JP2764575B2 - ラジカルの制御方法 - Google Patents
ラジカルの制御方法Info
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Description
組成を高精度に制御する方法に関するものであり、薄膜
電子デバイスの製造および新素材の創製、開発プロセス
に用いられる方法を提供するにある。本発明を利用でき
る分野は、プラズマを用いたCVD、ドライエッチング
装置およびラジカルビーム、ラジカルCVD・エッチン
グ装置等である。
工プロセスは、LSIをはじめとする薄膜電子デバイス
の製造および新素材の創製などに必要不可欠の技術であ
る。これらのプロセスでは、ラジカルが重要な役割を果
たしている。
マを用いた薄膜形成および材料加工プロセスにおいて、
ラジカルは極めて重要な役割を果たしているが、ラジカ
ルの密度や組成を高精度で制御することは不可能であっ
た。したがって、所望する材料薄膜の形成や加工を実現
することは困難であった。
マを用いた薄膜形成および材料加工プロセスプラズマ中
のラジカルの密度および組成を高精度で制御する方法を
提供するものであり、本発明の特徴とする所は、パルス
変調のデューティ比を変えられる第1のパルス発生装置
を具備する第1のプラズマ放電用電源と、第1のガス導
入口とが接続されたプラズマ放電室と、このプラズマ放
電室に接続されかつ第2のガス導入口が設けられた真空
容器と、プラズマ放電室より放出されるプラズマに対向
するように前記真空容器内に配置される被処理基板を支
持する電極と、この電極に接続され、パルス変調により
デューティ比を変えられる第2のパルス発生装置を有す
る第2のプラズマ放電用電源とを具え、前記第1および
第2のプラズマ放電用電源の何れか一方または双方によ
ってプラズマを形成し、このプラズマによる反応性ガス
の分解によりラジカルを生成するプラズマ処理装置にお
いてラジカルを制御するに当たり、前記プラズマによる
反応性ガスの分解により生成されるラジカルの密度およ
び組成を測定し、この測定データに基づいて前記第1お
よび第2のプラズマ放電用電源の何れか一方または双方
の電力を、前記第1および第2のパルス発生装置の何れ
か一方または双方により一定の周期にてパルス変調し、
該パルス変調のデューティ比を変化させることによりラ
ジカルの密度および組成を制御することを特徴とするラ
ジカルの制御方法にある。
ては、前記反応性ガスを、フルオロカーボンガスあるい
は少なくともシリコン原子および水素原子を含有する水
素化シリコンガスあるいは少なくとも炭素原子および水
素原子を含有する水素化炭素ガスあるいはハロゲンとす
るのが好適である。また、本発明の好適な実施例におい
ては、プラズマ発生装置として、高周波あるいは直流あ
るいはマイクロ波あるいは電子ビームを用いてプラズマ
を発生させるものを用い、高周波あるいは直流あるいは
マイクロ波あるいは電子ビームをパルス変調してラジカ
ルの制御を行なうようにするものである。
Rプラズマ処理装置の構成の一例を示す。同図中、1
は、反応室を形成する真空容器であり、真空容器1の上
部には、ECR放電を発生する放電室2が連結されてい
る。放電室2には、例えば2.45GHzのマイクロ波を導
入するための導波管3が設けられ、これによりマイクロ
波電源4に接続されている。マイクロ波電源4は、パル
ス発生装置5に接続され、これによりその出力はパルス
状波形から連続波形まで任意に制御可能である。また、
例えばHe等の不活性ガスおよび三フッ化メタン(CH
F3)等の反応性ガス(A)を導入するための第1の導
入口6が放電室2に取り付けられている。7は放電室2
の外壁を水冷するために設けられた冷却機構であり、冷
却機構7の外側には、磁気コイル8が放電室2を取囲ん
で取り付けられている。放電室2においてマイクロ波で
放電が生起し、その放電中で電子がサイクロトロン運動
するように磁気コイル8により、例えば875 ガウス程度
の磁界が与えられて高密度のプラズマが生成される。
ーとしての電極9が設置され、この電極9上に被処理基
板10としてのウエハー等が載置されている。電極9に
は、マッチング回路11を介してバイアス用高周波電力印
加用の高周波電源12が接続されている。高周波電源12
