JPH0329322A

JPH0329322A - 半導体装置の製造方法

Info

Publication number: JPH0329322A
Application number: JP16095189A
Authority: JP
Inventors: Katsuhiko Iizuka; 飯塚　勝彦
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 1989-06-26
Filing date: 1989-06-26
Publication date: 1991-02-07

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〕半導体装置の製造方法、特にシリコン上に形成された自
然酸化膜の除去方法（前処理方法）に関し、シリコンの表面に形戊された自然酸化膜の除去〔産業上
の利用分野〕本発明は半導体装置の製造方法、特にシリコン上に形成
された自然酸化膜の除去方法（前処理方法）に関する。

〔従来の技術〕

？導体装置の微細化に伴い、マスク材や絶縁膜として使
用されているＳｉｎｇ膜が薄層化されている．ゆえに、
Ｓｉｎ２に対して高い選択比をもってシリコンをエッチ
ングできるエッチング技術、すなわち下地のＳｉＯｚを
ほとんどエッチングすることなく例えば多結晶シリコン
をエッチングすることのできる技術が必要とされている
。これには臭素（Ｂｒｚ）または臭化水素（ｌｌＢｒ）
をエッチングガスに用いたシリコンのドライエッチング
方法が有効である。

ところが、Ｂｒ．やＨＢｒによるドライエッチングでは
、Ｓｉｎｇのエッチング速度が遅いため、シリコンの表
面が自然に、またはウエハプロセス中に酸化されてＳｉ
Ｏ１膜が形成されていると、これを除かないことには、
シリコンのエッチングがなかなか始まらない。ゆえに、
予め自然酸化膜の除去が必要となる。

そのために従来提案された方法としては、（１）アルゴ
ン（Ａｒ）単独でまたはＡｒにＮ２などを加えてスバッ
タによりＳｉＯ■を除去する物理的方法、？２）フレオン（ＣＦ４）を主にしたガスで化学的方法
と物理的方法を併用する反応性イオンエッチング（ＲＩ
Ｅ）によりＳｉ０２を除去する方法、（３）　　Ｉ１■
を用いる解離でＳｉｎ．のうちの０■をＨ２と反応させ
１１．０として飛敗させてＳｔのみを残す方法、（４）　　１０００’Ｃ程度の酸素を含まない非酸化処
理でＳｉＯ１の０２を除去する方法、などが提案されている。

？発明が解決しようとする課題）ところが、これら従来の方法のうち、（１）のＡｒでス
パッタする方法では、Ａｒイオンで自然酸化膜だけでな
くその他の部分も同様にスパッタするので、他の部分が
ダメージ（損傷）を受ける問題がある。

（３）のｈを用いる解離の方法では、ＳｉＯｚ膜がきわ
めて薄い場合には有効であるが、厚い場合には未だ十分
に確認されていない。（４）の方法では１０００″Ｃの
高温を用いることが問題である。

（２）の方法ではＳｉＯ■膜を１０００人／ｍｊｎのエ
ッチン？レートでエッチングするが、それはシリコンも
ほぼ同じエッチングレートでエッチングするので、エッ
チング時間に応じてシリコンのエッチング量が問題であ
る。第５図を参照すると、シリコン基板５１上に薄いＳ
ｉ０２膜５２が形成され、その上に設けられた多結晶シ
リコン配線層５３をおおうＳｉＯ■膜５４が形成され、
Ｓｉｎ．膜５４の開口部５５を通してアルご配線５６が
多結晶シリコン配線層５３と接続をとっている。第５図
（ａ）のアルミ配線５６を形或する前には、同図（′ｂ
）に示されるように開口部５５で露出した多結晶シリコ
ン配線層５３の表面に形成された３０〜５０人程度の自
然酸化膜と称されるＳｉｎｇ膜を除去しなければならな
い。仮に同図（Ｃ）に示すように自然酸化膜が形成され
ている場合、ＣＦ．を主に用いたＲＩＥでは同図矢印で
示すように表面から同じエッチングレートでエッチング
されるので、ＳｉＯ■膜の厚い部分を完全にエッチング
しようとするとＳｉＯ■膜の薄かったところでは多結晶
シリコンがエッチングされてしまう。

