JP5852878B2

JP5852878B2 - 沿面放電型プラズマ生成器ならびにそれを用いた成膜方法

Info

Publication number: JP5852878B2
Application number: JP2011282654A
Authority: JP
Inventors: 俊介細川
Original assignee: 俊介細川
Priority date: 2011-12-26
Filing date: 2011-12-26
Publication date: 2016-02-03
Anticipated expiration: 2031-12-26
Also published as: JP2013134815A

Description

本発明は、半導体基板に酸化膜や窒化膜などを成膜するための活性粒子を生成するプラズマ生成器、及び、それを用いた成膜方法に関するものである。

電子デバイスの微細化が進みにつれ、良好な電気的特性を有する絶縁膜（酸化膜や窒化膜）が可能な成膜装置が求められている。

特に低温処理成膜方法として、プラズマ酸化・窒化処理があり、プラズマとして平行平板プラズマやＩＣＰプラズマが用いられているが、酸化膜中の欠陥が発生し膜耐圧も低いという欠点があった。

この問題を解決する手段として表面波プラズマが提案されている。例えば、これは非特許文献の図１に記載のように真空チャンバー（成膜装置）上面に、誘電体板が設置され、真空を封入する構造となっており、その大気側にアンテナが設置されている。このアンテナにマイクロ波を導入すると誘電体板直下にプラズマ（表面波プラズマ）が生成される。

表面波プラズマでは、マイクロ波は表面波として誘電体板直下のみに広がり、誘電体板直下のプラズマ中の電子は加速するが、それより深くは進入できないため、誘電体から数ｃｍ離れた場所では電子の加速は行われない。

その結果、誘電体板直下に均一で電子温度は低いが電子温度の高いプラズマが生成されるとされている。

一方、特許文献２には放電部の圧力が大気圧近傍に維持され、処理室の圧力が放電部の圧力より低く維持され、放電部で生成された活性粒子を処理室に供給する方法が記載されている。

山本伸彦、「小特集実用化プロセスにおけるプラズマ源の革新〜平行平板プラズマ源から新プラズマ源へ〜２．マイクロ波表面波プラズマを用いたシリコン酸化窒化」プラズマ・核融合学会誌、２０１１年、第８７巻１号、Ｐ４−８

特開２０１１−１５４９７３号公報

前述の表面波プラズマでは、マイクロ波発信器から導波管を誘電体板の上に置かれたアンテナに導きから、それらから放射されたマイクロ波が誘電体板直下にプラズマを生成するが、誘電体板、導波管、アンテナという複雑、かつ、精密な加工が必要な部材が必要である。

さらに、これの部材はマイクロ波の波長で決まる寸法で製作されるため、プラズマのコントロールはマイクロ波の照射パワーのみで決まるものである。

また、マイクロ波照射することで誘電体では誘電体損や、放電によって熱が発生するるが、ここで用いられる誘電体板は電磁波を遮断する恐れのある冷却器を取り付けることができず、熱膨張により歪む恐れもあった。

一方、放電部の圧力が大気圧近傍に維持され、処理室の圧力が放電部の圧力より低く維持され、放電部で生成された活性粒子を処理室に供給する方法では、放電部と処理室の間に設けれた多数の細孔から活性粒子が供給されるため、細孔で活性粒子が失活してしまう恐れがあった。

また、放電部と処理室の間に設けれた多数の細孔のコンダクタンスで放電部から処理室に供給される活性粒子を含むガス流量が一義的に決まり、活性粒子の流束を上げようとして細孔の数を変えない限り不可能である。そのため、活性粒子の流束の制御範囲が限られ、良質の酸化膜や窒化膜を成膜速度を上げることが難しい。

本発明では、簡単な構造で広い範囲（例えば３００ｍｍウエハー全体）に均一かつ高密度の流束で活性粒子を供給し、ウエハー上に均一で強固な酸化膜や窒化膜を成膜できる放電プラズマ生成器、ならびに、それを用いた成膜方法を提供することにある。

また、簡単な手段、例えばガス供給量や放電に用いる電源の周波数、電圧、供給電力などを変化させるだけで活性粒子の流束を制御する手段を提供することである。

本発明による沿面放電プラズマ生成器は、真空容器内に置かれた板状誘電体に２組の電極を形成のうえ、それらを覆って誘電体（保護誘電体）を設けた沿面放電素子において、これらの電極間に高周波高電圧を印加することで、この保護誘電体表面に沿面放電プラズマを発生させて、そこから空間に進展する活性粒子源を生成することを特徴としている。

また、本発明による成膜方法は、沿面放電プラズマ生成器に対向して電子デバイス用基材を設置し、これらの空間に供給されたガスで沿面放電プラズマを生成し、電子デバイス用基材の表面に活性粒子を供給することでシリコン膜、酸化膜や窒化膜などを成膜することを特徴としている。

