JP2822952B2 - Method for manufacturing semiconductor device - Google Patents
Method for manufacturing semiconductor deviceInfo
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Description
【0001】[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、特に半導体装置の製造工程で形成される多結
晶シリコン膜のドライエッチング方法に関する。The present invention relates to a method for manufacturing a semiconductor device, and more particularly to a method for dry-etching a polycrystalline silicon film formed in a process for manufacturing a semiconductor device.
【0002】[0002]
【従来の技術】近年、半導体装置の高集積化や複雑化に
伴い、その構造はより3次元的なものになってきてい
る。そのため、凹凸や高段差を有する部分に膜形成を行
う工程が多くなってきている。また、400nm以上の
垂直段差やアスペクト比1以上の開口部を有する絶縁膜
上に多結晶シリコン等の膜形成を行い、これをパターニ
ングする必要性も生じてきている。2. Description of the Related Art In recent years, as semiconductor devices have become more highly integrated and more complex, their structures have become more three-dimensional. Therefore, the number of steps for forming a film on a portion having unevenness or a high step is increasing. In addition, it has become necessary to form a film of polycrystalline silicon or the like on an insulating film having a vertical step of 400 nm or more and an opening having an aspect ratio of 1 or more and pattern the film.
【0003】高段差の下地上に形成される典型的な例と
してはDRAM(DynamicRandom Acc
ess Memory)用スタックドキャパシタの電極
が上げられる。以下、多結晶シリコン膜を用いるスタッ
クドキャパシタの蓄積電極の形成方法について図12を
用いて説明する。A typical example formed on the ground under a high step is a DRAM (Dynamic Random Acc).
The electrodes of the stacked capacitor for the ess memory are raised. Hereinafter, a method for forming a storage electrode of a stacked capacitor using a polycrystalline silicon film will be described with reference to FIG.
【0004】まず、図12(a)に示すように、シリコ
ン基板21上に選択酸化法により厚さ約300nmのフ
ィールド酸化膜22を形成する。次で全面に厚さ約30
0nmの第1の多結晶シリコン膜を形成したのちパター
ニングし、ゲート電極23を形成する。次でゲート電極
23をマスクとして不純物をイオン注入し拡散層25を
形成する。次に、全面に層間絶縁膜としてCVD法によ
り厚さ約150nmの酸化シリコン膜24を形成したの
ち、拡散層25と接続するための窓をあける。この窓あ
けにより450〜750nmの段差部26が形成され
る。First, as shown in FIG. 12A, a field oxide film 22 having a thickness of about 300 nm is formed on a silicon substrate 21 by a selective oxidation method. Next is about 30
After forming a first polycrystalline silicon film of 0 nm, patterning is performed to form a gate electrode 23. Next, impurities are ion-implanted using the gate electrode 23 as a mask to form a diffusion layer 25. Next, after a silicon oxide film 24 having a thickness of about 150 nm is formed on the entire surface as an interlayer insulating film by a CVD method, a window for connecting to the diffusion layer 25 is opened. This window opening forms a step 26 of 450 to 750 nm.
【0005】次に図12(b)に示すように、全面にキ
ャパシタの蓄積電極となる厚さ600nmの第2の多結
晶シリコン膜27を形成する。次に、ゲート電極23上
にフォトレジスト膜28の端部が位置するようにしてC
VD酸化膜のない拡散層25と接続している部分の第2
の多結晶シリコン膜27をマスクし、露出した第2の多
結晶シリコン膜27をエッチングする。この場合のエッ
チングは、リアクティブイオンエッチング(RIE)法
によって行われ、HBrにArを混合したガスを主成分
としたガス系を用いて段差部に残渣のないエッチング形
状を得ている。Next, as shown in FIG. 12B, a second polycrystalline silicon film 27 having a thickness of 600 nm to be a storage electrode of the capacitor is formed on the entire surface. Next, C is set so that the end of the photoresist film 28 is located on the gate electrode 23.
The second portion of the portion connected to the diffusion layer 25 having no VD oxide film
The exposed second polycrystalline silicon film 27 is etched using the polycrystalline silicon film 27 as a mask. The etching in this case is performed by a reactive ion etching (RIE) method, and an etching shape having no residue in the step portion is obtained by using a gas system mainly containing a gas obtained by mixing HBr and Ar.
【0006】高段差の下地上に形成される異なる例とし
て、不揮発性メモリーのフローティングゲート電極が上
げられる。以下、多結晶シリコン膜を用いたフローティ
ングゲート電極の形成方法について図面を用いて説明す
る。As a different example formed on the ground under a high step, there is a floating gate electrode of a nonvolatile memory. Hereinafter, a method for forming a floating gate electrode using a polycrystalline silicon film will be described with reference to the drawings.
