JPH0547713A

JPH0547713A - プラズマ処理装置

Info

Publication number: JPH0547713A
Application number: JP3232276A
Authority: JP
Inventors: Tadahiro Omi; 忠弘大見; Hidetoshi Wakamatsu; 秀利若松; Sunao Shibata; 直柴田
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1991-08-20
Filing date: 1991-08-20
Publication date: 1993-02-26

Abstract

(57)【要約】（修正有）【目的】プラズマの発生が容易であり、且つプラズマ
ダメ−ジを与えない、パ−ティクルの付着がないプラズ
マ処理装置を提供することを目的とする。【構成】減圧可能な容器１０１内に設けられた対向す
る電極１０３と１０５間に高周波電力１１０を供給する
ことにより、前記電極間１１５にプラズマを発生させ、
前記電極間上の被処理物１０６を前記プラズマにより
処理するように構成されたプラズマ処理装置において、
前記容器内に導入されるガス体１１１に紫外光を照射１
１２するための投光手段を設けたことを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、プラズマ処理装置に係
る。より詳細には、減圧可能な容器内に設けられた対向
する電極間に高周波電力を供給し、その電極間にプラズ
マを発生させ、その電極上の被処理物をプラズマにより
処理するように構成されたプラズマ処理装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】現在、ＬＳＩの集積度はめざましい勢い
で増大しており、素子の最小寸法は１μｍから０．５μ
ｍ、あるいはそれ以下の寸法のものを実現すべく盛んに
研究開発が進められている。

【０００３】この様な微細素子の寸法を精密に制御し、
また素子の特性、その信頼性を良好なものとするために
は、微細加工技術のみならず、半導体デバイスの製作に
用いる各種材料（半導体ウェハ、絶縁材料、金属薄膜
他）の高品質化が非常に重要になってくる。

【０００４】このため、超ＬＳＩの製造プロセスでは、
ＲＩＥ（Reactive Ion Etching）法、バイアススパッ
タリング法、プラズマＣＶＤ（Chemical Vapor Depos
ition）法等のように放電を用いたエッチング薄膜形成
等のプロセスの比重が益々増加してきている。これらの
プロセスの特徴は、プラズマとウェハの間に発生した電
位差を利用してイオンを加速し、イオンをウェハ表面に
ぶつけ、その運動エネルギ−によってエッチングの方向
性や成長膜の膜質の高品質化を実現している点である。

【０００５】従って、この様なプロセスで最も重要とな
るのは、プラズマが安定に発生しているときのプラズマ
とウェハの間の電位差のみならず、プラズマを発生した
直後のプラズマとウェハの間の電位差やプラズマを消滅
させた直後のウェハ電位であり、これを正確に且つ精密
に制御することがプロセス制御の鍵となる。

【０００６】しかしながら、現在のプラズマ応用プロセ
スでは、プラズマ発生直後のプラズマとウェハの間の電
位差およびプラズマ消滅直後におけるウェハ電位制御が
極めて不十分にしか行われていない現状である。

【０００７】バイアススパッタリング技術によってシリ
コン薄膜を成長させる場合を例にとって、従来技術に係
る半導体ウェハを用いた場合に発生する問題点について
説明する。

【０００８】図３は、ＲＦ−ＤＣ結合方式のバイアスス
パッタリング装置の模式図である。本装置の特徴は、１
０００ｌ/ｓｅｃの排気速度を持つ真空排気装置が接続
されている減圧可能な容器３０１にはガス導入口３０２
を通してアルゴン（Ａｒ）ガスを数ｃｃ／ｍｉｎ〜１０
００ＣＣ／ｍｉｎの範囲に設定して導入することができ
る。このとき容器３０１内の圧力は、数ｍＴｏｒｒ〜３
０ｍＴｏｒｒに保持される。プラズマは、たとえば１０
０ＭＨｚの高周波電源３０３によって容器３０１内に設
けられた対向する電極間３０４に数ワット〜３００ワッ
トの範囲で高周波電力を供給し、容器３０１内に導入さ
れたＡｒガスを効率よく放電させることにより発生でき
るようになっている。Ｓｉ薄膜３０９の形成は、プラズ
マとタ−ゲット３０６の間に発生した電位差を利用して
プラズマにより発生したアルゴンイオン（Ａｒ⁺イオ
ン）を上部電極３０５に保持してあるシリコン（Ｓｉ）
のタ−ゲット３０６にぶつけ、その運動エネルギ−によ
ってタ−ゲット３０６をスパッタする。スパッタによっ
て飛び出したＳｉ原子は、下部電極３０７に保持されて
いるＳｉ基板３０８の表面に飛来して、プラズマとシリ
コン基板の間に発生した電位差を利用してＳｉ基板上に
吸着し、Ｓｉ薄膜３０９を成長させる。タ−ゲットの電
位は、直流電源３１０で任意の値に設定できるようにな
っており、実際には、数Ｖ〜１０００Ｖに設定すること
により効率よくタ−ゲット３０６のスパッタが行われる
ようにしてある。また、Ｓｉ基板３０８の電位は、直流
電源３１１で設定できるようになっており、これを適当
な正の値から負の値の範囲で任意に設定することにより
Ｓｉ薄膜３０９の表面をＡｒ⁺イオンで再スパッタする
ことが可能になっている。

