JPS6252932A - プラズマ・エツチング方法 - 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】 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
ンに従っ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
なエツチングはウェッ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。ウェット・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
っ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。

エッチャ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。よっ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ツチングに使用する事とエッチされ
る物体に向けてエッチャ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って得られ
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
よって主に決定される。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。即ち粒子がエッチされつつ
ある表面に向って加速される時に、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
は上層がエッチされ、下層がエッ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
学的エツチングを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ッ
チ技法が提案されている。試用されている１つの気体は
ＣＣＵ　−Ｆ　ｚである。

ＣＣＵ、Ｆ、及びアルゴンを使用する方法が、中程度の
圧力でＳｉｎ、の上のポリシリコンをエッチするのに使
用されている。この方法の選択率は低く（７：１）、Ｌ
かも異方性ではない。

ＳｉＯヨ上のケイ化モリブテン及びポリシリコンの層を
エッチするための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ッチするのに使用する第２の
エッチャントはＣＣ（１，Ｆ、及びＣ，Ｆｓより成る。

絶粋なＣＣＱ、Ｆ、もＳｉｎ、の上のポリシリコンをエ
ッ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。

Ｃ０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。

Ｄ０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ＣＣΩｚＦ’ｚ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（ｅｌｅ
＋＋ｅｎｔａｌ）ケイ素を含む層を示す、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・エッチング：ＲＦ放電によって発生したプラ
ズマによっ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：エッチすべき表面と衝突
する加速された種によっ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）もしくはスパッタ・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ッチ
されるべき表面に向って加速されるプラズマによって進
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。

エッチのプロフィール：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。

アンダーカット・・・・壁の一部がレジストの下にある
傾斜壁。

等方性：すべでの方向（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ッチ領域
が垂直方向のエッチの寸法に略等しくアンダーカットさ
れる。

異方性二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ッチ・プロフィー
ルを生じる。

選択性（選択率）二ニッ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１ｏ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によって電力が供給される。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・エッチング装置（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）によって排気される。エツチング気体は気体入口
１６を介してエツチング室ｌｏ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率サーボ装置によって
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って
、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って特徴付けられる。エツチン
グ過程中に形成される揮発性の生成物は排気管１４を介
して室から排出される。

（３）エッチャント 本発明において使用されるエッチャ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ＣＣΩ、Ｆ２、
及びす、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ＣＣ１２ｘ　
Ｆ　ｘ　：　Ｎ　Ｈｓ　ノ比（容積）が約８０　：　２
０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粋なＣＣ１１，Ｆ、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、かなりなアンダーカットを生
ずる。水素イオンをＣＣＵ、Ｆ、に加える事によって、
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
て不能和種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
圧力では不能和種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、不能和種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、成る重合体は依
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
種によって除去される。側壁上に形成される重合体は加
速塩素によっては侵食されず、アンダーカットを生ずる
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（２ｏ）より成る物体をエッチするのに使用される
。本発明の方法は、Ｓｉｎ、Ｓｉｎ、、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１００ＳＣ：ＣＭ　
（ＣＧ／分）であり、約３０乃至６０８ＣＣＭ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／ｄ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
用する装置によって異なる。

（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９９−１ｏａである６工ツチ室
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
０．２２　Ｗ／ａＪである。エッ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ＩＢＭ３８２０膜厚分析器
（Ｉ　８Ｍ３８２０Ｆｉ１ｍ　Ｔｈ１ｃｋｎｅｓｓ　Ａ
ｎａｌｙｚｅｒ）によりエツチング前後の薄膜の厚さを
計測する事によって測定した。

基板は＜１００＞配向の単結晶のケイ素ウェハである。

ＭＯ８構造体を得るために、２５０人の厚さのゲート酸
化物を熱的に成長した０次にＬＰＧＶＤ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ＰＯ
ＣＱ３を添加した。

次の実施例１．２及び３の基板は厚さ４３００人のポリ
シリコンである。実施例４及び５の基板は１７００人の
ポリシリコンとその上に同時蒸着によって付着した２５
００人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・・・・４０８ＣＣＭ ＮＨ，の比・・・・２０％ Ｎ＋ポリシリコンで４９０人／分のエッチング速度が実
現された。エッチのプロフィールは垂直で、ポリシリコ
ンのＳｉｏ、に対するＥＲＲは１１：１であった。

例２： 圧力・・・・８０ミリトール 流量・・・・４０ＳＣＣＭ ＮＨ，の比・・・・３５％ Ｎ＋ポリシリコンで５４０人／分のエツチング速度が実
現された。エッチ・プロフィールは垂直であり、ポリシ
リコンの５ｉｎ２に対するＥＲＲは１８：１であった。

例３： 圧力・・・・１００ミリトール 流量・・・・４０８　ＣＣＭ Ｎ　Ｈ、の比・・・・４５％ Ｎ＋ポリシリコンで６２０人／分のエツチング速度が実
現された。エッチ・プロフィールは垂直で、ポリシリコ
ンのＳｉＯ２に対するＥＲＲは３１：１であった。

例４： ケイ化タングステンで５４０人／分のエツチング速度が
実現された。エッチ・プロフィールは垂直で、ケイ化タ
ングステンのＳｉｎ、に対するＥＲＲは１８：１であっ
た。

例５： 圧力・・・・１００ミリトール 流量・・・・４０８ＣＣＭ ＮＨ，の比・・・・４５％ ケイ化タングステンで６２０人／分のエツチング速度が
実現された。エッチ・プロフィールは垂直で、ケイ化物
の５ｉｎ２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＋ポリシリコンをエッチした場合のＣＣＱ２Ｆ、
に対するＮＨ，の比（％）の効果を示した、ＳＥＭより
得た断面のスケッチであり、第３ａ図は純粋なＣＣＵ、
Ｆ２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ＮＨ，が３７．５％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・エッ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
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。

Ｆ６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＋ポリシリコンをエッチした場合の
ＣＣＱ２Ｆ２に対するＮＨ，の比（％）の効果を示した
、ＳＥＭより得た断面のスケッチであり、第３ａ図は純
粋なＣＣＵ、Ｆ２の場合、第３ｂ図はＮ■Ｉ、が３３容
量％の場合、第３ｃ図はＮＦＩ：ｌが３７．５％の場合
を示す。 １０・・・・エツチング室、１１・・・・接地電極、１
２・・・・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。 出願人　　インターナショナル・ビジネス・マシーンズ
・コーポレーション 代理人　　弁理士　　山　　本　　仁　　朗（外１名） ２６−・−マスク 本発明４遁用した１板 ニツチング装置 第２図 純粋ＣＣｌ２Ｆ２の場合 第３ａ図 ＮＨ３が゛３３客ｔ’／。 第３ｂ図 Ｎ８３１％−３７，５岩量０７゜ 第３０図

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （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）ＣＣｌ＿２Ｆ＿２と、 （ｂ）上記共有結合ケイ素含有層に対する上記元素的ケ
   イ素含有層のエッチング速度の割合を十分高める程度の
   量のアンモニアとの混合物を含む、 プラズマ・エッチング方法。
2. （２）上記混合物において、アンモニアの容量％が２０
   ないし６５である特許請求の範囲第（１）項記載の方法
   。
3. （３）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である特許請求の範囲第
   （１）項記載の方法。
4. （４）上記共有結合ケイ素含有層が、２酸化シリコンま
   たは窒化シリコンである特許請求の範囲第（３）項記載
   の方法。