JPH03276626A - シリコン化合物系からなる被エッチング膜のエッチング方法 - 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】 ［産業上の利用分野］ 本発明はシリコン化合物系からなる被エツチング膜のエ
ツチング方法に関する。

Ｆ発明の概要］ 本発明は、例えばシリコン（Ｓｌ）基板のような基板上
に形成された酸化シリコン（Ｓｔｏｗ）のようなシリコ
ン化合物系からなる被エッチング膜を異方性エツチング
する方法において、少なくとも被エツチング膜がエツチ
ングされて下地たる基板が露出する直前で、ＣＨＦ　ｔ
ｘ”ｔ＋　ＣＨＦ　ｅ−（Ｘ≧２の整数）から選ばれる
エツチングガスに、分子中にＣと■４とを含むガスを添
加して被エツチング膜をエツチングするか、あるいはＮ
ＰｓとＮ　Ｈｓを含むガスからなるダウンフロープラズ
マの照射で被エツチング膜上にエツチング用薄膜を形成
した後、このエツチング用薄膜に例えばレーザ光のよう
な短波長光を照射してエツチング用薄膜を昇華するとと
もに、エツチング用薄膜中の成分との化学反応で被エツ
チング膜をエツチングするというように、イオンの衝撃
を招くことなく、化学的方法による異方性エツチングで
、被エツチング膜をエツチングすることにより、エツチ
ング速度と対Ｓｉ選択比に支障を招くことなく、基板損
傷を実用上差し支えない程度に低減することができるよ
うにしたものである。

〔従来の技術〕

ＵＬＳＩ、ＶＬＳＴ等の製造プロセスのエツチングにお
いては、基板の大径化やデザインルールの微細化が進む
に伴って、基板処理面内の均一性のたぬ、装置がバッチ
式から枚葉式に変わりつつある。この場合、バッチ式と
同様の生産性（スループット）を帷持するには、１度の
処理枚数が少ない分、エツチング速度を高くしなければ
ならず、反応性イオンビームエツチング（ＲＩ　ＢＥ）
が採用されてきている。これは、例えばマグネトロンか
らのマイクロ波で原料ガスを励起してプラズマを発生し
、このプラズマに磁界をかけて、高密度となったプラズ
マ中の反応性ガスイオン（以下、単にイオンという）を
被エツチング膜に照射する方法であって、マグネトロン
へのパワー密度を上げて、イオンの入射エネルギーを高
くすることｊこより、エツチング速度か上がる。具体的
には、シリコン基板のような基板上にシリコン化合物か
らなる被エツチング膜として５ｉＯｙ膜蕃形成し、これ
を上記マイクロ波と磁場との相互作用による反応性イオ
ンビームエツチング（以下、単にマグネトロンＲＩＥと
いう）で、原料ガスとしてＣ８Ｆ、なる高次フロンガス
を４６１１ＣＣＮ供給し、その圧力を２Ｐａに設定して
エツチングを行ったところ、第２図に示すように、パワ
ー密度を上げると、エツチング速度も上がる特性を示し
た。ここで、ＳｉＯ＊膜なる被エツチング膜を下地たる
基板が露出するまでエツチングし、Ｃ，Ｆ系のポリマー
の堆積物を除去した後、基板にＡｒレーザを照射して励
起し、熱波が起きている基板にＨｅレーザを照射し、こ
のＨｅレーザの反射率を調べることにより、基板表面の
ダメージ（基板損傷）を測定したところ、第２図に示す
サーマルウニイブシグナル（Ｔｈｅｒｍａｌ　　Ｗａｖ
ｅ　　Ｓｉｇｎａｌ）を得た。このサーマルウニイブシ
グナルは、Ｔｈｅｒｍａ−ＷａｖｅＩｎｃ、のＴＨＥＲ
ＭＡＰＲＯＢＥ　　ＴＰ−２０００システムによる測定
値であって、精製して以降のプロセスを経ないシリコン
基板で２５程度を示し、１００以下なら半導体装置とし
て使用しても良いしのとして設定しである。この第２図
からは、Ｃ５Ｆｓガスを用いたマグネトロンＲＩＥでは
、パワー密度を上げてエツチング速度を上げ、パワー密
度がＩＷ／ｃｍ”以上になると、サーマルウニイブシグ
ナルが１００以−トとなり、実用に供し得ない基板損傷
を生じることがわかった。

