JP3008543B2 - Dry etching method - Google Patents

Dry etching method

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JP3008543B2
JP3008543B2 JP3116601A JP11660191A JP3008543B2 JP 3008543 B2 JP3008543 B2 JP 3008543B2 JP 3116601 A JP3116601 A JP 3116601A JP 11660191 A JP11660191 A JP 11660191A JP 3008543 B2 JP3008543 B2 JP 3008543B2
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Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は半導体装置の製造分野等
において適用されるドライエッチング方法に関し、特に
フロン系ガスを使用せずにシリコン系材料層をエッチン
グするに際し、オーバーエッチング時の対下地選択性を
向上させる方法に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a dry etching method applied in the field of manufacturing semiconductor devices, and more particularly to a method of etching a silicon-based material layer without using a chlorofluorocarbon-based gas. The method of improving the performance.

【0002】[0002]

【従来の技術】近年のVLSI,ULSI等にみられる
ように半導体装置の高集積化および高性能化が進展する
に伴い、シリコン系材料層のエッチングにおいても、高
異方性,高速性,高選択性,低ダメージ性,低汚染性と
いった諸要求をいずれをも犠牲にすることなく達成する
技術が強く望まれている。
2. Description of the Related Art As high integration and high performance of semiconductor devices have progressed as seen in recent VLSIs and ULSIs, high anisotropy, high speed, and high etching are also required for etching silicon-based material layers. There is a strong demand for a technology that achieves various requirements such as selectivity, low damage, and low pollution without sacrificing any of them.

【0003】従来、シリコン系材料のエッチングにはフ
ロン113(C2 Cl3 3 )等に代表されるフロン系
ガスがエッチング・ガスとして広く用いられてきた。フ
ロン系ガスは1分子内にFとClとを構成元素として有
するため、ラジカル反応とイオン・アシスト反応の両方
によるエッチングが可能となり、かつ気相中から堆積す
る炭素系ポリマーで側壁保護を行いながら異方性加工を
実現することができる。しかしながら、フロン系ガスは
周知のように地球のオゾン層破壊の元凶であることが指
摘されており、近い将来に製造および使用が禁止される
運びである。したがって、ドライエッチングの分野にお
いてもフロン系ガスの代替品を見出し、その効果的な利
用方法を確立することが急務となっている。また、半導
体装置のデザイン・ルールが今後さらに微細化される
と、気相中から堆積する炭素系ポリマーがパーティクル
汚染源となることも考えられ、この意味からも脱フロン
対策が望まれている。
Conventionally, a Freon-based gas such as Freon 113 (C 2 Cl 3 F 3 ) has been widely used as an etching gas for etching silicon-based materials. Since the fluorocarbon-based gas has F and Cl as constituent elements in one molecule, it can be etched by both radical reaction and ion-assisted reaction, and while protecting the side wall with a carbon-based polymer deposited from a gas phase. Anisotropic processing can be realized. However, it has been pointed out that Freon-based gas is the cause of the ozone depletion of the earth as is well known, and production and use will be prohibited in the near future. Therefore, in the field of dry etching, it is urgently necessary to find a substitute for a CFC-based gas and to establish an effective method of using the same. Further, if the design rule of the semiconductor device is further refined in the future, it is considered that a carbon-based polymer deposited from the gas phase may be a source of particle contamination, and from this point of view, measures to remove CFCs are desired.

【0004】脱フロン対策として有望視されている技術
に、低温エッチングがある。これは、被エッチング基板
(ウェハ)の温度を0℃以下に保持することにより、深
さ方向のエッチング速度をイオン・アシスト効果により
実用レベルに維持したまま、パターン側壁部におけるラ
ジカル反応を凍結または抑制してアンダカット等の形状
異常を防止しようとする技術である。たとえば、第35
回応用物理学関係連合講演会(1988年春季年会)講
演予稿集第495ページ演題番号28a−G−2には、
ウェハを−130℃に冷却し、SF6 ガスを用いてシリ
コン・トレンチ・エッチングおよびn+ 型多結晶シリコ
ン層のエッチングを行った例が報告されている。
A promising technique for removing CFCs is low-temperature etching. This is because by keeping the temperature of the substrate to be etched (wafer) at 0 ° C. or lower, the radical reaction on the pattern side wall is frozen or suppressed while the etching rate in the depth direction is maintained at a practical level by the ion assist effect. This is a technique for preventing shape abnormalities such as undercut. For example, 35
Proceedings of the Annual Meeting of the Japan Society of Applied Physics (Spring Annual Meeting, 1988), 495 pages, Abstract No. 28a-G-2,
It is reported that a wafer is cooled to −130 ° C. and a silicon trench etching and an n + -type polycrystalline silicon layer are etched using SF 6 gas.

