JPH08316206A - Method for plasma-etching of high-melt-point metal polycide layer - Google Patents
Method for plasma-etching of high-melt-point metal polycide layerInfo
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Abstract
Description
【０００１】[0001]
【産業上の利用分野】本発明は半導体装置の電極、配線
材料として用いられる高融点金属ポリサイド層のプラズ
マエッチング方法に関し、さらに詳しくは、微細幅の電
極、配線のパターニングにあたり、異方性、選択比、低
汚染およびスループット等の諸特性を満たすことが可能
な高融点金属ポリサイド層のプラズマエッチング方法に
関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a plasma etching method for a refractory metal polycide layer used as an electrode of a semiconductor device and a wiring material. The present invention relates to a plasma etching method for a refractory metal polycide layer capable of satisfying various characteristics such as ratio, low pollution and throughput.
【０００２】[0002]
【従来の技術】ＭＩＳ型半導体装置のゲート電極材料や
内部配線材料として、従来より多結晶シリコンが多用さ
れてきた。近年、半導体装置のデザインルールがハーフ
ミクロンからクォータミクロンのレベルへと微細化され
つつあり、かつ高集積度メモリにおける動作速度の向上
等、半導体装置の高速動作化への要求が高まるにつれ
て、これら電極材料や内部配線材料のシート抵抗の低減
が望まれている。このため、多結晶シリコンより約１桁
小さいシート抵抗値が得られ、しかも耐熱性に優れるＷ
Ｓｉx やＭｏＳｉx 等の高融点金属シリサイドが用いら
れるようになってきた。高融点金属シリサイドをゲート
電極材料として用いる場合には、デバイス特性に影響を
与え易いゲート絶縁膜との界面特性を考慮して、まず不
純物を含有する多結晶シリコン（ＤＯＰＯＳ； Ｄｏｐ
ｅｄ Ｐｏｌｙｓｉｌｉｃｏｎ）層を形成しこの上に高
融点金属シリサイド層を積層する、いわゆる高融点金属
ポリサイド構造を採用することが一般的である。2. Description of the Related Art Polycrystalline silicon has been frequently used as a gate electrode material and an internal wiring material of MIS type semiconductor devices. In recent years, the design rules of semiconductor devices have been miniaturized from the level of half micron to quarter micron, and as the demand for high-speed operation of semiconductor devices has increased, such as the improvement of operating speed in highly integrated memories, these electrodes have been developed. It is desired to reduce the sheet resistance of materials and internal wiring materials. Therefore, a sheet resistance value that is about an order of magnitude smaller than that of polycrystalline silicon can be obtained, and W that is excellent in heat resistance
Refractory metal silicides such as Si x and MoSi x have come to be used. When refractory metal silicide is used as a gate electrode material, polycrystalline silicon containing impurities (DOPOS; Dop) is first taken into consideration in consideration of the interface characteristics with the gate insulating film, which easily affects the device characteristics.
It is common to employ a so-called refractory metal polycide structure in which a refractory metal silicide layer is formed by forming an ed polysilicon) layer thereon.
【０００３】かかる積層構造の高融点金属ポリサイド層
を電極、配線に加工する場合には、異なる２種類の材料
層に対して共に異方性を確保するとともに、下地のゲー
ト絶縁膜との選択比を維持する必要があるため、プラズ
マエッチング工程に課せられる技術的課題は大きい。す
なわち、高融点金属ポリサイド層のプラズマエッチング
においては、各層のハロゲン系反応生成物の蒸気圧が異
なることから、多結晶シリコン層のエッチングレートの
方が高融点金属シリサイド層のエッチングレートよりも
遙かに大きいこと、あるいは多結晶シリコン層と高融点
金属シリサイド層との界面に新たな反応層が形成される
こと等の理由により、形成される高融点金属ポリサイド
層パターンにアンダーカットや段差部が発生しやすい。When the high melting point metal polycide layer having such a laminated structure is processed into electrodes and wirings, anisotropy is ensured for two different kinds of material layers, and the selection ratio with respect to the underlying gate insulating film. Therefore, the technical problem imposed on the plasma etching process is great. That is, in the plasma etching of the refractory metal polycide layer, since the vapor pressure of the halogen-based reaction product in each layer is different, the etching rate of the polycrystalline silicon layer is much higher than that of the refractory metal silicide layer. Due to the large size, or the formation of a new reaction layer at the interface between the polycrystalline silicon layer and the refractory metal silicide layer, an undercut or stepped portion is generated in the refractory metal polycide layer pattern to be formed. It's easy to do.
【０００４】これらの形状異常は、ソース・ドレイン領
域をセルフアラインで形成する不純物のイオン注入時
に、不純物が導入されないオフセット領域を発生させた
り、ＬＤＤ（Ｌｉｇｈｔｌｙ Ｄｏｐｅｄ Ｄｒａｉ
ｎ）構造を実現するためのサイドウォール形成時の寸法
精度を低下させる原因となり、いずれも微細なデザイン
ルールの半導体装置では許容されないものである。These shape anomalies cause an offset region where impurities are not introduced at the time of ion implantation of impurities for forming source / drain regions by self-alignment, and LDD (Lightly Doped Drain).
n) It causes a decrease in dimensional accuracy at the time of forming a side wall for realizing the structure, and neither of them is allowed in a semiconductor device having a fine design rule.
【０００５】従来から、高融点金属ポリサイド層のエッ
チングガスとしてはＣ2 Ｃｌ3 Ｆ3（フロン１１３）
や、エッチングレートを高めるためこれにＳＦ6 を添加
した混合ガスが用いられる。Ｃ2 Ｃｌ3 Ｆ3 は、１分子
中にフッ素原子と塩素原子を共有するため、ラジカルモ
ードおよびイオンモードの両モードにより効率的にエッ
チング反応を進行させ、しかも炭素ポリマ系の堆積物に
より側壁保護膜を形成しながら高異方性加工を可能とし
ている。かかるエッチングの機構に関しては、例えば月
刊セミコンダクター・ワールド誌（プレスジャーナル社
刊）１９８９年１０月号１２６〜１３０ページに詳述さ
れている。Conventionally, C 2 Cl 3 F 3 (CFC 113) has been used as an etching gas for the refractory metal polycide layer.
Alternatively, a mixed gas to which SF 6 is added is used to increase the etching rate. Since C 2 Cl 3 F 3 shares a fluorine atom and a chlorine atom in one molecule, the etching reaction progresses efficiently in both the radical mode and the ion mode, and the side walls are protected by the carbon polymer-based deposit. Highly anisotropic processing is possible while forming a film. The etching mechanism is described in detail, for example, in Monthly Semiconductor World magazine (Press Journal, Inc.), October 1989, pages 126 to 130.
【０００６】しかしながら、ＣＦＣガスは周知のように
地球のオゾン層破壊の一因となることが指摘されてお
り、ドライエッチングの分野においても環境保全の見地
からはＣＦＣガスの代替となりうるエッチングガスおよ
びその使用技術、すなわち脱フロンプロセスの確立が急
務となっている。[0006] However, it has been pointed out that CFC gas contributes to the destruction of the ozone layer of the earth as is well known, and in the field of dry etching as well, from the viewpoint of environmental protection, an etching gas and a CFC gas that can substitute for CFC gas There is an urgent need to establish the technology for its use, that is, the dechlorofluorocarbon process.
【０００７】このようなデザインルールの微細化要求、
および脱フロンの観点から、近年Ｂｒ系化合物を主エッ
チング種として利用する試みがある。たとえば、J.Vac.
Sci.Technol.,A8(3), May/Jun 1990, p1696 や、Digest
of Papers 1989 2nd MicroProcess Conference, p19
0、あるいは特開平２−８９３１０号公報には、ＨＢｒ
やＢｒ2 を用いるｎ+ 型多結晶シリコンゲート電極エッ
チングが報告されている。Ｂｒはイオン半径が大きく、
シリコン系材料層の結晶格子や結晶粒界には容易に侵入
しない。したがって、フッ素ラジカル（Ｆ* ）のように
シリコン系材料層を制御性なく等方的にエッチングする
懸念は少なく、イオンアシスト機構によりはじめて異方
性エッチングを進行させることができる。またＳｉ−Ｏ
結合の原子間結合エネルギ（７９９．６ｋＪ／ｍｏｌ）
がＳｉ−Ｂｒ間のそれ（３６７．８ｋＪ／ｍｏｌ）より
遙かに大きいことからも明らかなように、ＳｉＯ2 から
なるゲート酸化膜との高い選択比を達成しうる。さら
に、レジストマスクの表面を蒸気圧の小さいＣＢｒx 系
ポリマで被覆することができるので、レジストとの選択
比を向上できる点もＢｒ系エッチングガスの特長であ
る。A demand for miniaturization of such design rules,
Also, from the viewpoint of CFC removal, there has been an attempt to utilize a Br compound as a main etching species in recent years. For example, J.Vac.
Sci.Technol. , A8 (3) , May / Jun 1990, p1696 and Digest
of Papers 1989 2nd MicroProcess Conference, p19
0, or in JP-A-2-89310, HBr
N + -type polycrystalline silicon gate electrode etching using Br 2 and Br 2 has been reported. Br has a large ionic radius,
It does not easily enter the crystal lattice or crystal grain boundaries of the silicon-based material layer. Therefore, there is little concern that the silicon-based material layer is isotropically etched uncontrollably like fluorine radicals (F * ), and anisotropic etching can be advanced only by the ion assist mechanism. Also Si-O
Bonding interatomic bond energy (799.6 kJ / mol)
Is much larger than that between Si and Br (367.8 kJ / mol), it is possible to achieve a high selectivity with the gate oxide film made of SiO 2 . Furthermore, since the surface of the resist mask can be coated with a CBr x polymer having a small vapor pressure, the Br-based etching gas is also advantageous in that the selectivity with respect to the resist can be improved.
