JP4641573B2 - Dry etching method - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
この発明は、W(タングステン)、WSi2(タングステンシリサイド)等のW系導電材層をポリSi(シリコン)層に重ねた積層又はW系導電材の単層をドライエッチングする方法に関し、特にCl(塩素)含有ガスとO2(酸素)ガスとの混合ガスをエッチングガスとするドライエッチングによりW系導電材層をジャストエッチングした後該混合ガスにBr(臭素)含有ガス又はI(ヨウ素)含有ガスを添加してオーバーエッチングを行なうことにより異方性形状の確保とエッチングダメージの軽減とを可能にしたものである。
【0002】
【従来の技術】
従来、WSi2層をポリSi層に重ねた積層(Wポリサイド層)を用いる配線形成法としては、図11〜13に示すような方法が知られている(例えば、特開平7−94469号公報参照)。
【0003】
図11の工程では、シリコン基板1の表面を覆うゲート酸化膜2の上にポリSi層3及びWSi2層4を順次に堆積形成した後、WSi2層4の上にホトリソグラフィ処理によりレジスト層5a〜5dを形成する。レジスト層5a,5bは、疎パターン領域aにおいて大きな間隔で配置し、レジスト層5b〜5dは、密パターン領域bにおいて小さな間隔で配置する。
【0004】
図12の工程では、F(フッ素)含有ガス(例えばS2F6ガス)を用いるプラズマエッチングによりポリSi層3及びWSi2層4の積層を疎パターン領域aにて厚さがゼロ又はその近傍の値になるようにジャストエッチングする。この結果、レジスト層5a〜5dにそれぞれ対応したパターンを有するWSi2層4a〜4dが残存する。また、密パターン領域bでは、いわゆるRIElag現象(又はマイクロローディング効果)によりエッチング速度が低下するため、疎パターン領域aにおけるポリSi層3の被エッチング部3eに比べてポリSi層3の被エッチング部3fが厚く残存する。
【0005】
図13の工程では、Br含有ガス(例えばHBrガス)及びO2ガスの混合ガスを用いるプラズマエッチングによりオーバーエッチングを行なってポリSi層3における3e,3f等の被エッチング部を除去する。HBr等のBr系ガスとO2ガスとの混合ガスを用いるプラズマエッチングは、ゲート酸化膜2に対するポリSi層3の選択性が高い。オーバーエッチングの結果として、レジスト層5a〜5dにそれぞれ対応したパターンを有するポリSi層3a〜3dが残存する。オーバーエッチング時には、パターン側壁に付着した反応生成物がWSi2層4a〜4d及びポリSi層3a〜3dのサイドエッチングを抑制するので、4a/3a,4b/3b,4c/3c,4d/3d等の積層に異方性形状を持たせることができる。オーバーエッチングの後は、レジスト層5a〜5dを除去する。4a/3a等の積層は、ゲート電極乃至配線層として使用される。
【0006】
従来、W層を用いる配線形成法としては、図14〜16に示すような方法が提案されている。
【0007】
図14の工程では、シリコン等の半導体基板6の表面を覆うシリコンオキサイド等の絶縁膜7の上にW層8を形成する。そして、W層8の上にレジスト層9a,9bを互いに接近させて形成する。
【0008】
図15の工程では、F含有ガスとしてSF6を用いるプラズマエッチングによりW層8をレジスト層9a,9b間の間隔より広いレジスト不存在領域にて厚さがゼロ又はその近傍の値になるようにジャストエッチングする。この結果、レジスト層9a,9bにそれぞれ対応したW層8a,8bが残存すると共に、W層8a,8bの間にはRIElag現象により薄いW層8cが残存する。
【0009】
図16の工程では、図15の工程に引き続いて図15の工程と同様のプラズマエッチングによりオーバーエッチングを行なってW層8cを除去し、W層8a,8bを残存させる。この後、レジスト層9a,9bを除去する。W層8a,8bは、配線層として使用される。
【0010】
図15,16のSF6によるプラズマエッチング工程において、異方性エッチングを行なうには、基板に入射するイオンのエネルギーを高くしたり、基板の温度を低くしたりする必要がある。また、反応生成物でサイドエッチングを抑制して異方性形状を確保する方法も提案されている。例えば、特開平7−147271号公報には、SF6にN2やNH3を添加したガスのプラズマでW層をエッチングすることにより反応生成物であるWNによりサイドエッチングを抑制することが示されている。特開平10−326774号公報にも、SF6にCHF3及びN2を添加したガスのプラズマでW層をエッチングする方法が示されている。特開平7−169744号公報には、W層の下にTi又はTi化合物の膜を敷き、エッチング活性種であるFとTiとの反応で生成される低蒸気圧のフッ化チタンでサイドエッチングを抑制することが示されている。
【0011】
【発明が解決しようとする課題】
図11〜13の方法によると、下地にエッチングダメージが生じやすい。すなわち、図13のオーバーエッチング工程では、前述したようにゲート酸化膜2に対するポリSi層3の選択比が高いものの、図12のジャストエッチング工程では、フッ素系ガスのプラズマでエッチングを行なうので、ゲート酸化膜2に対するポリSi層3の選択比が低く、ゲート酸化膜2がエッチングされることがある。これを防ぐには、ポリSi層3の厚さがゼロになる前にジャストエッチングを停止するように工程管理を厳しくする必要がある。また、ゲート絶縁膜2を含むゲート部は、図12のジャストエッチング時及び図13のオーバーエッチング時にプラズマにさらされるので、イオン衝撃によるダメージを受けやすい。
【0012】
一方、図14〜16の方法によると、フッ素系ガスのプラズマでエッチングを行なうので、絶縁膜7を構成するシリコンオキサイドに対するWの選択比が低く、図16に示すようにオーバーエッチングの際に絶縁膜7がW層8a,8bの側方でエッチングされる。このため、配線段差が大きくなる不都合がある。
【0013】
この発明の目的は、異方性形状を確保しつつエッチングダメージを軽減することができる新規なドライエッチング方法を提供することにある。
【0014】
【課題を解決するための手段】
