JP2000038688A - プラズマ処理方法及びプラズマ処理装置 - Google Patents
プラズマ処理方法及びプラズマ処理装置Info
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 本発明はプラズマを用いたエッチングあるい
は堆積方法に関し、特に半導体素子の微細加工技術に関
する。 【解決手段】 プラズマを基板に照射して基板処理を行
うプラズマ処理方法であって、高周波によって発生する
電場を利用して処理ガスをプラズマ化するとともに、こ
の発生したプラズマに電子ビームを注入し、プラズマ中
の電子エネルギー分布を制御することを特徴とするプラ
ズマ処理方法。
は堆積方法に関し、特に半導体素子の微細加工技術に関
する。 【解決手段】 プラズマを基板に照射して基板処理を行
うプラズマ処理方法であって、高周波によって発生する
電場を利用して処理ガスをプラズマ化するとともに、こ
の発生したプラズマに電子ビームを注入し、プラズマ中
の電子エネルギー分布を制御することを特徴とするプラ
ズマ処理方法。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明はプラズマを用いたエ
ッチングあるいは堆積方法に関し、特に半導体素子の微
細加工技術に関する。
ッチングあるいは堆積方法に関し、特に半導体素子の微
細加工技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】マイクロエレクトロニクスの中核をなす
集積回路の集積度は年々増大しており、集積度の増加と
ともに、パターン幅が次第に小さく、凹凸の激しい加工
や堆積が要求されている。こういった要求に対して、プ
ラズマを用いた半導体素子の加工法が数多く提案されて
いる。
集積回路の集積度は年々増大しており、集積度の増加と
ともに、パターン幅が次第に小さく、凹凸の激しい加工
や堆積が要求されている。こういった要求に対して、プ
ラズマを用いた半導体素子の加工法が数多く提案されて
いる。
【０００３】例えば、薄膜加工技術の一つであるエッチ
ングでは、低圧（高真空）でのプラズマエッチング方法
が開発されている（特開昭61-256727号公報、特開昭62-
194623号公報、特開平5-247673号公報、特開平6-132252
号公報）。これらの従来技術では、ドライエッチング装
置としてプラズマエッチング、スパッタリング、ＥＣＲ
エッチング、マグネトロンエッチングおよびイオンビー
ムエッチング等のエッチング装置が用いられている。こ
れらプラズマを用いたドライエッチングにより、半導体
素子を加工する場合にはフレオン系ガス（ＣＦ4等）な
どハロゲンを含むガスを用いることによりエッチング速
度は増大し、微細な加工が実現できた。また、プラズマ
を用いた薄膜堆積技術として、ＴｉＣｌ4やＷＦ6等のハ
ロゲン系のガスを解離させることで、低温高速な堆積を
実現している。
ングでは、低圧（高真空）でのプラズマエッチング方法
が開発されている（特開昭61-256727号公報、特開昭62-
194623号公報、特開平5-247673号公報、特開平6-132252
号公報）。これらの従来技術では、ドライエッチング装
置としてプラズマエッチング、スパッタリング、ＥＣＲ
エッチング、マグネトロンエッチングおよびイオンビー
ムエッチング等のエッチング装置が用いられている。こ
れらプラズマを用いたドライエッチングにより、半導体
素子を加工する場合にはフレオン系ガス（ＣＦ4等）な
どハロゲンを含むガスを用いることによりエッチング速
度は増大し、微細な加工が実現できた。また、プラズマ
を用いた薄膜堆積技術として、ＴｉＣｌ4やＷＦ6等のハ
ロゲン系のガスを解離させることで、低温高速な堆積を
実現している。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】しかし、上記従来方法
を用いて、特に微細なエッチング加工を行う場合や、特
に微細加工された凹凸に膜を堆積させる場合、加工精度
に限界が生じている。
を用いて、特に微細なエッチング加工を行う場合や、特
に微細加工された凹凸に膜を堆積させる場合、加工精度
に限界が生じている。
【０００５】まず、微細なエッチング加工する場合の課
題について述べるが、例えば、半導体素子のＳｉＯ2の
絶縁膜にコンタクトホールをエッチングにより形成する
場合、その選択比（基板であるシリコンや窒化膜のエッ
チングレートに対するその上に形成されているＳｉＯ2
膜のエッチングレート比）は１μｍ／ｍｉｎ以上のエッ
チング速度を確保しながら５０前後が限界であることが
わかっている。すなわち、コンタクトホールを開孔する
際に、工程上のバラツキを考慮し、開孔を保証するため
にオーバーエッチングを行なうが、同時にシリコン基板
や窒化膜がＳｉＯ2膜厚の１／５０エッチングされてし
まうこととなり、ある程度シリコン基板がエッチングさ
れる現象は避けられない。
題について述べるが、例えば、半導体素子のＳｉＯ2の
絶縁膜にコンタクトホールをエッチングにより形成する
場合、その選択比（基板であるシリコンや窒化膜のエッ
チングレートに対するその上に形成されているＳｉＯ2
膜のエッチングレート比）は１μｍ／ｍｉｎ以上のエッ
チング速度を確保しながら５０前後が限界であることが
わかっている。すなわち、コンタクトホールを開孔する
際に、工程上のバラツキを考慮し、開孔を保証するため
にオーバーエッチングを行なうが、同時にシリコン基板
や窒化膜がＳｉＯ2膜厚の１／５０エッチングされてし
