JPH05343362A - Dry etching method - Google Patents

Dry etching method

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JPH05343362A
JPH05343362A JP14589592A JP14589592A JPH05343362A JP H05343362 A JPH05343362 A JP H05343362A JP 14589592 A JP14589592 A JP 14589592A JP 14589592 A JP14589592 A JP 14589592A JP H05343362 A JPH05343362 A JP H05343362A
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sulfur
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哲治 長山
Toshiharu Yanagida
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  • Drying Of Semiconductors (AREA)

Abstract

PURPOSE:To satisfy high anisotropy, high selectivity, low contamination, low damage, etc., at a high level by using etching gas in which halogen compound containing thionyl group or sulfuryl group is added. CONSTITUTION:A pad oxide film 2 and a polycrystalline silicon layer 3 are laminated on a single crystalline silicon substrate 1, and a wafer formed with a resist mask 4 patterned in a predetermined shape is set on a wafer placing electrode of an RF bias application type magnetic microwave plasma etching apparatus. For example, SOBr2/SF6 mixture in which halogen compound containing thionyl group or sulfuryl group is added is used. Thus, even if an RF bias power is reduced by half, shallow trenches 1a, 1b each having an excellent anisotropic shape are formed, and resist selectivity is improved.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[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
シリコン系材料層の高異方性,高選択性, 低汚染性,低
ダメージ性エッチングを行う方法に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a dry etching method applied in the field of manufacturing semiconductor devices, etc., and in particular, performs high anisotropy, high selectivity, low contamination and low damage etching of a silicon-based material layer. Regarding the method.

【0002】[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、単結晶シリコン,多結晶シリコン,アモルファ
スシリコン等のシリコン系材料層のエッチングにおいて
も、高異方性,高選択性,低汚染性,低ダメージ性とい
う諸要求をいずれかを犠牲にすることなく達成する技術
が強く望まれている。
2. Description of the Related Art As semiconductor devices have become more highly integrated and have higher performance as seen in VLSI, ULSI, etc. in recent years, etching of silicon-based material layers such as single crystal silicon, polycrystalline silicon, amorphous silicon, etc. Also in the above, there is a strong demand for a technology that achieves the various requirements of high anisotropy, high selectivity, low contamination, and low damage without sacrificing any of them.

【0003】シリコン系材料層のエッチングには、トレ
ンチ加工とゲート電極加工という代表的な2分野があ
る。トレンチ加工は、微細素子分離やメモリ・セル容量
面積の確保を目的としてトレンチを形成するためのプロ
セスある。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4〜5μm(ディープ・トレン
チ)、素子分離ではMOS−FET用で1μm(シャロ
ー・トレンチ)、バイポーラ・トランジスタ用で4μm
程度とされている。いずれのトレンチも開口径は0.3
5〜1μm程度であり、高アスペクト比パターンの異方
性加工が要求される。
There are two typical fields for etching a silicon-based material layer: trench processing and gate electrode processing. Trench processing is a process for forming trenches for the purpose of isolating fine elements and securing the memory cell capacity area. The depth of the trench depends on the type and application of the device. It is 4-5 μm (deep trench) for the capacitive element, 1 μm for the MOS-FET (shallow trench) for element isolation, and 4 μm for the bipolar transistor.
It is considered as a degree. The opening diameter of each trench is 0.3
It is about 5 to 1 μm, and anisotropic processing of a high aspect ratio pattern is required.

【0004】トレンチ加工には、一般には塩素系ガスが
用いられる。これは、Cl* がF*に比べて原子半径が
大きいため自発的にSiの結晶格子内に侵入して異方性
形状を劣化させる虞れが少なく、また特にディープ・ト
レンチ加工においては酸化シリコン系のエッチング・マ
スクに対して高選択性が維持できるからである。しか
し、実際にはマスク・パターンやエッチング条件の変動
等によってトレンチの断面形状が複雑に変化し易く、ア
ンダカットやボウイング(bowing)等の形状異常
がしばしば経験される。これらは、いずれも後工程にお
けるトレンチの埋め込みや容量の制御等を困難とする。
Chlorine gas is generally used for trench processing. Since Cl * has a larger atomic radius than F * , there is little risk that it will spontaneously enter the Si crystal lattice and deteriorate the anisotropic shape, and especially in deep trench processing, silicon oxide is used. This is because high selectivity can be maintained with respect to the etching mask of the system. In reality, however, the cross-sectional shape of the trench is likely to change intricately due to changes in the mask pattern and etching conditions, and shape abnormalities such as undercut and bowing are often experienced. All of these make it difficult to fill trenches and control the capacitance in the subsequent process.

【0005】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、本願出願人が先に特開昭63−
73526号公報において開示したSiCl4 /N2
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Six
y ,Six y Clz 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。
Therefore, in order to prevent the above-described deterioration of the cross-sectional shape of the trench, an etching gas capable of producing a depositable substance under discharge dissociation conditions is used, and the depositable substance is utilized to protect the sidewall. Several methods have been proposed in the past. For example, the applicant of the present invention first disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 63-
The SiCl 4 / N 2 mixed gas disclosed in Japanese Patent No. 73526 is a typical example. This, together to generate a Cl * and Cl + from SiCl 4 as a main etching species, Si x N in the gas phase by reaction with SiCl 4 and N 2
In this method, y , Si x N y Cl z, etc. are generated, and these are deposited to protect the side wall. According to this technique, particle contamination can be reduced far more than when a carbon-based polymer is used as a sidewall protective substance, and etching can be performed under clean conditions.

【0006】さらに本願出願人は、特開昭64−599
17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Six y ,Six y Clz 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SiClx 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。
Further, the applicant of the present application is disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 64-599.
Japanese Patent No. 17 also discloses a technique of performing silicon trench etching using a Cl 2 / N 2 mixed gas. This technique also utilizes Si x N y , Si x N y Cl z, etc. as the side wall protective material, but these are generated by the reaction of the etching reaction products SiCl x and N 2 . Therefore, the particle contamination can be further reduced as compared with the case where the depositable substance is generated in the gas phase due to the reaction between the constituent components of the etching gas as in the process using the SiCl 4 / N 2 mixed gas described above. It will be possible.

【0007】一方、多結晶シリコンの代表的なエッチン
グ・プロセスはゲート加工である。ゲート電極のパター
ン幅は、MOS−FETのソース・ドレイン領域が自己
整合的に形成される場合のチャネル長やLDD構造にお
けるサイドウォールの寸法精度に直接影響する。したが
って、このプロセスにも極めて高い加工精度が要求され
る。
On the other hand, a typical etching process for polycrystalline silicon is gate processing. The pattern width of the gate electrode directly affects the channel length when the source / drain regions of the MOS-FET are formed in a self-aligned manner and the dimensional accuracy of the sidewall in the LDD structure. Therefore, this process also requires extremely high processing accuracy.

【0008】ゲート電極加工には、従来からCFC11
3(C2 Cl3 3 )等に代表されるCFC(クロロフ
ルオロカーボン)ガスがエッチング・ガスとして広く用
いられてきた。CFCガスは1分子内にFとClとを構
成元素として有するため、条件によりF* ,Cl* 等の
寄与によるラジカル反応と、CClx + ,Cl+ 等の寄
与によるイオン・アシスト反応のバランスを制御しなが
らエッチングを進行させることが可能である。また、気
相中から堆積する炭素系ポリマーで側壁保護を行いなが
ら高異方性を達成することができる。
Conventionally, CFC11 has been used for processing the gate electrode.
CFC (chlorofluorocarbon) gas represented by 3 (C 2 Cl 3 F 3 ) and the like has been widely used as an etching gas. Since CFC gas has F and Cl as constituent elements in one molecule, depending on the conditions, a radical reaction due to contributions of F * , Cl *, etc. and an ion-assisted reaction due to contributions of CCl x + , Cl + etc. are balanced. It is possible to proceed with etching while controlling. Further, it is possible to achieve high anisotropy while protecting the side wall with the carbon-based polymer deposited from the gas phase.

