JPH01112731A

JPH01112731A - シリコン窒化膜のドライエッチング方法

Info

Publication number: JPH01112731A
Application number: JP26923487A
Authority: JP
Inventors: Sayaka Sasamoto; さやか篠本; Haruo Okano; 晴雄岡野
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1987-10-27
Filing date: 1987-10-27
Publication date: 1989-05-01
Anticipated expiration: 2012-04-09
Also published as: JP2597606B2

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】〔発明の目的〕（産業上の利用分野）この発明は、半導体素子製造プロセスで用いられるドラ
イエツチング技術に係わり、特にシリコン窒化膜を酸化
膜に対して高選択比でエツチングするドライエツチング
方法Ｉこ関する。

（従来の技術）従来、半導体素子製造プロセス中ｌこおいて、シリコン
酸化膜に対しシリコン窒化膜を選択的にエツチングする
場合にはＣＦ４−＋ＯｔあるいはＣＥ４＋０２＋Ｎ、等
フレオンガスを含む混合ガスを用いたケミカルドライエ
ツチング（以下ＣＤＥと呼ぶ）が主ｆご用いられている
。

このＣＤＥに２いてシリコンやシリコン窒化膜はエツチ
ングされ易く、シリコン酸化膜と比べて相対的にエツチ
ングされ難い。

このため例えば、シリコン基板上に形成されたシリコン
窒化膜をエツチングする場合、前記シリコン基板とシリ
コン窒化膜の間にシリコン酸化膜を形成してストッパー
とする等、前記シリコン酸化膜をシリコンの保護膜とす
ることが行なわれる。

ここで、従来のプレオンガスを含むカスによるＣＤＥで
は、シリコン酸化膜に対するシリコン窒化膜のエツチン
グ速度比、すなわち、選択比はたかだか１０程度である
。また、ＯＤＥ！こおいてエツチング種としてウェハ等
の被エツチング物に作用するエツチングガスの活性種は
、厳密に言えば前記被エツチング物に対して全く均一に
は分布しておらず、ウェハの配置場所等ｌこよって活性
種の分布は異なる。

これらのことから、前記シリコン酸化膜等保護膜の膜厚
はシリコン酸化膜とシリコン窒化膜の選択比、或いはつ
、ハ内、ウェハ間（複数以上の処理枚数の場合）のエツ
チング速度ｌこより決定される。

例えば、溝の形成されたシリコン基板表面及び前記溝表
面Ｅこシリコン酸化膜が形成され、前記溝の開口部周辺
Ｅこシリコン窒化膜が形成された材料をエツチングする
場合には、前記溝のコーナ一部ではストレスのためｌこ
酸化膜のエツチング速度が部分的に早くなり、その部分
で特に下地のシリコンが露出し、エツチングされてしま
うという問題が生じるのでシリコン基板表面のシリコン
酸化膜の膜厚はより厚くしなければならない。このよう
（こ、下地のシリコンをエツチングすることなくシリコ
ン窒化膜をエツチング除去するためには、前記シリコン
酸化膜等の保護膜の膜厚を厚くしなければならないが、
これは素子の微細化を行なうにあたって不利であること
は明らかである。

従って、前記したように前記保護膜を厚い膜厚ｔこする
ことなく、シリコン窒化膜を前記保換膜に対して高選択
比でエツチングできる技術が求められていた。

これに対し、　ＮＦｓ　＋Ｃ１ｖ等弗素ＣＦ）元素を含
むガスとＦ以外の元素を含むガスの混合ガスを用いたＣ
ＤＩでは選択比が著しく大きくなることが本発明の発明
者らによって見出されている（特願昭６１−１２６３９
８号）。

しかし、実際の半導体素子製造プロセスでは、ＣＶＤ、
等で形成されたＳｔ、Ｎ、膜をそのままエツチングする
のではなく、酸化等の高温工程を経てからエツチングす
ることが多い。例えばＬＯＣＯ８と呼ばれる素子分離法
においては、シリコン窒化膜でマスクしたシリコン等の
基板の素子形成領域の周辺に８０００Ａ程度の厚さの熱
酸化膜を形成した後、窒化膜を剥離する。このようなプ
ロセスでは、酸化工程の間に前記シリコン窒化膜の表面
もわずかに酸化され、オキシナイトライド層が形成され
る。

