JP2005251870A - 酸化シリコンのエッチング方法、基板処理方法、及びエッチング装置 - Google Patents

Abstract

【課題】イオン損傷が少なく、しかも、シリコン部材中に不純物が混入するのを抑制しながら、シリコン部材に形成されている酸化シリコンをエッチングすることができる酸化シリコンのエッチング方法を提供する。
【解決手段】自然酸化膜３２が形成されているシリコンウエハ３１を、構成元素にイオウを含まないフッ素化合物ガス雰囲気中に配置する。自然酸化膜３２及びフッ素化合物ガスに、シリコン−酸素間の結合エネルギー以上であって、且つ、フッ素化合物ガスを分解してフッ素原子活性種を生じさせるエネルギーを有する光を照射する。このようにすることにより、自然酸化膜３２をエッチングする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、例えば、半導体デバイスの製造工程等において酸化シリコンをエッチングする際に好適に用いることができる酸化シリコンのエッチング方法、酸化シリコンをエッチングした後に絶縁膜を形成する際に好適に用いることができる基板処理方法、及び、酸化シリコンのエッチング方法を実施する際に好適に用いることができるエッチング装置に関する。

Ｓｉ基板上に形成されたＳｉＯ_２膜をエッチングする方法としては、フッ素を含む第１のガス、水素を含む第２のガスおよび窒素を含む第３のガスのいずれか１種類のガスまたは２種類の混合ガスもしくは３種類の混合ガスをプラズマまたは光で励起し、これにより得られる活性種を常温以下に冷却したＳｉ基板に供給することで、ＳｉＯ_２膜をエッチングする方法が知られている。

この方法では、以下のようにして、ＳｉＯ_２膜をエッチングする。まず、第１のガスとしてＮＦ_３ガス、第２のガスとしてＨ_２ガスを選択する。プラズマ励起による活性種Ｆ^＊，Ｈ^＊，Ｎ^＊をＳｉ基板に供給する。プラズマの代わりにＡｒＦエキシマレーザを用いることも可能であるが、プラズマの方が効果的である。Ｓｉ基板上に活性種Ｆ^＊，Ｈ^＊，Ｎ^＊が吸着され、ＳｉＯ_２膜と反応する。これにより、ＳｉＯ_２膜がエッチングされる。なお、Ｓｉがエッチングされないのは、Ｓｉ上に（ＮＨ_４）_２ＳｉＦ_６なる堆積層が形成され、それがエッチング保護膜となるためである。また、基板温度を常温以下に冷却すると、ＳｉＯ_２膜に対するエッチング特性、特に、ＳｉＯ_２／Ｓｉ選択比が向上する。

さらに、ＮＦ_３ガスとＨ_２ガスとの混合比を１：１６０とすると、ＳｉのみならずＳｉＯ_２もエッチングが停止する。これは、Ｈの添加によってＳｉＯ_２膜表面に安定層が形成されるとともに、さらにその上に、Ｓｉ上と同様、（ＮＨ_４）_２ＳｉＦ_６と考えられる堆積層が形成されるためである。したがって、活性種Ｆ^＊，Ｈ^＊，Ｎ^＊はＳｉ基板に吸着された状態となる。この状態で、アルゴン等の不活性プラズマまたは低エネルギーイオンをＳｉ基板に一定時間だけ照射すると、Ｓｉはエッチングされずに、ＳｉＯ_２膜が選択的にエッチングされる（例えば、特許文献１参照。）。

ＳｉＯ_２膜をエッチングする方法としては、この他に、構成元素としてイオウ及びフッ素を有する化合物とＯ_２とを含むエッチングガスに光を照射し、生成した化学種を用いてＳｉＯ_２膜をエッチングする方法が知られている。

この方法では、以下のようにして、ＳｉＯ_２膜をエッチングする。まず、不純物拡散領域が形成された単結晶シリコン基板上にさらにＳｉＯ_２膜が形成されてなるウエハを高真空排気機構と光照射機構とを有する反応セル内にセットする。反応セル内を、エッチングガス雰囲気とする。エッチングガスとして、Ｓ_２Ｆ_２／Ｏ_２混合ガスを用いる場合、ウエハにＡｒＦエキシマレーザ光を照射することで、Ｓ_２Ｆ_２から分解生成したＳＦがＯ_２と反応し、中間生成物であるＳＦＯが生成する。また、エッチングガスとして、ＳＦ_６／Ｏ_２混合ガスを用いる場合、ウエハにＡｒＦエキシマレーザ光を照射することにより、ＳＦ_６から段階的にＦ^＊が解離されながら、生成したＳＦがＯ_２と反応し、中間生成物であるＳＦＯが生成される。

ＳＦＯは、レーザ光を照射した後もエッチング反応系内に滞留するため、ＳｉＯ_２膜との間で次のような反応が進行する。
４ＳＦＯ＋ＳｉＯ_２＋Ｏ_２→ＳｉＦ_４↑＋４ＳＯ_２
ＳＦＯはＳｉとは反応しないため、ＳｉＯ_２膜のエッチングが進行し、不純物拡散領域が露出すると、エッチングは停止する。ＳＦ_６／Ｏ_２混合ガスを用いる場合、上述のようにＦ^＊が生成されるため、不純物拡散領域が露出するまで光照射を行うことで、ＳＦＯとＦ^＊とにより、エッチングが高速に進行する（例えば、特許文献２参照。）。
特開平５−２７５３９２号公報（段落０００８〜段落００３６、図１〜図５） 特開平５−２１３９７号公報（段落００１０〜段落００１４）

しかしながら、特許文献１に記載の技術のように、プラズマを用いてＳｉＯ_２膜をエッチングする方法では、プラズマ中のイオンにより、シリコンが損傷され易いという問題がある。また、特許文献２に記載の技術のように、イオウ及びフッ素を構成元素として有する化合物とＯ_２とを含むエッチングガスを用いてＳｉＯ_２膜をエッチングする方法では、シリコン中に不純物としてイオウが混入してしまうおそれがある。

本発明は、このような事情にもとづいてなされたもので、イオン損傷が少なく、しかも、シリコン部材中に不純物が混入するのを抑制しながら、シリコン部材に形成されている酸化シリコンをエッチングすることができる酸化シリコンのエッチング方法、基板処理方法、及びエッチング装置を提供することを目的とする。

