(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
外側に層間酸化膜が配置されたダミーゲートを除去することにより形成された溝に金属膜を埋め込み、前記金属膜を研磨することによってゲートラスト方式のメタルゲートを形成するプラズマ処理方法において、
プラズマエッチングにより前記ダミーゲートと前記層間酸化膜の間に配置された絶縁膜に対して選択的に前記ダミーゲート上の自然酸化膜と前記層間酸化膜を除去するブレークスルー工程と、
前記ブレークスルー工程後、プラズマエッチングにより前記ダミーゲートの一部を除去することによって前記絶縁膜を露出させるラウンド調整工程と、
前記ラウンド調整工程後、等方性プラズマエッチングにより前記露出した絶縁膜の上部にラウンドを形成しながら前記絶縁膜の厚さを前記層間酸化膜の厚さに揃えるラウンド形成工程と、
プラズマエッチングにより前記ラウンド形成工程後に残っているダミーゲートを除去するメインエッチング工程とを有することを特徴とするプラズマ処理方法。
【請求項２】
請求項１に記載のプラズマ処理方法において、
前記ラウンド形成工程は、ＣＦ４ガスとＯ2ガスの混合ガス、ＳＦ６ガスとＯ2ガスの混合ガス、ＮＦ３ガスとＯ2ガスの混合ガス、ＣＨ２Ｆ２ガスとＯ2ガスの混合ガス、ＣＨ３ＦガスとＯ2ガスの混合ガスまたはＣ４Ｆ８ガスとＯ2ガスの混合ガスを用いたプラズマにより、等方性プラズマエッチングを行うことを特徴とするプラズマ処理方法。
【請求項３】
請求項２に記載のプラズマ処理方法において、
前記ラウンド形成工程のプラズマエッチングは、前記ゲートラスト方式のメタルゲートが形成されるウエハに高周波電力を供給しない状態で行われることを特徴とするプラズマ処理方法。
【請求項４】
外側に層間酸化膜が配置されたダミーゲートを除去することにより形成された溝に金属膜を埋め込み、前記金属膜を研磨することによってメタルゲートを形成するゲートラスト方式のメタルゲートの製造方法において、
プラズマエッチングにより前記ダミーゲートと前記層間酸化膜の間に配置された絶縁膜に対して選択的に前記ダミーゲート上の自然酸化膜と前記層間酸化膜を除去するブレークスルー工程と、
前記ブレークスルー工程後、プラズマエッチングにより前記ダミーゲートの一部を除去することによって前記絶縁膜を露出させるラウンド調整工程と、
前記ラウンド調整工程後、等方性プラズマエッチングにより前記露出した絶縁膜の上部にラウンドを形成しながら前記絶縁膜の厚さを前記層間酸化膜の厚さに揃えるラウンド形成工程と、
プラズマエッチングにより前記ラウンド形成工程後に残っているダミーゲートを除去するメインエッチング工程と、
前記メインエッチング工程後に形成された溝に前記金属膜を埋め込む埋め込み工程と、
前記埋め込み工程後、前記メインエッチング工程後に形成された溝の上部に堆積した金属膜を研磨する研磨工程とを有することを特徴とするゲートラスト方式のメタルゲートの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はプラズマを用いたドライエッチング方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、半導体デバイスの高性能化に伴い、高誘電率のゲート絶縁膜とデュアルメタルゲートを組み合わせた技術が実用化され、これにより駆動電流の低下やリーク電流増大を解決することができるようになってきている。これらの製造方法としては、従来のゲート電極加工方法であるゲートファースト方式とゲートラスト方式の２つがある。
【０００３】
ゲートラスト方式とは、ポリシリコン等を材料としたダミーゲートを形成し、ソース、ドレインの形成後にダミーゲート間に層間酸化膜を埋め込み、ダミーゲートを除去する。ダミーゲートの除去により形成された溝部分にメタル材料を埋め込み、埋め込まれたメタル材料をＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing）により研磨してメタルゲートを形成する方法である（特許文献１参照）。
