JPH0234427B2 - - Google Patents
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- JPH0234427B2 JPH0234427B2 JP57156842A JP15684282A JPH0234427B2 JP H0234427 B2 JPH0234427 B2 JP H0234427B2 JP 57156842 A JP57156842 A JP 57156842A JP 15684282 A JP15684282 A JP 15684282A JP H0234427 B2 JPH0234427 B2 JP H0234427B2
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Description
【発明の詳細な説明】
本発明は、半導体装置製造工程における微細な
パターン形成のためのエツチングに用いるイオン
シヤワ装置に関するものである。DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION The present invention relates to an ion shower device used for etching for forming fine patterns in a semiconductor device manufacturing process.
この種イオンシヤワ装置は、プラズマを発生さ
せてイオンを生成するプラズマ室と、このプラズ
マ室の構成面の一部に設けられ、プラズマ室から
イオンを引出してシヤワ状イオンビームを形成す
るイオン引出し電極と、そのシヤワ状イオンビー
ムを試料表面に照射するようにした試料室とを有
する。かかるイオンシヤワ装置は、イオンエツチ
ング法、反応性イオンエツチング法として半導体
装置の製造工程に広く用いられている。 This type of ion shower device includes a plasma chamber that generates plasma to generate ions, and an ion extraction electrode that is installed on a part of the plasma chamber and extracts ions from the plasma chamber to form a shower-shaped ion beam. , and a sample chamber in which the wrinkle-shaped ion beam is irradiated onto the sample surface. Such an ion shower device is widely used in the manufacturing process of semiconductor devices as an ion etching method or a reactive ion etching method.
第１図はこれまで広く用いられているイオンシ
ヤワ装置の構成概略を示すものである。かかる装
置は例えば「Ion Milling for Semiconductor
Production Processes」（L.D.Bollinger；Solid
State Technology、Nov.、P66〜70（1977））に
詳細に示されている。第１図において、１はプラ
ズマ室、２は試料室、３は熱電子陰極、４は陽
極、５はエツチングガスの導入口、６および７は
２枚構成のイオン引出し電極系、８は試料台、９
は試料、１０はプラズマ、１１はシヤワ状イオン
ビーム、１２はソレノイド磁石、１３はマスクを
示している。 FIG. 1 shows a schematic configuration of an ion shower device that has been widely used so far. Such equipment is, for example, "Ion Milling for Semiconductor
"Production Processes" (LD Bollinger; Solid
State Technology, Nov., P66-70 (1977)). In Fig. 1, 1 is a plasma chamber, 2 is a sample chamber, 3 is a thermionic cathode, 4 is an anode, 5 is an etching gas inlet, 6 and 7 are a two-piece ion extraction electrode system, and 8 is a sample stage. ,9
10 is a sample, 10 is a plasma, 11 is a wrinkle-shaped ion beam, 12 is a solenoid magnet, and 13 is a mask.
イオン源が動作する時、エツチングガスがガス
導入口を通つてプラズマ室１に供給され、このエ
ツチングガスは熱電子陰極３から陽極４に加速さ
れた電子によつてイオン化される。ここで、ソレ
ノイド磁石１２によりイオン化効率を高める。プ
ラズマ１０の中のイオン化されたエツチングガス
は上部のイオン引出し電極６と下部のイオン引出
し電極７との間に印加された電圧によつて試料室
２に引出され、シヤワ状イオンビーム１１とし
て、マスク１３を介して、試料台８の上の試料９
に衝突し、試料９を物理的または物理化学的にエ
ツチングする。マスク１３はシヤワ状イオンビー
ムと容易に反応しないような材料から選択され
る。 When the ion source is in operation, an etching gas is supplied to the plasma chamber 1 through the gas inlet and is ionized by electrons accelerated from the thermionic cathode 3 to the anode 4. Here, the ionization efficiency is increased by the solenoid magnet 12. The ionized etching gas in the plasma 10 is extracted into the sample chamber 2 by a voltage applied between the upper ion extraction electrode 6 and the lower ion extraction electrode 7, and is extracted into the sample chamber 2 as a wrinkle-shaped ion beam 11. Sample 9 on sample stage 8 via 13
The sample 9 is physically or physicochemically etched. Mask 13 is selected from a material that does not readily react with the wrinkled ion beam.
この種装置のプラズマ室１から試料室２へ引出
されるイオン電流の電流密度（Ｊ）と、２枚のイ
オン引出し電極６と７との間に印加まされた電圧
（Ｖ）との関係はチヤイルドの法則によつて次式
のように近似される。 The relationship between the current density (J) of the ion current drawn from the plasma chamber 1 to the sample chamber 2 of this type of device and the voltage (V) applied between the two ion extraction electrodes 6 and 7 is as follows. It is approximated by Child's law as follows.
Ｔ∝V3/2・l-2
ただし、ｌは２枚の電極６と７との間の距離を
示す。 T∝V 3/2 ·l −2 where l indicates the distance between the two electrodes 6 and 7.
第１図に示したイオンシヤワ装置においては、
２枚の電極６および７の全体の直径は得ようとす
るシヤワ状イオンビームの直径と同等かもしくは
これ以上とし、通常は４〜10インチの大きさであ
る。さらにこのような大きい直径を有する２枚の
電極６と７との間隔ｌを全面にわたつて一定とみ
なせるようにするために、かかる電極の間隔ｌは
１〜３mmとしている。このため、実用的なエツチ
ング速度を得るための電流密度Ｊを得ようとする
と、２枚の電極６と７との間に印加する電圧Ｖを
大きくする必要があつた。 In the ion shower device shown in Figure 1,
The overall diameter of the two electrodes 6 and 7 is equal to or larger than the diameter of the desired wrinkle-shaped ion beam, and is usually 4 to 10 inches in size. Further, in order to ensure that the distance l between the two electrodes 6 and 7 having such a large diameter can be regarded as constant over the entire surface, the distance l between the electrodes is set to 1 to 3 mm. Therefore, in order to obtain a current density J for obtaining a practical etching rate, it was necessary to increase the voltage V applied between the two electrodes 6 and 7.
