JPH03196624A - 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〕 本発明は半導体装置等の製造に適用されるドライエツチ
ング方法に関し、特に単結晶シリコン層にトレンチを形
成するための異方性エツチングを行う方法に関する。

〔発明の概要〕

本発明は、単結晶シリコンのエツチングによりパターン
幅の異なる複数のトレンチを形成するドライエツチング
方法において、エツチングガスとして水素原子を含まな
いフルオロカーボン系ガスとＨＢｒガスとの混合ガスを
使用することにより、主としてパターン幅の広いトレン
チにおける側壁保護膜の過剰な形成を抑制し、全てのト
レンチを高い異方性をもって同じ深さに形成しようとす
るものである。

さらに本発明は、被エツチング領域に予め酸素イオンを
導入しておき、有機系側壁保護膜を形成し得るエツチン
グガスによりエツチングを行うことにより、主としてパ
ターン幅の広いトレンチにおける有機系側壁保護膜の分
解除去を促進し、全てのトレンチを高い異方性をもって
同じ深さに形成しようとするものである。

〔従来の技術〕

ＶＬＳＩ、ＵＬＳＩ等にみられるように、近年の半導体
装置における集積度の向上には目覚ましいものがある。

そのデザイン・ルールは４ＭビットＤＲＡＭではサブミ
クロン・レベルに微細化され、さらにはクォーターミク
ロン・レベルの微細加工も議論されるようになっている
。かかる半導体ｉ１における各種パターンのアスペクト
比は急速に増大する傾向にある。高アスペクト比パター
ンの典型例としては、微細素子分離やセル・キャパシタ
・エリアの確保を目的として形成されるシリコン・トレ
ンチがある。

ところで、このような高アスペクト比パターンのエツチ
ング特性には、従来得られている特性の延長としてのみ
では論じきれないものも現れてきている。エツチング断
面形状の変化もそのひとつである。高アスペクト比パタ
ーンのエツチングでは、マスク・パターンやエツチング
・パラメータ等によって断面形状が複雑に変化し易く、
アンダーカットやボウイング（ｂｏｗｉｎｇ）と呼ばれ
る側壁部の膨らみ現象等が現れる。このように異方性形
状からはずれた断面形状が発生すると、後工程における
トレンチの埋め込みや容量の制御等が困難となる。

このような事情から、シリコン・トレンチ・エツチング
において異方性形状を達成するための技術が種々検討さ
れている０反応機構の観点からは、イオン支援反応によ
りエツチングの進行する条件が主として採用されるよう
になっている。ここで使用されるエツチングガスとして
は、■塩素イオンや臭素イオン等のような質量の大きい
イオン、■フッ素ラジカル等のような入射イオンによっ
て励起されるとシリコンとの反応確率が高くなるラジカ
ル、および■炭素系やシリコン系等の側壁保護膜を形成
し得るラジカル、の３種類の化学種を生成し得るものが
望ましいとされている。

従来提案されている最も代表的なエツチングガス系とし
ては、ＣＩ！、！　と堆積性ガスとの混合ガス系がある
。このガス系は、塩素系活性種による単結晶シリコンの
エツチングと炭素系ポリマーの堆積による側壁保護効果
を意図したものである。ここで上記堆積性ガスとしては
、炭素の供給源となることを目的とするために水素原子
を含有し、かつＦ／Ｃ比（分子中のフッ素原子数と炭素
原子数の比）の低いガスが使用されることが多く、ＣＨ
Ｆ１　　ＣｔＨａ等が通常選ばれている。

しかし、上述の混合ガス系では、堆積の影響の他、水素
による塩素系活性種の補足が生じるために、エツチング
速度の低下や単結晶シリコンとマスク材料との間の選択
比の低下が生じ易いという欠点がある。そこで、このよ
うな欠点をある程度解消したガス系として、（ａ）Ｓｉ
Ｃｊ！４とＮｔの混合ガス系、（ｂ）　ＣｌＣ４！、Ｆ
ｓ　　（フロン１１３）とＳＦ、の混合ガス系、（ｃ）
Ｃｊ！ｔとＮ、の混合ガス系等も提案されている。

さらに、これら塩素系のエツチングガスを使用するエツ
チングでは酸化シリコンをマスクとする場合が多いが、
本発明者が先に特願平１−００１４４６号明細書に開示
したシリコン系物質のドライエツチング方法によれば、
フッ素を含有するハロゲン化炭素と塩素との混合ガスを
エツチングガスとして使用することにより、フォトレジ
スト等をマスクとしても長時間のエツチングにおいて高
い選択比が維持され、かつ側壁保護膜の堆積に伴うエツ
チング速度の低下を抑制することができるようになる。

