JPH0463426A - 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］ 本発明はシリコン系材料層のドライエツチング方法に関
し、特にオーバーエツチングによる形状不良の発生を防
止する方法に関する。

〔発明の概要〕

本発明は、段差を有する基体上に形成されたシリコン系
材料層のエツチングを行うドライエツチング方法におい
て、対下地選択性よりも異方性を重視したガス系により
ほぼ目的の層厚骨をエツチングする第１の工程と、対下
地選択性が高く、かつ側壁保護膜の堆積により高異方性
も達成可能なガス系によりオーバーエツチングを行う第
２の工程とを組み合わせることにより、オーバーエツチ
ング時における形状不良の発生を防止しようとするもの
である。

さらに本発明は、段差を有する基体上に形成されたシリ
コン系材料層の段差中途部においてエツチングを行うド
ライエンチング方法において、対下地選択性よりも異方
性を重視したガス系によりほぼ目的の層厚骨をエンチン
グする第１の工程と、側壁保護膜を堆積させる第２の工
程と、異方性よりも対下地選択性を重視したガス系によ
りオーバーエツチングを行う第３の工程とを組み合わせ
ることにより、同様にオーバーエツチング時における形
状不良の発生を防止しようとするものである。

〔従来の技術〕 近年の半導体装置のデザイン・ルールの微細化に伴い、
多結晶シリコンやポリサイド膜等からなるシリコン系材
料層のドライエツチングにも、従来にも増して高異方性
および高選択性が要望されている。しかし、高異方性と
高選択性とはなかなか両立し難いのが実情である。

そこで従来はエツチング工程を２段階に分け、最初の段
階で目的とするシリコン系材料層の層厚骨、もしくはほ
ぼ層厚に近い分を対下地選択性には劣るが高異方性が得
られる条件によりエツチングし、次の段階で等方的であ
るが対下地選択性の高い条件によりオーバーエツチング
することが行われている。たとえば、−１１１Ｑにシリ
コン系材料層のドライエツチングは、ＣｚＣｆｆｓＦｓ
（フロン１１３）、Ｃ２Ｃｆ２Ｆ、（フロン１１４）、
Ｃ２ＣＮＦｓ（フロン１１５）　　等の堆積性のフロン
系ガスと、多量のフッ素系ラジカルの供給源となるＳＦ
、とを含む混合ガスを用いて行われているが、このガス
系におけるフロン系ガスとＳＦ６ガスの混合比やバイア
スパワー等を変化させることにより、これら両方の条件
を達成することができる。すなわち、ＳＦ。

の混合比を１０％程度とし、バイアスパワーを高めに設
定すれば高異方性が達成され、ＳＦ、の混合比を５０％
前後とし、バイアスパワーを低めに設定すれば高選択性
が達成されるのである。

〔発明が解決しようとする課題］ しかしながら、上述のような２段階のエツチング方法で
は、後半で等方的なエツチングが行われるため、下地の
形状によってはシリコン系材料層に形状不良が発生する
場合がある。

たとえば、第３図（Ａ）に示されるように、ゲート電極
（２１）とサイドウオール（２２）とにより段差部が形
成されている半導体基板（２０）上に酸化シリコンから
なる層間絶縁膜（２３）および多結晶シリコン層（２４
）が順次積層されてなる基体において、上記ゲート電極
（２１）の直上部にパターンエツジ（２５ａ）を存する
レジスト層（２５）をマスクとして上記多結晶シリコン
層（２４）のエツチングを行う場合を考える。

上記多結晶シリコン層（２４）のエツチングは側壁保護
膜（２６）が形成されながら異方的に進行するので、エ
ンチング面はほぼ垂直壁となる。しかし、ゲート電極（
２１）の直上部において層間絶縁膜（２３）が露出した
状態（ジャスト・エツチング状態）では、該上記層間絶
縁膜（２３）の傾斜面（２３ａ）上にいわゆるストリン
ガ−と呼ばれる側壁残渣（２４ａ）がしばしば残存する
。このような側壁残渣（２４ａ）を除去するためには、
通常１００％程度のオーバーエンチングが必要である。

