(57)【要約】【課題】活性種を効率よく被処理物に供給することができ、かつ被処理物の表面状態が悪化するのを防ぎ、しかも副生成物が生成するのを防ぐことができる表面処理装置を提供する。【解決手段】活性種を用いて被処理物の表面を処理する処理室５と、処理室５内に前記活性種を供給する活性種供給手段３とを備え、活性種供給手段３は、活性種生成室１２と、活性種生成室１２内に活性種を生成させるエネルギー印加手段１３を備えている。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
活性種を用いて被処理物の表面を処理する処理室と、この処理室内に前記活性種を供給する活性種供給手段とを備えた表面処理装置であって、
活性種供給手段は、活性種生成室と、この活性種生成室内に活性種を生成させるエネルギー印加手段を備えていることを特徴とする表面処理装置。
【請求項２】
活性種供給手段は、処理室の外部に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の表面処理装置。
【請求項３】
活性種供給手段は、処理室に対し一体に設けられていることを特徴とする請求項１または２に記載の表面処理装置。
【請求項４】
エネルギー印加手段は、活性種生成室の一部にのみエネルギーを印加することができるように構成されていることを特徴とする請求項１〜３のうちいずれか１項に記載の表面処理装置。
【請求項５】
活性種生成室は、内部圧力を１０Ｔｏｒｒ以下とすることができるように構成されていることを特徴とする請求項１〜４のうちいずれか１項に記載の表面処理装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、プラズマ等を利用して得られた活性種を用いて、半導体デバイスの加工、表面改質、薄膜作成（高精度微細エッチングプロセスやＣＶＤプロセス等）を行う表面処理装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、プラズマ等を利用して特定の活性種を生成させ、この活性種を用いて半導体デバイス等の表面処理を行う表面処理装置が用いられている（例えば、特許文献１を参照）。
特許文献１には、電磁波を放射する平面板を容器（処理室）内に設けた表面処理装置が開示されている。
この表面処理装置では、前記容器内において、平面板から放射された電磁波によってプラズマを生成させ、このプラズマにより反応ガスから生成した活性種の物理または化学反応により半導体材料等を表面処理する。
【０００３】
【特許文献１】
特開２０００−１３３６４１号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
プラズマ等を利用して得られた活性種を用いて表面処理を行う際には、活性種の前駆体となる原料ガスの分子構造、プラズマの放電方式や電子エネルギーなど、数多くの因子を調整することが必要となる。
しかしながら、従来の表面処理装置では、処理室内において、活性種を生成させるとともに、それを被処理物に効率よく作用させることが必要となるため、活性種生成のみを考慮して処理条件を設定することはできない。
このため、活性種の生成に最適な条件設定が難しく、被処理物に作用する活性種が不足しやすく、効率的な表面処理が難しいという問題があった。
【０００５】
活性種の生成を被処理物に近い位置で行えば、活性種の損失が少なくなり、その利用効率を高めることができる。
しかしながら、活性種の生成を被処理物に近い位置で行うと、活性種生成の反応場のエネルギーが被処理物表面に影響を与え、その表面状態を劣化させるおそれがある。特に、活性種生成率を高めるため反応場のエネルギーを高くする場合には、被処理物の表面状態に悪影響が及びやすい。
【０００６】
また、生成した活性種を被処理物に作用させるには、活性種にエネルギーを与えて加速し、被処理物に到達させることが必要となる。
