JPH059742A - プラズマ処理装置及び装置構成方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 電子サイクロトロン共鳴法と基板ホルダにＲ
Ｆバイアスを印加するバイアスＥＣＲプラズマＣＶＤ堆
積法による試料表面でのチャージアップ現象で生ずるダ
メージを与えることなく絶縁膜を形成する。 【構成】 第１ガス導入口７から酸素を導入してプラズ
マを生成し、第２ガス導入口８からＳｉＨ4 を導入し、
ウエハ１１上にＳｉＯ2 膜を形成し、基板ホルダ５にＲ
Ｆ電源６からＲＦバイアスを印加し、スパッタエッチン
グを生じさせ、ＳｉＯ2 膜の形成と平坦化を実現する。
このとき、マグネットコイル１をその軸心方向と平行に
移動させ、チャージアップによるダメージを減少させる
ことを特徴としている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、電子サイクロトロン共
鳴法を用いてプラズマを生成し、半導体素子上に薄膜を
形成する際に生じるダメージを低減するようにしたプラ
ズマ処理装置及び装置構成方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】半導体集積回路を作成する場合、その微
細化に伴い、プラズマ処理装置を用いるのは必須のこと
となっている。しかし、プラズマ処理装置を用いた場
合、そのプラズマからのダメージが問題となっている。
特に、ダメージとして、荷電粒子のチャージアップによ
るゲート絶縁膜の破壊は重要な問題である。特に、電子
サイクロトロン共鳴法でプラズマを生成し、基板に高周
波（ＲＦ）バイアスを印加する絶縁膜平坦化技術である
バイアスＥＣＲプラズマＣＶＤ堆積法は、低温薄膜形成
及び優れた埋め込み特性を特徴としているが、ゲート絶
縁膜破壊の問題があった。

【０００３】図５（ａ）に対象とする半導体装置の断面
図を、また、図５（ｂ）にバイアスＥＣＲプラズマＣＶ
Ｄ堆積法によるゲート酸化膜へのダメージ特性の時間依
存性を示す。図５（ａ）において、１５はバイアスＥＣ
ＲプラズマＣＶＤ堆積法によるＳｉＯ2 膜、１６ポリシ
リコンゲート電極、１７はＡｌ電極、１８はゲート酸化
膜である。図５（ｂ）において、縦軸はゲート酸化膜の
歩留、横軸は堆積時間である。ゲート酸化膜１８は１１
０オングストロームであり、ＭＯＳダイオードのポリシ
リコンゲート電極１６上に直接バイアスＥＣＲプラズマ
ＣＶＤ堆積法によるＳｉＯ2 膜１５を形成したものであ
る。図５（ａ）のゲート面積１００μｍ角に対して、電
極面積を変えたアンテナパターンをパラメータとしてい
る。また、ＲＦバイアスの印加の有無について比較を行
っている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上記において、ＲＦバ
イアスを印加しない場合、アンテナ比（アンテナ電極領
域の面積をゲート領域の面積で割った値ＡＲ）が大きく
てもゲート酸化膜１８の歩留の劣化はない。しかし、Ｒ
Ｆバイアスを印加した場合、アンテナ比の増加と堆積時
間の増加につれて歩留は劣化している。このことは、歩
留の劣化がＲＦバイアスを印加したときのチャージアッ
プであると考えられる。現状の装置構成で、このＲＦバ
イアスを印加した時のチャージアップを回避する手段が
ないのが実状である。また、ＲＦバイアスを印加するシ
ステムで基板ホルダに印加するＲＦ周波数を１３．５６
ＭＨｚから４００ｋＨｚの低周波に設定し、ダメージを
回避する手段が考えられている。この手法の目的は、主
に、低周波を用いることにより電子の追随よりもイオン
の追随の方が可能になり、セルフバイアス電圧が小さく
なることによってイオン衝撃によるダメージを回避でき
るとするものであり、チャージアップを回避できるには
いたっていない。

