JP2000003901A - 半導体装置の製造方法及び半導体製造装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】シリコン窒化膜及びシリコン酸化膜のいずれに
も十分なエッチングレートの選択比を有する半導体装置
の製造方法と半導体製造装置とを提供する。 【解決手段】本発明にかかる半導体装置の製造方法は、
塩化ニトロシル、塩化ニトロイルまたは臭化ニトロシル
のいずれかをエッチングガスとして用いたうえで、ある
いはまた、一酸化窒素、一酸化二窒素、二酸化窒素、三
酸化窒素、三酸化二窒素、四酸化二窒素、五酸化二窒素
またはフッ化ニトロシルのいずれかを添加含有させてな
る塩素系または臭素系のエッチングガスを用いたうえで
ポリシリコンまたはシリコンをエッチングすることを特
徴としている。本発明にかかる半導体製造装置は、少な
くとも上部電極１１及びカバーリング１３のいずれも
が、窒化ケイ素膜、窒化ホウ素膜または窒化チタン膜の
いずれかでもって被覆されたものであることを特徴とし
ている。

Description

【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
方法と、半導体製造装置とに関する。

【０００２】

【従来の技術】近年における半導体集積回路装置の高密
度化、高集積化に伴っては半導体素子の多層化が進んで
おり、ゲート電極やキャパシタ電極などとして用いられ
るポリシリコン膜の加工精度を高めることが要望されて
いる。そこで、ポリシリコン膜のパターン形成工程にお
いては異方性のドライエッチングが採用されているので
あるが、異方性のドライエッチングプロセスを採用した
際には高段差パターンの側壁に残渣が発生することにな
りやすいため、５０％〜２００％程度のオーバーエッチ
ングを実施して残渣を除去することが行われている。

【０００３】さらに、このような際には絶縁膜からなる
マスクに対するポリシリコン膜のエッチングレートの選
択比を高くしておくことが重要であり、ポリシリコンの
エッチングガスとしては塩化水素（ＨＣl）や臭化水素
（ＨＢr）が使用されることになっている。しかしなが
ら、これらのガスを使用したのでは、マスクや下地膜に
対する十分なエッチングレートの選択比を得ることがで
きなくなってしまう。

【０００４】すなわち、従来の形態においては、図４な
いし図６を参照しながら以下に説明するようなドライエ
ッチング方法とドライエッチング装置とが採用されるこ
とになっている。まず、図４で示すように、半導体基板
１上にシリコン酸化膜２を堆積し、かつ、シリコン酸化
膜２上にポリシリコン膜３とシリコン窒化膜４とホトレ
ジスト膜５とを積層して堆積させた後、シリコン窒化膜
４上に堆積したホトレジスト膜５をパターニングし、所
定のパターン形状となったホトレジスト膜５を形成す
る。

【０００５】引き続き、ホトレジスト膜５をマスクとし
たドライエッチングによって所定のパターンとされたシ
リコン窒化膜４を形成し、かつ、ホトレジスト膜５を除
去した後、図５で示すように、シリコン窒化膜４をマス
クとして高選択的にドライエッチングすることにより所
定のパターン形状とされたポリシリコン膜３を形成す
る。なお、この際のドライエッチングでは、図６で示す
ように、ドライエッチング装置が備える下部電極１２上
に半導体基板１を載置し、上部電極１１からエッチング
ガスであるＨＢrを６０ｓｃｃｍの流量となるように調
整しながらチャンバー１４内へと供給したうえ、このチ
ャンバー１４内の真空度が１５０×１０^-3Ｔｏｒｒと安
定するまで待った後、上部電極１１及び下部電極１２間
に３００Ｗの高周波電力を印加することが実行される。

