JP3116570B2

JP3116570B2 - ドライエッチング方法

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Publication number: JP3116570B2
Application number: JP04170979A
Authority: JP
Inventors: 敏治柳田
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 1992-06-29
Filing date: 1992-06-29
Publication date: 2000-12-11
Anticipated expiration: 2015-12-11
Also published as: JPH0613350A

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
微細なホール加工等においてマイクロローディング効果
を抑制し、かつ選択性、高速性、低ダメージ性、低汚染
性のいずれにも優れるシリコン化合物層のドライエッチ
ング方法に関する。

【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（ＳｉＯ₂）に代表されるシリコ
ン化合物層のドライエッチングについても技術的要求が
ますます厳しくなっている。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、ウェハ１枚当たりのエッ
チング速度を大幅に向上させなければならない。

【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等に、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】従来からＳｉＯ₂系材料層のエッチング
は、強固なＳｉ−Ｏ結合を切断するために、イオン性を
高めたモードで行われている。典型的なエッチング・ガ
スは、ＣＨＦ₃，ＣＦ₄等であり、これらから生成する
ＣＦ_x ⁺の入射イオン・エネルギーを使用している。し
かし、高速エッチングを行うためにはこの入射イオン・
エネルギーを高めることが必要であり、エッチング反応
が物理的なスパッタ反応に近くなるため、高速性と選択
性とが常に背反していた。

【０００５】そこで通常は、エッチング・ガスにＨ₂や
堆積性の炭化水素系ガス等を添加してエッチング反応系
の見掛け上のＣ／Ｆ比（炭素原子数とフッ素原子数の
比）を増大させ、エッチング反応と競合して起こる炭素
系ポリマーの堆積を促進することにより高選択性を達成
している。

【０００６】これら従来のエッチング・ガスに代わり、
本願出願人は先に特開平３−２７６６２６号公報におい
て、炭素数２以上の飽和ないし不飽和の高次鎖状フルオ
ロカーボン系ガスを使用するシリコン化合物層のドライ
エッチング方法を提案している。これは、Ｃ₂Ｆ₆，Ｃ
₃Ｆ₈，Ｃ₄Ｆ₁₀，Ｃ₄Ｆ₈等のフルオロカーボン系ガ
スを使用することにより１分子から大量のＣＦ_x ⁺を効
率良く生成させ、エッチングの高速化を図ったものであ
る。ただし、高次鎖状フルオロカーボン系ガスを単独で
使用するのみではＦ^*の生成量も多くなり、対レジスト
選択比および対シリコン下地選択比を十分に大きくとる
ことができない。たとえばＣ₃Ｆ₈をエッチング・ガス
としてシリコン基板上のＳｉＯ₂層をエッチングした場
合、高速性は達成されるものの、対レジスト選択比が
１．３程度と低く、エッチング耐性が不足する他、パタ
ーン・エッジの後退により寸法変換差が発生してしま
う。また、対シリコン選択比も４．２程度であるので、
オーバーエッチング耐性にも問題が残る。

【０００７】そこで、これらの問題を解決するために上
記の先行技術では高次鎖状フルオロカーボン系ガス単独
によるエッチングは下地が露出する直前で停止し、シリ
コン化合物層の残余部をエッチングする際には炭素系ポ
リマーの堆積を促進するために上記化合物にさらにエチ
レン（Ｃ₂Ｈ₄）等の炭化水素系ガスを添加するとい
う、２段階エッチングも行われている。これは、エッチ
ング反応系内にＣ原子を補給すると共に、プラズマ中に
生成するＨ^*で過剰のＦ^*を消費してＨＦに変化させ、
見掛け上のＣ／Ｆ比を高めることを目的としているので
ある。

【０００８】しかしながら、半導体装置のデザイン・ル
ールが高度に微細化されている現状では、既にエッチン
グ・マスクとの寸法変換差がほとんど許容できなくなり
つつあり、上述のような２段階エッチングを行うにして
も、１段目のエッチングにおける選択比をさらに向上さ
せることが必要となる。また、今後より一層微細化が進
行するに伴い、炭素系ポリマーによるパーティクル汚染
の影響が深刻化することも考えられるので、２段目のエ
ッチングにおける炭化水素系ガス等の堆積性ガスの使用
量もできるだけ低減させたいところである。

【０００９】かかる観点から、本発明者は先に特願平２
−２９５２２５号明細書において、被処理基板の温度を
５０℃以下に制御した状態で、分子内に少なくとも１個
の不飽和結合を有する鎖状不飽和フルオロカーボン化合
物を用いてシリコン化合物層をエッチングする技術を提
案している。上記鎖状不飽和フルオロカーボン化合物と
は、たとえばオクタフルオロブテン（Ｃ₄Ｆ₈）やヘキ
サフルオロプロペン（Ｃ₃Ｆ₆）等である。これらのガ
スは、放電解離により理論上は１分子から２個以上のＣ
Ｆ_x ⁺を生成するので、ＳｉＯ₂を高速にエッチングす
ることができる。また、分子内に不飽和結合を有するこ
とから解離により高活性なラジカルを生成させ易く、炭
素系ポリマーの重合が促進される。しかも、被処理基板
の温度が５０℃以下に制御されていることにより、上記
炭素系ポリマーの堆積が促進される。

【００１０】この技術により、堆積性ガスを用いること
なく対レジスト選択性および対シリコン下地選択性を大
幅に向上させることができ、パーティクル汚染も低減す
ることができた。

