JPH0322532A - 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】 〔発明の目的〕 （産業上の利用分野） 本発明は、ドライエッ、チング方法に係り、特にドライ
エッチングにおける下地膜との選択比の向上に関する。

（従来の技術） 近年、半導体装置の高速化および高集積化は進む一方で
あり、構成素子の微細化および高密度化への研究が急速
に進められている。

このような半導体装置の製造において、窒化シリコン膜
は酸化工程におけるマスクとして、イオン注入工程にお
けるマスクとして、広く使用されている。

例えば、第９図（ａ）に示すように、シリコン基板１の
表面に形成された酸化シリコン膜２をパタニングするに
際し、窒化シリコン膜３を介してレジストパターン４を
形成し、まずレジストパターンをマスクとして第９図（
ｂ）に示すように、窒化シリコン膜をパターニングした
のち、この窒化シリコン膜３のパターンをマスクとして
該酸化シリコン膜をパターニングするという方法がとら
れる。

このとき、酸化シリコン膜は薄いため、窒化シリコン膜
と酸化シリコン膜とのエッチング速度比すなわちエッチ
ング選択比は大きくなければならない。

しかし、実際にはエッチング選択比は、たかたか３程度
であり、場合によっては下地の酸化シリコン膜がエッチ
ングされ、さらにその下のシリコン基板１がエッチング
されることがある。このため、窒化シリコン膜と酸化シ
リコン膜とのエッチング選択比の向上が望まれている。

また、第１０図に示すように、ＬＤＤ型１・ランジスタ
の製造工程におけるイオン注入のマスクの形成に際して
も、同様の問題がある。

すなわち、この方法では、ゲー１・電極１１を形成した
後、この上層に第１０図（ａ）に示すように窒化シリコ
ン膜を堆積し、異方性エッチングにより第１０図（ｂ）
に示すようにゲー１・亀極１１の側壁にのみ窒化シリコ
ン膜１２を残留せしめ、高濃度層の形成の為のマスクと
するようにしている。

（１４はフィールド酸化膜である。）この窒化シリコン
膜のエッチングではゲート絶縁膜としての酸化シリコン
膜１３でとめる必要がある。しかしながら、近年高集積
化にともない、ゲート絶縁膜１３は薄くなる一方であり
、１．　０　Ｏ　Ａ以下になりつつある。このため、現
在のエッチング方法における選択比の程度では、酸化シ
リコン膜でエッチングが停止せずに、下地のソース・ド
レイン領域までもエッチングが及び、素子特性を著しく
損なうという問題がある。

このように、イオン注入工程におけるマスクの形成に際
しても、窒化シリコン膜と酸化シリコン膜とのエッチン
グ選択比の向上が望まれている。

（発明が解決しようとする課題） このように、従来の窒化シリコンのエッチング方法では
、酸化シリコン膜に対するエッチング選択比が十分では
なく、そのためにエッチングが酸化シリコン膜で停止せ
ずに下地の窒化シリコン膜にまでおよび、素子特性を著
しく損なうという問題があった。

ソシて、この問題は、半導体デバイスの製造に際し、窒
化シリコン膜と酸化シリコン膜とのエツチング選択比の
みならず、酸化シリコンの多結晶シリコンあるいはシリ
コンに対するエッチング選択性、窒化シリコンのシリコ
ンに対するエッチング選択性等においても深刻な問題と
なっている。

本発明は、前記実情に鑑みてなされたもので、窒化シリ
コンの酸化シリコンに対するエッチング選択比をはじめ
、第１の材料に対する第２の祠料のエッチング選択比の
高いドライエッチング方法を提供することを目的とする
。

〔発明の構成〕

（課題を解決するための手段） そこで本発明では、第１の材料と第２の利料を担持して
なる基板を、エッチング雰囲気にさらし、第１の材料に
対して第２の祠料を選択的にエッチングする選択的エッ
チング方法において、エッチングガスとして、臭素原子
を含有してなる第１のガスと、酸素を原子含有してなる
第２のガスとの５ 混合ガスであって、炭素原子を含有しないガスを用いる
ようにしている。

（作用） 本発明者らは、種々の実験の結果、臭素を含有してなる
第１のガスと、酸素を含有してなる第２のガスとの混合
ガスであって、炭素原子を含有しないガスをを用いるこ
とにより、高い選択比を得ることかできることを発見し
た。本発明はこの発見に着目してなされたものである。

