JP4060450B2 - Dry etching method - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体集積回路におけるゲート電極等を形成するためのドライエッチング方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
半導体集積回路においては、ゲート電極としてポリシリコンを使用することが一般的となっている。また、近年の半導体集積回路の高集積化、高性能化に伴うゲート電極の配線抵抗値の低減及び薄膜化の要請から、ポリシリコンの上にタングステン(W)を重ねたものが開発されている。このようなゲート電極は、従来一般には、次のような工程で形成されている。
【0003】
まず、ゲート酸化膜であるシリコン酸化膜(SiO2膜)上にポリシリコン層、WN又はTiNから成るバリアメタル層、更にW層を順にPVD法等により成膜した後、その上に所望のマスクパターンを形成する。なお、CVD法による場合には、バリアメタル層とW層との間に、両層の接着性を向上させるためにWニュークリエーション層が形成される。
【0004】
次に、バリアメタル層及びW層、又は、バリアメタル層、Wニュークリエーション層及びW層から成る層、すなわちメタル層に対して、SF6を主成分とした反応性ガスを用いてドライエッチングする。このエッチングが進行して、ポリシリコン層の表面の一部が露出したならば、その時点をエンドポイントとしてメタル層に対するエッチングを一応終了する。
【0005】
前記エンドポイントでは、バリアメタル層の下部が完全に除去されていない。このため、従来においては、エンドポイント後にも同じ反応性ガスを用いて所定時間だけオーバーエッチングを行い、メタル層の配線脇の裾引きを取ることとしている。メタル層のオーバーエッチングが終了したならば、Cl2を主成分とする反応性ガスに切り替えて、ポリシリコン層のドライエッチングを行う。このようして、所望のパターンのゲート電極が形成される。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した従来のドライエッチング方法においては、次に示すような問題点がある。
【0007】
まず、SF6を含む反応性ガスは、ポリシリコンに対するWの選択比(ポリシリコンのエッチング速度に対するWのエッチング速度の比)が0.2〜0.3程度と小さいため、メタル層のオーバーエッチングを行うと、既に露出しているポリシリコン層の表面が荒れる、という問題がある。これは、メタル層のオーバーエッチング直後の層状態を示したSEM顕微鏡写真である図4からも明らかなように、マスクとマスクとの間が広く開いたオープンスペースにおいて顕著に現れる。このようにポリシリコン層の表面が荒れた状態でポリシリコン層のエッチングを開始すると、凹部のエッチングが先に進み、シリコン酸化膜にピッチング(突抜け)が生ずるおそれがあった。
【0008】
一方、かかる問題点を回避するために、メタル層に対するオーバーエッチングの時間を短縮した場合には、メタル層の配線脇に裾引き部分が残るため、ゲート電極の垂直形状が損なわれ、所望の特性が得られないおそれがある。また、この配線脇の裾引き部分が残っていると、その後のポリシリコン層のエッチング中に、W層又はバリアメタル層を始点とした激しい残渣が生じる傾向があった。
【0009】
本発明の目的は、上記問題点を解決することの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。
【0010】
【課題を解決するための手段】
そこで、請求項1に係る本発明は、ポリシリコン層と、その上に形成されたメタル層とを有する被処理基板を反応容器内のサセプタ上に配置する第1のステップと、反応容器内を所定の圧力に減圧する第2のステップと、前記サセプタに負のバイアス電力を印加する第3のステップと、反応容器内にNF3ガスを含む第1の反応性ガスを供給すると共に、反応容器内にプラズマを形成して、メタル層をエッチングする第4のステップと、この第4のステップの終了後に、反応容器内のガスを排気して反応容器内に第2の反応性ガスを供給すると共に、反応容器内にプラズマを形成して、ポリシリコン層をエッチングする第5のステップとを含むドライエッチング方法であって、第2の反応性ガスにNF 3 ガスが添加されていることを特徴としている。
【0011】
このように、メタル層のエッチングに使用する反応性ガスにNF3ガスを用いた場合、NF3含有ガスのポリシリコンに対するWの選択比が約0.5以上であるため、メタル層のオーバーエッチングに際して、ポリシリコン層の表面の荒れを低減することができる。
【0012】
第1の反応性ガスは、NF3ガス単独でも良いし、NF3ガス及びCl2ガスから成る混合ガスであってもよいが、その割合は、NF3ガスが20%〜100%、Cl2ガスが80%〜0%であることが好ましい。
【0013】
また、第2の反応性ガスにNF3ガスを添加することも有効である。メタル層のオーバーエッチングが足りず、配線脇のメタル層に裾引き部分が残っている場合に、NF3ガスを添加したならば、この配線脇の裾引き部分を効果的に除去することができる。
【0014】
