JPH07335618A

JPH07335618A - プラズマプロセスの方法及びプラズマプロセス装置

Info

Publication number: JPH07335618A
Application number: JP12630894A
Authority: JP
Inventors: Hideo Nakanishi; 秀男中西; Kazumi Wada; 一実和田; Koji Yamada; 孝二山田
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 1994-06-08
Filing date: 1994-06-08
Publication date: 1995-12-22

Abstract

(57)【要約】【目的】半導体基板表面を加工するプラズマプロセス
技術において、イオン照射により基板表面に発生する欠
陥を最表層のみに止め、該欠陥の基板内部への拡散を防
止するプラズマプロセスの方法とその装置を実現する。【構成】プラズマ室２内で生成されたプラズマ５か
ら、グリッド電極６に電圧を印加してイオン流１２を引
き出し基板９に照射するプラズマプロセス装置におい
て、グリッド電極を多層６−１、６−２にし、かつ、該
電極に設けられた細孔の位置をずらせて、プラズマ光１
１は阻止するが、イオン流１２はグリッド電極６−１、
６−２に印加する電圧によりエッチング室７に導き、基
板９表面の加工に用いる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、半導体デバイス等の製
造に用いられるプラズマプロセスの技術に係り、特に、
試料に対するダメージを最小にしたプラズマプロセスの
方法と、その装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、ＧａＡｓ化合物半導体ＬＳＩや、
光・電子素子を集積・一体化した光・電子集積回路（Ｏ
ＥＩＣ）の研究・開発が活発化している。これに伴い、
プラズマエッチング、プラズマクリーニング、プラズマ
デポジッション等のプラズマを利用したドライプロセス
が、素子作製に不可欠の手段となってきた。それは、従
来の湿式プロセスが結晶の面方位・組成に依存し、微細
度、加工精度、均一性、再現性等に欠ける等、集積回路
を製造する上で多くの欠点を有しているためである。以
下、プラズマプロセスの代表であるプラズマエッチング
を例にとって説明する。

【０００３】プラズマエッチングは、反応性ガスの放電
プラズマにより発生したイオンの物理的スパッタリング
や化学的活性種のエッチング作用を利用した、微細加工
技術である。一般に、プラズマ室とエッチング室を分離
して、プラズマ中に含まれたイオンをシャワー状に引き
出す反応性イオンビームエッチング（ＲＩＢＥ）装置が
多用されている。図６は、その一例を示す。ガス導入口
１からプラズマ室２へ導かれたエッチングガスは、空芯
コイル３による磁界とマイクロ波４とにより生ずる電子
サイクロトロン共鳴によって、高電離プラズマを生成す
る。生成されたプラズマ５中のイオンは、グリッド電極
６によってエッチング室７へシャワー状に引き出される
と共に、２００−１０００Ｖの電圧で加速された後、試
料ホルダー８上の基板９に照射される。これにより基板
９のエッチングが行なわれる。イオンの直進性を利用す
るエッチングであるので微細パターンの形成や垂直加工
性に優れている。なお、装置内は、排気口１０より真空
に排気されている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
ようなプラズマを利用したプロセスでは、電気特性、光
学特性の劣化をもたらすイオン衝撃によるダメージ（キ
ャリアキラーや非発光センターとして働く点欠陥）の発
生が避けられない、という大きな問題がある。ダメージ
の発生は、イオンエネルギーが数百ｅＶ以下と比較的小
さいにもかかわらず、イオンの注入飛程をはるかに越
え、表面から０．１μｍもの深い領域にまで及んでい
る。このため、素子能動層の微細加工に用いられること
が多い化合物半導体のエッチングでは、ダメージの問題
はとりわけ深刻である。

【０００５】ダメージに対して、従来から、イオンエネ
ルギーを小さくして、その低減をはかる試みがなされて
いる。しかし、イオンエネルギーを小さくすることは、
同時に、物理的スパッタリング効果の低下、すなわち、
異方性エッチングの低下をもたらす。その結果、例え
ば、エッチドミラーレーザ等で必要な深い垂直加工が困
難である、という欠点を有する。このため、イオンエネ
ルギーを小さくしてダメージ低減をはかるという手法
は、十分な解決策とはなり得ていない。

