JPS62501183A - デバイス製造方法 - 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】 デバイス製造方法 金刑」１ −Ｌ兄泗１と上顎 本発明はデバイス処理方法に関する。

Ｌ背塁濶歪 半導体デバイス製造などの工程において第１の材料を、第２の材料を受容できな い程度に除去したり損傷を与えたりしないでエツチングすることが通常型まれる 。適切に配置されたゲートの形成などのある種の状況ではシリコン酸化物例えば 二酸化シリコンでできた下部または隣接する領域を受容できないほどに除去する ことなくシリコン及び／または金属珪化物の領域を除去することが望ましい、こ のような結果をもたらすのに塩素を含むガスを用いるプラズマエツチング、反応 イオンエツチングなどの方法が用いられることが多い。このような技術において は、エツチングすべき体部の近傍に塩素を含むガスを導入し、電極間にｒ、ｆ、 ｆｉ力を付加することによりガス状媒体にプラズマを形成する。典型的には基板 は電力を付加した電極上にあり、この電極に関連するＤＣ電界がプラズマ内で生 成された活性生成物（例えばイオン化した分子片、イオン化した分子、イオン化 した原子）を基板に向け、種々の機構を通じて、照射された材料を除去する。

シリコンなどの材料のドライエツチングにおいて、様々な工。

チング装置構成と処理条件が用いられて来た。一般に、特定の配置とエツチング 条件が、特定の半導体デバイス製造応用例に適するようなエツチング特性を生み 出すように選ばれる。例えば１９８１年１１月３日発行の米国特許第４，２９８ ，４４３号に開示されその図面中に描かれた反応装置は一エッチング工程の間に 多くの基板を処理することができる。この反応装置は基板に接触する六角形陰損 と、第２電極として機能する外部接地殻とを含む。六角形陰極の各面に複数の基 板が配置されている。従ってもし各面に４枚の基板があれば一エソチング工程の 間に２４枚の基板を処理することが可能である。あるいは平行乎仮反応装置即ち 、主表面が平行になるように配置された平板によって形成される陰極と陽極とを 有する反応ＷＨが４ないし６枚の基板の同時エツチングを行なうようなより小規 模の応用例に用いられて来た。第３の型の反応装置においては、ｒ、ｆ、電極全 体を１枚の基板が木質的に覆い、第２の電極例えば平行平板または装置部分が用 いられている。

多くの場合、プラズマで発生された活性生成物を含むエツチングが都合良く用い られているが、これは困難を伴なわずには行なわれない。例えば、プラズマを用 いると基板表面に汚染物質が付着することが多い、これらの汚染物質例えば反応 容器または基板ホルダーからの金属（例えばアルミニウム）はデバイス特性を劣 化させるかまたは後の処理工程を妨害する。そのような汚染を防ぐために様々な 手段が用いられて来た。例えば六角反応装置の場合、ボリアリレートのようなポ リマーなどの物質で表面処理を行なったトレイに基板を挿入するための開口を設 けて六角電極の各面に配置した。こうして基板はプラズマ環境にさらされながら 下の１ｉ権に接触する。

現在用いられている限りはドライエツチングはわずかな欠点を伴ないつつ優れた 結果をもたらすけれども新しい応用例ではさらに要求が高まって来ており、これ らは未だ満たされていない。例えば、隣接する（例えば下部にまたは同一面に存 在する）二酸化シリコンなどの材料をこれまでに達成されたのより実質的に減少 するようにして、シリコンなどの材料を除去する必要を生ずる多くの応用例があ る。典型的なエツチングシステムにおいては選択度即ち異なる組成をもつ下部領 域またはマスクされない隣接領域に対する所望領域のエツチングの割合は３０対 １を越えない。しかし電子デバイス例えば集積回路における実装密度が大きくな るにつれ、多くの場合選択度は少くとも５０対１、好ましくは少くとも７０対１ 、最も好ましくは少くとも１００対１が要求される。

例えばＴａ５ｉｚ　／多結晶シリコツ組成ゲートのエツチングの場合、エッチス トップとして用いられる厚さ２５ｎｍ以下の薄い酸化物が完全には除去されない ようにするために１００対１の程度の選択度が必要である。

