JPH01200624A

JPH01200624A - ドライエッチング方法

Info

Publication number: JPH01200624A
Application number: JP2515388A
Authority: JP
Inventors: Tsunetoshi Arikado; 経敏有門; Haruo Okano; 晴雄岡野
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1988-02-05
Filing date: 1988-02-05
Publication date: 1989-08-11

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）本発明は、ドライエツチング技術に係わり、特にシリコ
ン基板を選択的にエツチングするドライエツチング方法
に関する。

（従来の技術）近年、ＬＳＩの製造に際しては、Ｓｉ基板を選択的にエ
ツチングして溝を掘る技術が用いられている。特に、４
ＭビットＤＲＡＭ以上の高集積デバイスでは、Ｓｉ基板
に深い溝を掘り、その中に素子分離領域やキャパシタ等
を形成するトレンチ技術が不可欠となっている。

Ｓｉ基板にアスペクト比（深さ／開口幅）の大きい溝を
形成するには、反応性イオンエツチングが用いられてい
るが、この場合のエツチングガスとしてはＣ１２，ＣＣ
ｌ４，５ｉＣ１４等の塩素系ガスが使用されている。こ
れは、弗素系ガスの場合、Ｆ”　　（ラジカル）とＳｔ
との反応性が極めて高くアンダーカットを生じやすいの
に対し、Ｃ１”はＳｉ基板に対する反応性が低く垂直形
状を得やすいためである。

しかしながら、塩素系ガスを用いた場合、レジストのエ
ツチング速度が速く、Ｓｉ基板とレジストとの間で十分
な選択比（エツチング速度の比）を得ることができない
ため、Ｓｉ基板を選択エツチングするためのマスクとし
て、酸化シリコン膜の使用を余儀なくされている。この
ため、レジストをマスクとしたエツチングに比較して■
酸化膜の形成工程 ■酸化膜のエツチング工程 ■酸化膜の除去工程と３工程も増加し、素子の製造コストを高める原因とな
っている。しかも、塩素系ガスは、それ自体が非常な臭
気を発し、喉や鼻の粘膜を痛める性質があるばかりでな
く、大気中の水分を吸収して分解し、塩酸を発する等危
険なガスが多い。さらに、腐蝕性が強いため、配管材料
、取扱い、排ガス処理等の繁雑な問題を多くかかえてい
る。

一方、塩素系ガスに対し、安定であり取扱いの容易なフ
ロロカーボンガス、レジストのエツチング速度を低く抑
えることのできるＣＦ４／Ｈ２混合ガスやＣＨＦ３ガス
では、Ｓｉのエツチング速度も極めて遅くなる上、アン
ダーカットも生じるため、実際上Ｓｉのエツチングには
使用できないという状態であった。

（発明が解決しようとする課題）このように従来、Ｓｉのエツチングに塩素系ガスを用い
たのでは、工程の増加及び製造コストの増大を招き、さ
らにＳｉとレジストとの選択比を十分に取れない問題が
ある。また、塩素系ガスに対して安定で取扱いの容易な
弗素系ガスは、レジストのエツチング速度を遅くできる
ものの、Ｓｉのエツチング速度も遅くなり、事実上Ｓｔ
エツチングガスとして用いることは困難であった。

本発明は上記事情を考慮してなされたもので、その目的
とするところは、安全で取扱いが容易な弗素系ガスを用
いて、レジストをマスクにＳｉ基板の選択エツチングを
行うことができ、半導体素子製造における工程の簡略化
及び安全性の向上等に寄与し得るドライエツチング方法
を提供することにある。

［発明の構成］（課題を解決するための手段）本発明者等は、上記の問題について鋭意検討した結果、
基板を氷点下以下に冷却するならば、ＣＦ４或いはＣＦ
４／Ｈ２混合ガスを用いても、レジストをマスクとして
Ｓｉ基板を選択エツチングし得ることを見出した。

