JP2004335768A

JP2004335768A - ドライエッチング方法

Info

Publication number: JP2004335768A
Application number: JP2003130193A
Authority: JP
Inventors: Masaki Abe; 巨樹阿部; Daizo Kishigami; 大三岸上
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2003-05-08
Filing date: 2003-05-08
Publication date: 2004-11-25

Abstract

【課題】より高い対マスク選択比を得ることができ、高アスペクト領域下での良好なエッチング加工が可能なドライエッチング方法を提供する。
【解決手段】真空容器中に、ＨＢｒを含有するガス、Ｏ_２を含有するガス、ＮＦ３及び／又はＳＦ_６を含有するガスとともに、Ｆ／Ｓｉ比が０を超えて４未満であるフッ化シリコン系ガスを含有するガスを導入し、所定パターンの絶縁膜８をマスクとして、単結晶シリコン膜１をエッチングする工程を備える。
【選択図】図２

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体装置の製造工程などに用いられる、単結晶シリコンのドライエッチング方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＤＲＡＭ等半導体装置のキャパシタ（ＤｅｅｐＴｒｅｎｃｈ）構造を形成するためのトレンチプロセスにおいて、素子の微細化に伴い、高アスペクト比のエッチング加工が必要となり、単結晶シリコンの対マスク高選択比が要求されている。
【０００３】
一般的なＲＩＥ（ＲｅａｃｔｉｖｅＩｏｎＥｔｃｈｉｎｇ）においては、以下のように反応が進行する。例えば図４に示すように、単結晶シリコン基盤１上に絶縁膜８からなるマスクを形成した後、ＨＢｒ／ＳＦ_６／Ｏ_２からなる混合ガスを導入し、印加された高周波により解離されたＢｒ^＋が被処理基盤１のＳｉと反応し、ＳｉＢｒ_ｘを生成する（主反応９）。生成されたＳｉＢｒ_ｘは、蒸気圧が低く効率的に排気されないため、ＳＦ_６、ＮＦ_３から生成されるＦ^＋により、ＳｉＦ_４などの蒸気圧の低いガスに変換され（副反応１０）、排気されることによりエッチングが促進される。このようにして進行する主反応エッチングと並行して、ＳｉＢｒ_ｘとＯ^＋が結合し、ＳｉＢｒ_ｘＯ_ｚなどの反応生成物がマスク上に堆積する。この反応生成物が保護膜１１ａとなり、マスク削れ量を抑制する補助反応１２ａが進行することにより、ある程度の対マスク選択比を確保することができる。
【０００４】
このようなプロセスにさらにＳｉＦ_４を添加することにより、解離したＳｉＦ_ｙとＯ^＋が再結合し、ＳｉＯ_ｚＦ_ｙ保護膜１１ｂとしてマスク上に堆積する（補助反応１２ｂ）。このようにして、さらに対マスク選択比を向上させることができる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
このように、ＳｉＦ_４の添加プロセスにより、単結晶シリコン膜の対マスク選択比を向上させることができる一方、同時にＦ^＋イオンも増加するため、生成されたＳｉＢｒ_ｘと置換反応し、ＳｉＦ_４となり排気される副反応１０も過剰に進行してしまう。そのため、効率的にマスク保護効果のみを得ることができない、という問題があった。
【０００６】
また、このようなＳｉＦ_４の添加プロセスにおいては、図５（ａ）に加工初期、（ｂ）に加工後期の模式図を示すように、マスク上（保護膜１１）だけでなく、側壁へも保護膜が堆積してしまうため（側壁保護膜１１’）、加工間口寸法が狭まり、実効アスペクト比（加工深さ／加工間口径）が極端に増加してしまう。通常、高アスペクト領域にエッチングが進行してゆくにつれて、加工底へのＢｒ^＋１３到達確率が低下してゆくが、このような実効アスペクト比の極端な増加が、イオンエネルギの低下、エッチング速度の低下を加速し、さらにはエッチング反応が進行しないエッチストップを引き起こし、ＲＩＥとして１つの加工限界となっていた。
【０００７】
そこで、本発明は、従来の欠点を取り除き、より高い対マスク選択比を得ることができ、高アスペクト領域下での良好なエッチング加工が可能なドライエッチング方法を提供することを目的とするものである。
【０００８】
【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、真空容器中に、ＨＢｒを含有するガス、Ｏ_２を含有するガス、ＮＦ_３及び／又はＳＦ_６を含有するガスとともに、Ｆ／Ｓｉ比が０を超えて４未満であるフッ化シリコン系ガスを含有するガスを導入し、所定パターンの絶縁膜をマスクとして、単結晶シリコン膜をエッチングする工程を備えることを特徴とするものである。
【０００９】
また、本発明のドライエッチング方法においては、フッ化シリコン系ガスを含有するガスは、ＳｉＨ_２Ｆ_２、ＳｉＨＦ_３、ＳｉＨ_３Ｆの少なくともいずれかを含有するガスであることを特徴としている。
【００１０】
さらに、本発明のドライエッチング方法においては、単結晶シリコン膜をエッチングする工程と並行して、マスクとなる絶縁膜上に、ＳｉＢｒ_ｘＯ_ｙ系及びＳｉＯ_ｚＦ_ｙ系の少なくともいずれかの反応生成物を含む第１の保護膜を形成する工程を具備することを特徴としている。
【００１１】
