JP7030915B2 - プラズマ処理方法、およびプラズマ処理装置 - Google Patents
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Description
シリコンを用いた半導体装置と同様に、炭化シリコンを用いた半導体装置においても、RIE(Reactive Ion Etching)によりトレンチや孔が形成される。
RIEにより、イオンを基板に打ち込めば、アスペクト比の高いトレンチを形成することができる。
また、プラズマを用いてイオンやラジカルなどの反応生成物を生成した際に発生した光には、波長の短い紫外線が含まれている。紫外線が、基板の、レジストやハードマスクで覆われていない部分に入射すると、紫外線が基板に吸収されてダメージが発生する場合がある。
また、炭化シリコンを用いた半導体装置の場合にも、ラジカルを用いた処理を施すことで、ダメージが発生している表面領域を除去することが提案されている(例えば、特許文献1を参照)。
本実施の形態に係るプラズマ処理方法により処理される基板100は、炭化シリコンを含んでいる。基板100は、例えば、半導体装置の製造において用いられるSiCウェーハなどとすることができる。ただし、基板100は、SiCウェーハに限定されるわけではなく、少なくとも表面に炭化シリコンからなる層が露出したものであればよい。
図1は、トレンチ110の形成を例示するための模式断面図である。
トレンチ110の形成工程は以下の通りである。
まず、基板100の上に、ハードマスク101を形成する。
ハードマスク101は、例えば、シリコン窒化膜(SiN膜)とすることができ、CVD(Chemical Vapor Deposition)や熱酸化法などにより形成することができる。
パターン102aを有するレジストマスク102は、例えば、フォトリソグラフィ法などにより形成することができる。
なお、ハードマスク101の形成、レジストマスク102の形成、トレンチ110の形成には、既知の技術を適用することができるので詳細な説明は省略する。
トレンチ110の壁面は、トレンチの内部にゲート電極を形成する際にゲート絶縁膜となる酸化膜が形成される界面となる。そのため、トレンチ110の壁面にダメージが発生している表面領域があれば、半導体装置としての電気特性を悪化させる要因となる。
表面領域100aを除去した際に露出する下層とは、例えば、炭化シリコンからなる基板100が露出したトレンチ110の壁面である。
ところが、ラジカルを用いた処理は、被エッチング物である表面領域100aとの化学反応によりエッチングを行う処理であるのに加え、炭化シリコンは、シリコンに比べて元素間の結合強度が高いので、単に、ラジカルを用いた処理を施すだけでは、ダメージが発生している表面領域100aを除去することが困難であった。
まず、炭化シリコンを含む基板100の、ダメージが発生している表面領域100aに紫外線を照射する。
紫外線は、例えば、紫外線ランプなどを備えた紫外線照射装置により照射することができる。
例えば、基板100を載置する雰囲気から離隔された雰囲気においてプラズマPを用いて処理ガスであるガスGからラジカルを生成し、ラジカルを基板100が載置された雰囲気に輸送し、輸送されたラジカルとの化学反応により、紫外線が照射された表面領域100aを除去する。
酸素ガスは、フッ素ラジカルの寿命を延ばすために添加される。酸素ガスは、必ずしも必要となるものではない。
この場合、フッ素ラジカルが生成される際に、イオンも生成される。
生成されたイオンが基板100の表面に到達すると、表面領域100aを除去した際に露出する下層にダメージが発生するおそれがある。
そのため、ダメージが発生している表面領域100aを除去する際には、イオンは基板100の表面に到達しないようにする。
一方、紫外線が照射された表面領域100aの下層は、表面領域100aが除去されるまで、前述した紫外線またはイオンの照射に対して露出していないため、SiとCの結合強度が高いままとなっているので、フッ素ラジカルにより除去されにくい。そのため、オーバーエッチングによりトレンチ孔径などの寸法が不必要に大きくなるのを抑制することができる。
まず、ダメージが発生している表面領域100aに紫外線を照射するとともに、ラジカルを供給する。
次に、紫外線の照射を停止する。
次に、ラジカルのみを表面領域100aに供給する。なお、ラジカルの供給は、紫外線を照射する工程からラジカルを供給する工程まで連続的に行う様にしてもよい。
すなわち、表面領域100aに水素ラジカルを供給する工程をさらに備えることができる。
