JPS6367332B2

JPS6367332B2 -

Info

Publication number: JPS6367332B2
Application number: JP56018986A
Authority: JP
Inventors: Seitaro Matsuo; Hideo Yoshihara; Shinichi Yamazaki
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: NTT Inc
Priority date: 1981-02-13
Filing date: 1981-02-13
Publication date: 1988-12-26
Also published as: JPS57133636A

Description

【発明の詳細な説明】本発明は、半導体集積回路をはじめとする各種
デバイスの製造において、ガス状態の原料を導入
し、プラズマの作用を利用して試料基板上に各種
材料を付着堆積させて薄膜を形成するためのプラ
ズマ付着装置に関するものであり、特に電子サイ
クロトロン共鳴によるマイクロ波放電によつて生
成したプラズマを発散磁界の作用を用いて引出
し、そのプラズマを試料表面に照射して、低温で
高品質の薄膜を能率よく形成するためのプラズマ
低温付着装置に関するものである。

従来のこの種の装置はプラズマCVD装置と呼
ばれており、試料室、ガス導入系および排気系か
らなり、試料室の内部にはプラズマ発生用の高周
波電極およびそれに対向して試料台が配置され
る。この試料台は加熱機構を有している。一例と
して、窒化シリコン膜を形成する場合について述
べると、原料としてシランガス（SiH₄）および
アンモニアガス（NH₃）をガス導入系より導入
し、排気系により排気しつつ、ガス圧を0.1〜
10Torrの範囲で一定に保ち、高周波電力によつ
てプラズマを発生させ、SiH₄およびNH₃のガス
分子を解離させ、イオンや電子の入射の作用をも
受けて、試料台上の試料基板の表面に窒化シリコ
ンを堆積させる。しかしながら、この場合には、
試料台を300〜500℃に加熱し、熱的反応も併せて
利用する必要があり、プラズマを利用して試料基
板を低温に保つたままで膜形成を行うという目的
に対しては十分でなく、さらにSiH₄やNH₃の分
解が不十分であるため、形成された膜中にＨがと
りこまれたり、Si―Ｎの結合が十分でないことな
どにより、高品質の膜が得られない。このため、
耐熱性の低い試料基板や高品質膜を必要とする半
導体集積回路などへの適用に対しては著しく制限
されるという欠点があつた。

一方、プラズマを利用した他の方法としてプラ
ズマ輸送法と呼ばれるものが知られており、物質
輸送のためのプラズマ流の形成と制御が検討され
ている。この方法は、薄膜形成とエツチングの両
者に適用される。この装置はマイクロ波放電を利
用したプラズマ源と平行磁界を有した試料室とか
らなり、平行磁界の磁気的パイプの効果を利用し
て、プラズマ源から熱的拡散によつてプラズマ流
を試料の表面に輸送することにより、試料に膜を
付着させる。しかしながら、この方法を膜形成に
適用した場合、熱的拡散によつてプラズマ流を輸
送するだけであつて、試料表面における膜形成反
応に対してのイオン、電子などの入射や衝撃の効
果はほとんど利用されていない。従つて、プラズ
マ輸送法においても300〜500℃の温度に試料を加
熱し、熱エネルギーによる熱的反応を併用する必
要があつた。さらに、ここで用いられているプラ
ズマ源は同軸構造の放電室を用いたマイクロ波放
電または導波管内でのマイクロ波放電を利用して
いるので、プラズマ流の径は２cm程度と小さく、
生産性が著しく低いという欠点があつた。また、
試料表面に到達するプラズマの密度を減衰させな
いように試料室内のガス圧を低くする必要があ
り、しかもプラズマ源の内部を放電に適したガス
圧に設定する必要があるので、プラズマを導き出
す窓の径を増大することができず、このためプラ
ズマ流の径を増大させることは困難であつた。

