JPH03196623A - ドライエッチング方法 - 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】 〔産業上の利用分野〕 本発明は半導体装置等の製造に適用されるドライエツチ
ング方法に関し、特に単結晶シリコン層にトレンチを形
成するための異方性エツチングを〔発明の概要〕 本発明は、単結晶シリコンのエツチングによりトレンチ
を形成するドライエツチング方法において、側壁保護膜
を形成しながら浅いエツチングを行う工程と、前記側壁
保護膜を酸化しかつ緻密化することにより側壁保護効果
を強化する工程とを交互に繰り返すことにより、マスク
端部におけるエツチング種の散乱が大きいエツチング系
においても、良好な異方性形状をもって高アスペクト比
のエツチングを行おうとするものである。

〔従来の技術〕

ＶＬＳＩ、ＵＬＳＩ等にみられるように、近年の半導体
装置における集積度の向上には目覚ましいものがある。

そのデザイン・ルール トＤＲＡＭではサブミクロン・レベルに微細化され、さ
らにはクォーターミクロン・レベルの微細加工も議論さ
れるようになっている．かかる半導体装置における各種
パターンのアスペクト比は急速に増大する傾向にある。

高アスペクト比パターンの典型例としては、微細素子分
離やセル・キャパシタ・エリアの確保を目的として形成
されるシリコン・トレンチがある。

ところで、このような高アスペクト比パターンのエツチ
ング特性には、従来得られている特性の延長としてのみ
では論じきれないものも現れてきている。エツチング断
面形状の変化もそのひとつである。高アスペクト比パタ
ーンのエツチングでは、マスク・パターンやエツチング
・パラメータ等によって断面形状が複雑に変化し昌く、
アンダーカットや側壁部の凹凸等がしばしば観察される
。

このように異方性形状からはずれた断面形状が発生する
と、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。

かかる事情から、シリコン・トレンチ・エツチングにお
いて異方性形状を達成するための技術が種々検討されて
いる０反応機構の観点からは、イオン支援反応によりエ
ツチングの進行する条件が主として採用されるようにな
っている。ここで使用されるエツチングガスとしては、
■塩素イオンや臭素イオン等のような質量の大きいイオ
ン、■フッ素ラジカル等のような入射イオンによって励
起されるとシリコンとの反応確率が高くなるラジカル、
および■炭素系やシリコン系等の側壁保護膜を形成し得
るラジカル、の３種類の化学種を生成し得るものが望ま
しいとされている。５ｉＣ１４とＮ、の混合ガス系等は
、その代表例である。

しかし、トレンチのパターンが高度に微細化されるにつ
れ、上述の混合ガス系を使用しても良好な異方性形状が
達成されないという問題が生じてきた。それは、主とし
てマスク・パターンの影響によるものである。

従来、トレンチのエツチングは、単結晶シリコン基板上
にリソグラフィにより開口部を形成した酸化シリコン層
をマスクとして行われている。さらに近年では、リソグ
ラフィの解像度を越える微細なマスク・パターンを形成
するために、酸化シリコン層の開口部にさらに酸化シリ
コンからなるサイドウオールを形成したマスクが使用さ
れるようになっている。

たとえば第２図（Ａ）に示す基体は、単結晶シリコン基
板（１１）の表面酸化により形成された酸化シリコン層
（１２）にリソグラフィにより開口部（１２ａ）が形成
され、さらに全面にＣＶＤにより酸化シリコンが堆積さ
れた後、ＲＩＨによりエンチバックを行ってサイドウオ
ール（１３）が形成されてなるものである。上記サイド
ウオール（Ｉ３）の幅は酸化シリコンの堆積量を変化さ
せれば制御することができ、これによりマスク・パター
ンの開口幅をおおよそ０．１〜４．０μｍの範囲で変化
させることができる。このようにして形成されたサイド
ウオール（１３）の頭頂部は、ＣＶＤを行った際の段差
の被覆性を反映して若干の丸みを帯びている。

かかるマスクを使用してエツチングを行うと、第２図（
Ｂ）に示すようにトレンチ（１４）が形成されるものの
、その断面形状は理想的な異方性形状とはならず、側壁
保護効果の不足により開口端付近にえぐれ（１４ａ）や
面荒れ等が発生し易い、これは、単結晶シリコン基板（
１１）に対して垂直に入射するエツチング種のみならず
、図中線ｌ□で示される飛程により上記サイドウオール
（１３）の頭頂部で反射されて斜めに入射するエネルギ
ーの高いエツチング種が存在することを意味している。

