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JP2006114614A - Plasma processing apparatus and method - Google Patents

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JP2006114614A
JP2006114614A JP2004298825A JP2004298825A JP2006114614A JP 2006114614 A JP2006114614 A JP 2006114614A JP 2004298825 A JP2004298825 A JP 2004298825A JP 2004298825 A JP2004298825 A JP 2004298825A JP 2006114614 A JP2006114614 A JP 2006114614A
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JP
Japan
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plasma
wafer
unit
processing apparatus
filter
Prior art date
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JP2004298825A
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Japanese (ja)
Inventor
Wikuramanayaka Snil
ウィクラマナヤカ スニル
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Canon Anelva Corp
Original Assignee
Canon Anelva Corp
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Abstract

【発明の課題】 電子陰影効果を制限することができ、高エネルギのイオンまたは電子を生じることなくダメージのないウェハー処理として構成されるプラズマ処理装置および方法を提供すること。
【解決手段】 プラズマ処理装置は、プラズマ生成部100と、処理されるべきウェハー15が配置されているウェハー処理部200と、プラズマ生成部およびウェハー処理部を分離する金属グリッド22と、プラズマ生成部に配置され、電子を放出するためのポーラスシリコン層27を有する上部電極21と、ガスを導入するガス導入ユニットと、プロセスガスを導入するためのガス導入口とから構成される。
【選択図】 図1
PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a plasma processing apparatus and method which can limit an electron shadow effect and is configured as a wafer process without damage without generating high energy ions or electrons.
A plasma processing apparatus includes a plasma generating unit, a wafer processing unit having a wafer to be processed, a metal grid separating the plasma generating unit and the wafer processing unit, and a plasma generating unit. And an upper electrode 21 having a porous silicon layer 27 for emitting electrons, a gas introduction unit for introducing gas, and a gas introduction port for introducing process gas.
[Selection] Figure 1

Description

本発明はプラズマ処理装置および方法に関し、特に、半導体産業で使用されるドライエッチングまたは成膜プロセスに用いることができる非常に低い電子エネルギを備えたプラズマ処理装置および方法に関する。   The present invention relates to a plasma processing apparatus and method, and more particularly to a plasma processing apparatus and method with very low electron energy that can be used in dry etching or film forming processes used in the semiconductor industry.

プラズマ支援ウェハー処理は、半導体産業上、シリコン(Si)基板または他の基板の上に集積回路を製作することにおいて避けられないステップである。いくつかのプラズマの支援プロセス、つまり、ドライエッチング、物理的気相成長(PVD)、化学的気相成長(CVD)、表面クリーニング等のプロセスが存在する。通常、各プロセスのために要求されるプラズマの属性は異なっており、その結果、一タイプのプラズマは一タイプのウェハー処理のためにのみ用いられる。いくつかのタイプのプラズマが存在する。例えば、DCプラズマ、rfプラズマ、マイクロ波プラズマなどである。これらのプラズマの各々は利点と欠点を持っている。一般的に、低い電子エネルギを有したプラズマは多くのタイプのウェハー処理に有用であり、特にドライエッチングおよびCVDの応用にとって電荷誘導ダメージを減少させるために特に有用である。しかしながら、大部分のプラズマ源での電子加熱のメカニズムのため、電子の温度は相当により高い値に存する。このことは、さらに、ドライエッチング処理に関連して説明される。   Plasma assisted wafer processing is an unavoidable step in the semiconductor industry in fabricating integrated circuits on silicon (Si) substrates or other substrates. There are several plasma assisted processes, such as dry etching, physical vapor deposition (PVD), chemical vapor deposition (CVD), surface cleaning and the like. Typically, the plasma attributes required for each process are different, so that one type of plasma is used only for one type of wafer processing. There are several types of plasma. For example, DC plasma, rf plasma, microwave plasma and the like. Each of these plasmas has advantages and disadvantages. In general, plasmas with low electron energy are useful for many types of wafer processing, especially for reducing charge-induced damage for dry etching and CVD applications. However, due to the mechanism of electron heating in most plasma sources, the temperature of the electrons is considerably higher. This is further explained in connection with the dry etching process.

プラズマ支援ドライエッチング処理はシリコンウェハーの上に集積回路を作り込むことにおいて避けられないステップである。今まで、このウェハー処理のためいくつかの種類のプラズマ源が存在し、例えば、誘導結合型プラズマ、容量結合型プラズマ、および磁気強化容量結合型プラズマである。薄膜、例えばSiO2、金属またはポリシリコン(poly-Si)のドライエッチングは、通常、高エネルギのイオンの衝突によって実行されている。エネルギが付与されたイオンを得るために、ウェハーホルダは、rf電流の適用によって負の自己バイアス電圧が与えられる。エッチングプロセスの間、ほとんど連続的に、エネルギを付与されたイオンがウェハー表面上に衝突する。ウェハー表面におけるこれらのイオンは、電子のフラックス(fluxes)によって中性化される。電子のフラックスは各rfサイクルごとに入ってくる。しかしながら、プラズマ生成機構およびプラズマ源のハードウェアに依存して、イオンと電子のウェハー表面上のフラックスはデバイスにダメージを与える。特に、ULSIにおける金属酸化物半導体(MOS)のゲート酸化物への電荷誘導ダメージは次第に大きくなる問題である。電子陰影効果(electron-shading effect)によるデバイスのダメージは支配的になり、特に、特徴的なサイズが0.2μmよりもより小さくなると、特に支配的になる。このことは、図7Aと図7Bを参照して詳細に説明される。 Plasma assisted dry etching is an inevitable step in building an integrated circuit on a silicon wafer. To date, several types of plasma sources exist for this wafer processing, such as inductively coupled plasma, capacitively coupled plasma, and magnetically enhanced capacitively coupled plasma. Dry etching of thin films such as SiO 2 , metal or polysilicon (poly-Si) is typically performed by high energy ion bombardment. In order to obtain energized ions, the wafer holder is given a negative self-bias voltage by application of rf current. During the etching process, energized ions strike the wafer surface almost continuously. These ions at the wafer surface are neutralized by electron flux. The electron flux enters every rf cycle. However, depending on the plasma generation mechanism and the plasma source hardware, the flux of ions and electrons on the wafer surface can damage the device. In particular, the charge-induced damage to the gate oxide of a metal oxide semiconductor (MOS) in ULSI is a problem that becomes increasingly large. Device damage due to the electron-shading effect becomes dominant, especially when the characteristic size is smaller than 0.2 μm. This is explained in detail with reference to FIGS. 7A and 7B.

説明を容易にするために、シリコン(Si)ウェハーの上に作成されるMOSキャパシタが考察される。図7Aはパターン化されたフォトレジストを備えるMOSキャパシタ150の縦断面図を示し、これはプラズマ支援エッチングが行われる前の状態である。図7Bは、エッチングが完了する直前のMOSキャパシタ150の縦断面図を示す。このMOSキャパシタ150は、フォトレジスト151、金属層152、およびシリコン(Si)層154上の誘電体層153から構成されている。金属層152は、通常、アンテナと呼ばれている。説明のため、フォトレジスト・パターンは線上にあり、フォトレジスト・ラインの間の間隔は0.20μmよりも小さいものであると仮定する。   For ease of explanation, a MOS capacitor fabricated on a silicon (Si) wafer is considered. FIG. 7A shows a longitudinal cross-sectional view of a MOS capacitor 150 with a patterned photoresist, which is in a state before plasma assisted etching is performed. FIG. 7B shows a longitudinal sectional view of the MOS capacitor 150 just before the etching is completed. The MOS capacitor 150 includes a photoresist 151, a metal layer 152, and a dielectric layer 153 on the silicon (Si) layer 154. The metal layer 152 is usually called an antenna. For illustration purposes, it is assumed that the photoresist pattern is on a line and the spacing between the photoresist lines is less than 0.20 μm.

次にデバイスダメージのメカニズムについて説明する。プラズマ支援によるエッチングの間、ウェハーはプラズマ環境の中に置かれている。プラズマ処理装置の図は与えられていない。ウェハーを保持するrf電極はその表面上に負の自己バイアス電圧を発生させるためにrf電流が与えられている。これはウェハー上のシース領域を横切ってより高い電位差を生じさせる原因となる。プラズマ中のイオンは当該シースを横切って加速しウェハー上に衝突する。通常、イオンは低いエネルギを有し、例えばそれらがプラズマ中に存在するときには3eVよりも低いエネルギである。イオンはウェハー表面上のシース領域を通り抜けて加速された後に大きなエネルギを得ることになり、例えば20eVよりも大きなエネルギである。こうして、ウェハー表面上に衝突するイオンのエネルギは大部分が加速電圧に依存している。その結果は、イオンの軌道はほとんど垂直となり、こうして、それらはラインの間の底の表面に到達することになる。   Next, the mechanism of device damage will be described. During plasma assisted etching, the wafer is placed in a plasma environment. A diagram of the plasma processing apparatus is not given. The rf electrode holding the wafer is given an rf current to generate a negative self-bias voltage on its surface. This causes a higher potential difference across the sheath region on the wafer. Ions in the plasma accelerate across the sheath and collide with the wafer. Usually the ions have a low energy, for example an energy lower than 3 eV when they are present in the plasma. The ions will gain large energy after being accelerated through the sheath region on the wafer surface, for example greater than 20 eV. Thus, the energy of ions impinging on the wafer surface is largely dependent on the acceleration voltage. The result is that the trajectories of the ions are almost vertical, thus they reach the bottom surface between the lines.

