JPS61220433A - Dry etching method - Google Patents

Dry etching method

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JPS61220433A
JPS61220433A JP6066885A JP6066885A JPS61220433A JP S61220433 A JPS61220433 A JP S61220433A JP 6066885 A JP6066885 A JP 6066885A JP 6066885 A JP6066885 A JP 6066885A JP S61220433 A JPS61220433 A JP S61220433A
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JP
Japan
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etching
resist
dry etching
mask
ions
Prior art date
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Pending
Application number
JP6066885A
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Japanese (ja)
Inventor
Kazunori Tsujimoto
和典 辻本
Shinichi Taji
新一 田地
Sadayuki Okudaira
奥平 定之
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Hitachi Ltd
Original Assignee
Hitachi Ltd
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Publication date
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Publication of JPS61220433A publication Critical patent/JPS61220433A/en
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    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/04Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof the devices having at least one potential-jump barrier or surface barrier, e.g. PN junction, depletion layer or carrier concentration layer
    • H01L21/18Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof the devices having at least one potential-jump barrier or surface barrier, e.g. PN junction, depletion layer or carrier concentration layer the devices having semiconductor bodies comprising elements of Group IV of the Periodic System or AIIIBV compounds with or without impurities, e.g. doping materials
    • H01L21/30Treatment of semiconductor bodies using processes or apparatus not provided for in groups H01L21/20 - H01L21/26
    • H01L21/302Treatment of semiconductor bodies using processes or apparatus not provided for in groups H01L21/20 - H01L21/26 to change their surface-physical characteristics or shape, e.g. etching, polishing, cutting

Abstract

PURPOSE:To regulate the dimension precisely, by implanting impurities into mask material before dry etching, and by producing the impurities near the mask at a high concentration during etching. CONSTITUTION:After W 2 is deposited on an Si substrate 3 and resist 1 is applied thereon, a pattern is formed. Next, S ions 5 are implanted into the resist by 10<13>-10<17> per cm<3>. Thereafter, if the W 2 is dry-etched with SF6, S 6 produced from the mask 1 sulfates the side walls of the W 2 to form a protective film 4 for preventing side face etching, with the result that an approximately vertical etching shape can be attained. According to the mask material, at least one of C, O, N, H, F and Cl may be implanted.

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の利用分野〕 本発明はドライエツチング方法に係り、特に。[Detailed description of the invention] [Field of application of the invention] The present invention relates to dry etching methods, and more particularly to dry etching methods.

エツチング形状の制御を容易にするのに好適なマスク材
への不純物注入に関する。
The present invention relates to impurity implantation into a mask material suitable for facilitating control of etching shape.

〔発明の背景〕[Background of the invention]

LSIの高集積化は急速に進んでおり、微細加工の主要
技術であるドライエツチングの高性能化が必要になって
いる。特に、極微細パターンを形成するための、高精度
寸法制御が重要であり、従来種々の方法が検討されたき
た。その1つの方法に、特開昭53−124979号に
記載されているような2種類以上のガスを混入する方法
がある。この引例では、AQトドライエツチングガスと
してCCΩ、やBCQ 、等の塩素系ガスに水素を混合
したものを用い、AQの異方性エツチングを行っている
The integration of LSIs is rapidly progressing, and it is necessary to improve the performance of dry etching, which is the main technology for microfabrication. In particular, highly accurate dimensional control is important for forming ultra-fine patterns, and various methods have been studied in the past. One such method is a method of mixing two or more types of gas as described in JP-A-53-124979. In this reference, anisotropic etching of AQ is performed using a mixture of hydrogen and a chlorine gas such as CCΩ or BCQ as an AQ dry etching gas.

その原理は次の通りである。ドライエツチングではプラ
ズマ中のイオンとラジカルが被エツチ材料をエツチング
するエッチャントになるが、両者のうちイオンが主であ
る場合には異方性エツチングが行われ、ラジカルが主で
ある場合にはウェットエツチングと同様の等方形エツチ
ングとなる。そのため、塩素系ガスを用いたAMドライ
エツチングにおいて、異方性を達成するには、塩素ラジ
カルを減少させることが必要であり、塩素ラジカルと結
合してHCQになる水素をエツチングガスに混合する方
法が有効である。
The principle is as follows. In dry etching, ions and radicals in the plasma act as etchants that etch the material to be etched, but when ions are the main component of both, anisotropic etching is performed, and when radicals are the main component, wet etching is performed. This results in isotropic etching similar to . Therefore, in AM dry etching using chlorine gas, in order to achieve anisotropy, it is necessary to reduce chlorine radicals, and a method is to mix hydrogen into the etching gas by combining with chlorine radicals to form HCQ is valid.