【0009】しかしながら、CFCガスは周知のように
地球のオゾン層破壊の一因であることが指摘されてお
り、近い将来に製造および使用が禁止される運びであ
る。したがって、ドライエッチングの分野においてもC
FCガスの代替品を見出し、その効果的な利用方法を確
立することが急務とされている。また、半導体装置のデ
ザイン・ルールが今後さらに微細化されると、気相中か
ら堆積する炭素系ポリマーがパーティクル汚染源となる
ことも考えられ、この意味からも脱CFC対策が望まれ
ている。
However, it is known that CFC gas is one of the causes of the depletion of the ozone layer of the earth as well known, and the production and use thereof will be prohibited in the near future. Therefore, even in the field of dry etching, C
There is an urgent need to find alternatives to FC gas and establish effective ways to use them. Further, if the design rule of the semiconductor device is further miniaturized in the future, it is considered that carbon-based polymer deposited from the gas phase becomes a source of particle contamination, and from this point of view, countermeasures against CFC depletion are desired.

【0010】この脱CFC対策のひとつとして有望と考
えられる技術に、Br系化学種を主エッチング種として
利用するプロセスがある。たとえば、Digest o
fPapers 1989 2nd MicroPro
cess Conference,p.190には、H
Brを用いるn+ 型多結晶シリコンのゲート電極加工が
報告されている。Brはイオン半径が大きく、シリコン
系材料層の結晶格子内もしくは結晶粒界内に進入しな
い。したがって、シリコン系材料層をF* のように自発
的かつ等方的にエッチングする虞れが少なく、イオン・
アシスト機構により異方的なエッチングを進行させるこ
とができる。また、原子間結合エネルギーを比較した場
合にSi−O結合(1077kJ/mol)がSi−B
r結合(368kJ/mol)よりも遙かに大きいこと
からも明らかなように、SiO2からなるゲート酸化膜
に対して高選択性が達成できる。さらに、レジスト・マ
スクの表面を蒸気圧の低いCBrx で被覆することがで
きるので、レジスト選択性を向上できる点もBr系化学
種の大きなメリットである。
One of the promising technologies as one of the countermeasures against this CFC removal is a process of using a Br type chemical species as a main etching species. For example, Digest o
fPapers 1989 2nd MicroPro
cess Conference, p. 190 to H
Processing of n + type polycrystalline silicon gate electrodes using Br has been reported. Br has a large ionic radius and does not enter the crystal lattice or the crystal grain boundaries of the silicon-based material layer. Therefore, there is little possibility that the silicon-based material layer is spontaneously and isotropically etched like F * , and the ion
Anisotropic etching can be progressed by the assist mechanism. In addition, when the interatomic bond energies are compared, the Si-O bond (1077 kJ / mol) is Si-B.
As is clear from the fact that it is much larger than r-coupling (368 kJ / mol), high selectivity can be achieved for the gate oxide film made of SiO 2 . Furthermore, since the surface of the resist mask can be coated with CBr x having a low vapor pressure, the point that the resist selectivity can be improved is also a great advantage of the Br-based chemical species.

【0011】一方、上述のような炭素系ポリマーの側壁
保護作用により高異方性を達成するのではなく、被エッ
チング基板(ウェハ)の低温化によりこれを達成しよう
とする技術も提案されている。これは、いわゆる低温エ
ッチングと呼ばれるプロセスであり、ウェハの温度を0
℃以下に保持することにより、深さ方向のエッチング速
度をイオン・アシスト効果により実用レベルに維持した
まま、パターン側壁部におけるラジカル反応を凍結また
は抑制してアンダカット等の形状異常を防止しようとす
る技術である。たとえば、第35回応用物理学関係連合
講演会(1988年春季年会)講演予稿集第495ペー
ジ演題番号28a−G−2には、ウェハを−130℃に
冷却し、SF6 ガスを用いてシリコン・トレンチ・エッ
チングおよびn+ 型多結晶シリコン層のエッチングを行
った例が報告されている。
On the other hand, a technique has been proposed in which high anisotropy is not achieved by the side wall protecting action of the carbon-based polymer as described above, but this is achieved by lowering the temperature of the substrate (wafer) to be etched. .. This is a so-called low temperature etching process, and the wafer temperature is reduced to zero.
By keeping the temperature below ℃, the radical reaction on the pattern side wall is frozen or suppressed while the etching rate in the depth direction is maintained at a practical level by the ion assist effect, and shape abnormalities such as undercut are prevented. It is a technology. For example, in the 35th Joint Lecture on Applied Physics (Spring Annual Meeting 1988) Proceedings, p. 495, page No. 28a-G-2, the wafer was cooled to -130 ° C. and SF 6 gas was used. An example in which a silicon trench etching and an n + type polycrystalline silicon layer are etched has been reported.

【0012】[0012]

【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、トレンチ加工においてS
x y ,Six y Clz 等を側壁保護に利用する上
述のプロセスは、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、トレンチ加工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。
However, if the design rules of semiconductor devices continue to progress at a rapid pace, it will be necessary to reduce particle contamination at a higher level than ever before. From this viewpoint, in trench processing, S
The above-described process utilizing i x N y , Si x N y Cl z, etc. for sidewall protection satisfies the current requirements but has not fundamentally avoided particle contamination. In addition, since trench processing generally requires a long process time and a large amount of depositable substances are produced, it is premised that such substances can be easily and completely removed after etching even if they are used for sidewall protection.

【0013】また、HBrをゲート電極加工に用いるプ
ロセスでも、SiBrx 等によるパーティクル汚染を回
避することは難しい。
Even in the process of using HBr for processing the gate electrode, it is difficult to avoid particle contamination due to SiBr x or the like.

【0014】これらに対し、低温エッチングは脱CFC
対策の有効な手段のひとつと期待されているが、高異方
性の達成をラジカルの反応の凍結もしくは抑制のみに頼
ろうとすると、前述のように液体窒素を要するレベルの
低温冷却が必要となる。しかしこれでは、大型で特殊な
冷却装置が必要となること、真空シール材の信頼性が低
下すること等のハードウェア面の問題が生ずる。また、
ウェハの冷却および室温に戻すまでの加熱に時間がかか
るのでスループットが低下することも懸念され、経済性
や生産性を損なう虞れが大きい。
On the other hand, low temperature etching removes CFC.
It is expected to be one of the effective measures, but if we try to rely only on freezing or suppressing the reaction of radicals to achieve high anisotropy, it will be necessary to cool at a low temperature that requires liquid nitrogen as described above. .. However, this causes problems in hardware such as the need for a large-scale special cooling device and the reduction in reliability of the vacuum sealing material. Also,
Since it takes time to cool the wafer and heat it to return it to room temperature, there is a concern that throughput may be reduced, and there is a great risk of impairing economic efficiency and productivity.

【0015】そこで本発明は、高異方性、高選択性、低
汚染性,低ダメージ性といった両立の難しい諸特性を高
いレベルで満足させ、しかも実用的な温度域で実施でき
るシリコン系材料層のドライエッチング方法を提供する
ことを目的とする。
In view of the above, the present invention provides a silicon-based material layer which can satisfy various properties that are difficult to achieve at the same time, such as high anisotropy, high selectivity, low contamination, and low damage, at a high level and can be carried out in a practical temperature range. It is an object of the present invention to provide a dry etching method of

【0016】[0016]

【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、分子内にチオニル基もしくはスルフリル基の少
なくとも一方の官能基とハロゲン原子とを有するハロゲ
ン化合物を含むエッチング・ガスを用い、少なくともエ
ッチング・パターンの側壁面上に炭素系ポリマーを堆積
させながらシリコン系材料層をエッチングすることを特
徴とする。
The dry etching method of the present invention is proposed in order to achieve the above-mentioned object, and has at least one functional group of a thionyl group or a sulfuryl group and a halogen atom in the molecule. It is characterized in that the silicon-based material layer is etched while depositing the carbon-based polymer on at least the sidewall surface of the etching pattern using an etching gas containing a halogen compound having

【0017】本発明はまた、前記ハロゲン化合物を含む
エッチング・ガスに放電解離条件下でプラズマ中にイオ
ウを放出し得るイオウ系化合物を添加し、少なくともエ
ッチング・パターンの側壁面上に炭素系ポリマーとイオ
ウとを堆積させながらシリコン系材料層をエッチングす
ることを特徴とする。
According to the present invention, a sulfur-based compound capable of releasing sulfur into plasma under discharge dissociation conditions is added to the etching gas containing the halogen compound, and a carbon-based polymer is added to at least the sidewall surface of the etching pattern. The silicon-based material layer is etched while depositing sulfur.

