JPS61113778A - 表面処理装置 - Google Patents

表面処理装置

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JPS61113778A
JPS61113778A JP23316784A JP23316784A JPS61113778A JP S61113778 A JPS61113778 A JP S61113778A JP 23316784 A JP23316784 A JP 23316784A JP 23316784 A JP23316784 A JP 23316784A JP S61113778 A JPS61113778 A JP S61113778A
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JP
Japan
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sample
discharge
surface treatment
gas
plasma
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Application number
JP23316784A
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English (en)
Inventor
Takeshi Ninomiya
健 二宮
Shigeru Nishimatsu
西松 茂
Keizo Suzuki
敬三 鈴木
Sadayuki Okudaira
奥平 定之
Toru Ishitani
亨 石谷
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Hitachi Ltd
Original Assignee
Hitachi Ltd
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の利用分野〕 本発明はプラズマを用いた表面処理装置に係り、特に半
導体然積回路用のプラズマエツチングや、プラズマデポ
ジション装置に関する。
〔発明の背景〕
プラズマを用いた表面処理技術が工業的に活発に用いら
れている。このプラズマ表面処理装置は真空室、真空室
を排気する手段、真空室にガスを導入する手段、真空室
またはその一部にプラズマを発生させる手段、および試
料と試料を保持する手段から構成される。プラズマ表面
処理の特性は、プラズマ発生用ガス(放電ガス)の種類
、組成、濃度によって極端に変化する。表面処理の目的
によっては、これらパラメータを処理期間の途中で一定
時間(周期的に)変化させ、特定の処理特性を強調する
ことが必要になる場合がある。しかし従来装置ではこの
ような機能はなく、処理期間全般にわたって一定の特性
の処理しか行なうことはできなかった。
第1図と第2図に従来のプラズマを用いたエツチング装
置(プラズマエツチング装置)の構成例を示しである(
管野噌雄編「半導体プラズマプロセス技術」、産業図書
株式会社、 1980. pp101〜164)。第1
図は有磁場マイクロ波放電を用いた装置であり、第2図
はRF放電を用いた装置である。
有磁場マイクロ波放電を発生させる手段は、マグネトロ
ン1、マグネトロン用電源2、導波管3、放電管4、ソ
レノイドコイル5.永久磁石12により構成される。R
F放電を発生させる手段は、’      RF?Ii
源15、コンデンサ16、およびRF上下電極13.1
4より構成される。
プラズマエツチング装置を半導体素子製造プロセスに適
用するためには次のことが重要な課題となる。
(1)エツチング速度が大きいこと。
(2)第3図(a)に示す被エツチング物質24とマス
ク25を用いて、第3図(C)のようにアンダーカット
のない垂直エツチングが可能なこと。
すなわち、微細加工性が良いこと。
エツチング速度を大きくするためには、たとえば、被エ
ツチング物質24がS i e polysiである場
合にはSF、を放電ガスとして用いるとよい。
しかし、この放電ガスは第3図(b)のようにアンダー
カット26が大きく条件(2)が満足されない。半導体
回路素子の微細化、素子製造の量産化に伴ない、上記条
件(1)、(2)を同時に満足するプラズマエツチング
装置が必要となる。
第1図、第2図の装置は、放電ガスの種類を変えること
によってプラズマデポジション装置としで使うこともで
きる。たとえば、放電ガスとしてS i H,とNH,
の混合ガスを用5・ると試料表面      j)上に
5i−N膜が形成され、半導体素子の保護膜として用い
ることができる。しかし、この5i−N膜中には多量の
水素が混入し素子特性を劣化させる(R,B、Fair