【０００５】本発明の目的は、電子サイクロトロン共鳴
法と基板ホルダにＲＦバイアスを印加するバイアスＥＣ
ＲプラズマＣＶＤ堆積法による試料表面でのチャージア
ップ現象で生じるダメージを解決し、素子にダメージを
与えることなく絶縁膜を形成できるプラズマ処理装置お
よびその使用方法を提供することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明にかかるプラズマ
処理装置は、マグネットコイルを外周に有する円筒形の
プラズマ生成室と、このプラズマ生成室と対向し高周波
を印加可能な基板ホルダを有する試料室とからなり、電
子サイクロトロン共鳴法を用いてプラズマを生成するプ
ラズマ処理装置において、マグネットコイル位置と基板
ホルダの距離を調整可能とするために、マグネットコイ
ルをその軸心と平行方向に移動固定自在としたものであ
る。また、マグネットコイルの移動範囲を電子サイクロ
トロン共鳴点がマイクロ波導入口から２ｃｍ〜６ｃｍの
範囲内に少なくとも設定されているようにしたものであ
る。さらに、本発明のプラズマ処理装置の装置構成方法
は、マグネットコイル位置と基板ホルダとの位置を調整
し、半導体素子にダメージを与えないようにするもので
ある。

【０００７】

【作用】本発明にかかるプラズマ処理装置及び装置構成
方法は、マグネットコイルの位置を調整して、マグネッ
トコイルからの磁場強度の基板に及ぼす影響を抑えるこ
とにより磁場で捕捉される電子によるチャージアップに
よる素子へのダメージを回避する。

【０００８】

【実施例】図１は本発明の実施例を示す断面略図であ
る。１はマグネットコイルで、その軸心と平行方向に移
動可能となっており、また、任意の位置で固定できるよ
うに固定手段（図示せず）が設けられている。２はマイ
クロ波導入口、３はプラズマ室で、幅長が２０ｃｍ，半
径が１０ｃｍの円筒状をしている。４は試料室、５はＲ
Ｆバイアスを印加する基板ホルダ、６はＲＦ電源、７は
第１ガス導入口、８は第２ガス導入口、９，１０は冷却
水、１１はウエハである。本発明では、第１ガス導入口
７から酸素を導入しプラズマを生成し、第２ガス導入口
８からＳｉＨ4を導入し、ウエハ１１上にＳｉＯ2 を形
成している。また、基板ホルダ５にＲＦ電源６からＲＦ
バイアスを印加し、スパッタエッチングを生じさせ絶縁
膜の形成と同時に平坦化を実現している。

【０００９】図２は本発明のマグネットコイル１のマグ
ネットコイル位置を移動した時のゲート酸化膜１８の歩
留を示したものである。縦軸はゲート酸化膜１８の歩
留、横軸はマグネットコイル１の左端とウエハ１１間の
距離、つまりマグネットコイル位置である。堆積時間は
２００ｓｅｃ一定である。ガス圧は１．０ｍＴｏｒｒ、
マイクロ波パワーは８００Ｗ、ＲＦパワー密度は１．１
７Ｗ／ｃｍ2 、マグネット電流値は１７Ａである。ゲー
ト酸化膜厚は１１０オングストロームであり、ゲート酸
化膜面積は１００μｍ角、電極面積は１．０ｍｍ角のア
ンテナパターン素子で評価した。マグネットコイル位置
Ｘがウエハ１１から１５０ｍｍの時は歩留は４０％より
も悪い。しかし、マグネットコイル位置が１８０〜２１
０ｍｍの間では歩留は向上している。この結果から明ら
かなように、マグネットコイル位置を移動することによ
りダメージが低減されていることがわかる。

【００１０】図３にマグネットコイル１を移動した時の
ウエハ１１表面での半径方向Ｂr と垂直方向Ｂz の磁場
強度とイオン電流密度を示す。マグネットコイル位置が
１８０ｍｍ以上において、半径方向Ｂｒの磁場強度は約
３分の１、垂直方向Ｂｚは約２分の１に小さくなってい
る。また、イオン電流密度はほぼ一定である。すなわ
ち、試料表面での磁場強度がチャージアップに影響を与
えている一つの要因と考えられる。本来、ウエハ１１表
面において、ＲＦバイアスを印加すると、ＲＦバイアス
の効果はプラズマを生成することとＥＣＲプラズマから
イオンを加速することである。ＥＣＲプラズマのみであ
れば電子の中和は十分におきている。しかし、磁場が存
在する試料表面で、ＲＦバイアスが印加されるとプラズ
マ密度は磁場がない時に比較して増加すると考えられ
る。また、試料表面で電子は、１）プラズマに拡散する
もの、２）シース内でイオンと中和するもの、３）熱運
動で試料表面に動くものの３つが存在する。磁場強度が
強いと磁場に捕捉された電子の量が増加し、チャージア
ップを引き起こしていると考えられる。すなわち、本発
明の特徴は、マグネットコイル位置を試料表面から遠去
けることにより磁場強度を小さくし、電子によるチャー
ジアップ現象を低減することになる。ここで、試料表面
の磁場強度を小さくするために基板ホルダ５とプラズマ
室３との距離を離す方法も考えられるが、この方法で
は、ＥＣＲプラズマを効率よく膜形成に供給できなくな
り、堆積速度が小さくなる欠点がある。

