JPH01207930A - 表面改質法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ この発明は固体、特にシリコン基板の表面を、酸素及び
窒素の一方又は双方のガスを含むガスのプラズマ中で、
酸化又は窒化又は酸・窒化して該表面を改質する、液体
を使用しないドライプロセスにおける表面改質法に関す
るものである。

［従来の技術］ 従来の表面改質法は、下記報文に開示されている。即ち
、 Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｊｏｎ　ｏｆ　ｕｌｔｒａ
ｔｈｉｎ　Ｓｉ０２ｆｉ１ｍｓｆｏｒｍｅｄ　　ｂｙ　
　ｄｉｒｅｃｔ　　ｌｏｗ−ｅｎｅｒｇｙ　　ｔｏｎ−
ｂｅａｍ　　ｏｘｉｄａｔｉｏｎ” Ｊｏｕｒｎａｌ　　ｏｆ　　Ｖａｃｕｕｍ　　５ｃｉｅ
ｎｃｅ　　ａｎｄ　　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ。

Ｖｏｌ、Ａ５．Ｎｏ、４、　ｐ、１５Ｇ９−ｐ、］、５
７１．１９８７これら従来の表面改質法について説明す
る。

第２図は従来の表面改質装置の模式図であり、図におい
て、１は反応室、２はステージ、３はシリコン基板、４
は排気管、５は反応ガス、６はイオン銃、７はイオンビ
ームである。

シリコン基板３の表面改質に当たっては、まず。

反応室１内のステージ２上にシリコン基板３を固定し、
反応室１内を別に設けた真空排気装置により排気管４を
経由して真空排気する。

またイオン源としての酸化種を生成するために、反応ガ
ス５をイオン銃６に導入しイオン化し、指向性の鋭いイ
オンビーム７を発生させ、シリコン基板３に照射する。

シリコン基板３の表面を改質して薄い酸化膜を形成する
に当たっては、反応ガス５として酸素０２にアルゴンＡ
ｒを同量混入した混合ガスをイオン銃６に導入し、イオ
ン放電を用いてイオン化する。

形成された酸素イオンを、直流電流のＤＣ電圧により加
速しイオン銃６からイオンビーム７を放出し、シリコン
基板３を酸化のため６分間に亘り照射する。

その時の酸素イオンの加速エネルギーは１００ｅＶで、
取り出せるイオン電流の最大値は１２５μＡ／ｃｄであ
る。

照射後、Ｘ線光電子分光法Ｘ−ｒａｙ　ｐｈｏｔｏｅｌ
ｅｃｔｒｏｎ　５ｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ　　（Ｘ　Ｐ
　Ｓ　）により、シリコン基板３の酸化表面を分析する
と、約５０人の厚さの８１０２膜が形成されていること
が明らがとなった。

［発明が解決しようとする課題］ しかしながら、上記のような従来の表面改質法では、プ
ラズマの生成効率が悪く、イオン化効率か１０−４程度
と低いため、十分なイオン電流密度か得られず、表面の
酸化速度が遅いという問題点があった。

しかも酸素ラジカルかほとんどシリコン基板表面に供給
されないため、酸素ラジカルによるシリコン基板表面の
クリーニング効果、特にシリコン基板上の残留有機物を
酸化してこれをガス化し、シリコン基板表面から取り去
る効果かはとんと無いという問題点かあった。

この発明は、かかる問題点を解決するためになされたも
ので、高イオン電流密度を用いて高速にしかも不純物の
少ないシリコン基板等の被処理基体の清浄な表面を得る
、表面改質法を提供することを目的とするものである。

［課題を解決するための手段］ この発明に係る表面改質法は、酸素及び窒素の一方又は
双方のガスを含むガスのプラズマ中で、被処理基体の表
面を酸化又は窒化又は酸・窒化して該表面を改質する方
法において、 前記被処理基体をプラズマ発生装置のカソード電極」二
に設置する工程と、該カソード電極に平行な方向に磁場
を印加し、該カソード電極より発生ずる電界と印加され
た前記磁場との作用によりマグネトロン放電を生成し、
前記酸素及び窒素の一方又は双方のガスのラジカルとイ
オンを含むプラズマを生成する工程と、前記プラズマ中
のラジカルを前記被処理基体の処理面に曝して、該処理
基体面上の異物を該ラジカルとの化学反応によりガス化
除去し、清浄化する工程と、前記プラズマ中のイオンを
前記被処理基体の表面に照射し、該被処理基体の処理面
に注入する工程と、注入した該イオンにより該被処理基
体の処理面に不揮発性の酸化又は窒化又は酸・窒化した
膜又は層を形成する工程を含むことを特徴とする表面改
質法である。

