JP3067289B2 - Dry etching method - Google Patents

Dry etching method

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JP3067289B2
JP3067289B2 JP3180835A JP18083591A JP3067289B2 JP 3067289 B2 JP3067289 B2 JP 3067289B2 JP 3180835 A JP3180835 A JP 3180835A JP 18083591 A JP18083591 A JP 18083591A JP 3067289 B2 JP3067289 B2 JP 3067289B2
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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、従来から用いられてい
る13.56MHzより高い周波数のRF電源を基板電
極に印加したドライエッチング方法に関するものであ
る。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a dry etching method in which a conventionally used RF power source having a frequency higher than 13.56 MHz is applied to a substrate electrode.

【0002】[0002]

【従来の技術】半導体集積回路の高密度化には、トラン
ジスタや配線などの寸法幅が大きな役割を担っている。
寸法縮小によって1μm以下の微細パタ−ンが実用化さ
れつつあるが、こうした微細パタ−ンの実現に際して
は、フォトリソグラフィ技術とドライエッチング技術の
2つの技術の進展に負うところが大きい。
2. Description of the Related Art The dimensional width of transistors, wirings, and the like plays a large role in increasing the density of semiconductor integrated circuits.
Fine patterns of 1 μm or less are being put to practical use due to the size reduction. However, in realizing such fine patterns, two technologies, photolithography technology and dry etching technology, largely depend on progress.

【0003】ドライエッチング法は、適当なガスに1
3.56MHzの高周波(RF)電源を加えることによ
って生成される反応性プラズマやラジカル中に、被エッ
チング材料を置くとエッチングされるという現象を利用
するもので、微細パタ−ンを形成するためには通常フォ
トレジストパタ−ンをマスク材料として用いる。最近で
は、特に自己バイアス電圧(Vdc)を利用して、反応性
イオンをプラズマから引出し、異方性エッチングを行う
RIE(Reactive Ion Etching)が主流となっている。
RF電源の周波数として13.56MHzが用いられて
いるのは、電波法により割り当てられた周波数であるた
めに多少電波が漏れても問題はなく、シ−ルド装置が簡
単で済むためである。
[0003] The dry etching method uses one gas in an appropriate gas.
It utilizes the phenomenon that a material to be etched is etched when placed in reactive plasma or radicals generated by applying a high frequency (RF) power supply of 3.56 MHz to form a fine pattern. Usually uses a photoresist pattern as a mask material. Recently, RIE (Reactive Ion Etching) in which reactive ions are extracted from plasma by using a self-bias voltage (V dc ) to perform anisotropic etching has become mainstream.
The reason why 13.56 MHz is used as the frequency of the RF power source is that there is no problem even if radio waves leak to some extent because the frequency is assigned by the Radio Law, and the shield device can be simplified.

【0004】図10は、従来のドライエッチング装置
(RIE)を示した模式図である。1は金属製チャンバ
−であり、この中に供給口2を通して反応性ガスが供給
される。また、排出口3を通してガスが排出されるの
で、チャンバ−内は適当な圧力(数100mTorr)
に制御されている。チャンバ−の上部及び下部には、そ
れぞれアノ−ド(陽極)4及びカソ−ド(陰極)5があ
る。カソ−ド上には、レジストパタ−ンを付けた被エッ
チング材料6が置かれる。更にカソ−ドにはブロッキン
グコンデンサ7を介してRF電源8が接続され、ガス中
に電力が供給される。以上のように構成されたドライエ
ッチング装置について、以下動作を説明する。
FIG. 10 is a schematic diagram showing a conventional dry etching apparatus (RIE). Reference numeral 1 denotes a metal chamber into which a reactive gas is supplied through a supply port 2. Further, since the gas is discharged through the discharge port 3, an appropriate pressure (several hundred mTorr) is set in the chamber.
Is controlled. At the top and bottom of the chamber are an anode 4 and a cathode 5, respectively. A material 6 to be etched having a resist pattern is placed on the cathode. Further, an RF power source 8 is connected to the cathode via a blocking capacitor 7 to supply power to the gas. The operation of the dry etching apparatus configured as described above will be described below.

【0005】チャンバ−内の反応性ガスにRF電源を印
加すると、図11(a)に示すようにアノ−ドとカソ−
ド間にグロ−放電が生じ、電子とイオンが生成されてプ
ラズマが発生する。その際、グロ−放電が接する電極面
積はカソ−ド上に試料が載っているためアノ−ドの方が
大きくなり、同時にプラズマ中の電子とイオンは、前者
の移動度が後者のそれより圧倒的に大きいためにカソ−
ドに電子が流れ込み、ブロッキングコンデンサが負に帯
電することにより、カソ−ドが負にバイアスされる。こ
のバイアスを自己バイアス電圧Vdcという。この状態で
のプラズマ中における電位分布を図11(b)に示す。
プラズマは図11(b)に示すように、電位が一定であ
るバルク領域と自己バイアスによって電極付近で急激に
電位が変化するシ−ス領域に分けられ、イオンは主にバ
ルク領域で生成される。バルク領域で生成されたイオン
は、バルク・シ−ス境界10からシ−ス領域に入射し、
シ−ス領域の自己バイアスによる負電圧により加速され
て被エッチング材料を衝撃してエッチング反応を生じ、
方向性の強い、いわゆる異方性エッチングが得られる。
When an RF power is applied to the reactive gas in the chamber, the anode and the cathode are connected as shown in FIG.
A glow discharge is generated between the electrodes, and electrons and ions are generated to generate plasma. At that time, the area of the electrode in contact with the glow discharge is larger in the anode because the sample is placed on the cathode, and at the same time, the mobility of the electrons and ions in the plasma is more overwhelming than that of the latter. Caso-because it is large
Electrons flow into the cathode and the blocking capacitor becomes negatively charged, thereby negatively biasing the cathode. This bias is called a self-bias voltage Vdc . FIG. 11B shows the potential distribution in the plasma in this state.
As shown in FIG. 11B, the plasma is divided into a bulk region where the potential is constant and a sheath region where the potential changes abruptly near the electrode due to self-bias, and ions are mainly generated in the bulk region. . Ions generated in the bulk region enter the sheath region from the bulk sheath boundary 10 and
The material is accelerated by the negative voltage due to the self-bias of the sheath region and bombards the material to be etched to cause an etching reaction,
A so-called anisotropic etching having a strong directivity can be obtained.

【0006】カソ−ドに負の自己バイアス電圧が生じ
て、シ−スが生成される様子を詳しく説明する。前述の
ように放電で生じる電子とイオンの移動度は前者が大き
いために、一般に電流電圧特性はリ−ク電流の多い整流
器に似た特性になる。そこでまず始めにRF電源がカソ
−ドに印加されると、RF電源の正の半周期で移動度の
大きい電子が正電位のカソ−ドに向かって大きく流れ込
むが、一方、次の半周期で負電位になったカソ−ドには
移動度の小さいイオンはわずかしか流れ込まず、電子と
イオンの数は非平衡になる。従って、ブロッキングコン
デンサは負に帯電し、カソ−ドには電子の空間電荷を生
じて電子を跳ね返すようになるまでカソ−ドに負の電圧
が発生し、過剰電子を減少させる。このようにして数周
期後、カソ−ドに入射する電子の数は、カソ−ドに入射
するイオンの数に等しくなり、時間平均で正味の電流は
0になるようにカソ−ドは負にバイアス電位を生じ、定
常状態に達する。この電位を自己バイアスと呼ぶ。この
自己バイアスのために、カソ−ド近傍には、ほとんど電
子がなくイオンのみ存在する領域が生成される。この領
域をシ−ス領域と呼び、ここでは電位が急激に変化す
る。一方、プラズマの中では電子が外へ拡散するために
不足気味になり、わずかに正の電位になる。この電位を
プラズマ電位(Vp)と呼んでいる。この状態における
カソ−ド電位の時間変化は図12のようになる。図12
に示すように、接地電位+Vpより正の周期ではカソ−
ドに電子が流れ、それより負の周期ではイオンが流れる
が、イオンしか流れない時間が圧倒的に長く、このカソ
−ドに入射するイオンによってエッチング反応が生じ
る。
The manner in which a negative self-bias voltage is applied to the cathode to generate a sheath will be described in detail. As described above, since the mobility of electrons and ions generated by discharge is large in the former, the current-voltage characteristics are generally similar to those of a rectifier having a large leak current. Therefore, when the RF power is first applied to the cathode, electrons having a high mobility largely flow toward the cathode of the positive potential in the positive half cycle of the RF power, but on the other hand, in the next half cycle. Only a small amount of ions having low mobility flow into the cathode which has become negative potential, and the number of electrons and ions becomes non-equilibrium. Accordingly, the blocking capacitor is negatively charged, and a negative voltage is generated on the cathode until the cathode generates a space charge of electrons and rebounds, thereby reducing excess electrons. After a few cycles, the number of electrons incident on the cathode equals the number of ions incident on the cathode, and the cathode is negative so that the net current is zero on time average. Generates a bias potential and reaches a steady state. This potential is called self-bias. Due to this self-bias, a region is created near the cathode where there are almost no electrons and only ions. This region is called a sheath region, where the potential changes abruptly. On the other hand, in the plasma, the electrons are diffused to the outside, and the electrons become slightly insufficient, and have a slightly positive potential. This potential is called the plasma potential (V p ). The time change of the cathode potential in this state is as shown in FIG. FIG.
As shown, in the positive period than the ground potential + V p Caso -
Electrons flow into the cathode, and ions flow in the negative cycle. However, the time during which only the ions flow is overwhelmingly long, and the ions incident on the cathode cause an etching reaction.