しかしながら、活性種にエネルギーを与えると、活性種を構成する原子間の結合の一部が切れ、目的とする活性種とは異なる副生成物が生成することがある。例えば活性種が三フッ化メチルラジカル（ＣＦ３ラジカル）である場合には、二フッ化メチレンラジカル（ＣＦ２ラジカル）、フッ化メチリジンラジカル（ＣＦラジカル）等が副生成物として生成することがある。また、活性種が失活する可能性もある。
本発明は、前記事情に鑑みてなされたもので、活性種を効率よく被処理物に供給することができ、かつ被処理物の表面状態が悪化するのを防ぎ、しかも副生成物が生成するのを防ぐことができる表面処理装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明の表面処理装置は、活性種を用いて被処理物の表面を処理する処理室と、この処理室内に前記活性種を供給する活性種供給手段とを備え、活性種供給手段が、活性種生成室と、この活性種生成室内に活性種を生成させるエネルギー印加手段を備えていることを特徴とする。
活性種供給手段は、処理室の外部に設けることができる。
活性種供給手段は、処理室に対し一体に設けることができる。
エネルギー印加手段は、活性種生成室の一部にのみエネルギーを印加することができるように構成することができる。
活性種生成室は、内部圧力を１０Ｔｏｒｒ以下とすることができるように構成するのが好ましい。
【０００８】
【発明の実施の形態】
図１および図２は、本発明の表面処理装置の一実施形態を示すものである。
ここに示す表面処理装置１は、処理装置本体２と、処理装置本体２の外部に設けられた活性種供給手段３とを備えている。
図２に示すように、処理装置本体２は、被処理物４の表面をエッチング処理する処理室５と、ラジカル計測用の赤外線半導体レーザ吸収分光器６（ＩＲ−ＬＡＳ）と、ラジカル計測用の出現電位四重極質量分析計７（Ｑ−ＭＳ）と、被処理物４を保持するサセプタ８とを備えている。
【０００９】
図１に示すように、活性種供給手段３は、処理装置本体２とは別体に設けられ、処理室５に対し一体に連結されている。活性種供給手段３は、処理室５に対し着脱自在に構成することができる。
活性種供給手段３は、原料ガスを供給する原料ガス供給経路１１と、原料ガスが導入される活性種生成室１２と、活性種生成室１２内にプラズマを生成させるプラズマ生成手段１３（エネルギー印加手段）とを備えている。
プラズマ生成手段１３は、プラズマ放電用の電極であるアンテナ１５と、整合回路１６を介してアンテナ１５に接続された電源１７とを備えている。アンテナ１５は、活性種生成室１２の外周面に設けられている。
プラズマ生成手段１３は、アンテナ１５に給電することによって、生成室１２内にエネルギーを印加し、生成室１２内においてエネルギーが印加された領域１８にプラズマを生成させることができるようになっている。
原料ガス供給経路１１は、活性種生成室１２の一端（図１における右端）に接続されており、供給経路１１には、活性種生成室１２内の圧力を検出する圧力計１９と、原料ガスの流量を制御する流量制御器２０が設けられている。
【００１０】
活性種生成室１２の構成材料は、絶縁材料、例えばアルミナ、石英、ガラスが好ましく、特に、活性種との反応性が低い材料であるアルミナが好適である。
活性種生成室１２の他端（図１における左端）には、活性種を室外に導出する活性種導出孔２１が形成されている。生成室１２は、他端において処理室５に一体に取り付けられている。
【００１１】
活性種供給手段３は、十分量の活性種を生成させることができ、かつ活性種のさらなる解離や二次反応（再結合反応）を抑制することができるプラズマ生成条件が得られるように設計するのが好ましい。
具体的には、アンテナ１５によってエネルギーが印加される領域１８が、活性種生成室１２の内部空間の一部にのみ限定されるように、アンテナ１５および生成室１２を設計するのが好ましい。
これによって、生成室１２内でのエネルギー印加領域１８の長さ（ガス流通方向の長さ）を、生成室１２の全長よりも短くでき、かつ領域１８におけるプラズマ密度を高めることができる。領域１８を短くすることが好ましいのは、原料ガスが領域１８に滞在する時間を短くし、活性種の解離や二次反応を抑制できるためである。
