JPS6252933A - 気体プラズマ・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
び方法に関する。

Ｂ、従来技術 半導体装置の製造には通常装置を形成する特定の層をパ
ターンに従ってエツチングする段階が存在する。このエ
ツチングは種々の方法で行う事が出来る。従前はこの様
なエツチングはウェットな化学薬品で行われていた。ウ
ェット・エツチングには多くの欠点がある。このエツチ
ングは等方性であって、垂直方向のみならず横方向にも
生じ、レジストの像よりも幅広い線をエッチしてしまう
。

さらに使用する化学薬品は通常作業員にとって極めて危
険であり、汚染物質である。最後に、エツチング段階に
続いて洗浄及び乾燥工程が必要である。この追加的な工
程は処理時間を増し、収率を減少する。

より最近の処理では気体プラズマが使用されている。気
体は封止した反応室内に含まれているので、作業員に対
する危険性はない。かなり少量のエツチング気体が使用
され廃棄物が気体であるため、汚染物を除去するための
ガス洗浄が可能である。また、洗浄及び乾燥工程が不要
になるだけでなく、レジストの除去がエツチングの完了
後室中で遂行出来る。処理時間が減少し、収率が増加す
る。

気体プラズマ・エッチングにエツチング種をエッチされ
る物体に向かって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（ＲＩ　Ｅ）として知られている。

気体プラズマの使用によって得られる利点に加えて、こ
の様にして遂行されるエツチングが異方性を示し、主に
垂直方向に行われる。異方性の程度をもっばら圧力によ
って決定される。圧力が低い程、エツチングはより異方
性となる。それは低圧では室中の粒子の平均自由行程が
長いからである。低圧では粒子がエッチされる表面に向
って加速される時他の粒子と衝突する可能性が少なくな
る。他の粒子と衝突すると、粒変 子の方向が勢り、高圧では低圧の場合よりも垂直壁がか
なり侵食され易くなる。

選択性も考慮しなければならない他の因子である。完全
に選択的な過程とは上層はエッチされるが下層はエツチ
ングされない過程の事である。実際にはこの様な事は絶
対に生じない。選択性（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、圧力が低い程、エツチングの選択性は小さく
なる。

これは粒子の運動エネルギが高く、粒子の衝突による無
差別な物理的エツチングが、選択的な化学的エツチング
と共に生ずるからである。

ドライ・エツチングが使用されている半導体製造の１つ
の分野は２酸化ケイ素、窒化ケイ素もしくはオキシ窒化
ケイ素のような絶縁層の上のポリシリコン（多結晶ケイ
素）もしくは耐火性ケイ化金属の層をパターン化する分
野である。特定の例は（ＭＯＳＦＥＴ）装置の製造時の
ポリシリコンもしくはポリサイドのゲート電極の画定で
ある。

選択性及び異方性が異なる多くのエツチング技術が提案
されている。試みられている１つの気体はＣ（ＩＦ、で
ある。

ＣＧΩＦ、は２酸化ケイ素上のポリシリコンをエツチン
グするのに比較的高圧（１００ミリトール以下）で使用
されており、選択性は優れているが、異方性でない、第
２図は純粋なＣＣｎＦ、により種々の圧力でエッチした
Ｓｉｏ、上のＮ＋ポリシリコンのエッチ・プロフィール
を示す、第２Ｃ図に示した様に１００ミリトールの圧力
で過剰なルの場合を示す。純粋なＣ（ＩＩＦ、の場合は
、高い圧力では不能和種ＣＦｘ＋に対して過剰なＣ０種
が存在すると考えられる。この等の塩素種は高い圧力と
平均自由行程が減少するために低エネルギである。塩素
種はランダムな方向に拡散し、エツチングされるべき層
の垂直及び水平表面の両方を侵食する。従って、この過
程はかなりなアンダーカットを生じ、方向性が乏しくな
る。

低圧（２５ミリトール）ＲＩＥ方法がケイ素に関連して
Ｓｉｏ、をエツチングするために開発された。この方法
はＣＣｌＦ、に水素分子を追加したものである。分子の
水素は余分の塩素のゲッタとして働く。これによって周
辺のＣＦｘ”の相対量が多くなる。低圧では、ＣＦｘ”
″はＳｉｎ、をエツチングするが、周辺に塩素が少ない
ためにケイ素はエツチングされない。

Ｃ１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のドライ・エ
ツチングのための改良方法を与える事にある。

本発明の他の目的は、下層の酸化ケイ素もしくは窒化ケ
イ素に対して選択性を示す、ポリシリコンもしくはケイ
化物を異方性ドライ・エツチングする方法を与える事に
ある。