【0018】本発明はまた、前記ハロゲン化合物を含む
エッチング・ガスを用い、少なくともエッチング・パタ
ーンの側壁面上に炭素系ポリマーを堆積させながらシリ
コン系材料層を実質的にその層厚分だけエッチングする
ジャストエッチング工程と、前記エッチング・ガスに放
電解離条件下でプラズマ中にイオウを放出しるイオウ系
化合物を添加し、少なくとも前記エッチング・パターン
の側壁面上に炭素系ポリマーとイオウとを堆積させなが
ら前記シリコン系材料層の残余部をエッチングするオー
バーエッチング工程とを有することを特徴とする。
The present invention also uses the etching gas containing the halogen compound to etch the silicon-based material layer substantially by the thickness of the silicon-based material layer while depositing the carbon-based polymer on at least the sidewall surface of the etching pattern. Just etching step, adding a sulfur-based compound that releases sulfur into plasma under discharge dissociation conditions to the etching gas, while depositing carbon-based polymer and sulfur on at least the sidewall surface of the etching pattern. And an over-etching step of etching the remaining portion of the silicon-based material layer.

【0019】本発明はさらに、エッチング終了後に、少
なくとも前記シリコン系材料層のエッチング・パターン
の側壁面上に堆積した前記炭素系ポリマーおよび/また
は前記イオウを、アッシングにより除去することを特徴
とする。
The present invention is further characterized in that after the etching is completed, at least the carbon-based polymer and / or the sulfur deposited on the sidewall surface of the etching pattern of the silicon-based material layer is removed by ashing.

【0020】[0020]

【作用】本発明者は、上述の目的を達成するには、側壁
保護膜を構成する炭素系ポリマーの膜質を従来よりも強
化し、エッチング耐性を向上させることが極めて有効で
あると考えるに至った。それは、炭素系ポリマー強化に
次のようなメリットが期待できるからである。
In order to achieve the above object, the present inventor has come to the conclusion that it is extremely effective to enhance the film quality of the carbon-based polymer forming the side wall protective film as compared with the conventional one and improve the etching resistance. It was This is because the following advantages can be expected in carbon-based polymer reinforcement.

【0021】第一に、側壁保護効果が向上するので、異
方性加工に必要な入射イオン・エネルギーを下げること
ができる。これにより、エッチング・マスクやゲート酸
化膜のスパッタ除去を抑制することができ、これらに対
する選択性が向上し、ダメージが低減される。第二に、
高異方性、高選択性を達成するために必要な炭素系ポリ
マーの堆積量を低減できるので、従来技術に比べてパー
ティクル汚染を減少させることができる。また、炭素系
ポリマーを構成するC原子によるSiO2 からのO原子
引き抜きも抑制されるので、ゲート電極加工に際しては
ゲート酸化膜に対する選択性も向上する。
First, since the side wall protection effect is improved, the incident ion energy required for anisotropic processing can be lowered. As a result, it is possible to suppress sputter removal of the etching mask and the gate oxide film, the selectivity for these is improved, and the damage is reduced. Secondly,
Since the deposition amount of the carbon-based polymer required to achieve high anisotropy and high selectivity can be reduced, particle contamination can be reduced as compared with the conventional technique. Further, since the extraction of O atoms from SiO 2 by the C atoms constituting the carbon-based polymer is suppressed, the selectivity for the gate oxide film is improved when the gate electrode is processed.

【0022】第三に、側壁保護効果の向上によりSiと
の反応性の高いF系化学種やCl系化学種をエッチング
に利用できるようになるので、高異方性、高選択性の達
成をBr系化学種のみに依存していた場合に比べてエッ
チング速度が格段に上昇する。
Thirdly, by improving the side wall protection effect, F type chemical species and Cl type chemical species having high reactivity with Si can be utilized for etching, so that high anisotropy and high selectivity can be achieved. The etching rate is remarkably increased as compared with the case of relying only on the Br-based chemical species.

【0023】本発明では、かかる炭素系ポリマーの強化
を可能とするエッチング・ガスの構成成分として、分子
中にチオニル基(>S=O)もしくはスルフリル基(>
SO 2 )の少なくとも一方の官能基とハロゲン原子とを
有するハロゲン化合物を使用する。上記ハロゲン化合物
中のハロゲン原子は、言うまでもなくシリコン系材料層
の主エッチング種として寄与する。
In the present invention, the carbon-based polymer is reinforced.
As a constituent of the etching gas that enables the
A thionyl group (> S = O) or a sulfuryl group (>
SO 2) At least one functional group and a halogen atom
A halogen compound having is used. The above halogen compounds
Needless to say, the halogen atoms in the inside are silicon-based material layers.
Contributes as a main etching species.

【0024】一方、チオニル基およびスルフリル基は、
S原子が正電荷、O原子が負電荷を帯びるごとく分極し
た構造をとることができ、高い重合促進活性を有する。
したがって、これらの官能基、もしくはこれらに由来す
る原子団がプラズマ中に存在することにより、炭素系ポ
リマーの重合度が上昇し、イオン入射やラジカルの攻撃
に対する耐性を高めることができる。また、炭素系ポリ
マーに上述の官能基もしくはこれに由来するフラグメン
トが導入されると、単に−CX2 −(Xはハロゲン原子
を表す。)の繰り返し構造からなる従来の炭素系ポリマ
ーよりも化学的,物理的安定性が増すことも、近年の研
究により明らかとなっている。これは、2原子間の結合
エネルギーを比較すると、C−S結合(713.4kJ
/mol)がC−C結合(607kJ/mol)より大
きいことからも直観的に理解される。さらに、上述のよ
うな官能基の導入により炭素系ポリマーの極性が増大
し、エッチング中は負に帯電しているウェハに対してそ
の静電吸着力が高まることによっても、炭素系ポリマー
のエッチング耐性は向上する。
On the other hand, the thionyl group and the sulfuryl group are
It can have a structure in which the S atom is positively charged and the O atom is negatively charged, and has a high polymerization promoting activity.
Therefore, the presence of these functional groups or atomic groups derived from them in the plasma increases the degree of polymerization of the carbon-based polymer, and can enhance resistance to ion injection and radical attack. Further, when the above-mentioned functional group or a fragment derived therefrom is introduced into the carbon-based polymer, it is more chemically than the conventional carbon-based polymer which is simply composed of a repeating structure of —CX 2 — (X represents a halogen atom). , Recent studies have also revealed that physical stability is increased. When comparing the binding energies between two atoms, this is the C—S bond (713.4 kJ
/ Mol) is larger than the CC bond (607 kJ / mol), which is also intuitively understood. Furthermore, the introduction of the functional groups as described above increases the polarity of the carbon-based polymer, and the electrostatic adsorption force to the wafer that is negatively charged during etching is also increased. Will improve.

