JP3104388B2

JP3104388B2 - ドライエッチング方法

Info

Publication number: JP3104388B2
Application number: JP04093860A
Authority: JP
Inventors: 新吾門村
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 1992-03-19
Filing date: 1992-03-19
Publication date: 2000-10-30
Anticipated expiration: 2015-10-30
Also published as: JPH05267247A

Description

【発明の詳細な説明】

【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
酸化シリコン系材料層のエッチングを、下地のシリコン
系材料層にＨ⁺に起因するダメージを与えることなく高
選択性をもって行う方法に関する。

【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、酸化シリコン系材料層のドライエッチング方法
についても技術的要求がますます厳しくなってきてい
る。まず、高集積化によりデバイス・チップの面積が拡
大しウェハが大口径化していること、形成すべきパター
ンが高度に微細化されウェハ面内の均一処理が要求され
ていること、またＡＳＩＣに代表されるように多品種少
量生産が要求されていること等の背景から、ドライエッ
チング装置の主流は従来のバッチ式から枚葉式に移行し
つつある。この際、従来と同等の生産性を維持するため
には、大幅なエッチング速度の向上が必須となる。

【０００３】また、デバイスの高速化や微細化を図るた
めに不純物拡散領域の接合深さが浅くなり、また各種の
材料層も薄くなっている状況下では、従来以上に対下地
選択性に優れダメージの少ないエッチング技術が要求さ
れる。たとえば、半導体基板内に形成された不純物拡散
領域や、ＳＲＡＭの抵抗負荷素子として用いられるＰＭ
ＯＳトランジスタのソース・ドレイン領域等にコンタク
トを形成しようとする場合に、シリコン基板や多結晶シ
リコン層を下地として行われるＳｉＯ₂層間絶縁膜のエ
ッチングがその例である。

【０００４】しかし、高速性、高選択性、低ダメージ性
といった特性は互いに取捨選択される関係にあり、すべ
てを満足できるエッチング・プロセスを確立することは
極めて困難である。

【０００５】従来、Ｓｉ系材料層に対して高い選択比を
保ちながらＳｉＯ₂系材料層をドライエッチングするに
は、ＣＨＦ₃、ＣＦ₄／Ｈ₂混合系、ＣＦ₄／Ｏ₂混合
系、Ｃ₂Ｆ₆／ＣＨＦ₃混合ガス等がエッチング・ガス
として典型的に使用されてきた。これらは、いずれも分
子内のＣ／Ｆ比（炭素原子数とフッ素原子数の比）が
０．２５以上のフルオロカーボン系ガスを主体としてい
る。これらのガス系が使用されるのは、（ａ）フルオロ
カーボン系ガスに含まれるＣがＳｉＯ₂層の表面でＣ−
Ｏ結合を生成し、Ｓｉ−Ｏ結合を切断したり弱めたりす
る働きがある、（ｂ）ＳｉＯ₂層の主エッチング種であ
るＣＦ_x ⁺を生成できる、さらに（ｃ）プラズマ中で相
対的に炭素に富む状態が作り出されるので、ＳｉＯ₂中
の酸素がＣＯ_xの形で除去される一方、ガス系に含まれ
るＣ，Ｈ，Ｆ等の寄与によりシリコン系材料層の表面で
は炭素系のポリマーが堆積してエッチング速度が低下
し、シリコン系材料層に対する高選択比が得られる、等
の理由にもとづいている。

【０００６】ここで、上述のエッチング・ガスの中に
は、ＣＨＦ₃のように分子内に構成元素として水素を有
する化合物を使用したり、あるいはＨ₂を添加ガスとし
て使用するなど、何らかの形で水素を含んでいるものが
多い。これは、プラズマ中に発生するＨ^*で過剰なＦ^*
を捕捉し、ＨＦ（フッ化水素）の形でエッチング反応系
外へ除去するためである。これにより、エッチング反応
系の見掛け上のＣ／Ｆ比が増大し、炭素系ポリマーの生
成が促進される。ただし、この炭素系ポリマーは、Ｓｉ
Ｏ₂系材料層の上ではここから供給されるＯ原子により
燃焼反応が起こるので堆積せず、もっぱらＳｉ系材料層
の上に堆積して高選択化に寄与している。上述のＣ／Ｆ
比の概念や高選択性が達成される機構については、Ｊ．
Ｖａｃ．Ｓｃｉ．Ｔｅｃｈ．，１６（２），Ｐ．３９１
（１９７９）に詳述されている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】このように、従来の酸
化シリコン系材料層のエッチングでは、実用上十分な選
択比を得るために、分子内に水素を構成元素として有す
るフルオロカーボン系ガスを使用するか、もしくはＨ₂
や炭化水素系ガスをガス系に添加することが必要であっ
た。しかし、デザイン・ルールの微細化と共に、これら
のエッチング・ガス系に含まれる水素の影響が無視でき
なくなってきた。