しかし、この方法ではプラズマ中のイオンを主にしたエ
ツチングになるため、イオンのスパッタ効果によってエ
ツチングの選択性が低下するという問題があった。した
がって、たとえばMOSLSIのゲート電極のドライエ
ツチングのように、下地のゲート酸化膜との選択比を数
十倍以上必要とするドライエツチングでは、上記のよう
なプラズマ中のラジカルを減少させる方法は適さない。
However, in this method, since etching is performed mainly using ions in the plasma, there is a problem in that the etching selectivity is reduced due to the sputtering effect of the ions. Therefore, the above method of reducing radicals in plasma is not suitable for dry etching that requires a selectivity of several tens of times or more with respect to the underlying gate oxide film, such as dry etching of MOSLSI gate electrodes. .

これに対し、ラジカル量をあまり変えないで異方性エツ
チングを達成するために、パターン側壁にラジカルでエ
ツチングされにくい保護膜を形成する方法が考えられて
いる。さらに詳しく述べると、たとえば試料表面に堆積
物が付着しやすいエツチング条件のもとで、この堆積物
がイオンではエツチングされ、ラジカルではエツチング
されない条件を最適化すれば、第1図に示すようにイオ
ン照射のないパターン側壁のみ保護膜が形成されて、サ
イドエッチを防止できる。このような堆積物を形成する
添加ガスの一例として、CF、やCCQ 、等の炭素化
合物があり、通常エツチングガス中に数十容量%以上、
混合する。上記の方法では前記Alエツチングの水素添
加のようなイオンを主にしたエツチングよりも選択性は
高いが、この方法でもやはりガス混合によってエツチン
グ主ガスの分圧が下がるため、ラジカル量が減少し選択
性が低下する傾向がある。
On the other hand, in order to achieve anisotropic etching without significantly changing the amount of radicals, a method has been considered in which a protective film that is difficult to be etched by radicals is formed on the sidewalls of the pattern. To explain in more detail, for example, under etching conditions where deposits tend to adhere to the sample surface, if conditions are optimized such that the deposits are etched by ions but not by radicals, then the ion etching process can be achieved as shown in Figure 1. A protective film is formed only on the sidewalls of the pattern that are not irradiated, and side etching can be prevented. An example of an additive gas that forms such a deposit is a carbon compound such as CF or CCQ, which is usually present in an etching gas containing tens of volume percent or more.
Mix. Although the above method has higher selectivity than etching mainly using ions such as hydrogenation of Al etching, this method also reduces the partial pressure of the main etching gas by gas mixing, which reduces the amount of radicals and selects them. There is a tendency for sexual performance to decline.

以上のようなエツチング形状制御法では、いずれの場合
もエツチング形状制御と高選択性の維持を両立させるこ
とが極めて難しいことがわかった。
It has been found that in any of the above etching shape control methods, it is extremely difficult to simultaneously control the etching shape and maintain high selectivity.

〔発明の目的〕[Purpose of the invention]

このような従来の欠点を取り除くために、本発明では、
エツチング形状に大きな影響を及ぼす、LSIパターン
近傍のみのプラズマ雰囲気のガス組成をフトントロール
することを目的とし、高精度寸法制御性とその他のエツ
チング性能の向上の両立を図れるドライエツチング方法
を提供することにある。
In order to eliminate such conventional drawbacks, the present invention
To provide a dry etching method that achieves both high precision dimensional control and other improvements in etching performance, with the aim of controlling the gas composition of the plasma atmosphere only in the vicinity of an LSI pattern, which has a large effect on the etched shape. It is in.

〔発明の概要〕[Summary of the invention]

以下では本発明の基礎となった実験結果について説明す
る。
Below, the experimental results that formed the basis of the present invention will be explained.