まうこととなり、ある程度シリコン基板がエッチングさ
れる現象は避けられない。
【０００６】ＭＯＳＬＳＩ素子などの半導体素子では、
集積度の向上とともにコンタクトホールの下に形成され
るｐ−ｎ接合層までシリコン基板が削れてしまう問題が
発生する。そこで、選択性を確保するために、新たにフ
ルオロカーボンガスを用いシリコン基板や窒化膜上にポ
リマーを堆積させる等の対策が必要となる。
集積度の向上とともにコンタクトホールの下に形成され
るｐ−ｎ接合層までシリコン基板が削れてしまう問題が
発生する。そこで、選択性を確保するために、新たにフ
ルオロカーボンガスを用いシリコン基板や窒化膜上にポ
リマーを堆積させる等の対策が必要となる。
【０００７】充分な選択比が確保できない理由として
は、特に高密度プラズマを用いて高速エッチングする場
合、Ｃ4Ｆ8ガスプラズマを例にあげると、プラズマ中
で、Ｃ4Ｆ8→Ｃ4Ｆ7→Ｃ3Ｆ5→Ｃ2Ｆ4→ＣＦ2→ＣＦ→
Ｃ＋Ｆのような複雑な解離過程を経ながら、ラジカルと
高エネルギーのＣxＦy +イオンが生成するが、このプラ
ズマ中では電子エネルギーが５ｅＶ程度以上と比較的高
いため、Ｃ4Ｆ8ガスの解離度が高くなり、選択比を高め
るために必要なプレカーサとして働くラジカル種（ＣＦ
2等）が極めて少ない状態になるためである。したがっ
て、特定のラジカル種、イオン種をいかに選択的に発生
させるかが、重要な課題となる。
は、特に高密度プラズマを用いて高速エッチングする場
合、Ｃ4Ｆ8ガスプラズマを例にあげると、プラズマ中
で、Ｃ4Ｆ8→Ｃ4Ｆ7→Ｃ3Ｆ5→Ｃ2Ｆ4→ＣＦ2→ＣＦ→
Ｃ＋Ｆのような複雑な解離過程を経ながら、ラジカルと
高エネルギーのＣxＦy +イオンが生成するが、このプラ
ズマ中では電子エネルギーが５ｅＶ程度以上と比較的高
いため、Ｃ4Ｆ8ガスの解離度が高くなり、選択比を高め
るために必要なプレカーサとして働くラジカル種（ＣＦ
2等）が極めて少ない状態になるためである。したがっ
て、特定のラジカル種、イオン種をいかに選択的に発生
させるかが、重要な課題となる。
【０００８】これらの問題を改善する方法としては低圧
高密度プラズマ中の電子エネルギーを低下させる方法が
開発されている（特開平5-029613号公報、特開平6-1229
78号公報）。この方法は従来に比べると相対的にプラズ
マ中の解離を抑えて選択性の向上に寄与するラジカルを
多く生成できるため、選択性はある程度向上できる。し
かし、相対的にイオン化に寄与する高エネルギー電子が
少ないため、基板に入射するイオン電流密度が低下しエ
ッチング速度が減少するという問題がある。一方、電子
ビームによりエネルギーを制御された電子を供給してプ
ラズマを生成する方法もある。この方法では、解離やイ
オン化を高精度に制御する事は可能であるが、高エネル
ギーであるイオン化と低エネルギーである解離を同時に
生じさせる事が難しく、また高密度のプラズマを大口径
にわたって均一に生成する事が難しいという問題もあ
り、その実用化は難しい。
高密度プラズマ中の電子エネルギーを低下させる方法が
開発されている（特開平5-029613号公報、特開平6-1229
78号公報）。この方法は従来に比べると相対的にプラズ
マ中の解離を抑えて選択性の向上に寄与するラジカルを
多く生成できるため、選択性はある程度向上できる。し
かし、相対的にイオン化に寄与する高エネルギー電子が
少ないため、基板に入射するイオン電流密度が低下しエ
ッチング速度が減少するという問題がある。一方、電子
ビームによりエネルギーを制御された電子を供給してプ
ラズマを生成する方法もある。この方法では、解離やイ
オン化を高精度に制御する事は可能であるが、高エネル
ギーであるイオン化と低エネルギーである解離を同時に
生じさせる事が難しく、また高密度のプラズマを大口径
にわたって均一に生成する事が難しいという問題もあ
り、その実用化は難しい。
【０００９】次に、微細加工された凹凸に膜を堆積させ
る場合について述べるが、例えば、Ｃ4Ｆ8ガスのＵＨＦ
プラズマを基板に作用させて薄膜を堆積させる場合、低
誘電率化、高耐熱化、さらに埋め込み性を向上させるた
めには、ＣＦラジカルを多く発生させることが望ましい
が、上記ＵＨＦプラズマでは、ＣＦ2、ＣＦ3が発生の主
体となり、充分な特性を発現させるに到らなかった。
る場合について述べるが、例えば、Ｃ4Ｆ8ガスのＵＨＦ
プラズマを基板に作用させて薄膜を堆積させる場合、低
誘電率化、高耐熱化、さらに埋め込み性を向上させるた
めには、ＣＦラジカルを多く発生させることが望ましい
が、上記ＵＨＦプラズマでは、ＣＦ2、ＣＦ3が発生の主
体となり、充分な特性を発現させるに到らなかった。
【００１０】
【課題を解決するための手段】本発明は、プラズマを基
板に照射して基板処理を行うプラズマ処理方法であっ
て、高周波によって発生する電場を利用して処理ガスを
プラズマ化するとともに、この発生したプラズマに電子
ビームを注入し、プラズマ中の電子エネルギー分布を制
御することを特徴とするプラズマ処理方法に関する。
板に照射して基板処理を行うプラズマ処理方法であっ
て、高周波によって発生する電場を利用して処理ガスを
プラズマ化するとともに、この発生したプラズマに電子
ビームを注入し、プラズマ中の電子エネルギー分布を制
御することを特徴とするプラズマ処理方法に関する。
【００１１】さらに本発明は、上記プラズマ処理方法を
用いて、半導体素子の絶縁膜のエッチングを行う半導体
素子の加工方法に関する。
用いて、半導体素子の絶縁膜のエッチングを行う半導体
素子の加工方法に関する。
