JPH09106899A

JPH09106899A - プラズマｃｖｄ装置及び方法並びにドライエッチング装置及び方法

Info

Publication number: JPH09106899A
Application number: JP7288117A
Authority: JP
Inventors: Atsushi Sekiguchi; 敦関口; Riyouko Tobe; 了己戸部; Masao Sasaki; 雅夫佐々木; Kenichi Takagi; 憲一高木
Original assignee: Anelva Corp
Current assignee: Canon Anelva Corp
Priority date: 1995-10-11
Filing date: 1995-10-11
Publication date: 1997-04-22
Also published as: KR970021370A; KR100232040B1; US5891349A; TW305096B

Abstract

(57)【要約】【目的】プラズマ発生電極とプラズマと処理室内壁と
の相対電位関係を最適にして、経時変化の非常に少ない
安定した低圧高密度プラズマを得る。【構成】１ターンループの形状をしたプラズマ発生電
極６１の一方の導入端子６２を高周波電源５２に接続
し、他方の導入端子６３を第１のコンデンサ８１を介し
て接地する。四塩化チタンを毎分２０ミリリットル、水
素ガスを毎分３０ミリリットル、窒素ガスを毎分１０ミ
リリットルの流量で処理室２０に導入し、処理室２０内
の圧力を約１Ｐａに設定し、基体２１の温度を４５０℃
〜６００℃に設定する。高周波電源５２の出力を２．５
ｋＷとして低圧高密度のプラズマを発生させると、窒化
チタンの膜が毎分約３０ｎｍの速度で堆積する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、処理室の内部にプ
ラズマ発生電極を備えるプラズマＣＶＤ装置及び方法に
関し、また、処理室の内部にプラズマ発生電極を備える
ドライエッチング装置及び方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】プラズマＣＶＤ法は、プラズマを用いて
原料ガスを化学反応させて基体上に薄膜を堆積させる薄
膜形成方法であるが、このプラズマＣＶＤ法は、半導体
集積回路素子、超伝導素子、各種電子素子、各種センサ
ー等を構成している金属膜、半導体膜、絶縁膜、光導電
体膜、拡散防止膜、密着層膜等の薄膜を作製する手法と
して広く用いられている。また、ドライエッチング法
は、所定の原料ガスをプラズマを用いて化学反応させて
薄膜をエッチングする方法であり、これも広く用いられ
ている。これらのプラズマ処理方法において、近年、低
圧高密度プラズマが注目されている。この低圧高密度プ
ラズマを用いることにより、今まで実現しなかった処理
が可能になったり、処理の効率が改善されたりしてい
る。

【０００３】以下に、プラズマＣＶＤ装置を例にとって
従来技術を説明する。処理室内にプラズマを発生させる
ためにはプラズマ発生電極を用いるのが一般的であり、
典型的には、このプラズマ発生電極に高周波電力を印加
している。このプラズマ発生電極の形式を分類すると、
容量結合方式と誘導結合方式とに分類でき、また別の観
点からは、処理室の外部に電極を配置する外部電極方式
と、処理室の内部に電極を配置する内部電極方式とに分
類できる。これらの形式の中で広く用いられているの
は、容量結合方式でかつ内部電極方式である平行平板型
のプラズマＣＶＤ装置である。

【０００４】この平行平板型のプラズマＣＶＤ装置で
は、処理室の内部で２枚の電極を対向させ、一方の電極
に高周波電力や低周波電力、直流電力、あるいはこれら
の電力を時間変調した電力を印加できる構造になってい
る。他方の電極は接地されている。あるいは、他方の電
極を、コンデンサ、コイル（インダクタ）、コンデンサ
とコイルとの組み合わせ等を介して、接地しているもの
もある。これらの平行平板型の電極構造は、二つの電極
間の静電界によって荷電粒子を加速して、荷電粒子と荷
電粒子、または荷電粒子と電極との衝突による相互作用
によってプラズマを生成、維持するものである。この平
行平板型のプラズマＣＶＤ装置では、１００ｍＴｏｒｒ
以下の圧力ではプラズマを生成及び維持するのが難し
く、低圧高密度プラズマを得ることができない。

【０００５】一方、低圧高密度プラズマを生成するのに
優れている方式の中で広く用いられているのは誘導結合
方式のプラズマ発生法である。このことをまとめた文献
として、菅井秀朗著、「低圧力・高密度プラズマの新し
い展開」、応用物理、第６３巻、第６号、1994年、pp.5
59-567 がある。この誘導結合方式は、プラズマ生成ア
ンテナに流れる電流の時間変化による電磁誘導によっ
て、プラズマを生成及び維持させるものである。すなわ
ち、プラズマの生成維持機構が電磁波と荷電粒子の相互
作用によるものである。したがって、１００ｍＴｏｒｒ
以下の圧力でもプラズマを生成及び維持するのは容易
で、低圧高密度プラズマを得ることができる。

【０００６】この誘導結合方式のなかで広く用いられて
いるのは、処理室の外部にプラズマ生成アンテナを配置
する外部アンテナ方式である。この方式は、誘電体材料
で作られた放電室の外部の周囲に、コイル状または変形
したループ状のプラズマ生成アンテナを配置している。
これにより、低圧高密度プラズマを得ている。しかし、
この外部アンテナ方式は次の欠点がある。導電体膜、半
導体膜などの、導電性の比較的良好な膜（以下、単に導
電膜という。）を作製した場合、誘電体で作られた放電
室の内壁に導電膜が堆積し、放電室の周囲に設置されて
いるプラズマ生成アンテナから放射される電磁波が、こ
の内壁上の導電膜で遮蔽されてしまう。このため、放電
室内のプラズマの状態が不安定になったり、ひどいとき
には、プラズマを生成することができなくなってしま
う。したがって、この外部アンテナ方式でプラズマを発
生させて、基体上に導電膜を堆積する場合には、放電室
の内壁をしばしば洗浄する必要がある。

【０００７】上述の外部アンテナ方式の欠点を補うため
に、誘導結合方式のアンテナを、処理室の内部に設置す
る方式（以下、単に内部アンテナ方式という。）が知ら
れている。この内部アンテナ方式のプラズマ発生装置
は、上述の菅井秀朗氏の論文にも示されているが、具体
的な装置構成としては、Hideo Sugai, Kenji Nakamura,
Keiji Suzuki: Japanese Journal of Applied Physics
Vol. 33 (1994) pp. 2189-2193 に記載されている。ま
た、特開平７−１８４３３号公報には、この種の内部ア
ンテナ方式を用いたスパッタリング装置が開示されてい
る。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】上述の Hideo Sugai
らの論文に開示されている内部アンテナ方式のプラズマ
発生装置では、実質上１ターンのループコイルからなる
アンテナを処理室の内部に配置しており、このアンテナ
の一方の端子を高周波電源に接続し、他方の端子を接地
している。そして、プラズマを安定化させるために、ア
ンテナの表面に誘電体を被覆している。このプラズマ発
生装置を用いて基体上に膜を堆積する場合には次の問題
が生じる。プラズマＣＶＤ法で基体上に導電膜を堆積す
る場合には、アンテナ表面にも導電膜が堆積する。ま
た、ドライエッチング法で金属の基体をエッチング処理
する場合にも、エッチング処理によって生じた金属化合
物ガスがアンテナ表面に付着し、これが化学変化を起こ
して、金属が堆積してしまう。このように、誘電体で被
覆したアンテナ表面に導電膜が堆積していくと、基体の
処理が進むにつれて、プラズマ生成の状態が変化し、長
期間にわたって基体の処理をバッチ処理した場合に、基
体処理の再現性が損なわれる。また、プラズマ安定化の
ための誘電体被覆の効果が失われ、プラズマが不安定に
なりやすい。したがって、アンテナの表面をしばしばク
リーニングする必要がある。

【０００９】さらに、この Hideo Sugai らの論文のプ
ラズマ発生装置では、アンテナに印加される高周波電力
により、アンテナの誘電体被覆の表面に負の直流バイア
ス電圧が誘起される。そして、この直流バイアス電圧と
プラズマ電位との間の電位差により正イオンが加速され
て、この正イオンがアンテナ表面の誘電体被覆に入射
し、誘電体被覆をスパッタリングしてしまう。このた
め、この種のプラズマ発生装置を膜堆積に使用した場合
には、堆積する膜中に、誘電体被覆を構成する物質が混
入する恐れがあり、高純度の膜を作製する障害になりや
すい。