また、シリコン基板上に段差のあるＳｉＯ■膜１２が？
けられ、その上に多結晶シリコン層１３が形成され、そ
の多結晶シリコンＪｉｌ３をＳｉＯ■膜１４をマスクに
してエッチングする場合に、多結晶シリコンも段差をも
つようになる（第３図）。このときに多結晶シリコン表
面に自然酸化膜が形成されると段差部では縦方向からみ
て他よりも厚い自然酸化膜になっていることから、ＣＦ
．によるＲＩＥでは短時間で除去できない。そして、こ
の部分がマスクとなって図中点線で示したところでは多
結晶シリコンがエッチングされず、多結晶シリコン配線
間でショートを生じる結果となる（第４図）。

さらには、ＣＦ．を用いた自然酸化膜除去とＩＩＢｒを
用いたシリコンのエッチングを同じ反応室内で行うと、
残留したＣＦ．の影響が強く、ＨＢｒがもっＳｉｎ．に
対する高い選択性が失われるという問題もある。

そこで、Ｓｉｎ．がシリコンとの高い選択比をもって除
去できる方法として、希フッ酸を用いたウェットエッチ
ングがある。しかし、ウエットエッチングを行った後に
は水洗、乾燥のプロセスが必要で、これらのプロセスに
おいて自然酸化膜が再形成されることが問題となる。

そこで本発明は、シリコンの表面に形成された自然酸化
膜の除去を可能とし、それにつづくシリコンのエッチン
グで下地の酸化膜に対する高い選択比を維持することが
でき、さらには、段差を有する多結晶シリコン表面上の
自然酸化膜も平坦部の自然酸化膜と同時に除去すること
のできる前処理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、シリコン層の表面に形成された自然酸化膜
を除去する前処理において、酸素（Ｏ２）と、酸素（０
２）に対して２０％以下のフレオン（ＣＦ４）との混合
ガスをエッチングガスとして用い、該シリコン層上に形
成された自然酸化膜をもった試料に対しマイクロ波ダウ
ンフローエッチング処理を行うことを特徴とする半導体
装置の製造方法によって解決される。

？作用〕０■とＣＦ４の混合ガスを用いたダウンフローエッチン
グの場合、ＣＦ．流量の割合が多いとＳｉＯｚよりもシ
リコンの方のエッチング速度が速い。なお、従来のＲＩ
Ｅで用いた０２とＣＦ４の混合ガスでは、両者はほとん
ど同じエッチング速度であった。ところが、ＣＦ．流量
の割合が０２に対し２０％以下のところでは、シリコン
よりもＳｉ０２の方のエッチング速度が速くなる。この
関係を第２図に示す。なお、同図は、０■に対するＣＦ
４の混合割合におけるエッチング速度および選択比（多
結晶シリコン／ＳｉＯｚ）の関係を示す線図で、図にお
いて、横軸にはＣＦ４と（ＣＦ４＋Ｏｔ）の比率を％で
表し、縦軸は、左がエッチング速度を〔入／ｍｉｎ　）
で、また右はポリシリコン／ｓｉｏｔの選択比を表す。

四角（口）印を結ぶ！’ＪＢは多結晶シリコンのエッチ
ング速度、丸（○）印を結ぶ線ＣはＳｉｎ２のエッチン
グ速度、三角（Δ）印を結ぶ線ＡがＳｉＯ■に対する多
結晶シリコンの選択比を表す。このときの処理条件は、
マイクロ波の出力が４００Ｗ、圧力がＩ　Ｔｏｒｒ、ス
テー？温度は常温で一定とした。よって、ＣＦ．の流量
の割合が０■に対し２０％以下の領域でシリコンをほと
んどエッチングすることなく自然酸化膜の除去が可能と
なる。そして、ＲＩＥと違い、ダウンフロ一方式では中
性活性種による等方性エッチングが行え、段差のあるシ
リコンの表面に形成した自然酸化膜の除去も可能である
。