【００１２】さらに本発明は、上記プラズマ処理方法を
用いて、半導体素子の表面に絶縁膜を堆積させる半導体
素子の加工方法に関する。さらに本発明は、プラズマ生
成室に高周波プラズマを発生させるプラズマ発生手段
と、このプラズマ生成室に電子ビームを照射する電子ビ
ーム照射手段とを具備するプラズマ処理装置に関する。
用いて、半導体素子の表面に絶縁膜を堆積させる半導体
素子の加工方法に関する。さらに本発明は、プラズマ生
成室に高周波プラズマを発生させるプラズマ発生手段
と、このプラズマ生成室に電子ビームを照射する電子ビ
ーム照射手段とを具備するプラズマ処理装置に関する。
【００１３】本発明によれば、高周波によってプラズマ
を発生させ、そのプラズマ中にエネルギーを制御された
電子ビームを注入する事で、電子エネルギー分布を制御
し、その結果としてラジカル、イオンのバランス（種類
や量）を制御することが可能となる。
を発生させ、そのプラズマ中にエネルギーを制御された
電子ビームを注入する事で、電子エネルギー分布を制御
し、その結果としてラジカル、イオンのバランス（種類
や量）を制御することが可能となる。
【００１４】さらに詳しく説明すると、例えばプラズマ
を用いたエッチングにおいては放電圧力が数ｍＴｏｒｒ
から１００ｍＴｏｒｒ程度の範囲で行う。この時の電子
と原子や分子との衝突頻度は数１０ＭＨｚから３００Ｍ
Ｈｚ程度となる。したがって、その周波数以上の高周波
電界（すなわち３００ＭＨｚ以上のＵＨＦ）で電子を加
速すると電子へのエネルギー供給効率が低く抑えること
ができ、電子エネルギー分布は２ｅＶ程度の低解離のプ
ラズマ状態を実現するのに有効な低エネルギー領域に抑
えることができる。
を用いたエッチングにおいては放電圧力が数ｍＴｏｒｒ
から１００ｍＴｏｒｒ程度の範囲で行う。この時の電子
と原子や分子との衝突頻度は数１０ＭＨｚから３００Ｍ
Ｈｚ程度となる。したがって、その周波数以上の高周波
電界（すなわち３００ＭＨｚ以上のＵＨＦ）で電子を加
速すると電子へのエネルギー供給効率が低く抑えること
ができ、電子エネルギー分布は２ｅＶ程度の低解離のプ
ラズマ状態を実現するのに有効な低エネルギー領域に抑
えることができる。
【００１５】さらにこのプラズマに、特定の解離やイオ
ン化電位に相当したエネルギーを持つ電子ビームを外部
から注入することで、均一な高密度プラズマ中でのラジ
カル解離種やイオン種を制御することが可能となるので
ある。
ン化電位に相当したエネルギーを持つ電子ビームを外部
から注入することで、均一な高密度プラズマ中でのラジ
カル解離種やイオン種を制御することが可能となるので
ある。
【００１６】この方法を用いれば、酸化膜や窒化膜を基
板であるＳｉに対して高選択比でエッチングすることが
でき、異方性が良好であり、さらにパターン依存性（マ
イクロローディング効果）、すなわちエッチング径が小
さくなるに連れてエッチング深さが減少する効果を抑制
することができる。
板であるＳｉに対して高選択比でエッチングすることが
でき、異方性が良好であり、さらにパターン依存性（マ
イクロローディング効果）、すなわちエッチング径が小
さくなるに連れてエッチング深さが減少する効果を抑制
することができる。
【００１７】また、膜堆積にあたっても、プラズマ中の
ラジカル種やイオン種やそれらの量的バランスの選択的
な制御が可能となるため、膜質や体積速度および被覆性
を高精度に制御する事ができる。
ラジカル種やイオン種やそれらの量的バランスの選択的
な制御が可能となるため、膜質や体積速度および被覆性
を高精度に制御する事ができる。
【００１８】
【発明の実施の形態】本発明のプラズマ処理方法は、プ
ラズマを基板に照射して基板処理を行う処理方法であっ
て、大部分の電子を高周波によって生成させ、基板の処
理に必要なイオン種、ラジカル種を選択的に得るため
に、それら活性種のイオン化や、解離に必要なエネルギ
ーを電子ビームにより供給することを特徴とする。
ラズマを基板に照射して基板処理を行う処理方法であっ
て、大部分の電子を高周波によって生成させ、基板の処
理に必要なイオン種、ラジカル種を選択的に得るため
に、それら活性種のイオン化や、解離に必要なエネルギ
ーを電子ビームにより供給することを特徴とする。
【００１９】プラズマについては、高周波を用いて発生
させたプラズマであれば、特に限定されないが、ＵＨＦ
プラズマ、ＥＣＲプラズマ、誘導結合プラズマ、ヘリコ
ン波プラズマ等が挙げられる。
させたプラズマであれば、特に限定されないが、ＵＨＦ
プラズマ、ＥＣＲプラズマ、誘導結合プラズマ、ヘリコ
ン波プラズマ等が挙げられる。
【００２０】特に３００ＭＨｚ以上のＵＨＦ帯を選ぶこ
とで、低エネルギー電子が多量に存在する電子エネルギ
ー分布を形成することが可能であり、よりドラスティッ
クに電子エネルギー分布を変えることができるので好ま
しい。
とで、低エネルギー電子が多量に存在する電子エネルギ
ー分布を形成することが可能であり、よりドラスティッ
クに電子エネルギー分布を変えることができるので好ま
しい。
【００２１】このＵＨＦプラズマの電子エネルギー分布
を図２に示す。このプラズマを発生させるのに用いた放
電周波数は５００ＭＨｚである。図２（ａ）の実線が、
ＵＨＦプラズマの電子エネルギー分布を示すが、主に低
エネルギー電子（約３ｅＶ）が多量に存在することがわ
かる。
を図２に示す。このプラズマを発生させるのに用いた放
電周波数は５００ＭＨｚである。図２（ａ）の実線が、
ＵＨＦプラズマの電子エネルギー分布を示すが、主に低
エネルギー電子（約３ｅＶ）が多量に存在することがわ