この結果について考察する。

反応性イオンエッチングでは、イオンが基板表面に衝突
し、衝撃エネルギーを与える。そして基板表面は衝撃さ
れた瞬間、表面の化学結合は分解されバラバラになる。

ここで例えば、基板表面が酸化シリコン（Ｓｔ０２）で
あったとし、ハロゲンイオンが衝突した場合を考える。

イオンが衝突した結果、酸化シリコンはバラバラになり
、酸化シリコン表面近傍には、Ｓｔ，Ｏ，Ｘ　（Ｘはハ
ロゲン原子）が存在することになる。そして、Ｓｉ原子
のうち、いくば６ くかはハロゲン原子と結合し、ＳｉＸＹ（Ｙ＝］〜４）
を形成して気相中に逃げていく。これがエッチング反応
である。そして、これらＳｉ原了のうち残ったものはＯ
原子と結合してＳｉ０２に戻る。このようにイオン衝撃
によって分角ｌ１されノ１したＳ−ｉ原子のうちのどれ
だけがハロゲン原子と結合するかが実質のエッチング速
度を決定する要因となる。そして表面のＳｔ原子のうち
どれたけの量がハロゲン原子と結合して、どれだけの量
がＯ原子と結合してＳｉ０２に戻る かは、結合エネルギーの大きさに依存する。

次表に、Ｓｉとハロゲン、窒素、酸素との粘合エネルギ
ーを示した。例えば、Ｆ，ＣＩ，，Ｂｒの順にエッチン
グ速度が低下するのは、この表中にも示されているよう
にで結合エネルギーがこの順に減少しているからに他な
らない。

ここで、ハロゲンとしてＢｒを用いた場合のＳｉＮとＳ
ｉ０２とのエッチングを考える。

両者とも、イオン衝撃により分解されＳｉＮ表面には、
Ｓｉ，Ｎ，Ｂｒが存在し、Ｓ　ｉ　０２表面には、Ｓｔ
，Ｏ，Ｂｒが存在する。そして、Ｓｉ原子のうち、いく
ばくかはＢｒ原子と反応し、残ったものはＮ原子（Ｓｉ
Ｎ表面上）あるいはＯ原子（Ｓｉ０２表面上）と結合し
てＳｉＮまたはＳｉｏ２に戻る。ここでイオン衝撃によ
り分角１（されたＳ〕原子とＢｒとが反応する割合をＰ
（Ｂｒ）、Ｎと反応する割合をＰ　（Ｎ）　、Ｏと反応
する割合をＰ（０）とすると、Ｓｔ−Ｎ結合よりもＳｉ
Ｏ結合の方が結合エネルギーが大きいので、ＳＩＮ表面
上でのＰ　（Ｂ　ｒ）　／Ｐ　（Ｎ）よりも、Ｓｔ０２
表面上でのＰ　（Ｂ　ｒ）　／Ｐ　（０）の方が小さい
。このため、実質のエッチング速度は、ＳｉＮ＞Ｓｉ０
２となる。

そして、このＢｒによるエッチングを主体とするこのよ
うなエッチング雰囲気下でさらに少量の酸素を添加する
と、Ｓｉ０２表面では何等変化かないのに対し、ＳｉＮ
表面ではＮ原子とＯ原子とが反応しＮ原子を捕獲するた
め、Ｓｉ原子はＢｒと反応する割合が増大し、ＳｉＮの
エッチング速度が増大する。これにより、さらに高選択
比での９ エッチングが可能となる。

しかしながら、大量の酸素を添加すると、酸素分子の解
離によって生じたＯ原子がＳｔと結合するようになり、
ＳｉＮ，Ｓｉ０２ともにエッチング速度が低下する。

また、このエッチング系で少量の窒素を添加した場合、
やはり窒素の解離から生じたＮ原子がＳｉＮの分解から
生じたＮ原子と反応するため、Ｂｒと反応するＳｉ原子
の割合が増大し、ＳｉＮのエッチング速度が増大する。

一方、Ｓ　ｉ　０２表面では、Ｓｉ−Ｎ結合エネルギー
よりもＳｉ−０結合エネルギーの法が大きいため、添加
した窒素が大きな効果を与えることはない。従って、Ｓ
ｉＯ２に対するＳｉＮのエッチング選択比が向上する。

