JPH0294520A

JPH0294520A - ドライエッチング方法

Info

Publication number: JPH0294520A
Application number: JP24640288A
Authority: JP
Inventors: Toshiya Muraguchi; 要也村口; Keiji Horioka; 啓治堀岡
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1988-09-30
Filing date: 1988-09-30
Publication date: 1990-04-05

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】〔発明の目的］（産業上の利用分野）本発明は、ドライエツチング方法に係り、特にタングス
テンまたは硅化タングステンを含む薄膜のドライエツチ
ング方法に関する。

（従来の技術〉近年、半導体装置の高速化および高集積化は進む一方で
あり、構成素子の微細化および高密度化への研究が急速
に進められている。

しかしこの微細化および高密度化に伴い、半導体装置の
製造プロセスにはいろいろな問題が生じてきている。

例えば、配線を例にとると、設計基準の縮小で配線幅は
小さくなるのに対し、能動素子の増大で配線が複雑とな
り、電気的に接続しなければならない箇所も酒太してお
り、また配綜長そのものは増大する一方である。このた
め、低抵抗率の材料を用いる必要がある。

また、ＭＯＳＦＥＴの製造に際しては、大幅な面積縮小
と性能向上をめざして、ゲート電極を自己整合的に形成
する材料選択がなされている。

さらに、後続の高温工程に耐え得るものである必要があ
る。

このような条件を満たずものとして、モリブデンＭｏ、
タングステンＷ等の高融点金属とその硅化物があげられ
る。

この高融点金属とその硅化物を用いたゲート電極構造の
１つに、多結晶シリコン上に硅化物〈シリサイド〉を８
５層したポリサイドゲート構造と呼ばれる構造がある。

この構造はシリコンゲートプロセスを保存しながら、配
線を低抵抗にできるため最も実用的な構造であるといわ
れている。

なかでも、タングステンポリサイドと呼ばれるタングス
テンシリサイドＷ　Ｓ　ｉ　ｘと多結晶シリコンとの２
層構造膜が、広く用いられるようになっている。

これらタングステン系材料のバターニング工程で用いら
れるドライエツチングには、六フッ化イオウ（ＳＦ６）
、四フッ化炭素（ＣＦ４　）等のフッ素系ガス、フッ素
系ガスとＢｆｆｉ（０２）との混合ガス、塩素（ＣＩ２
）等のＣ１系ガスとフッ素系ガスとの混合ガス、四塩化
炭素（ＣＣｌ２）と酸素との混合ガス、三塩化硼素（Ｂ
Ｃｌ２＞と塩素との混合ガス等が用いられている。

例えば、フッ素系ガスによりタングステンポリサイドを
エツチングすると、下層の多結晶シリコンに横方向のエ
ツチング回り込み（サイドエツチング）が生じ、パター
ン精度が良くないという問題があった。また、フッ素系
ガスは、直接酸化シリコンと反応するため、下地層が酸
化シリコンであるような場合、エツチング選択性が悪く
、酸化シリコンまでエツチングされてしまうという問題
もあった。

また、このサイドエツチングを避けるため、四塩化炭素
と酸素との混合ガスを、用いる方法も提案されている。

この方法では、下地の酸化シリコン膿との選択性を向上
させるため、試料温度を摂氏零度以下にして酸化シリコ
ンのエツチング速度をおさえる低温エツチングを行うの
が望ましい。

しかしながら、これを行うと、四塩化炭素が液化しエツ
チング不能となることがあった。

さらに、ゲート電極の下地（ゲート絶縁膜）である酸化
シリコン膜の膜厚は、近年、半導体装置の微細化に伴い
１００乃至２００八と薄くなってきている。このため、
タングステン系材料のエツチング速度と酸化シリコンの
エツチング速度との比（選択比）が小さいエツチングガ
ス例えば三塩化硼素と塩素との混合ガスを用いると、エ
ツチングが酸化シリコンで止まらず、酸化シリコン下層
の拡散層まで進行することが多く、！！ｉ造歩留まりが
低下するという問題があった。

（発明が解決しようとする課題）本発明は、前記実情に鑑みてなされたもので、タングス
テン系材料の酸化シリコンに対するエツチング選択比が
高いドライエツチング方法を提供することを目的とする
。

また、本発明は、タングステンポリサイド等、タングス
テン系膜を含む多層構８膜のエツチングに際して、多結
晶シリコン等のタングステン系膜以外の膜にもサイドエ
ツチングを生じことなく、かつ酸化シリコンに対するエ
ツチング選択比が高いドライエツチング方法を提供する
ことを目的とする。