【０００９】しかし、上記従来技術には、次のような問
題がある。

【００１０】シリコン薄膜をシリコン基板上に形成する
前処理として、シリコン基板表面をプラズマ表面クリ−
ニングする場合、減圧可能な容器内のＡｒガス圧力をた
とえば５ｍＴｏｒｒに保持し、１００ＭＨｚの高周波電
源により高周波電力を１０ワットに設定してプラズマを
発生させる必要がある。このときのプラズマとＳｉ基板
の間の電位差はたとえば１０Ｖになり、プラズマとタ−
ゲットの間の電位差はたとえば４０Ｖになる。

【００１１】このような低圧力、低パワ−のプラズマ発
生条件では、プラズマは簡単には発生しない。そこでプ
ラズマを発生させるためには初期設定条件を変更する必
要がある。たとえば、減圧可能な容器内のＡｒガス圧力
をたとえば１０ｍＴｏｒｒまで上げて、さらに高周波電
力をたとえば５０ワットまで上げるという操作を行とプ
ラズマは簡単に発生する。このとき、プラズマとＳｉ基
板の間の電位差はたとえば３０Ｖになり、プラズマとタ
−ゲットの間の電位差はたとえば７０Ｖになる。プラズ
マが発生したら、すぐに表面クリ−ニング条件であるＡ
ｒガス圧力５ｍＴｏｒｒ、高周波電力１０ワットの初期
設定条件に戻している。上述のように、プラズマの発生
条件が低圧力、低パワ−の場合、初期設定条件ではプラ
ズマが発生しにくいため、プラズマが発生しやすい条件
に設定変更しその後、プラズマが発生したら初期設定条
件に戻すという操作を行う必要がある。プラズマは、Ａ
ｒガスが導入された減圧可能な容器内の対向する電極間
に高周波電界が存在すると、もともと気体中（たとえ
ば、Ａｒガス等）にあった極くわずかの荷電粒子（たと
えば、イオン、電子等）が加速され、この電極間で往復
運動をし、気体中の中性原子または分子と衝突電離を繰
り返すうちに急速に数が増大し、やがて適当な条件のも
とで絶縁破壊に至り、放電を生じることによって発生す
るものである。ガス圧力が低い場合、気体中のたとえば
電子の平均自由行程が長くなり、電界による加速が大き
くなる。電極間で電子の衝突回数が減るので、衝突電離
が不活発となり、放電が生じにくくなる。このため、プ
ラズマの発生条件が低圧力、低パワ−の場合にはプラズ
マを発生させるために一時的に高圧力、高パワ−に設定
条件を変更することが必要になる。このような方法でプ
ラズマの発生をすると、Ｓｉ基板表面の吸着不純物（た
とえば、自然酸化膜、酸素、炭素、重金属等）を除去で
きないばかりでなく、Ｓｉ基板表面にプラズマダメ−ジ
を与え、Ｓｉ薄膜成膜の膜質劣化を生じさせるという問
題がある。また、たとえば、枚葉処理装置のような場合
には一枚一枚の処理に非常に時間がかかり、スル−プッ
トが向上しないという問題がある。また、Ｓｉ薄膜の膜
質の悪い、Ｓｉ基板にプラズマダメ−ジの入ったもので
半導体デバイスを製作すると、高速動作するＬＳＩの高
速化の劣化および信頼性の劣化を生じさせるという問題
がある。

