JPH05102083A - Method and apparatus for dry etching - Google Patents

Method and apparatus for dry etching

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JPH05102083A
JPH05102083A JP26037691A JP26037691A JPH05102083A JP H05102083 A JPH05102083 A JP H05102083A JP 26037691 A JP26037691 A JP 26037691A JP 26037691 A JP26037691 A JP 26037691A JP H05102083 A JPH05102083 A JP H05102083A
Authority
JP
Japan
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cluster
gas
etching
atomic
ionized
Prior art date
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Application number
JP26037691A
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Japanese (ja)
Inventor
Makoto Sekine
誠 関根
Keiji Horioka
啓治 堀岡
Haruo Okano
晴雄 岡野
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Toshiba Corp
Original Assignee
Toshiba Corp
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Publication date
Application filed by Toshiba Corp filed Critical Toshiba Corp
Priority to JP26037691A priority Critical patent/JPH05102083A/en
Publication of JPH05102083A publication Critical patent/JPH05102083A/en
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Abstract

PURPOSE:To suppress the microloading effect due to etching and eliminate the irradiation damages by applying a cluster of ionized atoms on the object to be processed. CONSTITUTION:The pressure difference of the insides of vacuum container 1 and reservoir 4 is set to 10<-4>-10<-5>Torr. After the container is evacuated sufficiently, reactive gas is introduced into the reservoir 3 to a pressure of several Torr. The diameter of nozzle 5 is set to around 1mm and the pressure inside the vacuum container is kept at 10<-4>Torr. The reactive gas passing through the nozzle 5 is cooled to form clusters. At that time the clusters ionized by electron beam are accelerated the voltage impressed between an electrode 7 and the reservoir 4, and are applied on the surface of a wafer 3 thereafter. Thus, there is no fear of irradiation damages even when the accelerated voltage is 1keV.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

[発明の目的] [Object of the Invention]

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明はドライエッチング方法及
びそのための装置に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a dry etching method and an apparatus therefor.

【0002】[0002]

【従来の技術】従来、半導体素子製造プロセス微細加工
において、広く用いられているドライエッチング装置の
概略構成断面図を図4に示す。図4において、カソード
102には高周波電力111が印加され、反応ガスが導
入された反応容器101内にプラズマ104を生成す
る。また、カソード102上にはウェハ103が配置さ
れ、アノ−ド102(ウェハ103)表面に誘起された
自己バイアスにより、該プラズマ中から反応性イオン1
05が加速され、そのウェハ103への衝撃によりエッ
チング反応が進行する。この自己バイアスの電圧は、ガ
ス、RF電力などの個々の条件、電極の形状、カソー
ド、アノードの電極面積比に応じて変化するが、実用的
な装置の構成では、通常100eVから500eV程度
の加速電圧が誘起されることとなる。
2. Description of the Related Art FIG. 4 shows a schematic sectional view of a dry etching apparatus which has been widely used in the conventional fine processing of semiconductor device manufacturing processes. In FIG. 4, a high frequency power 111 is applied to the cathode 102, and a plasma 104 is generated in the reaction vessel 101 into which the reaction gas is introduced. A wafer 103 is placed on the cathode 102, and reactive ions 1 are generated from the plasma by the self-bias induced on the surface of the anode 102 (wafer 103).
05 is accelerated, and the impact on the wafer 103 causes the etching reaction to proceed. This self-bias voltage changes according to individual conditions such as gas and RF power, the shape of the electrode, the electrode area ratio of the cathode and the anode, but in a practical device configuration, the acceleration is usually about 100 eV to 500 eV. A voltage will be induced.

【0003】このような構成のいわゆる反応性イオンエ
ッチング装置は、半導体の微細加工に多大な貢献を果た
したことは周知のことである。しかし、微細化が著しく
進み、このような優れた装置でも、今後のデバイスの製
作には以下のような問題点がある。
It is well known that the so-called reactive ion etching apparatus having such a structure has made a great contribution to the fine processing of semiconductors. However, miniaturization has progressed remarkably, and even with such an excellent apparatus, there are the following problems in future device fabrication.

【0004】まず、問題点の1つは、照射損傷の問題で
ある。MOSデバイスの活性部であるゲート部分の加工
において、あるいはゲート電極と電気的に接続されてい
る部分の加工において、高いエネルギのイオンが衝撃す
る事により、種々の損傷が発生する。例えば、反応容器
内壁の金属がスパッタ作用によって気相に放出され、そ
れがゲート部分に注入される。これにより、新たに不純
物順位が形成され、素子の動作特性が変化してしまう。
First, one of the problems is the problem of irradiation damage. In the processing of the gate portion which is the active portion of the MOS device, or in the processing of the portion which is electrically connected to the gate electrode, impact of high energy ions causes various damages. For example, the metal on the inner wall of the reaction vessel is released into the gas phase by the sputtering action, and it is injected into the gate portion. As a result, a new impurity rank is formed, and the operating characteristics of the device change.

【0005】また、エッチング中には、ウェハは直流電
気的にはどこにも接続されておらず、フローティング
(浮遊)状態になっている。従って、プラズマからの電
子、イオン、あるいは二次電子放出により、ゲート電極
に電荷が蓄積され、それが顕著な場合には、ゲート絶縁
膜の破壊を引き起こす。近年は、この絶縁膜も少ない面
積で大きな容量を得るために、極めて薄いもの(例えば
50オングストロ−ムのSiO2 膜は5V程度の電位が
印加されただけで破壊する場合がある。)が使用されて
きており、破壊され易い。これらは、すべて荷電粒子を
照射することによってエッチングを進めるこの方式の原
理から生じるものであり、原理的に不可避である。
During the etching, the wafer is in a floating state because it is not DC-electrically connected to anything. Therefore, the electrons, ions, or secondary electrons emitted from the plasma accumulate charges on the gate electrode, and when the charges are remarkable, the gate insulating film is destroyed. In recent years, in order to obtain a large capacitance with a small area, this insulating film also uses an extremely thin one (for example, a SiO 2 film of 50 Å may be destroyed even when a potential of about 5 V is applied). It has been done and is easily destroyed. All of these arise from the principle of this system in which etching is advanced by irradiating charged particles, and are inevitable in principle.

