JPH03170666A - プラズマ処理装置 - 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】 〔産業上の利用分野〕 本発明はプラズマを用いた処理方法及び装置に係り、特
にプラズマ中のイオンを基板に入射させながら処理する
成膜や強異方性エッチング，表面改質あるいはプラズマ
ドーピングを行なうのに好適なプラズマ処理方法及び装
置に関する．〔従来の技術〕 従来のプラズマ処理装置において、特にイオン処理効率
を高めるために考案された装置としては、特開昭５６−
１３４５０号公報，特開昭６３−１４７３２７号公報に
記載のように、プラズマを生成する手段をすでに有した
装置を用いて、基板にイオンが追随できる高周波を印加
し、イオンを高周波電界により基板へ入射されることで
基板を処理するようになっていた。

〔発明が解決しようとする課題〕

上記従来技術は、イオンを基板に入射させるために基板
に印加する高周波をイオンが追随できる周波数とするこ
とで、プラズマ処理装置や処理効率及び均一性の向上゛
を図っていた。しかし基板印加高周波による放電や，プ
ラズマ中の電子とイオンの易動度の差に基づく誘起直流
電位の発生等の制御については配慮されておらず、如何
に基板印加高周波をイオンが追随できる周波数を用いた
としても、基板には過剰の直流電位が誘起されていた。

その結果，この過剰の誘起電位により、基板とプラズマ
の間に局所放電が発生して基板を著しく損傷させたり、
半導体装置製造過程においては誘起電位による電荷の蓄
積のため素子特性が劣下するといった問題があった．ま
たプラズマ処理効率の向上を図るために基板印加パワを
高くすると、上記誘起電位も高くなるために、処理効率
の向上が図れないといった問題があった。

また、基板印加されている高周波によりプラズマ中に放
電が生じている時には、処理基板と高周波が印加される
基板ホルダの間隙はこの周波数領域において大きなイン
ピーダンス成分となっている．このため，基板内あるい
は基板間のプラズマ処理の均一性が悪いといった問題が
あった。

本発明の目的は、上記不都合を解決することにある。

本発明の目的は、被処理物の損傷を低減しつつ、高品質
のプラズマ処理をすることにある。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的を達成するために、本発明はプラズマと被処理
物である基板での電位差を最小限度に制御、あるいは被
処理物に印加する高周波により新たに放電が生じないよ
うに制御するものである。

また、上記制御により、基板に印加される交流電界を強
めることで処理効率の向上と、基板に印加される電界の
均一性と再現性を高めたものである。

さらに、上記制御による効果を利用して、半導体装置製
造等における高特性の高効率の膜形戊，表面改質、エツ
チング等を実現させたものである。

すなわち、本発明の特徴は、プラズマ処理装置として、
処理中に被処理物が自己バイアスを生じない構造とする
ことである。また、プラズマ処理方法として、処理中に
、被処理物が自己バイアスを生じない条件下で処理を行
うことである７本発明の上記特徴及びその他の特徴は、
以下の記載により、一層明確とされる。

〔作用〕

基板に高周波が印加されると、プラズマ中の電子とイオ
ンは高周波電界により、ほぼ基板垂線方向に運動するが
、周知のように質量に基づく易動度の差、及び粒子直径
に基づく衝突頻度の差から電子とイオンの基板入射量に
は差が生じる。

その差異は、イオンが追随できるような周波数域（Ｎ＋
，Ｏ＋では１ＭＨｚ以下）が印加される時には小さくな
るものの、この入射量の差により基板にはプラズマ電位
に対し２０Ｖ以下の直流電位が誘起される。一方，電子
やイオンは高周波電界により運動を強制され、他の粒子
と衝突している。

基板への印加パワが大きいときには、その加速度も大き
く衝突した粒子を電離させ瞬時の放電を生じさせる。そ
の際、電子やイオンがプラズマから他へ流出、例えば、
プラズマがアース電位となっている真空容器内壁に接触
しているように時には、該内壁を通してアースに流れ込
み，電子なだれを発生させて高周波放電が接続されるよ
うになる。

電子なだれが発生すると、上記入射量の比はほとんど変
化しないものの，入射量の差の絶対値が指数関数的に増
加するため、基板に誘起される直流電位は１０２〜１０
ｓＶに達するようになる。また、放電が生じると、基板
に印加された電力は、放電を維持するため、すなわち、
プラズマを介して基板と真空容器内壁へ流れる電流とし
て消費される。

このため、消費される電力程、プラズマ密度は上昇せず
、また，基板に誘起される直流位は高くなるものの、印
加される高周波電位は放電により消費される電力に比例
して減少する。以上述べたように、基板に印加した高周
波により放電が新たに発生する状況になると，基板には
後に述べるような基板損傷等を招く高い誘起直流電位が
発生し、また、高周波電界により基板へのイオン入射効
率を高めようとした当初の目的も喪失することになる。

基板に誘起される直流電位が高くなると、プラズマと基
板の間に、いわゆる落雷である局所放電が発生し基板を
著しく損傷したり、直流電位に基づく基板のチャージア
ップにより、基板上に形成していた素子の損傷や特性劣
化を招くといった問題が発生する。

従って、プラズマを発生させる手段を有した装置におい
て基板に高周波を印加し、かかる高周波電位により基板
へイオン入射させて基板を処理する方法及び装置では，
イオンが追随できる周波数を印加するのはもちろんのこ
とであるが、基板印加高周波により新たなる放電を生じ
させないことが重要となる。このためには、 １）電離を生じさせるような強い加速を与えないために
高電力の高周波を印加しない、少なくともプラズマを発
生させる手段を停止させた時にプラズマが消滅する電力
以上とする。

２）放電が瞬時にせよ接続しないようにプラズマとプラ
ズマが接する真空容器内部あるいは基板ホルダ等に大電
流、少なくとも直流電流が流れないように該容器やホル
ダ等を絶縁物で被覆する。あるいは浮遊電位等にする。

