JPS6373526A - シリコン用エッチング方法 - 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】 〔産業上の利用分野〕 本発明はシリコン用エツチングガス、即ちシリコンをエ
ツチングするために用いられるエツチングガスに関する
。本発明は例えば、半導体製造の分野において、シリコ
ン基板に溝や穴を形成すること等に利用できる。

〔発明の概要〕

本発明のシリコン用エツチングガスは、少なくとも塩化
ケイ素と窒素とを含むガスで構成されており、このガス
によりシリコン基板などの被エツチング材を反応性イオ
ンエツチング法などでエツチングすることによって、所
望の微細な溝や穴を効率良く得ることができるようにし
たものである。

〔従来の技術〕

従来より、シリコン基板（以下、適宜Ｓｉ基板などと記
す）等のシリコン材をエツチングガスを用いてエツチン
グすることが行われている。例えばこのような技術は、
半導体集積回路の微細な素子間分離や、溝型キャパシタ
ーの形成等の技術に応用されている。この種の技術にお
いては、Ｓｉ基板にアスペクト比の高い、つまり開口に
対して深さの大きい、深い溝や穴を精密に形成できるこ
とが望まれている。

Ｓｉ基板に深い溝や穴を高アスペクト比で形成する技術
については、反応性イオンエツチング（ＲＩ　Ｅ）法に
おいて種々のエツチングガスを用いた例が報告されてい
る。エツチングガス系には、大きく分けてフッ素系（Ｆ
系）と塩素系（ＣＡ系）の２種類があるが、Ｆ系ガスを
用いる方法におけるエツチングは本質的にラジカル反応
でのエツチング（フッ素ラジカルＦ“がエッチャントと
なるもの）であるため、微少な開口部では活性種の入射
量が減る事によるエツチング速度の低下や形状の先細り
等が避けられない。従ってＦ系エツチングガスは、−ｉ
に高アスペクト比の溝加工には向かない。

一方、Ｃ１系ガスを用いた場合は、塩素ラジカルＣ１“
のみではＳｉとの反応が起こりにくいため、高いイオン
エネルギー下でのエツチングが必要となるものの、■マ
スクＳｉｎ、との選択比がとりゃすい■異方性の形状を
得やすい、等の理由から、このＣ１系ガスを用いた技術
が広く種々のガスを組み合わせて採用されるに到ってい
る。しかし、加工形成すべき穴の径が微少となり、ます
ます高いアスペクト比のエツチングが必要不可欠となっ
てきた昨今においては、ＣＩ系ガスでも、マスク端部で
のイオンの散乱によるマスク直下のアンダーカットや、
シース内で散乱された活性種の影響による側壁の中ぶく
れや、底部のサブトレンチ（底部の角が鋭角になってし
まうことなど）等の発生の問題を生じやす（、形状制御
も含めた微細溝及び微細穴の高アスペクト比加工を困難
なものにしている。

これらの問題点を解決するため、エツチングガスに、堆
積を生じやすい炭素系のガス（炭化水素ガスなど）を添
加して、これにより炭素系ポリマー゛を生ぜしめて内側
壁を保護させることによって形状制御を行う方法も、最
近は報告されている。

ところがこの方法では基板Ｓｉ上に堆積物を生じてＳｉ
のエツチング速度が低下してしまうため、マスクＳｉＯ
□との選択比がとれず、深い溝の形成が困難になってし
まうという問題がある。

以上のような事情から、エツチング速度、形状、選択比
いずれをも満足するようなエツチング技術が切望されて
いるのが現状である。

〔発明が解決しようとする問題点〕

上述の如〈従来の技術にあっては、エツチング速度、得
られる溝や穴の形状、マスクとなるＳｔＯ□との選択比
の問題等について、必ずしもそのすべてを満足すること
はできなかったのである。

本発明は上記のような問題点を解決して、被エツチング
材であるシリコンに微細な溝や穴を高いアスペクト比で
形成することができ、しかもその際、マスクとの選択比
を充分に確保でき、かつ溝や穴の側壁のえぐれや底部の
サブトレンチ等の生ずる事を防止できるようにして、上
記深い溝や穴を形成できるエツチングガスを提供せんと
するものである。

