JPH0560651B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 Ａ 産業上の利用分野 本発明は反応性イオン・エツチングのための気
体組成及び方法に関する。

Ｂ 従来技術 半導体装置の製造には通常装置を形成する特定
の層をパターンに従つてエツチングする段階が存
在する。このエツチングは種々の方法で行う事が
出来る。従来はこの様なエツチングはウエツトな
化学薬品で行われていた。ウエツト・エツチング
には多くの欠点がある。このエツチングは等方性
であつて、垂直方向のみならず横方向にも生じ、
レジストの像よりも幅広い線をエツチしてしま
う。さらに使用する化学薬品は通常作業員にとつ
て極めて危険であり、汚染物質である。最後に、
エツチング段階に続いて洗浄及び乾燥工程が必要
である。この追加的な工程は処理時間を増し、収
率を減少する。

より最近の処理では気体プラズマが使用されて
いる。気体は封止した反応室内に含まれているの
で、作業員に対する危険性はない。かなり少量の
エツチング気体が使用され廃棄物が気体であるた
め、汚染物を除去するためのガス洗浄が可能であ
る。また、洗浄及び乾燥工程が不要になるだけで
なく、レジストの除去がエツチングの完了後室中
に遂行出来る。処理時間が減少し、収率が増加す
る。

気体プラズマ・エツチングにエツチング種をエ
ツチされる物体に向かつて加速する技術を組合せ
た技術は反応性イオン・エツチング（RIE）とし
て知られている。気体プラズマの使用によつて得
られる利点に加えて、この様にして遂行されるエ
ツチングが異方性を示し、主に垂直方向に行われ
る。異方性の程度をもつぱら圧力によつて決定さ
れる。圧力が低い程、エツチングはより異方性と
なる。それは低圧では室中の粒子の平均自由行程
が長いからである。低圧では粒子がエツチされる
表面に向つて加速される時他の粒子と衝突する可
能性が少なくなる。他の粒子と衝突すると、粒子
の方向が変り、高圧では低圧の場合よりも垂直壁
がかなり侵食され易くなる。

選択性も考慮しなければならない他の因子であ
る。完全に選択的な過程とは上層はエツチされる
が下層はエツチングされない過程の事である。実
際にはこの様な事は絶対に生じない。選択性（選
択率）は上層のエツチング速度の下層のエツチン
グ速度に対する比として表わされる。一般に、圧
力が低い程、エツチングの選択性は小さくなる。
これは粒子の運動エネルギが高く、粒子の衝突に
よる無差別な物理的エツチングが、選択的な化学
的エツチングと共に生ずるからである。

ドライ・エツチングが使用されている半導体製
造の１つの分野は２酸化ケイ素、窒化ケイ素もし
くはオキシ窒化ケイ素のような絶縁層の上のポリ
シリコン（多結晶ケイ素）もしくは耐火性ケイ化
金属の層をパターン化する分野である。特定の例
は（MOSFET）装置の製造時のポリシリコンも
しくはポリサイドのゲート電極の画定である。選
択性及び異方性が異なる多くのエツチング技術が
提案されている。試みられている１つの気体は
CClF₃である。

CClF₃は２酸化ケイ素上のポリシリコンをエツ
チングするのに比較的高圧（100ミリトール以下）
で使用されており、選択性は優れているが、異方
性でない。第２図は純粋なCClF₃により種々の圧
力でエツチしたSiO₂上のＮ＋ポリシリコンのエ
ツチ・プロフイールを示す。第２Ｃ図に示した様
に100ミリトールの圧力で過剰なアンダーカツト
が生じ、より低い圧力でもかなりなアンダーカツ
トが見られる。第２ａ図は圧力が22ミリトールの
場合、第２ｂ図は60ミリトールの場合を示す。純
粋なCClF₃の場合は、高い圧力では不飽和種
CFx⁺に対して過剰なCl種が存在すると考えられ
る。この等の塩素種は高い圧力と平均自由行程が
減少するために低エネルギである。塩素種はラン
ダムな方向に拡散し、エツチングされるべき層の
垂直及び水平表面の両方を侵食する。従つて、こ
の過程はかなりなアンダーカツトを生じ、方向性
が乏しくなる。

低圧（25ミリトール）RIE方法がケイ素に関連
してSiO₂をエツチングするために開発された。
この方法はCClF₃に水素分子を追加したものであ
る。分子の水素は余分の塩素のゲツタとして働
く。これによつて周辺のCFx⁺の相対量が多くな
る。低圧では、CFx⁺はSiO₂をエツチングする
が、周辺に塩素が少ないためにケイ素はエツチン
グされない。

