JP3384795B2 - プラズマプロセス装置 - Google Patents

プラズマプロセス装置

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JP3384795B2 JP2001500327A JP2001500327A JP3384795B2 JP 3384795 B2 JP3384795 B2 JP 3384795B2 JP 2001500327 A JP2001500327 A JP 2001500327A JP 2001500327 A JP2001500327 A JP 2001500327A JP 3384795 B2 JP3384795 B2 JP 3384795B2
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    • H01J37/3244—Gas supply means

Description

【発明の詳細な説明】 技術分野 本発明は、プラズマプロセス用装置に係わり、特に高
性能プラズマプロセスが可能で電力効率が高く、メンテ
ナンス周期が長いプラズマプロセス装置に関する。
背景技術 近年、半導体や液晶ディスプレイの高性能化と高生産
性化を実現するために、これらの製造にはプラズマプロ
セスが欠かせないものになっている。プラズマの励起方
式は様々であるが、半導体や液晶ディスプレイの製造に
は、主に平行平板型高周波励起プラズマ装置あるいは誘
導結合型プラズマ装置が使われている。これらのプラズ
マ装置は、デバイスに与えるダメージが大きく、高速で
高性能なプロセスが困難であるなど、いくつかの本質的
な問題を内在している。したがって、半導体や液晶ディ
スプレイの高性能化、高生産性化に対する要求を満たす
ことが困難になってきている。
そこで最近注目されているのが、直流磁場を用いずに
マイクロ波電界により高密度プラズマを励起するマイク
ロ波プラズマ装置である。この種のマイクロ波プラズマ
装置としては、均一なマイクロ波を発生するように配列
された多数のスロットを有する平面状のアンテナ（スロ
ットアンテナ）から真空容器内にマイクロ波を放射し、
このマイクロ波電界により真空容器内のガスを電離して
プラズマを励起させる装置（特開平９−６３７９３）が
知られている。また、スロットアンテナを真空容器外に
設置し、スロットアンテナから放射されたマイクロ波を
誘電体隔壁および誘電体シャワープレートを通して真空
容器内部に導入してプラズマを励起させる装置（ＷＯ９
８／３３３６２）も知られている。このような手法で励
起されたマイクロ波プラズマは、プラズマ密度が高く電
子温度が低いため、高速でダメージを一切伴わないプロ
セスを行うことができる。さらに大面積基板上にも均一
なプラズマを励起できるため、半導体基板や液晶ディス
プレイ基板の大型化にも容易に対応できる。
しかしながら、これらの従来のマイクロ波プラズマ装
置では、プロセス用ガスがプラズマにより解離、結合し
て生成された物質がマイクロ波の通り道である誘電体隔
壁や誘電体シャワープレート表面に付着するという問題
がある。抵抗率が低い膜が付着するとマイクロ波が反射
され、抵抗率が高い膜が付着するとマイクロ波が吸収さ
れてしまう。これにより、誘電体隔壁や誘電体シャワー
プレート表面への膜の付着によりプラズマ励起電力が低
下してしまい、プラズマ密度が減少してプラズマの安定
性が損なわれる。最悪の場合、プラズマが全く励起でき
なくなるという状態となってしまう。このような問題を
回避するには、付着膜を取り除くためのチャンバクリー
ニングやメンテナンスを頻繁に行う必要があり、生産性
が著しく低下してしまう。
半導体や液晶ディスプレイの製造で欠かせない反応性
イオンエッチングでは、プラズマ中のイオンを基板とプ
ラズマとの間に形成されるシース中の電界で数１００e
Ｖまで加速して基板表面に照射することにより、異方性
エッチングを実現している。イオンを所望のエネルギま
で加速するための直流電圧（自己デバイス電圧）を基板
周辺のシースに発生させるために、基板には数１００Ｋ
Ｈzから数１０ＭＨz程度の高周波が印加される。プラズ
マは導体と見なすことができるため、基板に印加された
高周波電圧は、基板周辺のシースとチャンバ壁などの接
地部周辺のシースとにほぼ分圧される。すなわち、基板
に高周波を印加すると、基板周辺のシースだけでなく接
地部周辺のシースにも高周波電圧がかかり、接地部周辺
のシースの直流電圧が増加してプラズマ電位が上昇す
る。プラズマ電位が１５〜３０Ｖ以上になると、加速さ
れたイオンの入射により接地部表面がスパッタされて汚
染が引き起こされる。
基板周辺のシースと接地部周辺のシースとにかかる高
周波電圧の比は、これらのシースのインピーダンス比で
決まる。接地部周辺のシースのインピーダンスを基板周
辺のシースのインピーダンスよりも十分小さくすれば、
基板に印加された高周波電圧の大半は基板周辺のシース
にかかる。すなわち、プラズマが接する接地部の面積を
基板電極の面積より十分大きく（通常４倍以上）とれ
ば、基板に高周波を印加してもプラズマ電位はほとんど
上昇せず、スパッタによる汚染の問題を回避することが
できる。さらに、基板周辺のシースに大きな直流電圧を
効率的に発生させることができる。
ところが、従来のマイクロ波プラズマ装置では、基板
の対向面が全て誘電体で覆われているため、プラズマが
接する接地部の面積を大きくとることができない。通
常、プラズマが接する接地部の面積は基板電極の面積の
３倍程度しかとれない。このため、スパッタによる汚染
の問題により、反応性イオンエッチングなど基板表面に
高いエネルギのイオンを入射させる必要があるプロセス
に適用することが困難であった。
金属薄膜や強誘電体薄膜、高誘電率薄膜など金属を含
む薄膜をプラズマＣＶＤ（Ｃhemical Ｖapor Ｄepositi
on）で形成するプロセスでは、金属原子と有機物分子の
化合物である有機金属ガスが用いられる。プラズマによ
り金属原子と有機物分子間の結合のみを選択的に切断す
れば不純物汚染のない良好な特性の薄膜を形成できる。
しかし、有機物分子が分解されると膜中に不純物である
炭素原子が多量に混入して薄膜の特性が著しく劣化して
しまう。また、エッチングプロセスでは、プロセス用ガ
スの解離が進行し過ぎると、被エッチング膜とレジスト
マスクや下地材料との選択性が悪化し、さらにアスペク
ト比の大きな微細パターンのエッチングが困難になる。
従来のマイクロ波プラズマプロセス装置では、プラズマ
密度が高く比較的電子温度が高いマイクロ波入射面付近
に、プロセス用ガスが直接導入される。このため、プロ
セス用ガスの解離が進行し過ぎて、有機金属ガスを用い
た薄膜の形成や微細パターンのエッチングでは、良好な
結果を得ることができなかった。
マイクロ波をプラズマに入射したとき、電子密度が次
式で表されるカットオフ密度ｎcより低ければマイクロ
波はプラズマ中を伝搬する。
ｎc＝ε0ω2ｍ0／ｅ2 ここで、ε0は真空の誘電率、ωはマイクロ波角周波
数、ｍ0は電子の質量、ｅは電子の電荷である。一方、
電子密度がカットオフ密度より高ければ、マイクロ波は
プラズマ表面近傍で反射される。このとき、マイクロ波
は侵入長程度（通常数ｍｍ〜10ｍｍ程度）プラズマ中に
侵入して、プラズマ中の電子にエネルギを与えプラズマ
を維持する。マイクロ波プラズマ励起では、電子密度が
カットオフ密度より低いとマイクロ波がチャンバ内に分
散するため均一で安定なプラズマを励起することができ
ない。均一で安定なプラズマを励起するには、マイクロ
波入射面付近にカットオフ密度より十分電子密度が高い
プラズマを励起して、入射したマイクロ波の大半をプラ
ズマ表面近傍で反射させることが不可欠である。電子密
度が高く安定なプラズマを励起するには、Ａｒ、Ｋｒ、
Ｘｅなどの希ガスをプラズマ励起ガスとして用いればよ
い。希ガスに単原子分子以外のガスを添加すると、ガス
分子の解離にマイクロ波のエネルギが使われるため、電
子密度が低下してプラズマの安定性が損なわれる傾向が