この場合選択比の小さい従来のＣＤＥであれば、ごく薄
いオキシナイトライド層が存在しても時間さえかければ
エツチングは可能であった。しかし、前記本発明者らが
提案した高選択比ＣＤＥでは、高選択比である故ｌこオ
キシナイトライド層が少しでも存在しているとエツチン
グの進行が全く低下してしまうという問題が生じた。

このため、窒化膜エツチングの前Ｃζあらかじめオキシ
ナイトライド層を除去しなければならない。

従丸このような目的ｌこは弗化アンモンＩこよる湿式エ
ツチングが用いられてきた。しかし、湿式エツチングで
は水洗・乾燥が不適切であり微細なパターンの中に汚染
を残すこと等があり、今後のサブミクロンデバイスで湿
式エツチングを適用することは困難であると考えられる
。

（発明が解決しようとする問題点）このように、従来の選択比の低いＣＤＥでは、サブミク
ロンデバイスの微細加工に適用することが困難であった
。また、本発明者らが提案した高選択比のＣＤＥでは窒
化膜表面が酸化していると、これがバリヤとなり全くエ
ツチングできなくなる為、前記した湿式の前処理が不可
欠であり、やはり微細加工ｌこは不利であった。

本発明は、高温工程を経て、表面が酸化されたシリコン
窒化膜でもドライプロセスｌこより酸化膜に対して高い
選択比でエツチングするドライエツチング方法を提供す
ることを目的とするものである。

〔発明の構成〕

（問題点を解決するための手段）この発明の骨子は、まずＦ元素を含むガスをマイクロ波
放電等で励起し、そこで生成した活性なＦ原子を表面ｌ
こシリコン窒化膜とシリコン酸化膜が形成された被処理
基体に供給して前記シリコン窒化膜表面に形成されたオ
キシナイトライド層を除去し、その後Ｆ元素以外のハロ
ゲンガスをＦを含むガスと混合して励起するか、あるい
は生ガスのまま活性なＦ原子と同時ｌこ前記被処理基体
に供給し、高選択比のエツチングを行うことにある。

また、前記オキシナイトライド層が除去されるとエツチ
ングは急速に進むようになるから、このような点を検出
し、エツチング条件を切換えることｌこより、低選択比
エツチングを必要最低限に抑えるようにする方法を提供
する。すなわち、オキシナイトライド層のエツチング除
去工程からシリコン窒化膜のエツチング工程への移行が
最適に行なわれるようにする方法を提供する。

（作用）シリコン窒化膜表面のオキシナイトライド層を除去する
ための第１の工程では、Ｆ原子をエッチャントとしてＣ
ＤＥを行う。使用するガスの種類や圧力等にもよるが、
この場合窒化膜の酸化膜に対する選択比はほぼ１０以下
である。一方、オキシナイトライド層の厚さは、それが
形成された高温工程で同時に形成されるシリコン酸化膜
の厚さの５％以下であるから、第１の工程中の酸化膜の
目減りはここでは問題としなくてよい。しかし、酸化膜
の目減りは最低にする条件とするこきが望ましい。窒化
膜の膜厚変化は被処理基体表面での反射光をモニターす
ることｉこより、干渉スペクトルの変化として知ること
ができる。オキシナイトライド層のエツチングは遅く膜
厚の変化は小さいがオキシナイトライド層が完全に除去
されると、エツチング速度は数倍になり膜厚変化が急速
に大きくなる。この時点を第１の工程の終点とする。

