(57)【要約】【課題】  高誘電体膜をゲート絶縁膜に用いる半導体装置において、高誘電体膜の下層のストッパー膜に対して高誘電体膜が高い選択比を有するようにしたエッチング方法を提供する。【解決手段】  半導体基板１の主面にストッパー膜としてＳｉＯ２膜２、高誘電体膜としてＨｆＯ２膜３を形成し、ＳｉＯ２膜２のバンドギャップエネルギー（Ｅｓ＝８．８ｅＶ）とＨｆＯ２膜３のバンドギャップエネルギー（Ｅｈ＝５．６８ｅＶ）の間の値である、６ｅＶ程度のエネルギーをもつ真空紫外線６をＨｆＯ２膜３の上から照射することにより、ＨｆＯ２膜３のみにダングリングボンド８を形成し、ＨｆＯ２膜３の被エッチング速度を大きくしてＳｉＯ２膜との選択比を大きくする。【選択図】      図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板主面に第一のバンドギャップエネルギーを有する第一の絶縁膜を形成する工程と、
前記第一の絶縁膜の上に前記第一のバンドギャップエネルギーより小さい第二のバンドギャップエネルギーを有する第二の絶縁膜を形成する工程と、
前記第二の絶縁膜の上からエネルギーが前記第一のバンドギャップエネルギーより小さく前記第二のバンドギャップエネルギーより大きい光子を照射する工程と、
前記第二の絶縁膜をエッチングする工程とを含むことを特徴とする薄膜のドライエッチング方法。
【請求項２】
前記第一の絶縁膜は、シリコン酸化膜、シリコン窒化膜、シリコン窒化酸化膜のいずれかの膜であることを特徴とする請求項１に記載の薄膜のドライエッチング方法。
【請求項３】
前記第二の絶縁膜は、ジルコニウム酸化膜、ハフニウム酸化膜、ハフニウムアルミネート膜、アルミ酸化膜のいずれかの膜であることを特徴とする請求項１又は２に記載の薄膜のドライエッチング方法。
【請求項４】
前記光子は、真空紫外線であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の薄膜のドライエッチング方法。
【請求項５】
前記第二の絶縁膜をエッチングする工程において、Ｘｅ、Ｋｒ、Ａｒ、Ｎｅ、Ｈｅのいずれかのガスを含んだプラズマを用いてエッチングを行うことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の薄膜のドライエッチング方法。
【請求項６】
前記第二の絶縁膜をエッチングする工程において、前記基板の温度を２００℃以上かつ９００℃以下の範囲に保ちながらエッチング行うことを特徴とする請求項５に記載の薄膜のドライエッチング方法。
【請求項７】
半導体基板主面に第一のバンドギャップエネルギーを有する第一の絶縁膜を形成する工程と、
前記第一の絶縁膜の上に前記第一のバンドギャップエネルギーより小さい第二のバンドギャップエネルギーを有する第二の絶縁膜を形成する工程と、
前記第二の絶縁膜の上にゲート電極を形成する工程と、
前記ゲート電極および前記第二の絶縁膜の上からエネルギーが前記第一のバンドギャップエネルギーより小さく前記第二のバンドギャップエネルギーより大きい光子を照射する工程と、
前記第二の絶縁膜を選択的にエッチングして前記ゲート電極の下に前記第二の絶縁膜を残す工程と、
