JPH0464177B2 - - Google Patents

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JPH0464177B2
JPH0464177B2 JP58175686A JP17568683A JPH0464177B2 JP H0464177 B2 JPH0464177 B2 JP H0464177B2 JP 58175686 A JP58175686 A JP 58175686A JP 17568683 A JP17568683 A JP 17568683A JP H0464177 B2 JPH0464177 B2 JP H0464177B2
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semiconductor
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    • H10P50/69Etching of wafers, substrates or parts of devices using masks for semiconductor materials
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    • H10P50/24Dry etching; Plasma etching; Reactive-ion etching of semiconductor materials
    • H10P50/242Dry etching; Plasma etching; Reactive-ion etching of semiconductor materials of Group IV materials

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  • Drying Of Semiconductors (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、珪素または炭化珪素を主成分とする
半導体のプラズマ・エツチングを行う方法におい
て、特に弗化水素(以下HFという)気体を用い
ることにより、エツチング後に良質な残存物のな
い表面を得る方法に関する。
半導体デイバイス作製プロセスにおいて、小型
化、高集積化が進み、プラズマ・エツチングを含
むドライ・エツチングが重要になつてきている。
従来、珪素または珪素化合物のプラズマ・エツ
チングには反応性ガスとしてCF4,CHF3,CF3
Br,CCl4等のようなハロゲン化物気体を用い、
それらに必要に応じて水素、窒素、酸素等の補助
ガスを添加してプラズマ・エツチング・プロセス
を行つている。
しかしエツチングされる半導体が珪素または炭
化珪素のごとき珪素を主成分とする非単結晶半導
体にあつては、この中にプラズマ・エツチングの
際同時にラジカルの一部がスパツタされて混入す
る。Br,Clは非単結晶半導体中において再結合
中心を発生し、C,Oは非単結晶半導体を絶縁化
させてしまう。このため、これら非単結晶半導体
のプラズマ・エツチングとしては、これらを含ま
ないプラズマ・エツチング・プロセスの開発が求
められていた。本発明はかかる目的を初めて満た
したものである。
一般にエツチング反応に直接関係していると考
えられているのは、プラズマのエネルギにより活
性化された弗素ラジカル(F*)、または塩素ラ
ジカル(Cl*)であり、残りの炭素(C)や臭素
(Br)等はエツチング反応に直接には関与せず、
排気されていくとされている。しかし、これらの
うち炭素は不揮発性物質であり、反応管壁、電
極、試料台および試料表面に堆積してしまう。堆
積する炭素の多くは化学的に活性であり、 C+4F→CF4 または、 C+O→CO (酸素がある場合) などの反応式で示されるように、即座に取り除か
れると考えるが、それにもかかわらず炭素は堆積
し、エツチング後の珪素または炭化珪素化合物を
主成分とする半導体の物性に悪影響を与えること
が知られている。
そこで本発明はエツチング後に良質な残存物の
ない表面を得るために、プラズマ・エツチングの
反応性ガスにHFガスを用いた。HFガスは構造
式からも明らかなように、水素と弗素とよりな
り、エツチング反応に直接関係のない水素は試料
表面に残存していたとしても、珪素または炭化珪
素化合物を主成分とする半導体の物性には何等悪
影響を与えない。
また試料表面に残存する水素を除去する速度と
同様に残存する炭素を除去する速度を比較する
と、明らかに水素の除去速度の方が速い。
また、HFガスを用いることにより、窒化珪
素、酸化珪素SiO2,Metal等の被膜に対する珪素