【０００６】ところで、ドライエッチング装置として
は、異方性形状を実現する必要上、セルフバイアスを利
用した平行平板型反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）装
置が用いられる。そして、この際におけるドライエッチ
ング装置は、図６で示しているように、多数のガス吹き
出し口が設けられた上部電極１１と、この上部電極１１
と対向配置されて半導体基板１が載置される下部電極１
２と、この下部電極１２の側壁を覆って設けられたセラ
ミック製のカバーリング１３と、これらが位置決めして
内装されたチャンバー１４とを備えているのが一般的で
ある。なお、図６中の符号１５は排気口であり、チャン
バー１４内の排気は排気口１５を通じて行われることに
なっている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
形態にかかるドライエッチング方法及びドライエッチン
グ装置を採用したのでは、ポリシリコン膜３のマスクと
して用いられるシリコン窒化膜４の窒素（Ｎ）原子がエ
ッチングガスであるＨＣlやＨＢrの水素（Ｈ）原子によ
って引き抜かれるため、シリコン窒化膜４自体がエッチ
ングされてしまうことが起こる。そして、シリコン窒化
膜４がエッチングされると、シリコン窒化膜４の膜厚が
薄くなったり、シリコン窒化膜４の側壁部がエッチング
された結果としてポリシリコン膜３のパターン幅が細く
なったりするというような不都合が生じる。

【０００８】また、従来の形態においては、エッチング
ガスに酸素（Ｏ）原子が含有されておらず、化学平衡の
理論からもシリコン酸化膜２のエッチングが進みやすい
ことになっているため、下地膜であるシリコン酸化膜２
の膜厚が薄くなったり、突き抜けたりするというような
不都合も生じていた。

【０００９】本発明は、これらの不都合に鑑みて創案さ
れたものであって、シリコン窒化膜及びシリコン酸化膜
のいずれに対しても十分なエッチングレートの選択比を
有するドライエッチング方法、つまり、半導体装置の製
造方法と、ドライエッチング装置である半導体製造装置
との提供を目的としている。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明の請求項１にかか
る半導体装置の製造方法は、塩化ニトロシル、塩化ニト
ロイルまたは臭化ニトロシルのいずれかをエッチングガ
スとして用いたうえでポリシリコンまたはシリコンをエ
ッチングすることを特徴としている。本発明の請求項２
にかかる半導体装置の製造方法は、一酸化窒素、一酸化
二窒素、二酸化窒素、三酸化窒素、三酸化二窒素、四酸
化二窒素、五酸化二窒素またはフッ化ニトロシルのいず
れかを添加含有させてなる塩素系または臭素系のエッチ
ングガスを用いたうえでポリシリコンまたはシリコンを
エッチングすることを特徴としている。

【００１１】本発明の請求項３にかかる半導体装置の製
造方法は、請求項１または請求項２に記載した半導体装
置の製造方法であって、シリコン窒化膜またはシリコン
酸化膜のいずれかをマスクまたは下地膜として用いたう
えでポリシリコンまたはシリコンをエッチングすること
を特徴としている。そして、これらの製造方法を採用し
た際には、エッチングガスにＨ原子が含まれていないの
で、シリコン窒化膜のＮ原子がＨ原子によって引き抜か
れることはなく、シリコン窒化膜自体がエッチングされ
ることは起こらないことになる。一方、この際における
反応ガスにはＮ原子が含まれているため、化学平衡の理
論からいってもシリコン窒化膜のエッチングは進みにく
いこととなる。また、エッチングガスにＯ原子が含まれ
ている際には、シリコン酸化膜のエッチングが進みにく
いことになる。

【００１２】本発明の請求項４にかかる半導体製造装置
は、多数のガス吹き出し口が設けられた上部電極と、こ
の上部電極と対向配置されて半導体基板が載置される下
部電極と、この下部電極の側壁を覆って配置されたカバ
ーリングと、これらが位置決めして内装されたチャンバ
ーとを備えており、少なくとも上部電極及びカバーリン
グのいずれもが、窒化ケイ素膜、窒化ホウ素膜または窒
化チタン膜のいずれかでもって被覆されていることを特
徴としている。なお、この際におけるチャンバーが、上
部電極及びカバーリングと同様に被覆されていてもよい
ことは勿論である。そして、この製造装置によれば、窒
化ケイ素膜、窒化ホウ素膜または窒化チタン膜に含まれ
ているＮ原子がプラズマ中において十分に発生すること
になるので、マスクであるシリコン窒化膜からＮ原子が
放出されてくることを抑制することが可能となる。

