JPH0484427A

JPH0484427A - ドライエッチング方法

Info

Publication number: JPH0484427A
Application number: JP2198045A
Authority: JP
Inventors: Shingo Kadomura; 新吾門村
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 1990-07-27
Filing date: 1990-07-27
Publication date: 1992-03-17
Anticipated expiration: 2015-02-07
Also published as: US5401359A; JP3006048B2; KR100193874B1

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〕本発明はドライエツチング方法に関し、特にフルオロカ
ーボン系ガスを使用せずに酸化シリコン系材料層の低温
異方性エツチングを高精度に行う方法に関する。

〔発明の概要〕

本発明は、酸化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、被エツチング基板をＯ″
ＣＣ以下却し、エツチングガスとして従来多用されてい
るフルオロカーボン系ガスに代わり５ｚＦｘ、　　ＳＦ
ｔ、　　ＳＦ、、　　ＳｚＦ、。のうち少なくとも１種
を含むガスを使用することにより、イオウの堆積により
シリコン系材料層に対する選択比が高く、低汚染であり
、かつ異方性の高いエツチングを可能とするものである
。

さらに本発明は、■イオン注入により被エツチング領域
ヘイオウを導入する、もしくは■少なくとも表面がイオ
ウを含む材料により構成されるエツチング装置内部材を
被エツチング基板の周辺近傍に配することにより、エツ
チング反応系内にイオウを補給してその堆積を促進し、
シリコン系材料層に対する選択比の高い酸化シリコン系
材料層のエツチングを可能とするものである。

さらに本発明は、酸化イオウの発光スペクトルもしくは
質量スペクトルが酸化シリコン系材料層のエツチング進
行中にのみ検出されることを利用して、高精度にエツチ
ングの終点判定を行うことを可能とするものである。

〔従来の技術〕

シリコン系材料層に対して高い選択比を保ちながら酸化
シリコン系材料層をドライエッチングする技術は、６４
ＫＤＲＡＭあたりからＬＳＩの生産に広く適用されてい
るエッチングプロセスのひとつである。この場合のエツ
チングガスとしては、ＣＨＦ、ガス、ＣＦ４／Ｈ２混合
ガス、Ｃ，Ｆ、／ＣＨＦ　ｚ混合ガス等が代表的なもの
であり、いずれもＦ／Ｃ比（分子内のフッ素原子数と炭
素原子数の比）の比較的小さいフルオロカーボン系ガス
が主体とされている。その理由は、（ａ）これらのガス
系が効果的に酸化シリコンのエツチング種であるＣＦ、
″を生成し得る、さらに（ｂ）プラズマ中で相対的に炭
素に冨む状態が作り出されるので、酸化シリコン中の酸
素がＣＯまたはＣＯｌの形で除去される一方、シリコン
上では炭素系のポリマーが堆積してエツチング速度が低
下し、シリコンに対する高選択比が得られるからである
。

このようなエツチング反応系においては、炭素の供給を
増大させることによりシリコン系材料層に対する選択比
を向上させようとする試みがなされている。たとえば、
本発明者は先に特願平１１９５１０７号明細書において
、酸化シリコン層とシリコン層との界面近傍へ炭素をイ
オン注入により導入するか、もしくは被エツチング基板
の周辺部材に炭素を構成要素とする材料を配する技術を
提案している。イオン注入を行う前者の技術によれば、
エツチングが上記界面近傍へ及んだ時点で炭素が放出さ
れ始めるが、この炭素は被エツチング領域に酸化シリコ
ンが存在する間はＣＯもしくはＣＯ２の形で系外へ除去
され酸化シリコン系材料層のエツチングを何ら阻害する
ものではない、しかし、シリコン層が露出するとそこに
炭素がポリマーの形で堆積するので、該シリコン層のエ
ツチングが進行しにくくなり、選択比の向上が図られる
。

