JPH0284721A - ドライエッチング方法 - Google Patents

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】 〔産業上の利用分野〕 本発明はドライエツチング方法に関し゛、特に、シリコ
ン系物質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。本発明は例えば、半導体装置製造の分野に
おいて、シリコン系物質から成る例えばシリコン基板に
溝や穴を形成すること等に利用でき、その他シリコン系
物質をエラチン〔発明の概要〕 本発明は、塩化ホウ素と窒素とを含むエツチングガスに
よりシリコン系物質をエツチングすることにより、所望
のエツチング形状を制御性良く得られるようにしたもの
である。

〔発明の背景〕

シリコン系物質のエツチング技術は、例えば半導体装置
製造の分野において、重要な技術として用いられている
。例えば、近年の半導体素子の更なる高集積化に伴い、
シリコン基板にアスペクト比の高い（即ち開口に比して
深さの大きい）微細な溝または穴を形成する、いわゆる
シリコントレンチエツチング技術が注目を浴びている。

この技術は例えば、４メガビツト以降のダイナミックラ
ム（Ｄ　−ＲＡＭ）のトレンチキャパシター形成用であ
るとか、また高速バイポーラのトレンチアイソレーショ
ン形成用等に応用され、今後のＬＳＩプロセス上必要不
可欠な技術となっている。

シリコン系物質のエツチング技術は、上記のように微細
な溝等をアスペクト比高く形成できることが望まれるわ
けであるが、そのような場合、所望の形状で制御性の良
いエツチングが実現されることが重要である。例えば、
溝形状として、開口と底部とがほぼ同一の大きさで、穴
が垂直に、断面矩形で形成されることが望まれる場合が
ある。

また一方、開口の方が底部より広い、テーパ状の溝や穴
が望まれる場合がある。

更に、得られる溝の底部の周囲に切れ込み形状、いわゆ
るトレンチングが生じてしまうことがあるが、この発生
を防ぐことが望まれる。

従って、シリコン系物質のエツチング技術においては、
所望の形状のエツチングが、トレンチングを生じさせる
ことなく、制御性良くかつ再現性良く達成できることが
望まれているのであるが、従来の技術では、必ずしも所
望の形状を良好に得ることは難しい場合があった。

本発明者は先に、シリコン系物質のエツチングに用いる
ガス系として、少なくとも塩化ケイ素と窒素とを含むエ
ツチングガスを提案した（特願昭６１−２１７６９０号
）。また、塩素と窒素とを含むエツチングガスを提案し
た（特願昭６２−２１７４５６号）。

しかしこの内、後者のＣ１ｔｌＮｚ系のガス系を用いる
場合には、形成すべき溝のテーパー化が困難であるとい
う問題がある。

この理由は必ずしも明らかではないが、前者の場合、塩
化ケイ素というシリコン元素含有のガス（堆積性°をも
つガス）を含むので、これがテーパー化を容易にしてい
ると考えられる。

即ち、前者の５ｉＣＩ１４／Ｎ２系のガスと、後者のＣ
１２／Ｎ２系ガスとの機構の大きな違いは、溝の側壁保
護膜の形成にガス自体を利用するか、被エツチング材で
あるシリコン系物質との反応生成物を２次的に利用する
かにある。前者の場合、ガス自体の中のＳｉとＮとがＳ
ｉＮ系物質を生成し、これが側壁に付着して、保護膜と
なると考えられる。これに対し、後者の場合、ガス中の
Ｃ１と被エツチング材中のＳｉが反応してＣ１１−３ｉ
系物質を生じ、これとガス中のＮとで５ｉ−Ｎ系物質が
生成し、これが側壁保護膜として機能すると考えられる
。

ここで前者のようなメカニズムで側壁保護膜を形成する
場合には、トレンチ形状のテーパー化も容易に行えるが
、後者のような系だと、トレンチ形状のテーパー化は達
成できない。側壁保護膜の形成がトレンチ内部でおこる
ためと考えられる。