【００１３】

【発明の実施の形態】（実施の形態１）図１及び図２の
それぞれは半導体装置の製造方法を手順に従って示す工
程断面図であり、図１はドライエッチング時の前段工
程、また、図２はその後段工程を示している。なお、本
実施の形態にかかる半導体装置の製造方法は従来の形態
と基本的に異ならないので、図１及び図２において図４
ないし図６と互いに同一もしくは相当することになる部
品、部分には同一符号を付している。

【００１４】本実施の形態にかかるドライエッチング方
法は、半導体集積回路装置のゲート電極やキャパシタ電
極などとして用いられるポリシリコン膜のパターン形成
時に採用されることになっており、まず最初には、図１
で示すように、半導体基板１上に膜厚が１０ｎｍのシリ
コン酸化膜２を堆積し、このシリコン酸化膜２上に膜厚
が２００ｎｍのポリシリコン膜３と膜厚が１５０ｎｍの
シリコン窒化膜４とを積層して堆積させ、さらに、シリ
コン窒化膜４上に膜厚が０．７μｍのホトレジスト膜５
を堆積させた後、シリコン窒化膜４上に堆積したホトレ
ジスト膜５をパターニングして所定のパターン形状とな
ったホトレジスト膜５を形成することが行われる。な
お、ここでのシリコン酸化膜２は酸化処理によって、ま
た、ポリシリコン膜３及びシリコン窒化膜４のそれぞれ
は減圧化学的気層成長法（減圧ＣＶＤ法）を利用して堆
積させられるのが一般的である。

【００１５】引き続き、ホトレジスト膜５をマスクとし
たドライエッチングによって所定のパターンとされたシ
リコン窒化膜４を形成し、ホトレジスト膜５を除去した
後、図２で示すように、臭化ニトロシル（ＮＯＢr）を
エッチングガスとして用いたうえでシリコン窒化膜４を
マスクとしつつ、ポリシリコン膜３をドライエッチング
することによって所定のパターン形状とされたポリシリ
コン膜３を形成する。なお、この際のドライエッチング
では、ＮＯＢrの流量を６０ｓｃｃｍとし、真空度を１
５０×１０^-3Ｔｏｒｒとしたうえ、供給高周波電力を３
００Ｗとすることが行われる。

【００１６】そして、ここではエッチングガスとしてＮ
ＯＢrが用いられており、ＨＢrやＨＣlなどをエッチン
グガスとした場合のようなＨ原子がＮＯＢrには含まれ
ていないので、マスクとしてのシリコン窒化膜４からＮ
原子がＨ原子によって引き抜かれることは起こらない。
また、この際におけるドライエッチングに伴って発生し
た反応ガスにはＮ原子が含まれているため、下記に示す
反応式（１）から反応式（２）の方向へと向かう反応が
化学平衡の理論に基づいて促進されることとなる結果、
シリコン窒化膜４のエッチングは進みにくくなる。

【００１７】 ＳiＮ＋Ｂr（ラジカル）→ＳiＢr₄ ……… （１） ＳiＮ←ＳiＢr₄＋Ｎ（ラジカル） ……… （２） さらにまた、発生した反応ガスにはＯ原子が含まれてい
るため、化学平衡の理論に基づき、下記する反応式
（３）から反応式（４）へと向かって反応が促進される
ことになり、シリコン酸化膜２のエッチングは進みにく
いこととなる。

