JPH05275391A - Reactive ion etching method - Google Patents
Reactive ion etching methodInfo
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- JPH05275391A JPH05275391A JP7078792A JP7078792A JPH05275391A JP H05275391 A JPH05275391 A JP H05275391A JP 7078792 A JP7078792 A JP 7078792A JP 7078792 A JP7078792 A JP 7078792A JP H05275391 A JPH05275391 A JP H05275391A
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Abstract
(57)【要約】
【目的】 高速、高集積な半導体集積回路を構成する上
で必要な、高精度かつ微細なポリサイド薄膜のゲートパ
ターンをゲート酸化膜に対する高い選択加工性を維持し
て安定に形成することを可能とする。
【構成】 ポリサイド薄膜のゲートパターン形成におい
て、各薄膜の物性によりエッチング特性が制御可能な反
応性プラズマとして塩素ガスに酸素ガスを混合して電子
サイクロトロン共鳴により形成されるECRプラズマを
用い、シリサイド薄膜のエッチングを珪素薄膜が露出す
るまで行った後、酸素ガスの供給を停止し、塩素ガスだ
けのECRプラズマを用いて珪素薄膜のエッチングおよ
びオーバーエッチングを行う。
(57) [Abstract] [Purpose] Stable and precise gate pattern of polycide thin film required for constructing a high-speed and highly integrated semiconductor integrated circuit while maintaining high selective processability for the gate oxide film. It is possible to form. In forming a gate pattern of a polycide thin film, an ECR plasma formed by electron cyclotron resonance by mixing oxygen gas with chlorine gas is used as a reactive plasma whose etching characteristics can be controlled by the physical properties of each thin film. After the etching is performed until the silicon thin film is exposed, the supply of oxygen gas is stopped, and the silicon thin film is etched and over-etched using ECR plasma containing only chlorine gas.
Description
【0001】[0001]
【産業上の利用分野】本発明は半導体集積回路などの電
子デバイスの製造において、試料基板上に各種材料の微
細パターンを形成するためのエッチング方法に関係し、
特にマイクロ波による電子サイクロトロン共鳴により生
成されるECRプラズマを用いて、高融点金属と珪素の
合金であるシリサイド薄膜および珪素薄膜から構成され
るポリサイド薄膜の高精度な微細パターンを下地への損
傷なく高い選択比を持たせて形成するイオンエッチング
方法に関係する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an etching method for forming a fine pattern of various materials on a sample substrate in the production of electronic devices such as semiconductor integrated circuits.
In particular, by using ECR plasma generated by electron cyclotron resonance with microwaves, a highly precise fine pattern of a polycide thin film composed of a silicide thin film which is an alloy of refractory metal and silicon and a silicon thin film can be enhanced without damaging the base. The present invention relates to an ion etching method for forming with a selective ratio.
【0002】[0002]
【従来の技術】半導体集積回路などの電子デバイスの高
性能化や高集積化が活発に検討されている。MOS(Me
tal Oxide Semiconductor )デバイスのゲート金属パタ
ーン形成では、高速動作するデバイスに対するゲート電
極として、一般に広く使用されてきた珪素薄膜に代わ
り、上層に高融点金属と珪素との化合物薄膜(シリサイ
ド薄膜)を用いて下層を珪素薄膜とした2層薄膜(ポリ
サイド薄膜)の利用が検討されている。このような、多
層膜を用いた電極を微細かつ高精度に形成するために、
半導体材料や金属材料の微細パターン形成を材料の物性
を考慮して高精度かつ安定に行うことができるエッチン
グ方法が望まれている。2. Description of the Related Art Higher performance and higher integration of electronic devices such as semiconductor integrated circuits have been actively studied. MOS (Me
tal Oxide Semiconductor) In the formation of gate metal patterns for devices, a compound thin film (silicide thin film) of a refractory metal and silicon is used as the upper layer in place of the silicon thin film that has been widely used as a gate electrode for high-speed devices. The use of a two-layer thin film (polycide thin film) in which the lower layer is a silicon thin film is being studied. In order to form such an electrode using a multilayer film in a fine and highly accurate manner,
There is a demand for an etching method capable of highly accurately and stably forming a fine pattern of a semiconductor material or a metal material in consideration of the physical properties of the material.
【0003】このポリサイド薄膜のゲートパターン形成
において、一種類のエッチングガス(単一ガスまたは混
合ガス)から形成される反応性プラズマを用いた場合、
上記シリサイド薄膜と上記珪素薄膜とでは反応性が異な
るためにアンダーカットやエッチング残りなどが生じる
のでポリサイド薄膜として垂直な形状を持った高精度な
微細パターンを得ることは困難である。さらにゲート金
属材料の下にはデバイス特性の基本となる薄いゲート酸
化膜(酸化珪素;100Å程度)があるためにパターン形成
完了時にゲート酸化膜が損傷されないようにゲート電極
とゲート酸化膜との選択性を十分に付与してエッチング
を行う必要があるので、一種類のエッチングガスから形
成される反応性プラズマでは、ポリサイド薄膜を,用い
たゲート電極の形成は困難である。In the gate pattern formation of this polycide thin film, when reactive plasma formed from one kind of etching gas (single gas or mixed gas) is used,
Since the silicide thin film and the silicon thin film have different reactivities, undercuts, etching residues and the like occur, so that it is difficult to obtain a highly precise fine pattern having a vertical shape as a polycide thin film. Furthermore, since there is a thin gate oxide film (silicon oxide; about 100Å) under the gate metal material that is the basis of device characteristics, the gate electrode and gate oxide film are selected so that the gate oxide film is not damaged when pattern formation is completed. Since it is necessary to give sufficient properties to perform etching, it is difficult to form a gate electrode using a polycide thin film with a reactive plasma formed from one type of etching gas.
