JPH03257182A - 表面加工装置 - Google Patents

表面加工装置

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JPH03257182A
JPH03257182A JP2053646A JP5364690A JPH03257182A JP H03257182 A JPH03257182 A JP H03257182A JP 2053646 A JP2053646 A JP 2053646A JP 5364690 A JP5364690 A JP 5364690A JP H03257182 A JPH03257182 A JP H03257182A
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substance
substrate
surface processing
processing apparatus
reactive gas
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JP2053646A
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Tetsuo Ono
哲郎 小野
Susumu Hiraoka
平岡　進
Keizo Suzuki
敬三 鈴木
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Hitachi Ltd
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    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10P—GENERIC PROCESSES OR APPARATUS FOR THE MANUFACTURE OR TREATMENT OF DEVICES COVERED BY CLASS H10
    • H10P50/00—Etching of wafers, substrates or parts of devices
    • H10P50/69—Etching of wafers, substrates or parts of devices using masks for semiconductor materials
    • H10P50/691—Etching of wafers, substrates or parts of devices using masks for semiconductor materials for Group V materials or Group III-V materials
    • H10P50/693—Etching of wafers, substrates or parts of devices using masks for semiconductor materials for Group V materials or Group III-V materials characterised by their size, orientation, disposition, behaviour or shape, in horizontal or vertical plane
    • H10P50/694—Etching of wafers, substrates or parts of devices using masks for semiconductor materials for Group V materials or Group III-V materials characterised by their size, orientation, disposition, behaviour or shape, in horizontal or vertical plane characterised by their behaviour during the process, e.g. soluble masks or redeposited masks