【０００８】また、他の脱フロン対策として、ＣＦＣ１
１３に替えてＣｌ2 ／ＣＨ2 Ｆ2 混合ガス系によるＷポ
リサイド層のエッチングが、例えば第５２回応用物理学
会学術講演会（１９９１年秋期年会）講演予稿集ｐ５０
８、講演番号９ａ−ＺＦ−６に報告がある。このガス系
の混合比を最適化すれば、ＣＨ2 Ｆ2 に由来する炭素系
ポリマを側壁保護膜に利用し異方性エッチングが行え
る。[0008] As another measure for removing CFCs, CFC1
In place of No. 13, etching of the W polycide layer with Cl 2 / CH 2 F 2 mixed gas system is described in, for example, Proceedings of 52nd Annual Meeting of the Society of Applied Physics (1991 Autumn Meeting).
8. There is a report in Lecture No. 9a-ZF-6. By optimizing the mixing ratio of this gas system, anisotropic etching can be performed by using the carbon-based polymer derived from CH 2 F 2 for the side wall protection film.
【０００９】さらに、ポリマ生成物の堆積による側壁保
護膜により高異方性を図るのではなく、被エッチング基
板を低温冷却してこれを達成しようという試みも提案さ
れている。いわゆる低温エッチングと呼ばれるこのプロ
セスは、被エッチング基板を０℃以下に制御することに
より、レジストパターン下部におけるラジカル反応を凍
結あるいは抑制してアンダーカット等の形状異常を防止
する方法である。例えば、第３５回応用物理学関係連合
講演会（１９８８年春期年会）講演予稿集ｐ４９５、講
演番号２８ａ−Ｇ−２には、ウェハを−１３０℃に冷却
し、ＳＦ6 ガスを用いてｎ+ 型多結晶シリコン層のエッ
チングをおこなった例が報告されている。Further, it has been proposed to attempt to achieve this by cooling the substrate to be etched at a low temperature, rather than achieving high anisotropy by the side wall protection film formed by depositing the polymer product. This process, which is so-called low temperature etching, is a method of controlling the temperature of the substrate to be etched to 0 ° C. or lower, thereby freezing or suppressing the radical reaction in the lower portion of the resist pattern to prevent a shape abnormality such as undercut. For example, in the 35th Joint Lecture on Applied Physics (Spring Annual Meeting 1988) Proceedings p495, Lecture No. 28a-G-2, the wafer was cooled to -130 ° C. and SF 6 gas was used for n. An example of etching a + type polycrystalline silicon layer has been reported.
【００１０】[0010]
【発明が解決しようとする課題】このように、従来から
脱ＣＦＣを念頭においたプロセスが提案されているもの
の、上述の各ドライエッチング方法は、それぞれ未だ解
決すべき課題が残されている。まず、ＨＢｒをはじめＢ
ｒ系ガスを用いるプロセスをＷポリサイド層のエッチン
グに適用すると、上層のＷＳｉx のエッチング中に大量
のＷＢｒx がスパッタリングされ、これは蒸気圧が小さ
いのでエッチングチャンバ壁面に付着し、パーティクル
レベルを悪化させる。また、基本的に反応性の小さいＢ
ｒ系化学種をエッチャントとすることから、エッチング
レートが従来のフロン系ガスに比して小さいという問題
がある。As described above, although a process in which de-CFC is taken into consideration has been conventionally proposed, each of the above-mentioned dry etching methods still has a problem to be solved. First, B including HBr
When the process using the r-based gas is applied to the etching of the W polycide layer, a large amount of WBr x is sputtered during the etching of the upper layer WSi x , which adheres to the wall of the etching chamber due to its low vapor pressure and deteriorates the particle level. Let In addition, B, which is basically less reactive,
Since the r-type chemical species is used as the etchant, there is a problem that the etching rate is smaller than that of the conventional fluorocarbon gas.
【００１１】他方、Ｃｌ2 ／ＣＨ2 Ｆ2 混合ガス系にエ
ッチングでは、炭素系ポリマの堆積が過大になり易く、
またエッチング速度が低いことが、例えば１９８８年ド
ライプロセスシンポジウム抄録集ｐ７４、ＩＩ−８に報
告がある。したがって、ＣＨ2 Ｆ2 ガスの使用はパーテ
ィクル汚染やエッチングレートの問題を残す虞れが大き
い。On the other hand, in the case of etching with a Cl 2 / CH 2 F 2 mixed gas system, the deposition of the carbon-based polymer tends to become excessive,
Further, it is reported that the etching rate is low, for example, in 1988 Dry Process Symposium Abstracts p74, II-8. Therefore, the use of CH 2 F 2 gas is highly likely to leave problems such as particle contamination and etching rate.
【００１２】上記２つの方法に対し、低温エッチングは
脱ＣＦＣプロセスの有力な手段の一つと考えられる。し
かし、高異方性の達成をラジカル反応の凍結ないし抑制
のみに依存しようとすると、液体窒素等による冷却を要
する極低温レベルの温度制御が必要となる。このため、
冷却装置のメンテナンスや真空シール部の信頼性等、装
置面での問題が別に発生する。また被エッチング基板の
冷却およびその後の昇温工程に長時間を要する等、スル
ープットの低下も見逃せない。In contrast to the above two methods, low temperature etching is considered to be one of the effective means for the de-CFC process. However, if the achievement of high anisotropy depends only on freezing or suppression of radical reaction, it is necessary to control the temperature at a cryogenic level that requires cooling with liquid nitrogen or the like. For this reason,
Problems such as maintenance of the cooling device and reliability of the vacuum seal part will occur separately. In addition, it takes a long time to cool the substrate to be etched and the subsequent temperature rising process, and the decrease in throughput cannot be overlooked.
【００１３】本発明の課題は、上述した従来の高融点金
属ポリサイド層のプラズマエッチング方法における諸問
題点を解決することである。すなわち本発明は、実用的
なエッチングレートを確保しつつ、対レジストマスク選
択比、対下地材料層選択比、高異方性および低汚染とい
った、並立の困難な諸特性を高いレベルで満たし、これ
を現実的な温度域で実施しうる、高融点金属ポリサイド
層のプラズマエッチング方法を提供することを目的とす
る。An object of the present invention is to solve various problems in the above-mentioned conventional plasma etching method for a high melting point metal polycide layer. That is, the present invention, while ensuring a practical etching rate, satisfies various characteristics that are difficult to stand up to, such as a resist mask selectivity, a base material layer selectivity, high anisotropy and low contamination, at a high level. It is an object of the present invention to provide a plasma etching method for a refractory metal polycide layer, which can be performed in a realistic temperature range.
【００１４】また本発明の別の課題は、ポリサイドゲー
ト電極のアンダカットやサイドエッチングを防止し、チ
ャンネル領域幅のシフトや、ソース・ドレイン領域を形
成するためのイオン注入時に不純物の注入されないオフ
セット領域を発生させたり、ＬＤＤ構造実現のためのサ
イドウォール形成時の寸法精度を低下させたり、また配
線断面積の減少による配線抵抗の増加等の問題のない、
制御性のよい半導体装置を形成できるプラズマエッチン
グ方法を提供することである。Another object of the present invention is to prevent undercut and side etching of the polycide gate electrode, shift the channel region width, and offset that impurities are not implanted at the time of ion implantation for forming source / drain regions. There are no problems such as generation of a region, reduction of dimensional accuracy when forming a sidewall for realizing an LDD structure, and increase of wiring resistance due to reduction of wiring cross-sectional area.
A plasma etching method capable of forming a semiconductor device having good controllability.
【００１５】[0015]
【課題を解決するための手段】本発明の請求項１の高融
点金属ポリサイド層のプラズマエッチング方法は、上述
の課題を解決するために提案するものであり、多結晶シ
リコン層上に高融点金属シリサイド層が積層された高融
点金属ポリサイド層を、この高融点金属ポリサイド層上
に形成されたレジストマスクを用いてパターニングする
高融点金属ポリサイド層のプラズマエッチング方法であ
って、少なくとも硫化炭素系化合物を含むエッチングガ
スを用いて、高融点金属ポリサイド層をプラズマエッチ
ングすることを特徴とするものである。実際には、硫化
炭素系化合物とハロゲン系ガスとの混合ガスを用いる
が、ハロゲン系ガスとしては非フロン系かつ非堆積性の
ガスを用いることができる。A plasma etching method for a refractory metal polycide layer according to claim 1 of the present invention is proposed for solving the above-mentioned problems, and a refractory metal on a polycrystalline silicon layer is proposed. A plasma etching method for a refractory metal polycide layer in which a refractory metal polycide layer in which a silicide layer is stacked is patterned using a resist mask formed on the refractory metal polycide layer. The refractory metal polycide layer is plasma-etched by using an etching gas containing the same. Actually, a mixed gas of a carbon sulfide-based compound and a halogen-based gas is used, but a non-CFC-based and non-depositing gas can be used as the halogen-based gas.