かる。
【００２２】電子ビームにより注入する電子のエネルギ
ー分布については、処理ガスの種類、また基板処理に必
要なイオン種、ラジカル種によって適宜選択は可能であ
るが、現在使われているガスにおけるイオン化電位を考
えると大きくても１００ｅＶ程度が好ましい。
ー分布については、処理ガスの種類、また基板処理に必
要なイオン種、ラジカル種によって適宜選択は可能であ
るが、現在使われているガスにおけるイオン化電位を考
えると大きくても１００ｅＶ程度が好ましい。
【００２３】また、ＵＨＦプラズマによる放電は連続し
て行いながら、注入する電子ビームを時間的に変調させ
ることにより、必要な活性種を必要な時間に発生させる
ことが可能である。また、パルス変調させることによ
り、特定の活性種を周期的に発生させたり、また、特に
活性種の寿命より短い周期で可変するパルス変調をさせ
ることにより、複数の活性種を同時に生成させることも
可能である。
て行いながら、注入する電子ビームを時間的に変調させ
ることにより、必要な活性種を必要な時間に発生させる
ことが可能である。また、パルス変調させることによ
り、特定の活性種を周期的に発生させたり、また、特に
活性種の寿命より短い周期で可変するパルス変調をさせ
ることにより、複数の活性種を同時に生成させることも
可能である。
【００２４】このプラズマを用いて適当なラジカル種、
イオン種を選択することにより半導体基板（例えばＳ
ｉ）上の絶縁膜や、回路のエッチング加工を行うことが
できることはもちろん、選択したラジカル種、イオン種
を基板表面に堆積し、配線層の層間絶縁膜を形成するこ
とも可能である。
イオン種を選択することにより半導体基板（例えばＳ
ｉ）上の絶縁膜や、回路のエッチング加工を行うことが
できることはもちろん、選択したラジカル種、イオン種
を基板表面に堆積し、配線層の層間絶縁膜を形成するこ
とも可能である。
【００２５】処理ガスとしては、半導体素子の絶縁膜を
プラズマエッチングする場合は、特にプラズマ中にハロ
ゲンラジカル、ハロゲンイオンを発生する処理ガスを好
適に用いることができる。例えば、ＣＦ4、Ｃ4Ｆ8、Ｃ
ＨＦ3、Ｃ2Ｆ6、Ｃｌ2、ＨＢｒ、ＢＣｌ3等が挙げられ
る。またこの処理ガスに、生成ラジカル種、イオン種の
種類や濃度の制御の目的で、Ｏ2、Ｈ2、Ｎ2、Ｈｅ、Ａ
ｒ、Ｘｅ等のガスを添加することは可能であり、プロセ
スに応じた混合ガスを用いることができる。
プラズマエッチングする場合は、特にプラズマ中にハロ
ゲンラジカル、ハロゲンイオンを発生する処理ガスを好
適に用いることができる。例えば、ＣＦ4、Ｃ4Ｆ8、Ｃ
ＨＦ3、Ｃ2Ｆ6、Ｃｌ2、ＨＢｒ、ＢＣｌ3等が挙げられ
る。またこの処理ガスに、生成ラジカル種、イオン種の
種類や濃度の制御の目的で、Ｏ2、Ｈ2、Ｎ2、Ｈｅ、Ａ
ｒ、Ｘｅ等のガスを添加することは可能であり、プロセ
スに応じた混合ガスを用いることができる。
【００２６】プラズマを用いて半導体素子上に絶縁膜を
形成する場合は、プリカーサとなるラジカルを生成する
すべての処理ガスを使用できる。例えばＣＨ4、Ｃ
2Ｆ4、ＳｉＨ4、ＡｌＣｌ3、ＴｉＣｌ4、ＷＦ4等のガス
が挙げられる。
形成する場合は、プリカーサとなるラジカルを生成する
すべての処理ガスを使用できる。例えばＣＨ4、Ｃ
2Ｆ4、ＳｉＨ4、ＡｌＣｌ3、ＴｉＣｌ4、ＷＦ4等のガス
が挙げられる。
【００２７】上記のプラズマ処理方法を実現する装置
は、プラズマ生成室に高周波プラズマを発生させるプラ
ズマ発生手段と、このプラズマ生成室に電子ビームを照
射する電子ビーム照射手段とを具備するプラズマ処理装
置となる。プラズマ発生手段としては、ＵＨＦプラズ
マ、ＥＣＲプラズマ、誘導結合プラズマ、ヘリコン波プ
ラズマ等高周波をもちいたプラズマ発生手段を用いるこ
とができる。また、電子ビームは、１〜１００ｅＶの範
囲のエネルギーを持った電子ビームを注入できるもので
あれば、特に限定されない。図１、図３、図４に、本発
明の一実施形態であるプラズマ処理装置の模式図であ
る。これらの例では、ＵＨＦプラズマ発生手段を用いた
エッチング装置であるが、特にこれらに限定されない。
は、プラズマ生成室に高周波プラズマを発生させるプラ
ズマ発生手段と、このプラズマ生成室に電子ビームを照
射する電子ビーム照射手段とを具備するプラズマ処理装
置となる。プラズマ発生手段としては、ＵＨＦプラズ
マ、ＥＣＲプラズマ、誘導結合プラズマ、ヘリコン波プ
ラズマ等高周波をもちいたプラズマ発生手段を用いるこ
とができる。また、電子ビームは、１〜１００ｅＶの範
囲のエネルギーを持った電子ビームを注入できるもので
あれば、特に限定されない。図１、図３、図４に、本発
明の一実施形態であるプラズマ処理装置の模式図であ
る。これらの例では、ＵＨＦプラズマ発生手段を用いた
エッチング装置であるが、特にこれらに限定されない。
【００２８】図１では、一方向から、電子ビームを照射
する照射手段を有している。この装置においては、数ｍ
Ｔｏｒｒの圧力のプラズマを発生させる場合用いること
ができる。すなわちこの場合平均自由行程が、数ｃｍ程
度になり磁場が発生が発生しないＵＨＦプラズマでは、
電子ビームから注入した電子が拡散しやすくプラズマ密
度が不均一になりにくいためである。
する照射手段を有している。この装置においては、数ｍ
Ｔｏｒｒの圧力のプラズマを発生させる場合用いること
ができる。すなわちこの場合平均自由行程が、数ｃｍ程
度になり磁場が発生が発生しないＵＨＦプラズマでは、
電子ビームから注入した電子が拡散しやすくプラズマ密