底の表面上のイオンの衝突は金属アンテナ152が正に帯電する原因となる。次のrf周期の間、電子は金属アンテナ152の表面に到達することになり、正の電荷を中性化する。シースが弱くなってゼロになると、電子はrf周期ごとにその度ウェハー表面に衝突する。プラズマ中の電子は、通常、各方向においてほとんど均一な速度分布を有している。さらにプラズマにおける電子エネルギはマックスウェル分布を有している。すなわち、高いエネルギー、例えば50eVのエネルギを有する電子が存在する。さらに、大部分のプラズマ源における平均的な電子エネルギはより高い値、例えば3eVよりも大きい値に存在する。特に、容量結合型のプラズマにおいては、電子エネルギの平均は6eVとほぼ等しい値になり得る。同様にこれらのプラズマにおいて、高エネルギの電子の数は同様に増加し、電子エネルギの分布における高エネルギの裾野部分はより一層延長する。   The collision of ions on the bottom surface causes the metal antenna 152 to be positively charged. During the next rf period, the electrons will reach the surface of the metal antenna 152 and neutralize the positive charge. When the sheath becomes weak and zero, the electrons impact the wafer surface every rf period. The electrons in the plasma usually have an almost uniform velocity distribution in each direction. Furthermore, the electron energy in the plasma has a Maxwell distribution. That is, there are electrons having high energy, for example, energy of 50 eV. Furthermore, the average electron energy in most plasma sources exists at higher values, for example greater than 3 eV. In particular, in the capacitively coupled plasma, the average electron energy can be approximately equal to 6 eV. Similarly, in these plasmas, the number of high energy electrons increases as well, and the high energy tail in the distribution of electron energy is further extended.

もしフォトレジスト・ライン(151)の間の間隔がより大きいのであるならば、例えば0.4μmであるならば、エッチングではいかなる問題も生じない。何故ならば、電子のフラックスは金属アンテナ152に到達し、正の電荷を中性化するからである。しかしながら、この状態はライン(151)の間の間隔がより小さくなると、変化する。この状態は図7Bに示されている。たとえライン(151)の間の間隔がより小さくなったとしても、イオンは底の表面に到達し、それらの軌道はほとんど垂直なものとして到達する。このことは、金属アンテナ152からフォトレジスト151への電界という結果をもたらす。電子は、この電界によって加速することができ、溝の底に到達することができる。しかしながら、電子のエネルギがより高いものであれば、それらは電界による加速のため十分な空間と時間を持たず、それら自身の軌道から逸脱することになる。それ故に、ほとんどすべての電子156はフォトレジスト151に衝突する。より小さい割合の電子(155)のみが溝の底152aに到達する。この現象は「電子陰影効果」と呼ばれている。これは金属アンテナ152上の正電荷を次第に増加させる原因となる。金属アンテナ152上の正電荷が誘電体層153のゲート誘電体153aのブレーク電圧を超えるとき、電流はゲート誘電体153aを通して流れる。電子陰影効果および関連するプラズマ誘導ダメージについての詳細な説明は、下記に述べられる非特許文献1,2によって与えられている。   If the spacing between the photoresist lines (151) is larger, for example 0.4 μm, there will be no problem with the etching. This is because the electron flux reaches the metal antenna 152 and neutralizes the positive charge. However, this condition changes as the spacing between lines (151) becomes smaller. This state is shown in FIG. 7B. Even if the spacing between the lines (151) is smaller, the ions reach the bottom surface and their trajectories are almost vertical. This results in an electric field from the metal antenna 152 to the photoresist 151. The electrons can be accelerated by this electric field and can reach the bottom of the groove. However, if the energy of the electrons is higher, they do not have enough space and time for acceleration by the electric field and will deviate from their own trajectories. Therefore, almost all the electrons 156 collide with the photoresist 151. Only a smaller percentage of electrons (155) reach the bottom 152a of the groove. This phenomenon is called “electronic shadow effect”. This causes the positive charge on the metal antenna 152 to gradually increase. When the positive charge on the metal antenna 152 exceeds the break voltage of the gate dielectric 153a of the dielectric layer 153, current flows through the gate dielectric 153a. A detailed description of the electron shadow effect and the associated plasma induced damage is given by Non-Patent Documents 1 and 2 described below.

電子陰影効果を避けるために、プラズマにおける電子エネルギはできる限り低くされなければならない。低エネルギの電子、例えば2eVよりも小さいエネルギを有した電子は、電子陰影効果を減じるため、2つの異なる方法において作用する。第1の効果は、電子の低エネルギによって、それらの軌道が、金属アンテナ上の過度なイオンによって生成された正電界により変化させられるということである。それ故に、これらの低エネルギの電子は金属アンテナに到達することができ、その表面を中性化することができる。低エネルギの電子の第2の効果は、それらは、中性の原子または分子について、より高い再結合断面を有するということである。これは、非常に低いエネルギを有する負のイオンを作る。これらの負のイオンは、また、金属アンテナの表面を中性化することに寄与する。   In order to avoid electron shadowing effects, the electron energy in the plasma must be as low as possible. Low energy electrons, such as those with energy less than 2 eV, act in two different ways to reduce the electron shadow effect. The first effect is that due to the low energy of the electrons, their trajectories are changed by a positive electric field generated by excessive ions on the metal antenna. Therefore, these low energy electrons can reach the metal antenna and neutralize its surface. The second effect of low energy electrons is that they have a higher recombination cross section for neutral atoms or molecules. This creates negative ions with very low energy. These negative ions also contribute to neutralizing the surface of the metal antenna.

しかしながら、従来のプラズマ源において一般的に避けることができない大きな数の高エネルギの電子が存在し、これにより前述した電子陰影効果を避けることは難しい。   However, there are a large number of high energy electrons that are generally unavoidable in conventional plasma sources, which makes it difficult to avoid the aforementioned electron shadowing effect.

次に、従来のプラズマ源に関する前述の問題の観点から、出願人は2003年2月12日に特許出願を行っており、その特許出願は特許文献1に示されるごとくウェハー処理部において実行されるペニングイオン化プロセスを利用するラジカル支援ドライエッチング装置を開示している。加えて、その他の関連する先行技術として、次のような特許文献2が存在する。この特許文献は、シリコン基板、ポーラスシリコン層、Au薄膜電極、オーミック電極、およびコレクタ電極を備えた冷例電子放出半導体要素を開示している。
特開2004−193359号公報 特許第3226745号公報 ケー・ハシモト(K.Hashimoto),「電子陰影効果に起因する電荷ダメージ」,日本応用物理学会,1994,33巻,6013-6018頁 ケー・ハシモト(K.Hashimoto),「プラズマエッチングにおける電荷ダメージの新現象:密なラインアンテナを通してのみの高ダメージ」,日本応用物理学会,1993,32巻,6109-6113頁
Next, in view of the above-mentioned problems related to the conventional plasma source, the applicant filed a patent application on February 12, 2003, and the patent application is executed in the wafer processing unit as shown in Patent Document 1. Disclosed is a radical assisted dry etching apparatus utilizing a Penning ionization process. In addition, as another related prior art, the following Patent Document 2 exists. This patent document discloses a cold electron emission semiconductor element comprising a silicon substrate, a porous silicon layer, an Au thin film electrode, an ohmic electrode, and a collector electrode.
JP 2004-193359 A Japanese Patent No. 3226745 K. Hashimoto, “Charge Damage Caused by Electron Shading Effect”, Japan Society of Applied Physics, 1994, 33, 6013-6018 K. Hashimoto, “New phenomenon of charge damage in plasma etching: High damage only through dense line antenna”, Japan Society of Applied Physics, 1993, 32, 6109-6113

本発明の目的は、電子陰影効果を制限することができ、高エネルギのイオンまたは電子を生じることなくダメージのないウェハー処理として構成されるプラズマ処理装置および方法を提供することにある。   It is an object of the present invention to provide a plasma processing apparatus and method which can limit the electron shadow effect and is configured as a wafer process without damage without generating high energy ions or electrons.

本発明に係るプラズマ処理装置および方法は、前述の目的を達成するため、次のように構成させる。   The plasma processing apparatus and method according to the present invention are configured as follows to achieve the above-described object.

プラズマ処理装置は、プラズマ生成機構を含むプラズマ生成部と、処理されるべきウェハーがウェハーホルダにおける下部電極上に配置されているウェハー処理部と、プラズマ生成部およびウェハー処理部を分離しウェハー処理部に到来する望ましくないイオンおよび電子を除去するフィルタと、プラズマ生成部に配置され、電子を放出するための表面部を有する上部電極と、プラズマ生成部にガスを導入するためのガス導入ユニットと、ウェハー処理部にプロセスガスを導入するためのガス導入口とから構成される。   The plasma processing apparatus includes a plasma generation unit including a plasma generation mechanism, a wafer processing unit in which a wafer to be processed is disposed on a lower electrode in a wafer holder, and a wafer processing unit by separating the plasma generation unit and the wafer processing unit. A filter for removing undesired ions and electrons arriving at, a top electrode disposed on the plasma generation unit and having a surface for emitting electrons, and a gas introduction unit for introducing gas into the plasma generation unit, And a gas inlet for introducing a process gas into the wafer processing unit.