【０００６】そこで、実際のデバイス製造では、プラズ
マエッチングにより構造を形成した後、デバイスの動作
に影響を及ぼさない程度に表面のダメージ層を湿式エッ
チングにより除去する手法が、常套手段として用いられ
ている。この場合に重要なことは、ドライエッチングに
よるダメージの内部への侵入を抑制し、除去層を最小限
にとどめ、形成した構造の微細度及び加工精度を損なわ
ないようにすることである。しかしながら、従来、ダメ
ージの挙動、とりわけ、内部への深い侵入機構に対する
理解の欠如により、効果的な対処法も見いだせず、ダメ
ージ層除去の深い湿式エッチングによって、微細度、加
工精度を犠牲にしているのが現状である。

【０００７】以上、素子構造形成のためのプラズマエッ
チングを例に挙げて説明したように、素子の微細化・集
積化にはプラズマプロセス技術が不可欠であるが、イオ
ン衝撃によるダメージ発生は避けられない。微細度、加
工精度をできるだけ損なうことなく、ダメージのない表
面を得るための手法として、イオン照射によるダメージ
発生領域を表面の極薄層に止め、ダメージレスの湿式エ
ッチング等によるエッチオフ量を低減できる方法の開発
が、強く望まれている。

【０００８】本発明は上述の課題を解決するためになさ
れたもので、プラズマプロセスにおけるダメージの発生
を基板表面の極薄層に限定し、その後の湿式エッチング
等の手法によるダメージ層の除去量を最小限に止め、半
導体素子の微細度を損なうことのないプラズマプロセス
の方法と、その装置を提供することを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】この目的を達成するため
に、本発明においては、イオンを含むプラズマ粒子やプ
ラズマ光を発生するプラズマ生成領域から半導体等の加
工基板に達する経路中に、プラズマ光のみを遮断するす
るか、あるいは、上記基板の加工に用いるイオンの進路
と上記プラズマ光の進路とを分離させる手段を設け、プ
ラズマ光の加工基板への入射を抑制しながら、イオンに
より基板の加工を行なう。

【００１０】その手段として、まず第１には、プラズマ
生成領域と加工基板との間に、複数の細孔を有する第１
と第２のグリッド電極を層状に設け、これらのグリッド
電極の細孔の位置を相互にずらせて、イオンはこれらの
細孔を通過するが、プラズマ光は遮断されるようにす
る。このとき、第１のグリッド電極にパルス電圧を印加
してプラズマ中のイオンを第１と第２のグリッド電極間
に引き出し、次に、第２のグリッド電極に直流電圧か、
あるいは、第１のグリッド電極の電圧が零になる時間に
のみパルス電圧を印加して、上記のイオンを、さらに第
２のグリッド電極から加工基板の設置されている領域に
導き出す。

【００１１】第２として、プラズマ生成領域と加工基板
との間に、光遮蔽板と、さらに、これとは隔離されては
いるが包含する形状の円筒型電極とを設け、それぞれに
電圧を印加して、プラズマ光は遮断するが、イオンはそ
の進路を湾曲させて加工基板に導くようにする。

【００１２】第３には、プラズマ生成領域から電圧を印
加したグリッド電極によりイオンを引き出し、そのイオ
ンの進路中に磁界を印加して、イオンの経路を湾曲させ
てプラズマ光の経路とは分離させ、そのイオンの進行方
向に加工基板を設置することにより、プラズマ光の入射
なしに基板の加工を行なう。

【００１３】

【作用】本発明に係る半導体のプラズマプロセス装置
は、プラズマ光の基板表面への入射を防止してイオン照
射のみを可能とするために、電界あるいは磁界発生機構
を有するプラズマプロセス装置であることを特徴とす
る。すなわち、イオン照射により誘起されるダメージ
（欠陥）の拡散が、光励起キャリアによって著しく加
速、促進されるという発明者等の発見に着目して、ダメ
ージの半導体内部への侵入を防止することを最大の特徴
とする。