第１図に示すイオンシヤワ装置に、導入口５よ
り弗化炭素ガス（C2F6、C4F8など）を導入して
SiO2膜をエツチングした場合、２枚の電極６お
よび７に1000Vの電圧を印加した時SiO2膜のエツ
チング速度およびSiO2膜のエツチング速度とSi
のエツチング速度との比は比較的大きい値が得ら
れた。しかし、２枚の電極６と７との間に印加す
る電圧を500V以下にすると、SiO2膜のエツチン
グ速度およびSiO2膜と他材料とのエツチング速
度比が小さくなり、実用的な値は得られなかつ
た。このように高電圧によりイオンを引き出して
エツチングすることはエツチング速度およびエツ
チング速度比の点では有利であるが、高電圧によ
り引出されたイオンはエツチング表面の結晶性に
損傷を与えて欠陥層を形成するので、半導体装置
としての機能を劣下させる。従つて、２枚の電極
を有するイオンシヤワ装置には使用範囲が限定さ
れるという欠点があつた。 Introducing fluorocarbon gas (C 2 F 6 , C 4 F 8 , etc.) through the inlet 5 into the ion shower device shown in Figure 1.
When etching a SiO 2 film, when a voltage of 1000 V is applied to the two electrodes 6 and 7, the etching rate of the SiO 2 film and the etching rate of the SiO 2 film and the Si
A relatively large value was obtained for the ratio of the etching rate to the etching rate. However, if the voltage applied between the two electrodes 6 and 7 is lower than 500V, the etching rate of the SiO 2 film and the etching rate ratio of the SiO 2 film to other materials become small, and practical values cannot be obtained. I couldn't help it. Etching by extracting ions using high voltage is advantageous in terms of etching speed and etching rate ratio, but ions extracted by high voltage damage the crystallinity of the etching surface and form a defective layer. Therefore, the function as a semiconductor device is degraded. Therefore, the ion shower device having two electrodes has the disadvantage that its range of use is limited.
第２図は、このような欠点を補うために提案さ
れた上部の引出し電極を省略した一枚電極による
イオンシヤワ装置のイオン源部分の構成概略を示
すものである。これは、例えば、「Low Energy
Ion Beam Etching」（J.M.E.Harper et al；J.
Electrochem.Soc.、vol.128、No.５、P1077〜1083
（1981））にも詳細に示されている。図中の参照番
号のうち、第１図と同じ番号は同様の個所を示
す。本例では上部の引出し電極６を省略する。１
４はプラズマシース、１５はシース界面である。
本装置では、シース界面１５が第１図における上
側のイオン引出し電極６に、またプラズマシース
１４の厚さが第１図における２枚の電極６と７と
の間隔ｌに相当する。プラズマシース１４の厚さ
は引出し電極７に印加する電圧に依存するが、例
えば印加電圧100Vで0.1〜0.2mm程度である。この
ため、チヤイルドの法則によつて低電圧でも大き
な電流密度が得られるという利点を有していた。 FIG. 2 schematically shows the configuration of an ion source portion of an ion shower device using a single electrode, omitting the upper extraction electrode, which has been proposed to compensate for such drawbacks. This means, for example, "Low Energy
"Ion Beam Etching" (JMEHarper et al; J.
Electrochem.Soc., vol.128, No.5, P1077-1083
(1981)). Among the reference numbers in the figures, the same numbers as in FIG. 1 indicate the same parts. In this example, the upper extraction electrode 6 is omitted. 1
4 is a plasma sheath, and 15 is a sheath interface.
In this device, the sheath interface 15 corresponds to the upper ion extraction electrode 6 in FIG. 1, and the thickness of the plasma sheath 14 corresponds to the distance l between the two electrodes 6 and 7 in FIG. The thickness of the plasma sheath 14 depends on the voltage applied to the extraction electrode 7, but is, for example, about 0.1 to 0.2 mm at an applied voltage of 100V. Therefore, it has the advantage that a large current density can be obtained even at a low voltage according to Child's law.
しかし、第２図に示したイオンシヤワ装置で
は、引出し電極７に電圧を印加するとそれによつ
て生ずる電界はプラズマ室１内全体に及び、プラ
ズマを生成するための熱電子陰極３および陽極４
による放電用電界を大幅に乱し、プラズマ生成を
安定に実現できない。さらにまた、パーシエンの
法則によれば、引出し電極７とプラズマ室１の壁
面のある特定部分との間に火花（スパーク）放電
が生じるため、引出し電極７に100〜200V以上の
高電圧を印加して安定にイオンビームを形成する
ことはできない。このため、第１図のような２枚
電極の場合に比較して、100〜200V以下の電圧で
電流密度が増加したとしても、実用的なエツチン
グ速度および他の材料との良好なエツチング速度
比は得られない。 However, in the ion shower device shown in FIG. 2, when a voltage is applied to the extraction electrode 7, the electric field generated thereby extends throughout the plasma chamber 1, and the thermionic cathode 3 and anode 4 for generating plasma are
This greatly disturbs the electric field for discharge, making stable plasma generation impossible. Furthermore, according to Perthien's law, spark discharge occurs between the extraction electrode 7 and a certain part of the wall surface of the plasma chamber 1, so a high voltage of 100 to 200 V or more should not be applied to the extraction electrode 7. It is not possible to form an ion beam stably. Therefore, compared to the case of two electrodes as shown in Figure 1, even if the current density increases at a voltage of 100 to 200 V or less, a practical etching rate and a good etching rate ratio with other materials can be achieved. cannot be obtained.
