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JPH0513379A - Dry etching method - Google Patents

Dry etching method

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Publication number
JPH0513379A
JPH0513379A JP3185128A JP18512891A JPH0513379A JP H0513379 A JPH0513379 A JP H0513379A JP 3185128 A JP3185128 A JP 3185128A JP 18512891 A JP18512891 A JP 18512891A JP H0513379 A JPH0513379 A JP H0513379A
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JP
Japan
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etching
material layer
sio
layer
carbon
Prior art date
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Application number
JP3185128A
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Japanese (ja)
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JP3079656B2 (en
Inventor
Shingo Kadomura
新吾 門村
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Sony Corp
Original Assignee
Sony Corp
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Publication date
Application filed by Sony Corp filed Critical Sony Corp
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  • Drying Of Semiconductors (AREA)

Abstract

PURPOSE:To attain to the rapidity, high selectivity, low pollution level and low damage degree to an underneath silicon base material in the anisotropical dry etching step of a SiO2 base material layer. CONSTITUTION:The title etching method is divided into two phases, i.e., in the first step, about 90% of the layer thickness of a SiO2 interlayer insulating film 3 is removed using a non-carbon base non-deposit fluorine compound such as SF6 or NF3 and then in the second step, the residual about 10% is removed using S2F2/H2 mixed gas. Furthermore, in the first step, the rapid etching work is made feasible using SFx<+>, NFx<+>, etc., in large mass capable of mass production. At this time, the etching step is stopped before the underneath material layer is exposed neither causing any damage nor any carbon pollution at all to an impurity diffused region 2. On the other hand, in the second step, the high selectivity to said material layer meeting the requirements for the high S/F ratio can be attained. Furthermore, the deposited S can be sublimated to be removed by heating step causing no pollution at all.

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
下地のシリコン系材料層へ対する汚染や損傷の発生を抑
制すると共に、高速性,高選択性を達成する方法に関す
る。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a dry etching method applied in the field of manufacturing semiconductor devices, and in particular, it suppresses the occurrence of contamination and damage to the underlying silicon-based material layer, and also has high speed and high selectivity. On how to achieve.

【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、酸化シリコン(SiO2 )に代表されるシリコ
ン化合物層のドライエッチング方法についても技術的要
求がますます厳しくなってきている。まず、高集積化に
よりデバイス・チップの面積が拡大しウェハが大口径化
していること、形成すべきパターンが高度に微細化され
ウェハ面内の均一処理が要求されていること、またAS
ICに代表されるように多品種少量生産が要求されてい
ること等の背景から、ドライエッチング装置の主流は従
来のバッチ式から枚葉式に移行しつつある。この際、従
来と同等の生産性を維持するためには、大幅なエッチン
グ速度の向上が必須となる。また、デバイスの高速化や
微細化を図るために不純物拡散領域の接合深さが浅くな
り、また各種の材料層も薄くなっている状況下では、従
来以上に対下地選択性に優れ汚染およびダメージの少な
いエッチング技術が要求される。たとえば、半導体基板
内に形成された不純物拡散領域や、SRAMの抵抗負荷
素子として用いられるPMOSトランジスタのソース・
ドレイン領域等にコンタクトを形成しようとする場合
に、シリコン基板や多結晶シリコン層を下地として行わ
れるSiO2 層間絶縁膜のエッチング等がその例であ
る。しかし、高速性、高選択性、低汚染性、低ダメージ
性等といった諸要求は互いに取捨選択される関係にあ
り、すべてを満足できるエッチング・プロセスを確立す
ることは極めて困難である。
In recent years the VLSI, with the progress of high integration and performance of semiconductor devices, as seen in ULSI or the like, the dry etching method of the silicon compound layer represented by silicon oxide (SiO 2) The technical requirements are becoming more and more severe. First, the area of device / chip is increasing due to high integration, the diameter of the wafer is increasing, the pattern to be formed is highly miniaturized, and uniform processing within the wafer surface is required.
The mainstream of the dry etching apparatus is shifting from the conventional batch type to the single-wafer type because of the demand for high-mix low-volume production represented by IC. At this time, in order to maintain the same productivity as in the past, it is essential to greatly improve the etching rate. In addition, in order to speed up and miniaturize the device, the junction depth of the impurity diffusion region becomes shallow, and various material layers are thinned. Etching technology with less energy consumption is required. For example, an impurity diffusion region formed in a semiconductor substrate, a source of a PMOS transistor used as a resistance load element of SRAM,
An example is etching of a SiO 2 interlayer insulating film, which is performed using a silicon substrate or a polycrystalline silicon layer as a base when a contact is to be formed in a drain region or the like. However, requirements such as high speed, high selectivity, low contamination, low damage, etc. are in a relationship of being neglected, and it is extremely difficult to establish an etching process that can satisfy all of them.