【0025】本発明は、以上のような考え方を基本とし
ているが、さらに一層の低汚染化と低ダメージ化を目指
す方法も提案する。その方法とは、上記のエッチング・
ガスに、さらに放電解離条件下でプラズマ中にイオウ
(S)を放出できるイオウ系化合物を添加することであ
る。この場合、エッチング反応生成物である炭素系ポリ
マーに加え、Sも側壁保護に利用できるようになる。S
は、条件にもよるが、ウェハがおおよそ室温以下に温度
制御されていればその表面に堆積する。したがって、入
射イオン・エネルギーを一層低減でき、低ダメージ化を
徹底することができる。また、炭素系ポリマーの堆積量
を相対的に減少させることができ、パーティクル汚染を
より効果的に低減することができる。しかも、Sはウェ
ハがおおよそ90℃以上に加熱されれば容易に昇華する
ので、自身がパーティクル汚染源となる虞れがない。
The present invention is based on the above idea, but proposes a method aiming at further reduction of pollution and damage. The method is the above-mentioned etching
A sulfur-based compound capable of releasing sulfur (S) into plasma under discharge dissociation conditions is added to the gas. In this case, in addition to the carbon-based polymer which is the etching reaction product, S can also be used for sidewall protection. S
Will depend on the conditions, but will be deposited on the surface of the wafer if the temperature of the wafer is controlled below room temperature. Therefore, the incident ion energy can be further reduced, and the damage can be thoroughly reduced. In addition, the amount of carbon-based polymer deposited can be relatively reduced, and particle contamination can be reduced more effectively. Moreover, S easily sublimes when the wafer is heated to approximately 90 ° C. or higher, so that S itself does not become a source of particle contamination.

【0026】以上のハロゲン化合物、もしくはこれにイ
オウ系化合物を添加したエッチング・ガスを用いれば、
基本的にはシリコン系材料層の1段階エッチングが可能
となり、下地選択性を考慮する必要のないトレンチ加工
に関しては、これで十分な効果を得ることができる。本
発明ではさらに、下地選択性を考慮する必要があるゲー
ト電極加工において高速性、低汚染性、下地選択性を向
上させるための方法も提案する。それは、ジャストエッ
チング時とオーバーエッチング時とでガス組成を切り替
える2段階エッチングである。
If the above halogen compound or an etching gas containing a sulfur compound added thereto is used,
Basically, the one-step etching of the silicon-based material layer becomes possible, and it is possible to obtain a sufficient effect with respect to the trench processing which does not need to consider the underlying selectivity. The present invention further proposes a method for improving high speed, low contamination, and underlayer selectivity in gate electrode processing which requires consideration of underlayer selectivity. It is a two-step etching in which the gas composition is switched between just etching and over etching.

【0027】まず、シリコン系材料層を実質的にその層
厚分だけエッチングするジャストエッチング工程では、
上記ハロゲン化合物を含むエッチング・ガスを用いる。
この段階では、強化された炭素系ポリマーが堆積する。
次に、シリコン系材料層の残余部をエッチングするオー
バーエッチング工程では、上記ハロゲン化合物を含むエ
ッチング・ガスにプラズマ中にSを放出し得るイオウ系
化合物を添加し、炭素系ポリマーとSの両方を堆積させ
る。これにより、オーバーエッチング時に低ダメージ化
を意図して入射イオン・エネルギーを低減させたとして
も、側壁保護効果の強化により、シリコン系材料層のエ
ッチング・パターンの良好な異方性形状が維持される。
First, in the just etching step of etching the silicon-based material layer substantially by the thickness thereof,
An etching gas containing the above halogen compound is used.
At this stage, the reinforced carbon-based polymer is deposited.
Next, in the overetching step of etching the remaining portion of the silicon-based material layer, a sulfur-based compound capable of releasing S into plasma is added to the etching gas containing the halogen compound to remove both carbon-based polymer and S. To deposit. As a result, even if the incident ion energy is reduced in order to reduce damage during overetching, the sidewall protection effect is enhanced, so that a good anisotropic shape of the etching pattern of the silicon-based material layer is maintained. ..

【0028】上述の各エッチングにおいてエッチング・
パターンの側壁面上に堆積した炭素系ポリマーおよび/
またはSは、アッシングにより除去することができる。
このアッシングは、レジスト・マスクを用いるプロセス
であれば、このレジスト・マスクの除去を兼ねて行うこ
とができる。ディープ・トレンチ加工のように無機系の
エッチング・マスクを用いるプロセスであれば、別工程
にて行う。いずれにしても、炭素系ポリマーの堆積量は
従来プロセスに比べて遙かに少ないため、除去は容易で
ある。一方のイオウは、プラズマ輻射熱やアッシング時
の反応熱により容易に昇華する他、O2 によっても燃焼
されるので、パーティクル汚染を惹起させる懸念は一切
ない。
In each of the above etchings,
Carbon-based polymer and / or deposited on the sidewall surface of the pattern
Alternatively, S can be removed by ashing.
This ashing can also be performed by removing the resist mask if the process uses a resist mask. If the process uses an inorganic etching mask, such as deep trench processing, it is performed in a separate process. In any case, the amount of the carbon-based polymer deposited is much smaller than that in the conventional process, and therefore the removal is easy. On the other hand, sulfur is easily sublimated by plasma radiant heat or reaction heat during ashing, and is also burned by O 2 , so there is no possibility of causing particle contamination.

【0029】[0029]

【実施例】以下、本発明の具体的な実施例について説明
する。
EXAMPLES Specific examples of the present invention will be described below.

【0030】実施例1 本実施例は、本発明をシャロー・トレンチ加工に適用
し、SOBr2 (臭化チオニル)/SF6 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、図
1(a)に示されるように、単結晶シリコン基板1上に
パッド酸化膜2および多結晶シリコン層3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
4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3は、たとえばCVDにより層厚
0.15μmに形成されており、エッチング中のレジス
ト・マスク4のエッジの後退をトレンチ形状の劣化に反
映させないためのバッファ層として設けられるものであ
る。また、上記パッド酸化膜2は、たとえば上記単結晶
シリコン基板1の熱酸化により層厚0.01μmに形成
されており、トレンチ加工の終了後に上記多結晶シリコ
ン層3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。さらに、上記レジスト・マスク4は、
ネガ型3成分型の化学増幅系ネガ型フォトレジスト材料
(シプレー社製;商品名SAL−601)を用いて形成
されており、KrFエキシマ・レーザ・リソグラフィお
よびアルカリ現像により、開口径0.35μmの第1の
開口部5と、開口径1μmの第2の開口部6とが形成さ
れてなるものである。
Example 1 This example is an example in which the present invention is applied to shallow trench processing, and a single crystal silicon substrate is etched using SOBr 2 (thionyl bromide) / SF 6 mixed gas. This process will be described with reference to FIG. First, as shown in FIG. 1A, a pad oxide film 2 and a polycrystalline silicon layer 3 were sequentially laminated on a single crystal silicon substrate 1, and a resist mask 4 patterned into a predetermined shape was formed. A sample wafer was prepared. Here, the polycrystalline silicon layer 3 is formed, for example, by CVD to have a layer thickness of 0.15 μm, and is provided as a buffer layer for preventing the recession of the edge of the resist mask 4 during etching from being reflected in the deterioration of the trench shape. It is a thing. The pad oxide film 2 is formed to have a layer thickness of 0.01 μm by, for example, thermal oxidation of the single crystal silicon substrate 1, and is a stopper layer for etching back the polycrystalline silicon layer 3 after the trench processing is completed. Is provided as. Further, the resist mask 4 is
It is formed using a negative type three-component type chemically amplified negative type photoresist material (manufactured by Shipley Co .; trade name SAL-601) and has an opening diameter of 0.35 μm by KrF excimer laser lithography and alkali development. The first opening 5 and the second opening 6 having an opening diameter of 1 μm are formed.

【0031】次に、上記ウェハをRFバイアス印加型有
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。この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
備から適当な冷媒の供給を受けることにより、ウェハを
所望の温度に冷却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、一例として下記の
条件でエッチングを行った。
Next, the above-mentioned wafer was set on the wafer mounting electrode of the RF bias application type magnetic field microwave plasma etching apparatus. The wafer mounting electrode has a built-in cooling pipe, and the wafer can be cooled to a desired temperature by receiving an appropriate coolant supply from a cooling facility such as a chiller installed outside the apparatus. Here, ethanol was used as a coolant, and etching was performed under the following conditions as an example.

