JPH05267245A - 半導体装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 エッチングマスクの劣化を生ずることなく、
垂直の一定形状のシリコン酸化膜の形成を可能とする、
半導体装置の製造方法を提供することを目的とする。 【構成】 表面にシリコン酸化膜が形成された被処理基
体上に耐熱性薄膜パターンを形成する工程、及び前記被
処理基体を収容する反応領域に、Ｃ原子及びＦ原子を含
有するガスを導入すると共に、放電を生ぜしめてプラズ
マを形成し、前記被処理基体を１２０℃以上の所定の温
度にほぼ一定に保持しつつ、前記耐熱性薄膜パターンを
マスクとして用いて前記シリコン酸化膜を異方性エッチ
ングする工程を具備することを特徴とする

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、半導体集積回路等の半
導体装置の製造方法に係り、特に、半導体装置の製造工
程におけるシリコン酸化膜のドライエッチングの改良に
関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、半導体集積回路の進歩に伴って素
子の微細化は進む一方であり、パターン寸法の高精度化
への要求が高まっている。一般に、半導体集積回路はシ
リコン基板等の半導体基板上に、所定のパターンのシリ
コン酸化膜などの絶縁性薄膜や、多結晶シリコンやアル
ミニウム等の導電性薄膜等を積層することによって形成
される。

【０００３】従来、シリコン酸化膜を所望のパターンに
加工するためには、種々の技術が用いられる。例えば、
シリコン酸化膜上に感光性のレジストを塗布した後、光
や紫外線により所望のパターンに従ってレジストを露光
し、現像して露光部または未露光部を選択的に除去する
ことによりレジストパターンを形成するリングラフィー
技術、次に、このレジストパターンをマスクとして下地
のシリコン酸化膜をエッチング加工するドライエッチン
グ技術、更に、このレジストを除去する剥離技術等であ
る。

【０００４】しかし、半導体素子の集積度の増大にとも
ない、要求されるパターンの最小寸法および寸法精度は
小さくなる一方であり、このことはシリコン酸化膜の加
工においても例外ではない。以下に、シリコン酸化膜の
加工における問題について具体的に説明する。

【０００５】現在、微細なレジストパターンを用いて、
下地のシリコン酸化膜を加工する方法の１つとして、プ
ラズマを用いる反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）技術
が広く用いられている。この方法は、例えば一対の平行
平板電極を具備した真空容器内に被加工シリコン酸化膜
が推積された基板を収容し、容器内を真空に引いた後、
ＣＦ₄ やＣＨＦ₃ ガス等、ハロゲン元素を含む反応性の
ガスを導入し、高周波電力の印加により生じた放電によ
ってガスをプラズマ化し、発生したプラズマを用いて被
加工シリコン酸化膜をエッチングする方法である。

【０００６】このＲＩＥによれば、プラズマ中の各種の
粒子のうちのイオンは、電極表面のイオンシースに発生
する直流電界によって加速され、大きなエネルギーをも
って被加工膜を衝撃し、イオン促進化学反応を起こす。
このため、エッチングはイオンの入射方向に進み、アン
ダーカットの無い方向性エッチングが可能となる。

【０００７】しかし、このイオン衝撃によってあらゆる
材料が励起または活性化されるため、ラジカルだけを利
用するエッチングに比べると、物質固有の反応性の差が
でにくく、一般に材料の違いによるエッチング速度の
比、すなわち選択比が小さくなるという問題がある。こ
のため、シリコン酸化膜のエッチングでは、シリコン酸
化膜の下地であるシリコンのエッチング速度が大きく、
シリコン表面が露出した時点で精度良くエッチングを停
止させることが出来ない。

【０００８】従って、深さの異なる複数のコンタクトホ
ールをエッチングにより形成する場合には、浅い孔の下
地シリコンが相当量エッチングされ、デバイスとしての
特性が劣化するという問題がある。

【０００９】この問題を解決するために、シリコン酸化
膜のエッチングにおいて、主エッチングガスであるＣＨ
Ｆ₃ ガスにＣＯガスを添加することによってシリコン酸
化膜とシリコンとの選択比を２０以上に大きくする方法
がある。

【００１０】また、これとは別にコンタクトホールのエ
ッチングにおいて、その孔形状の垂直化が求められてい
る。すなわち、ＣＨＦ₃ ガスを用いて常温でコンタクト
ホールをエッチングにより形成した場合、コンタクトホ
ール側壁には約８０度のテーパがついてしまう。これは
ＣＨＦ₃ ガスがプラズマ中で解離し、その結果生成した
フロロカーボンがコンタクトホール側壁に推積すること
によりテーパ形状が出現するのである。

