JP3044728B2 - Manufacturing method of embedded plug - Google Patents

Manufacturing method of embedded plug

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JP3044728B2
JP3044728B2 JP1337503A JP33750389A JP3044728B2 JP 3044728 B2 JP3044728 B2 JP 3044728B2 JP 1337503 A JP1337503 A JP 1337503A JP 33750389 A JP33750389 A JP 33750389A JP 3044728 B2 JP3044728 B2 JP 3044728B2
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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、多結晶シリコン層による開口部の穴埋めを
高速で且つ高い制御性及び再現性をもって行う埋め込み
プラグの製造方法に関する。
Description: BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method of manufacturing an embedded plug that fills an opening with a polycrystalline silicon layer at high speed with high controllability and reproducibility.

〔発明の概要〕[Summary of the Invention]

本発明方法は、多結晶シリコン層からなる埋め込みプ
ラグの製造方法において、多結晶シリコンのエッチバッ
クを2段階に分け、下地が露出するか若しくは露出する
直前までの段階を主としてラジカル反応が進行する第1
のエッチング工程、その後の基体表面を平坦化するため
のエッチバック(オーバーエッチング)を堆積反応とエ
ッチング反応とが競合的に進行するか、若しくはイオン
支援反応が進行する第2のエッチング工程とすることに
より、いわゆる逆ローディング効果の影響を受けること
なく前記開口部を多結晶シリコン層からなる埋め込みプ
ラグにより平坦に埋め込むこと可能とするものである。
According to the method of the present invention, in the method of manufacturing a buried plug made of a polycrystalline silicon layer, the etching back of the polycrystalline silicon is divided into two stages, and the radical reaction mainly progresses until the base is exposed or immediately before the exposure. 1
Etching back (overetching) for flattening the surface of the substrate is a second etching step in which a deposition reaction and an etching reaction proceed competitively or an ion assisted reaction proceeds. Accordingly, the opening can be buried flat by a buried plug made of a polycrystalline silicon layer without being affected by a so-called reverse loading effect.

〔従来の技術〕[Conventional technology]

従来、VLSI、ULSI等の半導体装置の分野においては高
集積化、高性能化を図るため、二次元方向の微細化のみ
ならず三次元方向の集積化が図られている。このような
集積化を図るため、多層配船が行われている。多層配船
を実現するためには、高アスペクト比のコンタクトホー
ルやビアホールを導電材料で埋め込んで基体の表面を平
坦化する穴埋め技術が用いられる。この穴埋め技術とし
て、選択タングステン法やブランケットタングステン法
等のように金属で埋め込む方法、あるいは多結晶シリコ
ンを堆積後、エッチバックにより埋め込む方法等が提案
されている。
2. Description of the Related Art Conventionally, in the field of semiconductor devices such as VLSI and ULSI, not only miniaturization in two dimensions but also integration in three dimensions has been attempted in order to achieve higher integration and higher performance. In order to achieve such integration, a multi-layer ship arrangement is being performed. In order to realize a multi-layer ship arrangement, a hole filling technique of filling a contact hole or a via hole having a high aspect ratio with a conductive material to flatten the surface of a substrate is used. As a hole filling technique, a method of embedding with a metal, such as a selective tungsten method or a blanket tungsten method, or a method of embedding polycrystalline silicon by etch-back after deposition has been proposed.

タングステン等の金属により埋め込む方法には、埋め
込み部であるプラグ部自身の抵抗が低いことや下地拡散
層の導電型に無関係に形成できる等の利点があるが、選
択タングステン法ではその選択性の確保が難しく、また
ブランケットタングステン法ではタングステンとSiO2
の密着性が低いという問題がある。
The method of embedding with a metal such as tungsten has advantages such as a low resistance of the plug part itself as the embedding part and the fact that it can be formed irrespective of the conductivity type of the underlying diffusion layer, but the selective tungsten method ensures the selectivity. And the blanket tungsten method has a problem that adhesion between tungsten and SiO 2 is low.

一方、多結晶シリコンからなるプラグにより埋め込む
方法には、プラグ自身の抵抗が比較的高く、また下拡散
層の導電型に応じた不純物を導入しなければならずプロ
セスが長くなる等の問題点があるが、既存のプロセスが
適用できるため信頼性の高い処理を行うことができる。
しかも、セミコンダクター・ワールド1989年12月号、第
103〜105頁に記載されているように、不純物の導入に際
してイオン注入を行う際のイオン種と注入エネルギーを
最適に選択することにより、多結晶シリコンによる低抵
抗プラグの形成も可能となっている。
On the other hand, the method of embedding with a plug made of polycrystalline silicon has the problems that the resistance of the plug itself is relatively high, and that an impurity corresponding to the conductivity type of the lower diffusion layer must be introduced, and the process becomes longer. However, since an existing process can be applied, highly reliable processing can be performed.
Moreover, Semiconductor World December 1989 issue, No.
As described on pages 103 to 105, it is possible to form a low-resistance plug of polycrystalline silicon by optimally selecting an ion species and an implantation energy when performing ion implantation when introducing impurities. .