シリコン窒化膜をシリコン酸化ＭＥこ対して選択的エツ
チングを行なうための第２の工程では、Ｆ原子とＦ以外
のハロゲンを同時に用いたＣＤＥを行う。この場合、ガ
スの種類、混合比、圧力等によって変わるが、窒化膜の
エツチング速度が２０ＯＡ／ｍ　ｉ　ｎで選択比５０以
上にすることは容易であり、十分なオーバーエッチを行
なっても周辺や下地の酸化膜の目減りは全く問題でない
。

（実施例）以下、本発明の一実施例を説明する。

第１図は、本発明の実施に用いたドライエツチング装置
の一例を示す概略構成図である。図中１１は反応室を形
成する第１の真空容器であり、この容器ｌｌ内には複数
枚の被処理ウーハ１２を保持した試料台１３が収容され
ている。ここで、被処理ウェハは後で詳細ｌこ説明する
が、表面にシリコン窒化膜をシリコン酸化膜が形成され
、前記シリコン窒化膜表面にはオキシナイトライド膜が
形成されている。容器１１の上壁にはＦ原子を導入する
ためのガス導入口１４があり、この導入口１４はＦ原子
を生成する放電管１５に接続されている。

放電管１５は、マイクロ波電源１６から導波管１７を介
してマイクロ波が供給されるアプリケータ１８１こカッ
プリングされている。そしてガス供給口１９から導入さ
れたガス（Ｆ元素を含むガス）は、マイクロ波放電によ
り活性なＦ原子を生成し、これが容器１１内に供給され
るものとなっている。また、容器１１の土壁には上記ガ
ス導入系とは別にガス導入口２０が設けられている。こ
のガス導入口は、容器１１内にＦ以外のハロゲンガスと
して例えばＣ１，を導入するためのものである。そして
容器１１はガス排気口２１から真空排気されるものとな
っている。更に容器１１の土壁には、光源と反射光検出
部を含む膜厚モニター機構３３が設けられている。

また、容器１１の右方部にはゲートバルブ２２を介して
第２の真空容器２３が連設されている。

この容器２３＃こはガス排気口２４が設けられており、
容器２３内は容器１１とは独立して真空排気される。容
器２３の右方部には、容器２３と外部を遮断するゲート
バルブ２５が設けられている。

また容器２３内には、被処理ウーハ１２′を載置する試
料台１３を搬送する搬送機構２６が設けられている。そ
して、この搬送機構２６により、ゲートバルブ２２が開
いた状態で、試料台１３が容器２３から容器１１へ搬送
されるものとなっている。

一方、容器１１の左方部にはゲートバルブ２７を介して
、第３の真空容器２８が連設されている。

この容器２８にはガス排気口２９が設けられており、容
器２８内は容器１１と独立に真空排気される。容器２８
の左方部には、該容器２８と外部を遮断するゲートバル
ブ３０が設けられている。また、容器２８内には処理さ
れたウユハを載置する試料台１３を搬送する搬送機構３
１が設けられ、これによりゲートバルブ２７が開いた状
態で前記試料台１３が容器１１から容器２８へ搬送され
るものｌζなっている。　　　゛次に、上記装置を用いた本発明によるドライエツチング
方法について説明する。ここではＦ元素を含むガスとし
てＮＦ３．Ｆ以外のハロゲンガスとしてＣ１２を用いた
場合ｌこついて説明する。

今、全てのゲー　トバルブ２２，２６，２７，３０は閉
じられており、全ての容器１１，２３，２８はそれぞれ
真空排気されているとする。この状態からゲートバルブ
２５を開き、容器２３を大気開放し、被処理ウェハ１２
を保持した試料台１３を容器２３内にセットする。ゲー
トバルブ２５を閉じ容器２３内を真空排気したのち、ゲ
ートバルブ２２を開き、搬送機構２６により試料台１３
を容器１１内Ｅこ搬送し、ゲートバルブ２２を閉じる。