【0005】しかし、低温エッチングにおける高異方性
の達成をラジカル反応の凍結もしくは抑制のみに頼ろう
とすると、相応のレベルの低温冷却が必要となり、経済
性やスループットを大きく低下させる虞れがある。そこ
で、より実用的なアプローチとしては、低温によるラジ
カル反応抑制と側壁保護とを組み合わせ、より室温に近
い温度領域でエッチングを行うことが考えられる。
However, if an attempt is made to achieve high anisotropy in low-temperature etching only by freezing or suppressing the radical reaction, an appropriate level of low-temperature cooling is required, and there is a possibility that economic efficiency and throughput may be significantly reduced. Therefore, as a more practical approach, it is conceivable to combine the suppression of the radical reaction at a low temperature with the protection of the side wall and perform the etching in a temperature region closer to room temperature.

【0006】本願出願人は、この側壁保護をイオウ
(S)の堆積により行う一連の技術をこれまでに数多く
提案している。このSの堆積は、1分子中のハロゲン
(X)原子数とS原子数との比、すなわちX/S比が比
較的小さいハロゲン化イオウを主体とするエッチング・
ガスを使用することにより可能となる。たとえば、特願
平2−198045号明細書には、かかるハロゲン化イ
オウとしてS2 2 ,SF2 ,SF4 ,S2 10が開示
されている。これらのフッ化イオウは、同じくフッ化イ
オウでも従来から最も良く知られているSF6 とは異な
り、放電解離により気相中にSを生成することができ
る。このSは、基板が低温冷却されていればその表面へ
堆積し、側壁保護効果を発揮する。しかも、堆積したS
はエッチング終了後に基板を加熱すれば容易に昇華除去
できるため、パーティクル汚染を惹起させる虞れもな
い。本願出願人は、これらフッ化イオウからのF* (フ
ッ素ラジカル)生成量がSF6 と比べて少なく、しかも
SFx + によるイオン・アシスト反応が期待できる点に
着目し、これを酸化シリコン系材料層のエッチングに適
用してシリコン下地に対する高選択性を達成した。
The applicant of the present invention has proposed a number of techniques for protecting the side wall by depositing sulfur (S). This S deposition is carried out by etching mainly using sulfur halide having a relatively small ratio of the number of halogen (X) atoms to the number of S atoms in one molecule, that is, the X / S ratio.
This is made possible by using gas. For example, Japanese Patent Application No. 2-198045 discloses S 2 F 2 , SF 2 , SF 4 and S 2 F 10 as such sulfur halides. These sulfur fluorides can generate S in the gas phase by discharge dissociation, unlike SF 6, which is also best known in the art. This S accumulates on the surface of the substrate when the substrate is cooled at a low temperature, and exhibits a sidewall protection effect. Moreover, the deposited S
Since the substrate can be easily removed by sublimation by heating the substrate after the etching, there is no possibility of causing particle contamination. The applicant of the present application has noticed that the amount of F * (fluorine radical) generated from these sulfur fluorides is smaller than that of SF 6 and that an ion assist reaction by SF x + can be expected. Applied to layer etching to achieve high selectivity to silicon underlayer.

