JP2007242563A

JP2007242563A - プラズマプロセス装置

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Publication number: JP2007242563A
Application number: JP2006066666A
Authority: JP
Inventors: Kimihiko Yamada; 公彦山田; Masao Urayama; 雅夫浦山
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 2006-03-10
Filing date: 2006-03-10
Publication date: 2007-09-20

Abstract

【課題】成膜速度の高速化と製造された膜の高品質化との両立を実現するプラズマプロセス装置の提供。
【解決手段】処理室５と、処理室５内にプラズマ処理用のガスを供給するガス供給部１３と、互いに対向するカソード電極２ａ及びアノード電極２ｂを有し、カソード電極２ａとアノード電極２ｂとの間にプラズマ１１を発生させるプラズマ放電発生部１５と、カソード電極２ａとアノード電極２ｂとの間に被処理基板４を保持する基板ホルダー９とを備え、カソード電極２ａにおける被処理基板４と対向する面に、誘電性材料からなる誘電部３が、カソード電極２ａの少なくとも一部が露出するように設けられている。これにより、カソード電極２ａとアノード電極２ｂとの間に、局所電界を発生させる。
【選択図】図２

Description

本発明は、プラズマプロセス装置に関するものである。

プラズマを使って半導体膜等を成膜することにより、集積回路、液晶ディスプレイ、有機エレクトロルミネッセンス素子、太陽電池などの電子デバイスを製造する方法、いわゆるプラズマ励起化学気相成長（Chemical Vapor Deposition 、ＣＶＤ）法は、その簡便性や操作性に優れるので、さまざまな電子デバイスを製造するのに使用されている。

プラズマＣＶＤ法を用いる装置の形態（プラズマ化学蒸着装置、以下プラズマＣＶＤ装置という）としては、図８及び図９に示されるものが一般的である。

以下、図８及び図９を参照しながら、従来のプラズマＣＶＤ装置を説明する。図８は、従来のプラズマＣＶＤ装置の概略構成を示す斜視図であり、図９は、従来のプラズマＣＶＤ装置の構成を模式的に示す断面図である。

プラズマＣＶＤ装置は、処理室（真空容器）２５を用いて構成された閉空間と、その中にお互いに電気的に絶縁され、対向する位置に平行に設置された、２枚の導体板からなる電極２２ａ，２２ｂとを有する。電極２２ａと電極２２ｂとの間にプラズマ１１を発生させ、そこに材料ガスを流してガスを分解・解離させる。一方の電極２２ｂに取り付けられた、シリコンやガラスなどからなる被処理基板２４の上に、半導体膜などを成膜する。

成膜用の材料ガスを分解するためのプラズマ２１１を発生させる手段としては、周波数が１３．５６ＭＨｚの高周波などの電気的エネルギーが一般に使用される。一方の導体板電極２２ｂは接地電位とし、対向する他方の電極２２ａに電圧を印加して、両電極２２ａ・２２ｂ間に電界を発生させ、その絶縁破壊現象によりグロー放電現象としてプラズマ２１１を生成する。電圧が印加される側の電極２２ａ、すなわち電気的エネルギーが印加される電極２２ａをカソード電極あるいは放電電極と呼ぶ。カソード電極２２ａ近傍に大きな電界が形成されるので、その電界で加速されるプラズマ２１１中の電子が材料ガスの解離を促しラジカルを生成する。図９中の２１２はラジカルの流れを示している。

カソード電極２２ａ近傍の大きな電界が形成されるプラズマ２１１の部分を、カソードシース部と呼ぶ。カソードシース部あるいはその近傍で生成されたラジカルは、接地電位の電極２２ｂ上の被処理基板２４まで拡散し、基板４の表面に堆積して膜が成長する。接地電位にある電極２２ｂをアノード電極２２ｂと呼ぶ。アノード電極２２ｂ近傍にも、ある程度の大きさの電界が形成され、その部分をアノードシース部と呼ぶ。このように、互いに平行な２つの電極２２ａ・２２ｂ間でプラズマを生成し、アノード電極２２ｂ上の被処理基板２４に成膜する装置を、以下「平行平板型装置」と呼ぶ。