前記第一の絶縁膜を選択的にエッチングして前記選択的にエッチングした第二の絶縁膜の下に前記第一の絶縁膜を残す工程とを備えたことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、薄膜のドライエッチング方法及び半導体装置の製造方法に関するものであり、特に高誘電体膜等のドライエッチング方法及び高誘電体膜等をゲート絶縁膜に用いた半導体装置の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体デバイスの高集積化と微細化に伴い、ゲート絶縁膜の薄膜化が進められてきた。例えば、シリコン窒化酸化膜を用いたゲート絶縁膜の電気的膜厚（膜の種類に関係なく電気特性を比較できるように、実際の膜厚である物理的膜厚に、その膜の比誘電率を考慮して換算した膜厚）は、酸化膜換算で１ｎｍ程度まで薄膜化された。しかし、薄膜化に伴うリーク電流の増加、絶縁膜耐圧の劣化など、ゲート絶縁膜の信頼性の問題から、薄膜化は限界に達しつつある。
【０００３】
この問題を解決するため、ゲート絶縁膜の物理的膜厚を厚くして信頼性を保ちながら電気的膜厚を薄膜化できる、比誘電率の高い高誘電体膜をゲート絶縁膜に適用する技術が検討されている。ゲート絶縁膜として用いる高誘電体膜の候補としては、ジルコニウム酸化膜（ＺｒＯ２）、ハフニウム酸化膜（ＨｆＯ２）、ハフニウムアルミネート膜（ＨｆＡｌＯ２）、アルミ酸化膜（Ａｌ２Ｏ３）等が挙げられる。
これらの高誘電体膜をゲート絶縁膜として用いる場合、高誘電体膜の下層のストッパー膜に対し、高誘電体膜を相対的に高いエッチング速度でエッチングする必要がある。そのエッチング方法として、フッ素系ガスや塩素系ガスのプラズマによるドライエッチングが試みられていた。
（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
【特許文献１】特開２００２−２５２２１１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記従来のフッ素系ガスや塩素系ガスのプラズマによるドライエッチングにおいて、高誘電体膜のエッチングのストッパー膜として一般にシリコン酸化膜（ＳｉＯ２膜）が用いられるが、高誘電体膜の被エッチング速度は、ストッパー膜であるＳｉＯ２膜の被エッチング速度よりも遅い。
すなわち、高誘電体膜のエッチングにおいて、ストッパー膜の被エッチング速度に対する高誘電体膜の相対的な被エッチング速度（以下、選択比と称する）が小さいため、ストッパー膜が全てエッチングされ、さらに、その下の半導体基板がエッチングされてしまうおそれがあった。
【０００６】
本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、上層膜（高誘電体膜等）が下層のストッパー膜に対して高い選択比を有するようにした薄膜のドライエッチング方法を提供することを目的とする。
また、高誘電体膜等をゲート絶縁膜に用いる半導体装置の製造方法において、高誘電体膜等が下層のストッパー膜に対して高い選択比を有するようにした半導体装置の製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明に係る薄膜のドライエッチング方法は、基板主面に第一のバンドギャップエネルギーを有する第一の絶縁膜を形成する工程と、前記第一の絶縁膜の上に前記第一のバンドギャップエネルギーより小さい第二のバンドギャップエネルギーを有する第二の絶縁膜を形成する工程と、前記第二の絶縁膜の上からエネルギーが前記第一のバンドギャップエネルギーより小さく前記第二のバンドギャップエネルギーより大きい光子を照射する工程と、前記第二の絶縁膜をエッチングする工程とを含むことを特徴とする。
【０００８】