【０００４】
上記のゲートラスト方式では、ダミーゲートをドライエッチングにより除去することによって溝を形成する工程が必須である。また、この溝を形成する際に、この溝の上部をラウンドさせたい場合がある。つまり、ダミーゲートの除去により形成される溝にトップラウンドを設けたい場合がある。
【０００５】
半導体基板の表面に上部コナーがラウンドされたトレンチを形成する方法が特許文献２に開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００５−１９８９２号公報
【特許文献２】特開２００５−２６６６２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、上記従来技術では、マスクを用いてのトレンチ形成方法であるため、マスクを用いない溝の形成が考慮されていない。また、ダミーゲートの除去により溝を形成する方法は、マスクを用いないで溝を形成する方法である。
【０００８】
よって、ダミーゲートの除去により形成される溝や孔にトップランドを設けるためには、上記の従来技術をそのまま適用することはできない。また、この課題は、ダミー材料の除去により形成される溝や孔にトップラウンドを設けるドライエッチング方法には共通である。
【０００９】
このため、本発明は、ダミー材料の除去により形成される溝や孔に容易にトップラウンドを設けることができるドライエッチング方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、外側に層間酸化膜が配置されたダミーゲートを除去することにより形成された溝に金属膜を埋め込み、前記金属膜を研磨することによってゲートラスト方式のメタルゲートを形成するプラズマ処理方法において、プラズマエッチングにより前記ダミーゲートと前記層間酸化膜の間に配置された絶縁膜に対して選択的に前記ダミーゲート上の自然酸化膜と前記層間酸化膜を除去するブレークスルー工程と、前記ブレークスルー工程後、プラズマエッチングにより前記ダミーゲートの一部を除去することによって前記絶縁膜を露出させるラウンド調整工程と、前記ラウンド調整工程後、等方性プラズマエッチングにより前記露出した絶縁膜の上部にラウンドを形成しながら前記絶縁膜の厚さを前記層間酸化膜の厚さに揃えるラウンド形成工程と、プラズマエッチングにより前記ラウンド形成工程後に残っているダミーゲートを除去するメインエッチング工程とを有することを特徴とする。
【００１１】
また、本発明は、外側に層間酸化膜が配置されたダミーゲートを除去することにより形成された溝に金属膜を埋め込み、前記金属膜を研磨することによってメタルゲートを形成するゲートラスト方式のメタルゲートの製造方法において、プラズマエッチングにより前記ダミーゲートと前記層間酸化膜の間に配置された絶縁膜に対して選択的に前記ダミーゲート上の自然酸化膜と前記層間酸化膜を除去するブレークスルー工程と、前記ブレークスルー工程後、プラズマエッチングにより前記ダミーゲートの一部を除去することによって前記絶縁膜を露出させるラウンド調整工程と、前記ラウンド調整工程後、等方性プラズマエッチングにより前記露出した絶縁膜の上部にラウンドを形成しながら前記絶縁膜の厚さを前記層間酸化膜の厚さに揃えるラウンド形成工程と、プラズマエッチングにより前記ラウンド形成工程後に残っているダミーゲートを除去するメインエッチング工程と、前記メインエッチング工程後に形成された溝に前記金属膜を埋め込む埋め込み工程と、前記埋め込み工程後、前記メインエッチング工程後に形成された溝の上部に堆積した金属膜を研磨する研磨工程とを有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の構成により、ダミー材料の除去により形成される溝や孔に容易にトップラウンドを設けることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の一実施例に用いたプラズマエッチング装置の概略縦断面図である。
