JP3439455B2 - 異方性ドライエッチング方法 - Google Patents

異方性ドライエッチング方法

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JP3439455B2 JP2000384279A JP2000384279A JP3439455B2 JP 3439455 B2 JP3439455 B2 JP 3439455B2 JP 2000384279 A JP2000384279 A JP 2000384279A JP 2000384279 A JP2000384279 A JP 2000384279A JP 3439455 B2 JP3439455 B2 JP 3439455B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明はシリコン窒化膜をシ
リコン酸化膜、ポリシリコン膜及びシリコン膜に対して
選択的に異方性ドライエッチングする異方性ドライエッ
チング方法に関する。
【0002】
【従来の技術】従来、シリコン窒化膜のドライエッチン
グは、例えば特開平8−321484号公報に記載され
ているように、SF6ガスを使用するもの、及び特開平
6−181190号公報に記載されているように、NF
3,Cl2等を使用するものがある。これらの従来技術に
おいては、シリコン酸化膜に対するシリコン窒化膜の選
択エッチングは可能であるが、シリコンのエッチング速
度は速いため、シリコン膜に対するシリコン窒化膜の選
択エッチングは不可能である。また、CHF3又はCF4
とH2等の混合ガスを使用すると、シリコンのエッチン
グ速度を小さくすることができ、シリコンに対するシリ
コン窒化膜の選択エッチングは可能となる。しかしなが
ら、これらのガスを使用すると、シリコン酸化膜のエッ
チング速度も大きくなってしまう。このように、シリコ
ン膜及びシリコン酸化膜に対して同時に高い選択比を有
してシリコン窒化膜をエッチングすることは困難であっ
た。
【0003】このような技術的背景のもとで、シリコン
窒化膜をシリコン膜及びシリコン酸化膜に対して選択的
にエッチングする方法として、特開昭59−22293
3号公報及び特開昭60−115232号公報には、C
22及びCH3F等のように、F対Hが2以下である
ガスを使用する技術が開示されている。即ち、これらの
公報には、F対Hが2以下であるガスを使用することに
より、シリコン窒化膜をシリコン膜及びシリコン酸化膜
の双方に対して選択エッチングすることができることが
記載されている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、これら
のF対Hが2以下であるガスは、爆発範囲を有するガス
であり、その取り扱いが難しいという難点がある。
【0005】本発明はかかる問題点に鑑みてなされたも
のであって、シリコン窒化膜をシリコン酸化膜及びシリ
コン膜の全てに対して選択的に異方性ドライエッチング
することができる異方性ドライエッチング方法を提供す
ることを目的とする。
【0006】
【課題を解決するための手段】本発明に係る異方性ドラ
イエッチング方法は、シリコン窒化膜をシリコン膜及び
シリコン酸化膜に対して同時に選択的に異方性ドライエ
ッチングする方法であって、基板温度を10℃以下と
し、フッ素、炭素及び水素を含む化合物気体と一酸化炭
素との混合ガスを反応ガスとして使用し、一酸化炭素の
添加によりフッ素が不足したプラズマを生起してエッチ
ングすることを特徴とする。本発明に係る他の異方性ド
ライエッチング方法は、シリコン窒化膜をシリコン膜及
びシリコン酸化膜に対して同時に選択的に異方性ドライ
エッチングする方法であって、基板温度を10℃以下と
し、フッ素、炭素及び水素を含む化合物気体と一酸化炭
素との混合ガスを反応ガスとして使用し、一酸化炭素の
添加によりフッ素が不足したプラズマを生起し、基板の
低温化によりガスから分解生成されたC x y の基板への
吸着量を増大させ、反応生成物であるHCNの形成量を
増加させて排気し、エッチングすることを特徴とする。
【0007】この異方性ドライエッチング方法におい
て、前記フッ素、炭素及び水素を含む化合物気体は、C
HF3、CF4及びC26からなる群から選択された少な
くとも1種と水素ガスとの混合ガス又はCHF3ガスで
あることが好ましい。また、反応ガスの総ガス流量に対
するCOガスの混合比は70乃至95体積%であること
が好ましい。更に、前記フッ素、炭素及び水素を含む化
合物気体に、酸素ガス、希ガス及び窒素ガスからなる群
から選択されたガスを添加することが好ましい。
【0008】本発明においては、特にフッ素、炭素及び
水素を含む化合物気体として、CH 22及びCH3F等
のように、単体ガス中のF対Hの比が2以下であるもの
を使用する必要はなく、F対Hの比に制約されるもので
はない。
【0009】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施例について添
付の図面を参照して具体的に説明する。先ず、シリコン
窒化膜と、他のシリコン酸化膜及びシリコン膜に対する