【００１２】
なお、生成室１２のガス流通方向下流側には、コンダクタンス調整器（図示略）を設置することができる。これによって、原料ガス分解時のガス圧力や、活性種の供給速度を任意に設定することが可能となる。
また、より高密度の活性種が必要であったり、複数の異なる活性種が同時に必要な場合は、処理装置本体２に複数の活性種供給手段３を設けることもできる。
また、活性種を生成する方法は、プラズマを用いる方法に限らず、原料ガスが活性種に変化するだけのエネルギーを原料ガスに与えることができる方法であればよい。
例えば光、レーザ光をエネルギー媒体として用いる方法を採用した場合も同様の効果を得ることができる。また、供給される活性種は、原料ガスの分子構造と活性種の生成方法により変えることが可能である。
【００１３】
次に、表面処理装置１の使用方法について説明する。
原料ガスを、供給経路１１を通して活性種生成室１２内に導入し、生成室１２内に一端側から他端側に向けて流通させる。原料ガスとしては、エッチング等に用いられる三フッ化ヨウ化メタン（ＣＦ３Ｉ）、三フッ化メチル（ＣＨＦ３）を挙げることができる。このほか、本発明で使用することができる原料ガスとしては、窒素、シランなどを挙げることができる。
【００１４】
電源１７を用いてアンテナ１５に給電し、放電によりエネルギーが印加された領域１８にプラズマを生成させる。
プラズマが存在するエネルギー印加領域１８を原料ガスが通過することによって、原料ガスを構成する原子間の結合の一部が解離し、活性種が生成する。例えば、三フッ化ヨウ化メタンを原料ガスとして用いる場合には、活性種として三フッ化メチルラジカルが生成する。
【００１５】
生成室１２内における処理条件（放電状態、圧力、温度など）は、活性種の生成効率を考慮して設定することができる。
例えば、活性種生成室１２内の放電状態は、圧力の影響を受ける。すなわち生成室１２内の圧力が低すぎるかまたは高すぎると放電状態は不安定となりやすい。
このため、生成室１２の内部圧力は、０．１〜７６０Ｔｏｒｒとするのが好ましく、１０Ｔｏｒｒ以下とするのがさらに好ましい。この圧力は１〜１０Ｔｏｒｒとするのが特に好ましい。
生成室１２内の圧力をこの範囲に設定することによって、活性種における二次反応（再結合反応）を抑制し、活性種の密度を高めることができる。例えば活性種の密度を１０１４ｍｏｌ／ｃｍ３以上とすることができる。また副生成物の生成を抑制することができる。さらには、放電状態を安定化し、活性種の生成効率を高めることができる。なお、１Ｔｏｒｒは１３３．３２２Ｐａに相当する。
【００１６】
生成室１２内の圧力を所定の範囲に維持するには、圧力計１９を用いて生成室１２内の圧力を検出し、検出値に基づいて流量制御器２０により原料ガス流量を制御する方法をとることができる。
また、生成室１２は、内部温度を２５〜５００℃の範囲で任意の値に設定できるように構成するのが望ましい。これによって、活性種が生成室１２の内面に付着するのを防ぐために最適な温度条件を設定することができる。生成室１２内の温度は、１００〜３００℃とするのが好適である。
【００１７】
また、上記生成室１２の処理条件（放電状態、圧力、温度など）は、副生成物の生成を抑えることを考慮して設定することができる。
例えば活性種が三フッ化メチルラジカル（ＣＦ３ラジカル）である場合には、二フッ化メチレンラジカル（ＣＦ２ラジカル）、フッ化メチリジンラジカル（ＣＦラジカル）等が副生成物として生成する可能性があるが、これらの副生成物が生成しにくい処理条件を設定することによって、目的とする活性種である三フッ化メチルラジカルを選択的に生成させることができる。
【００１８】
生成室１２内の圧力を処理室５内の圧力に比べて高く設定することによって、導出孔２１を通して、活性種を生成室１２から導出し、処理室５に導入することができる。
例えば、処理装置本体２が、半導体エッチング用の装置である場合には、通常、処理室５内の圧力はｍＴｏｒｒオーダーの値（例えば１〜１０ｍＴｏｒｒ）に設定される。一方、生成室１２の圧力は、数Ｔｏｒｒ（例えば１〜１０Ｔｏｒｒ）に設定することができる。