選択度を向上させるという要求が実質的に高まっているのにもかかわらず、その ような結果をもたらすドライエツチング装置構成も処理条件も未だ報告されてい ない。実際半導体デバイスに用いられる材料のドライエツチングにおいては１つ の結果を得るために条件や配置を調整すると関連のない２つめのエツチング特性 に問題が生じることが多い、こうして選択性プラズマドライエツチング法即ち５ ０より大きい選択度を有するガスプラズマを用いる方法への需要があるにもかか わらず、そのような技術は未だ報告されていない。

ｍ迩ｌ 塩素含有物でエッチされる材料の選択度は基板の堆積面に対して側方に隣接する 領域に存在するＡＣ電界を実質的に減衰し、基板全体にわたりプラズマをその領 域に閉じこめることにより大幅に増加する。例えば基板を囲む部分を大地にＡＣ 結合することにあり、シリコンと二酸化シリコンの間の塩素プラズマエツチング の選択度は１５０対１まで増加する。プラズマが打込まれるガスにさらされる全 てのエツチング容器表面領域においてＡＣ電界を減衰させることにより、基板全 体にわたって掻めて均一なエッチ速度が得られる。さらにもし基板を囲む部分が 大地にＤＣ結合されていなければ、ＤＣ電位を調整することによりエッチ均一性 をさらに高めることが可能である。従って大地に対するＡＣ結合のような電界条 件の調整によって、エツチング工程に関連する他の特性例えばエッチ均一性が劣 化することはない。

皿皿二皿華春えユ 第１−６図は本発明の方法に影響を与える条件と配置を例示する図である。

罷星呈茎皿 本発明は特定のエツチング装置形状に限定されるものではない。

例えば、平行平板型と六角形型の両方において優れた選択度が得られる。プラズ マエツチング装置に採用される特定の形状には関係なく、高い選択度を得るため にはプラズマは基板堆積面の上側にある領域に本質的に閉じこめなくてはならな い。（理解しやすくするために以下１枚の基板のエツチングの形で説明するが、 各基板用のプラズマをその基板上の領域に閉じこめることにより複数の基板の場 合にも同様に適用できる。従って例えば３枚の基板をエツチングする場合は３個 の独立したプラズマ領域があり、これらのうちの１つがそれぞれ一枚の基板上に 閉じこめられる。）本発明の観点において基板上の領域というのは基板エッチ面 の全ての点における法線によって規定される空間領域である。基板エッチ領域の 境界から、平均して基板有効直径の１０％を越える距離にまで延びなければプラ ズマは適切に閉じこめられたことになる。（基板有効直径とは基板と同様の面積 を有する円の直径である。）この閉じこめ条件はプラズマにより放出される波長 範囲３９０ないし８００ｎｍの光の少（とも７０％が所望の閉じこめ容楕円の点 から放出されれば満足される。閉しこめは、プラズマを閉じこめようとする領域 の外側のＡＣ電界を制限することにより達成される。ＡＣ電界を適切に制限する には種々の手段が可能である。例えば基板を囲む面は、この面とｒ、ｆ、駆動陰 極との間の容量の少（とも５倍の容量をもって大地に容量結合される。本実施例 では、この２つの容量がｒ、ｆ、陰極と大地との間の電圧分割器として作用する のでＡＣ電界は減衰する。大地への容量が大きいとインピーダンスが小さい。従 って基板を囲む面はｒ、ｆ、電極よりも大地電位に極めて近くなる。この低い電 位により低電界が得られる。

容量性結合は種々のやり方で達成できる。例えばもし接地領域が金属製の反応器 受台の背面に広い領域にわたって接触すれば、大地に対する受台の容量性結合は 「、ｆ、駆動陰極に対する受台の容量性結合よりかなり大きくなるであろう。（ この場合、受台は大地に対してさらにＤＣ結合される。） 別のやり方としてはＡＣ電界を減衰するには厚い誘電材料で基板を囲むことも可 能である。例えば、誘電率が２．５以上の組成の場合、０．３２ｃｍ　（０，１ ２５インチ）より厚い材料、好ましくは！、２７ｅｌＩ（０，５インチ）より厚 い材料で基板を囲む。この場合、反応器容積にさられる誘電体表面はｒ、ｆ、駆 動陰極に対してはわずかに容量結合されるのみで大地に対してはプラズマを介し てのみ容量結合される。誘電材料はＡＣ電界を例えば以下のようにして減衰され る。即ち、 １）電界の源からエッチャントガスにさらされる表面までの距離の増大により、 ２）誘電体中の双極子の移動による電界の誘電的消失により、３）プラズマの容 量が充分に大きく、基板を囲む面の電位従って電界を実質的に減少させる電圧分 割効果により、減衰させる。

