WO2007034559A1 - プラズマ処理方法及びプラズマ処理装置 - Google Patents

プラズマ処理方法及びプラズマ処理装置 Download PDF

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Tadahiro Ohmi
Akinobu Teramoto
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Akinobu Teramoto
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    • H01L21/306—Chemical or electrical treatment, e.g. electrolytic etching
    • H01L21/3065—Plasma etching; Reactive-ion etching

Definitions

  • the present invention relates to a method for plasma processing a substrate or an object to be processed of an electronic device such as a semiconductor element, a semiconductor chip mounting substrate, a wiring substrate, a flat panel display device substrate, and the processing device, and an electronic device by vigorous plasma processing.
  • the surface of an object to be processed such as a silicon semiconductor is oxidized, nitrided, or oxynitrided using plasma, or an oxide film, nitride film, oxynitride film, polysilicon film, or organic EL film is formed on the surface of the object to be processed.
  • a single rare gas was used to generate plasma.
  • the rare gas krypton (Kr) gas or xenon (Xe) gas is used to reduce plasma damage to the object to be processed. (For example, see Patent Document 1).
  • Patent Document 1 discloses an apparatus using Kr as a plasma excitation gas for forming an oxide film and a nitride film.
  • a coaxial waveguide, a radial line slot antenna, and a microwave introduction window are provided in this order from the outside to the upper part of the vacuum chamber, which is the processing chamber. It is the structure which has arranged the stage with the heating mechanism for placing.
  • the plasma processing method the inside of the vacuum vessel is evacuated, Ar gas is introduced from the shower plate, and then the Ar gas is switched to Kr gas, and the pressure is set to 133 Pa.
  • a silicon substrate (object to be processed) that has been cleaned with dilute hydrofluoric acid is introduced into the processing chamber and placed on the stage, and the object to be processed is heated so that the object to be processed is maintained at 400 ° C.
  • microwaves are supplied from a coaxial waveguide to a radial slot antenna for 1 minute, and the microwaves are introduced into a processing chamber via a dielectric plate (a microwave introduction window and a shower plate).
  • a dielectric plate a microwave introduction window and a shower plate.
  • surface-terminated hydrogen is removed by exposing the surface of the silicon substrate to high-density Kr plasma generated in the processing chamber.
  • a predetermined partial pressure from the shower plate is maintained while maintaining the pressure in the processing chamber at about 133 Pa.
  • a film is formed. Next, temporarily stop the microwave supply, o Stop the introduction of gas, and process
  • K KNH mixed gas is introduced from the shower plate and processed.
  • the chamber pressure set at about 133 Pa
  • microwaves are supplied again to generate high-density plasma in the processing chamber, and a silicon nitride film with a nano-unit thickness is formed on the surface of the silicon oxide film. Further, when the silicon nitride film is formed, the introduction of the microwave power is stopped, the plasma excitation is terminated, and the Kr / NH mixed gas is replaced with Ar gas to convert the acid.
  • Kr gas and Xe gas are less abundant in nature and more expensive than Ar gas used in normal plasma processing, and are difficult to use in industry.
  • Patent Document 1 Japanese Patent Application Laid-Open No. 2002-261091
  • An object of the present invention is to suppress consumption of expensive krypton gas and xenon gas as much as possible, and to reduce damage to an object to be processed during plasma processing.
  • the electron temperature in the plasma is defined as a noble gas having a large cross-sectional area of collision with electrons, It is characterized by the fact that the gas in the plasma is composed of these two or more kinds of rare gases, which are operated with cheaper rare gases.
  • a plasma processing method for generating a plasma using a rare gas and processing an object to be processed using the plasma two or more different kinds of rare gases are used.
  • a plasma processing method characterized by using a rare gas is obtained.
  • the different noble gases are noble gases having different collision cross sections with electrons.
  • the two kinds of plasma processing methods can be used in the two types.
  • a plasma processing method is obtained in which argon gas is used as one of the different rare gases and a gas having a larger cross-sectional area of collision with electrons than argon gas is used as the other gas. .
  • argon gas is used as one of the two or more different rare gases, and krypton and xenon are used as the other gases.
  • a plasma processing method characterized by using one or both of the above can be obtained.
  • a plasma processing method can be obtained in which the plasma is generated by microwave excitation as compared with any one of the above-described plasma processing methods.
  • the plasma processing method of any one of the above at least a part of the substrate surface is oxidized, nitrided or oxynitrided, and the substrate surface is oxidized. It is possible to obtain a plasma processing method characterized by forming a film on a part or etching at least a part of the substrate surface.
  • nitriding is performed.
  • a plasma processing method is provided, wherein an oxidizing gas or an acidic gas is introduced into the plasma.
  • the plasma necessary for the film formation is used for the plasma.
  • a plasma processing method characterized by being introduced into the inside is obtained.
  • a plasma processing method can be obtained in which, as compared with the above-described one plasma processing method, the film is an insulating film.
  • a gas necessary for etching is introduced into the plasma by one of the above-described plasma processing methods, and a selected portion or the entire surface of the substrate surface is introduced.
  • a plasma processing method characterized by etching is obtained.
  • the gas having the larger collision cross-sectional area with the electron among the two or more different rare gases is plasma-treated by any one of the plasma processing methods.
  • Encouragement A plasma processing method is obtained in which the gas is introduced into the starting region, the collision cross-sectional area is small, and the other gas is introduced outside the plasma excitation region.
  • a plasma processing method characterized in that a part or all of the rare gas is recovered for reuse after the one plasma processing method. can get.