【0004】従来、上記ポリサイドのゲートパターン形
成では、イオン衝撃反応とパターン側壁のエッチング
(アンダーカット)を抑制する付着反応とを利用した反
応性イオンエッチング法(RIE)によるエッチング方
法が用いられていた。この方法は、高精度なゲートパタ
ン形成が可能であるという利点がある。例えば反応性ガ
スとして六フッ化硫黄(SF6)とフレオン115(C2F5C
l)の混合ガスを用いた場合については下記の刊行物、
即ち、S.E.Clark, J.-K.Tsung and J.W.Marolf," Depos
ition and Patterning of Tungsten and Tantalum Poly
cides " SolidState Technol., vol.27(4), p.235, 198
4 において詳細に記載されている。反応性プラズマ中
で形成されるフロロカーボン(CF2など)は容易に重合
反応を起こすために、上記付着反応の反応種として用い
られる。Conventionally, in the polycide gate pattern formation, an etching method by a reactive ion etching method (RIE) utilizing an ion bombardment reaction and an attachment reaction for suppressing etching (undercut) of the pattern side wall has been used. .. This method has an advantage that a highly accurate gate pattern can be formed. For example, as reactive gases, sulfur hexafluoride (SF 6 ) and Freon 115 (C 2 F 5 C
The following publications for the case of using l) mixed gas,
That is, SEClark, J.-K.Tsung and JWMarolf, "Depos
ition and Patterning of Tungsten and Tantalum Poly
cides "SolidState Technol., vol.27 (4), p.235, 198
It is described in detail in 4. Fluorocarbon (CF 2 etc.) formed in the reactive plasma is used as a reaction species of the above-mentioned adhesion reaction because it easily causes a polymerization reaction.
【0005】しかし、反応性イオンエッチング法ではイ
オンエネルギーが 100 eV 以上と高いためにスパッタリ
ングによるゲート酸化膜のエッチング速度が大きいこと
に加えて、フロロカーボンの存在はイオン衝撃反応より
ゲート酸化膜のエッチングを加速するのでエッチングの
選択性を十分にとることは困難であった。さらに、地球
環境問題への対策として特定フロン規制の対象となるフ
レオンを含まないガス種とする必要がある。However, in the reactive ion etching method, since the ion energy is as high as 100 eV or more, the etching rate of the gate oxide film by sputtering is high, and the presence of fluorocarbon causes the etching of the gate oxide film by the ion bombardment reaction. Since it is accelerated, it is difficult to obtain sufficient etching selectivity. Furthermore, as a measure against global environmental problems, it is necessary to use a gas type that does not contain Freon and is subject to specific CFC regulations.
【0006】上述の2つのエッチング方法に対して、特
にゲート電極膜が珪素薄膜で構成されるゲートパターン
形成においては特開昭60-120525号公報により開示され
ているECR反応性イオンエッチング法を用いることに
より高い選択性を付与した高精度なエッチングが可能と
なった。ECR反応性イオンエッチング法については下
記の刊行物、即ち、T.Ono, M.Oda, C.Takahashi and S.
Matsuo, "Reactiveion stream etching utilizing elec
tron cyclotron resonance plasma" J.Vac.Sci.Techno
l., Vol.4, p.696, 1986 において詳細に記載されてい
る。上記ECR反応性イオンエッチング法においては、
反応性プラズマはマイクロ波を用いた電子サイクロトロ
ン共鳴(ECR)放電を利用して 10-4〜10-2 Torr (1
0-2〜1Pa)程度の低ガス圧で効率的に生成されるECR
プラズマであること、上記ECRプラズマが発散磁界を
用いてプラズマ流としてエッチング表面まで引き出され
るためにイオンエネルギーが 20 eV 程度と低いこと、
さらに、エッチングガスとして例えば塩素ガスのよう
な、珪素に対して中性ラジカルの反応性は比較的低いけ
れども低エネルギーイオンのイオン衝撃作用により容易
にエッチングを促進するハロゲンガスを使用することを
特徴とする。上記特徴を有するECR反応性イオンエッ
チング法は酸化珪素薄膜のエッチング速度を極めて低く
抑えてアンダーカットが発生しない高精度なエッチング
が可能であり、ゲート酸化膜の膜厚が 100 Å 以下の高
性能なMOSデバイスの珪素薄膜ゲートパターン形成に
おいて有効なエッチング方法である。In contrast to the above-mentioned two etching methods, the ECR reactive ion etching method disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 60-120525 is used especially for forming a gate pattern in which the gate electrode film is a silicon thin film. This made it possible to perform highly precise etching with high selectivity. Regarding the ECR reactive ion etching method, the following publications, T. Ono, M. Oda, C. Takahashi and S.
Matsuo, "Reactiveion stream etching utilizing elec
tron cyclotron resonance plasma "J.Vac.Sci.Techno
l., Vol. 4, p. 696, 1986. In the above ECR reactive ion etching method,
Reactive plasma utilizes electron cyclotron resonance (ECR) discharge using microwave to generate 10 -4 to 10 -2 Torr (1
ECR efficiently generated at a low gas pressure of 0 -2 to 1 Pa)
It is plasma, and the ion energy is as low as about 20 eV because the above ECR plasma is drawn out to the etching surface as a plasma flow using a divergent magnetic field.
Further, as an etching gas, a halogen gas such as chlorine gas, which has relatively low reactivity of neutral radicals with respect to silicon but facilitates etching by ion bombardment action of low energy ions, is used. To do. The ECR reactive ion etching method, which has the above characteristics, can control the etching rate of a silicon oxide thin film to an extremely low level and perform highly accurate etching without undercutting, and has a high performance of a gate oxide film thickness of 100 Å or less. This is an effective etching method for forming a silicon thin film gate pattern of a MOS device.
