JP2685418B2 - 薄膜形成方法及びエッチング方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 【０００１】 【産業上の利用分野】本発明は高周波と磁場によるＥＣ
Ｒプラズマを用いた薄膜形成方法及びエッチング方法に
関するものであり、特に磁場の強度分布に関するもので
ある。 【０００２】 【従来の技術】プラズマＣＶＤやプラズマドライエッチ
ングは半導体プロセスなどの薄膜プロセスにおける重要
な基幹技術の一つであり、現在基板の処理温度の低温化
や基板の低損傷化を図るため、基板へのイオンの入射エ
ネルギーを下げる研究がさかんに行なわれている。この
分野に関しては、例えば（「電子材料」編集部編「超Ｌ
ＳＩ時代のプラズマ化学」工業調査会，昭和５８年出版
Ｐ１１７〜Ｐ１１９）に基本的な技術が述べられてい
る。基板へのイオンの入射エネルギーを下げ、かつプラ
ズマ放電を維持するためには、高周波の周波数と磁場の
強度と分布が重要な役割をはたす。 【０００３】高周波の周波数を高くし、また磁場の強度
を高周波の周波数で決まる電子サイクロトロン共鳴（Ｅ
ＣＲ）条件になるようにすると、例えば２．４５ＧＨｚ
のマイクロ波の場合、磁場の強度を０．０８７５Ｗｂ／
ｍ2にすれば容易にプラズマ放電の維持ができ、また、
適当な磁場の分布をもたせて、基板へのイオンの入射エ
ネルギーが数十ｅＶ程度に下げることができることが知
られている。そして、このようなプラズマを利用してＣ
ＶＤやエッチングを行なうことが研究されている。 【０００４】従来の磁場の強度分布を図３（ａ），
（ｂ）に示す。以下においては、高周波の周波数ｆを
２．４５ＧＨｚとして説明する。まず図３（ａ）の磁場
分布において、高周波導入部付近を、高周波の周波数で
決まるＥＣＲ条件を満たす磁場強度Ｂ０にしてある。
（ｆ＝２．４５ＧＨｚのときＢ０＝０．０８７５Ｗｂ／
ｍ2である。）そのあと、高周波の進行方向に対して磁
場の強度を徐々に単調減少させて、ＥＣＲ放電で発生さ
せたイオンを加速させ、かつ拡散させている。 【０００５】つぎに図３（ｂ）の磁場分布において、高
周波導入部付近を、ＥＣＲ条件の磁場強度Ｂ０以上にし
てあり、そして図３（ａ）の磁場分布と同様に磁場強度
を単調減少させて、ＥＣＲ条件の磁場強度Ｂ０以下まで
下げ、再びＥＣＲ条件の磁場強度以上まで増加させてい
る。 【０００６】以上のように磁場強度の分布を変化させる
ことによって基板へのイオンの入射エネルギーを下げ
て、基板の損傷を下げている。 【０００７】 【発明が解決しようとする課題】しかし、上のような磁
場強度の分布であると以下のような問題点がある。 【０００８】まず、高周波導入部は通常アンテナや導波
管の端面あるいは高周波を透過させる材料（従来石英板
やテフロン）と導波管側の大気とプラズマ室の真空とを
遮断するためのＯリング等で構成されているが、高周波
導入部付近でＥＣＲ放電に直接曝されるので、高周波導
入部の構成物の損傷がおこり構成物のプラズマへの混入
や最悪の場合リークの原因となる。 【０００９】また、ＥＣＲ放電によりプラズマ室周辺の
構成物の損傷もおこり、構成物のプラズマへの混入が発
生する。さらに、ＥＣＲ放電が起こると電子密度が上昇
して、高周波の反射電力が多くなる。 【００１０】つぎに高周波導入部付近の磁場強度をＥＣ
Ｒ条件の磁場強度Ｂ0以上にすると、高周波放電がおこ
り高周波はプラズマ中でも吸収されるが、ＥＣＲ放電に
おけるイオン生成ほどの電子数を得られない。 【００１１】本発明は、かかる点に鑑みてなされたもの
で磁場強度の分布で、不純物の混入を防ぎ、効率（高周
波エネルギーの吸収効率）のよいプラズマ装置を提供す
るものである。 【００１２】 【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するた
めに、本発明の薄膜形成方法及びエッチング方法では、
高周波電力導入部と基板との間に磁場強度が高周波電力
の周波数で決まる電子サイクロトロン共鳴条件を満たす
磁場強度であるプラズマ領域を形成するとともに、この
プラズマ領域中の磁場強度を一定とする構成となってい
る。 【００１３】また、真空槽内に高周波電力導入部から基
板に至る方向と伝搬方向を一致させて高周波電力を印加
することが好ましい。 【００１４】 【作用】上記した構成により、本発明における薄膜形成
方法及びエッチング方法は、高周波電力の周波数で決ま
る電子サイクロトロン共鳴条件を満たす磁場強度である
プラズマ領域を形成するとともに、このプラズマ領域中
