JPH0458176B2 - - Google Patents
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Description
【発明の詳細な説明】
技術分野
本発明は、半導体集積回路などの電子デバイス
の製造にあたり試料基板上の各種薄膜をエツチン
グ除去する方法に関するもので、とくに反応性ガ
スプラズマ中のイオンを利用して制御性よく高品
質に微細パタンを形成する反応性イオンエツチン
グ方法に関するものである。Detailed Description of the Invention Technical Field The present invention relates to a method for etching and removing various thin films on a sample substrate during the manufacture of electronic devices such as semiconductor integrated circuits. The present invention relates to a reactive ion etching method for forming fine patterns with good controllability and high quality.
従来技術
半導体集積回路などの電子デバイスの製造のた
めの高速化、高集積化にともない、高精度、高品
質に微細パタンを形成できるエツチング方法が望
まれている。特に、MOSデバイス等のゲート金
属パタン形成では、それ自体を高精度にパタン加
工するとともに、薄い下地ゲート酸化膜、レジス
ト膜を選択性高くエツチングし、下地半導体への
損傷を極力小さくする必要がある。BACKGROUND OF THE INVENTION As electronic devices such as semiconductor integrated circuits are manufactured at higher speeds and with higher integration, there is a need for an etching method that can form fine patterns with high precision and quality. In particular, when forming gate metal patterns for MOS devices, etc., it is necessary to pattern the metal itself with high precision and to etch the thin underlying gate oxide film and resist film with high selectivity to minimize damage to the underlying semiconductor. .
従来、例えばゲート金属として広く用いられて
いるポリシリコンに対してはCF4ガスプラズマエ
ツチング法が広く用いられている。この場合ガス
圧は10〜100Paと高ガス圧であり、エツチング反
応の殆んどは方向性がなく、反応性の高い弗素ラ
ジカルとの反応によつている。したがつて酸化膜
との選択性を高くしてエツチングできるが、等方
的なエツチング反応となるためアンダカツトが生
じ、パタンの微細化には限界があつた。 Conventionally, for example, CF 4 gas plasma etching has been widely used for polysilicon, which is widely used as gate metal. In this case, the gas pressure is as high as 10 to 100 Pa, and most of the etching reactions are non-directional and result from reactions with highly reactive fluorine radicals. Therefore, etching can be performed with high selectivity with respect to the oxide film, but since the etching reaction is isotropic, undercuts occur and there is a limit to the miniaturization of patterns.
これに対して１〜10Paのガス圧範囲で、イオ
ン衝撃反応を併用してエツチングする反応性スパ
ツタエツチング法がある。この方法では、平行平
板形電極による高周波放電によつて試料表面上に
形成されるプラズマシース内のセルフバイアス電
界でイオンエネルギを付与し、イオンの衝撃効果
でエツチング反応を生じさせるため、アンダカツ
トのないパタン形が可能である。しかし、ガス圧
が比較的に高いため、反応性ラジカルのエツチン
グ作用を抑制してアンダカツトを生じないように
するために、CCl2F2，CBrF3などのハロゲン化
炭素をガスとして用いる必要があり、また、200
〜1000eVのイオンエネルギを必要としている。
したがつてこのエツチング方法は高精度にパタン
加工できるが、充分大きい選択特性は実現困難で
あり、また、下地半導体に損傷を与えることがあ
るため、ゲート金属のエツチング法としては、そ
の適用が制限されていた。また、塩素ガス等の炭
素を含まないハロゲンガスを用いた場合には、ガ
ス圧が高いためアンダカツトを生じたり、またイ
オンエネルギが高すぎてレジストや下地に対して
充分な選択性が得られず、薄い酸化膜上の高精度
な金属エツチングには使用できない。 On the other hand, there is a reactive sputter etching method in which etching is performed using ion bombardment reaction in a gas pressure range of 1 to 10 Pa. In this method, ion energy is applied by a self-bias electric field within the plasma sheath that is formed on the sample surface by high-frequency discharge from parallel plate electrodes, and an etching reaction is caused by the ion bombardment effect, so there is no undercut. Pattern shapes are possible. However, because the gas pressure is relatively high, it is necessary to use a halogenated carbon such as CCl 2 F 2 or CBrF 3 as a gas in order to suppress the etching effect of reactive radicals and prevent undercuts from occurring. , also 200
It requires an ion energy of ~1000eV.
Therefore, although this etching method can process patterns with high precision, it is difficult to achieve sufficiently large selection characteristics and may damage the underlying semiconductor, so its application as an etching method for gate metals is limited. It had been. Furthermore, when using a halogen gas that does not contain carbon, such as chlorine gas, the gas pressure is high, which may cause undercuts, and the ion energy is too high, making it difficult to obtain sufficient selectivity for the resist or underlayer. , it cannot be used for high-precision metal etching on thin oxide films.