このようなプラズマＣＶＤ法は、様々な産業で作製される電子デバイスに対して広く利用されている。例えば、アクティブ駆動型の液晶ディスプレイの製造工程では、ＴＦＴ（Thin Film Transistor ）と呼ばれるスイッチング素子が作製される。ＴＦＴ内では、その構成部としてアモルファスシリコン膜や窒化シリコン膜等のゲート絶縁膜が重要な役割を果たしている。各々の膜がその役割を果たすためには、高品質な透明絶縁膜を効率よく成膜する技術が不可欠である。また、例えば、有機エレクトロルミネッセンス素子を作製するためには、有機薄膜を成膜した後、大気に曝される表面を保護する保護膜として、高品質な透明絶縁膜を効率よく成膜する技術が不可欠である。さらに、例えば太陽電池を作製するためには、太陽電池層を成膜した後、大気に曝される表面を保護する保護膜として、高品質膜を効率よく成膜する技術が不可欠である。このように作製された電子デバイスは広く使用されている。

このような平行平板型装置としては、例えば特許文献１に開示されている。
特開平５−１６６７２８号公報（平成５年（１９９３）７月２日公開）

しかしながら、上記従来の平行平板型装置では、成膜速度の高速化と製造された膜の高品質化との両立が困難であるという問題を生じる。すなわち、生産性を向上させるために成膜速度を高速化すると、製造された膜の品質が低下してしまうという問題が生じる。

本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、成膜速度の高速化と製造された膜の高品質化との両立が可能なプラズマプロセス装置を提供することにある。

本発明に係るプラズマプロセス装置は、上記課題を解決するために、処理室と、処理室内にプラズマ処理用のガスを供給するガス供給部と、互いに対向するカソード電極及びアノード電極を有し、カソード電極とアノード電極との間にプラズマを発生させるプラズマ放電発生部と、カソード電極とアノード電極との間に被処理基板を保持する保持手段とを備え、上記処理室内で、被処理基板にプラズマ処理を施すプラズマプロセス装置であって、カソード電極における被処理基板と対向する面に、誘電性材料からなる誘電部が、カソード電極の少なくとも一部が露出するように設けられていることを特徴としている。

上記の構成によれば、プラズマ放電発生部では、カソード電極におけるアノード電極と対向する面に、誘電部が、カソード電極の少なくとも一部が露出するように複数設けられているので、カソード電極とアノード電極との間に電圧が印加されると、誘電部とアノード電極との間、及びカソード電極とアノード電極との間に、互いに強度が異なる局所電界が発生する。

上記の構成によれば、このように局所電界が発生することで、カソード電極とアノード電極との間に印加される実効電圧を大きくすることが可能になる。そして、実効電圧が大きくなると、カソード電極とアノード電極との間の空間に存在する電子が、より加速されて、大きな運動エネルギーを持つようになる。ガス供給部より供給されるプラズマ処理用のガスは、この電子と衝突することにより、解離、電離または励起された状態になる。電離されたガスは、電子を放出するため、電子密度が高くなる。また、電子が放出されることにより、ガスにおける原子は、正イオンとなる。その結果、イオン密度が高くなる。一方、電離していないガスは、励起されラジカルになる。その結果、ラジカル密度が高くなる。

以上のように、カソード電極とアノード電極との間に印加される実効電圧が大きくなることで、アノード電極表面付近の電子密度、イオン密度、及びラジカル密度を高めることが可能になる。なお、「プラズマ」とは、上記正イオンの密度と上記電子の密度とがほぼ等しく解離した状態のことをいう。

以上のように、上記の構成によれば、このようにラジカル密度が高くなることにより成膜速度の高速化を実現することが可能になる。また、上記の構成によれば、イオン密度も高くなっているため、薄膜成長表面へのイオンアシストが活発化する。その結果、製造される薄膜は、緻密化し高品質になる。

このように、上記の構成によれば、電子密度、イオン密度、及びラジカル密度を高めることが可能になるため、成膜速度の高速化と製造される薄膜の高品質化とを両立させることが可能なプラズマプロセス装置を実現できる。

また、誘電部が、カソード電極の少なくとも一部が露出するように設けられている構成としては、例えば、上記誘電部が、上記被処理基板と平行な方向にストライプ状に延びるように設けられている構成が挙げられる。

