JPH11162941A

JPH11162941A - ドライエッチング方法

Info

Publication number: JPH11162941A
Application number: JP32867697A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Tokashiki; 健渡嘉敷
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1997-11-28
Filing date: 1997-11-28
Publication date: 1999-06-18

Abstract

(57)【要約】【課題】チタンシリサイドのドライエッチング方法にお
いて、チタンシリサイドの結晶構造に依存せず、アンダ
ーカットや虫食い状のサイドエッチが生じることのない
高異方性の形状制御性を有する方法を得る。【課題手段】シリコン基板１上に形成されたチタンシリ
サイド層５のドライエッチング方法において、チタンシ
リサイド層上にハードマスク８を形成し、その後、塩素
または臭化水素にメタンガス及び三塩化ホウ素を添加し
た混合ガスによるガスプラズマでチタンシリサイド層５
をエッチングすることにより、メタンによりエッチング
層の側壁保護を行うことにより、チタンシリサイドの結
晶構造にかかわらず高異方性エッチングを確保するとと
もに、三塩化ホウ素を添加することによりチタンシリサ
イドとシリコンオジュールのエッチレート差を最小化さ
せ、エッチング残さの発生を抑制する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体装置の製造
方法において、半導体基板に対してプラズマエッチング
装置を用いてエッチング加工を行うドライエッチング方
法に関し、特に、チタンシリサイドを高異方性にエッチ
ングする場合のドライエッチング方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】金属シリサイドであるチタンシリサイド
は低抵抗材料であるため、高速動作を意図した超微細な
ＤＲＡＭデバイスの開発において、ゲート電極やビット
線への応用が検討されている。ゲート電極やビット線を
作成するに際してのエッチング加工は、デバイスの性能
の向上を図るためにアンダーカットのない異方性エッチ
ングが要求される。特に、ゲート電極は、デバイス性能
に大きく影響するため、高異方性エッチング形状が求め
られる。

【０００３】チタンシリサイドをゲート電極の材料とし
て用いた場合のエッチング方法としては、例えば特願平
６−２９２５７号公報に記載されているように、臭化水
素（ＨＢｒ）と塩素（Ｃｌ₂）との混合ガスを用い、混
合比を１：１〜１：９、圧力を３０ｍＴｏｒｒ以下に設
定したマグネトロンＲＩＥ装置でエッチング加工を行う
ことが提案されている。

【０００４】この方法においては、ガス混合比、圧力及
び磁界を最適化することで、レジストマスクを用いな
い、すなわち、シリコン窒化膜やシリコン酸化膜（以
後、ハードマスクと称する）をエッチングマスク材料に
用いてエッチング形状の制御を図っている。ハードマス
クを用いてエッチング加工を行った場合、一般にエッチ
ング層の側壁を保護する効果が低いことが知られてい
る。上述のエッチング方法では、エッチングに際して極
力圧力を下げ（１０ｍＴｏｒｒ以下）、且つ飽和蒸気圧
の低い、臭素とシリコンの反応生成物であるＳｉ一Ｂｒ
膜をエッチング層（チタンシリサイド）の側壁に側壁保
護膜として形成し、エッチング加工の際の高異方性を実
現している。

【０００５】一方、チタンシリサイドはスパッタリング
法によって成膜されるが、成膜時の基板温度や成膜後の
熱処理温度によって、その結晶構造は、アモルファス，
Ｃ４９，Ｃ５４の結晶構造の三態に分類できる。すなわ
ち、２００℃以下の熱処理ではアモルファス構造、２０
０℃以上８００℃以下の熱処理ではＣ４９の結晶構造、
８５０℃以上の熱処理ではＣ５４の結晶構造を有してい
る。この熱処理は、細線化したチタンシリサイドの抵抗
値のばらつきを抑制するために行われる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述の
特開平６−２９２５７公報で示されたチタンシリサイド
のエッチング方法においては、チタンシリサイドの結晶
構造については言及されていない。そして、本発明者
は、チタンシリサイドの結晶構造が異なると、臭化水素
と塩素の混合ガスでエッチングを行う場合、その混合比
を最適化したエッチング条件を適用してもエッチング反
応性が大きく異なることを見出した。

