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JPH08274077A - Plasma etching - Google Patents

Plasma etching

Info

Publication number
JPH08274077A
JPH08274077A JP7656895A JP7656895A JPH08274077A JP H08274077 A JPH08274077 A JP H08274077A JP 7656895 A JP7656895 A JP 7656895A JP 7656895 A JP7656895 A JP 7656895A JP H08274077 A JPH08274077 A JP H08274077A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
etching
refractory metal
gas
layer
substrate
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP7656895A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Toshiharu Yanagida
敏治 柳田
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Sony Corp
Original Assignee
Sony Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Sony Corp filed Critical Sony Corp
Priority to JP7656895A priority Critical patent/JPH08274077A/en
Publication of JPH08274077A publication Critical patent/JPH08274077A/en
Pending legal-status Critical Current

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  • Electrodes Of Semiconductors (AREA)
  • Drying Of Semiconductors (AREA)
  • Cleaning Or Drying Semiconductors (AREA)

Abstract

PURPOSE: To plasma-etch a refractory metal polycide layer with an etching gas containing at least chlorine oxide compound gas, so as to achieve high levels of properties, such as, selectivity, anisotropy and antipollution property, while maintaining a practical etching rate. CONSTITUTION: A gate insulating film 2 is formed on a semiconductor substrate 1, and a refractory metal polycide layer 5 is formed thereon. In addition, a resist mask 6 patterned in a predetermined shape is formed on the refractory metal polycide layer, thus forming a substrate to be etched. The substrate is set on a substrate stage of a biased ECR plasma etching system, and the refractory metal polycide layer 5 is continuously etched using the resist pattern 6 as a mask. In this case, plasma etching is performed with an etching gas containing at least a chlorine oxide compound gas, for example, a gas selected from the group consisting of Cl2 O, ClO2 , and Cl2 O7 .

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明はプラズマエッチング方法
に関し、さらに詳しくは、高融点金属ポリド層をエッチ
ングして高融点金属ポリサイドゲート電極・配線を形成
する際に、異方性、選択比、エッチングレートおよび清
浄性等の諸要求を満たすことが可能な、高融点金属ポリ
サイド層の新規なプラズマエッチング方法に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a plasma etching method, and more specifically, when etching a refractory metal polycide layer to form a refractory metal polycide gate electrode / wiring, anisotropy, selectivity, The present invention relates to a novel plasma etching method for a refractory metal polycide layer that can meet various requirements such as etching rate and cleanliness.

【0002】[0002]

【従来の技術】LSI等の半導体装置のゲート電極・配
線材料としては、従来より多結晶シリコンが汎用されて
きた。近年、この半導体装置のデザインルールがハーフ
ミクロンからクォータミクロンのレベルへと微細化され
つつあり、かつ高集積メモリ装置等、デバイスの高速化
への要求が高まるにつれ、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)層を形成し、この上部に高融点
金属シリサイド層を積層することが行われる。かかる積
層構造はポリサイドと総称される。高融点金属シリサイ
ドとしてはタングステンシリサイド(WSix )が一般
的であり、このWSix を有するポリサイドを特にタン
グステンポリサイド(Wポリサイド)と称する。
2. Description of the Related Art Polycrystalline silicon has been widely used as a gate electrode / wiring material for semiconductor devices such as LSIs. In recent years, the design rule of this semiconductor device has been miniaturized from a half micron level to a quarter micron level, and as the demand for high-speed devices such as highly integrated memory devices has increased, it is about an order of magnitude lower than that of polycrystalline silicon. Refractory metal silicides having a resistance value are being used. When forming a gate electrode using refractory metal silicide, first consider the interface characteristics with the gate insulating film, which easily affects the device characteristics and reliability, and first consider the impurities that have been proven in the past on the gate insulating film. A polycrystal silicon (DOPOS) layer is formed, and a refractory metal silicide layer is stacked on top of this. Such a laminated structure is collectively called polycide. Tungsten silicide as a refractory metal silicide (WSi x) is common, referred to in particular tungsten polycide polycide having the WSi x (W polycide).

【0003】ところでポリサイド層は、エッチング特性
が異なる2種類の材料層に対し、連続的に異方性エッチ
ングを行わなければならないことから、プラズマエッチ
ングプロセスに新たな困難をもたらした。すなわち、エ
ッチング反応生成物であるハロゲン化物の蒸気圧の差に
起因して、下層の多結晶シリコン層の方がエッチングレ
ートが大きいこと、および多結晶シリコン層と高融点金
属シリサイド層との界面に新たな反応層が形成されるこ
と等の理由により、形成したパターンにアンダカットや
サイドエッチ等が発生しやすいことである。これら形状
異常は、チャネル領域幅のシフトや、ソース・ドレイン
領域を形成するためのイオン注入時に不純物の注入され
ないオフセット領域を発生させたり、LDD構造実現の
ためのサイドウォール形成時の寸法精度を低下させる。
また配線断面積の減少による配線抵抗の増加もあり、い
ずれもディープ・サブミクロンルールのデバイスには許
容されがたい問題である。
By the way, the polycide layer brings new difficulties to the plasma etching process because it is necessary to continuously perform anisotropic etching on two types of material layers having different etching characteristics. That is, the lower polycrystalline silicon layer has a higher etching rate due to the difference in vapor pressure of the halide, which is an etching reaction product, and the interface between the polycrystalline silicon layer and the refractory metal silicide layer Undercuts and side etches are likely to occur in the formed pattern due to the formation of a new reaction layer. These shape abnormalities cause a shift in the channel region width, an offset region where impurities are not implanted at the time of ion implantation for forming source / drain regions, and a decrease in dimensional accuracy at the time of sidewall formation for realizing an LDD structure. Let
In addition, there is also an increase in wiring resistance due to a decrease in wiring cross-sectional area, both of which are unacceptable problems for deep submicron rule devices.

【0004】従来より、ポリサイドのエッチングガスと
して汎用されてきたガスは、例えば月刊セミコンダクタ
ーワールド誌(プレスジャーナル社刊)1989年10
月号126〜130ページに報告されているように、フ
ロン113(C2 Cl3 3)に代表されるクロロフル
オロカーボン(CFC)ガスである。これは、分子中に
F原子とCl原子が共存するため、ラジカルモードの反
応とイオンアシストモードの反応が共に進行し、しかも
炭素系ポリマが堆積して側壁保護膜を形成するので、高
速の異方性エッチングが可能である。
Conventionally, a gas that has been widely used as an etching gas for polycide is, for example, Monthly Semiconductor World magazine (published by Press Journal), October 1989.
It is a chlorofluorocarbon (CFC) gas represented by Freon 113 (C 2 Cl 3 F 3 ) as reported on pages 126 to 130 of the monthly issue. This is because the F atom and the Cl atom coexist in the molecule, so that the reaction in the radical mode and the reaction in the ion assist mode both proceed, and further, the carbon-based polymer is deposited to form the side wall protective film, so that a high-speed difference occurs. Isotropic etching is possible.

【0005】しかしながら、CFCガスは周知のように
地球のオゾン層破壊の一因となることが指摘されてお
り、ドライエッチングの分野においても環境保全の見地
からはCFCガスの代替となりうるエッチングガスおよ
びその使用技術、すなわち脱フロンプロセスの確立が急
務となっている。
However, as is well known, it has been pointed out that CFC gas contributes to the destruction of the ozone layer of the earth, and in the field of dry etching as well, from the viewpoint of environmental protection, an etching gas and a substitute for CFC gas can be used. There is an urgent need to establish the technology for its use, that is, the dechlorofluorocarbon process.

