JPH0289310A - シリコン層のエッチング方法 - 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】 〔概　要〕 シリコン層のエツチング方法、特にドライ方式のテーパ
エツチング方法に関し、 簡易な工程で、ごみの発生を伴わず、下地嘆との選択性
高く、高制御精度が得られるドライ方式によるシリコン
のテーパエツチング方法の提供を目的とし、 臭素または臭化水素を含む反応ガスと酸素との混合ガス
をエツチングガスに用い、該混合ガス中においてシリコ
ン層の反応性イオンエツチングを行い、この際臭素また
は臭化水素を含む反応ガスに対する酸素の混合比率を変
化させることによって該シリコンのテーパ角度を制御す
る構成を有する。

〔産業上の利用分野〕

本発明はシリコン層のエツチング方法、特にドライ方式
のテーパエツチング方法に関する。

多結晶シリコンのドライエツチングは、例えばＭＯＳ）
ランジスタにおけるゲート長等を決める手段となるので
、寸法の制御が厳密になされ、且つ下地のゲート絶縁膜
に対して選択比を持つことが要求される。

このような要求に応えるエツチング手段として優れてい
るのは、基板面に対して垂直方向に優勢な異方性を有す
る反応性イオンエツチング方法であり、この方法が上記
多結晶シリコンのドライエツチング手段として広く用い
られている。

しかし該多結晶シリコン層による電極或いは配線等の多
層構造を構成する際に通常の反応性イオンエツチング（
ＲＩＰ）方法を用いると、以下に第５図（ａ）〜（Ｃ）
により説明するような問題を生ずる。

第５図（ａ）は半導体基板Ｓｌ上に第１のゲート酸化膜
５２を形成し、該基板上に第１層多結晶シリコン層を形
成し、これをマスクを介しＲＩＥ処理して垂直な側面を
有する多結晶シリコン・ゲート電極５３を形成し、シリ
コン基板５１と多結晶シリコン・ゲート電極５３の表面
に第２のゲート酸化膜５４を形成した後、この基板上に
上層の例えば配線となる第２層多結晶シリコン層１５５
を形成した状態を示した図で、この図には、多結晶シリ
コン・ゲート電極５３が異方性パターン即ち側面が垂直
に形成されているために、第２の多結晶シリコン層１５
５の厚さが、平坦部Ａに比べて段差部Ｂにおいて大幅に
厚く形成されることが示されている。

第５図（ｂ）は上記第２層多結晶シリコン層１５５を図
示しないマスクを介してＲＩＢ処理によりパターニング
して、紙面より奥の位置に鎖線で示す多結晶シリコン配
線５５を形成する際に、上記ＲＩＥ処理をジャストエツ
チングの条件で行った場合を示した図で、この場合、（
８１図にＢで示されるように第２層多結晶シリコン層１
５５が厚く形成されていた段差部即ちゲート電極５３の
側面部に、第２層多結晶シリコンの厚いエツチング残層
１５５Ａが形成されて、隣接する多結晶シリコン配線例
えば紙面奥の多結晶シリコン配線５５と紙面手前の図示
されない多結晶シリコン配線とが短絡するという障害を
生ずる。

そこで上記短絡障害をなくするために、オーバエツチン
グを行って上記多結晶シリコン残層１５５Ａの除去がな
されるが、ゲート電極５３の側面が垂直に形成されてい
ることによって多結晶シリコン残層１５５＾が図示のよ
うに厚く残るためにこのオーバエツチングは重度のもの
になり、そのために表出している領域の第２のゲート絶
縁膜５４もエツチングされて、第５図（Ｃ）に５４Ａ及
び５４Ｂで示すようにゲート電極５３及び半導体基板５
１の上面に表出する第２のゲート絶縁膜５４が極端に薄
くなり、上層の多結晶シリコン配線５５と半導体基板５
１及びゲート電極５３等との絶縁耐圧が低下するという
問題が生ずる。

また図示されないが、この重度のオーバエツチングによ
って表出する上層多結晶シリコン配線５５の側面も深く
エツチングされるので、配線幅が細って配線抵抗が増大
するという問題も生ずる。

半導体装置の高集積化が進むに伴って、上記絶縁膜の厚
さは更に薄膜化される傾向にあり、且つ配線幅も縮小さ
れる傾向にあるので、今後上記問題点は益々顕在化して
デバイス特性を劣化せしめる原因になる。