また、このエッチング系の中で、炭素原子を除去するの
は、炭素原子が存在すると、酸素原子と結合して酸素添
加の効果を得ることができないためであると考えられる
。

（実施例） １　０ 以下、本発明の実施例について、図面を参照しつつ詳細
に説明する。

実施例１ 第１図は、本発明実施例のドライエッチング方法に用い
るエッチング装置の概略構或を示す図である・。

このエッチング装置は、真空容器３１と、この真空容器
内に配設された陰極３２と陽極３３とからなり、この陰
極３２には１３．５６ＭＨｚの高周波電源３４が、反射
波を低減するためのマッチングボックス３５を介して接
続されており、陽極３３は真空容器の土壁を兼ねており
接地されている。そして、この陰極３２には、この陰極
３２上に載置される試料３６を冷却するための水冷パイ
プが配設されており、さらに、エッチングガスは、ガス
供給口３７より驚異給され、ガス排出口３８より排出さ
れるようになっている。

次に、この装置を用いたエッチング方法について説明す
る。

まず、第２図（ａ）に示すように、シリコン基板１１ ２０の表面に膜厚１０００Ａの熱酸化膜２１を形成し、
さらにその上層に膜厚４０００人の窒化シリコン膜２２
を形成したものを用意し、この表面にポジ型レジス１・
パターンＲを形成した。

そして、このようにして形成された試料３６を前記装置
の陰極３２上に載置し、ガス排出口３７を介して真空排
気した後、エッチングガスとして臭化水素ＨＢｒを２　
０　ＳＣＣＭ導入すると共に酸素を５　３ＣＣＭ導入し
（炭素を含まないようにする）、圧力をＱ　，　　ｌ　
Ｔｏｒｒに保持した状態で、陰極単位面積当たり０．４
Ｗ／ＣＩｌｌ２の高周波電力を印加してプラズマを発生
せしめ、エッチングを行う。

この結果第２図（ｂ）に示すように、極めて選択性よく
、窒化シリコン膜２２のエッチングがなされ、酸化シリ
コン膜２１はエッチングされることなく良好な状態で残
存している。

このように、本発明の方法によれば、極めて選択性良く
窒化シリコン膜のエッチングを行うことができる。従っ
て、第９図および第１０図に示したような拡散やイオン
注入のための窒化シリコン１　２ マスクを形成する場合にも極めて高精度のパターンの形
戊が可能となる。

次に、第３図（ａ）乃至第３図（ｅ）に示すように、３
種類の試料を用意した。

第１は、第３図（ａ）に示すように、シリコン基板４．
０の表面に膜厚１μｍの熱酸化膜４１を形威したもので
ある。

第２は、第３図（ｂ）に示すように、シリコン基板４０
の表面に膜厚１０００人の熱酸化膜４１を形成し、さら
にその上層に膜厚４０００Ａの窒化シリコン膜４２を形
威したものである。

第３は、第３図（Ｃ）に示すように、シリコン基板４０
の表面に膜厚１００〇八の熱酸化膜４１を形成し、さら
にその上層に膜厚４０００Ａの多結晶シリコン膜４３を
形成したものである。

この３つの試料に対し、全て同一のボジ型レジストパタ
ーンを形威した。

そして、第１図に示したエッチング装置を用いて、これ
ら試料３６を前記装置の陰極３２上に載置し、前記実施
例と同様にしてエッチング番行う。

１３ すなわち、ガス排出口３７を介して真空排気した後、エ
ッチングガスとして臭化水素ＨＢｒを２０ＳＣＣＭ導入
し、圧力を０　．　　Ｉ　Ｔｏｒｒに保持した状態で、
陰極単位面積当たり０．４Ｗ／Ｃｍ２の高周波電力を印
加してプラズマを発生せしめ、エッチングを行う。

次に、同様の操作を行い、エッチングガスとしてＨＢｒ
をベースとし酸素の添加量を変化してエッチングを行う
。

このようにしてエッチングを行ったのち、表面粗さ計を
用いてエッチング深さを測定し、エッチング深さをエッ
チング時間で割ってエッチング速度を求めた。第４図に
酸素添加量とエッチング速度との関係を測定した結果を
示す。図中、ａはＳｉＯ２の関係曲線、ｂはＳｉＮの関
係曲線、Ｃはｐ型シリコン基板の関係曲線、ｄは多結晶
シリコンの関′係曲線を示す。

