JPH04718A - 表面処理装置 - Google Patents

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】 ［発明の目的］ （産業上の利用分野） 本発明は半導体集積回路製造のだめの基板の表面処理装
置に関する。

（従来の技術） 従来、表面処理装置には主に中性の活性種や正のイオン
が使用されてきた。例えば、エツチングを例にとると、
微細加工には不可欠な反応性イオンエツチング（ＲＩＥ
）と呼ばれる装置では高周波放電により反応性ガスのプ
ラズマを形成し、このプラズマに晒らされたウェハ表面
に誘起される自己バイアス電圧（Ｖｄｃ）によりプラズ
マから正イオンを引出し、中性な活性種の吸着した表面
をイオン衝撃することでエツチング反応を促進（イオン
アシスト反応）する。

通常、このイオンエネルギーは１００ｅＶより高く、数
百ｅＶにおよぶ場合もある。このようなイオン衝撃Ｆで
は被エツチング祠料の結合エネルギーよりはるかに高い
エネルギーのイオンかウエノ１表面に衝撃するため、材
料による選択性は得にくい。

方、中性の活性種だけを使用するエツチング装置、例え
ばケミカルドライエツチング装置においては、イオン衝
撃が全く無く、反応は化学的に進む。したがって、材料
とガスの選択により高い選択比を得ることもできる。例
えば、５ｉ０２は殆ど工・ソチングせずＳｔをエツチン
グする方法が報告されている。ところが逆にＳｔをエツ
チングせずに５１０２だけをエツチングすることは極め
て難しい。それは、５ｉ−ｏの結合は５ｉ−３ｔより強
く、一般にエツチング速度は５ｉ０２の方がＳｔよりも
小となるからである。また、Ｓｌ上に選択的に堆積膜を
形成してエツチング速度を逆転することは可能であるが
、Ｓｉのエツチング速度は完全には０にならず、またイ
オン衝撃を受けるためダメージの問題は残る。又、ウェ
ハ表面に形成される自然酸化膜等の酸化膜を選択的に除
去する場合には、従来ダメージがなく選択的に５ｉ０２
を除去できる希フッ酸によるウェット処理が行なわれる
。しかしこのようなウェット処理は成膜やエツチング処
理装置と同じチャンバー内で行うことはできず、従って
ウェット処理は前記処理装置での処理の前段階で行い、
その後、処理装置内へ搬入されるので前記ウェハ表面に
は僅かな自然酸化膜が必ず形成されてしまい、成膜やエ
ツチング時の選択性が劣化するという問題かある。

さらにまた、従来シリコン等の半導体基板に半導体素子
間の絶縁をするためにフィールド酸化膜を形成する場合
には通常ＬＯＣＯＳ法と呼ばれる方法が用いられる。こ
の方法は前記基板表面に窒化膜等のマスクパターンを形
成し、この基板を酸化装置において酸化雰囲気中にさら
すことによりこのパターンでマスクされていない前記基
板部分に厚い酸化膜を形成するものである。しかしなが
ら、この方法では、基板とマスク材の界面にバーズビー
クと呼ばれる酸化膜のくい込みが生じ、これにより高集
積化が図れなかった。

二のように、従来、エツチング、酸化等の表面処理装置
では種々の問題かあった。

（発明が解決しようとする課題） このように従来の表面処理装置として工・ンチング装置
では高い選択比で酸化膜等の材料をダメージなくエツチ
ングすることが難しく、又、自然酸化膜の除去等におい
ても同様の問題があった。

また、従来の酸化装置では、素子の高集積化を図れない
という問題があった。

［発明の構造］ （課題を解決するための手段） 本発明の骨子は、反応性ガスの原子、分子を低エネルギ
ーのビームにより負に帯電させ、これらを被処理基板に
晒らすことにより従来よりも改善された表面処理装置を
実現する。

