JPH033381B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は高周波放電により発生せしめたプラズ
マによる処理装置に関し、主として半導体基板を
プラズマによりデポジシヨンまたはエツチング処
理するめたの処理装置に関するものである。

従来のプラズマ処理装置の問題点を理解するた
めに、まず従来の高周波放電を用いたプラズマに
よるデポジシヨンおよびエツチング装置について
説明する。

第１図は高周波放電を用いたプラズマによるデ
ポジシヨン装置の構成図である。１なる放電管に
２なるガス導入孔により適当圧の材料ガスを導入
する。５は真空槽で図示せざる真空排気系により
排気され、デポジシヨンされる基板６は、保持板
７に保持され、アース電位８に結線されている。

いま高周波発振器３と、これに誘導型に結合し
た放電コイル４により放電管１に高周波電力を印
加すると、放電管１内圧力が10−2Torr程度の適
当圧力であればこの放電管内に無極放電をおこし
放電プラズマ９を生成する。いま放電ガスとし
て、モノシラン（SiH₄）と窒素（N₂）を導入し、
基板６を図示せざる加熱手段により300〜400℃程
度に加熱すれば基板上にシリコンナイトライド
（Si₃H₄）膜がデポジシヨンする。

第２図に同じく他の従来のデポジシヨン装置の
構成図を示す。図示せざる真空排気系にて排気さ
れる真空槽５には発振器３と容量型に結合した電
極１０，１１が導入され、１１は基板６の保持板
を兼ねアース電位８に結線される。ガス導入孔２
より適当圧力を導入し放電プラズマ９を発生すれ
ば基板６上に第１図の場合と同様に所望物質をデ
ポジシヨンすることが出きる。

次に第３図は高周波放電を用いたプラズマによ
るエツチング装置の場合の構成図である。真空槽
５には、外側に発振器３と容量型に結合した電極
１０，１１が位置せしめられ、真空槽５の内部の
保持板７の上に基板６がおかれる。ガス導入孔２
より、例えばフレオンガス（CF₄）や酸素（O₂）
ガスを適当圧に導入し放電プラズマ９を発生せし
めれば弗素イオンによりシリコン基板やシリコン
酸化膜がエツチングされる。

第４図は他の例を示し第３図に似た構成である
が、２枚の容量型結合の電極１０，１１が真空層
５内に導入されている。一方の電極１０に処理基
板６が取りつけられて保持された接地された一方
の電極１１との間で導入された適当圧力のフレオ
ンガスにより放電を起しプラズマ９を発生せしめ
る。

放電は高周波放電（数Ｍ〜数＋ＭHz）であり、
かつ一方の電極がアース電位でプラズマ９に接触
しているため、印加された高周波の波高に相当す
るエネルギーのイオンが基板６に到着し、このた
め一般のスパツタリングを起こすがまた放電ガス
が反応生の場合、例えばエネルギーをもつた弗素
イオンが基板と反応して反応生スパツタリングを
起こし、基板をエツチングする。この場合の基板
が絶縁物であつても高周波印加のため支障はな
い。

第５図は以上の第１図より第４図までの各種方
式を容量型結合の場合についてまとめ、特に基板
に到達するイオンのエネルギーに着目したもので
ある。

第５図において、３なる発振器に電極１０と１
１が容量型結合しており、電極の一方１１は、８
に接地してあるものとする。また真空容器５は絶
縁材料により構成され、図示せざる真空排気系に
より排気され、かつ図示せざるガス導入孔より適
当圧力ガスが導入され印加せる高周波電力により
放電し、プラズマ９を形成するものとする。

第５図Ａは、放電形式としては第３図に相当し
ている。真空容器内に形成されたプラズマ９は外
界と浮遊電位にある。したがつてデポジシヨンの
場合も、エツチングの場合も、プラズマ９の絶縁
容器５に対する電位、つまり管壁電位とよばれる
プラズマ電位のエネルギーにて、真空容器内に挿
入された同じく浮遊電位の基板に到着する。

第５図Ｂは放電形式としては第２図および第４
図に相当する。この場合、一方の電極１１は、８
において接地されかつプラズマ９に接触している
ため、プラズマの電位はアース電位よりシースを
へだてて、プラズマ電位V_Sに相当する電位とな
る。したがつて第５図Ｂの１１のアース側の電極
に基板をおくと、デポジシヨンの場合もエツチン
グの場合もこのプラズマの電位に相当するイオン
エネルギーV_S（通常約数Ｖ以下）にてイオンが到
着する。

