JP3111640B2

JP3111640B2 - ドライエッチング方法

Info

Publication number: JP3111640B2
Application number: JP04145895A
Authority: JP
Inventors: 哲治長山; 敏治柳田
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 1992-06-05
Filing date: 1992-06-05
Publication date: 2000-11-27
Anticipated expiration: 2015-11-27
Also published as: JPH05343362A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は半導体装置の製造分野等
において適用されるドライエッチング方法に関し、特に
シリコン系材料層の高異方性，高選択性, 低汚染性，低
ダメージ性エッチングを行う方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年のＶＬＳＩ，ＵＬＳＩ等にみられる
ように半導体装置の高集積化および高性能化が進展する
に伴い、単結晶シリコン，多結晶シリコン，アモルファ
スシリコン等のシリコン系材料層のエッチングにおいて
も、高異方性，高選択性，低汚染性，低ダメージ性とい
う諸要求をいずれかを犠牲にすることなく達成する技術
が強く望まれている。

【０００３】シリコン系材料層のエッチングには、トレ
ンチ加工とゲート電極加工という代表的な２分野があ
る。トレンチ加工は、微細素子分離やメモリ・セル容量
面積の確保を目的としてトレンチを形成するためのプロ
セスある。トレンチの深さはデバイスの種類や用途によ
り異なり、容量素子では４〜５μｍ（ディープ・トレン
チ）、素子分離ではＭＯＳ−ＦＥＴ用で１μｍ（シャロ
ー・トレンチ）、バイポーラ・トランジスタ用で４μｍ
程度とされている。いずれのトレンチも開口径は０．３
５〜１μｍ程度であり、高アスペクト比パターンの異方
性加工が要求される。

【０００４】トレンチ加工には、一般には塩素系ガスが
用いられる。これは、Ｃｌ^*がＦ^*に比べて原子半径が
大きいため自発的にＳｉの結晶格子内に侵入して異方性
形状を劣化させる虞れが少なく、また特にディープ・ト
レンチ加工においては酸化シリコン系のエッチング・マ
スクに対して高選択性が維持できるからである。しか
し、実際にはマスク・パターンやエッチング条件の変動
等によってトレンチの断面形状が複雑に変化し易く、ア
ンダカットやボウイング（ｂｏｗｉｎｇ）等の形状異常
がしばしば経験される。これらは、いずれも後工程にお
けるトレンチの埋め込みや容量の制御等を困難とする。

【０００５】そこで、上述のようなトレンチの断面形状
の劣化を防止するために、放電解離条件下で堆積性物質
を生成し得るエッチング・ガスを使用し、この堆積性物
質を利用して側壁保護を行う方法が従来から幾つか提案
されている。たとえば、本願出願人が先に特開昭６３−
７３５２６号公報において開示したＳｉＣｌ₄／Ｎ₂混
合ガスは、その代表例である。これは、ＳｉＣｌ₄から
主エッチング種としてＣｌ^*やＣｌ⁺を生成させると共
に、ＳｉＣｌ₄とＮ₂との反応により気相中にＳｉ_xＮ
_y，Ｓｉ_xＮ_yＣｌ_z等を生成させ、これらを堆積させ
て側壁保護を行う方法である。この技術によれば、側壁
保護物質として炭素系ポリマーを利用するよりは遙かに
パーティクル汚染を低減させることができ、クリーンな
条件でエッチングを行うことが可能となる。

【０００６】さらに本願出願人は、特開昭６４−５９９
１７号公報において、Ｃｌ₂／Ｎ₂混合ガスを用いてシ
リコン・トレンチ・エッチングを行う技術も開示してい
る。この技術もＳｉ_xＮ_y，Ｓｉ_xＮ_yＣｌ_z等を側壁
保護物質として利用するが、これらはエッチング反応生
成物ＳｉＣｌ_xとＮ₂とが反応することにより生成す
る。したがって、前述のＳｉＣｌ₄／Ｎ₂混合ガスを用
いるプロセスのようにエッチング・ガスの構成成分同士
の反応により気相中に堆積性物質が生成する場合と比べ
て、さらにパーティクル汚染を低減させることが可能と
なる。

【０００７】一方、多結晶シリコンの代表的なエッチン
グ・プロセスはゲート加工である。ゲート電極のパター
ン幅は、ＭＯＳ−ＦＥＴのソース・ドレイン領域が自己
整合的に形成される場合のチャネル長やＬＤＤ構造にお
けるサイドウォールの寸法精度に直接影響する。したが
って、このプロセスにも極めて高い加工精度が要求され
る。

【０００８】ゲート電極加工には、従来からＣＦＣ１１
３（Ｃ₂Ｃｌ₃Ｆ₃）等に代表されるＣＦＣ（クロロフ
ルオロカーボン）ガスがエッチング・ガスとして広く用
いられてきた。ＣＦＣガスは１分子内にＦとＣｌとを構
成元素として有するため、条件によりＦ^*，Ｃｌ^*等の
寄与によるラジカル反応と、ＣＣｌ_x ⁺，Ｃｌ⁺等の寄
与によるイオン・アシスト反応のバランスを制御しなが
らエッチングを進行させることが可能である。また、気
相中から堆積する炭素系ポリマーで側壁保護を行いなが
ら高異方性を達成することができる。