次いで、ＮＦｓをガス供給口１９から供給し、マイクロ
波放電を行ない、活性なＦ原子を容器ｌｌ内に輸送する
。そして、ガス排気口２１から一定流量で排気し、容器
１１内の圧力を一定ｆζして、被処理ウェハのエツチン
グを行う。この時膜厚モニタ機構３３により、被処理ウ
ェハ表面の膜厚変化をモニタし、膜厚変化が急速に速く
なった時点で一旦放電を止め容器１１内を真空排気する
。このようｌこして、活性なＦ原子を被処理ウェハの収
容される容器１１内へ導入し、前記被処理ウェハのシリ
コン窒化膜表面のオキシナイトライド膜を除去する工程
を第１の工程とする。次に再びＮＦ。

ガスを供給口１９から供給し、マイクロ波放電を行うと
同時に、ガス導入口２０から（Ｊ２ガスを容器ｌｌ内に
導入する。そしてガス排気口２１から一定流量で排気し
、容器１１内の圧力を一定ｌこ保持して被処理ウェハの
シリコン窒化膜ヲシリコン酸化膜に対して選択的にエツ
チングを行う。ここでは、ＮＦ、ガスを励起し、ＣＩ！
ｔガスは別のガス導入口（イ）から導入するようＥこし
たが、両方のガスを混合ガスにして導入するようにして
もよい。すなわち少なくとも励起されたＦ原子と他のハ
ロゲン元素を含むガスが被処理ウーハに作用するように
すればよい。このように、励起され７こＦ原子と他のハ
ロゲン元素を含むガスにより被処理ウェハのシリコン窒
化膜をシリコン酸化膜ζこ対して選択的にエツチングす
る工程を第２の工程とする。

エツチングが終了したら、ガスの導入を停止し容器１１
内を真空に排気する。容器１１か十分に排気されたらゲ
ートバルブ２７を開き、搬送機構３１１こより試料台１
３を容器２８内に搬送する。

次いでゲートバルブ２７を閉じ、次いでゲートバルブ３
０を開いて容器２８を大気開放し試料台１３を外部ｌこ
取出す。

以上述べたように、まず第１の工程で活性なＦ原子によ
るシリコン窒化膜表面の前処理を行なうことξこより、
以下の第２の工程ｌこおけるシリコン酸化膜Ｉこ対する
シリコン窒化膜の選択性を向上させ、エツチング速度の
向上も図ることができる。

第３図は、前記第１図１こ示したドライエツチング装置
で処理されるウェハの一例を示す断面図である。

この被処理ウェハは、図に示すようｌこ８ｉ基板４１の
上ｌこ厚さ１００ＯＡの酸化膜４２と、この膜４２上に
厚さ２５００Ａのシリコン窒化［４３のパターンを形成
した後、９５０℃で熱酸化し、前記シリコン窒化膜４３
のパターンの周囲に８５０ＯＡの酸化膜４４を形成した
ものである。ここで、前記シリコン窒化膜４３表面には
、前記熱酸化の工程によりＣＤＨによる選択エツチング
を抑制するオキシナイトライド膜（図示せず）が形成さ
れている。

通常、前記オキシナイトライド膜は高温の処理を行なう
ほど膜厚が増加する。従って、エツチングガスの種類、
圧力、あるいはエツチング時間等のエツチング条件は前
記オキシナイトライドの膜厚に応じて最適な条件で行な
うようにする。

また、この実施例では９５０℃の熱工程を経たウェハを
処理した例を示しているが、必ずしもウェハＣζ熱処理
を加えたものでなくてもよい。表面にシリコン酸化膜と
シリコン窒化膜が形成され前記シリコン窒化膜表面にシ
リコン酸化膜に対する選択エツチングを抑制するオキシ
ナイトライド膜が形成されたウェハであれば本発明に用
いることができる。

第２図は、第３図に示したような構造を持つ被処理つ、
ハをエツチングした時のオキシナイトライド膜を除去す
る第１の工程のエツチング時間の違いによる第２の工程
１ｃ２けるエツチング深さの時間変化を示した特性図で
ある。この被処理ウェハは、Ｓｉ基板４１の上に厚さ１
００ＯＡの酸化膜４２と厚さ２５０ＯＡの窒化膜４３に
よるパターンを形成したあと９５゛０℃で熱酸化し、パ
ターンの周囲に８５０　ＯＡの酸化膜４４を形成したも
のである。