また、被エツチング基板の周辺部材に炭素を構成要素と
する材料を配する後者の技術によれば、エツチング中に
随時スパッタ作用により炭素が系内に供給され、同様の
機構により選択比の向上が図られる。たとえば、カソー
ドカバー、ウェハクランプ、サセプター等の部材をシリ
コンカーバイド、ポリカーボネート、テフロン、ボリア
リレート等の材料で構成することができる。

上述のように炭素が関与する従来のエツチングでは、発
光スペクトル中のＣＯピーク（５１９ｎｍ）の急、激な
強度低下をもって終点判定を行うのが一般的である。

以上は、エッチングガスの選択および周辺部材を構成す
る材料の選択等を通じて異方性と選択性を両立させよう
とするアプローチである。これに加えて、近年のドライ
エツチングの分野では、たとえば１９８８年ドライ・プ
ロセス・シンポジウム抄録集第４２〜４９ページに報告
されているように、被処理基体を０℃以下の低温下に保
持してエツチングを行う低温エツチングが改めて注目さ
れている。

この低温エツチングとは、深さ方向のエツチング速度を
イオンアシスト効果により維持したまま、側壁部におけ
るラジカル反応を凍結してサイドエツチング等の形状不
良の発生を防止しようとする観点から提案されているも
のである。

〔発明が解決しようとする課題］ところで、兼ねてからフロン（クロロフルオロカーボン
）系ガスが地球のオゾン層破壊の元凶となることが指摘
され、近い将来にも製造・使用が禁止される可能性が高
まっている。上述のフルオロカーボン系ガスは、規制の
強化されている特定フロンの範晴には未だ含まれないも
のの、やはり将来的には全廃に追い込まれる可能性が高
い、したがって、ドライエツチングの分野においても、
フルオロカーボン系ガスの代替品となり得るエツチング
ガス、およびその使用技術の開発が急務とされている。

さらに、半導体装置のデザインルールが今後さらに微細
化されると、フルオロカーボン系ガスに由来する炭素系
ポリマーによるパーティクル汚染の影響が深刻化するこ
とも考えられ、この意味からもフルオロカーボン系ガス
の排除が望まれる。

また、たとえフルオロカーボン系ガスが排除されたとし
ても、前述の炭素を含む周辺部材が汚染源になる口上も
予想される。この問題の一解決策として、ウェハクラン
プやカソードカバーを石英により構成することも考えら
れている。しかし、これでは酸化シリコン系材料層のエ
ツチング時にエツチング面積が増大したのに等しく、ロ
ーディング効果によりエツチング速度が大幅に低下して
しまうので、実用的なプロセスとはならない。

そこで本発明は、フルオロカーボン系ガスを使用するこ
となく、シリコン系材料層に対する選択比が高く、低汚
染であり、かつ異方性の高いエツチングを可能とするド
ライエツチング方法を捷供することを目的とする。

（！ＩＩＮを解決するための手段〕本発明者は、上述の目的を達成するために鋭意検討を行
ったところ、従来の酸化シリコン系材料層のエツチング
における炭素の役割をイオウに担わせ、かつ低温エツチ
ングを行うことで諸問題が解決されることを見出し、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の発明にががるドライエツチン
グ方法は、被エツチング基板をｏ′ｃ以下に冷却しなか
らＳｇＦ　ｚ、　　Ｓ　Ｆ　！＋　　Ｓ　Ｆ　４＋　　
Ｓ　ｚＦ　Ｉａのうち少なくとも１［！を含むエツチン
グガスにより酸化シリコン系材料層のエツチングを行う
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、
上記第１の発明においてさらに被エツチング領域に予め
イオウをイオン注入により導入してからエツチングを行
うことを特徴とするものである。

本発明の第３の発明にかかるドライエツチング方法は、
上記第１の発明においてさらに少なくとも表面がイオウ
を含む材料により構成されるエツチング装置内部材を被
エツチング基板の周辺近傍に配してエツチングを行うこ
とを特徴とするものである。

本発明の第４の発明にかかるドライエツチング方法は、
上記第２の発明においてさらに少なくとも表面がイオウ
を含む材料により構成されるエツチング装！内部材を被
エツチング基板の周辺近傍に配してエッチングを行うこ
とを特徴とするものである。