このように、従来の反応性ドライエツチング法
では、アンダカツトのない高精度なエツチング
と、下地やレジストに対する充分な選択性を得る
ことを両立させることは難しく、このため、下地
へのイオン衝撃損傷を防止して、選択性高く、微
細にパタン加工する必要のあるMOSデバイス等
のゲート金属膜エツチングに充分に適用できない
という欠点があつた。 In this way, with conventional reactive dry etching methods, it is difficult to achieve both high precision etching without undercuts and sufficient selectivity for the substrate and resist. The drawback is that it cannot be sufficiently applied to gate metal film etching for MOS devices, etc., which requires highly selective etching and fine patterning.
発明の目的
本発明は以上の状況に鑑みてなされたもので、
その目的は、アンダカツトなく、選択性高く、高
品質に、微細パタンを形成しうる反応性イオンエ
ツチング方法を提供することにある。Purpose of the invention The present invention has been made in view of the above circumstances.
The purpose is to provide a reactive ion etching method capable of forming fine patterns with high selectivity and high quality without undercuts.
発明の構成および作用
本発明においては、電子サイクロトロン共鳴放
電を利用して低ガス圧でプラズマを生成し、発散
磁界によりプラズマ流としてイオンを効率良く引
き出すことにより、50eV以下のエネルギと方向
性を反応性イオンに付与し、方向性のない中性ラ
ジカル濃度を低くし、さらにガスとして中性ラジ
カルでは比較的反応性が小さく、かつ50eV以下
の低エネルギで金属に対して反応性が促進される
ガス、たとえば、弗素以外のハロゲンガスを主成
分として用いる。Structure and operation of the invention In the present invention, plasma is generated at low gas pressure using electron cyclotron resonance discharge, and ions are efficiently extracted as a plasma stream by a divergent magnetic field, thereby reacting with energy and directionality of 50 eV or less. A gas that attaches to neutral ions and lowers the concentration of non-directional neutral radicals, and has relatively low reactivity with neutral radicals as a gas, and which promotes reactivity with metals at low energy of 50 eV or less. For example, a halogen gas other than fluorine is used as the main component.
以下に図面を参照して本発明を詳細に説明す
る。 The present invention will be described in detail below with reference to the drawings.
第１図は本発明方法の検討に用いた装置の例で
あつて、１はプラズマ生成室、２は試料室、３は
マイクロ波導入窓、４は矩形導波管、５はプラズ
マ流、６はプラズマ引出し窓、７は試料基板、８
は試料載置台、９は試料台、１０は排気系、１１
は磁気コイル、１２は磁気シールド、１３は第１
ガス導入系、１４は第２ガス導入系、１５は冷却
水の給水口、排水口である。 FIG. 1 shows an example of the apparatus used in the study of the method of the present invention, in which 1 is a plasma generation chamber, 2 is a sample chamber, 3 is a microwave introduction window, 4 is a rectangular waveguide, 5 is a plasma flow, and 6 is a rectangular waveguide. is the plasma extraction window, 7 is the sample substrate, 8
9 is the sample stage, 10 is the exhaust system, 11
is a magnetic coil, 12 is a magnetic shield, 13 is a first
A gas introduction system, 14 is a second gas introduction system, and 15 is a cooling water supply port and a drain port.
プラズマを生成する時、排気系１０により高真
空にプラズマ生成室１と試料室２を排気し、第１
ガス導入系１３と第２ガス導入系１４の一方、ま
たは両方よりガスを導入し、10-3〜1Paの圧力と
し、マイクロ波源（図示省略）よりマイクロ波を
矩形導波管４、マイクロ波導入窓３を介してプラ
ズマ生成室１に導入し、同時にプラズマ生成室１
に周設した磁気コイル１１により、プラズマ生成
室の少なくとも一部に電子サイクロトロン共鳴条
件を満たす磁界を与える。マイクロ波源には例え
ば周波数2.45GHzのマグネトロンを用いることが
でき、この時の電子サイクロトロン共鳴条件は磁
束密度875Gである。プラズマ生成室１はマイク
ロ波の電界強度を高め、放電の効率を高めるため
に、マイクロ波空洞共振器の条件に構成するのが
好適で、本実施例ではTE113の円形空洞共振器モ
ードを採用し、内のり寸法で直径17cm、高さ20cm
の円筒形状とした。プラズマ引出し窓６は直径５
cmの円形窓とし、マイクロ波に対する反射面とし
た。 When generating plasma, the plasma generation chamber 1 and the sample chamber 2 are evacuated to a high vacuum by the exhaust system 10, and the first
Gas is introduced from one or both of the gas introduction system 13 and the second gas introduction system 14 to a pressure of 10 -3 to 1 Pa, and microwaves are introduced from a microwave source (not shown) into the rectangular waveguide 4. It is introduced into the plasma generation chamber 1 through the window 3, and at the same time the plasma generation chamber 1 is
A magnetic coil 11 provided around the plasma generating chamber applies a magnetic field satisfying electron cyclotron resonance conditions to at least a portion of the plasma generation chamber. For example, a magnetron with a frequency of 2.45 GHz can be used as the microwave source, and the electron cyclotron resonance condition at this time is a magnetic flux density of 875 G. In order to increase the microwave electric field strength and discharge efficiency, the plasma generation chamber 1 is preferably configured under the conditions of a microwave cavity resonator, and in this example, the circular cavity mode of TE 113 is adopted. The inner dimensions are 17cm in diameter and 20cm in height.