 et al 1[EEE、HD−28,83(198
1))。
また、第1図の装置で放電ガスとしてS i F。
とN2 の混合ガスを用いても同様に5i−N膜を形成
することができる。しかしこの場合は膜中に混入するフ
ッ素が問題となる。このような問題を解決できるプラズ
マデポジションR1i?が必要である。
〔発明の目的〕
本発明の目的は、被表面処理用試料に対する放電ガスC
種角、構成 g度を処理途中で1回のみ、または複数回
周期的に変化させることにより、従来のプラズマ表面処
理装置では不可能であった特性を実現させることが可能
な表面処理装置を提供することにある。
〔発明の概要〕
放電ガスの種類1組成、fj4.度はプラズマ表面処理
特性を最も有効に変化させるパラメータである。
従って、被表面処理用試料に対する放電ガスの種類2組
成、ti度を処理途中で変化させることによって、特定
の表面処理特性を強調することが可能である。
〔発明の実施例〕
以下、本発明の詳細な説明する。
〈実施例1〉 第4図は本発明を用いたプラズマエツチング装置の一構
成例である。プラズマ発生手段としては有磁場マイクロ
波放電を用い、被エツチング物質としてはSi(または
polysi)の例を示しである。装置概略の構成は、
第1図の装置を中間室21を介して2台接続したものと
同じである。ガス供給手段はSF、、N、の2種類のガ
ス源9a。
9bと、各ガス源につけられたガス流量調節用ニードル
バルブ8,8′とガス配管7,7′から構成される。室
見1匹礼挨生、試料10が真空室6゜6′の間を1回も
しくは複数回(周数的に)移動することにある。この移
動は移動機構19.19’ 。
19′およびコントローラ18によって制御される。
本実施例では、まず真空室6,6′および中間室21を
高真空(約I X 10−’Torr)に排気する。
次に真空室に放電ガスを所定量供給する。たとえば、真
空室6のsir、分圧は5 X 10−’Torr、真
空室6′内のN2分圧は5 X 10−’Torrであ
る。
しかし、各分圧を広範囲(I X 10−5Torr〜
I Xl 0−’Torr)に変えても本発明の効果は
変わらない。次に、ソレノイドコイル5,5′により放
電管4,4′部に磁場を形成し、マグネトロンによるマ
イクロ波(周波数1〜l0GH,、通常は2.450H
,)を放電管4,4′内に導入すると有磁場マイクロ波
放電が発生する。すると、放電中で活性な粒子が(たと
えば、SF、放電では、F4イオンやFラジカルが、N
2放電ではN1イオンやNラジカルが)発生し、Si表
面と物理・化学反応を起こす。
1       」」(施moat案基2、第5図に示
すごとく、試料10の真空室6,6′内(あるいは、S
F、とN、放電内)の滞在時間を変化させることにある
滞在時間の制御は移a機構19,19’ 、19’およ
びコント・ローラ18により行なう。第5図において、
A点は試料10が真空室6内に、B点は試料10が真空
室6′内にあることを表わす。滞在時間τ7.τ2を決
定する条件は後述するが、−例としてて□=25sec
、  τ、 := 5 secを選ぶことができる。こ
のようにすることによって、SF、カスによる高速エツ
チング(エツチング速度〉200rv/+in)がアン
ダーカットなく実現される。このような高速、垂直エツ
チングが本発明により初めて可能となったことを以下に
述べる。
エツチング開始後最初ので1の期間では、試料10は真
空室6内にあり、試料表面とプラズマ中の閣性粒子(た
とえばF+イオンやFラジカル)が反応してエツチング
が進行する0本実施例では試料10はプラズマに対して
負の浮遊電位v(Vは約−20■)になっており、F1
イオンは試料表面に垂直に入射する。従って、F4イオ
ンによるエツチングは試料表面に垂直となり、アンダー
カットは発生しない6一方、Fラジカルは電気的   
  ;寺に中性であるため、試料表面に等方向に入射し
てアンダーカットを発生させる。ところで、SF。
ガスによるエツチングでは、F1イオンによる効果より
Fラジカルによる効果の方が大きく、エツチング形状は
第6図(a)に示すごとく等方向となる。すなわち、τ
1の間に表面に垂直にd0深さだけエツチングされると
横方向にも約d1のアンダーカットが発生している。次
ので2の期間は試料10は真空室6′内にある。N2放
電ではN″″″イオンラジカルが発生しているので、こ
れら活性粒子により試料10の表面は第6図(b)に示
すように七される。次に試料10を再び真空室6内に移
すと試料表面にはF+イオンやFラジカルが入射してく
る。しかし、Fラジカルでけでは窒化シリコン膜はほと
んどエツチングされないため、窒化シリコン膜で覆われ
た側面のエツチングは行なわれず、垂直方向のエツチン
グと新たに現われた側面のエツチングが行なわれる。
