JPH03114225A - 半導体装置の製造方法 - 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〕 本発明は高集積度を有する半導体装置の製造方法に関し
、特にゲート電極等を構成する高融点金属シリサイド膜
およびポリサイド膜の異方性エツチング方法に関する。

〔発明の概要〕

本発明は、ゲート電極等を構成する高融点金属シリサイ
ド膜およびポリサイド膜のエツチングを行う半導体装置
の製造方法において、エツチングガスとして塩素ガスと
窒素ガスを含む混合ガスを使用することにより、反応生
成物のＳｔ、Ｎ、により側壁保護を行いながら異方性の
高いエツチングを可能とするものである。

さらに本発明は、■被エツチング領域へのイオン注入、
■少なくとも表面がシリコン系材料により構成さたエツ
チング装置内部材の使用、■シリコン含有レジストの使
用、■シリコン系エツチングガスの使用の各手段のうち
少なくとも１つを用いてエツチング反応系内にシリコン
を補給し、必要十分量の５ｔ９Ｎ、　　を生成させて側
壁保護を行いながら異方性の高いエツチングを可能とす
るものである。

〔従来の技術〕

半導体集積回路は、ＬＳＩからＶＬＳＩ、ＵＬＳｌへと
進歩し、メガビットクラスの集積度と、サブミクロン微
細加ニレベルを持つに至っている。

このような高集積化、微細化と共に高機能化、高速化、
高信鎖化への要求もますます高まっている。

中でも、デバイスの高速化を実現するには、ゲート配線
に代表される各種配線の低抵抗化が必須であり、これに
適する材料として高融点金属シリサイドが注目されてい
る。さらに、従来のプロセス、特にゲートプロセスとの
互換性を保証する目的で、不純物を導入した多結晶シリ
コン層と高融点金属シリサイドを積層したポリサイド膜
も知られている。これは、デバイス特性や信較性に最も
影響を与え易いゲート絶縁膜との界面に実績のある多結
晶シリコンを配し、その上の高融点金属シリサイド層で
低抵抗化を図るものであり、ゲート配線ではこれが主流
となっている。

ところで、高集積度を有する半導体装置の製造において
は、微細パターンを実現するために異方性エツチングが
不可欠の技術である。しかし、上述のポリサイド膜の異
方性エツチングは一般に制御が困難である。すなわち、
ポリサイド膜のエツチングにおいては、生成するハロゲ
ン化合物の蒸気圧の差に起因して上層の高融点金属シリ
サイド層よりも下層の多結晶シリコン層が速くエツチン
グされること、あるいは多結晶シリコン層と高融点金属
シリサイド層の界面に反応層が形成されること等の理由
により、パターンにアンダカットやくびれ等を生じやす
いからである。ゲート配線の形成は、特に自己整合技術
におけるチャネル長に直接影響を与えるために高い寸法
精度を要求するので、このようなパターン異常は極めて
有害である。このため、従来ではポリサイド膜の上下層
のエツチング速度の差を小さく抑え、かつ異方性エツチ
ングを達成するために、フロン１１３（Ｃ。

Ｃ１２，Ｆ３）等のフロン系ガスが使用されている。

このガスは、分子中の塩素とフッ素がそれぞれ効果的に
エツチングに寄与し、しかも炭素系ポリマーの堆積によ
って側壁保護を行いながら異方性の高いエツチングを行
えることから広く用いられている。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかしながら、フロン系ガスは周知のように地球のオゾ
ン層破壊の元凶となることが指摘されており、今後は使
用が困難となることが予想される。

したがって、半導体装置の製造分野においてもフロン系
ガスの代替品を見出し、効果的に利用する方法を確立す
ることが急務である。

そこで本発明は、フロン系ガスを使用せずにシリサイド
膜もしくはボーリサイド膜の異方性エツチングを可能と
する半導体装置の製造方法の提供を目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

本発明者は、上述の目的を達成するために鋭意検討を行
った結果、本発明者が先に特開昭６４−５９９１７号公
報においてシリコン基板にトレンチを形成するためのエ
ツチングガスとして提案した塩素ガスと窒素ガスを含む
混合ガスが、高融点金属シリサイド膜およびポリサイド
膜の異方性エツチングにも有効であることを見出し、本
発明を完成するに至ったものである。