〔問題点を解決するための手段及びその作用〕本発明の
シリコン用エツチングガスは、少なくとも塩化ケイ素と
窒素とを含むガスで構成されている。この構成をとるこ
とにより、上記問題点を解決したエンチングガスが得ら
れるのである。

以下本発明について更に深く説明する。

本発明においては、エツチングガスとして塩化ケイ素例
えば５ｉＣｆ４を用い、これに窒素ガスＮ２を添加して
シリコン用エツチングガスとする。

これによって、マスクとする例えばＳｉＯ□に対する選
択比の向上が達成できる。同時に、形成する溝または穴
の側壁のえぐれを防いで、垂直な側壁を得ることが可能
となる。側壁のえぐれが防止できるのは、Ｓｉ　Ｎ系の
反応生成物が側壁に付着するためと考えられる。

第１図は、塩化ケイ素としてＳｉＣβ４を用い、これに
Ｎ２を添加した時のシリコン（特にＳｉｎｇｌｅＳｉ）
とＳｉｎｇのそれぞれのエツチング速度Ｉ。

■の変化をプロットしたものである。これから明らかな
様に、Ｎ２の添加によってシリコンのエツチング速度Ｉ
は上昇し、Ｓｉｎ、のエツチング速度■は下降し、Ｓｉ
／ＳｉＯ□選択比■が向」ニしている。Ｎ２の流量比が
ある程度大きくなると、Ｓｔ、ＳｉＯ，いずれに対して
もエツチング速度は低（なる傾向になるが、Ｓ　ｉ　／
　Ｓ　ｉ　Ｏ□選択比は上昇している。

第４図は、後記する実施例において形成した；蕃２の断
面であり、上記のようにエツチングした単を士見−’／
　Ｉ！　Ｍソ（ｑ’＋ｎａ１ｏ＜　ｉ　）のンｉ竪井庵
−丑すＭ。

図示した様に側壁に５ｉ−Ｎ系の堆積物３が付着してお
り、これによって垂直な側壁形状を確保している。

本発明のエツチングガスを用いた場合の反応機構は必ず
しも明らかではないが、単にＮ２が希釈用の不活性ガス
として機能しているにすぎないものでないことは明らか
である。希釈ガスとしての作用のみであれば、エツチン
グ時において塩化ケイ素の分子構造そのものに対する添
加ガスの影響は無いはずであるが、本発明ではＮ２の作
用により塩化ケイ素が分解し、この分解によって５ｉ−
Ｎ系の堆積物が生じて、これが側壁に付着すると考えら
れるからである。

事実、塩化ケイ素にＮ２を加えたことによる寄与の機構
は、プラズマの発光スペクトルを調べることにより明ら
かである。第２図（Ａ）中、符号■で示すのは５ｉＣ１
ｌ＜についての発光スペクトルであるが、図のようにこ
の３ｉＣ１４のみの発光では、２８０〜４２０ｎｍにか
けての５ｉＣ１ａの連続スペクトルが観察される。これ
に対し、第２図（Ａ）中、符号Ｖで示すのはＳ　ｉ　Ｃ
１ａに流量比１対１でＮ！を添加したものの発光スペク
トルであるが、これについては上記部分の連続スペクト
ルが大きく減少しており、少なくともＮ２が５ｉＣｊ！
４に影響を与えていることがわかり、特に５ｉＣ１，を
減少せしめていることがわかる。