度が不均一になりにくいためである。
【００２９】図３は、プラズマ密度が不均一にならない
ように電子ビームの配置、個数を工夫したものである。
図３（ａ）は、上からみた平面図で、図３（ｂ）は、横
から見た断面図を示す。このように、４方向から、電子
ビームを照射する照射手段を備えたプラズマ処理装置で
ある。プラズマ圧力が高くなり、ＵＨＦプラズマで生成
する電子量と電子ビームを用いて注入する電子量が同程
度、またはそれ以上である場合に有効な装置である。
ように電子ビームの配置、個数を工夫したものである。
図３（ａ）は、上からみた平面図で、図３（ｂ）は、横
から見た断面図を示す。このように、４方向から、電子
ビームを照射する照射手段を備えたプラズマ処理装置で
ある。プラズマ圧力が高くなり、ＵＨＦプラズマで生成
する電子量と電子ビームを用いて注入する電子量が同程
度、またはそれ以上である場合に有効な装置である。
【００３０】図４は、図３の場合と同じ理由により、プ
ラズマ密度が不均一になりやすい場合に、有効なプラズ
マ処理装置である。このように、基板に対向する面から
電子ビームを照射する手段を有している。図４（ａ）
は、上からみた平面図で、図４（ｂ）は、横から見た断
面図を示す。
ラズマ密度が不均一になりやすい場合に、有効なプラズ
マ処理装置である。このように、基板に対向する面から
電子ビームを照射する手段を有している。図４（ａ）
は、上からみた平面図で、図４（ｂ）は、横から見た断
面図を示す。
【００３１】（実施形態１）第一の実施形態は、本発明
のプラズマ処理方法を用いて、ＳｉＯ2コンタクトホー
ルエッチングを行う例である。プラズマ処理装置として
は、前述の図１の装置を用いる。放電周波数として、５
００ＭＨｚの周波数を用いてプラズマを発生させる。ま
た、本実施形態では、処理ガスとしてＣ4Ｈ8ガスを用い
ている。
のプラズマ処理方法を用いて、ＳｉＯ2コンタクトホー
ルエッチングを行う例である。プラズマ処理装置として
は、前述の図１の装置を用いる。放電周波数として、５
００ＭＨｚの周波数を用いてプラズマを発生させる。ま
た、本実施形態では、処理ガスとしてＣ4Ｈ8ガスを用い
ている。
【００３２】図２（ａ）に示すように、このプラズマの
電子エネルギー分布は、主に約３ｅＶの低エネルギー電
子が多量に存在することを示している。このエネルギー
分布は、Ｃ4Ｈ8におけるＣ−Ｆ結合（３ｅＶ）のみを解
離させることができるエネルギーを供給できる。一方、
酸化膜エッチングでは、Ｓｉ−Ｏ結合を切断するためＣ
Ｆ3 +などのイオンによる衝突が必要であり、またエッチ
ング速度はその密度で決まってくる。ＣＦ3 +イオンのイ
オン化エネルギーは10ｅＶ以上であり、高密度イオンを
生成するためには１０ｅＶ以上の高エネルギー電子が多
量に必要になる。そこで、図２（ａ）の破線（ＥＢ）に
示すイオン化エネルギーに対応する１０ｅＶ以上のエネ
ルギーを持った電子を高密度に注入する。この結果、新
たに得られた電子エネルギーの分布を、図２（ｂ）に示
す。このように、電子ビームによってＵＨＦの電界では
加速されないので、電子エネルギー分布はＵＨＦ電界に
よって形成された低エネルギー電子群と電子ビームによ
って形成された高エネルギー電子群とにより構成され
る。この時の電子ビームによる注入電子密度はＵＨＦプ
ラズマで生成される電子密度の１０から２０％程度の密
度となる。つまり、１０11ｃｍ-3程度のＵＨＦプラズマ
密度に対して１０10ｃｍ-3程度となる。
電子エネルギー分布は、主に約３ｅＶの低エネルギー電
子が多量に存在することを示している。このエネルギー
分布は、Ｃ4Ｈ8におけるＣ−Ｆ結合（３ｅＶ）のみを解
離させることができるエネルギーを供給できる。一方、
酸化膜エッチングでは、Ｓｉ−Ｏ結合を切断するためＣ
Ｆ3 +などのイオンによる衝突が必要であり、またエッチ
ング速度はその密度で決まってくる。ＣＦ3 +イオンのイ
オン化エネルギーは10ｅＶ以上であり、高密度イオンを
生成するためには１０ｅＶ以上の高エネルギー電子が多
量に必要になる。そこで、図２（ａ）の破線（ＥＢ）に
示すイオン化エネルギーに対応する１０ｅＶ以上のエネ
ルギーを持った電子を高密度に注入する。この結果、新
たに得られた電子エネルギーの分布を、図２（ｂ）に示
す。このように、電子ビームによってＵＨＦの電界では
加速されないので、電子エネルギー分布はＵＨＦ電界に
よって形成された低エネルギー電子群と電子ビームによ
って形成された高エネルギー電子群とにより構成され
る。この時の電子ビームによる注入電子密度はＵＨＦプ
ラズマで生成される電子密度の１０から２０％程度の密
度となる。つまり、１０11ｃｍ-3程度のＵＨＦプラズマ
密度に対して１０10ｃｍ-3程度となる。
【００３３】この電子エネルギー分布により、低解離ラ
ジカル生成と高イオン化を同時に実現でき、酸化膜エッ
チングの異方性と高速性、選択性を両立可能であり、５
０００（A/min）以上のエッチング速度と選択比１００
以上を両立できる。
ジカル生成と高イオン化を同時に実現でき、酸化膜エッ
チングの異方性と高速性、選択性を両立可能であり、５
０００（A/min）以上のエッチング速度と選択比１００
以上を両立できる。
【００３４】（実施形態２）第二の実施形態は図５に示
すように本発明をフルオロカーボンガスを用いて層間絶
縁膜であるアモルファスカーボン膜を堆積する場合に本
発明のプラズマ処理方法を適用するものである。
すように本発明をフルオロカーボンガスを用いて層間絶
縁膜であるアモルファスカーボン膜を堆積する場合に本
