JPS6143847B2

JPS6143847B2 -

Info

Publication number: JPS6143847B2
Application number: JP52110703A
Authority: JP
Inventors: Oonori Ishikawa; Takeya Ezaki
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1977-09-14
Filing date: 1977-09-14
Publication date: 1986-09-30
Also published as: JPS5444477A

Description

【発明の詳細な説明】本発明は半導体装置の製造方法に関し、任意の
種類の微細パターンを写真蝕刻法によらず簡便か
つ制御性良く形成する新規な方法を提供すること
を目的とするものである。

半導体装置は最近ますます高密度化される傾向
にあり、そのために微細パターン形成法の開発に
対する要望が高まつている。従来一般に紫外線に
よる写真蝕刻法が用いられてきたが、実用的な最
小パターン巾は２ミクロン程度とされている。そ
れ以下の微細パターン形成に適した方法として電
子ビーム露光法やＸ線露光法が開発されつつある
が未だ十分実用に供されるに到つていない。その
上、ただ単に微細なパターンを形成するだけでな
く、既に形成されている形状に位置合せする必要
のある場合に、その位置合せ誤差を皆無にするこ
とは写真蝕刻法では極めて困難である。さて、微
細パターンを得るべく段部にあるパターンを形成
するに際し、従来の方法を用いた例を第１図とと
もに説明する。第１図は従来方法すなわち位置合
せを要する場合の微細パターンの形成について説
明する。

第１図ａのごとく、半導体基板１表面に段部２
を形成し次に表面に熱酸化法あるいはCVD法に
よつて酸化膜３を形成する。ついで、第１図ｂ
は、前記基板１表面に酸化膜３を形成後、気相成
長法例えば、650℃でSiH₄ガスの熱分解による多
結晶シリコン膜４を成長させたものである。

同図ｃでは、多結晶シリコン膜４上から光感光
性樹脂例えば、ネガレジスト５をスピナー回転塗
布等の方法で全面に塗布する。次に同図ｄで示す
ごとく、ネガレジスト５を残存させる部分８のみ
紫外線６が透過するガラス乾板７を重ね合せネガ
レジスト５を光重合せしめる。

同図ｅはネガレジスト５を光重合した後、現像
し光重合以外の部分は溶解させ、段部２の部分に
レジストパターン８を形成した状態である。

同図ｆは、レジストパターン８をマスクに多結
晶シリコン膜をエツチング除去したものである。
レジストパターン８下の多結晶シリコン膜４は、
エツチングされずに残存する。

同図ｇは、多結晶シリコン膜４のエツチング
後、レジストパターンを熱濃硫酸あるいは、レジ
スト剥離剤等で除去した状態を示す。

以上の例は本発明のごとき段部へのパターン形
成に際し、従来の方法を適用した理想的な場合を
示したものであつて現在の技術水準では、たとえ
電子ビーム露光を用いてもレジストパターン８と
段部２とを完全に一致させることは困難であり、
実際上はこうして形成された多結晶シリコン膜４
と段部２との間に間隙あるいは重なり部分を生じ
る。

またそもそも写真蝕刻法にするため、ガラス乾
板が必要であり、レジスト塗布・露光・現像・エ
ツチング・レジスト除去等少くとも五工程を要す
る。さらに、最終の多結晶シリコン膜４のパター
ン巾がレジストパターン８の巾に依存しているた
め、レジストの膜厚・露光及現像条件等多くの要
因の制御が精密なパターン巾形成のために必要で
ある。