【００１１】以上のように、高集積度デバイスに用いら
れるコンタクトホールの加工に求められる条件は、シリ
コンに対する高選択比（２０以上）、および加工形状の
垂直化である。

【００１２】シリコンに対する高選択比を保ちながら、
加工形状の垂直化を実現する方法として、基板を高温に
保ちつつエッチングする方法がある。即ち、基板を高温
にするに従い側壁の形状は垂直に近付いていく。基板温
度１６０℃において、シリコン酸化膜側壁のテーパー角
度は８３度に達し、そのときの対シリコン選択比は３５
であった。しかし、基板温度を１６０℃以上に上昇させ
た場合、レジストパターンが熱により変形するため、所
望のパターン寸法のパターンを高精度に加工すること
は、不可能であった。このように、垂直形状のシリコン
酸化膜をシリコンとの高選択比（２０以上）を保ちつつ
形成させることは困難であった。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】以上のように、従来、
反応性イオンエッチング技術により、シリコン酸化膜を
加工する際には、次のような問題があった。

【００１４】即ち、垂直形状のシリコン酸化膜をシリコ
ンとの高選択比（２０以上）を保ちながら形成すること
は、レジストマスクの耐熱性が低いために、不可能であ
った。

【００１５】本発明は、上記事情を考慮してなされたも
ので、エッチングマスクの劣化を生ずることなく、垂直
の一定形状のシリコン酸化膜の形成を可能とする半導体
装置の製造方法を提供することを目的とする。

【００１６】

【課題を解決するための手段】本発明の骨子は、被加工
シリコン酸化膜上に、ドライエッチングのエッチングマ
スクとして、耐熱性薄膜パタ−ンを形成し、この耐熱性
薄膜パタ−ンをマスクとして用いて、Ｃ原子及びＦ原子
を含有するガスのプラズマによりシリコン酸化膜を高温
の一定温度に保持しながらドライエッチングすることに
ある。

【００１７】すなわち本発明は、表面にシリコン酸化膜
が形成された被処理基体上に耐熱性薄膜パターンを形成
する工程、及び前記被処理基体を収容する反応領域に、
Ｃ原子及びＦ原子を含有するガス、又はＣ原子及びＦ原
子を含有するガスと、ＣＯ、Ｈ₂ 、Ｏ₂ 及びＣ原子とＨ
原子とからなるガスからなる群から選ばれたガスとの混
合ガスを導入すると共に、放電を生ぜしめてプラズマを
形成し、前記被処理基体を１２０℃以上の所定の温度に
ほぼ一定に保持しつつ、前記耐熱性薄膜パターンをマス
クとして用いて前記シリコン酸化膜を異方性エッチング
する工程を具備することを特徴とする半導体装置の製造
方法を提供する。

【００１８】本発明の方法に使用される耐熱性薄膜パタ
ーンは、上記所定温度が１６０℃以上の場合、Ｓｉ、Ｓ
ｉ窒化物、Ｓｉ炭化物、金属、金属酸化物、金属窒化
物、又は窒化ホウ素から選ばれるものであることが好ま
しい。なお、１６０℃未満の温度であれば、上記したも
のに加えて、紫外線硬化レジストをも使用可能である。

【００１９】

【作用】本発明の方法では、耐熱性薄膜パターンをマス
クとして用いてＣ原子及びＦ原子を含有するガスのプラ
ズマにより、１２０℃以上の高温下でシリコン酸化膜の
ドライエッチングを行なっている。そのため、エッチン
グマスクの熱による変形を問題とすることなく、垂直の
加工形状のエッチングが可能である。また、エッチング
中の温度をほぼ一定に保持しているため、加工形状も一
定の垂直な形状に維持される。

【００２０】なお、本発明の方法において、耐熱性薄膜
パターンをマスクとして用いたシリコン酸化膜のドライ
エッチングの特性を調べるため、反応性イオンエッチン
グ装置にて、フロンガス、又はフロンガスとＣＯ、
Ｈ₂ 、Ｏ₂ 、若しくはＣとＨとからなるガスとの混合ガ
スを用い、ガス流量比、基板温度を変化させ、シリコン
酸化膜、シリコン基板のエッチング速度、およびシリコ
ン酸化膜加工形状を測定したところ、ガス流量比および
基板温度を適当に選択することにより、２０以上の対シ
リコン選択比で、シリコン酸化膜を垂直に加工できるこ
とがわかった。

