JPS60220936A - 単結晶シリコン基板のエツチング方法 - 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】 （発明の技術分野） この発明はプラズマエンチングを用いて単結晶シリコン
基板に溝をエツチングする方法に関する。

（従来技術の説明） ＭＯＳ型ＬＳＩの集積密度の向上に伴ない、素子分囚の
重要性が益々高まっている。これらのＭＯ３集植デルイ
スにおける素子分離の方法としてＬＯＣＯ３法、酸素イ
オン注入法、ＳＯ９を用いる方法、ＳＯＩを用いる方法
、予め形成した分＃領域に溝を作りこの溝内に酸化物を
埋込む方法等がある。

（解決すべき問題点） しかしながら、ＬＯＣＯ３法は、セルファラインで分離
領域のパターンを形成出来る利点を有するが、窒化膜を
マスクとして用いて選択酸化を行っていて、マ、スク下
部の方向への酸化を回避することが出来ず、これがため
、分離領域が指定した大きさよりも拡がってしまうので
、微細化が困難であり、１ｇｍ以下のゲート長のデバイ
スでは使用出来ないという欠点があった。

このＬＯＣＯ５法の欠点を解決する方法として提案され
た酸素イオン注入法では、工程が複雑で、量産性に欠く
という欠点があった。

又、サファイアその他の絶縁物」二にシリコンの単結晶
を成長させるヘテロエピタキシー技術によるＳＯ８とか
Ｓｏｌ　とかの方法では、下地の絶縁層上に部分的にシ
リコンの単結晶を結晶化させるので、それらの間に任意
の幅の空間を作れるが、特性の良い結晶を成長させるこ
とが著しく困難であると共に、その工程が複雑であると
いう欠点があった。

又、予め分離領域を形成しておいて、これに溝（トレン
チ）を形成する方法は集積度を高めるためには有効であ
るが、深くて細い溝を作ることが困難であるという欠点
があった。

ところで、このシリコン単結晶基板をプラズマエツチン
グするためのエツチングガスとして、従来からＣＦ４そ
の他のフルオロカーボンが有効であることが知られてい
る。このＣＦ、ガスに０２ガスを添加するとエツチング
レイトが増大して好ましいが、サイドエツチングが大き
くなり、良好なエチングが出来ないという欠点があった
。

（発明の目的） この発明の目的は、上述した従来のプラズマエツチング
の欠点に鑑み、簡単かつ容易な工程のプラズマエツチン
グによって、単結晶シリコン基板に微細で深く、しかも
、奇麗でシャープな溝をエツチングする方法を提供する
ことにある。

（解決すべき手段） この目的の達成を図るため、この発明の方法によれば、
プラズマエツチングにより単結晶シリコン基板をエツチ
ングするに当り、エツチングガスを一種又は二種以上の
フルオロカーボンＣｎＦ２ｎ＋２（ｎは整数）と四塩化
炭素００文、との混合ガスとし、該混合ガス中に含まれ
る四塩化炭素の量を２０〜８０容積％とし、残部を一種
又は二種以」二のフルオロカーボンとしたこととを特徴
とする。

（実施例の説明） 以下、この発明につき説明する。

この発明に係る発明者は、簡単かつ容易な工程のプラズ
マエツチングによって、単結晶シリコン基板に微細で深
く、しかも、奇麗でシャープな溝をエツチングする方法
を開発するため多くの実験を重ねたところ、単結晶シリ
コン基板のプラズマエツチング用のエツチングガスとし
てフルオロカーボンＣｎＦｚｎ４２（ｎは整数）と四塩
化炭素００文。どの混合ガスが優れていることを発見し
た。

この発見に基すき、この混合ガスを反応カスとして用い
、単結晶シリコン基板を平行平型プラズマエンチング装
部にセントして、種々のエンチング条件の下で、溝形成
のエツチング試験を行ったところ、以下に述へるような
条件のときに好適な結果か得られることが確認された。

先ず、単結晶シリコン基板上に、シリコンよりもエンチ
ングレイトの遅い材料、例えば、層、Ａｕ、　ＳｉＯ又
はその他の好適な材料を種々の間隔及び厚さでパターニ
ングし、これをマスクとして平行平板型プラズマエツチ
ング装置でエンチングを行った。

エツチング条件として混合ガス流量を２０〜３００５Ｃ
ＣＭとし、ガス圧力を５〜５０Ｐａとし、エネルギー雀
度を０．０８〜０．４　Ｗ／ｃｍ２とし、混合ガス中の
フルオロカーボンＣｎＦ　２ｎ＋ｚ　（ｎは整数）の一
種の量又は二種以」二の場合にはその合計の量は２０〜
８０容積％とし、かつ、四塩化炭素の量は混合カス全体
として１００容積％となるように２０〜８０容積％とす
る。

