JP3339597B2 - プラズマ処理方法およびプラズマ処理装置 - Google Patents

プラズマ処理方法およびプラズマ処理装置

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JP3339597B2 JP24401193A JP24401193A JP3339597B2 JP 3339597 B2 JP3339597 B2 JP 3339597B2 JP 24401193 A JP24401193 A JP 24401193A JP 24401193 A JP24401193 A JP 24401193A JP 3339597 B2 JP3339597 B2 JP 3339597B2
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清 梨本
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明はプラズマ処理方法および
プラズマ処理装置に関し、特に、半導体基板上に薄膜を
形成するためのスパッタリング工程等の前段階として必
須の基板表面清浄工程を改良したプラズマ処理方法およ
びプラズマ処理装置に関する。
【0002】
【従来の技術】半導体基板の上に半導体デバイスを作製
するため、従来広く薄膜作製技術が適用され、この薄膜
作製技術ではスパッタリング法やCVD法が利用されて
いる。これらの方法による薄膜作製では、薄膜を付けよ
うとする基板の表面が原子レベルおよび分子レベルで清
浄であることが、次の理由により必要である。
【0003】例えば空気中の酸素と化合して基板表面の
全面に酸化膜が形成される場合に、その基板表面に薄膜
を付けると、下地膜が本来的に意図したものと異なるの
で、所望の特性(物理的、化学的、電気的な諸特性)を
得ることができない。一般的に、薄膜電子素子は、膜と
膜の界面における物理的特性、化学的特性、電気的特性
を利用して、必要とする電子特性(例えば整流作用を生
じる特性、電子光学的作用を生じる特性、増幅作用を生
じる特性等)を作り出す。従って、新しい膜を堆積させ
る下地層の表面が異物で汚染されていたり、異物が付着
していれば、界面特有の諸特性が得られないのは明らか
である。そこで、従来、基板表面の汚染を取り除いて基
板表面を清浄にし、その上に新しい膜を付けるようにし
ている。基板表面を清浄にする工程は、膜作製の前段階
として必須の工程である。膜作製の前段階の基板表面清
浄工程は、従来、プリスパッタエッチクリーニングと呼
ばれるスパッタ現象を利用した方法が使われていた。
【0004】プリスパッタエッチクリーニングは一般的
に次のように行われる。処理対象の基板を真空チャンバ
内の電極上に載置し、当該電極に交流電力または直流電
力を印加すると共に、真空チャンバの中にアルゴンガス
等の不活性ガスを減圧状態で導入する。上記電力の印加
によって真空チャンバ内の中にプラズマ放電が生じる。
基板を載置する電極と発生したプラズマとの間にはセル
フバイアス電圧(以下の説明で記号的には「Vdc」と記
す)が発生する。プラズマ中のプラス電荷のイオン(以
下プラスイオン)は負のセルフバイアス電圧で加速さ
れ、基板の表面に衝突して当該表面の原子や分子をはね
飛ばし、基板表面のごく薄い膜層を除去する。このよう
にして基板の表面は清浄になる。
【0005】スパッタ法を利用した基板表面の清浄法
は、従来より、スパッタリング法による薄膜作製技術と
の関連で利用され、例えば逆スパッタ法と呼ばれる清浄
法がある。この逆スパッタ法によれば、基板に膜付けを
行う前段階で基板表面を清浄にする必要があるとき、基
板を載置する陽極とターゲットの陰極からなる膜付け時
の2つの電極において、それらの極性を切り替えて基板
側の電極を陰極とし、2つの電極の間に生成されたプラ
ズマ中のプラスイオンを基板表面に衝突させることによ
り、基板表面をスパッタエッチングする。
【0006】前述したスパッタ法による基板表面の清浄
法に関連する従来技術の文献として例えば、特公平3−
59986号公報および特開昭63−50025号公
報、さらに、特開昭60−160620号公報、特開平
3−171623号公報を挙げることができる。
【0007】特公平3−59986号公報および特開昭
