JPH086184B2 - 表面処理方法 - Google Patents
表面処理方法Info
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- JPH086184B2 JPH086184B2 JP60126023A JP12602385A JPH086184B2 JP H086184 B2 JPH086184 B2 JP H086184B2 JP 60126023 A JP60126023 A JP 60126023A JP 12602385 A JP12602385 A JP 12602385A JP H086184 B2 JPH086184 B2 JP H086184B2
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- molecule
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Description
【発明の詳細な説明】 〔発明の利用分野〕 本発明はドライプロセスに係り、特に半導体素子製造
に好適なドライプロセス方法に関する。
に好適なドライプロセス方法に関する。
従来の、特に半導体素子製造における、ドライプロセ
スでは、イオンビームまたはプラズマが用いられていた
（菅野卓雄編著；「半導体プラズマプロセス技術」，産
業図書,1980）。しかし、このような方法では被処理体
である素子または試料の表面や素子近傍の固体表面、例
えば真空室内壁や試料台表面に、高運動エネルギー（約
100eV以上）のイオン、原子，分子，電子等が入射し、
素子表面に損傷，汚染を不可避的に形成していた。ま
た、このような高エネルギー粒子の入射による素子温度
の上昇も発生した。半導体素子寸法が減少（１μｍ以
下）して行くと、このような損傷，汚染、および素子温
度上昇は重大な問題となつてくる。また、近い将来に実
現が期待されている３次元構造の半導体素子には、この
ような損傷，汚染，温度上昇は致命的であり、従来のド
ライプロセスは使用不可能となる。
スでは、イオンビームまたはプラズマが用いられていた
（菅野卓雄編著；「半導体プラズマプロセス技術」，産
業図書,1980）。しかし、このような方法では被処理体
である素子または試料の表面や素子近傍の固体表面、例
えば真空室内壁や試料台表面に、高運動エネルギー（約
100eV以上）のイオン、原子，分子，電子等が入射し、
素子表面に損傷，汚染を不可避的に形成していた。ま
た、このような高エネルギー粒子の入射による素子温度
の上昇も発生した。半導体素子寸法が減少（１μｍ以
下）して行くと、このような損傷，汚染、および素子温
度上昇は重大な問題となつてくる。また、近い将来に実
現が期待されている３次元構造の半導体素子には、この
ような損傷，汚染，温度上昇は致命的であり、従来のド
ライプロセスは使用不可能となる。
本発明の目的は、損傷，汚染，温度上昇のない表面処
理方法を提供することにある。
理方法を提供することにある。
約10年程前から表面処理の分野、特に半導体素子製造
分野では、ドライプロセスが活発に用いられている。こ
こで、ドライプロセスとは、これ以前のウエツトプロセ
ス（水溶液を用いる方法）に対する言葉であり、試料表
面を真空中または気相中にて処理する方法をいう。しか
し、従来のドライプロセスでは、プラズマまたはイオン
ビームが用いられており、試料表面に入射する電子，イ
オン，イオンビームの運動エネルギーは数eV〜104eVに
分布していた（第１図参照）。ところが、結晶中の原子
のDisplacement Energy（デイスプレイスメント・エナ
ジー：原子を正規の結晶格子位置からずらすのに必要な
エネルギー）Edは約10eVである。例えば、Si結晶ではEd
＝12.9eVである。〔G.カーター他著“イオン・ボンバー
ドメント・オブ・ソリツズ“（Ion Bombardment of Sol
ids）”ロンドン，ハイネマン・エデュケーシヨナル・
ブツクス社,1968,p214〕。このため、従来、ドライプロ
セスでは試料表面に損傷が不可避的に形成された。ま
た、このような高エネルギー粒子の入射によつて試料温
度も上昇し、場合によつては300℃以上となつた。この
ような試料温度上昇は試料表面に別の結晶欠陥（損傷）
を形成したり、プロセスの適用範囲を極端に限定してい
た。また、このような高エネルギー粒子が試料近傍の表
面に入射するとこの表面物質を物理的、化学的にスパツ
タし、これが試料表面に再付着して表面汚染を発生させ
た。このような損傷，汚染，温度上昇は表面処理技術、
特に半導体素子製造技術においては致命的である。
分野では、ドライプロセスが活発に用いられている。こ
こで、ドライプロセスとは、これ以前のウエツトプロセ
ス（水溶液を用いる方法）に対する言葉であり、試料表
面を真空中または気相中にて処理する方法をいう。しか
し、従来のドライプロセスでは、プラズマまたはイオン
ビームが用いられており、試料表面に入射する電子，イ