ポジ型フォトレジストをバターニングされたＳｉ基板を
平行平板型ドライエツチング装置の真空容器内に配置し
、該容器内にＣＦ４とＨ２との混合ガスを導入し、圧力
０．０ＩＴｏｒｒに保った後、０．５Ｗ／ａｍ２の高周
波電力を印加してエツチングを行い、レジストとＳｉ基
板とのエツチング速度を測定した。第６図はこのように
して求めたレジストとＳｉ基板のエツチング速度をＨ２
添加量に対してプロットした図である。レジスト、Ｓｉ
共にＨ２の添加量の増加に伴ってエツチング速度が低下
する。これは、添加したＨ２の解離から生じたＨ”がＣ
Ｆ４の解離から生じたＦを捕獲しＨＦとなる上、ＣＦ、
、ＣＦ４等からＦを引き抜いて重合しやすいＣＦ２やＣ
Ｆを多量に生じた結果、フロロカーボン膜がＳｔ裏表面
堆積し易くなったためである（Ｔ、Ａｒ１ｄａｄｏ　＆
　Ｒ，Ｇ、Ｐｒ１ｅｓｅｒ　ａｎｄ　Ｃ，Ｊ、Ｍｏｇａ
ｂ、　　Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｉｌｃａｌ　　５ｏｃｉ
ｅｔｙ　　ＳｐｒｌｎｇＭｅｅｔｉｎｇ　Ｓｔ、Ｄｅｖ
ｉｃｅ　１９８７）　ｏこの現象により従来、弗素系の
ガスでＳｉを選択エツチングすることは困難であった。

ところが、Ｈ２添加ｆｆ１１６ｓｅｃＩ１１の条件下で
基板を冷却すると、第７図に示す如く、レジストのエツ
チング速度はあまり変化せず、Ｓｉのエツチング速度が
速くなる現象が見出された。更に、−２０℃のような低
温では、ＦＩ′によるエツチング速度が抑制されるため
、アンダーカットも発生せず、ＣＦ　４　／　Ｈ２ガス
を用いてトレンチエツチングが可能、即ちアスペクトの
大きな溝を形成することが可能であることも見出された
。

本発明はこのような点に着目し、シリコン基板上にエツ
チングマスクを形成した被処理基体を真空容器内に配置
し、該容器内に弗化炭素化合物ガス又は弗化炭素化合物
ガスと他のガスとの混合ガスを導入して活性化せしめ、
生じた活性種を利用してシリコン基板を選択的にエツチ
ングするドライエツチング方法において、前記被処理基
体を前記シリコン基板の表面に弗化炭素化合物の重合膜
が形成されなくなる温度以下に冷却するようにした方法
である。

（作　用）本発明によれば、フロロカーボン種ＣＦ。

ＣＦ２等はＳｉ表面に吸希するが、基板冷却を行うこと
により低温で重合反応が抑制されるため、Ｓｉ表面には
重合膜は形成されない。その結果、Ｓｉのエツチング速
度が格段に速くなる。また、例えばＣＦ、をベースガス
としてＨ２を添加しても、Ｓｔのエツチング速度は殆ど
低下しない。

一方、レジスト表面にはイオン衝撃によって重合反応の
ための核（ラジカルサイト又はダングリングボンド）が
生成し易いため、幾分重合反応は抑制されるがＳｉ程で
はなく、レジスト表面には重合膜が形成される。このた
め、基板冷却してもレジストのエツチング速度はあまり
速くならない。

従って、Ｓｉとレジストとの大きな選択比を確保するこ
とができる。また、フリーラジカルによる熱反応速度は
温度依存性が大きいため、低温ではアンダーカットが抑
制される。

（実施例）以下、本発明の詳細を図示の実施例によって説明する。

第１図は本発明の第１の実施例方法に使用したドライエ
ツチング装置を示す概略構成図である。

図中１０は真空容器であり、この容器１０内には、１３
．５［ｉＭＨｚの高周波電源１１にマツチング回路１２
を介して接続された陰極１３とこれに対向し接地された
陽極１４が設置されている。なお、陰極１３は容器１０
とは絶縁されており、陽極１４は容器１０の上壁で形成
されている。被処理基体１５は、陰極１３上に載置され
る。そして、エツチングガスは、ガス導入管１６から容
器１０内に導入され、排気口１７から排気されるものと
なっている。

陰極１５の内部には冷却流体を流すための流路が設けら
れており、この流路は、冷却装置２１から冷却流体が供
給される配管２２に接続されている。そして、冷却流体
の通流により、陰極１３及びその上に載置される被処理
基体は冷却されるものとなっている。なお、図中２７は
絶縁物、２８゜２９はＯリングシールを示している。ま
た、前述した第６図及び第７図は、この装置を用いてエ
ツチングしたときの測定データを示している。

次に、上記装置を用いたエツチング方法について説明す
る。

まず、被処理基体１５としては第２図に示す如く、Ｓｉ
基板３１上にポジ型フォトレジスト３２を形成したもの
を用いる。この被処理基体１５を前記第１図に示す容器
１０内に入れ、ＣＦ４ガスのみを使用してエツチングを
行った場合の加工形状を第３図（ｂ）に示す。なお、ガ
スの流量は３０ｓｅｃＩＩｌ、圧力は０．０１Ｔｏｒｒ
、高周波出力はＩＷ／ｃｊｎ２゜温度は一３０℃とした
。レジスト３２をマスクとして、Ｓｔ基板３１を約３μ
ｍエツチングすることができる。