【００１８】 ＳiＯ＋Ｂr（ラジカル）→ＳiＢr₄ ……… （３） ＳiＯ←ＳiＢr₄＋Ｏ（ラジカル） ……… （４） そして、本発明の発明者が検討してみたところによれ
ば、従来の形態では１０〜３０程度であったシリコン酸
化膜２及びシリコン窒化膜４に対するエッチングレート
の選択比が８０〜２００程度まで向上しており、マスク
であるシリコン窒化膜４の膜厚を十分確保しつつ、ポリ
シリコン膜３のパターン幅が細くなることをも有効に抑
制し得ることが確認されている。また、下地膜であるシ
リコン酸化膜２の残膜も十分に確保できており、従来の
ような突き抜けが抑制可能であることも確認されてい
る。

【００１９】なお、本実施の形態においては、エッチン
グガスとしてＮＯＢrを用いているが、ＮＯＢrに代えて
塩化ニトロシル（ＮＯＣl）や塩化ニトロイル（ＮＯ₂Ｃ
l）を用いることも可能であり、ＮＯＣl及びＮＯ₂Ｃlを
用いた場合であっても同等の作用が確保される。また、
ここでの下地膜がシリコン酸化膜であり、マスクがシリ
コン窒化膜である必然性があるわけではなく、シリコン
酸化膜に代えてシリコン窒化膜を下地膜とし、また、シ
リコン窒化膜に代えてシリコン酸化膜をマスクとしても
よいことは勿論である。さらにまた、以上の説明におい
ては、ポリシリコン膜３をドライエッチングするとして
いるが、ポリシリコン膜３ではなくてシリコン膜であっ
ても同様の作用が得られることはいうまでもない。

【００２０】（実施の形態２）本発明の実施の形態２に
かかるドライエッチング方法を、実施の形態１と同じ図
１及び図２に基づいて説明する。なお、この実施の形態
２が実施の形態１と異なっているのはエッチングガスに
関わる内容のみであり、他の内容については実施の形態
１と基本的に異ならないから、ここでの詳しい説明は省
略する。

【００２１】本実施の形態にかかるドライエッチング方
法では、半導体基板１上にシリコン酸化膜２を堆積し、
かつ、シリコン酸化膜２上にポリシリコン膜３とシリコ
ン窒化膜４とホトレジスト膜５とを順次積層して堆積さ
せた後、シリコン窒化膜４上に堆積したホトレジスト膜
５をパターニングし、所定のパターン形状となったホト
レジスト膜５を形成する。引き続き、ホトレジスト膜５
をマスクとしたドライエッチングによって所定のパター
ンとされたシリコン窒化膜４を形成し、かつ、ホトレジ
スト膜５を除去した後、一酸化窒素（ＮＯ）を添加含有
させてなるＨＢrをエッチングガスとして用いたうえで
シリコン窒化膜４をマスクとしつつ、ポリシリコン膜３
をドライエッチングすることによって所定のパターン形
状とされたポリシリコン膜３を形成する。

【００２２】そして、ここではエッチングガスの添加ガ
スとしてＮＯを用いているので、プラズマに対してはＮ
原子が供給されることになり、この際における反応は化
学平衡の理論に基づいて上記した反応式（１）から反応
式（２）の方向へと向かって促進される。そのため、シ
リコン窒化膜４のエッチングは、進みにくいことにな
る。また、このとき発生した反応ガスにはＯ原子が含ま
れているので、反応は上記した反応式（３）から反応式
（４）へと向かって促進されることになり、シリコン酸
化膜２のエッチングも進みにくくなる。

【００２３】その結果、従来の形態では１０〜３０程度
であったシリコン酸化膜２及びシリコン窒化膜４に対す
るエッチングレートの選択比を８０〜２００程度まで向
上させ得るばかりか、マスクであるシリコン窒化膜４の
膜厚を十分確保しながらポリシリコン膜３のパターン幅
が細くなることを有効に抑制することも可能になる。ま
た、下地膜であるシリコン酸化膜２の残膜を十分に確保
しつつ、従来の形態におけるような突き抜けが生じるこ
とを有効に防止することが可能となる。