【０００７】すなわち、図３（ａ）に示すように、シリ
コン基板１上に、シリコン熱酸化膜２，ポリシリコン膜
３，窒化チタン膜４，チタンシリサイド膜５を順次成膜
し、チタンシリサイド膜５上に形成されたハードマスク
８によるエッチング加工により積層膜をパターニングし
てゲート配線を形成するに際して、チタンシリサイド膜
５の結晶構造が異なる場合についてそれぞれエッチング
加工を行った。

【０００８】チタンシリサイド膜５がアモルファス構造
のチタンシリサイド１６である場合、エッチング加工に
よるアンダーカットが生じにくく、その断面形状は図３
（ａ）に示すようになる。一方、チタンシリサイド膜５
がＣ４９又はＣ５４の結晶構造のチタンシリサイド１
７，１８である場合、エッチング加工によりアンダーカ
ット１０が生じ、その断面形状は図３（ｂ）に示すよう
になる。アンダーカット１９が生じる原因は、Ｃ４９又
はＣ５４の結晶構造を有するチタンシリサイド１７，１
８と塩素とのエッチング反応性が高いこと、Ｓｉ一Ｂｒ
膜によるチタンシリサイド膜５の側壁保護効果が小さい
ため、臭化水素（ＨＢｒ）の混合比の最適化が困難であ
ることに起因すると考えられる。また、臭化水素単独に
よるエッチングを行った場合でも、チタンシリサイド膜
５の側壁に虫食い状のサイドエッチ２０が発生しやすい
（図３（ｃ）参照）。

【０００９】上述の現象から、チタンシリサイド膜の結
晶構造（相）の種類によっては、Ｓｉ−Ｂｒ膜が側壁保
護膜として完全でないことを示唆している。特に、エッ
チング時の基板温度が２０℃以上となると、虫食い状の
サイドエッチ２０が顕著となることが判明している。加
えて、Ｃ４９やＣ５４の結晶構造のチタンシリサイドの
膜中には、シリコンノジュールと呼ぱれるシリコンの固
まりが生じる。特に、チタンシリサイド層中に固溶度以
上のシリコンが存在すると、シリコンノジュールが生じ
易い。そして、このシリコンノジュール２１は、図３
（ｄ）に示すように、エッチング残さ２３の主原因とな
る。これは、シリコンノジュール２１がチタンシリサイ
ドに比ベエッチング速度が遅いためマイクロマスク２２
として作用し、残さを発生させるからである。特に、塩
素の混合比の高いガスを用いると両者のエッチングレー
ト差が顕著となり激しいエッチング残さが生じる。

【００１０】本発明は上記実情に鑑みてなされたもの
で、チタンシリサイドのドライエッチング方法におい
て、チタンシリサイドの結晶構造に依存せず、アンダー
カットや虫食い状のサイドエッチが生じることのない高
異方性の形状制御性を有するドライエッチング方法を提
供することを目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
本発明は、基板上に形成されたチタンシリサイド層のド
ライエッチング方法において、チタンシリサイド層上に
エッチングのためのマスクパターンを形成し、その後、
塩素または臭化水素にメタンガスを添加した混合ガスに
よるガスプラズマでチタンシリサイド層をエッチングす
ることを特徴としている。

【００１２】また、塩素または臭化水素にメタンガスを
添加した混合ガス系に三塩化ホウ素を添加した混合ガス
によるガスプラズマでエッチング加工を行ってもよい。
したがって、チタンシリサイド層のエッチングに使用さ
れる混合ガスは、塩素／メタンガス、臭化水素／メタン
ガス、塩素／メタンガス／三塩化ホウ素、臭化水素／メ
タンガス／三塩化ホウ素が適用できる。

【００１３】また、チタンシリサイド層に代えて、ポリ
シリコン層と窒化チタン層とチタンシリサイド層とを順
次積層して構成される積層膜（チタンポリサイド）のチ
タンシリサイド層及び窒化チタン層をエッチングする場
合にも適用できる。

