JP2000100798A - プラズマ処理装置及びプラズマ処理方法 - Google Patents

プラズマ処理装置及びプラズマ処理方法

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JP2000100798A JP11074936A JP7493699A JP2000100798A JP 2000100798 A JP2000100798 A JP 2000100798A JP 11074936 A JP11074936 A JP 11074936A JP 7493699 A JP7493699 A JP 7493699A JP 2000100798 A JP2000100798 A JP 2000100798A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 本発明は、負イオンを高密度に生成し、これ
を被処理体に入射させて、被処理体に対してエッチング
やクリーニング等を行い、高いエッチング速度や少ない
チャージアップダメージを実現できる、プラズマ処理装
置及びプラズマ処理方法を提供する。 【解決手段】 本発明のプラズマ処理装置は、真空容器
と該真空容器内に被処理体を支持する為の支持手段、と
を有するプラズマ処理装置において、前記真空容器内の
プラズマ発生空間にガスを導入する手段と、前記プラズ
マ発生空間内に前記ガスのプラズマを発生させる手段
と、前記プラズマから負イオンを引き出して被処理体に
供給する手段と、を具備したことを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、プラズマ処理装置
及びプラズマ処理方法に係る。より詳細には、負イオン
を大量に発生させるとともに、当該負イオンを被処理体
に入射させることによって、被処理体に対してエッチン
グやクリーニング等不要物の除去を行うことが可能なプ
ラズマ処理装置に関する。本発明に係るプラズマ装置
は、半導体に代表される薄膜を利用する分野の製造プロ
セスにおいて好適に用いられる。
【0002】
【従来の技術】従来のプラズマプロセスでは、例えば集
積回路プロセス技術シリーズ、半導体ドライエッチング
技術(徳山魏編著、産業図書(株)発行)、41ページ
に開示されているように、主に正イオンを利用してき
た。図9は、従来使われてきた平行平板型プラズマエッ
チング装置の一例を示す模式的な断面図である。図9に
おいて、901は高周波電源、971は高周波印加電
極、909は半導体基板、972はイオンシース、97
3はプラズマ、974は真空容器、975は接地電極、
904はプロセスガス導入口である。この装置では、プ
ラズマを生成するために高周波を印加する電極971が
真空容器974内に設置されている。また、処理される
被処理体909は、高周波が印加される電極971上に
設置されている。電極971に高周波を印加すると、平
行に配置された接地電極975と高周波印加電極971
との間に、プラズマ973が生成される。この時、プラ
ズマ973と高周波印加電極971および真空容器97
4の間には、プラズマ973中のイオンと電子の移動度
の差によりイオンシース972と呼ばれる、電子の欠乏
した領域が発生し、電極に対してプラズマは平均して正
の電位となる。高周波を印加している電極971では、
接地している電極975に比べてプラズマに対する電位
差が大きく、最大で数百Vとなることもある。このよう
なシースの電位にプラズマ973内の正イオンが加速さ
れて、被処理体909にある一定のエネルギーを持って
入射する。従来の装置は、この正イオンからなるエネル
ギー粒子を利用して、基体表面のエッチングおよびクリ
ーニングを行っていた。
【0003】しかしながら、従来用いられてきた正イオ
ンによる処理では、処理中に被処理体表面に正電荷が蓄
積する。これは、イオンと電子の熱運動による横方向の
速度差に起因するものであり、軽い電子は横方向速度大
きいため深い穴の底までは到達しないが、イオンは質量
が大きいため横方向速度が小さく、深い穴の底まで到達
するために、深い穴の底で正の電荷が蓄積すると言う現
象である。またこの帯電現象は、イオンのエネルギー衝
撃による二次電子の放出により、さらに増幅される。こ
の帯電により、電界効果トランジスタのゲート酸化膜に
絶縁耐圧以上の大きな電界がかかり絶縁破壊を起こす異
常や、レジストマスクの帯電によりクーロン力で被処理
体に入射する正イオンの軌道が曲げられ、エッチング形
状が崩れるなどの問題点が発生していた。
【0004】例えば、図2に示す断面構造を有する半導
体基板に対して、正イオンを用いクリーニング処理した
場合、シリコン基板221表面のビアホール230底に
は、自然酸化膜またはエッチングの際のイオン衝撃によ
り導入される結晶欠陥が残留しているため、このまま第
二層金属配線232を形成すると、自然酸化膜や結晶欠
陥によりビアホール230の抵抗値が上昇し、回路遅延
や配線の導通不良をもたらすことが知られている。そこ
で、これらの残留物はクリーニング等により除去する必
要がある。但し、クリーニング処理後に大気中に取り出
すと、清浄となった表面に再び自然酸化膜が成長するた
め、クリーニングから第二層金属配線232形成の間は
真空中に維持したままにするのが望ましい。従来、この
要求を満たすクリーニング方法として、プラズマを用い
る方法が広く一般的に使われている。ここで問題となる
のがプラズマによるチャージアップ現象である。このク
リーニングを従来の正イオン処理で行った場合、プラズ
マより導入された正電荷は第一層金属配線226を通っ
てゲート電極224に流れ、最終的には、シリコン基板
221とゲート電極224との間に存在するゲート酸化
膜223に電圧がかかる。この電圧が破壊電圧に達する
とゲート酸化膜223は静電破壊に至り、また破壊電圧
以下でもゲート酸化膜223に微少なトンネル電流が流
れることにより、その寿命が著しく劣化するという問題
があった。
【0005】上述したとおり、これまで、半導体製造プ
ロセスでは正イオンのみが利用され、負イオンはほとん
ど利用されていなかった。しかし、上記正イオンの問題
を解消する目的から、最近になって負性原子を含むプロ
セスプラズマ中での負イオンが注目され、負イオンを利
用するプラズマ処理方法として次に示す方法が提案され
ている。 (1)特開平8-181125号公報には、正イオンと負イオン
の交互照射による帯電のないプラズマ処理が提案されて