は、パルス発生装置13が接続され、これにより出力はパ
ルス状波形から連続波形まで任意に制御可能であるよう
構成する。従って、この電極9には、上記高周波の印加
によりマイナス数10〜マイナス300 V程度のバイアスが
生じる。14は、電極9内部を通じて設けられ被処理基板
10を冷却するための冷却水冷管である。また、真空容器
1には、例えばHe等の不活性ガスおよび三フッ化メタ
ン(CHF3 )等の反応性ガス(B)を導入するための
第2の導入口15が取り付けられるとともに、真空排気装
置17に通じる排気管16が接続されている。各導入口6,
15から原料ガスが一定量導入されるとともに、真空排気
装置17で排気されて装置真空容器1および放電室2内
は、所定のガス圧力に保たれる。
HF3 )は、プラズマPになり、F,CF,CF2 ,C
F3 等のラジカルRが発生する。このプラズマPは、放
電室2から真空容器1内に延びている。プラズマPから
発生したラジカルRは、被処理基板10上で重合し、ポリ
マー薄膜が成長する。一方、被処理基板10に高周波電源
12より高周波出力を印加するとこの高周波により被処理
基板10表面には、セルフバイアス電圧が誘起され、この
バイアス電圧によりプラズマからイオンが引き出されて
被処理基板10が衝撃される。イオン衝撃により被処理基
板10のエッチングが生じる。また、高周波電源12の出力
を適宜調整することにより、被処理基板10表面に高周波
引加によるプラズマの発生も可能である。
出力をパルス発生装置5にて変調し、あるいは、高周波
電源12から発生する高周波出力をパルス発生装置13によ
り変調し、あるいはマイクロ波出力および高周波出力の
引加を時間分割し、適宜組み合わせることにより、真空
容器1内におけるラジカルRの密度および組成を制御す
ることが可能である。
は、例えば、図1において第1の反応性ガスAは、その
ガス導入口6より放電室2に直接導入される。放電室2
においては、マイクロ波で放電が生起し高密度のプラズ
マが生ずる。プラズマは磁場により電極9の方向に拡散
する。プラズマの密度および電子温度も、放電室2から
電極9に向って次第に減衰する。
度のプラズマの放電室2に導入されるため、ガスの分解
率も高く、ガスは低次の原子に至るまで分解が生ずる。
2の反応性ガスBは、第2反応性ガス導入口15より放電
室2の下部から真空容器1に導入される。上述の如く第
2の反応性ガス導入口15は、高密度プラズマから拡散し
たプラズマに接触する。この領域のプラズマは放電室2
におけるプラズマに比べ電子温度が低く(即ち低エネル
ギー)なっていることが特徴である。
2の反応性ガスを導入した場合、第2の反応性ガスの分
解は、第1の反応性ガスの分解に比べ若干低いマイルド
なものとなる。
(電子温度が異なるプラズマ)に対してガスを選択し、
適宜第1の反応性ガス導入口6又は第2の反応性ガス導
入口15からガスをそれぞれ導入することにより、種々の
反応を選択的に生じさせるのが可能となる。
のようなガスを真空容器1に導入し、どのような反応を
させることを意図しているのかについては、実施例1〜
3において、第1の反応性ガスとしてCHF3 およびC
HF3 /He等不活性ガスを導入する。本質的には実施
例1および実施例2においては、第1のガス導入口6の
かわりに第2のガス導入口15よりCHF3 およびCHF
3 とHeとの混合物等を導入しても大体同様の効果が期
待される。又、第2のガス導入口15からガス導入した方
が分解解離が抑制されるので、ガスの選択によってはラ
ジカルの組成が第1のガス導入口6から導入した場合と
異なってくる。
6と第2のガス導入口15とで種々の変化が生ずる。第1
のガス導入口6からは、例えば不活性ガス(He,N
e,Ar,Xe,Kr)あるいはH2 を導入し、第2の
導入口15からCHF3 等の反応性ガスを導入することも
可能である。
導入するとガスの高い分解より、図1に示すようにマイ
クロ波導入口3A(図中矢印で示されるマイクロ波の直
下)がCHF3 の分解より生じたラジカル等により、堆
積膜が付着し汚損する。この汚損が大きくなると、マイ
クロ波導入の効率が低下し、放電が不安定となる。
いはH2 を導入するとこれらのガス(A)の流下によ
り、第2のガス導入口15より導入したCHF3 (ガス