【００１６】また本発明の請求項２の高融点金属ポリサ
イド層のプラズマエッチング方法は、多結晶シリコン層
上に高融点金属シリサイド層が積層された高融点金属ポ
リサイド層を、この高融点金属ポリサイド層上に形成さ
れたレジストマスクを用いてパターニングする高融点金
属ポリサイド層のプラズマエッチング方法であって、少
なくとも硫化炭素系化合物とＦ系ガスを含むエッチング
ガスを用いて、高融点金属シリサイド層をこの高融点金
属シリサイド層の層厚を実質的に超えない深さまでパタ
ーニングする第１のプラズマエッチング工程と、Ｂｒ系
ガスを主体とするエッチングガスを用いて、高融点金属
シリサイド層の層厚方向の残余部と、多結晶シリコン層
とをパターニングする第２のプラズマエッチング工程と
を、この順に施すことを特徴とするものである。ここで
層厚を実質的に超えない深さまでパターニングするとい
う表現は、高融点金属ポリサイド層のパターニングが殆
ど済んで、次にパターニングすべき下地の多結晶シリコ
ン層表面の全部または１部が露出した状態、あるいは露
出する直前の状態のことをいう。According to a second aspect of the present invention, in the plasma etching method for a refractory metal polycide layer, a refractory metal polycide layer in which a refractory metal silicide layer is laminated on a polycrystalline silicon layer is used. A plasma etching method for a refractory metal polycide layer, which is patterned using the resist mask formed above, wherein a refractory metal silicide layer is formed by using an etching gas containing at least a carbon sulfide compound and an F gas. A first plasma etching step of patterning to a depth that does not substantially exceed the layer thickness of the melting point metal silicide layer, and an etching gas mainly containing a Br-based gas are used to form a residual portion of the refractory metal silicide layer in the layer thickness direction. And a second plasma etching step of patterning the polycrystalline silicon layer in this order. And it is characterized in and. Here, the expression that the patterning is performed to a depth that does not substantially exceed the layer thickness means that the refractory metal polycide layer is almost completely patterned, and all or part of the surface of the underlying polycrystalline silicon layer to be patterned next is exposed. The state, or the state immediately before exposure.
【００１７】さらに本発明の請求項３の高融点金属ポリ
サイド層のプラズマエッチング方法は、多結晶シリコン
層上に高融点金属シリサイド層が積層された高融点金属
ポリサイド層を、この高融点金属ポリサイド層上に形成
されたレジストマスクを用いてパターニングする高融点
金属ポリサイド層のプラズマエッチング方法であって、
少なくとも硫化炭素系化合物とＦ系ガスを含むエッチン
グガスを用いて、高融点金属シリサイド層をこの高融点
金属シリサイド層の層厚を実質的に超えない深さまでパ
ターニングする第１のプラズマエッチング工程と、少な
くとも硫化炭素系化合物とＣｌ系ガスを含むエッチング
ガスを用いて、高融点金属シリサイド層の層厚方向の残
余部と、多結晶シリコン層とをパターニングする第２の
プラズマエッチング工程とを、この順に施すことを特徴
とするものである。Further, in the plasma etching method of the refractory metal polycide layer according to claim 3 of the present invention, the refractory metal polycide layer in which the refractory metal silicide layer is laminated on the polycrystalline silicon layer is used. A plasma etching method for a refractory metal polycide layer, which is patterned using a resist mask formed above,
A first plasma etching step of patterning the refractory metal silicide layer to a depth that does not substantially exceed the layer thickness of the refractory metal silicide layer using an etching gas containing at least a carbon sulfide compound and an F gas; A second plasma etching step of patterning the remaining portion of the refractory metal silicide layer in the layer thickness direction and the polycrystalline silicon layer by using an etching gas containing at least a carbon sulfide-based compound and a Cl-based gas in this order It is characterized by applying.
【００１８】さらにまた本発明の請求項４の高融点金属
ポリサイド層のプラズマエッチング方法は、多結晶シリ
コン層上に高融点金属シリサイド層が積層された高融点
金属ポリサイド層を、高融点金属ポリサイド層上に形成
されたレジストマスクを用いてパターンする高融点金属
ポリサイド層のプラズマエッチング方法であって、被エ
ッチング基板の温度を室温以下に制御しつつ、少なくと
も硫化炭素系化合物と、放電解離条件下でプラズマ中に
遊離のイオウ系材料を生成しうるハロゲン化イオウ化合
物を含むエッチングガスを用いて、高融点金属ポリサイ
ド層をプラズマエッチングすることを特徴とするもので
ある。なおここで言う室温とは、通常のクリーンルーム
の雰囲気温度のことであり、概ね３０℃以下のことであ
る。液体窒素を冷媒として用いる極低温レベルの温度制
御は必ずしも必要としない。Furthermore, in the plasma etching method of the refractory metal polycide layer according to claim 4 of the present invention, the refractory metal polycide layer in which the refractory metal silicide layer is laminated on the polycrystalline silicon layer is used. A plasma etching method for a refractory metal polycide layer patterned using a resist mask formed above, while controlling the temperature of the substrate to be etched below room temperature, at least a carbon sulfide-based compound, under discharge dissociation conditions It is characterized in that the refractory metal polycide layer is plasma-etched using an etching gas containing a halogenated sulfur compound capable of forming a free sulfur-based material in plasma. The room temperature referred to here is the atmospheric temperature of a normal clean room, and is generally 30 ° C. or lower. Cryogenic temperature control using liquid nitrogen as the refrigerant is not necessary.
【００１９】本発明で採用する硫化炭素系化合物として
は、ＣＳ2 （ｂｐ＝４６．３℃）あるいはこれよりも蒸
気圧が小さい化合物である、Ｃ3 Ｓ2 を例示できる。こ
れらを単独または組み合わせて用いることが可能であ
る。Examples of the carbon sulfide compound used in the present invention include CS 2 (bp = 46.3 ° C.) or C 3 S 2 which is a compound having a vapor pressure smaller than that. These can be used alone or in combination.
【００２０】[0020]
【作用】請求項１の発明においてはＣＳ2 をはじめとす
る硫化炭素系化合物を含むエッチングガスを用いること
により、側壁保護膜として寄与する炭素系ポリマの膜質
を強化し、その堆積量を減らしても充分な側壁保護効果
を発揮して異方性加工を達成し、高い対レジストマスク
選択比および対下地材料層選択比を達成される。According to the first aspect of the present invention, by using an etching gas containing a carbon sulfide compound such as CS 2 , the film quality of the carbon-based polymer that contributes as a side wall protective film is strengthened and its deposition amount is reduced. Also exhibits a sufficient side wall protection effect to achieve anisotropic processing, and achieves high selectivity ratio to resist mask and high selectivity ratio to underlying material layer.
【００２１】従来ハロゲン系ガスによる高融点金属ポリ
サイド層のプラズマエッチングにおいては、レジストマ
スクの分解生成物を主体とした、ハロゲン原子を多量に
含有する炭素系ポリマを側壁保護膜としていた。したが
ってその膜質は弱く、異方性加工を達成するためには側
壁保護膜の堆積量をある程度確保する必要があった。本
発明で採用するＣＳ2 をはじめとする硫化炭素系化合物
は、その分解生成物をレジストマスクの分解生成物とと
もに側壁保護膜として用いることにより、炭素系ポリマ
の構成元素中に占める炭素原子の組成比を安定して増大
さる作用を有する。また硫化炭素系化合物のもう一方の
分解生成物であるイオウも、その生成量こそ多くはない
が側壁保護膜にとりこむことが可能である。ただし、イ
オウは昇華性物質であるので被エッチング基板温度が概
ね室温以上では堆積せず、約９０を超えると全く堆積し
ない。いずれにしても炭素ポリマ系堆積物の膜質が増強
され、入射イオンエネルギやラジカル攻撃に対する側壁
保護膜の耐性を高めることができる。In the conventional plasma etching of the refractory metal polycide layer with a halogen-based gas, a carbon-based polymer mainly containing decomposition products of the resist mask and containing a large amount of halogen atoms was used as the side wall protective film. Therefore, the film quality is weak and it is necessary to secure a certain amount of deposition of the side wall protective film in order to achieve anisotropic processing. The carbon sulfide-based compound such as CS 2 used in the present invention has a composition of carbon atoms contained in the constituent elements of the carbon-based polymer by using the decomposition product together with the decomposition product of the resist mask as a sidewall protective film. It has the effect of stably increasing the ratio. Further, sulfur, which is the other decomposition product of the carbon sulfide-based compound, can be incorporated into the side wall protective film, although the amount thereof is not large. However, since sulfur is a sublimable substance, it does not deposit when the temperature of the substrate to be etched is generally room temperature or higher, and does not deposit at all when it exceeds approximately 90. In any case, the film quality of the carbon polymer-based deposit is enhanced, and the resistance of the sidewall protective film against incident ion energy and radical attack can be enhanced.
【００２２】側壁保護膜として寄与する炭素系ポリマの
膜質が強化されることにより、高融点金属ポリサイド層
の異方性加工に必要な入射イオンエネルギを低減するこ
とができ、対レジストマスクとの選択比を向上すること
ができる。このことは、従来より薄いレジスト膜厚であ
っても充分に実用に耐えるレジストマスクが得られると
いうことであり、加工寸法変換差の低減や、レジスト露
光時における高解像度に寄与する。By strengthening the film quality of the carbon-based polymer that contributes as a side wall protective film, the incident ion energy required for anisotropic processing of the refractory metal polycide layer can be reduced, and it can be selected as a resist mask. The ratio can be improved. This means that a resist mask that can withstand practical use can be obtained even if the resist film thickness is smaller than in the past, which contributes to reduction in processing dimension conversion difference and high resolution during resist exposure.
