JP2000294539A - Surface treatment method - Google Patents
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Abstract
Description
【０００１】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は試料の表面処理方法
に係り、特にプラズマを用いて半導体素子等の試料の表
面をエッチング処理するのに好適な表面処理方法に関す
るものである。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method for surface treatment of a sample, and more particularly to a surface treatment method suitable for etching the surface of a sample such as a semiconductor device using plasma.
【０００２】[0002]
【従来の技術】従来、半導体素子等の試料の表面処理方
法としては、プラズマを利用する方法が広く用いられて
いる。ここではそのうちの一つであるＥＣＲ（電子サイ
クロトロン共鳴）方式と呼ばれているプラズマの発生方
法を用いた装置を例に取り従来技術を説明する。この方
式では、外部より磁場を印加した真空容器中でマイクロ
波によりプラズマを発生させる。磁場により電子はサイ
クロトロン運動をし、この周波数とマイクロ波の周波数
を共鳴させることで効率良くプラズマを発生できる。ま
た磁場によりプラズマの壁への拡散が抑えられ、高密度
のプラズマが発生できる。試料に入射するイオンを加速
するために試料にはバイアス電圧が印加される。プラズ
マとなるガスには、例えば、表面処理方法としてエッチ
ングを行なう場合に塩素やフッ素などのハロゲンガスが
用いられる。2. Description of the Related Art Conventionally, as a surface treatment method for a sample such as a semiconductor device, a method utilizing plasma has been widely used. Here, the prior art will be described by taking an example of an apparatus using a plasma generation method called an ECR (Electron Cyclotron Resonance) method. In this method, plasma is generated by microwaves in a vacuum vessel to which a magnetic field is externally applied. Electrons perform cyclotron motion due to the magnetic field, and plasma can be efficiently generated by resonating this frequency with the frequency of the microwave. Further, the diffusion of the plasma to the wall is suppressed by the magnetic field, and high-density plasma can be generated. A bias voltage is applied to the sample to accelerate ions incident on the sample. For example, a halogen gas such as chlorine or fluorine is used as a plasma gas when etching is performed as a surface treatment method.
【０００３】このようなエッチング処理方法において、
高選択化をはかる方法として特開平１０−２６１６２０
号公報が知られている。この発明では、試料に印加する
バイアス電圧をオンオフ制御し、かつハロゲンと０．５
％から５０％の混合率で堆積性のガスを混合する方法が
述べられている。In such an etching method,
Japanese Patent Application Laid-Open No. H10-261620 discloses a method for achieving high selection.
A gazette is known. According to the present invention, the bias voltage applied to the sample is controlled on / off,
A method of mixing a deposition gas at a mixing ratio of 50% to 50% is described.
【０００４】[0004]
【発明が解決しようとする課題】近年の半導体素子で
は、その微細化に伴い加工の高精度化がこれまで以上に
要求されている。具体的には、ＭＯＳ(metal oxide sem
iconductor)トランジスタのゲート酸化膜の厚さは２５
６Ｍ以降のメモリ素子では約５ｎｍになる。このような
薄いゲート酸化膜を有する素子の加工にはこれまで以上
の高い選択比が要求されて、具体的には、ｐｏｌｙ Ｓ
ｉの酸化膜にたいする選択比１００以上が必要となる。In recent years, semiconductor devices have been required to have higher processing accuracy as they have been miniaturized. Specifically, MOS (metal oxide sem
The thickness of the gate oxide film of the transistor is 25
For a memory element of 6M or later, the thickness is about 5 nm. Processing of an element having such a thin gate oxide film requires a higher selectivity than ever, and specifically, poly S
A selectivity of 100 or more for the oxide film of i is required.
【０００５】本発明の目的は、Ｓｉなどの半導体と酸化
膜などの絶縁物とのエッチング速度について選択比１０
０以上を得ることのできる表面処理方法を提供すること
にある。An object of the present invention is to provide a selective ratio of 10 for the etching rate between a semiconductor such as Si and an insulator such as an oxide film.
An object of the present invention is to provide a surface treatment method capable of obtaining 0 or more.