第１の工程はＮＦ’ｓ８０ＳＣＣＭ　、　０゜２Ｔｏｒ
ｒの条件でエツチングを行なった。１分間エツチングし
た場合は、オキシナイトライド層の除去が不十分なため
、第２の工程で２５分間エツチングしても窒化膜の膜厚
変化は１００Ａ以下であった。次いで第１の工程で２分
３０秒エツチングした場合は、第２の工程でシリコン窒
化膜のエツチングが開始されるまでのデッドタイムは１
分以下であり、シリコン窒化膜はシリコン酸化膜ｌこ対
して約２５分で選択的にエツチングされた。いずれも、
第２の工程はＮＦ、　８０ＳＣＣＭ、　ＣＩ！、　８０
ＳＣＣＭ　、　０．２　Ｔｏｒｒでエツチングした。

また、第４図は本発明のドライエツチング方法ｌこ使用
される被処理ウェハの他の例を示す断面図である。

この被処理つ、ハは、シリコン基板５１に５００溝５４
を形成し、この後溝内−こ９００大の熱酸化膜５５を形
成したものである。

第４図に示すような構造の被処理つ、ハを同様にエツチ
ングしたところ、第１の工程で３０秒間エツチングした
場合、はとんどデッドタイムなしに第２の工程のエツチ
ングが開始した。

また、前記被処理つ、ハのように、シリコン酸化膜が凹
凸面上に形成され、その角部がエツチングガスにさらさ
れるような場合でも前記角部でのシリコン酸化膜の目減
り等、が生じることはなかった。

さらに、シリコン酸化膜以外ｌこ保護膜が被処理つ、凸
表面に形成されている場合でも前記保護膜の目減りはな
く、また被処理ウェハの下地のシリコン等の基板へのつ
き抜けが生じることもないので、酸化膜や保護膜を薄く
形成することができ、半導体素子の微細化に有利−であ
る。

なお、本発明は上述した実施例に何ら限定されるもので
はない。例えば、Ｆ元素を含むガスとしてはＮＰ、の代
りにＣＦ、　、　ＣＦ、　＋Ｏ，、ＣＦ’、　＋Ｏ，＋
Ｎ、、ＣｎＦ２ｎ＋２．ＣｎＦ２ｎ＋２＋Ｏｔ　ａｃｔ
　Ｆ２ｎ＋２＋Ｏ，＋Ｎ、　、　ＳＦ、　　等を用いた
場合でもオキシナイトライド膜の除去あるいはシリコン
窒化膜の選択エッチの際の反応系は同様である。従つて
前述したガスでも同様の効果が得られる。

Ｆ元累を含むガスは、第１の工程と第２の工程で異った
ガスを用いても構わない。また、Ｆ以外のハロゲンガス
としては（Ｊ、の代りにＢｒ、、Ｉ。

等でもよく、ざらにＣＣＩ、、ＰＣｌ３．ＢＣＩ、。

ＣＣｌ２Ｆ、、Ｈ（Ｊ、ＨＢｒ、ＣＢｒＦ３．ＣＢｒ、
ＣＡ！３　。

ＨＩ、Ｉ（Ｊ等を用いることも可能である。つまりＦ元
累を含むガスに添加するガスは、Ｆ以外のハロゲンガス
、もしくは少なくともＦ以外のハロゲン元素を含むガス
であればよい。さらに、上記のＦ以外のハロゲンガスも
しくは少なくともＦ以外のハロゲン元素を含むガスは、
前記容器内に直接導入する代りにＦ元累を含むガスと共
に放電した後導入してもよい。

才だ、第１の工程終了後直ちｌこ第２の工程を行うので
なく、多数枚まとめて第１の工程を行ない−担被処理ウ
ェハを大気中にとり出してから改めて第２の工程を行な
ってもよい。