【0007】まず、図1(a)に示すように、シリコン
基板1上にCVD法により厚さ約400nmの酸化膜を
形成し、リソグラフィ法とRIE法により酸化膜をライ
ン幅0.45μm、スペース幅0.39μmにパターニ
ングし、素子分離を行うフィールド酸化膜2を形成す
る。次で全面にCVD法により酸化膜を厚さ約50nm
形成し、エッチバックを行いフィールド酸化膜2の側面
にサイドウォール3を形成する。First, as shown in FIG. 1A, an oxide film having a thickness of about 400 nm is formed on a silicon substrate 1 by a CVD method, and the oxide film is formed by a lithography method and an RIE method with a line width of 0.45 μm and a space. Patterning is performed to a width of 0.39 μm to form a field oxide film 2 for element isolation. Next, an oxide film having a thickness of about 50 nm is formed on the entire surface by the CVD method.
Then, an etch back is performed to form sidewalls 3 on the side surfaces of the field oxide film 2.
【0008】次に図1(b)に示すように、熱酸化法に
より厚さ約20nmのゲート酸化膜4を形成する。次で
全面にフローティングゲート電極となる多結晶シリコン
膜5をフィールド酸化膜上での厚さ250〜300nm
で形成する。これによりフィールド酸化膜による段差部
は埋め込まれほぼ平坦化される。その後フィールド酸化
膜2のラインと垂直(紙面と平行)にリソグラフィ法に
よりフォトレジスト膜6からなるマスクを形成する。図
1(b)におけるA−A線及びB−B線断面図が図1
(c)及び図1(d)である。次でマスクされていない
露出した多結晶シリコン膜5をエッチングし、図2
(a)〜(c)に示すように、フローティングゲート電
極を形成する。このときの多結晶シリコン膜5のエッチ
ングでは下地の凹凸により多結晶シリコン膜厚が250
〜300nmの薄い部分と650〜700nmの厚い部
分とが存在し、同時にエッチングを行う必要がある。Next, as shown in FIG. 1B, a gate oxide film 4 having a thickness of about 20 nm is formed by a thermal oxidation method. Next, a polycrystalline silicon film 5 serving as a floating gate electrode is entirely formed on the field oxide film to a thickness of 250 to 300 nm.
Formed. As a result, the step due to the field oxide film is buried and almost flattened. Thereafter, a mask made of the photoresist film 6 is formed by lithography perpendicularly to the line of the field oxide film 2 (parallel to the paper). FIG. 1B is a sectional view taken along line AA and line BB in FIG.
(C) and FIG. 1 (d). Next, the unmasked exposed polycrystalline silicon film 5 is etched, and FIG.
(A) to (c), a floating gate electrode is formed. In the etching of the polycrystalline silicon film 5 at this time, the polycrystalline silicon film thickness is 250
There are a thin part of about 300 nm and a thick part of 650 to 700 nm, and it is necessary to perform etching at the same time.
【0009】このような段差を有する多結晶シリコン膜
のエッチング方法には、特開平5−304119号公報
に示されるように、RIE法によりHBrとArガスを
主成分とした混合ガスを用いる方法がある。この方法
は、酸化膜に対する選択比の高いHBrにArを混合す
ることでエッチング時に段差部に形成されるデポジショ
ン物をArイオンによりたたいて除去し、柱状のエッチ
ング残渣の発生を抑制するものである。As a method of etching a polycrystalline silicon film having such a step, a method using a mixed gas containing HBr and Ar gas as main components by RIE as shown in Japanese Patent Application Laid-Open No. 5-304119. is there. This method suppresses the generation of column-shaped etching residues by mixing Ar with HBr having a high selectivity with respect to an oxide film, thereby removing a deposition substance formed at a step portion by etching with Ar ions. It is.
【0010】また、他のエッチング方法として特開平2
−219227号公報に示されるように、第1のエッチ
ング工程でCCl4 とHeの混合ガスで下部の酸化膜4
が露出するまでエッチングを行い、次に第2のエッチン
グ工程でCCl4 とHeとSF6 ガスを用い等方性エッ
チングを行い、エッチング残渣をなくす方法がある。
尚、多結晶シリコン膜のエッチング速度と選択比を高め
る為に選択比の高いHBrとエッチング速度の速いCl
2 との混合ガスも多く用いられている。Another etching method is disclosed in
As shown in Japanese Patent Application Laid-Open No. 219227/1992, in the first etching step, a mixed gas of CCl 4 and He is used to form a lower oxide film 4.
There is a method of performing etching until C is exposed, and then performing isotropic etching using CCl 4 , He, and SF 6 gas in a second etching step to eliminate etching residues.
In order to increase the etching rate and the selectivity of the polycrystalline silicon film, HBr having a high selectivity and Cl having a high etch rate are used.
Gas mixtures with 2 are also often used.