【0007】このように、ハロゲン化イオウとして最初
に提案された化合物はF/S比の比較的小さいフッ化イ
オウであり、それは酸化シリコン系材料層のエッチング
を目的としていた。本願出願人はその後、ハロゲン化イ
オウをシリコン系材料層のエッチングに適用する技術も
種々提案している。たとえば、特願平2−199249
号明細書では、被エッチング基板を0℃以下に冷却した
状態でS2 Cl2 等の塩化イオウもしくはS2 Br2
の臭化イオウを含むガスを使用してシリコン系材料を低
温エッチングする技術を開示している。これは、反応性
の高いF* を発生し得ないガスを使用することにより、
ラジカルの影響を低減し、より有利に高異方性を達成し
ようとしたものである。
As described above, the compound originally proposed as the sulfur halide is sulfur fluoride having a relatively small F / S ratio, which is intended for etching a silicon oxide-based material layer. The present applicant has subsequently proposed various techniques for applying sulfur halide to etching of a silicon-based material layer. For example, Japanese Patent Application No. 2-199249
In the specification, a technique of low-temperature etching a silicon-based material using a gas containing sulfur chloride such as S 2 Cl 2 or sulfur bromide such as S 2 Br 2 while a substrate to be etched is cooled to 0 ° C. or less. Is disclosed. This is because by using a gas that cannot generate highly reactive F * ,
It is intended to reduce the influence of radicals and more advantageously achieve high anisotropy.

【0008】[0008]

【発明が解決しようとする課題】ところで、シリコン系
材料層のエッチングを行う各種のプロセスの中でも、多
結晶シリコン,高融点金属シリサイド,ポリサイド等の
エッチングを行うゲート電極加工は、特に高精度を要す
るプロセスである。それは、自己整合的にソース/ドレ
イン領域が形成されるようなMOS−FETの製造工程
において、ゲート電極の寸法精度や断面形状がチャネル
長、LDD構造を実現するためのサイドウォールの寸法
精度、ソース/ドレイン領域の形成領域等に直接に影響
するからである。また、いまひとつ重要な理由は、近年
ますます薄膜化しているゲート絶縁膜に対し、極めて高
い対下地選択性をもって加工を行う必要が生じているか
らである。
Among various processes for etching a silicon-based material layer, gate electrode processing for etching polycrystalline silicon, refractory metal silicide, polycide, or the like requires particularly high precision. Process. In a manufacturing process of a MOS-FET in which a source / drain region is formed in a self-aligned manner, the dimensional accuracy and cross-sectional shape of a gate electrode are channel length, the dimensional accuracy of a side wall for realizing an LDD structure, the source This is because it directly affects the formation region of the / drain region. Another important reason is that it is necessary to process a gate insulating film, which has become increasingly thin in recent years, with extremely high selectivity to the underlayer.

【0009】しかし、一般にドライエッチングの工程で
は、ウェハ面内における処理の均一性を考慮して若干の
オーバーエッチングを行うことが不可欠であり、工程全
体を通じて高い対下地選択性や高異方性を維持すること
は実際には容易なことではない。たとえば、上述のハロ
ゲン化イオウの中でもS2 2 は、速いエッチング速度
が期待でき、また取り扱いも比較的容易であることか
ら、ゲート電極加工にも使用したいところである。とこ
ろが、このように極めて反応性に富むF* が主エッチン
グ種となるような系では、酸化シリコン(SiO2 )か
らなるゲート絶縁膜に対し、オーバーエッチング時にも
高選択性を維持することは困難である。これは、原子間
結合エネルギーの値がSi−O結合では111kcal
/molであるのに対し、Si−F結合では132kc
al/molと大きいことからも裏付けられる。そこで
本発明は、オーバーエッチング時にも異方性形状の劣化
や対下地選択性の低下が防止でき、かつハロゲン化イオ
ウの特性が活かせるドライエッチング方法を提供するこ
とを目的とする。
However, in general, in the dry etching process, it is indispensable to perform a slight over-etching in consideration of the uniformity of the processing within the wafer surface, and high selectivity to the underlayer and high anisotropy are required throughout the process. Maintaining is not really easy. For example, among the above-mentioned sulfur halides, S 2 F 2 can be expected to be used for gate electrode processing because it can be expected to have a high etching rate and is relatively easy to handle. However, in such a system in which F *, which is extremely reactive, is the main etching species, it is difficult to maintain high selectivity to the gate insulating film made of silicon oxide (SiO 2 ) even during overetching. It is. This is because the value of the interatomic bond energy is 111 kcal for a Si—O bond.
/ Mol compared to 132 kc for the Si-F bond.
This is supported by the large al / mol. Therefore, an object of the present invention is to provide a dry etching method that can prevent deterioration of an anisotropic shape and a decrease in selectivity with respect to an underlayer even during overetching, and can utilize characteristics of sulfur halide.

