JPH0312922A - 絶縁性シリコン化合物薄膜の加工法 - 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〕 本発明は半導体装置の製造工程等の、絶縁材料や表面保
護材料として用いる二酸化シリコン膜。

窒化シリコン膜まだは酸窒化シリコン膜を含む絶縁性シ
リコン化合物薄膜のエツチング工程において、微細な穴
を加工するだめのエツチング方法に関するものである。

〔従来の技術〕

従来、二酸化シリコン膜の反応性イオンエツチングによ
る加工においては、弗化炭素化合物単独。

弗化水素化炭素ガス、弗化炭素に水素を混合した混合ガ
ス等が用いられてきた。最も初期の文献としては、例え
ば次の文献（Ｒ，Ａ、　Ｈ，Ｈｅ１ｎｅｃｋｅによる”
　Ｃｏｎｔｒｏｌ　ｏｆ　Ｒｅ１ａｔｉｖｅ　Ｅｔｃｈ
　Ｒａｔｅｓ　ｏｆＳｉ０２ａｎｄ　８ｉ　ｉｎ　Ｐｌ
ａｓｍａ　Ｅｔｃｈｉｎｇ　、５ｏｌｉｄ　５ｔａｔｅ
　Ｅ１ｅｃｔｒｏｎｌｃｓ＋１８．１１４６（１９７５
）　）がある。

ここでは、エツチングガスとしてはＣＦ、とＨ２の混合
ガス、ＣＨＦ３＋　Ｃ５Ｆｓが使用され、そのうち０３
Ｆ８では二酸化シリコン膜とシリコンとの選択比５倍以
上が得られている。その他、次の文献（Ｊ（、Ｗ、　Ｌ
ｅｈｍａｎｎとＲ，Ｗｉｄｍｅｒによる”Ｐｒｏｆｉｌ
ｅＣｏｎｔｒｏｌ　ｂｙ　Ｒｅａｃｔｉｖｅ　５ｐｕｔ
ｔｅｒ　ＥｔｃｈｉｎｇＪ、Ｖａｃ、Ｓｃｉ、　Ｔｅｃ
ｈｎｏｌ、　１５，３１９　（１９７８）　）もある。

このエツチング方法では、ＣＨＦ３を用い、二酸化シリ
コン膜とシリコンの選択比１５が得られたことが報告さ
れている。

一方、他のガス系としては、例えば次の文献（Ｌ　Ｓ、
　ＢｅｎｎｅｔによＩ）％告された、Ｈｉｇｈｌｙ　５
ｅｌｅｃｔｉｖｅ　ＲＩＥ　ｏｆ　５ｉ０２　Ｕｓｉｎ
ｇ　ＣＣｌＦ３＋Ｈ２Ｅｘｔｅｎｄｅｄ　Ａｂｓｔｒａ
ｃｔ　ｏｆ　１９８２　Ｆａｌｌ　Ｍｅｅｔｉｎｇ。

Ｅｌｅｅｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ　５ｏｃｉｅｔｙ＋　
２８３　（１９８２）　）がある。ここでは、ガスとし
てＣＣｌＦ３　と水素の混合ガスを用い、二酸化シリコ
ン膜とシリコンの選択比１５が得られている。

これらの報告では被エツチング材料のエツチング中の温
度については特に述べられていないが、被エツチング物
は電極面に置かれ電極は水冷されておシ、被エツチング
物を加熱し温度制御してはいない。その他の報告におい
ても、絶縁性シリコン化合物のエツチングで被エツチン
グ物を意識的に加熱したシ、高温でのエツチング特性を
調べた例は存在しない。