本発明による沿面放電プラズマ生成器では簡単な構造で、沿面放電発生用板状誘電体の全面に渡り均一な沿面放電が得られ、そこから空間に進展する活性粒子源を容易に生成することができる。

また、本発明による成膜方法は、均一な流束で活性粒子が基板に供給され、均一性が高く緻密な良質の酸化膜や窒化膜を生成することができる。

図１は本発明による沿面放電プラズマ生成器の沿面放電素子の構造の例（角形）を示すものである。図２は本発明による沿面放電プラズマ生成器の沿面放電素子の構造の例（丸形；分割）を示すものである。図３は本発明による沿面放電プラズマ生成器の沿面放電素子の他の構造の例を示すものである。。図４は本発明による沿面放電プラズマ生成器を用いた成膜方法の一実施例である。図５は本発明による沿面放電プラズマ生成器により生成された酸素ラジカルの発光スペクトルの例である。

本発明によれば、真空容器内に置かれた板状誘電体に２組の電極を形成のうえ、それらを覆って誘電体（保護誘電体）を設けた沿面放電素子において、これらの電極間に高周波高電圧を印加することで、この保護誘電体表面に沿面放電プラズマを発生させて、そこから空間に進展する活性粒子源を生成することができる。

さらに、前記沿面放電プラズマ生成器に対向して電子デバイス用基板を設置し、これらの空間に供給されたガスで沿面放電プラズマを生成し、電子デバイス用基板の表面に活性粒子を供給することで良質なシリコン膜、酸化膜や窒化膜などを成膜することが可能となる。

図１に示すものは、板状誘電体８の内部に平面状の誘電電極９を形成し、その板状誘電体内表面１５にスリット状電極、すなわち、スリット状のパターンに形成された放電電極１４を形成し、さらに、これらの放電極１４を覆って、保護誘電体１６を設けている。また、誘導電極９は誘導電極ターミナル２に板状誘電体８に設けたスルーホール中に形成された誘導電極接続線７で接続されている。同様に、放電電極１２は放電電極ターミナル１１に板状誘電体８に設けたスルーホール中に形成された放電電極接続線１０で接続されている。

誘導電極ターミナル２と放電電極ターミナル１１に高周波高電圧電源４をそれぞれ高電圧配線４とアース６と接続されたアース配線５で接続する。この時、高周波高電圧電源４は周波数を数ｋＨｚから数百ｋＨｚの範囲で、また、印加電圧は数ｋＶｐｐから十数ｋＶｐｐ（ピーク−ピーク電圧）の範囲に設定する。この時、供給する放電電力は高周波高電圧電源４に内蔵のインバータ一次電力を制御することで、最適の値に設定するとよい。

この沿面放電素子を真空中に設置して、高周波高電圧を印加すると保護誘電体１６の表面で放電電極１４のエッジ部に近い場所から表面に沿って沿面放電が発生する。さらに、その沿面放電から保護誘電体１６の鉛直方向に進展していく活性粒子が供給されて、その空間は活性粒子に特徴的な波長の光を発する。

この時、図１に示すように放電電極１４が接地していると、沿面放電で生成されるプラズマ中の荷電粒子は外部電界（放電電極１４と周囲の部材との間に形成される電界）が生じないため、それによる加速がないので、対向して基板などを置いた場合に電界で加速された荷電粒子によるダメージが発生しない。

この素子の製造は、例えば、ドクターブレード法やロールコンパクション法で形成した厚さ０．２ｍｍ〜１ｍｍアルミナセラミックシート（セラミックシート（放電電極側）１３）の表面に放電電極１４を印刷すると共に、タングステンインクで印刷スルーホールを設け、そこにタングステンインクを注入することで放電電極接続線１０とする。

同様にセラミックシート（誘導電極側）１２に前記放電電極接続線１０から絶縁用の沿面距離を確保するための空白部を除いて面状の誘導電極９をタングステンインクで印刷する。セラミックシート（誘導電極側）１２には、スルーホールを設けそこにタングステンインクを注入して誘導電極接続線７と放電電極接続線１０を形成しておくとともに、それぞれが接続した誘導電極ターミナル２並びに放電電極ターミナル１１をタングステンインクで印刷しておく。

これら２枚のセラミックシート（放電電極側）１３とセラミックシート(誘導電極側)１２、さらに、保護誘電体１６に用いるために同じく厚さ０．１〜０．５ｍｍ程度の無垢のセラミックシートを放電電極接続線１０の位置合わせをした後、プレスして密着させ、そのまま還元雰囲気で焼結すると一体構造の放電電極−誘導電極構造の沿面放電素子が得られる。この場合、角形シートを用いれば図１に示した放電電極−誘導電極構造の角形沿面放電素子１が得られ、丸形シートを用いれば図２に示した放電電極−誘導電極構造の丸形沿面放電素子２１が得られる。

