JPH053177A

JPH053177A - ドライエツチング方法

Info

Publication number: JPH053177A
Application number: JP17903291A
Authority: JP
Inventors: Shingo Kadomura; 新吾門村
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 1991-06-25
Filing date: 1991-06-25
Publication date: 1993-01-08

Abstract

(57)【要約】【目的】ＳｉＯ₂系材料層の異方性ドライエッチング
において、下地のシリコン系材料層に対する高選択性,
低汚染性, 低ダメージ性を達成する。【構成】少なくとも下地との界面付近では、フッ化イ
オウと窒素系化合物とを含むエッチング・ガスを用い、
下地の表面に窒化イオウ系化合物を堆積させる。実用的
にはエッチングを２段階化し、Ｓ₂Ｆ₂，ＮＦ₃，ｃ−
Ｃ₄Ｆ₈等を用いてＳｉＯ₂層間絶縁膜３の膜厚方向の
大部分を高速にエッチングした後、Ｓ₂Ｆ₂／Ｎ₂系を
基本とする混合ガスを用いて残余部をエッチングする。
不純物拡散領域２が露出した時点でその表面に形成され
る窒化イオウ系堆積膜７は、ポリマー状の（ＳＮ）_nを
主体としており、Ｆ^*等のラジカルの侵入を防止すると
共に、いわゆるスポンジ効果によりイオン衝撃を効果的
に緩和する。

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
下地のシリコン系材料層に対する汚染や損傷の発生を抑
制することが可能な酸化シリコン系材料層のドライエッ
チング方法に関する。

【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、酸化シリコン（ＳｉＯ₂）に代表されるシリコ
ン化合物層のドライエッチング方法についても技術的要
求がますます厳しくなってきている。まず、高集積化に
よりデバイス・チップの面積が拡大しウェハが大口径化
していること、形成すべきパターンが高度に微細化され
ウェハ面内の均一処理が要求されていること、またＡＳ
ＩＣに代表されるように多品種少量生産が要求されてい
ること等の背景から、ドライエッチング装置の主流は従
来のバッチ式から枚葉式に移行しつつある。この際、従
来と同等の生産性を維持するためには、大幅なエッチン
グ速度の向上が必須となる。また、デバイスの高速化や
微細化を図るために不純物拡散領域の接合深さが浅くな
り、また各種の材料層も薄くなっている状況下では、従
来以上に対下地選択性に優れダメージの少ないエッチン
グ技術が要求される。たとえば、半導体基板内に形成さ
れた不純物拡散領域や、ＳＲＡＭの抵抗負荷素子として
用いられるＰＭＯＳトランジスタのソース・ドレイン領
域等にコンタクトを形成しようとする場合に、シリコン
基板や多結晶シリコン層を下地として行われるＳｉＯ₂
層間絶縁膜のエッチング等がその例である。しかし、高
速性、高選択性、低ダメージ性等といった特性は互いに
取捨選択される関係にあり、すべてを満足できるエッチ
ング・プロセスを確立することは極めて困難である。

【０００３】従来、シリコン系材料層に対して高い選択
比を保ちながらＳｉＯ₂層に代表されるシリコン化合物
層をドライエッチングするには、ＣＨＦ₃、ＣＦ₄／Ｈ
₂混合系、ＣＦ₄／Ｏ₂混合系、Ｃ₂Ｆ₆／ＣＨＦ₃混
合系等がエッチング・ガスとして典型的に使用されてき
た。これらは、いずれもＣ／Ｆ比（分子内のＣ原子数と
Ｆ原子数の比）が０．２５以上のフルオロカーボン系ガ
スを主体としている。これらのガス系が使用されるの
は、（ａ）フルオロカーボン系ガスに含まれるＣがＳｉ
Ｏ₂層の表面でＣ−Ｏ結合を生成し、Ｓｉ−Ｏ結合を切
断したり弱めたりする働きがある、（ｂ）ＳｉＯ₂層の
主エッチング種であるＣＦ_x ⁺（特にｘ＝３，４) を生
成できる、さらに（ｃ）プラズマ中で相対的に炭素に富
む状態が作り出されるので、ＳｉＯ₂中の酸素がＣＯま
たはＣＯ₂の形で除去される一方、ガス系に含まれる
Ｃ，Ｈ，Ｆ等の寄与によりシリコン系材料層の表面では
炭素系のポリマーが堆積してエッチング速度が低下し、
シリコン系材料層に対する高選択比が得られる、等の理
由にもとづいている。Ｃ／Ｆ比の概念や上述のエッチン
グ機構は、Ｊ．Ｖａｃ．Ｓｃｉ．Ｔｅｃｈ．，１６
（２），１９７９，ｐ３９１に詳しい。なお、上記のＨ
₂，Ｏ₂等の添加ガスは選択比の制御を目的として用い
られているものであり、それぞれＦ^*発生量を低減もし
くは増大させることができる。つまり、エッチング反応
系の見掛け上のＣ／Ｆ比を制御する効果を有する。