ところで、これらの報告に見られる二酸化シリコン膜の
エツチング法は現在−船釣に使われておシ、特に半導体
装置の製造工程における、半導体表面の保護皮膜に対し
て穴を開は電気的な接続穴を作るコンタクトホールエツ
チング工程や、多層配線の電極間の絶縁薄膜に対して電
気的な接続穴を開けるビアホールエツチング工程に使わ
れている。また、窒化シリコン膜、酸窒化シリコン膜も
ガスの混合比を最適化することにより同様のガスを用い
た加工が可能であシ、半導体製造工程で一般的に使用さ
れている。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかしながら、半導体装置の製造における最小寸法が年
々微細化されるとともに、これらのエツチング法の問題
点が指摘されてきた。それは、穴の寸法が微細化される
とともに微細穴のエツチング深さが広い穴のエツチング
深さに比べ低下して来るという問題である。特に穴の寸
法が一辺０．５μｍ以下となるとその低下は著しく、あ
る深さまでエツチングされるエツチングが停止してしま
う。

本発明は、上述の課題を解決するために々されたもので
、微少な穴までエツチング速度の低下が少ない絶縁性シ
リコン化合物薄膜の加工法を提供することを目的とする
。

〔課題を解決するだめの手段〕

この目的を達成するため、本発明においては、絶縁性シ
リコン化合物薄膜のエツチングを行うに際し、少なくと
も炭素と水素と弗素と塩素を含む。

または少なくとも炭素と弗素と塩素を含む単独あるいは
検数のガスをエツチング用ガスとして用いる。さらに、
高周波電力を印加している大部分の時間にわたり被エツ
チング材料を９０℃以上の温度に加熱することを特徴と
するものである。

〔作用〕

本発明に係る加工法においては、塩素を含むガスの添加
が重要な役割を果たす。塩素を含むガスは気相でプラズ
マ中の電子衝突によって分解して塩素ラジカルを生じる
。弗素ラジカルは反応性が強く表面に到達した後比較的
早く表面に化学吸着する。

微細な穴では、穴の寸法が小さくなるほど入射するラジ
カルの方向が制限され、そのため直接入射するラジカル
の数は低下する。従って、小さい穴はど加工面の弗素ラ
ジカル濃度は低下し、カーボン系の重合皮膜が出来易く
なって微細な穴で極端なエツチング深さの低下が現れる
。これに対し塩素ラジカルは反応性が弱いため、被エツ
チング物表面に到達した後表面と弱く結び付き二次元的
に動き回ることが出来、その後表面に化学吸着する。従
って、微細穴の中にも二次元的に動いた塩素ラジカルが
入シ込むので、塩素ラジカル濃度は微細穴でも大きく低
下しない。

特に、被エツチング物の温度を上昇させると表面での塩
素ラジカルの運動が活発になシ、微細穴に到達する塩素
ラジカルは増加する。また、被エツチング物の温度を上
昇させると塩素ラジカルの反応性が高くなシ、カーボン
系の重合皮膜の形成を抑制する作用が強くなる。したが
って、微細穴のエツチング深さの低下を抑制出来る。

〔実施例〕

以下、図面を参照して本発明の詳細な説明する。

第１図は本発明を実施するための反応性イオンエツチン
グ装置の一例を示す概略構成図である。図において、被
エツチング物１の配置されたカソード電極２とこれに対
向するアノード電極３が真空チャンバ２０内に配設され
ている。このカソード電極２は冷媒が流せるような構造
としておシ、まだ被エツチング物１とカソード電極２間
の熱接触改善のため静電チャック用電極４が埋め込１れ
ている。さらに熱接触改善のため被エツチング物１の裏
側からＨｅガス１１が流せる構造としている。冷媒は熱
交換器５により加熱温度調節されカソード電極２の間を
循環するので、カソード電極２は一定温度に維持できる
。カソード電極２には高周波電源６がマツチングユニッ
ト７を介して接続されている。高周波の周波数はここで
は１３．５６ＭＨｚを用いた。ガスはガス導入ユニット
８で流量調節・混合され真空チャンバ２０内に導入され
る。そして、真空ポンプ９により排気される。

さらにスロットルバルブ１０によりチャンバ２０内のガ
ス圧は一定に保たれるものとなっている。なお、符号１
２は静電チャック用電圧４に一定の電圧を付与するため
の直流電源部である。