【００１０】なお、この Hideo Sugai らの論文のプラ
ズマ発生装置において、アンテナの表面に誘電体被覆を
設けなければ、上述のような欠点は解消されるが、次の
ような別の問題がある。アンテナの一端は直流的に接地
されているので、アンテナに直流的なバイアス電位が生
じることがなく、アンテナに印加される高周波電力によ
って、アンテナの電位は、接地電位を基準として時間と
共に正負に対称に変化する。このようなアンテナ電位の
時間的変化に伴って、荷電粒子である電子または正イオ
ンがアンテナに流入する。電子は正イオンに比べて質量
が非常に小さいので電界による移動度が大きく、アンテ
ナに流入する荷電粒子の数は正イオンよりも電子の方が
多くなる。一方、アンテナには上述のように直流的なバ
イアス電位が生じないので、アンテナに流入する荷電粒
子の全電荷量のバランスを取るために、必然的に、プラ
ズマ電位が正の電位方向にシフトする。その結果、処理
室の内壁とプラズマとの間の電界が大きくなり、正イオ
ンが処理室内壁に向かって加速されるエネルギーが大き
くなる。すると、この正イオンが処理室内壁に衝突する
ことによって生じる二次電子の量が大きくなり、処理室
内壁のどこかで局所的に自続放電が発生する。この自続
放電により処理室内壁が加熱されて熱陰極アーク放電と
なり、このようなアーク放電モードになると、プラズマ
と処理室内壁との間で大きな電流が流れる。これによ
り、プラズマの空間電位は下がって一時的に自続放電は
停止するが、再びプラズマの空間電位が上昇して、プラ
ズマと処理室内壁との間で自続放電が生じる。このよう
にプラズマの空間電位が周期的に大きく変化するので、
安定したプラズマを得ることができない。さらに、処理
室内壁が熱陰極アーク放電により局所的に極度加熱され
るため、処理室を構成する金属材料が蒸発し、被処理基
体の重金属汚染の原因になる。また、このように誘電体
被覆を施さない場合には、投入電力を大きくしても、誘
電体被覆を施した場合に比べて、プラズマの電子密度は
かなり低く、低圧高密度プラズマを得ることができな
い。

【００１１】上述の特開平７−１８４３３号公報のスパ
ッタリング装置では、実質上１ターンのループアンテナ
を処理室の内部に配置しており、このアンテナの一方の
端子を高周波電源とバイアス用直流電源とに接続し、他
方の端子を直流阻止コンデンサを介して接地している。
そして、このアンテナ自体をスパッタリング装置のター
ゲット材として用いている。この装置をプラズマ発生装
置として見た場合、上述の Hideo Sugai らの論文のプ
ラズマ発生装置と比較すると、アンテナに誘電体被覆を
用いていない点と、アンテナの一端を直流的に接地する
ことなくコンデンサを介して接地している点、の２点で
相違している。このような相違点ゆえに、 Hideo Sugai
らの論文のプラズマ発生装置で生じていた上述の各種
の問題点が解消されている。しかしながら、本発明者ら
の実験によれば、この特開平７−１８４３３号公報に開
示されたプラズマ発生装置を用いて、プラズマＣＶＤ法
により基体上に膜を堆積した場合には、次のような問題
があることが判明した。すなわち、特開平７−１８４３
３号公報に開示されたプラズマ発生装置では、アンテナ
をスパッタリングするために、アンテナに高い直流バイ
アスを印加している。このような高い直流バイアスを用
いてプラズマＣＶＤ法により成膜すると、スパッタリン
グ効果が大きくなって、例えば微細なコンタクトホール
への段差被覆性が悪化し、ＣＶＤ本来の良好な段差被覆
性が発揮できない。また、アンテナのスパッタエッチン
グが大きく、長時間にわたってアンテナを使用すること
ができない。そこで、スパッタリングの効果をなくすた
めに、特開平７−１８４３３号公報において、直流バイ
アス電源と直流阻止コンデンサを取り除けば、放電が不
安定となったり、低圧高密度プラズマが得られない、と
いう別の問題が生じる。

【００１２】本発明は、上述の問題点を解決するために
なされたものであり、その目的は、低圧高密度プラズマ
を用いて長期間にわたって安定したプラズマＣＶＤ処理
を実現することにある。また、本発明の別の目的は、低
圧高密度プラズマを用いて安定したドライエッチング処
理を実現することにある。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本願発明者は、二つの端
子を備えたプラズマ発生電極を処理室の内部に配置した
形式のプラズマＣＶＤ装置に関して、安定した低圧高密
度プラズマを発生させるための装置構成を鋭意研究した
結果、この種の電極形式に対しては、プラズマ発生電極
と処理室内壁との間の相対電位を最適に制御することが
重要であることを見出した。そして、そのために、本発
明では、プラズマ発生電極の二つの端子のうち、高周波
電力供給源に接続していない側の端子を、直流的に接地
することなく、電極電位制御機構を介して接地するとと
もに、処理室も、直流的に接地することなく、内壁電位
制御機構を介して接地するようにしている。また、プラ
ズマ発生電極と処理室内壁との間の相対電位を制御する
観点からは、プラズマ発生電極の二つの端子のうち、高
周波電力供給源に接続していない側の端子を、直流的に
接地することなく、電極電位制御機構を介して接地し
て、処理室の方は接地するような構成を採用することも
有効である。さらに、これとは逆に、処理室は、直流的
に接地することなく、内壁電位制御機構を介して接地す
るようにして、プラズマ発生電極の二つの端子のうち、
高周波電力供給源に接続していない側の端子を接地する
ような構成を採用することも有効である。

【００１４】本発明は以上のような構成を採用したこと
により、安定した低圧高密度プラズマを得て、プラズマ
ＣＶＤ法により高品質の薄膜を得ることができた。ま
た、本発明は、プラズマＣＶＤ以外に、ドライエッチン
グ処理に適用しても、良好な処理が実現できる。

【００１５】この発明は、プラズマ発生電極に対して処
理室内壁の相対電位を変化させることができるので、プ
ラズマ発生電極とプラズマと処理室内壁との相対電位関
係を最適にすることが可能になる。例えば、プラズマ発
生電極の電位を基準にしてプラズマ電位を高くしても、
プラズマと処理室内壁の電位差は小さくすることがで
き、プラズマと処理室内壁との間で異常放電が生じるこ
となく、プラズマを安定して発生、維持できる。また、
プラズマ発生電極とプラズマとの直流的な電位差を最適
に設定すると、イオンがプラズマ発生電極に引き寄せら
れて、プラズマを軽くスパッタリングする効果が得ら
れ、プラズマ発生電極をクリーニングして、長期間にわ
たって安定したプラズマを発生させることができる。

【００１６】本発明では、電極電位制御機構及び内壁電
位制御機構としてコンデンサを用いることができ、その
場合に、コンデンサの容量を変更することにより、プラ
ズマと処理室内壁との電位差を制御できる。コンデンサ
の容量としては１００ｐＦ〜１０μＦが適当である。こ
れよりも容量が小さすぎると放電が不安定になりやす
い。また、これよりも容量が大きすぎると、高周波特性
の良好なセラミックコンデンサを使用する場合にコンデ
ンサが大きくなりすぎて実用的でない。

【００１７】また、電極電位制御機構及び内壁電位制御
機構として、インダクタと直流電源の直列回路をコンデ
ンサと併用すれば、この直流電源によってプラズマ発生
電極または処理室内壁の電位をより積極的に制御でき
る。

【００１８】

【発明の実施の形態】図１は、この発明のプラズマＣＶ
Ｄ装置の一実施形態の構成図であり、処理室の部分は正
面断面図を示している。真空に保持可能な処理室２０の
内部には、基体ホルダー２５とプラズマ発生電極６１と
が配置されていて、基体ホルダー２５にはバイアス電力
供給源９０が接続され、プラズマ発生電極６１の一端に
は電力供給源５０が接続され、他端には、スイッチ８４
を介して電極電位制御機構８０とアースが選択的に接続
されている。また、処理室２０には、ガス導入機構１０
と排気機構３０がつながっている。

【００１９】まず、ガス導入機構１０について説明す
る。図２はガス導入機構１０の構成図である。このガス
導入機構１０は３種類の原料ガスを使用できるようにな
っている。原料容器１ａは、常温常圧で液体状態の原料
を所定の温度に加熱する恒温槽であり、この恒温槽で蒸
気化された原料は、流量制御器１２ａとバルブ１３ａを
経由して処理室２０に導入される。原料容器１ｂ、１ｃ
は高圧ガスボンベであり、この中に入っている原料ガス
は、減圧弁１１ｂ、１１ｃで減圧され、流量制御器１２
ｂ、１２ｃで流量制御され、バルブ１３ｂ、１３ｃを開
くと処理室２０に導入される。ガス導入機構１０の出口
は、プラズマ発生電極６１の中心付近に開口している。
バルブ１３ａ、１３ｂ、１３ｃは、原料ガスを導入する
ときに開くものであるが、処理室２０の内部を大気にす
るときには、原料ガスが大気で汚染されるのを防ぐため
にバルブ１３ａ、１３ｂ、１３ｃを閉じる。

【００２０】次に、図１に戻って、基体ホルダー２５の
構造を説明する。基体２１は基体ホルダー２５の上に置
かれる。基体ホルダー２５の内部にはヒーター２６と熱
電対２７がある。基体ホルダー２５の温度は熱電対２７
で測定され、図示しない基体温度調節装置によってヒー
ター２６に電力が供給されて、基体２１の温度が制御さ
れる。この基体温度調節装置はＰＩＤ制御方法を用いて
いるが、必要に応じてファジー回路を併用したり、ＰＩ
制御や、単なるＯＮ−ＯＦＦ制御を採用してもよい。