【０００９】しかしながら、ＣＦＣガスは周知のように
地球のオゾン層破壊の一因であることが指摘されてお
り、近い将来に製造および使用が禁止される運びであ
る。したがって、ドライエッチングの分野においてもＣ
ＦＣガスの代替品を見出し、その効果的な利用方法を確
立することが急務とされている。また、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、気相中か
ら堆積する炭素系ポリマーがパーティクル汚染源となる
ことも考えられ、この意味からも脱ＣＦＣ対策が望まれ
ている。

【００１０】この脱ＣＦＣ対策のひとつとして有望と考
えられる技術に、Ｂｒ系化学種を主エッチング種として
利用するプロセスがある。たとえば、Ｄｉｇｅｓｔｏ
ｆＰａｐｅｒｓ１９８９２ｎｄＭｉｃｒｏＰｒｏ
ｃｅｓｓＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅ，ｐ．１９０には、Ｈ
Ｂｒを用いるｎ⁺型多結晶シリコンのゲート電極加工が
報告されている。Ｂｒはイオン半径が大きく、シリコン
系材料層の結晶格子内もしくは結晶粒界内に進入しな
い。したがって、シリコン系材料層をＦ^*のように自発
的かつ等方的にエッチングする虞れが少なく、イオン・
アシスト機構により異方的なエッチングを進行させるこ
とができる。また、原子間結合エネルギーを比較した場
合にＳｉ−Ｏ結合（１０７７ｋＪ／ｍｏｌ）がＳｉ−Ｂ
ｒ結合（３６８ｋＪ／ｍｏｌ）よりも遙かに大きいこと
からも明らかなように、ＳｉＯ₂からなるゲート酸化膜
に対して高選択性が達成できる。さらに、レジスト・マ
スクの表面を蒸気圧の低いＣＢｒ_xで被覆することがで
きるので、レジスト選択性を向上できる点もＢｒ系化学
種の大きなメリットである。

【００１１】一方、上述のような炭素系ポリマーの側壁
保護作用により高異方性を達成するのではなく、被エッ
チング基板（ウェハ）の低温化によりこれを達成しよう
とする技術も提案されている。これは、いわゆる低温エ
ッチングと呼ばれるプロセスであり、ウェハの温度を０
℃以下に保持することにより、深さ方向のエッチング速
度をイオン・アシスト効果により実用レベルに維持した
まま、パターン側壁部におけるラジカル反応を凍結また
は抑制してアンダカット等の形状異常を防止しようとす
る技術である。たとえば、第３５回応用物理学関係連合
講演会（１９８８年春季年会）講演予稿集第４９５ペー
ジ演題番号２８ａ−Ｇ−２には、ウェハを−１３０℃に
冷却し、ＳＦ₆ガスを用いてシリコン・トレンチ・エッ
チングおよびｎ⁺型多結晶シリコン層のエッチングを行
った例が報告されている。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】しかし、半導体装置の
デザイン・ルールが今後も急ピッチで進行すると、従来
にも増して高いレベルでパーティクル汚染を低減させる
必要が生ずる。この観点から、トレンチ加工においてＳ
ｉ_xＮ_y，Ｓｉ_xＮ_yＣｌ_z等を側壁保護に利用する上
述のプロセスは、現状の要求は満たしているが根本的に
パーティクル汚染を回避するには至っていない。しか
も、トレンチ加工は一般にプロセス時間が長く、堆積性
物質の生成量も多くなるので、かかる物質を側壁保護に
利用するとしても、エッチング終了後には容易かつ完全
に除去できることが前提となる。

【００１３】また、ＨＢｒをゲート電極加工に用いるプ
ロセスでも、ＳｉＢｒ_x等によるパーティクル汚染を回
避することは難しい。

【００１４】これらに対し、低温エッチングは脱ＣＦＣ
対策の有効な手段のひとつと期待されているが、高異方
性の達成をラジカルの反応の凍結もしくは抑制のみに頼
ろうとすると、前述のように液体窒素を要するレベルの
低温冷却が必要となる。しかしこれでは、大型で特殊な
冷却装置が必要となること、真空シール材の信頼性が低
下すること等のハードウェア面の問題が生ずる。また、
ウェハの冷却および室温に戻すまでの加熱に時間がかか
るのでスループットが低下することも懸念され、経済性
や生産性を損なう虞れが大きい。

【００１５】そこで本発明は、高異方性、高選択性、低
汚染性，低ダメージ性といった両立の難しい諸特性を高
いレベルで満足させ、しかも実用的な温度域で実施でき
るシリコン系材料層のドライエッチング方法を提供する
ことを目的とする。

【００１６】

【課題を解決するための手段】本発明のドライエッチン
グ方法は、上述の目的を達成するために提案されるもの
であり、チオニル基もしくはスルフリル基の少なくとも
一方の官能基とハロゲン原子とを同一分子内に有するハ
ロゲン化合物を含むエッチングガスを用い、少なくとも
エッチング・パターンの側壁面上に炭素系ポリマーを堆
積させながらシリコン層をエッチングすることを特徴と
する。