そして、酸素を添加していくと、窒化シリコン膜、酸化
シリコン膜共にエッチング速度が低下するが、酸化シリ
コン膜のエッチング速度の方が急１４ 激に低下するために、選択比は急激に増大する。

このため、酸素添加量が少量のＨＢｒ雰囲気中では、酸
化シリコンに対して窒化シリコンを高い選択比でエッチ
ングすることが可能である。

一方、酸素添加量をさらに増大していくと、窒化シリコ
ンのエッチング速度も低下するのに対し、多結晶シリコ
ンおよびシリコン基板のエッチング速度はあまり低下し
ないため、窒化シリコンをマスクとして多結晶シリコン
およびシリコン基板をエッチングすることができる。

なお、ここで、ＨＢｒに代えてＢｒ２等他の臭素原子を
含むガスを用い、０２に代えてＮ２　０、ＳＯ２　，Ｓ
Ｏａ　，Ｃｏ，ＣＯ２　，Ｈ２　０，０３等を使用して
も同様の結果を得ることができた。

た。

また、第５図に、このエッチング系において窒素を添加
した場合の、酸化シリコンと窒化シリコンに対する窒素
添加量とエッチング深さとの関係を測定した結果を示す
。図中、ａはＳｉ０２の関係曲線、ｂはＳｉＮの関係曲
線を示す。この図か１５ らも、窒素の添加によって、窒化シリコン膜と酸化シリ
コン膜とのエッチング選択比が増大していることがわか
る。

実施例２ 次に本発明の第２の実施例として、マグネトロンＲＩＥ
装置を用いたエッチングについて説明する。

このマグネトロンＲＩＥ装置は、第６図に示すように、
反応容器５０の外側に永久磁石５１が回転可能なように
配設されており、反応容器５０内には、この永久磁石と
同心円型を有する陽極５２および陰極５３が一対の平行
平板電極を構威してなるものである。なお、陽極は反応
容器の土壁を兼ねている。また、陰極の上には試料５４
を載置するようになっており、冷却機構５５によって冷
却可能なようになっている。５６はガス供給口、５７は
ガス排出口、５８はマッチング回路、５つはＲＦ電源で
ある。

この装置を用いて同様のエッチングを行った結果、第５
図に示したのと全く同様の結果を得るこ１　６ とができた。

実施例３ 次に本発明の第３の実施例として、ＥＣＲプラズマエッ
チング装置を用いたエッチングについて説明する。

このＥＣＲプラズマエッチング装置は、第７図に示すよ
うに、放電室６０とエッチング室６２とに別れており、
放電室には導波管６３を介して２．４５ＧＨｚの磁場が
供給される一方、周りに配設された磁石６４によってこ
の２．４５ＧＨｚの磁場と共鳴する８７５ガウスの磁場
が発生するようになっている。そして、第１の供給口６
５を介してガスを導入し、放電管内でプラズマ６１を発
生させてエッチング室に導き、さらに第２の供給口６６
を介してガスを導入し、試料台６７上に載置された試料
６８をエッチングするように構威されている。ここで、
６９は試料を冷却するための冷却機構である。また、試
料台は電気的に浮いた状態になっており、接地すること
もできるし、高周波や直流電力を印加することもできる
ようになっ１７ ている。

このエッチング装置の試料台に試料を載置し、ガス排出
口を介して真空排気した後、エッチングガスとして第１
の供給口６５を介して臭素Ｂｒ２を２　０　ＳＣＣＭ導
入すると共に第２の供給口６６を介して酸素を導入し（
炭素を含まないようにする）、圧力を０．００１Ｔｏｒ
ｒに保持した状態で、２００Ｗのマイクロ波を導入する
と共に、磁石に電流を流して磁場を発生させ、ＥＣＲ放
電を生ぜしめる。