また、本発明に係る半導体装置の製造方法は、半導体基板主面に第一のバンドギャップエネルギーを有する第一の絶縁膜を形成する工程と、前記第一の絶縁膜の上に前記第一のバンドギャップエネルギーより小さい第二のバンドギャップエネルギーを有する第二の絶縁膜を形成する工程と、前記第二の絶縁膜の上にゲート電極を形成する工程と、前記ゲート電極および前記第二の絶縁膜の上からエネルギーが前記第一のバンドギャップエネルギーより小さく前記第二のバンドギャップエネルギーより大きい光子を照射する工程と、前記第二の絶縁膜を選択的にエッチングして前記ゲート電極の下に前記第二の絶縁膜を残す工程と、前記第一の絶縁膜を選択的にエッチングして前記選択的にエッチングした第二の絶縁膜の下に前記第一の絶縁膜を残す工程とを備えたことを特徴とする。
本発明のその他の特徴については、以下において詳細に説明する。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、上層膜（高誘電体膜等）が下層のストッパー膜（シリコン系膜等）に対して高い選択比を有するようにして上層膜のエッチングを行なうようにしたドライエッチング方法を得ることができる。
また、本発明によれば、高誘電体膜等をゲート絶縁膜に用いる半導体装置の製造方法において、高誘電体膜等が下層のストッパー膜に対して高い選択比を有するようにして高誘電体膜等のエッチングを行なうようにした半導体装置の製造方法を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
図１〜１２は、本発明の実施の形態による半導体装置の製造方法を、半導体装置の断面により、順を追って説明する工程説明図である。
【００１１】
まず、図１に示すように、半導体基板１の主面に、酸素ガスを用いた急速加熱処理により、第一のバンドギャップエネルギーを有する第一の絶縁膜として、ＳｉＯ２膜２を２ｎｍ程度の膜厚で形成する。さらに、ＳｉＯ２膜２の上に、第二のバンドギャップエネルギーを有する第二の絶縁膜として、高誘電体膜であるハフニウム酸化膜（ＨｆＯ２）膜３を化学気相成長法、または原子化学気相成長法により２ｎｍ程度の膜厚で形成する。ここでＳｉＯ２膜２のバンドギャップエネルギーはＨｆＯ２膜３のバンドギャップエネルギーより大きい。一般には、第一の絶縁膜の第一のバンドギャップエネルギーが、第二の絶縁膜の第二のバンドギャップエネルギーより大きい場合を想定する。
【００１２】
ここで、ＳｉＯ２膜２は、後の工程でＨｆＯ２膜３のエッチングを行うときのストッパー膜として用いる。ここではＳｉＯ２膜２を形成するが、これに置き換えて、急速熱窒化によりシリコン窒化膜（ＳｉＮ膜）を形成するようにしても良い。また、ＳｉＯ２膜を形成後、プラズマ窒化処理などによりＳｉＯ２膜の表面を窒化処理し、シリコン窒化酸化膜（ＳｉＯＮ膜）を形成するようにしても良い。
【００１３】
また、ここでは高誘電体膜としてＨｆＯ２膜３を形成したが、これに置き換えて、ジルコニウム酸化膜（ＺｒＯ２）、ハフニウムアルミネート膜（ＨｆＡｌＯ２）、アルミ酸化膜（Ａｌ２Ｏ３）等の膜を化学気相成長法、または原子化学気相成長法により形成するようにしても良い。
【００１４】
次に、図２に示すように、ＨｆＯ２膜３の上に、ゲート電極膜として、多結晶シリコン膜４をＬＰＣＶＤにより１００ｎｍ程度の膜厚で形成する。
【００１５】
次に、図３に示すように、多結晶シリコン膜４の上に、リソグラフィによりレジストパ
ターン５を形成する。
【００１６】
次に、図４に示すように、レジストパターン５をマスクとして図３に示す多結晶シリコン膜４を選択的にエッチングし、ＨｆＯ２膜３の上に、ゲート電極４ａを形成する。
【００１７】
次に、図５に示すように、ＨｆＯ２膜３およびレジストパターン５の上から全面に、光子の照射として、エキシマランプにより真空紫外線６を照射する。
このとき、真空紫外線６のエネルギーが、ＳｉＯ２のバンドギャップエネルギーである８．８ｅＶとＨｆＯ２のバンドギャップエネルギーである５．６８ｅＶの間の値、例えば、６ｅＶとなるようにする。