  • a semiconductor device characterized by having a step of processing an object to be processed by one of the above plasma processing methods.
  • the manufacturing method of the electronic device is obtained.
  • a plasma processing apparatus characterized in that two or more different rare gases can be supplied to the plasma processing chamber.
  • one of the rare gases is argon gas
  • the other gas has an impact area with electrons from argon gas.
  • a plasma processing apparatus using a large gas can be obtained.
  • one of the rare gases is argon gas, and the other is the krypton, xenon isting force or both.
  • the plasma processing apparatus characterized by this can be obtained.
  • a film is formed on an object to be processed by adding a desired gas to the plasma chamber in addition to the rare gas in the plasma processing apparatus.
  • a part or the entire surface of the object to be processed is etched in addition to the rare gas in the plasma chamber.
  • a plasma processing apparatus is obtained.
  • a gas having a larger collision cross section with electrons of the rare gas is introduced into the plasma excitation region by introducing into the plasma processing apparatus, the collision cross section.
  • a plasma processing apparatus characterized by introducing the smaller gas outside the plasma excitation region can be obtained.
  • any one of the plasma processing apparatuses includes a rare gas recovery apparatus.
  • a plasma processing method can be obtained that makes it possible to use an expensive rare gas with higher efficiency by recovering and recycling the rare gas after use.
  • the force using a gas in which Ar gas is added to one or both of Xe and Kr is used to one or both of Xe and Kr.
  • the required ratio of Xe and Kr in the mixed gas varies depending on various conditions. 20% by volume is necessary, and there is not much difference in effect from the case of 40% to 100%, and there is no problem if it is 50% or more. Of course, less than 100%.
  • plasma generation is performed using a gas obtained by adding Ar gas to one or both of Kr and Xe, so that damage during plasma processing is reduced and expensive Kr and Xe gas is used. The amount can be reduced.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view of a microwave-excited plasma processing apparatus used in Embodiment 1 of the present invention.
  • FIG. 2 An explanatory diagram showing the electron temperature and collision cross section of each rare gas, and a diagram showing the excitation energy, ion energy, and electron temperature of Ar, Kr, and Xe gases, respectively.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view showing a plasma measurement method.
  • FIG. 4 Emission intensity of ArZXe mixed plasma, (a) Xe + (466. 8nm) at 20m Torr (2.666Pa), and (b) Xe + (466. 8nm) Relative intensity at 40 mTorr (5.33 Pa), (c) relative intensity at 20 mTorr (2.66 Pa) at Ar (750.4 nm), (d) at 40 mTorr (5.33 Pa) at Ar (750.4 nm) The relative intensity is shown respectively. [Fig. 4] Emission intensity of ArZXe mixed plasma, (a) Xe + (466. 8nm) at 20m Torr (2.666Pa), and (b) Xe + (466. 8nm) Relative intensity at 40 mTorr (5.33 Pa), (c) relative intensity at 20 mTorr (2.66 Pa) at Ar (750.4 nm), (d) at 40 mTorr (5.33 Pa) at Ar (750.4 nm) The relative intensity is shown
  • FIG. 6 (a), (b), (c), and (d) are diagrams showing the electron density, VSWR, ion current, and electron temperature of ArZXe mixed plasma, respectively.
  • (a) is a diagram showing the ion current density when the pressure of the mixed gas is changed
  • (b) is a graph showing the electron temperature when the pressure of the mixed gas is changed.
  • FIG. 8 is a cross-sectional view of a two-stage shower plate microwave excitation plasma processing apparatus used in Embodiments 2 and 3 of the present invention.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view of a microwave-excited plasma processing apparatus.
  • Figure 2 shows the relationship between electron energy and total ion cross section.
  • Fig. 3 is a cross-sectional view showing the plasma measurement method.
  • Figure 4 shows the emission intensity of the ArZXe mixed plasma.
  • A is the Xe + (466.8 nm) 2.66 Pa (20 mTorr) neon pair intensity
  • (b) is Xe + (466.8 nm) 5 Relative intensity at 33 Pa (40 mTorr)
  • the relative intensity is shown respectively.
  • FIG. 5 shows the plasma electron density
  • Figures 6 (a), (b), (c), and (d) show the electron density, VSWR, ion current, and electron temperature of the ArZXe mixed plasma, respectively.
  • Fig. 7 (a) shows the ion current density when the ratio of Xe in the ArZXe gas mixture is changed from 0 to 1
  • Fig. 7 (b) shows the ratio (pressure) of Xe in the ArZXe gas mixture. It is a figure which shows the electron temperature when changing similarly.
  • microwaves are radiated into the apparatus interior 11 by the antenna 1 installed on the upper part of the plasma processing apparatus 101 via the insulator plate 2.
  • oxidizing gas such as O ZNH or O ZN 0, O ZNO gas and nitriding gas
  • Gas is introduced from the gas introduction pipe 13 through the shower plate 3 into the inside 11 of the apparatus, and plasma is irradiated on the inside 11 of the apparatus and above the workpiece 4 by the microwaves irradiated as described above. Is excited.
  • the silicon wafer 4 which is the substrate of the object to be processed is placed in the processing chamber 11 where the plasma is directly irradiated, and is oxidized by oxygen radicals or the like excited by the plasma. At this time, it is desirable that the object to be processed 4 be installed not in a space where the plasma is excited but also in the processing chamber 11 where the plasma is diffused.
  • the exhaust gas in the processing chamber 11 passes through the exhaust duct 6 via the exhaust port 5 and is broken. As indicated by an arrow 19, any one of the inlets 7a and 7b to the small pump is led to a small pump (not shown).