そこで写真蝕刻法によらずに微細パターンを形
成する方法が最近種々提案されている。例えば、
特開昭50−110778号公報には、第１図ａの如く段
部を有する半導体基板表面に、シラノール（Si
（OH）₄）の如き液状のシリコン化合物を塗布し
て、段部２の近傍により多くその液体が滞留する
ことを利用する方法がある。この方法ではその液
体を塗布後、加熱処理を行なつて二酸化シリコン
膜を形成し、しかるのち弗化水素系のエツチング
液によりその二酸化シリコン層をエツチする。そ
の際、段部２近傍に於てはシリコン化合物の液が
滞留した事により二酸化シリコン層が厚くなつて
いるため、その二酸化シリコン層のみが残存する
如くエツチングを行うことが出来る。かくして段
部２の近傍のみを覆う如く、自己整合的に二酸化
シリコン層が形成される。この方法は写真蝕刻法
によらずに比較的簡単に微細パターンが形成され
るという利点を有しているが、液体の塗布が必須
であるためどの様な被膜でも形成出来る訳ではな
く適用範囲がきわめて狭い。またこの方法で段部
に形成される二酸化シリコン層のパターン巾は、
シリコン化合物の段部に於ける滞留状態に主とし
て依存しているため、液の粘度・塗布条件・段部
の段差およびその表面状態等多くの微妙な要因に
左右される。従つてパターン巾を精度よく形成す
るのに適していない。

また、基板表面に斜めにイオンビームを入射せ
しめる方法が特開昭50−66183号に提案されてい
る。これは基板上に設けられた段部に被膜を成長
せしめ、斜め上方からイオンビームを入射せしめ
てその被膜をイオンエツチすると、イオンビーム
の直進性により段部側面にイオンビームが到達し
ない影の部分が生じるため被膜の微細パターンが
形成される。その被膜の微細パターンの巾は段部
の段差とイオンビームの入射角度で規定される。
この方法では、基板表面の上方から見た場合ビー
ムの入射方向と平行に走る段部側面からは被膜が
すべて除去されてしまう。というのはこの場合段
部に影が出来ないからである。すなわちこの方法
では被膜の微細パターンを任意の方向に形成する
事が出来ない。したがつて半導体装置のパターン
設計に大きな制限を加えることになり適用対象が
限定されたものとなる。

従来のこの様な種々の問題を解決するための本
発明の構成は、半導体基板表面に段部を設け、該
基板表面段部の上面・底面および側面にCVD法
あるいは蒸着法などによる被膜を堆積形成させた
後、該基板をガスエツチング装置内に入れ、エツ
チングガスを基板にほぼ垂直に入射せしめ、該基
板表面に垂直方向へのエツチングを選択的に進行
せしめ、段部の上面および底面の被膜を全て除去
して、段部の側面およびその近傍のみに上記被膜
を残存せしめることから成る。本発明はこのよう
な方法を用いることにより、段部に微細パターン
を写真蝕刻法によらず制御性良く形成可能とした
ものである。

以下本発明を実施例とともに説明する。

第２図は本発明を用いて多結晶シリコンよりな
るたとえばMOSトランジスタのゲートパターン
を形成する工程を示す。

第２図ａは半導体基板２１の未加工の状態が示
してある。図ｂは半導体基板２１の表面に上面２
５、側面２６、底面２７から成る段部２２を形成
したものである。この段部２２の側面２６は、基
板２１の表面に対してほぼ垂直に形成するのが望
しく、例えばイオンビームを用いるイオンエツチ
あるいはフレオン系ガスをプラズマ状にしさらに
試料に電界を印加する反応性スパツタエツチング
等により行なう。なお、反応性スパツタエツチン
グまたは反応性イオンエツチング等でエツチング
を行なう場合、エツチング断面をほぼ垂直にする
にはスパツタ性を強くすれば得られる。例えば、
フレオン１２（CCl₂F₂）ガスを使用し、真空度
0.01Torr、出力400W、フレオン１２のガス流量
を10c.c.／Ｍ程度としエツチングを行なうとエツチ
ング断面は、ほぼ垂直に形成される。またフレオ
ンの代わりに四塩化炭素（CCl₄）ガスを使用して
も同等の形状を得ることができる。

