JPH08172081A

JPH08172081A - プラズマ表面処理装置

Info

Publication number: JPH08172081A
Application number: JP21838395A
Authority: JP
Inventors: Keizo Suzuki; 敬三鈴木; Takeshi Ninomiya; 健二宮; Shigeru Nishimatsu; 茂西松; Sadayuki Okudaira; 定之奥平; Osami Okada; 修身岡田
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1995-08-28
Filing date: 1995-08-28
Publication date: 1996-07-02

Abstract

(57)【要約】【目的】プラズマを用いる表面処理装置において、従来
の装置構成では不可能であった表面処理特性を実現する
こと。とくに、エッチング速度を低下させることなく、
異方性(垂直性)の高いエッチングを可能にすること。【構成】プラズマを用いる表面処理装置に、プラズマに
よる試料表面処理の途中においてプラズマ中に供給する
放電ガスの種類，組成，濃度のいずれかを複数回にわた
って周期的に変化させる手段を設ける。この周期的変化
は、コントローラを介して、予め定められたプログラム
に従って、自動的に行なわれるものとすることができ
る。【効果】試料表面処理の途中において、特定の表面処理
特性を一定期間強調することが可能となり、特にプラズ
マエッチングに際して、エッチング開口の側壁のアンダ
ーカットを抑え、異方性(垂直性)の高いエッチングを効
率良く行なうことができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はプラズマを用いた表面処
理装置に係り、特に半導体集積回路の製造用に用いられ
るプラズマエッチング装置やプラズマデポジション（プ
ラズマＣＶＤ(Chemical Vapour Deposition)）装置に関
する。

【０００２】

【従来の技術】プラズマを用いた表面処理装置が工業的
に活発に用いられている。このプラズマ表面処理装置
は、真空室、該真空室内を排気する手段、上記真空室内
にガスを導入する手段、上記真空室内（またはその一部
内）にプラズマを発生する手段、および表面処理される
べき試料を上記真空室内に保持する手段から構成され
る。プラズマ表面処理の特性は、プラズマ発生用ガス
(放電ガス)の種類，組成，濃度によって極端に変化す
る。表面処理の目的によっては、放電ガスの種類，組
成，濃度を処理期間の途中で一定時間（周期的に）変化
させ、特定の処理特性を強調することが必要となる場合
がある。しかし、従来装置ではガス導入手段にガスの種
類，組成，濃度を変化させる機能はなく、処理期間全体
に渡って一定の特性の処理しか行なうことができなかっ
た。

【０００３】図１と図２に従来のプラズマを用いたエッ
チング装置（プラズマエッチング装置）の構成例を示し
てある（菅野卓雄編「半導体プラズマプロセス技術」，
産業図書株式会社，1980 ，ｐｐ101〜 164）。図１は有
磁場マイクロ波放電を用いた装置であり、図２はＲＦ放
電を用いた装置である。有磁場マイクロ波放電を発生さ
せる手段は、マイクロ波発振器１（通常マグネトロ
ン）、マイクロ波発振器用電源２、導波管３、放電管
４、電磁石５、永久磁石１２により構成される。電磁石
５と永久磁石１２は必ずしも両方は必要でなく、どちら
か片方だけでも良い。ＲＦ放電を発生させる手段は、Ｒ
Ｆ電源１５、コンデンサー１６およびＲＦ電極１３，１
４より構成される。下部ＲＦ電極１４は絶縁物１７によ
り電気的に絶縁保持されている。図２では、ＲＦ電極１
３，１４は真空室６内に設置されているが、場合によっ
てはＲＦ電極１３，１４を真空室外に設置する場合もあ
る。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】プラズマエッチング装
置を半導体素子製造プロセスに適用するためには、次の
ことが重要な課題となる。 (1) エッチング速さが大きいこと。 (2) 図３(ａ)に示す被エッチング物質２４を、マスク２
５を用いて、図３(ｃ)のようにアンダーカットのない垂
直エッチング(マスク通りのエッチング)を行なうことが
が可能なこと。即ち、微細加工性が良いこと。エッチング速さを大きくするためには、例えば、被エッ
チング物質２４がＳｉ(または poly −Ｓｉ)である場合
には、ＳＦ₆またはＦ₂を放電ガスとして用いると良い。
しかし、これらの放電ガスは図３(ｂ)のようにアンダー
カット２６が大きく上記の条件(2)が満足されない。後
に示すごとく本発明を用いて放電ガスの組成を周期的に
変化させることによって、上記の条件(1)，(2)を同時に
満足させることが可能となる。

