(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
段差を有する半導体基板全面に上記段差を覆うようにポリシリコン膜を形成し、上記段差上にポリシリコンパターンを形成する工程を有する半導体装置の製造方法において、
上記全面にポリシリコン膜を形成した後、所定の形状のマスクパターンを形成し、該マスクパターンをエッチングマスクとして用い、臭化水素ガスの流量を塩素ガスの流量より多くした上記臭化水素ガスと上記塩素ガスと不活性ガスとの混合ガスをエッチングガスとして用いて、上記ポリシリコン側壁に反応生成物を堆積させながら、上記ポリシリコン膜の平坦部分をエッチングする工程と、
上記マスクパターンをエッチングマスクとして用い、臭化水素ガスの流量を塩素ガスの流量より少なくし上記臭化水素ガスと上記塩素ガスと不活性ガスとの混合ガスをエッチングガスとして用いて、上記段差側部のポリシリコンをエッチング除去する工程とを有することを特徴とする、半導体装置の製造方法。
【請求項２】
段差を有する半導体基板全面に上記段差を覆うようにポリシリコン膜を形成し、上記段差上にポリシリコンパターンを形成する工程を有する半導体装置の製造方法において、
上記全面にポリシリコン膜を形成した後、所定形状のマスクパターンを形成し、該マスクパターンをエッチングマスクとして用い、臭化水素ガスと酸素との混合ガス又は臭化水素ガスと炭素及びフッ素を含むガスとの混合ガスをエッチングガスとして用いて、上記ポリシリコン側壁に反応生成物を堆積させながら、上記ポリシリコン膜の平坦部分をエッチングする工程と、
上記マスクパターンをエッチングマスクとして用い、少なくとも臭化水素ガスと塩素ガスとをエッチングガスとして用いて、上記段差側部のポリシリコンをエッチング除去する工程とを有することを特徴とする、半導体装置の製造方法。
【請求項３】
上記臭化水素ガスと炭素及びフッ素を含むガスとの流量比が４：１であることを特徴とする、請求項２に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項４】
上記全面にポリシリコン膜を形成した後、且つ、上記ポリシリコン膜の平坦部分のエッチング前に、ポリシリコン膜表面に形成された自然酸化膜のエッチングを行うことを特徴とする、請求項１乃至３のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
【請求項５】
上記ポリシリコン側壁に反応生成物を堆積させながら、上記ポリシリコン膜の平坦部分をエッチングする工程に使用されるエッチングガスが、１．２〜３．０：１の臭化水素ガスと塩素ガスとの流量比のガスであることを特徴とする、請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体装置の製造方法に関し、更に詳しくは下地に、段差を有するポリシリコンをプラズマエッチングによりエッチングする技術に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
半導体装置の形成プロセスにおいて、そのゲート電極材料としてポリシリコン（多結晶シリコン）が多く用いられている。これは、ゲート電極材料としれ、特に低い抵抗値を必要としない場合に、例えば熱酸化により、容易に絶縁膜が形成できる等の利用の簡便さからである。
【０００３】
ゲート電極などの半導体装置において、ポリシリコンが用いられる場合、プラズマエッチング等によりパターニングする方法が一般的に用いられているが、ときにこのポリシリコンのプラズマエッチングを、下地に高段差を有した状態で処理する必要に迫られる場合がある。例えば、ＣＣＤ素子においては２層ポリシリコンゲートはもとより、最近では３層ポリシリコンゲートのものまで出てきており、３層ポリシリコンゲートの場合、３層目のポリシリコンのエッチングは、下地に２層のポリシリコンゲートを置いた状態で処理することになり、パターンずれ等の要因が加わった場合には７００〜１０００ｎｍの垂直段差が形成される。