（発明の構成〕（課題を解決するための手段）そこで本発明では、エツチングガスとして、酸素を含有
してなる塩素ガスからなる混合ガスを用いるようにして
いる。

望ましくは、エツチングガスとして、２乃至６％の酵素
を含有してなる塩素ガスからなる混合ガスを用いるよう
にしている。

また、本発明では、さらに、この混合ガスを用いるドラ
イエツチングに際し、真空容器内の圧力を、５パスカル
以下となるようにしている。

さらにまた、本発明では、上層が硅化タングステン膜、
下層が多結晶シリコン膜からなるタングステンポリサイ
ドのエツチングに際し、上述の如く、エツチングガスと
して、酸素を含有してなる塩素ガスからなる混合ガスを
用いるようにしている。

（作用）本発明者らは、種々の実験の結果、サイドエツチングを
避けることのできないフッ素に代えて塩素ガスによるエ
ツチングを試みてみた。しかし、塩素ガスのみでエツチ
ングを行おうとすると、反応生成物が蒸発せず基板表面
に堆積物として残留し、エツチングの進行を妨げる。そ
こで、ここに酸素を添加すると、反応生成物は良好に蒸
発し、サイドエツチングを生じることもなくエツチング
が進行していくことを発見し、これに着目してなされた
ものである。

例えば、タングステンシリサイドＷＳｉｘのエツチング
反応を考えてみる。高エネルギーでタングステンシリサ
イド表面に飛翔してきたイオンあるいは中性活性種はそ
の位置でタングステンと反、応し、ＷＣｌ　が生成され
るが、ＷＣＩｙは蒸発し雌く、表面に堆積物となって残
る。ここに、酸素を添加することにより、ＷＣＩｘＯｙ
が形成される。ここで、Ｗ　Ｃｌ　＜　Ｏ，ｙは揮発性
である。

このようにして、本発明では、酸素を含有してなる塩素
ガスからなる混合ガスをエツチングガスとして用いるこ
とにより、サイドエツチングを抑制できる。

また、サイドエツチングを低減するためには、低圧下で
行うのが望ましい、これは、塩素は、イオンあるいは中
性活性種のかたちでタングステンと反応するが、放電に
よって生成され、高エネルギーで飛翔してきた中性活性
種はその位置でタングステンと反応し、エツチングが進
行するが、塩素中性活性種の濃度が鳥いと、タングステ
ン膜の側壁での中性活性種の滞在時間が増大し横方向へ
の反応を進行させることになるためと考えられる。

そこで、サイドエツチングを低減するためには、圧力を
下げてエツチングを行うのが望ましい。

また、低圧にすると、酸化シリコンに対するタングステ
ン膜の選択比が向上すると共にポリサイド構造における
多結晶シリコンのサイドエツチングは少なくなる。これ
は低圧にすると、中性活性種の濃度が減少し、酸化シリ
コンや多結晶シリコン上ではシリコンの塩素酸化Ｔｈ５
ｉＣＩｘＯ，が付着し、これが、保護膜として作用し、
酸化シリコンや多結晶シリコンのエツチング速度が低下
するためと考えられる。

さらにまた、２乃至６％の酸素を含有してなる混合ガス
は、硅化タングステン膜のエツチング速度と多結晶シリ
コン膜のエツチング速度とがほぼ同等であるため、タン
グステンポリサイドのエツチングに際しても、多結晶シ
リコン膜にサイドエツチングを生じることもない。

また、酸素を含有してなる塩素ガスからなる混合ガスは
、液化温度または固化温度が摂氏−７０度以下であるた
め、低温下でのエツチングが可能となり、酸化シリコン
のエツチングを抑制しながら、タングステン系材料のエ
ツチングを行うことが可能となる。従って、酸化シリコ
ンとのエツチング選択比を高くすることができる。

（実施例）以下、本発明の実施例について、図面を参照しつつ詳細
に説明する。

実施例１Ｍ１図は、本発明実施例のドライエツチング方法に用い
るマグネトロン型反応性イオンエツチング装置の概略構
成を示す図である。

このエツチング装置は、真空容器１と、プラズマを発生
させるべくこの真空容器内に配設された陽極２と陰極３
と、反射波を低減するためのマツチングボックス４を介
して接続され、この陰極３に高周波を印加する高周波電
源５と、陰極３上にｉｌｌ！置されるウェハ６と平行な
磁界領域を発生さゼる永久磁石７と、この永久磁石７を
回転させるモータ８と、この真空容器内のガスを供給お
よび排出するガス供給口９およびガス排出口１０とから
構成されており、高周波印加により陰極降下電圧（バイ
アス電圧）を発生し易くして放電を促進するとともに、
永久磁石７によってウニ凸表面に形成される直交電磁界
によるマグネトロン放電を利用して、高密度プラズマを
発生しエツチングをおこなうようにしたものである。

次に、この装置を用いたエツチング方法について説明す
る。

まず、第２図（ａ＞に示す如く表面に酸化シリコン膜１
２、およびタングステンシリサイド（ＷＳ　ｉ２．７　
＞１３を堆積してなるシリコンウェハ１１に〕ｔトリソ
法によりレジストパターンＲを形成する。