基板の環境の容量接地や厚い誘電体による基板の絶縁などの手段を講じると、プ ラズマは基板の木質的に真上の領域に閉じこめられる。基板間の領域はプラズマ 火玉にはさらされない。従って基板間にある物質はスパッタリングなどの機構に よって破壊されることはなく、周囲物質による基板の汚染は実質的に減少される 。

さらに重要なことは、前述のように、選択度が実質的に増加することである。選 択度が増加することの精密な機構は正確には知られていないが、閉じこめられた プラズマの放電により原子イオンを犠牲にして分子イオンの生成が実質的に強め られるものと考えられる。従って塩素を含むプラズマの場合、ｃｅｓのようなイ オンの存在量がＣＲ’のようなイオンの濃度を犠牲にして実質的に増加される。

前述のように基板上の領域にプラズマを閉じこめることにより優れた選択度が得 られる。閉じこめのみでは基板全体のエッチ速度はいく分か不均一である。例え ばエッチ速度は最大３５％変化する。しかしこの不均一性を解消するのは可能で ある。均一性は反応容器中の、エッチャントガスにさらされる全ての面が、閉じ こめ条件により基板環境に要求されるのと同じやり方でＡＣ電界制御されるよう にすれば、即ちプラズマこれらの面から基板有効直径の少くとも２０％の距離除 去されるようにすれば得られる。

例えば、第１図の反応容器を形成する金属ベルジャ容器２５は大地への広面積伝 導路を設けることにより大地に容量結合される。

この手段は所望の結果を生み出すけれども金属ベルジャが汚染源となり得る。従 って電界を適切に減衰するほどに充分に薄い連続ガラス層例えば厚さ０．１５１ （０，０６イーンチ）程度のガラス層でベルジャ内面を被覆すると都合が良い。

Ａ、Ｃ接地によりＡＣ電界が減衰し基板全体にかけてのエッチ速度変動が１５％ 以下になる。

金属ベルジャのＡＣ接地は適切な減衰を得るための一手段であることが判明して いるけれども、ＡＣ電界減衰条件を満足する他のいかなる手段、例えばプラズマ 閉じこめに関して記述した手段も可能である。

基板環境のＤＣバイアスを基板のＤＣバイアスレベルに調整することにより、劇 的ではないにしても、均一性がさらに高められる。基板環境のＤＣ電位レベルを 調整するには種々の手段が用いられる。例えば、基板環境への連続伝導路を備え た可変ＤＣ電源を用いることができる。

不均一性の除去は選択度の改善という面で重要であるばかりでなり、基板環境が ＤＣ接地されていない場合や反応容器表面のＡＣ電界が適切に制御されない場合 などの他の装置配置においても重要である。最も重要なことは基板全体にかけて のエッチ速度の平均二乗偏位が４％未満という均一性が選択度に悪影古を与える ことなく得られるということである。

以下は本発明を説明するための実例である。

２斑土 主表面が（１００）結晶学面にあり直径が７．６２ｃｉ（３インチ）のミリコン 基板を洗浄し、酸素中１０００℃で酸化して厚さ１１００ｎの二酸化シリコン層 を形成した。堆積ガスにシランを用い基板を約６００℃の温度に加熱し、低圧化 学蒸着（ＬＰＣＶＤ）工程により二酸化シリコン層上に４００ｎ＋＋＋の多結晶 シリコンを堆積させた。（ＬＰＣＶＤ工程はアール、ニス、ロスラ（Ｒ，Ｓ、Ｒ ｏｓｌｅｒ）の「ポリ、窒化物及び酸化物のための低圧ＣＶＤ生成工程」（”　 Ｌｏｗ　Ｐｒｅｓｓｕｒｅ　ＣＶＤ　Ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ　Ｐｒｏｃｅｓｓｅ ｓ　ｆｏｒ　Ｐｏ１ｙ、Ｎ１ｔｒｉｄｅａｎｄ　０ｘｉｄｅ　”　）ソリッドス テートテクノロジー（Ｓｏｌｉｄ　ＳｔａｔｅＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ）第２０巻 ６３頁１９７７年４月に詳述されている。）標本を反応イオンエツチング装置の 駆動電極６の上、第２図の５の位置に置いた。駆動電極６はその上にテフロン（ イー、アイ。

