JPH0513377A

JPH0513377A - ドライエツチング方法

Info

Publication number: JPH0513377A
Application number: JP18512691A
Authority: JP
Inventors: Tetsuji Nagayama; 哲治長山; Shingo Kadomura; 新吾門村
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 1991-06-29
Filing date: 1991-06-29
Publication date: 1993-01-22

Abstract

(57)【要約】【目的】シリコン・トレンチ・エッチングにおいて、
高異方性，高速性，低汚染性を同時に達成する。【構成】ディープ・トレンチ加工では、ウェハを−７
０℃に冷却し、Ｃｌ₂／Ｓ₂Ｃｌ₂混合ガスを用いて単
結晶シリコン基板１をエッチングする。両方のガスから
解離生成するＣｌ^*がＣｌ⁺，ＳＣｌ_x ⁺，Ｓ⁺等のイ
オンにアシストされる機構で高速にエッチングが進行す
る。一方、放電解離条件下でＳ₂Ｃｌ₂から生成する遊
離のＳがパターン側壁部に堆積して側壁保護膜５を形成
するので、異方性形状を有するトレンチ１ａが形成でき
る。上記側壁保護膜５は、エッチング終了後ウェハを９
０℃程度に加熱すれば昇華除去できるので、パーティク
ル汚染の原因とならない。Ｃｌ₂／Ｓ₂Ｆ₂混合ガスを
用いれば、シャロー・トレンチ加工を高速に行うことが
できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は半導体装置の製造分野等
において適用されるドライエッチング方法に関し、特に
シリコン・トレンチ・エッチング等の高アスペクト比加
工をパーティクル汚染を抑制しながら高い異方性をもっ
て行う方法に関する。

【０００２】

【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展する
に伴い、半導体デバイス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。したがって、ドラ
イエッチング技術についても、高アスペクト比加工を良
好な異方性をもって行う技術が切望されている。シリコ
ン系材料層の高アスペクト比加工の典型的な例は、容量
素子の形成や素子分離を目的として行われるシリコン・
トレンチ・エッチングである。トレンチの深さはデバイ
スの種類や用途により異なり、容量素子では４〜５μ
ｍ，素子分離ではＭＯＳトランジスタ用で１μｍ、バイ
ポーラ・トランジスタ用で４μｍ程度とされているが、
その開口径はいずれも０．３５〜１．０μｍ程度であ
る。かかる高アスペクト比加工を実現するために、従来
から種々のエッチング・ガスを用いたＲＩＥ（反応性イ
オン・エッチング）が提案されている。上記エッチング
・ガスは、大別するとフッ素系ガスと塩素系ガスの２種
類に分けられる。

【０００３】フッ素系ガスによるシリコン系材料層のエ
ッチングは、本質的にはラジカル反応にもとづいて自発
的に進行する。これは、Ｓｉ−Ｆ結合の原子間結合エネ
ルギーがＳｉ−Ｓｉ結合のそれよりも遙かに大きく、ま
たＦ^*の半径が小さいので単結晶シリコンの結晶格子内
に容易に侵入できるからである。しかし、トレンチの開
口径が微小になるとラジカルの入射が減少し、エッチン
グ速度が低下したりトレンチの先端部が細くなる等の問
題が避けられない。したがって、フッ素系ガスは一般に
シリコン系材料層の高アスペクト比加工に適していると
は言えない。一方、塩素系ガスによるシリコン系材料層
のエッチングは、本質的にはイオン・アシスト反応にも
とづいて進行する。これは、半径が比較的大きく単結晶
シリコンの結晶格子内には容易に侵入できないＣｌ
^*に、イオン入射エネルギーを与える機構でエッチング
を行うからである。このため、高バイアス条件下でのエ
ッチングが必要となる。しかし、原子間結合エネルギー
の大小関係がＳｉ−Ｏ結合＞Ｓｉ−Ｃｌ結合であり、Ｓ
ｉＯ₂系マスクに対して高選択比が得られること、また
異方性形状が得やすいこと等の理由から、一般には塩素
系ガスがシリコン系材料層の高アスペクト比加工に用い
られている。