【００１１】さらに、本発明者は先に特願平３−４０９
６６号明細書において、分子構造の少なくとも一部に環
状部を有する飽和ないし不飽和フルオロカーボン化合物
を含むエッチング・ガスを用いる技術を提案している。
環状フルオロカーボン化合物は少なくとも炭素数が３以
上であり、しかも炭素数の等しい鎖状フルオロカーボン
化合物と比べてＣ／Ｆ比が高いので、大量のＣＦ_x ⁺に
よる高速エッチングと、効率良いポリマー生成による高
選択エッチングが可能となる。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】このように、上述の鎖
状不飽和フルオロカーボン化合物、あるいは環状フルオ
ロカーボン化合物は、シリコン化合物層の高選択エッチ
ングを単独組成のエッチング・ガスで行うことを可能と
した。しかしながら、今後のさらに微細化したデザイン
・ルールの下では、たとえばコンタクト・ホール加工の
被エッチング面積がウェハ面積の５％にも満たなくなる
ほど小さくなり、マイクロローディング効果が顕在化す
ることが予想される。この問題を、図２を参照しながら
説明する。

【００１３】図２（ａ）は、一例として下層配線１１上
にＳｉＯ₂層間絶縁膜１２が形成され、さらにその上に
所定の形状にパターニングされたレジスト・マスク１３
が形成された状態のウェハを示している。ここで、上記
レジスト・マスク１３には、開口径約０．３５μｍの第
１の開口部１３ａと、開孔径約０．８μｍの第２の開口
部１３ｂが形成されている。

【００１４】次に、従来公知の高次フルオロカーボン化
合物系を用いて上記ＳｉＯ_x層間絶縁膜１２をエッチン
グすると、図２（ｂ）に示されるように、第２の開口部
１３ｂの内部では炭素系ポリマーからなる側壁保護膜１
４が形成されながら高速異方性エッチングが進行し、第
２の接続孔１２ｂが形成される。しかし、第２の接続孔
１２ｂが完成した時点でも、第１の開口部１３ａ内では
第１の接続孔１２ａの形成が終了せず、残余部１２ｃが
残る状態がしばしば観察される。これがマイクロローデ
ィング効果である。この原因は、微細なパターンの内部
において活性種の入射効率が低下すること、および炭素
系ポリマーの堆積量が過剰となることにある。炭素系ポ
リマーは本来、ＳｉＯ_x系材料層の表面では堆積がある
程度抑制されている。これは、ＳｉＯ_x系材料層からス
パッタ放出されるＯ原子により、炭素系ポリマーが燃焼
反応を起こして除去されるからである。しかし、上述の
ような微細な第１の接続孔１２ａ内では、被エッチング
面積が小さいためにスパッタ放出されるＯ原子の量も少
なく、炭素系ポリマーの堆積が過剰となり側壁保護膜１
４が厚く形成されてしまうのである。このことは、側壁
面のテーパー化も招く。つまり、炭素系ポリマーの絶え
間無い蓄積が、実質的なマスク幅を常に増大させる効果
をもたらすからである。上述のようなテーパー化は、接
続孔の開口径を縮小し、コンタクト抵抗を増大させる原
因となる。

【００１５】この後、第１の接続孔１２ａの底部におい
て残余部１２ｃが除去されるまでエッチングを続けたと
すると、第２の接続孔１２ｂの底面では図３（ｃ）に示
されるように、下層配線１１がスパッタ除去されてしま
う。かかるスパッタ除去は、下層配線１１の層厚を減ず
ることはもちろんであるが、スパッタ生成物が接続孔の
側壁面上に堆積して再付着層を形成すると、この再付着
物層により上層配線の形成が困難となったり、パーティ
クルが増大する原因となる。

【００１６】さらに別の課題として、パーティクル汚染
を一層低減させることが必要である。鎖状不飽和フルオ
ロカーボン化合物、環状フルオロカーボン化合物等を用
いる技術は、選択比確保のメカニズムがエッチング反応
と競合的に進行する炭素系ポリマーの堆積によって達成
される点では従来と何ら変わりがない。したがって、ウ
ェハ処理枚数を重ねればやはりエッチング・チャンバ内
に炭素系ポリマーが蓄積され、パーティクル・レベルが
悪化してしまうのである。したがって、パーティクル汚
染が低減できたとしても、エッチング・チャンバをクリ
ーニングするためのメンテナンス頻度が減少するといっ
た程度の改善にとどまっているのが現状である。

【００１７】そこで本発明は、マイクロローディング効
果を抑制し、高速性，高選択性，低ダメージ性，低汚染
性に優れるシリコン化合物層のドライエッチング方法を
提供することを目的とする。

【００１８】

【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、炭素数２以上のフルオロカーボン側鎖を有する
スルホン酸、炭素数２以上のフルオロカーボン側鎖を有
するスルホン酸ハロゲン化物、炭素数２以上のフルオロ
カーボン側鎖を有するスルホン酸無水物から選ばれる少
なくとも１種類の化合物を含むエッチング・ガスを用い
てシリコン化合物層をエッチングすることを特徴とす
る。

【００１９】本発明はまた、前記エッチング・ガスが、
一酸化炭素、分子内にカルボニル基，チオニル基，スル
フリル基，ニトロ基，ニトロシル基の少なくとも１種類
の官能基とハロゲン原子とを有しこれら官能基にハロゲ
ン原子が直接結合した構造を有するハロゲン化物、硫化
カルボニルから選ばれる少なくとも１種類の化合物を含
むことを特徴とする。

