JP4282391B2 - Manufacturing method of semiconductor device - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体装置の製造方法に関し、より詳細には、高誘電率絶縁膜上にゲート電極が形成された半導体装置の製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
近年、半導体集積回路装置における高集積化が大きく進展しており、MOS(Metal Oxide Semiconductor)型半導体装置では高集積化に対応するためのトランジスタ等の素子の微細化、高性能化が図られている。特に、MOS構造を構成する要素の一つであるゲート絶縁膜に関しては、上記トランジスタの微細化、高速動作および低電圧化に対応すべく薄膜化が急速に進んでいる。
【0003】
ゲート絶縁膜を構成する材料としては、従来よりシリコン酸化膜(SiO2膜)が用いられてきた。一方、ゲート電極の微細化に伴いゲート絶縁膜の薄膜化が進むと、キャリア(電子および正孔)がゲート絶縁膜を直接トンネリングすることによって生じるトンネル電流、すなわちゲートリーク電流が増大するようになる。例えば、130nmノードのデバイスで要求されるゲート絶縁膜の膜厚はSiO2膜で2nm程度であるが、この領域はトンネル電流が流れ始める領域である。したがって、ゲート絶縁膜としてSiO2膜を用いた場合には、ゲートリーク電流を抑制することができずに消費電力の増大を招くことになる。
【0004】
そこで、SiO2膜に代えて、より誘電率の高い材料をゲート絶縁膜として使用する研究が行われている。高誘電率の絶縁膜(以下、High−k膜という。)としては、従来、TiO2膜、Ta2O5膜およびAl2O5膜などが検討されてきたが、最近では、HfO2膜、HfAlOx膜およびHfSiOx膜などがシリコン上での安定性に優れていることから注目されている。
【0005】
図4は、ゲート絶縁膜としてHigh−k膜を用いた場合の従来法による電界効果トランジスタ(Field Effect Transistor)の製造工程を示す断面図である。
【0006】
シリコン基板401上に素子分離領域402,403を形成した後、熱酸化法によってSiO2膜404を形成する。次に、High−k膜405、ゲート電極としての多結晶シリコン膜406およびマスク材としてのSiO2膜407を順に成長させる。その後、ゲート電極の寸法均一性向上を目的として反射防止膜408を形成してから、フォトリソグラフィ法を用いてレジストパターン409を形成する(図4(a))。
【0007】
次に、レジストパターン409をマスクとして反射防止膜408、SiO2膜407をドライエッチングし、SiO2膜パターン410を形成する(図4(b))。
【0008】
次に、SiO2膜パターン410をマスクとして多結晶シリコン膜406をドライエッチングし、多結晶シリコン膜パターン411を形成する(図4(c))。
【0009】
最後に、High−k膜405およびSiO2膜404をエッチングすることによってゲート電極が完成する。
【0010】
ここで、High−k膜405をエッチングする方法としては、BCl3を用いてZr1−xAlxOyのドライエッチングを行う方法(例えば、非特許文献1参照。)や、Cl2、BCl3またはHClなどの塩素含有ガスを用いてAl2O3のドライエッチングを行う方法などの他に、フルオロカーボンガスまたはHBrおよびO2の混合ガスを用いてドライエッチングを行う方法などがある。
【0011】
【非特許文献1】
ケー・ペルホス(K.Pelhos)ら、「塩素含有プラズマ中における高誘電率の絶縁性Zr1−xAlxOy膜のエッチング(Etching of high−k dielectric Zr1−xAlxOy films inchlorine−containing plasmas)」、“Journal of Vacuum Science and Technology”、アメリカ真空学会、2001年7月/8月、A第19巻、 第4号、p.1361−1366
【0012】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、エッチングガスとしてハロゲンガスを用いた従来の方法では、High−k膜405をエッチングする際に多結晶シリコン膜パターン411もエッチングされてしまうために、所望の寸法を有するゲート電極が得られなくなるという問題があった(図4(d))。
【0013】
本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものである。即ち、本発明の目的は、High−k膜をエッチングする際に多結晶シリコン膜パターンがエッチングされるのを防いで、所望の寸法を有するゲート電極を形成することのできる半導体装置の製造方法を提供することにある。