【0032】 SOBr2 流量 10SCCM SF6 流量 10SCCM ガス圧 0.67Pa(=5mTorr) マイクロ波パワー 850W(2.45GHz) RFバイアス・パワー 50W(2MHz) ウェハ温度 0℃ ここで、SOBr2 は常温で液体物質であるため、He
ガス・バブリングにより気化させた後、エッチング・チ
ャンバへ導入した。
SOBr 2 flow rate 10 SCCM SF 6 flow rate 10 SCCM Gas pressure 0.67 Pa (= 5 mTorr) Microwave power 850 W (2.45 GHz) RF bias power 50 W (2 MHz) Wafer temperature 0 ° C. Here, SOBr 2 is liquid at room temperature He as a substance
After being vaporized by gas bubbling, it was introduced into the etching chamber.

【0033】この過程では、SOBr2 から解離生成し
たBr* およびSF6 から解離生成したF* 等によるラ
ジカル反応が、S+ ,SO+ ,SOBrx + ,SFx +
等のイオンの入射エネルギーにアシストされる機構でエ
ッチングが進行した。またこれと同時に、レジスト・マ
スク6の分解生成物に由来してCBrx が生成し、さら
にチオニル基やC−S結合等がその構造中に取り込まれ
て強固な炭素系ポリマーが生成した。ただし、レジスト
・マスク6の表面もCBrx で被覆されるため、炭素系
ポリマーの供給量はそれ程多くない。この炭素系ポリマ
ーは、パターン側壁部に堆積して図1(b)に示される
ような側壁保護膜7を形成し、堆積量こそ少ないものの
高いエッチング耐性を発揮し、異方性加工に寄与した。
この結果、従来のCFCガスを用いるプロセスに比べて
RFバイアス・パワーを半減させているにもかかわら
ず、良好な異方性形状を有するシャロー・トレンチ1
a,1bが形成され、レジスト選択性も従来の約1.5
倍に向上した。
In this process, the radical reaction due to Br * dissociated and produced from SOBr 2 and F * dissociated and produced from SF 6 causes S + , SO + , SOBr x + , SF x +.
Etching progressed by a mechanism assisted by the incident energy of ions such as. At the same time, CBr x was generated due to the decomposition product of the resist mask 6, and thionyl groups and C—S bonds were incorporated into the structure to form a strong carbon-based polymer. However, since the surface of the resist mask 6 is also covered with CBr x , the supply amount of the carbon-based polymer is not so large. This carbon-based polymer was deposited on the side wall of the pattern to form the side wall protection film 7 as shown in FIG. 1 (b), and although it was deposited in a small amount, it exhibited high etching resistance and contributed to anisotropic processing. ..
As a result, the shallow trench 1 having a good anisotropic shape even though the RF bias power is halved as compared with the conventional process using the CFC gas.
a and 1b are formed, and the resist selectivity is about 1.5 of the conventional level.
Doubled.

【0034】なお、単結晶シリコン基板1の異方性エッ
チングのみを目的とするならば、本実施例のエッチング
・ガスはSOBr2 の単独組成でも良いはずである。し
かし、シャロー・トレンチ加工では多結晶シリコン層3
やパッド酸化膜2も共通の組成のガス系によりエッチン
グするのが通例なので、特にパッド酸化膜2を残渣を発
生させることなく除去するためにSF6 を添加して、S
iO2 系材料をエッチング可能なF* を発生させている
のである。このF* は、当然のことながらシャロー・ト
レンチ加工の高速化に寄与している。これは、ローディ
ング効果を防止する上でも極めて有効である。
If only the anisotropic etching of the single crystal silicon substrate 1 is intended, the etching gas of this embodiment may be a single composition of SOBr 2 . However, in the shallow trench processing, the polycrystalline silicon layer 3
Since the pad oxide film 2 and the pad oxide film 2 are also usually etched by a gas system having a common composition, SF 6 is added in order to remove the pad oxide film 2 without generating a residue.
That is, F * that can etch the iO 2 material is generated. This F * naturally contributes to speeding up of the shallow trench processing. This is also extremely effective in preventing the loading effect.

【0035】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・トレンチ加工のそれが5%以下であるのと比べて
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。したがって、本
実施例のようにF* が併用でき、かつ異方性やレジスト
選択性が低下しないプロセスは極めて実用性が高い。
Generally, in the shallow trench processing, the area to be etched reaches 50% or more of the wafer area, and the area to be etched is an order of magnitude larger than that in the deep trench processing which is 5% or less. I won't. When the area to be etched increases in this way, the etching rate inevitably decreases due to the loading effect, and in some cases, the rate of decrease reaches nearly 50%. Therefore, in order to realize a practical process, it is essential to improve the etching rate. Therefore, the process in which F * can be used together and the anisotropy and the resist selectivity are not deteriorated as in this embodiment is extremely practical.

【0036】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4を燃焼除去した。このと
き、図1(c)に示されるように、側壁保護膜7も速や
かに除去された。この側壁保護膜7は前述のように強化
された炭素系ポリマーから構成されるが、その堆積量は
従来プロセスに比べて遙かに少ないため、何らパーティ
クル・レベルが悪化することはなかった。
Finally, the wafer was transferred to a plasma ashing apparatus, and the resist mask 4 was removed by burning under the conditions of normal O 2 plasma ashing. At this time, as shown in FIG. 1C, the side wall protective film 7 was also promptly removed. The sidewall protective film 7 is composed of the carbon-based polymer reinforced as described above, but the deposited amount thereof is much smaller than that of the conventional process, so that the particle level was not deteriorated at all.

【0037】実施例2 本実施例は、同じくシャロー・トレンチ加工の例である
が、エッチング・ガスとしてSOF2 (フッ化チオニ
ル)/S2 Cl2 混合ガスを使用し、S(イオウ)の堆
積を併用してレジスト選択性のより一層の向上と低汚染
化を図ったものである。
Example 2 This example is also an example of shallow trench processing, but using SOF 2 (thionyl fluoride) / S 2 Cl 2 mixed gas as an etching gas and depositing S (sulfur). Is used in combination to further improve resist selectivity and reduce contamination.

【0038】本実施例でエッチング・サンプルとして使
用したウェハは、図1(a)に示したものと同じであ
る。このウェハについて、一例として下記の条件でエッ
チングを行った。 SOF2 流量 10SCCM S2 Cl2 流量 10SCCM ガス圧 0.67Pa(=5mTo
rr) マイクロ波パワー 850W(2.45GH
z) RFバイアス・パワー 30W(2MHz) ウェハ温度 −30℃
The wafer used as the etching sample in this example is the same as that shown in FIG. As an example, this wafer was etched under the following conditions. SOF 2 flow rate 10 SCCM S 2 Cl 2 flow rate 10 SCCM Gas pressure 0.67 Pa (= 5 mTo
rr) Microwave power 850W (2.45GH)
z) RF bias power 30W (2MHz) Wafer temperature -30 ° C

【0039】上記S2 Cl2 は、Cl* の供給源である
ことはもちろんであるが、放電解離条件下でSを放出す
るという重要な役目を担っている。すなわち、本実施例
ではチオニル基やC−S結合等で強化されたCClx
加えて、このSも側壁保護膜7の形成に関与できるよう
になる。しかも、本実施例ではパターン側壁面における
ラジカル反応がウェハ冷却の効果により抑制されてい
る。これらの効果により、実施例1よりも入射イオン・
エネルギーを下げた条件であるにもかかわらず、良好な
異方性加工を行うことができた。また、Sの堆積が期待
できる分だけ炭素系ポリマーの堆積量を低減できたの
で、パーティクル汚染が減少した。
The above S 2 Cl 2 is of course a source of Cl * , but also plays an important role of releasing S under discharge dissociation conditions. That is, in this embodiment, in addition to CCl x reinforced by a thionyl group or a C—S bond, this S can also participate in the formation of the sidewall protective film 7. Moreover, in this embodiment, the radical reaction on the side wall surface of the pattern is suppressed by the effect of wafer cooling. Due to these effects, incident ions
Good anisotropic processing could be performed despite the condition that the energy was lowered. Further, since the amount of carbon-based polymer deposited could be reduced by the amount that S deposition can be expected, particle contamination was reduced.