63−50025号公報に開示される薄膜形成装置で
は、2電極方式の装置であって、プラズマ励起のため
に、1つの高周波(例えば100MHz)と2つの直流
バイアス電圧を印加する第1の装置構成(特公平3−5
9986号)と、2周波のそれぞれを各電極に印加する
第2の装置構成(特開昭63−50025号)を示して
いる。第1の装置構成によれば、セルフバイアス電圧が
弱くターゲットに与えられるイオンの衝突エネルギが小
さい場合に、直流バイアスで必要なスパッタ速度を得る
ことができる。また第2の装置構成によれば、チャンバ
のアースから浮いている2つの電極のそれぞれに所定の
高周波を印加することで、ターゲット側のセルフバイア
ス電圧と基板側のセルフバイアス電圧のそれぞれを独立
に調整することができる。
【0008】特開昭60−160620号公報に示され
るプラズマリアクタ装置は、単一電極方式であって、こ
の単一電極に、低周波と高周波を供給する電源装置が接
続される。プラズマを生成するための電力として、少な
くとも低周波と高周波の2周波が使用される。その明細
書中、低周波は「略1MHz以下のいかなる周波数」、
高周波は「約10MHz以上のいかなる周波数」と説明
され、実施例の説明では代表的に、低周波を100KH
z、高周波を13.56MHzとして説明を行ってい
る。この従来文献に開示される発明は、単一電極方式で
かつ低周波と高周波の2周波印加方式のプラズマリアク
タ装置を改良するものであり、単一電極に対する低周波
電力と高周波電力の供給を能率的に行える結合手段を設
けた点に特徴がある。
【0009】特開平3−171623号公報に示される
プラズマ処理方法等は、プラズマ放電を励起する電力と
して例えば30〜200MHzの範囲に含まれる周波数
の単一周波(例えば60MHz)を使用し、この高周波
を単一電源から基板載置電極に供給するように構成して
いる。このプラズマ処理方法等では、単一周波の電力の
調整のみでプラズマ条件の設定を行っている。
【0010】
【発明が解決しようとする課題】特公平3−59986
号および特開昭63−50025号で提案される薄膜形
成装置によれば、ターゲット電極と基板載置電極のいず
れにも直流または交流の電圧を印加しかつ各電極はアー
スから浮いた構造となるので、電極構造が複雑になると
いう不具合を有する。
【0011】特開昭60−160620号で提案される
プラズマリアクタ装置によれば、2周波の単一電極印加
方式という構造を採用するので、2電極方式に比較して
構造的に簡素になるという利点を有する。本発明者ら
は、2電極方式の装置において、より簡単な構造で、エ
ッチングレートを高め、セルフバイアス電圧の制御性を
向上し、パーティクルを低減すること等を企図するもの
であるので、原理的に異なるこの従来装置について、こ
こでは関連技術として言及するにとどめる。
【0012】特開平3−171623号で提案されるプ
ラズマ処理方法等によれば、設定パラメータが少ないの
で、基板の種別に応じた条件の設定が難しいという問題
がある。
【0013】本発明の目的は、2電極方式および2周波
印加方式の構成の下で、2周波の各周波数値および供給
電力値に関し所定関係を与えることにより、より簡単な
構造で、エッチングレートを高め、セルフバイアス電圧
の制御性を向上し、パーティクルを低減した基板清浄用
のプラズマ処理方法およびプラズマ処理装置を提供する
ことにある。
【0014】
【課題を解決するための手段】本発明に係るプラズマ処
理方法は、基板を載置する第1電極と、第1電極に対向
する第2電極との間の空間でプラズマ放電を励起してプ
ラズマを生成し、このプラズマ中のプラスイオンを基板
の表面に衝突させて基板表面を清浄にする方法であり、
さらに、プラズマ放電を励起するための電力として周波
数60MHzの高周波電力と周波数400KHzの低周
波電力を第1電極に対し重ね合わせて供給し、前記低周
波電力の電力値のみを所定範囲内で変化させることによ
り前記プラスイオンの衝突エネルギを決めるセルフバイ
アス電圧(Vdc)を1000Vを超えずかつ少なくとも
200〜600Vの範囲で安定して変化させるように制
御し、前記セルフバイアス電圧が周波数60MHzの前
記高周波電力に依存せず、周波数400KHzの前記低
周波電力に依存して安定して決められるようにした方法
である