また、試料台には２０Ｗの高周波電力を印加し、イオン
を引き込むバイアスを発生させる。

このようにしてエッチングを行い、酸素添加量とエッチ
ング速度との関係を測定した結果を第８図に示す。図中
、ａはＳｉ０２の関係曲線、ｂはＳｉＮの関係曲線、Ｃ
はｐ型シリコン基板の関係曲線、ｄは多結晶シリコンの
関係曲線を示す。この図からも、前記第１の実施例で示
した結果と同様の結果になっていることが分かる。

なお、エッチングガスとしてはこれらの実施例に限定さ
れることなく、適宜変更可能であり、ま１８ た２種類のガスの混合ガスに限定されることなく、ＨＢ
ｒ，Ｂｒ２，０２の３種類の混合ガスを用いたり、また
、希ガスや窒素等の不活性なガスを添加したりしてもよ
い。

〔発明の効果〕

以上説明してきたように、本発明のドライエッチング方
法によれば、反応性ガスとして臭素原子を含有してなる
第１のガスと、酸素原子を含有してなる第２のガスとの
混合ガスであって、炭素原子を含有しないガスを用いる
ようにしているため、極めて選択比の良好なエッチング
が可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明実施例の方法に用いるマグネ１・ロン型
反応性イオンエッチング装置を示す図、第２図（ａ）お
よび第２図（ｂ）は本発明の第１の実施例のドライエッ
チング工程を示す図、第３図（ａ）乃至第３図（Ｃ）は
、酸素添加量とエッチング速度との関係を測定するため
の各試料を示す図、第４図は酸素添加量とエッチング速
度との関係を示す図、第５図は窒素添加量とエッチング
速度との関１９ 係を示す図、第６図は本発明の第２の実施例に用いられ
るマグネトロンＲＩＥ装置を示す図、第７図は本発明の
第３の実施例に用いられるＥＣＲプラズマエッチング装
置を示す図、第８図は酸素添加量とエッチング速度との
関係を示す図、第９図は酸化のマスクとしての窒化シリ
コンパターンの形成工程を示す図、第１０図はイオン注
入のマスクとしての窒化シリコンパターンの形成工程を
示す図である。 １・・・シリコン基板、２・・酸化シリコン膜、３・・
・窒化シリコン膜、４・・・レジストパターン、１１・
・・ゲート電極、１２・・・窒化シリコン膜、１３・・
・酸化シリコン膜、１４・・フィールド酸化膜、２０・
・・シリコン基板、２１・・・熱酸化膜、２２・・・窒
化シリコン膜、３１・・・真空容器、３２・・・陰極、
３３・・・陽極、３４・・・高周波電源、３５・・・マ
ッチングボックス、３６・・・試料、３７・・・ガス供
給口、３８・・・ガス排出口、４０・・・シリコン基板
、４１・・・熱酸化膜、４２・・・窒化シリコン膜、４
３・・・多結晶シリコン膜、５０・・・反応容器、５１
・・・永久磁石、５２・・・陽極、２０ ５３・・・陰極、５４・・・試料、５５・・・冷却機構
、５６・・・ガス供給口、５７・・・ガス排出口、５８
・・・マッチング回路、５９・・・ＲＦ電源、６０・・
・放電室、６１・・・プラズマ、６２・・・エッチング
室、６３・・・導波管、６４・・・磁石、６５・・・第
１の供給口、６６・・・第２の供給口、６７・・・試料
台、６８・・・試料、６９・・・冷却機構。 ２１ （０） （ｂ） 第２図 （０） （ｂ） （Ｃ） 第３図 （Ｇ） （ｂ） 第９図 （０） 第１０図

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）第１の材料と第２の材料を担持してなる基板を、
   エッチング雰囲気にさらし、第１の材料に対して第２の
   材料を選択的にエッチングする選択的エッチング方法に
   おいて、 臭素原子を含有する第１のガスと、酸素原 子を含有する第２のガスとの混合ガスであって、炭素原
   子を含有しないガスをエッチングガスとして用いるよう
   にしたことを特徴とするドライエッチング方法。
2. （２）前記第１のガスがＨＢｒであり、かつ前記第２の
   ガスがＯ＿２、Ｏ＿３、Ｈ＿２Ｏ、ＳＯ＿２、ＳＯ＿３
   、ＮＯ＿２、ＮＯ、ＮＯ＿２、ＣＯ、ＣＯ＿２のいずれ
   かであることを特徴とする請求項（１）記載のドライエ
   ッチング方法。