JPH0878400A - シリコン系材料層のパターン形成方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 リソグラフィ技術の解像限界よりも微細なパ
ターンを生産性良く形成できるシリコン系材料層のパタ
ーン形成方法を提供すること。 【構成】 第１工程では基体としてのシリコン基板１０
の表面に、絶縁膜であるゲート酸化膜１１とシリコン系
材料層である多結晶シリコン層１２とレジスト膜１３と
を順次形成する。この後、レジスト膜１３をパターンニ
ングする。第２工程では、パターンニングされたレジス
ト膜１３を等方性エッチングすると同時に多結晶シリコ
ン層１２のほぼ層厚分を異方性エッチングする。この工
程では、二フッ化二イオウ、二フッ化イオウ、四フッ化
イオウおよび十フッ化二イオウのうちの少なくとも一種
のフッ化イオウを含むエッチングガスを用いる。そして
第３工程では、フッ素以外のハロゲンの少なくとも一種
を含むエッチングガスを用いて、多結晶シリコン層１２
の残余部分１２ａをエッチングする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、例えば多結晶シリコン
層やタングステンポリサイド層などのシリコン系材料層
のパターン形成方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、ＶＬＳＩ、ＵＬＳＩなどに見られ
るように半導体装置のデザイン・ルールは高度に微細化
している。これに伴い、例えば多結晶シリコン層やタン
グステンポリサイド層などのシリコン系材料層からなる
トランジスタゲート電極の微細加工では、所望のゲート
長に一致する正確なレジストマスクの露光・現像技術が
特に必要になっている。そこで、レジストの微細パター
ンの形成方法が検討され実施されている。

【０００３】例えば電子線直接描画技法がある。この方
法は、これまでの量産化可能なリソグラフィ技術よりも
２世代以上先行した微細パターンを形成する方法であ
る。その他、レジストアッシング法も広く用いられてい
る。レジストアッシング法では、リソグラフィ技術によ
って限界寸法まで微細加工したレジストをさらに酸素プ
ラズマまたは酸素ラジカルによってアッシングし、リソ
グラフィ技術の限界以上に微細化されたレジストパター
ンを形成する。

【０００４】また上記方法によって微細なレジストパタ
ーンを形成した後、図２に示す過程で進行するドライエ
ッチングを行ってゲート電極を得ている。例えば図２
（ａ）に示すようにシリコン基板２０表面に、ゲート酸
化膜２１、多結晶シリコン層２２および微細なレジスト
パターン２３が順に形成されたものでは、例えばハロゲ
ン系のガスを用いて多結晶シリコン層２２をドライエッ
チングする。

【０００５】すると、図２（ｂ）に示すように多結晶シ
リコン層２２が異方性エッチングされるとともに、エッ
チングによって生成する反応生成物がレジストパターン
２３と多結晶シリコン層２２の側壁に付着して側壁保護
膜２４が形成される。よって図２（ｃ）に示すように、
レジストパターン２３の線幅αに忠実にエッチングされ
た多結晶シリコン層２２からなるゲート電極が得られ
る。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記し
た電子線直接描画法、レジストアッシング法では以下の
ような課題がある。電子線直接描画法の場合、レジスト
全面にパターンを直接描画するために、基体全面の処理
に長時間を要する。またこのレジストをその後のドライ
エッチング工程に耐えうるレジストパターンとして利用
するためには、多層レジスト法を採り入れる必要があ
る。したがって、生産性が悪くコストが高くつく。

【０００７】またレジストアッシング法では、ドライエ
ッチング工程の前のアッシングによってレジストが薄く
なり、かつレジストの線幅の均一性が得られない。さら
にリソグラフィ技術によるレジストパターン形成工程と
ドライエッチング工程との間にアッシング工程が入るの
で、プロセスフローの観点から純粋な工程増になる。よ
って、レジストアッシング法でも、生産性の点が課題に
なっている。