【0007】しかし、上述の塩素ガスを用いたECR反
応性イオンエッチング法をポリサイドゲート薄膜のエッ
チングに適用した場合、例えばタングステンポリサイド
についてはタングステンシリサイドに塩素ラジカルと反
応し易いタングステンが含まれているために塩化タング
ステンが形成される結果ある程度のアンダーカットが発
生し、また塩化タングステンは比較的揮発性が低いため
にエッチング残りが発生し易いので高精度なエッチング
を安定に行うことは困難であった。However, when the above-mentioned ECR reactive ion etching method using chlorine gas is applied to the etching of a polycide gate thin film, for example, for tungsten polycide, tungsten silicide contains tungsten that easily reacts with chlorine radicals. As a result of the formation of tungsten chloride, some undercut occurs, and since tungsten chloride is relatively low in volatility, etching residue is likely to occur, so it is difficult to perform highly accurate etching stably. It was
【0008】[0008]
【発明が解決しようとする課題】本願発明は以上述べた
ように、ポリサイドゲート電極を高精度かつゲート酸化
膜に対して大きなエッチング選択比を持って形成できな
いという問題点を解決するためになされたもので、その
目的は、高速、高集積な半導体集積回路を構成する上で
必要なポリサイド薄膜のゲートパターン形成においてエ
ッチング特性を被エッチング材料の物性を考慮して制御
することにより、高精度な微細パターンをゲート酸化膜
に対する高い選択性も付与して安定に形成することを可
能とする反応性イオンエッチング方法を提供することに
ある。As described above, the present invention has been made to solve the problem that the polycide gate electrode cannot be formed with high precision and a large etching selection ratio with respect to the gate oxide film. The purpose of this is to control the etching characteristics in the gate pattern formation of the polycide thin film, which is necessary for constructing a high-speed and highly integrated semiconductor integrated circuit, in consideration of the physical properties of the material to be etched, thereby achieving high accuracy. It is an object of the present invention to provide a reactive ion etching method capable of stably forming a fine pattern with high selectivity for a gate oxide film.
【0009】[0009]
【課題を解決するための手段】適度に低いエネルギーの
イオン衝撃効果を期待できるECR反応性イオンエッチ
ング法における上記エッチング残りの抑制については酸
素ガスの混合が有効な方法である。塩素ガスと酸素ガス
の混合ガスから形成された反応性プラズマではエッチン
グ特性は被エッチング材料の塩化酸化物の揮発性に依存
する。上記ECR反応性イオンエチング法においては、
例えばタングステンと類似の物性を持つ高融点金属のモ
リブデンではエッチング速度を低下させずに塩素ガスに
対して等量以上もの酸素ガスが混合可能であるが、珪素
薄膜とほぼ同じエッチング特性を示す単結晶珪素では 5
% 程度と低い。上述の酸素ガスを混合したエッチング
特性については、それぞれ以下の刊行物、即ち、前者は
上述の T.Onoらによる文献、後者は高橋、松尾,”EC
Rイオン流エッチングにおける反応生成物(SiClx)の
役割 ”,第51回秋季応用物理学会講演予稿集(秋),
26p-ZF-6, p.464,1990 に記載されている。Mixing of oxygen gas is an effective method for suppressing the above etching residue in the ECR reactive ion etching method which can expect an ion bombardment effect of moderately low energy. In a reactive plasma formed from a mixed gas of chlorine gas and oxygen gas, the etching characteristics depend on the volatility of chloride oxide of the material to be etched. In the above ECR reactive ion etching method,
For example, molybdenum, which is a refractory metal with physical properties similar to tungsten, can mix an equal amount or more of oxygen gas with chlorine gas without lowering the etching rate, but a single crystal showing almost the same etching characteristics as a silicon thin film. 5 for silicon
Low as low as%. Regarding the etching characteristics mixed with the above-mentioned oxygen gas, the following publications are referred to respectively, the former is the above-mentioned article by T. Ono et al. And the latter is Takahashi, Matsuo, “EC.
Role of reaction product (SiClx) in R ion flow etching ", Proc. Of the 51st Autumn Meeting of Applied Physics (Autumn),
26p-ZF-6, p.464, 1990.
【0010】さらに、高融点金属と珪素の合金であるシ
リサイド薄膜については、塩素ガスと酸素ガスの混合ガ
スによるエッチング特性は上述の高融点金属単体と単結
晶珪素との中間のエッチング特性となると推定されるの
で、ポリサイド薄膜のエッチングにおいてはシリサイド
薄膜と珪素薄膜とのエッチングにおいて酸素ガスの混合
率を適正化したエッチング方法が必要となる。Further, with respect to the silicide thin film which is an alloy of refractory metal and silicon, it is estimated that the etching characteristic by the mixed gas of chlorine gas and oxygen gas is an etching characteristic intermediate between the above-mentioned simple substance of refractory metal and single crystal silicon. Therefore, in the etching of the polycide thin film, an etching method that optimizes the mixing ratio of oxygen gas in the etching of the silicide thin film and the silicon thin film is required.
【0011】また、シリサイド薄膜のエッチングにおい
ては酸素ガスを十分に混合することにより、イオンの入
射がほとんど無いパターン側壁では酸素ラジカルがイオ
ンによりスパッタリングされることなく安定に吸着され
るために酸化反応が予想され、塩素ラジカルによるアン
ダーカットの発生も抑制されることが期待できる。以上
のような知見に基づき本願発明はなされた。Further, in the etching of the silicide thin film, by sufficiently mixing oxygen gas, oxygen radicals are stably adsorbed by the ions without being sputtered by the ions on the side wall of the pattern where almost no ions are incident, so that the oxidation reaction occurs. As expected, it can be expected that the generation of undercut due to chlorine radicals will also be suppressed. The present invention has been made based on the above knowledge.