【0014】
本発明の他の目的および利点は、以下の記載から明らかとなるであろう。
【0015】
【課題を解決するための手段】
本発明は、半導体基板上に、シリコンを含む酸化膜、高誘電率絶縁膜およびシリコンを含むゲート電極がこの順に形成された半導体装置の製造方法において、
三塩化ホウ素ガスおよび窒素ガスを用いて高誘電率絶縁膜をドライエッチングし、ドライエッチングの後に、シリコンを含む酸化膜と、ドライエッチングの際にゲート電極の側壁に形成された窒化ホウ素からなる膜とを除去することを特徴とするものである。
【0017】
また、本発明は、半導体基板上に、シリコンを含む酸化膜、高誘電率絶縁膜およびシリコンを含むゲート電極がこの順に形成された半導体装置の製造方法において、三塩化ホウ素ガスおよび窒素ガスを用いて高誘電率絶縁膜のドライエッチングを行い、シリコンを含む酸化膜が露出すると同時にドライエッチングを停止した後、臭化水素ガスおよび酸素ガスを用いて残りの高誘電率絶縁膜をドライエッチングすることを特徴とする。
【0018】
本発明においては、ドライエッチングの後に、シリコンを含む酸化膜と、ドライエッチングの際にゲート電極の側壁に形成された窒化ホウ素からなる膜とを除去することができる。
【0019】
また、本発明において、シリコンを含む酸化膜および窒化ホウ素からなる膜の除去は、フッ酸およびリン酸のいずれか一方を用いたウェットエッチングによって行うことができる。
【0020】
本発明において、高誘電率絶縁膜は、HfO2膜、HfAlOx膜およびHfSiOx膜よりなる群から選ばれる1の膜とすることができる。
【0021】
【発明の実施の形態】
実施の形態1.
図1(a)〜(e)は、本実施の形態による半導体装置の製造工程を示す断面図である。
【0022】
まず、半導体基板としてのシリコン基板101上に公知の方法を用いて素子分離領域102,103を形成した後、素子分離領域102と素子分離領域103によって挟まれた領域に、シリコンを含む酸化膜としてのSiO2膜104を形成する。SiO2膜104は、例えば熱酸化法などによって形成することができるが、他の方法によって形成されてもよい。また、SiO2膜104の膜厚は、例えば1nm程度とすることができる。
【0023】
次に、素子分離領域102,103およびSiO2膜104の上にHigh−k膜105を形成する。本発明において、High−k膜とは、SiO2膜よりも比誘電率の大きい絶縁膜をいう。High−k膜105としては、例えば、HfO2膜、HfAlOx膜またはHfSiOx膜などを用いることができる。尚、High−k膜105の膜厚は、例えば2nm〜3nm程度とすることができる。
【0024】
High−k膜105を形成した後は、この上に、ゲート電極となる多結晶シリコン膜106、マスク材となるSiO2膜107を順に形成する。多結晶シリコン膜106の膜厚は、例えば150nm程度とすることができる。また、SiO2膜107の膜厚は、例えば100nm程度とすることができる。
【0025】
SiO2膜107を形成した後は、この上に反射防止膜108を形成する。反射防止膜108は、次に形成するレジスト膜をパターニングする際に、レジスト膜を透過した露光光を吸収することによって、レジスト膜と反射防止膜との界面における露光光の反射をなくす役割を果たす。反射防止膜108としては有機物を主成分とする膜を用いることができ、例えば、スピンコート法などによって形成することができる。尚、本発明においては、反射防止膜はなくてもよい。
【0026】
次に、反射防止膜108の上にレジスト膜(図示せず)を形成し、フォトリソグラフィ法によって所望の線幅を有するレジストパターン109を形成する。以上の工程によって、図1(a)の構造が得られる。
【0027】
次に、図1(b)に示すように、ゲートマスクとなるSiO2膜パターン110を形成する。
【0028】
まず、図1(a)のレジストパターン109をマスクとして反射防止膜108,SiO2膜107をエッチングする。その後、不要となったレジストパターン109を除去する。尚、反射防止膜108のエッチングが進行してSiO2膜107が露出すると略同時に、レジストパターン109がエッチングによって消失するようにエッチング条件を設定してもよい。この場合、SiO2膜107のエッチングは、反射防止膜パターン(図示せず)をマスクとして行う。SiO2膜パターン110が形成された後は、例えば、酸素ガスを用いたプラズマ処理を行うことによって反射防止膜パターンを除去することができる。
【0029】
