JPH11345803A - Method and apparatus for plasma production and processing - Google Patents

Method and apparatus for plasma production and processing

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Publication number
JPH11345803A
JPH11345803A JP10154294A JP15429498A JPH11345803A JP H11345803 A JPH11345803 A JP H11345803A JP 10154294 A JP10154294 A JP 10154294A JP 15429498 A JP15429498 A JP 15429498A JP H11345803 A JPH11345803 A JP H11345803A
Authority
JP
Japan
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operation mode
frequency
sample
etching
ions
Prior art date
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Pending
Application number
JP10154294A
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Japanese (ja)
Inventor
Kenji Fukuto
憲司 服藤
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Panasonic Holdings Corp
Original Assignee
Matsushita Electric Industrial Co Ltd
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Publication date
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Publication of JPH11345803A publication Critical patent/JPH11345803A/en
Pending legal-status Critical Current

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method of accurately processing a specimen with plasma by controlling ion flux distribution on a specimen carrier in a plasma production processing apparatus by changing frequency of a high-frequency power supply. SOLUTION: A specimen carrier 85 is placed in a plasma production vacuum chamber 81, a variable frequency high-frequency power supply 87 is provided in the specimen carrier 85 to create DC self-bias via an impedance matching circuit 86, a frequency control circuit 91 is also provided to control frequency of the high-frequency power supply 87, and a gas controller 82, an exhaust system 83 and the frequency control circuit 91 are controlled to optimize frequency and gas pressure inside the chamber 81 by a signal of an etching termination detector 90 or a programmed control apparatus 92 placed in the plasma production vacuum chamber 81.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明はプラズマ発生装置の
チャンバ内部に、試料台を設置し、この試料台に高周波
電力を印加することにより自己バイアスを形成し、これ
らによりイオンを試料台に向かうように加速誘導させる
ことを、主にあるいは補助的に用いて、試料を加工する
ようにしたプラズマ発生加工方法及びプラズマ発生加工
装置に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a plasma generating apparatus, in which a sample stage is set in a chamber, and a high frequency power is applied to the sample stage to form a self-bias, whereby ions are directed toward the sample stage. TECHNICAL FIELD The present invention relates to a plasma generation processing method and a plasma generation processing apparatus for processing a sample by mainly or supplementarily using acceleration induction.

【0002】[0002]

【従来の技術】現代の高密度半導体集積回路の進歩は産
業革命にも比較される変革をもたらしつつある。高密度
化は素子寸法の微細化、デバイスの改良、チップサイズ
の大面積化等により実現されてきた。素子寸法の微細化
は光の波長程度まで進んで来ており、リソグラフィには
エキシマレーザや軟エックス線の使用が検討されてい
る。微細パターンの実現には、リソグラフィと並んでド
ライエッチングが重要な役割を果たしている。
2. Description of the Related Art Advances in modern high-density semiconductor integrated circuits are bringing about changes that are comparable to the industrial revolution. Higher density has been realized by miniaturization of element dimensions, improvement of devices, enlargement of chip size, and the like. The miniaturization of device dimensions has been progressing to the order of the wavelength of light, and the use of excimer lasers and soft X-rays for lithography is being studied. Dry etching plays an important role along with lithography in realizing fine patterns.

【0003】そこで以下では、微細加工に適用されるド
ライエッチングについて説明する。ドライエッチングと
は、プラズマで生成されたラジカルやイオン等と、被エ
ッチング材料膜固相表面との化学的または物理的反応を
利用し、被エッチング材料薄膜または基板の不要な部分
を除去する加工法のことである。ドライエッチング技術
として最も広く用いられている反応性イオンエッチング
(RIE)は、適当なガスの高周波放電プラズマ中に試
料を曝すと、エッチング反応により試料表面の不要部分
が除去されるというものである。この時、必要な部分は
通常、マスクとして用いたフォトレジストパターンによ
り保護されている。
Therefore, dry etching applied to fine processing will be described below. Dry etching is a processing method that uses a chemical or physical reaction between radicals and ions generated by plasma and the solid surface of the material film to be etched to remove unnecessary portions of the material film or substrate. That is. Reactive ion etching (RIE), which is most widely used as a dry etching technique, is such that when a sample is exposed to a high-frequency discharge plasma of an appropriate gas, an unnecessary portion of the sample surface is removed by an etching reaction. At this time, necessary portions are usually protected by a photoresist pattern used as a mask.

【0004】微細な寸法のマスクパターンどおりの、ほ
ぼ垂直なエッチング形状の形成を、高いエッチングレー
トで実現するためには、高いイオン束が試料をエッチン
グするだけの十分な高いエネルギーで試料に対してほぼ
垂直に入射するようにすることが必要である。このため
には、以下の2つの要件を満足する必要がある。
In order to form a substantially vertical etching shape in accordance with a mask pattern having a fine size at a high etching rate, a high ion flux is applied to the sample with high energy enough to etch the sample. It is necessary that the light be incident almost perpendicularly. For this purpose, the following two requirements must be satisfied.

【0005】1つは、プラズマ中で発生し、試料近傍に
形成されたシース領域で加速されながら試料台に輸送さ
れる、試料をエッチングするだけの十分なエネルギーを
得たイオンが、このシース領域で輸送される間に、中性
粒子との衝突により散乱され、広い入射角度分布を持つ
ことをできるだけ減らすことである。すなわち、エッチ
ングをする十分なエネルギーを得たイオンは、できるだ
けシース領域輸送中に中性粒子との衝突散乱を減らし、
試料に対し垂直に入射させることである。
[0005] One is that ions generated in the plasma and transported to the sample stage while being accelerated in a sheath region formed near the sample and having energy sufficient to etch the sample are generated in the sheath region. While being transported by neutrons, it is scattered by collisions with neutral particles and has a wide incidence angle distribution as much as possible. In other words, ions that have obtained sufficient energy to perform etching reduce collision scattering with neutral particles during transport of the sheath region as much as possible,
That is, the light is perpendicularly incident on the sample.

【0006】もう1つは、比較的垂直な角度分布を持っ
て試料に入射するイオンと、広がったほぼ等方的な入射
角度分布を持って試料に入射する電子の、これら異なっ
た極性の電荷を持つイオン及び電子の入射角度分布の違
いにより、凹凸のある試料表面が独特の不均一な正負の
チャージング(帯電)分布を示し、この結果、独特の試
料表面電位分布を持つために、エッチングをする十分な
エネルギーを得たイオンが必ずしも試料に対し垂直には
入射せず、レジストマスクや被エッチング試料の側面表
面等に引き寄せられたりする場合があることへの対応で
ある。これを防ぐために、これらの表面を電気的に中和
し、イオンが試料近傍に対し垂直に入射させることであ
る。
The other is the charge of ions having different polarities, that is, ions that enter the sample with a relatively perpendicular angle distribution and electrons that enter the sample with a widened isotropic incidence angle distribution. Due to the difference in the incident angle distribution of ions and electrons having irregularities, the uneven sample surface shows a unique non-uniform positive and negative charging distribution, resulting in a unique sample surface potential distribution. This is to cope with the case where ions having sufficient energy to be applied do not always enter the sample perpendicularly and may be attracted to the resist mask or the side surface of the sample to be etched. In order to prevent this, these surfaces are electrically neutralized and ions are made to be incident perpendicularly to the vicinity of the sample.

【0007】特に、上記の後者の課題解決法を解析する
ために、イオン軌道に影響を及ぼす表面チャージングが
シミュレーションにより幾つか報告されている。まず、
Arnoldらのグループにより、2次元のトレンチ形状を対
象に、表面ポテンシャル分布をイオンレンズ解析シミュ
レーションで調べられている(J.C.Arnold and H.H.Sawi
n: J. Appl. Phys. 70 [No.10] p.5314 (1991))。電子
は等方的に、イオンは垂直に、それぞれ時間的には一定
で入射すると仮定し、これらが絶縁体を仮定したトレン
チパターン表面に作り出す局所電場のイオン軌道に対す
る影響を取り込んでいる。また、熱平衡状態にあり、マ
クスウェル分布するプラズマが絶縁体基板と正対してい
る場合をPIC法を用いた粒子コードでシミュレーショ
ンされた例も報告されている(H.Naitou, M.Nakaoka,
S.Yamada and O.Fukuyama: Proc.2nd Int. Conf. On Re
active Plasmas and 11th Symp. On Plasma Processin
g,p.439, Yokohama (1994))。イオンはシースポテンシ
ャルにより加速されて、基板に垂直な方向の速度を持っ
てトレンチに突入し、トレンチ底部に到達する。一方電
子は角度分布を持つためトレンチの入り口近くで壁に入
射する。トレンチ底部の電位はイオンの入射エネルギー
と同程度のポテンシャルエネルギーを持つまで上昇す
る。
[0007] In particular, in order to analyze the solution to the latter problem, some surface charging affecting ion trajectories have been reported by simulation. First,
Arnold and colleagues have investigated the surface potential distribution of a two-dimensional trench shape by ion lens analysis simulation (JCArnold and HHSawi
n: J. Appl. Phys. 70 [No. 10] p. 5314 (1991)). Electrons are assumed to be incident isotropically and ions are incident vertically and at a constant time, respectively, and these incorporate the effect on the ion trajectory of the local electric field created on the surface of the trench pattern assuming an insulator. In addition, there has been reported an example in which a plasma in Maxwell distribution, which is in thermal equilibrium and directly faces an insulator substrate, is simulated by a particle code using the PIC method (H. Naitou, M. Nakaoka,
S.Yamada and O.Fukuyama: Proc.2nd Int. Conf.On Re
active Plasmas and 11th Symp. On Plasma Processin
g, p.439, Yokohama (1994)). The ions are accelerated by the sheath potential, enter the trench at a velocity perpendicular to the substrate, and reach the bottom of the trench. On the other hand, the electrons have an angular distribution and enter the wall near the entrance of the trench. The potential at the bottom of the trench rises until it has a potential energy comparable to the incident energy of the ions.

【0008】図18(a)は、これらのシミュレーショ
ン結果が示す絶縁体トレンチ11の試料表面チャージン
グ分布とこの結果としてのイオン軌道を示している。こ
こで、+は正に帯電していることを、また、―は負に帯
電していることを表す。図18(b)は、この試料表面
電位分布を、図18(a)の表面を一直線に展開した形
で示している。絶縁体レジストマスク10の特に側面表
面や絶縁体被エッチング試料の上部側面表面が負に帯電
し、このために入射するイオンが試料近傍において、負
に帯電した絶縁体レジストマスクの特に側面表面や絶縁
体被エッチング試料の上部側面表面に引き寄せられる。
この結果、レジストマスク側面が削られて、あるいは被
エッチング試料自身がエッチングされて、被エッチング
試料の寸法異常や形状異常を引き起こす。
FIG. 18A shows the charging distribution of the sample surface of the insulator trench 11 and the ion trajectory as a result of the simulation results. Here, + indicates that the battery is positively charged, and − indicates that the battery is negatively charged. FIG. 18B shows this sample surface potential distribution in a form in which the surface of FIG. 18A is developed in a straight line. In particular, the side surface of the insulator resist mask 10 and the upper side surface of the sample to be etched are negatively charged, so that incident ions are near the sample. It is drawn to the upper side surface of the sample to be etched.
As a result, the side surface of the resist mask is shaved or the sample to be etched itself is etched, which causes abnormal dimensions and shapes of the sample to be etched.

【0009】一方、導電体体被エッチング試料を対象
に、L&S(ラインパターンとスペースパターンが連続し
て存在する構造)パターンと広いオープン領域が隣接し
て存在する場合の構造に対して、イオン軌道に影響を及
ぼす表面チャージングがシミュレーションにより報告さ
れている(T.Oomori, M.Taki, K.Nishikawa and H.Oote
ra: Jpn. J. Appl. Phys. 34 [No.12B] p.6809 (199
5))。シース界面から電子はヴラゾフ方程式の解析解
で、イオンはドリフト速度でウエハーに向けて出発させ
る。電子及びイオンはパターン表面に到着し付着すると
し、これらが作る局所電界を考慮しながら、パターン表
面近傍において、MC粒子シミュレーションを用い電子及
びイオンの軌道を再計算する。パターン表面のすべての
点で電子束とイオン束がバランスして収束するまで繰り
返して定常解を得る。
On the other hand, the L & S (structure in which a line pattern and a space pattern continuously exist) pattern and a structure in which a wide open area is adjacent to the L & S pattern are used for a sample to be etched with a conductor. Simulations have reported surface charging that affects surface roughness (T. Oomori, M. Taki, K. Nishikawa and H. Oote)
ra: Jpn. J. Appl. Phys. 34 [No.12B] p.6809 (199
Five)). Electrons from the sheath interface are analytic solutions of the Vrazov equation, and ions are launched towards the wafer at a drift velocity. The electrons and ions arrive at and adhere to the pattern surface, and the trajectories of the electrons and ions are recalculated using MC particle simulation near the pattern surface, taking into account the local electric field created by these. A stationary solution is repeatedly obtained until the electron flux and the ion flux are balanced and converged at all points on the pattern surface.

【0010】図19(a)は、このシミュレーション結
果が示すL&S(ラインパターンとスペースパターンが連
続して存在する構造)パターンと広いオープン領域が隣
接して存在する場合の、L&S被エッチング試料が繋がっ
ている時(メインエッチング時)の試料表面チャージン
グ分布とこの結果としてのイオン軌道を示し、図19
(b)は、L&S被エッチング試料がエッチングを完了
し、各々のラインパターンが孤立し、絶縁体である下地
熱酸化膜が露出している時(オーバーエッチング時)の
試料表面チャージング分布と、この結果としてのイオン
軌道を示している。ここで、図中120はフォトレジス
トパターン、121はL&S被エッチング試料であるリン
ドープした多結晶シリコン、122は下地熱酸化膜、1
23はシリコン基板である。
FIG. 19 (a) shows an L & S (structure in which a line pattern and a space pattern are continuously present) pattern shown by the simulation result and an L & S etched sample in a case where a large open area is adjacent to the L & S pattern. FIG. 19 shows the charging distribution of the sample surface during the main etching and the resulting ion trajectory.
(B) shows the charging distribution on the sample surface when the L & S sample to be etched is completed, each line pattern is isolated, and the underlying thermal oxide film as an insulator is exposed (at the time of over-etching); The resulting ion orbitals are shown. Here, in the drawing, 120 is a photoresist pattern, 121 is phosphorus-doped polycrystalline silicon as an L & S etched sample, 122 is a base thermal oxide film, 1
23 is a silicon substrate.