【0040】エッチング終了後にO2 プラズマ・アッシ
ングを行ったところ、図1(c)に示されるように、レ
ジスト・マスク4と側壁保護膜7は速やかに除去され
た。ここで、側壁保護膜7には炭素系ポリマーとSとが
含まれているが、Sはプラズマ輻射熱や反応熱により昇
華除去される他、O* による燃焼反応によっても除去さ
れ、何らウェハ上にパーティクル汚染を残すことはなか
った。
When O 2 plasma ashing was performed after the etching was completed, as shown in FIG. 1C, the resist mask 4 and the side wall protective film 7 were quickly removed. Here, the side wall protective film 7 contains a carbon-based polymer and S, but S is removed by sublimation by plasma radiant heat or reaction heat, and also by combustion reaction by O * , so that it does not exist on the wafer. No particle contamination was left.

【0041】実施例3 本実施例は、本発明をディープ・トレンチ加工に適用
し、SO2 Cl2 (塩化スルフリル)/CF4 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SiO2 パターン12とサイドウォ
ール13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
12は、CVD等により形成された層厚0.2μmのS
iO2 堆積膜上を、g線露光およびアルカリ現像により
パターニングされたノボラック系ポジ型フォトレジスト
材料(東京応化工業社製;商品名TSMR−V3)から
なるマスクを介してエッチングすることにより、0.5
μm径の開口部が形成されてなるものである。また上記
サイドウォール13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SiO2堆積
膜を形成し、該SiO2 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14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。
Example 3 This example is an example in which the present invention is applied to deep trench processing, and a single crystal silicon substrate is etched using SO 2 Cl 2 (sulfuryl chloride) / CF 4 mixed gas. This process will be described with reference to FIG. First, as an example, as shown in FIG. 2A, a sample wafer was prepared in which an etching mask composed of a SiO 2 pattern 12 and sidewalls 13 was formed on a single crystal silicon substrate 11. Here, the SiO 2 pattern 12 is formed by CVD or the like and has a layer thickness of 0.2 μm.
The iO 2 deposited film was etched through a mask made of a novolac-based positive photoresist material (manufactured by Tokyo Ohka Kogyo Co., Ltd .; trade name TSMR-V3) patterned by g-ray exposure and alkali development to obtain a .0 5
An opening having a diameter of μm is formed. In addition, after removing the resist mask, the sidewall 13 is formed with a SiO 2 deposited film on the entire surface of the wafer by CVD using TEOS (tetraethoxysilane) as a raw material gas, and the SiO 2 deposited film is formed by RIE. It is formed by etching back. Thus, the opening diameter of the opening 14 formed in the etching mask exceeds the resolution limit of photolithography by 0.2 μm.
Has been reduced to.

【0042】このウェハをRFバイアス印加型有磁場マ
イクロ波プラズマ・エッチング装置にセットし、一例と
して下記の条件で単結晶シリコン基板11をエッチング
した。 SO2 Cl2 流量 20SCCM CF4 流量 2SCCM ガス圧 0.27Pa(=2mTor
r) マイクロ波パワー 850W(2.45GHz) RFバイアス・パワー 50W(2MHz) ウェハ温度 0℃ ここで、上記SO2 Cl2 は常温で液体物質であるた
め、Heガス・バブリングにより気化させた後、エッチ
ング・チャンバ内へ導入した。
This wafer was set in an RF bias application type magnetic field microwave plasma etching apparatus, and as an example, the single crystal silicon substrate 11 was etched under the following conditions. SO 2 Cl 2 flow rate 20 SCCM CF 4 flow rate 2 SCCM Gas pressure 0.27 Pa (= 2 mTorr
r) Microwave power 850 W (2.45 GHz) RF bias power 50 W (2 MHz) Wafer temperature 0 ° C. Here, since the SO 2 Cl 2 is a liquid substance at room temperature, it is vaporized by He gas bubbling. It was introduced into the etching chamber.

【0043】このエッチング過程では、SO2 Cl2
ら生成するCl* によるラジカル反応が、S+ ,SOx
+ ,SOClx + ,CFx + 等のイオンの入射エネルギ
ーにアシストされる機構で単結晶シリコン基板11がエ
ッチングされた。このとき、CF4 の放電解離生成物に
スルフリル基、そのフラグメントであるチオニル基、C
−S結合等が取り込まれて強固な炭素系ポリマーが形成
され、これがパターン側壁面上に堆積して、図2(b)
に示されるような側壁保護膜15が形成された。つまり
CF4 は、本実施例のごとくエッチング・マスクから炭
素系ポリマーが供給されない系において、炭素系ポリマ
ーの原料となるフラグメントを気相中に供給する役目を
果たしているのである。RFバイアス・パワーは、従来
のたとえばCl2 /N2 混合ガス系によるエッチングに
比べてほぼ半減されている。さらに、ガス圧を大きく低
下させることによってイオンの平均自由行程を延長し、
ウェハ面への垂直入射成分を増大させる工夫も行われて
いる。これらの効果により、異方性形状を有するディー
プ・トレンチ11aが形成された。
In this etching process, the radical reaction by Cl * generated from SO 2 Cl 2 causes S + , SO x.
The single crystal silicon substrate 11 was etched by a mechanism assisted by the incident energy of ions such as + , SOCl x + , and CF x + . At this time, sulfuryl group discharge dissociation products of CF 4, thionyl group its fragments, C
The -S bond and the like are incorporated to form a strong carbon-based polymer, which is deposited on the side wall surface of the pattern, as shown in FIG.
The side wall protective film 15 as shown in FIG. That is, CF 4 has a function of supplying the fragment, which is a raw material of the carbon-based polymer, into the gas phase in the system in which the carbon-based polymer is not supplied from the etching mask as in the present embodiment. The RF bias power is almost halved as compared with the conventional etching using, for example, a Cl 2 / N 2 mixed gas system. Furthermore, the mean free path of ions is extended by greatly reducing the gas pressure,
Some efforts have been made to increase the vertical incidence component on the wafer surface. Due to these effects, the deep trench 11a having an anisotropic shape was formed.

【0044】なお、CF4 からはF* が生成するが、C
4 の添加量がもともと少ないのでSiO2 パターン1
2やサイドウォール13に対する選択性を何ら低下させ
るには至らず、むしろ上述の低バイアス化の効果により
対SiO2 選択比を従来法の2倍に向上させることがで
きた。
[0044] It should be noted that, although from CF 4 generated by the F *, C
Since the amount of F 4 added is originally small, SiO 2 pattern 1
Not lead to any decrease the selectivity to 2 and sidewall 13, and rather a pair SiO 2 selectivity of the effect of the low bias of the above can be improved to twice the conventional method.

【0045】エッチング終了後、上記のウェハに対して
2 プラズマ・アッシングを行ったところ、上記側壁保
護膜15は図2(c)に示されるように速やかに除去さ
れ、何らパーティクル汚染を発生させることはなかっ
た。
After the completion of etching, O 2 plasma ashing was performed on the wafer, and the sidewall protection film 15 was quickly removed as shown in FIG. 2 (c), causing any particle contamination. It never happened.

【0046】実施例4 本実施例は、本発明をゲート電極加工に適用し、SOC
2 を用いて多結晶シリコン層をジャストエッチングし
た後、SOCl2 /S2 Br2 混合ガスを用いてオーバ
ーエッチングを行った例である。このプロセスを、図3
を参照しながら説明する。
Example 4 In this example, the present invention is applied to the processing of a gate electrode, and the SOC is
In this example, the polycrystalline silicon layer is just-etched by using l 2 and then overetched by using SOCl 2 / S 2 Br 2 mixed gas. This process is shown in FIG.
Will be described with reference to.

【0047】本実施例においてエッチング・サンプルと
して使用したウェハは、図3(a)に示されるように、
単結晶シリコン基板21上にSiO2 からなる厚さ約
0.01μmのゲート酸化膜22を介してn型不純物を
ドープした厚さ約0.3μmのn型多結晶シリコン層2
3が形成され、この上にさらに厚さ約1μmのレジスト
・マスク24が所定のパターンに形成されてなるもので
ある。
The wafer used as an etching sample in this example is as shown in FIG.
An n-type polycrystalline silicon layer 2 having a thickness of approximately 0.3 μm, which is formed by doping n-type impurities through a gate oxide film 22 having a thickness of approximately 0.01 μm and made of SiO 2 on a single crystal silicon substrate 21.
3 is formed, and a resist mask 24 having a thickness of about 1 μm is further formed in a predetermined pattern on this.