【００１４】従来から、ドライエッチング等のプラズマ
プロセスにおいて、イオンの注入飛程よりもはるかに深
いバルク層深部にまでキャリアキラーとして働く欠陥が
発生することが知られていたが、その機構については全
く不明であった。本発明者等は、プラズマ誘起欠陥の挙
動の研究を進める過程で、上記欠陥の深い侵入が、プラ
ズマプロセス中に基板表面を試料のバンドギャップより
も短波長のレーザ光で励起することにより、著しく促進
される現象を見いだした（１９９４年第６回半導体のシ
ャローレベルセンターに関する国際会議発表予定）。図
５は、レーザ光励起による侵入促進を示す一例である。
すなわち、Ａｒイオン照射中にレーザ光照射を行なった
場合のＧａＡｓウェハのキャリアキラー欠陥の深さ分布
を、レーザ光照射なしの場合と比較したものである。欠
陥密度は、本発明者等の開発したＰＲ法（１９９２年秋
季応用物理学会予稿集１１５１頁）により求めた。図
中、実線は、表面で発生した欠陥が拡散により内部へ侵
入するという拡散モデルにより求めた計算結果である。
実験値と計算値との良い一致から、欠陥の侵入機構が拡
散に支配されていること、そして、レーザ光励起による
拡散促進現象により、さらにバルク深部へ欠陥が侵入し
たことがわかる。類似の効果は、Ａｒイオンに限らず、
軽元素のＨ、Ｈｅイオンの照射でも観測され、プラズマ
プロセスによってＧａＡｓ中に発生する点欠陥にみられ
る普遍的な現象である。すなわち、近年、点欠陥物理学
の分野で関心の高まっている、多量の電子・正孔の注入
下で起こる欠陥の荷電状態の変化や再結合過程が関与し
た電子励起による拡散促進現象が、レーザ光励起によっ
て起きたためと考えられる。

【００１５】ところで、図６中に示されているように、
プラズマエッチングをはじめとする半導体のプラズマプ
ロセスでは、基板９の表面は、イオン１２とともにプラ
ズマ光１１にも曝されている。プラズマ光は、一般に半
導体のバンドギャップよりも短波長領域に強い発光を有
しているため、上記のレーザ光照射の場合と同様に、試
料表面に多数の電子・正孔対を生成する。そこで、本発
明者等は、プラズマエッチング等のプラズマプロセスに
よって点欠陥がイオンの注入飛程よりもはるかに深い半
導体バルク層にまで発生する現象の主たる要因が、プラ
ズマ光による電子励起拡散促進効果によるものと着目
し、基板表面へのプラズマ光の直射を抑制するように試
みた。その結果、点欠陥を表面近傍の浅い領域に閉じこ
めることが可能となり、例えば、プラズマエッチングで
引き続いて行なわれるダメージのない表面を得るための
湿式エッチングによる除去量を、著しく低減することが
できた。

【００１６】本発明は、以上述べたように、点欠陥挙動
の新現象の発見と考察に基づいた半導体のプラズマプロ
セスの装置と方法に関するものであり、イオン照射プロ
セスにおいて、基板表面がプラズマ光に曝されるのを積
極的に防止することにより、点欠陥の拡散を大幅に抑制
したものである。

【００１７】

【実施例】

（実施例１）本発明に係るプラズマプロセスの方法とそ
の装置について、本実施例では、ＧａＡｓ半導体のＣｌ
₂ガスプラズマによるエッチングを例にとり、説明す
る。本実施例１では、プラズマ生成室からエッチング室
にイオンを引き出すグリッド電極を多層構造とすること
により、加工基板表面へのプラズマ光の入射を防止し、
イオンのみの基板への照射を可能にしたものである。

【００１８】まず、図１（ａ）に、本実施例１の装置の
構成を示す。ここでは、グリッド電極が多層６−１、６
−２であり、かつ、それぞれの電極に設けられた細孔の
位置が相互にずれている。また、それぞれの電極６−
１、６−２には、電界を制御するための電圧が、電源１
３、１４により、それぞれ独立に、あるいは、一方に同
期して印加されるようになっている。