一方第５図Ｂの１０の高周波電極は、発振器３
に結線されているためいまこの発振器の出力電圧
波形がV_Osinωtで表わされるとするとこの電極１
０の電位にV_Osinωtで変化する。ここでV_Oは高周
波の波形の最高値、ωは角周波数、ｔは時間とす
る。この電極１０もやはりプラズマ１０に接触は
しているが、時間平均を取ると、１０の電位は接
地電位に等しい。したがつて１０へのV_Osinωtの
高周波印加を行つても、プラズマ９の電位は平均
としてV_Sに止まる。しかし、現実に電極１０は
V_Osinωtで変化するため、電極１０とプラズマ９
との間のシースが増減してプラズマと電極の間の
電位差を保持する。したがつて電極１０の電位が
−V_Oになつた時最高（V_O＋V_S）のエネルギーで
プラズマよりイオンが到着する。V_Oは通常数百
ボルトの程度であるため、電極１０上に保持され
た基板は最高数百ボルトのエルルギーのイオンが
衝突する。したがつて普通デポジシヨンをする場
合は第２図のようにアース側の電極に基板を保持
せしめてV_Sのエネルギーでイオンを到着せしめ、
スパツタリングを行う場合は、高周波側の電極に
基板を保持せしめて、（V_S＋V_O）のエネルギーで
イオンを到着せしめる。

第５図Ｃの放電形式は一方の電極１１がアース
電極として真空槽内にあり、プラズマ９と接触
し、他方の高周波電極１０は真空槽外に位置せし
められている。

第５図Ｂの場合と動じくプラズマ電位はV_Sに
等しく、１１の電極上へはV_Sのエネルギーのイ
オンが到着する。他方の高周波電極１０をみると
これは図５Ｂの高周波電極１０を、絶縁物で覆
い、プラズマと直接に接触しないようにした場合
に等しい。したがつてプラズマはいわゆる管壁電
位V_Wとなる。この絶縁物の表面電位はやはりV_O
sinωtで変化するため最高（V_O＋V_W）のエネル
ギーのイオンが到着し、絶縁物をスパツタする。
これが絶縁物に対する高周波スパツタリングの原
理である。第４図の構成は第５図Ｃの構成に類似
したものと考えることができる。

以上のように現在使用されている各種のデポジ
シヨン装置およびエツチング装置を考察すると、
処理する基板へ投着するデポジシヨンまたはエツ
チングのイオンのエネルギーが全くその時の装置
条件により決まり、制御の困難な量になつている
ことが見られる。例えば第１図、第２図のデポジ
シヨンにおいては、デポジシヨンエネルギーはプ
ラズマ９の電位V_Sによりきまり、この電位は、
印加する高周波電力と放電のガス圧力によつてき
まる。また第３図の構成ではエツチングのイオン
のエネルギーは基板の浮遊電位による管理電位に
近い値であり、第４図の構成ではエツチングのイ
オンのエネルギーは高周波発振の高周波電圧V_O
できめられこの高周波電圧は放電のために必要な
電圧である。

他方、高周波放電により形成されたプラズマよ
り処理基板に到着するイオンのエネルギーを制御
し得る場合はその効果はいちじるしいものと考え
られる。

デポジシヨンの場合を考えると基板に熱運動エ
ネルギーで投着した場合、単に基板に附着するに
すぎない。基板を加熱すれば、基板より運動エネ
ルギーを得て基板上を移動することが出きるが、
デポジシヨンの場合の基板温度は素子製作上の制
限のため出き得る限り低いことが望まれる。イオ
ンにエネルギーを与えて基板に到着せしめた場
合、そのエネルギーの多くは単に衝突による熱エ
ネルギーとなるが、一部は（〜数％）基板上の運
動エネルギーとなり基板上を運動することが出き
る。したがつて一般のデポジシヨンの場合、附着
せしめた膜は基板上の段差や小孔に対しステツプ
カバレージの良好な附着膜を作成することが出き
る。また基板と同一材料をデポジシヨンした場
合、基板に到着した原子はこの運動エネルギーに
より適当な格子点まで移動することが出来るた
め、かなり低い温度で結晶成長を行うことが出き
る。この到着せしめるエネルギーは、あまりその
値が大きいと基板に対し衝突による欠陥を形成し
またスパツタリングを起したりするので数Ｖ〜数
＋Ｖの範囲が適当である。