【0006】このような電荷の帯電は、それ以外にエッ
チング形状の異常を引き起こすことがある。すなわち、
図5のパターンの断面模式図に示すように、パターンの
あまり存在しない部分118に隣接する、パターンの密
に存在する部分117の端部パターン119は、図のよ
うに側壁がテーパ状(下部になるにつれパターン幅が広
くなる)あるいは逆テーパ状(下部になるほどパターン
幅が狭くなる)になることがある。これは、図6に示す
ように、個々のパターンが帯電し、基板に対してプラス
の電位となり、入射するイオンの軌跡が曲げられた結果
と考えられる。この帯電現象は、まだ良く理解されてお
らず、現状の技術では、容易には解決できない。他の問
題点は、マイクロローディング効果と呼ばれる現象であ
る。
Such charging of electric charges may cause an abnormal etching shape in addition to the above. That is,
As shown in the schematic cross-sectional view of the pattern of FIG. 5, the end pattern 119 of the densely-existing portion 117 of the pattern, which is adjacent to the less-existing portion 118 of the pattern, has a tapered sidewall (in the lower portion, In some cases, the pattern width becomes wider) or in an inverse taper shape (the pattern width becomes narrower toward the bottom). It is considered that this is because, as shown in FIG. 6, the individual patterns are charged, the potential becomes positive with respect to the substrate, and the trajectory of the incident ions is bent. This charging phenomenon is not yet well understood and cannot be easily solved by the current technology. Another problem is a phenomenon called the microloading effect.

【0007】図7に、厚い被エッチング膜122をエッ
チングしたときの断面概略図を示す。なお、下地基板は
省略されている。マスク121の間隔を変化させてエッ
チング速度を調べたところ、次の結果を得た。例えば、
多結晶シリコン等の膜122を塩素あるいはフッ素系の
ガスでエッチングすると、溝幅が狭くなるほど、エッチ
ング速度が低いことが分かる。これをマイクロローディ
ング効果と呼び、微細溝エッチング時の大きな問題とな
っている。
FIG. 7 shows a schematic sectional view when the thick film 122 to be etched is etched. The base substrate is omitted. When the etching rate was examined by changing the interval of the mask 121, the following results were obtained. For example,
It can be seen that when the film 122 of polycrystalline silicon or the like is etched with a chlorine or fluorine-based gas, the etching rate becomes lower as the groove width becomes narrower. This is called the microloading effect, which is a big problem when etching fine grooves.

【0008】マイクロローディング効果の原因は、複数
の要素が絡んだもので単純ではない。その主要な原因
は、エッチングを促進するイオンの単位面積当たりの入
射量が幅が狭いほど少なくなることによるものと考えら
れる。プラズマ中では、イオンは、主に熱運動によるラ
ンダム運動と、弱い電界による緩やかな運動をしていた
が、一般にはシース中で、バイアス電圧により加速さ
れ、ウェハに垂直に入射するとされている。しかしなが
ら、実際は斜めの成分をもってウェハを衝撃するイオン
も多い。そのため、パターンの開口幅が狭くなるほど、
溝が深くなるほど、エッチング面である底部まで到達す
るイオン量が減少する結果となる。更に、エッチング種
である中性の活性種(主にプラズマ中で解離したハロゲ
ン元素)はプラズマから、拡散、熱運動だけでウェハへ
供給される。従って、ウェハへの入射角度分散が大き
く、狭く、深い溝ほど供給量が少なくなり、エッチング
速度が低減する。
[0008] The cause of the microloading effect is not simple because it involves a plurality of elements. It is considered that the main reason for this is that the smaller the width is, the smaller the incident amount of ions that promote etching per unit area becomes. In plasma, the ions mainly performed random motion due to thermal motion and gradual motion due to weak electric field. Generally, it is said that ions are accelerated by a bias voltage in the sheath and vertically incident on the wafer. However, in reality, many ions strike the wafer with an oblique component. Therefore, the narrower the opening width of the pattern,
The deeper the groove is, the smaller the amount of ions reaching the bottom, which is the etching surface. Further, the neutral active species (mainly halogen elements dissociated in plasma) which are etching species are supplied from the plasma to the wafer only by diffusion and thermal motion. Therefore, the incident angle dispersion on the wafer is large and narrow, and the deeper the groove is, the smaller the supply amount is, and the etching rate is reduced.

【0009】低圧力化によりイオンの方向性をそろえマ
イクロローディング効果を低減することも試みられてい
るが、低圧力化に伴い、プラズマ密度の低下によりエッ
チング速度が低下し、かつイオンエネルギが増大して照
射損傷の増加あるいは選択比の低下を招き、本質的な解
決には至らない。
Attempts have also been made to reduce the microloading effect by aligning the directionality of ions by lowering the pressure. However, as the pressure is lowered, the plasma density is lowered and the etching rate is lowered, and the ion energy is increased. As a result, irradiation damage is increased or the selection ratio is decreased, which is not a fundamental solution.

【0010】[0010]

【発明が解決しょうとする課題】このように、従来のド
ライエッチング方法及び装置では、パターンの幅に応じ
てエッチング速度が変化するいわゆるマイクロローディ
ング効果が生じ易い。また、高エネルギ粒子の衝撃によ
る照射損傷の発生、基板の帯電によるパターン形状の異
常が発生し易く問題となっていた。
As described above, in the conventional dry etching method and apparatus, the so-called microloading effect in which the etching rate changes depending on the pattern width is likely to occur. Further, irradiation damage due to impact of high energy particles and abnormal pattern shape due to electrification of the substrate are likely to occur, which is a problem.