【0007】ところで、後藤らは図13に示すような新
しいドライエッチング装置を提案している(SSDM,
1990,P1147〜1150)。この装置の特徴
は、カソ−ドだけでなくアノ−ド側にもRF電源を接続
し、カソ−ド側のRF電源の周波数が10〜50MH
z、アノ−ド側のRF電源の周波数が150MHz〜2
00MHzと高い周波数が用いられていることである。
アノ−ド側のRF電源はECRやMERIEと同じよう
にプラズマ生成用であり、1kW程度の電力を供給する
ことにより電離度の高いプラズマを生成させる。一方、
カソ−ド側のRF電源はイオン引き出し用であり、アノ
−ド側のRF電源により生成されたプラズマ源よりエッ
チングに必要なイオンをカソ−ド側に引き出す役目をし
ている。
Incidentally, Goto et al. Have proposed a new dry etching apparatus as shown in FIG.
1990, P1147-1150). The feature of this device is that the RF power supply is connected not only to the cathode but also to the anode side, and the frequency of the RF power supply on the cathode side is 10 to 50 MHz.
z, the frequency of the RF power supply on the anode side is 150 MHz to 2
That is, a frequency as high as 00 MHz is used.
The anode-side RF power supply is used for plasma generation like ECR and MERIE, and generates plasma with high ionization by supplying power of about 1 kW. on the other hand,
The RF power source on the cathode side is for extracting ions, and plays a role in extracting ions necessary for etching from the plasma source generated by the RF power source on the anode side to the cathode side.

【0008】[0008]

【発明が解決しようとする課題】最近、半導体の集積度
が増すにつれてサブミクロン以下の微細加工技術が必要
となりつつある。しかしながら、従来のエッチング方法
では寸法縮小に伴ってトランジスタのゲ−ト酸化膜が薄
くなったため、ドライエッチング中に生じるゲ−ト酸化
膜の絶縁破壊が問題となってきた。これは、RIE装置
によるエッチングでは、加速されたイオンによって異方
性エッチングが行われるために、エッチング中において
チャ−ジアップが生じ、ゲ−ト酸化膜に加わる電圧が大
きくなってストレスが生じるためであると考えられ、特
にウェハ−周辺のチップのゲ−ト酸化膜が破壊されやす
い。また、従来のエッチング方法では高エネルギ−イオ
ンがシリコン基板に衝撃を与えて結合を切断し、素子を
劣化させている。更に、例えばゲ−ト電極のドライエッ
チングにおいてCl2ガスを用いた場合、本来そのラジ
カル成分はSiO2膜をエッチングしないはずであるに
もかかわらず、ゲ−トを構成するpoly−Siと下地
のSiO2の選択比は、高エネルギ−イオンの存在によ
り10程度しか確保できず、ゲ−トポリシリコンのエッ
チングに適さない。 本発明は上記問題点に鑑み、イオ
ンのチャ−ジアップによるダメ−ジを少なくしてゲ−ト
酸化膜の絶縁破壊の発生を抑制し、かつ高エネルギ−イ
オンの発生をなくすことにより、ガス本来の化学反応に
よる選択性を確保できるドライエッチング方法を提供す
ることを目的とする。
Recently, as the degree of integration of semiconductors has increased, fine processing technology of submicron or less has been required. However, in the conventional etching method, the gate oxide film of the transistor has become thinner as the dimensions have been reduced, so that the dielectric breakdown of the gate oxide film generated during dry etching has become a problem. This is because, in the etching by the RIE apparatus, since anisotropic etching is performed by accelerated ions, a charge-up occurs during the etching, and a voltage applied to the gate oxide film increases to cause stress. In particular, the gate oxide film of the chip around the wafer is easily broken. Further, in the conventional etching method, high energy ions bombard the silicon substrate to break the bond, thereby deteriorating the device. Further, for example, when Cl 2 gas is used in the dry etching of the gate electrode, the radical component of the gate electrode should not etch the SiO 2 film, but the poly-Si constituting the gate and the underlying layer may not be etched. The selectivity of SiO 2 can be secured only about 10 due to the presence of high energy ions, and is not suitable for etching the gate polysilicon. SUMMARY OF THE INVENTION In view of the above problems, the present invention reduces gas damage due to ion charge-up, suppresses the occurrence of dielectric breakdown of a gate oxide film, and eliminates the generation of high-energy ions. It is an object of the present invention to provide a dry etching method capable of ensuring the selectivity by the chemical reaction of the above.

【0009】[0009]

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
には、高エネルギ−イオンの発生をできるかぎり抑えれ
ばよい。高エネルギ−イオンの発生を抑えるには、RF
パワ−を下げればよいが、それではプラズマの電離度が
下がってラジカルの発生が減少し、結果としてエッチン
グレ−トが下がって効率が悪くなってしまう。後藤らの
装置は、この問題点を解決するためにRF電源をアノ−
ド側にも印加して、カソ−ド側のRFパワ−を下げても
ラジカルの発生が減少しないように、アノ−ド側のRF
電源のパワ−を1kW程度に上げてプラズマ源を維持し
ている。このように後藤らの装置は、ハイパワ−のアノ
−ド側のRF電源で生成されたプラズマから、ロウパワ
−のカソ−ド側のRF電源で生成されたシ−スの電界で
もってイオンを引き出し、低エネルギ−で基板をエッチ
ングする構造になっている。
In order to solve the above-mentioned problems, generation of high-energy ions should be suppressed as much as possible. To suppress the generation of high energy ions, RF
Although the power may be reduced, the ionization degree of the plasma is reduced, and the generation of radicals is reduced. As a result, the etching rate is reduced, and the efficiency is reduced. Goto et al. Turned on the RF power supply to solve this problem.
To the anode side so that the generation of radicals does not decrease even if the cathode side RF power is lowered.
The power of the power source is increased to about 1 kW to maintain the plasma source. As described above, the apparatus of Goto et al. Extracts ions from the plasma generated by the RF power supply on the anode side of the high power by the electric field of the sheath generated by the RF power supply on the cathode side of the low power. , The substrate is etched with low energy.