すなわち、反応性ガスに低エネルギーの電子又は、電子
ビーム等を照射することにより、負イオンを生成せしめ
、これにより基板の処理を行うと、エツチング装置なら
ば従来行えなかった低ダメージの酸化膜の高選択エツチ
ングが実現でき、酸化装置であれば、素子の高集積化の
可能な酸化処理が実現できる。

（作用） 本発明により、生成せしめられた反応性ガスの負イオン
は酸化膜の如く化学結合に極性を有する材料においては
シリコンの如く極性のない材料に比べ、その吸着が促進
されるためエツチング種の吸着確立が増し、従って相対
的にエツチング速度が高くなる。このため、酸化膜等の
高選択エツチングが可能となる。

また、酸化の場合には方向性の酸化が実現できるのでバ
ーズビークを小さくでき、高集積化が可能となる。

本発明による作用を図面を用いて以下詳細に説明する。

第１図は本発明によるエツチング機構のモデル図である
。例えば、図に示すようにｓ　ｉ　ｏ２のような絶縁物
の多くは５ｉ−０のイオン性の結合を持っている。すな
わちＳｉと０の電気陰性度の違いから、Ｓｌ−〇の結合
では電子雲は０の付近に偏って存在する。したかって、
外から見ると５ｉ−０結合は双極子となる。

一方、図示していないがシリコン基板のようなＳｔ　−
Ｓｔ結合を有するものにおいては結合は中性である。ハ
ロゲンとこのような結合を持った物質との反応は現在、
次のようなモデルで理解されている。エツチング種をフ
ッ素　（Ｆ）原子とすると、８１表面に吸着したＦ原子
は電気陰性度が高いためＳｌから電子を引込み、表面で
Ｆマイナスとなる。

一方、電子を奪われたＳ１側はプラスに帯電するため、
クーロン力Ｆで引合い、フッ素原子ＦがＳｌ中へ引込ま
れることで反応が進み、エツチングされる。一方、５ｉ
０２においては上述したように電子はＯに偏っているた
め、既にプラスになっているＳｌからＦが電子を引込む
ことができず、反応は遅い。

ところが本発明にょうに予め、エツチング種としてＦマ
イナスを生成し、これを８１０２に供給すると図に示す
ようにプラスとなっているＳｌと引合い、反応が促進さ
れる。一方、５ｔ−８ｉ結合に対しては電子を奪ってｓ
ｌをプラスに帯電させることがないためＦマイナスはＳ
ｉがら引力を受けず、反応の促進効果はない。したがっ
て、本発明によれば、中性の結合を持つ半導体、金属な
どに対して、イオン性結合を持つ酸化膜、窒化膜などを
選択的にエツチングすることが可能となる。又、酸化を
行う場合には、酸素等のガスを用いるが、前記と同様な
作用により酸化反応が促進される。

（実施例） 以下に本発明の詳細を図示の実施例によって説明する。

ｍ２図は本発明の実施例に係わる表面処理装置の概略図
である。図中１は真空容器であり、この容器１の内部に
は彼処ＦＪ基板２がサセプタ３上に載置されている。サ
セプタは温度＄制御され、また直流電圧を印加できる。

また、真空容器１には励起ガスの導入口４と真空排気口
５が接続されている。前記ガス導入口４には例えば放電
管６が接続され、この放電管６内に導入される例えばＮ
Ｐａ等のエツチングガスは、マイクロ波７の導入にょっ
て放電させ、励起される。このようにして分解したエツ
チングガスのＦ原子を真空容器１内に送り込む。放電管
４の先には放電管４と真空容器ｌの圧力差を保つために
オリフィス８が設けられている。さらに、真空容器１に
は容器１上例の電子ビーム発生手段（図示せず）から後
述するように低速の電子ビームｅがスリット９を通して
導入される。前記電子ビームｅは例えば長手方向が被処
理基板の径より長いシート状であり、前記サセプタ３を
走査することにより被処理基板２全体の表面付近に均一
に電子ビームを供給できる。ここで、電子ビームは、被
処理基板に対して平行に導入され、基板表面付近に電子
ビームを供給するような構成としても均一性良く処理で
きる。