エツチングにより形成された溝３３の側壁は垂直であり
、底部には塩素ガスでは形成することのできない理想的
な丸みが形成されている。この丸みは、低温ではフロロ
カーボン膜がコーナ部から堆積するという性質によって
生じるものである。

即ち、膜の堆積は膜を形成するＣＦやＣＦ２等のフロロ
カーボン種が、第３図（ａ）に示す如く平衡蒸気圧の低
いコーナ部３４にまず堆積する。そして、コーナ部３４
に堆積した膜がエツチング遅れを生じさせ、その結果溝
３３の底部が丸くなる。

また、エツチングガスとしてＣＦ４の代わりに、ＣＦ４
／Ｈ２混合ガスを用いても同様な形状を得ることができ
る。この場合、ＣＦ４流ｆｆｉ２０ｓｅｃｍ。

Ｈ２流量６　ｓｅｃｍ、圧力０．０１Ｔｏｒｒ、高周波
出力１１（／ａｍ２．温度−３０℃とした。さらに、Ｃ
ＨＦ。

やＣ３Ｆ８等のＳｉＯ２エツチング用のガスを用いても
同様なエツチング形状を達成することができる。この場
合、ガス流ｆｆｉ２０ｓｅｃｍ、圧力０．０１Ｔｏｒｒ
。

高周波出力ＩＷ／ｃｍ２．温度−３０℃とした。

かくして本実施例方法によれば、ＣＦ４゜ＣＨＦ３．Ｃ
３Ｆ８等の弗化炭素化合物ガス。

ＣＦ　４　／　Ｈ２等の混合ガスを用い、被処理基体を
一３０℃程度に冷却することにより、素子分離やトレン
チキャパシタに用いるアスペクト比の大きい溝を容易に
形成することができる。これは、低温ではＳｔ裏表面フ
ロロカーボンが吸着はするが重合膜が形成されず、Ｓｉ
を高速でエツチング可能のなったからである。その結果
、塩素系ガスに比較して安全で取扱いが容易な弗素系ガ
スを用いてトレンチエツチングを行うことが可能となっ
た。

また、塩素系ガスでは得られないトレンチ底部の丸みも
形成され、塩素系ガスの場合、別途コーナを丸めるため
のプロセスを必要としたが、この工程が省略できるとい
う利点もある。ここで、溝のコーナを丸める効果は、ト
レンチキャパシタの形成に適用した場合、電界集中の緩
和につながる。

さらに、素子分離用溝に適用した場合、ストレスの緩和
につながる◎ また、Ｓｔのエツチング速度が低温で格段に速くなるの
に対し、レジストのエツチング速度は低温でも差はど変
わらない。従って、Ｓｔとレジストとの大きな選択比を
得ることができ、レジストをマスクとしてＳｔ基板を効
果的に選択エツチングすることが可能となる。その結果
、塩素系ガスを用いる従来の工程に比較して、酸化膜の
形成工程、酸化膜のエッチング工程、酸化膜の除去工程
を必要とせず、工程の簡略化、製造コストの低減をはか
ることができる。

第４図は本発明の第２の実施例方法に使用したＥＣＲプ
ラズマエツチング装置を示す概略構成図である。この装
置は、マイクロ波導波管６５．ガス導入管６４を有する
石英製放電管６１．電磁石６３とガス導入管６６を有す
る真空容器６２からなり、真空容器６２は、冷媒を流す
ためのバイブロ９の設けられた試料台６８を備える。こ
の装置の試料台６８上に試料を載置し、冷却されたフレ
オンをバイブロ９に流して試料台６８を一３０℃まで冷
却した後、ＣＦ４ガスを導入し、圧力を５×１０−’Ｔ
ｏｒｒに保って、２．４５ＧＨｚのマイクロ波を印加す
る。同時に電磁石６３に電流を流し８７５ガウスの磁場
を発生し、真空容器６２内にプラズマを６７生成するよ
うにする。このようにＥＣＲプラズマ装置を用いても、
第３図と同様のエツチング形状を得ることができた。

