JPS5814507B2 - シリコンを選択的にイオン食刻する方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は食刻方法に関し、更に詳細には、シリコン基板
を反応性イオンで選択的に食刻する方法に関するもので
あり、集積回路半導体装置を製造する際に有効に使用さ
れる。

半導体集積回路を製造する場合、基板中に開口若しくは
凹所を形成する為に、シリコン基板からシリコン材料を
選択的に取り除く事が通常必要であり、要求されている
。

例えば米国特許第３６４８１２５号に説明されている様
に、凹所酸化物絶縁を形成する場合、シリコン基板の選
択された領域が四所絶縁分離壁を形成する為に酸化され
る。

酸化されたシリコンは最初のシリコン材料よりも更に広
い領域を占めるので、形成される構造の平面性を保つ為
、即ち酸化された領域の上表面と、最初のシリコンの上
表面とが同一平面上にある様にする為、シリコンの一部
分がシリコンの酸化に先立って取り除かれる。

シリコンは、多くの技法により取り除く事ができる。

通常最も良く行なわれている除去技法はマスクを通した
化学的食刻による食刻処理である。

食刻処理はシリコンを選択的に食刻する。

しかし、化学的食刻処理の正確性により、食刻液は下方
向にも横方向にも作用する。

したがって、かなりの量のマスクのアンダーカットが生
ずる。

更に壁面はシリコン表面に対して垂直に食刻されない。

この様に傾斜のある壁面を有する凹所酸化物領域は台形
の横断面を有し、従ってシリコンの上表面を占める面積
が大きくなる。

シリコン材料は他の材料と同じく、スパツタ食刻として
知られている技法で基板から除去される事もできる。

このスパツタ技法は米国特許第３２７１２８６号、３４
７４０２１号及び３５９８７１０号に説明されている。

この技法を使用した場合、垂直な壁面を有しアンダーカ
ットのない凹所を形成すべく、絶縁物及び他の材料が除
去され得る。

しかしこのスパツタ技法によりマスクを通して材料を除
去する場合、多くの欠点がある。

アルゴン若しくは同様な雰囲気でのシリコンの除去速度
は比較的遅く、代表的な例では４０乃至２００λ／分の
範囲である。

高周波電源の電力を増加する事により食刻速度はいくら
か増加するが限度がある。

電力の増加は基板温度を高め、好ましくない。

その他の不利な点としては、逆スパツタ即ち最初にスパ
ツタされた材料の再付着が生じる事である。

上記逆スパツタされた物質は他の物質と混合され、汚れ
のもとになる。

更に、シリコンの食刻速度はマスクの食刻速度とはかな
り異なっている。

従って、シリコンが除去されるに応じてマスクは劣化す
る。

多量のシリコンが除去されなければならない場合、マス
クをもとのままの形で保持する事が重要な問題となる。

上記スパツタ食刻技法は、アルゴン、ネオン等の主とし
て不活性ガスの雰囲気中で行なわれる。

食刻は電界に応じて移動するイオンが基板を衝撃する事
によりなされる。

かくて、物質は速く移動するイオンにより物質を吹き飛
ばす事により基板から除去される。

高周波で誘導されているプラズマのイオン若しくは原子
の活性種が食刻されるべき物質と反応する様な等方性の
プラズマ食刻技法は公知である。

この様なプラズマ食刻処理の例が米国特許第３８１６１
９８号及び３８０６３６５号に説明されている。

周知の食刻技法は主にレジスト等の有機材料の除去に関
するものである。

半導体を製造する技法に要求されていることは、基板の
極端な加熱、若しくは最初の材料の逆スパツタを生じる
事なく、またシリコン内に形成された凹所が結晶配向に
関係なくまたマスクのアンダーカットを生じる事なく速
い速度でシリコン基板を食刻除去する事である。

従って、本発明の目的は、シリコンを反応性イオン食刻
する為に新規なガス状の雰囲気が使用される食刻方法を
提供するにある。

本発明の他の目的は、比較的速い食刻速度でシリコンを
食刻する為の方法を提供するにある。

本発明の更に他の目的は、形成された凹所の壁面が略垂
直でマスク層のアンダーカットが最少若しくは無視でき
る様な状態に、シリコンを食刻する為の方法を提供する
にある。

本発明によれば、開口を形成されたマスク層を食刻され
るべきシリコン基板の表面に形成し、塩化物、臭化物、
若しくはヨウ化物、及び／若しくはこの様なハロゲン化
物を含む基の活性化された種を供給する為に分離させる
ガスを少なくとも含む低圧力雰囲気中で、２電極間に高
周波電圧をかける事により形成され、高周波で誘導され
たガス状のプラズマに上記マスクで覆われた基板をさら
す事によりシリコン材料を化学反応的に食刻する為の方
法が提供される。

