JP3094470B2 - ドライエッチング方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は半導体装置の製造分野等
において適用されるドライエッチング方法に関し、特に
シリコン・トレンチ・エッチング等の高アスペクト比加
工を良好な異方性をもって高速に行う方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】ＶＬＳＩ、ＵＬＳＩ等の高集積化及び高
性能化が図られた半導体装置は、各種パターンのアスペ
クト比が増大され、このような半導体装置を製造するた
めに用いられるドライエッチング技術も、高アスペクト
比加工を良好な異方性をもって行うことが要求されてい
る。

【０００３】シリコン系材料層の高アスペクト比加工を
行うものとして、容量素子の形成や素子分離を目的とし
て行われるシリコン・トレンチ・エッチングである。ト
レンチの深さはデバイスの種類や用途により異なり、容
量素子では４〜５μｍ、素子分離ではＭＯＳトランジス
タ用で１μｍ、バイポーラ・トランジスタ用で４μｍ程
度とされているが、その開口径はいずれも０．３５〜
１．０μｍ程度である。シリコン・トレンチ・エッチン
グには、マスク・パターンやエッチング・パラメータ等
によってトレンチの断面形状が複雑に変化し、後工程に
おけるトレンチの埋め込みや容量の制御等が困難とな
る。したがって、主としてラジカル反応に基づいてエッ
チングを進行させるフッ素系ガス等をエッチング・ガス
の主成分とするのでは高異方性の達成が困難であり、通
常は塩素系ガスが使用される。ＳｉＣｌ₄とＮ₂の混合ガ
ス系はその代表例である。これは、ＳｉＣｌ₄から主エ
ッチング種としてＣｌ⁺を生成させるとともに、Ｎ₂の添
加によりＳｉ_xＮ_yＣｌ_zの堆積を可能とし、これを側壁
保護に利用して高異方性を達成するようにしたものであ
る。

【０００４】本願出願人は、上述のガス系にＣｌＦ₃等
のフッ素系ガスを添加することも提案している。これ
は、異方性を損なわない範囲内でＦ^*を生成し得るガス
を添加することにより、Ｃｌ⁺と単結晶シリコンとの反
応によりエッチング速度を高めるようにするものであ
る。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところで、ドライエッ
チングにおいては、上述のような高異方性，高速性の
他、低汚染性も要求される。特に、シリコン・トレンチ
・エッチングではプロセス時間が長いために、エッチン
グ中のパーティクル発生をいかに抑制するかが重要なポ
イントとなる。したがって、低汚染性の観点からはＳｉ
_xＮ_yＣｌ_zのような反応生成物の生成量は低減させるこ
とが望ましいが、エッチング速度を向上させる目的で添
加されたフッ素系ガスの影響が大きく現れ異方性が低下
してしまう。

【０００６】パーティクル汚染の抑制に効果的なガス系
として、本願出願人は先に特願平２−１９９２４９号明
細書において、被エッチング基板を０℃以下に冷却した
状態でＳ₂Ｃｌ₂のような塩化イオウ系ガス、若しくはＳ
₂Ｂｒ₂等の臭化イオウ系ガスを主体とするエッチング・
ガスを使用してシリコン系材料層をエッチングする技術
を提案している。これは、いわゆる低温エッチングによ
るラジカル反応の抑制と側壁保護との併用により高異方
性を達成しようとする技術である。例えば、Ｓ₂Ｂｒ₂を
使用する場合、側壁保護はＳ₂Ｂｒ₂から解離生成するＳ
を主体とし、これにエッチング反応生成物であるＳｉＢ
ｒ_x等が混在してなる堆積物により行われる。この堆積
物は、エッチング終了後に被エッチング基板を室温ない
しはそれ以上に加熱することにより容易に揮発除去でき
るため、パーティクル汚染を起こすおそれがない。しか
し、エッチング反応自体はＣｌ⁺若しくはＢｒ⁺によるイ
オン・アシスト反応で律速されているためエッチング速
度は低くなってしまう。

【０００７】このように、ドライエッチングにおいて高
異方性、高速性、低汚染性をすべて満足させることは容
易ではなく、より優れたプロセスが求められている。

【０００８】そこで、本発明は、シリコン系材料層のエ
ッチングにおいて、これらの諸要求をすべて満足し得る
ドライエッチング方法を提供することを課題とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明のドライエッチン
グ方法は、上述の目的を達成するために提案されるもの
であり、被エッチング基板を０℃以下に冷却しながら、
Ｓ₂Ｆ₂、ＳＦ₂，ＳＦ₄、Ｓ₂Ｆ₁₀から選ばれるいずれか
１種の第１のガスと、Ｓ₃Ｃｌ₂、Ｓ₂Ｃｌ₂、ＳＣｌ₂か
ら選ばれるいずれか１種の第２ガスとを含むエッチング
・ガスを用いてシリコン系材料層のエッチングを行うよ
うにしたものである。

