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JPH04322426A - Dry etching method - Google Patents

Dry etching method

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Publication number
JPH04322426A
JPH04322426A JP11660191A JP11660191A JPH04322426A JP H04322426 A JPH04322426 A JP H04322426A JP 11660191 A JP11660191 A JP 11660191A JP 11660191 A JP11660191 A JP 11660191A JP H04322426 A JPH04322426 A JP H04322426A
Authority
JP
Japan
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etching
gas
sulfur
etched
layer
Prior art date
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Granted
Application number
JP11660191A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP3008543B2 (en
Inventor
Tetsuya Tatsumi
哲也 辰巳
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Sony Corp
Original Assignee
Sony Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Sony Corp filed Critical Sony Corp
Priority to JP3116601A priority Critical patent/JP3008543B2/en
Publication of JPH04322426A publication Critical patent/JPH04322426A/en
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Abstract

PURPOSE:To improve base selectivity at the time of overetching in the case of dry etching a silicon-based material layer without using fluorocarbon based gas. CONSTITUTION:For example, in the case of forming a gate electrode of a MOS- FET, S2F2, S2Cl2, etc., is used to (just) etch a polycrystalline silicon layer in thickness corresponding to that of the layer, and a gate electrode having an anisotropic shape is formed at a high speed by contribution of F*, Cl*, etc., and sidewall protecting operation of S(sulfur). Thereafter, in order to remove the residual polycrystalline silicon layer, bromine-based gas such as HBr, S2Br2, etc., is used to overetch it. As apparent from the fact that magnitude relationship of interatomic bonding energy is Si-O>Si-Br, the Br* does not spontaneously etch SiO2, and hence high selection ratio to a ate oxide film is performed.

Description

【発明の詳細な説明】[Detailed description of the invention]

【0001】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
フロン系ガスを使用せずにシリコン系材料層をエッチン
グするに際し、オーバーエッチング時の対下地選択性を
向上させる方法に関する。
[Industrial Application Field] The present invention relates to a dry etching method applied in the field of manufacturing semiconductor devices, etc., and in particular, when etching a silicon-based material layer without using a fluorocarbon-based gas, selection of a substrate for over-etching. Concerning how to improve sex.

【0002】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、シリコン系材料層のエッチングにおいても、高
異方性,高速性,高選択性,低ダメージ性,低汚染性と
いった諸要求をいずれをも犠牲にすることなく達成する
技術が強く望まれている。
[Prior Art] As semiconductor devices become more highly integrated and performant as seen in VLSI, ULSI, etc. in recent years, etching of silicon-based material layers also requires high anisotropy, high speed, and high performance. There is a strong desire for technology that can achieve the various requirements of selectivity, low damage, and low contamination without sacrificing any of them.

【0003】従来、シリコン系材料のエッチングにはフ
ロン113(C2 Cl3 F3 )等に代表されるフ
ロン系ガスがエッチング・ガスとして広く用いられてき
た。フロン系ガスは1分子内にFとClとを構成元素と
して有するため、ラジカル反応とイオン・アシスト反応
の両方によるエッチングが可能となり、かつ気相中から
堆積する炭素系ポリマーで側壁保護を行いながら異方性
加工を実現することができる。しかしながら、フロン系
ガスは周知のように地球のオゾン層破壊の元凶であるこ
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
野においてもフロン系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なっている。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、この意味からも脱フ
ロン対策が望まれている。
Conventionally, fluorocarbon-based gases such as fluorocarbon 113 (C2 Cl3 F3) have been widely used as etching gases for etching silicon-based materials. Since fluorocarbon-based gas has F and Cl as constituent elements in one molecule, it is possible to perform etching by both radical reactions and ion-assisted reactions, and while protecting the side walls with carbon-based polymers deposited from the gas phase. Anisotropic processing can be achieved. However, as is well known, fluorocarbon gases have been pointed out to be the cause of the destruction of the earth's ozone layer, and their production and use are likely to be prohibited in the near future. Therefore, in the field of dry etching, there is an urgent need to find a substitute for fluorocarbon-based gas and to establish an effective method for using it. Furthermore, if the design rules for semiconductor devices become even smaller in the future, carbon-based polymers deposited in the gas phase may become a source of particle contamination, and in this sense, measures to eliminate fluorocarbons are desired.