【００２０】本発明はさらに、前記エッチング・ガス
が、Ｓ₂Ｆ₂、ＳＦ₂、ＳＦ₄、Ｓ₂Ｆ₁₀から選ばれる
少なくとも１種類のフッ化イオウを含み、エッチング反
応系に堆積可能なＳを供給しながらエッチングを行うこ
とを特徴とする。

【００２１】ここで、上記フルオロカーボン側鎖は一般
式−Ｃ_xＦ_yで表される。ただし、ｘ，ｙはいずれも自
然数であり、ｙ≦２ｘ＋１の条件を満たす。つまり、そ
の炭素骨格は低次または高次の別、直鎖状または分枝状
の別、鎖状または環状の別、飽和または不飽和の別をい
ずれも問わない。たとえば、ｙ＝２ｘ＋１の場合は、上
記フルオロカーボン側鎖は直鎖状または分枝状のパーフ
ルオロアルキル基に相当する。また、ｙ＜２ｘ＋１の場
合は鎖状不飽和も構造上可能となり、特にｘ≧３の場合
には環状飽和や環状不飽和も可能となる。

【００２２】炭素数ｘの上限は特に制限されるものでは
ないが、そのままあるいは気化させた状態で容易にエッ
チング反応系へ導入することができ、しかも分子内のＣ
／Ｓ比（Ｃ原子数とＳ原子数の比）やＣ／Ｏ比（Ｃ原子
数とＯ原子数の比）が大きくなり過ぎない範囲で適宜選
択すれば良い。このことは、後述するように、炭素系ポ
リマーの過剰な堆積をＯ^*による燃焼とＳによる堆積物
の一部代替により防止するという本発明の意図を徹底さ
せる上で重要である。

【００２３】上記ハロゲン化合物のうち分子内にカルボ
ニル基を１個有するものとしては、ＣＯＦ₂（フッ化カ
ルボニル）、ＣＯＣｌ₂（塩化カルボニル、別名ホスゲ
ン），ＣＯＢｒ₂（臭化カルボニル；液体），ＣＯＣｌ
Ｆ（塩化フッ化カルボニル），ＣＯＢｒＦ（臭化フッ化
カルボニル），ＣＯＩＦ（ヨウ化フッ化カルボニル；液
体）等がある。また、分子内にカルボニル基を２個有す
るものとしては、Ｃ₂Ｆ₂Ｏ₂（フッ化オキサリル；液
体），Ｃ₂Ｃｌ₂Ｏ₂（塩化オキサリル；液体），Ｃ₂
Ｂｒ₂Ｏ₂（臭化オキサリル；液体）等がある。

【００２４】分子内にチオニル基を有するハロゲン化合
物としては、ＳＯＦ₂（フッ化チオニル），ＳＯＦ
₄（四フッ化チオニル），ＳＯＣｌ₂（塩化チオニル；
液体），ＳＯＢｒ₂（臭化チオニル；液体），ＳＯＣｌ
Ｂｒ（塩化臭化チオニル；液体）等がある。分子内にス
ルフリル基を有するハロゲン化合物としては、ＳＯ₂Ｆ
₂（フッ化スルフリル），ＳＯ₂Ｃｌ₂（塩化スルフリ
ル；液体），ＳＯ₂ＣｌＦ（塩化フッ化スルフリル），
ＳＯ₂ＢｒＦ（臭化フッ化スルフリル；液体）等があ
る。

【００２５】分子内にニトロシル基を有するハロゲン化
合物としては、ＮＯＦ（フッ化ニトロシル），ＮＯＣｌ
（塩化ニトロシル），ＮＯＣｌ₂（二塩化ニトロシ
ル），ＮＯＣｌ₃（三塩化ニトロシル），ＮＯＢｒ（臭
化ニトロシル；液体）等がある。さらに、分子内にニト
リル基を有するハロゲン化合物としては、ＮＯ₂Ｆ（フ
ッ化ニトリル），ＮＯ₂Ｃｌ（塩化ニトリル），ＮＯ₂
Ｂｒ（臭化ニトリル）等がある。

【００２６】なお、上記日本語名の後に「液体」と記載
した化合物は常温で液体物質なので、Ｈｅ等の不活性ガ
スよるバブリングを行って気化させた後、エッチング・
チャンバ内へ導入すれば良い。「液体」の記載の無いも
のは、すべて気体である。

【００２７】

【作用】本発明者はまず、微細なパターンの内奥部にお
ける炭素系ポリマーの過剰な堆積を防止するために、エ
ッチング・ガスの構成成分として分子内に酸素原子を含
む化合物を用いることを考えた。つまり、被エッチング
領域からのＯ原子の放出量の不足を、気相中から補うわ
けである。

【００２８】さらに本発明者は、炭素系ポリマーの堆積
量そのものを減少させても十分な側壁保護効果もしくは
表面保護効果が得られるよう、炭素系ポリマーを一部代
替する物質として、イオウ（Ｓ）に着目した。Ｓは昇華
性物質であるため、ウェハがおおよそ室温以下に冷却さ
れていれば容易にその表面に堆積する。このとき、Ｓｉ
Ｏ_x系材料層のようにスパッタによりＯ原子を放出する
材料層の上では、ＳＯ _xの形で除去されるので堆積せ
ず、主として側壁保護、露出したシリコン系下地の表面
保護、レジスト・マスクの表面保護等に寄与するのであ
る。しかも、このＳは、エッチング終了後に通常のＯ₂
プラズマ・アッシングによりレジスト・マスクを除去す
る際に、同時に燃焼除去することができる。あるいは、
ウェハをおおよそ９０°以上に加熱するだけでも昇華除
去することができる。いずれにしても、Ｓはパーティク
ル汚染源となる虞れがない。