  • a probe 9 is provided so that the tip portion enters into the processing chamber 11, and this probe 9 is fixed by a mounting member 15. .
  • another window force is also shown as an arrow.
  • Kr and Xe gases have a smaller cross-sectional area of collision with electrons and lower ionization energy when the electron temperature is lower, so a mixture of Ar and Kr (or Xe)
  • Kr (or Xe) selectively ionizes to form a plasma, and the electron temperature of the plasma is defined by Kr (or Xe). Damage to the formed SiO film (Si N film, SiON film) can be suppressed and high
  • Xe + emission intensity vs. intensity is 40 mTorr (5.33 Pa) rather than 20 mTorr (2.66 Pa).
  • the emission intensity of Ar does not depend on the pressure when the partial pressure (molar fraction) of Xe is 0.2 or more.
  • the electron density increases from 20% in the composition ratio of Xe, and then increases monotonically as the composition ratio increases, and VSWR increases in the composition ratio of Xe. It decreases slightly monotonously.
  • the ion current increases rapidly when the composition ratio of Xe is 20%, and the electron temperature decreases rapidly until the composition ratio of Xe of Xe decreases to 20%, and thereafter decreases monotonically as the composition ratio increases. I understand.
  • Fig. 7 (a) it can be seen that the ion current density increases rapidly around the Xe flow rate ratio of 0.75 when the total flow rate is 20 mTorr (2.66 Pa). It can also be seen that when the total flow force is S40mTorr (5.33Pa), the flow rate ratio increases rapidly when the Xe flow ratio exceeds 0.2. It can also be seen that when the total flow rate is 100 mTorr (13. 33 Pa), it tends to increase almost monotonously.
  • the electron temperature becomes the total flow force 20mTorr (2.666Pa), 40mTorr (5.33Pa), lOOmTorr (13.33Pa) as the flow ratio of Xe increases. Become It can be seen that as the flow rate ratio of Xe increases from 0.2, the flow rate decreases monotonously.
  • the SiO film is formed by a CVD (Chemical Vapor Deposition) process.
  • FIG. 8 is a schematic sectional view of a two-stage shower plate microwave excitation plasma processing apparatus used in the second embodiment of the present invention.
  • the apparatus of FIG. 8 has a structure in which a lower shower plate 22 is installed in the diffusion plasma region of the microwave excitation plasma processing apparatus shown in FIG. From the upper shower plate 21, Kr (or Xe), Ar, and O gas for plasma excitation are introduced. From the lower shower plate 22, Si, which is a reactive gas for film formation
  • a high-density plasma was excited between them, and the plasma was diffused on the surface of the silicon wafer 4 and supplied to the gap force of the lattice-like noise (having many holes for releasing reactive gas) of the lower shower plate 22.
  • Reactive gas forms a SiO film on the surface of workpiece 4
  • SiN gas can be formed by flowing SiH gas from the lower shower plate 22
  • Kr and Xe gases have a collisional cross-sectional force vj and ionic ions at lower electron temperatures than Ar. Since the energy is small, Kr (X e) selectively ionizes when a microwave is irradiated to the mixed gas of Ar and Kr (or Xe), and a plasma is formed, and the electron temperature of the plasma is Kr (Xe). It is defined and can suppress damage to various films formed or formed, and can suppress the use of expensive Kr (Xe) gas.
  • a white arrow 17 indicated by reference numeral 17 indicates a microwave for plasma excitation, and a reference numeral 26 indicates a high-density plasma region.
  • the Kr and Xe gases have a lower electron temperature than the Ar, and the cross-sectional area of collision with the electrons is small and the ion energy is small.
  • Kr (Xe) is selectively turned on, plasma is formed, and the electron temperature of the plasma is defined by Kr (Xe), and silicon during etching Damage to the surface of the substrate 4 and the film formed on the silicon substrate can be suppressed, and the use of expensive Kr (Xe) gas can be suppressed.
  • the plasma processing apparatus and the plasma processing method according to the present invention can be applied not only to the semiconductor manufacturing process but also to the manufacture of electronic and electrical equipment and various mechanical parts. .