また、請求項3に係る本発明は、ポリシリコン層と、その上に形成されたバリアメタル層及びタングステン層を含むメタル層とを有する被処理基板を反応容器内のサセプタ上に配置する第1のステップと、反応容器内を所定の圧力に減圧する第2のステップと、サセプタに負のバイアス電力を印加する第3のステップと、反応容器内に第1の反応性ガスを供給すると共に、反応容器内にプラズマを形成して、メタル層をエッチングする第4のステップと、第4のステップの終了後に、反応容器内のガスを排気して反応容器内にNF 3 ガスを含む第2の反応性ガスを供給すると共に、反応容器内にプラズマを形成して、ポリシリコン層をエッチングする第5のステップとを含むドライエッチング方法を特徴としている。この方法においても、上述したように、第2の反応性ガスにNF 3 ガスが添加されているので、メタル層のオーバーエッチングが足りず、配線脇のメタル層に裾引き部分が残っている場合に、この配線脇の裾引き部分を効果的に除去することができる。
【0015】
【発明の実施の形態】
以下、図面と共に本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。
【0016】
図1は、本発明によるドライエッチング方法を説明するためのシリコンウェハ(被処理基板)の構成を概略的に示す断面図であり、(a)〜(d)はエッチング開始からエッチング完了までの層の状態を順に示した図である。このシリコンウェハ1はゲート電極を切り出すためのものであり、その表面にはゲート酸化膜であるSiO2膜2が形成されており、更にこのSiO2膜2上には、ゲート電極層であるポリシリコン層3及びメタル層4が形成されている。メタル層4は、PVD工程により成膜されており、TiN又はWNから成るバリアメタル層4a、その上のW層4bから構成されている。W層4bの上には、有機材料又はSiN等から成るマスク5が所望のパターンで形成されている。
【0017】
また、図2は、本発明によるプラズマ式のドライエッチング装置10の一実施形態を示す概略図である。図2において、ドライエッチング装置10は、内部が減圧される反応容器12を備えている。反応容器12は、アルミニウムにアルマイト処理を施した材料等からなる円筒形の容器本体14と、その上部に取り付けられた放電用部品である蓋体16とから構成されている。
【0018】
反応容器12の内部には、シリコンウェハ1を載置するサセプタ18が配置されている。このサセプタ18の上面には、シリコンウェハ1を固定するための静電チャック20が設けられている。サセプタ18は電極としても機能し、整合器22及び高周波バイアス電源24を介して接地されている。従って、接地された容器本体14に対して高周波バイアス電圧が印加されると、サセプタ18がカソードとして機能し容器本体14がアノードとして機能するようになる。
【0019】
また、容器本体14には、反応容器12内部の排気を行うための真空ポンプ(図示せず)に接続される排気口26が設けられており、更に、反応性ガスを内部に導入するためのガス供給口28が設けられている。
【0020】
ガス供給口28には、配管を介してガス混合室30が接続されている。このガス混合室30は各種ガスを均一に混合する装置である。ガス混合室30には各種のガス供給源32〜38がそれぞれ流量調節バルブ44〜50を介して接続されている。メタル層4とポリシリコン層3のエッチングに利用可能なガスは種々あるが、この実施形態ではNF3、Cl2、HBr、O2が用いられ、それぞれのガス供給源32〜38が設けられている。
【0021】
各流量調整バルブ44〜50は、マイクロコンピュータ等から成る制御装置56により、その開閉が制御され、各ガスの流量が調節される。従って、反応性ガスの混合割合等を所定値に設定することが可能となっている。
【0022】
反応容器12の一部である蓋体16は、誘電体材料から構成されている。蓋体16の外周にはコイルアンテナ58が配設されており、コイルアンテナ58により蓋体16を介して反応容器12の内部に電磁界が誘起されてプラズマが発生し、更にこのプラズマ中の電子にエネルギが供給されて、プラズマは高密度で維持される。なお、コイルアンテナ58には、整合器60を介して高周波電源62が接続されている。更に、蓋体16の外側にはシールド64が設けられており、発生する高周波が外部に漏れるのを防止している。
【0023】
更に、容器本体14の適所には透明窓66が設けられており、内部を観察することが可能となっている。この透明窓66には光ファイバ68を介してモノクロメーター70が接続されている。このモノクロメーター70は、Siをプラズマにより発光させた場合に生ずるSi固有の波長帯域の光を検出することができるように設定されている。モノクロメーター70の出力は前記の制御装置56に送られる。
【0024】
次に、上記構成のドライエッチング装置10を用いて、図1の(a)に示す層構成のシリコンウェハ1に対して本発明のドライエッチング方法を適用してゲート電極を形成する場合について説明する。
【0025】
まず、反応容器12内のサセプタ18上にシリコンウェハ1を載置し、静電チャック20により固定する。次いで、反応容器12内を真空ポンプにより所定の真空度、例えば4mTorr程度に減圧する。
【0026】
次に、制御装置56からの信号により流量調節バルブ44,46を所要の開度で開き、ガス供給源32,34のそれぞれからNF3ガス及びCl2ガスを導出する。これらのガスはガス混合室30内で混合され、第1の反応性ガスとしてガス供給口28から反応容器12内に供給される。この第1の反応性ガスにおける各ガスの割合は、後述の理由から、全ガス流量に対してNF3ガスを20%〜100%として、Cl2ガスの割合を80%〜0%とするのが好ましい。なお、Cl2ガスが0%であるとは、第1の反応性ガスがNF3ガスのみから成ることをいう。