一方、膜形成可能な面積を増大させるために
は、走査用磁気コイルを用いてプラズマ流を走査
する方法も試みられているが、膜形成速度はそれ
だけ減少し、生産性については改善されないうえ
に複雑な構成を必要とする。また、プラズマ源内
部での原料ガスの消耗または有害な堆積物の生成
を避けるために、例えばプラズマ源にN₂ガスを
導入し、試料室内にSiH₄ガスを導入して窒化シ
リコン膜を形成しようとするような場合、プラズ
マ流の径が小さいうえに試料室内のSiH₄のガス
圧を高くできないので、N₂プラズマ流とSiH₄ガ
スとの相互作用が不十分であり、高品質かつ効率
的な膜形成が実現できないという欠点があつた。

このような従来の技術に対する改良として、本
願人は、特願昭55―57877号において、マイクロ
波空胴共振器構成の大形のプラズマ生成室を用
い、これにより電界強度を高め、さらに電子サイ
クロトロン共鳴条件を組合わせて、ガス圧
10^-4Torr台以下の低ガス圧マイクロ波放電を可
能とし、活性度（分解度、電離度）の高いプラズ
マを大量に発生させることを可能となし、しかも
発散磁界の作用を用いてプラズマを引出し、その
プラズマを加速して試料面上に導き、大面積にわ
たつて、高品質の膜を低温で能率よく形成できる
ようにしたプラズマ付着装置を先に提案した。

第１図はかかるプラズマ付着装置の基本構成を
示す。ここに、１はプラズマ生成室、２は試料
室、３はマイクロ波導入窓である。マイクロ波源
としては、例えば周波数2.45GHzのマグネトロン
を用いることができ、これはマイクロ波導入窓３
から外部方向に矩形導波管４、更に図示していな
い整合器、マイクロ波電力計およびアイソレータ
を経た位置に接続される。プラズマ生成室１は給
水、配水口５を介して水冷されている。ガス導入
系は２系統を有し、第１ガス導入系６はプラズマ
生成室１にガスを導入するためのものであり、第
２ガス導入系７はガスを試料室２に導くためのも
のである。プラズマ生成室１において、マイクロ
波導入窓３と対向する他端には、プラズマ流８を
引出すためのプラズマ引出し窓９を設ける。試料
台１０はプラズマ生成室１に対して電気的に浮遊
の状態になるようにして設置されており、補助的
に試料基板１１を加熱することができるように、
ヒータ（図示せず）を内蔵している。試料室１は
排気系１２に接続されている。

プラズマ生成室１はマイクロ波空胴共振器の条
件とし、一例として円形空胴共振モードTE₁₁₃を
採用し、内のり寸法で直径20cm、高さ20cmの円筒
形状を用いて、マイクロ波の電界強度を高め、マ
イクロ波放電の効率を高めるようにした。プラズ
マ引出し窓９はプラズマ生成室１の内径20cmに対
して径10cmの円形窓とし、マイクロ波に対する反
射面とした。

プラズマ生成室１の外周には磁気コイル１３を
周設し、これによつて発生する磁界の強度を、マ
イクロ波による電子サイクロトロン共鳴の条件が
プラズマ生成室１の内部で成立するように決定す
る。例えば、周波数2.45GHzのマイクロ波に対し
ては、この条件は磁束密度875Gである。プラズ
マ生成室１内の磁界は、プラズマ引出し窓９の方
向に磁界の強度が弱くなる発散磁界を採用して、
プラズマ引出し窓９の方向にプラズマを効率よく
移動させるようにしてある。

磁気コイル１３によつて発生する磁界は、プラ
ズマ生成室１における電子サイクロトロン共鳴に
利用するだけでなく、その磁界は試料室２にも及
ぶように構成してあり、試料室２内の磁界の強度
はプラズマ引出し窓９から試料台１０に向けてさ
らに適当な勾配で減少する発散磁界の形成に利用
されている。

発散磁界中では一般に荷電粒子は円運動しつ
つ、円運動のエネルギーが、角運動量を保存した
状態で発散磁界の方向の運動エネルギーに転化さ
れ、磁界強度の減少する磁力線方向に沿つて加速
される。電子サイクロトロン共鳴のマイクロ波放
電によつて生成されたプラズマにおいては、電子
が高エネルギーを有しているので、ガス分子の分
解や電離の効率、すなわち活性化効率が高いのみ
ならず、発散磁界の方向に勢いよく加速されて試
料台５に到達する。試料台５は電気的に浮遊、す
なわち絶縁状態にしてあるため、電子の入射によ
つて試料台５は負に帯電し、その結果イオンの入
射数と電子の入射数とが一致するような条件で平
衡状態になる。すなわち、プラズマ流８の内部に
は、発散磁界の効果によつてイオンの入射数を増
加させ、電子の入射数を減少させるような静電界
が誘起されている。換言すると、電子の円運動エ
ネルギーが発散磁界方向のイオンの運動エネルギ
ーに転化され、電子だけでなくイオンも加速され
て試料台１０に入射する。