表面領域100aに水素ラジカルを供給すれば、表面領域100aにおけるSi-C結合をSi-H結合に変えることができる。水素は質量が小さいので、Si-H結合に変えることができれば表面領域100aの除去が容易となる。
そのため、反応生成物を生成した際に発生した紫外線を、ダメージが発生している表面領域100aに照射することもできる。
この場合、以下のようにしてダメージが発生している表面領域100aを除去することができる。
次に、基板100のダメージが発生している表面領域100aに、ラジカルを生成した際に発生した紫外線を照射する。
例えば、ダメージが発生している表面領域100aの近傍(基板100の近傍)において、プラズマPを用いてガスGから反応生成物を生成する。すなわち、プラズマPと表面領域100aとの間の距離を短くする。
表面領域100aはプラズマPの近傍にあるので、反応生成物を生成した際に発生した紫外線は、表面領域100aに照射される。
このとき、例えば、紫外線やイオンを表面領域100aに照射するときよりも、プラズマPと表面領域100aとの間の距離を長くする。
プラズマPと表面領域100aとの間の距離とは、プラズマPの最もプラズマ密度の高い部分の位置からのプラズマの拡がりを考慮して表面領域100aとの距離を求めることができる。
プラズマPの最もプラズマ密度の高い部分の位置は、実験やシミュレーションによって予め求めることもできるし、放電管におけるスロット11b2に対向する位置とみなすことができる。
プラズマPと表面領域100aとの間の距離が長くなれば、ラジカルに比べて寿命の短いイオンは、表面領域100a(基板100)に到達し難くなる。また、プラズマPと表面領域100aとの間の距離が長くなれば、紫外線が表面領域100a(基板100)に到達し難くなる。
一方、ラジカルは表面領域100aに到達することができるので、ラジカルにより、紫外線やイオンが照射された表面領域100aを除去することができる。
ラジカルにより表面領域100aが除去されると、表面領域100aの下層が露出する。しかしながら、紫外線やイオンが露出した下層に到達し難くなっているので、紫外線やイオンにより下層にダメージが発生するのを抑制することができる。
図3(a)~(d)は、プラズマPの位置の移動を例示するための模式図である。
例えば、ラジカルを生成した際に発生した紫外線を表面領域100aに照射する際には、第1の位置で発生するプラズマPと表面領域100aとの間の距離が第1の距離に設定されるようにする(図3(a))。
紫外線が照射された表面領域100aを除去する際には、第2の位置で発生するプラズマPと表面領域100aとの間の距離が第1の距離よりも長い第2の距離に設定されるようにする(図3(b))。
この場合、後述するように、放電管11aに対する導入導波管11bの位置を変化させることで、プラズマPの位置を移動させることができる。
例えば、プラズマPの拡がりを大きくすれば、プラズマPと表面領域100aとの間の距離を短くすることができる。そのため、紫外線が表面領域100aに照射されやすくなる。
プラズマPの拡がりを小さくすれば、プラズマPと表面領域100aとの間の距離を長くすることができる。そのため、紫外線やイオンが表面領域100aに照射され難くなる。この場合、イオンよりも寿命の長いラジカルは表面領域100aに到達することができる。
例えば、ラジカルを生成した際に発生した紫外線を表面領域100aに照射する際には、プラズマPの拡がりが第1の大きさに設定される(図3(c))。
紫外線が照射された表面領域100aを除去する際には、プラズマPの拡がりが第1の大きさよりも小さい第2の大きさに設定される(図3(d))。
例えば、処理圧力を低くすればプラズマPの拡がりを大きくすることができる。処理圧力を高くすればプラズマPの拡がりを小さくすることができる。
マイクロ波などのパワーを高くすればプラズマPの拡がりを大きくすることができる。マイクロ波などのパワーを低くすればプラズマPの拡がりを小さくすることができる。
Ar、He、Xeなどの不活性ガスや、窒素ガスなどをガスGに添加すれば、プラズマPの拡がりを大きくすることができる。
また、プラズマPの位置を移動させるとともに処理圧力、マイクロ波などのパワー、ガスGの組成を変えることで、プラズマの位置と拡がりをともに変化させるようにしてもよい。
そのため、表面領域100aが、シリコンに比べて元素間の結合強度が高い炭化シリコンを含むものであったとしても、ラジカルにより容易に除去することができる。
また、ダメージの発生の少ないラジカルを用いて、表面領域100aを除去するので、表面領域100aを除去した際に露出する下層にダメージが発生するのを抑制することができる。