本発明の第５の発明にかかるドライエツチング方法は、
上記のすべての発明においてさらに酸化イオウの発光ス
ペクトルもしくは質量スペクトルをモニタすることによ
りエツチングの終点を検出する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においては、ｓｔＦ＊、
ＳＦｔ、ＳＦ４．ＳｇＦ＋ｅのうち少なくとも１種を含
むエツチングガスが使用される。

これらはフン化イオウと総称される化合物である。フッ
化イオウには、この他にＳＦ、が安定な化合物として最
も良く知られており、ドライエツチング用のガスとして
既に実用化されている。しかし、ＳＦ、をシリコン系材
料層を下地とする酸化シリコン系材料層のエツチングに
適用すると、このガスのＦ／Ｓ比（分子内のフッ素原子
数とイオウ原子数の比）が６と大きいために大量のフッ
素糸ラジカルが生成し、これがシリコン系材料層をエツ
チングするために選択比が低下し易い。しかし、本発明
で使用される上述の各フッ化イオウは、ＦＳ比が１．　
２．　４．あるいは５であっていずれもＳＦ、のそれよ
りも小さく、それだけ選択比低下の戊れが少ない。

本発明のフッ化イオウを使用して酸化シリコン系材料層
のエツチングを行うと、酸化シリコン中の珪素は主とし
てフッ化イオウから生じたＳＦ’Ｓ’、Ｆ”等のイオン
の作用で揮発性のシリコンフッ化物を、また酸化シリコ
ン中の酸素はイオウと結合してＳｏ、Ｓｏｗ等の揮発性
のイオウ酸化物をそれぞれ生成し、いずれもエツチング
系外へ除去される。ここで、本発明では被エツチング基
板が０℃以下に冷却されていることによりＦ”による反
応が凍結されているので、サイドエツチングが効果的に
抑制される。一方、酸化シリコン系材料層のエツチング
がほぼ終了してシリコン系材料層が露出し始めると、イ
オウは結合相手である酸素の供給が断たれ、しかも被エ
ツチング基板が冷却されていることから、上記シリコン
系材料層の表面へ堆積する。この堆積によりシリコン系
材料層のエツチングが阻害され、シリコン系材料層に対
して高い選択比を保つことができるようになるので、酸
化シリコン系材料層をオーバーエツチングする場合等に
おいても下地へのダメージを回避できる。しかも、堆積
したイオウは被エツチング基体を昇温することにより容
易に昇華除去できるので、炭素系ポリマーの堆積により
高異方性を達成する従来のエツチング方法に比べて温か
にパーティクル汚染の虞れを低減することが可能となる
。

以上は、本発明で起こるエツチング反応の基本的な機構
であるが、被エツチング面積が極めて小さい場合等には
、高選択性を確保するに十分な量のイオウが堆積しない
可能性もある。そこで本発明の第２の発明では、被エツ
チング領域に予めイオウをイオン注入により導入してか
らエツチングを行う、これにより、エツチングの進行と
共に被エツチング領域からイオウが放出され、エツチン
グガスに由来するイオウを補充する。また、本発明の第
３の発明および第４の発明では、少なくとも表面がイオ
ウを含む材料により構成されるエッチング装置内部材を
被エツチング基板の周辺近傍に配することにより、これ
らの部材からスパッタリングされるイオウが同様にエツ
チング系内のイオウを補充する。

本発明の第５の発明では、酸化イオウの発光スペクトル
もしくは質量スペクトルをモニタすることによりエツチ
ングの終点を検出する。本発明のドライエツチング方法
においては、ｓｏ、ｓｏ。

等のイオウ酸化物は酸化シリコン系材料層のエツチング
が進行している間のみ生成し、シリコン系材料層が露出
した時点で急激に減少するはずである。したがって、発
光分析および質量分析においてスペクトルをモニタし、
酸化イオウのピーク強度が急激に減少する時点をもって
終点とすれば、鋭敏な終点判定が可能となる。