〔発明が解決しようとする課題〕

このように、側壁保護膜の堆積を伴うシリコン・トレン
チ・エツチング技術は既に知られたところであるが、特
に素子分離を目的とするシリコン・トレンチを形成する
にあたり、新たな問題が生じてきた。これを第３図（Ａ
）、第３図（Ｂ）および第４図を参照しながら説明する
。

一般に素子分離を目的とするシリコン・トレンチは、そ
のパターン幅がセル構造等に依存して−定していないた
め、半導体装置の製造工程においては１回のエツチング
でパターン幅の異なる複数のトレンチを同時に形成する
ことが必要となる。

たとえば、第３図（Ａ）に示すように、単結晶シリコン
基板（１１）上にバターニングによりパターン幅の広い
第１の開口部（１２ａ）とパターン幅の狭い第２の開口
部（１２ｂ）とが形成された酸化シリコン層（１２）を
形成する。

ところが、次に上記酸化シリコン層（１２）をマスクと
してエツチングを行った場合、上記第１の開口部（１２
ａ）に対応して開口される第１のトレンチ（１３ａ）と
第２の開口部（１２ｂ）に対応して開口される第２のト
レンチ（１３ｂ）の断面形状を共に理想的な異方性形状
とすることは極めて困難であり、通常は被エツチング面
積の差にもとづき、両トレンチの断面形状に差が生ずる
。すなわち、上記エツチングが十分な側壁保護膜を堆積
し得る条件で行われた場合には、パターン幅の広い第１
のトレンチ（１３ａ）において相対的に多くのエツチン
グ種が入射するために第２のトレンチ（１３ｂ）内より
も側壁保護膜（１４）の形成量が多くなる。その結果、
スパッタリング効率が変化して第３図（Ｂ）に示すよう
に第１のトレンチ（１３ａ）の断面形状がテーパー状と
なったり、またエツチング深さが増大したりする。

一方、上述のような形状異常を防止しようとして、第１
のトレンチ（１３ａ）内における堆積を抑制するような
条件を採用すると、パターン幅の狭い第２のトレンチ（
１３，ｂ）内においては側壁保護膜（１４）の形成量が
ますます少なくなる上にトレンチ内におけるイオン散乱
が激しくなる結果、第４図に示すようなボウイング（１
５）が発生する。

このような問題は、前述の代表的な混合ガス系（ａ）〜
（ｃ）によっても解決することができない。

すなわち、混合ガス系（ａ）および（ｂ）では主として
気相中における反応生成物の堆積により、また混合ガス
系（ｃ）では主としてエツチングガスとシリコンとの反
応による副生成物の堆積によりそれぞれ側壁保護膜が形
成されるため、被エツチング面積の影響を免れないから
である。

そこで本発明は、異なるパターン幅を有するトレンチを
同時にエツチングしても優れた異方性形状が得られるド
ライエツチング方法を提供することを目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

本発明者は、パターン幅の相対的に広いトレンチにおけ
る側壁保護膜の形成量を選択的に減少させることができ
れば上述の問題点を解決することができると考え、検討
を行った結果、以下の事実を見出した。すなわち、■エ
ツチングガスとして水素原子を含まないフルオロカーボ
ン系ガスとＨＢｒガスを含む混合ガスを使用すれば、パ
ターン幅の広いトレンチにおける過剰な側壁保護膜の形
成が抑制されること、および■被エツチング領域に予め
酸素イオンを導入しておき、有機系側壁保護膜を形成し
得るエツチングガスによりエツチングを行えば、パター
ン幅の広いトレンチにおける有機系側壁保護膜の分解除
去が促進されること、である。

本発明は上述の知見にもとづいて提案されるものである
。

すなわち、本発明の第１の発明にかかるドライエツチン
グ方法は、単結晶シリコンのエツチングによりパターン
幅の異なる複数のトレンチを形成するドライエツチング
方法であって、前記エツチングを水素原子を含まないフ
ルオロカーボン系ガスとＨＢｒガスを含む混合ガスによ
り行うことを特徴とするものである。