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    • H10P—GENERIC PROCESSES OR APPARATUS FOR THE MANUFACTURE OR TREATMENT OF DEVICES COVERED BY CLASS H10
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    • H10P50/20—Dry etching; Plasma etching; Reactive-ion etching
    • H10P50/24—Dry etching; Plasma etching; Reactive-ion etching of semiconductor materials
    • H10P50/242—Dry etching; Plasma etching; Reactive-ion etching of semiconductor materials of Group IV materials

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  • Drying Of Semiconductors (AREA)
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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】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、半導体や金属の表面を低損傷で高精度に加工
する装置に関する。
〔従来の技術〕
本発明では、半導体などの表面加工の精度を上げるため
に、加熱した反応性ガスを用いて表面加工を行なわせ、
かつその際反応性ガス以外の第２の物質を導入して表面
反応を制御している。
従来、プラズマによる半導体のエツチングに際して反応
性ガスのプラズマ中にｗｌ素や窒素などを混入させるこ
とにより表面反応を制御することは知られており、これ
については例えば、ジャーナルオブ　バキュム　サイエ
ンス　アンド　テクノロジー　８１巻　Ｐ２３　（１９
８３年）　（Ｊ、Ｖａｃ。
Ｓｃｉ、Ｔｅｃｈｎｏｌ、　Ｂ　１　２３　（１９８３
）　）において論じられている。これは、ＳＦ、などの
プラズマで に０２やＮ２　を混ぜてエツチングをする方法者、反応
時に生成されるＳｉ−〇や５ｉ−Ｎがエツチング六の側
壁が削られるのを防ぐ。しかし、プラズマを用いたエツ
チングでは高エネルギー（数十〜数百ｅｖ）のイオンが
加工すべき基板表面に入射するため、基板表面の帯電や
機械的損傷が問題となることが知られている。
一方、特開昭６１−１１３７７５号公報には、エツチン
グ時の損傷を無くすために、反応性ガスをプラズマ化す
ることなく、反応性ガスのビームを加熱して、この加熱
ガスビームを用いて基板をエツチングする方法が提案さ
れている。この方法は中性粒子ビームを用いており、そ
のビームのエネルギーはｌｅｖ以下なので基板にほとん
ど損傷を与えない。また、反応性ガスにＣＱ、を用い、
真性シリコンを垂直にエツチングできることも知られて
いる。
〔発明が解決しようとする課題〕
上記した特開昭６１−１１３７７５号公報に開示されて
いる技術では、加工する物質が変わったときの対処方法
に具体的な配慮がされていない。たとえば、加熱したＣ
ａ２　ビームでドナーを注入したシリコン（ｎ型シリコ
ン）をエツチングすると、マスクの下の側壁まで削れて
しまい垂直なエツチングができないことが実験により確
認された。
本発明の目的は、加熱した反応性ガスを用いる表面加工
法において、加工の対象物質が変わってもそれに対処し
て精度の良い加工ができるようにすることである。
〔課題を解決するための手段〕
上記目的を達成するために、本発明においては加熱した
反応性ガスビームで表面を加工しながら、第２の物質を
導入するこヒで表面での反応の速さを制御し、加工の精
度を上げた。
〔作用〕
本発明は、加熱した反応性ガスビームを用いる表面加工
法において、加工基板表面に第２の物質を導入すること
によって表面反応を制御しながら表面加工をすると、加
工精度が上がることを実験により見い出したもので、そ