しかし、このオーバーエツチングは、下地である層間絶
縁膜（２３）に対する選択比が高い代わりに異方性の低
い条件にて行われるため、せっかく形成された側壁保護
膜（２６）も除去されてしまう震れがある。

その結果、第３図（Ｂ）に示されるように、エツチング
面から多結晶シリコン層（２４）の内部へ向かってエツ
チングが進行し、浸食部（２４ｂ）が形成される、多結
晶シリコン層（２４）にかかる形状不良が発生すると、
この上にさらに層間膜を形成する場合に該層間膜により
被覆されない部分が生し、種々の信転性劣化の原因とな
る。

同様の不都合は、たとえばＤＲＡＭのスタックド・キャ
パシタの形成にみられるように、大きな段差を被覆して
形成される多結晶シリコン層をその段差の上部において
パターニングするような場合にも生ずる。このような場
合には、段差の側壁部に堆積する堆積物を除去するため
に３００〜４００％ものオーバーエツチングが必要とさ
れるので、多結晶シリコン層が不要な浸食を受ける広れ
も大きくなる。

さらに、第３図（Ｂ）に示されるような形状不良は、パ
ターニングが上述のような段差の上部において行われる
場合のみならず、段差の中途部で行われる場合にも問題
となる。

たとえば、第４図（Ａ）に示されるように、酸化シリコ
ン等からなる素子分離領域（３１）により段差部が発生
している半導体基板（３０）に多結晶シリコン層（３２
）が形成されてなる基体において、上記段差の中途部に
パターンエツジ（３３ａ）を有するレジスト層（３３）
をマスクとして上記多結晶シリコン層（３２）のエツチ
ングを行う場合を考える。

上記多結晶シリコン層（３２）のエツチングは側壁保護
膜（３４）が形成されながら異方的に進行するため、エ
ツチング面はほぼ垂直壁となる。この場合、素子骨＃領
域（３１）の平坦部が露出してからさらに１０〜１５％
程度のオーバーエンチングが行われるが、段差部におい
て素子骨ＭＨ域（３１）の傾斜面（３１ａ）が露出する
に伴い、該傾斜面（３１ａ）で散乱されたエツチング種
が図中矢印ａで示されるごとく、多結晶シリコン層（３
２）のエツチング面に入射するようになる。しかも、か
かる傾斜面（３１ａ）とエツチング面とに囲まれる微細
なコーナ一部ではもともと側壁保護膜（３４）の堆積量
も少なく、十分な側壁保護効果を期待することができな
い。さらに、オーバーエツチング時には下地である素子
骨ＨｅＭ域（３１）に対して高選択比が得られるガス系
が使用されるが、かかるガス系により側壁保護膜（３４
）が除去されてしまうという問題もある。

その結果、第４図（Ｂ）に示されるように、エツチング
面から多結晶シリコン層（３２）の内部へ向かってエツ
チングが進行し、浸食部（３２ａ）が形成されてやはり
種々の信転性劣化の原因となる。

このように、段差を有する基体上における従来のシリコ
ン系材料層のエツチングには、オーバーエツチング時に
形状不良が発生し易いという問題がある。そこで本発明
は、このような問題を生じないシリコン系材料層のドラ
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〕

上述のように、従来の２段階のエツチング方法では、後
段のオーバーエツチング時における形状不良の発生が問
題となっていた。本発明者らはこの問題を、■オーバー
エツチング時に対下地選択性を大きくとることができ、
しかも側壁保護膜を形成し得るガス系を採用する、もし
くは■オーバーエンチングの前に側壁保護膜を堆積させ
る工程を挿入し側壁保護膜を補強する、という手段をと
ることにより解決できることを見出し、本発明を提案す
るに至ったものである。

すなわち、本発明の第１の発明にかかるドライエツチン
グ方法は、段差を有する基体上に形成されたシリコン系
材料層のエツチングを行うドライエツチング方法であっ
て、少なくともＣ１２ガスＨＢｒガス、およびＢｒｔガ
スから選ばれるいずれか１種のハロゲン系ガスと、フル
オロカーボン系ガスと、炭素を含まないフッ素系ガスと
を含む混合ガスを用いてエツチングを行う第１の工程と
、少なくともＳ　ｉ　Ｃ１，ａガスとＮ２ガスとを含む
混合ガスを用いてオーバーエツチングを行う第２の工程
とを有することを特徴とするものである。