【００２１】次に、排気機構３０を説明する。荒引きポ
ンプ３１は油回転ポンプ（排気速度は毎分６５０リット
ル）であり、荒引きバルブ３２を介して処理室２０に接
続される。処理室２０のクリーン性が非常に重要な場合
は、荒引きポンプ３１としてオイルフリーのポンプを用
いることができ、また、メンテナンス性を向上させるに
はドライポンプを用いてもよい。メインポンプ３５はバ
リアブルオリフィス３４とメインバルブ３３を介して処
理室２０に接続され、後段には補助ポンプ３６が接続さ
れる。メインポンプ３５は複合型ターボ分子ポンプ（排
気速度は毎秒１３００リットル）であり、処理室２０内
のクリーン性がそれほど重要でなければ油拡散ポンプを
用いることもできる。補助ポンプ３６は油回転ポンプ
（排気速度は毎分１１８０リットル）であり、荒引きポ
ンプ３１と同様にドライポンプ等を用いてもよい。

【００２２】処理室２０を大気圧から排気するには、ま
ず、荒引きバルブ３２を開いて荒引きポンプ３１で処理
室２０を排気する。処理室２０の内部の圧力が所定の圧
力（排気系によって異なるが本実施形態では約１００Ｐ
ａ）まで排気された後に、荒引きバルブ３２を閉め、メ
インバルブ３３を開いて、メインポンプ３５によってさ
らに低圧力領域まで排気する。真空計で測定された処理
室圧力をもとにバリアブルオリフィス３４を開閉して、
処理室２０内の圧力を所定の値に調節できる。再現性の
良い安定したプラズマを得るためにはバリアブルオリフ
ィス３４を用いることは有効である。

【００２３】次に、基体にバイアス電力を印加する機構
について説明する。基体ホルダー２５は、インピーダン
ス整合回路９１を介してバイアス用高周波電源９２に接
続されている。このインピーダンス整合回路９１とバイ
アス用高周波電源９２でバイアス電力供給源９０が構成
されている。バイアス用のインピーダンス整合回路９１
の回路定数は、プラズマ発生用のインピーダンス整合回
路５１のそれとは異なっている。バイアス用高周波電源
９２によって誘起された交番電力は、インピーダンス整
合回路９１でインピーダンス調整されて、基体ホルダー
２５に供給され、基体２１のバイアス電圧が調整され
る。基体ホルダー２５の周囲には、処理室２０に接続さ
れたシールド板９３があり、また、基体ホルダー２５は
絶縁体９４によって処理室２０から電気的に絶縁されて
いる。バイアス用高周波電源９２の周波数は、プラズマ
発生用の高周波電源５２の周波数とは少なくとも５００
Ｈｚ以上異なることが必要である。そうしないと、２つ
の高周波電源が干渉して、安定したプラズマを得ること
ができない。本実施形態では、プラズマ発生用の高周波
電源５１の周波数を１３．５６０ＭＨｚ、バイアス用高
周波電源９２の周波数を１３．５６２ＭＨｚとした。

【００２４】次に、磁場発生機構を説明する。処理室２
０の周囲には、上下方向に細長い多くの永久磁石１２１
が配置されている。図５は図１の５−５断面図であり、
処理室２０の水平断面を示している。２４個の永久磁石
１２１は、処理室２０の周囲に互いに等間隔に配置され
ていて、隣り合う永久磁石１２１は互いに反対の極性に
なっている。すなわち、処理室２０の内部に向かってＮ
極とＳ極とが交互に配置されている。これらの永久磁石
１２１の働きにより、処理室２０の内壁面近傍にはマル
チカスプ磁場１２２が形成される。なお、永久磁石の形
状や個数はこれに限定されるものではなく、処理室２０
の内部に向かってＮ極とＳ極とが交互に配置される限
り、別の構成としてもよい。

【００２５】永久磁石１２１はランタン系の希土類磁石
（寸法２５．４ｍｍ×６．３ｍｍ×１２．８ｍｍ）を組
み合わせて構成した。この磁石の表面の磁束密度は１６
００ガウスであるが、約４００〜２２００ガウスの範囲
の磁石が有効である。磁束密度が小さすぎると、プラズ
マの閉じ込め効果が弱くなり、基体の周辺部で表面処理
の均一性が劣ってくる。磁束密度が大きすぎると、処理
室の内壁からプラズマが離れすぎて、プラズマの均一性
が保たれる領域が、処理室の内径に比較して小さくな
る。磁極間隔は１５０ｍｍ以内にするのが望ましい。磁
極間が離れすぎると、磁極間の中央部の磁束密度が小さ
くなってしまい、プラズマの閉じ込め効果が減少する。
この実施例では磁極間隔は２４ｍｍである。

【００２６】このようなマルチカスプ磁場１２２を用い
ると、磁場によるプラズマ閉じこめの効果により、処理
室２０の内壁面の近傍までプラズマが拡散することがな
く、均一な高密度のプラズマを維持できる。このマルチ
カスプ磁場と、バイアス電力供給源とを併用すると、大
型基体の表面に均一に大電流のイオンを流入させること
ができる。

【００２７】次に、プラズマ発生装置を説明する。この
プラズマ発生装置は、処理室２０の内部にプラズマを発
生させるためのものであり、図１において、電力供給源
５０と、プラズマ発生電極６１と、電極電位制御機構８
０とを備えている。プラズマ発生電極６１は、実質的に
１ターンのコイルであり、処理室２０の壁を貫通する１
対の導入端子６２、６３を備えている。プラズマ発生電
極６１は基体２１に対向している。図３はプラズマ発生
電極６１の平面図である。このプラズマ発生電極６１
は、金属パイプを、ほぼ１周の円環状に曲げたものであ
る。直径は約１４０ｍｍである。この円環状の部分に対
して垂直になるように導入端子６２、６３が形成されて
いる。この金属パイプは処理室内にそのまま露出してい
るので、プラズマ発生電極６１の表面は導電体である。
この金属パイプの内部に冷却水を流せばこの電極を水冷
できる。ただし、必要に応じて空冷とすることができ、
小電力の場合は冷却しなくてもよい。

【００２８】次に、プラズマ発生電極の冷却機構を説明
する。この実施形態では、導入端子６２、６３とプラズ
マ発生電極６１は中空であり、内部に冷却水を通すこと
ができる。導入端子６２、６３にはフッ素樹脂製の通水
チューブを接続してあり、供給側のチューブには、１平
方センチメートル当たり約５ｋｇの圧力の水を供給し、
排出側のチューブは大気圧に近い圧力としている。供給
口の冷却水温度は約１５℃であり、プラズマ発生電極６
１の内部を流れる水の流量は毎分約３リットルである。
冷却媒体としては、大きな比熱、入手の容易性、小さな
粘性、などの観点から水が最も優れているが、それ以外
の媒体を使用してもよい。空気冷却や窒素ガス冷却を採
用する場合は、流量を大きくするとよい。窒素ガス冷却
では、水分を含まないので、電極の水分腐蝕を防止でき
る。

【００２９】プラズマ発生電極はプラズマに直接、接す
るために、プラズマによってその表面がエッチングされ
る可能性がある。実験によれば、プラズマ発生電極を水
冷すると、このエッチングを抑制でき、プラズマ発生電
極の寿命を延ばすことができる。水冷しない場合には、
プラズマ発生電極の直径の減少率は１時間当たり０．１
ｍｍであったが、水冷すると１時間当たり０．０１ｍｍ
であった。プラズマ発生電極がエッチングされると、こ
れが基体上の膜中に混入して不純物となる可能性がある
が、水冷すれば、このエッチング量を少なくできる。

【００３０】図４はプラズマ発生電極の導入端子と処理
室との間に設けられる絶縁リングの一部を切断した斜視
図である。この絶縁リング７１は、電気絶縁材料である
石英ガラスでできている。この絶縁リング７１とプラズ
マ発生電極の導入端子６２、６３の間、及び、絶縁リン
グ７１と処理室２０との間は真空シールされている。こ
の絶縁リング７１は、円板７２の中央に円形の貫通孔７
３が形成されていて、円板７２の一方の側（処理室空間
に露出する側）に３個の円環状の突起７４が互いに同心
状に形成されている。この円環状の突起７４の間には、
２個の円環状の溝７９が形成される。溝７９の開口部
は、貫通孔７３の軸線に垂直な平面内にあり、溝７９の
深さ方向は、貫通孔７３の軸線に平行である。これらの
突起７４と溝７９は、全て、貫通孔７３に対して同心で
ある。貫通孔７３にはプラズマ発生電極の円筒状の導入
端子６２（図１参照）が挿入される。３個の円環状の突
起７４は、いずれも、高さが５０ｍｍ、肉厚が１ｍｍで
ある。したがって、溝７９の深さも５０ｍｍである。ま
た、溝７９の幅（隣り合う突起７４の間隔）は１ｍｍで
ある。円環状の突起７４の全面と、円板７２の処理室に
露出する側の表面（図４の上側の面）は、プラスト処理
が施されて粗面化されている。この粗面化により、絶縁
リング７１に付着した膜をはがれにくくし、膜のはがれ
による処理室内部のダスト汚染を防止している。これを
詳しく説明すると、絶縁リング７１において、溝７９の
内部以外の部分には膜が付着する可能性があり、例え
ば、突起７４の頂面や、一番外側の突起７４の外周面
や、これより外側の円板表面には膜が付着する可能性が
ある。これらの箇所に粗面化が施されていると、この部
分に付着した膜がはがれにくくなる。