本発明の良好な実施例に於いて、膜を被着する為並びに
物質及び膜を食刻する為の高周波スパツタ装置は電子と
イオンの移動度の相違を利用している。

印加された電圧の周波数はグロー空間のプラズマイオン
共振周波数よりも高く、プラズマ電子共振周波数よりも
低い。

通常暗空間として参照されるイオン靭が電極の最も近い
位置に形成される。

近似的に、グロー空間は一定の電位状態にあり、電極間
の電位差は暗空間を跨って得られる。

更に放電のグロー空間は暗空間を通り電極と容量的に接
続されている。

該放電のグロー空間はいずれの電極表面よりも常に正の
電位にある。

従ってスパツタ被着の場合、ターゲット電極が負電位に
バイアスされる周期の部分の際に、正イオンがターゲッ
ト電極に隣接した暗空間を通って引き寄せられターゲッ
トを衝撃する。

そして該正イオンによりターゲットから原子が放出され
る。

該原子は、周囲の表面、とりわけターゲットの近くに支
持されている被覆されるべき素子に被着する。

スパツク食刻の場合、食刻されるべき物体を支持してい
る電極が負電位にバイアスされる期間中、正イオンが該
電極に隣接した暗空間を通って引き寄せられ、質量衝突
により該物体を衝撃し食刻する。

第２の期間に於いて、電子は電荷のいかなる蓄積をも中
和する為に夫々の食刻されるべき物体若しくはターゲッ
トに向って引き寄せられる。

高周波電源及び電極の物理的な配列及び電極の間隔及び
寸法を変化する事により、所望の現象即ぢ被着若しくは
食刻が行なわれる。

本発明の反応性イオン食刻の場合、シリコンが塩化物、
臭化物若しくはヨウ化物を含む活性化された種を有し低
圧力雰囲気中で高周波で誘導されるプラズマを形成する
事により除去される。

原子、イオン若しくは基を含むプラズマは高反応状態に
あり、露出しているシリコンと化学的に反応し、揮発性
の塩化シリコン、臭化シリコン、ヨウ化シリコンを形成
する。

これら形成された物質が食刻処理を行なう室内の温度及
び圧力でもって除去される為には十分な揮発性を示す。

揮発性の生成物が、通常の真空装置を利用して反応性イ
オン食刻処理室から取り出される。

従って、反応及びその後の食刻工程が極めて速く行なわ
れ、不活性ガスのみの雰囲気を使用したイオン性衝撃ス
パツタの場合よりも極めて速く食刻処理される。

更に、副生成物はガスであり、従ってよごれを生じる様
な再付着はない。

良好な実施例に於いて、プラズマが２電極間に形成され
、一方の電極は食刻されるべき基板を支持している。

プラズマ中で活性種に方向を与える合成場は基板の表面
に対して垂直である。

従って、形成された凹所は、反応性粒子の上記方向性に
基づき、垂直の壁面を有しマスクのアンダーカットのな
いものである。

高周波により誘導されるプラズマ中で反応性の塩化物、
臭化物若しくはヨウ化物の種による影響をほとんど受け
ない適当な物質がマスクの為に利用される。

マスクとしてＳｉ０２及びＳｉ３Ｎ４を使用するのが好
ましい。

この結果、マスクの劣化は最少である。

本発明の重要な観点は低圧力雰囲気中で弗素成分原子若
しくは基を除去する事である。

弗素はマスクを劣化させる。

高周波反応性イオン食刻装置内の雰囲気の圧力は、５乃
至３００ミリトリチェリーの範囲内にあるのが好ましく
、更に１０乃至４０ミリトリチェリーの範囲内にあるの
が最も好ましい。

プラズマ中の活性化された種を形成する為の雰囲気ガス
はアルゴン若しくはヘリウムの如き適当な不活性ガスと
の組み合せであっても良い。

第１図を参照するに、本発明の方法を実施する為の良好
なイオン食刻装置１０が示されている。

装置１０は食刻されるべき基板を支持する為の基板支持
電極１２を有した室を含む。

該室は導電性材料の底部プレート１６、底部プレート１
６上に支持されガラス若しくは金属で形成された円筒形
壁１８及び該円筒形壁１８の一部分か若しくは分離され
た部品であっても良い上部プレート２０から成っている
。

上部プレート２０は、円筒形壁１８上に支持されていて
、且つ導電性材料で形成されているのが好ましい。

封止材２２が、底部プレート１６と円筒形壁１８の間及
び円筒形壁１８と上部プレート２０の間の気密接合を保
証する。

底部プレート１６若しくは上部プレート２０、あるいは
この双方のプレートには適当なアース２１が設けられて
いる。

基板支持電極１２は一般に用いられているものであって
、適当な導電性材料の電極素子２４及び該電極素子２４
を支持する適当な絶縁性材料の環状絶縁素子２６から成
り、底部プレート１６及び遮蔽材２８から該電極素子２
４を絶縁している。