次に、第１図に示した反応性イオンエツチング装置を用
いて、パターンニングした有機レジスト膜をマスクとし
た二酸化シリコン膜の穴加工を行う方法について説明す
る。

まず、カソード電極２を熱交換器５により例えば９０℃
に加熱維持する。このカソード電極２の静電チャック用
電極４上に被エツチング物１を配置した後、真空チャン
バ２０内を真空ポンプ９により１Ｏ−２Ｐａ以下に排気
する。その後、ガス導入ユニット８からエツチング用ガ
スを導入する。このときのガス流量は例えばトータルで
７０’　Ｓ　ＣＣＭであった。そしてスロットルバルブ
１０によりチャンバ２０内の圧力を例えば０．８Ｐａと
する。次に静電チャック用電極４に例えば５００ｖを印
加する。

その後高周波電源６により例えば３００Ｗの高周波をカ
ソード電極２に印加する。この時、高周波印加と同時に
Ｈｅガス１１を被エツチング物１の裏側から導入する。

すると、高周波電力印加により真空チャンバ２０内に発
生したグロー放電によりエッチングガスは分解・電離し
て被エツチング物１に加速イオン及び反応性ラジカルが
到達し、被エツチング物１上の二酸化シリコン膜がエツ
チングされる。

この時の被エツチング物１の温度の一例を第２図に示す
。同図から明らかなように、放電開始によ多温度は２０
°Ｃ近く上昇するが、静電吸着とＨｅによる熱伝導によ
如上弁は抑えられ、エツチングの間はぼ１１０℃に保た
れた。なお、第２図中矢印で示すＰａはエツチング開始
点を、同じく矢印のｐｂはエツチング停止点をそれぞれ
示している。

また、上記の処理条件によりガスの種類を変えたときの
穴の寸法とエツチング深さの関係を第３図に示す。第３
図において横軸は穴の寸法（μｍ）、縦軸はエツチング
深さ（μｍ）がとってあシ、特性■はＣＨＦ３を単独（
１００％）で用いたときのものを示し、そして特性■は
ＣＨＦ３に４３％の塩素を添加したとき、特性■はＣＨ
Ｆ　３に８．５％の塩素を添加したときのものをそれぞ
れ示す。この時、ガスとしてＣＨＦ３を単独で用いたと
きは、穴の寸法が０．８μｍ以下でエツチング深さの低
下が見られる（特性Ｉ）。しかし塩素を４．３％添加す
ると低下の度合は少なくなシ（特性ＩＩ　）、８．５％
の塩素添加で００４μｍまでエツチング深さの低下が見
られなくなった（特性■）。

ここで被エツチング物の温度は重要なファクターである
。カソード電極２の温度を６０℃とし、エツチング中の
被エツチング物１の温度をほぼ８０℃としたときの穴の
寸法とエツチング深さの関係を第４図に示す。この時、
塩素添加によっても改善の効果が見られない（特性■１
．■２）。このように塩素添加によるエツチング深さ低
下に対する改善効果は、被エツチング物のエツチング中
の温度を少なくとも９０℃以上にしないと現れない。

上記実施例の加工においては、エツチングガスとしてＣ
ＨＦ３と塩素の混合ガスを用いたが、発明者らの実験に
よれば被エツチング物の温度を９０°Ｃ以上にすれば、
ＣＨＦ３と塩素にさらに選択比改善のだめに水素を混合
しても同様の効果が絹持さ＝９− ０ れた。また、ＣＦ４と塩素と水素の混合ガス系でも同様
の効果が見られた。さらに、ＣＣｌＦ３　　と水素の混
合ガス系でも同様の効果が見られた。また、水素を含″
１ないガス系として、Ｃ２Ｆイと塩素の混合ガス系でも
同様の効果が見られた。しかし、ＣＨＦ３にＣＣＩ、を
混合しても効果は見られず逆に微細穴のエツチング深さ
は低下した。