【０００８】たとえば、ＡｐｐｌｉｅｄＰｈｙｓｉｃ
ｓＬｅｔｔｅｒｓ１９８８年第５３巻１８号，１７
３５〜１７３７ページには、水素プラズマによる単結晶
シリコンの欠陥誘発が報告されている。つまり、水素プ
ラズマ中に生成するＨ⁺はイオン半径も質量も極めて小
さいため、シリコン基板へ注入されると大きな飛程で侵
入し、その後のプロセスにおいて結晶欠陥を誘発する核
として作用するのである。

【０００９】半導体装置の製造分野では、前述のように
枚葉処理が主流となりつつあり、ドライエッチング装置
としても、マグネトロン放電やＥＣＲ（電子サイクロト
ロン共鳴）放電を利用して高密度プラズマを生成させな
がら高速エッチングを行うタイプの装置が多用されるよ
うになっている。このような高密度プラズマ中にウェハ
が置かれた場合、炭化水素系ガスから放電解離により生
成するＨ⁺がシリコン基板へ大きなダメージを与えるこ
とは十分に予測される。

【００１０】また、結晶欠陥までには至らなくとも、Ｈ
⁺の注入により引き起こされる結晶歪みがコンタクト抵
抗の増大につながることが懸念される。

【００１１】そこで、通常のプロセスでは、シリコン基
板の表層部から数十ｎｍの深さまでライトエッチを行
い、ダメージを生じた層を除去している。しかし、不純
物拡散領域の接合深さがますます浅くなっている現状で
は、このような後処理によるシリコン基板の除去量も軽
視できないレベルに達しつつある。したがって、プラズ
マ中にＨ⁺を発生させないガス系によりエッチングを行
うことが望まれている。

【００１２】この点に鑑みて、本願出願人は先に特願平
３−４０９６６号明細書において飽和または不飽和の環
状フルオロカーボン系化合物を使用するプロセスを提案
している。上記化合物は、自身の骨格構造に起因しても
ともと高いＣ／Ｆ比を有しているので、エッチング反応
系内に水素を共存させなくても比較的高い下地選択性を
達成できる。しかし、上記の化合物は環状化合物である
から最低３個の炭素原子を有し、その炭素数に応じてフ
ッ素原子数もかなり多くなっている。したがって、高密
度プラズマを生成するタイプのエッチング装置を使用し
た場合には、化合物の解離が促進されて大量のＦ^*が生
成する可能性があり、高いレベルで対下地選択性を望む
ためには、いま一層のプロセスの改良が必要である。

【００１３】そこで本発明は、下地のＳｉ基板へダメー
ジを惹起させることなく選択性に優れる酸化シリコン系
材料層のエッチングを行う方法を提供することを目的と
する。

【００１４】

【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、分子内に少なくともチオカルボニル基とフッ素
原子とを有するチオカルボニル化合物を含むエッチング
・ガスを用いて酸化シリコン系材料層をエッチングする
ことを特徴とする。

【００１５】さらに本発明は、前記エッチングの工程を
酸化シリコン系材料層を実質的にその層厚を越えない深
さまでエッチングするジャストエッチング工程と、該酸
化シリコン系材料層の残余部をエッチングするオーバー
エッチング工程とに分割し、後者のオーバーエッチング
工程においてウェハ温度を相対的に下げることを特徴と
する。