【０００４】これに対し本発明者は、従来のＳｉＯ₂系
材料層のエッチングにおける炭素の役割をイオウに担わ
せ、かつ低温エッチングを行うことで高選択性，低汚染
性，高異方性を達成する技術を、特願平２−１９８０４
５号明細書において提案している。これは、被エッチン
グ基板（ウェハ）を０℃以下に冷却し、Ｓ₂Ｆ₂，ＳＦ
₂，ＳＦ₄，Ｓ₂Ｆ₁₀等のフッ化イオウを含むエッチン
グ・ガスを使用してＳｉＯ₂系材料層のエッチングを行
う方法である。上記フッ化イオウは、Ｆ^*によるラジカ
ル反応をＳＦ_x ⁺等のイオンにアシストさせる機構でＳ
ｉＯ₂系材料層をエッチングする。またこれらのフッ化
イオウは、同じフッ化イオウでも従来から最も良く知ら
れているＳＦ₆とは異なりＳ／Ｆ比（分子中のＳ原子数
とＦ原子数の比）が大きく、放電解離によりプラズマ中
に遊離のＳを生成することができる。このＳは、ＳｉＯ
₂系材料層の表面ではＯ原子を引き抜いてＳＯ_xの形で
除去されるが、Ｓｉ系材料層の上では堆積してエッチン
グ速度を大幅に低下させるので、高選択比が達成され
る。さらに、イオンの垂直入射が原理的に起こらないパ
ターンの側壁部に堆積したＳは、側壁保護の役割を果た
し、異方性加工に寄与する。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、あるいはＯ₂
プラズマ・アッシングによりレジスト・マスクを除去す
る際に同時に燃焼させることができ、何らパーティクル
汚染を起こさない。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】このように、ＳｉＯ₂
系材料層のエッチングはイオン・アシスト反応を主体と
する機構にもとづいて行われており、フルオロカーボン
系ガスを使用するプロセスは既に量産ラインに導入され
ている。しかし、上述の機構からも明らかなように、従
来のプロセスでは、エッチング・ガスの構成元素がイオ
ンの形で加速されて下地のシリコン基板に打ち込まれ、
汚染や損傷を生ずるといった問題を本質的に免れること
ができない。エッチング・ガスとしてフルオロカーボン
系ガスを用いた場合の汚染や損傷については、ＩＥＤＭ
ＤｉｇｅｓｔＰａｐｅｒ，ｐ３３６（１９７９）に
論じられている。すなわち、炭素系ポリマーの残存やＣ
Ｆ_x ⁺イオンの打ち込みに起因してＳｉ基板の表面また
は内部にＣ原子による汚染が発生し、さらにはこのＣ原
子が核となって格子欠陥を引き起こすのである。また、
イオン衝撃そのものによっても物理的なダメージが生ず
る。このようにして、シリコン基板の表層部には汚染／
損傷層が形成される。Ｊｐｎ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙ
ｓ．，２０，ｐ８０３（１９８１）には、かかる汚染／
損傷層を除去することにより素子の電気特性への悪影響
が最小限に抑えられることが報告されている。そこで、
従来のプロセスではＳｉＯ₂系材料層のエッチングが終
了した後にいわゆるライトエッチを行い、Ｓｉ基板の表
層部を除去することが一般に行われている。

【０００６】しかしながら、近年のように不純物拡散領
域の接合深さが浅くなってくると、上記ライトエッチに
よるＳｉ基板の除去量が無視できないレベルに達する
他、場合によっては汚染や損傷の及ぶ範囲が接合深さを
越える懸念も生ずる。本発明者が先に提案したフッ化イ
オウを使用するプロセスでは、堆積したＳをウェハの加
熱により容易かつ完全に昇華除去できるので、シリコン
基板の表面に汚染を残さない点が従来の炭素系ポリマー
を使用するプロセスに対する大きなメリットであった。
しかし、ＳＦ_x ⁺の打ち込みによる物理的なダメージ、
シリコン基板内部のＳ原子による汚染、およびこれに伴
う格子欠陥の発生等の懸念はまだ残されている。半導体
装置のデザイン・ルールの今後の高度な微細化に対応す
るためには、このような懸念も払拭しておく必要があ
る。そこで本発明は、ＳｉＯ₂系材料層のエッチングに
おいて高選択性、高異方性を達成することはもちろん、
下地のシリコン系材料層に対する汚染や損傷の発生を抑
制できる方法を提供することを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明にかかるドライエ
ッチング方法は、上述の目的を達成するために提案され
るものである。すなわち、本願の第１の発明にかかるド
ライエッチング方法は、被エッチング基板の温度を室温
以下に制御し、Ｓ₂Ｆ₂，ＳＦ₂，ＳＦ₄，Ｓ₂Ｆ₁₀か
ら選ばれる少なくとも１種類の化合物と窒素系化合物と
を含むエッチング・ガスを用いて酸化シリコン系材料層
のエッチングを行うことを特徴とするものである。