【0004】脱フロン対策として有望視されている技術
に、低温エッチングがある。これは、被エッチング基板
(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。
[0004] Low-temperature etching is a promising technique for eliminating fluorocarbons. By keeping the temperature of the substrate (wafer) to be etched below 0°C, the etching rate in the depth direction is maintained at a practical level due to the ion assist effect, while radical reactions on the sidewalls of the pattern are frozen or suppressed. This technique attempts to prevent shape abnormalities such as undercuts. For example, the 35th
On page 495 of the lecture proceedings of the Annual Conference on Applied Physics (Spring 1988 Annual Conference), title number 28a-G-2,
An example has been reported in which silicon trench etching and n+ type polycrystalline silicon layer etching were performed using SF6 gas after cooling the wafer to -130°C.

【0005】しかし、低温エッチングにおける高異方性
の達成をラジカル反応の凍結もしくは抑制のみに頼ろう
とすると、相応のレベルの低温冷却が必要となり、経済
性やスループットを大きく低下させる虞れがある。そこ
で、より実用的なアプローチとしては、低温によるラジ
カル反応抑制と側壁保護とを組み合わせ、より室温に近
い温度領域でエッチングを行うことが考えられる。
However, if one attempts to achieve high anisotropy in low-temperature etching by relying solely on freezing or suppressing radical reactions, a corresponding level of low-temperature cooling is required, which may greatly reduce economic efficiency and throughput. Therefore, a more practical approach would be to combine suppression of radical reactions at low temperatures and sidewall protection, and perform etching in a temperature range closer to room temperature.

【0006】本願出願人は、この側壁保護をイオウ(S
)の堆積により行う一連の技術をこれまでに数多く提案
している。このSの堆積は、1分子中のハロゲン(X)
原子数とS原子数との比、すなわちX/S比が比較的小
さいハロゲン化イオウを主体とするエッチング・ガスを
使用することにより可能となる。たとえば、特願平2−
198045号明細書には、かかるハロゲン化イオウと
してS2 F2 ,SF2 ,SF4 ,S2 F10
が開示されている。これらのフッ化イオウは、同じくフ
ッ化イオウでも従来から最も良く知られているSF6 
とは異なり、放電解離により気相中にSを生成すること
ができる。このSは、基板が低温冷却されていればその
表面へ堆積し、側壁保護効果を発揮する。しかも、堆積
したSはエッチング終了後に基板を加熱すれば容易に昇
華除去できるため、パーティクル汚染を惹起させる虞れ
もない。本願出願人は、これらフッ化イオウからのF*
 (フッ素ラジカル)生成量がSF6 と比べて少なく
、しかもSFx + によるイオン・アシスト反応が期
待できる点に着目し、これを酸化シリコン系材料層のエ
ッチングに適用してシリコン下地に対する高選択性を達
成した。
[0006] The applicant has developed this side wall protection using sulfur (S).
) have proposed a number of techniques to date. This S deposition is caused by the halogen (X) in one molecule.
This is made possible by using an etching gas mainly composed of sulfur halide, which has a relatively small ratio of the number of atoms to the number of S atoms, that is, the X/S ratio. For example,
The specification of No. 198045 describes S2 F2 , SF2 , SF4 , S2 F10 as such halogenated sulfur.
is disclosed. These sulfur fluorides are SF6, which is also the most well-known sulfur fluoride.
In contrast, S can be generated in the gas phase by discharge dissociation. If the substrate is cooled to a low temperature, this S will be deposited on the surface of the substrate and exert a sidewall protection effect. Moreover, since the deposited S can be easily sublimed and removed by heating the substrate after etching, there is no possibility of causing particle contamination. The applicant of this application has proposed that F* from these sulfur fluorides
Focusing on the fact that the amount of (fluorine radicals) produced is smaller than that of SF6, and an ion-assisted reaction by SFx + can be expected, we applied this to the etching of silicon oxide-based material layers and achieved high selectivity to the silicon substrate. did.

