JPH0417331A - 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工程において被処理材料層
の平滑化を行うために行われるドライエツチング方法に
関し、特にパーティクル汚染を防止しながらエツチング
を可能とする方法に関する。

〔発明の概要］ 本発明は、ダウンフロー型ケミカルドライエッチング装
置を使用して被処理材料層の表面の平滑化を行うドライ
エツチング方法において、反応生成物の堆積と被処理材
料層のエツチングとが競合する条件にて該被処理材料層
のエッチバンクを行いこれを平滑化した後、少なくとも
ウェハ・ステージを除くチャンバー内壁部を加熱しなが
らガス・エツチングを行って該チャンバー内壁部に堆積
した前記反応生成物を除去することにより、チャンバー
内の環境を常に清浄に維持し、パーティクル汚染の防止
を図るものである。

さらに本発明は、同様に被処理材料層のエッチバックを
行いこれを平滑化した後、非堆積性のガスを用いて更な
るエッチバックとチャンバー内壁部に堆積した反応生成
物の除去を行うことにより、同様にパーティクル汚染の
防止を図るものである。

〔従来の技術〕

近年のＶＬＳＩ、ＵＬＳＩ等にみられるように半導体装
置の高集積化および高性能化が進むに伴い、微細な表面
凹凸を有する被処理材料層の平滑化が要望されている。

たとえば、ＤＲＡＭ用のトレンチ・キャパシタでは、少
なくともトレンチの内壁部を被覆してシリコン酸化膜が
形成される。この場合、シリコン酸化膜の膜厚が不均一
となると耐圧性が劣化する慮れがあるので、シリコン・
トレンチ・エツチングの際に生ずるトレンチのいわゆる
側壁荒れ等は予め平滑化しておく必要がある。

また、次世代以降のＳＲＡＭメモリセルでは待機時の消
費電流の低減と動作の高速化が一段と要求されるため、
情報を保持するための電流を供給する負荷抵抗素子とし
て、従来の多結晶シリコン層に代わり、薄膜ＰＭＯ５）
ランジスタが採用されつつある。この場合の上記ＰＭＯ
３）ランジスタはハックゲート型構造をとるため、まず
ＣＶＤ等の手法により多結晶シリコンからなるゲート電
極層が形成され、次にその表面酸化によりゲート酸化膜
が形成される。この場合にも、耐圧性向上のためにはゲ
ート酸化膜が均一な厚さに形成されることが必要であり
、したがってゲート電極層を高度に平滑化することが必
要となる。

さらに、配線形成の傾城では、ブランケット・タングス
テン法におけるタングステン層の平滑化も重要となって
いる。このタングステン層は１．予めコンタクト・ホー
ルやビア・ホールの形成された層間絶縁膜上にＣＶＤ等
により全面的に被着形成されるものであり、パターニン
グによりこれ自身が電極層とされる。このパターニング
を行うためには、上記タングステン層を覆ってフォトレ
ジスト層を形成し、選択露光および現像によりフォトレ
ジスト・パターンを形成する。しかし、ＣＶＤ等により
形成されるタングステン層は比較的大きな表面凹凸を有
するので、フォトレジスト層の膜厚が不均一化して解像
度を劣化させる原因となったり、またマスク・アライメ
ントが不可能となったりする。特に、近年のようにデザ
イン・ルールの微細化に伴ってフォトリソグラフィにお
ける露光光の波長が短波長化されていると、このことは
重大な問題となる。

このように、半導体装置の製造分野においては、あらゆ
る被処理材料層について平滑化が要望されており、これ
に応える技術も幾つか提案されている。

たとえば、第３５回応用物理学関係連合講演会（１９８
８年春季年会）講演予稿集第４９８ページ、講演番号２
Ｅｌｐ−Ｇ−２には、予めトレンチの形成されたシリコ
ン基板に対してダウンフロー型ケミカルドライエツチン
グ装置内でＣＦ、ガスと０２ガスの混合ガスによるエツ
チングを施すことにより、トレンチのコーナ一部を丸め
ると共に側壁荒れを平滑化し、酸化膜の耐圧を向上させ
る技術が報告されている。

また、第３６回応用物理学関係連合講演会（１９８９年
春季）講演予稿集第５７２頁１講演番号１ｐ−Ｌ−８に
は、同様のガス系により多結晶シリコン層の平滑化を行
った技術が報告されている。この場合にも、上記多結晶
シリコン層の酸化により形成される多結晶シリコン酸化
膜の耐圧を著しく向上させることができる。

