JPS62174917A - Etching method - Google Patents

Abstract

PURPOSE:To perform a highly precise working exactly same as the size of an etching mask by a method wherein a high speed beam of neutral electrons or molecules, which were formed by neutralizing ions, is made to irradiate on the surface of a sample. CONSTITUTION:The ion beam emitted from an ion source 31 and accelerated by an electrode 32 is differentially evacuated from its front and back sides by vacuum pumps 33 and 34, it passes through the charge exchanging vessel 35 which is maintained at the gas pressure of 10<-2> Pa or thereabout, and the greater part of the ions is neutralized. The remaining ions which have not been neutralized are deflected by a deflecting plate 36, and they are not made to irradiate on the sample 37 to be etched. Using the device, the neutral Cl and Cl2 beams accelerated to about 400eV, for example, are made to irradiate on the sample 37 consisting of Si to be etched. As the neutral beam is not accelerated in an electric field, the direction of irradiation of ions is not bent even when an electric charge is accumulated on the surface of the sample. The shape of the cross-section of the sample 37 after etching is formed vertical to the etching mask, and a highly precise etching processing can be performed.

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の利用分野〕 本発明はエツチング方法に係り、特に深い溝や孔を垂直
かつ高精度にエツチング加工するに好適なエツチング方
法に関する。DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION [Field of Application of the Invention] The present invention relates to an etching method, and particularly to an etching method suitable for etching deep grooves and holes vertically and with high precision.

〔発明の背景〕[Background of the invention]

近年、半導体集積回路等の微細加工に低圧気体のグロー
放電プラズマを用いたドライエツチング法が用いられて
いる。この中でもつとも広範に用いられている反応性イ
オンエツチング法（ｌｌｅａｅｔｉｖｅ　Ｉｏｎ　ＩＥ
ｔｃｈｉｎ３＋以下ＲＩＥと略す。）を例にとって説明
する。プラズマ中で形成された化学反応性に富むラジカ
ルが試料表面に入射するとともに、プラズマ中のイオン
が、試料表面に形成される自己バイアスの電界によって
加速されて試料表面に垂直に入射する。このとき、入射
イオンは通常数１０〜数１００ｅＶのエネルギーに加速
されて試料表面に入射するので、このエネルギーにより
エツチング反応が促進され、所謂イオンアシストエツチ
ング反応が生じる。この結果、イオンの入射方向にエツ
チングマスクが進み、被エツチング試料表面に形成され
たエツチングマスクの寸法通りに高精度な加工が実現で
きる。In recent years, a dry etching method using low-pressure gas glow discharge plasma has been used for microfabrication of semiconductor integrated circuits and the like. Of these, reactive ion etching is the most widely used method.
tchin3+ is abbreviated as RIE. ) will be explained using an example. Chemically reactive radicals formed in the plasma enter the sample surface, and ions in the plasma are accelerated by a self-biased electric field formed on the sample surface and enter the sample surface perpendicularly. At this time, the incident ions are normally accelerated to an energy of several 10 to several 100 eV and impinge on the surface of the sample, and this energy accelerates the etching reaction, resulting in a so-called ion-assisted etching reaction. As a result, the etching mask advances in the direction of ion incidence, and highly accurate processing can be realized in accordance with the dimensions of the etching mask formed on the surface of the sample to be etched.

このようなＲＩＥでは、数１０−１０００８Ｖ程度の正
イオンが試料表面に入射するが、イオン衝撃によって被
エツチング試料基板に導入されるダメージを低減するた
めに、イオンエネルギーを低下させると、次の様な問題
が生じる。第３図は、入射イオンエネルギーを低下させ
るため、ＲＩＥにおいてガス圧力を増大させる場合に得
られるエツチングパターンの典型的な断面形状である。In this type of RIE, positive ions with a voltage of several tens to 10,008 V are incident on the sample surface, but in order to reduce the damage introduced to the sample substrate to be etched by ion bombardment, the ion energy is lowered, as follows. A problem arises. FIG. 3 shows a typical cross-sectional shape of an etched pattern obtained when the gas pressure is increased in RIE to reduce the incident ion energy.

エツチングマスク端部で完全には垂直にエツチングが進
まず、眼厚方向の中央部で凹状になっているのが第１図
の断面形状の特徴である。この様な断面形状になる原因
の１つとして次の点が考えられる。The cross-sectional shape of FIG. 1 is characterized by the fact that the etching does not proceed completely vertically at the edges of the etching mask, and is concave at the center in the eye thickness direction. The following points can be considered as one of the causes of such a cross-sectional shape.