【0027】
第1の反応性ガスの供給が開始されたならば、高周波バイアス電源24を投入し、容器本体14とサセプタ18との間に例えば13.56MHzの高周波バイアス電力を印加する。容器本体14は接地されているため、サセプタ18は負電位とされ、カソードとして機能する。また、コイルアンテナ58に高周波電源62により例えば12.56MHzの高周波電力を印加すると、反応容器12内にプラズマが発生し、且つまた、高密度で維持される。第1の反応性ガスがプラズマにより解離され、このプラズマ中に存在するFイオンがメタル層4のエッチングに主として寄与し、エッチングが進行していく。この際、Fイオンは負電位のサセプタ18に向かって進むため、垂直方向の異方性エッチングが行われる。
【0028】
メタル層4のエッチングが進んでいくと、やがてポリシリコン層3の一部が露出する(図1の(b)参照)。図1の(b)の状態となると、ポリシリコン層3もエッチングされ、除去された層材料が反応容器12内を浮遊し、プラズマにより解離される。従って、プラズマ中にはポリシリコン層3の成分であるSiが含まれたものとなる。Siの存在は、プラズマの発光からSi固有の波長帯域を検出するよう設定されたモノクロメーター70により検出され、制御装置56はモノクロメーター70の出力信号から図1の(b)の状態となったことを把握すると共に、Si検出時をメタン層4のエッチングのエンドポイントと定める。
【0029】
図1の(b)からも明らかなように、このエンドポイントの際には、メタル層4におけるバリアメタル層4aは未だ多量に残っているため、エンドポイントから更に一定時間経過するまで、第1の反応性ガスを用いてメタル層4のエッチングを継続する。この際、従来では反応性ガス中のSF6の影響により、ポリシリコン層3の露出面の荒れが著しくなるが、本発明によるエッチングではポリシリコン層に対するエッチングは穏やかに進み、ポリシリコン層の表面は平滑な状態を保ったままエッチングされていく。このような状態でエッチングが行われるための条件としては、少なくとも、第1の反応性ガスの、ポリシリコンに対するWの選択比が0.5以上であることが必要となる。これは、選択比が0.5を下回った場合には、ポリシリコン層の表面に現れる荒れが顕著となるからである。この選択比が0.5以上である反応性ガスとして最適なものが、前述したNF3ガス20%〜100%、Cl2ガス80%〜0%の混合ガスである。
【0030】
設定されたオーバーエッチング時間が経過すると、図1の(c)に示すように、メタル層の配線脇の裾引き部分は実質的に除去され、且つ、ポリシリコン層の表面が平滑な状態で露出する。バリアメタル層の配線脇の裾引き部分は、後のポリシリコン層のエッチングにより生ずる残渣の原因となり且つゲート電極の垂直形状を損なう原因となるが、本発明によればこの裾引き部分も、ポリシリコン層に悪影響を与えることなくオーバーエッチングで除去されるので、残渣が大幅に低減され、所望の垂直形状が得られる。
【0031】
この後、流量調節バルブ44,46を閉じ、反応容器12内のガスを排気する。そして、反応容器12内の圧力を調整した後、流量調整バルブ46,48,50を開き、ガス供給源34,36,38からそれぞれCl2ガス、HBrガス、O2ガスをガス混合室30を介して第2の反応性ガスとして反応容器12内に供給する。この第2の反応性ガスの組成は従来から知られたものであり、このガスを用いてポリシリコン層3はエッチングされ、最後にマスクがアッシング処理等で除去されることで図1の(d)に示すような形状のゲート電極が得られる。
【0032】
なお、第2の反応性ガスにNF3ガスを添加することも有効である。上述したCl2ガス、HBrガス、O2ガスはポリシリコン層のエッチングには寄与するが、メタル層に対しては殆どエッチングしない。このため、前記のメタル層に対するオーバーエッチングが少ない場合には、メタル層に裾引き部分が残ってしまう。かかる場合において、NF3ガスを添加すれば、この裾引き部分を効果的に除去することができる。これにより、オーバーエッチングの時間設定の精度を多少下げても、エッチングの結果は良好なものとなる。
【0033】
以上、本発明の好適な実施形態について詳細に説明したが、本発明は上記実施形態に限定されないことは言うまでもない。例えば、第1及び第2の反応性ガスの組成は上記のものに限定されず、同作用が得られるならば、他のガスを添加することも可能である。
【0034】
また、上記実施形態のメタル層4はPVD法により形成されるとしたため、バリアメタル層4aとW層4bの2層構造であるが、CVD法による場合は、バリアメタル層とW層との間にWニュークリエーション層を有する3層構造となる。なお、Wニュークリエーション層は、SiH4とWF6をプロセスガスとして用いて形成され、、多孔性の層となっている。このような多孔性のWニュークリエーション層を有するメタル層をエッチングした場合、ポリシリコン層の表面の荒れはより顕著となる。従って、ポリシリコン層の表面の荒れを回避する本発明は、かかる3層構造のメタル層に対しては特に有効となる。
【0035】
【実施例】
次に、本発明によるドライエッチング方法の効果を検証した実施例について説明する。
【0036】
