JPH03291929A - 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】 ［ａ業上の利用分野］ 本発明は、ドライエツチング方法に係り、特に、半導体
基体上にシリコン絶縁膜をドライエツチング法を用いて
加工する際における半導体基体内部へのプラズマ照射損
傷の少ないドライエツチング方法に関するものである。

［従来の技術］ 半導体デバイスの高集積化に伴ってプラズマを利用した
ドライエツチング技術が広く利用されている。ＬＳＩ製
造プロセスにおいて、アクティブ領域形成工程、コンタ
クトホール加工工程などでは、半導体基体上に堆積した
シリコン絶縁膜を、反応性イオンエツチング（以下ＲＩ
Ｅと略称する）を用いて加工している。これらの工程に
おいて、ＲＩＥによりシリコン絶縁膜を選択エッチング
する際には、膜厚の不均一性および加工特性の変動等を
補償するために、必ず、オーバーエツチングを行う、こ
のとき、半導体基板はオーバーエツチング時間だけプラ
ズマにさらされることになる。ＲＩＥの場合には比較的
高いエネルギーを有するイオンが基板に照射されるため
に、基板表面近傍にはダメージ層が発生し易い。このよ
うなダメージ層があると、半導体基板中で励起されたキ
ャリアがバルク中を移動するとき、キャリアは、そこで
捕捉され、エレクトロン・ホールベアとなって再結合し
、消滅する。その結果、ライフタイムは劣化し、デバイ
スの製造歩留りは低下する。

このようなプラズマ照射ダメージの影響を避けるために
、従来から行われている方法に、ドライエツチングとウ
ェットエツチングを組合せたものがある。すなわち、シ
リコン絶縁膜加工の大半をＲＩＥで行い、残膜の加工を
ウェットエツチングで行い、基板へのプラズマ照射ダメ
ージを避けている。

しかし、この方法には、ウェットエツチングの制御性が
悪いこと、バタン側壁のアンダーカットは避けられない
ことなどの欠点があり、サブミクロン領域の高精度加工
を要する工程への適用は不可能である。

また、プラズマ照射ダメージの影響を極力少なくするた
めに、ＲＩＥのエツチング条件の最適化の検討が多方面
で進められているが、良好な結果は報告されていない。

［発明が解決しようとする課題］ 本発明の目的は、デバイス特性へのプラズマ照射ダメー
ジの影響を低減し、半導体装置の歩留り向上に寄与し得
るドライエツチング方法を提供することにある。

ｃｉ＊ａを解決するための手段］ 本発明のドライエツチング方法は、半導体基体上にシリ
コン絶縁膜を堆積する工程と、このシリコン絶縁膜上に
レジストを塗布する工程と、リングラフィ工程により所
定のレジストパターンを形成する工程と、前記レジスト
パターンをマスクとして、前記シリコン絶縁膜をドライ
エツチングする工程とを少なくとも有する半導体装置の
製造方法において、前記エツチングを、ハロゲン元素を
含む炭化水素系ガスに対する酸素ガスの組成比が１０％
以上のガスをエツチングガスとして用いて前記シリコン
絶縁膜をエツチングする第一のエツチング工程と、ハロ
ゲン元素を含む炭化水素系ガスあるいはハロゲン元素を
含む炭化水素系ガスに対する酸素ガスの組成比が１０％
未満のガスをエツチングガスとして用いて、反応生成物
を堆積させながら前記シリコン絶縁膜をエツチングする
第二のエツチング工程とにより行い、次いで前記所定の
パターンが転写されたパターン化シリコン絶縁膜を有す
る半導体基体に酸素ガスプラズマ処理を行うことを特徴
とする。

すなわち、本発明は、絶縁膜のＲＩＥを二段階に分けて
°行い、第１ステツプで、絶縁霞め大半をエッチレート
の高い条件でエツチングし、３＠２ステツプで絶縁膜の
残膜を、プラズマ重合反応の起り易い条件で反応生成物
を堆積させつつ、エツチングすることを最も主要な特徴
とする。

［作用コ 従来のＲＩＥを用いた絶縁膜の加工法では、１ステツプ
またはマルチステップのエツチング法が行われているが
、いずれの場合でも絶縁膜は下地Ｓｉ基板に対する絶縁
膜のエッチレート比の高い条件を用いてエツチングして
いる場合が多い。これはオーバーエツチング時に下地Ｓ
ｉ基板の掘れ込み量を極力小さくする必要があるからで
ある。

しかし、この場合でもＳｔ基体は絶縁膜のエツチングに
必要な、比較的高いエネルギーを有するイオンの衝撃を
受けるために、これに起因するＳｉ結晶欠陥が基板表面
近傍に発生し、デバイス特性の劣化をもたらしている。

本発明者は、結晶欠陥を低減し得る方法を探究すべく多
大な実験を重ねたところ、エツチングガスとしてハロゲ
ン元素を含む炭化水素系ガスを用いた場合、酸素の存在
が結晶欠陥の発生に影響を与えることを知見した。