【０００８】本発明は上記課題を解決するためになされ
たものであり、リソグラフィ技術の解像限界よりも微細
なパターンを生産性良く形成できるシリコン系材料層の
パターン形成方法を提供することを目的としている。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明のシリコン系材料
層のパターン形成方法では、まず第１工程で、基体表面
に絶縁膜とシリコン系材料層とレジスト膜とを順次形成
する。この後、レジスト膜をパターンニングする。次い
で第２工程では、パターンニングされたレジスト膜を等
方性エッチングすると同時に上記リコン系材料層のほぼ
層厚分を異方性エッチングする。この工程では、二フッ
化二イオウ、二フッ化イオウ、四フッ化イオウおよび十
フッ化二イオウのうちの少なくとも一種のフッ化イオウ
を含むエッチングガスを用いる。次いで第３工程では、
フッ素以外のハロゲンの少なくとも一種を含むエッチン
グガスを用いて、シリコン系材料層の残余部分をエッチ
ングする。

【００１０】上記第２工程で使用するエッチングガス
は、窒素系化合物を含んでいても良い。また上記第３工
程で使用するエッチングガスが、酸素系化合物を含んで
いることも可能である。さらに上記第２工程を行う際に
は、上記基体を０℃〜７０℃の範囲内の所定温度に保持
することが好ましい。

【００１１】

【作用】本発明では、第２工程においてシリコン系材料
層の異方性エッチングと同時に、パターンニングされた
レジスト膜の等方性エッチングが進行する。そのため、
レジスト膜は第１工程で形成された寸法よりも微細に加
工される。また同時に進行する異方性エッチングによっ
て、シリコン系材料層はレジスト膜と略等しい寸法に微
細加工される。また第３工程で用いるエッチングガス
は、フッ素系のガスとは異なり絶縁膜に対するシリコン
系材料層の選択比が高いガスである。よって、第３工程
では絶縁膜が損傷しない。

【００１２】また第２工程で基体を０℃〜７０℃の範囲
内の所定温度に保持した際には、０℃以上であるため、
エッチングガスに含まれているフッ化イオウのイオウに
よるレジスト側壁への吸着が抑制される。その結果、レ
ジスト膜の等方性エッチングがなされる。また７０℃以
下であるため、レジスト膜のエッチング耐性が劣化しな
い。

【００１３】

【実施例】以下、本発明に係るシリコン系材料層のパタ
ーン形成方法の実施例を図１に示す工程図に基づいて説
明する。なおこの実施例では、トランジスタゲート電極
のパターン形成を例にとって述べる。図１（ａ）に示す
第１工程では、まず拡散炉によって、基体としてのシリ
コン基板１０表面に酸化シリコンからなる絶縁膜、つま
りゲート酸化膜１１を形成する。このとき、ゲート酸化
膜１１を例えば８ｎｍ程度の膜厚に形成する。

【００１４】次いで、減圧の化学的気相成長法（以下、
ＣＶＤ法と記す）によって、シリコン系材料層としての
多結晶シリコン層１２をゲート酸化膜１１上に成膜す
る。なお成膜時には、多結晶シリコン層１２に不純物を
ドープする。そして、不純物を多結晶シリコン層１２に
均一性良く拡散させて活性化させるために、例えば約８
５０℃で１０分間程度アニール処理を行う。

【００１５】続いてスピンコート法によって、多結晶シ
リコン層１２上にフォトレジスト膜（以下、レジスト膜
と略す）１３を形成する。その後、エキシマレーザステ
ッパーによって、レジスト膜１３をパターンニングす
る。このパターンニングでは、パターンニングされたレ
ジスト膜１３の線幅βが、エキシマレーザステッパーの
限界加工寸法に近い例えば０．３０μｍ程度になるよう
に露光、現像を行う。

