JPS61500820A - 二酸化珪素への改良された選択性を有する単結晶シリコンのためのプラズマエッチングプロセス - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 二酸化珪素への改良された選択性を社する単結晶シリコンめためのプラズマエツ チングプロセス１１匹１１ この発明は一般に半導体ウェハおよびそれに類似するもののプラズマエツチング において有用なガス状組成に関しかつ上述の組成物を用いて半導体ウェハおよび それらに類似するものをエツチングする方法に関する。

背県および先行技術の論ト 方向性を有するイオンによるプラズマエツチング（反応性イオンエツチング）は 半導体ウェハおよびそれに類似するもの□において通常スロットの性質を帯びた 窪みを形成するための周知の技術である。このようなスロットは近接する回路構 成の間における障壁として役立ち必要とする電気的絶縁を付与する。これらのス ロットは必要とされる保全状態をもたらすためにたとえば無定型シリコンにより 通常溝たされる。

半導体ウェハまたはそれに類似するもののプラズマエツチングの前に、マスキン グ層が選択された深さにエツチングされるべきウェハの表面を覆って形成される 。その後、フ第１・、−シスト層がマスキング層の上に設けられる。次に、Ｍ− ２のパターンがフォトレジスト層に移し変えられ、フォトレジストはそれからマ スキング層の一部の部分しかし仝部ではない部分を露出する一連の谷をフォトレ ジスト層に設けるために現像される。その後、湿式ケミカルまたはプラズマエツ チングは谷の領域におけるマスキング層を浸蝕するために用いられる。これはそ の中に窪みまたはスロットを形成することが望まれているウェハの表面上の領域 を露出する。

上述のプロセスを遂行することにおいて、ウェハの表面に形成されるべきどのよ うな窪みもマスキング層のエツジによって鋭く規定されるようにウェハ上に設け られるマスキング層をできるだけ簿くすることが一般に望ましい。

マスキング層に必要とされる開孔が上述のように形成されると、フォトレジスト 層は適当な溶媒を用いて一般に洗い落される。その後、反応性イオンエツチング がウェハの表面に所望の窪みを異方的にあけるために利用される。

に対してほぼ直交する方向に向けられる。それらはマスキング層の設けられてい る窪みの中に衝突するばかりでなくマスキング層の表面上をも衝突する。これは ウェハと同様マスキング層を浸蝕する効果を有する。一般的に、プラズマは通常 １に対して約５の係数でもってマスキング層を１択的である。この結果として、 たとえば、１．５ミクロンの厚みの二酸化珪素酸化層を用いて開始したとき窪み はシリコンウェハの中に約５ミクロンの深さで形成され、一方約０．５ミクロン の二酸化珪素の層をそのプロセスの終わりになお保つ。しかしながら、深い窪み はその二酸化珪素の層がかなり厚く形成されていなければより深い窪みは形成さ れない。上述したように、これは窪みの形状の輪郭を少なくしかつ一般的に好ま しくはない。それでもなお、成る場合においてはこれらの通常形成されるものよ りも比較的深い窪みを有することが必要である。

シリコンの反応性スパッタエツチングにおいて、約５．５〜約６％の四塩化珪素 または約２５％から約３１％の塩はクリストファ・エム・ホルウィッツによる１ ９８１年１１１Ｊの°゛大変低いマスク材料のエツチング速度を有するシリコン の反応性スパッタエツチング（Ｒｅａｃｔｉｖｅ　３　ｐｕｔ’ｔｅｒＥｔｃｈ ｉｎｇ　ｏｒ　５ｉｌｉｃｏｎ　Ｗｉｔｈ　Ｖｅｒｙ　Ｌｏｗ　Ｍａｓｋ−Ｍａ ｔｅｒｉａｌＥｔｃｈ　Ｒａｔｅｓ）”、二＜＜二＜ニーｒ二　ｈΣ２ザクショ ンズ　オン　エレクトロン　デバイスＬＬＬＥＴｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ　ｏｎ 　ＩＩ：　Ｉｅｃｔｒｏｎ　［）ｅｖｉ’ｃｅｓ）　、　Ｅ　Ｄ　−２８巻、Ｎ ｏ、１１＄：おいて＆ｉｉ論されている。本質的に、この参照のプロセスはその スロットが形成されるときスロットの壁部上への二酸化珪素の析出をもたらす。