発明のプラズマ処理方法を適用するものである。
【００３５】アモルファス膜は配線層の層間絶縁膜とし
て用いられ、今後のデバイスで配線遅延を少なくする低
誘電率膜として注目されている。その堆積はフルオロカ
ーボンガスを用いたプラズマにより行われ、酸化膜エッ
チング同様にＣＦxラジカルがプリカーサとなる。
て用いられ、今後のデバイスで配線遅延を少なくする低
誘電率膜として注目されている。その堆積はフルオロカ
ーボンガスを用いたプラズマにより行われ、酸化膜エッ
チング同様にＣＦxラジカルがプリカーサとなる。
【００３６】このフルオロカーボンガスを用いて形成さ
れた膜については、膜中のＦ濃度が、耐熱性と低誘電率
の性能を決定する要因であり、Ｆ濃度が高いほど４００
度以上の耐熱性が高くない、また誘電率も低くなる。低
誘電率と耐熱性を両立するためにはＣＦラジカルを主に
生成するプラズマが必要となる。
れた膜については、膜中のＦ濃度が、耐熱性と低誘電率
の性能を決定する要因であり、Ｆ濃度が高いほど４００
度以上の耐熱性が高くない、また誘電率も低くなる。低
誘電率と耐熱性を両立するためにはＣＦラジカルを主に
生成するプラズマが必要となる。
【００３７】また同時に、層間絶縁膜を堆積する際に
は、下地凹凸への埋め込み性も重要であり、ＣＦ2、Ｃ
Ｆ3ラジカルに比べると吸着係数の小さいＣＦラジカル
が有効である。
は、下地凹凸への埋め込み性も重要であり、ＣＦ2、Ｃ
Ｆ3ラジカルに比べると吸着係数の小さいＣＦラジカル
が有効である。
【００３８】ここでＵＨＦプラズマで生成されるプラズ
マの電子エネルギー分布では低エネルギーであるために
ＣＦ2、ＣＦ3が主体となる。そこで、ＣＦ2、ＣＦ3から
Ｆを解離してＣＦを生成させるために必要なエネルギー
を有した電子ビームを注入する事によりＣＦラジカルの
選択生成を行う。図５においては、電子ビーム（ＥＢ）
から、電子エネルギーを供給し、解離を進めＣＦをより
多く含む膜形成を行っている模式図である。本実施形態
では、図１の装置を用いて、２０ｅＶのエネルギーの電
子ビームを注入し、膜形成を行う。
マの電子エネルギー分布では低エネルギーであるために
ＣＦ2、ＣＦ3が主体となる。そこで、ＣＦ2、ＣＦ3から
Ｆを解離してＣＦを生成させるために必要なエネルギー
を有した電子ビームを注入する事によりＣＦラジカルの
選択生成を行う。図５においては、電子ビーム（ＥＢ）
から、電子エネルギーを供給し、解離を進めＣＦをより
多く含む膜形成を行っている模式図である。本実施形態
では、図１の装置を用いて、２０ｅＶのエネルギーの電
子ビームを注入し、膜形成を行う。
【００３９】（実施形態３）第三の実施形態は、電子ビ
ームを変調させる以外は、実施形態１とまったく同じ方
法で、基板処理を行う。本実施形態は、ＵＨＦプラズマ
による放電は連続のままにして、注入する電子ビームを
変調させることで、時間的に活性種の制御を行うもので
ある。酸化膜ＳｉＯ2エッチングには、ＣＦ3 +イオンが
高密度に必要であるが、下地であるＳｉやＳｉ3Ｎ4が露
出した場合には、イオンによる衝撃を最低限に抑えた
い。そのため、ＳｉＯ2エッチング中には、実施形態１
のように高エネルギー電子ビームを注入し、下地のＳｉ
やＳｉ3Ｎ4が露出下時点で電子ビーム注入をＯＦＦにす
ることで、下地に対する選択性を向上させる事ができ
る。
ームを変調させる以外は、実施形態１とまったく同じ方
法で、基板処理を行う。本実施形態は、ＵＨＦプラズマ
による放電は連続のままにして、注入する電子ビームを
変調させることで、時間的に活性種の制御を行うもので
ある。酸化膜ＳｉＯ2エッチングには、ＣＦ3 +イオンが
高密度に必要であるが、下地であるＳｉやＳｉ3Ｎ4が露
出した場合には、イオンによる衝撃を最低限に抑えた
い。そのため、ＳｉＯ2エッチング中には、実施形態１
のように高エネルギー電子ビームを注入し、下地のＳｉ
やＳｉ3Ｎ4が露出下時点で電子ビーム注入をＯＦＦにす
ることで、下地に対する選択性を向上させる事ができ
る。
【００４０】（実施形態４）実施形態３と同様に、ＵＨ
Ｆプラズマによる放電は連続のままにして、注入する電
子ビームを変調させることで、時間的に活性種の制御を
行うものである。但し、本実施形態では、図６（ａ）に
示すように、電子ビームをパルス変調させることを特徴
とする。
Ｆプラズマによる放電は連続のままにして、注入する電
子ビームを変調させることで、時間的に活性種の制御を
行うものである。但し、本実施形態では、図６（ａ）に
示すように、電子ビームをパルス変調させることを特徴
とする。
【００４１】この図においては、横軸を時間軸とし、縦
軸を無単位量の増減を示す模式図である。ＵＨＦパワー
をある時刻に立ち上げ、その後パワーを一定に保ち、連
続してプラズマを発生させる。一方電子ビームについて
は、パワーを０と活性種Ａイオンを発生させるのに必要
なエネルギーとの間で可変させるパルス変調を行う。こ
の際に、ＵＨＦプラズマにより発生する活性種Ｂラジカ
ルの濃度と電子ビームにより発生する活性種Ａイオンの
濃度がプラズマ中で増減する。
軸を無単位量の増減を示す模式図である。ＵＨＦパワー
をある時刻に立ち上げ、その後パワーを一定に保ち、連
続してプラズマを発生させる。一方電子ビームについて
は、パワーを０と活性種Ａイオンを発生させるのに必要
なエネルギーとの間で可変させるパルス変調を行う。こ
の際に、ＵＨＦプラズマにより発生する活性種Ｂラジカ
ルの濃度と電子ビームにより発生する活性種Ａイオンの
濃度がプラズマ中で増減する。
【００４２】図６（ａ）に示すように、電子ビームの注