（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。

実施例１本実施例は、本発明の第１の発明および第５の発明を適
用し、５ｚＦｚガスにより酸化シリコンからなる眉間絶
縁膜の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（Ｃ）を参照しなが
ら説明する。

まず第１図（Ａ）に示されるように、シリコン基板（１
）上に絶縁膜と層間絶縁膜（２）を形成し、さらに該層
間絶縁膜（２）のエツチング用マスクとして所定のパタ
ーニングにより開口部（３ａ）を有するフォトレジスト
層（３）を形成した。

次に、被エツチング基板（ウェハ）を０°Ｃ以下に温度
制御できる冷却機構を備えてなるマグネトロンＲＩＥ装
置に上述の基体をセットし、液体窒素を使用して被エツ
チング基板を約−１００°Ｃに冷却した。この場合の冷
却機構としては、ウェハ設置電極に冷媒循環用の配管系
やペルチェ素子等を内蔵させたもの、あるいはウェハ設
置電極の一部が冷媒を満たした容器中に浸漬されるもの
等、あらゆる形式のものが使用できる。

この状態で、−例として５ｚＦｚガス流量１１００５Ｃ
Ｃ，ガス圧ＩＱ　ｍＴｏｒｒ＋　　高周波バイアスパワ
ー１、ＯｋＷの条件でエツチングを行った。エツチング
の進行は発光スペクトルによりモニタした。その結果、
第１図（Ｂ）に示されるように、開口部（３ａ）の内部
において層間絶縁膜（２）のエツチングが進行し、垂直
壁を有するパターンが得られた。

この過程では、５ｚＦｚガスから生成したＳＦ’。

Ｓ”、Ｆ’等のイオンが開口部（３ａ）の底面に衝突す
ることにより眉間絶縁膜（２）の表面を活性化し、既に
吸着されているＦ原子とＳｉとの反応をアシストする形
でエツチングが進行する。このとき、イオウは層間絶縁
膜（２）中の酸素と化合して５Ｏ３Ｏ□等の形で系外へ
除去されるので、エツチング反応を何ら阻害することは
ない。なお、ＳＯの発生は発光スペクトル中３１６ｎｍ
および３２７ｎｍ付近のピークにより、またＳ　Ｏｔの
発生は３００ｎｍ付近のピークによりモニタすることが
できた。

さらにエツチングが進行すると、シリコン基板（１）が
露出するにしたがって結合相手の酸素を失ったイオウが
冷却の効果もあいまって底面に堆積し始め、第１図（Ｃ
）に示されるように、イオウ堆積層（４）が形成された
。このイオウ堆積層（４）がシリコン基板（１）のエツ
チングを阻害する結果、本実施例のエツチングでは極め
て高い対下地選択性が達成された。なお、かかるエツチ
ングの終点は、上述の発光スペクトルのピーク強度がい
ずれも急激に減少することから、鋭敏に判定することが
できた。

エツチング終了後、被エツチング基板を常温に戻したと
ころ、イオウ堆積層（４）は速やかに昇華・消失した。

したがって、ＲＩＥｖｔＭのチャンバー内でパーティク
ル汚染が発生することはなかった。

なお、本発明は本実施例に限定されるものではなく、本
発明の要旨を逸脱しない範囲で各種の変更が可能である
。

たとえば、エツチングガスは上述の５ｚＦ−以外にも本
発明で規定する他のガス、および２種以上を含む混合ガ
スであっても良い。あるいは、Ｆｏの捕捉によりシリコ
ンに対する選択比を一層向上させる目的で、Ｈ２を添加
して見掛は上のＦＳ比を低下させても良い。さらにある
いは、希釈用に希ガス等が適宜添加されていても良い。

上述の例ではエツチング装置としてマグネトロンＲＩＥ
装置を使用したが、これに代えて高周波バイアス印加型
ＥＣＲ（ｆｆｔ子サイクロトロン共鳴）プラズマエツチ
ング装置等を利用しても良い。エツチング条件も適宜変
更して構わない。