【００２１】

【実施例】以下、本発明の実施例について、図面を参照
して説明する。図１は、本発明の一実施例に係る半導体
装置の製造工程を示す断面図である。

【００２２】まず、シリコン基板１上にシリコン酸化膜
２を熱酸化により1.4 μｍの厚さに推積した。次いで、
ポリシリコン薄膜（膜厚２５０ｎｍ）３をＣＶＤ法によ
り形成した後、通常のフォトリソグラフィー技術により
所望パターンのレジスト４を形成した。

【００２３】次いで、図１（ａ）に示すように、塩素ガ
スを用いたドライエッチング技術により、上記フォトレ
ジスト４（膜厚1.5 μｍ）をマスクとしてポリシリコン
薄膜３の垂直加工を行なった後、ＣＦ₄ ／Ｏ₂ ガスを用
いたダウンフローアッシングにより、残存するレジスト
４を除去した。これにより、図１（ｂ）に示すように、
シリコン酸化膜２上にポリシリコン薄膜３のパターンを
形成した。次いで、図１（ｃ）に示すように、ドライエ
ッチング装置を用いて、シリコン酸化膜２のドライエッ
チングを行った。ここで、図１（ｃ）の工程について詳
細に説明する。まず、図２を参照して、この実施例に用
いたドライエッチング装置について説明する。

【００２４】エッチング室２０は、真空容器２０ａから
構成され、その中には第１の電極２２が配置され、この
第１の電極２２の上には被処理基板２１が載置されてい
る。第１の電極２２には、ブロッキングキャパシタ２９
を介して高周波電源２４が接続されており、この高周波
電源２４から13.56 ＭＨｚの高周波電力が第１の電極２
２に印加される。また、第１の電極２２は、第１の電極
２２を昇温し、被処理基板２１の基板温度を所望の温度
に制御するためのヒーター２５を内部に具備している。

【００２５】真空容器２０ａには、ＣＨＦ₃ ガス供給ラ
イン２８ａ及び一酸化炭素ガス供給ライン２８ｂが取付
けられ、これらガス供給ライン２８ａ及び２８ｂから真
空容器２０ａ内にＣＨＦ₃ 、ＣＯが導入される。また、
真空容器２０ａの内壁（上壁）は第２の電極をかねてお
り、この第２の電極と第１の電極２２との間に高周波電
圧が印加されるようになっている。

【００２６】ここで、真空容器２０ａはアースに接続さ
れている。ガス供給ライン２８ａ、２８ｂは、各々バル
ブと流量調整器２９ａ、２９ｂとを具備し、流量および
ガス圧を所望の値に調整できるようになっている。

【００２７】また、真空容器２０ａの上方には、永久磁
石２６が設置されており、モーターにより回転軸２７の
まわりに偏心回転せしめられ、この永久磁石２６の発す
る１００〜５００ガウスの磁界により１０^-3 Torr 台、
またはそれ以下の高真空でも高密度のプラズマを発生維
持することが可能となるように構成されている。このよ
うにして生成された高密度プラズマから大量のイオンが
引き出され、被処理基板２１に照射され、エッチングが
行われる。

【００２８】上述の図２に示すドライエッチング装置を
用いて、図１（ｃ）に示すごとく、シリコン酸化膜２の
ドライエッチングを行った。エッチングガスとしては、
ＣＨＦ₃ ガスとＣＯガスとの混合ガスを用いた。ＣＨＦ
₃ ガスの流量45sccm、ＣＯガスの流量155sccm 、パワー
2.6W/cm² 、圧力40mTorr 、基板温度を５０℃から５０
０℃まで変化させて、エッチングを行なった。このと
き、基板温度は、エッチング中のプラズマ照射による基
板温度の上昇を防ぐため、ヒーター２５の温度を設定温
度から＋２０℃以内におさまるように調整した。

【００２９】図３は、基板温度を変化させてエッチング
を行なった際のシリコン酸化膜２のエッチング速度、対
シリコン選択比、およびシリコン酸化膜２のエッチング
断面形状を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）にて観察した際
のテーパ角度を示すグラフである。