したがって、このようなえぐれ（１４ａ）や面荒れ等の
発生を防止するためには、トレンチ（１４）の内部にお
ける側壁保護効果をより高めることが必要となる。

シリコン・トレンチ・エツチングを行いながら側壁保護
効果を高める技術としては、たとえば特開昭６０−１５
４６２２号公報に、ＣＦ、やＳＦ、等のフッ素系ガスに
よる浅いエッチング工程、トレンチ内面を耐エツチング
被膜で被覆する工程、トレンチ底部の耐エツチング被膜
を除去する工程を順次繰り返すエツチング方法が開示さ
れている。ここで、上記耐エツチング被膜の形成は、０
□プラズマ酸化、もしくはＳｉＣ／！４と０□の混合ガ
スによる酸化シリコン膜の堆積により行われている。

また、第４７回日本応用物理学令状期学術講演会予稿集
（１９８７年）３７１ページ、講演番号２９ａ−ＺＨ−
２には、Ｃ！、ガスによる単結晶シリコン基板の浅いエ
ツチングと０２プラズマ処理とを順次繰り返す技術が発
表されている。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかしながら、側壁保護効果の強化を目的とする従来の
技術には、以下のような問題点がある。

まず、上述の各技術において行われている０□プラズマ
酸化は、トレンチの内壁である単結晶シリコンの表面を
直接に酸化して酸化シリコンからなる保護膜を形成する
方法であるため、保護膜の生成効率が低い他、膜構造が
多孔質であり、十分な側壁保護効果が得られない。

また、５ｒＣ１ａ　とＯｘの混合ガスにより酸化シリコ
ンを堆積させる方法では、気相中においてＳｉｎ、が大
量に発生してパーティクル汚染が深刻となり易く、実用
性に乏しい。

そこで本発明は、高度に微細化されたパターンにより高
アスペクト比のシリコン・トレンチ・エツチングを行う
場合にも、十分な側壁保護効果により異方性形状が達成
されるドライ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〕

本発明にかかるドライエツチング方法は、上述の目的を
達成するために提案されるものであり、Ｃｌ、Ｂｒおよ
びＩから選ばれる少なくとも１種類のハロゲン元素を含
むガスと窒素系ガスとを含む混合ガスにより、側壁保護
膜を形成させながら単結晶シリコンの浅いエツチングを
行う第１の工程と、前記側壁保護膜の少なくとも表面を
酸化する第２の工程とを交互に繰り返すことを特徴とす
るものである。

〔作用〕

本発明のドライエツチング方法は、側壁保護膜を形成し
ながら行われる浅いエツチングと、上記側壁保護膜の強
化とを交互に繰り返しながら、高度に微細化されたパタ
ーンにより高アスペクト比のシリコン・トレンチ・エツ
チングを行う場合にも優れた異方性形状を達成するもの
である。

まず、第１の工程においては、Ｃ１，Ｂｒおよび■から
選ばれる少なくとも１種類のハロゲン元素を含むガスと
窒素系ガスとを含む混合ガスにより浅いエツチングを行
う、上記のハロゲン元素は、いずれも原子半径が大きい
ので自発的に単結晶シリコンの結晶格子中に入り込むこ
とがなく、イオン衝撃等を伴って初めてこれをエツチン
グすることが可能となる。したがって、これらのハロゲ
ン元素の少なくとも１種類を含むガスは、主としてイオ
ン支援反応にもとづくエツチングを進行させ、異方性形
状の達成に有利である６本発明において、ハロゲン族生
で最も原子番号の小さいＦを除外しであるのは、原子半
径が小さく異方性形状の達成に不利だからである。一方
、窒素系ガスは側壁保護膜の構成元素である窒素の供給
源となるが、酸素ガスのように過剰な堆積物を生成させ
ることはない。

上記第１の工程では、側壁保護膜が形成されながらエツ
チングが進行する。この側壁保護膜は、窒化シリコンを
主体とするが、若干の塩素も含有する複雑な組成（ｓ　
ｉＸＮ、ＣｚＪを有する不安定な多孔質物質である。