次に、SiO2膜パターン110をマスクとして、多結晶シリコン膜106のエッチングを行うことによって、図1(c)に示す構造が得られる。図において、多結晶シリコン膜パターン111はゲート電極であり、シリコン基板101上に、SiO2膜104、High−k膜105およびゲート電極がこの順に形成された構造を有する。
【0030】
次に、SiO2膜パターン110をマスクとしてHigh−k膜105のエッチングを行う。エッチングは、例えば、誘導結合による低圧高密度プラズマによって行うことができる。本実施の形態においては、エッチング雰囲気中にBCl3(三塩化ホウ素)ガスおよびN2(窒素)ガスを供給することにより、多結晶シリコン膜パターン111の側壁に側壁保護膜112を形成しつつ、High−k膜105のエッチングを行うことを特徴とする。以下、このことについて詳細に説明する。
【0031】
図2は、本実施の形態において使用されるドライエッチング装置の一例である。図に示すように、ドライエッチング装置200は、真空チャンバ201内に、下部電極202と、下部電極202と対向する位置に所定の間隔をおいて配置された上部電極203とを有する。下部電極202は高周波(RF)電源204に接続し、上部電極203は高周波(RF)電源205に接続している。
【0032】
下部電極202は基板載置台を兼ねており、シリコン基板206は下部電極202上に載置される。この際、シリコン基板206は、High−k膜(図示せず)が形成されている面が上部電極203に対向するようにして置かれる。尚、下部リング207は、下部電極202上でシリコン基板206を位置決めする役割を有する。
【0033】
真空チャンバ201には、エッチングガスGを供給するエッチングガス供給管208が接続している。上部電極203は内部に中空部(図示せず)を有し、エッチングガス供給管208から中空部にエッチングガスGが導入されるようになっている。また、上部電極203のシリコン基板206に対向する面には複数のガス噴出し口(図示せず)が設けられていて、中空部内のエッチングガスGはガス噴出し口から真空チャンバ201内に導入される。また、ガス噴出し口の周囲には、ガスの噴出し方向を制御するための板状部材209と、板状部材209を支持するための上部リング210とが設けられている。
【0034】
次に、図1および図2を参照しながら、High−k膜のエッチングを行う工程について説明する。
【0035】
まず、下部電極202の上にシリコン基板206を載置する。ここで、シリコン基板206は図1(c)の構造を有している。すなわち、シリコン基板101上には、SiO2膜104と、High−k膜105と、多結晶シリコン膜パターン111と、SiO2膜パターン110とがこの順に形成されている。そして、シリコン基板206は、これらの膜が形成されている面が上部電極203の側を向くようにして置かれる。
【0036】
次に、エッチングガスGを所定の流量で真空チャンバ201内に導入する。本実施の形態においては、エッチングガスGは、エッチングガス供給管208を通り、上部電極203の内部に設けられた中空部を経て、ガス噴出し口から真空チャンバ201内に入る。本実施の形態においては、エッチングガスGとして、BCl3ガスとN2ガスとの混合ガスを用いる。
【0037】
次に、上部電極203および下部電極202にそれぞれ高周波を印加すると、プラズマ放電域211に到達したエッチングガスがプラズマ化する。これにより、エッチング雰囲気中にはBCl3とN2との反応によってBxNy(窒化ホウ素)が生成し、これが多結晶シリコン膜パターン111の側壁に付着する。BxNy膜は非常に硬質な膜であり、側壁保護膜として十分な物理的強度を有している。
【0038】
また、BCl3ガスはHigh−k膜111の加工に適していることから、BxNyの付着によって側壁保護膜112が形成される一方で、High−k膜105のエッチングも進行する。この際、多結晶シリコン膜パターン111の側壁は側壁保護膜112が形成されているために、High−k膜105とともに多結晶シリコン膜パターン111の側壁がエッチングされることはない。したがって、ゲート電極のサイドエッチングを抑制しつつHigh−k膜105のエッチングを行うことが可能となる。図1(d)は、High−k膜105のエッチングが終了した後の半導体装置の断面図である。
【0039】
尚、エッチングにより発生したガスや余剰のエッチングガスGなどは、図2に示す排気口212から真空チャンバ201の外へ排出される。
【0040】
High−k膜105のエッチング終了後は、フッ酸溶液またはリン酸溶液を用いたウェットエッチング法によって、SiO2膜104とともに、不要となった側壁保護膜112を除去する。
【0041】
以上の工程によって、図1(e)に示す構造を得ることができる。