【００１７】本発明はまた、チオニル基もしくはスルフ
リル基の少なくとも一方の官能基とハロゲン原子とを同
一分子内に有するハロゲン化合物と、放電解離条件下で
プラズマ中にイオウを放出し得るイオウ系化合物とを含
むエッチングガスを用い、少なくともエッチング・パタ
ーンの側壁面上に炭素系ポリマーとイオウとを堆積させ
ながらシリコン層をエッチングすることを特徴とする。

【００１８】本発明はまた、チオニル基もしくはスルフ
リル基の少なくとも一方の官能基とハロゲン原子とを同
一分子内に有するハロゲン化合物を含むエッチングガス
を用い、少なくともエッチング・パターンの側壁面上に
炭素系ポリマーを堆積させながらシリコン層を実質的に
その層厚分だけエッチングするジャストエッチング工程
と、前記エッチング・ガスに放電解離条件下でプラズマ
中にイオウを放出し得るイオウ系化合物を添加し、少な
くともエッチング・パターンの側壁面上に炭素系ポリマ
ーとイオウとを堆積させながらシリコン層の残余分をエ
ッチングするオーバーエッチング工程とを有することを
特徴とする。

【００１９】本発明はさらに、エッチング終了後に、少
なくとも前記シリコン系材料層のエッチング・パターン
の側壁面上に堆積した前記炭素系ポリマーおよび／また
は前記イオウを、アッシングにより除去することを特徴
とする。

【００２０】

【作用】本発明者は、上述の目的を達成するには、側壁
保護膜を構成する炭素系ポリマーの膜質を従来よりも強
化し、エッチング耐性を向上させることが極めて有効で
あると考えるに至った。それは、炭素系ポリマー強化に
次のようなメリットが期待できるからである。

【００２１】第一に、側壁保護効果が向上するので、異
方性加工に必要な入射イオン・エネルギーを下げること
ができる。これにより、エッチング・マスクやゲート酸
化膜のスパッタ除去を抑制することができ、これらに対
する選択性が向上し、ダメージが低減される。第二に、
高異方性、高選択性を達成するために必要な炭素系ポリ
マーの堆積量を低減できるので、従来技術に比べてパー
ティクル汚染を減少させることができる。また、炭素系
ポリマーを構成するＣ原子によるＳｉＯ₂からのＯ原子
引き抜きも抑制されるので、ゲート電極加工に際しては
ゲート酸化膜に対する選択性も向上する。

【００２２】第三に、側壁保護効果の向上によりＳｉと
の反応性の高いＦ系化学種やＣｌ系化学種をエッチング
に利用できるようになるので、高異方性、高選択性の達
成をＢｒ系化学種のみに依存していた場合に比べてエッ
チング速度が格段に上昇する。

【００２３】本発明では、かかる炭素系ポリマーの強化
を可能とするエッチング・ガスの構成成分として、分子
中にチオニル基（＞Ｓ＝Ｏ）もしくはスルフリル基（＞
ＳＯ ₂）の少なくとも一方の官能基とハロゲン原子とを
有するハロゲン化合物を使用する。上記ハロゲン化合物
中のハロゲン原子は、言うまでもなくシリコン系材料層
の主エッチング種として寄与する。

【００２４】一方、チオニル基およびスルフリル基は、
Ｓ原子が正電荷、Ｏ原子が負電荷を帯びるごとく分極し
た構造をとることができ、高い重合促進活性を有する。
したがって、これらの官能基、もしくはこれらに由来す
る原子団がプラズマ中に存在することにより、炭素系ポ
リマーの重合度が上昇し、イオン入射やラジカルの攻撃
に対する耐性を高めることができる。また、炭素系ポリ
マーに上述の官能基もしくはこれに由来するフラグメン
トが導入されると、単に−ＣＸ₂−（Ｘはハロゲン原子
を表す。）の繰り返し構造からなる従来の炭素系ポリマ
ーよりも化学的，物理的安定性が増すことも、近年の研
究により明らかとなっている。これは、２原子間の結合
エネルギーを比較すると、Ｃ−Ｓ結合（７１３．４ｋＪ
／ｍｏｌ）がＣ−Ｃ結合（６０７ｋＪ／ｍｏｌ）より大
きいことからも直観的に理解される。さらに、上述のよ
うな官能基の導入により炭素系ポリマーの極性が増大
し、エッチング中は負に帯電しているウェハに対してそ
の静電吸着力が高まることによっても、炭素系ポリマー
のエッチング耐性は向上する。

【００２５】本発明は、以上のような考え方を基本とし
ているが、さらに一層の低汚染化と低ダメージ化を目指
す方法も提案する。その方法とは、上記のエッチング・
ガスに、さらに放電解離条件下でプラズマ中にイオウ
（Ｓ）を放出できるイオウ系化合物を添加することであ
る。この場合、エッチング反応生成物である炭素系ポリ
マーに加え、Ｓも側壁保護に利用できるようになる。Ｓ
は、条件にもよるが、ウェハがおおよそ室温以下に温度
制御されていればその表面に堆積する。したがって、入
射イオン・エネルギーを一層低減でき、低ダメージ化を
徹底することができる。また、炭素系ポリマーの堆積量
を相対的に減少させることができ、パーティクル汚染を
より効果的に低減することができる。しかも、Ｓはウェ
ハがおおよそ９０℃以上に加熱されれば容易に昇華する
ので、自身がパーティクル汚染源となる虞れがない。