【0011】図19(a)に示すメインエッチング時に
おいては、異なった極性の電荷を持つイオン及び電子の
入射角度分布の違いにより一時的に試料表面電位のむら
があっても、導電体である被エッチング試料が繋がって
いるため、広いオープン領域から供給される電子あるい
はイオンにより、被エッチング試料内で電気的に中和
し、ほぼイオンは試料に対し垂直に入射する。しかし絶
縁体レジストマスクの特に側面表面は、ほぼ等方的に入
射する電子により負に帯電し、この結果、その後この部
分にイオンが入射することにより、レジストマスクが削
られて、この結果、被エッチング試料の寸法異常を引き
起こす。
At the time of the main etching shown in FIG. 19A, even if there is a temporary unevenness in the sample surface potential due to the difference in the incident angle distribution of ions and electrons having charges of different polarities, the conductive material Since the etching sample is connected, it is electrically neutralized in the sample to be etched by electrons or ions supplied from a wide open area, and the ions are almost perpendicularly incident on the sample. However, especially the side surface of the insulator resist mask is negatively charged by the electrons which are incident almost isotropically. As a result, the ions are subsequently incident on this portion, so that the resist mask is scraped and, as a result, the resist is exposed. This causes abnormal dimensions of the etched sample.

【0012】図19(b)に示すオーバーエッチング時
においては、各々のラインパターンが孤立するため、異
なった極性の電荷を持つイオン及び電子の入射角度分布
の違いによる試料表面電位むらが電気的に中和されな
い。この結果、絶縁体レジストマスクの側面表面はメイ
ンエッチング時と同様に負に、下地酸化膜試料表面は正
に帯電する。また、広いオープン領域と隣接して存在す
る一番端のL&S被エッチング試料の、広いオープン領域
に面した側面表面は、ほぼ等方的に飛来する電子の側面
入射量がほぼ垂直に入射するイオン入射量よりも多いた
め、負に帯電し、反対側の側面表面は、ポリシリコン試
料が導電体であるため、広いオープン領域に面した側面
表面とほぼ同様の負に帯電する。内側のL&S被エッチン
グ試料の特に底部側面表面は、イオン入射量がほぼ等方
的に飛来する電子の側面入射量よりも多いため、正に帯
電する。この結果、内側のL&S被エッチング試料のスペ
ース部に入射するイオンは、下地酸化膜試料表面の正電
位に反発されるものの、試料の両側側面表面とも正電位
であるため、速度が減速されるだけで、垂直に入射す
る。一方、一番端のL&S被エッチング試料の、広いオー
プン領域と反対側のスペース部に入射するイオンは、下
地酸化膜試料表面の正電位に反発され、さらに一番端か
ら一つ内側のL&S被エッチング試料の、側面表面の正電
位に反発され、さらに一番端のL&S被エッチング試料の
側面表面の負電位に引き込まれて、この側面表面に入射
する。また、広いオープン領域の、一番端のL&S被エッ
チング試料近傍に入射するイオンは、広いオープン領域
の電位はほぼ中性であるものの、一番端のL&S被エッチ
ング試料側面表面の負電位に引き込まれて、若干この側
面表面に入射する。これらの結果、レジストマスクが削
られて、被エッチング試料の寸法異常を引き起こし、一
番端のL&S被エッチング試料の、広いオープン領域と反
対側の側面表面はエッチングされ、いわゆるノッチング
等の形状異常を引き起こし、また、広いオープン領域の
一番端のL&S被エッチング試料表面も同様にエッチング
され形状異常を引き起こす。
At the time of over-etching shown in FIG. 19B, since each line pattern is isolated, unevenness in the sample surface potential due to the difference in the incident angle distribution of ions and electrons having charges of different polarities is electrically obtained. Not neutralized. As a result, the side surface of the insulator resist mask is negatively charged as in the main etching, and the surface of the base oxide film sample is positively charged. In addition, the side surface facing the wide open area of the L & S etched sample at the end, which is adjacent to the wide open area, has an almost anisotropic side incidence of electrons that fly almost vertically. Since the amount of incident light is larger than the amount of incident light, the side surface on the opposite side is negatively charged almost similarly to the side surface facing the wide open area because the polysilicon sample is a conductor. The inner side L & S sample to be etched, in particular, the bottom side surface is positively charged because the ion incident amount is larger than the side incident amount of the electrons that are flying isotropically. As a result, ions incident on the space portion of the L & S sample to be etched on the inner side are repelled by the positive potential on the surface of the underlying oxide film sample. And is incident vertically. On the other hand, ions incident on the space on the opposite side of the wide open area of the L & S etched sample at the extreme end are repelled by the positive potential on the surface of the base oxide film sample, and the L & S coated on the inner side from the extreme end. The sample is repelled by the positive potential on the side surface of the etched sample, is further attracted to the negative potential on the side surface of the endmost L & S sample to be etched, and enters the side surface. In addition, ions that enter the vicinity of the L & S sample to be etched in the wide open area are attracted to the negative potential on the side surface of the L & S sample to be etched, although the potential in the wide open area is almost neutral. And slightly incident on the side surface. As a result, the resist mask is shaved, causing dimensional anomalies in the sample to be etched.The side surface of the extreme L & S sample to be etched, which is opposite to the wide open area, is etched, causing shape anomalies such as so-called notching. In addition, the L & S etched sample surface at the extreme end of the wide open area is similarly etched to cause shape abnormality.

【0013】上記1つ目の対策としては、平行平板型
(容量結合型)ドライエッチング装置よりも、低ガス圧
力Pで高密度プラズマ放電が容易な、ECR(電子サイ
クロトロン共鳴)プラズマドライエッチング装置やIC
P(誘導結合型プラズマ)プラズマドライエッチング装
置を用いて行ってきた。ECRプラズマドライエッチン
グ装置やICPプラズマドライエッチング装置において
は、プラズマを発生するための高周波電源と、自己DC
バイアスを形成するための試料台に印加する高周波電源
とが独立に具備されている。
As the first countermeasure, there is an ECR (Electron Cyclotron Resonance) plasma dry etching apparatus in which high-density plasma discharge is easier at a lower gas pressure P than a parallel plate type (capacitive coupling type) dry etching apparatus. IC
It has been performed using a P (inductively coupled plasma) plasma dry etching apparatus. In an ECR plasma dry etching apparatus or an ICP plasma dry etching apparatus, a high frequency power supply for generating plasma and a self-DC power supply are used.
A high frequency power supply to be applied to the sample stage for forming a bias is provided independently.

【0014】一方、上記2つ目の対策として従来は、試
料表面の正電位を中和する目的で、ECRプラズマドラ
イエッチング装置やICPプラズマドライエッチング装
置においては、プラズマを発生する高周波電源をON/
OFFさせるパルスモジュレーションプラズマ発生法を
用い、OFFのフェーズの際に電子温度が急激に減少す
るが、電子密度がそれ程減少しないことを用いて、この
フェーズに入射する電子により、特にオーバーエッチン
グ時における下地シリコン酸化膜や被エッチング試料下
部側面の正電位を電気的に中和する方法や、あるいは試
料台に正の電位が間欠的に発生されるようにDC電圧を
印加し負イオンを呼び込む方法を用いていた。
On the other hand, as a second countermeasure, conventionally, in order to neutralize the positive potential on the sample surface, in an ECR plasma dry etching apparatus or an ICP plasma dry etching apparatus, a high frequency power supply for generating plasma is turned on / off.
By using the pulse modulation plasma generation method of turning off, the electron temperature sharply decreases during the OFF phase, but the electron density does not decrease so much. Either a method of electrically neutralizing the positive potential of the silicon oxide film or the lower side surface of the sample to be etched, or a method of applying a DC voltage to intermittently generate a positive potential on the sample stage to attract negative ions. I was

【0015】[0015]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら上記2つ
目の対策において、OFF時の十分なアフタグローフェ
イズにおいては、電子及び負イオンの流入によりチャー
ジングが緩和される様子が説明できるとシミュレーショ
ンにより報告されているものの(T.Kinoshita and J.
P.McVittie: Proc. of 19th Dry Process Symposium,
p.63, Tokyo (1997))、短時間のOFFフェーズでは十
分な表面の電気的中和が行えず、また最も一般的に用い
られている平行平板型(容量結合型)ドライエッチング
装置には適用し難いという課題が存在していた。
However, according to the second measure, it has been reported by simulation that in a sufficient afterglow phase at the time of OFF, a state in which charging is relaxed by inflow of electrons and negative ions can be explained. (T. Kinoshita and J.
P.McVittie: Proc. Of 19th Dry Process Symposium,
p.63, Tokyo (1997)) In the short OFF phase, sufficient surface electrical neutralization cannot be achieved, and the most commonly used parallel plate (capacitively coupled) dry etching equipment There was a problem that it was difficult to apply.

【0016】また、試料台に正の電位が間欠的に発生さ
れるようにDC電圧を印加する方法は、プラズマ発生効
率が低下するという課題が存在していた。
Further, the method of applying a DC voltage so that a positive potential is generated intermittently on the sample stage has a problem that the plasma generation efficiency is reduced.

【0017】さらに、これら両者の方法は、レジストマ
スク側面に発生する負電位を中和する目的では、十分に
機能しないという課題が存在していた。
Furthermore, both of these methods have a problem that they do not function sufficiently for the purpose of neutralizing the negative potential generated on the side surface of the resist mask.

【0018】本発明は上記問題点に鑑み、試料表面チャ
ージングによる影響を緩和しながら、試料台に到達する
際のイオンのエネルギー分布及び入射角度分布を制御
し、高いスループットで垂直形状のエッチングを実現す
る、プラズマ発生加工法を提供することを主たる目的と
する。
In view of the above problems, the present invention controls the energy distribution and the incident angle distribution of ions reaching the sample stage while mitigating the influence of sample surface charging, and performs vertical etching with high throughput. It is a main object to provide a plasma generation processing method to be realized.

【0019】[0019]

【課題を解決するための手段】上記問題点を解決するた
めに、本発明のプラズマ加工方法および装置において
は、以下のような手段を用いる。
Means for Solving the Problems To solve the above problems, the plasma processing method and apparatus of the present invention employ the following means.

【0020】まず、エッチング加工を行なう際に、上記
プラズマ発生チャンバに設置されているガスコントロー
ラ、排気系及び被エッチング試料を登載することが可能
な試料台にバイアスを形成するための可変周波数高周波
電力源の周波数制御回路を制御し、これにより、上記プ
ラズマ発生チャンバ内部の周波数及びガス圧力を時間的
に最適化することにより、試料台表面近傍に形成される
シース幅とイオンの平均自由行程、及びイオンのシース
中における経過時間を制御し、第一のエッチング運転モ
ード時には加工スループットの向上と十分なエッチング
異方性の実現のために、試料台に到達するイオンのエネ
ルギーの単色化度を高め、そのエネルギーがほぼ所望の
値となるようにし、かつ入射角度分布の試料に対する垂
直度を高める手段を用い、また第二のエッチング運転モ
ード時には、第一のエッチング運転モード運転経過後
に、比較的垂直な角度分布を持って試料に入射するイオ
ンと、広がったほぼ等方的な入射角度分布を持って試料
に入射する電子の、これら異なった極性の電荷を持つイ
オン及び電子の入射角度分布の違いにより、凹凸のある
試料表面が独特の不均一な正負の帯電分布を示すが、こ
の帯電した試料を電気的に中和するために、試料台に到
達するイオンのエネルギーが低い成分から高い成分の広
がりを持つようにし、かつ入射角度分布が試料に対し垂
直方向から広がりを持つようにする手段を用い、これら
2つのエッチング手段を、時間の経過とともに、繰り返
し切り替えながらドライエッチングが行なえるようにす
る。
First, when performing an etching process, a variable frequency high-frequency power for forming a bias on a gas controller, an exhaust system, and a sample stage on which a sample to be etched can be mounted is installed in the plasma generation chamber. Controlling the frequency control circuit of the source, thereby optimizing the frequency and gas pressure inside the plasma generation chamber over time, thereby forming the sheath width and the mean free path of ions formed near the surface of the sample stage, and Control the elapsed time of ions in the sheath, and in the first etching operation mode, increase the degree of monochromaticity of the energy of ions reaching the sample stage in order to improve processing throughput and achieve sufficient etching anisotropy. Means for making the energy substantially equal to a desired value and increasing the perpendicularity of the incident angle distribution to the sample In addition, in the second etching operation mode, after the first etching operation mode operation, the ions having a relatively perpendicular angle distribution and incident on the sample and the spread almost isotropic incidence angle distribution are provided. Due to the difference in the incident angle distribution of ions and electrons having different polarities of electrons incident on the sample, the uneven sample surface shows a unique uneven positive and negative charge distribution. In order to electrically neutralize, use means to make the energy of ions reaching the sample stage spread from low to high components, and to make the incident angle distribution spread from the direction perpendicular to the sample. The dry etching can be performed while switching these two etching means repeatedly over time.

