JPH0432228A

JPH0432228A - ドライエッチング方法およびこれを用いた半導体装置の製造方法

Info

Publication number: JPH0432228A
Application number: JP13699290A
Authority: JP
Inventors: Tsunetoshi Arikado; 経敏有門; Haruo Okano; 晴雄岡野
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1990-05-29
Filing date: 1990-05-29
Publication date: 1992-02-04

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】［発明の目的コ（産業上の利用分野）本発明は、集積回路を製造するために用いるドライエツ
チング方法およびこれを用いた半導体装置の製造方法に
係わる。

（従来の技術）半導体集積回路製造では、各種薄膜のエツチング工程が
あるが、その中の一つに酸化シリコン膜のエツチング工
程がある。代表的には、コンタクトホールのエツチング
であり、例えば、ＣＶＤ法等で堆積された酸化シリコン
膜上にレジストパターンを形成し、このパターンをマス
クとして酸化シリコン膜のエツチングを行う。その際、
酸化膜の下地材料は、ソース、ドレーン等の拡散層が形
成されたシリコン基板や多結晶Ｓｉ膜等であり、これら
の材料に対して高い選択比（エツチング速度比）を取る
ことが必要である。

酸化シリコン膜のエツチングには、ＣＦ４／Ｈ、ＣＨＦ
　　、ＣＨＦ　　１０　　、ＣＨＦ３／ＳＦ６等の種々
のガスの組み合せが使用されるが、前記Ｓｔに対して高
い選択比を得る機構は、はぼ同様であり、以下にＣＦ４
／Ｈ２の混合ガスを例にあげて説明する。

ＣＦ４は、プラズマ中で解離してＣＦｘイオン、ＣＦ　
　ラジカル、Ｆラジカルを生じる。このうち、Ｆラジカ
ルのように電気的に中性の活性種は、Ｓ　Ｉ　Ｏ２のよ
うに化学結合中に電子の偏りがあり、Ｓｌがプラス、Ｏ
がマイナスに帯電したようなＳ　ｉＯ２の如き化合物よ
りも、Ｓｉのように完全な共有結合であり、電子に偏り
の無い物質に対する反応性が高い。そのため、Ｆラジカ
ルによるＳｉのエツチング速度は、Ｓ　ｌ　０２のそれ
よりも速い。従って、ＳｔよりもＳ　ｌ　０２を速くエ
ツチングするためには、プラズマ中のＦラジカルをなく
す必要がある。そのために、水素を添加することが行わ
れる。添加された水素は、プラズマ中で解離し、Ｈラジ
カルを発生する。Ｈラジカルは、プラズマ中で、Ｆと反
応してプラズマ中のＦを減少させるとともに、ＣＦ　　
ラジカルと反応して、重合し易い性質を有する不飽和度
の高いフロロカーボンＣＦ　　　を生成する。すなわち
、以下のような反応系となる。

Ｆ＋Ｈ−ＨＦＣＦ＋Ｈ−ＣＦ　　　　＋ＨＦＸ　　　　　　　　　　　　　　　　　ｘ−１系内にＦ
ラジカルが無くなると、残るエツチング種は、ＣＦｘイ
オンとＣＦｙラジカルである。このようなフロロカーボ
ンは、Ｓ　ｌ　０２上では、Ｓ　ｔ　Ｆ　４ｃ！：　Ｃ
Ｏ＊たはｃｏ２を形成し、ガス化するが、Ｓｉ上では、
酸素が無いためにフロロカーボン中の炭素が酸化されず
に残留する。そのため、Ｓｉ表面は常に炭素系膜で覆わ
れ、エツチングが抑制される。これが、選択比が得られ
る機構である。

又・ＣＨＦ３ガスの場合、分子中に既に水素を含有して
いるために、ＣＦ４とＨ２混合ガスと同様の機構でエツ
チングが起こる。ただし、ＣＦ４とＨ２混合ガスの場合
、Ｈ２添加量によって系内のＦラジカルの量を制御でき
るのに対し、ＣＨＦ３では、制御することができず、そ
れ単独では、ややフロロカーボンの堆積が多すぎる。そ
のため、酸素を添加してＨをトラップし、Ｆラジカルを
獲得するために作用するＨラジカルの量を減少させる、
あるいはＳＦ６を添加してＦラジカルを生成させるなど
の方法が取られる。