このような構成において、カソード電極とアノード電極との間に電圧が印加されると、誘電部とアノード電極との間、及びカソード電極とアノード電極との間に、互いに強度が異なる局所電界が発生する。これにより、成膜速度の高速化と製造される薄膜の高品質化とを両立させることが可能なプラズマプロセス装置を実現できる。

本発明に係るプラズマプロセス装置は、以上のように、カソード電極における被処理基板と対向する面に、誘電性材料からなる誘電部が、カソード電極の少なくとも一部が露出するように設けられている構成である。

それゆえ、カソード電極とアノード電極との間に電圧が印加されると、誘電部とアノード電極との間、及びカソード電極とアノード電極との間に、互いに強度が異なる局所電界が発生する。そして、このように局所電界が発生することで、カソード電極とアノード電極との間に印加される実効電圧を大きくすることができ、成膜速度の高速化と製造される薄膜の高品質化とを両立させることが可能なプラズマプロセス装置を実現できる。

本発明の一実施形態について図１ないし図６に基づいて説明すると以下の通りである。

図１及び図２を参照しながら、本発明のプラズマプロセス装置の実施の一形態であるプラズマＣＶＤ装置について説明する。図１は、本実施形態のプラズマＣＶＤ装置（以下、本プラズマＣＶＤ装置と記す）の概略構成を示す斜視図である。図２は、本プラズマＣＶＤ装置の概略構成を示す断面図である。

本プラズマＣＶＤ装置は、被処理基板４が内部に配置されている処理室（真空容器）５と、処理室５の内部に材料ガス（以下、単にガスと記す）を導入するガス導入口６と、処理室５内に設けられたプラズマ放電発生部１５とを備えている。また、処理室５内には、被処理基板４を保持する基板ホルダー（保持手段）９が設けられており、被処理基板４は基板ホルダー９に装着されるようになっている。

なお、基板ホルダー９の後ろ（被処理基板４の被処理面とは反対側）には、被処理基板４を加熱する加熱手段としてのヒータ（不図示）が設けられている。被処理基板４は、例えば３００℃になるように加熱される。

処理室５の外部には、プラズマ放電発生部１５に電力（すなわち、電気エネルギー）を供給するための高周波電源１と、ガスを処理室５内に供給するガス供給部１３と、処理室５内のガスを排出するガス排出部１０とが設けられている。ガス排出部１０としては、例えば、メニカル・ブースター・ポンプ、ドライポンプ、ロータリーポンプ等が好適に用いられる。また、高周波電源１は、配線８を介してプラズマ放電発生部１５に接続されている。

プラズマ放電発生部１５は、被処理基板４にプラズマ処理を施すように構成されている。すなわち、プラズマ放電発生部１５は、カソード電極（陰極）２ａとアノード電極（陽極）２ｂとからなる一対の電極を備えている。そして、基板ホルダー９がカソード電極２ａとアノード電極２ｂとの間に被処理基板４を保持するような構成になっている。また、カソード電極２ａには、誘電部３が設けられている。

カソード電極２ａは、図２に示すように、被処理基板４と平行に配置された平板電極部３１を有している。平板電極部３１は、例えばアルミニウム等の導電材料により構成されている。また、アノード電極２ｂは、上記平板電極部３１と同様に、被処理基板４と平行に配置されている。このアノード電極２ｂは、例えばアルミニウム等の導電材料により構成されている。また、アノード電極２ｂは、カソード電極２ａよりも被処理基板４に近接して設けられており、接地されている。

誘電部３は、カソード電極２ａにおける平板電極部３１の被処理基板４側の表面（すなわち、アノード電極２ｂと対向する面）に、複数設けられている。すなわち、誘電部３は、誘電体材料の角材により構成されているとともに、平板電極部３１と被処理基板４との間に配置されている。そして、被処理基板４の基板面と平行な方向にストライプ状に延びるように形成されている。各誘電部３は、平板電極部３１上で等間隔に配置されている。また、誘電部３の側面は、平面になっている。

また、プラズマ放電発生部１５には、カソード電極２ａの被処理基板４側の表面と、その表面の両側で向かい合う誘電部３の側面とにより、溝１８が形成されることになる。すなわち、溝１８の底面は、平板電極部３１の表面により構成される一方、溝１８の側面は、誘電部３の側面により構成されている。