さらに加えて、本装置では、方向性の高いシヤ
ワ状イオンビーム１１を形成するために引出し電
極７のアパーチヤの大きさをプラズマシースの厚
さ（0.1〜0.2mm）と同程度にしている。このた
め、引出し電極７に微細・高精度な加工を施すこ
とが要求され、これが実用上の障害となつてい
た。さらに、このような微細なアパーチヤを構成
するリムもアパーチヤの大きさと同等かそれ以下
にするので、熱的な損傷を受けやすく、大電流を
引き出せないという欠点があつた。 Additionally, in this device, in order to form a highly directional, wrinkle-shaped ion beam 11, the aperture size of the extraction electrode 7 is made to be approximately the same as the thickness of the plasma sheath (0.1 to 0.2 mm). For this reason, it is required that the extraction electrode 7 be subjected to fine and highly accurate machining, which has been an obstacle in practical use. Furthermore, since the rim constituting such a minute aperture is made to be equal to or smaller in size than the aperture, it is susceptible to thermal damage and has the drawback of being unable to draw a large current.
そこで、本発明の目的は、これらの欠点を除去
し、印加電圧に制限されず、高電流のイオンが安
定に得られるイオンシヤワ装置を提供することに
ある。 SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to eliminate these drawbacks and provide an ion shower device that is not limited by applied voltage and can stably obtain ions at a high current.
本発明の他の目的は、半導体装置を構成する
種々の材料に対して、実用的なエツチング速度お
よびエツチング選択性を、材料に物理的損傷を与
えずに、実現してエツチングを行うのに供するこ
とのできるイオンシヤワ装置を提供することにあ
る。 Another object of the present invention is to realize practical etching speed and etching selectivity for various materials constituting semiconductor devices without physically damaging the materials. The purpose of the present invention is to provide an ion shower device that can perform the following tasks.
かかる目的を達成するために、本発明イオンシ
ヤワ装置は、プラズマを発生させてイオンを生成
するプラズマ室と、このプラズマ室の構成面の一
部に設けられ、プラズマ室からイオンを引出して
シヤワ状イオンビームを形成する１つのイオン引
出し電極と、そのシヤワ状イオンビームを試料表
面に照射するようにした試料室と、プラズマ室内
においてイオン引出し電極の近くであり、しかも
イオン引出し電極上に生ずるプラズマシースの厚
さよりも離れた位置に、プラズマが通過可能であ
り、しかもイオン引出し電極によつて発生する電
界がプラズマ室の他の領域にほとんど及ばない構
成のシールド電極とを具備する。 In order to achieve such an object, the ion shower device of the present invention includes a plasma chamber that generates plasma to generate ions, and a part of the configuration surface of this plasma chamber, which extracts ions from the plasma chamber and generates shower-like ions. One ion extraction electrode that forms a beam, a sample chamber that irradiates the sample surface with the wrinkled ion beam, and a plasma sheath that is located near the ion extraction electrode and generated on the ion extraction electrode in the plasma chamber. A shield electrode is provided at a position farther away than the thickness of the plasma chamber through which the plasma can pass, and which is configured so that the electric field generated by the ion extraction electrode hardly reaches other regions of the plasma chamber.
ここで、上述のプラズマは、熱電子陰極を用い
た放電、あるいはマイクロ波による電誠子サイク
ロトロン共鳴により発生させることができる。 Here, the above-mentioned plasma can be generated by electric discharge using a thermionic cathode or by electric seismic cyclotron resonance using microwaves.
上述のイオン引出し電極は炭素またはシリコン
で形成するのが好適である。 The ion extraction electrode described above is preferably formed of carbon or silicon.
以下、図面を参照して本発明を詳細に説明す
る。 Hereinafter, the present invention will be explained in detail with reference to the drawings.
第３図は本発明の基本構成例であり、ここで、
第１図または第２図と同様の部分には同一符号を
付す。すなわち、１はプラズマ室、２は試料室、
７は１つのイオン引出し電極、８は試料台、９は
試料、１０はプラズマ、１１はシヤワ状イオンビ
ーム、１４はプラズマシース、１５はシース界面
である。本発明では、プラズマ室１内において、
イオン引出し電極７の近くであり、しかもこの電
極７上に生ずるプラズマシース１４の厚さよりも
離れた位置に、プラズマ１０が通過可能であつ
て、しかもイオン引出し電極７によつて発生する
電界がプラズマ室１の他の領域にほとんど及ばな
い構成のシールド電極２１をプラズマ室１と同電
位に配設する。 FIG. 3 shows an example of the basic configuration of the present invention, where:
Components similar to those in FIG. 1 or 2 are given the same reference numerals. That is, 1 is the plasma chamber, 2 is the sample chamber,
7 is one ion extraction electrode, 8 is a sample stage, 9 is a sample, 10 is a plasma, 11 is a wrinkled ion beam, 14 is a plasma sheath, and 15 is a sheath interface. In the present invention, in the plasma chamber 1,
The plasma 10 can pass through a position near the ion extraction electrode 7 and further away than the thickness of the plasma sheath 14 generated on the electrode 7, and the electric field generated by the ion extraction electrode 7 A shield electrode 21 having a configuration that hardly reaches other areas of the chamber 1 is arranged at the same potential as the plasma chamber 1.