イオウ酸化物の発光スペクトルのピークは、上述の３波
長のピークの他にも多数存在するので、これらを終点判
定に使用しても構わない。ただし、十分な強度を有し、
かつ石英窓を通してモニタできる波長帯に存在するもの
を選ぶことが実用上は好ましく、上述の３ピークはこの
観点から選択されたものである。さらに、質量スペクト
ルに現れる各種のイオウ酸化物に由来するピークをモニ
タすることにより行うことも可能である。

実施例２本実施例は、本発明の第２の発明を適用し、Ｓ。

Ｆ、ガスによる酸化シリコン層のエツチングを行った例
である。これを第２１１ａ　（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、シリコン基板（
１１）上に酸化シリコンからなる層間絶縁膜（１２）が
形成され、さらにその上に所定の形状にパターニングさ
れたフォトレジスト層（１３）が形成されてなる基体に
おいて、該フォトレジストＮ（１３）をマスクとするイ
オウのイオン注入をおこなった。

このイオン注入は、投影飛程が眉間絶縁膜（１２）の層
厚にほぼ等しくなるよう、イオンエネルギーを適宜制御
しながら行うことが望ましい、これにより、眉間絶縁膜
（１２）とシリコン基板（１１）の界面付近に高イオウ
濃度領域（１２ａ）が形成された。

その後、実施例１と同様に層間絶縁１！（１２）のエツ
チングを行うと、第２図（Ｂ）に示されるように、エツ
チング底面が該眉間絶縁ｌ！！（１２）とシリコン基板
（１１）の界面に近づくにつれてイオウがスバツタ作用
により効果的に放出された。

さらに第２図（Ｃ）に示されるように、シリコン基板（
１１）が露出したところで同様にイオウ堆積層（１４）
が形成され、エツチングが終了した。上記イオウ堆積層
（１４）の厚さは、実施例Ｉにおいて得られたものより
も厚く、これにより対下地選択性がさらに向上した。

実施例３本実施例は、本発明の第３の発明を適用し、マグネトロ
ンＲＩＥ装置のカソードカバーを硫化珪素ＳｉＳにより
構成し、５ｚＦｚガスによる酸化シリコン層のエツチン
グを行った例である。

ここで、ウェハ設置電極を約−１００°Ｃに冷却しなが
ら、−例としてＳ、Ｆ！ガス流量５０５ＣＣＭＨ，ガス
流量１０３ＣＣＭ、　ガス圧７．５　ｍＴｏｒｒ、　　
高周波バイアスパワー１．２ｋＷの条件で第１図（Ａ）
に示す状態の基体をエツチングした。この条件ではスパ
ッタ作用により上記カソードカバーからもイオウが供給
されるので、シリコン基板の表面が露出した時点で効果
的にイオウ堆積層が形成され、容易に高選択性が達成さ
れた。

実施例４本実施例は、本発明の第３の発明を適用し、高周波バイ
アス印加型ＥＣＲ（ｆｉ子サイクロトロン共鳴）プラズ
マエツチング装置のウェハクランプの表面に硫化窒素ポ
リマー（ＳＮ）ｘの被膜を施し、これにより被エツチン
グ基板を保持しながらＳ２Ｆ、ガスによる酸化シリコン
層のエツチングを行った例である。

本実施例で使用したクランプは、アルミナ製の本体の上
面に硫化窒素ポリマー層が形成されてなるものである。

上記硫化窒素ポリマー層は、エツチング中に消耗するた
め、その厚さは枚葉処理における被エツチング基板の処
理枚数等に応じて適宜設定されている。

ここで、ＥＣＲプラズマエツチング装置のウェハ設置電
極を約−１００’Ｃに冷却しながら、−例として３２Ｆ
２ガス流量５０　ＳＣＣＭ、　　Ｈ２ガス流量１１０５
ＣＣ，ガス圧１０　ｍＴｏｒｒ、　　マイクロ波パワー
８５０Ｗ、高周波バイアスパワー１００Ｗの条件で第１
図（Ａ）に示す状態の基体をエツチングした。この結果
、スパッタ作用により上記硫化窒素ポリマー層からイオ
ウが放出され、容易に高選択性が得られた。