【００２４】なお、本実施の形態においては、ＮＯをエ
ッチングガスに添加含有させるとしているが、ＮＯに限
られることはなく、一酸化二窒素（Ｎ₂Ｏ）、二酸化窒
素（ＮＯ₂）、三酸化窒素（ＮＯ₃）、三酸化二窒素（Ｎ
₂Ｏ₃）、四酸化二窒素（Ｎ₂Ｏ₄）、五酸化二窒素（Ｎ₂
Ｏ₅）またはフッ化ニトロシル（ＮＯＦ）のいずれかを
ＮＯに代えて使用することも可能であり、これらのいず
れを使用した場合であってもＮＯと同等の作用が確保さ
れる。また、シリコン酸化膜に代えてシリコン窒化膜を
下地膜とし、また、シリコン窒化膜に代えてシリコン酸
化膜をマスクとしてもよいことは勿論である。

【００２５】（実施の形態３）図３は半導体製造装置の
要部構造を示す説明図であり、ここでの半導体製造装置
はドライエッチング装置であることになっている。な
お、本実施の形態にかかる半導体製造装置は従来の形態
と基本的に相違しないので、図３において図４ないし図
６と互いに同一もしくは相当する部品、部分には同一符
号を付し、ここでの詳しい説明は省略している。

【００２６】本実施の形態にかかるドライエッチング装
置は、異方性形状を実現する必要上から、セルフバイア
スを利用した平行平板型反応性イオンエッチング（ＲＩ
Ｅ）装置であることになっている。すなわち、このドラ
イエッチング装置は、図３で示すように、多数のガス吹
き出し口が設けられた上部電極１１と、この上部電極１
１と対向配置されて半導体基板１が載置される下部電極
１２と、この下部電極１２の側壁を覆って設けられたセ
ラミック製のカバーリング１３と、これらが位置決めし
て内装されたチャンバー１４とを備えて構成されたもの
であり、この際における少なくとも上部電極１１及びカ
バーリング１３それぞれの外側表面は窒化ケイ素膜でも
って被覆されている。そして、図３で示したドライエッ
チング装置では、チャンバー１４の内側表面までもが窒
化ケイ素膜によって被覆されている。なお、図３中の符
号１５は排気口であり、チャンバー１４内の排気は排気
口１５を通じて行われることになっている。

【００２７】そこで、このドライエッチング装置を使用
しながらポリシリコン膜３のドライエッチングを実行し
た際には、上部電極１１及びカバーリング１３、さらに
は、チャンバー１４を被覆している窒化ケイ素膜からＮ
原子がプラズマ中へと供給されてくる。そのため、ポリ
シリコン膜３のドライエッチング時における反応は、化
学平衡の理論に基づき、反応式（１）から反応式（２）
の方向へと向かって促進されることになり、シリコン窒
化膜４のエッチングは進みにくくなる。

【００２８】その結果、本発明の発明者が確認したとこ
ろによれば、従来の形態では１０〜３０程度に過ぎなか
ったシリコン酸化膜２及びシリコン窒化膜４に対するエ
ッチングレートの選択比が本実施の形態を採用したこと
によって６０〜１５０程度まで向上しており、マスクで
あるシリコン窒化膜４の膜厚を十分確保しつつ、ポリシ
リコン膜３のパターン幅が細くなることを有効に抑制す
ることが可能となっている。なお、本実施の形態では、
少なくとも上部電極１１及びカバーリング１３を窒化ケ
イ素膜でもって被覆するとしているが、窒化ケイ素膜に
限定されることはなく、窒化ケイ素膜に代えて窒化ホウ
素膜または窒化チタン膜のいずれかを用いてもよいこと
は勿論である。