いる。しかしこの方法では、入射するイオンの電荷は正
負が同数であるためチャージニュートラリティーが維持
されている様に見えるが、実は上述した通り、イオンの
エネルギー衝撃による二次電子の放出が発生している。
基体表面からの二次電子放出は、入射イオンのエネルギ
ーが10eV程度以上で発生するため、エネルギー粒子
を用いたプロセスでは、二次電子放出による被処理体表
面の帯電は避けることができない。以上の事実を考慮す
ると、上記技術においても、正イオンのみによる処理に
比べれば程度は軽いものの、被処理体表面はやはり正に
帯電してしまうという問題があった。 (2)水谷等の文献[Mizutani, T. and Nishimatsu,
S.,“Sputtering Yield and Radiation Damage by Neut
ral Beam Bombardment," J. Vac, Sci. & Technol., Vo
l. A6, p1417, (1988)]には、中性粒子による帯電のな
いプラズマ処理が提案されている。しかしこの方法にお
いても、入射する粒子は電荷を持っていないが、粒子の
エネルギー衝撃による二次電子の放出は同様に起こるた
め、被処理体表面はやはり正に帯電してしまい、この問
題は依然解消されていない。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、負イオンを
連続的にかつ安定して生成するとともに、当該負イオン
を被処理体に入射させることによって、被処理体に対し
てエッチングやクリーニング等を行うことが可能であ
り、その結果、高いエッチング速度や少ないチャージア
ップダメージを実現できる、プラズマ処理装置を提供す
ることを目的とする。
【0007】
【課題を解決するための手段】本発明に係るプラズマ処
理装置は、真空容器と該真空容器内に被処理体を支持す
る為の支持手段、とを有するプラズマ処理装置におい
て、前記真空容器内のプラズマ発生空間にガスを導入す
る手段と、前記プラズマ発生空間内に前記ガスのプラズ
マを発生させる手段と、前記プラズマから負イオンを引
き出して被処理体に供給する手段と、を具備したことを
特徴とする。
【0008】本発明に係るプラズマ処理方法は、プラズ
マ発生空間内にガスを導入して発生させたプラズマを、
該プラズマ発生空間に連通するプラズマ処理空間に載置
された被処理体に照射するプラズマ処理方法において、
前記プラズマから負イオンを優先的に引き出して前記被
処理体に供給することを特徴とする。
【0009】
【発明の実施の形態】以下では、本発明に係るプラズマ
処理装置及びプラズマ処理方法の構成及びその作用につ
いて、図面を参照して説明する。
【0010】図1は、本発明に係るプラズマ処理装置の
一例を示す模式的な断面図である。図1において、10
1は高周波電源、102は電気エネルギー供給源として
のプラズマ生成用アンテナ、103はプラズマ発生空
間、104はプロセスガス導入口、105は被処理体の
処理空間、106は必要に応じて設けられる第一の予備
グリッド、107必要に応じて設けられるは第二の予備
グリッド、108はグリッド電極、109は被処理体、
110は絶縁板、111は被処理体の支持台、112は
プラズマ、113は排気手段、114は排気系である。
【0011】図1のプラズマ処理装置では、以下の手順
によって被処理体に対してプラズマ処理が行われる。
【0012】まず、プロセスガス導入口104よりプラ
ズマ生成室103の中にフッ素、塩素、臭素、沃素等の
ハロゲン元素を含むガス又は酸素を含むガスを導入する
とともに、プラズマ生成用アンテナ102に高周波電力
を印加することによりプラズマを生成する。そして、プ
ラズマ発生空間103から見て下流側に位置する被処理
体の処理空間105に生成したプラズマを拡散させる。
ここで用いるプラズマの発生方法は、平行平板型、IC
P(Inductive Coupling Plasma)型、マグネトロン
型、ECR(Electron Cyclotron Resonance)型、ヘリ
コン波型、表面波型、平板マルチスロットアンテナによ
る表面波干渉型、RLSA(Radial LineSlot Antenn
a)型の何れでも良いが、プラズマ発生空間103から
見て下流側に位置する処理空間105に生成したプラズ
マ112を拡散させる際に、プラズマ密度が減少するこ
とを考えると、プラズマ密度は可能な限り高い方が好ま
しい。また図1ではプラズマ発生空間103と処理空間
105を同一の排気手段113及び排気系114で排気
しているが、高いプラズマ密度と最適な被処理体の処理
を同時に実現するために、プラズマ発生空間103と処
理空間105を個別の排気手段及び排気系で排気しても
構わない。
【0013】負イオンが発生する過程は、以下の通りで
ある。
【0014】まず、図10に、正イオン、負イオン、電
子密度の、プラズマからの距離依存性を示す。同図に示
す通り、プラズマ発生部では正イオンと電子が生成され
ているが、プラズマ生成部から離れた場所では、拡散の
過程で正イオンと電子の再結合や、中性原子、分子と電
子の結合による負イオンの生成が起こる。
【0015】ハロゲン分子への電子の付着断面積は、例
えば文献(H.Healey Phil. Mag.26,940(1938)及びM.V.K
urepa and D.S.Belic J.Phys. B:Molec. Phys.Vol.11,
PP3719-3729(1978))に記述されている。H.Healey Phi
l. Mag.26, 940(1938)の結果を図11に示す。同図よ
り、ハロゲン系分子への電子付着解離断面積は、約2e
Vにピークを持つことが分かる。電子付着解離の反応式
は以下の通りである。
【0016】反応式:X2+e-→X++X-+e- ここで、Xはハロゲン元素を表す。以上の反応により、
負イオンが生成される。
【0017】通常、半導体製造プロセスに使用されるプ
ラズマの電子温度は、5eV程度である。
【0018】しかし、プラズマ発生部より下流に拡散す
るプラズマ中の電子は、電場からのエネルギーが与えら
れていないため電子温度が低くなり、中性分子との結合
確率が高くなる。また、電気陰性度の高い負性ガス、例
えばフッ素、塩素、臭素、沃素等のハロゲンガスのプラ
ズマ中では、中性原子、分子と電子の結合が起こりやす
く、負イオンが多量に生成される。
【0019】以上のようにして生成された、負イオンを