【００２３】エッチング入射エネルギの低減は、ゲート
絶縁膜等の下地材料層との選択比向上にも寄与し、下地
材料層のダメージが減少する。The reduction of the etching incident energy also contributes to the improvement of the selection ratio with the underlying material layer such as the gate insulating film, and the damage of the underlying material layer is reduced.
【００２４】さらに、側壁保護膜を構成する炭素系ポリ
マの膜質の向上により、異方性、選択性を確保するため
に必要な炭素系ポリマの堆積量を低減できるので、被エ
ッチング基板はもとより、エッチングチャンバ内のパー
ティクルレベルを減少できる。Further, by improving the film quality of the carbon-based polymer that constitutes the side wall protection film, the amount of carbon-based polymer deposited necessary to secure the anisotropy and selectivity can be reduced. The level of particles in the etching chamber can be reduced.
【００２５】本発明は上述した技術的思想を基本とし、
さらに一層エッチング特性の改善されたプラズマエッチ
ング方法を提供する。すなわち、請求項２の発明におい
てはプラズマエッチングを２段階化し、第１のプラズマ
エッチング工程においては硫化炭素系化合物に加えてＦ
系ガスをも供給し、実用的なエッチングレートで高融点
金属シリサイド層をパターニングする。この場合にも強
固な炭素系ポリマによる側壁保護膜の効果により、高異
方性のパターニングが確保される。つづく第２のプラズ
マエッチング工程においては、Ｂｒ系ガスを主体とする
エッチングガスに切り替えて多結晶シリコン層をパター
ニングすることにより、下地ゲート絶縁膜との選択比を
さらに向上することが出来る。Ｂｒ系ガスによる多結晶
シリコン層のプラズマエッチングの特徴とする高異方性
は、当然確保される。The present invention is based on the above technical idea,
A plasma etching method having further improved etching characteristics is provided. That is, in the invention of claim 2, the plasma etching is performed in two stages, and in the first plasma etching step, in addition to the carbon sulfide compound, F
The refractory metal silicide layer is patterned at a practical etching rate by supplying a system gas also. Also in this case, highly anisotropic patterning is ensured by the effect of the side wall protective film made of a strong carbon-based polymer. In the subsequent second plasma etching step, by switching to the etching gas mainly containing Br-based gas and patterning the polycrystalline silicon layer, the selection ratio with respect to the underlying gate insulating film can be further improved. The high anisotropy characteristic of the plasma etching of the polycrystalline silicon layer by the Br-based gas is naturally ensured.
【００２６】また請求項３の発明においては、同じくプ
ラズマエッチングを２段階化し、第１のプラズマエッチ
ング工程においては硫化炭素系化合物に加えてＦ系ガス
をも供給し、実用的なエッチングレートで高融点金属シ
リサイド層をパターニングする。この場合にも強固な炭
素系ポリマによる側壁保護膜の効果により、高異方性の
パターニングが確保される。つづく第２のプラズマエッ
チング工程においては、硫化炭素系化合物とＣｌ系ガス
を含むエッチングガスに切り替え、Ｃｌ+ によるイオン
アシスト効果を利用することにより、多結晶シリコン層
のエッチングレートを高めるものである。この際同時に
生成される反応性の大きいＣｌ* によるサイドエッチン
グの懸念は、硫化炭素系化合物が添加されたことにより
生成する強固な炭素系ポリマによる側壁保護膜により、
効果的に防止される。Further, in the third aspect of the invention, the plasma etching is also performed in two stages, and in the first plasma etching step, F-based gas is also supplied in addition to the carbon sulfide-based compound, so that a high etching rate can be achieved at a practical level. The melting point metal silicide layer is patterned. Also in this case, highly anisotropic patterning is ensured by the effect of the side wall protective film made of a strong carbon-based polymer. In the subsequent second plasma etching step, the etching rate of the polycrystalline silicon layer is increased by switching to an etching gas containing a carbon sulfide compound and a Cl gas and utilizing the ion assist effect of Cl + . At this time, there is a concern about side etching due to highly reactive Cl * that is generated at the same time, due to the side wall protective film made of a strong carbon-based polymer generated by the addition of the carbon sulfide-based compound.
Effectively prevented.
【００２７】さらに請求項４の発明においては、被エッ
チング基板を室温以下に制御することにより、強化され
た炭素系ポリマとともにイオウの堆積をも側壁保護膜の
形成に用いることができる。イオウにより複合強化され
た側壁保護膜により、異方性加工に必要なイオン入射エ
ネルギをさらに低減でき、同じ１ステップのエッチング
条件ではあっても請求項１の発明以上の選択比の向上と
ダメージの低減が可能となる。なお放電電離条件下でプ
ラズマ中に遊離のイオウ系材料を生成しうるハロゲン化
イオウ化合物とともにＮ2 等のＮ系ガスを添加すれば、
窒化イオウ系のポリマであるポリチアジルを側壁保護膜
として用い、その膜質をより一層強固なものとすること
ができる。Further, according to the invention of claim 4, by controlling the substrate to be etched to room temperature or below, the deposition of sulfur together with the reinforced carbon-based polymer can be used for forming the sidewall protective film. With the side wall protective film reinforced with sulfur, the ion incident energy necessary for anisotropic processing can be further reduced, and even under the same one-step etching condition, the selection ratio is improved and damage is prevented. It is possible to reduce. If an N-based gas such as N 2 is added together with a halogenated sulfur compound that can generate a free sulfur-based material in plasma under discharge ionization conditions,
By using polythiazyl, which is a sulfur nitride-based polymer, as the side wall protective film, the film quality can be further strengthened.
【００２８】イオウあるいはポリチアジルはプラズマエ
ッチング終了後、被エッチング基板を加熱すれば容易に
昇華除去することができ、コンタミネーションやパーテ
ィクル汚染源となる虞れは無い。減圧雰囲気中における
昇華温度はイオウは約９０℃以上、ポリチアジルは約１
３０℃以上である。またイオウないしポリチアジルはレ
ジストマスクのアッシング工程でレジストマスクと同時
に酸化除去することも可能である。Sulfur or polythiazil can be easily removed by sublimation by heating the substrate to be etched after the plasma etching is completed, and there is no fear of becoming a source of contamination or particle contamination. The sublimation temperature in a reduced pressure atmosphere is about 90 ° C or higher for sulfur and about 1 for polythiazyl.
It is 30 ° C or higher. Further, sulfur or polythiazyl can be oxidized and removed at the same time as the resist mask in the ashing process of the resist mask.
【００２９】[0029]
【実施例】以下、本発明の具体的実施例につき、添付図
面を参照して説明する。DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Specific embodiments of the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings.
【００３０】実施例１ 本実施例は本発明の請求項１を適用し、高融点金属ポリ
サイド層をＣＳ2 を含むエッチングガスを用いてプラズ
マエッチングした例であり、これを図１（ａ）〜（ｃ）
を参照して説明する。Example 1 This example is an example in which claim 1 of the present invention is applied, and the refractory metal polycide layer is plasma-etched by using an etching gas containing CS 2 , which is shown in FIG. (C)
Will be described with reference to.
【００３１】本実施例で用いた被エッチング基板は図１
（ａ）に示すように、シリコン等の半導体基板１上に例
えば熱酸化によるゲート酸化膜２、高融点金属ポリサイ
ド層５およびレジストマスク６を形成したものである。
高融点金属ポリサイド層５は、ｎ型不純物をドープした
厚さ１００ｎｍの多結晶シリコン層３と、ＷＳｉx から
なる厚さ１００ｎｍの高融点金属シリサイド層４をＣＶ
Ｄにより順次被着形成したものである。レジストマスク
６のパターン幅は、０．２μｍである。The substrate to be etched used in this embodiment is shown in FIG.
As shown in (a), a gate oxide film 2, a refractory metal polycide layer 5, and a resist mask 6 are formed on a semiconductor substrate 1 such as silicon by thermal oxidation.
The refractory metal polycide layer 5 is composed of a 100-nm-thick polycrystalline silicon layer 3 doped with an n-type impurity and a 100-nm-thick refractory metal silicide layer 4 made of WSi x.
D is sequentially deposited. The pattern width of the resist mask 6 is 0.2 μm.
