JP2009064991A - Ｈｉｇｈ−ｋ膜のドライエッチング方法 - Google Patents

Abstract

【課題】
本発明の目的は、Ｈｉｇｈ−ｋ膜である金属酸化物を、下地ポリシリコン膜との高い選択性（比）を保ちつつ、パターンの疎部と密部によるエッチング速度差、及び形状差の小さいエッチング特性を有するＨｉｇｈ−ｋ膜のドライエッチング方法を提供することである。
【解決手段】
プラズマを用いＨｉｇｈ−ｋ膜をドライエッチングする方法で、希ガスと混合したＢＣｌ₃ガスに、炭素元素比率の高いフルオロカーボンガスを微少添加する構成とした。
【選択図】図３

Description

本発明は半導体表面のドライエッチング方法にかかわり、特に半導体デバイスの製造におけるＨｉｇｈ−ｋ膜のドライエッチング方法に関する。

近年の半導体素子では、微細化に伴い、ゲート絶縁膜として、比誘電率の高い金属酸化膜（以下、Ｈｉｇｈ−ｋ膜と略す）が用いられている。特にＮＡＮＤ型Ｆｌａｓｈデバイスにおいては、コントロールゲートとフローティングゲートの間の絶縁膜としてＡｌ₂Ｏ₃（アルミナ），ＺｒＯ₂（ジルコニア），ＨｆＯ₂（ハフニア）等のＨｉｇｈ−ｋ膜が用いられている。また、これら二つのゲートは、それぞれポリシリコン等で構成されており、さらに、素子分離構造を有している。このようなデバイスの製造にあたり、Ｈｉｇｈ−ｋ膜をエッチングする際には、フローティングゲートと素子分離構造によって段差が形成されるため、下地のポリシリコンに対して高い選択性（比）が必要となる。

すなわち、図７に示すように、Ｆｌａｓｈデバイスの構造は、シリコン酸化膜からなる素子分離トレンチ１６が設けられたシリコン基板１７上に、シリコン酸化膜からなる下地絶縁膜（ゲート酸化膜）１５，ポリシリコン膜１４を形成し、このポリシリコン膜１４を素子分離トレンチ１６、及び下地絶縁膜（ゲート酸化膜）１５上まで、パターニング後、エッチングしてフローティングゲート１４を形成する。その上にＡｌ₂Ｏ₃等からなる段差２８を有したＨｉｇｈ−ｋ膜１３を形成した後、コントロールゲートであるポリシリコン膜１２、及びタングステンシリサイド膜１１を形成し、最後にハードマスク１０を形成する。その後、パターニング，エッチング処理して下地絶縁膜（ゲート酸化膜）１５上にＦｌａｓｈデバイスを形成している。ここで、コントロールゲート１２は、フローティングゲート１４に対して、直交するように形成されている。

Ａｌ₂Ｏ₃等の揮発性が乏しいＨｉｇｈ−ｋ膜のエッチングには、Ｃｌ₂やＢＣｌ₃等を含むガスを用いるのが一般的である。従来技術として、例えば、特開２００５−２６８２９２号公報（特許文献１）のように、塩素系ガスとＣＨ₄等の還元性を有するガスを混合することで、エッチングを実施するものがある。

特開２００５−２６８２９２号公報

しかしながら、上記従来技術は、還元性の強いガスを添加することにより、Ｈｉｇｈ−ｋ膜のエッチング速度だけでなく、シリコン酸化膜であるハードマスクや素子分離トレンチのエッチング速度も増加してしまい、シリコン酸化膜に対する選択比が低下する課題があった。

本発明の目的は、上記課題を解決するため、Ｈｉｇｈ−ｋ膜である金属酸化物のエッチングにおいて、下地ポリシリコン膜との高い選択比を保ちつつ、パターンの疎部と密部によるエッチング速度差、及び形状差の小さいエッチング特性を有するＨｉｇｈ−ｋ膜のドライエッチング方法を提供することである。