【0006】このようなデザインルールの微細化要求、
および脱フロンの観点から、近年Br系化合物を主エッ
チング種として利用する試みがある。たとえば、J.Vac.
Sci.Technol.,A8(3), May/Jun 1990, p1696 や、Digest
of Papers 1989 2nd MicroProcess Conference, p19
0、あるいは特開平2−89310号公報には、HBr
やBr2 を用いるn+ 型多結晶シリコンゲート電極エッ
チングが報告されている。Brはイオン半径が大きく、
シリコン系材料層の結晶格子や結晶粒界には容易に侵入
しない。したがって、フッ素ラジカル(F* )のように
シリコン系材料層を制御性なく等方的にエッチングする
懸念は少なく、イオンアシスト機構により異方性エッチ
ングを進行させることができる。またSi−O結合の原
子間結合エネルギがSi−Br間のそれより遙かに大き
いことからも明らかなように、SiO2 からなるゲート
絶縁膜との高い選択比を達成しうる。さらに、レジスト
マスクの表面を蒸気圧の小さいCBrx 系ポリマで被覆
することができるので、レジスとの選択比を向上できる
点もBr系エッチングガスの特長である。
A demand for miniaturization of such design rules,
Also, from the viewpoint of CFC removal, there has been an attempt to utilize a Br compound as a main etching species in recent years. For example, J.Vac.
Sci.Technol. , A8 (3) , May / Jun 1990, p1696 and Digest
of Papers 1989 2nd MicroProcess Conference, p19
0, or in JP-A-2-89310, HBr
N + -type polycrystalline silicon gate electrode etching using Br 2 and Br 2 has been reported. Br has a large ionic radius,
It does not easily enter the crystal lattice or crystal grain boundaries of the silicon-based material layer. Therefore, there is little concern that the silicon-based material layer is isotropically etched uncontrollably like fluorine radicals (F * ), and anisotropic etching can be advanced by the ion assist mechanism. Further, as is clear from the fact that the interatomic bond energy of Si—O bond is much larger than that between Si—Br, a high selection ratio with the gate insulating film made of SiO 2 can be achieved. Furthermore, since the surface of the resist mask can be coated with a CBr x polymer having a low vapor pressure, the Br-based etching gas is also advantageous in that the selectivity with respect to the resist can be improved.

【0007】また、他の脱フロン対策として、CFC1
13に替えてCl2 /CH2 2 混合ガス系によるWポ
リサイド層のエッチングが、例えば第52回応用物理学
会学術講演会(1991年秋期年会)講演予稿集p50
8、講演番号9a−ZF−6に報告がある。このガス系
の混合比を最適化すれば、CH2 2 に由来する炭素系
ポリマを側壁保護膜に利用し異方性エッチングが行え
る。
[0007] Further, as another measure for removing CFCs, CFC1
In place of No. 13, etching of the W polycide layer with Cl 2 / CH 2 F 2 mixed gas system is described in, for example, Proceedings of 52nd Annual Meeting of the Society of Applied Physics (1991 Autumn Meeting).
8. There is a report in Lecture No. 9a-ZF-6. By optimizing the mixing ratio of this gas system, anisotropic etching can be performed by using the carbon-based polymer derived from CH 2 F 2 for the side wall protection film.

【0008】さらに、ポリマ生成物の堆積による側壁保
護膜にり高異方性を図るのではなく、被エッチング基板
を低温冷却してこれを達成しようという試みも提案され
ている。いわゆる低温エッチングと呼ばれるこのプロセ
スは、被エッチング基板を0℃以下に制御することによ
り、レジストパターン下部におけるラジカル反応を凍結
あるいは抑制してアンダーカット等の形状異常を防止す
る方法である。例えば、第35回応用物理学関係連合講
演会(1988年春期年会)講演予稿集p495、講演
番号28a−G−2には、ウェハを−130℃に冷却
し、SF6 ガスを用いてシリコン基板のトレンチエッチ
ングおよびn+ 型多結晶シリコン層のエッチングをおこ
なった例が報告されている。
Further, it has been proposed to attempt to achieve this by cooling the substrate to be etched at a low temperature, rather than achieving high anisotropy in the side wall protective film formed by depositing a polymer product. This process, which is so-called low temperature etching, is a method of controlling the temperature of the substrate to be etched to 0 ° C. or lower, thereby freezing or suppressing the radical reaction in the lower portion of the resist pattern to prevent a shape abnormality such as undercut. For example, in the 35th Joint Lecture on Applied Physics (Spring Annual Meeting 1988) Proceedings p495, Lecture No. 28a-G-2, the wafer was cooled to -130 ° C. and silicon was used using SF 6 gas. An example in which a substrate is etched by a trench and an n + -type polycrystalline silicon layer is etched is reported.

【0009】[0009]

【発明が解決しようとする課題】このように、従来から
脱CFCを念頭においたプロセスが提案されているもの
の、上述の各ドライエッチング方法は、それぞれ未だ解
決すべき課題が残されている。まず、HBrをはじめB
r系ガスを用いるプロセスをWポリサイド層のエッチン
グに適用すると、上層のWSix のエッチング中に大量
のWBrx がスパッタリングされ、これは蒸気圧が小さ
いのでエッチングチャンバ壁面に付着し、パーティクル
レベルを悪化させる。また、基本的に反応性の小さいB
r系化学種をエッチャントとすることから、エッチング
レートが低下する問題がある。
As described above, although a process in which de-CFC is taken into consideration has been conventionally proposed, each of the above-mentioned dry etching methods still has a problem to be solved. First, B including HBr
When the process using the r-based gas is applied to the etching of the W polycide layer, a large amount of WBr x is sputtered during the etching of the upper layer WSi x , which adheres to the wall of the etching chamber due to its low vapor pressure and deteriorates the particle level. Let In addition, B, which is basically less reactive,
Since the r-type chemical species is used as the etchant, there is a problem that the etching rate is lowered.

【0010】他方、Cl2 /CH2 2 混合ガス系にエ
ッチングでは、炭素系ポリマの堆積が過大になり易いと
いう問題がある。すなわち、CH2 2 は、C4 8
2Cl2 4 (CFC114)あるいはCCl4 等の
ガスに比較して反応生成物が多く、このため入射イオン
によるエッチング速度が低いことが、例えば1988年
ドライプロセスシンポジウム抄録集p74、II−8に
報告がある。したがって、CH2 2 ガスの使用はパー
ティクル汚染やエッチングレートの問題を残す虞れが大
きい。
On the other hand, etching with a Cl 2 / CH 2 F 2 mixed gas system has a problem that the carbon-based polymer tends to be excessively deposited. That is, CH 2 F 2 is C 4 F 8 ,
Compared with gas such as C 2 Cl 2 F 4 (CFC114) or CCl 4 , there are many reaction products, and therefore, the etching rate by incident ions is low. For example, 1988 Dry Process Symposium Abstracts p74, II-8 There is a report. Therefore, the use of CH 2 F 2 gas is highly likely to leave problems such as particle contamination and etching rate.

【0011】上記2つの方法に対し、低温エッチングは
脱CFCプロセスの有力な手段の一つと考えられる。し
かし、高異方性の達成をラジカル反応の凍結ないし抑制
のみに依存しようとすると、液体窒素による冷却を要す
る極低温レベルの温度制御が必要となる。このため、冷
却装置のメンテナンスや真空シール部の信頼性等、装置
面での問題が別に発生する。また被エッチング基板の冷
却およびその後の昇温工程に長時間を要する等、スルー
プットの低下も見逃せない。
In contrast to the above two methods, low temperature etching is considered to be one of the effective means for the de-CFC process. However, if the achievement of high anisotropy is to rely only on freezing or suppression of radical reaction, it is necessary to control the temperature at a cryogenic level that requires cooling by liquid nitrogen. For this reason, problems such as maintenance of the cooling device and reliability of the vacuum seal portion occur on the device side. In addition, it takes a long time to cool the substrate to be etched and the subsequent temperature rising process, and the decrease in throughput cannot be overlooked.

【0012】本発明の課題は、実用的なエッチングレー
トを確保しつつ、対レジストマスク選択比、対下地材料
層選択比、高異方性および低汚染といった、並立の困難
な諸特性を高いレベルで満たし、これを現実的な温度域
で実施しうる、高融点金属ポリサイド層のプラズマエッ
チング方法を提供することである。
An object of the present invention is to secure a practical etching rate and to achieve various levels of difficult-to-stand characteristics such as a resist mask selectivity, a base material layer selectivity, high anisotropy and low contamination. To provide a plasma etching method for a refractory metal polycide layer, which can be performed in a realistic temperature range.

【0013】また本発明の別の課題は、ポリサイドゲー
ト電極のアンダカットやサイドエッチングを防止し、チ
ャンネル領域幅のシフトや、ソース・ドレイン領域を形
成するためのイオン注入時に不純物の注入されないオフ
セット領域を発生させたり、LDD構造実現のためのサ
イドウォール形成時の寸法精度を低下させたり、また配
線断面積の減少による配線抵抗の増加等の問題のない、
制御性のよい半導体装置を形成できるプラズマエッチン
グ方法を提供することである。
Another object of the present invention is to prevent undercut and side etching of the polycide gate electrode, shift the channel region width, and offset that impurities are not implanted at the time of ion implantation for forming source / drain regions. There are no problems such as generation of a region, reduction of dimensional accuracy when forming a sidewall for realizing an LDD structure, and increase of wiring resistance due to reduction of wiring cross-sectional area.
A plasma etching method capable of forming a semiconductor device having good controllability.