上記のプラズマ処理装置において、好ましくは、上部電極の当該表面部は、ナノ結晶ポリシリコンのポーラス層、非常に薄いSiO2層、および薄い金属層を有している。 In the above plasma processing apparatus, preferably, the surface portion of the upper electrode has a porous layer of nanocrystalline polysilicon, a very thin SiO 2 layer, and a thin metal layer.

上記のプラズマ処理装置において、好ましくは、上部電極上の薄い金属層とフィルタはフィルタに向かってホット電子(hot electron)を発生させ、かつ加速させるために、正のDC電圧が与えられている。   In the above plasma processing apparatus, the thin metal layer on the upper electrode and the filter are preferably given a positive DC voltage to generate and accelerate hot electrons toward the filter.

上記のプラズマ処理装置において、好ましくは、フィルタは金属グリッドである。   In the above plasma processing apparatus, the filter is preferably a metal grid.

上記のプラズマ処理装置において、好ましくは、ポーラスシリコン層は他の異なる物質で置き換えられ、それは電界が与えられるときに電子を放出する。   In the above plasma processing apparatus, the porous silicon layer is preferably replaced with another different material, which emits electrons when an electric field is applied.

プラズマ処理装置は、プラズマ生成機構を含むプラズマ生成部と、処理されるべきウェハーがウェハーホルダにおける下部電極の上に配置されるウェハー処理部と、プラズマ生成部とウェハー処理部を分離し、ウェハー処理部に到来する望ましくないイオンおよび電子を除去するフィルタと、赤外線領域から紫外線領域の光を放射し、ウェハー処理部の箇所であってフィルタと下部電極との間に固定される光放射ユニットと、プラズマ生成部にガスを導入するガス導入ユニットと、ウェハー処理部にプロセスガスを導入するガス導入口とから構成される。   The plasma processing apparatus separates the plasma generation unit including the plasma generation mechanism, the wafer processing unit in which the wafer to be processed is disposed on the lower electrode in the wafer holder, and the plasma generation unit and the wafer processing unit. A filter that removes unwanted ions and electrons arriving at the part, a light emitting unit that emits light in the ultraviolet region from the infrared region, and is fixed between the filter and the lower electrode at the location of the wafer processing unit, A gas introduction unit for introducing a gas into the plasma generation unit and a gas introduction port for introducing a process gas into the wafer processing unit.

上記のプラズマ処理装置において、好ましくは、光放射ユニットから放射された光は、イオンを生成するため励起された状態の原子および/またはラジカルと相互作用を生じ、下部電極上に配置されたウェハーは当該イオンの支援によって処理される。   In the above plasma processing apparatus, preferably, the light emitted from the light emitting unit interacts with the excited atoms and / or radicals to generate ions, and the wafer disposed on the lower electrode is Processed with the assistance of the ions.

上記のプラズマ処理装置において、好ましくは、フィルタはプロセスガスを導入するためのガス導入口を含む。   In the above plasma processing apparatus, the filter preferably includes a gas inlet for introducing a process gas.

プラズマ処理装置において、好ましくは、光放射ユニットから放射された光は、ウェハーの表面に対してほぼ平行に進行し、ウェハーは直接光に晒されない。   In the plasma processing apparatus, the light emitted from the light emitting unit preferably travels substantially parallel to the surface of the wafer, and the wafer is not directly exposed to light.

プラズマ処理装置において、好ましくは、光放射ユニットは固定のまたは可変の周波数のレーザ光を放射する。   In the plasma processing apparatus, preferably, the light emitting unit emits laser light having a fixed or variable frequency.

フィルタによってウェハー処理部から分離されたプラズマ生成部を有する反応容器内において実施されるプラズマ処理方法は、プラズマ生成部においてプラズマを生成するステップと、プラズマ中に含まれるラジカルのみをフィルタを通してウェハー処理部に通過させるステップと、ウェハー処理部における光放射ユニットから放射された光でラジカルの相互作用によりイオンを生成するステップと、当該イオンの支援でウェハーを処理するステップとから構成される。   A plasma processing method implemented in a reaction vessel having a plasma generation unit separated from a wafer processing unit by a filter includes a step of generating plasma in the plasma generation unit, and a wafer processing unit through only a radical contained in the plasma through the filter. And the step of generating ions by the interaction of radicals with the light emitted from the light emitting unit in the wafer processing unit, and the step of processing the wafer with the assistance of the ions.

上記のプラズマ処理方法において、好ましくは、光はウェハー表面に平行であるレーザ光である。   In the above plasma processing method, the light is preferably laser light parallel to the wafer surface.

本発明に従って、イオン化された原子/分子に十分なエネルギを得るためにのみ電子が加速されるプラズマ処理装置が発明される。電子のエネルギのより高い割合の部分がイオンを作ることに消費されるので、原子/分子およびラジカルの励起状態であって電子が高いエネルギを有しない状態が、結果として生じる。   In accordance with the present invention, a plasma processing apparatus is invented in which electrons are accelerated only to obtain sufficient energy for ionized atoms / molecules. As a higher fraction of the energy of the electrons is consumed in creating ions, the result is an excited state of atoms / molecules and radicals where the electrons do not have high energy.

本発明によれば、ポーラスシリコンに基づくプラズマ処理装置は低エネルギの電子を有したプラズマを生成する。2つのDC電源のみが用いられるので、プラズマ処理装置の構成は簡素となり、より少ないコストで作ることができる。   According to the present invention, a plasma processing apparatus based on porous silicon generates plasma with low energy electrons. Since only two DC power sources are used, the configuration of the plasma processing apparatus is simplified and can be made at a lower cost.

さらに本発明によるプラズマ処理装置または方法は、そこでは光とガス状のラジカル/励起状態原子との相互作用によってイオンおよび低エネルギの電子が生成され、ダメージのないウェハー処理のために発明される。光のエネルギが、ラジカルまたは励起状態の原子からイオンを作るために消費されるので、生成された電子は必然的に非常に低いエネルギを有することになる。このプロセスは、高エネルギのイオンまたは電子を生成しないので、電子陰影効果とデバイスダメージは取り除かれる。   Furthermore, the plasma processing apparatus or method according to the present invention is invented for wafer processing where ions and low energy electrons are generated by the interaction of light with gaseous radical / excited atoms and are not damaged. Since the energy of light is consumed to make ions from radicals or excited atoms, the generated electrons will inevitably have very low energy. Since this process does not produce high energy ions or electrons, the electron shadow effect and device damage are eliminated.

以下に、図面に従って好ましい実施形態が説明される。実施形態の説明を通して本発明の詳細が明らかにされる。
[実施形態1]
In the following, preferred embodiments will be described with reference to the drawings. Details of the present invention will be made clear through the description of the embodiments.
[Embodiment 1]

本発明の第1実施形態は図1および図2を参照して説明される。第1の実施形態の縦断面図が図1に示される。図1において、プラズマ処理装置1は基本的にプラズマ生成部100とウェハー処理部200とから構成されている。これらの2つの部分100と200はプラズマ処理装置1の反応容器またはチャンバ11を形成する。反応容器11において、プラズマ生成部100は上側にあり、ウェハー処理部200は下側にある。部分100はプラズマ生成領域(または空間)を作り、他方、部分200はウェハー処理領域(または空間)を作る。   A first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. A longitudinal sectional view of the first embodiment is shown in FIG. In FIG. 1, the plasma processing apparatus 1 basically includes a plasma generation unit 100 and a wafer processing unit 200. These two parts 100 and 200 form a reaction vessel or chamber 11 of the plasma processing apparatus 1. In the reaction vessel 11, the plasma generation unit 100 is on the upper side, and the wafer processing unit 200 is on the lower side. Portion 100 creates a plasma generation region (or space), while portion 200 creates a wafer processing region (or space).

反応容器11は電極21、金属グリッド22、ウェハーホルダ23、複数のガス導入口24、およびガス排出口25を備えている。金属グリッド22は、反応容器11を、前述した2つの部分100と200に分離するフィルタとして機能している。金属グリッド22は多数の開口部または孔を有している。電極21はプラズマ生成部100に設けられ、ウェハーホルダ23、ガス導入口24、およびガス排出口25はウェハー処理部200に設けられている。   The reaction vessel 11 includes an electrode 21, a metal grid 22, a wafer holder 23, a plurality of gas inlets 24, and a gas outlet 25. The metal grid 22 functions as a filter that separates the reaction vessel 11 into the two parts 100 and 200 described above. The metal grid 22 has a number of openings or holes. The electrode 21 is provided in the plasma generation unit 100, and the wafer holder 23, the gas introduction port 24, and the gas discharge port 25 are provided in the wafer processing unit 200.

処理されるべきウェハー15は、ウェハー処理部200におけるウェハーホルダ23上に設けられた下部電極の上に配置される。   The wafer 15 to be processed is disposed on the lower electrode provided on the wafer holder 23 in the wafer processing unit 200.