すなわち、本発明の第１の発明にかかる半導体装置の製
造方法は、高融点金属シリサイド膜またはポリサイド膜
を塩素ガスと窒素ガスを含む混合ガスを用いてエツチン
グを行うことを特徴とするものである。

本発明の第２の発明にかかる半導体装置の製造方法は、
被エツチング領域に予めシリコンをイオン注入により導
入してからエツチングを行うことを特徴とするものであ
る。

本発明の第３の発明にかかる半導体装置の製造方法は、
少なくとも表面がシリコン系材料により構成されたエツ
チング装置内部材により被エツチング基板を保持しなが
らエツチングを行うことを特徴とするものである。

本発明の第４の発明にかかる半導体装置の製造方法は、
エツチング用マスクとしてシリコン含有レジスト層を形
成してからエツチングを行うことを特徴とするものであ
る。

本発明の第５の発明にかかる半導体装置の製造方法は、
前記混合ガスにシリコン系ガスを添加して高融点金属シ
リサイド膜のエツチングを行うことを特徴とするもので
ある。

〔作用〕

本発明の半導体装置の製造方法において、塩素ガスと窒
素ガスを含む混合ガスが高融点金属シリサイド膜または
ポリサイド膜をエツチングする機構は、次のように考え
られる。すなわち、高融点金属シリサイド膜もしくはポ
リサイド膜中に含まれるシリコンが塩素ガスと反応して
５ｉＣ１ｘを生成してエツチングが進行する一方、上記
ＳｉＣム℃一部がさらに窒素ガスと反応してＳｔ、Ｎ。

を副生し、これが側壁部に堆積して保護膜を形成する。

この機構からも明らかなように、窒素ガスは単なる希釈
ガスではなく、反応ガスの一部として寄与している。

以上は本発明において起こるエツチング反応の基本的な
過程であるが、高融点金属シリサイド膜中に含まれるシ
リコンの相対的な含有量は単結晶シリコンや多結晶シリ
コンよりは当然少ないこと、および被エツチング面積が
極めて小さい場合も考えられること等の理由により、５
ｉＣＩ１．、の発生量が少なくて十分な側壁保護が行え
ない可能性がある。そこで、本発明の第２の発明ないし
第５の発明では、様々な手段により反応系内にシリコン
を補給している。したがって、本発明を適用すれば、フ
ロン系ガスによらなくとも高融点金属シリサイド膜およ
びポリサイド膜の異方性エツチングが可能となる。

〔実施例〕

以下、本発明の好適な実施例について図面を参照しなが
ら説明する。

実施例１ 本実施例は、本発明の第１の発明をゲート電極となるポ
リサイド膜のエツチングに適用した例である。この工程
を第１図（Ａ）ないし第１図（Ｃ）を参照しながら説明
する。

まず第１図（Ａ）に示すように、シリコン等からなる半
導体基板（１）上にたとえば酸化シリコンからなるゲー
ト酸化膜（２）、ポリサイド膜（５）の下層に相当する
ｎ型不純物をドープした多結晶シリコン層（３）、ポリ
サイド膜（５）の上層に相当するタングステンシリサイ
ド層（４）を順次積層した後、上記タングステンシリサ
イド層の表面に、上記ポリサイド膜（５）のエツチング
用マスクとしてフォトレジスト層（６）を選択的に形成
する。

次に、上記第１図（Ａ）に示す基体をＥＣＲ（電子サイ
クロトロン共鳴）エツチング装置内にセントし、塩素ガ
ス流量４０３ＣＣＭ　、窒素ガス流量１０５ＣＣＭ、真
空度１０　ｍＴｏｒｒ＋　マイクロ波電力８５０Ｗ。

基板電位−１００Ｖの条件でエツチングを行った。

このとき、第１図（Ｂ）に示すようにタングステンシリ
サイド層（４）がエツチングされている場合には、該タ
ングステンシリサイド層（４）中のシリコンと塩素ガス
が反応してまず５ｉＣｊ！、が生成し、これがさらに窒
素ガスと反応してＳｉ、Ｎ。

を生成して側壁部に堆積し、側壁保護膜（７）を形成す
る。エツチングがさらに進行して第１図（Ｃ）に示すよ
うに多結晶シリコン層（３）がエツチングされている場
合にも、同様の反応により側壁保護Ｍ（７）が引き続い
て形成されるため、上下層の界面においてもくびれやア
ンダーカット等のバターン異常が発生せず、異方性エツ
チングが達成される。