さらに、本発明の第２の発明にかかるドライエツチング
方法は、単結晶シリコンのエツチングによりパターン幅
の異なる複数のトレンチを形成するドライエツチング方
法であって、被エツチング領域に予め酸素イオンを導入
しておき、有機系側壁保護膜を形成し得るエツチングガ
スによりエンチングを行うことを特徴とするものである
。

〔作用〕

本発明のドライエツチング方法は、いずれもパターン幅
の広いトレンチにおける側壁保護膜の過剰な形成を抑制
することにより、全てのトレンチを高い異方性をもって
同じ深さに形成するものである。

まず、本発明の第！の発明では、エツチングガスとして
水素原子を含まないフルオロカーボン系ガスとＨＢｒガ
スを含む混合ガスが使用される。

このうち、水素原子を含まないフルオロカーボン系ガス
は、自身もある程度の堆積に寄与するガスであるが、酸
化シリコンのエツチング種となるＣＦ、″を気相中で生
成することができるので、複雑な組成を有する側壁保護
膜の一部をエツチング除去して該側壁保護膜の過剰な堆
積を抑制することができる。また、上記ＣＦ、”はＢｒ
”等のイオンの支援を受ければ直接シリコンをエツチン
グすることもできる。ここで、上記フルオロカーボン系
ガスは水素原子を含まない点が肝要である。もし水素原
子を含有していると水素原子によりＦｏが補足されるの
で、ＣＦ、’が再結合の相手を失って過剰に堆積し易く
なり、側壁保護膜の過剰な堆積を抑制するという本発明
の目的に合致しないからである。

一方のＨＢｒガスはシリコンの主エツチング種を生成す
るガスであるが、その反応性は概して低く、イオン照射
面においてのみエツチング反応を進行させる。したがっ
て、側壁保護膜の形成が少ない場合にも高い異方性形状
を達成し得るものである。従来の塩素系ガスを用いるエ
ツチングにおいても同様の効果は知られているが、本発
明では塩素より質量の大きい臭素を使用しているので、
その効果はさらに顕著である。

このように、第１の発明では側壁保護膜の過剰な堆積を
抑制しながら異方性確保に有利なＨＢｒガスによるエツ
チングを行うため、パターン幅の広いトレンチにおいて
も従来のような断面形状のテーパー化やエツチング深さ
の増大等の問題が起こらない。さらに、側壁保護膜の過
剰な堆積を抑制しても、パターン幅の狭いトレンチにお
いてボウイングが発生することもない。それは、上述の
ようなＨＢｒの低反応性に加えて、特にエツチング・マ
スクとしてレジスト材料を使用した場合に、ＨＢｒと該
レジスト材料との反応生成物が狭い領域内で効果的に付
着して側壁保護膜を形成し得るからである。

一方、本発明の第２の発明においては、被エツチング領
域に予め酸素イオンをイオン注入等の手段により導入し
ておき、有機系側壁保護膜を形成し得るエツチングガス
によるエツチングが行われる。これは、−旦形成された
有機系側壁保護膜を、被エンチング領域から発生する０
°やＯｘ”により分解しＣＯもしくはＣＯｔの形で除去
することにより、側壁保護膜の形成量を滅しることを意
図したものである。この場合、パターン幅の広いトレン
チにおいてはより多くの０１や０．゛が発生するため、
有機系側壁保護膜の分解除去も促進され、パターン幅の
狭いトレンチと同一のエツチング特性によるエツチング
が可能となる。ここで、酸素をエツチングガス中に混合
せずに被エツチング領域に導入したのは、以下のような
理由による。すなわち、エツチングガス中に酸素を混合
すると、気相中における堆積性物質の生成が抑制される
ために、パターン幅の狭いトレンチにおいて有機系側壁
保護膜が形成できなくなり、ボウイング等が発生するか
らである。これでは、パターン幅の広いトレンチにおい
てのみ有機系側壁保護膜の生成量を選択的に制限すると
いう本発明の目的に合致しない。

このように、第１および第２の発明のいずれによっても
、パターン幅の広いトレンチにおける側壁保護膜の形成
量は過剰となることなく適切に制御され、パターン幅に
依存しない均一なシリコン・トレンチ・エツチングが可
能となる。

なお、本発明のメリットを更に付は加えるならば、マス
クとしてレジスト材料が使用できることが挙げられる。

従来の一般的なシリコン・トレンチ・エツチングにおい
ては、エツチングガスに対する十分な耐性を確保するた
めに酸化シリコンからなるマスクが使用されることが多
いが、酸化シリコンのマスク・パターンを作成するため
にはまずレジスト材料のパターニングが必要となるため
、工程数が多くなる。しかし、本発明のエッチングガス
系ではレジスト材料でも良好にマスクとしての機能を果
たすので、マスク・パターンの作成に要する工程数が大
幅に削減でき、生産性の観点から有利となる。