【0014】[0014]

【課題を解決するための手段】本発明のプラズマエッチ
ング方法は、上述の課題を解決するために提案するもで
あり、基板上に形成された高融点金属ポリサイド層を、
少なくとも酸化塩素系化合物ガスを含むエッチングガス
によりプラズマエッチングすることを特徴とするもので
ある。
The plasma etching method of the present invention is also proposed in order to solve the above-mentioned problems, and a high melting point metal polycide layer formed on a substrate is
It is characterized in that plasma etching is performed by using an etching gas containing at least a chlorine oxide-based compound gas.

【0015】また本発明のプラズマエッチング方法は、
基板上に形成された高融点金属ポリサイド層を、少なく
とも酸化塩素系化合物ガスとF系ガスとを含む混合ガス
により、上層の高融点金属シリサイド層をプラズマエッ
チングする第1のプラズマエッチング工程と、少なくと
もBr系ガスを含むエッチングガスにより、下層の多結
晶シリコン層をプラズマエッチングする第2のプラズマ
エッチング工程とを有することを特徴とするものであ
る。ここでいうF系ガスとは、SF6 、NF3 、C
4 、XeF2 等フッ素原子を含む汎用ガスであってよ
い。
Further, the plasma etching method of the present invention is
A first plasma etching step of plasma-etching the refractory metal polycide layer formed on the substrate with a mixed gas containing at least a chlorine oxide-based compound gas and an F-based gas; And a second plasma etching step of plasma-etching the lower polycrystalline silicon layer with an etching gas containing a Br-based gas. The F-based gas here means SF 6 , NF 3 , C
It may be a general-purpose gas containing a fluorine atom such as F 4 or XeF 2 .

【0016】さらにまた本発明のプラズマエッチング方
法は、基板上に形成された高融点金属ポリサイド層を、
少なくとも酸化塩素系化合物ガスと、放電電離条件下で
プラズマ中に遊離のイオウを生成しうるS系化合物ガス
とを含むエッチングガスにより、被エッチング基板を室
温以下に制御しながらプラズマエッチングするものであ
る。放電電離条件下でプラズマ中に遊離のイオウを生成
しうるS系化合物ガスとしては、X/S比が6未満のS
X系ガス(Xはハロゲン元素または水素を表す)、例え
ばS2 2 、SF2 、SF4 、S2 10等のSF6 以外
のフッ化イオウガス、S2 Cl2 、S3 Cl2 、SCl
2 等の塩化イオウガス、S2 Br2 、S3 Br2 、SB
2 等の臭化イオウガス、そしてH2 Sを例示すること
ができる。フッ化イオウ化合物としてよく知られている
SF6 ガスは、F/S比が6であり、放電電離条件下で
プラズマ中に遊離のイオウを放出することはないので、
これを除外する。またここで言う室温以下という語は、
通常の半導体製造工程におけるクリーンルームの温度を
意味し、通常25℃前後以下であればよく、例えば−数
十℃というレベルの低温冷却は必要としない。
Furthermore, in the plasma etching method of the present invention, the refractory metal polycide layer formed on the substrate is
Plasma etching is performed while controlling the substrate to be etched to room temperature or below by an etching gas containing at least a chlorine oxide-based compound gas and an S-based compound gas that can generate free sulfur in plasma under discharge ionization conditions. . As an S-based compound gas that can generate free sulfur in plasma under discharge ionization conditions, an S / S ratio having an X / S ratio of less than 6 is used.
X-based gas (X represents a halogen element or hydrogen), for example S 2 F 2, SF 2, SF 4, S 2 F fluoride other than SF 6, such as 10 Iougasu, S 2 Cl 2, S 3 Cl 2, SCl
Sulfur chloride gas such as 2 , S 2 Br 2 , S 3 Br 2 , SB
Sulfur bromide gas such as r 2 and H 2 S can be exemplified. SF 6 gas, which is well known as a sulfur fluoride compound, has an F / S ratio of 6 and does not release free sulfur into plasma under discharge ionization conditions.
Exclude this. In addition, the term below room temperature referred to here is
It means the temperature of a clean room in a normal semiconductor manufacturing process, and it is usually about 25 ° C. or lower, and low-temperature cooling at a level of −several tens of ° C. is not required.

【0017】本発明で採用する酸化塩素系化合物ガスと
しては、Cl2 O、ClO2 およびCl2 7 等が例示
され、これらのうちの少なくとも1種を単独、あるいは
混合して用いればよい。
Examples of the chlorine oxide compound gas employed in the present invention include Cl 2 O, ClO 2 and Cl 2 O 7 , and at least one of them may be used alone or in combination.

【0018】[0018]

【作用】本発明の骨子は、エッチングガスとして酸化塩
素系化合物ガスを採用し、高融点金属シリサイド層のエ
ッチングにおいては、反応生成物として、蒸気圧が比較
的大きい高融点金属のオキシ塩化物を生成しつつ、エッ
チング反応を進める点にある。
The essence of the present invention employs a chlorine oxide type compound gas as an etching gas, and in the etching of a refractory metal silicide layer, a refractory metal oxychloride having a relatively large vapor pressure is used as a reaction product. The point is that the etching reaction proceeds while it is generated.

【0019】一般的に高融点金属のオキシ塩化物は、高
融点金属塩化物と高融点金属フッ化物の中間に位置する
蒸気圧を有する。このため、酸化塩素系化合物ガスによ
る高融点金属のエッチングは、Cl系ガスを用いた場合
よりエッチングレートが大きく、しかもイオンの垂直入
射を受けるパターン底部においてのみ、イオンアシスト
反応によりオキシ塩化物系の反応生成物が揮発ないし昇
華除去される。この反面、イオンの垂直入射が原理的に
生じないパターン側壁部では、反応生成物が除去されず
側壁保護膜の機能を果たし、過剰に存在するラジカルに
よる等方的なラジカル反応からパターン側面を保護し、
サイドエッチングを防止する。このため、従来のF系ガ
スを用いるプラズマエッチングの場合のように、ポリマ
系の側壁保護膜を厚く堆積する必要はなく、高異方性加
工が達成される。また、Br系ガスガスを用いる場合の
ように、エッチングレートの大幅な低下やエッチング残
渣の発生を招く虞れはない。代表的な高融点金属である
Wの化合物の沸点を下記に示す。 WF6 17.5 ℃ WOCl4 227.5 ℃ WCl5 275.6 ℃ WBr5 333 ℃
Generally, the refractory metal oxychloride has a vapor pressure intermediate between that of the refractory metal chloride and that of the refractory metal fluoride. Therefore, etching of refractory metals with chlorine oxide-based compound gas has a higher etching rate than that with Cl-based gas, and the oxychloride-based compound gas is ion-assisted only at the bottom of the pattern where ions are vertically incident. The reaction product is volatilized or removed by sublimation. On the other hand, at the side wall of the pattern where the vertical incidence of ions does not occur in principle, the reaction product is not removed and it functions as a side wall protective film, protecting the side surface of the pattern from isotropic radical reaction due to excessive radicals. Then
Prevent side etching. Therefore, unlike the case of the conventional plasma etching using the F-based gas, it is not necessary to deposit the polymer-based sidewall protection film thickly, and highly anisotropic processing is achieved. Further, unlike the case of using a Br-based gas gas, there is no fear of causing a significant decrease in the etching rate or generation of etching residues. The boiling points of W compounds, which are typical refractory metals, are shown below. WF 6 17.5 ° C WOCl 4 227.5 ° C WCl 5 275.6 ° C WBr 5 333 ° C

【0020】つぎに、下層の多結晶シリコン層は、反応
生成物としてSiClx を形成しつつエッチング反応が
進む一方、パターン側面はSiOx が形成されてこれが
側壁保護膜の役割を果たすので、ここでも異方性エッチ
ングが達成される。
Next, in the lower polycrystalline silicon layer, while the etching reaction proceeds while forming SiCl x as a reaction product, SiO x is formed on the side surface of the pattern, which serves as a side wall protective film. However, anisotropic etching is achieved.