【0010】しかしながら、この後藤らの装置でも以下
に示すような問題点が未解決のまま残っている。一般
に、イオンの基板電極への到達エネルギ−分布は、図1
4(a)に示すように、自己バイアスでイオンが加速さ
れて得られるエネルギ−を中心として、鞍構造的に広が
った分布をなす。後藤らの装置では、カソ−ド側のRF
電源のパワ−を下げることにより自己バイアスを低下さ
せ、このイオンエネルギ−分布を図14(b)に示すよ
うに、全体的に低エネルギ−側にシフトするようになっ
ている。ところが、例えばゲ−ト電極のエッチングの場
合、被エッチング物であるpoly−Siと下地である
SiO2のエッチングレ−トのイオンエネルギ−依存性
は図15のようになっている。図15より、イオンエネ
ルギ−が50〜60eV程度であると選択比が高くかつ
poly−Siのエッチングレ−トも大きいので効率的
にエッチングされるが、イオンエネルギ−がこれより高
いとSiO2のエッチングレ−トが大きくなって選択比
が悪くなり、逆にイオンエネルギ−が低いとpoly−
Siのエッチングレ−トが小さくなって非効率的になり
また異方性も悪くなってしまう。従って、後藤らの装置
で得られる図14(b)のエネルギ−分布では、イオン
の平均到達エネルギ−は小さくなっているので基板のダ
メ−ジは抑えられるが、エネルギ−分布幅ΔEはそれほ
ど小さくなっていないので、選択性,異方性,並びにエ
ッチング効率という点ではあまり改善はされていない。
また、後藤らの装置では、電源とマッチングボックスが
それぞれ2個必要なのでマッチングが取りにくいという
欠点もある。
However, the Goto et al. Apparatus still has the following problems unsolved. Generally, the energy distribution of ions reaching the substrate electrode is shown in FIG.
As shown in FIG. 4A, the distribution spreads in a saddle structure around the energy obtained by accelerating the ions by the self-bias. In the device of Goto et al., The RF on the cathode side
By reducing the power of the power supply, the self-bias is reduced, and the ion energy distribution is shifted to a lower energy side as a whole, as shown in FIG. However, for example, gate - when the etching of the gate electrode, etching rate of SiO 2 is a poly-Si and the underlying a object to be etched - ion energy DOO - dependent is as shown in FIG 15. Than 15, the ion energy - but it is so bets even greater efficiently etched, ion energy - - the etching rate of the selected ratio is high and poly-Si is about 50~60eV is higher than this and the SiO 2 As the etching rate increases, the selectivity deteriorates. Conversely, when the ion energy is low, poly-
The etching rate of Si becomes small, resulting in inefficiency and poor anisotropy. Therefore, in the energy distribution of FIG. 14B obtained by the apparatus of Goto et al., The average energy of arrival of ions is small, so that damage to the substrate can be suppressed, but the energy distribution width ΔE is so small. As a result, there has been little improvement in selectivity, anisotropy, and etching efficiency.
In addition, the apparatus of Goto et al. Has a drawback that matching is difficult because two power supplies and two matching boxes are required.

【0011】ところで、高エネルギ−イオンが生じる他
の原因として、RF電源の周波数が考えられる。RF電
源の周波数が、現在用いられている13.56MHzの
ように低い場合には、下記の(作用)の項で述べるよう
に、自己バイアスが大きくなり、また、イオンの基板へ
の到達エネルギ−分布の分布幅も大きくなって高エネル
ギ−イオンが発生してしまう。これに対して、RF電源
の周波数を高くすると、自己バイアスが小さくなると同
時にイオンエネルギ−の分布幅も狭まって,図14
(c)に示すようなエネルギ−分布となるので、高エネ
ルギ−イオンの発生を抑制することが可能となって基板
のダメ−ジが少なくなるだけでなく、下記に述べるよう
に,選択性,異方性,並びにエッチング効率が高いドラ
イエッチングが実現される。
As another cause of the generation of high-energy ions, the frequency of the RF power supply is considered. When the frequency of the RF power source is low, such as 13.56 MHz, which is currently used, the self-bias becomes large and the energy of the ions reaching the substrate becomes small, as described in the section of (action) below. The distribution width of the distribution becomes large, and high-energy ions are generated. On the other hand, when the frequency of the RF power source is increased, the self-bias is reduced, and at the same time, the distribution width of the ion energy is reduced.
Since the energy distribution is as shown in (c), it is possible to suppress the generation of high-energy ions, which not only reduces the damage to the substrate, but also reduces the selectivity, Dry etching with high anisotropy and high etching efficiency is realized.

【0012】一般に、異方性を高めるためにエッチング
ガス圧を下げると、自己バイアスは大きくなってしまう
が、RF電源の周波数を高くすることにより自己バイア
スを下げると、異方性を保ちつつ低損傷なドライエッチ
ングが可能となる。更に、poly−SiやSiNある
いはAl合金のハロゲンガスによるドライエッチングで
は、これら被エッチング物をエッチングするのに必要な
イオンエネルギ−に対して、下地のSiO2膜をエッチ
ングするのに必要なイオンエネルギ−の方が大きいの
で、RF電源の周波数を高くすることによって高エネル
ギ−イオンの発生を抑制すると、SiO2のエッチング
レ−トが下がって大きな選択比が得られることが可能と
なる。
Generally, when the etching gas pressure is reduced to increase the anisotropy, the self-bias increases. However, when the self-bias is reduced by increasing the frequency of the RF power source, the self-bias is reduced while maintaining the anisotropy. Damaged dry etching can be performed. Further, in dry etching using halogen gas such as poly-Si, SiN or Al alloy, the ion energy required for etching the underlying SiO 2 film is smaller than the ion energy required for etching these objects to be etched. since larger, high energy by increasing the frequency of the RF power source - - suppressing the generation of ions, SiO 2 etching les - it is possible to a large selection ratio lowered bets can be obtained.

【0013】本発明は、このようにRF電源の周波数を
高くすることによって、自己バイアスを100eV以下
に下げると同時にイオンエネルギ−分布幅を平均到達エ
ネルギ−の±5%以下におさめ、RFパワ−を下げてエ
ッチング効率を落とすことなく、高エネルギ−イオンの
発生を抑制して基板へのダメ−ジを少なくするととも
に、エッチングガス圧を下げても自己バイアスが大きく
ならないようにして異方性を高め、更にpoly−S
i,SiN,Al合金のエッチングの際に、高エネルギ
−イオンによってエッチングされる下地のSiO2のエ
ッチングレ−トを下げて、十分大きな選択比が得られる
ドライエッチングを実現するための方法を提供するもの
である。
According to the present invention, by increasing the frequency of the RF power source, the self-bias is reduced to 100 eV or less, and at the same time, the ion energy distribution width is reduced to ± 5% or less of the average attained energy, and the RF power is reduced. In addition to lowering the etching efficiency by lowering the etching efficiency, the generation of high-energy ions is suppressed to reduce damage to the substrate. Higher, more poly-S
Provided is a method for realizing dry etching in which a sufficiently large selectivity can be obtained by lowering the etching rate of the underlying SiO 2 etched by high energy ions when etching i, SiN and Al alloys. Is what you do.

【0014】[0014]

【作用】上記したように、RF電源の周波数を高くする
とイオンの基板への到達エネルギ−に関して、2つの効
果を得ることができる。一つは、プラズマの自己バイア
スが下がるためにイオンのエネルギ−分布全体が低エネ
ルギ−側にシフトするので高エネルギ−イオンが発生し
ないという効果であり、もう一つは、イオンエネルギ−
分布の分布幅が狭まって、所望のイオンエネルギ−に対
して低エネルギ−イオンも高エネルギ−イオンも発生し
ないので、エッチングレ−トを制御することが可能とな
り効率的にエッチングができるという効果である。
As described above, when the frequency of the RF power supply is increased, two effects can be obtained with respect to the energy that ions reach the substrate. One is that the self-bias of the plasma is lowered and the entire energy distribution of ions is shifted to a lower energy side, so that high-energy ions are not generated.
Since the distribution width of the distribution is narrowed and neither low-energy ions nor high-energy ions are generated with respect to the desired ion energy, the etching rate can be controlled and the etching can be performed efficiently. is there.

【0015】RF電源の周波数を高くすると、自己バイ
アスが下がる理由を以下に述べる。一般に、RFグロ−
放電により生成されるプラズマは、図16に示すように
バルク部はレジスタンスとインダクタンスの並列回路で
近似でき、シ−ス部はコンデンサで近似できるので、シ
−スのインピ−ダンスは1/jωC(ω)となる。RF
電源の周波数が高くなってωが大きくなると、シ−ス長
が短くなってシ−ス間の容量C(ω)が大きくなる。従
って、シ−スのインピ−ダンスは小さくなり、シ−ス間
にかかる電圧すなわち自己バイアスは、RF電源の周波
数が高くなると低下するのである。
The reason why the self-bias decreases when the frequency of the RF power supply is increased will be described below. Generally, RF glow
As shown in FIG. 16, the plasma generated by the discharge can be approximated by a parallel circuit of resistance and inductance in the bulk portion and the capacitor in the sheath portion, so that the impedance of the sheath is 1 / jωC ( ω). RF
As the frequency of the power supply increases and ω increases, the sheath length decreases and the capacitance C (ω) between the sheaths increases. Therefore, the impedance of the sheath decreases, and the voltage applied between the sheaths, that is, the self-bias, decreases as the frequency of the RF power supply increases.