この実施例では、被処理基板としてシリコンウェハが用いられ、その表面に5nmのSiO2膜が形成され、その上に10nmのポリシリコン層、更にその上に10nmのTiN層がバリアメタル層として形成されている。また、バリアメタル層の上には100nmのタングステン層が形成され、その上には膜厚160nm、0.25μm幅のSiNマスクが間隙幅を0.25μmとして形成されている。
【0037】
実施例で用いたドライエッチング装置は図2に示すものであり、用いたガス種も上記実施形態で示したものである。サセプタと容器本体との間に印加した高周波電力は13.56Mhz、コイルアンテナに印加した高周波電力は12.56Mhzであった。
【0038】
メタル層のエッチングでは、反応容器内の圧力を4mTorrとした。また、メタル層に対するエッチングのための第1の反応性ガスとして、NF3ガスをガス流量40sccm(全ガス流量に対して約33.3%)、Cl2ガスを80sccm(全ガス流量に対して約66.7%)で反応容器に供給した。メタル層のエッチングを開始してから約34秒でモノクロメーターによりプラズマ中のSiが検出された。また、このSi検出時(エンドポイント)から、同条件で、8秒間、引き続きメタル層のオーバーエッチングを行った。
【0039】
この後、反応容器内の圧力を4mTorrに維持し、Cl2ガス、HBrガス、NF3ガス、O2ガスをそれぞれ60sccm(約33.3%)、100sccm(約55.6%)、15sccm(約8.3%)、5sccm(約2.8%)の流量で、第2の反応性ガスとして反応容器に導入した。この第2の反応性ガスによるポリシリコン層のエッチングを約20秒間行った。
【0040】
以上の工程を経て得られたシリコンウェハのエッチングパターンを示したものが図3である。図3の(a)は当該シリコンウェハの断面形状を示すSEM顕微鏡写真であり、図3の(b)はシリコンウェハの表面を俯瞰状態で撮影したSEM顕微鏡写真である。なお、これらの写真は、アッシング処理及びHF洗浄処理をしてSiNマスクを除去したシリコンウェハを撮影したものである。
【0041】
この図3と、従来の技術の説明で用いた図4とを比較すれば、本発明による方法によれば、ポリシリコン層の表面が平滑な状態を維持してエッチングがされていることが容易に理解されよう。また、図3から、得られたゲート電極の垂直形状が良好なものとなっていることも分かる。
【0042】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明に従って、ポリシリコン層と、W層を主層とするメタル層とをドライエッチングを行うことにより、ポリシリコン層の表面を平滑な状態に保ったまま、エッチングを進めることができる。従って、ポリシリコン層の下層に対する悪影響、例えばピッチング等を防止することができる。
【0043】
また、メタル層の配線脇に裾引き部分が残る状態も回避できるため、メタル層及びポリシリコン層のエッチングが終了した後、得られる断面形状は垂直形状に優れたものとなる。
【0044】
よって、本発明は、将来の半導体集積回路の微細化、高性能化に対応可能なものとなっている。
【図面の簡単な説明】
【図1】ポリシリコン層及びWメタル層を有するシリコンウェハに対して本発明のドライエッチング方法を適用した一実施形態を示す概略説明図であり、(a)〜(d)はそれぞれエッチング処理前から処理後までの断面形状の変化を示す図である。
【図2】本発明によるドライエッチング装置の一実施形態を概略的に示す断面図である。
【図3】本発明の一実施例により得られたシリコンウェハのエッチングパターンを示すSEM顕微鏡写真であり、(a)はその断面形状を示し、(b)はシリコンウェハの表面を俯瞰状態で示す顕微鏡写真である。
【図4】従来のドライエッチング方法によって得られたシリコンウェハのエッチングパターンを示す図4と同様なSEM顕微鏡写真である。
【符号の説明】
1…シリコンウェハ(被処理基板)、2…SiO2膜、3…ポリシリコン層、4…メタル層、4a…バリアメタル層、4b…タングステン層、5…マスク、10…ドライエッチング装置、12…反応容器、18…サセプタ、24…高周波バイアス電源(バイアス手段)、32…NF3ガス供給源、34,36,38…ガス供給源、44〜50…流量調整バルブ、56…制御装置、62…高周波電源(プラズマ発生手段)、70…モノクロメータ(シリコン検出手段)。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a dry etching method for forming the gate electrode or the like in a semiconductor integrated circuit.
[0002]
[Prior art]
In a semiconductor integrated circuit, it is common to use polysilicon as a gate electrode. In addition, due to the demand for reduction in the gate electrode wiring resistance and the reduction in film thickness due to the high integration and high performance of semiconductor integrated circuits in recent years, a structure in which tungsten (W) is superimposed on polysilicon has been developed. . Such a gate electrode is generally formed by the following process.