また、カソード電極２ａには、平板電極部３１を厚み方向に貫通する複数のガス導入口６が設けられている。各ガス導入口６は、溝１８の底部における溝幅方向の中央位置に設けられている。また、各ガス導入口６は、溝長さ方向に所定の間隔で並んで形成されている。

カソード電極２ａの背面側（すなわち、被処理基板４と反対側）には、ガス貯留部７が設けられている。ガス貯留部７は、ガス供給部１３及びガス導入口６の双方に連通している。このようにして、ガス供給部１３から供給されたガスが、ガス貯留部７に一旦滞留した後に、ガス導入口６を通って処理室５内に導入されるようになる。

また、ガス導入口６は、カソード電極２ａの面内に均一に設けられたものである。これにより、処理室５内にガスを均一の導入することが可能になる。それゆえ、本プラズマＣＶＤ装置では、均一なラジカル分布と均一な成膜分布とを実現することができる。

カソード電極２ａ及びアノード電極２ｂには、配線８を介して高周波電源１が接続されている。高周波電源１の周波数は、例えば２７．１２ＭＨｚであることが好ましい。そして、プラズマ放電発生部１５では、カソード電極２ａとアノード電極２ｂとの間に電圧を印加することにより、これら電極間にプラズマ放電を発生させるようになっている。

このようにして、プラズマ放電発生部１５は、カソード電極２ａとアノード電極２ｂとの間に印加される電圧（電位差）に応じて放電（プラズマ）１１を発生させる。プラズマ１１は、図２に示すように、カソード電極２ａとアノード電極２ｂとの間に生成される。より詳しくは、複数設けられた誘電部３において、各誘電部３間の空間に一つのプラズマ１１が形成される。図２に示された構成では、カソード電極２ａとアノード電極２ｂとの間であり、かつ各誘電部３間にある、５つの空間に、プラズマ１１が形成されている。

そして、ガス導入口６からプラズマ１１が生成されたプラズマ発生領域へ、ガスを流入させることにより、ガスが分解・解離してラジカルが生成される。ここで、図２中の１２は、ラジカルの流れを示している。生成されたラジカルは、被処理基板４まで拡散し、基板ホルダー９に保持された被処理基板４の表面に付着して堆積する。これにより、被処理基板４表面に、ガス材料からなる薄膜が形成される。

生成されたラジカルが順次、薄膜表面に到達することによって、薄膜の厚さが増していく。設定された膜厚になるまで電圧を印加し続けた後、カソード電極２ａとアノード電極２ｂとの間への電圧の印加（プラズマ放電発生部１５への電力の供給）を停止させる。このようにして、被処理基板４の表面にプラズマ処理が施され、被処理基板４の表面に膜が成長して薄膜が形成される。その後、基板ホルダー９から被処理基板４が取り外され、処理室５外へ取り出されると、被処理基板４に薄膜が形成された薄膜形成基板が得られることになる。

以下、プラズマ放電発生部１５でのプラズマ放電について、さらに詳述する。

プラズマ放電発生部１５では、カソード電極２ａにおけるアノード電極２ｂと対向する面に、誘電部３が複数設けられている。そして、カソード電極２ａとアノード電極２ｂとの間に電圧が印加されると、誘電部３とアノード電極２ｂとの間、及びカソード電極２ａとアノード電極２ｂとの間に、互いに強度が異なる局所電界が発生する。

本プラズマＣＶＤ装置では、このように局所電界が発生することで、カソード電極２ａとアノード電極２ｂとの間に印加される実効電圧を大きくすることが可能になる。そして、実効電圧が大きくなると、カソード電極２ａとアノード電極２ｂとの間の空間に存在する電子が、より加速されて、大きな運動エネルギーを持つようになる。ガス導入口６から流入されたガス（気体分子）は、この電子と衝突することにより、解離、電離または励起された状態になる。電離されたガス（気体分子）は、電子を放出するため、電子密度が高くなる。また、電子が放出されることにより、ガス（気体分子）における原子は、正イオンとなる。その結果、イオン密度が高くなる。一方、電離していないガス（気体分子）は、励起されラジカルになる。その結果、ラジカル密度が高くなる。