【0012】本発明は、ポリサイド薄膜のゲートパター
ン形成において、各薄膜の物性によりエッチング特性が
制御可能な反応性プラズマとして塩素ガスに酸素ガスを
混合して電子サイクロトロン共鳴により形成されるEC
Rプラズマを用いてシリサイド薄膜のエッチングを珪素
薄膜が露出するまで行った後、酸素ガスの供給を停止し
て塩素ガスだけのECRプラズマを用いて珪素薄膜のエ
ッチングおよびオーバーエッチングを行う2ステップエ
ッチングを採用することにより以下に示す特徴を有す
る。第1にシリサイド薄膜のエッチングについては薄膜
中に含まれる高融点金属の塩化酸化物を形成してエッチ
ング速度を増大するとともにエッチング反応を安定化し
てエッチング残りを解消すること、さらにイオンの入射
がほとんど無いパターン側壁では酸素ガスによる酸化反
応のために薄い酸化膜層が形成されるので塩素ラジカル
によるアンダーカットの発生量を小さくしてパターン形
成精度の向上が可能であることを特徴とする。第2に上
述の塩素ガスに十分な酸素ガスを混合して形成されたE
CRプラズマがシリサイド薄膜のエッチング完了後に珪
素薄膜に連続して照射されても、珪素薄膜の酸化により
エッチングはほぼ完全に停止するので第1ステップのシ
リサイド薄膜のエッチングから第2ステップの珪素薄膜
のエッチングへの切り替えを正確に行うことが可能とな
る特徴を有する。第3に、第2ステップのエッチングで
は多結晶珪素のエッチングを行う他に、ゲート酸化膜が
露出したのちのオーバーエッチングも行うのでECR反
応性イオンエッチング法が持つゲート酸化膜との高選択
性を利用できる特徴を有する。第4の特徴として、フロ
ロカーボンによる付着反応を用いないのでデバイスの形
成に必要な工程の内、付着したフロロカーボンを除去す
るための工程、例えばアッシング工程を省略することが
できる。According to the present invention, in forming a gate pattern of a polycide thin film, EC formed by electron cyclotron resonance by mixing oxygen gas with chlorine gas as reactive plasma whose etching characteristics can be controlled by the physical properties of each thin film.
After the silicide thin film is etched using R plasma until the silicon thin film is exposed, two-step etching is performed in which the supply of oxygen gas is stopped and the ECR plasma of chlorine gas alone is used to etch and over-etch the silicon thin film. By adopting it, it has the following features. First, regarding the etching of the silicide thin film, the chloride oxide of the refractory metal contained in the thin film is formed to increase the etching rate and stabilize the etching reaction to eliminate the etching residue. Since the thin oxide film layer is formed on the side wall of the non-existing pattern due to the oxidation reaction by the oxygen gas, it is possible to reduce the amount of undercut caused by chlorine radicals and improve the pattern forming accuracy. Secondly, E formed by mixing the above-mentioned chlorine gas with sufficient oxygen gas
Even if the CR thin film is continuously irradiated with the CR plasma after the etching of the silicide thin film is completed, the etching is almost completely stopped by the oxidation of the silicon thin film. Therefore, the etching of the silicide thin film of the first step to the etching of the silicon thin film of the second step is performed. It has a feature that it can be accurately switched to. Thirdly, in the etching of the second step, in addition to the etching of polycrystalline silicon, overetching is also performed after the gate oxide film is exposed, so that the high selectivity of the ECR reactive ion etching method with respect to the gate oxide film can be achieved. Has available features. A fourth feature is that since a deposition reaction by fluorocarbon is not used, a process for removing the deposited fluorocarbon, for example, an ashing process can be omitted among the processes required for forming the device.
【0013】さらに、本発明はエッチング中の試料温度
を 0 ℃程度に保つことにより、酸素ガスによるパター
ン側壁の酸化を用いたアンダーカット量の制御を効果的
に行うことが可能となる。従来の技術とは、エッチング
ガスとしての塩素ガスに制御ガスとして酸素ガスを混合
して形成したイオンエネルギーが低いECRプラズマを
反応性プラズマとして用いている点、酸素ガスの混合量
をシリサイド薄膜のエッチングと珪素薄膜のエッチング
とで変える2ステップエッチングを用いる点、シリサイ
ド薄膜のアンダーカットが酸素ガスの混合により制御可
能な程度に試料温度を低下させた点が従来技術と異な
る。Further, according to the present invention, by controlling the sample temperature during etching to about 0 ° C., it becomes possible to effectively control the amount of undercut using the oxidation of the pattern side wall by oxygen gas. The conventional technique is that ECR plasma with low ion energy formed by mixing chlorine gas as an etching gas with oxygen gas as a control gas is used as a reactive plasma. This is different from the prior art in that two-step etching is used, which is changed depending on whether the silicon thin film is etched or not, and the sample temperature is lowered to such an extent that the undercut of the silicide thin film can be controlled by mixing oxygen gas.
【0014】本発明の構成は下記に示す通りである。即
ち、高融点金属と珪素の合金であるシリサイド薄膜およ
び珪素薄膜から構成されるポリサイド薄膜の反応性イオ
ンエッチング方法において、エッチングガスである塩素
ガスと制御ガスである酸素ガスとの混合ガスをマイクロ
波パワーと磁界を用いた電子サイクロトロン共鳴により
励起して反応性プラズマを形成し、上記ポリサイド薄膜
を構成する各薄膜単位で上記混合ガスの混合率を制御す
ることによりエッチングを行うことを特徴とする反応性
イオンエッチング方法としての構成を有するものであ
り、或はまた、前記反応性イオンエッチング方法におい
てエッチング中の試料温度を 0℃程度に保つことを特徴
とする反応性イオンエッチング方法としての構成を有す
るものである。The structure of the present invention is as follows. That is, in a reactive ion etching method for a polycide thin film composed of a silicide thin film which is an alloy of refractory metal and silicon and a silicon thin film, a mixed gas of chlorine gas as an etching gas and oxygen gas as a control gas is microwaved. Reaction characterized by performing reactive plasma formation by exciting by electron cyclotron resonance using power and magnetic field, and performing etching by controlling the mixing ratio of the mixed gas in each thin film unit forming the polycide thin film It has a constitution as a reactive ion etching method, or has a constitution as a reactive ion etching method characterized in that in the reactive ion etching method, the sample temperature during etching is kept at about 0 ° C. It is a thing.