【００２６】以上のハロゲン化合物、もしくはこれにイ
オウ系化合物を添加したエッチング・ガスを用いれば、
基本的にはシリコン系材料層の１段階エッチングが可能
となり、下地選択性を考慮する必要のないトレンチ加工
に関しては、これで十分な効果を得ることができる。本
発明ではさらに、下地選択性を考慮する必要があるゲー
ト電極加工において高速性、低汚染性、下地選択性を向
上させるための方法も提案する。それは、ジャストエッ
チング時とオーバーエッチング時とでガス組成を切り替
える２段階エッチングである。

【００２７】まず、シリコン系材料層を実質的にその層
厚分だけエッチングするジャストエッチング工程では、
上記ハロゲン化合物を含むエッチング・ガスを用いる。
この段階では、強化された炭素系ポリマーが堆積する。
次に、シリコン系材料層の残余部をエッチングするオー
バーエッチング工程では、上記ハロゲン化合物を含むエ
ッチング・ガスにプラズマ中にＳを放出し得るイオウ系
化合物を添加し、炭素系ポリマーとＳの両方を堆積させ
る。これにより、オーバーエッチング時に低ダメージ化
を意図して入射イオン・エネルギーを低減させたとして
も、側壁保護効果の強化により、シリコン系材料層のエ
ッチング・パターンの良好な異方性形状が維持される。

【００２８】上述の各エッチングにおいてエッチング・
パターンの側壁面上に堆積した炭素系ポリマーおよび／
またはＳは、アッシングにより除去することができる。
このアッシングは、レジスト・マスクを用いるプロセス
であれば、このレジスト・マスクの除去を兼ねて行うこ
とができる。ディープ・トレンチ加工のように無機系の
エッチング・マスクを用いるプロセスであれば、別工程
にて行う。いずれにしても、炭素系ポリマーの堆積量は
従来プロセスに比べて遙かに少ないため、除去は容易で
ある。一方のイオウは、プラズマ輻射熱やアッシング時
の反応熱により容易に昇華する他、Ｏ₂によっても燃焼
されるので、パーティクル汚染を惹起させる懸念は一切
ない。

【００２９】

【実施例】以下、本発明の具体的な実施例について説明
する。

【００３０】実施例１本実施例は、本発明をシャロー・トレンチ加工に適用
し、ＳＯＢｒ₂（臭化チオニル）／ＳＦ₆混合ガスを用
いて単結晶シリコン基板をエッチングした例である。こ
のプロセスを、図１を参照しながら説明する。まず、図
１（ａ）に示されるように、単結晶シリコン基板１上に
パッド酸化膜２および多結晶シリコン層３が順次積層さ
れ、所定の形状にパターニングされたレジスト・マスク
４が形成されたサンプル・ウェハを用意した。ここで上
記多結晶シリコン層３は、たとえばＣＶＤにより層厚
０．１５μｍに形成されており、エッチング中のレジス
ト・マスク４のエッジの後退をトレンチ形状の劣化に反
映させないためのバッファ層として設けられるものであ
る。また、上記パッド酸化膜２は、たとえば上記単結晶
シリコン基板１の熱酸化により層厚０．０１μｍに形成
されており、トレンチ加工の終了後に上記多結晶シリコ
ン層３をエッチバックする際のストッパ層として設けら
れるものである。さらに、上記レジスト・マスク４は、
ネガ型３成分型の化学増幅系ネガ型フォトレジスト材料
（シプレー社製；商品名ＳＡＬ−６０１）を用いて形成
されており、ＫｒＦエキシマ・レーザ・リソグラフィお
よびアルカリ現像により、開口径０．３５μｍの第１の
開口部５と、開口径１μｍの第２の開口部６とが形成さ
れてなるものである。

【００３１】次に、上記ウェハをＲＦバイアス印加型有
磁場マイクロ波プラズマ・エッチング装置のウェハ載置
電極上にセットした。このウェハ載置電極は冷却配管を
内蔵しており、装置外部に設置されるチラー等の冷却設
備から適当な冷媒の供給を受けることにより、ウェハを
所望の温度に冷却できるようになされている。ここで
は、冷媒としてエタノールを使用し、一例として下記の
条件でエッチングを行った。

【００３２】ＳＯＢｒ₂流量１０ＳＣＣＭＳＦ₆流量１０ＳＣＣＭガス圧０．６７Ｐａ（＝５ｍＴｏｒｒ）マイクロ波パワー８５０Ｗ（２．４５ＧＨｚ）ＲＦバイアス・パワー５０Ｗ（２ＭＨｚ）ウェハ温度０℃ ここで、ＳＯＢｒ₂は常温で液体物質であるため、Ｈｅ
ガス・バブリングにより気化させた後、エッチング・チ
ャンバへ導入した。