【図２】本発明を適用したメタルゲート形成方法を説明する図である。
【図３】本発明を適用していないメタルゲート形成方法を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
本発明は、層間酸化膜に周囲を囲まれたダミー材料を除去することにより溝または孔を形成するドライエッチング方法において、前記ダミー材料を所定の深さまでエッチングし、前記エッチング後に等方性エッチングを行い、等方性エッチング後に前記ダミー材料の残りを除去することを特徴とするドライエッチング方法である。
【００１５】
以下に、本発明の一実施例について図面を参照しながら説明する。
【００１６】
［実施例］
本実施例では、ゲートラスト方式によるＨｉｇｈ−ｋ材料のゲート絶縁膜を用いたメタルゲートの形成方法に本発明を適用した例について説明する。
【００１７】
最初に本実施例において用いられるプラズマエッチング装置について説明する。
【００１８】
図１は、本実施例において用いられるプラズマエッチング装置の概略縦断面図である。
【００１９】
上部が開放された真空容器１０１の上部に、真空容器１０１内にエッチングガスを導入するための石英製のシャワープレート１０４と石英製の誘電体窓１０５を設置して密封することにより処理室１０６を形成する。シャワープレート１０４にはエッチングガスを流すためのガス供給装置１０７が接続されている。また、真空容器１０１の内部は、真空排気口１０８を介して接続された真空排気装置（図示省略）により、減圧排気される。
【００２０】
プラズマを生成するための電力を処理室１０６に伝送するため、誘電体窓１０５の上方には電磁波を伝送する導波管１０９が設けられている。導波管１０９へ伝送されるマイクロ波はマグネトロン１０３から発振させる。また、マグネトロン１０３から発振されるマイクロ波の周波数は２.４５ＧＨｚである。処理室１０６の外周部には、磁場を発生させる磁場発生コイル１１０が設けてあり、マグネトロン１０３より発振されたマイクロ波は、磁場発生コイル１１０により発生された磁場との相互作用により、処理室１０６内に高密度なプラズマを生成する。また、シャワープレート１０４に対向して真空容器１０１の下方にはウエハ１１１を載置する試料台１０２が設けられる。試料台１０２は、試料台表面が溶射膜（図示省略）で被覆されており、高周波フィルタ１１４を介して直流電源１１５が接続されている。さらに、試料台１０２には、マッチング回路１１２を介して高周波電源１１３が接続されている。
【００２１】
搬送手段（図示省略）に処理室１０６内に搬送され、試料台１０２に載置されたウエハ１１１は、直流電源１１５から印加される直流電圧の静電気力により試料台１０２の表面に吸着し、ガス供給装置１０７よりシャワープレート１０４を介して処理室１０６内にエッチングガスを供給し、真空容器１０１内を所定の圧力とし、導波管１０９及び誘電体窓１０５を介して処理室１０６内に伝送されたマイクロ波と磁場発生コイル１１０により発生した磁場との相互作用により、処理室１０６内に高密度なプラズマを発生させる。また、高周波電源１１３から高周波電力を試料台１０２に印加することにより、プラズマから試料台１０２に載置されたウエハ１１１へイオンを引き込み、ウエハ１１１が有する被エッチング膜をイオンアシストエッチングにより、異方性のエッチングを可能とする。
【００２２】