従来、例えば絶縁膜に形成されたコンタクトホール、
ビアホール等の開口部に多結晶シリコンを平坦に埋め込
むには、次のような方法が採用されている。
Conventionally, for example, a contact hole formed in an insulating film,
The following method is employed to bury polycrystalline silicon flatly in an opening such as a via hole.

すなわち、まず第2図(A)に示すように、予め半導
体基板11上にSiO2等からなり開口部13を有する絶縁膜12
が形成され、さらに少なくとも上記開口部13を覆って多
結晶シリコン層14を形成して基体表面を略平坦化する。
That is, as shown in FIG. 2A, an insulating film 12 made of SiO 2 or the like and having an opening 13 is previously formed on a semiconductor substrate 11.
Is formed, and a polycrystalline silicon layer 14 is formed so as to cover at least the opening 13 to substantially flatten the substrate surface.

次に、多結晶シリコン層14のエッチバックを行う。こ
のとき、絶縁膜12の表面が露出した時点をもってエッチ
バックを終了すれば、開口部13が多結晶シリコン層14に
より平坦に埋め込まれた状態が達成される。
Next, the polycrystalline silicon layer 14 is etched back. At this time, if the etch back is terminated when the surface of the insulating film 12 is exposed, a state where the opening 13 is buried flat by the polycrystalline silicon layer 14 is achieved.

〔発明が解決しようとする課題〕[Problems to be solved by the invention]

ところが、実際に多結晶シリコン層のエッチバックを
行ってみると、残り膜厚の制御性が低く、開口部13が多
結晶シリコン層14により平坦に埋め込まれた状態を達成
するのは困難であることがわかる。例えば、エッチング
ガスとしてフロン等のフッ素系ガスを使用した場合、処
理の均一性、エッチング速度,再現性等は極めて良好で
あるが、絶縁膜12上の多結晶シリコン層14が除去された
と同時に、過剰となったフッ素ラジカルが開口部13に集
中する。このため、第2図(B)に示すように、わずか
なオーバーエッチングによっても本来プラグ部となるべ
き開口部13内の多結晶シリコン層14が大幅に浸食され、
場合によっては半導体基板11にも損傷が及ぶことがしば
しば経験される。これは、いわゆるローディング効果の
逆の効果である局所的にエッチング速度が増大すること
から、逆ローディング効果とも呼ばれている。
However, when actually performing the etch back of the polycrystalline silicon layer, the controllability of the remaining film thickness is low, and it is difficult to achieve a state in which the opening 13 is buried flat by the polycrystalline silicon layer 14. You can see that. For example, when a fluorine-based gas such as chlorofluorocarbon is used as an etching gas, the uniformity of the process, the etching rate, the reproducibility, etc. are extremely good, but the polycrystalline silicon layer 14 on the insulating film 12 is removed at the same time. Excess fluorine radicals are concentrated in the openings 13. Therefore, as shown in FIG. 2 (B), the polycrystalline silicon layer 14 in the opening 13, which should originally become a plug, is largely eroded by a slight overetching,
In some cases, it is often experienced that the semiconductor substrate 11 is also damaged. This is also called an inverse loading effect because the etching rate locally increases, which is the opposite effect of the so-called loading effect.

かかる逆ローディング効果を防止するため、エッチン
グガスを塩素系ガスとすることも考えられる。塩素系ガ
スは、自発的には多結晶シリコン層をエッチングするこ
とが困難で、イオン衝撃によってより効果的にエッチン
グ反応に関与することができる。したがって、エッチン
グ速度が遅い上、イオン衝撃により生起される多結晶シ
リコン層の表面状態、あるいはエッチング室内の水分や
堆積物等の存在によりエッチングの進行状況が変動し、
再現性が低下し易い。
In order to prevent such a reverse loading effect, it is conceivable that the etching gas is a chlorine-based gas. It is difficult for the chlorine-based gas to spontaneously etch the polycrystalline silicon layer, and can participate in the etching reaction more effectively by ion bombardment. Therefore, the etching rate is low, and the progress of the etching is fluctuated due to the surface state of the polycrystalline silicon layer caused by ion bombardment, or the presence of moisture or deposits in the etching chamber,
Reproducibility tends to decrease.

そこで、本発明は、これらの問題点を解決し、多結晶
シリコン層からなる埋め込みプラグを高速に且つ高い制
御性及び再現性をもって製造することを可能とする方法
を提供することを目的とする。
Accordingly, it is an object of the present invention to solve these problems and to provide a method capable of manufacturing a buried plug made of a polycrystalline silicon layer at high speed with high controllability and reproducibility.