【００３３】この過程では、ＳＯＢｒ₂から解離生成し
たＢｒ^*およびＳＦ₆から解離生成したＦ^*等によるラ
ジカル反応が、Ｓ⁺，ＳＯ⁺，ＳＯＢｒ_x ⁺，ＳＦ_x ⁺
等のイオンの入射エネルギーにアシストされる機構でエ
ッチングが進行した。またこれと同時に、レジスト・マ
スク６の分解生成物に由来してＣＢｒ_xが生成し、さら
にチオニル基やＣ−Ｓ結合等がその構造中に取り込まれ
て強固な炭素系ポリマーが生成した。ただし、レジスト
・マスク６の表面もＣＢｒ_xで被覆されるため、炭素系
ポリマーの供給量はそれ程多くない。この炭素系ポリマ
ーは、パターン側壁部に堆積して図１（ｂ）に示される
ような側壁保護膜７を形成し、堆積量こそ少ないものの
高いエッチング耐性を発揮し、異方性加工に寄与した。
この結果、従来のＣＦＣガスを用いるプロセスに比べて
ＲＦバイアス・パワーを半減させているにもかかわら
ず、良好な異方性形状を有するシャロー・トレンチ１
ａ，１ｂが形成され、レジスト選択性も従来の約１．５
倍に向上した。

【００３４】なお、単結晶シリコン基板１の異方性エッ
チングのみを目的とするならば、本実施例のエッチング
・ガスはＳＯＢｒ₂の単独組成でも良いはずである。し
かし、シャロー・トレンチ加工では多結晶シリコン層３
やパッド酸化膜２も共通の組成のガス系によりエッチン
グするのが通例なので、特にパッド酸化膜２を残渣を発
生させることなく除去するためにＳＦ₆を添加して、Ｓ
ｉＯ₂系材料をエッチング可能なＦ^*を発生させている
のである。このＦ^*は、当然のことながらシャロー・ト
レンチ加工の高速化に寄与している。これは、ローディ
ング効果を防止する上でも極めて有効である。

【００３５】一般にシャロー・トレンチ加工では、被エ
ッチング面積がウェハ面積の５０％以上にも及び、ディ
ープ・トレンチ加工のそれが５％以下であるのと比べて
１桁も大きい面積をエッチングしなければならない。こ
のように被エッチング面積が増大すると、ローディング
効果によりエッチング速度は必然的に低下し、場合によ
ってはその低下率が５０％近くにも及んでしまう。そこ
で、実用的なプロセスを実現するためには、エッチング
速度を向上させることが不可欠となる。したがって、本
実施例のようにＦ^*が併用でき、かつ異方性やレジスト
選択性が低下しないプロセスは極めて実用性が高い。

【００３６】最後に、上記ウェハをプラズマ・アッシン
グ装置に移設し、通常のＯ₂プラズマ・アッシングの条
件で上記レジスト・マスク４を燃焼除去した。このと
き、図１（ｃ）に示されるように、側壁保護膜７も速や
かに除去された。この側壁保護膜７は前述のように強化
された炭素系ポリマーから構成されるが、その堆積量は
従来プロセスに比べて遙かに少ないため、何らパーティ
クル・レベルが悪化することはなかった。

【００３７】実施例２本実施例は、同じくシャロー・トレンチ加工の例である
が、エッチング・ガスとしてＳＯＦ₂（フッ化チオニ
ル）／Ｓ₂Ｃｌ₂混合ガスを使用し、Ｓ（イオウ）の堆
積を併用してレジスト選択性のより一層の向上と低汚染
化を図ったものである。

【００３８】本実施例でエッチング・サンプルとして使
用したウェハは、図１（ａ）に示したものと同じであ
る。このウェハについて、一例として下記の条件でエッ
チングを行った。ＳＯＦ₂流量１０ＳＣＣＭＳ₂Ｃｌ₂流量１０ＳＣＣＭガス圧０．６７Ｐａ（＝５ｍＴｏ
ｒｒ）マイクロ波パワー８５０Ｗ（２．４５ＧＨ
ｚ）ＲＦバイアス・パワー３０Ｗ（２ＭＨｚ）ウェハ温度 −３０℃

【００３９】上記Ｓ₂Ｃｌ₂は、Ｃｌ^*の供給源である
ことはもちろんであるが、放電解離条件下でＳを放出す
るという重要な役目を担っている。すなわち、本実施例
ではチオニル基やＣ−Ｓ結合等で強化されたＣＣｌ_xに
加えて、このＳも側壁保護膜７の形成に関与できるよう
になる。しかも、本実施例ではパターン側壁面における
ラジカル反応がウェハ冷却の効果により抑制されてい
る。これらの効果により、実施例１よりも入射イオン・
エネルギーを下げた条件であるにもかかわらず、良好な
異方性加工を行うことができた。また、Ｓの堆積が期待
できる分だけ炭素系ポリマーの堆積量を低減できたの
で、パーティクル汚染が減少した。