次に同図ｂに示すごとくほぼ垂直な側面２６を
有する段部２２を設けた半導体基板上に熱酸化法
あるいはCVD法等により酸化膜２３を形成す
る。そして、同図ｃはのごとく酸化膜２３上に気
相成長法等により多結晶シリコン膜２４を成させ
る。この多結晶シリコン膜の成長は、例えば650
℃の温度でN₂ガスを30／Ｍ、シラン（SiH₄）ガ
スを１／Ｍ流した状態で行なう。段部２２の上
面２５および底面２７上に於けるとほぼ同じく側
面２６上に於ても多結晶シリコンが成長する。そ
の結果、多結晶シリコン膜２４の表面は、段部２
２の上面２５・底面２７・側面２６にそれぞれ沿
つた面２５′，２６′，２７′から成る。この時、
半導体基板２１の表面、すなわち上面２５および
底面２７に垂直方向に、多結晶シリコン膜２４の
膜厚を見ると、段部２２の側面２６近傍に於ては
膜厚が段差の分だけ厚くなつていることになる。

しかるのち、同図ｄは、同図ｃで表面に均一に
形成した多結晶シリコン膜上からエツチングガス
２８をほぼ垂直に入射せしめた状態を示す。この
ようにすると多結晶シリコン膜の側面２６′上へ
到達するエツチングガスの量が少ないので、その
面のエツチ速度が小さい。これは面２６′の同図
上での左方への後退が少ない事を意味する。即ち
膜２４は基板表面と平行面をなす如く層状にエツ
チされていく。このドライエツチングとして、例
えば反応性スパツタエツチングを用いる。その場
合スパツタ性向上のため、真空度は0.03Torr以上
の高真空側で、出力は400W程度とし、エツチン
グガスにフレオン１２（CCl₂F₂）を使用し流量は
10c.c.／Ｍ程度で行なう。

以上の工程により、同図ｅに示すごとく半導体
基板の段部上面２５、および底面２７の多結晶シ
リコン膜をエツチング除去すると、段部の側面２
６には、段部の高さとほぼ同一高さＬで、また多
結晶シリコンの成長膜厚とほぼ同一な巾Ｗを有す
る多結晶シリコン２４′が残る。多結晶シリコン
膜２４下の酸化膜２３は、反応性スパツタエツチ
ングの際のストツパー及び多結晶シリコンのエツ
チング終了の目安に使用しているが、他の被膜あ
るいは被膜を設置しなくても良い。

この説明では、シリコン基板に酸化膜と多結晶
シリコンの組合せで行なつたが、これに限らず、
酸化膜あるいは窒化膜等、任意の膜種を任意の膜
厚で段部に堆積形成することも可能である。

第３図は、本発明の要部である第２図の工程中
のｄの拡大図である。

図中のtoは多結晶シリコン膜２４成長後の膜厚
の位置を示す線である。エツチングガス２８はフ
レオン系ガスをプラズマ状として発生した主とし
てフツ素ラジカルであり、多結晶シリコンをエツ
チングするものであるが、反応性スパツタエツチ
ングではその条件により、基板表面に対してほぼ
垂直にフツ素ラジカルを入射せしめ得るため平面
部２５′および２７′には多くフツ素ラジカルが入
射し、側面部２６′へはフツ素ラジカルが殆んど
入射しないことになる。このため面２５′および
２７′ではエツチングが進み側面２６′では殆んど
エツチングが進まないことになる。

図中のt₁は反応性スパツタエツチングを開始し
て一定時間経過した時の多結晶シリコンの形状図
であり、またt₂はt₁よりさら一定時間経過した時
の多結晶シリコンの形状図である。t₃は段部２２
の上面２５及び底面２７上の多結晶シリコンを全
てエツチング除去し終えた時の形状図である。t₃
時点で半導体基板の段部側面２６近傍のみに多結
晶シリコン２４′が形成される。この大きさは高
さが基板にあらかじめ形成した段差と同一で巾は
多結晶シリコンの成長膜厚とほぼ同じとなる。