【0021】すなわち、試料台近傍に形成されるカソー
ド側のシース幅dは、
That is, the sheath width d on the cathode side formed near the sample stage is:

【0022】[0022]

【数1】 (Equation 1)

【0023】のように、ガス圧力P及び周波数fの平方
根の逆数に比例すること(K.Harafuji, A.Yamano and
M.Kubota; Jpn. J. Appl. Phys. Vol.33(1994) pp.2212
-2222及びK.Harafuji; Jpn. J. Appl. Phys. Vol.34(19
95) pp.1993-2003で発表)、またイオンと中性粒子と
の、主に弾性衝突散乱及び荷電交換散乱に由来する、イ
オンの平均自由行程λは、
As described above, it is proportional to the inverse of the square root of the gas pressure P and the frequency f (K. Harafuji, A. Yamano and
M. Kubota; Jpn. J. Appl. Phys. Vol. 33 (1994) pp. 2212
-2222 and K. Harafuji; Jpn. J. Appl. Phys. Vol. 34 (19
95) pp.1993-2003), and the mean free path λ of ions, mainly derived from elastic collision scattering and charge exchange scattering, between ions and neutral particles is

【0024】[0024]

【数2】 (Equation 2)

【0025】のように、ガス圧力Pの逆数に比例するこ
とを用いると、バルクプラズマ領域とシース領域との境
界を出発したイオンが、シース領域を試料台のあるカソ
ード上へ向かって輸送される間に、イオンが、シース中
で中性粒子との衝突により散乱される確率ηは平均的
に、
By using the proportionality to the reciprocal of the gas pressure P as described above, ions starting from the boundary between the bulk plasma region and the sheath region are transported from the sheath region toward the cathode having the sample stage. In the meantime, the probability η that ions are scattered by collisions with neutral particles in the sheath is, on average,

【0026】[0026]

【数3】 (Equation 3)

【0027】となる。すなわち、ガス圧力Pを低くし、
あるいは周波数fを高くすることによって、P/fを小
さくすることにより、シース中における中性粒子との衝
突による散乱確率を減らすことができる。これにより、
イオンのエネルギー減衰を抑え、イオンの方向性を揃え
て試料に対してほぼ垂直に入射するようにし、さらに試
料に到達するイオン束密度の減衰を抑えることができ
る。
## EQU1 ## That is, the gas pressure P is lowered,
Alternatively, the probability of scattering due to collision with neutral particles in the sheath can be reduced by decreasing P / f by increasing the frequency f. This allows
Energy attenuation of ions can be suppressed, ions can be made to be incident on the sample almost perpendicularly with uniform directionality, and attenuation of ion flux density reaching the sample can be suppressed.

【0028】これにより、加工スループットの向上と十
分なエッチング異方性を実現することができる。
As a result, an improvement in processing throughput and a sufficient etching anisotropy can be realized.

【0029】また、ガス圧力Pを高くし、あるいは周波
数fを低くすることによって、P/fを大きくすること
により、シース中における中性粒子との衝突による散乱
確率を増加させることができる。これにより、イオンの
エネルギーを減衰させ、イオンの方向性をやや乱雑にし
て試料に入射するようにし、さらに試料に到達するイオ
ン束密度を減衰させることができる。
Also, by increasing P / f by increasing the gas pressure P or decreasing the frequency f, the probability of scattering due to collision with neutral particles in the sheath can be increased. As a result, the energy of the ions can be attenuated, the directionality of the ions can be made slightly disordered so that the ions are incident on the sample, and the ion flux density reaching the sample can be attenuated.

【0030】これにより、広がった角度分布を持って試
料に入射する電子により、特に絶縁体被エッチング試料
や絶縁体レジストマスクの側面表面が負に帯電し、この
ために入射する高エネルギーイオンが、試料近傍におい
て負に帯電した絶縁体レジストマスク側面表面に引き寄
せられ、試料側面がエッチングされるのを防ぐために、
低エネルギー正イオンにより表面を電気的に中和するこ
とができる。エッチング中のパターン側壁にはイオンが
入射してくるが、絶縁体被エッチング試料や絶縁体レジ
ストマスクパターン材質自身がそれほどエッチングされ
ない程度に、十分にイオンのエネルギーを落とすことに
より、以下のエッチング工程中において、絶縁体レジス
トマスクパターンや絶縁体被エッチング試料の垂直形状
を保つことができる。
As a result, the electrons incident on the sample with a spread angular distribution negatively charge especially the side surface of the sample to be etched or the insulating resist mask, and the high-energy ions incident on the surface become negatively charged. In order to prevent the negatively charged insulator resist mask near the sample from being drawn to the side surface of the insulator resist and etching the side surface of the sample,
The surface can be electrically neutralized by low energy positive ions. Ions enter the pattern sidewalls during the etching, but by sufficiently lowering the energy of the ions to such an extent that the sample to be etched by the insulator or the insulator resist mask pattern material itself is not so etched, the following etching process is performed. In this case, the vertical shape of the insulator resist mask pattern and the sample to be etched can be maintained.

【0031】さらに、比較的ガス圧力が低い場合には、
イオンのエネルギー分布は、低エネルギー側と高エネル
ギー側に2つのピークを持つサドル構造(鞍型)分布を
示す。周波数fが高い場合には低い場合よりも、低エネ
ルギー側ピークと高エネルギー側ピークの差であるエネ
ルギー幅ΔEは狭くなり、より単色化される。すなわ
ち、ΔEはおおよそ
Further, when the gas pressure is relatively low,
The ion energy distribution shows a saddle structure (saddle type) distribution having two peaks on the low energy side and the high energy side. When the frequency f is high, the energy width ΔE, which is the difference between the peak on the low energy side and the peak on the high energy side, becomes narrower than when the frequency f is low, and the color becomes more monochromatic. That is, ΔE is approximately

【0032】[0032]

【数4】 (Equation 4)

【0033】のように、fに逆比例することが報告され
ている(P.Benoit-Cattin and L.C.Bernard: J. Appl.
Phys. 39 (1968) p.5723)。
As described above, it is reported that it is inversely proportional to f (P. Benoit-Cattin and LC Bernard: J. Appl.
Phys. 39 (1968) p.5723).

【0034】上記のような運転モードの切り替えを、時
間経過に従った運転モードの切り替えを予めプログラム
できるプログラム制御装置を設置し、この制御装置の信
号を用いて、第一のエッチング運転モード時には加工ス
ループットの向上と十分なエッチング異方性の実現のた
めに、試料台に到達するイオンのエネルギーの単色化度
を高め、そのエネルギーがほぼ所望の値となるように
し、かつ入射角度分布の試料に対する垂直度を高める手
段を用い、また第二のエッチング運転モード時には、第
一のエッチング運転モード運転経過後に、比較的垂直な
角度分布を持って試料に入射するイオンと、広がったほ
ぼ等方的な入射角度分布を持って試料に入射する電子
の、これら異なった極性の電荷を持つイオン及び電子の
入射角度分布の違いにより、凹凸のある試料表面が独特
の不均一な正負の帯電分布を示すが、この帯電した試料
を電気的に中和するために、試料台に到達するイオンの
エネルギーが低い成分から高い成分の広がりを持つよう
にし、かつ入射角度分布が試料に対し垂直方向から広が
りを持つようにする手段を用い、これら2つのエッチン
グ手段を、時間の経過とともに切り替えながらドライエ
ッチングを行うようにする。
A program control device capable of preprogramming the switching of the operation mode with the passage of time as described above is installed, and processing is performed in the first etching operation mode by using a signal of the control device. In order to improve the throughput and realize sufficient etching anisotropy, the degree of monochromaticity of the energy of the ions reaching the sample stage is increased so that the energy becomes almost a desired value, and the incident angle distribution for the sample is improved. In the second etching operation mode, after the operation of the first etching operation mode, the ion incident on the sample with a relatively vertical angle distribution and the spread almost isotropically are used. The difference in the incident angle distribution of ions and electrons with different polarities of electrons incident on the sample with the incident angle distribution The uneven sample surface shows a unique uneven positive and negative charge distribution, but in order to electrically neutralize this charged sample, the energy of the ions reaching the sample stage changes from low to high. A means is used to spread the incident angle distribution from the direction perpendicular to the sample, and dry etching is performed while switching these two etching means over time.

【0035】本発明は上記した構成によって、平行平板
型反応性イオンエッチング装置においては10〜20P
a程度の中ガス圧力であっても、ICPやECR等の低
圧力高密度プラズマエッチング装置においても、チャー
ジングによる形状欠陥を克服しながら、高い加工スルー
プット及び十分な形状異方性を備えたエッチングが、周
波数及びガス圧力を時間的に切り替えて精度良く実現す
ることが可能となる。
According to the present invention, in the parallel plate type reactive ion etching apparatus having the above structure, 10 to 20 P
Even at a medium gas pressure of about a, even in a low-pressure high-density plasma etching apparatus such as ICP or ECR, etching with high processing throughput and sufficient shape anisotropy while overcoming shape defects due to charging However, it is possible to accurately realize the frequency and gas pressure by switching over time.

【0036】[0036]

【発明の実施の形態】(実施の形態1)以下本発明の実
施の形態1における平行平板型反応性イオンエッチング
装置を用いておこなったドライエッチング方法について
図面を参照しながら説明する。
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS (Embodiment 1) A dry etching method performed using a parallel plate type reactive ion etching apparatus according to Embodiment 1 of the present invention will be described below with reference to the drawings.

【0037】図1は本発明のドライエッチング方法を、
平行平板型反応性イオンドライエッチング装置に適用し
た概略図である。金属性チャンバー81中には、ガスコ
ントローラ82を通して反応性ガスが導入され、排気系
83によって適切な圧力に制御されている。チャンバー
81の上部にはアノード(陽極)84が設けられ、下部
にはカソード(陰極)となる試料台85が設けられてい
る。試料台85には、インピーダンス整合回路86を介
して周波数を変化させることが可能な高周波電力源87
が接続されており、試料台85とアノード84との間で
高周波放電を起こすことができる。高周波電力源の周波
数は周波数制御回路91により変化させることができ
る。また、エッチング終点は、スペクトル法を用いたエ
ッチング終点検出器90により判断することができ、さ
らにエッチング終点検出器からの信号により、ガスコン
トローラ82及び排気系83が制御されガス圧力が制御
できる機能を有し、またエッチング終点検出器からの信
号により、高周波電力源の周波数が周波数制御回路を介
して制御できる機能を有している。さらに、ガスコント
ローラ82、排気系83、及び周波数制御回路91は、
プログラム制御装置92によって、予めプログラムされ
た処理流れに従って制御することも可能である。
FIG. 1 shows the dry etching method of the present invention.
It is the schematic which applied to the parallel plate type reactive ion dry etching apparatus. Reactive gas is introduced into the metallic chamber 81 through a gas controller 82, and is controlled to an appropriate pressure by an exhaust system 83. An upper portion of the chamber 81 is provided with an anode (anode) 84, and a lower portion thereof is provided with a sample stage 85 serving as a cathode (cathode). A high frequency power source 87 capable of changing the frequency via an impedance matching circuit 86 is provided on the sample stage 85.
Is connected, and a high-frequency discharge can be generated between the sample stage 85 and the anode 84. The frequency of the high-frequency power source can be changed by the frequency control circuit 91. Further, the etching end point can be determined by an etching end point detector 90 using a spectral method. Further, a signal from the etching end point detector controls the gas controller 82 and the exhaust system 83 to control the gas pressure. It has a function of controlling the frequency of the high-frequency power source via a frequency control circuit in accordance with a signal from the etching end point detector. Further, the gas controller 82, the exhaust system 83, and the frequency control circuit 91
The program control device 92 can also perform control according to a pre-programmed processing flow.

【0038】図2は、図1に示した平行平板型反応性イ
オンエッチング装置で発生したプラズマの、カソードと
アノード間の物理量の1次元分布を表したものである。
すなわち、図2(a)は電子密度分布を、図2(b)は
イオン密度分布を、図2(c)はイオン束密度分布をを
示している。同様に、図3はカソードとアノード間物理
量の他の1次元分布を表したものである。すなわち、図
3(a)はプラズマ電位分布を、図3(b)は電界分布
を、そして図3(c)は電子温度分布を示している。
FIG. 2 shows a one-dimensional distribution of physical quantities between a cathode and an anode of plasma generated by the parallel plate type reactive ion etching apparatus shown in FIG.
That is, FIG. 2A shows the electron density distribution, FIG. 2B shows the ion density distribution, and FIG. 2C shows the ion flux density distribution. Similarly, FIG. 3 shows another one-dimensional distribution of the physical quantity between the cathode and the anode. 3A shows the plasma potential distribution, FIG. 3B shows the electric field distribution, and FIG. 3C shows the electron temperature distribution.

【0039】図2及び図3において、横軸は、カソード
とアノード間距離Lで規格化されている。x/L=0は
カソードに対応し、またx/L=1は、アノードに対応
する。各々の分布図において、高周波電力の1周期τRF
を4等分した、各々の時間におけるグラフを、線種を変
えて示している。これらの図から理解できるように、試
料台となるカソード近傍においては、カソードに印加し
た高周波電力により自己バイアスが形成され、図3
(a)に示すようにカソードは負に帯電し、図3(b)
に示すように、試料台に対して垂直な強い電界が形成さ
れるいわゆるイオンシースが形成され、この結果、この
領域において、図2(a)に示すように負電荷をもつ電
子は反発され電子密度はほぼゼロとなり、また図2
(b)に示すように正イオンは試料台にむかって加速さ
れるようにして、試料台上に輸送される。
2 and 3, the horizontal axis is standardized by the distance L between the cathode and the anode. x / L = 0 corresponds to the cathode, and x / L = 1 corresponds to the anode. In each distribution chart, one cycle of high-frequency power τRF
Is divided into four equal parts, and the graph at each time is shown by changing the line type. As can be understood from these figures, in the vicinity of the cathode serving as the sample stage, a self-bias is formed by the high-frequency power applied to the cathode, and FIG.
The cathode is negatively charged as shown in FIG.
As shown in FIG. 2, a so-called ion sheath in which a strong electric field is formed perpendicular to the sample stage is formed. As a result, in this region, as shown in FIG. The density is almost zero, and FIG.
As shown in (b), the positive ions are transported onto the sample stage so as to be accelerated toward the sample stage.

【0040】図4は、図1に示した平行平板型反応性イ
オンエッチング装置において、カソードに印加した高周
波電力の周波数を変化させた場合の、イオン密度の最大
値、カソードに輸送されるイオン束密度の最大値Fmaxと
最小値Fmin、及びシース幅の最大値dmaxと最小値dminを
表している。シース幅は、アノード電極84と、カソー
ド電極85で囲まれた電極間距離Lで規格化された値
を、%で示している。これらの図から、イオン密度の最
大値及びカソードに輸送されるイオン束密度は、周波数
の増加とともに単調に増加し、またシース幅は周波数の
平方根に逆比例するように、周波数の増加とともに減少
することが理解できる。
FIG. 4 shows the maximum value of the ion density and the ion flux transported to the cathode when the frequency of the high-frequency power applied to the cathode is changed in the parallel plate type reactive ion etching apparatus shown in FIG. It shows the maximum value Fmax and the minimum value Fmin of the density, and the maximum value dmax and the minimum value dmin of the sheath width. The sheath width is a value standardized by a distance L between the electrodes surrounded by the anode electrode 84 and the cathode electrode 85, and is indicated by%. From these figures, it can be seen that the maximum ion density and the ion flux density transported to the cathode increase monotonically with increasing frequency, and the sheath width decreases with increasing frequency, as inversely proportional to the square root of frequency. I can understand.