また、上記マグネトロンＲＩＥにおいて、原料ガスとし
てＣＨＦ　ａガスを用いた場合には、Ｆラジカルが多ず
ぎてシリコン基板との選択比（対Ｓｉ選択比）が低く、
しかも、ＣＦｘ’イオンが少なすぎてバッチ式に見合う
エツチング速度を望めなかった。

さらに、上記マグネトロンＲＩＥにおいて、原料ガスと
して、ＣＨＦ　ｓガスにＣｔ　ｌ−（、ガスを添加して
、Ｃｔ　Ｈ−ガスの供給量に対するサーマルウニイブシ
グナルと対Ｓｉ選択比（ＳｉＯｔ／Ｓ＋選択比）とを測
定したところ、第６図に示す結果を得た。この第６図か
らは、ＣＨＦ、ガスにＣｔＨ。

なる堆積性のガスを加えることで、高い対Ｓｉ選択比を
得ることはできるものの、基板損傷に相当するサーマル
ウニイブシグナルが１００以上に上昇していることがわ
かる。一方、このエツチング方法でｓｔｏｗ膜から露出
した基板を透過電子顕微鏡で観察したところ、第７図に
示すように、基板表面から４０ｎｍの範囲が高密度な欠
陥層になっていた。

［発明が解決しようとする課題］ 前述した各種のマグネトロンＲＩＥでは、被エツチング
膜のエツチングが進行して、基板が露出すると、イオン
衝撃による基板損傷を生じるため、エツチング完了後に
、被エツチング膜より露出する基板に形成されている拡
散層表面を、基板損傷が入った深さだけ除去している。

しかし、デザインルールの微細化が進むに連れて、拡散
層の深さは浅くなるので、エツチング速度と対Ｓｉ選択
比に支障を招くことなく、基板損傷を阻止できる異方性
エツチングが望まれている。

［課題を解決するための手段］ そこで第１の発明は、基板−Ｌに形成されたシリコン化
合物系からなる被エツチング膜を異方性エツチングする
方法において、Ｃ，Ｐｔ、、ｔ、ｅ、ｐ、。

（Ｘ≧２の整数）から選ばれる少なくとも一種を含む第
１ガスにより、被エツチング膜を基板が露出する直前ま
でエツチングし、次に、上記第１ガスに少なくとも分子
中にＣとＨとを含むガスを添加してなる第２ガスにより
、上記被エツチング膜の残部をエツチングする。

第２の発明は、基板上に形成されたシリコン化合物系か
らなる被エツチング膜を異方性エツチングする方法にお
いて、Ｎ　Ｆ　ｓとＮ　Ｈｓとを含むガスからなるダウ
ンフロープラズマの照射で被エツチング用薄模を形成す
る第１工程と、この第１工程で形成されたエツチング用
薄膜に光照射を行ってエツチング用薄膜を昇華するとと
もに被エツチング膜をエツチングする第２工程とを、交
互に行う。

［作用コ 少なくとも、被エツチング膜のエツチングが進行して、
被エツチング膜から基板が露出する直前において、被エ
ツチング膜に対してはエツチング性が有りかつ基板に対
しては堆積性の有るＣと１１とを含むガスの添加の下に
、低パワー密度で被エツチング膜のエツチングを行うか
、あるいは第１工程で形成したエツチング用薄膜にレー
ザのような短波長光を照射して、エツチング用薄膜を昇
華するとともに、この昇華するエツチング用薄膜中の成
分で被エツチング膜のエツチングを行うことにより、エ
ツチング速度と対Ｓ１選択比とに支障を沼くことなく、
基板へのイオン衝撃が非常に少ない異方性エツチングで
、被エツチング膜をエツチングして基板を露出する。

［実施例コ 第１実施例（第１の発明の一実施例に相当する。

第１〜４図参照） 先ず、第１図（Ａ）に示すように、拡散層２が形成され
ているシリコン基板のような基板１上全而に、シリコン
化合物系からなる被エツチング膜としてのＳｉＯ２膜３
を形成し、この被エツチング膜３の上に、フォトリソグ
ラフィの技法で、基板１の拡散層２と対応する部分に開
口４ａを有するレジストパターン４を形成する。