[0003]
First, a polysilicon layer, a barrier metal layer made of WN or TiN, and a W layer are sequentially formed by a PVD method or the like on a silicon oxide film (SiO 2 film) as a gate oxide film, and then a desired mask is formed thereon. Form a pattern. In the case of using the CVD method, a W nucleation layer is formed between the barrier metal layer and the W layer in order to improve the adhesion between both layers.
[0004]
Next, dry etching is performed on the barrier metal layer and the W layer, or the layer including the barrier metal layer, the W nucleation layer, and the W layer, that is, the metal layer, using a reactive gas mainly containing SF 6. . If this etching progresses and a part of the surface of the polysilicon layer is exposed, the etching of the metal layer is temporarily terminated with that point as an end point.
[0005]
At the end point, the lower part of the barrier metal layer is not completely removed. For this reason, conventionally, overetching is performed for a predetermined time using the same reactive gas even after the end point, and the skirt on the side of the wiring of the metal layer is taken. When the overetching of the metal layer is completed, the polysilicon layer is dry etched by switching to a reactive gas containing Cl 2 as a main component. In this way, a gate electrode having a desired pattern is formed.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
However, the conventional dry etching method described above has the following problems.
[0007]
First, the reactive gas containing SF 6 has a small selectivity ratio of W to polysilicon (ratio of W etching rate to polysilicon etching rate) of about 0.2 to 0.3. However, there is a problem that the surface of the already exposed polysilicon layer becomes rough. As is apparent from FIG. 4 which is an SEM micrograph showing the layer state immediately after over-etching of the metal layer, this appears remarkably in an open space where the space between the masks is wide. When the etching of the polysilicon layer is started with the surface of the polysilicon layer being rough as described above, the etching of the recesses proceeds first, and there is a possibility that the silicon oxide film is pitched (through).