の作用は明確ではないが以下のように推測される。たと
えば、半導体表面にマスクをつけてマスクされた部分以
外の部分をエツチングする加工では、ビーム状で飛んで
きた加熱された反応性ガスが半導体表面と反応し、揮発
性の物質をつくりこれが蒸発することで表面が削れる。
このとき、反応性ガスのうち未反応のものは表面で衝突
し熱エネルギーを失い反射される。その他に、反応の残
りの物質などが反射される。基板がｎ型シリコンの場合
、マスクの下の加工穴側壁までエツチングされるのは、
これらの反射された物質によるものと思われる。ここで
第２の物質として窒素を導入し、表面を窒化することで
反応性を落とすと、最も反応性が高い入射ビームが直接
当たる加工穴底面のみがエツチングされ、加工穴側壁は
エツチングされなくなる。従って、入射ビームの方向に
垂直にエツチングされる。
従来技術の項で述べたように、プラズマを使ったエツチ
ングでは酸素や窒素をプラズマに混ぜることは知られて
いるが、これとは全くエツチング機構が異なる加熱され
た反応性ガスビーム（中性粒子ビーム）によるエツチン
グに際してはこれど同様な手法が成立するかどうかにつ
いては本発明以前には全く触れられていないし、予想さ
れ得ないことであった。しかも、加工穴側壁の保護とい
う効果は従来技術におけるそれと同様であってもその効
果が得られる作用（メカニズム）は全く異なっている。
また本発明の効果は、シリコンに限らず、他の半導体や
金属の表面加工に際しても同様に得られる。
〔実施例〕
以下本発明の実施例を図面を参照して説明する。
第１図は、本発明による表面加工装置の基本構成図であ
る。被エツチング物質である基板１は、保持台２の上に
載っている。なお、基板１の表面にはエツチング用のマ
スク１ａが形成されている。
反応性ガス１７は真空容器９の外から導入され、ノズル
３を通して真空中に噴出され、ビーム状の反応性ガス流
１７′となる。ノズル３にはヒーター４が巻いてあり、
これにより導入反応性ガスが加熱される。この加熱によ
り、反応性ガス分子の並進エネルギーや振動エネルギー
が励起され、反応性ガスビーム１７′と基板１表面との
反応性が著しく高くなり、基板表面のエツチング速度が
増す。ヒーター４からの汚染物質が基板１表面に向かう
のを防ぐため、ノズル３にはつば３ａがついている。一
方、第２の物質５を導入するための放電管６が設けであ
る。第２の物質５はたとえば酸素、窒素で真空容器９の
外から放電管６内に導入される。真空容器９内は図示し
ない排気装置により真空排気されている。放電管６内の
電極対７間に電圧を印加して放電を起こすことにより該
放電管内に酸素や窒素のプラズマができる。このプラズ
マが放電管６に設けられた直径Ｏ０１〜２ｍｍ＜らいの
ピンホール８から噴出し、プラズマビーム５′となって
基板１表面に照射される。この方法では噴出プラズマ５
′もビーム状になるので、マスク１ａを通してエツチン
グされる基板１表面の加工穴側面１ｂにもビームが当た
るようにプラズマビームＳ′は基板１表面に対し斜めか
ら照射する。基板１表面の法線方向との間の角度は４５
度以上とするのが良い。プラズマビーム５′中の酸素や
窒素のラジカルやイオンが照射されることで、基板１表
面は酸化あるいは窒化される。このときビーム状となっ
て照射されるラジカルやイオンの運動エネルギーは１ｅ
Ｖ以下で、その量もプラズマ中に直接さらす場合と比較
して極めて小さいので、基板１に損傷はほとんど与えな
い。基板１を均一にエツチングするために、ノズル４と
放電管層 ６は被数本設け、かつ、基板１は回転または駆動させる
のが良い。以上の構成で基板１を極低損傷で垂直にエツ
チングできる。
以下にエツチングの具体例をあげる。反応性ガス１７に
Ｃ２０を用い、基板１の表面に設けられたリンを２　Ｘ
　１０”Ｃ３Ｉ−″３注入したｎ′″型の多結晶シリコ
ン層をエツチングした。ノズル３は石英かグラファイト
のパイプで構威し、その内径を２ｍとした。ヒーター４
でノズル３内部の温度を約９５０℃になるように加熱し
、基板１の温度は約１８０℃とした。反応性ガスとして
のＣＱ、の流量は５　ｓｅｃｍ　（ｌ　ｓｃｃｍは０℃
１気圧で１分間に１ｄ流れる量）、第２物質としてのＮ
８の流量は３１ＩＣＣ１１としエツチング速度を調整す
るために、ＣＱ、ガスを５分間流して２分間止めるとい