さて、このようなＳｉに対するＳ　ｉｏ　２　ノーｒ−
ッチングにおいては、前述１７たように、エツチングの
終了したＳｉ基板等の表面には、フロロカーボンが存在
すると共に、その下には、炭素が打ち込まれた損傷層が
存在する（例えば、Ｇ、Ｓ、０ｅｈｒｌｅｉｎｅｔ　ａ
ｌ、Ｊ、Ｅｌｅｃｔｒｏｅｈｅｍ、Ｓｏｅ、１３２，１
４４１（１９８８））　ｏこの層は、そのまま残してお
くと、コンタクト不良やリーク等を起こすために、現在
は、除去されている。しか（７、素子の微細化と共に、
拡散層が薄くなるために、損傷層の除去も次第に出来な
くなっており、基板に炭素などが打ち込まれないＳｉに
対するＳ　１０２の選択的エツチングが求められている
。

（発明が解決しようとする課題）本発明は、上記問題点を解決するためになされたもので
あり、その目的は損傷層に打ち込まれる不純物と１２で
問題となる炭素等の物質を含まないガスを用いたＳｔに
対するＳ　１０２の選択的エツチング方法と、これを用
いた半導体装置の製造方法を提供するものである。

［発明の構成］（課題を解決するための手段）本発明は前記目的を達成するために第１の部材に対して
第２の部材を選択的にエツチングする方法であって、主
エツチングガスとして金属のハロゲン化合物ガスまたは
金属のオキシハロゲン化合物ガスを用いることを特徴と
するドライエツチング方法（第１の発明）および基材上
に酸化膜を形成する工程と、主エツチングガスとして金
属のハロゲン化合物ガスまたはオキシハロゲン化合物ガ
スを用いて前記酸化膜を基板に対して選択的にエツチン
グし、前記基板表面を露出する工程と、前記露出した基
板上に金属膜を形成する工程とを含む半導体装置の製造
方法（第２の発明）を提供する。

（作　　用）選択エツチングとして、例えばＳｉに対するＳ　１０２
の選択エツチング等では基本的には、Ｓｉ上には堆積す
るが、Ｓ　１０２上には堆積しない、即ちＳ　ｌ　０２
中の酸素によってガス化されるようなものであればよい
。この考え方に基づいて発明者が鋭意検討した結果、タ
ングステンやモリブデンなどの金属のオキシハロゲン化
物は、高い蒸気圧を有しており、条件をうまく設定する
と、Ｓ１上では、タングステンやモリブデンが堆積する
が、Ｓ　Ｉ　Ｏ２上では、堆積が起こらずエツチングが
進むことを見いだした。即ち、本発明は、タングステン
やモリブデン等の金属の弗化物または塩化物等のハロゲ
ン化合物やオキシハロゲン化合物ガスを用いて酸化膜等
の選択的なエツチングを行うことを特徴とする。

さらに、前述（７たようにタングステンやモリブデンの
弗化物、塩化物単独の場合でもエツチングすることが出
来るが、エツチングできる条件が狭く、条件によっては
堆積も起こってしまう。そのため、ＳＦ　　やＮＦ３等
解離してＦ原子を発生するガス、あるいは０１２等のハ
ロゲンガスを添加することにより、エツチングできる条
件範囲を広げ、プロセスマージンを広くすることも可能
である。

（実施例）本願節１の発明の一実施例について第１図。

第２図を用いて詳細に説明する。

まず、第１図は本発明の実施例に用いられる平行平板型
ドライエツチング装置の概略図である。

反応容器１内には、高周波電力が印加され、試料２が載
置される陰極３と、この陰極と対向して設けられた陽極
４が備えられている。また、前記反応容器１内には前記
試料をエツチングするためのガスを供給するためのガス
導入口５と前記ガスを排気する排気口６が設げられてい
る。

このようなドライエツチング装置を用いて選択エツチン
グを行う本発明の詳細な説明する。ここでは、試料とし
てシリコン（Ｓｉ）基板上にＳ　Ｉ　Ｏ２膜が形成され
たものを用い、エツチングガスとしてＷＦ　　ガスを１
０−２Ｔｏｒｒの圧力下で３０　ｓｃｅｍｏ流量で流し
、陰極にはＩＷ／（至）２の高周波電力を印加した。そ
の結果、前記Ｓ　１０２膜はＳｉ基板に対して選択的に
エツチングされた。

しかも、この条件とは、Ｓｉ基板は上にはタングステン
膜が堆積し、はとんどエツチングされず、Ｓ　ｌ　０２
膜は約１１ＯＡ／ｓｉｎのエツチング速度で極めて高選
択比のエツチングが達成された。