このような構成のイオンシヤワ装置を動作させ
るにあたつては、プラズマ室１の中に生成された
プラズマ１０から１枚のイオン引出し電極７によ
つてイオンが引き出され、試料室２の中の試料台
８の上の試料９にシヤワ状イオンビーム１１が照
射される。ここで、プラズマ１０からイオンを引
き出すにあたつて、引出し電極７を接地電位と
し、プラズマ室１に正の電圧を印加するか、ある
いはプラズマ室１を接地電位として引出し電極７
に負の電圧を印加する。このときプラズマシース
１４とシース界面１５が形成され、シース界面１
５と引出し電極７の両者によつて２枚電極のイオ
ンシヤワ装置と同じ原理でシヤワ状イオンビーム
１１を得ることができる。 When operating the ion shower device having such a configuration, ions are extracted from the plasma 10 generated in the plasma chamber 1 by one ion extraction electrode 7, and the ions are extracted from the sample in the sample chamber 2. A wrinkle-shaped ion beam 11 is irradiated onto a sample 9 on a table 8 . Here, when extracting ions from the plasma 10, the extraction electrode 7 is set to a ground potential and a positive voltage is applied to the plasma chamber 1, or the plasma chamber 1 is set to a ground potential and the extraction electrode 7 is set to a ground potential.
Apply a negative voltage to . At this time, the plasma sheath 14 and the sheath interface 15 are formed, and the sheath interface 1
5 and extraction electrode 7, it is possible to obtain a shower-like ion beam 11 using the same principle as in a two-electrode ion shower device.
この場合、プラズマ室１と引出し電極７との間
に電圧を印加したことによつて生ずる電界が、た
とえばプラズマ１０が生成されていない場合で
も、シールド電極２１および引出し電極７の間の
領域にのみ限定されて、プラズマ室１の他の部分
には及ばないことが必要である。 In this case, the electric field generated by applying a voltage between the plasma chamber 1 and the extraction electrode 7 is applied only to the region between the shield electrode 21 and the extraction electrode 7, even when the plasma 10 is not generated. It is necessary that it be limited and not extend to other parts of the plasma chamber 1.
更にまた、パーシエンの法則によれば、平等電
界ギヤツプにおいて火花放電の起きる電圧（火花
電圧）はガス種、ガス圧力およびギヤツプ間隔に
より異なる。例えば、Arガス１×10-3Torr、ギ
ヤツプ間隔100cmにおける火花電圧は約200Vであ
る。火花放電の生じるギヤツプ間隔および火花電
圧はすでに電子やイオンが存在する場合やプラズ
マ室中の発光による紫外線照射、加熱により著し
く小さくなつて、火花放電を発生しやすくなるこ
とが知られている。ここで、種々の形状の相対す
る電極間隔は、等電位面に対して垂直の電気力線
の長さでほぼ規定できる。 Furthermore, according to Perthien's law, the voltage at which spark discharge occurs in a uniform electric field gap (spark voltage) varies depending on the gas type, gas pressure, and gap spacing. For example, the spark voltage at Ar gas of 1×10 -3 Torr and gap spacing of 100 cm is approximately 200 V. It is known that the gap distance and spark voltage at which spark discharge occurs are significantly reduced when electrons or ions are already present, or due to ultraviolet ray irradiation or heating caused by light emission in the plasma chamber, making spark discharge more likely to occur. Here, the spacing between opposing electrodes of various shapes can be approximately defined by the length of the lines of electric force perpendicular to the equipotential surface.
以上の考察から、イオンシヤワ装置において
は、プラズマ１０が引出し電極７の方向に自由に
移動でき、かつ、引出し電極７からシールド電極
２１に至る電気力線の長さがパーシエンの法則に
よるギヤツプ間隔よりも充分短かくなるようにシ
ールド電極２１の格子の形状、寸法およびシール
ド電極２１と引出し電極７との間隔を定めること
が重要である。ここで、当然のことながら、引出
し電極７のイオン引出し特性に影響を与えないよ
うに、シールド電極２１と引出し電極７との間隔
はプラズマシース１４の厚さより十分大きいこと
が必要である。 From the above considerations, in the ion shower device, the plasma 10 can move freely in the direction of the extraction electrode 7, and the length of the electric lines of force from the extraction electrode 7 to the shield electrode 21 is longer than the gap interval according to Perthien's law. It is important to determine the shape and dimensions of the lattice of the shield electrode 21 and the interval between the shield electrode 21 and the extraction electrode 7 so that it is sufficiently short. Here, as a matter of course, the distance between the shield electrode 21 and the extraction electrode 7 must be sufficiently larger than the thickness of the plasma sheath 14 so as not to affect the ion extraction characteristics of the extraction electrode 7.
第４図は本発明の一実施例におけるイオン源部
の構成を示す。このイオンシヤワ装置では、熱電
子陰極によりプラズマを生成する。ここで、第１
図および第３図と同様の個所には同一参照番号を
付す。すなわち、１はプラズマ室、２は試料室、
３は熱電子陰極、４は陽極、５はガス導入口、７
は引出し電極、１２はソレノイド磁石、２１はシ
ールド電極である。更に、２２は電極７と２１と
の間に設けた絶縁スペーサである。 FIG. 4 shows the configuration of an ion source section in an embodiment of the present invention. This ion shower device generates plasma using a thermionic cathode. Here, the first
Parts similar to those in the figures and FIG. 3 are given the same reference numerals. That is, 1 is the plasma chamber, 2 is the sample chamber,
3 is the thermionic cathode, 4 is the anode, 5 is the gas inlet, 7
12 is a solenoid magnet, and 21 is a shield electrode. Furthermore, 22 is an insulating spacer provided between the electrodes 7 and 21.
