Dry etching gas composition and dry etching method using the same
专利汇可以提供Dry etching gas composition and dry etching method using the same专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an etching gas composition which does not deteriorate particle level inside an etching chamber, even if etching is repeated and has no possibility of causing global warming even if it is emitted into the air, and a dry etching method which uses it. SOLUTION: An etching gas composition comprising Cn F2n+2-x Ix (where(n) and (x) are natural numbers smaller than or equal to 3) compound gas such as CF3 I and halogen gas except fluorine gas is used. A gate electrode material layer consisting of a high melting point metallic polycide layer 5, etc., is subjected to dry etching by the etching gas composition. Therefore, the life time of CF3 I in the air is short and global warming potential(GWP) which is an index of global warming is also is small. Furthermore, since the gas dissociates in plasma and emits fluorine activated species, reaction products deposited inside a chamber are removed rapidly.，下面是Dry etching gas composition and dry etching method using the same专利的具体信息内容。
はそれぞれ個別に３以下の自然数を表す）。
ＣＦ 3 Ｉ、ＣＦ 2 Ｉ 2およびＣＦＩ 3のうちのいずれか少なくとも１種であることを特徴とする請求項１記載のドライエッチング用ガス組成物。
ｎおよびｘはそれぞれ個別に３以下の自然数を表す）。
ＣＦ 3 Ｉ、ＣＦ 2 Ｉ 2およびＣＦＩ 3のうちのいずれか少なくとも１種であることを特徴とする請求項４または５記載のドライエッチング方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明はドライエッチング用ガス組成物およびこれを用いたドライエッチング方法に関し、さらに詳しくは、大気中に放出されるガスに起因すると考えられる地球温暖化対策を考慮したドライエッチング用ガス組成物およびこれを用いたドライエッチング方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】ＭＩＳ型半導体素子を主体として構成される、ＬＳＩ等の半導体装置のゲート電極およびこのゲート電極から延在する配線（以下、ゲート電極と略記する）は、従来より多結晶シリコンが汎用されてきた。 近年、デザインルールがサブクォータミクロンのレベルへと微細化されつつあり、同時にデバイスの高速化への要求が高まるにつれ、ゲート電極材料としても多結晶シリコンより約１桁低い抵抗値を持つ高融点金属シリサイドが用いられるようになりつつある。 高融点金属シリサイドを用いてゲート電極を形成する場合には、デバイス特性や信頼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、まずゲート絶縁膜上に従来より実績のある不純物含有多結晶シリコン（ＤＯＰＯＳ ; Doped Polyc