【0003】従来、シリコン系材料層に対して高い選択
比を保ちながらSiO2 層に代表されるシリコン化合物
層をドライエッチングするには、CHF3 、CF4 /H
2 混合系、CF4 /O2 混合系、C2 6 /CHF3
合系等がエッチング・ガスとして典型的に使用されてき
た。これらは、いずれもC/F比(分子内のC原子数と
F原子数の比)が0.25以上のフルオロカーボン系ガ
スを主体としている。これらのガス系が使用されるの
は、(a)フルオロカーボン系ガスに含まれるCがSi
2 層の表面でC−O結合を生成し、Si−O結合を切
断したり弱めたりする働きがある、(b)SiO2層の
主エッチング種であるCFx + (特にx=3,4) を生
成できる、さらに(c)プラズマ中で相対的に炭素に富
む状態が作り出されるので、SiO2 中の酸素がCOま
たはCO2 の形で除去される一方、ガス系に含まれる
C,H,F等の寄与によりシリコン系材料層の表面では
炭素系のポリマーが堆積してエッチング速度が低下し、
シリコン系材料層に対する高選択比が得られる、等の理
由にもとづいている。C/F比の概念や上述のエッチン
グ機構は、J.Vac.Sci.Tech.,16
(2),1979,p391に詳しい。なお、上記のH
2 ,O2 等の添加ガスは選択比の制御を目的として用い
られているものであり、それぞれF* 発生量を低減もし
くは増大させることができる。つまり、エッチング反応
系の見掛け上のC/F比を制御する効果を有する。
Conventionally, CHF 3 , CF 4 / H has been used to dry-etch a silicon compound layer typified by a SiO 2 layer while maintaining a high selection ratio with respect to a silicon-based material layer.
2 mixed systems, CF 4 / O 2 mixed systems, C 2 F 6 / CHF 3 mixed systems, etc. have typically been used as etching gases. All of these are mainly composed of fluorocarbon-based gas having a C / F ratio (ratio of the number of C atoms in the molecule to the number of F atoms) of 0.25 or more. These gas systems are used because (a) the C contained in the fluorocarbon gas is Si.
O 2 layer surface to produce a C-O bond, there is work to weaken or cleave SiO bond, CF x + (especially x = 3 which is the main etching species (b) SiO 2 layer, 4) can be produced, and (c) a relatively carbon-rich state is created in the plasma, so that oxygen in SiO 2 is removed in the form of CO or CO 2 , while C, which is contained in the gas system, Due to the contribution of H, F, etc., the carbon-based polymer is deposited on the surface of the silicon-based material layer, and the etching rate decreases,
It is based on the reason that a high selection ratio with respect to the silicon-based material layer can be obtained. The concept of C / F ratio and the above etching mechanism are described in J. Vac. Sci. Tech. , 16
(2), 1979, p391 for details. The above H
Additive gases such as 2 , O 2 and the like are used for the purpose of controlling the selection ratio, and can reduce or increase the F * generation amount, respectively. That is, it has the effect of controlling the apparent C / F ratio of the etching reaction system.

【0004】これに対し本発明者は、従来のSiO2
材料層のエッチングにおける炭素の役割をイオウに担わ
せ、かつ低温エッチングを行うことで高選択性,低汚染
性,高異方性を達成する技術を、特願平2−19804
5号明細書において提案している。これは、被エッチン
グ基板(ウェハ)を0℃以下に冷却し、S2 2 ,SF
2 ,SF4 ,S2 10等のフッ化イオウを含むエッチン
グ・ガスを使用してSiO2 系材料層のエッチングを行
う方法である。上記フッ化イオウは、F* によるラジカ
ル反応をSFx + 等のイオンにアシストさせる機構でS
iO2 系材料層をエッチングする。またこれらのフッ化
イオウは、同じ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S/F比(分子中のS原子数
とF原子数の比)が大きく、放電解離によりプラズマ中
に遊離のSを生成することができる。このSは、SiO
2 系材料層の表面ではO原子を引き抜いてSOx の形で
除去されるが、Si系材料層の上では堆積してエッチン
グ速度を大幅に低下させるので、高選択比が達成され
る。さらに、イオンの垂直入射が原理的に起こらないパ
ターンの側壁部に堆積したSは、側壁保護の役割を果た
し、異方性加工に寄与する。堆積したSは、エッチング
終了後にウェハを加熱して昇華させるか、あるいはO2
プラズマ・アッシングによりレジスト・マスクを除去す
る際に同時に燃焼させることができ、何らパーティクル
汚染を起こさない。
On the other hand, the inventor of the present invention makes sulfur play the role of carbon in the conventional etching of the SiO 2 -based material layer, and performs low-temperature etching to obtain high selectivity, low contamination and high anisotropy. Japanese Patent Application No. 2-19804
No. 5 specification. This is because the substrate to be etched (wafer) is cooled to 0 ° C. or below, and S 2 F 2 , SF
This is a method of etching a SiO 2 based material layer using an etching gas containing sulfur fluoride such as 2 , SF 4 , S 2 F 10 . The sulfur fluoride has a mechanism that assists the radical reaction by F * to ions such as SF x +.
The iO 2 based material layer is etched. Also, these sulfur fluorides have a large S / F ratio (ratio of the number of S atoms in the molecule to the number of F atoms), which is different from SF 6 which is the best known so far even with the same sulfur fluoride. Free S can be generated in the plasma. This S is SiO
On the surface of the 2 type material layer, O atoms are extracted and removed in the form of SO x , but on the Si type material layer, they are deposited and the etching rate is significantly reduced, so that a high selection ratio is achieved. Further, S deposited on the side wall portion of the pattern in which vertical incidence of ions does not occur in principle plays a role of protecting the side wall and contributes to anisotropic processing. Deposited S can either sublimed by heating the wafer after etching, or O 2
It can be burnt at the same time when the resist mask is removed by plasma ashing and does not cause any particle contamination.