[0008]
On the other hand, when the over-etching time for the metal layer is shortened in order to avoid such problems, the skirted part remains on the side of the metal layer wiring, so that the vertical shape of the gate electrode is impaired and the desired characteristics are obtained. May not be obtained. In addition, if the skirting portion on the side of the wiring remains, a severe residue starting from the W layer or the barrier metal layer tends to occur during the subsequent etching of the polysilicon layer.
[0009]
An object of the present invention is to provide a novel dry etching method capable of solving the above problems.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
Therefore, the present invention according to claim 1 includes a first step of disposing a substrate to be processed having a polysilicon layer and a metal layer formed thereon on a susceptor in the reaction vessel, and the inside of the reaction vessel. A second step of reducing the pressure to a predetermined pressure; a third step of applying a negative bias power to the susceptor; and supplying a first reactive gas containing NF 3 gas into the reaction vessel; Forming a plasma therein and etching the metal layer; and after the completion of the fourth step, the gas in the reaction vessel is exhausted and the second reactive gas is supplied into the reaction vessel. And a fifth etching step of etching the polysilicon layer by forming plasma in the reaction vessel, wherein NF 3 gas is added to the second reactive gas. age There.
[0011]
As described above, when NF 3 gas is used as the reactive gas used for etching the metal layer, the selective ratio of W to polysilicon of the NF 3 containing gas is about 0.5 or more. At this time, the roughness of the surface of the polysilicon layer can be reduced.
[0012]
The first reactive gas may be NF 3 gas alone or a mixed gas composed of NF 3 gas and Cl 2 gas, but the ratio is 20% to 100% for NF 3 gas, Cl 2. The gas is preferably 80% to 0%.
[0013]
It is also effective to add NF 3 gas to the second reactive gas. If NF 3 gas is added when the metal layer is not over-etched and a skirt portion remains in the metal layer on the side of the wiring, the skirt portion on the side of the wiring can be effectively removed. .
[0014]
According to a third aspect of the present invention, a substrate to be processed having a polysilicon layer and a metal layer including a barrier metal layer and a tungsten layer formed thereon is disposed on a susceptor in a reaction vessel. A second step of reducing the pressure in the reaction vessel to a predetermined pressure, a third step of applying a negative bias power to the susceptor, and supplying a first reactive gas into the reaction vessel, A fourth step of forming plasma in the reaction vessel and etching the metal layer, and a second step of exhausting the gas in the reaction vessel and containing NF 3 gas in the reaction vessel after completion of the fourth step And a fifth step of etching the polysilicon layer by supplying a reactive gas and forming plasma in the reaction vessel. Also in this method, as described above, since the NF 3 gas is added to the second reactive gas , the metal layer is not over-etched, and the bottom portion remains in the metal layer beside the wiring. In addition, it is possible to effectively remove the skirting portion beside the wiring.
[0015]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
DESCRIPTION OF EMBODIMENTS Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
[0016]
FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing a configuration of a silicon wafer (substrate to be processed) for explaining a dry etching method according to the present invention, wherein (a) to (d) are layers from etching start to etching completion. It is the figure which showed these states in order. The silicon wafer 1 is used for cutting out a gate electrode. A SiO 2 film 2 as a gate oxide film is formed on the surface of the silicon wafer 1, and a poly electrode as a gate electrode layer is formed on the SiO 2 film 2. A
[0017]
FIG. 2 is a schematic view showing an embodiment of a plasma type
[0018]
A
[0019]
Further, the
[0020]
A
[0021]
The flow
[0022]
The
[0023]
Further, a
[0024]
Next, a case where a gate electrode is formed by applying the dry etching method of the present invention to the silicon wafer 1 having the layer configuration shown in FIG. 1A using the
[0025]
First, the silicon wafer 1 is placed on the
[0026]
Next, the flow
[0027]
When the supply of the first reactive gas is started, the high frequency bias power supply 24 is turned on, and a high frequency bias power of 13.56 MHz, for example, is applied between the
[0028]
As the etching of the metal layer 4 proceeds, a part of the
[0029]
As is clear from FIG. 1B, since the
[0030]
When the set over-etching time has elapsed, as shown in FIG. 1 (c), the bottom of the metal layer beside the wiring is substantially removed, and the surface of the polysilicon layer is exposed in a smooth state. To do. The skirt portion on the side of the wiring of the barrier metal layer causes a residue caused by the subsequent etching of the polysilicon layer and also causes the vertical shape of the gate electrode to be damaged. Since it is removed by over-etching without adversely affecting the silicon layer, the residue is greatly reduced and the desired vertical shape is obtained.