そこで、さらに実験を重ねたところ、ハロゲン元素を含
む炭化水素系ガスに対する酸素の組成比が、結晶欠陥の
発生に大きく影響していることをつきとめ、その臨界値
は１０％（流量比）であることを解明した。

すなわち、ハロゲン元素を含む炭化水素系ガスに対する
酸素の組成比を１０％末ｔｉｌｌ（０％の場合、すなわ
ち、ハロゲン元素を含む炭化水素系ガス単独の場合を含
む）にすると、プラズマ重合反応が起り易くなり、その
反応組成物が基体表面に堆積する。この反応生成物はプ
ラズマの緩衝材としての作用を有していることを本発明
者は知見し、その結果、結晶欠陥が減少することを解明
した。

本発明は、エツチング工程を２段階に分け、第１の段階
では、酸素を１０％以上とすることにより、エツチング
レートな高くし、′！７Ｊ２段階では酸素を１０％未満
とすることにより、高いエツチングレートを保ちつつ、
かつ、結晶欠陥を低減させることが可能となる。

また、第２段階における酸素の組成は、結晶欠陥の低減
という観点からは少ないほど好ましいが、少なすぎると
エツチングレートが低下するため、５〜９％が好ましい
。゛ 本発明は、プラズマ重合反応の起り易い条件を用いて、
絶縁膜をエツチングすることにより、下地Ｓｉ基体が露
出しても、基体表面に堆積した一反応生成物がイオン衝
撃の緩衝材となり、これによりイオン照射ダメージを軽
減することを可能たらしめているものである。なお、シ
リコン絶縁膜は一層構造でもよいが、二層以上の多層構
造としてもよい０例えば、基体側にシリコン酸化膜を、
その上にシリコン窒化膜を形成すればよい。

［実施例〕 本発明の一実施例を図面を用いて具体的に説明する。

第１図（Ａ）〜第１図（Ｄ）は、本発明のドライエツチ
ング方法をアクティブ領域形成工程に適用した一実施例
を説明するための各工程における形成構造を示す断面図
である。

本実施例のドライエツチング方法は、まず半導体基板１
の上に絶縁膜としてシリコン酸化膜２およびシリコン窒
化１１ｉ３を形成し、さらに、リソグラフィ技術によっ
て所望のパターンを有するマスク層４を形成する（￥Ｓ
１図（Ａ））。

次に、前記マスク層４をマスクとして、二層構造を有す
る絶縁膜をドライエツチングする。エツチング法として
は、ＲＩＥを用い、エツチングを二段階に分けて行う、
まず、シリコン窒化Ｉｌ！３およびシリコン酸化膜２の
途中までを、第一のエツチング条件で行い（第１図（Ｂ
））、次に、シリコン酸化膜２の残膜を第二のエツチン
グ条件で行うものである（第１図Ｃ））、３Ｎ−のエツ
チング条件としては、例えば、エツチングガスにＣ１（
Ｆ３と０２の混合ガスを用い、ＣＨＦ、流量１１００５
ＣＣ，０２流量３０ＳＣＣＭ、圧力５０ｍＴｏｒｒ％Ｒ
Ｆ電力１１００Ｗとすれば、このときのシリコン窒化Ｉ
ｌ！３およびシリコン酸化膜２のニッチレートはそれぞ
れ３００゜２２０人／　ｍ　ｉ　ｎであり、所望の膜厚
を比較的短時間でエツチングできる。１Ｊ二のエツチン
グ条件としては、例えば、ＣＨＦ３流量１１００５ＣＣ
，Ｏａ流量５ＳＣＣＭ、圧力５゜ｍＴｏｒｒ、ＲＦ電力
１ｒｏｏｗとすれば、シリコン酸化膜２のエッチレート
は７０人／ｍｉｎであり、かつ、下地シリコン基板１は
ほとんどエツチングされない。第二のエツチング条件で
は、ＣＨＦ、に対する０２組成比が小さいために、ＣＨ
Ｆ、ガスの解離およびマスク材である有機高分子膜の分
解等によりプラズマ重合反応が促進され、シリコン酸化
膜２のエッチレートは減少する。その結果、シリコン酸
化膜２が除去された後、シリコン基板１はほとんどエツ
チングされないで、反応生成物５が堆積する（第１図（
Ｃ））。この反応生成物５は、シリコン窒化膜３ないし
シリコン酸化＠２からなる絶縁膜を完全に除去するため
のオーバーエッチの際に、シリコン基板１がプラズマに
直接さらされるのを防いでいる。

次に、マスク層４の剥離工程において、通常の０２ガス
のプラズマ処理を施すことにより、マスり層４と反応生
成物５が除去され、正常なアクティブ領域の加工工程が
終了する。