本発明の第２の発明にかかるドライエツチング方法は、
段差を有する基体上に形成されたシリコン系材料層の段
差中途部においてエツチングを行うドライエツチング方
法であって、少なくともＣ１、ｚガス、ＨＢｒガス、お
よびＢｒｇガスから選ばれるいずれか１種のハロゲン系
ガスと、フルオロカーボン系ガスと、炭素を含まないフ
ッ素系ガスとを含む第１の混合ガスを用いてエツチング
を行う第１の工程と、前記段差中途部に形成されるエツ
チング面に選択的に側壁保護膜を堆積させる第２の工程
と、前記炭素を含まないフッ素系ガスの混合比が前記第
１の混合ガスよりも大とされてなる第２の混合ガスを用
いてオーバーエツチングを行う第３の工程とを有するこ
とを特徴とするものである。

〔作用］ 本発明の第１の発明では、第１の工程において少なくと
もＣ１，ガス、ＨＢｒガス、およびＢｒｚガスから選ば
れるいずれか１種のハロゲン系ガスと、フルオロカーボ
ン系ガスと、炭素を含まないフッ素系ガスとを含む混合
ガスを用いてエツチングを行う。このガス系は、対下地
選択性には劣るが、炭素系ポリマーの堆積による側壁保
護効果が期待できるので高異方性が達成される他、実用
的なエツチング速度が得られるものである。かかるガス
系によりジャスト・エツチング状態もしくはその直前ま
でエツチングを行った後、第２の工程において少なくと
もＳ＋＋Ｃｆｆ１ａとＮ、とを含む混合ガスを使用して
オーバーエツチングを行う。このガス系は、本願出願人
が先に特開昭６３−７３５２６号公報に開示したごとく
、シリコン・トレンチ・エツチングに適用して良好な結
果を得ているものである。下地が酸化シリコン層である
場合の対下地選択比も２０〜３０と高く確保できるので
、オーバーエツチング用のガスとして好適である。この
第２の工程では、Ｓ　ｉ、Ｎ、、Ｓ　ｉｘＮ、Ｃ１ｔ等
の組成で表される無機系堆積物により側壁保護膜が形成
される。かかる無機系堆積物による側壁保護効果は、上
記第１の工程において形成される炭素系ポリマーからな
る側壁保護膜よりもイオン衝撃に対する耐性が高いので
、過度のオーバーエツチングを要する場合にもエツチン
グ面が良好に保護され、形状不良が発生しない。

なお、上記第２の工程で使用されるガス系は、第１の工
程にも適用できなくはないが、上記の無機系堆積物が大
量に生成してパーティクル汚染を招く震れがある他、反
応生成物であるＳｉＣ／！ａの蒸気圧が比較的低いため
にエツチング速度が低下したり、あるいは５ｉＣｆａ　
自身も堆積する可能性がある。したがって、本発明では
第２の工程のみに通用しているのである。

また、本発明の第２の発明は、特に段差を有する基体上
に形成されたシリコン系材料層の段差中途部においてエ
ツチングを行う場合に適用される。

まず、第１の工程は第１の発明と同様に行われる。

続く第２の工程では、前記段差中途部に形成されるエツ
チング面に選択的に側壁保護膜を堆積させる。この際、
水平部では堆積が起こらない条件を設定する。さらに第
３の工程では、上記第１の工程において使用された混合
ガスよりも前記炭素を含まないフッ素系ガスの混合比が
大とされてなるガス系によりオーバーエツチングを行う
。この第３の工程で使用されるガス系は、対下地選択性
を重視するために第１の工程におけるガス系と比べて炭
素を含まないフッ素系ガスの混合比が大となされている
分、炭素系ポリマーの側壁保護膜を形成し得るガス成分
が減じられており、側壁保護効果は低い。しかし、上述
の第２の工程において側壁保護膜が補強されているので
、オーバーエツチング時における形状不良の発生が防止
される。