【００１４】本発明によれば、塩素または臭化水素にメ
タンガスを添加した混合ガスによるガスプラズマにおい
て、メタンガスはプラズマ中の電子との衝突により、解
離が進行する。その結果、エッチング層であるチタンシ
リサイドの側壁に主として炭素からなる側壁保護膜が形
成される。炭素原子を主とした側壁保護膜は、チタンシ
リサイドと化学的に反応することはなく、また、炭素原
子同士の強固な結合によって形成された側壁保護膜は、
十分なエッチング耐性をもつ。その結果、チタンシリサ
イドの結晶構造が異なっていても、塩素または臭化水素
によるアンダーカットや虫食い状のサイドエッチが抑制
される。

【００１５】また、塩素または臭化水素にメタンガスを
添加した混合ガスにさらに三塩化ホウ索を添加した混合
ガスとすると、チタンシリサイドとシリコンノジュール
のエッチレート差を最小化させる効果がある。その結
果、チタンシリサイドとシリコンノジュールは等速に近
い状態でエッチングが進行するため、シリコンノジュー
ルがマイクロマスクとして働くことはない。よって、エ
ッチング残さを大幅に抑制することが可能となる。

【００１６】

【実施例】以下、本発明のドライエッチング方法の一実
施例について図面を参照しながら説明する。図１は、本
発明方法で使用するドライエッチング装置の構成図を示
すもので、プラズマが発生する真空容器１０は、口径３
５７ｍｍ、高さ１２５ｍｍの金属製容器１１と、口径３
５７ｍｍ、厚さ２０ｍｍの石英製天板１２で囲まれて構
成されている。エッチング時において真空容器１１内の
圧力は１０ｍＴｏｒｒ以下に保たれる。

【００１７】石英製天板１２の上面には平面形状が螺旋
状のＲＦアンテナ１３が設けられ、ＲＦアンテナ１３に
は１３．５６ＭＨｚの高周波電圧が印加されている。真
空容器１１内でのエッチングに用いられるプラズマは、
誘導結合型の放電により生成される。誘導結合放電は、
ＲＦアンテナ１３から発生する誘導電界により励起され
る。

【００１８】真空容器１１の下方側には、ステージ状の
バイアス電極１４が設けられ、このバイアス電極１４上
に被エッチング物となる半導体基板１５が設置される。
バイアス電極１４には、１３．５６ＭＨｚの高周波電圧
が印加されている。このバイアス電極１４は、プラズマ
中のイオンが半導体基板１５へ入射する際のエネルギー
を制御する役割を有している。

【００１９】次に、本発明のドライエッチング方法の第
一の実施例について、図２を参照しながら説明する。本
発明のドライエッチング方法は、シリコン基板上に形成
されたチタンシリサイドやチタンポリサイドをエッチン
グする場合に使用する混合ガス（塩素または臭化水素に
メタンガスを添加した混合ガス、又はこれらの混合ガス
にさらに三塩化ホウ索を添加した混合ガス）に特徴があ
り、この混合ガスのガスプラズマによると、チタンシリ
サイドの結晶構造にかかわらずアンダーカット等が生じ
ない高異方性なエッチングを実現可能とする。

【００２０】先ず、シリコン基板１を熱酸化してシリコ
ン熱酸化膜２を７ｎｍの膜厚に成膜する。次に、前記シ
リコン熱酸化膜２上にポリシリコン膜３を１００ｎｍの
膜厚に成膜する。ポリシリコン膜３には燐をドープさ
せ、活性化させる。次に、スパッタリング法を用いて窒
化チタン膜４を１０ｎｍの膜厚に成膜したのち、引き続
きスパッタリング法を用いてチタンシリサイド膜５を１
００ｎｍの膜厚に成膜する。チタンシリサイドの組成比
は、チタン：シリコンが１：２．４の比とした。

【００２１】次に、ラピッドサーマルア二一ル（ＲＴ
Ａ）法を用いて、窒素雰囲気にて８５０℃、１０秒の熱
処理をチタンシリサイド膜５に施す。その結果、チタン
シリサイド膜５は、アモルファス状態からＣ５４の結晶
構造に変化する。次に、エッチングマスクとなるＣＶＤ
酸化膜６をＣＶＤ法を用いて１８０ｎｍの膜厚に成膜し
た後、感光性レジストを塗布、およびＫｒＦエキシマレ
ーザリソグラフィー装置で露光、現像することで０．２
ｕｍライン幅のレジストマスクパターン７を形成する
（図２（ａ）参照）。