【００４０】エッチング終了後にＯ₂プラズマ・アッシ
ングを行ったところ、図１（ｃ）に示されるように、レ
ジスト・マスク４と側壁保護膜７は速やかに除去され
た。ここで、側壁保護膜７には炭素系ポリマーとＳとが
含まれているが、Ｓはプラズマ輻射熱や反応熱により昇
華除去される他、Ｏ^*による燃焼反応によっても除去さ
れ、何らウェハ上にパーティクル汚染を残すことはなか
った。

【００４１】実施例３本実施例は、本発明をディープ・トレンチ加工に適用
し、ＳＯ₂Ｃｌ₂（塩化スルフリル）／ＣＦ₄混合ガス
を用いて単結晶シリコン基板をエッチングした例であ
る。このプロセスを、図２を参照しながら説明する。ま
ず、一例として図２（ａ）に示されるように、単結晶シ
リコン基板１１上にＳｉＯ₂パターン１２とサイドウォ
ール１３からなるエッチング・マスクが形成されたサン
プル・ウェハを用意した。ここで上記ＳｉＯ₂パターン
１２は、ＣＶＤ等により形成された層厚０．２μｍのＳ
ｉＯ₂堆積膜上を、ｇ線露光およびアルカリ現像により
パターニングされたノボラック系ポジ型フォトレジスト
材料（東京応化工業社製；商品名ＴＳＭＲ−Ｖ３）から
なるマスクを介してエッチングすることにより、０．５
μｍ径の開口部が形成されてなるものである。また上記
サイドウォール１３は、レジスト・マスクを除去した
後、ウェハの全面に一例としてＴＥＯＳ（テトラエトキ
シシラン）を原料ガスとするＣＶＤによりＳｉＯ₂堆積
膜を形成し、該ＳｉＯ₂堆積膜をＲＩＥによりエッチバ
ックして形成されたものである。このようにして、上記
エッチング・マスクに形成される開口部１４の開口径
は、フォトリソグラフィの解像限界を越えて０．２μｍ
に縮小されている。

【００４２】このウェハをＲＦバイアス印加型有磁場マ
イクロ波プラズマ・エッチング装置にセットし、一例と
して下記の条件で単結晶シリコン基板１１をエッチング
した。ＳＯ₂Ｃｌ₂流量２０ＳＣＣＭＣＦ₄流量２ＳＣＣＭガス圧０．２７Ｐａ（＝２ｍＴｏｒ
ｒ）マイクロ波パワー８５０Ｗ（２．４５ＧＨｚ）ＲＦバイアス・パワー５０Ｗ（２ＭＨｚ）ウェハ温度０℃ ここで、上記ＳＯ₂Ｃｌ₂は常温で液体物質であるた
め、Ｈｅガス・バブリングにより気化させた後、エッチ
ング・チャンバ内へ導入した。

【００４３】このエッチング過程では、ＳＯ₂Ｃｌ₂か
ら生成するＣｌ^*によるラジカル反応が、Ｓ⁺，ＳＯ_x
⁺，ＳＯＣｌ_x ⁺，ＣＦ_x ⁺等のイオンの入射エネルギ
ーにアシストされる機構で単結晶シリコン基板１１がエ
ッチングされた。このとき、ＣＦ₄の放電解離生成物に
スルフリル基、そのフラグメントであるチオニル基、Ｃ
−Ｓ結合等が取り込まれて強固な炭素系ポリマーが形成
され、これがパターン側壁面上に堆積して、図２（ｂ）
に示されるような側壁保護膜１５が形成された。つまり
ＣＦ₄は、本実施例のごとくエッチング・マスクから炭
素系ポリマーが供給されない系において、炭素系ポリマ
ーの原料となるフラグメントを気相中に供給する役目を
果たしているのである。ＲＦバイアス・パワーは、従来
のたとえばＣｌ₂／Ｎ₂混合ガス系によるエッチングに
比べてほぼ半減されている。さらに、ガス圧を大きく低
下させることによってイオンの平均自由行程を延長し、
ウェハ面への垂直入射成分を増大させる工夫も行われて
いる。これらの効果により、異方性形状を有するディー
プ・トレンチ１１ａが形成された。

【００４４】なお、ＣＦ₄からはＦ^*が生成するが、Ｃ
Ｆ₄の添加量がもともと少ないのでＳｉＯ₂パターン１
２やサイドウォール１３に対する選択性を何ら低下させ
るには至らず、むしろ上述の低バイアス化の効果により
対ＳｉＯ₂選択比を従来法の２倍に向上させることがで
きた。

【００４５】エッチング終了後、上記のウェハに対して
Ｏ₂プラズマ・アッシングを行ったところ、上記側壁保
護膜１５は図２（ｃ）に示されるように速やかに除去さ
れ、何らパーティクル汚染を発生させることはなかっ
た。

【００４６】実施例４本実施例は、本発明をゲート電極加工に適用し、ＳＯＣ
ｌ₂を用いて多結晶シリコン層をジャストエッチングし
た後、ＳＯＣｌ₂／Ｓ₂Ｂｒ₂混合ガスを用いてオーバ
ーエッチングを行った例である。このプロセスを、図３
を参照しながら説明する。