【0021】さらに、オーバーエッチング時において
は、ゲート酸化膜をはじめとする下地酸化膜の膜減り
は、F系ガスを用いた場合に比較して軽減され、高選択
比エッチングが可能である。したがって、多結晶シリコ
ンのパターニングにおいても、被エッチング基板を極端
に低温冷却しなくても下地材料層との高選択比が得ら
れ、高融点金属シリサイド層とともに1ステップでパタ
ーニングが可能となり、スループットの向上に寄与す
る。
Further, at the time of over-etching, the film loss of the underlying oxide film such as the gate oxide film is reduced as compared with the case of using the F-based gas, and high selective ratio etching is possible. Therefore, also in the patterning of polycrystalline silicon, a high selection ratio with respect to the underlying material layer can be obtained without cooling the substrate to be etched at an extremely low temperature, and it is possible to perform patterning in one step together with the refractory metal silicide layer, thereby improving throughput. Contribute to improvement.

【0022】なお、W等の高融点金属層をパターニング
するエッチングガスとして、Cl2とO2 の混合ガスを
採用する技術が一例として特開平6−108272号公
報に開示されている。この混合ガスにより、高融点金属
ポリサイド層をパターニングすることも原理的には可能
と推測されるが、混合比の最適化の検討を要す点や、混
合ガスの組成がずれた場合のプロセスの不安定生成物の
問題、エッチングガス導入系のバルブやマスフローメー
タ等の複雑化の問題がある。
As an example, a technique of using a mixed gas of Cl 2 and O 2 as an etching gas for patterning a refractory metal layer such as W is disclosed in JP-A-6-108272. It is in principle possible to pattern the refractory metal polycide layer with this mixed gas, but it is necessary to study the optimization of the mixing ratio and the process when the composition of the mixed gas deviates. There are problems of unstable products and complication of etching gas introduction system valves and mass flow meters.

【0023】酸化塩素系化合物ガスを用いる高融点金属
ポリサイド層のエッチング機構は以上の通りであるが、
本発明においてはより一層の高エッチングレート、高異
方性そして高選択比を達成するために、プラズマエッチ
ングを2ステップ化する方法を提案する。すなわち、高
融点金属シリサイド層をパターニングする第1のプラズ
マエッチング工程においては、酸化塩素系化合物ガスと
F系ガスの混合ガスを用いることにより、F* をエッチ
ング反応系に添加し、蒸気圧の大きいWF6 を生成させ
る。これにより、エッチングレートの向上が達成され
る。一方、パターニングされた高融点金属シリサイド層
の側面が高融点金属のオキシ塩化物ないしはWClx
WOx で保護され、異方性が確保される機構は酸化塩素
系化合物ガス単独ガスの場合と同様である。
The etching mechanism of the refractory metal polycide layer using the chlorine oxide type compound gas is as described above.
In the present invention, in order to achieve a higher etching rate, a higher anisotropy and a higher selection ratio, a method of plasma etching in two steps is proposed. That is, in the first plasma etching step for patterning the refractory metal silicide layer, F * is added to the etching reaction system by using a mixed gas of a chlorine oxide-based compound gas and an F-based gas, so that the vapor pressure is large. Generate WF 6 . Thereby, the improvement of the etching rate is achieved. On the other hand, the side surface of the patterned refractory metal silicide layer is protected by a refractory metal oxychloride or WCl x or WO x , and the mechanism of ensuring anisotropy is the same as in the case of chlorine oxide compound gas alone gas. Is.

【0024】引き続き、下層の多結晶シリコン層のエッ
チングには、Br系ガスを含むエッチングガスに切り替
えてパターニングすることにより、下地のゲート酸化膜
との高い選択比を確保しつつ、異方性エッチングが達成
される。
Subsequently, in the etching of the lower polycrystalline silicon layer, the etching gas containing Br-based gas is used for patterning to perform anisotropic etching while ensuring a high selection ratio with respect to the underlying gate oxide film. Is achieved.

【0025】本発明の3番目のポイントは、酸化塩素系
化合物ガスに、放電電離条件下でプラズマ中に遊離のイ
オウ(S)を放出しうるイオウ系化合物を添加し、被エ
ッチング基板上にイオウを堆積させながらエッチングす
ることにある。この場合、エッチング反応生成物である
WClO4 に加え、イオウの堆積をも側壁保護膜として
利用できるようになる。さらに、被エッチング基板を適
度に冷却する低温冷却効果により、レジストマスクの分
解生成物や、ハロゲンを含むレジストマスクの分解生成
物の堆積が促進される。これらの堆積物はいずれもイオ
ン入射のないパターニング側面に付着し、ラジカル反応
を抑制するのでサイドエッチングのない、高異方性加工
が可能となる。また、側壁保護膜が強化されたことによ
り、異方性加工に必要とされる入射イオンエネルギを低
減することが可能となり、ゲート酸化膜等の下地材料層
に対する選択比の向上とダメージの低減はさらに徹底さ
れる。
The third point of the present invention is to add a sulfur-based compound capable of releasing free sulfur (S) in plasma under discharge ionization conditions to a chlorine oxide-based compound gas, and to add sulfur onto the substrate to be etched. Is to etch while depositing. In this case, in addition to WClO 4 which is an etching reaction product, sulfur deposition can also be used as a sidewall protective film. Further, the low temperature cooling effect of appropriately cooling the substrate to be etched promotes the deposition of the decomposition products of the resist mask and the decomposition products of the resist mask containing halogen. All of these deposits adhere to the patterning side surface where no ions are incident and suppress the radical reaction, so that highly anisotropic processing without side etching is possible. In addition, since the sidewall protection film is strengthened, it is possible to reduce the incident ion energy required for anisotropic processing, and it is possible to improve the selection ratio and reduce damage to the underlying material layer such as the gate oxide film. More thorough.

【0026】放電電離条件下でプラズマ中に遊離のイオ
ウ(S)を放出しうるイオウ系化合物に加え、さらにN
2 等のN系ガスを添加すれば、被エッチング基板上に
(SN)n (ポリチアジル)をはじめとする窒化イオウ
系化合物を堆積しつつエッチングを進めることが可能で
ある。ポリチアジルの堆積膜は、イオウよりさらに強力
な側壁保護効果を発揮する。N系ガスとしては、N2
他にN2 2 やその誘導体およびNF3 等を用いること
ができる。
In addition to sulfur compounds capable of releasing free sulfur (S) into plasma under discharge ionization conditions, N
If an N-based gas such as 2 is added, it is possible to proceed with etching while depositing a sulfur nitride-based compound such as (SN) n (polythiazyl) on the substrate to be etched. The deposited film of polythiazyl exerts a stronger sidewall protection effect than sulfur. The N-containing gas, it is possible to use N 2 H 2 and its derivatives and NF 3 or the like in addition to the N 2.

【0027】イオウまたはポリチアジルによる側壁保護
膜は、エッチング終了後、被エッチング基板を加熱する
ことにより昇華除去することが可能であり、被エッチン
グ基板上に何らコンタミネーションやパーティクル汚染
を残すことがない。昇華温度は、減圧雰囲気中でイオウ
で約90℃、ポリチアジルでは約150℃である。イオ
ウまたはポリチアジルは、レジストアッシングの際にレ
ジストマスクと同時にアッシング除去してもよい。
The side wall protective film made of sulfur or polythiazil can be removed by sublimation by heating the substrate to be etched after the etching is completed, and no contamination or particle contamination is left on the substrate to be etched. The sublimation temperature is about 90 ° C. for sulfur and about 150 ° C. for polythiazyl in a reduced pressure atmosphere. Sulfur or polythiazil may be removed by ashing at the same time as the resist mask during resist ashing.

【0028】[0028]

【実施例】以下、本発明の具体的実施例につき添付図面
を参照しつつ説明する。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Specific embodiments of the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings.

【0029】実施例1 本実施例は、本発明をゲート電極・配線加工に適用し、
Wポリサイド層をCl2 O(mp=−20℃、bp=
3.8℃)ガスを用いてエッチングした例である。この
プロセスを図1を参照して説明する。
Example 1 In this example, the present invention is applied to a gate electrode / wiring process,
The W polycide layer is made of Cl 2 O (mp = −20 ° C., bp =
This is an example of etching using a gas (3.8 ° C.). This process will be described with reference to FIG.