【0042】
本実施の形態によれば、BCl3ガスおよびCl2ガスを用いてHigh−k膜のエッチングを行うことにより、多結晶シリコン膜パターンの側壁に側壁保護膜を形成しながら、High−k膜のエッチングを行うことができる。したがって、多結晶シリコン膜パターンのサイドエッチングを防いで、所望の寸法を有するゲート電極を形成することが可能となる。
【0043】
尚、本実施の形態におけるHigh−k膜105のエッチング工程では、まず、ドライエッチング装置200の上部電極203にのみ高周波を印加して側壁保護膜BxNyを形成した後、上部電極203および下部電極202に高周波を印加してHigh−k膜105のエッチングを行ってもよい。上部電極203にのみ高周波を印加することによって、BCl3とN2とを反応させてBxNyを生成することができる。生成したBxNyは多結晶シリコン膜パターン111の側壁に付着して側壁保護膜112を形成する。次に、下部電極202にも高周波を印加すると、プラズマ化したエッチングガスがシリコン基板206側に引き寄せられるのでHigh−k膜105のエッチングを行うことができる。このように、先に側壁保護膜112が形成されやすい条件に設定した後にHigh−k膜105のエッチングを行うことによって、より効果的にサイドエッチングを防ぐことが可能となる。
【0044】
また、本実施の形態におけるドライエッチング装置は、プラズマ生成部と半導体基板へのイオンエネルギー制御部とにそれぞれ独立したRF電源を有する装置であれば図2に示す以外の装置を用いてもよい。
【0045】
実施の形態2.
本実施の形態では、High−k膜のエッチング工程を2段階に分けて行うことを特徴とする。
【0046】
図2および図3を用いて、本実施の形態によるHigh−k膜のエッチング方法を説明する。
【0047】
まず、実施の形態1で説明した図1(a)〜図1(c)に示す方法と同様にして、半導体基板としてのシリコン基板301上に素子分離領域302,303を形成した後、SiO2膜304、High−k膜305を介して、多結晶シリコン膜パターン311およびSiO2膜パターン310を形成する(図3(a))。ここで、High−k膜305としては、実施の形態1と同様に、HfO2膜、HfAlOx膜またはHfSiOx膜などを用いることができる。
【0048】
次に、High−k膜305のエッチングを行う。本発明においては、実施の形態1で説明したドライエッチング装置(図2)と同様の装置を用いることができる。尚、プラズマ生成部と半導体基板へのイオンエネルギー制御部とにそれぞれ独立したRF電源を有する装置であれば他のドライエッチング装置を用いてもよい。
【0049】
まず、下部電極202の上にシリコン基板206を載置する。この際、シリコン基板206は、SiO2膜パターン(図示せず)が上部電極203の側を向くようにして載置する。尚、本実施の形態において、シリコン基板206は、図3(a)に示すように、シリコン基板301上に、SiO2膜304、High−k膜305およびゲート電極としての多結晶シリコン膜パターン311がこの順に形成された構造を有している。
【0050】
次に、エッチングガスGとして、BCl3ガスとN2ガスとの混合ガスを所定の流量で真空チャンバ201内に導入する。具体的には、エッチングガスGは、エッチングガス供給管208を通り、上部電極203の内部に設けられた中空部(図示せず)を経て、ガス噴出し口(図示せず)から真空チャンバ201内に入る。
【0051】
次に、上部電極203および下部電極202にそれぞれ高周波を印加すると、プラズマ放電域211に到達したエッチングガスがプラズマ化する。この際、プラズマ雰囲気中には、BCl3とN2との反応によってBxNyが生成し、これが多結晶シリコン膜パターン311の側壁に付着することによって側壁保護膜312を形成する。また、同時に、High−k膜305はBCl3ガスによってエッチングされる。
【0052】
本実施の形態においては、High−k膜305がエッチングされ、下地のSiO2膜304の一部が露出したところでエッチングを停止する。この際、High−k膜305のエッチングが完全に終了している必要はなく、例えば、図3(b)に示すように、部分的にHgih−k膜305が残っている状態であってよい。
【0053】
次に、エッチングガスGをSiO2膜との選択比が大きいガスに変え、所定の流量で真空チャンバ201内に導入する。例えば、HBr(臭化水素)ガスとO2(酸素)ガスとの混合ガスを用いることができる。そして、引き続きHigh−k膜305のエッチングを行う。SiO2膜との選択比の大きいエッチングガスを使用することによって、SiO2膜304のエッチングを抑制しながら残りのHigh−k膜305をエッチングすることができる。