【０００８】本願の第２の発明にかかるドライエッチン
グ方法は、構成元素として炭素を含まないフッ素系化合
物を含むエッチング・ガスを用いて酸化シリコン系材料
層を実質的にその層厚を越えない範囲でエッチングする
第１の工程と、被エッチング基板の温度を室温以下に制
御し、Ｓ₂Ｆ₂，ＳＦ₂，ＳＦ₄，Ｓ₂Ｆ₁₀から選ばれ
る少なくとも１種類の化合物と窒素系化合物とを含むエ
ッチング・ガスを用いて酸化シリコン系材料層の残余部
をエッチングする第２の工程とを有することを特徴とす
るものである。

【０００９】さらに、本願の第３の発明にかかるドライ
エッチング方法は、フルオロカーボン系化合物を含むエ
ッチング・ガスを用いて酸化シリコン系材料層を実質的
にその層厚を越えない範囲でエッチングする第１の工程
と、被エッチング基板の温度を室温以下に制御し、Ｓ₂
Ｆ₂，ＳＦ₂，ＳＦ₄，Ｓ₂Ｆ₁₀から選ばれる少なくと
も１種類の化合物と窒素系化合物とを含むエッチング・
ガスを用いて酸化シリコン系材料層の残余部をエッチン
グする第２の工程とを有することを特徴とするものであ
る。

【００１０】

【作用】ＳｉＯ₂系材料層のエッチングにおいて下地シ
リコンに対する汚染や損傷を回避するためには、先に提
案されたＳよりも強力にエッチング種の侵入を阻止した
りイオン襲撃を緩和することができ、しかも炭素系ポリ
マーよりも容易かつ完全に除去できる堆積物を生成させ
ながらエッチングを行うことが必要である。本発明者
は、このような認識に立って検討を進めた結果、かかる
性質を有する堆積物としては窒化イオウ系化合物が好適
であること、該窒化イオウ系化合物はＳ／Ｆ比の高いフ
ッ化イオウと窒素系化合物とを含むエッチング・ガスを
用いることにより生成可能であること、およびかかるエ
ッチング・ガスはＳｉＯ₂系材料層の少なくとも下地シ
リコンとの界面に近い部分において使用すれば上記の目
的を達すること、等を見出した。本発明は、この知見に
もとづいて提案されるものである。

【００１１】上記窒化イオウ系化合物としては、一般式
（ＮＳ）_nで表されるチアジル化合物が最も代表的なも
のである。すなわち最も単純に考えれば、窒素系化合物
の放電解離によりプラズマ中に生成したＮと、イオウ系
化合物の放電解離によりプラズマ中に生成したＳとが結
合すると、チアジル（Ｎ≡Ｓ）が形成される。このチア
ジルは、酸素類似体である一酸化窒素（ＮＯ）の構造か
ら類推して不対電子を持っており、容易に重合して（Ｓ
Ｎ）₂，（ＳＮ）₄，さらには（ＳＮ）_nを生成する。
（ＳＮ）₂は２０℃付近で容易に重合して（ＳＮ）₄お
よび（ＳＮ）_nを生成し、自身は３０℃付近で分解す
る。（ＳＮ）₄は融点１７８℃，分解温度２０６℃の環
状物質である。（ＳＮ）_nは化学的に安定で１３０℃ま
では分解しない。本発明ではウェハの温度が室温以下に
制御されているので、（ＳＮ）_nはウェハ上で安定に存
在できる。