【０００５】図１，図２の装置は、放電ガスの種類を変
えることによってプラズマデポジション装置（プラズマ
ＣＶＤ装置）として使うこともできる。例えば、図１，
図２の装置で放電ガスとしてＳｉＨ₄ とＮＨ₃ の混合ガ
スを用いると試料表面にＳｉとＮの混合膜（窒化シリコ
ン(Ｓｉ−Ｎ)膜）が形成され、半導体素子の保護膜とし
て用いることができる。しかし、この窒化シリコン膜中
には多量（原子密度比で１０％以上）の水素が混入し、
素子特性を劣下させる（ R. B. Fair et al.；IEEE, ED
−28, 83−94 (1981))。また、図１の装置で放電ガスと
してＳｉＦ₄ とＮ₂ の混合ガスを用いると上記同様に窒
化シリコン膜を形成することができる。しかし、この場
合では膜中に混入する弗素が問題となる。本発明により
放電ガスの組成を周期的に変化させることによって、上
記した水素または弗素の混入量を極めて微量に抑えるこ
とが可能となる。

【０００６】従って、本発明の目的は、上記した従来の
プラズマ表面処理装置では不可能であった表面処理特性
を実現することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記の目的は、プラズマ
表面処理装置において、放電ガスの種類，組成，濃度
を、表面処理途中で、１回のみ、または複数回、または
周期的に変化させる手段を設けることによって達成され
る。

【０００８】

【作用】プラズマを発生させるための放電ガスの種類，
組成，濃度はプラズマ表面処理特性を最も有効に変化さ
せ得るパラメータである。従って、上記した放電ガスの
種類，組成，濃度を表面処理の途中で変化させることに
よって、特定の表面処理特性を強調することが可能とな
る。

【０００９】

【実施例】以下、本発明の実施例を説明する。図４は本
発明によるプラズマエッチング装置の一構成例である。
プラズマ発生手段としては有磁場マイクロ波放電を用
い、被エッチング物質としてはＳｉ(または poly -Ｓi)
の例を示してある。ガス供給手段以外は図１の装置と同
じである。ガス供給手段は、ＳＦ₆，Ｎ₂，Ｈｅ，Ｈ₂の
４種類のガス源９ａ，９ｂ，９ｃ，９ｄ、各ガス源につ
けられたガス流量調整用ニードルバルブ８ａ，８ｂ，８
ｃ，８ｄ、およびガス配管７から構成される。ただし、
ＳＦ₆ のニードルバルブ８ａによるガス供給量がコント
ローラ１８によって電気的に制御されるようになってい
ることが本発明の特徴である。本実施例では、まず真空
室６を高真空（約１×１０~⁶ Torr）に排気し、次に放
電ガスを所定量供給する。例えば、真空室６内の分圧で
ＳＦ₆が５×１０~⁴ Torr、Ｎ₂が５×１０~⁵ Torr、Ｈ
ｅが５×１０~⁵ Torr、Ｈ₂が２.５×１０~⁵ Torr が一
例である。しかし、各分圧を広範囲（１×１０~⁵ 〜５
×１０~³ Torr 程度）に変えても本発明の効果は変わら
ない。次に、電磁石５により放電管４部に磁場を形成
し、マイクロ波発振器（マグネトロン）１からのマイク
ロ波（周波数＝１〜１０ＧＨｚ、通常は周波数＝２.４
５ＧＨｚ）を放電管４内に導入すると有磁場マイクロ波
放電が発生する。すると、放電中で発生した活性な粒子
（例えば、Ｆ⁺ イオンやＦラジカル）とＳｉ表面との物
理・化学反応により、エッチングが進行する。本実施例
の特徴は、エッチング途中のＳＦ₆ガスの流量を図５に
示すごとく変化させることである。このガス流量の変化
は、コントローラ１８とニードルバルブ８ａにより自動
的に行う。ＳＦ₆ ガスの真空室への供給は、τ₁の時間
はＱ₁なるガス流量で行なわれ、次いでτ₂の時間だけＱ
₂なるガス流量で行なわれる。Ｑ₁，Ｑ₂の値は任意であ
るが、一例としてはＱ₁は５×１０~⁴ Torr の分圧を与
えるに必要なガス流量（通常の排気系を用いる場合はＱ
₁＝１〜１０ SCC／min）でありＱ₂＝０とすることがで
きる。τ₁，τ₂を決定する条件は後に述べるが、一例と
してτ₁＝２５sec，τ₂＝５secを選ぶことができる。こ
のようにすることにより、ＳＦ₆ガスによる高速エッチ
ング（エッチング速さ＞２００ｎｍ／min）がアンダー
カットなく実現される。このような、高速，垂直エッチ
ングが本発明により初めて可能となったことを以下に述
べる。