いずれの技術も、ＣＦ、ガスに対して０２ガスを過剰に
使用することによりシリコン・オキシフッ化物Ｓ　ｉ、
Ｆ、Ｏ，を生成させ、該ｓｉ、Ｆ”Ｖｏｆの堆積とシリ
コン基板もしくは多結晶シリコン層のエツチングとを競
合させることにより平滑化を図るものである。この平滑
化は、トレンチのコーナ一部、あるいは被処理材料層表
面の凹部のような負の曲率面では上記Ｓ　ｉ、Ｆ、Ｏ，
の蒸気圧が低いために該Ｓ　ｉｘＦ、Ｏ，の堆積が優先
するのでエツチングが抑制され、逆に被処理材料層表面
の凸部のような正の曲率面ではＳ　ｉｘＦｙｏｇの蒸気
圧が高いために堆積よりもエツチングが優先するといっ
た機構にもとづくものと考えられている。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかしながら、上述のような技術では平滑化に利用され
るＳ　ｉ、Ｆ、Ｏ，がエツチング装置のチャンバー内に
も同時に堆積するので、複数のウェハに対する枚葉処理
を行う場合には回数を重ねるごとにパーティクル・レヘ
ルが悪化するという問題が起こる。

そこで本発明は、常にクリーンな環境下で被処理材料層
の平滑化を行うことが可能な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〕

本発明者は鋭意検討を行った結果、被処理材料層のドラ
イエツチングを２段階に分け、その第１の工程によりオ
キシフッ化物の堆積を伴う該被処理材料層のエッチバッ
クによりこれを平滑化した後、続く第２の工程によりク
リーニング、もしくはクリーニングを兼ねたエッチバッ
クを行うことが上述の目的を達成する上で極めて有効で
あることを見出し、本発明を完成するに至ったものであ
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、ダウンフロー型ケミカルドライエツチング装
置を使用して被処理材料層の表面の平滑化を行う方法で
あって、少なくともＦ系ガスと０□ガスとを含む混合ガ
スにより反応生成物の堆積と被処理材料層のエツチング
とが競合する条件にて該被処理材料層のエッチバックを
行う第１の工程と、前記ダウンフロー型ケミカルドライ
エツチング装置の少なくともウェハ・ステージを除くチ
ャンバー内壁部を加熱し、前記第１の工程において該チ
ャンバー内壁部に堆積した前記反応生成物をＣｆＦ、ガ
スによるエツチングにより加熱部位において選択的に除
去する第２の工程とを有することを特徴とするものであ
る。

本発明の第２の発明にかかるドライエツチング方法は、
ダウンフロー型ケミカルドライエツチング装置を使用し
て被処理材料層の表面の平滑化を行う方法であって、少
なくともＦ系ガスと０□ガスとを含む混合ガスにより反
応生成物の堆積と被処理材料層のエツチングとが競合す
る条件にて該被処理材料層のエッチバックを行う第１の
工程と、非堆積性のＦ系ガスにより前記第１の工程にお
いて前記ダウンフロー型ケミカルドライエツチング装置
のチャンバー内壁部に堆積した前記反応生成物を除去し
ながら前記被処理材料層のエッチバックを行う第２の工
程とを有することを特徴とするものである。

〔作用〕

本発明において、ダウンフロー型ケミカルドライエツチ
ング装置を使用し、少なくともＦ系ガスと０２ガスとを
含む混合ガスにより反応生成物の堆積と被処理材料層の
エンチングとが競合する条件にて該被処理材料層のエッ
チバックを行う第１の工程は、第１の本発明および第２
の発明に共通である。すなわち、この工程でオキシフッ
化物の堆積と被処理材料層のエツチングとが前述のよう
な機構により競合して進行し、該被処理材料層が平滑化
される。

上記オキシフッ化物は、たとえば被処理材料層がＳｉ系
材料であれば、まずＦ′″　（フッ素ラジカル）と３１
の反応によりフッ化珪素が生成し、続いてガス系に過剰
に含有されている０２ガスと該フッ化珪素が反応するこ
とによりＳｉ、Ｆア０３として形成される。また、被処
理材料層がＷであれば、まずＦｌとＷの反応によりフッ
化タングステンが生成し、続いて０□ガスと該フッ化タ
ングステンが反応することによりＷ、Ｆ、Ｏ，として形
成される。