金属と酸素が結合した金属酸化膜をプラズマエッチングするのに、希ガスとＢＣｌ₃（三塩化硼素）の混合ガスに、添加ガスとして炭素元素比率の高いフルオロカーボン系ガスを微少添加することにより、Ｈｉｇｈ−ｋ膜を、下地ポリシリコンとの選択比を高く、かつ、疎密差なくエッチングすることができる。

本発明によれば、Ｈｉｇｈ−ｋ膜である金属酸化物を、下地ポリシリコン膜との選択比を高く保ちつつ、パターンの疎部と密部によるエッチング速度差、及び、形状差の小さいエッチング特性を有して、Ｈｉｇｈ−ｋ膜をエッチングすることができる。

以下、本発明の一実施例について図面を用いて説明する。

図１は、本発明を実施するにあたり用いたプラズマエッチング装置を示す。本一実施例はプラズマ生成手段にマイクロ波と磁界を利用したマイクロ波プラズマエッチング装置の例である。図１において、マイクロ波はマグネトロン１で発振され、導波管２を経て石英板３を通過して真空容器へ入射される。真空容器の周りにはソレノイドコイル４が設けてあり、これにより発生する磁界と、入射してくるマイクロ波により電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ：Electron Cyclotron Resonance）を起こす。この反応によりプロセスガスは、効率良く高密度にプラズマ５化される。ウェハ６は、静電吸着電源７で試料台８に直流電圧を印加することで、静電吸着力により電極に固定される。また、電極には高周波電源９が接続してあり、この高周波電力を印加することにより、プラズマ中のイオンをウェハ６に対して垂直方向の加速電位を与え入射し、エッチングする。エッチング後のガスは装置下部に設けられた排気口から、ターボポンプ，ドライポンプ（図省略）により排気される。

本発明にかかるエッチング処理の対象となるウェハは、図７に示したウェハであり、上層から順に、パターニングされたハードマスク１０とコントロールゲートであるタングステンシリサイド１１、および、ポリシリコン膜１２の積層膜と、Ａｌ₂Ｏ₃からなる層間絶縁膜１３と、フローティングゲートであるポリシリコン膜１４と、シリコン酸化膜からなる下地絶縁膜（ゲート酸化膜）１５と、シリコン酸化膜が埋め込まれた素子分離トレンチ１６が形成されたシリコン基板１７からなる。

図２を用いて、本発明にかかる半導体デバイスの製造方法を説明する。図２の左側の図は図７のＡ−Ａ断面を、図２の右側の図は図７のＢ−Ｂ断面を、それぞれ表した処理過程を説明する説明図である。

図１に示すプラズマエッチング装置を用いて、パターニングされたシリコン酸化膜からなるハードマスク１０をマスクとして、タングステンシリサイド１１をＣｌ₂，ＣＦ₄の混合ガスにて、下層のポリシリコン１２をＨＢｒ，Ｏ₂の混合ガスにてエッチングする（図２（ｂ））。

次いで、層間絶縁膜であるＨｉｇｈ−ｋ膜Ａｌ₂Ｏ₃を、Ａｒ，ＢＣｌ₃とＣ₄Ｆ₈の混合ガスを用いてエッチングする（図２（ｃ））。このとき、Ａｌ₂Ｏ₃の下地膜となるポリシリコン１４に対して選択性の高いＡｌ₂Ｏ₃のエッチングが必要となる。また、もう一方の下地膜であるシリコン酸化膜からなる素子分離トレンチ１６に対しても高い選択性を有することが望ましい。

さらに、Ｃｌ₂，ＨＢｒ，Ｏ₂の混合ガスでフローティングゲートを構成するポリシリコン膜１４をエッチングし、その後、ＨＢｒ，Ｏ₂の混合ガスでオーバーエッチングを実施する。

本発明では、図２（ｃ）に示すＨｉｇｈ−ｋ膜１３の処理にて、フルオロカーボン系ガスであるＣ₄Ｆ₈を微少添加しているが、このＣ₄Ｆ₈の添加効果について、以下、説明する。