すなわち，プラズマを介して，印加高周波電流が流れ難
い高インピーダンス状態を形成する。

ことが必要である。

また、放電防止も含めて、素子特性劣下を招く誘起直流
電位をさらに低減するには， ３）高周波を基板に印加する基板ホルダをアース電位と
はしむい、さらに高周波の基準電位を浮かせる、あるい
はプラズマ電位と等しくする。

ことが効果がある。また，誘起電位そのものを、さらに
低減するには， ４）電子とイオンの基板入射量の差を緩和するために主
たるプラズマ生成位置と基板との距離を縮小させ、少な
くともイオンの平均自由行程距離内、（例えば、真空容
器内圧力が０．ＩＰａでは２０Ｏｎ＋＋＋＋，１０Ｐａ
では２ｍ）とする。

ことが必要である。

上記方策を実施した場合、少なくとも上記方策の１つで
も実施した場合、放電の発生が抑制されるあるいは基板
誘起直流電位が著しく低減され、しかも印加される高周
波電界は高くイオン処理効率が高いといった状況が実現
されるため、基板損傷がなく素子特性の影響も著しく低
減された処理が高効率でなされるようになる。また高周
波放電時には基板とホルダ間の間隙が大きなインピーダ
ンス成分となり，基板内あるいは処理ロツド間に不均一
性を与えていたが，上記方策を実施すると放電が防止さ
れるため、処理の均一性も向上する。

さらに、酸化膜やチツ化膜形成においては、基板へ入射
する励起イオン量が多い程、膜質が向上することが知ら
れている（例えばＪｐｎ．Ｊ，Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ２７
　（１９８８）Ｌ１９６２，２８　（１９８９）１０３
５）．従って上記４）の方策を実施した際には、主たる
プラズマ生成位置で生成した励起イオンを直接、基板に
入射させることが出来るため、特に高品質の酸化膜やチ
ツ化膜が得られることになる． 処理効率アップのための、第１の電界の周波数としては
、Ｉ　Ｍ　Ｈ　ｚ以下が、１０Ｈｚ以上が適切である．
イオン種が、０２のＡｒの場合、それぞれ、イオン発生
地点と被処理基板との距離がイオンの平均自由行程以内
（Ｏ　ｘが０．ＩＰａで２０ａＩＩ以内、Ａｒが０．Ｉ
Ｐａ　で１２ｃｏ＋以内）のとき、０２では３００ＫＨ
ｚ以上５　０　０　Ｋ　Ｈ　ｚ以下で，最適は４００Ｋ
Ｈｚであり、Ａｒの場合５０ＫＨＺ以上２００ＫＨｚ以
下で、最適は１　５　０　Ｋ　Ｈ　ｚである。

絶縁物としては、石英又はアルミナセラミックス等種々
の物を用いうるが、その膜厚としては、１３．６ＭＨｚ
　　の高周波に対して絶縁性を持たせるためには、０．
１ｍ以上必要であり、ワレを防ぐために３鴻以下とする
ことが望ましい。

第１の交流電界に対して絶縁性を持たせるためには、０
．１／１３．６ｍａ＋以上必要である。

〔実施例〕

以下、本発明の実施例を図面を用いて詳細に説明する。

失１１よ　第１図は本発明の一形態であるマイクロ波プ
ラズマ処理装置の主要部の模式図である。

本装置は基板１に高周波をつたえる基板ホルダ２，高周
波電源３．高周波の基板電位を与えるアース部４，マグ
ネトロンから放電管７ヘマイクロ波を導くマイクロ波導
波管６．その頂部がマイクロ波導入窓となっている石英
製の放電管？，Ａｆｉ製の真仝容器であるプラズマ処理
室８，ＥＣＲ用の主磁界コイル９，及び付加磁界コイル
１０，反応ガス噴き出し管１２，プラズマガス吹き出し
管１１，排気口１３（排気ポンプ等の排気系は図省略）
，処理室内壁を絶縁するための石英壁１４．１５．１６
よりなる．主磁界コイル９及び付加磁界コイル１０は放
電管７及び処理室８の周囲に設置され、放電管内の最大
磁束密度は２．６　　［ＫＧａｕｓｓ］であり、それぞ
れのコイルに流す電流値により磁束密度分布を制御でき
る。処理室８は直径３７０［ｏｍ］φで、基板ホルダ２
は直径１２０［ｍｍ］φのアルミナコーティングしたＡ
ｆｌ製で、基板を設置する面を除いては石英カバ１７に
より複覆されている。

第２図は装置中心軸方向の磁束密度の分布を、横軸にマ
イクロ波導入窓先端からの距離レ二対して示す。主磁界
及び付加磁界コイルの電流値を調整することにより曲線
１９から２０まで変化させる。

すなわち電子サイクロトロン共鳴（以下ＥＣＲと略す）
位置を基板前方３００［ｇＩ］からＯ　［ｍａ］まで変
化させることができる。

被処理基板１として、シリコンウエハ（直径１００［ｍ
ｓ］　φ）上に厚さ０．５［μｍｌの熱酸化ＳｉＯｚ膜
を形成した基板を用いて、ガスノズル１１よりＡｒガス
を１　０　０　［ｍ　Ｑ　／　ｍｉｎ］導入し、処理室
内の圧力を０．２［Ｐａｌとし、２　．　４　５　［Ｇ
ＩＩｚｌの６００［Ｗ］のマイクロ波５を放電管７に導
入し、かつ、磁界コイル９と１０により８７５［Ｇａｕ
ｓｓｌ以上の磁界を発生させて、ＳｉＯｚ膜のスパッタ
リングを行なった。この時の基板とＥＣＲの距離は１５
Ｑ［ｎｍｌ，基板に印加する周波数は４　０　０　Ｋ　
Ｈ　ｚとした。第３図は基板に印加される基４１！電位
からピーク電位までの高周波電位の印加パワ依存性を示
した図である。図中Ｂの曲線は絶縁壁１４〜ｌ６がある
時、Ａの曲線は絶縁壁１４がない時の値を示す。また第
４図はこの時の基板に誘起される直流電位を示している
。第５図は基板位置における電子密度をブローブ法にて
測定した値を示す。これらの図より、基板上面の絶縁壁
１５がない時には、印加される高周波電位はパワの増大
とともに増加はしているものの飽和する傾向をし、誘起
される直流電位は印加パワが１００［Ｗ］を超えたあた
りから増大している。また、基板に高周波が印加され，
パワが増大するにつけて電子密度が増大している。この
ことより印加した高周波が１００［Ｗ］を超えたあたり
から放電が生じていることがわかる。また誘起電位が２
５０［・Ｖ］を超えたあたりから基板とプラズマの間に
局所放電が発生し基板が損傷されるようになった。