It was made into a cylindrical shape. The plasma drawer window 6 has a diameter of 5
The window was made into a circular window with a diameter of 1.5 cm and a reflective surface for microwaves.
磁気コイル１１により発生する磁界は、プラズ
マ生成室１の内部の電子サイクロトロン共鳴領域
から、料試室２に設置された試料台９の方向に適
当な勾配で減少する発散磁界の構成としている。
マイクロ波電子サイクロトロン（ECR）共鳴に
より生成されたプラズマでは、電子が高エネルギ
状態で円運動しているため、電子の持つ磁気モー
メントと発散磁界の磁界勾配との相互作用で、磁
界強度の減少する方向、つまりプラズマ生成室１
から試料台９の方向にプラズマ中の電子が加速さ
れ、この結果プラズマ流５が形成される。本構成
ではプラズマ生成室１と電気的に絶縁した状態で
試料台９の上に試料載置台８を配置している。こ
のような構成では、電子の入射によつて試料載置
台８は負に帯電し、その結果イオンの入射数と電
子の入射数とが一致するような条件で平衡状態に
なる。すなわち、プラズマ流５の内部には電子を
減速させ、イオンを加速するような電界が生じ
る。この際プラズマ流中のイオンは、従来法のよ
うにイオンが熱拡散でプラズマ流中を移動する場
合と異なり、本発明ではプラズマ流中の電界によ
つて輪送されるので、効率的に試料のシース表面
に到達することになる。さらに、試料載置台８の
表面には電子の熱運動に起因した電界が生じ、プ
ラズマシースが形成される。これらの結果、プラ
ズマ中のイオンは、プラズマ流中の電界と、プラ
ズマシース中の電界の和に等しい運動エネルギお
よび方向性を付与されて試料載置台８、試料基板
７に入射する。 The magnetic field generated by the magnetic coil 11 is a diverging magnetic field that decreases at an appropriate gradient from the electron cyclotron resonance region inside the plasma generation chamber 1 toward the sample stage 9 installed in the sample sample chamber 2.
In plasma generated by microwave electron cyclotron (ECR) resonance, electrons move in a circular motion in a high-energy state, so the magnetic field strength decreases due to the interaction between the magnetic moment of the electrons and the magnetic field gradient of the divergent magnetic field. direction, that is, plasma generation chamber 1
Electrons in the plasma are accelerated toward the sample stage 9, and as a result, a plasma flow 5 is formed. In this configuration, a sample mounting table 8 is placed on a sample table 9 in a state where it is electrically insulated from the plasma generation chamber 1. In such a configuration, the sample mounting table 8 is negatively charged by the incidence of electrons, and as a result, an equilibrium state is reached under the condition that the number of incident ions and the number of incident electrons match. That is, an electric field is generated inside the plasma flow 5 that decelerates electrons and accelerates ions. At this time, unlike the conventional method in which ions move through the plasma stream by thermal diffusion, the ions in the plasma stream are transported by the electric field in the plasma stream in the present invention, so that the ions can be efficiently sampled. reaches the sheath surface. Furthermore, an electric field is generated on the surface of the sample mounting table 8 due to the thermal movement of electrons, and a plasma sheath is formed. As a result, the ions in the plasma are imparted with kinetic energy and directionality equal to the sum of the electric field in the plasma flow and the electric field in the plasma sheath, and enter the sample mounting table 8 and the sample substrate 7.