【００２９】本発明において、エッチング・ガスの主成
分として用いられる化合物、すなわち、フルオロカーボ
ン側鎖をそれぞれ有するスルホン酸、スルホン酸ハロゲ
ン化物、スルホン酸無水物は、上述のＯ原子とＳ原子、
および従来からのシリコン系化合物層のエッチング種で
あるＣＦ_x ⁺のすべてを単一の化合物から供給すること
を目的として選択されたものである。ここで、Ｏ原子と
Ｓ原子はスルホン酸基（−ＳＯ₃Ｈ）、もしくはここか
ら誘導された−ＳＯ₂Ｘ，−ＳＯ₂−Ｏ−ＳＯ ₂−の各
原子団が放電解離することにより生成する。Ｓの堆積に
より高選択加工に必要な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、しかもこの炭素系ポリマー
の一部はＯ原子により燃焼除去されるので、本発明にお
ける炭素系ポリマーの堆積量は必要最小量となる。した
がって、微細なコンタクト・ホールの内部等における炭
素系ポリマーの過剰堆積を防止することができ、マイク
ロローディング効果を抑制することができる。

【００３０】一方のＣＦ_x ⁺は、フルオロカーボン側鎖
が放電解離することにより生成する。このフルオロカー
ボン側鎖の炭素数ｘが２以上であれば、本発明者が先に
提案している高次フルオロカーボン化合物と同様に高速
エッチングが可能となり、さらに不飽和結合または環状
骨格を有していれば、効率良い炭素系ポリマーの重合が
進行する。

【００３１】本発明は、以上のような考え方を基本とし
ているが、さらに還元作用によるＳｉＯ_x系材料層から
のＯ原子の引き抜き、炭素系ポリマーの膜質の強化、イ
オウの堆積の増強等を通じて一層の高速化、高選択化、
低ダメージ化、低汚染化等を図る方法も提案する。これ
らを実現するひとつの方法として、まず一酸化炭素（Ｃ
Ｏ）、分子内にカルボニル基（＞Ｃ＝Ｏ），チオニル基
（＞Ｓ＝Ｏ），スルフリル基（＞ＳＯ₂），ニトロシル
基（−Ｎ＝Ｏ），ニトリル基（−ＮＯ₂）のいずれかの
官能基とハロゲン原子とを含むハロゲン化合物、または
硫化カルボニル（ＣＯＳ；分子構造はＳ＝Ｃ＝Ｏ）をエ
ッチング・ガスに添加する。

【００３２】上記の各化合物においては、Ｃ原子とＯ原
子との間の結合、Ｓ原子とＯ原子との間の結合、Ｎ原子
とＯ原子との間の結合にそれぞれ電気双極子が存在し、
高い重合促進活性を有している。したがって、かかる官
能基もしくはこれに由来する原子団がプラズマ中に存在
することにより、炭素系ポリマーの重合度が上昇し、イ
オン入射やラジカルの攻撃に対する耐性を高めることが
できる。さらに、炭素系ポリマーに上述の官能基が導入
されると、単に−ＣＸ₂−（Ｘはハロゲン原子）の繰り
返し構造からなる従来の炭素系ポリマーよりも化学的，
物理的安定性が増すことが、近年の研究により明らかと
なっている。これは、上述のような官能基の導入により
炭素系ポリマーの極性が増大し、エッチング中は負に帯
電しているウェハに対してその静電吸着力が高まるため
であると解釈されている。したがって、レジスト材料や
Ｓｉ系材料に対して高選択性を達成するために必要な炭
素系ポリマーの堆積量はごく僅かで済み、従来技術に比
べてより徹底した低汚染化を図ることができるのであ
る。

【００３３】また上記の官能基は、エッチングの高速化
にも寄与している。すなわち、上記の官能基から生成可
能なＣＯ^*，ＳＯ^*，ＳＯ₂ ^*，ＮＯ^*等のラジカルは
強い還元作用を有しており、ＳｉＯ₂中のＯ原子を引き
抜くことができる。これは、２原子分子の生成熱から算
出された原子間結合エネルギーがＣ−Ｏ結合では２５７
ｋｃａｌ／ｍｏｌ，Ｓ−Ｏ結合では１２５ｋｃａｌ／ｍ
ｏｌ，Ｎ−Ｏ結合では１５１ｃａｌ／ｍｏｌであって、
結晶中におけるＳｉ−Ｏ結合の１１１ｋｃａｌ／ｍｏｌ
と比べていずれも大きいことからも理解される。Ｏ原子
が引き抜かれた後のＳｉ原子は、上記ハロゲン化合物か
ら解離生成したハロゲン・ラジカルと結合することによ
り、ハロゲン化物の形で速やかに除去される。つまり本
発明では、Ｓｉ−Ｏ結合の切断を、ＣＦ_x ⁺イオンによ
る従来の物理的なスパッタ作用のみならず、化学的な作
用も利用して行うことができるようになる。しかも、本
発明で使用するＣＯ、ハロゲン化合物、あるいはＣＯＳ
は、レジスト材料や下地のＳｉ系材料には何ら作用を及
ぼさず、これらの材料のエッチング速度は低速に維持さ
れる。