［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。

実施例１ 本発明の第１の発明を通用した例を第１図（Ａ）ないし
第１図（Ｃ）を参照しながら説明する。

まず第１図（Ａ）Ｌこ示されるように、半導体基板（１
）上にゲート酸化膜（２）を介して形成されたゲート電
極（３）およびその両側壁部に形成されたサイドウオー
ル（４）により段差が発生している基体の全面に、酸化
シリコンからなる層間絶縁１１１（５）および多結晶シ
リコン層（６）を順次積層した。さらに上記多結晶シリ
コンＮ（６）の上にはレジスト材料を塗布し、所定のバ
ターニングを行うことによりレジスト層（７）を形成し
た。ここで、上記レジスト層（７）のパターンエツジ（
７ａ）は上記ゲート電極（３）の直上部にあたる多結晶
シリコン層（６）の平坦面上に位置している。

次に、多結晶シリコン層（６）のエツチングを行った。

すなわち、上記の基体を高周波バイアス印加型ＥＣＲ（
を子サイクロトロン共鳴）プラズマエツチング装置にセ
ットし、Ｃｉｔガス流量４０ＳＣＣＭ、　　ＣＨｔ　Ｆ
　ｚガス流量２０５ＣＣＭ、　　Ｓ　Ｆ、ガス流量６　
ＳＣＣＭ、　　ガス圧５〜ＩＯｔａＴｏｒｒ、高周波バ
イアスパワー１００Ｗの条件でエツチングを行い、層間
絶縁膜（５）の表面が露出したところで終了した。

この過程では、第１図（Ｂ）に示されるように、ＣＨ，
Ｆ、ガス、およびレジスト材料からの炭素の供給により
炭素系ポリマーからなる有機側壁保護膜（８）がエツチ
ング面に形成されながらエツチングが進行し、垂直パタ
ーンが得られた。しかし、ゲート電極（３）およびサイ
ドウオール（４）の形状を反映した層間絶縁膜（５）の
傾斜面（５ａ）上には、多結晶シリコン層（６）の一部
が側壁残渣（６ａ）となって残存した。

そこで、上記側壁残渣（６ａ）を除去するため、５ｉＣ
ｊ！ｎガス流量を３５５ＣＣＭ、　ＮＺガス流量を３５
５ＣＣＭとしてオーバーエツチングを行った。このガス
系によれば、酸化シリコンに対する多結晶シリコンの選
択比を大きくとることができるため、第１１１１（Ｃ）
に示されるように、下地の眉間絶縁膜（５）には重大な
影響を及ぼすことなく、側壁残渣（６ａ）のみが選択的
に除去された。一方、工、チング面においては上述の有
機側壁保護膜（８）の上にさらにＳ　ｉ、Ｎ、、Ｓ　ｉ
ｘＮ、Ｃ／！ｇ等の組成で表される無機側壁保護膜（９
）が堆積した。この無機側壁保護膜（９）は有機側壁保
護膜（８）よりも−層優れた側壁保護効果を発揮し、オ
ーバーエツチング中にも多結晶シリコン層（６）のエツ
チング面を後退させることはなかった。したがって、前
述の第３図（Ｂ）に示されるような浸食部（２４ｂ）は
形成されず、異方性形状が達成された。

なお、本発明は上述の実施例に限定されるものではな（
、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能で
ある。

たとえば、上述の例では炭素を含まないフン素系ガスと
してＳＦ、を使用したが、ＮＦ８，５ｉＦｎ等も使用で
きる。

フルオロカーボン系ガスとしては、上述のＣＨ。

Ｆ２以外にもＣＦ、、ｃａＦ、、Ｃ，Ｆ、、ＣＨＦ、等
を使用することができる。本発明においてこれらのフル
オロカーボン系ガスをハロゲン系ガスと併用するのは、
将来のフロンガス規制を踏まえてのことである。