次の第２の工程では、たとえば０□プラズマ処理等によ
り、前記側壁保護膜の少なくとも表面を酸化する。ここ
では、０□流量もしくは処理時間等の条件に応じて酸化
が進行し、第１の工程で形成された不安定な側壁保護膜
の組成は、極めて容易に酸化シリコンを主体とし、かつ
若干の塩素も含有する組成（Ｓ　＋ｔｏ、ｃｌａ）に変
化する。この反応は、単結晶シリコンを直接酸化して酸
化シリコンに変化させるよりも容易に進行する。ＳｉＮ
結合と５ｉ−０結合の結合エネルギーを比較すると、後
者の方が大きいことからも理解されるように、酸化され
た側壁保護膜は化学的に安定となる。しかも、酸化の過
程でイオン衝撃を受けて物理的にもある程度圧縮される
ので、極めて側壁保護効果の高い緻密な膜が形成される
。

上述のような第１の工程と第２の工程を順次繰り返して
ゆけば、仮にマスク・パターンの影響によりトレンチの
側壁部に対して斜めに入射するエツチング種が存在した
としても、えぐれや面荒れ等の発生が防止され、異方性
形状に優れたシリコン・トレンチ・エツチングが可能と
なる。

〔実施例〕

以下、本発明の好適な実施例について、図面を参照しな
がら説明する。

本実施例は、サイドウオールを有するマスクを使用して
微細なシリコン・トレンチ・エツチングを行った例であ
る。これを第１図（Ａ）ないし第１図（Ｅ）を参照しな
がら説明する。

まず、第１図（Ａ）に示すように、単結晶シリコン基板
（１）の表面酸化により酸化シリコン層（２）を形成し
、リングラフィにより約０．５μｍの開口幅を有する開
口部（２ａ）を形成した後、全面にＣＶＤにより酸化シ
リコンを堆積し、ＲｒＥによりエンチバソクを行ってサ
イドウオール（３）を形成した。このようにして形成さ
れたサイドウオール（３〕の頭頂部は、ＣＶＤを行った
際の段差の被覆性を反映して若干の丸みを帯びている。

また、このサイドウオール（３）の形成により、パター
ン幅Ｗは０．３５μｍとなった。

次に、第１図（Ｂ）に示すように、上記酸化シリコン層
（２）およびサイドウオール（３）をマスクとする単結
晶シリコン基板（１）のエツチングを行った。このエツ
チングは、高周波バイアス印加型ＥＣＲ（電子サイクロ
トロン共鳴）プラズマ・エツチング装置を使用して行い
、その条件はたとえばＳ＋Ｃｌ２ａ流量４　ＳＣＣＭ、
　Ｎ　ｚ流量Ｉ　ＳＣＣＭ、ガス圧１０ｍＴｏｒｒ、マ
イクロ波パワー８５０　Ｗ、直流バイイアス２００　Ｖ
とした。この条件により、１分間で深さ約１．０μｍの
トレンチ（４）が形成された。このとき、気相中で生成
したＳ：ｘＮ、Ｃ１＊が側壁保護膜（５）としてトレン
チ（４）の側壁部に堆積した。

次に、Ｏｔプラズマによる上記側壁保護膜（５）の酸化
を行った。すなわち、エツチングガスである５ｉＣ１＜
およびＮ、の供給を停止し、たとえば０．流量５０　Ｓ
ＣＣＭ、ガス圧１０ｗＴｏｒｒ、マイクロ波パワー８５
０　Ｗ、高周波バイアス５０Ｗの条件でプラズマ処理を
行った。これにより、第１図（Ｃ）に示すように、上記
側壁保護膜（５）の少なくとも表面が酸化されると共に
、イオン衝撃により物理的にも圧縮され、より化学的に
安定で緻密な酸化型保護１ｔｌ（５ａ）に変化した。こ
の酸化型保護Ｉｆ！（５ａ）は若干の塩素を含む酸化シ
リコン（Ｓ　ｔｔｏｓｃＬ＋）であると考えられる。こ
こで、プラズマ処理時間は特に限定されるものではない
が、短すぎると酸化が十分に進行しないので所望の側壁
保護効果が得られず、長すぎるとトレンチ（４）の底面
も酸化されて酸化シリコン層に変化するためにエツチン
グ速度が低下する虞れがある。本実施例では、処理時間
を１０〜１５秒として良好な結果を得た。