かかるイオン源を動作させるにあたつては、一
例として、Arガスをガス導入口５からプラズマ
室１に導入して1.0×10-4Torrとし、熱電子陰極
３に21Aの直流電流を供給し、陽極４に19Vの直
流電圧を印加してプラズマを生成した。このと
き、ソレノイド磁石１２に1.0Aの直流電流を流
してイオン化効率を高めた。イオン引出し電極７
は接地電位とし、絶縁スペーサ２２を介して、プ
ラズマ室１に直流電圧を印加した。イオン引出し
電極７は直径4″のモリブデン板（0.5mm厚さ）と
なし、このモリブデン板には直径３mmのアパーチ
ヤを４mm間隔で格子状に形成しておいた。シール
ド電極２１としては、直径１mmのモリブデン線に
より５mm角の正方格子を形成したものを用い、イ
オン引出し電極７との間隔を20mmとした。また、
シールド電極２１はプラズマ室１と同電位になる
ようにした。 In operating such an ion source, for example, Ar gas is introduced into the plasma chamber 1 from the gas inlet 5 to a pressure of 1.0×10 -4 Torr, and a DC current of 21 A is supplied to the thermionic cathode 3. A DC voltage of 19 V was applied to the anode 4 to generate plasma. At this time, a direct current of 1.0 A was applied to the solenoid magnet 12 to increase the ionization efficiency. Ion extraction electrode 7
was set at ground potential, and a DC voltage was applied to the plasma chamber 1 via the insulating spacer 22. The ion extraction electrode 7 is a molybdenum plate (0.5 mm thick) with a diameter of 4'', and apertures with a diameter of 3 mm are formed in a grid pattern at 4 mm intervals on this molybdenum plate.The shield electrode 21 is made of a molybdenum plate with a diameter of 1 mm. A square lattice of 5 mm square was formed using molybdenum wires, and the distance from the ion extraction electrode 7 was set to 20 mm.
The shield electrode 21 was made to have the same potential as the plasma chamber 1.
実験では、プラズマ室１に1000Vの電圧を印加
してもイオン源は正常に動作し、安定してシヤワ
状イオンビームを形成できた。また、500Vの電
圧を印加した場合、プラズマシースの厚さは約２
mmだつた。このため、引出し電極に３mmのアパー
チヤを形成してもシース界面と引出し電極７とは
平行な２面を形成し、方向性の高いシヤワ状イオ
ンビームを形成できた。 In the experiment, the ion source operated normally even when a voltage of 1000V was applied to the plasma chamber 1, and a wrinkle-shaped ion beam could be stably formed. Also, when a voltage of 500V is applied, the thickness of the plasma sheath is approximately 2
It was mm. Therefore, even if a 3 mm aperture was formed in the extraction electrode, the sheath interface and the extraction electrode 7 formed two parallel surfaces, and a highly directional, wrinkle-shaped ion beam could be formed.
第５図は本発明の他の実施例におけるイオン源
部の構成を示す。このイオンシヤワ装置では、マ
イクロ波による電子サイクロトロン共鳴を用いて
プラズマを生成する。ここで、第３図と同様の部
分には同一符号を付すことにする。すなわち、１
はプラズマ室、２は試料室、５はガス導入口、７
は引出し電極である。電子サイクロトロン共鳴を
用いてプラズマを生成する構成としては、例え
ば、特願昭56−61409号に詳細に示された装置を
用いるものとし、ここで、１２はソレノイド磁
石、２３は高透磁率材料、２４は絶縁スペーサ、
２５および２６は絶縁体、２７はマイクロ波導入
窓、２８は矩形導波管、２９はマイクロ波結合
窓、３０はマイクロ波反射板を兼ねたシールド電
極、３１は冷却水の給水口、３２は排水口であ
る。 FIG. 5 shows the configuration of an ion source section in another embodiment of the present invention. This ion shower device generates plasma using electron cyclotron resonance using microwaves. Here, the same parts as in FIG. 3 are given the same reference numerals. That is, 1
is the plasma chamber, 2 is the sample chamber, 5 is the gas inlet, 7
is an extraction electrode. As a configuration for generating plasma using electron cyclotron resonance, for example, the apparatus shown in detail in Japanese Patent Application No. 1983-61409 is used, where 12 is a solenoid magnet, 23 is a high magnetic permeability material, 24 is an insulating spacer;
25 and 26 are insulators, 27 is a microwave introduction window, 28 is a rectangular waveguide, 29 is a microwave coupling window, 30 is a shield electrode that also serves as a microwave reflector, 31 is a cooling water supply port, and 32 is a It is a drain.
かかるイオン源を動作させるにあたつては、一
例として、C2F6ガスをガス導入口５からプラズ
マ室１に導入し、１×10-3Torrのガス圧とし、
周波数2.45GHz、パワー200Wのマイクロ波を矩
形導波管２８、マイクロ波導入窓２７およびマイ
クロ波結合窓２９を介してプラズマ室１に導入
し、それと同時にプラズマ室１の内部において少
なくとも一部で電子サイクロトロン共鳴条件を満
たす875Gaussの磁界をソレノイド磁石により与
えた。また、プラズマが発生したプラズマ室１が
加熱されることを防ぐために給水口３１および排
水口３２の間に冷却水を流した。ソレノイド磁石
１２の上部と外周を取り囲んで高透磁率材料２３
を配置して、プラズマ室１の中に引出し電極７の
方向に弱くなる発散磁界を形成して、プラズマ室
１の中のイオンが引出し電極７の方向に移動し易
くなる。また、プラズマ室１はマイクロ波電力を
プラズマに効率良く吸収させるためにマイクロ波
空胴共振器の条件を満たすように、例えば、内の
り寸法で高さ200mm、直径170mm（TE113）とし
た。マイクロ波反射板を兼ねたシールド電極３０
によつて、マイクロ波を反射しマイクロ波空胴共
振器の高さを決めるとともに、プラズマ室１の終
端に絶縁スペーサ２４を介して配置された引出し
電極７による電界がプラズマ室１の内部に及ぶの
を防止する。マイクロ波反射板を兼ねたシールド
電極３０は、例えば、周期20mm、太さ２mm角の正
方格子ステンレス板とし、イオン引出し電極７は
厚さ0.5mmで直径180mmのステンレス板であり、こ
のステンレス板の全面に直径２mm、周期2.5mmの
アパーチヤをあけたものとした。また、マイクロ
波反射板を兼ねたシールド電極３０と引出し電極
７との間隔は例えば30mmとし、引出し電極７を接
地電位にし、プラズマ室１に直流電圧を印加し
た。 In operating such an ion source, for example, C 2 F 6 gas is introduced into the plasma chamber 1 from the gas inlet 5 and the gas pressure is set to 1×10 −3 Torr.