このように、炭素と水素と弗素と塩素を含む、または炭
素と弗素と塩素を含む単独あるいは混合ガスを用いるこ
とにより本発明の効果が見られるが、全ての場合に効果
があることはなくプラズマ中でガスがどの様に分解しど
の様な反応性ラジカルを生じるかによって効果が変わっ
て来る。発明者らの考えによれば、プラズマ中で生じた
塩素ラジカルが表面に多数到達することが本発明の効果
に重要であシ、それに対しＣＣＩＸ（Ｘ−１〜３）ラジ
カルは表面での炭素系皮膜の重合を促進するので逆に微
細穴のエツチングを阻害する。従って、エツチング用ガ
スの組合せとしては塩素を含むガスとして塩素ガスを混
合するのが適しており、塩化炭素系ガスは適さない。例
外としてＣＣｌＦ３はＣＣ１結合が最も弱いのでプラズ
マ中で分館して塩素ラジカルを生じやすくエツチング用
ガスとして使用可能である。

また、被エツチング材料として二酸化シリコンに燐、ボ
ロン、砒素を高濃度に添加した材料でも本発明の効果は
全く変わりなかった。さらに、被エツチング材料として
窒化シリコン膜、酸窒化シリコン膜を用いた場合でも混
合ガス中の水素の割合を制御したシ、酸素ガスをさらに
混合することにより上記の二酸化シリコン膜の場合と同
様に微細な穴凍てエツチング深さの低下の少ない加工が
可能であった。また、これらの実施例では有機レジスト
膜をエツチングマスクとしたが他の有機膜でも温度の上
昇に対し剛性のある膜なら何ら問題なく使用可能である
。エツチングマスクとしてはシリコン膜も適しておυ、
有機膜より高い選択比が得られるのでマスクの厚さを薄
くできる。さらにこれらのマスクを組み合わせた多層膜
でもマスクとしては全く同等に使用可能である。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明によれば、被エツチング物
のエツチング中の温度を９０℃以上に保ち炭素と水素と
弗素と塩素を含む、または炭素と弗素と塩素を含むガス
を制御することにより、絶縁性シリコン化合物薄膜の加
工において微細穴から広い面積のエツチングまでエツチ
ング深さの変化の少ないエツチングが可能となる利点が
ある。

これは、従来不可能であった微細大の深いエツチングを
可能とするとともに、従来機細大を開けるために広い面
積でのオーバエツチングを長くする必要があったのを、
全体の深さがそろうために必要最小限に抑えることが出
来、下地のエツチングや損傷を極小に出来る利点がある
。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明を実施するだめの反応性イオンエツチン
グ装置の一例を示す概略構成図、第２図はエツチング中
の被エツチング物の温度の一例を示す図、第３図はエツ
チング中の被エツチング物の温度が約１１０℃でのガス
の種類を変えたときの穴の寸法とエツチング深さの関係
を示す図、第４図はエツチング中の被エツチング物の温
度が約８０℃でのガスの種類を変えたときの穴の寸法と
エツチング深さの関係を示す図である。 １−・参・被エツチング物、２−会・・カソード電極、
３・・・・アノード電極、４・・・・静電チャック用電
極、５・・・・熱交換器、６・・・・高周波電源、７・
・・・マツチングユニット、８拳・・・ガス導入ユニッ
ト、９・・ｅ−真空ボン７’、１０・中・・スロットル
バルブ、２０・・・・真空チャンバ。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 有機系薄膜、シリコン薄膜のうちの１層または多層膜で
   部分的に被覆された二酸化シリコン膜、窒化シリコン膜
   または酸窒化シリコン膜を含む絶縁性シリコン化合物薄
   膜のエッチング方法において、前記絶縁性シリコン化合
   物薄膜により被覆された材料を対向電極型反応性イオン
   エッチング装置の一方の電極に配置し、前記対向電極型
   反応性イオンエッチング装置内に少なくとも炭素と弗素
   と塩素を含むまたは少なくとも炭素と弗素と水素と塩素
   を含む単独あるいは複数のエッチング用ガスを導入して
   、前記対向電極型反応性イオンエッチング装置の対向す
   る電極間に高周波電力を印加し、該高周波電力を印加し
   ている大部分の時間にわたり前記材料を９０℃以上の温
   度に加熱して、前記絶縁性シリコン薄膜のエッチングを
   行うことを特徴とする絶縁性シリコン化合物薄膜の加工
   法。