【0007】このように、ハロゲン化イオウとして最初
に提案された化合物はF/S比の比較的小さいフッ化イ
オウであり、それは酸化シリコン系材料層のエッチング
を目的としていた。本願出願人はその後、ハロゲン化イ
オウをシリコン系材料層のエッチングに適用する技術も
種々提案している。たとえば、特願平2−199249
号明細書では、被エッチング基板を0℃以下に冷却した
状態でS2 Cl2 等の塩化イオウもしくはS2 B
r2等の臭化イオウを含むガスを使用してシリコン系材
料を低温エッチングする技術を開示している。これは、
反応性の高いF* を発生し得ないガスを使用すること
により、ラジカルの影響を低減し、より有利に高異方性
を達成しようとしたものである。
[0007] Thus, the first compound proposed as a sulfur halide was sulfur fluoride, which has a relatively low F/S ratio, and was intended for etching silicon oxide-based material layers. The applicant has since proposed various techniques for applying halogenated sulfur to etching silicon-based material layers. For example, patent application No. 2-199249
In the specification, sulfur chloride such as S2 Cl2 or S2 B is etched while the substrate to be etched is cooled to below 0°C.
Discloses a technique for low-temperature etching of silicon-based materials using a gas containing sulfur bromide, such as R2. this is,
By using a gas that cannot generate highly reactive F*, the influence of radicals is reduced and high anisotropy is attempted to be achieved more advantageously.

【0008】[0008]

【発明が解決しようとする課題】ところで、シリコン系
材料層のエッチングを行う各種のプロセスの中でも、多
結晶シリコン,高融点金属シリサイド,ポリサイド等の
エッチングを行うゲート電極加工は、特に高精度を要す
るプロセスである。それは、自己整合的にソース/ドレ
イン領域が形成されるようなMOS−FETの製造工程
において、ゲート電極の寸法精度や断面形状がチャネル
長、LDD構造を実現するためのサイドウォールの寸法
精度、ソース/ドレイン領域の形成領域等に直接に影響
するからである。また、いまひとつ重要な理由は、近年
ますます薄膜化しているゲート絶縁膜に対し、極めて高
い対下地選択性をもって加工を行う必要が生じているか
らである。
[Problems to be Solved by the Invention] Among various processes for etching silicon-based material layers, gate electrode processing, which involves etching polycrystalline silicon, high melting point metal silicide, polycide, etc., requires particularly high precision. It's a process. In the manufacturing process of MOS-FET, in which the source/drain regions are formed in a self-aligned manner, the dimensional accuracy and cross-sectional shape of the gate electrode are important, such as the channel length, the dimensional accuracy of the sidewalls to realize the LDD structure, and the source/drain region. This is because it directly affects the formation region of the drain region, etc. Another important reason is that gate insulating films, which have become thinner and thinner in recent years, need to be processed with extremely high selectivity to the underlying layer.

【0009】しかし、一般にドライエッチングの工程で
は、ウェハ面内における処理の均一性を考慮して若干の
オーバーエッチングを行うことが不可欠であり、工程全
体を通じて高い対下地選択性や高異方性を維持すること
は実際には容易なことではない。たとえば、上述のハロ
ゲン化イオウの中でもS2 F2 は、速いエッチング
速度が期待でき、また取り扱いも比較的容易であること
から、ゲート電極加工にも使用したいところである。と
ころが、このように極めて反応性に富むF* が主エッ
チング種となるような系では、酸化シリコン(SiO2
 )からなるゲート絶縁膜に対し、オーバーエッチング
時にも高選択性を維持することは困難である。これは、
原子間結合エネルギーの値がSi−O結合では111k
cal/molであるのに対し、Si−F結合では13
2kcal/molと大きいことからも裏付けられる。 そこで本発明は、オーバーエッチング時にも異方性形状
の劣化や対下地選択性の低下が防止でき、かつハロゲン
化イオウの特性が活かせるドライエッチング方法を提供
することを目的とする。
However, in general, in the dry etching process, it is essential to perform slight overetching in consideration of the uniformity of the process within the wafer surface, and it is necessary to maintain high substrate selectivity and high anisotropy throughout the process. It's actually not easy to maintain. For example, among the above-mentioned sulfur halides, S2 F2 is expected to have a high etching rate and is relatively easy to handle, so it would be desirable to use it for gate electrode processing. However, in systems where F*, which is highly reactive, is the main etching species, silicon oxide (SiO2
), it is difficult to maintain high selectivity even during over-etching. this is,
The value of interatomic bond energy is 111k for Si-O bond.
cal/mol, whereas for Si-F bond it is 13
This is supported by the fact that it is as large as 2kcal/mol. SUMMARY OF THE INVENTION Therefore, an object of the present invention is to provide a dry etching method that can prevent deterioration of the anisotropic shape and decrease of selectivity to the substrate even during over-etching, and can take advantage of the characteristics of sulfur halide.

