JP5209859B2

JP5209859B2 - プラズマエッチング方法

Info

Publication number: JP5209859B2
Application number: JP2006253040A
Authority: JP
Inventors: 功一中宇祢; 聡宇根
Original assignee: Hitachi High Technologies Corp
Current assignee: Hitachi High Tech Corp
Priority date: 2006-09-19
Filing date: 2006-09-19
Publication date: 2013-06-12
Anticipated expiration: 2026-09-19
Also published as: JP2008078209A

Description

本発明は、エッチング処理技術に係り、特に、エッチングにおける選択比を高めることのできるエッチング処理技術に関する。

近年では、半導体素子の微細化に伴い、リソグラフィあるいはドライエッチング等を用いた加工技術に対する微細化要求は厳しさを増している。例えば、トランジスタにおけるドーピング層（ＬＤＤ：Lightly Doped Drain）形成にあたり、ゲート電極の両側に絶縁層を配置してドーピングを行うスペーサ構造が主流となっている。この構造では、ゲート配線長あるいはスペース幅の微細化に伴い、スペーサの膜厚の薄膜化、スペーサの下地膜に対する選択比の向上が求められる。なお、前記スペーサとしては、一般にシリコン窒化膜が用いられ、エッチングの際のストッパ膜として下地には薄いシリコン酸化膜が使用されている。

このような酸化シリコンに対する窒化シリコンのエッチング選択比を大きくする技術としては、例えば、特許文献１には、酸化シリコン層上に形成した窒化シリコン層をＣＨＦ_３あるいはＣＨ_２Ｆ_２等のフルオロカーボン系のガスを使用してエッチングすることが示されている。
特開平１０−３０３１８７号公報

前記従来技術によれば、酸化シリコンに対する窒化シリコンのエッチング選択比を大きくすることができる。しかし、この技術では、堆積性の強いＣＨ系のガスを使用するため、処理の安定性あるいは加工寸法の制御性など量産性に対する課題が多い。

本発明はこれらの問題点に鑑みてなされたもので、酸化シリコンに対する窒化シリコンのエッチング選択比を高め、かつ寸法制御性を向上することのできるエッチング技術を提供するものである。

本発明は上記課題を解決するため、次のような手段を採用した。

プラズマを用いてシリコン窒化膜をシリコン酸化膜に対して選択的にエッチングするプラズマエッチング方法において、ＢＦ _３ガスと酸素含有ガスとの混合ガスまたはＢＢｒガスと酸素含有ガスとの混合ガスを用いて前記シリコン窒化膜をエッチングする。

本発明は、以上の構成を備えるため、酸化シリコンに対する窒化シリコンのエッチング選択比が高く、かつ寸法制御性の高いエッチング技術を提供することができる。

以下、最良の実施形態を添付図面を参照しながら説明する。図１は、本発明のエッチング処理装置を説明する図である。このエッチング処理装置では、プラズマ生成手段として、マイクロ波と磁界を利用したＥＣＲ(Electron Cyclotron Resonance)プラズマエッチング処理装置を利用する。

この装置では、マイクロ波はマグネトロン１で発振され、発振されたマイクロ波は、導波管２、石英板３を介して真空容器１００内に入射される。真空容器１００の周りにはソレノイドコイル４が設けてあり、これより発生する磁界と、入射されるマイクロ波により電子サイクロトロン共鳴ＥＣＲ(Electron Cyclotron Resonance)が発生する。また、真空容器１００内には図示しないガス供給管を介してプロセスガスが供給される。

これにより、真空容器１００内に供給されたプロセスガスを効率良く高密度にプラズマ化し、生成されたプラズマ５により、被処理物であるウエハ６にエッチング処理を施す。

ウエハ６は、試料台８上に載置され、試料台８に静電吸着電源７からの直流電圧を印加することにより、ウエハ６を試料台８に静電吸着力により吸着して固定する。また、試料台８には、高周波電源９が接続してあり、試料台８に高周波電力を印加することにより、プラズマ中のイオンをウエハに対して垂直方向に吸着する加速電位を与える。

エッチング後のプロセスガスは装置下部に設けられた排気口から、図示しないドライポンプ、ターボポンプ等を介して排気される。

図２は、本発明のエッチング工程を説明する図である。まず、シリコン基板１０１上に、ゲート絶縁膜１０、ゲート電極１１、ゲート被覆絶縁膜１２を形成した後、シリコン基板１０１にイオン（ＰやＢなど）を注入して、低不純物濃度層１３を形成する。その後、シリコン酸化膜１４およびシリコン窒化膜１５を形成する（図２（ａ））。

次に、シリコン窒化膜１５にエッチング処理を施す。このとき、ゲート被覆絶縁膜１２の側方に絶縁膜（絶縁膜スペーサ）１６を残すようにエッチング処理を施す。次いで形成された絶縁膜スペーサ１６をマスクとしてイオン（ＰやＢなど）を注入して高不純物濃度層１７を形成する（図２（ｂ））。

実施例
前記マイクロ波プラズマエッチング装置を使用し、プロセスガスとしてホウ素を含むハロゲンガス（主ガス）および酸素を含むガス（添加ガス）を導入した。この例では、ホウ素を含むハロゲンガスとしてＢＣｌ_３を使用し、酸素を含む添加ガスとしてＯ_２を導入した。プロセスガスの圧力は０．３Ｐａに設定し、マイクロ波電源の出力を５００Ｗとし、ウエハへのバイアス電源９の出力を６０Ｗとした。