またこのＡの場合、高周波印加パワが１００［Ｗ１以上
の時にはマイクロ波の導入を停止しても放電は接続され
基板への高周波の印加を停止して初めて放電が停止する
状態であった。一方、処理室内部が充分に絶縁されてい
るＢの場合は、印加パワが６００［Ｗ］までは、印加パ
ワに比例して高周波電位は増大し、また．誘起直流電位
は約−１５［ｖ］に一定で、電子密度も一定である。す
なわち基板に印加した高周波による放電は発生していな
いことがわかる。しかし６００［Ｖ］を過ぎたあたりか
ら電子密度が増大することから高周波放電が起ているこ
とがわかる．６００［Ｖ］以上では、高周波電位は飽和
し始め，誘起直流電位も著しく増大し、印加パワが８５
０［Ｗ］では基板に局所放電が発生するようになった。

第６図はこの時のＳｉＯｚ膜のスパツタ速度を示してあ
る。放電が発生していないＢの場合には、基板に印加さ
れる高周波電位を有効に利用できるためにＡの場合に比
してスバツタ速度が大きいことがわかる。

これらの結果より、イオンが追随できる周波数を基板に
印加した際にも、印加パワをある程度以上導入すると高
周波放電が発生し、その結果、高周波電位は飽和し、誘
起直流電位が大きくなること、誘起される直流電位が大
きくなると局所放電により基板が損傷されること、また
、イオン処理効率も低下することがわかる。一方プラズ
マが触れる、例えば処理室内を、絶縁材で被覆すると放
電発生を抑制することができ、比較的高パワの高周波を
、放電を生じさせないで印加することができる。このた
め、基板に高い直流電位を誘起させることがなくまた高
い高周波電位を利用できるので、基板に損傷を与えるこ
となく高効率のイオン処理ができる。

失五鮭主　　プラズマガス供給ノズル１１より酸素１　
０　０　Ｃｍ　Ｑ　／ｍｉｎｌ　、反応ガスノズル１２
よりモノシラン，ＳｉＨａスを２　０　［ｍ　Ｑ　／ｍ
ｉｎ］を導入してＰ型シリコン基板上に０．３ｃμｍ］
厚さのＳｉ○２膜を形成した。他の条件は実施例１のＢ
と同じである．第７図は基板に誘起される直流電位の印
加高周波パワ依存性を示す。印加パヮが６００［Ｗ］あ
たりから急減に増加している。第８図は堆積させたＳｉ
ＯｚＩＩＡ上に０．８［μｍｌのＡｍ電極を形成し、Ａ
（２電極とＳｉ基板のｃ−■特性評価より求めた界面固
定電荷の周波数シフト値Δｑｓｓの値〔Δｑｓｓミｑ　
ｓｓ（ａ　＋　１　０　Ｍ　Ｈ　ｚ　）−ｑｓｓ（ａ＋
１０ＭＨｚ））を印加パヮに対して示した図である．印
加高周波パヮが６００［Ｗ］をこえた所、すなわち、誘
起直流電位が増加し始めた所から急激に上昇しており、
膜中には著しい電荷が蓄積されていることがわかる。第
８図より印加パワが６００［Ｗ］と８００［Ｗ］では誘
起電位が１８［Ｖ］と３８［Ｖ］で、倍になっただけで
あるが，この時の電荷蓄積量は９００倍以上にもなって
いることがわかる。このことから、形戊膜に電気的特性
劣下を招かないためには、基板に誘起される直流電位を
低減させる必要があることがわかる．このためにも、高
周波放電の発生を抑制する必要がある。

失隨旌主　　主磁界コイル９と付加磁界コイル１０の電
流値を調整して，基板からＥＣＲまでの距離を２０〜３
００・［圓コとし、基板に印加する高周波パワは４００
［Ｗ］に固定して実施例２と同じ条件でＳｉＯｚ膜を形
成した。基板に誘起される直流電位、及び実施例２で評
価したΔｑｓｓの基板からＥＣＲまでの距離依存性を第
９，１０図に示す。図中Ｂの曲線は印加高周波の基準電
位がアース電位の場合を、Ｃの曲線は高周波電源３とア
ース電位４の間にコンデンサーを介することで高周波の
基準電位を浮遊電位とした場合を示す．第９図よりＥＣ
Ｒ位置を基板に近づけると誘起電位が著しく低下するこ
と、また、酸素イオンの平均自由行程は０．１５［Ｐａ
］では約１５０［ｍｍｌとなるが、この平均自由行程距
離内では特に誘起電位が低下していること、及び基板を
浮遊電位とした時には、基板をアース電位とした時に比
して、さらに誘起電位が低下することがわかる。

