JPH04105320A - 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、半導体装置の高温熱処理工程にも安定な特性
をもつタングステン、又は、タングステン系導電材の単
層又は、積層の薄膜の高精度な微細加工が可能なドライ
エツチングに関するものである。

〈従来の技術〉 現在、一般的に使用されているＳｉ単結晶基板を用いた
ＬＳＩもその高集積化・高速化にともない微細化したゲ
ート電極、配線の抵抗の低減と信頼性向上の要求から、
高融点金属の導入が進められておりこのなかでもタング
ステン系の材料がよく使用されている。一方、ＧａＡｓ
をはじめとする化合物半導体の分野においても、単体素
子の良好なショットキ接合の形成などによる高性能化。

集積回路の高速化のため、高融点金属の材料を用い几セ
ルファラインプロセスの採用が積極的に進められている
。しかし、このような要求を満たすためには高融点金属
系材料の精密な微細加工が不可欠になるので、エツチン
グ加工にアンダーカプトの少ない異方性加工が可能な反
応性イオンエツチング（ＲＩＥ）が一般的に使用されて
いる。

〈発明が解決しようとする課題〉 ＳｉのＬＳＩや化合物半導体素子の製造プロセスにおい
て高融点金属のタングステン系導電材料はタングステン
単体、又は、珪化タングステン。

窒化タングステン等の化合物にして使用されている。そ
して、このタングステンが弗素ガスで容易にエツチング
できるので、タングステン系材料のドライ・エツチング
には、一般的に、ｃＦ、。

ＣＨＦ３　、ＳＦａなどの弗素を含む化合物ガス、及び
、これに０２などの添加ガスを加えた混合ガスが使用さ
れている。しかし、加工の微細化が進んでハーフミクロ
ンからサブハーフミクロンとなる超微細加工になると、
上記のエツチングガスによるサイドエッチの問題が顕現
してきている。これは、本来のＲＩＥの異方性が基板に
垂直に入射スルエマチングガスのイオンエネルギーによ
ってその基板の表面で生じる化学反応に起因すると考え
られているのに対して、タングステン系材料のエツチン
グは、弗素とタングステンとの反応性が極めて強いため
イオンの入射エネルギーがなくてもエツチングが進行す
るためであシ、このような特性から本質的な異方性工・
チングが得にくいという問題をもつことによるものであ
る。

以上のような、従来のＲＩＥにおけるサイドニッチの形
状を、単層膜の断面図で示したのが第５図である。この
図では、半導体基板１１上の加工対象の高融点金属１２
をエツチングマスク１３を用いてドライエツチングを行
またものである。この第５図のようにサイドエッチが大
きいと、高アスペクト比をもたせた微細パターンの加工
は不可能になシ、さらに、このような高融点金ａｔドラ
イエフチングで形成したゲート電極をマスクにしたソー
スとドレインＯｎ＋層注入を行うセルファラインプロセ
スで、ゲート・ソース、及びゲート・ドレインの間に不
純物が導入されないオフセット領域ができて、ＭＯ５！
−ランジスタの駆動能力全低下させるなどの問題が生ず
ることになる。更に加工対象を工・ツチング速度が異な
る高融点材料の積層薄膜にしたときは、このサイドエッ
チの問題が複雑化して顕著になる傾向にあることは言う
までもない。

本発明は、従来の高融点金属系材料の微細加工における
ＲＩＥがもつサイドエッチの問題を解消して、半導体基
板上の高融点材料の積層薄膜にも精度のよい微細加工が
できる半導体装置の製造方法を提供することを目的とし
ている。

ぐ課題を解決するための手段〉 本発明は、上記の目的とした精度のよい微細加工を行な
うため次のようなエツチングガスを用いるものである。

半導体基板上に形成した精密な微細加工をするタングス
テン、又は、タングステン糸導を材料。

積層薄膜のＲＩＥによる加工の工程におけるエツチング
ガスに、ＣＦ系ポリマーによシエッチングした側壁の保
護効果をもたせるＣＨＦ、ガスを主成分にし、これにＲ
ＩＥ効果の高いＳＦａガスを適量添加し、更に、Ｉｔｌ
ＥＣＨＦ、からの保護ポリマ堆積を促進するＮ２ガスを
添加したガスを使用するものである。

く作　用〉 本発明の半導体基板上に成膜したタングステン又は、タ
ングステン系導電材料の単層、又は積層薄膜のＲＩＥ加
工に用いるエツチングガスを、ＲＩＥで成型した側壁に
ポリマを堆積して保護する効果をもつＣＨＦ３ガスを主
成分にし、そのＣＨＦ、の側壁保護効果を促進するＮ２
ガスを添加することにより、サイドエッチを抑えて高異
方性ＲＩＥによる高融点金属材料の精度のよい超微細加
工を可能にしている。