【0030】まず、図1(a)に示すように、例えば8
インチ径のシリコン等からなる半導体基板1上にSiO
2 からなるゲート絶縁膜2を10nm形成後、この上に
高融点金属ポリサイド層5、さらにこの上部に所定の形
状にパターニングしたレジストマスク6を形成し、これ
を被エッチング基板とする。上記高融点金属ポリサイド
層5は、n型不純物をドープした厚さ100nmの多結
晶シリコン層3と、厚さ100nmのWSix からなる
高融点金属シリサイド層4を順次被着積層したものであ
る。また上記レジストマスク6は、一例としてネガ型3
成分系の化学増幅型フォトレジスト(シプレー社製、商
品名SAL−601)を塗布し、KrFエキシマレーザ
露光を施すことにより0.35μmのパターン幅に形成
した。
First, as shown in FIG. 1A, for example, 8
SiO is formed on the semiconductor substrate 1 made of silicon or the like having an inch diameter.
After the gate insulating film 2 made of 2 is formed to a thickness of 10 nm, a refractory metal polycide layer 5 is formed on the gate insulating film 2, and a resist mask 6 patterned to have a predetermined shape is further formed on the high melting point metal polycide layer 5 to form a substrate to be etched. The refractory metal polycide layer 5 is formed by sequentially depositing and laminating a 100-nm-thick polycrystalline silicon layer 3 doped with an n-type impurity and a 100-nm-thick refractory metal silicide layer 4 made of WSi x . The resist mask 6 is, for example, a negative type 3
A chemical amplification type photoresist (trade name: SAL-601 manufactured by Shipley Co., Ltd.) of a component type was applied and exposed to KrF excimer laser to form a pattern width of 0.35 μm.

【0031】つぎに、この被エッチング基板を例えば基
板バイアス印加型ECRプラズマエッチング装置の基板
ステージ上にセットし、レジストパターン6をマスクと
して高融点金属ポリサイド層5を連続してエッチングす
る。このときのエッチング条件は、例えば下記のとおり
とした。 Cl2 O流量 25 sccm ガス圧力 0.67 Pa マイクロ波パワー 850 W(2.45GHz) RFバイアスパワー 150 W(13.56MH
z) 基板温度 常温
Next, this substrate to be etched is set on a substrate stage of, for example, a substrate bias application type ECR plasma etching apparatus, and the refractory metal polycide layer 5 is continuously etched using the resist pattern 6 as a mask. The etching conditions at this time are as follows, for example. Cl 2 O flow rate 25 sccm Gas pressure 0.67 Pa Microwave power 850 W (2.45 GHz) RF bias power 150 W (13.56 MH)
z) Substrate temperature at room temperature

【0032】このエッチング工程では、ECR放電によ
りCl2 Oから解離生成するCl*を主エッチング種と
するラジカル反応が、Cl+ 、 O+ 等のイオンにアシ
ストされる機構で反応が進行し、レジストマスク6から
露出した高融点金属シリサイド層4はWOCl4 をはじ
めとするオキシ塩化物の形やSiClx として、また多
結晶シリコン層3はSiClx となりエッチング除去さ
る。またこれと同時に、レジストマスク6やパターニン
グが進行する高融点金属ポリサイド層5側面には、蒸気
圧が小さいWClx やWOx あるいはSiOx が付着堆
積し、図1(b)に示すように側壁保護膜7を形成す
る。側壁保護膜7は、堆積量こそ少ないものの、高いエ
ッチング耐性を示し、異方性加工に寄与する。この側壁
保護膜7には、レジストマスク6のスパッタリングによ
る分解生成物や、これにハロゲンを含む分解生成物も少
量含有している。
In this etching step, the radical reaction mainly containing Cl *, which is generated by dissociation from Cl 2 O by ECR discharge, proceeds by a mechanism assisted by ions of Cl + , O +, etc. The refractory metal silicide layer 4 exposed from the mask 6 is removed by etching in the form of oxychloride such as WOCl 4 or SiCl x , and the polycrystalline silicon layer 3 is changed to SiCl x . At the same time, WCl x , WO x or SiO x having a low vapor pressure adheres and deposits on the side surfaces of the resist mask 6 and the refractory metal polycide layer 5 where patterning proceeds, and the side walls are formed as shown in FIG. The protective film 7 is formed. Although the side wall protective film 7 has a small amount of deposition, it exhibits high etching resistance and contributes to anisotropic processing. The side wall protective film 7 also contains a small amount of decomposition products obtained by sputtering the resist mask 6 and decomposition products containing halogen.

【0033】このエッチングの結果、レジストマスク6
の直下に良好な異方性形状を示す高融点金属ポリサイド
5のパターンが形成された。さらに、エッチング反応系
にフッ素系化学種を含んでいないことから、下地のゲー
ト絶縁膜2に対しても高選択比が得られ、ゲート絶縁膜
2のダメージや膜減りが防止される。
As a result of this etching, the resist mask 6
A pattern of the refractory metal polycide 5 having a good anisotropic shape was formed immediately below. Further, since the etching reaction system does not contain a fluorine-based chemical species, a high selection ratio can be obtained even with respect to the underlying gate insulating film 2, and damage or film reduction of the gate insulating film 2 can be prevented.

【0034】エッチング終了後、被エッチング基板を上
記エッチング装置に付属のプラズマアッシング装置に搬
送し、O2 プラズマアッシングにより、レジストマスク
6と側壁保護膜7を除去する。最終的には純水によるス
プレー式スピン洗浄等をおこないアッシング残渣を除去
してもよい。アッシング残渣除去には、メガソニック洗
浄や、ブラシ・スクラビングも有効である。この結果、
図1(c)に示すように0.35μm幅の良好な形状を
有する高融点金属ポリサイド5パターンからなるゲート
電極・配線が得られた。
After the etching is completed, the substrate to be etched is conveyed to the plasma ashing apparatus attached to the above etching apparatus, and the resist mask 6 and the side wall protective film 7 are removed by O 2 plasma ashing. Finally, the ashing residue may be removed by performing spray type spin cleaning with pure water. Megasonic cleaning and brush scrubbing are also effective for removing ashing residues. As a result,
As shown in FIG. 1C, a gate electrode / wiring consisting of a refractory metal polycide 5 pattern having a good shape with a width of 0.35 μm was obtained.

【0035】本実施例によれば、酸化塩素系化合物ガス
単独ガスによる1ステップエッチングにより、サイドエ
ッチングがなく、対ゲート絶縁膜選択比、対レジストマ
スク選択比の高いポリサイドゲート加工が達成される。
According to the present embodiment, the one-step etching using the chlorine oxide-based compound gas alone gas does not cause side etching, and polyside gate processing with a high gate insulating film selection ratio and a high resist mask selection ratio is achieved. .

【0036】実施例2 本実施例は、同じ高融点金属ポリサイド層のエッチング
を2段階化し、第1のエッチング工程ではまずClO2
/SF6 混合ガスで上層側のWSix をエッチングした
後、第2のエッチング工程ではHBrガスに切り替えて
下層側の多結晶シリコン層をエッチングするものであ
る。このプロセスを図2を参照して説明する。同図では
図1と同様の構成要素には同じ符号を付す。
Example 2 In this example, the same refractory metal polycide layer was etched in two steps, and in the first etching step, ClO 2 was used first.
After etching the upper layer side WSi x with the / SF 6 mixed gas, in the second etching step, the lower layer side polycrystalline silicon layer is etched by switching to HBr gas. This process will be described with reference to FIG. In the figure, the same components as those in FIG. 1 are designated by the same reference numerals.

【0037】本実施例の被エッチング基板を図2(a)
に示す。これは図1(a)と同一であるので説明を省略
する。この被エッチング基板を基板バイアス印加型EC
Rプラズマエッチング装置にセットし、一例として下記
条件でWSix からなる高融点金属シリサイド層4をエ
ッチングする。 ClO2 流量 25 sccm SF6 流量 25 sccm ガス圧力 0.67 Pa マイクロ波パワー 850 W(2.45GHz) RFバイアスパワー 150 W(13.56MH
z) 被エッチング基板温度 常温
The substrate to be etched of this embodiment is shown in FIG.
Shown in Since this is the same as FIG. 1A, the description is omitted. This substrate to be etched is a substrate bias application type EC
The refractory metal silicide layer 4 made of WSi x is etched under the following conditions by setting the R plasma etching apparatus. ClO 2 flow rate 25 sccm SF 6 flow rate 25 sccm Gas pressure 0.67 Pa Microwave power 850 W (2.45 GHz) RF bias power 150 W (13.56 MH)
z) Etching substrate temperature at room temperature

【0038】このエッチング工程では、ECR放電によ
りSF6 から解離生成する大量のF* とCl* をメイン
エッチャントとするラジカル反応が、SFx + 、Cl+
等のイオンにアシストされる機構でエッチングが高速に
進行する。レジストマスク6から露出するWSix は、
WFx 、WOFx 、SiFx およびWOClx 等を形成
して選択的に除去される。側壁保護膜7の形成機構は、
実施例1で前述した機構に準ずるものであり、WC
x 、WOx およびレジストマスクの分解生成物を主な
構成成分としており、エッチングは異方的に進行する。
この第1のエッチング工程は図1(b)に示すように多
結晶シリコン層3が露出した時点で終了したが、レジス
トマスク6から露出した多結晶シリコン層3上には、高
融点金属シリサイド層4の残余部4aが散見される場合
もある。
In this etching step, a radical reaction using a large amount of F * and Cl *, which are dissociated and produced from SF 6 by ECR discharge, as main etchants causes SF x + and Cl +.
Etching progresses at a high speed by a mechanism assisted by ions such as. WSi x exposed from the resist mask 6 is
WF x , WOF x , SiF x, WOCl x, etc. are formed and selectively removed. The formation mechanism of the side wall protective film 7 is
This is similar to the mechanism described above in Example 1, and the WC
The main component is l x , WO x, and decomposition products of the resist mask, and etching proceeds anisotropically.
This first etching step was completed when the polycrystalline silicon layer 3 was exposed as shown in FIG. 1B, but the high melting point metal silicide layer was formed on the polycrystalline silicon layer 3 exposed from the resist mask 6. In some cases, the remaining portions 4a of 4 are scattered.