しかし前者のメカニズムを採用しようとすると、含シリ
コンガス（例えば５ｉＣｊ２ａ）の如く堆積性のガスを
エツチングガスの主成分の一つとして添加する必要があ
る。しかし、かかる堆積性のガスを用いることは避けた
い場合も多い。このようなときは、後者のガス系（Ｃ１
ｔ／Ｎｚ）では堆積性のガスを添加すること無く、トレ
ンチエツチングを行えるというメリットがあるが、上記
の如くこの技術は形状制御、特にテーパー化が達成でき
ない。

一方、エツチングガス系がＣｅ２／Ｎ２系ガスであると
、Ｃ１，が塩素ラジカルＣ１”としてエツチングに寄与
するため、トレンチングの問題が避けられない。

トレンチングは第３図に略示するように、エツチングの
進行した溝（トレンチ）ｂの底部に、側壁保護に寄与す
る反応生成物ｄが不均一に堆積し、この場合、反応生成
物ｄは、上からふりつもる形となるため、どうしても周
辺が薄り、中心付近が厚くなってしまうので、かかる堆
積物がマスクになってエツチングが進行して、第３図（
ｂ）に示すように底部周辺部のみ深くエツチングされて
、この結果トレンチ形状Ｃを生じてしまうものである。

図中ａは基板等の被エツチング材である。

〔発明が解決しようとする問題点〕

上述の如くシリコン系物質のドライエツチング技術にお
いては、形成すべき溝や穴の形状制御性が必ずしも容易
には達成できない。よって、形成すべき溝等の形状を所
望のとおり良好に得られる技術が望まれているのであり
、特に、必ずしも堆積性のガスを添加する必要のないガ
ス系での、トレンチ形状のテーパー化技術が切望されて
いる。

本発明は上記の問題点を解決して、所望の形状の溝等、
特にテーパー形状の溝等を良好に得ることができるシリ
コン系物質のドライエツチング方法を提供せんとするも
のである。

〔問題点を解決するための手段〕

上述した問題点を解決するため、本発明のドライエツチ
ング方法は、シリコン系物質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、少なくとも塩化ホウ素
と窒素とを含むエツチングガスによりエツチングする技
術的手段を採る。

本発明を用いると、シリコン系物質、例えば単結晶シリ
コン等をエツチングする場合に、堆積性ガスを添加する
必要なく、エツチング形状を所望の形状にできる。即ち
、例えばエツチング形状をテーパー化することができる
。

本発明においては、少なくとも塩化ホウ素と窒素とを含
むエツチングガスによりエツチングを行う。塩化ホウ素
としては、ＢＣｌ３が代表的である。そのほか、Ｂ　２
　Ｃｔ！　ａ、Ｂ　ａ　Ｃｌ　４、Ｂ、Ｃ１゜その他任
意の塩化ホウ素を用いることができるが、好ましくは常
温（約２０℃）で気体状のものであり、特に好ましくは
Ｂ　Ｃ１’ｓを用いることである。

以下代表的なものとして、Ｂ（１３を例にとって説明す
る。

Ｂ　Ｃｌ　ｘとＮｚとの混合比率は、任意である。

所望のテーパー形状や、被エツチング材であるシリコン
系物質の種類や、その他の各条件等により、最適値を設
定することができる。原理的には、後記説明する本発明
の作用から理解されるように、Ｎ２が少しでも含有され
ていれば、本発明の作用効果を奏することができる。実
用上、好ましくは窒素Ｎ２を２容量％以上含有すること
である。即ち、ＢＣｊ２３とＮ２とのみから成るガス系
であれば、ＢＣｌ　ｚ　／　Ｎｚ＝　９８　／　２以上
のＮ２が含有されることが好ましい。一方、Ｎｔが多す
ぎると、希釈効果が大きくなって、エツチング速度が小
さくなったり、側壁の堆積物が多くなる可能性があるの
で、Ｎ２は５０容量％以下であることが好ましい。即ち
、ＢＣｌ３とＮ２とのみから成るガス系であれば、Ｂ　
ＣＲ３／　Ｎ　ｚ　＝　５０　／　５０以下のＮ２が含
有される場合が好ましい。