【0016】このように、RF電源の周波数を高くする
ことによって、プラズマの自己バイアスを下げると、基
板に到達するイオンのエネルギ−分布は全体的に低エネ
ルギ−側にシフトし、高エネルギ−イオンの発生を抑制
することが可能となる。高エネルギ−イオンが発生しな
ければ、ドライエッチングにおいて問題となっている2
つの課題を解決することができる。一つは、基板に与え
るダメ−ジの問題である。高エネルギ−イオンが存在し
なければ、シリコン基板に衝撃を与えて結晶欠陥を生じ
ることが無いので、素子の劣化を防ぐことができる。ま
た、それと同時にチャ−ジアップを抑えることができる
ので、ゲ−ト酸化膜の絶縁破壊を防止することができ
る。もう一つは、被エッチング物と下地の選択比の問題
である。現在、例えばゲ−ト電極のエッチングでは、ゲ
−トを構成するpoly−Siと下地のSiO2膜の選
択比は10程度しかない。しかしながら、poly−S
iのSi−Si結合はイオンアシスト無しでもラジカル
のみでエッチングされるので、イオンエネルギ−が小さ
くなってもエッチングレ−トには大きな影響が無い。ま
た異方性を確保する場合においても、イオンエネルギ−
は100eV以下でも可能である。それに対して、Si
2膜の場合はSi−Oの結合エネルギ−が高く、高エ
ネルギ−イオンの存在無しにはエッチングされない。従
って、高エネルギ−イオンがなくなると、poly−S
iのエッチングレ−トは漸減するのに対し、SiO2
のエッチングレ−トは極端に小さくなるので選択比は大
きくなり、SiO2膜にほとんど影響を及ぼすことなく
poly−Siをエッチングすることが可能となる。
As described above, when the self-bias of the plasma is reduced by increasing the frequency of the RF power source, the energy distribution of ions reaching the substrate is shifted to a lower energy side as a whole, and the high energy ions are increased. Can be suppressed. If high-energy ions are not generated, it is a problem in dry etching.
Can solve two problems. One is the problem of damage to the substrate. If no high energy ions are present, the silicon substrate will not be impacted and crystal defects will not occur, so that deterioration of the device can be prevented. At the same time, charge-up can be suppressed, so that dielectric breakdown of the gate oxide film can be prevented. The other is a problem of a selectivity between an object to be etched and a base. At present, for example, in the etching of a gate electrode, the selectivity between poly-Si constituting the gate and the underlying SiO 2 film is only about 10. However, poly-S
Since the Si—Si bond of i is etched only by radicals without ion assist, even if the ion energy is reduced, the etching rate is not significantly affected. Also, when securing anisotropy, the ion energy
Is possible even at 100 eV or less. In contrast, Si
In the case of an O 2 film, the bonding energy of Si—O is high, and etching is not performed without the presence of high energy ions. Therefore, when high-energy ions disappear, poly-S
i of etching rate - DOO whereas the tapering, the SiO 2 film of the etching rate - DOO selection ratio becomes large since extremely small, etching the poly-Si without hardly affecting the SiO 2 film Becomes possible.

【0017】次に、RF電源の周波数に対するイオンエ
ネルギ−の分布幅について考察する。図17に、モンテ
カルロシミュレ−ションによって、プラズマのバルク領
域で生成されたイオンが、シ−スを横切って基板に到達
したときのイオンエネルギ−分布を示す。横軸はイオン
の到達エネルギ−を、縦軸はイオンの個数を表す。プラ
ズマの条件としては、イオン温度が300K,シ−ス長
が1.2mm,基板への印加電圧が100V,自己バイ
アスが100Vで、アルゴンガスを想定した。また、R
F電源の印加周波数として、従来から用いられている1
3.56MHzを仮定した。図17に示されるように、
前記RF電源周波数では、基板上に到達するイオンエネ
ルギ−分布は、鞍構造的に広がっていることがわかる。
Next, the distribution width of ion energy with respect to the frequency of the RF power supply will be considered. FIG. 17 shows an ion energy distribution when ions generated in the bulk region of plasma by Monte Carlo simulation reach the substrate across the sheath. The horizontal axis represents the energy reached by the ions, and the vertical axis represents the number of ions. As plasma conditions, an ion temperature of 300 K, a sheath length of 1.2 mm, a voltage applied to the substrate of 100 V, a self-bias of 100 V, and an argon gas were assumed. Also, R
As the applied frequency of the F power source, 1
3.56 MHz was assumed. As shown in FIG.
At the RF power frequency, it can be seen that the ion energy distribution reaching the substrate is spread in a saddle structure.

【0018】イオンの基板への到達エネルギ−が分散し
て、その分布が鞍構造的に広がってしまう原因を以下に
説明する。図18にバルク・シ−ス境界に入射したイオ
ンのエネルギ−が、シ−スを横切る間に時間とともにど
のように変化するのかを示す。(a)のグラフはイオン
エネルギ−の時間変化を表わし、(b)のグラフはRF
電源の電圧の変化を表わす。実線はRF電源の位相が2
π/4の瞬間にバルク・シ−ス境界に入射したイオン1
の場合であり、点線は7π/4の瞬間に入射したイオン
2の場合である。イオン1の到達エネルギ−とイオン2
のそれとを比較すると、イオン1の場合は、基板へ到達
する最終フェイズにおけるRF電源の電圧(A)がほと
んど0になっているので、加速を受けることなくほぼ一
定の速度で基板に到達するために到達エネルギ−は大き
くならない。それに対してイオン2の場合は、最終フェ
イズでRF電源の電圧(B)がほぼ最大値になっている
ので、大きく加速を受けて到達エネルギ−は大きくなっ
ている。
The reason why the energy of the ions reaching the substrate is dispersed and the distribution is spread in a saddle structure will be described below. FIG. 18 shows how the energy of ions incident on the bulk sheath boundary changes over time while traversing the sheath. The graph of (a) shows the time change of ion energy, and the graph of (b) shows RF.
Indicates the change in power supply voltage. The solid line indicates that the phase of the RF power source is 2
Ions 1 incident on the bulk-seas boundary at the moment of π / 4
, And the dotted line is the case of ion 2 incident at the moment of 7π / 4. Energy reached by ion 1 and ion 2
In comparison with the above, in the case of ion 1, since the voltage (A) of the RF power supply in the final phase of reaching the substrate is almost 0, it reaches the substrate at a substantially constant speed without receiving acceleration. Does not increase. On the other hand, in the case of ion 2, since the voltage (B) of the RF power supply has almost reached the maximum value in the final phase, the energy reached by the acceleration is greatly increased due to the large acceleration.