【0041】図5は、図3に示したシース幅の周波数依
存性を平行平板型反応性イオンエッチング装置の断面模
式図の上に示したものである。すなわち、図の左半分は
周波数が比較的低い場合をあらわし、図の右半分は周波
数が比較的高い場合をあらわしている。シース幅は、そ
の平均値dのまわりを、高周波電力の1周期τRFにわた
って、最大値dmaxと最小値dminを取りながら振動し、周
波数が比較的高い場合には、周波数が比較的低い場合に
比べ、シース幅は短くなる。アノード電極84と、カソ
ード電極85で囲まれたプラズマ発生領域のうち、シー
ス領域を除いた領域は、一般にバルクプラズマ領域と呼
ばれる。
FIG. 5 shows the frequency dependence of the sheath width shown in FIG. 3 on a schematic sectional view of a parallel plate type reactive ion etching apparatus. That is, the left half of the figure shows a case where the frequency is relatively low, and the right half of the figure shows a case where the frequency is relatively high. The sheath width oscillates around its average value d over one period τRF of the high-frequency power while taking the maximum value dmax and the minimum value dmin, and when the frequency is relatively high, compared to when the frequency is relatively low. , The sheath width becomes shorter. Of the plasma generation region surrounded by the anode electrode 84 and the cathode electrode 85, the region excluding the sheath region is generally called a bulk plasma region.

【0042】図6に示すように、バルクプラズマとシー
スの境界から出発したイオンは、シース幅dを試料台に
向かって加速されながら試料台上に輸送される間に、中
性粒子との衝突により散乱され、その方向性が乱雑にな
り、またイオンのエネルギーも減衰してくる。この結
果、同一のガス圧力に対しては、シース幅dが短くなる
比較的高い周波数の場合の方が、シース幅dが長くなる
比較的低い周波数の場合より、イオンと中性粒子との衝
突散乱が少なくなり、高いイオン束が高いエネルギーで
試料に対してより垂直に入射される。一方、シース幅d
が長くなる比較的低い周波数の場合の方が、シース幅d
が短くなる比較的高い周波数の場合より、イオンと中性
粒子との衝突散乱が頻繁に起こり、この結果、イオン束
密度が小さくなり、イオンのエネルギーは減少し、イオ
ンは散乱された角度分布を持って入射してくる。
As shown in FIG. 6, ions starting from the boundary between the bulk plasma and the sheath collide with neutral particles while being transported onto the sample stage while being accelerated toward the sample stage by the sheath width d. And the directionality is disordered, and the ion energy is also attenuated. As a result, for the same gas pressure, the collision between ions and neutral particles is higher at a relatively high frequency where the sheath width d is short than at a relatively low frequency where the sheath width d is long. Scattering is reduced and higher ion fluxes are incident more perpendicularly to the sample at higher energies. On the other hand, the sheath width d
At a relatively low frequency where is longer, the sheath width d
Collisions between ions and neutral particles occur more frequently than at higher frequencies where the ion flux density is reduced, the energy of the ions is reduced, and the ions lose their scattered angular distribution. Bring it in.

【0043】図7は、試料台に到達するイオンのエネル
ギーの、周波数依存性を示したものである。すなわち、
10MHz程度以下の周波数領域Aにおいては、周波数
の低下とともに、イオンのエネルギーは増加する。これ
は周波数の低下とともに、イオンあるいは電子の1周期
間の走行距離が長くなる結果、プラズマの放電領域から
の損失が多くなるが、この損失を補って、十分なイオン
化衝突頻度を増やすために、イオンがカソード電極に衝
突することによって発生した2次電子がシース中の高電
界領域を通ってすばやくバルクプラズマ領域に入る必要
がある。このために、周波数の低下とともに、シース間
電圧が必然的に増加し、イオンのエネルギーは増加す
る。一方、10MHz程度以上の71の周波数領域Bに
おいては、周波数の増加とともに、イオンのエネルギー
は増加する。これは上述のように周波数の増加ととも
に、イオンと中性粒子との衝突散乱が少なくなり、イオ
ンのエネルギー減衰が抑えられるからである。ここで
は、主に周波数領域Bについて実施した。
FIG. 7 shows the frequency dependence of the energy of the ions reaching the sample stage. That is,
In a frequency region A of about 10 MHz or less, the energy of ions increases as the frequency decreases. This is because the loss of the plasma from the discharge region increases as the traveling distance of one cycle of the ions or electrons increases as the frequency decreases, but in order to compensate for this loss and increase the frequency of sufficient ionization collisions, Secondary electrons generated by the collision of ions with the cathode electrode need to quickly enter the bulk plasma region through the high electric field region in the sheath. For this reason, as the frequency decreases, the voltage between sheaths necessarily increases, and the energy of ions increases. On the other hand, in 71 frequency regions B of about 10 MHz or more, the energy of ions increases as the frequency increases. This is because, as described above, as the frequency increases, collision scattering between ions and neutral particles decreases, and ion energy attenuation is suppressed. Here, the measurement was mainly performed on the frequency domain B.

【0044】図8は、ガス圧力が十分に低い場合におけ
る入射イオンのエネルギー分布の周波数依存性を示した
ものである。イオンのエネルギー分布は、低エネルギー
側と高エネルギー側に2つのピークを持つサドル構造
(鞍型)分布を示す。周波数fが高い場合には低い場合
よりも、低エネルギー側ピークと高エネルギー側ピーク
の差であるエネルギー幅ΔEは狭くなり、より単色化さ
れる。fが高く、ガス圧力が高くなった場合のエネルギ
ー分布も同時に点線で示している。ダブルピークのピー
ク値が減少し、散乱された低エネルギー成分が大きくな
る。
FIG. 8 shows the frequency dependence of the energy distribution of incident ions when the gas pressure is sufficiently low. The ion energy distribution shows a saddle structure (saddle type) distribution having two peaks on the low energy side and the high energy side. When the frequency f is high, the energy width ΔE, which is the difference between the peak on the low energy side and the peak on the high energy side, becomes narrower than when the frequency f is low, and the color becomes more monochromatic. The energy distribution when f is high and the gas pressure is high is also shown by the dotted line. The peak value of the double peak decreases, and the scattered low energy component increases.

【0045】図9は、図1に示した平行平板型反応性イ
オンドライエッチング装置において、ガス圧力を変化さ
せた場合の、イオン密度の最大値、カソードに輸送され
るイオン束密度の最大値と最小値、及びシース幅の最大
値と最小値の変化を表している。これらの図から、イオ
ン密度の最大値及びカソードに輸送されるイオン束密度
は、ガス圧力の増加とともに単調に増加し、またシース
幅はガス圧力の平方根に逆比例して、ガス圧力の増加と
ともに減少することが理解できる。
FIG. 9 shows the maximum value of the ion density and the maximum value of the ion flux density transported to the cathode when the gas pressure is changed in the parallel plate type reactive ion dry etching apparatus shown in FIG. It shows the minimum value and the change between the maximum value and the minimum value of the sheath width. From these figures, it can be seen that the maximum value of the ion density and the ion flux density transported to the cathode monotonically increase with increasing gas pressure, and that the sheath width is inversely proportional to the square root of gas pressure, and increases with increasing gas pressure. It can be seen that it decreases.

【0046】すなわち、試料台近傍に形成されるカソー
ド側のシース幅dは、ガス圧力P及び周波数fの平方根
の逆数に比例するので、シース幅dは以下のように表現
できる。
That is, since the sheath width d on the cathode side formed near the sample stage is proportional to the reciprocal of the square root of the gas pressure P and the frequency f, the sheath width d can be expressed as follows.

【0047】[0047]

【数5】 (Equation 5)

【0048】また、イオンと中性粒子との、主に弾性衝
突散乱及び荷電交換散乱に由来する、イオンの平均自由
行程λは、ガス圧力Pに逆比例するので、以下のように
表現できる。
The mean free path λ of ions, which is mainly derived from elastic collision scattering and charge exchange scattering between ions and neutral particles, is inversely proportional to the gas pressure P, and can be expressed as follows.

【0049】[0049]

【数6】 (Equation 6)

【0050】さらに、バルクプラズマとシースとの境界
を出発したイオンが、試料台のあるカソード上へ輸送さ
れる間に、シース中で中性粒子との衝突により散乱され
る確率に比例する量ηは、
Further, an amount η proportional to the probability that ions starting from the boundary between the bulk plasma and the sheath are scattered by collision with neutral particles in the sheath while being transported onto the cathode having the sample stage. Is

【0051】[0051]

【数7】 (Equation 7)

【0052】となる。よって、d及びλの表式をηの式
に代入することにより、
Is as follows. Therefore, by substituting the expressions of d and λ into the expression of η,

【0053】[0053]

【数8】 (Equation 8)

【0054】の関係式が得られる。ここで、K1、K2及
びK3=K1/K2は、それぞれ定数である。
The following relational expression is obtained. Here, K1, K2 and K3 = K1 / K2 are constants, respectively.

【0055】すなわち、ガス圧力Pを低くし、また周波
数fを高くすることによって、P/fを小さくすること
により、シース中における中性粒子との衝突による散乱
確率を減らすことができる。これにより、イオンのエネ
ルギー減衰を抑え、イオンの方向性を揃えて試料に対し
てほぼ垂直に入射するようにし、さらに試料に到達する
イオン束密度の減衰を抑え、エッチングスループットの
向上と十分なエッチング異方性が実現される。
That is, the probability of scattering due to collision with neutral particles in the sheath can be reduced by reducing P / f by lowering the gas pressure P and increasing the frequency f. As a result, ion energy attenuation is suppressed, ions are made to be almost perpendicular to the sample with the same directionality, and ion flux density reaching the sample is suppressed, improving etching throughput and achieving sufficient etching. Anisotropy is achieved.

【0056】一方、ガス圧力Pを高くし、また周波数f
を低くすることによって、P/fを大きくすることによ
り、シース中における中性粒子との衝突による散乱確率
を増加させることができる。これにより、イオンのエネ
ルギーを減衰させ、イオンの方向性をやや乱雑にして試
料に入射させるようにし、さらに試料に到達するイオン
束密度を減衰させ、これによりエッチング能力を緩和す
る。
On the other hand, when the gas pressure P is increased and the frequency f
By lowering P / f, the probability of scattering due to collision with neutral particles in the sheath can be increased by increasing P / f. As a result, the ion energy is attenuated, the directionality of the ions is slightly disordered so that the ions are incident on the sample, and the ion flux density reaching the sample is attenuated, thereby alleviating the etching ability.

【0057】さらに、比較的ガス圧力が低い場合には、
イオンのエネルギー分布は、低エネルギー側と高エネル
ギー側に2つのピークを持つサドル構造(鞍型)分布を
示す。周波数fが高い場合には低い場合よりも、平均エ
ネルギーが高くなり、また低エネルギー側ピークと高エ
ネルギー側ピークの差であるエネルギー幅ΔEはおおよ
Further, when the gas pressure is relatively low,
The ion energy distribution shows a saddle structure (saddle type) distribution having two peaks on the low energy side and the high energy side. When the frequency f is high, the average energy is higher than when it is low, and the energy width ΔE, which is the difference between the low energy peak and the high energy peak, is approximately

【0058】[0058]

【数9】 (Equation 9)

【0059】のように、fに逆比例することから、より
単色化される。そのイオンの中心入射エネルギーは、自
己バイアス電圧に相当する値になる。
As described above, since it is inversely proportional to f, it becomes more monochromatic. The center incident energy of the ion becomes a value corresponding to the self-bias voltage.

【0060】具体的に実施したエッチング運転モードの
切り替え方法を、2つの例で説明する。
The method of switching the etching operation mode that has been specifically performed will be described with two examples.

【0061】図10は、第一の切り替え方法例を示して
いる。チャンバ内部のガス圧力を時間的に一定で低く保
ちながら、試料台に印加する高周波電力周波数fを、第
一のエッチング運転モード時には高い周波数f1でΔt1
の間継続させ、また第二のエッチング運転モード時に
は、低い周波数f2でΔt2の間継続させ、これを繰り
返す。図11は、周波数fの変化方法を表しており、図
11(a)は、高い周波数f1と低い周波数f2を階段状
に変化させる場合であり、図11(b)は、高い周波数f
1と低い周波数f2をなめらかに変化させる場合であ
る。
FIG. 10 shows a first switching method example. While maintaining the gas pressure inside the chamber constant at a low level over time, the high-frequency power frequency f applied to the sample stage is increased by Δt1 at the high frequency f1 in the first etching operation mode.
During the second etching operation mode, the operation is continued at Δt2 at a low frequency f2, and this operation is repeated. 11A and 11B show a method of changing the frequency f. FIG. 11A shows a case where the high frequency f1 and the low frequency f2 are changed stepwise, and FIG. 11B shows a case where the high frequency f1 is changed.
This is a case where the frequency f2 as low as 1 is smoothly changed.

【0062】図12は、第二の切り替え方法例を示して
いる。高周波電力周波数fを時間的には一定に保ちなが
ら、チャンバ内部のガス圧力Pを、第一のエッチング運
転モード時には低いガス圧力P1でΔt1の間継続させ、
また第二のエッチング運転モード時には、高いガス圧力
P2でΔt2の間継続させ、これを繰り返す。図12は、
ガス圧力Pの変化方法を表しており、図12(a)は、低い
ガス圧力P1と高いガス圧力P2を階段状に変化させる場
合であり、図12(b)は、低いガス圧力P1と高いガス圧
力P2をなめらかに変化させる場合である。
FIG. 12 shows a second example of the switching method. While maintaining the high-frequency power frequency f constant with time, the gas pressure P inside the chamber is maintained at a low gas pressure P1 for Δt1 during the first etching operation mode,
In the second etching operation mode, high gas pressure
This is continued for Δt2 at P2, and this is repeated. FIG.
FIG. 12A shows a case where the low gas pressure P1 and the high gas pressure P2 are changed stepwise, and FIG. 12B shows a case where the low gas pressure P1 and the high gas pressure P1 are changed. This is a case where the gas pressure P2 is smoothly changed.