オン，イオンビームの運動エネルギーは数eV〜104eVに
分布していた（第１図参照）。ところが、結晶中の原子
のDisplacement Energy（デイスプレイスメント・エナ
ジー：原子を正規の結晶格子位置からずらすのに必要な
エネルギー）Edは約10eVである。例えば、Si結晶ではEd
＝12.9eVである。〔G.カーター他著“イオン・ボンバー
ドメント・オブ・ソリツズ“（Ion Bombardment of Sol
ids）”ロンドン，ハイネマン・エデュケーシヨナル・
ブツクス社,1968,p214〕。このため、従来、ドライプロ
セスでは試料表面に損傷が不可避的に形成された。ま
た、このような高エネルギー粒子の入射によつて試料温
度も上昇し、場合によつては300℃以上となつた。この
ような試料温度上昇は試料表面に別の結晶欠陥（損傷）
を形成したり、プロセスの適用範囲を極端に限定してい
た。また、このような高エネルギー粒子が試料近傍の表
面に入射するとこの表面物質を物理的、化学的にスパツ
タし、これが試料表面に再付着して表面汚染を発生させ
た。このような損傷，汚染，温度上昇は表面処理技術、
特に半導体素子製造技術においては致命的である。
ドライプロセスにおいてなすべき本質的なことは、試
料表面または気相中での物理・化学反応を用いて試料表
面物質を除去したり（エツチング）、試料表面に物質を
堆積したり（デポジシヨン，エピタキシー）、試料表面
物質を改質したり（酸化，窒化等）することである。こ
の際に、物理反応よりむしろ化学反応が主役となる。こ
れは化学反応の方が変化に富んだ反応を実現できるから
である。さて、第１図に示すように化学反応に関係した
エネルギー（化学結合エネルギー）は、0.1〜10eVに分
布しており、結晶欠陥を発生させるエネルギーは約10eV
である。したがつて、ドライプロセスを実行するために
用いるエネルギーとしては0.1〜10eVの範囲が最適であ
る。これによつて、損傷，汚染，温度上昇を発生させず
にドライプロセスを実行できる。第１図に示すように、
0.1eV〜10eVのエネルギーを供給するためには、分子の
振動準位または原子・分子の電子準位を用いることが適
切である。しかし一般に電子準位の寿命は短く（約10-9
〜10-7sec）、電子準位励起された原子・分子を試料表
面に必要量供給することは困難である。一方、分子振動
準位の寿命は10-2secのオーダーであり、そのエネルギ
ーは、分子が他の原子・分子、または表面と衝突しない
限りほとんど失われることがない。したがつて、ドライ
プロセスを実行するためには、分子振動準位エネルギー
を用いることが最適である。以下、少なくとも分子振動
準位が励起されている分子（回転準位，電子準位が同時
に励起されていてもよい）をホツト分子と呼ぶことにす
る。
料表面または気相中での物理・化学反応を用いて試料表
面物質を除去したり（エツチング）、試料表面に物質を
堆積したり（デポジシヨン，エピタキシー）、試料表面
物質を改質したり（酸化，窒化等）することである。こ
の際に、物理反応よりむしろ化学反応が主役となる。こ
れは化学反応の方が変化に富んだ反応を実現できるから
である。さて、第１図に示すように化学反応に関係した
エネルギー（化学結合エネルギー）は、0.1〜10eVに分
布しており、結晶欠陥を発生させるエネルギーは約10eV
である。したがつて、ドライプロセスを実行するために
用いるエネルギーとしては0.1〜10eVの範囲が最適であ
る。これによつて、損傷，汚染，温度上昇を発生させず
にドライプロセスを実行できる。第１図に示すように、
0.1eV〜10eVのエネルギーを供給するためには、分子の
振動準位または原子・分子の電子準位を用いることが適
切である。しかし一般に電子準位の寿命は短く（約10-9
〜10-7sec）、電子準位励起された原子・分子を試料表
面に必要量供給することは困難である。一方、分子振動
準位の寿命は10-2secのオーダーであり、そのエネルギ
ーは、分子が他の原子・分子、または表面と衝突しない
限りほとんど失われることがない。したがつて、ドライ
プロセスを実行するためには、分子振動準位エネルギー
を用いることが最適である。以下、少なくとも分子振動
準位が励起されている分子（回転準位，電子準位が同時
に励起されていてもよい）をホツト分子と呼ぶことにす
る。
本発明の方法は、ホツト分子を用いて損傷，汚染，温
度上昇のない表面処理を行なうことに特徴がある。
度上昇のない表面処理を行なうことに特徴がある。
以下、本発明の一実施例を第２図により説明する。本
実施例は、ホツト分子発生手段１、ガス導入手段２、試
料３、試料台４および反応室５から構成されている。反
応室５には場合によつては適当な排気手段（図示せず）
がついていて反応室内ガス圧力が１気圧より低い状態に
なつていても良い。また、場合によつては１気圧および
１気圧以上のガス圧力で使用しても良い。試料３を反応
室５に直接保持できれば試料台４は必ずしも必要ではな
い。
実施例は、ホツト分子発生手段１、ガス導入手段２、試