Ｃ 発明が解決しようとする問題点 本発明の目的は、ケイ素もしくはケイ化物のド
ライ・エツチングのための改良方法を与える事に
ある。

本発明の他の目的は、下層の酸化ケイ素もしく
は窒化ケイ素に対して選択性を示す、ポリシリコ
ンもしくはケイ化物を異方性ドライ・エツチング
する方法を与える事にある。

本発明のさらに他の目的は、中庸の圧力から高
い圧力の範囲及び低電圧密度で遂行出来る、ポリ
シリコンもしくはケイ化物をドライ・エツチング
する異方性で選択性のある方法を与える事にあ
る。

Ｄ 問題点を解決するための手段 本発明によれば、中程度の圧力でCClF₃とアン
モニアの混合物を反応性イオン・エツチング室中
で使用することにより、下層の酸化ケイ素もしく
は窒化ケイ素に対して選択性が優れたポリシリコ
ンもしくはケイ化物を異方的にエツチングする方
法が与えられる。

Ｅ 実施例 (1) 用語 元素のケイ素含有層：この用語は元素のケイ
素を含む層を示す。

この層は単結晶もしくは多結晶のどちらでも
良い。この層は任意のレベルドーピングして、
正負いずれかの導電型に設定してもよい。ケイ
素はモリブテン、タングステン、チタニウムも
しくはタンタルの如き耐火性金属のケイ化物の
如き金属間化合物の一部として含まれていても
よい。

共有結合ケイ素含有化合物：これは窒素もし
くは酸素の如き他の元素と共有結合したケイ素
の化学的化合物を含む。この様な化合物は酸化
ケイ素、２酸化ケイ素、窒化ケイ素及びオキシ
窒化ケイ素がある。

プラズマ・エツチング：RF放電によつて発
生するプラズマによつて進行するエツチング。
主な除去機構は化学的反応である。

イオン・ビーム・エツチング：エツチングす
べき表面を加速した種によつて衝撃する事によ
つて進行するエツチング。主たる除去機構は物
理的運動量の移動である。イオン・ミリングも
しくはスパツタ・エツチングと呼ぶ。

反応性イオン・エツチング：プラズマ中の反
応性の種がエツチングすべき表面に向つて加速
される事によつて進行するエツチング。除去機
構は加速した種と表面開との化学的相互作用及
び物理的相互作用の組合せである。

エツチ・プロフイール：エツチした構造体に
生ずる壁の構造 次のものがある。

垂直壁…レジストの端と同じ平面中にあり、
基板の表面に垂直な直線壁 アンダーカツト壁…壁の一部がレジストの下
に来る傾斜壁 等方性エツチング：すべての方向（垂直及び
横方向）に一様な率で進行するエツチング。レ
ジストに一番近いエツチ領域が垂直方向のエツ
チングの寸法と略等しい寸法にアンダーカツト
される。

異方性エツチング：方向性がある、即ち横方
向よりも垂直方向に速く進行するエツチング。
理想的な異方性エツチングは垂直なエツチ・プ
ロフイールを生ずる。

選択的エツチング：エツチヤントと材料の
各々の間の化学的反応の割合の差により一つの
材料が他の材料よりも優先的にエツチングされ
るエツチング。選択率は２つの隣接する層のエ
ツチング速度の比（ERR）として表わされる。

(2) エツチング装置 代表的な反応性イオン・エツチング装置を第
３図に示す。これは平行板電極１１及び１２を
含むエツチング室１０より成る。この構造では
上の電極１１が接地されている。下の電極１２
はRF発生器１３から電力を受ける。電極の一
方もしくは両方が冷却され、これ等の間の距離
は調節出来る様になつている。プラズマ・エツ
チング装置（図示されず）では、装置の構造は
同じであるが、下の電極が接地され、上の電極
に電力が供給される。

エツチング室１０は排気管１４を介してポン
プ装置（図示されず）によつて排気される。エ
ツチング気体は気体導入口１６を介してエツチ
ング室１０に供給される。装置は多くの気体チ
ヤネルを有する。反応性気体の流れは圧力サー
ボ装置もしくは流率サーボ装置によつて制御さ
れる。

適切な気体もしくは混合気体を室１０に導入
し、上の電極１１及び下の電極１２間に電界を
発生する事によつて、反応性プラズマが発生す
る。このプラズマは陰極１２の直ぐ近くの均一
な暗部によつて特徴付けられる。エツチング過
程中に形成される揮発性生成物は排気管１４を
介して室１０から排気される。