プラズマ流５の内部に電界を効率よく発生させ
るため、第１図の構成ではプラズマ生成室１を接
地電位、試料載置台８を浮遊電位としたが、これ
とは逆に、プラズマ生成室１を浮遊電位、試料載
置台８を接地電位としても効果は変わらない。ま
た、必要な場合には試料台９に試料冷却機能を持
たせることができる。さらに、試料基板への汚染
対策としてプラズマ生成室内部を石英等で覆うこ
とができる。 In order to efficiently generate an electric field inside the plasma flow 5, in the configuration shown in FIG. Even if the floating potential and the sample mounting table 8 are set to the ground potential, the effect remains the same. Further, if necessary, the sample stage 9 can be provided with a sample cooling function. Furthermore, as a countermeasure against contamination of the sample substrate, the inside of the plasma generation chamber can be covered with quartz or the like.
第２図は本発明の実施例におけるプラズマ電位
分布の測定結果である。本実施例では、10-5Pa
の高真空までプラズマ生成室、試料室を排気し、
その後Arをプラズマ生成室に導入して5x10-2Pa
（●）、または1.5x10-Pa（▲）の圧力として、プ
ラズマ生成室にマイクロ波（2.45GHz，100W）
を導入し、磁気コイルによりECR条件の磁界を
プラズマ生成室に与えてプラズマを生成した。プ
ラズマ電位はエミツシブプローブ法より測定し
た。試料台はプラズマ引出し窓から16.5cmの位置
に配置した。プラズマ電位はプラズマ引出し窓か
らの距離にしたがつて徐々に減少し、試料台の位
置Ａで急激に減少している。プラズマ流中のプラ
ズマ電位が徐々に減少する傾向は、同じく図に示
した磁界の分布Ｘの傾向と良く一致している。こ
れは発散磁界による高エネルギ回転運動電子の加
速効果によつて、プラズマ流中のイオンにエネル
ギが付与されることを示している。また、この傾
向はガス圧にも依存し、高ガス圧程、磁界の分布
に対する依存度は小さくなつている。これは、電
子がプラズマ流中でガス分子などと衝突し、磁界
による加速効果が弱くなるためと考えられる。さ
らに、プラズマ電位が試料台の近傍で急激に減少
しているが、この部分は電子の熱的な運動に起因
して形成されるプラズマシースと呼ばれる部分で
ある。このように、プラズマ引出し窓から引き出
されたイオンは、プラズマ流中の電界によつて効
率的に試料近傍まで輪送されると共に発散磁界の
効果とプラズマシースによつてエツチングに適当
なエネルギと方向性を付与された状態で試料に入
射する。 FIG. 2 shows the measurement results of plasma potential distribution in an example of the present invention. In this example, 10 -5 Pa
Evacuate the plasma generation chamber and sample chamber to a high vacuum of
After that, Ar was introduced into the plasma generation chamber to generate 5x10 -2 Pa.
Microwave (2.45GHz, 100W) is applied to the plasma generation chamber at a pressure of (●) or 1.5x10 - Pa (▲).
was introduced, and a magnetic field under ECR conditions was applied to the plasma generation chamber using a magnetic coil to generate plasma. Plasma potential was measured using an emissive probe method. The sample stage was placed 16.5 cm from the plasma extraction window. The plasma potential gradually decreases with increasing distance from the plasma extraction window, and rapidly decreases at position A of the sample stage. The tendency for the plasma potential in the plasma flow to gradually decrease matches well with the tendency of the magnetic field distribution X shown in the figure. This indicates that energy is imparted to the ions in the plasma flow due to the acceleration effect of high-energy rotating electrons due to the divergent magnetic field. This tendency also depends on the gas pressure, and the higher the gas pressure, the less the dependence on the magnetic field distribution. This is thought to be because electrons collide with gas molecules in the plasma flow, weakening the acceleration effect of the magnetic field. Furthermore, the plasma potential decreases rapidly in the vicinity of the sample stage, and this region is called a plasma sheath, which is formed due to the thermal movement of electrons. In this way, the ions extracted from the plasma extraction window are efficiently transported to the vicinity of the sample by the electric field in the plasma flow, and are given the appropriate energy and direction for etching by the effect of the diverging magnetic field and the plasma sheath. incident on the sample in a state where it has been given a property.
イオンエネルギは、第２図にも示したように磁
界分布構成、ガス圧に依存するが、さらにマイク
ロ波電力、試料台とプラズマ引出し窓との距離に
も依存し、これらを種々変化させることによつ
て、自由にイオンエネルギを制御することができ
る。本発明においては、イオンエネルギを10-3〜
1Paの範囲のガス圧およびマイクロ波電力によつ
て制御する。 Ion energy depends on the magnetic field distribution configuration and gas pressure as shown in Figure 2, but it also depends on the microwave power and the distance between the sample stage and the plasma extraction window, and these can be varied in various ways. Therefore, the ion energy can be freely controlled. In the present invention, the ion energy is 10 -3 ~
Controlled by gas pressure in the range of 1Pa and microwave power.