多量に含むプラズマより負イオンのみを取り出すため
に、1つの例では、真空容器中にグリッド電極108を
設ける。そして必要に応じて第一の予備グリッド電極1
06及び第二の予備グリッド電極107を設置する。
又、グリッド電極を設けずに被処理体の支持台111に
正の電圧を印加してもよいし、グリッド1つだけにして
それに正の電圧を印加してもよい。例えば、第一、第二
の予備グリッド電極それぞれにV1,V2の正の直流電圧
を印加し、その電圧はV2>V1>Vp>0となるように
する。ここでVpはプラズマポテンシャルであり、通常
は数Vの値を示す。このようなグリッド電極の配置によ
り、負イオンはV2−Vp(eV)というエネルギーで加
速され、2枚のグリッドに対して垂直方向かつ被処理体
109の方向に引き出される。V1,V2の値を調整する
ことにより、負イオンのエネルギーを任意に調整するこ
とが可能である。
【0020】ところで、中性粒子を利用するプラズマ処
理装置としては、例えば特開平9−82689号公報に
も同様にプラズマ下流に2枚のグリッドを有する構造が
示されているが、中性粒子を取り出すためには2枚のグ
リッドに逆の極性の電位を与えている。これに対して、
本発明に係る装置は、負イオンを取り出すために、2枚
のグリッドの両方に正の電位を与えるという点で異なっ
ている。
【0021】また図1では負イオン引き出し用として3
つのグリッド電極を設置する例を示したが、負イオン引
き出しのためには、最低限1枚以上のグリッド電極があ
れば良い。このようにして引き出された負イオンの下流
方向に被処理体の支持台111を設置する。
【0022】さらに、支持台111の直前に配されてい
るグリッド電極108は二次電子捕獲の役目もになう。
この場合は、支持台111とグリッド電極108のそれ
ぞれに正の直流電圧Vs,V3を印加し、V3>Vs>0と
なるように電圧値を設定する。
【0023】従って、プラズマ中より引き出された負イ
オンは、Vs−Vp(eV)のエネルギーを持って、被処
理体109に入射する。また、被処理体109の表面よ
り放出された二次電子は、V3−Vsの電位に加速されて
二次電子捕獲用として機能するグリッド108に捕獲さ
れ、被処理体109の表面に過剰の負の電荷がたまるの
を防止することができる。ゆえに、本発明に係る装置で
は、V3,Vsの電位を調整することにより、被処理体1
09への負イオンの入射エネルギーおよび基体表面から
の二次電子放出量を任意に調整することが可能である。
また、支持台111上に直接被処理体109を設置する
と、被処理体109の表面に蓄積した負電荷が被処理体
109上に形成されたゲート酸化膜(不図示)を通して
支持台111に流れ込み、結果としてゲート酸化膜破壊
をもたらす。この防止効果より向上させるため、支持台
111と被処理体109との間に絶縁性の板110を設
置する。絶縁性板110の材質としては、例えばアルミ
ナ、窒化アルミニウムなどが考えられるが、絶縁性であ
り且つプラズマ耐性が高い性質を有している材料は全て
適用することが可能である。
【0024】本発明に係る装置を用い、被処理体を負イ
オンのみを用いてプラズマ処理する利点は以下の通りで
ある。
【0025】負イオンが被処理体(例えば半導体基
板)に入射しても、入射エネルギーが10eV以上あれ
ば二次電子が放出されるため、被処理体の負への帯電は
防がれる。また、入射エネルギーが数十eV以上とな
り、二次電子の放出数が2個以上となった場合でも、参
考文献(応用物理、第65巻、第6号(1996)、5
87ページ)によると、正に帯電した被処理体に電子が
引き戻される作用が働くため、電圧は数Vで安定すると
いう効果が期待できる。特開平7−122539号公報
では、20eV以下の低エネルギーイオンによる処理が
提案されているが、20eV以上のエネルギーでも上記
帯電抑制効果は失われることはない。
【0026】また、負イオンが入射した被処理体の表
面の温度は、正イオンが入射した場合に比べて低いとい
う利点がある。これは、正イオンが中性原子に戻る反応
は17eVの発熱反応であるのに対し、負イオンが中性
原子に戻る反応は3eVの吸熱反応であることに起因し
ている。その結果、負イオンが被処理体に入射しても、
イオン入射点近傍での局所的な基体の表面温度が正イオ
ン入射の時と比べて低くなるので、基体に対する熱的な
ダメージ(例えば結晶の乱れやフォトレジストマスクの
変質など)を小さく抑えることができる。
【0027】上述したように、本発明に係るプラズマ処
理装置では、負イオンを用いることにより、被処理体の
表面の帯電がなく、ゲート酸化膜の静電破壊やイオンの
曲がりによるエッチング形状異常のない、また、被処理
体に対する熱的なダメージが少ない、良好なプラズマ処
理が実現できる。
【0028】本発明に用いられるプラズマ化されるガ
ス、即ち負イオンの源となるガスは、ハロゲン元素を含
むガス、酸素を含むガスである。
【0029】具体的にはF2、Cl2、I2、Br2、等の
ハロゲン元素単体ガス、CF4、C26、C38、CC
22、CBrF3、CCl4、C2Cl24、BCl3
NF3等のハロゲン化合物ガス、O2、O3等の酸素を含
むガスである。
【0030】本発明に用いられる支持台やグリッド電極
に与えられる電圧は、被処理体に負イオンを優先的に供
給し得るに充分な電圧である。具体的には支持台に印加
される電圧は、好ましくは+50V〜+200V、より
好ましくは+80V〜+200Vである。
【0031】グリッド電極に印加される電圧は、好まし
くは+20V〜+200V、より好ましくは+80V〜
+200Vである。
【0032】グリッドを図1のように複数にしたり、支
持台とグリッドの両方に負イオン供給の為の電圧を印加
する場合には、上述の相対関係を保つようにすること
が、望ましい。
【0033】そして、本発明による処理としては、エッ
チング、アッシング、クリーニング等の不要物の除去処
理である。
【0034】具体的には、シリコン、酸化シリコン、窒
化シリコン等のシリコン及びシリコン化合物のエッチン
グ、金属(合金も含む)シリサイド等のエッチング、フ
ォトレジストのアッシング、フォトレジストの変質硬化
膜のアッシングやクリーニング、半導体や絶縁体やシリ
サイドや金属からなる表面上の異物のクリーニング、自
然酸化膜の除去等である。
【0035】図4は、ゲート電極形成のためのドライエ
ッチング工程の中のオーバーエッチングステップにおけ
る基板の断面構造を示す模式図である。図4において、