本発明の一形態に係る酸化シリコンのエッチング方法は、酸化シリコンが形成されているシリコン部材を、構成元素にイオウを含まないフッ素化合物ガス雰囲気中に配置し、前記酸化シリコン及び前記フッ素化合物ガスに、シリコン−酸素間の結合エネルギー以上であって、且つ、前記フッ素化合物ガスを分解してフッ素原子活性種を生じさせるエネルギーを有する光を照射することにより、前記酸化シリコンをエッチングする。

本発明の他の一形態に係る酸化シリコンのエッチング方法は、処理容器内に設けられたシリコン部材に形成されている酸化シリコンに、シリコン−酸素間の結合エネルギー以上のエネルギーを有する光を照射することにより、前記酸化シリコンをシリコン原子と酸素原子とに分解し、前記酸素原子を前記処理容器外に排出するとともに、前記処理容器内に、構成元素にイオウを含まないフッ素化合物ガスを導入し、該フッ素化合物ガスに、このフッ素化合物ガスを分解してフッ素原子活性種を生じさせるエネルギーを有する光を照射することにより、前記処理容器内にフッ素原子活性種を生じさせ、前記シリコン原子に起因して前記シリコン部材上に残留するシリコン残渣を前記フッ素原子活性種によりフッ化シリコンガスとして気化させるとともに、このフッ化シリコンガスを前記処理容器外に排出して、前記酸化シリコンをエッチングする。

本発明の一形態に係る酸化シリコンのエッチング方法及び本発明の他の一形態に係る酸化シリコンのエッチング方法では、いずれも、酸化シリコン及びイオウを含まないフッ素化合物を光によって分解し、フッ素化合物が分解されて生じるフッ素原子活性種により、酸化シリコンが分解されて残るシリコン残渣をフッ化シリコンとして気化させることで、酸化シリコンをエッチングする。

つまり、本発明の一形態に係る酸化シリコンのエッチング方法及び本発明の他の一形態に係る酸化シリコンのエッチング方法では、プラズマを用いることなく、シリコン部材から酸化シリコンをエッチングすることができるため、シリコン部材に与えるイオン損傷が無い。しかも、構成元素にイオウを含まないフッ素化合物ガスをエッチングガスとして用いているため、エッチングガスに由来してイオウ原子活性種が生じることがない。したがって、シリコン部材中に不純物としてイオウが混入するのを抑止できる。

シリコン部材としては、例えば、単結晶シリコン、多結晶シリコン、微結晶シリコン、又はアモルファスシリコン等からなるシリコンウエハ等が挙げられるが、これらに限定されるものではない。また、シリコン部材としては、ガラス等のシリコン単体以外の材料からなる基体上に単結晶シリコン層、多結晶シリコン層、微結晶シリコン層、又はアモルファスシリコン層といったシリコン層が形成されてなるもの等を用いることもできる。

フッ素化合物ガスとしては、構成元素として、イオウだけでなく、シリコン部材に対する不純物となり易い元素を極力含まないものを選択するのが好ましい。そのため、フッ素化合物ガスとしては、ＳｉＦ_４等のフッ化シリコン、フッ化水素（ＨＦ）、又は、ＮＦ_３等のフッ化窒素等を用いるのが好ましい。

光としては、シリコン−酸素間の結合エネルギー以上であって、且つ、選択したフッ素化合物ガスを分解してフッ素原子活性種を生じさせるエネルギーを有する光を用いればよい。このような光としては、例えば、キセノンエキシマランプから照射された光、クリプトンエキシマランプから照射された光、又はアルゴンエキシマランプから照射された光等が、多くの場合において好適に用いることができる。

本発明の一形態に係る基板処理方法は、酸化シリコンが形成されているシリコン基板を、構成元素にイオウを含まないフッ素化合物ガス雰囲気中に配置し、前記酸化シリコン及び前記フッ素化合物ガスに、シリコン−酸素間の結合エネルギー以上であって、且つ、前記フッ素化合物ガスを分解してフッ素原子活性種を生じさせるエネルギーを有する光を照射することにより、前記酸化シリコンをエッチングした後、気密状態を破らずに前記シリコン基板上に絶縁膜を形成する。

この基板処理方法は、シリコン基板に形成されている自然酸化膜のような酸化シリコン膜をエッチングし、その後、このシリコン基板上にあらためて絶縁膜を形成する場合等に好適である。このようにすることにより、酸化シリコン膜をエッチング除去したシリコン基板を空気中に晒すことなく、このシリコン基板上に絶縁膜を形成することができる。したがって、シリコン基板上に不純物の少ない絶縁膜を形成することができる。

シリコン基板としては、例えば、単結晶シリコン、多結晶シリコン、微結晶シリコン、又はアモルファスシリコン等からなるシリコンウエハ等が挙げられるが、これらに限定されるものではない。また、シリコン基板としては、ガラス基板等のシリコン単体以外の材料からなる基体上に単結晶シリコン層、多結晶シリコン層、微結晶シリコン層、又はアモルファスシリコン層といったシリコン層が形成されてなるもの等を用いることもできる。

また、この基板処理方法においても、フッ素化合物ガスとしては、構成元素として、イオウだけでなく、シリコン部材に対する不純物となり易い元素を極力含まないものを選択するのが好ましい。そのため、フッ素化合物ガスとしては、ＳｉＦ_４等のフッ化シリコン、フッ化水素（ＨＦ）、又は、ＮＦ_３等のフッ化窒素等を用いるのが好ましい。

光としては、シリコン−酸素間の結合エネルギー以上であって、且つ、選択したフッ素化合物ガスを分解してフッ素原子活性種を生じさせるエネルギーを有する光を用いればよい。このような光としては、例えば、キセノンエキシマランプから照射された光、クリプトンエキシマランプから照射された光、又はアルゴンエキシマランプから照射された光等が、多くの場合において好適に用いることができる。

本発明の一形態に係るエッチング装置は、処理容器と、シリコン部材を支持する支持面を有し、前記処理容器内に設けられた支持台と、前記処理容器に設けられ、フッ素化合物ガスを前記処理容器内に導入させるフッ素化合物ガス導入口と、前記処理容器に設けられ、前記処理容器内の気体を排出させる排気口と、前記処理容器が有する壁のうちの前記支持面に対向する部分に前記処理容器の壁の一部として設けられた透光性部材からなる光透過窓と、前記処理容器外に設けられ、シリコン−酸素間の結合エネルギー以上であって、且つ、前記フッ素化合物ガスを分解してフッ素原子活性種を生じさせるエネルギーを有する光を、前記光透過窓を介して前記処理容器内に照射可能な光源とを具備している。