【0063】図14は、本発明方法により、平行平板型
反応性イオンエッチング装置を用いて、第一のエッチン
グ運転モードと第二のエッチング運転モードとの切り替
えを、上述の第一の切り替え方法を用いてエッチングを
実施した場合の様子を、シリコン酸化膜トレンチ形成に
対して模式的に示したものである。すなわち、高い周波
数f1と低い周波数f2を時間的に階段状に変化させて
いる。この場合にはプラズマ発生装置チャンバー内に導
入するガスとして、CH2F2を10sccm、CF4を30s
ccm導入し、エッチング加工装置内の圧力は10Paで
行った。CHF3等の他のハイドロフルオロカーボン系ガ
ス、あるいはSF6等のハロゲン系ガスをベースにした
ガスを用いることも、十分に効果がある。第一のエッチ
ング運転モードにおいては、高周波電力の周波数を50
MHzで、第二のエッチング運転モードにおいては、高周
波電力の周波数を13.56MHzで実施した。
FIG. 14 shows that the switching between the first etching operation mode and the second etching operation mode using the parallel plate type reactive ion etching apparatus according to the method of the present invention is the same as the first switching method described above. FIG. 4 schematically shows a state in which etching is performed using a silicon oxide film trench. That is, the high frequency f1 and the low frequency f2 are temporally changed stepwise. In this case, as a gas introduced into the plasma generator chamber, CH 2 F 2 is 10 sccm and CF 4 is 30 s.
Ccm was introduced, and the pressure in the etching apparatus was set to 10 Pa. The use of a gas based on another hydrofluorocarbon-based gas such as CHF 3 or a halogen-based gas such as SF 6 is also sufficiently effective. In the first etching operation mode, the frequency of the high frequency
In the second etching operation mode, the frequency of the high frequency power was 13.56 MHz.

【0064】ここで、図中60はフォトレジストマスク
パターン、61はシリコン酸化膜、62はフォトレジス
トマスクの内、イオンによりスパッタされ削られた部
分、63はシリコン酸化膜の内、フォトレジストマスク
がイオンによりスパッタされ削られたため、本来エッチ
ングされるべきではないシリコン酸化膜である。一般に
は、スパッタされたフォトレジストあるいはシリコン酸
化膜とハロゲン系ガスとの反応生成物堆積膜が側壁に付
着するが、ここではそれらは示していない。また、図
中、矢印はイオン軌道を表し、その長さの長短はイオン
のエネルギーの大小を示す。
Here, in the figure, reference numeral 60 denotes a photoresist mask pattern, 61 denotes a silicon oxide film, 62 denotes a portion of the photoresist mask which has been removed by sputtering with ions, 63 denotes a silicon oxide film, and a photoresist mask denotes a photoresist mask. This is a silicon oxide film which should not be etched because it was sputtered and cut by ions. Generally, a sputtered photoresist or a reaction product deposited film of a silicon oxide film and a halogen-based gas adheres to the side wall, but these are not shown here. In the drawing, arrows indicate ion orbits, and the length of the orbit indicates the magnitude of ion energy.

【0065】図14(a)は、第一のエッチング運転モ
ードにおけるエッチングの様子を、図14(b)は、第
二のエッチング運転モードにおけるエッチングの様子
を、また図14(c)は、再び第一のエッチング運転モ
ードに戻した場合のエッチングの様子を、模式的にやや
誇張して示したものである。
FIG. 14A shows the state of etching in the first etching operation mode, FIG. 14B shows the state of etching in the second etching operation mode, and FIG. The state of the etching when the mode is returned to the first etching operation mode is schematically and slightly exaggerated.

【0066】図14(a)の第一のエッチング運転モー
ドにおいては、シース間距離が短くなってイオンの中性
粒子との衝突散乱が少なくなり、この結果イオンの試料
表面直前での入射角度はほぼ垂直となり、またサドル構
造(鞍型)分布を示すイオンのエネルギー分布の低エネ
ルギー側と高エネルギー側に2つのピーク差であるエネ
ルギー幅ΔEは狭くなり、ほぼ所望のエネルギーである
自己バイアス電圧に相当する値に単色化され、さらにプ
ラズマの損失が少なくなり、イオン密度が上がり、イオ
ンアシストエッチング等の異方性エッチングのレートが
増加する。しかし、時間の経過に従い、絶縁体被エッチ
ング試料上部や絶縁体レジストマスクの特に側面表面が
負に帯電し、このために入射するイオンが試料近傍にお
いて、負に帯電した絶縁体被エッチング試料上部や絶縁
体レジストマスク側面表面に引き寄せられる。この結
果、レジストマスクが削られて、あるいは被エッチング
試料自身がエッチングされて、被エッチング試料の寸法
異常や形状異常を引き起こす。
In the first etching operation mode shown in FIG. 14A, the distance between the sheaths is shortened, and the collision and scattering of ions with neutral particles is reduced. As a result, the incident angle of the ions immediately before the sample surface is reduced. The energy width ΔE, which is a difference between two peaks on the low energy side and the high energy side of the energy distribution of the ions exhibiting the saddle structure (saddle type) distribution becomes almost vertical, and the self-bias voltage which is almost the desired energy is reduced. Monochromatization is performed to a corresponding value, plasma loss is further reduced, ion density is increased, and the rate of anisotropic etching such as ion-assisted etching is increased. However, as time elapses, the upper portion of the insulator-etched sample and the particularly side surface of the insulator resist mask become negatively charged. It is drawn to the side surface of the insulator resist mask. As a result, the resist mask is shaved or the sample to be etched itself is etched, causing abnormal dimensions and shapes of the sample to be etched.

【0067】図14(b)の第二のエッチング運転モー
ドにおいては、シース間距離が長くなってイオンの中性
粒子との衝突散乱が多くなり、この結果イオンの試料表
面直前での入射角度は垂直からやや散乱された分布とな
り、またサドル構造(鞍型)分布を示すイオンのエネル
ギー分布の低エネルギー側と高エネルギー側の2つのピ
ーク差であるエネルギー幅ΔEは自己バイアス電圧に相
当する値を中心に広くなり、散乱による低エネルギー成
分が相対的に増え、さらにプラズマの損失が多くなり、
イオン密度が下がり、イオンアシストエッチング等の異
方性エッチングのレートが減少する。これにより、絶縁
体被エッチング試料上部や絶縁体レジストマスクの負に
帯電した試料側面表面に、エッチング能力の少ない低エ
ネルギーイオンが引き寄せられ、絶縁体被エッチング試
料上部や絶縁体レジストマスク側面表面を電気的に中和
する。
In the second etching operation mode shown in FIG. 14B, the distance between the sheaths is increased, and the collision and scattering of ions with neutral particles increases. As a result, the incident angle of the ions immediately before the sample surface is reduced. The energy width ΔE, which is the difference between two peaks on the low energy side and the high energy side of the energy distribution of ions having a saddle structure (saddle-shaped) distribution, becomes a distribution slightly scattered from the vertical, and has a value corresponding to the self-bias voltage. It spreads to the center, the low energy component due to scattering increases relatively, and the plasma loss increases,
The ion density decreases, and the rate of anisotropic etching such as ion-assisted etching decreases. As a result, low-energy ions with low etching ability are attracted to the upper surface of the insulator sample to be etched or the negatively charged sample side surface of the insulator resist mask. Neutralize.

【0068】図14(c)の再び第一のエッチング運転
モードに戻した場合においては、側面表面の帯電が中和
されているために、図14(a)の初めの段階の環境に
戻り、また再びシース間距離が短くなってイオンの中性
粒子との衝突散乱が少なくなり、この結果イオンの試料
表面直前での入射角度はほぼ垂直となり、またサドル構
造(鞍型)分布を示すイオンのエネルギー分布の低エネ
ルギー側と高エネルギー側に2つのピーク差であるエネ
ルギー幅ΔEは狭くなり、ほぼ自己バイアス電圧に相当
する値に単色化され、さらにプラズマの損失が少なくな
り、イオン密度が上がり、イオンアシストエッチング等
の異方性エッチングのレートが増加する。
In the case of returning to the first etching operation mode of FIG. 14C again, since the charging of the side surface is neutralized, the environment returns to the initial stage of FIG. Also, the distance between the sheaths is shortened again, and the collision and scattering of ions with neutral particles is reduced. As a result, the angle of incidence of the ions immediately before the sample surface becomes almost vertical, and the ions having a saddle structure (saddle type) distribution are observed. The energy width ΔE, which is the difference between the two peaks on the low and high energy sides of the energy distribution, becomes narrower, becomes monochromatic to a value substantially corresponding to the self-bias voltage, further reduces plasma loss, increases ion density, The rate of anisotropic etching such as ion-assisted etching is increased.

【0069】このように、第一のエッチング運転モード
と第二のエッチング運転モードを繰り返すことにより、
負に帯電したレジストマスクや試料側面表面に引き寄せ
られるイオンによるレジストマスクの削れ、あるいは被
エッチング試料自身のエッチングが最小限に抑えられ、
被エッチング試料の寸法異常や形状異常がほとんど無視
できる、垂直形状の、高い加工スループットのエッチン
グが実現された。
As described above, by repeating the first etching operation mode and the second etching operation mode,
The negatively charged resist mask and the resist mask being scraped by ions attracted to the side surface of the sample, or the etching of the sample to be etched itself is minimized,
Vertical etching with high processing throughput, in which the dimensional abnormality and the shape abnormality of the sample to be etched can be almost ignored, is realized.

【0070】ここで、第一のエッチング運転モードと第
二のエッチング運転モードの、それぞれの時間的な割合
を3:1以上で第一のエッチング運転モードを長く行
い、また第二のエッチング運転モードにおける周波数
を、10MHzを越える値で行い、さらに、第一のエッ
チング運転モードと第二のエッチング運転モードの合計
時間である一周期を、2μsから20μsで行い、さらに
ガス圧力を、20Pa以下で行うと、優れたエッチング性
能が得られることが判明した。この際、エッチングレー
トは500から800nm/minが得られた。
Here, the first etching operation mode is performed longer by setting the time ratio of each of the first etching operation mode and the second etching operation mode to 3: 1 or more. Is performed at a value exceeding 10 MHz, and one cycle that is the total time of the first etching operation mode and the second etching operation mode is performed at 2 μs to 20 μs, and the gas pressure is performed at 20 Pa or less. It was found that excellent etching performance was obtained. At this time, an etching rate of 500 to 800 nm / min was obtained.

【0071】(実施の形態2)以下本発明の実施の形態
2におけるICP(誘導結合型プラズマ)プラズマドラ
イエッチング装置を用いておこなったドライエッチング
方法について、図面を参照しながら説明する。
(Embodiment 2) A dry etching method using an ICP (inductively coupled plasma) plasma dry etching apparatus according to Embodiment 2 of the present invention will be described below with reference to the drawings.

【0072】図15は本発明のドライエッチング方法
を、ICP(誘導結合型プラズマ)プラズマドライエッ
チング装置に適用した概略図である。プラズマを発生す
る高周波電源と、自己DCバイアスを形成するための試
料台に印加する高周波電源とが独立に具備されている。
95はプラズマを発生するための高周波電源であり、9
6はプラズマを発生するための螺旋状コイルである。そ
の他は本発明の実施の形態1である平行平板型反応性イ
オンドライエッチング装置に適用した構成図と同じであ
るので、同一の符号を付すことにより詳細な説明は省略
する。カソード側でのシース構造や、プラズマ物理量の
定性的な変化の様子は、図2から図9に示す実施の形態
1における平行平板型ドライエッチング装置における場
合と定性的には同様であった。
FIG. 15 is a schematic diagram in which the dry etching method of the present invention is applied to an ICP (inductively coupled plasma) plasma dry etching apparatus. A high-frequency power supply for generating plasma and a high-frequency power supply for applying a self-DC bias to a sample stage are independently provided.
Reference numeral 95 denotes a high-frequency power supply for generating plasma, and 9
Reference numeral 6 denotes a spiral coil for generating plasma. The other configuration is the same as that of the configuration applied to the parallel plate type reactive ion dry etching apparatus according to the first embodiment of the present invention, and the detailed description thereof will be omitted by retaining the same reference numerals. The qualitative change in the sheath structure and the physical quantity of plasma on the cathode side was qualitatively the same as that in the parallel plate dry etching apparatus according to the first embodiment shown in FIGS. 2 to 9.

【0073】図16は、本発明方法により、ICP(誘
導結合型プラズマ)プラズマドライエッチング装置を用
いて、第一のエッチング運転モードと第二のエッチング
運転モードとの切り替えを、上述の実施の形態1中で説
明した、第一の切り替え方法を用いてエッチングを実施
した場合の様子を、L&S構造のリンドープした多結晶シ
リコンゲート形成の、メインエッチングに対して、模式
的に示したものである。ここで、L&Sパターン構造の左
側は広いオープン領域が存在し、右側はL&Sパターン構
造が続いている。高い周波数f1と低い周波数f2をな
めらかに変化させている。この場合にはプラズマ発生装
置チャンバー内に導入するガスとして、Cl2を40s
ccm、SiCl4を20sccm導入し、エッチング
加工装置内の圧力は1Paで行った。HBr、SF6等
の、他のハロゲン系ガスをベースにしたガスを用いるこ
とも、十分に効果がある。ここで、図中120はフォト
レジストパターン、121はリンドープした多結晶シリ
コン、122は熱酸化膜、123はシリコン基板であ
る。125はフォトレジストマスクの内、イオンにより
スパッタされ削られた部分、126は多結晶シリコンの
内、フォトレジストマスクがイオンによりスパッタされ
削られたため、本来エッチングされるべきではない多結
晶シリコンである。一般には、スパッタされたフォトレ
ジストあるいはシリコンとハロゲン系ガスとの反応生成
物堆積膜が側壁に付着するが、ここではそれらは示して
いない。また、図中、矢印はイオン軌道を表し、その長
さの長短はイオンのエネルギーの大小を示す。
FIG. 16 shows that the method of the present invention uses an ICP (inductively coupled plasma) plasma dry etching apparatus to switch between the first etching operation mode and the second etching operation mode in the above-described embodiment. FIG. 1 schematically shows a state in which etching is performed using the first switching method described in 1 with respect to main etching for forming a phosphorus-doped polycrystalline silicon gate having an L & S structure. Here, a large open area exists on the left side of the L & S pattern structure, and the L & S pattern structure continues on the right side. The high frequency f1 and the low frequency f2 are smoothly changed. In this case, Cl 2 was introduced for 40 s as a gas to be introduced into the plasma generator chamber.
ccm, 20 sccm of SiCl 4 were introduced, and the pressure in the etching apparatus was 1 Pa. Use of a gas based on another halogen-based gas such as HBr or SF6 is also sufficiently effective. Here, in the figure, 120 is a photoresist pattern, 121 is phosphorus-doped polycrystalline silicon, 122 is a thermal oxide film, and 123 is a silicon substrate. Reference numeral 125 denotes a portion of the photoresist mask which is sputtered and cut by ions, and reference numeral 126 denotes polycrystalline silicon which should not be etched because the photoresist mask is sputtered and cut by ions. Generally, a sputtered photoresist or a reaction product deposited film of silicon and a halogen-based gas adheres to the side wall, but these are not shown here. In the drawing, arrows indicate ion orbits, and the length of the orbit indicates the magnitude of ion energy.