なお、上述の例ではエツチング用の混合ガスとして塩素
ガスと窒素ガスの混合ガスを使用したが、スパッタリン
グ効果、希釈効果および冷却効果を期待してアルゴン、
ヘリウム等の希ガスを適宜混合しても良い。

また、上述の例ではポリサイドｌｌ！（５）の上層を構
成する高融点金属シリサイドとしてタングステンシリサ
イドを使用したが、シリサイドの種類はこれに限られる
ものではなく、モリブデン、チタン、タンタル等の他の
高融点金属を含むものであっても良い。

実施例２ 本実施例は、本発明の第２の発明をゲート電極となるポ
リサイド膜のエツチングに適用した例である。この工程
を第２図を参照しながら説明する。

本実施例では、まず上述の第１図（Ａ）の状態が達成さ
れた段階で、全面にシリコンのイオン注入を行う。する
と、第２０に示すように、タングステンシリサイド層（
４）のうちフォトレジスト層（６）でマスクされなかっ
た領域（すなわち、後のエツチング工程における被エツ
チング領域）は、高シリコン濃度領域（４ａ）となる。

その後、実施例１と同様にしてエツチングを行うと、同
様に側壁保護膜（７）が形成されながらエツチング反応
が進行するが、高シリコン濃度ｅｌＪｂ’１（４ａ）か
らより多くのシリコンが供給されるために、側壁保護膜
（７）の堆積量は実施例１の場合よりも多くなる。した
がって、より効果的な側壁保護が可能となる。

実施例３ 本実施例は、本発明の第３の発明をポリサイド膜のエツ
チングに適用した例である。

本発明の第３の発明では、半導体ウェハ等の被エツチン
グ基板を保持するエツチング装置内部材の少なくとも表
面が、シリコン系材料により構成されている必要がある
。ここでは、第３図に示すように、ウェハステージ（１
１）と半導体ウェハ（Ｉ２）を固定するアルミナ製のク
ランプ（１３）の上面に、プラズマＣＶＤ等の手法によ
りアモルファスシリコン層（１４）が形成されたものを
用いた。上記アモルファスシリコン層（１４）の厚さは
、半導体ウェハ（１２）の処理枚数等に応じて適宜選択
されている。

ここで、エツチング装置内部材としては、被エツチング
基板の表面とほぼ同じ方向を向いた面を有し、かつ被エ
ツチングに近接配置される部材であれば上記クランプに
限られるものではなく、カソードカバー、ウェハカバー
、サセプター等であっても良い。また、これらエツチン
グ装置内部材の表面に形成されるシリコン系材料は、ス
パッタリング効果により容易にエツチング反応系内へシ
リコンを供給できるものであれば上記アモルファスシリ
コンに限られるものではなく、たとえばシリコンカーバ
イドも好適である。

実際のエツチングは、前述の第１図（Ａ）に示すように
ポリサイド膜の上に選択的にフォトレジスト層が形成さ
れた状態の半導体ウェハをＥＣＲエツチング装置のチャ
ンバー内に搬送して上述のようなりランプ（１３）で固
定し、実施例１の場合と同様にして行った。その結果、
エツチングの進行と並行してクランプ（１３）の表面に
おいても塩素ガスとの反応によりＳ　１ＣＩＸが生成し
、さらにこれが窒素ガスと反応してＳｊイＮ、を生成す
ることにより、被エツチング面積が小さい場合にも十分
な側壁保護膜を形成することができた。

実施例４ 本実施例は、本発明の第４の発明をポリサイド膜のエツ
チングに適用した例である。

本発明の第４の発明では、前述の第１図（Ａ）に示すよ
うなエツチング用マスクとなるフォトレジスト層（６）
として、シリコンを含有する材料が使用される。ここで
は、シロキサン系ノボラック樹脂とキノンジアジド化合
物の混合物を使用した。

上記材料のシリコン含有■は通常３％程度もしくはそれ
以下である。

この場合も、エツチングの進行と並行してフォトレジス
ト層（６）の表面においても該フォトレジスト層（６）
中に含まれるシリコンと塩素ガスとの反応により５ｉＣ
ｊ！、が生成し、さらにこれが窒素ガスと反応してＳｉ
、Ｎ、　　を生成することにより、被エツチング面積が
小さい場合にも十分な側壁保護膜を形成することができ
た。

