JPH06252108A

JPH06252108A - 表面処理方法および装置

Info

Publication number: JPH06252108A
Application number: JP3634593A
Authority: JP
Inventors: Naoshi Itabashi; 直志板橋; Katanobu Yokogawa; 賢悦横川; Tetsuo Ono; 哲郎小野
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1993-02-25
Filing date: 1993-02-25
Publication date: 1994-09-09

Abstract

(57)【要約】【目的】原子層レベルの加工精度をもつエッチング方法
を提供する。【構成】希ガス準安定励起種を発生させ固体試料１に照
射することにより、極表面層の改質、あるいは、極表面
での反応誘起を行う。この作用を利用して、極表面の改
質層のみ、あるいは、適当な化学種の吸着層のみをエッ
チングしたのち自己停止する。【効果】原子層レベルの加工精度をもつ極低損傷なエッ
チングを実現できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ドライエッチングの方
法にかかわるもので、特に、原子層レベルの加工精度で
極低損傷なエッチングを行うために準安定励起種の内部
エネルギを利用する表面処理方法および装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体のドライエッチングを行うために
は、試料表面に反応性化学種を供給することに加えて、
試料表面におけるエッチング反応を進行させ反応生成物
を表面から脱離させるためのエネルギを与えることが必
要である。また、微細加工パターンを実現するためにエ
ッチングに異方性をもたせることが不可欠であったた
め、従来の半導体ドライエッチング技術では、放電プラ
ズマによって生成された活性化学種の反応性と電界によ
って加速されたイオン種のエネルギを利用する「プラズ
マエッチング」が主流であった。

【０００３】しかし、エッチングに用いるプラズマ中に
は多種類の中性化学種や荷電粒子が混在しているうえ、
各活性種のエネルギにもひろがりがあるため、プラズマ
エッチングの加工精度には限界がある。よって、将来的
に必要となる原子レベルの微細加工を実現するために
は、低エネルギかつエネルギ単色性の高い粒子による極
低損傷表面加工技術を確立することが必要である。

【０００４】最近、原子レベルの加工精度でエッチング
を行う方法としてＡｒ+ を利用する方法（特開平3−110
844 号公報）が提案されている。しかし、Ａｒ+ を利用
する方法では、加速イオンの衝突による試料表面の損傷
を避けることが難しいため、本発明ではさらなる低損傷
加工の実現をめざしている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、上記従来技
術の問題点を解決し、原子レベルの加工精度をもつ極低
損傷なドライエッチング方法および装置を提供すること
を課題とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明では、準安定励起
種の内部エネルギを利用して所望の表面反応を選択的に
誘起しエッチングを行うことにより、この課題を解決す
る。

【０００７】

【作用】本発明では、希ガスの準安定励起種の固体試料
表面への効果として、次の二つをそれぞれ利用した。（ａ）表面改質作用：試料極表面構成原子間の結合状態
を変化（最表面原子再配列，未結合電子状態生成）させ
ることにより、エッチングされやすい表面状態を形成す
る作用。（ｂ）表面反応誘起作用：試料表面に吸着した反応種
（エッチャント）と試料表面構成原子との反応を誘起す
る作用。

【０００８】図１はこれら（ａ)，(ｂ）の作用を利用し
て試料極表面層をエッチングする様子を示す。図１
（ａ）に示すように表面改質作用を利用する場合には、
まずエッチングしようとしている試料１に希ガス準安定
励起種２を照射することによって表面改質層３を形成す
る。つづいて、ハロゲン元素を含む分子またはラジカル
４を照射することにより、表面改質層３をエッチングす
るのである。

【０００９】また、図１（ｂ）に示すように表面反応誘
起作用を利用する場合には、まず、エッチングしようと
している試料１にハロゲン元素を含む分子またはラジカ
ル５を照射することにより、化学吸着層６を形成する。
続いて、希ガス準安定励起種２を照射することにより、
化学吸着層３をエッチングするのである。

【００１０】本発明では、上述（ａ)，(ｂ）の効果を得
るために、並進運動エネルギの小さい準安定励起種のみ
を用いているので、従来のプラズマエッチングの時と比
較して、（１）その粒子の表面に対する侵入深さ、およ
びその粒子のもつエネルギが表面反応，表面改質に影響
を及ぼす深さが非常に小さく、原子層オーダである、
（２）準安定状態への励起エネルギ（準安定励起種の持
つ内部エネルギ）が、固体試料極表面における電子の受
渡しに起因した表面反応，表面改質に使われるため、所
望の素過程のみ選択的に誘起できる、という特徴があ
る。このように、希ガスの準安定励起種の固体試料表面
への効果を利用して、原子層オーダで極低損傷なエッチ
ングを実現できた。