本実験では、近年MOSLSIのゲート電極として使わ
れているタングステンのドライエツチングについて検討
した。主エツチングガスにSF、を用い、タングステン
と下地Sin、との選択比は30以上得られたが、サイ
ドエッチが0.2μ園程度と比較的大きいため、混合ガ
スによるエツチング形状制御を試みた。混合として、H
,、Nユ、01.その他各種ガスを試し、一部の混合ガ
スで形状が改善されることがわかったが、数十容量%以
上混合しなければ効果が表われないため、いずれの場合
もガス混合によって選択比(W / Sin、 )が大
巾に低下し、10以下となった。そのため、上記方法は
実用に適さない。
In this experiment, we investigated dry etching of tungsten, which has been used as a gate electrode in MOSLSI in recent years. SF was used as the main etching gas, and a selectivity ratio between tungsten and the underlying Sin was obtained at 30 or more, but since the side etch was relatively large at about 0.2 μm, an attempt was made to control the etching shape using a mixed gas. As a mixture, H
,, Nyu, 01. We tried various other gases and found that the shape could be improved with some mixed gases, but the effect was not seen unless the mixture exceeded several tens of volume percent, so in any case, the selection ratio (W /Sin, ) decreased significantly to 10 or less. Therefore, the above method is not suitable for practical use.

一方、タングステンのドライエツチングではマスクの材
質がエツチング形状に著しい影響を及ぼすことがわかっ
た。エツチングマスクにSin、を用いた場合には、レ
ジスト(A Z −1350J )を用いた場合よりも
タングステンのサイドエッチが著しく大きくなることが
見出された。これは、エツチング中にレジストから発生
する物質が、レジスト、近傍のエツチング形状に大きな
影響を及ぼしている証拠である。このレジストから出る
物質の影響を利用し、ガス圧力や電力等のエツチング条
件を最適化すると1選択比(W / Sin、 )を3
0以上に維持したまま、サイドエッチを0.1μm以下
にできることを確認した。
On the other hand, in dry etching of tungsten, it was found that the material of the mask has a significant effect on the etched shape. It has been found that when Sin is used as an etching mask, the side etch of tungsten becomes significantly larger than when a resist (AZ-1350J) is used. This is evidence that substances generated from the resist during etching have a large effect on the etched shape of the resist and the vicinity. By utilizing the influence of substances emitted from the resist and optimizing etching conditions such as gas pressure and electric power, the selection ratio (W/Sin, ) can be increased to 3.
It was confirmed that the side etch could be reduced to 0.1 μm or less while maintaining the value of 0 or more.

上記レジストから出る物質は、レジストから数μ■の近
傍で非常に高い濃度になっていると考えられ、そのため
形状に及ぼす影響も著しいものと推測される。レジスト
と同様の効果を混合ガスによって得ようとすると、エツ
チングガス中に50容量%以上の大量の混合ガスを加え
なければならず、この場合にはもはや主エツチングガス
SF。
It is thought that the substance emitted from the resist has a very high concentration in the vicinity of several micrometers from the resist, and therefore it is presumed that it has a significant effect on the shape. In order to obtain the same effect as with resist using a mixed gas, a large amount of the mixed gas of 50% or more by volume must be added to the etching gas, and in this case, the main etching gas SF is no longer used.

のエツチング特性は著しく損われ、エッチ速度。The etching properties of the etch are significantly impaired and the etch rate is significantly reduced.

選択比、その他の特性は維持できない。したがって、上
記方法を適用することは困難である。
Selectivity and other properties cannot be maintained. Therefore, it is difficult to apply the above method.

以上のことに基づき本発明は、マスク材中にエツチング
に先立って不純物を注入しておき、エツチング中にこの
不純物がマスク近傍で非常に高濃度に発生して形状制御
に有効に働くことを利用し。
Based on the above, the present invention utilizes the fact that impurities are injected into the mask material prior to etching, and that these impurities are generated at a very high concentration near the mask during etching and work effectively for shape control. death.

高精度寸法制御を容易にしようとするものである。The purpose is to facilitate high-precision dimensional control.

〔発明の実施例〕[Embodiments of the invention]

以下、本発明の実施例につき詳細に説明する。 Examples of the present invention will be described in detail below.