421は基板、423は絶縁膜、424は電極、431
はフォトレジストマスク、432は正イオン、433は
負イオン、434は電子、435はノッチング、436
は二次電子である。ここで、オーバーエッチングステッ
プとは、電極424のエッチングがほとんど終了した
後、ウエハ面内の均一性などの問題から、部分的に残留
した僅かなゲート電極膜を完全に除去するために行う過
剰な時間のエッチングのことである。
【0036】図4(a)は、正イオンを用いドライエッ
チングした場合を示す模式的な断面図である。交流電場
1周期の間で正イオン432と電子434が交互に基板
421に入射することにより、基板421表面の帯電量
を一定に保っている。しかし、電子434は正イオン4
32に比べて質量が軽くその軌道を容易に曲げられるた
め、図4(a)に示すように、断面形状の縦横比(アス
ぺクト比)の大きい、即ち深い穴の底には電子434よ
りも正イオン432の到達量が多くなり、正に帯電して
しまう。その結果、図4(a)に示すような密集して並
んだ配線の一番外の配線では、配線のない領域との間に
電位差が発生し、その電界でイオンが曲げられることに
より、ノッチング435と呼ばれる形状異常が発生す
る。
【0037】一方、図4(b)は上記工程に負イオンを
適用した場合である。図4(b)に示すように、負イオ
ン433は質量が大きいため、アスぺクト比に依存せず
均一に基板421表面に入射し、基板421表面は僅か
に負に帯電する。負イオン入射により発生する二次電子
436は、負に帯電した基板421表面に再付着するこ
とはなく、二次電子捕獲用グリッド(不図示)に捕獲さ
れ、基板421表面が大きく正または負に帯電すること
はない。このように、負イオンのみを用いた処理を行う
ことにより基板421表面が均一に負に帯電している状
況では、局所的な電界の発生によりイオンの軌道が曲げ
られることはなく、形状異常のないゲート電極の加工が
達成されると考えられる。
【0038】
【実施例】以下に実施例をあげて本発明をより詳細に説
明するが、本発明がこれら実施例に限定されることはな
い。
【0039】(実施例1)本例では、図1に示す装置
を、半導体製造プロセスにおける多層配線の、異なる配
線層間を接続するビアホール形成プロセスにおいて、上
層金属配線を成膜する前のクリーニングプロセスに適用
した例を示す。その際、被処理体109としては、図2
に示す断面構造を形成するため半導体基板を用いた。図
2において、221はシリコン基板、222は素子分離
絶縁膜、223はゲート酸化膜、224はゲート電極、
225は第一層間酸化膜、226は第一層金属配線、2
27は第一層金属配線のバリアメタル、228は第一層
金属配線の反射防止膜、229は第二層間酸化膜、23
0はドライエッチングにより形成したビアホール、23
1は反射防止膜表面の薄い酸化層である。
【0040】第2層間酸化膜まで形成された半導体基板
221を、図1に示した装置の基体支持台111上に設
置した。
【0041】その後、排気手段113により排気系11
4を介してプラズマ発生空間103及び処理空間105
を排気し、各室内の真空度が5×10-6Torrとなる
まで減圧した。次いで、プラズマ発生空間103にガス
を導入する手段であるプロセスガス導入口104から、
プラズマ発生空間103内にSF6ガス150sccm
を供給し、排気系114に設置されたスロットルバルブ
(不図示)を調整して圧力を50mTorrに設定し
た。そして、ガスに電気エネルギーを供給し、プラズマ
発生空間103内にプラズマを発生させる手段であるプ
ラズマ生成アンテナ102に、13.56MHzの高周
波電源101から1kWの電力を供給し、プラズマ発生
空間103内にプラズマ112を発生させた。
【0042】ここで生成した電子は、下流側に拡散する
に従い徐々に温度が低下し、Fラジカルへの付着やSF
x(x=1〜6)分子との付着解離が起こり、F-イオン
を生成する。生成した負イオンを取り出すため、第1の
予備グリッド106に接地電位に対して+50V、第2
の予備グリッド107に接地電位に対して+75Vの直
流電圧を印加した。更に、半導体基板支持台111には
接地電位に対して+100V、グリッド電極108には
接地電位に対して+105Vの直流電圧を印加した。下
流に拡散したプラズマの電位は1V程度になっていると
考えられるため、上記電圧を各予備グリッド及びグリッ
ド電極に印加した場合、半導体基板109には約100
eVのエネルギーで負イオンを入射させていることにな
る。
【0043】以上に示したフッ素負イオンによるプラズ
マエッチング処理を基板109に対して30秒間実施し
た後、基板109を大気に曝すことなく真空に保持した
まま金属配線成膜室(不図示)へと移動し、第2層金属
配線の堆積を行った。更に、フォトレジストによるパタ
ーニング及びドライエッチング等の工程を経て、第2層
金属配線を形成し、半導体素子の特性を評価した(不図
示)。
【0044】(比較例1)本例では、図9に示した従来
の装置及び従来の方法を用い、被処理体を正イオンでク
リーニング処理した点が、実施例1と異なる。他の点
は、実施例1と同様とした。
【0045】図3は、ビアホールのクリーニング処理を
行った半導体素子の、ゲート酸化膜が破壊に至る電荷
(Qbd)を調査した結果を示すグラフであり、(a)は
従来方法(比較例1)を用いた場合、(b)は本発明の
方法(実施例1)を用いた場合を示す。図3より、従来
方法で作製した素子は、電荷(Qbd)が0(C)や10
(C)でも破壊に至る素子が発生した。これに対して、
本発明を用いて作製した素子は、ゲート酸化膜の性能劣
化を起こした素子は全くないことが分かった。
【0046】このように、本発明である負イオンのみに
よる処理を行った場合、第一層金属配線226の電位は
半導体素子の動作電圧である数V以下に抑えられるた
め、静電破壊はもちろん起こらず、またその寿命もほと
んど劣化することはないことが明らかとなった。
【0047】(実施例2)本例では、半導体製造プロセ
スにおける、ゲート電極形成工程に塩素ガスの負イオン
を適用した例を示す。その際、実施例1と同様に、プロ
セス装置としては図1の装置を用いた。
【0048】Siウエハ表面のゲート酸化膜上にゲート
電極膜を300nm堆積後に、フォトレジストでパター
ニングした構造を持った基板(不図示)を、図1に示し
た装置の基板支持台111上に設置した。その後、排気