一般にＲＩＥでは試料表面がプラズマに対して負に帯電
し、第４図に示したようにパターン端部１：３には負の
電荷１４が蓄積した状態になっている。プラズマ中から
、この電位によって加速され試料表面に入射するイオン
１５は、試料表面付近に到達すると第３図に併せて示し
たように、パターン端部付近で蓄積した電荷により飛跡
が曲げられる。そのため第３図及び第４図に示したよう
に凹型にくぼんだ断面形状３のエツチングパータンとな
るものと考えられる。この様に、エツチング側面がくぼ
む現象は通常アスペクト比すなｈち、エツチング深さと
孔径もしくは溝幅の比が２以上ある深いエツチングの場
合に特に生じ易い現象であり、深い溝を形成する場合の
１つの重要な問題となっている。Generally, in RIE, the sample surface is negatively charged with respect to the plasma, and as shown in FIG. 4, negative charges 14 are accumulated at the pattern ends 1:3. When the ions 15 from the plasma that are accelerated by this potential and enter the sample surface reach the vicinity of the sample surface, their trajectory is bent by the charges accumulated near the pattern ends, as also shown in FIG. Therefore, it is considered that the etching pattern has a concave cross-sectional shape 3 as shown in FIGS. 3 and 4. As described above, the phenomenon in which the etching side surface becomes depressed is a phenomenon that is particularly likely to occur in the case of deep etching where the aspect ratio, that is, the ratio of the etching depth to the hole diameter or groove width is 2 or more, and when forming deep grooves. This is one of the important issues.

また、エツチングした溝または孔のアスペクト比が大き
い場合に、第５図にその典型的な断面図を示したように
、第１図とは逆に溝または孔の底部が細くなることがあ
る。エツチング中に溝の壁が正に帯電することが、この
原因の１つと考えられる。このとき５試料表面に入射す
る正イオンは正しこセＩＦ電した壁に反発されて、第３
図に併せ示したような軌跡を描いて溝内部を進むため、
底部の細ったエツチング形状になると考えられる。Further, when the etched groove or hole has a large aspect ratio, the bottom of the groove or hole may become narrower, as shown in a typical cross-sectional view of FIG. 5, contrary to FIG. 1. One possible reason for this is that the groove walls become positively charged during etching. At this time, the positive ions incident on the surface of the sample 5 are repelled by the wall of the IF current, and
In order to move inside the groove by drawing a trajectory as shown in the figure,
It is thought that it will have an etched shape with a narrow bottom.

なお、この種のエツチング方法に関連した方法が記載さ
れている文献としては、ジャーナル・オブ・バキューム
・サイエンス・テクノロジー（Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　
ｖａｃｕｕｍ　１ｓｃｊｓｎｃｅ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇ
ｙ）　１．９（１９８１）、　Ｐ　、１３９８がある。The literature describing methods related to this type of etching method is the Journal of Vacuum Science and Technology.
vacuum 1scjsnce technology
y) 1.9 (1981), P, 1398.

〔発明の目的〕[Purpose of the invention]

本発明の目的は、上記にように被エツチング試料表面の
凸部に蓄積した電荷によってイオンビームの入射方向が
曲げられる結果、エツチングマスク寸法通りの高精度な
加工ができない欠点を克服する新しいエツチング方法を
提供することにある。The purpose of the present invention is to provide a new etching method that overcomes the drawback that highly accurate processing according to the etching mask dimensions cannot be performed as a result of the incident direction of the ion beam being bent by the charges accumulated on the convex portions of the surface of the sample to be etched as described above. Our goal is to provide the following.

〔発明の概要〕[Summary of the invention]

上記目的のため、本発明になるエツチング方法では、イ
オンの代りにイオンを中性化した中性原子もしくは中性
分子の高速ビームを試料表面に入射させることを特徴と
する。中性ビームは、電界で加速されないので、表面に
電荷が蓄積していても、それによってイオンの入射方向
が曲げられることはない。従って、あらかじめ、方向の
そろったイオンビームを形成し、これを中性化したのち
そのまま試料表面に入射させることによって、エツチン
グマスクに忠実な高精度加工を実現することができる。For the above purpose, the etching method of the present invention is characterized in that instead of ions, a high-speed beam of neutralized atoms or neutral molecules is made incident on the sample surface. A neutral beam is not accelerated by an electric field, so even if charges accumulate on its surface, the direction of ion incidence is not bent by this. Therefore, by forming an ion beam with a uniform direction in advance, neutralizing it, and then directly directing it to the sample surface, high-precision processing faithful to the etching mask can be realized.