〈実施例〉 以下、本発明の実施例を図面を参照して説明する。

本実施例に用いたＲＩＥ装置は、一般的な平行平板型の
電極を、真空容器内に配置した装置で、この電極間に１
３．５６ＭＨｚの高周波電力を印加し、エツチングガス
をプラズマ化してＲＩＥを行なうものである。実施例に
用いた試料は、前記ＲＩＥ装置内の石英で被覆された電
極上に設置した。尚、この実施例ではレジストマスクに
フォトレジスト（東京応化製０ＦＰＲＩＩ１００）を使
用している。

以上で説明したＲＩＥ装置に、半導体基板上にタングス
テン薄膜、及び、エツチングマスクを重ねて形成した試
料を設置し、ＣＨＦ３を主成分としてＳＦ、の添加量を
変えたエツチングガスの圧力を１０Ｐａにし、高周波電
力を１００Ｗ印加しｌｅきの、工・ンチングガスのＳＦ
ｓ添加比に対するエツチングレートの関連を示したのが
第２図である。この第２図の横軸はＣＨＦ３　とＳＦａ
の全エツチングガスに対するＳＦａガスの比率を示し縦
軸はそのエツチングガスによるタングステン（Ｗ）の工
・チングレート（Ａ／ｍ１ｎ）を示している。

この第２図には示していないが、ＳＦ、ガスを添加しな
いとき［Ｓ　Ｆ　ｓ　／ＣＣＨＦ　ｓ　＋Ｓ　Ｆ　ｓ　
）が零）のエフチングレートは非常に小さくなり、殆ん
どエツチングが進行しなかった。これはエツチングガス
のＣＨＦ　ｓの分解によるＣＦ系のポリマ堆積と弗素原
子によるエツチングがほぼバランスしているためと思わ
れる。

ＣＨＦ５ガスへのＳＦｓガスの添加比重分増加して行く
と、この反応ガス中の弗素原子数が増加するためエツチ
ングが優勢になって、エツチング速度が急速に増大して
いる。

第２図の工・チング速度の曲線を実用上の観点からみる
と、比較的大きい工°ツチング速度が得られるＳＦｓの
添加比が１０チ以上のエツチングガスが使用できること
が望しいが、このようにＳＦ６が１０係以上になるとエ
ツチングしたタングステンのサイドエッチも大きくなっ
てオーバハング形状になる。従って、非常に微細なパタ
ーンにしたとき、例えば０．８μ鴎以下の線幅のパター
ン加工では、パターン通りの加工精度はもとより、再現
性の確保も困難になるため、実際の製造に使用すること
ができない。

次の第８図は、ＣＨＦ　ｓガスへのＳＦ、ガスの添加比
を１０１ｉにしたエツチングガスに、Ｎ２ガスの添加比
を変えてタングステン薄膜をエツチングしたときの断面
図を示している。

第８図では半導体基板２１上に形成した膜厚０．５μ諺
のタングステン薄膜２２を幅０．８μ−のフォトレジス
ト２ＢをマスクにしてＲＩＥしている。

Ｎ２ガスの添加比率を（Ｎｚ／　（ＣＨＦ　３＋Ｓ　Ｆ
　ａ　）　）で表わしたときＮ２の添加比率を０チ、つ
まシＮ２を添加しないエツチングガスを用いたのが第８
図（ａｌである。この図ではタングステンのサイドエッ
チが大キく、レジストマスクのオーバハングが形成され
ている。第８図（ｂｌはＮ２の添加比率を１０１にした
ときで、サイドエッチが小さくなっている。更に、第８
図（ｃｌのＮ２の添加比率を２０−にしたときは、殆ん
どサイドエッチのない垂直なエツチング側壁のタングス
テン薄膜になっている。

以上はＮ２の添加の量によ−てタングステン薄膜の側壁
エツチングの阻止効果がよシ有効になることを示すもの
と考えられる。この本発明の効果を半導体基板１１上に
形成したタングステン系金属薄膜１２及びエツチングレ
ジスト１８からなる第１図で示している。

以上の結果から、ＣＨＦ３を主成分にして、適量のＳＦ
、及びＮ２を添加したＲＩＥ用のエツチングガスを用い
ることによシ、タングステン薄膜のエツチング断面形状
コントロールすることが可能であり、このＮ２を２０〜
３０嗟添加することにより、サイドエッチのない垂直な
側壁が形成できることが分った。

更に、エツチングマスクも、実施例のフォトレジストの
みでなく、プラズマＣＶＤのＳｉｎｇを用いても同様な
本発明の効果が得られた。これは本発明の効果がエツチ
ングマスク材によシ限定されることなく、一般的に広く
利用できることを示しているものである。

以上で示した本発明の効果を利用した実施例として第４
図に、高融点材料である窒化タングステンとタングステ
ンの積層からなる２層構造ゲートを４つＧａＡｓ　ＦＥ
Ｔのセルファラインによる製造工程を断面図で示してい
る。

以上のように２層構造のゲートにすることでＧａＡｓ基
板と良好なショットキ接合を形成すると共にゲート電極
の抵抗低減を図ることができて特性の良いＦＥＴが作製
できることが期待できる。