また第１０図より、ＥＣＲが基板に近い程，基板を浮遊
電位とした時の方が、すなわち、基板に誘起される直流
電位が低い程、膜中の電荷蓄積量が減少することがわか
る．これらのことより、マイクロ波プラズマの主プラズ
マ生成位置であるＥＣＲを基板に近づけすくなくともイ
オンの平均自由行程距離内にすると、電子とイオンの基
板入射量の差が著しく低減され，その結果、誘起直流電
位が減少すること、また、基板を浮遊電位とすると、プ
ラズマと基板の電位差そのものが低減されることがわか
る．このように基板での誘起直流電位を低減させると電
気的特性を劣下させずに膜形成ができることがわかる． 失凰舊工　　第１１図は本発明の一形態を示す共振型の
マイクロ波プラズマ装置の主要部の断面を示す．マイク
ロ波５は導波管６により、石英窓２２を通して共振箱２
１に導入される。共振により電界強度を高めたマイクロ
波はスリットを有したマイクロ波導入窓７′により処理
室８に導入されプラズマを生成するようになっている．
また基板ホルダは上下方向に移動可能となっている。図
中の他の数字は第１図と同一機能をはたす部分を示す．
この装置特性を酸素ガスを用いて調べた。実験はガスノ
ズル１１より酸素ガスを２　０　０ｈｍ　Ｑ　／ｍｉｎ
ｌ導入し処理室８内は０．５［Ｐａ］に減圧し、導入マ
イクロ波パワは３００［Ｗ］で行なった。第１１図は基
板がマイクロ波導入窓より１００［ｍ］離れた時の処理
室内の基板上方にある絶縁板１４がない時（Ａ）とある
時（Ｂ）における誘起直流電位の基板への印加高周波パ
ワ依存性を示す．絶縁板がない時（Ａ）には印加パワ５
０［Ｗ］程度から高周波放電が発生し誘起電位は著しく
増加することがわかる．この時には、マイクロ波５の導
入を停止しても高周波放電は消滅しなかった．一方、処
理室内が絶縁された場合（Ｂ）には、印加バワが５００
［Ｗ］までは放電が見られなかった。

第１２図はＢの状況において高周波印加パワが４００［
Ｗ］の時の、マイクロ波導入窓と基板までの距離に対す
る誘起電位を示している．酸素イオンの平均自由行程距
離は０．５［Ｐａ］で約４０［ｍｍｌであり、本装置の
主プラズマ生成位置はマイクロ波導入患部となるが、先
の実施例結果と同じく、基板を少なくとも酸素イオンの
平均自由行程距離内まで近づけた時には誘起直流電位を
低減できることがわかる．次にガスノズルによりＳｉＨ
ａを２０［ｍＱ／ｍｉｎｌ導入してＳｉＯｚ膜を形威し
，Δｑｓｓを調べた．基板がマイクロ波導入窓より１０
０　［■］離れた時のＡ及びＢの場合には、放電が発生
していない時、すなわち、Ａでは印加高周波パワが５０
［Ｗ］以下、Ｂでは５００ＣＷＩ以下ではΔｑｓｓは８
　Ｘ　１　０”／ａｌ未満であったが、上記印加パワ以
上ではＩ　Ｘ　１　０１０／Ｊ以上となった．また、Ｂ
の場合で基板をマイクロ波導入窓まで４０［ＩＩＩＩｌ
］に位置させた時には、Δｑ　ＳＳ二’ｌ　Ｘ　１　０
　９／　ｔｙＡであった。これらのことより、共振型マ
イクロ波プラズマ装置においても、すくなくとも高周波
放電を発生させず、しかも基板への誘起直流電位を低下
させることが重要であることがわかる。

失ＩＬ旦　第１４図は本発明の一形態であるＲＦプラズ
マ処理装置の主要部の断面を示す。この装置は平行平板
式の枚葉処理装置で、プラズマは基板上を設置した電極
２に対向した電極２３に１３．６ＭＨｚ高周波電源２４
よりＲＦ波が印加され生成される。処理室はＲＦ印加側
にアース電位としたＳｕＳ部と基板設置側の石英部より
形成されている。この装置を用いＡｒガスにより銅膜を
スパツタ（ミリング）した。Ａｒガスはガスノズル１１
より２　０　Ｃｍ　Ｑ　／ｍｉｎｌ導入し、処理室は、
１０［Ｐａｌに減圧した．ＲＦ波は４００［Ｗ］，基板
印加高周波は１５０ＫＨｚ．１００　［Ｗ］として電極
２と２３の距離を変化させて実験した。この時に基板に
誘起された直流電位の電極間隔依存性を第１５図に示す
。図中Ｂの曲線は基板に印加する高周波の基準電位をア
ース電位とした時，Ｄは電極を浮遊電位とした時、Ｅは
第１４図の２５に記した探針を用いて基準電位をプラズ
マ電位とした時の値を示す。上記、高周波印加パワにお
いては基板に印加した高周波に基づく放電は認められな
かった。

Ａｒイオンの１０［Ｐａ］での平均自由行程距離は約２
［一］であり、本方式のＲＦプラズマ生戒の最大位置は
ほぼ両極板の中央にあるが、第１５図から基板を上記中
央部まで少なくとも平均自由行程距離内に近づけると誘
起直流電位が著しく低下することがわかる。また，誘起
電位は、基板印加高周波の基準電位がアース電位である
より、浮遊電位の方が、さらにプラズマ電位とした時の
方が低下させることができることがわかる。またミリン
グにより形成された銅パターンの電導度を測定した所、
誘起電位が低い状況でミリングしたもの程、電導度は高
いことがわかった。このようにスバツタ（ミリング）に
おいても，高周波放電を引き起こさないことはもちろん
のこと、ダメージ的にも、基板への誘起直流電位は極力
抑えることが望まれる。

Ｉｌｌ　　第１６図は本発明の一形態であるマイクロ波
プラズマ処理装置主要部の断面を示す。特徴は、処理室
内にマイクロ波の絶縁筒２７を有した発散防止筒２６を
設置したことにあり、また磁力線方向も防止筒接線方向
にしたことにある。これによりＥＣＲを処理室８内に位
置させてもＥＣＲを防止筒２６内に制限でき、プラズマ
をほぼ基板面にのみ照射できる。実施例１と同一条件で
、印加高周波パワに対する基板誘起直流電流を測定した
結果を第１７図に示す。図中Ａ′は上部絶縁板１４がな
い時を，Ｂ′は絶縁板がある時を示す。

参考のため、マイクロ波発散防止筒２６がない時の値、
すなわち、実施例ｌのＡとＢの曲線も示してある。第１
７図より、プラズマの流れる領域を限定すると（Ａ’　
．ｔ　Ｂ’　）高周波放電の発生を抑制できることがわ
かる。また，プラズマ流れの径方向が縮小され、プラズ
マの発散がなくなり、その分処理効率は向上した。この
ように、プラズマの流れを制御すると高周波放電の抑制
ができ、またイオン処理効率も向上することがわかる。