ある。従来のマイクロ波プラズマ装置では、希ガス以外
のガスを少量（数％）しか添加することができないた
め、プロセスの自由度が低く、また高速のプロセスに対
応できないという問題があった。
プラズマ表面付近の電子密度がカットオフ密度以上に
なっていると、プラズマに入射したマイクロ波の大半は
表面近傍で反射される。この反射波は、スロットアンテ
ナで受信された後、スロットアンテナとマイクロ波電源
との間に接続された整合器で再び反射されてスロットア
ンテナから放射される。マイクロ波はプラズマ表面近傍
と整合器で反射を繰り返しながら、徐々にそのエネルギ
をプラズマに与える。すなわち、プラズマ表面近傍と整
合器の間は、マイクロ波の共振状態になっている。この
部分には高いエネルギ密度のマイクロ波が存在すること
になり、導波路の金属壁のわずかな導体損やスロットア
ンテナ内の誘電体のわずかな誘電損により、大きな損失
が生じる。従来のマイクロ波プラズマ装置では、これら
の損失が大きくプラズマ励起電力効率が低かった。さら
に、高密度プラズマを得ようとして大電力のマイクロ波
を投入すると、スロットアンテナ表面に形成されたスロ
ット部でアーク放電が生じ、これによりアンテナが破損
したり、誘電体隔壁と誘電体シャワープレート間のガス
流路で放電が生じたりするという問題があった。
発明の開示 本発明は、上述の問題を解決した改良された有用なプ
ラズマプロセス装置を提供することを目的とする。
本発明のより具体的な目的は、マイクロ波導入部の誘
電体シャワープレート表面にプロセス用ガスの解離、結
合による膜付着がないため、いかなるプロセス用ガスを
用いてもプラズマの安定性が高いプラズマプロセス装置
を提供することである。
本発明の他の目的は、チャンバクリーニングやメンテ
ナンスの周期が長いプラズマプロセス装置を提供するこ
とである。
本発明の更に他の目的は、基板表面にイオンエネルギ
を入射させなければならないプロセスにも対応可能なプ
ラズマプロセス用装置を提供することである。
また、本発明の目的は、プロセス用ガスの解離が適度
に抑制されるため優れた成膜プロセスやエッチングプロ
セスが可能で、プラズマ励起効率が高いプラズマプロセ
ス装置を提供することである。
本発明では上記目的を達成するため、従来のマイクロ
波プラズマプロセス用装置のプラズマ拡散部（誘電体シ
ャワープレートと基板との間）に新たなプロセス用ガス
放出器（格子状シャワープレートと呼ぶ）を設け、希ガ
スを主体としたプラズマ励起用ガスとプロセス用ガスを
異なる場所から放出できるようにした。また、金属製の
格子状シャワープレートを接地することにより、従来の
マイクロ波プラズマプロセス用装置では対応できなかっ
た基板表面に高いエネルギのイオンを入射させなければ
ならないプロセスにも対応可能とした。さらに、マイク
ロ波導入部の誘電体部の厚さ（誘電体隔壁の厚さ＋誘電
体シャワープレートの厚さ）を最適化してプラズマの励
起効率を最大化すると同時に、誘導体シャワープレート
の厚さおよびスロットアンテナと誘電体隔壁との間隔を
最適化して大電力のマイクロ波を投入可能にした。
本発明のプラズマプロセス装置は、従来のマイクロ波
プラズマ用装置の誘電体シャワープレートと基板との間
に新たなガス放出手段(格子状シャワープレート)を設
け、ガス分子の解離を抑制することが望ましいプロセス
用ガスを基板に向かって放出する構成になっている。一
方、プロセス用ガスが誘電体シャワープレートの方へ拡
散しないように、希ガスを主体としたプラズマ励起用ガ
スを格子状シャワープレートを挟んで基板と反対側に設
置された誘電体シャワープレートから放出させる。マイ
クロ波の通り道である誘電体シャワープレート表面に膜
が付着することがなくなるため、チャンバクリーニング
やメンテナンス周期が著しく長期化し、常に安定したプ
ラズマが得られるようになる。また、プラズマ密度が高
く電子温度が比較的高いマイクロ波入射面付近にはプロ
セス用ガスがほとんど存在しない状態が形成されるた
め、プロセス用ガスの解離が適度に抑制されて高性能プ
ロセスが実現される。同時に、格子状シャワープレート
から多量のプロセス用ガスを放出してもマイクロ波入射
面付近にカットオフ密度を十分上回る高密度で安定した
プラズマを励起できるため、プロセスの自由度が飛躍的
に向上し、より高速なプロセスが可能である。
接地された金属製格子状シャワープレートをプラズマ
中に導入することにより、プラズマが接する接地部の面
積は大幅に増加する。基板に高周波バイアスを印加した
場合、高周波電圧の大半を基板周辺のシースに印加でき
るようになり、プラズマ電位を増加させずに基板表面に
入射するイオンのエネルギを効率よく増加させることが
可能である。従って、基板表面に高いイオンエネルギを
入射させなければならない反応性イオンエッチングなど
のプロセスにも十分対応可能である。
さらに、本発明のプラズマプロセス装置によれば、マ
イクロ波導入部の誘電体部の厚さ（誘電体隔壁の厚さ＋
誘電体シャワープレートの厚さ）を最適化してプラズマ
の励起効率を最大化すると同時に、誘電体シャワープレ
ートの厚さおよびスロットアンテナと誘電体隔壁との間
隔を最適化して大電力のマイクロ波を投入できるため、
より安定した高密度プラズマの高効率生成が可能であ
る。金属製格子状シャワープレートは、腐食性ガスのプ
ラズマに対する耐性に優れた酸化アルミニウム被膜を有
するアルミニウム及びステンレス鋼で構成され、長期間
にわたって使用可能である。
図面の簡単な説明 図１は、本発明の第１の実施例によるマイクロ波プラ
ズマプロセス装置の断面図である。
図２は、図１の装置の格子状シャワープレートを基板
側から見た平面図である。
図３は、プラズマ空間中のプラズマ電子分布を示すグ
ラフである。
図４は、タンタルの成膜を行った場合の電子密度の時
間変化を示すグラフである。
図５は、基板に印加する高周波電力の基板表面へのイ
オン入射エネルギ依存性を示すグラフである。
図６は、接地部表面へのイオン入射エネルギの基板表
面へのイオン入射エネルギ依存性を示すグラフである。
図７は、電子密度の誘電体部の厚さ依存性を示すグラ
フである。
図８は、ギャップ中で放電が開始するマイクロ波電力
密度の誘電体シャワープレートの厚さ依存性を示すグラ
フである。
図９は、プロセス空間で放電が開始するマイクロ波電
力密度の誘電体シャワープレートと格子状シャワープレ
ートとの間隔依存性を示すグラフである。
図１０は、スロット部で放電が開始するマイクロ波電
力密度のラジアルラインスロットアンテナと誘電体シャ
ワープレートとの間隔依存性を示すグラフである。
図１１は、本発明の第２の実施例によるマイクロ波プ
ラズマプロセス装置に設けられた多孔質セラミックスで
構成された格子状シャワープレートを基板側から見た平
面図である。
図１２は、図１１のＸＩＩ−ＸＩＩ線に沿った断面図
である。
図１３は、本発明の第３の実施例によるマイクロ波プ
ラズマプロセス装置に設けられたアルミニウムで構成さ
れた格子状シャワープレートを基板側から見た平面図で
ある。
図１４は、図１３のＸＩＶ−ＸＩＶ線に沿った断面図
である。
図１５は、本発明の第４の実施例によるマイクロ波プ
ラズマプロセス装置の断面図である。
発明を実施するための最良の実施の形態 以下、図面を参照しながら本発明の実施例によるプラ
ズマプロセス装置を説明するが、本発明はこれらの実施
例に限定されるものではない。
（実施例１） 図１は、本発明の第１の実施例によるプラズマプロセ
ス装置の側部断面図である。本は発明の第１の実施例に
よるプラズマプロセス装置は、真空容器１０１、誘電体
隔壁１０２、誘電体シャワープレート１０３、ギャップ
１０４、プラズマ励起用ガス供給口１０５、プラズマ励
起用ガス導入路１０６、プラズマ励起用ガス放出孔１０
７、Ｏリング１０８，１０９、ラジアルラインスロット
アンテナ１１０、格子状シャワープレート１１１、プロ
セス用ガス供給口１１２、プロセス用ガス放出孔１１
３、ステージ１１５及び排気口１１６を有する。プラズ
マ処理される基板１１４はステージ１１５上に載置され
る。
本実施例では、真空容器１０１はアルミニウムにより