【０００４】ところで、塩素系ガスを用いたとしても、
シリコン・トレンチ・エッチングにはマスク・パターン
やエッチング・パラメータ等によってトレンチの断面形
状が複雑に変化し、後工程におけるトレンチの埋め込み
や容量の制御等に困難をきたし易いという問題がある。
たとえば、図３に示されるように、単結晶シリコン基板
２１をＳｉＯ₂パターン２２とサイドウォール２３から
なるエッチング・マスクの開口部２４を介してエッチン
グする場合を考える。これは、容量素子等の形成を目的
としていわゆるディープ・トレンチ（ｄｅｅｐｔｒｅ
ｎｃｈ）を形成する場合のプロセスである。ここで、上
記サイドウォール２３は現状のフォトリソグラフィの解
像限界を越えた微細な開口部２４を得るために設けられ
ているものであり、ＣＶＤによるＳｉＯ₂堆積膜をエッ
チバックすることにより自己整合的に形成されている。
このように、エッチング・マスクのエッジ部が丸みを帯
びていると、この部分に垂直入射したイオンが散乱さ
れ、開口部２４内には斜め方向に入射するようになる。
このようなイオンの影響があるために、形成されるトレ
ンチ２１ａの断面形状は異方性形状とはならず、側壁部
に弓型の湾曲部２５が形成される。これは、いわゆるボ
ウイング（ｂｏｗｉｎｇ）と呼ばれる現象である。この
ような現象は、エッチング・マスクの一部にサイドウォ
ール２３が形成された場合に限らず、高バイアス条件下
で高い入射エネルギーを有するイオンにエッチング・マ
スクのエッジ部がスパッタされて丸みを帯びた場合にも
生ずる。

【０００５】また、たとえばＣｌ₂ガスを単独で使用す
ると、図４に示されるようなアンダカット部２６を生じ
たトレンチ２１ｂが形成されることもある。これは、Ｃ
ｌ^*の影響が強く現れているからである。このような場
合には、トレンチ２１ａが深くなるにつれてその底部へ
活性種が到達しにくくなるので、断面形状は図示される
ようにテーパー化する。

【０００６】そこで、上述のようなトレンチの断面形状
の劣化を防止するために、放電解離条件下で堆積性物質
を生成し得るエッチング・ガスを使用し、この堆積性物
質を利用して側壁保護を行う方法が従来から幾つか提案
されている。たとえば、本発明者が先に特開昭６３−７
３５２６号公報において開示したＳｉＣｌ₄／Ｎ₂混合
ガスは、その代表例である。これは、ＳｉＣｌ₄から主
エッチング種としてＣｌ^*やＣｌ⁺を生成させると共
に、ＳｉＣｌ₄とＮ₂との反応により気相中にＳｉ_xＮ
_y，Ｓｉ_xＮ_yＣｌ_z等を生成させ、これらを堆積させ
て側壁保護を行う方法である。この技術によれば、側壁
保護物質として炭素系ポリマーを利用するよりは遙かに
パーティクル汚染を低減させることができ、クリーンな
条件でエッチングを行うことが可能となる。