【0010】[0010]

【課題を解決するための手段】本発明のドライエッチン
グ方法は、上述の目的を達成するために提案されるもの
であり、被エッチング基板の温度を室温以下に制御し、
2 2 ,SF2 ,SF4 ,S2 10,S3 Cl2 ,S
2 Cl2 ,SCl2 から選ばれる少なくとも1種の化合
物を含むエッチング・ガスを用いてシリコン系材料層の
エッチングを行う工程と、臭素系ガスを主体とするエッ
チング・ガスを用いてオーバーエッチングを行う工程と
を有することを特徴とするものである。
SUMMARY OF THE INVENTION The dry etching method of the present invention is proposed to achieve the above-mentioned object, wherein the temperature of a substrate to be etched is controlled to room temperature or less,
S 2 F 2 , SF 2 , SF 4 , S 2 F 10 , S 3 Cl 2 , S
Overetching with a step of etching the silicon-based material layer, the etching gas mainly containing bromine-based gas by using an etching gas containing at least one compound selected from 2 Cl 2, SCl 2 And a process.

【0011】[0011]

【作用】本発明では、フッ化イオウもしくは塩化イオウ
を用いてシリコン系材料層の大部分をエッチングし(以
下、ここまでのエッチング工程をジャストエッチングと
称する。)、その後のオーバーエッチングを臭素系ガス
を主体とするエッチング・ガスにより行う。
In the present invention, most of the silicon-based material layer is etched using sulfur fluoride or sulfur chloride (hereinafter, the etching process up to this point is called just etching), and the subsequent over-etching is performed using a bromine-based gas. The etching gas is mainly used.

【0012】ジャスト・エッチングまでの工程において
使用されるフッ化イオウもしくは塩化イオウは、本願出
願人がこれまでに一連の出願において提案してきたF/
S比もしくはCl/S比の低い化合物である。フッ化イ
オウを使用する場合には、原子半径が小さく反応性に極
めて富むF* が生成し、これが主エッチング種として寄
与することにより、高速にエッチング反応が進行する。
一方、塩化イオウを使用する場合には、主エッチング種
はCl* となるため、エッチング速度はF* の場合に比
べてやや低下するが、対SiO2 選択比の観点からは一
層有利となる。それは、Si−Cl結合の原子間結合エ
ネルギーが96kcal/molであり、Si−O結合
のそれよりも小さいことからも明らかである。いずれの
化合物も、放電解離によりシリコン系材料層のエッチャ
ントであるF* もしくはCl*を生成すると同時に、プ
ラズマ中にSを生成させることができる。生成したS
は、被エッチング基板が室温以下の温度に維持されてい
ることにより、容易にその表面へ析出する。ここで、イ
オンの入射面では堆積したSは直ちにスパッタ除去され
るが、イオンの入射が少ないパターン側壁部ではSの堆
積が続き、これが側壁保護膜として機能する。その上、
被エッチング基板の温度制御によりラジカル反応もある
程度抑制されているので、高異方性が確保される。しか
も、堆積したSは、エッチング終了後に被エッチング基
板を室温より高い温度にまで昇温させれば容易に昇華除
去することができるため、エッチング系内にパーティク
ル汚染を惹起させることはない。
[0012] Sulfur fluoride or sulfur chloride used in the process up to the just etching is based on F / F which has been proposed by the present applicant in a series of applications.
It is a compound having a low S ratio or Cl / S ratio. When sulfur fluoride is used, F * having a small atomic radius and extremely high reactivity is generated, and contributes as a main etching species, so that the etching reaction proceeds at a high speed.
On the other hand, when sulfur chloride is used, since the main etching species is Cl * , the etching rate is slightly lower than that in the case of F * , but it is more advantageous from the viewpoint of the selectivity to SiO 2 . This is apparent from the fact that the interatomic bond energy of the Si—Cl bond is 96 kcal / mol, which is smaller than that of the Si—O bond. Any of the compounds can generate F * or Cl * as an etchant of the silicon-based material layer by discharge dissociation and simultaneously generate S in the plasma. Generated S
Is easily deposited on the surface of the substrate to be etched because the substrate is maintained at a temperature lower than room temperature. Here, the S deposited on the ion incident surface is immediately removed by sputtering, but the deposition of S continues on the side wall of the pattern where the incidence of ions is small, and this functions as a sidewall protective film. Moreover,
Since the radical reaction is suppressed to some extent by controlling the temperature of the substrate to be etched, high anisotropy is ensured. Moreover, the deposited S can be easily removed by sublimation if the temperature of the substrate to be etched is raised to a temperature higher than room temperature after completion of the etching, so that particle contamination does not occur in the etching system.