【0019】最終フェイズで加速を受けるか受けないか
によって、イオンの到達エネルギ−に大きな差が現われ
る原因を説明するために、図19にイオンの速度とシ−
スの電位差によって、イオンが獲得できるエネルギ−が
どのようになるのかを示す。簡単のために図19(a)
に示すように、シ−ス間の電位差は時間Δtの間は一定
で、イオン1の速度v1はイオン2の速度v2に比べてず
っと大きいものとする(v1》v2)。この場合、時間Δ
tの間におけるイオン1の移動距離は、イオン2のそれ
よりも長い。イオンの獲得エネルギ−はイオンが移動し
たシ−ス中における距離間の電位差に等しいので、イオ
ン1はイオン2に比べて大きなエネルギ−を獲得でき
る。また図19(b)に示すように、イオン1,2の速
度が同じで、イオン1のシ−ス間の電位差V1がイオン
2のシ−ス間の電位差V2よりも大きいとする(V1》V
2)。簡単のために時間Δtの間にイオン1,2の速度
は変化しないものとすると、時間Δtにおけるイオン1
の移動距離はイオン2のそれと同じであるが、その移動
距離間の電位差はイオン1の方が大きいので、イオン1
はイオン2よりも大きなエネルギ−を獲得できる。この
ようにイオンの獲得エネルギ−は、イオンの速度とその
瞬間におけるシ−ス間の電位差によって決まる。すなわ
ち、イオンの速度が大きくかつその瞬間におけるシ−ス
間の電位差が大きいほど、イオンの獲得エネルギ−は大
きくなる。従って、イオンの速度が大きい最終フェイズ
で、シ−ス間の電位差が大きければ大きいほどイオンの
獲得エネルギ−は大きくなり、逆に電位差が小さいと小
さくなるのである。
In order to explain the reason why a large difference appears in the arrival energy of ions depending on whether or not acceleration is applied in the final phase, FIG.
This shows how the energy that can be obtained by the ions depends on the potential difference between the ions. For the sake of simplicity, FIG.
As shown in, shea - Between potential difference time Δt between scan constant velocity v 1 of the ion 1 it is assumed much larger than the velocity v 2 of the ion 2 (v 1 "v 2). In this case, the time Δ
The travel distance of ion 1 during t is longer than that of ion 2. Since the acquired energy of the ions is equal to the potential difference between the distances in the case where the ions have moved, the ions 1 can acquire a larger energy than the ions 2. Further, as shown in FIG. 19 (b), the rate of ion 1 is the same, the ion 1 - potential V 1 of the inter-scan is ion 2 - and greater than the potential difference V 2 between the scan ( V 1 >> V
2 ). Assuming that the velocities of the ions 1 and 2 do not change during the time Δt for simplicity, the ion 1 at the time Δt
Is the same as that of ion 2, but since the potential difference between the movement distances is larger for ion 1, ion 1
Can obtain greater energy than the ions 2. As described above, the energy obtained by the ions is determined by the speed of the ions and the potential difference between the sheaths at that moment. That is, the higher the velocity of the ions and the greater the potential difference between the sheaths at that moment, the greater the energy obtained by the ions. Therefore, in the final phase in which the velocity of the ions is high, the greater the potential difference between the sheaths, the greater the energy obtained by the ions, and conversely, the smaller the potential difference, the smaller the energy gain.

【0020】ところで、イオンが最終フェイズで加速を
受けるか受けないかは、イオンがバルク・シ−ス境界に
入射したときのRF電源の位相によって決まる。しかし
ながら、イオンがバルク・シ−ス境界に入射するタイミ
ングは全くランダムであるので、図20に示すようにイ
オンの基板への到達エネルギ−は入射位相に左右され、
結果としてイオンエネルギ−の分布は、図17のように
鞍構造的に広がってしまうのである。このようにイオン
エネルギ−の分布が広がってしまうと、高エネルギ−側
のイオンは基板にダメ−ジを与え、また逆に低エネルギ
−側のイオンはエッチングにあまり寄与しないために、
効率的なドライエッチングを実現することはできない。
Incidentally, whether or not ions undergo acceleration in the final phase is determined by the phase of the RF power supply when the ions are incident on the bulk-sea boundary. However, since the timing at which ions are incident on the bulk-sheath boundary is completely random, the energy that the ions reach the substrate depends on the incident phase as shown in FIG.
As a result, the distribution of ion energy is spread in a saddle structure as shown in FIG. When the distribution of ion energy is widened in this manner, ions on the high energy side damage the substrate, and ions on the low energy side do not contribute much to etching.
Efficient dry etching cannot be realized.

【0021】しかしながら、RF電源の周波数を従来か
ら用いられている13.56MHzよりも高くすると、
このイオンエネルギ−の広がる分布幅を狭くすることが
でき、分布幅が小さくて均一なイオンエネルギ−を得る
ことができる。それは、RF電源の周波数を高くする
と、イオンがシ−スを通過する間にRF電源によって加
速される回数が多くなり、その結果、イオンの到達エネ
ルギ−は入射位相に左右されることなく平均的な値(自
己バイアス)に集中するためである。その様子を図21
に示す。図21(a)のようにRF電源の周波数が従来
から用いられている13.56MHzのように低いと、
RF1周期の間にイオンが加速されて移動する距離は大
きくなり、最終フェイズで加速されるかされないかによ
ってイオンの到達エネルギ−の差は大きくなる。それに
対して、図21(b)のように周波数が高いと、RF1
周期の間にイオンが加速されて移動する距離は小さくな
り、結果としてイオンの到達エネルギ−の差は小さくな
り分布幅の小さい均一なイオンエネルギ−が得られる。
このような分布幅の小さいイオンエネルギ−の場合に
は、そのエネルギ−の値を所望の値に制御することによ
り、低損傷でかつ高効率なドライエッチングが可能とな
る。
However, if the frequency of the RF power supply is made higher than 13.56 MHz conventionally used,
The distribution width of the spread of the ion energy can be narrowed, and the distribution width is small and uniform ion energy can be obtained. That is, when the frequency of the RF power source is increased, the number of times that the ions are accelerated by the RF power source while passing through the sheath is increased, so that the energy reached by the ions is not affected by the incident phase and averaged. This is for concentrating on appropriate values (self-bias). Figure 21
Shown in If the frequency of the RF power supply is as low as 13.56 MHz conventionally used as shown in FIG.
The distance over which the ions are accelerated and moved during one RF period increases, and the difference in the energy reached by the ions increases depending on whether or not they are accelerated in the final phase. On the other hand, when the frequency is high as shown in FIG.
The distance over which the ions are accelerated and moved during the period is reduced, and as a result, the difference in the energy of arrival of the ions is reduced, and uniform ion energy with a small distribution width is obtained.
In the case of such ion energy having a small distribution width, by controlling the value of the energy to a desired value, dry etching with low damage and high efficiency can be performed.

【0022】本発明は、上記したようにRF電源の周波
数を従来から用いられている13.56MHzより高く
することによって、低損傷でかつ高効率なドライエッチ
ングを実現させると同時に、異方性が高くかつ選択比の
大きいドライエッチングを実現させるものである。
The present invention realizes low-damage and high-efficiency dry etching by increasing the frequency of the RF power supply to 13.56 MHz, which has been conventionally used, as described above. This realizes dry etching with high selectivity and high selectivity.

【0023】[0023]

【実施例】図1は、本発明の高周波RF電源によるドラ
イエッチング装置の一事例を示す模式図である。RF電
源の周波数は、電波法で割り当てられた13.56MH
zより高い周波数を用いる。そのため、電波が漏れない
ようにシ−ルド装置9によって完全にRF電源を遮蔽す
る。
FIG. 1 is a schematic diagram showing an example of a dry etching apparatus using a high-frequency RF power supply according to the present invention. The frequency of the RF power source is 13.56 MHz assigned by the Radio Law.
Use a frequency higher than z. For this reason, the RF power is completely shielded by the shield device 9 so that radio waves do not leak.

【0024】以上のように構成されたドライエッチング
装置によって、本発明の第1の実施例であるゲ−ト電極
のpoly−SiとSiO2膜のエッチングレ−ト並び
に選択比が、RF電源の周波数によってどの様に変化す
るのか検討を行った。実験では、ガス系としてCl2
用い、ガス圧は100mTorr、RFパワ−は300
Wであった。ゲ−ト電極のエッチングガスとしてCl2
を用いたのは、以下に示す理由による。表1は、Siと
主な原子の結合エネルギ−を示しており、Si−Siの
結合エネルギ−は1.83eVと低く、Si−Oの結合
エネルギ−は8.33eVと高い。従って、これらの中
間にあるF,Cl,Br,Iはいずれもゲ−ト電極のエ
ッチングに使用できる。それは、例えばClの場合、結
合エネルギ−の関係はSi−Si<Si−Cl<Si−
Oであり、結合エネルギ−が高い方がより安定であるの
で、poly−SiはClにエッチングされやすいのに
対し、SiO2はClにあまりエッチングされにくいた
めである。従って、より高い選択比を確保するには、S
i−Oの結合エネルギ−と比較してできるだけ小さい結
合エネルギ−のガス系を用いればよい。しかしながら、
Br2,I2は排ガスを除去しにくく、またチャンバ−や
配管を腐食しやすいという欠点がある。そこで、エッチ
ングガスとしてCl2を用いた。
With the dry etching apparatus constructed as described above, the etching rate and selectivity of the poly-Si and SiO 2 films of the gate electrode according to the first embodiment of the present invention are determined by the RF power supply. We examined how it changes with frequency. In the experiment, Cl 2 was used as a gas system, the gas pressure was 100 mTorr, and the RF power was 300.
W. Cl 2 as an etching gas for the gate electrode
Was used for the following reason. Table 1 shows the binding energies of Si and the main atoms. The binding energy of Si-Si is as low as 1.83 eV, and the binding energy of Si-O is as high as 8.33 eV. Therefore, F, Cl, Br, and I in the middle can be used for etching the gate electrode. That is, for example, in the case of Cl, the relation of the binding energy is Si-Si <Si-Cl <Si-
This is because poly-Si is easily etched by Cl, whereas SiO 2 is hardly etched by Cl, because O is O and the higher the binding energy is, the more stable it is. Therefore, to ensure a higher selectivity, S
A gas system having a binding energy as small as possible compared to the binding energy of i-O may be used. However,
Br 2 and I 2 have drawbacks in that it is difficult to remove the exhaust gas and that the chamber and piping are easily corroded. Therefore, Cl 2 was used as an etching gas.