〔課題を解決するための手段〕[Means for solving the problem]

本発明者は、上述の目的を達成するために鋭意検討を
行った結果、下地が露出する直前若しくは該下地の一部
が露出し始める時点までのエッチングは、エッチング速
度が速く且つ均一性、再現性に優れる過程により進行さ
せ、その後の基体表面を平坦化するためのオーバーエッ
チングは残り膜厚の制御性に優れる過程により進行させ
れば、全体として高速で均一性、再現性、制御性に優れ
る多結晶シリコン層のエッチングが可能となることを見
出した。
The present inventors have conducted intensive studies in order to achieve the above object, and as a result, the etching speed is high and uniformity and reproducibility immediately before the base is exposed or until the part of the base starts to be exposed. If the process proceeds with a process having excellent controllability, and the subsequent over-etching for flattening the substrate surface proceeds with a process having a controllability of the remaining film thickness, the overall process is excellent in uniformity, reproducibility and controllability at high speed. It has been found that the polycrystalline silicon layer can be etched.

この場合、2種類の過程にもとづくエッチングの切り
換え時期を鋭敏に判定することが必要となるが、本発明
者は、前半の過程におけるエッチングガスとしてフッ素
系ガスを使用してSiFの発光スペクトルをモニターすれ
ば、これが可能となることも見出した。さらに、前半の
過程においてエッチング室内の堆積物を除去する反応を
同時に進行させれば、複数のウェハに対する連続処理を
行うに際しても常にクリーンなプロセスが進行すること
も見出した。
In this case, it is necessary to sharply determine the etching switching time based on the two types of processes. However, the present inventor monitored the emission spectrum of SiF using a fluorine-based gas as the etching gas in the first half of the process. I also found that this would be possible. Further, they have also found that if the reaction for removing the deposits in the etching chamber proceeds simultaneously in the first half of the process, a clean process always proceeds even when performing continuous processing on a plurality of wafers.

本発明は、上述の知見にもとづいて提案されるもので
ある。
The present invention has been proposed based on the above findings.

すなわち、本発明は、多結晶シリコン層からなる埋め
込みプラグの製造方法において、下地に開口部を形成し
基体表面を露出する工程と、前記開口部を有する下地を
被覆して前記基体表面に接触するように多結晶シリコン
層を形成する工程と、前記下地の表面の一部が露出する
か若しくは露出する直前まで多結晶シリコン層のエッチ
バックを、ラジカルをエッチング種として外部からのエ
ネルギーを与えられることなく自発的にシリコンと反応
させることにより行う第1のエッチング工程と、前記第
1のエッチング工程より低速でエッチングが進行する条
件により前記開口部が前記多結晶シリコン層により平坦
に埋め込まれた状態となるまで逆ローディング効果を防
止しながらエッチバックを行う第2のエッチング工程を
有するものである。
That is, the present invention provides a method of manufacturing an embedded plug made of a polycrystalline silicon layer, wherein a step of forming an opening in a base and exposing a substrate surface, and covering the base having the opening and contacting the base surface are performed. Forming the polycrystalline silicon layer and etching back the polycrystalline silicon layer until a part of the surface of the underlayer is exposed or immediately before the underlying layer is exposed to external energy by using radicals as etching species. A first etching step performed by spontaneously reacting with silicon, and a state in which the opening is buried flat by the polycrystalline silicon layer under the condition that the etching proceeds at a lower speed than the first etching step. It has a second etching step of performing etch-back while preventing the reverse loading effect until it is.

ここで、第2のエッチング工程は、エッチング性ガス
と堆積性ガスとを用いエッチング反応と堆積反応とを共
存させることにより低速でエッチングが進行する。
Here, in the second etching step, etching proceeds at a low speed by using an etching gas and a deposition gas to cause an etching reaction and a deposition reaction to coexist.

さらに具体的に、第2のエッチング工程は、外部エネ
ルギーが与えられることにより自発的にエッチングが進
行する系、すなわち、外部エネルギーが与えられない限
りエッチングが進行しにくい系で行われることにより低
速でエッチングが進行する。ここで、第2のエッチング
工程は、塩素系のガスが用いられる。
More specifically, the second etching step is performed at a low speed by being performed in a system in which etching proceeds spontaneously when external energy is applied, that is, a system in which etching does not easily progress unless external energy is applied. Etching proceeds. Here, in the second etching step, a chlorine-based gas is used.

また、第1のエッチング工程においてフッ素系のエッ
チングガスを使用し、SiFの発光スペクトルをモニター
することにより第1のエッチング工程の終点判定が行わ
れる。
In addition, the end point of the first etching step is determined by monitoring the emission spectrum of SiF using a fluorine-based etching gas in the first etching step.

さらに、第1のエッチング工程によりエッチング室内
のクリーニングが行われる。
Further, cleaning of the etching chamber is performed by the first etching step.