入エネルギーを、活性種Ａイオンの寿命より短い周期で
パルス変調させているために、活性種Ｂラジカルととも
に、活性種Ａイオンが常にプラズマ中に発生させること
ができる。
入エネルギーを、活性種Ａイオンの寿命より短い周期で
パルス変調させているために、活性種Ｂラジカルととも
に、活性種Ａイオンが常にプラズマ中に発生させること
ができる。
【００４３】図６（ｂ）では、電子ビームの注入エネル
ギーを可変させない場合の、活性種Ａイオンと活性種Ｂ
ラジカルの濃度増減を示す。このように、電子ビームを
可変させない場合には、電子ビームにより常に高エネル
ギーの注入があるため、解離が進み、基板処理に必要な
活性種Ｂラジカルが、プラズマ中で発生しないことを示
す。
ギーを可変させない場合の、活性種Ａイオンと活性種Ｂ
ラジカルの濃度増減を示す。このように、電子ビームを
可変させない場合には、電子ビームにより常に高エネル
ギーの注入があるため、解離が進み、基板処理に必要な
活性種Ｂラジカルが、プラズマ中で発生しないことを示
す。
【００４４】複数の活性種（イオン、ラジカル）を同時
に生成させたい場合、その生成エネルギーに対応した電
子ビームを活性種の寿命より短い周期でエネルギーを可
変する変調を加えることで、定常的には複数の活性種が
生成され、その周期やエネルギーにより活性種とその濃
度比率を制御することができるようになる。
に生成させたい場合、その生成エネルギーに対応した電
子ビームを活性種の寿命より短い周期でエネルギーを可
変する変調を加えることで、定常的には複数の活性種が
生成され、その周期やエネルギーにより活性種とその濃
度比率を制御することができるようになる。
【００４５】
【発明の効果】本発明はプラズマ中で発生するラジカル
種、イオン種およびその濃度比率を、高周波電界によっ
て生成されたプラズマ中に電子ビームを注入すること
で、任意に制御できる。このプラズマ処理方法を用い
て、半導体素子のエッチング加工を行う場合、酸化膜や
窒化膜を半導体基板（例えばＳｉ）に対して高選択比で
異方エッチングすることが可能となり、またマイクロロ
ーディング効果（エッチング径が小さくなるに連れてエ
ッチング深さが減少する減少）を抑えることが可能とな
る。またこのプラズマ処理方法を用いて、半導体素子に
膜を堆積させる場合、堆積するラジカル種を選択的に制
御することが可能となり、膜質や体積速度を高精度に制
御することができる。
種、イオン種およびその濃度比率を、高周波電界によっ
て生成されたプラズマ中に電子ビームを注入すること
で、任意に制御できる。このプラズマ処理方法を用い
て、半導体素子のエッチング加工を行う場合、酸化膜や
窒化膜を半導体基板（例えばＳｉ）に対して高選択比で
異方エッチングすることが可能となり、またマイクロロ
ーディング効果（エッチング径が小さくなるに連れてエ
ッチング深さが減少する減少）を抑えることが可能とな
る。またこのプラズマ処理方法を用いて、半導体素子に
膜を堆積させる場合、堆積するラジカル種を選択的に制
御することが可能となり、膜質や体積速度を高精度に制
御することができる。
【図１】本発明のプラズマ処理装置の一実施形態を示す
模式図である。
模式図である。
【図２】本発明のプラズマ処理方法によるプラズマ中の
電子エネルギー分布の一例を示す。
電子エネルギー分布の一例を示す。
【図３】本発明のプラズマ処理装置の一実施形態を示す
模式図である。
模式図である。
【図４】本発明のプラズマ処理装置の一実施形態を示す
模式図である。
模式図である。
【図５】本発明のプラズマ処理方法により半導体素子に
絶縁膜を堆積させている様子を示す模式図である。
絶縁膜を堆積させている様子を示す模式図である。
【図６】本発明の一実施形態である電子ビームのパルス
変調の様子を示す模式図である。
変調の様子を示す模式図である。
─────────────────────────────────────────────────────
【手続補正書】
【提出日】平成１１年６月７日（１９９９．６．７）
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】特許請求の範囲
【補正方法】変更
【補正内容】
【特許請求の範囲】
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１０
【補正方法】変更
【補正内容】
【００１０】
【課題を解決するための手段】本発明は、プラズマを基
板に照射して基板処理を行うプラズマ処理方法であっ
て、３００ＭＨｚ以上の高周波によって発生する電場を
利用して処理ガスをプラズマ化するとともに、この発生
したプラズマに電子ビームを注入し、プラズマ中の電子
エネルギー分布を制御することを特徴とするプラズマ処
理方法に関する。
板に照射して基板処理を行うプラズマ処理方法であっ
て、３００ＭＨｚ以上の高周波によって発生する電場を
利用して処理ガスをプラズマ化するとともに、この発生
したプラズマに電子ビームを注入し、プラズマ中の電子
エネルギー分布を制御することを特徴とするプラズマ処
理方法に関する。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１２
【補正方法】変更
【補正内容】
【００１２】さらに本発明は、上記プラズマ処理方法を
用いて、半導体素子の表面に絶縁膜を堆積させる半導体
素子の加工方法に関する。さらに本発明は、プラズマ生
成室に３００ＭＨｚ以上の高周波プラズマを発生させる
プラズマ発生手段と、このプラズマ生成室に電子ビーム