【0005】[0005]

【発明が解決しようとする課題】このように、SiO2
系材料層のエッチングはイオン・アシスト反応を主体と
する機構にもとづいて行われており、フルオロカーボン
系ガスを使用するプロセスは既に量産ラインに導入され
ている。しかし、上述の機構からも明らかなように、従
来のプロセスでは、エッチング・ガスの構成元素がイオ
ンの形で加速されて下地のシリコン基板に打ち込まれ、
汚染や損傷を生ずるといった問題を本質的に免れること
ができない。エッチング・ガスとしてフルオロカーボン
系ガスを用いた場合の汚染や損傷については、IEDM
Digest Paper,p336(1979)に
論じられている。すなわち、炭素系ポリマーの残存やC
x + イオンの打ち込みに起因してSi基板の表面また
は内部にC原子による汚染が発生し、さらにはこのC原
子が核となって格子欠陥を引き起こすのである。また、
イオン衝撃そのものによっても物理的なダメージが生ず
る。このようにして、シリコン基板の表層部には汚染/
損傷層が形成される。Jpn.J.Appl.Phy
s.,20,p803(1981)には、かかる汚染/
損傷層を除去することにより素子の電気特性への悪影響
が最小限に抑えられることが報告されている。そこで、
従来のプロセスではSiO2 系材料層のエッチングが終
了した後にいわゆるライトエッチを行い、Si基板の表
層部を除去することが一般に行われている。
As described above, the SiO 2
Etching of the system material layer is performed based on a mechanism mainly composed of ion-assisted reaction, and a process using a fluorocarbon system gas has already been introduced into a mass production line. However, as is clear from the above mechanism, in the conventional process, the constituent elements of the etching gas are accelerated in the form of ions and implanted into the underlying silicon substrate,
There is an inherent escape from problems such as pollution and damage. For contamination or damage when a fluorocarbon-based gas is used as an etching gas, see IEDM.
Digest Paper, p336 (1979). That is, residual carbon-based polymer and C
Contamination with C atoms occurs on the surface or inside of the Si substrate due to the implantation of F x + ions, and the C atoms serve as nuclei to cause lattice defects. Also,
Physical damage is also caused by the ion bombardment itself. In this way, the surface layer of the silicon substrate is contaminated /
A damaged layer is formed. Jpn. J. Appl. Phy
s. , 20, p803 (1981).
It has been reported that the removal of the damaged layer minimizes adverse effects on the electrical characteristics of the device. Therefore,
In the conventional process, so-called light etching is generally performed after the etching of the SiO 2 -based material layer is completed to remove the surface layer portion of the Si substrate.

【0006】しかしながら、近年のように不純物拡散領
域の接合深さが浅くなってくると、上記ライトエッチに
よるSi基板の除去量が無視できないレベルに達する
他、場合によっては汚染や損傷の及ぶ範囲が接合深さを
越える懸念も生ずる。これに対し、本発明者が先に提案
したフッ化イオウを使用するプロセスでは、堆積したS
をウェハの加熱により容易かつ完全に昇華除去できる。
つまり、シリコン基板の表面に汚染を残さない点が、従
来の炭素系ポリマーを使用するプロセスに対する大きな
メリットである。しかも、極めて優れた脱フロン対策で
ある。しかしその反面、上記フッ化イオウはSiO2
材料層のエッチング種の生成効率が低いので、エッチン
グ速度の観点からは不利が生ずる懸念がある。これは、
S/F比の大きいフッ化イオウは当然のことながら分子
内のF原子数が少ないため、放電解離によりSFx +
形のイオンが生成したとしても、xの値の小さいイオン
しか得られないからである。たとえば上記フッ化イオウ
の中でも最も実用性が高いと考えられるS2 2 を例に
とると、生成し得るイオンはほぼSF+ (x=1)のみ
である。しかも、上述の4種類のフッ化イオウはいずれ
もSF6 と比べると比較的不安定であり、プラズマ中で
容易にSとF* に解離してしまうため、SFx + の生成
量は一層少なくなる。今後、大口径ウェハに対する枚葉
処理が主流となることを考慮すると、エッチング速度の
不足は是非とも解決しておかなければならない課題であ
る。そこで本発明は、SiO2 系材料層のエッチングに
おいて下地に対する汚染や損傷の発生を抑制すると共
に、高速性,高選択性を達成できる方法を提供すること
を目的とする。
However, as the junction depth of the impurity diffusion region becomes shallower as in recent years, the amount of Si substrate removed by the above-mentioned light etching reaches a non-negligible level, and in some cases, the range of contamination and damage is affected. There is also a concern that the junction depth will be exceeded. On the other hand, in the process using sulfur fluoride that the present inventor previously proposed, the deposited S
Can be easily and completely removed by sublimation by heating the wafer.
In other words, the fact that no contamination is left on the surface of the silicon substrate is a great advantage over the process using the conventional carbon-based polymer. Moreover, it is an extremely excellent measure against CFCs. However, on the other hand, since the above-mentioned sulfur fluoride has a low generation efficiency of the etching species of the SiO 2 based material layer, there is a concern that it may be disadvantageous from the viewpoint of the etching rate. this is,
Since sulfur fluoride having a large S / F ratio naturally has a small number of F atoms in the molecule, even if ions of the SF x + form are generated by discharge dissociation, only ions with a small x value can be obtained. Because. For example, in the case of S 2 F 2 which is considered to be the most practical among the above-mentioned sulfur fluoride, the ions that can be generated are almost only SF + (x = 1). Moreover, all of the above four types of sulfur fluoride are relatively unstable as compared with SF 6, and easily dissociate into S and F * in the plasma, so the amount of SF x + produced is much smaller. Become. Considering that single-wafer processing for large-diameter wafers will become the mainstream in the future, the shortage of etching rate is a problem that must be solved by all means. Therefore, it is an object of the present invention to provide a method capable of suppressing the occurrence of contamination or damage to a base in etching a SiO 2 -based material layer and achieving high speed and high selectivity.