この時のアンダーカットの大きさはやはりdlである。
すなわち、第6図(C)のようになる。
これをくり返すことによって第6図(d)のような断電
形状をしたエツチングが行なわれる。すなわち、はぼ垂
直にエツチングが可能となる。
τ。=τ1+τ2を1周期として、移動をm往復したと
すると、全エツチング時間t、は。
t、=nt、           (1)であり、垂
直方向のエツチング深さdv、および水平方向のエツチ
ング量dR(アンダーカット量)は。
d、=nd1          (2)d、I=d、
(3) である。垂直エツチングとしては一般にdv/d。
>10が必要であるから m>10            (4)が必要である
。実験によれば、τ□の間にエツチングされる垂直方向
のエツチング深さは200nm以下であることが必要で
あった。これ以上τ□を大きくすると一旦形成された側
壁の窒化膓がエツチングされてアんダーカットが大きく
なるからである。すなわち、最終的な垂直方向のエツチ
ング速度がε (nm/m1n)とするとτ、< (2
00/ε)X60   (5)である必要がある。たと
えば、ε=200 n m 7m i nとするとて□
< 60 secが必要である。また、C2の間ではエ
ツチングが行なわれないから、C7〈τ、も実用的には
必要となる。以上の条件より、前述では、τ、=25s
ec、  C2=5secの結果を述べたが、τ1=5
〜60secで得られることを実験的に確認している。
本実施例では有磁場マイクロ波放電を用いた装置につい
て述べているが、RF放電を用いた装置、あるいは有磁
場マイクロ波放電とRF放電を1組合わせた装置に本発
明を適用しても同様の効果が得られる。また1本実施例
ではSFg 、Nz を用いた例を示したが、SF、の
かわりにF、そらには他のハロゲン元素を含むガス(た
とえば。
C,F、(CF4.C,Ii’、、C,F、、C,F、
、C,Fl。
等)力X、NF、、CQ、、C,CQ、CCCQ4゜C
2CQr、等)ガス、C,F、CQk (nlmtk 
:M数)ガス、BCQ、、その他Brや工を含むガス等
)を用い、N2 のかわりに、02やC−H系化合物ガ
スさらにはN、O,Cのうちいずれか1つ、又は複数の
元素を含むガスを用いても効果は同じである。特に、後
者に関しては、酸化シリコンやSiC膜は窒化シリコン
膜と同様にFラジカルではエツチングされない6本実施
例では、各真空室にはそれぞれSF、、N、の単一ガス
を導入しているが、表面処理の目的によっては、混合ガ
スを用いることも可能である。たとえば、真空室6に導
入するガスSF、+H,とした場合、C2を短かくする
ことが可能である。なぜならば、H2ガスはプラズマ中
のFラジカル濃度を減少させる効果を持つからである。
また、本実施例では被エツチング物質がSiの場合につ
いて示したが、被エツチング物質がSi以外の物質でも
同様の方法が使用できる。本実施例では、真空室6,6
′の間に中間室21が設けられている。これは試料10
1動時(7)SF、 N、 、)□、、。□2防ニオう
       島ためのものである。しかし1両真空室
の試料移動のための開口窓を排気ポートに比べ十分小さ
くできるならば、中間室21は必ずしも必要ではない。
〈実施例2〉 第7図に別の実施例が示しである。実施例1と異なる点
は、以下のとおりである。
試料10および試料台11に外部電源31より電圧印加
が可能である。外部より印加される電圧(外部電圧)と
しては直流、交流のいずれでも良いが、試料10の表面
に電気的に絶縁性の薄膜が存在する場合は交流電圧(高
周波電圧(RF電圧))の方が絶呪膜表面での帯電を防
止するために優れている。実験的には高周波の周波数1
0〜1000にHz +高周波の電圧振幅0〜200v
が適当であった。
本機能により試料1oに入射するイオンを加速できろた
め、エツチング速度の増大、およびアンダーカットの減
少の有効である。外部電圧は試料10がSF、放電中に
ある全期間印加してもよいし、あるいは第8図に示され
るように一定のタイミングで印加してもよい。第8図で
は、試料10がSF6放電中に移動するとすぐに高周波
電圧がC1の期間印加されることが示されているが、こ
の印加のタイミングは表面処理の目的によってずらすこ
とも可能である。第8図において、τ。。
τ8.τ2.τ、は自由に選べるが、たとえば、z、 
=25sec 、t、 =5sec 、c、 =5se
cとして時、サブμmパタンのSiの垂直エツチングが
可能であった。本実施例の効果は (1)被エツチング物質をSi以外の物質に変えても (2)S F、ガスを他のハロゲン元素を含むガス(実
施例1の説明参照)にかえても 同様に有効である。
試料に外部電圧と印加するとプラズマ中のイオンが加速
されて試料表面に入射するため、試料表面の温度が上昇