料３、試料台４および反応室５から構成されている。反
応室５には場合によつては適当な排気手段（図示せず）
がついていて反応室内ガス圧力が１気圧より低い状態に
なつていても良い。また、場合によつては１気圧および
１気圧以上のガス圧力で使用しても良い。試料３を反応
室５に直接保持できれば試料台４は必ずしも必要ではな
い。
ガスはガス導入手段２によつて反応室５へ直接導入さ
れても良いし、ホツト分子発生手段１を経て導入されて
も良い。
れても良いし、ホツト分子発生手段１を経て導入されて
も良い。
たとえば、シリコン（Si）試料表面をエツチングする
ためには、導入ガス分子としてSF6を用いることが有効
である。この場合のエツチング機構を以下に説明する。
反応室５へ導入されたSF6分子はホツト分子発生手段１
によつて分子振動準位が励起されてホツト分子（以下SF
6 ＊と記す）となる。SF6 ＊はSi表面に到達して、表面の
Si原子と 2SF6 ＊（ｇ）＋Si（ｓ）→SiF4（ｇ）＋2SF4（ｇ）……
（１） の反応を行ない、Si表面をエツチングする。ここで、
（ｇ）、（ｓ）はそれぞれ分子が気相中，試料表面上に
存在することを意味している。上記反応（１）における
SF6 ＊の反応確率は約0.2である。SF6のガス流量が100sc
cmの時に得られるSiのエツチング速さは約100nm/minで
あり、実用的要求が満足される。
ためには、導入ガス分子としてSF6を用いることが有効
である。この場合のエツチング機構を以下に説明する。
反応室５へ導入されたSF6分子はホツト分子発生手段１
によつて分子振動準位が励起されてホツト分子（以下SF
6 ＊と記す）となる。SF6 ＊はSi表面に到達して、表面の
Si原子と 2SF6 ＊（ｇ）＋Si（ｓ）→SiF4（ｇ）＋2SF4（ｇ）……
（１） の反応を行ない、Si表面をエツチングする。ここで、
（ｇ）、（ｓ）はそれぞれ分子が気相中，試料表面上に
存在することを意味している。上記反応（１）における
SF6 ＊の反応確率は約0.2である。SF6のガス流量が100sc
cmの時に得られるSiのエツチング速さは約100nm/minで
あり、実用的要求が満足される。
上述の如き実施例によりSiをエツチングする場合、入
射する分子の持つているエネルギーは分子振動エネルギ
ーの程度（0.1〜1eV）である。このエネルギーはSiのデ
イスプレースメント・エナジー（displacement energ
y）（12.9eV）より十分に小さいため、Si表面に損傷が
発生することはない。また、試料近傍の物質が物理的に
スパツタされることもないので、Si表面の汚染も発生し
ない。また、入射する分子の持つているエネルギーが小
さいことは試料表面の温度上昇が小さいことを意味す
る。このため、従来のドライプロセス（プラズマやイオ
ンビームを用いたもの）に比べ低温度（ほとんど室温に
近い温度）でのプロセスが可能となる。
射する分子の持つているエネルギーは分子振動エネルギ
ーの程度（0.1〜1eV）である。このエネルギーはSiのデ
イスプレースメント・エナジー（displacement energ
y）（12.9eV）より十分に小さいため、Si表面に損傷が
発生することはない。また、試料近傍の物質が物理的に
スパツタされることもないので、Si表面の汚染も発生し
ない。また、入射する分子の持つているエネルギーが小
さいことは試料表面の温度上昇が小さいことを意味す
る。このため、従来のドライプロセス（プラズマやイオ
ンビームを用いたもの）に比べ低温度（ほとんど室温に
近い温度）でのプロセスが可能となる。
本実施例ではSiのエツチングのみについて述べたが、
Si原子を構成成分として含む他の物質（多結晶シリコ
ン、酸化シリコン、窒化シリコン、各種のシリサイド
（Si−W,Si−Mo等））のエツチングにも同様に適用でき
る。また、導入ガス種を変えることによつて他の材料の
エツチングも可能である。また一般にホツト分子の化学
反応性が高いことを用いることによつて、試料表面への
デポジシヨンや試料表面の表面改質（酸化，窒化等）に
も用いることができる。例えば、Siのデポジシヨンを行
なうためには導入ガスとしてSiH4,Si2H6,SiF6,Si2F6等
を用いれば良いし、酸化，窒化を行うためにはO2,N2ガ
スを用いれば良い。
Si原子を構成成分として含む他の物質（多結晶シリコ
ン、酸化シリコン、窒化シリコン、各種のシリサイド
（Si−W,Si−Mo等））のエツチングにも同様に適用でき
る。また、導入ガス種を変えることによつて他の材料の
エツチングも可能である。また一般にホツト分子の化学
反応性が高いことを用いることによつて、試料表面への
デポジシヨンや試料表面の表面改質（酸化，窒化等）に
も用いることができる。例えば、Siのデポジシヨンを行
なうためには導入ガスとしてSiH4,Si2H6,SiF6,Si2F6等
を用いれば良いし、酸化，窒化を行うためにはO2,N2ガ
スを用いれば良い。
第３図に高温物体をホツト分子発生手段として用いた