【００３０】図３に示すグラフより、基板温度５０℃に
てテーパ角度が８０゜であり、基板温度１７５℃にてテ
ーパ角度８４゜であり、基板温度２７０℃にてテーパ角
度９０゜すなわち垂直形状となることがわかる。基板温
度２７０℃以上では、プラズマ中のラジカルによるシリ
コン酸化膜のエッチングが促進され、ポリシリコン薄膜
マスク下にアンダーカットが入る。従って、基板温度は
２７０℃未満が好ましい。シリコン酸化膜のエッチング
速度は、基板温度が上昇するに従って直線的に低下す
る。しかし、シリコンのエッチング速度は、基板温度５
０℃から５００℃辺りまで、さほど低下しないので、対
Ｓｉ選択比はほぼ直線的に低下することがわかる。

【００３１】次いで、図１（ｄ）に示すように、エッチ
ングガスとしてＣＦ₄ ガスとＯ₂ ガスとの混合ガスを用
いたダウンフローエッチングにより、ポリシリコン薄膜
３を除去した。この結果、テーパ形状から垂直形状に至
る、シリコン酸化膜２の高精度の加工が可能となった。

【００３２】比較のため、レジストをマスクとして、前
述とまったく同一の条件にてシリコン酸化膜２のエッチ
ングを行ったところ、基板温度５０℃から１６０℃まで
はテーパ角度８０゜から８３゜まで加工形状を垂直に近
づけることが可能であった。しかし、基板温度を１６０
℃以上に上昇させた場合、レジストパターンが熱により
変形するため、所望のパターン寸法のパターンを高精度
にて加工することは不可能であった。

【００３３】次に、エッチング中、基板の温度を制御せ
ずにシリコン酸化膜をエッチングした場合の例を示す。
図４（ａ）はエッチング前に基板温度を２００℃に設定
し、その後、エッチングを開始した際のエッチング時間
に対する基板温度の変化を示すグラフである。プラズマ
に晒すことで基板温度が上昇し、７分後には約３８０℃
に達した。これに対し、図４（ｂ）は基板温度がエッチ
ング中も一定になるようコントロールした場合の基板温
度を示すグラフである。

【００３４】エッチング開始前の基板設定温度が２５０
℃であり、エッチング中も２７０℃に保たれている。基
板温度を制御しなかった場合と制御した場合のそれぞれ
に対応するシリコン酸化膜の加工形状を、図５（ａ）、
（ｂ）に示す。図５（ａ）、（ｂ）ともに、参照符号１
はシリコン基板、２はシリコン酸化膜、３はポリシリコ
ンマスクを示す。図５（ａ）は温度制御を行っていない
場合であるので、エッチング開始時と終了時での温度が
相違し、このことを反映した加工形状となっている。こ
れに対し、図５（ｂ）は基板温度制御を行っている場合
であり、エッチング開始から終了までほぼ一定の温度
（２７０℃）であるので、図５（ａ）に示すような温度
による形状変化がなく、シリコン酸化膜上部から底部ま
で垂直に加工されている。

【００３５】以上のことより、ＣＨＦ₃ ガス流量45scc
m、ＣＯガス流量155sccm 、パワー 2.6W/cm² 、圧力40m
Torr の場合、シリコン酸化膜加工形状を８８゜から９
０゜にした場合、図３の基板温度とテーパー角との関係
より、２５０℃から２７０℃に基板温度をエッチング中
も制御する必要があることが判明した。この制御する温
度範囲はもちろん、エッチングガス、エッチング条件に
より変わってくるが、垂直にシリコン酸化膜を加工する
ためには、エッチング中の温度をある温度範囲内に一定
に制御する必要がある。

【００３６】次に、ＣＯガスを添加しない、ＣＨＦ₃ ガ
スのみをエッチングガスとして用い、シリコン酸化膜の
ドライエッチングを行った。ＣＨＦ₃ ガス流量は200scc
m で、他の条件は前述とまったく同一条件、パワー 2.6
W/cm² 、圧力40mTorr 、基板温度を５０℃から５００℃
まで変化させてエッチングを行った。

【００３７】その結果、ＣＨＦ₃ 単独のガスの場合、５
０℃にてテーパー角度７４゜、１２５℃にてテーパー角
度８４゜、１７０℃にてテーパー角度９０゜となった。
前述のＣＨＦ₃ ガスにＣＯガスを添加した場合に比較
し、より低温で垂直形状が得られることが判明した。し
かしながら、いずれの温度においても、対シリコン選択
比はガスを添加した場合と比較してやや低かった。他に
圧力変化及びパワー変化を試みた。しかしそのどちら
も、若干、テーパー角度、対シリコン選択比に影響を与
える程度にとどまった。以上の結果より、垂直な加工形
状を得るだけでなく、垂直形状と対シリコン選択比２０
以上とを両立させるには、基板温度の上昇と、対シリコ
ン選択比を向上させるための添加ガスが必要であること
が判明した。