また、ＣＦ．の量がかなり少なくても、この作用は可能
なことから、Ｂｒ．またはＩＩＢｒを用いたシリコンの
エッチングも再現性良く、高速で高選択比をもって可能
となる。

？実施例〕以下、本発明を図示の実施例により具体的に説明する。

第３図は、今回問題とするシリコン、すなわち多結晶シ
リコンＮｌ３の表面に形成した自然酸化膜（　ＳｉＯ■
膜）１５を示すものである。マスク材はＳｉＯｚ膜１４
である。レジストマスクでは、レジストからのカーボン
の影響で下地の酸化膜ｌ２のエッチング速度が速まり、
多結晶シリコンとの選択比が悪くなるためである。また
、レジストマスクでは、カーボンの影響により多結晶シ
リコン表面の酸化膜も除去可能な場合があるので、今回
はＳｉＯｚ膜マスクにした。よって、この試料を本発明
の実施例で用いた。被加工物である試料の詳しい構造は
、シリコン基板１１上に絶縁膜として熱酸化による厚さ
１０００人のＳｉＯｚ膜ｌ２を形成し、その上に厚さが
約４０００人の多結晶シリコン層ｌ３を化学気相成長（
ＣＶＤ）法により形成した。さらに、その上に線幅１　
ｐｍ、厚さが約２０００入程度のＳｉｎ２膜マスク１４
のパターンを形成した。そして、そのパターン形成に用
いたＳｉｎｇ膜マスクｌ４上のレジストは、０２プラズ
マにより既に除去した。多結晶シリコン表面は０２プラ
ズマにさらされたことで酸化され、自然酸化膜１５が形
成されている。

また、段差を有するシリコン表面に形成された自然酸化
膜を第４図に示す。これは、シリコン基板１１上に段差
をつけたＳｉＯｚＪｌｉｌ２を形成した。その上に厚さ
が約４０００人の多結晶シリコン１３をＣＶＤ？により
形成した。この多結晶シリコン表面にも自然酸化膜１５
が形成されてある。マスク材はＳｉＯ■膜１４とした。

本発明を実施した装置の概略断面図を第１図に示す。図
の左側（ａ）が、自然酸化膜の除去を行うダウンフロー
エッチング装置で、図の右側（ｂ）がシリコンのエッチ
ングを行う平行平板型ＲＩＥ装置で、図中、２１はガス
供給口、２２はマイクロ波導入口、２３は試料、２４は
モノクロメーター、２５はプラズマ室、２６はシャワー
ヘッド、２７はステージ（ヒーター付）、２８はガス排
気口、２９はＮ２ガス供給口、３０は搬送室、３１はガ
ス排気口、３２と３３はロードロック、３４は搬送アー
ム、３５はガス供給口、３６と３６ａは絶縁物、３７は
高周波電源、３８は静電チャック、３９はＨｅガス供給
口、４０は直流出力（ＤＣパワー）電源、４１はエッチ
ング室、４２はＨｅガス排気口、４３はガス排気口、４
４は冷却水循環機構である。そして、これら２つの装置
は、真空にひかれた搬送室３０ででつながれている。こ
の構造により、自然酸化膜の除去を行った試料２３は、
大気にさらされることなくエッチング室に運ばれる。さ
らに、ロードロック３２、３３を備えることにより、Ｃ
Ｆａがエッチング室に、またはその逆にＢｒｔやＨＢｒ
が前処理を行う反応室に流れ込むことはない。

図示の装置の（ａ）の部分で、プラズマ室２５内で発生
するイオンや電子はシャワーヘッド２６によってとらえ
られ、下方の試料２３には行かない。そして、中性活性
種を含むガスが圧力の差によって下方に流れて試料２３
に到達し、エッチングを行うのである。