[0031]
Thereafter, the flow
[0032]
It is also effective to add NF 3 gas to the second reactive gas. The Cl 2 gas, HBr gas, and O 2 gas described above contribute to the etching of the polysilicon layer, but hardly etch the metal layer. For this reason, when there is little over-etching with respect to the said metal layer, a tailing part will remain in a metal layer. In such a case, if the NF 3 gas is added, this tailing portion can be effectively removed. As a result, even if the accuracy of setting the time for over-etching is slightly reduced, the etching result is good.
[0033]
As mentioned above, although preferred embodiment of this invention was described in detail, it cannot be overemphasized that this invention is not limited to the said embodiment. For example, the compositions of the first and second reactive gases are not limited to those described above, and other gases can be added as long as the same action can be obtained.
[0034]
Further, since the metal layer 4 of the above embodiment is formed by the PVD method, it has a two-layer structure of the
[0035]
【Example】
Next, an example in which the effect of the dry etching method according to the present invention is verified will be described.
[0036]
In this embodiment, a silicon wafer is used as a substrate to be processed, a 5 nm SiO 2 film is formed on the surface, a 10 nm polysilicon layer is formed thereon, and a 10 nm TiN layer is formed thereon as a barrier metal layer. Has been. Further, a tungsten layer having a thickness of 100 nm is formed on the barrier metal layer, and an SiN mask having a thickness of 160 nm and a width of 0.25 μm is formed thereon with a gap width of 0.25 μm.
[0037]
The dry etching apparatus used in the examples is shown in FIG. 2, and the gas types used are also those shown in the above embodiment. The high frequency power applied between the susceptor and the container body was 13.56 Mhz, and the high frequency power applied to the coil antenna was 12.56 Mhz.
[0038]
In the etching of the metal layer, the pressure in the reaction vessel was 4 mTorr. As the first reactive gas for etching the metal layer, NF 3 gas has a gas flow rate of 40 sccm (about 33.3% with respect to the total gas flow rate), and Cl 2 gas has 80 sccm (with respect to the total gas flow rate). About 66.7%) to the reaction vessel. About 34 seconds after the etching of the metal layer was started, Si in the plasma was detected by a monochromator. Further, from the time of detecting Si (end point), overetching of the metal layer was continued for 8 seconds under the same conditions.
[0039]
Thereafter, the pressure in the reaction vessel is maintained at 4 mTorr, and Cl 2 gas, HBr gas, NF 3 gas, and O 2 gas are respectively 60 sccm (about 33.3%), 100 sccm (about 55.6%), and 15 sccm ( About 8.3%) was introduced into the reaction vessel as a second reactive gas at a flow rate of 5 sccm (about 2.8%). Etching of the polysilicon layer with the second reactive gas was performed for about 20 seconds.
[0040]
FIG. 3 shows an etching pattern of a silicon wafer obtained through the above steps. 3A is an SEM micrograph showing the cross-sectional shape of the silicon wafer, and FIG. 3B is an SEM micrograph of the surface of the silicon wafer taken in an overhead view. These photographs are taken of a silicon wafer from which the SiN mask has been removed by ashing and HF cleaning.
[0041]
Comparing FIG. 3 with FIG. 4 used in the description of the prior art, according to the method of the present invention, it is easy for the surface of the polysilicon layer to be etched while maintaining a smooth state. Will be understood. FIG. 3 also shows that the vertical shape of the obtained gate electrode is good.
[0042]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, by performing dry etching on the polysilicon layer and the metal layer having the W layer as a main layer, the etching is advanced while keeping the surface of the polysilicon layer in a smooth state. be able to. Therefore, adverse effects on the lower layer of the polysilicon layer, such as pitching, can be prevented.
[0043]
Further, since a state where a skirted portion remains on the wiring side of the metal layer can be avoided, the cross-sectional shape obtained after the etching of the metal layer and the polysilicon layer is excellent in a vertical shape.