〔実施例〕

以下、本発明の好適な実施例について、図面を参照しな
がら説明する。

実施例１ 本実施例は、シリコン・トレンチ・エツチングを第１の
発明を適用して行った例である。これを第１図（Ａ）お
よび第１図（Ｂ）を参照しながら説明する。

まず、単結晶シリコン基板（１）上にたとえばノボラッ
ク系フォトレジスト　（大日本インキ社製。

商品名叶Ｒ２６００）を塗布することによりマスクとな
るフォトレジスト層（２）を形成し、バターニングによ
り第１図（Ａ）に示すようにパターン幅の広い第１の開
口部（２ａ）とパターン幅の狭い第２の開口部（２ｂ）
とを形成した。

次に、上記フォトレジスト層（２）をマスクとして単結
晶シリコン基板（１）のエツチングを行った。

このエツチングは、高周波バイアス印加型ＥＣＲ（電子
サイクロトロン共鳴）プラズマ・エツチング装置を使用
して行い、その条件はたとえばＨＢｒ流量９ＳＣＣＭ、
　ＣｆｆＦＩ流量１１ＳＣＣＭ、ガス圧１０ｍＴｏｒｒ
マイクロ波パワー８５０　Ｗ、高周波バイアス１００Ｗ
とした。このエツチングでは、質量の大きいＢｒ’およ
びＣＦ、”を主なエツチング種とするイオン支援反応に
より、第１図（Ｂ）に示すように、第１の開口部（２ａ
）に対応して第１のトレンチ（３ａ）が、また第２の開
口部（２ｂ）に対応して第２のトレンチ（３ｂ）がそれ
ぞれ良好な異方性形状にて形成された。

ここで、各トレンチ（３ａ）　、　（３ｂ）の深さは形
成するデバイスの種類により異なるが、メモリ用の素子
骨＃領域を形成する場合にはおおよそ０．５〜１μｍ１
バイポーラ・トランジスタ用の素子骨ＨｐＨ域およびメ
モリ用のキャパシタを形成する場合には３〜４μｍとさ
れる０本発明を適用すれば、いずれの深さのトレンチも
良好に形成された。

上記のエツチング反応においては、わずかながら側壁保
護膜（図示せず、）の形成が見られたが、これは使用し
たエツチングガスにより気相中から生成した化合物の他
、ＨＢｒとフォトレジスト材料との反応生成物も含むも
のである。しかし、これらは異方性形状を劣化させるほ
どの量には生成されない。また、パターン幅の狭い第２
のトレンチ（３ｂ）内においては、主としてＨＢｒとフ
ォトレジスト材料との反応生成物が効果的に付着して十
分な側壁保護効果が発揮される結果、ボウイング等の形
状異常を生じることはなかった。

なお、水素原子を含まないフルオロカーボン系ガスとし
ては上述のＣ５Ｈｓ以外にも、ＣＦａ、ＣｔＦ、、Ｃ，
Ｆ、。等が使用できる。さらに、エツチングガス系に希
釈ガスを適宜添加しても良い。

実施例２ 本実施例は、シリコン・トレンチ・エツチングを第２の
発明を通用して行った例である。これを第２図を参照し
ながら説明する。なお、この図面において、第１図（Ａ
）もしくは第１図（Ｂ）と共通の部分については同一の
番号を付す。

まず、第２図に示すように、実施例１と同様にして単結
晶シリコン基板（１）上に第１の開口部（２ａ）と第２
の開口部（２ｂ）とを有するフォトレジスト層（２）を
形成した。続いて、上記開口部（２ａ）　。

（２ｂ）を通じてイオン注入により酸素を導入し、被エ
ツチング領域を高酸素濃度領域（ｌａ）　、　（ｌｂ）
とした。上記高酸素濃度領域（Ｉａ）　、　（ｌｂ）に
おける酸素濃度はたとえばｔｏ”７ｃｍ”程度とし、注
入深さは形成すべきトレンチの深さと同等とした。

次に、上記フォトレジスト層（２）をマスクとするエツ
チングを行った。エツチングは、高周波バイアス印加型
ＥＣＲプラズマ・エツチング装置を使用して行い、その
条件はたとえばＣｚ　Ｃｌ　ｘ　Ｆ　ｙ（フロン１１３
）流量６３５ＣＣＭ、　　Ｓ　Ｆ、流量７　ＳＣＣＭ。