ここで、添加ガスであるＯ_２の添加の効果について説明する。図３は、添加ガスＯ_２の添加量とシリコン窒化膜のエッチング速度１８、およびシリコン酸化膜のエッチング速度１９の関係を示す図である。

この例においてはＯ_２添加量を、ＢＣｌ_３の流量２０ｓｃｃｍに対して０、１５、２５ｓｃｃｍと変化させて添加した。なお、希釈ガスとしてＡｒを３０ｓｃｃｍ添加している。この例の場合には、図３に示すように、Ｏ_２の添加量に伴うシリコン窒化膜のエッチング速度の低下は少ない。しかし、Ｏ_２の添加量に伴うシリコン酸化膜のエッチング速度の低下は大きい。すなわち、Ｏ_２添加量を調整することにより、下地酸化膜１４との選択比が高い条件でシリコン窒化膜１５をエッチングしてスペーサ１６を形成することができる。

なお、図３に示すように、Ｏ_２の流量を２５ｓｃｃｍに設定した場合には、ウエハ面内におけるシリコン酸化膜のエッチングレートが部分的に堆積側（負側）に移行するために、Ｏ_２の流量としては２５ｓｃｃｍよりも若干流量を低下した２０ｓｃｃｍが選択比を高くするための最適流量となる。

ここで、ホウ素を含むハロゲンガスとして、前記ＢＣｌ_３に変えてＢＦ_３あるいはＢＢｒ_３を使用することができる。この場合においては高選択比が得られる最適な酸素流量値が変化するのみで図３と類似したエッチング特性を得ることができる。また、酸素含有ガスとして、前記Ｏ_２に代えてＣＯ_２、ＮＯ_２、ＳＯ_２を使用することができる。この場合においてもＯ_２を使用した場合と同等のエッチング特性を得ることができる。

次に、プロセスガスとしてホウ素を含むハロゲンガスおよび酸素を含むガス（添加ガス）を導入することにより、シリコン酸化膜に対して選択比がとれる理由について説明する。

シリコン酸化膜最表面に形成され得るＢ−ＯやＳｉ−Ｏの結合エネルギー（Ｂ−Ｏ：１７３、Ｓｉ−Ｏ：１９２ｋｃａｌ／ｍｏｌ）は、シリコン窒化膜のそれ（Ｂ−Ｎ：１５２，Ｓｉ−Ｎ：１０５ｋｃａｌ／ｍｏｌ）に比べ高い。この特性に加え添加ガスの酸素元素の混入により、シリコン酸化膜の表面上に結合エネルギーの強いＢ−Ｏ結合やＳｉ−Ｏ結合ができやすくなる。これにより、シリコン窒化膜に比べ、シリコン酸化膜のエッチング反応を阻害することができる。また、シリコン窒化膜のエッチング時にＢ−ＮやＳｉ−Ｏの化合物が側壁保護膜として作用する。このため、寸法制御性よく異方性をもってシリコン窒化膜をエッチングすることができる。

なお、本実施例では、マイクロ波ＥＣＲプラズマエッチング処理装置を用いることを前提に説明したが、他のプラズマ源を用いるエッチング処理装置、例えば誘導型プラズマエッチング処理装置でも何等問題はなく使用することができる。

また、対象となる半導体処理工程はシリコン窒化膜スペーサのエッチングに限られたものではなく、ＳＯＮＯＳ(Silicon Oxide Nitride Oxide Semiconductor)における窒化膜エッチング等の他工程における、対シリコン酸化膜選択比が必要な場合に適用できる。

以上説明したように、本実施例によれば、シリコン窒化膜のエッチングに際して、プロセスガスとしてホウ素を含むハロゲンガスおよび酸素を含むガスを用いることにより、シリコン酸化膜に対して、高選択比でエッチングを施すことができる。

本発明のエッチング処理装置を説明する図である。本発明のエッチング工程を説明する図である。添加ガスＯ_２の添加量とシリコン窒化膜のエッチング速度およびシリコン酸化膜のエッチング速度の関係を示す図である。

符号の説明

１マグネトロン
２導波管
３石英版
４ソレノイドコイル
５プラズマ
６ウエハ
７静電吸着電源
８試料台
９高周波電源
１０ゲート絶縁膜
１１ゲート電極
１２ゲート被覆絶縁膜
１３低不純物濃度層
１４シリコン酸化膜
１５シリコン窒化膜
１６絶縁膜スペーサ
１７高不純物濃度層
１００真空容器
１０１シリコン基板

Claims

プラズマを用いてシリコン窒化膜をシリコン酸化膜に対して選択的にエッチングするプラズマエッチング方法において、
ＢＦ_３ガスと酸素含有ガスとの混合ガスまたはＢＢｒガスと酸素含有ガスとの混合ガスを用いて前記シリコン窒化膜をエッチングすることを特徴とするプラズマエッチング方法。
請求項１記載のプラズマエッチング方法において、
前記酸素含有ガスは、Ｏ_２ガス、ＣＯ_２ガス、ＮＯ_２ガス、ＳＯ_２ガスのうちのいずれか一つのガスからなることを特徴とするプラズマエッチング方法。
請求項１記載のプラズマエッチング方法において、
前記ＢＦ_３ガスと酸素含有ガスとの混合ガスまたは前記ＢＢｒガスと酸素含有ガスとの混合ガスにＡｒガスを添加することを特徴とするプラズマエッチング方法。