【0010】0010

【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、被エッチング基板の温度を室温以下に制御し、
S2 F2 ,SF2 ,SF4 ,S2 F10,S
3 Cl2 ,S2 Cl2 ,SCl2 から選ばれ
る少なくとも1種の化合物を含むエッチング・ガスを用
いてシリコン系材料層のエッチングを行う工程と、臭素
系ガスを主体とするエッチング・ガスを用いてオーバー
エッチングを行う工程とを有することを特徴とするもの
である。
[Means for Solving the Problems] The dry etching method of the present invention is proposed to achieve the above-mentioned objects, and includes controlling the temperature of the substrate to be etched to below room temperature,
S2 F2 , SF2 , SF4 , S2 F10,S
3. A step of etching the silicon-based material layer using an etching gas containing at least one compound selected from Cl2, S2 Cl2, and SCl2, and over-etching using an etching gas mainly composed of bromine-based gas. It is characterized by having a step of performing.

【0011】[0011]

【作用】本発明では、フッ化イオウもしくは塩化イオウ
を用いてシリコン系材料層の大部分をエッチングし(以
下、ここまでのエッチング工程をジャストエッチングと
称する。)、その後のオーバーエッチングを臭素系ガス
を主体とするエッチング・ガスにより行う。
[Operation] In the present invention, most of the silicon-based material layer is etched using sulfur fluoride or sulfur chloride (hereinafter, the etching process up to this point is referred to as just etching), and the subsequent over-etching is performed using bromine-based gas. This is done using an etching gas mainly composed of .

【0012】ジャスト・エッチングまでの工程において
使用されるフッ化イオウもしくは塩化イオウは、本願出
願人がこれまでに一連の出願において提案してきたF/
S比もしくはCl/S比の低い化合物である。フッ化イ
オウを使用する場合には、原子半径が小さく反応性に極
めて富むF* が生成し、これが主エッチング種として
寄与することにより、高速にエッチング反応が進行する
。 一方、塩化イオウを使用する場合には、主エッチング種
はCl* となるため、エッチング速度はF* の場合
に比べてやや低下するが、対SiO2 選択比の観点か
らは一層有利となる。それは、Si−Cl結合の原子間
結合エネルギーが96kcal/molであり、Si−
O結合のそれよりも小さいことからも明らかである。い
ずれの化合物も、放電解離によりシリコン系材料層のエ
ッチャントであるF* もしくはCl*を生成すると同
時に、プラズマ中にSを生成させることができる。生成
したSは、被エッチング基板が室温以下の温度に維持さ
れていることにより、容易にその表面へ析出する。ここ
で、イオンの入射面では堆積したSは直ちにスパッタ除
去されるが、イオンの入射が少ないパターン側壁部では
Sの堆積が続き、これが側壁保護膜として機能する。そ
の上、被エッチング基板の温度制御によりラジカル反応
もある程度抑制されているので、高異方性が確保される
。しかも、堆積したSは、エッチング終了後に被エッチ
ング基板を室温より高い温度にまで昇温させれば容易に
昇華除去することができるため、エッチング系内にパー
ティクル汚染を惹起させることはない。
The sulfur fluoride or sulfur chloride used in the steps up to just etching is F/
It is a compound with a low S ratio or Cl/S ratio. When sulfur fluoride is used, F*, which has a small atomic radius and is extremely reactive, is produced, and this serves as the main etching species, so that the etching reaction progresses at high speed. On the other hand, when sulfur chloride is used, the main etching species is Cl*, so the etching rate is slightly lower than in the case of F*, but it is more advantageous from the viewpoint of selectivity to SiO2. The interatomic bond energy of Si-Cl bond is 96 kcal/mol, and Si-
This is clear from the fact that it is smaller than that of O bond. Either compound can generate F* or Cl*, which is an etchant for the silicon-based material layer, by discharge dissociation, and simultaneously generate S in the plasma. The generated S easily precipitates onto the surface of the substrate to be etched because the temperature of the substrate is maintained at a temperature below room temperature. Here, the S deposited on the ion incident surface is immediately removed by sputtering, but S continues to accumulate on the sidewall portions of the pattern where few ions are incident, and this serves as a sidewall protective film. Moreover, since radical reactions are suppressed to some extent by controlling the temperature of the substrate to be etched, high anisotropy is ensured. Moreover, the deposited S can be easily sublimated and removed by heating the substrate to be etched to a temperature higher than room temperature after etching is completed, so that no particle contamination is caused in the etching system.