次に本実施例で使用するウエハ１１１について説明する。図２（ａ）に示すように、ウエハ１１１は、シリコン基板２０１上に仮のゲート電極であるダミーゲート２０２、ダミーゲート２０２上に自然酸化膜２０５、ダミーゲート２０２の側壁を薄い絶縁膜２０４、更に絶縁膜２０４の外側に層間酸化膜２０３が配置された構造を有している。
【００２３】
このような構造を有するウエハ１１１を上記のプラズマエッチングを用いて、以下の手順でゲートラスト方式によるＨｉｇｈ−ｋ材料のゲート絶縁膜を用いたメタルゲートの形成を行う。
【００２４】
最初に、図２（ｂ）に示すように、Ｃｌ2ガスを用い、処理圧力を０.２Ｐａ、マイクロ波電力を８００Ｗとしたプラズマを用い、高周波電力を８０Ｗ印加して自然酸化膜２０５を除去するブレークスルー工程を行う。
【００２５】
このブレークスルー工程では、埋め込み特性を良くした層間酸化膜２０３に比べて、絶縁膜２０４は腐食耐性が強くエッチング速度が遅いため、絶縁膜２０４がエッチングされ難く、絶縁膜２０４の上部が層間酸化膜２０３より出っ張った形状である突起形状２０６が形成される。次に、図２（ｃ）に示すように、Ｃｌ2ガスとＯ2ガスとＨＢｒガスとＡｒガスとの混合ガスを用い、処理圧力を０.４Ｐａ、マイクロ波電力を８００Ｗとしたプラズマを用い、高周波電力を８０Ｗ印加して所定の深さまでダミーゲート２０２を除去するラウンド調整工程を行う。所定の深さとは、絶縁膜２０４の上部をラウンドさせたい量だけ絶縁膜２０４のダミーゲート２０２と接する側壁を露出するような深さのことである。
【００２６】
このため、所定の深さを調整することにより、ラウンド形状の深さ方向の大きさを半導体デバイスに合わせて調整することができる。
【００２７】
また、このラウンド調整工程のエッチング条件は、最終的に形成されるメタルゲートの高さを初期のダミーゲートの高さに維持するため、ダミーゲート２０２と、層間酸化膜２０３とのエッチング選択性を高くし、ダミーゲート２０２を全て除去した時に層間酸化膜２０３をできるだけ削らないような条件である必要がある。
【００２８】
次に、図２（ｄ）に示すように、Ｏ2ガスとＣＨＦ3ガスとの混合ガスを用い、処理圧力を０.３Ｐａ、マイクロ波電力を７００Ｗとしたプラズマを用い、高周波電力は印加しないで絶縁膜２０４上部にラウンドを形成するラウンド形成工程を行う。
【００２９】
このラウンド形成工程は、等方性エッチングにより、突起形状２０６をラウンド形状にエッチングする工程である。このラウンド形成工程において、ラウンドを形成できる理由は以下の理由による。
【００３０】
等方性エッチングによるエッチングは、エッチャントの衝突確率の高い箇所が選択的にエッチングされるため、突起形状２０６は選択的にエッチング除去される。このため、絶縁膜２０４の上部はラウンド形状となる。
【００３１】
また、このラウンド形成工程のエッチング時間を調整することによって、絶縁膜２０４上部のラウンド量を調整することができ、このラウンド形成工程においてもラウンド形状の大きさを制御することができる。
【００３２】
一般には、高周波電力の増加によって入射イオンのエネルギーが増加するため、異方性エッチングになり易い。またエッチングに作用する入射イオンのエネルギーが増加により、エッチング速度が加速する。そのため、このラウンド形成工程では、高周波電力は低い方が良く、特に０Ｗが望ましい。これは、高いエネルギーをもったイオンが入射すると露出した層間酸化膜２０３のエッチングが加速され、層間酸化膜２０３の削れ量が多くなる。また、高周波電力の増加によりエッチング速度が速くなるため、ラウンド形状制御のためのエッチング時間調整が困難となる。
【００３３】
従って、低い高周波電力を印加するとともに等方性エッチングを行うことによって、層間酸化膜２０３の削れ量を抑制し、所望のエッチング時間で効果的にラウンド形状を形成することができる。このため、上記のラウンド形成工程は、高周波電力を０Ｗ／cm2以上０.０４２Ｗ／cm2以下とし、イオン入射エネルギーとしては０ｅＶ／cm2以上０.２４ｅＶ／cm2以下とする必要がある。