図2は、第2の実施形態に係るプラズマ処理装置1を例示するための模式断面図である。
プラズマ処理装置1は、前述したプラズマ処理方法を実行することができる。
図2に例示をしたプラズマ処理装置1は、リモートプラズマ処理装置の一種であるCDE装置である。
処理容器10は、大気圧よりも減圧された雰囲気を維持可能な気密構造を有している。
処理容器10には、図示しない搬入搬出口が設けられ、図示しない搬入搬出口を介して基板100の搬入と搬出が行えるようになっている。
処理容器10の内部であって、載置部10aの上方には整流板10bが設けられている。整流板10bは、接続管14から導入されるラジカルを含んだガスの流れを整流し、基板100の上方におけるラジカルの量が均一となるようにする。整流板10bと載置部10aの上面(載置面)との間の領域が、基板100に対するエッチング処理が行われる処理空間10cとなる。
放電管11aは、内部にプラズマPを発生させる領域を有し、処理容器10から離隔された位置に設けられている。放電管11aは管状を呈し、マイクロ波Mに対する透過率が高くエッチングされにくい材料から形成されている。例えば、放電管11aは、アルミナや石英などの誘電体から形成することができる。
導入導波管11bは、筒状を呈している。マイクロ波発生部11cから放射されたマイクロ波Mは、導入導波管11bの内部の空間を伝播する。
導入導波管11bの一方の端部にはマイクロ波発生部11cが接続されている。導入導波管11bの他方の端部は、遮蔽部11b1を介して放電管11aと接続されている。また、導入導波管11bと遮蔽部11b1との接続部分には、環状のスロット11b2が設けられている。導入導波管11bの内部を伝播してきたマイクロ波Mは、スロット11b2を介して放電管11aの内部に導入される。
減圧部12は、処理容器10の内部を所定の圧力まで減圧する。
減圧部12は、例えば、ターボ分子ポンプなどとすることができる。減圧部12は、圧力制御部(Auto Pressure Controller:APC)12aを介して処理容器10と接続されている。
ガス供給部13は、プラズマPを発生させる領域にガスGを供給する。すなわち、ガス供給部13は、放電管11aの内部にガスGを供給する。放電管11aの内部に供給されるガスGは、流量制御部13aにより供給量が制御される。
放電管11aの内部に複数種類のガスを供給する場合には、複数種類のガス毎に流量制御部を設けることができる。
接続管14の一方の端部は、放電管11aの、ガス供給部13側とは反対側の端部に接続されている。接続管14の他方の端部は、処理容器10と接続されている。
なお、接続管14は必ずしも必要ではない。例えば、放電管11aと処理容器10が接続されるようにしてもよい。
また、処理容器10における接続管14の配設位置には特に限定はないが、載置部10aの真上とすることが好ましい。この様にすれば、反応生成物を生成した際に発生した紫外線またはイオンを基板100の表面領域100aに照射するのが容易となる。
また、接続管14の形状には特に限定はないが、直線状、すなわち真っ直ぐな筒状体とすることが好ましい。この様にすれば、反応生成物を生成した際に発生した紫外線またはイオンを基板100の表面領域100aに照射するのが容易となる。また、ラジカルを基板100の表面領域100aに供給するのも容易となる。
例えば、移動部15は、放電管11aに沿って、遮蔽部11b1、スロット11b2、導入導波管11b、およびマイクロ波発生部11cを移動させる。
この場合、移動部15は、放電管11aに沿って、遮蔽部11b1、スロット11b2、および、導入導波管11bを移動させるものとすることもできる。この場合、マイクロ波発生部11cと導入導波管11bの間には、可撓性を有する筒状体を設けることができる。
移動部15は、例えば、サーボモータなどの制御モータ、直動軸受けなどの案内機構、ボールネジなどの伝導機構を備えたものとすることができる。
移動部15を設ける様にすれば、前述したプラズマPと表面領域100aとの間の距離を制御することが容易となる。
なお、プラズマPと表面領域100aとの間の距離は、プラズマPの発生領域から反応生成物や紫外線が表面領域100aまで到達する経路上の距離とする。
すなわち、放電管11aにおける、プラズマPの発生領域からガス供給部13側とは反対側の端部までの距離と、接続管14の軸方向の長さと、接続管14と処理容器10との接続部分から表面領域100aまでの長さを合計したものとすることができる。例えば、接続管14の形状が屈折している場合は、屈折している長さを含めるものとする。
なお、プラズマPの拡がりを変えることでプラズマPと表面領域100aとの間の距離を変化させる場合には、移動部15を省くこともできる。