〔作用〕[Action]

本発明方法は、まず下地が露出するか若しくは露出す
る直前までエッチバックを行う第1のエッチング工程に
おいて、主としてラジカル反応が進行する条件を採用し
ている。この工程では、フッ素ラジカルのように多結晶
シリコンの結晶格子中若しくは結晶粒界内に容易に侵入
することが可能な程度の大きさのラジカルが主なエッチ
ング種となり、外部からエネルギーを与えられなくとも
自発的にシリコンと反応してこれをエッチングする。
The method of the present invention mainly employs conditions in which a radical reaction proceeds in the first etching step of performing etch-back until the base is exposed or immediately before the base is exposed. In this step, radicals such as fluorine radicals having a size that can easily penetrate into the crystal lattice of polycrystalline silicon or into the crystal grain boundaries become the main etching species, so that energy cannot be given from the outside. In addition, it spontaneously reacts with silicon to etch it.

本発明方法は、さらに下地に設けられた開口部が多結
晶シリコンにより平坦に埋め込まれた状態となるまでエ
ッチバック(オーバーエッチング)を行う第2のエッチ
ング工程において、より低速でエッチングが進行する条
件を採用している。この条件とは、堆積反応とエッチン
グ反応とを競合させ得る条件、また第2の発明ではイオ
ン支援反応が進行する条件である。すなわち、エッチン
グ反応を堆積反応と共存させることにより正味のエッチ
ング速度を低下させ、また外部エネルギーを与えないと
自発的にはエッチング反応が進行しにくい系でエッチン
グ速度を低下することにより、残り膜厚の制御性が高め
られる。
The method of the present invention further provides a second etching step of performing etch-back (over-etching) until the opening provided in the base is flatly buried with polycrystalline silicon. Is adopted. This condition is a condition under which the deposition reaction and the etching reaction can compete with each other, and in the second invention, an ion-assisted reaction proceeds. That is, the net etching rate is reduced by allowing the etching reaction to coexist with the deposition reaction, and the etching rate is reduced by a system in which the etching reaction does not proceed spontaneously unless external energy is applied, thereby reducing the remaining film thickness. Controllability is improved.

ところで、第1のエッチング工程においてフッ素系エ
ッチングガスを使用し、多結晶シリコン層と下地との間
の選択比を十分大きくとって第1のエッチングを開始す
ると、多結晶シリコン層のエッチングが進行している間
は揮発性のSiFが一定の割合で発生する。したがって、
波長440nmにおけるSiFの発光スペクトルをモニターする
と、一定強度のピークが継続して観測される。下地の一
部が露出し始めると、上記ピークの強度を急速に減少し
始め、下地がほぼ露出し終わると被エッチング面積が減
少するためにピーク強度は低いレベルにとどまる。本発
明方法では、始めにピーク強度が減少し始める時点をも
って終点とする。この時点は、二次微分等の適当な電気
信号処理方法により判定することができる。
By the way, when the first etching is started by using a fluorine-based etching gas in the first etching step and selecting a sufficiently large selection ratio between the polycrystalline silicon layer and the base, the etching of the polycrystalline silicon layer proceeds. During this time, volatile SiF is generated at a constant rate. Therefore,
When the emission spectrum of SiF at a wavelength of 440 nm is monitored, a constant intensity peak is continuously observed. When a part of the base begins to be exposed, the intensity of the peak starts to decrease rapidly. When the base is almost completely exposed, the peak intensity remains at a low level because the area to be etched is reduced. In the method of the present invention, the point in time when the peak intensity starts decreasing first is defined as the end point. This point can be determined by a suitable electrical signal processing method such as a second derivative.

さらに、本発明方法によれば、各エッチング工程にお
けるエッチングガス系を適切に選択すれば、第1のエッ
チング工程によりエッチング室内のクリーニングを行う
ことが可能となる。このクリーニング効果は、複数のウ
ェハに対する連続処理を行う場合に極めて意義の大きい
ものである。すなわち、第2のエッチング工程では、使
用されるエッチングガス系の種類によっては炭素系やシ
リコン系のポリマーがエッチング室内に残留することが
考えられるが、第1のエッチング工程において堆積反応
の可能性を特に減じたエッチングガス系を使用すれば、
この工程において発生するラジカル種が残留堆積物を効
率良く揮発性物質に変化させてこれを除去するので、常
にクリーンなプロセスを進行させることが可能となる。
Further, according to the method of the present invention, if the etching gas system in each etching step is appropriately selected, it is possible to clean the inside of the etching chamber in the first etching step. This cleaning effect is extremely significant when performing continuous processing on a plurality of wafers. That is, in the second etching step, a carbon-based or silicon-based polymer may remain in the etching chamber depending on the type of etching gas used, but the possibility of a deposition reaction in the first etching step is reduced. Especially when using the reduced etching gas system,
Since the radical species generated in this step efficiently convert the residual sediment into a volatile substance and remove it, a clean process can always proceed.

〔実施例〕〔Example〕

以下、本発明の具体的な実施例を、図面を参照しなが
ら説明する。
Hereinafter, specific embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.