またエツチングの場合を考える第４図のような
構成では通常イオンは数百eVのエネルギーで基
板に到着するためスパツタリングと同時に基板に
結晶欠陥を起こす。特に放電ガスに反応性のガス
（フレオン等）を使用し、反応性スパツタリング
を起してエツチングを行う場合、イオンのエネル
ギーは数百Ｖは不要であり、またこのような高い
電圧では局所エツチングを行う場合のマスクがス
パツタによりエツチされたり、また基板温度の上
昇をきたしたりして、困難を生じる。

反応性スパツタを行う場合は、原則的にイオン
エネルギーは化学反応を促進せしめる値でよく、
その値もまた数Ｖ〜数＋Ｖの程度が望ましい。

以上の考察にみられるごとく、高周波放電を用
いてプラズマを生起し、デポジシヨンまたはエツ
チングを行う装置において、イオンを基板上に数
Ｖ〜数＋Ｖの程度の制御されたエネルギーで到着
せしめることが出き得れば、この処理工程に非常
な進歩を生ぜしめることができる。

以上のように目的とするイオンをプラズマ中よ
り制御して特定のエネルギーV_Tにて基板に到着
せしめるために、放電電極に目的の正の電位を加
えるか、あるいはプラズマ中にプローベを挿入
し、プラズマに特定の正の電位を与え、制御せる
エネルギーにて基板にイオンを到着せしめる発明
が特開昭53−68171号に記述されている。この方
法はプラズマ電位の制御において非常に有効であ
ることが見出されているが、一方下記のような場
合用途が制限されることが数多くの実験において
判明している。

(1) デポジシヨンを行う場合において、デポジシ
ヨン物質の絶縁物の場合、膜厚が増加するにし
たがいデポジシヨン膜の表面に電荷が集積する
ため、イオンのエネルギーが有効に作用しなく
なる。したがつて絶縁物の厚膜のデポジシヨン
には、この電位の印加が有効でない。

(2) エツチングの場合、対象物が厚い絶縁物膜の
場合は、上記デポジシヨンと同一の現象が起
る。またエツチング基板を周囲の汚染より保護
するため、上下の放電電極を石英板で覆つた
り、また化学反応を促進させる理由のため基板
を４弗化エチレンの板の上にのせたりして、基
板をアース電位より絶縁する方法が近時行われ
るようになつた、このような場合も電位の印加
が有効でない。

つまり構成的には第５図Ａのようになり、この
ような場合、ブラズマに直流的に電位を与えても
基板がアース電位と絶縁されているため基板全体
が正に帯電し、プラズマ電位と基板電位が接近
し、イオンは目的のエネルギーで基板に到着せ
ず、プラズマと、絶縁管壁との間に生ずる電位、
つまり管壁電位V_Wにて基板に到着する。この管
壁電位は一般に数eV以下であるため、目的の電
位よりかなり低い値になる。

本発明はこれらの従来の方法を改善し、基板に
目的の有効なエネルギーにてイオンを到着せしめ
るために発明されたものである。

本発明のプラズマ処理装置によれば、絶縁材料
から成り、放電用ガスを封入するための真空容器
と、前記真空容器内にプラズマを発生させるため
に、前記真空容器を挟むように前記真空容器の外
側に一対の対向電極を配設し、該対向電極間に高
周波電力を印加する手段と、前記真空容器内に処
理すべき基板を配置する手段と、前記真空容器内
のプラズマの電位を前記基板に対し規制しプラズ
マ中のイオンが前記基板に到着するエネルギーを
制御するために、前記対向電極にイオンが追従で
きる周波数の交流を印加する手段とを具備して成
ることを特徴とする。

第６図は、本発明の実施例を示す。これは第５
図Ａに新たに制御のための低周波の発振器１２を
結線した構成である。この低周波発振器１２の
周波数は３なる高周波発振器の周波数より充分に
低くて、その変化する電場のため、第６図の９な
るプラズマ中のイオンが充分追従できるものとす
る。なおこの場合高周波電力が低周波発振器側に
洩れないよう、低周波発振器の出力を誘導コイル
を通じて行う等の高周波側よりみて高インピーダ
ンスにする必要がある。