塩素を供給する化合物の最に比例して酸素の量は十分高く、そのため二酸化珪素 が形成されかつ塩素によるエツチングから壁部を保護する。堆８１Ｍ化マスキン グ層は比較的高い酸素の存在量により生じる二酸化珪素の再析出のために大変ゆ っくりとアタックされる。アルゴンはスロットの底部でシリコンを無反応的にス パッタしかつ塩素はスロットの底部でのみ実質的に反応する。その結果は二酸化 １１素に対立するものとしてシリコンに対しての高い選択性である。しかしなが ら、実質的かつ望ましくない二酸化珪素の層がスロットの壁部上に形成される。

これは後で除去されなければならない。

発明の要約 この発明の目的はプラズマエツチングに有用でありかつ二酸化珪素のエツチング と比べてシリコンのエツチングに対して′ｔｓｒ！１に選択的な物質の構成を提 供することである。

この発明の他の目的は、°通常用いられる厚さ以上に二酸化珪素の層の厚みを実 質的に増すことなく、二酸化珪素層を用いてマスクされたシリコンウェハに比較 的深い窪みを形成する方法を提供することである。

この発明のさらに他の目的は窪みのために望まれる形状を保つと同時に二酸化珪 素によりマスクされたシリコンウェハの中に比較的深い窪みを設ける比較的高速 度のエツチングプロセスを提供することである。

この発明の付加的な目的、利点および新規な特徴は以下゛に続く説明で幾分明ら かにされ、かつ幾分以下のＫＶＪ査の上で当業者に明らかとなりまたはこの発明 の実施によって習得されるであろう。この発明の目的および利点は添付されたク レームに特に指摘されている手段および構成により理解されかつ１１！される。

発明の陳述 この発明の上述のおよび他の目的は、塩素、半導体ウェハに形成される窪みの形 状を修正するための形状修正種および特に必要とされる聞だけの成分を有しその 組成物をマエッチングすることに対して少なくとも約１０倍効果的にするエツチ ング選択性増強剤（エンハンサ）とを含むプラズマエツチング組成物の使用のた めに実施されかつここで述べられているようにこの発明の目的に従って成し遂げ られる。このような組成物はプラズマエツチング方法に利用され、マスキング層 およびウェハの表面に対してほぼ直角に向かうプラズマを含むイオン中に形成さ れ、マスキング層に設けられている開孔を通過して、選択された深さまでウェハ をエツチングする。この発明の方法においてはプレエツチングのステップが比較 的高いバイアス電圧−比較的高いエネルギプラズマエツチング条件の下で塩素と 形状修正種とを利用ししかしエツチング選択性増強径を含まないで遂行されるこ とが好ましい。この発明の選択的プラズマエツチングのステップが成し遂げられ た後、なお一層のエツチングステップが比較的低いバイアス電圧−比較的低いエ ネルギプラズマエツチング条件を用いて塩素を含みしかし形状修正種とエツチン グ選択性増強径の両者をほとんど含まないプラズマを用いて付加的な深さまで遂 行されることがさらに好ましい。

引出される利益および　手１　の論゛ この発明の組成物および方法を用いてウェハにスロットをエツチングするとによ り、エツチングすることが望まれていμいウェハ表面の部分を覆うマスキング層 を侵食する同じ鑞に対して従来技術のプラズマエツチング組成物を用いるよりも 比較的深いスロットが与えられる。

プレエツチングのステップとポストエツチングのステップの両方が利用されるこ の発明の好ましい実施例を利用すれば、それについて壁部が十分に真っ直ぐでか つ平行であるようにスロットの形状を制御可能であり、そしてまた無定型シリコ ンのような材料がスロットを満たすために用いられた後ウェハに応力点をもたら す尖端や頂部を含まないようにスロットの底部の形状を制御可能である。

図面の簡単な説明 この発明の明４１１に組み入れられかつ明ｍｉｘの一部を構成する添付８面は、 この発明の一実施例を示し、明ＩＩＩＭとともにこの発明の詳細な説明するのに 役立つ。