【０００７】さらに本発明者は、特開昭６４−５９９１
７号公報において、Ｃｌ₂／Ｎ₂混合ガスを用いてシリ
コン・トレンチ・エッチングを行う技術も開示してい
る。この技術もＳｉ_xＮ_y，Ｓｉ_xＮ_yＣｌ_z等を側壁
保護物質として利用するが、これらはエッチング反応生
成物ＳｉＣｌ_xとＮ₂とが反応することにより生成す
る。したがって、前述のＳｉＣｌ₄／Ｎ₂混合ガスを用
いるプロセスのようにエッチング・ガスの構成成分同士
の反応により気相中に堆積性物質が生成する場合と比べ
て、さらにパーティクル汚染を低減させることが可能と
なる。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかし、半導体装置の
デザイン・ルールが今後も急ピッチで進行すると、従来
にも増して高いレベルでパーティクル汚染を低減させる
必要が生ずる。この観点から、上述のＳｉ_xＮ_y，Ｓｉ
_xＮ_yＣｌ_z等を利用するプロセスは現状の要求は満た
しているが、根本的にパーティクル汚染を回避するには
至っていない。しかも、シリコン・トレンチ・エッチン
グは一般にプロセス時間が長く、堆積性物質の生成量も
多くなるので、かかる物質を側壁保護に利用するとして
も、エッチング終了後には容易かつ完全に除去できるこ
とが前提となる。そこで本発明は、シリコン系材料層の
エッチングにおいて、高異方性と低汚染性とを達成する
方法を提供することを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明のドライエッチン
グ方法は、上述の目的を達成するために提案されるもの
であり、被エッチング基板の温度を室温以下に制御しな
がら、塩素系化合物とＳ₂Ｆ₂，ＳＦ₂，ＳＦ₄，Ｓ₂
Ｆ₁₀，Ｓ₃Ｃｌ₂，Ｓ₂Ｃｌ₂，ＳＣｌ₂，Ｓ₃Ｂ
ｒ₂，Ｓ₂Ｂｒ₂，ＳＢｒ₂から選ばれる少なくとも１
種類のハロゲン化イオウとを含むエッチング・ガスを用
いてシリコン系材料層のエッチングを行うことを特徴と
するものである。

【００１０】

【作用】本発明のドライエッチング方法では、エッチン
グ・ガスに塩素系化合物が含まれているため、基本的に
は従来のシリコン・トレンチ・エッチングの主流である
塩素系ガスを用いるプロセスと同様の機構でエッチング
が進行する。本発明の最大のポイントは、エッチング・
ガスの他方の構成成分としてハロゲン化イオウを使用す
ることにある。上記ハロゲン化イオウとして使用される
化合物は、Ｓ₂Ｆ₂，ＳＦ₂，ＳＦ₄，Ｓ₂Ｆ₁₀の各フ
ッ化イオウ、Ｓ₃Ｃｌ₂，Ｓ ₂Ｃｌ₂，ＳＣｌ₂の各塩
化イオウ、およびＳ₃Ｂｒ₂，Ｓ₂Ｂｒ₂，ＳＢｒ₂の
各臭化イオウである。これらのハロゲン化イオウは、１
分子中のイオウ（Ｓ）原子数とハロゲン（Ｘ）原子数の
比、すなわちＳ／Ｘ比が比較的高い化合物であり、放電
解離条件下ではプラズマ中に遊離のＳを生成することが
できる。このことは、たとえばフッ化イオウの中でも従
来からエッチング・ガスとして使用されているＳＦ
₆（Ｓ／Ｆ比＝１／６）が、放電解離条件下でも遊離の
Ｓを生成しないのとは極めて異なる性質である。プラズ
マ中に生成したＳは、室温以下に温度制御された被エッ
チング基板（ウェハ）の表面に堆積する。ここで、イオ
ンの垂直入射面ではＳは直ちにスパッタ除去されてしま
うが、イオンの垂直入射が原理的に起こらないパターン
側壁部にはそのまま堆積し、側壁保護効果を発揮する。
しかも、堆積したＳは、エッチング終了後にウェハを加
熱して昇華させるか、もしくはレジスト・マスクのアッ
シング時に同時に燃焼させる等の手段により容易かつ完
全に除去することができるため、何らパーティクル汚染
を惹起させるものではない。

【００１１】上記ハロゲン化イオウは、分子内にハロゲ
ン原子を有することから、当然のことながらシリコン系
材料層のエッチング種も生成する。すなわち、フッ化イ
オウからは主としてＦ^*が生成する。この場合は、極め
てシリコン系材料層に対するエッチング速度が速いＦ^*
を、エッチング・ガスの他方の構成成分である塩素系化
合物から生成するＣｌ⁺のイオン入射エネルギーでアシ
ストしながらエッチングを行うことになり、たとえばＣ
ｌ₂を単独で使用する場合と比べて大幅にエッチング速
度を向上させることができる。また、塩化イオウからは
Ｃｌ^*やＣｌ⁺が、臭化イオウからはＢｒ^*やＢｒ⁺が
生成するので、これらが他方の塩素系化合物から生成す
る塩素系化学種と共同してエッチングに寄与することに
なる。したがって、これらの場合にもやはりエッチング
速度を向上させることができる。