【００４７】本実施例においてエッチング・サンプルと
して使用したウェハは、図３（ａ）に示されるように、
単結晶シリコン基板２１上にＳｉＯ₂からなる厚さ約
０．０１μｍのゲート酸化膜２２を介してｎ型不純物を
ドープした厚さ約０．３μｍのｎ型多結晶シリコン層２
３が形成され、この上にさらに厚さ約１μｍのレジスト
・マスク２４が所定のパターンに形成されてなるもので
ある。

【００４８】このウェハを有磁場マイクロ波プラズマ・
エッチング装置にセットし、一例として下記の条件で上
記ｎ型多結晶シリコン層２３をエッチングした。ＳＯＣｌ₂流量１０ＳＣＣＭガス圧０．６７Ｐａ（＝５ｍＴｏ
ｒｒ）マイクロ波パワー８５０Ｗ（２．４５ＧＨ
ｚ）ＲＦバイアス・パワー５０Ｗ（２ＭＨｚ）ウェハ温度 −３０℃ このエッチング過程では、Ｃｌ^*を主エッチング種とす
るエッチングが進行する。このとき、チオニル基、Ｃ−
Ｓ結合等で強化されたＣＣｌ_xポリマーが堆積して側壁
保護膜２５が形成されるので、異方性形状に優れるゲー
ト電極２３ａが形成された。このエッチングは、ゲート
酸化膜２２の表面が露出した時点で終了したが、被エッ
チング領域には部分的にｎ型多結晶シリコン層２３の残
余部２３ｂが残っていた。

【００４９】そこで、エッチング条件を一例として下記
のように切り替え、上記残余部２３ｂを除去するための
オーバーエッチングを行った。ＳＯＣｌ₂流量５ＳＣＣＭＳ₂Ｂｒ₂流量１０ＳＣＣＭガス圧０．６７Ｐａ（＝５ｍＴｏ
ｒｒ）マイクロ波パワー８５０Ｗ（２．４５ＧＨ
ｚ）ＲＦバイアス・パワー３０Ｗ（２ＭＨｚ）ウェハ温度 −３０℃ この段階では、強化されたＣＣｌ_x，ＣＢｒ_x等の炭素
系ポリマーに加えてＳが側壁保護に寄与するため、ジャ
ストエッチング工程に比べて一層の低バイアス化が可能
となった。またウェハ温度が低下してパターン側壁面上
におけるラジカル反応が抑制されていること、Ｓｉに対
する反応性の低いＢｒ系化学種が用いられていること等
の理由により、ゲート酸化膜２２に対して極めて高い選
択性が達成された。しかも、レジスト・マスク２４の表
面にはＣＣｌ_xポリマーよりもさらに蒸気圧の低いＣＢ
ｒ_xポリマーが堆積するので、該レジスト・マスク２４
に対する選択性も向上した。かかる高選択、低ダメージ
条件下で、図３（ｃ）に示されるように残余部２３ｂを
完全に除去することができた。

【００５０】最後に、エッチング終了後のウェハをアッ
シング装置に移設してＯ₂プラズマ・アッシングを行っ
たところ、図３（ｄ）に示されるようにレジスト・マス
ク２４と側壁保護膜２５とがきれいに除去された。

【００５１】以上、本発明を４例の実施例にもとづいて
説明したが、本発明はこれらの各実施例に何ら限定され
るものではない。たとえば、分子内にチオニル基とハロ
ゲン原子とを有するハロゲン化合物としては、上述のＳ
ＯＦ₂，ＳＯＣｌ₂の他、ＳＯＦ₄（四フッ化チオニ
ル），ＳＯＢｒ₂（臭化チオニル；液体），ＳＯＣｌＢ
ｒ（塩化臭化チオニル；液体）等を使用することができ
る。

【００５２】同様に、分子内にスルフリル基とハロゲン
原子とを有するハロゲン化合物としては、上述のＳＯ₂
Ｃｌ₂の他、ＳＯ₂Ｆ₂（フッ化スルフリル），ＳＯ₂
ＣｌＦ（塩化フッ化スルフリル），ＳＯ₂ＢｒＦ（臭化
フッ化スルフリル；液体）等を使用することができる。
なお、上記日本語名の後に「液体」と記載した化合物は
常温で液体であることを示し、記載のないものは気体で
ある。

【００５３】また、イオウ系化合物としては、上述のＳ
₂Ｃｌ₂，Ｓ₂Ｂｒ₂の他、Ｓ₂Ｆ ₂，ＳＦ₂，Ｓ
Ｆ₄，Ｓ₂Ｆ₁₀等のフッ化イオウ、Ｓ₃Ｃｌ₂，ＳＣｌ
₂等の他の塩化イオウ、Ｓ₃Ｂｒ₂，ＳＢｒ₂等の他の
臭化イオウ、Ｈ₂Ｓ等を使用することができる。以上の
化合物の組み合わせは任意であるが、特にシャロー・ト
レンチ加工を行う場合には、パッド酸化膜の速やかな除
去を可能とするために、放電解離条件下でＦ^*を供給し
得るガス系を用いることが望ましい。