必要とあらば、電極素子２４には適当な流体冷却装置が
設けられそして該流体冷却装置は、上部表面の下にある
電極素子２４の中空部分に冷却用流体を導入したり引き
出したりする為の中空軸に同心円的に配置された管２９
を含む。

矢印３０及び３１で示されている様に、冷却用流体が冷
却作用を行う為に循環される。

更に必要とあらば、基板支持電極１２には、該基板支持
電極１２の裏面の近傍に適当な抵抗加熱装置を設置する
事により、加熱用手段が設けられて良い。

基板“Ｓ”は電極素子２４の上部表面上に支持されてい
るガラス若しくは他の誘電体プレート３２上に置かれて
いる。

高周波電源３４が、キャパシタ３５を介して電極素子２
４に接続されている。

キャパシタ３５は、直流電流を阻止し、上記電源３４に
より生じた周波数を持つ交流電流を流す。

アース電位の底部プレート１６及び任意の他の導電性表
面は装置１０の第２電極として働く。

装置１０は真空ポンプ３６により真空にされる。

ガスが弁３８及び４３を通って装置１０内に導入される
。

ガスの源４０及び４２が適当な管及び弁３８及び４３に
より装置１０に接続されている。

第２図、３図及び４図を参照するにシリコンを選択的に
除去する為の本発明の方法が詳細に示される。

本発明の方法に於いて、マスク層５０がシリコン基板５
２の上に形成されるか若しくは付着される。

シリコン基板５２は集積回路半導体装置（図示せず）に
共通の数多くの領域及び装置構成を含む。

マスク層５０は任意の適当な種類の物質で良く、好まし
くはＳｔ０２若しくはＳｔａＮ４または２種以上の物質
の合成層である。

マスク層５０は下層としてＳｉＯ２で形成された比較的
薄い層５３とＳｉ３Ｎ４の被覆層５４を含むのが好まし
い。

レジスト層５６がマスク層５０の上に付着され、基板５
２内に形成されるべき凹所若しくは開口を限定する適当
なパターンを形成する為に露光され、現像される。

パターンが第２図に参照番号５８として示されている。

次いで、第３図に示される様に、マスク層５０の露光さ
れた部分が通常の食刻により除去され、そしてレジスト
層５６も除去される。

次いで、マスクされたシリコン基板５２は、例えば第１
図に示されている様な電極１２の上に置かれ、そして良
好な塩化物、臭化物若しくはヨウ化物を含むガスが食刻
装置１０内に導入され、高周波電源３４が付勢される。

これらの条件のもとで基板５２の露光された表面が反応
性の種で衝撃を与えられる。

該反応性の種は、シリコンと反応し、壁面が略直線でア
ンダーカットのない凹所６０を形成する。

次いで、本発明の方法が凹所酸化物絶縁領域をシ形成す
る為に用いられる場合、基板５２は酸化雰囲気中にさら
され、ここで露出しているシリコンが酸化される。

この目的の為に選択されたマスク層５０が該マスク層に
より覆われている基板５２の部分の酸化を防止する。

従って、絶縁分離の為に適当な凹所酸化物領域が基板５
２内に形成される。

しかしながら、本発明の方法は、シリコン半導体基板中
に凹所が形成されなければならない様な任意の適当な応
用の為にも使用できる。

例えば、本発明の方法は絶縁分離を形成する為に絶縁材
料で埋められるべき凹所を形成する為、若しくは半導体
基板の表面上のイオン注入の際に、導電性金属に応じて
使用された多結晶シリコン層の選択された部分即ちマス
クを除去する為、若しくは基板中に貫通穴を形成する為
に使用されても良い。

更に本発明の食刻方法によれば化学的食刻技法の場合に
存在する結晶配向の影響を受ける事なく食刻処理が行な
われるという利点もある。

例Ｉ 表面の結晶配向が＜１００＞である１組の単結晶シリコ
ン・ウエハが５０００人の厚さの酸化シリコン層を形成
する為に酸化された。

上記酸化シリコン層の厚さは分光光度計による測定によ
り確められた。

通常のマスク形成及び写真石版食刻技法を使用して、複
数個の開口が酸化物中に形成された。

次いで、この１組のウエハは図に示された型式の反応性
イオン食刻装置内に置かれ、ガス状のプラズマ中にさら
された。

上記反応性雰囲気はアルゴンとＣ（１４の組合せで、こ
の場合アルゴンの圧力は１０ミリトリチェリーで、ＣＣ
ｌ４の圧力は５ミリトリチェリーであり、総圧力は１５
ミリトリチェリーであった。