【０００６】[0006]
【課題を解決するための手段】上記目的は、減圧排気さ
れた真空容器内に処理ガスのプラズマを発生させるとと
もに、真空容器内に試料を配置する試料台にバイアス電
圧を印加して試料をエッチング処理する表面処理方法に
おいて、処理ガスとしてハロゲンガスと混合率が２.５
％以上で８.５％以下の酸素ガスの混合ガスを真空容器
内に導入し、該処理ガスのプラズマを発生させた状態で
バイアス電圧を繰返しオンオフして試料を処理すること
により、達成される。The object of the present invention is to generate a plasma of a processing gas in a vacuum chamber evacuated and evacuated, and to apply a bias voltage to a sample table on which the sample is placed in the vacuum chamber to etch the sample. In the surface treatment method to be treated, the mixing ratio with the halogen gas is 2.5.
% By using a mixed gas of oxygen gas of not less than 8.5% and not more than 8.5% and processing the sample by repeatedly turning on and off a bias voltage in a state where plasma of the processing gas is generated. .
【０００７】[0007]
【発明の実施の形態】以下、本発明の一実施例を図１な
いし図３により説明する。図１は本発明を実施するため
のプラズマ処理装置を示し、この場合、有磁場マイクロ
波プラズマ装置を例に示す。なお、本発明の表面処理方
法を実施する装置としては本装置に限定されるものでは
なく、プラズマの生成とプラズマ中のイオンの入射エネ
ルギの制御とを独立に制御可能な装置であればよく、容
量結合，誘導結合等のプラズマ発生方法を用いた装置で
もよい。図１(a)はプラズマエッチング装置の全体構成
図である。マイクロ波電源１０１から導波管１０２と導
入窓１０３を介して真空容器１０４内にマイクロ波が導
入される。真空容器１０４の材質は金属で内面に絶縁コ
ーティングしてある。導入窓１０３の材質は石英、セラ
ミックなど電磁波を透過する物質である。電磁石１０５
の磁場強度はマイクロ波の周波数と共鳴を起こすように
設定されて、例えば周波数が２.４５ＧＨｚならば磁場
強度は８７５Ｇａｕｓｓである。この磁場強度でエッチ
ングガスのプラズマ１０６中の電子のサイクロトロン運
動が電磁波の周波数と共鳴するために、効率よく電磁波
のエネルギーがプラズマに供給され高密度のプラズマが
できる。DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS One embodiment of the present invention will be described below with reference to FIGS. FIG. 1 shows a plasma processing apparatus for carrying out the present invention. In this case, a magnetic field microwave plasma apparatus is shown as an example. The apparatus for performing the surface treatment method of the present invention is not limited to the present apparatus, and may be any apparatus that can independently control the generation of plasma and the control of the incident energy of ions in plasma. An apparatus using a plasma generation method such as capacitive coupling or inductive coupling may be used. FIG. 1A is an overall configuration diagram of a plasma etching apparatus. Microwaves are introduced from a microwave power supply 101 into a vacuum vessel 104 through a waveguide 102 and an introduction window 103. The inner surface of the vacuum vessel 104 is made of metal and insulatingly coated. The material of the introduction window 103 is a material that transmits electromagnetic waves, such as quartz or ceramic. Electromagnet 105
Is set to cause resonance with the microwave frequency. For example, if the frequency is 2.45 GHz, the magnetic field intensity is 875 Gauss. Since the cyclotron motion of the electrons in the plasma 106 of the etching gas resonates with the frequency of the electromagnetic wave at this magnetic field intensity, the energy of the electromagnetic wave is efficiently supplied to the plasma, and a high-density plasma is generated.