B)が放電室2へ導入されないため、マイクロ波導入口
3Aの汚染は生じない。
活性ガスあるいはH2 が電子温度の高いプラズマにより
分解されHe,Ar,Ne,Xe,KrのイオンやHe
* ,Ar* ,Ne* ,Xe* ,Kr* の準安定原子が生
ずる。又H2 よりはH原子が生ずる。
されたCHF3 (ガス(B))は、比較的電子温度の低
いプラズマによりマイルドに分解されるとともに寿命の
長い準安定原子(He* ,Ne* ,Ar* ,Kr* ,X
e* )あるいはH原子とCHF3 との反応が支配的にな
る。後者のような他の原子との衝突反応の割合が大きく
なって来るとプラズマにより分解されるものとは反応が
大きく変化し、生じるラジカルの密度、組成も変化する
ことになる。
より形成された第2の電極18を挿入し、第1のガス導入
口6より不活性ガス、第2のガス導入口15より反応性ガ
ス(CHF3 )を導入すると、電極18にてプラズマおよ
びイオンが除去されるので真空容器1の電極9へは、不
活性ガスの分解により生じたHe* ,Ne* ,Ar*,
Kr* ,Xe* の寿命の長い準安定原子およびこの準安
定原子とCHF3 ガスとの反応により生成したラジカル
が電極9に導入される。このときCHF3 は、プラズマ
により分解されたのではなく、準安定原子との衝突によ
り分解が生じているため、生成されるラジカル特性も変
化する。
ティ比を変化させることにより準安定原子の時間的密度
が変化するのでCHF3 が分解し、生じたラジカルの組
成も変化し、上述のような制御が可能となる。
ルギー(高い電子温度)が必要となる。したがって、H
2 をガス導入口6より導入することにより効率的にH原
子を形成させ、H原子とガス導入口6又はガス導入口15
より導入したCHF3 ガスとの反応によりラジカルの組
成等を制御することも可能となる。
15にどのようなガスを導入するかは、プロセスに応じ適
宜選択することが可能である。
理装置を用いたフルオロカーボン薄膜の堆積方法に係わ
るラジカル制御方法を説明する。まず、図1に示す装置
の放電室2に三フッ化メタン(CHF3 )を導入し、C
HF3 の圧力を0.4 Paに保つ。マイクロ波は、マイク
ロ波入力電力300 W、流量5.0 sccm、周期100 msec
とし、パルス発生装置5によりマイクロ波電源の出力の
デューテイ比を15〜100 %(連続)まで変化させプラズ
マのオン・オフ変調を行った。この場合、被処理基板10
にSi基板を使用し、高周波の引加は行わなかった。O
N期間とOFF期間の和は100 msecで一定とした。
収分光装置(図示省略)を用いて、被処理基板10の2cm
上部におけるCF,CF2 ,CF3 のそれぞれのラジカ
ル密度を測定した。
た結果の例を示す。図2よりCF,CF2 ,CF3 ラジ
カル密度は連続放電よりもオン・オフ放電をさせること
により増加することが分かる。CF3 ラジカルは、オン
期間の増加とともに僅かに増加するがオン期間70 msec
以上では次第に減少する。すなわち、ON−OFF期間
の変化に対して密度の変化は小さく、連続放電では密度
がわずかに小さくなる傾向が観測された。一方、C
F2 ,CFラジカルはON期間が15 msec の時の密度は
連続放電の時に比べそれぞれ3倍、4倍大きいことが分
かった。オン期間の増加とともに急速に減少し、オン期
間50msec以上で飽和する。これより、デューティ比を変
化させることによりECRプラズマ中のラジカル密度お
よび組成を制御することが可能であることが分かった。
フルオロカーボン膜のオン・オフ変調デューティ比依存
性を示している。プラズマ処理時間は、120 分である。
SiおよびSiO2 の基板の相違において、堆積膜厚の
変化は、観測されなかった。堆積したフルオロカーボン
膜厚は、デューティ比とともにに増加する。一方、堆積
速度(堆積したフルオロカーボンの膜厚/(放電時間12
0 分×デューティ比))は、デューティ比とともに減少
することが分かった。堆積速度とCF2 ,CFラジカル
密度の間には、相関関係があり、デューティ比を変化さ
せることにより、プラズマ中のラジカルと堆積速度の膜
厚制御が可能となる。
置を用いたエッチング方法に係わるラジカル制御方法を
説明する。まず、放電室2に三フッ化メタン(CH
F3 )を導入し、圧力0.4 Paに保つ。マイクロ波は、