【００１０】エッチング開始後最初のτ₁の期間ではプ
ラズマ中に多量の活性な粒子（例えばＦ⁺ イオンとＦラ
ジカル）が発生してエッチングが進行する。試料１０は
プラズマに対して負の浮遊電位Ｖ(Ｖ＝約 −２０Ｖ)に
なっており、Ｆ⁺イオンは試料表面に垂直に入射する。
したがってＦ⁺イオンによるエッチングは試料表面に垂
直となりアンダーカットを発生しない。一方、Ｆラジカ
ルは電気的に中性であるため試料表面に等方的に入射し
アンダーカットを発生させる。ところが、ＳＦ₆ガスに
よるエッチングでは、Ｆ⁺ イオンによる効果よりもＦラ
ジカルによる効果の方が大きくエッチング形状は図６
(ａ)に示すごとく等方的となる。即ち τ₁の間に表面に
垂直に深さｄ₁だけエッチングされると、横方向にも約
ｄ₁のアンダーカット２６が発生している。次いでＳＦ
₆ガスの供給を停止するとプラズマ中のＦ⁺ イオンやＦ
ラジカルは排気されてなくなり、Ｎ₂ とＨｅ，Ｈ₂ のみ
の放電となる。この放電中で発生したＮ⁺ イオンやＮラ
ジカルによって図６(ｂ)に示すようにＳｉ表面（水平面
と側面の両方）が窒化される（表面に窒化シリコン膜２
７が形成される）。ＳＦ₆ガスの供給をストップしたの
は、Ｆ⁺イオンやＦラジカルが存在していてエッチング
が進行していると強固な（緻密な）窒化シリコン膜が形
成されないからである。Ｈｅガスを混入しているのは、
以下の理由による。即ち、ＳＦ₆ガスの供給を停止する
と、Ｎ₂ の分圧(５×１０~⁵ Torr)のみでは安定な放電
が維持されない。化学的に不活性なＨｅを混入して放電
ガス圧（全圧）を大きくすることによって放電を安定化
させることができるからである。従って、ＨｅをＮｅ，
Ａｒ，Ｋｒ，Ｘｅ等の他の希ガスに置き替えても同様の
効果が得られる。また、Ｈ₂ガスを混入しているのはＳ
Ｆ₆ガス供給時でのＦラジカル濃度を適当に減少させる
ためである。さて、次に再びＳＦ₆ ガスを供給すると試
料表面にＦ⁺ イオン，Ｆラジカルが入射してくる。しか
し、Ｆラジカルだけでは窒化シリコン膜２７はほとんど
エッチングされないため、窒化シリコン膜２７で覆われ
た側面のエッチングは行なわれず、垂直方向のエッチン
グと新たに現われた側面のエッチングが行なわれる。こ
の時のアンダーカットの大きさはやはりｄ₁である。即
ち、図６(ｃ)のようになる。これをくり返すことによっ
て図６(ｄ)に示すような断面形状をしたエッチングが行
なわれる。τ₀＝τ₁＋τ₂ を１周期としてＳＦ₆ガス供
給の断続をｎ回くり返したとすると、全エッチング時間
ｔ_εは

【数１】ｔ_ε ＝ｎτ₀ ………………… (1) であり、垂直方向のエッチング深さｄ_P 、および水平方
向のエッチング量（アンダーカット量）ｄ_V は

【数２】ｄ_P ＝ｎｄ₁ ………………… (2)

【数３】ｄ_V ＝ｄ₁ ………………… (3) である。垂直エッチングとしては、一般にｄ_P ／ｄ_V ＞
１０が必要であるから

【数４】ｎ＞１０ ………………… (4) が必要である。ただし、ＳＦ₆ ガスが低ガス圧力であ
り、アンダーカット量の少ないエッチングが可能な場合
には、ｎの値は小さくてもよい。また、ＳＦ₆ ガス供給
を停止して残りのＦ⁺イオンやＦラジカルが排気される
に要する時間をτ_rとすると

【数５】 τ₂ ≫ τ_r ………………… (5) であることが必要である。τ_r は真空室内に存在するガ
ス分子，原子の滞在時間であり、真空室の体積をＶ
（ｌ）とし排気系の排気速さをＳ（ｌ／sec）とすると
τ_r ＝Ｖ／Ｓである。通常の装置ではＶ＝約２０ｌ，
Ｓ＝約１０００ｌ／secであるため、τ_r ≒０.０２sec
＝２０ｍsecである。従って、(5)式より