【０００４】
一般的に従来の高段差のポリシリコンエッチングはＲＩＥ装置を用い、以下に示すような条件でエッチングを行っていた。
【０００５】
まず、第１ステップとして、圧力が５３Ｐａ、ＨＢｒの流量を１１５ｓｃｃｍ、Ｃｌ２の流量を２００ｓｃｃｍ、Ｈｅの流量を４００ｓｃｃｍ、ＲＦパワーを２００Ｗとして、ポリシリコンのプラズマエッチングを行い、３層目ポリシリコンの平坦部分をエッチング除去する。次に、第２ステップとして、同じ条件で、ポリシリコンのプラズマエッチングを行い、段差側部のポリシリコンをエッチング除去する。
【０００６】
かかるエッチング条件においては、適度な選択比と反応生成物量（側壁保護膜）をもつエッチング条件を用いて、３層目ポリシリコン膜をエッチングしており、そのエッチング形状はほぼ垂直形状となっている。また、エッチング中のプラズマ発光をモニタリングすることによって、平坦部分のポリシリコンが無くなった時点でエッチングの第２ステップへ移行し、段差部分の側壁に残っているポリシリコンをオーバーエッチングで取り除いている。
【０００７】
この場合、従来の条件が適度な選択比と反応生成物量をもち、垂直形状にエッチングされる条件であるがゆえに、第１ステップ終了時点での段差部側壁に残った３層目ポリシリコン膜１５ａは図３（ａ）に示すように比較的急峻な角度をもつ形状となる。この状態から同じ条件でオーバーエッチングを行って行くと、図３（ｂ）〜（ｄ）に示すように垂直段差部の横に３層目ポリシリコン柱状残り１８が発生することになり、電極間ショートや後の工程での不良の原因となってしまう。
【０００８】
この問題についてはエッチング第２ステップの条件を下地との選択比を上昇させた条件を用いて長時間のオーバーエッチングを行う条件（従来から高段差ポリシリコンのエッチング条件として一般的なもの）を用いても柱状残り１８に付着した反応生成物１７がエッチングを阻止するため、図３（ｅ）に示すように除去することはできなかった。図３は従来技術における３層ポリシリコンゲート電極の形成工程を示す図であり、図３において、１１は下地絶縁膜、１２は１層目ポリシリコンゲート電極、１３は層間絶縁膜、１４は２層目ポリシリコンゲート電極、１５は３層目ポリシリコン膜、１６はエッチングマスク、１７は反応生成物、１８は３層目ポリシリコン柱状残りを示す。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
このような問題に対し、従来は図４に示すように１層目ポリシリコンゲート電極２２を２層目ポリシリコンゲート電極２４に比べて大きく作製し、３層目ポリシリコン膜２５に急峻な垂直段差ができないようにしていた。この場合、１層目ポリシリコンゲート電極２２と２層目ポリシリコンゲート電極２４のアライメントマージンを考慮する必要があるため、１層目ポリシリコンゲート電極２２と２層目ポリシリコンゲート電極２４にはかなりの寸法差（ＣＣＤ素子の場合、片側０．４μｍ程度）設ける必要があり、ＣＣＤ素子においてこのことは、直接受光部面積の減少につながり、デバイス特性の劣化につながることになる。
【００１０】
このため、１層目ポリシリコンゲート電極と２層目ポリシリコンゲート電極とが重なり大きな垂直段差を形成した場合においても、柱状ポリシリコン残りが発生しないような３層目ポリシリコンのエッチング条件の抽出が課題となっていた。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の本発明の半導体装置の製造方法は、段差を有する半導体基板全面に上記段差を覆うようにポリシリコン膜を形成し、上記段差上にポリシリコンパターンを形成する工程を有する半導体装置の製造方法において、
