KR100272185B1 - Method for etching oxide - Google Patents
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Abstract
Si 웨이퍼상에 형성된 SiO2막의 에찬트의 원료로서 NF3, H2의 혼합가스를 NF3/ H2혼합비를 1 : 160으로 사용한다.A NF 3, NF 3 / H 2 gas mixture the mixture ratio of H 2 as the material of the Chant SiO 2 film formed on the Si wafer 1 is used as 160.
상기 혼합가스를 플라즈마화하고, F,H,N의 활성종을 다운스트림으로 공급하고, SiO2막에 흡착시킨다. 상기 혼합가스의 NF3/ H2혼합비는 SiO2막에 대한 화학적 작용에 의한 에칭을 정지시키도록 설정한다. 다음에 Ar의 저에너지이온을 흡착한 활성종에 조사하여 활성종을 여기하고, SiO2막을 에칭한다. 에칭중 웨이퍼는 약 -100℃로 유지된다. 이에 의하여,Si 웨이퍼에 대한 손상이 적고 또한 고선택비의 에칭이 가능하게 된다.The mixed gas is converted into plasma, the active species of F, H, and N are supplied downstream, and adsorbed onto the SiO 2 film. The NF 3 / H 2 mixing ratio of the mixed gas is set to stop the etching by chemical action on the SiO 2 film. Next, the active species that has adsorbed the low energy ions of Ar is excited to excite the active species, and the SiO 2 film is etched. The wafer is held at about -100 ° C during etching. This makes it possible to reduce damage to the Si wafer and to enable high selectivity etching.
Description
제1도는 본 발명의 실시예에 관계되는 에칭방법을 실시하기 위하여 사용하는 에칭장치를 개략적으로 나타내는 도면.1 is a diagram schematically showing an etching apparatus used for carrying out an etching method according to an embodiment of the present invention.
제2도는 Si 및 SiO2의 에칭의 온도의존성을 나타내는 그래프.2 is a graph showing temperature dependence of etching of Si and SiO 2 .
제3도는 Si 및 SiO2의 에칭의 H2/NF3혼합비 의존성을 나타내는 그래프.3 is a graph showing H 2 / NF 3 mixing ratio dependence of etching of Si and SiO 2 .
제4도는 본 발명의 실시예 2와 관계된 방법의 에칭의 진행공정을 나타내는 도면.4 is a diagram showing the progress of etching of the method according to Embodiment 2 of the present invention.
제5도는 실시예 2의 방법에 의하여 디지탈 에칭을 할 경우의 1주기내의 타이밍 예를 나타내는 도면.FIG. 5 is a diagram showing an example of timing in one cycle when digital etching is performed by the method of Example 2. FIG.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명* Explanation of symbols for main parts of the drawings
10 : 진공챔버 12 : 서셉터10: vacuum chamber 12: susceptor
12a : 통로 14 : 반도체 웨이퍼(Si 웨이퍼)12a: passage 14: semiconductor wafer (Si wafer)
16,32,34,62 : 배관 18 : 냉각매체 공급장치16, 32, 34, 62: piping 18: cooling medium supply device
20 : 열전대 22 : 온도제어부20: thermocouple 22: temperature control unit
24 : 회전축 26 : 구동모우터24: axis of rotation 26: drive motor
28 : 다공판 30 : 버퍼실28: porous plate 30: buffer chamber
36,38,50,64 : 개폐밸브 40,42,52 : 매스플로우콘트롤러(MFC)36,38,50,64: On-off valve 40,42,52: Mass flow controller (MFC)
44 : NF3가스공급원 46 : H2가스공급원44: NF 3 gas supply 46: H 2 gas supply
48 : 마이크로파 도파관 54 : Ar가스공급원48: microwave waveguide 54: Ar gas supply source
56,68 : 고주파전원 57,69 : 임피던스 매칭박스56,68 high frequency power supply 57,69 impedance matching box
58 : 마그네트 코일 60 : 배기구58: magnet coil 60: exhaust port
66 : 진공펌프 74 : SiO2막66: vacuum pump 74: SiO 2 film
76 : 레지스트막 78 : 보호막76 resist film 78 protective film
[발명의 목적][Purpose of invention]
[발명이 속하는 기술분야 및 그 분야의 종래기술][Technical field to which the invention belongs and the prior art in that field]
본 발명은, 가스를 사용하여 SiO2막을 에칭하는 드라이에칭방법에 관한 것이다.The present invention relates to a dry etching method for etching a SiO 2 film using a gas.
실리콘(Si)은 물 또는 산소에 노출되면 반응에 의하여 이산화 실리콘(SiO2)로 변화한다. 따라서, Si 웨이퍼의 표면에는 자연산화에 의한 SiO2막이 생기기 쉽다. 자연산화막의 존재는 반도체 디바이스의 제조에 있어서 일반적으로 바람직한 것은 아니다.Silicon (Si) is changed to silicon dioxide (SiO 2 ) by reaction when exposed to water or oxygen. Therefore, the SiO 2 film | membrane by natural oxidation is easy to produce on the surface of a Si wafer. The presence of the native oxide film is not generally preferred in the manufacture of semiconductor devices.
예컨대, 에피택셜 성장에 있어서, 자연산화막을 성장층의 품질에 악영향을 미친다. 또, 256M 비트세대 이후의 다이나믹 랜덤 액세스 메모리(Dinamic Randam Access Memory : DRAM) 제조 프로세스에 있어서, 자연산화막은 게이트산화막의 형성 또는 배선콘택트의 형성에 악영향을 미친다.For example, in epitaxial growth, the native oxide film adversely affects the quality of the growth layer. In the process of manufacturing a dynamic random access memory (DRAM) after 256M bit generation, the natural oxide film adversely affects the formation of the gate oxide film or the formation of wiring contacts.