【数６】 τ₂ ≫ ２０ｍsec ………………… (6) である必要がある。また、実験によれば、τ₁ の間にエ
ッチングされる垂直方向のエッチング深さは２００ｎｍ
以下であることが必要であった。これ以上τ₁ を大きく
すると、一旦形成された側壁の窒化シリコン膜がエッチ
ングされてアンダーカットが大きくなるからである。即
ち、最終的な垂直方向のエッチング速さをε（ｎｍ／mi
n）とすると

【数７】 τ₁ ＜ (２００／ε)×６０ ………………… (7) である必要がある。例えば ε＝２００ｎｍ／minとする
とτ₁＜６０secが必要である。また、τ₂ の間ではエッ
チングが行なわれないからτ₂≪τ₁も実用的には必要と
なる。以上の条件により、前述では、τ₁＝２５sec，τ
₂＝５secの結果を述べたが、τ₁＝５〜６０secで τ₂＝
（１／５〜１／５０）×τ₁ としても同様の効果（即
ち、Ｓｉのエッチング速さε≒２００ｎｍ／min で、ア
ンダーカットが殆どないエッチング）が得られることを
実験的に確認している。

【００１１】図４に示した実施例では、有磁場マイクロ
波放電を用いた装置について述べているが、ＲＦ放電を
用いたプラズマエッチング装置に本発明を適用しても同
様の効果が得られる。また、図４の実施例では、ＳＦ₆
＋Ｎ₂＋Ｈｅ＋Ｈ₂ の混合ガスについて示したが、ＳＦ₆
の代わりにＦ₂、さらには他のハロゲン元素を含むガス
（例えば、Ｃ_nＦ_mガス（ＣＦ₄，Ｃ₂Ｆ₆，Ｃ₃Ｆ₈，Ｃ₄Ｆ
₈，Ｃ₄Ｆ₁₀ 等），ＮＦ₃ガス、Ｃｌ₂ガス、Ｃ_nＣｌ_mガ
ス（ＣＣｌ₄，Ｃ₂Ｃｌ₆ 等）、Ｃ_nＦ_mＣｌ_k（ｎ，ｍ，
ｋ；整数）ガス、Ｃ_nＦ_mＣｌ_kＨ_i（ｎ，ｍ，ｋ，ｉ；整
数）ガス、ＢＣｌ_３ガス、その他ＢｒやＩを含むガス
等）を用いても効果は同様である。また、Ｎ_２の代わり
にＯ₂やＣ−Ｈ系化合物ガス、さらにはＮ，Ｏ，Ｃのう
ちいずれか一つ又は複数の元素を含むガスを用いても効
果は同様である（なぜなら、それにより得られる酸化シ
リコンやＳｉＣ膜は先の窒化シリコン膜と同様にＦラジ
カルではエッチングされないからである）。ただし、Ｏ
₂ を用いると、マスク材として用いる光レジストがエッ
チングされ易いという問題が発生する。また、ＳＦ₆ ガ
ス分圧が適当な時には、Ｈ₂ 混入をやめても、本発明の
効果はかわらない。また、本実施例では被エッチング物
質がＳｉ(または poly −Ｓｉ)の場合について示した
が、被エッチング物質がＭｏ，Ｗ，Ａｌまたはこれらの
シリサイドであっても効果は同じである。また、図４の
実施例では、試料台および試料が放電管の下部に位置し
ているが、これらを放電管内に設置しても良い。こうす
ることによって試料表面に入射するＦ⁺ イオン，Ｆラジ
カルが増大してエッチング速さを増大させることができ
る。