この発明に係るドライエッチング方法は、基板を覆う絶縁膜の上に、ポリシリコン層にタングステン系導電材層を重ねた積層を形成する第1の工程と、前記タングステン系導電材層の上に疎パターン領域におけるレジスト層の不存在領域と密パターン領域におけるレジスト層の不存在領域が形成されるように複数のレジスト層を形成する第2の工程と、塩素含有ガス及び酸素ガスの第1混合ガスをエッチングガスとし且つ前記複数のレジスト層をマスクとするドライエッチングにより前記タングステン系導電材層をその厚さが前記疎パターン領域におけるレジスト層の不存在領域にてゼロ又はその近傍の値になるように且つ密パターン領域におけるレジスト層の不存在領域にて疎パターン領域におけるレジスト層の不存在領域の厚さより大きい値になるようにエッチングする第3の工程と、前記第3の工程に続き、臭素含有ガスと塩素含有ガスと酸素ガスとの第2混合ガスをエッチングガスとし且つ前記複数のレジスト層をマスクとするドライエッチングによりタングステン系臭素系化合物で前記タングステン系導電材層のサイドエッチングを抑制しつつ前記密パターン領域におけるレジスト層の不存在領域のタングステン系導電材を除去することにより前記複数のレジスト層にそれぞれ対応したパターンを有する複数のタングステン系導電材層を形成する第4の工程とを含み、前記第2混合ガスは、ポリシリコン層はエッチングせずにタングステン系導電材層をエッチングするガスであり、ポリシリコンに対するタングステン系導電材のエッチング選択比を高めることにより、前記第4の工程終了後に、前記疎パターン領域におけるレジスト層の不存在領域のタングステン系導電材と前記密パターン領域におけるレジスト層の不存在領域のタングステン系導電材とのエッチング速度の疎密パターン依存性をキャンセルするようにすることを特徴とするものである。
【0015】
第1のドライエッチング方法によれば、Cl2等の塩素含有ガス及びO2ガスの混合ガスをエッチングガスとするドライエッチングによりW,WSi2等のW系導電材層をジャストエッチングした後該混合ガスにHBr等の臭素含有ガスを添加してW系導電材のオーバーエッチングを行ない、この後ポリSi単層のドライエッチングを行なう。オーバーエッチングでは、O2ガスの流量割合を高く設定することによりポリSiに対するW系導電材の選択比を高くすることができ、W系導電材を選択的に除去することが可能となる。また、オーバーエッチングでは、臭素含有ガスの流量割合を所定の値に設定することによりW系導電材について異方性形状を確保しつつエッチングを行なうことができる。さらに、ジャストエッチング及びオーバーエッチングは、下地膜としての絶縁膜の上にポリSi層が存在する状態で行なわれるので、下地膜(絶縁膜)がエッチングされたり、イオン衝撃にさらされたりすることがなく、エッチングダメージの軽減が可能となる。
【0018】
【発明の実施の形態】
図1〜3は、この発明の一実施形態に係る配線形成法を示すものである。
【0019】
図1の工程では、シリコン等の半導体基板10の表面に熱酸化法等によりシリコンオキサイドからなるゲート絶縁膜12を形成する。ゲート絶縁膜12の上には、CVD(ケミカル・ベーパー・デポジション)法等によりポリSi層14及びWSi2層16を順次に堆積形成する。ポリSi層14及びWSi2層16は、ゲート電極乃至配線層を形成するためのもので、ポリSi層14は、導電型決定不純物のドーピングにより低抵抗化されている。
【0020】
WSi2層16の上には、周知のホトリソグラフィ処理により所望のゲート電極・配線パターンに従ってレジスト層18a〜18dを形成する。レジスト層18a,18bは、疎パターン領域Aにおいて大きな間隔で配置し、レジスト層18b〜18dは、密パターン領域Bにおいて小さな間隔で配置する。
【0021】
図2の工程では、Cl2ガス及びO2ガスの混合ガス(Cl2/O2ガス)を用いるプラズマエッチングによりWSi2層16を疎パターン領域Aにて厚さがゼロ又はその近傍の値になるようにジャストエッチングする。このときのエッチングは、一例として図4のECR(電子サイクロトロン共鳴)型プラズマエッチング装置を用いて行ない、エッチング条件は、
圧力:1mTorr
マイクロ波電力:1000W
高周波電力:50W
ガス流量:Cl2/O2=50/10sccm
とした。
【0022】
ジャストエッチングの結果として、レジスト層18a〜18bにそれぞれ対応したパターンを有するWSi2層16a〜16dが残存する。また、密パターン領域Bでは、RIElag現象によりエッチング速度が低下するため、比較的薄いWSi2層16e及び16fがWSi2層16b,16cの間及びWSi2層16c,16dの間にそれぞれ残存する。
【0023】
この後、Cl2/O2ガスにHBrガスを添加したHBr/Cl2/O2ガスを用いるプラズマエッチングによりオーバーエッチングを行なってWSi2層16e,16fを除去する。このときのエッチングは、一例として図4のエッチング装置を用いて行ない、エッチング条件は、
圧力:1mTorr
マイクロ波電力:1000W
高周波電力:50W
ガス流量:HBr/Cl2/O2=8.5/21.5/20sccm
とした。
【0024】
オーバーエッチングにおいてO2流量割合を高くしたのは、ポリSiに対するWSi2の選択比を高くして16e,16f等のWSi2層の除去を容易にするためである。このようにO2流量割合の高いCl2/O2エッチングプロセスでは、Wが蒸気圧の高いWOCl4となってWSi2層16a〜16dの側壁をエッチング(サイドエッチング)し、WSi2層16a〜16dの異方性形状が損なわれる。そこで、オーバーエッチング時には、Cl2/O2ガスにHBrを添加して蒸気圧の低いWOBr4やWBr5を生成させてWSi2層16a〜16dの側壁に保護膜を形成しつつ(サイドエッチングを抑制しつつ)エッチングを行なう。この結果、WSi2層16a〜16dの異方性形状が確保される。また、ジャストエッチング及びオーバーエッチングは、ゲート絶縁膜12上にポリSi層14が存在する状態で行なわれるので、ゲート絶縁膜12がエッチングされたり、イオン衝撃にさらされたりすることがなく、エッチングダメージが軽減される。
【0025】
図3の工程では、HBr/Cl2/O2ガスを用いるプラズマエッチングによりレジスト層18a〜18d及びWSi2層16a〜16dをマスクとしてポリSi層14を選択的にエッチングする。このエッチングは、一例として図4のエッチング装置を用いて行ない、エッチング条件は、
圧力:2mTorr
マイクロ波電力:1000W
高周波電力:35W
ガス流量:HBr/Cl2/O2=100/5/5sccm
とした。エッチング条件の他の例としては、Cl2等の塩素含有ガスを用いないものも可能であり、マイクロ波電力:800〜1500W、ガス流量:HBr/O2=100/5sccmとすることができる。
【0026】