【0011】[0011]
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、HBr
とArガスを主成分とした混合ガスによるRIE法で多
結晶シリコン膜をエッチングする場合、図4(a)及び
そのA−A線及びB−B線断面図である図4(b)及び
図4(c)に示すように、フィールド酸化膜2の側壁に
柱状のエッチング残渣7が生じる。これはHBrガスを
主成分として用いていることと、フィールド酸化膜2の
間隔が0.39μmと狭いためフィールド酸化膜3の側
壁にデポジションが生じることに原因がある。さらにこ
のエッチング残渣7の問題を解決するために、デポジシ
ョンの少ないClを含んだガス(例えばCCl4 +H
e)を用いて多結晶シリコン膜5をRIE法によりエッ
チングを行った場合、図5(a)〜(c)に示すよう
に、エッチング残渣は生じないが、低選択比により下地
の酸化膜4がエッチングされ、シリコン基板1に損傷8
を与える。さらにClを含んだガスを用いて選択比を高
くする条件でエッチングを行った場合、図6(a)〜
(c)に示すように、側壁保護効果が小さいためフィー
ルド酸化膜2上の薄い多結晶シリコン膜にノッチング9
Aが生じ、また厚い多結晶シリコン膜にサイドエッチン
グ9Bが生じる。さらにRIE法ではプラズマ密度が低
いためフィールド酸化膜2側壁部にテーパー状の多結晶
シリコンのエッチング残り5Aが生じる。このエッチン
グ残り5Aはオーバーエッチングを行っても取りきるこ
とはできない。SUMMARY OF THE INVENTION However, HBr
FIG. 4A and FIG. 4B and FIG. 4B, which are cross-sectional views taken along lines AA and BB when the polycrystalline silicon film is etched by the RIE method using a mixed gas mainly containing Ar gas and Ar gas. As shown in FIG. 4C, a columnar etching residue 7 is formed on the side wall of the field oxide film 2. This is due to the fact that HBr gas is used as a main component and that the distance between the field oxide films 2 is as narrow as 0.39 μm, so that deposition occurs on the side walls of the field oxide film 3. Further, in order to solve the problem of the etching residue 7, a gas containing a small amount of Cl (eg, CCl 4 + H
When the polycrystalline silicon film 5 is etched by the RIE method using the method e), as shown in FIGS. 5A to 5C, no etching residue is generated, but the underlying oxide film 4 has a low selectivity. Is etched and damages the silicon substrate 1 8
give. Further, when etching is performed using a gas containing Cl under conditions of increasing the selectivity, FIG.
As shown in FIG. 2C, the notch 9 is formed on the thin polycrystalline silicon film on the field oxide film 2 because the side wall protection effect is small.
A occurs, and side etching 9B occurs in the thick polycrystalline silicon film. Further, in the RIE method, since the plasma density is low, an etching residue 5A of the tapered polycrystalline silicon is generated on the side wall of the field oxide film 2. This etching residue 5A cannot be removed even by over-etching.
【0012】また、段差部に生じるエッチング残渣を除
去する方法として特開平2−219227号公報に示さ
れるように第2のエッチング工程で等方性エッチングを
行う方法がある。しかし、この場合エッチング残渣を除
去すると同時に多結晶シリコン膜と下地酸化膜との界面
にノッチング9Aを生じさせ、半導体装置の信頼性を低
下させる原因となる。As a method of removing an etching residue generated at a step, there is a method of performing isotropic etching in a second etching step as disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2-219227. However, in this case, notching 9A is generated at the interface between the polycrystalline silicon film and the underlying oxide film at the same time as the etching residue is removed, which causes a reduction in the reliability of the semiconductor device.
【0013】本発明の目的は、段差を有する絶縁膜上に
形成された多結晶シリコン膜をエッチングする際に、下
層の薄い絶縁膜をエッチングすることなく垂直なエッチ
ング形状が得られしかも段差部で残渣を皆無にできる半
導体装置の製造方法を提供することにある。An object of the present invention is to provide a method for etching a polycrystalline silicon film formed on an insulating film having a step so that a vertical etching shape can be obtained without etching a thin insulating film below, and a stepped portion can be obtained. An object of the present invention is to provide a method for manufacturing a semiconductor device which can eliminate residues.
【0014】[0014]
【課題を解決するための手段】本発明の半導体装置の製
造方法は、半導体基板上に段差のある絶縁膜を形成した
のち全面に多結晶シリコン膜を形成し段差を埋める工程
と、Cl2 とHBrとO2 との混合ガスを用いるドライ
エッチング法により低圧力領域で対絶縁膜との選択比の
小さい第1のエッチングを行ない前記多結晶シリコン膜
を除去し前記絶縁膜の薄い部分の表面を露出させる工程
と、薄い前記絶縁膜の表面を露出させたのちHBrとO
2 との混合ガスを用いるドライエッチング法により高圧
力領域で選択比の大きい第2のエッチングを行ない前記
多結晶シリコン膜の残渣を除去する工程とを含むことを
特徴とするものである。The method of manufacturing a semiconductor device of the present invention solving the problem to means for the] includes the step of filling the entire surface formed stepped polycrystalline silicon film after forming the insulating film with a step on the semiconductor substrate, and Cl 2 By a dry etching method using a mixed gas of HBr and O 2 , a first etching having a small selectivity with respect to the insulating film is performed in a low pressure region to remove the polycrystalline silicon film, and a surface of a thin portion of the insulating film is removed. Exposing, and exposing the surface of the thin insulating film to HBr and O
And performing a second etching having a high selectivity in a high-pressure region by a dry etching method using a gas mixture of ( 2) and the residue of the polycrystalline silicon film.