次に、再び上述の条件にてさらに１．０μｍの深さにエ
ツチングを行い、第１図（Ｄ）に示すように、トレンチ
（４）の深さを２．０μｍとすると共に新たな側壁保護
膜（５）を形成した。このとき、たとえば図中線！、で
示される飛程により、エツチング種がサイドウオール（
３）の頭頂部で反射された後にトレンチ（４）の側壁部
に向けて入射しても、側壁保護効果の高い酸化型保護膜
（５ａ）の存在により、この部分におけるえぐれや面荒
れ等の発生が効果的に防止される。形成されたトレンチ
（４）は良好な異方性形状を呈していた。

次に、再び上述の条件にてＯ！プラズマ処理を行い、第
１図（Ｅ）に示すように側壁保護膜（５）を酸化型保護
膜（５ａ）に変化させた。

かかる工程を順次繰り返せば、トレンチ（４）の異方性
形状を良好に維持したまま、高アスペクト比のシリコン
・トレンチ・エツチングが可能となる。

ところで、シリコン・トレンチ・エツチングの深さは形
成するデバイスの種類により異なるが、メモリ用の素子
骨Ｈ領域を形成する場合にはおおよそ０．５〜ｌａｍ、
バイポーラ・トランジスタ用の素子分離領域およびメモ
リ用のキャパシタを形成する場合には３〜４μｍとされ
る０本発明を適用すれば、いずれの深さのトレンチも良
好に形成された。

なお、エツチングに使用する混合ガスは上述の５ｊＣ１
ａ／Ｎｔ系に限られず、たとえばＣ１２／　Ｎ　ｚ系、
　　ＨＢ　ｒ　／　Ｎ　ｚ系、Ｈ１／Ｎ、系も使用する
ことができる。各混合ガス系における窒素系ガスの含有
量は、使用するガスの種類やトレンチのパターン幅によ
っても異なるが、おおよそ５０モル％以下とすることが
望ましい。５０モル％より多くても希釈効果が増すのみ
であり、実用的な混合ガス系とはならない。さらに、Ｈ
ｅ等の不活性ガスが希釈ガスとして適宜添加されていて
も良い。

〔発明の効果〕

以上の説明からも明らかなように、本発明のドライエツ
チング方法によれば、微細なパターンを有するトレンチ
の内部において側壁保護効果が向上するために、マスク
・パターンの影響を受けずに異方性に優れたエツチング
を行うことが可能となる。

本発明をたとえばメモリ素子等の半導体装置の製造に適
用すれば、高集積度、高性能を有する半導体装置が高い
信較性および生産性をもって提供できるようになる。

【図面の簡単な説明】

第１図（Ａ）ないし第１図（Ｅ）は本発明をシリコン・
トレンチ・エツ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、第１図（Ａ）は酸化シ
リコン層とサイドウオールによるマスクパターンの形成
工程、第１図（Ｂ）は１回目のエツチング工程、第１図
（Ｃ）は１回目の側壁保護膜の酸化工程、第１図（Ｄ）
は２回目のエツチング工程、第１図（Ｅ）は２回目の側
壁保護膜の酸化工程をそれぞれ示す、第２図（Ａ）およ
び第２図（Ｂ）は従来のドライエツチング工程における
問題点を説明するための概略断面図であり、第２図（Ａ
）はマスクパターンの形成工程、第２図（Ｂ）はトレン
チにおいて断面形状の異常が発生した状態をそれぞれ示
す。 単結晶シリコン基板 酸化シリコン層 開口部 サイドウオール トレンチ 側壁保護膜 酸化型保護膜 特許

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 Ｃ＿ｌ、Ｂ＿ｒおよびＩから選ばれる少なくとも１種類
   のハロゲン元素を含むガスと窒素系ガスとを含む混合ガ
   スにより、側壁保護膜を形成させながら単結晶シリコン
   の浅いエッチングを行う第１の工程と、 前記側壁保護膜の少なくとも表面を酸化する第２の工程
   とを交互に繰り返すことを特徴とするドライエッチング
   方法。