ポリSi層14の選択エッチングの結果として、レジスト層18a〜18dにそれぞれ対応したパターンを有するポリSi層14a〜14dが残存する。ポリSiエッチング時には、SiOx,SiBrx等の反応生成物がWSi2層16a〜16d及びポリSi層14a〜14dのサイドエッチングを抑制するので、16a/14a,16b/14b,16c/14c,16d/14d等の積層に良好な異方性形状を持たせることができる。ポリSiは、WSi2に比べてRIElagが少なく、エッチングしやすい。ポリSiエッチングの後は、周知のアッシング処理によりレジスト層18a〜18dを除去する。16a/14a等のWSi2/ポリSi積層は、ゲート電極乃至配線層として使用される。
【0027】
発明者は、Cl2/O2ガスを用いるプラズマエッチングがWSi2/ポリSi積層(Wポリサイド層)のエッチングにおいてポリSiに対するWSi2の選択比を高く設定可能である点に着目し、図4のエッチング装置を用いて種々の実験を行なった。
【0028】
図4の装置において、処理室20は、プラズマ室22a及び反応室22bからなっている。反応室22bの底部には、試料台(電極)24が設けられており、試料台24の上面には、被処理ウエハ26が載置される。
【0029】
試料台24には、高周波電源28が接続され、例えば13.56MHzの高周波電力が供給される。反応室22bは、図示しないガス供給源に接続されると共に排気装置VACに接続される。
【0030】
プラズマ室22aの上部には、図示しないマイクロ波電源からマイクロ波導入窓30を介して例えば2.45GHzのマイクロ波MWが供給される。窓30は、通常、石英で構成される。処理室20の上部を取囲むようにソレノイドコイル32が設けられている。
【0031】
図4のエッチング装置を用いてCl2/O2ガスのプラズマでWSi2及びポリSiのエッチングを行ない、WSi2/ポリSi選択比のO2流量割合依存性を調べた結果を図5に示す。実験には、シリコン基板上にシリコンオキサイド膜を介してWSi2層を堆積形成したサンプルを9個含む第1のサンプル群と、シリコン基板上にシリコンオキサイド膜を介してポリSi層を堆積形成したサンプルを9個含む第2のサンプル群とを用いた。各シリコン基板の直径は、200mmとした。各サンプルを図4のエッチング装置内に被処理ウエハ26として挿入し、エッチングを行なった。エッチング条件は、
圧力:1mTorr
マイクロ波電力:1400W
高周波電力:50W
ガス流量:Cl2+O2=50sccm
とした。
【0032】
第1のサンプル群中の9個のサンプルについては、O2流量割合を0,10,20,22,24,26,28,30,40%のように変化させ、各サンプル毎にWSi2のエッチング速度を求めた。その結果を図5にて線Pで示す。また、第2のサンプル群中の9個のサンプルについては、O2流量割合を第1のサンプル群の場合と同様に変化させ、各サンプル毎にポリSiのエッチング速度を求めた。その結果を図5にて線Qで示す。
【0033】
WSi2/ポリSi選択比は、第1のサンプル群と第2のサンプル群とでO2流量割合が同じサンプル毎にWSi2のエッチング速度/ポリSiのエッチング速度の比を求めることにより算出した。その結果を図5にて線Rで示す。
【0034】
図5の実験結果によれば、O2の流量割合を30%以上にすれば、ほぼWSi2のみがエッチングされるプロセス条件になることがわかる。図2のオーバーエッチングでは、O2の流量割合を40%としたので、狭いスペースに残存した16e,16f等のWSi2層を効率的に除去することができる。その結果、WSi2のRIElag現象に基づくエッチング速度のパターン依存性をキャンセルすることができる。
【0035】
図6は、HBr/Cl2/O2ガスを用いるプラズマエッチングにおけるWSi2サイドエッチング量のHBr流量割合依存性を調べた結果を示すものである。実験には、直径200mmのシリコン基板上にシリコンオキサイド膜を介してWSi2/ポリSi積層(Wポリサイド層)を形成したサンプルを4個用いた。各サンプルには、図1の密パターン領域Bに示すようにライン/スペース=1.0/0.6μmのパターンに従って多数のレジスト層を並設した。このようにレジスト層を設けた各サンプルを図4のエッチング装置内に被処理ウエハ26として挿入し、エッチングを行なった。エッチング条件は、
圧力:1mTorr
マイクロ波電力:1400W
高周波電力:50W
ガス流量:Cl2+HBr=30sccm,O2=20sccm
とした。ここで、O2流量割合は、図1でWSi2/ポリSi選択比が無限大となる40%である。
【0036】
4個のサンプルについては、Cl2+HBrのうちHBrを0,10,20,30%のように変化させ、各サンプル毎にWSi2のサイドエッチング量S(μm)を求めた。サイドエッチング量Sは、図7にWSi2層16aに関して例示するようにS=頂面で測定した幅Wtop−底面で測定した幅Wbotとして求めることができる。S<0は順テーパ形状を、S>0はサイドエッチ形状(逆テーパ形状)をそれぞれ表わす。
【0037】
図6の実験結果によれば、HBr流量割合17%でサイドエッチングがゼロとなり、垂直な異方性エッチング形状が得られることがわかる。しかしながら、HBr流量割合17%の条件にすると、ライン/スペースパターンでは垂直形状が得られるものの、孤立ラインでは側壁に多量の反応生成物が付着するため、順テーパ形状になってしまう。
【0038】
図2の工程では、Cl2/O2ガスを用いるプラズマエッチングでジャストエッチングを行なうようにしたので、HBr/Cl2/O2プロセスで起こったような孤立ラインでの順テーパ形状の発生を防ぐことができる。また、高O2流量のHBr/Cl2/O2ガスプラズマエッチングプロセスを用いてWSi2のオーバーエッチングを行なうようにしたので、ポリSiに対するWSi2の選択比を高く保ちながら、狭いスペースに残存したWSi2のみをエッチング除去することができ、しかもHBrの添加効果によりWSi2のサイドエッチングを防ぐことができる。
【0039】
図8〜10は、この発明の他の実施形態に係る配線形成法を示すものである。
【0040】
図8の工程では、シリコン等の半導体基板40の表面を覆うシリコンオキサイド等の絶縁膜42の上にW層44をスパッタ法等により形成する。そして、W層44の上に所望の配線パターンに従ってレジスト層46a,46bを互いに接近させて形成する。
【0041】