形成され、誘電体隔壁１０２および誘電体シャワープレ
ート１０３は比誘電率８．６３の窒化アルミニウムによ
り形成されている。プラズマ励起用マイクロ波の周波数
は、２．４５ＧＨzである。基板１１４は、直径２００
ｍｍのシリコン基板である。
大気中に設置されたラジアルラインスロットアンテナ
１１０から放射されたマイクロ波は、誘電体隔壁１０
２、ギャップ１０４および誘電体シャワープレート１０
３を通過して真空容器１０１内部に導入され、真空容器
１０１内のガスを電離してプラズマを生成する。
本装置は、プラズマ励起用ガスとプロセス用ガスを異
なるシャワープレートから放出できる構造になってい
る。プラズマ励起用ガスは、プラズマ励起用ガス供給口
１０５から供給され、プラズマ励起用ガス導入路１０６
を通り誘電体シャワープレート１０３の中央部まで導か
れる。その後、ギャップ１０４において中央部から周辺
部へ放射状に流れ、複数のプラズマ励起用ガス放出孔１
０７から真空容器内部に放出される。一方、プロセス用
ガスは、プロセス用ガス供給口１１２から供給され、金
属管で構成された格子状シャワープレート１１１の内部
を通り、複数のプロセス用ガス放出孔１１３から基板１
１４側に放出される。
図２は、格子状シャワープレート１１１を基板１１４
側から見た平面図である。格子状シャワープレート１１
１は、本管２０１、枝管２０２、プロセス用ガス放出孔
１１３、及び格子状シャワープレートガス供給口２０４
を有する。点線で示す円２０５は基板１１４に対向する
領域である。本実施例では、ガスを基板１１４上に均一
に放出するため、格子状シャワープレートガス供給口２
０４が２つ設けられている。本管２０１、枝管２０２
は、それぞれ外径９．５３ｍｍ（３／８インチ)、６．３
５ｍｍ(１／４インチ)の金属管であり、接続部は溶接し
てある。枝管２０２は格子状配列されており、本管２０
１及び枝管２０２の間には開口部２０６が形成されてい
る。枝管２０２には、プロセス用ガスを基板面に斜め
に、基板全面にわたってほぼ均一に入射するような位置
に多数のガス放出孔１１３が形成されている。本実施例
では、プロセスの基板面内均一性を向上させるためにプ
ロセス用ガスを基板面に斜めに入射させるようにした
が、基板面に垂直に入射させるようにしてもよい。
本実施例では、腐食性ガスプラズマ雰囲気中でも半永
久的に使用できるように、配管の材料として従来用いら
れていたＳＵＳ３１６Ｌ材よりもアルミニウム成分が増
量された（４．１６％）高濃度アルミニウム含有ステン
レス鋼を用いて、この配管を弱酸化性雰囲気で高温（９
００℃）の処理を行い、配管表面に熱力学的に非常に安
定な酸化アルミニウム不働態膜を形成している。酸化ア
ルミニウム不働態膜を形成すると、腐食性の高い塩素ガ
スやフッ素ガスのプラズマに対しても優れた耐食性を示
すことが確認されている。
ラジアルラインスロットアンテナ１１０、誘電体隔壁
１０２、誘電体シャワープレート１０３、格子状シャワ
ープレート１１１、および基板１１４は、それぞれ平行
に配置されている。誘電体シャワープレート１０３と格
子状シャワープレート１１１との間隔は真空中でのマイ
クロ波の波長の１／４倍（３０ｍｍ）に、誘電体隔壁の
アンテナ１１０側の面と誘電体シャワープレート１０３
の基板１１４側の面との間の距離はマイクロ波の該当部
における波長の３／４倍（３０．７ｍｍ、うちギャップ
１０４が０．７ｍｍ）に、誘電体シャワープレートの厚
さはマイクロ波の該当部における波長の１／２倍（２０
ｍｍ）に設定されている。さらに、ラジアルラインスロ
ットアンテナと誘電体隔壁との間隔は、マイクロ波の波
長の１／４倍（３０ｍｍ）に設定されている。
図２に示すような格子状シャワープレート１１１をチ
ャンバ内に設置すると、プラズマからシャワープレート
表面へのイオン入射によりシャワープレート部材がスパ
ッタされて基板表面付近に混入し、汚染の問題が生じる
可能性がある。プラズマ中に挿入された物体の表面近傍
にはシースが形成され、このシース中の電界によりプラ
ズマ中のイオンが加速されて物体表面に入射する。イオ
ンの入射エネルギが、材料やイオン種固有のしきい値以
上であればスパッタリングが起こり、しきい値以下であ
ればスパッタリングは起こらない。例えば、各種金属表
面にＡｒ+イオンを入射させた場合、しきい値は１０数e
Ｖ〜３０eＶとなる。スパッタリングによる汚染を防止
するには、格子状シャワープレート１１１に入射するイ
オンのエネルギを１０数eＶ以下に抑えることが望まし
い。
プラズマ中の接地された物体表面に入射するイオンの
エネルギ（eV）は、シースにかかる電圧、すなわちプラ
ズマ電位をＶpとして、eＶp（eは電子の電荷）にほぼ等
しい。接地された物体の表面が絶縁膜で被覆されている
場合も同程度の値になる。図３は、プラズマ空間中のプ
ラズマ電位の分布を示すグラフである。図３中、ａ０１
は図１のマイクロ波プラズマプロセス装置における結果
を示し、ａ０２は高周波励起平行平板型プラズマプロセ
ス装置における結果を示している。プラズマ空間の間隔
は１２０ｍｍ、ガスはＡｒ、圧力は約６７Ｐａ(５００mTo
rr)に統一した。図３において、横軸zは基板に垂直方向
のプラズマ空間中の位置であり、マイクロ波プラズマ装
置では誘電体シャワープレート１０３表面を基準(z＝
０）とし、平行平板型プラズマ装置では基板と対向した
高周波印加電極の表面を基準とした。なお、マイクロ波
プラズマ装置では２．４５ＧＨzのマイクロ波を誘電体
シャワープレート１０３を通して導入し、平行平板型プ
ラズマ装置では１３．５６ＭＨzの高周波を高周波印加
電極に印加することによりプラズマを生成した。
平行平板型プラズマ装置では、プラズマ電位は３３Ｖ
程度であり、チャンバ内に格子状シャワープレート１１
１を設置するとスパッタリングによる汚染が発生するこ
とが明らかである。一方、マイクロ波プラズマ装置で
は、誘電体シャワープレート１０３から２０ｍｍ以上離
れると８Ｖ以下となり、プラズマ中に格子状シャワープ
レート１１１を配置してもスパッタされる恐れはない。
半導体製造プロセスに用いられている他のプラズマ装置
として、誘導結合プラズマ装置や電子サイクロトロン共
鳴プラズマ装置等があるが、何れの装置でもプラズマ電
位は通常３０Ｖ以上になる。このように、マイクロ波プ
ラズマ装置は、他のプラズマ装置と比較してプラズマ電
位が圧倒的に低いという特徴がある。これは、プラズマ
励起部も含めてプラズマ全体に渡って電子温度が低く抑
えられていることに起因している。格子状シャワープレ
ート１１１をマイクロ波プラズマ装置と組み合わせるこ
とにより、スパッタリングによる汚染を発生させること
なく初めてその効果を発揮させることが可能になる。
図１のプラズマプロセス装置を用いて、シリコン酸化
膜で被われた直径２００ｍｍのシリコン基板上にプラズ
マＣＶＤ（Ｃhemical Ｖapor Ｄeposition）法によりタ
ンタル薄膜を形成する実験を行った。図４は、誘電体シ
ャワープレート１０３表面の付着物が完全に取り除かれ
た状態でタンタルの成膜を開始し、成膜時間の経過とと
もにプラズマ中の電子密度がどのように変化するかを測
定した結果である。曲線３０１は従来のマイクロ波プラ
ズマ装置の構成、すなわち格子状シャワープレート１１
１を設置せずに、プラズマ励起用ガスとプロセス用ガス
を混合して双方とも誘電体シャワープレート１０３から
放出した場合の結果である。曲線３０２は本発明のマイ
クロ波プラズマ装置の構成、すなわち、格子状シャワー
プレート１１１を設置してプラズマ励起用ガスとプロセ
ス用ガスを分けて放出した場合の結果である。
電子密度の測定は、ウェーハの中心軸上でウェーハか
ら１５ｍｍ離れた地点で行った。プロセス用ガスとして
は、液体であるＴａ（Ｏ−Ｃ2Ｈ5）5をＡｒキャリアガ
スによりバブリングしたガスを用いた。プラズマ励起用
ガスとしてはＡｒを用いた。プロセス用ガスとプラズマ
励起用ガスの流量は、それぞれ１５０sccm、５００scc
m、真空容器内の圧力は約８０Ｐａ（０．６Torr）とし