Abstract

　高価なクリプトン、キセノンガスの消費量をできるだけ抑制するとともにプラズマ処理時の被処理物へのダメージを低減すること。 　希ガスを用いて行う基板のプラズマ処理において、２種類以上の異なる希ガスを用い、希ガスの―つを安価なアルゴンガスとし、それ以外のガスがアルゴンガスより電子との衝突断面積が大きいクリプトン、キセノンのいずれか又は両方とし、高価なクリプトン、キセノンガスの消費量をできるだけ抑制するとともにプラズマ処理時の被処理物へのダメージを低減する。

Description

明 細 書
プラズマ処理方法及びプラズマ処理装置
技術分野
[0001] 本発明は、半導体素子、半導体チップ搭載基板、配線基板、フラットパネルデイス プレイ装置基板等電子装置の基板または被処理物をプラズマ処理する方法および その処理装置、力かるプラズマ処理により電子装置を製造する製造方法に関する 背景技術
[0002] 従来、プラズマを用いてシリコン半導体等の被処理物表面を酸化、窒化、酸窒化し たり、被処理物表面上に酸化膜、窒化膜、酸窒化膜、ポリシリコン膜、有機 EL膜等を 成膜したり、被処理物表面をエッチングしたりする際のプラズマ処理では、単一の希 ガスを用いてプラズマを発生させていた。希ガスとしては、被処理物に対するプラズ マのダメージを小さくするため、電子との衝突断面積が大きぐプラズマの電子温度 が低 ヽクリプトン (Kr)ガスやキセノン (Xe)ガスが用いられて ヽる（例えば、特許文献 1参照)。
[0003] 特許文献 1には、酸化膜及び窒化膜形成のために、 Krをプラズマ励起ガスとして 用いた装置が開示されている。この装置は、処理室である真空容器上部に、外側か ら順に同軸導波管、ラジアルラインスロットアンテナ、マイクロ波導入窓を設け、真空 容器内部にシャワープレートを設けて、その下部に被処理物を載置するための加熱 機構付きステージを配置した構成である。プラズマ処理方法としては、真空容器内を 真空に排気し、シャワープレートから Arガスを導入し、次に Arガスから Krガスに切り 替えて、圧力を 133Paとする。次に、希フッ酸洗浄が施されたシリコン基板 (被処理 物）を処理室内に導入してステージに載置し、被処理物が 400°Cに保持されるよう〖こ 被処理物を加熱する。同軸導波管からマイクロ波を例えば、 1分間ラジアルスロットァ ンテナに供給し、マイクロ波を誘電体板 (マイクロ波導入窓およびシャワープレート）を 介して処理室内に導入する。このようにして、処理室内に生成した高密度 Krプラズマ に、シリコン基板の表面を曝すことによって、表面終端水素を除去する。次に、処理 室内の圧力を 133Pa程度に保持したまま、シャワープレートから予め定められた分圧 比の KrZO混合ガスを導入し、シリコン基板表面にナノ単位の厚さのシリコン酸ィ匕
2
膜を形成する。次にマイクロ波の供給を一時停止して、 oガスの導入を停止し、処理
2
室内を Krでパージした後、シャワープレートから K ZNH混合ガスを導入し、処理
2 3
室内の圧力を 133Pa程度に設定したまま、再びマイクロ波を供給し、処理室内に高 密度プラズマを生成して、シリコン酸ィ匕膜表面にナノ単位の厚さのシリコン窒化膜を 形成する。さらに、シリコン窒化膜が形成されたところで、マイクロ波パワーの導入を 停止して、プラズマ励起を終了し、さらに、 Kr/NH混合ガスを Arガスに置換して酸
3
化窒化工程を終了する。このように、上記装置を用いて半導体集積回路装置の製造 が行われる。
[0004] しかしながら、 Krガス， Xeガスは、通常のプラズマ処理に用いられる Arガスに比べ ると自然界における存在量が少なく高価であり、産業に用いるのは困難だった。
[0005] 特許文献 1 :特開 2002— 261091号公報
発明の開示
発明が解決しょうとする課題
[0006] 本発明では、高価なクリプトンガス、キセノンガスの消費量をできるだけ抑制するとと もにプラズマ処理時の被処理物へのダメージを低減することを目的とする。
課題を解決するための手段
[0007] 上記目的を達成するため、本発明のプラズマ処理方法及びプラズマ処理装置にお いては、プラズマ中の電子温度は電子との衝突断面積か大きい希ガスで定義し、ガ スの希釈はそれより安価な希ガスで行 ヽ、これらの 2種類以上の希ガスでプラズマ中 のガスを構成するようにしたことを特徴とするものである。
[0008] 即ち、本発明によれば、希ガスを用いてプラズマを発生させ該プラズマを用いて被 処理物の処理を行うプラズマ処理方法にお!、て、前記希ガスとして 2種類以上の異 なる希ガスを用いることを特徴とするプラズマ処理方法が得られる。
[0009] また、本発明によれば、前記プラズマ処理方法にお!、て、前記異なる希ガスは電子 との衝突断面積が互いに異なる希ガスであることを特徴とするプラズマ処理方法が得 られる。
[0010] また、本発明によれば、前記 、ずれか一つのプラズマ処理方法にぉ 、て、前記 2種 類以上の異なる希ガスのうちの一つとしてアルゴンガスを用い、それ以外のガスとし てアルゴンガスよりも電子との衝突断面積が大きいガスを用いることを特徴とするブラ ズマ処理方法が得られる。
[0011] また、本発明によれば、前記いずれか一つのプラズマ処理方法において、前記 2種 類以上の異なる希ガスのうちの一つとしてアルゴンガスを用い、それ以外のガスとし てクリプトンおよびキセノンの一方または両方を用いることを特徴とするプラズマ処理 方法が得られる。
[0012] また、本発明によれば、前記 、ずれか一つのプラズマ処理方法にぉ 、て、マイクロ 波励起によって前記プラズマを発生させることを特徴とするプラズマ処理方法が得ら れる。