もしＮ２が単に希釈ガスとしての作用しか示さないのな
らば、Ｓ　ｉＣ１ｍのスペクトルに殆ど影響は与えない
はずである。実際５ｉＣ１ａにＨｅなどを添加した場合
は、上記Ｎ２添加の場合に起きたような減少は見られな
い。第２図（Ｂ）はこれを示すもので、５ｔＣ１，のみ
の場合の発光スペクトル■に対し、３ｉＣｊ２４にＨｅ
を添加した場合（流量比で１：ｌ）の発光スペクトル■
は、全体としては強度はやや下がっているものの、Ｓｉ
Ｃｌ　ａのみのスペクトル■と余り変わらず、Ｈｅ添加
による影響は殆ど認められない。第２図（Ａ）と第２図
（Ｂ）の対比からも、Ｓ　ｉ　Ｃｌ　ａに対するＮ、の
影響は明らかであって、Ｎｚは単なる希釈効果ではなく
、Ｓ　ｉ　Ｃｌ　ａの変化をもたらしていることがわか
る。

上記のことは、マススペクトルの観察からも明らかであ
る。即ち、第３図（Ａ）はＳ　ｉ　Ｃ１１ａをエツチン
グ時と類似条件において質量分析し、マススペクトルを
とったものであるが、第３図（Ａ）にみられる如（Ｓｉ
Ｃ１４のみについてのマススペクトルは、５ｔ（＝２８
）のピーク（イ）、Ｃｊ！（＝３５．５）のピーク（ロ
）　、Ｓ　ｉ　ＣＩ　　Ｃ＝６３．５＞のピーク（ハ）
　、Ｓ　ｉ　Ｃ１ｔ　　（＝９９）のピーク（ニ）　、
Ｓ　ｉ　Ｃｌｘ　　（＝１３４．５　）のピーク（ホ）
がそれぞれ現れている。一方第３図（Ｂ）は、５ｉＣ１
，とＮ２とを混合したガスについて同様に質量分析を行
ったものであるが、このマススペクトには、５ｉＣｊ！
のピーク（ハ）と５ｉＣ１ｚのピーク（ニ）と３ｉＣｊ
！ｚ　　（ホ）のピークとが消滅または激減して、Ｓｉ
のピーク（イ）、（ｌのピーク（ロ）が増加している。

上記第２図（Ａ）（Ｂ）及び第３図（Ａ＞（Ｂ）の観察
から、Ｎ！の添加によってＳｉＣ１ｇの分。

解が促進されていることが明白であり、これが選択比向
上に寄与しているものと考えられる。

この場合の反応機構は必ずしも明らかではないが、Ｓｉ
ｎｇのエッチャントとなる５ｉＣ１，ｘがＮ、添加によ
って分解され、Ｓ　ｉ−Ｎ系の堆積物を作り、これが側
壁に付着していると思われる。

Ｓ　ｉ　Ｃ１ａとＮｔとの反応の機構としては、先ず５
ｉＣ１ａがエネルギーを受けて５ｉＣｊ！−ヒＣ１“と
に分離し、これに窒素がＮ１もしくはＮ゛の形でアタッ
クして５ｉ−Ｎ系の堆積物を形成すると共に、Ｃ１°を
遊離するような形で進行するのではないかと考えられる
。

このように本発明のエツチングガスは、塩化ケイ素と窒
素とを含むので、上述のようにＳｉに対して特異な作用
を示すことになり、アスペクト比の大きい溝や穴を良好
な形状で容易かつ迅速に、しかもＳｉＯ□などとの選択
比を充分に確保しつつ、エツチング加工することができ
るのである。

〔実施例〕

以下本発明の一実施例を説明する。なお当然のことでは
あるが、本発明は以下述べる実施例にのみ限定されるも
のではない。

この実施例は本発明を半導体集積回路の製造に際して、
Ｓｔ基板上に微細な溝を形成するための手段として適用
したものである。この例は、半導体装置における溝型キ
ャパシタあるいは微細な素子間分離の形成として具体化
できるものである。