実施例1 この実施例は、絶縁膜に開口された開口部へ多結晶シ
リコンを平坦に埋め込む例である。この工程を第1図
(A)乃至乃至第1図(C)を参照しながら説明する。
Embodiment 1 This embodiment is an example in which polycrystalline silicon is buried flat in an opening formed in an insulating film. This step will be described with reference to FIGS. 1 (A) to 1 (C).

まず、第1図(A)に示すように、シリコン等からな
る半導体基板1上に例えば酸化シリコンからなる絶縁膜
2を形成し、パターニングを行って開口部3を形成す
る。次に、被覆性に優れるCVD法等の真空薄膜形成技術
により全面に多結晶シリコン層4を被着形成し、基体の
表面を略平坦化する。
First, as shown in FIG. 1A, an insulating film 2 made of, for example, silicon oxide is formed on a semiconductor substrate 1 made of silicon or the like, and an opening 3 is formed by patterning. Next, a polycrystalline silicon layer 4 is formed over the entire surface by a vacuum thin film forming technique such as a CVD method having excellent covering properties, and the surface of the base is substantially flattened.

次に、第1のエッチングとして多結晶シリコン層4の
エッチングを行った。第1のエッチングは、高周波バイ
アス印加型ECR(電子サイクロトロン共鳴)エッチング
装置を使用して行い、その条件は、例えばSF6量30SCC
M、C2Cl3F3(フロン113)流量30SCCM、ガス圧10mTorr,
マイクロ波パワー850W、高周波バイアス30Wとした。こ
の工程では、フッ素ラジカルを主なエッチング種とする
反応が進行し、エッチング速度は6000Å/分と速く、均
一性も±2%で前後と良好であった。また、このエッチ
ング中、波長440nmにおけるSiFの発光スペクトル強度を
連続的にモニターし、その強度が減少しはじめた点をも
って第1のエッチングの終点とした。このときの基体
は、第1図(B)に示すように、絶縁膜2が基体表面に
所々露出した状態を呈していた。
Next, the polycrystalline silicon layer 4 was etched as a first etching. The first etching is performed by using a high frequency bias application type ECR (Electron Cyclotron Resonance) etching apparatus, and the condition is, for example, SF 6 amount 30SCC
M, C 2 Cl 3 F 3 (CFC113) flow rate 30SCCM, gas pressure 10mTorr,
The microwave power was 850 W and the high frequency bias was 30 W. In this step, a reaction using fluorine radicals as a main etching species progressed, and the etching rate was as fast as 6000 ° / min, and the uniformity was as good as ± 2%. During this etching, the emission spectrum intensity of SiF at a wavelength of 440 nm was continuously monitored, and the point at which the intensity began to decrease was defined as the end point of the first etching. At this time, the substrate had a state in which the insulating film 2 was partially exposed on the surface of the substrate as shown in FIG. 1 (B).

次に、基体の表面を平坦化するための第2のエッチン
グを行った。この条件は、例えばSF6量7SCCM、C2Cl3F3
(フロン113)流量53SCCM、ガス圧10mTorr、マイクロ波
パワー850W、高周波バイアス100Wとした。ここで使用さ
れたエッチングガスは、上記第1のエッチングで使用さ
れたものと成分は同じであるが、その流量比を変化さ
せ、炭素系ポリマーを堆積させ得るC2Cl3F3を多くした
ものである。これにより、エッチング反応と堆積反応が
競合する条件が達成され、2000Å/分といる比較的遅い
エッチング速度にて、均一性が±5%程度のエッチング
を行うことができ、第1図(C)に示すように、基体の
表面が極めて良好に平坦化された。この場合、エッチン
グ速度が減じられて残り膜厚の制御性が向上しているの
で、開口部3の内部のプラグ部4aが浸食されることはな
かった。なお、この第2のエッチングは、エッチング速
度及び均一性が第1のエッチングよりも低いように思わ
れるが、大部分のエッチングが既に終了した後のオーバ
ーエッチングを目的とするため実質的に問題はなく、プ
ロセス全体としては十分な高速性と均一性が達成され
る。
Next, second etching for planarizing the surface of the base was performed. This condition is, for example, SF 6 amount 7 SCCM, C 2 Cl 3 F 3
(CFC 113) The flow rate was 53 SCCM, the gas pressure was 10 mTorr, the microwave power was 850 W, and the high frequency bias was 100 W. The etching gas used here had the same components as those used in the first etching, but the flow rate ratio was changed to increase the amount of C 2 Cl 3 F 3 capable of depositing the carbon-based polymer. Things. As a result, a condition in which the etching reaction and the deposition reaction compete with each other is achieved, and etching can be performed with a uniformity of about ± 5% at a relatively low etching rate of 2000 ° / min. As shown in the figure, the surface of the substrate was flattened very well. In this case, since the etching rate was reduced and the controllability of the remaining film thickness was improved, the plug portion 4a inside the opening 3 was not eroded. Although the second etching seems to have a lower etching rate and a lower uniformity than the first etching, the problem substantially arises because over-etching is performed after most of the etching has already been completed. Instead, sufficient speed and uniformity are achieved for the entire process.