[0013] また、本発明によれば、前記 、ずれか一つのプラズマ処理方法にぉ 、て、前記処 理は、前記基板表面の少なくとも一部の酸化、窒化もしくは酸窒化、前記基板表面の 少なくとも一部への成膜、または前記基板表面の少なくとも一部のエッチングである ことを特徴とするプラズマ処理方法が得られる。
[0014] また、本発明によれば、前記 、ずれか一つのプラズマ処理方法にぉ 、て、前記プ ラズマを用いて前記基板表面の少なくとも一部を酸化、窒化または酸窒化するため に、窒化性のガスまたは酸ィ匕性のガスを前記プラズマ中に導入することを特徴とする プラズマ処理方法が得られる。
[0015] また、本発明によれば、前記 、ずれか一つのプラズマ処理方法にぉ 、て、前記基 板表面の少なくとも一部に成膜を行うために、成膜に必要なガスを前記プラズマ中に 導入することを特徴とするプラズマ処理方法が得られる。
[0016] また、本発明によれば、前記 、ずれか一つのプラズマ処理方法にぉ 、て、前記成 膜が絶縁膜の形成であることを特徴とするプラズマ処理方法が得られる。
[0017] また、本発明によれば、前記 、ずれか一つのプラズマ処理方法にぉ 、て、エツチン グに必要なガスを前記プラズマ中に導入して前記基板表面の選択された部分または 全面をエッチングすることを特徴とするプラズマ処理方法が得られる。
[0018] また、本発明によれば、前記 、ずれか一つのプラズマ処理方法にぉ 、て、前記 2種 類以上の異なる希ガスのうちの電子との衝突断面積が大きい方のガスをプラズマ励 起領域に導入し、衝突断面積が小さ!、方のガスをプラズマ励起領域の外に導入する ことを特徴とするプラズマ処理方法が得られる。
[0019] また、本発明によれば、前記 、ずれか一つのプラズマ処理方法にぉ 、て、前記希 ガスの一部又は全てを再利用のために回収することを特徴とするプラズマ処理方法 が得られる。
[0020] また、本発明によれば、前記 、ずれか一つのプラズマ処理方法によって被処理物 を処理する工程を有することを特徴とする、半導体装置やフラットパネルディスプレイ 装置やコンピュータや携帯電話端末等の電子装置の製造方法が得られる。
[0021] また、本発明によれば、プラズマ処理室に 2種類以上の異なる希ガスが供給できる ことを特徴とするプラズマ処理装置が得られる。
[0022] また、本発明によれば、前記プラズマ処理装置にお!、て、前記希ガスの電子との衝 突断面積が異なることを特徴とするプラズマ処理装置が得られる。
[0023] また、本発明によれば、前記 、ずれか一つのプラズマ処理装置にぉ 、て、前記希 ガスの一つがアルゴンガスてありそれ以外のガスがアルゴンガスより電子との衝照明 面積が大きいガスを用いることを特徴とするプラズマ処理装置が得られる。
[0024] また、本発明によれば、前記 、ずれか一つのプラズマ処理装置にぉ 、て、前記希 ガスの一つがアルゴンガスであり、それ以外がクリプトン、キセノンのいすれ力 又は 両方であることを特徴とするプラズマ処理装置が得られる。
[0025] また、本発明によれば、前記 、ずれか一つのプラズマ処理装置にぉ 、て、前記プ ラズマをマイクロ波励起で行うことを特徴とするプラズマ処理装置が得られる。
[0026] また、本発明によれば、前記 、ずれか一つのプラズマ処理装置にぉ 、て、前記プ ラズマ室に希ガスに加えて、窒化性のガスまたは酸ィ匕性のガスを供給できることを特 徴とするプラズマ処理装置が得られる。
[0027] また、本発明によれば、前記 、ずれか一つのプラズマの処理装置にぉ 、て、前記 プラズマ室に希ガスに加えて、所望のガスを加えて、被処理物上に成膜を行うことを 特徴とするプラズマ処理装置が得られる。
[0028] また、本発明によれば、前記 、ずれか一つのプラズマ処理装置にぉ 、て、前記プ ラズマ室に希ガスに加えて、被処理物の一部又は全面をエッチングすることを特徴と するプラズマ処理装置が得られる。
[0029] また、本発明によれば、前記 、ずれか一つのプラズマ処理装置にぉ 、て、前記希 ガスの電子との衝突断面積が大きい方のガスをプラズマ励起領域に導入し衝突断面 積の小さい方のガスをプラズマ励起領域の外に導入することを特徴とするプラズマ処 理装置が得られる。
[0030] また、本発明によれば、前記 、ずれか一つのプラズマ処理装置にぉ 、て、希ガス 回収装置を備えることを特徴とするプラズマ処理装置が得られる。
[0031] さらに、本発明においては、使用後の希ガスを回収再生利用することにより、さらに 高効率に高価な希ガスを使用できるようにするプラズマ処理方法が得られる。
[0032] 本発明のよれば Xe、 Krの一方または両方に Arガスを加えたガスを用いる力 該混 合ガス中の Xe、 Krの必要割合は諸種の条件によって変化するが、多くの場合最低 2 0体積％が必要であり、 40%程度から 100%の場合との効果の差異があまりみられ ず、 50%以上であれば問題がない。勿論 100%未満とする。
発明の効果
[0033] 本発明によれば、 Kr、 Xeの一方または両方に Arガスを加えたガスを用いてプラズ マ発生を行うので、プラズマ処理中のダメージを低減するとともに高価な Kr、 Xeガス の使用量の削減を図ることができる。
図面の簡単な説明
[0034] [図 1]本発明の実施の態様 1で用いるマイクロ波励起プラズマ処理装置の断面図であ る。
[図 2]各希ガスの電子温度と衝突断面積を表す説明図と Ar、 Kr、 Xeガスの励起エネ ルギ、イオンィ匕エネルギ、電子温度を夫々示す図である。