電極21は、金属プレート26とポーラスシリコン(Si)層27とから構成されている。ポーラスシリコン層27は金属プレート26の下面上に設けられている。電極21は誘電体物質12上に配置することにより反応容器11の他の部分から電気的に絶縁されている。金属プレート26の厚みは重要な事項ではなく、反応容器11の内側と外側の間の圧力差に耐える十分な厚みに選択されている。電極21のために用いられる金属の種類は同様にまた重要ではない。通常、金属としてはアルミニウムが用いられている。金属プレート26は電気的に接地されており、冷却装置を備えるようにしてもよいし、備えていなくてもよい。通常、このプラズマ処理装置1では金属プレート26のための冷却装置は必要ではない。その理由は、電極11は過度な熱を受けないからである。電極11は、金属プレート26とポーラスシリコン層27を通して流れるDC電流に基づき、オーミック加熱によってのみ加熱された状態となる。   The electrode 21 includes a metal plate 26 and a porous silicon (Si) layer 27. The porous silicon layer 27 is provided on the lower surface of the metal plate 26. The electrode 21 is electrically insulated from other parts of the reaction vessel 11 by being disposed on the dielectric material 12. The thickness of the metal plate 26 is not an important matter, and is selected to be a thickness sufficient to withstand the pressure difference between the inside and the outside of the reaction vessel 11. The type of metal used for the electrode 21 is likewise not important. Usually, aluminum is used as the metal. The metal plate 26 is electrically grounded and may or may not include a cooling device. Normally, the plasma processing apparatus 1 does not require a cooling device for the metal plate 26. The reason is that the electrode 11 does not receive excessive heat. The electrode 11 is heated only by ohmic heating based on the DC current flowing through the metal plate 26 and the porous silicon layer 27.

ポーラスシリコン層27は次のように作られる。第1に、金属プレート26の上に非ドープ・ナノ結晶ポリシリコン層(nc-poly-Si)が堆積させられる。それから、非ドープ・ナノ結晶ポリシリコン層(nc-poly-Si)は、エタノールで希釈化されたHf溶液に置かれることにより陽極酸化される。この陽極酸化プロセスの詳細な内容については、例えば、文献『T. Komoda,X.Sheng,N.Koshida,「ポーラス多結晶シリコン膜に基づく効率的なかつ安定な表面放出冷カソードの機構」,日本真空科学・技術,B17(3),1076(1999)』に記述されている。   The porous silicon layer 27 is formed as follows. First, an undoped nanocrystalline polysilicon layer (nc-poly-Si) is deposited on the metal plate 26. The undoped nanocrystalline polysilicon layer (nc-poly-Si) is then anodized by placing it in a Hf solution diluted with ethanol. For details of the anodizing process, see, for example, the document “T. Komoda, X. Sheng, N.M. Koshida, “Mechanism of Efficient and Stable Surface Emission Cold Cathode Based on Porous Polycrystalline Silicon Film”, Japan Vacuum Science and Technology, B17 (3), 1076 (1999) ”.

非ドープ・nc-poly-Si層の厚みは重要な事項ではない。しかしながら、この厚みは可能な限り小さくされる。nc-poly-Siにおけるポーラス27aの直径および高さは同様にまた重要な事項ではない。   The thickness of the undoped nc-poly-Si layer is not critical. However, this thickness is made as small as possible. The diameter and height of the porous 27a in nc-poly-Si are likewise not important.

非ドープ・nc-poly-Siは必ずしも金属プレート26の上に直接的に堆積させる必要はない。その代わりに、ドープ・ポリシリコンを最初に堆積し、そしてその後に非ドープ・nc-poly-Siを堆積させることもできる。さらに、nc-poly-Siをn型またはp型のシリコン基板上に堆積し、そしてそれから金属プレート26の下面上にこのシリコン基板を固定することもできる。さらに、ポーラスシリコン層27を他の異なる物質で置き換えることもできる。これらは、例えば、酸化物またはダイヤモンドのようなカーボンであり、それはポーラスシリコンと同様にふるまうものである。すなわち、電界が与えられたとき、これらの物質は同様にまた真空の中にホット電子を放出する。   The undoped nc-poly-Si does not necessarily have to be deposited directly on the metal plate 26. Alternatively, doped polysilicon can be deposited first, followed by undoped nc-poly-Si. Furthermore, nc-poly-Si can be deposited on an n-type or p-type silicon substrate, and then the silicon substrate can be fixed on the lower surface of the metal plate 26. Furthermore, the porous silicon layer 27 can be replaced with other different materials. These are, for example, oxides or carbons such as diamond, which behave like porous silicon. That is, when an electric field is applied, these materials also emit hot electrons into the vacuum as well.

ポーラスシリコン層27の表面上には非常に薄いSiO2層28が存在する。この層28は、通常、酸素雰囲気の下で速い熱的アニーリングを行うことによって作られる。当該薄いSiO2層28の表面上では非常に薄い金電極29が形成される。この金電極29は、通常、透明な金の層であり、それは可能な限り薄く作られる。次のことが注意されなければならない。たとえ金属プレート26が電気的に接地されていたとしても、薄い金属層29は電気的に接地されてはいけないということを注意すべきである。 A very thin SiO 2 layer 28 exists on the surface of the porous silicon layer 27. This layer 28 is typically made by rapid thermal annealing under an oxygen atmosphere. A very thin gold electrode 29 is formed on the surface of the thin SiO 2 layer 28. This gold electrode 29 is usually a transparent gold layer, which is made as thin as possible. The following must be noted: It should be noted that even if the metal plate 26 is electrically grounded, the thin metal layer 29 must not be electrically grounded.

金属グリッド22は電極21の下側で数mm、通常は10mmよりも小さい間隔で配置されている。金属グリッド22は、通常、非常に薄い金属ワイヤで作られた金属メッシュである。金属グリッド22における矩形の開口部(または孔)の寸法は重要な事項ではない。通常、金属グリッド22の開口部の寸法はおよそ1×1mm2、またはそれ以下である。 The metal grid 22 is arranged below the electrode 21 at intervals of several mm, usually less than 10 mm. The metal grid 22 is typically a metal mesh made of very thin metal wires. The dimensions of the rectangular openings (or holes) in the metal grid 22 are not critical. Usually, the size of the opening of the metal grid 22 is approximately 1 × 1 mm 2 or less.

金電極29および金属グリッド22はそれぞれ別々にDC電源13,14に接続されている。金電極29と金属グリッド22は両方とも正の電圧を与えられている。金属グリッド22の正電圧は金電極29上の正電圧よりも大きい。電圧の値は重要な事項ではなく、数十ボルトから数百ボルトの範囲内に存在し得る。   The gold electrode 29 and the metal grid 22 are separately connected to the DC power sources 13 and 14, respectively. Both the gold electrode 29 and the metal grid 22 are given a positive voltage. The positive voltage of the metal grid 22 is larger than the positive voltage on the gold electrode 29. The value of the voltage is not critical and can be in the range of tens to hundreds of volts.

第1実施形態の前述したプラズマ処理装置によれば、第1に、ウェハー処理部200すなわち反応容器11は低い圧力になるように真空排気されており、適当なガスが供給され、望ましい低圧力に維持されている。ウェハー処理部200の内部圧力は重要な事項ではない。通常、50mTorr(6.65Pa)よりも低い圧力が大部分のウェハー処理にとって望ましい。   According to the above-described plasma processing apparatus of the first embodiment, first, the wafer processing unit 200, that is, the reaction vessel 11 is evacuated to a low pressure, and an appropriate gas is supplied to achieve a desired low pressure. Maintained. The internal pressure of the wafer processing unit 200 is not an important matter. Usually, pressures below 50 mTorr (6.65 Pa) are desirable for most wafer processing.

金電極29と金属グリッド22は両方とも正電圧を与えられており、金属グリッド22上の電圧は金電極29の電圧よりもより高くなっている。金電極29が正電圧を与えられているとき、電子(ホット電子)はポーラスシリコン層27から放出され、金電極29に向って加速される。薄いSiO2層28を横切って印加される正電界のため、ホット電子はより高いエネルギーを得て、SiO2層28と金電極29を通り抜けて真空の中に至っている。 Both the gold electrode 29 and the metal grid 22 are given a positive voltage, and the voltage on the metal grid 22 is higher than the voltage of the gold electrode 29. When the gold electrode 29 is given a positive voltage, electrons (hot electrons) are emitted from the porous silicon layer 27 and accelerated toward the gold electrode 29. Due to the positive electric field applied across the thin SiO 2 layer 28, the hot electrons gain higher energy and pass through the SiO 2 layer 28 and the gold electrode 29 into the vacuum.