男』４鮮１一　実施例６の装置を用いガス導入ノズル１
１より酸素を３　０　０　［ｍ　１１　／ｍｊ．ｎｌ　
、ノズルによりＳｉＨ４を１　〜６０［ｍｌ２／Ｉｌｉ
ｎコ導入し処理室内を０．３［Ｐａ．］に減圧してＳｉ
Ｏｚ膜を形成した。導入したマイクロ波パワは６００［
Ｗ］で基板からＥＣＲまでの距離は１００［ｎｍ］とし
た。

堆積させたＳ　ｉ　Ｏｚ膜の４１緩フツ酸液によるエツ
チレートを、ＳｉＯｚ膜堆積速度に対して第１８図に示
す．図中Ａ′は実施例７の条件において、印加高周波バ
ワを３００［Ｗ］とした時の値を、Ｆは高周波を印加し
ない時の値を示す。高周波が印加されない時では，堆積
速度が増加するに伴い、エツチレートも大きく、すなわ
ち、膜が著しく粗になることがわかる。一方、高周波が
印加された時には、堆積速度が大きくとも、膜は熱酸化
膜の緻密性を有することがわかる。第１９図は堆積速度
が１　０　０　０ｗｎ　ｍ／＋ｍｉｎ］となる状況にお
ける、エツチレートの印加高周波パワ依存性を示す。印
加パワが１００［Ｗ］と低パワでも堆積膜は著し＜＊ｍ
性が向上することがわかる。第２０図は高周波パワが３
００［Ｗ］とした時のエツチレートの印加高周波数依存
性を示す。周波数がほぼｌ０６［Ｈｚ］以上では高周波
放電が発生しプラズマ密度が増加するような状況となっ
ているが、堆積膜の緻密性はむしろ低下していることが
わかる。基板に比較的低い周波数を用いた場合には，主
プラズマ生成部で生成した励起度の高いイオン種を、そ
の周波数周期内に基板までとりこめる確率が高くなるの
で、高・励起イオンを利用して膜形成を行なう際には、
ほぼ１０Ｂ［Ｈｚｌ以下の周波数を用いることが良いこ
とがわかる．第２ｌ図は周波数が４００　［ＫＨｚｌの
場合のエツチレートの基板からＥＣＲまでの距離依存性
を示す． この結果より、基板がＥＣＲ位置に近づける程、高励起
イオンの入射量を増やすことができ、より高品質の膜形
成ができることがわかる．以上述べたように、イオンが
追随できる周波数を基板に印加しながら基板処理を行な
うプラズマ処理は，特に膜形成に大きな効果を与えるこ
とがわかる。尚、この際、損傷や特性劣下を防ぐために
，高周波放電を発生させないことは言うまでもない．去
４４匿』一　被処理基板として、１．０［μｍ］幅のＡ
ｎ配線を有し、Ｓｉ基板上に形成された半導体素子に第
１６図に記載の装置を用いて平坦化ＳｉＯｚｉｉを形成
した、平坦化のためのスパツタイオンは酸素イオンであ
る．印加周波数は４００［ＫＨｚ］，導入マイクロ波パ
ワ６００［Ｗ］．印加高周波パワ６００［Ｗ］，基板か
らＥＣＲまでの距離１００［ｍｏ＋］として、他は実施
例７のＡ′とＢ′と同じ＜Ｌ，１００枚を処理した。放
電が生じる場合（Ａ′）での平均の平坦化速度は２００
［ｎｍ／鳳ｉｎ］で、基板内での最大誤差２３［％］、
基板間での最大誤差は１枚目と１００枚目の間で発生し
３３［％］にもなった．素子形戊の歩留りは３［％コで
あった．一方、放電が生じない場合（Ｂ′〉では、平均
平坦化速度は３１０［：ｎ　ｍ／■ｉｎ］で、基板内及
び基板間での最大誤差は５％内であった。また，素子の
歩留りは８８［％］であった．これらの結果より、高周
波放電を生じさせない時には、処理特性が著しく優れ、
均一性、再現性及び損傷がほとんどなく、しかも高処理
効率が達威されることがわかる。

失ｍ　　被処理基板としてＣｒ配線を施した１００［ｍ
ｍｌ角のガラス基板を用い、第１図に記載の装置を用い
てガスノズル１１から酸素のかわりにチッ素ガスを流す
ことでＳｉＮ＠を形成した．基板印加高周波パワは２０
０［Ｗ］とし，処理枚数は５０枚で他は実施例８のＡ′
とＢ′と同じくした。スバツタ効果は、Ｃｒ配線側壁の
膜質を向上させるためである。この後、ノンドープＳｉ
，リンドープＳｉ膜を他の装置により連続形成し、しか
る後に所定の処理を施して走査線が１０００ＸＩＯＯＧ
　Ｃ本］の液晶デイスプレを作製してディスブレの歩留
りと走査線の歩留りを調べた。高周波放電が生じた場合
には、走査線の歩留りが３０［％］で、デイスプレの歩
留りは２％であったが、放電を生じさせない場合には、
走査線歩留リ８６［％］，デイスプレの歩留りは６０％
となった．このようにＴＰＴ作製においても、高周波放
電を防止すると，歩留りの著しい向上が図れる。

Ｕ−　被処理基板として、シリコンウエハ上に厚さ１０
０［ｎｍｌの熱酸化膜を形成した後にレジストでパター
ニングしたものを用い、第１６図に記載した装置で酸化
膜のエッチングを行なった．反応ガスにＣ　Ｈ　Ｆ　ｓ
を用い、ガスノズル１１から３０［ｍｎ，＾ｉｎ］導入
した。基板印加高周波バワは２００［Ｗ］とし、他は実
施例８のＡ′とＢ′と同じくした．高周波放電が生じた
（Ａ′）場合には、エツチング速度は１２０［ｎｍ／ｍ
ｉｎ］で下地Ｓｉ基板に対する選択性は８であったが、
高周波放電が生じない（Ｂ′）場合には、エッチング速
度は２００Ｃｎｍ／ｍｉｎｌで下地Ｓｉ基板に対する選
択性は１５となった。この結果から，放電が生じて、高
周波電位が低下したり，放電により直流電位が誘起され
た場合には、エッチング速度が低下し、また基板のチャ
ージアップにより選択性が低下することがわかる．これ
らのことより，高周波放電の防止と、基板誘起電位の低
減化はエッチングにも大きな効果を与えることがわかる
。