次に、自然酸化膜除去のダウンフローエッチングの条件
とシリコンのＲＩＥの条件を示す。

（ダウンフローエッチング条件）マイクロ波出力：４００Ｗ圧　　　力　　　　　：　　　ＩＴｏｒｒステージ温度
　：２０゜Ｃ（ＲＩＥ条件）ｒｆパワー　　　　　：３００Ｗ圧力　　：　０，Ｉ　ＴｏｒｒＨＢｒ流量　　　　：５０ｓｃｃｓ冷却用Ｈｅガス圧力：２Ｔｏｒｒチラー設定温度　：６０゜Ｃ？に、第ｌ図の装置を使い、第３図の試料を用いて、実
際に０■とＣＦ４の混合ガスによるダウンフローエッチ
ングを前記した条件で行い、シリコン表面に形成された
自然酸化膜の除去を試みた。ステージ温度は２０’Ｃに
保ったが、試料２３の温度はエッチング中２０″Ｃ　＋
　（１０〜２０゜Ｃ）の温度にまで上昇するものと理解
される。

？実施例１）前処理をしていない第３図の試料に対し、前記したＲＩ
Ｅ条件で５分間のエッチングを行った。

その結果、多結晶シリコンのエッチングが始まったもの
と始まらなかったものがあった。そのうちエッチングが
行われた試料の場合で下地のＳｉＯ■に対する多結晶シ
リコンの選択比は１００であった。

しかし、下地のＳｉｎ２膜上には無数のシリコン残が観
られた。これは、自然酸化膜の存在が原因で、自然酸化
膜がエッチングされずに残ったところではそれがマスク
となって下の多結晶シリコンが除去されないからである
。

？実施例２）先ず、第３図の試料に対し、前記したダウンフローエッ
チング条件で自然酸化膜の除去を行った。

このときのエッチングガスの混合割合は、０２に対しＣ
Ｆ．が５０％とした。自然酸化膜が除去された後、真空
中で試料を第Ｉ図の（ロ）の反応室に搬送し、今度は、
前記したＲＩＥ条件で多結晶シリコンのエッチングを行
った。その結果、多結晶シリコンは垂直形状にエッチン
グされたが、下地のＳｉｎｔに対する選択比は１７であ
った。下地のＳｉｎ．膜上にはシリコン残が観られた。

これは、自然酸化膜の除去が良好に行われなかったこと
が原因である。

シリコン残がある場合、それを放置するとショートなど
の原因となり、またそれを完全になくそうとオーバーエ
ッチングをすると下地のＳｉＯ■膜も過度にエッチング
されるという問題が生じるものである。

？実施例３）次に、エッチングガスの混合割合を０■に対しＣＦ４が
２０％として、実施例２と同様に自然酸化膜の除去と多
結晶シリコンのエッチングを行った。その結果、多結晶
シリコンは垂直にエッチングされ、下地のＳｉ（ｈに対
する選択比は４０であった。下地のＳｉｎ．膜上にはシ
リコン残は観られなかった。

（実施例４）次に、エッチングガスの混合割合をＯｘに対しＣＦ４が
１０％として、実施例２と同様に自然酸化膜の除去と多
結晶シリコンのエッチングを行った。その結果、多結晶
シリコンは垂直にエッチングされ、下地のＳｉＯｚに対
する選択比は８０であった。下地のＳｉｎ．膜上にはシ
リコン残は観られなかった．（実施例５）？に、エッチングガスの混合割合を０２に対しＣＦ４が
５％として、実施例２と同様に自然酸化膜の除去と多結
晶シリコンのエッチングを行った。その結果、多結晶シ
リコンは垂直にエッチングされ、下地のＳｉｎｇに対す
る選択比は１００であった。下地のＳｉｎ．膜上にはシ
リコン残は観られなかった。なお、本発明者は、０■に
対するＣＦ４を２％、１％として同様の結果を得た。