以上のように、カソード電極２ａとアノード電極２ｂとの間に印加される実効電圧が大きくなることで、アノード電極２ｂ表面付近の電子密度、イオン密度、及びラジカル密度を高めることが可能になる。なお、「プラズマ」とは、上記正イオンの密度と上記電子の密度とがほぼ等しく解離した状態のことをいう。

本プラズマＣＶＤ装置では、このようにラジカル密度が高くなることにより成膜速度の高速化を実現することが可能になる。また、本プラズマＣＶＤ装置では、イオン密度も高くなっているため、薄膜成長表面へのイオンアシストが活発化する。その結果、製造される薄膜は、緻密化し高品質になる。

このように、本プラズマＣＶＤ装置では、電子密度、イオン密度、及びラジカル密度を高めることが可能になるため、成膜速度の高速化と製造される薄膜の高品質化とを両立させることが可能になる。

上記説明においては、本発明のプラズマプロセス装置をプラズマＣＶＤ装置に適用した場合について記載したが、本発明のプラズマプロセス装置は、プラズマＣＶＤ装置に限定されるものではない。本発明は、プラズマを用いて薄膜の形成・加工等のプラズマ処理を施すプラズマプロセス装置全般に用いることができ、例えば、ドライエッチング装置やアッシャー装置にも好適に用いることができる。

例えば、ドライエッチング装置に適用する場合は、処理室５内に導入するガスとして、ＣＦ_４、ＳＦ_６、Ｃｌ_２、ＨＣｌ、ＢＣｌ_３、Ｏ_２等のエッチングガスを用いる。一般に、ドライエッチング装置では、プラズマ放電により生成されるラジカルだけでなく、被処理基板の被処理面へのイオン衝撃をエッチング動作に利用することもある。例えば、被処理基板４の背面にイオン衝撃制御用の電極を別途取り付け、この電極を電源に接続して所定の電位を与えることによって、イオン衝撃の制御が可能となる。

また、本実施形態では、誘電部が被処理基板の基板面と平行な方向にストライプ状に延びるように形成された構成であったが、一対の電極での誘電部の配置は、局所電界を強くするような配置であれば、特に限定されるものではない。例えば、誘電部は、誘電体材料の角材（棒状体）が、円形、三角形、あるいは四角形を形成するように電極に設けられた構成であってもよい。

本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能である。すなわち、請求項に示した範囲で適宜変更した技術的手段を組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。

次に、本発明のプラズマＣＶＤ装置を具体的に実施した実施例について説明するが、本発明は、この実施例に限定されるものではない。図３は、本実施例で用いたプラズマＣＶＤ装置の構成を示した図であり、図４は、比較例で用いたプラズマＣＶＤ装置の構成を示した図である。

まず、本実施例では、図３に示すように、誘電部３の幅（被処理基板４表面と平行な方向の長さ）を５ｍｍ、誘電部３の高さ（被処理基板４表面に対し垂直な方向の長さ）を１１．５ｍｍとしている。そして、隣接する２つの誘電部３の隙間を１５ｍｍとし、隣接する誘電部３同士の間隔（中心間距離）を２０ｍｍとしている。

一方、比較例の構成は、図４に示すように、誘電部３が形成されていないこと以外は図３に示された構成と同一である。

そして、実施例及び比較例の構成の双方において、被処理基板４として、誘電部３の上面から上方に距離３０ｍｍ離れた位置に、厚さ０．７ｍｍのガラス基板を設置した。ガラス基板は、温度が３００℃となるように加熱される。

その後、次の流量の材料ガスを処理室５の内部に導入した。すなわち、モノシラン（ＳｉＨ_４）を４０ｓｃｃｍ、アンモニア（ＮＨ_３）を８０ｓｃｃｍ、窒素（Ｎ_２）を４００ｓｃｃｍ、水素（Ｈ_２）を２００ｓｃｃｍの流量でそれぞれ導入した。なお、「ｓｃｃｍ」とは、０℃において、毎分流れる立方センチメール単位のガス流量である。

そして、高周波電力を４００Ｗとし、高周波周波数を２７．１２ＭＨｚとして、高周波の電圧を供給した。そして、カソード電極２ａとアノード電極２ｂとの間でのプラズマ放電を利用し、ガス導入口６より導入されたガスを解離させ、ガラス基板上に窒化シリコン膜（ＳｉＮｘ膜）を成膜した。

