JP2824584B2 - ドライエツチング方法 - Google Patents

ドライエツチング方法

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JP2824584B2
JP2824584B2 JP1130086A JP13008689A JP2824584B2 JP 2824584 B2 JP2824584 B2 JP 2824584B2 JP 1130086 A JP1130086 A JP 1130086A JP 13008689 A JP13008689 A JP 13008689A JP 2824584 B2 JP2824584 B2 JP 2824584B2
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Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、半導体集積回路で必要とされる微細パタン
を形成するためのエツチング方法に関し、特にシリコン
酸化膜からなる下地膜上に堆積した多結晶シリコン膜を
エツチングするドライエツチング方法に関するものであ
る。
〔従来の技術〕
シリコン半導体集積回路では、速度性能の向上のため
パタン寸法の微細化が要求され、その微細化に伴つてゲ
ート酸化膜の極薄膜化も要求されるようになつてきた。
このため、多結晶シリコンゲート電極のエツチングで
は、薄いシリコン酸化膜からなる下地膜を損傷せずに微
細パタンを実現できるエツチング技術が重要になつてい
る。
従来の多結晶シリコン膜をエツチングする方法には、
例えばCl2ガスのみを反応ガスとする方法があつた。こ
の方法でエツチングしたパタンは裾が残り易く順台形状
のパタン形状になり易い上に、パタン裾近傍のエツチン
グ速度が局部的に速くその部分の下地シリコン酸化膜が
他の部分よりも早く露出するため、第4図に示すように
パタン裾近傍の下地シリコン酸化膜2がオーバエツチン
グ中に消失してしまい、その結果下地膜損傷部8が生じ
るという問題があつた。したがつて、特に下地シリコン
酸化膜が極薄の場合の試料では、オーバエツチングが制
限されるため順台形状のパタン実用に供しているのが実
状であつた。
一方、Cl2に少量のSF6を添加した2種混合ガスを反応
ガスとするエツチングプロセスでは、Fラジカルに伴う
等方性エツチングが発生するため、オーバエツチングを
するとパタンの裾が後退したアンダカツトの大きい逆台
形状のパタン(第5図参照)になつてしまうという欠点
があつた。また、この条件では局部エツチングは無い
が、エツチング選択比(Si/SiO2)が前者(約20)より
も小さいため、極薄の下地シリコン酸化膜がオーバエツ
チング中に消失する恐れがあるという欠点があつた。た
だし、第4図及び第5図において、1はSiウエハ、2は
下地シリコン酸化膜、4はエツチングマスク、7は多結
晶シリコンのエツチングパタンをそれぞれ示している。
他方、Cl2に少量のSF6とO2を添加した3種混合ガスを
反応ガスとするエツチングプロセスでは、100以上とい
う非常に大きなエツチング選択比(Si/SiO2)を容易に
得られるため、下地シリコン酸化膜がほとんどエツチン
グされないように改善された。しかし、2種混合ガスと
同様にFラジカルに伴う等方性エツチングによるアンダ
カツトが発生し、パタン形状が逆台形状(第5図参照)
になつてしまうという欠点が残つてしまつていた。
〔発明が解決しようとする課題〕
このように従来の多結晶シリコン膜のドライエツチン
グ方法では、極薄の下地シリコン酸化膜を保護しつつア
ンダカツトの小さい高精度で急峻なパタンを確保すると
いう条件を同時に満足することが困難であつた。
本発明は以上の点に鑑みてなされたもので、その目的
は、上述した従来技術の欠点を解決し、下地シリコン酸
化膜の保護と高精度で急峻なパタン形状の確保という両