エツチングおよびオーバーエツチングに使用される混合
ガスには、不活性ガス等が希釈用に適宜添加されていて
も構わない。

さらに本発明の第１の発明は、エンチング面が上述の例
のように平坦面上に位置する場合のみならず、後述の実
施例２のように段差の中途部に位置する場合にも適用可
能である。いずれにしても、第１の発明は１００〜４０
０％の大幅なオーバーエンチングを要する場合に特に有
効である。

また、被エツチング層も多結晶シリコン層に限られず、
ポリサイド膜等であっても良い。

実施例２ 本発明の第２の発明を適用した例を第２図（Ａ）ないし
第２図（Ｃ）を参照しながら説明する。

まず第２図（Ａ）に示されるように、半導体基板（１１
）上にたとえばＬＯＣＯ３法により酸化シリコンからな
る素子分離領域（１２）が形成され、さらに酸化膜（１
３）が形成されてなる基体上の全面に、多結晶シリコン
層（１４）を積層した。さらに上記多結晶シリコン層（
１４）の上にはレジスト材料を塗布し、所定のバターニ
ングを行うことによりレジスト層（１５）を形成した。

ここで、上記レジスト層（１５）のパターンエツジ（１
５ａ）は上記素子分離領域（１２）のパターンを反映し
た多結晶シリコン層（１４）の傾斜面（１４ａ）上に位
置している。

次に、第２図（Ｂ）に示されるように、実施例１と同様
にＥＣＲプラズマ・エツチング装置を使用してＣＺ、ガ
ス流量４０　ＳＣＣＭ、　　ＣＨｚＦｚガス流量２０　
ＳＣＣＭ、　Ｓ　Ｆ６ガス流量６５ｃｃ）１．ガス圧５
〜１０　ｍＴｏｒｒ、高周波バイアスパワー１００Ｗの
条件でエツチングを行い、素子分離領域（１２）の表面
が露出したところで終了した。この過程では、炭素系ポ
リマーからなる有機側壁保護膜（１Ｇ）がエツチング面
に形成されながらエツチングが進行し、垂直壁が形成さ
れた。

次に、バイアス印加を停止した他は上述の条件を維持し
、第２図（Ｃ）に示されるように、さらに有機側壁保護
膜（１６）を堆積させた。この過程では、基体の水平面
上においてエツチング反応と堆積反応とが競合し、エツ
チング面のような垂直面上では堆積反応が卓越すること
により、エツチング面上に２いて選択的に炭素系ポリマ
ーが堆積し、すでに形成されている有機側壁保護膜（１
６）が肥厚化された。

次に、Ｃ１２ガス流（Ｊ　６０　ＳＣＣＭ、　　ＣＨｚ
　Ｆ　２ガス流量１０　ＳＣＣ月、ＳＦ、ガス流量３５
　ＳＣＣ門、ガス圧５〜１０　ｍＴｏｒｒ、高周波バイ
アスパワーＩＯ〜２０Ｗの条件でオーバーエンチングを
行った。ここでは、先のエツチング工程におけるよりも
ＳＦ、ガスの混合比が高めら力、て酸化シリコンに対す
る選択比の高いエツチング条件が設定されているために
、下地の素子分離領域（１２）に何ら重大な影響が及ぶ
ことはなかった。また従来の技術では、このように素子
分離領域（１２）の傾斜面（１２ａ）が露出した状態で
オーバーエツチングが行われると、該傾斜面（１２）で
散乱されたイオンがエツチング面に入射して先の第４図
（Ｂ）に示されるような形状不良を引き起こしていたが
、本発明では前工程により有機側壁保護膜（１６）が補
強されているので、かかる形状不良は発生せず、第２図
（Ｃ）に示される垂直壁の状態が良好に維持された。

ところで、上述の例では有機側壁保護膜（１６）を肥厚
化させる工程において、エツチングガスの組成を変化さ
せずにバイアス印加を停止する手段をとったが、あるい
はＳＦ６の供給を停止し、若干のバイアスを印加するよ
うにして良い。ここでバイアス印加を行うのは、このよ
うに大量のフッ素ラジカルの供給源となるＳＦ、ガスが
添加されていない系では、基体の水平面上において堆積
反応が起こり易くなっているので、イオン・スパッタリ
ングにより水平面上の堆積物を除去し、垂直面上に選択
的に堆積物を残すためである。