【0025】[0025]

【表1】 [Table 1]

【0026】図2は、このような条件のもとで、RF電
源の周波数を13.56MHz,40MHz,70MH
z,100MHzと変化させて、poly−SiとSi
2膜のエッチングレ−トを測定した結果であり、横軸
はRF電源の周波数で、縦軸はエッチングレ−ト並びに
選択比である。また図3は、この時の自己バイアスの周
波数依存性を示しており、横軸はRF電源の周波数で、
縦軸は自己バイアスである。図2より、RF電源の周波
数が高くなると選択比が大きくなっているのがわかる。
これは、図3に示されるように、RF電源の周波数が高
くなるとプラズマの自己バイアスが低下することに起因
しているものと考えられる。すなわち、RF電源の周波
数が高くなってプラズマの自己バイアスが下がり、その
結果基板に到達するイオンエネルギ−が低下すると、p
oly−Siでは前記したように、Si−Siの結合エ
ネルギ−が1.83eVと低いので低エネルギ−のイオ
ンでもエッチングされるのに対して、SiO2膜ではS
i−Oの結合エネルギ−が8.33eVと高いために低
エネルギ−のイオンではエッチングされにくくなるため
である。このように自己バイアスを低くするのはRFパ
ワ−を下げても可能であるが、それではプラズマの電離
度が低下しラジカルの発生が減少してエッチングレ−ト
が低下してしまい、効率的なエッチングは不可能であ
る。これに対し、上記したようにRF電源の周波数を高
くする方法では、エッチング効率を落とすことなく自己
バイアスを小さくできる。このようにゲ−ト電極のエッ
チングにおいて、エッチングガスとして塩素系のガスを
用いた場合、従来の13.56MHzの高周波電源では
図2に示されるように選択比が10程度しか確保できな
いが、100MHzの高周波電源を用いると塩素系のエ
ッチングガスであっても選択比は40以上となり、下地
にほとんど影響を及ぼさないでゲ−ト電極のエッチング
が可能となる。
FIG. 2 shows that the frequency of the RF power source is 13.56 MHz, 40 MHz, and 70 MHz under these conditions.
z, 100 MHz, poly-Si and Si
This is the result of measuring the etching rate of the O 2 film. The horizontal axis represents the frequency of the RF power source, and the vertical axis represents the etching rate and the selectivity. FIG. 3 shows the frequency dependence of the self-bias at this time. The horizontal axis represents the frequency of the RF power supply.
The vertical axis is the self-bias. FIG. 2 shows that the selection ratio increases as the frequency of the RF power source increases.
This is considered to be due to the fact that the self-bias of the plasma decreases as the frequency of the RF power source increases, as shown in FIG. That is, when the frequency of the RF power source increases and the self-bias of the plasma decreases, and as a result the ion energy reaching the substrate decreases, p
As described above in oly-Si, the bonding energy of Si-Si - is 1.83eV low because low energy - against being etched in ionic, S is in the SiO 2 film
This is because the low-energy ions are difficult to be etched because the binding energy of i-O is as high as 8.33 eV. It is possible to lower the self-bias by lowering the RF power. However, in this case, the ionization degree of the plasma is reduced, radical generation is reduced, and the etching rate is reduced. Etching is not possible. On the other hand, in the method of increasing the frequency of the RF power supply as described above, the self-bias can be reduced without lowering the etching efficiency. As described above, when a chlorine-based gas is used as an etching gas in etching the gate electrode, a conventional 13.56 MHz high frequency power supply can secure a selectivity of only about 10 as shown in FIG. When the high-frequency power supply is used, the selectivity becomes 40 or more even with a chlorine-based etching gas, and the gate electrode can be etched without substantially affecting the base.

【0027】次に、本発明の第2の実施例である、ゲ−
ト酸化膜の絶縁破壊のRF電源の周波数依存性について
説明を行う。実験では4枚のウェハ−を用意し,RF電
源の周波数を13.56MHz,40MHz,70MH
z,100MHzと変化させて、ゲ−ト電極のpoly
−Siのエッチングを行った。エッチング条件として
は、ガス系としてCl2を用い、ガス圧は300mTo
rr、RFパワ−は300Wであった。これら4枚のウ
ェハ−について、ゲ−ト酸化膜が絶縁破壊を起こすチッ
プの割合をFDDB(Field Dependent Dielectric Bre
akdown)で評価した。図4にその結果を示す。図4よ
り、RF電源の周波数を高くすると、絶縁破壊を起こす
チップの割合が減少しているのが確認される。これは、
上述したようにRF電源の周波数が高くなるとプラズマ
の自己バイアスが低下し、高エネルギ−イオンの発生が
抑制されてチャ−ジアップが減少し、ゲ−ト電極に加わ
るストレスが弱くなるためである。
Next, a gate according to a second embodiment of the present invention will be described.
The frequency dependence of the RF power of the dielectric breakdown of the oxide film will be described. In the experiment, four wafers were prepared and the frequency of the RF power supply was 13.56 MHz, 40 MHz, and 70 MHz.
z, 100MHz and poly of gate electrode
-Si etching was performed. As the etching conditions, Cl 2 was used as a gas system, and the gas pressure was 300 mTo.
rr and RF power were 300W. For these four wafers, the ratio of chips in which the gate oxide film causes dielectric breakdown was determined by the FDDB (Field Dependent Dielectric
akdown). FIG. 4 shows the result. From FIG. 4, it is confirmed that when the frequency of the RF power source is increased, the ratio of chips that cause dielectric breakdown decreases. this is,
As described above, when the frequency of the RF power supply increases, the self-bias of the plasma decreases, the generation of high-energy ions is suppressed, the charge-up is reduced, and the stress applied to the gate electrode is reduced.

【0028】また、本発明の第3の実施例である、異方
性を高めつつ高エネルギ−イオンの発生を抑える方法に
ついて説明する。図5は、エッチングガス圧に対する自
己バイアスの変化をRF電源の周波数をパラメ−タにし
て測定したものである。一般に、異方性を高めるにはエ
ッチングガス圧を低くして真空度を高くするとよい。し
かしながら、エッチングガス圧を低くすると、図5に示
すように自己バイアスが上昇して高エネルギ−イオンが
発生してしまう。しかしながら、RF電源の周波数を高
くすると、図5に示されるように自己バイアスを低下す
ることができ、異方性を確保することが可能となる。
A method according to a third embodiment of the present invention, which suppresses generation of high energy ions while increasing anisotropy, will be described. FIG. 5 shows the change in the self-bias with respect to the etching gas pressure measured using the frequency of the RF power source as a parameter. Generally, to increase anisotropy, it is preferable to lower the etching gas pressure and increase the degree of vacuum. However, when the etching gas pressure is reduced, the self-bias is increased as shown in FIG. 5 and high-energy ions are generated. However, when the frequency of the RF power supply is increased, the self-bias can be reduced as shown in FIG. 5, and the anisotropy can be ensured.