【００１１】図４にマグネットコイル位置を移動した時
の電子サイクロトロン共鳴点（８７５ガウス）を示す。
図２と図４の比較から、マグネット電流値が１７Ａの場
合、共鳴点がマイクロ波導入口２から２〜６ｃｍの間に
存在する時にダメージが低減されていることがわかる。
一方、マグネット電流値が１５Ａの場合、試料表面での
磁場強度は小さくなる。このとき、共鳴点はマイクロ波
導入口２から１５ｍｍのところに位置している。また、
ダメージも生じている。すなわち、このことは、単にウ
エハ１１表面の磁場を弱くしても、共鳴点が２〜６ｃｍ
の領域に設定されなければ本発明の目的が達成されない
ことを示している。この特異領域の存在については、物
理的に不明であるが、円筒形のプラズマ室３の大きさ等
によって変わるものと予測される。従って、任意に定め
られたプラズマ室３に対応して、このダメージ低減領域
が存在すると考えられる。本発明の特徴は、マグネット
コイル位置を調整し、磁場強度を小さくするとともに共
鳴点をダメージ低減領域に設定し、ダメージを低減する
ことを最も特徴とするものである。

【００１２】なお、上記の実施例は、薄膜形成に対して
行われているが、本発明の装置構成で堆積用のガスの代
わりにエッチングガスを用いることにより、エッチング
時に生じるチャージアップの低減にも有効であることは
いうまでもない。

【００１３】

【発明の効果】以上説明したように、本発明は、電子サ
イクロトロン共鳴法でプラズマを生成し、基板にＲＦバ
イアスを印加可能なプラズマ処理装置及び装置構成方法
において、マグネットコイルをその軸心と平行方向に移
動可能としたので、マグネットコイル位置を調整するこ
とでマグネット電流値を変えずに電子サイクロトロン共
鳴点をずらして、ウエハ表面での磁場強度を小さくし、
電子によるチャージアップ現象を抑えることができる。
したがって、ＭＯＳデバイスに対してダメージを与える
ことなく絶縁膜を形成することができる。

【００１４】さらに、電子サイクロトロン共鳴点がマイ
クロ波導入口から２〜６ｃｍの範囲内に少なくとも設定
されているので、ＭＯＳデバイスに対するダメージを最
小にすることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例を示す断面略図である。

【図２】本発明によるマグネットコイル位置と歩留との
関係を示す図である。

【図３】本発明によるマグネットコイル位置と、ウエハ
表面での半径方向ならびに垂直方向の磁場強度とイオン
電流密度との関係を示す図である。

【図４】本発明によるマグネットコイル位置と電子サイ
クロトロン共鳴点との関係を示す図である。

【図５】処理対象である半導体素子の断面図と、バイア
スＥＣＲプラズマＣＶＤ堆積法によるゲート酸化膜への
ダメージ特性の時間依存性を示す図である。

【符号の説明】

１ マグネットコイル ２ マイクロ波導入口 ３ プラズマ室 ４ 試料室 ５ 基板ホルダ ６ ＲＦ電源 ７ 第１ガス導入口 ８ 第２ガス導入口 ９ 冷却水 １０ 冷却水 １１ ウエハ

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】マグネットコイルを外周に有し、かつマイ
   クロ波導入口を有する円筒形のプラズマ生成室と、この
   プラズマ生成室と対向し高周波バイアスを印加可能な基
   板ホルダを有する試料室とからなり、電子サイクロトロ
   ン共鳴法を用いてプラズマを生成するプラズマ処理装置
   において、前記マグネットコイル位置と基板ホルダとの
   距離を調整可能とするために、前記マグネットコイルを
   その軸心と平行方向に移動，固定自在としたことを特徴
   とするプラズマ処理装置。
2. 【請求項２】マグネットコイルは、電子サイクロトロン
   共鳴点がマイクロ波導入口から２ｃｍから６ｃｍの範囲
   内に少なくとも設定されていることを特徴とする請求項
   １記載のプラズマ処理装置。
3. 【請求項３】請求項１記載のプラズマ処理装置におい
   て、マグネットコイル位置と基板ホルダとの距離を調整
   し、半導体素子にダメージを与えない位置にマグネット
   コイルを移動させることを特徴とするプラズマ処理装置
   の構成方法。