【００１２】図７に、本発明の他の一実施例を示す。図
４に示した実施例と異なる点は以下の通りである。 (1) 試料台１１および試料１０に電源１５により外部電
圧を印加する手段が設けられている。外部電圧として
は、直流，交流のいずれでも良いが、試料１０表面に電
気的に絶縁性の薄膜が存在する場合には交流電圧（高周
波電圧(ＲＦ電圧)）の方が絶縁薄膜表面での帯電を防止
するために優れている。実験的では、高周波電圧の周波
数は１００〜１０００ＫＨｚ、振幅は０〜２００Ｖが適
当であった。 (2) 試料台１１を冷却する機能（試料台冷却機構１９）
が設けられている。 (3) Ｎ₂とＨｅ，Ｈ₂ガス（場合によっては、Ｎ₂と、Ｈ
ｅ，Ｈ₂のどちらか一つ）が、試料台１１内部、試料台
１１と試料１０との間隙を通って真空室６内に導入され
る。上記(2)と(3)の機能によってエッチング中での試料１０
の温度上昇を防ぐことができる。これは、マスク材であ
る光レジストの変質防止に有効である。また、上記(1)
の機能により試料に入射するイオンを加速できるた
め、エッチング速さの増大およびアンダーカットの減少
に有効である。外部電圧（高周波電圧）は、エッチング
中（表面処理中）常時印加していても構わない。しか
し、高周波電圧印加によってマスク材の変質消耗が加速
されるため、ＳＦ₆ ガスの供給を停止する期間（即ち
図５のτ₂の期間）内は高周波電圧印加を停止すること
がマスク材の変質，消耗防止に有効である。本実施例の
効果は、(1) 被エッチング物質をＳｉ， poly −Ｓｉ以
外の物質（Ｍｏ，Ｗ，Ａｌおよびこれらのシリサイド
等）に代えても、(2) ＳＦ₆ ガスを他のハロゲン元素を
含むガス（図４の実施例の説明欄参照）に代えても、
(3) Ｈｅガスを他の希ガスに代えても、(4) Ｈ₂ ガスを
除いても、同様に有効である。また、試料台の冷却と試
料台を通してのガス導入の方法は、本発明を適用した他
のプラズマエッチング装置やプラズマ表面処理装置全搬
について有効である。また、高周波(ＲＦ)電圧を印加す
る方法は本発明を用いたプラズマ表面処理装置全搬に対
し有効である。

【００１３】図８に、本発明のさらに他の一実施例を示
す。本実施例の特徴は、ＳＦ₆ ガスのガス流量のみでな
く、Ｎ₂ ガスのガス流量と高周波電源１５の駆動，停止
とがコントローラ１８からの電気的信号によって制御さ
れていることである。また、ＨｅガスとＨ₂ ガスを使用
していない。図９(ａ)に、ＳＦ₆ ，Ｎ₂ ガスの流量と高
周波電圧印加の制御の一例が示してある。τ₁ ，τ₂ ，
τ₀ は、図４の実施例で説明した値が適当である。例え
ば、τ₁ ＝２７.５ sec ，τ₀ ＝２.５ sec とすること
ができる。ガス流量Ｑ₁ ，Ｑ₂ ，Ｑ₁′，Ｑ₂′は自由で
あるが、例えばＱ₁ ＝Ｑ₁′，Ｑ₂ ＝Ｑ₂′＝０とす
ることができる。Ｑ₁ ，Ｑ₁′の値としては、例えば真
空室６内のガス圧力が５×１０~⁴ Torr となるような値
とすることができる。また、Ｖ₁ ，Ｖ₂ の値も自由であ
るが、例えばＶ₁＝１００Ｖ，Ｖ₂＝０Ｖとすることがで
きる。印加高周波電圧の振幅を変化させる理由は先の図
７の実施例中で述べたのと同じである。本実施例では、
先の図４の実施例の場合とは異なって、ＳＦ₆ガスの供
給を停止すると同時にＮ₂ガスの供給量を増大すること
によって次のような利点が生ずる。 (1) 真空室内のガス圧力が、常に放電維持に十分な高圧
力（一般に１×１０~⁴Torr以上）になっているため
に、図４の実施例のように放電補助ガス（Ｈｅ等の希ガ
ス）の導入を必要としない。 (2) τ₂の期間中でのＮ₂の分圧が高くなるので、短いτ
₂時間で緻密な窒化シリコン保護膜を形成できる。本実施例の方法で、シリコンのエッチング速さが２５０
ｎｍ／min のときアンダーカットのないエッチングが実
現した。使用するガスの種類を変えれば、本実施例の方
法が他の被エッチング物質のエッチングや、他のプラズ
マ表面処理全搬に対し適用可能なことは当然である。本
実施例の方法では、ＳＦ₆やＮ₂ガスの供給量を変えた
り、高周波印加電圧を変えるタイミングが同時になって
いるが、これらのタイミングを互いにずらしてもかまわ
ない（図９(ｂ)参照）。τ_a ，τ_b は互いの位相のずれ
を表わす。例えば、高周波電圧を印加する時間をτ₁〃
をτ₁よりも小さくし、必要最小限にすることによっ
て、上述した高周波電圧印加による素子特性の劣化を最
小限に抑えることができる。