また、移動部15によるプラズマPの位置制御と、減圧部12やガス供給部13などによるプラズマPの拡がりの制御とを行う様にすることもできる。
紫外線照射部16は、例えば、紫外線ランプなどを備えた紫外線照射装置とすることができる。
紫外線照射部16は、処理容器10の内部に設けることができる。紫外線照射部16は、例えば、処理空間10cに設けることができる。
なお、紫外線照射部16は、処理容器10の外部に設けることもできる。例えば、処理容器10と外部空間との間にロードロックチャンバ200などが設けられる場合がある。ロードロックチャンバ200などが設けられる場合には、紫外線照射部16はロードロックチャンバ200などの内部に設けることができる。
なお、反応生成物を生成した際に発生した紫外線を利用する場合には、紫外線照射部16を省くことができる。
制御部17は、記憶部に格納されている制御プログラムに基づいて、プラズマ処理装置1に設けられた各要素の動作を制御する。なお、各要素の動作を制御する制御プログラムには既知の技術を適用することができるので、詳細な説明は省略する。
制御部17は、移動部15を制御して、プラズマPの位置制御を行う。
制御部17は、移動部15を制御して、プラズマPと表面領域100aとの間の距離を短くすることで、紫外線が表面領域100aに照射される様にする。
また、制御部17は、移動部15を制御して、プラズマPと表面領域100aとの間の距離を長くすることで、紫外線やイオンが表面領域100aが除去された際に露出する下層に照射されないようにする。
例えば、制御部17は、移動部15を制御して、放電管11aに沿って、遮蔽部11b1、スロット11b2、導入導波管11b、およびマイクロ波発生部11cを移動させ、プラズマPと表面領域100aとの間の距離を第1の距離に設定することで、紫外線が表面領域100aに照射されるようにする。
制御部17は、移動部15を制御して、放電管11aに沿って、遮蔽部11b1、スロット11b2、導入導波管11b、およびマイクロ波発生部11cを移動させ、プラズマPと表面領域100aとの間の距離を第1の距離よりも長い第2の距離に設定することで、紫外線が表面領域100aが除去された際に露出する下層に照射されるのを抑制する。
制御部17は、減圧部12を制御して、処理圧力を低くすることでプラズマPの拡がりを大きくする。制御部17は、減圧部12を制御して、処理圧力を高くすることでプラズマPの拡がりを小さくする。
例えば、制御部17は、減圧部12を制御して、処理容器10の内部の圧力を第1の圧力に設定することで、紫外線が表面領域100aに照射されるようにする。
制御部17は、減圧部12を制御して、処理容器100の内部の圧力を第1の圧力よりも高い第2の圧力に設定することで、表面領域100aが除去された際に露出する下層に紫外線が照射されるのを抑制する。
例えば、制御部17は、マイクロ波発生部11cを制御して、マイクロ波Mのパワーを第1のパワーに設定することで、紫外線が表面領域100aに照射されるようにする。
制御部17は、マイクロ波発生部11cを制御して、マイクロ波Mのパワーを第1のパワーよりも低い第2のパワーに設定することで、表面領域100aが除去された際に露出する下層に紫外線が照射されるのを抑制する。
すなわち、制御部17は、ガス供給部13を制御して、ガスGに、不活性ガスおよび窒素ガスの少なくともいずれかを添加することで、紫外線が表面領域100aに照射されるようにする。
まず、図示しない搬送装置により、基板100が載置部10aの上に載置される。
次に、紫外線照射部16により、紫外線が基板100の表面領域100aに照射される。
次に、減圧部12により、処理容器10の内部が所定圧力まで減圧される。
次に、ガス供給部13から流量制御部13aを介して所定流量のガスGが放電管11a内に供給される。一方、マイクロ波発生部11cから所定のパワーのマイクロ波Mが導入導波管11b内に放射される。放射されたマイクロ波Mは導入導波管11b内を伝播して、スロット11b2を介して放電管11aに向けて放射される。
例えば、移動部15により、プラズマPと表面領域100aとの間の距離を短くすることで、紫外線が表面領域100aに照射されるようにする。
また、減圧部12、マイクロ波発生部11c、およびガス供給部13の少なくともいずれかにより、プラズマPの拡がりを大きくすることで、紫外線が表面領域100aに照射されるようにする。
なお、プラズマPの位置制御、およびプラズマPの拡がりの制御は、前述したものと同様とすることができるので詳細な説明は省略する。