なお、保護誘電体１６は板状誘電体８、誘導電極８や放電電極４などと一体的に焼結しないで、別のセラミック板、例えば、窒化ケイ素、ボロンナイトライドなどの薄板を貼り付けた構造としてもよい。すなわち、この保護誘電体１６は沿面放電に直接曝されるため、スパッタされる恐れがあり、目的とする成膜に合わせた材質とする。例えば、酸化膜の生成が目的ならば、アルミナセラミックでも良いが、窒化膜を生成したい場合は窒化ケイ素、ボロンナイトライドなど窒化系セラミックを用いた方がよい。

図２は誘電体を分割し、それぞれを個別の誘導電極接続線７と外周部誘導電極接続線２３ならびに誘導電極ターミナル２と外周部誘導電極ターミナル２２を設け、それぞれ個別の高周波高電圧電源４並びに外周部駆動用高周波高電圧電源２６から給電すると、分割した各部分の放電パラメータ（例えば放電電力、駆動周波数など）を別々に制御することが可能となる。

例えば、図２のように外周部誘電体２４に対応する外周部放電部２８に供給する単位面積当たりの放電電力を内側放電部２９大きくすることで、生成する活性粒子の分布の均一性を高めることが可能となる。

図３に示すものは、板状誘電体８の内表面２６に１対のスリット状電極、すなわち、スリットのパターンに形成された高電圧電極３６と低電圧電極３７を交互に形成し、さらに、これらの電極を覆って、保護誘電体１６を設けている。また、高電圧電極３６は誘導電極ターミナル２に高電圧電極接続線３３と高電圧側接続線３２で接続されている。同様に、低電圧電極３７は放電電極ターミナル１１に低電圧電極接続線３４と低電圧側接続線３５で接続されている。

この沿面放電素子を真空中に設置して、高周波高電圧を印加すると保護誘電体１６の表面で一対のスリット電極（高電圧電極３６と低電圧電極３７）の電極間で表面に沿って放電が発生する。さらに、その沿面放電から保護誘電体１６の鉛直方向に進展していく活性粒子が供給されて、その空間は活性粒子に特徴的な波長の光を発する。

この素子の製造は、実施例１で記載したものと同様に行うことができる。また、保護誘電体１６に関しても、アルミナセラミックで一体的に焼結したものでもよいし、別のセラミックの薄板を貼り付けた構造としてもよい。また、図３に示すような丸形としても良く、また、角形としても良い。

図４は図１から図３に記載のような沿面放電素子を１枚または複数枚組み込んだ沿面放電素子４２を真空容器４９内に設置した図である。沿面放電素子４２をホルダー４３に取り付ける。この場合ホルダー４３には気密に設けた高電圧配線４６と低電圧配線４７が組み込まれている。また、ホルダー４３は沿面放電素子４２で発生する熱を熱伝導で外気に取り出し、必要に応じてホルダー４３に取り付けた冷却器４４でその熱を除去すればよい。

高周波高電圧電源４をホルダー４３の高電圧接続ターミナル４５とアース接続ターミナル４８に接続し、周波数を数ｋＨｚから数百ｋＨｚの範囲で、また、印加電圧は数ｋＶｐｐから十数ｋＶｐｐ（ピーク−ピーク電圧）の範囲の高周波高電圧を高電圧配線４６と低電圧配線４７を介して沿面放電素器４２の誘導電極ターミナル２と放電電極ターミナル１１に給電する。この時、供給する放電電力は高周波高電圧電源４に内蔵のインバータ一次電力を制御することで、成膜条件に合った最適の値に設定する。

真空ポンプ系５７を稼働するとともにガス源５０からガス供給菅５１を経て沿面放電素子２の保護誘電体近傍にガスを供給するとその保護誘電体表面で沿面放電５２が発生する。

沿面放電５２の前方部には供給されたガスに固有の波長で発光する活性粒子が豊富に存在する空間５３が形成される。

例えば、ガス源５０として酸素を用いた場合、真空度５０Ｐａに設定した時に、活性粒子が豊富に存在する空間５３の発光を分光器で観測すると図５に示すように酸素ラジカルの代表的な発光７７７．４ｎｍ（^５Ｓ^０−^５Ｐ）と８４４．６ｎｍ（^３Ｓ^０−３^Ｐ）が確認できた。