図9の工程では、Cl2/O2ガスを用いるプラズマエッチングによりW層44をレジスト層46a,46bの間隔より広いレジスト不存在領域で厚さがゼロ又はその近傍の値になるようにジャストエッチングする。このときのエッチングは、図2で述べたジャストエッチングと同様の条件で行なうことができる。ジャストエッチングの結果として、レジスト層46a,46bにそれぞれ対応したW層44a,44bが得られると共に、W層44a,44bの間にはRIElag現象により薄いW層44cが残存する。
【0042】
図10の工程では、Cl2/O2ガスにHBrを添加したHBr/Cl2/O2ガスを用いるプラズマエッチングによりオーバーエッチングを行なってW層44cを除去し、W層44a,44bを残存させる。このときのエッチングは、図2で述べたオーバーエッチングと同様の条件で行なうことができる。オーバーエッチングの後は、レジスト層46a,46bをアッシング処理等により除去する。W層44a,44bは、配線層として使用される。
【0043】
図9,10のエッチング処理では、Cl2/O2ガスをエッチングガスとして用いるので、絶縁膜42を構成するシリコンオキサイドに対するWの選択比が向上する。従って、絶縁膜42の膜減りや配線段差の増大を防止することができる。また、図10のオーバーエッチングでは、HBrの添加によりW層44a,44bのサイドエッチングが抑制されるので、W層の形状劣化(逆テーパ形状等)を防ぐことができる。
【0044】
図8〜10に関して上記した配線形成法は、W層44の代りにWSi2層を用いて実施してもよく、上記したと同様の作用効果が得られる。
【0045】
この発明は、上記した実施形態に限定されるものではなく、種々の改変形態で実施可能なものである。例えば、次のような変更が可能である。
【0046】
(1)W系導電材層としては、W,WSi2に限らず、W合金を用いてもよい。タングステンシリサイドとしては、WSi2のように化学量論的なものに限らず、非化学量論的なものを用いてもよく、一般的にはWSixを使用可能である。
【0047】
(2)臭素含有ガスとしては、HBrに限らず、Br2,BBr3,CBr4,SiBr4等を用いてもよい。Br2等のガスの添加量は、プラズマ中に存在するBr原子の量が前記実施形態で示したHBrの場合と同等になるように設定すればよい。また、臭素含有ガスの代りに、HI,I2,BI3,CI4,SiI4等のヨウ素含有ガスを用いてもよい。HBr又はHI等のガスあるいはO2ガスについて、添加量の最適値は、被エッチング膜の膜質に依存する(例えば、成膜方法、成膜後の処理条件、成膜装置等に依存する)ので、被エッチング膜毎に調整するのが望ましい。
【0048】
(3)W系導電材層をドライエッチングする場合、W系導電材層の上に予めTiN,TiON等の反射防止膜を設けておいてもよい。また、W系導電材層とポリSi層との間にWN層等を介在させておいてもよい。
【0049】
【発明の効果】
以上のように、この発明によれば、塩素系ガス及び酸素ガスの混合ガスをエッチングガスとするドライエッチングによりW系導電材層をジャストエッチングした後該混合ガスに臭素含有ガスを添加してW系導電材のオーバーエッチングを行ない、この後ポリSi単層のドライエッチングを行なうようにしたので、異方性形状を確保しつつエッチングダメージを軽減することができ、歩留りが向上する効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 この発明の一実施形態に係る配線形成法におけるレジスト層形成工程を示す基板断面図である。
【図2】 図1の工程に続くWSi2層のジャストエッチング工程及びオーバーエッチング工程を示す基板断面図である。
【図3】 図2の工程に続くポリSi層エッチング工程及びレジスト層除去工程を示す基板断面図である。
【図4】 この発明の実施に用いられるプラズマエッチング装置を示す断面図である。
【図5】 Cl2/O2ガスを用いるプラズマエッチングにおける選択比(WSi2/ポリSi)のO2流量割合依存性を示すグラフである。
【図6】 HBr/Cl2/O2ガスを用いるプラズマエッチングにおけるWSi2サイドエッチング量のHBr流量割合依存性を示すグラフである。
【図7】 WSi2/ポリSi積層エッチングにおけるWSi2層のサイドエッチング状況を示す断面図である。
【図8】 この発明の他の実施形態に係る配線形成法におけるレジスト層形成工程を示す基板断面図である。
【図9】 図8の工程に続くW層のジャストエッチング工程を示す基板断面図である。
【図10】 図9の工程に続くオーバーエッチング工程を示す基板断面図である。
【図11】 従来の配線形成法の一例におけるレジスト層形成工程を示す基板断面図である。
【図12】 図11の工程に続くWSi2/ポリSi積層のジャストエッチング工程を示す基板断面図である。
【図13】 図12の工程に続くオーバーエッチング工程及びレジスト層除去工程を示す基板断面図である。
【図14】 従来の配線形成法の他の例におけるレジスト層形成工程を示す基板断面図である。
【図15】 図14の工程に続くW層のジャストエッチング工程を示す基板断面図である。
【図16】 図15の工程に続くオーバーエッチング工程を示す基板断面図である。
【符号の説明】
10,40:半導体基板、12,42:絶縁膜、14,ポリSi層,16:WSi2層、18a〜18d,46a,46b:レジスト層、44:W層。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
In the present invention, W (tungsten), WSi 2 In particular, the present invention relates to a method of dry etching a laminated layer in which a W-based conductive material layer such as (tungsten silicide) is overlaid on a poly-Si (silicon) layer or a single layer of a W-based conductive material, and a Cl (chlorine) -containing gas and O 2 After the W-based conductive material layer is just etched by dry etching using a mixed gas with (oxygen) gas as an etching gas, an over-etching is performed by adding a Br (bromine) -containing gas or an I (iodine) -containing gas to the mixed gas. By doing so, it is possible to ensure an anisotropic shape and reduce etching damage.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, WSi 2 As a wiring forming method using a laminate (W polycide layer) in which a layer is superposed on a poly-Si layer, a method as shown in FIGS. 11 to 13 is known (see, for example, JP-A-7-94469).