系を介してプラズマ発生空間103及び処理空間105
を排気し、その真空度が5×10-6Torrとなるまで
減圧した。
【0049】次に、プラズマ発生空間103内にCl2
ガス100sccm、HBrガス50sccmを供給
し、排気系に設置されたスロットルバルブを調整して圧
力を20mTorrに設定した。ここで、13.56M
Hzの高周波電源101より、プラズマ生成アンテナ1
02に1kWの電力を供給し、プラズマ発生空間103
内にプラズマを発生させた。ここで生成した電子は、下
流側に拡散するに従い徐々に温度が低下し、Cl、Br
ラジカルへの付着やCl2,HBr分子との付着解離が
起こり、Cl-、Br-イオンを生成する。生成した負イ
オンを取り出すため、第1の予備グリッド106に接地
電位に対して+40V、第2の予備グリッド107に接
地電位に対して+60Vの直流電圧を印加した。
【0050】更に、半導体基板支持台111には接地電
位に対して+80V、グリッド電極108には接地電位
に対して+85Vの直流電圧を印加した。下流に拡散し
たプラズマの電位は1V程度になっていると考えられる
ため、上記電圧を各グリッドに印加した場合、半導体基
板109には約80eVのエネルギーで負イオンを入射
させていることになる。プラズマ発光強度をモニターし
ながら、以上に示した塩素及び臭素負イオンによる処理
を行った所、約35秒でエッチングの終点を検出した。
【0051】その後、ガス流量をCl2ガス75scc
m、HBrガス75sccmに、圧力を50mTorr
に、また印加電圧を、第1の予備グリッドに+20V,
第2の予備グリッドに+30V,支持台に+50V,グ
リッド電極に+55Vに変更し、35秒間オーバーエッ
チングを行った。
【0052】上記処理方法を終えた後、基体を装置より
取り出し、SEMを用いてその断面形状を観察した。そ
の結果、図4(b)に示すようなノッチングのない加工
形状が得られた。
【0053】(実施例3)本例では、半導体製造プロセ
スにおける、第二層金属配線形成エッチング後のフォト
レジスト及び側壁保護膜除去のためのドライクリーニン
グに適用した例を示す。その際、実施例1と同様に、プ
ロセス装置としては図1の装置を用いた。図5は、第二
層金属配線形成のためのドライエッチング工程終了後の
本例により作製される素子の半導体基板の断面構造を示
す模式図である。図5において521はシリコンからな
る半導体基板、522は素子分離酸化膜、523はゲー
ト酸化膜、524はゲート電極、525は第一層間酸化
膜、527は1層目配線のバリアメタル、526は1層
目配線、528は1層目配線の反射防止膜、531はフ
ォトレジストマスク、541は側壁保護膜である。
【0054】上記構成からなる被処理体では、1層目配
線526のドライエッチングによる加工が終了した後の
半導体基板表面には、不要となったフォトレジストマス
ク531及び配線の側壁に付着した側壁保護膜541
(フォトレジストやシリコンの変質硬化膜)が存在する
ため、これを除去する必要がある。これらの膜を除去す
る方法として、酸素に微量に弗化炭素を添加したガスを
用いてプラズマ処理を行う方法が多用されている。この
プラズマ処理を従来の正イオン処理で行った場合、プラ
ズマより導入された正電荷は第一層金属配線526を通
ってゲート電極524に流れ、最終的には、シリコン基
板521とゲート電極524の間に存在するゲート酸化
膜523に電圧がかかる。この電圧が破壊電圧に達する
とゲート酸化膜523は静電破壊に至り、また破壊電圧
以下でもゲート酸化膜523に微少なトンネル電流が流
れることにより、その寿命を著しく劣化させるという問
題があった。これに対し、本発明に係る負イオンのみに
よるプラズマ処理を行った場合には、第一層金属配線5
26の電位はデバイスの動作電圧である数V以下に抑え
られるため、静電破壊はもちろん起こらず、またその寿
命もほとんど劣化することはないと考えられる。
【0055】そこで、図1に示す装置を用い、以下に示
すような実験を行った。
【0056】図5に示した構造を持った半導体基板を、
図1に示した装置の基板支持台111上に設置した。そ
の後、排気手段113により排気系114を介してプラ
ズマ発生空間103及び半導体基板の処理空間105を
排気し、各室の真空度が5×10-6Torrとなるまで
減圧した。その後、プラズマ発生空間103内にO2
ス95sccm、CF4ガス5sccmを供給し、排気
系に設置されたスロットルバルブ(不図示)を調整して
圧力を50mTorrに設定した。そして、ガスに電気
エネルギーを供給し、プラズマ発生空間103内にプラ
ズマを発生させる手段であるプラズマ生成アンテナ10
2に、13.56MHzの高周波電源101から1kW
の電力を供給し、プラズマ発生空間103内にプラズマ
112を発生させた。
【0057】ここで生成した電子は、下流側に拡散する
に従い徐々に温度が低下し、Fラジカル、Oラジカルへ
の付着やCFx(x=1〜6)やO2分子との付着解離が
起こり、O-及びF-イオンを生成する。生成した負イオ
ンを取り出すため、第1の予備グリッド106に接地電
位に対して+50V、第2の予備グリッド107に接地
電位に対して+75Vの直流電圧を印加した。更に、半
導体基板支持台111には接地電位に対して+100
V、グリッド電極108には接地電位に対して+105
Vの直流電圧を印加した。下流に拡散したプラズマの電
位は1V程度になっていると考えられるため、上記電圧
を各グリッドに印加した場合、半導体基板109には約
100eVのエネルギーで負イオンを入射させているこ
とになる。以上に示したフッ素負イオン及び酸素負イオ
ンによるプラズマ処理を被処理体109に対して20秒
間実施し、側壁保護膜541を除去した後、プラズマ発
生空間103内に供給するガスをO2ガス100scc
mのみに変更し、60秒間処理を行って残留したフォト
レジストマスク531を完全に灰化除去した。処理終了
後、半導体基板を装置より取り出し、半導体素子の特性
を評価した。
【0058】(比較例2)本例では、図9に示した従来
の装置及び従来の方法を用い、被処理体を正イオンでク
リーニング処理した点が、実施例3と異なる。他の点
は、実施例3と同様とした。
【0059】従来方法(比較例2)と本発明の方法(実
施例3)でレジストマスク及び側壁保護膜除去処理を行
った半導体素子のゲート酸化膜の破壊に至るまでの電荷
(Q bd)を調査した結果、図3と同様の結果が得られ