【００１２】この他、プラズマ中にＦ^*等のハロゲン・
ラジカルが存在している場合には、上記（ＳＮ）_nのＳ
原子上にハロゲン原子が結合したハロゲン化チアジルも
生成し得る。また、Ｆ^*の生成量を制御するために水素
系ガスが添加されている場合には、チアジル水素も生成
し得る。さらに、条件によってはＳ₄Ｎ₂（融点２３
℃），Ｓ₁₁Ｎ₂（融点１５０〜１５５℃），Ｓ₁₅Ｎ
₂（融点１３７℃），Ｓ₁₆Ｎ₂（融点１２２℃）等のよ
うに分子内のＳ原子数とＮ原子数が不均衡な環状窒化イ
オウ化合物、あるいはこれら環状窒化イオウ化合物のＮ
原子上にＨ原子が結合したＳ₇ＮＨ（融点１１３．５
℃），１，３−Ｓ₆（ＮＨ）₂（融点１３０℃），１，
４−Ｓ₆（ＮＨ）₂（融点１３３℃），１，５−Ｓ
₆（ＮＨ）₂（融点１５５℃），１，３，５−Ｓ₅（Ｎ
Ｈ）₃（融点１２４℃），１，３，６−Ｓ₅（ＮＨ）₃
（融点１３１℃），Ｓ₄（ＮＨ）₄（融点１４５℃）等
のイミド型の化合物等も生成可能である。

【００１３】イオウと窒素とを構成元素として含む上述
の窒化イオウ系化合物はすべて、室温以下に温度制御さ
れたウェハ上では安定に存在することができる。特に、
優先的に形成されると考えられる（ＳＮ）_nはポリマー
状であるため、単体のＳに比べて堆積膜としての効果が
大きい。すなわち、ポリマーの場合、当然のことながら
単体のＳよりは遙かに多数の原子間において共有結合が
存在しており、しかもこの共有結合により形成される主
鎖が３次元的にランダムに折れ曲がる形で堆積してい
る。したがって、オーバーエッチング中にもシリコン基
板内へのエッチング種の侵入を効果的に防止することが
できる。また、加速されたイオンが入射したとしても、
ポリマーはその結合角や立体配座の変化等に由来してい
わゆるスポンジ効果を発揮し、その衝撃を吸収もしくは
緩和することができる。つまり、単にＳの単体を堆積さ
せていた場合には、堆積過程と除去過程とが競合するの
でそれだけ堆積膜としての効果が弱くなっていたが、
（ＳＮ）_nを堆積させれば堆積過程が優先するため、優
れた下地保護効果が得られるわけである。しかも、上記
窒化イオウ系化合物は、ウェハをおおよそ１３０℃以上
に加熱すれば分解するので、従来の炭素系ポリマーのよ
うにウェハ上に残留することがなく、何らパーティクル
汚染の原因となるものではない。

【００１４】以上が本願の３発明に共通の作用である。
第１の発明では、ＳｉＯ₂系材料層の全体をＳ／Ｆ比の
高いフッ化イオウと窒素系化合物とを含むエッチング・
ガスを用いてエッチングする。この場合、ＳｉＯ₂系材
料層はＳｉＦ_x，ＳＯ_x，ＮＯ_x等の形で除去され、Ｓ
を主体とする側壁保護膜の形成により異方性加工が達成
される。下地が露出した後は被エッチング領域からＯ原
子が供給されなくなるため、（ＳＮ）_nを主体とする窒
化イオウ系化合物の形成が促進され、エッチング速度が
大幅に低下すると共にエッチング種の侵入やイオン衝撃
から下地材料層が保護される。第２の発明と第３の発明
では、下地が露出する直前までの第１の工程と、残余部
のエッチングを行う第２の工程との間でエッチング・ガ
スの組成を切替え、窒化イオウ系化合物の形成は上記第
２の工程でのみ行う。第２の発明では、第１の工程で非
カーボン系のフッ素系化合物を含むエッチング・ガスを
用い、ＳｉＯ₂系材料層をＳｉＦ_x等の形で除去する。
しかも、この化合物が非カーボン系であることから、優
れた脱フロン対策を提供できる。さらに第３の発明で
は、第１の工程でフルオロカーボン系化合物を含むエッ
チング・ガスを用い、ＳｉＯ₂系材料層をＳｉＦ_x，Ｃ
Ｏ_x等の形で除去する。このとき、１分子からのＣＦ_x
⁺生成量の多いいわゆる高次フルオロカーボン系化合物
を使用すれば高速エッチングが可能となる。なお、残余
部のエッチング時には、ウェハ面上の部位によってはオ
ーバーエッチングが行われることになるので、本発明に
おける残余部のエッチングとは、オーバーエッチングも
含めるものとする。