第４図ｆａｌは、半絶縁ｔｉＧａＡｓ基板１の表面から
選択的にＳｉイオン注入（４０ＫｅＶ。

４×ｌＱ”ｍｏｌ）を行なった上、アニール（８５０℃
で２０分）で活性化して、ｎ−−ＧａＡｓ能動層２を形
成した状態である。続いて、その基板１の表面に膜厚２
０００ｉの窒化タングステン膜８及び膜厚３０００λの
タングステン膜をＲＦスパフタによシ連続して堆積して
いる。このときのスパッタ成膜は、窒化タングステン膜
８にばＡｒに１０チのＮ２を添加したガスの圧力を２Ｐ
ａにし、１００Ｗの高周波電力を印加しておシ、タング
ステン膜４にはＡｒガスの圧力を７Ｐａにし、７０Ｗの
高周波電力を印加していて、ターゲットは共にタングス
テン板を用いたＯが、第４図［ｂｌである。

次に、フォトレジストのゲート電極加工用のマスク５を
形成し、本発明のエツチングガスを用いて、タングステ
ン薄膜４．窒化タングステン薄膜８を連続してエツチン
グ成形し、第４図（ｃｌの形状にしている。

こ（ＤＲＩＥの条件は、エツチングガスが、第４たガス
で、このガス圧力を１０Ｐａにし、１００Ｗの高周波電
力を印加したが、タングステン系の膜はサイド二一チが
ない垂直な側面にな−ていた。

続いて、エツチングマスク５を除去した後、このゲート
電極３と４及び図示を省略したフォトレジストをマスク
にしてＳｉイオン注入（５０ＫｅＶ。

２ｘｔｏ”ｍｉ）を行い、上記のフォトレジストを除去
した後ランプアニールによｐｎ”−ＧａＡｓ層７からな
るソースとドレイン領域を形成した後プラズマＣＶＤに
よる５ｉ−Ｎパシベーション膜６を形成したのが第４図
ｆｄｌである。そして最後にソースとドレインの電極形
成部の膜６を除去して、オーミック接合による積層室ｆ
ｆ１（Ａｕ−Ｇｅ／Ｎｉ／Ａｕ）８を蒸着とリフトオフ
で形成し、４００℃のアロイングにより電極８のオーミ
７り接合を形成したのが第４図ｔｅｌである。

以上のように、高融点金属材料からなる本発明の方法に
よりｗめで精度のよいＲＩＥで２層構造ゲートにし、セ
ルファフィンプロセスを用いたので、ゲート電極とソー
ス、又はドレイン領域との間にオフセ・ト領域が形成さ
れることもなく、特性の良いＦＥＴを作製することがで
きた。　　　　　４以上は本発明を実施例によって説明
したが１本発明は実施例によって限定されるものでなく
、本発明の方法で、半導体基板上に形成した高融点金属
のタングステン、又は、タングステン化合物導電材料の
薄膜を精度よく微細加工することで、特性の良い半導体
装置を作製するのが、本発明の目的である。

〈発明の効果〉 本発明は、成膜後も半導体装置製造の高温処理ができる
高融点金属のタングステン、又は、タングステン化合物
導電材料の単層、又は、積層薄膜をサイドエッチのない
高精度のＲＩＥ加工ができるエツチングガスである。以
上の本発明を使用することで、従来のＲＩＥ装置をなん
ら改造することなく極めて微細なハーフミクロン級のパ
ターンも精度良く、高アスペクト比で半導体基板上に形
成した後も、半導体装置製造の高温処理が可能になシ、
高性能・高密度の半導体素子を歩留まシ良く作製するこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の製造方法の一実施例を示す断面図、第
２図はエツチングガスの組成とエツチング速度の関係を
示す図、第８図はエツチングガスへのＮ２ガス添加比と
サイドエッチ量の関係を示す断面図、第４図は本発明の
製造方法を使用したＦＥＴの製造工程を示す断面図、第
５図は従来例のタングステン薄膜のＲＩＥで形成した断
面図である。 １・・・半絶縁性ＧａＡｓ基板、２−ｎ−ＧａＡｓ層、
８・・・窒化タングステン薄膜、４．２２・・・タング
ステン薄膜、　５　、２　Ｂ−・・フォトレジスト、６
・・・５ｉ−Ｎ膜、７・・・ｎ−ＧａＡｓ層、８・・・
オーミック電極、１１．２１・・・半導体基板、１２・
・・タングステン系金属、１８・・・エツチングマスク
。 代理人　弁理士　梅　１）　　勝（他２名）ＩＩＩ　図 ｍ２１１

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、半導体基板上に形成したタングステン又は、タング
   ステン系導電材料からなる単層、又は、積層の薄膜のド
   ライエッチング加工に用いるエッチングガスに、ＣＨＦ
   ＿３ガスを主成分としてＳＦ＿６ガスを添加した混合ガ
   スに、更に、Ｎ＿２ガスを添加したガスを用いることを
   特徴とする半導体装置の製造方法。 ２、前記エッチングガスが、主成分のＣＨＦ＿３ガスに
   対し１０％程度のＳＦ＿６ガスを添加した混合ガスに対
   し、２０％から３０％のＮ＿２ガスを添加したガスであ
   る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。