rystallineSilicon)）層を形成し、この上部にＷＳｉ x
等の高融点金属シリサイド層を積層することが行われる。 かかる積層構造は高融点金属ポリサイドと総称される。
【０００３】またシリコン・ゲルマニウムはシリコンよりバンドギャップが小さく、１Ｖ以下の低電圧範囲ではその組成により仕事関数を制御することができる。 したがって、組成制御された多結晶シリコン・ゲルマニウムをゲート電極材料に用いて、仕事関数により閾値電圧を制御することも可能である。
【０００４】従来より、これらゲート電極材料層のドライエッチングには、ＨＢｒ等の臭素系ガスや、Ｃｌ 2等の塩素系ガスを用いた異方性エッチングが採用されている。 これら臭素系ガスや塩素系ガスから生成されるイオン種は、フッ素系ガスから生成されるイオン種より質量が大きく、イオンアシスト反応の機構による異方性エッチングが可能である。
【０００５】また、レジストマスクの表面を蒸気圧の低いＣＢｒ x系ポリマやＣＣｌ 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Ｂ
ｒ系ガスやＣｌ系ガスの特徴である。
【０００６】しかしながら、最近のゲート電極材料層のドライエッチングにおいては、被エッチング基板の大口径化にともなうスループットの確保、均一性の向上等の制御性の観点から、ＩＣＰ (Inductively Coupled Plas
ma) やヘリコン波プラズマ等の高密度プラズマ発生源を持つプラズマエッチング装置の使用が主流となりつつある。 これら高密度プラズマエッチング装置により、所期の制御性は達成できる一方で、高密度プラズマによるエッチング反応生成物やその再解離生成物が、エッチングチャンバ内壁に堆積し蓄積するため、パーティクルレベルの悪化等による製造歩留りの低下が量産現場で問題となってきた。
【０００７】このため、本発明者らはエッチングプロセスを２ステップ化する方法を米国特許第５，１８０，４
６４号明細書として提案した。 この方法は、高融点金属ポリサイド層等のゲート電極材料層のエッチングにおいて、ゲート絶縁膜が露出する直前までのジャストエッチング工程ではＨＢｒ等の臭素系ガスにＳＦ 6等のフッ素系ガスを添加し、エッチングチャンバ内のクリーニングプロセスを兼ねるとともに、オーバーエッチング工程においては臭素系ガス単独でエッチングをおこなうものである。 この方法により、下地のゲート絶縁膜に対する高選択比と低パーティクル性を両立することができる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前述の２ステップエッチングプロセスに用いるＳＦ 6は、大気中では極めて安定な化合物であり、また大気中に放出された場合には、地球温暖化の一因ともなりうることが指摘されている。 同じ地球温暖化防止の観点から、その放出を制限する動向にあるＣＯ 2と比較すると、大気中でのライフタイムはＣＯ 2が５０〜２００年に対してＳＦ
6は３２００年と長い。 また地球温暖化の指標であるＧ
ＷＰ (Global Warming Potential) は、ＣＯ 2の１に対してＳＦ 6は２４９００と桁外れに大きい(Applied Mate
rials社資料による) 。 したがって、ＳＦ 6は今後その使用が制限される可能性も考えられ、この観点から新しいドライエッチング用ガス組成物と、ゲート電極材料層のドライエッチング方法が望まれる。
【０００９】本発明は、かかる従来技術の問題点を解決することをその課題とする。 すなわち本発明の課題は、
同一エッチングチャンバ内でエッチング回数を重ねてもパーティクルレベルの悪化がなく、また地球温暖化による環境問題を誘発することのない、ドライエッチング用ガス組成物およびこれを用いたエッチング方法を提供することである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】本発明の特徴は、Ｃ n Ｆ