【００３２】この被エッチング基板を例えば基板バイア
ス印加型ＥＣＲプラズマエッチング装置の基板ステージ
上に載置し、レジストマスク６をマスクとして高融点金
属ポリサイド層５を下記プラズマエッチング条件により
１ステップで連続的にプラズマエッチングした。このエ
ッチング装置は、ゲートバルブを介して付属したアッシ
ング装置を有するものである。 ＳＦ6 ３０ ｓｃｃｍ ＨＢｒ ３０ ｓｃｃｍ ＣＳ2 １５ ｓｃｃｍ ガス圧力 ０．６７ Ｐａ マイクロ波パワー ９００ Ｗ（２．４５ＧＨｚ） ＲＦバイアスパワー １５０ Ｗ（１３．５６ＭＨｚ） 被エッチング基板温度 常温This substrate to be etched is placed, for example, on the substrate stage of a substrate bias application type ECR plasma etching apparatus, and the refractory metal polycide layer 5 is continuously formed in one step under the following plasma etching conditions using the resist mask 6 as a mask. Plasma etched. This etching device has an ashing device attached via a gate valve. SF 6 30 sccm HBr 30 sccm CS 2 15 sccm Gas pressure 0.67 Pa Microwave power 900 W (2.45 GHz) RF bias power 150 W (13.56 MHz) Etching substrate temperature Normal temperature
【００３３】本エッチング工程においては、ＳＦ6 の解
離により生成するＦ* を主エッチング種とするラジカル
反応が、Ｂｒ+ 、ＳＦx + 等のイオン入射エネルギにア
シストされる機構で実用的な速度でエッチングが進み、
高融点金属ポリサイド層を構成するＷおよびＳｉは、反
応生成物としてＷＦx 、ＳｉＦx およびＳｉＢｒx 等を
形成してパターニングされた。In this etching step, the radical reaction using F * as a main etching species generated by dissociation of SF 6 is assisted by the ion incident energy of Br + , SF x +, etc., and is at a practical speed. Etching progresses,
The W and Si forming the refractory metal polycide layer were patterned by forming WF x , SiF x, SiBr x, etc. as reaction products.
【００３４】同時にレジストマスクの分解生成物に由来
してＣＦx やＣＢｒx 等ハロゲンを含む炭素系ポリマが
被エッチング基板上に堆積して側壁保護膜７を形成する
が、硫化炭素系化合物由来の炭素も含まれるため、側壁
保護膜７中のハロゲンの含有量は少なく、その膜質は強
固で異方性の向上に寄与する。ただしレジストマスク６
の表面にも強固な炭素系ポリマが堆積するため、イオン
照射によるレジストマスクからの炭素系ポリマの供給は
さほど多くなく、したがって側壁保護膜７の堆積量も少
ない。なおこの側壁保護膜７中には、高融点金属シリサ
イド層のプラズマエッチング中に生成する比較的蒸気圧
の小さいＷＳｉX や、ＣＳ2 の分解生成物であるイオウ
も若干含まれている。多結晶シリコン層３のパターニン
グまで終了した状態を図１（ｂ）に示す。At the same time, a carbon-based polymer containing halogen such as CF x and CBr x derived from the decomposition product of the resist mask is deposited on the substrate to be etched to form the side wall protective film 7. Since carbon is also included, the content of halogen in the side wall protective film 7 is small, and the film quality is strong and contributes to the improvement of anisotropy. However, resist mask 6
Since a strong carbon-based polymer is also deposited on the surface of, the amount of carbon-based polymer supplied from the resist mask by ion irradiation is not so large, and therefore the deposition amount of the sidewall protective film 7 is small. The side wall protective film 7 also contains a small amount of WSi X , which has a relatively small vapor pressure generated during plasma etching of the refractory metal silicide layer, and a small amount of sulfur, which is a decomposition product of CS 2 . FIG. 1B shows a state in which the patterning of the polycrystalline silicon layer 3 is completed.
【００３５】プラズマエッチング終了後、被エッチング
基板をアッシング装置に搬送し、レジストマスク６およ
び側壁保護膜７をアッシング除去した状態を図１（ｃ）
に示す。本実施例によれば、硫化炭素系化合物を含むエ
ッチングガスを用いて高融点金属ポリサイド層をプラズ
マエッチングすることにより、１ステップのエッチング
であっても異方性のよいパターニングが可能である。ま
た側壁保護膜が強化された分だけ入射イオンエネルギを
低減できるので、下地ゲート酸化膜に対するエッチング
ダメージを軽減することも可能である。After the plasma etching is completed, the substrate to be etched is conveyed to an ashing device, and the resist mask 6 and the side wall protective film 7 are removed by ashing, as shown in FIG. 1 (c).
Shown in According to this example, by patterning the refractory metal polycide layer with an etching gas containing a carbon sulfide-based compound, patterning with good anisotropy is possible even with one-step etching. Further, since the incident ion energy can be reduced by the amount of the strengthened sidewall protection film, it is possible to reduce etching damage to the underlying gate oxide film.
【００３６】実施例２ 本実施例は本発明の請求項２を適用し、プラズマエッチ
ングを２段階化して第１のプラズマエッチング工程にお
いてはＳＦ6 ／ＣＳ2 混合ガスにより高融点金属シリサ
イド層をエッチングし、第２のプラズマエッチング工程
においてはＨＢｒにより多結晶シリコン層をパターニン
グした例であり、これを図２（ａ）〜（ｄ）を参照して
説明する。Example 2 In this example, claim 2 of the present invention is applied, the plasma etching is performed in two steps, and the refractory metal silicide layer is etched by SF 6 / CS 2 mixed gas in the first plasma etching step. In the second plasma etching step, however, the polycrystalline silicon layer is patterned by HBr, which will be described with reference to FIGS. 2 (a) to 2 (d).
【００３７】図２（ａ）に示す被エッチング基板は、前
実施例１で図１（ａ）を参照して説明したものと同様で
あるので重複する説明を省略する。この被エッチング基
板を基板バイアス印加型ＥＣＲプラズマエッチング装置
に基板ステージにセッティングし、一例として下記エッ
チング条件で第１のプラズマエッチングを施した。 ＳＦ6 ３５ ｓｃｃｍ ＣＳ2 １５ ｓｃｃｍ ガス圧力 ０．６７ Ｐａ マイクロ波パワー ９００ Ｗ（２．４５ＧＨｚ） ＲＦバイアスパワー １５０ Ｗ（１３．５６ＭＨｚ） 被エッチング基板温度 常温Since the substrate to be etched shown in FIG. 2A is the same as that described in the first embodiment with reference to FIG. 1A, duplicate description will be omitted. This substrate to be etched was set on the substrate stage in a substrate bias application type ECR plasma etching apparatus, and as an example, the first plasma etching was performed under the following etching conditions. SF 6 35 sccm CS 2 15 sccm Gas pressure 0.67 Pa Microwave power 900 W (2.45GHz) RF bias power 150 W (13.56MHz) to be etched substrate temperature room temperature
【００３８】本エッチング工程においては、Ｆ系ガスの
採用により実用的な速度でエッチングが進むとともに、
ＣＳ2 の効果による強固な炭素ポリマ系側壁保護膜７の
形成により、異方性よく高融点金属シリサイド層４がパ
ターニングされる。第１のエッチング工程は、プラズマ
の分光分析モニタにより、下層の多結晶シリコン層３表
面が露出した段階でエッチングを停止した。この状態を
図２（ｂ）に示す。同図に示すように、多結晶シリコン
層３表面には高融点金属シリサイド層４の残余部４ａが
残存している。In this etching step, the etching proceeds at a practical speed by using the F-based gas, and
By forming the strong carbon polymer-based side wall protective film 7 by the effect of CS 2, the refractory metal silicide layer 4 is patterned anisotropically. In the first etching step, the etching was stopped when the surface of the lower polycrystalline silicon layer 3 was exposed by the plasma spectral analysis monitor. This state is shown in FIG. As shown in the figure, the residual portion 4a of the refractory metal silicide layer 4 remains on the surface of the polycrystalline silicon layer 3.
【００３９】続けて、同じエッチング装置内でエッチン
グ条件を切り替え、一例として下記第２のプラズマエッ
チング条件により高融点金属シリサイド層の残余部４ａ
と多結晶シリコン層３をパターニングする。 ＨＢｒ ５０ ｓｃｃｍ ガス圧力 ０．６７ Ｐａ マイクロ波パワー ９００ Ｗ（２．４５ＧＨｚ） ＲＦバイアスパワー １５０ Ｗ（１３．５６ＭＨｚ） 被エッチング基板温度 常温Subsequently, the etching conditions are switched in the same etching apparatus, and as an example, the remaining portion 4a of the refractory metal silicide layer is formed by the following second plasma etching condition.
Then, the polycrystalline silicon layer 3 is patterned. HBr 50 sccm Gas pressure 0.67 Pa Microwave power 900 W (2.45 GHz) RF bias power 150 W (13.56 MHz) Etching substrate temperature Normal temperature
【００４０】この第２のプラズマエッチング工程では、
エッチング反応系にフッ素系化学種が関与しないため、
多結晶シリコン層３パターンにサイドエッチングが入る
ことがなく、異方性良くパターニングされる。また炭素
を含むエッチングガスも用いていないので、下地のゲー
ト酸化膜２に対して高い選択比と低ダメージが達成でき
る。高融点金属ポリサイド層５のパターニング終了時の
状態を図２（ｃ）に示す。多結晶シリコン層３パターン
側面の側壁保護膜７は、レジストマスク６の分解生成物
にＢｒが含まれた炭素系ポリマである。In this second plasma etching step,
Since fluorine-based species do not participate in the etching reaction system,
Side-etching does not enter the polycrystalline silicon layer 3 pattern, and the patterning is performed with good anisotropy. Further, since no etching gas containing carbon is used, a high selection ratio and low damage can be achieved with respect to the underlying gate oxide film 2. FIG. 2C shows a state after the patterning of the high melting point metal polycide layer 5 is completed. The side wall protective film 7 on the side surface of the polycrystalline silicon layer 3 pattern is a carbon-based polymer in which the decomposition product of the resist mask 6 contains Br.