[図 3]プラズマ計測方法を示す断面図である。
[図 4]ArZXe混合プラズマの発光強度を示す図で、（a)は Xe+ (466. 8nm)の 20m Torr(2. 66Pa)におけるネ目対強度、（b)は Xe+ (466. 8nm)の 40mTorr(5. 33Pa )における相対強度、（c)は Ar(750. 4nm)の 20mTorr (2. 66Pa)における相対強 度、（d)は Ar (750. 4nm)の 40mTorr (5. 33Pa)における相対強度を夫々示して いる。 [図 5]プラズマ電子密度を示す図で、（a)は Arの動作圧力（mTorr= X O. 133Pa)と 、電子数（1012cm_3)との関係を示す図で、（b)は Xeの動作圧力（mTorr=0. 133 Pa)と電子数（1012cm_3)との関係を示す図である。
[図 6] (a) , (b) , (c) ,及び (d)は ArZXe混合プラズマの電子密度、 VSWR,イオン 電流、電子温度を夫々示す図である。
圆 7] (a)は混合ガス圧力を変化させたときのイオン電流密度を示す図で、 (b)は混合 ガスの圧力を変化させたときの電子温度を示す図である。
[図 8]本発明の実施の態様 2および 3で用いる二段シャワープレートマイクロ波励起プ ラズマ処理装置の断面図である。
符号の説明
1 マイクロ波照射用アンテナ
2 絶縁体
3 シャワープレート
4 ウェハ
5 排気ポート
6 排気ダクト
7a, 7b 小型ポンプ流入管 (排気管)
10 チャンバ一
13 ガス導入管
15 取り付け部材
19 ガスの流れ
21 上段シャワープレート
22 下段シャワープレート
25 RFバイアス電源
101 マイクロ波励起プラズマ処理装置
102 二段シャワープレートマイクロ波励起プラズマ処理装置
発明を実施するための最良の形態
以下、本発明の実施例について図面を参照しながら説明する。 [0037] (第 1の実施例）
本発明の第 1の実施例では、プラズマ処理がシリコンの直接酸ィ匕/窒化プロセスで ある場合の形態について説明する。
[0038] 図 1はマイクロ波励起のプラズマ処理装置の断面図である。図 2は電子エネルギー と全イオンィ匕断面積との関係を示す図である。図 3はプラズマ計測方法を示す断面 図である。図 4は ArZXe混合プラズマの発光強度を示す図で、（a)は Xe+ (466. 8n m)の 2. 66Pa (20mTorr)におけるネ目対強度、（b)は Xe+ (466. 8nm)の 5. 33Pa ( 40mTorr)における相対強度、（c)は Ar(750. 4nm)の 2. 66Pa (20mTorr)にお ける相対強度、（d)は Ar (750. 4nm)の 5. 33Pa (40mTorr)における相対強度を 夫々示している。また、図 5はプラズマ電子密度を示す図で、（a)は Arの動作圧力（ mTorr= X O. 133Pa)と、電子数（1012cm_3)との関係を示す図で、（b)は Xeの動 作圧力（mTorr= X O. 133Pa)と電子数（1012cm_3)との関係を示す図である。図 6 (a) , (b) , (c) , (d)は ArZXe混合プラズマの電子密度、 VSWR,イオン電流、電子 温度を夫々示す図である。図 7 (a)は ArZXe混合ガス中の Xeの割合を 0から 1まで 変化させたときのイオン電流密度を示す図で、図 7 (b)は ArZXe混合ガス中の Xeの 割合 (圧力）を同様に変化させたときの電子温度を示す図である。
[0039] 図 1を参照すると、マイクロ波はプラズマ処理装置 101の上部に絶縁体板 2を介し て設置されたアンテナ 1によって装置内部 11に放射される。 Arガスと Krガス (または Xeガス）および酸素ガス（窒化処理の場合は N /Hまたは NHガス、酸窒化プロセ
2 2 3
スの場合は， O ZNHまたは O ZN 0、 O ZNOガス等の酸化性ガスと窒化性ガ
2 3 2 2 2
スの混合ガス）は、ガス導入管 13からシャワープレート 3を経て装置内部 11に導入さ れ、そこに上記のように照射されているマイクロ波によって装置内部 11、被処理物 4 の上部でプラズマが励起される。
[0040] 図 1に戻ると、被処理物の基板であるシリコンウェハ 4は処理室 11内でプラズマか 直接照射される場所に設置され、プラズマにより励起された酸素ラジカル等により酸 化される。このとき被処理物 4は、処理室 11内でもプラズマが励起される空間ではな くプラズマが拡散されて 、る空間に設置されることが望ま 、。
[0041] また、処理室 11内の排ガスは、排気ポート 5を介して、排気ダクト 6内を通り、破線の 矢印 19に示すように、小型ポンプへのいずれかの流入口 7a, 7b力ら、図示しない小 型ポンプへと夫々導かれる。
[0042] 励起されたプラズマを計測するには、図 3に示すように、処理室 11内に先端部が突 き入るようにプローブ 9が設けられ、このプローブ 9は取付部材 15によって固定される 。発光計測 14は、別の窓力も矢印のように行われる。
[0043] ここで、図 2に示すように、 Arに比べ Kr、 Xeガスは電子温度が低いところで電子と の衝突断面積が小さぐイオン化エネルギーも小さいため、 Arと Kr (あるいは Xe)の 混合ガスにマイクロ波が照射されると選択的に Kr (あるいは Xe)がイオンィ匕してブラ ズマが形成され、プラズマの電子温度は Kr (あるいは Xe)で定義され、成謨中でのあ るいは形成された SiO膜 (Si N膜、 SiON膜)へのダメージを抑制できるとともに高