図において： 第１図はウェハのいかなるプラズマエツチングの前においてその上にマスキング 層を有しその中に開孔を有する半導体ウェハの側面断面図である。

第２図はその中に仮の深さまでのスロットを有するマスりされたウェハを示す第 １図と同様の図である。

第３図はスロットが第２図の深さ以上に一府深い深さまで拡大されたこの発明に よるマスクされたウェハを示す第１図および第２図と同様の図である。

第４図はこの発明によるウェハであるがしかしここでスロットが全体的に選択さ れた深ざまでエツチングされた第１．２および３図と同様の図である。

発明の詳細な説 この発明の好ましい実施例すなわち添付図面に示されている１つの例について詳 細に言及が今やなされるであろう。

第１図は下部またはフィールド酸化層１４、中間の窒化！１１６および上部の塩 ８１酸化１８１１８を含むマスク１２により覆われた半導体ウェハ１０を示す。

フィールド酸化層１４はウェハ１ｏに高温で酸素および／または蒸気を接触する ことにより慣用的に形成され得る。窒化ＦＪ１６および堆積酸化層１８は化学堆 積法（ｃｈｅｍｉｃａｌ　ｖａｐｏｒ　ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ　）により連続的 に慣用的に形成され得る。マスク１２は望まれる深さの（第２−５図に示す）窪 み２４を形成するためにエツチングされるべきウェハ１ｏの部分２２をそれを通 じて露出する開孔２０を含む。

この発明によれば、特別のプラズマエツチング組成物が半導体ウェハ１０の中に 窪み２４を配向された異方性反応性イオンによりエツチングするために利用され る。この発明の中心はこの新規なプラズマエツチングの組成物にある。

その組成物は約４０％から約９０％の量好ましくは約５０％から約７０％の塩素 と、約１０％から約６０％好１シクは約３０％から約５０％の邑の形状修正棒と 、その組成物をマスキング１１１２のエツチングに対しその少なくとも約１０倍 ウェハたとえばシリコンのエツチングに対して効果的にするのに十分な量だけの エツチング選択性エンハンサとを含み、上述のすべてのパーセントはモルで表わ されている。

形状修正棒は多数の異なる組成物のうちどのようなものでもよい。たとえば、形 状修正棒はアルゴン、他の希ガス。

水素、窒素およびフッ化物を含まない三ハロゲン化硼素。

四ハロゲン化珪素、六ハロゲン化硫黄および四ハロゲン化炭素からなるグループ から選択されてよい。形状修正棒は窪み２４の壁部２６が比較的垂直でかつ互い に比較的平行であることを保証するために役立つ。

塩素は塩素自体として付加されてもよい。代わりに、三塩化硼素、四塩化珪素、 六塩化硫黄または四塩化炭素のような塩素を生じる化合物が単独で、互いに組合 わせてまたは塩素と組合、わせで塩素を供給するのに役立ち得る。後者の場合に は、塩素を生じる化合物はまた形状修正棒として役立ち得る。

この発明の組成物の一部としであるべきエツチング選択性エンハンサはマスキン グ層１２（一般的には二酸化珪素）に対立するものとしてウェハ１０（一般的に はシリコン）をエツチングするためにプラズマの選択性を増大させるために役立 つ。一般的に言って、マスキング層に対するウェハのエツチングの比率（直線的 ）は約５対１の比率である。

これはシリコンウェハの処理における様々な後のステップにとって、窒化珪素層 １６がプラズマエツチングの処理によって浸斡されないことは重要であるので、 堆積酸化層１８の厚みは窪み２４について望ま些る深さの２０％よりも幾分か厚 くならなければならないことを意味している。