【００４１】続けてレジストマスク６と側壁保護膜７と
をアッシング除去した状態が図２（ｄ）である。本実施
例によれば、エッチングを２ステップ化することによ
り、特に高異方性と高選択比を共に達成することが可能
である。FIG. 2D shows a state in which the resist mask 6 and the side wall protective film 7 are subsequently removed by ashing. According to the present embodiment, it is possible to achieve both a particularly high anisotropy and a high selection ratio by making the etching into two steps.
【００４２】実施例３ 本実施例は本発明の請求項３を適用し、プラズマエッチ
ングを２段階化して第１のプラズマエッチング工程にお
いてはＳＦ6 ／ＣＳ2 混合ガスにより高融点金属シリサ
イド層をエッチングし、第２のプラズマエッチング工程
においてはＣｌ系ガスを含むＣｌ2 ／ＨＢｒ／ＣＳ2 混
合ガスにより多結晶シリコン層をパターニングした例で
あり、これを同じく図２（ａ）〜（ｄ）を参照して説明
する。Example 3 In this example, claim 3 of the present invention is applied, and the high-melting metal silicide layer is etched with a SF 6 / CS 2 mixed gas in the first plasma etching step in which plasma etching is performed in two steps. The second plasma etching process is an example in which the polycrystalline silicon layer is patterned with a Cl 2 / HBr / CS 2 mixed gas containing a Cl-based gas. See also FIGS. 2A to 2D. And explain.
【００４３】図２（ａ）に示す被エッチング基板、およ
び図２（ｂ）に示す第１のプラズマエッチング工程終了
までは、前実施例２と同様であるので重複する説明を省
略する。本実施例では、ここでエッチング条件を切り替
え、一例として下記第２のプラズマエッチング条件によ
り多結晶シリコン層３をパターニングする。 Ｃｌ2 ３０ ｓｃｃｍ ＨＢｒ １０ ｓｃｃｍ ＣＳ2 １０ ｓｃｃｍ ガス圧力 ０．６７ Ｐａ マイクロ波パワー ９００ Ｗ（２．４５ＧＨｚ） ＲＦバイアスパワー １２０ Ｗ（１３．５６ＭＨｚ） 被エッチング基板温度 常温Since the substrate to be etched shown in FIG. 2A and the first plasma etching step shown in FIG. 2B are the same as those in the second embodiment, duplicate description will be omitted. In this embodiment, the etching conditions are switched here, and the polycrystalline silicon layer 3 is patterned under the following second plasma etching condition as an example. Cl 2 30 sccm HBr 10 sccm CS 2 10 sccm Gas pressure 0.67 Pa Microwave power 900 W (2.45 GHz) RF bias power 120 W (13.56 MHz) Etching substrate temperature Normal temperature
【００４４】本エッチング工程においては、Ｃｌ系ガス
の添加により、Ｃｌ+ によるイオンアシスト効果加わる
ので、前実施例２でＨＢｒ単独で第２のプラズマエッチ
ングを施した場合に比してエッチングレートを高めるこ
とができる。また本工程では第１のプラズマエッチング
工程に引き続きＣＳ2 を用いているので、炭素系ポリマ
の強化が図られ、強固な側壁保護膜７を享受できる。し
たがって、基板バイアスを低減することがでる。第２の
プラズマエッチング終了後の状態を図２（ｃ）に、また
レジストマスク６と側壁保護膜７をアッシング除去後の
状態を図２（ｄ）に示す。本実施例によれば、高異方
性、高選択比に加え、スループットの向上をも図ること
可能である。In this etching step, since the ion assist effect due to Cl + is added by the addition of the Cl-based gas, the etching rate is increased as compared with the case where the second plasma etching is performed with HBr alone in the second embodiment. be able to. Further, in this step, since CS 2 is used after the first plasma etching step, the carbon-based polymer can be strengthened and the strong side wall protective film 7 can be enjoyed. Therefore, the substrate bias can be reduced. FIG. 2C shows a state after the second plasma etching is completed, and FIG. 2D shows a state after the resist mask 6 and the sidewall protective film 7 are removed by ashing. According to this embodiment, in addition to high anisotropy and high selection ratio, it is possible to improve throughput.
【００４５】実施例４ 本実施例は本発明の請求項４を適用し、ＣＳ2 と、放電
電離条件下でプラズマ中に遊離のイオウを生成しうるハ
ロゲン化イオウ系ガスとしてのＳ2 Ｂｒ2 を用いて低温
エッチングした例であり、これを再び図１（ａ）〜
（ｃ）を参照して説明する。Example 4 This example applies claim 4 of the present invention, and CS 2 and S 2 Br 2 as a halogenated sulfur-based gas capable of producing free sulfur in plasma under discharge ionization conditions. This is an example of low temperature etching using the method shown in FIG.
This will be described with reference to FIG.
【００４６】図１（ａ）に示す被エッチング基板の構成
は、実施例１において説明したものと同様であるので説
明を省略する。この被エッチング基板を、基板バイアス
印加型ＥＣＲプラズマエッチング装置の基板ステージに
セッティングして下記エッチング条件により高融点金属
ポリサイド層を１ステップでプラズマエッチングする。
本実施例で用いるエッチング装置の基板ステージは、基
板ステージ内に内蔵されている冷却配管に装置外部のチ
ラーからエタノール系冷媒を循環して供給することによ
り、被エッチング基板温度を室温以下に制御できるもの
である。 ＳＦ6 ３０ ｓｃｃｍ Ｓ2 Ｂｒ2 １０ ｓｃｃｍ ＣＳ2 １０ ｓｃｃｍ ガス圧力 ０．６７ Ｐａ マイクロ波パワー ９００ Ｗ（２．４５ＧＨｚ） ＲＦバイアスパワー １００ Ｗ（１３．５６ＭＨｚ） 被エッチング基板温度 −２０ ℃Since the structure of the substrate to be etched shown in FIG. 1A is the same as that described in the first embodiment, the description thereof will be omitted. The substrate to be etched is set on the substrate stage of a substrate bias application type ECR plasma etching apparatus, and the refractory metal polycide layer is plasma etched in one step under the following etching conditions.
The substrate stage of the etching apparatus used in this embodiment can control the temperature of the substrate to be etched below room temperature by circulating and supplying an ethanol-based coolant from a chiller outside the apparatus to a cooling pipe built in the substrate stage. It is a thing. SF 6 30 sccm S 2 Br 2 10 sccm CS 2 10 sccm Gas pressure 0.67 Pa Microwave power 900 W (2.45 GHz) RF bias power 100 W (13.56 MHz) Etching substrate temperature −20 ° C.
【００４７】本エッチング工程におけるガス組成のう
ち、Ｓ2 Ｂｒ2 はＢｒ系化学種を供給して多結晶シリコ
ン層３のプラズマエッチングにおける高選択比化に寄与
する他に、重要な役割を担っている。すなわち、Ｓ2 Ｂ
ｒ2 は放電電離条件下で、プラズマ中に遊離のイオウを
生成し、このイオウは室温以下に制御された被エッチン
グ基板に堆積する。このため、本実施例では硫化炭素系
化合物の効果によりカーボンリッチでハロゲン元素の組
成比が小さい強固な炭素系ポリマに加え、このイオウを
も側壁保護膜７の形成に加わりその膜質を一層強固なも
のとする。Of the gas composition in this etching process, S 2 Br 2 plays an important role in addition to supplying Br-based chemical species to contribute to a high selection ratio in the plasma etching of the polycrystalline silicon layer 3. There is. That is, S 2 B
Under discharge ionization conditions, r 2 produces free sulfur in the plasma, and this sulfur is deposited on the substrate to be etched controlled at room temperature or lower. Therefore, in the present embodiment, in addition to the strong carbon-based polymer which is carbon-rich and has a small halogen element composition ratio due to the effect of the carbon sulfide-based compound, this sulfur also participates in the formation of the side wall protective film 7 and the film quality is further strengthened. I shall.
【００４８】さらに本実施例では被エッチング基板の低
温冷却によりＦ* を主体とするラジカル反応が抑制され
る。これらの寄与により、入射イオンエネルギを実施例
１より低い値に設定しているにもかかわらず、良好な異
方性形状が得られる。高融点金属ポリサイド層のパター
ニング終了後の状態を図１（ｂ）に示す。Further, in this embodiment, the radical reaction mainly composed of F * is suppressed by cooling the substrate to be etched at a low temperature. Due to these contributions, a good anisotropic shape can be obtained even though the incident ion energy is set to a value lower than that of the first embodiment. FIG. 1B shows a state after the patterning of the refractory metal polycide layer is completed.
【００４９】パターニング終了後にＯ2 プラズマアッシ
ングを施したところ、レジストマスク６と側壁保護膜７
は速やかに除去された。側壁保護膜７は上述したように
炭素系ポリマとイオウが含まれているが、イオウはプラ
ズマの輻射熱や反応熱により昇華除去される他、Ｏ* に
よる酸化反応によっても除去される。もちろん基板加熱
でイオウだけを昇華除去した後、炭素系ポリマをアッシ
ングしてもよい。いずれの方法でも側壁保護膜７はパー
ティクル汚染やコンタミネーション汚染を残すことなく
除去された。パターニングおよびアッシング終了後の高
融点金属ポリサイド層の状態を図１（ｃ）に示す。When O 2 plasma ashing was performed after the patterning was completed, the resist mask 6 and the sidewall protection film 7 were formed.