【００１１】

【実施例】＜実施例１＞本実施例は、本発明の作用で説
明した（ａ）表面改質作用を利用した場合であり、被エ
ッチング試料としては単結晶Ｓｉを熱酸化することによ
って得られたＳｉＯ₂を、希ガスの準安定励起種として
はＨｅ(２³Ｓ）を、また、エッチャントにはＦラジカル
を用いたものである。

【００１２】本実施例で説明する実験に用いた装置の概
略を図２に示す。この装置は、通常の超高真空チャンバ
７に、表面改質のための希ガス準安定励起種ビーム源
８，エッチングのためのラジカルビーム源９，試料１
０，試料加熱および冷却装置１１，排気系１２を備えて
いる。

【００１３】エッチングの手順は以下のとおりである。
まず、熱酸化処理を施した試料１０をチャンバ７内に設
置したのち、排気系１２によりチャンバ７内を１×１０
^-10Torr以下に排気した。次に、希ガス準安定励起種ビ
ーム源８にヘリウムガスを供給し準安定励起種Ｈｅ(２³
Ｓ）のビームを発生させ、試料１０に照射した。このと
き、準安定励起種Ｈｅ(２³Ｓ）のビームは、Ｈｅ放電か
らグリッド電極を用いて荷電粒子を取り除いたのち、Ｈ
ｅクエンチランプを用いてＨｅ(２¹Ｓ）を脱励起するこ
とによって得た。そのとき、試料１０の表面に供給され
た準安定励起種Ｈｅ(２³Ｓ）のフラックスは１×１０¹⁴
cm^-2・ｓ^-1、照射時間は１０分であった。

【００１４】ここで、準安定励起種Ｈｅ(２³Ｓ）のビー
ムの照射によって表面改質が十分にできているかどうか
を確認するため、電子スピン共鳴法を用いて試料１０の
極表面における未結合状態(oxygen-deficient“trivale
nt silicon”）の数を調べた。結果として、試料１０の
極表面において、ビーム照射前には１×１０¹²cm^-3以下
であった未結合状態が、ビーム照射後には１×１０¹⁴cm
^-3に増加していることがわかり、表面改質が十分になさ
れていることが確認された。

【００１５】次に、ラジカルビーム源９にフッ素ガスを
供給し、Ｆラジカルのビームを発生させ、表面改質後の
試料１０に照射した。このとき、質量分析法を用いて表
面からの脱離種を調べたところ、ＳｉＦ_x(ｘ＝１〜４）
が観測され、エッチング反応が起こっていることが確認
された。脱離種ＳｉＦ_x(ｘ＝１〜４）の発生量は、Ｆラ
ジカルのビームの照射開始直後に増加しはじめ、その
後、ピークに達し、さらにエッチングが進むに従って減
少し、表面改質層のエッチングが完全に終了した時点で
ほぼゼロとなった。

【００１６】一方、比較のために、試料１０の位置に表
面改質を施していない試料をおいて、同じＦラジカルの
ビームを照射したが、このときはＳｉＦ_x(ｘ＝１〜４）
は観測されず、エッチング反応は起こっていないことが
わかった。

【００１７】希ガス準安定励起種による表面改質作用を
利用した本発明のエッチング方法は、本実施例に示され
るように、表面改質層をエッチングし終った時点で反応
を停止する自己停止機構を利用した方法であるため、原
子層オーダの極低損傷エッチングをするために有効な方
法である。

【００１８】＜実施例２＞本実施例は、本発明の作用で
説明した（ｂ）表面反応誘起作用を利用した場合であ
り、被エッチング基板としてはＧａＡｓ（１００）基板
を、反応性吸着種としてはＣｌ原子を、希ガスの準安定
励起種はＨｅ(２³Ｓ）を用いたものである。

【００１９】図２は本実施例で説明する実験に用いた装
置の概略を示す。この装置は、通常の超高真空チャンバ
７に、反応性化学種の吸着のための分子ビーム源９，表
面反応誘起のための希ガスの準安定励起種ビーム源８，
試料１０，排気系１２を備えた構成になっている。

【００２０】エッチングの手順は以下のとおりである。
まず、試料１０をＨ₂ＳＯ₄／Ｈ₂Ｏ₂／Ｈ₂Ｏで表面処理
し、チャンバ７内に設置したのち、排気系１２によりチ
ャンバ７内を１×１０^-10Torr 以下に排気した。次に、
酸素除去のため試料１０を約８００℃に加熱処理した
後、分子ビーム源９に塩素ガスを供給し、Ｃｌ₂分子の
ビームを発生させ、約−１８０℃に保たれた試料１０に
照射した。そのとき、試料１０の表面に供給されたＣｌ
₂分子のフラックスは１×１０¹⁴cm^-2・ｓ^-1、照射時間
は１０分であった。Ｃｌ₂分子は、試料表面において解
離吸着するので、この吸着方法によって試料表面にＣｌ
原子の化学吸着層が形成される。こののち、化学吸着層
の上に過剰に物理吸着したＣｌ₂分子を除去するために
試料１０の温度を約２０℃まで上昇させた。