【0015】前記の方法において、好ましくは、低周波
電力の電力値を50〜150Wの範囲に含まれるいずれ
かの値に設定することによりセルフバイアス電圧を制御
する。
【0016】前記の方法において、好ましくは、高周波
電力と低周波電力は、相互に干渉しないように2つの電
力を重ね合わせて第1電極に供給される。
【0017】また本発明に係るプラズマ処理方法は、基
板を載置する第1電極と、第1電極に対向する第2電極
との間の空間でプラズマ放電を励起してプラズマを生成
し、このプラズマ中のプラスイオンを基板の表面に衝突
させて基板の表面をエッチングして清浄にする方法であ
り、プラズマ放電を励起するための電力として、60M
Hzまたはこれに近い周波数の高周波電力と、400K
Hzまたはこれに近い周波数の低周波電力を、第1電極
に対し重ね合わせて供給しエッチングレートを高めるよ
うにした方法である。
【0018】本発明に係るプラズマ処理装置は、基板を
載置する第1電極と、第1電極に対向する第2電極との
間の空間でプラズマ放電を励起してプラズマを生成し、
このプラズマ中のプラスイオンを基板の表面に衝突させ
て前記表面を清浄にするプラズマ処理装置であり、第1
電極に周波数60MHzの高周波電力を供給する高周波
電源と、第1電極に周波数400KHzの低周波電力を
上記高周波電力に重ね合わせて供給する低周波電源と、
この低周波電源の出力する低周波電力の電力値のみを所
定範囲内で調整するセルフバイアス電圧制御用調整手段
を備え、セルフバイアス電圧制御用調整手段により、プ
ラスイオンの衝突エネルギを決めるセルフバイアス電圧
(Vdc)は1000Vを超えずかつ少なくとも200〜
600Vの範囲で安定して変化させるように制御され、
さらにセルフバイアス電圧は、周波数60MHzの高周
波電力に依存せず、周波数400KHzの低周波電力に
依存して安定して決められる
【0019】前記の構成において、好ましくは、セルフ
バイアス電圧制御用調整手段は低周波電力の電力値を5
0〜150Wの範囲に含まれるいずれかの値に設定する
ように調整する。
【0020】
【作用】本発明では、60MHzまたはその近傍の高周
波電力と400KHzまたはその近傍の低周波電力を組
み合わせることにより、かつ低周波電力の電力値を調整
することにより、高周波と低周波の相互作用に基づきプ
ラズマ放電を励起した。これによれば、エッチングレー
トを高め、セルフバイアス電圧の制御性を向上し、パー
ティクルを低減することが可能になった。
【0021】
【実施例】以下に、本発明の実施例を添付図面に基づい
て説明する。
【0022】図1は、本発明に係るプラズマ処理装置の
構成を示し、プリスパッタエッチクリーニングを行うた
めの構成を示している。図1において、1は真空容器
で、真空容器1は基板2を載置するための電極3と、電
極3に対向する電極4を備えている。プリスパッタエッ
チクリーニングを行う構成では、電極3は陰極、電極4
は陽極になる。電極4は、内部にマグネット5を備えて
いる。マグネット5は陽極表面に所要の磁場を形成する
ためのものである。図示されたプラズマ処理装置は、ス
パッタエッチング作用によって基板2の表面を清浄にす
る(クリーニングする)ための働きを有する。基板2の
表面を清浄にするために、電極3と電極4の間の空間に
プラズマ放電を励起し、プラズマ6を生成する。プラズ
マ6が生成されると、プラズマ6中のプラスイオンが、
陰極である電極3上に載置された基板2の表面に衝突
し、基板2の表面を清浄にする。
【0023】プラズマ6を生成するためには、真空容器
1の内部は所要の減圧状態に保持される必要がある。7
は、真空容器1内を所要の減圧状態にするための排気系
である。また減圧状態である真空容器1内には、アルゴ
ンガス等の不活性ガスが、ガス導入系8によって導入さ
れる。
【0024】また、プラズマ6を生成するためには、プ
ラズマ放電を励起するための所要の電力を供給する必要
がある。本実施例では、かかる電力を供給する手段とし
て、高周波電源9と低周波電源10が設けられる。高周
波電源9の周波数は、好ましくは60MHz、またはこ
れに近い周波数である。低周波電源10の周波数は、好
ましくは400KHz、またはこれに近い周波数であ
る。高周波電源9から出力される高周波と低周波電源1