【0074】図16(a)は、第一のエッチング運転モ
ードにおけるエッチングの様子を、図16(b)は、第
二のエッチング運転モードにおけるエッチングの様子
を、また図26(c)は、再び第一のエッチング運転モ
ードに戻した場合におけるエッチングの様子を、模式的
にやや誇張して示したものである。この場合にも、以下
に示すように、上述の実施の形態1中で説明したシリコ
ン酸化膜トレンチエッチングと同様の効果が得られる。
FIG. 16A shows the state of etching in the first etching operation mode, FIG. 16B shows the state of etching in the second etching operation mode, and FIG. The state of etching when returning to the first etching operation mode is schematically exaggerated. Also in this case, as described below, the same effect as the silicon oxide film trench etching described in the first embodiment can be obtained.

【0075】図16(a)の第一のエッチング運転モー
ドにおいては、シース間距離が短くなってイオンの中性
粒子との衝突散乱が少なくなり、この結果イオンの試料
表面直前での入射角度はほぼ垂直となり、またサドル構
造(鞍型)分布を示すイオンのエネルギー分布の低エネ
ルギー側と高エネルギー側に2つのピーク差であるエネ
ルギー幅ΔEは狭くなり、ほぼ自己バイアス電圧に相当
する値に単色化され、さらにプラズマの損失が少なくな
り、イオン密度が上がり、イオンアシストエッチング等
の異方性エッチングのレートが増加する。しかし、時間
の経過に従い、絶縁体レジストマスクの特に側面表面が
負に帯電し、このために入射するイオンが試料近傍にお
いて、負に帯電した絶縁体レジストマスク側面表面に引
き寄せられる。この結果、レジストマスクががエッチン
グされて、被エッチング試料の寸法異常や形状異常を引
き起こす。
In the first etching operation mode shown in FIG. 16A, the distance between the sheaths is shortened, and the collision and scattering of ions with neutral particles is reduced. As a result, the incident angle of ions immediately before the sample surface is reduced. The energy width ΔE, which is the difference between two peaks on the low energy side and the high energy side of the energy distribution of the ions showing the saddle structure (saddle type) distribution becomes narrower, and becomes monochromatic to a value almost equivalent to the self-bias voltage. And the plasma loss is reduced, the ion density is increased, and the rate of anisotropic etching such as ion-assisted etching is increased. However, as the time elapses, particularly the side surface of the insulator resist mask becomes negatively charged, and the incident ions are attracted to the negatively charged side surface of the insulator resist mask near the sample. As a result, the resist mask is etched, causing dimensional abnormality and shape abnormality of the sample to be etched.

【0076】図16(b)の第二のエッチング運転モー
ドにおいては、シース間距離が長くなってイオンの中性
粒子との衝突散乱が多くなり、この結果イオンの試料表
面直前での入射角度は垂直からやや散乱された分布とな
り、またサドル構造(鞍型)分布を示すイオンのエネル
ギー分布の低エネルギー側と高エネルギー側の2つのピ
ーク差であるエネルギー幅ΔEは自己バイアス電圧に相
当する値を中心に広くなり、散乱による低エネルギー成
分が相対的に増え、さらにプラズマの損失が多くなり、
イオン密度が下がり、イオンアシストエッチング等の異
方性エッチングのレートが減少する。これにより、絶縁
体レジストマスクの負に帯電した側面表面に、エッチン
グ能力の少ない低エネルギーイオンが引き寄せられ、絶
縁体レジストマスク側面表面を電気的に中和する。
In the second etching operation mode shown in FIG. 16B, the distance between the sheaths is increased and the collision and scattering of ions with neutral particles increase. As a result, the incident angle of the ions immediately before the sample surface is reduced. The energy width ΔE, which is the difference between two peaks on the low energy side and the high energy side of the energy distribution of ions having a saddle structure (saddle-shaped) distribution, becomes a distribution slightly scattered from the vertical, and has a value corresponding to the self-bias voltage. It spreads to the center, the low energy component due to scattering increases relatively, and the plasma loss increases,
The ion density decreases, and the rate of anisotropic etching such as ion-assisted etching decreases. As a result, low-energy ions having low etching ability are attracted to the negatively charged side surface of the insulator resist mask, and the insulator resist mask side surface is electrically neutralized.

【0077】図16(c)の再び第一のエッチング運転
モードに戻した場合においては、側面表面の帯電が中和
されているために、図16(a)の初めの段階の環境に
戻り、また再びシース間距離が短くなってイオンの中性
粒子との衝突散乱が少なくなり、この結果イオンの試料
表面直前での入射角度はほぼ垂直となり、またサドル構
造(鞍型)分布を示すイオンのエネルギー分布の低エネ
ルギー側と高エネルギー側に2つのピーク差であるエネ
ルギー幅ΔEは狭くなり、ほぼ自己バイアス電圧に相当
する値に単色化され、さらにプラズマの損失が少なくな
り、イオン密度が上がり、イオンアシストエッチング等
の異方性エッチングのレートが増加する。
In the case of returning to the first etching operation mode in FIG. 16C again, since the charge on the side surface is neutralized, the environment returns to the initial stage of FIG. Also, the distance between the sheaths is shortened again, and the collision and scattering of ions with neutral particles is reduced. As a result, the angle of incidence of the ions immediately before the sample surface becomes almost vertical, and the ions having a saddle structure (saddle type) distribution are observed. The energy width ΔE, which is the difference between the two peaks on the low and high energy sides of the energy distribution, becomes narrower, becomes monochromatic to a value substantially corresponding to the self-bias voltage, further reduces plasma loss, increases ion density, The rate of anisotropic etching such as ion-assisted etching is increased.

【0078】このように、第一のエッチング運転モード
と第二のエッチング運転モードを繰り返すことにより、
負に帯電したレジストマスクに引き寄せられるイオンに
よるレジストマスクのエッチングが最小限に抑えられ、
被エッチング試料の寸法異常や形状異常がほとんど無視
できる、垂直形状の、高い加工スループットのエッチン
グが実現された。
As described above, by repeating the first etching operation mode and the second etching operation mode,
Etching of the resist mask by ions attracted to the negatively charged resist mask is minimized,
Vertical etching with high processing throughput, in which the dimensional abnormality and the shape abnormality of the sample to be etched can be almost ignored, is realized.

【0079】ここで、第一のエッチング運転モードと第
二のエッチング運転モードの、それぞれの時間的な割合
を4:1以上で第一のエッチング運転モードを長く行
い、また第二のエッチング運転モードにおける周波数
を、13.56MHzを越える値で行い、さらに、第一
のエッチング運転モードと第二のエッチング運転モード
の合計時間である一周期を、2μsから20μsで行い、
さらにガス圧力を、2Pa以下で行うと、優れたエッチン
グ性能が得られることが判明した。この際、エッチング
レートは600から900nm/minが得られた。
Here, the first etching operation mode is made longer by setting the time ratio of each of the first etching operation mode and the second etching operation mode to 4: 1 or more. Is performed at a value exceeding 13.56 MHz, and one cycle which is the total time of the first etching operation mode and the second etching operation mode is performed at 2 μs to 20 μs,
Further, it was found that when the gas pressure was set to 2 Pa or less, excellent etching performance was obtained. At this time, an etching rate of 600 to 900 nm / min was obtained.

【0080】図17は、図16に示したエッチングが進
行し、オーバーエッチングになった場合対して、図16
と同様のエッチング運転モードの切り替えを実施した場
合の例を示している。但し、第二のエッチング運転モー
ドにおいては、ガス圧力を若干高くすることが有効であ
る。なお、プラズマ発生チャンバに設置されているエッ
チング終点検出器の信号を用いて、主エッチング時の終
了を判断させ、主エッチング終了までは上述の主エッチ
ング条件でエッチングを行い、それ以後は、上述のオー
バーエッチング条件でエッチングを行うように、自動的
な2段階エッチングが行なえるようプログラムしてい
る。
FIG. 17 shows a case where the etching shown in FIG.
9 shows an example in which the same etching operation mode is switched. However, in the second etching operation mode, it is effective to slightly increase the gas pressure. In addition, the end of the main etching is determined using the signal of the etching end point detector installed in the plasma generation chamber, etching is performed under the main etching conditions until the main etching is completed, and thereafter, the above-described main etching is performed. It is programmed so that an automatic two-stage etching can be performed so that etching is performed under over-etching conditions.

【0081】図17(a)は、第一のエッチング運転モ
ードにおけるエッチングの様子を、図17(b)は、第
二のエッチング運転モードにおけるエッチングの様子
を、また図17(c)は、再び第一のエッチング運転モ
ードにおけるエッチングの様子を、模式的にやや誇張し
て示したものである。
FIG. 17A shows the state of etching in the first etching operation mode, FIG. 17B shows the state of etching in the second etching operation mode, and FIG. The state of etching in the first etching operation mode is schematically and slightly exaggerated.

【0082】図17(a)の第一のエッチング運転モー
ドにおいては、イオンの試料表面直前での入射角度はほ
ぼ垂直となり、またイオンのエネルギー分布はほぼ自己
バイアス電圧に相当する値に単色化され、さらにプラズ
マの損失が少なくなり、イオン密度が上がり、イオンの
エネルギーが高くなると同時に、イオンアシストエッチ
ング等の異方性エッチングのレートが増加する。しか
し、時間の経過に従い、各々のラインパターンが孤立す
るため、異なった極性の電荷を持つイオン及び電子の入
射角度分布の違いによる試料表面電位むらが電気的に中
和されない。この結果、絶縁体レジストマスクの側面表
面はメインエッチング時と同様に負に、下地酸化膜試料
表面は正に帯電する。また、広いオープン領域と隣接し
て存在する一番端のL&S被エッチング試料の、広いオー
プン領域に面した側面表面は、ほぼ等方的に飛来する電
子の側面入射量がほぼ垂直に入射するイオン入射量より
も多いため、負に帯電し、反対側の側面表面は、ポリシ
リコン試料が導電体であるため、広いオープン領域に面
した側面表面とほぼ同様の負に帯電する。内側のL&S被
エッチング試料の特に底部側面表面は、イオン入射量が
ほぼ等方的に飛来する電子の側面入射量よりも多いた
め、正に帯電する。この結果、内側のL&S被エッチング
試料のスペース部に入射するイオンは、下地酸化膜試料
表面の正電位に反発されるものの、試料の両側側面表面
とも正電位であるため、速度が減速されるだけで、垂直
に入射する。一方、一番端のL&S被エッチング試料の、
広いオープン領域と反対側のスペース部に入射するイオ
ンは、下地酸化膜試料表面の正電位に反発され、さらに
一番端から一つ内側のL&S被エッチング試料の、側面表
面の正電位に反発され、さらに一番端のL&S被エッチン
グ試料の側面表面の負電位に引き込まれて、この側面表
面に入射する。また、広いオープン領域の、一番端のL&
S被エッチング試料近傍に入射するイオンは、広いオー
プン領域の電位はほぼ中性であるものの、一番端のL&S
被エッチング試料側面表面の負電位に引き込まれて、若
干この側面表面に入射する。これらの結果、レジストマ
スクが削られて、被エッチング試料の寸法異常を引き起
こし、一番端のL&S被エッチング試料の、広いオープン
領域と反対側の側面表面はエッチングされ、いわゆるノ
ッチング等の形状異常を引き起こし、また、広いオープ
ン領域の一番端のL&S被エッチング試料表面も同様にエ
ッチングされ形状異常を引き起こす。
In the first etching operation mode shown in FIG. 17A, the angle of incidence of ions immediately before the sample surface is substantially vertical, and the energy distribution of ions is monochromatic to a value substantially corresponding to the self-bias voltage. In addition, plasma loss is further reduced, ion density is increased, ion energy is increased, and the rate of anisotropic etching such as ion-assisted etching is increased. However, since each line pattern is isolated with the passage of time, unevenness in the sample surface potential due to the difference in the incident angle distribution of ions and electrons having charges of different polarities is not electrically neutralized. As a result, the side surface of the insulator resist mask is negatively charged as in the main etching, and the surface of the base oxide film sample is positively charged. In addition, the side surface facing the wide open area of the L & S etched sample at the end, which is adjacent to the wide open area, has an almost anisotropic side incidence of electrons that fly almost vertically. Since the amount of incident light is larger than the amount of incident light, the side surface on the opposite side is negatively charged almost similarly to the side surface facing the wide open area because the polysilicon sample is a conductor. The inner side L & S sample to be etched, in particular, the bottom side surface is positively charged because the ion incident amount is larger than the side incident amount of the electrons that are flying isotropically. As a result, ions incident on the space portion of the L & S sample to be etched on the inner side are repelled by the positive potential on the surface of the underlying oxide film sample. And is incident vertically. On the other hand, of the L & S etched sample at the extreme end,
Ions entering the space opposite the wide open area are repelled by the positive potential on the surface of the underlying oxide film sample, and further repulsed by the positive potential on the side surface of the L & S etched sample one inward from the extreme end. Then, it is drawn to the negative potential on the side surface of the endmost L & S sample to be etched, and enters the side surface. In addition, the end of L &
S For ions incident near the sample to be etched, the potential in the wide open area is almost neutral, but the L & S at the extreme end
It is drawn to the negative potential on the side surface of the sample to be etched and slightly enters the side surface. As a result, the resist mask is shaved, causing dimensional anomalies in the sample to be etched.The side surface of the extreme L & S sample to be etched, which is opposite to the wide open area, is etched, causing shape anomalies such as so-called notching. In addition, the L & S etched sample surface at the extreme end of the wide open area is similarly etched to cause shape abnormality.

