JP3365146B2

JP3365146B2 - 高融点金属ポリサイド層のプラズマエッチング方法

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Publication number: JP3365146B2
Application number: JP12122695A
Authority: JP
Inventors: 敏治柳田
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 1995-05-19
Filing date: 1995-05-19
Publication date: 2003-01-08
Anticipated expiration: 2018-01-08
Also published as: JPH08316206A

Description

【発明の詳細な説明】

【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。

【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
Ｓｉ_xやＭｏＳｉ_x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
ｅｄＰｏｌｙｓｉｌｉｃｏｎ）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。

【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。

【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（ＬｉｇｈｔｌｙＤｏｐｅｄＤｒａｉ
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。

【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Ｃ₂Ｃｌ₃Ｆ₃（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。Ｃ₂Ｃｌ₃Ｆ₃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。

【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。

【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ＣＢｒ_x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。

【０００８】また、他の脱フロン対策として、ＣＦＣ１
１３に替えてＣｌ₂／ＣＨ₂Ｆ₂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、ＣＨ₂Ｆ₂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。

【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。

【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ＷＳｉ_xのエッチング中に大量
のＷＢｒ_x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。

【００１１】他方、Ｃｌ₂／ＣＨ₂Ｆ₂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、ＣＨ₂Ｆ₂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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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、Ｃ₃Ｓ₂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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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、ＷＳｉ_x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。

【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 ３０ｓｃｃｍＨＢｒ３０ｓｃｃｍＣＳ₂ １５ｓｃｃｍガス圧力０．６７Ｐａマイクロ波パワー９００Ｗ（２．４５ＧＨｚ）ＲＦバイアスパワー１５０Ｗ（１３．５６ＭＨｚ）被エッチング基板温度常温

【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⁺、ＳＦ_x ⁺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ＷＦ_x、ＳｉＦ_xおよびＳｉＢｒ_x等を
形成してパターニングされた。

【００３４】同時にレジストマスクの分解生成物に由来
してＣＦ_xやＣＢｒ_x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ＷＳｉ_X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。

【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。

【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。

【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 ３５ｓｃｃｍＣＳ₂ １５ｓｃｃｍガス圧力０．６７Ｐａマイクロ波パワー９００Ｗ（２．４５ＧＨｚ）ＲＦバイアスパワー１５０Ｗ（１３．５６ＭＨｚ）被エッチング基板温度常温

【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。

【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。ＨＢｒ５０ｓｃｃｍガス圧力０．６７Ｐａマイクロ波パワー９００Ｗ（２．４５ＧＨｚ）ＲＦバイアスパワー１５０Ｗ（１３．５６ＭＨｚ）被エッチング基板温度常温

【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。

【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。

【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。

【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 ３０ｓｃｃｍＨＢｒ１０ｓｃｃｍＣＳ₂ １０ｓｃｃｍガス圧力０．６７Ｐａマイクロ波パワー９００Ｗ（２．４５ＧＨｚ）ＲＦバイアスパワー１２０Ｗ（１３．５６ＭＨｚ）被エッチング基板温度常温

【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。

【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Ｓ₂Ｂｒ₂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。

【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 ３０ｓｃｃｍＳ₂Ｂｒ₂ １０ｓｃｃｍＣＳ₂ １０ｓｃｃｍガス圧力０．６７Ｐａマイクロ波パワー９００Ｗ（２．４５ＧＨｚ）ＲＦバイアスパワー１００Ｗ（１３．５６ＭＨｚ）被エッチング基板温度 −２０ ℃

【００４７】本エッチング工程におけるガス組成のう
ち、Ｓ₂Ｂｒ₂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、Ｓ₂Ｂ
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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【００５２】例えば、硫化炭素系化合物として、ＣＳ₂
の他にＣ₃Ｓ₂も使用できる。Ｃ₃Ｓ₂はＣＳ₂より蒸
気圧が小さいので、Ｃ₃Ｓ₂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。

【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。

【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
₂Ｂｒ₂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Ｓ₂Ｆ₂、ＳＦ₂、ＳＦ
₄、Ｓ₂Ｆ₁₀等のＳＦ₆以外のフッ化イオウガス、Ｓ₂
Ｃｌ₂、Ｓ₃Ｃｌ₂、ＳＣｌ₂等の塩化イオウガス、Ｓ
₃Ｂｒ₂、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Ｎ₂Ｈ₂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。

【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。

【００５６】高融点金属シリサイド層として実施例中で
述べたＷＳｉ_xの他にＭｏＳｉ_xやＴａＳｉ_x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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【図面の簡単な説明】

【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。

【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。

【符号の説明】

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

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】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、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、ＣＳ ₂ およびＣ ₃ Ｓ ₂ のうちの少なくとも一方を含むエッ
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。
【請求項２】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、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、ＣＳ ₂ およびＣ ₃ Ｓ ₂ のうちの少なくとも一方とＦ系ガス
を含むエッチングガスを用いて、前記高融点金属ポ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分と、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。
【請求項３】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、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、ＣＳ ₂ およびＣ ₃ Ｓ ₂ のうちの少なくとも一方とＦ系ガス
を含むエッチングガスを用いて、前記高融点金属ポ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分と、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。
【請求項４】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、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、被エッチング基板の温度を室温以下に制御しつつ、ＣＳ ₂ およびＣ ₃ Ｓ ₂ のうちの少なくとも一方と、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。