[0003]
In the process of FIG. 11, the poly-
[0004]
In the process of FIG. 12, F (fluorine) containing gas (for example, S 2 F 6 Gas etching) using poly-
[0005]
In the process of FIG. 13, Br-containing gas (for example, HBr gas) and O 2 Overetching is performed by plasma etching using a mixed gas of gas to remove portions to be etched such as 3e and 3f in the poly-
[0006]
Conventionally, as a wiring forming method using a W layer, a method as shown in FIGS. 14 to 16 has been proposed.
[0007]
In the process of FIG. 14, a W layer 8 is formed on an
[0008]
In the process of FIG. 15, SF is used as the F-containing gas. 6 The W layer 8 is just etched so that the thickness becomes zero or a value in the vicinity thereof in a resist-free region wider than the distance between the
[0009]
In the step of FIG. 16, following the step of FIG. 15, over-etching is performed by plasma etching similar to the step of FIG. 15 to remove the
[0010]
SF in FIGS. 15 and 16 6 In order to perform anisotropic etching in the plasma etching process according to, it is necessary to increase the energy of ions incident on the substrate or lower the temperature of the substrate. In addition, a method of securing an anisotropic shape by suppressing side etching with a reaction product has been proposed. For example, JP-A-7-147271 discloses SF. 6 N 2 And NH 3 It has been shown that side etching is suppressed by WN, which is a reaction product, by etching the W layer with plasma of a gas to which is added. JP-A-10-326774 also discloses SF. 6 To CHF 3 And N 2 A method of etching the W layer with a plasma of a gas to which is added is shown. In JP-A-7-169744, a Ti or Ti compound film is laid under the W layer, and side etching is performed with low vapor pressure titanium fluoride generated by the reaction between F and Ti, which are etching active species. It has been shown to suppress.
[0011]
[Problems to be solved by the invention]
According to the method of FIGS. 11 to 13, etching damage is likely to occur in the base. That is, in the over-etching process of FIG. 13, the selection ratio of the poly-
[0012]
On the other hand, according to the method of FIGS. 14 to 16, since the etching is performed with the plasma of fluorine-based gas, the selectivity of W to the silicon oxide constituting the
[0013]
An object of the present invention is to provide a novel dry etching method capable of reducing etching damage while ensuring an anisotropic shape.