【００１５】

【実施例】以下、本発明の具体的な実施例について説明
する。

【００１６】実施例１本実施例は、本願の第２の発明を
コンタクト・ホール加工に適用し、ＳｉＯ₂層間絶縁膜
をその層厚を越えない範囲でエッチングする第１の工程
ではＳ₂Ｆ₂、ＳｉＯ₂層間絶縁膜の残余部のエッチン
グおよびオーバーエッチングを行う第２の工程ではＳ₂
Ｆ₂／Ｎ₂混合ガスを用いた例である。このプロセス
を、図１を参照しながら説明する。本実施例においてエ
ッチング・サンプルとして使用した被エッチング基板
（ウェハ）は、図１（ａ）に示されるように、予め不純
物拡散領域２が形成された単結晶シリコン基板１上にＳ
ｉＯ₂層間絶縁膜３が形成され、さらに該ＳｉＯ₂層間
絶縁膜のエッチング・マスクとして開口部４ａを有する
レジスト・パターン４が形成されてなるものである。こ
こで、上記ＳｉＯ₂層間絶縁膜３は、たとえばＣＶＤに
より厚さ約１．０μｍに形成されたものである。また、
上記レジスト・パターン４は、一例としてノボラック系
ポジ型フォトレジスト（東京応化工業社製；商品名ＴＳ
ＭＲ−Ｖ３）を使用し、ｇ線露光とアルカリ現像により
形成されたものである。

【００１７】このウェハを、ＲＦバイアス印加型の有磁
場マイクロ波プラズマ・エッチング装置のウェハ載置電
極上にセットした。上記ウェハ載置電極は冷却配管を内
蔵しており、装置外部に設置されるチラー等の冷却設備
から該冷却配管へ適当な冷媒を供給循環させることによ
り、エッチング中のウェハを所定の温度に維持できるよ
うになされている。ここでは、冷媒としてエタノールを
使用し、ウェハが−６０℃に維持されるようにした。こ
の状態で、一例としてＳ₂Ｆ₂流量１００ＳＣＣＭ，ガ
ス圧１．３Ｐａ（１０ｍＴｏｒｒ），マイクロ波パワー
８５０Ｗ，ＲＦバイアス・パワー３００Ｗ（４００ｋＨ
ｚ）の条件でＳｉＯ₂層間絶縁膜３を約０．９μｍの深
さまでエッチングした。この第１の工程では、Ｓ₂Ｆ₂
の放電解離によりプラズマ中に生成するＦ^*によるラジ
カル反応がＳＦ_x ⁺，Ｓ⁺等のイオンによりアシストさ
れる機構でエッチングが進行し、ＳｉＯ₂層間絶縁膜３
はＳｉＦ_x，ＳＯ_x等の形で除去された。このとき、パ
ターン側壁部にはＳ₂Ｆ₂から放出されるＳ、およびレ
ジスト・パターン４の分解生成物に由来する炭素系ポリ
マー等を主体とする第１の側壁保護膜５が形成され、図
１（ｂ）に示されるように垂直壁を有するコンタクト・
ホール３ａが途中まで形成された。このときのエッチン
グ速度は、約０．１５μｍ／分であった。

【００１８】次に、エッチング条件を一例としてＳ₂Ｆ
₂流量２０ＳＣＣＭ，Ｎ₂流量２０ＳＣＣＭ，ガス圧
１．３Ｐａ（１０ｍＴｏｒｒ），マイクロ波パワー８５
０Ｗ，ＲＦバイアス・パワー５０Ｗ（４００ｋＨｚ），
ウェハ温度−６０℃と変更し、ＳｉＯ₂層間絶縁膜３の
残余部をエッチングした。この第２の工程では、Ｎ₂よ
り生成するＮ⁺の寄与も加わり、ＳｉＯ₂層間絶縁膜３
の残余部はＳｉＦ_x，ＳＯ_x，ＮＯ_x等の形で除去され
た。このとき、上記第１の工程に比べてＲＦバイアス・
パワーが低減されていることから、レジスト・パターン
４に由来する炭素系ポリマーの生成は少なくなる。この
結果、図１（ｃ）に示されるように、パターン側壁部に
は主としてＳからなる第２の側壁保護膜６が形成され
た。さらに、下地の不純物拡散領域２が露出すると、そ
の表面には（ＳＮ）_nを主体とする窒化イオウ系堆積膜
７が形成された。これは、被エッチング領域からＯ原子
が供給されなくなるので、プラズマ中に生成しているＳ
系化学種とＮ系化学種との間の反応が促進された結果で
ある。この窒化イオウ系堆積膜７は、Ｆ^*等のラジカル
が不純物拡散領域２へ侵入するのを阻止し、自身の持つ
スポンジ効果により下地をイオン衝撃から効果的に保護
した。