本発明の一形態に係るエッチング装置によれば、シリコン部材を処理容器内に設けられた支持台で支持させ、フッ素化合物ガス導入口を介して処理容器内にフッ素化合物ガスを供給することで、フッ素化合物を含む雰囲気中にシリコン部材を配置することができる。しかも、本発明の一形態に係るエッチング装置によれば、光源をＯＮ・ＯＦＦさせるだけで、光透過窓を介して処理容器内のシリコン部材及びフッ素化合物ガスに、シリコン−酸素間の結合エネルギー以上であって、且つ、フッ素化合物ガスを分解してフッ素原子活性種を生じさせるエネルギーを有する光を所望の時に所望の時間だけ照射することができる。

したがって、本発明の一形態に係るエッチング装置によれば、支持台にシリコン部材を支持させるとともに、処理容器内をフッ素化合物ガスを含む雰囲気とし、光源から発せられる光を光透過窓を介して処理容器内に照射することによって、シリコン部材に不純物が混入したりイオン損傷が生じたりするのを抑制しながら、シリコン部材に形成されている酸化シリコンをエッチングすることができる。

以下、本発明の第１の実施形態について説明する。この実施形態では、本発明の酸化シリコンのエッチング方法の一実施形態、及び、本発明のエッチング装置の一実施形態について説明する。

まず、本発明のエッチング装置の一実施形態を、図１を参照して説明する。図１に示すように、エッチング装置１は、処理容器としての真空反応室２と、真空反応室２内に設けられ、シリコン部材を支持する支持面５ａを有する支持台５と、真空反応室２の例えば側壁面（周壁１１ｃの外面）に設けられ、フッ素化合物ガスを真空反応室２内に導入させるフッ素化合物ガス導入口１９と、真空反応室２に設けられ、真空反応室内の処理済みの気体を排出させる排気口１７と、真空反応室２が有する壁のうちの前記支持面５ａに対向する部分例えば上壁１１ｂに真空反応室２の壁の一部として設けられた透光性部材からなる光透過窓１３と、真空反応室２外に設けられ、シリコン−酸素間の結合エネルギー以上であって、且つ、前記フッ素化合物ガスを分解してフッ素原子活性種を生じさせるエネルギーを有する光を光透過窓１３を介して真空反応室２に照射可能な光源２１ａ，２１ｂとを具備している。

真空反応室２は、気密容器であり、底壁１１ａ、上壁１１ｂ、底壁１１ａの周縁と上壁１１ｂの周縁とを繋ぐ周壁１１ｃ、及び光透過窓１３を有している。底壁１１ａ、上壁１１ｂ、周壁１１ｃ、及び、光透過窓１３は、真空反応室２の内部を真空状態にまで減圧することが可能な強度に設定されている。底壁１１ａ、上壁１１ｂ、及び、周壁１１ｃを形成する材料としては、例えばアルミニウムを用いることができる。光透過窓１３を形成する材料としては、光源装置３（光源２１ａ，２１ｂ）から発せられる光に対して光学的に透明であり、かつ、処理圧力に対する耐圧性があり、ガスを外部に放出させない部材、例えば合成石英（石英ガラス）を用いることができる。なお、光透過窓１３は、合成石英に限定されるものではなく、酸化シリコン及び所定のフッ素化合物を分解するための光（光源装置３から発せられる光）に対して光学的に透明な部材により形成すればよい。

上壁１１ｂには、開口部１２が形成されている。この開口部１２は、光透過窓１３により気密に閉塞されている。これにより、真空反応室２内は真空に保たれている。つまり、光透過窓１３は、真空反応室２の壁（上壁１１ｂ）の一部を構成している。

詳しくは、光透過窓１３は、開口部１２に嵌合する第１の部分１３ａと、第１の部分１３ａの上方に設けられ、第１の部分１３ａよりも一回り大きく形成された第２の部分１３ｂとが一体に形成されてなる。すなわち、光透過窓１３は、断面略Ｔ字状に形成されており、第２の部分１３ｂは、第１の部分１３ａの周面よりも外方に張り出す張り出し部１４を有している。

一方、真空反応室２は、上壁１１ｂと光透過窓１３との間を封止する封止機構を有している。封止機構は、上壁１１ｂの上面に設けられた溝１５とＯリング１６とを有している。溝１５は、上壁１１ｂの上面に、開口部１２を囲むように設けられている。Ｏリング１６は、例えばゴム材料等により形成されている。この封止機構は、溝１５にＯリング１６を設けることで構成されている。

開口部１２は、光透過窓１３と封止機構とによって気密に閉塞されている。すなわち、開口部１２には、光透過窓１３の第１の部分１３ａが嵌合している。また、Ｏリング１６は、第２の部分１３ｂの張り出し部１４と上壁１１ｂとの間に配置されて、光透過窓１３と上壁１１ｂとの間をシールしている。

真空反応室２の壁、例えば底壁１１ａには、排気口１７が設けられている。真空反応室２の内部は、この排気口１７を介して、真空ポンプ１８と連通されている。したがって、真空反応室２内の気体は、真空ポンプ１８を駆動させることにより、排気口１７を介して真空反応室２の外部に排気することができる。

真空反応室２の壁、例えば周壁１１ｃには、フッ素化合物ガスを真空反応室２内に供給するためのフッ素化合物ガス導入口１９が設けられている。真空反応室２の内部は、このフッ素化合物ガス導入口１９を介して、フッ素化合物ガスを収容するフッ素化合物ガスシリンダ（図示せず）と連通されている。したがって、フッ素化合物ガスシリンダ内のフッ素化合物ガスは、所望とするときに所望とする期間、フッ素化合物ガス導入口１９を介して真空反応室２内に導入することができる。

ところで、構成元素にイオウを含むフッ素化合物ガスを用いると、被処理部材であるシリコン部材中に不純物としてイオウが混入してしまうおそれがある。そのため、フッ素化合物ガスとしては、構成元素にイオウを含まないものを用いる。構成元素にイオウを含まないフッ素化合物ガスとしては、例えば、ＳｉＦ_４ガス等のフッ化シリコンガス、フッ化水素（ＨＦ）ガス、又はＮＦ_３等のフッ化窒素ガスを好適に用いることができる。なお、フッ素化合物ガスは、構成元素にイオウを含まないフッ素化合物ガスであればよく、これらに限定されるものではない。

