JPH0727889B2

JPH0727889B2 - プラズマ・エツチング方法

Info

Publication number: JPH0727889B2
Application number: JP61163940A
Authority: JP
Inventors: ヒユング・イツプ・ウング
Original assignee: インタ−ナショナルビジネスマシ−ンズコ−ポレ−ション
Priority date: 1985-08-27
Filing date: 1986-07-14
Publication date: 1995-03-29
Anticipated expiration: 2010-03-29
Also published as: JPS6252932A

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
び方法に関連する。

B.従来技術半導体装置の製造では装置を構成する特定の層をパター
ンに従つてエツチングする必要がある。このエツチング
は種々の方法で行われる。以前はこの様なエツチングは
ウエツトな化学材料で行われていた。しかし、これ等の
方法は多くの欠点がある。ウエツト・エツチングは等方
性で、垂直方向のみならず横方向にも食刻を生じ、レジ
ストの像よりも大きな食刻線幅を生ずる。さらに、使用
する化学材料は典型的な場合作業員にとつて極めて危険
であり、汚染性である。最後にこのエツチング段階はそ
れ以後に洗浄及び乾燥段階を必要とする。この追加的な
段階は処理時間を増大し、収率を減少する。

より最近のエツチング方法は気体プラズマを使用するも
のである。気体は密封した反応室内に収納されるので作
業員に対する危険性はない。また、エツチヤントがきわ
めて少量であることと、廃棄物が気体であることのため
に、汚染物質を除去する清掃作用がある。さらに、洗浄
と乾燥段階がなくなるだけでなく、レジストの除去をエ
ツチングの完了後に室中で行う事が出来る。よつて処理
時間が減少し、収率も増大する。

気体のプラズマをエッチングに使用する事とエツチされ
る物体に向けてエツチヤント種を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。気体プラズマを使用する事によつて得られる
利点に加えて、この方法によるエツチングは異方性であ
り、主に垂直方向に行われる。異方性の程度は圧力によ
つて主に決定される。圧力が低い程、エツチングの異方
性が高くなる。それは低圧では室中の粒子の平均自由行
程が長くなるからである。即ち粒子がエツチされつつあ
る表面に向つて加速される時に、他の粒子と衝突する機
会が少なくなる。他の粒子と衝突すると粒子の方向が変
化するので、垂直な表面が低圧の場合よりも高圧の場合
に侵食される様になる。

しかしながら、エツチング速度の選択性も考慮しなけれ
ばならない他の要因である。理想的な選択性のある過程
は上層がエツチされ、下層がエツチされないようなもの
である。しかし実際上、この様な事は絶対に達成されな
い。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
ほど、エツチングの選択性が低くなる。それは圧力が低
いと、粒子の持つ運動エネルギが高くなり、選択的な化
学的エツチングと共に粒子の衝突による非選択的な物理
的エツチングが生ずるからである。

ドライ・エツチングを使用した半導体の１つの製造段階
には２酸化ケイ素、窒化ケイ素もしくはオキシ窒化ケイ
素の様な絶縁層の上に重なる多結晶ケイ素もしくは耐火
性のケイ化金属の層をパターン化する事が含まれる。特
定例は（MOSFET）装置の製造の多結晶ケイ素（ポリシリ
コン）もしくはポリサイドのゲート電極を画定する際に
見られる。選択率及び異方性が異なる多くのエツチ技法
が提案されている。試用されている１つの気体はCCl₂F₂
である。

CCl₂F₂及びアルゴンを使用する方法が、中程度の圧力で
SiO₂のポリシリコンをエツチするのに使用されている。
この方法の選択率は低く（7:1）、しかも異方性ではな
い。

SiO₂上のケイ化モリブデン及びポリシリコンの層をエツ
チするための２段階プロセスが存在する。この２つの段
階には２つの異なるエツチング処理を必要とする。すな
わちポリシリコンをエツチするのに使用する第２のエツ
チヤントはCCl₂F₂及びC₂F₆より成る。

絶枠なCCl₂F₂もSiO₂の上のポリシリコンをエツチするの
に使用されている。しかしながら、この方法の選択率は
極めて低く、特に低電力密度の時は2:1に近い。

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をドライ・エツ
チングする改良方法を与える事にある。

本発明の他の目的は、異方性で、酸化ケイ素もしくは窒
化ケイ素の下層に対して選択性を示す、ポリシリコンも
しくはケイ化物のドライ・エツチング方法を与える事に
ある。