＆　　被処理基板としてシリコンウエハを用い、第１６
図に記載した装置で、ガスノズル１１よりボスフィン，
ｐＨａを１　０　［ｍ　Ｑ　／ＩＩＩｉｎ］導入して、
リン、Ｐのドーピングを１０分間行なった。他は実施例
１０と同じくし、そのドーズ量を調べた。放電が生じた
（Ａ′）場合のドーズ量は３Ｘ１０”［ａｎ″″２］で
あったが、放電が生じない（Ｂ′）場合にはＩＸＩＯ１
５［備１コにもなった。この結果より、放電を生じさせ
ずに、基板印加の高周波電位を有効利用するとドーピン
グ速度の著しい向上が図れることがわかる。

運量版夕ＬＬ』エ　被処理基板として直径１　０　０　
［ａｍｌφ，厚さ１［ｍ］のポリカーボネイト板を用い
、ガスノズル１１からアンモニアＮ　Ｈ　ｓを５０［ｍ
ｌ２７ｗｉｎ］導入し、基板をアンモニア処理１分後、
続けてガスノズルｌ２からＳｉＨａを５　［ｍ　１２　
／ｍｉｎ］導入し，アンモニア処理後の基板にチツ化ケ
イ素膜を１００　［ｎｍｌ堆積させ、ポリカーボネイト
材とチツ化ケイ素膜の密着力を調べた。他の条件は実施
例１１と同じくした。密着力の評価は膜堆積後のウエハ
を６０　［’Ｃ］　，９０　［％］　ＲＨ雰囲気の中で
加速劣下テスト（６０００　［ｈ］　）をし、その時の
はがれを目視観測した。参考のため基板に高周波を印加
しない条件も（Ｆ）を付け加えた。

基板高周波印加がない場合には２００［ｈ］で膜はがれ
が生じ、基板高周波印加があり、放電が生じた場合（Ａ
′）では、１０００　［ｈｌまで膜はがれは生じなかっ
た。さらに高周波印加があり、放電を生じさせない場合
（Ｂ′）では、５０００［ｈ］まで膜はがれが生じなか
った。これらのことより、基板に高周波を印加して有機
基板を処理すると密着性が向上し、しかも、高周波放電
が生じないようにした場合には、さらに密着性が向上す
ることがわかる．尚、シリコン基板にポリイミド樹脂を
塗布形成して，ポリイミド上に、銅，Ｃｕを蒸着させる
実験においても、基板に高周波を印加しながらチッ素ガ
スにより表面処理した方が，また、基板印加高周波によ
る放電が生じない時の方が、Ｃｕとの密着性は強まるこ
ともわかった。このように、有機上への膜形成あるいは
有機材表面の改質においても，高周波印加を加えながら
処理する，及び該高周波による放電を防止しながら処理
することは著しい効果をもたらすことがわかる。

失産鼻よ主　第２２図は本発明の一形態であるマイクロ
波プラズマ処理装置主要部の断面を示す。

第１６図との違いは，処理室の発散放止筒２６′に被ス
パツタターゲット２８を設置してあることにある．これ
に高周波（高周波電源は２９）が印加でき、イオンによ
りこのターゲット２８をスバツタなど，基板上に膜堆積
ができる。

被処理基板として、熱酸化膜を２０［ｎｍｌ厚さ形成し
たシリコンウエハを用い、ターゲットとしてはチタン酸
バリウムＢ　ｉ４Ｔｉｓｏｘｚの焼結体を用いて、チタ
ン酸バリウム膜の膜形成を行なった．この際基板は３０
０［’Ｃ］に加熱した。形成にはガスノズル１１より酸
素１　０　０　［ｍ　Ｑ　／ｍｉｎ］導入し，圧力は０
．３［Ｐａｌ　，μ波導入パワは６００　［Ｗ］　，Ｅ
ＣＲ位置はターゲット位置よりも２０［ｍｌ程μ波導入
側とした。ターゲットへは３００［ＫＨｚｌの高周波を
４００［Ｗコ印加した．上記条件において、基板への高
周波印加がない時（Ｇ）、絶縁筒２７′をはずし基板へ
４００ＫＨｚの高周波２００［Ｗコを印加した時（Ａ１
）、絶縁筒２７′を設置して、高周波印加した時（Ｂ′
）の３通りで膜形成を行なった。Ａ′の場合には基板印
加高周波による放電が認められ、基板には直流電位が３
００［Ｖ］誘起された。Ｂ′の場合には高周波放電は認
められなかった。Ｇの場合には形成された膜は非品質で
あったが、Ａ′とＢ′の場合は、（００１）配向を示し
た。Ａ′の場合には完全な単結晶性を示さないが、Ｂ′
の場合には完全な単結性となり、そのＣ軸の格子定数は
３２．９［ｎｍｌで、完全な強誘電膜が得られた．この
ように、強誘電膜を形成する時にも，基板に高周波を印
加することは効果があり、さらに、高周波放電が生じな
い系とすると、さらに著しい効果があることがわかる。

また、基板にイオンが追随できない周波数である１３．
６ＭＨｚ　　をＡ′の条件で同一パワ導入した時には、
非品質な膜しか得られなかったので，強誘電体膜形成に
は、イオンが追随できる周波数の印加が効果をもたらす
ことがわかる。