【００２１】ここで、Ｃｌ₂分子ビームの照射によって
試料１０の極表面にＣｌ原子の化学吸着層が形成された
かどうかを確認するために、Ｘ線光電子分光法を用いて
試料１０の極表面におけるＣｌ原子の吸着状態を調べ
た。

【００２２】結果として、Ｃｌ原子の化学吸着によるケ
ミカルシフトが特にＡｓ(３ｄ)信号において顕著に観測
され、塩素原子が試料表面原子に化学吸着していること
が確認された。次に、希ガス準安定励起種ビーム源８に
ヘリウムガスを供給し準安定励起種Ｈｅ(２³Ｓ）のビー
ムを発生させ、試料１０に照射した。そのとき、試料１
０の表面に供給された準安定励起種Ｈｅ(２³Ｓ）のフラ
ックスは１×１０¹⁴cm^-2・ｓ^-1であった。

【００２３】このとき、質量分析法を用いて表面からの
脱離種を調べたところ、ＧａＣｌ_x（ｘ＝１〜３）が観
測され、エッチング反応が起こっていることが確認され
た。脱離種ＧａＣｌ_x(ｘ＝１〜３）の発生量は、準安定
励起種Ｈｅ(２³Ｓ）のビームの照射開始直後に増加しは
じめ、その後、ピークに達し、さらにエッチングが進む
につれて減少し、塩素吸着層のエッチングが完全に終了
した時点でほぼゼロとなった。

【００２４】希ガス準安定励起種による表面反応誘起作
用を利用した本発明のエッチング方法は、本実施例に示
されるように、化学吸着層（Ｃｌ原子が化学吸着した極
表面層）をエッチングし終った時点で反応を停止する自
己停止機構を利用したため、原子層オーダの極低損傷エ
ッチングをするために有効な方法である。

【００２５】

【発明の効果】本発明によって、原子層オーダの加工精
度をもつ極低損傷なエッチングが可能になった。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例の説明図。

【図２】本発明の実施例１と２で用いた装置の説明図。

【符号の説明】

１…試料、２…希ガス準安定励起種、３…改質層、４…
ハロゲン元素を含む分子またはラジカル、６…化学吸着
層。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】真空中で固体試料を表面処理する方法にお
いて、前記固体試料の表面に複数種の粒子を照射する
際、そのうちの少なくとも一つが準安定励起状態の希ガ
スであることを特徴とする表面処理方法。
【請求項２】請求項１において、前記固体試料の表面の
エッチングを行う表面処理方法。
【請求項３】請求項２において、ハロゲン元素を含む分
子またはラジカルをビームまたは雰囲気ガスとして試料
の表面に供給する表面処理方法。
【請求項４】請求項３において、ハロゲン元素を含む分
子またはラジカルを試料に照射する前に、あるいは照射
するのと同時に、前記準安定励起状態の希ガス原子を試
料表面に照射し、その準安定励起状態の希ガス原子のも
つ内部エネルギを用いて試料表面構成原子の結合状態を
変化させ、試料表面を所望のエッチング反応が起こりや
すい表面状態に改質する表面処理方法。
【請求項５】請求項１に記載の前記希ガス準安定励起種
がＨｅ(２¹Ｓ）またはＨｅ(２³Ｓ）である表面処理方
法。
【請求項６】請求項４において、前記ハロゲン元素を含
む分子またはラジカルがＦラジカルである表面処理方
法。
【請求項７】請求項３において、ハロゲン元素を含む分
子またはラジカルを試料に照射した後に、あるいは照射
するのと同時に、前記準安定励起状態の希ガス原子を試
料表面に照射し、前記準安定励起状態の希ガス原子のも
つ内部エネルギを用いてエッチングしようとしている固
体試料の表面構成原子と試料表面に吸着したエッチャン
トとの間の化学反応、また、この反応による生成物分子
の脱離を援助，促進する表面処理方法。
【請求項８】請求項１に記載の希ガス準安定励起種がＨ
ｅ(２¹Ｓ）またはＨｅ(２³Ｓ）である表面処理方法。
【請求項９】請求項７において、前記ハロゲン元素を含
む分子またはラジカルがＣｌ₂分子である表面処理方
法。
【請求項１０】請求項４または７において、真空排気手
段を有する気相中に、希ガス準安定励起種のビームの発
生手段，ハロゲン元素を含む分子またはラジカルのビー
ムの発生手段，被加工試料の加熱及び冷却手段をもつ表
面処理装置。