エッチング選択性について説明する。図1は横軸に基板
温度をとり、縦軸に各膜のエッチング速度をとって、両
者の関係を示すグラフ図である。このエッチング速度は
平行平板型ドライエッチング装置を使用して測定したも
のであり、フッ素、炭素及び水素ガスから構成される化
合物気体としてCHF3を使用し、これとCOガスとの
混合ガスを反応ガスとして使用し、基板温度を変えて、
シリコン窒化膜、ポリシリコン膜及びシリコン酸化膜の
エッチング速度を測定した。従来、エッチングが行われ
る基板温度50℃〜100℃では、シリコン窒化膜のエ
ッチング速度は小さく、特にシリコン酸化膜に対する選
択エッチングは不可能であるが、基板温度を低下させる
に従い、シリコン窒化膜のエッチング速度が飛躍的に上
昇している。これに対し、ポリシリコン膜及びシリコン
酸化膜のエッチング速度は若干増加するが、その割合は
シリコン窒化膜のそれに比べて小さい。基板温度50℃
以下において、シリコン窒化膜のエッチング速度は飛躍
的に上昇し、基板温度10℃以下では、シリコン酸化膜
に対し5以上のエッチング選択比を得ることができた。
また、ポリシリコン膜のエッチング速度は更に小さく、
シリコン窒化膜はポリシリコン膜に対して10以上の選
択比でエッチングすることができた。
【0010】この基板の低温化によってシリコン窒化膜
のエッチング速度が上昇する理由については、基板の低
温化によって、反応生成物が生じやすくなっているため
と考えられる。即ち、CO添加によりCOFの形でフッ
素が引き抜かれ、フッ素が不足したプラズマとなる。そ
して、基板を低温化することにより、CHF3等のフロ
ロカーボンガスから分解及び生成されるCxyの基板へ
の吸着量が増加する。これにより、反応生成物であるH
CNの形成量が増加し、排気されるため、エッチング速
度が上昇するものと考えられる。これに対し、シリコン
酸化膜上ではCO添加によりFが不足するために、エッ
チング速度は小さくなる。また、ポリシリコン膜又はシ
リコン膜上ではCO添加によりイオン衝撃耐性の高い炭
素リッチな重合膜の堆積が促進され、これがシリコン表
面を保護するため、エッチング速度は小さいと考えられ
る。
【0011】また、CHF3とCOの混合比について
は、フッ素が不足したプラズマを生成し、シリコン酸化
膜のエッチング速度を低く抑えるために、総ガス流量に
対し70%以上の添加が必要であることがわかった。
【0012】次に、上述の原理に基づく本発明を適用し
た実施例について説明する。図2(a)乃至(e)は、
本発明を窒化膜をストッパーとしたセルフアラインコン
タクトの窒化膜除去に適用した第1実施例を工程順に示
す断面図である。先ず、図2(a)に示すように、シリ
コン基板1上にシリコン酸化膜2、ポリシリコン膜3及
びシリコン酸化膜4を順次堆積し、レジスト(図示せ
ず)を形成した後、これをパターニングし、更にレジス
トをマスクとして、シリコン酸化膜2、ポリシリコン膜
3及びシリコン酸化膜4を異方性ドライエッチングする
ことにより電極配線を形成する。
【0013】次いで、図2(b)に示すように、シリコ
ン酸化膜5を全面に堆積し、シリコン酸化膜5を異方性
エッチングバックすることにより、配線の側面にサイド
ウォールを形成する。
【0014】その後、図2(c)に示すように、全面に
エッチングストッパーとなるシリコン窒化膜6を堆積
し、BPSG膜等の層間絶縁膜7を形成する。その後、
レジスト8によりコンタクトホールパターンを形成す
る。
【0015】次いで、図2(d)に示すように、レジス
ト8をマスクとして層間絶縁膜7を異方性ドライエッチ
ングし、ストッパーであるシリコン窒化膜6までコンタ
クトホール9を開口する。
【0016】その後、図2(e)に示すように、コンタ
クトホール9内に露出しているシリコン窒化膜6を除去
し、シリコン基板1にホールを開口する。このシリコン
窒化膜6の除去に本発明の実施例を適用し、シリコン窒
化膜6をシリコン酸化膜5とシリコン基板1に対して同
時に選択エッチングする。
【0017】即ち、例えば、CHF3ガス10scc
m、COガス90sccm、圧力40mTorr、高周
波(RF)電力150w、基板温度10℃で90秒間の
エッチングを行う。これにより、コンタクトホール9内
のシリコン窒化膜6を選択的に除去する。このとき、本
実施例においては、シリコン酸化膜5及びシリコン基板
1に対して選択的にエッチングを行うことができるた
め、これらの削れ量は少ない。その後、導電性物質をコ
ンタクトホール9内に埋め込み、基板と上層配線との導
通をとる。この場合、電極配線と導電性物質がショート
することがなく、またシリコン基板を深く掘り下げるこ
となく安定してセルフアラインコンタクトによりコンタ
クトホールを形成することができる。
【0018】図3(a)乃至(c)は本発明の第2実施
例方法を工程順に示す断面図である。本実施例は、本発
明をポリシリコンのコンタクトプラグ上に溝配線を形成
のための溝の形成工程に適用したものである。先ず、図
3(a)に示すように、シリコン基板10上に堆積した
酸化膜12に、ポリシリコンのコンタクトプラグ11を
形成し、その後、エッチングストッパーであるシリコン