真空反応室２の壁、例えば周壁１１ｃには、パージガス導入口２０が設けられている。なお、このエッチング装置１では、パージガス導入口２０はフッ素化合物ガス導入口１９と対向する位置に設けられているが、この配置に限定されるものではない。真空反応室２の内部は、このパージガス導入口２０を介して、パージガスを収容するパージガスシリンダ（図示せず）と連通されている。したがって、パージガスシリンダ内のパージガスは、フッ素化合物ガスを真空反応室２内に供給する前等に、パージガス導入口２０を介して真空反応室２内に導入することができる。パージガスとしては、例えば、窒素ガスや、アルゴンガス等の不活性ガスを用いることができる。

光源装置３は、酸化シリコンを分解する光であって、且つ、選択したフッ素化合物ガスを分解してフッ素原子活性種を生じさせるエネルギーを有する光源を備えている。このような光源装置３としては、例えば、キセノンエキシマランプ、クリプトンランプ、又はアルゴンエキシマランプが挙げられる。

すなわち、酸化シリコンのＳｉ−Ｏ間の結合エネルギーは約３６９ｋＪ／ｍｏｌ（８８．２ｋｃａｌ／ｍｏｌ≒３．６８ｅＶ）であることが知られている（参考文献：Linus Pauling “The Nature of the Chemical Bond (Third Ed.)” Conell Univ. Press, New York, 1960 p.85）。

また、フッ素化合物ガスを分解してフッ素原子活性種を生じさせる光エネルギーは以下のとおりである。

すなわち、フッ素化合物ガスとしてＳｉＦ_４ガスを用いた場合、フッ素化合物ガスを分解してフッ素原子活性種を生じさせるエネルギーとは、Ｓｉ−Ｆ間の結合エネルギー以上のエネルギーである。Ｓｉ−Ｆ間の結合エネルギーは約６０２ｋＪ／ｍｏｌ（約１４３ｋｃａｌ／ｍｏｌ）であることが知られている。

フッ素化合物ガスとしてＨＦガスを用いた場合、フッ素化合物ガスを分解してフッ素原子活性種を生じさせるエネルギーとは、Ｈ−Ｆ間の結合エネルギー以上のエネルギーである。Ｈ−Ｆ間の結合エネルギーは約５６８ｋＪ／ｍｏｌ（約１３５ｋｃａｌ／ｍｏｌ）であることが知られている。

フッ素化合物ガスとしてＮＦ_３ガスを用いた場合、フッ素化合物ガスを分解してフッ素原子活性種を生じさせるエネルギーとは、Ｎ−Ｆ間の結合エネルギー以上のエネルギーである。Ｎ−Ｆ間の結合エネルギーは約２７９ｋＪ／ｍｏｌ（約６６ｋｃａｌ／ｍｏｌ）であることが知られている。

一方、光のエネルギーＥは、以下の（１）式から求められる。

Ｅ＝ｈν＝ｈ・ｃ／λ [Ｊ] …（１）
ｈ：プランク定数（約６．６２６×１０^−３４Ｊ・ｓ）
ν：振動数
ｃ：真空中の光の速さ（約２．９９８×１０^８ｍ・ｓ^−１）
λ：波長
また、１ｍｏｌあたりのエネルギーＥｍは、以下の（２）式から求められる。

Ｅｍ＝Ｎ_Ａ×Ｅ [Ｊ／ｍｏｌ] …（２）
Ｎ_Ａ：アボガドロ数（約６．０２２×１０^２３ｍｏｌ^−１）
キセノンエキシマランプは、１７２ｎｍにピークを有している。すなわち、キセノンエキシマランプの波長λは、１７２×１０^−９ｍであるため、キセノンエキシマランプの光のエネルギーＥは、（１）式より、約１．１５５×１０^−１８Ｊとなる。したがって、キセノンエキシマランプの１ｍｏｌあたりの光のエネルギーは、（２）式より、約６９６ｋＪ／ｍｏｌ（約１６６ｋｃａｌ／ｍｏｌ）となる。

クリプトンエキシマランプは１４６ｎｍにピークを有している。すなわち、クリプトンエキシマランプの波長λは、１４６×１０^−９ｍであるため、クリプトンエキシマランプの光のエネルギーＥは、（１）式より、約１．３６１×１０^−１８Ｊとなる。したがって、クリプトンエキシマランプの１ｍｏｌあたりの光のエネルギーは、（２）式より、約８１９ｋＪ／ｍｏｌ（約１９６ｋｃａｌ／ｍｏｌ）となる。

アルゴンエキシマランプは、１２６ｎｍにピークを有している。すなわち、アルゴンエキシマランプの波長λは、１２６×１０^−９ｍであるため、アルゴンエキシマランプの光のエネルギーは、（２）式より、約９４４ｋＪ／ｍｏｌ（約２２５ｋｃａｌ／ｍｏｌ）となる。

したがって、キセノンエキシマランプ、クリプトンエキシマランプ、及びアルゴンエキシマランプから発せられる光は、酸化シリコンを分解する光であって、且つ、上述したようなフッ素化合物ガスを分解してフッ素原子活性種を生じさせるエネルギーを有する光という条件を満たす。本実施形態では、光源装置３として、光源としての２本の直管状のキセノンエキシマランプ２１ａ，２１ｂと、リフレクタ２２ａ，２２ｂとを有するものを用いている。

光源装置３を収容するランプハウス４は、真空反応室２の上方に設けられている。キセノンエキシマランプ２１ａ，２１ｂは、このランプハウス４内において、互いに平行に配置されている。キセノンエキシマランプ２１ａ，２１ｂの上方には、これらキセノンエキシマランプ２１ａ，２１ｂを上方から覆うようにリフレクタ２２ａ，２２ｂが夫々設けられている。リフレクタ２２ａ，２２ｂは、キセノンエキシマランプ２１ａ，２１ｂの長手方向に沿って設けられている。リフレクタ２２ａ，２２ｂは、キセノンエキシマランプ２１ａ，２１ｂから発せられた光を後述する支持台５の方向に反射させ導く機能を有している。これにより、キセノンエキシマランプ２１ａ，２１ｂから発せられた光は、直接的或いはリフレクタ２２ａ，２２ｂにより反射されて間接的に下方に出射され、光透過窓１３を透過して、真空反応室２内に照射される。