第２図は、ＲＩＥによるプラズマ照射ダメージを評価し
たもので、ＣＨＦ　ｓに対するＯ２組成比に対するライ
フタイムの評価結果を示すものである。ライフタイムは
マイクロ波光導電減衰法を用いて測定したものであり、
プラズマを照射しないときの値で規格化して示しである
。同図において、Ａ点は、上記第一のエツチング条件に
、Ｂ点は第二のエツチング条件に、それぞれ対応してい
るもので、Ａ点ではライフタイムは０．１以下であるが
、Ｂ点では約０．４と増加しており、ＣＨＦ３に対する
Ｏ２組成比が小さい程、プラズマ照射ダメージが軽減さ
れることが明らかである。

第３図はＲＩＥ条件を変えてプラズマ照射したシリコン
基板の表面をｘｐｓ　（Ｘ線光電子分光法）により分析
し、Ｏ３組成比に対するＣ、Ｆ原子濃度依存性を調べた
ものである。これらの結果より、シリコン基板表面に堆
積した反応生成物の主成分は（ＣＦ２）。結合のポリマ
ーの一種であることが判明し、Ｏ２組成比が少ない程、
ポリマーの生成量が多いことが明確となった。

上記のプラズマ照射ダメージの評価結果およびシリコン
基板表面に堆積した反応生成物の分析結果より、ＣＨＦ
ａに対するＯ２組成比を小さくして、反応生成物の堆積
量を増加することにより、プラズマ照射ダメージを低減
できることが明らかとなった。即ち、反応生成物はイオ
ン衝撃からの保護膜となフていることがわかる。したが
って、第１図（Ｃ）に示す工程をＯ７組成比の小さい条
件でエツチングすればプラズマ照射ダメージを低減でき
る。しかし、Ｏ２組成比をあまり小さくすると、シリコ
ン酸化膜のエッチレートは減少し、エツチングされなく
なる。

上記のように、絶縁膜の加工を２ステツプで行い、第一
のエツチング条件でＣＨＦ５に対する０、組成比を１０
％以上として絶縁膜の大半を速やかにエツチングし、第
二のエツチング条件でＣＨＦ３に対するＯ２組成比を１
０％未満とじて残りの膜を低ダメージの状態でエツチン
グすることにより、実用性のある低ダメージの加工が達
成される。

上記実施例では、エツチングガスとして、ＣＨＦａを用
いた場合について述べたが、他のエツチングガス、例え
ばＣＨ２Ｆ２その他のハロゲン元素を含む炭化水素系ガ
スの場合にも通用できる。

［発明の効果］ 以上説明したように、絶縁膜の加工法として、２ステツ
プ法を採用し、第一のエツチング条件では、ＣＨＦ３に
対するＯ７組成比を１０％以上として高エッチレートを
維持し、第二のエツチング条件では、Ｏ２組成比を１０
％未満の値にしてプラズマ重合反応により生成する反応
生成物のダメージ低減効果を利用することにより、プラ
ズマ照射ダメージに起因する結晶欠陥を低減することが
できる。それにより、デバイスの性能は向上し、半導体
装置の製造歩留りは向上する。

【図面の簡単な説明】

第１図（Ａ）〜Ｎ１図（Ｄ）は、本発明の半導体装置の
製造方法をアクティブ領域形成工程に適用した一実施例
を説明するための各工程における形成構造の断面図であ
る。 第２図は、ＣＨＦ３に対するＯ２組成比とライフタイム
の関係を示すグラフである。 第３図は、ＸＰＳ分析による、ＣＨＦ、に対するＯ２組
成比と原子濃度の関係を示すグラフである。 （符号の説明） １・・・シリコン基板、２・・・シリコン酸化膜、３・
・・シリコン窒化膜、４・・・マスク層、５・・・反応
生成物第 ２ 図 ＨＦｓ に対する０２組成比（％）

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 　半導体基体上にシリコン絶縁膜を堆積する工程と、こ
   のシリコン絶縁膜上にレジストを塗布する工程と、リソ
   グラフィ工程により所定のレジストパターンを形成する
   工程と、前記レジストパターンをマスクとして、前記シ
   リコン絶縁膜をドライエッチングする工程とを少なくと
   も有するドライエッチング方法において、前記エッチン
   グを、ハロゲン元素を含む炭化水素系ガスに対する酸素
   ガスの組成比が１０％以上のガスをエッチングガスとし
   て用いて前記シリコン絶縁膜をエッチングする第一のエ
   ッチング工程と、ハロゲン元素を含む炭化水素系ガスあ
   るいはハロゲン元素を含む炭化水素系ガスに対する酸素
   ガスの組成比が１０％未満のガスをエッチングガスとし
   て用いて、反応生成物を堆積させながら前記シリコン絶
   縁膜をエッチングする第二のエッチング工程とにより行
   い、次いで前記所定のパターンが転写されたパターン化
   シリコン絶縁膜を有する半導体基体に酸素ガスプラズマ
   処理を行うことを特徴とするドライエッチング方法。