次に、Ｓｉｘ饗とＳ　ｉｏ　２膜のエツチング速度の圧
力依存性を調べたところ第２図に示すような特性図が得
られた。圧力以外の条件は前記実施例と同様とした。

この図からもわかるように、ｓｉ基板上には全圧力範囲
にわたり、タングステン膜が堆積しているためエツチン
グ速度はほぼ０であり、一方、ＳｉＯ２膜は、５　Ｘ　
１０−２Ｔｏｒｒ以下の低圧力で高エツチング速度が得
られ、それ以上ではエツチングが起りにくかった。特に
１０　”−’Ｔｏｒｒ以上ではほとんどエツチングがで
きながった。

この現象をさらに詳細に調べるため、このエツチングで
生成されたエツチング生成物を質量分析により調べると
ＷＦ６の他にＷ　ｏ　Ｆ　４が生成していることが確認
された。

従って、選択エツチングの機構は、ＷＦ６の分解により
Ｗが生じるが、５ｉｏ２上では、ＳｉＯ２の分解から生
じた酸素によってこれが酸化され、ＷＯＦ４が生成し、
気相へ脱離し、一方、Ｓｉ上では酸化が生じないためＷ
が間積するためと考えられる。

圧力が低い場合にエツチングが起こるのは、般に平行平
板型エツチング装置の場合、圧力が低いほど陰極降下電
圧が大きく、ウェハーを衝撃するイオンエネルギーが高
いため、Ｓ　ｉ　Ｏ２の結合の分解が有効に進むため考
えられる。

この際、０．０５Ｔｏｒｒ以下という圧力範囲は、絶対
的なものではなく、印加する高周波電力、チャンバーの
構成、ガスの流量などによって異なる。

次に、前記実施例の変形例について、説明する。

すなわち、この変形例は、前記実施例において、ガスと
してＮ　Ｆ　ｓの如く、フッ素を含むガスを添加するよ
うにしたものである。

第３図は（ａ）はＷＦ６をベースとしてこれにＮＦ３を
添加した場合の、ＳｉとＳ　ｉＯ２のエツチング速度の
ＮＦ３添加量依存性を示す。この際、ＷＦ６の流量は、
３０　ｓｅｃｍ圧力は０．１Ｔｏｒｒ　％高周波電力は
、ＩＷ／ｃＩｎ２とした。ＷＦ　　単独では、前述した
ように圧力によって’Ｓ　ｉＯ２上にもＷの堆積が起こ
るのに対し、ＮＦ３を添加すると、エツチングが起こる
ようになる。これは、ＮＦＳの分解から生じたＦラジカ
ルがＷをエツチングするためである。このようにＮＦ３
の添加により、高圧力でもＳｉＯ２のＳｉに対する選択
エツチングが可能である。

また表面では、Ｗの堆積とＦラジカルによるエツチング
とが競争して起こるが、Ｆラジカルの量が多い場合には
、エツチングが堆積に優る。その場合でも、ＳｉＯ２か
ら発生する酸素によるＷの酸化は有効であり、選択エツ
チングを行うことが出来る。微量であれば、酸素を添加
しても、Ｓ　ｉＯ２の選択エツチングを促進することが
出来る。これは、酸素がＳｉＯ２上に吸着し、ＷＯＦ４
の生成を促進するためと考えられる。

また、プラズマ等の条件によっては、ＷＦ６から発生す
るＦ原子が過剰であることも有り得、このような場合に
は、Ｓｉ上にもＷの堆積が起きず、ＳＬがエツチングさ
れる。従って、この場合には、Ｈ２を添加し、プラズマ
中で発生するＨラジカルによるＨＦラジカルのトラップ
効果を利用し、Ｓｉ上にＷの堆積を起こすようにしても
よい。

また、ＮＦ　　の他、Ｆ　　、　　Ｓ　Ｆ　　、Ｓ　ｔ
　Ｆ　４　。

ＢＦ　　、ＰＦ　　、ＰＦ５等の弗素系ガスやｃｐ　２
゜ＳｉＣ１）　　、ＢＣＮ　　、ＰＣｌ）　　、ＰＣΩ
５等の塩素系ガスを添加してもよい。

第３図（ｂ）は、ＷＦ６プラズマに晒されたＳｉ表面を
ＳＩＭＳで分析した結果である。

ＣＦ　　やＣＨＦ３等を炭素（ｅ）を含むガスを用いた
場合には、必ず炭素がＳｉ内部に打ち込まれ、ダメージ
となっていたのに対し、前記実施例の場合、表面にＷと
Ｆが検出される他には、不純物は、検出されなかった。