【００３１】図１に戻って、プラズマ発生電極６１の一
方の導入端子６２は、インピーダンス整合回路５１を介
して高周波電源５２に接続されている。このインピーダ
ンス整合回路５１と高周波電源５２で電力供給源５０が
構成される。高周波電源５２の周波数は１３．５６ＭＨ
ｚで、定格出力は３ｋＷである。ただし、周波数はこれ
に限定されず、ｋＨｚオーダーや、６０ＭＨｚや、１０
０ＭＨｚを用いてもよく、使用可能範囲は１０ｋＨｚ〜
１０００ＭＨｚ程度である。この範囲の上限を越えると
導電体を配線材料として使用できなくなり、下限を下回
ると電波として発信しなくなる。また、その出力波形
も、正弦波のみならずこれに所定の変形を施した波形で
もよい。インピーダンス整合回路５１としてはΠ（パ
イ）型回路を用いているが、これ以外の例えばＴ型回路
等を使用してもよい。高周波電源５２によって誘起され
た交番電力は、インピーダンス整合回路５１でインピー
ダンス調整されてプラズマ発生電極６１に供給される。

【００３２】上述の実施形態では、プラズマ発生電極６
１は１ターンコイルとしたが、別の形状にすることもで
きる。図１１（Ａ）はプラズマ発生電極を２ターンコイ
ルの形状にした例である。さらに３ターン以上にしても
よい。図１１（Ｂ）のプラズマ発生電極は水平面内で渦
巻き状に巻いた例である。図１１（Ｃ）のプラズマ発生
電極は１枚の矩形の平板の例であり、図１１（Ｄ）は１
枚の円形の平板の例である。また、図１２（Ａ）のプラ
ズマ発生電極は直線状に延びた１本の棒状にした例であ
る。図１２（Ｂ）のプラズマ発生電極は３本の棒状の電
極を水平面内で並列に並べた例であり、図１２（Ｃ）の
プラズマ発生電極は３本の棒状の電極を鉛直面内で並列
に並べた例である。そして、これらの図１１と図１２に
示すいずれの電極例も、二つの端子を備えていて、一方
の端子が高周波電源に接続され、他端がコンデンサを介
して接地される。そして、いずれの場合も、二つの端子
は、プラズマ発生電極の両端付近に位置している。ま
た、これらのプラズマ発生電極とその二つの端子は、内
部に冷却水を通すことで冷却できる。

【００３３】次に、図１に戻って、電極電位制御機構８
０を説明する。この電極電位制御機構８０は、プラズマ
発生電極６１の導入端子６３と処理室２０との間に設け
られるものであり、コンデンサ８１（第１のコンデン
サ）を含んでいる。スイッチ８４を電極電位制御機構８
０側に接続した場合、このコンデンサ８１により、プラ
ズマ発生電極６１の一端は、直流的にアースから浮いて
いる。この実施形態のコンデンサ８１の静電容量は約５
００ｐＦである。ただし、この容量に限定されず、処理
条件に応じて、１００ｐＦ〜１０μＦの範囲の容量を使
用できる。これに対して、プラズマ発生電極６１と処理
室２０との間の浮遊容量は数ｐＦ程度である。コンデン
サ８１としては、高周波特性が優れていて耐電圧性があ
るセラミックコンデンサが適している。

【００３４】また、処理室２０は、スイッチ８７を介し
て内壁電位制御機構８５とアースとに選択的に接続され
ている。そして、この内壁電位制御機構８５はコンデン
サ８６（第２のコンデンサ）を含んでいる。このコンデ
ンサ８６も１００ｐＦ〜１０μＦの範囲の容量を使用で
きる。

【００３５】図１において、プラズマ発生のための電気
回路構成としては、次の３種類のいずれかを選択でき
る。第１の構成は、スイッチ８４を電極電位制御機構８
０の側に接続し、かつ、スイッチ８７を内壁電位制御機
構８５の側に接続することである。第２の構成は、スイ
ッチ８４を電極電位制御機構８０の側に接続し、かつ、
スイッチ８７をアースの側に接続することである。第３
の構成は、スイッチ８４をアースの側に接続し、かつ、
スイッチ８７を内壁電位制御機構８５の側に接続するこ
とである。どの構成を採用しても、コンデンサ８１また
はコンデンサ８６のいずれかあるいはその両方の容量を
適切に選択することにより、プラズマ発生電極６１と処
理室内壁との間の相対電位を変更することができる。

【００３６】図９は、上述の第２の構成を採用した場合
の、コンデンサ８１の静電容量と、プラズマ発生電極６
１に誘起されるバイアス電圧との関係を示したグラフで
ある。このグラフから分かるように、コンデンサの容量
に応じて直流バイアス電圧の絶対値が変化する。したが
って、コンデンサの容量を変更することによってプラズ
マ発生電極の直流バイアス電圧を任意の値に設定するこ
とが可能になる。プラズマ発生電極がスパッタリングさ
れてしまう場合には、コンデンサの容量を小さくすれば
直流バイアス電圧の絶対値が小さくなり、プラズマ発生
電極のスパッタリングを抑制できる。そこで、図８に示
すように電極電位制御機構８０ａとして可変コンデンサ
８１ａを用いると、コンデンサの容量変更が簡単にな
り、プラズマ発生電極の直流バイアス電圧の制御が容易
になる。また、プラズマ発生電極の直流バイアス成分を
モニターするようにすれば、プラズマ処理をバッチ処理
で行った場合に、バッチ処理回数の増加により微妙にプ
ラズマ処理条件が変化した場合でも、直流バイアス成分
が一定になるようにコンデンサの容量を制御することが
できる。

【００３７】ところで、上述のスパッタリングの効果を
逆に利用することもできる。例えば、基体上に膜を堆積
する場合にプラズマ発生電極にも膜が堆積されてしまう
ことがあるが、このようなときには、コンデンサの容量
を適当に増加して、プラズマ発生電極上の堆積膜だけが
スパッタリングされてプラズマ発生電極自体はスパッタ
リングされないようなコンデンサ容量を探すことができ
る。

【００３８】また、図１に示す装置をドライエッチング
装置として利用することもできるが、その場合、エッチ
ング処理に際して反応副生成物が生じ、これに起因する
膜がプラズマ発生電極の表面に堆積してしまうことがあ
る。このような場合にも、図８に示すコンデンサ８１ａ
の容量を調節することによって、プラズマ発生電極上の
堆積膜だけをスパッタリングして、膜の堆積を抑制でき
る。

【００３９】図１０は電極電位制御機構のさらに別の実
施形態を示す。この電極電位制御機構８０ｂでは、プラ
ズマ発生電極６１の導入端子６３と可変コンデンサ８１
ａの間に、インダクタ８３を介して直流電源８２を接続
してある。これにより、プラズマ発生電極６１の電位を
より積極的に制御できる。

【００４０】ところで、図１において、プラズマ発生電
極の導入端子６３を、コンデンサ８１を介して処理室に
接続することをせずに直流的に接地し、かつ処理室２０
も直流的に接地すると、処理室内のプラズマは、容量結
合性の強い放電となって、処理室の空間全体さらには排
気機構３０の空間にまで広がる。その結果、プラズマの
電子密度が低くなる。一方、プラズマ発生電極の導入端
子６３をコンデンサ８１を介して接地するか、あるい
は、処理室２０をコンデンサ８６を介して接地するか、
あるいはその両方を採用すると、プラズマが処理室内の
中央部分に局在化して、プラズマの電子密度が高くな
る。具体例を述べると、本発明のいずれかの構成を採用
した場合、アルゴンガスを処理室に導入して、圧力を６
ｍＴｏｒｒ、プラズマ発生電極への投入電力を２ｋＷと
してプラズマを発生させたときに、プラズマの電子密度
は、１立方センチメートル当たり「１０の１１乗」個に
達した。

【００４１】図８と図１０は、プラズマ発生電極側の電
極電位制御機構８０について、可変コンデンサ８１ａの
採用や、直流電源８２とインダクタ８３の採用について
説明しているが、このような変更例は、処理室側の内壁
電位制御機構８５に対しても同様に採用することがで
き、同様の効果が期待できる。

【００４２】次に、図１のプラズマＣＶＤ装置を用いて
薄膜を作製する例を示す。なお、スイッチ８４は電極電
位制御機構８０の側に接続し、スイッチ８７はアースの
側に接続している。このような基本的な回路構成で、以
下の第１の処理例から第８の処理例までを実施してい
る。