実施例を示してある。本実施例のホツト分子発生手段
は、高温物体10、高温物体加熱手段11、加熱用電源12か
ら構成されている。他の部分は第２図の実施例と同じで
ある。かならずしも高温物体10と高温物体加熱手段11を
区別する必要はなく、両者が同一のものでも良い。例え
ば、ヒーターそのものが高温物体になる場合も有る。
実施例を示してある。本実施例のホツト分子発生手段
は、高温物体10、高温物体加熱手段11、加熱用電源12か
ら構成されている。他の部分は第２図の実施例と同じで
ある。かならずしも高温物体10と高温物体加熱手段11を
区別する必要はなく、両者が同一のものでも良い。例え
ば、ヒーターそのものが高温物体になる場合も有る。
ガス導入手段２から反応室内に導入された分子（Ｍ）
の一部は高温物体10表面に衝突して分子振動自由度が励
起されてホツト分子（Ｍ＊）となる。高温物体の材料と
しては化学的に安定なもの、例えば、白金（Pt）、アル
ミナ（Al2O3）、サフアイア、石英（SiO2）等が適して
いる。高温物体の温度Thとしては500℃〜1100℃程度が
必要である。例えば、Thを800℃とし、導入ガス分子Ｍ
としてSF6を用いると、高温物体表面に衝突したSF6分子
の約95％がホツト分子（SF6 ＊）になる。本実施例の特
徴は、装置構成が簡便、安価なことである。
の一部は高温物体10表面に衝突して分子振動自由度が励
起されてホツト分子（Ｍ＊）となる。高温物体の材料と
しては化学的に安定なもの、例えば、白金（Pt）、アル
ミナ（Al2O3）、サフアイア、石英（SiO2）等が適して
いる。高温物体の温度Thとしては500℃〜1100℃程度が
必要である。例えば、Thを800℃とし、導入ガス分子Ｍ
としてSF6を用いると、高温物体表面に衝突したSF6分子
の約95％がホツト分子（SF6 ＊）になる。本実施例の特
徴は、装置構成が簡便、安価なことである。
第４図に本発明の別の実施例が示されている。本実施
例では高温炉をホツト分子発生手段として用いている。
本実施例のホツト分子発生手段は、高温炉13、加熱手段
14および噴出口15より構成されている。ガス導入手段２
は高温炉13に継がつている。導入ガスＭは高温炉13内で
分子自由度が励起されてホツト分子Ｍ＊となり噴出口15
から噴出することによつて、ホツト分子Ｍ＊のビームと
なる。ここでビームとは、分子の速度方向の分布が一様
でないものをいう。ホツト分子ビームは試料３表面に到
達して表面処理を行なう。加熱手段14は高温炉を高温に
保つためのものである。通常高温炉の温度Tfは500℃〜1
100℃が必要である。また、高温炉13の材料としては化
学的に安定なもの、例えば白金（Pt）、アルミナ（Al2O
3）、サフアイア、石英（SiO2）等が適している。特に
導入ガス分子Ｍとして弗素（Ｆ）原子を含む分子（例え
ばSF6,CF4等）を用いる場合は、高温炉の材料としては
アルミナ又はサフアイアが特に優れている。噴出口15は
加熱手段14の内部に位置させるのが良い。これは、噴射
口の壁が冷却されるのを防ぐためである。
例では高温炉をホツト分子発生手段として用いている。
本実施例のホツト分子発生手段は、高温炉13、加熱手段
14および噴出口15より構成されている。ガス導入手段２
は高温炉13に継がつている。導入ガスＭは高温炉13内で
分子自由度が励起されてホツト分子Ｍ＊となり噴出口15
から噴出することによつて、ホツト分子Ｍ＊のビームと
なる。ここでビームとは、分子の速度方向の分布が一様
でないものをいう。ホツト分子ビームは試料３表面に到
達して表面処理を行なう。加熱手段14は高温炉を高温に
保つためのものである。通常高温炉の温度Tfは500℃〜1
100℃が必要である。また、高温炉13の材料としては化
学的に安定なもの、例えば白金（Pt）、アルミナ（Al2O
3）、サフアイア、石英（SiO2）等が適している。特に
導入ガス分子Ｍとして弗素（Ｆ）原子を含む分子（例え
ばSF6,CF4等）を用いる場合は、高温炉の材料としては
アルミナ又はサフアイアが特に優れている。噴出口15は
加熱手段14の内部に位置させるのが良い。これは、噴射
口の壁が冷却されるのを防ぐためである。
本実施例の特徴は、運動方向に方向性を持つたホツト
分子ビームが得られるため、方向性の有る表面処理（非
等方ドライエツチング）が可能になることである。
分子ビームが得られるため、方向性の有る表面処理（非
等方ドライエツチング）が可能になることである。
本発明によれば、必要最小限のエネルギーで表面化学
反応を進行させることができる。この結果、無損傷、無
汚染、低温度の表面処理を実現できる。このような処理
技術は、半導体素子製造分野において、特に近い将来実
現が期待されている３次元構造の素子製造において極め
て有効となる。
反応を進行させることができる。この結果、無損傷、無
汚染、低温度の表面処理を実現できる。このような処理
技術は、半導体素子製造分野において、特に近い将来実
現が期待されている３次元構造の素子製造において極め
て有効となる。