本発明のさらに他の目的は、中庸の圧力から高い圧力の
範囲及び低電力密度で遂行出来る、ポリシリコンもしく
はケイ化物をドライ・エツチングする異方性で選択性の
ある方法を与える事にある。

Ｄ０問題点を解決するための手段 本発明によれば、中程度の圧力でＣＣｌＦ、とアンモニ
アの混合物を反応性イオン・エツチング室中で使用する
ことにより、下層の酸化ケイ素もしくは窒化ケイ素に対
して選択性が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 元素のケイ素含有層：この用語は元素のケイ素を含む層
を示す。

この層は単結晶もしくは多結晶のどちらでも良い。この
層は任意のレベルドーピングして、正負いずれかの導電
型に設定してもよい。ケイ素はモリブテン、タングステ
ン、チタニウムもしくはタンタルの如き耐火性金属のケ
イ化物の如き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化合物：これは窒素もしくは酸素の
如き他の元素と共有結合したケイ素の化学的化合物を含
む。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がある。

プラズマ・エッチング：ＲＦ放電によって発生するプラ
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：エツチングすべき表面を
加速した種によって衝撃する事によって進行するエツチ
ング。主たる除去機構は物理的運動量の移動である。イ
オン・ミリングもしくはスパッタ・エツチングと呼ぶ。

反応性イオン・エツチング：プラズマ中の反応性の種が
エツチングすべき表面に向って加速される事によって進
行するエツチング。除去機構は加速した種と表面間との
化学的相互作用及び物理的相互作用の組合せである。

エッチ・プロフィール：エッチした構造体に生ずる壁の
構造 次のものがある。

垂直壁・・・・レジストの端と同じ平面中にあり、基板
の表面に垂直な直線壁 アンダーカット壁・・・・壁の一部がレジストの下に来
る傾斜壁 等方性エツチング：すべでの方向（垂直及び横方向）に
一様な率で進行するエツチング６レジストに一番近いエ
ッチ領域が垂直方向のエツチングの寸法と略等しい寸法
にアンダーカットされる。

異方性エツチング二方向性がある、即ち横方向よりも垂
直方向に速く進行するエツチング。理想的な異方性エツ
チングは垂直なエッチ・プロフィールを生ずる。

選択的エツチング：エッチャントと材料の各々の間の化
学的反応の割合の差により一つの材料が他の材料よりも
優先的にエツチングされるエツチング。選択率は２つの
隣接する層のエツチング速度の比（ＥＲＲ）として表わ
される。

（２）エツチング装置 代表的な反応性イオン・エツチング装置を第３図に示す
。これは平行板電極１１及び１２を含むエツチング室１
０より成る。この構造では上の電極１１が接地されてい
る。下の電極１２はＲＦ発生器１３から電力を受ける。

電極の一方もしくは両方が冷却され、これ等の間の距離
は調節出来る様になっている。プラズマ・エッチング装
置（図示されず）では、装置の構造は同じであるが、下
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を介してポンプ装置（図
示されず）によって排気される。エツチング気体は気体
導入口１６を介してエツチング室１０に供給される。装
置は多くの気体チャネルを有する。反応性気体の流れは
圧力サーボ装置もしくは流率サーボ装置によって制御さ
れる。

適切な気体もしくは混合気体を室１０に導入し。

上の電極１１及び下の電極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の直ぐ近くの均一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生成物は排気管
１４を介して室１０から排気される。

（３）エツチング気体 本発明に従って使用されるエツチング混合気体は次のも
のより成る。

ａ、ＣＦｘを供給する気体のフッ化炭素及び塩素イオン ｂ、水素イオンを供給出来る気体 好ましい気体のフルオロカーボンはＣＣｌＦ。

で好ましい水素イオン源はアンモニアである。アンモニ
アは選択性を増加するのに有効な量、例えばＣＣＱ　Ｆ
、　：　ＮＨ，の比（容量／容量）が約８０：２０乃至
約３５　：　６５になる様に使用する。１００ミリトー
ルの圧力で純粋なＣＣｌＦ、　を使用した場合、不飽和
種ＣＦｘに対して過剰な塩素イオンが存在する。上述の
様にこの過剰な塩素はランダムな方向に拡散して、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ＣＣｌＦ、に添加する事によって過剰な塩
素イオンが除去され、ＣＦｘイオンの濃度と塩素イオン
の濃度が平衡する。アンモニアは２つの理由で水素イオ
ン源として水素気体よりも優れている。第１に、アンモ
ニアの気体は水素の気体よりも処理の窓がはるかに広い
。この事は重要である。それは水素を過剰に加え過ぎる
と、多量の塩素が除去され、不飽和種ＣＦｘが優勢にな
るからである。多量の塩素を除去した後の結果は圧力に
依存する。相対的に高い圧力では不飽和種ＣＦ、のエネ
ルギは低く、すべての露出表面上にポリマとして被覆す
る。そして、正味の結果はエツチングでなく被覆過程に
なる。相対的に低い圧力では不飽和ＣＦｘのエネルギが
高くなる。上述の様にＣＣｌＦ、に水素を加えると、低
い圧力（２５ミリトール）では、本発明の目的と反対と
見放される過程になる。即ちこの過程はＳｉ上の５ｉｎ
２を優先的にエツチングするが１本発明の目的はＳｉｏ
、上のＳＬをエツチングする事である。