デュポンデネモアズ社（Ｅ、１．ｄｕＰｏｎｔ　ｄｅＮｅｍｏｕｒｓ＋＆Ｃｏ、 、Ｉｎｃ、）の登録商標）シート７を有する。翼部８を介してこのシートを容量 接地するためにテフロンシートの上にアルミニウム板９を挿入した。

最後に厚さ０．３２　ｃｓｓ　（１／８インチ）のアーデル（ユニオンカーバイ ド社（Ｕｎｉｏｎ　Ｃａｒｂｉｄｅ　Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ）の登録商標）シ ート１１をアルミニウム板の上に置いた。直径４５．７ａｍ（１８インチ）の対 向電極を標本の露出した主表面から約１０ｃｍ（４インチ）の所に配置した。エ ツチング容量を約１．３　Ｘ　１０−３Ｐａ　（Ｉ　Ｘ　１０−’Ｔｏｒｒ）の 圧力にまで減圧した０反応容器を介して流量２０　ｓｅｃ＋ａのＣ１ｔを流した ０次に真空ポンプ速度を低くして容器内のＣｈ正圧力２、６７　Ｐａ　（２０ｍ Ｔｏｒｒ）にまで上昇するようにした。駆動電極に対して９ワツトのｒ、ｆ、電 力を周波数１３．５６ＭＨｚで付加した。露出した多結晶シリコン層のエッチ速 度をレーザ干渉計で測ったところ２０ｎｍ／分であった。多結晶シリコン層が除 去されたことが干渉計で示された後、露出酸化物に対し３０分間エツチングを続 けた。このエツチングにより０．２２ｎｍ／分の速度で酸化物が除去されたが、 これは多結晶シリコンのエッチ速度に比べると９０対１の選択度であった。

大炎１ １４ワツトと２０ワツトのｒ、ｆ、’ｉｉ力を用いた点以外は実例１の工程をく り返した。これらの試験の結果、多結晶シリコンのエッチ速度はそれぞれ４００ 及び４５７、酸化物のエッチ速度は６．２及び１０．６、従って選択度はそれぞ れ６５対１及び４３対１であった。

Ｘ炭主 第３図に示すように基板を駆動電極に取付けた台座の上に五いたこと、この電極 の」二には厚さ０．３２　ｃｍ　（１／８インチ）のアーデルシー）１５ののを 置いたことを除き実例１の工程をくり返した。

表１から判るように、種々の乙ｒ、電力を付加したところ前述の実例における対 応するエツチング条件の場合に得られたのよりはるかに低い選択度が得られた。

９Ｗ　８０　１．４　５７：１ １４Ｗ　１３３　３．３　４ｏｏｔ ２０Ｗ　２１０　８．４　２５：１ 太■工 実例１で記載したようにして多結晶シリコンと二酸化シリコンの層を有する標本 を用意した。これらの標本を六角形状陰極ＲＩＥ反応装置の駆動Ｔｌ掻上に置い た。（この反応装置は１９８１年１１月３日に発行された米国特許第４，２９８ ．４４３号に記載されている。）この反応装置を第１図に示すように、アルミニ ウム受台１７と各基板よりわずかに大きい切抜きを有し接地板１９に接触するア ーデル外板１８とを有するように改造した。接地板はテフロン絶縁スペーサ２２ を用いて駆動電極２０及び台座２１から離して設置した。ベルジャ２５は接地さ れており、厚さ０．２３ｅｎ＋（０，０９インチ）の内面ガラス被覆を存した。

多結晶シリコン層と二酸化シリコン層の双方を有する標本で専有されない各基板 位置はアルミニウム台座の露出を避けるためレジストで覆ったシリコン基板で専 有した。容器を約１．３　Ｘ　１０−’Ｐａ　（Ｉ　Ｘｌ０−’Ｔｏｒｒ）の圧 力にまで減圧した。容器を介して流ｉ３４０　ｓｃｃｍの分子状塩素を流した。