た。すなわち、ビアホールのクリーニング処理を行った
半導体素子のゲート酸化膜の破壊に至るまでの電荷(Q
bd)を調査した結果と同様の結果であることが分かっ
た。つまり、従来方法で作製した素子は、電荷(Qbd
が0(C)や10(C)でも破壊に至る素子が発生する
のに対して、本発明を用いた素子は、ゲート酸化膜の性
能劣化を起こした素子は全くないことが確認された。
【0060】(実施例4)本例では、半導体製造プロセ
スにおける、DRAMの容量素子の電極への接続孔の底
のクリーニングに適用した例を示す。その際、実施例1
と同様に、プロセス装置としては図1の装置を用いた。
【0061】図6は、DRAMの容量素子のプレート電
極への接続孔の底に変質層を有する半導体基板の断面構
造を示す模式図である。図6において、621はシリコ
ン基板、622は素子分離酸化膜、651はソース/ド
レイン、623はゲート酸化膜、624はゲート電極、
625は第1層間絶縁膜、652は蓄積電極、653は
誘電休膜、654はプレート電極、629は第2層間絶
縁膜、655はコンタクトホール、656はコンタクト
ホール底の変質層である。
【0062】ドライエッチング後のコンタクトホール6
55の底には、図6に示すような自然酸化膜またはエッ
チングの際のイオン衝撃により導入される結晶欠陥に起
因する変質層656が残留しているため、このまま金属
配線を形成すると、自然酸化膜や結晶欠陥によりコンタ
クトホールの抵抗値が上昇し、回路遅延や配線の導通不
良をもたらす。そこで、この変質層656はクリーニン
グにより除去する必要がある。従来は、この変質層65
6を除去するため、正イオンによるクリーニング処理を
行っていたが、プレート電極654に正の電荷が蓄積さ
れ、誘電体膜653の破壊や信頼性の劣化をもたらすと
いう問題があった。これに対し、本発明に係る負イオン
のみによるプラズマ処理を行った場合には、プレート電
極654の帯電は数Vに抑えられるため、誘電体膜65
3の劣化はほとんどないと考えられる。
【0063】そこで、図1に示す装置を用い、以下に示
すような実験を行った。
【0064】図6に示した構造を持った半導体基板を、
図1に示した装置の基板支持台111上に設置した。そ
の後、排気手段113により排気系114を介してプラ
ズマ発生空間103及び半導体基板の処理空間105を
排気し、各室の真空度が5×10-6Torrとなるまで
減圧した。その後、プラズマ発生空間103内にSF 6
ガス150sccmを供給し、排気系114に設置され
たスロットルバルブ(不図示)を調整して圧力を50m
Torrに設定した。
【0065】そして、ガスに電気エネルギーを供給し、
プラズマ発生空間103内にプラズマを発生させる手段
であるプラズマ生成アンテナ102に、13.56MH
zの高周波電源101から1kWの電力を供給し、プラ
ズマ発生空間103内にプラズマ112を発生させた。
【0066】ここで生成した電子は、下流側に拡散する
に従い徐々に温度が低下し、Fラジカルへの付着やSF
x(x=1〜6)分子との付着解離が起こり、F-イオン
を生成する。生成した負イオンを取り出すため、第1の
予備グリッド106に接地電位に対して+50V、第2
の予備グリッド107に接地電位に対して+75Vの直
流電圧を印加した。
【0067】更に、半導体基板支持台111には接地電
位に対して+100V、グリッド電極108には接地電
位に対して+105Vの直流電圧を印加した。下流に拡
散したプラズマの電位は1V程度になっていると考えら
れるため、上記電圧を各グリッドに印加した場合、半導
体基板109には約100eVのエネルギーで負イオン
を入射させていることになる。
【0068】以上に示したフッ素負イオンによるプラズ
マ処理を被処理体109に対して20秒間実施した後、
基体を真空に保持したまま金属配線成膜室へと移動し、
第1層金属配線の堆積を行った。更に、金属配線形成工
程、保護膜形成工程等の工程を経て、メモリー素子を形
成し、その特性を評価した。
【0069】(比較例3)本例では、図9に示した従来
の装置及び従来の方法を用い、被処理体を正イオンでク
リーニング処理した点が、実施例4と異なる。他の点
は、実施例4と同様とした。
【0070】従来方法(比較例3)と本発明の方法(実
施例4)で、コンタクトホールのクリーニング処理を行
った素子の、高温交流ストレスを加えた後の不良率を調
査した。その際、サンプル数は500個であり、ストレ
ス条件は、温度150℃、駆動電圧5Vで書き込み/読
み出し動作を連続1000時間行った。その結果、従来
方法の正イオンでクリーニング処理した素子では0.5
%の不良が発生したのに対して、本発明に係る負イオン
でクリーニング処理した素子は、不良は全く発生しない
ことが確認された。
【0071】(実施例5)本例では、半導体製造プロセ
スにおける、EEPROMのフローティングゲート電極
のドライエッチング加工後の側壁保護膜除去工程に適用
した例を示す。その際、実施例1と同様に、プロセス装
置としては図1の装置を用いた。
【0072】図7は、EEPROMのフローティングゲ
ート電極が側壁保護膜を有する半導体基板の断面構造を
示す模式図である。図7において、721はシリコン基
板、722は素子分離膜、723はゲート酸化膜、76
1はフローティングゲート電極、762はONO膜と呼
ばれる、シリコン酸化膜、シリコン窒化膜、シリコン酸
化膜の積層膜、763はコントロールゲート電極、73
1はフォトレジストマスタ、741はフローティングゲ
ートのドライエッチング中に堆積した側壁保護膜であ
る。
【0073】上記側壁保護膜にはシリコンがかなりの割
合で含まれているため、酸素プラズマによるアッシング
処理では除去することができない。そのため、フッ素等
ハロゲン系のガスを添加したプラズマを用いて除去する
必要がある。従来技術である正イオンによるプラズマ処
理を行った場合は、電気的にフローティングとなってい
るフローティングゲート761への電荷の蓄積や、酸化
物と窒化物からなるONO膜762の窒化膜/酸化膜界
面での電荷のトラップが発生し、メモリーの誤動作の原
因となっていた。一方、本発明である負イオンを用いて
クリーニングを行うと、チャージアップのほとんどない
プラズマ処理が実現されるため、上記不良は全く発生し
ないと考えられる。電荷の蓄積量を評価する方法とし
て、図7に示した断面構造を有する素子でメモリーセル
を作製し、その閾値のシフト量を評価する方法がある。