例えば、第2の実施形態において、接続管14は直線状であり、処理容器10の真上に設けられるようにしたが、これに限るものではない。
図4(a)、(b)は、傾斜して支持された放電管11aを例示するための模式図である。
図4(a)、(b)に示すように、例えば、放電管11aの軸が処理容器10の外壁面に対して傾斜して支持されるように接続管14を設けてもよい。この場合、紫外線を照射する工程時の第1の距離は、紫外線やイオンが基板の表面領域100aに到達するように、プラズマP1が発生する位置から放電管の軸の延長線上に基板が存在する距離に設定することができる(図4(a))。また、紫外線の照射された表面領域を除去する工程時の第2の距離は、紫外線やイオンが基板の表面領域100aに到達するのを抑制するために、プラズマP2が発生する位置から放電管の軸の延長方向に基板が存在しない距離とすることができる(図4(b))。
図5(a)、(b)は、屈曲した放電管11aを例示するための模式図である。
図5(a)、(b)に示すように、例えば、放電管11aが、処理容器10の外壁面に対して垂直に設けられた直線部11a1と、直線部11a1に対して傾斜している(直線部と交わる角が180度以下である)屈曲部11a2とを有することもできる。この場合、遮蔽部11b1、スロット11b2を複数有し、工程に応じて選択的に使い分けることで、プラズマPの位置を移動させるようにしてもよい。この場合、移動部15を省略することができる。例えば、紫外線を照射する工程時は、直線部11a1に設けられた第1のスロット11b2に対してマイクロ波を印加して、プラズマPと表面領域との間の距離が第1の距離になるようにプラズマP1を発生させる(図5(a))。紫外線の照射された表面領域を除去する工程時は、屈曲部11a2に設けられた第2のスロット11b2に対してマイクロ波を印加して、プラズマPと表面領域との間の距離が第2の距離になるようにプラズマP2を発生させる(図5(b))。
図6(a)、(b)は、直線形状を持つ接続管11aと、屈折形状を持つ接続管14bを例示するための模式図である。
図6(a)、(b)に示すように、例えば、直線形状を持つ接続管14aと、屈折形状を持つ接続管14bを設け、それぞれに放電管を接続し、工程に応じて放電管を選択してプラズマPの位置を移動させることができる。例えば、紫外線を照射する工程を行う時は、直線形状を持つ接続管14aに接続された一方の放電管において、プラズマPと表面領域との間の距離が第1の距離になるようにプラズマP1を発生させる(図6(a))。紫外線の照射された表面領域を除去する工程時は、屈折形状を持つ接続管14bに接続された他方の放電管において、プラズマPと表面領域との間の距離が第2の距離になるように、プラズマP2を発生させる(図6(b))。この場合も、遮蔽部11b1、スロット11b2を複数有し、工程に応じて選択的に使い分けるようにしてもよく、移動部15を省略することができる。
前述の実施の形態に関して、当業者が適宜、構成要素の追加、削除若しくは設計変更を行ったもの、または、工程の追加、省略若しくは条件変更を行ったものも、本発明の特徴を備えている限り、本発明の範囲に包含される。
例えば、プラズマ処理装置1が備える各要素の形状、寸法、材質、配置、数などは、例示をしたものに限定されるわけではなく適宜変更することができる。
また、前述した各実施の形態が備える各要素は、可能な限りにおいて組み合わせることができ、これらを組み合わせたものも本発明の特徴を含む限り本発明の範囲に包含される。
Claims (2)
- 大気圧よりも減圧された雰囲気を維持可能な処理容器と、
前記処理容器の内部を所定の圧力まで減圧する減圧部と、
前記処理容器の内部に設けられ、基板を載置する載置部と、
内部にプラズマを発生させる領域を有し、前記処理容器から離隔された位置に設けられた放電管と、
マイクロ波を発生させるマイクロ波発生部と、
前記マイクロ波を伝播させて、前記プラズマを発生させる領域に前記マイクロ波を導入する導入導波管と、
前記プラズマを発生させる領域にガスを供給するガス供給部と、
ガス供給部を制御する制御部と、
を備え、
前記基板は、炭化シリコンを含み、ダメージが発生している表面領域を有し、
前記制御部は、前記プラズマを用いて前記ガスからラジカルを生成した際に発生した紫
外線を前記表面領域に照射した後、前記プラズマの拡がりを小さくするように前記ガスの
組成を変化させて前記表面領域に照射される前記紫外線を抑制するプラズマ処理装置。 - 前記ガスは、フッ素を含むガスと酸素ガスを含む請求項1に記載のプラズマ処理装置。
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