【0054】
尚、エッチングにより発生したガスや余剰のエッチングガスGは、実施の形態1と同様に、図2に示す排気口212から真空チャンバ201の外へ排出される。
【0055】
以上の工程によって、図3(c)に示す構造を得ることができる。この後、フッ酸溶液またはリン酸溶液を用いたウェットエッチング法によりSiO2膜304および側壁保護膜312を除去することによってゲート電極構造が完成する(図3(d))。
【0056】
本実施の形態によれば、エッチングガスとしてBCl3ガスおよびN2ガスを用いることによって、側壁保護膜を形成しながらHigh−k膜のエッチングを行うので、多結晶シリコン膜パターンのサイドエッチングを防いで所望の寸法を有するゲート電極を形成することができる。
【0057】
また、本実施の形態によれば、High−k膜のエッチングを下地であるSiO2膜が露出したところでエッチングを一旦停止し、エッチングガスをSiO2膜との選択比の大きいものに変えてから再びHigh−k膜のエッチングを行うことによって、SiO2膜がエッチングされるのを抑制しながらHigh−k膜のエッチングを進めることができる。
【0058】
実施の形態1および2においては、ゲート電極材料として多結晶シリコン膜を用いた例について述べたが、本発明はこれに限られるものではない。アモルファスシリコンまたはシリコンゲルマニウムなどのシリコンを含む膜であれば、ゲート電極材料として用いることができる。また、多層構造を有するゲート電極であって、その一部に多結晶シリコン膜、アモルファスシリコン膜またはシリコンゲルマニウム膜などが含まれていてもよい。
【0059】
実施の形態1および2においては、High−k膜の下地膜としてSiO2膜を用いた例について示したが、本発明はこれに限られるものではない。High−k膜の下地膜はシリコンを含む酸化膜であればよく、例えばシリコン酸窒化膜などを用いてもよい。
【0060】
また、実施の形態1および2においては、トランジスタのゲート絶縁膜にHigh−k膜を用いた例について述べたが、本発明はこれに限られるものではない。例えば、受動素子としてのキャパシタ膜にHigh−k膜を用いた例にも適用することが可能である。
【0061】
【発明の効果】
本発明によれば、エッチングガスとしてBCl3ガスおよびN2ガスを用いることにより、側壁保護膜を形成しながらHigh−k膜のエッチングを行うことができるので、ゲート電極のサイドエッチングを防止して所望の寸法を有するゲート電極を形成することが可能となる。
【0062】
また、本発明によれば、High−k膜のエッチングを、BCl3ガスおよびN2ガスを用いるエッチングと、下地のSiO2膜に対する選択比が大きいガスを用いるエッチングとに分けて行うことにより、ゲート電極のサイドエッチングを防止するとともに、SiO2膜がエッチングされるのを抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 (a)〜(e)は、実施の形態1による半導体装置の製造工程を示す断面図である。
【図2】 本発明で使用されるドライエッチング装置の一例である。
【図3】 (a)〜(d)は、実施の形態2による半導体装置の製造工程を示す断面図である。
【図4】 (a)〜(d)は、従来の半導体装置の製造工程を示す断面図である。
【符号の説明】
101,206,301,401 シリコン基板、 102,103,302,303,402,403 素子分離領域、 111,311,411 多結晶シリコン膜パターン、 104,107,304,404,407 SiO2膜、 105,305,405 High−k膜、 106,406 多結晶シリコン膜、 108,408 反射防止膜、 109,409 レジストパターン、 110,310,410 SiO2膜パターン、 112,312 側壁保護膜、 200 ドライエッチング装置、 201 真空チャンバ、 202 下部電極、 203 上部電極、 204,205 高周波電源、 207 下部リング、 208 エッチングガス供給管、 209 板状部材、 210 状部リング、 211 プラズマ放電域、 212 排気口。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a method for manufacturing a semiconductor device, and more particularly to a method for manufacturing a semiconductor device in which a gate electrode is formed on a high dielectric constant insulating film.