【００１４】図１０は、図８の実施例で説明した方法を
ＲＦ放電を用いたエッチング装置に適用した場合の一実
施例を示している。

【００１５】図１１は、試料台に公転（自公転）板２０
を用いて複数枚の試料１０を同時にエッチングする装置
に本発明を適用した例を示している。試料表面にはプラ
ズマが間歇的に照射されてエッチングが進行する。プラ
ズマ発生手段としては有磁場マイクロ波放電を用いてい
る。試料台に高周波電圧が印加可能なことおよびガス流
量と高周波電圧の印加がコントローラ１８で制御される
ことは、図８の実施例と同じである。本実施例で注意し
なければならないことは、複数枚の試料間でのエッチン
グ進行のバラつき（誤差）をなくすためには、公転板２
０の回転とガス流量および高周波電圧印加の制御とを連
動させて行なう必要があることである。従って、図に示
した如く、コントローラ１８からの電気信号に従って公
転板駆動機構２１を働かせること（または、その逆）が
望ましい。一般的には公転板２０の公転周期（１回転に
要する時間）をτ_r とすると、図９に示したコントロー
ラ１８の周期τ₀はτ_r／τ₀≒整数、または τ₀／τ_r≒
整数の関係を持つことが望ましい。本実施例はガス種を
変えればプラズマＣＶＤ装置にも適用可能である。

【００１６】図１２に、終点検知機構２２を有したエッ
チング装置に本発明を適用した例を示してある。プラズ
マ発生方法としては有磁場マイクロ波放電を用いた例に
ついて示してある。一般に終点検知は、被エッチング物
質がなくなった時のプラズマの状態の変化を捉えて行
う。一方、供給ガスの種類，組成，濃度を変えるとプラ
ズマの状態が大きく変化するため、プラズマからの終点
検知の信号を取り入れる時期をガス流量および高周波電
圧印加の制御と連動させる必要がある。従って、本実施
例では終点検知機構２２がコントローラ１８からの信号
を受けて動作するようになっている。本実施例の方法
が、他のプラズマエッチング装置や、他の放電ガスによ
るエッチング装置にも適用可能なことは、図４，図８の
実施例の場合と同様である。

【００１７】エッチングの断面形状としては、必ずしも
垂直エッチングによる矩形ばかりでなく、若干のアンダ
ーカットによる台形や逆台形（素子間のアイソレーショ
ン用エッチングやオーバーハング除去のエッチングに有
効）が望まれる場合がある。このような要望は、図９の
τ₁，τ₂，τ₀，Ｑ₁，Ｑ₂，Ｑ₁′，Ｑ₂′，Ｖ₁，Ｖ₂を
エッチング処理の途中で適当に変えることによって実現
できる。

【００１８】図１３は、プラズマＣＶＤ装置に本発明を
適用した例を示している。プラズマ発生手段としては有
磁場マイクロ波放電を用いている。一例としてＳｉＦ₄
とＮ₂ガスによって窒化シリコン膜（Ｓｉ−Ｎ膜）を形
成する例を示してある。構造としては図８と同じである
が、ＳＦ₆ガスがＳｉＦ₄ガスに替わっている。ガス流量
の調整、高周波電圧印加の制御の一例が図１４に示して
ある。τ₁ ，τ₂ ，τ₀の条件は後に説明するが、例え
ば τ₁＝３秒，τ₂＝３秒，τ₀＝τ₁＋τ₂＝６秒とする
ことができる。Ｑ₁ ，Ｑ₂ ，Ｑ₁′，Ｑ₂′も自由である
が、例えばＱ₁ ，Ｑ₁′としては真空室内のＳｉＦ₄とＮ
₂ガスの圧力がそれぞれ４×１０~⁴ Torrと８×１０~⁴
Torr になるように選ぶことができる。また、Ｑ₂ ＝
０，Ｑ₂′＝１／２Ｑ₁′とするのが適当である。また、
Ｖ₁，Ｖ₂も自由であるが、例えばＶ₁＝１００Ｖ，Ｖ₂＝
５０Ｖが一例である。本実施例を用いることにより、
Ｆ元素の混入の少ないＳｉ−Ｎ膜を形成できる。その理
由は以下の通りである。即ち、τ₁ の時間に（ＳｉＦ₄
＋Ｎ₂）ガスの放電によって試料表面にＳｉ−Ｎ膜が形
成されるが、この時に膜内にＦ元素が混入する。次に、
ＳｉＦ₄ガスの供給が停止され、Ｎ₂ガスの供給量が増大
される（τ₂ の期間)と、Ｎ₂ 放電で形成されるＮラジ
カルがＳｉ−Ｎ膜表面に入射して２(Ｓｉ−Ｆ)＋２Ｎ → ２(Ｓｉ−Ｎ)＋Ｆ₂↑ の反応によってＦ元素を膜中から遊離蒸発させる。これ
をくり返すことによってＦ元素混入の少ないＳｉ−Ｎ膜
が形成される。図４の実施例と同様に、τ₂ は真空室６
中のガス分子，原子の滞在時間τ_r よりも十分大きいこ
とが必要である。即ち、