次に、マグネトロンＲＩＥにより、■第１ステップのエ
ツチングと、■第２ステップのエツチングとを行う。

■第１ステップのエツチングでは、ＣｘＦ　＊ｘ＊ｔ。

Ｃ，Ｆ、、（Ｘ≧２の整数）から選ばれる少なくとも一
種を含む第１ガスなる高次のフロンガスを原料ガスとし
て、パワー密度を１　、３　Ｗ　／　ｃ　ｍ　”以上に
設定し、第１図（Ｂ）に示すように、レジストパターン
４をマスクとして、被エツチング膜３を基板ｌの拡散層
２が露出する直前までエツチングして、被エツチング膜
３に孔５を形成する。具体的には、この第１ステツプの
エツチングにおいては、被エツチングＭ３に、エツチン
グ深さのばらつき±３〜５％を加味し９つ、被エツチン
グ＄３の例えば５０００人の厚さの９０〜９８％の深さ
を有する孔５を形成した。この第１ステツプのエツチン
グの具体的な条件は、 原料ガス；　Ｃ５Ｆｓ　　４６ＳＣＣ１１圧　　　　力
；　　２Ｐａ パワー密度；２．７６Ｗ／ｃｍ’ 磁　　　場；１００Ｇ（基板ｌ上で） とした。この第１ステツプのエツチングでは、第２図に
示すように、原料ガスとパワー密度とからして、高速異
方性のエツチングである。

■第２ステップのエツチングでは、上記第１ステツプの
エツチングにロードロックを保持しつつ、上記第１ガス
に少なくとも分子中にＣとＨとを含むガスを添加してな
る第２ガスを原料ガスとして、パワー密度を１　、３　
Ｗ　／　ｃ　ｍ　”以下に設定し、第１図（Ｃ）に示す
ように、レジストパターン４をマスクとして被エツチン
グｌＩ３の孔５底部に残った部分（残部）３ａを、基板
１の拡散層２が露出するまでオバーエツチングを、室む
エツチングを行って、被エツチング膜３にコンタクトホ
ール６を形成する。この第２ステツ、ブのエツチングの
具体的な条件は、 原料ガス；　Ｃ−Ｆ−／ＣｔＨ４４６／７ＳＣＣＮ圧　
　　　力；　　２Ｐａ パワー密度；２，７６Ｗ／ｃｍ″ 磁　　　場：ｌ００Ｇ（基板１上で） とした。

ここで、第２図は第１ステツプのエツチングにおけるパ
ワー密度に対するエツチング速度とサーマルウニイブシ
グナルとを示す測定結果である。

第３図は第２ステツプのエツチングにおけるＣ２Ｈ４の
添加割合に対するサーマルウニイブシグナルと対Ｓｉ選
択比とを示す測定結果である。第４図は第２ステツプの
エツチングにおいて、コンタクトホール６の底部に露出
した基板ｌの透過電子顕微鏡での観察結果である。

これら第２図、第３図、第４ＦｙＪの測定結果にもとづ
いて、上記第１ステツプと第２ステツプとのエツチング
について考察すると、第１ステツプのエツチングではエ
ツチング速度が９００ｎｍ／分以上であり、第２ステツ
プのエツチングでは対Ｓｉ選択比が１５以上で、しかも
基板損傷に相当するサーマルウニイブシグナルが９０以
下であることがわかる。また、第２１ｉ！！７からは、
パワー密度が０．８８〜１．３３Ｗ／ｃｍ”の間に、エ
ツチング速度とサーマルウニイブシグナルとのパワー密
度依存性の傾向か変わるところがあることがわかる。

第３図からは、Ｃｔ　Ｈ４ガスの添加が総ガス流量の１
〜１５％の範囲であると、Ｃ，Ｈ，ガスの５ｉＯ１では
エツチング、Ｓｉではデボである性質により、サーマル
ウニイブシグナルの上昇を起こさずに、対Ｓｉ選択比の
みが向上することがわかる。

第４図からは、基板面内均一性が確保されているととも
に、基板損傷もないことが確認できる。

なお、この第１実施例における第１ステツプのエツチン
グの原料ガスは、Ｃ，Ｆ、以外の、例えばＣｒＦ　ａ、
　Ｃ４Ｆ　ａ、　ＣａＦ　ｔｏ等のガスでも良い。また
、１２ステツプのエツチングでの添加ガスは、Ｃｔ　Ｈ
４以外の、例えばエチレン、アセチレン、メタン、エタ
ン、メタノール等のガスでも可能であり、特に、Ｃの間
に多重結合を含む不飽和系のガスであれば好ましい。さ
らに、被エツチング膜３は、ＰＳＧ、ＢＳＧ、ＳＯＧあ
るいはＳｉＮ系でも適用可能である。