【００１６】

【作用】本発明では、分子内に少なくともチオカルボニ
ル基（＞Ｃ＝Ｓ）とフッ素原子とを有するチオカルボニ
ル化合物をエッチング・ガスの主成分として使用する。
このチオカルボニル化合物は、ＳｉＯ₂系材料層の主エ
ッチング種であるＣＦ_x ⁺，ＣＳ⁺，ＳＦ_x ⁺，Ｆ^*等
を放電解離条件下で生成する他、堆積性物質として炭素
系ポリマーと遊離のＳ（イオウ）を生成することができ
る。従来のプロセスでは、選択性の向上や異方性の確保
に寄与する堆積性物質はもっぱら炭素系ポリマーであっ
たが、今回の発明ではこれにＳが加わるわけである。し
たがって、炭素系ポリマーの堆積量を相対的に減少させ
ることができ、それだけパーティクル汚染の懸念も減少
することになる。Ｓは昇華性物質であるから、エッチン
グ終了後にウェハをおおよそ９０℃以上に加熱すれば容
易に除去することができ、これ自身は何らパーティクル
汚染源となるものではない。

【００１７】しかも、上述のようなチオカルボニル化合
物は、特に複雑な構造を有する化合物を想定しない限
り、１分子中に含まれるフッ素原子の数がある程度限ら
れており、一般には上述の環状フルオロカーボン化合物
のように大量のＦ^*をプラズマ中に放出することはな
い。したがって、従来のようにエッチング反応系に水素
を特に関与させなくとも、Ｃ／Ｆ比を実用上十分に高い
値に保ことができる。このように、高選択性を達成しな
がら低ダメージ性，低汚染性も達成できる点が、本発明
の大きなメリットである。

【００１８】また本発明では、下地のＳｉ系材料層に対
する選択性を一層向上させるため、エッチングをジャス
トエッチング工程とオーバーエッチング工程とに２段階
化し、ウェハ温度をオーバーエッチング工程において相
対的に低下させることも提案する。オーバーエッチング
工程においては、エッチングの対象となる酸化シリコン
系材料層が減少し、ウェハ上の少なくとも一部の領域で
はＳｉ基板等の下地材料層が露出している。したがっ
て、ジャストエッチング工程に比べてオーバーエッチン
グ工程のウェハ温度を低く設定すれば、オーバーエッチ
ング工程において炭素系ポリマーやＳの堆積が促進さ
れ、下地材料層の露出面を効果的にエッチングから保護
することができるわけである。

【００１９】

【実施例】以下、本発明の具体的な実施例について説明
する。

【００２０】実施例１本実施例は、本発明をコンタクト・ホール加工に適用
し、ＣＳＦ₂（フッ化チオカルボニル）を用いてＳｉＯ
₂層間絶縁膜をエッチングした例である。このプロセス
を、図１を参照しながら説明する。本実施例においてサ
ンプルとして使用したウェハは、図１（ａ）に示される
ように、予め不純物拡散領域２が形成された単結晶シリ
コン基板１上にＳｉＯ₂層間絶縁膜３が形成され、さら
に該ＳｉＯ₂層間絶縁膜３のエッチング・マスクとして
厚さ約１μｍのレジスト・パターン４が形成されてなる
ものである。上記レジスト・パターン４は、ノボラック
系ポジ型フォトレジスト材料（東京応化工業社製；商品
名ＴＳＭＲ−Ｖ３）を用い、ｇ線ステッパによるフォト
リソグラフィと現像処理により約０．５μｍ径の開口部
４ａが設けられてなるものである。

【００２１】上記ウェハを、ＲＦバイアス印加型の有磁
場マイクロ波プラズマ・エッチング装置のウェハ載置電
極上にセットした。ここで、上記ウェハ載置電極は冷却
配管を内蔵しており、装置外部に接続されるチラー等の
冷却設備から該冷却配管に冷媒を供給して循環させるこ
とにより、エッチング中のウェハ温度を所定の温度に制
御することが可能となされている。一例として、下記の
条件でＳｉＯ₂層間絶縁膜３のエッチングを行った。

【００２２】ＣＳＦ₂流量５０ＳＣＣＭガス圧０．５Ｐａマイクロ波パワー１２００Ｗ（２．４５ＧＨ
ｚ）ＲＦバイアス・パワー２５０Ｗ（８００ｋＨｚ）磁場強度１．５０×１０^-2Ｔ（＝１５０Ｇ）ウェハ温度２０℃（エタノール系冷
媒使用）