窒化膜13及び層間膜となるシリコン酸化膜14を順次
堆積し、更にレジスト15により溝配線パターンを形成
する。
【0019】その後、図3(b)に示すように、レジス
ト15をマスクとしてシリコン酸化膜14を異方性ドラ
イエッチングし、ストッパーであるシリコン窒化膜13
まで溝を開口する。
【0020】その後、図3(c)に示すように、レジス
ト15をマスクとしてシリコン窒化膜13を除去し、ポ
リシリコンプラグ11を露出させる。このシリコン窒化
膜13の除去において、本実施例を適用して、シリコン
窒化膜13をシリコン酸化膜12とポリシリコンプラグ
11に対して同時に選択エッチングする。エッチング条
件としては第1実施例と同じ条件を使用した。これによ
り、シリコン窒化膜13を除去する。このとき、シリコ
ン窒化膜13をシリコン酸化膜12及びポリシリコンプ
ラグ11に対して選択的にエッチングすることができる
ため、これらの削れ量は少なく、溝の底部を平坦にする
ことができる。従って、その後の配線形成を安定して行
うことができる。
【0021】なお、本発明は上記各実施例に限定されな
いことは勿論である。例えば、炭素、水素及びフッ素の
化合物気体とCOとの混合ガスを使用しているが、エッ
チング抜け性向上のために、これらに少量の酸素ガス、
希ガス又は窒素ガスを添加してもよい。
【0022】
【発明の効果】以上説明したように、本発明は、基板温
度を10℃以下とし、フッ素、炭素及び水素を含む化合
物気体と一酸化炭素(CO)との混合ガスを反応ガスと
して使用することにより、シリコン窒化膜を、シリコン
酸化膜及びシリコン膜の全てに対して、同時に選択的に
異方性エッチングすることができる。これにより従来は
困難であった半導体装置の構造を実現することが可能と
なる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の原理を説明するための基板温度と、各
膜のエッチング速度との関係を示すグラフ図である。
【図2】本発明をコンタクトホールエッチングに適用し
た実施例を工程順に示す断面図である。
【図3】本発明を溝エッチングに適用した実施例を工程
順に示す断面図である。
【符号の説明】
1,10:シリコン基板 2,4,5,12,14:シリコン酸化膜 3:ポリシリコン膜 6,13:シリコン窒化膜 7:層間絶縁膜 8,15:レジスト 9:コンタクトホール 11:ポリシリコンプラグ
フロントページの続き (56)参考文献 特開 平9−219394(JP,A) 特開 平8−59215(JP,A) 特開 平6−132252(JP,A) 特開 平5−166770(JP,A) 特開 平7−58087(JP,A) 特開 平9−92640(JP,A) 特開 平6−124924(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01L 21/3065 H01L 21/28 H01L 21/768

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 シリコン窒化膜をシリコン膜及びシリコ
    ン酸化膜に対して同時に選択的に異方性ドライエッチン
    グする方法であって、基板温度を10℃以下とし、フッ
    素、炭素及び水素を含む化合物気体と一酸化炭素との混
    合ガスを反応ガスとして使用し、一酸化炭素の添加によ
    りフッ素が不足したプラズマを生起してエッチングする
    ことを特徴とし、 前記フッ素、炭素及び水素を含む化合物気体は、CHF
    3、CF4及びC26からなる群から選択された少なくと
    も1種と水素ガスとの混合ガス又はCHF3ガスであ
    り、 反応ガスの総ガス流量に対するCOガスの混合比は70
    乃至95体積%である、異方性ドライエッチング方法。
  2. 【請求項2】 シリコン窒化膜をシリコン膜及びシリコ
    ン酸化膜に対して同時に選択的に異方性ドライエッチン
    グする方法であって、基板温度を10℃以下とし、フッ
    素、炭素及び水素を含む化合物気体と一酸化炭素との混
    合ガスを反応ガスとして使用し、一酸化炭素の添加によ
    りフッ素が不足したプラズマを生起し、基板の低温化に
    よりガスから分解生成されたCxHyの基板への吸着量を
    増大させ、反応生成物であるHCNの形成量を増加させ
    て排気し、エッチングすることを特徴とし、 前記フッ素、炭素及び水素を含む化合物気体は、CHF
    3、CF4及びC26からなる群から選択された少なくと
    も1種と水素ガスとの混合ガス又はCHF3ガスであ
    り、 反応ガスの総ガス流量に対するCOガスの混合比は70
    乃至95体積%である、異方性ドライエッチング方法。
  3. 【請求項3】 前記フッ素、炭素及び水素を含む化合物
    気体に、酸素ガス、希ガス及び窒素ガスからなる群から
    選択されたガスを添加することを特徴とする請求項1ま
    たは請求項2のいずれか1項に記載の異方性ドライエッ
    チング方法。
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