多ｕ虹身ＬＬ４一　被ターゲットとして，ＢｉＰｂＳｒ
ＣａＣｕの焼結体を用い，基板にＭｇＯを用いて超電導
膜形成を行なった。他の条件は実施例１３と同じである
。Ｇの場合には非品質であり、Ａ′の場合には単相の膜
とはならず，Ｂ１の場合にはＣ軸の格子定数が３７．４
［Ａ’　］の単相で高Ｔｃ相が得られた．また、１３．
６ＭＨｚを基板に印加した時には非晶質であった．この
ことより、超電導膜形成においても、イオンが追随でき
る周波数を基板に印加することは効果があり，さらに基
板印加高周波による放電を生じさせないシステムとする
と，高Ｔｃの超電導膜が形成できることがわかる。

プラズマ発生手段としては、マイクロ波（例えば、２．
４５ＧＨｚ）を用いるもの、高い周波数（例えば１３．
６ＭＨｚ）の電界を用いるもの又は、光励起によって、
プラズマを発生させるものなど種々のものが考えられる
． 〔発明の効果〕 本発明によれば、基板に印加した高周波により放電が発
生するのが著しく抑制するので、基板損傷を与えず、素
子特性劣下を招くことなく基板を処理できるので、ＬＳ
ＩやＴＰＴ等の半導体装置製造や有機基板を用いたディ
スク等の製造において高特性の再現性の高い処理ができ
る効果がある．また，放電を抑制してあるために、基板
に印加された高周波電位を有効に利用できるので、処理
効率の著しい向上や処理特性の向上が図れる効果がある
．さらに、高励起イオンの基板入射量を増加させること
ができるので、強誘電体や超電導膜を含めた、酸化膜や
チツ化膜の品質の向上が図れる効果もある．

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一形態であるマイクロ波プラズマ装置
の模式図、第２図は磁束密度のマイクロ波導入窓先端か
らの距離依存性を示す。第３図ないし第６図は、それぞ
れ，高周波電位，直流誘起電位，電子密度及びＡｒによ
りＳ　ｉ　Ｏ＊膜スバツタ速度の印加高周波パワ依存性
を示す．第７図，第８図は，それぞれＳ　ｉ　Ｏｘ膜形
成時の誘起直流電位と固定電界密度の周波数シフト値Δ
ｑｓｓの印加高周波パワ依存性を示す．第９図，第１０
図は，それぞれＳｉＯｚ膜形成時の誘起直流電位とΔｑ
ｓｓの基板からＥＣＲまでの距離依存性を示す．第１１
図は本発明の一形態であるマイクロ波プラズマ装置の模
式図、第１２図，第１３図は、それぞれ酸素ガスプラズ
マの誘起直流電位の印加高周波バワ依存性とマイクロ波
導入窓と基板の距離依存性を示す．第１４図は本発明の
一形態であるＲＦプラズマ処理装置の模式図，第１５図
はＡｒによるスバッタエッチング時の誘起直流電位の電
極間距離依存性を示す．第１６図は本発明の一形態であ
るマイクロ波プラズマ処理装置の模式図、第１７図は，
誘起直流電流の印加高周波．パワ依存性を示す．第１８
図ないし第２１図はそれぞれ、堆積ＳｉＯｚ膜のエッチ
レートの堆積速度依存性，印加高周波パワ依存性，印加
周波数依存性及び基板からＥＣＲまでの距離依存性を示
す．第２２図は、本発明の一形態であるマイクロ波プラ
ズマ装置の模式図である． １・・・基板、３・・・高周波電源、５・・・マイクロ
波、７・・・放電管、７′・・・マイクロ波導入窓、８
・・・処理室，９，１０・・・磁界コイル、１４・・・
絶縁板、１８・・・ＥＣＲ位置，２１・・・共振箱、２
３・・・ＲＦ印加電極、２６・・・マイクロ波発散防止
筒、Ａ，Ａ’・・・絶縁板なし、Ｂ，Ｂ’・・・絶縁板
あり、Ｃ，Ｄ・・・基板が浮遊電位、Ｅ・・・基板がプ
ラズマ電位、Ｆ・・・高周波印加なし．２７，２７’・
・・絶縁筒，２８・・・ターゲット、２９・・・ターゲ
ット印加用高周波電源．第 ２ 図 マイクロ波導入窓先端からの距１１（ｍ）第 ３ 図 印加高周波パワ（Ｗ） 印加高周波バワ（Ｗ） 第 ４ 図 印加高Ｍａバワ（Ｗ） 印加扁周波パフ（Ｗ） 第 ９ 図 第１０図 第１２図 第１３図 第１４図 ［１５図 電極間の距離（　ｔｍ　） 第１６図 １０ 第１７図 印加高周波バワ（Ｗ） 第１８図 第１９図 Ｓｉｎ，膜堆積速度（　ｎ　ｍ／ｍ　ｉ　ｎ）印加高周
波バク（Ｗ） 印加藁ｌｌｌ波周波数（ＨＺ）