【００４３】第１の処理例として、まず、窒化チタン膜
の作製例を説明する。図１と図２において、原料容器１
ａに入れる第１原料として四塩化チタンを用い、原料容
器１ｂに入れる第２原料として水素ガスを、原料容器１
ｃに入れる第３原料として窒素ガスを用いた。流量は四
塩化チタンが毎分２０ミリリットル、水素ガスが毎分３
０ミリリットル、窒素ガスが毎分１０ミリリットルであ
る。処理室２０内の圧力を約１Ｐａに設定し、基体２１
の温度を４５０℃〜６００℃に設定した。高周波電源５
２の出力は２．５ｋＷとした。コンデンサ８１の容量は
５００ｐＦである。この条件で薄膜を作製すると、窒化
チタンを主成分とした膜が毎分約３０ｎｍの速度で堆積
した。その際、従来の装置にみられたプラズマの経時変
化や、プラズマが生じなくなる現象は観測されず、本発
明の装置は窒化チタンのような導電体薄膜の作製に有効
であった。さらに、プラズマ発生電極の表面には金属薄
膜の付着は見られなかった。

【００４４】このような窒化チタン薄膜は、例えば半導
体集積回路のコンタクト部の拡散防止膜として用いられ
ている。この用途では、直径が０．３５μｍ以下で深さ
が１．５μｍ程度の穴の底に成膜しなくてはならない。
図６は、この場合の底部被覆率の基体バイアス用電力依
存性を示す。「底部被覆率」の用語を説明すると、平坦
部の膜厚をａとし、コンタクト穴の底に堆積した膜厚を
ｂとすると、底部被覆率は次のように定義される。底部
被覆率（％）＝（ｂ／ａ）×１００。この底部被覆率
は、グラフから分かるように、基体バイアス用電力を増
加させるに従って急速に良好な値となった。その理由
は、プラズマ内に生じているイオンが、基体２１のバイ
アス電圧の作用によって、基体２１に垂直に入射し、こ
のことによって底部被覆率が改善されたからであると推
測される。

【００４５】上述の第１の処理例において、プラズマ発
生電極の材質はチタンであるが、このチタンは堆積膜
（窒化チタン）の構成元素の一つである。したがって、
プラズマ発生電極がスパッタリングされてこの電極材質
が薄膜に混入したとしても、これが堆積薄膜の汚染物質
にはならない。

【００４６】処理室の内壁面近傍にマルチカスプ磁場を
形成すると、処理室の内壁面から約５ｃｍ以上離れた処
理室中心部で、比較的均一性の良いプラズマを維持でき
る。大型の基体を均一性（膜厚分布、膜質分布、底部被
覆率の均一性）良く成膜するためにはこのマルチカスプ
磁場を形成することは非常に有益である。特に、基体バ
イアス電力供給源と併用すると、良好な底部被覆率が均
一性良く得られ、より一層の効果がある。このマルチカ
スプ磁場を形成したことにより、上述の窒化チタンの膜
作製の処理例の場合、直径６インチのシリコンウェーハ
内で±３％以内の膜厚分布を得ることができた。

【００４７】次に、第２の処理例による薄膜作製を示
す。第１原料として四塩化チタンを、第２原料として水
素ガスを、第３原料としてアルゴンガスを使用する。流
量は四塩化チタンが毎分２０ミリリットル、水素ガスが
毎分３０ミリリットル、アルゴンガスが毎分３５ミリリ
ットルである。処理室２０内の圧力を約１Ｐａに設定
し、基体２１の温度を５５０℃〜６００℃に設定した。
高周波電源５２の出力は２．５ｋＷとした。コンデンサ
８１の容量は５００ｐＦである。この条件で薄膜を作成
すると、下地の材質によって膜の組成が異なってくる。
例えば下地が酸化シリコン膜の場合、得られる薄膜は金
属チタンである。また、下地がシリコンの場合には、得
られる薄膜はチタンシリサイド（ＴｉＳｉ₂）である。
このような薄膜作製において、従来の装置にみられたよ
うなプラズマの経時変化や、プラズマを生じさせること
が不可能となる現象は、本発明の装置では観測されず、
安定した再現性の良い導電体薄膜の堆積をおこなうこと
が可能である。さらに、プラズマ発生電極の表面には金
属薄膜の付着は見られず、プラズマ発生電極の表面がス
パッタリングされることもなかった。このような金属チ
タン薄膜やチタンシリサイド薄膜は、例えば半導体集積
回路のコンタクト部のコンタクト抵抗低減膜として用い
られる。この場合、前記のマルチカスプ磁場や基体バイ
アス電力供給源を用いると、均一性が良く、底部被覆率
の良い薄膜を得ることができる。

【００４８】従来、低密度プラズマを用いてプラズマＣ
ＶＤ法で金属チタンやチタンシリサイドの薄膜を作製す
ると、塩素の混入した高抵抗の黒色膜になりやすかった
が、本発明のプラズマＣＶＤ装置を用いると、低抵抗で
金属光沢のある膜を得ることができた。このときの膜中
の塩素濃度は１％以下であった。また、成膜中に基体バ
イアスを印加すると、塩素濃度を０．１％以下に低減す
ることが可能であった。ここで、チタン系導電性薄膜に
塩素が混入した場合の問題点を列記すると、（１）膜が
金属光沢でなくなる。（２）塩素の混入によって膜の抵
抗率が上昇する。（３）塩素が上部配線材料を腐蝕し
て、ひどいときには配線の断線を生じる。（４）塩素の
含有量が多いと、膜の経時変化が生じて、膜の特性が安
定しない。のような問題点がある。本発明のプラズマＣ
ＶＤ方法によればチタン系導電性薄膜の塩素含有量が低
下するので、上述のような問題点を解消できる。金属チ
タンやチタンシリサイドの薄膜は、半導体集積回路のコ
ンタクト部のコンタクト抵抗低減膜として用いられる
が、基体バイアスとマルチカスプ磁場を併用すると、均
一性が良好で、基体周辺部においても底部被覆率の良好
な薄膜を得ることができる。

【００４９】以上のような金属チタン薄膜またはチタン
を含有する化合物薄膜を作製する場合、プラズマ発生電
極として金属チタン製のパイプを用いると、プラズマ発
生電極が多少スパッタされても、チタンが不純物となら
ないので、不純物の混入が無い良好な膜質の薄膜を得る
ことができる。

【００５０】次に、第３の処理例として、アモルファス
シリコン薄膜の作製例を示す。原料容器１ａと１ｃは用
いずに、原料容器１ｂの原料としてシランを用いた。シ
ランの流量は毎分２０ミリリットルとした。処理室２０
内の圧力を約１Ｐａに設定し、基体２１の温度を１５０
℃〜３００℃に設定した。高周波電源５２の出力は０．
５ｋＷとした。コンデンサ８１の容量は５００ｐＦであ
る。この条件でアモルファスシリコン膜を堆積させるこ
とができた。この場合においても、従来の装置で観察さ
れたプラズマの経時変化やプラズマを生じさせることが
できなくなる現象は観測されなかった。また、基体にバ
イアス電圧を印加すると、バイアス電力に応じて膜中の
水素濃度を制御することができる。アモルファスシリコ
ン膜の電気特性において、膜中の水素濃度と水素の結合
状態は重要であり、これらを基体バイアス電力によって
制御できるのは有利である。

【００５１】次に、第４の処理例として、酸化シリコン
薄膜の作製例を示す。原料容器１ａは用いずに、原料容
器１ｂの原料としてシランを用い、原料容器１ｃの原料
として酸素ガスを用いた。流量はシランが毎分８０ミリ
リットル、酸素ガスが毎分１６０ミリリットルである。
処理室２０内の圧力を約１Ｐａに設定し、基体２１の温
度を１５０℃〜３００℃に設定した。高周波電源５２の
出力は２．５ｋＷとした。コンデンサ８１の容量は５０
０ｐＦである。この条件で酸化シリコン薄膜を堆積させ
ることができた。この場合、本発明の装置を用いると、
外部電極方式で使われるような大きな高周波窓を設置す
る必要がなく、高周波窓の破損による事故の発生を防止
できる。この酸化シリコン薄膜の作製の場合、基体に例
えば１．０〜２．５ｋＷのバイアス電力を印加すると、
基体上の各種配線膜間の微細なギャップ中に酸化シリコ
ン膜を埋め込むことができる。このことから、本発明の
装置は、各種配線膜間の層間絶縁膜の作製用としても有
用である。

【００５２】上述の酸化シリコン薄膜の作製に関して、
配線膜のギャップ埋め込み特性について詳しく説明す
る。基体として直径２００ｍｍのシリコンウェーハ上に
配線用のアルミニウム合金の微細パターンを形成したも
のを用いる。この配線の間に、空孔が残らないように絶
縁膜を堆積させて、配線間の絶縁を確保する必要があ
る。基体バイアス印加機構を用いないで、本発明のプラ
ズマＣＶＤ装置によって酸化シリコン膜の堆積を試みる
と、配線間の微細な溝（例えば、幅０．５μｍ、深さ１
μｍ）の入り口付近で膜がオーバーハング状に堆積する
場合があった。そのために、空孔が配線間に残る場合が
あった。これに対して、基体バイアス印加機構を用いる
と、配線間に空孔が生じることがなかった。