Was promptly removed. The side wall protective film 7 contains the carbon-based polymer and sulfur as described above. Sulfur is removed by sublimation by radiant heat of plasma and reaction heat, and also by oxidation reaction by O * . Of course, only the sulfur may be sublimated and removed by heating the substrate, and then the carbon-based polymer may be ashed. In either method, the side wall protective film 7 was removed without leaving particle contamination or contamination contamination. The state of the refractory metal polycide layer after patterning and ashing is shown in FIG.
【００５０】本実施例によれば、硫化炭素系化合物に加
えて放電電離条件下でプラズマ中に遊離のイオウを生成
しうるハロゲン化イオウ化合物を含むエッチングガスを
用いて高融点金属ポリサイド層をプラズマエッチングす
ることにより、１ステップのエッチング条件であっても
高異方性加工が可能である。またイオンエネルギを低減
できるので、下地のゲート酸化膜やレジストマスクとの
高選択比が得られ、ゲート酸化膜のダメージが防止でき
る。According to this embodiment, the refractory metal polycide layer is plasma-treated by using an etching gas containing a sulfur sulfide compound capable of forming free sulfur in plasma under discharge ionization conditions in addition to the carbon sulfide compound. By etching, highly anisotropic processing is possible even under one-step etching conditions. Further, since the ion energy can be reduced, a high selection ratio with the underlying gate oxide film or the resist mask can be obtained, and damage to the gate oxide film can be prevented.
【００５１】以上本発明を４例の実施例により説明した
が、これらはいずれも好適な代表例を例示したにすぎ
ず、本発明はこれら実施例に何ら制限されるものではな
い。The present invention has been described above with reference to four examples, but all of these are merely representative examples, and the present invention is not limited to these examples.
【００５２】例えば、硫化炭素系化合物として、ＣＳ2
の他にＣ3 Ｓ2 も使用できる。Ｃ3Ｓ2 はＣＳ2 より蒸
気圧が小さいので、Ｃ3 Ｓ2 を収容したバブラを加熱し
ながらＨｅ等でバブリングして用いればよい。エッチン
グチャンバへの導入配管中での露結を防止するため、配
管加熱は必要である。For example, as a carbon sulfide compound, CS 2
Besides, C 3 S 2 can also be used. Since C 3 S 2 has a vapor pressure lower than that of CS 2 , bubbling with He or the like may be used while heating the bubbler containing C 3 S 2 . Piping heating is necessary to prevent condensation in the introduction piping to the etching chamber.
【００５３】Ｆ系ガスとしてＳＦ6 を採り上げたが、他
にＮＦ3 、ＣＦ4 、ＸｅＦ2 、ＣｌＦ3 等フッ素原子を
含む汎用ガスを用いることができる。同様にＣｌ系ガス
としてＣｌ2 を例示したが、ＨＣｌ、ＢＣｌ3 やＳｉＣ
ｌ4 等塩素原子を含む他のガスであってもよい。Although SF 6 is selected as the F-based gas, other general-purpose gases containing fluorine atoms such as NF 3 , CF 4 , XeF 2 and ClF 3 can be used. Similarly, Cl 2 is exemplified as the Cl-based gas, but HCl, BCl 3 or SiC
Other gas containing chlorine atoms such as l 4 may be used.
【００５４】放電電離条件下でプラズマ中に遊離のイオ
ウ系材料を生成しうるハロゲン化イオウ化合物としてＳ
2 Ｂｒ2 の他に、Ｘ／Ｓ比が６未満のＳＸ系ガス（Ｘは
ハロゲン元素を表す）、例えばＳ2 Ｆ2 、ＳＦ2 、ＳＦ
4 、Ｓ2 Ｆ10等のＳＦ6 以外のフッ化イオウガス、Ｓ2
Ｃｌ2 、Ｓ3 Ｃｌ2 、ＳＣｌ2 等の塩化イオウガス、Ｓ
3 Ｂｒ2 、ＳＢｒ2 等の臭化イオウガスを例示すること
ができる。フッ化イオウ化合物としてよく知られている
ＳＦ6 ガスは、Ｆ／Ｓ比が６であり、放電電離条件下で
プラズマ中に遊離のイオウを放出することはないので、
これを除外する。またこれらのガスにＮ2 やＮ2 Ｈ2 等
Ｎ系ガスを添加すれば、先述したようにポリチアジルを
強固な側壁保護膜として利用することができる。S as a halogenated sulfur compound capable of forming a free sulfur-based material in plasma under discharge ionization conditions.
In addition to 2 Br 2 , an SX-based gas having an X / S ratio of less than 6 (X represents a halogen element), for example, S 2 F 2 , SF 2 , SF
Sulfur fluoride gas other than SF 6 , such as 4 , S 2 F 10 , S 2
Sulfur chloride gas such as Cl 2 , S 3 Cl 2 and SCl 2 , S
Examples thereof include sulfur bromide gas such as 3 Br 2 and SBr 2 . SF 6 gas, which is well known as a sulfur fluoride compound, has an F / S ratio of 6 and does not release free sulfur into plasma under discharge ionization conditions.
Exclude this. If N-based gas such as N 2 or N 2 H 2 is added to these gases, polythiazyl can be used as a strong side wall protective film as described above.
【００５５】その他、添加ガスとしてＨｅ、Ａｒ等希ガ
スを用いればスパッタリング、冷却、希釈および放電の
安定性等の各効果を期待できる。In addition, if a rare gas such as He or Ar is used as the additive gas, various effects such as sputtering, cooling, dilution and discharge stability can be expected.
【００５６】高融点金属シリサイド層として実施例中で
述べたＷＳｉx の他にＭｏＳｉx やＴａＳｉx 等、他の
高融点金属のシリサイドを任意に用いることができる。As the refractory metal silicide layer, other refractory metal silicides such as MoSi x and TaSi x can be arbitrarily used in addition to WSi x described in the embodiments.
【００５７】高融点金属ポリサイド層の下層としては多
結晶シリコンを用いるのが通常であるが、本出願人が先
に出願した特開昭６３−１６３号公報で開示したよう
に、不純物を含む非晶質シリコンを用いてもよい。非晶
質シリコンのエッチング特性は多結晶シリコンとほぼ同
一である。この非晶質シリコンも、ＭＯＳＦＥＴのゲー
ト電極や配線として最終的に機能する段階では、注入不
純物の活性化熱処理工程等により多結晶シリコンに変化
するので、ポリサイド構造となる。Polycrystalline silicon is usually used as the lower layer of the refractory metal polycide layer. However, as disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 63-163 filed by the applicant of the present invention, non-silicon containing impurities is not included. Amorphous silicon may be used. The etching characteristics of amorphous silicon are almost the same as those of polycrystalline silicon. This amorphous silicon also becomes a polycide structure because it changes into polycrystalline silicon due to the activation heat treatment process of the implanted impurities and the like when it finally functions as the gate electrode or wiring of the MOSFET.
【００５８】さらに、使用するエッチング装置として基
板バイアス印加型のＥＣＲプラズマエッチング装置を採
り上げたが、平行平板型ＲＩＥ装置、ヘリコン波プラズ
マエッチング装置、ＩＣＰ(Inductively Coupled Plasm
a)エッチング装置、ＴＣＰ（Transformer Coupled Plas
ma) エッチング装置等、各種エッチング装置を使用可能
であることは言うまでもない。Further, the ECR plasma etching apparatus of the substrate bias application type was adopted as the etching apparatus to be used. The parallel plate type RIE apparatus, the helicon wave plasma etching apparatus, the ICP (Inductively Coupled Plasm).
a) Etching equipment, TCP (Transformer Coupled Plas)
Of course, it is possible to use various etching devices such as ma) etching devices.
【００５９】[0059]
【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
はＷポリサイド等の高融点金属ポリサイド層のプラズマ
エッチング方法において、硫化炭素系化合物を含むエッ
チングガスを採用することにより、異方性加工に必要な
側壁保護膜の膜質が向上し、高融点金属ポリサイドを用
いた電極、配線の形状制御性が高まる。また異方性エッ
チング時のイオン入射エネルギを低減できるので、下地
層やレジストマスクとのエッチング選択比が高まり、ゲ
ート酸化膜等へのダメージも低減できる。側壁保護膜の
膜質が強化された結果、その堆積量を減らすことも可能
で、被エッチング基板やエッチングチャンバ内のパーテ
ィクル汚染が低減する。As is apparent from the above description, according to the present invention, in a plasma etching method for a high melting point metal polycide layer such as W polycide, anisotropic etching is performed by using an etching gas containing a carbon sulfide compound. The film quality of the side wall protective film required for the improvement is improved, and the shape controllability of the electrodes and wirings using the refractory metal polycide is improved. Further, since the ion incident energy at the time of anisotropic etching can be reduced, the etching selection ratio with respect to the underlying layer and the resist mask is increased, and damage to the gate oxide film and the like can be reduced. As a result of the enhanced quality of the sidewall protective film, it is possible to reduce the amount of deposition, and reduce particle contamination in the substrate to be etched and the etching chamber.
【００６０】高融点金属ポリサイド層の加工に２段階エ
ッチングを採用し、多結晶シリコン層の加工にＢｒ系ガ
スを採用すれば下地層に対し一層の高選択比が得られ
る。同じく２段階目のエッチングにＣｌ系ガスを採用す
れば、エッチングレートが向上し、スループットの向上
に寄与する。If two-step etching is used for processing the refractory metal polycide layer and Br-based gas is used for processing the polycrystalline silicon layer, a higher selection ratio with respect to the underlying layer can be obtained. Similarly, if a Cl-based gas is used for the second-stage etching, the etching rate is improved and the throughput is improved.