【００１９】エッチング終了後、上記のウェハをプラズ
マ・アッシング装置に移設し、通常のＯ₂プラズマ・ア
ッシングの条件にてレジスト・パターン４を除去した。
このとき、第１の側壁保護膜５、第２の側壁保護膜６、
および窒化イオウ系堆積膜７も同時に除去された。この
除去の機構は主として、炭素系ポリマーについては燃
焼、Ｓについては燃焼および加熱による昇華、窒化イオ
ウ系化合物については燃焼および加熱による分解にもと
づいている。最終的には図１（ｄ）に示されるように、
何らパーティクル汚染を発生することなく良好な異方性
形状を有するコンタクト・ホール３ａを形成することが
できた。

【００２０】本実施例における対シリコン下地選択比は
約５０であり、Ｓ₂Ｆ₂単独でエッチングを行った場合
の選択比（約１０）と比べて大幅に向上していた。これ
により、オーバーエッチング耐性が改善された。また、
エッチング後のウェハの断面を透過型電子顕微鏡で観察
したが、イオン衝撃に起因するダメージはみられなかっ
た。本実施例の最大のメリットは、かかる高異方性、高
選択性、低ダメージ性、低汚染性がフルオロカーボン系
ガスを使用せずに達成できる点である。フルオロカーボ
ン系ガスは、地球環境保護の観点から既に規制が強化さ
れつつあるフロン系ガス（クロロフルオロカーボン系ガ
ス）と若干事情は異なるが、将来にはやはり規制対象に
組み込まれる可能性がある。したがって本実施例のプロ
セスは、脱フロン対策として今後その実用価値を高める
ものと考えられる。

【００２１】実施例２本実施例は、本願の第２の発明を
同じくコンタクト・ホール加工に適用し、第１の工程で
はＮＦ₃、第２の工程ではＳ₂Ｆ₂／Ｈ₂／Ｎ₂混合ガ
スを用いた例である。本実施例におけるエッチング・サ
ンプルは、前述の図１（ａ）に示したものと同じであ
る。このウェハをマグネトロン型ＲＩＥ（反応性イオン
・エッチング）装置のウェハ載置電極上にセットし、該
ウェハ載置電極に内蔵される冷却配管にエタノール冷媒
を供給することにより、エッチング中のウェハ温度が−
６０℃に維持されるようにした。この状態で、一例とし
てＮＦ₃流量１００ＳＣＣＭ，ガス圧１．３Ｐａ（１０
ｍＴｏｒｒ），自己バイアス電位（Ｖ_dc）−２００Ｖ，
ＲＦバイアス・パワー１ｋＷ（１３．５６ＭＨｚ）の条
件でＳｉＯ₂層間絶縁膜３を約０．９μｍの深さまでエ
ッチングした。この第１の工程では、ＮＦ₃から大量に
生成するＦ^*によるラジカル反応をＮＦ_x ⁺，Ｎ⁺等の
イオンがアシストする機構でエッチングが進行し、図１
（ｂ）に示されるように異方性形状を有するコンタクト
・ホール３ａが途中まで形成された。ただし、このＮＦ
₃は、前述の実施例１で使用したＳ₂Ｆ₂とは異なり自
身は非堆積性であるため、この段階で形成される第１の
側壁保護膜５はレジスト・パターン４の分解生成物に由
来する炭素系ポリマーを主体とするものである。エッチ
ング速度は、前述の実施例１の第１の工程よりは速く、
約０．４μｍ／分であった。

【００２２】次に、一例としてＳ₂Ｆ₂流量２０ＳＣＣ
Ｍ，Ｈ₂流量１０ＳＣＣＭ，Ｎ₂流量２０ＳＣＣＭ，ガ
ス圧１．３Ｐａ（１０ｍＴｏｒｒ），自己バイアス電位
（Ｖ _dc）−３０Ｖ，ＲＦバイアス・パワー４００Ｗ（１
３．５６ＭＨｚ），ウェハ温度−６０℃の条件でＳｉＯ
₂層間絶縁膜３の残余部をエッチングした。この第２の
工程におけるエッチングの機構は、ほぼ実施例１で上述
したとおりである。ただし、エッチング・ガスにＨ₂が
添加されているので、Ｈ^*により過剰のＦ^*が捕捉でき
るようになり、エッチング反応系におけるラジカルの影
響を低減させることができる。この結果、Ｓの堆積が促
進され、第２の側壁保護膜６が効率良く形成され、図１
（ｃ）に示されるように良好な異方性形状を有するコン
タクト・ホール３ａが形成された。また、下地の不純物
拡散領域２が露出した後の窒化イオウ系堆積膜７の形成
も促進された。この後、実施例１と同様にしてレジスト
・パターン４、第１の側壁保護膜５、第２の側壁保護膜
６、窒化イオウ系堆積膜７を除去し、図１（ｄ）に示さ
れるようなコンタクト・ホール３ａを完成した。