【0013】続くオーバーエッチングには、臭素系ガス
を使用する。Si−Br結合の原子間結合エネルギーは
88kcal/molであり、Si−O結合のそれより
も小さいことから、Br* はSiO2 を自発的には
エッチングしない。これが、本発明においてSiO2 
ゲート絶縁膜に対して高選択性が達成できる理由である
[0013] A bromine gas is used for the subsequent over-etching. Since the interatomic bond energy of the Si--Br bond is 88 kcal/mol, which is smaller than that of the Si--O bond, Br* does not spontaneously etch SiO2. This is SiO2 in the present invention.
This is the reason why high selectivity can be achieved with respect to the gate insulating film.

【0014】なお、オーバーエッチング時に臭素系ガス
を使用する技術については、本発明者が先に特願平2−
265236号明細書において提案しており、具体的に
はSF6 /HBr混合ガス系によりポリサイド膜をジ
ャスト・エッチング状態までエッチングした後、被エッ
チング基板を0℃以下に冷却しながらHBrの単独ガス
系によりオーバーエッチングを行っている。今回の発明
は、オーバーエッチングの部分についてはこの先願の発
想を踏襲しているが、ジャスト・エッチングまでの工程
については上記先願よりもさらに有利となっている。す
なわち、上述のSF6 /HBr混合ガス系ではSの堆
積は起こらず、側壁保護はレジスト・マスクのフラグメ
ントとBrとの反応生成物、もしくはエッチング反応生
成物であるSiBrx により行われていた。これに対
し、今回の発明では気相中から生成するSが側壁保護を
行うため、パーティクル汚染の低減が可能となり、また
対レジスト選択性も向上する。
[0014] Regarding the technique of using bromine-based gas during over-etching, the present inventor previously disclosed the patent application No.
265236, specifically, after etching the polycide film to a just-etched state using an SF6/HBr mixed gas system, etching the substrate to be etched to a temperature below 0°C using a single HBr gas system. Over-etching is being performed. The present invention follows the idea of this prior application with respect to over-etching, but is even more advantageous than the above-mentioned prior application with respect to the steps up to just etching. That is, in the above-mentioned SF6/HBr mixed gas system, S deposition does not occur, and sidewall protection is performed by SiBrx, which is a reaction product of resist mask fragments and Br or an etching reaction product. On the other hand, in the present invention, S generated from the gas phase protects the sidewalls, making it possible to reduce particle contamination and improve resist selectivity.

【0015】[0015]

【実施例】以下、本発明の具体的な実施例について説明
する。
[Examples] Specific examples of the present invention will be described below.

【0016】実施例1 本実施例は、本発明をゲート加工に適用し、S2 F2
 を用いて多結晶シリコン層をジャスト・エッチング状
態までエッチングした後、HBrを用いてオーバーエッ
チングを行った例である。
Example 1 In this example, the present invention is applied to gate processing, and S2 F2
This is an example in which a polycrystalline silicon layer is etched to a just-etched state using HBr, and then over-etched using HBr.