これらの各エツチング条件の範囲内で選らばれた各個に
それぞれの条件を設定して溝のエンチングを行ったとこ
ろ、溝の最小微細幅を０．５　用ｍとすることが出来る
ことが確認された。

この場合、Ｗ、Ｓ合カス流量下限仙を２０３ＣＣ：Ｍと
したのはこの値より少なくすると実用性に乏しくなるか
らである。又、上限値を３００ＳＧＧＭとしたのは使用
する装置の性能の限界がこの程度であとからである。

又、ガス圧力の下限値を５Ｐａとしたのはこの値より小
さくすることは実用的ではなく、上限値を５０Ｐａとし
たのはこの値より大きくすると、エンチングレイトか悪
くなって実用的でなくなってしまう。

さらに、エネルギーπ度は一般には、−古い方が良いが
、上限値は使用するプラズマエツチング装置の性能によ
って決るので装置によって制限され、現状では０．４　
Ｗ／ａｍ２程度であり、一方、下限値を０．０８Ｗ／ｃ
ｍ２　としたのはこの値より小さくするとエツチングレ
イトが遅くなって実用的でなくなる。さらに、エンチン
グ時間は上述した各条件及びエツチングしようとする溝
の深さに対応したイモ意の時間に設定すれば良い。

このような条件の下でエツチングを行って得られた溝の
パターンを走査電子顕微鏡で観察したところ、最良の結
果として０．５ルｍ幅で、５ｐｍの深さの奇麗なかつシ
ャープな溝が形成されて１．することが確認された。又
、０．５　ｐｍのラインアントスペースも深さ５ｐＬｍ
で形成出来ることが確認された。

実施例Ｉ 単結晶シリコン基板上にリフトオフ法によって０．５　
ルｍの厚さ及び０．５　ｐＬｍのスペースでＮをノくタ
ーニングし、このんをマスクとしてシリコン基板のエツ
チングを行った。工・ンチング装置としては平行平板型
プラズマエツチング装置を用１．Ｎ、フルオロカーボン
としてＣＦ４を用いた。この時のエツチング条件は、Ｃ
Ｇ５Ｌ４のガス流量を５０９ＣＣ：Ｍとし、ＣＦａのカ
ス流量を５０ＳＣＧにとし、ガス圧力を２０Ｐａとし、
エネルギー密度を０．３２Ｗ’／ｃｍ２として、エツチ
ング時間を４０分とした。

エツチング終了後、走査型電子顕微鏡でエツチングで得
られた溝を観察したところ、０．５　ｐ−ｍ幅の溝が５
ｐｍの深さで奇麗なかつシャープな形状で形成されてい
ることが確認された。

又、０．５　ルｍのラインアン１ニスペースも５終ｍの
深さで形成されていることが確認された。

実施例■ この実施例ではフルオロカーボンとして０２ＦＧを用い
た。この時のエンチング条件は、ＣＣＩ。のカス流量を
４５ＳＣＧＭとし、　０２ＦＧのカス流星を５５ＳＣ：
ＣＭとし、他の条件は実施例工の場合と同一の条件とし
た。

その結果得られた溝を同様に走査型電子顕微鏡で観察し
たところ、幅か０．５　ｐ、ｍで深さが５７ｈｍの奇麗
でシャープな溝が得られたことが確認された。

また、この場合にも、０．５　ｐ、ｍのラインアンドス
ペースも５＃Ｌｍの深さで形成されていることが確認さ
れた。

実施例■ この実施例は上述した実施例工場合において単にエツチ
ング時間を５分とした点のみが相違するにすぎない。

この実施例はマスク材料としてのＮと、エツチングすべ
き材料であるシリコンとのエツチングレイトを比較する
ためのもので、この試験結果によれば、Ｎは８ｎｍであ
ったのに対して、単結晶シリコンでは１．５１ｈｍであ
った。従って、シリコンと或とはエツチング選択比が著
しく大きく、層はこのプラズマエツチングの際にマスク
として使用して好適であることが確認された。

このような傾向はＮ以外の例えばＡｕ、　ＳｉＯ、その
他の材料でもみもれることが分った。

実施例■ この実施例では、フルオロカーホンをＣＦ４とし、この
フルオロカーボンと四塩化炭素とのエンチング混合ガス
ＣＣＦ４＋ＣＣ文。）の組成を変えてエツチングを行っ
た時のエツチング混合カスに対するＣＣ，ｌａの容積％
と、エツチングレイトとの関係を調へた。この実施例に
おけるエツチング条伯は、カス圧力を５０Ｐａとし、エ
ネルギー密度を０．３２Ｗ／ｃｍ２　とした。その結果
を第１図にＩで示す。この図において、横軸に容積％を
プロットし、縦軸にエツチングレイト（ｎｍ／ｗｉｎ）
をプロットして示した。