현재, 자연산화막의 가장 효과적인 제거법은 완충불산(BHF)용액에 의한 웨트에칭이다. 이 웨트에칭은 선택비가 높은 에칭에 가능하다. 그러나, 고애스팩트비 구조의 디바이스로의 적용에 있어서는 홈이나 구멍 내부에 용액이 침투하기 어렵고, 자연산화막의 제거가 불완전하게 된다고 하는 문제가 있다. 또, 에칭후에 트랜치내로부터 용액을 제거하기 어렵다고 하는 문제도 있다. 이와 같은 사정 때문에, 드라이프로세스에 의한 자연산화막 제거법의 요청이 있으며, 그 1예로서 HF 증기에 의한 드라이 에칭법이 제안되고 있다.At present, the most effective removal method of natural oxide film is wet etching with buffered hydrofluoric acid (BHF) solution. This wet etching is possible for etching with high selectivity. However, in application to a device having a high aspect ratio structure, there is a problem that the solution is less likely to penetrate into the grooves and the holes, and the removal of the natural oxide film is incomplete. Another problem is that it is difficult to remove the solution from the trench after etching. For this reason, there is a request for a method for removing a natural oxide film by a dry process. As one example, a dry etching method using HF vapor has been proposed.
한편, 반도체 디바이스 제조의 콘택트홀이나 비아(Via)홀 형성공정에 있어서는 필드절연막이나 층간 절연막으로서 사용되는 SiO2막이 포토레지스트로 형성된 미세 패턴마스크에 의하여 에칭된다. 이 경우, 밑막의 위치에서 에칭이 확실하게 정지될 필요가 있다. 이 목적을 위하여 현재 CF4+ H2나 CHF4+O2등을 사용한 드라이 에칭인 반응성 이온에칭(RIE)법이 불가결하게 되어 있다.On the other hand, in the contact hole or via (Via) hole forming step of manufacturing a semiconductor device SiO 2 is used as a field insulating film or interlayer insulating film is etched by the fine pattern mask formed by the photoresist. In this case, the etching needs to be reliably stopped at the position of the underlayer. For this purpose, reactive ion etching (RIE), which is dry etching using CF 4 + H 2 or CHF 4 + O 2 , is indispensable.
그런데, HF 증기에 의한 드라이에칭법에 있어서는, 에칭후의 웨이퍼 표면에 웨트처리보다도 높은 농도의 불소(F)가 잔류하기 쉽다. 이 잔류 불소는 그후의 프로세서에 악영향을 미칠 염려가 있다.By the way, in the dry etching method by HF vapor, fluorine (F) of higher concentration than wet processing tends to remain on the wafer surface after etching. This residual fluorine may adversely affect subsequent processors.
SiO2의 RIE법에서는 결합력이 88㎉/㏖ 정도인 Si-O 결합을 끊기 위하여, 일반적으로 약 500eV 이상의 고에너지의 플로로카본 이온충격이 필요하게 된다. 그 결과, 기판 Si 표면에도 고에너지이온이 입사하고, Si-O 결합보다 작은 Si-Si 결합 42㎉/㏖을 끊는 밑바탕 때문에 Si 웨이퍼에 유기되는 충격손상 또는 조사손상이 크다. 이렇게 하여 생긴 손상층이나 플로로카본 오염층의 제거에는 불소 원자에 의한 에칭이 행하여지고 있으나 Si 웨이퍼에 거칠어짐이 생기거나, pn 접합층의 뚫림 등의 문제가 생긴다.In the RIE method of SiO 2 , in order to break the Si-O bond having a bonding force of about 88 mA / mol, a high energy fluorocarbon ion impact of about 500 eV or more is generally required. As a result, high energy ions enter the surface of the substrate Si, and the impact damage or irradiation damage induced on the Si wafer is large due to the base that breaks 42 Si / Si bonds smaller than the Si-O bonds. Removal of the damaged layer and the fluorocarbon contaminant layer thus formed is performed by etching with fluorine atoms, but roughness occurs in the Si wafer and problems such as puncture of the pn junction layer occur.
그 때문에, RIE 법의 차세대 디바이스로의 적용이 위험시되고 있다. 또, 선택비도 아직 불충분하다는 것이 실정이다.Therefore, application to the next-generation device of the RIE method is dangerous. In addition, the selection ratio is still insufficient.
본 발명은, 이러한 종래의 문제점을 감안하여 된 것으로서, 고선택비를 얻을 수 있고, 웨이퍼로의 손상이 적고, 오염이 적은 SiO2막의 에칭 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.The present invention has been made in view of such a conventional problem, and an object of the present invention is to provide an etching method of an SiO 2 film that can provide a high selectivity, less damage to a wafer, and less contamination.
본 발명자는 본 발명에 도달하는 과정에서 불소(F)를 함유하는 제1의 가스와, 수소(H)를 함유하는 제2의 가스와의 혼합가스를 플라즈마화하여서 얻어지는 활성종에 의한 에칭특성과, 웨이퍼 온도와의 사이에 상관관계가 있음을 발견하였다. 그리고, 웨이퍼 온도를 0℃ 이하로 냉각함으로써, SiO2막에 대한 에칭특성, 특히 SiO2/Si 선택비를 큰 폭으로 향상시킬 수 있음을 발견하였다.The present inventors, in the process of reaching the present invention, the etching characteristics of the active species obtained by plasma-forming a mixed gas of the first gas containing fluorine (F) and the second gas containing hydrogen (H); We found that there is a correlation between wafer temperature. Then, it was found that by cooling the wafer temperature to 0 ° C. or less, the etching characteristics, particularly the SiO 2 / Si selectivity, to the SiO 2 film can be greatly improved.