第２実施例（第２の発明の一実施例に相当する。

第５図参照） 先ず、第５図（Ａ）に示すように、拡散層２が形成され
ているシリコン基板のような基板ｌ上全面に、シリコン
化合物系からなる被エツチング膜としての５ｉ０２模３
を形成し、この被エツチング膜３の上に、フォトリソグ
ラフィの技法で、基板ｌの拡散層２と対応する部分に開
Ｄ４ａを有するレジストパターン４を形成した後、この
レジストパターン４と被エツチング膜３とを含む基板ｌ
に、酸化を遮断した状態で、ＮＦ、とＮ　Ｈ，とを含む
ガスからなるダウンフロープラズマを照射する第１工程
により、（Ｎ　Ｈ４）？Ｓ　＋　Ｆ　ｓなる被エツチン
グ用薄膜ｌＯを形成する。

次に、」二記第１工程で形成されたエツチング用薄ＩＲ
ＩＯに、真空中で、エキシマレーザのような短波長光Ｉ
ｆを照射する第２工程により、エツチング用薄膜ｌＯを
１００℃程度に加熱する。すると、エツチング薄膜１０
のレジストパターン４上の部分が昇華するとともに、エ
ツチング薄膜ｌＯの開口４ａの底部に位置する被エツチ
ング膜３上の部分が昇華すると同時に被エツチング膜３
を構成する５ｉｆｔを化学的にエツチングし、被エツチ
ング膜３にレジストパターン・４をマスクとする孔！２
を形成する（このエツチングのメカニズムは、例えば、
信号技法、ＳＤＭ８９−４８　、第３６．３６頁か照。

だだし、この参考文献のエツチングは等方性である）。

この第２工程においては、エツチング用薄膜ＩＯのレジ
ストパターン４の開口４ａの孔壁面を覆っている部分全
部は、昇華温度まで十分に上昇しないので、その表面側
が昇華するが、開口４ａの孔壁面側の部分がサイドウオ
ール！３として残った状態となる。

そして、再び、上記第１工程を行うことより、レノスト
パターン４とサイドウオール１３と孔１２の底部の被エ
ツチング膜３との上に、（ＮＨ，）ｔＳ　＋　Ｆ　＠な
るエツチング用薄膜１０を形成した後、第２工程を行う
ことより、エツチング用薄膜ＩＯを昇華するとともに被
エツチング膜３を化学的にエツチングして被エツチング
膜３に前回よりも深さの深くなった孔１２Ａを形成する
というように、基板Ｉの拡散層２が露出するまで上記第
１工程と第２工程とを交互に行って、被エツチング＄１
３にコンタクトホール６（第１図（Ｃ）参照）を形成す
る。この第２工程においても、エツチング用薄膜１０の
サイドウオール１３と孔１２の孔壁面とを覆っている部
分全部は、昇華温度まで十分に上昇しないので、その表
面側が昇華するが、サイドウオール１３側と孔１２の孔
壁面側との部分がサイドウオール１４として残った状態
となる。よって、上記第１工程と第２工程とを交互に行
うエツチングは、異方性エツチングであり、しかも、エ
ツチング用薄膜ＩＯが加熱されて昇華すると同時にＳＩ
Ｏ＊と化学的に反応するが基板１のＳｉと反応しないと
いう対Ｓｉ選択性を有するエツチングであるので、被エ
ツチング膜３のエツチングが進行して基板ｌの拡散層２
が露出しても基板損傷を阻止できる。

この第２実施例においては、第２工程での照射光１１を
エキシマレーザで行っているので、エキシマレーザの交
互に繰り返す照射と停止との時間を制御し、その停止中
に第１工程を行ってエツチング用薄膜ＩＯを形成するこ
ともできる。

なお、この第２実施例における被エツチング膜３は、Ｐ
ＳＧ、ＢＳＧ等不純物を含むものでも良い。また、照射
光１１はエキシマレーザ以外のレーザあるいは重水素ラ
ンプ、キセノン水銀ランプ。