[0014]
[Means for Solving the Problems]
The dry etching method according to the present invention includes a first step of forming a stacked layer in which a tungsten-based conductive material layer is stacked on a polysilicon layer on an insulating film covering a substrate, and a sparse pattern on the tungsten-based conductive material layer. A second step of forming a plurality of resist layers so that a resist layer absent region in the pattern region and a resist layer absent region in the dense pattern region are formed; and a first mixed gas of chlorine-containing gas and oxygen gas The thickness of the tungsten-based conductive material layer becomes zero or a value in the vicinity of the non-existing region of the resist layer in the sparse pattern region by dry etching using a plurality of resist layers as a mask. And the thickness of the resist layer absent region in the dense pattern region is larger than the thickness of the resist layer absent region in the sparse pattern region. A third step of etching to a value, and following the third step, a second mixed gas of bromine-containing gas, chlorine-containing gas, and oxygen gas is used as an etching gas, and the plurality of resist layers are used as masks. The plurality of resist layers are removed by removing the tungsten-based conductive material in the absence of the resist layer in the dense pattern region while suppressing side etching of the tungsten-based conductive material layer with a tungsten-based bromine compound by dry etching. A fourth step of forming a plurality of tungsten-based conductive material layers each having a corresponding pattern, wherein the second mixed gas is The polysilicon layer is a gas that etches the tungsten-based conductive material layer without etching. By increasing the etching selectivity ratio of the tungsten-based conductive material to polysilicon, the tungsten-based conductive material in the non-existing region of the resist layer in the sparse pattern region and the non-existence of the resist layer in the dense pattern region after the completion of the fourth step. Etching rate with tungsten-based conductive material in the existing region Sparse The pattern dependency is canceled.
[0015]
According to the first dry etching method, Cl 2 Chlorine-containing gases such as 2 W, WSi by dry etching using gas mixture as etching gas 2 After just etching a W-based conductive material layer such as HBr, a bromine-containing gas such as HBr is added to the mixed gas. The Then, over-etching of the W-based conductive material is performed, followed by dry etching of the poly-Si single layer. For overetching, O 2 By setting the gas flow rate ratio high, the selection ratio of the W-based conductive material to the poly-Si can be increased, and the W-based conductive material can be selectively removed. For over-etching, bromine-containing gas of By setting the flow rate ratio to a predetermined value, the W-based conductive material can be etched while ensuring an anisotropic shape. Furthermore, since just etching and over etching are performed in a state where a poly-Si layer exists on an insulating film as a base film, the base film (insulating film) may be etched or exposed to ion bombardment. In addition, the etching damage can be reduced.
[0018]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
1 to 3 show a wiring forming method according to an embodiment of the present invention.
[0019]
In the process of FIG. 1, a
[0020]
WSi 2 On the
[0021]
In the process of FIG. 2 Gas and O 2 Gas mixture (Cl 2 / O 2 WSi by plasma etching using gas 2 The
Pressure: 1mTorr
Microwave power: 1000W
High frequency power: 50W
Gas flow rate: Cl 2 / O 2 = 50 / 10sccm
It was.
[0022]
As a result of the just etching, WSi having a pattern corresponding to each of the resist
[0023]
After this, Cl 2 / O 2 HBr / Cl with HBr gas added to the gas 2 / O 2 WSi is overetched by plasma etching using gas. 2
Pressure: 1mTorr
Microwave power: 1000W
High frequency power: 50W
Gas flow rate: HBr / Cl 2 / O 2 = 8.5 / 21.5 / 20sccm
It was.
[0024]
O in over-etching 2 The reason why the flow rate was increased was that WSi relative to poly-Si. 2 WSi such as 16e, 16f, etc. 2 This is to facilitate removal of the layer. O 2 High flow rate Cl 2 / O 2 In the etching process, W is a WOCl with a high vapor pressure. 4 WSi 2 Etch the sidewalls of the
[0025]
In the process of FIG. 3, HBr / Cl 2 / O 2 Resist layers 18a-18d and WSi by plasma etching using gas 2 The poly-
Pressure: 2mTorr
Microwave power: 1000W
High frequency power: 35W
Gas flow rate: HBr / Cl 2 / O 2 = 100/5 / 5sccm
It was. Other examples of etching conditions include Cl 2 It is also possible to use a gas containing no chlorine-containing gas such as microwave power: 800 to 1500 W, gas flow rate: HBr / O 2 = 100/5 sccm.
[0026]
As a result of the selective etching of the poly-
[0027]
The inventor 2 / O 2 Plasma etching using gas is WSi 2 / WSi against poly-Si in poly-Si stack (W polycide layer) etching 2 Focusing on the fact that the selection ratio can be set high, various experiments were conducted using the etching apparatus of FIG.
[0028]
In the apparatus of FIG. 4, the
[0029]
A high
[0030]
A microwave MW of 2.45 GHz, for example, is supplied to the upper portion of the
[0031]
4 using the etching apparatus of FIG. 2 / O 2 WSi in gas plasma 2 And poly-Si etching, WSi 2 / Poly Si selectivity ratio O 2 The result of examining the flow rate ratio dependency is shown in FIG. In the experiment, WSi was formed on a silicon substrate through a silicon oxide film. 2 A first sample group including nine samples in which layers were deposited and a second sample group including nine samples in which a poly-Si layer was deposited on a silicon substrate via a silicon oxide film were used. The diameter of each silicon substrate was 200 mm. Each sample was inserted into the etching apparatus shown in FIG. 4 as a wafer to be processed 26 and etched. Etching conditions are
Pressure: 1mTorr
Microwave power: 1400W
High frequency power: 50W
Gas flow rate: Cl 2 + O 2 = 50sccm
It was.