【0083】図17(b)の第二のエッチング運転モー
ドにおいては、シース間距離が長くなってイオンの中性
粒子との衝突散乱が多くなり、この結果イオンの試料表
面直前での入射角度は垂直からやや散乱された分布とな
り、またサドル構造(鞍型)分布を示すイオンのエネル
ギー分布の低エネルギー側と高エネルギー側の2つのピ
ーク差であるエネルギー幅ΔEは自己バイアス電圧に相
当する値を中心に広くなり、散乱による低エネルギー成
分が相対的に増え、さらにプラズマの損失が多くなり、
イオン密度が下がり、イオンアシストエッチング等の異
方性エッチングのレートが減少する。これにより、絶縁
体レジストマスクの負に帯電した側面表面に、エッチン
グ能力の少ない低エネルギーイオンが引き寄せられ、絶
縁体レジストマスク側面表面を電気的に中和する。
In the second etching operation mode shown in FIG. 17B, the distance between the sheaths is increased, and the collision and scattering of ions with neutral particles increases. As a result, the incident angle of the ions immediately before the sample surface is reduced. The energy width ΔE, which is the difference between two peaks on the low energy side and the high energy side of the energy distribution of ions having a saddle structure (saddle-shaped) distribution, becomes a distribution slightly scattered from the vertical, and has a value corresponding to the self-bias voltage. It spreads to the center, the low energy component due to scattering increases relatively, and the plasma loss increases,
The ion density decreases, and the rate of anisotropic etching such as ion-assisted etching decreases. As a result, low-energy ions having low etching ability are attracted to the negatively charged side surface of the insulator resist mask, and the insulator resist mask side surface is electrically neutralized.

【0084】図17(c)の再び第一のエッチング運転
モードに戻した場合においては、側面表面の帯電が中和
されているために、図14(a)の初めの段階の環境に
戻り、また再びシース間距離が短くなってイオンの中性
粒子との衝突散乱が少なくなり、この結果イオンの試料
表面直前での入射角度はほぼ垂直となり、またサドル構
造(鞍型)分布を示すイオンのエネルギー分布の低エネ
ルギー側と高エネルギー側に2つのピーク差であるエネ
ルギー幅ΔEは狭くなり、ほぼ自己バイアス電圧に相当
する値に単色化され、さらにプラズマの損失が少なくな
り、イオン密度が上がり、イオンアシストエッチング等
の異方性エッチングのレートが増加する。
In the case of returning to the first etching operation mode of FIG. 17C again, since the charging of the side surface is neutralized, the environment returns to the environment of the first stage of FIG. Also, the distance between the sheaths is shortened again, and the collision and scattering of ions with neutral particles is reduced. As a result, the angle of incidence of the ions immediately before the sample surface becomes almost vertical, and the ions having a saddle structure (saddle type) distribution are observed. The energy width ΔE, which is the difference between the two peaks on the low and high energy sides of the energy distribution, becomes narrower, becomes monochromatic to a value substantially corresponding to the self-bias voltage, further reduces plasma loss, increases ion density, The rate of anisotropic etching such as ion-assisted etching is increased.

【0085】このように、第一のエッチング運転モード
と第二のエッチング運転モードを繰り返すことにより、
負に帯電したレジストマスクに引き寄せられるイオンに
よるレジストマスクのエッチングが最小限に抑えられ、
被エッチング試料の寸法異常や形状異常がほとんど無視
できる、垂直形状の、高い加工スループットのエッチン
グが実現された。
As described above, by repeating the first etching operation mode and the second etching operation mode,
Etching of the resist mask by ions attracted to the negatively charged resist mask is minimized,
Vertical etching with high processing throughput, in which the dimensional abnormality and the shape abnormality of the sample to be etched can be almost ignored, is realized.

【0086】ここで、第一のエッチング運転モードと第
二のエッチング運転モードの、それぞれの時間的な割合
を3:1以上で第一のエッチング運転モードを長く行
い、また第二のエッチング運転モードにおける周波数
を、13.56MHzを越える値で行い、さらに、第一
のエッチング運転モードと第二のエッチング運転モード
の合計時間である一周期を、2μsから20μsで行い、
さらにガス圧力を、1Pa以下で行うと、優れたエッチン
グ性能が得られることが判明した。
Here, the first etching operation mode is made longer by setting the time ratio of each of the first etching operation mode and the second etching operation mode to 3: 1 or more. Is performed at a value exceeding 13.56 MHz, and one cycle which is the total time of the first etching operation mode and the second etching operation mode is performed at 2 μs to 20 μs,
Further, it was found that when the gas pressure was set to 1 Pa or less, excellent etching performance was obtained.

【0087】すなわち、本発明のプラズマ発生加工方法
に基づく、エッチング加工方法を用いることにより、1
0Pa程度の中ガス圧力であっても、第一のエッチング
運転モード時には加工スループットの向上と十分なエッ
チング異方性の実現のために、試料台に到達するイオン
のエネルギーの単色化度を高め、そのエネルギーがほぼ
所望の値となるようにし、かつ入射角度分布の試料に対
する垂直度を高める手段を用い、また第二のエッチング
運転モード時には、第一のエッチング運転モード運転経
過後に、比較的垂直な角度分布を持って試料に入射する
イオンと、広がったほぼ等方的な入射角度分布を持って
試料に入射する電子の、これら異なった極性の電荷を持
つイオン及び電子の入射角度分布の違いにより、凹凸の
ある試料表面が独特の不均一な正負の帯電分布を示す
が、この帯電した試料を電気的に中和するために、試料
台に到達するイオンのエネルギーが低い成分から高い成
分の広がりを持つようにし、かつ入射角度分布が試料に
対し垂直方向から広がりを持つようにする手段を用い、
これら2つのエッチング手段を、時間の経過とともに切
り替えながら制御し、高いスループットで垂直形状のエ
ッチングを実現する、ドライエッチング加工法を提供す
るものである。
That is, by using the etching processing method based on the plasma generation processing method of the present invention, 1
Even at a medium gas pressure of about 0 Pa, in the first etching operation mode, in order to improve the processing throughput and realize sufficient etching anisotropy, the degree of monochromaticity of the energy of ions reaching the sample stage is increased, Means for making the energy substantially equal to the desired value and using means for increasing the perpendicularity of the incident angle distribution to the sample, and in the second etching operation mode, after the first etching operation mode operation, a relatively perpendicular Due to the difference in the incident angle distribution of ions and electrons with different polarity charges between the ions that enter the sample with an angular distribution and the electrons that enter the sample with a broadly isotropic incident angle distribution. The uneven surface of the sample shows a unique uneven positive and negative charge distribution, but the ions reaching the sample stage to electrically neutralize this charged sample. Energy is to have a spread of high component from a low component, and using means to have a spread from vertical incidence angular distribution to the sample,
It is an object of the present invention to provide a dry etching method which controls these two etching means while switching over time to realize vertical etching with high throughput.

【0088】本実施の形態ではシリコン酸化膜及び多結
晶シリコンエッチングの場合を示したが、Si化合物、
Al等のメタルのエッチング、多層レジストにおけるレ
ジストのエッチング等にも本発明の装置を用いても高い
効果が得られる。アルミニウムエッチングに適用した場
合、BCl3+Cl2、SiCl4+Cl2+CHCl
3等、塩素をベースにしたガスを用い、圧力は0.1〜20P
aとした。この際、エッチングレートは400から90
0nm/minが得られた。
In this embodiment, the case of etching a silicon oxide film and polycrystalline silicon has been described.
Even when etching the metal such as Al, the etching of the resist in the multilayer resist, and the like, a high effect can be obtained by using the apparatus of the present invention. When applied to aluminum etching, BCl 3 + Cl 2 , SiCl 4 + Cl 2 + CHCl
Use chlorine-based gas such as 3 etc., pressure is 0.1 ~ 20P
a. At this time, the etching rate is 400 to 90.
0 nm / min was obtained.

【0089】また、本実施の形態では、プラズマ発生法
として、平行平板反応性イオンエッチング装置及びIC
Pを用いたが、本発明が、この場合に最も実施効果が著
しいということであって、ICPと同じくプラズマを発
生する高周波電源と、自己DCバイアスを形成するため
の試料台に印加する高周波電源とが独立に具備されてい
るECR(電子サイクロトロン共鳴)プラズマドライエ
ッチング装置に対しても、同様に十分におおきな効果が
認められた。
In this embodiment, a parallel plate reactive ion etching apparatus and an IC
Although P is used, the present invention has the most remarkable effect in this case. A high-frequency power source for generating plasma as in the case of ICP, and a high-frequency power source for applying to a sample stage for forming a self-DC bias. Similarly, a sufficiently large effect was also observed for an ECR (Electron Cyclotron Resonance) plasma dry etching apparatus provided independently of the above.

【0090】[0090]

【発明の効果】以上のように、本発明のプラズマ発生加
工法を用いることにより、10〜20Pa程度の中ガス
圧力であっても、高周波電力の印加周波数及びチャンバ
内部のガス圧力を時間的に最適化することにより、試料
台表面近傍に形成されるシース幅とイオンの平均自由行
程、及びイオンのシース中における経過時間を制御し、
これにより、試料表面チャージングによる影響を緩和し
ながら、試料台に到達する際のイオンのエネルギー分布
及び入射角度分布を制御し、高いスループットで垂直形
状のエッチングを実現できる。
As described above, by using the plasma generation processing method of the present invention, the applied frequency of the high-frequency power and the gas pressure inside the chamber can be temporally reduced even at a medium gas pressure of about 10 to 20 Pa. By optimizing, the sheath width and the mean free path of ions formed near the sample stage surface, and the elapsed time of ions in the sheath are controlled,
This makes it possible to control the energy distribution and the incident angle distribution of the ions reaching the sample stage while alleviating the influence of the sample surface charging, thereby realizing vertical etching with high throughput.

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

【図1】本発明の実施の形態1におけるドライエッチン
グ加工装置の概略図
FIG. 1 is a schematic diagram of a dry etching apparatus according to a first embodiment of the present invention.

【図2】本発明の実施の形態1における平行平板型反応
性イオンドライエッチング装置において発生したプラズ
マのカソードとアノード間の物理量の1次元分布を示す
FIG. 2 is a diagram showing a one-dimensional distribution of physical quantities between a cathode and an anode of plasma generated in a parallel plate reactive ion dry etching apparatus according to the first embodiment of the present invention.

【図3】本発明の実施の形態1における平行平板型反応
性イオンドライエッチング装置において発生したプラズ
マのカソードとアノード間の物理量の1次元分布を示す
FIG. 3 is a diagram showing a one-dimensional distribution of physical quantities between a cathode and an anode of plasma generated in a parallel plate reactive ion dry etching apparatus according to the first embodiment of the present invention.

【図4】本発明の実施の形態1における平行平板型反応
性イオンドライエッチング装置における物理量のカソー
ドに印加した高周波電力の周波数に対する依存性を示す
FIG. 4 is a diagram showing the dependence of the physical quantity on the frequency of the high-frequency power applied to the cathode in the parallel plate reactive ion dry etching apparatus according to the first embodiment of the present invention.

【図5】平行平板型反応性イオンドライエッチング装置
におけるシース幅の周波数依存性を示す図
FIG. 5 is a diagram showing the frequency dependence of a sheath width in a parallel plate type reactive ion dry etching apparatus.

【図6】バルクプラズマとシースの境界から出発したイ
オンがシース幅dのシース領域を中性粒子との衝突によ
り散乱されながら試料台に向かって輸送される様子を示
す模式図
FIG. 6 is a schematic view showing a state in which ions starting from a boundary between a bulk plasma and a sheath are transported toward a sample stage while being scattered by a collision with neutral particles in a sheath region having a sheath width d.

【図7】本発明の実施の形態1における平行平板型反応
性イオンドライエッチング装置における試料台に到達し
た際のエネルギーの周波数に対する依存性を示す図
FIG. 7 is a diagram showing a frequency dependence of energy when reaching a sample stage in the parallel plate reactive ion dry etching apparatus according to the first embodiment of the present invention.

【図8】比較的ガス圧力が低い場合における入射イオン
のエネルギー分布の周波数依存性を示す図
FIG. 8 is a diagram showing the frequency dependence of the energy distribution of incident ions when the gas pressure is relatively low.

【図9】本発明の実施の形態1における平行平板型反応
性イオンドライエッチング装置における物理量のガス圧
力依存性を示す図
FIG. 9 is a diagram showing the gas pressure dependence of the physical quantity in the parallel plate type reactive ion dry etching apparatus according to the first embodiment of the present invention.

【図10】エッチング運転モードの切り替え方法の内の
第一の切り替え方法を示す図
FIG. 10 is a diagram showing a first switching method of the etching operation mode switching methods.

【図11】周波数の変化方法を示す図FIG. 11 is a diagram showing a method of changing a frequency.

【図12】エッチング運転モードの切り替え方法の内の
第二の切り替え方法を示す図
FIG. 12 is a diagram showing a second switching method among the etching operation mode switching methods.

【図13】ガス圧力の変化方法を示す図FIG. 13 is a diagram showing a method of changing a gas pressure.

【図14】平行平板型反応性イオンエッチング装置を用
いて、第一のエッチング運転モードと第二のエッチング
運転モードとの切り替えを、上述の第一の切り替え方法
を用いてエッチングを実施した場合の様子を示す模式図
FIG. 14 shows a case where switching between a first etching operation mode and a second etching operation mode is performed by using the above-described first switching method using a parallel plate type reactive ion etching apparatus. Schematic diagram showing the situation

【図15】本発明のドライエッチング方法をICP(誘
導結合型プラズマ)プラズマドライエッチング装置に適
用した概略図
FIG. 15 is a schematic diagram in which the dry etching method of the present invention is applied to an ICP (inductively coupled plasma) plasma dry etching apparatus.

【図16】本発明方法により、ICP(誘導結合型プラ
ズマ)プラズマドライエッチング装置を用いて、第一の
エッチング運転モードと第二のエッチング運転モードと
の切り替えを、上述の第一の実施例中で説明した、第一
の切り替え方法を用いてエッチングを実施した場合の様
子を示す模式図
FIG. 16 shows a method of switching between a first etching operation mode and a second etching operation mode using an ICP (inductively coupled plasma) plasma dry etching apparatus according to the first embodiment of the present invention. Schematic diagram showing a state when etching is performed using the first switching method described in

【図17】エッチングが進行しオーバーエッチングにな
った場合対して、エッチング運転モードの切り替えを実
施した場合の模式図
FIG. 17 is a schematic diagram showing a case where the etching operation mode is switched in a case where etching progresses and over-etching is performed;

【図18】絶縁体トレンチの試料表面チャージング分
布、イオン軌道、試料表面電位分布を示す図
FIG. 18 is a diagram showing a charging distribution, ion orbit, and a sample surface potential distribution of a sample surface in an insulator trench.