上記全面にポリシリコン膜を形成した後、所定の形状のマスクパターンを形成し、該マスクパターンをエッチングマスクとして用い、臭化水素ガスの流量を塩素ガスの流量より多くした上記臭化水素ガスと上記塩素ガスと不活性ガスとの混合ガスをエッチングガスとして用いて、上記ポリシリコン側壁に反応生成物を堆積させながら、上記ポリシリコン膜の平坦部分をエッチングする工程と、
上記マスクパターンをエッチングマスクとして用い、臭化水素ガスの流量を塩素ガスの流量より少なくし上記臭化水素ガスと上記塩素ガスと不活性ガスとの混合ガスをエッチングガスとして用いて、上記段差側部のポリシリコンをエッチング除去する工程とを有することを特徴とするものである。
【００１２】
また、請求項２に記載の本発明の半導体装置の製造方法は、段差を有する半導体基板全面に上記段差を覆うようにポリシリコン膜を形成し、上記段差上にポリシリコンパターンを形成する工程を有する半導体装置の製造方法において、
上記全面にポリシリコン膜を形成した後、所定形状のマスクパターンを形成し、該マスクパターンをエッチングマスクとして用い、臭化水素ガスと酸素との混合ガス又は臭化水素ガスと炭素及びフッ素を含むガスとの混合ガスをエッチングガスとして用いて、上記ポリシリコン側壁に反応生成物を堆積させながら、上記ポリシリコン膜の平坦部分をエッチングする工程と、上記マスクパターンをエッチングマスクとして用い、少なくとも臭化水素ガスと塩素ガスとをエッチングガスとして用いて、上記段差側部のポリシリコンをエッチング除去する工程とを有することを特徴とするものである。
【００１３】
また、請求項３に記載の本発明の半導体装置の製造方法は、上記臭化水素ガスと炭素及びフッ素を含むガスとの流量比が４：１であることを特徴とする、請求項２に記載の半導体装置の製造方法である。
【００１４】
更に、請求項４に記載の本発明の半導体装置の製造方法は、上記全面にポリシリコン膜を形成した後、且つ、上記ポリシリコン膜の平坦部分のエッチング前に、ポリシリコン膜表面に形成された自然酸化膜のエッチングを行うことを特徴とする、請求項１乃至３のいずれかに記載の半導体装置の製造方法である。
また、請求項５に記載の本発明の半導体装置の製造方法は、上記ポリシリコン側壁に反応生成物を堆積させながら、上記ポリシリコン膜の平坦部分をエッチングする工程に使用されるエッチングガスが、１．２〜３．０：１の臭化水素ガスと塩素ガスとの流量比のガスであることを特徴とする、請求項１に記載の半導体装置の製造方法である。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、一実施の形態に基づいて、本発明の半導体装置の製造方法を詳細に説明する。なお、これによってこの発明は限定を受けるものではない。
【００１６】
本実施例では、３層ポリシリコン構造ＣＣＤ素子のゲート電極加工に用いた場合について、図１及び図２を用いて説明する。
【００１７】
本発明のポリシリコンのエッチングは、高段差においても柱状ポリシリコン残りの発生しないプラズマエッチングを実現するものである。従来のプラズマエッチング条件においては、エッチング第１ステップ終了時点で段差部側壁に残っている３層目ポリシリコン膜は急峻な形状をしており、エッチング第２ステップに移行したときにこの側壁に反応生成物を付着させながら残っているポリシリコンをエッチングするため、柱状にポリシリコンが残る。
【００１８】
そのため、本発明においてはエッチング第１ステップ終了時点で段差側壁に残っているポリシリコンの形状をなだらかな形状にすることで、柱状残りの発生を抑えることができると考えられる。本発明では、エッチング第１ステップの反応生成物を増加し、側壁に多くの保護膜を付着させながら、エッチングすることで、下層のポリシリコンゲート側部に形成されたポリシリコンの形状をなだらかにすることを実現するとともに、その後従来と同じ条件もしくは反応生成物量を減らした条件で第２ステップのエッチングを行うことで、柱状ポリシリコン残りの無い高段差ポリシリコンのエッチングを実現することができる。