【0015】[0015]
【実施例】本発明を高融点金属としてタングステンを含
むタングステンシリサイドを用いたタングステンポリサ
イド薄膜のエッチングに適用した実施例を第1図〜第7
図により説明する。第1図はECR反応性イオンエッチ
ング法の装置構成の概略である。反応性プラズマとして
のECRプラズマはプラズマ室で 2.45 GHz のマイクロ
波と磁気コイルが発生する 875 G の磁場を用いた電子
サイクロトロン共鳴により低ガス圧、例えば 5 x 10-4
Torr で生成され、さらに上記磁気コイルがエッチング
室に同時に形成する発散磁場によりプラズマ流として試
料台まで引き出されてエッチングに使用される。本発明
に上記反応性ECRイオンエッチング法を用いるために
反応性ガスとしては塩素ガスと酸素ガスとを導入し、試
料台を0 〜 50℃程度の冷媒により温度制御する。EXAMPLE An example in which the present invention is applied to etching of a tungsten polycide thin film using tungsten silicide containing tungsten as a refractory metal is shown in FIGS.
It will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a schematic diagram of the apparatus configuration of the ECR reactive ion etching method. ECR plasma as a reactive plasma has a low gas pressure of, for example, 5 x 10 -4 due to electron cyclotron resonance using a microwave of 2.45 GHz and a magnetic field of 875 G generated by a magnetic coil in the plasma chamber.
The magnetic coil is generated by Torr and is further drawn to the sample stage as a plasma flow by the divergent magnetic field simultaneously formed in the etching chamber and used for etching. In order to use the above-mentioned reactive ECR ion etching method in the present invention, chlorine gas and oxygen gas are introduced as the reactive gas, and the temperature of the sample stage is controlled by a coolant of about 0 to 50 ° C.
【0016】第2図に塩素ガスによる単結晶珪素および
タングステンシリサイド薄膜のエッチングにおけるエッ
チング速度の酸素ガス混合率依存性を示す。単結晶珪素
は珪素薄膜とほぼ同じエッチング特性を示す。単結晶珪
素は酸素ガス混合率が約 10%以下でエッチングされ、こ
れ以上では酸化が起こりエッチングが停止するのに対し
て、タングステンシリサイド薄膜は約 20%の混合率まで
エッチングされる。上述のエッチング特性は、例えば S
i2OCl6 や WOCl4 などの揮発性の塩化酸化物が形成され
ること、特にタングステンの塩化酸化物は塩化物WCl6
に比べて揮発性が強いことにより説明できる。なお、上
記珪素の塩素化合物、および上記タングステンの塩素化
合物に対する揮発性に関するデータは、それぞれ下記の
文献、即ち、D.R.Lide, editor-in-chief, CRC Handboo
k of Chemistry and Physics ,p.6-66, p.6-67, 1991、
S.A.Shchukarev and G.J.Novikov, Zh.neorg. Khi
m., Vol.1 , p357, 1956、に記載されている。タングス
テンシリサイド薄膜はタングステンと珪素の合金である
ためにエッチング特性は中間的な特性を示し、混合可能
な酸素ガス量は単結晶珪素に比べて増大する結果となっ
ている。また、酸素ガスの混合により単結晶珪素はエッ
チレートが約 20% 増大するのに対して、タングステン
シリサイド薄膜は約40% 増大する。FIG. 2 shows the dependence of the etching rate on the mixing ratio of oxygen gas in etching single crystal silicon and tungsten silicide thin films with chlorine gas. Single crystal silicon exhibits almost the same etching characteristics as a silicon thin film. Single-crystal silicon is etched at an oxygen gas mixture ratio of about 10% or less, and above that, oxidation occurs and the etching stops, whereas the tungsten silicide thin film is etched to a mixture ratio of about 20%. The above-mentioned etching characteristics are, for example, S
The formation of volatile chloride oxides such as i 2 OCl 6 and WOCl 4 , especially tungsten chloride is the chloride WCl 6
It can be explained by its higher volatility compared to. The data on the volatility of the above chlorine compound of silicon and the above chlorine compound of tungsten are given in the following documents, namely, DRLide, editor-in-chief, CRC Handboo
k of Chemistry and Physics, p.6-66, p.6-67, 1991,
SAShchukarev and GJNovikov, Zh.neorg. Khi
m., Vol. 1, p357, 1956. Since the tungsten silicide thin film is an alloy of tungsten and silicon, the etching characteristics show intermediate characteristics, and the amount of oxygen gas that can be mixed is larger than that of single crystal silicon. The mixing rate of oxygen gas increases the etching rate of single crystal silicon by about 20%, while that of tungsten silicide thin film increases by about 40%.
【0017】図3はタングステンシリサイド薄膜層に対
して塩素ガスと酸素ガスとの混合ガスを、珪素薄膜層に
対して塩素ガスの単独ガスを用いる2ステップのエッチ
ングの適用例であり、試料台近傍の反応性プラズマ中の
珪素の塩素化合物からの発光をモニタした結果である。
図中、tsは、タングステンシリサイド薄膜の第1ステ
ップのエッチング時間、tpは、珪素薄膜のジャストエ
ッチング時間、t1は、タングステンポリサイド薄膜の
ジャストエッチング時間(但し、2ステップエッチング
についてはt1=ts+tp)、t2は、オーバーエッチン
グ時間、t3は、tp+t2(第2ステップのエッチング
時間)を示す。エッチング中には第1ステップ,第2ス
テップともに明瞭な発光信号が検出され、さらにタング
ステンシリサイド薄膜のエッチングの完了にともなって
発光信号レベルが低下して珪素薄膜の表面が露出したタ
イミングでエッチングが停止することが確認できる。ま
た、珪素薄膜層についてもエッチングの完了とともに酸
化珪素が露出するが、高いエッチング速度の選択比が付
与されているためにエッチングが停止することが確認で
きる。なお、本適用例では第1ステップから第2ステッ
プへ進む際に反応性ガスの排気・再導入を行っているた
めに待機時間があるが、酸素ガスの供給を停止するだけ
で確実に珪素薄膜のエッチングが再開できるので、第1
ステップのエッチングの完了点を検知して連続的に酸素
ガスを停止する反応性ガスの制御方法を採用することに
より疑似的に1ステップのエッチングとなり全エッチン
グ時間を大きく短縮できる。また、検知信号として例え
ば珪素の塩素化合物からの発光信号を利用すればただ1
種の検知信号を用いるだけで全エッチング時間にわたっ
て容易にエッチング状態のモニタリングを行うことが可
能である。FIG. 3 shows an application example of two-step etching in which a mixed gas of chlorine gas and oxygen gas is used for the tungsten silicide thin film layer and a single gas of chlorine gas is used for the silicon thin film layer. 2 is a result of monitoring light emission from a chlorine compound of silicon in the reactive plasma of FIG.