このため、生成室１２の圧力を処理室５の圧力よりも高く設定することによって、生成室１２と処理室５との差圧により、活性種を含むガスを処理室５に導入することができる。
処理室５内に導入された活性種によって、被処理物４にエッチングなどの表面処理を施すことができる。
【００１９】
上記表面処理装置１は、以下に示す効果を奏する。
（１）活性種を生成させる活性種生成室１２を備えているので、活性種の生成にあたって、活性種生成効率や副生成物抑制を優先的に考慮して処理条件を設定することができる。
このため、活性種を効率よく生成させ、高密度の活性種を処理室５に供給することができる。また、副生成物の生成を防ぐことができる。
従って、特定の活性種のみを高密度で被処理物４に供給することができ、原子層レベルの高精度加工や無欠陥薄膜堆積などの高精度プロセスが実現できる。
これに対し、表面処理を行う処理室内に活性種生成手段を備えた従来装置では、被処理物に、活性種だけでなく原子、分子、イオン、電子、光子が同時に入射するために、原子層レベルの高精度加工や無欠陥薄膜堆積などの高精度プロセスは難しい。
（２）活性種を生成させる活性種生成室１２を備えているので、生成室１２内における活性種生成の際の反応場のエネルギーが、処理室５内の被処理物４に悪影響を与えるおそれがない。
従って、被処理物４が損傷を受けるのを防ぐことができ、良好な表面処理が可能である。
（３）活性種供給手段３が処理室５に一体に設けられているので、生成した活性種を直ちに処理室５内に供給することができる。
従って、活性種の損失を少なくし、その利用効率を高めることができる。
また、生成室１２で生成した高密度の活性種を処理室５に供給し、表面処理の効率を高めることができる。
また、活性種を直ちに処理室５内に供給することができるため、処理室５に導入する際に副生成物が生成するのを最小限に抑えることができる。また、活性種が失活するのを防ぐことができる。
（４）プラズマ生成手段１３が、生成室１２の一部にのみエネルギーを印加することができるようにされているので、原料ガスが領域１８に滞在する時間を短くし、活性種の解離や二次反応を抑制できる。
（５）生成室１２は、内部圧力を１０Ｔｏｒｒ以下とすることができるようにされているので、活性種における二次反応（再結合反応）を抑制し、活性種の密度を高めることができる。例えば活性種の密度を１０１４ｍｏｌ／ｃｍ３以上とすることができる。また副生成物の生成を抑制することができる。
（６）活性種供給手段３の構造が簡単であるため、従来の表面処理装置に比べ、小型化が可能である。
【００２０】
【実施例】
［実施例１］
図１および図２に示す表面処理装置を用いて、シリコン絶縁膜の高精度微細エッチングを行った。
プラズマ生成手段１３におけるプラズマ放電条件は、周波数２．４５ＧＨｚ、供給電力２００Ｗ以下とした。活性種生成室１２の後段（ガス流通方向下流側）には、アルミナ製のコンダクタンス調整器を設置した。
原料ガスとして三フッ化ヨウ化メタンを用い、処理室５に導入されたガス中のラジカルの種類と密度を、ＩＲ−ＬＡＳ６およびＱ−ＭＳ７を用いて計測した。
【００２１】
図３に試験結果を示す。処理室５に導入されたガス中のラジカルは、三フッ化メチルラジカル、二フッ化メチレンラジカル、フッ化メチリジンラジカルであった。
各ラジカルの生成比率は、プラズマ放電条件や圧力条件により異なるが、三フッ化メチルラジカルが主となり、その密度は１０１４個／ｃｍ３オーダーの値であり、極めて高密度であった。二フッ化メチレン、フッ化メチリジンラジカルの生成密度は、三フッ化メチルの密度よりも１桁以上低い結果となった。
【００２２】
［比較例１］
活性種供給手段３においてプラズマ生成手段１３を用いず、原料ガスをそのまま処理室５に供給し、処理室５内においてプラズマ放電（１３．５６ＭＨｚ、１ｋＷ）を行い、実施例１と同様にして生成ラジカル種と密度を計測した。処理室５への原料ガスの導入量は、処理室５内の圧力が１０ｍＴｏｒｒ程度となるように調整した。