2 3 4
価な Kr (あるいは Xe)ガスの使用を抑制できる。
[0044] また、図 4 (a) , (b)及び (c) , (d)を参照すると、 Xe+の発光強度湘対強度）は、 20 mTorr(2. 66Pa)よりも 40mTorr(5. 33Pa)の方が大きいが， Arの発光強度は、 X eの分圧（モル分率）が 0. 2以上においては、圧力に依存しないことが分かる。
[0045] また、図 5を参照すると、 Arの電子密度は、 Xeの流量比（即ち、分圧）が大きくなる と増加する力 Xeの電子密度は流量比が増加すると、減少することが分かる。
[0046] また、図 6を参照すると、電子密度は、 Xeの構成比率が 20%から増加し、以後は構 成比率が大きくなるにつれ単調に増加し、 VSWRは Xeの構成比率が大きくなるにつ れ単調に若干減少する。イオン電流は Xeの構成比率が 20%で急激に増加し、電子 温度は Xeの Xeの構成比率が 20%までに急激に減少しそれ以降は構成比率が大き くなるにつれ単調減少していることが分かる。
[0047] さらに、図 7 (a)を参照すると、イオン電流密度は、全流量が 20mTorr (2. 66Pa) の場合には、 Xeの流量比 0. 75付近で急激に増加することが分かる。また、全流量 力 S40mTorr (5. 33Pa)の場合には、 Xeの流量比が 0. 2を越えると急激に増加する ことが分かる。また、全流量が 100mTorr (13. 33Pa)の場合には、ほぼ単調増加傾 向にあることが分かる。
[0048] また、図 7 (b)を参照すると、電子温度は、 Xeの流量比が大きくなるにつれ全流量 力 20mTorr (2. 66Pa)、 40mTorr (5. 33Pa) , lOOmTorr (13. 33Pa)となるにつ れて、小さくなるとともに、夫々 Xeの流量比が 0. 2から増加するにつれて単調減少し ていることが分かる。
[0049] 以上のデータはすべて、 Xeの構成比率が 100%でなくても、 20%以上、好ましくは 50%以上であれば、 100%の場合とほぼ同じ効果が得られることを示している。すな わち、 80%程度、好ましくは 50%程度を安価な Arとしても、プラズマ処理中のダメー ジを低減することが出来ることが分かる。この結果、本発明によれば高価な Kr、 Xeガ スの使用量の削減を図ることができる。
[0050] (第 2の実施例）
次に、本発明によるプラズマ処理を成膜に適用した例を示す。第 2の実施例では、 成膜として CVD (Chemical Vapor Deposition)プロセスによる SiO膜形成を行
2
つた o
[0051] 図 8は本発明の第 2の実施例に使用される二段シャワープレートマイクロ波励起プ ラズマ処理装置の概略断面図である。図 8の装置は、図 1に示したマイクロ波励起プ ラズマ処理装置の拡散プラズマ領域に下段シャワープレート 22を設置した構造とな つている。上段のシャワープレート 21からはプラズマ励起用の Kr (又は Xe)および Ar と Oガスとを導入する。下段シャワープレート 22からは成膜用の反応性ガスである Si
2
Hガスを導入する。上段のシャワープレート 21と下段シャワープレート 22との間の空
4
間で高密度プラズマが励起され、そのプラズマは下段シャワープレート 22の格子状 ノイブ (反応性ガスを放出する多数の孔を有する）の間隙力もシリコンウェハ 4表面上 に拡散し、そこに供給された反応性ガスによって被処理物 4の表面に SiO膜が形成
2 される。
[0052] このとき、上段シャワープレート 21から Kr (又は Xe)および Arと NH (又は N /H
3 2 2 混合)ガスを、下段シャワープレート 22から SiHガスを流せば、 Si N膜の形成がで
4 3 4
きる。
[0053] また、上段シャワープレート 21から Kr (又は Xe)および Arを、下段シャワープレート 22から CxFy(C F , C F等）ガスを流せば、フロロカーボン膜が形成できる。
5 8 4 8
[0054] また、上段シャワープレート 21から Kr (又は Xe)および Arを、下段シャワープレート 22から SiHガスを流せば、シリコン膜の形成ができる。 [0055] 以上、いずれの場合も、図 2、図 6及び図 7から明らかなように、 Arに比べ Kr、 Xeガ スは電子温度が低いところで電子との衝突断面積力 vj、さくイオンィ匕エネルギーも小さ いため、 Arと Kr (あるいは Xe)の混合ガスにマイクロ波が照射されると選択的に Kr (X e)がイオンィ匕しプラズマが形成されプラズマの電子温度は、 Kr (Xe)で定義され、成 膜中でのまたは形成された各種膜へのダメージを抑制できるとともに高価な Kr (Xe) ガスの使用を抑制できる。
[0056] (第 3の実施例）
次に、本発明のプラズマ処理をエッチングプロセスに適用した場合の例を示す。図 8を参照すると、上段のシャワープレート 21からはプラズマ励起用の Kr (又は Xe)お よび Arガスを導入する。下段シャワープレート 22からは反応性ガスである CxHyガス を導入する。ここで、基板 4にバイアス (RF) 25を印加することにより、シリコンウェハ 4 側に負の DCバイアスが加わりシリコン基板 4上にある SiOがエッチングされる。尚、
2
符号 17で示される白抜きの矢印 17は、プラズマ励起用のマイクロ波を示し、符号 26 は、高密度プラズマ領域を示している。