【0015】薄い部分と厚い部分のある多結晶シリコン
膜を同時にエッチングする場合、スループットの関係か
らエッチング速度の速い第1のエッチング法と、下地の
酸化膜の損傷を考慮して酸化膜に対する選択比の大きい
第2のエッチング法を用いることが有用である。発明者
は、主にCl2 とHBrとを用い、高密度のプラズマを
発生できるエッチング装置を用いて種々検討した結果、
HBrとCl2 とO2との混合ガスを用い低圧力領域で
第1のエッチングを行ない、次でHBrとO2との混合
ガスを用い高圧力領域で第2のエッチングを行なうこと
により、エッチング速度が速くしかも良好なエッチング
形状が得られることを見出し本発明に至ったものであ
る。When simultaneously etching a polycrystalline silicon film having a thin portion and a thick portion, the first etching method having a high etching rate in view of throughput and the selectivity to the oxide film in consideration of damage to the underlying oxide film. It is useful to use a second etching method having a large value. As a result of various studies using an etching apparatus that can generate high-density plasma using mainly Cl 2 and HBr,
Etching is performed by performing a first etching in a low pressure region using a mixed gas of HBr, Cl 2 and O 2, and then performing a second etching in a high pressure region using a mixed gas of HBr and O 2. The inventors have found that a high-speed and good etching shape can be obtained, and have reached the present invention.
【0016】[0016]
【発明の実施の形態】次に、本発明について図面を用い
て説明する。図1(a)〜(d)及び図2(a)〜
(e)は本発明の一実施の形態を説明する為の半導体チ
ップの断面図であり、図1(c)及び(d)はそれぞれ
図1(b)のA−A線及びB−B線断面図、図2
(b),(d)及び(c),(d)はそれぞれ図2
(a)のA−A線及びB−B線断面図である。Next, the present invention will be described with reference to the drawings. 1 (a) to 1 (d) and 2 (a) to
1E is a sectional view of a semiconductor chip for explaining an embodiment of the present invention, and FIGS. 1C and 1D are AA line and BB line of FIG. 1B, respectively. Sectional view, FIG. 2
(B), (d) and (c), (d) are each shown in FIG.
FIG. 3A is a sectional view taken along line AA and line BB in FIG.
【0017】まず、図1(a)に示すように、シリコン
基板1上にCVD法により厚さ約400nmの酸化膜を
形成し、リソグラフィ法とRIE法によりこの酸化膜を
ライン幅0.45μm、スペース幅0.39μmにパタ
ーニングし、素子分離を行うフィールド酸化膜2を形成
する。次でCVD法により全面に酸化膜を厚さ約50n
m形成し、エッチバックを行いフィールド酸化膜2の側
面にサイドウォール3を形成する。First, as shown in FIG. 1A, an oxide film having a thickness of about 400 nm is formed on a silicon substrate 1 by a CVD method, and this oxide film is formed by a lithography method and an RIE method to have a line width of 0.45 μm. A field oxide film 2 for performing element isolation is formed by patterning to a space width of 0.39 μm. Next, an oxide film having a thickness of about 50 n is formed on the entire surface by the CVD method.
m, and etch back is performed to form sidewalls 3 on the side surfaces of the field oxide film 2.
【0018】次に図1(b)〜(d)に示すように、熱
酸化法により厚さ約20nmのゲート酸化膜4を形成し
たのち全面にフローティングゲート電極となる多結晶シ
リコン膜5を厚さ250〜300nmで形成する。これ
によりフィールド酸化膜2により形成された段差部は埋
め込まれほぼ平坦化される。その後フィールド酸化膜2
のラインと垂直(紙面と平行)にリソグラフィ法により
フォトレジスト膜6のマスクを形成する。Next, as shown in FIGS. 1B to 1D, after a gate oxide film 4 having a thickness of about 20 nm is formed by a thermal oxidation method, a polycrystalline silicon film 5 serving as a floating gate electrode is formed over the entire surface. It is formed with a thickness of 250 to 300 nm. As a result, the step formed by the field oxide film 2 is buried and almost flattened. Then the field oxide film 2
A mask for the photoresist film 6 is formed by lithography perpendicularly to the line (parallel to the paper).
【0019】次に図2(a)〜(e)に示すように、フ
ォトレジスト膜6をマスクとし露出した多結晶シリコン
膜6をエッチングしフローティングゲート電極を形成す
る。このときの多結晶シリコン膜6は、下地の凹凸によ
り膜厚が250〜300nmの薄い部分と650〜70
0nmの厚い部分とが存在するが、これらを同時にエッ
チングする。エッチングは条件の異なる2つの工程によ
り行なう。Next, as shown in FIGS. 2A to 2E, using the photoresist film 6 as a mask, the exposed polycrystalline silicon film 6 is etched to form a floating gate electrode. At this time, the polycrystalline silicon film 6 has a thin portion having a thickness of 250 to 300 nm and
Although there is a thick portion of 0 nm, they are simultaneously etched. Etching is performed in two steps under different conditions.