この問題点を除くためには、第６図（ａｌに示すように
下層のゲート電極５６の側面をテーパ状に形成すること
が有効である。

その理由は、ゲート電極５６の側面をテーパ状に形成す
ることにより、同図に示すようにゲート電極５６上に第
２のゲート絶縁膜５７を介して堆積される第２層多結晶
シリコン層１５８の厚さは平坦部Ａに比べて段差部Ｃに
おいて余り厚くなく、従って第６図（ｂｌに示すように
、上記第２層多結晶シリコンＮ１５Ｂをジャストエツチ
ングの条件でパターニングした際、段差部即ちゲート電
極５６の側面に残留する多結晶シリコンのエツチング残
層１５８Ａの厚さはゲート電極が垂直な場合に比べて非
常に薄くり、この残ＪＷ１５８Ａを除去するためのオー
バエツチング量は少なくて済み、そのため第６図（Ｃ）
に示すように、この残層１５８Ａ除去に伴う基板５１上
面及びゲート電極５６上面の第２のゲート絶縁膜５７の
目減り量は殆どなくなり、且つ鎖線で示す第２層多結晶
シリコンによる配線５８のサイドエツチング量も大幅に
減少することによる。（５２は第１のゲート絶縁膜） そこで下地絶縁膜と高いエツチングの選択比を有し、且
つテーパ形状の制御が容易なシリコンのテーパエツチン
グ方法が要望される。

〔従来の技術〕

シリコンのドライ方式によるテーパエツチング方法とし
ては、以下に列挙する方法が知られている。

（１）第１層多結晶シリコン層に電導性付与のためのＷ
（Ｐ）を拡散した後に、更にイオン注入によって表面層
の不純物濃度を上げて該表面層のエツチングレートを高
め、その後等方性のエツチングを行う方法〔特公昭６０
−００７８２号公報２、特開昭５８−０４９３２号公報
など〕。

（２）エツチングガスにカーボンを含んだ堆積ガスを混
合してエツチングする方法〔特開昭５９−１０３３３８
号公報、特開昭６２〜３０３３０号公報など〕。

（３）レジストマスクにテーパをつけ、且つレジストマ
スクに対する選択比を下げてエツチングする方法〔特開
昭６１−６１４２４公軸など〕。

（４）エツチングとレジストマスクのアッシングを交互
に行う方法〔特開昭５６−９３３１９号公報、特開昭５
７−５９３３１号公報など〕。

（５）等方性エツチングと異方性エツチングの２段階エ
ツチングを行う方法〔特開昭５７−０７９３６号公報、
５６−９０５２５号公報など〕。

（６）オーバハング形状のマスクを用いる方法〔特公昭
５７−４２１５４号公報など〕〔発明が解決しようとす
る課題〕 しかし上記従来の方法において、（１）の方法では、燐
の拡散やイオン注入を行ってからエツチングを行わなけ
ればならない、（４）の方法では、エツチングとアッシ
ングの双方を実施しなげてればならない、（５）の方法
では等方性エツチングと異方性エツチングとを前後の順
序で行う必要がある、（６）の方法では、オーバハング
形状のレジストマスクを形成するのが容易でない等によ
り、何れの方法も工程が複雑になるという問題があった
。

また上記の他に、（１）と（５）の方法では等方性エツ
チングを用いるためエツチングや膜厚の分布によりパタ
ーン幅の制御が難しい、（３）と（４）の方法でも、レ
ジストマスクの大きさを縮小させながら即ち後退させな
がらエツチングを行うのでパターン幅の制御が難しい、
（６）の方法では、レジストマスクの形状と幅の制御を
両立させることが困難である等の問題があり、更にまた
（２）の方法では、エツチング室内の側壁にも堆積があ
ってごみが発生し易く、そのために歩留りが悪くなると
いう問題があった。

そこで本発明は、従来例に比べて簡易化された工程で、
ごみの発生を伴わずに実施することが可能で、且つパタ
ーン幅の制御精度が高く、下地絶縁膜に対して高い選択
性を有していて下地絶縁膜を損傷させることが少ないド
ライ方式によるシリコンのテーパエツチング方法を提供
することを目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

上記課題は、臭素または臭化水素を含む反応ガスと酸素
との混合ガスをエツチングガスとして用い、該混合ガス
中においてシリコン層の反応性イオンエツチングを行い
、該シリコン層をテーパ状にエツチングする本発明によ
るシリコン層のエツチング方法、上記臭素または臭化水
素を含む反応ガスに対する酸素の混合比率を変化させこ
とによって該シリコン層のテーパ角度を制御する本発明
によるシリコン層のエツチング方法及び、上記エツチン
グのマスク材に二酸化シリコン膜を用いる本発明による
シリコン層のエツチング方法によって解決される。