気相成長法で成長せしめた多結晶シリコン膜を
一例とし詳細な説明を加えたが、本発明はその他
CVD法、連続した同一組成の金属膜や絶縁膜等
の他の被膜のパターンを形成する事も可能であ
る。

第４図は、本発明の実施例において使用するド
ライエツチング装置の概略図である。装置は、反
応部３１、真空部３２、高周波電源部３３、ガス
導入部３４より構成されている。反応部３１のチ
ヤンバー３５内のターゲツト３６上に試料３７を
設置する。次に真空部のロータリーポンプ３８お
よび拡散ポンプ３９によつてチヤンバー３５内を
真空にし、チヤンバー３５内のガス圧が規定の圧
力になつたらガス導入部３４より、反応ガスをチ
ヤンバー３５内に導入し、チヤンバー３５内を一
定の圧力に保持する。次に高周波電源部３３のス
イツチを入れ、チヤンバー３５内のターゲツト３
６と対向電極４０に高周波電界をかけ、反応ガス
をプラズマ状にし、さらにプラズマ状のガスを試
料３７表面に入射させるものである。

この装置で試料にほぼ垂直に入射する反応ガス
を多くするには、チヤンバー内を高真空にするか
高周波出力を大きくするかの２つの方法がある。
従つて真空度と出力を変化させることにより試料
には反応ガスを垂直に入射させることが出来る。

第５図は本発明の一応用例の製造工程である。
同図ａでは、既に説明した如く半導体基板２１に
段部２２を設け表面を酸化膜２３を形成し、さら
に多結晶シリコン膜を形成後、反応性スパツタエ
ツチングにより多結晶シリコン膜をエツチング除
去し、酸化膜２３の位置で停止したもので段部２
２には、多結晶シリコン２４′が形成されてい
る。

同図ｂはａの状態の試料にさらに反応性スパツ
タエツチングを行なつたものである。反応性ガス
のプラズマ２８を試料にほぼ垂直入射させ、多結
晶シリコン２４′のみならず、段部上面の酸化膜
２３−１及び段部下面の酸化膜２３−２もエツチ
ングすることになる。

同図ｃは、図ａの試料を一定時間反応性スパツ
タエツチングし多結晶シリコン２４′が段部の高
さの約半分程度になつたときエツチングを停止し
た状態である。多結晶シリコンを段差の半分程度
の高さに形成し、段差を小さくしてやれば、他の
被膜あるいは、配線等が段差部分を横断する際に
段部で断線することが防止できる。

第６図は、本発明の一実施例の走査型電子顕微
鏡写真である。写真中、半導体基板は２１であ
り、酸化膜は２３である。さらに段部側面および
その近傍のみを覆う如く形成された多結晶シリコ
ンは２４′で示している。この写真は、酸化膜２
３上の多結晶シリコンのエツチング除去を第３図
の時刻t₃で停止したものに対応している。

第７図は、本発明の他の実施例の走査型電子顕
微鏡写真である。半導体基板２１に段部を形成し
た後全面に酸化膜をCVD法（気相成長法）によ
り成長させ、段部側面およびその近傍のみを覆う
如く酸化膜２３′をドライエツチングで形成した
ものである。このエツチングは、反応性スパツタ
エツチング装置で、フレオン１４（CF₄）ガスを
使用し装置のターゲツトして、テフロン樹脂を使
用し酸化膜の選択エツチを行なつたものである。
なお、この写真では、基板２１の段差と酸化膜２
３′の高さが一致していないが、これは、第３図
の時刻t₃をやや上回る如くエツチング時間を選ん
だためである。

以上の実施例ではドライエツチングとして主に
反応性スパツタエツチングについて述べたが、既
に明らかな如く、これに限定されることなく基板
表面にほぼ垂直にガスを入射せしめうるものであ
ればよい。