【００２３】本実施例のプロセスも、脱フロン対策とし
て有効である。特に、第１の工程で１分子からのＦ^*生
成量の多い非堆積性のＮＦ₃を使用していることにより
高速性が達成される点が、本実施例のメリットである。

【００２４】実施例３本実施例は、本願の第３の発明を
コンタクト・ホール加工に適用し、第１の工程ではｃ−
Ｃ₄Ｆ₈（オクタフルオロシクロブタン；ｃ−はｃｙｃ
ｌｉｃであることを表す。）、第２の工程ではＳ₂Ｆ₂
／Ｈ₂Ｓ／Ｎ₂混合ガスを用いた例である。まず、前述
の図１（ａ）に示される状態のウェハをマグネトロン型
ＲＩＥ装置にセットし、一例としてｃ−Ｃ₄Ｆ₈流量１
００ＳＣＣＭ，ガス圧１．３Ｐａ（１０ｍＴｏｒｒ），
自己バイアス電位（Ｖ_dc）−２００Ｖ，ＲＦバイアス・
パワー１ｋＷ（１３．５６ＭＨｚ），ウェハ温度−６０
℃の条件でＳｉＯ₂層間絶縁膜３を約０．９μｍの深さ
までエッチングした。ここで使用したｃ−Ｃ₄Ｆ₈は、
本願出願人が先に特願平３−４０９６６号明細書におい
て提案した環状飽和フルオロカーボン系化合物のひとつ
である。この環状飽和フルオロカーボン系化合物は、少
なくとも３個以上のＣ原子を有しており、ＳｉＯ₂系材
料層のエッチング種であるＣＦ_x ⁺の１分子当たりの生
成量が従来のＣＨＦ₃，ＣＦ₄等の化合物に比べて多く
なる。したがって、まず高速エッチングが可能となる。
しかも、炭素数の同じ飽和化合物同士で比較した場合、
環状化合物は鎖状化合物に比べてＦ原子数が２個少なく
なるので、堆積性ガスを併用せずにエッチング反応系の
Ｃ／Ｆ比を増大させることができ、炭素系ポリマーを効
率良く堆積させることができる。上記第１の工程では、
ｃ−Ｃ₄Ｆ₈から大量に生成するＣＦ_x ⁺により高速異
方性エッチングが進行し、図１（ｂ）に示されるように
コンタクト・ホール３ａが途中まで形成された。このと
き形成される第１の側壁保護膜５は、レジスト・パター
ン４の分解生成物や気相中からの生成物に由来する炭素
系ポリマーを主体とするものである。エッチング速度は
約０．８μｍ／分であり、極めて高かった。

【００２５】次に、一例としてＳ₂Ｆ₂流量２０ＳＣＣ
Ｍ，Ｈ₂Ｓ流量５ＳＣＣＭ，Ｎ₂流量２０ＳＣＣＭ，ガ
ス圧１．３Ｐａ（１０ｍＴｏｒｒ），自己バイアス電位
（Ｖ_dc）−３０Ｖ，ＲＦバイアス・パワー４００Ｗ（１
３．５６ＭＨｚ），ウェハ温度−６０℃の条件でＳｉＯ
₂層間絶縁膜３の残余部をエッチングした。この第２の
工程におけるエッチングの機構は、ほぼ実施例２で上述
したとおりである。ただし、エッチング・ガスにＨ₂Ｓ
が添加されているので、Ｈ^*によりＦ^*が捕捉されると
共に、Ｈ₂Ｓに由来するＳの堆積も期待できるようにな
り、エッチング反応系はＳに一層富む条件となる。これ
により、第２の側壁保護膜６および窒化イオウ系堆積膜
７の形成が促進され、図１（ｃ）に示されるように良好
な異方性形状を有するコンタクト・ホール３ａが優れた
対下地選択性および低ダメージ性をもって形成された。
この後、実施例１と同様にしてレジスト・パターン４、
第１の側壁保護膜５、第２の側壁保護膜６、窒化イオウ
系堆積膜７を除去し、図１（ｄ）に示されるようなコン
タクト・ホール３ａを完成した。