【図19】L&Sパターンと広いオープン領域が隣接して
存在する場合、ラインパターンが孤立し絶縁体である下
地酸化膜が露出している時の試料表面チャージング分布
とイオン軌道を示す図
FIG. 19 is a diagram showing a sample surface charging distribution and an ion trajectory when a line pattern is isolated and a base oxide film as an insulator is exposed when an L & S pattern and a wide open area are adjacent to each other.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

30 バルクプラズマ領域 32 シース領域 33 試料 60 フォトレジストマスクパターン 61 シリコン酸化膜 62 フォトレジストマスクの内、イオンによりスパッ
タされ削られた部分 63 シリコン酸化膜の内、フォトレジストマスクがイ
オンによりスパッタされ削られたため、本来エッチング
されるべきではないシリコン酸化膜 75 シリコン基板 76 シリコン酸化膜 77 リンドープした多結晶シリコン膜 78 フォトレジストパターン 81 金属性チャンバー 82 ガスコントローラ 83 排気系 84 アノード(陽極) 85 試料台 86 インピーダンス整合回路 87 高周波電源 90 エッチング終点検出器 91 周波数制御回路 92 プログラム制御装置 93 フォトレジストパターン 95 高周波電源 96 螺旋状コイル 120 フォトレジストパターン 121 リンドープした多結晶シリコン 122 熱酸化膜 123 シリコン基板 125 フォトレジストマスクの内、イオンによりスパ
ッタされ削られた部分 126 多結晶シリコンの内、フォトレジストマスクが
イオンによりスパッタされ削られたため、本来エッチン
グされるべきではない多結晶シリコン
Reference Signs List 30 Bulk plasma region 32 Sheath region 33 Sample 60 Photoresist mask pattern 61 Silicon oxide film 62 Portion of photoresist mask cut off by ion 63 Photoresist mask of silicon oxide film is sputtered off by ion Therefore, a silicon oxide film that should not be etched 75 silicon substrate 76 silicon oxide film 77 phosphorus-doped polycrystalline silicon film 78 photoresist pattern 81 metallic chamber 82 gas controller 83 exhaust system 84 anode (anode) 85 sample table 86 impedance Matching circuit 87 High-frequency power supply 90 Etching end point detector 91 Frequency control circuit 92 Program controller 93 Photoresist pattern 95 High-frequency power supply 96 Spiral coil 120 Photoresist pattern 121 Phosphorus-doped polycrystalline silicon 122 Thermal oxide film 123 Silicon substrate 125 Portion of photoresist mask cut off by ion 126 Photoresist mask of polycrystalline silicon was sputtered off by ion. Polycrystalline silicon that should not be etched

Claims (18)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 電離させるべきガスを導入し、プラズマ
を発生する機能を有した真空チャンバ内部に試料台を設
置し、この試料台に高周波電力を印加することにより自
己DCバイアスを形成し、これによりイオンを試料台に
向かうように加速誘導させることを用いて試料を加工す
るようにしたプラズマ発生加工装置であって、高周波電
力の印加周波数及びチャンバ内部のガス圧力の時間変化
を最適化することにより、試料台表面近傍に形成される
シース幅とイオンの平均自由行程、及びイオンのシース
中における経過時間を制御し、これらにより、試料台に
到達するイオンのエネルギー分布及び入射角度分布の時
間変化を制御しながら、プラズマによる試料の加工を行
うことを特徴とするプラズマ発生加工方法。
1. A sample table is set in a vacuum chamber having a function of introducing a gas to be ionized and generating plasma, and applying a high-frequency power to the sample table to form a self-DC bias. A plasma processing apparatus for processing a sample by accelerating and inducing ions toward a sample stage by optimizing a time change of an applied frequency of a high-frequency power and a gas pressure in a chamber. Controls the width of the sheath and the mean free path of the ions formed near the surface of the sample stage, and the elapsed time of the ions in the sheath. A plasma processing method, wherein a sample is processed by plasma while controlling the temperature.
【請求項2】 第一のエッチング運転モード時には、試
料台に到達するイオンのエネルギーの単色化度を高め、
そのエネルギーがほぼ所望の値となるようにし、かつ入
射角度分布の試料に対する垂直度を高める第一の手段を
用い、第二のエッチング運転モード時には、試料台に到
達するイオンのエネルギーが低い成分から高い成分の広
がりを持つようにし、かつ入射角度分布が試料に対し垂
直方向から広がりを持つようにする第二の手段を用い、
前記第一及び第二の手段を、時間の経過とともに切り替
えながらドライエッチングを行なうことを特徴とする請
求項1に記載のプラズマ発生加工方法。
2. In the first etching operation mode, the degree of monochromaticity of energy of ions reaching the sample stage is increased,
By using the first means for increasing the energy to a substantially desired value and increasing the perpendicularity of the incident angle distribution to the sample, during the second etching operation mode, the energy of the ions reaching the sample stage starts from the low component. Using a second means to have a high component spread, and to make the incident angle distribution spread from the direction perpendicular to the sample,
2. The plasma generation processing method according to claim 1, wherein the dry etching is performed while switching the first and second means over time.
【請求項3】 第一手段により、ガス圧力Pを低くして
イオンの平均自由行程λを長くし、試料台に印加する高
周波電力の周波数fを高くすることによって試料台近傍
に形成されるカソード側のシース幅dを短くして、P/
fを小さくすることによりシース中における中性粒子と
の衝突による散乱確率を減らし、第二の手段により、前
記ガス圧力Pを高くしてイオンの前記平均自由行程λを
短くし、前記周波数fを低くすることによって前記シー
ス幅dを長くして、P/fを大きくすることにより、シ
ース中における中性粒子との衝突による散乱確率を増加
させることを特徴とする請求項2に記載のプラズマ発生
加工方法。
3. A cathode formed in the vicinity of the sample stage by lowering the gas pressure P to increase the mean free path λ of ions and increasing the frequency f of the high-frequency power applied to the sample stage by the first means. Side sheath width d,
By reducing f, the scattering probability due to collision with neutral particles in the sheath is reduced, and the gas pressure P is increased to shorten the mean free path λ of ions by the second means, and to reduce the frequency f. The plasma generation according to claim 2, wherein the probability of scattering due to collision with neutral particles in the sheath is increased by increasing the sheath width d by decreasing the sheath width and increasing P / f. Processing method.
【請求項4】 周波数fを一定にして、ガス圧力Pを増
加させていくことにより、散乱確率ηに比例する量(P/
f)を増加させ、第一のエッチング運転モードから第二
のエッチング運転モードへの切り替えを伴うドライエッ
チングを行うことを特徴とする請求項2に記載のプラズ
マ発生加工方法。
4. By increasing the gas pressure P while keeping the frequency f constant, an amount proportional to the scattering probability η (P /
3. The plasma generation processing method according to claim 2, wherein f) is increased, and dry etching accompanied by switching from the first etching operation mode to the second etching operation mode is performed.
【請求項5】 ガス圧力Pをを一定にして、周波数fを
減少させていくことにより、散乱確率ηに比例する量
(P/f)を増加させ、第一のエッチング運転モードから
第二のエッチング運転モードへの切り替えを伴うドライ
エッチングを行うことを特徴とする請求項2に記載のプ
ラズマ発生加工方法。
5. An amount proportional to the scattering probability η by decreasing the frequency f while keeping the gas pressure P constant.
The plasma generation processing method according to claim 2, wherein (P / f) is increased, and dry etching accompanied by switching from the first etching operation mode to the second etching operation mode is performed.
【請求項6】 ガス圧力Pをを一定にして、周波数fを
減少させていくことにより、試料台表面に到達するまで
のシース中におけるイオンの経過時間を短くし、第一の
エッチング運転モードから第二のエッチング運転モード
への切り替えを伴うドライエッチングを行うことを特徴
とする請求項2に記載のプラズマ発生加工方法。
6. The gas pressure P is kept constant and the frequency f is reduced, so that the elapsed time of ions in the sheath before reaching the sample stage surface is shortened. The plasma generation processing method according to claim 2, wherein dry etching accompanied by switching to the second etching operation mode is performed.
【請求項7】 周波数fを一定にして、ガス圧力Pを増
加させていくことにより、散乱確率ηに比例する量(P/
f)を増加させ、主エッチング時運転モードからオーバ
ーエッチング時運転モードへの切り替えを伴うドライエ
ッチングを行うことを特徴とする請求項2に記載のプラ
ズマ発生加工方法。
7. By increasing the gas pressure P while keeping the frequency f constant, an amount proportional to the scattering probability η (P /
3. The plasma generation processing method according to claim 2, wherein f) is increased and dry etching accompanied by switching from the main etching operation mode to the over etching operation mode is performed.
【請求項8】 ガス圧力Pをを一定にして、周波数fを
減少させていくことにより、散乱確率ηに比例する量
(P/f)を増加させ、主エッチング時運転モードからオ
ーバーエッチング時運転モードへの切り替えを伴うドラ
イエッチングを行うことを特徴とする請求項2に記載の
プラズマ発生加工方法。
8. An amount proportional to the scattering probability η by reducing the frequency f while keeping the gas pressure P constant.
The plasma generation processing method according to claim 2, wherein (P / f) is increased, and dry etching accompanied by switching from the main etching operation mode to the over etching operation mode is performed.
【請求項9】 エッチング運転モード切り替えを、予め
プログラムされた処理流れに従って行うことを特徴とす
る請求項2に記載のプラズマ発生加工方法。
9. The plasma generation processing method according to claim 2, wherein the switching of the etching operation mode is performed according to a previously programmed processing flow.
【請求項10】 第一のエッチング運転モードと第二の
エッチング運転モードの切り替えを、時間的になめらか
に行うことを特徴とする請求項2に記載のプラズマ発生
加工方法。
10. The plasma generation processing method according to claim 2, wherein switching between the first etching operation mode and the second etching operation mode is performed smoothly in time.
【請求項11】 第一のエッチング運転モードと第二の
エッチング運転モードの切り替えを、時間的に不連続に
階段状で行うことを特徴とする請求項2に記載のプラズ
マ発生加工方法。
11. The plasma generation processing method according to claim 2, wherein switching between the first etching operation mode and the second etching operation mode is performed stepwise discontinuously in time.
【請求項12】 第一のエッチング運転モードと第二の
エッチング運転モードの、それぞれの時間的な割合を
3:1以上で第一のエッチング運転モードを長く行うこ
とを特徴とする請求項2に記載のプラズマ発生加工方
法。
12. The method according to claim 2, wherein the time ratio of each of the first etching operation mode and the second etching operation mode is 3: 1 or more, and the first etching operation mode is performed for a long time. The plasma generation processing method according to the above.
【請求項13】 第二のエッチング運転モードにおける
周波数を、10MHzを越える値で行うことを特徴とす
る請求項2に記載のプラズマ発生加工方法。
13. The plasma generation processing method according to claim 2, wherein the frequency in the second etching operation mode is set to a value exceeding 10 MHz.
【請求項14】 第一のエッチング運転モードと第二の
エッチング運転モードの合計時間を、2μsから20μs
の間で行うことを特徴とする請求項2に記載のプラズマ
発生加工方法。
14. The total time of the first etching operation mode and the second etching operation mode is set to 2 μs to 20 μs.
The plasma generation processing method according to claim 2, wherein the method is performed between the steps.
【請求項15】 ガス圧力を、20Pa以下で行うことを
特徴とする請求項2に記載のプラズマ発生加工方法。
15. The plasma generation processing method according to claim 2, wherein the gas pressure is set to 20 Pa or less.
【請求項16】 プラズマを発生する機能を有した真空
チャンバと、前記真空チャンバ内部に設置された被加工
試料を登載することが可能な試料台と、前記試料台にイ
ンピーダンス整合回路を介して自己DCバイアスを形成
する可変周波数高周波電力源と、前記高周波電力源の周
波数を制御する周波数制御回路とを有し、真空チャンバ
に具備されている、ガスコントローラ、排気系及び周波
数制御回路を制御することにより、上記プラズマ発生チ
ャンバ内部のガス圧力及び周波数を時間的に最適化する
とともに、試料台近傍のシース幅とイオンの平均自由行
程、及びイオンのシース中における経過時間を制御する
ことを特徴とするプラズマ発生加工装置。
16. A vacuum chamber having a function of generating a plasma, a sample table provided inside the vacuum chamber, on which a sample to be processed can be mounted, and a self-loading device connected to the sample table via an impedance matching circuit. A variable frequency high frequency power source for forming a DC bias, and a frequency control circuit for controlling the frequency of the high frequency power source, for controlling a gas controller, an exhaust system, and a frequency control circuit provided in the vacuum chamber. In this manner, the gas pressure and frequency inside the plasma generation chamber are temporally optimized, and the sheath width and the mean free path of ions near the sample stage, and the elapsed time of ions in the sheath are controlled. Plasma generation processing equipment.
【請求項17】 プラズマ発生チャンバに、予めプログ
ラムされた処理流れに従って時間的にガスコントロー
ラ、排気系及び周波数制御回路を制御できるプログラム
制御装置が設置され、この信号が、上記プラズマ発生チ
ャンバに設置されているガスコントローラ、排気系及び
周波数制御回路を制御することを特徴とする請求項16
に記載のプラズマ発生加工装置。
17. A program control device, which can control a gas controller, an exhaust system and a frequency control circuit in a timely manner according to a pre-programmed processing flow, is installed in the plasma generation chamber, and this signal is installed in the plasma generation chamber. 17. A gas controller, an exhaust system and a frequency control circuit which are controlled.
3. The plasma generation processing apparatus according to claim 1.
【請求項18】 プラズマ発生チャンバに、エッチング
の終点を検出するための終点検出器が設置され、この終
点検出器の信号が、上記プラズマ発生チャンバに設置さ
れているガスコントローラ、排気系及び周波数制御回路
を制御することを特徴とする請求項16に記載のプラズ
マ発生加工装置。
18. An end point detector for detecting an end point of etching is provided in a plasma generation chamber, and a signal from the end point detector is supplied to a gas controller, an exhaust system, and a frequency control provided in the plasma generation chamber. 17. The apparatus according to claim 16, wherein the apparatus controls a circuit.
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