【００５３】また、作製した酸化シリコン薄膜について
赤外吸収分光分析で膜質を評価すると、基体バイアス印
加機構を用いない場合には、膜中に含まれる水に起因す
るＯ−Ｈの伸縮振動スペクトルおよびＳｉ−ＯＨに起因
するＯ−Ｈの伸縮振動スペクトルが観察された。一般に
膜中にこれらの不純物が混入すると絶縁膜としての信頼
性が低下するとされている。これに対して、基体バイア
ス印加機構を用いると、これらの不純物が低減して、上
記のスペクトルは観察されなくなった。すなわち、基体
にバイアス電力を印加することによって膜質を改良でき
た。

【００５４】次に、第５の処理例を説明する。この処理
例では図８の装置を用いた。スイッチ８４は電極電位制
御機構８０ａの側に接続している。図８と図２におい
て、原料容器１ａに入れる第１原料として四塩化チタン
を用い、原料容器１ｂに入れる第２原料として水素ガス
を、原料容器１ｃに入れる第３原料として窒素ガスを用
いた。流量は四塩化チタンが毎分２０ミリリットル、水
素ガスが毎分３０ミリリットル、窒素ガスが毎分１０ミ
リリットルである。処理室２０内の圧力を約１Ｐａに設
定し、基体２１の温度を４５０℃〜６００℃に設定し
た。高周波電源５２の出力は２．５ｋＷとした。図８の
可変コンデンサ８１ａの容量は１０〜１５００ｐＦで可
変とした。そして、プラズマ発生電極６１に誘起される
直流バイアス電圧をモニターして、直流バイアス電圧が
マイナス２５０Ｖになるように、コンデンサの容量を調
節した。この条件で薄膜を作製すると、窒化チタンを主
成分とした膜が毎分約３０ｎｍの速度で堆積した。しか
も、１００バッチにわたって薄膜を作製しても、再現性
のあるほぼ同一の薄膜を作製できた。

【００５５】次に、第６の処理例を説明する。この処理
例では図１０の装置を用いた。スイッチ８４は電極電位
制御機構８０ｂの側に接続している。導入ガスの種類や
流量、基体温度、高周波電源５２の出力は、上述の第５
の処理例と同じである。ただし、電極電位制御機構８０
ｂとして直流電源８２を用いていることが異なる。そし
て、この直流電源８２を用いて、プラズマ発生電極６１
の直流バイアス電圧がマイナス２５０Ｖで一定になるよ
うに制御した。このとき、可変コンデンサ８１ａの容量
は５００ｐＦで一定とした。この条件で薄膜を作製する
と、上述の第５の処理例と同様に、窒化チタンを主成分
とした膜が毎分約３０ｎｍの速度で堆積した。

【００５６】次に、第７の処理例を説明する。この処理
例では図１の装置を用い、プラズマ発生電極の材質とし
て銅を用いた。スイッチ８４は電極電位制御機構８０の
側に接続し、スイッチ８７はアースの側に接続してい
る。そして、ガス導入機構１０として図１３に示すもの
を用いた。原料容器１ｄは、常温常圧で液体状態の原料
を収容する液体容器であり、内部の液体原料は、液体状
態のままで流量制御器１２ｄで流量制御され、気化器１
４で気化される。原料容器１ｅ、１ｆは高圧ガスボンベ
であり、この中に入っている原料ガスは、減圧弁１１
ｅ、１１ｆで減圧され、流量制御器１２ｅ、１２ｆで流
量制御される。原料容器１ｄに入れる第１原料としてビ
スヘキサフルオロアセチルアセトン酸塩銅（Ｃｕ（ｈｆ
ａｃ）₂）の１０％２−プロパノール溶液を用い、流量
を毎分０．６ｇとした。原料容器１ｅに入れる第２原料
としては水素ガスを用い、この水素ガスの流量を毎分１
００ミリリットルにして、気化器１４で第１原料と混合
した。この混合ガスをバルブ１３ｄを経由して処理室２
０に導入した。原料容器１ｆに入れる第３原料としても
水素ガスを用い、流量を毎分３００ミリリットルにし
て、バルブ１３ｆを経由して処理室２０に導入した。処
理室２０内の圧力を約３Ｐａに設定し、基体２１の温度
を２５０℃に設定した。高周波電源５２の出力は１．５
ｋＷとした。この条件で薄膜を作製すると、銅を主成分
とした膜が毎分約２０ｎｍの速度で基体上に堆積した。
このような銅薄膜は半導体集積回路の配線として用いる
ことができる。この実施形態ではプラズマ発生電極の材
質として銅を用いて、銅薄膜を堆積しているので、プラ
ズマ発生電極の材質が膜中に混入しても不純物とはなら
ない。

【００５７】次に、第８の処理例を説明する。この処理
例では、図１の装置をドライエッチング装置として用い
ている。スイッチ８４は電極電位制御機構８０の側に接
続し、スイッチ８７はアースの側に接続している。原料
容器１ａは用いずに、原料容器１ｂの原料として塩素ガ
スを用い、原料容器１ｃの原料として三塩化ホウ素（Ｂ
Ｃｌ₃）を用いた。流量は塩素ガスを毎分５０ミリリッ
トル、三塩化ホウ素を毎分５０ミリリットルを流した。
処理室２０内の圧力を約１０．３Ｐａに設定し、基体２
１の温度を１００℃に設定した。高周波電源５２の出力
は２ｋＷとした。コンデンサ８１の容量は３００ｐＦに
変更した。処理基体２１としては、直径６インチのシリ
コンウェーハ上にシリコン酸化膜を１μｍ堆積し、その
上にアルミニウムを１μｍ堆積させて、フォトレジスト
でパターニングしたものを用いた。フォトレジストの塗
布パターンは、塗布幅が０．５μｍ、塗布されていない
溝幅が０．５μｍの、ライン・アンド・スペース・パタ
ーンとした。この溝幅の部分に露出しているアルミニウ
ムをドライエッチングした。その結果、アルミニウム薄
膜を毎分１００ｎｍのエッチング速度でエッチングでき
た。この場合においても、プラズマ発生電極への膜付着
やプラズマ発生電極のスパッタリング現象は見られなか
った。そして、プラズマの経時変化や不安定現象も観測
されず、再現性のある安定したドライエッチング処理が
可能であった。このようなドライエッチング処理におい
ても、基体にバイアス電力を印加することにより、異方
性エッチングが可能になる。

【００５８】次に、図１の装置において、スイッチ８４
をアースの側に接続し、スイッチ８７を内壁電位制御機
構８５の側に接続した処理例を説明する。また、内壁電
位制御機構８５として、コンデンサ８６に加えて、図１
０に示すような直流電源８２とインダクタ８３との直列
回路を併用した。これにより、処理室内壁の電位を５０
〜６００Ｖの間で調整した。このようにして、プラズマ
発生電極６１により発生した高いプラズマ電位と処理室
内壁との電位との間に大きな差をつけないようにして、
異常放電を防いでいる。このような基本的な回路構成
で、以下の第９の処理例から第１３の処理例までを実施
している。

【００５９】まず、第９の処理例として、窒化チタン膜
の作製例を説明する。図１と図２において、原料容器１
ａに入れる第１原料として四塩化チタンを用い、原料容
器１ｂに入れる第２原料として水素ガスを、原料容器１
ｃに入れる第３原料として窒素ガスを用いた。流量は四
塩化チタンが毎分２０ミリリットル、水素ガスが毎分２
００ミリリットル、窒素ガスが毎分２０ミリリットルで
ある。処理室２０内の圧力を約１．３Ｐａに設定し、基
体２１の温度を４５０℃〜６００℃に設定した。高周波
電源５２の出力は３．０ｋＷとした。そして、内壁電位
制御機構８５を用いて処理室２０に３００Ｖの電圧を印
加した。この条件で薄膜を作製すると、窒化チタンを主
成分とした膜が毎分約６０ｎｍの速度で堆積した。その
際、従来の装置にみられたプラズマの経時変化や、プラ
ズマが生じなくなる現象は観測されず、本発明の装置は
窒化チタンのような導電体薄膜の作製に有効であった。
さらに、プラズマ発生電極の表面には金属薄膜の付着は
見られなかった。

【００６０】図７は本発明のプラズマＣＶＤ装置の別の
実施形態の要部構成図である。この実施形態では、プラ
ズマ発生電極６１の上方にソレノイドコイル１３０が配
置されている。それ以外の構成は図１の実施形態と同じ
である。このソレノイドコイル１３０の発生する磁力線
１３１は、１ターンコイルの形状のプラズマ発生電極６
１の中心付近を通過して発散する。この磁力線１３１の
働きにより、処理室２０内に、より高密度のプラズマを
発生させることができる。また、この実施形態の装置で
は放電の開始が容易になる。この図７の装置を用いて、
電磁石１３０に４５Ａの電流を流して、上述の第９の処
理例と同じ薄膜作製を行ったところ、得られた窒化チタ
ン膜の成膜速度は毎分約６０ｎｍとなり、８インチウェ
ーハ内の膜厚分布は約±５％となった。この膜厚分布
は、電磁石１３０を用いない場合と比べて、５ポイント
程度改善されている。