図４に示すように、沿面放電素子４２に対向してシリコン膜、酸化膜、窒化膜を形成する基板５４をおく。基板５４を保持するサセプタ５５は基板５４の温度を制御するとともに回転する機構を有するとよい。

沿面放電素子４２と基板５４の間隙を２５〜３０ｍｍとし、酸素を１００ｃｃ／分でガス供給菅５１から供給し、真空容器４９の真空度を１５Ｐａに保って、基板５３としてシリコン基板を用いてシリコン酸化膜を生成したところ、５分間で沿面放電素子４２に対向したシリコン基板の中心部で約２５オングストロームのシリコン酸化膜を生成することができた。

この膜の絶縁特性は、８ＭＶ／ｃｍの電界強度でリーク電流が１ｘ１０^−１１Ａ程度の良質の酸化膜であることが確認できた。

図４には別のガス源（２）５９も記載しているが、必要に応じて１種類のガスだけでなく複数のガス、例えばシランと酸素で酸化シリコン膜を生成するなどの応用も可能である。

本発明による沿面放電型プラズマ生成器ならびにそれを用いた成膜方法では、半導体製造プロセスで従来用いてきたプラズマＣＶＤ、プラズマ酸化、プラズマ窒化などに適用することが可能であり、より良質な膜を製作することが可能となる。

１放電電極−誘導電極構造の角形沿面放電素子
２誘導電極ターミナル
３高電圧配線
４高周波高電圧電源
５アース配線
６アース
７誘導電極接続線
８板状誘電体
９誘導電極
１０放電電極接続線
１１放電電極ターミナル
１２セラミックシート（誘導電極側）
１３セラミックシート（放電電極側）
１４放電電極
１５板状誘電体内表面
１６保護誘電体
２１放電電極−誘導電極構造の丸形沿面放電素子
２２外周部誘導電極ターミナル
２３外周部誘導電極接続線
２４外周部誘導電極
２５外周部高電圧配線
２６外周部駆動用高周波高電圧電源
２７外周部アース配線
２８外周部放電部
２９内側放電部
３１スリット電極構造の丸形沿面放電素子
３２高電圧側接続線
３３高電圧電極接続線
３４低電圧電極接続線
３５低電圧側接続線
３６高電圧電極
３７低電圧電極
４１真空
４２沿面放電素子
４３ホルダー
４４冷却器
４５高電圧接続ターミナル
４６高電圧配線
４７低電圧配線
４８アース接続ターミナル
４９真空容器
５０ガス源
５１ガス供給菅
５２沿面放電
５３活性粒子が豊富に存在する空間
５４基板
５５サセプタ
５６サセプタ支持体
５７真空ポンプ系
５８ガス供給菅（２）
５９ガス源（２）

Claims

真空容器内におかれた板状誘電体の内部に平面状の誘導電極を、その板状誘電体の一方の表面上にスリット状のパターンに形成された放電電極を設け、
他方の表面上に誘導電極ターミナルと放電電極ターミナルを設けるとともに、該板状誘電体に設けたスルーホールを介してそれぞれに誘導電極と放電電極が接続され、
該放電電極を覆って薄板の保護誘電体を設けた沿面放電素子において、
板状誘電体の内部に形成された平面状の誘導電極が２個以上の領域に分割されており、その分割された領域が絶縁され、それぞれの誘導電極を絶縁して設けた誘導電極ターミナルに接続した上で、
放電電極を接地し、放電電極ターミナルとそれぞれの誘導電極ターミナルに個別の高周波高電圧を印加し
該保護誘電体表面に沿面放電プラズマを発生させて、そこから空間に進展する活性粒子源を生成することを特徴とする沿面放電プラズマ生成器。
薄板の保護誘電体としてアルミナセラミックを用いることを特徴とする請求項１に記載の沿面放電プラズマ生成器。
薄板の保護誘電体として窒化系セラミックを用いることを特徴とする請求項１に記載の沿面放電プラズマ生成器。
高電圧配線とアース配線を気密に設けたホルダーの片面と沿面放電プラズマ生成器の放電電極ターミナルと誘導電極ターミナルが形成された面を密着させて取付け、該ホルダーの他面を真空容器の外部に保持する構造とすることで、沿面放電プラズマ生成器で発生する熱を熱伝導によって真空容器の外部に取り出すことを特徴とする請求項１〜３に記載の沿面放電プラズマ生成器。
請求項１〜４に記載の沿面放電プラズマ生成器に対向して電子デバイス用基材を設置し、沿面放電プラズマ生成器と電子デバイス用基材間に供給されたガスで沿面放電プラズマを生成し、電子デバイス用基材の表面に活性粒子を供給することでシリコン膜、酸化膜もしくは窒化膜を成膜することを特徴とする沿面放電プラズマ生成器を用いた成膜方法。