ポーラスシリコン層27から放出された電子は、その高い正電圧のため金属グリッド22に向って加速され、エネルギを得る。金属グリッド22に対して与えられた印加電圧は電子のエネルギを制御する。高エネルギ電子のいくらかは金属グリッド22上で終了するのに対して、残りの高エネルギ電子は金属グリッド22の開口部を通過して伝えられ、ウェハー処理部200におけるガス状の原子/分子をイオン化し、これによりプラズマを作る。当該ガスに応じてイオン化の電位は異なり、例えばアルゴン(Ar)、窒素(N2)、および酸素(O2)は、それぞれ、イオン化電位として15.75eV、14.53eV、13.61eVを有している。もし電子のエネルギがイオン化エネルギを超えるのであるならば、ガス状の原子/分子は当該電子との衝突によってイオン化される。衝突の各々はイオン化プロセスの原因とならないこと、その代わりに電子と原子の衝突は励起された原子または分子のラジカルへの乖離という結果をもたらすということに留意すべきである。従って、電子と原子の衝突の間、衝突故に電子エネルギは消費され、非常に低いエネルギの電子が結果として生じる。ウェハー処理部200の内部圧力または金属グリッド22とウェハー15との間の距離は、各電子が、ウェハー15に到達する前に、2回の衝突よりも多い衝突を受けることになるように調整される。この技術によってウェハー15に到達する高エネルギ電子が阻止される。 Electrons emitted from the porous silicon layer 27 are accelerated toward the metal grid 22 due to the high positive voltage to obtain energy. The applied voltage applied to the metal grid 22 controls the energy of the electrons. Some of the high energy electrons terminate on the metal grid 22 while the remaining high energy electrons are transmitted through the openings in the metal grid 22 and ionize gaseous atoms / molecules in the wafer processing unit 200. This creates a plasma. The ionization potential differs depending on the gas, for example, argon (Ar), nitrogen (N 2 ), and oxygen (O 2 ) have ionization potentials of 15.75 eV, 14.53 eV, and 13.61 eV, respectively. ing. If the energy of the electrons exceeds the ionization energy, the gaseous atoms / molecules are ionized by collision with the electrons. It should be noted that each of the collisions does not contribute to the ionization process; instead, electron-atom collisions result in the separation of excited atoms or molecules into radicals. Thus, during an electron-atom collision, the electron energy is consumed because of the collision, resulting in very low energy electrons. The internal pressure of the wafer processing unit 200 or the distance between the metal grid 22 and the wafer 15 is adjusted so that each electron will experience more than two collisions before reaching the wafer 15. The This technique prevents high energy electrons from reaching the wafer 15.

イオン、励起された原子/分子、およびラジカルは、ウェハーホルダ23の下部電極16上に配置されたウェハー15の表面上に膜を堆積させるために用いることができる。この膜堆積は化学的気相成長と呼ばれている。再び、前述したガス状の種はウェハー表面の薄い層のドライエッチングのためにも用いることができる。ドライエッチングの場合には ウェハー15が配置されている下部電極16には、ウェハー表面上に負の自己バイアスを発生させるためrfバイアスが与えられている。下部電極16のためのrf電源および必要な電気的回路は図において示されていない。   The ions, excited atoms / molecules, and radicals can be used to deposit a film on the surface of the wafer 15 disposed on the lower electrode 16 of the wafer holder 23. This film deposition is called chemical vapor deposition. Again, the gaseous species described above can also be used for dry etching of thin layers on the wafer surface. In the case of dry etching, an rf bias is applied to the lower electrode 16 on which the wafer 15 is disposed in order to generate a negative self-bias on the wafer surface. The rf power supply for the bottom electrode 16 and the necessary electrical circuits are not shown in the figure.

第1実施形態に関して上記で説明された理由のため、プラズマ内には高エネルギ電子は全く存在しない。それ故に背景技術の箇所で説明された電子陰影効果は存在しない。このことはダメージの生じないエッチングプロセスという結果をもたらす。
[実施形態2]
For the reasons described above with respect to the first embodiment, there are no high energy electrons in the plasma. Therefore, the electronic shadow effect described in the background section does not exist. This results in an etching process that does not cause damage.
[Embodiment 2]

次に、図3を参照して本発明に係るプラズマ処理装置の第2実施形態を説明する。図3に示されたプラズマ処理装置1は同様にまたプラズマ生成部100とウェハー処理部200を有している。これらの2つの部分100および200はプラズマ処理装置1の反応容器31を形成している。   Next, a second embodiment of the plasma processing apparatus according to the present invention will be described with reference to FIG. Similarly, the plasma processing apparatus 1 shown in FIG. 3 has a plasma generation unit 100 and a wafer processing unit 200. These two parts 100 and 200 form a reaction vessel 31 of the plasma processing apparatus 1.

フィルタ32は、反応容器31において上記の2つの部分100,200を分離している。このフィルタ32は複数の貫通孔33を有している。加えて、プラズマ処理装置1の反応容器31は、ウェハーホルダ34、側壁35、トッププレート36、ボトムプレート37、および排気ポート52から構成されている。ウェハーホルダ34はボトムプレート37上に設けられており、側壁35は好ましくは円筒形の形状を有している。ウェハー処理部200の側壁35上に光放射ユニット61が設けられている。   The filter 32 separates the two parts 100 and 200 in the reaction vessel 31. The filter 32 has a plurality of through holes 33. In addition, the reaction vessel 31 of the plasma processing apparatus 1 includes a wafer holder 34, a side wall 35, a top plate 36, a bottom plate 37, and an exhaust port 52. The wafer holder 34 is provided on the bottom plate 37, and the side wall 35 preferably has a cylindrical shape. A light emitting unit 61 is provided on the side wall 35 of the wafer processing unit 200.

プラズマ生成部100においては容量結合型プラズマ(CCP)生成機構が設けられている。プラズマ生成部100は、rf電極38、下面を除いてrf電極38を覆う誘電体物質39、rf電極38によって定義されるキャビティー40、フィルタ32、および側壁35を有し、これらはプラズマを生成するために用いられる、   In the plasma generation unit 100, a capacitively coupled plasma (CCP) generation mechanism is provided. The plasma generation unit 100 includes an rf electrode 38, a dielectric material 39 that covers the rf electrode 38 except the lower surface, a cavity 40 defined by the rf electrode 38, a filter 32, and a sidewall 35, which generate plasma. Used to

rf電極38は整合回路42を通してrf発生器41からrf電流を供給される。rf電流の周波数は、この発明の意図した応用に関して重要なことではない。rf電流の周波数は10MHzから300MHzの範囲中にあり得る。   The rf electrode 38 is supplied with rf current from the rf generator 41 through the matching circuit 42. The frequency of the rf current is not critical for the intended application of the invention. The frequency of the rf current can be in the range of 10 MHz to 300 MHz.

rf電極38は金属で、通常はアルミニウム(Al)で作られている。rf電極38の中には薄いガスリザーバ43が設けられている。複数のガス導入口44はガスリザーバ43からの材料ガスを前述したプラズマ生成領域としてのキャビティー40に導入するために作られている。材料ガスは外部からガス導入パイプ56を経由してガスリザーバ43に供給される。このガス導入方法は多くの異なるガス導入方法の中の一つである。それ故に、プラズマ生成領域の中にガスを導入するための異なる方法を用いることは可能である。プラズマ生成領域に導入されたガスはいかなるガスであることもできるし、またはガスの組合せであることも可能である。通常、不活性ガス、代表的にはアルゴン(Ar)がプラズマ生成ガスとして用いられる。プラズマ生成領域すなわちキャビティー40の外部のガス圧力は重要な事項ではなく、1mTorrから大気圧力までの範囲内で変えることができる。ウェハー処理領域内におけるウェハー処理のために要求される圧力は、基本的にプラズマ生成領域すなわちキャビティー40の内部圧力を決定する。   The rf electrode 38 is made of metal and is usually made of aluminum (Al). A thin gas reservoir 43 is provided in the rf electrode 38. The plurality of gas inlets 44 are formed to introduce the material gas from the gas reservoir 43 into the cavity 40 as the plasma generation region described above. The material gas is supplied from the outside to the gas reservoir 43 via the gas introduction pipe 56. This gas introduction method is one of many different gas introduction methods. It is therefore possible to use different methods for introducing the gas into the plasma generation region. The gas introduced into the plasma generating region can be any gas or a combination of gases. Usually, an inert gas, typically argon (Ar), is used as the plasma generating gas. The gas pressure outside the plasma generation region or cavity 40 is not critical and can be varied from 1 mTorr to atmospheric pressure. The pressure required for wafer processing in the wafer processing region basically determines the internal pressure of the plasma generation region or cavity 40.

rf電極38の側壁および上面は、反応容器30の他の部分から電気的に絶縁するために誘電体物質39によって覆われている。rf電極38の直径は重要な事項ではなく、ウェハーの直径に依存して変化する。例えば、rf電極38の直径は、もしウェハーの直径が300mmであるならば、400mmと同じ程度に大きくすることができる。円筒形の側壁35の直径も同様にまたウェハーの直径に依存している。図3において符号”h”で示されたプラズマ生成キャビティー40の高さは、好ましくは1cmから10cmの範囲内で選択される。   The side wall and upper surface of the rf electrode 38 are covered with a dielectric material 39 in order to electrically insulate from other parts of the reaction vessel 30. The diameter of the rf electrode 38 is not critical and varies depending on the diameter of the wafer. For example, the diameter of the rf electrode 38 can be as large as 400 mm if the wafer diameter is 300 mm. The diameter of the cylindrical side wall 35 is also dependent on the diameter of the wafer as well. The height of the plasma generation cavity 40 indicated by the symbol “h” in FIG. 3 is preferably selected within the range of 1 cm to 10 cm.

