JPH0770509B2

JPH0770509B2 - ドライプロセス装置

Info

Publication number: JPH0770509B2
Application number: JP57176134A
Authority: JP
Inventors: 敬三鈴木; 健二宮; 茂西松; 定之奥平
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1982-10-08
Filing date: 1982-10-08
Publication date: 1995-07-31
Anticipated expiration: 2010-07-31
Also published as: JPS5966123A; NL8303458A; US4624214A

Description

【発明の詳細な説明】〔発明の利用分野〕本発明は気相を用いて試料の表面を処理するドライプロ
セス装置の改良に係り、特に、この種の装置における反
応室内壁での脱ガスおよび活性粒子の反射防止に関す
る。

〔従来技術〕

第１図は従来のドライプロセス装置の原理的構成を示し
たものである。この装置はガス分解手段を備えたガス分
解室１と、ガス導入手段２と、反応室３と、反応室３内
に設けられた、試料６を載置するための試料台５と、真
空排気系６とより構成される。なお、試料は必ずしも反
応室内でなくガス分解手段内に載置されることも有る。
ガス分解手段の機能としては（１）導入ガス分子を分解する、（２）導入ガス分子、またはその分解生成物を励起す
る、（３）導入ガス分子、またはその分解生成物間の重合
等のイオン分子反応を行わせる、ことを含むものとする。また、ガス分解手段としては、
（１）反応室３の一部または、反応室３と連結したガス
分解室１内にプラズマを発生させる手段、（２）反応室
３の一部またはガス分解室１内に光を導入して光分解す
る手段がある。このうち、プラズマを発生させる手段と
しては、DC放電¹⁾,RF放電²⁾,無磁場マイクロ波放電³⁾,
有磁場マイクロ波放電⁴⁾等が用いられている。そして、
光分解のための光としては赤外光（波長:9〜10μｍ），
可視光（波長：〜0.5μｍ）等が用いられている⁵⁾。た
だし、紫外光（波長＜0.2μｍ）も原理的には使用可能
である。

１）浜川圭弘；固体物理 14−10（1979）PP43〜53 ２）塚田勉他1;真空 23−９（1980）PP1〜10 ３）菅野卓雄編；「半導体プラズマプロセス技術」産
業図書PP120〜138 ４）同上 PP138〜153 ５） T.J.Chuang;IBM J.RES.DEVELOP.26−２（1982）P
P145〜150 さて、このような構成のドライプロセス装置において、
ガス分解室１で発生した活性粒子（イオン，中性ラジカ
ル）が試料４の表面に到達して試料４と物理，化学反応
を起こすことによりエツチング，デポジシヨン等の表面
処理が行われる。この時、ガス分解室１内にはガス導入
手段２により被分解ガスが導入されていることはもちろ
んである。

次に、このようなドライプロセス装置を用いてエツチン
グを行なう場合の問題点について述べる。

エツチングの断面形状としては第２図（ａ），（ｂ）に
示す垂直エツチング（同図（ｂ））と等方エツチング
（同図（ａ））とが現われるが、試料４としての半導体
素子の微細加工としてはマスク４′の通りの加工ができ
る垂直エツチングが基本となる（垂直エツチングと等方
エツチングとの中間状態が自由に制御できる技術はさら
に有用な技術となる。）。

ところで、エツチングに寄与する粒子としては上述した
ようにイオンと中性ラジカルとが存在する。このうち、
イオンは電界によつて加速されて試料４の表面に垂直に
入射するため垂直エツチングを可能にする。ところが、
中性ラジカルは反応室３の内壁で反射して試料４の表面
に等方的に入射するために、中性ラジカルによるエツチ
ングは等方的となる。一方、加速されたイオンによつて
エツチングを行うと試料４の表面に損傷を与えるが、中
性ラジカルによるエツチングでは表面損傷は発生しな
い。