【0020】図3(a),(b)はこの多結晶シリコン
膜6のエッチングを行う装置として、10mTorr以
下の圧力領域で1010cm-3以上のプラズマ密度の得ら
れる誘導結合プラズマ処理装置の断面図及び上面図であ
る。FIGS. 3 (a) and 3 (b) show an inductively coupled plasma processing apparatus capable of obtaining a plasma density of 10 10 cm −3 or more in a pressure region of 10 mTorr or less as an apparatus for etching the polycrystalline silicon film 6. It is a sectional view and a top view.
【0021】第1のエッチング工程においてはエッチン
グガスとしてCl2 、HBr、O2 の混合ガスを用い、
対酸化膜との選択比を約15とする条件で下層酸化膜4
が表出するまでエッチングを行い、次に第2のエッチン
グ工程においてエッチングガスとしてHBr、O2 の混
合ガスを用い対酸化膜との選択比200以上の条件で第
1のエッチングと同程度の時間エッチングを行う。第1
のエッチング条件は、圧力5mTorr、誘電体プレー
ト11の上部に配置されたコイル16に加えるRF電源
10のパワー:コイルパワー300W、ウェーハ12を
保持する下部電極13に加えるRF電源14のパワー:
バイアスパワー50W、ガス導入口15から導入する混
合ガスとしてはCl2 流量30sccm,HBr流量7
0sccm,O2 流量1sccmである。第1のエッチ
ング工程での条件では対酸化膜の選択比が15と低いた
め、図2(a)〜(c)に示したように、下層のゲート
酸化膜4が表出した時点でエッチングをとめる。このた
め、フィールド酸化膜2の側壁部にエッチング残り5A
が生じ、多結晶シリコン膜5のエッチング後の形状は裾
を引いたものとなる。このエッチング残りを除去し、裾
引きをなくすために第2のエッチング工程が必要とな
る。第2のエッチングの条件は、圧力20Torr、コ
イルパワー300W、バイアスパワー40W、HBr流
量50sccm、O2 流量2sccmである。この条件
でエッチングを行うことにより図2(d),(e)に示
すように、ゲート酸化膜4に損傷を与えることなく、エ
ッチング残りのないエッチング形状が得られる。In the first etching step,
Cl as gasTwo, HBr, OTwo Using a mixed gas of
Under the condition that the selectivity with respect to the oxide film is about 15, the lower oxide film 4 is formed.
Etching until the surface appears, and then the second etchant
HBr, O as an etching gas in the etching processTwoBlend of
Using a gas mixture and a selectivity to oxide film of 200 or more
Etching is performed for about the same time as the etching of No. 1. First
Etching conditions are: pressure 5 mTorr, dielectric play
RF power to be applied to the coil 16 disposed above the
Power of 10: coil power 300W, wafer 12
Power of RF power supply 14 applied to lower electrode 13 to be held:
Bias power 50 W, mixture introduced from gas inlet 15
Cl gas as the joint gasTwoFlow rate 30 sccm, HBr flow rate 7
0 sccm, OTwoThe flow rate is 1 sccm. First etch
Under the conditions in the etching step, the selectivity of the oxide film was as low as 15
As shown in FIGS. 2A to 2C, the lower gate
The etching is stopped when the oxide film 4 is exposed. others
5A remaining on the side wall of the field oxide film 2
And the shape of the polycrystalline silicon film 5 after the etching is
Is subtracted. Remove this etching residue and hem
A second etching step is required to eliminate pulling
You. The conditions for the second etching were as follows: a pressure of 20 Torr and a pressure of 20 Torr.
Il power 300W, bias power 40W, HBr flow
Amount 50 sccm, OTwoThe flow rate is 2 sccm. This condition
2D and 2E by etching.
As described above, without damaging the gate oxide film 4,
An etched shape with no remaining etching is obtained.
【0022】次に第1のエッチング工程の条件について
詳しく説明する。まず、圧力に関して、2〜8mTor
rの範囲では、図7(a)に示すように、多結晶シリコ
ンのエッチング速度及び均一性はほぼ一定でありエッチ
ング後の多結晶シリコン膜の形状は変化しない。しか
し、10mTorrを越えると多結晶シリコンのエッチ
ング速度が低下し、20mTorrとすると4mTor
rのときの約70%のエッチング速度となり、スループ
ットを低下させる。これは、プラズマ密度の低下が原因
であり、図3に示した低圧、高密度のプラズマを生成す
るプラズマ処理装置では、10mTorr以下の圧力領
域でプラズマ密度は最大となり、10mTorrを超え
る圧力ではプラズマ密度が低下するためである。また、
図7(b)に示すように、圧力の増加とともに酸化膜に
対する選択比が向上し、フィールド酸化膜2の側壁部に
デポジションが生じ、これがマスクとなりエッチング残
渣が生じる。Next, the conditions of the first etching step will be described in detail. First, regarding the pressure, 2 to 8 mTorr
In the range of r, as shown in FIG. 7A, the etching rate and uniformity of the polycrystalline silicon are almost constant, and the shape of the polycrystalline silicon film after the etching does not change. However, if it exceeds 10 mTorr, the etching rate of the polycrystalline silicon decreases.