この発明によれば、酸素が効果的なエツチング選択性エンハンサであることが見 い出される。酸素はそれ自体としてまたは酸素を供給するために用いられるプラ ズマエツチングの条件の下で酸素を生じる化合物として付加されてもよい。上述 において示されたように塩素を生じる化合物と形状修正棒とを含むプラズマエツ チングの組成物に酸素が存在するとき、堆積酸化層１８から取り除かれる二酸化 珪素の量に対する窪み２４から取り除かれるシリコンの鱗の比率はほぼ少なくと も約１０対１であり通常は約１６対１である。これは堆積酸化層１８の同じ厚み に対しウェハ１０に形成されるべき一層深い窪み２４を許容する。酸素は窪み２ ４の壁部２６上に二酸化珪素の析出を導くのに十分なｍ存在すべきではない。一 般的に言って、酸素はモルで約５％以上のみ存在すべきではなく、わずか約３％ の酸素がさらに好ましく、約２％の酸素がなお一層さらに好ましい。壁部２６上 への二酸化珪素の形成および窪み２４の底部２８における６荀のような尖端の形 成に導くので多量のＭＮを用いることは望ましくない。実際、マスキング府１２ のエツチングに対立するものとしてウェハ１０のエツチングのなめに選択性の必 要とされるｍをなお維持すると同時に酸素の量をできるだけ低くすることが一般 的にａ善で望の深さで窪み２４を設けるために単一ステップにおいて利用され得 る。しかしながら、もしこのことが成し遂げられると、窪み２４の底部２８はい くっがの６笥のような尖端を含むことが注目された。これはエツチング選択性エ ンハンサとして比較的受信の酸素を用いることにより最小にされ得る。

この発明の一実施例に従って、プレエツチングのステップは第２図に示すように 、最終的に望まれる深さのほぼ約３０％から５０％の仮の深さまで窪み２４を拡 張するために遂行される。この予備的なステップは比較的高いバイアス電圧−比 較的高いエネルギプラズマエツチングの条件を用い塩素と形状修正棒とを含みし かしエツチング選択性エンハンサをほとんど含まないで好ましくは遂行される。

プレエツチングのステップにおいては酸素は存在しないので、窪み２４の底部２ ８にいがなる６荀のような構造の形成が問題となることはない。比較的高いバイ アス電圧−比較的高いエネルギのプラズマエツチング条件が利用されるので、窪 み２４は比較的短い時間に仮の深さまで拡張され１する。

比較的高いバイアス電圧−比較的高いエネルギおよび比較的低いバイアス電圧− 比較的低いエネルギという用ムＢはここで反応性イオンエツチングの条件を述べ るために用いられている。比較的高いバイアス電圧−比較的高いエネルギという 用語は少なくとも約１８０ボルトのバイアス電圧を示すために用いられている。

比較的低いバイアス電圧−比較的低いエネルギという用語は多くて約１８０ボル トのバイアス電圧を示すために用いられている。トクダ（Ｔｏｋｕｄａ　）丁Ｒ ＩＥ−３０３平行板バッチ反応器がここで述べられているプラズマエツチングを 遂行することに用いられた。このような装置においてはウェハ１０は相対する接 地電極に関して負バイアスを有する電極上に位置する。同様な結果が他の商業的 に有用なバッチ反応器により得られている。

第３図はこの発明のプラズマエツチング組成物すなわち上述した塩素、形状修正 様およびエツチング選択性エンハンサを用いて窪み２４（第１−図）を選択的に プラズマエツチングすることにより仮の深さから選択された深さまで窪み２４が 拡大された状態を示す、仮の深さから選択された深さへの距離は一般的に言って 最終的に望まれる深さの約３０％から約５０％である。選択的プラズマエツチン グのステップの状態ハプレエッチングのステップの状態と同様比較的高いバイア ス電圧−比較的高いエネルギプラズマのエツチング条件でよい。このことはその ステップが比較的短い時間に遂行されるようにする。

この発明のプラズマエツチングの組成物の選択性が高いことから、堆積酸化層は 仮の深さから選択された深さまでのエツチングの間にウェハ１０が除去される程 度の１０分の１またはそれ以下だけ侵食される。この発明の実施に対して１０対 １の選択性が十分であると考えられる一方、この発明の組成物がほぼ２％の酸素 、はぼ６０％の塩素およびほぼ４０％のアルゴンを含むとき約１６から１７対１ の選択性が実質的に測定されている。

