JPH1092596A - 薄膜形成装置及び薄膜形成方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】より高性能の薄膜を提供し、またはより高性能
の薄膜製造または加工装置を提供し、さにはより高性能
の薄膜応用装置を提供することを目的とする。 【解決手段】誘導結合プラズマを用いて膜を堆積あるい
はエッチングする方法および装置で、プラズマ励起にも
ちいるコイルを同軸二重とし、プラズマ励起電力を芯線
に、ＤＣバイアス電圧を外被に印加する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、より高性能の薄膜
形成装置及び薄膜形成方法を提供することを目的とす
る。

【０００２】

【従来の技術】半導体薄膜を利用した素子・部品は、シ
ステムの小形化・高速化・低消費電力化等多大な効果を
有しており、ＤＲＡＭ、マイクロプロセッサをはじめと
する種々の集積回路、ＨＤＤ等の計算機システムの周辺
記憶素子、半導体レ−ザ等の光通信システムの光源素
子、薄膜熱転写ヘッド等のプリンタの印字素子、ＴＦＴ
等のディスプレーの表示素子等幅広く用いられている。
薄膜素子・部品の形成方法はスパッタリング、ＣＶＤ、
プラズマＣＶＤ、真空蒸着法、イオンプレーティング法
等、多種多様の方法がその目的に応じて使い分けられて
いる。

【０００３】なかでもプラズマＣＶＤプロセスはＬＳ
Ｉ、太陽電池、平面ディスプレイ素子などへの応用を目
的にしてアモルファスシリコンなどの半導体膜、酸化シ
リコン、窒化シリコンなどの絶縁体膜、さらにタングス
テン、アルミニウム等の金属膜の形成に用いられてい
る。プラズマＣＶＤ法がこのように幅広く応用されてい
る理由のひとつは、プラズマ中の電子によって効率よく
原料ガスが分解されるため、基板を高温に加熱すること
なく薄膜が形成できることである。たとえばシランガス
をプラズマを用いずに分解して成膜するためには基板あ
るいは他の部品を1000℃あるいはそれ以上に加熱する必
要がある。

【０００４】プラズマＣＶＤ法で効率よく原料ガスが分
解される理由は、放電プラズマで形成された荷電粒子、
なかでも電子が直接あるいは間接に印加された電場で加
速され、高速でガス分子に衝突することにある。プラズ
マ中の電子は容易に数ｅＶのエネルギーを獲得し、これ
は有効にガスの分解に使われる。

【０００５】プラズマを発生するためには電力を投入す
る必要があるが、一般にＤＣあるいはＡＣ電力が用いら
れる。装置構成はいろいろなものが提案され、かつ使用
されているが、原理的には投入電力により電場を形成
し、該電場によって加速された電子が中性ガス原子ない
しガス分子と衝突して電離することがプラズマ発生・維
持のメカニズムである点は変わらない。通常は連続的に
電力を投入し、連続プラズマを発生させる。なかでも、
誘導結合によりプラズマを形成する方法は電力を効率よ
くプラズマ形成に使用できる方法として注目されてい
る。誘導結合法によれば、従来から用いられてきた平行
平板型のプラズマ装置に避けられない高電圧シース（陰
極降下ともいわれる）がないため、同じ電力を供給した
場合、1 桁から3 桁高いプラズマ密度が得られ、従って
膜加工／堆積装置としてより高いスループットが得られ
る。また平行平板型に比べ、より低い圧力で放電維持が
可能なことから、気相中の二次反応をおさえてプロセス
中の化学種制御が容易である。

【０００６】誘導結合型プラズマ装置は、電極コイルを
放電室の外に配置し、絶縁体を介して電磁場を作用され
るタイプと、電極コイルを放電室内に配置する２つの方
法が知られており、たとえば菅井、プラズマ・核融合学
会誌、71巻8 号、704-710 頁にくわしく解説されてい
る。電極を放電室内部に配置する方法の利点としては、
プラズマ電極直近の強い電磁場が作用するためより高い
プラズマ密度が得られることがあげられる。放電室外部
にコイルを配置する方法ではコイルと放電室との間に絶
縁体の隔壁を設ける必要がある。大面積材料に加工／薄
膜堆積をおこなうためには隔壁も大面積にする必要があ
るが、そのためには隔壁をより厚くして強度的に問題が
ないよう対策を講じる必要がある。すると放電室内に形
成される電磁場が急激に減衰し、電力利用効率が大幅に
下がってしまう。