【００１２】

【実施例】以下、本発明の具体的な実施例について説明
する。

【００１３】実施例１本実施例は、本発明をディープ・トレンチ加工に適用
し、Ｃｌ₂／Ｓ₂Ｃｌ₂混合ガスを用いて単結晶シリコ
ン基板をエッチングした例である。このプロセスを、図
１を参照しながら説明する。まず、一例として図１
（ａ）に示されるように、単結晶シリコン基板１上にＳ
ｉＯ₂パターン２とサイドウォール３からなるエッチン
グ・マスクが形成されたサンプル・ウェハを用意した。
ここで上記ＳｉＯ₂パターン２は、ＣＶＤ等により形成
された層厚１μｍのＳｉＯ₂堆積膜をノボラック系ポジ
型フォトレジスト（東京応化工業社製；商品名ＴＳＭＲ
−Ｖ３）を用いたｇ線露光およびアルカリ現像によりパ
ターニングし、０．５μｍ径の開口部を形成してなるも
のである。また上記サイドウォール３は、レジスト・マ
スクを除去した後、ウェハの全面に一例としてＴＥＯＳ
（テトラエトキシシラン）を原料ガスとするＣＶＤによ
り層厚０．１５μｍのＳｉＯ₂堆積膜を形成し、該Ｓｉ
Ｏ₂堆積膜をＲＩＥによりエッチバックして形成された
ものである。このようにして、上記エッチング・マスク
に形成される開口部４の開口径は、フォトリソグラフィ
の解像限界を越えて０．２μｍに縮小されている。

【００１４】次に、上記ウェハをＲＦバイアス印加型の
有磁場マイクロ波プラズマ・エッチング装置にセット
し、ウェハ載置電極に内蔵された冷却配管にエタノール
等の冷媒を循環させてエッチング中のウェハ温度が−７
０℃に維持されるようにした。この状態で、Ｃｌ₂流量
１０ＳＣＣＭ，Ｓ₂Ｃｌ₂流量１０ＳＣＣＭ，ガス圧
１．３Ｐａ（１０ｍＴｏｒｒ），マイクロ波パワー８５
０Ｗ，ＲＦバイアス・パワー１００Ｗ（２ＭＨｚ）の条
件で単結晶シリコン基板１をエッチングした。このエッ
チング過程では、Ｃｌ₂とＳ₂Ｃｌ₂の双方から生成す
るＣｌ^*によるラジカル反応を、高バイアス条件下でウ
ェハ方向に加速されるＳＣｌ_x ⁺，Ｓ_x ⁺，Ｃｌ_x ⁺等
のイオンでアシストする機構により、単結晶シリコン基
板１がエッチングされた。またこのとき、Ｓ₂Ｃｌ₂か
ら解離生成したＳが低温冷却されたウェハ上でパターン
側壁部に堆積し、側壁保護膜５を形成した。この結果、
ほぼ垂直壁を有する深さ２μｍのトレンチ１ａが形成さ
れた。上述の条件によるエッチング速度は０．６μｍ／
分であり、エッチング・ガスとしてＣｌ₂を単独で使用
した場合と比べて５０％以上も向上した。

【００１５】エッチング終了後、上記のウェハを約９０
℃に加熱したところ、上記側壁保護膜５は速やかに昇華
除去され、何らパーティクル汚染を発生させることはな
かっいた。なおこの加熱は、低温エッチング後のウェハ
上への結露を防止するための加熱をもって兼用させても
良い。