または炭化珪素化合物半導体の選択比が大きく得
られる。
このため、これらの被膜は選択エツチングのマ
スクとして用い得ることが判明した。
さらにHFガスは酸素または酸化物気体を1%
以下として純度99%以上(好ましくは99.9%以
上)を有せしめた。なぜなら、不純物である酸化
物が活性化してエツチングされた材料例えば珪素
と反応し、酸化珪素を局部的に作り、マスク被膜
を形成してしまうことを防ぐためである。かくの
ごとき高純度とすることにより、エツチング後の
半導体表面は平坦な光沢のある表面とすることが
可能となつた。
以下にその実施例を示す。
実施例 1 第1図は本発明に用いたプラズマ・エツチング
装置の概要を示す。
図面において、エツチングされる基板1はホル
ダ上に配設され石英製の反応炉2内に挿入した。
基板は外側より室温〜300℃例えば25℃に調整し
た。プラズマは高周波電源13により13.56MHz
の電気エネルギを一対の網状電極3,3′に加え
て供給した。反応炉は真空引きを真空ポンプ11
によりバルブ9,10を開として行い、10-4torr
以下にして酸素成分を除去した。
この後、6よりHFを100c.c./分供給し、エツ
チ用反応炉内を0.05〜3torrここでは0.5torrとし
た。基板としてアモルフアス珪素、アモルフアス
炭化珪素、単結晶珪素100または111面方位
を用いた。
この時のエツチング速度と高周波出力との関係
を第2図に示す。また、その結果と比較するため
にSiO2のエツチング速度と高周波出力との関係
を第6図に示す。
なお第2図の20は非単結晶珪素、20′は単
結晶珪素であり、第6図の24はSiO2である。
このようにHFガスを用いてプラズマエツチン
グを行つた場合、従来考えられていたように高出
力ほどエツチング速度が増大するのではなく、低
出力側(この実験では10W付近)にエツチング速
度の極大値が見られた。
しかも、SiO2のエツチングレートは高周波出
力10Wでは測定限界以下であり、40W,70W時に
おいてもかろうじて測定できる程度である。
窒化珪素と炭化珪素のエツチングレートも
SiO2のエツチングレートとほぼ同じ値を示した。
さらにこの条件での金属被膜のエツチング効果
は測定することができなかつた。
ここでこの場合とまつたく同じ装置、同じ条件
でガスを従来のプラズマエツチングで用いられる
CF4またはCF4+O2にした場合の単結晶、非単結
晶珪素のエツチング速度と高周波出力の関係を第
3図に示す。CF420,CF4+O221とも高出力
ほどエツチング速度が増大していつている。
これらのことより、HFガスを用いた場合の反
応種はHFラジカルであることが推定でき、従来
考えられていたFラジカル、CF3ラジカルとは反
応機構が異なると予想できる。
また第2図、第3図において、高周波出力が
10Wの時の非単結晶珪素、または単結晶珪素のエ
ツチング速度を比較すると、次の表1のようにな
り、HFガスを用いた場合はCF4ガスの約20倍、
CF4+O2ガスの約2倍のエツチング速度が得ら
れ、より少ないエネルギーで効率のよいエツチン
グを行うことができる。
表 1 非単結晶珪素 単結晶珪素 HFガス 1250Å/分 1350Å/分 CF4 60Å/分 50Å/分 CF4+O2 700Å/分 500Å/分 次に第4図にHFガスを用いた時のエツチング
速度と基板温度の関係を示す。
この場合も従来考えられている場合とは逆で、
低い温度ほどエツチング速度は増大していつてい
る。
第5図にCF4ガスを用いた時のエツチング速度
と基板温度との関係を示す。こちらは従来考えら
れているとおり、温度が高くなるにつれてエツチ
ング速度が増大していつている。
第4図、第5図からもHFガスを用いたプラズ
マエツチングにおける反応機構は従来考えちれて
いたものとは異なると考えられる。HFガスを用
いた場合、低出力、低温度ほど、エツチング速度
は高い、即ちエツチング反応の中心的役割を果た
しているのはHFラジカルであるといえる。HF
ラジカルが反応種とすると、珪素のエツチング反
応は次の式のように書ける。
2HF+Si=SiH2F2+368.2kj/mol 一方CF4の場合は、 4CF4+Si=SiF4+4CF3−36.6kJ/mol となり、HFラジカルの方は低温度ほどエツチン
グは速くなり、逆にCF4の方は高いほどエツチン
グは速くなることが上の2式よりわかる。
このようにHFガスを用いてプラズマエツチン
グを行うことにより、従来とは異なつた反応機構
にて珪素および炭化珪素を主成分とする非単結晶
珪素をエツチングすることができ、さらに従来よ
り低いエネルギーで従来と同じかそれ以上の速度
を得ることができ、更に半導体層に悪影響を与え
る元素をまつたく含まないため、エツチング後に
理想的な半導体を得ることができた。