する。この温度上昇を防ぐためには、試料裏面よりガス
を吹きつければよい。第9図にその一例を示す。第9図
では、エツチングガスであるSF、の一部を、バルブ3
2.パイプ7′を通して試料10の裏面より吹きつける
ことにより、試料10の冷却を行なっている。これによ
り、マスク材の光レジストの変質防止が可能である6第
9図の例ではSF、、の一部を試料冷却用ガスとして用
いているがHe、A、等の希ガスを試料裏面に吹きつけ
て試料を冷却することももちろん可能である。また、第
7図、第9図に示した試料への外部電圧印加、試料冷却
を真空室6′内において行なうことも可能である。本実
施例での試料への外部電圧印加は、試料10の移動をコ
ントロールするコントローラー8で外部電源31をコン
トロールすることにより行なわれる。
〈実施例3〉 第10回期の実施例を示した。本実施例の特徴は、メイ
ンコントローラ33によりマグネトロン電源2,2′ガ
ス流流量節用ニードルバルブ8゜8′、コントローラ1
8.外部電源31、ゲートバルブ32のコントロールを
行なうようにしたこ呵 とにある。すなわち試料10の移動およびゲートバルブ
32の開閉はもとより、レーザ34および検出器35で
エツチングの状況を判定した、ガス流量調節用ニードル
バルブ8,8′の開閉およびマグネトロン電源2,2′
のon、offをメインコントローラ33で行なう。ま
た、外部電源のon、offもメインコントローラ33
で行なう。
本実施例では、エツチングの状況判定用にレーザ34お
よび検出器35の組合せを用いているが、分光器によっ
てプラズマの発光をモニタすることでもエツチングの状
況を判定できる。試料10がSiの場合は、440.0
 nm (S i F)をモニタ波長に選ぶことができ
る。
〈実施例4〉 第11図は公転(自公転)板34を用いて複数枚の試料
10を同時にエツチングする装置を示している(図では
説明の都合上、試料10は1枚のみ描かれている)。試
料表面にはプラズマが間歇的に照射されている。実施例
1〜3では試料10は移動機構によりN2 プラズマ部
分に搬送されたが、本実施例では搬送機構はない。その
かわりに公転板34が回転機構36により回転すること
により、SF@ プラズマ照射とN2 プラズマ照射が
交互に行なわれる6実施例1〜3では、ゲートバルブに
上り真空室6および6′は分離されていたが、本実施例
ではゲートバルブはない。そのかわりに、仕切板35に
よってSF、およびN2の混入を防いでいる。仕切板に
開けられた開口部の面積を十分小さくして、かつ、放電
管4,4′を公転板34に十分近づけることにより、ゲ
ートバルブを用いなくともSF、とN2の混入は避けら
れる。
本実施例において注意すべきことは、公転板34上にお
ける試料10の配置である。すなわち、試料10がSF
、プラズマ照射とを受けている間(すなわち、放電管4
の開口部内にある間)は、他の試料はN2 プラズマ照
射を受けないよう(すなわち、放電管4′の開口部内に
ないよう)複数枚の試料10を配置する必要がある。こ
のように配置することにより、複数板の試料10をのせ
た公転板34全体に外部電源31より電圧印加を行なっ
ても、特定の試料が特定のプラズマ内にある場合のみ電
圧印加したのと同じ効果が本実施例でも得られる。
第5図に示されたと同じ効果が本実施例でも得られる。
このためには、メインコントローラ33で回転機構36
を制御して、公転板34の回転速度を周期的に制御すれ
ばよい。その他、実施例1〜3で示した他の付加的機構
は本実施例にももちろん適用可能である。
第12図はプラズマデポジション装置に本発明を適用し
た例を示している。プラズマ発生手段としては有磁場マ
イクロ波放電を用いている。−例として、SiF、とN
2 ガスによって窒化シリコン膜を形成する例を示しで
ある。構造としては第7図に示されたものとほぼ同じで
あるが、SF、。
がSiF、にかわっていること、真空室6にS i F
4 とN2 の混合ガスが導入されていること、および
全体をメインコントローラ33で制御していることが異
なっているつS i F4 とN2 のガス分圧は様々
な値が選べるが、たとえば、SiF。
は4 X 10−4Torr、 Nxは8 X 10−
’Torr (真空室6,6′とも同じ)に選ブことか
できる。
本実施例を用いることによって、F元素の混入の少ない
5i−N膜を形成できる。その理由を以下に説明する。
以下の説明では、τ1の期間試料10は(S i F4
+N2)放電中(真空室6内)に、τ2の期間はN、放
電中(真空室6′内)にあるものとする。
τ、の期間では、(S iF4 十Nx )放電によっ
て試料表面に5i−N膜が形成されるが、この時に膜内
にF元素が混入する。次に、試料が真空室6′内に搬送
されN2プラズマが照射されると。