を照射する電子ビーム照射手段とを具備するプラズマ処
理装置に関する。
用いて、半導体素子の表面に絶縁膜を堆積させる半導体
素子の加工方法に関する。さらに本発明は、プラズマ生
成室に３００ＭＨｚ以上の高周波プラズマを発生させる
プラズマ発生手段と、このプラズマ生成室に電子ビーム
を照射する電子ビーム照射手段とを具備するプラズマ処
理装置に関する。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 4K057 DA12 DA16 DB20 DD01 DE01 DE04 DE06 DE07 DE08 DE11 DE14 DE15 DM02 DN01 5F004 AA02 BA14 BA20 BB01 BB11 BB13 DA00 DA01 DA02 DA04 DA11 DA16 DA22 DA23 DA24 DA25 DA26 DB03 EB01
Claims (9)
- 【請求項１】 プラズマを基板に照射して基板処理を行
うプラズマ処理方法であって、高周波によって発生する
電場を利用して処理ガスをプラズマ化するとともに、こ
の発生したプラズマに電子ビームを注入し、プラズマ中
の電子エネルギー分布を制御することを特徴とするプラ
ズマ処理方法。 - 【請求項2】 前記高周波が、３００ＭＨｚ以上の高周
波であることを特徴とする請求項１記載のプラズマ処理
方法。 - 【請求項３】 前記電子ビームを時間的に変調させるこ
とを特徴とする請求項１または２記載のプラズマ処理方
法。 - 【請求項４】 前記電子ビームの変調がパルス変調であ
ることを特徴とする請求項１〜３いずれかに記載のプラ
ズマ処理方法。 - 【請求項５】 前記電子ビームのパルス変調が、電子ビ
ームによりプラズマ中に発生するラジカル種、イオン種
の寿命より短い周期で変調させるパルス変調であること
を特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のプラズマ
処理方法。 - 【請求項６】 前記電子ビームが、１〜１００ｅＶ範囲
に制御した電子ビームであることを特徴とする請求項１
〜５のいずれかに記載のプラズマ処理方法。 - 【請求項７】 請求項１〜６のいずれかに記載のプラズ
マ処理方法を用いて、半導体素子の絶縁膜のエッチング
を行う半導体素子の加工方法。 - 【請求項８】 請求項１〜６のいずれかに記載のプラズ
マ処理方法を用いて、半導体素子の表面に絶縁膜を堆積
させる半導体素子の加工方法。 - 【請求項９】 プラズマ生成室に高周波プラズマを発生
させるプラズマ発生手段と、このプラズマ生成室に電子
ビームを照射する電子ビーム照射手段とを具備するプラ
ズマ処理装置。
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP10208069A JP2991192B1 (ja) | 1998-07-23 | 1998-07-23 | プラズマ処理方法及びプラズマ処理装置 |
| US09/359,194 US6348158B1 (en) | 1998-07-23 | 1999-07-22 | Plasma processing with energy supplied |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP10208069A JP2991192B1 (ja) | 1998-07-23 | 1998-07-23 | プラズマ処理方法及びプラズマ処理装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2991192B1 JP2991192B1 (ja) | 1999-12-20 |
| JP2000038688A true JP2000038688A (ja) | 2000-02-08 |
Family
ID=16550140
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP10208069A Expired - Fee Related JP2991192B1 (ja) | 1998-07-23 | 1998-07-23 | プラズマ処理方法及びプラズマ処理装置 |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US6348158B1 (ja) |
| JP (1) | JP2991192B1 (ja) |
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| KR20110033097A (ko) * | 2009-09-23 | 2011-03-30 | 도쿄엘렉트론가부시키가이샤 | Ｄｃ 및 ｒｆ 하이브리드 처리 시스템 |
| JP2014513427A (ja) * | 2011-04-11 | 2014-05-29 | ラム リサーチ コーポレーション | 半導体処理のための電子ビーム強化式分離型プラズマ源 |
| JP2018530103A (ja) * | 2015-09-25 | 2018-10-11 | アプライド マテリアルズ インコーポレイテッドＡｐｐｌｉｅｄ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ，Ｉｎｃｏｒｐｏｒａｔｅｄ | プラズマリアクタのための遠隔プラズマ及び電子ビーム発生システム |
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