【００２２】次に、ＣＶＤ酸化膜６をＣＦ₄とＣＨＦ₃と
Ａｒからなる混合ガスでドライエッチングして、ハード
マスク８を形成する。不要となったレジストマスクバタ
ーンを剥離した後（図２（ｂ）参照）、Ｃ５４の結晶構
造のチタンシリサイド膜５及び窒化チタン膜４、続いて
ポリシリコン膜３を連続してドライエッチングする。

【００２３】その際のエッチング条件は、以下の通りで
ある。チタンシリサイド膜５及び窒化チタン膜４のエッ
チングは、塩素とＡｒで４％に希釈したメタンの混合ガ
スに三塩化ホウ素を添加した混合ガスを用いる。塩素の
ガス流量は５０ｓｃｃｍ、Ａｒ希釈のメタンを１００ｓ
ｃｃｍから２００ｓｃｃｍとした。圧力は２ｍＴｏｒｒ
に固定し、プラズマソースのＲＦパワーを２５０Ｗ、バ
イアス側のＲＦパワーを１５０Ｗとした。なお、シリコ
ン基板１の温度は２０℃に固定した。この時のチタンシ
リサイド膜５のエッチング速度は、３００ｎｍ／ｍｉｎ
が得られる。

【００２４】引き続くポリシリコン膜３のエッチング
は、臭化水素を１５０ｓｃｃｍ、圧力８ｍＴｏｒｒ、プ
ラズマソースのＲＦパワーを２００Ｗ、バイアス側のＲ
Ｆパワーを５０Ｗとした。この時のポリシリコン膜３の
エッチレートは１００ｎｍ／ｍｉｎが得られる。ポリシ
リコン膜３をエッチングするガスとして臭化水素を用い
ているので、下地となるシリコン熱酸化膜（ゲート酸化
膜）２と高選択性を保ってエッチングすることができ
る。ポリシリコン膜３をエッチングするガスとしては、
臭化水素の代りに塩素を用いてもよく、臭化水素または
塩素と酸素との混合ガスを使用してもよい。エッチング
後は、酸剥離を行い、不要な側壁堆積物を除去する。

【００２５】なお、チタンシリサイド膜５のエッチング
のエンドポイントモニタリングは４０５ｎｍの発光波長
を用いている。チタンシリサイド膜５のジャストエッチ
時にこの発光強度は低下するので、ポリシリコン膜３の
エッチング条件に切り替えるタイミングが容易に判定で
きる。

【００２６】上記エッチング条件によれば、チタンシリ
サイド膜５をエッチングする混合ガスにメタンガスを添
加しているため、チタンシリサイド膜５の側面に耐エッ
チング性が十分な側壁保護膜が形成される。その結果、
チタンシリサイド膜５及び窒化チタン膜４のエッチング
は、ハードマスクに対して垂直に制御された高異方性を
確保でき、図２（ｃ）に示すように、アンダーカットや
虫食い状のサイドエッチのない０．２ｕｍライン幅の高
異方性エッチング形状を有するチタンポリサイドゲート
配線９が得られた。また、混合ガスに三塩化ホウ素を添
加しているため、チタンシリサイト膜５中のシリコンノ
ジュールを除去することができ、エッチング残さの発生
を完全に抑制することができた。

【００２７】次に、ドライエッチング方法の第二の実施
例について説明する。ハードマスク８を形成し不要にな
ったレジストを剥離する工程までは、第一の実施例の方
法と同一であるので説明を省略する。チタンシリサイド
膜５及び窒化チタン膜４をエッチングするための混合ガ
ス、及び、ポリシリコン膜３をエッチングするガス（混
合ガス）が第一の実施例と異なるものである。すなわ
ち、チタンシリサイド膜５及び窒化チタン膜４のエッチ
ングは、塩素とＡｒで４％に希釈したメタンの混合ガス
を用いている。塩素のガス流量は５０ｓｃｃｍ、Ａｒ希
釈のメタンを１００ｓｃｃｍから２００ｓｃｃｍとし
た。圧力は２ｍＴｏｒｒに固定し、プラズマソースのＲ
Ｆパワーを２５０Ｗ、バイアス側のＲＦパワーを２００
Ｗとした。なお、シリコン基板１の温度は６０℃とし
た。この時のチタンシリサイド膜５のエッチング速度は
３５０ｎｍ／５ｍｉｎが得られる。