[0032]
For 9 samples in the first sample group, O 2 The flow rate ratio is changed to 0, 10, 20, 22, 24, 26, 28, 30, 40%, and WSi for each sample. 2 The etching rate was determined. The result is indicated by a line P in FIG. Also, for the nine samples in the second sample group, O 2 The flow rate ratio was changed as in the case of the first sample group, and the etching rate of poly-Si was obtained for each sample. The result is shown by line Q in FIG.
[0033]
WSi 2 / Poly-Si selection ratio is O between the first sample group and the second sample group. 2 WSi for each sample with the same flow rate 2 It calculated by calculating | requiring the ratio of the etching rate of / poly Si etching rate. The result is indicated by a line R in FIG.
[0034]
According to the experimental results of FIG. 2 If the flow rate ratio is 30% or more, it is almost WSi 2 It can be seen that only the process conditions are etched. In the over-etching of FIG. 2 Since the flow rate ratio is 40%, WSi such as 16e and 16f remaining in a narrow space 2 The layer can be removed efficiently. As a result, WSi 2 It is possible to cancel the pattern dependence of the etching rate based on the RIElag phenomenon.
[0035]
FIG. 6 shows HBr / Cl 2 / O 2 WSi in plasma etching using gas 2 The result of having investigated the dependence of the side etching amount on the HBr flow rate ratio is shown. In the experiment, WSi was formed on a silicon substrate having a diameter of 200 mm via a silicon oxide film. 2 / Four samples on which a poly-Si stack (W polycide layer) was formed were used. Each sample was provided with a large number of resist layers in parallel according to the pattern of line / space = 1.0 / 0.6 μm as shown in the dense pattern region B of FIG. Each sample provided with the resist layer in this manner was inserted into the etching apparatus of FIG. Etching conditions are
Pressure: 1mTorr
Microwave power: 1400W
High frequency power: 50W
Gas flow rate: Cl 2 + HBr = 30 sccm, O 2 = 20sccm
It was. Where O 2 The flow rate ratio is WSi in FIG. 2 / Poly-Si selection ratio is 40%, which is infinite.
[0036]
For 4 samples, Cl 2 + HBr is changed to 0, 10, 20, 30%, and WSi for each sample. 2 The side etching amount S (μm) of was determined. The side etching amount S is shown in FIG. 2 As illustrated for the
[0037]
According to the experimental results of FIG. 6, it can be seen that the side etching becomes zero at a HBr flow rate ratio of 17% and a vertical anisotropic etching shape is obtained. However, when the HBr flow rate ratio is 17%, a vertical shape is obtained in the line / space pattern, but a large amount of reaction products adhere to the side wall in the isolated line, resulting in a forward tapered shape.
[0038]
In the process of FIG. 2 / O 2 Since just etching is performed by plasma etching using gas, HBr / Cl 2 / O 2 It is possible to prevent the occurrence of a forward taper shape in an isolated line as occurred in the process. High O 2 Flow rate of HBr / Cl 2 / O 2 WSi using gas plasma etching process 2 Over-etching of WSi against poly-Si 2 WSi remaining in a narrow space while maintaining a high selection ratio 2 Only WSi can be removed by etching, and the effect of adding HBr can cause WSi 2 Side etching can be prevented.
[0039]
8 to 10 show a wiring forming method according to another embodiment of the present invention.
[0040]
In the process of FIG. 8, a
[0041]
In the process of FIG. 9, Cl 2 / O 2
[0042]
In the process of FIG. 2 / O 2 HBr / Cl with HBr added to the gas 2 / O 2 Over-etching is performed by plasma etching using gas to remove the
[0043]
In the etching process of FIGS. 2 / O 2 Since the gas is used as the etching gas, the selectivity of W to the silicon oxide constituting the insulating
[0044]
The wiring formation method described above with reference to FIGS. 2 You may implement using a layer and the same effect as mentioned above is acquired.
[0045]
The present invention is not limited to the above-described embodiment, and can be implemented in various modifications. For example, the following changes are possible.
[0046]
(1) As the W-based conductive material layer, W, WSi 2 Not limited to this, a W alloy may be used. As tungsten silicide, WSi 2 In addition to the stoichiometric ones, non-stoichiometric ones may be used, and in general, WSi x Can be used.
[0047]
(2) The bromine-containing gas is not limited to HBr, but Br 2 , BBr 3 , CBr 4 , SiBr 4 Etc. may be used. Br 2 The added amount of gas such as may be set so that the amount of Br atoms present in the plasma is equivalent to that of HBr shown in the above embodiment. Also, instead of bromine-containing gas, HI, I 2 , BI 3 , CI 4 , SiI 4 An iodine-containing gas such as may be used. Gas such as HBr or HI or O 2 Regarding the gas, the optimum value of the addition amount depends on the film quality of the film to be etched (for example, depends on the film forming method, the processing conditions after the film forming, the film forming apparatus, etc.), and is adjusted for each film to be etched. Is desirable.
[0048]
(3) When the W-based conductive material layer is dry-etched, an antireflection film such as TiN or TiON may be provided on the W-based conductive material layer in advance. Further, a WN layer or the like may be interposed between the W-based conductive material layer and the poly-Si layer.
[0049]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, after the W-based conductive material layer is just etched by dry etching using a mixed gas of chlorine-based gas and oxygen gas as an etching gas, a bromine-containing gas is added to the mixed gas. The Since the W-based conductive material is over-etched and then the poly-Si single layer is dry-etched, etching damage can be reduced while ensuring an anisotropic shape, and the yield is improved. An effect is obtained.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view of a substrate showing a resist layer forming step in a wiring forming method according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 shows WSi following the process of FIG. 2 It is board | substrate sectional drawing which shows the just etching process and over-etching process of a layer.