2n+2-x Ｉ x系化合物ガスをドライエッチング用ガス組成物の一部として用いる点にある。 すなわち、本発明のドライエッチング用ガス組成物は、Ｃ n Ｆ 2n+2-x Ｉ x系化合物ガスと、フッ素系ガス以外のハロゲン系ガスとを含むことを特徴とする。 ただしｎおよびｘはそれぞれ個別に３以下の自然数を表している。 ｎおよびｘが４以上の値をとると、沸点が高くなり、気化に困難を伴うようになるので好ましくない。
【００１１】また本発明の請求項４のドライエッチング方法は、基板上に形成されたゲート電極材料層のドライエッチング方法であって、Ｃ n Ｆ 2n+2-x Ｉ x系化合物ガスと、フッ素系ガス以外のハロゲン系ガスとを含むガス組成物を用いてエッチングすることを特徴とする。
【００１２】さらに本発明の請求項５のドライエッチング方法は、基板上に形成されたゲート電極材料層のドライエッチング方法であって、Ｃ n Ｆ 2n+2-x Ｉ x系化合物ガスと、フッ素系ガス以外のハロゲン系ガスとを含むガス組成物を用いてゲート電極材料層をジャストエッチングする工程と、このガス組成物から、Ｃ n Ｆ 2n+2-x Ｉ x
系化合物ガスを除外してゲート電極材料層をオーバーエッチングする工程とを有することを特徴とする。 いずれのドライエッチング方法においても、ｎおよびｘはそれぞれ個別に３以下の自然数を表す。
【００１３】本発明で用いるＣ n Ｆ 2n+2-x Ｉ x系化合物ガスは、ＣＦ 3 Ｉ、ＣＦ 2 Ｉ 2およびＣＦＩ 3のうちのいずれか少なくとも１種であることが望ましい。 しかしながら、ガス供給手段としてのバブラ加熱手段や、ガス配管加熱手段を有するドライエッチング装置であれば、
沸点の高いＣ 2 Ｆ 5 ＩやＣ 3 Ｆ 7 Ｉ等の高次化合物を用いることもできる。
【００１４】また本発明で採用するフッ素系ガス以外のハロゲン系ガスは、Ｃｌ 2等の塩素系ガス、ＨＢｒ等の臭素系ガス、およびＨＩ等の沃素系ガスのうちのいずれか少なくとも１種であることが望ましい。
【００１５】つぎに作用の説明に移る。 ＣＦ 3 ＩをはじめとするＣ n Ｆ 2n+2-x Ｉ x系化合物ガスは、大気中に放出された場合には極めて不安定なガスで、大気中でのライフタイムは僅かに１日であり、これはＳＦ 6と１００
万分の１、ＣＯ 2と比較しても数万分の１の値である。
地球温暖化の指標であるＧＷＰは５で、これはＳＦ 6の数千分の１の値である。 これらの特性は、地球温暖化対策を考慮した場合に好適なものである。 大気中でのライフタイムおよびＧＷＰの値を各ガスについてまとめると〔表１〕のようになる。
【００１６】
【表１】
【００１７】またＣ n Ｆ 2n+2-x Ｉ x系化合物は、分子中に１以上のフッ素原子を有し、ゲート電極材料のメインエッチング種としてのフッ素ラジカル、フッ素イオンの供給源となる。 したがって、従来からのゲート電極材料層エッチング用ガスとして用いられているＨＢｒやＣｌ
2等に添加して用いれば、パーティクルレベルの悪化もなく、環境問題を引き起こす虞れのないドライエッチング用ガス組成物およびゲート電極材料層のドライエッチング方法を提供することが可能となる。
【００１８】
【実施例】以下、本発明の好適な実施例につき、添付図面を参照しながら説明するが、本発明はこれら実施例に何ら限定されるものではない。
【００１９】〔実施例１〕本実施例はＣＦ 3 Ｉを用い、
Ｗ−ｐｏｌｉｃｉｄｅ（タングステンポリサイド）からなるゲート電極材料層を２段階エッチングした例であり、このエッチング工程を図１を参照して説明する。
【００２０】本実施例で採用した試料は、図１（ａ）に示すように、単結晶シリコン等の半導体基板１上にゲート絶縁膜２、多結晶シリコン層３、高融点金属シリサイド層４およびレジストマスク６が順次形成されたものである。 これらのうち、ゲート絶縁膜２は半導体基板１を熱酸化することにより形成した、例えば８ｎｍの厚さのＳｉＯ 2からなり、多結晶シリコン層３は減圧ＣＶＤ法により例えば７０ｎｍの厚さに形成されたｎ +多結晶シリコンからなり、高融点金属シリサイド層４は同じく減圧ＣＶＤ法により例えば７０ｎｍの厚さに形成されたＷ
Ｓｉ 2からなる。 これらのうち、多結晶シリコン層３および高融点金属シリサイド層４により、高融点金属ポリサイド層５からなるゲート電極材料層が構成される。 また、レジストマスク６は化学増幅型レジストおよびエキシマレーザリソグラフィにより、例えば０．２５μｍのデザインルールでパターニングされたものである。