た。プラズマ励起用マイクロ波の周波数は、２．４５Ｇ
Ｈz、電力は１．１kＷであった。
従来の構成では、成膜時間が３分を過ぎると次第に電
子密度が低下してプラズマが不安定になり、１１分でプ
ラズマが消失した。これは、誘電体シャワープレート１
０３表面に付着したタンタル薄膜が、マイクロ波を反
射、吸収したことが原因である。実際に、誘電体シャワ
ープレート１０３表面に付着した膜を分析した結果、炭
素を多量に含むタンタル薄膜が付着していることが明ら
かになった。タンタル薄膜の平均膜厚は４．３μｍであ
った。
一方、本発明の構成では、２０分の成膜を行っても電
子密度は全く変化せず、誘電体シャワープレート１０３
の表面へのタンタル薄膜の付着は確認されなかった。従
来の構成よりも成膜開始直後に電子密度が若干低いの
は、格子状シャワープレート１１１の存在により、プラ
ズマのウェーハ周辺への拡散が若干遮られるためであ
る。従来の構成では、成膜中にシャワープレート表面に
タンタル薄膜が付着してしまうため、成膜後に塩素系ガ
スプラズマ等を用いたチャンバ内面のクリーニングとメ
ンテナンスを頻繁に行う必要があり不経済で生産性が低
かった。しかし、本発明の構成では、クリーニングやメ
ンテナンスがほとんど必要なくなり、生産性が大幅に向
上した。
次に、シリコン酸化膜上に形成されたタンタル薄膜の
特性を評価した結果について述べる。２次イオン質量分
析装置でタンタル薄膜中の炭素含有量を測定したとこ
ろ、従来の構成では１０．５％と非常に多かったが、本
発明の構成では０．３％であることが分かった。従来の
構成では、有機金属ガスを誘電体シャワープレート１０
３から放出したため、プラズマ入射面付近の高密度で比
較的電子温度が高いプラズマによりガス分子が過度に分
解して分子量の小さな有機物が発生して膜中に混入し
た。しかし、本実施例の構成では、有機金属ガスを格子
状シャワープレート１１１から電子温度が低い拡散プラ
ズマ領域に放出したため、タンタル原子と有機物分子間
の結合のみが選択的に切れて蒸気圧の高い有機物しか発
生しなかったためである。
さらにタンタル薄膜の電気抵抗率を測定したところ、
従来の構成では炭素の含有量が多いため２２５×10-6Ω
cmであったが、本発明の構成では２１×10-6Ωcmと一桁
以上も低く、ほぼ理想的な薄膜が形成されていることが
明らかになった。このように、本発明のプラズマプロセ
ス装置を金属薄膜や強誘電体薄膜、高誘電率薄膜のＣＶ
Ｄに適用すると、薄膜の特性を大幅に向上させることが
可能になる。
次に、マイクロ波プラズマ装置のエッチングプロセス
への適合性について述べる。図５は、エッチングに必要
な基板表面へのイオン入射エネルギを得るのに基板にど
れだけ高周波電力を印加すればよいかを示すグラフであ
る。曲線４０１は、従来のマイクロ波プラズマ装置の構
成、すなわち、格子状シャワープレート１１１が存在し
ない場合の結果であり、曲線４０２は、本発明のマイク
ロ波プラズマ装置の構成、すなわち、接地された格子状
シャワープレート１１１が存在する場合の結果である。
プラズマ励起用ガスとしては、Ａｒを用いた。真空容器
内の圧力は約４Ｐａ（３０ｍTorr)、プラズマ励起用の
マイクロ波の周波数は、２．４５ＧHz、電力は１．１kＷ
であった。また、基板へ印加した高周波の周波数は２ＭH
zであった。
図５より、同じ基板表面へのイオン入射エネルギを得
るのに、本発明の構成では従来の１／５程度の高周波電
力を印加すれば十分であることが分かる。すなわち、大
幅な効率化と高周波電源や整合器の小型化、低コスト化
が可能になる。
図６は、エッチングに必要な基板表面へのイオン入射
エネルギを得るのに必要な電力を基板に印加したとき
に、接地部表面へのイオン入射エネルギがどう変化する
かを示すグラフである。曲線５０１は、従来のマイクロ
波プラズマ装置の構成、すなわち、格子状シャワープレ
ート１１１が存在しない場合の結果であり、曲線５０２
は、本発明のマイクロ波プラズマ装置の構成、すなわ
ち、接地された格子状シャワープレートが存在する場合
の結果である。条件の図５の場合と同じである。
図６より、従来の構成では、接地部表面へのイオン入
射エネルギは基板表面へのイオン入射エネルギと同程度
の非常に高い値であることが分かる。例えば、シリコン
酸化膜の反応性イオンエッチングでは、基板表面に４０
０eＶ程度のイオンを入射させる必要がある。このイオ
ン入射エネルギを得るためには基板に１６００Ｗの高周
波電力を印加する必要があり、このとき接地部表面への
イオン入射エネルギは３７０eＶとなる。このような高い
運動エネルギを持ったイオンがチャンバ壁や格子状シャ
ワープレートなどの接地部表面に入射すると、壁面がス
パッタされて不純物汚染の原因になる。また、スパッタ
リングにより削られるため、寿命が著しく短い。一方、
本発明の構成では、プラズマが接する接地部表面の面積
が基板の面積と比較して十分大きいため、接地面へのイ
オン入射エネルギは１０eＶから２０eＶと低い値に抑え
られており、接地面がスパッタされることはない。
表１は、シリコン基板表面のシリコン酸化膜のエッチ
ングを行ったときの、レジストとシリコン酸化膜のエッ
チング選択比、セルフアラインコンタクト形成時に不可
欠なシリコン窒化膜とシリコン酸化膜のエッチング選択
比、および０．２５μｍ のシリコン酸化膜コンタクト
ホールを形成した後にアルミニウム電極を形成して電極
と下地のシリコンとのコンタクト抵抗を測定した結果を
示す。
プラズマ励起用ガスには、Ａｒを用いた。プラズマ励
起用ガスの流量は３２０sccｍであった。また、プロセ
ス用ガスには、Ｃ4Ｆ8／ＣＯ／Ｏ2／Ｘｅの混合ガスを
用いた。プロセス用ガスの流量は１０５sccｍであっ
た。真空容器内の圧力は約４Ｐａ（３０ｍTorr)であっ
た。プラズマ励起用のマイクロ波の周波数は、２．４５
ＧHz、電力は１．１kＷであり、基板へ印加した高周波
の周波数は２ＭHzであった。基板へ印加した高周波の電
力は、基板表面へのイオン入射エネルギが４００eＶに
なるように設定した。
次世代の超微細高性能半導体デバイスを実現するに
は、レジストとシリコン酸化膜の選択比は１０以上、シ
リコン窒化膜とシリコン酸化膜の選択比は３０以上必要
である。従来の構成では、ＣＦ系ガスの分解が過度に進
行して選択比を低下させる要因となるフッ素ラジカルや
フッ素イオンが多量に生成されるため、レジストに対し
ても、シリコン窒化膜に対しても十分なエッチング選択
比を得ることができない。また、チャンバ壁など接地部
表面がスパッタされてコンタクトホール底のシリコン表
面付近に混入するため、コンタクト抵抗が非常に高くな
る。このままではデバイスには使えないため、シリコン
表面付近のダメージ層を取り除く行程が必要になり、半
導体製造コスト増大と生産性低下を招いていた。
一方、本発明の構成では、プロセス用ガスがプラズマ
拡散部の電子温度が極めて低い部分に導入されるため、
ＣＦ系ガスの分解が適度に抑制され、レジストに対して
もシリコン窒化膜に対しても十分なエッチング選択比を
得ることができる。また、不純物の汚染がないため、コ
ンタクト抵抗も低く抑えられている。
図７は、投入マイクロ波電力を一定にして誘電体部の
厚さ（誘電体隔壁１０２の厚さ＋誘電体シャワープレー
ト１０３の厚さ）を変えたときに、プラズマ中の電子密
度がどのように変化するかを測定した結果を示すグラフ
である。マイクロ波周波数は２．４５ＧHz、マイクロ波
電力は１．８kＷであった。ギャップ１０４は０．７ｍ
ｍであった。ガスはＡｒ、圧力は約６７Ｐａ（５００ｍ
Torr）であった。電子密度は誘電体シャワープレートか
ら２２ｍｍ離れた地点で測定した。
図７より、プラズマ中の電子密度は、誘電体部の厚さ
とともに周期的に変化することが分かった。プラズマ励
起効率（プラズマ励起に使われた電力／マイクロ波電源
が供給した電力）は電子密度に比例する。本実施列で
は、プラズマ励起効率は、誘電体部の厚さの変化ととも
に２１％から７５％まで周期的に変化した。この現象
は、次のように説明できる。
マイクロ波入射面付近の電子密度はカットオフ密度