제1의 가스만을 플라즈마화하고 제2의 가스를 생으로 도입하여도, 또, 그 반대로 하여도 같은 효과를 얻었으나, 에칭속도는 약간 낮았다. 또, 플라즈마화 대신에 ArF의 엑시머레이저로 여기하여도 같은 효과를 얻을 수 있으나, 플라즈마화가 가장 효과적이었다.Even if only the first gas was converted into plasma and the second gas was introduced into the raw material and vice versa, the same effect was obtained, but the etching rate was slightly low. In addition, the same effect can be obtained by excitation with ArF excimer laser instead of plasma, but plasma is most effective.
NF3, H2의 혼합가스를 사용하여 Si 층상의 SiO2막을 에칭할 경우, Si층이 에칭되지 않는 것은, Si 층상에 (NF4)2SiF6인 퇴적막이 형성되고, 그것이 에칭의 보호막으로 되어 있기 때문이라고 생각된다.When the SiO 2 film on the Si layer is etched using a mixed gas of NF 3 and H 2 , the Si layer is not etched, and a (NF 4 ) 2 SiF 6 deposited film is formed on the Si layer, which is used as a protective film for etching. I think it is because.
본 발명의 제1의 시점에 관계되는 에칭방법은 Si층상의 SiO2막의 선택에칭에 관한 것이다. 에찬트는 F 및 H의 활성종을 포함한다. 상기 층 및 막은 0℃ 이하로 냉각된다.The etching method according to the first viewpoint of the present invention relates to selective etching of an SiO 2 film on a Si layer. Enchants include active species of F and H. The layers and membranes are cooled to below 0 ° C.
이 에칭방법은 등방성 에칭으로 되기 때문에, 자연산화막의 제거에 적합한 것이 된다.Since this etching method is an isotropic etching, it becomes suitable for removal of a natural oxide film.
본 발명의 제2의 시점에 관계되는 에칭방법은, SiO2막을 이방성 드라이에칭하는 것이다. 에찬트는 F 및 H의 활성종을 포함한다. 상기 막은 0℃로 냉각된다. 상기 에찬트의 혼합비는 자발성(spontaneous) 에칭(화학적 작용에 의한 에칭)이 정지하도록 설정된다. 상기 SiO2막에 흡착한 상기 활성종이 저에너지의 불활성 가스원자이온에 의하여 여기되고, 상기 SiO2막의 에칭을 행한다.An etching method according to the second viewpoint of the present invention is anisotropic dry etching of a SiO 2 film. Enchants include active species of F and H. The membrane is cooled to 0 ° C. The mixing ratio of the etchant is set such that the spontaneous etching (etching by chemical action) is stopped. The active species adsorbed onto the SiO 2 film is excited by low energy inert gas atom ions, and the SiO 2 film is etched.
본 발명의 제3의 시점에 관계되는 에칭방법은 SiO2막을 이방성 드라이 에칭하는 것이다. 이 에칭방법은 상술한 제2의 시점의 방법과 유사하고, 에찬트는 F 및 H의 활성종을 포함한다. 상기 막은 0℃이하로 냉각된다. 상기 에찬트의 혼합비는 자발성 에칭(화학적 작용에 의한 에칭)이 정지하도록 설정된다.The etching method according to the third viewpoint of the present invention is anisotropic dry etching of the SiO 2 film. This etching method is similar to the method of the second time point described above, and the etchant includes the active species of F and H. The membrane is cooled below 0 ° C. The mixing ratio of the etchant is set so that spontaneous etching (etching by chemical action) is stopped.
단, 상기 SiO2막에 흡착한 상기 활성종을 여기하는 것은, 불활성 가스 원자이온이 아니고, 상기 활성종과 함께 공급되는 에찬트의 원료가스를 SiO2막 상에서 플라즈마화함으로써 얻어진 저에너지이온이다.However, excitation of the active species adsorbed onto the SiO 2 film is not an inert gas atom ion, but a low energy ion obtained by plasmalizing the raw material gas of the etchant supplied with the active species on the SiO 2 film.
[실시예]EXAMPLE
제1도는 본 발명의 실시예에 관계되는 에칭방법을 실시하기 위하여 사용하는 에칭장치를 개략적으로 나타낸 도면이다.1 is a view schematically showing an etching apparatus used for carrying out an etching method according to an embodiment of the present invention.
이 에칭장치에 있어서, 진공챔버(10)내의 하부중앙에 원판형의 서셉터(12)가 배설된다. 서셉터(12) 상에 피처리체로서의 Si 웨이퍼 요컨대 반도체 웨이퍼(14)가 재치된다. 서셉터(12)내에는 냉각가스를 흐르게 하기 위한 통로(12a)가 형성된다. 통로(12a)에 배관(16)이 접속되고, 냉각매체 공급장치(18)로부터 배관(16)을 개재하여 냉각가스 예컨대 액체질소가스가 서셉터(12)내에 공급된다. 이 공급된 냉각가스에 의하여 서셉터(12)가 냉각된다.In this etching apparatus, a disk-shaped susceptor 12 is disposed in the lower center of the vacuum chamber 10. On the susceptor 12, a Si wafer as a processing target, that is, a semiconductor wafer 14 is placed. In the susceptor 12, a passage 12a for flowing the cooling gas is formed. A pipe 16 is connected to the passage 12a, and cooling gas, for example, liquid nitrogen gas, is supplied from the cooling medium supply device 18 via the pipe 16 to the susceptor 12. The susceptor 12 is cooled by the supplied cooling gas.
서셉터(12)의 온도 나아가서는 웨이퍼(14)의 온도는 냉각매체공급장치(18)로부터 공급되는 냉각가스의 유량을 조정함으로써 제어된다. 이 온도제어를 하기 위하여 서셉터(12)에 온도 센서, 예컨대 열전대(20)가 부착된다. 열전대(20)의 검출온도에 따라서 온도제어부(22)로부터 유량제어신호가 냉각매체 공급장치(18)로 주어지고, 냉각가스의 공급유량이 조정된다. 웨이퍼(14) 표면에 균일한 에칭이 행하여지도록 서셉터(12)는 회전축(24)을 개재하여 구동모우터(26)의 회전구동력으로 회전하도록 되어 있다.The temperature of the susceptor 12 and the temperature of the wafer 14 are controlled by adjusting the flow rate of the cooling gas supplied from the cooling medium supply device 18. A temperature sensor, for example a thermocouple 20, is attached to the susceptor 12 for this temperature control. According to the detection temperature of the thermocouple 20, a flow rate control signal is given from the temperature control part 22 to the cooling medium supply device 18, and the supply flow rate of the cooling gas is adjusted. The susceptor 12 is rotated by the rotational driving force of the drive motor 26 via the rotation shaft 24 so that uniform etching is performed on the wafer 14 surface.