【0029】以上、本発明の実施例1,2,3より、R
F電源の周波数を高くすると、プラズマの自己バイアス
が下がってゲ−ト酸化膜の絶縁破壊が抑制されると同時
に、選択比並びに異方性が高くなることが明かとなっ
た。
As described above, according to Examples 1, 2 and 3 of the present invention, R
It has been found that when the frequency of the F power source is increased, the self-bias of the plasma is reduced to suppress the dielectric breakdown of the gate oxide film, and at the same time, the selectivity and the anisotropy are increased.

【0030】次に、本発明の第4の実施例であるイオン
エネルギ−分布のRF電源の周波数依存性について説明
を行う。イオンエネルギ−分布は、モンテカルロシミュ
レ−ションを用いて求めた。図6は、シ−ス長Lshをパ
ラメ−タとしてイオンエネルギ−分布の分布幅ΔEのエ
ッチングガスの質量Mの−1/2乗に対する依存性を表
しており、RF電源の周波数fRFとしては13.56M
Hzを仮定した。また、図7はMをパラメ−タとしてΔ
EのLshの逆数に対する依存性を表しており、fRFとし
ては13.56MHzを仮定した。更に、図8はMをパ
ラメ−タとしてΔEのfRFの逆数に対する依存性を表し
ており、Lshとしては3mmを仮定した。いずれの場合
においても、プラズマの条件としては、イオン温度が3
00K,自己バイアスが100V,RF電源の電圧が1
00Vである。図6,図7,図8より、イオンエネルギ
−分布の分布幅ΔEはエッチングガスの質量Mの−1/
2乗とシ−ス長Lshの逆数とRF電源の周波数fRFの逆
数に比例しているのがわかる。すなわち、イオンエネル
ギ−分布の分布幅ΔEは式1で表される。
Next, the frequency dependence of the RF power source of the ion energy distribution according to the fourth embodiment of the present invention will be described. The ion energy distribution was determined using Monte Carlo simulation. Figure 6 is a sheet - the scan length L sh parameters - ion energy as data - represents the dependence on -1/2 power of the mass M of the etching gas distribution width ΔE of the distribution, as the frequency f RF of the RF power source Is 13.56M
Hz was assumed. FIG. 7 is a graph showing Δ using M as a parameter.
It represents the dependence on the reciprocal of L sh of E, as the f RF was assumed 13.56 MHz. Furthermore, Figure 8 is a M parameters - represents the dependence on the reciprocal of f RF of ΔE as data, as the L sh assumed a 3 mm. In any case, the condition of the plasma is that the ion temperature is 3
00K, self-bias 100V, RF power supply voltage 1
00V. 6, 7, and 8, the distribution width ΔE of the ion energy distribution is −1 / の of the mass M of the etching gas.
It can be seen that it is proportional to the square and the reciprocal of the sheath length Lsh and the reciprocal of the frequency f RF of the RF power supply. That is, the distribution width ΔE of the ion energy distribution is expressed by Expression 1.

【0031】 ΔE = k/(M1/2・Lsh・fRF)・・・ 式1 ただし、kは比例定数であり、図6,図7,図8よりk
の値は約6830[eV・amu1/2・mm・MHz]
である。このように、ΔEがM-1/2sh ー1RF 1に比例
するのは、質量が重くなったり、シ−ス長が長くなった
り、あるいはRF電源の周波数が高くなったりすると、
シ−ス中を移動するイオンの通過時間が長くなり、その
結果、(作用)の項で述べたようにイオンがRF電源に
よって振られる回数が多くなって、イオンの基板への到
達エネルギ−は入射位相に左右されず、平均的な値(自
己バイアス)に集中して分布幅が狭くなるからである。
ΔE = k / (M 1/2 · L sh · f RF ) Equation 1 where k is a proportionality constant, and is k from FIGS. 6, 7 and 8.
Is about 6830 [eV • amu 1/2 • mm • MHz]
It is. Thus, ΔE is proportional to M −1/2 L sh −1 f RF 1 when the mass increases, the sheath length increases, or the frequency of the RF power source increases. ,
The transit time of the ions traveling through the case becomes longer, and as a result, the number of times the ions are swung by the RF power source increases as described in the section of (action), and the energy of the ions reaching the substrate becomes smaller. This is because the distribution width is narrowed irrespective of the incident phase and concentrated on an average value (self-bias).

【0032】ドライエッチング装置の設計条件として、
イオンエネルギ−の分布幅が自己バイアスの±5%と仮
定すると、エネルギ−幅の許容条件は10eV以下であ
る。従って式1より、RF電源の周波数fRFは,式2を
満たさなければならない. fRF > 683/(M1/2・Lsh)・・・式2 例としてシ−ス長が3mmの場合、RF電源の印加周波
数としては、Ar+イオン(M=40)の場合は36M
Hz以上,SF6 +イオン(M=127)の場合は20M
Hz以上が妥当であると思われる。
As a design condition of the dry etching apparatus,
Assuming that the distribution width of the ion energy is ± 5% of the self-bias, the allowable condition of the energy width is 10 eV or less. Therefore, from equation 1, the frequency f RF of the RF power supply must satisfy equation 2. f RF > 683 / (M 1/2 · L sh ) Formula 2 As an example, when the sheath length is 3 mm, the applied frequency of the RF power source is 36 M in the case of Ar + ion (M = 40).
Hz or more, 20 M for SF 6 + ion (M = 127)
Hz and above seems reasonable.

【0033】図9は、Ar+イオンエネルギ−分布を表
しており、(a)はRF電源の周波数が13.56MH
zの場合、(b)は40.0MHzの場合である。横軸
はイオンエネルギ−を、縦軸はイオンの個数を表す。ま
た、シ−ス長は3mmとした。図9に示されるように、
RF電源の印加周波数を高くすることによって、イオン
エネルギ−は所望のエネルギ−(自己バイアス)に集中
し分布幅が狭くなって、均一なイオンエネルギ−分布が
得られているのがわかる。
FIG. 9 shows the distribution of Ar + ion energy. FIG. 9A shows the case where the frequency of the RF power source is 13.56 MHz.
In the case of z, (b) is the case of 40.0 MHz. The horizontal axis represents ion energy, and the vertical axis represents the number of ions. The sheet length was 3 mm. As shown in FIG.
It can be seen that by increasing the applied frequency of the RF power source, the ion energy is concentrated on the desired energy (self-bias), the distribution width is narrowed, and a uniform ion energy distribution is obtained.

【0034】以上のようにこの実施例4によれば、1
3.56MHzより高い高周波電源を設けることによ
り、低エネルギ−で均一なイオンエネルギ−分布が得ら
れ、低損傷でかつ高効率なドライエッチングを実現する
ことができる。
As described above, according to the fourth embodiment, 1
By providing a high-frequency power supply higher than 3.56 MHz, a uniform ion energy distribution with low energy can be obtained, and low-damage and high-efficiency dry etching can be realized.

【0035】[0035]

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
13.56MHzよりも高い高周波RF電源を用いるこ
とにより、エッチングガス圧を下げて異方性を保ちつつ
プラズマの自己バイアスを低下させ、イオンエネルギ−
分布を全体的に低エネルギ−側にシフトさせると同時
に、エネルギ−分布幅を平均到達エネルギ−の±5%以
下に狭めて均一なイオンエネルギ−分布を発生させ、低
損傷でかつ高効率なドライエッチングを実現させ、更
に、poly−SiやSiNあるいはAl合金をエッチ
ングする際に下地のSiO2膜のエッチングレ−トを下
げることにより十分大きな選択比が得られることが可能
となり、その実用的効果は大きい。
As described above, according to the present invention,
By using a high-frequency RF power supply higher than 13.56 MHz, the plasma self-bias is reduced while maintaining the anisotropy by lowering the etching gas pressure, and the ion energy is reduced.
The distribution is shifted to the low energy side as a whole, and at the same time, the energy distribution width is narrowed to ± 5% or less of the average attained energy to generate a uniform ion energy distribution. By realizing the etching and further lowering the etching rate of the underlying SiO 2 film when etching poly-Si, SiN or Al alloy, it is possible to obtain a sufficiently large selectivity, and its practical effect is obtained. Is big.

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

【図1】本発明の実施例における13.56MHzより
高い周波数のRF電源を備えたドライエッチング装置の
構成図である。
FIG. 1 is a configuration diagram of a dry etching apparatus provided with an RF power supply having a frequency higher than 13.56 MHz according to an embodiment of the present invention.