したがつて、ドライエツチング（特に半導体素子加工
用）装置では、中性ラジカルによる垂直エツチングの行
われることが望まれる。

次に、第１図に示したドライプロセス装置をデポジシヨ
ン装置（膜形成装置）として用いると次の問題点が発生
する。ガス分解室１で発生した活性粒子が反応室３の内
壁に吸着している原子，分子（主にH₂O,O₂,N₂,CO₂）、
または反応室３の内壁材料と反応してその一部を気相中
に解放し、これが形成膜内に混入するため、高純度な膜
形成を妨害する。例えば、試料４の表面にSi₃N₄膜を形
成する場合（SiH₄＋N₂）の混合ガスをガス導入手段２に
よつて導入し、これを分解して行うが、反応室３の内壁
に吸着しているH₂O,O₂,CO₂が気相中に混入してSi₃N₄とS
iO₂との混合膜が形成されてしまう。したがつて、反応
室３の内壁に吸着している原子，分子または反応室３の
内壁材料が気相中に混入しないデポジシヨン装置が望ま
れる。

〔発明の目的〕

本発明の目的は装置内壁での活性粒子の反射および装置
内壁からの脱ガスを防止して垂直エツチングや不純物混
入のないデポジシヨンを可能にするドライプロセス装置
を提供することにある。

〔発明の概要〕

本発明の要旨は、導入ガスを活性ガス化するための領域
をその内部に有するガス活性化室と、前記ガス活性化室から供給される前記活性ガスにより前
記載置台上の前記被処理物表面を表面処理するための領
域をその内部に有する処理室と、前記処理室壁面を冷却するための冷却手段と、前記処理室を内包し、かつ、前記処理室外壁との間に所
要の空隙を有するように構成された真空槽と、前記空隙を排気するための手段を有することを特徴とす
るドライプロセス装置にある。

すなわち、本発明においては反応室の内壁の表面温度を
下げることによつて、または、反応室の内壁を冷却され
た部材で覆うことによつて上記目的を達成するものであ
る。つまり、反応室内での物質の表面での粒子の反射
や、物質表面に吸着した原子，分子の脱離の確率は物質
の表面温度を下げることによつて低下するという現象を
本発明の原理としている。

かかる本発明の特徴的な構成によつて、反応室の内壁に
当つて反射して来る活性粒子を非常に少なくすることが
できるため垂直エツチングが可能なドライプロセス装置
を提供できるようになつた。さらに、反応室の内壁に吸
着している不純物の脱離もまた極めて少なくすることが
できるため良質の膜形成が可能なドライプロセス装置を
提供できるようになつた。

〔発明の実施例〕

以下、本発明を図を用いて詳細に説明する。第３図は本
発明によるドライプロセス装置の基本構成を示したもの
である。第１図に示した従来の装置と大きく異なる点は
ガス分解室１と共に真空室を形成する反応室３の内壁を
液体窒素のような冷却剤によつて冷却する手段を持たせ
たことである。冷却剤は反応室３の内壁を覆う冷却剤槽
７の中に入つている。さらに、冷却剤槽７の断熱効果を
高めるため冷却剤槽７の外壁は排気系６′によつて排気
される真空槽８で覆われている。

本装置を用いてSF₆ガスによる半導体ウエハのドライエ
ツチングを行うと、次に述べる理由によつてガス分解室
１から直接に試料４の表面に向つた活性粒子のみによる
垂直なエツチングが可能となる。すなわち、ガス分解手
段によつてガス分解室１内で発生した活性粒子（イオ
ン，中性ラジカル）のうち反応室３の内壁に入射した活
性粒子は実質上の内壁を形成する冷却剤槽７の内壁温度
が低いためにこの内壁に吸着され、再び気相中に出てく
ることはなくなる。このため、試料４の表面に入射する
活性粒子はガス分解室１から直接試料４に入射するもの
だけとなり、ガス分解室１から試料４の表面への一方向
の流れを持つている。その結果、このような活性粒子に
よつて試料４の垂直なエツチングが可能となる。

さらに、垂直なエツチングを行なうためにはガス分解室
１と試料台５との間にガス分解室１から出射した活性粒
子を平行化するための手段を設ければよい。この手段と
して次の２つがあげられる。すなわち、ガス分解室１か
ら試料４をのぞむ立体角を小さくするためガス分解室１
と試料４との距離を長くすることである。もう１つはガ
ス分解室１と試料４との間に適当なメツシユ板14を設け
ることである。さらに、中性ラジカルのみを試料４に入
射させるためにはこのメツシユ板14に電位をかけて電極
として機能させればよい。その結果、イオンがメツシ電
極でその通過を阻止される。そうすると、試料４の表面
に入射する活性粒子としては試料４の表面に一方向（例
えば、試料４の表面に対して垂直）に入射する中性ラジ
カルのみにすることが可能となる。この結果、試料４を
損傷することのない中性ラジカルのみによる垂直エツチ
ングが可能となる。次に、本装置を用いて（SiH₄＋N₂）
ガスによる半導体ウエハへのデポジシヨンを行うときは
冷却された反応室３の内壁からの脱離ガスが少ないこと
を考えれば、本発明の装置によつて純度の高い膜形成
（デポジシヨン）が可能となることは明らかである。