第１図は各種エネルギーの概略値を示すグラフ、第２〜
４図は本発明の実施態様を示す表面処理装置の概略縦断
面図である。 １……ホツト分子発生手段、２……ガス導入手段、３…
…試料、４……試料台、５……反応室、10……高温物
体、11……高温物体加熱手段、12……加熱用電源、13…
…高温炉、14……加熱手段、15……噴出口。
４図は本発明の実施態様を示す表面処理装置の概略縦断
面図である。 １……ホツト分子発生手段、２……ガス導入手段、３…
…試料、４……試料台、５……反応室、10……高温物
体、11……高温物体加熱手段、12……加熱用電源、13…
…高温炉、14……加熱手段、15……噴出口。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 岡田 修身 東京都国分寺市東恋ヶ窪１丁目280番地 株式会社日立製作所中央研究所内 (56)参考文献 特開 昭58−3233（ＪＰ，Ａ) 米国特許3679502（ＵＳ，Ａ)
Claims (2)
- 【請求項１】表面処理に使用するガス分子を高温物体に
接触せしめることによって該ガス分子の分子振動準位を
励起する分子振動準位励起過程と、この分子振動準位が
励起されたガス分子によって表面処理されるべき試料の
表面を処理する表面処理過程とを含んでなることを特徴
とする表面処理方法。 - 【請求項２】上記の表面処理されるべき試料がシリコン
であり、上記の表面処理に使用するガス分子がSF6ガス
分子であることを特徴とする特許請求の範囲第１項に記
載の表面処理方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP60126023A JPH086184B2 (ja) | 1985-06-12 | 1985-06-12 | 表面処理方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP60126023A JPH086184B2 (ja) | 1985-06-12 | 1985-06-12 | 表面処理方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS61284587A JPS61284587A (ja) | 1986-12-15 |
| JPH086184B2 true JPH086184B2 (ja) | 1996-01-24 |
Family
ID=14924791
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP60126023A Expired - Lifetime JPH086184B2 (ja) | 1985-06-12 | 1985-06-12 | 表面処理方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH086184B2 (ja) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH01215023A (ja) * | 1988-02-24 | 1989-08-29 | Hitachi Ltd | 表面処理方法およびその装置 |
Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US3679502A (en) | 1969-09-29 | 1972-07-25 | Motorola Inc | Gaseous nonpreferential etching of silicon |
Family Cites Families (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4331504A (en) * | 1981-06-25 | 1982-05-25 | International Business Machines Corporation | Etching process with vibrationally excited SF6 |
-
1985
- 1985-06-12 JP JP60126023A patent/JPH086184B2/ja not_active Expired - Lifetime
Patent Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US3679502A (en) | 1969-09-29 | 1972-07-25 | Motorola Inc | Gaseous nonpreferential etching of silicon |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS61284587A (ja) | 1986-12-15 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| EXPY | Cancellation because of completion of term |