第２図の電位分布測定に用いたガスはArであ
るが、反応性ガスを用いても同様の電位分布を示
し反応性ガスを用いて実用的に50eV以下のイオ
ンエネルギ制御が可能である。このイオンエネル
ギ領域は、従来の方法では制御不能の領域であつ
てCl2等のガスに対してイオン衝撃による化学反
応を誘起するのに充分であつて、かつ、エツチン
グ反応領域以外へのイオン衝撃損傷を考慮する必
要のないものである。なお、50eVよりのイオン
エネルギが大きくなるにつれSiO2、レジストに
対してもエツチング反応が促進され、選択性が低
下する。本方法におけるイオンエネルギ領域で
は、Cl2などのハロゲンガスに対してSiO2、レジ
ストのエツチング速度を増加させずに、Si等金属
のエツチング反応を充分に促進させる効果を有し
ている。また、試料基板上でのイオン電流密度は
３〜5mA／cm2であり、高エツチング速度が期待
できる。 Although the gas used for measuring the potential distribution in FIG. 2 is Ar, a similar potential distribution can be obtained even if a reactive gas is used, and it is possible to practically control the ion energy below 50 eV using a reactive gas. This ion energy region is a region that cannot be controlled by conventional methods, and is sufficient to induce a chemical reaction by ion bombardment in gases such as Cl 2 . There is no need to consider damage. Note that as the ion energy increases from 50 eV, the etching reaction of SiO 2 and resist is promoted, and the selectivity decreases. The ion energy range of this method has the effect of sufficiently promoting the etching reaction of metals such as Si without increasing the etching rate of SiO 2 and resist with respect to halogen gas such as Cl 2 . Furthermore, the ion current density on the sample substrate is 3 to 5 mA/cm 2 , and a high etching rate can be expected.
第３図は本発明の他の実施例であつて単結晶シ
リコン（100面）のエツチング特性を示すもので
ある。ガスは塩素ガス（Cl2）を第１ガス導入系
１３より導入し、その流量でガス圧を変化させ
た。マイクロ波電力は300Wとした。単結晶シリ
コンのエツチング速度は、ガス圧5x10-2Pa以下
で1000Å／min以上と大きな値となつている。ま
た、これは、ガス圧に大きく依存し、ガス圧が高
くなるにしたがつてエツチング速度は減少する。
さらに、この傾向は、同じく第３図に示したイオ
ン引出し電圧のガス圧依存の傾向と良く一致して
いる。イオン引出し電圧は第２図に示したプラズ
マ電位が徐々に減少する部分、すなわちプラズマ
流中に発生している発散磁界に基づくイオン加速
電圧を表している。試料基板に入射するイオンの
エネルギはこのイオン引出し電圧とプラズマシー
ス電位の和である。プラズマシース電位は約
10eVであり、ガス圧依存性は小さかつた。これ
らの結果は、単結晶シリコンのエツチングのため
には、20〜50eVのイオンエネルギが有効であり、
またこのイオンエネルギを制御性良く付与するこ
とが重要なことを示している。本実施例では、エ
ネルギの低い塩素ラジカルは低濃度かつ反応性が
小さいため、アンダカツトは全く起こらず、サブ
ミクロンパタンに対して極めて高精度な加工が実
現できた。 FIG. 3 shows another embodiment of the present invention and shows the etching characteristics of single crystal silicon (100 planes). As for the gas, chlorine gas (Cl 2 ) was introduced from the first gas introduction system 13, and the gas pressure was changed depending on the flow rate. The microwave power was 300W. The etching rate of single crystal silicon is as high as 1000 Å/min or more at a gas pressure of 5x10 -2 Pa or less. It is also highly dependent on gas pressure, with the etching rate decreasing as the gas pressure increases.
Furthermore, this tendency agrees well with the tendency of the gas pressure dependence of the ion extraction voltage, which is also shown in FIG. The ion extraction voltage represents the part where the plasma potential gradually decreases as shown in FIG. 2, that is, the ion acceleration voltage based on the divergent magnetic field generated in the plasma flow. The energy of ions incident on the sample substrate is the sum of this ion extraction voltage and the plasma sheath potential. The plasma sheath potential is approximately
10 eV, and gas pressure dependence was small. These results indicate that an ion energy of 20 to 50 eV is effective for etching single crystal silicon.
This also shows that it is important to apply this ion energy with good controllability. In this example, since chlorine radicals with low energy have a low concentration and low reactivity, undercuts did not occur at all, and a submicron pattern could be processed with extremely high precision.