【００５４】エッチング・ガスには、スパッタリング効
果，冷却効果，希釈効果を得る目的でＨｅ，Ａｒ等の希
ガスが添加されていても良い。エッチングの対象となる
シリコン系材料層は、上述のような単結晶シリコン、多
結晶シリコンの他、アモルファス・シリコンからなるも
のであっても良い。さらに、使用するエッチング装置、
エッチング条件、ウェハの構成等は適宜変更可能である
ことは言うまでもない。

【００５５】

【発明の効果】以上の説明からも明らかなように、本発
明ではシリコン系材料層のエッチングにおいてチオニル
基もしくはスルフリル基を含むハロゲン化合物を添加し
たエッチング・ガスを使用することにより、炭素系ポリ
マーの膜質を強化し、その堆積量を減少させても高異方
性、高選択性を達成することが可能となる。しかも、こ
れらは実用的なウェハ温度域で達成できる。また、上記
ハロゲン化合物を放電解離条件下でＳを放出し得るイオ
ウ系化合物と併用すれば、更なる高選択化、低汚染化、
低ダメージ化を図ることができる。

【００５６】本発明は微細なデザイン・ルールにもとづ
いて設計され、高集積度，高性能，高信頼性を要求され
る半導体装置の製造に極めて好適である。特にゲート電
極加工においては、有望な脱ＣＦＣ対策を提供し得る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明をシャロー・トレンチ加工に適用したプ
ロセス例をその工程順にしたがって示す概略断面図であ
り、（ａ）は単結晶シリコン基板上にパッド酸化膜と多
結晶シリコン層とを介してレジスト・マスクが形成され
た状態、（ｂ）は側壁保護膜が形成されながらシャロー
・トレンチが形成された状態、（ｃ）はアッシングによ
りレジスト・マスクと側壁保護膜が除去された状態をそ
れぞれ表す。

【図２】本発明をディープ・トレンチ加工に適用したプ
ロセス例をその工程順にしたがって示す概略断面図であ
り、（ａ）は単結晶シリコン基板上にＳｉＯ₂からなる
エッチング・マスクが形成された状態、（ｂ）は側壁保
護膜が形成されながらディープ・トレンチが形成された
状態、（ｃ）はアッシングにより側壁保護膜が除去され
た状態をそれぞれ表す。

【図３】本発明をゲート電極加工に適用したプロセス例
をその工程順にしたがって示す概略断面図であり、
（ａ）はｎ型多結晶シリコン層上にレジスト・マスクが
形成された状態、（ｂ）はｎ型多結晶シリコン層がジャ
ストエッチングされた状態、（ｃ）はｎ型多結晶シリコ
ン層がオーバーエッチングされた状態、（ｄ）はアッシ
ングによりレジスト・マスクと側壁保護膜が除去された
状態をそれぞれ表す。

【符号の説明】

１，１１，２１・・・単結晶シリコン基板１ａ，１ｂ・・・シャロー・トレンチ２・・・パッド酸化膜３・・・多結晶シリコン層４，２４・・・レジスト・マスク７，１５，２５・・・側壁保護膜１１ａ・・・ディープ・トレンチ１２・・・ＳｉＯ₂パターン１３・・・サイドウォール２２・・・ゲート酸化膜２３・・・ｎ型多結晶シリコン層２３ａ・・・ゲート電極

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献特開平２−39428（ＪＰ，Ａ) 特開平２−69935（ＪＰ，Ａ) 特開平２−90521（ＪＰ，Ａ) 米国特許4615764（ＵＳ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01L 21/3065

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】チオニル基もしくはスルフリル基の少な
くとも一方の官能基とハロゲン原子とを同一分子内に有
するハロゲン化合物を含むエッチングガスを用い、少な
くともエッチング・パターンの側壁面上に炭素系ポリマ
ーを堆積させながらシリコン層をエッチングすることを
特徴とするドライエッチング方法。
【請求項２】チオニル基もしくはスルフリル基の少な
くとも一方の官能基とハロゲン原子とを同一分子内に有
するハロゲン化合物と、放電解離条件下でプラズマ中に
イオウを放出し得るイオウ系化合物とを含むエッチング
ガスを用い、少なくともエッチング・パターンの側壁面
上に炭素系ポリマーとイオウとを堆積させながらシリコ
ン層をエッチングすることを特徴とするドライエッチン
グ方法。
【請求項３】チオニル基もしくはスルフリル基の少な
くとも一方の官能基とハロゲン原子とを同一分子内に有
するハロゲン化合物を含むエッチングガスを用い、少な
くともエッチング・パターンの側壁面上に炭素系ポリマ
ーを堆積させながらシリコン層を実質的にその層厚分だ
けエッチングするジャストエッチング工程と、前記エッチング・ガスに放電解離条件下でプラズマ中に
イオウを放出し得るイオウ系化合物を添加し、少なくと
もエッチング・パターンの側壁面上に炭素系ポリマーと
イオウとを堆積させながらシリコン層の残余分をエッチ
ングするオーバーエッチング工程とを有することを特徴
とするドライエッチング方法。
【請求項４】エッチング終了後に、少なくとも前記シ
リコン層のエッチング・パターンの側壁面上に堆積した
前記炭素系ポリマーおよび／または前記イオウを、アッ
シングにより除去することを特徴とする請求項１ないし
請求項３のいずれか１項に記載のドライエッチング方
法。