜を除
去する工程とを有することを特徴とするシリコン系材料
層の加工方法。
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