【０００８】試料１０７は試料台１０８の上に設置され
る。試料に入射するイオンを加速するために、この場
合、周波数８００ＫＨｚのバイアス電源１０９が試料台
１０８に接続されている。試料に印加するバイアス電源
の周波数は１００ＫＨｚから１００ＭＨｚの間だがよ
い。これ以上の周波数でもイオンエネルギーの狭帯域化
はできるが、バイアス電源によりプラズマが発生しやす
くなるという問題が生じる。なお、通常バイアス電源の
周波数は２００ＫＨｚから２０ＭＨｚの範囲が実用的で
ある。The sample 107 is set on a sample stage 108. In this case, a bias power supply 109 having a frequency of 800 KHz is connected to the sample stage 108 in order to accelerate ions incident on the sample. The frequency of the bias power supply applied to the sample may be between 100 KHz and 100 MHz. Although the band of the ion energy can be narrowed even at a frequency higher than this, there is a problem that the plasma is easily generated by the bias power supply. It is practical that the frequency of the bias power supply is usually in the range of 200 KHz to 20 MHz.
【０００９】図１(b)はバイアス電源１０９の電圧波形
１１０を示す。バイアス電圧はある適当な間隔でオンオ
フされる。オンオフされるバイアス電圧の変調周波数は
１００Ｈｚ〜１０ＫＨｚが好ましい。バイアス電圧のオ
ンオフの繰返し周波数は１００Ｈｚ以下では、オンオフ
の時間が長すぎて、エッチング側壁が滑らかでなくな
る。また、現状では繰返し周波数が高いと電源の製作が
難しいので１０ＫＨｚ以下が適している。なお、将来こ
の点が解消されればこの限りではない。FIG. 1B shows a voltage waveform 110 of the bias power supply 109. The bias voltage is turned on and off at some suitable intervals. The modulation frequency of the bias voltage to be turned on / off is preferably 100 Hz to 10 KHz. If the repetition frequency of on / off of the bias voltage is 100 Hz or less, the on / off time is too long, and the etching side wall is not smooth. Further, at present, if the repetition frequency is high, it is difficult to manufacture a power supply, so that a frequency of 10 KHz or less is suitable. This is not the case if this point is resolved in the future.
【００１０】図２は、上述の装置を用いて処理したｐｏ
ｌｙ Ｓｉと酸化膜のエッチング速度を示す。エッチン
グガスはＣｌ２と酸素の混合ガスで、合計流量２００ｓ
ｃｃｍ(standard cubic centimeter per minute)で圧力
を０.８Ｐａとし、酸素の混合率を変えて連続バイアス
とオンオフバイアスとにおいてそれぞれ図示してある。
また、図３は、図２のデータを基にｐｏｌｙ Ｓｉの酸
化膜に対する選択比を計算した結果を示す。ここで、マ
イクロ波電源１０１の出力は４００Ｗとした。バイアス
電源１０９のピーク出力は６０Ｗでデューティー比（オ
ンオフの１周期にしめるオンの割合）は１５％である。
オンオフの繰り返し周波数は１ＫＨｚである。また、図
２および図３には比較のために連続バイアス３０Ｗの場
合のエッチング速度と選択比も示してある。FIG. 2 shows a po processed using the apparatus described above.
The etching rate of ly Si and an oxide film is shown. The etching gas is a mixed gas of Cl2 and oxygen, and the total flow rate is 200 s.
The pressure is set to 0.8 Pa in ccm (standard cubic centimeter per minute), the mixing ratio of oxygen is changed, and the continuous bias and the on / off bias are shown.
FIG. 3 shows the result of calculating the selectivity of poly Si to the oxide film based on the data of FIG. Here, the output of the microwave power supply 101 was 400 W. The peak output of the bias power supply 109 is 60 W, and the duty ratio (the ON ratio for one ON / OFF cycle) is 15%.
The on / off repetition frequency is 1 KHz. 2 and 3 also show the etching rate and the selectivity in the case of a continuous bias of 30 W for comparison.