？実施例６）次に、第４図の試料を用いて、エッチングガスの混合割
合はＯｔに対しｃｐ．が５％とし、実施例２と同様に自
然酸化膜の除去と多結晶シリコンのエッチングを行った
。その結果、多結晶シリコンは垂直にエッチングされ、
下地のＳｉＯ■に対する選択比は１００であった。下地
のＳｉＯ■膜上にはシリコン残は観られなかった。この
ことは、装置について前に説明したダウンフローエッチ
ングにおいては、エッチングが上下方向だけでなく水平
方向にも、すなわち等方的に進行するので段差部のエッ
チングも平坦部のエッチングと同様になされることによ
るものである。

？発明の効果〕以上のように本発明によれば、０■と、０■に対し２０
％以下のＣＦ．との混合ガスを用いたマイクロ波ダウン
フローエッチング処理を行うことによって、平坦部では
もちろん、段差部でも良好な自然酸化膜の除去が可能で
あり、再現性も良く、また、Ｂｒｔや｝ｌＢｒによる高
選択比エッチングを維持できる。

本発明者の実験では、ステージ温度を常温、すなわち２
０゜Ｃに保って上記した結果を得たものである。例えば
、レジストのアッシングにダウンフローエッチングを用
いることは知られているが、その際にステージ温度は１
６０〜２００″Ｃに保たなければならない。本発明の方
法は常温で実施可能である点において、このような知ら
れた技術とは異なるものである。

さらに、本発明によれば、Ｏｔが過剰の条件であること
から、自然酸化膜の除去と同時にレジスト？除去が可能
であるため、ＳｉＯ■膜マスクを形戒するための従来のＳｉｎｇエッチング→レジストアッシング→前処理→シ
リコンエッヂングという工程を、ＳｉＯｚエッチング→前処理（レジストアッシングを含
む）→シリコンエッチングとなって、工数の削減と処理時間の短縮による工程の簡
易化が計れるという効果を奏し、スループットの向上に
もつながるところが大きい。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施に用いた装置の断面図、第２図は
０．に対するｃｐ４の混合割合における多結晶シリコン
とＳｉｎｇのエッチング速度および選択比（多結晶シリ
コン／ＳｉＯ■）の関係を示す綿図、第３図は本発明実
施例断面図、第４図は本発明の他の実施例の断面図、第５図（ａ）〜
（Ｃ）は自然酸化膜除去を説明する断面図である。図中、１ｌはシリコン基冬反、１２はｓｉｏｚｌｌＬ１３は多結晶シリコン層、１４はＳｉｎｇ膜、１５は自然酸化膜、２１はガス供給口、２２はマイクロ波導入口、２３は試料、２４はモノクロメーター２５はプラズマ室、２６はシャワーヘッド、２７はステージ（ヒーター付）、２８はガス排気口、２９はＮ．ガス供給口、３０は搬送室、３１はガス排気口、３２と３３はロード口ツタ、３４は搬送アーム、３５はガス供給口、３６と３６ａは絶縁物、３７は高周波電源、３Ｂは静電チャック、３９はＨｅガス供給口、４０は直流出力（　ＤＣパワー）電源、４１はエッチン
グ室、４２は｝ｌｅガス排気口、４３はガス排気口、４４は冷却水循環機構を示す。

Claims

【特許請求の範囲】シリコン層（１３）の表面に形成された自然酸化膜（１
５）を除去する前処理において、酸素（Ｏ＿２）と、酸
素（Ｏ＿２）に対して２０％以下のフレオン（ＣＦ＿４
）との混合ガスをエッチングガスとして用い、該シリコン層（１３）上に形成された自然酸化膜（１５
）をもった試料（２３）に対しマイクロ波ダウンフロー
エッチング処理を行うことを特徴とする半導体装置の製
造方法。