ところで、キセノンエキシマランプ２１ａ，２１ｂから発せられる光は、酸素分子を酸素活性種に分解することが可能である。そのため、キセノンエキシマランプ２１ａ，２１ｂから発せられる光は、大気圧の場合、数ｍｍの空気層が存在するだけで、空気層中の酸素分子を分解しながらこの空気層に吸収されてしまう。したがって、エッチング装置１では、ランプハウス４を、その内部が気密となるように形成するとともに、このランプハウス４内に、キセノンエキシマランプ２１ａ，２１ｂから発せられる波長１７２ｎｍの光を吸収しないガス、例えば窒素ガスを略大気圧となるように満たしている。図１中符号２３は窒素ガス流通口２３を示している。この窒素ガス流通口２３を介してランプハウス４内にランプハウス４の外部から窒素ガスが供給されるとともに、この窒素ガス流通口２３を介してランプハウス４内の窒素ガスがランプハウス４の外部に排出されるようになっている。

真空反応室２内には、被処理基板３０を支持する支持面５ａを有する支持台５が設けられている。この支持台５により、被処理基板３０は、真空反応室２内の定められた位置に配置される。支持台５には、加熱装置２４、例えば、例えばヒータやランプアニールが設けられている。この加熱装置２４は、被処理基板３０の温度を所望の温度とするためのものである。このようにして、エッチング装置１が構成されている。

次に、被処理基板３０に形成された酸化シリコンの除去、例えばエッチング方法について説明する。本実施形態では、シリコン部材としてのシリコンウエハ３１上に自然酸化膜３２（ＳｉＯ_２膜）が形成されてなる被処理基板３０（図２参照）から、上記自然酸化膜３２をエッチングする方法を例にとって説明する。シリコンウエハ３１としては、例えば、（１００）面の比抵抗が１０〜２０Ωｃｍの直径６インチの円板状のＰ導電型の単結晶シリコンウエハ３１を用いている。自然酸化膜３２は、シリコンウエハ３１の（１００）面上に形成されている。

まず、光処理（自然酸化膜３２のエッチング）に先立ち、被処理基板３０の洗浄を行う。すなわち、被処理基板３０を１％のフッ酸で洗浄し、その後、純粋洗浄と乾燥とを行う。単結晶Ｓｉウエハ３１の（１００）被処理面側を上側、つまり、光源装置３側に向くように、被処理基板３０を真空反応室２内の支持台５上に載置する。温度を上げた加熱装置２４により、基板温度を２５℃乃至４００℃、例えば３００℃に加熱するとともに、この基板温度を保つ。

真空ポンプ１８により、真空反応室２を真空度２×１０^−４Ｐａに排気する。また、窒素ガス流通口２３を介してランプハウス４内に窒素を導入する。上述したように、ランプハウス４内を窒素置換することによって、キセノンエキシマランプ２１ａ，２１ｂの放射照度の減衰を抑制することができる。

キセノンエキシマランプ２１ａ，２１ｂを点灯させる。これにより、キセノンエキシマランプ２１ａ，２１ｂから発せられる光は、光透過窓１３を透過して、真空反応室２内の被処理基板３０に照射される。上述のように、キセノンエキシマランプ２１ａ，２１ｂから発せられる光のエネルギーは、自然酸化膜（ＳｉＯ_２膜）３２のＳｉ−Ｏ間の結合エネルギーよりも大きい。そのため、キセノンエキシマランプ２１ａ，２１ｂから発せられる光により、自然酸化膜３２のＳｉ−Ｏ間の結合が切断されて、シリコン原子と酸素原子が生じる。なお、キセノンエキシマランプ２１ａ，２１ｂの点灯時には、真空ポンプ１８を動作させておき、自然酸化膜３２を分解するのと同時に、結合が切れて自由となった酸素原子を排気口１７から真空反応室２の外部に排出するようにしている。シリコン原子は、シリコンウエハ３１上にシリコン残渣として残留する。

フッ素化合物ガス導入口１９から真空反応室２内に、構成元素にイオウを含まないフッ素化合物ガスを導入する。本実施形態では、構成元素にイオウを含まないフッ素化合物ガスとして、ＳｉＦ_４ガス、ＨＦガス、或いはＮＦ_３ガスを用いる。フッ素化合物ガスを導入した後、キセノンエキシマランプ２１ａ，２１ｂを点灯させる。キセノンエキシマランプ２１ａ，２１ｂから発せられる光は、光透過窓１３を透過して、真空反応室２内に照射される。上述のように、キセノンエキシマランプ２１ａ，２１ｂから発せられる光のエネルギーは、Ｓｉ−Ｆ結合、Ｈ−Ｆ結合、Ｎ−Ｆ結合よりも大きい。そのため、キセノンエキシマランプ２１ａ，２１ｂから発せられる光により、ＳｉＦ_４ガス、ＨＦガス、或いはＮＦ_３ガスは分解され、フッ素原子活性種が生じる。シリコンウエハ３１上のシリコン残渣はフッ素原子活性種と反応し、フッ化シリコンガスとして気化する。なお、キセノンエキシマランプ２１ａ，２１ｂの点灯時には、真空ポンプ１８を動作させておき、フッ素化合物ガスを分解するのと同時に、真空反応室２内で生じるフッ化シリコンガスを排気口１７から真空反応室２の外部に排出するようにしている。以上により、自然酸化膜３２のエッチング工程が終了する。

以上のように、本実施形態の酸化シリコンのエッチング方法では、構成元素にイオウを含まないフッ素化合物ガス雰囲気中に酸化シリコン膜３２が形成されたシリコンウエハ３１を配置し、酸化シリコン膜３２及びフッ素化合物ガスに、シリコン−酸素間の結合エネルギー以上であって、且つ、フッ素化合物ガスを分解してフッ素原子活性種を生じさせるエネルギーを有する光を照射することにより、酸化シリコン膜３２をエッチングしている。