In the figure, ts is the etching time of the first step of the tungsten silicide thin film, tp is the just etching time of the silicon thin film, t1 is the just etching time of the tungsten polycide thin film (however, t1 = ts + tp for the two-step etching). , T2 are overetching times, and t3 is tp + t2 (etching time of the second step). A clear light emission signal is detected in both the first step and the second step during the etching, and the light emission signal level is lowered with the completion of the etching of the tungsten silicide thin film, and the etching is stopped at the timing when the surface of the silicon thin film is exposed. You can see that. Further, it can be confirmed that the silicon oxide is exposed in the silicon thin film layer as well as the etching is completed, but the etching is stopped because the high etching rate selectivity is imparted. In this application example, there is a waiting time because the reactive gas is exhausted and re-introduced when proceeding from the first step to the second step, but it is possible to ensure that the silicon thin film is stopped only by stopping the supply of oxygen gas. Since the etching can be restarted,
By adopting the reactive gas control method of detecting the completion point of the etching of the step and continuously stopping the oxygen gas, the etching becomes pseudo one step and the total etching time can be greatly shortened. Moreover, if a light emission signal from a chlorine compound of silicon is used as a detection signal, only 1
The etching state can be easily monitored over the entire etching time only by using the seed detection signal.
【0018】第4図はタングステンポリサイド薄膜に上
述の2ステップのエッチングを適用した場合のエッチン
グ特性である。試料は酸化珪素薄膜の上にタングステン
ポリサイド薄膜を形成して、さらにその上にマスクパタ
ーンを形成した構成である。ジャストエッチング時間は
エッチング開始からタングステンポリサイド薄膜が完全
に除去されて上記の酸化珪素薄膜が露出するまでの時間
であり、エッチングによって発生する珪素の塩素化合物
からの発光量を検知することにより容易に測定できる。
アンダーカット量は上記のマスクパターンに基づいてエ
ッチングを行ったタングステンポリサイド薄膜の断面形
状を走査型電子顕微鏡を用いて観察して、マスクパター
ンの幅とタングステンポリサイドパターンの幅の差とし
て測定した。なお、アンダーカット量を測定するための
試料はジャストエッチング後もジャストエッチング時間
に対して約 30% 継続してエッチングを行っている(オ
ーバーエッチング)。ジャストエッチング時間は酸素ガ
スの混合率を増大するとともに減少して、約 8% 以上の
混合率でほぼ一定となる。エッチング速度としては約 8
% の酸素ガス混合において 30% 程度増加しており、上
述の単結晶珪素およびタングステンシリサイド薄膜のエ
ッチング速度に対する酸素ガスの混合率依存性により説
明可能である。アンダーカット量についてはマスクパタ
ーンの直下のタングステンシリサイド薄膜層(a),タ
ングステンシリサイド薄膜と珪素薄膜の境界(b),酸
化珪素薄膜の直上の珪素薄膜層(c)で測定されている
が、酸素ガスを混合した場合 a,b,c はほぼ等しくな
り、塩素ガスだけによるエッチングに比べて垂直なタン
グステンポリサイド薄膜の形状を得ることが容易であ
る。このアンダーカット量に関する特性も、エッチング
速度の場合と同じく適度な酸素ガスの混合によりタング
ステンシリサイド薄膜層のエッチングが安定化されてエ
ッチング残りなどが解消されたためと推定される。FIG. 4 shows etching characteristics when the above-described two-step etching is applied to the tungsten polycide thin film. The sample has a structure in which a tungsten polycide thin film is formed on a silicon oxide thin film, and a mask pattern is further formed thereon. The just etching time is the time from the start of etching until the tungsten polycide thin film is completely removed and the silicon oxide thin film is exposed, and it can be easily detected by detecting the amount of light emitted from the chlorine compound of silicon generated by etching. Can be measured.
The undercut amount was observed as a cross-sectional shape of the tungsten polycide thin film etched based on the mask pattern using a scanning electron microscope, and was measured as a difference between the width of the mask pattern and the width of the tungsten polycide pattern. .. Note that the sample for measuring the undercut amount continues to be etched for about 30% of the just etching time even after just etching (overetching). The just etching time decreases as the oxygen gas mixing ratio increases, and becomes almost constant at a mixing ratio of about 8% or more. The etching rate is about 8
The increase is about 30% when the oxygen gas is mixed with 10% oxygen gas, which can be explained by the dependency of the oxygen gas mixture ratio on the etching rate of the single crystal silicon and the tungsten silicide thin film. The amount of undercut was measured in the tungsten silicide thin film layer (a) immediately below the mask pattern, the boundary between the tungsten silicide thin film and the silicon thin film (b), and the silicon thin film layer (c) immediately above the silicon oxide thin film. When gases are mixed, a, b, and c become almost equal, and it is easier to obtain the vertical shape of the tungsten polycide thin film than etching with chlorine gas alone. It is presumed that the characteristics related to the undercut amount are also due to the fact that the etching of the tungsten silicide thin film layer is stabilized by the mixing of an appropriate oxygen gas and the etching residue is eliminated as in the case of the etching rate.