【００１６】次に、図１（ｂ）に示す第２工程を行う。
第２工程ではパターンニングされたレジスト膜１３を等
方性エッチングすると同時に多結晶シリコン層１２のほ
ぼ層厚分を異方性エッチングする。このジャストエッチ
ングの際のエッチングガスには、二フッ化二イオウ（Ｓ
₂ Ｆ₂ ）、二フッ化イオウ（Ｓ₂ Ｆ）、四フッ化イオウ
（ＳＦ₄ ）および十フッ化二イオウ（Ｓ₂ Ｆ₁₀）のうち
の少なくとも一種のフッ化イオウを含むガスを用いる。
またエッチングガスは、窒素系化合物を含んでいても良
い。

【００１７】また上記ジャストエッチングに際しては、
シリコン基板１０を０℃〜７０℃の範囲内の所定温度に
保持する。

【００１８】例えばエッチングガスをＳ₂ Ｆ₂ とし、Ｅ
ＣＲ（Electron Cyclotron Resonance）型のエッチング
装置を用いる場合のジャストエッチングの条件の一例を
以下に示す。マイクロ波供給電力＝８５０Ｗ（２．４５
ＧＨｚ）、磁場強度＝８７．５ｍＴ（８７５Ｇ）、 チ
ャンバー内圧力＝１．３Ｐａ、高周波（ＲＦ）バイアス
電力＝１００Ｗ、シリコン基板温度＝３０℃、Ｓ₂ Ｆ₂
ガス流量＝１００ｍｌ／ｍｉｎ。

【００１９】また上記と同様のエッチングガスで、マグ
ネトロンＲＩＥ（Reactive Ion Etching）型のエッチン
グ装置によりジャストエッチングする場合の条件の一例
を以下に示す。磁場強度＝２０ｍＴ（２００Ｇ）、
チャンバー内圧力＝２．５Ｐａ、高周波（ＲＦ）バイア
ス電力＝２５０Ｗ、 シリコン基板温度＝３０℃、Ｓ₂
Ｆ₂ ガス流量＝１００ｍｌ／ｍｉｎ。

【００２０】このようなジャストエッチングでは、図１
（ｂ）に示すように多結晶シリコン層１２に残余部分１
２ａが残る。よって第２工程の後は、図１（ｃ）に示す
第３工程のオーバーエッチングを行う。すなわち第３工
程では、フッ素以外のハロゲンの少なくとも一種を含む
エッチングガスを用い、上記のように多結晶シリコン層
１２の残余部分１２ａをエッチングする。オーバエッチ
ングに用いるエッチングガスは、酸素系化合物を含んで
いても良い。

【００２１】エッチングガスの具体例としては、臭化水
素（ＨＢｒ）と塩素（Ｃｌ₂ ）との混合ガス、ＨＢｒと
Ｏ₂ との混合ガス、Ｃｌ₂ とＯ₂ との混合ガスおよびＨ
ＢｒとＣｌ₂ とＯ₂ との混合ガスなどが挙げられる。

【００２２】例えばエッチングガスにＨＢｒとＣｌ₂ と
の混合ガスを用い、ＥＣＲ型のエッチング装置を用いる
場合のオーバエッチングの条件の一例を以下に示す。マ
イクロ波供給電力＝８５０Ｗ（２．４５ＧＨｚ）、磁場
強度＝８７．５ｍＴ（８７５Ｇ）、 チャンバー内圧力
＝１．３Ｐａ、高周波（ＲＦ）バイアス電力＝６０Ｗ、
シリコン基板温度＝３０℃、ＨＢｒ／Ｃｌ₂ ガス流量
＝１２０／１０ｍｌ／ｍｉｎ。

【００２３】また上記と同様のエッチングガスで、マグ
ネトロンＲＩＥ型のエッチング装置によりオーバエッチ
ングする場合の条件の一例を以下に示す。磁場強度＝２
０ｍＴ（２００Ｇ）、 チャンバー内圧力＝２．５
Ｐａ、高周波（ＲＦ）バイアス電力＝１２０Ｗ、シリコ
ン基板温度＝３０℃、ＨＢｒ／Ｃｌ₂ ガス流量＝２００
／３０ｍｌ／ｍｉｎ。