Microwaves with a frequency of 2.45 GHz and a power of 200 W are introduced into the plasma chamber 1 through the rectangular waveguide 28, the microwave introduction window 27, and the microwave coupling window 29, and at the same time, electrons are generated in at least a portion of the inside of the plasma chamber 1. A magnetic field of 875 Gauss, which satisfies the cyclotron resonance conditions, was applied by a solenoid magnet. Further, cooling water was flowed between the water supply port 31 and the drain port 32 in order to prevent the plasma chamber 1 where plasma was generated from being heated. High magnetic permeability material 23 surrounds the top and outer periphery of the solenoid magnet 12.
is arranged to form a diverging magnetic field in the plasma chamber 1 that becomes weaker in the direction of the extraction electrode 7, making it easier for ions in the plasma chamber 1 to move in the direction of the extraction electrode 7. Further, the plasma chamber 1 has, for example, an inner dimension of 200 mm in height and 170 mm in diameter (TE 113 ) to satisfy the conditions of a microwave cavity resonator in order to efficiently absorb microwave power into plasma. Shield electrode 30 that also serves as a microwave reflector
This reflects the microwave and determines the height of the microwave cavity resonator, and the electric field from the extraction electrode 7 placed at the end of the plasma chamber 1 via an insulating spacer 24 extends into the inside of the plasma chamber 1. to prevent The shield electrode 30 that also serves as a microwave reflector is, for example, a square lattice stainless steel plate with a period of 20 mm and a thickness of 2 mm square, and the ion extraction electrode 7 is a stainless steel plate with a thickness of 0.5 mm and a diameter of 180 mm. Apertures with a diameter of 2 mm and a period of 2.5 mm were made on the entire surface. Further, the distance between the shield electrode 30 which also served as a microwave reflector and the extraction electrode 7 was set to 30 mm, for example, the extraction electrode 7 was set to the ground potential, and a DC voltage was applied to the plasma chamber 1.
第６図は第５図に示したイオンシヤワ装置によ
るイオン電流特性の実験結果を示している。マイ
クロ波反射板を兼ねたシールド電極３０は安定な
プラズマ生成や火花放電防止に有効であり、
1000Vの電圧を印加しても安定してシヤワ状イオ
ンビームが形成された。イオン電流密度は、印加
電圧の増加にともなつて、ほぼ直線的に増加し、
印加電圧400Vにおいて1mA／cm2、1000Vにおい
て3mA／cm2が安定して得られた。引出し電極７
は剛性高く構成されているため、このように大き
い電流密度でイオンを引き出しても、引出し電極
７がイオン衝撃による加熱で変形することはなか
つた。 FIG. 6 shows experimental results of ion current characteristics using the ion shower device shown in FIG. The shield electrode 30, which also serves as a microwave reflector, is effective for stable plasma generation and prevention of spark discharge.
Even when a voltage of 1000V was applied, a wrinkle-shaped ion beam was stably formed. The ion current density increases almost linearly with increasing applied voltage;
At an applied voltage of 400V, 1 mA/cm 2 and at 1000V, 3 mA/cm 2 were stably obtained. Extraction electrode 7
Since the electrode 7 was constructed with high rigidity, even when ions were extracted at such a high current density, the extraction electrode 7 was not deformed by heating due to ion bombardment.
第７図は本発明におけるSiO2選択エツチング
の実験例であつて、第５図に示したイオンシヤワ
装置による各種材料のエツチング速度の測定結果
を示すものである。エツチング速度を抑制したい
Siのエツチング速度の印加電圧依存性は非常に小
さく、印唄電圧1000Vでも約150Å／minであつ
た。これに対して、SiO2膜のエツチング速度は
印加電圧の増加が大きく寄与する。エツチング速
度は400Vで1000Å／min、1000Vで270Å／min
ときわめて能率のよい値を示した。エツチングの
選択性を示すSiO2膜のエツチング速度とSiのエ
ツチング速度の比は印加電圧100Vで約３であつ
たが、400Vで10、1000Vで18と非常に大きくな
つた。SiO2膜のエツチングマスクとして用いる
PMMA（ポリメチルメタクリレート）レジストの
エツチング速度はSiO2膜とSiの特性の中間的な
特性を示した。印加電圧400VではSiO2膜とのエ
ツチング速度比は約２と実用的な値であつた。 FIG. 7 is an experimental example of SiO 2 selective etching according to the present invention, and shows the results of measurement of etching rates of various materials using the ion shower apparatus shown in FIG. I want to suppress the etching speed
The dependence of the Si etching rate on the applied voltage was very small, and was approximately 150 Å/min even at an applied voltage of 1000 V. On the other hand, an increase in the applied voltage greatly contributes to the etching rate of the SiO 2 film. Etching speed is 1000Å/min at 400V, 270Å/min at 1000V
It showed an extremely efficient value. The ratio of the etching rate of the SiO 2 film, which indicates etching selectivity, to the etching rate of Si was approximately 3 at an applied voltage of 100V, but became extremely large, reaching 10 at 400V and 18 at 1000V. Used as an etching mask for SiO 2 film
The etching rate of PMMA (polymethyl methacrylate) resist showed characteristics intermediate between those of SiO 2 film and Si. At an applied voltage of 400 V, the etching rate ratio with respect to the SiO 2 film was approximately 2, a practical value.