【0048】このウェハを有磁場マイクロ波プラズマ・
エッチング装置にセットし、一例として下記の条件で上
記n型多結晶シリコン層23をエッチングした。 SOCl2 流量 10SCCM ガス圧 0.67Pa(=5mTo
rr) マイクロ波パワー 850W(2.45GH
z) RFバイアス・パワー 50W(2MHz) ウェハ温度 −30℃ このエッチング過程では、Cl* を主エッチング種とす
るエッチングが進行する。このとき、チオニル基、C−
S結合等で強化されたCClx ポリマーが堆積して側壁
保護膜25が形成されるので、異方性形状に優れるゲー
ト電極23aが形成された。このエッチングは、ゲート
酸化膜22の表面が露出した時点で終了したが、被エッ
チング領域には部分的にn型多結晶シリコン層23の残
余部23bが残っていた。
This wafer is loaded with a magnetic field microwave plasma
The n-type polycrystalline silicon layer 23 was etched under the following conditions by setting in an etching apparatus. SOCl 2 flow rate 10 SCCM gas pressure 0.67 Pa (= 5 mTo
rr) Microwave power 850W (2.45GH)
z) RF bias power 50 W (2 MHz) Wafer temperature −30 ° C. In this etching process, etching using Cl * as the main etching species proceeds. At this time, a thionyl group, C-
Since the CCl x polymer reinforced by S bonds or the like is deposited to form the side wall protective film 25, the gate electrode 23a excellent in anisotropic shape was formed. This etching was completed when the surface of the gate oxide film 22 was exposed, but the remaining portion 23b of the n-type polycrystalline silicon layer 23 was partially left in the etched region.

【0049】そこで、エッチング条件を一例として下記
のように切り替え、上記残余部23bを除去するための
オーバーエッチングを行った。 SOCl2 流量 5SCCM S2 Br2 流量 10SCCM ガス圧 0.67Pa(=5mTo
rr) マイクロ波パワー 850W(2.45GH
z) RFバイアス・パワー 30W(2MHz) ウェハ温度 −30℃ この段階では、強化されたCClx ,CBrx 等の炭素
系ポリマーに加えてSが側壁保護に寄与するため、ジャ
ストエッチング工程に比べて一層の低バイアス化が可能
となった。またウェハ温度が低下してパターン側壁面上
におけるラジカル反応が抑制されていること、Siに対
する反応性の低いBr系化学種が用いられていること等
の理由により、ゲート酸化膜22に対して極めて高い選
択性が達成された。しかも、レジスト・マスク24の表
面にはCClx ポリマーよりもさらに蒸気圧の低いCB
x ポリマーが堆積するので、該レジスト・マスク24
に対する選択性も向上した。かかる高選択、低ダメージ
条件下で、図3(c)に示されるように残余部23bを
完全に除去することができた。
Therefore, the etching conditions were switched as follows by way of example, and over-etching was performed to remove the residual portion 23b. SOCl 2 flow rate 5 SCCM S 2 Br 2 flow rate 10 SCCM Gas pressure 0.67 Pa (= 5 mTo
rr) Microwave power 850W (2.45GH)
z) RF bias power 30 W (2 MHz) Wafer temperature -30 ° C. At this stage, S contributes to the sidewall protection in addition to the carbon-based polymers such as reinforced CCl x and CBr x , so that compared to the just etching process. It has become possible to further reduce the bias. In addition, because the wafer temperature is lowered and the radical reaction on the side wall of the pattern is suppressed, and the Br-based chemical species having low reactivity with Si is used, the gate oxide film 22 is extremely affected. High selectivity was achieved. Moreover, the surface of the resist mask 24 has CB whose vapor pressure is lower than that of CCl x polymer.
As the r x polymer is deposited, the resist mask 24
The selectivity for was also improved. Under such high selection and low damage conditions, the residual portion 23b could be completely removed as shown in FIG.

【0050】最後に、エッチング終了後のウェハをアッ
シング装置に移設してO2 プラズマ・アッシングを行っ
たところ、図3(d)に示されるようにレジスト・マス
ク24と側壁保護膜25とがきれいに除去された。
Finally, when the wafer after etching was transferred to an ashing device and O 2 plasma ashing was carried out, the resist mask 24 and the side wall protective film 25 were cleanly removed as shown in FIG. 3D. Was removed.

【0051】以上、本発明を4例の実施例にもとづいて
説明したが、本発明はこれらの各実施例に何ら限定され
るものではない。たとえば、分子内にチオニル基とハロ
ゲン原子とを有するハロゲン化合物としては、上述のS
OF2 ,SOCl2 の他、SOF4 (四フッ化チオニ
ル),SOBr2 (臭化チオニル;液体),SOClB
r(塩化臭化チオニル;液体)等を使用することができ
る。
Although the present invention has been described based on the four examples, the present invention is not limited to these examples. For example, as the halogen compound having a thionyl group and a halogen atom in the molecule, the above-mentioned S
In addition to OF 2 and SOCl 2 , SOF 4 (thionyl tetrafluoride), SOBr 2 (thionyl bromide; liquid), SOClB
r (thionyl chloride bromide; liquid) or the like can be used.

【0052】同様に、分子内にスルフリル基とハロゲン
原子とを有するハロゲン化合物としては、上述のSO2
Cl2 の他、SO2 2 (フッ化スルフリル),SO2
ClF(塩化フッ化スルフリル),SO2 BrF(臭化
フッ化スルフリル;液体)等を使用することができる。
なお、上記日本語名の後に「液体」と記載した化合物は
常温で液体であることを示し、記載のないものは気体で
ある。
Similarly, as the halogen compound having a sulfuryl group and a halogen atom in the molecule, the above-mentioned SO 2
In addition to Cl 2 , SO 2 F 2 (sulfuryl fluoride), SO 2
ClF (sulfuryl chloride), SO 2 BrF (sulfuryl bromide bromide; liquid) and the like can be used.
The compounds described as "liquid" after the above Japanese name are liquid at room temperature, and those not described are gases.

【0053】また、イオウ系化合物としては、上述のS
2 Cl2 ,S2 Br2 の他、S2 2 ,SF2 ,S
4 ,S2 10等のフッ化イオウ、S3 Cl2 ,SCl
2 等の他の塩化イオウ、S3 Br2 ,SBr2 等の他の
臭化イオウ、H2 S等を使用することができる。以上の
化合物の組み合わせは任意であるが、特にシャロー・ト
レンチ加工を行う場合には、パッド酸化膜の速やかな除
去を可能とするために、放電解離条件下でF* を供給し
得るガス系を用いることが望ましい。
Further, as the sulfur-based compound, the above-mentioned S
2Cl2, S2Br2And S2F 2, SF2, S
FFour, S2FTenSulfur fluoride such as S3Cl2, SCl
2Other sulfur chlorides such as S3Br2, SBr2Other of
Sulfur bromide, H2S or the like can be used. More than
The combination of compounds is arbitrary, but especially Shallow To
When performing wrench processing, remove the pad oxide film immediately.
F under discharge dissociation conditions*Supply
It is desirable to use the resulting gas system.

【0054】エッチング・ガスには、スパッタリング効
果,冷却効果,希釈効果を得る目的でHe,Ar等の希
ガスが添加されていても良い。エッチングの対象となる
シリコン系材料層は、上述のような単結晶シリコン、多
結晶シリコンの他、アモルファス・シリコンからなるも
のであっても良い。さらに、使用するエッチング装置、
エッチング条件、ウェハの構成等は適宜変更可能である
ことは言うまでもない。
A rare gas such as He or Ar may be added to the etching gas for the purpose of obtaining a sputtering effect, a cooling effect and a dilution effect. The silicon-based material layer to be etched may be made of amorphous silicon in addition to the above-mentioned single crystal silicon and polycrystalline silicon. Furthermore, the etching equipment used,
It goes without saying that the etching conditions, the wafer configuration, etc. can be changed as appropriate.