【0007】[0007]

【課題を解決するための手段】本発明にかかるドライエ
ッチング方法は、上述の目的を達成するために提案され
るものである。すなわち、本願の第1の発明にかかるド
ライエッチング方法は、被エッチング基板の温度を室温
以下に制御しながら、炭素を構成元素として含まない非
堆積性のフッ素系化合物を含むエッチング・ガスを用い
てSiO2 系材料層を実質的にその層厚を越えない範囲
でエッチングする第1の工程と、被エッチング基板の温
度を室温以下に制御しながら、S2 2 ,SF2 ,SF
4 ,S2 10から選ばれる少なくとも1種類のフッ化イ
オウとH2 ,H2 S,シラン系化合物から選ばれる少な
くとも1種類の化合物とを含むエッチング・ガスを用い
て前記SiO2 系材料層の残余部をエッチングする第2
の工程とを有することを特徴とする。
A dry etching method according to the present invention is proposed to achieve the above object. That is, the dry etching method according to the first invention of the present application uses an etching gas containing a non-depositing fluorine-based compound containing no carbon as a constituent element while controlling the temperature of the substrate to be etched to be room temperature or lower. The first step of etching the SiO 2 -based material layer in a range that does not substantially exceed the layer thickness, and S 2 F 2 , SF 2 , SF while controlling the temperature of the substrate to be etched below room temperature.
The SiO 2 -based material layer using an etching gas containing at least one sulfur fluoride selected from 4 , S 2 F 10 and at least one compound selected from H 2 , H 2 S and silane compounds Second etching the rest of the
And the steps of.

【0008】さらに、本願の第2の発明にかかるドライ
エッチング方法は、前記非堆積性のフッ素系化合物とし
てSF6 ,NF3 の少なくとも一方を用いることを特徴
とする。
Further, the dry etching method according to the second invention of the present application is characterized in that at least one of SF 6 and NF 3 is used as the non-depositing fluorine-based compound.

【0009】[0009]

【作用】本発明では、SiO2 系材料層のエッチングを
2段階化し、まず第1の工程で炭素を構成元素として含
まない非堆積性のフッ素系化合物を含むエッチング・ガ
スを使用する。非堆積性のフッ素系化合物は、一般に1
分子内に比較的多くのF原子を有する揮発性の高い化合
物である。この化合物は、放電解離するとプラズマ中に
多原子イオンを生成するが、この多原子イオン中には多
くのF原子が含まれる。たとえば、SF6 からは放電解
離によりSF3 + ,SF4 + ,SF5 +等のイオンが生
成する。これらのイオンは、たとえばS2 2 から生成
するSF+ と比べて質量が大きいので、スパッタ効果が
大きい。しかも、SF6 は一段階反応で6個のF* と遊
離のSとに解離することはないので、上記イオンの生成
効率にも優れている。したがって、高速エッチングが可
能となるわけである。NF3 を用いた場合には、主とし
てNF2 + を効率良く生成させることができる。また、
上記非堆積性のフッ素系化合物は、炭素を構成元素とし
て含まないためCFx + を生成しない。したがって、従
来のプロセスにおいて問題となっていたC原子に起因す
る汚染や損傷を、本発明では本質的に回避することがで
きる。さらに、上記第1の工程では、SiO2 系材料層
を実質的にその層厚を越えない範囲でエッチングする。
つまり、下地が露出するやや手前か、あるいは下地の一
部が露出し始めた時点でエッチングを一旦終了させるの
である。このことにより、プラズマ中に大量に存在する
質量の大きいイオンの照射から下地を保護することが可
能となる。
In the present invention, the etching of the SiO 2 -based material layer is performed in two stages, and in the first step, an etching gas containing a non-depositable fluorine-based compound containing no carbon as a constituent element is used. The non-depositing fluorine compound is generally 1
It is a highly volatile compound having a relatively large number of F atoms in the molecule. This compound produces polyatomic ions in plasma when dissociated by discharge, and many polyatomic ions are contained in the polyatomic ions. For example, ions such as SF 3 + , SF 4 + , and SF 5 + are generated from SF 6 by discharge dissociation. Since these ions have a larger mass than SF + generated from S 2 F 2 , for example, the sputtering effect is large. Moreover, since SF 6 does not dissociate into 6 F * s and free S in a one-step reaction, it is also excellent in the generation efficiency of the above ions. Therefore, high speed etching becomes possible. When NF 3 is used, mainly NF 2 + can be efficiently produced. Also,
The non-depositable fluorine-based compound does not generate CF x + because it does not contain carbon as a constituent element. Therefore, the present invention can essentially avoid contamination and damage due to C atoms, which has been a problem in conventional processes. Further, in the first step, the SiO 2 -based material layer is etched within a range that does not substantially exceed the layer thickness.
In other words, the etching is temporarily stopped when the underlayer is slightly exposed or when a part of the underlayer starts to be exposed. This makes it possible to protect the base from the irradiation of a large amount of ions having a large mass existing in the plasma.