以上、実施例３および実施例４ではカソードカバーとウ
ェハクランプの本体もしくは表面をイオウを含む材料に
より構成した例について説明したが、ウェハカバー、サ
セプター等に同様の工夫を施しても良い。要は、イオン
によるスパッタリングが可能な方向を向いた面を存し、
かつ被エッチング基板に近接配置されるものであれば、
いかなるエツチング装置内部材であっても構わない。

また、これらの部材は、アルミナや窒化シリコン等のセ
ラミクスの表面にイオウ粉末を焼結させた材料、セラミ
クスの原料粉末にイオウ粉末を添加して粉末焼結により
成形した材料、イオウ板を表面に貼り合わせた材料等の
各種の無機系材料により構成することもできる。有機高
分子材料の中にもポリスルホン　ポリフェニレンスルフ
ィド。

ポリフェニレンスルホン、ポリチオフェン等のようにイ
オウを含むものがあるが、これらはイオウの相対含量が
少ない上に、炭素によるパーティクル汚染を発生させる
震れがあるので、やはり前述の無機系材料の方が好まし
い。

さらに、上述のようなエツチング装置内部材の使用とイ
オウのイオン注入とを組み合わせた第４の発明を適用す
れば、エツチング反応系内に一層多くのイオウが供給さ
れ、選択性がより一層向上することは言うまでもない。

〔発明の効果〕

以上の説明からも明らかなように、本発明では比較的Ｆ
／Ｓ比の低いフッ化イオウガスを使用して酸化シリコン
材料層の低温エツチングが行われ、さらに必要に応じて
エツチング系内ヘイオウが補給され、鋭敏に終点が検出
される。したがって本発明を適用すれば、その巧妙な機
構により高異方性と高選択性とが画室され、高集積度、
高信顛性高性能を有する半導体装置を極めて再現性良く
経済的に製造することが可能となる。さらに、本発明は
極めて有効な脱フロン対策を提供するものでもある。

【図面の簡単な説明】

第１図（Ａ）ないし第１図（Ｃ）は本発明を層間絶縁膜
のエツチングに適用した一例をその工程順にしたがって
説明する概略断面図であり、第１図（Ａ）はエツチング
開始前、第１図（Ｂ）はエツチング進行途中、第１［ｉ
４　（Ｃ）はエツチング開始前の状態をそれぞれ表す、
第２図（Ａ）ないし第２図（Ｃ）は本発明を層間絶＆！
膜のエツチングに適用した他の例をその工程順にしたが
って説明する概略断面図であり、第２図（Ａ）はイオン
注入工程、第２図（Ｂ）はエツチング進行途中、第２図
（Ｃ）はエツチング開始前の状態をそれぞれ表す。２ａ４、１４シリコン基板層間絶縁膜高イオウ濃度領域フォトレジスト層イオウ堆積層

Claims

【特許請求の範囲】

（１）被エッチング基板を０℃以下に冷却しながらＳ＿
２Ｆ＿２、ＳＦ＿２、ＳＦ＿４、Ｓ＿２Ｆ＿１＿０のう
ち少なくとも１種を含むエッチングガスにより酸化シリ
コン系材料層のエッチングを行うことを特徴とするドラ
イエッチング方法。
（２）被エッチング領域に予めイオウをイオン注入によ
り導入してからエッチングを行うことを特徴とする請求
項（１）記載のドライエッチング方法。
（３）少なくとも表面がイオウを含む材料により構成さ
れるエッチング装置内部材を被エッチング基板の周辺近
傍に配してエッチングを行うことを特徴とする請求項（
１）記載のドライエッチング方法。
（４）少なくとも表面がイオウを含む材料により構成さ
れるエッチング装置内部材を被エッチング基板の周辺近
傍に配してエッチングを行うことを特徴とする請求項（
２）記載のドライエッチング方法。
（５）酸化イオウの発光スペクトルもしくは質量スペク
トルをモニタすることによりエッチングの終点を検出す
ることを特徴とする請求項（１）ないし請求項（４）の
いずれか１項記載のドライエッチング方法。