(２．４５ＧHzにおいて７．４５×１０10cm-3)よりも十
分高い（１０12cm-3以上）ため、プラズマ表面に入射し
たマイクロ波は表面から侵入長(３ｍｍ位)程度しかプラ
ズマ中に侵入できず、ほぼ完全に反射される。反射され
たマイクロ波はアンテナで受信された後、アンテナとマ
イクロ波電源間に接続された整合器で反射されて再びア
ンテナから放射される。すなわち、プラズマ表面近傍と
整合器の間は、マイクロ波の共振状態になっている。こ
の部分には高いエネルギ密度のマイクロ波が存在するこ
とになり、導波路の金属壁のわずかな導体損やスロット
アンテナ内の誘電体のわずかな誘電損により、大きな損
失が生じる。この損失がマイクロ波からプラズマに与え
られる電力よりも大きい場合には、プラズマ表面近傍と
整合器の間のマイクロ波電力密度は、プラズマの状態に
あまり依存しない。共振器中のマイクロ波電力密度を一
定と仮定すると、誘電体部がアンテナ側の面がマイクロ
波電界の定在波の腹の位置になるような厚さの時に誘電
体中のマイクロ波電力密度が最大となり、最も効率よく
プラズマを励起できる。逆に、誘電体部がアンテナ側の
面が定在波の節の位置になるような厚さの時に誘電体中
のマイクロ波電力密度が最小となり、プラズマ励起効率
は最も低くなる。誘電体部のアンテナ側の面をマイクロ
波電界の定在波の腹の位置にするには、誘電体隔壁のア
ンテナ側の面と誘電体シャワープレート１０３の基板側
の面との間の距離が、該当部の波長の１／４の奇数倍に
なっていればよい。誘電体シャワープレート１０３の基
板側の面は、導体と見なせるプラズマの存在によりほぼ
短絡面（定在波の節の位置）と見なすことができるため
である。図７より、電子密度が最大値をとる誘電体部の
厚さは３０ｍｍおよび５０ｍｍであることが分かる。こ
れらは誘電体隔壁のアンテナ側の面と誘電体シャワープ
レート１０３の基板側の面との距離が、それぞれ波長の
３／４倍および５／４倍に相当する。
従来の構成では、誘電体部の厚さが機械的強度のみで
決定されていたため、プラズマ励起効率が低い場合が多
く、また励起効率が装置によってまちまちであった。本
発明の構成では、プラズマ励起効率が７５％程度と高
く、従来の構成の最大３．６倍にもなる。即ち、より低
消費電力、小型で安価なマイクロ波電源で高密度プラズ
マを生成することが可能になった。
図８は、誘電体部の厚さを３０ｍｍに固定して誘電体
シャワープレート１０３の厚さを変えたときに、ギャッ
プ１０４中で放電が開始するマイクロ波電力密度を測定
した結果を示すグラフである。ギャップ中で放電が開始
するマイクロ波電力密度は、誘電体シャワープレート１
０３の厚さとともに周期的に変化することが分かる。ギ
ャップ中で放電するとプロセス空間のプラズマが不安定
になるため、放電は絶対に避けなければならない。ギャ
ップ中での放電を防止するには、ギャップがマイクロ波
電界の定在波の節の位置になるように誘電体シャワープ
レート１０３の厚さを決めればよい。すなわち、誘電体
シャワープレート１０３の厚さが、該当部の波長の１／
２の整数倍になっていればよい。図８より、誘電体シャ
ワープレート１０３の厚さが２０ｍｍのときギャップ１
０４中で最も放電しにくく、１０ｍｍのとき最も放電し
やすいことが分かる。これらは、それぞれ波長の１／２
倍および１／４倍に相当する。
従来の構成では、シャワープレートの厚さが機械的強
度およびガスのコンダクタンスのみで決定されていたた
め、ギャップ中で放電しやすい場合が多く、プラズマに
大電力を投入することが困難であった。本発明の構成で
は、プラズマに大電力を投入してもギャップ１０４中で
放電することがないため、常に安定な高密度プラズマを
励起することが可能である。
図９は、誘電体シャワープレート１０３と格子状シャ
ワープレート１１１との間隔を変えたときに、プロセス
空間（誘電体シャワープレート１０３と基板１１４の
間）で放電が開始するマイクロ波電力密度と、基板１１
４周辺の電子密度を測定した結果を示すグラフである。
誘電体シャワープレート１０３と格子状シャワープレ
ート１１１との間隔が波長の１／４倍より短くなると、
プロセス空間において急に放電しにくくなることが分か
る。これは次のように説明される。金属で構成された格
子状シャワープレート１１１は、格子間隔をマイクロ波
の波長よりも十分短くしておくとマイクロ波の短絡面と
なる。マイクロ波をチャンバ内に投入した後、プラズマ
着火前には、格子状シャワープレート１１１への入射波
と格子状シャワープレート１１１の表面付近で反射され
た反射波が定在波を形成する。誘電体シャワープレート
１０３と格子状シャワープレート１１１との間隔が波長
の１／４倍より長い場合には、プラズマ空間中にマイク
ロ波電界の定在波の腹の部分が存在し、この電界が強い
部分で放電が開始する。直後に、そのプラズマを種とし
てマイクロ波入射面付近に高密度プラズマが生成され
る。一方、誘電体シャワープレート１０３と格子状シャ
ワープレート１１１との間隔が波長の１／４倍をより短
い場合には、誘電体シャワープレート１０３の表面でマ
イクロ波電界が最大になるが、間隔が短くなるにつれて
電界強度が小さくなり放電しにくくなる。
図９より、基板周辺の電子密度は、誘電体シャワープ
レート１０３と格子状シャワープレート１１１との間隔
が増大するにつれて低下することが分かる。マイクロ波
入射面付近でプラズマが励起されて基板の方へ拡散する
ため、マイクロ波入射面から離れるに従って電子密度が
低下するためである。低マイクロ波電力で高速プロセス
を実現するためには、プロセス空間において放電しやす
く、基板周辺の電子密度は高い方がよい。これらの要請
を両立させるには、誘電体シャワープレート１０３と格
子状シャワープレート１１１との間隔を波長の１／４倍
にすればよいことになる。
図１０は、誘電体部の厚さを３０ｍｍに固定してラジ
アルラインスロットアンテナ１１０と誘電体シャワープ
レート１０３との間隔を変えたときに、アンテナ１１０
のスロット部で放電が開始するマイクロ波電力密度を測
定した結果を示すグラフである。スロット部で放電が開
始するマイクロ波電力密度は、アンテナ１１０と誘電体
シャワープレート１０３との間隔とともに周期的に変化
することが分かる。スロット部で放電するとアンテナ１
１０が破損し、またプロセス空間のプラズマが不安定に
なるため、絶対に避けなければならない。スロット部で
の放電を防止するには、アンテナ１１０の表面がマイク
ロ波電界の定在波の節の位置になるようにアンテナ１１
０と誘電体シャワープレート１０３との間隔を決めれば
よい。誘電体シャワープレート１０３のアンテナ側の面
でマイクロ波電界の定在波が腹になっているとき、すな
わち誘電体隔壁のアンテナ側の面と誘電体シャワープレ
ート１０３の基板側の面との間の距離が該当部の波長の
１／４の奇数倍に設定されている場合、アンテナ１１０
と誘電体シャワープレート１０３との間隔が波長の１／
４の奇数倍になっていればよい。図１０より、アンテナ
１１０と誘電体シャワープレート１０３との間隔が３０
ｍｍ及び９０ｍｍのとき、スロット部で最も放電が起こ
りにくく、６０ｍｍのときに最も放電が起こりやすいこ
とが分かる。３０ｍｍ、６０ｍｍおよび９０ｍｍは、そ
れぞれ波長の１／４、２／４および３／４倍に相当す
る。
従来の構成では、アンテナ１１０のスロット部で放電
しやすい場合が多く、プラズマに大電力を投入すること
が困難であった。本発明の構成では、プラズマに大電力
を投入してもスロット部で放電することがないため、常
に安定な高密度プラズマを励起することが可能である。
このように、本実施例の装置を用いれば、基板への高
効率周波数バイアス印加および高効率マイクロ波プラズ
マ生成が可能になり、高周波電源やマイクロ波電源の小
型化による装置専有面積の縮小、装置の低コスト化を図
ることができる。さらに、大電力のマイクロ波を投入し
ても誘電体隔壁と誘電体シャワープレート１０３間のギ
ャップやラジアルラインスロットアンテナ１１０のスロ
ット部で放電することがないため、より高密度で安定し