うように断続させ、この間Ｎ２照射はずっと続けた。
放電管６中での放電は４０ＫＨｚの高周波で起こした。
ノズル４と基板ｌとの距離はＳｃＩ＋とした。
以上の条件で、エッチング速度５■／分で第２図（ａ）
のように垂直エツチングができた。図中、１ａはマスク
、１ｂは加工穴側壁である。この基板は窒素のプラズマ
ビーム照射なしでは、第２図（ｂ）のように、マスク１
ａの下の側壁１Ｃまで削ずれてしまう。なお、第２物質
のプラズマビームとして０２　ビームを用いた場合にも
同ｒな結果が得られた。
第２図（ａ）のように垂直エツチングをするには、反応
性ガスビームによるエツチングの速度と０８やＮ２ビー
ム照射による酸化あるいは窒化の速度を最適値に制御す
る必要がある。これらは、温度や反応性ガスとしてのＣ
Ｑ、や第２物質としての０２．Ｎ２の流量、それぞれの
ビーム噴出口と基板表面との距離などを変えると制御で
きるが、本例のように０党２流量を断続的に変える方法
が制御し易い。また放電はマイクロ波などで無電極放電
を起こした方が、電極物質による汚染が無くて良い、こ
の例では垂直にエツチングすることを目的としたが、こ
の他にも第２の物質５の量やビームの角度を変えて加工
の形状を垂直以外にも制御できる。
第３図は反応ガス１７の加熱方法の別の一実施例である
。この例では反応ガス１７は一度、ガス溜め１０内で加
熱器１１により加熱される。その後、グリッド状の噴出
孔１２から真空中へ放出され、次にコリメータ１３で方
向がそろえられて反応性ガスビーム１７′となって基板
１に入射する。
コリメータ１３は、羽根板１３ａをある間隔で方向をそ
ろえてグリッド状に並べたものである。コリメータ１３
自身は条件により加熱しても、しなくても良い。
第４図は反応性ガス１７の加熱方法のさらに別の一実施
例を示す。この方法では真空容器内に導入された反応性
ガス１７は、高温面１４に衝突して熱的に励起され、さ
らにコリメータ１３で方向がそろえられて、反応性ガス
ビーム１７′となる。
高温面１４は、たとえば石英やセラミックにヒータを内
蔵させたり、石英板やセラミック板のそばにヒータを置
いて加熱する等の構成としたものである。
第５図、第６図はプラズマビーム５′中から荷電粒子を
取り除く方法の実施例である。前述のように本発明の方
法では荷電粒子の影響は少ないが、もし、強いプラズマ
を発生させてプラズマビーム５′中の荷電粒子が悪影響
を及ぼす恐れがあるときは、第５図に示すように、偏向
電極１５に電圧源１６により電圧をかけることにより荷
電粒子を除去できる。なお、１５′は偏向された荷電粒
子を捕捉するためのシールド板である。また、第６図に
示すように、メツシュ１８や基板２に電圧源１６’　、
１６’を用いて電圧をかけることにより荷電粒子の基板
１表面への入射を阻止するようにしても同じである。あ
るいは磁場を用いて荷電粒子を偏向除去するようにして
も良い。
第７図は、酸化や窒化を行なわせるための別の実施例を
示す。この例では、酸素や窒素を第２物質５として反応
性ガスと同じようにヒーター４′で加熱されたノズル３
′を通して基板１に照射する。この方法では、酸化・窒
化の速度が遅くなるので、ＯｌやＮＨ，のような気体を
使う方がより効果がある。また、酸化や窒化のための物
質は必らずしもビーム状である必要はないので、ノズル
ではなく高温に加熱された板などに０３ガスやＮＨ３ガ
スをぶつけて分解させ、酸素や窒素のラジカルをつくり
、これを基板表面に供給するようにしても良い。また基
板１の温度が高い場合は○、やＮＨ，を加熱する必要は
なく、直接基板面に供給しても良い。
第８図は、酸化や窒化のための別実施例であり、真空容
器９の中あるいは石英などの窓を通して外に紫外線ラン
プ１９を設電し、これからの紫外線１９′で第２物質導
入口２６から導入された０□やＮＨ，ガスを分解して酸
素や窒素のラジカルを作る方法を示す、紫外線ランプの
他にレーザーを用いて０．やＨ８を分解するようにして
も良い。
以上の他に、真空容器中に酸素や窒素を含む気体を導入
し化学反応を起こさせて酸化物、窒化物を基板１上に堆
積させ、これにより加工穴側壁を保護するようにしても
良い。
第９図は、基板と同じ元素を含む物質を第２物質として
導入し、これを反応させながらエツチングする実施例で