【０００７】このようにコイルを放電室内に配置する方
法は、放電室外に配置する方法に比べ優れているが、反
面導体で形成されたコイルに印加された励起電力によ
り、プラズマの電位は接地電位に比べ数百V 高くなるこ
とが報告されている（Nakamura, K. et al., Jpn.J.App
l.Phys., pp. L1686-L1688, pt.2, No.12B, 1995）。薄
膜堆積／加工時に被加工物がその電位分だけ加速された
イオンの衝撃によってダメージを受け、高品質の製品が
製造できない。また、電極自体も加速されたイオンの衝
撃を受けるため電極部材がスパッタされ、膜中に取り込
まれて不純物となる可能性が高い。

【０００８】上述の問題を回避する一つの手段として、
電極コイルにＤＣの大電流を重畳して流し、コイル周囲
に形成される磁場で電子の流入量をおさえることによ
り、プラズマポテンシャルを上げない工夫が、知られて
いる。この論文によれば、電極コイルに250AまでのＤＣ
電流を重畳することでプラズマポテンシャルを23V 程度
に抑えることに成功している。

【０００９】しかしながら電極コイルに大電流を重畳し
て流す方法では、数百アンペアのＤＣ電流源が必要とな
り装置の規模が大幅に大きくなり、装置が高額となり圧
倒的に不利となるし、重量的にも、体積的にも大幅に大
きな装置となるため装置の設置にも配慮が必要となる。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】本発明は以上説明した
問題点に鑑みてなされたものであり、薄膜堆積／加工時
の電極コイルスパッタによる不純物の発生を抑え、かつ
被堆積基板／被加工基板への不必要なイオンダメージを
軽減できる薄膜形成装置を提供し、さらに高品質の薄膜
の形成が可能な薄膜形成方法を提供することを目的とす
る。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、請求項１の発明は、原料気体を収容可能な密閉容器
と、この密閉容器内に形成され被試料を固定するホルダ
ーと、前記密閉容器内に形成され高周波電力の供給が可
能な第１の電極と、この第１の電極を覆い且つ前記密閉
容器内に形成され浮遊電位あるいは定電位が印加可能な
第２の電極とを有することを特徴とする薄膜形成装置を
提供するものである。

【００１２】また、請求項２の発明は請求項１の薄膜形
成装置において、前記第１の電極は心材で形成され、前
記第２の電極は前記第１の電極と同軸形成された筒状で
あることを特徴とする薄膜形成装置を提供するものであ
る。

【００１３】更に、請求項３の発明は、原料気体を収容
可能な密閉容器と、この密閉容器内に形成され被試料を
固定するホルダーと、前記密閉容器内に形成され高周波
電力の供給が可能な第１の電極と、この第１の電極を覆
い且つ前記密閉容器内に形成され浮遊電位あるいは定電
位が印加可能な第２の電極とを備える薄膜形成装置を用
い、前記第１の電極から供給する高周波電磁場が前記原
料気体に作用してプラズマ励起し、前記被試料表面に膜
形成することを特徴とする薄膜形成方法を提供するもの
である。

【００１４】

【発明の実施の形態】一般にプラズマ中に挿入された物
体のまわりには、シースが形成されるが、物体が接地電
位、あるいはフローティング電位であるとき、負電荷と
正電荷の単位時間当たり流入量を等しくする必要から、
より移動度の高い電子の流入を抑制し、移動度の低い正
イオンの流入が加速する方向にシース電圧が発生する。
その値Ｖｓは、電子温度をＴｅとしてＶｓ＝Ｔｅ・ｌｎ
（Ｍ／２πｍ）／２で表される。ここでＭは正イオンの
質量、ｍは電子の質量である。プラズマの空間電位（プ
ラズマポテンシャル）は電極の電位にそのシース電圧を
加えた値に相当するため、おおよそ20V 以上電極よりも
高い電位となる。