진공챔버(10)의 상부중앙에는 하면에 다공판(28)을 부착한 버퍼실(30)이 설치된다. 버퍼실(30)내에 예컨대 스텐레스제의 배관(32),(34)의 한 끝단부가 임하고 있다. 한편의 배관(32)의 플라즈마 여기에 의한 활성종을 챔버(10)내에 도입한다. 배관(32)은 개폐밸브(36),(38) 및 매스플로우 콘트롤러(MFC)(40),(42)를 개재하여 NF3가스공급원(44), H2가스공급원(46)에 접속된다. 배관(32)의 도중에는 플라즈마를 발생시키기 위한 마이크로파 도파관(48)이 용량 결합방식으로 접속된다.In the upper center of the vacuum chamber 10, a buffer chamber 30 having a porous plate 28 attached to a lower surface thereof is provided. One end of, for example, stainless steel pipes 32 and 34 faces the buffer chamber 30. Active species by plasma excitation of the pipe 32 on the other hand are introduced into the chamber 10. The pipe 32 is connected to the NF 3 gas supply source 44 and the H 2 gas supply source 46 via the on / off valves 36 and 38 and the mass flow controller (MFC) 40 and 42. In the middle of the pipe 32, a microwave waveguide 48 for generating a plasma is connected in a capacitive coupling method.
다른편의 배관(34)은 플라즈마 상태의 Ar 또는 플라즈마 중의 Ar이온을 챔버(10)내에 도입한다. 배관(34)은 개폐밸브(50) 및 MFC(52)를 개재하여 Ar가스공급원(54)에 접속된다. 플라즈마를 발생시키기 위한 2.45㎓의 고주파 전원(56)이 임피던스 매칭박스(57)를 개재하여 버퍼실(30)에 접속된다. 마그네트 코일(58)이 진공챔버(10)에 부착된다.The other pipe 34 introduces Ar in the plasma state or Ar ions in the plasma into the chamber 10. The pipe 34 is connected to the Ar gas supply source 54 via the open / close valve 50 and the MFC 52. A high frequency power supply 56 of 2.45 GHz for generating plasma is connected to the buffer chamber 30 via an impedance matching box 57. A magnet coil 58 is attached to the vacuum chamber 10.
서셉터(12)에는 13.56㎒ 고주파 전원(68)이 임피던스 매칭박스(69)를 개재하여 접속된다. 고주파 전원(68)은 진공챔버 내에서 에찬트의 원료가스를 재차 플라즈마화하기 위하여 사용된다.A 13.56 MHz high frequency power source 68 is connected to the susceptor 12 via an impedance matching box 69. The high frequency power source 68 is used to plasma again the source gas of the etchant in the vacuum chamber.
진공챔버(10)의 하부에는 챔버 내를 진공배기하기 위한 배기구(60)가 형성된다. 배기구(60)에는 개폐밸브(64)를 개재하여 진공펌프(66)에 접속된 배관(62)이 접속된다.An exhaust port 60 for evacuating the inside of the chamber is formed under the vacuum chamber 10. The exhaust port 60 is connected to a pipe 62 connected to the vacuum pump 66 via an open / close valve 64.
다음에 본 발명의 실시예 1에 관계된 에칭방법에 관하여 설명한다. 여기서는 Si웨이퍼 상의 자연산화막을 제거하는 프로세스를 예를 들어서 설명한다.Next, the etching method concerning Example 1 of this invention is demonstrated. Here, a process for removing the native oxide film on the Si wafer will be described by way of example.
먼저, 진공챔버(10)내에 Si 웨이퍼(14)를 배치하고, 챔버(10)내를 진공상태로 한다. 이후, 진공챔버(10)의 배기는 에칭의 종료까지 계속하여 행하여지고, 챔버내(10)는 약 1x10-3Torr 이하로 설정된다.First, the Si wafer 14 is placed in the vacuum chamber 10, and the chamber 10 is vacuumed. Thereafter, the evacuation of the vacuum chamber 10 is continued until the end of etching, and the chamber 10 is set to about 1 × 10 −3 Torr or less.
에찬트의 원료로서 NF3, H2의 혼합가스(mixture)를 사용하기 위하여 개폐밸브(36),(38)를 개방한다. MFC(40),(42)에 의하여 NF3및 H2의 공급량을 각각 20 및 40 SCCM으로 조정하여 NF3/H2혼합비 1:2로 한다. 그리고, 상기 혼합가스를 전압 0.2Torr로 배관(32)에 보낸다. 배관(32)에 마이크로파 도파관(48)을 개재하여 주파수 2.45㎓, 파워 50W의 마이크로파를 공급하고, 배관(32) 내에서 상기 혼합가스를 플라즈마화한다.Open / close valves 36 and 38 are opened in order to use a mixture of NF 3 and H 2 as raw materials of the etchant. The supply amounts of NF 3 and H 2 are adjusted to 20 and 40 SCCM by MFCs 40 and 42, respectively, so that the NF 3 / H 2 mixing ratio is 1: 2. Then, the mixed gas is sent to the pipe 32 at a voltage of 0.2 Torr. Microwaves having a frequency of 2.45 kHz and a power of 50 W are supplied to the pipe 32 via the microwave waveguide 48, and the mixed gas is converted into plasma in the pipe 32.