【００６１】次に、第１０の処理例による薄膜作製を示
す。第１原料として四塩化チタンを、第２原料として水
素ガスを、第３原料としてアルゴンガスを使用する。流
量は四塩化チタンが毎分２０ミリリットル、水素ガスが
毎分２００ミリリットル、アルゴンガスが毎分３５ミリ
リットルである。処理室２０内の圧力を約１Ｐａに設定
し、基体２１の温度を５５０℃〜６００℃に設定した。
高周波電源５２の出力は２．５ｋＷとした。そして、内
壁電位制御機構８５を用いて処理室２０に３００Ｖの電
圧を印加した。この条件で薄膜を作成すると、下地の材
質によって膜の組成が異なってくる。例えば下地が酸化
シリコン膜の場合、得られる薄膜は金属チタンである。
また、下地がシリコンの場合には、得られる薄膜はチタ
ンシリサイド（ＴｉＳｉ2）である。

【００６２】次に、第１１の処理例として、アモルファ
スシリコン薄膜の作製例を示す。原料容器１ａと１ｃは
用いずに、原料容器１ｂの原料としてシランを用いた。
シランの流量は毎分２０ミリリットルとした。処理室２
０内の圧力を約１Ｐａに設定し、基体２１の温度を１５
０℃〜３００℃に設定した。高周波電源５２の出力は
０．５ｋＷとした。そして、内壁電位制御機構８５を用
いて処理室２０に２００Ｖの電圧を印加した。この条件
でアモルファスシリコン膜を堆積させることができた。

【００６３】次に、第１２の処理例として、酸化シリコ
ン薄膜の作製例を示す。原料容器１ａは用いずに、原料
容器１ｂの原料としてシランを用い、原料容器１ｃの原
料として酸素ガスを用いた。流量はシランが毎分８０ミ
リリットル、酸素ガスが毎分１６０ミリリットルであ
る。処理室２０内の圧力を約１Ｐａに設定し、基体２１
の温度を１５０℃〜３００℃に設定した。高周波電源５
２の出力は２．５ｋＷとした。そして、内壁電位制御機
構８５を用いて処理室２０に３００Ｖの電圧を印加し
た。この条件で酸化シリコン薄膜を堆積させることがで
きた。

【００６４】次に、第１３の処理例を説明する。原料容
器１ａに入れる第１原料として四塩化チタンを用い、原
料容器１ｂに入れる第２原料として水素ガスを、原料容
器１ｃに入れる第３原料として窒素ガスを用いた。流量
は四塩化チタンが毎分２０ミリリットル、水素ガスが毎
分２００ミリリットル、窒素ガスが毎分１０ミリリット
ルである。処理室２０内の圧力を約１Ｐａに設定し、基
体２１の温度を４５０℃〜６００℃に設定した。高周波
電源５２の出力は２．５ｋＷとした。そして、内壁電位
制御機構８５を用いて処理室２０に３００Ｖの電圧を印
加した。この条件で薄膜を作製すると、窒化チタンを主
成分とした膜が毎分約３０ｎｍの速度で堆積した。

【００６５】次に、図１の装置において、スイッチ８４
を電極電位制御機構８０の側に接続し、スイッチ８７を
内壁電位制御機構８５の側に接続した処理例を説明す
る。内壁電位制御機構８５としては、コンデンサ８６に
加えて、図１０に示すような直流電源８２とインダクタ
８３との直列回路を併用した。このような基本的回路構
成で以下の第１４の実施例を実施した。

【００６６】第１４の処理例では、導入ガスの種類や流
量、基体温度、高周波電源５２の出力は、上述の第１３
の処理例と同じである。ただし、プラズマ発生電極６１
とアースとの間にコンデンサ８１を設けている点が異な
り、コンデンサ８１の容量は５００ｐＦとした。この条
件で薄膜を作製すると、上述の第１３の処理例と同様
に、窒化チタンを主成分とした膜が毎分約３０ｎｍの速
度で堆積した。

【００６７】これまでに述べてきた処理例で使用してい
るプラズマ発生電極は図３に示す１ターンのコイルの形
状であり、直径は１４０ｍｍであるが、本発明では、図
１１と図１２に示す各種の形状のプラズマ発生電極も使
用できることは既に述べた通りである。その場合に、ど
の形状を採用するかは、プラズマ処理条件によって異な
る。特に、プラズマＣＶＤならば膜厚分布、ドライエッ
チングならばエッチング速度分布を考慮して、プラズマ
発生電極の形状及び寸法を採用することができる。例え
ば、直径１４０ｍｍの１ターンコイルのプラズマ発生電
極を用いた場合に、上述の第９の処理例に関して、図７
の電磁石１３０を用いた場合に、８インチウェーハ内の
膜厚分布が約±５％となったが、圧力を０．５Ｐａに変
更すると、膜厚分布が±８％となった。そこで、プラズ
マ発生電極の直径を１４０ｍｍから１６０ｍｍに変更す
ると、８インチウェーハ内で膜厚分布が±５％に戻っ
た。このように、プラズマ発生電極を変更することによ
り、処理分布を改善することが可能である。

【００６８】

【発明の効果】この発明は、プラズマ発生電極とプラズ
マと処理室内壁との相対電位関係を最適にできるので、
経時変化の非常に少ない安定した低圧高密度プラズマを
得ることができる。したがって、高品質のプラズマ処理
を実施できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のプラズマＣＶＤ装置の一実施形態の構
成図である。

【図２】ガス導入機構の構成図である。

【図３】プラズマ発生電極の平面図である。

【図４】絶縁リングの一部を切断した斜視図である。

【図５】図１の５−５線断面図である。

【図６】底部被覆率の基体バイアス用電力依存性を示す
グラフである。

【図７】本発明のプラズマＣＶＤ装置の別の実施形態の
要部構成図である。

【図８】電極電位制御機構の別の変更例を示す構成図で
ある。

【図９】コンデンサの容量とプラズマ発生電極の直流バ
イアス電圧との関係を示すグラフである。

【図１０】電極電位制御機構の別の変更例を示す構成図
である。

【図１１】プラズマ発生電極の変更例を示す斜視図であ
る。

【図１２】プラズマ発生電極の別の変更例を示す斜視図
である。

【図１３】ガス導入機構の変更例の構成図である。

【符号の説明】

１０ガス導入機構２０処理室２１基体２５基体ホルダー３０排気機構５０電力供給源６１プラズマ発生電極６２、６３導入端子７１絶縁リング８０電極電位制御機構８１第１のコンデンサ８５内壁電位制御機構８６第２のコンデンサ９０バイアス電力供給源