【００３４】また、特にＣＯＳを使用した場合には、Ｓ
を堆積させることも可能である。

【００３５】さらに、Ｓの堆積を増強したい場合には、
Ｓ₂Ｆ₂，ＳＦ₂，ＳＦ₄，Ｓ₂Ｆ ₁₀から選ばれる少な
くとも１種類のフッ化イオウをエッチング・ガスに添加
する。ここで使用されるフッ化イオウは、本願出願人が
先に特開平４−８４４２７号公報において、ＳｉＯ₂系
材料層のエッチング用に提案した化合物である。フッ化
イオウから生成する主エッチング種は、ＳＦ_x ⁺とＦ^*
である。また上記フッ化イオウは、従来からエッチング
・ガスとして実用化されているＳＦ₆に比べてＳ／Ｆ比
（１分子中のＳ原子数とＦ原子数の比）が大きく、放電
解離条件下でプラズマ中に遊離のＳ（イオウ）を放出す
ることができる。

【００３６】このフッ化イオウをニトロシル基もしくは
ニトリル基を有するハロゲン化合物と併用した場合に
は、放出されたＳ原子がさらに該ハロゲン化合物から放
出されたＮ原子と反応し、ポリチアジル（ＳＮ）_xを主
体とする窒化イオウ系化合物が生成し、この窒化イオウ
系化合物によりＳよりもさらに強力な側壁保護作用やＳ
ｉ系下地の保護作用を発揮させることができる。しか
も、窒化イオウ系化合物はエッチング終了後に通常のＯ
₂プラズマ・アッシングによるレジトス・マスクを除去
する際に、同時に燃焼除去することができる。あるい
は、ウェハをおおよそ１３０℃以上に加熱するだけでも
昇華もしくは分解させることができる。いずれにして
も、窒化イオウ系化合物はＳと同様、パーティクル汚染
源となる虞れがない。

【００３７】

【実施例】以下、本発明の具体的な実施例について説明
する。

【００３８】実施例１本実施例は、本発明をホール加工に適用し、（ＣＦ₃Ｓ
Ｏ₂）₂Ｏ（無水トリフルオロメタンスルホン酸）を用
いてＳｉＯ₂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、予め下層配線としての不純物拡散領
域が形成された単結晶Ｓｉ基板１上にＳｉＯ₂層間絶縁
膜２を介して所定の形状にパターニングされたレジスト
・マスク３が形成されてなるものである。上記レジスト
・マスク３には、開口径約０．３５μｍの第１の開口部
３ａと、開口径約０．８μｍの第２の開口部３ｂとが開
口されている。

【００３９】上記ウェハを、マグネトロンＲＩＥ（反応
性イオン・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室温以下に制御することが
可能となされている。一例として、下記の条件でＳｉＯ
₂層間絶縁膜２のエッチングを行った。

【００４０】（ＣＦ₃ＳＯ₂）₂Ｏ流量５０ＳＣＣＭガス圧２．０ＰａＲＦパワー密度２．０Ｗ／ｃｍ²（１３．
５６ＭＨｚ）磁場強度１．５０×１０^-2Ｔ（＝１５０Ｇ）ウェハ温度 −３０℃（エタノール系冷
媒使用）

【００４１】このエッチング過程では、（ＣＦ₃Ｓ
Ｏ₂）₂Ｏから解離生成するＣＦ_x ⁺およびＦ^*により
高速エッチングが進行し、図１（ｂ）に示されるよう
に、第１の接続孔２ａと第２の接続孔２ｂが形成され
た。このとき、（ＣＦ₃ＳＯ₂）₂Ｏやレジスト・マス
ク３に由来する炭素系ポリマーが側壁保護膜（図示せ
ず。）を形成することにより、高異方性も確保された。
ただし、（ＣＦ₃ＳＯ₂）₂ＯからはＯ原子も放出さ
れ、これが炭素系ポリマーの一部を燃焼除去するので、
開口径の小さい第１の接続孔２ａの内部においても炭素
系ポリマーが過剰に堆積したり、側壁面がテーパー化す
ることはなかった。つまり，マイクロローディング効果
が従来に比べて大幅に抑制され、開口径の異なるパター
ンの内部でもほぼ８５０ｎｍ／分の速度でエッチングが
進行した。また、本実施例では炭素系ポリマーの堆積量
は減少するものの、（ＣＦ₃ＳＯ₂）₂Ｏから放出され
るＳが側壁保護に寄与するため、異方性は何ら劣化する
ことがなかった。なお、このＳは、レジスト・マスク３
や単結晶Ｓｉ基板１の露出面上にも堆積し、レジスト選
択性と下地選択性の向上に寄与した。

【００４２】しかし、マイクロローディング効果は従来
に比べれば大幅に抑制できるものの、条件によってはや
はり完全には抑制し切れず、微細な第１の接続孔２ａの
底面にＳｉＯ₂層間絶縁膜２の残余部２ｃが僅かに残る
場合もある。そこで、この残余部２ｃを除去するために
オーバーエッチングを行った。このとき、第２の接続孔
２ｂの底面には既に下地の単結晶Ｓｉ基板１が露出して
いるが、残余部２ｃの厚さがもともと少ないこと、ウェ
ハが低温冷却されＦ^*の反応性が低下していること等の
理由により、この単結晶Ｓｉ基板１の表面が大きく浸触
されることはなかった。このときの対Ｓｉ選択比は、約
２５であった。