【図2】ポリシリコンと酸化膜のエッチングレ−ト及び
選択比のRF電源周波数依存性を示す図である。
FIG. 2 is a diagram showing the RF power frequency dependence of the etching rate and selectivity of polysilicon and an oxide film.

【図3】プラズマの自己バイアスのRF電源周波数依存
性を示す図である。
FIG. 3 is a diagram showing the RF power supply frequency dependence of plasma self-bias;

【図4】ゲ−ト電極の絶縁破壊割合のRF電源周波数依
存性を示す図である。
FIG. 4 is a diagram showing the RF power supply frequency dependence of the breakdown rate of a gate electrode.

【図5】自己バイアスのエッチングガス圧に対する依存
性を示す図である。
FIG. 5 is a diagram showing the dependence of self-bias on etching gas pressure.

【図6】モンテカルロシミュレ−ションによるイオンエ
ネルギ−の分布幅のエッチングガスの質量依存性を示す
図である。
FIG. 6 is a diagram showing the mass dependence of an etching gas on the distribution width of ion energy by Monte Carlo simulation.

【図7】モンテカルロシミュレ−ションによるイオンエ
ネルギ−の分布幅のシ−ス長依存性を示す図である。
FIG. 7 is a diagram showing the sheath length dependence of the ion energy distribution width by Monte Carlo simulation.

【図8】モンテカルロシミュレ−ションによるイオンエ
ネルギ−の分布幅のRF電源周波数依存性を示す図であ
る。
FIG. 8 is a diagram showing the RF power supply frequency dependence of the distribution width of ion energy by Monte Carlo simulation.

【図9】(a)RF電源の周波数が13.56MHzの
場合のAr+イオンのエネルギ−分布を示す図である。 (b)40.0MHzの場合のAr+イオンのエネルギ
−分布を示す図である。
FIG. 9A is a diagram showing the energy distribution of Ar + ions when the frequency of the RF power source is 13.56 MHz. (B) is a diagram showing the energy distribution of Ar + ions at 40.0 MHz.

【図10】従来のドライエッチング装置(RIE)の構
成図である。
FIG. 10 is a configuration diagram of a conventional dry etching apparatus (RIE).

【図11】(a)はRFプラズマの概念図である。 (b)はプラズマ中における電位分布を示す図である。FIG. 11A is a conceptual diagram of an RF plasma. (B) is a diagram showing a potential distribution in plasma.

【図12】カソ−ド電位の時間変化とプラズマ電位の相
関図である。
FIG. 12 is a correlation diagram between a time change of a cathode potential and a plasma potential.

【図13】後藤らより提案されている2周波励起ドライ
エッチング装置の構成図である。
FIG. 13 is a configuration diagram of a dual-frequency excitation dry etching apparatus proposed by Goto et al.

【図14】(a)従来のRIE装置によるイオンエネル
ギ−分布の模式図である。 (b)東北大の装置によるイオンエネルギ−分布の模式
図である。 (c)RF電源の周波数を高くした場合のイオンエネル
ギ−分布の模式図である。
FIG. 14A is a schematic diagram of an ion energy distribution by a conventional RIE apparatus. (B) It is a schematic diagram of the ion energy distribution by the device of Tohoku University. (C) is a schematic diagram of the ion energy distribution when the frequency of the RF power supply is increased.

【図15】poly−SiとSiO2のエッチングレ−
トのイオンエネルギ−依存性を示す図である。
FIG. 15 shows the etching rate of poly-Si and SiO 2.
FIG. 4 is a diagram showing the ion energy dependence of the laser beam.

【図16】RFプラズマの回路モデルを示す図である。FIG. 16 is a diagram showing a circuit model of RF plasma.

【図17】RF電源の周波数が従来の13.56MHz
の場合のAr+イオンがシ−スを横切って基板に到達し
たときのエネルギ−分布を示す図である。
FIG. 17 shows a case where the frequency of the RF power source is 13.56 MHz in the related art.
FIG. 10 is a diagram showing an energy distribution when Ar + ions reach the substrate across the sheath in the case of FIG.

【図18】バルク・シ−ス境界に入射したイオンのエネ
ルギ−の時間変化を示す図である。
FIG. 18 is a diagram showing a change over time of the energy of ions incident on a bulk / sheath boundary.

【図19】イオンの速度とシ−ス間の電位差によってイ
オンの獲得エネルギ−がどのようになるのかを示す模式
図である。
FIG. 19 is a schematic diagram showing how the energy obtained by ions depends on the speed of ions and the potential difference between the sheaths.

【図20】Ar+イオンの基板への到達エネルギ−と入
射位相の相関図である。
FIG. 20 is a correlation diagram between the energy of Ar + ions reaching the substrate and the incident phase.

【図21】RF電源の周波数を高くすることによってイ
オンの到達エネルギ−の差が小さくなることを示す模式
図である。
FIG. 21 is a schematic diagram showing that the difference in the arrival energy of ions is reduced by increasing the frequency of the RF power supply.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 金属性チャンバ− 2 供給口 3 排出口 4 アノ−ド(陽極) 5 カソ−ド(陰極) 6 試料 7 ブロッキングコンデンサ 8 RF電源 9 シ−ルド 10 バルク・シ−ス境界 11 ブロッキングコンデンサ2 12 RF電源2 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Metal chamber 2 Supply port 3 Outlet 4 Anode (anode) 5 Cathode (cathode) 6 Sample 7 Blocking capacitor 8 RF power supply 9 Shield 10 Bulk / Sheet boundary 11 Blocking capacitor 2 12 RF Power supply 2

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 服藤 憲司 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電 器産業株式会社内 (72)発明者 野村 登 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電 器産業株式会社内 (56)参考文献 特開 昭58−186937(JP,A) 特開 昭62−125626(JP,A) 特開 平1−149965(JP,A) 特開 昭63−202028(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01L 21/3065 C23F 4/00 ──────────────────────────────────────────────────の Continued on the front page (72) Inventor Kenji Hatto 1006 Kazuma Kadoma, Kadoma City, Osaka Prefecture Inside Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. In-company (56) References JP-A-58-186937 (JP, A) JP-A-62-125626 (JP, A) JP-A-1-149965 (JP, A) JP-A-63-202028 (JP, A) (58) Fields surveyed (Int. Cl. 7 , DB name) H01L 21/3065 C23F 4/00

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 アノ−ドとカソ−ドを具備した金属性チ
ャンバ−内の前記カソ−ド上に半導体基板を載置する工
程と、前記カソ−ドにRF電源を印加して前記アノ−ド
と前記カソ−ド間にプラズマを発生してバルク及びシ−
ス領域を生成し、前記RF電源の周波数として13.5
6MHzより高い一定の周波数を用いて、前記RF電源
のパワ−を下げることなく前記アノ−ドと前記カソ−ド
間で発生する前記プラズマの自己バイアスを低下させる
と同時に、前記半導体基板に入射するイオンエネルギ−
の分布幅を狭める工程と、前記カソ−ドの電位がプラズ
マ電位以下になったときに、前記バルク領域で発生する
イオンが前記半導体基板に低エネルギ−で入射して、効
率を落とすことなくエッチングを行う工程を有するドラ
イエッチング方法。
A step of placing a semiconductor substrate on said cathode in a metal chamber having an anode and a cathode; and applying an RF power to said cathode to apply said anode. Plasma between the cathode and the cathode to generate bulk and sheath
A frequency range of 13.5 as the frequency of the RF power source.
Using a constant frequency higher than 6 MHz, the self-bias of the plasma generated between the anode and the cathode is reduced without lowering the power of the RF power source, and at the same time the light is incident on the semiconductor substrate. Ion energy
A step of narrowing the distribution width, the cathode - when the potential of the de falls below plasma <br/> Ma potential, the low-energy ions generated in the bulk region in the semiconductor substrate - and incident efficiency A dry etching method including a step of performing etching without dropping.
【請求項2】 前記RF電源の周波数を100MHz以
上にすることにより、前記イオンの基板への最大到達エ
ネルギ−を100eV以下にしたことを特徴とする、請
求項1記載のドライエッチング方法。
2. The dry etching method according to claim 1, wherein the maximum energy of the ions reaching the substrate is set to 100 eV or less by setting the frequency of the RF power supply to 100 MHz or more.
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