他方、金属例えばアルミニユーム、酸化珪素、
窒化珪素はエツチングを1時間行つても200Å以
下であつた。即ち3Å/分以下であつた。エツチ
ングの選択比として100倍近くを得ることができ
た。(RF出力40W) 酸化珪素および窒化珪素はSi O,Si Nの結合
において、電気陰性度の差によつて珪素元素はδ
+に正電荷を帯びている。前述のようにHFガス
を用いた場合、CF3・ラジカルのように電気的に
偏つた物を含まない為、酸化珪素及び窒化珪素と
は反応しがたい。またHFガスは金属表面に付着
する為、高周波出力を加えても金属表面と活性種
とが出会わない為、エツチングされない。このよ
うに非常に高い選択比が得られるので、プラズマ
エツチング時のマスクとして酸化珪素、窒化珪素
および金属被膜を用いることができる。
実施例 2 単結晶珪素基板上に熱酸化膜を1000Åの厚さに
形成し、選択的に酸化珪素を残存せしめ、珪素を
一部において露呈させた。
かかる基板を実施例1に示した反応炉内に導入
し、プラズマ・エツチングを施した。
すると単結晶珪素を3μの深さに約60分で得る
ことができた。この時酸化珪素はマスクであり、
300Åのエツチングしかされず、十分マスク材料
として有効であることが判明した。
さらに珪素表面を観察した結果、炭素等の残存
物が全く見られなかつた。
以上の説明のごとく、本発明方法は純度99%以
上のHFを用いているため、プラズマ・エツチン
グをした後、炭素、塩素、臭素等、半導体に悪影
響を与える物が残存物としてエツチングされた表
面または半導体層中に残ることはない。
このため、VLSI(超集積化回路)工程において
も、またアモルフアス半導体を用いた半導体装置
の作製においても、高信頼性を有せしめることが
可能となつた。
さらにCF3Br,CCl4等のハロゲン化物はそのラ
ジカルの寿命がきわめて長い。このため排気ポン
プ(第1図11)のオイルを劣化させて性能が低
下し、真空引きを不可能にしてしまうという欠点
を有する。他方、本発明方法のHFガスを用いた
場合はオイルの性能低下が100時間使用してもま
つたく見られないという他の特長を有する。
このことにより、本発明は従来より公知のCF4
+O2等のプラズマ・エツチング方法では予想す
ることのできないもので、残存成分のない清浄な
処理表面を得、少ないエネルギーで高いエツチン
グ速度を得、さらに不要ラジカルによるオイルの
劣化がきわめて少ないものである。さらにアモル
フアス珪素等の非単結晶半導体中にスパツタでラ
ジカルのHとF元素が混入されても、このHとF
元素が再結合中心中和剤としても作用し得るとい
う多くの特長を有するもので、その工業上の価値
は大なるものと信ずる。
なお本発明において、エツチングされる半導体
の副成分としては再結合中心中和用の水素、弗素
またはPまたはN型の導電型を決める不純物が主
たるものであることを付記する。もちろん珪素ま
たは炭化珪素が全成分の50%を越える場合の材料
を本発明のエツチを行う対象材料としていること
はいうまでもない。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明に用いられたプラズマ・エツチ
ング装置の概要を示す。第2図は温度と圧力一定
条件でのHFガスによるエツチング速度と高周波
出力の関係を示す。第3図は温度と圧力一定条件
でのCF4およびCF4+O2ガスによるエツチング速
度と高周波出力の関係を示す。第4図は高周波出
力と圧力一定条件でのHFガスによるエツチング
速度と基板温度の関係を示す。第5図は高周波出
力と圧力一定条件でのCF4ガスによるエツチング
速度と基板温度の関係を示す。第6図は温度と圧
力一定条件でのHFガスによる非単結晶珪素、単
結晶珪素、SiO2のエツチング速度と高周波出力
の関係を示す。 20,21,22,23……非単結晶珪素、2
0,21,22,23……単結晶珪素、26……
SiO2

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1 酸素珪素、窒化珪素、金属被膜、をマスクと
    して珪素または炭化珪素上に選択的に設け、前記
    マスクのない他部の前記珪素または炭化珪素を弗
    化水素気体によりプラズマ・エツチングを行うこ
    とを特徴とする半導体エツチング方法。 2 特許請求の範囲第1項において、弗化水素気
    は99%以上の純度を有することを特徴とする半導
    体エツチング方法。
JP58175686A 1983-09-22 1983-09-22 半導体エッチング方法 Granted JPS6066823A (ja)

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