【0010】続く第2の工程では、S2 2 ,SF2
SF4 ,S2 10から選ばれる少なくとも1種類のフッ
化イオウとH2 ,H2 S,シラン系化合物から選ばれる
少なくとも1種類の化合物とを含むエッチング・ガスを
使用する。この混合ガス系において、SiO2 系材料層
のエッチング種となるのはフッ化イオウから放電解離に
より生成するSFx + である。ただし、第1の工程にお
けるよりも生成効率は低く、またxの値も概して低い。
このとき、同時にプラズマ中に生成する遊離のSは、側
壁保護膜を形成して異方性の向上に寄与する他、シリコ
ン系材料層の表面に堆積することにより対シリコン下地
選択性の向上にも寄与する。また、このフッ化イオウに
添加されているH2 ,H2 S,およびシラン系化合物
は、エッチング反応系の見掛け上のS/F比を増大させ
る作用を有する。ここで、H2 とH2 Sは、放電解離に
よりH* を生成する。過剰なF* はこのH* に捕捉され
てHFを生成し、エッチング装置の排気系統を介して系
外へ除去されるので、エッチング反応系のS/F比が増
大する。特にH2 Sは、自身がS供給源でもあるため、
S/F比の上昇効果が大きい。またシラン系化合物は、
放電解離によりH* の他にSi* を生成する。これら両
ラジカルが共にF* の捕捉に寄与し、HF,SiFx
の形で系外へ除去するため、やはりS/F比を効果的に
増大させることができる。このようにS/F比が増大す
れば、相対的にSは堆積し易い条件となり、側壁保護効
果が強化されて異方性加工が容易となる。また、F*
相対的に少なくなることにより、シリコン系材料からな
る下地に対して選択性が向上する。
In the subsequent second step, S 2 F 2 , SF 2 ,
An etching gas containing at least one kind of sulfur fluoride selected from SF 4 and S 2 F 10 and at least one kind of compound selected from H 2 , H 2 S and silane compounds is used. In this mixed gas system, SF x + generated from sulfur fluoride by discharge dissociation serves as an etching species for the SiO 2 -based material layer. However, the production efficiency is lower than in the first step, and the value of x is also generally low.
At this time, free S simultaneously generated in the plasma forms a side wall protective film to contribute to the improvement of anisotropy, and is deposited on the surface of the silicon-based material layer to improve the selectivity to the silicon underlayer. Will also contribute. Further, H 2 , H 2 S, and the silane-based compound added to this sulfur fluoride have a function of increasing the apparent S / F ratio of the etching reaction system. Here, H 2 and H 2 S generate H * by discharge dissociation. Excess F * is captured by this H * to generate HF, and is removed to the outside of the system through the exhaust system of the etching apparatus, so that the S / F ratio of the etching reaction system increases. In particular, H 2 S is also the source of S, so
The effect of increasing the S / F ratio is great. The silane compound is
Discharge dissociation produces Si * in addition to H * . Both of these radicals contribute to the trapping of F * and are removed to the outside of the system in the form of HF, SiF x, etc., so that the S / F ratio can also be effectively increased. If the S / F ratio is increased in this way, it becomes a condition that S is relatively easily deposited, the side wall protection effect is enhanced, and anisotropic processing is facilitated. Further, since F * is relatively small, the selectivity with respect to the underlying layer made of a silicon material is improved.

【0011】ところで、上記第2の工程では、前述した
理由によりS2 2 からのSFx + の生成量が少ないた
めに、高速性を期待することはできない。しかし、第2
の工程で行われるのはSiO2 系材料層の残余部のエッ
チングもしくはオーバーエッチングのみであり、層厚方
向の大部分は既に第1の工程において高密度で質量の大
きいイオンにより高速に除去されている。したがって、
本発明によれば、プロセス全体を通じてS2 2 等を使
用する場合と比べて遙かに短時間でエッチングを終了す
ることができ、スループットを向上させることができ
る。
In the second step, however, high speed cannot be expected because the amount of SF x + produced from S 2 F 2 is small for the reasons described above. But the second
Only the remaining portion of the SiO 2 -based material layer is etched or over-etched in the step of (1), and most of the layer thickness direction has already been removed at high speed by the high density and large mass ions in the first step. There is. Therefore,
According to the present invention, the etching can be completed in a much shorter time than the case where S 2 F 2 or the like is used throughout the process, and the throughput can be improved.

【0012】[0012]

【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.

【0013】実施例1 本実施例は、本願の第2の発明をコンタクト・ホール加
工に適用し、第1の工程でSF6 を用いてSiO2 層間
絶縁膜をその膜厚の約90%だけエッチングした後、第
2の工程でS2 2 /H2 混合ガスを用いて残る約10
%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。本実施例においてエッチング・
サンプルとして使用した被エッチング基板(ウェハ)
は、図1(a)に示されるように、予め不純物拡散領域
2が形成された単結晶シリコン基板1上にSiO2 層間
絶縁膜3が形成され、さらに該SiO2 層間絶縁膜のエ
ッチング・マスクとして開口部4aを有するレジスト・
パターン4が形成されてなるものである。ここで、上記
SiO2 層間絶縁膜3は、たとえばCVDにより厚さ約
1.0μmに形成されたものである。また、上記レジス
ト・パターン4は、一例としてノボラック系ポジ型フォ
トレジスト(東京応化工業社製;商品名TSMR−V
3)を使用し、g線露光とアルカリ現像により形成され
たものである。
[0013] Example 1 This example, a second aspect of the present invention is applied to a contact hole processing, the SiO 2 interlayer insulation film by using the SF 6 in a first step by about 90% of a thickness After etching, the remaining about 10 using S 2 F 2 / H 2 mixed gas in the second step.
This is an example of etching%. This process will be described with reference to FIG. In this example, etching
Etching substrate (wafer) used as a sample
As shown in FIG. 1A, a SiO 2 interlayer insulating film 3 is formed on a single crystal silicon substrate 1 in which an impurity diffusion region 2 is formed in advance, and an etching mask for the SiO 2 interlayer insulating film is further formed. With the opening 4a as
The pattern 4 is formed. Here, the SiO 2 interlayer insulating film 3 is formed to a thickness of about 1.0 μm by CVD, for example. The resist pattern 4 is, for example, a novolac-based positive photoresist (manufactured by Tokyo Ohka Kogyo; trade name TSMR-V).
It was formed by g-ray exposure and alkali development using 3).