低圧力でＣＣｌＦ、とＨ２の混合気体を使用する過程で
は、５ｉｎ２をエツチングする。それはＳｉＯ２のエツ
チング媒体である高エネルギＣＦｘ種が優勢になるから
である。水素イオン源として水素気体よりもアンモニア
が好ましいのは、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。これによってポリマの形成が
減少するという追加的な利点が得られる。勿論、成るポ
リマは露出表面上に依然形成される。水平表面上に形成
されたポリマは適切に平衡した混合物中の塩素種によっ
て除去される。側壁上に形成されたポリマは加速されて
塩素種によって侵食されず、アンダーカットを生ずる横
方向エツチングを減少する。

場合によっては、不活性気体を含むエッチャント混合気
体を使用する事が要望される。この場合、ＣＣｌＩＦ５
対アンモニアの比は不活性気体を含まない場合の組成と
同じに保持される。不活性気体はエツチングの均一性を
増加して、室の冷却を助ける。使用出来る不活性気体の
例はヘリウムの様な希ガスである。

（４）基板 本発明の方法は１乃至それ以上の層がその上に存在する
基板２０より成る物体をエツチングするのに使用される
（第１図参照）。本発明の方法によりＳｉｎ、５ｉｎ２
、窒化ケイ素もしくはオキシ窒化ケイ素の如き共有結合
ケイ素含有層２２上の添加ポリシリコンもしくは耐火性
ケイ化金属の如き元素のケイ素含有層２４を選択的にエ
ツチングする事が可能になる。この方法をパターン化し
た物体を形成するのに使用する時は、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ミリトール間の圧力の
真空中で実施する事が好ましい、１００ミリトールより
も高い圧力は通常使用されない。

それは以下説明される様に、過剰に多量のポリマが表面
上に一面に被覆されるからである。約６０ミリトール以
下の圧力では選択性が減少する。

気体の全流量は一般に１５乃至１０００ｃ／分であり、
３０乃至６０ＣＣ／分（２５℃及び７６０トールの標準
状態）である事が好ましい。

ＲＦ電力源は約０．２乃至０．３ワット／ｄ間の電力密
度で動作する。しかしながら、このパラメータは使用す
る装置に依存する。

（６）具体的実施条件 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９−１０ｃ＋＋にした。エツチ
ング室内のすべての部品はアルミニウムで構成されてい
る。１３．５６ＭＨｚのＲＦ電力を下の電極に容量的に
結合し上の電極及び室壁を完全に接地する。電力密度は
０．２２　Ｗ／ａｄである。エツチング気体を室の前面
にある多岐管を通して導入し、背面から排気する。エツ
チング速度はレーザ干渉計のトレースもしくはＩＢＭ３
８２０膜厚分析器（Ｉ　Ｂ　Ｍ　３８２０　Ｆｉｌｍ　
Ｔｈ１ｃｋｎｅｓｓ　Ａｎａｌｙｚｅｒ）によってエツ
チング前後の膜厚を測定する事によって得られる。選択
率は測定したエツチング速度から計算する。基板は＜１
００＞配向の単結晶ケイ素ウェハである。ＭＯ８構造体
を製造するために、２５０人の厚さのゲート酸化物を熱
的に成長した。次にＬＰＧＶＤを使用して６２５℃の温
度でポリシリコンを付着した０次にこのポリシリコンに
ＰＯＣＱ３を添加した、次の実施例１．２及び３の基板
は厚さが４３００人のポリシリコンの場合である。実施
例４及び５のポリシリコンの厚さは１７００人であり、
その上に２５００人のケイ化タングステンを共蒸着を使
用して付着した。

（７）例 例１ 圧　力・・・・６０ミリトール 流　量・・・・４０ＣＣ／分 ％ＮＨ３・・・・２０％ Ｎ＋ポリシリコンで４９０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１１：１であった（第５ｂ
図のＳＥＭのスケッチ参照）。

因に第５ａ図は純粋なＣＣｌＦ、の場合、第５Ｃ図は５
０％のＮＨ，を含む場合を示す。

例２ 圧　力・・・・８０ミリトール 流　量・・・・４０ＣＣ／分 ％ＮＨ，・・・・３０％ ５４０人／分のエツチング速度がＮ＋ポリシリコンで実
現された。エッチ・プロフィールは垂直で、ポリシリコ
ンの５ｌＯ２に対するＥＲＲは１８：１であった。