〔作　用〕

即ち本発明の方法においては、無機質の下部絶縁膜上に
堆積されたシリコン層をパターニングするに際して、臭
素（Ｂｒ）若しくは臭化水素（ＨＢｒ）ガスを主成分と
し、シリコンと上記絶縁膜との間に大きな選択性を持た
せることができる反応ガスをエツチング反応ガスに用い
、無機質絶縁膜をマスクにしてＲＩＥ処理を行うことに
よって形成されるシリコンパターンの上面端部がマスク
パターンの下面端部に厳密に整合し、且つ下部絶縁膜の
エツチング量が極めて少ない高精度のエツチングを可能
にする。

そして更に上記エツチング反応ガスに酸化反応ガスであ
る酸素を添加し、ＲＩＥ処理に際してエツチング反応と
酸化反応を所望の割合で並行して行わせる。ここでシリ
コン層の上面に形成される酸化膜はイオン衝撃によって
除去されて縦方向にエツチングが進むが、形成されて行
くシリコンパターンの側面に形成される酸化膜はイオン
衝撃が弱いために除去されずに残留し、更に下層がエツ
チングされる際のマスクとして働き、この作用によって
テーパエツチングを可能にする。

更にまた、酸素の混入比率を変えてエツチングレートと
酸化レートのバランス状態を変えることにより、テーパ
角度を変化させる。

以上により、−工程よりなる簡易化された工程で、堆積
ガスを用いないことによりごみの発生を伴わず、下地絶
縁膜を損傷させずに、高精度を有するシリコンのテーパ
パターンを形成することが可能なシリコンのエツチング
方法が提供される。

〔実施例〕

以下本発明を、図を参照し、実施例により具体的に説明
する。

第１図は本発明の一実施例における試料構造の模式側断
面図。第２図は同実施例に用いたＲＩＢ装置の模式断面
図、第３図は同実施例における酸素添加率とテーパ角度
の関係図、第４図は同実施例における酸素添加率とエツ
チング性能の関係図である。

本発明の方法によりテーパ状側面を有する多結晶シリコ
ンパターンを形成するに際しては、例えば第１図に示す
ように、シリコン基板１上に下地絶縁膜として熱酸化に
より厚さ３００〜５００人程度の二酸化シリコン（Ｓｉ
ｆｔ）膜２が形成され、その上にＣＶＤ法により厚さ４
０００人程度０多結晶シリコン層３が形成され、更にこ
の多結晶シリコン層３上に線幅１．０μｍ１厚さ約２０
００人のＳｉＯ□膜マスクパターン４が形成されてなる
試料が用いられる。

そして上記試料（基板）を第２図に示すように、ガス導
入口５と真空排気口６とを有する真空容器よりなるエツ
チング室７内の下部に絶縁体８を介してターゲット電極
９が配設され、上部に対向電極１０が配設されてなる通
常の反応性イオンエツチング（ＲＩＢ　）装置のターゲ
ット電極９上に試料１１を固定し、ガス導入口５からエ
ツチング室７内へエツチングガスとして例えば臭化水素
（ＨＢｒ）と酸素（ＯＸ）との混合ガスが導入され、真
空排気口６から排気を行ってエツチング室７内を０．１
Ｔｏｒｒ程度の圧力に保った状態で、高周波電源１２よ
りターゲット電極９と対向電極１０間に１３．５６　Ｍ
Ｈｚの高周波（ｒｆ）パワーを０．２〜ＩＷ／ｃｍ”の
出力で印加して試料１１面に表出するの多結晶シリコン
層（第１図、３）のドライエツチングを行った。（１３
は接地点） 上記エツチングにおいて、ｒｆパワー０．７Ｗ／ｃｎ＋
”、エツチング室内圧力０．１Ｔｏｒｒ、　１ＩＢｒガ
スの流量１０１００５ＣＣ定として、それにＯｔガスを
流量比で、０．１，２．３．４．５．１０％添加してエ
ツチングを行った。

第３図はこの際の０２添加率（％）とテーパ角度（θ）
の関係を示したもので、テーパ角度はカーブに示すよう
に、Ｏ２の添加率Ｏ％で９０度となっており、鵠添加率
の増加と共に緩やかになって行き、１０％で約６５度を
示す。