このような発散磁界に起因する静電界のほか
に、電子の熱運動に起因して試料台１０の表面部
にある程度の電界が生じており、この部分はイオ
ンシースと呼ばれる。試料表面に入射するイオン
の運動エネルギーはこれらの電界によつて生じる
運動エネルギーの和であり、そのエネルギーは薄
膜形成における付着反応にきわめて大きな効果を
もたらす。

更に加えて、プラズマは発散磁界の磁力線に沿
つて引出されるので、10cm径で引出されたプラズ
マ流８は試料台１０上で約20cm径に増大してお
り、膜形成反応における効果のみならず大面積の
膜形成を実現できる。

このような構成および作用を有するプラズマ付
着装置は、各種材料の薄膜を形成するのに極めて
すぐれた効果をもつことは特願昭55―57877号に
おいて述べた通りである。

しかしながら、その後の検討により、次のよう
な問題点を解決すればより一層の効果を発揮する
ことが明らかになつた。すなわち、 (1) プラズマ生成室１に導入するガスの種類、ガ
ス圧あるいは導入するマイクロ波電力によつ
て、マイクロ波空胴共振器の条件を満たすプラ
ズマ生成室の寸法が若干ずれる場合がある。

(2) 膜形成反応に熱エネルギーを利用しない場合
でも、プラズマの加熱作用によつて試料基板の
温度が150℃〜200℃程度に上昇し、耐熱性が著
しく小さい試料基板に対しては適用できない場
合がある。

(3) 発散磁界の構成において、プラズマの生成効
率、引出し効率、プラズマ流の均一性を高める
とともに、付着領域を用途に応じて変化させる
必要が生じる場合がある。

そこで、本発明の目的は、上述の問題点を解決
することのできるプラズマ低温付着装置を提供す
ることにある。

そのために、本発明では、プラズマ引出し窓を
有する端面板を可動構造とし、磁気コイルの周辺
に高透磁率材料を配設する構造にすることによ
り、活性度の高いプラズマを安定に効率的に生成
し、引出して、熱エネルギーの助けを借りずにプ
ラズマの作用によつてのみ高品質の薄膜を形成で
きるようにし、さらに試料台に冷却機構を設けて
耐熱性の著しく低い試料基板に対しても高品質膜
を能率よく形成できるようにする。

以下に図面を参照して本発明を詳細に説明す
る。

第２図は本発明によるプラズマ低温付着装置の
構成の一例を示す。ここでは、第１図示の装置の
うちの上部半分に相当する部分を詳細に示す。第
２図において、プラズマ引出し窓９を有する端面
板１４は、プラズマ生成室１を構成する円筒１５
の内面に軽く接触した状態で、図において上下に
移動できるようにする。プラズマ生成室１を構成
する円筒１５の最下端部にはねじ（図示せず）を
取付け、そのねじによつてプラズマ生成室１を構
成する円筒１５の上下寸法を調整可能にする。

さらに、端面板１４と円筒１５の内面との間の
接触部で、マイクロ波による電界によつて異常放
電を生じてプラズマ生成に悪影響を及ぼしたり、
マイクロ波電力の無駄な消費を生じないように、
マイクロ波立体回路における公知のチヨーク構造
を端面板１４に設ける。すなわち、プラズマ生成
室１内に励起されるマイクロ波の波長λgにに対
し、λg／４の長さの折り返し溝１６を有する構
造を端面板１４に形成する。このようにして、プ
ラズマ生成室１が種々のプラズマ生成条件のすべ
てに対して、マイクロ波空胴共振器として最適な
効率をもつて動作し得るようにする。また、矩形
導波管４を伝播してきたマイクロ波をプラズマ生
成室１における空胴共振モードに効率よく変換す
る必要があるが、これについては、マイクロ波導
入窓３の部分に絞り（アイリス）構造１７を取付
け、インピーダンスの整合を図るようにする。