【００３４】
また、上記のラウンド形成工程では、ＣＨＦ3ガスを主エッチングガスとして使用したが、ＣＦ4ガス、ＳＦ6ガス、ＮＦ3ガス、ＣＨ2Ｆ2ガス、ＣＨ3Ｆガス、Ｃ4Ｆ8ガス等のフッ素含有ガスを用いても絶縁膜２０４上部にラウンドを形成することができる。
【００３５】
絶縁膜２０４上部のラウンド形状の調整は、上述したラウンド形成工程のエッチング時間、高周波電力の他に、Ｏ2ガスとフッ素含有ガスの混合比率の調整によっても制御することができる。これは、以下の理由による。
【００３６】
例えば主エッチングガスがＣＨＦ3ガスの場合は、プラズマによって解離され、炭素、水素、フッ素のラジカルやイオンを生成する。蒸気圧の高い反応生成物は、真空容器１０１から真空排気口１０８を介して排気されるが、蒸気圧の低い反応生成物はエッチングの被エッチング膜表面に付着する。この付着物は、エッチングに対する保護膜として作用し、エッチング速度を抑制する。極端に付着物が厚い場合には、エッチングが進行しないこともある。通常、被エッチング膜表面に対してイオン照射の少ない箇所に厚く付着する。
【００３７】
ＣＨＦ3ガスをエッチングガスとして使用した場合、付着物の多くは、炭素を含んだ化合物からなるため、Ｏ2ガスを添加することにより、付着物の炭素とＯ2ガスの酸素との反応物である揮発性の高いＣｘＯｙを生成し、付着物を低減できる。このため、Ｏ2ガスの添加量によって絶縁膜２０４上部のエッチング速度を調整することができ、ラウンド形状の大きさを制御することができる。
【００３８】
本実施例のラウンド形成工程では、ＣＨＦ3ガス流量に対して１５％程度のＯ2ガスを添加することにより最適なラウンド形状を得ることができた。このＯ2ガスの添加量は、使用するフッ素含有ガスの種類や形成したいラウンド形状の大きさにより最適化する必要があるが、３０％を超えるＯ2ガスの添加は、酸素と酸化膜中のシリコンとの反応により被エッチング表面にシリコン酸化膜が形成され、エッチングが進行しなくなる。また、ＳＦ6ガス、ＮＦ3ガス等によっては、Ｏ2ガスを添加しなくてもエッチングが進行するため、０％〜３０％の間でＯ2ガスの添加量を調整するのが望ましい。
【００３９】
また、等方性エッチングとしてはウェットエッチングがあるが、上記のラウンド形成工程にウェットエッチングを適用すると他の工程が増え、コストの増加につながる。よって、本実施例のように上記のラウンド形成工程にドライエッチングの等方性エッチングを適用する方が半導体デバイスのコストアップを抑制できる。
【００４０】
次に、図２（ｅ）に示すように、Ｃｌ2ガスとＯ2ガスとＨＢｒガスとＡｒガスとの混合ガスを用い、処理圧力を０.４Ｐａ、マイクロ波電力を８００Ｗとしたプラズマを用い、高周波電力を８０Ｗ印加して前記ラウンド形成工程後に残っているダミーゲート２０２を全て除去するメインエッチング工程を行う。
【００４１】
このメインエッチング工程は、上記のラウンド調整工程と同様に、最終的なメタルゲートの高さに影響を及ぼすため、ダミーゲート２０２と層間酸化膜２０３とのエッチング選択性を高くし、ダミーゲート２０２の除去時に層間酸化膜２０３をできるだけ削らないようにする必要がある。
【００４２】
このメインエッチング工程後は、図２（ｅ）に示すように突起形状２０６が無く、また、絶縁膜２０４上部にラウンド形状を有する溝を形成することができる。すなわち、トップラウンドを有する溝を形成することができる。
【００４３】
次に、図２（ｆ）に示すように、Ｈｉｇｈ−ｋ材であるゲート絶縁膜（図示省略）と金属膜２０７をダミーゲート２０２を除去することによって形成された溝に埋め込む埋め込み工程を行う。
【００４４】