【００１０】

【作用】本発明は、高異方性、高速性、低汚染性のすべ
ての要件を満たすため、昇華性物質による強固な側壁保
護を行いながら、反応系に若干のＦ^*も存在させること
によりエッチング速度を向上させるようにしたものであ
る。そこで、エッチング・ガスの組成としてフッ化イオ
ウと塩化イオウとの混合ガス系を用いるようにしたもの
である。

【００１１】ここでフッ化イオウとして、Ｓ₂Ｆ₂、ＳＦ
₂，ＳＦ₄及びＳ₂Ｆ₁₀の１種が用いられる。フッ化イオ
ウとして、この他にＳＦ６が安定な化合物として既にド
ライエッチング用のガスとして実用化されているが、Ｆ
／Ｓ比（１分子中のフッ素原子数とイオウ原子数との
比）が大きいため、多量のＦ^*を発生させ、さらに放電
解離によってもＳをほとんど生成しないことが確認され
ており、本発明の目的には適さない。

【００１２】一方、塩化イオウとして、Ｓ₃Ｃｌ₂、Ｓ₂
Ｃｌ₂及びＳＣｌ₂のいずれか１種が用いられる。

【００１３】上記フッ化イオウ及び塩化イオウは、いず
れも放電解離によりプラズマ中にＳを生成させることが
できる。生成したＳは、被エッチング基板が冷却されて
いることにより容易にその表面へ析出する。ここで、イ
オンの入射面では堆積したＳは直ちにスパッタ除去され
るが、イオンの入射が少ないパターン側壁部ではＳの堆
積が続き、これが側壁保護膜として機能する。そして、
被エッチング基板の低温冷却によりラジカル反応もある
程度抑制されているので、高異方性が確保される。しか
も、堆積したＳは、エッチング終了後に被エッチング基
板の温度を室温若しくはそれ以上に上昇させれば容易に
昇華除去することができるため、エッチング系内にパー
ティクル汚染を抑えることができる。

【００１４】一方、シリコン系材料層のエッチングに寄
与するのは、主として上記塩化イオウから生成するＣｌ
⁺、Ｃｌ₂ ⁺等のイオンであり、これに同じく塩化イオウ
から生成するＣｌ^*やフッ化イオウから生成するＦ^*等が
加わる。この中で、Ｆ^*は半径が小さく、容易に単結晶
シリコンの結晶格子内に侵入して化学反応を進行させ
る、究めて反応性に富む化学種である。したがって、ガ
ス系にフッ化イオウが添加され、エッチング系内にＦ^*
が供給されることにより、塩素系イオンのみによる場合
よりもエッチング速度は大幅に増大する。

【００１５】エッチング速度の増大を目的としてフッ素
系ガスを添加することは従来からも試みられてきたが、
その際には異方性の確保に強力な側壁保護が必要とな
り、結果としてパーティクル汚染を免れないという問題
があった。本発明では、塩化イオウとフッ化イオウの双
方からＳが供給されるので効果的な側壁保護が行われる
ことに加えて、堆積したＳが容易に昇華除去できる物質
であるため、このような問題は生じない。さらに、本発
明で使用されるエッチング・ガスにはＢｒが含まれてい
ないため、ＳｉＢｒ_xの過剰な堆積によるマイクロロー
ディング効果の発生や汚染等を抑えることができる。

【００１６】

【実施例】以下、本発明の具体的な実施例について図１
（ａ）及び（ｂ）を参照しながら説明する。

【００１７】本実施例は、第１ガスとしてＳ₂Ｆ₂、第２
ガスとしてＳ₂Ｃｌ₂を使用し、これらの混合ガスを用い
てシリコン・トレンチ・エッチングを行うものである。

【００１８】まず、一例として図１（ａ）に示すよう
に、シリコン基板１上に酸化シリコンからなるエッチン
グ・マスク２が形成された被エッチング基板（ウェハ）
を用意した。エッチング・マスク２には、パターニング
により約０．５μｍ幅の開口部３が形成されている。

【００１９】ここで、ウェハを有磁場マイクロ波プラズ
マ・エッチング装置にセットし、ウェハ載置電極に内蔵
された冷却配管にエタノール等の冷媒を循環させること
により該ウェハを約−７０℃に冷却した。Ｓ₂Ｆ₂流量を
５ＳＣＣＭ、Ｓ₂Ｃｌ₂流量を２０ＳＣＣＭ、ガス圧を
１．３Ｐａ（１０ｍＴｏｒｒ）、マイクロ波パワーを８
５０Ｗ、ＲＦバイアス・パワーを００Ｗとする条件でシ
リコン基板１のエッチングを行った。