周期100 msecとし、パルス発生装置5によりマイクロ波
電源出力を時間分割し、マイクロ波パワー400 Wと100
Wにて、デューティ比を1〜100 %(連続)まで変化さ
せ、マイクロ波パワーの変調を行った。この場合、被処
理基板10として、SiO2 上に適当なエッチングパター
ンを形成したものを用いた。被処理基板10に13.56 MH
zの高調波を引加し、バイアス100 Vの電圧を被処理基
板10の表面に引加した。この場合、実施例1と同様、真
空容器1に設置した赤外半導体レーザ吸収分光装置(図
示省略)を用いて、被処理基板10の2cm上部におけるC
F,CF2 ,CF3 ラジカル密度を測定した。CF,C
F2 ,CF3 ラジカルは、実施例1において、図2に示
したものと良く似た挙動をすることが分かった。
グ結果の例を示す。すなわち、図4は、SiO2 のエッ
チング速度と加工形状の関係を示している。この場合の
プラズマ処理時間は5分である。エッチング速度は、デ
ューティ比とともに増加する。一方、加工形状は、デュ
ーティ比とともに垂直形状となることが分かる。これよ
り、デューティ比を変化させることにより、プラズマ中
のラジカルとエッチング形状の制御が可能となる。
チング方法に係わるラジカル制御方法を説明する。図5
は実施例3に用いたラジカルビーム装置である。図5に
おいて、図1に示したものと同一部分は同一符号を付し
その説明を省略する。図5に示したECRプラズマ処理
装置において、真空容器1と真空容器2の間にメッシュ
により形成された第2の電極18を挿入した。第2の電極
18は、適当な正および負のバイアスを引加することによ
り、放電室2においてプラズマから発生したイオンや電
子等の荷電粒子を除去し、真空容器1へ、ラジカルのみ
を導くことが可能である。
に、放電室2に三フッ化メタン(CHF3 )を導入し、
圧力0.4 Paに保つ。マイクロ波は、周期100 msecと
し、マイクロ波パワーを時間分割し400 Wと100 Wを交
互に導入した。パルス発生装置5によりマイクロ波電源
出力をデューティ比を15〜100 %(連続)まで変化さ
せ、プラズマのパワー変調を行った。この場合、被処理
基板10として、SiO2 を用いた。被処理基板10に13.5
6 MHzの高周波を引加し、高周波電力500 Wにて高調
波放電を形成し、プラズマを生成した。これにより、バ
イアス200 Vの電圧が被処理基板10の表面に引加され
る。また、高周波の引加は、パルス発生装置13によるパ
ルスの変調を行わないで連続とした。
器1に設置した赤外半導体レーザ吸収分光装置(図示省
略)を用いて、被処理基板10の2cm上部におけるCF,
CF2 ,CF3 ラジカル密度を測定した。CF,C
F2 ,CF3 ラジカルのデューティ比依存性は、図2に
示す実施例1の結果と同様であった。これより、ラジカ
ル組成を任意に可変可能なラジカルビームの形成が可能
であることが分かる。
たエッチング結果の例を示す。すなわち、図6は、Si
O2 のエッチング速度と加工形状の関係を示している。
プラズマ処理時間は5分である。エッチング速度は、デ
ューティ比とともに増加する。一方、加工形状は、図6
(B)に示すようにデューティ比とともに垂直形状とな
ることが分かる。これより、デューティ比を変化させる
ことにより、プラズマ中のラジカルとエッチング形状の
制御が可能となることが判った。
ジカルの密度および組成を測定し、その測定結果に基づ
いてプラズマ発生装置の電力のデューティ比を制御する
ようにしたので、ラジカルの密度および組成を高精度に
制御することができる。したがって、プラズマCVD、
プラズマエッチングプロセスにおいて、ラジカルを高精
度で制御した高品質薄膜材料の形成や高精度の微細加工
が可能となる。例えば、プラズマCVDによる非晶質シ
リコンおよび微結晶シリコン薄膜、ダイヤモンド薄膜、
シリコン化合物の形成プロセスや、フルオロカーボンガ
スやハロゲンガスを反応性ガスとして用い、容量結合あ
るいは誘導結合型で高周波を印加して得られるプラズマ
エッチング装置あるいはマイクロ波によりプラズマを生
成したプラズマエッチング装置を用いるドライエッチン
グプロセスへの適用が可能である。
CVD装置およびプラズマエッチング装置においてラジ