The etching rate becomes about 70% of that in the case of r, and the throughput is reduced. This is due to a decrease in the plasma density. In the plasma processing apparatus shown in FIG. 3, which generates low-pressure, high-density plasma, the plasma density is maximum in a pressure region of 10 mTorr or less, and the plasma density is increased at a pressure exceeding 10 mTorr. Is to be reduced. Also,
As shown in FIG. 7B, as the pressure increases, the selectivity with respect to the oxide film improves, and deposition occurs on the side wall of the field oxide film 2, which serves as a mask to generate etching residues.
【0023】次に、バイアスパワーを増加させた場合
は、図8(a),(b)に示すように、多結晶シリコン
膜のエッチング速度は増加し、耐酸化膜選択比は減少す
る。これは、バイアスパワーを変化させることにより、
ウェーハに入射するイオンのエネルギーが大きく変化す
るためである。耐酸化膜選択比が30を越える条件(バ
イアスパワー20W以下)では、図6(b)で示したよ
うに、段差上部の多結晶シリコン膜とフィールド酸化膜
の界面にノッチングと呼ばれる形状異常が生じる。さら
に、多結晶シリコン膜側壁にサイドエッチングが生じ
る。これは、選択比の増加に伴い、ウェーハへの入射イ
オンの速度の角度分布が広がり、散乱することに原因が
ある。このため、耐酸化膜選択比は30以下とすること
が必要であり、望ましくは10〜20とするのがよい。Next, when the bias power is increased, as shown in FIGS. 8A and 8B, the etching rate of the polycrystalline silicon film increases and the selectivity of the oxidation-resistant film decreases. This is achieved by changing the bias power.
This is because the energy of ions incident on the wafer greatly changes. Under the condition where the oxidation-resistant film selection ratio exceeds 30 (bias power 20 W or less), as shown in FIG. 6B, a shape abnormality called notching occurs at the interface between the polycrystalline silicon film above the step and the field oxide film. . Furthermore, side etching occurs on the side wall of the polycrystalline silicon film. This is because the angular distribution of the velocity of ions incident on the wafer is widened and scattered with an increase in the selectivity. For this reason, the oxidation resistant film selection ratio needs to be 30 or less, preferably 10 to 20.
【0024】Cl2 の混合比を増加させた場合は、図9
(a)に示すように、多結晶シリコン膜のエッチング速
度は増加し、図6(c)に示したようにサイドエッチン
グ9Bが生じエッチング後の形状はテーパ角が大きいも
のとなる。このため、垂直形状を得るためには、Cl2
の流量を10〜50sccmとする必要がある。この場
合酸化膜に対する選択比は図9(b)に示すように15
程度であり特に問題はない。又O2 流量を増加した場合
は図10(a)に示すように、多結晶シリコン膜のエッ
チング速度は増加し、形状ではサイドエッチング量が増
加する。また、O2 流量を0sccmとすると多結晶シ
リコン膜のエッチング速度が低下する。スループット及
びサイドエッチング抑制の観点からO2 流量は1〜3s
ccmが望ましい。When the mixture ratio of Cl 2 is increased, FIG.
As shown in (a), the etching rate of the polycrystalline silicon film increases, and as shown in FIG. 6 (c), side etching 9B occurs, and the shape after etching has a large taper angle. Therefore, in order to obtain a vertical shape, Cl 2
Is required to be 10 to 50 sccm. In this case, the selectivity to the oxide film is 15 as shown in FIG.
There is no particular problem. When the O 2 flow rate is increased, as shown in FIG. 10A, the etching rate of the polycrystalline silicon film increases, and the shape thereof increases the side etching amount. If the O 2 flow rate is 0 sccm, the etching rate of the polycrystalline silicon film decreases. O 2 flow rate is 1-3s from the viewpoint of throughput and suppression of side etching
ccm is desirable.
【0025】次に、第2のエッチング工程について詳し
く説明する。第2のエッチング工程では、厚さ20nm
の薄いゲート酸化膜5が表出した状態であるため、耐酸
化膜との高い選択比が必要となる。Cl2 ガスを用いて
選択比を高くする条件では、サイドエッチング等の形状
異常が生じ、Cl2 の混合比を減少させると垂直形状が
得られる。この為単にHBrとO2 の混合ガスを使用す
ることが効果的である。HBrとO2 の混合ガスを用い
圧力を変えた場合の多結晶シリコン膜のエッチング速度
の均一性及び選択比を図11(a)及び(b)に示す。
10mTorr以下の低圧領域で第2のエッチングを行
った場合、図6(c)に示したように多結晶シリコン膜
の側壁部にサイドエッチング9Bが生じる。このサイド
エッチングは圧力を20mTorr以上とすることでな
くなる。圧力20mTorr、コイルパワー300W、
バイアスパワー40W、HBr流量50sccm、O2
流量2sccmのときの対酸化膜との選択比は約200
である。第2のエッチング工程にこの条件を用いた場
合、第1のエッチング工程でのエッチング残り8を除去
するために第1のエッチング工程のエッチング時間の7
0%以上のエッチング時間を必要とする。第2のエッチ
ング工程の圧力を増加すると形状異常は生じないが、多
結晶シリコンのエッチング速度は低下する。この為第2
のエッチング工程の圧力領域としては20〜40mTo
rrの範囲であることが望ましい。Next, the second etching step will be described in detail. In the second etching step, a thickness of 20 nm
Since the gate oxide film 5 having a small thickness is exposed, a high selectivity with respect to the oxidation resistant film is required. Under the condition of increasing the selectivity using Cl 2 gas, shape abnormality such as side etching occurs, and a vertical shape can be obtained by decreasing the mixture ratio of Cl 2 . Therefore, it is effective to simply use a mixed gas of HBr and O 2 . FIGS. 11A and 11B show the uniformity of etching rate and the selectivity of the polycrystalline silicon film when the pressure is changed using a mixed gas of HBr and O 2 .