【００１６】実施例２本実施例は、本発明をシャロー・トレンチ（ｓｈａｌｌ
ｏｗｔｒｅｎｃｈ）加工に適用し、Ｃｌ₂／Ｓ₂Ｆ₂
混合ガスを用いて単結晶シリコン基板をエッチングした
例である。このプロセスを、図２を参照しながら説明す
る。まず、一例として図２（ａ）に示されるように、単
結晶シリコン基板１１上にパッドＳｉＯ₂膜１２および
多結晶シリコン層１３が順次積層され、所定の形状にパ
ターニングされたレジスト・マスク１４が形成されたサ
ンプル・ウェハを用意した。ここで上記多結晶シリコン
層１３は、たとえばＣＶＤにより層厚０．１μｍに形成
されており、素子分離用にトレンチを埋め込むＳｉＯ₂
堆積膜をエッチバックする際のストッパ層として設けら
れるものである。また、上記パッドＳｉＯ₂膜１２は、
たとえば上記単結晶シリコン基板１１の熱酸化により層
厚０．０１μｍに形成されており、上記多結晶シリコン
層１３のエッチバックの際のストッパ層として設けられ
るものである。さらに、上記レジスト・マスク１４は、
ネガ型３成分型の化学増幅系ネガ型フォトレジスト（シ
プレー社製；商品名ＳＡＬ−６０１）を用いたＫｒＦエ
キシマ・レーザ露光およびアルカリ現像によりパターニ
ングし、０．３５μｍ径の第１の開口部１５と１μｍ径
の第２の開口部１６とを形成してなるものである。

【００１７】次に、上記ウェハをＲＦバイアス印加型の
有磁場マイクロ波プラズマ・エッチング装置にセット
し、ウェハ載置電極に内蔵された冷却配管にエタノール
等の冷媒を循環させてエッチング中のウェハ温度が−７
０℃に維持されるようにした。この状態で、Ｃｌ₂流量
１０ＳＣＣＭ，Ｓ₂Ｆ₂流量５ＳＣＣＭ，ガス圧１．３
Ｐａ（１０ｍＴｏｒｒ），マイクロ波パワー８５０Ｗ，
ＲＦバイアス・パワー５０Ｗ（２ＭＨｚ）の条件で単結
晶シリコン基板１１をエッチングした。この過程では、
Ｓ₂Ｆ₂から生成するＦ^*およびＣｌ₂から生成するＣ
ｌ^*によるラジカル反応を、ＳＦ_x ⁺，Ｓ_x ⁺，Ｃｌ⁺
等のイオンでアシストする機構によりエッチングが高速
に進行した。また、パターンの側壁部には図２（ｂ）に
示されるようにＳを主体とする側壁保護膜１７が形成さ
れ、ほぼ垂直壁を有する深さ１μｍの第１のトレンチ１
１ａと第２のトレンチ１１ｂが形成された。

【００１８】最後に、上記ウェハをプラズマ・アッシン
グ装置に移設し、通常のＯ₂プラズマ・アッシングの条
件で上記レジスト・マスク１４を燃焼除去した。このと
き、図２（ｃ）に示されるように、側壁保護膜１７も速
やかにかつ完全に除去された。これは、該側壁保護膜１
７を形成するＳがＯ₂プラズマと直接反応して燃焼する
他、プラズマ輻射熱や反応熱でウェハが加熱されること
によっても昇華するからである。したがって、パーティ
クル汚染が発生することはなかった。

【００１９】ところで、一般にシャロー・トレンチ加工
では、被エッチング面積がウェハ面積の５０％以上にも
及び、ディープ・トレンチ加工の場合の５％以下と比べ
て１桁も大きい面積をエッチングしなければならない。
このように被エッチング面積が増大すると、ローディン
グ効果によりエッチング速度は必然的に低下し、場合に
よってはその低下率が５０％近くにも及んでしまう。そ
こで、実用的なプロセスを実現するためには、エッチン
グ速度を向上させることが不可欠となるが、本実施例の
ようにＦ^*を利用できる系は好都合である。実際、上述
の実施例におけるエッチング速度は約０．７μｍ／分と
極めて高いものであった。また、このようにＦ^*による
エッチング速度の向上が可能となれば、異方性を損なわ
ない範囲でエッチング条件を低バイアス化することがで
きるため、レジスト・マスク１４に対する選択比が向上
するというメリットも生まれる。