【００２９】

【発明の効果】本発明にかかる半導体装置の製造方法に
よれば、ポリシリコンまたはシリコンをエッチングする
際に使用されるエッチングガスにはＨ原子が含まれてい
ないので、シリコン窒化膜のＮ原子がＨ原子によって引
き抜かれることは起こらず、シリコン窒化膜自体がエッ
チングされることはなくなる。そのため、マスクである
シリコン窒化膜及び下地膜であるシリコン酸化膜に対す
るエッチングレートの選択比が８０〜２００程度まで向
上することになり、マスクであるシリコン窒化膜の膜厚
を十分に確保しつつ、ポリシリコン膜またはシリコン膜
のパターン幅が細くなることを抑制することができる。
また、エッチングガスにＯ原子が含まれている際には、
シリコン酸化膜のエッチングが進みにくいので、下地膜
であるシリコン酸化膜の残膜を十分に確保でき、突き抜
けが発生することを抑制することができるという効果が
得られる。

【００３０】本発明にかかる半導体製造装置によれば、
窒化ケイ素膜、窒化ホウ素膜または窒化チタン膜に含ま
れているＮ原子がプラズマ中において十分に発生するこ
とになるので、マスクであるシリコン窒化膜からＮ原子
が放出されてくることを抑制することが可能となる。そ
のため、シリコン窒化膜及びシリコン酸化膜のいずれに
対しても十分なエッチングレートの選択比を得ることが
できるという効果が確保される。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施の形態にかかる半導体装置の製造方法を手
順に従って示す工程断面図であり、ドライエッチング時
の前段工程を示している。

【図２】実施の形態にかかる半導体装置の製造方法を手
順に従って示す工程断面図であり、ドライエッチング時
の後段工程を示している。

【図３】実施の形態にかかる半導体製造装置の要部構造
を示す説明図であり、ここでの半導体製造装置はドライ
エッチング装置である。

【図４】従来の形態にかかる半導体装置の製造方法を手
順に従って示す工程断面図であり、ドライエッチング時
の前段工程を示している。

【図５】従来の形態にかかる半導体装置の製造方法を手
順に従って示す工程断面図であり、ドライエッチング時
の後段工程を示している。

【図６】従来の形態にかかる半導体製造装置の要部構造
を示す説明図であり、ここでの半導体製造装置はドライ
エッチング装置である。

【符号の説明】

１ 半導体基板 ２ シリコン酸化膜 ３ ポリシリコン膜 ４ シリコン窒化膜 ５ ホトレジスト膜 １１ 上部電極 １２ 下部電極 １３ カバーリング １４ チャンバー １５ 排気口

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 塩化ニトロシル、塩化ニトロイルまたは
   臭化ニトロシルのいずれかをエッチングガスとして用い
   たうえでポリシリコンまたはシリコンをエッチングする
   ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
2. 【請求項２】 一酸化窒素、一酸化二窒素、二酸化窒
   素、三酸化窒素、三酸化二窒素、四酸化二窒素、五酸化
   二窒素またはフッ化ニトロシルのいずれかを添加含有さ
   せてなる塩素系または臭素系のエッチングガスを用いた
   うえでポリシリコンまたはシリコンをエッチングするこ
   とを特徴とする半導体装置の製造方法。
3. 【請求項３】 シリコン窒化膜またはシリコン酸化膜の
   いずれかをマスクまたは下地膜として用いたうえでポリ
   シリコンまたはシリコンをエッチングすることを特徴と
   する請求項１または請求項２に記載した半導体装置の製
   造方法。
4. 【請求項４】 多数のガス吹き出し口が設けられた上部
   電極と、この上部電極と対向配置されて半導体基板が載
   置される下部電極と、この下部電極の側壁を覆って配置
   されたカバーリングと、これらが位置決めして内装され
   たチャンバーとを備えており、少なくとも上部電極及び
   カバーリングのいずれもが、窒化ケイ素膜、窒化ホウ素
   膜または窒化チタン膜のいずれかでもって被覆されてい
   ることを特徴とする半導体製造装置。