第2実施形態が、容量結合型プラズマの利用に関して説明されたものであるとしても、プラズマを発生させる他の技術、例えば誘導結合型プラズマ、ウェーブ加熱型プラズマ、またはエレクトロン・サイクロトロン・プラズマにも利用できる。プラズマ生成部100におけるプラズマ生成機構はこの発明では重要なことではない。   Even though the second embodiment has been described with respect to the use of capacitively coupled plasma, it may also be used for other techniques for generating plasma, such as inductively coupled plasma, wave heated plasma, or electron cyclotron plasma. it can. The plasma generation mechanism in the plasma generation unit 100 is not important in the present invention.

プラズマ生成部100のボトムプレートは金属部材または誘電体部材で作られた前述のフィルタ32である。代表的にフィルタ32は誘電体物質で作られている。フィルタ32の厚みは重要な事項ではなく、1mmから20mmの範囲において変えることができる。フィルタ32においては複数の貫通孔33が存在する。貫通孔33の直径はおよそ1mmである。フィルタ32における貫通孔33の数は重要な事項ではなく、フィルタの直径に応じて変化させることができる。フィルタ32の直径は、ウェハーの直径よりも大きく、側壁35の直径まで増加させることができる。プラズマ生成領域の詳細な説明は例えば特開2000−345349号公報の文献において見い出すことができる。   The bottom plate of the plasma generation unit 100 is the above-described filter 32 made of a metal member or a dielectric member. Typically, the filter 32 is made of a dielectric material. The thickness of the filter 32 is not an important matter and can be varied in the range of 1 mm to 20 mm. The filter 32 has a plurality of through holes 33. The diameter of the through hole 33 is approximately 1 mm. The number of through holes 33 in the filter 32 is not an important matter and can be changed according to the diameter of the filter. The diameter of the filter 32 is larger than the diameter of the wafer and can be increased to the diameter of the sidewall 35. A detailed description of the plasma generation region can be found in, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2000-345349.

ウェハーホルダ34は、rf電極45、誘電体部材46、外側リング47、およびホルダ側壁48によって構成されている。rf電極45は金属、代表的にはアルミニウム(Al)によって作られている。rf電極の上面上には静電チャック(ESC)が設けられている。しかしながら、rf電極45のESCはこのシステムの意図した応用に関しては必須項目ではない。rf電極45は、rf発生器50から整合回路49を経由してrf電流が与えられている。rf電流の周波数は重要な事項ではなく、100kHzから10MHzの範囲内に存在する。通常、およそ2MHzという低いrf周波数がrf電極45に対して本発明の期待する結果を得るため与えられている。   The wafer holder 34 includes an rf electrode 45, a dielectric member 46, an outer ring 47, and a holder side wall 48. The rf electrode 45 is made of metal, typically aluminum (Al). An electrostatic chuck (ESC) is provided on the upper surface of the rf electrode. However, the ESC of the rf electrode 45 is not a requirement for the intended application of this system. The rf electrode 45 is supplied with an rf current from the rf generator 50 via the matching circuit 49. The frequency of the rf current is not critical and exists in the range of 100 kHz to 10 MHz. Typically, a low rf frequency of approximately 2 MHz is provided for the rf electrode 45 to obtain the expected results of the present invention.

ウェハー処理領域51に対してプロセスガスまたはプロセスガスの混合物を導入するために複数のガス導入口53が形成されている。加えて、ウェハー処理領域51に対して真空排気ポート52が存在する。   A plurality of gas inlets 53 are formed to introduce a process gas or a mixture of process gases into the wafer processing region 51. In addition, an evacuation port 52 exists for the wafer processing region 51.

プラズマ生成領域54すなわちキャビティー40の円筒形側壁35はウェハー処理領域51にまで拡張してもよい。また、これらの2つの領域51,54は異なる直径を有した円筒形の側壁を持つこともできる。   The plasma generation region 54, i.e., the cylindrical sidewall 35 of the cavity 40, may extend to the wafer processing region 51. These two regions 51, 54 can also have cylindrical side walls with different diameters.

光放射ユニット61において、光源62は側壁の全周にあってもよいし、またはいくつかの分離した光源62が側壁の周りに互いに分離した状態で存在してもよい。または光源62は側壁の2分の1のみに設けるようにし、側壁の他の半分の部分ではキャビティでの衝突光を吸収するように作られ、その結果、ウェハー処理部200の内部での反射光を最小化することができる。光源62から放射される光の波長は、広い範囲内に波長が存在するまたは選択された波長のみ存在するような光を放射してもよい。好ましくは、光源は超紫外線領域の光を放射する。   In the light emitting unit 61, the light source 62 may be all around the side wall, or several separate light sources 62 may exist separated from each other around the side wall. Alternatively, the light source 62 is provided only in one-half of the side wall, and the other half of the side wall is formed so as to absorb the collision light in the cavity. As a result, the reflected light in the wafer processing unit 200 is reflected. Can be minimized. The light emitted from the light source 62 may emit light having a wavelength within a wide range or only a selected wavelength. Preferably, the light source emits light in the extreme ultraviolet region.

光源62は好ましくは側壁の背後数cmの位置に配置され、そのため、光放射ユニット61から到来する直接光がウェハー表面の上にあたることはない。また、平行な光ビームを得るために適当に構成されたレンズを用いることも可能である。当該光ビームはウェハーの表面に対して平行である。さらに光源62としてレーザ放射源を用いることも可能である。このレーザ光源は好ましくは連続モードまたはパルスモードでリニアな光を放射する。レーザ光源が用いられるとき、好ましくは、それは側壁上の2分の1の上にのみ設けられる。ウェハー表面に対して収束されかつ平行な光ビームを得ることの基本的な意図は、ウェハー表面上に直接光があたるようにしないことである。これはフォト支援によるデバイスダメージをなくすためである。   The light source 62 is preferably located several centimeters behind the side wall so that direct light coming from the light emitting unit 61 does not strike the wafer surface. It is also possible to use an appropriately configured lens to obtain a parallel light beam. The light beam is parallel to the surface of the wafer. Further, a laser radiation source can be used as the light source 62. The laser light source preferably emits linear light in a continuous mode or a pulsed mode. When a laser light source is used, it is preferably provided only on one-half on the side wall. The basic intent of obtaining a light beam that is focused and parallel to the wafer surface is to avoid direct light hitting the wafer surface. This is to eliminate device damage due to photo support.

次に上記のプラズマ処理装置の作用を説明する。第1に、プラズマ生成領域54すなわちキャビティー40の中においてガス導入口44を通してリザーバ43から導入される適当な材料ガスを用いることによりプラズマが生成される。プラズマ生成領域51におけるプラズマ内で、イオン、電子、ガス原子、および中性の励起状態にある原子が存在する。プラズマ生成領域54内のこれらのガス成分はフィルタ32の貫通孔33を通ってウェハー処理領域51に流れる。何故ならば、システム全体がウェハー処理領域51に配置された真空排気ポート52を通して排気されるからである。フィルタ32の貫通孔33を通してイオンおよび電子が進行するとき、それらは貫通孔33の側壁の上で結合する。貫通孔33の高さ、すなわちフィルタ32の厚み、および貫通孔33の直径は、当該貫通孔33の内部でイオンの完全なる再結合のため適当に選択されることになる。すなわちウェハー処理領域51に到来するイオンまたは原子は存在しない。   Next, the operation of the above plasma processing apparatus will be described. First, plasma is generated by using an appropriate material gas introduced from the reservoir 43 through the gas inlet 44 in the plasma generation region 54 or cavity 40. There are ions, electrons, gas atoms, and atoms in a neutral excited state in the plasma in the plasma generation region 51. These gas components in the plasma generation region 54 flow to the wafer processing region 51 through the through holes 33 of the filter 32. This is because the entire system is exhausted through the vacuum exhaust port 52 disposed in the wafer processing region 51. As ions and electrons travel through the through hole 33 of the filter 32, they combine on the side wall of the through hole 33. The height of the through-hole 33, that is, the thickness of the filter 32 and the diameter of the through-hole 33 are appropriately selected for complete recombination of ions inside the through-hole 33. That is, there are no ions or atoms arriving at the wafer processing region 51.

いくつかのガスについては全く安定した励起状態が存在する。例えば表1はいくつかのガスについての励起状態とライフタイムのリストを示している。プラズマ生成領域54内では、多くの数のこれらの励起状態であるガス原子すなわちラジカルが存在している。これらの原子の一部は、貫通孔33を通り抜けて移動している間に、それらのエネルギを失う。しかしながら、励起された原子のいくらかは生き残り、そしてウェハー処理領域51に侵入する。   There are quite stable excited states for some gases. For example, Table 1 shows a list of excited states and lifetimes for several gases. Within the plasma generation region 54, a large number of these excited states of gas atoms or radicals are present. Some of these atoms lose their energy while moving through the through-hole 33. However, some of the excited atoms survive and enter the wafer processing region 51.