【００１１】図３によれば、連続バイアス時よりもバイ
アス電圧をオンオフ制御することによって選択比が上が
ることがわかる。さらに、選択比は酸素の混合率が約４
％のときにピーク値を持つことがわかる。以下、この理
由を考察する。塩素はｐｏｌｙ Ｓｉのエッチングを進
行させるガスで、一方、酸素はエッチングを阻害する。
特に酸化膜などのエッチ速度が小さい物質では、少しで
も堆積物があるとエッチング反応よりも堆積の方が勝る
のでエッチ速度は極端に落ち、ｐｏｌｙ Ｓｉの対酸化
膜選択比が上昇する。バイアス電圧をオンオフすると、
オフ期間ではイオンが加速されず、酸素の付着が効率的
に生じて選択比を高める効果が顕著になる。酸素の添加
量が多すぎるとｐｏｌｙ Ｓｉ表面の酸化が生じて、ｐ
ｏｌｙ Ｓｉのエッチング速度が低下するために選択比
は低下する。したがって、図２および図３より、酸素混
合率の値が２．５％から８．５％のこの範囲で選択比が
１００を越え、薄い酸化膜を有する半導体素子の加工に
適することがわかる。よって、半導体であるＳｉ系材料
と絶縁物である酸化膜との選択比を１００以上に設定し
得る混合ガスの酸素混合率の最適値は２．５％から８．
５％がよい。なお、選択比が１００未満で実質的に使用
可能な範囲であれば、酸素混合率もこのような最適値だ
けに限定されるものではなく、多少範囲を超えることも
本発明に含まれる。FIG. 3 shows that the selection ratio is increased by controlling the bias voltage on / off as compared with the case of the continuous bias. Furthermore, the selectivity is such that the mixing ratio of oxygen is about 4
It can be seen that the sample has a peak value at%. Hereinafter, the reason will be considered. Chlorine is a gas that advances the etching of poly Si, while oxygen inhibits the etching.
Particularly, in the case of a substance having a low etch rate, such as an oxide film, if there is even a small amount of deposit, the deposition rate is superior to the etching reaction. When the bias voltage is turned on and off,
In the off period, the ions are not accelerated, and the adhesion of oxygen occurs efficiently, and the effect of increasing the selectivity becomes remarkable. If the amount of added oxygen is too large, oxidation of the poly Si surface occurs, and p
The selectivity decreases because the etching rate of the poly-Si decreases. Therefore, it can be understood from FIGS. 2 and 3 that the selectivity exceeds 100 in the range of the oxygen mixture ratio of 2.5% to 8.5%, which is suitable for processing a semiconductor element having a thin oxide film. Therefore, the optimal value of the oxygen mixture ratio of the mixed gas that can set the selectivity between the Si-based material as the semiconductor and the oxide film as the insulator to 100 or more is 2.5% to 8.8.
5% is good. Note that the oxygen mixing ratio is not limited to such an optimum value as long as the selectivity is less than 100 and is in a practically usable range.
【００１２】オンオフのデューティー比は実験の結果５
％から３０％で最も効果があった。また、ガスの圧力は
０.２Ｐａから２Ｐａの間で同様の効果を得られた。ハ
ロゲンガスとしては塩素の他にＨＢｒでも同じ効果があ
る。さらに以上述べたガス系に濃度やプラズマ安定性を
変える目的でＡｒ，Ｈｅなどの希ガスを混合しても効果
は変らない。The on / off duty ratio was 5
% To 30% was most effective. Similar effects were obtained when the gas pressure was between 0.2 Pa and 2 Pa. As a halogen gas, HBr has the same effect as chlorine gas. Further, even if a rare gas such as Ar or He is mixed with the gas system described above for the purpose of changing the concentration or the plasma stability, the effect is not changed.
【００１３】また、本実施例におけるバイアス電圧のオ
ンオフ制御において、バイアス電圧オフの値は完全にゼ
ロの値であってもよいし、処理に影響しない範囲であれ
ば、小さい値のバイアス電圧が印加されている状態であ
ってもよく、これらはバイアス電圧オフの制御範囲に含
まれる。さらに、オンオフされるバイアス電圧は正弦波
でもよく、矩形はでもよい。In the on / off control of the bias voltage in this embodiment, the value of the bias voltage off may be a completely zero value, or a small value may be applied as long as the process does not affect the processing. And these are included in the control range for turning off the bias voltage. Further, the bias voltage to be turned on and off may be a sine wave or a rectangle.