この発明の好ましい実施例によンれば、第４図に示すように、ウェハ１０は次に 好ましくは第３図に示すような選ばれた深さから第４図に示すような実質的に望 まれる深さまでさらにエツチングされる。このことはなお一層のエツチングステ ップを遂行することによって成し遂げられ、窪み２４は比較的低いバイアス電圧 −比較的低いエネルギプラズマエツチング条件を用いて＜Ｃｎ２として導入され た）塩素を含みしかし形状修正様とエツチング選択性エンハンサの両者をほぼ含 まないプラズマ、により第４図に示すようにほぼ所望の深さまで拡大される。こ のなお一層のエツチングステップはエツチングが比較的低いバイアス電圧−比較 的低いエネルギのプラズマエツチングの条件の下で比較的緩慢であるので全体の ステップを幾分遅くするが、それは窪み２４の底部２８が比較的滑らかでありか つ尖端、頂部および他の異常がないという結果をもたらす。

プレエツチングのステップ、選択的プラズマエツチングのステップおよび上述し たなお一層のエツチングステップの次に、窪み２４からシリコンのたとえば２５ ０オングストロームから７５０オングストロームの薄い層を湿式化学的に除去す ることは望ましいことが注目されるであろう。

そのような層はプラズマエツチングのステップにより一般的に損傷されているか らである。このことは、上述したなお一層のエツチングステップの次に湿式ケミ カルエツチングのステップを付加することにより成し遂げられる。この湿式ケミ カルエツチングのステップは窪み２４に湿式ケミカルエツチングの流体を接触す ることからなる。この１式ケミカルエツチング流体は窪み２４からシリコンの所 望の厚みたとえば２５０オングストロームから７５０オングストロームを侵食す るように選択される。その後、ケミカルエツチング流体は窪み２４から洗浄され る。

好ましいかつ有用な湿式ケミカルエツチング流体は一般的に酸性のフッ化物を含 む溶液から構成される。この流体はさらにヨウ素を含むことができる。第１表は 多数の有用な湿式エツチング流体を示す。

Ω式ケミカルエツチング組成物 組成物Ａ　組成物Ｂ　組成物Ｃ組成物り主星　１　■　ｌ　１ｉｉｊＬ　見　ｌ 范　１Ｃｒｙ３６００　ｇｍ　工２會　２．１　ｇｍ　ＨＮＯ３１８００ｍｌ　 ＨＮＯ３１８００ｍ１ＨＦ　１００　ｍｌ　ＨＯＡＣ會　２１００　ｍｌ　）Ｉ ＯＡＣ９６０ｍＬ　Ｈ２Ｏ９６０ｍＬＨ２０２０００ｍ１　ＨＦ　４０ｍ１　Ｎ Ｈ４Ｆ　ｌｌｏｍｌ　Ｎ８４Ｆ　ｌｌｏｍｌ団０３　５２００　ｍｌ ＊　１２の溶液として酢１！　（ＨＯＡＣ）中に使用前に混合この発明の好まし い実施例の上述の説明は例証および説明の目的のために示されている。開示され たまさにその形態に徹底的であるべきことまたは開示されたまさにその形態にこ の発明を制限するように意図されているのではなく、明らかに多くの修正と変更 とが上述の教示に照らして可能である。この実施例は期待される特別の使用に適 用するよ゛うに様々な実施例においてかつ様々な修正をもって他の当業者がこの 発明を最良に利用することができるように発明の原則とその実際的な適用を最も よく説明するために選択されかつ説明されている。この発明の範囲はここで添付 されている請求の範囲によって規定されるように意図される。

ＦＩＧ、１ ＦＩＧ、２ ＦＩＧ、３ ＦＩＧ、４ 国際調査報告

Claims (16)