0から出力される低周波は、例えば整合回路11で合成
された後、基板載置用の電極3に対し印加・供給され
る。整合回路11は高周波と低周波を能率よく電極3に
供給する働きを有し、高周波電源9と低周波電源10が
互いに干渉しないように、高周波と低周波の2つの電力
を重ね合わせる。なお、整合回路11は必須のものでは
なく、省略することもできる。また低周波電源10と整
合回路11との間には、低周波の電力を調整するための
電力調整器12が接続される。この電力調整器12は、
後述するように、基板2の表面に衝突するプラスイオン
の衝突エネルギを決めるセルフバイアス電圧を制御する
働きを有する。なお、高周波電源9から出力される高周
波の電力を調整する手段も設けられるが、図1中では省
略されている。
【0025】前述したように、2つの電極3,4を有す
る2電極方式のプラズマ処理装置にて基板2を載置する
電極3に対し高周波と低周波の2周波を供給する構成に
おいて、高周波を60MHzとし低周波を400KHz
とする構成は、以下に説明するような特性を有するもの
として、実験的に見出されたものである。
【0026】上記の構成によれば、次のような優れた特
性を有する。
【0027】図2にエッチングレートの特性を示す。図
2において、横軸は高周波(60MHz)の電力、縦軸
はエッチングレート(オングストローム/min )を意味
し、3つの異なる周波数条件で5000オングストロー
ムの厚みを有するSiO2 膜を2min (分)の間エッチ
ングした特性が示されている。図示された特性に関し、
20Aは60MHzのみを給電した場合の特性、20B
は本発明による60MHzと400KHzを給電した場
合の特性を示し、さらに20Cは参考のために図示され
た高周波13.56MHzのみを給電した場合の特性例
である。特性20Cについては横軸は高周波13.56
MHzの電力となる。図2に示されるように、本発明に
よるエッチングレート特性20Bでは、例えば600W
の電力で比較すると、従来の60MHz単独の特性20
Aに対して約1.7〜2倍になり、エッチングレートが
顕著に改善される。
【0028】図3にセルフバイアス電圧に関する特性を
示す。図3において、横軸は高周波(60MHz)の電
力、縦軸はセルフバイアス電圧Vdc(V)を意味する。
図示された特性に関し、30Aは60MHzのみを給電
した場合の特性、30Bは本発明による60MHzと4
00KHzを給電した場合の特性を示す。特性30Bで
は、400KHzの電力を異ならせた例えば3種類の特
性30B1,30B2,30B3が示されている。40
0KHzの電力は、特性30B1では50W、特性30
B2では100W、特性30B3では150Wである。
特性30Aと本発明の特性30Bとの比較で明らかなよ
うに、本発明の場合、セルフバイアス電圧が60MHz
の電力に依存せず、400KHzの電力に依存して安定
して決まるという特長を有する。すなわち、400KH
zの低周波の電力を変えることによってセルフバイアス
電圧を例えば200〜600Vの範囲で大きく変化させ
ることができ、換言すれば、400KHzの低周波の電
力を調整することによってセルフバイアス電圧を安定し
て制御することができる。400KHzの低周波の電力
調整は、前述の電力調整器12によって行われる。ま
た、図3で明らかなように、60MHz単一周波数の場
合に比較して、60MHzと400KHzを給電した場
合には、Vdcが大きくなるという特長を有している。な
お図3中には、参考のため、400KHzのみを給電し
た場合の特性30Cと、13.56MHzのみを給電し
た場合の特性30Dを示す。
【0029】図4にパーティクル(ゴミ)の発生状況を
示す。図4において、横軸はランニング枚数、縦軸にパ
ーティクル数が示される。また特性40Aは真空パーテ
ィクル数の推移を示し、特性40Bは放電パーティクル
数の推移を示す。本発明による60MHzと400KH
zを供給した場合にパーティクル発生数は、図4に示さ
れるように、平均20個程度で推移しており、従来の場
合には70〜100個であったので、パーティクルが非
常に低減されるという特長を有する。
【0030】また本発明による基板清浄法における基板
表面のエッチング均一度について、60MHzの電力が
例えば300〜900Wの範囲に含まれる状態で、4.