ところで、各エッチング工程において使用されるエッ
チングガスは、所望の条件を達成し得るガスであれば広
範囲の物質の中から選ぶことができる。しかし、上述の
ように両エッチング工程で同一成分からなる混合エッチ
ングガスを使用し、その流量比を変化させるだけで各工
程における反応様式を切り換えることができれば、極め
て実用性の高いドライエッチング方法が提供される。こ
の場合、フッ素ラジカルの供給源となるガスとしては上
述のSF6の他にNF3、ClF2等が、また炭素系ポリマーを堆
積させ得るガスとしては、C2Cl3F3(フロン113)の他に
C2Cl2、F4(フロン114)、CHF3、CH2F2、CH3F、C2F6、C
3F8、C4F10、CCl4、CCl3F、CCl2F2等が使用できる。
By the way, the etching gas used in each etching step can be selected from a wide range of substances as long as the gas can achieve desired conditions. However, as described above, if a mixed etching gas consisting of the same component is used in both etching steps and the reaction mode in each step can be switched only by changing the flow rate ratio, an extremely practical dry etching method is provided. Is done. In this case, as the gas as the gas as a source of fluorine radicals in addition to NF 3, ClF 2 etc. of SF 6 described above, also capable of depositing carbonaceous polymer, C 2 Cl 3 F 3 (CFC 113) Others
C 2 Cl 2 , F 4 (CFC 114), CHF 3 , CH 2 F 2 , CH 3 F, C 2 F 6 , C
3 F 8, C 4 F 10 , CCl 4, CCl 3 F, CCl 2 F 2 or the like can be used.

ここで、本実施例のような堆積性ガスを使用すると、
第2のエッチングの終了後にはエッチング室内に炭素系
ポリマー等の堆積物が残留し、これが汚染の原因となっ
て、特にひとつのエッチング室内において連続処理が行
われるような場合に再現性の低下が生ずるように一見思
われる。かかる残留堆積物は、次の第1のエッチング工
程においてフッ素ラジカルにより大部分が揮発性物質に
変化して除去されるので、常にクリーンなプロセスを進
行させることができた。
Here, when a deposition gas as in this embodiment is used,
After the completion of the second etching, deposits such as carbon-based polymer remain in the etching chamber, which cause contamination, and the reproducibility is reduced especially when continuous processing is performed in one etching chamber. Seems to happen. Most of the remaining deposits are changed to volatile substances and removed by fluorine radicals in the next first etching step, so that a clean process can always proceed.

実施例2 本実施例では、上述の実施例1の同様の埋め込みを本
発明の第2の発明及び第3の発明を適用して行った。す
なわち、実施例1と同様に第1のエッチングを行て基体
を第1図(B)に示す状態とした後、第2のエッチング
としてイオン支援反応を進行させる条件を設定し、オー
バーエッチングを行った。この条件は、例えばBCl3流量
30SCCM、Cl2流量20SCCM、ガス圧10mTorr、マイクロ波パ
ワー850W、高周波バイアス100Wとした。かかるエッチン
グにより、前述した第1図(C)に示すように、多結晶
シリコン層のプラグ部4aで開口部3を平坦に埋め込むこ
とができた。
Embodiment 2 In this embodiment, the same embedding as in Embodiment 1 described above was performed by applying the second and third aspects of the present invention. That is, after performing the first etching to bring the substrate into the state shown in FIG. 1 (B) in the same manner as in Example 1, the conditions for allowing the ion-assisted reaction to proceed as the second etching are set, and the over-etching is performed. Was. This condition is, for example, BCl 3 flow rate
30 SCCM, Cl 2 flow rate was 20 SCCM, gas pressure was 10 mTorr, microwave power was 850 W, and high frequency bias was 100 W. By this etching, as shown in FIG. 1 (C), the opening 3 could be buried flat by the plug portion 4a of the polycrystalline silicon layer.

実施例3 本実施例は、まず、第1のエッチングをSF6ガス単独
で行ない、基体を第1図(B)に示す状態とした。この
ときの条件は、例えばSF6流量60SCCM、ガス圧10mTorr,
マイクロ波パワー850W、高周波バイアス100Wとした。
Example 3 In this example, first, the first etching was performed using SF 6 gas alone, and the substrate was brought into a state shown in FIG. 1 (B). Conditions at this time are, for example, SF 6 flow rate 60 SCCM, gas pressure 10 mTorr,
The microwave power was 850 W and the high frequency bias was 100 W.