【００２１】図１（ａ）に示す試料を、ＩＣＰタイプのエッチング装置の基板ステージ上に搬入し、下記エッチング条件により２ステップエッチングをおこなった。
【００２２】Ｓｔｅｐ１ ： ジャストエッチング ＣＦ 3 Ｉ １０ ｓｃｃｍ ＨＢｒ ４０ ｓｃｃｍ Ｏ 2 ５ ｓｃｃｍ ガス圧力 ０．４ Ｐａ ソースパワー １０００ Ｗ ＲＦバイアス １００ Ｗ 基板ステージ温度 ２５ ℃ このジャストエッチング工程では、図１（ｂ）に示すように下地のゲート絶縁膜２が露出する直前まで、高融点金属ポリサイド層５をエッチングした。 ジャストエッチング時間は、予め確認しておいた高融点金属シリサイド層４および多結晶シリコン層３のエッチングレートに基づき設定する。 この工程では、試料面内のプラズマ強度分布等により、下地のゲート絶縁膜２の一部が不可避的に露出してもよい。
【００２３】つぎにエッチングガスを切り換え、レジストマスク６から露出した高融点金属ポリサイド層５の厚さ方向の残部をオーバーエッチングする。 Ｓｔｅｐ２ ： オーバーエッチング ＨＢｒ ４０ ｓｃｃｍ Ｏ 2 ５ ｓｃｃｍ ガス圧力 ０．４ Ｐａ ソースパワー １０００ Ｗ ＲＦバイアス ２０ Ｗ 基板ステージ温度 ２５ ℃ この結果、図１（ｃ）に示すように高融点金属ポリサイド層５からなるゲート電極が異方性よく形成された。 このゲート電極長は０．２５μｍであり、レジストマスク６とのパターン変換差の発生は認められなかった。
【００２４】本実施例においては、ジャストエッチング工程でＣＦ 3 Ｉを含むガス組成物を用いたため、レジストマスクや高融点金属シリサイド層あるいは多結晶シリコン層のエッチング反応生成物としてチャンバ内壁に堆積する付着物は、ＣＦ 3 Ｉから解離生成したＦラジカル等のフッ素活性種により容易に除去される。 したがって、エッチングが進行しても、あるいはエッチングの回数を重ねても、チャンバ内のパーティクルレベルが悪化することはない。 またＣＦ 3 Ｉ自体から発生するカーボン系ポリマや炭素は、添加ガスの酸素によって除去されるので、この面からのパーティクルレベルの悪化の虞れもない。 さらに、オーバーエッチング工程ではＣＦ 3 Ｉ
を除外したため、下地のゲート絶縁膜との高選択比も達成される。
【００２５】〔実施例２〕本実施例は同じくＣＦ 3 Ｉを用い、多結晶シリコンからなるゲート電極材料層を２段階エッチングした例であり、このエッチング工程を図２
を参照して説明する。
【００２６】本実施例で採用した試料は、図２（ａ）に示すように、単結晶シリコン等の半導体基板１上にゲート絶縁膜２、多結晶シリコン層３、およびレジストマスク６が順次形成されたものである。 これらのうち、ゲート絶縁膜２は半導体基板１を熱酸化することにより形成した、例えば８ｎｍの厚さのＳｉＯ 2からなり、ゲート電極材料層を構成する多結晶シリコン層３は減圧ＣＶＤ
法により例えば１５０ｎｍの厚さに形成されたｎ +多結晶シリコンからなる。 また、レジストマスク６は化学増幅型レジストおよびエキシマレーザリソグラフィにより、例えば０．２５μｍのデザインルールでパターニングされたものである。
【００２７】図２（ａ）に示す試料を、ＩＣＰタイプのエッチング装置の基板ステージ上に搬入し、下記エッチング条件により２ステップエッチングをおこなった。
【００２８】Ｓｔｅｐ１ ： ジャストエッチング ＣＦ 3 Ｉ １０ ｓｃｃｍ ＨＩ ３０ ｓｃｃｍ Ｏ 2 ５ ｓｃｃｍ ガス圧力 ０．４ Ｐａ ソースパワー １２００ Ｗ ＲＦバイアス １００ Ｗ 基板ステージ温度 ２５ ℃ このジャストエッチング工程では、図２（ｂ）に示すように下地のゲート絶縁膜２が露出する直前まで、多結晶シリコン層３をエッチングした。 ジャストエッチング時間は、予め確認しておいた多結晶シリコン層３のエッチングレートに基づき設定する。 この工程では、試料面内のプラズマ強度分布等に起因して、下地のゲート絶縁膜２の一部が露出してもよい。
【００２９】つぎにエッチングガスを切り換え、多結晶シリコン層３の残部をオーバーエッチングする。 Ｓｔｅｐ２ ： オーバーエッチング ＨＩ ３０ ｓｃｃｍ Ｏ 2 ５ ｓｃｃｍ ガス圧力 ０．４ Ｐａ ソースパワー ８００ Ｗ ＲＦバイアス ２０ Ｗ 基板ステージ温度 ２５ ℃ この結果、図２（ｃ）に示すように多結晶シリコン層３