第５図は本発明の第３の実施例方法に使用したエツチン
グ装置を示す概略構成図であり、マイクロ波放電と光照
射とを組み合わせた装置である。

試料台８３と光を導入するための窓８２を備える真空容
器８１と、レーザ装置８６．マイクロ波電源８７．導波
管８８１石英管８９．アプリケータ９０等からなる。被
処理基体８４を試料台８３上におき、容器８１内を排気
口９１を介して真空に排気した後、試料台８３を一２０
℃まで冷却し、石英管８９からＣＦ、ガスを導入し、圧
力を０．５Ｔｏｒｒに保つ。そして、マイクロ波電源８
７により導波管８８を経てアプリケータ９０を介してマ
イクロ波を印加して放電を起こす。次いで、同時にレー
ザ光を被処理基体８４の表面に照射する。このように光
を用いたエツチングでも同様に垂直なエツチング形状を
得ることができる。なお、使用する光源はレーザに限る
ことなく、Ｈｇランプでもよいし、さらに５ＯＲ（シン
クロトロン）放射光でも同様の効果がある。

なお、本発明は上述した各実施例に限定されるものでは
ない。例えば、被処理基体の冷却温度は一３０℃に限定
されるものではなく、Ｓｉ基板上に弗化炭素化合物の重
合膜が形成されない温度以下であればよい。さらに、エ
ツチングマスクはレジスト等の有機膜に限るものではな
く、メタルやメタルシリサイドであってもよく、要は被
処理基体の冷却温度でも表面に弗化炭素化合物の重合膜
が形成されるものであればよい。また、使用するガスは
弗化炭素化合物ガス又は弗化炭素化合物ガスと他のガス
との混合ガス等を、仕様に応じて適宜選択することが可
能である。その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、
種々変形して実施することができる。

［発明の効果］以上詳述したように本発明によれば、被処理基体を冷却
することにより、弗素系ガスを用いてレジストをマスク
にＳｉ基板を選択エツチングすることができ、半導体素
子製造における工程の簡略化及び安全性の向上等をはか
ることが可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１の実施例方法に使用したドライエ
ツチング装置を示す概略構成図、第２図はエツチング前
の試料構造を示す断面図、第３図はエツチング後の試料
構造を示す断面図、第４図及び第５図はそれぞれ他の実
施例方法に使用したエツチング装置を示す概略構成図、
第６図及び第７図はそれぞれ本発明の詳細な説明するた
めのもので、第６図はＨ２流量に対するエツチング速度
の変化を示す特性図、第７図は基板温度に対するエツチ
ング速度の変化を示す特性図である。１０・・・真空容器、１１・・・高周波電源、１２・・
・マツチング回路、１３・・・陰極、１４・・・陽極、
１５・・・被処理基体（試料）、１６・・・ガス導入管
、１７・・・ガス排気口、２１・・・冷却装置、２２・
・・パイプ、３１・・・Ｓｉ基板、３２・・・レジスト
、３３・・・溝、３４・・・コーナ部。出願人代理人　弁理士　鈴江武彦ｆ５１図１フ第２図第３図１→２５丸’ｆ　　（ｓｃｃｍ）　− 第６図苓扱湿戻じ（）− 第７図

Claims

【特許請求の範囲】

（１）シリコン基板上にエッチングマスクを形成した被
処理基体を真空容器内に配置し、該容器内に弗化炭素化
合物ガス又は弗化炭素化合物ガスと他のガスとの混合ガ
スを導入して活性化せしめ、生じた活性種を利用してシ
リコン基板を選択的にエッチングするドライエッチング
方法において、前記被処理基体を前記シリコン基板の表
面に弗化炭素化合物の重合膜が形成されなくなる温度以
下に冷却したことを特徴とするドライエッチング方法。
（２）シリコン基板上にエッチングマスクを形成した被
処理基体を真空容器内に配置し、該容器内に弗化炭素化
合物ガス又は弗化炭素化合物ガスと他のガスとの混合ガ
スを導入して活性化せしめ、生じた活性種を利用してシ
リコン基板を選択的にエッチングし該基板に素子分離用
溝又はトレンチキャパシタ用溝を形成するドライエッチ
ング方法において、前記被処理基体を、前記マスク上に
は弗化炭素化合物の重合膜が形成され、且つ前記シリコ
ン基板の表面には弗化炭素化合物の重合膜が形成されな
くなる温度に冷却したことを特徴とするドライエッチン
グ方法。
（３）前記エッチングマスクとして、有機膜、メタル又
はメタルシリサイドを用い、前記弗化炭素化合物ガス又
は弗化炭素化合物ガスと他のガスとの混合ガスとして、
フレオン系ガス、フレオン系ガスと水素との混合ガス、
弗化炭化水素ガスのうちのいずれかを用いたことを特徴
とする請求項１又は２記載のドライエッチング方法。