なお、上述の成膜条件を表にすると、下記表１のようになる。表１に示された成膜条件は、実施例及び比較例において共通する成膜条件である。

実施例及び比較例においては、上記表１に示された成膜条件でガス圧力（成膜時の圧力）を複数設定し、各ガス圧力に対する窒化シリコン膜の特性を調べた。なお、実施例においては、ガス圧力を、７５Ｐａ、１００Ｐａ、１５０Ｐａ、２００Ｐａ、２５０Ｐａ、または３００Ｐａ（単位Ｐａ；パスカル）に設定した。一方、比較例では、ガス圧力を、１００Ｐａ、１５０Ｐａ、２００Ｐａ、２５０Ｐａ、または３００Ｐａ（単位Ｐａ；パスカル）に設定した。

比較例において、成膜された窒化シリコン膜の膜特性を表２に示す。窒化シリコンの成膜速度は、設定されたガス圧力に応じて、２０．１Å（２．０１ｎｍ）／秒〜３６．７Å（３．６７ｎｍ）／秒の範囲内であった。エッチングレートについては、設定したガス圧力に応じて、１７１Å（１７．１ｎｍ）／分〜３９１Å（３９．１ｎｍ）／分の範囲内であった。また、膜応力については、設定されたガス圧力に応じて、−７４６ＭＰａ〜４６ＭＰａの範囲内であった。

実施例において、成膜された窒化シリコン膜の膜特性を表３に示す。窒化シリコンの成膜速度は、設定されたガス圧力に応じて、１５．４Å（１．５４ｎｍ）／秒〜５２．９Å（５．２９ｎｍ）／秒の範囲内であった。エッチングレートについては、設定したガス圧力に応じて、９９Å（９．９ｎｍ）／分〜５２８Å（５２．８ｎｍ）／分の範囲内であった。また、膜応力については、設定されたガス圧力に応じて、−１３７６ＭＰａ〜２３１ＭＰａの範囲内であった。

実施例及び比較例においては、成膜速度、膜質ともにデバイスグレードの良好な結果が得られた。

なお、エッチングレートの測定については、１:１０に希釈したＢＨＦ（バッファード弗酸）を用いて、Ｓｉウエハー上のＳｉＮ膜のエッチングレート（常温時）を公知の段差測定装置による測定を行った。また、膜応力に関し、表２，３中、正符号は薄膜の応力が引っ張り応力であることを、負符号は薄膜の応力が圧縮応力であることを示している。
〔実施例と比較例との評価〕
上記実施例及び比較例により形成されたシリコン窒化膜（ＳｉＮｘ膜）を比較した結果について、図５〜図７に基づいて、説明する。

図５は、上記実施例及び上記比較例における、シリコン窒化膜の成膜速度のガス圧力依存性を示すグラフである。なお、図中、□は実施例により形成されたシリコン窒化膜の成膜速度を示し、◆は比較例により形成されたシリコン窒化膜の成膜速度を示す。

図５に示すように、実施例のプラズマＣＶＤ装置により形成された薄膜の成膜速度は、従来技術（比較例）よりも増加している。すなわち、実施例のプラズマＣＶＤ装置は、設定されたガス圧力に対し、比較例のプラズマＣＶＤ装置よりも高い成膜速度を実現することができる。

一方、図６及び図７は、プラズマＣＶＤ装置により形成された薄膜の品質を示すグラフである。図６は、実施例及び比較例における、シリコン窒化膜のエッチングレートのガス圧力依存性を示すグラフである。なお、図中、□は実施例により形成されたシリコン窒化膜のエッチングレートを示し、◆は比較例により形成されたシリコン窒化膜のエッチングレートを示す。

図６に示すように、ガス圧力１００Ｐａ、１５０Ｐａ、２００Ｐａにおいて、実施例のプラズマＣＶＤ装置により形成された薄膜のエッチングレートは、従来技術（比較例）よりも低下した。エッチングレートは、薄膜の緻密さを表す指標の一つである。エッチングレートが低いということは、成膜された薄膜（絶縁膜：この場合窒化シリコン膜）がエッチング液に溶け難い（すなわち、エッチング液に耐性である）ことを意味する。それゆえ、実施例のプラズマＣＶＤ装置は、設定されたガス圧力（１００Ｐａ、１５０Ｐａ、２００Ｐａ）に対し、比較例のプラズマＣＶＤ装置よりも高い膜質（薄膜の高品質化）を実現することができる。