第７図に一番簡単な説明例として、低周波発振
器１２により図のように矩形波を印加せるとき、
これに対応する第６図の６の基板の電位変化を定
性的に示す。この例において、説明の簡略化のた
め、プラズマと絶縁容器間のいわゆる管壁電位は
無視する。第７図のようにABCの＋V_Oの矩形電
位を加えると、第６図の１０の電極が＋V_Oにな
るため、基板６の電位はプラズマよりのイオンに
よる荷電のため、点線に示すようにAKと上昇
し、Ｋにて電極の電位の＋V_Oと等しくなる。こ
の場合、プラズマも基板と同じく＋V_Oの電位ま
で上昇する。この電位はKCの間つゞき、次いで
電極の電位がCDEと−V_Oに反転する、基板はプ
ラズマ中よりの電子の流入のため負の荷電をうけ
てCLMとV_Oまで急激に降下し、MEの間−V_Oが
つゞく。次に再び電極電位が−V_Oより＋V_Oまで
EFGと変化すると、基板の電位はENPと＋V_Oま
で上昇をつゞけ、＋V_OはPGの間つゞく。以下こ
の繰り返しである。

したがつて基板へのイオン到着は、例えばME
の間充分に電子により電荷をうけて−V_Oの値を
示している電極の電位が、EFGと＋V_Oに反転し、
ENPと−V_Oより＋V_Oに上昇中の間のみ行われ
る。したがつて到着するイオンのエネルギーは、
電極の電位である＋V_OとENPにそつて上昇する
基板の電位の差となる。したがつて基板ち到着す
るイオンのエネルギーはENPの間に、2V_Oより０
電子ボルトと変化する。

第８図に矩形波の代りにABCDEFGHIと正弦
波を加えた場合を示す。基板の電位は前記と同様
の論理によりAB′C′D′E′F′G′H′I′と少しく周期
の
ずれた形の正弦波形で変化する。基板に到着する
イオンを考えると例えば電極電位が、−V_Oより＋
V_Oに変化するDEFにそつてD′E′F′の間にエネル
ギーが2V_Oより０電子ボルトにて到着する。

このように第７図においてはENPの間が、第
８図においてはD′E′F′の間が基板に対し、イオン
が流入する、そうして、このイオンは基板に対し
０より2V_Oの間変化する。以上の議論において前
述のようにプラズマが絶縁物である管壁に対して
有するいわゆる管壁電位V_Wを無視した。このV_W
の効果を入れると基板はV_Wより（2V_O＋V_W）の
間のエネルギーのイオンの到着をうける。したが
つて、いま、V_T以上のエネルギーのイオンが目
的の基板に対する反応などに有効であるとすれば
（V_T〉V_W）の場合、（2V_O＋V_W−V_T）のエネルギ
ーの粒子が基板のプラズマ処理の特定目的に対し
有効である。このエネルギーは無制限に大であつ
てはならず、基板の損傷や反応の断面積を考えた
場合、最大値V_M以下でなければならない。した
がつて、 V_M＞2V_O＋V_W＞V_T ……(1) が成立し、このように加える矩形波て正弦波の交
流のピーク値V_Oをプラズマを作る放電のための
高周波と独立に選ぶことが出きる。

いま第７図において、電極に加かる矩形波の電
位がDMの−V_OよりFGの＋V_Oに変化した時前述
のごとく基板電位がENPと上昇する間にイオン
が基板に到着する。この場合2V_Oの電位差により
形成されるイオンシースの厚さをd_Oイオンの質量
をM_Oイオンの荷電をｅとすると、シースの端の
プラズマよりイオンが基板に到着する時間ｔは次
式にて与えられる。