本発明の実施例においては、１枚で構成する引
出し電極材料として、炭素またはシリコンを使う
ことがエツチングすべき試料の金属汚染防止に有
効である。これは、引出し電極７に入射したイオ
ンがこの電極７をスパツタし、これが試料表面に
ついたとしても同系の材料からなる半導体装置に
おいては表面の応染につながらないからであり、
これら材料はエツチングすべき試料の金属汚染防
止のために非常に有効である。これらの材料は耐
熱性は高いが、脆弱であるため、薄板で、しかも
微細なアパーチヤを形成する必要のあつた従来の
イオンシヤワ装置には使用できず、本発明によつ
てはじめて容易に使用できるようになつた。 In the embodiment of the present invention, it is effective to use carbon or silicon as the single-layer extraction electrode material to prevent metal contamination of the sample to be etched. This is because the ions that are incident on the extraction electrode 7 spatter this electrode 7, and even if this spatters onto the sample surface, it will not cause staining on the surface of a semiconductor device made of the same type of material.
These materials are very effective in preventing metal contamination of the sample to be etched. Although these materials have high heat resistance, they are brittle and cannot be used in conventional ion shower devices that require the formation of thin plates and minute apertures. It became.
以上説明したように、本発明によれば、プラズ
マ室に生成されたイオンを１枚のイオン引出し電
極で加速して試料室に引き出すイオンシヤワ装置
において、パーシエンの法則で規定される距離よ
りも充分小さく、かつ１枚のイオン引出し電極上
に生じるプラズマシースの厚さよりも充分大きい
距離でかかるイオン引出し電極のプラズマ室側に
シールド電極を配設することにより、１枚のイオ
ン引出し電極に印加する電圧を高範囲に設定で
き、しかもまた安定に大きな電流密度が得られ
る。このため、本発明イオンシヤワ装置を半導体
装置の製造に適用した場合、基板に与える物理的
損傷の許される範囲において自由にイオンエネル
ギーを選択することができる。しかも、本発明イ
オンシヤワ装置は、半導体装置の分野だけでな
く、従来この種装置によつては処理速度が遅く、
化学液等による処理に頼らざるを得なかつた他の
分野、研磨、表面改質などに対しても実用的な処
理速度をもつて適用できるなどの利点がある。 As explained above, according to the present invention, in an ion shower device in which ions generated in a plasma chamber are accelerated by a single ion extraction electrode and extracted into a sample chamber, the distance is sufficiently smaller than the distance defined by Perthien's law. , and by arranging a shield electrode on the plasma chamber side of the ion extraction electrode at a distance sufficiently larger than the thickness of the plasma sheath generated on one ion extraction electrode, the voltage applied to one ion extraction electrode can be reduced. It can be set in a high range and also stably obtains a large current density. Therefore, when the ion shower apparatus of the present invention is applied to the manufacture of semiconductor devices, the ion energy can be freely selected within a range that allows physical damage to the substrate. Moreover, the ion shower device of the present invention is applicable not only to the field of semiconductor devices, but also to conventional devices of this type, which have a slow processing speed.
It has the advantage that it can be applied at a practical processing speed to other fields that have had to rely on treatments such as chemical liquids, such as polishing and surface modification.
なお、本発明は、イオン化のためのプラズマ生
成にあたつて高周波放電など他の方法を用いるイ
オンシヤワ装置にも適用できることは明らかであ
る。更にまた、本発明はエツチングのためだけで
なく、イオンビーム付着による膜形成を目的とし
たイオンビーム装置としても適用できること明ら
かである。 It is clear that the present invention can also be applied to an ion shower device that uses other methods such as high frequency discharge to generate plasma for ionization. Furthermore, it is clear that the present invention can be applied not only to etching but also as an ion beam apparatus for forming films by ion beam deposition.
第１図は従来の２枚電極からなるイオンシヤワ
装置の構成の概略を示す線図、第２図は従来の単
枚電極からなるイオンシヤワ装置のイオン源の構
成の概略を示す線図、第３図は本発明イオンシヤ
ワ装置の基本構成の概略を示す線図、第４図は本
発明の一実施例として熱電子陰極を用いたイオン
シヤワ装置の構成の概略を示す線図、第５図は本
発明の他の実施例としてマイクロ波による電子サ
イクロトロン共鳴放電を用いたイオンシヤワ装置
の構成の概略を示す断面図、第６図は本発明イオ
ンシヤワ装置におけるイオン電流特性の実験結果
を示す特性曲線図、第７図は本発明イオンシヤワ
装置のエツチング特性の実験結果を示す特性曲線
図である。
１…プラズマ室、２…試料室、３…熱電子陰
極、４…陽極、５…ガス導入口、６…上部イオン
引出し電極、７…下部イオン引出し電極、８…試
料台、９…試料、１０…プラズマ、１１…シヤワ
状イオンビーム、１２…ソレノイド磁石、１３…
マスク、１４…プラズマシース、１５…シース界
面、２１…シールド電極、２２…絶縁スペーサ、
２３…高透磁率材料、２４…絶縁スペーサ、２
５，２６…絶縁体、２７…マイクロ波導入窓、２
８…矩形導波管、２９…マイクロ波結合窓、３０
…マイクロ波反射板を兼ねたシールド電極、３１
…冷却水の給水口、３２…排水口。
Fig. 1 is a diagram schematically showing the configuration of a conventional ion shower device consisting of two electrodes, Fig. 2 is a diagram schematically showing the configuration of an ion source of a conventional ion shower device consisting of a single electrode, and Fig. 3 4 is a diagram schematically showing the basic configuration of the ion shower device of the present invention, FIG. 4 is a diagram schematically showing the configuration of an ion shower device using a thermionic cathode as an embodiment of the present invention, and FIG. As another example, a cross-sectional view schematically showing the configuration of an ion shower device using electron cyclotron resonance discharge using microwaves, FIG. 6 is a characteristic curve diagram showing experimental results of ion current characteristics in the ion shower device of the present invention, and FIG. 7 1 is a characteristic curve diagram showing experimental results of etching characteristics of the ion shower device of the present invention. 1... Plasma chamber, 2... Sample chamber, 3... Thermionic cathode, 4... Anode, 5... Gas inlet, 6... Upper ion extraction electrode, 7... Lower ion extraction electrode, 8... Sample stand, 9... Sample, 10 ...Plasma, 11...Wrinkle-shaped ion beam, 12...Solenoid magnet, 13...