【００３８】対シリコン選択比を上昇させる添加ガスと
して、ＣＯ以外にＨ₂ ，Ｏ₂ ，及びＣとＨとを含むガス
が有効であった。そのいずれのガスも基板温度を上昇さ
せるとシリコン酸化膜の垂直形状が得られ、ＣＯと同等
の効果があることが確認された。

【００３９】また、シリコン酸化膜の主エッチングガス
としては、ＣＨＦ₃ に限らず、Ｃ，Ｆを含むガス、好ま
しくはＣ，Ｈ，Ｆを含むガスであれば、そのシリコン酸
化膜加工特性は、ＣＨＦ₃ の場合と同様である。被加工
シリコン酸化膜の側壁には、Ｃ，Ｈ，Ｆを含むガスを解
離したときに生成するフロロカーボンの析出物が付着
し、シリコン酸化膜側壁を保護し、それによってシリコ
ン酸化膜がテーパー形状に加工される。従って、本発明
の方法では、側壁にフロロカーボンが付着するのを防ぐ
ため、基板を高温に上げてエッチングを行い、垂直形状
を得ている。側壁に付着したフロロカーボンの重合度
は、主エッチングガスの種類により異なっており、重合
度の高いフロロカーボンの場合は、基板をより高温にし
ないと付着を防ぐことはできない。よって、主エッチン
グガス種類の違いにより、垂直形状を得られる温度は相
違し、一般に、重合度の高いガスを用いた方が、垂直形
状を得るのにより高温を必要とする。

【００４０】以上のようにシリコン酸化膜を垂直加工す
るには高温エッチングが必要であり、本発明の方法で
は、そのためのエッチングマスクとして耐熱性マスクを
用いている。耐熱性マスクとしては、高温に耐え得るマ
スクであれば、特にシリコンマスクに限るものではな
く、Si窒化膜、Si炭化膜、金属膜、金属酸化膜、金属窒
化膜、窒化ホウ素膜、及びこれらを２種以上含む膜でも
よい。また、高温エッチングの温度が１６０℃未満であ
れば、紫外線硬化レジストをも使用可能である。

【００４１】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の方法によ
ると、耐熱性薄膜をシリコン酸化膜エッチング時のマス
クパターンとして用いているため、従来のフォトレジス
トマスクでは成し得なかった１６０℃以上でのシリコン
酸化膜エッチングが可能となり、その結果として、垂直
なシリコン酸化膜加工形状でかつ、対シリコン選択比２
０以上を実現することが可能となった。従って、半導体
集積回路製造工程において、より微細なパターンを高精
度に加工することが可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の一実施例に係るパターン形成工程を
示す断面図。

【図２】 図１に示す工程に用いたエッチング装置の概
略構成を示す図。

【図３】 基板温度を変化させたときの、テーパー角、
エッチング速度とエッチング選択比との関係を示す特性
図。

【図４】 基板温度を制御しない場合と、制御した場合
のエッチング中の温度変化を示す特性図。

【図５】 基板温度を制御しない場合と、制御した場合
で得られるシリコン酸化膜の形状差を示す断面図。

【符号の説明】

１…シリコン基板、 ２…シリコン酸化膜、 ３…ポリ
シリコン薄膜、 ４…フォトレジスト。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 表面にシリコン酸化膜が形成された被処
   理基体上に耐熱性薄膜パターンを形成する工程、及び前
   記被処理基体を収容する反応領域に、Ｃ原子及びＦ原子
   を含有するガス、又はＣ原子及びＦ原子を含有するガス
   と、ＣＯ、Ｈ₂ 、Ｏ₂ 及びＣ原子とＨ原子とからなるガ
   スからなる群から選ばれたガスとの混合ガスを導入する
   と共に、放電を生ぜしめてプラズマを形成し、前記被処
   理基体を１２０℃以上の所定の温度にほぼ一定に保持し
   つつ、前記耐熱性薄膜パターンをマスクとして用いて前
   記シリコン酸化膜を異方性エッチングする工程を具備す
   ることを特徴とする半導体装置の製造方法。
2. 【請求項２】 前記耐熱性薄膜パタ−ンは、Ｓｉ、Ｓｉ
   窒化物、Ｓｉ炭化物、金属、金属酸化物、金属窒化物、
   窒化ホウ素、及び紫外線硬化レジストからなる群から選
   ばれる半導体装置の製造方法。