さらに、Ｈ２プラズマ処理を追加すると、Ｓｉ表面に付
着したＷからＦ原子が引き抜かれ、純粋なＷに近づくこ
とが明らかとなった。

次に本願の第２の発明の第１及び第２の実施例について
図面を用いて説明する。

これは、前記第１の発明を実際の半導体装置の製造方法
に適用したものである。

まず、本願の第２の発明の第１の実施例について第４図
の工程断面図を用いて説明する。試料として、第４図（
ａ）に示すように８１基板４０上にゲート絶縁膜４１及
びゲー　ト電極４２が形成され、このゲー＝−ト電極４
２に自己整合的に形成された拡散層４３．４４からなる
ＭＯ８型トランジスタが形成されたものを用意する。こ
こで、４５はフィルド絶縁膜であり、このフィールド絶
縁膜４５、前記ゲート電極４２、ゲート絶縁膜４１上に
は酸化シリコン膜からなるパッシベーションＪｌｉ４６
が形成され、さらにその十には前記拡散ｓ４３゜４４や
ゲート電極４２に接続するＩ−］ンタクトホールをパタ
ーニングするためのレジストマスクパターン４７が形成
されたものとなっている。

このような試料を第１図に示したような通常の平行平板
型ドライエツチング装置内に収納Ｉ７、前記実施例と同
様の条件（圧力は、］０゛〜２Ｔｏｒｒ）でパッシベー
ション膜４６のエツチングを行ったところ第４図（ｂ）
に示すように良好にコンタクトホール４８を形成するこ
とができた。その後、前記コンタクトホール４８内にＡ
１１合金をスパッタリング法で堆積した後、バターニン
グしてＡＪ配線パターン４９を形成した（第４図（Ｃ）
）。

このように１７で形成したＭＯ８型トランジスタのコン
タクトホールの抵抗を、ＷＦ８でなくＣＦ　　とＨ２の
混合ガスを用いてコンタクトホールを形成した場合と比
較ｊ〜たところ、前者は後者よりも１桁以上低いことが
わかった。これは、エツチングガス系の相違によりＲＩ
Ｅ時の基板への損傷や炭素による汚染が前者の方が低減
しているため及び、Ｓｉ基板４０表面が露出すると、そ
こにＷ膜が堆積することによると考えられる。

この実施例ではコンタクトポール４８形成後、配線とし
てＡ１合金を形成したが、これに代えてＷ等の高融点金
属を選択ＣＶＤ法により形成してもよい。こうすれば、
コンタクトホール形成時にＳｉ基板４０上にＷが堆積し
ているのでそのままＷの選択ＣＶＤを形成することが可
能となる。

次に本願の第２の発明の第２の実施例について第５図の
工程断面図を用いて説明する。

第５図（ａ）は、２層配線を形成するための、第１層Ａ
Ｉ配線まで、形成された試料の断面図である。Ｓｉ基板
５０上に、酸化シリコン膜５１が形成され、その上に第
１層ＡＩＩの配線５２が形成されている。その上に、層
間絶縁膜（酸化シリコン膜）５３が堆積されており、さ
らに、レジストによるヴイアホールパターン５４が形成
されている。

この試料の絶縁膜５３を、Ｍ　ｏ　Ｆ　ｅガスを用いて
エツチングし、ヴイアホール５５を形成した（第５図（
ｂ））。条件は、前記実施例のＷＦ６の場合とほぼ同様
であるか、圧力は０．０３Ｔｏｒｒとした。また、比較
のために、ＣＦ　　とＨ２混合ガスを用いてエツチング
を行った試料も作製した。エツチングを行った後、酸素
プラズマアッシングでレジストを除去し、ついで水素プ
ラズマにより表面を処理し、その後、ＣＶＤ装置に基板
をいれ、温度３００℃でＷＦＢガスを３　ｓｅｃｍ流し
てＷのＣＶＤを行った。その後、試料を割って断面を観
察したところ、ＣＦ４とＨ２混合ガスでエツチングした
場合には、Ａ、９配線５２上にＷはほとんど成長してい
なかったのに対し、この実施例の場合には、Ｗ膜５６の
成長が確認された（第５図（Ｃ））。

また、この系でエツチング装置内壁に８１基板を張り付
けておき、どの程度Ｗ膜が堆積するか調べた。その結果
、ウェハーを１０ツトエツチングすると、厚さ１ミクロ
ン程度堆積することが明らかとなった。５ミクロン堆積
すると剥れてゴミになるため、５０ツトエツチングする
度に剥す必要がある。そこで、ＮＦＳガスを３　Ｑ　５
ｃｅｓ＋の流量で導入し、圧力をり、３Ｔｏｒｒにして
高周波電力３Ｗ／（１）２を印加してエツチングしたと
ころ、０．４　ミクロン毎分で除去できることが明らか
となった。厚さ５ミクロンとしても、除去に要する時間
はコ２分程度である。従来のように、ＣＦ　　とＨ２や
ＣＨＦ３のようなガスを用いた場合には、５０ロツトエ
ツチングすると、エツチング装置内壁にフロロカーボン
膜が付着し、チャンバーの洗浄にはぽ１日を要していた
ので、本発明の実施例により、装置の稼動率は、大幅に
向上した。