【００６１】さらに、硫化炭素系化合物とともに放電電
離条件下でプラズマ中に遊離のイオウ系材料を生成しう
るハロゲン化イオウ化合物を含むエッチングガスを用い
れば、イオウの堆積をも側壁保護膜中に取り込むことが
でき、側壁保護膜強化による上述の各効果は徹底され
る。Further, if an etching gas containing a sulfur halide compound capable of forming a free sulfur material in plasma under discharge ionization conditions together with a carbon sulfide compound is used, the deposition of sulfur is also incorporated into the sidewall protective film. Therefore, the above-mentioned effects due to the strengthening of the side wall protective film are thoroughly achieved.
【００６２】またＣＦＣ系ガスを一切使用しないので、
脱フロンプロセスが可能となり、環境のクリーン化にも
貢献しうるものである。Since no CFC gas is used,
The dechlorofluorocarbon process becomes possible, which can contribute to a cleaner environment.
【図１】本発明を適用した実施例１および４を、その工
程順に説明する概略断面図であり、（ａ）は下地ゲート
絶縁膜上に多結晶シリコン層と高融点金属シリサイド層
からなる高融点金属ポリサイド層を形成し、さらにレジ
ストマスクを形成した状態であり、（ｂ）高融点金属ポ
リサイド層をエッチングして高融点金属ポリサイドパタ
ーンを形成した状態、（ｃ）はレジストマスクと側壁保
護膜を除去して高融点金属ポリサイドパターンが完成し
た状態である。1A and 1B are schematic cross-sectional views for explaining Embodiments 1 and 4 to which the present invention is applied in the order of steps, in which FIG. The melting point metal polycide layer is formed and a resist mask is further formed. (B) The refractory metal polycide layer is etched to form a refractory metal polycide pattern. (C) is the resist mask and sidewall protection. The film is removed and the refractory metal polycide pattern is completed.
【図２】本発明を適用した実施例２および３を、その工
程順に説明するための概略断面図であり、（ａ）は下地
ゲート絶縁膜上に多結晶シリコン層と高融点金属シリサ
イド層からなる高融点金属ポリサイド層を形成し、さら
にレジストマスクを形成した状態であり、（ｂ）は高融
点金属シリサイド層をエッチングして多結晶シリコン層
表面が露出した状態、（ｃ）は多結晶シリコン層をエッ
チングして高融点金属ポリサイドパターンを形成した状
態、（ｄ）はレジストマスクと側壁保護膜を除去して高
融点金属ポリサイドパターンが完成した状態である。2A and 2B are schematic cross-sectional views for explaining Embodiments 2 and 3 to which the present invention is applied in the order of steps, in which FIG. 2A shows a polycrystalline silicon layer and a refractory metal silicide layer on a base gate insulating film. Is a state in which a refractory metal polycide layer is formed and a resist mask is further formed, (b) is a state in which the surface of the polycrystalline silicon layer is exposed by etching the refractory metal silicide layer, and (c) is polycrystalline silicon. The layer is etched to form a refractory metal polycide pattern, and (d) is a state where the refractory metal polycide pattern is completed by removing the resist mask and the sidewall protection film.
１ 半導体基板 ２ ゲート酸化膜 ３ 多結晶シリコン層 ４ 高融点金属シリサイド層 ４ａ 高融点金属シリサイド層の残余部 ５ 高融点金属ポリサイド層 ６ レジストマスク ７ 側壁保護膜 1 semiconductor substrate 2 gate oxide film 3 polycrystalline silicon layer 4 refractory metal silicide layer 4a remaining part of refractory metal silicide layer 5 refractory metal polycide layer 6 resist mask 7 sidewall protection film
Claims (4)
イド層が積層された高融点金属ポリサイド層を、前記高
融点金属ポリサイド層上に形成されたレジストマスクを
用いてパターニングする高融点金属ポリサイド層のプラ
ズマエッチング方法であって、 少なくとも硫化炭素系化合物を含むエッチングガスを用
いて、 前記高融点金属ポリサイド層をプラズマエッチングする
ことを特徴とする、高融点金属ポリサイド層のプラズマ
エッチング方法。1. A refractory metal polycide layer in which a refractory metal polycide layer in which a refractory metal silicide layer is laminated on a polycrystalline silicon layer is patterned using a resist mask formed on the refractory metal polycide layer. 2. The plasma etching method for a refractory metal polycide layer, which comprises plasma etching the refractory metal polycide layer using an etching gas containing at least a carbon sulfide compound.
イド層が積層された高融点金属ポリサイド層を、前記高
融点金属ポリサイド層上に形成されたレジストマスクを
用いてパターニングする高融点金属ポリサイド層のプラ
ズマエッチング方法であって、 少なくとも硫化炭素系化合物とＦ系ガスを含むエッチン
グガスを用いて、 前記高融点金属シリサイド層を前記高融点金属シリサイ
ド層の層厚を実質的に超えない深さまでパターニングす
る第１のプラズマエッチング工程と、 Ｂｒ系ガスを主体とするエッチングガスを用いて、 前記高融点金属シリサイド層の層厚方向の残余部と、前
記多結晶シリコン層とをパターニングする第２のプラズ
マエッチング工程とを、この順に施すことを特徴とす
る、高融点金属ポリサイド層のプラズマエッチング方
法。2. A refractory metal polycide layer in which a refractory metal polycide layer in which a refractory metal silicide layer is laminated on a polycrystalline silicon layer is patterned using a resist mask formed on the refractory metal polycide layer. The plasma etching method according to claim 1, wherein the refractory metal silicide layer is patterned to a depth that does not substantially exceed the layer thickness of the refractory metal silicide layer by using an etching gas containing at least a carbon sulfide-based compound and an F-based gas. And a second plasma for patterning the remaining portion of the refractory metal silicide layer in the layer thickness direction and the polycrystalline silicon layer by using an etching gas mainly containing a Br-based gas. Plasma etching of the refractory metal polycide layer, characterized by performing an etching process in this order Grayed way.
イド層が積層された高融点金属ポリサイド層を、前記高
融点金属ポリサイド層上に形成されたレジストマスクを
用いてパターニングする高融点金属ポリサイド層のプラ
ズマエッチング方法であって、 少なくとも硫化炭素系化合物とＦ系ガスを含むエッチン
グガスを用いて、 前記高融点金属シリサイド層を前記高融点金属シリサイ
ド層の層厚を実質的に超えない深さまでパターニングす
る第１のプラズマエッチング工程と、 少なくとも硫化炭素系化合物とＣｌ系ガスを含むエッチ
ングガスを用いて、 前記高融点金属シリサイド層の層厚方向の残余部と、前
記多結晶シリコン層とをパターニングする第２のプラズ
マエッチング工程とを、この順に施すことを特徴とす
る、高融点金属ポリサイド層のプラズマエッチング方
法。3. A refractory metal polycide layer in which a refractory metal polycide layer in which a refractory metal silicide layer is laminated on a polycrystalline silicon layer is patterned using a resist mask formed on the refractory metal polycide layer. The plasma etching method according to claim 1, wherein the refractory metal silicide layer is patterned to a depth that does not substantially exceed the layer thickness of the refractory metal silicide layer by using an etching gas containing at least a carbon sulfide-based compound and an F-based gas. Patterning the residual portion of the refractory metal silicide layer in the layer thickness direction and the polycrystalline silicon layer using an etching gas containing at least a carbon sulfide compound and a Cl gas. A high melting point metal policer, characterized in that a second plasma etching step is performed in this order. The plasma etching method of soil layers.
イド層が積層された高融点金属ポリサイド層を、前記高
融点金属ポリサイド層上に形成されたレジストマスクを
用いてパターンする高融点金属ポリサイド層のプラズマ
エッチング方法であって、 被エッチング基板の温度を室温以下に制御しつつ、 少なくとも硫化炭素系化合物と、放電電離条件下でプラ
ズマ中に遊離のイオウ系材料を生成しうるハロゲン化イ
オウ化合物を含むエッチングガスを用いて、 前記高融点金属ポリサイド層をプラズマエッチングする
ことを特徴とする、高融点金属ポリサイド層のプラズマ
エッチング方法。4. A refractory metal polycide layer in which a refractory metal polycide layer in which a refractory metal silicide layer is laminated on a polycrystalline silicon layer is patterned using a resist mask formed on the refractory metal polycide layer. The method of plasma etching according to claim 1, wherein the temperature of the substrate to be etched is controlled to be room temperature or lower, and at least a carbon sulfide-based compound and a halogenated sulfur compound capable of forming a free sulfur-based material in plasma under discharge ionization conditions are used. A plasma etching method for a refractory metal polycide layer, comprising plasma etching the refractory metal polycide layer using an etching gas containing the same.
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|---|---|---|---|
| JP12122695A JP3365146B2 (en) | 1995-05-19 | 1995-05-19 | Plasma etching method for refractory metal polycide layer |
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| JPH08316206A true JPH08316206A (en) | 1996-11-29 |
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|---|---|---|---|---|
| JP2015032597A (en) * | 2013-07-31 | 2015-02-16 | 日本ゼオン株式会社 | Plasma etching method |
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