【００２３】このエッチング過程では、開口部４ａ内に
露出するＳｉＯ₂層間絶縁膜３の表面において、ＣＳＦ
₂から解離生成したＦ^*によるラジカル反応が、同じく
ＣＳＦ₂から生成したＣＦ_x ⁺，ＣＳ⁺，ＳＦ_x ⁺等の
イオンの入射エネルギーにアシストされる機構でエッチ
ングが進行した。このとき、ＣＳＦ₂からは同時に炭素
系ポリマーやＳも生成し、これらの堆積性物質が原理的
にイオンの垂直入射が起こらないパターン側壁部に堆積
して側壁保護効果を発揮するので、上記エッチングは異
方的に進行した。

【００２４】さらに、下地の単結晶シリコン基板１（正
確には不純物拡散領域２）が露出すると、その露出面に
炭素系ポリマーとＳが堆積してエッチング速度が大幅に
低下し、対Ｓｉ選択比として約１２の高い値が達成され
た。また、上記のエッチング反応系には水素が含まれて
いないため、エッチング後のウェハの断面をＴＥＭ（透
過型電子顕微鏡）で観察しても、Ｈ⁺に起因する基板ダ
メージの発生は認められなかった。

【００２５】このエッチングにより、図１（ｂ）に示さ
れるように、異方性形状を有するコンタクト・ホール５
を形成することができた。

【００２６】エッチング終了後、ウェハを約１００℃に
加熱したところ、パターン側壁部および不純物拡散領域
２の露出面上に堆積したＳは、容易に昇華除去された。
さらに、Ｏ₂プラズマ・アッシングにてレジスト・パタ
ーン４を除去する際に、側壁保護に寄与した炭素系ポリ
マー、および残余のＳも完全に燃焼除去され、ウェハ上
には何らパーティクル汚染が発生することはなかった。

【００２７】実施例２本実施例では、同じくコンタクト・ホール加工におい
て、ＣＳＦ₂を用いたＳｉＯ₂層間絶縁膜のエッチング
をジャストエッチング工程とオーバーエッチング工程の
２段階に分け、後者の工程でウェハ温度を相対的に低下
させて選択性をより一層向上させた例である。このプロ
セスを、図２および前出の図１を参照しながら説明す
る。

【００２８】本実施例では、それぞれウェハ温度設定の
異なる２個のエッチング・チャンバをウェハ・ハンドリ
ング・ユニットを介して高真空下に連結したマルチ・チ
ャンバ型のマグネトロンＲＩＥ（反応性イオン・エッチ
ング）装置を用いた。まず、一方のエッチング・チャン
バにおいて、一例として下記の条件で層間絶縁膜３を約
０．９μｍだけエッチング（ジャストエッチング）し
た。

【００２９】ＣＳＦ₂流量５０ＳＣＣＭガス圧３ＰａＲＦパワー密度７．９Ｗ／ｃｍ
²（１３．５６ＭＨｚ）磁場強度１．５０×１０^-2Ｔ（＝１５０
Ｇ）自己バイアス電位（Ｖ_dc） −２００Ｖウェハ温度２０℃（エタノー
ル系冷媒使用）このジャストエッチング工程では、実施例１で上述した
機構により異方性エッチングが進行し、図２に示される
ように、コンタクト・ホール５が途中まで形成された。
コンタクト・ホール５の底部には、層間絶縁膜３の残余
部３ａが約０．１μｍ残存していた。

【００３０】次に、ウェハを別のエッチング・チャンバ
に移設し、一例として下記の条件で上記残余部３ａをエ
ッチング（オーバーエッチング）した。ＣＳＦ₂流量５０ＳＣＣＭガス圧３ＰａＲＦパワー密度３．９Ｗ／ｃｍ
²（１３．５６ＭＨｚ）磁束密度１．５０×１０^-2Ｔ（＝１５０
Ｇ）自己バイアス電位（Ｖ_dc） −８０Ｖウェハ温度 −６０℃（エタノー
ル系冷媒使用）このオーバーエッチング工程では、ジャストエッチング
工程におけるよりもウェハ温度を低下させたことによ
り、炭素系ポリマーとＳの堆積が促進され、かつＦ^*の
反応性が低下した。したがって、通常ならばラジカル・
モードにより高速にエッチングされてしまう下地の単結
晶シリコン基板１に対して、５０以上もの高選択比が達
成された。しかも、ＲＦパワー密度と自己バイアス電位
が低減されているため入射イオン・エネルギーが低減さ
れ、イオンによる照射損傷も回避することができた。Ｈ
⁺によるダメージも、もちろん発生しなかった。