２００Ｗの電力が高周波電源により供給された。

電力密度は０．３３Ｗ／ｃｍ２である。

反応性イオン食刻動作が２５分間行なわれた。

この後、ウエハは装置の外に取り出され、そしてシリコ
ン内の凹所の深さがＳｉ０２のマスク層の残されている
厚さとともに測定された。

凹所の深さが測定されそして記録された。

半導体の試料が、走査型電子顕微鏡写真によっても得ら
れた。

シリコン食刻の平均速度は１分間に１１００人であると
計算された。

マスクの侵食速度は１分間に１８０人であると計算され
た。

走査型電子顕微鏡写真から凹所の壁面は傾斜がなく、ま
たマスクのアンダーカットがない事がわかった。

シリコン及びＳｉＯ２マスクの適切な食刻速度は、単結
晶シリコン・ウエハの選択された部分からシリコンを除
去する為に本発明が極めて都合良く使用される事を示し
た。

例■ 供給電力を２６０Ｗに増加した点を除き例Ｉと同様な動
作がなされた。

電力密度は０．４３Ｗ／ｃｍ２である。

この場合、シリコンの食刻速度は１分間につき１６００
人に増加し、マスクの侵食速度も１分間につき約２００
人になる事がわかった。

例■ １組の単結晶シリコン・ウエハが例■で説明されたのと
同様な方法で選択され酸化された。

そして、マスクがウエハ上に形成された。

しかしながら、反応動作は３０ミリトリチェリーの圧力
を有する無水塩酸の雰囲気内で行なわれた。

電力は４００ワットに増加され、電力密度は０．６６Ｗ
／ｃｍ２になった。

反応性イオン食刻動作は２０分間行なわれた。

塩酸雰囲気中で行なわれたシリコン食刻の速度は毎分１
９００人であった。

Ｓｉ０２マスクの侵食速度はシリコンの食刻速度よりも
遅いが略人のオーダであった。

例■ 異なる２組のシリコン・ウエハが例Ｉに説明された様に
選択され、そしてマスクされた。

そしてこれらのシリコン・ウエハは同様な雰囲気即ち５
ミリトリチェリーのＣ（１４及び１０ミリトリチェリー
のアルゴン中で食刻された。

夫々のウエハは異なる高周波電力で食刻され、そしてシ
リコンの食刻速度が調べられた。

下表は測定結果を示している。

上記の例で使用された以外の雰囲気、例えば、Ｃｌ２の
場合、プラズマ中での反応がＳｉ＋２Ｃｌ２→ＳｉＣ４
↑であると考えられるので、Ｃｌ２の雰囲気も適当であ
ると考えられる。

また、上記適当である事が証明された塩素化合物とその
働きが似ているＢｒ２＋１２並びに、臭素とヨウ素の化
合物も同様に反応性イオン食刻雰囲気として適当である
と考えられる。

なぜならば、反応が例えばＳｉ＋２Ｂｒ２→ＳｉＢｒ４
であると考えられるからである。

しかしながら、ＳｉＣｌ４の場合に５８℃であった沸点
が臭素とヨウ素の化合物の場合に、ＳｉＢｒの沸点は１
５３℃そしてＳＩＩ４の沸点は２９０℃になるので、タ
ーゲット電極は加熱されなければならない。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の方法を実施する為の良好な反応性イオ
ン食刻装置を示す正面断面図で、第２図、第３図及び第
４図はシリコン基板及びマスクの断面部分が本発明の方
法により処理されていく様を順番に示す図である。 ５０…五マスク層、５２…胃シリコン基板、６０……凹
所。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ ＳｉＯ２又はＳｉ３Ｎ４を少なくとも含むマスク層
   を表面に形成したシリコン基板に、マスクのアンダーカ
   ット及び腐食を生じる事なく、垂直な壁面を有する凹所
   を反応性イオン食刻する方法にして、塩素化合物、臭素
   化合物及びヨウ素化合物よりなる群から選択されたガス
   を活性種の供給源として含む雰囲気中で２つの電極間に
   高周波電圧を印加することにより形成される高周波誘導
   されたガス・プラズマに上記マスクされた基板をさらす
   事よりなるシリコンを選択的に反応性イオン食刻する方
   法。 ２ 上記ガスはＣＣｌ４である事を特徴とする特許請求
   の範囲第１項記載のシリコンを選択的にイオン食刻する
   方法。 ３ 上記雰囲気は不活性ガスを含む事を特徴とする特許
   請求の範囲第２項記載のシリコンを選択的にイオン食刻
   する方法。