【0011】本発明は、前記実状に鑑みてなされたもの
で、マイクロローディング効果をなくし、また、照射損
傷が少なく、良好なエッチング形状の得られるドライエ
ッチング方法を提供することを目的とする。本発明の他
の目的は、上記ドライエッチング方法を実施するために
使用されるドライエッチング装置を提供することにあ
る。 [発明の構成]
The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to provide a dry etching method in which the microloading effect is eliminated, irradiation damage is small, and a good etching shape can be obtained. Another object of the present invention is to provide a dry etching apparatus used for implementing the dry etching method. [Constitution of Invention]

【0012】[0012]

【課題を解決するための手段】このような課題を解決す
るため、本発明は、反応性元素を含むガスを、高圧領域
から低圧領域に吹き出させることにより、クラスタ状原
子集団を形成する工程、形成されたクラスタ状原子集団
をイオン化する工程、及びイオン化されたクラスタ状原
子集団を被処理体に照射することにより該被処理体を選
択的にエッチングする工程を具備するドライエッチング
方法を提供する。
In order to solve such a problem, the present invention provides a step of forming a cluster-like atomic population by blowing a gas containing a reactive element from a high pressure region to a low pressure region, There is provided a dry etching method comprising a step of ionizing the formed cluster-like atomic population, and a step of irradiating the object with the ionized cluster-like atomic population to selectively etch the object.

【0013】また、本発明は、反応性元素を含むガス
を、高圧領域から低圧領域に吹き出させることにより、
クラスタ状原子集団を形成する工程、形成されたクラス
タ状原子集団をイオン化する工程、イオン化されたクラ
スタ状原子集団に、交番電界又は交番磁界、又はその双
方を印加する工程、及びイオン化されたクラスタ状原子
集団を被処理体に照射することにより該被処理体を選択
的にエッチングする工程を具備するドライエッチング方
法を提供する。
Further, according to the present invention, the gas containing the reactive element is blown out from the high pressure region to the low pressure region,
Forming a cluster-like atomic population, ionizing the formed cluster-like atomic population, applying an alternating electric field or an alternating magnetic field, or both to the ionized cluster-like atomic population, and an ionized cluster-like Provided is a dry etching method including a step of selectively etching a target object by irradiating the target object with a group of atoms.

【0014】更に本発明は、反応容器と、この反応容器
より高い圧力に維持され、反応性元素を含むガスを収容
するガス溜めと、このガス溜めの出口に設けられ、ガス
溜めから反応容器内にガスを吹き出し、該ガスの原子で
構成されるクラスタ状原子集団を生成するノズルと、該
クラスタ状原子集団をイオン化する手段と、イオン化し
たクラスタ状原子集団を引き出し、反応容器内に収容さ
れた被処理体に照射するための加速手段とを具備するこ
とを特徴とするドライエッチング装置を提供する。
Further, according to the present invention, a reaction vessel, a gas reservoir which is maintained at a pressure higher than that of the reaction vessel, and which contains a gas containing a reactive element, and an outlet of the gas reservoir, which is provided inside the reaction vessel from the gas reservoir. A gas is blown into the nozzle to generate a cluster-like atomic population composed of atoms of the gas, a means for ionizing the cluster-like atomic population, and the ionized cluster-like atomic population is drawn out and housed in a reaction vessel. A dry etching apparatus comprising: an accelerating unit for irradiating an object to be processed.

【0015】更にまた本発明は、反応容器と、この反応
容器より高い圧力に維持され、反応性元素を含むガスを
収容するガス溜めと、このガス溜めの出口に設けられ、
ガス溜めから反応容器内にガスを吹き出し、該ガスの原
子で構成されるクラスタ状原子集団を生成するノズル
と、該クラスタをイオン化する手段と、イオン化された
クラスタ状原子集団に、交番電界又は交番磁界、又はそ
の両方を印加する手段と、イオン化したクラスタ状原子
集団を引き出し、反応容器内に収容された被処理体に照
射するための加速手段とを具備することを特徴とするド
ライエッチング装置を提供する。
Furthermore, the present invention is provided with a reaction vessel, a gas reservoir which is maintained at a pressure higher than that of the reaction vessel and which contains a gas containing a reactive element, and an outlet of the gas reservoir,
A gas is blown from a gas reservoir into a reaction container to generate a cluster-like atomic population composed of atoms of the gas, a means for ionizing the cluster, and an alternating electric field or an alternating current to the ionized cluster-like atomic population. A dry etching apparatus comprising: a means for applying a magnetic field or both; and an accelerating means for drawing out an ionized cluster-like atomic population and irradiating the object to be processed housed in a reaction container. provide.

【0016】なお、ここで、被処理体を選択的にエッチ
ングする工程とは、被処理体表面の所定の領域を選択的
にエッチングする工程や、被エッチング材料を下地材料
に対して選択的にエッチングする工程を意味する。
Here, the step of selectively etching the object to be processed includes the step of selectively etching a predetermined region on the surface of the object to be processed, or selectively etching the material to be etched with respect to the underlying material. It means a step of etching.

【0017】このように、本発明の方法及び装置は、緩
く結合した10−数1000個の反応性原子の塊(クラ
スタ)を帯電させ、低い加速エネルギで引き出すクラス
タイオンビームを形成、被エッチング基板まで分散少な
く輸送し垂直に照射しエッチングを行うものである。
As described above, the method and apparatus of the present invention charge clusters of loosely bound 10-several thousands of reactive atoms (cluster) to form a cluster ion beam which can be extracted with a low acceleration energy. It is transported with little dispersion and is vertically irradiated for etching.