【0017】まず、単結晶シリコン基板上にSiO2 
からなるゲート酸化膜を介してn+ 型の多結晶シリコ
ン層が形成され、さらに所定の形状にパターニングされ
たレジスト・マスクが形成されてなるウェハを用意した
。このウェハを有磁場マイクロ波プラズマ・エッチング
装置のウェハ載置電極上にセットし、該ウェハ載置電極
に内蔵される冷却配管にたとえばチラー等の冷却系統か
らエタノール冷媒を供給循環させることにより、ウェハ
を約−60℃に冷却した。この状態で、S2 F2 流
量20SCCM,ガス圧1.3Pa(10mTorr)
,マイクロ波パワー850W,RFバイアス・パワー1
0W(2MHz)の条件にて上記多結晶シリコン層をほ
ぼその層厚分だけエッチング(ジャスト・エッチング)
した。この過程では、S2 F2 から生成するF* 
によるラジカル反応がS+ ,SFx + 等のイオン
にアシストされる機構でエッチングが進行する一方、同
じくS2 F2 から生成しパターン側壁部に堆積する
Sにより側壁保護が行われた。この結果、良好な異方性
形状を有するゲート電極が形成された。
First, SiO2 is deposited on a single crystal silicon substrate.
A wafer was prepared in which an n+ type polycrystalline silicon layer was formed through a gate oxide film consisting of a gate oxide film, and a resist mask patterned into a predetermined shape was further formed. This wafer is set on a wafer mounting electrode of a magnetic field microwave plasma etching system, and ethanol refrigerant is supplied and circulated from a cooling system such as a chiller to cooling piping built into the wafer mounting electrode. was cooled to about -60°C. In this state, S2 F2 flow rate 20SCCM, gas pressure 1.3 Pa (10 mTorr)
, microwave power 850W, RF bias power 1
Etching the above polycrystalline silicon layer by approximately the layer thickness under the condition of 0W (2MHz) (just etching)
did. In this process, F* generated from S2 F2
Etching progressed by a mechanism in which a radical reaction was assisted by ions such as S+ and SFx+, while sidewall protection was performed by S, which was also generated from S2F2 and deposited on the sidewalls of the pattern. As a result, a gate electrode having a good anisotropic shape was formed.

【0018】しかし、上述のジャスト・エッチングまで
の過程ではF* が主エッチング種であるため、ゲート
酸化膜に対する選択比はせいぜい5〜6程度である。し
たがって、この条件のままでオーバーエッチングを行う
と、ゲート酸化膜が比較的早く露出した領域では該ゲー
ト酸化膜が除去される虞れが大きい。そこで、エッチン
グ・ガスをHBrに切り換えてオーバーエッチングを行
った。このときの条件は、一例としてHBr流量50S
CCM,ガス圧1.3Pa(10mTorr),マイク
ロ波パワー850W,RFバイアス・パワー5W(2M
Hz),ウェハ温度−60℃とした。この条件では、ゲ
ート酸化膜に対する選択比は約50となり、局部的なゲ
ート酸化膜の除去を防止することができた。これは、H
Brから解離生成するBr* が自発的にはゲート酸化
膜をエッチングしないこと、さらにRFバイアス・パワ
ーが低減されていることによるものである。
However, in the process up to the above-mentioned just etching, F* is the main etching species, so the selectivity to the gate oxide film is about 5 to 6 at most. Therefore, if over-etching is performed under these conditions, there is a high possibility that the gate oxide film will be removed in the region where the gate oxide film is exposed relatively quickly. Therefore, over-etching was performed by switching the etching gas to HBr. The conditions at this time include, for example, an HBr flow rate of 50S.
CCM, gas pressure 1.3 Pa (10 mTorr), microwave power 850 W, RF bias power 5 W (2M
Hz), and the wafer temperature was -60°C. Under these conditions, the selectivity to the gate oxide film was approximately 50, and local removal of the gate oxide film could be prevented. This is H
This is because Br* generated by dissociation from Br does not spontaneously etch the gate oxide film, and furthermore, the RF bias power is reduced.