ここで、ガスの励起は放電に限らず熱、光、Ｘ線等他の
励起手段で生成してもよい。

次にこのエツチング装置を用いて実際にエツチングする
方法について説明する。

まず、被処理基板２として表面に自然酸化膜が形成され
た８１基板を用意し、前記自然酸化膜の除去を行う例に
ついて説明する。ガスは７％ロゲンを含む反応性のガス
、例えばＮＦ２、ＣｌＦ３　、（：１２、Ｆ２　、　Ｓ
ｒｓ　、Ｂｒ２、ＨＢｒ等を使用する。また、ＣＦ４　
、ＣＣＩ　ａ　、ＣＢｒＦ３等のＣようにＯと反応しや
すい成分を含むガスを使用すれば選択性という点では、
さらに有効である。但し、この場合はガスに含まれるＣ
がエツチング後のＳｉ表面に残留する問題がある。

まず、前述したようなガスを放電管６に導入し、マイク
ロ波放電等で分解し、ＦやＣＩといった）＼ロゲンの原
子　（イオン化エネルギーは、それぞれ１７．４ｅｖ、
　１３．ｏｅｖ）を真空容器１内に供給する。これらの
ハロゲン原子に前述の低速の電子ビームｅヲ照射し、Ｆ
かＣＩのマイナスイオンを形成する。

この時、電子ビームｅのエネルギーはこれらの原子のイ
オン化エネルギーより低く保ち、プラスのイオンが生成
されないように設定する。その値はどの原子においても
およそ十数ｅＶであり、２０ｅＶ以下程度に保てばプラ
スイオンの生成量は極めて少なく問題はない。また、ガ
スが分子状態の場合でも必要なイオン化エネルギーは原
子の場合とｒｉ　＋！同程度である。

第３図は、このようにして前記Ｓｔ基盤上の自然酸化膜
をエツチングした時のデータを示す。工、ソチングガス
としてはＦ２ガスを用いた。すなわち、第３図は、電子
ビームのエネルギーを種々変化させた時のＳｌとＳ　ｉ
０２のエツチング速度の比（選択比）の変化を示したも
のである。工・ソチングは、第２図に示したのと同様の
装置を用い、Ｆ２ガスをＯ，１Ｔｏｒｒの圧力で放電管
６に導入し、マイクロ波（２００１）で放電させた後、
真空容器１内（こ送り込み、電子ビームｅを被処理基板
２に垂直に照射した。

この図から明らかなように、電子ビームのエネルギーが
数＋ｅＶ　（例えば２０ｅｖ）より高０場合ｉｔ、フッ
素の原子や正イオンによって工・ソチング反応が進むた
め、選択比は低い。しかしながら、ヒ゛−ムのエネルギ
ーを下げることにより選択比を大幅に増大することがで
きた。ここで、選択比は実用的には５以上であることが
望ましい。

二こで、より低エネルギーの電子ビームを得るために第
５図の概略図に示すような構成としてもよい。すなわち
、図に示すように電子銃５０からのＫｅＶオーダーの高
速電子ビーム５１を一旦、Ｐｔ５Ａｕ等の金属板ターゲ
ット５２に照射し、このターゲット５２から放出される
低速の２次電子５３を放電管６からのＦラジカル（Ｆ本
）等のエツチング種に与え、Ｆマイナスイオン５５とし
て、これを基板２に供給する。このような構成とするこ
とにより容品にきわめて低速な電子を得ることができる
が、引き出し加速された電子ビームを減速手段により減
速させ、所望の低速の電子を５３を直接得るようにして
もよい。