実施例1 第2図に示すように、Si基板上(3)上にタングステ
ン(2)を300n層堆積した後、タングステン上にエ
ツチングマスクとしてレジスト(1)(AZ−1350
J)を塗布した。その後1通常のフォト工程により、レ
ジストを所望のパターンに形成した後。
Example 1 As shown in FIG. 2, after depositing a 300n layer of tungsten (2) on a Si substrate (3), a resist (1) (AZ-1350) was deposited on the tungsten as an etching mask.
J) was applied. After that, a resist is formed into a desired pattern by a normal photo process.

硫黄イオン(5)を101〜1017コ/dレジスト中
にインプラした。最後に、硫黄を注入したレジストをマ
スクにタングステンをS F sガスでドライエツチン
グした。エツチング中にエツチングマスクから出る硫黄
(6)によってタングステンの側壁が硫化されてサイド
エッチを防止する保護膜(4)として働き、はぼ垂直な
エツチング形状が得られた。
Sulfur ions (5) were implanted into a 101-1017 co/d resist. Finally, the tungsten was dry etched using SF gas using the sulfur-injected resist as a mask. During etching, the side walls of the tungsten were sulfurized by sulfur (6) released from the etching mask, which acted as a protective film (4) to prevent side etching, resulting in a nearly vertical etched shape.

実施例2 実施例1に示した硫黄イオンの代わりに、弗素もしくは
塩素イオンをレジスト中に注入すると、タングステンの
側壁がレジスト中の炭素と不純物の化合物である弗化炭
素および塩化炭素の重合膜でおおわれてサイドエッチが
減少した。
Example 2 When fluorine or chlorine ions are implanted into the resist instead of the sulfur ions shown in Example 1, the sidewalls of tungsten become a polymer film of carbon fluoride and carbon chloride, which are compounds of carbon and impurities in the resist. It was covered and the side etch was reduced.

実施例3 実施例1に示した硫黄イオンの代わりに、炭素と水素イ
オンをレジスト中に注入すると、もとのレジスト成分中
の炭素、水素の量より増加し、タングステン側壁に付着
する炭化水素の重合膜の量が増加してサイドエッチ防止
効果が増大した。
Example 3 When carbon and hydrogen ions were implanted into the resist instead of the sulfur ions shown in Example 1, the amount of carbon and hydrogen increased compared to the original resist components, and the amount of hydrocarbons adhering to the tungsten sidewalls decreased. As the amount of the polymer film increased, the side etch prevention effect increased.

実施例4 実施例1に示したタングステンの代わりにSiを用い、
硫黄イオンの代わりに窒素イオンを注入すると、もとの
レジスト成分中の窒素の量より増加し、Si側壁の窒化
膜によるサイドエッチ防止効果が増大した。
Example 4 Using Si instead of tungsten shown in Example 1,
When nitrogen ions were implanted instead of sulfur ions, the amount of nitrogen increased compared to the amount of nitrogen in the original resist component, and the side etch prevention effect of the nitride film on the Si sidewall increased.

実施例5 実施例1のエツチングマスクはレジスト以外の材料でも
よい。たとえば、Sin、マスクに硫黄イオンを注入し
てもほぼ同様のサイドエッチ防止効果が認められた。
Example 5 The etching mask of Example 1 may be made of a material other than resist. For example, almost the same side etch prevention effect was observed even when sulfur ions were implanted into a Sin mask.

実施例6 実施例5のSin、マスク中に酸素イオンを注入すると
、 Sin、中の酸素が増加するため、タングステン側
壁にタングステン酸化膜が形成されやすくなって、サイ
ドエッチが減少した。
Example 6 When oxygen ions were implanted into the Sin mask of Example 5, the amount of oxygen in the Sin increased, making it easier to form a tungsten oxide film on the tungsten sidewalls, reducing side etching.

実施例7 実施例1に示したイオンインプラは第3図に示すように
、レジスト塗布後、バターニング前に行ってもよい、こ
の場合、レジスト成分の組成比の変化により、若干のレ
ジストパターン解像度の劣化が認められるが、サイドエ
ッチ防止の効果は維持される。
Example 7 The ion implantation shown in Example 1 may be performed after resist application and before patterning, as shown in FIG. 3. In this case, due to changes in the composition ratio of resist components, the resist pattern resolution may be slightly reduced. Although some deterioration is observed, the effect of preventing side etch is maintained.