この埋め込み工程後に、層間酸化膜２０３上に堆積しているＨｉｇｈ−ｋ材であるゲート絶縁膜（図示省略）と金属膜２０７をＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing）により研磨することにより、Ｈｉｇｈ−ｋ材料のゲート絶縁膜を用いたメタルゲートを形成することができる。
【００４５】
以上、上述したように、本実施例により、溝を形成するためのマスクがない場合でも、溝にトップラウンドを形成することできる。
【００４６】
次に、溝にトップラウンドを形成しないゲートラスト方式によるＨｉｇｈ−ｋ材料のゲート絶縁膜を用いたメタルゲートの形成方法について図面を参照しながら説明する。
【００４７】
図３に示す通り、図３（ｂ）のブレークスルー工程と図３（ｃ）のメインエッチング工程と図３（ｄ）の埋め込み工程を順次行う。ここで、図３（ｂ）のブレークスルー工程、図３（ｃ）のメインエッチング工程、図３（ｄ）の埋め込み工程は、それぞれ、上述した図２（ｂ）のブレークスルー工程、図２（ｅ）のメインエッチング工程、図２（ｆ）の埋め込み工程と同一の処理のため、説明を省略する。
【００４８】
図３に示すゲートラスト方式でメタルゲートを形成する場合、ブレークスルー工程により形成された突起形状２０６がダミーゲート２０２除去後にも残り、埋め込み工程での金属膜２０７の埋め込みが困難になり、空隙であるボイド２０８が発生する。このボイド２０８の発生により、半導体デバイスの設計仕様を満足するメタルゲートを形成することができない。
【００４９】
このボイド２０８が発生した原因は、図３のゲートラスト方式によるメタルゲート形成方法では、絶縁膜２０４上部をラウンド形状にできないからである。
【００５０】
一方、本発明である図２に示すゲートラスト方式によるメタルゲート形成方法は、絶縁膜２０４上部をラウンド形状にすることができるため、ボイド２０８を発生させることなく、金属膜２０７を埋め込むことができる。このため、本発明は、ダミーゲート除去後に金属膜を埋め込む場合の埋め込み特性を向上させることができ、半導体デバイスの性能及び歩留まりの向上に寄与できる。
【００５１】
以上、本実施例は、ゲートラスト方式によるメタルゲート形成方法について説明したが、これに限るものではなく、電極と電極をつなぐようなプラグを形成する工程、または、配線と配線をつなぐようなスルーホール（他にコンタクト、ヴィア、ホール）を形成する工程のように金属膜が埋め込まれる孔を形成する場合にも本発明は適用できる。
【００５２】
例えば、ディープトレンチ（Deep Trench）工程、デュアルダマシン（Dual Damascene）工程、ＳＴＩ（Shallow Trench Isolation）工程等にも適用することができる。
【００５３】
また、本実施例では、マイクロ波を用いたＥＣＲ（Electron Cyclotron Resonance）プラズマエッチング装置を使用したが、本発明は、プラズマの生成方法の如何にかかわらず適用可能である。例えば、ヘリコン波プラズマエッチング装置、誘導結合型プラズマエッチング装置、容量結合型プラズマエッチング装置等に本発明は適用可能である。
【符号の説明】
【００５４】
１０１  真空容器
１０２  試料台
１０３  マグネトロン
１０４  シャワープレート
１０５  誘電体窓
１０６  処理室
１０７  ガス供給装置
１０８  真空排気口
１０９  導波管
１１０  磁場発生コイル
１１１  ウエハ
１１２  マッチング回路
１１３  高周波電源
１１４  高周波フィルタ
１１５  直流電源
２０１  シリコン基板
２０２  ダミーゲート
２０３  層間酸化膜
２０４  絶縁膜
２０５  自然酸化膜
２０６  突起形状
２０７  金属膜
２０８  ボイド
【図１】
0005814663.tif 000002
【図２】
0005814663.tif 000003
【図３】
0005814663.tif 000004