詳しくは、本実施形態の酸化シリコンのエッチング方法は、酸化シリコン膜３２が形成されたシリコンウエハ３１、すなわち、被処理基板３０を真空反応室２内に配置するとともに、この真空反応室２から空気を排出する工程と、酸化シリコン膜３２に、Ｓｉ−Ｏ間の結合エネルギー以上のエネルギーを有する光を照射することにより、酸化シリコン膜３２をシリコン原子と酸素原子とに分解し、酸素原子を真空反応室２外に排出するとともに、真空反応室２内に、構成元素にイオウを含まないフッ素化合物ガスを導入し、このフッ素化合物ガスに、フッ素化合物ガスを分解してフッ素原子活性種を生じさせるエネルギーを有する光を照射することにより、真空反応室２内にフッ素原子活性種を生じさせ、シリコン原子に起因してシリコンウエハ３１上に残されるシリコン残渣をフッ素原子活性種によりフッ化シリコンガスとして気化させるとともに、このフッ化シリコンガスを真空反応室２外に排出して、酸化シリコン膜３２をエッチングしている。

したがって、この酸化シリコンのエッチング方法によれば、プラズマを用いることなく、シリコンウエハ３１から酸化シリコン膜３２をエッチングすることができるため、シリコンウエハ３１に与えるイオン損傷が無い。しかも、構成元素にイオウを含まないフッ素化合物ガスをエッチングガスとして用いているため、エッチングガスに由来してイオウ原子が生じることがない。したがって、シリコンウエハ３１中に不純物としてイオウが混入するのを防止できる。

また、この実施形態の酸化シリコンのエッチング方法では、フッ素化合物ガスとして、フッ化シリコンガス、フッ化水素ガス、又はフッ化窒素ガスを用いているため、フッ素化合物ガスがシリコンウエハ３１の不純物の原因となり難い。したがって、不純物の少ないシリコンウエハ３１が得られる。

さらに、この実施形態の酸化シリコンのエッチング方法では、光源として、キセノンエキシマランプ２１ａ，２１ｂを採用している。そのため、キセノンエキシマランプ２１ａ，２１ｂを点灯させることにより、酸化シリコン膜３２のシリコン−酸素間の結合を分解することができるとともに、フッ素化合物ガスを分解してフッ素原子活性種を生じさせることができる。なお、キセノンエキシマランプ２１ａ，２１ｂと置換して、クリプトンエキシマランプやアルゴンエキシマランプを用いても、同様の効果を得ることができる。

しかも、「背景技術」で述べた特許文献１及び２に記載の技術は双方とも、エッチングガスとして、混合ガスを用いている。そのため、特許文献１又は２に記載の技術を用いてエッチングを実施するにあたっては、複数のエッチングガスシリンダ及び複数のエッチングガス導入口を備えた処理装置や、ガスを混合する手段を備えた処理装置を用いる必要がある。したがって、処理装置が複雑化し、エッチング工程が複雑になり易い。

これに対し、本実施形態では、エッチングガスとして、構成元素にイオウを含まないフッ素化合物ガス、具体的には、フッ化シリコンガス、フッ化水素ガス、又はフッ化窒素ガス等を単体で用いている。したがって、簡単な構成で容易に酸化シリコン膜をエッチングすることができる。

また、本実施形態では、上記酸化シリコンのエッチング方法を実施するにあたり、上述のようなエッチング装置１を用いている。このエッチング装置１では、壁１１ａ〜１１ｃを有する真空反応室２内に、支持台５が設けられている。この支持台５は、被処理基板３０を支持する支持面５ａを有している。真空反応室２の壁１１ｃには、真空反応室２内にフッ素化合物ガスを導入するためのフッ素化合物ガス導入口１９が設けられている。真空反応室２の壁１１ａには、真空反応室２内の気体を排出するための排気口１７が設けられている。真空反応室２の壁１１ａ〜１１ｃのうちの支持面５ａに対向する部分、すなわち、壁１１ｂには、真空反応室２の壁１１ｂの一部として、透光性部材からなる光透過窓１３が設けられている。真空反応室２外には、キセノンエキシマランプ２１ａ，２１ｂが設けられている。キセノンエキシマランプ２１ａ，２１ｂは、シリコン−酸素間の結合エネルギー以上であって、且つ、フッ素化合物ガスを分解してフッ素原子活性種を生じさせるエネルギーを有する光を、光透過窓１３を介して真空反応室２内に照射することが可能である。

したがって、支持台５に被処理基板３０を支持させ、真空反応室２内をフッ素化合物ガスを含む雰囲気とし、キセノンエキシマランプ２１ａ，２１ｂから発せられる光を光透過窓１３を介して真空反応室２内に照射することによって、イオン損傷が無く、しかも、シリコンウエハ３１中に不純物が混入するのを抑制しながら、シリコンウエハ３１に形成されている酸化シリコン膜３２をエッチングすることができる。つまり、本実施形態のエッチング装置１は、上述のような酸化シリコンのエッチング方法を行う際に好適に用いることができる。

なお、エッチング装置１が備える光源装置３は、キセノンエキシマランプ、クリプトンエキシマランプ、或いはアルゴンエキシマランプを有するものに限定されるものではない。光源装置３は、シリコン−酸素間の結合エネルギー以上であって、且つ、選択したフッ素化合物ガスを分解してフッ素原子活性種を生じさせるエネルギーを有する光を照射可能な光源を有するものであればよい。

以下、本発明の第２の実施形態について説明する。この実施形態では、本発明の基板処理方法の一実施形態について説明する。

まず、本実施形態の基板処理方法を実施する上で好適に用いることができる基板処理装置の一実施形態を、図３を参照して説明する。図３に示すように、基板処理装置１００は、第１の処理室１０１と、第２の処理室１０２と、トランスファー室１０３とを備えている。

第１の処理室１０１は、シリコンウエハ３１から酸化シリコン膜３２をエッチングするための部屋である。この第１の処理室１０１は、上述したエッチング装置１と同様に形成されているため、重複する説明は図に同符号を付して省略する。

第２の処理室１０２は、シリコンウエハ３１上に絶縁膜、例えば酸化シリコン（ＳｉＯ_２）膜を形成するための部屋である。この第２の処理室１０２は、例えば、既存のＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）装置と同様に形成することができる。第２の処理室１０２は第１の処理室１０１とは別に気圧を変化させる（真空雰囲気にしたり大気圧にしたりする）ことができるようになっている。また、この第２の処理室１０２は、高周波電源装置を稼動させ、整合器を介して一方の電極７３，７５に高周波電力を供給することで、真空反応室７０内にプラズマが発生されるように構成されている。