の磁場強度を一定としているので、プラズマ室周辺の構
成物がプラズマに混入することを防止することができ
る。これは、真空槽内に高周波電力導入部から基板に至
る方向と高周波電力の伝搬方向を一致させて高周波電力
を印加した状態でより効果を得ることができる。 【００１５】また、高周波電力導入部から基板に至る方
向と高周波電力の伝搬方向を一致させているため、高周
波電力の伝搬方向にＥＣＲ放電が発生するので、基板へ
ＥＣＲ放電中のイオンだけでなく、高励起の中性粒子
（ラジカル）を効率よく供給できる。とくに、ラジカル
は磁界によって制御できないので、本発明の構成にする
ことで基板上にラジカルを供給でき、ラジカルによる壁
の損傷も防止することができる。 【００１６】さらに、高周波導入部から基板までに少な
くとも２カ所以上のＥＣＲ放電領域を形成し、その間を
ＥＣＲ条件以上に設定しているため、高周波電力を有効
に吸収させることができる。 【００１７】 【実施例】以下本発明について実施例とともに説明す
る。図１は本発明の薄膜形成及びエッチングを行うプラ
ズマ装置の概略図であり、図２にプラズマ装置の高周波
導入部端からの距離と磁場強度との関係を示した。ここ
ではプラズマＣＶＤ装置による窒化シリコン膜の形成を
仮りとして説明する。 【００１８】高周波はマイクロ波（２．４５ＧＨｚ）を
用いた。マイクロ波はマグネトロン（図示せず）で発生
させた。１は高周波導入部でＴＥ01モードの方形導波管
（ＷＪＲ−２）を用い、高周波導入部１の端は、大気と
真空を遮断するため厚さ１０ｍｍ石英板２を用いて、高
周波導入部端８とした。ガス導入口４より、アルゴン希
釈のシランガス（ＳｉＨ4，シラン２０％含有）と窒素
ガスを流量化４：３で全圧０．０８Ｐａとして導入し
た。磁場３はプラズマ室５の外周に配置し、ヘルムホル
ツコイル（最大磁束密度０．０９３Ｗｂ／ｍ2）を用い
た。基板６は高周波導入部１と対向して設けた基板支持
台７に固定した。マイクロ波のパワーは２００Ｗとし
た。ここでいうマイクロ波のパワーは、入射電力と反射
電力との差である。 【００１９】そして図２に示すように、磁場強度分布は
高周波導入部端８で、ＥＣＲ条件を満たす磁界密度（高
周波の高周波数が２．４５ＧＨｚの場合、磁界強度は
０．０８７５Ｗｂ／ｍ2）未満の０．０８Ｗｂ／ｍ2と
し、高周波導入部端８から１０〜３０ｃｍ間の磁束密度
は、ＥＣＲ条件を満たす磁界強度以上の０．０９３Ｗｂ
／ｍ2で一定に保ち、基板付近ではＥＣＲ条件を満たす
磁界密度以下の０．０６Ｗｂ／ｍ2にした。基板６とし
てシリコン基板および石英板を用いた。なお、基板加熱
は行なわなかった。 【００２０】以上のような構成でシリコン基板６上に窒
化シリコン膜を形成したところ、窒化シリコン膜の屈折
率は２．０、緩衝フッ酸（５０％ＨＦ：５０％ＮＨ4Ｆ
＝３：１７）によるエッチ速度は２Ａ／ｍｉｎでありこ
れは非常に緻密なことを意味する。次に同様に石英板上
に窒化シリコン膜を形成した。この窒化シリコン膜の光
学バンドギャップの測定によりその光学バンドギャップ
は５ｅＶ以上あり、これは熱窒化膜と同等な値である。
また基板加熱を行っていない、基板表面の温度は測定に
よると６０℃以下であった。また入射電力は２０６Ｗ
で、反射電力は６Ｗであるので、入射電力の３％しか反
射していない。 【００２１】図４に従来例図３（ａ）の磁場強度分布に
設定した場合と本発明について入射電力を横軸に、反射
電力を縦軸として特性を比較すると、従来例図３（ａ）
の場合１０％の反射であるが、本発明の場合は３％以下
であった。 【００２２】高周波導入部の石英板、Ｏリングおよびプ
ラズマ室の高周波導入部側に損傷は観察できなかった。
これは、高周波導入部付近の磁界密度をＥＣＲ条件を満
たす磁界密度未満にしたため、高周波導入部付近でＥＣ
Ｒ放電によるスパッタを防止できるためと考えられる。 【００２３】また、得られた窒化シリコン膜をオージェ
電子分光法やＸ線光電子分光法によって分析しても、プ
ラズマ室周辺の構成物からの不純物の混入は認められな
かった。これは、高周波電力の周波数で決まる電子サイ
クロトロン共鳴条件を満たす磁場強度であるプラズマ領
域を形成するとともに、このプラズマ領域中の磁場強度
を一定としているため、励起またはイオン化された粒子
がまっすぐに基板へ向かい、この粒子によるプラズマ室
周辺の構成物のスパッタを防止できるためと考えられ
る。 【００２４】以上のように本発明における磁場強度分布
によるとその窒化膜には不純物の混入が認められず、ま
た、高周波電力も有効に利用できる。 【００２５】なお、ここでは、高周波に２．４５ＧＨｚ