【0039】つぎに、高融点金属シリサイド層の残余部
4aと多結晶シリコン層3を、一例として下記エッチン
グ条件に切り替えてエッチングする。 HBr流量 50 sccm ガス圧力 0.67 Pa マイクロ波パワー 850 W(2.45GHz) RFバイアスパワー 150 W(13.56MH
z) 被エッチング基板温度 常温 このエッチング工程では、F* やCl* が反応に関与す
ることなく、Br* を主体とするラジカル反応がイオン
入射にアシストされる形で反応が進行する。側壁保護膜
7の成分は、レジストマスク6の分解生成物や、これに
臭素を含むものである。
Next, the remaining portion 4a of the refractory metal silicide layer and the polycrystalline silicon layer 3 are etched under the following etching conditions as an example. HBr flow rate 50 sccm Gas pressure 0.67 Pa Microwave power 850 W (2.45 GHz) RF bias power 150 W (13.56 MH)
z) Substrate temperature to be etched Normal temperature In this etching step, the radical reaction mainly consisting of Br * proceeds in a form of assisting the ion incidence without the F * and Cl * participating in the reaction. The components of the side wall protective film 7 include decomposition products of the resist mask 6 and bromine.

【0040】この結果、図2(c)に示すようにポリサ
イドゲート電極がサイドエッチングを生じることなく良
好な異方性形状をもって形成される。また下地のゲート
絶縁膜2に対しても高い選択比が確保され、ダメージを
与えることはなかった。この後、通常のO2 プラズマア
ッシングを行ってレジストマスク6と側壁保護膜7を除
去し、図2(d)に示すポリサイドゲート電極を完成し
た。
As a result, as shown in FIG. 2C, the polycide gate electrode is formed with a good anisotropic shape without causing side etching. Further, a high selection ratio was secured for the underlying gate insulating film 2 and no damage was given. After that, normal O 2 plasma ashing was performed to remove the resist mask 6 and the side wall protective film 7, and the polycide gate electrode shown in FIG. 2D was completed.

【0041】本実施例によれば、エッチング時間の短縮
によるスループットの向上と、高異方性、高選択比、低
ダメージ、低パーティクルの諸特性をいずれも満足する
ゲート電極加工が可能となる。なお第2のエッチング工
程においては、Br系ガスに少量のO2 を添加してもよ
い。
According to this embodiment, it is possible to improve the throughput by shortening the etching time and process the gate electrode satisfying all the characteristics of high anisotropy, high selectivity, low damage and low particles. In the second etching step, a small amount of O 2 may be added to Br-based gas.

【0042】実施例3 本実施例は、放電電離条件下でプラズマ中に遊離のイオ
ウを生成しうるS系化合物ガスとしてS2 Cl2 を採用
し、Cl2 O/S2 Cl2 混合ガスを用いてWポリサイ
ド層を1ステップでエッチングした例である。このプロ
セスを再び図1を参照して説明する。
Example 3 In this example, S 2 Cl 2 was adopted as an S-based compound gas capable of producing free sulfur in plasma under discharge ionization conditions, and a Cl 2 O / S 2 Cl 2 mixed gas was used. In this example, the W polycide layer is etched in one step. This process will be described again with reference to FIG.

【0043】本実施例で用いた被エッチング基板は実施
例1で用いた図1(a)に示すものと同一である。この
被エッチング基板を、例えば基板バイアス印加型ECR
プラズマエッチング装置の基板ステージ上ににセット
し、レジストパターン6をマスクとして高融点金属ポリ
サイド層5をエッチングする。本実施例で採用したエッ
チング装置の基板ステージは、例えばエタノール冷媒を
循環して被エッチング基板を室温以下に制御する機構を
組み込んだものである。このときのエッチング条件は、
例えば下記のとおりとした。 Cl2 O流量 25 sccm S2 Cl2 流量 25 sccm ガス圧力 0.67 Pa マイクロ波パワー 850 W(2.45GHz) RFバイアスパワー 100 W(13.56MH
z) 基板温度 0 ℃ なお、S2 Cl2 のフッ点は135.6℃であるので、
容器をヒータ等で加熱し、気化させてエッチングチャン
バに導入する。この際、導入配管系はリボンヒータ等で
加熱し、配管内部でのS2 Cl2 の凝縮による結露を防
止した。
The substrate to be etched used in this example is the same as that used in Example 1 and shown in FIG. This substrate to be etched is, for example, a substrate bias application type ECR.
It is set on the substrate stage of the plasma etching apparatus, and the refractory metal polycide layer 5 is etched using the resist pattern 6 as a mask. The substrate stage of the etching apparatus used in this embodiment incorporates a mechanism for controlling the substrate to be etched below room temperature by circulating, for example, an ethanol coolant. The etching conditions at this time are
For example: Cl 2 O flow rate 25 sccm S 2 Cl 2 flow rate 25 sccm Gas pressure 0.67 Pa Microwave power 850 W (2.45 GHz) RF bias power 100 W (13.56 MH)
z) Substrate temperature 0 ° C. Since the foot point of S 2 Cl 2 is 135.6 ° C.,
The container is heated by a heater or the like to be vaporized and introduced into the etching chamber. At this time, the introduction pipe system was heated by a ribbon heater or the like to prevent dew condensation due to condensation of S 2 Cl 2 inside the pipe.

【0044】このこのエッチング工程では、ECR放電
によりCl2 OとS2 Cl2 から解離生成するCl*
主エッチング種とするラジカル反応が、Cl+ 、SCl
x +、O+ 等のイオンにアシストされる機構で反応が進
行し、レジストマスク6から露出した高融点金属シリサ
イド層4はWOCl4 をはじめとするオキシ塩化物の形
やSiClx として、また多結晶シリコン層3はSiC
x となり選択的に除去さる。またこれと同時に、レジ
ストマスク6やパターニングが進行する高融点金属ポリ
サイド層5側面には蒸気圧が小さいWClx やWOx
るいはSiOxと同時に、S2 Cl2 から解離生成する
イオウが付着堆積し、図1(b)に示すように側壁保護
膜7を形成する。側壁保護膜7は、堆積量こそ少ないも
のの、高いエッチング耐性を示し、異方性加工に寄与す
る。この側壁保護膜7には、レジストマスク6のスパッ
タリングによる分解生成物や、これにハロゲンを含む分
解生成物も少量含有している。
In this etching step, a radical reaction using Cl *, which is dissociated and produced from Cl 2 O and S 2 Cl 2 by ECR discharge, as a main etching species, causes Cl + and SCl.
The reaction proceeds by a mechanism assisted by ions such as x + , O +, etc., and the refractory metal silicide layer 4 exposed from the resist mask 6 is in the form of oxychloride such as WOCl 4 or SiCl x. The crystalline silicon layer 3 is SiC
It becomes l x and is selectively removed. At the same time, on the resist mask 6 and the side surface of the refractory metal polycide layer 5 where patterning proceeds, simultaneously with WCl x , WO x or SiO x having a low vapor pressure, sulfur dissociated from S 2 Cl 2 is deposited and deposited. As shown in FIG. 1B, the side wall protective film 7 is formed. Although the side wall protective film 7 has a small amount of deposition, it exhibits high etching resistance and contributes to anisotropic processing. The side wall protective film 7 also contains a small amount of decomposition products obtained by sputtering the resist mask 6 and decomposition products containing halogen.