からなるゲート電極が異方性よく形成された。 このゲート電極長は０．２５μｍであり、レジストマスク６とのパターン変換差の発生は認められなかった。
【００３０】本実施例においても、ジャストエッチング工程でＣＦ 3 Ｉを含むガス組成物を用いたため、レジストマスクや多結晶シリコン層のエッチング反応生成物としてチャンバ内壁に堆積する付着物は、ＣＦ 3 Ｉから解離生成したＦラジカル等のフッ素活性種により容易に除去される。 したがって、エッチングが進行しても、あるいはエッチングの回数を重ねても、チャンバ内のパーティクルレベルが悪化することはない。 またＣＦ 3 Ｉ自体から発生するカーボン系ポリマや炭素は、添加ガスの酸素によって除去されるので、この面からのパーティクルレベルの悪化の虞れもない。 さらに、オーバーエッチング工程ではＣＦ 3 Ｉを除外したため、下地のゲート絶縁膜との高選択比も達成される。
【００３１】以上、本発明を２例の実施例をもって説明したが、本発明はこれら実施例に何ら限定されるものではない。
【００３２】例えば、Ｃ n Ｆ 2n+2-x Ｉ x系化合物ガスの代表例としてＣＦ 3 Ｉを採用したが、ＣＦ 2 Ｉ 2やＣＦ
Ｉ 3 、あるいはＣ 2 Ｆ 5 ＩやＣ 3 Ｆ 7 Ｉ等の高次化合物を用いても同様の効果を得ることができる。
【００３３】またＣ n Ｆ 2n+2-x Ｉ x系化合物ガスに添加するフッ素系以外のハロゲン系ガスとして例示したＨＢ
ｒおよびＨＩ以外にも、ＢＢｒ 3 、Ｂｒ 2 、Ｓ 2 Ｂｒ 2
等の臭素系ガス、Ｉ 2等の沃素系ガスを用いてよい。 さらにＣｌ 2 、ＢＣｌ 3 、Ｓ 2 Ｃｌ 2等の塩素系ガや、Ｉ
Ｃｌ、ＩＣｌ 3 、ＢｒＣｌ 3等のインターハロゲン化合物ガスであってもよい。 エッチングガス組成物にはこの他に添加ガスとしてＮ 2あるいはＡｒ、Ｈｅ、Ｋｒ、Ｘ
ｅ等の希ガスを混合してもよい。
【００３４】ドライエッチング方法として、ガス組成を換えてジャストエッチング工程とオーバーエッチング工程とからなる２段階エッチングを採用したが、下地ゲート絶縁膜とのエッチング選択比が問題とならなければ、
１段階エッチングで良いことは勿論である。
【００３５】エッチング試料として単結晶シリコンを用いたＭＩＳ型半導体装置を例示したが、トップゲート型あるいはボトムゲート型の薄膜半導体装置のゲート電極材料層のエッチングに適用できることは言うまでもない。 またゲート電極材料層として多結晶シリコン層や高融点金属ポリサイド層の他に、多結晶シリコン・ゲルマニウム層であってもよい。 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、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、ＭＩＳＦＥＴのゲート電極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。
【００３６】さらに、使用するエッチング装置としてＩ
ＣＰエッチング装置を例示したが、ＥＣＲプラズマエッチング装置、ヘリコン波プラズマエッチング装置、ＴＣ
Ｐ（Transformer Coupled Plasma) エッチング装置等の高密度プラズマ発生源を有するプラズマエッチング装置や、平行平板型ＲＩＥ装置、マグネトロンＲＩＥ装置等、各種エッチング装置を用いてよい。
【００３７】
【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明によれば、同一エッチングチャンバ内でエッチング回数を重ねてもパーティクルレベルを低下することがなく、
また地球温暖化を誘発する虞れのないドライエッチング用ガス組成物、およびこれを用いたドライエッチング方法を提供することが可能となる。
【図１】本発明のドライエッチング方法の工程を示す概略断面図である。
【図２】本発明の他のドライエッチング方法の工程を示す概略断面図である。
１…半導体基板、２…ゲート絶縁膜、３…多結晶シリコン層線、４…高融点金属シリサイド層、５…高融点金属ポリサイド層、６…レジストマスク
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