【0019】図5、図6は上述の2ステップエッチング
において、アンダーカット量を第2ステップのエッチン
グ時間およびオーバーエッチング量に対して評価した結
果である。アンダーカット量は、エッチング後のタング
ステンポリサイドのパターン幅(a, b, c)がマスクパ
ターンより大きい場合はマイナスの値として記載してい
る。図5はマイクロ波パワーを 400 W として約 8% の
酸素ガスを混合した適用例であり、図6はマイクロ波パ
ワーを 600 W に増大して酸素ガスの混合率を約 15%に
増加した適用例である。オーバーエッチング量α(%)はt
2/t1 × 100 である。マスクパターンの直下のタングス
テンシリサイド層のアンダーカット量, a ,とタングス
テンシリサイド薄膜と珪素薄膜の境界のアンダーカット
量, b , はオーバーエッチング量 20% 程度でほぼ一定
となり、他方、酸化珪素薄膜の直上の珪素薄膜層のアン
ダーカット量, c ,は35% 程度で増加がほぼ飽和して一
定となる。さらにオーバーエッチング量 35% 程度では
a, b, c はほぼ同じ値となりエッチング形状は垂直とな
る。このとき約 8%の酸素ガス混合ではパターン形成の
精度としては 0.05um 程度低下するのに対して、約 15%
の混合では精度の低下は 0.03 um 程度と小さく抑える
ことができる。このタングステンポリサイドのパターン
形成精度の向上は主に酸素ガスの混合率を増加したこと
によりパターン側壁での酸化効果が強くなり塩素ガスに
よるアンダーカットの発生が抑制されたためと推定され
る。FIGS. 5 and 6 show the results of evaluating the amount of undercut with respect to the etching time of the second step and the amount of overetching in the above-described two-step etching. The undercut amount is described as a negative value when the pattern width (a, b, c) of the tungsten polycide after etching is larger than the mask pattern. Fig. 5 is an application example in which the microwave power is 400 W and about 8% of oxygen gas is mixed, and Fig. 6 is the application in which the microwave power is increased to 600 W and the mixing ratio of oxygen gas is increased to about 15%. Here is an example. Overetching amount α (%) is t
It is 2 / t1 × 100. The undercut amount of the tungsten silicide layer directly under the mask pattern, a, and the undercut amount of the boundary between the tungsten silicide thin film and the silicon thin film, b, are almost constant at an overetching amount of about 20%, while they are directly above the silicon oxide thin film. The undercut amount, c, of the silicon thin film layer is about 35%, and the increase is almost saturated and constant. Furthermore, when the over-etching amount is about 35%
The values of a, b, and c are almost the same, and the etching shape is vertical. At this time, when the oxygen gas mixture of about 8%, the pattern formation accuracy is reduced by about 0.05 um, while it is about 15%.
In the case of mixing, the decrease in accuracy can be suppressed to about 0.03 um. It is presumed that the improvement of the pattern formation accuracy of the tungsten polycide is mainly due to the increase of the mixing ratio of oxygen gas, which strengthens the oxidation effect on the pattern side wall and suppresses the occurrence of undercut due to chlorine gas.
【0020】図7は上述のアンダーカット量と試料台温
度、即ち冷媒温度との関係を示すものである。 反応性
ガスは塩素ガスのみである。タングステンシリサイド層
のアンダーカット, a, b, は試料台温度の低下とともに
減少し、また珪素薄膜層のアンダーカット, c, は 10℃
以下で減少傾向となる。タングステンポリサイド薄膜と
しては、試料台温度が 10℃ 以下でアンダーカット量が
大幅に減少するとともにエッチング後の形状は垂直性が
増大することになる。さらに、試料台温度が -10℃程度
ではアンダーカット量は極めて小さく抑えられることが
容易に予想される。したがって、試料台温度を -10℃程
度として上述の酸素ガス混合を用いたエッチング反応の
安定化および軽い側壁の酸化を行うことにより高精度な
タングステンポリサイド薄膜のパターン形成が期待でき
る。FIG. 7 shows the relationship between the above-mentioned undercut amount and the sample table temperature, that is, the refrigerant temperature. The reactive gas is only chlorine gas. The undercuts, a, b, of the tungsten silicide layer decrease as the sample table temperature decreases, and the undercuts, c, of the silicon thin film layer, 10 ℃
It will tend to decrease below. As for the tungsten polycide thin film, the undercut amount is significantly reduced and the verticality of the shape after etching is increased when the sample stage temperature is 10 ° C or less. Furthermore, it is easily expected that the amount of undercut can be kept extremely small when the sample table temperature is around -10 ° C. Therefore, highly precise pattern formation of a tungsten polycide thin film can be expected by stabilizing the etching reaction using the above oxygen gas mixture and oxidizing the side wall while setting the sample stage temperature to about -10 ° C.