【００１５】一方、上述した物体が電極である場合、高
周波電力が印加され、数百V の瞬時電圧を持つ。そのた
めプラズマポテンシャルもまた、数百V と高い値にな
る。本発明の実施の形態を図１及び図２に沿って説明す
る。図１で１は例えば銅、アルミニウム等の材料からな
りここでは銅からなり高周波を印加する芯材、2 は例え
ば銅、アルミニウム、ステンレス等の材料からなりここ
ではステンレスからなり外被となる金属管、3 は例えば
AlN 、Al₂ O3、SiO2などのセラミックス、テフロンなど
の合成樹脂材料からなりここではテフロン絶縁材からな
り芯材と外被との間を埋める絶縁体、4 は高周波電源、
5 はＤＣ電源である。電極部材6 はコイル状に巻かれ、
プラズマ室８内に設置されている。７はステンレスで形
成された基板ホルダーである。また、6 は芯材と外被の
両導体部材とその間を埋めるテフロン絶縁材から構成さ
れる部材を、直径20cmで3 ターン巻いたコイルである。
8 の容器はプラズマ容器で、図では省略されているが真
空ポンプとガス供給系に接続されている。4 の高周波電
源から高周波電力を印加すると、電極部材6 の周囲に電
磁場が形成されるが、ここで外被2 によって電界が遮断
され、磁界のみが発生する。交流磁界であるため電磁誘
導の法則により、空間に交流電界が発生し、荷電粒子、
たとえば電子が加速される。これが誘導結合プラズマ励
起の原理である。この際、2 の外被の電位をたとえば0V
に保持、すなわち接地電位とした場合でも、先述のよう
に周囲にシースが形成されるが、外被の電位が0Vに保た
れることによってシース電圧は20V 程度と、比較的小さ
く保たれる。この場合、外被の存在はプラズマの励起に
何等悪影響を与えない。すなわち、電力はあくまで磁界
を通じて空間の荷電粒子に作用する。結果的にプラズマ
ポテンシャルを不必要に上げることなく、プラズマを励
起することができる。例えば0V〜２０V のプラズマポテ
ンシャルでは、イオンは加速されるがそのエネルギーは
外被表面をスパッタするには十分ではなく、実質的にプ
ロセスの不純物として悪影響を与えるにはいたらないと
いえる。また、被膜堆積物／被加工物が置かれる基板ホ
ルダー７は接地電位とすることができ、その場合プラズ
マポテンシャルとの差で加速されたイオンの衝撃をうけ
るものの、従来構造の装置の場合の数百V にくらべはる
かに小さく、本発明の実施による改善の程度は顕著であ
るといえる。この様な薄膜形成装置を使用して実際に薄
膜を形成した。これは、実施例で具体的に説明する。

【００１６】また、特に外被6 に負のＤＣ電圧を与えた
場合、プラズマポテンシャルがこの電圧に引きずられる
形できまるため、接地電位から比較したプラズマポテン
シャルはさらに下げることができる。これも、実施例で
具体的に説明する。

【００１７】

【実施例】本発明を実施例によって詳細に説明する。上
述した図１及び図２の構成の薄膜形成装置を用い、プラ
ズマの電位をラングミュア・プローブ法で測定すること
で実際の電位を測定した。

【００１８】（実施例１）容器をまず1 ×１０-5Torrま
で排気した後、SiＨ4 ガスを導入して10mTorr とした。

【００１９】ついでコイル芯材に接続された13.56 Mhz
のＲＦ電源をオンし、400Wの電力を印加し、プラズマを
発生させた。さらに、そのまま5 分間プラズマを維持す
ることで、アモルファスシリコン膜を成膜した。

【００２０】この状態で容器中心軸上に配置されたラン
グミュアプローブでプラズマポテンシャルを測定したと
ころ、外被を浮遊電位としたときに25V 、接地電位とし
たときに22V 、-20Vとしたときに6Vであった。このよう
に本発明の実施によってプラズマポテンシャルは十分低
い値に保たれることが判明した。また、形成されたアモ
ルファスシリコン膜の膜中水素濃度を分析により測定し
たところ15原子% であった。さらに、SiおよびH 、O 以
外の元素は検出されなかった。O は残留ガスが分解して
とりこまれたものと推測されるが検出限界近い少量であ
った。