【００４３】最終的には、図１（ｃ）に示されるよう
に、第１の接続孔２ａと第２の接続孔２ｂが共に良好な
異方性形状と高選択性をもって形成された。また、本実
施例では気相中にＯ原子が放出されるが、（ＣＦ₃ＳＯ
₂）₂Ｏの分子内におけるＣ原子数、Ｓ原子数、Ｏ原子
数のバランスから考えてレジスト・マスク３に対する選
択比が大きく低下することはなく、約６の値が維持され
た。

【００４４】実施例２本実施例は、同じホール加工を、ＣＦ₃（ＣＦ₂）₃Ｓ
Ｏ₂Ｆ（ノナフルオロブタンスルホン酸フロリド）を用
いて行った例である。エッチング・サンプルとして使用
したウェハは図１（ａ）に示したものと同じである。エ
ッチング条件は、一例として下記のとおりとした。

【００４５】ＣＦ₃（ＣＦ₂）₃ＳＯ₂Ｆ流量５０ＳＣＣＭガス圧２．０ＰａＲＦパワー密度２．２Ｗ／ｃｍ
²（１３．５６ＭＨｚ）磁場強度１．５０×１０^-2Ｔ（＝１５０
Ｇ）ウェハ温度 −３０℃（エタノー
ル系冷媒使用）ここでは、ＣＦ₃（ＣＦ₂）₃ＳＯ₂ＦのＣ／Ｓ比、Ｃ
／Ｏ比が実施例１で使用した（ＣＦ₃ＳＯ₂）₂Ｏに比
べていずれも高いので、実施例１よりもＲＦパワー密度
をやや上げてイオン入射エネルギーを高めた。これによ
り、炭素系ポリマーの過剰な堆積を防止し、マイクロロ
ーディング効果を抑制しながら高速、高選択エッチング
を行うことができた。

【００４６】実施例３本実施例では、同じホール加工を（ＣＦ₃ＳＯ₂）₂Ｏ
／ＣＯ混合ガスを用いて行った。図１（ａ）に示したウ
ェハをマグネトロンＲＩＥ装置にセットし、一例として
下記の条件でＳｉＯ₂層間絶縁膜２をエッチングした。

【００４７】（ＣＦ₃ＳＯ₂）₂Ｏ流量３５ＳＣＣＭＣＯ流量１５ＳＣＣＭガス圧２．０ＰａＲＦパワー密度１．５Ｗ／ｃｍ²（１
３．５６ＭＨｚ）磁場強度１．５０×１０^-2Ｔ（＝１５０Ｇ）ウェハ温度０℃（エタノール系
冷媒使用）

【００４８】このエッチング過程では、ＣＯ^*によるＳ
ｉＯ₂層間絶縁膜２の表面からのＯ原子引き抜き反応
が、ＣＦ_x ⁺による物理的なエッチング反応の進行を化
学的にアシストする。したがって、実施例１よりもイオ
ン入射エネルギーを低下させた条件であるにも係わら
ず、高速異方性エッチングを行うことができた。しか
も、この低エネルギー化によりレジスト・マスク３や単
結晶Ｓｉ基板１に対する選択比が向上するため、ウェハ
の冷却温度を実施例１よりも室温域に近づけることがで
きた。

【００４９】実施例４本実施例では、同じホール加工を（ＣＦ₃ＳＯ₂）₂Ｏ
／ＣＯＦ₂混合ガスを用いて行った。図１（ａ）に示し
たウェハをマグネトロンＲＩＥ装置にセットし、一例と
して下記の条件でＳｉＯ₂層間絶縁膜２をエッチングし
た。

【００５０】（ＣＦ₃ＳＯ₂）₂Ｏ流量３５ＳＣＣＭＣＯＦ₂流量１５ＳＣＣＭガス圧２．０ＰａＲＦパワー密度１．５Ｗ／ｃｍ²（１
３．５６ＭＨｚ）磁場強度１．５０×１０^-2Ｔ（＝１５０Ｇ）ウェハ温度０℃（エタノール系
冷媒使用）

【００５１】このエッチング過程では、ＣＯＦ₂の放電
解離生成物の一部がカルボニル基やＣ−Ｏ結合等の形で
炭素系ポリマーに導入されることにより炭素系ポリマー
の膜質が強化され、少ない堆積量でも入射イオンのスパ
ッタリング作用に対して優れた耐性を発揮した。また、
ＣＯＦ₂から解離生成するＣＯ^*によるＯ原子引き抜き
反応がＣＦ_x ⁺によるＳｉＯ₂のエッチングを促進し
た。この結果、実施例１よりも入射イオン・エネルギー
が低く、またウェハ温度が高いにも係わらず、高速、高
選択エッチングを行うことができた。さらに、炭素系ポ
リマーの堆積量が低減できることにより、パーティクル
汚染も大幅に抑制することができた。

【００５２】実施例５本実施例では、同じホール加工を（ＣＦ₃ＳＯ₂）₂Ｏ
／ＳＯＦ₂混合ガスを用いて行った。図１（ａ）に示し
たウェハをマグネトロンＲＩＥ装置にセットし、一例と
して下記の条件でＳｉＯ₂層間絶縁膜２をエッチングし
た。