本発明のさらに他の目的は、中庸の圧力から高圧の範囲
で、低電力密度で行う事の出来るポリシリコンもしくは
ケイ化物をドライ・エツチングするための異方性で選択
的な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従い、反応性イオン・エツチング室中で中程度
の圧力でCCl₂F₂とアンモニアの混合物を使用し、ケイ素
の酸化物もしくは窒化物からなる下層に対して選択性の
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）用語元素的ケイ素含有層：この用語は元素のままの（elemen
tal）ケイ素を含むむ層を示す。この層は単結晶もしく
は多結晶である。この層には任意のレベルでいずれかの
導電型の不純物が添加出来る。ケイ素はモリブテン、タ
ングステン、チタンもしくはタンタルの様な耐火金属の
ケイ化物の様な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層：この用語は窒素もしくは酸素の
様な他の元素と共有結合したケイ素を含む化学的化合物
の層を示す。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を含む。

プラズマ・エツチング:RF放電によつて発生したプラズ
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：エツチすべき表面と衝突
する加速された種によつて進行するエツチング。主なる
除去機構は物理的運動量の授受による。イオン・ミリン
グ（切削）もしくはスパツタ・エツチングとも呼ぶ。

反応性イオン・エツチング：その中の反応性種がエツチ
されるべき表面に向つて加速されるプラズマによつて進
行するエツチングの除去機構は加速される種と表面間の
化学的及び物理的相互作用の組合せによる。

エツチのプロフイール：エツチングされた構造体の壁の
構造。これ等は次の様に分類される。

垂直‥‥レジストの端と同じ平面上にある基板の表面に
垂直な直線壁。

アンダーカツト‥‥壁の一部がレジストの下にある傾斜
壁。

等方性：すべての方向（垂直及び横方向）に均一な割合
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の寸法に略等しくアンダーカツトさ
れる。

異方性：方向性のあるエツチング。即ちこのエツチング
は横方向よりも垂直方向に速く進行する。理想的な異方
性エツチングは垂直なエツチ・プロフイールを生じる。

選択性（選択率）：エツチヤントと各材料間の化学反応
の差による１つの材料の他の材料に対する優先エツチン
グ。これは２つの隣接層のエツチング速度の比（ERR）
として表わされる。

（２）装置典型的な反応性イオン・エツチング装置が第２図に示さ
れている。エツチング装置は平行板電極11及び12を含ん
でいるエツチング室10より成る。この構造体では、上方
の電極11が接地されている。下の電極12にはRF発生器13
によつて電力が給される。電極の一方もしくは両方は水
冷され、その間の距離が調節可能である。プラズマ・エ
ツチング装置（図示されず）の場合には、装置の構造は
似ているが、下方の電極が接地され、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（図示され
ず）によつて排気される。エツチング気体は気体入口16
を介してエツチング室10中に供給される。装置は多くの
気体通路を有する。反応気体の流れは圧力もしくは流量
サーボ装置によつて制御出来る。

適切な気体もしくは気体混合物を室10に導入し、上方電
極11と下方電極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の近くの
一様な暗部によつて特徴付けられる。エッチング過程中
に形成される揮発性の生成物は排気管14を介して室から
排出される。

（３）エツチヤント本発明において使用されるエツチヤント気体混合物は次
のものである。

a.CFx及び塩素イオンを供給するCCl₂F₂、及びb.水素イ
オンを供給出来る気体好ましい水素イオン源はアンモニアである。アンモニア
は選択率を増加するのに有効な量、例えばCCl₂F₂:NH₃の
比（容積）が約80:20乃至約35:65である様に使用され
る。

100ミリトールの圧力で純枠なCCl₂F₂を使用した場合
は、不飽和の種CFxに対し過剰な塩素イオンが存在する
事が理論的に裏付けられている。上述の様にこの過剰な
塩素はランダムな方向に拡散し、垂直及び水平表面の両
方を侵食して、かなりアンダーカツトを生ずる。水素イ
オンをCCl₂F₂に加える事によつて、過剰な塩素イオンが
除去され、CFxイオンと塩素イオンの濃度が平衡する。
２つの理由でアンモニアは水素の気体よりも水素イオン
源として優れている。第１にアンモニアの気体は水素気
体よりも処理の窓がはるかに広い（すなわち加えること
のできる容積比の範囲が広い）。この事は多くの水素を
加えると、多くの塩素が除去されて不飽和種CFxが優勢
になるので重要である。多くの塩素を除去した後の結果
は圧力に依存する。比較的高い圧力では不飽和種CFxの
エネルギは低く、すべての露出表面上にポリマとして一
面に被覆される。比較的低い圧力では、不飽和CFxのエ
ネルギは高い。水素イオン源としてアンモニアが水素気
体よりも好ましい第２の理由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。活性窒素は重合
体の形成を減少するというさらに別の利点がある。しか
し勿論、或る重合体は依然として露出表面上に形成され
るだろう。水平な表面上に形成された重合体は適切なバ
ランスの混合物中の塩素種によつて除去される。側壁上
に形成される重合体加速塩素によつては侵食されず、ア
ンダーカツトを生ずる横方向のエツチングを減少する。