【００２１】比較のため、本発明を実施しないでプラズ
マポテンシャルを測定した。そのため、外被を用いず、
心材にＲＦを印加して励起電極とした。すなわち、上記
の実施例とまったく同じターン数、まったく同じ径のコ
イルを外被を用いずに製作してとりつけた。同じく10mT
orr 、400Wで実験したところ平均のプラズマポテンシャ
ルは120Vと、非常に高い値となった。上記の実施例と同
様に成膜して膜のSIMS分析を行ったところ、H の濃度は
2 原子% と小さかった。これは、成膜中に膜がイオンの
照射を受けてスパッタ率の高いH 原子が優先的にスパッ
タされたことを示している。一方Si・H ・微量のO ・C
以外にCuのピークが検出された。装置中でCuが使用され
ている部位はプラズマ励起コイルのみであることから、
コイル周囲のシース電位で加速されたイオンによってス
パッタされ、膜中に取り込まれたことを示している。

【００２２】以上のことから、薄膜堆積／加工時の電極
コイルスパッタによる不純物の発生を抑え、かつ被堆積
基板／被加工基板への不必要なイオンダメージを軽減で
きる事が分かった。一般にイオンダメージや不必要な金
属不純物のとりこみは特に半導体デバイスの場合、移動
度の低下・リーク電流の増加といった特性劣化をもたら
す。したがって上記の説明から、本発明は高品質の薄膜
の形成が可能な薄膜形成装置ないし薄膜形成方法を提供
する。

【００２３】（実施例2 ）以下に本発明のもうひとつの
実施例として薄膜トランジスタの試作とその結果につい
て説明する。

【００２４】実施例１と同一の図１及び図２で示した誘
導結合プラズマ装置内に基板ホルダー7 を設置した。こ
の基板ホルダー上に、あらかじめ熱ＣＶＤ法で200nm の
SiO2を形成した低抵抗Siウエハーを装着した。装置を真
空排気したのち、Ｓi Ｈ4 が20% 、水素80% の混合ガス
を導入した。排気系のコンダクタンスを調節して全圧を
20mTorr とした。電力印加電極に基本波13.56 MHz 、40
W の電力を変調して供給することで真性アモルファスシ
リコンの薄膜形成を行った。膜厚は300nm とした。ここ
で、プラズマ励起用コイルの外被は接地電位とした。

【００２５】引き続き、ガスをＳｉＨ4 を10% 、水素を
75% 、ＰＨ3 を15% の混合ガスに切り替え、やはり20mT
orr としてn+アモルファスシリコンの成膜を行った。膜
厚は100nm とした。ここでもやはりプラズマ励起用コイ
ルの外被は接地電位とした。

【００２６】さらに、このウエハーの表面にソース・ド
レイン電極として用いるタングステン膜をスパッタで10
0nm の膜厚で成膜した。次にフォトリソグラフィーによ
ってタングステン膜、ｎ+ 膜のエッチングを順次行っ
た。このエッチング過程でそれぞれの膜に不必要なダメ
ージを与えない様ダウンフロー型のエッチングでおこな
った。この方法は、プラズマ励起部と被エッチング物が
比較的はなれているためイオンが輸送されず、エッチン
グに寄与する化学的励起種だけが基板に到達してエッチ
ングが行われるものである。これにより、薄膜トランジ
スタが完成した。

【００２７】この薄膜トランジスタの評価のためドレイ
ン電流−ゲート電圧特性を測定した。低抵抗Si基板をゲ
ート電極とした。その結果、電界効果移動度μは１２ｃ
ｍ2/V/s 、しきい値電圧Ｖthは2.3Vであった。また、上
記Si膜のＳＩＭＳ分析を行ったが、Si、H 、若干のO 、
C が検出されたほかは、特に不純物元素は検出されなか
った。また、ゲートを負にバイアスした場合のリーク電
流はおよそ１０×１０-12Aのオーダーであった。

【００２８】次に同一の設計の薄膜トランジスタを比較
のため作成したが、その際本発明を実施しない、すなわ
ち同一形状のコイルで外被を用いない、芯線のみのコイ
ルにプラズマ励起用ＲＦを印加して成膜を行った。他の
条件は同一とした。そのトランジスタの電気特性を測定
したところ、μ＝0.25cm2/V/s と本発明を実施した場合
の1/4 以下であった。また、しきい値電圧Vth は4.8Vで
あった。さらに、トランジスタのオフ状態でも10e-9 の
リーク電流が観察され、前記の実施例の1000倍の10リー
ク電流が流れることがわかった。