次に、第2のエッチングとして前述の実施例2と同様
の条件によるエッチングを行い、第1図(C)に示すよ
うに、多結晶シリコン層のプラグ部4aで開口部3を平坦
に埋め込むことができた。
Next, as the second etching, etching is performed under the same conditions as in the above-described second embodiment, and the opening 3 is buried flat with the plug portion 4a of the polycrystalline silicon layer as shown in FIG. Was completed.

ここで、第1のエッチング工程において、実施例1若
しくは実施例2のようにC2Cl3F3を併用することなく、S
F6を単独で使用したのは、第1のエッチング工程による
エッチング室内のクリーニング効果を高めるためであ
る。すなわち、上述の第2のエッチング工程においてBC
l3/Cl2系の混合ガスを使用すると、エッチング反応生
成物であるSiClXがエッチング室内の石英製の部材から
放出される酸素と反応して副生されたSiO2も残留堆積物
となる可能性がある。そこで、第1のエッチングは堆積
の可能性を極力排した条件で行うことが一層効果的とな
る。これにより、連続処理においても極めてクリーンな
プロセスが再現性良く進行した。
Here, in the first etching step, without combination of C 2 Cl 3 F 3 as in Example 1 or Example 2, S
Was used the F 6 alone is to increase the cleaning effect of the etching chamber by the first etching step. That is, in the above-described second etching step, BC
When l 3 / Cl 2 mixed gas is used, SiCl X which is an etching reaction product reacts with oxygen released from a quartz member in the etching chamber, and SiO 2 by-produced also becomes a residual deposit. there is a possibility. Therefore, it is more effective to perform the first etching under the condition that the possibility of deposition is minimized. As a result, even in continuous processing, an extremely clean process proceeded with good reproducibility.

なお、上述の各実施例ではいずれも第1のエッチング
工程と第2のエッチング工程との間で使用するエッチン
グガス系の組成若しくは流量比を切り換えているが、他
の条件の変化によりラジカル反応主体の過程とイオン支
援反応主体の過程を切り換えることもできる。一般に
は、ガス圧を高く且つ高周波バイアスを低く設定すれば
ラジカル反応主体の過程を進行させ、逆にガス圧を低く
かつ高周波バイアスを高く設定すればイオン支援反応主
体の過程を進行させることができる。
In each of the above embodiments, the composition or flow rate ratio of the etching gas system used is switched between the first etching step and the second etching step. It is also possible to switch between the process of (1) and the process of the ion assisted reaction. In general, if the gas pressure is set high and the high-frequency bias is set low, the process mainly involving the radical reaction can proceed. On the contrary, if the gas pressure is set low and the high-frequency bias can be set high, the process mainly involving the ion-assisted reaction can be advanced. .

また、上述の各実施例は多結晶シリコンによるコンタ
クトホールやビアホールの穴埋めを想定したものである
が、本発明はこれらの実施例に限定されるものではな
く、例えば単結晶シリコン基板に系されたトレンチを薄
い絶縁層を介して多結晶シリコンにより穴埋めし、キャ
パシタを形成する場合にも同様に適用することができ
る。
Although each of the above-described embodiments is based on the assumption that the contact holes and via holes are filled with polycrystalline silicon, the present invention is not limited to these embodiments. For example, the present invention is applied to a single-crystal silicon substrate. The same can be applied to a case where a trench is filled with polycrystalline silicon through a thin insulating layer to form a capacitor.

〔発明の効果〕〔The invention's effect〕

以上の説明から明らかなように、本発明方法を用いる
ことにより、開口部を有する下地を被覆して形成された
埋め込みプラグを構成する多結晶シリコン層のエッチバ
ックを2段階に分けることにより、いわゆる逆ローディ
ング効果の影響を受けることなく、基体にダメージを与
えることなく、高速に前記開口部を多結晶シリコン層に
より平坦に埋め込むことが可能となる。しかも、最初の
エッチバックにおいて主としてラジカル反応が進行する
ために、連続処理においても常にクリーンで再現性の高
いプロセスが進行する。
As is apparent from the above description, by using the method of the present invention, the etch back of the polycrystalline silicon layer constituting the buried plug formed by covering the base having the opening is divided into two stages, so-called, The opening can be quickly and flatly filled with the polycrystalline silicon layer without being affected by the reverse loading effect and without damaging the substrate. In addition, since the radical reaction mainly proceeds in the first etch-back, a clean and highly reproducible process always proceeds even in the continuous processing.