イオンビーム中のイオンを中性化する方法としては、電
荷交換反応による方法と電子付着反応による方法とがあ
る。１１１者はイオンがガス中を通過する際にガスに含
まれる中性〃■子もしくは中性分子からイオンへ電子が
移動することによってイオンが中性化されるものであり
、後者は低エネルギーの電子雲中をイオンが通過する際
にイオンが電子を付与されて中性化されるものである。Methods for neutralizing ions in an ion beam include a method using a charge exchange reaction and a method using an electron attachment reaction. 111 ions are neutralized by the transfer of electrons from neutral molecules or neutral molecules contained in the gas to the ions when the ions pass through the gas, and the latter are low-energy ions. When ions pass through an electron cloud, they are neutralized by being given electrons.

このようにして得られる中性ビームを試料に照射する際
、同時に反応性ガスを試料表面に供給することにより、
入射する中性原子もしくは分子のエネルギーにより、反
応性ガス分子と被エツチング試料物質とのエツチング反
応を促進することができる。When irradiating the sample with the neutral beam obtained in this way, by simultaneously supplying a reactive gas to the sample surface,
The energy of the incident neutral atoms or molecules can promote the etching reaction between the reactive gas molecules and the sample material to be etched.

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

以下、本発明の実施例を第１図および第２図を参照しな
がら説明する。Embodiments of the present invention will be described below with reference to FIGS. 1 and 2.

実施例１ 第１図は本実施例のエツチング方法を実施するエツチン
グ装はの例である。イオン源３１から引き出し電極３２
よって加速して引き出されたイオンビームは前後が真空
ポンプ３３，３１こよって差動排気され、かつｔｏ”−
２Ｐａ程度のガス圧力［こ維持された電荷交換槽３５を
通過した大部分のイオンが中性化される。中性化されな
かった残存イオンは偏向板３６により偏向され被エツチ
ング試料３７に入射しない。この装置により、約４００
ｅＶに加速された中性のＣＱ、およびＣＱ、ｚビームを
Ｓｉからなる被エツチング試料３７に入射させた。この
時、試料前面に配置したノズル３８からＣＱ　２を試料
表面に供給して、エツチング室３９内の圧力を１．、．
５　Ｘ　Ｉ　Ｏ−”　Ｐ　ａの圧力に保った。Embodiment 1 FIG. 1 shows an example of an etching apparatus for carrying out the etching method of this embodiment. Extracting electrode 32 from ion source 31
Therefore, the accelerated and extracted ion beam is differentially evacuated by the vacuum pumps 33 and 31 at the front and back, and to''-
Most of the ions passing through the charge exchange tank 35, which is maintained at a gas pressure of about 2 Pa, are neutralized. The remaining ions that have not been neutralized are deflected by the deflection plate 36 and do not enter the sample 37 to be etched. With this device, approximately 400
Neutral CQ, CQ, and z beams accelerated to eV were made incident on a sample to be etched 37 made of Si. At this time, CQ 2 is supplied to the sample surface from the nozzle 38 placed in front of the sample, and the pressure inside the etching chamber 39 is increased to 1. ,．．
The pressure was maintained at 5 XIO-''Pa.

エツチング後の試料の断面形状は、エツチングマスクに
垂直に形成されており、高精度なエツチング加工が実現
できた。The cross-sectional shape of the sample after etching was formed perpendicular to the etching mask, making it possible to achieve highly accurate etching.

実施例２ 第２図は本実施例のエツチング方法を実施するエツチン
グ装置の別の例である。イオン源４１から引き出し電極
４２によって加速して引き呂されたイオンビームはフィ
ラメント４３から放出される熱電子雲中を通過する際に
電子付着反応によって中性化される。このとき、電極板
４４に数１０Ｖの交流電圧を印加することによってイオ
ンの中性率を高めることができた。中性化されずに残留
しているイオンビームは偏向板４５によって、偏向され
、被エツチング試料４６には入射しない。Embodiment 2 FIG. 2 shows another example of an etching apparatus for carrying out the etching method of this embodiment. The ion beam accelerated and drawn from the ion source 41 by the extraction electrode 42 is neutralized by an electron attachment reaction when passing through the thermionic electron cloud emitted from the filament 43. At this time, by applying an AC voltage of several tens of volts to the electrode plate 44, the neutrality rate of ions could be increased. The ion beam remaining without being neutralized is deflected by the deflection plate 45 and does not enter the sample 46 to be etched.

この装置を用でい、実施例１と同様の条件でＳｉをエツ
チングした結果、エツチングマスク寸法通りの高精度な
エツチングができた。エツチングして形成したＳｉ溝の
幅は約０．８μｍ、深さは４．５μｍであったが、エツ
チング側面が凹状にくぼむことなくエツチングできた。Using this apparatus, Si was etched under the same conditions as in Example 1, and as a result, highly accurate etching was achieved in accordance with the etching mask dimensions. The Si groove formed by etching had a width of about 0.8 .mu.m and a depth of 4.5 .mu.m, but the etching could be performed without creating a concave shape on the etched side surface.