この方法によれば、正イオンを用いた従来方法で作製し
たセルでは、正電荷が蓄積すると閾値がマイナス側にシ
フトし、負電荷が蓄積すると閾値がプラス側にシフトす
る現象があった。また、蓄積電荷量が大きいほど閾値の
シフト量も大きくなる傾向にあった。
【0074】そこで、上記現象を確認するため、以下に
示すような実験を行った。
【0075】図7に示した構造を持った半導体基板を、
図1に示した装置の基板支持台111上に設置した。そ
の後、排気手段113により排気系114を介してプラ
ズマ発生空間103及び半導体基板処理空間105を排
気し、各室の真空度が5×10-6Torrとなるまで減
圧した。その後、プラズマ発生空間103内にO2ガス
95sccm、CF4ガス5sccmを供給し、排気系
114に設置されたスロットルバルブ(不図示)を調整
して圧力を50mTorrに設定した。
【0076】そして、ガスに電気エネルギーを供給し、
プラズマ発生空間103内にプラズマを発生させる手段
であるプラズマ生成アンテナ102に、13.56MH
zの高周波電源101から1kWの電力を供給し、プラ
ズマ発生空間103内にプラズマ112を発生させた。
【0077】ここで生成した電子は、下流側に拡散する
に従い徐々に温度が低下し、Fラジカル、Oラジカルへ
の付着やCFx(x=1〜6)やO2分子との付着解離が
起こり、O-及びF-イオンを生成する。生成した負イオ
ンを取り出すため、第1の予備グリッド106に接地電
位に対して+50V、第2の予備グリッド107に接地
電位に対して+75Vの直流電圧を印加した。
【0078】更に、半導体基板支持台111には接地電
位に対して+100V、グリッド電極108には接地電
位に対して+105Vの直流電圧を印加した。下流に拡
散したプラズマの電位は1V程度になっていると考えら
れるため、上記電圧を各グリッドに印加した場合、半導
体基板109には約100eVのエネルギーで負イオン
を入射させていることになる。
【0079】以上に示したフッ素負イオン及び酸素負イ
オンによるプラズマ処理を被処理体109に対して20
秒間実施し、側壁保護膜741を除去した後、プラズマ
発生空間103内に供給するガスをO2ガス100sc
cmのみに変更し、60秒間処理を行って残留したフォ
トレジストマスク731を完全に除去した。処理終了
後、半導体基板に対して残りのメモリー製造工程を全て
行い、メモリー素子として完成させた。
【0080】(比較例4)本例では、図9に示した従来
の装置及び従来の方法を用い、被処理体を正イオンでク
リーニング処理した点が、実施例5と異なる。他の点
は、実施例5と同様とした。
【0081】正イオンによるプラズマ処理である従来方
法(比較例4)と、負イオンによるプラズマ処理である
本発明の方法(実施例5)で作製した、各メモリーセル
の閾値の度数分布を調査した。
【0082】図8は、メモリーセルの閾値の度数分布を
示すグラフであり、(a)は従来方法(比較例4)を用
いた場合、(b)は本発明の方法(実施例5)を用いた
場合を示す。図8より、正イオンを用いた従来方法で作
製したメモリーセルの閾値は分布幅が広いのに対して、
負イオンを用いた本発明の方法で作製したメモリーセル
の閾値は分布幅が狭いことが明らかとなった。また、負
イオン処理の閾値は蓄積電荷がないとしてシミュレーシ
ョンした結果と良く一致しているが、正イオン処理の場
合は、シミュレーション結果に対してマイナス側にシフ
トしていることも分かった。
【0083】以上の結果より、負イオンを用いてクリー
ニング処理することにより、チャージアップのほとんど
ないプラズマ処理が実現できることが確認された。
【0084】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
負イオンを大量に発生させるとともに、当該負イオンを
被処理体に入射させることによって、被処理体に対して
エッチングやクリーニング等を行うことが可能な、プラ
ズマ処理装置を提供することができる。その際、本装置
では負イオンのみ用いていることから、被処理体表面の
帯電が少なく(すなわち、チャージアップダメージの少
なく)、ゲート酸化膜の静電破壊やイオンの曲がりによ
るエッチング形状異常が生じない、良好なプラズマ処理
が実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係るプラズマ処理装置の一例を示す模
式的な断面図である。
【図2】本発明の第一の実施例に係る半導体基板の断面
構造を示す模式図である。
【図3】ビアホールのクリーニング処理を行った半導体
素子の、ゲート酸化膜が破壊に至る電荷(Qbd)を調査
した結果を示すグラフであり、(a)は従来方法(比較
例1)を用いた場合、(b)は本発明の方法(実施例
1)を用いた場合を示す。
【図4】ゲート電極形成のためのドライエッチング工程
の中のオーバーエッチングステップにおける半導体基板
の断面構造を示す模式図であり、(a)は正イオンを用
いた場合を、(b)は負イオンを用いた場合を示す。
【図5】第二層金属配線形成のためのドライエッチング
工程終了後の半導体基板の断面構造を示す模式図であ
る。
【図6】DRAMの容量素子のプレート電極への接続孔
の底に変質層を有する半導体基板の断面構造を示す模式
図である。
【図7】EEPROMのフローティングゲート電極が側
壁保護膜を有する半導体基板の断面構造を示す模式図で
ある。
【図8】メモリーセルの閾値の度数分布を示すグラフで
あり、(a)は従来方法を用いた場合、(b)は本発明
の方法を用いた場合を示す。
【図9】従来のプラズマ処理装置の一例を示す模式的な
断面図である。
【図10】正イオン、負イオン、電子密度のプラズマか
らの距離依存性を示すグラフ。
【図11】ハロゲン系断面積の電子エネルギー依存性を
示すグラフである。
【符号の説明】