第４図は本発明による他の実施例を示したものである。
本実施例では、反応室３の内壁は実質的な内壁を形成す
る冷却板９によつて覆われている。冷却板９は液体窒素
のような冷却剤（または冷却流体）の入つたパイプ10と
熱的に接触することによつて冷却されている。このよう
な本実施例の効果は、第３図の実施例と同様である。そ
の上、装置構成が第３図の場合より簡単になることが利
点となる。

上述した第3,4図の実施例において、表面処理後の試料
４と新しい試料とを交換するためには、反応室３を大気
圧にする必要がある。この時、反応室の内壁や冷却板が
冷えているとこれらの表面に大気中の水分やさらには
O₂,CO₂,N₂等の原子，分子が吸着してしまい後に行われ
る反応室の真空排気を困難または不可能にする。即ち、
試料の交換には以下の過程を必要とする。

（１）反応室の内壁または冷却板を室温近くに昇温す
る。

（２）反応室を大気圧近くに昇圧する。

（３）試料を交換する。

（４）反応室を排気する。

（５）反応室内壁または冷却板を冷却する。

上記（１）〜（５）の過程には通常１時間以上かかるた
め、装置の処理能力が極めて低下するという問題があ
る。

このため第５図に示した実施例では、排気系６″で排気
された予備排気室11と試料交換機構12とゲートバルブ13
とを付設したため、反応室３を大気圧にすることなく試
料４の交換が可能となる。したがつて、上記（１）〜
（５）の過程のうち（１），（２），（４），（５）は
不要となり、その結果、処理能力が向上する。

第3,4,5図に示した実施例では、反応室の内壁のみを冷
却するか、または、冷却板で覆つているが、ガス分解室
として放電管を用いる場合はこの放電管も反応室と同様
に冷却することが望ましい。

以上述べた如く、本実施例によれば、反応室の内壁を実
質的に構成する部材を冷却することによってガス分解室
から出射した活性粒子が反応室の内壁に当たって反射し
て試料に到達することを防止でき、その上、反応室の内
壁面に吸着している不純物ガスの脱離も防止できる。

〔発明の効果〕

本発明によれば、不純物ガスが表面処理中の被処理物表
面に到達することを低減できる。また、本発明では、処
理室を内包し、かつ、処理室外壁との間に所要の空隙を
有するように構成された真空槽と、前記空隙を排気する
ための手段を有するので、処理室壁面の冷却効率を高く
できるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来のドライプロセス装置の原理構成図、第２
図（ａ），（ｂ）はエツチング断面形状を説明するため
の図、第３図は本発明によるドライプロセス装置の基本
構成図、第４図は本発明による他の実施例の構成図、第
５図は本発明によるさらに他の実施例の構成図である。１……ガス分解室、２……ガス導入手段、３……反応
室、４……試料、５……試料台、6,6′,6″……真空排
気系、７……冷却剤槽、８……真空槽、９……冷却板、
10……パイプ、11……予備室、12……試料交換機構、13
……ゲートバルブ、14……メツシユ板（電極）。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者奥平定之東京都国分寺市東恋ケ窪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54−49074（ＪＰ，Ａ)

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】導入ガスを活性ガス化するための領域をそ
の内部に有するガス活性化室と、前記ガス活性化室から供給される前記活性ガスにより前
記載置台上の前記被処理物表面を表面処理するための領
域をその内部に有する処理室と、前記処理室壁面を冷却するための冷却手段と、前記処理室を内包し、かつ、前記処理室外壁との間に所
要の空隙を有するように構成された真空槽と、前記空隙を排気するための手段を有することを特徴とす
るドライプロセス装置。