이 플라즈마화에 의하여 생성된 불소활성종 F* 수소활성종 H*, 질소활성종 N*은 배관(32)내를 내려와서 버퍼실(30)로 들어가고, 그곳으로부터 다공판(28)을 지나서 내리쏟듯이 하여서 (다운스트림) 웨이퍼(14)에 공급된다.Fluorine-activated species F * hydrogen-activated species H * and nitrogen-activated species N * produced by this plasma formation descend into the pipe 32 and enter the buffer chamber 30, from there through the porous plate 28. Spilled (downstream) is supplied to the wafer 14.
서셉터(12) 상의 웨이퍼(14)는, 냉각장치(18)에 의하여 서셉터(12)를 통하여 0℃이하로 냉각되고 있다. 활성종 F*,H*,N*은 이렇게 저온으로 냉각된 웨이퍼(14)상에 내려와, 웨이퍼 표면의 자연산화막에 흡착되고, SiO2와 효율좋게 반응한다. 반응생성물은 기화하여 챔버(10) 바닥부의 배기구(60)로부터 밖으로 배기된다.The wafer 14 on the susceptor 12 is cooled to 0 ° C. or less through the susceptor 12 by the cooling device 18. The active species F *, H *, N * come down on the wafer 14 cooled at such a low temperature, adsorb to the natural oxide film on the wafer surface, and react efficiently with SiO 2 . The reaction product is vaporized and exhausted out from the exhaust port 60 at the bottom of the chamber 10.
제2도는 제1도의 도시장치에 있어서, 실시예 1의 방법을 다른 Si 웨이퍼 온도조건에서 행한 경우의 SiO2막과 Si 웨이퍼와의 에칭특성을 나타낸다.FIG. 2 shows the etching characteristics of the SiO 2 film and the Si wafer when the method of Example 1 is carried out under different Si wafer temperature conditions in the drawing device of FIG.
제2도에서 알수 있듯이, Si는 25℃ 이하에서는 어떤 온도에서도 에칭되지 않는다. 한편 SiO2는 에칭되고, 또한 저온으로 될수록 에칭속도가 증대한다. 본 실험에 의하면, SiO2의 에칭속도는 -120℃에서 약 800 옹스트롬/분에 달하였다.As can be seen in FIG. 2, Si is not etched at any temperature below 25 ° C. On the other hand, SiO 2 is etched and the etching rate increases as it becomes low temperature. According to this experiment, the etching rate of SiO 2 reached about 800 Angstroms / minute at -120 ° C.
즉, 실험 이하에서는 무한대의 SiO2/Si 선택비를 얻을 수 있다. 더구나, 이 에칭은 고에너지의 플라즈마 또는 이온을 웨이퍼에 조사하는 물리적인 에칭과는 달라서, 활성종 F*, H*, N*에 의한 순수한 화학적 에칭이기 때문에, 웨이퍼(14)가 손상할 염려는 없다. 또, 사용하는 처리가스 NF3, H2에 카본은 함유되지 않으므로 카본으로 오염될 염려도 없다.That is, below the experiment, an infinite SiO 2 / Si selectivity can be obtained. Moreover, since this etching is not a physical etching that irradiates the wafer with high energy plasma or ions, it is a pure chemical etching with active species F *, H *, N *, so that the wafer 14 may be damaged. none. In addition, the process gas NF 3, H 2 using a carbon are not contained no fear of contamination with carbon.
본 발명의 실시예 1에 관계된 에칭방법은 등방성 에칭이 되기 때문에, 자연산화막의 제거에 적합한 것이다.The etching method according to the first embodiment of the present invention is suitable for the removal of the native oxide film because of the isotropic etching.
다음에, 본 발명의 실시예 2 및 3에 관계된 에칭방법을 설명한다.Next, the etching method concerning Embodiment 2 and 3 of this invention is demonstrated.
제3도는 SiO2막 및 Si 웨이퍼의 각 에칭속도의 H2의 NF3에 대한 농도비 의존성을 나타낸다. 여기서 Si 웨이퍼는 -60℃ 이하로 설정되었다. 3 shows the concentration ratio dependence of H 2 on NF 3 of the etching rate of the SiO 2 film and Si wafer. Here, the Si wafer was set to -60 deg.
에찬트의 원료로서 NF3, H2의 혼합가스를 사용하였다. NF3를 20 SCCM, 50m Torr의 일정유량으로 부여하는 한편, H2의 유량을 변경함으로써 H2/NF3혼합비를 변경하였다. 상기 혼합가스는 주파수 2.45㎓, 파워 50W의 마이크로파로 플라즈마화되고, 이것으로 얻어진 활성종 F*, H*, N*가 Si 웨이퍼상에 다운스트림으로 공급되었다.A mixed gas of NF 3 and H 2 was used as a raw material of the etchant. NF 3 was 20 SCCM, to change the H 2 / NF 3 by the mixing ratio to give a constant flow rate while changing the flow rate of H 2 of 50m Torr. The mixed gas was subjected to plasma with a frequency of 2.45 kHz and a power of 50 W, and the active species F *, H *, and N * obtained therefrom were supplied downstream onto the Si wafer.
제3도에서 알 수 있듯이, Si 뿐만이 아니라, SiO2도 농도비 160에서 완전히 에칭이 정지되었다. SiO2의 자발성 에칭이 정지하는 이유는 H의 첨가에 의하여 SiO2의 표면에 안정층이 형성되고 또한 그 위에 Si 상과 마찬가지로, (NH4)2SiF6일 퇴적막이 형성되고, 그것이 보호막이 되어 있기 때문이라고 생각된다.As can be seen from FIG. 3, not only Si but also SiO 2 completely stopped etching at the concentration ratio 160. The reason that the spontaneous etching of SiO 2 stops is because a stable layer is formed on the surface of SiO 2 by the addition of H, and a (NH 4 ) 2 SiF 6 day deposition film is formed thereon, similarly to the Si phase, and it becomes a protective film. I think it is.