[0002]
[Prior art]
2. Description of the Related Art In recent years, high integration in semiconductor integrated circuit devices has greatly advanced, and in a MOS (Metal Oxide Semiconductor) type semiconductor device, elements such as transistors and the like for achieving high integration have been miniaturized and improved in performance. Yes. In particular, with regard to the gate insulating film which is one of the elements constituting the MOS structure, the thinning is rapidly progressing to cope with the miniaturization, high speed operation and low voltage of the transistor.
[0003]
As a material constituting the gate insulating film, a silicon oxide film (SiO 2 film) has been conventionally used. On the other hand, when the gate insulating film becomes thinner with the miniaturization of the gate electrode, the tunnel current generated by the carriers (electrons and holes) directly tunneling through the gate insulating film, that is, the gate leakage current increases. . For example, the thickness of the gate insulating film required for a 130 nm node device is about 2 nm for a SiO 2 film, but this region is a region where a tunnel current starts to flow. Therefore, when the SiO 2 film is used as the gate insulating film, the gate leakage current cannot be suppressed and the power consumption is increased.
[0004]
In view of this, research has been conducted in which a material having a higher dielectric constant is used as the gate insulating film instead of the SiO 2 film. As an insulating film having a high dielectric constant (hereinafter referred to as a High-k film), a TiO 2 film, a Ta 2 O 5 film, an Al 2 O 5 film, and the like have been conventionally studied, but recently, an HfO 2 film is used. , HfAlO x films, HfSiO x films, and the like are attracting attention because of their excellent stability on silicon.
[0005]
FIG. 4 is a cross-sectional view showing a manufacturing process of a field effect transistor according to a conventional method when a high-k film is used as a gate insulating film.
[0006]
After
[0007]
Next, the
[0008]
Next, the
[0009]
Finally, the high-
[0010]
Here, as a method of etching the High-
[0011]
[Non-Patent Document 1]
K. Pelhos et al., “Etching of high-k dielectric Zr 1-x Al x O y films indexline, in a high dielectric constant Zr 1-x Al x O y film in a chlorine-containing plasma. -Containing plasma) "," Journal of Vacuum Science and Technology ", American Vacuum Society, July / August 2001, A 19, Vol. 4, No. 4, p. 1361-1366
[0012]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the conventional method using a halogen gas as an etching gas, the polycrystalline
[0013]
The present invention has been made in view of such problems. That is, an object of the present invention is to provide a method of manufacturing a semiconductor device capable of preventing a polycrystalline silicon film pattern from being etched when a high-k film is etched and forming a gate electrode having a desired dimension. It is to provide.
[0014]
Other objects and advantages of the present invention will become apparent from the following description.
[0015]
[Means for Solving the Problems]
The present invention provides a semiconductor device manufacturing method in which an oxide film containing silicon, a high dielectric constant insulating film, and a gate electrode containing silicon are formed in this order on a semiconductor substrate.
A high dielectric constant insulating film is dry-etched using boron trichloride gas and nitrogen gas, and after dry etching, an oxide film containing silicon and a film made of boron nitride formed on the side wall of the gate electrode during dry etching And are removed .
[0017]
The present invention also provides a method for manufacturing a semiconductor device in which an oxide film containing silicon, a high dielectric constant insulating film, and a gate electrode containing silicon are formed in this order on a semiconductor substrate, using boron trichloride gas and nitrogen gas. After dry etching of the high dielectric constant insulating film, the dry etching is stopped at the same time as the oxide film containing silicon is exposed, and then the remaining high dielectric constant insulating film is dry etched using hydrogen bromide gas and oxygen gas. It is characterized by.