このシリコンウェハ１１を前記装置の陰極３上にｉｔｌ
！置し、ガス排出口１０を介して真空排気した後、エツ
チングガスとして５．１％の酸素を含有するｔ８素ガス
をガス供給口９から導入し、高周波電源５およびモータ
８を駆動し、放雷を促進するとともに、永久磁石７によ
ってつ１ハ表面に形成される直交電磁界によるマグネト
ロン放電を利用して、高密度プラズマを発生しエツチン
グを行う。

ここで、陰極３の工周波電力密度は０．４Ｗ／ｄ、永久
磁石７によるウェハ上の磁場強度は１００Ｇａｕｓｓ　
、　電極間距離は３０　ａｎ　、ウェハの温度は摂氏−
１４度、塩素ガスと酸素ガスの流吊は夫々５０１／ｎｉ
ｎ、３　ｍｌ／ｍｉｎ、圧力５Ｐａとした。

この時、エツチング後のタングステンシリサイド［１３
は、第２図（ｂ）に示すごとく、サイドエッチもなく極
めて良好なエツチング精度でパタニングされている。ま
た、選択比も８以上となっている。選択比が８Ｊ：Ｊ、
上であると、ゲート絶縁膜が１００Ａ程度であるときの
ゲート電極のパタニングにも採用できる。

さらにまた、このとき他の条件はそのままで、圧力のみ
を変化させ、酸化シリコンに対するエツチング選択比を
測定した結果を第３図に示す。この図からも明らかなよ
うに、３Ｐａ乃至７Ｐａ稈度のときエツチング選択比は
良好であった。ここで圧力を３Ｐａ以下としたとき、選
択比が低下していることがわかる。これは、イオンの平
均自由工程が長くなり、イオンエネルギーが大きくなる
ため、酸化シリコンがエツチングされ易くなり、選択比
が低下するものと考えられる。しかし、このとき、ウェ
ハ温度を更に下げることにより、選択比を上昇させるこ
とは可能である。一方、７．７Ｐａ以上とすると、電界
により加速されない中性活性種が増えるため、タングス
テンシリサイドにサイドエツチングが生じる。

また、圧力を′５　Ｐ　ａとし、酸素の流量のみを変化
させたときの、エツチング後の断面形状を第４図に示す
。酸素を全く添加しない場合は、第４図に示すようにレ
ジストパターンＲｒ３よびタングステンシリサイド１３
の側壁にＷＣ＋、等の堆積物が付着し、エツチングが進
行しない。そして、酸素流量を２％程度まで上げると、
堆積物は大幅に減少し、エツチングが良好に進行し始め
、酸素流量が６％を越えると、再び堆積物は増大し、エ
ツチングの進行が妨げられる。また、酸素流量を９．１
％以上とすると、ＷＳｉｌｏ、の堆積物が生じ、エツチ
ングが進行しにくくなり、この堆積物は通常の処理では
除去できない。

以上のような測定結果からもわかるように、酸素の塩素
に対する流量比５．１％程度、圧力５Ｐａ以下のとき、
サイドエツチングもなく断面形状が垂直なパターニング
が可能となる。

実施例２さらに、第２の実施例として、第５図に示すようなタン
グステンポリサイドのパターニングについて説明する。

まず、第５図（ａ）に示すように、所望の素子領域の形
成されたシリコンウェハ２１の表面にゲート絶縁膜２２
および多結晶シリコン膜２３ａとタングステンシリサイ
ド２３ｂとからなる２層構造！２３を形成した後、レジ
スｌ−パターンＲを形成し、前記第１の実施例と同様に
、第１図に示した装置の陰極３に設置する。

そして同様にして・、エツチングをおこなう。このとき
、ｖ＠電極の高周波電力密度は０．４Ｗ／ｃｆｆｌ、永
久磁石７によるウェハ上の（［４強度は１００ＧａＵＳ
Ｓ　、電極間距離は３０ｃｔｎ、ウェハの温度は摂氏−
１４度、塩素ガスとＢ素ガスの流量は夫々５０　Ｉｌ／
ｍｉｎ、　３１／＋ｉｎ、圧力５Ｐａとした。エツチン
グ後の断面形状を第５図（ｂ）に示す。多結晶シリコン
膜２３ａにサイドエッチを生じることもなく、また、下
地の酸化シリコンがエツチングされることもなく、極め
て高精度のパターニングが可能となる。