図７に示すように層間絶縁膜であるＨｉｇｈ−ｋ膜１３は段差２８を有し、フローティングゲート１４、および素子分離トレンチ１６上に形成されている。このＨｉｇｈ−ｋ段差２８をすべて除去した際に、ポリシリコン膜１４の残膜量が少ない場合、下地絶縁膜（ゲート酸化膜）１５がポリシリコン膜のエッチング中になくなってしまい、シリコン基板１７にダメージを与えるパンチスルーという現象が発生し、デバイス性能が大きく劣化してしまう。

図３（ｂ）は、Ａｒ，ＢＣｌ₃，Ｃ₄Ｆ₈ガス流量を、それぞれ、６０，６０，２ccmに設定し、真空室内の圧力３ｍTorr，マイクロ波電力１４００Ｗ，高周波電力７０Ｗにて、Ｈｉｇｈ−ｋ膜をすべて除去した時の、コントロールゲートのパターンが密集している密部と、パターンが散在している疎部での、図７のＢ―Ｂ断面形状を表した図である。

この場合、Ｃ₄Ｆ₈ガスの添加効果によりパターンの密部と疎部のポリシリコンの残膜量は、ほぼ等しい（ｘ≒ｙ）が、Ｃ₄Ｆ₈を添加しない場合においては、疎パターン部のポリシリコンのエッチング速度が、密パターン部に対して大きいため、図３（ａ）のようにポリシリコンの残膜量の疎密差が非常に大きくなり（ｘ＞＞ｙ）、疎パターン部にて下地絶縁膜（ゲート酸化膜）が無くなるパンチスルーが発生する。

図４は、Ｃ₄Ｆ₈を添加してない場合の、図３の密パターン部であるＣ−Ｃ断面と疎パターン部であるＤ−Ｄ断面のエッチングの進行状況を表した図である。図４に対して、図５は、Ｃ₄Ｆ₈を添加した場合のエッチングの進行状況を表している。

図４に示すＣ₄Ｆ₈を添加しない場合、疎部のＨｉｇｈ−ｋ膜２１が密部のＨｉｇｈ−ｋ膜２０より、速くエッチングされてしまうことにより、図４（ｂ）に示すように縦方向の残膜差２２が発生する。この密部のＨｉｇｈ−ｋ膜２０をすべて除去する場合、疎部のＨｉｇｈ−ｋ膜２１は密部と比べ、早く除去されるため、結果として、図４（ｃ）に示すように、Ｈｉｇｈ−ｋ膜であるＡｌ₂Ｏ₃が無い状態での疎部の下地ポリシリコンのエッチング時間が、密部と比べて長くなってしまうことで、ポリシリコンのエッチング反応が進行しやすくなり、疎部のポリシリコンがエッチングされることで、疎密差２６が発生する。

一方、図５に示すＣ₄Ｆ₈を添加した場合、Ｈｉｇｈ−ｋ表面にＣ_xＦ_yなる堆積物が堆積し、エッチングの進行を阻害する方向に働くが、この堆積物の堆積速度も密部に対して疎部の方が大きいため、Ｈｉｇｈ−ｋ膜のエッチングの疎密差が改善される。このことにより、図５（ｂ）に示すように、左図の密部との形状差が少ない状態で右図の疎部のエッチングが進行し、図５（ｃ）のように、パターン密部と疎部において形状差のないエッチングが可能となる。ここで、炭素比率が高いフルオロカーボンガス（Ｃ₄Ｆ₈）を添加しているため、Ｃ₄Ｆ₈自体は下層のポリシリコンをエッチングすることがなく、ポリシリコンに対する選択比は低下しない。

さらに、Ｃ₄Ｆ₈の添加にて、図５（ｃ）のように、Ｈｉｇｈ−ｋ膜と同じ酸化物である素子分離トレンチ１６のシリコン酸化膜が、疎密差なくエッチングされることで、図４（ｃ）に示されるような素子分離トレンチの密部と疎部の形状差２５も低減することが可能となる。