(3) エツチング気体 本発明に従つて使用されるエツチング混合気
体は次のものより成る。

ａ CFxを供給する気体のフツ化炭素及び塩素
イオン ｂ 水素イオンを供給出来る気体 好ましい気体のフルオロカーボンはCClF₃で
好ましい水素イオン源はアンモニアである。ア
ンモニアは選択性を増加するのに有効な量、例
えばCClF₃：NH₃の比（容量／容量）が約80：
20乃至約35：65になる様に使用する。100ミリ
トールの圧力で純粋なCClF₃を使用した場合、
不飽和種CFxに対して過剰な塩素イオンが存在
する。上述の様にこの過剰な塩素はランダムな
方向に拡散して、垂直及び水平表面の両方を侵
食して、かなりなアンダーカツトを生ずる。水
素イオンをCClF₃に添加する事によつて過剰な
塩素イオンが除去され、CFxイオンの濃度と塩
素イオンの濃度が平衡する。アンモニアは２つ
の理由で水素イオン源として水素気体よりも優
れている。第１に、アンモニアの気体は水素の
気体よりも処理の窓がはるかに広い。この事は
重要である。それは水素を過剰に加え過ぎる
と、多量の塩素が除去され、不飽和種CFxが優
勢になるからである。多量の塩素を除去した後
の結果は圧力に依存する。相対的に高い圧力で
は不飽和種CF₄のエネルギは低く、すべての露
出表面上にポリマとして被覆する。そして、正
味の結果はエツチングでなく被覆過程になる。
相対的に低い圧力では不飽和CFxのエネルギが
高くなる。上述の様にCClF₃に水素を加える
と、低瑠圧力（25ミリトール）では、本発明の
目的と反対と見放される過程になる。即ちこの
過程はSi上のSiO₂を優先的にエツチングする
が、本発明の目的はSiO₂上のSiをエツチング
する事である。低圧力でCClF₃とH₂の混合気体
を使用する過程では、SiO₂をエツチングする。
それはSiO₂のエツチング媒体である高エネル
ギCFx種が優勢になるからである。水素イオン
源として水素気体よりもアンモニアが好ましい
のは、アンモニアが重合禁止剤である活性窒素
を発生するからである。これによつてポリマの
形成が減少するという追加的な利点が得られ
る。勿論、或るポリマは露出表面上に依然形成
される。水平表面上に形成されたポリマは適切
に平衡した混合物中の塩素種によつて除去され
る。側壁上に形成されたポリマは加速されて塩
素種によつて侵食されず、アンダーカツトを生
ずる横方向エツチングを減少する。

場合によつては、不活性気体を含むエツチヤ
ント混合気体を使用する事が要望される。この
場合、CClF₃対アンモニアの比は不活性気体を
含まない場合の組成と同じに保持される。不活
性気体はエツチングの均一性を増加して、室の
冷却を助ける。使用出来る不活性気体の例はヘ
リウムの様な希ガスである。

(4) 基板 本発明の方法は１乃至それ以上の層がその上
に存在する基板２０より成る物体をエツチング
するのに使用される（第１図参照）。本発明の
方法によりSiO、SiO₂、窒化ケイ素もしくはオ
キシ窒化ケイ素の如き共有結合ケイ素含有層２
２上の添加ポリシリコンもしくは耐火性ケイ化
金属の如き元素のケイ素含有層２４を選択的に
エツチングする事が可能になる。この方法をパ
ターン化した物体を形成するのに使用する時
は、例えばホトレジストもしくは電子ビーム・
レジスト材料のマスク２６を上の層の上に付着
する。

(5) 方法 本発明の方法は約60乃至100ミリトール間の
圧力の真空中で実施する事が好ましい。100ミ
リトールよりも高い圧力は通常使用されない。
それは以下説明される様に、過剰に多量のポリ
マが表面上に一面に被覆されるからである。約
60ミリトール以下の圧力では選択性が減少す
る。

気体の全流量は一般に15乃至100c.c.／分であ
り、30乃至60c.c.／分（25℃及び760トールの標
準状態）である事が好ましい。

RF電力源は約0.2乃至0.3ワツト／cm²間の電力
密度で動作する。しかしながら、このパラメー
タは使用する装置に依存する。

(6) 具体的実施条件 一般的条件：平行板、放射流反応器を使用し
た。陽極と陰極間の間隔は約９−10cmにした。
エツチング室内のすべての部品はアルミニウム
で構成されている。13.56MHzのRF電力を下の
電極に容量的に結合し上の電極及び室壁を完全
に接地する。電力密度は0.22W／cm²である。エ
ツチング気体を室の前面にある多岐管を通して
導入し、背面から排気する。エツチング速度は
レーザ干渉計のトレースもしくはIBM3820膜
厚分析器（IBM3820Film Thickness
Analyzer）によつてエツチング前後の膜厚を
測定する事によつて得られる。選択率は測定し
たエツチング速度から計算する。基板は＜100
＞配向の単結晶ケイ素ウエハである。MOS構
造体を製造するために、250Åの厚さのゲート
酸化物を熱的に成長した。次にLPCVDを使用
して625℃の温度でポリシリコンを付着した。
次にこのポリシリコンにPOCl₃を添加した、次
の実施例１、２及び３の基板は厚さが4300Åの
ポリシリコンの場合である。実施例４及び５の
ポリシリコンの厚さは1700Åであり、その上に
2500Åのケイ化タングステンを共蒸着を使用し
て付着した。