（４）基板本発明の方法はその上に１つ乃至それ以上の層を有する
基板（20）より成る物体をエツチするのに使用される。
本発明の方法は、SiO、SiO₂、窒化ケイ素もしくはオキ
シ窒化ケイ素の様な共有結合ケイ素含有層22上の添加ポ
リシリコンの元素的ケイ素含有層もしくは耐火性ケイ化
金属を優先的にエツチングする。本発明をパターン化し
た物体の製造に使用する時は、例えばホトレジストもし
くは電子ビーム・レジスト材料の様々なマスク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ミリトールの圧力の真空中
で遂行する事が好ましい。100ミリトールより高い圧力
は使用されない。それは以下説明する様に表面上に過剰
なポリマが被覆されるからである。約60ミリトール以下
の圧力では選択率が減少する。

気体の全体の流量は一般に15乃至100SCCM（CC/分）であ
り、約30乃至60SCCMが好ましい（25℃及び760トールの
標準条件下）。

RF電力源は約0.125及び0.3ワツト/cm²の電力密度で動作
させた。しかしながら、このパラメータは使用する装置
によつて異なる。

（６）例一般的条件：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である。エツチ室間のすべて
の部品はアルミニウムより構成されている。13.56MHzの
RF電力が下の電極に容量的に結合され、上の電極及び室
壁は完全に接地した。電力密度は0.22W/cm²である。エ
ツチ気体を室の前面の多岐管から導入し、裏面から排出
した。エツチング速度はレーザ干渉計の軌跡もしくはIB
M3820膜厚分析器（IBM3820Film Thickness Analyzer）
によりエツチング前後の薄膜の厚さを計測する事によつ
て測定した。

基板は＜100＞配向の単結晶のケイ素ウエハである。MOS
構造体を得るために、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625℃でポリシリコン
を付着した。次にポリシリコンにPOCl₃を添加した。次
の実施例１、２及び３の基板は厚さ4300Åのポリシリコ
ンである。実施例４及び５の基板は1700Åのポリシリコ
ンとその上に同時蒸着によつて付着した2500Åのケイ化
タングステンより成る。

例1: 圧力‥‥60ミリトール流量‥‥40SCCM NH₃の比‥‥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。エツチの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。

例2: 圧力‥‥80ミリトール流量‥‥40SCCM NH₃の比‥‥35％Ｎ＋ポリシリコンで540Å／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あり、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‥‥40SCCM NH₃の比‥‥45％Ｎ＋ポリシリコンで620Å／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31:1であつた。

例4: 圧力‥‥80ミリトール流量‥‥40SCCM NH₃の比‥‥35％ケイ化タングステンで540Å／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、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‥‥40SCCM NH₃の比‥‥45％ケイ化タングステン620Å／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、ケイ化物のSi
O₂に対するERRは31:1である。

第3a図、第3b図及び第3c図は70ミリトールの圧力でＮ＋
ポリシリコンをエツチした場合のCCl₂F₂に対するNH₃の
比（％）の効果を示した、SEMにより観察された断面の
スケツチであり、第3a図は純粋なCCl₂F₂だけを使用した
場合、第3b図はNH₃が33容量％の場合、第3c図はNH₃が3
7.5％の場合を示している。

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事は明らかで
ある。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・エツチングの様々な物理
的概念に基づくものを含む異なるエツチング・モードが
上述のプラズマ環境で実現出来る。

F.発明の効果本発明によれば、下層のケイ素の酸化物もしくは窒化物
に対して選択性の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。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の方法を適用した基板の拡大断面図であ
る。第２図は本発明の方法の実施に使用出来る装置の断
面図である。第3a図、第3b図及び第3c図は70ミリトール
の圧力でＮ＋ポリシリコンをエツチした場合のCCl₂F₂に
対するNH₃の比（％）の効果を示した。SEMより得た断面
のスケツチであり、第3a図は純粋なCCl₂F₂の場合、第3b
図はNH₃が33容量％の場合、第3c図はNH₃が37.5％の場合
を示す。 10‥‥エツチング室、11‥‥接地電極、12‥‥電極、13
‥‥RF電力源、14‥‥排気管、16‥‥気体入口、20‥‥
基板、22‥‥共有結合ケイ素含有層、24‥‥元素的ケイ
素含有層、26‥‥マスク。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】共有結合ケイ素含有層を覆う元素的ケイ素
含有層を選択的にエッチングするためにエッチャント・
ガスを使用するプラズマ・エッチング方法において、上記エッチャント・ガスが、（ａ）CCl₂F₂と、（ｂ）20ないし65容量％のアンモニアと、を含む、プラズマ・エッチング方法。
【請求項２】上記元素的ケイ素含有層が、シリコン、ポ
リシリコン、または耐火金属ケイ化物を含む特許請求の
範囲第（１）項記載の方法。
【請求項３】上記共有結合ケイ素含有層が、二酸化シリ
コンまたは窒化シリコンを含む特許請求の範囲第（１）
項または第（２）項記載の方法。