実施例8 実施例1に示したイオンインプラの代わりに他の不純物
注入法を用いても効果は同様である。たとえば、レジス
ト中に若干のH,Oをしみ込ませておくことによって、
エツチング中にはマスク材から水素と酸素が発生する。
Example 8 Even if other impurity implantation methods are used instead of the ion implantation method shown in Example 1, the same effect can be obtained. For example, by soaking some H and O into the resist,
During etching, hydrogen and oxygen are generated from the mask material.

この酸素はタングステン側壁を酸化して保護膜を形成す
るためサイドエッチが低減できた。
Since this oxygen oxidizes the tungsten sidewalls and forms a protective film, side etching can be reduced.

なお、本発明においては、W以外のMo、W−8i、M
o−5iにも同じ元素を添加して使用できる。
In addition, in the present invention, Mo other than W, W-8i, M
The same element can also be added to o-5i.

〔発明の効果〕〔Effect of the invention〕

本発明によれば、従来難しかった高選択性のもとて異方
性エツチングを達成できるので、特にゲート電極のドラ
イエツチング等に有効である。また、本発明の基礎とな
った実験でも明らかなようにマスク材のエツチング形状
に及ぼす影響は大きいが1本発明によってマスク材の影
響をある程度コントロールできるためどのようなマスク
材でも注入不純物種を変えることによってエツチング形
状の制御が容易になる。
According to the present invention, it is possible to achieve anisotropic etching with high selectivity, which has been difficult in the past, and is therefore particularly effective for dry etching of gate electrodes. In addition, as is clear from the experiments that formed the basis of the present invention, the effect on the etching shape of the mask material is large; however, the present invention allows the influence of the mask material to be controlled to a certain extent, so it is possible to change the implanted impurity type for any mask material. This makes it easier to control the etching shape.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]

第1図は側壁保護膜により異方性エツチングされたパタ
ーンの概略図、第2図はマスク材への不純物注入法(a
)と、マスク材から発生する不純物によりエツチング中
にパターン側壁に保護膜が形成され、異方性エツチング
されることの説明図、第3図はマスク材への不純物注入
をマスクのパターン形成前に行うことの説明図。 1・・・マスク材、2・・・被エッチ材料、3・・・基
板、4・・・パターン側壁保護膜、5・・・不純物イオ
ン、6・・・′$ 1 図 第2 目
Fig. 1 is a schematic diagram of a pattern anisotropically etched with a sidewall protective film, and Fig. 2 is a schematic diagram of an impurity implantation method (a) into the mask material.
) and an explanatory diagram of how impurities generated from the mask material form a protective film on the sidewalls of the pattern during etching, resulting in anisotropic etching. An explanatory diagram of what to do. DESCRIPTION OF SYMBOLS 1...Mask material, 2...Etched material, 3...Substrate, 4...Pattern side wall protective film, 5...Impurity ions, 6...'$ 1 Figure 2

Claims (1)

【特許請求の範囲】 1、プラズマ化したエッチングガスを利用して基板をド
ライエッチングする際の該基板上に形成するエッチング
マスク内に、該ドライエッチングに先立つて不純物を注
入しておくことを特徴とするドライエッチング方法。 2、特許請求の範囲第1項記載のドライエッチング方法
において、上記不純物が炭素、酸素、窒素、水素、弗素
、塩素、硫黄のうち少なくとも1つを含むことを特徴と
するドライエッチング方法。 3、特許請求の範囲第1項記載のドライエッチング方法
において上記不純物の注入法としてイオンインプランテ
ーシヨン法を用いることを特徴とするドライエッチング
方法。
[Claims] 1. When dry etching a substrate using an etching gas turned into plasma, an impurity is injected into an etching mask formed on the substrate prior to the dry etching. Dry etching method. 2. The dry etching method according to claim 1, wherein the impurity contains at least one of carbon, oxygen, nitrogen, hydrogen, fluorine, chlorine, and sulfur. 3. A dry etching method according to claim 1, characterized in that an ion implantation method is used as the impurity implantation method.
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5211790A (en) * 1991-02-26 1993-05-18 Sony Corporation Dry etching method by sulfur conditioning
US5266157A (en) * 1990-10-04 1993-11-30 Sony Corporation Dry etching method

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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US5266157A (en) * 1990-10-04 1993-11-30 Sony Corporation Dry etching method
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