【特許請求の範囲】
1. １．マスキング層によって覆われた半導体ウエハをエッチングするためのプラズ マの形態に有用なプラズマエッチング組成物であって、モルパーセントで約４０ ％から約９０％の量の塩素、 約１０％から約６０％の量の形状修正種および、その組成物をマスキング層のエ ッチングに対しての少なくとも約１０倍ウエハのエッチングに対して効果的にす るのに十分な量のエッチング選択性増強剤とを含むプラズマエッチング組成物。
2. ２．前記塩素はプラズマエッチング状態の下で塩素を生じる化合物からプラズマ 中に生成される、請求の範囲第１項記載のブラスマエッチング組成物。
3. ３．前記エッチング選択性増強剤は前記組成物がシリコンウエハをエッチングす るために使用されるとき二酸化珪素を堆積させるのに不十分な量の酸素またはプ ラズマエッチング状態の下で酸素を生成する化合物を含む、請求の範囲第１項記 載のプラズマエッチング組成物。
4. ４．前記形状修正種はアルゴン，クリプトン．キセノンヘリウム．水素．窒素お よびフッ化物を含まない三八ロゲン化硼素．四ハロゲン化珪素，六ハロゲン化硫 黄および四ハロゲン化炭素からなるグループから選択される、請求の範囲第３項 記載のプラズマエッチング組成物。
5. ５．前記マスキング層は二酸化珪素から構成される、請求の範囲第４項記載のプ ラズマエッチング組成物。
6. ６．マスキング層によりマスクされた半導体ウエハをエッチングする方法であっ て、 前記マスキング層は所望の深さの窪みを形成するためにエッチングされるべき前 記ウエハの部分をそれを通じて露出する開孔を有し、モルパーセントで 約４０％から約９０％の量の塩素．約１０％のから約６０％の量の形状修正種お よびその組成物をマスキング層のエッチングに対しての少なくとも約１０倍ウエ ハのエッチングに対して効果的にするのに十分な量のエッチング選択性増強剤と を含むプラズマを用いて選択された深さまで前記ウエハの前記部分を選択的にプ ラズマエッチングする、半導体ウエハをエッチングする方法。
7. ７．前記塩素はプラズマエッチングの状製の下で塩素を生じる化合物からプラズ マ中に生成される、請求の範囲第６項記載の方法。
8. ８．前記選択された深さは前記所望の深さよりも浅くかつ前記選択的プラズマエ ッチングのステップの次にさらに、比較的低いバイアス電圧一比較的低いエネル ギのプラズマエッチング状態を用いて塩素を含みかつ前記形状修正種と前記エッ チング選択性増強剤とをほとんど含まないプラズマにより前記部分を所望の深さ になお一層エッチングするステップを含む、請求の範囲第６項記載の方法。
9. ９．前記選択的ブラスマエッチングステップの前に、さらに、 比較的高いバイアス電圧−比較的高いエネルギのプラズマエッチング状態を用い て塩素と形状修正種を含みしかし前記エッチング選択性増強剤をほとんど含まな いプラズマにより前記選択された深さよりも浅い仮の深さまで前記部分をプレエ ッチングするステップを含む、請求の範囲第８項記載の方法。
10. １０．前記選択的プラズマエッチングのステップの前に、さらに、 比較的高いバイアス電圧−比較的高いエネルギのプラズマエッチング状態を用い て塩素および形状修正種を含みしかし前記エッチング選択性増強剤をほとんど含 まないプラズマにより前記選択された深さよりも浅い仮の深さまで前記部分をプ レエッチングするステップを含む、請求の範囲第６項記載の方法。
11. １１．前記形状修正種はアルゴン．クリプトン，キセノン，ヘリウム，水素，窒 素およびフッ化物を含まない三ハロゲン化物，三ハロゲン化硼素，四ハロゲン化 珪素，六ハロゲン化硫黄および四ハロゲン化炭素を構成するグループから選択さ れる、請求の範囲第６項記載の方法。
12. １２．前記エッチング選択性増強剤は前記選択的プラズマエッチングのステップ の間に二酸化珪素の析出を生じさせるのに不十分な量の酸素またはプラズマエッ チング条件の下で酸素を生成する化合物を含む、請求の範囲第１１項記載の方法 。
13. １３．前記マスキング層は二酸化珪素により構成される、請求の範囲第６項記載 の方法。
14. １４．さらに、前記窪みに湿式ケミカルエッチング流体を接触し、前記流体は前 記窪みからウエハの所望の厚みを侵食するために選択され、前記接触は前記窪み から前記所望の厚みを侵食することを成し遂げるのに十分な時間であり、 前記窪みから前記ケミカルエッチング流体を洗浄するステップを含む、請求の範 囲第６項記載の方法。
15. １５．前記湿式ケミカルエッチング流体は酸性フッ化物溶液を含む、請求の範囲 第１４項記載の方法。
16. １６．前記湿式ケミカルエッチング流体はさらにヨウ素を含む、請求の範囲第１ ５項記載の方法。