【0014】このウェハを、RFバイアス印加型の有磁
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。上記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
から該冷却配管へ適当な冷媒を供給循環させることによ
り、エッチング中のウェハを所定の温度に維持できるよ
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、ウェハが−60℃に維持されるようにした。こ
の状態で、一例としてSF6 流量100SCCM,ガス
圧1.3Pa(10mTorr),マイクロ波パワー8
50W,RFバイアス・パワー300W(400kH
z)の条件でSiO2 層間絶縁膜3を約0.9μmの深
さまでエッチングした。この第1の工程では、SF6
放電解離によりプラズマ中に大量に生成するF* による
ラジカル反応が、高いRFバイアス・パワーで加速され
たSFx + 等のイオンによりアシストされる機構でエッ
チングが進行した。このとき、レジスト・パターン4が
イオンによりスパッタされて生じた分解生成物が炭素系
ポリマーを形成してパターン側壁部に堆積し、第1の側
壁保護膜5が形成された。この結果、図1(b)に示さ
れるように垂直壁を有するコンタクト・ホール3aが途
中まで形成された。上記第1の工程におけるエッチング
速度は約0.3μm/分、エッチングの所要時間は約3
分であり、実用上十分な値であった。
This wafer was set on the wafer mounting electrode of an RF bias application type magnetic field microwave plasma etching apparatus. The wafer mounting electrode has a built-in cooling pipe, and a cooling medium such as a chiller installed outside the apparatus supplies and circulates an appropriate coolant to the cooling pipe to maintain the wafer being etched at a predetermined temperature. It is made possible. Here, ethanol was used as the coolant, and the wafer was kept at -60 ° C. In this state, as an example, SF 6 flow rate 100 SCCM, gas pressure 1.3 Pa (10 mTorr), microwave power 8
50W, RF bias power 300W (400kHz
Under the condition of z), the SiO 2 interlayer insulating film 3 was etched to a depth of about 0.9 μm. In this first step, the radical reaction due to F * generated in large quantity in the plasma by the discharge dissociation of SF 6 is etched by a mechanism assisted by ions such as SF x + accelerated by high RF bias power. Progressed. At this time, the decomposition product generated by sputtering the resist pattern 4 with ions formed a carbon-based polymer and deposited on the pattern side wall portion, and the first side wall protective film 5 was formed. As a result, as shown in FIG. 1B, a contact hole 3a having a vertical wall was formed halfway. The etching rate in the first step is about 0.3 μm / min, and the etching time is about 3
It was a minute, which was a sufficient value for practical use.

【0015】次に、エッチング条件を一例としてS2
2 流量20SCCM,H2 流量50SCCM,ガス圧
1.3Pa(10mTorr),マイクロ波パワー85
0W,RFバイアス・パワー50W(400kHz),
ウェハ温度−60℃と変更し、SiO2 層間絶縁膜3の
残余部の約0.1μmをエッチングした。この第2の工
程では、S2 2 から生成するSF+ が主体となってエ
ッチングが進行した。ただし、SF+ の生成量は少な
い。ここでは、エッチング・ガスにH2 が添加されてい
るので、H* によりF* が捕捉され、エッチング反応性
のS/F比は増大した。これにより、エッチング反応系
はラジカル性が弱められると共にSに富む条件となり、
パターン側壁部には図1(c)に示されるようにSを主
体とする第2の側壁保護膜2が形成された。また、下地
の不純物拡散領域2が露出した時点では、その表面にS
堆積層7が形成されてエッチング速度が低下し、高い下
地選択性が得られた。しかも、RFバイアス・パワーが
低減されているので、レジスト・パターン4のスパッタ
による分解生成物の発生は極めて少なく、またSF+
イオン入射エネルギーも低減された。したがって、不純
物拡散領域2もしくはシリコン基板1に対してC原子や
S原子に由来する汚染やダメージが発生することはなか
った。上記第2の工程におけるエッチング速度は約0.
05μm/分、エッチングの所要時間は約2分であっ
た。本実施例のプロセス全体としては、約0.2μm/
分のエッチング速度が達成されたことになる。
Next, as an example of etching conditions, S 2 F
2 flow rate 20 SCCM, H 2 flow rate 50 SCCM, gas pressure 1.3 Pa (10 mTorr), microwave power 85
0W, RF bias power 50W (400kHz),
The wafer temperature was changed to −60 ° C. and about 0.1 μm of the remaining portion of the SiO 2 interlayer insulating film 3 was etched. In this second step, the etching progressed mainly by SF + generated from S 2 F 2 . However, the amount of SF + produced is small. Here, since H 2 was added to the etching gas, F * was captured by H * , and the S / F ratio of etching reactivity was increased. As a result, the etching reaction system becomes a condition in which the radical property is weakened and S is rich,
As shown in FIG. 1C, a second side wall protective film 2 mainly containing S was formed on the side wall of the pattern. Further, when the underlying impurity diffusion region 2 is exposed, S
The deposition layer 7 was formed, the etching rate was lowered, and high underlayer selectivity was obtained. Moreover, since the RF bias power is reduced, the generation of decomposition products due to the sputtering of the resist pattern 4 is extremely small, and the SF + ion incident energy is also reduced. Therefore, the impurity diffusion region 2 or the silicon substrate 1 was not contaminated or damaged due to C atoms or S atoms. The etching rate in the second step is about 0.
The time required for etching was about 2 minutes. The overall process of this example is about 0.2 μm /
A minute etch rate has been achieved.