たプラズマを生成することが可能になり、高生産性プロ
セスが実現される。プロセス用ガスの過剰解離が抑制さ
れ不純物汚染がないため、従来のプラズマプロセスを革
新する高性能プロセスが可能になる。
（実施例２） 次に、本発明の第２の実施例によるプラズマプロセス
装置について図１１及び図１２を参照しながら説明す
る。図１１は、本発明の第２の実施例によるプラズマプ
ロセス装置に設けられた格子状シャワープレート６００
を基板側から見た平面図である。図１２は図１１のＸＩ
Ｉ−ＸＩＩ線に沿った断面図である。本発明の第２の実
施例によるプラズマプロセス装置は、図１１に示す格子
状シャワープレート６００以外は図１に示す本発明の第
１の実施例によるプラズマプロセス装置と同様であり、
その説明は省略する。
図１１に示すように、格子状シャワープレート６００
は、本管６０１、枝管６０２、プロセス用ガス放出部６
０３(ハッチング部)、及び格子状シャワープレートガス
供給口６０４よりなる。図１２に示すように、枝管６０
２は被膜６０６を有する。なお、図１１において点線に
より示す円６０５は、基板に対向する領域を示してい
る。
本実施例では、本管６０１は気孔率０．０３％のアル
ミナセラミックスにより形成され、枝管６０２は気孔率
３２％の多孔質アルミナセラミックスにより形成されて
いる。枝管６０２は格子状に配列されており、本管６０
１と枝管６０２は、セラミックス系の接着剤で接合され
ている。したがって、本管６０１と枝管６０２とにより
開口部６０７が形成されている。多孔質アルミナセラミ
ックスはガスを透過する性質があり、管内の圧力を管外
よりも適度に高い圧力にすることによりシャワープレー
トとして機能する。多孔質アルミナセラミックスをシャ
ワープレートに用いると、上述の第１の実施例のように
ガス放出孔を多数設けた場合と比較して、より均一にガ
スを放出することが可能になる。枝管６０２の表面のう
ちガス放出部以外は、ガスが放出されないように被膜６
０６で覆われている。被膜６０６は、厚さ２２０μｍ、
気孔率０．８％のアルミナセラミックスである。
アルミナセラミックスは腐食性ガスプラズマに対する
耐久性に優れており、長寿命のシャワープレートを構成
できる。一方、電気伝導性がないため、プラズマが接す
る接地面を増大させる効果がなく、基板表面に高いエネ
ルギのイオンを入射させなければならない反応性イオン
エッチング等のプロセスには適さない。このため、本実
施例の装置は、ＣＶＤや酸化、窒化などの薄膜形成やレ
ジストアッシングに使用することが望ましい。
本実施例では格子状シャワープレート６００をアルミ
ナセラミックスで構成したが、熱伝導率が高い窒化アル
ミニウムセラミックスで構成してもよい。また、アルミ
ニウムやステンレスなどの金属を多量に含有する導電性
のあるアルミナセラミックスを用いてもよい。この場合
には、プラズマが接する接地面を増大させる効果がある
ため、基板表面に高いエネルギのイオンを入射させなけ
ればならないプロセスにも適用可能になる。
（実施例３） 次に、本発明の第３の実施例によるプラズマプロセス
装置について図１３及び図１４を参照しながら説明す
る。図１３は、本発明の第３の実施例によるプラズマプ
ロセス装置に設けられた格子状シャワープレート７００
のを基板側から見た平面図である。図１４は図１３のＸ
ＩＶ−ＸＩＶ線に沿った断面図である。本発明の第３の
実施例によるプラズマプロセス装置は、図１３に示す格
子状シャワープレート７００以外は図１に示す本発明の
第１の実施例によるプラズマプロセス装置と同様であ
り、その説明は省略する。
図１２に示す格子状シャワープレート７００は、ガス
導入路７０１、プロセス用ガス放出孔７０２、格子状シ
ャワープレートガス供給口７０３、格子状シャワープレ
ート本体７０５、及び格子状シャワープレート蓋７０６
を有する。なお、点線により示す円７０４は、基板に相
当する領域を示している。
断面が矩形のガス導入路７０１が縦横に碁盤目状に形
成されており、隣り合うガス導入路の間にはプラズマや
ガスを通過させるための開口部７０７が形成されてい
る。格子状シャワープレート本体７０５および格子状シ
ャワープレート蓋７０６は、マグネシウムを３％含有す
るアルミニウムで構成されており、両者は電子ビーム溶
接により接合されている。格子状シャワープレート本体
７０５および格子状シャワープレート蓋７０６は、腐食
性ガスに対する耐性を向上させるために、電子ビーム溶
接後にフッ素ガス雰囲気中で熱処理が施され、表面にフ
ッ化マグネシウムとフッ化アルミニウムの混合膜が形成
されている。
本実施例は、上述の第１の実施例と比較して、格子状
シャワープレート７００の高周波電流が流れるパスの断
面積が大きく抵抗率の小さな材料を用いているため、よ
りプラズマと接地間のインピーダンスを低下させる効果
が高い。すなわち、より電力効率が高いプラズマ装置を
構成できる。なお、本実施例では、格子状シャワープレ
ート７００をアルミニウムで構成したが、ステンレスや
高濃度アルミニウム含有ステンレスで構成してもよい。
（実施例４） 図１５は、本発明の第４の実施例によるプラズマプロ
セス装置の断面図である。本発明の第４の実施例による
プラズマプロセス装置は、真空容器８０１、誘電体隔壁
８０２、誘電体シャワープレート８０３、ギャップ８０
４、シャワープレート固定治具８０５、プラズマ励起用
ガス供給口８０６、プラズマ励起用ガス放出孔８０７、
マイクロ波導波路８０８、格子状シャワープレート８０
９、プロセス用ガス供給口８１０、プロセス用ガス放出
孔８１１、ステージ８１３、及び排気口８１４を有す
る。プラズマ処理される基板８１２はステージ８１３上
に載置される。
本実施例では、真空容器８０１はアルミニウム、誘電
体隔壁８０２は酸化アルミニウム、誘電体シャワープレ
ート８０３は窒化アルミニウム、シャワープレート固定
治具８０５はアルミニウムで構成されている。格子状シ
ャワープレート８０９は、上述の第１乃至第３の実施例
のいずれか一つと同様な構成とされており、上述の第１
の実施例と同様に、酸化不働態処理された高濃度アルミ
ニウム含有ステンレスで形成されている。プラズマ励起
用マイクロ波の周波数は２．４５ＧHzである。基板８１
２は液晶ディスプレイ用の角形ガラス基板であり、サイ
ズは５５０×６５０ｍｍ2である。
マイクロ波導波路８０８は、紙面に垂直方向に延在す
る単一モードの矩形導波管であり、下面は誘電体壁、他
の部分は金属壁で囲まれている。マイクロ波は、単一の
マイクロ波電源で発生され、装置の中央部付近にて導波
管により２本のマイクロ波導波路８０８に分配して供給
される。マイクロ波導波路８０８中を伝搬するマイクロ
波の一部は、誘電体隔壁８０２から漏れ出し、誘電体シ
ャワープレート８０３を介して真空容器８０１内に導入
され、プラズマを励起する。プラズマが励起されると、
プラズマと誘電体シャワープレート８０３との境界付近
に誘電体シャワープレート８０３の表面に沿って伝搬す
る表面波が励起される。均一な表面波を励起することに
より、大面積で均一なプラズマが得られる。本実施例で
は２枚の誘電体シャワープレート８０３が設置されてい
るが、これらの表面を伝搬する表面波が互いに干渉しな
いように、誘電体シャワープレート８０３の間は接地さ
れたシャワープレート固定治具８０５で電気的に仕切ら
れている。
誘電体シャワープレート８０３、格子状シャワープレ
ート８０９、および基板８１２は、それぞれ平行に配置
されている。誘電体シャワープレート８０３と格子状シ
ャワープレート８０９との間隔はマイクロ波の波長の１
／４倍(３０ｍｍ)に設定されている。
本発明のプラズマプロセス装置をパックゲート型のＴ
ＦＴ（Thin Film Transistor）液晶ディスプレイ製造に
用いた。適用したプロセスは、ＣＶＤ法による、１）シ
リコン窒化膜形成プロセス、２）シリコン窒化膜上への
多結晶シリコン膜形成プロセス、３）多結晶シリコン膜
上へのｎ+シリコン膜形成プロセス、４）シリコン膜エ
ッチングプロセス、及び５）シリコン表面直接酸化プロ
セスであった。以下の表２は、これらの各プロセスに使