N、放電によって形成されるNラジカルが5i−N膜表
面に入射して 2 (Si−F) + 2 N→2 (!9i −N 
) + F2↑   (6)の反応が起こる。この反応
によって、F元素は膜中より遊離蒸発する。これをくり
返すことによってF元素混入の少ない5i−N膜を形成
できる。
実験によれば、τ2の期間(試料がN2放電中1   
   にある期間)4中にF元素を十分に除去するため
には、τ□の期間中に形成される膜厚が10nm以下で
ある必要があった。ずなわち、τz = Osecとし
て連続に膜形成した時の成膜速度をD(nm/m1n)
とすると、τ□は τ1< (10/D)N60      (7)である
必要がある。通常、D== 100nm/minである
から t、< 6sec           (8)が必要
である。本実施例と同様の方法は、RF放電を用いた、
あるいは、RF放電と有磁場マイクロ波放電を用いたプ
ラズマデポジション装置にも適用可能である。また、ガ
ス種をかえれば5i−N嘆息外のプラズマデポジション
装置にも適用可能である。
以上、いくつかの実施例を用いて本発明を説明したが、
これら実施例の複合例も本発明に含まれることはもちろ
んである。
〔発明の効果〕
本発明によって、被表面処理試料に対する放電ガス種、
組成、濃度を処理途中で変化させれば、7よ□。□、□
ヵ4oエイ8.う工、ヵ、1・lき、特定の処理特性を
一定期間強調することが可能となる。この結果、従来装
置では不可能であつた表面処理特性を実現することがで
きる。
【図面の簡単な説明】
第1図は、有磁場マイクロ波プラズマエツチング装置を
示す図である。第2図は平行平板型RFプラズマエツチ
ング装置、第3図は垂直エツチングと非垂直エツチング
の模式図である。第4図は本発明の一実施例を示す図で
ある。第5図は試料に対するプラズマの時系列変化を示
す図である。 第6図はエツチングの進行説明図である。第7図は本発
明の一実施例を示す図である。第8図は試料に対するプ
ラズマと印加高周波電圧振幅の時系列変化を示す図であ
る。第9図は試料冷却機構を示す図である。第10図な
いし第12図は本発明の一実施例を示す図である。 1・・・マグネトロン、2,2′・・・マグネトロン電
源、3.3′・・・導波管、4.4’・・・放電管、5
,5′・・ソレノイドコイル、6,6′・・・真空室、
7.7’ 。 7″、 7”’・・・パイプ、8.8’ 、8″′・・
・流量調節用ソークバルブ、9.9a、9b、9c・・
・表面処理用ガス、10・・・試料、11.11’・・
・試料台。 12・・・永久磁石、13・・・上部電極、14・・・
下部電極、15・・・高周波電源、16・・・コンデン
サ、17・・・絶縁物、18・・・コントローラ、19
.19’ 。 19′・・・移動機構、20.20’・・・ゲートバル
ブ、21・・・中間室、24・・・被エツチング材料、
25・・・マスク、26・・・アンダーカット、30.
30’ 。 30“ 3011/・・・移動機構、31・・・外部電
源、32・・・ゲートバルブ、33・・・メインコント
ローラ、第1図 第 2 図 ′f33 図 嘉 4 図 舅 5 図 茅乙 図 葛 7 図 作                        
  2b■8図 菖 9(21 9久 篤/θ図

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1、真空容器と前記真空容器の排気手段と、前記真空容
    器内へのガス導入手段と、ガスを前記真空容器内で放電
    させる手段と、表面処理を受ける物質を前記真空容器に
    保持する手段とから成る表面処理装置において、前記真
    空容器内にガスの種類、組成、濃度のうち少なくとも1
    つ以上が異なる複数のプラズマを発生させ、表面処理を
    受ける物質を、表面処理期間の途中においてプラズマ間
    を移動させることを特徴とする表面処理装置。 2、上記移動が、少なくとも1つ以上の空間的に同一位
    置にある同一プラズマの照射を複数回受けるような移動
    であることを特徴とする特許請求範囲第1項記載の表面
    処理装置。 3、表面処理を受ける物質の上記異なるプラズマ間の移
    動が周期的であることを特徴とする特許請求範囲第1項
    記載の表面処理装置。 4、表面処理を受ける物質に外部より電圧印加可能なこ
    とを特徴とする特許請求範囲第1項ないし第3項のいず
    れかに記載の表面処理装置。 5、上記電圧印加が上記表面処理を受ける物質の移動と
    一定の時間的関係を持つことを特徴とする特許請求範囲
    第4項記載の表面処理装置。
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