また上記表面改質法において、前記プラズマの形成条件
を、最初に低い放電パワーで高密度のラジカルを形成せ
しめ、該処理面を清浄化する工程と、次に高い放電パワ
ーで高密度のイオンを形成せしめ、該処理面に該イオン
を注入する工程との少なくとも２工程とする方法である
。

［作用コ この発明の表面改質法においては、被処理基体をプラズ
マ発生装置のカソード電極上に設置し、カソード電極に
平行な方向に磁場を印加するから、磁界かカソード電極
のほぼ全面に亙って形成し、この磁界とそれに直交する
電界とにより、マグネトロン放電かカソード電極の広い
範囲に亙って形成される。

そして酸素及び窒素の一方又は双方のガスのラジカルと
イオンを含むプラズマを生成せしめるので、処理基体面
上の異物は、前記プラズマ中のラジカルとの化学反応に
より、揮発性のガス状となり除去され、被処理基体面を
清浄化し、またプラズマ中のイオンを前記被処理基体の
表面に照射し、被処理基体の処理面に物理的に注入し、
注入したイオンの物理的かつ化学的作用により、被処理
基体の処理面に不揮発性の酸化又は窒化又は酸・窒化（
この発明では、酸化と窒化の双方を行うことを、この上
うに呼称する。）した膜又は層を形成するので、不純物
の少ない清浄な表面が早い酸化速度で得られるものであ
る。

また上記の表面改質法において、前記プラズマの形成条
件を、放電パワーの変化量を少なくとも２工程の多段階
に変化させることにより、ラジカル及びイオンの生成を
状況に応じて任意に変化させ、前記発明の作用を効果的
にするものである。

次にこの発明の実施例について述べる。

［実施例］ 第１図は、この発明の一実施例を示す模式図であり、１
１は真空容器、１２は絶縁体、１３はカソード電極、１
４は高周波電源、１５はシリコン基板、１６は永久磁石
装置、１７はマグネトロン放電であり、他の３及び４は
第２図と同様なので説明を省略する。

上記のように構成された表面改質装置を用いて、被処理
基体としてのシリコン基板１５の表面を、清浄化又は酸
化又は窒化又は酸・窒化し改質する方法について述べる
。

先ず、第１図に示す如く、真空容器１１内の下部に、絶
縁体１２を挾んでカソード電極１３を設置し、次にカソ
ード電極１３上にシリコン基板１５を設置する。

次にカソード電極１３を、高周波発振をする１３．５８
ＭＨｚの高周波電源１４に接続する。

次いで、排気管３より真空容器１１内のガスを、別に設
けた真空吸引装置により真空引きし、真空容器１１内を
１０−６Ｔｏｒｒオーダ以下の高真空に排気した後、酸
素及び窒素の一方又は双方の混合ガスよりなる反応ガス
５を、真空容器１１内に導入し、ガスの圧力を約１〜５
０　ｍＴｏｒｒに調整する。

それからカソード電極１３上に、高周波電源１４に１．
３．５６ＭＩＩｚの高周波電力を投入・印加し、高周波
発振せしめると、永久磁石装置１６の磁極Ｎ及び８間に
形成される磁界Ｂと、カソード電極］３の面即ち、シリ
コン基板１５の面に、はぼ直交する方向に形成される高
周波交流電界Ｅとの作用により、カソード電極１３の上
側の空間にマグネトロン放電（破線で示す）１７が形成
される。

マグネトロン放電１７は局在化している為、これを均一
化するために永久磁石装置１６をａに示すように左右に
動かす。

こうすることによって、マグネトロン放電１７が局在化
することなくカソード電極１３の広い範囲に亙って形成
される。

マグネトロン放電１７によるプラズマ中では、カソード
電極１３から放出された２次電子は、磁場によって捕獲
され、サイクロイド運動をするため、ガス分子と衝突す
る確率が増大する。

低周波電力即ち低い放電パワーにおいては、イオンシー
ス電圧が低いため２次電子エネルギーが小さくなってラ
ジカルの生成率が増大し、反対に高い放電パワーにおい
ては、イオンシース電圧が高いため２次電子エネルギー
が大きくなってラジカルよりイオンの生成率の方が増大
する。

そこで、シリコン基板１５にプラズマを照射するに当た
って、初めは放電パワーを小さくしてイオンシース電圧
を約４．０　Ｖ以下となるようにし、酸素及び窒素の一
方又は双方のラジカルを大量に生成せしめ、そのラジカ
ルをシリコン基板１５上に照射して、シリコン基板１５
上に付着した炭素とか有機物系の異物とラジカルを反応
させて、前記異物をガス状にし取り去る。

次に放電パワーを大きくしてイオンシース電圧を約４０
Ｖ以上となるようし、酸素及び窒素の一方又は双方のイ
オンを大量に生成せしめ、そのイオンをシリコン基板１
５に照射して、シリコン基板１５の表面を酸化又は窒化
又は酸・窒化した膜又は層を形成し清浄化する。