【0045】また本実施例では被エッチング基板を0℃
と比較的低温に冷却しているので、パターン側面のラジ
カル反応が抑制されていることと、上述した強固な側壁
保護膜の寄与により、入射イオンエネルギを低減した条
件であるにかかわらず、優れた異方性加工が可能であ
る。また当然下地材料層であるゲート酸化膜のダメージ
や膜減りも一層低減される。さらにイオウの堆積を利用
する分だけ、レジストマスクの分解生成物である炭素系
ポリマの堆積を軽減でき、基板やチャンバ内のパーティ
クル汚染が軽減される。
In this embodiment, the substrate to be etched is set at 0 ° C.
Since it is cooled to a relatively low temperature, the radical reaction on the side surface of the pattern is suppressed, and the contribution of the above-mentioned strong side wall protective film is excellent regardless of the condition that the incident ion energy is reduced. Anisotropic processing is possible. Naturally, the damage and loss of the gate oxide film, which is the base material layer, is further reduced. Further, since the amount of sulfur deposition is utilized, the deposition of carbon-based polymer, which is a decomposition product of the resist mask, can be reduced, and particle contamination in the substrate and the chamber can be reduced.

【0046】このの結果、レジストマスク6の直下に良
好な異方性形状を示す高融点金属ポリサイド5のパター
ンが形成された。エッチング終了後、被エッチング基板
を上記エッチング装置に付属のプラズマアッシング装置
に搬送し、O2 プラズマアッシングにより、レジストマ
スク6と側壁保護膜7を除去する。最終的には純水によ
るスプレー式スピン洗浄等をおこないアッシング残渣を
除去してもよい。アッシング残渣除去には、メガソニッ
ク洗浄や、ブラシ・スクラビングも有効である。この結
果、図1(c)に示すように0.35μm幅の良好な形
状を有する高融点金属ポリサイド5パターンからなるゲ
ート電極・配線が得られた。
As a result, a pattern of the refractory metal polycide 5 having a good anisotropic shape was formed immediately below the resist mask 6. After the etching is completed, the substrate to be etched is transferred to the plasma ashing device attached to the above-mentioned etching device, and the resist mask 6 and the side wall protective film 7 are removed by O 2 plasma ashing. Finally, the ashing residue may be removed by performing spray type spin cleaning with pure water. Megasonic cleaning and brush scrubbing are also effective for removing ashing residues. As a result, as shown in FIG. 1C, a gate electrode / wiring consisting of a refractory metal polycide 5 pattern having a good shape with a width of 0.35 μm was obtained.

【0047】本実施例によれば、酸化塩素系化合物ガス
と、放電電離条件下でプラズマ中に遊離のイオウを生成
しうるS系化合物ガスとの混合ガスによる1ステップエ
ッチングにより、サイドエッチングがなく、実施例1に
比べて一層の対ゲート絶縁膜2選択比、対レジストマス
ク6選択比の高いポリサイドゲート加工が達成される。
According to the present embodiment, the side etching is eliminated by the one-step etching with the mixed gas of the chlorine oxide-based compound gas and the S-based compound gas which can generate free sulfur in the plasma under the discharge ionization condition. As compared with the first embodiment, the polycide gate processing having a higher selection ratio to the gate insulating film 2 and a higher selection ratio to the resist mask 6 is achieved.

【0048】以上、本発明を3種の実施例により説明し
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。
Although the present invention has been described with reference to three embodiments, the present invention is not limited to these embodiments.

【0049】例えば、酸化塩素系化合物ガスとしてCl
2 OとClO2 を採り上げたが、課題を解決するための
手段の項で先述したように、Cl2 7 を用いてもよ
い。
For example, as the chlorine oxide compound gas, Cl
Although 2 O and ClO 2 are used, Cl 2 O 7 may be used as described above in the section of means for solving the problem.

【0050】フッ素系ガスとしては実施例で例示したS
6 の他にNF3 、ClF3 、XeF2 等F原子を有す
る汎用F系化合物を使用できる。
As the fluorine-based gas, S exemplified in the examples is used.
In addition to F 6 , general-purpose F-based compounds having F atoms such as NF 3 , ClF 3 and XeF 2 can be used.

【0051】その他、添加ガスとしてHe、Ar等希ガ
スを用いればスパッタリング、冷却、希釈および放電の
安定性等の各効果を期待できる。
In addition, if a rare gas such as He or Ar is used as the additive gas, various effects such as sputtering, cooling, dilution and discharge stability can be expected.

【0052】特に、添加ガスとしてN2 を導入すれば、
放電解離条件下でプラズマ中に遊離のイオウを放出しう
るイオウ系化合物やフッ化イオウ系化合物から放出され
るS原子と反応し、ポリチアジル(SN)n なる無機ポ
リマを始めとする窒化イオウ系化合物の堆積を側壁保護
膜として利用できる。このエッチング方法も高選択比、
高異方性ならびに低ダメージ性の実現に優れた方法であ
る。
In particular, if N 2 is introduced as an additive gas,
Sulfur nitride compounds such as polythiazyl (SN) n inorganic polymers that react with S atoms released from sulfur compounds or fluorinated sulfur compounds that can release free sulfur into plasma under discharge dissociation conditions Can be used as a sidewall protection film. This etching method also has a high selection ratio,
It is an excellent method for achieving high anisotropy and low damage.

【0053】高融点金属シリサイド層は、上述のWSi
x の他にMoSix 、TaSix 、TiSix 等各種シ
リサイド層であってよい。
The refractory metal silicide layer is made of the above-mentioned WSi.
Besides MoSi x of x, TaSi x, it may be a TiSi x and various silicide layer.

【0054】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、MOSFETのゲート電極・配線
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。
Polycrystalline silicon is usually used as the lower layer of the refractory metal polycide layer. However, as disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 63-163 filed by the applicant of the present invention, amorphous silicon is used. May be used. The etching characteristics of amorphous silicon are almost the same as those of polycrystalline silicon. This amorphous silicon also has a polycide structure because it changes into polycrystalline silicon by the activation heat treatment process of the implanted impurities at the stage of finally functioning as the gate electrode / wiring of the MOSFET.

【0055】さらに、使用するエッチング装置として基
板バイアス印加型のECRプラズマエッチング装置を採
り上げたが、平行平板型RIE装置、ヘリコン波プラズ
マエッチング装置、ICP(Inductively Coupled Plasm
a)エッチング装置、TCP(Transformer Coupled Plas
ma) エッチング装置等、各種エッチング装置を使用可能
であることは言うまでもない。
Further, the substrate bias applying type ECR plasma etching device was adopted as the etching device to be used, but a parallel plate type RIE device, a helicon wave plasma etching device, an ICP (Inductively Coupled Plasm) device was used.
a) Etching equipment, TCP (Transformer Coupled Plas)
Of course, it is possible to use various etching devices such as ma) etching devices.

【0056】[0056]

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
はWポリサイド等の高融点金属ポリサイド層のエッチン
グにおいて、酸化塩素系化合物ガスを採用することによ
り、蒸気圧の比較的大きい高融点金属のオキシフッ化物
を反応生成物として利用することができる。高融点金属
のオキシフッ化物はイオンの垂直入射面でのみ、イオン
アシスト反応で除去され、実用的なエッチングレートで
のエッチング反応が進行する。またパターン側面におい
ては、高融点金属のオキシフッ化物や、高融点金属の酸
化物や塩化物等の蒸気圧の小さい反応生成物を側壁保護
膜として利用することが可能となる。このため、ラジカ
ルのサイドアタックからパターン側面を保護し、サイド
エッチングが防止される他、異方性エッチングに必要な
入射イオンエネルギの低減が可能となる。これにより、
下地ゲート絶縁膜との選択比が向上し、ゲート絶縁膜の
ダメージを低減できるばかりか、下地スパッタによる再
付着の問題も解決できる。勿論レジストマスクとの選択
比も向上するのでレジストパターン後退等による寸法変
換差の低減に有利である。
As is apparent from the above description, the present invention employs a chlorine oxide-based compound gas in the etching of a high-melting-point metal polycide layer such as W polycide. The oxyfluoride can be used as a reaction product. The oxyfluoride of the refractory metal is removed by the ion assist reaction only on the vertical incident surface of the ions, and the etching reaction proceeds at a practical etching rate. Further, on the side surface of the pattern, it becomes possible to use a reaction product having a low vapor pressure such as refractory metal oxyfluoride or refractory metal oxide or chloride as a side wall protective film. For this reason, the side surface of the pattern is protected from the side attack of radicals, side etching is prevented, and the incident ion energy required for anisotropic etching can be reduced. This allows
The selection ratio with respect to the underlying gate insulating film is improved, damage to the gate insulating film can be reduced, and the problem of redeposition due to underlying sputtering can be solved. Of course, the selection ratio with respect to the resist mask is also improved, which is advantageous in reducing the dimensional conversion difference due to the receding of the resist pattern.