また、本発明に用いるドライエツチング装置は前記第１
図に示す構造のものに限定されるものではなく、仕様−
こ応じて適宜変更可能である。

〔発明の効果〕

以上詳述したように、本発明によればＦ原子をエッチャ
ントとしたＣＤＥ　ｇこよる第１の工程と、Ｆ元累を含
むガスとＦ以外のハロゲン元素を含むガスを用いたＣＤ
Ｅによる第２の工程ζこよって、高温工程を経る等して
表面が酸化された窒化膜をエツチングする場合でも、酸
化Ｍに対し高選択比でエツチングすることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例に係わるドライエツチング装
置を示す概略構成図、第２図は第１の工程のエツチング
時間の違いによる第２の工程でのエツチングの進み方を
説明する特性図、第３図及び第４図は実施例Ｃご用いた
被処理ウェハの構造を示す断面図である。１１・・・第１の真空容器、１２・・・被処理基体、１
３・・・試料台、１４．２０・・・ガス導入口、１５・
・・放電管％１６・・・マイクロ波電源、１７・・・導
波管、１８・・・アプリケータ、１９・・・ガス供給口
、２１゜２４．２９・・・ガス排気口、２２，２５，２
７，３０・・・ゲートバルブ、２３・・・第２の真空容
器、２６．３１・・・搬送機構、２８・・・第３の真空
容器、３３・・・膜厚モニタ機構、４１　、５１・・・
Ｓｉ基板、４２，４４，５２．５５・・・Ｓ　ｓ　Ｏｔ
膜、４３，５３・・・Ｓｉ、Ｎ、膜、５４・・・溝。

Claims

【特許請求の範囲】

（１）表面にシリコン酸化膜とシリコン窒化膜が形成さ
れた被処理基体を励起した弗素元素を含むガスを雰囲気
中にさらす第１の工程と、次いで、前記励起した弗素元
素を含むガス雰囲気中にさらした被処理基体を少なくと
も弗素元素の活性種及び他のハロゲンを含むガス雰囲気
中にさらし、前記被処理基体の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第２の工程か
らなることを特徴とするシリコン窒化膜のドライエッチ
ング方法。
（２）前記被処理基体のシリコン窒化膜は、シリコン酸
化膜が形成された後に形成されたものであることを特徴
とする特許請求の範囲第１項記載のシリコン窒化膜のド
ライエッチング方法。
（３）前記弗素元素と含むガスとして、ＳＦ＿６、ＮＦ
＿３、ＣＦ＿４、ＣｎＦ＿２＿ｎ＿＋＿２、ＳＦ＿６ま
たはこれらにＮ＿２、Ｏ＿２、Ｈｅの中のひとつ以上の
ガスを混合したガスを用いることを特徴とする特許請求
の範囲第１項記載のシリコン窒化膜のドライエッチング
方法。
（４）前記弗素以外の他のハロゲンを含むガスとしてＣ
ｌ＿２、またはＢｒ＿２を用いたことを特徴とする特許
請求の範囲第１項記載のシリコン窒化膜のドライエッチ
ング方法。
（５）前記被処理基体表面から反射光の変化をモニター
することにより第１の工程の終点を検出した後、続いて
第２の工程に移ることを特徴とする特許請求の範囲第１
項記載のシリコン窒化膜のドライエッチング方法。
（６）前記被処理基体は、第１の工程と第２の工程にお
いて同一あるいは別々の真空容器内で処理されることを
特徴とする特許請求の範囲第１項記載のシリコン窒化膜
のドライエッチング方法。
（７）前記第１の工程あるいは第２の工程で用いられる
弗素元素の活性種は、前記被処理基体が収容される真空
容器内とは離れた領域で励起されたものであることを特
徴とする特許請求の範囲第６項記載のシリコン窒化膜の
ドライエッチング方法。
（８）前記第１あるいは第２の工程で用いられる弗素元
素はマイクロ波放電により励起したものであることを特
徴とする特許請求の範囲第１項記載のシリコン窒化膜の
ドライエッチング方法。