【００５３】（ＣＦ₃ＳＯ₂）₂Ｏ流量３５ＳＣＣＭＳＯＦ₂流量１５ＳＣＣＭガス圧２．０ＰａＲＦパワー密度１．４Ｗ／ｃｍ²（１
３．５６ＭＨｚ）磁場強度１．５０×１０^-2Ｔ（＝１５０Ｇ）ウェハ温度０℃（エタノール系
冷媒使用）

【００５４】このエッチング過程では、ＳＯＦ₂の放電
解離生成物の一部がチオニル基やＳ−Ｏ結合等の形で炭
素系ポリマーに導入されることにより炭素系ポリマーの
膜質が強化され、少ない堆積量でも入射イオンのスパッ
タリング作用に対して優れた耐性を発揮した。また、Ｓ
ＯＦ₂から解離生成するＳＯ^*によるＯ原子引き抜き反
応がＣＦ_x ⁺によるＳｉＯ₂のエッチングを促進した。
この結果、実施例１よりも入射イオン・エネルギーが低
く、またウェハ温度が高いにも係わらず、高速、高選択
エッチングを行うことができた。

【００５５】実施例６本実施例では、同じホール加工を（ＣＦ₃ＳＯ₂）₂Ｏ
／ＣＯＳ混合ガスを用いて行った。図１（ａ）に示した
ウェハをマグネトロンＲＩＥ装置にセットし、一例とし
て下記の条件でＳｉＯ₂層間絶縁膜２をエッチングし
た。

【００５６】（ＣＦ₃ＳＯ₂）₂Ｏ流量３０ＳＣＣＭＣＯＳ流量２０ＳＣＣＭガス圧２．０ＰａＲＦパワー密度１．２Ｗ／ｃｍ²（１
３．５６ＭＨｚ）磁場強度１．５０×１０^-2Ｔ（＝１５０Ｇ）ウェハ温度０℃（エタノール系
冷媒使用）

【００５７】このエッチング過程では、ＣＯ^*によるＯ
原子引き抜き反応、カルボニル基やＣ−Ｏ結合等の導入
による炭素系ポリマーの膜質強化に加え、ＣＯＳから解
離生成するＳもウェハの表面保護に寄与するという効果
が得られた。これにより、入射イオン・エネルギーを一
層低下させることができた。また、ウェハの表面保護に
おける炭素系ポリマーの寄与が相対的に低下することに
より、一層の低汚染化を図ることができた。

【００５８】実施例７本実施例では、同じホール加工を（ＣＦ₃ＳＯ₂）₂Ｏ
／Ｓ₂Ｆ₂混合ガスを用いて行った。図１（ａ）に示し
たウェハをマグネトロンＲＩＥ装置にセットし、一例と
して下記の条件でＳｉＯ₂層間絶縁膜２をエッチングし
た。

【００５９】（ＣＦ₃ＳＯ₂）₂Ｏ流量３０ＳＣＣＭＳ₂Ｆ₂流量２０ＳＣＣＭガス圧２．０ＰａＲＦパワー密度１．２Ｗ／ｃｍ²（１
３．５６ＭＨｚ）磁場強度１．５０×１０^-2Ｔ（＝１５０Ｇ）ウェハ温度１０℃（水冷）

【００６０】このプロセスでは、Ｓ₂Ｆ₂から生成する
ＳＦ_x ⁺がエッチング種として使用できる他、同じくＳ
₂Ｆ₂から効率良く生成するＳをウェハ上に堆積させ、
表面保護に利用できる点が大きな特色である。つまり、
（ＣＦ₃ＳＯ₂）₂Ｏから生成する炭素系ポリマーとＳ
に加えて、Ｓ₂Ｆ₂からもＳを供給して表面保護効果を
増強することができる。これにより、実施例６よりもウ
ェハ温度を高めたにもかかわらず、良好な高選択、異方
性エッチングを行うことができた。

【００６１】なお、ウェハ上に堆積したＳは、エッチン
グ終了後にレジスト・マスク３を通常のＯ₂プラズマ・
アッシング等の工程で除去する際に、昇華するか、もし
くは炭素系ポリマーと共に燃焼されるため、ウェハ上に
何らパーティクル汚染を残すことはなかった。

【００６２】実施例８本実施例では、同じホール加工を（ＣＦ₃ＳＯ₂）₂Ｏ
／Ｓ₂Ｆ₂／ＮＯＦ混合ガスを用いて行った。図１
（ａ）に示したウェハをマグネトロンＲＩＥ装置にセッ
トし、一例として下記の条件でＳｉＯ₂層間絶縁膜２を
エッチングした。

【００６３】（ＣＦ₃ＳＯ₂）₂Ｏ流量３０ＳＣＣＭＳ₂Ｆ₂流量１０ＳＣＣＭＮＯＦ流量１０ＳＣＣＭガス圧２．０ＰａＲＦパワー密度１．２Ｗ／ｃｍ²（１
３．５６ＭＨｚ）磁場強度１．５０×１０^-2Ｔ（＝１５０Ｇ）ウェハ温度２０℃（水冷）