空胴共振によつて強められたマイクロ波電界を
プラズマに能率よく吸収させるためには、電子サ
イクロトロン共鳴条件に重要な磁界分布を補正し
てプラズマ生成室１内の上部領域を均一な磁界と
することが必要である。そのために、本例では、
マイクロ波導入窓３の上部に高透磁率材料、例え
ば軟鉄の環状部材１８を配置する。ここでは、環
状部材１８として、矩形導波管４の断面外形と同
形状の矩形開口をあけた直径15cm、厚さ３cmの円
板を用いて、この環状部材１８を矩形導波管４に
貫入させる。

さらに、磁気コイル１３の効率的使用およびプ
ラズマ引出しの点から重要な発散磁界の分布を調
整するために、磁気コイル１３の周囲および上部
を覆う高透磁率材料による外匣１９を配置する。
第１図に示した磁気コイル１３は装置製作上の都
合により２つに分割されているが、第２図のよう
に単一の磁気コイル１３を用いても差しつかえな
い。第３図は高透磁率材料製外匣１９を配置した
場合の磁力線の様子を示す。このような構成を用
いることにより、装置外部に不要な磁界が漏れる
のを防止できるのみならず、磁気コイル１３で消
費される直流電力を軽減することができる。

第４図に示す本発明の他の例では、磁気コイル
１３の周辺から試料室２の周囲にまで延在する高
透磁率材料製外匣１９Ａを配置し、その配置およ
びその形状を適切に定めることによつて発散磁界
の分布を調整し、以て磁力線の末端部が磁気コイ
ル１３の中心軸に対し垂直に近い方向を向くよう
な発散磁界を構成し、同心円環状のプラズマ引出
し窓９Ａを用い、試料１１を円筒状試料台２０Ａ
の円筒内面部に配列する。これによれば、多数枚
の試料１１に同時に膜を形成できる。このような
場合、試料面が垂直に近いため、試料面への塵埃
の落下による欠陥の発生を軽減できる。

なお、試料面への塵埃の落下を防止するために
は、第２図に示した装置構成の天地を逆転した構
成を用いることもできる。ただし、この場合に
は、排気系１２は試料室２の側面部に接続するも
のとし、試料台１０は、試料を保持可能な試料ホ
ルダの形態に変更することが必要である。

第２図または第４図に示したように、性能を向
上させた本発明プラズマ付着装置を用いて膜形成
の実験を行つた結果を次に述べる。一例として、
第１ガス導入系６にN₂ガスを10c.c.／min、第２
ガス導入系７にSiH₄ガスを10c.c.／min導入し、試
料室２内のガス圧を２×10^-4Torrとし、200Wの
マイクロ波電力を供給して窒化シリコン膜を形成
した。試料基板に対して加熱は行わず、逆に放熱
支持具を用いて膜形成中の温度を100℃以下に保
つた。この結果、付着速度が300Å／分であり、
直径20cmの領域で付着の均一性が±５％となり、
さらにシリコン基板上あるいは酸化シリコン基板
上にきわめて付着性のよい膜が得られた。偏光解
析法によつてこの膜の屈折率を測定したところ
2.0であり、このときの耐弗酸性は緩衝弗酸液で
30Å／分以下ときわめてすぐれた値を示した。

このように、本発明のプラズマ付着装置では、
付着反応（または膜形成反応）に、従来のように
熱エネルギーの助けを借りる必要がなく、きわめ
て高品質の膜を大面積にわたつて能率よく形成で
きた。

このように、本発明によれば、膜形成反応に関
しては試料基板を加熱する必要がないので、試料
台２０に従来の加熱機構の代わりに冷却機構を設
けることによつて、プラズマの作用によつて結果
的に生じる試料の温度上昇（100〜200℃）を防止
することができる。冷却機構を設けた試料台２０
を用いることによつて、長時間にわたつて安定に
試料基板を100℃以下ときわめて低温に保つた状
態で膜を形成できる。試料台２０の冷却機構とし
ては通常の水冷または空冷方式を用いることがで
きる。