また、基板そのものをエツチして段部を形成す
る場合について述べたが、これに限定される事な
く半導体基板上に形成される各種被膜の任意の形
状の段部に於ても適用されるものである。さら
に、本発明の方法はくり返し用いることができる
とともに、段部上面および底部に被膜はごく薄く
残存してもよい。

以上の実施例の説明から明らかな如く、本発明
によれば次の如き効果が得られる。

(1) 段部側面及びその近傍のみを覆う如く被膜が
形成される。

(2) その被膜の堆積時の膜厚に依存しているので
膜の堆積速度を制御することにより高精度に制
御され、かつ被膜の種類を任意に選択すること
ができ、単一被膜のエツチング条件の制御によ
つて任意の被膜の精密なサブミクロンの微細パ
ターンが得られる。

(3) その被膜の高さは、エツチング時間により制
御し得るので、段部を所望の形状、例えば階段
状になし実効的に段部の高さを減少せしめ得
る。

(4) 写真蝕刻法によらず自己整合的な方法であ
り、しかも被膜の堆積形成とそのエツチングと
いう極めて簡単かつ制御性の良い方法である。

(5) 段部上の被膜のエツチングが半導体基板表面
に対して垂直方向に進行するので、半導体基板
の回転によつて影響を受けない。すなわち、段
部がどの様な方向へ形成されていてもその側面
に沿つて被膜の微細パターンが形成されるので
半導体装置のパターン設計の自由度が大きい。
以上の事から本発明は半導体装置全般に広範囲
に適用可能でありその特性および製造方法の改
善に大きく寄与するものである。

【図面の簡単な説明】

第１図ａ〜ｇは微細パターン形成法の従来の一
例の工程図、第２図ａ〜ｌは本発明による微細パ
ターン形成方法の一実施例の工程図、第３図は本
発明における反応性スパツタエツチングの進行状
態を示す説明図、第４図は本発明に使用した反応
性スパツタエツチ装置の概略図、第５図ａ〜ｃは
本発明による微細パターンの形成方法の他の実施
例の工程図、第６図は本発明の一実施例における
走査型電子顕微鏡による断面写真、第７図は本発
明の他の実施例の走査型電子顕微鏡による断面写
真である。２１……半導体基板、２２……段部、２３，２
３′……酸化膜、２５……上面、２６……側面、
２７……底面、２４，２４′……多結晶シリコン
膜、２８……エツチングガス。

Claims

【特許請求の範囲】１半導体基板表面に形成された段部の上面・底
面および側面に連続した同一組成の堆積被膜を形
成せしめた後、エツチングガスを上記基板表面に
ほぼ垂直に入射せしめて上記被膜のドライエツチ
ングを行ない上記段部の上面および底面の上記被
膜を除去し上記段部の側面およびその近傍のみを
覆う如く上記被膜よりなるパターンを形成する事
を特徴とする半導体装置の製造方法。２被膜のエツチングガスとして、反応性ガスを
使用し、電界により基板表面にほぼ垂直に上記ガ
スを入射せしめ上記被膜のドライエツチングを行
う事を特徴とする特許請求の範囲第１項に記載の
半導体装置の製造方法。３被膜を形成せしめる際、段部の上面・底面お
よび側面における被膜の形成速度がほぼ等しい方
法を用いる事を特徴とする特許請求の範囲第１項
に記載の半導体装置の製造方法。４被膜のドライエツチングを行なつて基板段部
の側面およびその近傍のみに上記被膜を形成する
に際し、上記基板段部の高さのほぼ半分のみを覆
う如く上記被膜を除去して上記基板段部の断面形
状を階段状になす事を特徴とする特許請求の範囲
第１項に記載の半導体装置の製造方法。５基板表面に被膜と別の膜が形成されてなる特
許請求の範囲第１項に記載の半導体装置の製造方
法。