【００６４】このプロセスでは、ＮＯ^*によるＯ原子引
き抜き、ニトロシル基やＮ−Ｏ結合の導入による炭素系
ポリマーの強化等に加え、Ｓ₂Ｆ₂から生成するＳ原子
とＮＯＦから生成するＮ原子が結合して、ポリマー状の
ポリチアジル（ＳＮ）_xを主体とする種々の窒化イオウ
系化合物が生成し、これらがウェハの表面保護に寄与す
る点が大きな特色である。これにより、実施例７よりも
ウェハ温度をさらに高めて室温域でエッチングを行って
いるにもかかわらず、高い選択性、異方性が達成でき
た。なお、ウェハ上に堆積した窒化イオウ系化合物は、
エッチング終了後にレジスト・マスク３を通常のＯ₂プ
ラズマ・アッシング等の工程で除去する際に、昇華する
か、もしくは炭素系ポリマーと共に燃焼されるため、ウ
ェハ上に何らパーティクル汚染を残すことはなかった。

【００６５】以上、本発明を８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、上述の各実施例で用いた化合
物以外であっても、本発明で限定される化合物を使用す
れば基本的には同様の効果が得られる。その際、エッチ
ング・ガスの主成分をなすスルホン酸，スルホン酸ハロ
ゲン化物，スルホン酸無水物と、各種ハロゲン化合物お
よび／または各種フッ化イオウとは、任意に組み合わせ
ることができる。

【００６６】シリコン化合物層は、上述のＳｉＯ₂層間
絶縁膜の他、ＰＳＧ，ＢＳＧ，ＢＰＳＧ，ＡｓＳＧ，Ａ
ｓＰＳＧ，ＡｓＢＳＧ等のＳｉＯ₂シリコン系材料、あ
るいはＳｉＮ_xからなるものであっても良い。エッチン
グ・サンプルとして用いたウェハの構成も上述の構成に
限られるものではなく、たとえばＳｉＯ₂層間絶縁膜の
下地は単結晶Ｓｉ基板以外にも、多結晶シリコン層、ポ
リサイド膜、あるいはＡｌ−１％Ｓｉ層等の金属材料層
等である場合が考えられる。

【００６７】エッチング・ガスには、スパッタリング効
果、希釈効果、冷却効果等を得る目的でＨｅ，Ａｒ等の
希ガスが適宜添加されていても構わない。その他、使用
するエッチング装置、エッチング条件等が適宜変更可能
であることは言うまでもない。

【００６８】

【発明の効果】以上の説明からも明らかなように、本発
明ではエッチング・ガスの主成分として分子内にＯ原子
とＳ原子とを有する化合物を用いることにより、炭素系
ポリマーの過剰な堆積を防止してマイクロローディング
効果を抑制し、またＳを堆積させ、これをウェハの表面
保護に寄与させることができる。上記化合物はさらにフ
ルオロカーボン側鎖を持っているので、主エッチング種
ＣＦ_x ⁺を供給することが可能であり、基本的には単独
組成のエッチング・ガスにより高速、高選択、低汚染、
低ダメージ・エッチングを行うことができる。さらに添
加ガスを使用することにより、炭素系ポリマーの強化、
Ｏ原子引き抜き反応、Ｓ堆積の増強等を通じて高速化、
低汚染化、低ダメージ化を図ることも可能である。特に
低汚染化が徹底されることにより、半導体装置の歩留り
や信頼性が大幅に向上する他、メンテナンス等の所要時
間も短縮され、生産性・経済性も改善される。

【００６９】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、高信頼性を要求され
る半導体装置の製造に極めて有効である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明を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・マスクが形成された
状態、（ｂ）は層間絶縁膜のエッチングの途中状態、
（ｃ）はＳｉＯ₂層間絶縁膜がオーバーエッチングされ
た状態をそれぞれ表す。

【図２】従来のホール加工における問題点を説明するた
めの概略断面図であり、（ａ）はＳｉＯ₂層間絶縁膜上
にレジスト・マスクが形成された状態、（ｂ）は開口径
の小さい接続孔においてエッチング速度の低下と側壁面
のテーパー化が生じた状態、（ｃ）は開口径の大きい接
続孔の底面において下層配線の浸触が生じた状態をそれ
ぞれ表す。

【符号の説明】

１・・・単結晶シリコン基板２・・・ＳｉＯ₂層間絶縁膜２ａ・・・第１の接続孔２ｂ・・・第２の接続孔３・・・レジスト・マスク

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】炭素数２以上のフルオロカーボン側鎖を
有するスルホン酸、炭素数２以上のフルオロカーボン側
鎖を有するスルホン酸ハロゲン化物、炭素数２以上のフ
ルオロカーボン側鎖を有するスルホン酸無水物から選ば
れる少なくとも１種類の化合物を含むエッチング・ガス
を用いてシリコン化合物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】前記エッチング・ガスが、一酸化炭素、
分子内にカルボニル基，チオニル基，スルフリル基，ニ
トロ基，ニトロシル基の少なくとも１種類の官能基とハ
ロゲン原子とを有しこれら官能基にハロゲン原子が直接
結合した構造を有するハロゲン化物、硫化カルボニルか
ら選ばれる少なくとも１種類の化合物を含むことを特徴
とする請求項１記載のドライエッチング方法。
【請求項３】前記エッチング・ガスが、Ｓ２Ｆ２、Ｓ
Ｆ２、ＳＦ４、Ｓ２Ｆ１０から選ばれる少なくと
も１種類のフッ化イオウを含み、エッチング反応系に堆
積可能なＳを供給しながらエッチングを行うことを特徴
とする請求項１または請求項２記載のドライエッチング
方法。