【0013】続くオーバーエッチングには、臭素系ガス
を使用する。Si−Br結合の原子間結合エネルギーは
88kcal/molであり、Si−O結合のそれより
も小さいことから、Br* はSiO2 を自発的にはエッ
チングしない。これが、本発明においてSiO2 ゲート
絶縁膜に対して高選択性が達成できる理由である。
In the subsequent over-etching, a bromine-based gas is used. Since the interatomic bond energy of the Si—Br bond is 88 kcal / mol, which is smaller than that of the Si—O bond, Br * does not spontaneously etch SiO 2 . This is the reason why high selectivity can be achieved for the SiO 2 gate insulating film in the present invention.

【0014】なお、オーバーエッチング時に臭素系ガス
を使用する技術については、本発明者が先に特願平2−
265236号明細書において提案しており、具体的に
はSF6 /HBr混合ガス系によりポリサイド膜をジャ
スト・エッチング状態までエッチングした後、被エッチ
ング基板を0℃以下に冷却しながらHBrの単独ガス系
によりオーバーエッチングを行っている。今回の発明
は、オーバーエッチングの部分についてはこの先願の発
想を踏襲しているが、ジャスト・エッチングまでの工程
については上記先願よりもさらに有利となっている。す
なわち、上述のSF6 /HBr混合ガス系ではSの堆積
は起こらず、側壁保護はレジスト・マスクのフラグメン
トとBrとの反応生成物、もしくはエッチング反応生成
物であるSiBrx により行われていた。これに対し、
今回の発明では気相中から生成するSが側壁保護を行う
ため、パーティクル汚染の低減が可能となり、また対レ
ジスト選択性も向上する。
Regarding the technique of using a bromine-based gas at the time of over-etching, the present inventor has previously described in Japanese Patent Application No. Hei.
No. 265236, specifically, after etching a polycide film to a just-etched state with a SF 6 / HBr mixed gas system, cooling the substrate to be etched to 0 ° C. or less, and using a single gas system of HBr. To perform over-etching. Although the present invention follows the idea of the prior application for the over-etching portion, the process up to just etching is more advantageous than the above-mentioned prior application. That is, in the above-mentioned SF 6 / HBr mixed gas system, the deposition of S did not occur, and the protection of the side wall was performed by the reaction product of the fragment of the resist mask with Br or the etching reaction product SiBr x . In contrast,
In the present invention, since the S generated from the gas phase protects the side wall, particle contamination can be reduced, and the selectivity to resist is improved.

【0015】[0015]

【実施例】以下、本発明の具体的な実施例について説明
する。
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, specific embodiments of the present invention will be described.

【0016】実施例1 本実施例は、本発明をゲート加工に適用し、S2 2
用いて多結晶シリコン層をジャスト・エッチング状態ま
でエッチングした後、HBrを用いてオーバーエッチン
グを行った例である。
Embodiment 1 In this embodiment, the present invention is applied to gate processing, and a polycrystalline silicon layer is etched to a just-etched state using S 2 F 2 and then over-etched using HBr. It is an example.