【0057】プラズマエッチングを2段階化し、高融点
金属シリサイド層をパターニングする第1のエッチング
工程では酸化塩素系化合物ガスとF系ガスの混合ガス
を、そして多結晶シリコン層をパターニングする第2の
エッチング工程ではBr系ガスを採用すれば、高融点金
属シリサイド層のエッチングレートが向上し、プロセス
全体のスループットが向上する他に、異方性、選択性も
さらに向上する。
In the first etching step for patterning the refractory metal silicide layer by plasma etching in two stages, a mixed gas of a chlorine oxide-based compound gas and an F-based gas and a second etching for patterning the polycrystalline silicon layer are used. If a Br-based gas is used in the process, the etching rate of the refractory metal silicide layer is improved, the throughput of the entire process is improved, and the anisotropy and selectivity are further improved.

【0058】さらに、酸化塩素系化合物ガスと、放電電
離条件下でプラズマ中に遊離のイオウを生成しうるS系
化合物ガスを併用すれば、イオウないしポリチアジルの
堆積を利用でき、側壁保護膜はより強固なものとなる。
このため、基板バイアスを低減したり、炭素系ポリマの
堆積を低減できるので、上記効果を確保した上で基板上
やエッチングチャンバ内のパーティクル汚染の低減も図
ることができる。
Further, if a chlorine oxide-based compound gas and an S-based compound gas capable of producing free sulfur in plasma under discharge ionization conditions are used together, the deposition of sulfur or polythiazil can be utilized, and the side wall protective film can be more effective. It will be strong.
For this reason, it is possible to reduce the substrate bias and the deposition of the carbon-based polymer, so that it is possible to reduce the particle contamination on the substrate and in the etching chamber while securing the above effect.

【0059】またCFC系ガスを一切使用しないので、
脱フロンプロセスが可能となり、環境のクリーン化にも
貢献しうるものである。
Since no CFC gas is used,
The dechlorofluorocarbon process becomes possible, which can contribute to a cleaner environment.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】本発明を適用した実施例1および2を、その工
程順に説明する概略断面図であり、(a)は下地ゲート
絶縁膜上に多結晶シリコン層と高融点金属シリサイド層
からなる高融点金属ポリサイド層を形成し、さらにレジ
ストマスクを形成した状態であり、(b)高融点金属ポ
リサイド層をエッチングして高融点金属ポリサイドパタ
ーンを形成した状態、(c)はレジストマスクと側壁保
護膜を除去して高融点金属ポリサイドパターンが完成し
た状態である。
1A and 1B are schematic cross-sectional views for explaining Embodiments 1 and 2 to which the present invention is applied, in the order of steps, in which FIG. The melting point metal polycide layer is formed and a resist mask is further formed. (B) The refractory metal polycide layer is etched to form a refractory metal polycide pattern. (C) is the resist mask and sidewall protection. The film is removed and the refractory metal polycide pattern is completed.

【図2】本発明を適用した実施例3を、その工程順に説
明するための概略断面図であり、(a)は下地ゲート絶
縁膜上に多結晶シリコン層と高融点金属シリサイド層か
らなる高融点金属ポリサイド層を形成し、さらにレジス
トマスクを形成した状態であり、(b)は高融点金属シ
リサイド層をエッチングして多結晶シリコン層が露出し
た状態、(c)は多結晶シリコン層をエッチングして高
融点金属ポリサイドパターンを形成した状態、(d)は
レジストマスクと側壁保護膜を除去して高融点金属ポリ
サイドパターンが完成した状態である。
2A and 2B are schematic cross-sectional views for explaining a third embodiment to which the present invention is applied in the order of steps, in which FIG. 2A is a high-level view of a polycrystalline silicon layer and a refractory metal silicide layer formed on a base gate insulating film. A state where a melting point metal polycide layer is formed and a resist mask is further formed, (b) is a state where the high melting point metal silicide layer is etched to expose the polycrystalline silicon layer, and (c) is a state where the polycrystalline silicon layer is etched. Then, the refractory metal polycide pattern is formed, and (d) shows the refractory metal polycide pattern completed by removing the resist mask and the sidewall protection film.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 半導体基板 2 ゲート絶縁膜 3 多結晶シリコン層 4 高融点金属シリサイド層 4a 高融点金属シリサイド層の残余部 5 高融点金属ポリサイド層 6 レジストマスク 7 側壁保護膜 1 semiconductor substrate 2 gate insulating film 3 polycrystalline silicon layer 4 refractory metal silicide layer 4a residual part of refractory metal silicide layer 5 refractory metal polycide layer 6 resist mask 7 sidewall protection film

Claims (4)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 基板上に多結晶シリコン層と高融点金属
シリサイド層が、この順に積層され形成された高融点金
属ポリサイド層のプラズマエッチング方法において、 少なくとも酸化塩素系化合物ガスを含むエッチングガス
によりプラズマエッチングすることを特徴とする、高融
点金属ポリサイド層のプラズマエッチング方法。
1. A plasma etching method for a refractory metal polycide layer, which is formed by laminating a polycrystalline silicon layer and a refractory metal silicide layer on a substrate in this order, wherein a plasma is formed by an etching gas containing at least a chlorine oxide-based compound gas. A plasma etching method for a refractory metal polycide layer, which comprises etching.
【請求項2】 基板上に多結晶シリコン層と高融点金属
シリサイド層が、この順に積層され形成された高融点金
属ポリサイド層のプラズマエッチング方法において、 少なくとも酸化塩素系化合物ガスとF系ガスとを含む混
合ガスにより、前記高融点金属シリサイド層をプラズマ
エッチングする第1のプラズマエッチング工程と、 少なくともBr系ガスを含むエッチングガスにより、前
記多結晶シリコン層をプラズマエッチングする第2のプ
ラズマエッチング工程とを有することを特徴とする、高
融点金属ポリサイド層のプラズマエッチング方法。
2. A plasma etching method for a refractory metal polycide layer in which a polycrystalline silicon layer and a refractory metal silicide layer are laminated in this order on a substrate, and at least chlorine oxide-based compound gas and F-based gas are used. A first plasma etching step of plasma etching the refractory metal silicide layer with a mixed gas containing the gas; and a second plasma etching step of plasma etching the polycrystalline silicon layer with an etching gas containing at least a Br-based gas. A method of plasma etching a refractory metal polycide layer, comprising:
【請求項3】 基板上に多結晶シリコン層と高融点金属
シリサイド層が、この順に積層され形成された高融点金
属ポリサイド層のプラズマエッチング方法において、 少なくとも酸化塩素系化合物ガスと、放電電離条件下で
プラズマ中に遊離のイオウを生成しうるS系化合物ガス
とを含むエッチングガスにより、 被エッチング基板を室温以下に制御しながらプラズマエ
ッチングすることを特徴とする、高融点金属ポリサイド
層のプラズマエッチング方法。
3. A plasma etching method for a refractory metal polycide layer in which a polycrystalline silicon layer and a refractory metal silicide layer are stacked in this order on a substrate, wherein at least chlorine oxide compound gas and discharge ionization conditions are used. Plasma etching method for a refractory metal polycide layer, characterized in that the substrate to be etched is plasma-etched while being controlled to room temperature or below by an etching gas containing an S-based compound gas capable of generating free sulfur in plasma. .
【請求項4】 酸化塩素系化合物ガスは、Cl2 O、C
lO2 およびCl2 7 からなる群のうちから選ばれる
少なくとも1種であることを特徴とする、請求項1、2
または3いずれか1項記載のプラズマエッチング方法。
4. The chlorine oxide-based compound gas is Cl 2 O or C.
3. At least one selected from the group consisting of 10 2 and Cl 2 O 7.
Or the plasma etching method according to any one of 3 above.
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Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2001237236A (en) * 1999-12-09 2001-08-31 Lam Res Corp Cleaning method of substrate surfaces after etching process
US6383942B1 (en) 1999-03-11 2002-05-07 Kabushiki Kaisha Toshiba Dry etching method
JPWO2006126520A1 (en) * 2005-05-24 2008-12-25 松下電器産業株式会社 Dry etching method, fine structure forming method, mold and manufacturing method thereof
JPWO2007094087A1 (en) * 2006-02-13 2009-07-02 パナソニック株式会社 Dry etching method, fine structure forming method, mold and manufacturing method thereof

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