【数８】 τ₂ ≫ τ_r ≒ ２０ｍsec ………………… (8) が必要である。また、実験によればτ₂ の期間中にＦ元
素を十分に除去するためには、τ₁ の期間中に形成され
る膜厚が１０ｎｍ以下である必要がある。即ち、τ₂＝
０sec として連続に膜形成した時の膜形成速さをＤ（ｎ
ｍ／min）とするとτ₁ は

【数９】 τ₁ ＜ (１０／Ｄ)×６０ ………………… (9) である必要がある。通常Ｄ≒１００ｎｍ／min であるか
ら

【数１０】 τ₁ ＜６ sec ………………… (10) が必要である。本実施例と同様の方法は、ＲＦ放電を用
いた他のプラズマＣＶＤ装置にも適用可能である。ま
た、ガス種を変えれば、Ｓｉ−Ｎ膜以外の膜のプラズマ
ＣＶＤ装置にも適用可能である。

【００１９】図１５は、開閉バルブを用いてガス流量を
制御する方法例を示すものであり、前述した本発明の全
ての実施例に適用可能である。本実施例は、各ガス種
（例えばガスＡ）に対して、ニードルバルブ８ａと２つ
の開閉弁２３ａ，２３ａ′およびこれらを継なぐ配管系
から構成されている。２つの開閉弁２３ａ，２３ａ′は
コントローラ１８からの信号によって開閉を制御され
る。ボンベ９ａ，９ｂから出たガスはニードルバルブ８
ａ，８ｂによって常に一定量が流れるように調整されて
いる。開閉バルブ２３ａを開け２３ａ′を閉じればガス
を真空室内に導入できる。また、バルブ２３ａを閉じれ
ば真空室へのガス導入は停止されるが、このままではバ
ルブ２３ａとニードルバルブ８ａとの間にガスが溜って
しまい、次に２３ａを開けた時にこの溜ったガスが真空
室内へ流入してしまうので、正確な流入量の制御ができ
なくなってしまう。これを防ぐために、バルブ２３ａを
閉じると同時に、バルブ２３ａ′を開いてバルブ２３ａ
とニードルバルブ８ａとの間に溜るガスを排気するよう
になっている。次に再び真空室へガスを導入するには、
バルブ２３ａ′を閉じ、バルブ２３ａを開ければ良い。
この方法の特徴は、ニードルバルブの開口度を直接制御
するよりも、流量制御の再現性，制御性が良いことであ
る。２つの開閉バルブ２３ａ，２３ａ′は、一つの三方
バルブに置き替えることも可能である。図１５のガス種
は、必要に応じて増やことが可能である。

【００２０】

【発明の効果】本発明によって、プラズマ表面処理装置
の放電ガス種，組成，濃度を処理途中で変化させれば、
表面処理の特性を時系列的に変化させることができ特定
の処理特性を一定期間強調することが可能となる。この
結果、従来装置では不可能であった表面処理特性を実現
することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来のプラズマ表面処理装置の一構成例を示す
図。