図７は、実施例及び比較例における、シリコン窒化膜の膜応力のガス圧力依存性を示すグラフである。なお、図中、□は実施例により形成されたシリコン窒化膜の膜応力を示し、◆は比較例により形成されたシリコン窒化膜の膜応力を示す。

図７に示すように、ガス圧力１００Ｐａ、１５０Ｐａ、２００Ｐａにおいて、実施例のプラズマＣＶＤ装置により形成された薄膜の膜応力は、従来技術（実施例１）よりも小さくなった（すなわち、圧縮化が進んだ）。膜応力は、上記のエッチングレートと同様に、薄膜の緻密さを表す指標の一つである。膜応力の値が低いということは、成膜された薄膜（絶縁膜：この場合窒化シリコン膜）の応力が圧縮応力を示すことを意味する。それゆえ、実施例のプラズマＣＶＤ装置は、設定されたガス圧力（１００Ｐａ、１５０Ｐａ、２００Ｐａ）に対し、比較例のプラズマＣＶＤ装置よりも高い膜質（薄膜の高品質化）を実現することができる。

このように、実施例では、従来技術（比較例）よりも、さらに薄膜が良質になるという結果が得られた。

上記の結果は、棒状絶縁部（誘電部３）を設置することにより、その付近の局所電界が強くなり、プラズマ密度が高くなったことによると考えられる。そして、これにより、被処理基板付近においてもプラズマ密度が高くなる（ラジカル、イオン、電子の密度が高くなる）。

それゆえ、実施例のプラズマＣＶＤ装置では、薄膜形成に必要なラジカル数が増えることにより成膜速度が上がった。そして、薄膜の成膜速度が上がると、生産性の向上につながる。

また、薄膜成長表面へのイオンアシストにより、薄膜が緻密化したため、エッチレートが下がり、応力の圧縮化が進んだと考えられる（一般的に、緻密な薄膜のほうが良質である）。

また、上記の結果は、以下のように考察することができる。

比較例のプラズマＣＶＤ装置では、成膜速度が最大（３６．７Å／秒）となるようにガス圧力（２００Ｐａ）を設定した場合、図６及び図７に示すように、エッチングレート及び膜応力は、何れも実施例よりも高い値を示す。それゆえ、比較例のプラズマＣＶＤ装置により形成された薄膜の膜質は、実施例よりも悪くなっている。

一方、実施例のプラズマＣＶＤ装置では、比較例における最大の成膜速度（３６．７Å／秒）に近い値（３６．７Å／秒、４２．５Å／秒）になるようにガス圧力（１５０Ｐａ，２００Ｐａ）を設定した場合、図６及び図７に示すように、エッチングレート及び膜応力は、何れも実施例よりも低い値を示す。それゆえ、実施例のプラズマＣＶＤ装置により形成された薄膜の膜質は、比較例よりも良くなっている。

すなわち、比較例のプラズマＣＶＤ装置では、成膜速度が高くなるようにガス圧力を設定すると、薄膜の膜質が低下しまう。つまり、比較例のプラズマＣＶＤ装置では、成膜速度の高速化と薄膜の高品質化とを両立させるように、ガス圧力を設定することが困難になる。

一方、実施例のプラズマＣＶＤ装置では、成膜速度が高くなるようにガス圧力を設定した（例えば、１５０Ｐａまたは２００Ｐａに設定する）としても、形成された薄膜の膜質は、比較例よりも高くなっている。つまり、実施例のプラズマＣＶＤ装置では、成膜速度の高速化と薄膜の高品質化とを両立させるように、ガス圧力を設定することが可能になる。

以下、図５〜図７に基づいて、従来の平行平板型装置における、成膜速度の高速化と製造された膜の高品質化との両立の困難性について考察する。

図５に示されるように、比較例のプラズマＣＶＤ装置（従来の平行平板型装置）では、ガス圧力が２００Ｐａ付近で、成膜速度がピークになっている。すなわち、ガス圧力が２００Ｐａになるまでは、成膜速度が上昇する一方、ガス圧力が２００Ｐａを超えると、成膜速度が下降する。