ある。たとえば基板がｎ＋型シリコンの場合、Ｓ　ｉ　
Ｈ，ｔ　Ｓ　ｉ、Ｈａ、　Ｓ　ｉ　（ＣＨ３）４などの
Ｓｉを含む物質２５を導入し、これを光ビーム２４で分
解し、基板表面にＳｉを堆積させながら加熱した反応性
ガスビーム１７′でエツチングする。堆積するシリコン
には不純物が含まれていないので、加熱したＣＱｚビー
ムなどで垂直にエツチングができる。なお、基板上にＳ
ｉを堆積させるために、Ｓｉを分子線状にして基板に照
射してもよい。
第１０図は、加工穴側壁を保護するための第２物質の導
入方法の別実施例である。ここでは、イオンガン２０で
イオンビーム２１をつくり、スパッタ基板２２をスパッ
タさせ、スパッタ物質２３を基板１上に堆積させる。ス
パッタの方法はイオンガンを用いる方法に限らず、マイ
クロ波などで発生させたプラズマをスパッタ基板２２に
当てるようにしてもよい。たとえばスパッタ基板２２に
ＳｉＯ□やＳｉ、Ｎ、を用い、これらの物質を基板１に
堆積させながら加熱された反応性ガスビームでエツチン
グすることで垂直なエツチングができる。
加工穴の側壁保護に用いる第２物質としては以上の他に
炭素系の物質がある。たとえば、第１図に示す装置でＣ
Ｈ４などのプラズマビーム５′を作り、基板１を炭化し
ながらエツチングしてもよい。また、第１０図のスパッ
タ基板２２にポリマーなどの有機物を用いてもよい。
基板の加工精度を上げるために導入する第２の物質は、
基板の反応性を高める触媒でも良い。たとえば基板１上
の加工すべき表面層を５ｉＯｚ　として反応性ガスにＨ
ＦやＦ２　を使う場合、第２の物質としてＨ，ＯやＨ８
を雰囲気ガスとして導入したり、ガスビーム状にして基
板１に照射して、加工速度を速くすることができる。ま
た、これらの触媒をビーム状にして基板１の加工穴の底
面のみに吹きつければ垂直にエツチングできる。
以上の実施例で、表面の加工精度や速度を調節するには
、反応性ガス１７と第２の物質５を間欠的に流したり、
交互に流したりするのがやり葛い。
また、基板１の温度も反応性ガス１７や第２の物質Ｓの
導入に合わせて上下させると反応を制御しやすい。
反応性ガスは一般にハロゲンを含む気体で、たとえばＮ
Ｆ、、ＳＦ、、ＸｅＦ、、ＨＣＱなどがある。
本装置で加工できる基板１は、Ｓｉ、５ｉｎ２の他に、
金属や化合物半導体がある。たとえば基板１をＧａＡｓ
やＧａＡｓＡｌ２にして、反応性ガス１７にＣＱ、やＨ
Ｃｌ２を用い、第２の物質に０２、Ｎ、を用いることに
より加工精度良いエツチングができる。また、ＳＦ、と
５ｉＣＱ４のようにフッ素系ガスと塩素系ガスを混合し
たガスでエツチングしても良い。
次に以上の装置の応用例を述べる。この装置はたとえば
ＬＳＩの電極として使われている多結晶シリコンのエツ
チングに使える。ＬＳＩでは、素子加工工程で入る損傷
が信頼性を低下させるので、本装置により信頼性の高い
製品ができる。
次に真空容器９内の真空度について述べる。本装置では
、加工精度を良くするために、反応性ガス１７はビーム
状でなければならない。この目安としては１反応性ガス
噴射用ノズル３の噴出口と基板１表面との間の距離りが
、反応性ガス分子゛の平均自由行程より短かい必要があ
る。ノズル３の噴出口と基板１の間の距離りは短かいと
ビームの密度が高くなり加工速度は上がるが、加工面の
面内均一性は悪くなる。一方、Ｌが大きいと、加工速度
は下がるが、面内均一性は良くなる。実験からＬは２０
〜７０ｍｍが適当である。Ｌ＝２０ｍとした場合、この
距離で反応性ガスをビーム状にするためには、反応性ガ
スの平均自由行程がＬより大きくなるような真空度を必
要とする。たとえば反応性ガスがＣＱ、の場合、真空度
が約２．３×１Ｏ−３Ｔｏｒｒで平均自由行程が約２０
閣となる。すなわち、ＣＱ２　と第２の物質を導入した
ときの真空容器９内の真空度は２．３　Ｘ　１０−’Ｔ
ｏｒｒより低い圧力に設定する必要がある。
〔発明の効果〕
本発明によれば、第２の物質で基板表面の反応を制御し
ながら加工をするので、加工の精度が上がる。また、加
工は低エネルギーの中性粒子によりなされるので、基板
に損傷をほとんど与えない。
【図面の簡単な説明】
第１図は、本発明の一実施例になる表面加工装置の基本
構成図、第２図は、本発明装置による加工形状（同図（