3 is a cross-sectional view of a substrate showing a poly-Si layer etching step and a resist layer removing step following the step of FIG. 2. FIG.
FIG. 4 is a cross-sectional view showing a plasma etching apparatus used in the practice of the present invention.
FIG. 5 Cl 2 / O 2 Selectivity in plasma etching using gas (WSi 2 / Poly Si) O 2 It is a graph which shows flow rate ratio dependence.
FIG. 6 HBr / Cl 2 / O 2 WSi in plasma etching using gas 2 It is a graph which shows the HBr flow rate ratio dependence of the side etching amount.
FIG. 7 WSi 2 / WSi in poly-Si stacked etching 2 It is sectional drawing which shows the side etching condition of a layer.
FIG. 8 is a cross-sectional view of a substrate showing a resist layer forming step in a wiring forming method according to another embodiment of the present invention.
FIG. 9 is a cross-sectional view of the substrate showing a W layer just etching step following the step of FIG. 8;
10 is a substrate cross-sectional view showing an overetching process following the process of FIG. 9. FIG.
FIG. 11 is a substrate cross-sectional view showing a resist layer forming step in an example of a conventional wiring forming method.
FIG. 12 shows WSi following the process of FIG. 2 FIG. 4 is a cross-sectional view of a substrate showing a just etching process of a / poly-Si stack.
13 is a substrate cross-sectional view showing an overetching step and a resist layer removing step following the step of FIG. 12. FIG.
FIG. 14 is a cross-sectional view of a substrate showing a resist layer forming step in another example of a conventional wiring forming method.
15 is a cross-sectional view of a substrate showing a W layer just etching step subsequent to the step of FIG. 14;
16 is a substrate cross-sectional view showing an overetching process following the process of FIG. 15;
[Explanation of symbols]
10, 40: Semiconductor substrate, 12, 42: Insulating film, 14, Poly-Si layer, 16: WSi 2 Layer, 18a-18d, 46a, 46b: resist layer, 44: W layer.
Claims (2)
前記タングステン系導電材層の上に疎パターン領域におけるレジスト層の不存在領域と密パターン領域におけるレジスト層の不存在領域が形成されるように複数のレジスト層を形成する第2の工程と、
塩素含有ガス及び酸素ガスの第1混合ガスをエッチングガスとし且つ前記複数のレジスト層をマスクとするドライエッチングにより前記タングステン系導電材層をその厚さが前記疎パターン領域におけるレジスト層の不存在領域にてゼロ又はその近傍の値になるように且つ密パターン領域におけるレジスト層の不存在領域にて疎パターン領域におけるレジスト層の不存在領域の厚さより大きい値になるようにエッチングする第3の工程と、
前記第3の工程に続き、臭素含有ガスと塩素含有ガスと酸素ガスとの第2混合ガスをエッチングガスとし且つ前記複数のレジスト層をマスクとするドライエッチングによりタングステン系臭素系化合物で前記タングステン系導電材層のサイドエッチングを抑制しつつ前記密パターン領域におけるレジスト層の不存在領域のタングステン系導電材を除去することにより前記複数のレジスト層にそれぞれ対応したパターンを有する複数のタングステン系導電材層を形成する第4の工程とを含み、
前記第2混合ガスは、ポリシリコン層はエッチングせずにタングステン系導電材層をエッチングするガスであり、ポリシリコンに対するタングステン系導電材のエッチング選択比を高めることにより、前記第4の工程終了後に、前記疎パターン領域におけるレジスト層の不存在領域のタングステン系導電材と前記密パターン領域におけるレジスト層の不存在領域のタングステン系導電材とのエッチング速度の疎密パターン依存性をキャンセルするようにすることを特徴とするドライエッチング方法。A first step of forming a laminate in which a tungsten-based conductive material layer is stacked on a polysilicon layer on an insulating film covering the substrate;
A second step of forming a plurality of resist layers on the tungsten-based conductive material layer so that a non-existing region of the resist layer in the sparse pattern region and a non-existing region of the resist layer in the dense pattern region are formed;
A region where the resist layer is absent in the sparse pattern region by dry etching using the first mixed gas of chlorine-containing gas and oxygen gas as an etching gas and using the plurality of resist layers as a mask. A third step of etching so that the value becomes zero or a value in the vicinity thereof in the absence of the resist layer in the dense pattern region and is larger than the thickness of the absence region of the resist layer in the sparse pattern region When,
Subsequent to the third step, the tungsten-based bromine-based compound is formed by dry etching using a second mixed gas of bromine-containing gas, chlorine-containing gas, and oxygen gas as an etching gas and the plurality of resist layers as a mask. A plurality of tungsten-based conductive material layers each having a pattern corresponding to each of the plurality of resist layers by removing the tungsten-based conductive material in the non-existing region of the resist layer in the dense pattern region while suppressing side etching of the conductive material layer And a fourth step of forming
The second mixed gas is a gas for etching the tungsten-based conductive material layer without etching the polysilicon layer. By increasing the etching selectivity of the tungsten-based conductive material to the polysilicon, the second mixed gas is used after the completion of the fourth step. Canceling the dependence of the etching rate of the tungsten-based conductive material in the non-existing region of the resist layer in the sparse pattern region on the sparse pattern on the etching rate of the tungsten-based conductive material in the non-existing region of the resist layer in the dense pattern region A dry etching method characterized by the above.
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