【0018】本発明に使用される反応性元素としては、
ハロゲン、酸素、水素、窒素を挙げることが出来る。ま
た、反応性元素として複数の異種元素を用い、クラスタ
状原子集団を複数種生成し、それらを同時に、個々に、
又は一定の周期で交互に、被処理体に照射することが出
来る。この場合、異種元素の構成比を任意に設定するこ
とが可能である。なお、被処理体表面での化学反応を制
御するため基板の温度制御機能を有することが好まし
い。
The reactive element used in the present invention includes:
Mention may be made of halogen, oxygen, hydrogen and nitrogen. In addition, multiple heterogeneous elements are used as reactive elements, and multiple cluster-like atomic populations are generated, and these are simultaneously and individually
Alternatively, the object to be processed can be irradiated alternately with a constant cycle. In this case, the composition ratio of the different elements can be set arbitrarily. It is preferable that the substrate has a temperature control function for controlling the chemical reaction on the surface of the object to be processed.

【0019】[0019]

【作用】本発明に応用したクラスタイオンビーム技術
は、以前から成膜技術に使うことを目的に開発が進めら
れてきた。従って、その生成と制御技術自体はすでにあ
る程度確立(参考文献:高木、応用物理 Vo1.55 No.8
P.746(1986) )されてきているが、エッチング技術に
応用されたのは本発明が初めてである。
The cluster ion beam technology applied to the present invention has been developed for the purpose of being used for film forming technology. Therefore, its generation and control technology itself has already been established to some extent (Reference: Takagi, Applied Physics Vo1.55 No.8
P.746 (1986)), the present invention is the first to be applied to etching technology.

【0020】本発明では、垂直に照射されるクラスタイ
オンビームを使用することにより、必要なエッチングガ
スを、微細な溝の中まで、その溝幅に係わらず常に同じ
量だけ供給することが可能である。従って、どのパター
ンも同じエッチング速度、形状に加工することが可能に
なる。
According to the present invention, by using the cluster ion beam which is vertically irradiated, it is possible to supply the required etching gas into the fine groove all the time, regardless of the groove width. is there. Therefore, it becomes possible to process all patterns to the same etching rate and shape.

【0021】クラスタイオンビームは、多くの原子の塊
が1価あるいは数価程度に帯電するため、供給される原
子の数に対し実質的に基板に与える電荷量が少なく基板
の帯電自体が発生しにくい。そのため、絶縁物のマスク
材あるいは被エッチング膜の帯電により入射イオンが曲
げられて生じると考えられるエッチング形状の異常が発
生することがない。
In a cluster ion beam, since many lumps of atoms are charged to a valence of one or several, the amount of charges applied to the substrate is substantially small relative to the number of supplied atoms, and the substrate itself is charged. Hateful. Therefore, an abnormal etching shape, which is considered to be caused by bending of incident ions due to the charging of the insulating mask material or the film to be etched, does not occur.

【0022】更に、同様な理由により、たとえ数キロボ
ルトにビームを加速して基板に照射しても個々の原子の
持つエネルギは極めて低く、照射損傷が低減される。こ
のように高い電圧でビームを加速できるためには分散の
少ない方向性の良いビームを垂直にウェハに照射するこ
とが可能となる。従って、溝幅に係わらず、同じ密度で
エッチングの進む面に原子を供給できる。また、加速が
高く質量も大きいため、(たとえ基板が帯電したとして
も)基板の帯電の作用を受けにくい。更にまた、高精度
加工のため比較的低い圧力を使用しても、エッチング面
に多くのエッチング種を供給できるため高速なエッチン
グが可能となる。
Further, for the same reason, even if the beam is accelerated to several kilovolts to irradiate the substrate, the energy of each atom is extremely low and irradiation damage is reduced. Since the beam can be accelerated at such a high voltage, it is possible to vertically irradiate the wafer with a beam with small dispersion and good directionality. Therefore, regardless of the groove width, atoms can be supplied to the surface where etching proceeds at the same density. In addition, since the acceleration is high and the mass is large, it is difficult to receive the action of charging the substrate (even if the substrate is charged). Furthermore, even if a relatively low pressure is used for high-precision processing, a large amount of etching species can be supplied to the etching surface, which enables high-speed etching.

【0023】[0023]

【実施例】以下、図面を参照して、本発明の実施例につ
いて説明する。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.

【0024】図1は、本発明の一実施例に係るエッチン
グ装置を概略的に示す図である。図1において、真空容
器1内にはサセプタ2が配置され、その上にウェハ3が
載置されている。真空容器1の上部には、エッチングに
使用する反応性ガスを導入するガスリザーバ4が設けら
れ、このガスリザーバ4の出口には、ガスを吹き出し、
クラスタを生成するためのノズルが多数形成されている
ノズル板5が取り付けられている。このノズル板5の下
には、クラスタをイオン化するための電子供給源である
熱フィラメント電子銃6、及びイオン化したクラスタを
加速するための電極7が配設されている。なお、参照符
号8,9はガスの供給系、10は真空排気される方向を
示している。また、サセプタ2には、電力供給系11に
よりバイアス電力が印加され、かつ温度制御装置につな
がる配管12を通して基板温度の制御がなされる。次
に、以上説明したエッチング装置による、実際のエッチ
ングの手順を説明する。
FIG. 1 is a diagram schematically showing an etching apparatus according to an embodiment of the present invention. In FIG. 1, a susceptor 2 is arranged in a vacuum container 1, and a wafer 3 is placed thereon. A gas reservoir 4 for introducing a reactive gas used for etching is provided above the vacuum container 1, and a gas is blown to the outlet of the gas reservoir 4.
A nozzle plate 5 having a large number of nozzles for forming clusters is attached. Below the nozzle plate 5, a hot filament electron gun 6 as an electron supply source for ionizing the clusters and an electrode 7 for accelerating the ionized clusters are arranged. Reference numerals 8 and 9 indicate a gas supply system, and 10 indicates a direction in which the gas is evacuated. Bias power is applied to the susceptor 2 by a power supply system 11, and the substrate temperature is controlled through a pipe 12 connected to a temperature control device. Next, an actual etching procedure by the above-described etching apparatus will be described.