【００１８】
ここで、ストッパー膜としてＳｉＮ膜やＳｉＯＮ膜を用いた場合、または高誘電体膜としてＺｒＯ２、ＨｆＡｌＯ２、Ａｌ２Ｏ３を用いた場合は、照射する真空紫外線のエネルギーが、ストッパー膜として用いた膜のバンドギャップエネルギーより小さく、且つ、高誘電体膜として用いたバンドギャップエネルギーより大きい値となるようにする。一般には、照射する光子のエネルギーを、第一の絶縁膜の第一のバンドギャップエネルギーより小さく、第二の絶縁膜の第二のバンドギャップエネルギーより大きくなるように選定する。
【００１９】
図６に、真空紫外線６をＨｆＯ２膜３およびレジストパターン５の上から照射するときの、ＨｆＯ２膜３の表面付近の拡大図（図５の点線部分７に相当する部分）を示す。真空紫外線６がＨｆＯ２膜３を通過するとき、真空紫外線６はＨｆＯ２のバンドギャップエネルギーである５．６８ｅＶよりも大きい６ｅＶのエネルギーを有するため、ＨｆＯ２膜３の分子結合を切断し、ダングリングボンド８を形成する。
【００２０】
さらに、ＨｆＯ２膜３を通過した真空紫外線６はＳｉＯ２膜２に入射するが、このとき真空紫外線６が有するエネルギーは６ｅＶ以下であり、ＳｉＯ２のバンドギャップエネルギーである８．８ｅＶよりも小さいため、ＳｉＯ２膜２の分子結合を切断することなくＳｉＯ２膜２を通過して半導体基板１に入射し、結晶欠陥９を形成する。
【００２１】
図７に、真空紫外線６（図５参照）をＨｆＯ２膜３およびレジストパターン５の上から照射した後の、ＨｆＯ２膜３の表面付近の拡大図（図５の点線部分７に相当する部分）を示す。真空紫外線６の照射により、高誘電体膜であるＨｆＯ２膜３にはダングリングボンド８が多数発生するが、ＳｉＯ２膜２には発生していない。
【００２２】
このように、ＨｆＯ２のバンドギャップエネルギーである５．６８ｅＶよりも大きく、ＳｉＯ２のバンドギャップエネルギーである８．８ｅＶよりも小さい６ｅＶのエネルギーを有する真空紫外線６を照射することにより、ＨｆＯ２膜３のみにダングリングボンド８を形成することができる。
【００２３】
後述するが、ＨｆＯ２膜３のみにダングリングボンド８（図７参照）を形成することにより、後の工程でＨｆＯ２膜３をエッチングするとき、ＨｆＯ２膜３のストッパー膜であるＳｉＯ２膜２の被エッチング速度を変えることなく、ＨｆＯ２膜３の被エッチング速度のみを大きくすることができる。すなわち、ＳｉＯ２膜２に対するＨｆＯ２膜３の選択比を大きくすることができる。
【００２４】
次に、図８に示すように、レジストパターン５をマスクとして、ＨｆＯ２膜３を選択的にエッチングする。
【００２５】
ここで、図示しないが、ＨｆＯ２膜３のエッチングは、マグネトロンＲＩＥ（Reactive Ion Etching）装置を用いて下部電極に１３．５６ＭＨｚの高周波電圧を印加することによりプラズマ１０を発生させ、圧力０．６７Ｐａ、Ｃｌ２／Ａｒ＝２０／１０ｓｃｃｍ、ＲＦパワー５０Ｗの条件で行う。
【００２６】
このとき、Ｘｅ、Ｋｒ、Ａｒ、Ｎｅ、Ｈｅのいずれかのガスを含んだプラズマを用いるようにしても良い。これらのプラズマからは、８．４〜２１ｅＶ程度のエネルギーを有する紫外線が発生するので、ＨｆＯ２膜３の被エッチング速度を、さらに増加させることが可能となる。従って、ＳｉＯ２膜２に対するＨｆＯ２膜３の選択比を、さらに大きくすることができる。
【００２７】
さらにこのとき、半導体基板１の温度を２００〜９００℃の範囲に保ちながらエッチングを行うことが好ましい。上記範囲の温度でエッチングを行うことにより、このとき発生する紫外線によるダングリングボンドの形成効率が増大するので、ＨｆＯ２膜３の被エッチング速度を、さらに増加させることが可能となる。従って、ＳｉＯ２膜２に対するＨｆＯ２膜３の選択比を、さらに大きくすることができる。