【0021】[0021]
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
タングステンポリサイド薄膜のパターン形成において、
塩素ガスと酸素ガスとの混合ガスから形成されるECR
プラズマに対してタングステンシリサイド薄膜のエッチ
ングと珪素薄膜のエッチングとで混合可能な酸素ガスの
割合が異なることを利用して、タングステンシリサイド
薄膜のエッチングを珪素薄膜のエッチングが停止する程
度以上の酸素ガスを混合して行い、続いて珪素薄膜のエ
ッチングを塩素ガスだけを用いて行う2ステップエッチ
ングを試料台温度を 0℃程度に保った上で行うことによ
り、酸化珪素薄膜の上に形成されたタングステンポリサ
イド薄膜の垂直で高精度なパターンを高い選択性を付与
して安定に形成できる。さらに、上述のエッチング方法
ではプラズマ中に存在する珪素の塩素化合物のうちの1
種を検知することによりタングステンシリサイド薄膜の
エッチング完了点および珪素薄膜のエッチング完了点、
即ちタングステンポリサイド薄膜としてのエッチング終
点を容易に検出できる。タングステンシリサイド薄膜の
エッチング完了点は第1ステップから第2ステップのエ
ッチングへ進む際の制御信号として利用することが可能
であり、また、この制御信号により酸素ガスの供給を制
御すれば2ステップエッチングでも待機時間を必要とせ
ず高速の処理が可能となる。As described above, according to the present invention,
In patterning tungsten polycide thin film,
ECR formed from mixed gas of chlorine gas and oxygen gas
By taking advantage of the difference in the ratio of oxygen gas that can be mixed between the etching of the tungsten silicide thin film and the etching of the silicon thin film with respect to the plasma, the etching of the tungsten silicide thin film can be performed with an oxygen gas at a level not less than that at which the etching of the silicon thin film is stopped. Two-step etching is performed by mixing and then etching of the silicon thin film using only chlorine gas, while performing the two-step etching while maintaining the sample stage temperature at about 0 ° C. A vertical and highly precise pattern of the side thin film can be stably formed by imparting high selectivity. Further, in the above-mentioned etching method, one of chlorine compounds of silicon existing in plasma is
By detecting the species, the etching completion point of the tungsten silicide thin film and the etching completion point of the silicon thin film,
That is, the end point of etching as the tungsten polycide thin film can be easily detected. The etching completion point of the tungsten silicide thin film can be used as a control signal when proceeding from the first step to the second step etching, and if the supply of oxygen gas is controlled by this control signal, even in two-step etching. High-speed processing is possible without requiring waiting time.
【0022】さらに、本発明はタングステンポリサイド
薄膜のほかに、タングステンと類似した物性をもつ高融
点金属を含むポリサイド薄膜、例えばモリブデンポリサ
イドなどのエッチングにも適用可能である。Further, the present invention can be applied not only to the tungsten polycide thin film, but also to the etching of a polycide thin film containing a refractory metal having physical properties similar to tungsten, such as molybdenum polycide.
【図1】ECR反応性イオンエッチング法の装置構成を
示す図。FIG. 1 is a diagram showing an apparatus configuration of an ECR reactive ion etching method.
【図2】タングステンシリサイド薄膜および単結晶珪素
の塩素ガスを用いたエッチングにおける酸素ガスの混合
効果を示す図。FIG. 2 is a diagram showing an effect of mixing oxygen gas in etching a tungsten silicide thin film and single crystal silicon using chlorine gas.
【図3】タングステンポリサイド薄膜のジャストエッチ
ング時間およびアンダーカット量に対する酸素ガスの混
合効果を示す図。FIG. 3 is a diagram showing an effect of mixing oxygen gas on a just etching time and an undercut amount of a tungsten polycide thin film.
【図4】2ステップエッチングの適用例をプラズマ中の
珪素の塩素化合物の発光に即して示す図。FIG. 4 is a diagram showing an application example of two-step etching in accordance with light emission of a chlorine compound of silicon in plasma.
【図5】2ステップエッチングにおけるオーバーエッチ
ング量にともなうアンダーカットの発生状況を示す図。FIG. 5 is a diagram showing a state of occurrence of undercut due to an overetching amount in two-step etching.
【図6】2ステップエッチングにおけるオーバーエッチ
ング量にともなうアンダーカットの発生状況を示す図。FIG. 6 is a diagram showing a state of occurrence of undercut due to the amount of overetching in two-step etching.
【図7】アンダーカット量と試料台の温度との関係を示
す図である。FIG. 7 is a diagram showing the relationship between the undercut amount and the temperature of the sample table.
ts タングステンシリサイド薄膜の第1ステップのエ
ッチング時間 tp 珪素薄膜のジャストエッチング時間 t1 タングステンポリサイド薄膜のジャストエッチン
グ時間 但し、2ステップエッチングについてはt1=ts+tp t2 オーバーエッチング時間 t3 tp+t2(第2ステップのエッチング時間)ts Tungsten silicide thin film first step etching time tp Silicon thin film just etching time t1 Tungsten polycide thin film just etching time However, for two-step etching, t1 = ts + tp t2 overetching time t3 tp + t2 (second step etching time) )
Claims (1)
ド薄膜および珪素薄膜から構成されるポリサイド薄膜の
反応性イオンエッチング方法において、塩素ガスと酸素
ガスとの混合ガスをマイクロ波パワーと磁界を用いた電
子サイクロトロン共鳴により励起して反応性プラズマを
形成し、上記ポリサイド薄膜を構成する各薄膜単位で上
記混合ガスの混合率を変化させてエッチングを行うこと
を特徴とする反応性イオンエッチング方法。1. In a reactive ion etching method of a polycide thin film composed of a silicide thin film which is an alloy of refractory metal and silicon and a silicon thin film, a mixed gas of chlorine gas and oxygen gas is used with microwave power and magnetic field. The reactive ion etching method is characterized in that a reactive plasma is formed by being excited by electron cyclotron resonance, and etching is performed by changing the mixing ratio of the mixed gas in each thin film unit forming the polycide thin film.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP7078792A JPH05275391A (en) | 1992-03-27 | 1992-03-27 | Reactive ion etching method |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP7078792A JPH05275391A (en) | 1992-03-27 | 1992-03-27 | Reactive ion etching method |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH05275391A true JPH05275391A (en) | 1993-10-22 |
Family
ID=13441591
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP7078792A Pending JPH05275391A (en) | 1992-03-27 | 1992-03-27 | Reactive ion etching method |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JPH05275391A (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
KR20040028242A (en) * | 2002-09-30 | 2004-04-03 | 주식회사 하이닉스반도체 | Fabricating method of semiconductor device |
-
1992
- 1992-03-27 JP JP7078792A patent/JPH05275391A/en active Pending
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
KR20040028242A (en) * | 2002-09-30 | 2004-04-03 | 주식회사 하이닉스반도체 | Fabricating method of semiconductor device |
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