【００１９】
本発明においては、そのエッチングの第２ステップはそれほど重要なものではなく、従来と同条件かもしくは従来条件に比べて過剰に付着した側壁保護膜によるポリシリコン残り（この場合、柱状残りでは無く、下地段差が若干のオーバーハング形状を有している場合のポリシリコン残りを示している）を防ぐために、反応生成物量を減らした条件や、エッチングの異方性を若干少なくした条件を抽出する程度でよいものである。
【００２０】
本発明の重要な部分は、そのエッチング第１ステップにあり、エッチングの第１ステップ終了時点において残っているポリシリコン形状をいかにエッチング第２ステップにおいてエッチングしやすい形状にしているかが本発明の主要部分である。本実施例においては、エッチングの第１ステップに臭化水素（ＨＢｒ）と塩素（Ｃｌ２）とヘリウム（Ｈｅ）ガスを用いているが、第１ステップ終了時点での形状を第２ステップにおいてエッチングしやすいなだらかな形状にできる条件であればどのような条件でもよい。すなわち臭化水素と酸素ガスや臭化水素とフルオロカーボン系のガス（ＣＦ４・Ｃ２Ｆ６等）による条件でも過剰に反応生成物を作り出すことが可能であり、これらのエッチングガスを用いても本発明の第１ステップとして用いることができる。
【００２１】
図１（ａ）に示す３層目ポリシリコンエッチング前の断面図に示すように、ＣＣＤ素子の断面形状は窒化シリコン膜若しくは酸化シリコン膜あるいはその複合膜からなる下地絶縁膜１上に、ポリシリコンからなる１層目ゲート電極２をフォトリソグラフィ及びドライエッチングにより形成する。その後、熱酸化処理により、この１層目ゲート電極上に酸化膜を形成し、層間絶縁膜３とする。その上に２層目のポリシリコン膜を形成し、１層目ポリシリコン膜と同様にフォトリソグラフィ及びドライエッチングにより２層目ゲート電極４を形成し、熱酸化により層間絶縁膜３を形成する。更に、同様に３層目のポリシリコン膜５を形成し、その上に３層目ポリシリコン膜５のエッチングマスクとなるシリコン酸化膜６を２００〜８００ｎｍ程度形成する。その後、３層目ゲート電極パターン形状となるようにシリコン酸化膜をレジストパターンをマスクにドライエッチングによりパターニングし、３層目ポリシリコン膜５のドライエッチングの際のエッチングマスク７を形成する。その条件はＲＩＥ装置を用いて、反応室圧力を３３Ｐａ、ＣＨＦ３の流量を３０ｓｃｃｍ、ＣＦ４の流量を１０ｓｃｃｍ、Ａｒの流量を８００ｓｃｃｍ、ＲＦバイアスパワーを８００Ｗとする。
【００２２】
その後、フォトパターニングを行ったレジストパターンをＯ２プラズマや硫酸過水処理等により除去し、図１（ａ）に示すような断面形状を得る。ここで、下地絶縁膜に使用しているシリコン酸化膜やシリコン窒化膜とは、任意の原子組成のシリコン酸化膜、シリコン窒化膜、酸化窒化物（ＳｉＯＮ）を含んでいる。また、３層目ポリシリコンのエッチングマスクについては、本実施例ではシリコン酸化膜を用いたが、フォトリソグラフィでのレジスト膜をそのままエッチングマスクとして用いてもよい。但し、この場合、レジスト中に含まれる炭素の影響で３層目ポリシリコンエッチング中における反応生成物の量及び組成が変化するので、その点を考慮して、３層目ポリシリコンの条件を決める必要がある。
【００２３】
次に、表１に示すように、３層目ポリシリコンエッチングの第１ステップの条件を、従来条件の第１ステップの条件に対して、圧力を増加させ、具体的には、通常のＲＩＥ装置の場合、６５〜８０Ｐａとすることが望ましい。６５Ｐａより低いと反応生成物が少なくポリシリコン膜にテーパがつかず、８０Ｐａより大きい場合は、過剰な反応生成物のため、エッチングが進まないからである。
【００２４】