さらにこの実施例の変形例の装置の概略図を第６図に示
す。この装置では、エツチング種の例えばＦのマイナス
イオンを被処理基板２の上方から供給し、電子ビーム９
は基板表面に基板と平行に照射する他、被処理基板に電
圧を印加し、電界Ｅを生成せしめ、さらに基板２表面に
磁気手段（図示せず）により磁界Ｂを電界Ｅと直交する
ように発生させる。

このような構成とすることにより、放電管６より供給さ
れるＦラジカルは、電子ビームよりの電子によりＦのマ
イナスイオンとなり、これが電界Ｅの作用により基板２
に方向性よく入射される。

すなわち、Ｆマイナスイオンは効率よく基板２に引き込
まれ、反応性が高められる。この場合、副次的な反応で
Ｆ″″　（プラスイオン）が生成されることがあるが、
これは基板２とは反対の方向に移動し、基板には入射さ
れない。また、前記電界により電子（ｅ）が基板に入射
するとダメージの原因となるのでこれを防ぐため図に示
すように磁場Ｂを電界Ｅと直交に生成せしめるようにす
る。これにより、Ｆマイナスイオンは重いためＥｘＢ効
果による軌道の変化は少なく基板２へ入射されるが、電
子は軽いためＥｘＢにより曲げられ基板２には入ってこ
ないようにすることができる。このエツチング装置によ
り、先の実施例と同様の工・ソチングを行うことができ
る。しかも、この装置によれば反応性を高めることがで
きるのでエツチング時間の短縮を図れる等の効果も得る
ことができる。

以上、本願発明によるエツチング装置の実施例及び変形
例を説明したが、本発明は上記実施例に限定されるもの
ではない。被処理基板としてはシリコン基板表面に酸化
膜が形成されたものに限らず、半導体、金属等中性の結
合を有する材料に対して、アルミナ、窒化膜等イオン性
結合を有する材料を選択的にエツチングする場合に適用
が可能である。さらに、用いるガスも前述したようなガ
スに限らず、前記イオン性結合を有する材料と反応し、
ガス化して除去できるようなものを用いることができる
。さらに、マイナスイオンを生成する手段も、前述した
実施例に限定されず種々の方法が可能である。

さらにまた、前述した実施例において、この装置とゲー
トバルブ等を介して隣接してエツチング装置、ＣｖＤ装
置、エピタキシャル装置等の他の装置を配置し、前記自
然酸化膜を高選択にドライエツチングした後、基板を前
記他の装置へ、大気へさらすことなく搬送して工・ンチ
ング、ＣＶＤ、エピタキシャル成長等をきわめて良好に
行うことが可能である。また、前述した実施例装置は工
・ンチング装置、ＣＶＤｖｔ置、エピタキシャル装置に
組み込んだ構成としても、もちろんよい。

次に本発明による他の実施例を説明する。この実施例は
本発明を酸化処理に適用したものである。

まず、装置構成としては、第２図に示したのとほぼ同様
であり、ガスとしては酸素を使用する。このガスを先の
実施例と同様にマイクロ波放電によって励起し、酸素原
子を生成した後、真空容器１内に供給される。真空容器
１内で電子ビームｅが前記酸素原子（酸素原子のイオン
化エネルギーは１３．６ｅｖ）に照射され、酸素マイナ
スイオンが生成される。この実施例においては被処理基
板２としては、約８００℃に昇温し、表面を酸化したＳ
＋基板を使用しこのとき、基板は積極的に酸素のマイナ
スイオンを引込むようにＩＯＶ程度のバイアス電圧が印
加されたものとなっている。一般に、酸化反応において
はある膜厚以上では酸素が酸化膜とＳｌの界面に、表面
から拡散する速度で律速される。