【0025】ウェハ3は、(図示しない)ロードロック
機構により、真空容器1内のサセプタ2上に搬送され
る。本発明では、高い真空中でのプロセスを可能とする
ため、ロードロック機構は不可欠である。ガスの断熱膨
張を利用しクラスタを効率よく形成するために、真空容
器1内とリザーバ4内の圧力差(圧力比)を10-4〜1
-5Torrとする必要がある。一方、エッチングは、
ガスの平均自由工程の充分長い、10-4Torr台以下
で行うとよい。そこで、容器内を充分真空排気した後、
リザーバ3に反応性ガス、例えば塩素(C12)を数T
orrの圧力まで導入する。
The wafer 3 is transferred onto the susceptor 2 in the vacuum container 1 by a load lock mechanism (not shown). In the present invention, the load lock mechanism is indispensable because the process can be performed in a high vacuum. In order to efficiently form the clusters by utilizing the adiabatic expansion of the gas, the pressure difference (pressure ratio) between the vacuum container 1 and the reservoir 4 is set to 10 −4 −1.
It must be 0 -5 Torr. On the other hand, etching is
The mean free path of the gas is sufficiently long, and it is preferable to carry out at 10 −4 Torr level or less. Therefore, after thoroughly evacuating the container,
A reactive gas such as chlorine (C12) for several T is stored in the reservoir 3.
Introduce up to orr pressure.

【0026】ノズル5の直径は1mm程度とし、真空容
器内を排気することで10-4Torr台に保つ。ノズル
5を通過した反応性ガスは、断熱膨張により急激に冷却
され、クラスタが形成される。このクラスタは電気的に
中性であるため、ここで、熱フィラメント電子銃6から
放出された電子ビームによりイオン化される。ここで
は、数千の原子で構成される一つのクラスタについて一
価、二価程度の電荷を与えるだけであり、従って、実質
的に原子一個あたりの電荷は極めて少ない。
The nozzle 5 has a diameter of about 1 mm, and the inside of the vacuum chamber is evacuated to maintain the level at 10 -4 Torr. The reactive gas that has passed through the nozzle 5 is rapidly cooled by adiabatic expansion and clusters are formed. Since this cluster is electrically neutral, it is ionized by the electron beam emitted from the hot filament electron gun 6 here. Here, only a monovalent or divalent charge is given to one cluster composed of thousands of atoms, and therefore, the charge per atom is substantially very small.

【0027】イオン化されたクラスタは、電極7とリザ
ーバ4の間に印加された電圧により加速され、メッシュ
状の電極7を通過し、ウェハ3表面に照射される。イオ
ンの加速電圧は、100eV〜数KeV程度の範囲内に
おいて、個々のプロセスや被エッチング材料に応じて、
適宜選択することが出来る。
The ionized clusters are accelerated by the voltage applied between the electrode 7 and the reservoir 4, pass through the mesh-shaped electrode 7, and are irradiated on the surface of the wafer 3. The accelerating voltage of ions is in the range of about 100 eV to several KeV, depending on the individual process and the material to be etched.
It can be selected appropriately.

【0028】このように加速されたクラスタは、たとえ
加速電圧が1KeVであっても、1000個の原子集団
であれば、個々の原子の実質的な加速電圧は1eVであ
り、照射損傷など一切心配ない極めて低い値である。従
って、損傷を気にすることなく、高い加速でビームを照
射でき、クラスタビームの方向性を極めて良く制御でき
る。つまり、溝の幅によらず一定量のエッチング種(ク
ラスタ)をエッチング面まで供給でき、マイクロローデ
ィング効果がなくなる。
In the cluster thus accelerated, even if the acceleration voltage is 1 KeV, if the group of 1000 atoms, the substantial acceleration voltage of each atom is 1 eV, and there is no concern about irradiation damage. Not an extremely low value. Therefore, the beam can be irradiated with high acceleration without worrying about damage, and the directionality of the cluster beam can be controlled extremely well. That is, a constant amount of etching species (clusters) can be supplied to the etching surface regardless of the width of the groove, and the microloading effect disappears.

【0029】更に、比較的低圧下でエッチングを行う
が、多くのエッチング種をエッチング面へ供給するた
め、高速のエッチングが可能となる。実際に、塩素ガス
を使用し、表面にSiO2 等のマスクが形成されたシリ
コン基板をエッチングした時の溝幅に対するエッチング
深さを調べた結果を図2に示す。比較に用いたRIE
は、ごく一般に使用されている平行板型で、塩素ガス圧
力2mTorrの下で行なった。クラスタビームは、図
1の装置でガス圧力0.1mTorrの下で行った。こ
こで、ビ−ム照射は、基板全面に対して行なった。Y軸
のエッチング深さは充分広い溝でのエッチング深さを1
として、それぞれの場合について規格化したものであ
る。
Further, although etching is performed under a relatively low pressure, a large amount of etching species are supplied to the etching surface, so that high speed etching is possible. FIG. 2 shows the results of actually examining the etching depth with respect to the groove width when a silicon substrate having a mask such as SiO 2 formed on the surface thereof was etched using chlorine gas. RIE used for comparison
Was a generally used parallel plate type, and was carried out under a chlorine gas pressure of 2 mTorr. The cluster beam was performed in the apparatus of FIG. 1 under a gas pressure of 0.1 mTorr. Here, the beam irradiation was performed on the entire surface of the substrate. The etching depth on the Y-axis is 1 for a sufficiently wide groove.
Is standardized for each case.