[0057] ている。このときも、図 2及び図 6, 7から明らかなように、 Arに比べ、 Kr、 Xeガスは電 子温度が低 、ところで電子との衝突断面積が小さくイオンィ匕エネルギーも小さ 、ため Arと Kr (あるいは Xe)の混合ガスにマイクロ波が照射されると選択的に Kr (Xe)がィ オンィ匕し、プラズマが形成されプラズマの電子温度は Kr(Xe)で定義されエッチング 中でのシリコン基板 4表面およびシリコン基板上に形成されている膜へのダメージが 抑制できるとともに高価な Kr (Xe)ガスの使用を抑制できる。
産業上の利用可能性
[0058] 以上説明したように、本発明に係るプラズマ処理装置及びプラズマ処理方法は、半 導体製造プロセスは勿論のこと、電子'電気機器の製造、各種機械部品の製造に適 用することができる。

Claims

請求の範囲
[1] 希ガスを用いてプラズマを発生させ該プラズマを用いて被処理物の処理を行うブラ ズマ処理方法にぉ 、て、前記希ガスとして 2種類以上の異なる希ガスを用いることを 特徴とするプラズマ処理方法。
[2] 請求項 1に記載のプラズマ処理方法にぉ 、て、前記異なる希ガスは電子との衝突 断面積が互 ヽに異なる希ガスであることを特徴とするプラズマ処理方法。
[3] 請求項 1に記載のプラズマ処理方法にぉ 、て、前記 2種類以上の異なる希ガスのう ちの一つとしてアルゴンガスを用い、それ以外のガスとしてアルゴンガスよりも電子と の衝突断面積が大き 、ガスを用いることを特徴とするプラズマ処理方法。
[4] 請求項 1に記載のプラズマ処理方法にぉ 、て、前記 2種類以上の異なる希ガスのう ちの一つとしてアルゴンガスを用い、それ以外のガスとしてクリプトンおよびキセノンの 一方または両方を用いることを特徴とするプラズマ処理方法。
[5] 請求項 1に記載のプラズマ処理方法にぉ 、て、マイクロ波励起によって前記プラズ マを発生させることを特徴とするプラズマ処理方法。
[6] 請求項 1に記載のプラズマ処理方法にぉ 、て、前記処理は、前記被処理物表面の 少なくとも一部の酸化、窒化もしくは酸窒化、前記被処理物表面の少なくとも一部へ の成膜、または前記被処理物表面の少なくとも一部のエッチングであることを特徴と するプラズマ処理方法。
[7] 請求項 1に記載のプラズマ処理方法にぉ 、て、前記プラズマを用いて前記被処理 物表面の少なくとも一部を酸化、窒化または酸窒化するために、窒化性のガスまたは 酸ィ匕性のガスを前記プラズマ中に導入することを特徴とするプラズマ処理方法。
[8] 請求項 1に記載のプラズマ処理方法にぉ 、て、前記被処理物表面の少なくとも一 部に成膜を行うために、成膜に必要なガスを前記プラズマ中に導入することを特徴と するプラズマ処理方法。
[9] 請求項 8に記載のプラズマ処理方法において、前記成膜が絶縁膜の形成であるこ とを特徴とするプラズマ処理方法。
[10] 請求項 1に記載のプラズマ処理方法にぉ 、て、エッチングに必要なガスを前記ブラ ズマ中に導入して前記被処理物表面の選択された部分または全面をエッチングする ことを特徴とするプラズマ処理方法。
[11] 請求項 2に記載のプラズマ処理方法において、前記 2種類以上の異なる希ガスのう ちの電子との衝突断面積が大き!/、方のガスをプラズマ励起領域に導入し、衝突断面 積が小さい方のガスをプラズマ励起領域の外に導入することを特徴とするプラズマ処 理方法。
[12] 請求項 1に記載のプラズマ処理方法にぉ 、て、前記希ガスの一部又は全てを再利 用のために回収することを特徴とするプラズマ処理方法。
[13] プラズマ処理室に 2種類以上の異なる希ガスを供給する手段を設けたことを特徴と するプラズマ処理装置。
[14] 請求項 13に記載のプラズマ処理装置において、前記希ガスの一つがアルゴンガス でありそれ以外のガスがアルゴンガスより電子との衝突断面積が大きいガスであること を特徴とするプラズマ処理装置。
[15] 請求項 14に記載のプラズマ処理装置において、前記それ以外のガスがクリプトン およびキセノンの一方又は両方であることを特徴とするプラズマ処理装置。
[16] 請求項 13に記載のプラズマ処理装置において、前記プラズマ処理室にプラズマを 発生させるためのマイクロ波励起手段を備えたことを特徴とするプラズマ処理装置。
[17] 請求項 13に記載のプラズマ処理装置において、前記プラズマ室に窒化性のガスま たは酸ィ匕性のガスをさらに供給する手段を設けたことを特徴とするプラズマ処理装置
[18] 請求項 13に記載のプラズマの処理装置において、被処理物上に成膜を行うため のガスを前記プラズマ室にさらに供給する手段を設けたことを特徴とするプラズマ処 理装置。
[19] 請求項 13に記載のプラズマ処理装置において、被処理物の少なくとも一部をエツ チングするためのガスを前記プラズマ室にさらに供給する手段を設けたことを特徴と するプラズマ処理装置。
[20] 請求項 14に記載のプラズマ処理装置にぉ 、て、前記希ガスを供給する手段は、前 記電子との衝突断面積が大きい方の希ガスをプラズマ励起領域に導入する手段と前 記アルゴンガスをプラズマ励起領域の外に導入する手段とを含むことを特徴とするプ ラズマ処理装置。
[21] 請求項 13に記載のプラズマ処理装置において、希ガス回収装置を備えることを特 徴とするプラズマ処理装置。
[22] 請求項 1に記載のプラズマ処理方法によって被処理物を処理する工程を有するこ とを特徴とする電子装置の製造方法。
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