【0055】[0055]

【発明の効果】以上の説明からも明らかなように、本発
明ではシリコン系材料層のエッチングにおいてチオニル
基もしくはスルフリル基を含むハロゲン化合物を添加し
たエッチング・ガスを使用することにより、炭素系ポリ
マーの膜質を強化し、その堆積量を減少させても高異方
性、高選択性を達成することが可能となる。しかも、こ
れらは実用的なウェハ温度域で達成できる。また、上記
ハロゲン化合物を放電解離条件下でSを放出し得るイオ
ウ系化合物と併用すれば、更なる高選択化、低汚染化、
低ダメージ化を図ることができる。
As is apparent from the above description, according to the present invention, by using an etching gas to which a halogen compound containing a thionyl group or a sulfuryl group is added in the etching of a silicon-based material layer, a carbon-based polymer of It is possible to achieve high anisotropy and high selectivity even if the film quality is enhanced and the deposition amount is reduced. Moreover, these can be achieved in a practical wafer temperature range. Further, by using the halogen compound in combination with a sulfur-based compound capable of releasing S under discharge dissociation conditions, further high selectivity, low pollution,
It is possible to reduce damage.

【0056】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,高性能,高信頼性を要求され
る半導体装置の製造に極めて好適である。特にゲート電
極加工においては、有望な脱CFC対策を提供し得る。
The present invention is extremely suitable for manufacturing a semiconductor device which is designed based on a fine design rule and which requires high integration, high performance and high reliability. Particularly in the gate electrode processing, it can provide a promising measure against CFC removal.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】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酸化膜と多
結晶シリコン層とを介してレジスト・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シャロー
・トレンチが形成された状態、(c)はアッシングによ
りレジスト・マスクと側壁保護膜が除去された状態をそ
れぞれ表す。
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing an example of a process in which the present invention is applied to shallow trench processing in the order of steps, (a) showing a pad oxide film and a polycrystalline silicon layer on a single crystal silicon substrate. The state where the resist mask is formed, (b) shows the state where the sidewall trench is formed while forming the shallow trench, and (c) shows the state where the resist mask and the sidewall protective film are removed by ashing. ..

【図2】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ディープ・トレンチが形成された
状態、(c)はアッシングにより側壁保護膜が除去され
た状態をそれぞれ表す。
FIG. 2 is a schematic cross-sectional view showing an example of a process in which the present invention is applied to deep trench processing in the order of steps, (a) showing a state where an etching mask made of SiO 2 is formed on a single crystal silicon substrate. , (B) show a state in which the deep trench is formed while the side wall protective film is formed, and (c) shows a state in which the side wall protective film is removed by ashing.

【図3】本発明をゲート電極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n型多結晶シリコン層上にレジスト・マスクが
形成された状態、(b)はn型多結晶シリコン層がジャ
ストエッチングされた状態、(c)はn型多結晶シリコ
ン層がオーバーエッチングされた状態、(d)はアッシ
ングによりレジスト・マスクと側壁保護膜が除去された
状態をそれぞれ表す。
FIG. 3 is a schematic cross-sectional view showing an example of a process in which the present invention is applied to processing a gate electrode in the order of steps thereof,
(A) is a state where a resist mask is formed on the n-type polycrystalline silicon layer, (b) is a state where the n-type polycrystalline silicon layer is just-etched, and (c) is an over-type n-type polycrystalline silicon layer. Etched state, (d) shows a state in which the resist mask and the side wall protective film are removed by ashing.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1,11,21 ・・・単結晶シリコン基板 1a,1b ・・・シャロー・トレンチ 2 ・・・パッド酸化膜 3 ・・・多結晶シリコン層 4,24 ・・・レジスト・マスク 7,15,25 ・・・側壁保護膜 11a ・・・ディープ・トレンチ 12 ・・・SiO2 パターン 13 ・・・サイドウォール 22 ・・・ゲート酸化膜 23 ・・・n型多結晶シリコン層 23a ・・・ゲート電極1,11,21 ・ ・ ・ Single crystal silicon substrate 1a, 1b ・ ・ ・ Shallow trench 2 ・ ・ ・ Pad oxide film 3 ・ ・ ・ Polycrystalline silicon layer 4,24 ・ ・ ・ Resist mask 7,15,25・ ・ ・ Sidewall protective film 11a ・ ・ ・ Deep trench 12 ・ ・ ・ SiO 2 pattern 13 ・ ・ ・ Sidewall 22 ・ ・ ・ Gate oxide film 23 ・ ・ ・ n-type polycrystalline silicon layer 23a ・ ・ ・ Gate electrode

Claims (4)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 分子内にチオニル基もしくはスルフリル
基の少なくとも一方の官能基とハロゲン原子とを有する
ハロゲン化合物を含むエッチング・ガスを用い、少なく
ともエッチング・パターンの側壁面上に炭素系ポリマー
を堆積させながらシリコン系材料層をエッチングするこ
とを特徴とするドライエッチング方法。
1. A carbon-based polymer is deposited on at least a sidewall surface of an etching pattern by using an etching gas containing a halogen compound having a halogen atom and at least one functional group of a thionyl group or a sulfuryl group in a molecule. While etching the silicon-based material layer, a dry etching method.
【請求項2】 分子内にチオニル基もしくはスルフリル
基の少なくとも一方の官能基とハロゲン原子とを有する
ハロゲン化合物と、放電解離条件下でプラズマ中にイオ
ウを放出し得るイオウ系化合物とを含むエッチング・ガ
スを用い、少なくともエッチング・パターンの側壁面上
に炭素系ポリマーとイオウとを堆積させながらシリコン
系材料層をエッチングすることを特徴とするドライエッ
チング方法。
2. An etching method comprising a halogen compound having at least one functional group of a thionyl group or a sulfuryl group and a halogen atom in the molecule, and a sulfur compound capable of releasing sulfur into plasma under discharge dissociation conditions. A dry etching method characterized in that a silicon-based material layer is etched while using a gas to deposit a carbon-based polymer and sulfur on at least a sidewall surface of an etching pattern.
【請求項3】 分子内にチオニル基もしくはスルフリル
基の少なくとも一方の官能基とハロゲン原子とを有する
ハロゲン化合物を含むエッチング・ガスを用い、少なく
ともエッチング・パターンの側壁面上に炭素系ポリマー
を堆積させながらシリコン系材料層を実質的にその層厚
分だけエッチングするジャストエッチング工程と、 前記エッチング・ガスに放電解離条件下でプラズマ中に
イオウを放出しるイオウ系化合物を添加し、少なくとも
前記エッチング・パターンの側壁面上に炭素系ポリマー
とイオウとを堆積させながら前記シリコン系材料層の残
余部をエッチングするオーバーエッチング工程とを有す
ることを特徴とするドライエッチング方法。
3. A carbon-based polymer is deposited on at least a sidewall surface of an etching pattern by using an etching gas containing a halogen compound having a halogen atom and at least one functional group of a thionyl group or a sulfuryl group in a molecule. While just etching step of etching the silicon-based material layer substantially by the thickness of the layer, a sulfur-based compound that releases sulfur into plasma under discharge dissociation conditions is added to the etching gas, and at least the etching And a carbon-based polymer and sulfur on the side wall surface of the pattern while etching the remaining portion of the silicon-based material layer.
【請求項4】 エッチング終了後に、少なくとも前記シ
リコン系材料層のエッチング・パターンの側壁面上に堆
積した前記炭素系ポリマーおよび/または前記イオウ
を、アッシングにより除去することを特徴とする請求項
1ないし請求項3のいずれか1項に記載のドライエッチ
ング方法。
4. After the etching is finished, at least the carbon-based polymer and / or the sulfur deposited on the sidewall surface of the etching pattern of the silicon-based material layer is removed by ashing. The dry etching method according to claim 3.
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