【００１２】また、低圧力でプラズマ処理を行うと、プ
ラズマ空間分布の均一性が良くなるとともに、イオンの
平均自由行程が長くなるため、たとえば、薄膜形成にお
いては膜質の均一性が再現可能になる。ＲＩＥ法による
異方性エッチングにおいては高アスペクト比の高均一な
エッチングが可能となる。しかし、低圧力でプラズマを
発生させるときに、一時的にプラズマを発生させるため
に高圧力に変更して処理をするとなると、プラズマ空間
分布が不均一となり、高品質な薄膜や高均一なエッチン
グが再現できないという問題がある。また、減圧可能な
容器内に設けられた電極上に保持されているＳｉ基板自
身がプラズマを発生させる前に帯電している場合、プラ
ズマを発生させるとプラズマとＳｉ基板の間の電位差が
外部から与えた直流電位とプラズマ電位の和に等しい一
定値にならないため、Ｓｉ薄膜成膜の膜質劣化を生じる
という問題がある。

【００１３】また、ある所望のプラズマ条件でＳｉ基板
上にＳｉ薄膜を形成する場合、Ｓｉ薄膜の成膜が終了
し、高周波電力の供給をやめて、プラズマを消滅させた
ときには、Ｓｉ薄膜表面はプラズマ中のイオンもしくは
電子により帯電されており、この帯電により成膜された
Ｓｉ薄膜にはプラズマダメ−ジが残るという問題があ
る。また、Ｓｉ薄膜表面が帯電しているとプラズマ発生
中に容器内に発生したパ−ティクルがＳｉ薄膜表面に付
着し、その後の工程、たとえばエッチング工程において
はエッチング残りが生じ、ホトリソ工程においてはパタ
−ンのノッチやパタ−ンのブリッジが生じマスク通りに
パタ−ンが仕上げられないという問題がある。

【００１４】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、プラズマの
発生が容易であり、且つプラズマダメ−ジを与えない、
パ−ティクルの付着がないプラズマ処理装置を提供する
ことを目的とする。

【００１５】

【課題を解決するための手段】本発明のプラズマ処理装
置は、減圧可能な容器内に設けられた対向する電極間に
高周波電力を供給することにより、前記電極間にプラズ
マを発生させ、前記電極上の被処理物を前記プラズマに
より処理するように構成されたプラズマ処理装置におい
て、前記容器内に導入されるガス体に紫外光を照射する
ための投光手段を設けたことを特徴とする。

【００１６】

【作用】本発明では、減圧可能な容器内に導入されるガ
スに紫外光を照射するための投光手段を設けたため、高
周波電力を供給する前に、紫外線を照射したガスを容器
内に設けられた対向する電極間に向けて導入することが
可能となる。その結果、高周波電力を供給した場合簡単
にプラズマが発生する。ガスに紫外線を照射するとイオ
ンと電子に電離する。たとえば、Ａｒガスの場合はＡｒ
⁺イオンとｅ^-電子に電離する。対向する電極間に高周波
電力を供給した場合、すでに対向する電極間には非常に
多くのたとえばＡｒ⁺イオンとｅ^-電子が存在するため、
これらのＡｒ⁺イオンとｅ^-電子は高周波電界により加速
され、対向する電極間で即座にたとえばＡｒの中性原子
や分子とぶつかり電離衝突が繰り返され、すぐに絶縁破
壊に至り、簡単にプラズマが発生する。たとえば、Ｓｉ
薄膜成膜の場合、プラズマ表面クリ−ニングのときのＳ
ｉ基板表面の吸着不純物の除去効果の再現性が良くな
り、且つＳｉ基板へのプラズマダ−ジが全く入らなくな
ったため、高品質な単結晶Ｓｉ薄膜が形成できるように
なる。これは、Ｓｉ基板上にＳｉ薄膜が成長するときの
プラズマとＳｉ基板の間の電位差を正確に、且つ精密に
制御できるようにしたためであり、安定に高品質のＳ
ｉ薄膜形成できるようになり、スル−プットの向上も実
現できる。