6〜4.9%の基板内均一性を維持することができる。
900Wの最大に近い電力を投入しても通常の使用基準
範囲(±10%)を越えることはない。
【0031】
【発明の効果】以上の説明で明らかなように本発明によ
れば、2電極方式でかつ高周波と低周波の2周波印加方
式の基板表面清浄のためのプラズマ処理において、高周
波と低周波のそれぞれを所定周波数に設定し、または高
周波と低周波のそれぞれを所定周波数に設定しかつ低周
波の電力を調整する構成を設けることによって、セルフ
バイアス電圧を安定して制御できる共に、従来技術に比
較し、エッチングレートを向上しかつパーティクル発生
を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係るプラズマ処理装置の構成を示す概
略断面図である。
【図2】エッチングレートの特性を説明するための特性
図である。
【図3】セルフバイアス電圧の制御性を説明するための
特性図である。
【図4】パーティクル発生状況を説明するための特性図
である。
【符号の説明】
1 真空容器 2 基板 3,4 電極 5 マグネット 6 プラズマ 7 排気系 8 ガス導入系 9 高周波電源 10 低周波電源 11 整合回路 12 電力調整器
フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭61−239627(JP,A) 特開 昭60−160620(JP,A) 特開 昭62−125626(JP,A) 特開 昭53−10384(JP,A) 実開 平2−4238(JP,U) 実開 平2−35437(JP,U) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01L 21/3065 C23C 14/02

Claims (6)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 基板を載置する第1電極と、この第1電
    極に対向する第2電極との間の空間でプラズマ放電を励
    起してプラズマを生成し、このプラズマ中のプラスイオ
    ンを前記基板の表面に衝突させて前記表面を清浄にする
    プラズマ処理方法において、 前記プラズマ放電を励起するための電力として周波数6
    0MHzの高周波電力と周波数400KHzの低周波電
    力を前記第1電極に対し重ね合わせて供給し、前記低周
    波電力の電力値のみを所定範囲内で変化させることによ
    り前記プラスイオンの衝突エネルギを決めるセルフバイ
    アス電圧(Vdc)を1000Vを超えずかつ少なくとも
    200〜600Vの範囲で安定して変化させるように制
    御し、前記セルフバイアス電圧が周波数60MHzの前
    記高周波電力に依存せず、周波数400KHzの前記低
    周波電力に依存して安定して決められることを特徴とす
    るプラズマ処理方法。
  2. 【請求項2】 請求項1記載のプラズマ処理方法におい
    、前記低周波電力の電力値を50〜150Wの範囲に
    含まれるいずれかの値に設定することにより前記セルフ
    バイアス電圧を制御することを特徴とするプラズマ処理
    方法。
  3. 【請求項3】 請求項1または2記載のプラズマ処理方
    法において、前記高周波電力と前記低周波電力は、相互
    に干渉しないように前記2つの電力を重ね合わせて前記
    第1電極に供給されることを特徴とするプラズマ処理方
    法。
  4. 【請求項4】 基板を載置する第1電極と、この第1電
    極に対向する第2電極との間の空間でプラズマ放電を励
    起してプラズマを生成し、このプラズマ中のプラスイオ
    ンを前記基板の表面に衝突させて前記表面をエッチング
    して清浄にするプラズマ処理方法において、 前記プラズマ放電を励起するための電力として、周波数
    60MHzの高周波電力と、周波数400KHzの低周
    波電力を、前記第1電極に対し重ね合わせて供給し、
    ッチングレートを高めるようにしたことを特徴とするプ
    ラズマ処理方法。
  5. 【請求項5】 基板を載置する第1電極と、この第1電
    極に対向する第2電極との間の空間でプラズマ放電を励
    起してプラズマを生成し、このプラズマ中のプラスイオ
    ンを前記基板の表面に衝突させて前記表面を清浄にする
    プラズマ処理装置において、 前記第1電極に周波数60MHzの高周波電力を供給す
    る高周波電源と、前記第1電極に周波数400KHzの
    低周波電力を前記高周波電力に重ね合わせて供給する低
    周波電源と、この低周波電源の出力する前記低周波電力
    の電力値のみを所定範囲内で調整するセルフバイアス電
    圧制御用調整手段を備え 前記セルフバイアス電圧制御用調整手段により、前記プ
    ラスイオンの衝突エネルギを決めるセルフバイアス電圧
    (Vdc)は1000Vを超えずかつ少なくとも200〜
    600Vの範囲で安定して変化させるように制御され、 前記セルフバイアス電圧は、周波数60MHzの前記高
    周波電力に依存せず、周波数400KHzの前記低周波
    電力に依存して安定して決められる ことを特徴とするプ
    ラズマ処理装置。
  6. 【請求項6】 請求項5記載のプラズマ処理装置におい
    、前記セルフバイアス電圧制御用調整手段は前記低周
    波電力の電力値を50〜150Wの範囲に含まれるいず
    れかの値に設定するように調整することを特徴とするプ
    ラズマ処理装置。
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