【００２８】引き続くポリシリコン膜３のエッチング
は、臭化水素を１５０ｓｃｃｍ、酸素を２ｓｃｃｍ、圧
カ８ｍＴｏｒｒ、プラズマソースのＲＦパワーを２００
Ｗ、バイアス側のＲＦパワーを５０Ｗとした。この時の
ポリシリコン膜３のエッチレートは１３０ｎｍ／ｍｉｎ
が得られる。

【００２９】なお、エッチングのエンドポイントモニタ
リングは第一の実施例と同様の手法を用いる。基板温度
の高温設定、バイアスパワーの増加を図ることでシリコ
ンノジュールに起因するエッチング残さを抑制でき、混
合ガスにメタンを添加することにより十分な側壁保護膜
が形成された結果、アンダーカットや虫食い状のサイド
エッチのない０．２ｕｍライン幅の高異方性エッチング
形状を有するチタンポリサイドゲート配線９が得られた
（図２（ｃ））。

【００３０】次に、ドライエッチング方法の第三の実施
例について説明する。この実施例では、チタンシリサイ
ド膜５及び窒化チタン膜４のエッチングに際して、塩素
ガスの代わりに臭化水素を用いた。すなわち、臭化水素
とＡｒで４％に希釈したメタンの混合ガスを用いる。臭
化水素のガス流量は５０ｓｃｃｍ、Ａｒ希釈のメタンを
５０ｓｃｃｍから１００ｓｃｃｍとした。圧カは２ｍＴ
ｏｒｒに固定し、プラズマソースのＲＦパワーを２５０
Ｗ、バイアス側のＲＦパワーを１５０Ｗとした。なお、
シリコン基板１の温度は２０〜８０℃とした。この時の
チタンシリサイド膜５のエッチング速度は１５０ｎｍ／
ｍｉｎが得られる。

【００３１】引き続くポリシリコン膜３のエッチング
は、臭化水素を１５０ｓｃｃｍ、酸素を２ｓｃｃｍ、圧
カ８ｍＴｏｒｒ、ブラズマソースのＲＦパワーを２００
Ｗ、バイアス側のＲＦパワーを５０Ｗとした。この時の
ポリシリコン膜３のエッチレートは１３０ｎｍ／ｍｉｎ
が得られる。なお、エッチングのエンドポイントモニタ
リングは第一の実施例と同様の手法を用いる。

【００３２】この実施例によれば、チタンシリサイド膜
５及び窒化チタン膜４のエッチングに際して、塩素と比
較してエッチング反応性が低い臭化水素を用いているた
めエッチングレートは低下する。しかしながら、チタン
シリサイドとシリコンノジュールのエッチレー卜差も低
減するため、エッチング残さは発生しにくい。また、メ
タンの添加により十分な側壁保護膜が形成された結果、
基板温度が２０℃から８０℃の範囲でアンダーカットや
虫食い状のサイドエッチのない０．２ｕｍライン幅の高
異方性エッチング形状を有するチタンポリサイドゲート
９が得られた（図２（ｃ））。

【００３３】上記した各実施例では、Ｃ５４の結晶構造
をもつチタンシリサイドのエッチングについて説明した
が、Ｃ４９の結晶構造やアモルファス構造においても、
Ｃ５４に比較してアンダーカットや虫食い状のサイドエ
ッチのない０．２ｕｍライン幅の高異方性エッチング形
状を有するチタンポリサイドゲート配線９が得られるこ
とが確認できた。したがって、チタンシリサイドやチタ
ンポリサイドのドライエッチング方法において、塩素や
臭化水素にメタンを添加する混合ガスによるガスプラズ
マでエッチングを行うことで、チタンシリサイドの結晶
構造（相）によらず高異方性のエッチング形状の制御が
可能となる。