上記実施例において、４０ｖのイオンシース電圧は一例
であって、使用する装置毎に異なることが多い。

また放電パワーの変化量は状況に応じて選択すれば良く
、何段階の工程に分けるか又は連続的に変化させるかは
その都度選択すればよい。

また前記反応ガスを、ＨＯ，ＮＨ、Ｎ　　Ｏ等の酸素原
子又は窒素原子の一方又は双方と結合した化合物ガスを
含むガスとしても、シリコン基板表面を酸化又は窒化又
は酸・窒化することが出来る。

これらの表面改質に際して、イオン衝撃による損傷を少
なくするためにはイオンシースの電圧を約２５０ｖ以下
、即ちイオンの直進運動のエネルギーを平均して約２５
０ｅＶとするのが好ましい。

又、これらの表面改質に際して、被処理基体はシリコン
基板のみでなく、その他の半導体例えば、ＧａＡｓ、Ｇ
ａＰ、ＩｎＳｂの半導体及び金属等にも適用出来る。

この被処理基体が金属の場合、被処理基体そのものをカ
ソード電極としてもよい。

また被処理基体の表面は、平面でなくも良く、穴状又は
溝状或いは突起状であってもよい。

更に磁場を生成するために、第１図に示す如く、永久磁
石３個を５−Ｎ−３極に配列してなる永久磁石装置１６
の磁極Ｎ及び８間に形成される磁界Ｂによったが、磁石
の種類は電磁石でもよく、又他の手段でも良く、磁石の
数及び位置について、この実施例に限定されず、カソー
ド電極に平行な方向に磁場を印加し得るものであれば良
い。

以上、この発明の実施例について述べたが、この発明の
表面改質法は、この実施例のみに限定されるものではな
い。

［発明の効果］ 以上のように、この発明の表面改質法によれば、次のよ
うな効果を奏するものである。

（１）マグネトロン放電によって発生した高密度プラズ
マを用いて、カソード電極上の基板をドライ処理（ドー
ピング）出来るので、処理速度が１桁程度速くなる利点
がある。

（２）更に酸素及び窒素の一方又は双方のガスを含むラ
ジカルを用いて、被処理基板上の有機物系の異物をガス
化して表面を清浄化し、酸素及び窒素の一方又は双方の
イオンを用いて、被処理基体の表面を酸化又は窒化又は
酸・窒化しているので、形成される表面の膜に、炭素又
は水素等の不純物が混入しに＜＜、清浄化される利点が
ある。

（３）このような不純物濃度の低い酸化膜（層）又は窒
化膜（層）又は酸化膜（層）及び窒化膜（層）は、その
膜（層）中に含まれる不純物イオンとか格子欠陥の密度
が少ない為、高い信頼性を要求されるゲート酸化膜とか
、ジョセフソン素子のトンネル障壁とか表面保護膜等に
用いて有効である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明方法による実施例で用いた表面改質装置
の模式図、第２図は従来の表面改質装置の模式図である
。 図において、１：反応室、２：ステージ、３：シリコン
基板、４：排気管、５：反応ガス、６：イオン銃、７：
イオンビーム、１１：真空容器。 １２：絶縁体、１３：カソード電極、１４：高周波電源
、１５：シリコン基板、１６：永久磁石装置である。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）酸素及び窒素の一方又は双方のガスを含むガスの
   プラズマ中で、被処理基体の表面を酸化又は窒化又は酸
   ・窒化して該表面を改質する方法において、 前記被処理基体をプラズマ発生装置のカソード電極上に
   設置する工程と、該カソード電極に平行な方向に磁場を
   印加し、該カソード電極より発生する電界と印加された
   前記磁場との作用によりマグネトロン放電を生成し、前
   記酸素及び窒素の一方又は双方のガスのラジカルとイオ
   ンを含むプラズマを生成する工程と、前記プラズマ中の
   ラジカルを前記被処理基体の処理面に曝して、該処理基
   体面上の異物を該ラジカルとの化学反応により、ガス化
   除去し清浄化する工程と、前記プラズマ中のイオンを前
   記被処理基体の表面に照射し、該被処理基体の処理面に
   注入する工程と、注入した該イオンにより該被処理基体
   の処理面に不揮発性の酸化又は窒化又は酸・窒化した膜
   又は層を形成する工程を含むことを特徴とする表面改質
   法。
2. （２）前記プラズマの形成条件を、最初に低い放電パワ
   ーで高密度のラジカルを形成せしめ、該処理面を清浄化
   する工程と、次に高い放電パワーで高密度のイオンを形
   成せしめ、該処理面に該イオンを注入する工程との、少
   なくとも２工程とすることを特徴とする請求項第１記載
   の表面改質法。