【００１９】次に、本装置により、プラズマ光を遮断
し、イオンのみを基板に照射する動作について説明す
る。

【００２０】まず、プラズマ光１１はグリッド電極６−
１の細孔を通過するが、グリッド電極６−２で反射され
るため、エッチング室７への入射が抑制される。一方、
イオン１２は、正にバイアスされたグリッド電極６−１
により、プラズマ室２からグリッド電極６−１と６−２
との間に引き出される。その後、図１（ｂ）に示すよう
に電圧が切り換えられて、零電位のグリッド電極６−１
と、それに同期して正にバイアスされたグリッド電極６
−２により生じる電界によって、イオン１２はグリッド
電極６−２の細孔を通過してエッチング室７へ導かれ、
基板９に照射される。以上のような動作を行なわせるこ
とにより、プラズマ光の入射を抑制し、イオンのみを基
板へ照射することができた。そして、１０分間のエッチ
ング後、基板をエッチング室７から取り出し、表面をダ
メージレスの湿式エッチングにより徐々に除去しなが
ら、表層のキャリアキラー欠陥の密度をＰＲ法により測
定した。その結果を、図２に、従来法の場合と比較して
示した。従来法ではダメージのない表面を得るのに約１
００ｎｍの除去が必要であるのに対して、プラズマ光の
基板への入射を防止した本発明に係る方法では、約１／
１０の１０ｎｍの除去でダメージのない表面を得ること
ができた。

【００２１】（実施例２）本実施例２では、エッチング
室に光遮蔽板とプラズマ粒子流の方向を制御するための
電界発生機構とを具備したプラズマエッチング装置につ
いて説明する。図３に、本装置の構成を示す。まず、基
板９をプラズマ光１１から遮るための光遮蔽板１５と、
エッチングに必要なイオン流１２を基板９表面へ集束さ
せるための電界を与える円筒型電極１６とが設けられて
いる。ここで、光遮蔽板１５がイオン流１２によりエッ
チングされてチャンバ内汚染の原因となることを防止す
るため、光遮蔽板１５にも、電圧を加えることができる
構造となっている。実施例１の場合と同様に、Ｃｌ₂ガ
スを用いてＧａＡｓ半導体を１０分間エッチングした
後、試料をエッチング室から取り出し、表面をダメージ
レスの湿式エッチングにより徐々に除去しながら欠陥密
度の深さ分布を測定した。その結果、実施例１と同様
に、従来、約１００ｎｍの深い領域にまで達していた欠
陥発生層が、表面から約１０ｎｍの極薄領域に限定され
ていることがわかった。

【００２２】（実施例３）本実施例３では、磁界により
イオン流の方向を制御して、基板表面へのプラズマ光の
入射を抑制したプラズマエッチング装置について説明す
る。図４に、本装置の構成を示す。磁界１７を発生させ
るための超伝導磁石を具備している点が、図６に示した
従来のエッチング装置と大きく異なる点である。図４に
おいて、紙面に垂直に印加される磁界１７によって、イ
オン流１２は、その進行方向をプラズマ光１１から９０
度曲げられて基板９に照射されるため、基板９表面には
イオン１２のみが照射され、プラズマ光１１の入射を防
止することができた。その結果、実施例１、２の場合と
同様に、従来、約１００ｎｍの深い領域にまで達してい
た欠陥発生層を、表面から約１０ｎｍの極薄領域に限定
することができた。

【００２３】なお、以上の実施例では、ＧａＡｓのプラ
ズマエッチングを例にとり、本発明に係るプラズマプロ
セスの装置と方法とについて、その動作と効果とについ
て説明したが、本発明は、エッチングに限らず、プラズ
マによる半導体表面のクリーニング、半導体表面への絶
縁膜のデポジッション等のプラズマを利用したデバイス
作製プロセスへの広範な適用が期待できる。また、材料
系についても、広く、Ｓｉ、ＩｎＰ等の半導体材料全般
への適用が期待できることも言うまでもない。

【００２４】

【発明の効果】以上説明したように、本発明に係るプラ
ズマプロセスの方法及びその装置においては、半導体基
板の加工表面に、プラズマ光の入射を防止しながらイオ
ン照射を行なうことができるので、イオン照射により発
生するダメージが基板表面から内部へ拡散することが抑
制され、ダメージを基板表面の浅い領域に閉じ込めるこ
とが可能となる。したがって、プラズマエッチングに引
き続いて行なわれる湿式エッチングによる表面層の除去
量も最小にでき、基板表面加工の微細度や精度を維持す
ることが可能となり、半導体デバイスの集積度の向上が
可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係るプラズマプロセス装置の第１の実
施例の装置構成を示した図である。