【００１７】また、減圧可能な容器内に設けられた対向
する電極間に向けて紫外線を照射したガスを導入でき
る。高周波電力の供給をやめて、プラズマを消滅させた
場合、Ｓｉ薄膜表面は正もしくは負に帯電している。そ
こで、紫外線を照射したガスたとえばＡｒガスの場合の
Ａｒ⁺イオンとｅ^-電子が帯電しているＳｉ薄膜表面に向
けて導入されると、たとえばＳｉ薄膜表面が正に帯電し
ているとｅ^-電子が効率よく中和し、またＳｉ薄膜表面
が負に帯電していると、Ａｒ⁺イオンが効率よく中和
し、帯電防止が可能となる。さらに、帯電防止によっ
て、プラズマ発生中に容器内に発生したパ−ティクルの
Ｓｉ薄膜表面の付着が防止できるため、安定に高速動作
するＬＳＩを製作することができ、信頼性の向上ならび
に歩留りの向上が実現できる。

【００１８】

【実施例】以下、本発明の一実施例を図１を参照して説
明する。

【００１９】図１は、本発明の第１の実施例を示すＲＦ
−ＤＣ結合方式のバイアススパッタリング装置の模式図
である。

【００２０】この装置の特徴は、すでに従来技術のとこ
ろで詳細に説明したので省略する。ここでは、本発明の
特徴とするところを詳細に説明する。１１１は、減圧可
能な容器１０１内にＡｒガスを導入するためのガス導入
口であり、容器１０１内に導入されるＡｒガスに紫外線
を照射するための照射部１１２と少なくとも内表面がス
テンレススチ−ルの酸化不動態膜が内壁に付いた配管１
１４が接続されている。紫外光照射部１１２には、合成
石英窓１１３が設けられており、たとえば波長３６０ｎ
ｍ以下の紫外光をよく透過させるようにつくられてい
る。なお、照射部１１２と容器１０１をつなぐ配管１１
４は、電離したＡｒ⁺イオンやｅ^-電子を電離した状態で
容器１０１内に設けられた対向する電極間１１５に導
入するために少なくともその内面が絶縁膜である必要が
あり、今回ステンレススチ−ルの酸化不動態膜が内壁に
付いた配管を用いたが、他にフッ化不動態膜、窒化不動
態膜、テフロンなどの絶縁膜を用いてもよい。また、紫
外光を照射するための照射部１１２に合成石英窓１１３
を用いたが、この材質は紫外光をよく透過させるもので
あれば他のものでもかまわない。

【００２１】図２は、本発明の第２の実施例である。

【００２２】本例の特徴とするところは、減圧可能な容
器に設けられた対向する電極間に向けて紫外光を照射さ
れるような照射部を備えた照射口が設けられている点で
ある。照射部と照射口のつなぎ管は、電離したＡｒ⁺イ
オンやｅ^-電子を電離した状態で容器１０１内に設けら
れた対向する電極間１１５に導入するためのものではな
いためにかならずしもその内面が絶縁膜である必要はな
い。しかし、電離したＡｒ⁺イオンやｅ^-電子の電離した
状態を長く維持しておくためには、そのつなぎ管の内面
は、絶縁膜の方が望ましい。さらに、電離したＡｒ⁺イ
オンやｅ^-電子の滞在寿命を長くするためには容器内壁
もすべて絶縁膜の付いたものが望ましい。そのほかの構
成は、本発明の第１の実施例となんらかわらないので省
略する。また、本例が解決しようとする課題やその課題
を解決するための手段は、本発明の第１の実施例の場合
と全く同様であり、その作用および効果も同じことが得
られるということはいうまでもない。

【００２３】以上の実施例から明かなように、プラズマ
とＳｉ基板の間の電位差を正確に制御してやることとＳ
ｉ基板表面の帯電防止は、超ＬＳＩの材料として用いら
れる様々な薄膜を高品質化する上で非常に重要である。
さらに述べるならば、これまでのプロセス装置は、ほと
んどが熱化学反応を主体としたものであり、外部からコ
ントロ−ルできるものは、温度、ガス圧、ガス流量等ご
く限られたパラメ−タだけであった。さらに、プラズマ
を用いるプロセスにおいても同様で、Ｓｉ基板電位は自
然発生的に決まるプラズマとＳｉ基板の間の電位、つま
り自己バイアスを用いてプロセスをコントロ−ルしてい
たのが現状である。今後、サブミクロン時代のプロセス
ではより高品質化、高精度化のためにすべてのプロセス
パラメ−タがエレクトロニクスによって制御されるよう
にならねばならない。このとき最も大切なのが処理され
るＳｉ基板の電位であり、そのためには本発明によるプ
ラズマ処理装置の使用が不可欠であることは明らかであ
る。