次に真空ポンプの排気速度を残少して容器内の圧力が約２．６７　Ｐａ　（２０ ｍＴｏｒｒ）にまで」二がるようにした。駆動電極に対し約７０ワツトのｒ、ｆ 、電力を周波数１３．５６ＭＨｚでイ」加した。

実例１で記述したよ・うにして多結晶シリコンと二酸化シリコンのエッチ速度を 測定した。多結晶シリコンのエッチ速度は約９．６ｎｍＺ分、二酸化シリコンの エッチ速度は約０．０９４ｎｍ／分、従って選択度は約１００対１であった。エ ツチングが多結晶シリコンと二酸化シリコン層の境界に達した時に得られる形状 を達成されたエッチ速度の均一性の標示として第５図に示す。

大災】 ｒ、ｆ、電力が約１００ワツトでありベルジャが全体的にガラス組成である点を 除き実例４の工程をくり返した。アルミニウムの接地グリッドでこのガラスベル ジャを囲んだ。工、チャン１、が多結晶シリコン層と二酸化シリコン層との境界 に達した時に得られる比較的不均一な形状を第４図に示す。

大拠工 第６図に示すように六角形陰極がわずか一段の高さであり六角形電極の面あたり １枚の基板しか受容できない点を除き実例４の工程をくり返した。さらに、接地 金属板は用いず、厚さ１．２７ＣＪｌ（０，５インチ）で基板を囲み六角形陰極 に接触するアーデル受台３０のみを用いた。付加電力は２４ワツト、初めに生成 した塩素流は３０ｓｅｃｍであった。多結晶シリコンのエッチ速度は２３ｒ＋ｍ ／分、二酸化シリコンのエッチ速度はＯｏ−３１ｎ／分、従って選択度は約７４ 対１であった。

図面の簡単な説明 ＦＩＧ、２ 国際調査報告 ＋ｍ−ｕ＋−ｍＡｓａｋｄｉｍ＋ｉｏ、ＰＣＴ／ＵＳ　８５１０２３９２ＡＮＮ ＥＸ　Ｔｏ　ＴＨＥ　ＩＮＴＥＲＮＡＴＩＯＮＡｒ、５ＥＡＲＣＨＲＥＰＯＲＴ 　ＯＮ

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. １．容器内でガスプラズマからの塩素を含む物質と接触させることにより基板の 第一材料をエッチングしその一方でこのエッチングの間に前記基板の第二材料を 前記物質にさらす工程と、デバイスを完成させる工程とを含むデバイスの製造方 法において、 前記基板の周辺から前記基板の有効直径の２０％未満の距離だけ側方に広がる領 域に前記プラズマを閉込めること、前記第二材料は前記エッチングによる影響を 実質的に受けないことを特徴とするデバイスの製造方法。
2. ２．請求の範囲第１項記載の方法において、前記基板の近傍を大地に対して容量 結合することにより前記閉込めを行うことを特徴とするデバイスの製造方法。
3. ３．請求の範囲第１項記載の方法において、誘導体を用いて前記プラズマを前記 基板の近傍から分離することにより前記閉込めを行うことを特徴とするデバイス の製造方法。
4. ４．請求の範囲第１項記載の方法において、前記第一材料はシリコン酸化物であ り前記第二材料はシリコンであることを特徴とするデバイスの製造方法。
5. ５．請求の範囲第１項記載の方法において、前記エッチングは前記プラズマを形 成するための六角形陰極を用いる反応装置内で行うことを特徴とするデバイスの 製造方法。
6. ６．請求の範囲第１項記載の方法において、前記エッチングは前記プラズマを形 成するための平行電極を用いる反応装置内で行うことを特徴とするデバイスの製 造方法。
7. ７．請求の範囲第４項記載の方法において、前記プラズマは前記容器の表面から 前記基板の有効直径の少なくとも２０％の距離だけ除いた領域に閉込められるこ とを特徴とするデバイスの製造方法。
8. ８．請求の範囲第７項記載の方法において、前記容器の内面はガラスで被覆され ていることを特徴とするデバイスの製造方法。
9. ９．請求の範囲第１項記載の方法において、前記プラズマは前記容器の表面から 前記基板の有効直径の少なくとも２０％の距離だけ除いた領域に閉込められるこ とを特徴とするデバイスの製造方法。