【図２】本発明に係るプラズマエッチングによって発生
した点欠陥の拡散抑制効果を示した図である。

【図３】本発明に係る第２の実施例であるプラズマエッ
チング装置の構成図である。

【図４】本発明に係る第３の実施例であるプラズマエッ
チング装置の構成図である。

【図５】本発明の着想に至った半導体のバンドギャップ
以上のエネルギーの光照射によりダメージの拡散が促進
される現象を示した例である。

【図６】従来のプラズマエッチング装置の構成図であ
る。

【符号の説明】

１…ガス導入口２…プラズマ室３…空芯コイル４…マイクロ波５…プラズマ６…グリッド電極７…エッチング室８…試料ホールダ９…基板１０…排気口１１…プラズマ光１２…イオン流１３、１４…電源１５…光遮蔽板１６…円筒型電極１７…磁界

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】プラズマを発生させ、これにより基板を加
工するプラズマプロセスの方法において、イオンを含む
プラズマ粒子やプラズマ光を発生するプラズマ生成領域
から上記加工基板に達する経路中に、プラズマ光を遮断
する手段、あるいは、上記基板の加工に用いるイオンの
進路と上記プラズマ光の進路とを分離させる手段を設
け、プラズマ光の加工基板への入射を抑制しながら、上
記イオンにより上記基板を加工することを特徴とするプ
ラズマプロセスの方法。
【請求項２】上記プラズマ生成領域と上記加工基板との
間に、複数の細孔を有する第１と第２のグリッド電極を
層状に設け、該グリッド電極の細孔の位置を相互にずら
せることにより、上記イオンは上記細孔を通過するがプ
ラズマ光は遮断されることを特徴とする請求項１に記載
のプラズマプロセスの方法。
【請求項３】上記プラズマ生成領域で発生したイオン
を、まず、上記第１のグリッド電極にパルス電圧を印加
して上記第１のグリッド電極と第２のグリッド電極との
間に引き出し、次いで、上記第２のグリッド電極に直流
電圧、あるいは上記第１のグリッド電極の電圧が零にな
る時間にパルス電圧を印加することにより、上記引き出
されたイオンをさらに加工基板の設置されている領域に
導くことを特徴とする請求項２に記載のプラズマプロセ
スの方法。
【請求項４】上記プラズマ生成領域と上記加工基板との
間に光遮蔽板を設け、かつ、該光遮蔽板とは隔離して該
光遮蔽板を包含する形状の円筒型電極を設け、該光遮蔽
板と該円筒型電極とにそれぞれ電圧を印加することによ
り、上記プラズマ光を遮断すると共に、上記イオンの経
路を湾曲させて上記加工基板に導くことを特徴とする請
求項１に記載のプラズマプロセスの方法。
【請求項５】上記プラズマ生成領域から電圧を印加した
グリッド電極によりイオンを引き出し、該引き出された
イオンの進路中に磁界を印加して該イオンの加工基板に
達する経路を湾曲させ、上記プラズマ光の経路から分離
させることを特徴とする請求項１に記載のプラズマプロ
セスの方法。
【請求項６】プラズマ生成領域から加工基板に達する経
路中に、複数の細孔を有する多層のグリッド電極を、該
グリッド電極の有する細孔の位置を相互にずらせて設置
し、かつ、上記グリッドにそれぞれ電圧を印加する手段
を設けたことを特徴とするプラズマプロセス装置。
【請求項７】プラズマ生成領域から加工基板に達する経
路中に光遮蔽板を設け、かつ、該光遮蔽板とは隔離し
て、該光遮蔽板を包含する形状の円筒型電極を設け、さ
らに、両者にそれぞれ電圧を印加する手段を設けたこと
を特徴とするプラズマプロセス装置。
【請求項８】プラズマ生成領域から生成イオンを引き出
す方向とは異なる方向に加工基板の保持具を設け、か
つ、上記引き出されたイオンの進路中に磁界を印加する
磁界発生装置を設けたことを特徴とするプラズマプロセ
ス装置。