JPS63124420A - ドライエツチング方法 - 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】 〔発明の目的〕 （産業上の利用分野） 本発明は、半導体素子の製造に用いるドライエツチング
方法に関する。

（従来の技術） 近年、集積回路は微細化の一途を辿っているが、集積度
の高いＬＳＩでは、素子分離領域の面積を小さくするた
めに、素子分離領域に細くて深い溝を堀り、この溝内に
絶縁物を埋め込み形成する技術が必須である。さらに、
素子占有面積を小さくしてもキャパシタ容量を下げない
ために、上記と同様に溝を形成しその側壁にキャパシタ
を形成する技術等が必須となり、現在その開発が進めら
れている。

このような微細な溝の加工には、プラズマエツチング技
術が不可欠である。プラズマエツチング技術は、反応性
ガスプラズマ中の活性種及びイオンと被エツチング材料
との物理化学反応を利用してエツチングする方法である
。例えば、第４図に示す如く被エツチング基体（５１）
の上面にエツチングマスク（５２）を形成しておき、垂
直に加速されたイオン（５３ａ）が基体（５１）に衝突
すること、および活性種（５３ｂ）が基体（５１）と化
学反応を生じることによって、垂直な壁面（５４ａ）を
持つ微細な溝（５４）が形成される。この技術には、反
応性イオンエツチング、反応性イオンビームエツチング
、イオンビームアシストエツチング、ＥＣＲ（電子サイ
クロトロン共鳴）エツチング法等が知られている。

ところで、本発明者等が上記のエツチング法により微細
溝を形成する各種の実験を行ったところ、溝の側壁にア
ンダーカットが生じることを見出した。そして、今後さ
らに微細化が進み、溝幅が０．５〔μｓ〕以下、更に０
．２〔μｍ〕程度になってくると、アンダーカットはよ
り顕著に現われてくることも判明した。以下に、その理
由について、第５図を参照して説明する。

即ち、エツチングマスク（５２）に上方から入射したイ
オン（５３）は、その一部が通常はテーパ状に形成され
るマスク（５２）の側壁（５２ａ）で反射され、対向し
た溝（５４）の側壁（５４ａ）に衝突する。その結果、
溝（５４）の上部ではマスク（５２）の下にもエツチン
グが進み、所謂アンダーカットが発生するのである。

又、マスク（５２）の側壁（５２ａ）が垂直に形成され
たとしても、エツチングがすすむにつれてマスク（５２
）端面の上部から、スパッタリングによって傾斜した面
が形成され、この面にイオン（５３）が反射することに
よってアンダーカットが生じてしまう。

このアンダーカットは、微細溝に特有の現象であり、溝
幅が広い場合には反射イオンが側壁の下方にも進むため
、略垂直な溝となり問題とならない。

そして、このアンダーカットは、 ■　パターン幅が希望したものと異なる。

■　トレンチキャパシタ等を形成した場合、電流リーク
の原因になる。

■　溝内に絶縁物を埋込む場合↓こ空間が残る。

等の種々の不都合を生じ、超ＬＳＩを製造する上での大
きな問題となる。

（発明が解決しようとする問題点） このように従来の方法では、微細な溝のイオンエツチン
グを行なう場合、溝の上部に形成されているマスクでイ
オンが反射し、この反射イオンによって被エツチング基
体の溝の側面にアンダーカットを生じるという問題があ
った。

本発明の目的とするところは、このアンダーカットをな
くし、はぼ垂直あるいは順テーパの良好な溝のエツチン
グ形状を得ることができ、半導体素子の高性能化に有効
な基体のエツチング方法を提供することにある。

〔発明の構成〕

（問題点を解決するための手段） 本発明は、上記目的を達成するためにエツチングガスと
してプラズマ重合により堆積を生じるガス、゛あるいは
エツチング生成物と反応して堆積を生じるガス等を用い
、これらのガス圧力を１Ｏ−２Ｔｏｒｒ未満の高真空に
設定し、かつ被エツチング試料基板を７０℃未満に冷却
することを特徴とする特ライエツチング方法を提供する
。

（作　用） 本発明によれば１Ｏ−２Ｔｏｒｒ未満の高真空のガス圧
力条件でプラズマからの直接イオン照射の少ない溝の側
面にプラズマ重合あるいはエツチング生成物とエツチン
グガスとの反応により堆積膜を形成し、かつ基板を冷却
して堆積膜を強固に形成することにより対向したマスク
からの反射イオンに起因したアンダーカットを防ぐこと
が可能となる。