また、ＨＢｒ／Ｃｌ２の流量比を大きく、具体的には、ＨＢｒ／Ｃｌ２＝１．２〜３．０とすることが望ましい。ＨＢｒ／Ｃｌ２が１．２より小さいと反応生成物が少なく、ポリシリコン膜にテーパがつかず、３．０より大きいと過剰な反応生成物のため、エッチングが進まないからである。
【００２５】
【表１】
0003556119.tif 000002
このことにより、図１（ｂ）に示すように、第１ステップ終了時点で、下地段差側壁に残っているポリシリコンの形状が従来に比べてなだらかな形状となる。具体的には、堆積した３層目ポリシリコン膜の膜厚に比べて、第１ステップ終了時点での段差側壁に残っている３層目ポリシリコン膜の基板に対して水平方向の幅が同じもしくはより厚くなるようにする。例えば、３層目ポリシリコン膜の膜厚を４５０ｎｍとした場合、従来では、第１ステップ終了時点での段差側壁に残っている３層目ポリシリコン膜の、基板に対して水平方向の幅が３００〜４００ｎｍ程度となっていたが、本発明では、４５０ｎｍ〜５５０ｎｍとなるようにする。これは、エッチングと側壁保護膜堆積とのバランスがより側壁保護膜堆積の方に傾くからであり、実際に平坦部分における３層目ポリシリコンエッチング形状も従来に比べてテーパー角を持ったものになることからも実証される。
【００２６】
なお、本実施例におけるエッチング終点検出はエッチング第１ステップ処理中のプラズマ発光をモニタリングし、平坦部分のポリシリコン膜がすべてなくなった時点でエッチング第１ステップを終了している。プラズマ発光をモニタリングする波長については、平坦部分のポリシリコンがなくなった変化を見れるものであれば、どんな波長でもよく、例えば、エッチング膜のシリコンの関係する波長４０５ｎｍ（ＳｉＮ）やエッチングガスの成分である４０７．５ｎｍ（Ｂｒ）などが挙げられる。
【００２７】
また、ＣＣＤ素子では下地パターンが複雑でなく、３層目ポリシリコンの平坦部分の面積がある程度大きいので、プラズマ発光の変化を見ることができるが、下地パターンが微細で複雑になり、３層目ポリシリコンの平坦部分が少なくなった場合には、プラズマ発光の変化が少なくなるので注意が必要である。
【００２８】
第１ステップ終了後、エッチング条件を第２ステップに従来条件と同じ条件を用いた。第２ステップに用いた従来条件は、エッチングの異方性がより大きい条件となっている。すなわち、エッチング対象物のもつ角度がより平坦に近くなるほど、イオンによる反応生成物の除去効果が強くなることであり、エッチング第１ステップで緩やかな形状にポリシリコンを残したことで、図１（ｃ）乃至（ｅ）に示すように、すべてのポリシリコンをエッチングすることが可能となる。
【００２９】
その後、図１（ｆ）に示すように、Ｏ２プラズマにより、反応生成物をＳｉＯｘにし、その後、フッ酸を用いて、ＳｉＯｘ及びエッチングマスクを除去する。
【００３０】
ここで、エッチングの第２ステップに用いた条件（従来条件）のシリコン対シリコン酸化膜の選択比は１００程度であり、シリコン対シリコン窒化膜の選択比は１５程度である。但し、従来からＨＢｒを用いたエッチングで一般的に言われるように、エッチング対象のポリシリコンが残っている間はこれらの選択比がかなり低下するため、絶縁膜にシリコン窒化膜を用いている場合、エッチングによる膜減りに注意が必要である。下地絶縁膜との選択比を高め下地膜を残したい場合は、第１ステップとのバランスを考えながら条件を変更する必要がある。
【００３１】
また、図２に示すように、下地段差形状がオーバーハング形状を有しているような場合には、第１ステップの過剰な反応生成物のため、そのオーバーハング部分にポリシリコン５ａが残ってしまい、ショート等不良を招く場合がある。このような場合には、エッチング第２ステップ条件のＨＢｒ流量減少等により、反応生成物を減少させることや、処理室圧力上昇により、エッチングの異方性成分を弱めることのような条件変更が必要となる。
【００３２】