続く第２の工程は、両発明で若干具なる。

第１の発明は、ＣＩＦ、によるガス・エツチング、すな
わち分子状態のエツチング種によるエツチングを巧妙に
利用するものである。Ｃｊ！Ｆ３ガスは不安定な化合物
であり加熱により容易にＣＩＦとＦ８に分解する。これ
らはイオン化せずに分子状態のまま単結晶シリコン、多
結晶シリコン。

タングステン、あるいはこれらのオキシフッ化物等のエ
ツチング種となり得る。かかる機構によれば、加熱部位
において選択的にエツチングを生ぜしめることができる
わけである。実際には、ヒーター等によりチャンバー内
壁部を加熱し、その表面においてＣＩＦ、を熱分解して
エツチング種を生成させ、内壁部に堆積している不要な
Ｓｉ、Ｆア０、を分解除去する。このとき、ウェハ・ス
テージは何ら加熱されないので、第１の工程において一
旦平滑化された表面がさらにエッチバックされることが
なく、パターン精度に極めて優れている。

一方、第２の発明では、第２の工程で非堆積性のＦ系ガ
スを使用する。この場合は、第１の発明のように特定部
位の堆積物を除去するという選択性はないため、チャン
バー内壁部に堆積したオキシフン化物が除去されると同
時に、第１の工程において一旦平滑化された表面のエッ
チバックも若干起こる。しかし、加熱が不要であり、従
来の装置がそのまま使用できるという利点がある。

いずれの発明によっても、第１の工程でチャンバー内に
堆積した反応生成物は第２の工程で除去されるので、同
一チャンバー内で複数のウェハに対する枚葉処理を繰り
返した場合にもパーティクル汚染が発生しない。したが
って、常にクリーンな環境下において信軌性、再現性に
優れる処理が行われる。

〔実施例〕

以下、本発明の好適な実施例について説明する。

実施例１ 本実施例は、本発明の第１の発明を多結晶ンリコン層の
平滑化に適用した例である。これを第１［Ｄ　（Ａ）な
いし第１図（Ｃ）を参照しながら説明する。

まず、第１図（Ａ）に示されるように、基板（１）上に
たとえばＣＶＤにより多結晶シリコン層（２）を膜厚約
０．３μｍに被着形成した。この多結晶シリコン層（２
）の表面には、４００〜５００人程麿の表面凹凸が存在
していた。

次に、このウェハをダウンフロー型ケミ男ルドライエッ
チング装置のチャンバー内に設置した。

このエツチング装置は、チャンバーの壁面をヒーター等
の加熱手段により昇温可能となされたものである。ただ
し、ウェハが加熱されないよう、ウェハに熱を伝導し得
るウェハ・ステージ等の部材には加熱の影響が及ばない
ようになされている。

ここで、まず加熱は行わずに、０エガス流量を６゜ＳＣ
ＣＭ、　　ＣＦ　ａガス流量を２０３ＣＣＭとし、ガス
圧５００ｍＴｏｒｒ、　　マイクロ波パワー１ｋＷの条
件により上記多結晶シリコン層（２）を表面から４００
〜５００人程度エッチバックした。このとき、凹部（２
ａ）では反応生成物であるＳｉ工ＦｙＯ□の堆積が優先
し、凸部（２ｂ）ではエツチングが優先する機構で反応
が進行することにより、第１図（Ｂ）に示されるように
、多結晶シリコン層（２）の表面がＳｉ、ＦｙＯ。

層（３）により平滑化されながらエツチングが進行し、
最終的には第１図（Ｃ）に示されるように、多結晶シリ
コン層（２）の表面が平滑化された。

しかし、この時点では、図示されないチャンバーの内壁
部等にも同様にＳ　ｉ、Ｆ、０３が堆積している。そこ
で、次に加熱手段によりチャンバー内壁部を約３００°
Ｃに加熱し、ＣＩ！、Ｆ、流量を１１００５ＣＣ，ガス
圧１００　ｍＴｏｒｒの条件によりエツチングを行った
。これにより、加熱されたチャンバー内壁部に堆積して
いたＳ　ｊ、Ｆ、０アは分解除去された。しかし、ウェ
ハは何ら加熱されていないためにその近傍においてはＣ
ｊ！Ｆ、の分解が起こらず、既に平坦化された多結晶ソ
リコン層（２）が更にエッチバンクされることはなかっ
た。