【0030】図2から明らかなように、通常のRIEで
は、0.5μm以下の溝幅で急激にエッチング深さが低
下するが、クラスタビームではその減少は少ない。ま
た、エッチング形状の評価の結果、帯電が原因と考えら
れるパターンのテーパ形状化は全く観察されないことが
わかった。また、照射損傷の評価では、試作装置では、
金属部の露出が多く、金属汚染の低減は達成されなかっ
たが、絶縁破壊、トランジスタのしきい値変化等の電気
的損傷については、レファレンスの(中性の活性種だけ
でエッチングを行う)ダウンフローエッチング装置と同
様、何の損傷も認められなかった。次に、本発明の他の
実施例について説明する。
As is apparent from FIG. 2, in the ordinary RIE, the etching depth sharply decreases with the groove width of 0.5 μm or less, but the decrease is small in the cluster beam. As a result of evaluation of the etching shape, it was found that tapering of the pattern, which is considered to be caused by charging, was not observed at all. Also, in the evaluation of irradiation damage, in the prototype device,
Although many metal parts were exposed, reduction of metal contamination was not achieved, but for electrical damage such as dielectric breakdown and transistor threshold change, the reference (etching only with neutral active species) was downed. As with the flow etching device, no damage was observed. Next, another embodiment of the present invention will be described.

【0031】図1において参照符号13は、ノズルを通
さずに他のガス9を導入するためのガス導入口である。
このガス導入口13から他のガス9を導入することによ
り、例えば、気相中の中性のエッチング種、あるいはエ
ッチング生成物をスカベンジ(排除)し、等方性のエッ
チングを防いだり、エッチング生成物の再付着を防止す
ることができる。具体的には、反応ガスとして塩素ガス
を用い、エッチングを行なう場合、ガス導入口13から
水素や水素を含むガスを導入することのより、クラスタ
化していない、又はクラスタビームが基板に衝撃後分解
し発生した塩素原子が、等方性のエッチングをすること
を妨げることが出来る。ガス導入口13の手前にガスを
活性化する手段を設けることにより、上述の作用を更に
促進することができる。
In FIG. 1, reference numeral 13 is a gas introduction port for introducing another gas 9 without passing through the nozzle.
By introducing another gas 9 from this gas inlet 13, for example, neutral etching species in the gas phase or etching products are scavenged (excluded) to prevent isotropic etching or to generate etching. It is possible to prevent reattachment of an object. Specifically, when chlorine gas is used as a reaction gas and etching is performed, hydrogen or a gas containing hydrogen is introduced from the gas introduction port 13 so that non-clustering occurs or the cluster beam decomposes after impact on the substrate. The generated chlorine atoms can prevent isotropic etching. By providing a means for activating the gas before the gas introduction port 13, the above-mentioned action can be further promoted.

【0032】基板3のサセプタ2上への固定方法は、温
度制御の点から静電チャックが有効である。しかし、基
板に直流を印加する場合は、メカチャックを使用する必
要がある。図3は、本発明の更に他の実施例に係るエッ
チング装置を示す図である。
As a method of fixing the substrate 3 on the susceptor 2, an electrostatic chuck is effective from the viewpoint of temperature control. However, when applying a direct current to the substrate, it is necessary to use a mechanical chuck. FIG. 3 is a diagram showing an etching apparatus according to still another embodiment of the present invention.

【0033】図3に示すエッチング装置では、リザーバ
4は、紙面に垂直方向にウェハの直径より長い構造を有
し、帯状のクラスタビームを形成する。形成されたクラ
スタは、イオン化のための電子雲14内に入る。この電
子雲14の電子は、電子源6によりプラズマ20から引
き出される。この場合、電子のエネルギは、イオン化効
率の良い100eV前後に設定される。
In the etching apparatus shown in FIG. 3, the reservoir 4 has a structure that is longer than the diameter of the wafer in the direction perpendicular to the plane of the drawing, and forms a band-shaped cluster beam. The formed clusters enter the electron cloud 14 for ionization. The electrons of the electron cloud 14 are extracted from the plasma 20 by the electron source 6. In this case, the energy of electrons is set to around 100 eV, which has a high ionization efficiency.

【0034】イオン化したクラスタは、メッシュ状の引
き出し電極7をぬけて偏向電極15間に入る。ここで、
帯状のクラスタビームは、偏向電極15により形成され
た交番電界Eによって紙面上左右に走査される。参照符
号23は、あるクラスタビ−ンムの軌跡を模式的に示し
たものである。また、この偏向電極15は、電界16と
直行する交番磁界22を与えることにより、マスフィル
タの作用を持たせることが可能となる。即ち、ウェハ3
に照射されるクラスタの質量を適当に選択することが可
能となり、粒子数の少ないクラスタを除去する等のエッ
チング種の制御ができる。
The ionized clusters pass through the mesh-shaped extraction electrodes 7 and enter between the deflection electrodes 15. here,
The band-shaped cluster beam is scanned left and right on the paper surface by the alternating electric field E formed by the deflection electrode 15. Reference numeral 23 schematically shows the locus of a certain cluster beam. Further, the deflecting electrode 15 can be made to act as a mass filter by applying an alternating magnetic field 22 that is orthogonal to the electric field 16. That is, wafer 3
It is possible to appropriately select the mass of the clusters to be irradiated on the substrate, and it is possible to control the etching species such as removing clusters having a small number of particles.