【0019】なお、本実施例ではオーバーエッチング時
にSの堆積は期待できないが、Brとレジスト・マスク
との反応生成物であるCBrx 等の炭素系化合物、あ
るいはエッチング反応生成物であるSiBrx 等がパ
ターン側壁部に堆積し、これらが側壁保護の効果を発揮
した。したがって、オーバーエッチング中にもゲート電
極の異方性形状は良好に維持された。これらの堆積物の
量は相対的に少ないので、パーティクル汚染等を惹起さ
せるには至らない。また、ジャスト・エッチングまでの
過程で側壁保護の役目を果たしたSの堆積物は、エッチ
ング終了後にウェハを約90℃に加熱することにより容
易に昇華除去された。したがって、パーティクル汚染は
何ら発生しなかった。
In this example, deposition of S cannot be expected during over-etching, but carbon-based compounds such as CBrx, which is a reaction product between Br and the resist mask, or SiBrx, which is an etching reaction product, are deposited in the pattern. They were deposited on the side walls and exerted the effect of protecting the side walls. Therefore, the anisotropic shape of the gate electrode was well maintained even during over-etching. Since the amount of these deposits is relatively small, they do not cause particle contamination or the like. Furthermore, the S deposits that served as sidewall protection during the process up to just etching were easily sublimated and removed by heating the wafer to about 90° C. after etching. Therefore, no particle contamination occurred.

【0020】実施例2 本実施例は、本発明をゲート加工に適用し、S2 F2
 を用いて多結晶シリコン層をジャスト・エッチング状
態までエッチングした後、S2 Br2 を用いてオー
バーエッチングを行った例である。
Example 2 In this example, the present invention is applied to gate processing, and S2 F2
This is an example in which a polycrystalline silicon layer is etched to a just-etched state using S2 Br2 and then over-etched using S2 Br2.

【0021】まず、前述の実施例1と同様に多結晶シリ
コン層をジャスト・エッチング状態までエッチングした
後、エッチング・ガスをS2 Br2 に切り換えてオ
ーバーエッチングを行った。オーバーエッチングの条件
は、一例としてS2 Br2 流量20SCCM,ガス
圧1.3Pa(10mTorr),マイクロ波パワー8
50W,RFバイアス・パワー5W(2MHz),ウェ
ハ温度−60℃とした。一般にオーバーエッチング時に
は、被エッチング材料層が減少するためにラジカルが相
対的に過剰となり易い。過剰となったラジカルはウェハ
表面でマイグレーションを起こし、これがパターン側壁
部を攻撃してアンダカットもしくは逆テーパー形状等の
形状異常を発生させる原因となる。しかし本実施例では
、実施例1とは異なり、オーバーエッチング中にもS2
 Br2 から生成するSにより側壁保護が行われる。 したがって、本実施例では実施例1と同様にゲート酸化
膜に対する高選択性が達成されることはもちろんである
が、より確実な異方性加工も可能となった。
First, as in Example 1 described above, the polycrystalline silicon layer was etched to a just-etched state, and then the etching gas was switched to S2 Br2 to perform over-etching. The over-etching conditions are, for example, S2 Br2 flow rate 20SCCM, gas pressure 1.3 Pa (10 mTorr), and microwave power 8.
50 W, RF bias power 5 W (2 MHz), and wafer temperature -60°C. Generally, during over-etching, radicals tend to be relatively excessive because the material layer to be etched is reduced. Excessive radicals cause migration on the wafer surface, which attacks the pattern sidewalls and causes shape abnormalities such as undercuts or reverse taper shapes. However, in this example, unlike in Example 1, S2 is applied even during over-etching.
Sidewall protection is performed by S generated from Br2. Therefore, in this example, not only high selectivity to the gate oxide film was achieved as in Example 1, but also more reliable anisotropic processing was also possible.