第４図は本発明の他の実施例であつて多結晶Si
膜の選択エツチング特性を示すものである。本実
施例では第１ガス導入系１３より塩素ガス（Cl2）
を導入し、その流量でガス圧を変化させた。マイ
クロ波電力は300Wとした。エツチング速度は多
結晶Si膜（〇）の他に、レジスト膜として
AZ1350J（●）、下地膜としてSiO2膜（▲）につ
いても示した。多結晶Si膜、SiO2膜のエツチン
グ速度はガス圧に依存し、この傾向は第３図のイ
オンエネルギのガス圧依存性と良く一致してい
る。多結晶Siエツチング速度はガス圧0.05Paの時
850Å／minと非常に大きく、また選択性は、
SiO2に対して20、レジストに対して10であつた。
また、ガス圧0.2Paの時多結晶Siの選択性はSiO2
に対して100、レジストに対して５であつた。さ
らに、いづれの条件においても200％オーバエツ
チングを行つても、アンダカツトは観察されず垂
直なサブミクロンパタンが形成できた。第４図に
は図示していないが、ガス圧が高くなるとエツチ
ング速度がこの割合で低下していくので1Pa以上
では多結晶Siのエツチングができなくなる。 FIG. 4 shows another embodiment of the present invention, in which polycrystalline Si
This shows the selective etching characteristics of the film. In this example, chlorine gas (Cl 2 ) is supplied from the first gas introduction system 13.
was introduced, and the gas pressure was changed depending on the flow rate. The microwave power was 300W. In addition to the polycrystalline Si film (〇), the etching speed is
AZ1350J (●) and SiO 2 film (▲) as the base film are also shown. The etching rate of polycrystalline Si films and SiO 2 films depends on gas pressure, and this tendency agrees well with the dependence of ion energy on gas pressure shown in FIG. Polycrystalline Si etching speed is at gas pressure of 0.05Pa
It is very large at 850Å/min, and the selectivity is
It was 20 for SiO 2 and 10 for resist.
Also, when the gas pressure is 0.2Pa, the selectivity of polycrystalline Si is SiO 2
It was 100 for resist and 5 for resist. Furthermore, under any conditions and even with 200% overetching, no undercuts were observed and a vertical submicron pattern could be formed. Although not shown in FIG. 4, as the gas pressure increases, the etching rate decreases at this rate, so polycrystalline Si cannot be etched above 1 Pa.
第５図は本発明の他の実施例であつて酸素ガス
（O2）によるレジスト膜（AZ1350J）のエツチン
グ特性を示すものである。ガスは第１ガス導入系
１３より導入した。レジスト膜のエツチング速度
は、マイクロ波電力の増加にともなつて直線的に
増加する。とくに、ガス圧8x10-2Paでは、マイ
クロ波電力200W以上において1000Å／min以上
のエツチング速度が得られており、非常に効率の
良い処理が可能なことを示している。さらに、
SiO2マスクを設けてエツチングした結果、ラジ
カル反応に起因するアンダカツトは殆んど観察さ
れず、高精度なパタン形成が実現できた。これら
は、低ガス圧領域でプラズマを生成し、かつプラ
ズマ流としてイオンを選択的に効率良く試料基板
上に入射させる本発明の特徴を良く示している。
このため本発明は、単に単一層のレジスト膜のエ
ツチングのみならず多層レジストパタン形成にも
有効なことは明らかである。 FIG. 5 shows another embodiment of the present invention and shows the etching characteristics of a resist film (AZ1350J) using oxygen gas (O 2 ). The gas was introduced from the first gas introduction system 13. The etching rate of the resist film increases linearly with increasing microwave power. In particular, at a gas pressure of 8x10 -2 Pa, an etching rate of over 1000 Å/min was obtained at a microwave power of over 200 W, indicating that extremely efficient processing is possible. moreover,
As a result of etching using a SiO 2 mask, almost no undercuts caused by radical reactions were observed, and highly accurate pattern formation was achieved. These clearly demonstrate the features of the present invention in which plasma is generated in a low gas pressure region and ions are selectively and efficiently incident on a sample substrate as a plasma stream.
Therefore, it is clear that the present invention is effective not only for etching a single layer resist film but also for forming a multilayer resist pattern.