ガス圧１０腸Ｔｏｒｒ＋　マイクロ波パワー８５０　Ｗ
、高周波バイアス１００Ｗとした。これにより、前述の
第１図（Ｂ）に示した状態と同様、第１のトレンチ（３
ａ）および第２のトレンチ（３ｂ）が良好な異方性形状
をもって形成された。

ところで、上記のエツチングガス系は有機系（カーボン
系）の側壁保護膜を形成し得るガス系として公知であり
、ＳＦ、が主としてエツチングに寄与し、ＣｚＣｌｓＦ
ｓが堆積に寄与するものであるが、従来では気相中にお
ける堆積性物質の過剰な生成が問題とされてきた。しか
し、本発明によれば、被エツチング領域である高酸素濃
度領域（ｌａ）　、　（ｌｂ）からエツチングの進行と
共に大量に酸素が放出され、これにより側壁保護膜がＣ
ＯもしくはＣＯ！の形で分解除去されるため、過剰な堆
積が生じない。この効果は特に、パターン幅が広く、よ
り多くの酸素が放出される第１のトレンチ（３ａ）にお
いて顕著であり、パターン幅の狭い第２のトレンチ（３
ｂ）とほぼ同一の断面形状を有するトレンチを形成する
ことができた。

なお、主エツチング種を供給するガスとしては上述のＳ
　Ｆ　＆以外にもＮＦｓ、ＣｌＦ５等を使用することが
でき、堆積性のガスとしては上述のＣｚＣｌｓＦｓの他
にもＣＣ１２４，Ｃｔ　ＣＩｔ　ｚ　Ｆ　４（フロン１
１４）Ｉ　　Ｃ１８ｒｚＦ４等、もしくはこれらに水素
ガスを添加したものが使用できる。さらに、本実施例の
エツチングガスには、希釈ガスが適宜添加されていても
良い。

〔発明の効果〕

以上の説明からも明らかなように、本発明を適用すれば
、主としてパターン幅の広いトレンチにおいて側壁保護
膜の過剰な形成が効果的に抑制されるため、シリコン・
トレンチ・エツチングにおいてパターン幅の大小に係わ
らず、良好な異方性形状が達成される。さらに、マスク
としてバターニングの容品なレジスト材料を使用するこ
とも可能となる。

本発明をたとえばメモリ素子等の半導体装置の製造に適
用すれば、高集積度、高性能を存する半導体装置が高い
信鎖性および生産性をもって提供できるようになる。

【図面の簡単な説明】

第１図（Ａ）および第１図（Ｂ）は本発明の第１の発明
をシリコン・トレンチ・エツチングに適用した一例をそ
の工程順にしたがって示す概略断面図であり、第１図（
Ａ）はマスクパターンの形成工程、第１図（Ｂ）はエツ
チング工程をそれぞれ示す、第２図は本発明の第２の発
明をシリコン・トレンチ・エツチングに適用した場合の
マスクパターンの形成および酸素イオン注入工程を示す
概略断面図である。第３図（Ａ）および第３図（Ｂ）は
従来のドライエツチング工程における問題点を説明する
ための概略断面図であり、第３図（Ａ）はマスクパター
ンの形成工程、第３図（Ｂ）はパターン幅の広いトレン
チにおいて断面形状の異常が発生した状態をそれぞれ示
す。第４図は従来のドライエツチング工程におけるさら
に他の問題点としてパターン幅の狭いトレンチにおいて
断面形状の異常が発生した状態を示す。 単結晶シリコン基板 高酸素濃度領域 フォトレジスト層 第１の開口部 第２の開口部 第１のトレンチ 第２のトレンチ

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）単結晶シリコンのエッチングによりパターン幅の
   異なる複数のトレンチを形成するドライエッチング方法
   において、前記エッチングを水素原子を含まないフルオ
   ロカーボン系ガスとＨＢｒガスを含む混合ガスにより行
   うことを特徴とするドライエッチング方法。
2. （２）単結晶シリコンのエッチングによりパターン幅の
   異なる複数のトレンチを形成するドライエッチング方法
   において、被エッチング領域に予め酸素イオンを導入し
   ておき、有機系側壁保護膜を形成し得るエッチングガス
   によりエッチングを行うことを特徴とするドライエッチ
   ング方法。