【００２６】以上、本発明を３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以外のＳ
Ｆ₂，ＳＦ₄，Ｓ₂Ｆ₁₀を使用してもほぼ同様の結果が
得られる。また、窒素系化合物としては、上述のＮ₂の
他にもＮＯ₂，ＮＦ₃等を使用することができる。第２
の発明において第１の工程で使用する化合物としては、
上述のＮＦ₃の他にもＳＦ₆等が好適である。第３の発
明において第１の工程で使用する化合物は、上述のｃ−
Ｃ₄Ｆ₈に限られず各種の高次フルオロカーボン系化合
物であって良く、その構造も飽和，不飽和，鎖状，環状
を問うものではない。また、本発明のあらゆる工程で使
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。さらに、被エッチング材
料層は上述のＳｉＯ₂に限られるものではなく、ＰＳ
Ｇ，ＢＳＧ，ＢＰＳＧ，ＡｓＳＧ，ＡｓＰＳＧ，ＡｓＢ
ＳＧ等であっても良い。

【００２７】

【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ＳｉＯ₂系材料層のドライエッチングにおいて、
少なくとも下地材料層との界面の近傍では窒化イオウ系
化合物を堆積させ得るエッチング・ガスを使用する。こ
の窒化イオウ系化合物はポリマー状の（ＳＮ）_nを主体
としており、ラジカルの侵入やイオン衝撃に対して高い
耐性を示すので、従来のプロセスに比べて素子の電気特
性が大幅に改善される。特に、エッチング・プロセスを
２段階化し、実質的に下地が露出する直前でエッチング
・ガスの組成を切り換えて窒化イオウ系化合物を下地の
表面に堆積させるプロセスは、実用性が高いと考えられ
る。この場合、第２の工程において下地との界面付近に
おける高選択性や低ダメージ性が徹底的に考慮されるた
め、それ以前の第１の工程ではむしろプロセスの選択幅
が広くなるからである。たとえば、第１の工程で非カー
ボン系のフッ素系ガスを使用すれば有効な脱フロン対策
を提供することができ、高次フルオロカーボン系ガスを
使用すれば高速エッチングが可能となるからである。い
ずれにしても本発明は、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】本発明をコンタクト・ホールに適用したプロセ
ス例をその工程順にしたがって示す模式的断面図であ
り、（ａ）はＳｉＯ₂層間絶縁膜上にレジスト・パター
ンが形成された状態、（ｂ）はＳｉＯ₂層間絶縁膜が途
中までエッチングされた状態、（ｃ）はＳｉＯ₂層間絶
縁膜がエッチングされて露出した下地の表面に窒化イオ
ウ系堆積膜が形成された状態、（ｄ）はレジスト・パタ
ーン，側壁保護膜，窒化イオウ系堆積膜が除去されてコ
ンタクト・ホールが完成した状態をそれぞれ表す。

【符号の説明】

１・・・単結晶シリコン基板２・・・不純物拡散領域３・・・ＳｉＯ₂層間絶縁膜３ａ・・・コンタクト・ホール４・・・レジスト・パターン４ａ・・・開口部５・・・第１の側壁保護膜６・・・第２の側壁保護膜７・・・窒化イオウ系堆積膜

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、Ｓ₂Ｆ₂，ＳＦ₂，ＳＦ₄，Ｓ₂Ｆ₁₀から選ばれ
る少なくとも１種類の化合物と窒素系化合物とを含むエ
ッチング・ガスを用いて酸化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。
【請求項２】構成元素として炭素を含まないフッ素系
化合物を含むエッチング・ガスを用いて酸化シリコン系
材料層を実質的にその層厚を越えない範囲でエッチング
する第１の工程と、被エッチング基板の温度を室温以下
に制御し、Ｓ₂Ｆ₂，ＳＦ₂，ＳＦ₄，Ｓ₂Ｆ₁₀から選
ばれる少なくとも１種類の化合物と窒素系化合物とを含
むエッチング・ガスを用いて酸化シリコン系材料層の残
余部をエッチングする第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。
【請求項３】フルオロカーボン系化合物を含むエッチ
ング・ガスを用いて酸化シリコン系材料層を実質的にそ
の層厚を越えない範囲でエッチングする第１の工程と、
被エッチング基板の温度を室温以下に制御し、Ｓ
₂Ｆ₂，ＳＦ₂，ＳＦ₄，Ｓ₂Ｆ₁₀から選ばれる少なく
とも１種類の化合物と窒素系化合物とを含むエッチング
・ガスを用いて酸化シリコン系材料層の残余部をエッチ
ングする第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。