条件を同時に満足する新しいドライエツチング方法を提
供することにある。
〔課題を解決するための手段〕
上記目的を達成するため、本発明は、シリコン酸化膜
上に堆積した多結晶シリコン膜をエツチングするドライ
エツチング方法において、Cl2を反応ガスとする第1の
エツチングで多結晶シリコン膜を途中までエツチングし
て裾引きの有るパタンを形成し、それ以降のエツチング
をCl2とSF6とO2の混合ガスを反応ガスとする第2のエツ
チングで行うことにより、下地シリコン酸化膜を保誤し
つつパタンの裾引き部分を除去して高精度で急峻なパタ
ンを実現することを特徴とするものである。
〔作用〕
本発明においては、Cl2を反応ガスとする第1のエツ
チングと、Cl2とSF6とO3の3種混合ガスを反応ガスとす
る第2のエツチングを行うことによつて、下地シリコン
酸化膜を保護しつつ高精度で急峻な多結晶シリコンパタ
ンを得ることができる。
〔実施例〕
以下、本発明を図面に示す実施例に基づいて詳細に説
明する。
第1図(a)〜(d)は本発明によるドライエツチン
グ方法の一実施例を示すエツチング工程図であり、1は
Siウエハ、2は下地シリコン酸化膜、3は多結晶シリコ
ン膜、4はエツチングマスク、5は第1のエツチングの
反応ガスとして用いるCl2ガス、6は第2のエツチング
の反応ガスとして用いるCl2とSF6とO2の3種混合ガス、
7は多結晶シリコンのエツチングパタンつまり完成した
多結晶シリコンパタンである。
すなわち、第1図(a)において、Siウエハ1の上に
70Å厚の下地用シリコン酸化膜2を形成したのち、3000
Å厚の多結晶シリコン膜3を堆積する。次に第1図
(b)において、まず多結晶シリコン膜3上にエツチン
グマスク材料とするシリコン酸化膜を堆積し、その上に
さらに所望のレジストパタンを形成する。次いでレジス
トパタンをマスクに上層のシリコン酸化膜をドライエツ
チングし、続いて、レジストをアツシング除去すること
によつてエツチングマスク4を完成する。次に第1図
(c)において、マイクロ波励起による電子サイクロト
ロン共鳴(ECR)プラズマを利用するECRエツチング装置
にCl2ガス5を導入してガス圧0.6mTorr,マイクロ波パワ
ー800Wのエツチングプラズマを形成し、多結晶シリコン
の途中まで第1のエツチングを行う。この時、同エツチ
ング量は多結晶シリコンの厚さや下地シリコン酸化膜の
厚さおよびそれらの膜厚比などの試料条件によつて決定
されるが、パタン近傍の異常エツチング部(トレンチン
グと呼ばれる)においても下地シリコン酸化膜が露出し
ない範囲内に設定する。しかる後、第1図(d)におい
て、ECRエツチング装置にCl2とSF6とO2からなる3種混
合ガス6を導入しガス圧0.6mTorr,マイクロ波パワー600
Wの条件の下でオーバエツチングを含むそれ以降の第2
のエツチングを行うことにより、高精度で急峻な多結晶
シリコンパタン7を完成する。
第2図は、第2のエツチングに採用した3種混合ガス
(Cl2−SF6−O2)を反応ガスとする多結晶シリコンとシ
リコン酸化膜のエツチング速度およびエツチング選択比
特性の一例を示すものであり、図中Xで示す実線は多結
晶シリコンのエツチング速度(シリコンエツチ速度とも
いう)特性を示し、同じくYで示す破線はシリコン酸化
膜のエツチング速度特性を、Zで示す点線はエツチング
選択比特性をそれぞれ示す。このとき、ガス流量は、Cl
2=24sccm、SF6=3sccmは一定に保ち、O2ガス添加量を
変化させた場合の結果である。ガス圧は0.6mTorr、マイ
クロ波パワーは600Wである。ここで、多結晶シリコンの
エツチング速度はその特性XのようにO2ガスの添加量に
係わらずほぼ一定であるのに対し、シリコン酸化膜の速
度は特性Yのように徐々に低下するため、例えば、Cl2
=24sccm、SF6=3sccm、O2=1sccmの条件では約300とい