本発明の第２の発明は、たとえばゲート電極の形成時の
ように１０〜１５％程度のオーバーエツチングが行われ
るプロセスへの適用に特に通している。

〔発明の効果〕

以上の説明からも明らかなように、本発明を適用すれば
、オーバーエンチング中にもエンチング面が十分な耐性
を有するかもしくは十分な量の側壁保護膜により保護さ
れるため、被工、チング層であるシリコン系材料層が余
分な浸食を受けることがない。したがって、従来は困難
であった高選択性と高異方性の両立が可能となり、表面
段差の大きい基体上における工、チングが高い信顧性を
もって行われるようになる。

なお、本発明は脱フロン対策としてももちろん有効であ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図（Ａ）ないし第１図（Ｃ）は本発明の第１の発明
の適用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）は多結晶シリコン層上におけるレジス
ト層のバターニング工程、第１図（Ｂ）は多結晶シリコ
ン層のエソチング工程、第１図（Ｃ）はオーバーエツチ
ング工程をそれぞれ表す。第２図（Ａ）ないし第２図（
Ｃ）は本発明の第２の発明の適用例をその工程順にした
がって示す概略断面図であり、第２図（Ａ）は多Ｐ晶シ
リコン層上におけるレジスト層のバターニング工程、第
２図（Ｂ）は多結晶シリコン層のエツチング工程、第２
図（Ｃ）は側壁保護膜の形成工程およびオーハーニ・ノ
チング工程をそれぞれ表す。第３図（Ａ）および第３図
（Ｂ）は従来のエツチング方法の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３図（Ａ）は多結晶
シリコン層のエソチング工程、第３図（Ｂ）はオーバー
エツチングに伴う形状不良の発生状態をそれぞれ表す。 第４図（Ａ）および第４図（Ｂ）は従来のエツチング方
法の他の例をその工程順にしたがって示す概略断面図で
あり、第４図（Ａ）は多結晶シリコン層のエツチング方
法、第４図（Ｂ）はオーバーエツチングに伴う形状不良
の発生状態をそれぞれ表す。 ａ ６．１４ ａ ７．１５ ８．１６ ２ａ ４ａ 層間絶縁膜 （層間絶縁膜の）傾斜面 多結晶シリコン層 側壁残渣 レジスト層 有機側壁保護膜 無機側壁保護膜 （素子分＃領域の）傾斜面 （多結晶シリコン層の）傾斜面

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）段差を有する基体上に形成されたシリコン系材料
   層のエッチングを行うドライエッチング方法において、 少なくともＣｌ＿２ガス、ＨＢｒガス、およびＢｒ＿２
   ガスから選ばれるいずれか１種のハロゲン系ガスと、フ
   ルオロカーボン系ガスと、炭素を含まないフッ素系ガス
   とを含む混合ガスを用いてエッチングを行う第１の工程
   と、 少なくともＳｉＣｌ＿４ガスとＮ＿２ガスとを含む混合
   ガスを用いてオーバーエッチングを行う第２の工程とを
   有することを特徴とするドライエッチング方法。
2. （２）段差を有する基体上に形成されたシリコン系材料
   層の段差中途部においてエッチングを行うドライエッチ
   ング方法において、 少なくともＣｌ＿２ガス、ＨＢｒガス、およびＢｒ＿２
   ガスから選ばれるいずれか１種のハロゲン系ガスと、フ
   ルオロカーボン系ガスと、炭素を含まないフッ素系ガス
   とを含む第１の混合ガスを用いてエッチングを行う第１
   の工程と、 前記段差中途部に形成されるエッチング面に選択的に側
   壁保護膜を堆積させる第２の工程と、前記炭素を含まな
   いフッ素系ガスの混合比が前記第１の混合ガスよりも大
   とされてなる第２の混合ガスを用いてオーバーエッチン
   グを行う第３の工程とを有することを特徴とするドライ
   エッチング方法。