【図２】従来のプラズマ表面処理装置の他の一構成例を
示す図。

【図３】垂直エッチングと非垂直エッチングの説明図。

【図４】本発明の一実施例になるプラズマ表面処理装置
の構成を示す図。

【図５】第４図の実施例装置におけるＳＦ₆ ガス流量の
制御例を示す図。

【図６】第４図の実施例装置によるエッチングの進行状
況説明図。

【図７】本発明の他の一実施例になるプラズマ表面処理
装置の構成を示す図。

【図８】本発明のさらに他の一実施例になるプラズマ表
面処理装置の構成を示す図。

【図９】第８図の実施例におけるガス流量と高周波電圧
付加の制御例を示す図。

【図１０】本発明のさらに他の一実施例になるプラズマ
表面処理装置の構成を示す図。

【図１１】本発明のさらに他の一実施例になるプラズマ
表面処理装置の構成を示す図。

【図１２】本発明のさらに他の一実施例になるプラズマ
表面処理装置の構成を示す図。

【図１３】本発明のさらに他の一実施例になるプラズマ
表面処理装置の構成を示す図。

【図１４】第１３図の実施例におけるガス流量と高周波
電圧印加の制御例を示す図。

【図１５】本発明における導入ガス流量制御機構の他の
一構成例を示す図。

【符号の説明】

１…マイクロ波発振器、２…マイクロ波
発振器用電源、３…導波管、
４…放電管、５…電磁石、６
…真空室、７…配管、８…
ニードルバルブ、９…ガス源（ガスボンベ）、
１０…試料、１１…試料台、１
２…永久磁石、１３…上側ＲＦ電極、
１４…下側ＲＦ電極、１５…高周波（ＲＦ）電源、
１６…コンデンサー、１７…絶縁物、
１８…コントローラ、１９…試料台冷却機
構、２０…公転板（又は自公転板）、２
１…公転板（自公転板）駆動機構、２２…終点検知機
構、２３ａ，２３ｂ…開閉バルブ、２３ａ′，
２３ｂ′…開閉バルブ、２４…被エッチング物質、
２５…マスク、２６…アンダーカット、
２７…窒化シリコン膜。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者奥平定之東京都国分寺市東恋ケ窪１丁目280番地株式会社日立製作所中央研究所内 (72)発明者岡田修身東京都国分寺市東恋ケ窪１丁目280番地株式会社日立製作所中央研究所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】真空室、該真空室内を排気する手段、前記
真空室内にガスを導入する手段、および前記真空室内に
プラズマを発生させる手段を有し、この発生プラズマに
より試料の表面処理を行なうプラズマ表面処理装置にお
いて、上記試料の表面処理の途中において、上記真空室
内に導入するガスの種類、組成、圧力または分圧を複数
回にわたって周期的に変化させる機構を付設してなるこ
とを特徴とするプラズマ表面処理装置。
【請求項２】前記導入ガスの種類、組成、圧力または分
圧を複数回にわたって周期的に変化させる機構は、コン
トローラを介して上記導入ガスの種類、組成、圧力また
は分圧を自動的に複数回にわたって周期的に変化させる
ものであることを特徴とする特許請求の範囲第１項に記
載のプラズマ表面処理装置。
【請求項３】前記導入ガスの種類、組成、圧力または分
圧を複数回にわたって周期的に変化させる機構は、前も
って定められたプログラムに従って、上記導入ガスの種
類、組成、圧力または分圧を自動的に複数回にわたって
周期的に変化させる機能を有するものであることを特徴
とする特許請求の範囲第１項に記載のプラズマ表面処理
装置。
【請求項４】前記導入ガスの種類、組成、圧力または分
圧を複数回にわたって周期的に変化させる周期が、前記
真空室内における上記導入ガスの分子又は原子の滞在時
間よりも長いことを特徴とする特許請求の範囲第２また
は３項に記載のプラズマ表面処理装置。
【請求項５】前記導入ガスの種類、組成、圧力または分
圧を複数回にわたって周期的に変化させる機構は、試料
の表面処理の進行状況を測定し、該測定結果をフィード
バックさせるプログラムに従って、上記導入ガスの種
類、組成、圧力または分圧を変化させるものであること
を特徴とする特許請求の範囲第１項に記載のプラズマ表
面処理装置。
【請求項６】真空室、該真空室内を排気する手段、前記
真空室内にガスを導入する手段、前記真空室内にプラズ
マを発生させる手段、および該発生プラズマにより表面
処理されるべき試料に外部電圧を印加する手段を有する
プラズマ表面処理装置において、上記試料の表面処理の
途中において、上記導入ガスの種類、組成、圧力または
分圧を複数回にわたって周期的に変化させる機構を付設
してなることを特徴とするプラズマ表面処理装置。
【請求項７】前記の外部電圧印加手段により試料に印加
する外部電圧が高周波電圧であることを特徴とする特許
請求の範囲第６項に記載のプラズマ表面処理装置。
【請求項８】前記の外部電圧印加手段は、上記導入ガス
の種類、組成、圧力または分圧の変化に応じて、試料に
印加する外部電圧を変化させる機能を有するものである
ことを特徴とする特許請求の範囲第６項または７項に記
載のプラズマ表面処理装置。
【請求項９】真空室、該真空室内を排気する手段、前記
真空室内にガスを導入する手段、および前記真空室内に
プラズマを発生させる手段を有し、該発生プラズマを試
料表面に照射することにより、該試料表面の表面処理を
行なわせるプラズマ表面処理装置において、上記試料の
表面処理の途中において上記導入ガスの種類、組成、圧
力または分圧を複数回にわたって周期的に変化させる手
段と、該導入ガスの種類、組成、圧力または分圧の変化
に応じて上記試料表面へのプラズマの照射状態を周期的
に変化させる手段とを付設してなることを特徴とするプ
ラズマ表面処理装置。