【００２８】
図９に、ＨｆＯ２膜３をエッチングするときの、ＨｆＯ２膜３の表面付近の拡大図（図８の点線部分１２に相当する部分）を示す。プラズマ１０から発生したエッチング種１１がＨｆＯ２膜３の表面に吸着し、ＨｆＯ２膜３と反応して、反応生成物１３をＨｆＯ２膜３から脱離させながら、ＨｆＯ２膜３をエッチングする。
【００２９】
上記エッチング条件を用いた場合、ＨｆＯ２膜３の被エッチング速度は、真空紫外線６（図５参照）の照射前は約４ｎｍ／ｍｉｎである。これに対して、前述のようにＨｆＯ２のバンドギャップエネルギーである５．６８ｅＶよりも大きい６ｅＶのエネルギーを有する真空紫外線６を照射することにより、ＨｆＯ２膜３にはダングリングボンド８が多数発生し、ＨｆＯ２膜３のエッチングにおいて、これらがエッチング種１１とＨｆＯ２膜３の反応を促進するため、ＨｆＯ２膜３の被エッチング速度は、真空紫外線６の照射前と比較して約２倍の８ｎｍ／ｍｉｎとなる。
【００３０】
一方、ＳｉＯ２膜２の被エッチング速度は、真空紫外線６（図５参照）照射前は約５ｎｍ／ｍｉｎである。しかし、前述のように、この実施の形態において照射する真空紫外線の有するエネルギーは６ｅＶであるから、ＳｉＯ２膜２を通過するときのエネルギーは６ｅＶ以下であり、ＳｉＯ２のバンドギャップエネルギーである８．８ｅＶよりも小さいため、真空紫外線６はＳｉＯ２膜２にダングリングボンド８（図６参照）を形成すること無く通過する。このため、ＳｉＯ２膜２の被エッチング速度は、真空紫外線照射後も約５ｎｍ／ｍｉｎのままで変化しない。
【００３１】
従って、真空紫外線の照射前は、ＳｉＯ２膜の被エッチング速度が約５ｎｍ／ｍｉｎであるのに対してＨｆＯ２膜の被エッチング速度は約４ｎｍ／ｍｉｎであるから、ＳｉＯ２膜に対するＨｆＯ２膜の選択比は約０．８である。
これに対し、真空紫外線の照射後は、ＳｉＯ２膜の被エッチング速度が約５ｎｍ／ｍｉｎのままであるのに対してＨｆＯ２膜の被エッチング速度は約８ｎｍ／ｍｉｎとなっているから、ＳｉＯ２膜に対するＨｆＯ２膜の選択比は約１．６となり、真空紫外線照射前の約２倍になる。
すなわち、ＨｆＯ２膜３のエッチング前に真空紫外線の照射を行うことにより、ＨｆＯ２膜３のエッチングにおいて、ストッパー膜であるＳｉＯ２膜２に対して高い選択比を得ることができる。
【００３２】
以上のように図８に示すＨｆＯ２膜３を選択的にエッチングし、図１０に示すように、ゲート電極４ａの下にＨｆＯ２膜３ａを残すようにする。
【００３３】
次に、図１０に示すＳｉＯ２膜２を希弗酸水溶液により選択的にエッチングし、図１１に示すように、ＨｆＯ２膜３ａの下にＳｉＯ２膜２ａを形成する。
【００３４】
次に、図１２に示すように、ゲート電極４ａ、ＨｆＯ２膜３ａ、およびＳｉＯ２膜２ａをマスクとして、イオン注入および熱処理により拡散層１４を形成する。さらに、拡散層１４およびゲート電極４ａの上に、すなわち全面に、層間絶縁膜１５を形成する。
【００３５】
この後、図示しないが、コンタクトおよび配線を形成する。これらの工程は、この分野で既知の工程であるので、詳細な説明は省略する。
【００３６】
以上説明したように、この実施の形態では、半導体基板の主面にＳｉＯ２膜およびＨｆＯ２膜を形成し、さらにＨｆＯ２膜の上にゲート電極を形成した後、ＨｆＯ２膜を選択的にエッチングする前に、ＨｆＯ２のバンドギャップエネルギーである５．６８ｅＶよりも大きく、且つ、ＳｉＯ２のバンドギャップエネルギーである８．８ｅＶよりも小さいエネルギーを有する真空紫外線６を照射することにより、ＨｆＯ２膜のみにダングリングボンド８を形成するようにした。