【００３４】

【発明の効果】本発明によれば、チタンシリサイドやチ
タンポリサイドのドライエッチング方法において、塩素
や臭化水素にメタンを添加する混合ガスによるガスプラ
ズマでエッチングを行うことで、チタンシリサイドの結
晶構造（相）によらず側壁保護効果を高めることにより
アンダーカットやサイドエッチを抑制し、高異方性エッ
チングを可能として微細なチタンシリサイドまたはチタ
ンポリサイド配線を得ることができる。その結果、サブ
ミクロン以下の超微細な高速電子デバイスの製造が可能
となる。

【００３５】また、塩素や臭化水素にメタンを添加する
混合ガスに更に三塩化ホウ素を添加することで、エッチ
ング残さの原因となるシリコンノジュールをエッチング
除去することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のドライエッチング方法で用いられるド
ライエッチング装置の構造説明図である。

【図２】（ａ）〜（ｃ）は本発明のドライエッチング方
法の各工程における半導体基板の断面を示す工程断面説
明図である。

【図３】（ａ）〜（ｄ）はドライエッチングにより基板
上にゲート配線を形成する場合を断面を示すもので、
（ａ）は異方性エッチングによる断面説明図、（ｂ）は
アンダーカットが生じた場合の断面説明図、（ｃ）はサ
イドエッチが生じた場合の断面説明図、（ｄ）はエッチ
ング残さが生じた場合の断面説明図である。

【符号の説明】

１シリコン基板２シリコン熱酸化膜３ポリシリコン膜４窒化チタン膜５チタンシリサイド膜６ＣＶＤ酸化膜７レジストマスクパターン８ハードマスク９チタンポリサイドゲート配線

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】チタンシリサイドをドライエッチングす
る方法において、基板上にチタンシリサイド層を形成する工程と、前記チタンシリサイド層上にエッチングのためのマスク
パターンを形成する工程と、塩素とメタンガスの混合ガスによるガスプラズマで前記
チタンシリサイド層をエッチングする工程と、を含むこ
とを特徴とするドライエッチング方法。
【請求項２】請求項１記載のドライエッチング方法に
おいて、前記エッチングする工程で用いる混合ガスは、
塩素とメタンガスに代えて、臭化水素とメタンガスであ
るドライエッチング方法。
【請求項３】請求項１記載のドライエッチング方法に
おいて、前記エッチングする工程で用いる混合ガスは、
塩素とメタンガスに代えて、臭化水素とメタンガスと三
塩化ホウ素であるドライエッチング方法。
【請求項４】請求項１記載のドライエッチング方法に
おいて、前記エッチングする工程で用いる混合ガスは、
塩素とメタンガスに代えて、塩素とメタンガスと三塩化
ホウ素であるドライエッチング方法。
【請求項５】チタンシリサイドをドライエッチングす
る方法において、ポリシリコン層と窒化チタン層とチタンシリサイド層と
を順次積層して構成される積層膜を基板上に形成する工
程と、前記チタンシリサイド層上にエッチングのためのマスク
パターンを形成する工程と、塩素とメタンガスの混合ガスによるガスプラズマで前記
チタンシリサイド層及び窒化チタン層をエッチングする
第１のエッチング工程と、前記工程に引き続き、塩素、臭化水素のうち少なくとも
一種類以上のガス、又は前記ガスの組み合わせに酸素を
添加したガス系で前記ポリシリコン層をエッチングする
第２のエッチング工程と、を含むことを特徴とするドライエッチング方法。
【請求項６】請求項５記載のドライエッチング方法に
おいて、前記第１のエッチング工程で用いる混合ガス
は、塩素とメタンガスに代えて、臭化水素とメタンガス
であるドライエッチング方法。
【請求項７】請求項５記載のドライエッチング方法に
おいて、前記第１のエッチング工程で用いる混合ガス
は、塩素とメタンガスに代えて、臭化水素とメタンガス
と三塩化ホウ素であるドライエッチング方法。
【請求項８】請求項５記載のドライエッチング方法に
おいて、前記第１のエッチング工程で用いる混合ガス
は、塩素とメタンガスに代えて、塩素とメタンガスと三
塩化ホウ素であるドライエッチング方法。