以上のように、高段差ポリシリコンエッチングにおいては、その反応生成物である側壁保護膜とエッチング成分とのバランスがエッチング第１ステップにおいても第２ステップにおいても重要な意味をもち、このバランスを制御することが重要である。従来一般的に言われていた高段差ポリシリコンエッチングでは、エッチングの第１ステップはポリシリコンのエッチング形状を決めるステップであり、なるべく垂直形状になるような条件で処理を行い、第２ステップにおいて、下地膜との選択比を高め、長時間のオーバーエッチングによりポリシリコン残りを除去するような条件であり、本発明の条件とは反応生成物とエッチング成分のバランスから言っても全く逆のものであることがわかる。
【００３３】
また、本発明の高段差ポリシリコンエッチングの実現は、そのエッチング第１ステップ条件が反応生成物量の多い条件であり、エッチング形状がなだらかになるような条件であれば、どのようなガスであっても実現可能である。表２に臭化水素（ＨＢｒ）と酸素を用いたエッチング条件の例を、表３に臭化水素とフルオロカーボン系のガスを用いたエッチング条件の例を示す。尚、本実施例においては、Ｃ２Ｆ６ガスを用いているがＣＦ４等のガスを用いてもよい。また、この２つの条件については、誘導結合型プラズマエッチャーを用いた場合の条件である。この場合、第１ステップでの反応室内の圧力は、２〜６Ｐａであることが望ましい。
【００３４】
【表２】
0003556119.tif 000003
【００３５】
【表３】
0003556119.tif 000004
上述のようにエッチング第１ステップの反応生成物量を増加することで、高段差のポリシリコンエッチングを行っても柱状の残りなくポリシリコンのエッチングができるが、第１ステップの反応生成物量が多いということは、すなわち、シリコン酸化膜との選択比が高く、シリコン酸化膜はほとんどエッチングされないということを示している。そのため、エッチング第１ステップを行う際にポリシリコン上に自然酸化膜が存在した場合、従来条件よりも一層エッチング不良が起こりやすくなる。このことから、エッチングステップに入る前の自然酸化膜除去ステップは必ず必要となり、本実施例のように高段差サンプルの場合、段差側壁の自然酸化膜除去のため、横方向のエッチング成分はなるべく多い条件を用いるのが最も効果的であると言える。本実施例では、処理室圧力が５３Ｐａ、ＳＦ６流量が５０ｓｃｃｍ、ＲＦバイアスパワーが２００Ｗとなるような条件で、自然酸化膜除去ステップとした。また、この条件では、ポリシリコンを等方的にエッチングする特性を合わせもち、高段差によるポリシリコンの急峻な形状を緩和する効果を有する。
【００３６】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように、本発明を用いることにより、４００〜１０００ｎｍの高い下地段差を有するポリシリコン膜を柱状残りなく良好にエッチングすることができる。また、ＣＣＤ素子等の複数のゲート電極を持つデバイスにおいても、柱状残りに対する対策を考えることなく自由に下地パターンをレイアウトでき、デバイス面積を有効に利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例のエッチング工程を示す図である。
【図２】本発明の一実施例のオーバーハング形状でのポリシリコン残りを示す図である。
【図３】第１の従来の３層ポリシリコンのエッチング工程を示す図である。
【図４】第２の従来の３層ポリシリコンのエッチング工程の一部断面図である。
【符号の説明】
１  下地絶縁膜
２  １層目ゲート電極
３  層間絶縁膜
４  ２層目ゲート電極
５、５ａ  ３層目ポリシリコン膜
６  エッチングマスク
７  反応生成物
【図１】
0003556119.tif 000005
【図２】
0003556119.tif 000006
【図３】
0003556119.tif 000007
【図４】
0003556119.tif 000008