（実施例） 以下、本発明の詳細を図示の実施例によって説明する。

第１図は本発明の第１の実施例方法に使用したドライエ
ツチング装置を示す概略構成図である。

図中（１０）は真空容器であり、この容器（１ｏ）内に
は第１及び第２の電極（１１）、　（１２）が対向配置
されている。第１の電極（陰極）　（１１）は、その上
面に被エツチング基体（１３）を載置するもので、この
電極（１１）にはエツチング回路（１４）を介して高周
波電源（１５）から高周波電力が印加される。さらに、
第１の電極（１１）は冷却機構（１６）により冷却され
るものとなっている。

第１の電極（１］）に対向する第２の電極（陽極）（１
２）は、容器（１０）の土壁で構成されており、接地さ
れている。この第２の電極（１２）は、容器と一体の構
造とせずに、別に設けてもよい。ここで、第２の電極（
１２）の下面すなわち、電極（１１）と対向する面の全
面には、図示しない石英板等が被着されている。これは
、狭い電極間にマグネトロン放電により高密度プラズマ
が形成されるため、電極（１２）がスパッタされる場合
があり、そのとき電極（１２）表面が露出していると被
エツチング基体（１３）が汚染されるからである。

なお、第１．第２の電極（１１）、　（１２）間の距離
は、この実施例では、４０ｎｎに設定した。

この距離の設定は、装置構成により異なるが、少なくと
も第１及び第２の電極（１１）、　（１２）間に生じる
磁場が基体（１３）に届く距離であればよい。

容器（１０）には、ガス導入口（１７）が設けられてお
り、エツチング時にこの導入口（１７）から容器（１ｏ
）内にＣＵ２等のハロゲンガスあるいはＣＦ４１　ＣＢ
ｒＦｉ等のガスが導入される。そして、容器（１０）内
のガスはガス排気口（１８）から排気されるものとなっ
ている。

前記容器（１０）の外部で前記第２の電極（１２）の上
面には、永久磁石（２０ａ）を円環状にＮ５ＮＳの順に
並べた磁場発生器（２０）が配置されている。この磁場
発生器（２０）は、第２の電極（１２）を通して第１及
び第２の電極（１，１）、　（１２）間に所定の磁場を
形成するものであり、回転機構（２１）により第２の電
極（１２）に沿って偏心回転されるものとなっている。

なお、図中（２３）は磁場発生器（２０）による発散磁
界の分布を示したものである。

このような構成であれば、容器１０内に所定のガスを供
給し容器（１０）内を所定の圧力に保持し、電極（１１
，）　＋’　（１２）間に高周波電力を印加すると共に
、磁場発生器（２０）を偏心回転運動させることにより
、被エツチング基体（１３）上に高密度で均一なプラズ
マを形成することができ、被エツチング基体（１３）を
高速で均一にエツチングすることができる。

第１の実施例 次に、上記装置を用いた本発明による第１の実施例を示
す。

第２図（ａ）は、　シリコン酸化（ＳｉＯ□）膜をマス
ク（２２）として単結晶シリコン（Ｓｉ）基板（２３）
に対してエツチングガスとして塩素（ＣＵ、　）ガスだ
けを導入して、溝を形成する様子を示した図である。

又、この実施例では第１図においてＣＣ２ガス圧力を５
　Ｘ　１Ｏ−３Ｔｏｒｒ、その流量を３０ｃｃ／ｍｉｎ
とし、電極には１ｗ／ｃｎＴの高周波電力（ＲＦ）密度
の電力を印加した。又、第１の電極（カソード）　（１
１）に２０℃の水を循環させて基板（１３）を冷却し、
基板（１３）とこの基板を載置しているカソード（１１
）は静電チャックにより密着させた。

ここで、静電チャックはカソード（Ｊｌ）上にカプトン
あるいはマイラなどのポリマフィルムを接着し、その上
に基板（１３）を置いてカソード（１１）と基板（１３
）間に〜数ＫＶの電圧を印加する方式とした。