When the second etching is performed in a low pressure region of 10 mTorr or less, side etching 9B occurs on the side wall of the polycrystalline silicon film as shown in FIG. This side etching is eliminated by setting the pressure to 20 mTorr or more. Pressure 20mTorr, coil power 300W,
Bias power 40 W, HBr flow rate 50 sccm, O 2
When the flow rate is 2 sccm, the selectivity with respect to the oxide film is about 200.
It is. When this condition is used in the second etching step, the etching time of the first etching step is reduced to 7 in order to remove the etching residue 8 in the first etching step.
Requires an etching time of 0% or more. When the pressure in the second etching step is increased, no shape abnormality occurs, but the etching rate of polycrystalline silicon decreases. For this reason the second
20-40 mTo
It is desirable to be within the range of rr.
【0026】以上説明した第1と第2のエッチング工程
により、多結晶シリコン膜をエッチングし不揮発性メモ
リーのフローティングゲート電極を形成したときの形状
は図2(d),(e)に示した通りであり、エッチング
残りもなく、垂直形状のフローティングゲート電極が形
成できる。The shapes when the floating gate electrode of the nonvolatile memory is formed by etching the polycrystalline silicon film by the first and second etching steps described above are as shown in FIGS. 2D and 2E. Thus, a vertical floating gate electrode can be formed without etching residue.
【0027】この実施の形態は、図3に示したプラズマ
処理装置を用いたときのものであるが、本発明はこのプ
ラズマ処理装置に限るものでなく、10mTorr以下
の圧力領域で1010cm-3以上のプラズマ密度の得られ
るエッチング装置を用いた場合にも、対絶縁膜との選択
比30以下のエッチング条件により下層の薄い絶縁膜が
表出するまでエッチングを行う第1のエッチング工程
と、次に対絶縁膜との選択比100以上のエッチング条
件でエッチングを行う第2のエッチング工程の組み合わ
せにより同様の効果が得られる。[0027] This embodiment is of the case of using the plasma processing apparatus shown in FIG. 3, the present invention is not limited to the plasma processing apparatus, 10 10 cm below the pressure range 10 mTorr - A first etching step of performing etching until an underlying thin insulating film is exposed under an etching condition having a selectivity to an insulating film of 30 or less even when an etching apparatus capable of obtaining a plasma density of 3 or more is used; Next, a similar effect can be obtained by a combination of a second etching step in which etching is performed under an etching condition with a selectivity to the insulating film of 100 or more.
【0028】[0028]
【発明の効果】以上説明したように、本発明は高い段差
を有する多結晶シリコン膜を低圧高密度プラズマを用い
てエッチングする際に、第1のエッチング工程として、
圧力10mTorr以下のCl2 /HBr/O2 ガスの
組み合わせとし対酸化膜との選択比30以下のエッチン
グ条件で下層の酸化膜が表出するまでエッチングを行
い、第2のエッチング工程として圧力20mTorr以
上のHBr/O2 ガスの組み合わせとし選択比100以
上の条件でエッチングを行うことにより、エッチング残
渣をなくし、下層の薄い酸化膜をエッチングすることな
く多結晶シリコン膜を垂直な形状に異方性エッチングで
きる。As described above, according to the present invention, when a polycrystalline silicon film having a high step is etched by using low-pressure high-density plasma, the first etching step is performed as follows.
Etching is performed under a condition of a combination of Cl 2 / HBr / O 2 gas having a pressure of 10 mTorr or less and an etching condition of a selectivity to an oxide film of 30 or less until an underlying oxide film is exposed, and a pressure of 20 mTorr or more as a second etching step Etching is performed under the conditions of a selectivity of 100 or more by using a combination of HBr / O 2 gas as described above to eliminate the etching residue and to anisotropically etch the polycrystalline silicon film into a vertical shape without etching the underlying thin oxide film. it can.
【図1】本発明の実施の形態を説明する為の半導体チッ
プの断面図。FIG. 1 is a cross-sectional view of a semiconductor chip for describing an embodiment of the present invention.