ガス圧力を、２００Ｐａを超えるように高く設定した場合、処理室内のラジカル、イオン、電子、及び（電離していない）ガスが過多になり、処理室内は、これら分子が詰まった状態になる。それゆえ、あまりにガス圧力が高くなると、ラジカルの平均自由行程が小さくなってしまい、ラジカルの動きが妨げられる。ラジカルの動きが妨げられると、ラジカルが被処理基板に到達されにくくなり（被処理基板への到達確率が減少し）、成膜速度が低下すると考えられる。

また、ガス圧力を、２００Ｐａ以下になるように設定し、成膜速度を上昇させる場合、イオンが被処理基板に到達にしくい状態が起こっていると推測される。それゆえ、イオンが膜成長表面に衝突しにくくなり、膜の緻密化が促進されにくくなる。このため、図６に示されるように、ガス圧力を２００Ｐａ以下になるように設定した場合、比較例のプラズマＣＶＤ装置では、実施例と比較して、エッチングレートが高くなり、膜の高品質化が実現できなかったと考えられる。

なお、比較例のプラズマＣＶＤ装置では、ガス圧力が２００Ｐａ付近で成膜速度がピークになっているのに対して、エッチングレートは、ガス圧力が１５０Ｐａ付近でピークになっている。このようなピークのズレは、成膜速度を決定するラジカルが中性であるのに対し、膜質（例えばエッチングレート）を決定するイオンが電荷を有していることに起因していると考えられる。すなわち、イオンは、通常プラスの電荷を有しているので、アノード電極に近づきにくくなる。これに対し、ラジカルは、中性であり、電気的な力が作用しないので、イオンよりもアノード電極に近づきやすくなる。

本発明のプラズマプロセス装置は、以上のように、成膜速度の高速化及び製造された膜の高品質化を実現することができるので、ＴＦＴ液晶産業、半導体産業、太陽電池産業といった電子産業における半導体膜、絶縁膜、または有機膜等を形成する薄膜製造装置、及び薄膜パターン形成のためのドライエッチング装置に適用できる。

本発明のプラズマプロセス装置の実施の一形態であるプラズマＣＶＤ装置の概略構成を示す斜視図である。本発明のプラズマプロセス装置の実施の一形態であるプラズマＣＶＤ装置の概略構成を示す断面図である。実施例で用いたプラズマＣＶＤ装置の構成を示した図である。比較例で用いたプラズマＣＶＤ装置の構成を示した図である。実施例及び比較例における、シリコン窒化膜の成膜速度のガス圧力依存性を示すグラフである。実施例及び比較例における、シリコン窒化膜のエッチングレートのガス圧力依存性を示すグラフである。実施例及び比較例における、シリコン窒化膜の膜応力のガス圧力依存性を示すグラフである。従来のプラズマＣＶＤ装置の概略構成を示す斜視図である。従来のプラズマＣＶＤ装置の構成を模式的に示す断面図である。

符号の説明

１高周波電源
２ａカソード電極
２ｂアノード電極
３誘電部
４被処理基板
５処理室
６ガス導入口
７ガス貯留部
８配線
９基板ホルダー
１０ガス排出部
１１プラズマ
１３ガス供給部
１５プラズマ放電発生部

Claims

処理室と、
処理室内にプラズマ処理用のガスを供給するガス供給部と、
互いに対向するカソード電極及びアノード電極を有し、カソード電極とアノード電極との間にプラズマを発生させるプラズマ放電発生部と、
カソード電極とアノード電極との間に被処理基板を保持する保持手段とを備え、
上記処理室内で、被処理基板にプラズマ処理を施すプラズマプロセス装置であって、
カソード電極における被処理基板と対向する面に、誘電性材料からなる誘電部が、カソード電極の少なくとも一部が露出するように設けられていることを特徴とするプラズマプロセス装置。
上記誘電部は、上記被処理基板と平行な方向にストライプ状に延びるように設けられていることを特徴とする請求項１に記載のプラズマプロセス装置。