【0017】まず、単結晶シリコン基板上にSiO2
らなるゲート酸化膜を介してn+ 型の多結晶シリコン層
が形成され、さらに所定の形状にパターニングされたレ
ジスト・マスクが形成されてなるウェハを用意した。こ
のウェハを有磁場マイクロ波プラズマ・エッチング装置
のウェハ載置電極上にセットし、該ウェハ載置電極に内
蔵される冷却配管にたとえばチラー等の冷却系統からエ
タノール冷媒を供給循環させることにより、ウェハを約
−60℃に冷却した。この状態で、S2 2 流量20S
CCM,ガス圧1.3Pa(10mTorr),マイク
ロ波パワー850W,RFバイアス・パワー10W(2
MHz)の条件にて上記多結晶シリコン層をほぼその層
厚分だけエッチング(ジャスト・エッチング)した。こ
の過程では、S2 2 から生成するF* によるラジカル
反応がS+ ,SFx + 等のイオンにアシストされる機構
でエッチングが進行する一方、同じくS2 2 から生成
しパターン側壁部に堆積するSにより側壁保護が行われ
た。この結果、良好な異方性形状を有するゲート電極が
形成された。
First, an n + -type polycrystalline silicon layer is formed on a single-crystal silicon substrate via a gate oxide film of SiO 2, and a resist mask patterned in a predetermined shape is formed. Was prepared. The wafer is set on a wafer mounting electrode of a magnetic field microwave plasma etching apparatus, and an ethanol refrigerant is supplied and circulated from a cooling system such as a chiller to a cooling pipe built in the wafer mounting electrode. Was cooled to about -60 <0> C. In this state, the S 2 F 2 flow rate 20S
CCM, gas pressure 1.3 Pa (10 mTorr), microwave power 850 W, RF bias power 10 W (2
Under the condition of (MHz), the polycrystalline silicon layer was etched (just-etched) almost by the thickness of the polycrystalline silicon layer. In this process, while the radical reaction by F * generated from S 2 F 2 proceeds by a mechanism assisted by ions such as S + and SF x + , the etching also proceeds from S 2 F 2 and forms on the pattern side wall. Sidewall protection was provided by the deposited S. As a result, a gate electrode having a good anisotropic shape was formed.

【0018】しかし、上述のジャスト・エッチングまで
の過程ではF* が主エッチング種であるため、ゲート酸
化膜に対する選択比はせいぜい5〜6程度である。した
がって、この条件のままでオーバーエッチングを行う
と、ゲート酸化膜が比較的早く露出した領域では該ゲー
ト酸化膜が除去される虞れが大きい。そこで、エッチン
グ・ガスをHBrに切り換えてオーバーエッチングを行
った。このときの条件は、一例としてHBr流量50S
CCM,ガス圧1.3Pa(10mTorr),マイク
ロ波パワー850W,RFバイアス・パワー5W(2M
Hz),ウェハ温度−60℃とした。この条件では、ゲ
ート酸化膜に対する選択比は約50となり、局部的なゲ
ート酸化膜の除去を防止することができた。これは、H
Brから解離生成するBr* が自発的にはゲート酸化膜
をエッチングしないこと、さらにRFバイアス・パワー
が低減されていることによるものである。
However, in the process up to the above-mentioned just etching, since F * is a main etching species, the selectivity to the gate oxide film is at most about 5 to 6. Therefore, if over-etching is performed under these conditions, the gate oxide film is likely to be removed in a region where the gate oxide film is relatively quickly exposed. Therefore, overetching was performed by switching the etching gas to HBr. The condition at this time is, for example, an HBr flow rate of 50 S
CCM, gas pressure 1.3Pa (10mTorr), microwave power 850W, RF bias power 5W (2M
Hz) and a wafer temperature of −60 ° C. Under these conditions, the selectivity to the gate oxide film was about 50, and local removal of the gate oxide film could be prevented. This is H
This is because Br * generated by dissociation from Br does not spontaneously etch the gate oxide film, and the RF bias power is reduced.