【図2】本発明の実施の形態を説明する為の半導体チッ
プの断面図。FIG. 2 is a cross-sectional view of a semiconductor chip for describing an embodiment of the present invention.
【図3】実施の形態に用いたプラズマ処理装置の断面図
及び上面図。3A and 3B are a cross-sectional view and a top view of a plasma processing apparatus used in the embodiment.
【図4】多結晶シリコン膜のエッチング方法の欠点を説
明する為の半導体チップの断面図。FIG. 4 is a cross-sectional view of a semiconductor chip for explaining a defect of a method of etching a polycrystalline silicon film.
【図5】多結晶シリコン膜のエッチング方法の欠点を説
明する為の半導体チップの断面図。FIG. 5 is a cross-sectional view of a semiconductor chip for explaining a defect of a method of etching a polycrystalline silicon film.
【図6】多結晶シリコン膜のエッチング方法の欠点を説
明する為の半導体チップの断面図。FIG. 6 is a cross-sectional view of a semiconductor chip for describing a defect of a method of etching a polycrystalline silicon film.
【図7】エッチング速度、均一性及び選択比の圧力依存
性を示す図。FIG. 7 is a view showing the pressure dependence of an etching rate, uniformity, and selectivity.
【図8】エッチング速度、均一性及び選択比のバイアス
パワー依存性を示す図。FIG. 8 is a diagram showing the bias power dependence of the etching rate, uniformity, and selectivity.
【図9】エッチング速度、均一性及び選択比のCl2 流
量依存性を示す図。FIG. 9 is a graph showing Cl 2 flow rate dependence of etching rate, uniformity, and selectivity.
【図10】エッチング速度、均一性及び選択比のO2 流
量依存性を示す図。FIG. 10 is a graph showing the dependence of the etching rate, uniformity, and selectivity on the flow rate of O 2 .
【図11】エッチング速度、均一性及び選択比の圧力依
存性を示す図。FIG. 11 is a diagram showing pressure dependency of an etching rate, uniformity, and a selection ratio.
【図12】従来例を説明する為の半導体チップの断面
図。FIG. 12 is a sectional view of a semiconductor chip for explaining a conventional example.
1,21 シリコン基板 2,22 フィールド酸化膜 3 サイドウォール 4 ゲート酸化膜 5,27 多結晶シリコン膜 5A エッチング残り 6 フォトレジスト膜 7 エッチング残渣 8 損傷 9A ノッチング 9B サイドエッチング 23 ゲート電極 24 酸化シリコン膜 25 拡散層 28 フォトレジスト膜 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1, 21 Silicon substrate 2, 22 Field oxide film 3 Side wall 4 Gate oxide film 5, 27 Polycrystalline silicon film 5A Residual etching 6 Photoresist film 7 Etching residue 8 Damage 9A Notching 9B Side etching 23 Gate electrode 24 Silicon oxide film 25 Diffusion layer 28 Photoresist film
Claims (4)
したのち全面に多結晶シリコン膜を形成し段差を埋める
工程と、Cl2 とHBrとO2 との混合ガスを用いるド
ライエッチング法により低圧力領域で対絶縁膜との選択
比の小さい第1のエッチングを行ない前記多結晶シリコ
ン膜を除去し前記絶縁膜の薄い部分の表面を露出させる
工程と、薄い前記絶縁膜の表面を露出させたのちHBr
とO2との混合ガスを用いるドライエッチング法により
高圧力領域で選択比の大きい第2のエッチングを行ない
前記多結晶シリコン膜の残渣を除去する工程とを含むこ
とを特徴とする半導体装置の製造方法。1. A step of forming an insulating film having a step on a semiconductor substrate and then forming a polycrystalline silicon film on the entire surface to fill the step, and a dry etching method using a mixed gas of Cl 2 , HBr and O 2. Performing a first etching having a small selectivity with respect to the insulating film in a low pressure region to remove the polycrystalline silicon film and expose a surface of a thin portion of the insulating film; and exposing a surface of the thin insulating film. Later HBr
Performing a second etching having a high selectivity in a high pressure region by a dry etching method using a mixed gas of O 2 and O 2 to remove residues of the polycrystalline silicon film. Method.
mTorr、第2のエッチングにおける圧力は20〜4
0mTorrである請求項1記載の半導体装置の製造方
法。2. The pressure in the first etching is 2-8.
mTorr, pressure in the second etch is 20-4
2. The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 1, wherein the pressure is 0 mTorr.
成は、Cl2 が10〜50%、HBrが50〜90%、
O2 が3%以下である請求項1又は請求項2記載の半導
体装置の製造方法。3. The composition of the mixed gas used for the first etching is as follows: Cl 2 is 10 to 50%, HBr is 50 to 90%,
3. The method according to claim 1, wherein O 2 is 3% or less.
成は、HBrが95以上、O2 が5%以下である請求項
1又は請求項2又は請求項3記載の半導体装置の製造方
法。4. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 1, wherein the composition of the mixed gas used for the second etching is such that HBr is 95 or more and O 2 is 5% or less.
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