フロントページの続き (72)発明者高木憲一東京都府中市四谷５丁目８番１号日電アネルバ株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】処理室と、処理室内を真空に排気する排
気機構と、原料ガスを処理室に導入するガス導入機構
と、処理室内に配置されたプラズマ発生電極とを備え、
プラズマ発生電極に電力を供給してプラズマを発生させ
ることにより処理室内の基体上に膜を堆積させるプラズ
マＣＶＤ装置において、前記プラズマ発生電極は二つの端子を備え、一方の端子
は高周波電力供給源に接続され、他方の端子は電極電位
制御機構を介して接地され、さらに、前記処理室が内壁
電位制御機構を介して接地されていることを特徴とする
プラズマＣＶＤ装置。
【請求項２】前記電極電位制御機構は第１のコンデン
サを備えることを特徴とする請求項１記載のプラズマＣ
ＶＤ装置。
【請求項３】前記電極電位制御機構は、前記他方の端
子とアースとの間に接続された第１のコンデンサと、前
記他方の端子と前記第１のコンデンサとの間の接続点と
アースとの間に接続されたインダクタと直流電源との直
列回路とを備えることを特徴とする請求項１記載のプラ
ズマＣＶＤ装置。
【請求項４】前記内壁電位制御機構は第２のコンデン
サを備えることを特徴とする請求項１記載のプラズマＣ
ＶＤ装置。
【請求項５】前記内壁電位制御機構は、処理室とアー
スとの間に接続された第２のコンデンサと、処理室と前
記第２のコンデンサとの間の接続点とアースとの間に接
続されたインダクタと直流電源との直列回路とを備える
ことを特徴とする請求項１記載のプラズマＣＶＤ装置。
【請求項６】処理室と、処理室内を真空に排気する排
気機構と、原料ガスを処理室に導入するガス導入機構
と、処理室内に配置されたプラズマ発生電極とを備え、
プラズマ発生電極に電力を供給してプラズマを発生させ
ることにより処理室内の基体上に膜を堆積させるプラズ
マＣＶＤ装置において、前記プラズマ発生電極は二つの端子を備え、一方の端子
は高周波電力供給源に接続され、他方の端子は電極電位
制御機構を介して接地され、前記処理室が接地されてい
ることを特徴とするプラズマＣＶＤ装置。
【請求項７】前記電極電位制御機構は第１のコンデン
サを備えることを特徴とする請求項６記載のプラズマＣ
ＶＤ装置。
【請求項８】前記電極電位制御機構は、前記他方の端
子とアースとの間に接続された第１のコンデンサと、前
記他方の端子と前記第１のコンデンサとの間の接続点と
アースとの間に接続されたインダクタと直流電源との直
列回路とを備えることを特徴とする請求項６記載のプラ
ズマＣＶＤ装置。
【請求項９】処理室と、処理室内を真空に排気する排
気機構と、原料ガスを処理室に導入するガス導入機構
と、処理室内に配置されたプラズマ発生電極とを備え、
プラズマ発生電極に電力を供給してプラズマを発生させ
ることにより処理室内の基体上に膜を堆積させるプラズ
マＣＶＤ装置において、前記プラズマ発生電極は二つの端子を備え、一方の端子
は高周波電力供給源に接続され、他方の端子は接地さ
れ、さらに、前記処理室が内壁電位制御機構を介して接
地されていることを特徴とするプラズマＣＶＤ装置。
【請求項１０】前記内壁電位制御機構は第２のコンデ
ンサを備えることを特徴とする請求項９記載のプラズマ
ＣＶＤ装置。
【請求項１１】前記内壁電位制御機構は、処理室とア
ースとの間に接続された第２のコンデンサと、処理室と
前記第２のコンデンサとの間の接続点とアースとの間に
接続されたインダクタと直流電源との直列回路とを備え
ることを特徴とする請求項９記載のプラズマＣＶＤ装
置。
【請求項１２】前記第１のコンデンサの静電容量は１
００ｐＦ〜１０μＦであることを特徴とする請求項２、
３、７、８のいずれか１項に記載のプラズマＣＶＤ装
置。
【請求項１３】前記第１のコンデンサは可変コンデン
サであることを特徴とする請求項２、３、７、８のいず
れか１項に記載のプラズマＣＶＤ装置。
【請求項１４】前記プラズマ発生電極の表面は導電体
であることを特徴とする請求項１〜１１のいずれか１項
に記載のプラズマＣＶＤ装置。
【請求項１５】前記プラズマ発生電極は実質的に１タ
ーンのコイルであることを特徴とする請求項１〜１１の
いずれか１項に記載のプラズマＣＶＤ装置。
【請求項１６】前記プラズマ発生電極は１周以上に巻
かれたコイルであることを特徴とする請求項１〜１１の
いずれか１項に記載のプラズマＣＶＤ装置。
【請求項１７】前記プラズマ発生電極は１平面内で渦
巻き状に巻かれていることを特徴とする請求項１〜１１
のいずれか１項に記載のプラズマＣＶＤ装置。
【請求項１８】前記プラズマ発生電極は１本の直線状
の棒であることを特徴とする請求項１〜１１のいずれか
１項に記載のプラズマＣＶＤ装置。
【請求項１９】前記プラズマ発生電極は２本以上の直
線状の棒を並列に並べたものであることを特徴とする請
求項１〜１１のいずれか１項に記載のプラズマＣＶＤ装
置。
【請求項２０】前記プラズマ発生電極は１枚の平板状
の板であることを特徴とする請求項１〜１１のいずれか
１項に記載のプラズマＣＶＤ装置。
【請求項２１】前記プラズマ発生電極は、その内部が
流体で冷却されることを特徴とする請求項１〜１１のい
ずれか１項に記載のプラズマＣＶＤ装置。
【請求項２２】前記プラズマ発生電極の表面の材質
が、基体上に堆積すべき薄膜の材質と同じであることを
特徴とする請求項１〜１１のいずれか１項に記載のプラ
ズマＣＶＤ装置。
【請求項２３】前記プラズマ発生電極の表面の材質
が、基体上に堆積すべき薄膜の組成の一部であることを
特徴とする請求項１〜１１のいずれか１項に記載のプラ
ズマＣＶＤ装置。
【請求項２４】マルチカスプ磁場を前記処理室の内部
に発生させることのできるマルチカスプ磁場発生機構を
備えていることを特徴とする請求項１〜１１のいずれか
１項に記載のプラズマＣＶＤ装置。
【請求項２５】前記排気機構が、前記処理室内の圧力
を一定に制御する圧力制御機構を備えていることを特徴
とする請求項１〜１１のいずれか１項に記載のプラズマ
ＣＶＤ装置。
【請求項２６】前記基体にバイアス電圧を印加するた
めのバイアス印加機構を備えていることを特徴とする請
求項１〜１１のいずれか１項に記載のプラズマＣＶＤ装
置。
【請求項２７】処理室に原料ガスを導入して、処理室
内に配置されたプラズマ発生電極に電力を供給してプラ
ズマを発生させることにより、処理室内の基体上に導電
性の膜を堆積させるプラズマＣＶＤ方法において、前記プラズマ発生電極は二つの端子を備え、一方の端子
は高周波電力供給源に接続され、他方の端子は電極電位
制御機構を介して接地され、さらに、前記処理室が内壁
電位制御機構を介して接地されていることを特徴とする
プラズマＣＶＤ方法。
【請求項２８】処理室に原料ガスを導入して、処理室
内に配置されたプラズマ発生電極に電力を供給してプラ
ズマを発生させることにより、処理室内の基体上に導電
性の膜を堆積させるプラズマＣＶＤ方法において、前記プラズマ発生電極は二つの端子を備え、一方の端子
は高周波電力供給源に接続され、他方の端子は電極電位
制御機構を介して接地され、前記処理室が接地されてい
ることを特徴とするプラズマＣＶＤ方法。
【請求項２９】処理室に原料ガスを導入して、処理室
内に配置されたプラズマ発生電極に電力を供給してプラ
ズマを発生させることにより、処理室内の基体上に導電
性の膜を堆積させるプラズマＣＶＤ方法において、前記プラズマ発生電極は二つの端子を備え、一方の端子
は高周波電力供給源に接続され、他方の端子は接地さ
れ、さらに、前記処理室が内壁電位制御機構を介して接
地されていることを特徴とするプラズマＣＶＤ方法。
【請求項３０】処理室と、処理室内を真空に排気する
排気機構と、処理用ガスを処理室に導入するガス導入機
構と、処理室内に配置されたプラズマ発生電極とを備
え、プラズマ発生電極に電力を供給してプラズマを発生
させることにより処理室内の基体上の膜をエッチングす
るドライエッチング装置において、前記プラズマ発生電極は二つの端子を備え、一方の端子
は高周波電力供給源に接続され、他方の端子は電極電位
制御機構を介して接地され、さらに、前記処理室が内壁
電位制御機構を介して接地されていることを特徴とする
ドライエッチング装置。
【請求項３１】処理室と、処理室内を真空に排気する
排気機構と、処理用ガスを処理室に導入するガス導入機
構と、処理室内に配置されたプラズマ発生電極とを備
え、プラズマ発生電極に電力を供給してプラズマを発生
させることにより処理室内の基体上の膜をエッチングす
るドライエッチング装置において、前記プラズマ発生電極は二つの端子を備え、一方の端子
は高周波電力供給源に接続され、他方の端子は電極電位
制御機構を介して接地され、前記処理室が接地されてい
ることを特徴とするドライエッチング装置。
【請求項３２】処理室と、処理室内を真空に排気する
排気機構と、処理用ガスを処理室に導入するガス導入機
構と、処理室内に配置されたプラズマ発生電極とを備
え、プラズマ発生電極に電力を供給してプラズマを発生
させることにより処理室内の基体上の膜をエッチングす
るドライエッチング装置において、前記プラズマ発生電極は二つの端子を備え、一方の端子
は高周波電力供給源に接続され、他方の端子は接地さ
れ、さらに、前記処理室が内壁電位制御機構を介して接
地されていることを特徴とするドライエッチング装置。
【請求項３３】処理室に処理用ガスを導入して、処理
室内に配置されたプラズマ発生電極に電力を供給してプ
ラズマを発生させることにより、処理室内の基体上の膜
をエッチングするドライエッチング方法において、前記プラズマ発生電極は二つの端子を備え、一方の端子
は高周波電力供給源に接続され、他方の端子は電極電位
制御機構を介して接地され、さらに、前記処理室が内壁
電位制御機構を介して接地されていることを特徴とする
ドライエッチング方法。
【請求項３４】処理室に処理用ガスを導入して、処理
室内に配置されたプラズマ発生電極に電力を供給してプ
ラズマを発生させることにより、処理室内の基体上の膜
をエッチングするドライエッチング方法において、前記プラズマ発生電極は二つの端子を備え、一方の端子
は高周波電力供給源に接続され、他方の端子は電極電位
制御機構を介して接地され、前記処理室が接地されてい
ることを特徴とするドライエッチング方法。
【請求項３５】処理室に処理用ガスを導入して、処理
室内に配置されたプラズマ発生電極に電力を供給してプ
ラズマを発生させることにより、処理室内の基体上の膜
をエッチングするドライエッチング方法において、前記プラズマ発生電極は二つの端子を備え、一方の端子
は高周波電力供給源に接続され、他方の端子は接地さ
れ、さらに、前記処理室が内壁電位制御機構を介して接
地されていることを特徴とするドライエッチング方法。