Figure 2006114614
Figure 2006114614

励起状態の原子すなわちラジカルは、適当な或るエネルギを有した光子の支援によってイオン化される。例えば、Ar430の励起状態、それのポテンシャルエネルギは11.7eVであるが、これは310nmの波長の光子またはそれよりも短い波長の光子でイオン化され、イオン化に必要な追加的な4eVを供給することができる。このエネルギを備えた光子は、例えばArFレーザを用いることで、このレーザの波長は193nmであるが、容易に得ることができる。このイオン化のプロセスは図4に概念的に示されており、次の方程式によって表すことができる。 Excited atoms or radicals are ionized with the help of photons with certain energy. For example, the excited state of Ar4 3 P 0 , which has a potential energy of 11.7 eV, which is ionized with a photon with a wavelength of 310 nm or shorter, and the additional 4 eV required for ionization Can be supplied. For example, an ArF laser is used as a photon having this energy, and the wavelength of this laser is 193 nm, but can be easily obtained. This ionization process is conceptually illustrated in FIG. 4 and can be represented by the following equation:

X*+hυ → X++e X * + hυ → X + + e

ここで、“X*”は励起状態のガス原子またはラジカルであり、“hυ”は光子のエネルギであり、そして“e”は電子である。このプロセスによって生成された電子は非常に低いエネルギを有している。何故ならば大部分の光子のエネルギが原子またはラジカルから原子を放出するために消費されるからである。   Here, “X *” is an excited gas atom or radical, “hυ” is the photon energy, and “e” is an electron. The electrons generated by this process have very low energy. This is because most photon energy is consumed to eject atoms from atoms or radicals.

上記のイオン化のメカニズムに加えて、中性状態にあるガス原子またはラジカルは同様にまた偶発的な光子によってイオン化される。しかしながら、このイオン化プロセスは無視することができる。何故ならば、このイオン化のための光子のエネルギーとしては全く不十分だからである。たとえこのイオン化のプロセスが起きたとしても、上記で説明した理由と同じ理由のため、放出された電子は低いエネルギを有しており、光子のエネルギの大部分はガス原子またはラジカルをイオン化するために消費される。   In addition to the ionization mechanism described above, neutral gas atoms or radicals are also ionized by accidental photons. However, this ionization process can be ignored. This is because the photon energy for this ionization is quite insufficient. Even if this ionization process occurs, for the same reason as explained above, the emitted electrons have low energy, and most of the photon energy ionizes gas atoms or radicals. Is consumed.

前述したフォト支援イオン化プロセスによって生成されたプラズマはドライエッチングまたは成膜の応用に用いられる。ドライエッチングの応用では、rf電流はウェハー55が配置された下側のrf電極38に供給される。ウェハー表面上の弱いプラズマのため、ウェハー表面上に負の自己バイアスが生成される。もしrf電流の周波数が低く、例えば2MHzであるならば、rf電力はウェハー表面上のプラズマの生成に寄与しない。その代わりに、適用されたrf電力はイオンを付勢してこれらのイオンをウェハー55の表面に加速するために消費する。本来的にイオンは低いエネルギを有している。それ故に、ウェハー表面の上に衝突するイオンのエネルギは、ほとんどrf電極38の自己バイアス電圧によって決定される。このことは垂直に移動するイオンの軌道を作る。これは曲がることのない垂直な側壁を有する穴および溝をエッチングすることにおいて非常に重要な条件である。   The plasma generated by the photo-assisted ionization process described above is used for dry etching or film application. In dry etching applications, the rf current is supplied to the lower rf electrode 38 on which the wafer 55 is located. Due to the weak plasma on the wafer surface, a negative self-bias is generated on the wafer surface. If the frequency of the rf current is low, for example 2 MHz, the rf power does not contribute to the generation of plasma on the wafer surface. Instead, the applied rf power is consumed to energize the ions and accelerate these ions to the surface of the wafer 55. Essentially ions have a low energy. Therefore, the energy of ions impinging on the wafer surface is largely determined by the self-bias voltage of the rf electrode 38. This creates a trajectory for vertically moving ions. This is a very important condition in etching holes and grooves with vertical sidewalls that do not bend.

前述したように、ウェハー処理領域51内の電子は非常に低いエネルギを有している。それ故に、電子はそれほど速く進行しないし、また穴または溝の底において静電界によって穴または溝の底に向かって曲がることもない。このことは当該底の上により高い電子のフラックスをもたらす結果となり、それによって正の電荷の完全なる中性化をもたらす。すなわち、電子陰影効果は全くなくなり、その結果デバイスに対して全く電荷誘導ダメージを生じない。   As described above, the electrons in the wafer processing region 51 have very low energy. Therefore, the electrons do not travel so fast and do not bend toward the bottom of the hole or groove by the electrostatic field at the bottom of the hole or groove. This results in a higher electron flux on the bottom, thereby resulting in complete neutralization of the positive charge. That is, the electronic shadow effect is completely eliminated, and as a result, no charge induced damage is caused to the device.

下部電極38に対してはより高い周波数のrf電流、たとえば60MHzのrf電流を与えることもできるということに留意する必要がある。さらに2つの異なる周波数、1つは高周波数で、他の1つは低周波数の周波数で動作する2つのrf電流を下部電極38に与えることもできる。いずれのケースにおいても、エッチングは十分に実行することが可能である。しかしながら、下部電極38に対してより高い周波数のrf電流を与える場合には、プラズマは当該rf電流の容量結合によって生成される。これは高エネルギ電子を生成することを避けることができず、そのために、電子陰影効果によるデバイスダメージの原因となる。それ故に、このラジカル(プラズマ)支援ドライエッチング装置の主たる条件は、下部電極に与えられるrf電流は、ウェハー処理領域51内でのプラズマ生成に貢献すべきではないということである。
[実施形態3]
It should be noted that a higher frequency rf current, for example a 60 MHz rf current, can be applied to the lower electrode 38. It is also possible to provide the bottom electrode 38 with two rf currents that operate at two different frequencies, one at a high frequency and the other at a low frequency. In either case, the etching can be performed sufficiently. However, when a higher frequency rf current is applied to the lower electrode 38, the plasma is generated by capacitive coupling of the rf current. This cannot avoid generating high-energy electrons, which causes device damage due to the electron shadow effect. Therefore, the main condition of this radical (plasma) assisted dry etching apparatus is that the rf current applied to the lower electrode should not contribute to plasma generation in the wafer processing region 51.
[Embodiment 3]

次に本発明の第3の実施形態を図5を参照して説明する。第3実施形態は第2実施形態を拡張したものである。当該第3実施形態において、プラズマ生成部領域54とウェハー処理領域51を分離するフィルタ32の構成は図5に示されるごとく変更されている。フィルタ32の修正を除いて、すべてのその他のハードウェアは第2実施形態で説明されたものと同じである。   Next, a third embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. The third embodiment is an extension of the second embodiment. In the third embodiment, the configuration of the filter 32 that separates the plasma generation unit region 54 and the wafer processing region 51 is changed as shown in FIG. Except for the modification of the filter 32, all other hardware is the same as described in the second embodiment.

フィルタ32には金属または誘電体物質、好ましくは誘電体物質によって作られている。フィルタ32には複数の貫通孔33が形成されている。加えて、ガスリザーバ71はフィルタ32の内部に作られている。このガスリザーバ71はフィルタ32で作られた貫通孔33と重なってはいない。プロセスガスはガス導入口72を経由してガスリザーバ71の中に供給される。複数のガス導入口73はガス処理領域51に対してプロセスガスを導入するためにガスリザーバ71からウェハー処理領域51に作られる。領域51に対してプロセスガス導入の技術を用いることは、より高い程度でのプロセスガスの解離を防止する。第3実施形態における動作の方法は第2実施形態で説明されたものと同じである。
[実施形態4]
Filter 32 is made of a metal or dielectric material, preferably a dielectric material. A plurality of through holes 33 are formed in the filter 32. In addition, the gas reservoir 71 is made inside the filter 32. The gas reservoir 71 does not overlap with the through hole 33 made of the filter 32. Process gas is supplied into the gas reservoir 71 via the gas inlet 72. A plurality of gas inlets 73 are created from the gas reservoir 71 to the wafer processing region 51 in order to introduce process gas into the gas processing region 51. Using a process gas introduction technique for region 51 prevents process gas dissociation to a higher degree. The method of operation in the third embodiment is the same as that described in the second embodiment.
[Embodiment 4]

さらに図6を参照して第4実施形態を説明する。ここでは、プラズマは円形の形状に形成されたプラズマ生成領域80内に誘導結合型機構によって生成される。rfコイル81はウェハーの高さよりも少し高くかつプラズマ生成領域80内で配置されている。rfコイル81は、整合回路83を通してrf発生器82によりrf電流が供給されている。このrf電流の動作周波数は重要な事項ではなく、500kHzから100MHzの範囲で変化することができる。第4実施形態において、前述したフィルタ32に相当するフィルタ84は円形の形状をしている。フィルタ84の上には複数の貫通孔85が形成されている。シャワーヘッド型のガス導入部口86は反応容器31のトッププレート36の近傍に配置され、これによりプロセスガスまたはガス混合物が導入される。ガスシャワーヘッド87とトッププレート36は電気的に接地されている。   Further, a fourth embodiment will be described with reference to FIG. Here, the plasma is generated by an inductively coupled mechanism in a plasma generation region 80 formed in a circular shape. The rf coil 81 is slightly higher than the height of the wafer and is disposed in the plasma generation region 80. The rf coil 81 is supplied with an rf current from an rf generator 82 through a matching circuit 83. The operating frequency of this rf current is not critical and can vary from 500 kHz to 100 MHz. In the fourth embodiment, the filter 84 corresponding to the filter 32 described above has a circular shape. A plurality of through holes 85 are formed on the filter 84. The shower head type gas inlet port 86 is disposed in the vicinity of the top plate 36 of the reaction vessel 31, thereby introducing a process gas or a gas mixture. The gas shower head 87 and the top plate 36 are electrically grounded.