このような冷却機構を設けた試料台を用いるこ
とにより、耐熱性の著しく低い材料、例えばレジ
ストパタンを有する半導体基板上への膜の付着、
耐熱性の低い各種化合物半導体、超電導材料、さ
らにはプラスチツクなど各種基板への高品質膜の
形成が可能になつた。特に、レジストパタン上へ
の高品質の膜形成は半導体デバイス製造技術の分
野で公知のリフトオフ技術に適用できるので、そ
の応用の範囲はきわめて広く、かつ重要である。

以上説明したように、本発明によれば、プラズ
マ生成室のマイクロ波空胴共振器構成を一層効率
的に作動させ、マイクロ波による電子サイクロト
ロン共鳴放電およびプラズマの引出しに重要な発
散磁界の分布構成を向上させたので、活性度の高
いプラズマを大量に発生させ、大面積にわたつて
反応効果を高めて試料に照射できるようになり、
熱エネルギーの助けを借りずに、プラズマの作用
のみによつて高品質の膜を形成することができ
る。さらにまた、本発明では、冷却機構を設けた
試料台を用いることにより、耐熱性の著しく低い
試料基板に対しても高品質の膜を生産性よく形成
できる。

なお、以上では、膜形成の材料として窒化シリ
コンSi₃N₄の場合を主として説明してきたが、シ
リコンSi、酸化シリコンSiO₂、モリブデンシリ
サイドMoSi₂、モリブデンMo、アルミニウムAl
など各種材料により膜を形成する場合にも本発明
を適できることは明らかである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明者の先の提案に係るプラズマ付
着装置の基本構成を示す断面図、第２図は本発明
プラズマ付着装置の一実施例を示す断面図、第３
図はその磁力線の状態の説明図、第４図は本発明
の他の実施例を示す断面図である。１…プラズマ生成室、２…試料室、３…マイク
ロ波導入窓、４…マイクロ波矩形導波管、５…給
排水口、６…第１ガス導入系、７…第２ガス導入
系、８…プラズマ流、９…プラズマ引出し窓、１
０…試料台、１１…試料基板、１２…排気系、１
３…磁気コイル、１４…可動端面板、１５…円
筒、１６…チヨーク構造の折返し溝、１７…絞り
（アイリス）、１８…高透磁率材料製環状部材、１
９…高透磁率材料製外匣、２０…冷却試料台。

Claims

【特許請求の範囲】１プラズマ生成室と、試料を載置する試料台を
設けた試料室とを有し、前記プラズマ生成室にプ
ラズマ原料とマイクロ波電力を導いてプラズマを
発生させ、前記プラズマ生成室には、そのプラズ
マをプラズマ流として前記試料室に引出すための
プラズマ引出し窓を有する端面板を設け、前記プ
ラズマ生成室の外周には磁気回路を配設し、該磁
気回路により、前記プラズマ生成室内においては
プラズマ生成効率を高めるのに必要な強度の磁束
密度を形成するとともに、前記試料室内において
は前記プラズマ生成室から前記試料室内の前記試
料台に向けて磁束密度強度が適当な勾配で弱くな
る発散磁界を形成するようにしたプラズマ付着装
置において、前記プラズマ生成室は、プラズマ生
成用に導入されるマイクロ波電力に対して空胴共
振器の構造をなし、かつ前記プラズマ引出し窓を
有する前記端面板はマイクロ波の空胴共振状態を
調整できるように可動構造としたことを特徴とす
るプラズマ低温付着装置。２特許請求の範囲第１項記載のプラズマ低温付
着装置において、前記試料台は冷却機構を有する
ことを特徴とするプラズマ低温付着装置。３特許請求の範囲第１項または第２項に記載の
プラズマ低温付着装置において、前記磁気回路
は、プラズマ生成用およびプラズマ引出し用の発
散磁界を形成するための磁気コイルを有し、該磁
気コイルの周辺に高透磁率材料を配置し、該高透
磁率材料の配置および形状によつて前記プラズマ
生成室および前記試料室内の磁界分布を調整可能
としたことを特徴とするプラズマ低温付着装置。