詳しくは、第２の処理室１０２は、平行平板型のプラズマＣＶＤ（Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition、以下、ＰＥ−ＣＶＤという）装置とすることができる。第２の処理室１０２は、処理容器としての真空反応室７０を備えている。

真空反応室７０は、気密容器であり、底壁７０ａ、上壁７０ｂ、及び、底壁７０ａの周縁と上壁７０ｂの周縁とを繋ぐ周壁７０ｃを有している。これらの壁７０ａ，７０ｂ，７０ｃは、真空反応室７０の内部を真空状態にまで減圧することが可能な強度に設定されている。底壁７０ａ、上壁７０ｂ、及び周壁７０ｃを形成する材料としては、例えばアルムニウムを用いることができる。

真空反応室７０には、ガス導入口７２とガス排出口７６とが設けられている。真空反応室７０の内部は、ガス導入口７２を介して、シリコン化合物ガスシリンダ及び酸素ガスシリンダ（夫々図示せず）と連通されている。シリコン化合物ガスとしては、例えば、ＴＥＯＳ（テトラエトキシシラン（Ｓｉ（ＯＣＨ_２ＣＨ_３）_４）ガス等を用いることができる。

また、真空反応室７０の内部は、ガス排出口７６を介して、真空ポンプ７７と連通されている。したがって、真空反応室７０内の気体は、真空ポンプ７７を駆動させることにより、ガス排出口７６を介して真空反応室７０の外部に排気することができる。

真空反応室７０には、図示しないが、プラズマが発生されるための高周波電源装置と整合器が設けられている。高周波電源装置は、負荷を調整する整合器を介して、互いに対応する一対の電極７３，７５のうちの一方の電極７３と高周波電力導入部７８を介して電気的に接続されている。また、他方の電極７５は、プラズマを発生させるための電極として使用されるものであり、アースされている。

真空反応室７０内には、シリコンウエハ３１を支持するための支持台が設けられている。この実施形態では、他方の電極７５がステージを兼ねている。この支持台（電極）７５には、シリコンウエハ３１を加熱するための加熱装置７４、例えばヒータやランプアニール等が設けられている。

第１の処理室１０１と第２の処理室１０２との間には、トランスファー室１０３が設けられている。トランスファー室１０３は、底壁６０ａ、上壁６０ｂ、及び、底壁６０ａの周縁と上壁６０ｂの周縁とを繋ぐ周壁６０ｃ等から構成される。トランスファー室１０３の内部には、シリコンウエハ３１を支持するための支持台６５が設けられている。トランスファー室１０３の内部は、開閉自在なゲートバルブ５１を介して第１の処理室１０１の内部（真空反応室２の内部）と連通されている。また、トランスファー室１０３の内部は、開閉自在なゲートバルブ５２を介して第２の処理室１０２の内部（真空反応室７０の内部）と連通されている。トランスファー室１０３内は、窒素ガスや、アルゴンガス等の不活性ガス等により所定の圧力に保つことができるようになっている。

また、この基板処理装置１００は、図示しないが、第１の処理室１０１が有する支持台５からトランスファー室１０３が有する支持台６５にシリコンウエハ３１を移動させるとともに、トランスファー室１０３が有する支持台６５から第２の処理室１０２が有する支持台７５にシリコンウエハ３１を移動させることが可能な移動機構を備えている。このようにして、基板処理装置１００が構成されている。

次に、基板処理方法について説明する。なお、被処理基板としては、第１の実施形態で用いた被処理基板３０（図２参照）と同じものを用いることとする。すなわち、被処理基板３０は、シリコン基板としてのシリコンウエハ３１と、このシリコンウエハ３１上に形成された自然酸化膜３２とを有している。

本実施形態では、シリコンウエハ３１上に自然酸化膜３２（ＳｉＯ_２膜）が形成されてなる被処理基板３０から、自然酸化膜３２をエッチングするとともに、その後、気密状態を破らずに、自然酸化膜３２を除去したシリコンウエハ３１の上面に、酸化シリコン絶縁膜３３（図４参照）を形成する方法を例にとって説明する。

まず、基板処理に先立ち、被処理基板３０の洗浄を行う。これは、第１の実施形態と同様にして行うことができる。次に、シリコンウエハ３１の上面に形成されている自然酸化膜３２をエッチングする。これもまた、第１の実施形態と同様にして行うことができる。なお、エッチング処理中は、ゲートバルブは閉状態としている。

第１の処理室１０１内にパージガスを導入する。第１の処理室１０１内の気圧をトランスファー室１０３内の気圧よりも高めた状態でゲートバルブ５１を開状態とする。第１の処理室１０１内の支持台５上に配置されているシリコンウエハ３１を、トランスファー室１０３内の支持台６５上に移動させる。このように、第１の処理室１０１内の気圧をトランスファー室１０３内の気圧よりも正圧した状態でシリコンウエハ３１を移動させることで、第１の処理室１０１内と第２の処理室１０２内とのクロスコンタクトを抑制することができる。

第２の処理室１０２内にパージガスを導入する。第２の処理室１０２内の気圧をトランスファー室１０３内の気圧よりも高めた状態でゲートバルブ５１を開状態とする。トランスファー室１０３内の支持台６５上に配置されているシリコンウエハ３１を、第２の処理室１０２内の支持台７５上に移動させる。このように、第２の処理室１０２内の気圧をトランスファー室１０３内の気圧よりも正圧した状態でシリコンウエハ３１を移動させることで、第１の処理室１０１内と第２の処理室１０２内とのクロスコンタクトを抑制することができる。

真空ポンプ７７を駆動させ、真空反応室７０内を実質的に真空状態とする。真空反応室７０内を真空排気処理した後、真空反応室７０内に、ＴＥＯＳガスを流量５ｓｃｃｍ、酸素ガスを流量７５０ｓｃｃｍで導入し、内圧を２３０Ｐａに保つ。加熱装置７４により、シリコンウエハ３１を３００℃に保つ。高周波電源装置を稼動させ、整合器を介して一方の電極に高周波電力を供給する。Ｏ_２ガス及びＴＥＯＳガスはプラズマにて分解され、シリコンウエハ３１の（１００）面に酸化シリコン（ＳｉＯ_２）分子が堆積し、酸化シリコン絶縁膜３３が形成される。以上により、基板処理が完了する。