この実験結果から、ＣＣ交４がＸθ〜８０容積％の範囲
では、エツチングは完全に異方性を示し、しかも、サイ
ドエツチングが起らなかったことが確認された。

しかしながら、ＣＣｌ４が２０容積％よりも小さくなる
とエツチングレイトが遅くなり、又、ＣＣ３Ｌｑが８０
容積％よりも大きくなるとマスクであるＮのエンチング
レイトが速くなってしまい、シリコンのパターンがやや
オーバーカットとなることが判明した。

このようなエンチングレイトの傾向は他の一種のフルオ
ロカーボン又二種以上のフルオロカーボンと、四塩化炭
素との混合ガスの場合でも得られると類推出来る。

従って、この結果から、混合カス中の００文４の含有量
を２０〜８０容積％とし、残部を一種又は二種以上のフ
ルオロカーボンＣｎＦ２ｎすＺ　（ｎは整数）とするの
が好適であることが分った。

比較例工 比較例では、ＣＦ、のガス流量を３０５ＧＣにとし酸素
０２のガス流量をｌ０ＳＣＣ：Ｍとし、その他の条件は
上述した実施例Ｉの場合と同一の条件として、１０分間
のエンチングを行ったところ、５μｍの深さは得られた
が、０．５ルｍという微細な溝幅及び０．５ｐｍのライ
ンアンドスペースは得られなかったことはもとより、パ
ターンがアンターカットされてしまい、奇麗でシャープ
な良好な溝パターンは得られなかった。

上述した実施例では、単結晶シリコン基板上にＮのマス
クを形成し、＃！合ガスの成分をフルオロカーホンＣＦ
４　と四塩化炭素ＣＣ：１４とした場合及びフルオロカ
ーボン０２Ｆ、と四塩化炭素ＧＣｆＬ４とした場合につ
き説明した。

しかしながら、混合カス成分として、それ以外の他の一
種フルオロカーボンＣｎＦｚｎ＋ｚ　（ｎは整数）と四
塩化炭素ＣＣ立。との混合カス、或いは、これらフルオ
ロカーボンＣｎＦｔｎ＋２（ｎは整数）の二種具」二を
混合したものと四塩化炭素Ｃ，Ｇｌ。との６．Ｈ合ガス
としても同様な効果を達成することが出来る。

さらに、マスク材料としてＮ以外に、Ａｕ、ＳｉＯ又は
シリコンよりもエンチングレイＩ・の遅い他の材料使用
することも出来る。

（発明の効果） 上述した説明からも明らかなように、この発明の方法に
よれば、プラズマエツチングにより単結晶シリコン基板
をエツチングするに当り、エツチングガスを一種又は二
種以上のフルオロカーボンＧｎＦｚｎ＋２（ｎは整数）
と四塩化炭素ＣＣ文。との混合カスとしているので、従
来のようなサイドエツチングが起らず、異方性エツチン
グとなり、これがため、０．５　ｐ、ｍという微細な幅
で５ルｍという深さの奇麗でシャープな溝パターンが得
られると共に、０．５　ｇｍのラインアンドスペースの
溝が得られるという利点がある。従って、従来の方法で
は困難であったｌｐｍ以下のゲート長のデバイスの場合
にも、この発明の方法を適用出来る。

又、この発明によれば、エツチングガスにフルオロカー
ホンと四塩化炭素との混合ガスを使用して、適切なエツ
チング条件を選定してエンチングを行うことが出来るの
で、この発明の方法は従来の場合よりも工程が極めて簡
単で、かつ、量産性か良いという利点がある。

この発明は単結晶シリコンに微細で深く奇麗でシャープ
な溝をエツチング形成することが出来るので、大規模集
積回路とか超集積回路とかのいわゆるＬＳＩの素子分離
、その他の目的のための溝形成に使用して好適である。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の説明に供するエツチングガス中の四
塩化炭素の容積％とエツチングレイトとの関係を示した
曲線図である。 第１図 Ｃム／ｃ１″□ｔｃゐ（息稽幻

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 プラズマエツチングにより単結晶シリコン基板をエツチ
   ングするに当り、 工、チングガスを一種又は二種以」二のフルオロカーボ
   ンＣｎＦ２ｒ＋＋ｚ　（ｎは整数）と四塩化炭素００文
   。 との４１配合カスとし、該混合ガス中に含まれる四塩化
   炭素の量を２０〜８０容積％とし、残部を一種又は二種
   以上のフルオロカーボンとしたことを特徴とする単結晶
   シリコン基板のエツチング方法。