この方式は、エツチング中には電圧を印加し続ける必要
はない。又、静電チャックは他の方式、例えばカソード
の上に銅膜を挟持する２枚のカプトンを載置し、更にそ
の上に基板を置くようにして、前記銅膜とカソードに電
圧を印加する方式で行なってもよい。さらに、機械的に
基板とカソードを密着させる方式でも冷却が充分行なえ
ればよい。

以上の条件でエツチングを行うと、第２図（ａ）に示す
ように基体（２３）は、エツチングガスによるＣＱイオ
ン（２６）でエツチングされながら溝側面上部に厚い堆
積膜（２４）が形成される。この堆積膜は、エツチング
が進むにつれ除々に厚く堆積していくため、エツチング
深さが深くなるにつれ溝の実質的な開口幅（２５）がせ
ばまりその結果、図の如くテーパ状の溝となる。この形
状は、後の工程でこの溝に絶縁膜などを埋め込む場合に
極めて好都合である。すなわち、溝内部に″す”を残さ
ずに埋め込むことが可能となる。

この堆積膜（２４）の組成はシリコン酸化物であると考
えられる。例えばＣらだけでエツチングした場合、マス
クのＳｉＯ□から酸素が供給されるとともに、マスクお
よび基板のエツチング生成物５ｉＣＱつ（Ｘ＝１〜４）
がプラズマ中で酸化され、イオン衝撃の少ない溝側面に
堆積したものと考えられる。

またＣ息２の流量が少ないほど堆積は起こりやすい。

なぜならばエツチング速度がガス流量によらず一定であ
るとするとＣＤ、２流量を上げた場合堆積膜のソースと
なる前記エツチング生成物５ｉＣＩ２ｙおよび５ｉｎ２
から放出される酸素の量が相対的に減少するためである
。

又、堆積膜（２４）はＣＩ２□ガスの流量が２０ｃｃ〜
６０ｃｃ／ｍｉｎの範囲にあれば、例えば０．５ｐの開
口部に対して厚くつきすぎることはない。但し、流量が
〜２０ｃｃの場合、堆積膜厚はより厚く開口部側壁に堆
積するため開口幅がせばまりテーパの角度は大となって
くるが、アンダーカットを防止するという効果は得られ
る。

次に、基板（２３）に所望の溝の形状が形成されたら第
２図（ｂ）に示すように堆積膜（２４）を希フッ酸処理
して除去することができる。この実施例では３ｐの深さ
、開口径は０．５ｊＪｎであったが、深さは５ｐ程度ま
でエツチング可能である。

また、ＣＱ２ガスに酸素（０□）（５％）を添加して同
様にエツチングを行なうと堆積膜は第２図（ａ）に示し
たものよりも厚く堆積する。

ここで、エツチング中の冷却水温度を上げ、同様に形状
を観察すると、温度上昇に伴い、上述の堆積膜は薄くな
り（堆積膜の吸着確立が低下することが原因と考えられ
る）、７０℃以上では、第十図に示す様に、側面を保護
できずアンダーカットを生ずる。したがって、良好なエ
ツチング形状を得るためには、基板温度は少なくとも７
０℃未満に保ち得るように冷却水温度を設定する。

以上、述べたようにエツチングを行なえば、基体（２３
）にはアンダーカットの生じない溝を形成することがで
きる。

第」し４去】１殊 次に、単結晶Ｓｉ基板（２３）に対して、エツチングガ
スとしてＣＢｒＦ３ガスを用いてエツチングした場合に
ついて示す。マスクは第１の実施例と同様に５ｉｎ２膜
（２２）を用い、ガス圧力はやはり、高真空の５　Ｘ　
１０−２Ｔｏｒｒ、流量は３０　ｃｃ　／分とした。第
３図は。

１２一 基板冷却を十分性ないながらエツチングをした場合の溝
のエツチング形状の断面図である。（３３）はエツチン
グガスにより生じたイオンである。Ｃａ２ガスを用いた
場合と異なり、溝（３０）の側壁（３１）には厚い堆積
膜は観察されないがアンダーカットは発生しない。これ
は、側壁（３１）には薄いが強固なフロロカーボン（Ｃ
Ｆつ）系の堆積膜（３２）が形成されたからと考えられ
る。すなわち弗素（Ｆ）を含むガスによるシリコン基板
のエツチングでは、エツチング生成物として比較的蒸気
圧の高いＳｉＦつが生成される。この場合５ｉ−Ｆの結
合は第１の実施例で生成されたＳｉ　−Ｃ１の結合より
大きいので酸化されにくい。このためＳｉを含む厚い堆
積膜は生じないが、本来、堆積膜を生じ易いＣＦＸを含
むため薄い膜が側壁に付着し、アンダーカットを生じな
いようにできるのである。