う極めて高いエツチング選択比(Si/SiO2)が確保でき
(特性Z)、この条件では下地シリコン酸化膜はほとん
どエツチングされないことがわかる。
第3図に、本発明の2段エツチング法によつてエツチ
ングした多結晶シリコンパタンの断面形状の一例を示
す。ここでは、Cl2を反応ガスとする第1のエツチング
で全エツチング量の約50%をエツチングして裾引きの有
るパタンを形成し、オーバエツチングを含む残りの50%
のエツチングをCl2とSF6とO2の混合ガスを反応ガスとす
る第2のエツチングで行つたものである。その結果、下
地シリコン酸化膜の損傷は全く発生せず、かつ、高精度
で急峻なパタンが実現できた。この場合のパタンの寸法
変化量は、2種または3種混合ガスだけで100%エツチ
ングした場合の寸法変化量の約1/2であり、予想通りの
結果であつた。このように、本エツチング法は寸法精度
の向上に非常に効果的であることが確認された。
なお、本発明の2段エツチングにおいて行う第1(Cl
2)と第2(Cl2+SF6+O2)のエツチング量の設定は、
次のように決定すれば良い。例えば、多結晶シリコンの
膜厚差が大きい試料(例えば、段差有り試料)は、長い
オーバエツチングが必要である。したがつて、下地シリ
コン酸化膜が極めて薄い場合には、パタン裾近傍のシリ
コン酸化膜が早期に消失する危険が大きいため、第1の
エツチングは多結晶シリコン膜厚が最も薄く下地シリコ
ン酸化膜が最も早く露出する部分の露出が開始するまで
と設定すれば良い。これに対し同様の段差試料であつて
も下地シリコン酸化膜が厚い試料では、シリコン酸化膜
が早期に消失する危険は小さくなるため、第1のエツチ
ングは多少延長することができるようになり、下地膜が
さらに厚い試料では、多結晶シリコン膜厚が最も厚く下
地シリコン酸化膜の露出が最も遅い部分の露出が完了す
るまでとさらに延長することができる。他方、多結晶シ
リコンの膜厚が比較的均一な試料(例えば、平坦試料)
のオーバエツチングは前者(段差有り試料)に比べて短
かくなるため、多結晶シリコンの膜厚差に伴う下地シリ
コン酸化膜のオーバエツチング量も前者(段差有り試
料)に比べて少なくなる。このため、このような平坦試
料における第1のエツチングは、前者(段差有り試料)
の各試料よりも多少長く設定することが可能と言える。
このように、本発明の2段エツチングにおける第1
(Cl2)と第2(Cl2+SF6+O2)のエツチング量の設定
は、試料条件等に応じて決定されるものであり、特定の
値に限定するものではない。しかし、これに関する本方
式の基本的な考え方は、第1のエツチングにおいて下地
シリコン酸化膜を損傷しない範囲で出来るだけ多くの多
結晶シリコンをエツチングし、下地シリコン酸化膜を保
護しつつ行う第2のエツチングを短縮することによつ
て、アンダカツトの発生を最小限に抑えて寸法変化の少
ないパタンを実現することである。したがつて、無用に
第1のエツチング量を少なく、第2のエツチング量を多
くすることが大きなアンダカツトを発生させるという点
から不適当であることは言うまでもない。上述の実施例
で用いたエツチング配分(第1で50%、第2で50%)は
試料内における多結晶シリコン厚さの分布と下地シリコ
ン酸化膜の厚さから決定したものである。
このように本発明は、従来のCl2だけで100%エツチン
グする方法において発生した下地シリコン酸化膜の損傷
問題と、F原子を含む2種混合ガス(Cl2+SF6)または
3種混合ガス(Cl2+SF6+O2)で100%エツチングする
従来の方法において発生したアンダカツトによる寸法精
度の劣化問題を同時に解決し、高精度で急峻な多結晶シ
リコンパタンを実現したものである。
なお、上記実施例では、第2のエツチングに用いる混
合ガスの一例として、Cl2=24sccm、SF6=3sccm、O2=1
sccmの場合について述べたが、高いエツチング選択比