【0016】エッチング終了後、上記のウェハをプラズ
マ・アッシング装置に移設し、通常のO2 プラズマ・ア
ッシングの条件にてレジスト・パターン4を除去した。
このとき、第1の側壁保護膜5、第2の側壁保護膜6、
およびS堆積層7も同時に除去された。この除去の機構
は主として、炭素系ポリマーについては燃焼、Sについ
ては燃焼および加熱による昇華にもとづいている。最終
的には図1(d)に示されるように、何らパーティクル
汚染を発生することなく良好な異方性形状を有するコン
タクト・ホール3aを形成することができた。また、不
純物拡散領域2への汚染や損傷もみられず、したがって
ライトエッチも不要であった。
After the etching was completed, the above wafer was transferred to a plasma ashing apparatus, and the resist pattern 4 was removed under the usual O 2 plasma ashing conditions.
At this time, the first side wall protective film 5, the second side wall protective film 6,
The S deposition layer 7 was also removed at the same time. The mechanism of this removal is mainly based on combustion for carbon-based polymers and sublimation by burning and heating for S. Finally, as shown in FIG. 1D, it was possible to form the contact hole 3a having a good anisotropic shape without generating any particle contamination. Further, neither contamination nor damage to the impurity diffusion region 2 was observed, and therefore, light etching was unnecessary.

【0017】実施例2 本実施例は、本願の第2の発明を同じくコンタクト・ホ
ール加工に適用し、第1の工程ではNF3 、第2の工程
ではS2 2 /H2 混合ガスを用いた例である。本実施
例におけるエッチング・サンプルは、前述の図1(a)
に示したものと同じである。このウェハをマグネトロン
型RIE(反応性イオン・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
却配管にエタノール冷媒を供給することにより、エッチ
ング中のウェハ温度が−60℃に維持されるようにし
た。この状態で、一例としてNF3 流量100SCC
M,ガス圧1.3Pa(10mTorr),自己バイア
ス電位(Vdc)−200V,RFバイアス・パワー1k
W(13.56MHz)の条件でSiO2 層間絶縁膜3
を約0.9μmの深さまでエッチングした。この第1の
工程では、NF3 から大量に生成するF* によるラジカ
ル反応をNFx + ,N+ 等のイオンがアシストする機構
でエッチングが進行し、図1(b)に示されるように異
方性形状を有するコンタクト・ホール3aが途中まで形
成された。上記第1の工程におけるエッチング速度は約
0.4μm/分、エッチングの所要時間は約2.5分で
あった。
Embodiment 2 In this embodiment, the second invention of the present application is also applied to the processing of contact holes, and NF 3 is used in the first step and S 2 F 2 / H 2 mixed gas is used in the second step. This is the example used. The etching sample in this embodiment is the same as that shown in FIG.
Is the same as that shown in. By setting this wafer on the wafer mounting electrode of the magnetron type RIE (reactive ion etching) device and supplying the ethanol refrigerant to the cooling pipe built in the wafer mounting electrode, the wafer temperature during etching is controlled. The temperature was maintained at -60 ° C. In this state, as an example, the NF 3 flow rate is 100 SCC
M, gas pressure 1.3 Pa (10 mTorr), self-bias potential (V dc ) -200 V, RF bias power 1 k
SiO 2 interlayer insulating film 3 under the condition of W (13.56 MHz)
Was etched to a depth of about 0.9 μm. In the first step, the etching proceeds by a mechanism in which radicals of F * generated in a large amount from NF 3 are assisted by ions such as NF x + and N + , and as shown in FIG. The contact hole 3a having a square shape was formed partway. The etching rate in the first step was about 0.4 μm / minute, and the time required for etching was about 2.5 minutes.

【0018】次に、一例としてS2 2 流量20SCC
M,H2 流量50SCCM,ガス圧1.3Pa(10m
Torr),自己バイアス電位(Vdc)−30V,RF
バイアス・パワー400W(13.56MHz),ウェ
ハ温度−60℃の条件でSiO2 層間絶縁膜3の残余部
の約0.1μmをエッチングした。この第2の工程にお
けるエッチングの機構は、ほぼ実施例1で上述したとお
りであり、図1(c)に示されるようなコンタクト・ホ
ール3aを形成した。上記第2の工程におけるエッチン
グ速度は約0.05μm/分、エッチングの所要時間は
約2分であった。本実施例のプロセス全体としては、約
0.22μm/分のエッチング速度が達成されたことに
なる。最後に、実施例1と同様にO2 プラズマ・アッシ
ングを行い、図1(d)に示されるようにレジスト・パ
ターン4、第1の側壁保護膜5、および第2の側壁保護
膜6を除去した。
Next, as an example, an S 2 F 2 flow rate of 20 SCC
M, H 2 flow rate 50 SCCM, gas pressure 1.3 Pa (10 m
Torr), self-bias potential (V dc ) -30V, RF
About 0.1 μm of the remaining portion of the SiO 2 interlayer insulating film 3 was etched under the conditions of a bias power of 400 W (13.56 MHz) and a wafer temperature of −60 ° C. The etching mechanism in this second step is almost as described above in Example 1, and the contact hole 3a as shown in FIG. 1C was formed. The etching rate in the second step was about 0.05 μm / minute, and the time required for etching was about 2 minutes. An etching rate of about 0.22 μm / min was achieved in the entire process of this example. Finally, O 2 plasma ashing is performed in the same manner as in Example 1 to remove the resist pattern 4, the first side wall protective film 5 and the second side wall protective film 6 as shown in FIG. did.