カルを高精度で制御することができるともに、ラジカル
ビーム装置においてラジカル組成を任意に可変でき、工
業上大なる効果がある。
る装置の一例を示す略図である。
測定したラジカル密度とオン−オフ周期との関係を示す
特性図である。
とオン−オフ周期との関係を示す特性図である。
実施例2で測定したエッチング率と、周期およびテーパ
ー角との関係を示す特性図であり、図4(B)は同じく
実施例2で測定したエッチング率と、周期およびテーパ
ー角との関係を示す特性図である。
するる装置の他の例の構成を示す略図である。
実施例3で測定したエッチング率と周期との関係を示す
特性図であり、図6(B)は本発明によるラジカル制御
方法の実施例3で測定したエッチング率と周期との関係
を断面を以って示した説明図である。
Claims (6)
- 【請求項1】 パルス変調のデューティ比を変えられる
第1のパルス発生装置を具備する第1のプラズマ放電用
電源と、第1のガス導入口とが接続されたプラズマ放電
室と、このプラズマ放電室に接続されかつ第2のガス導
入口が設けられた真空容器と、プラズマ放電室より放出
されるプラズマに対向するように前記真空容器内に配置
される被処理基板を支持する電極と、この電極に接続さ
れ、パルス変調によりデューティ比を変えられる第2の
パルス発生装置を有する第2のプラズマ放電用電源とを
具え、前記第1および第2のプラズマ放電用電源の何れ
か一方または双方によってプラズマを形成し、このプラ
ズマによる反応性ガスの分解によりラジカルを生成する
プラズマ処理装置においてラジカルを制御するに当た
り、前記プラズマによる反応性ガスの分解により生成さ
れるラジカルの密度および組成を測定し、この測定デー
タに基づいて前記第1および第2のプラズマ放電用電源
の何れか一方または双方の電力を、前記第1および第2
のパルス発生装置の何れか一方または双方により一定の
周期にてパルス変調し、該パルス変調のデューティ比を
変化させることによりラジカルの密度および組成を制御
することを特徴とするラジカルの制御方法。 - 【請求項2】 前記反応性ガスを、フルオロカーボンガ
スあるいは少なくともシリコン原子および水素原子を含
有する水素化シリコンガスあるいは少なくとも炭素原子
および水素原子を含有する水素化炭素ガスあるいはハロ
ゲンとすることを特徴とする請求項1記載のラジカルの
制御方法。 - 【請求項3】 前記プラズマ発生装置として、高周波あ
るいは直流あるいはマイクロ波あるいは電子ビームを用
いてプラズマを発生させるものを用い、高周波あるいは
直流あるいはマイクロ波あるいは電子ビームをパルス変
調してラジカルを制御することを特徴とする請求項1記
載のラジカルの制御方法。 - 【請求項4】 プラズマ発生装置により形成されるプラ
ズマによる反応性ガスの分解によって生成されるラジカ
ルを制御するに当たり、前記プラズマ発生装置の電力を
一定周期でパルス変調し、このパルス変調のデューティ
比を変化させながら、複数の組成の異なるラジカルの密
度をそれぞれ測定して、各ラジカル毎の密度とデューテ
ィ比との関係を表すデータを求め、このデータに基づい
て前記デューティ比を制御することによりラジカルの組
成および密度を制御することを特徴とする請求項1記載
のラジカルの制御方法。 - 【請求項5】 プラズマ発生装置により形成されるプラ
ズマによるガスの分解により生成されるラジカルを制御
するに当たり、第1のガスをプラズマにより分解して準
安定原子あるいは水素原子を生成し、該準安定原子ある
いは水素原子と第2のガスとの反応によりラジカルを生
成し、生成したラジカルの密度および組成を測定し、前
記プラズマ発生装置の電力を一定周期にてパルス変調
し、該パルス変調のデューティ比を変化させることによ
り準安定原子あるいは水素原子の密度および組成を制御
することにより前記ラジカルの密度および組成を制御す
ることを特徴とする請求項1記載のラジカルの制御方
法。 - 【請求項6】 前記第1のガスを、不活性ガスおよび少
なくとも水素原子を含有するガスとし、前記第2のガス
を、フルオロカーボンあるいはハロゲンガスとすること
を特徴とする請求項5記載のラジカルの制御方法。
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