本実施形態の基板処理方法により被処理基板３０を処理することによって得られたシリコンウエハ３１の特性を以下のようにして検証した。シリコンウエハ３１の（１００）面に上述のようにしてＰＥ−ＣＶＤ膜（ＳｉＯ_２絶縁膜）３３を膜厚４０ｎｍで形成した第１の試料と、シリコンウエハの（１００）面に熱酸化膜（ＳｉＯ_２膜）を膜厚３０ｎｍで形成した第２の試料（比較例）とを用意した。第１及び第２の試料のＳｉＯ_２膜上に夫々、アルミニウム膜を蒸着法により成膜し、直径１ｍｍの円形電極を形成した。さらに、窒素雰囲気中、３５０℃で、１時間、ＰＭＡ（Post Metallization Anneal）処理を行った。

図５は、上述のようにして得られた第１及び第２の試料（ＭＯＳ素子）について、電界強度と電流密度との関係の測定した結果である。図５に示すように、本実施形態の基板処理方法で処理した第１の試料のリーク電流密度は、熱酸化膜が形成された第２の試料のリーク電流密度と同程度に抑制されていることがわかった。つまり、本実施形態の基板処理方法によって形成されたＳｉＯ_２絶縁膜３３は、熱酸化膜と同程度にリーク電流が少なく、良好な特性を有していることがわかった。

以上のように、本実施形態の基板処理方法によれば、自然酸化膜３２をエッチングした後、気密状態を破らずにシリコンウエハ３１上に酸化シリコン絶縁膜３３を形成するようにしている。つまり、本実施形態の基板処理方法では、自然酸化膜３２をエッチング除去したシリコンウエハ３１を空気中に晒すことなく、このシリコンウエハ３１上に酸化シリコン絶縁膜３３を形成している。したがって、シリコンウエハ３１上に、界面特性が良好で、かつ、再現性のよく、しかも不純物の少ない絶縁膜３３を形成することができる。

なお、シリコン部材は、シリコンウエハに限定されるものではない。すなわち、被処理基板３０としては、シリコンウエハ３１等の上に、酸化シリコン膜３２が形成されてなるものの他、ガラス基板、石英ガラス基板、セラミックス基板、或いは樹脂基板等の上に、シリコンと酸化シリコンとが積層されたもの等を用いることができる。或いは、被処理基板としては、ガラス基板、石英ガラス基板、セラミックス基板、或いは樹脂基板上に、シリコンと酸化シリコンとが積層された部分を有する回路素子や回路素子の一部を形成したものを用いてもよい。

さらに、シリコン部材は、単結晶シリコンからなるものに限定されるものではなく、レーザ結晶化や固相結晶化等により形成した多結晶シリコン、微結晶シリコン、アモルファスシリコン等を有する基板の水素化処理にも適用できる。また、絶縁膜は、酸化シリコン膜に限定されるものではなく、絶縁物からなる膜であればよい。

本発明の第１の実施形態に係るエッチング装置を示す断面図。 酸化シリコンのエッチング方法を施す前の被処理基板の一例を示す断面図。 本発明の第２の実施形態に係るエッチング装置を示す断面図。 光処理を行ったシリコンウエハにＰＥＣＶＤ法により酸化膜を形成してなる基板を示す断面図。 光処理を行ったシリコンウエハにＰＥＣＶＤ法により酸化膜を形成してなる基板、及び、シリコンウエハに熱酸化膜を形成してなる比較例の基板の双方における電界強度と電流密度との関係を示す図。

符号の説明

１…エッチング装置、 ２１ａ，２１ｂ…キセノンエキシマランプ（光源）、 ５…支持台、 １３…光透過窓、 １７…排気口、 １９…フッ素化合物ガス導入口、 ３１…シリコンウエハ（シリコン部材、シリコン基板）、 ３２…自然酸化膜（酸化シリコン膜）、 ３３…酸化シリコン絶縁膜（絶縁膜）

Claims (5)

1. 酸化シリコンが形成されているシリコン部材を、構成元素にイオウを含まないフッ素化合物ガス雰囲気中に配置し、前記酸化シリコン及び前記フッ素化合物ガスに、シリコン−酸素間の結合エネルギー以上であって、且つ、前記フッ素化合物ガスを分解してフッ素原子活性種を生じさせるエネルギーを有する光を照射することにより、前記酸化シリコンをエッチングすることを特徴とする酸化シリコンのエッチング方法。
2. 前記フッ素化合物ガスは、フッ化シリコンガス、フッ化水素ガス、又はフッ化窒素ガスであることを特徴とする請求項１記載の酸化シリコンのエッチング方法。
3. 前記光は、キセノンエキシマランプから照射された光、クリプトンエキシマランプから照射された光、又はアルゴンエキシマランプから照射された光であることを特徴とする請求項１又は２記載の酸化シリコンのエッチング方法。
4. 酸化シリコン膜が形成されているシリコン基板を、構成元素にイオウを含まないフッ素化合物ガス雰囲気中に配置し、前記酸化シリコン膜及び前記フッ素化合物ガスに、シリコン−酸素間の結合エネルギー以上であって、且つ、前記フッ素化合物ガスを分解してフッ素原子活性種を生じさせるエネルギーを有する光を照射することにより、前記酸化シリコン膜をエッチングした後、気密状態を破らずに前記シリコン基板上に絶縁膜を形成することを特徴とする基板処理方法。
5. 処理容器と、
   シリコン部材を支持する支持面を有し、前記処理容器内に設けられた支持台と、
   前記処理容器に設けられ、フッ素化合物ガスを前記処理容器内に導入させるフッ素化合物ガス導入口と、
   前記処理容器に設けられ、前記処理容器内の気体を排出させる排気口と、
   前記処理容器が有する壁のうちの前記支持面に対向する部分に前記処理容器の壁の一部として設けられた透光性部材からなる光透過窓と、
   前記処理容器外に設けられ、シリコン−酸素間の結合エネルギー以上であって、且つ、前記フッ素化合物ガスを分解してフッ素原子活性種を生じさせるエネルギーを有する光を、前記光透過窓を介して前記処理容器内に照射可能な光源とを具備していることを特徴とするエッチング装置。

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