본 발명자는 이와 같이, 자발성 에칭이 정지한 상태하에서 플라즈마 혹은 저에너지 이온(예컨대 불활성 가스 원자인 Ar)을 Si 웨이퍼에 일정시간 만큼 조사하면 Si는 에칭되지 않고 SiO2만이 선택적으로 에칭되는 것을 발견하였다. 활성종이 Si 웨이퍼 상에 공급되면서, 자발성 에칭이 행하여지지 않을 때는, 활성종이 SiO2막 표면에 흡착한 상태로 된다. 거기에 플라즈마 혹은 저에너지이온이 작용하는 것으로 활성종이 여기되어서 SiO2와 화학반응하고, SiO2막이 에칭되는 것으로 생각된다.In this way, the inventors have found that when the plasma or low energy ions (such as Ar, which is an inert gas atom) are irradiated to the Si wafer for a predetermined time while the spontaneous etching is stopped, Si is not etched and only SiO 2 is selectively etched. When the active species is supplied onto the Si wafer and no spontaneous etching is performed, the active species is in a state of being adsorbed onto the SiO 2 film surface. It is thought that active species are excited by the action of plasma or low-energy ions, chemically react with SiO 2, and the SiO 2 film is etched.
또, 제2도에 도시한 바와 같이 저온으로 함으로서 활성종의 흡착량을 증가시키고, 반응의 증속을 도모할 수 있다. Si가 에칭되지 않는 것은, 제2도의 경우와 마찬가지로 퇴적막의 보호효과에 의하는 것으로 생각된다.Moreover, as shown in FIG. 2, by making it low temperature, the adsorption amount of active species can be increased and reaction can be accelerated. It is thought that Si is not etched by the protective effect of a deposited film similarly to the case of FIG.
이 경우, 에칭의 진행하는 방향은 플라즈마 혹은 저에너지 이온의 입사각에 의존한다. 또, 에칭할 때에는 웨이퍼 상의 퇴적막이 측벽에 부착하고, 가로방향의 에칭을 막는 작용을 하기 때문에, 높은 선택비의 이방성 에칭이 가능해진다. 이 제2의 에칭방법에 의한 이방성 에칭에 있어서도 기본적으로는 활성종에 의한 화학반응적인 에칭이기 때문에, Si 웨이퍼의 손상이 적고, 또, 처리 가스에 카본이 함유되지 않으므로 그 오염의 염려도 없다.In this case, the advancing direction of the etching depends on the incident angle of the plasma or low energy ions. Moreover, when etching, since the deposition film on a wafer adheres to the side wall and prevents etching in a horizontal direction, anisotropic etching of high selectivity is attained. Also in anisotropic etching by this second etching method, since it is basically a chemical reactive etching by active species, there is little damage of a Si wafer, and since there is no carbon in a process gas, there is no fear of the contamination.
다음에, 본 발명의 실시예 2에 관계되는 에칭방법을 사용하여 패턴에칭을 할 경우에 대하여 설명한다. 제4(a)도 내지 제4(c)도는, 그 에칭의 진행공정을 단면으로 나타낸다. 도면중 (14)는 Si 웨이퍼, (74)는 SiO2막, (76)은 레지스트막, (78)은 (NH4)2SiF6으로 이루어지는 보호막을 나타낸다.Next, the case where pattern etching is performed using the etching method which concerns on Example 2 of this invention is demonstrated. 4 (a) to 4 (c) show cross-sectional views of the process of etching. In the figure, reference numeral 14 denotes a Si wafer, 74 denotes a SiO 2 film, 76 denotes a resist film, and 78 denotes a protective film made of (NH 4 ) 2 SiF 6 .
실시예 2에 있어서는 상술한 자연산화막의 제거와 마찬가지로 먼저, Si 웨이퍼(14)가 놓여진 챔버(10)를 진공상태로 설정한다.In Example 2, similarly to the removal of the natural oxide film described above, first, the chamber 10 in which the Si wafer 14 is placed is set in a vacuum state.
이후, 진공챔버(10)의 배기는 에칭의 종료까지 계속해서 행하여지고, 챔버(10)내는 약 1x10-3Torr 이하로 설정된다.Thereafter, the evacuation of the vacuum chamber 10 is continued until the end of etching, and the chamber 10 is set to about 1 × 10 −3 Torr or less.
상기 실시예 1와 마찬가지로, 에찬트의 원료로서 NF3, H2의 혼합가스를 사용한다. 배관(32)내에서 상기 혼합가스를 플라즈마화하고, 불소활성종 F*, 수소활성종 H*, 질소활성종 N*을 다운스트림으로 웨이퍼(14)에 공급한다. 단, 여기서는 NF3/H2혼합비를 1:160, 압력을 0.2Torr로 선택한다. 또, 웨이퍼(14)를 약 -100℃까지 냉각한다.As in Example 1, a mixed gas of NF 3 and H 2 is used as a raw material of the etchant. The mixed gas is converted into plasma in the pipe 32, and fluorine-activated species F *, hydrogen-activated species H * and nitrogen-activated species N * are supplied downstream to the wafer 14. Here, the mixing ratio of NF 3 / H 2 is 1: 160 and the pressure is 0.2 Torr. Moreover, the wafer 14 is cooled to about -100 degreeC.
이러한 조건에 있어서는, 활성종 F*, H*, N*이 웨이퍼(14) 상의 SiO2막(74) 표면에 접촉하고, 그들의 일부는 (NH4)2SiF6으로 이루어지는 매우 얇은 보호막(78)을 형성하고, 또 다른 일부는 활성종인대로 흡착한다(제4(a)도).Under these conditions, the active species F *, H *, N * are in contact with the surface of the SiO 2 film 74 on the wafer 14, and a part thereof is a very thin protective film 78 consisting of (NH 4 ) 2 SiF 6 . And some are adsorbed as active species (Fig. 4 (a)).