本実施例においては、塩化ケイ素としては５ｉＣ１，を
用い、これにＮ、を添加してエツチングガスとした。５
ｉＣ１４とＮ２とは、流量比で１：１混合となるように
した。このエツチングガスを用いて、ＳｉＯ□をマスク
とし、ＲＩＥによりＳｔ基板１をエツチングした所、第
４図に模式的に示すように、アスペクト比の大きい溝２
が形状の制御性良く得られた。（なお、マスクは図示せ
ず）。このエツチングガスを用いると、第４図にやや極
端に図示したように、堆積物３が溝２の周囲に付着して
溝３の側壁を保護する役割を果たし、側壁の中ぶくれな
どは発生せず、また底部のサブトレンチも生じない。（
第４図中堆積物についてのみ特にハンチングを施して明
示した）。上記堆積物３は、前記したように５ｉ−Ｎ系
の物質と推定される。

この側壁の堆積物３は、緩衝フン酸液によるマスクＳ　
ｉ　Ｏｚの除去プロセスでいっしょに除去する事が可能
である。但しこのようにすると溝２　（トレンチ）内部
をウェット雰囲気にさらす事になるので、これによって
第５図の様に側壁に面荒れ４が生じてしまうことがある
。これは、溝２の側雰囲気と反応して、Ｓｔをエツチン
グしたことによるものと思われる。そこで本実施例にお
いてはこれを防止するため、エツチングガス中に例えば
エチレンＣ，Ｈ，の如き、分子中に構成原子として窒素
と水素とを含んだガスを加えて実施した。

このような含炭素・含水素のガスを用いることの効果は
、水素による残留塩素の取りこみと、側壁への炭素（な
いしは炭素系ポリマー）の付着によって、Ｓｉ面を保護
する事によるものと考えられる。なおＣＺ　Ｈａ等のガ
スは、側壁の中ぶくれ等を防止するための形状コントロ
ール用として添加されることがあるが、本発明では側壁
の形状コントロールは上述の様にＮ２添加によって可能
であるから、本実施例において加えるＣオド４等はあく
までも側壁の面荒れ防止作用を呈させるために添加する
ものであり、添加量も微量で良い。（形状コントロール
のためのデポジションガス添加では、エツチングのメイ
ンガスと同量くらいのガス添加が必要となり、Ｓｉのエ
ツチング速度の低下、即ちＳ　ｉ　／　Ｓ　ｉ　Ｏ□選
択比の著しい低下を招くが、本実施例では上記のとおり
添加の目的が異なり添加は微量で良いので、Ｓｉ／Ｓｉ
Ｏ，選択比が低下する心配はない。） Ｃ，Ｈ４の代わりに、アセチレン（ＣｉＨｚ）などを加
えても同様の効果を得ることができる。

また上記のような含炭素・含水素化合物を用いるのでな
く、溝形成後に５ｉｃ１４を入れて５ｔＣ１４雰囲気に
することによっても、面荒れ防止効果がある。

〔発明の効果〕

本発明によれば、従来困難だった５ｉＯｚ等のマスクと
の選択比を確保しながら、中ぶくれなどがなく垂直な側
壁で、かつ底部サブトレンチなどもない良好な形状の溝
や穴を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明を説明するための図であり、塩化ケイ素
に添加した窒素の量と、エツチング速度及び選択比との
関係を示すグラフである。第２図（Ａ）は、５ｉＣ１４
及び５ｉＣｊ！ｎにＮ２を加えたものの発光スペクトル
図、第２図ＣＢ）は、５ｉＣ７！４及び５ｉＣＩ１４に
Ｈｅを加えた゛ものの発光スペクトル図である。第３図
（Ａ）は、ＳｉＣ１ａのマススペクトル図、第３図（Ｂ
）はＳｉＣｌ　４にＮ２を加えたもののマススペクトル
図である。第４図は、本発明の一実施例において形成さ
れた溝形状の断面略示図、第５図は同じく面荒れが起き
た場合の当該溝形状の断面略示図である。 ■・・・Ｓｔのエツチング速度、■・・・Ｓｉｎ、の工
フチング速度、■・・・Ｓ　ｉ　／　Ｓ　ｉ　Ｏ□選択
比。 １・・・Ｓｉ基板、２・・・溝、３・・・堆積物。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １、シリコンをエッチングするエッチングガスであって
   、少なくとも塩化ケイ素と窒素とを含むことを特徴とす
   るシリコン用エッチングガス。