塩化ホウ素と窒素以外のガスを加えて使用することもで
き、これも本発明の態様に含まれる。例えばＣ１，等の
ハロゲン系ガスを添加して、エツチング速度を高めるよ
うにできる。また、本発明では必ずしも堆積性のガスを
用いる必要はないのではあるが、５ｔＣｊ！ａ等の含シ
リコンガスを加えることにより、テーパー形状を制御す
るようにすることができ、かかる態様も本発明に包含さ
れる。

このようにエツチングガスとして種々の混合ガスを用い
ることができるのであり、これにより所望のテーパー形
状、あるいはその他所型のエツチング形状を制御性良好
に得ることができるものである。

本発明においてシリコン系物質とは、代表的には単結晶
シリコンや、多結晶シリコン等のシリコンであるが、そ
の他シリコンを主成分とするもの、乃至はシリコンの化
合物、またはこれらを含むものなどであってもよく、エ
ツチングにより加工する物質について、広く用いること
ができる。

本発明は、シリコン系物質に溝を形成するトレンチエツ
チング、特に高アスペクト比であって、かつ開口の方が
底部より大きいテーパー状の溝を形成するトレンチエツ
チングに好適に用いることができる。但しこれに限られ
ず、前記の如く形状制御もテーパー状のみに限られない
のであって、各種任意のエツチング技術に汎用できる。

〔作用〕

本発明におけるエツチングメカニズムは必ずしも明らか
でなく、よって本発明の作用も必ずしも明らかでない。

基本的には、次のような作用が呈されると考えられる。

即ち、基本的には、Ｂ（１！３　　（前記のとおりＢＣ
ｌ　３をもって塩化ホウ素を代表して記述する）でのシ
リコン系物質のエツチング時の反応生成物の５ｉＣｊ！
ｘと、Ｎｇが反応してできる２次生成物のＳ　ｉ　ｘＮ
ｙが、溝等の側壁保護膜として異方性形状確保に寄与す
ると考えられ、この点については前述したＣＪｚ／Ｎｚ
ガス系の場合と同様であるが、この時ＢＣ１，は、 ■還元性のガスであり、例えばＣＩ！！よりはるかに還
元性のガスである、 ■（１，等がラジカルとして作用するのに対し、イオン
性エツチングとして寄与する部分がある、等の理由から
、エツチングマスクとして常用される例えばＳｉＯ□を
エツチングする速度がＣβ２や５ｉＣ１４使用時より早
（、従ってトレンチエツチングの際のマスクである例え
ばＳ　ｉ　Ｏｚが後退して、トレンチ形状がテーパー化
されるものと推定される。

〔実施例〕

以下本発明の一実施例を、比較例とともに説明する。な
お当然のことではあるが、本発明は以下の実施例にのみ
限定されるものではない。

この実施例は本発明を半導体集積回路の製造に際して、
単結晶Ｓｉ基板上にテーパー形状を有する微細な溝を形
成するための手段として適用したものである。このよう
な溝は、半導体装置における溝型キャパシタ、あるいは
微細な素子間分離の形成として利用できるものである。

まず比較例について述べ、次いで実施例を説明するもの
とする。

止較炭 第２図は、比較例のトレンチエツチング後の溝形状の断
面を、その写真から起こした図面であり、第２図（ａ）
はマスクを残した状態での断面、第２図（ｂ）はマスク
除去後の状態の断面を示すものである。

この比較例は、エツチングガスとして塩素と窒素との混
合ガスを用いる。

具体的には、Ｃ１２／　Ｎ　ｔ　＝　４０　／　１０３
　ＣＣＭの流量比の混合ガスを用いた。その他の条件は
、圧力１０ｍＴｏｒｒ、印加電圧Ｖｄｃ＝−２５０ボル
トとした。

第２図（ｂ）から明らかなように、得られた溝１の形状
は、その側壁１１が垂直で・テーパーはついていない。

第２図（ａ）から理解されるように・マスク２　（この
例ではＳｉｎｇ）は殆ど後退しておらず・よってマスク
２自体がテーパー化しないので、溝１のテーパー化も生
じていない。