【００２３】
図４に試験結果を示す。主生成物は三フッ化メチルラジカルであったが、その密度は実施例１に比べ、約１桁低い結果となった。
【００２４】
［実施例２］
コンダクタンス調整器に関して、活性種導出孔２１の内径とラジカルの密度との関係についての試験を行った。試験結果を図５に示す。
同一ガス供給量で比較すると、活性種導出孔２１の内径が小さい低流量型の方が、活性種生成室１２内の圧力が高くなるが、供給されるラジカル密度は減少した。
実施例１の結果では、圧力の増加に伴い、生成するラジカル密度は増加したが、本実施例ではそれとは異なる結果となった。
これは、活性種生成室１２内における領域１８におけるガスの反応時間（滞在時間）が長くなると二次反応が進行し活性種の損失が多くなるためであると説明することができる。
この結果から、活性種の生成条件として、生成室１２内のエネルギー印加領域を局所化し、かつ、その領域を原料ガス分子が短時間で通過する方法をとることが重要であることがわかる。
【００２５】
以上の結果より、上記表面処理装置を用いることにより、従来装置に比べ三フッ化メチルラジカル密度を約１桁増加できることが分かった。
シリコン絶縁膜のエッチングプロセスにおいては、直接的な活性種は三フッ化メチル正イオンであると考えられているが、同イオンの前駆体は三フッ化メチルラジカルであり、三フッ化メチルラジカルを高密度で処理室へ供給することは、同プロセスにおいてより効率的な三フッ化メチル正イオンの生成をもたらすものである。従って、プロセスの高性能化を図ることが可能である。
【００２６】
【発明の効果】
本発明の表面処理装置は、以下に示す効果を奏する。
（１）活性種を生成させる活性種生成室を備えているので、活性種の生成にあたって、活性種生成効率や副生成物抑制を優先的に考慮して処理条件を設定することができる。
従って、特定の活性種のみを高密度で被処理物に供給することができ、原子層レベルの高精度加工や無欠陥薄膜堆積などの高精度プロセスが実現できる。
（２）活性種を生成させる活性種生成室を備えているので、生成室内における活性種生成の際の反応場のエネルギーが、処理室内の被処理物に悪影響を与えるおそれがない。
従って、被処理物が損傷を受けるのを防ぐことができ、良好な表面処理が可能である。
（３）活性種供給手段を、処理室に一体に設けることによって、生成した活性種を直ちに処理室内に供給することができる。
従って、活性種の損失を少なくし、その利用効率を高めるとともに、副生成物が生成するのを最小限に抑えることができる。また、活性種が失活するのを防ぐことができる。
（４）エネルギー印加手段を、生成室の一部にのみエネルギーを印加することができるようにすることによって、原料ガスがエネルギー印加領域に滞在する時間を短くし、活性種の解離や二次反応を抑制できる。
（５）生成室を、内部圧力を１０Ｔｏｒｒ以下とすることができるようにすることによって、活性種における二次反応を抑制し、活性種の密度を高めることができる。また副生成物の生成を抑制することができる。
（６）活性種供給手段の構造が簡単であるため、従来の表面処理装置に比べ、小型化が可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の表面処理装置の一実施形態の活性種供給手段を示す概略構造図である。
【図２】本発明の表面処理装置の一実施形態を示す概略構成図である。
【図３】試験結果を示すグラフである。
【図４】試験結果を示すグラフである。
【図５】試験結果を示すグラフである。
【符号の説明】
１・・・表面処理装置、３・・・活性種供給手段、４・・・被処理物、５・・・処理室、１２・・・活性種生成室、１３・・・プラズマ生成手段（エネルギー印加手段）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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