また、本発明のドライエッチング方法においては、第１の保護膜を形成する工程と並行して、単結晶シリコン膜のエッチング孔側壁にＳｉＢｒ_ｘＯ_ｙ系及びＳｉＯ_ｚＦ_ｙ系の少なくともいずれかの反応生成物を含む第２の保護膜を形成する工程を有し、第２の保護膜の膜厚は、第１の保護膜の膜厚より小さいことを特徴としている。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下本発明の実施形態について、図を参照して説明する。
【００１３】
図１に本発明のドライエッチング方法に用いられる平行平板ＲＩＥ装置の構造を示す。図に示すように、被処理基盤１は真空容器２中の下部電極３ａ上に載置され、下部電極３ａは高周波電源４と接続されている。下部電極３ａと対向するように上部電極３ｂが設けられ、真空容器２上部にガス供給口５とガス流量計６が設置されている。さらに、真空容器２外周には磁石７が設置されている。そして、真空容器２中に、ガス供給口５よりガス流量計６により流量制御されたＨＢｒ／ＳＦ_６／Ｏ_２混合ガスとともにＳｉＨ_２Ｆ_２が導入される。これらガス種には、高周波電源４により高周波が印加され、プラズマを生成する。同時に磁石７による磁場効果により電子が螺旋運動を伴い、イオンとの衝突確率が上がるため、より高密度のプラズマが生成される。
【００１４】
このような装置を用いたドライエッチングは、以下のように進行する。図２（ａ）に示すように、予め、シリコン基盤（単結晶シリコン膜）１上には、熱酸化膜８ａ、Ｓｉ_３Ｎ_４膜８ｂ、ＢＳＧ（ＢｄｏｐｅｄＳｉｌｉｃｏｎＧｌａｓｓ）膜８ｃを順次堆積した絶縁膜８が形成され、感光性樹脂（図示せず）を塗布、露光し、所定パターンのマスクが形成され、ＲＩＥにより絶縁膜８が所定パターンに加工されている。このようにして加工された絶縁膜８をマスクとして、シリコン基盤１のエッチングを行う。そして、真空容器中にＨＢｒ／ＳＦ_６／Ｏ_２混合ガスとともに、ＳｉＨ_２Ｆ_２が導入され、図２（ｂ）に示すようにエッチングが進行する。このとき、ＳＦ_６の代わりにＮＦ_３を用いても良い。これらは、Ｆ^＋を生成するとともに、Ｓ、Ｎがそれぞれ側壁方向のエッチング制御に寄与する。そして、解離されたＢｒ^＋は被エッチング膜のＳｉと反応し、ＳｉＢｒ_ｘを生成する（主反応９）とともに、ＳＦ_６、ＮＦ_３から生成されるＦ^＋により、ＳｉＦ_４などの蒸気圧の低いガスに変換され（副反応１０）、排気されることによりエッチングが促進される。このようにして進行する主反応エッチングと並行して、ＳｉＢｒ_ｘとＯ^＋が結合し、ＳｉＢｒ_ｘＯ_ｚからなる保護膜１１ａが形成される（補助反応１２ａ）。一方、添加されたＳｉＨ_２Ｆ_２は、ＳｉＦ_ｙ、Ｆ^＋、Ｈ^＋に解離される。このとき、Ｆ^＋の生成比率が低く、生成されたＳｉＢｒ_ｘはＦ^＋による置換反応（副反応１０）が過剰に進行しないため、必要以上にＳｉＦ_４として排気されない。反対に、ＳｉＦ_ｙの生成比率が高くなるため、Ｏ^＋と再結合してより多くのＳｉＯ_ｚＦ_ｙからなる保護膜１１ｂが形成される（補助反応１２ｂ）。尚、Ｈ^＋は、ＨＢｒより解離したＨ^＋と同様に再結合し、Ｈ_２として排気される。
【００１５】
このように、Ｆ^＋による副反応が適正に抑制されるため、効率的に保護膜が形成されることにより、対マスク選択比をより向上させることができ、より深い高アスペクト領域におけるエッチングが可能となる。また、ＳｉＨ_２Ｆ_２添加量を制御することにより、保護膜量を変動させることができるので、マスク選択比を任意に制御することも可能となる。
【００１６】
一方で、図３（ａ）に加工初期、（ｂ）に加工後期の模式図を示すように、添加したＳｉＨ_２Ｆ_２はＳｉＦ_ｙ、Ｆ^＋、Ｈ^＋に解離されるが、イオンエネルギが豊富な被処理基盤上では、イオンアシスト効果により、解離が進行するとともに選択的にＯ^＋との再結合が起こる。一方、イオンエネルギが減少するエッチング孔内部では解離、再結合が進行しない。そのため、被処理基盤上では、選択的に保護膜１１が形成され、対マスク選択比が確保されるが、エッチング孔側壁に堆積する保護膜（側壁保護膜１１’）量は抑制されるため、実効アスペクト比の増加も抑制され、加工底へのＢｒ^＋１３到達確率も維持することができ、高アスペクト領域下での良好なエッチング加工が可能となる。
【００１７】
このようにして、エッチング孔を形成した後、側壁保護膜は不要となるため、酸系薬液処理にて全て除去される。
【００１８】
尚、本実施形態においては、Ｆ／Ｓｉ比が０を超えて４未満であるフッ化シリコン系ガスとして、ＳｉＨ_２Ｆ_２を用いたが、Ｓｉソースガスとして供給可能なものであれば良く、他にＳｉＨＦ_３、ＳｉＨ_３Ｆなどを用いることができる。また、平行平板型ＲＩＥ装置を用いたが、プラズマを生成させるドライエッチング装置であれば特に限定されるものではない。
【００１９】
【発明の効果】
本発明によれば、より高い対マスク選択比を得ることができ、高アスペクト領域下での良好なエッチング加工が可能なドライエッチング方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のドライエッチング方法に用いられる装置の構造を示す図。
【図２】本発明におけるドライエッチングの進行を示す図。
【図３】本発明におけるドライエッチングの進行を示す図。
【図４】従来のドライエッチングの進行を示す図。
【図５】従来のドライエッチングの進行を示す図。
【符号の説明】
１シリコン基盤（被処理基盤）
２真空容器
３ａ下部電極
３ｂ上部電極
４高周波電源
５ガス供給口
６ガス流量計
７磁石
８ａ熱酸化膜
８ｂＳｉ_３Ｎ_４膜
８ｃＢＳＧ膜
８絶縁膜
９主反応
１０副反応
１１ａＳｉＢｒ_ｘＯ_ｚ保護膜
１１ｂＳｉＯ_ｚＦ_ｙ保護膜
１１保護膜
１１’ 側壁保護膜
１２ａ、１２ｂ補助反応
１３Ｂｒ^＋