図６は、Ｃ₄Ｆ₈ガスの流量を変化させた場合におけるＨｉｇｈ−ｋ膜のエッチング速度の疎密差を表した特性図である。この特性図は、エッチングガスであるＢＣｌ₃とＣ₄Ｆ₈の流量比で表しており、Ａｒ流量，ＢＣｌ₃流量、高周波電力が、それぞれ、６０ccm，６０ccm，７０Ｗの場合は、ＢＣｌ₃に対するＣ₄Ｆ₈の流量比が２％から５％の間において、エッチング速度の疎密差が小さい結果が得られている。ここで、図６に示す疎密差が小さい領域２７は、密部のエッチング速度と疎部のエッチング速度の比で、９０％から１１０％の範囲とした。

また、Ｃ₄Ｆ₈の流量比が１０％の場合、密部のエッチング速度が疎部よりも速くなる逆マイクロローディング現象が発生したが、ここで、高周波電力を１００Ｗに変更することで、良好な疎密差を得ることができた。同じように、流量比１％の場合は、高周波電力を低下することで、良好な疎密差を得ることができる。

以上のように、高周波電力の適正化により、Ｈｉｇｈ−ｋ膜のエッチング速度の疎密差が調整できるが、高周波電力を増加しすぎると下地ポリシリコンのエッチングが抑制できなくなってしまうので、ＢＣｌ₃に対するＣ₄Ｆ₈の流量比は、１％から１０％の間、好ましくは、２％から５％の間にあることが望ましい。

本一実施例の形態においては、Ｈｉｇｈ−ｋ膜としてＡｌ₂Ｏ₃を例にあげて説明したが、Ａｌ_xＯ_yＮ_z（ｘ＝１〜３，ｙ＝１〜５，ｚ＝０〜５），Ｚｒ_xＯ_yＮ_z（ｘ＝１〜３，ｙ＝１〜５，ｚ＝０〜５），Ａｌ_vＨｆ_wＳｉ_xＯ_yＮ_z（ｖ＝０〜３，ｗ＝０〜３，ｘ＝０〜３，ｙ＝１〜５，ｚ＝０〜５），Ｔａ_xＯ_yＮ_z（ｘ＝１〜３，ｙ＝１〜５，ｚ＝０〜５）等のＨｉｇｈ−ｋ膜のエッチングにおいても本発明を適用することができる。

添加ガスとして使用したＣ₄Ｆ₈についても、ポリシリコンのエッチングが進行しにくいＣ₂Ｆ₄，Ｃ₃Ｆ₈，Ｃ₅Ｆ₈，Ｃ₄Ｆ₆等の炭素元素の比率が高いフルオロカーボンガスであれば、添加流量と試料台に印加する高周波電力を最適化することで、疎密差を低減することが可能なため、Ｃ₄Ｆ₈に限らず、本発明を適用することができる。

また、本一実施例では、ＮＡＮＤ型Ｆｌａｓｈデバイスのゲート電極の製造工程を例に挙げて説明したが、本発明はこれに限らず、Ａｌ₂Ｏ₃等の金属酸化膜のエッチング加工を伴うＳＡＮＯＳ（Silicon Aluminium-Oxide Nitride Oxide Silicon）タイプのＦｌａｓｈデバイスの製造におけるＨｉｇｈ−ｋ膜のエッチング等にも適用することができる。その上、ＮＡＮＤ型Ｆｌａｓｈデバイスのゲート電極の製造工程は本実施の形態に限られることはなく、ハードマスク，タングステンシリサイド膜，ポリシリコン膜，ゲート酸化膜で用いた材料や加工方法についても限られない。

さらに、本一実施例では、マイクロ波ＥＣＲプラズマエッチング装置を用いた場合を前提に説明したが、他のプラズマ源でも何等問題はなく、マイクロ波ＥＣＲプラズマエッチング装置に限定されるものではない。したがって、マイクロ波以外の誘導型プラズマ装置や平行平板型プラズマ装置等でも本発明を適用することができる。