従って０！の添加率を０〜１０％の間で選ぶことによっ
て、形成される多結晶シリコン・パターン側面のテーパ
角度（θ）を９０〜６５度の範囲内の所望の角度に形成
することができる。

第４図は上記実施例における０２の添加率の変化に対す
る多結晶シリコンのエツチングレートＥＲｓｉと５ｔ（
ｈのエツチングレートｆｉＲｓｉ。２及び多結晶シリコ
ンのＳｉＯ２に対するエツチングの選択比（ＰｏｌｙＳ
ｉ／５ｉ（ｈ）　Ｒの変化を示した酸素添加率とエツチ
ング性能の関係図である。

この図に示されるように本発明に係るドライエツチング
においては、０□の添加率が増大するに伴って多結晶シ
リコンのエツチングレートはカーブεｌ？ｓ＋に示され
るように大きく低下して行くので、０２の添加率は２０
０人／　ｍｉｎ程度のエツチングレートが得られる１０
％程度が実用上の上限となろう。

またこのエツチング方法においては、ＳｉＯ□のエツチ
ングレートはカーブＩ！Ｉ？５ｉｏｔに示されるように
極めて低い値を示すので、前記のように多結晶シリコン
のエツチングレートが低下しても、カーブＲに示される
ように、多結晶シリコンの５ｉＯ１に対するエツチング
の選択比は常に２０〜５０程度の高い値に維持されるの
で、下地Ｓｉ０ｇ膜に大きなエツチングによる損傷を与
えずに、且つマスクパターンに忠実な寸法の高精度を有
するシリコンのテーパ状パターンが形成できる。

そして本発明の方法においては、上記実施例に示される
ように堆積性のガスは使用されないので、エツチング工
程中に歩留りを低下せしめるようなごみの発生はない。

なお本発明の方法において、エツチングに機能する反応
ガスは上記臭化水素（ＩＩＢｒ）を含むガス以外に、臭
素（Ｂｒ）を含むガスであってもよい。

また本発明の方法は、下地絶縁膜が上記Ｓｉｎ、以外の
酸化物系絶縁膜の場合にも有効である。

更にまた本発明の方法は多結晶シリコン層に限らず、単
結晶シリコン層或いは非晶質シリコン層のテーパエツチ
ングにも適用される。

〔発明の効果〕

以上説明のように本発明によれば、−工程よりなる簡易
化された工程で、堆積ガスを用いないのでごみの発生を
伴わず、下地絶縁膜を損傷させずに、高精度を有し、且
つ９０〜６５度の範囲内の所望のテーパ角度を有するシ
リコンのテーパパターンの形成が可能になる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例における試料の模式第２図は
同実施例に用いたＲＩＢ装置の模式断面ング性能の関係
図、 第５図（ａｌ〜（Ｃ）は下層が異方性パターンよりなる
多結晶シリコン多層構造形成工程の断面図、第６図（ａ
ｌ〜（Ｃ）は下層がテーパパターンよりなる多結晶シリ
コン多層構造形成工程の断面図である。 図において、 １はシリコン基板１ ２は下地ＳｉＯ□膜、 ３は多結晶シリコン層、 ４はＳｉｎｇ膜マスクパターン、 を示す。 不変四ｎ実方シ夛）にあ１フろ試Ｆ′＋グ項入町面口笛
　１１！ｌ ：＝５７ 第　２　図 本老明力宝施脅・１１ユ８け３ｏ２シト加灘とテーノで
甫ノ倹の開仮第 図 ／Ｖ−づ４０月（実彷己４列Ｃ二あｔすう０２堺ｊ川牽
とエツチング（ｔｉ、＝ｑへ呵琢第 層

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）臭素または臭化水素を含む反応ガスと酸素との混
   合ガスをエッチングガスに用い、該混合ガス中において
   シリコン層の反応性イオンエッチングを行い、該シリコ
   ン層をテーパ状にエッチングすることを特徴とするシリ
   コン層のエッチング方法。
2. （２）臭素または臭化水素を含む反応ガスに対する酸素
   の混合比率を変化させことによって該シリコンのテーパ
   角度を制御することを特徴とする請求項１記載のシリコ
   ン層のエッチング方法。
3. （３）エッチングのマスク材に二酸化シリコン膜を用い
   ることを特徴とする請求項１及び２記載のシリコン層の
   エッチング方法。