【0019】なお、本実施例ではオーバーエッチング時
にSの堆積は期待できないが、Brとレジスト・マスク
との反応生成物であるCBrx 等の炭素系化合物、ある
いはエッチング反応生成物であるSiBrx 等がパター
ン側壁部に堆積し、これらが側壁保護の効果を発揮し
た。したがって、オーバーエッチング中にもゲート電極
の異方性形状は良好に維持された。これらの堆積物の量
は相対的に少ないので、パーティクル汚染等を惹起させ
るには至らない。また、ジャスト・エッチングまでの過
程で側壁保護の役目を果たしたSの堆積物は、エッチン
グ終了後にウェハを約90℃に加熱することにより容易
に昇華除去された。したがって、パーティクル汚染は何
ら発生しなかった。
In this embodiment, the deposition of S cannot be expected at the time of over-etching, but a carbon-based compound such as CBr x which is a reaction product of Br and a resist mask, or a SiBr x which is an etching reaction product is used. Were deposited on the pattern side wall, and these exerted the effect of protecting the side wall. Therefore, the anisotropic shape of the gate electrode was favorably maintained even during overetching. Since the amount of these deposits is relatively small, it does not lead to particle contamination or the like. The S deposits that served to protect the side walls in the process up to the just etching were easily sublimated and removed by heating the wafer to about 90 ° C. after the completion of the etching. Therefore, no particle contamination occurred.

【0020】実施例2 本実施例は、本発明をゲート加工に適用し、S2 2
用いて多結晶シリコン層をジャスト・エッチング状態ま
でエッチングした後、S2 Br2 を用いてオーバーエッ
チングを行った例である。
Embodiment 2 In this embodiment, the present invention is applied to gate processing, and after etching a polycrystalline silicon layer to a just-etched state using S 2 F 2 , overetching using S 2 Br 2. This is an example of performing.

【0021】まず、前述の実施例1と同様に多結晶シリ
コン層をジャスト・エッチング状態までエッチングした
後、エッチング・ガスをS2 Br2 に切り換えてオーバ
ーエッチングを行った。オーバーエッチングの条件は、
一例としてS2 Br2 流量20SCCM,ガス圧1.3
Pa(10mTorr),マイクロ波パワー850W,
RFバイアス・パワー5W(2MHz),ウェハ温度−
60℃とした。一般にオーバーエッチング時には、被エ
ッチング材料層が減少するためにラジカルが相対的に過
剰となり易い。過剰となったラジカルはウェハ表面でマ
イグレーションを起こし、これがパターン側壁部を攻撃
してアンダカットもしくは逆テーパー形状等の形状異常
を発生させる原因となる。しかし本実施例では、実施例
1とは異なり、オーバーエッチング中にもS2 Br2
ら生成するSにより側壁保護が行われる。したがって、
本実施例では実施例1と同様にゲート酸化膜に対する高
選択性が達成されることはもちろんであるが、より確実
な異方性加工も可能となった。
First, after the polycrystalline silicon layer was etched to the just-etched state as in the first embodiment, the etching gas was switched to S 2 Br 2 to perform over-etching. The conditions for over-etching are
As an example, the S 2 Br 2 flow rate is 20 SCCM and the gas pressure is 1.3.
Pa (10 mTorr), microwave power 850 W,
RF bias power 5W (2MHz), wafer temperature-
60 ° C. Generally, at the time of over-etching, radicals tend to be relatively excessive because the material layer to be etched is reduced. Excessive radicals cause migration on the wafer surface, which attack the pattern side wall and cause a shape abnormality such as an undercut or an inversely tapered shape. However, in the present embodiment, unlike the first embodiment, the sidewall protection is performed by S generated from S 2 Br 2 even during over-etching. Therefore,
In this embodiment, not only high selectivity to the gate oxide film was achieved as in the first embodiment, but also more reliable anisotropic processing became possible.

【0022】なお、本発明は上述の実施例に限定される
ものではなく、たとえばエッチング・ガスには各種の添
加ガスを混合しても良い。たとえば、N2 を添加した場
合には反応生成物による側壁保護の強化を期待すること
ができ、またH2 ,H2 S,シラン系ガスのようにエッ
チング系内にH* および/またはシリコン系活性種を供
給し得るガスを添加すれば、過剰なハロゲン・ラジカル
を捕捉し、Sの堆積効果を高めることができる。さら
に、スパッタリング効果,冷却効果,希釈効果を得る目
的でHe,Ar等の希ガスが添加されていても良い。
The present invention is not limited to the above-described embodiment. For example, various additional gases may be mixed with the etching gas. For example, when N 2 is added, enhancement of the side wall protection by the reaction product can be expected, and H * and / or silicon-based in the etching system such as H 2 , H 2 S, and silane-based gas. If a gas capable of supplying an active species is added, excess halogen radicals can be trapped, and the S deposition effect can be enhanced. Further, a rare gas such as He or Ar may be added for the purpose of obtaining a sputtering effect, a cooling effect, and a dilution effect.