Mask, 14... Plasma sheath, 15... Sheath interface, 21... Shield electrode, 22... Insulating spacer,
23... High magnetic permeability material, 24... Insulating spacer, 2
5, 26...Insulator, 27...Microwave introduction window, 2
8... Rectangular waveguide, 29... Microwave coupling window, 30
...shield electrode that also serves as a microwave reflector, 31
...Cooling water supply port, 32...Drain port.
Claims (1)
ズマ室と、該プラズマ室の構成面の一部に設けら
れ、前記プラズマ室からイオンを引出してシヤワ
状イオンビームを形成する１つのイオン引出し電
極と、前記シヤワ状イオンビームを試料表面に照
射するようにした試料室と、前記プラズマ室内に
おいて前記イオン引出し電極の近くであり、しか
も前記イオン引出し電極上に生ずるプラズマシー
スの厚さよりも離れた位置に、前記プラズマが通
過可能であり、しかも前記イオン引出し電極によ
つて発生する電界が前記プラズマ室の他の領域に
ほとんど及ばない構成の前記プラズマ室と同電位
のシールド電極とを具備したことを特徴とするイ
オンシヤワ装置。 ２ 特許請求の範囲第１項記載のイオンシヤワ装
置において、前記プラズマ室において熱電子陰極
を用いた放電により前記プラズマを発生させるよ
うにしたことを特徴とするイオンシヤワ装置。 ３ 特許請求の範囲第１項記載のイオンシヤワ装
置において、前記プラズマ室において、マイクロ
波による電子サイクロトロン共鳴により前記プラ
ズマを発生させるようにしたことを特徴とするイ
オンシヤワ装置。 ４ 特許請求の範囲第１項記載のイオンシヤワ装
置において、前記イオン引出し電極を炭素または
シリコンで形成したことを特徴とするイオンシヤ
ワ装置。[Scope of Claims] 1. A plasma chamber that generates plasma to generate ions, and a plasma chamber that is provided on a part of the constituent surface of the plasma chamber and that extracts ions from the plasma chamber to form a wrinkle-shaped ion beam. an ion extraction electrode, a sample chamber in which the wrinkled ion beam is irradiated onto the sample surface, and a sample chamber that is located near the ion extraction electrode in the plasma chamber and that is thicker than the plasma sheath formed on the ion extraction electrode. A shield electrode is provided at a remote location and has the same potential as the plasma chamber through which the plasma can pass and which is configured so that the electric field generated by the ion extraction electrode hardly reaches other areas of the plasma chamber. The ion shower device is characterized by: 2. The ion shower device according to claim 1, wherein the plasma is generated in the plasma chamber by discharge using a thermionic cathode. 3. The ion shower device according to claim 1, wherein the plasma is generated in the plasma chamber by electron cyclotron resonance using microwaves. 4. The ion shower device according to claim 1, wherein the ion extraction electrode is made of carbon or silicon.
Priority Applications (4)
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|---|---|---|---|
| JP15684282A JPS5946748A (en) | 1982-09-10 | 1982-09-10 | Ion shower unit |
| DE8383305202T DE3376921D1 (en) | 1982-09-10 | 1983-09-07 | Ion shower apparatus |
| EP83305202A EP0106497B1 (en) | 1982-09-10 | 1983-09-07 | Ion shower apparatus |
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Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP15684282A JPS5946748A (en) | 1982-09-10 | 1982-09-10 | Ion shower unit |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS5946748A JPS5946748A (en) | 1984-03-16 |
| JPH0234427B2 true JPH0234427B2 (en) | 1990-08-03 |
Family
ID=15636560
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP15684282A Granted JPS5946748A (en) | 1982-09-10 | 1982-09-10 | Ion shower unit |
Country Status (1)
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| JP (1) | JPS5946748A (en) |
Families Citing this family (4)
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|---|---|---|---|---|
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| JPS60258840A (en) * | 1984-06-04 | 1985-12-20 | Mitsubishi Electric Corp | Reactive ion beam etching apparatus |
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| JPH0692638B2 (en) * | 1986-04-03 | 1994-11-16 | 株式会社日立製作所 | Thin film device |
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|---|---|---|---|---|
| JPS52107887A (en) * | 1976-03-08 | 1977-09-09 | Ulvac Corp | High density solid substance ion producing apparatus |
-
1982
- 1982-09-10 JP JP15684282A patent/JPS5946748A/en active Granted
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS52107887A (en) * | 1976-03-08 | 1977-09-09 | Ulvac Corp | High density solid substance ion producing apparatus |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS5946748A (en) | 1984-03-16 |
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