[0044]
Therefore, the present invention can cope with future miniaturization and higher performance of the semiconductor integrated circuit.
[Brief description of the drawings]
BRIEF DESCRIPTION OF DRAWINGS FIG. 1 is a schematic explanatory view showing an embodiment in which a dry etching method of the present invention is applied to a silicon wafer having a polysilicon layer and a W metal layer, and FIGS. It is a figure which shows the change of the cross-sectional shape from after a process to after a process.
FIG. 2 is a cross-sectional view schematically showing one embodiment of a dry etching apparatus according to the present invention.
FIGS. 3A and 3B are SEM micrographs showing an etching pattern of a silicon wafer obtained according to an embodiment of the present invention, where FIG. 3A shows its cross-sectional shape, and FIG. 3B shows the surface of the silicon wafer in an overhead view. It is a micrograph.
4 is an SEM micrograph similar to FIG. 4, showing an etching pattern of a silicon wafer obtained by a conventional dry etching method.
[Explanation of symbols]
1 ... silicon wafer (substrate to be processed), 2 ... SiO 2 film, 3 ... polysilicon layer, 4 ... metal layer, 4a ... barrier metal layer, 4b ... tungsten layer, 5 ... mask, 10 ... dry etching apparatus, 12 ... reaction vessel, 18 ... susceptor, 24 ... high frequency bias power supply (bias means), 32 ... NF 3 gas supply source, 34, 36, 38 ... gas supply source, 44 to 50 ... flow control valve, 56 ... controller, 62 ... High frequency power source (plasma generating means), 70... Monochromator (silicon detecting means).
Claims (3)
前記反応容器内を所定の圧力に減圧する第2のステップと、
前記サセプタに負のバイアス電力を印加する第3のステップと、
前記反応容器内にNF3ガスを含む第1の反応性ガスを供給すると共に、前記反応容器内にプラズマを形成して、前記メタル層をエッチングする第4のステップと、
前記第4のステップの終了後に、前記反応容器内のガスを排気して前記反応容器内に第2の反応性ガスを供給すると共に、前記反応容器内にプラズマを形成して、前記ポリシリコン層をエッチングする第5のステップと
を含むドライエッチング方法であって、
前記第2の反応性ガスにNF 3 ガスが添加されていることを特徴とするドライエッチング方法。 A first step of disposing a substrate to be processed having a polysilicon layer and a metal layer including a barrier metal layer and a tungsten layer formed thereon on a susceptor in a reaction vessel;
A second step of reducing the pressure in the reaction vessel to a predetermined pressure;
A third step of applying a negative bias power to the susceptor;
Supplying a first reactive gas containing NF 3 gas into the reaction vessel, and forming a plasma in the reaction vessel to etch the metal layer;
After the completion of the fourth step, the gas in the reaction vessel is exhausted to supply a second reactive gas into the reaction vessel, and plasma is formed in the reaction vessel to form the polysilicon layer. the a dry etching method comprising a fifth step of etching,
A dry etching method, wherein NF 3 gas is added to the second reactive gas .
前記反応容器内を所定の圧力に減圧する第2のステップと、
前記サセプタに負のバイアス電力を印加する第3のステップと、
前記反応容器内に第1の反応性ガスを供給すると共に、前記反応容器内にプラズマを形成して、前記メタル層をエッチングする第4のステップと、
前記第4のステップの終了後に、前記反応容器内のガスを排気して前記反応容器内にNF3ガスを含む第2の反応性ガスを供給すると共に、前記反応容器内にプラズマを形成して、前記ポリシリコン層をエッチングする第5のステップと
を含むドライエッチング方法。A first step of disposing a substrate to be processed having a polysilicon layer and a metal layer including a barrier metal layer and a tungsten layer formed thereon on a susceptor in a reaction vessel;
A second step of reducing the pressure in the reaction vessel to a predetermined pressure;
A third step of applying a negative bias power to the susceptor;
A fourth step of supplying a first reactive gas into the reaction vessel and forming a plasma in the reaction vessel to etch the metal layer;
After completion of the fourth step, the gas in the reaction vessel is exhausted to supply a second reactive gas containing NF 3 gas into the reaction vessel, and plasma is formed in the reaction vessel. And a fifth step of etching the polysilicon layer.
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