ａ））と従来法による加工形状（同図（ｂ））とを対比
して示す被加工基板表面Ｏ 部の断面図、第３図〜第ｉ図は、いずれも本発明の他の
一実施例になる表面加工装置の概略構成図である。 １・・・基板、３・・・ノズル、４・・・ヒーター、５
・・・第２の物質、６・・・放電管、９・・・真空容器
、１ｏ・・・ガス増 奢め、１１・・・加熱器、１３・・・コリメータ、１７
・・・反応性ガス、１９・・・紫外線ランプ、２０・・
・イオン’ｆＪ＋　　（２） 閉　３　の Ｃ 葉 ７ 図 δ 図 屋 （２） 囁 （２） 拓 区 第 １ρ 口

Claims (17)

    【特許請求の範囲】
  1. １．真空容器、該真空容器内で加熱された反応性気体の
    ビームを形成する手段、該手段により形成された加熱反
    応性気体ビームを表面加工されるべき基板表面に照射せ
    しめる手段とを有する表面加工装置において、上記の反
    応性気体ビームを形成する物質以外の第２の物質を上記
    基板表面に導入する手段を付加してなることを特徴とす
    る表面加工装置。
  2. ２．上記第２の物質の導入手段は、上記第２の物質をプ
    ラズマにして導入するものであることを特徴とする第１
    項記載の表面加工装置。
  3. ３．上記の第２の物質のプラズマ中から荷電粒子を除去
    する手段を付加してなることを特徴とする第２項記載の
    表面加工装置。
  4. ４．上記第２の物質の導入手段は、上記第２の物質を加
    熱された気体として導入するものであることを特徴とす
    る第１項記載の表面加工装置。
  5. ５．上記第２の物質の導入手段は、上記第２の物質を含
    む固体物質をスパッタさせ、得られるスパッタ物質を第
    ２の物質として導入するものであることを特徴とする第
    １項記載の表面加工装置。
  6. ６．上記第２の物質の導入手段は、上記第２の物質を含
    む物体を分解させ、得られる分解生成物を第２の物質と
    して導入するものであることを特徴とする第１項記載の
    表面加工装置。
  7. ７．前記第２の物質は、酸素，オゾンまたは酸素原子を
    含む化合物であることを特徴とする第１項から第６項ま
    でのいずれかに記載の表面加工装置。
  8. ８．前記の第２の物質は、窒素または窒素原子を含む化
    合物であることを特徴とする第１項から第６項までのい
    ずれかに記載の表面加工装置。
  9. ９．前記第２の物質は、炭素原子を含む化合物あるいは
    有機物であることを特徴とする第１項から第６項までの
    いずれかに記載の表面加工装置。
  10. １０．前記の第２の物質は、加工されるべき基板表面の
    主成分と同じ物質を含むことを特徴とする第１項から第
    ６項までのいずれかに記載の表面加工装置。
  11. １１．前記の第２の物質は、加工されるべき基板表面の
    化学反応のための触媒であることを特徴とする第１項か
    ら第６項までのいずれかに記載の表面加工装置。
  12. １２．前記の加熱反応性気体ビームの照射手段は、該加
    熱反応性気体ビームを間欠的に照射するものであること
    を特徴とする第１項から第１１項までのいずれかに記載
    の表面加工装置。
  13. １３．前記の第２の物質の導入手段は、該第２の物質を
    間欠的に導入するものであることを特徴とする第１項か
    ら第１２項までのいずれかに記載の表面加工装置。
  14. １４．前記の真空容器内の真空度が、加熱反応性気体ビ
    ームを形成する気体分子の平均自由行程が２０ｍｍ以上
    になるように、調整されていることを特徴とする表面加
    工装置。
  15. １５．第１項から第１４項までのいずれかに記載の表面
    加工装置を用いて、加工されるべき基板表面の加工を行
    なうことを特徴とする表面加工方法。
  16. １６．上記の加工されるべき基板が半導体基板であるこ
    とを特徴とする第１５項に記載の表面加工方法。
  17. １７．第１６項に記載の表面加工方法を用いて製造され
    た半導体装置。
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