【００２４】このオーバエッチングによって、エキシマ
レーザステッパーの解像限界に近い寸法より約３／５微
細な０．１８μｍ程度の線幅γの多結晶シリコン層１２
のパターンが形成される。すなわち、０．１８μｍ程度
の非常に微細なゲート長γを有するゲート電極のパター
ンが得られる。

【００２５】上記実施例の第２工程のジャストエッチン
グでは、レジスト膜１３とエッチングガスに含まれるフ
ッ化イオウのフッ素とが反応する。そしてフッ素系化合
物（ＣＦ_X ）を生成し、その生成物は異方性エッチング
された多結晶シリコン層１２の側壁に付着することなく
排気される。このため、上記したようにパターンニング
されたレジスト膜１３の等方性エッチングと、多結晶シ
リコン層１２の略層厚分の異方性エッチングとが同時に
進行する。

【００２６】その結果、レジスト膜１３の線幅γは、第
１工程の露光、現像による線幅の仕上がり寸法βよりも
細く加工される。しかも、同時に進行する異方性エッチ
ングによって、多結晶シリコン層１２はレジスト膜１３
の線幅γと略等しい線幅寸法に微細加工される。またア
ッシングと異なり、制御性の良いエッチングによってレ
ジスト膜１３を微細に加工するので、レジスト膜１３の
線幅γの均一性を確保することができる。

【００２７】また放電解離条件下では、上記エッチング
ガスに含まれる少なくとも一種のフッ化イオウが解離し
てイオウ（Ｓ）が生じる。生じたイオウは異方性エッチ
ングされた多結晶シリコン層１２の側壁に吸着するた
め、多結晶シリコン層１２のアンダーカットが防止され
る。よって、多結晶シリコン層１２の側壁は、シリコン
基板１０表面に対して垂直に加工される。

【００２８】さらにエッチングガスが窒素系化合物を含
んでいる場合は、例えばＳＮポリマーからなる窒化イオ
ウ系化合物が異方性エッチングされた多結晶シリコン層
１２の側壁に吸着する。よって、このようなエッチング
ガスを用いた場合も多結晶シリコン層１２のアンダーカ
ットが防止される。

【００２９】また一般に、イオウ系のガスでは、０℃よ
りも低い温度で異方性エッチングが進行し易いことが知
られている。しかし、第２工程ではシリコン基板１０を
０℃〜７０℃の範囲内の所定温度に保持する。このた
め、エッチングガスに含まれているフッ化イオウのイオ
ウによるレジスト膜１３の側壁への吸着が抑制され、レ
ジスト膜１３は等方性エッチングされる。なお、シリコ
ン基板１０の保持温度の上限値を７０℃としたのは、レ
ジスト膜１３のエッチング耐性が劣化してマスクとして
の機能を果たさなくなる虞れがあるためである。

【００３０】またシリコン基板１０の温度を上記のよう
に設定することで、多結晶シリコン層１２の側壁へのイ
オウ系化合物の吸着が抑制されるが、ＲＦバイアス電力
を制御することによって多結晶シリコン層１２の側壁を
シリコン基板１０表面に対して垂直に加工することがで
きる。

【００３１】一方、第３工程で用いるフッ素以外のハロ
ゲンの少なくとも一種を含むエッチングガスは、フッ素
系のガスとは異なりゲート酸化膜１１に対する多結晶シ
リコン層１２の選択比が高いガスである。このため、ゲ
ート酸化膜１１に損傷を与えることなく多結晶シリコン
層１２の残余部分１２ａをエッチングすることができ
る。

【００３２】さらにエッチングの際は、シリコン系反応
生成物（例えばＳｉＣｌ_X やＳｉＢｒ_X など）が生じ
る。生じたシリコン系反応生成物はレジスト膜１３や多
結晶シリコン層１２の側壁に堆積するため、多結晶シリ
コン層１２のアンダーカットが防止される。