本発明を適応するプラズマエッチング装置の全体構成図である。 本発明の実施の形態に係るＮＡＮＤ型Ｆｌａｓｈメモリのゲート電極の製造工程を示す断面図である。 Ｃ₄Ｆ₈ガスの添加の有無によるエッチング形状の断面図である。 Ｃ₄Ｆ₈ガスを添加しない場合におけるパターン疎部、及び密部のエッチング形状の断面図である。 Ｃ₄Ｆ₈ガスを添加した場合におけるパターン疎部、及び密部のエッチング形状の断面図である。 ＢＣｌ₃とＣ₄Ｆ₈の流量比に対するエッチング速度の疎密差の関係を表した特性図である。 Ｈｉｇｈ−ｋ膜を有するＦｌａｓｈデバイスの構造を説明する断面図である。

符号の説明

１ マグネトロン
２ 導波管
３ 石英板
４ ソレノイドコイル
５ プラズマ
６ ウェハ
７ 直流電源
８ 試料台
９ 高周波電源
１０ ハードマスク
１１ タングステンシリサイド膜
１２ ポリシリコン膜（コントロールゲート）
１３ Ｈｉｇｈ−ｋ膜
１４ ポリシリコン膜（フローティングゲート）
１５ 下地絶縁膜（ゲート酸化膜）
１６ 素子分離トレンチ
１７ シリコン基板
１８ 密部ポリシリコン残膜量
１９ 疎部ポリシリコン残膜量
２０ 密部のＨｉｇｈ−ｋ膜
２１ 疎部のＨｉｇｈ−ｋ膜
２２ Ｈｉｇｈ−ｋ膜の疎密差
２３ 密部の素子分離トレンチの削れ量
２４ 疎部の素子分離トレンチの削れ量
２５ 素子分離トレンチの削れ量の疎密差
２６ ポリシリコンの残膜量の疎密差
２７ エッチング速度の疎密差が小さい範囲
２８ Ｈｉｇｈ−ｋ段差

Claims (6)

1. 金属と酸素が結合した金属酸化膜をプラズマエッチングする方法において、希ガスとＢＣｌ₃の混合ガスにフルオロカーボン系ガスを添加することを特徴とするＨｉｇｈ−ｋ膜のドライエッチング方法。
2. 請求項１記載のＨｉｇｈ−ｋ膜のドライエッチング方法において、前記金属酸化膜を構成する金属が、Ａｌ，Ｈｆ，Ｚｒ，Ｔａ，Ｓｉのうち、少なくとも一つ以上の金属を含むことを特徴とするＨｉｇｈ−ｋ膜のドライエッチング方法。
3. 請求項１記載のＨｉｇｈ−ｋ膜のドライエッチング方法において、前記金属酸化膜が、Ａｌ₂Ｏ₃，ＨｆＯ₂，ＺｒＯ₂，ＡｌＨｆＯ，Ｔａ₂Ｏ₅のうち、少なくとも一つ以上の積層膜で構成されていることを特徴とするＨｉｇｈ−ｋ膜のドライエッチング方法。
4. 請求項１記載のＨｉｇｈ−ｋ膜のドライエッチング方法において、前記フルオロカーボン系ガスが、Ｃ₂Ｆ₄，Ｃ₃Ｆ₈，Ｃ₄Ｆ₈，Ｃ₄Ｆ₆，Ｃ₅Ｆ₈のうち、少なくとも一つ以上の混合ガスであることを特徴とするＨｉｇｈ−ｋ膜のドライエッチング方法。
5. 請求項１記載のＨｉｇｈ−ｋ膜のドライエッチング方法において、前記希ガスが、Ｈｅ，Ｎｅ，Ａｒ，Ｋｒ，Ｘｅのうち、少なくとも一つ以上の混合ガスであることを特徴とするＨｉｇｈ−ｋ膜のドライエッチング方法。
6. 請求項１記載のＨｉｇｈ−ｋ膜のドライエッチング方法において、前記ＢＣｌ₃ガスに対するフルオロカーボン系ガスの流量比が２％から５％の混合ガスであることを特徴とするＨｉｇｈ−ｋ膜のドライエッチング方法。

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