【0035】偏向されたビームは加速電極17、18で
ウェハ3の面に垂直方向に加速され、ウェハ3に照射さ
れる。ここで、加速電極17は、引き出し電極7と同電
位に、更にリザーバ4や電子源の電極14に対し100
V程度の加速をするように設定する。また、偏向電極1
5に対し、引き出し電極7の電位を中心に振れる交番電
位を与えると、電極間の相互作用が少なく済み、ビーム
の乱れが少ない。加速電極18には、加速電極17に対
しマイナス数100〜数1000Vの電圧を印加し、角
度分散の小さい方向性の良いクラスタビームをウェハ3
に供給する。
The deflected beam is accelerated by the accelerating electrodes 17 and 18 in the direction perpendicular to the surface of the wafer 3 and is irradiated on the wafer 3. Here, the accelerating electrode 17 has the same potential as the extraction electrode 7, and is 100% with respect to the reservoir 4 and the electrode 14 of the electron source.
The acceleration is set to about V. In addition, the deflection electrode 1
When an alternating potential swinging around the potential of the extraction electrode 7 is applied to the electrode 5, the interaction between the electrodes is reduced and the turbulence of the beam is reduced. A voltage of minus several hundred to several thousand V is applied to the accelerating electrode 18 with respect to the accelerating electrode 17, and a cluster beam having a small angular dispersion and good directivity is applied to the wafer 3.
Supply to.

【0036】このように、本発明のエッチング方法で
は、クラスタビームの加速が高いこと、及びクラスタの
1原子当たりの電荷が少ないことから、ウェハ3の帯電
は少なく、ビームも影響を受けにくいという特徴がある
が、更に、帯電防止として低速電子源19からウェハ3
に電子を与えることが可能である。また、導電性の膜の
エッチングでは、ウェハ3に直流電圧を与えることによ
り、形状、エッチング特性の制御が可能である。
As described above, in the etching method of the present invention, since the acceleration of the cluster beam is high and the charge per atom of the cluster is small, the wafer 3 is less charged and the beam is not easily affected. In addition, the low-speed electron source 19 and the wafer 3
It is possible to give an electron to. Further, in the etching of the conductive film, the shape and etching characteristics can be controlled by applying a DC voltage to the wafer 3.

【0037】以上、本発明の実施例を示したが、本発明
はこれら実施例に限定されることなく、種々の変形が可
能である。例えば、以上の実施例では、クラスタ−イオ
ンビ−ムの照射を、マスクが形成された基板全面に対し
て行なったが、マスクを用いずに選択的な照射を行なう
ことも可能である。また、上記実施例に係る装置では、
リザーバ、ノズル、引き出し電極、ウェハが上方から下
方へと直線上に配置されているが、ノズルや電極からの
汚染を考慮して、引き出し電極より上の部分は、真空容
器側面に配置することもできる。また、各部の材料はエ
ッチングする材料をも考慮し、金属、有機物汚染のない
ように選択しなければならない。また、ノズル付近で
は、ガスが断熱膨張し、冷却されクラスタ化するため、
ノズル板の温度は徐々に低下する。これは、プロセスの
経時変化の原因となる。したがって、ノズル板にヒータ
等により温度を制御する機構をつけるとよい。また、反
応容器全体も温度制御することが好ましい。
Although the embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited to these embodiments and various modifications can be made. For example, in the above embodiments, the irradiation of the cluster-ion beam was performed on the entire surface of the substrate on which the mask was formed, but it is also possible to perform the selective irradiation without using the mask. Further, in the device according to the above embodiment,
The reservoir, nozzle, extraction electrode, and wafer are arranged in a straight line from top to bottom, but in consideration of contamination from the nozzle and electrode, the part above the extraction electrode may be arranged on the side surface of the vacuum container. it can. Also, the material of each part must be selected in consideration of the material to be etched so as not to contaminate metal or organic matter. Also, near the nozzle, the gas adiabatically expands, cools and clusters,
The temperature of the nozzle plate gradually decreases. This causes the process to change over time. Therefore, a mechanism for controlling the temperature by a heater or the like may be attached to the nozzle plate. It is also preferable to control the temperature of the entire reaction container.

【0038】更に、ノズルは複数種類のガスに対して、
それぞれ複数個のノズルを用意し、それぞれのガスを独
立に反応容器に導入し、クラスタ化してもよい。複数の
異なったガスは、それぞれノズルからパルス状に放出さ
れ、その周期を同期あるいは非同期させる手段を設けて
もよい。また、ノズルには、圧電素子からなるピエゾバ
ルブを設け、高速に開閉を繰り返す機構を設置すること
も可能である。更にまた、被エッチング基板に低速電子
ビームを照射する手段を設けることも、被エッチング基
板付近にプラズマを形成する手段を設けることも可能で
ある。
Further, the nozzle has a plurality of kinds of gases,
A plurality of nozzles may be prepared for each, and each gas may be independently introduced into the reaction vessel to form a cluster. A plurality of different gases may be emitted from the nozzle in a pulsed manner, and a means for synchronizing or asynchronizing the cycle may be provided. It is also possible to install a piezo valve composed of a piezoelectric element in the nozzle and install a mechanism that repeats opening and closing at high speed. Furthermore, it is possible to provide a means for irradiating the substrate to be etched with a low-speed electron beam or a means for forming plasma near the substrate to be etched.

【0039】[0039]

【発明の効果】以上説明したように、本発明の方法によ
れば、1原子当たりの電荷が少なく、高く加速されたク
ラスタイオンビームを照射してエッチングするため、微
細パターンのエッチングをマイクロローディング効果な
しに、良好なエッチング形状をもって行うことが可能で
ある。また、高エネルギビームに起因する照射損傷や、
チャージアップによるパタ−ン形状の異常を生ずること
なく、加工することが可能となる。更に、低真空での加
工が可能なため、中性の活性原子によって生じるアイン
ダカットが発生することもない。
As described above, according to the method of the present invention, since the charge per atom is small and a highly accelerated cluster ion beam is irradiated for etching, etching of a fine pattern is performed by a microloading effect. Without, it is possible to do with a good etching profile. Also, irradiation damage caused by the high energy beam,
Machining can be performed without causing abnormal pattern shape due to charge-up. Further, since the processing can be performed in a low vacuum, the indercut caused by the neutral active atoms does not occur.