【００３１】以上、本発明を２例の実施例にもとづいて
説明したが、本発明はこれらの実施例に何ら限定される
ものではない。たとえば、上述の実施例では、チオカル
ボニル化合物としてＣＳＦ₂を使用した。この化合物
は、構造上はチオカルボニル基の炭素原子上に２個のフ
ッ素原子が結合したものである。本発明において用いら
れるチオカルボニル化合物としては、このフッ素原子の
１個がＣｌ，Ｂｒ，Ｉ等の他のハロゲン原子に置換され
たものも使用可能である。ただし、原子間結合エネルギ
ーの大小関係がＳｉ−Ｆ＞Ｓｉ−Ｏ＞Ｓｉ−Ｃｌ（Ｂｒ）≫Ｓｉ−Ｓｉであることを考慮すると、ＳｉＯ₂系材料層のエッチン
グ種としてはフッ素が有効である。また、Ｃｌ，Ｂｒ等
は通常シリコン系材料層のエッチング種として使用され
ており、これらのハロゲン原子を１分子中に多く含有す
る化合物は、下地選択性を低下させる虞れが大きい。し
たがって、本発明で使用するチオカルボニル化合物とし
ては、水素原子を含まず、ハロゲン原子としては主とし
てフッ素を含む化合物がやはり好ましい。

【００３２】また、本発明によりエッチングされる酸化
シリコン系材料層は、上述のＳｉＯ₂に限られるもので
はなく、ＰＳＧ，ＢＳＧ，ＢＰＳＧ，ＡｓＳＧ，ＡｓＰ
ＳＧ，ＡｓＢＳＧ等であっても良い。その他、ウェハの
構成、使用するエッチング装置、エッチング条件等は適
宜変更可能であることは言うまでもない。

【００３３】

【発明の効果】以上の説明からも明らかなように、本発
明ではフッ素原子を構成元素として有し、かつ水素原子
を有しないチオカルボニル化合物をエッチング・ガスの
主体とすることにより、下地のシリコン系材料層にＨ⁺
に起因するダメージを与えることなく酸化シリコン系材
料層の高選択エッチングを行うことが可能となる。しか
も、堆積性物質として従来の炭素系ポリマーに加えてＳ
を利用できるようになるため、側壁保護や下地選択性の
達成に寄与する炭素系ポリマーの堆積量を相対的に減少
させることができ、パーティクル汚染も大幅に低減させ
ることができる。

【００３４】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，高性能，高信頼性が要求さ
れる半導体装置の製造に極めて好適である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明をコンタクト・ホール加工に適用したプ
ロセス例をその工程順にしたがって示す概略断面図であ
り、（ａ）はＳｉＯ₂層間絶縁膜上にレジスト・パター
ンが形成された状態、（ｂ）はコンタクト・ホールが開
口された状態をそれぞれ表す。

【図２】本発明をコンタクト・ホールに適用した他のプ
ロセス例において、コンタクト・ホールが途中まで形成
された状態を示す概略断面図である。

【符号の説明】

１・・・単結晶シリコン基板２・・・不純物拡散領域３・・・ＳｉＯ₂層間絶縁膜３ａ・・・（ＳｉＯ₂層間絶縁膜の）残余部４・・・レジスト・パターン４ａ・・・開口部５・・・コンタクト・ホール

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】分子内に少なくともチオカルボニル基と
フッ素原子とを有するチオカルボニル化合物を含むエッ
チング・ガスを用いて酸化シリコン系材料層をエッチン
グすることを特徴とするドライエッチング方法。
【請求項２】分子内に少なくともチオカルボニル基と
フッ素原子とを有するチオカルボニル化合物を含むエッ
チング・ガスを用いて酸化シリコン系材料層を実質的に
その層厚を越えない深さまでエッチングするジャストエ
ッチング工程と、前記ジャストエッチング工程におけるよりもウェハ温度
を低下させた条件で前記エッチング・ガスを用いて前記
酸化シリコン系材料層の残余部をエッチングするオーバ
ーエッチング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。