実施例５ 本実施例は、本発明の第５の発明をポリサイド膜のエツ
チングに適用した例である。

本発明の第５の発明は、高融点金属シリサイド膜のエツ
チングを塩素ガス、窒素ガスおよびシリコン系ガスを含
む混合ガスにより行うものである。

したがって、ポリサイド膜のエツチングを行う場合には
上層のみがその対象となり、下層の多結晶シリコン層は
前述の各実施例と同様、シリコン系ガスを含まない混合
ガスによりエツチングすることが望ましい、その理由は
、下層の多結晶シリコン層のエツチングにもシリコン系
ガスを使用すると、必要以上に堆積物が生成して寸法精
度の低下や汚染を招く虞れがあるからである。

実際のポリサイド膜のエツチングは、以下のようにして
行った。まず、前述の第１図（Ａ）に示す基体をＥＣＲ
エツチング装置内にセットし、塩素ガス流量を３０５Ｃ
ＣＭ　、窒素ガス流量を１０５ＣＣ１’ｌ。

５ｉＣｊ！、ガス流量を１０５ＣＣＭとして実施例１と
同様の条件でタングステンシリサイドＮ（４）のエツチ
ングを行った。このとき、エツチングガスからもシリコ
ンが供給される結果、十分な側壁保護膜（７）が形成さ
れた。その後、５ｉＣ１４ガスの供給を中止し、塩素ガ
ス流量を４０５ＣＣＭ、　　窒素ガス流量を１０３ＣＣ
？Ｉとして多結晶シリコン層（３）のエツチングを行っ
た。このようにして、適切な量の側壁保護膜が形成され
ながらエツチングが進行する結果、異方性の高いパター
ンが形成された。

なお、上述の各実施例に記載した技術は、いずれも側壁
保護膜の形成量を適正に制御できる範囲で適宜組み合わ
せて実施することができる。

〔発明の効果〕

以上の説明からも明らかなように、本発明では高融点金
属シリサイド膜およびポリサイド膜のエツチングガスと
して塩素ガスと窒素ガスを含む混合ガスが使用される。

上記混合ガスは側壁保護を行いながら異方性の高いエツ
チングを可能とするため、従来多用されているフロン系
ガスの代替品として極めて有望である。さらに、エツチ
ング反応系内へ様々な手段によってシリコンが補給され
ることにより、側壁保護の効果をより一層高めることが
できる。したがって、本発明は特に高い加工精度が要求
されるゲート電極等のエツチングに極めて好適である。

【図面の簡単な説明】

第１図（Ａ）ないし第１図（Ｃ）は本発明の半導体装置
の製造方法をゲート電極の形成に適用した場合の一例を
その工程順にしたがって説明する概略断面図であり、第
１図（Ａ）はゲート酸化膜。 タングステンシリサイド層、多結晶シリコン層。 フォトレジスト層の形成工程、第１図（Ｂ）はタングス
テンシリサイド層のエツチング工程、第１図（Ｃ）は多
結晶シリコン層のエツチング工程をそれぞれ示す、第２
図はシリコンのイオン注入工程を示す概略断面図である
。第３図は表面にアモルファスシリコン層を形成したク
ランプにより半導体ウェハを保持した状態を示す概略断
面図である。 ｌ　・・・ ３　・・・ ４　・・・ ５　・・・ ７　・・・ 半導体基板 多結晶シリコン層 タングステンシリサイ ポリサイド膜 側壁保護膜 ド層

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. （１）高融点金属シリサイド膜またはポリサイド膜を塩
   素ガスと窒素ガスを含む混合ガスを用いてエッチングを
   行うことを特徴とする半導体装置の製造方法。
2. （２）被エッチング領域に予めシリコンをイオン注入に
   より導入してからエッチングを行うことを特徴とする請
   求項１記載の半導体装置の製造方法。
3. （３）少なくとも表面がシリコン系材料により構成され
   たエッチング装置内部材により被エッチング基板を保持
   しながらエッチングを行うことを特徴とする請求項１ま
   たは請求項２記載の半導体装置の製造方法。
4. （４）エッチング用マスクとしてシリコン含有レジスト
   層を形成してからエッチングを行うことを特徴とする請
   求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の半導体装
   置の製造方法。
5. （５）前記混合ガスにシリコン系ガスを添加して高融点
   金属シリサイド膜のエッチングを行うことを特徴とする
   請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の半導体
   装置の製造方法。