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

【図1】 本発明の一実施例に使用されるエッチング装
置を概略的に示す図。
FIG. 1 is a diagram schematically showing an etching apparatus used in an embodiment of the present invention.

【図2】 本発明の一実施例に係るエッチング方法にお
けるエッチング溝幅とエッチング深さとの関係を、RI
Eと比較して示す特性図。
FIG. 2 shows the relationship between the etching groove width and the etching depth in the etching method according to the embodiment of the present invention,
The characteristic view shown in comparison with E.

【図3】 本発明の他の実施例に使用されるエッチング
装置を概略的に示す図。
FIG. 3 is a diagram schematically showing an etching apparatus used in another embodiment of the present invention.

【図4】 従来のエッチング装置を概略的に示す図。FIG. 4 is a diagram schematically showing a conventional etching apparatus.

【図5】 従来のエッチング方法の問題点を説明するた
めの図。
FIG. 5 is a diagram for explaining a problem of a conventional etching method.

【図6】 従来のエッチング方法の問題点を説明するた
めの図。
FIG. 6 is a diagram for explaining a problem of a conventional etching method.

【図7】 従来のエッチング方法の問題点を説明するた
めの図。
FIG. 7 is a diagram for explaining a problem of a conventional etching method.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1…真空容器、2…サセプタ、3…ウエハ、4…ガスリ
ザーバ、5…ノズル板、6…熱フィラメント電子銃、7
…電極、8,9…ガスの供給系。
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Vacuum container, 2 ... Susceptor, 3 ... Wafer, 4 ... Gas reservoir, 5 ... Nozzle plate, 6 ... Hot filament electron gun, 7
… Electrodes, 8, 9… Gas supply system.

Claims (4)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 反応性元素を含むガスを、高圧領域から
低圧領域に吹き出させることにより、クラスタ状原子集
団を形成する工程、形成されたクラスタ状原子集団をイ
オン化する工程、及びイオン化されたクラスタ状原子集
団を、被処理体に照射することにより該被処理体を選択
的にエッチングする工程を具備するドライエッチング方
法。
1. A step of forming a cluster-like atomic population by blowing a gas containing a reactive element from a high-pressure area to a low-pressure area, a step of ionizing the formed cluster-like atomic population, and an ionized cluster. Etching method comprising the step of selectively etching the object to be processed by irradiating the object to be processed with a group of atomic atoms.
【請求項2】 反応性元素を含むガスを、高圧領域から
低圧領域に吹き出させることにより、クラスタ状原子集
団を形成する工程、形成されたクラスタ状原子集団をイ
オン化する工程、イオン化されたクラスタ状原子集団
に、交番電界又は交番磁界、又はその双方を印加する工
程、及びイオン化されたクラスタ状原子集団を、被処理
体に照射することにより該被処理体を選択的にエッチン
グする工程を具備するドライエッチング方法。
2. A step of forming a cluster-like atomic population by blowing out a gas containing a reactive element from a high-pressure area to a low-pressure area, a step of ionizing the formed cluster-like atomic population, an ionized cluster-like The method comprises the steps of applying an alternating electric field, an alternating magnetic field, or both to the atomic group, and selectively etching the object by irradiating the object with the ionized cluster-like atomic group. Dry etching method.
【請求項3】 反応容器と、この反応容器より高い圧力
に維持され、反応性元素を含むガスを収容するガス溜め
と、このガス溜めの出口に設けられ、ガス溜めから反応
容器内にガスを吹き出し、該ガスの原子で構成されるク
ラスタ状原子集団を生成するノズルと、該クラスタ状原
子集団をイオン化する手段と、イオン化したクラスタ状
原子集団を引き出し、反応容器内に収容された被処理体
に照射するための加速手段とを具備することを特徴とす
るドライエッチング装置。
3. A reaction vessel, a gas reservoir that is maintained at a higher pressure than that of the reaction vessel and contains a gas containing a reactive element, and an outlet of the gas reservoir that is provided to discharge gas from the gas reservoir into the reaction vessel. A nozzle for generating a cluster-like atomic population composed of the atoms of the gas, a means for ionizing the cluster-like atomic population, and an object to be treated contained in the reaction container for drawing out the ionized cluster-like atomic population. A dry etching apparatus comprising: an accelerating means for irradiating the surface of the dry etching apparatus.
【請求項4】 反応容器と、この反応容器より高い圧力
に維持され、反応性元素を含むガスを収容するガス溜め
と、このガス溜めの出口に設けられ、ガス溜めから反応
容器内にガスを吹き出し、該ガスの原子で構成されるク
ラスタ状原子集団を生成するノズルと、該クラスタ状原
子集団をイオン化する手段と、イオン化されたクラスタ
状原子集団に、交番電界又は交番磁界、又はその双方を
印加する手段と、イオン化したクラスタ状原子集団を引
き出し、反応容器内に収容された被処理体に照射するた
めの加速手段とを具備することを特徴とするドライエッ
チング装置。
4. A reaction vessel, a gas reservoir that is maintained at a pressure higher than that of the reaction vessel and that contains a gas containing a reactive element, and an outlet of the gas reservoir that is provided at the outlet of the gas reservoir to supply gas into the reaction vessel. Blow-off, a nozzle for generating a cluster-like atomic population composed of atoms of the gas, a means for ionizing the cluster-like atomic population, an alternating electric field or an alternating magnetic field, or both, to the ionized cluster-like atomic population. A dry etching apparatus comprising: an applying unit; and an accelerating unit for extracting an ionized cluster-shaped atomic population and irradiating the object to be processed housed in a reaction container.
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