以上、種々の実施例を説明してきたが本発明で用いるエ
ツチングガスはＷ　Ｆ　　、　Ｍ　ｏ　Ｆ　ｅの他の高
融点金属のハロゲン化合物ガスやオキシハロゲン化合物
ガスでもよく、シリコン酸化膜は、Ｓｉの地条結晶Ｓｉ
やＡｊｌ、Ａ１１合金に対して選択的にエツチングする
ことができる。

［発明の効果コ以上、述べたように本発明によれば基板に損傷を与える
ことなくＳｉＯ２膜等を選択的にエツチングする方法及
びそれを用いた半導体装置の製造方法を提供することが
できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に使用されるドライエツチング装置の概
略図、第２図、第３図は本発明の詳細な説明するための
特性図、第４図、第５図は本願第２の発明の詳細な説明
するための工程断面図である。１・・・反応容器、２・・・試料、３，４・・・電極、
４０・・・Ｓｉ基板、４１・・・ゲート絶縁膜、４２・
・・ゲート電極、４６・・・パッシベーション膜、４８
・・・コンタクトホール、４９・・・配線パターン、５
０・・・Ｓｉ基板、５１・・・酸化膜、５２・・・Ａｌ
ｌ膜、５３・・・絶縁膜、５５・・・ヴイアホール、５
６・・・Ｗ膜。

Claims

【特許請求の範囲】

（１）第１の部材に対して第２の部材を選択的にエッチ
ングする方法であって、主エッチングガスとして金属の
ハロゲン化合物ガスまたは金属のオキシハロゲン化合物
ガスを用いることを特徴とするドライエッチング方法。
（２）前記第１の部材は、Ｓｉ、多結晶Ｓｉ、Ａｌ、Ａ
ｌ合金のいずれかであり、第２の部材は酸化シリコンで
ある請求項１記載のドライエッチング方法。
（３）前記主エッチングガスの金属のハロゲン化合物ガ
スまたは金属のオキシハロゲン化合物ガスに塩素または
フッ素を含有するガスを混合した混合ガスを用いる請求
項１記載のドライエッチング方法。
（４）前記塩素またはフッ素を含有するガスとしてＣｌ
＿２、ＳｉＣｌ＿４、ＢＣｌ＿３、ＰＣｌ＿３、ＰＣｌ
＿５、Ｆ＿２、ＮＦ＿３、ＳＦ＿６、ＳｉＦ＿４、ＢＦ
＿３、ＰＦ＿３、ＰＦ＿５のうちのいずれか１つまたは
それらの混合物であることを特徴とする請求項３記載の
ドライエッチング方法。
（５）前記金属のハロゲン化合物ガスまたは金属のオキ
シハロゲン化合物ガスとしてＷ、Ｍｏ等の高融点金属の
ハロゲン化合物ガスまたはオキシハロゲン化合物ガスを
用いる請求項１記載のドライエッチング方法。
（６）前記主エッチングガスとして金属のハロゲン化合
物ガスまたは金属のオキシハロゲン化合物ガスに酸素又
は水素を混合した混合ガスを用いることを特徴とする請
求項１記載のドライエッチング方法。
（７）基材上に酸化膜を形成する工程と、主エッチング
ガスとして金属のハロゲン化合物ガスまたはオキシハロ
ゲン化合物ガスを用いて前記酸化膜を基板に対して選択
的にエッチングし、前記基板表面を露出する工程と、前
記露出した基板上に金属膜を形成する工程とを含む半導
体装置の製造方法。
（８）前記選択的エッチングは酸化膜上に感光性樹脂層
のパターンを形成して行い、前記エッチングの工程の後
、感光性樹脂層を除去する工程と、水素プラズマに晒す
工程を含む請求項７記載の半導体装置の製造方法。
（９）前記基材はＳｉ、多結晶Ｓｉ、Ａｌ、Ａｌ合金の
いずれかであり、前記主エッチングガスに含まれる金属
はＷ、Ｍｏのいずれかであることを特徴とする請求項７
記載の半導体装置の製造方法。
（１０）前記金属膜はＷ、Ｍｏ膜である請求項７記載の
半導体装置の製造方法。