高圧水銀ランプ等の短波長光でも適用可能である。

さらに、基板ｌが露出する直前までは、第１実施例のよ
うな高速異方性を主としたエツチングを行った後、第１
図（Ｂ）に示す被エツチングＩ１３の孔５底部の残部３
ａに、第１工程と第２工程とを交互に行うことも可能で
ある。

［発明の効果コ 以上のように本発明によれば、少なくとも、被エツチン
グ膜より基板が露出する直前から、基板へのイオン衝撃
が非常に少ない状態で異方性エツチングを行って基板を
露出するので、エツチング速度と対Ｓｉ選択比とに支障
を招くことなく、基板損傷を阻止することができる。し
かも、エツチング完了後における基板表面の基板損傷除
去処理を省略でき、生産性を向上することらできる。

【図面の簡単な説明】

第１図（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）は第１の本発明に相当す
る第１実施例の工程図、第２図は同第１実施例の第１ス
テツプのエツチングにおけるパワー密度に対する５ｉｄ
ｅのエツチング速度とサーマルウニイブシグナルとの測
定結果を示す特性図、第３図は同第■実施例の第２ステ
ツプのエツチングにおける添加ガスの添加割合に対する
サーマルウニイブシグナルと対Ｓｉ選択比との測定結果
を示す特性図、第４図は同第１実施例におけるエツチン
グ後の基板の透過電子顕微鏡写真を忠実にトレースした
測定結果図、第５図（Ａ）、（Ｂ）。 （Ｃ）、（Ｄ）は第２の本発明に相当する第２実施例の
工程図、第６図は従来の原料ガスとしてＣＨＦ、ガスに
Ｃｔ　Ｈ４ガスを添加したガスを用いたマグネトロンＲ
ＩＥにおける添加ガスの割合に対するサーマルウニイブ
シグナルと対Ｓｔ選択比との測定結果を示す特性図、第
７図は同従来のＣＨＦ　ｓ／　Ｃ＊Ｈ−なる原料ガスを
用いたマグネトロンＲｒＥでエツチングした基板の透過
電子顕微鏡写真を忠実にトレースした測定結果図である
。 ｌ・・・基板、３・・・被エツチング膜、４・・・レジ
ストパターン、５，１２．１２Ａ・・・Ｌ６・・・コン
タクトホール、１０・・・エツチング用薄模、１１・・
・レーザ光（短波長光、あるいは照射光）、１３．１４
・・・サイドウオール。 第１大疋ゲ’ｌｆ）レシスパ外二ンク゛第１図（Ａ） 第１笑方ｔイクリの第２ステγフ゛エゾナンノ゛第１　
図（Ｃ） 」 蔓１寅７１ｊｌ！−伊ｌの匙１ステップエフテン２゛の
５」１尖糸００ １５１突方旨イダリのｔ２ステッブ工γナンク゛のシ１
１１完系す果第３ 図 ［果 第５ 図（Ａ） 第２突芳色ダリの纂２０月の工・汁ンク贋Ｖ真Ｊリレ７
穴第５図（Ｃ） 第５ 凶（Ｄ） ｔ５ｍ日Ｒ トー艷→心Ｈマロ２，１べ転◆ 手続補正書（自発） 平成２年８月３日

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）基板上に形成されたシリコン化合物系からなる被
   エッチング膜を異方性エッチングする方法において、 Ｃ＿ｘＦ＿２＿ｘ＿＋＿２、Ｃ＿ｘＦ＿２＿ｘ（Ｘ≧２
   の整数）から選ばれる少なくとも一種を含む第１ガスに
   より、被エッチング膜を基板が露出する直前までエッチ
   ングし、 次に、上記第１ガスに少なくとも分子中にＣとＨとを含
   むガスを添加してなる第２ガスにより、上記被エッチン
   グ膜の残部をエッチングすることを特徴とする、 シリコン化合物系からなる被エッチング膜のエッチング
   方法。
2. （２）基板上に形成されたシリコン化合物系からなる被
   エッチング膜を異方性エッチングする方法において、 ＮＦ＿３とＮＨ＿３とを含むガスからなるダウンフロー
   プラズマの照射で被エッチング用薄膜を形成する第１工
   程と、 この第１工程で形成されたエッチング用薄膜に光照射を
   行ってエッチング用薄膜を昇華するとともに被エッチン
   グ膜をエッチングする第２工程とを、 交互に行うことを特徴とする、 シリコン化合物系からなる被エッチング膜のエッチング
   方法。