【0023】また、上述の実施例ではエッチング・ガス
としてS2 2 を使用する場合について説明したが、本
発明で提案される他のフッ化イオウおよび塩化イオウを
使用した場合でも、同様の機構によりエッチング種の生
成とSによる側壁保護が行われる。ただし、常温で液体
状の化合物については、不活性ガスによるバブリングを
行って気化させてからエッチング反応系に導入する必要
がある。特に、塩化イオウを使用する場合には、F*
ように極めて反応性の高いエッチング種が生成しないた
め、エッチング速度が若干低下する傾向はあるものの、
異方性達成の観点からは有利となる。
In the above-described embodiment, the case where S 2 F 2 is used as the etching gas has been described. However, the same mechanism is used when other sulfur fluoride and sulfur chloride proposed in the present invention are used. As a result, etching species are generated and sidewalls are protected by S. However, it is necessary to vaporize the compound which is in a liquid state at normal temperature by bubbling with an inert gas before introducing the compound into the etching reaction system. In particular, when sulfur chloride is used, since an extremely reactive etching species such as F * is not generated, although the etching rate tends to slightly decrease,
This is advantageous from the viewpoint of achieving anisotropy.

【0024】[0024]

【発明の効果】以上の説明からも明らかなように、本発
明のドライエッチング方法によれば、フロン系ガスを使
用せずにシリコン系材料層を高異方性,高速性,高選択
性,低汚染性をもってエッチングすることが可能とな
る。しかも、オーバーエッチング時に臭素系ガスを主体
とするエッチング・ガスが使用されるので、対SiO2
下地選択性を向上させることが可能となる。したがっ
て、本発明は微細なデザイン・ルールにもとづいて設計
され、高集積度および高性能を有する半導体装置の製造
に好適であり、また脱フロン対策として極めて優れてい
る。
As is apparent from the above description, according to the dry etching method of the present invention, a silicon-based material layer can be formed with high anisotropy, high speed, high selectivity without using a chlorofluorocarbon gas. Etching can be performed with low contamination. Moreover, since the etching gas mainly bromine-based gas during overetching is used, versus SiO 2
The base selectivity can be improved. Therefore, the present invention is designed based on a fine design rule, is suitable for manufacturing a semiconductor device having a high degree of integration and high performance, and is extremely excellent as a measure against CFC removal.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭63−110726(JP,A) 特開 平2−224240(JP,A) 特開 平2−86126(JP,A) 特開 平1−241126(JP,A) 特開 昭62−92324(JP,A) 特開 平4−84427(JP,A) 特開 平1−217917(JP,A) 特開 平2−262334(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01L 21/3065 C23F 4/00 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continuation of the front page (56) References JP-A-63-110726 (JP, A) JP-A-2-224240 (JP, A) JP-A-2-86126 (JP, A) JP-A-1- 241126 (JP, A) JP-A-62-292324 (JP, A) JP-A-4-84427 (JP, A) JP-A-1-217917 (JP, A) JP-A-2-262334 (JP, A) (58) Field surveyed (Int. Cl. 7 , DB name) H01L 21/3065 C23F 4/00

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 被エッチング基板の温度を室温以下に制
御し、S2 2 ,SF2 ,SF4 ,S2 10,S3 Cl
2 ,S2 Cl2 ,SCl2 から選ばれる少なくとも1種
の化合物を含むエッチング・ガスを用いてシリコン系材
料層のエッチングを行う工程と、臭素系ガスを主体とす
るエッチング・ガスを用いてオーバーエッチングを行う
工程とを有することを特徴とするドライエッチング方
法。
The temperature of a substrate to be etched is controlled to a room temperature or lower, and S 2 F 2 , SF 2 , SF 4 , S 2 F 10 , and S 3 Cl are controlled.
Over with the step of etching the silicon-based material layer by using an etching gas containing at least one compound selected from 2, S 2 Cl 2, SCl 2, an etching gas mainly containing bromine gas And a step of performing etching.
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