用したガス種と圧力が示されている。
半導体でも液晶ディスプレイでも基板が大型化される
傾向にある。大型基板を全くトラブルなく高速に搬送す
ることは技術的に困難でコストもかかる。また、基板の
大型化に伴い装置も大型化し、装置や製造工場（クリー
ンルーム）の初期投資コスト、ランニングコストが膨大
なものになっている。このため、１台の装置で多くのプ
ロセスを連続して行い、極力基板を移動させないで製造
を行うことが強く求められている。
本実施例では、１）から３）までのプロセスは、基板
８１２を動かすことなくガスを切り替えることにより連
続して行うことができる。４）と５）のプロセスも同様
である。本実施例のプラズマプロセス装置は、誘電体シ
ャワープレート８０３と格子状シャワープレート８０９
から放出されるガスを切り替えることにより、１台の装
置で成膜、エッチング、酸化、窒化、アッシングなど多
数のプラズマプロセスを行えるという特徴があり、この
ような連続プロセスにも柔軟に対応できる。
以下の表３は、現在液晶ディスプレイ製造に広く用い
られている平行平板型プラズマプロセス装置（従来の装
置）と本実施例によるプラズマプロセス装置を用いて同
じプロセスを行った場合の結果を比較したものである。
シリコン窒化膜はゲート絶縁膜や層間絶縁膜として用
いられ、高耐圧でリーク電流が小さい膜を高速に成膜す
ることが求められている。本実施例の装置では、成膜表
面に入射するイオンのエネルギが従来の装置の１／３以
下と低く（４〜７eＶ）、薄膜にイオン照射ダメージを
与えることがないため、従来の３倍近い耐圧を有する高
品質シリコン窒化膜が形成されている。さらに、電子密
度が従来の平行平板型プラズマ装置より１桁程度高いた
め（＞２×1012cm-3)、成膜速度が速く生産性が飛躍的
に向上する。
シリコン膜は、ＴＦＴの心臓部であるチャネル部に用
いられる。トランジスタの電流駆動能力を向上させるた
めに、チャネル移動度が高いシリコン膜を絶縁膜上に堆
積させる必要がある。従来の装置では、アモルファス膜
しか形成できなかったため移動度が非常に低かった
（０．２cm2/V・sec程度)。アモルファス膜にレーザーを
照射して多結晶化するレーザアニール処理を行うと高移
動度の多結晶シリコン膜が得られるが、処理に非常に時
間がかかり実用的ではない。本発明のマイクロ波プラズ
マプロセス装置を用いると、２５０℃という低い基板温
度でアニールなしで２８０cm2/V・sec程度の高移動度多
結晶シリコン膜がＣＶＤ法で堆積できた。また、高速成
膜が可能で生産性にも優れ、他に類を見ない画期的な薄
膜形成技術である。
n+シリコン膜は、ＴＦＴのソース、ドレインコンタク
ト部に用いられ、トランジスタの電流駆動能力を向上さ
せるためにキャリア密度が高く、抵抗率が小さいことが
求められる。本発明の装置を用いると、成膜表面に照射
するイオンのエネルギが小さいため膜にダメージを与え
ることがなく、キャリアの活性化率が向上してより抵抗
率の小さな膜が得られた。
表３の４）シリコン膜エッチングプロセス及び５）シ
リコン直接酸化プロセスは、基板８１２を装置外部に取
り出すことなく同一チャンバで連続して行われた。バッ
クゲート型ＴＦＴのソースとドレイン間のギャップをエ
ッチングした後、下地のソース、ドレインコンタクト用
n+シリコン（アモルファスまたはマイクロクリスタル）
膜を酸化して絶縁物（ＳｉＯ2）に代えてソースとドレ
イン間を絶縁する行程である。エッチングは高速で行わ
なければならないが、本実施例の装置を用いるとプラズ
マ密度が高いためエッチング反応が促進されて従来の倍
以上のエッチング速度が得られた。
ソースとドレイン間の絶縁をとるには、n+シリコン膜
（膜厚１５ｎｍ程度）の内部まで完全に酸化する必要が
ある。このとき、基板温度は３５０℃程度以下でなけれ
ばならない。従来の装置で基板温度３００℃の低温プラ
ズマ酸化を行うと、３分で７ｎｍ程度の深さまでしか酸
化が進まない。このため、膜全体を酸化することができ
ず、ソースとドレイン間の絶縁はとれない。一方、本実
施例の装置では、基板温度３００℃において３分の酸化
で２８ｎｍ以上の深さまで酸化が進行するため、n+シリ
コン膜全体を酸化してソースとドレイン間を完全に絶縁
することが可能である。これは、電子密度が高いため酸
化種である酸素ラジカルが多量に生成され、かつ基板表
面への多量のイオン照射により酸素ラジカルの酸化膜中
の拡散が促進されるためである。
本発明は具体的に開示された上述の実施例に限定され
るものではなく、本発明の範囲を逸脱すること無く様々
な改良例及び変形例がなされるであろう。
フロントページの続き (56)参考文献 特開 平９−326383（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−260434（ＪＰ，Ａ) 特開 平11−302824（ＪＰ，Ａ) 特開 平８−111297（ＪＰ，Ａ) 特開 平８−106994（ＪＰ，Ａ) 国際公開98／33362（ＷＯ，Ａ１) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H01L 21/3065 H01L 21/205 H05H 1/46

Claims (15)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 内部が減圧可能な容器(101)と、該容器
    内にガスを供給するガス供給システムと、該容器内に供
    給されたガスを排気するとともに該容器内を減圧するた
    めの排気システムとを有し、該容器(101)を構成する壁
    の一部はマイクロ波を実質的に損失なく透過する材料か
    らなる平板状の誘電体板(102)であり、該誘電体板と該
    容器内に励起されたプラズマの間にはマイクロ波を実質
    的に損失なく透過する材料からなる平板状の誘電体シャ
    ワープレート(103)を有し、該誘電体シャワープレート
    には複数のガス放出孔(107)が形成されており、該ガス
    供給システムにより供給されたガスのうち少なくとも一
    部は該誘電体板(102)と該誘電体シャワープレート(103)
    との間の隙間(104)を通って該複数のガス放出孔(107)か
    ら放出されるように構成されており、該誘電体板(102)
    を挟んで該容器(101)の外側には該誘電体板を通してプ
    ラズマ励起用のマイクロ波を供給するための平板状のス
    ロットアンテナ(110)を有し、該容器の内側には被処理
    基体(114)を保持する電極(115)が設けられ、該被処理基
    体(114)に対して処理を行うプラズマプロセス装置であ
    って、 該誘電体シャワープレート(103)と該被処理基体(114)と
    の間に、該誘電体シャワープレートから放出されるガス
    とは異なる組成のガスを該被処理基体側に放出する格子
    状シャワープレート(111;600;700)を有し、該誘電体シ
    ャワープレート(103)から放出されたガスにより該誘電
    体シャワープレートと該格子状シャワープレートとの間
    の空間で生成されたプラズマは該格子状シャワープレー
    トの開口部(206;607;707)を通って該被処理基体側に形
    成されたプラズマ拡散空間に流れ、該格子状シャワープ
    レートは該スロットアンテナから放射されたマイクロ波
    を反射するように構成されていることを特徴とするプラ
    ズマプロセス装置。
  2. 【請求項２】 請求項１記載のプラズマプロセス装置で
    あって、前記格子状シャワープレート(111:600)は金属
    管で構成され、該金属管の前記被処理基体側には複数の
    ガス放出孔(203:603)が設けられ、且つ該金属管は接地
    されていることを特徴とするプラズマプロセス装置。
  3. 【請求項３】 請求項２項記載のプラズマプロセス装置
    であって、前記金属管はアルミニウムを含んだステンレ
    スで構成され、表面は酸化アルミニウムを主体とする不