同一チャンバー内で同様の処理を複数のウエノ＼につい
て行ってもパーティクル汚染は発生せず、常に再現性に
優れる平滑化が行われた。

なお、多結晶シリコン層（２）のエッチバックに使用さ
れるＦ系ガスはオキシフッ化物を堆積させ得るガスであ
れば上述のＣＦ４に限られるものではなく、たとえばＮ
Ｆ、、ＳＦ、等であっても良い。

また、必要に応して不活性ガス等を希釈ガスとして添加
しても良い。

実施例２ 本実施例は、本発明の第２の発明を多結晶シリコン層の
エンチングに適用した例である。図面による説明は省略
する。

まず、実施例１と同様に、ダウンフロー型ケミカルドラ
イエツチング装置を利用して多結晶シリコン層のエッチ
バックを表面から４００〜５００人程度行った。ただし
、この場合のエツチング装置は前述のような加熱手段を
備えている必要はなし・。

この段階で、多結晶シリコン層の表面が平滑化されると
共に、エンチング装置のチャンバー内壁部にＳｉ、Ｆ、
０□が堆積した。

次に、ＮＦ、流量５０３ＣＣＭ、ガス圧５０　ｍＴｏｒ
ｒマイクロ波パワー１ｋＷの条件によりエツチングを行
った。これにより、多結晶シリコン層の表面においては
平滑性を維持したまま更に若干のエッチバックが進行し
、またチャンバー内壁部に堆積していたＳｉ、ＦｙＯ，
が分解除去された。上記ＮＦ、は非堆積性ガスであって
、新たな反応生成物が堆積することはなかった。

以上の処理を同一チャンバー内で複数のウェハについて
繰り返してもパーティクル汚染は発生せず、常に再現性
に優れる平滑化が行われた。

なお、上述の各実施例では、いずれも被処理材料層が多
結晶シリコン層である場合について説明したが、エツチ
ング生成物が揮発性のフッ化物として除去可能なもので
あればこれに限られるものではなく、たとえばタングス
テン層等であっても良い。

〔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
、常にクリーンな環境下で被処理材料層の平滑化を行う
ことが可能となる。すなわち、１回の処理が行われるた
びにチャンバー内の不要な堆積物が除去されるので、た
とえば半導体装置の製造分野において多数のウェハに対
する枚葉処理を行っても、常に信幀性の高い処理が再現
性良く行われる。

本発明をたとえば多結晶シリコン層の平滑化に適用すれ
ば、トレンチ・キャパシタやＰＭＯＳトランジスタの酸
化膜耐圧を向上させることができ、またタングステン層
の平滑化に適用すればマスク・アライメントやバターニ
ングの精度を向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

結晶シリコン屡のドライ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）は微細な表面凹凸を有する多結晶シリコン層が形成
された状態、第１図（Ｂ）は５ｉＸＦｙＯ□層が形成さ
れながらエツチングが進行する状態、第１図（Ｃ）は多
結晶シリコン層の表面が平滑化された状態をそれぞれ表
す。 基板 多結晶シリコン層 凹部 凸部 Ｓ　ｉＸＦ、Ｏ，層

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）ダウンフロー型ケミカルドライエッチング装置を
   使用して被処理材料層の表面の平滑化を行うドライエッ
   チング方法において、 少なくともＦ系ガスとＯ＿２ガスとを含む混合ガスによ
   り反応生成物の堆積と被処理材料層のエッチングとが競
   合する条件にて該被処理材料層のエッチバックを行う第
   １の工程と、 前記ダウンフロー型ケミカルドライエッチング装置の少
   なくともウェハ・ステージを除くチャンバー内壁部を加
   熱し、前記第１の工程において該チャンバー内壁部に堆
   積した前記反応生成物をＣｌＦ＿３ガスによるエッチン
   グにより加熱部位において選択的に除去する第２の工程
   とを有することを特徴とするドライエッチング方法。
2. （２）ダウンフロー型ケミカルドライエッチング装置を
   使用して被処理材料層の表面の平滑化を行うドライエッ
   チング方法において、 少なくともＦ系ガスとＯ＿２ガスとを含む混合ガスによ
   り反応生成物の堆積と被処理材料層のエッチングとが競
   合する条件にて該被処理材料層のエッチバックを行う第
   １の工程と、 非堆積性のＦ系ガスにより前記第１の工程において前記
   ダウンフロー型ケミカルドライエッチング装置のチャン
   バー内壁部に堆積した前記反応生成物を除去しながら前
   記被処理材料層のエッチバックを行う第２の工程とを有
   することを特徴とするドライエッチング方法。