いま2V_O＝50V、d_O＝0.5cm、ｅ＝1.6×10^-19ク
ーロンで質量数40のM_Oの仮定すると、ｔ＝6.4×
10^-7（秒）となる。第７図においてPGは、イオン
の基板到着には無効であるからこれを０とする
と、このｔは印加する矩形波の周期Ｔの1/2にな
るようにすると効率がよい。一方到着するイオン
のエネルギーは2V_Oと０の間であるため、基板に
到着するイオンのうちV_T以上のエネルギーのイ
オン、つまり基板の電位Ｖが Ｖ2V_O−V_T ……(3) の間に到着するイオンだけがこの発明の目的とし
て有効に作用する。いま2V_O＝50V、V_T＝20Vと
仮定すると、第３式により基板電位が30Vになる
まで有効に作用する。したがつて、第７図のよう
に矩形波を加えた場合、上記の例では基板にイオ
ンが到着するENPの間の約1/2位よりこの場合有
効でないが、これはV_TとV_Oの相対的な値により、
つまりV_Tが小さく、V_Oが大きい場合有効に使用
できる領域を大きくとることができる。このイオ
ンを作用させる電場として第８図のような正弦波
形を加えた場合も全く同様の議論であり、第８図
において、D′E′F′の基板にイオンが到着する期間
のうち第３式の関係によりV_TとV_Oの相対的な値
により使用出きる領域がきまる。

第７図、第８図において矩形波と正弦波につい
てのべたが、この他に３角波や他の交流を加えて
も議論は同一である。

以上の考察においてのべたごとく、主放電のた
めの高周波電源とこの放電により生じたプラズマ
中のイオンに有効な制御せるエネルギーを与える
ための制御のための電源を加え、この制御のため
の電源の周波数を、プラズマ中のイオンが追従出
きるように低周波にすれば、第６図に示すように
電極や真空槽構成物質の汚染より保護するため、
またある種の化学反応を目的とするため基板を完
全に絶縁物容器中に位置せしめ、この中に放電ガ
スを入れた構造において、基板上に特定のエネル
ギーのイオンを到着せしめ、基板を処理すること
が出来る。すなわち、本発明によれば信空槽容器
を石英などの不純物の少ない絶縁物で形成し、こ
の外部にプラズマ発生用の電力を印加するための
電極を使用することができるので、被処理基板に
対する電極材料または真空槽材料からの汚染を防
止するとともに、逆に、真空槽内に発生する生成
物が電極に付着するのを防止することができる。

また、基板上に絶縁物の膜が存在し、または絶
縁物の膜が処理中に堆積するために、従来の方式
では、制御せるイオンエネルギーにて処理困難な
場合においても、この方式は極めて有効に作用す
ることは前記の考察より明確である。

またこの方式は第６図に示されるような平行平
板方式のプラズマ処理装置にのみ適用が限定され
るものではない。

また加えるべき低周波の交流は、プラズマを作
る放電が高周波の場合、この高周波の電圧の分割
や周波数の変換等により発生せしめることが可能
である。

【図面の簡単な説明】

第１図、第２図は従来の高周波放電によるプラ
ズマを用いたデポジシヨン装置の構成図、第３
図、第４図は従来の高周波放電によるプラズマを
用いたエツチング装置の構成図、第５図Ａ，Ｂ，
Ｃは第１図より第４図までの構成を動作原理より
説明を行うため３種に分類した動作原理の説明の
ための構成図、第６図は、本発明の適用のための
構成図、第７図は第６図の構成に印加すべき低い
周波数の矩形波と、これを印加した時生ずる電極
と基板の電位変化の説明図、第８図は同じく第６
図の構成に印加すべき低い周波数の正弦波とこれ
を印加した時生ずる電極と基板の電位変化の説明
図。 １……放電管、２……ガス導入孔、３……高周
波発振器、４……誘導型結合放電コイル、５……
真空容器、６……処理基板、７……保持板、８…
…アース電位結線、９……生成プラズマ、１０…
…容量型結合電極（高周波電極）、１１……容量
型結合電極、１２……低周波発振器。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 絶縁材料から成り、放電用ガスを封入するた
   めの真空容器と、前記真空容器内にプラズマを発
   生させるために、前記真空容器を挟むように前記
   真空容器の外側に一対の対向電極を配設し、該対
   向電極間に高周波電力を印加する手段と、前記真
   空容器内に処理すべき基板を配置する手段と、前
   記真空容器内のプラズマの電位を前記基板に対し
   規制しプラズマ中のイオンが前記基板に到着する
   エネルギーを制御するために、前記対向電極にイ
   オンが追従できる周波数の交流を印加する手段と
   を具備して成ることを特徴とするプラズマ処理装
   置。