例３ 圧　力・・・・１００ミリトール 流　量・・・・４０ＣＣ／分 ％ＮＨ，・・・・４５％ ６２０人／分のエツチング速度がＮ＋ポリシリコンで実
現された。エッチ・プロフィールは垂直でポリシリコン
の５ｉｎ２に対するＥＲＲは３１：１であった。第４ａ
図は圧力が１００ミリトールでエッチャントが純粋なＣ
ＣｌＦ、の場合、第４ｂ図は２０％のＮＨ，を含む場合
、第４ｃ図は３０％のＮＨ，を含む場合、第４ｄ図は５
０％のＮＨ３を含む場合のエッチ・プロフィールを示す
。

例４ 圧　力・・・・１００ミリトール 流　量・・・・４０ＣＣ／分 ％ＮＨ，・・・・３５％ ５４０人／分のエツチング速度がケイ化タングステンで
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５ｉｎ２に対するＥＲＲは１８：１であっ
た。

例５ 圧　力・・・・１００ミリトール 流　量・・・・４０ＣＣ／分 ％ＮＨ，・・・・４５％ ６２０人／分のエツチング速度がケイ化タングステンで
実現した。エッチ・プロフィールは垂直で、ケイ化タン
グステンのＳ　ｉｏ２に対するＥＲＲは３１：１であっ
た。

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。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な概念に基づくも
のを含む異なるエツチング・モードが開示されたプラズ
マの環境で可能である。

Ｆ０発明の効果 本発明によれば、下層の酸化ケイ素及び窒化ケイ素に対
して選択性を示すポリシリコンもしくはケイ化物の異方
性ドライ・エツチング方法が与えられる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の方法を適用した後の基板の拡大断面図
である。第２ａ図、第２ｂ図、第２ｃ図は純粋なＣＣｌ
Ｆ、中で夫々２２ミリトール、６０ミリトール及び１０
０ミリトールの圧力においてエツチングしたＳｉｎ、上
のＮ＋ポリシリコンのプロフィールをＳＥＭにより撮影
した像のスケッチである。第３図は本発明の方法を実施
した装置の概略的断面図である。第４ａ図、第４ｂ図、
第４ｃ図及び第４ｄ図は１００ミリトールの圧力でＮ＋
ポリシリコンを、夫々純粋なＣＣｌＦ、。 ＣＣｌＦ、中に２０％容量のＮＨ３、ＣＣｌＦ、中に３
０％のＮＨ，及びＣＣＣＦ４中に５０％のＮＨ，を含む
エツチング気体でエツチングした場合の効果を示すＳＥ
Ｍのスケッチである。第５ａ図、第５ｂ図及び第５ｃ図
は６０ミリトールの圧力でＮ＋ポリシリコンを、夫々純
粋なＣＣｌＦ、、ＣＣｌＦ、中に２０％容量のＮＨ，及
びＣＣｌＦ。 中に５０％のＮＨ，を含むエツチング気体でエツチング
した場合の効果を示すＳＥＭのスケッチである。 １０・・・・エツチング室、１１．１２・・・・電極。 １３・・・・ＲＦ発生源、１４・・・・排気管、１６・
・・・気体導入口、２０・・・・基板、２２・・・・共
有結合ケイ素含有層（Ｓｉｎ、等）、２４・・・・元素
のケイ素含有層（イ嚇ポリシリコン等）、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 火施後めプロフィール 第１図 エツチング徒ｏブ資フィーＪし 第２ａ図 第２ｂ図 第２ｃ図 匿Ｊむ、＋＋Ｌ１ソ千シクａ！ 第３図 １・／千ンク後のプロフィ−）し 為４Ｃ図 第４ｂ図 第４Ｃ図 第４ｄ図 エラ千ング４裔めプロブ 第５ａ図 第５ｂ図

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）製造すべき基板の表面を形成する共有結合ケイ素
   含有層上の元素のケイ素含有層を選択的にパターンに従
   つてエッチングするため、 気体の塩化フッ化炭素と、上層のエッチング速度の下層
   のエッチング速度に対する比を増大するに有効な量のア
   ンモニアとを混合したエッチング気体を使用する気体プ
   ラズマ・エッチング方法。
2. （２）上記塩化フッ化炭素がＣＣｌＦ＿３である特許請
   求の範囲第（１）項記載の方法。
3. （３）上記ガス・プラズマがＣＣｌＦ＿３に対して２０
   乃至６５％の体積比率のアンモニアを含む特許請求の範
   囲第（２）項記載の方法。