따라서, SiO2막과의 반응은 진행하지 않은 상태로 되고, 자발성 에칭(화학적 작용에 의한 에칭)은 행하여지지 않는다.Therefore, the reaction with the SiO 2 film does not proceed, and spontaneous etching (etching by chemical action) is not performed.
이것을 예컨대 1초 동안 행하고, 그후 NF3/H2가스의 공급을 각각 개폐밸브(36),(38)를 닫음으로써 정지한다.This is done, for example, for 1 second, and then the supply of NF 3 / H 2 gas is stopped by closing the open / close valves 36 and 38, respectively.
이와 같이 하여서 자발성 에칭을 정지 또는 동결시킨 상태하에서 개폐밸브(50)를 열고, Ar 가스원(54)으로부터의 Ar 가스를 배관(34)에 보낸다. Ar 가스는 고주파 전원(56) 및 마그네트코일(58)에 의하여 플라즈마로 한다. 이 불활성 가스 플라즈마 내지 Ar 이온을 버퍼실(30)을 개재하여 다공판(28)으로부터 웨이퍼(14)에 일정시간 예컨대 10초만 조사한다(제4(b)도).In this way, the open / close valve 50 is opened in the state which stopped or frozen spontaneous etching, and Ar gas from the Ar gas source 54 is sent to the piping 34. Ar gas is plasma by the high frequency power supply 56 and the magnet coil 58. As shown in FIG. The inert gas plasma or Ar ions are irradiated from the porous plate 28 to the wafer 14 for a predetermined time, for example, 10 seconds via the buffer chamber 30 (FIG. 4 (b)).
이 경우, Ar 이온의 에너지를 예컨대 20eV정도로 억제하도록 고주파 전원(56)의 전력을 설정한다. Ar 이온 에너지가 커지면 Ar 이온이 물리적인 작용에 의하여 피처리체를 에칭하게 되기 때문에, Si 웨이퍼에 손상을 줄 가능성이 생기고, 바람직하지 않다.In this case, the power of the high frequency power supply 56 is set to suppress the energy of Ar ions to about 20 eV, for example. If the Ar ion energy is increased, the Ar ions are etched by the physical action, which may cause damage to the Si wafer, which is undesirable.
이와 같이, SiO2막 상에 흡착하고 있은 활성종 F*, H*, N*에 위편으로부터 Ar의 불활성 가스 플라즈마 또는 저에너지 이온을 조사하는 것으로, 활성종이 여기된다. 이에 의하여 얇은 보호막(78)은 파괴되고, 활성종이 SiO2막(74)과 반응하고, 이것을 에칭한다(제4(c)도).In this way, the active species is excited by irradiating an inert gas plasma or low energy ion of Ar from the upper portion to the active species F *, H *, and N * adsorbed on the SiO 2 film. As a result, the thin protective film 78 is broken, and the active species reacts with the SiO 2 film 74 to etch it (Fig. 4 (c)).
한편, 이것들의 활성종은 Ar 이온의 조사시간이 약 10초 이내면 Si와는 반응하지 않고, 에칭하지 않는다. 이와 같이, Si는 에칭되지 않고, SiO2만이 에칭되므로 무한대의 SiO2/Si 선택비를 얻을 수 있다.On the other hand, these active species do not react with Si and do not etch when the irradiation time of Ar ions is within about 10 seconds. As described above, since Si is not etched and only SiO 2 is etched, an infinite SiO 2 / Si selectivity can be obtained.
이 에칭이 진행하는 방향은 불활성 가스의 플라즈마 또는 저에너지이온의 조사각에 의하여 결정된다. 따라서, 조사각을 90℃ 즉, 수직방향으로 조사하는 것으로 이방성 에칭이 가능하게 된다. 또, 이 에칭은 기본적으로 활성종에 의한 화학반응이기 때문에, Si 웨이퍼(14)의 손상이 적다. 또, 처리가스 NF3, H2, Ar에 카본은 함유되지 않으므로 오염이 없다.The direction in which the etching proceeds is determined by the irradiation angle of plasma or low energy ion of the inert gas. Therefore, anisotropic etching is attained by irradiating an irradiation angle at 90 degreeC, ie, a perpendicular direction. In addition, since the etching is basically a chemical reaction by the active species, the damage of the Si wafer 14 is small. In addition, the process gas NF 3, the H 2, Ar carbon are not contained no contamination.
또한, 상기와 같이, 불활성 가스의 플라즈마 또는 저에너지 이온의 조사를 일정주기로 되풀이함으로써 소위 디지탈 에칭이 가능하다.As described above, so-called digital etching is possible by repeating the irradiation of plasma or low energy ions of the inert gas at a constant cycle.
제5도에 디지탈 에칭을 할 경우의 일주기내의 타이밍 예를 나타낸다. 먼저 NF3, H2의 혼합가스를 흐르게 함과 동시에, 마이크로파 도입관(48)에 소정시간 Ta(예컨대 1초)만큼 마이크로파를 주고 활성종을 다운스트림으로 공급한다. 다음에 상기 혼합가스를 정지하고, 일단 챔버(10)내를 배기한다.Fig. 5 shows an example of timing in one cycle when digital etching is performed. First, the mixed gas of NF 3 and H 2 flows, and microwaves are supplied to the microwave introduction tube 48 for a predetermined time Ta (for example, 1 second), and the active species are supplied downstream. Next, the mixed gas is stopped and the inside of the chamber 10 is exhausted.
다음에, Ar을 흐르게 함과 동시에, 소정시간(예컨대 5초) 만큼 고주파전원(56)을 인가하고, Ar의 저에너지 이온을 조사한다.Next, while flowing Ar, a high frequency power source 56 is applied for a predetermined time (for example, 5 seconds) to irradiate low energy ions of Ar.