Claims

真空容器中に、ＨＢｒを含有するガス、Ｏ_２を含有するガス、ＮＦ_３及び／又はＳＦ_６を含有するガスとともに、Ｆ／Ｓｉ比が０を超えて４未満であるフッ化シリコン系ガスを含有するガスを導入し、所定パターンの絶縁膜をマスクとして、単結晶シリコン膜をエッチングする工程を備えることを特徴とするドライエッチング方法。
前記フッ化シリコン系ガスを含有するガスは、ＳｉＨ_２Ｆ_２、ＳｉＨＦ_３、ＳｉＨ_３Ｆの少なくともいずれかを含有するガスであることを特徴とする請求項１記載のドライエッチング方法。
前記単結晶シリコン膜をエッチングする工程と並行して、マスクとなる前記絶縁膜上に、ＳｉＢｒ_ｘＯ_ｙ系及びＳｉＯ_ｚＦ_ｙ系の少なくともいずれかの反応生成物を含む第１の保護膜を形成する工程を具備することを特徴とする請求項１又は２記載のドライエッチング方法。
前記第１の保護膜を形成する工程と並行して、前記単結晶シリコン膜のエッチング孔側壁にＳｉＢｒ_ｘＯ_ｙ系及びＳｉＯ_ｚＦ_ｙ系の少なくともいずれかの反応生成物を含む第２の保護膜を形成する工程を有し、前記第２の保護膜の膜厚は、前記第１の保護膜の膜厚より小さいことを特徴とする請求項３記載のドライエッチング方法。