(Si/SiO2)は、例えば、Cl2=24sccm、SF6=6sccm、O2
=2sccmなどの混合条件でも得られることが確認できて
いる。このように、第2のエツチングに用いる混合ガス
流量は上記条件だけに限定するものでなく、下地シリコ
ン酸化膜の膜厚に対して十分に大きなエツチング選択比
を確保できる条件ならば他の流量条件でも構わないこと
は言うまでもない。なお、O2の代りに酸化性をある程度
有するN2、CO2などのガスの添加とすることもできる。
また、上記実施例では、エツチングマスク材料として
シリコン酸化膜を用いる場合について述べたが、シリコ
ンと十分なエツチング選択比をもつ材料ならば、例え
ば、レジスト,シリコン窒化膜などでも構わないことは
言うまでもない。
また、本発明は多結晶シリコン膜単層のエツチングに
対してばかりでなく、ポリサイドと呼ばれる高融点金属
シリサイドと多結晶シリコン膜の多層構造、あるいは高
融点金属と多結晶シリコン膜の多層構造における多結晶
シリコン膜層のエツチングにも適用できることは言うま
でもない。
〔発明の効果〕
以上説明したように、本発明のドライエツチング方法
は、下地シリコン酸化膜上の多結晶シリコン膜をエツチ
ングするに際し、Cl2を反応ガスとする第1のエツチン
グを行つた後、Cl2とSF6とO2の3種混合ガスを反応ガス
とする第2のエツチングを行うことにより、下地シリコ
ン酸化膜の保護と急峻なパタン形状の確保という両条件
を同時に満足できるため、薄い下地シリコン酸化膜上に
おいても微細で高精度の多結晶シリコンパタンをエツチ
ングすることができるという大きな利点がある。
よつて、このような下地薄膜上でのエツチングを可能
とする本発明技術は従来には全くなく、今後の超LSI製
造に対して不可欠であり、その貢献度は工業上極めて重
要である。
【図面の簡単な説明】 第1図(a)〜(d)は本発明の一実施例を説明するエ
ツチング工程図、第2図は本発明の実施例において3種
混合ガス系でエツチングした時のシリコンとシリコン酸
化膜のエツチング速度および選択特性の一例を示す図、
第3図は本発明の多段エツチング法によつて形成した極
薄シリコン酸化膜上の多結晶シリコンパタンの拡大断面
図、第4図はCl2ガスを反応ガスとする従来のエツチン
グ法によつて形成した極薄シリコン酸化膜上の多結晶シ
リコンパタンの拡大断面図、第5図は(Cl2−SF6)混合
ガスまたは(Cl2−SF6−O2)混合ガスを反応ガスとする
従来のエツチング法によつて形成した極薄シリコン酸化
膜上の多結晶シリコンパタンの拡大断面図である。 1……Siウエハ、2……下地シリコン酸化膜、3……多
結晶シリコン膜、4……エツチングマスク、5……Cl2
ガス、6……3種混合ガス(Cl2−SF6−O2)、7……多
結晶シリコンのエツチングパタン。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 高橋 千春 東京都千代田区内幸町1丁目1番6号 日本電信電話株式会社内 (56)参考文献 特開 昭60−120525(JP,A) 特開 昭61−110782(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) H01L 21/302

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】シリコン酸化膜からなる下地膜上に堆積し
    た多結晶シリコン膜をエツチングするドライエツチング
    方法において、Cl2を反応ガスとする第1のエツチング
    を行つたのち、Cl2とSF6とO2の3種混合ガスを反応ガス
    とする第2のエツチングを行うことにより、上記多結晶
    シリコン膜の微細パタンを形成することを特徴とするド
    ライエツチング方法。
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