    働態膜で被覆されていることを特徴とするプラズマプロ
    セス装置。
  4. 【請求項４】 請求項１項記載のプラズマプロセス装置
    であって、前記誘電体シャワープレート(103)と前記格
    子状シャワープレート(111;600,700)とは実質的に互い
    に平行に配置されており、それらの間隔が前記マイクロ
    波の真空中での波長の１／４倍に実質的に等しいことを
    特徴とするプラズマプロセス装置。
  5. 【請求項５】 請求項１乃至４項のうちいずれか一項記
    載のプラズマプロセス装置であって、前記誘電体板(10
    2)と前記誘電体シャワープレート(103)は実質的に平行
    に配置されており、前記誘電体板(102)の前記スロット
    アンテナ側の面と前記誘電体シャワープレート(103)の
    前記被処理基体側の面との間の距離が、前記マイクロ波
    の該当部における波長の１／４の奇数倍に実質的に等し
    いことを特徴とするプラズマプロセス装置。
  6. 【請求項６】 請求項５記載のプラズマプロセス装置で
    あって、前記スロットアンテナ(110)と前記誘電体板(10
    2)は実質的に互いに平行に配置されており、それらの間
    隔が前記マイクロ波の該当部における波長の１／４の奇
    数倍に実質的に等しいことを特徴とするプラズマプロセ
    ス装置。
  7. 【請求項７】 請求項１乃至４のうちいずれか一項記載
    のプラズマプロセス装置であって、前記誘電体シャワー
    プレート(103)の厚さが、前記マイクロ波の該当部にお
    ける波長の１／２の整数倍に実質的に等しいことを特徴
    とするプラズマプロセス装置。
  8. 【請求項８】 請求項７項記載のプラズマプロセス装置
    であって、前記スロットアンテナ(110)と前記誘電体板
    (102)は実質的に互いに平行に配置されており、それら
    の間隔が前記マイクロ波の該当部における波長の１／４
    の奇数倍に実質的に等しいことを特徴とするプラズマプ
    ロセス装置。
  9. 【請求項９】 内部が減圧可能な容器(801)と、該容器
    内にガスを供給するガス供給システムと、該容器内に供
    給されたガスを排気するとともに該容器内を減圧するた
    めの排気システムとを有し、該容器(801)を構成する壁
    の一部はマイクロ波を実質的に損失なく透過する材料か
    らなる平板状の誘電体板(802)であり、該容器の該誘電
    体板以外の壁の少なくとも一部は接地された金属壁であ
    り、該誘電体板(802)および該金属壁と該容器内に励起
    されたプラズマの間にはマイクロ波を実質的に損失なく
    透過する材料からなる平板状の誘電体シャワープレート
    (803)を有し、該誘電体シャワープレートには複数のガ
    ス放出孔(807)が形成されており、該ガス供給システム
    により供給されたガスのうち少なくとも一部は該金属壁
    と該誘電体シャワープレート(803)との間の隙間(804)を
    通って該複数のガス放出孔(807)から放出されるように
    構成されており、該誘電体板(802)を挟んで該容器(801)
    の外側には壁の一部が該誘電体板(802)で構成された単
    一モードの導波管(808)を有し、該容器の内側には被処
    理基体(812)を保持する電極(813)を設け、該被処理基体
    に対して処理を行うプラズマプロセス装置において、 該誘電体シャワープレート(803)と該被処理基体(812)と
    の間には、該誘電体シャワープレートから放出されるガ
    スとは異なる組成のガスを該被処理基体側に放出する格
    子状シャワープレート(809)が設けられ、該誘電体シャ
    ワープレート(803)から放出されたガスにより該誘電体
    シャワープレートと該格子状シャワープレートとの間の
    空間で生成されたプラズマは該格子状シャワープレート
    (809)の開口部を通って該被処理基体側に形成されたプ
    ラズマ拡散空間に流れ、該格子状シャワープレートは該
    スロットアンテナから放射されたマイクロ波を反射する
    ように構成されていることを特徴とするプラズマプロセ
    ス装置。
  10. 【請求項１０】 請求項９項記載のプラズマプロセス装
    置であって、前記格子状シャワープレート(809)は金属
    管で構成され、該金属管の前記被処理基体側の面には複
    数のガス放出孔(811)が設けられ、該金属管は接地され
    ていることを特徴とするプラズマプロセス装置。
  11. 【請求項１１】 請求項１０記載のプラズマプロセス装
    置であって、前記金属管はアルミニウムを含んだステン
    レスで構成され、表面は酸化アルミニウムを主体とする
    不働態膜で被覆されていることを特徴とするプラズマプ
    ロセス装置。
  12. 【請求項１２】 請求項９乃至１１のうちいずれか一項
    記載のプラズマプロセス装置であって、前記誘電体シャ
    ワープレート(803)と前記格子状シャワープレート(809)
    は実質的に互いに平行に配置されており、それらの間隔
    が前記マイクロ波の真空中での波長の１／４倍に実質的
    に等しいことを特徴とするプラズマプロセス装置。
  13. 【請求項１３】 内部が減圧可能な容器(101)と、該容
    器内にガスを供給するガス供給システムと、該容器内に
    供給されたガスを排気するとともに該容器内を減圧する
    ための排気システムとを有し、該容器を構成する壁の一
    部はマイクロ波を実質的に損失なく透過する材料からな
    る平板状の誘電体板(102)であり、該誘電体板と該容器
    内に励起されたプラズマの間にはマイクロ波を実質的に
    損失なく透過する材料からなる平板状の誘電体シャワー
    プレート(103)を有し、該誘電体シャワープレートには
    複数のガス放出孔(107)が形成されており、該ガス供給
    システムにより供給されたガスのうち少なくとも一部は
    該誘電体板(102)と該誘電体シャワープレート(103)との
    間の隙間(104)を通って該複数のガス放出孔(107)から放
    出されるように構成されており、該誘電体板(102)を挟
    んで該容器(101)の外側には該誘電体板を通してプラズ
    マ励起用のマイクロ波を供給するための平板状のスロッ
    トアンテナ(110)を有し、該容器の内側には被処理基体
    (114)を保持する電極(115)を設け、該被処理基体に対し
    て処理を行うプラズマプロセス装置であって、 該スロットアンテナ(110)、該誘電体板(102)、該誘電体
    シャワープレート(103)はそれぞれ実質的に互いに平行
    に配置されており、該誘電体板(102)の該スロットアン
    テナ側の面と該誘電体シャワープレート(103)の該被処
    理基体側の面との間の距離が、該マイクロ波の該当部に
    おける波長の１／４の奇数倍に実質的に等しいことを特
    徴とするプラズマプロセス装置。
  14. 【請求項１４】 請求項１３記載のプラズマプロセス装
    置であって、前記誘電体シャワープレート(103)の厚さ
    が、前記マイクロ波の該当部における波長の１／２の整
    数倍に実質的に等しいことを特徴とするプラズマプロセ
    ス装置。
  15. 【請求項１５】 請求項１３又は１４記載のプラズマプ
    ロセス装置であって、前記スロットアンテナ(110)と前
    記誘電体板(102)との間隔が、前記マイクロ波の該当部
    における波長の１／４の奇数倍に実質的に等しいことを
    特徴とするプラズマプロセス装置。
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