【0019】以上、本発明を2種類の実施例にもとづい
て説明したが、本発明はこれらの実施例に何ら限定され
るものではなく、たとえば上述のS2 2 以外のS
2 ,SF4 ,S2 10を使用してもほぼ同様の結果が
得られる。また、本発明のあらゆる工程で使用されるエ
ッチング・ガスには、スパッタリング効果,希釈効果,
冷却効果等を期待する意味でHe,Ar等の希ガスを適
宜添加しても良い。さらに、被エッチング材料層は上述
のSiO2 に限られるものではなく、PSG,BSG,
BPSG,AsSG,AsPSG,AsBSG等であっ
ても良い。なお、炭素を構成元素として含まない非堆積
性のフッ素系化合物としてはBF3 ,PF5 等も考えら
れるが、これらの化合物に含まれるBやPはシリコン基
板に対してドーパントとなるので、本発明の目的には適
さない。
Although the present invention has been described based on the two types of embodiments, the present invention is not limited to these embodiments. For example, S other than S 2 F 2 described above may be used.
Almost the same result can be obtained by using F 2 , SF 4 , and S 2 F 10 . In addition, the etching gas used in all the steps of the present invention, sputtering effect, dilution effect,
A rare gas such as He or Ar may be appropriately added to expect a cooling effect or the like. Further, the material layer to be etched is not limited to the above-mentioned SiO 2 , but PSG, BSG,
It may be BPSG, AsSG, AsPSG, AsBSG, or the like. Note that BF 3 , PF 5, etc. may be considered as non-depositing fluorine-based compounds that do not contain carbon as a constituent element, but since B and P contained in these compounds serve as dopants for the silicon substrate, Not suitable for the purpose of the invention.

【0020】[0020]

【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SiO2 系材料層のドライエッチングを2段階化
し、高速性を重視した第1の工程により層厚方向の大部
分を除去した後、高下地選択性,高異方性,低汚染性,
低ダメージ性を重視した第2の工程で残余部を除去す
る。この2工程の組み合わせにより、従来のドライエッ
チング方法では両立困難であった諸要求が同時に満足さ
れる。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、高集積度と高性能を有する半導体
装置の製造に極めて好適である。
As is clear from the above description, in the present invention, the dry etching of the SiO 2 -based material layer is performed in two stages, and most of the layer thickness direction is removed by the first step which emphasizes high speed. After that, high substrate selectivity, high anisotropy, low contamination,
The residual part is removed in the second step which attaches importance to low damage. By the combination of these two steps, various requirements that were difficult to meet in the conventional dry etching method are simultaneously satisfied. Therefore, the present invention is extremely suitable for manufacturing a semiconductor device which is designed based on a fine design rule and has high integration and high performance.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】本発明をコンタクト・ホールに適用したプロセ
ス例をその工程順にしたがって示す模式的断面図であ
り、(a)はSiO2 層間絶縁膜上にレジスト・パター
ンが形成された状態、(b)はSiO2 層間絶縁膜が途
中までエッチングされた状態、(c)はSiO2 層間絶
縁膜がエッチングされて露出した下地の表面にS堆積層
が形成された状態、(d)はレジスト・パターン、側壁
保護膜、およびS堆積層が除去されてコンタクト・ホー
ルが完成した状態をそれぞれ表す。
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing an example of a process in which the present invention is applied to a contact hole in the order of steps, (a) showing a state where a resist pattern is formed on a SiO 2 interlayer insulating film, (b) 6A is a state in which the SiO 2 interlayer insulating film is etched halfway, FIG. 8C is a state in which an S deposition layer is formed on the surface of the base exposed by etching the SiO 2 interlayer insulating film, and FIG. , The side wall protective film, and the S deposit layer are removed to complete the contact hole.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 ・・・単結晶シリコン基板 2 ・・・不純物拡散領域 3 ・・・SiO2 層間絶縁膜 3a・・・コンタクト・ホール 4 ・・・レジスト・パターン 4a・・・開口部 5 ・・・第1の側壁保護膜 6 ・・・第2の側壁保護膜 7 ・・・S堆積層1 ... Single-crystal silicon substrate 2 ... Impurity diffusion region 3 ... SiO 2 interlayer insulating film 3a ... Contact hole 4 ... Resist pattern 4a ... Opening 5 ... First Side wall protective film 6 ... Second side wall protective film 7 ... S deposited layer

Claims (2)

【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
御しながら、炭素を構成元素として含まない非堆積性の
フッ素系化合物を含むエッチング・ガスを用いて酸化シ
リコン系材料層を実質的にその層厚を越えない範囲でエ
ッチングする第1の工程と、 被エッチング基板の温度を室温以下に制御しながら、S
2 2 ,SF2 ,SF4 ,S2 10から選ばれる少なく
とも1種類のフッ化イオウとH2 ,H2 S,シラン系化
合物から選ばれる少なくとも1種類の化合物とを含むエ
ッチング・ガスを用いて前記酸化シリコン系材料層の残
余部をエッチングする第2の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。
1. A silicon oxide based material layer is substantially formed by using an etching gas containing a non-depositing fluorine-based compound containing no carbon as a constituent element while controlling the temperature of a substrate to be etched below room temperature. The first step of etching within a range not exceeding the layer thickness, and the temperature of the substrate to be etched is controlled to room temperature or below, and S
An etching gas containing at least one kind of sulfur fluoride selected from 2 F 2 , SF 2 , SF 4 and S 2 F 10 and at least one kind of compound selected from H 2 , H 2 S and silane compounds is used. And a second step of etching the remaining portion of the silicon oxide based material layer using the dry etching method.
【請求項2】 前記非堆積性のフッ素系化合物はS
6 ,NF3の少なくとも一方であ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。
2. The non-depositing fluorine-based compound is S
The dry etching method according to claim 1, wherein at least one of F 6 and NF 3 is used.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR20160037321A (en) 2014-09-26 2016-04-06 주식회사 메디켐코리아 Synthetic method of febuxostat

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