【００２９】さらに、形成した膜をＳＩＭＳで分析した
ところ、a-Si中からSi、H 、O 、Cのほか、Cuが検出さ
れ、不純物として膜中にとりこまれていることがわかっ
た。装置中でCuが使用されている部位はプラズマ励起コ
イルのみであることから、コイル周囲のシース電位で加
速されたイオンによってスパッタされ、膜中に取り込ま
れたと想像され、本発明の効果が確認できた。

【００３０】ここで述べた実施例では真性半導体層およ
びドープシリコン層の成膜に本発明を実施したが、この
ほかゲート絶縁膜に実施してもよく、さらに好ましい結
果がえられる。また、本実施例では3 ターンのコイルを
用いたが、むろんターン数に限定はなく、たとえば1 タ
ーンでも良く、あるいは円弧状をなす電極ではなくて
も、すなわちたとえば直線状の電極を形成して使用する
ことも可能であり、その場合でも本発明の趣旨は何等変
わることなく実施が可能である。さらに、いわゆる誘導
結合プラズマのほかに、たとえばヘリコンプラズマ源、
ヘリカル共鳴プラズマ源の構成でプラズマを励起する場
合のような、コイル状、または線状、あるいは棒状電極
に高周波を与えてプラズマを励起し、かつ該電極がプラ
ズマ室内にある場合はすべて本発明をそのまま応用可能
である。

【００３１】以上のことから、形成した膜をＳＩＭＳで
分析から薄膜堆積／加工時の電極コイルスパッタによる
不純物の発生が抑えられたことが判明し、かつＴＦＴの
電界効果移動度及びしきい値電圧Vth 特性が向上したこ
とから被堆積基板／被加工基板への不必要なイオンダメ
ージを軽減できる薄膜形成装置を提供しできたことも分
かった。さらに、高品質の薄膜の形成が可能な薄膜形成
方法を提供できたことも分かった。さらにここではデー
タを示していないが歩留まりが向上することも分かっ
た。

【００３２】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の実施によ
ればプラズマ成膜およびエッチングプロセスにおいて膜
に与えるダメージの少ないプロセスを提供でき、さらに
純度のよい成膜／エッチング工程、さらには高品質膜、
高性能な電子応用機器を提供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の実施例でもちいるプラズマ励起電力
印加コイルに用いる電極の斜視図

【図２】 本発明の実施例である誘導結合プラズマＣＶ
Ｄ装置の断面図

【符号の説明】

１−ＲＦ印加用芯線 ２−外被 ３−絶縁体 ４−ＲＦ電源 ５−ＤＣバイアス電源 ６−誘導プラズマ励起電極 ７−基板ホルダー ８−プラズマＣＶＤ真空容器

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号 ＦＩ Ｈ０１Ｌ 21/31 Ｈ０１Ｌ 21/31 Ｃ

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】原料気体を収容可能な密閉容器と、この密
   閉容器内に形成され被試料を固定するホルダーと、前記
   密閉容器内に形成され高周波電力の供給が可能な第１の
   電極と、この第１の電極を覆い且つ前記密閉容器内に形
   成され浮遊電位あるいは定電位が印加可能な第２の電極
   とを有することを特徴とする薄膜形成装置。
2. 【請求項２】前記第１の電極は心材で形成され、前記第
   ２の電極は前記第１の電極と同軸形成された筒状である
   ことを特徴とする請求項１に記載の薄膜形成装置。
3. 【請求項３】原料気体を収容可能な密閉容器と、この密
   閉容器内に形成され被試料を固定するホルダーと、前記
   密閉容器内に形成され高周波電力の供給が可能な第１の
   電極と、この第１の電極を覆い且つ前記密閉容器内に形
   成され浮遊電位あるいは定電位が印加可能な第２の電極
   とを備える薄膜形成装置を用い、前記第１の電極から供
   給する高周波電磁場が前記原料気体に作用してプラズマ
   励起し、前記被試料表面に膜形成することを特徴とする
   薄膜形成方法。