又、基板温度を上昇させて溝の形状を観察した未満に冷
却すればアンダーカットは生じなかった。

又、堆積膜の除去は酸素プラズマにさらした後、第１の
実施例と同様に希フッ酸処理をすることにより行なえば
よい。

この実施例では、ＣＦ系のガスを用いたがＣＨ（ハイド
ロカーボン）系のガスでエツチング生成物と反応し、堆
積を生じるものであれば何でもよい。

又、本発明は上述した第１及び第２の実施例以外にも、
本発明の要旨を逸脱しない範囲で適宜応用可能であり、
例えば導入するエツチングガスの圧力は１０”２Ｔｏｒ
ｒ未満であれば本発明による効果が得られ、又、基体は
Ｓｉ、　Ｇｅ、　ＧａＡｓ、　ＩｎＰなどの半導体材料
、ＡＱ、　ＭｏＳｉ２等の金属、金属シリサイドでもよ
い。

〔発明の効果〕

以上述べたように、本発明によれば開口幅が狭い溝であ
っても、溝の側壁は堆積膜で保護されるのでアンダーカ
ットを生じることなく良好なエツチングをすることがで
きる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に用いたドライエツチング装置の一例を
示す概略構成図、第２図は本発明による第１の実施例を
説明するための図、第３図は本発明による第２の実施例
を説明するための図、第４図は反応性イオンエツチング
（ＲＩＥ）法の説明図、第５図は従来のＲＩＥ法の問題
点を説明するための図である。 １０・・・真空容器、　　　　１１・・・第１の電極、
１２・・・第２の電極、　　　１３・・・被エツチング
基体、１７・・エツチングガス導入口、 ２４．３２・・・堆積膜。 代理人　弁理士　　則　近　憲　体 間　　　　　竹　花　喜久男

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. （１）主表面上に選択的にマスクが形成された被エッチ
   ング基体を載置した第１の電極とこの第１の電極に対向
   して設けられた第２の電極を内部に備えた容器の中にガ
   ス圧力を１＾−＾２Ｔｏｒｒ未満に設定するようにエッ
   チングガスを導入するとともに前記第１及び第２の電極
   間にプラズマを生起せしめ、かつ前記試料の温度は７０
   ℃未満に冷却することを特徴とするドライエッチング方
   法。
2. （２）前記エッチングガスは、プラズマ重合により堆積
   を生じるガス、或いはエッチング生成物と反応して堆積
   を生じるガスである特許請求の範囲第１項記載のドライ
   エッチング方法。
3. （３）前記エッチングガスは、少なくとも塩素、弗素な
   どのハロゲン元素を含むガスである特許請求の範囲第１
   項乃至第２項記載のドライエッチング方法。
4. （４）前記基体は、単結晶シリコン、多結晶シリコン、
   アモルファスシリコン、ゲルマニウム（Ｇｅ）、ガリウ
   ムヒ素（ＧａＡｓ）、インジウムリン（ＩｎＰ）、など
   の半導体材料、アルミニウム（Ａｌ）、モリブデンシリ
   サイド（ＭｏＳｉ＿２）等の金属、金属シリサイドであ
   る特許請求の範囲第１項記載のドライエッチング方法。
5. （５）前記第１の電極が７０℃未満に冷却されることを
   特徴とする特許請求の範囲第１項記載のドライエッチン
   グ方法。
6. （６）前記プラズマの生起は、前記第１及び第２の電極
   間に高周波電力を印加することにより行なう特許請求の
   範囲第１項記載のドライエッチング方法。
7. （７）前記マスクは、被エッチング基体の酸化物である
   特許請求の範囲第１項記載のドライエッチング方法。
8. （８）前記基体は、静電チャック方式により前記第１の
   電極上に固定することを特徴とする特許請求の範囲第１
   項記載のドライエッチング方法。
9. （９）前記エッチングガスは、酸素を含むことを特徴と
   する特許請求の範囲第１項乃至第２項記載のドライエッ
   チング方法。