【００２４】なお、上記実施例では、バイアススパッタ
リング装置を用いる場合について説明したが、これは、
プラズマを用いるたとえばＲＩＥ技術、プラズマＣＶＤ
技術，ＥＣＲを用いたＣＶＤあるいはエッチング技術、
反応性バイアススパッタリング技術等を用いても同様の
効果が期待できることはいうまでもない。また、被処理
物として、Ｓｉ基板を用いたが、化合物半導体や半導体
以外の材料を用いてもかまわない。また、紫外光を照射
するガスとしてＡｒガスを用いているが、このかわり
に、たとえばＮ₂、Ｈｅ、Ｘｅ、Ｋｒ等の不活性ガスを
用いてもかまわない。また、たとえばＡｒガスとＨｅガ
ス、ＡｒガスとＮ₂ガス等の混合ガスをもちいてもかま
わない。また、ＡｒガスとＨ₂ガス、ＣＦ₄ガスとＯ₂ガ
ス等のようなＡｒガスと反応性ガスの混合ガス、各種反
応性ガスの混合ガス、反応性ガスのみなどをもちいても
かまわない。また、紫外光を照射する投光手段として容
器内のガス導入口を通して導入されるガスに照射する場
合と容器内に設けられた対向する電極間に向けて照射す
る場合について説明したが、必ずしもどちらか一方のみ
に紫外線を照射するように構成されている必要はない、
両方同時に紫外線を照射するように構成されたものでも
かまわない。また、紫外光の照射は、プラズマを発生す
る手段やプラズマを消滅させてからの帯電防止の手段に
用いるだけでなく、プラズマが安定に発生しているとき
においても照射し続けてもかまわない。

【発明の効果】本発明によれば、減圧可能な容器に導入
されるガスに紫外光を照射するための投光手段を設けた
ため、プラズマの発生が容易であり、プラズマ発生中に
容器内に発生したパ−ティクルの付着が防止できるた
め、安定に高速動作するＬＳＩを製作することができ、
信頼性の向上ならびに歩留りの向上が実現できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例を示すＲＦ−ＤＣ結合方
式のバイアススパッタリング装置の模式図。

【図２】本発明の第２の実施例を示すＲＦ−ＤＣ結合方
式のバイアススパッタリング装置の模式図。

【図３】従来のＲＦ−ＤＣ結合方式のバイアススパッタ
リング装置を示す模式図。

【符号の説明】

１０１減圧可能な容器、１０２真空排気装置、１０３上部電極、１０４シリコンのタ−ゲット、１０５下部電極、１０６シリコン基板、１０７シリコン薄膜、１０８タ−ゲットに電位を与える直流電源、１０９シリコン基板に電位を与える直流電源、１１０高周波電源、１１１ガス導入口、１１２紫外線を照射する照射部、１１３合成石英窓、１１４絶縁物。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】減圧可能な容器内に設けられた対向する
電極間に高周波電力を供給することにより、前記電極間
にプラズマを発生させ、前記電極間上の被処理物を前記
プラズマにより処理するように構成されたプラズマ処
理装置において、前記容器内に導入されるガス体に紫外
光を照射するための投光手段を設けたことを特徴とする
プラズマ処理装置。
【請求項２】前記投光手段は、前記ガス体の供給源と
前記容器との間に設けられた、少なくとも内表面が絶縁
物で形成された配管部材に導入されるガス体を投光する
ことを特徴とする請求項１に記載のプラズマ処理装置。
【請求項３】前記ガス体は、前記電極間に向けて導入
されることを特徴とする請求項１または請求項２に記載
のプラズマ処理装置。
【請求項４】前記投光手段が、前記紫外光を前記電極
間に向けて投光されるよう構成されていることを特徴と
する請求項１に記載のプラズマ処理装置。
【請求項５】前記ガス体は、少なくとも前記被処理物
に対して被反応性のガスであることを特徴とする請求項
１から請求項４までのいずれか１項に記載のプラズマ処
理装置。