101 高周波電源、 102 プラズマ生成用アンテナ、 103 プラズマ生成室、 104 プロセスガス導入口、 105 被処理体の処理空間、 106 第一の予備グリッド、 107 第二の予備グリッド、 108 グリッド電極、 109 被処理体、 110 絶縁板、 111 被処理体の支持台、 112 プラズマ、 113 排気手段、 114 排気系、 221 シリコン基板、 222 素子分離絶縁膜、 223 ゲート酸化膜、 224 ゲート電極、 225 第一層間酸化膜、 226 第一層金属配線、 227 第一層金属配線のバリアメタル、 228 第一層金属配線の反射防止膜、 229 第二層間酸化膜、 230 ドライエッチングにより形成したビアホール、 231 反射防止膜表面の薄い酸化層、 232 第二層金属配線、 421 シリコン基板、 423 ゲート酸化膜、 424 ゲート電極、 431 フォトレジストマスタ、 432 正イオン、 433 負イオン、 434 電子、 435 ノッチング、 436 二次電子、 521 シリコン基板、 522 素子分離酸化膜、 523 ゲート酸化膜、 524 ゲート電極、 525 第一層間酸化膜、 527 1層目配線のバリアメタル、 526 1層目配線、 528 1層目配線の反射防止膜、 531 フォトレジストマスク 、 541 側壁保護膜、 621 シリコン基板、 622 素子分離酸化膜、 651 ソース/ドレイン、 623 ゲート酸化膜、 624 ゲート電極、 625 第1層間絶縁膜、 652 蓄積電極、 653 誘電体膜、 654 プレート電極、 629 第2層間絶縁膜、 655 コンタクトホール、 656 コンタクトホール底の変質層、 721 シリコン基板、 722 素子分離膜、 723 ゲート酸化膜、 761 フローティングゲート電極、 762 ONO膜と呼ばれる、シリコン酸化膜、シリコ
ン窒化膜、シリコン酸化膜の積層膜、 763 コントロールゲート電極、 731 フォトレジストマスク、 741 フローテイングゲートのドライエッチング中に
堆積した側壁保護膜、 901 高周波電源、 971 高周波印加電極、 909 半導体基板、 972 イオンシース、 973 プラズマ、 974 真空容器、 975 接地電極、 904 プロセスガス導入口。

Claims (16)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 真空容器と該真空容器内に被処理体を支
    持する為の支持手段、とを有するプラズマ処理装置にお
    いて、 前記真空容器内のプラズマ発生空間にガスを導入する手
    段と、 前記プラズマ発生空間内に前記ガスのプラズマを発生さ
    せる手段と、 前記プラズマから負イオンを引き出して被処理体に供給
    する手段と、 を具備したことを特徴とするプラズマ処理装置。
  2. 【請求項2】 前記プラズマを発生させる手段は、平行
    平板型、ICP型、マグネトロン型、ECR型、ヘリコ
    ン波型、表面波型、平板マルチスロットアンテナによる
    表面波干渉型、RLSA型から選択される電気エネルギ
    ー供給源であることを特徴とする請求項1に記載のプラ
    ズマ処理装置。
  3. 【請求項3】 前記プラズマ発生空間内に発生したプラ
    ズマを、前記プラズマ発生空間とは離れたプラズマ処理
    空間の中へ拡散させる手段を有することを特徴とする請
    求項1に記載のプラズマ処理装置。
  4. 【請求項4】 前記プラズマから負イオンを引き出して
    被処理体に供給する手段は、正の電圧が印加されるグリ
    ッド電極及び/又は正の電位が印加される前記支持手段
    であることを特徴とする請求項1に記載のプラズマ処理
    装置。
  5. 【請求項5】 前記プラズマ処理空間内に発生している
    プラズマのポテンシャルVpと、前記グリッド電極及び
    /又は前記支持手段に印加した正の電圧Vgとの関係
    が、Vg>Vp>0であることを特徴とする請求項4に記
    載のプラズマ処理装置。
  6. 【請求項6】 前記被処理体に対して、正の直流電圧又
    はパルス状電圧を印加する手段を有することを特徴とす
    る請求項1に記載のプラズマ処理装置。
  7. 【請求項7】 前記支持手段と前記被処理体とを電気的
    に絶縁する手段を有することを特徴とする請求項6に記
    載のプラズマ処理装置。
  8. 【請求項8】 前記被処理体から放出される二次電子を
    捕獲する手段を有することを特徴とする請求項1に記載
    のプラズマ処理装置。
  9. 【請求項9】 前記支持手段に印加される正の電圧Vs
    と、前記グリッド電極に印加する正の電圧Veとの関係
    が、Ve>Vs>0であることを特徴とする請求項4に記
    載のプラズマ処理装置。
  10. 【請求項10】 プラズマ発生空間内にガスを導入して
    発生させたプラズマを、該プラズマ発生空間に連通する
    プラズマ処理空間に載置された被処理体に照射するプラ
    ズマ処理方法において、 前記プラズマから負イオンを優先的に引き出して前記被
    処理体に供給することを特徴とするプラズマ処理方法。
  11. 【請求項11】 前記ガスは、ハロゲン元素又は酸素か
    ら選択される少なくとも一つの元素を含むガスであるこ
    とを特徴とする請求項10記載のプラズマ処理方法。
  12. 【請求項12】 前記プラズマ発生空間内で発生したプ
    ラズマを、前記プラズマ処理空間内に向けて拡散させる
    ことにより負イオンを生成することを特徴とする請求項
    10に記載のプラズマ処理方法。
  13. 【請求項13】 前記プラズマから負イオンのみを引き
    出す手段として、グリッド電極を設け、該グリッド電極
    に正の直流電圧を印加するか、支持手段の正の直流電流
    を印加することにより、プラズマから負イオンを取り出
    し加速することを特徴とする請求項10に記載のプラズ
    マ処理方法。
  14. 【請求項14】 前記支持手段に対して、正の直流電圧
    又はパルス状電圧を印加することにより、所定のエネル
    ギーを持って負イオンを前記被処理体に入射させること
    を特徴とする請求項10に記載のプラズマ処理方法。
  15. 【請求項15】 前記支持手段と前記被処理体との間に
    電気的に絶縁する手段を設け、該支持手段から電気的に
    絶縁された状態にある該被処理体に、負イオンを入射さ
    せることを特徴とする請求項10に記載のプラズマ処理
    方法。
  16. 【請求項16】 前記被処理体から放出される二次電子
    を捕獲する手段を設けることにより、該被処理体に負イ
    オンを入射させるとともに、該被処理体から放出された
    二次電子を捕獲することを特徴とする請求項10に記載
    のプラズマ処理方法。
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