【００２０】エッチング条件は、Ｓ₂Ｃｌ₂の放電解離に
よりプラズマ中にＣｌ⁺，Ｃｌ₂ ⁺等のイオンを主エッチ
ング種として発生させ、低ガス圧下で高バイアスを印加
することにより高異方性を達成するようにしたものであ
る。このエッチングはイオン・アシスト反応を主体とし
て進行するが、これと同時にＳ₂Ｆ₂の放電解離により生
成するＦ^*もラジカル反応を起こしエッチングに寄与す
る。したがって、約５０００Å／分の速いエッチング速
度が達成された。

【００２１】このエッチング反応系では、Ｓ₂Ｆ₂及びＳ
₂Ｃｌ₂の双方から放電解離により生成したＳが低温冷却
されたウェハに接触してパターン側壁部に堆積し、図１
（ｂ）に示されるように側壁保護膜４が形成された。

【００２２】ところで、シリコン・トレンチ・エッチン
グのように入射イオン・エネルギーの高い条件で長時間
の加工が行われるプロセスでは、エッチングの進行に伴
ってエッチング・マスク２の端部が後退して丸みを帯び
易い。あるいは、レジストの解像限界を越えた微細な開
口径が要求される場合には、ＲＩＥ（反応性イオン・エ
ッチング）でエッチバックを行うことによりエッチング
・マスク２にサイドウォールを形成することもある。こ
のようにマスク端部が丸みを帯びている場合、この部分
に入射したイオンが散乱されて斜め入射成分に変換さ
れ、これがパターン側壁部を攻撃してアンダカットやボ
ウイング（bowing）等の形状異常を発生させる原因とな
り易い。本発明では、上述のようにＳにより効果的な側
壁保護が行われることにより、４μｍの深さのエッチン
グを行った場合にも極めて良好な異方性形状を有するト
レンチ３ａが形成された。

【００２３】側壁保護膜４は、エッチング終了後にウェ
ハを約９０℃に加熱することにより昇華除去され、何ら
エッチング系内にパーティクル汚染を発生させることは
なかった。この加熱は、低温エッチング後のウェハ上へ
の結露を防止するための加熱をもって兼用させることが
できる。

【００２４】なお、本発明は上述の実施例に限定される
ものではなく、例えばエッチング・ガスには各種の添加
ガスを混合してもよい。例えば、Ｎ₂を添加した場合に
は反応生成物による側壁保護の強化を図ることができ、
またＨ₂、Ｈ₂Ｓ、シラン系ガスのようにエッチング系内
にＨ^*及び／又はシリコン系活性種を供給し得るガスを
添加すれば、過剰なハロゲン・ラジカルを捕捉し、Ｓの
堆積効果を高めることができる。さらに、スパッタリン
グ効果、冷却効果、希釈効果を得る目的でＨｅ、Ａｒ等
の希ガスを添加するようにしてもよい。

【００２５】また、上述のシリコン・トレンチ・エッチ
ングのプロセスは、容量素子を形成するためのいわゆる
ディープ・トレンチ（deep trench）の形成を前提とし
たものであったが、ＭＯＳトランジスタの素子分離等に
用いられるいわゆるシャロー・トレンチ（shallow tren
ch）に適用してもよい。この場合には、ゲート・プロセ
スと同様の基板構造を有するウェハに対して有機レジス
ト材料層をマスクとするエッチングが行われる。したが
って、パターン側壁部に堆積したＳはウェハの加熱によ
り除去されることはもちろんであるが、有機レジスト材
料層を除去するためのアッシング処理によっても除去さ
れることとなる。

【００２６】

【発明の効果】上述したように、本発明は、シリコン系
材料層のエッチングにおいて高異方性、高速性、低汚染
性の同時達成が可能となり、微細なデザイン・ルールに
基づく高集積度及び高性能を達成する半導体装置を製造
することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のドライエッチング方法をシリコン・ト
レンチ・エッチングに適用した一例をその工程順にした
がって示す概略断面図であり、（ａ）はエッチング前の
ウェハの状態、（ｂ）はエッチング終了後のウェハの状
態をそれぞれ示す。

【符号の説明】

１ シリコン基板、 ２ エッチング・マスク、 ３
開口部、 ３ａ トレンチ、 ４ 側壁保護膜（Ｓ）。

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 被エッチング基板を０℃以下に冷却しな
   がら、Ｓ₂Ｆ₂、ＳＦ₂，ＳＦ₄、Ｓ₂Ｆ₁₀から選ばれるい
   ずれか１種の第１のガスと、Ｓ₃Ｃｌ₂、Ｓ₂Ｃｌ₂、ＳＣ
   ｌ₂から選ばれるいずれか１種の第２ガスとを含むエッ
   チング・ガスを用いてシリコン系材料層のエッチングを
   行うことを特徴とするドライエッチング方法。