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．被処理物を納める容器と、 上記容器内に所定元素のプラズマを生成する手段と、 上記容器内の上記プラズマの領域の少なくとも一部領域
   に第１の交流電界を印加する手段とを具備し、 上記被処理物の被処理面を除いた上記容器内の上記プラ
   ズマが接する露出面が、上記第１の交流電界に対して少
   なくとも絶縁性を示す物質より被覆されたことを特徴と
   するプラズマ処理装置。 ２．被処理を納める容器と、 上記容器内に所定元素のプラズマを生成する手段と、 上記容器内の上記プラズマが生成する領域の少なくとも
   一部領域に第１の交流電界を印加する手段とを具備し、 上記容器内の上記被処理物近傍において、上記第１の交
   流電界による放電が実質的に生じないこと特徴とするプ
   ラズマ処理装置。 ３．被処理物を納める容器と、 上記容器内に所定元素のプラズマを生成する手段と、 上記容器内の上記プラズマが生成する領域の少なくとも
   一部領域に第１の交流電界を印加する手段とを具備し、 上記第１の交流電界を印加する手段は、容器内部に接地
   手段を持たないことを特徴とするプラズマ処理装置。 ４．請求項１ないし請求項３において、 上記プラズマを生成する手段は、マイクロ波による電子
   サイクロトロン共鳴を起こす手段を含むことを特徴とす
   るプラズマ処理装置。 ５．請求項１ないし請求項３において、 上記プラズマ生成する手段は、上記第１の交流電界より
   も高い周波数の第２の交流電界を印加する手段を含むこ
   とを特徴とするプラズマ処理装置。 ６．請求項１ないし請求項５において、 上記絶縁性を示す物質は、石英又はアルミナセラミツク
   スを主たる成分とすることを特徴とするプラズマ処理装
   置。 ７．請求項６において、 上記絶縁性を示す物質は、膜厚０．１ミリメートル以上
   、３ミリメートル以下であることを特徴とするプラズマ
   処理装置。 ８．請求項３において、 上記第１の交流電界を印加する手段は、２つの電極を有
   し、 上記被処理物は上記電極の何れかに保持されたことを特
   徴とするプラズマ処理装置。 ９．請求項８において、 上記被処理物が保持された上記電極は、浮遊電位である
   ことを特徴とするプラズマ処理装置。 １０．請求項８において、 上記被処理物が保持された上記電極に上記第１の交流電
   界を印加する手段と、上記被処理物が保持されない上記
   電極に上記第１の交流電界よりも高い周波数の第２の交
   流電界を印加する手段とを含むことを特徴とするプラズ
   マ処理装置。 １１．以下の工程を含むことを特徴とするプラズマ処理
   方法、 （１）所定容器内に被処理物を保持する工程、 （２）上記容器内に、プラズマを生成する工程、 （３）上記被処理物に実質的に自己バイアスを生じない
   ような条件下において、上記プラズマを上記被処理物に
   接する工程。 １２．請求項１１のプラズマ処理方法において、上記工
   程（２）において、所定ガスにマイクロ波を入射して、
   電子サイクロトロン共鳴を起こすことを特徴とするプラ
   ズマ処理方法。 １３．請求項１２のプラズマ処理方法において、上記マ
   イクロ波の周波数は、２．４５ＧＨｚ又は３．２ＧＨｚ
   であることを特徴とするプラズマ処理方法。 １４．請求項１１のプラズマ処理方法において、上記工
   程（２）において、所定ガスに高周波電界を印加するこ
   とを特徴とするプラズマ処理方法。 １５．請求項１２のプラズマ処理方法において、上記高
   周波電界の周波数は、１３．６ＭＨｚであることを特徴
   とするプラズマ処理方法。 １６．請求項１１乃至請求項１５のプラズマ処理方法に
   おいて、 上記条件は、プラズマ処理に関与するイオン種が追随で
   きる周波数の電界を上記被処理物に印加し、上記電界の
   基準電位と且つプラズマ中の電子密度が実質的に変動し
   ないことを特徴とするプラズマ処理方法。 １７．請求項１１乃至請求項１５のプラズマ処理方法に
   おいて、 上記条件は、１０Ｈｚ乃至１ＭＨｚの周波数且つ単独で
   はプラズマを維持できない電力値の電界を上記被処理物
   に印加し、上記電界の基準電位と上記プラズマとの電位
   差が２０Ｖ未満となることを特徴とするプラズマ処理方
   法。 １８．請求項１６又は請求項１７のプラズマ処理方法に
   おいて、 上記基準電位と上記プラズマ電位が等しいことを特徴と
   するプラズマ処理方法。 １９．請求項１６又は請求項１７のプラズマ処理方法に
   おいて、 上記被処理物を浮遊電位としたことを特徴とするプラズ
   マ処理方法。 ２０．請求項１２または請求項１３において、上記電子
   サイクロトロン共鳴の共鳴面で生成したイオンが上記被
   処理物に到達できる距離内に上記共鳴面を位置させるこ
   とを特徴としたプラズマ処理方法。 ２１．請求項１２または請求項１３において、上記マイ
   クロ波の導入の窓位置を、被処理物垂線方向において、
   生成したイオンが上記印加周波数で基板に到達できる距
   離内に設置したことを特徴とするプラズマ処理方法。 ２２．請求項１１ないし２１において、上記被処理物の
   水平方向において、上記プラズマを磁界により制御し、
   路上記被処理物面のみにプラズマを接触させることを特
   徴としたプラズマ処理方法。 ２３．請求項１ないし請求項１０において、上記容器内
   においてアース電極となる導電部は露出していないこと
   を特徴としたプラズマ処理装置。 ２４．請求項１１ないし請求項２１において、成膜速度
   が０．２μｍ／ｍｉｎ以上となる条件において、成膜す
   ることを特徴としたプラズマ処理方法。 ２５．請求項１ないし請求項１０において、上記第１の
   交流電界の周波数は、１ＭＨｚ以下であることを特徴と
   するプラズマ処理装置。 ２６．請求項１１ないし請求項２２において、上記工程
   （３）は、半導体装置の絶縁膜を形成することであるこ
   とを特徴としたプラズマ処理方法。 ２７．請求項１１ないし請求項２２において、上記工程
   （３）により、薄膜トランジスタを形成することを特徴
   としたプラズマ処理方法。 ２８．請求項１１ないし請求項２２において、上記工程
   （３）により、半導体装置の配線間の絶縁膜を形成する
   ことを特徴としたプラズマ処理方法。 ２９．請求項１１ないし請求項２２において、上記工程
   （３）により、強誘電体膜を形成することを特徴とした
   プラズマ処理方法。 ３０．請求項１１ないし請求項２２において、超電導材
   を形成する際に上記工程（３）を用いることを特徴とし
   たプラズマ処理方法。 ３１．請求項１１ないし請求項２２において、上記工程
   （３）により、有機材上に無機膜を形成することを特徴
   としたプラズマ処理方法。 ３２．請求項１１ないし請求項２２において、上記工程
   （３）により、エツチングを行うことを特徴としたプラ
   ズマ処理方法。 ３３．請求項１１ないし請求項２２において、上記工程
   （３）により、基板に不純物をドーピングすることを特
   徴としたプラズマ処理方法。 ３４．請求項１１ないし請求項２２において、上記工程
   （３）により、スパツタリングを行なうことを特徴とし
   たプラズマ処理方法。