したがって、これを速めれば高速の酸化か実施される。

さらに、この拡散に方向性を与えることにより、方向性
の酸化反応が実施される。第４図は、この実施例の効果
を説明するための説明図である。

すなわち第４図に示すように、従来の基板４０の熱酸化
では酸化の進む方向は等方的なため、基板４゜とその表
面の窒化膜４１との界面にはバーズビークと呼ばれるマ
スクの窒化膜４１下へ酸化膜４２のくい込み４３が存在
する。（第４図（ａ））。しかし、この実施例によると
バイアス電圧により形成された電界に引かれ酸化種であ
るＯマイナスイオンが縦方向に拡散するためバーズビー
クのくい込み４３ａを小さくできる。すなわち、従来の
くい込み長さがｄｌとすると、この実施例の場合にはｄ
２（＜ｄｌ　）となる。これによって、ＬＯＣＯ８法に
よる素子分離工程において素子形成領域を広く取れ、集
積化に極めて有利である。この実施例と同様の効果は、
不純物拡散の処理においても認められる。すなわち、Ｐ
、Ｂ、Ａｓ等の不純物原子をマイナスイオン化し、基板
にバイアスを印加した状態で熱処理することにより、方
向性の拡散が達成され、素子の集積化に効果が絶大であ
る。

［発明の効果］ 本発明によれば、被処理基体を処理するのに負イオンを
生成せしめて、これにより前記基体の処理を行えるので
従来よりも改善された表面処理装置が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の詳細な説明するためのモデル図、第２
図は本発明による一実施例を説明するための概略図、第
３図、第４図は本発明の実施例の効果を説明するための
説明図、第５図は本発明の詳細な説明するための概略図
、第６図は本発明による実施例の変形例を示す概略図で
ある。 １・・・真空容器、２・・・被処理基体、３・・・サセ
プタ、６・・・放電管、９・・・電子ビーム、５０・・
・電子銃、５２・・・ターゲット。

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. （１）被処理基体を収納する容器と、この容器内に反応
   性ガスを供給する手段と、排気する手段と、前記反応性
   ガスの分子又は原子にこれらのイオン化エネルギーより
   も低いエネルギーの電子を照射し、前記反応性ガスの負
   イオンを生成せしめる手段とを備え、前記負イオンによ
   り前記基体表面の処理を行なう表面処理装置。
2. （２）前記反応性ガスの供給手段は、反応性ガス分子、
   原子を含むガスを容器内に導入する前に熱、光、粒子ビ
   ーム、放電等の手段であらかじめ励起する手段を有する
   ものであることを特徴とする請求項１記載の表面処理装
   置。
3. （３）前記被処理基体は、中性の結合を有する半導体、
   金属等の基板上にイオン性結合を有する酸化膜、窒化膜
   が形成されたものであって、これらの膜を前記基板に対
   して選択的にエッチングせしめる請求項１記載の表面処
   理装置。
4. （４）前記被処理基体は、半導体基板上にマスクパター
   ンが形成されたものであって、前記負イオンは酸素より
   生成せしめたもので、これを前記基体の露出した表面に
   供給せしめることにより酸化膜を生成せしめるようにし
   た請求項１記載の表面処理装置。
5. （５）前記被処理基体に負イオンを引き込む電位を与え
   る手段を有する請求項１記載の表面処理装置。
6. （６）前記電子は、シート状のビームとし て被処理基体表面を走査せしめるようにしたことを特徴
   とする請求項１記載の表面処理装置。
7. （７）前記反応性ガスは、ＮＦ＿３、ＣｌＦ＿３、Ｃｌ
   ＿２、Ｆ＿２、ＳＦ＿６、Ｂｒ＿２、ＨＢｒ、ＣＦ＿４
   、ＣＣｌ＿４、ＣＢｒＦ＿３のいずれかのガスである請
   求項３記載の表面処理装置。
8. （８）前記被処理基体表面に磁場を生成せしめる手段を
   具備したことを特徴とする請求項１記載の表面処理装置
   。
9. （９）前記電子はターゲットに高速の電子 ビームを照射した時、放出せしめた二次電子のビームで
   ある請求項１記載の表面処理装置。