(7) 例 例 １ 圧力……60ミリトール 流量……40c.c.／分 ％NH₃……20％ Ｎ＋ポリシリコンで490Å／分のエツチング
速度が実現された。エツチ・プロフイールは垂
直でポリシリコンのSiO₂に対するERRは11：
１であつた（第５ｂ図のSEMのスケツチ参
照）。因に第５ａ図は純粋なCClF₃の場合、第
５ｃ図は50％のNH₃を含む場合を示す。

例 ２ 圧力……80ミリトール 流量……40c.c.／分 ％NH₃……30％ 540Å／分のエツチング速度がＮ＋ポリシリ
コンで実現された。エツチ・プロフイールは垂
直で、ポリシリコンのSiO₂に対するERRは
18：１であつた。

例 ３ 圧力……100ミリトール 流量……40c.c.／分 ％NH₃……45％ 620Å／分のエツチング速度がＮ＋ポリシリ
コンで実現された。エツチ・プロフイールは垂
直でポリシリコンのSiO₂に対するERRは31：
１であつた。第４ａ図は圧力が100ミリトール
でエツチヤントが純粋なCClF₃の場合、第４ｂ
図は20％のNH₃を含む場合、第４ｃ図は30％
のNH₃を含む場合、第４ｄ図は50％のNH₃を
含む場合のエツチ・プロフイールを示す。

例 ４ 圧力……100ミリトール 流量……40c.c.／分 ％NH₃……35％ 540Å／分のエツチング速度がケイ化タング
ステンで実現された。エツチ・プロフイールは
垂直で、ケイ化タングステンのSiO₂に対する
ERRは18：１であつた。

例 ５ 圧力……100ミリトール 流量……40c.c.／分 ％NH₃……45％ 620Å／分のエツチング速度がケイ化タング
ステンで実現した。エツチ・プロフイールは垂
直で、ケイ化タングステンのSiO₂に対する
ERRは31：１であつた。

本発明は反応性イオン・エツチング装置に関
連して説明したが、種々の反応器が満足に使用
出来る。プラズマ・エツチングの様な化学的概
念に基づくもの、反応性イオン・ビーム・エツ
チングの様な物理的な概念に基づくものを含む
異なるエツチング・モードが開示されたプラズ
マの環境で可能である。

Ｆ 発明の効果 本発明によれば、下層の酸化ケイ素及び窒化ケ
イ素に対して選択性を示すポリシリコンもしくは
ケイ化物の異方性ドライ・エツチング方法が与え
られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の方法を適用した後の基板の拡
大断面図である。第２ａ図、第２ｂ図、第２ｃ図
は純粋なCClF₃中で夫々22ミリトール、60ミリト
ール及び100ミリトールの圧力においてエツチン
グしたSiO₂上のＮ＋ポリシリコンのプロフイー
ルをSEMにより撮影した像のスケツチである。
第３図は本発明の方法を実施した装置の概略的断
面図である。第４ａ図、第４ｂ図、第４ｃ図及び
第４ｄ図は100ミリトールの圧力でＮ＋ポリシリ
コンを、夫々純粋なCClF₃、CClF₃中に20％容量
のNH₃、CClF₃中に30％のNH₃及びCClF₃中に50
％のNH₃を含むエツチング気体でエツチングし
た場合の効果を示すSEMのスケツチである。第
５ａ図、第５ｂ図及び第５ｃ図は60ミリトールの
圧力でＮ＋ポリシリコンを、夫々純粋なCClF₃、
CClF₃中に20％容量のNH₃及びCClF₃中に50％の
NH₃を含むエツチング気体でエツチングした場
合の効果を示すSEMのスケツチである。 １０……エツチング室、１１，１２……電極、
１３……RF発生源、１４……排気管、１６……
気体導入口、２０……基板、２２……共有結合ケ
イ素含有層（SiO₂等）、２４……元素のケイ素含
有層（ポリシリコン等）、２６……マスク。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 塩化フツ化炭素（CClF₃）ガスと、上記塩化
   フツ化炭素ガスに対して20乃至65％の体積比率の
   量のアンモニア・ガスとを含む、圧力が60乃至
   100ミリトールの混合ガスを用いて、基板上に設
   けられた共有結合ケイ素含有層及びその上の元素
   のケイ素含有層を異方性プラズマ・エツチングす
   る方法。