本発明のエツチング方法に使用される装置構成は、実施
例上および実施例２に示したものに限られず、他のイオ
ン源やイオン中性化方法を用いてもよい。例えば、イオ
ン源としては、マイクロ波イオン源、カウフマン型イオ
ン源、フリーマン型イオン源、デョオプラズマトロン型
イオン源のいずれを用いてもよい。イオン中性化の方法
としては、固体表面付近での電子付着反応を用いてもよ
り）。The apparatus configuration used in the etching method of the present invention is not limited to that shown in the first and second embodiments, and other ion sources and ion neutralization methods may be used. For example, as the ion source, any one of a microwave ion source, a Kauffman type ion source, a Freeman type ion source, and a deoplasmatron type ion source may be used. As a method of ion neutralization, it is better to use an electron attachment reaction near the solid surface).

〔発明の効果〕〔Effect of the invention〕

以上説明したように、本発明によれば、試料表面の電界
分布の如何にかかわらず、垂直に入射する中性高速原子
もしくは分子ビームによって、エツチングマスク寸法通
りの高精度なエツチング加工ができる。また、試料表面
には荷電粒子は殆んど入射しないので、試料表面への帯
電による薄い絶縁膜の絶縁破壊などの問題を回避するこ
ともできる。As explained above, according to the present invention, highly accurate etching can be performed according to the dimensions of the etching mask using a vertically incident neutral high speed atomic or molecular beam, regardless of the electric field distribution on the sample surface. Furthermore, since almost no charged particles are incident on the sample surface, problems such as dielectric breakdown of a thin insulating film due to charging of the sample surface can be avoided.

以上説明した本発明の効果は、第１図、第２図に示した
装置構成に限らず、前記した他のイオン源やイオン中性
化方法等を用いても同様に得られる。The effects of the present invention described above can be obtained not only by the apparatus configuration shown in FIGS. 1 and 2, but also by using other ion sources, ion neutralization methods, etc. described above.

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

第１図、第２図は、本発明の実施例に用いた装置図、第
３図は従来のドライエツチング法（ＲＩＩＥ）で深溝を
エツチングしたときのエツチングパターン断面図、第４
図、第５図は、試料表面の帯電により入射イオンビー１
１が曲げられる様子を示した図である。 １．１１．２１・・・エツチングマスク、２，１２゜２
２・・・被エツチング試料、３・・・凹型にくぼんだエ
ツチング断面、１３・・・負電荷が蓄積したエツチング
パターン端部、１４・・・負電荷、１５．２３・・・試
料表面に入射する正イオン、３１．４１・・・イオン源
、３２．４２・・・引出し電極、３３，３４，４９゜５
０・・・真空ポンプ、３５・・・電荷交換槽、３６゜４
５・・・偏向板、３７．４６・・・被エツチング試料、
３８．４７・・・ノズル、３９・・・エツチング室、４
３・・・フィラメント、４４・・・′電極、４８・・・
交流電源。 代理人　弁理士　小川ＩＦＰ男と・ 弔　　１　ｚ ろ　２　図1 and 2 are diagrams of an apparatus used in an embodiment of the present invention, FIG. 3 is a cross-sectional view of an etching pattern when deep grooves are etched by the conventional dry etching method (RIIE), and FIG.
Figure 5 shows the incident ion beam 1 due to charging of the sample surface.
FIG. 1 is a diagram showing how the device 1 is bent. 1.11.21...Etching mask, 2,12゜2
2... Sample to be etched, 3... Concave etching cross section, 13... Edge of etching pattern where negative charge has accumulated, 14... Negative charge, 15.23... Incident on sample surface positive ions, 31.41... ion source, 32.42... extraction electrode, 33, 34, 49°5
0...Vacuum pump, 35...Charge exchange tank, 36゜4
5... Deflection plate, 37.46... Sample to be etched,
38.47... Nozzle, 39... Etching chamber, 4
3... filament, 44...' electrode, 48...
AC source. Agent Patent Attorney Ogawa IFP Man and Condolences 1 Z Ro 2 Diagram

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] １、イオン源より発生したイオンを加速し、前記加速さ
れたイオンに電荷を与えて中性化し、前記中性化された
イオンを所望の試料表面に入射することを特徴とするエ
ッチング方法。1. An etching method characterized by accelerating ions generated from an ion source, neutralizing the accelerated ions by imparting an electric charge, and making the neutralized ions incident on a desired sample surface.