[0018]
In the present invention, after dry etching, the oxide film containing silicon and the film made of boron nitride formed on the side wall of the gate electrode during dry etching can be removed.
[0019]
In the present invention, removal of the oxide film containing silicon and the film made of boron nitride can be performed by wet etching using either hydrofluoric acid or phosphoric acid.
[0020]
In the present invention, the high dielectric constant insulating film can be one film selected from the group consisting of an HfO 2 film, an HfAlO x film, and an HfSiO x film.
[0021]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiment 1 FIG.
1A to 1E are cross-sectional views illustrating the manufacturing steps of the semiconductor device according to the present embodiment.
[0022]
First,
[0023]
Next, a high-
[0024]
After the high-
[0025]
After the SiO 2 film 107 is formed, an
[0026]
Next, a resist film (not shown) is formed on the
[0027]
Next, as shown in FIG. 1B, a SiO 2 film pattern 110 to be a gate mask is formed.
[0028]
First, the
[0029]
Next, the structure shown in FIG. 1C is obtained by etching the
[0030]
Next, the high-
[0031]
FIG. 2 is an example of a dry etching apparatus used in this embodiment. As shown in the figure, a
[0032]
The
[0033]
An etching
[0034]
Next, the process of etching the High-k film will be described with reference to FIGS.
[0035]
First, the
[0036]
Next, the etching gas G is introduced into the
[0037]
Next, when a high frequency is applied to each of the
[0038]
Further, since the BCl 3 gas is suitable for processing the High-
[0039]
Note that gas generated by etching, excess etching gas G, and the like are discharged out of the
[0040]
After the etching of the High-
[0041]
Through the above steps, the structure shown in FIG. 1E can be obtained.
[0042]
According to the present embodiment, by etching the High-k film using BCl 3 gas and Cl 2 gas, the sidewall protective film is formed on the sidewall of the polycrystalline silicon film pattern, and the High-k film is formed. Etching can be performed. Therefore, side etching of the polycrystalline silicon film pattern can be prevented and a gate electrode having a desired dimension can be formed.
[0043]
In the etching process of the high-
[0044]
In addition, the dry etching apparatus in this embodiment may use an apparatus other than that shown in FIG. 2 as long as the apparatus has independent RF power sources for the plasma generation unit and the ion energy control unit for the semiconductor substrate.
[0045]
Embodiment 2. FIG.
This embodiment is characterized in that the etching process of the high-k film is performed in two stages.
[0046]
A method of etching a High-k film according to the present embodiment will be described with reference to FIGS.
[0047]
First, in the same manner as the method shown in FIGS. 1A to 1C described in the first embodiment,
[0048]
Next, the high-
[0049]
First, the
[0050]
Next, as an etching gas G, a mixed gas of BCl 3 gas and N 2 gas is introduced into the
[0051]
Next, when a high frequency is applied to each of the
[0052]
In the present embodiment, the etching is stopped when the High-
[0053]
Next, the etching gas G is changed to a gas having a high selectivity with respect to the SiO 2 film, and is introduced into the
[0054]
Note that the gas generated by the etching and the surplus etching gas G are discharged out of the
[0055]
Through the above steps, the structure shown in FIG. 3C can be obtained. Thereafter, the SiO 2 film 304 and the sidewall
[0056]
According to the present embodiment, by using BCl 3 gas and N 2 gas as the etching gas, the high-k film is etched while forming the sidewall protective film, so that side etching of the polycrystalline silicon film pattern is prevented. Thus, a gate electrode having a desired dimension can be formed.
[0057]
Further, according to the present embodiment, the etching of the High-k film is temporarily stopped when the underlying SiO 2 film is exposed, and the etching gas is changed to one having a high selectivity with respect to the SiO 2 film. By etching the High-k film again, the etching of the High-k film can proceed while suppressing the etching of the SiO 2 film.