したがって、本発明のドライエッチング方法を半導体
装置の製造に適用することにより、高集積度、高信頼性
を有する半導体装置を高い生産性及び歩留りをもって製
造することができる。
Therefore, by applying the dry etching method of the present invention to the manufacture of a semiconductor device, a semiconductor device having high integration and high reliability can be manufactured with high productivity and yield.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

第1図(A)乃至第1図(C)は本発明のドライエッチ
ング方法の一例をその工程順にしたがって説明する概略
断面図であり、第1図(A)は絶縁膜、開口部、多結晶
シリコン層の形成工程、第1図(B)は第1のエッチン
グによる多結晶シリコン層のエッチバック工程、第1図
(C)は第2のエッチングによるプラグ部の形成工程を
それぞれ示す。 第2図(A)及び第2図(B)は従来の一般的な多結晶
シリコン層のエッチバック工程における問題点を説明す
るための概略断面図であり、第2図(A)は絶縁膜、開
口部、多結晶シリコン層の形成工程、第2図(B)はエ
ッチバック終了時の開口部内における浸食状態をそれぞ
れ示す。 1……半導体基板、2……絶縁膜、3……開口部、4…
…多結晶シリコン層、4a……プラグ部。
1 (A) to 1 (C) are schematic cross-sectional views illustrating an example of a dry etching method of the present invention in the order of steps, and FIG. 1 (A) is an insulating film, an opening, and a polycrystal. FIG. 1B shows a step of forming a silicon layer, FIG. 1B shows a step of etching back a polycrystalline silicon layer by first etching, and FIG. 1C shows a step of forming a plug portion by second etching. 2 (A) and 2 (B) are schematic cross-sectional views for explaining a problem in a conventional general polycrystalline silicon layer etch-back process, and FIG. 2 (A) is an insulating film. FIG. 2B shows an erosion state in the opening at the end of the etch-back. 1 ... semiconductor substrate, 2 ... insulating film, 3 ... opening, 4 ...
... Polycrystalline silicon layer, 4a ... Plug part.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01L 21/3065 H01L 21/28 301 H01L 21/3205 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page (58) Fields surveyed (Int.Cl. 7 , DB name) H01L 21/3065 H01L 21/28 301 H01L 21/3205

Claims (5)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】多結晶シリコン層からなる埋め込みプラグ
の製造方法において、 下地に開口部を形成し基体表面を露出する工程と、 前記開口部を有する下地を被覆して前記基体表面に接触
するように多結晶シリコン層を形成する工程と、 前記下地の表面の一部が露出するか若しくは露出する直
前まで多結晶シリコン層のエッチバックを、ラジカルを
エッチング種として外部からエネルギーを与えられるこ
となく自発的にシリコンと反応させることにより行う第
1のエッチング工程と、 前記第1のエッチング工程より低速でエッチングが進行
する条件により前記開口部が前記多結晶シリコン層によ
り平坦に埋め込まれた状態となるまで逆ローディング効
果を防止しながらエッチバックを行う第2のエッチング
工程を有し、 前記第2のエッチング工程は、エッチング性ガスと堆積
性ガスとを用いエッチング反応と堆積反応とを共存させ
ることにより低速でエッチングが進行することを特徴と
する埋め込みプラグの製造方法。
1. A method of manufacturing a buried plug made of a polycrystalline silicon layer, comprising the steps of: forming an opening in a base and exposing a surface of a base; and covering the base having the opening and contacting the base surface. Forming a polycrystalline silicon layer on the substrate, and spontaneously etching back the polycrystalline silicon layer until a part of the surface of the underlayer is exposed or immediately before the polycrystalline silicon layer is exposed to energy from outside using radicals as etching species. A first etching step performed by reacting with the silicon selectively, and under the condition that the etching proceeds at a lower speed than the first etching step, until the opening is in a state of being buried flat by the polycrystalline silicon layer. A second etching step of performing etch back while preventing a reverse loading effect, wherein the second etching step The method for manufacturing a buried plug, characterized in that the etching at a low speed progresses in the coexistence of the a deposition reaction and an etching reaction using an etching gas and deposition gas.
【請求項2】前記第2のエッチング工程は、外部エネル
ギーが与えられることにより自発的にエッチングが進行
する系で行われることにより低速でエッチングが進行す
ることを特徴とする請求項1記載の埋め込みプラグの製
造方法。
2. The burying method according to claim 1, wherein the second etching step is performed in a system in which the etching proceeds spontaneously when external energy is applied, whereby the etching proceeds at a low speed. Plug manufacturing method.
【請求項3】前記第2のエッチング工程は塩素系のガス
を用いることを特徴とする請求項2記載の埋め込みプラ
グの製造方法。
3. The method according to claim 2, wherein said second etching step uses a chlorine-based gas.
【請求項4】前記第1のエッチング工程においてフッ素
系のエッチングガスを使用し、SiFの発光スペクトルを
モニターすることにより前記第1のエッチング工程の終
点判定を行うことを特徴とする請求項1記載の埋め込み
プラグの製造方法。
4. The method according to claim 1, wherein an end point of the first etching step is determined by using a fluorine-based etching gas in the first etching step and monitoring an emission spectrum of SiF. Embedded plug manufacturing method.
【請求項5】前記第1のエッチング工程によりエッチン
グ室内のクリーニングを行うことを特徴とする請求項1
記載の埋め込みプラグの製造方法。
5. The method according to claim 1, wherein the cleaning of the etching chamber is performed by the first etching step.
A method of manufacturing the embedded plug described in the above.
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