以上の実施例の他、SiO2上のM0膜の選択エツ
チングについても検討した。この場合は第１ガス
導入系１３より塩ガスを導入して0.25Paの圧力と
して、マイクロ波電力を300Wとした。この時M0
のエツチング速度は160Å／minであり、選択性
はSiO2に対して40であつた。また、さらに第２
ガス導入系１４より酸素ガスを導入し、全圧力
0.25Pa、酸素ガス混合率12.5％の条件では、M0
のエツチング速度280Å／minであり、選択性は
SiO2に対して60、AZ1350Jレジストに対して３
と高い値が得られた。この場合も多結晶Siの場合
と同様に、アンダカツトは200％オーバエツチン
グを行つても観察されなかつた。 In addition to the above examples, selective etching of a M 0 film on SiO 2 was also investigated. In this case, salt gas was introduced from the first gas introduction system 13 to a pressure of 0.25 Pa, and the microwave power was set to 300 W. At this time M 0
The etching rate was 160 Å/min, and the selectivity was 40 for SiO 2 . In addition, the second
Oxygen gas is introduced from the gas introduction system 14, and the total pressure is
Under the conditions of 0.25Pa and oxygen gas mixing ratio of 12.5%, M 0
The etching rate is 280Å/min, and the selectivity is
60 for SiO2 , 3 for AZ1350J resist
A high value was obtained. In this case, as in the case of polycrystalline Si, no undercut was observed even after 200% overetching.
以上の実施例では、シリコンに対しては塩素ガ
スを用いた場合について説明したが、参考のた
め、CF4ガス等弗素を主成分としたハロゲン系ガ
スを用いた場合のシリコンのエツチングについて
も検討した。この場合、酸化膜に対して選択性高
くエツチングが可能であるが、ガス圧が10-1Pa
台の高ガス圧領域ではアンダカツトを生じやすく
なり高精度なパタン加工にはあまり向いていな
い。これは、弗素ラジカルは低エネルギにおいて
も反応性が充分高いために、高ガス圧領域ではイ
オン衝撃による反応に比べて方向性のないラジカ
ルによる反応が顕著になるためである。したがつ
て本発明方法による反応性イオンエツチング方法
では、ラジカルのエツチング反応性が低く、かつ
イオンエネルギに対してエツチング反応性が敏感
なガスを用いることがより好ましい。このため具
体的には実施例の塩素、酸素の他に、臭素
（Br2）、ヨウ素（I2）などのハロゲンガスや、塩
素、臭素、ヨウ素などから構成される化合物ハロ
ゲン系ガスを主成分として用いるのが好適であ
る。 In the above example, we explained the case where chlorine gas was used for silicon, but for reference, we also considered etching silicon using a halogen gas containing fluorine as the main component, such as CF 4 gas. did. In this case, it is possible to etch the oxide film with high selectivity, but the gas pressure is 10 -1 Pa.
Undercuts tend to occur in the high gas pressure region of the table, making it unsuitable for high-precision pattern processing. This is because fluorine radicals have sufficiently high reactivity even at low energies, and therefore, in a high gas pressure region, reactions due to non-directional radicals become more prominent than reactions due to ion bombardment. Therefore, in the reactive ion etching method of the present invention, it is more preferable to use a gas that has low radical etching reactivity and is sensitive to ion energy. For this reason, specifically, in addition to chlorine and oxygen in the examples, halogen gases such as bromine (Br 2 ) and iodine (I 2 ), as well as compound halogen gases composed of chlorine, bromine, and iodine, are used as main components. It is suitable to use it as
これらのガスの選択によつてTa、Ｗ等の金属
をはじめM0Si2等の金属化合物膜のエツチングに
も適用できる。さらに同一装置内でイオンエネル
ギを高い状態で、表面の自然酸化膜を初めに除去
した後に、連続して本発明の方法による反応性イ
オンエツチング法を適用すれば、Al，Al−Si等
に対しても高品質にパタン加工できる。 By selecting these gases, it can be applied to etching films of metals such as Ta and W as well as metal compounds such as M 0 Si 2 . Furthermore, if the reactive ion etching method according to the method of the present invention is applied continuously in the same device at high ion energy after first removing the natural oxide film on the surface, Al, Al-Si, etc. Even high-quality patterns can be processed.
なお、選択性をある程度犠性にしてエツチング
速度を向上させる場合のように、50eV以上のイ
オンエネルギが必要なときは、試料台を電極とし
て用い、高周波電力を印加してセルフバイアス電
圧を発生させ、このセルフバイアス電圧によつて
シース電位をくしてイオンエネルギを増加、制御
することもできる。 Note that when an ion energy of 50 eV or more is required, such as when increasing the etching rate by sacrificing selectivity to some extent, a self-bias voltage is generated by using the sample stage as an electrode and applying high-frequency power. By using this self-bias voltage, the sheath potential can be lowered to increase and control the ion energy.