【００３７】
このように形成することにより、ＨｆＯ２膜のエッチングのストッパー膜であるＳｉＯ２膜の被エッチング速度を変えることなく、ＨｆＯ２膜の被エッチング速度のみを大きくすることができるので、ＨｆＯ２膜のエッチングにおいて、ストッパー膜であるＳｉＯ２膜に対して高い選択比を得ることができる。
【００３８】
以上から、高誘電体膜を含むゲート絶縁膜を有する半導体装置の製造方法において、高誘電体膜のストッパー膜に対して高誘電体膜が高い選択比を有するようにして高誘電体膜をエッチングする方法を得ることができる。
【００３９】
以上説明したように、本発明に係る薄膜のドライエッチング方法によれば、第一のバンドギャップエネルギーを有する第一の絶縁膜の上に第一のバンドギャップエネルギーより小さい第二のバンドギャップエネルギーを有する第二の絶縁膜を形成し、第二の絶縁膜の上からそのエネルギーが第一のバンドギャップエネルギーより小さく第二のバンドギャップエネルギーより大きい光子を照射することにより、第二の絶縁膜のエッチング速度を増大させることができる。
【００４０】
また、本発明に係る半導体装置の製造方法によれば、第一のバンドギャップエネルギーを有する前記第一の絶縁膜の上に第一のバンドギャップエネルギーより小さい第二のバンドギャップエネルギーを有する第二の絶縁膜を形成し、その上にゲート電極を形成し、その上からエネルギーが第一のバンドギャップエネルギーより小さく第二のバンドギャップエネルギーより大きい光子を照射することにより、第二の絶縁膜のエッチング速度を増大させて選択的にエッチングすることによりゲート絶縁膜を形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】本発明の実施の形態の半導体装置の製造方法を示す断面図。
【図２】本発明の実施の形態の半導体装置の製造方法を示す断面図。
【図３】本発明の実施の形態の半導体装置の製造方法を示す断面図。
【図４】本発明の実施の形態の半導体装置の製造方法を示す断面図。
【図５】本発明の実施の形態の半導体装置の製造方法を示す断面図。
【図６】本発明の実施の形態の半導体装置の製造方法を示す断面図。
【図７】本発明の実施の形態の半導体装置の製造方法を示す断面図。
【図８】本発明の実施の形態の半導体装置の製造方法を示す断面図。
【図９】本発明の実施の形態の半導体装置の製造方法を示す断面図。
【図１０】本発明の実施の形態の半導体装置の製造方法を示す断面図。
【図１１】本発明の実施の形態の半導体装置の製造方法を示す断面図。
【図１２】本発明の実施の形態の半導体装置の製造方法を示す断面図。
【符号の説明】
【００４２】
１  半導体基板、２  ＳｉＯ２膜（第一の絶縁膜）、３  ＨｆＯ２膜（第二の絶縁膜）、４ａ  ゲート電極、６  紫外線（光子）、８  ダングリングボンド、９  結晶欠陥、１０  プラズマ、１１  エッチング種、１３  反応生成物。
【図１】
2005116639.tif 000003
【図２】
2005116639.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2005116639.tif 000009
【図８】
2005116639.tif 000010
【図９】
2005116639.tif 000011
【図１０】
2005116639.tif 000012
【図１１】
2005116639.tif 000013
【図１２】
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