【００２０】以上、本発明を２種類の実施例にもとづい
て説明したが、本発明はこれらの実施例に何ら限定され
るものではなく、たとえば上述のＳ₂Ｆ₂およびＳ₂Ｃ
ｌ₂以外の本発明で指定されるハロゲン化イオウを使用
した場合にも、同様の結果が得られる。また、塩素系化
合物としては、上述のＣｌ₂の他にもＨＣｌを使用する
ことができる。特にＨＣｌをフッ化イオウと併用した場
合には、ＨＣｌから解離生成するＨ^*により過剰なＦ^*
を捕捉する効果が期待でき、異方性の向上に有利とな
る。さらに、本発明で使用されるエッチング・ガスに
は、スパッタリング効果，希釈効果，冷却効果等を期待
する意味でＨｅ，Ａｒ等の希ガスを適宜添加しても良
い。

【００２１】

【発明の効果】以上の説明からも明らかなように、本発
明では塩素系ガスによるシリコン系材料層のエッチング
を基本としながらも、これにハロゲン化イオウを添加す
ることによりＳを堆積させて側壁保護膜を形成し、異方
性加工を行うことが可能となる。ハロゲン化イオウに含
まれるハロゲンの種類によっては、大幅にエッチング速
度を向上させることもできる。しかも、側壁保護に利用
したＳは、エッチング終了後には容易かつ完全に除去す
ることができるので、何らパーティクル汚染を発生させ
る懸念がない。したがって本発明は、微細なデザイン・
ルールにもとづいて設計され、高集積度と高性能を有す
る半導体装置の製造に極めて好適である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明をディープ・トレンチ加工に適用したプ
ロセス例をその工程順にしたがって示す概略断面図であ
り、（ａ）は単結晶シリコン基板上にＳｉＯ₂からなる
エッチング・マスクが形成された状態、（ｂ）は側壁保
護膜が形成されながらトレンチが形成された状態、
（ｃ）は加熱により側壁保護膜が分解除去された状態を
それぞれ表す。

【図２】本発明をシャロー・トレンチ加工に適用したプ
ロセス例をその工程順にしたがって示す概略断面図であ
り、（ａ）は単結晶シリコン基板上にパッドＳｉＯ₂膜
および多結晶シリコン層を介してレジスト・マスクが形
成された状態、（ｂ）は側壁保護膜が形成されながら第
１のトレンチおよび第２のトレンチが形成された状態、
（ｃ）はプラズマ・アッシングによりレジスト・マスク
および側壁保護膜が除去された状態をそれぞれ表す。

【図３】従来のディープ・トレンチ加工においてボウイ
ングが発生した状態を示す概略断面図である。

【図４】従来のディープ・トレンチ加工においてアンダ
カットおよび先細りが発生した状態を示す概略断面図で
ある。

【符号の説明】

１，１１・・・単結晶シリコン基板１ａ・・・トレンチ（ディープ・トレンチ）２・・・ＳｉＯ₂パターン３・・・サイドウォール４・・・開口部５，１７・・・側壁保護膜１１ａ・・・第１のトレンチ（シャロー・トレン
チ）１１ｂ・・・第２のトレンチ（シャロー・トレン
チ）１２・・・パッドＳｉＯ₂膜１３・・・多結晶シリコン層１４・・・レジスト・マスク１５・・・第１の開口部１６・・・第２の開口部

Claims

【特許請求の範囲】【請求項１】被エッチング基板の温度を室温以下に制
御しながら、塩素系化合物とＳ₂Ｆ₂，ＳＦ₂，Ｓ
Ｆ₄，Ｓ₂Ｆ₁₀，Ｓ₃Ｃｌ₂，Ｓ₂Ｃｌ₂，ＳＣｌ₂，
Ｓ₃Ｂｒ₂，Ｓ₂Ｂｒ₂，ＳＢｒ₂から選ばれる少なく
とも１種類のハロゲン化イオウとを含むエッチング・ガ
スを用いてシリコン系材料層の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。