発明の効果
以上説明したように、本発明ではマイクロ波に
よる電子サイクロトロン共鳴放電によりイオン化
率の高いプラズマを低ガス圧で生成し、発散磁界
の効果によりプラズマ流として試料基板上に導
き、エツチングに適当なイオンエネルギで、かつ
大イオン電流が得られるようにし、さらに、この
エネルギ領域で反応性を促進される反応性ガスを
用いてエツチングするようにしたので、アンダカ
ツトなしに選択性を極めて高く、高精度な加工が
可能になつた。このため、下地基板への損傷なし
に制御性、生産性高く、高品質に微細なパタンを
形成することができる。Effects of the Invention As explained above, in the present invention, plasma with a high ionization rate is generated at low gas pressure by electron cyclotron resonance discharge using microwaves, and is guided as a plasma flow onto the sample substrate by the effect of a diverging magnetic field, which is suitable for etching. By using a reactive gas that promotes reactivity in this energy range, we achieved extremely high selectivity and high etching without undercutting. Accurate machining is now possible. Therefore, fine patterns can be formed with high controllability, high productivity, and high quality without damaging the underlying substrate.
第１図は本発明方法の検討に用いた装置の例、
第２図は本発明方法の実施例としてプラズマ電位
分布を示す図、第３図は本発明方法の実施例とし
て単結晶シリコンエツチング特性を示す図、第４
図は本発明方法の実施例として多結晶Siの選択エ
ツチング特性を示す図、第５図は本発明方法の実
施例としてレジストのエツチング特性を示す図で
ある。
１はプラズマ生成室、２は試料室、３はマイク
ロ波導入窓、４は矩形導波管、５はプラズマ流、
６はプラズマ引出し窓、７は試料基板、８は試料
載置台、９は試料台、１０は排気系、１１は磁気
コイル、１２は磁気シールド、１３は第１ガス導
入系、１４は第２ガス導入系、１５は冷却水の給
水口、排水口である。
Figure 1 shows an example of the equipment used to study the method of the present invention.
FIG. 2 is a diagram showing plasma potential distribution as an example of the method of the present invention, FIG. 3 is a diagram showing single crystal silicon etching characteristics as an example of the method of the present invention, and FIG.
The figure shows selective etching characteristics of polycrystalline Si as an example of the method of the invention, and FIG. 5 shows the etching characteristics of resist as an example of the method of the invention. 1 is a plasma generation chamber, 2 is a sample chamber, 3 is a microwave introduction window, 4 is a rectangular waveguide, 5 is a plasma flow,
6 is a plasma extraction window, 7 is a sample substrate, 8 is a sample mounting table, 9 is a sample stand, 10 is an exhaust system, 11 is a magnetic coil, 12 is a magnetic shield, 13 is a first gas introduction system, 14 is a second gas In the introduction system, 15 is a cooling water supply port and a drainage port.
Claims (1)
子サイクロトロン共鳴放電によりプラズマを生成
し、該プラズマ中の電子の持つ磁気モーメントと
前記プラズマ生成室から試料に向かつて適当な勾
配で減少する発散磁界とを相互作用せしめること
により、該試料に向かうプラズマ流の内部に電子
を減速し、イオンを加速する電界を付与し、かつ
前記プラズマ流から前記試料に入射するイオンの
エネルギーを、10-3〜1Paの範囲のガス圧および
マイクロ波電力によつて50eV以下に制御し、か
つ反応性ガスの主成分が塩素ガスもしくは酸素ま
たはそれらの混合ガスであつて、シリコン、金
属、それらの化合物、またはレジストをシリコン
酸化物に対して選択的にかつ方向性を付与してエ
ツチングすることを特徴とする反応性イオンエツ
チング方法。1. Plasma is generated in a plasma generation chamber by electron cyclotron resonance discharge using microwaves, and the magnetic moment of the electrons in the plasma is made to interact with a divergent magnetic field that decreases at an appropriate gradient from the plasma generation chamber toward the sample. By applying an electric field that decelerates electrons and accelerates ions inside the plasma flow toward the sample, the energy of the ions incident on the sample from the plasma flow is reduced by a gas in the range of 10 -3 to 1 Pa. The voltage is controlled to 50 eV or less by pressure and microwave power, and the main component of the reactive gas is chlorine gas, oxygen, or a mixture thereof, and silicon, metal, a compound thereof, or a resist is applied to silicon oxide. A reactive ion etching method characterized by etching selectively and with directionality.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP22864583A JPS60120525A (en) | 1983-12-02 | 1983-12-02 | Method for reactive ion etching |
Applications Claiming Priority (1)
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|---|---|---|---|
| JP22864583A JPS60120525A (en) | 1983-12-02 | 1983-12-02 | Method for reactive ion etching |
Publications (2)
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|---|---|
| JPS60120525A JPS60120525A (en) | 1985-06-28 |
| JPH0458176B2 true JPH0458176B2 (en) | 1992-09-16 |
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