のマイクロ波を用いたが、数ＭＨｚ以上の高周波であれ
ばよく、また高周波導入部付近と基板付近もＥＣＲ条件
を満足する磁場強度未満であればよく、そして基板付近
はＥＣＲ条件を満足する磁場強度であってもよい。ここ
ではプラズマ装置をプラズマＣＶＤとして説明したが導
入ガスに塩素ガス，弗化物ガス，フレオンガス等を用い
てプラズマエッチをしてもよい。またプラズマＣＶＤに
おいてもここでは窒化シリコン膜をシランガスと窒素ガ
スで形成したが、所望する薄膜の分子を構成する１種類
以上のガスおよびプラズマ放電を維持または促進する例
えばヘリウムガス等のガスによって形成してもよい。ま
た、高周波導入部付近と基板付近以外の領域でＥＣＲ条
件を満足する磁場強度以上の磁場強度であってもよく、
高周波導入部から基板に至る領域でＥＣＲ条件を満足す
る磁場強度以下の磁場強度を１カ所以上含んでもよい。 【００２６】また磁場はヘルムホルツコイルを用いてミ
ラー磁場をしたが、電磁石や永久磁石を用いてもよく、
またカスブ磁場を用いてもよく、磁場の極性にかかわり
なく、磁場の絶対値の強度分布が本発明の磁場強度分布
であればよい。 【００２７】 【発明の効果】以上の説明から明らかなように本発明の
薄膜形成方法及びエッチング方法は、磁場強度分布を本
発明の分布にすることにより、高周波電力を効率よく吸
収させることができ、かつ不純物の混入を防ぐことがで
きる。 【００２８】まず、高周波電力の周波数で決まる電子サ
イクロトロン共鳴条件を満たす磁場強度であるプラズマ
領域を形成するとともに、このプラズマ領域中の磁場強
度を一定としているため、プラズマ室周辺へのＥＣＲ放
電による損傷を抑えることによって、プラズマ室周辺の
構成物等からの不純物を防ぐことが可能となる。上記の
効果は真空槽内に高周波電力導入部から基板に至る方向
と伝搬方向を一致させて高周波電力を印加するとより高
い効果を得ることができる。 【００２９】また、高周波導入部から基板までに少なく
とも２カ所以上のＥＣＲ放電領域を形成し、その間をＥ
ＣＲ条件以上に設定しているため、高周波電力を有効に
吸収させることができる。 【００３０】さらに、高周波電力導入部から基板に至る
方向と高周波電力の伝搬方向を一致させたことにより、
ＥＣＲプラズマ中のイオンだけでなく磁場によって制御
できないラジカルを有効に供給でき、膜形成やエッチン
グの効率を高めることができる。

【図面の簡単な説明】 【図１】本発明の実施例における薄膜形成を行うプラズ
マ装置の概略図 【図２】本発明の実施例における薄膜形成を行うプラズ
マ装置内の高周波導入部端からの磁場強度分布図分布図 【図３】従来のプラズマ装置内の高周波導入部端からの
磁場強度分布図分布図 【図４】従来の薄膜形成及び本発明の実施例における薄
膜形成により形成された薄膜の入射電力と反射電力の関
係を示す図 【符号の説明】 １ 高周波導入部 ２ 石英板 ３ 磁場 ６ 基板

Claims (1)

1. (57)【特許請求の範囲】 １．内部に基板を有する真空槽内に高周波電力導入部か
   ら高周波電力を印加する工程と、前記高周波電力導入部
   と前記基板との間に磁場強度が高周波電力の周波数で決
   まる電子サイクロトロン共鳴条件を満たす磁場強度であ
   るプラズマ領域を形成する工程と、前記真空槽内に成膜
   用ガスを導入し前記プラズマ領域内で前記成膜用ガスを
   励起またはイオン化し、この励起またはイオン化された
   粒子を前記基板上に堆積させる工程とを有し、前記プラ
   ズマ領域内の磁場強度を一定にしたことを特徴とする薄
   膜形成方法。 ２．高周波電力導入部から基板に至る方向と高周波の印
   加方向とを一致させたことを特徴とする特許請求の範囲
   第１項記載の薄膜形成方法。 ３．内部に試料を有する真空槽内に高周波電力導入部か
   ら高周波電力を印加する工程と、前記高周波電力導入部
   と前記試料との間に磁場強度が高周波電力の周波数で決
   まる電子サイクロトロン共鳴条件を満たす磁場強度であ
   るプラズマ領域を形成する工程と、前記真空槽内にエッ
   チング用ガスを導入し前記プラズマ領域内で前記エッチ
   ング用ガスを励起またはイオン化し、この励起またはイ
   オン化された粒子により前記試料をエッチングする工程
   とを有し、前記プラズマ領域内の磁場強度を一定にした
   ことを特徴とするエッチング方法。 ４．高周波電力導入部から試料に至る方向と高周波の印
   加方向とを一致させたことを特徴とする特許請求の範囲
   第３項記載のエッチング方法。