[0058]
In Embodiments 1 and 2, the example using a polycrystalline silicon film as the gate electrode material has been described, but the present invention is not limited to this. Any film containing silicon such as amorphous silicon or silicon germanium can be used as the gate electrode material. In addition, the gate electrode may have a multilayer structure, and a part thereof may include a polycrystalline silicon film, an amorphous silicon film, a silicon germanium film, or the like.
[0059]
In the first and second embodiments, the example in which the SiO 2 film is used as the base film of the High-k film is shown, but the present invention is not limited to this. The base film of the high-k film may be an oxide film containing silicon, and for example, a silicon oxynitride film may be used.
[0060]
In Embodiments 1 and 2, the example in which the High-k film is used as the gate insulating film of the transistor has been described, but the present invention is not limited to this. For example, the present invention can be applied to an example in which a high-k film is used as a capacitor film as a passive element.
[0061]
【The invention's effect】
According to the present invention, by using BCl 3 gas and N 2 gas as the etching gas, the High-k film can be etched while forming the side wall protective film, so that side etching of the gate electrode is prevented. A gate electrode having a desired dimension can be formed.
[0062]
Further, according to the present invention, the etching of the High-k film is performed by dividing into etching using BCl 3 gas and N 2 gas and etching using a gas having a high selectivity with respect to the underlying SiO 2 film, Side etching of the gate electrode can be prevented, and etching of the SiO 2 film can be suppressed.
[Brief description of the drawings]
FIGS. 1A to 1E are cross-sectional views illustrating manufacturing steps of a semiconductor device according to a first embodiment.
FIG. 2 is an example of a dry etching apparatus used in the present invention.
FIGS. 3A to 3D are cross-sectional views illustrating the manufacturing steps of the semiconductor device according to the second embodiment. FIGS.
FIGS. 4A to 4D are cross-sectional views showing a manufacturing process of a conventional semiconductor device. FIGS.
[Explanation of symbols]
101, 206, 301, 401 Silicon substrate, 102, 103, 302, 303, 402, 403 Element isolation region, 111, 311, 411 Polycrystalline silicon film pattern, 104, 107, 304, 404, 407 SiO 2 film, 105 305,405 High-k film, 106,406 Polycrystalline silicon film, 108,408 Antireflection film, 109,409 Resist pattern, 110,310,410 SiO 2 film pattern, 112,312 Side wall protective film, 200 Dry etching Apparatus, 201 vacuum chamber, 202 lower electrode, 203 upper electrode, 204, 205 high frequency power supply, 207 lower ring, 208 etching gas supply pipe, 209 plate member, 210 shaped part ring, 211 plasma discharge area, 212 exhaust port.
Claims (5)
三塩化ホウ素ガスおよび窒素ガスを用いて前記高誘電率絶縁膜をドライエッチングし、前記ドライエッチングの後に、前記シリコンを含む酸化膜と、前記ドライエッチングの際に前記ゲート電極の側壁に形成された窒化ホウ素からなる膜とを除去することを特徴とする半導体装置の製造方法。 In a semiconductor device manufacturing method in which an oxide film containing silicon, a high dielectric constant insulating film, and a gate electrode containing silicon are formed in this order on a semiconductor substrate,
The high dielectric constant insulating film is dry-etched using boron trichloride gas and nitrogen gas, and after the dry etching, the silicon-containing oxide film and the sidewall of the gate electrode are formed during the dry etching. A method of manufacturing a semiconductor device, comprising removing a film made of boron nitride .
三塩化ホウ素ガスおよび窒素ガスを用いて前記高誘電率絶縁膜のドライエッチングを行い、前記シリコンを含む酸化膜が露出すると同時に前記ドライエッチングを停止した後、臭化水素ガスおよび酸素ガスを用いて残りの前記高誘電率絶縁膜をドライエッチングすることを特徴とする半導体装置の製造方法。In a semiconductor device manufacturing method in which an oxide film containing silicon, a high dielectric constant insulating film, and a gate electrode containing silicon are formed in this order on a semiconductor substrate,
The high dielectric constant insulating film is dry-etched using boron trichloride gas and nitrogen gas, and the dry etching is stopped simultaneously with the exposure of the oxide film containing silicon, and then hydrogen bromide gas and oxygen gas are used. A method of manufacturing a semiconductor device, comprising dry-etching the remaining high dielectric constant insulating film.
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