もしこの比較例のエツチングガス条件でマスク２を後退
させ、溝ｌをテーパーエツチングしようとすると、Ｖｄ
ｃを高（して、マスクであるＳｉｎｇのエツチング速度
を上げてやる必要があるが、高Ｖｄｃ下ではイオン散乱
による溝ｌの側壁のえぐれ（いわゆるボウイング）や、
面荒れのおそれが太き（、実際には使えない。

写真から起こしたこの第２図では、溝１の底部に、底面
周囲が更に掘られるいわゆるトレンチング１２が見られ
ている。この例は、素子分離用の溝加工であるため、反
応生成物の堆積が多く、これがマスクになって、かかる
トレンチングが生じたものである。

図中、３は被エツチング材料であるシリコン系物質（単
結晶シリコン）である。

去旌炎 第１図は、本発明を適用したトレンチエツチングを行っ
て得た溝形状を示すものである。この図も同じく写真か
ら起こした。第２図と同様、第１図（ａ）はマスクを残
した状態での断面図、第１図（ｂ）はマスク除去後の状
態の断面を示すものである。

本実施例においては、エツチングガスとして、ＢＣ／！
３　／Ｎ２　＝４０／１０３ＣＣＭのガスを用いた。

その他、各種条件は上記比較例と同じにした。

即ち圧力１０ｍＴｏｒｒ、印加電圧Ｖｄｃ＝−’１５０
ボルトの条件で、単結晶シリコンをエツチングした。

本実施例によれば、第１図（ｂ）により理解されるよう
に、得られた溝１は、その側壁ｌｌが、開口の方が広い
良好なテーパー状になっている。

第１図（ａ）により明らかなように、マスク２であるＳ
ｉｎ、が良好に後退してテーパー状となり、これを反映
して良好なテーパー状の溝ｌが得られたのである。

本実施例は、比較例で用いたＣ１２に代わって、ＢＣｌ
３を採用した結果、電圧Ｖｄｃを高くしなくても、マス
クであるＳｉＯ□のエツチング速度が高まり、このため
良好にうまくマスク後退がおこったものであり、これに
よって良好なテーパー状の溝ｌを得ることができたもの
である。

従って本実施例では、Ｃ１，系ガスや３ｉＣ１４系ガス
を用いた場合には、高Ｖｄｃ下でのボウィングを伴わな
いとできないマスク後退を低Ｖｄｃ下でおこして、これ
により良好なテーパー形状を達成しているということが
できる。

また、トレンチ底部についても、第１図（ａ）（ｂ）か
ら明らかなようにトレンチングは全く生じていない。こ
れはＣ’　！／　Ｎ　ｚ系ガスの場合に生ずるような反
応生成物が溝底部にたまるということがないので、かか
る溝底部の反応生成物がマスクとなって底部トレンチ底
部が生じることが、避けられるのである。

本実施例は上記の如く、シリコン系物質から成る材料を
テーパー形状でトレンチエツチングしたい場合について
、Ｂ　Ｃｌ　３にＮ２を添加してなるエツチングガスを
用いたため、堆積性のガスを添加する必要無く、単結晶
シリコントレンチエツチング時のエツチング形状を良好
なテーパー形状にすることができたものである。かつ、
トレンチングが生ずることをも防止できたものである。

〔発明の効果〕

上述の如く本発明のドライエツチング方法によれば、テ
ーパー形状等の所望の形状のエツチングを、ボウイング
の発生などの問題を伴うことなく達成することができ、
かつ、トレンチングの発生をも防止できるという効果が
ある。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）（ｂ）は、本の一実施例を示す断面図であ
る。第２図（ａ）（ｂ）は、比較例を示す断面図である
。第３図（ａ）（ｂ）は、問題点を説明するための図で
ある。 ■・・・溝、２・・・マスク。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、シリコン系物質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、 少なくとも塩化ホウ素と窒素とを含むエッチングガスに
   より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。