그리고, 그 직후에 재차 배기한다. 이 1 사이클을 에칭에 의하여 SiO2막을 예컨대 4~10옹스트롬만큼 에칭할 수 있다. 따라서, 이 에칭 사이클을 임의의 회수 되풀이하는 것으로 SiO2막을 임의의 깊이로 에칭할 수 있다.And it exhausts again immediately after that. This one cycle can etch the SiO 2 film by, for example, 4 to 10 angstroms by etching. Therefore, the SiO 2 film can be etched to any depth by repeating this etching cycle any number of times.
다음에, 본 발명의 실시예 3에 관계되는 에칭방법을 설명한다. 실시예 3는 실시예 2와 유사하다. 단, 상기 SiO2막에 흡착한 상기 활성종을 여기하는 것은 Ar 이온은 아니고, 상기 활성종과 함께 공급되는 에찬트의 원료가스를 SiO2막 상에서 플라즈마화함으로써 얻어진 저에너지 이온이다.Next, an etching method according to Embodiment 3 of the present invention will be described. Example 3 is similar to Example 2. However, excitation of the active species adsorbed onto the SiO 2 film is not Ar ions, but low energy ions obtained by plasmalizing the source gas of the etchant supplied with the active species on the SiO 2 film.
실시예 2와 마찬가지로 에찬트의 원료로서 NF3, H2의 혼합가스를 사용한다. NF3/H2혼합비는 자발성 에칭이 행하여지지 않는 1:160으로 설정한다. 웨이퍼 온도는 예컨대, 약 -100℃로 유지한다. Ar 가스는 사용하지 않는다.As in Example 2, a mixed gas of NF 3 and H 2 is used as a raw material of the etchant. The NF 3 / H 2 mixing ratio is set at 1: 160 where no spontaneous etching is performed. The wafer temperature is maintained at about −100 ° C., for example. Ar gas is not used.
이 실시예 2에서는 전원(68)으로부터 서셉터(12)에 RF(13.56㎒)를 인가하고, 웨이퍼(14)상에 고주파 전계를 형성한다. 전원(68)의 전력은 통상의 플라즈마 에칭으로 서셉터에 부여되는 전력보다도 작고, 이온의 에너지를 20eV 이하로 되도록 설정한다.In the second embodiment, RF (13.56 MHz) is applied from the power supply 68 to the susceptor 12 to form a high frequency electric field on the wafer 14. The power of the power source 68 is set smaller than the power applied to the susceptor by normal plasma etching, and the energy of the ions is set to 20 eV or less.
진공챔버(10)내에는 활성종과 상기 혼합가스의 일부가 분자상태 즉, 기상상태로 공급된다. 고주파 전원(68)으로부터 RF에 의하여 이 분자상태의 성분을 플라즈마화하고, 활성종과 이온을 생성한다. 활성종은 SiO2막 상에서 (NH4)2SiF6로 이루어진 얇은 보호막을 형성한다.In the vacuum chamber 10, active species and a part of the mixed gas are supplied in a molecular state, that is, a gaseous state. The high frequency power source 68 converts the components of this molecular state into RF to generate active species and ions. The active species forms a thin protective film of (NH 4 ) 2 SiF 6 on the SiO 2 film.
이 방법에 의하면, 웨이퍼에 대하여 수직으로 조사되는 이온이, 흡착한 활성종의 반응을 촉진한다. 이 에칭이 진행할 때, 에칭의 진행방향은 이온의 조사각에 의하여 결정된다. 그러나, 에칭되는 부분의 측벽에는 에칭의 반응생성물인 (NH4)2SiF6막 이 부착하고, 이온의 조사를 받기 어렵다. 따라서, 조사각 90℃ 즉, 수직방향으로 조사함으로써 이방성 에칭이 가능하게 된다.According to this method, the ion irradiated perpendicularly to the wafer accelerates the reaction of the adsorbed active species. When this etching proceeds, the advancing direction of the etching is determined by the irradiation angle of the ions. However, the (NH 4 ) 2 SiF 6 film, which is a reaction product of etching, adheres to the sidewall of the portion to be etched, and it is difficult to receive ions. Therefore, anisotropic etching becomes possible by irradiating in 90 degreeC of irradiation angles, ie, a perpendicular direction.
이 제3의 에칭방법에 의한 이방성 에칭에 있어서도 높은 선택비를 얻을 수 있다. 또, 물리적인 작용에 의한 에칭이 생기지 않도록 고주파 전원(68)의 전력은 작게 설정되어 있기 때문에, 본 실시예에 의한 에칭은, 기본적으로는 활성종에 의한 화학반응적인 에칭이 되고, Si 웨이퍼로의 손상이 적다. 또, 처리가스에 카본이 함유되지 않으므로, 카본 오염의 염려도 없다.Even in the anisotropic etching by this third etching method, a high selectivity can be obtained. In addition, since the electric power of the high frequency power supply 68 is set small so that the etching by a physical action does not occur, the etching by this embodiment basically becomes the chemical reactive etching by active species, Less damage. Moreover, since carbon is not contained in a process gas, there is no fear of carbon contamination.
본 발명에서는 F를 함유하는 가스로서는 NF3대신에, F2나 SF6가 사용가능하게 된다. 에찬트의 원료가스로서는 F2, H2및 N2의 혼합가스(mixture)를 사용할 수도 있다. 또, 불활성 가스로서는 Ar 대신에, Kr, Ne, Xe 등이 사용가능하게 된다. 또, 플라즈마의 생성법으로서는 평행평판형 RF형, ECR형 등의 어느 형식이라도 가능하다.In the present invention, F 2 or SF 6 can be used as the gas containing F instead of NF 3 . As an etchant raw material gas, a mixture of F 2 , H 2 and N 2 may be used. As the inert gas, Kr, Ne, Xe or the like can be used instead of Ar. The plasma generating method can be any type such as a parallel plate RF type or an ECR type.
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