さらにまた、このとき他の条件はそのままで、圧力のみ
を変化′させ、エツチング速度を測定した結果を第６図
に示す。第６図中、曲Ｐｉ１ａ、曲線す。

曲線Ｃは、それぞれＷＳｉ２−７．ｎ＋型多結晶シリコ
ン、酸化シリコンのエツチング速度を示す。

なお、このエツチング速度は、作図の関係上、ｎ中型多
結晶シリコンはｘｏ、５．Ｂ化シリコンは×５で示した
。この図からも明らかなように、３Ｐａ乃至７Ｐａ程度
のとき、ＷＳｉ２．７よびｎ＋型多結晶シリコンのエツ
チング速度が酸化シリコンのエツチング速度に比べて十
分に大きく、エツチング選択比は良好であった。この図
から、圧力を３Ｐａ以下としたとき、酸化シリコンのエ
ツチング速度が大きくなり、選択比が低下することがわ
かる。これは、イオンの平均自由工程が長くなり、イオ
ンエネルギーが大きくなるため、酸化シリコンがエツチ
ングされ易くなり、選択比が低下するものと考えられる
。しかし、このとき、ウェハ温度を更に下げることによ
り、選択比を上昇させることは可能である。一方、７．
７Ｐａ以上とすると、電界により加速されない中性活性
種が増えるため、タングステンシリサイドにサイドエツ
チングが生じる。

また、圧力を５Ｐａとし、Ｍ索の流量のみを変化させた
ときの、エツチング速度を第７図に示す。

第７図においても、曲線ａ２曲ａｂ、曲線Ｃは、第６図
と同球にそれぞれＷＳｉ２．７．ｎ＋型多結晶シリコン
、酸化シリコンのエツチング速度を示す。ＭＭを全く添
加しない場合は、レジストパターンＲおよびタングステ
ンシリサイド１３の側壁にＷＣ＋、等の堆積物が付着し
、エツチングが進行しない６また、酸素滝伍を９．１％
以北とすると、ＷＳｉｌＯｏの堆積物が生じ、エツチン
グが進行せず、この堆積物は通常の５１！！では除去で
きない。

なお、実施例では、マグネトロン型反応性イオンエツチ
ング装置を用いたが、平行平根型反応性イオンエツチン
グ装置、ＥＣＲ型反不反応性イオンエツチング装置いて
も同機に堆積物の残留もなく、選択比が良好でかつ断面
垂直形状の極めてた精度のパターニングが可能となる。

（発明の効果〕以上説明してさたように、本光明のドライエツチング方
法によれば、反応性ガスとして酸素を含有する塩素ガス
を用いるようにしているため、サイドエツチングを生じ
ることなく、選択比の良好なエツチングが可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明実施例の方法に■いるマグネトロン型反
応性イオンエツチング装置を示す図、第２図（ａ）およ
び第２図（ｂ）は本発明の第１の実施例のドライエツチ
ング工程を示す図、第３図は、圧力と選択比との関係を
示す図、第４図は酸素のｆ、量比とエツチング後の断面
形状との関係を示す図、第５図（ａ）および第５図（ｂ
）は本発明の第２の実施例のドライエツチング工程を示
す図、第６図は、同工程において圧力とエツチング速度
との関係を示す図、第７図は、酸素濃度とエツチング速
度との関係を示す図である。１・・・真空容器、２・・・陽極、３・・・陽極、４・
・・マツチングボックス、５・・・高周波電源、６・・
・ウェハ、７・・・永久磁石、８・・・モータ、９・・
・ガス供給口、１０・・・ガス排出口、１１・・・シリ
コンウェハ、１２・・・酸化シリコン膜、１３・・・タ
ングステンシリサイド＜ＷＳｉ２．７）、２１・・・シ
リコンウェハ。２２・・・ゲート絶縁膜、２３ａ・・・多結品シリコン
膜、２３ｂ・・・タングステンシリサイド、２３・・・
２層面造膜、Ｒ・・・レジストパターン。第図第２図（Ｇ）第図（ｂ）第５図（ａ）弔５図（ｂ）斥力（Ｐｏ）第３図第４図圧力（Ｐａｌ第図

Claims

【特許請求の範囲】

（１）真空容器内に、エッチングガスを導入し、タング
ステン膜または硅化タングステン膜を含む薄膜をエッチ
ングするに際し、エッチングガスとして、酸素を含有してなる塩素ガスを
用いることを特徴とするドライエッチング方法。
（２）前記塩素ガスは、２乃至６％の酸素を含有してな
ることを特徴とする請求項（１）記載のドライエッチン
グ方法。
（３）前記真空容器内の圧力は、５パスカル以下である
ことを特徴とする請求項（１）記載のドライエッチング
方法。
（４）前記薄膜は、上層が硅化タングステン膜、下層が
多結晶シリコン膜からなる多層構造膜であることを特徴
とする請求項（１）記載のドライエッチング方法。
（５）前記薄膜は、下地層が酸化シリコン層で構成され
ていることを特徴とする請求項（４）記載のドライエッ
チング方法。