【0022】なお、本発明は上述の実施例に限定される
ものではなく、たとえばエッチング・ガスには各種の添
加ガスを混合しても良い。たとえば、N2 を添加した
場合には反応生成物による側壁保護の強化を期待するこ
とができ、またH2 ,H2 S,シラン系ガスのよう
にエッチング系内にH* および/またはシリコン系活
性種を供給し得るガスを添加すれば、過剰なハロゲン・
ラジカルを捕捉し、Sの堆積効果を高めることができる
。さらに、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。
It should be noted that the present invention is not limited to the above-described embodiments; for example, various additive gases may be mixed with the etching gas. For example, when N2 is added, side wall protection can be expected to be strengthened by reaction products, and H* and/or silicon-based active species can be added to the etching system, such as H2, H2S, and silane-based gases. By adding gas that can be supplied, excess halogen and
It can trap radicals and enhance the S deposition effect. Furthermore, a rare gas such as He or Ar may be added for the purpose of obtaining a sputtering effect, a cooling effect, and a dilution effect.

【0023】また、上述の実施例ではエッチング・ガス
としてS2 F2 を使用する場合について説明したが
、本発明で提案される他のフッ化イオウおよび塩化イオ
ウを使用した場合でも、同様の機構によりエッチング種
の生成とSによる側壁保護が行われる。ただし、常温で
液体状の化合物については、不活性ガスによるバブリン
グを行って気化させてからエッチング反応系に導入する
必要がある。特に、塩化イオウを使用する場合には、F
* のように極めて反応性の高いエッチング種が生成し
ないため、エッチング速度が若干低下する傾向はあるも
のの、異方性達成の観点からは有利となる。
[0023]Although the above embodiment describes the case where S2F2 is used as the etching gas, even when other sulfur fluoride and sulfur chloride proposed in the present invention are used, etching can be achieved by the same mechanism. Seed generation and sidewall protection by S take place. However, for compounds that are liquid at room temperature, it is necessary to vaporize them by bubbling with an inert gas before introducing them into the etching reaction system. In particular, when using sulfur chloride, F
* Since extremely reactive etching species such as * are not generated, the etching rate tends to decrease slightly, but it is advantageous from the viewpoint of achieving anisotropy.

【0024】[0024]

【発明の効果】以上の説明からも明らかなように、本発
明のドライエッチング方法によれば、フロン系ガスを使
用せずにシリコン系材料層を高異方性,高速性,高選択
性,低汚染性をもってエッチングすることが可能となる
。しかも、オーバーエッチング時に臭素系ガスを主体と
するエッチング・ガスが使用されるので、対SiO2 
下地選択性を向上させることが可能となる。したがって
、本発明は微細なデザイン・ルールにもとづいて設計さ
れ、高集積度および高性能を有する半導体装置の製造に
好適であり、また脱フロン対策として極めて優れている
Effects of the Invention As is clear from the above description, the dry etching method of the present invention allows silicon-based material layers to be etched with high anisotropy, high speed, high selectivity, and without using fluorocarbon gas. Etching can be performed with low contamination. Moreover, since an etching gas mainly composed of bromine gas is used during over-etching,
It becomes possible to improve base selectivity. Therefore, the present invention is designed based on fine design rules, and is suitable for manufacturing semiconductor devices having high integration and high performance, and is also extremely excellent as a measure against CFCs.

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】  被エッチング基板の温度を室温以下に
制御し、S2 F2 ,SF2 ,SF4 ,S2 F
10,S3 Cl2 ,S2 Cl2 ,SCl2 か
ら選ばれる少なくとも1種の化合物を含むエッチング・
ガスを用いてシリコン系材料層のエッチングを行う工程
と、臭素系ガスを主体とするエッチング・ガスを用いて
オーバーエッチングを行う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。
[Claim 1] The temperature of the substrate to be etched is controlled below room temperature, and S2 F2 , SF2 , SF4 , S2 F
10, Etching containing at least one compound selected from S3 Cl2 , S2 Cl2 , SCl2
A dry etching method comprising the steps of etching a silicon-based material layer using gas and over-etching using an etching gas mainly containing bromine-based gas.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6399515B1 (en) * 1999-06-21 2002-06-04 Taiwan Semiconductor Manufacturing Company Plasma etch method for forming patterned chlorine containing plasma etchable silicon containing layer with enhanced sidewall profile uniformity

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