前述した修正を除いて、すべての他のハードウェアは第2実施形態で説明されたものと同じである。動作の方法も同様にまたプラズマ生成機構を除いて当該実施形態と同じである。このシステムは同様にまた前述した各実施形態で説明されたものと同じ結果を与えることになる。   Except for the modification described above, all other hardware is the same as that described in the second embodiment. The method of operation is also the same as that of the embodiment except for the plasma generation mechanism. This system will also give the same results as described in the previous embodiments.

本発明は、半導体産業においてプラズマ誘導ダメージを生じないかつ低電子エネルギでの化学的気相成長プロセスまたはドライエッチングに利用される。   The present invention is utilized in chemical vapor deposition processes or dry etching with low electron energy that do not cause plasma induced damage in the semiconductor industry.

この図は本発明の第1実施形態の縦断面図である。This figure is a longitudinal sectional view of the first embodiment of the present invention. この図は図1に示された電極の拡大縦断面図である。This figure is an enlarged longitudinal sectional view of the electrode shown in FIG. この図は本発明の第2実施形態のプラズマ処理装置を示す縦断面図である。This figure is a longitudinal sectional view showing a plasma processing apparatus according to a second embodiment of the present invention. この図はエネルギレベルとエネルギ状態の推移を示す図である。This figure shows the transition of energy level and energy state. この図は本発明の第3実施形態のプラズマ処理装置を示す縦断面図である。This figure is a longitudinal sectional view showing a plasma processing apparatus according to a third embodiment of the present invention. この図は本発明の第4実施形態のプラズマ処理装置を示す縦断面図である。This figure is a longitudinal sectional view showing a plasma processing apparatus according to a fourth embodiment of the present invention. この図はエッチング前のMOSキャパシタの縦断面図である。This figure is a longitudinal sectional view of the MOS capacitor before etching. この図はエッチングが完了する直前のMOSキャパシタの縦断面図である。This figure is a longitudinal sectional view of the MOS capacitor immediately before the etching is completed.

符号の説明Explanation of symbols

1 プラズマ処理装置
15 ウェハー
16 下部電極
11 反応容器(チャンバ)
21 電極
22 金属グリッド
23 ウェハーホルダ
26 金属プレート
27 ポーラスシリコン(Si)層
28 SiO2
29 金電極
31 反応容器
32 フィルタ
61 光放射ユニット
62 光源
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Plasma processing apparatus 15 Wafer 16 Lower electrode 11 Reaction container (chamber)
21 Electrode 22 Metal Grid 23 Wafer Holder 26 Metal Plate 27 Porous Silicon (Si) Layer 28 SiO 2 Layer 29 Gold Electrode 31 Reaction Vessel 32 Filter 61 Light Radiation Unit 62 Light Source

Claims (12)

プラズマ生成機構を含むプラズマ生成部と、
処理されるべきウェハーがウェハーホルダにおける下部電極上に配置されているウェハー処理部と、
前記プラズマ生成部と前記ウェハー処理部を分離し、前記ウェハー処理部に到来する望ましくないイオンと電子を除去するフィルタと、
前記プラズマ生成部に配置され、電子を放出する表面部を有する上部電極と、
前記プラズマ生成部にガスを導入するガス導入ユニットと、
前記ウェハー処理部にプロセスガスを導入するガス導入部と、
を備えるプラズマ処理装置、
A plasma generation unit including a plasma generation mechanism;
A wafer processing unit in which a wafer to be processed is disposed on a lower electrode in a wafer holder;
A filter that separates the plasma generation unit and the wafer processing unit and removes unwanted ions and electrons arriving at the wafer processing unit;
An upper electrode disposed on the plasma generator and having a surface for emitting electrons;
A gas introduction unit for introducing gas into the plasma generation unit;
A gas introduction unit for introducing a process gas into the wafer processing unit;
A plasma processing apparatus comprising:
前記上部電極の前記表面部は、ポリシリコン層、ナノ結晶ポリシリコンのポーラス層、極薄いSiO2層、および薄い金属層を有している請求項1記載のプラズマ処理装置。 The plasma processing apparatus according to claim 1, wherein the surface portion of the upper electrode includes a polysilicon layer, a nanocrystalline polysilicon porous layer, an extremely thin SiO 2 layer, and a thin metal layer. 前記上部電極の上の前記薄い金属層と前記フィルタとは、前記フィルタに向かってホット電子を生成し加速するための正のDC電圧が与えられる請求項2記載のプラズマ処理装置。   The plasma processing apparatus according to claim 2, wherein the thin metal layer on the upper electrode and the filter are given a positive DC voltage for generating and accelerating hot electrons toward the filter. 前記フィルタは金属グリッドである請求項1〜3のいずれか1項に記載のプラズマ処理装置。   The plasma processing apparatus according to claim 1, wherein the filter is a metal grid. 前記ポーラスシリコン層は他の物質で置換えられ、当該物質は電界が与えられるとき電子を放出する請求項2〜4のいずれか1項に記載のプラズマ処理装置。   The plasma processing apparatus according to claim 2, wherein the porous silicon layer is replaced with another substance, and the substance emits electrons when an electric field is applied. プラズマ生成機構を含むプラズマ生成部と、
処理されるべきウェハーがウェハーホルダにおける下部電極上に配置されているウェハー処理部と、
前記プラズマ生成部と前記ウェハー処理部とを分離し、前記ウェハー処理部に到来する望ましくないイオンと電子を除去するフィルタと、
赤外線領域から紫外線領域までの光を放射し、前記ウェハー処理部であってかつ前記フィルタと前記下部電極との間の位置に固定される光放射ユニットと、
前記プラズマ生成部にガスを導入するガス導入ユニットと、
前記ウェハー処理部にプロセスガスを導入するガス導入口と、
を備えるプラズマ処理装置。
A plasma generation unit including a plasma generation mechanism;
A wafer processing unit in which a wafer to be processed is disposed on a lower electrode in a wafer holder;
A filter that separates the plasma generation unit and the wafer processing unit and removes unwanted ions and electrons arriving at the wafer processing unit;
A light emitting unit that emits light from the infrared region to the ultraviolet region, and is fixed at a position between the filter and the lower electrode in the wafer processing unit;
A gas introduction unit for introducing gas into the plasma generation unit;
A gas inlet for introducing a process gas into the wafer processing unit;
A plasma processing apparatus comprising:
前記光放射ユニットから放射された前記光は励起状態の原子および/またはラジカルと反応してそれらのイオンを生成し、前記下部電極の上に配置されたウェハーは当該イオンの支援で処理される請求項6記載のプラズマ処理装置。   The light emitted from the light emitting unit reacts with excited atoms and / or radicals to generate ions thereof, and a wafer disposed on the lower electrode is processed with the assistance of the ions. Item 7. The plasma processing apparatus according to Item 6. 前記フィルタは前記プロセスガスを導入するための前記ガス導入口を含む請求項6または7記載のプラズマ処理装置。   The plasma processing apparatus according to claim 6 or 7, wherein the filter includes the gas introduction port for introducing the process gas. 前記光放射ユニットから放射された前記光は前記ウェハーの表面に対してほとんど平行に進行し、前記ウェハーは前記光に直接に晒されないようにされる請求項6または7記載のプラズマ処理装置。   8. The plasma processing apparatus according to claim 6, wherein the light emitted from the light emitting unit travels substantially parallel to the surface of the wafer, and the wafer is not directly exposed to the light. 前記光放射ユニットは、固定または可変の周波数のレーザ光を放射する請求光6または7記載のプラズマ処理装置、   The plasma processing apparatus according to claim 6 or 7, wherein the light emitting unit emits a laser beam having a fixed or variable frequency. フィルタによりウェハー処理部から分離されたプラズマ生成部を有する反応容器内で実行されるプラズマ処理方法であり、
前記プラズマ生成部でプラズマを生成するステップと、
前記プラズマに含まれるラジカルのみを前記フィルタを通して前記プラズマ処理部に通過させるステップと、
前記ウェハー処理部で光放射ユニットから放射された光を用いて前記ラジカルの相互作用でイオンを発生するステップと、
前記イオンの支援でウェハーを処理するステップと、
から成るプラズマ処理方法。
A plasma processing method that is performed in a reaction vessel having a plasma generation unit separated from a wafer processing unit by a filter,
Generating plasma in the plasma generator;
Passing only radicals contained in the plasma through the filter to the plasma processing unit;
Generating ions by interaction of the radicals using light emitted from a light emitting unit in the wafer processing unit;
Processing the wafer with the aid of the ions;
A plasma processing method comprising:
前記光は前記ウェハーの表面に対し平行であるレーザ光である請求項11記載のプラズマ処理方法。
The plasma processing method according to claim 11, wherein the light is a laser beam parallel to a surface of the wafer.
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