【００３３】またエッチングガスが酸素系化合物を含ん
でいる場合は、酸化シリコン系化合物（例えばＳｉＯや
ＳｉＯ₂ 、ＳｉＯＢｒなど）がレジスト膜１３や多結晶
シリコン層１２の側壁に吸着するため、オーバーエッチ
ングの際は側壁が一層保護される。

【００３４】したがって上記実施例では、ゲート酸化膜
１１を損傷させることなく、リソグラフィ技術の解像限
界よりも微細でかつ均一な線幅γのゲート電極のパター
ンを形成することができる。しかも一工程でレジスト膜
１３の等方性エッチングと多結晶シリコン層１２の異方
性エッチングとを行うので、従来のレジストアッシング
法に比べて工程数が削減される。また電子線直接描画法
に比べて、短時間でレジスト膜１３をリソグラフィ技術
の解像限界よりも微細に加工できる。よって、生産性の
向上およびそれに伴うコストの低減を図ることができ
る。

【００３５】

【発明の効果】以上説明したように本発明では、第２工
程でパターンニングされたレジスト膜を等方性エッチン
グすると同時にシリコン系材料層の異方性エッチングす
る。このため一工程で、レジスト膜を第１工程で形成さ
れた寸法よりも微細に加工できるとともに、シリコン系
材料層をレジスト膜の寸法に微細加工できる。また第３
工程で用いるエッチングガスは、フッ素系のガスとは異
なり絶縁膜に対するシリコン系材料層の選択比が高いガ
スであるため、絶縁膜に損傷を与えることなくシリコン
系材料層の残余部分をエッチングすることができる。

【００３６】したがって本発明によれば、リソグラフィ
技術の解像限界よりも微細なシリコン系材料層のパター
ンを、従来法に比べて生産性良く低コストで形成するこ
とができる。

【００３７】また第２工程で基体を０℃〜７０℃の範囲
内の所定温度に保持した際には、エッチングガスに含ま
れているフッ化イオウのイオウによりレジスト膜の等方
性エッチングが進行するので、レジスト膜を確実に微細
加工することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一例を示す工程図である。

【図２】従来法の一例を示す工程図である。

【符号の説明】

１０ シリコン基板（基体） １１ ゲート酸化膜（絶縁膜） １２ 多結晶シリコン層（シリコン系材料層） １３ レジスト膜 １３ａ 残余部分

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 基体表面に絶縁膜とシリコン系材料層と
   レジスト膜とを順次形成した後、前記レジスト膜をパタ
   ーンニングする第１工程と、 二フッ化二イオウ、二フッ化イオウ、四フッ化イオウお
   よび十フッ化二イオウのうちの少なくとも一種のフッ化
   イオウを含むエッチングガスを用いて、前記パターンニ
   ングされたレジスト膜を等方性エッチングすると同時に
   前記シリコン系材料層のほぼ層厚分を異方性エッチング
   する第２工程と、 フッ素以外のハロゲンの少なくとも一種を含むエッチン
   グガスを用いて、前記シリコン系材料層の残余部分をエ
   ッチングする第３工程とからなることを特徴とするシリ
   コン系材料層のパターン形成方法。
2. 【請求項２】 請求項１記載のシリコン系材料層のパタ
   ーン形成方法において、 前記第２工程で使用するエッチングガスは、窒素系化合
   物を含んでいることを特徴とするシリコン系材料層のパ
   ターン形成方法。
3. 【請求項３】 請求項１または請求項２記載のシリコン
   系材料層のパターン形成方法において、 前記第３工程で使用するエッチングガスは、酸素系化合
   物を含んでいることを特徴とするシリコン系材料層のパ
   ターン形成方法。
4. 【請求項４】 請求項１、請求項２または請求項３記載
   のシリコン系材料層のパターン形成方法において、 前記第２工程を行う際は、前記基体を０℃〜７０℃の範
   囲内の所定温度に保持することを特徴とするシリコン系
   材料層のパターン形成方法。