【００１４】[0014]
【発明の効果】以上本発明によれば、ｐｏｌｙ Ｓｉの
酸化膜に対する選択比を１００以上にすることができる
という効果がある。As described above, according to the present invention, there is an effect that the selectivity of poly Si to the oxide film can be made 100 or more.
【図１】本発明の表面処理方法を実施するための装置の
一例を示す全体構成図である。FIG. 1 is an overall configuration diagram showing an example of an apparatus for performing a surface treatment method of the present invention.
【図２】図１の装置により処理したときの酸素混合比と
ｐｏｌｙ Ｓｉおよび酸化膜のエッチング速度との関係
を示す図である。FIG. 2 is a diagram showing a relationship between an oxygen mixture ratio and an etching rate of poly Si and an oxide film when processing is performed by the apparatus of FIG.
【図３】酸素混合比とｐｏｌｙ Ｓｉの酸化膜に対する
選択比の関係を示す図である。FIG. 3 is a diagram showing a relationship between an oxygen mixture ratio and a selectivity of poly Si to an oxide film.
１０１…マイクロ波電源、１０２…導波管、１０３…導
入窓、１０４…真空容器、１０５…磁石、１０６…プラ
ズマ、１０７…試料、１０８…試料台、１０９…バイア
ス電源、１１０…電圧波形。101: microwave power supply, 102: waveguide, 103: introduction window, 104: vacuum vessel, 105: magnet, 106: plasma, 107: sample, 108: sample stage, 109: bias power supply, 110: voltage waveform.
Claims (3)
ラズマを発生させるとともに、前記真空容器内に試料を
配置する試料台にバイアス電圧を印加して前記試料をエ
ッチング処理する表面処理方法において、前記処理ガス
としてハロゲンガスと混合率が２.５％以上で８.５％以
下の酸素ガスの混合ガスを前記真空容器内に導入し、該
処理ガスのプラズマを発生させた状態で前記バイアス電
圧を繰返しオンオフして前記試料を処理することを特徴
とする表面処理方法。1. A surface treatment method for generating plasma of a processing gas in a vacuum vessel evacuated and evacuated and applying a bias voltage to a sample stage on which the sample is placed in the vacuum vessel to etch the sample. And introducing a mixed gas of a halogen gas and an oxygen gas having a mixing ratio of 2.5% or more and 8.5% or less as the processing gas into the vacuum vessel, and generating a plasma of the processing gas to form the bias gas. A surface treatment method, wherein the sample is treated by repeatedly turning on and off a voltage.
記処理ガスの圧力が０.２Pa以上で２Pa以下であること
を特徴とする表面処理方法。2. The surface treatment method according to claim 1, wherein the pressure of the treatment gas is not less than 0.2 Pa and not more than 2 Pa.
て、前記バイアス電圧のオンオフ変調を１００Ｈｚ以上
の周波数で行い、前記バイアス電圧のオンとオフの１周
期にしめるオンの割合が５から３０％であることを特徴
とする表面処理方法。3. The surface treatment method according to claim 1, wherein the on / off modulation of the bias voltage is performed at a frequency of 100 Hz or more, and the ratio of on in which one cycle of on and off of the bias voltage is 5 to 30%. A surface treatment method, characterized in that:
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP11097283A JP2000294539A (en) | 1999-04-05 | 1999-04-05 | Surface treatment method |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP11097283A JP2000294539A (en) | 1999-04-05 | 1999-04-05 | Surface treatment method |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2000294539A true JP2000294539A (en) | 2000-10-20 |
Family
ID=14188198
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP11097283A Pending JP2000294539A (en) | 1999-04-05 | 1999-04-05 | Surface treatment method |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2000294539A (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2015201643A (en) * | 2014-04-04 | 2015-11-12 | エスピーティーエス テクノロジーズ リミティド | etching method |
-
1999
- 1999-04-05 JP JP11097283A patent/JP2000294539A/en active Pending
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2015201643A (en) * | 2014-04-04 | 2015-11-12 | エスピーティーエス テクノロジーズ リミティド | etching method |
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