JPH04160162A

JPH04160162A - プラズマ処理装置およびプラズマ処理方法

Info

Publication number: JPH04160162A
Application number: JP2283469A
Authority: JP
Inventors: Nobumasa Suzuki; 伸昌鈴木
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1990-10-23
Filing date: 1990-10-23
Publication date: 1992-06-03
Anticipated expiration: 2015-09-18
Also published as: JP3088446B2

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］本発明は半導体素子や電子回路等を製造する際に用いら
れるプラズマ処理装置およびその処理方法に関する。

［従来の技術］半導体素子や電子回路、特に超ＬＳＩの製造プロセスに
おいて、プラズマ処理装置は重要な位置を占めている。

最終保護膜用のＳｉＮや層間絶縁用のＮＳＧ、　ＰＳＧ
、　ＢＰＳＧなどの薄膜形成には、プラズマＣＶＤ装置
が用いられ、配線用のＡ１の薄膜形成にはスパッタリン
グ装置が用いられる。各種薄膜のエツチングにはＲＩＥ
装置などが用いられ、フォトレジストの灰化にはプラズ
マアッシング装置が用いられている。プラズマを用いた
処理はこれらの他に酸化、窒化、クリーニング、ドーピ
ング、エピタキシャルプロセスなどへの応用も研究され
ている。実用されているプラズマ処理装置の多くは１３
、５６ＭＨｚの高周波を電気エネルギー源として用い、
これにより発生したＩＸ　１０Ｉ０／ｃｍ２程度以上の
電子密度をもつプラズマに基体を接触させてプラズマ処
理している。

［発明が解決しようとする課題］上述した従来のプラズマ処理装置においては、処理を施
す基体をプラズマに接触させており、プラズマと接触す
る基体の表面にはシース電界が形成される。このシース
電界によってプラズマ中のイオンが加速され、数十〜百
ｅＶ程度のエネルギーをもって基体に入射するため、基
体表面に損傷が生じやすいという欠点がある。

上記欠点を解決するために、プラズマ発生室と処理室と
を分離した遠隔プラズマ処理装置が提案されていて、損
傷の少ない処理が可能にされているが、このものにおい
ては、プラズマ発生室と基体とが空間的に離れているた
めに、反応に有効な中性励起種が輸送の途中で衝突によ
り失活しゃすい、このため、処理が不完全（成膜の場合
緻密性が低い）となり、処理速度が遅くなってしまうと
いう欠点がある。

本発明は上記従来例が有する欠点を解消するためになさ
れたもので、イオンによる損傷が少なく、高速かつ高精
度に基体を処理することのできるプラズマ処理装置を提
供することを目的とする。

［課題を解決するための手段］本発明のプラズマ処理装置は、所定ガスが流入され、所定圧力に維持された処理室内に
プラズマを発生させることにより、該処理室内に設置さ
れた基体の処理を行なうプラズマ処理装置において、処理室内にプラズマを発生させるためのプラズマ発生手
段として、処理室の外周部に設けられた二個の接地電極
と該二個の接地電極の間の処理室の外周部に設けられた
高周波電極とを含むものが用いられ、プラズマ発生手段により形成される電界と直交するミラ
ー磁界を発生させるための磁界発生手段が設けられてい
る。

この場合、基体はプラズマ発生手段の近傍であり、かつ
、プラズマ発生手段によって発生するプラズマのプラズ
マ密度の低い場所に設置されてもよく、さらに、基体もしくは前記基体に付着したガス分子およ
び反応中間体に吸収可能な波長光を前記基体に向けて照
射する光源手段を設けてもよい。

また、本発明のプラズマ処理方法は、所定ガスが流入され、所定圧力に維持された処理室内に
プラズマを発生されることにより、該処理室内に設置さ
れた基体の処理を行なうプラズマ処理方法において、前記処理室内にプラズマを発生されるためのプラズマ発
生手段として、前記処理室の外周部に設けられた二個の
接地電極と該二個の接地電極の間の処理室の外周部に設
けられた高周波電極とを含むものを用い、前記プラズマ
発生手段により形成される電界と直交するミラー磁界を
発生させるための磁界発生手段が設けられている装置の
前記処理室内に前記所定ガスを導入し、該所定ガスを前
記プラズマ発生手段を用いてプラズマ化し、該プラズマ
を用いて前記基体の処理を行う。

［作用］高周波電極の両隣に接地電極が設けられるため、高周波
電界はこれらの各電極間に局在し、他の部分へのもれは
少ないものとなる。これらの各電極は処理室の外周部を
巻回するリング状に形成され、また、磁界発生手段によ
り上記高周波電界と直交するミラー磁界が加えられるた
め、上記高周波電界およびミラー磁界によって決定され
るドリフト移動度に応じてプラズマが電極近傍に閉込め
られる。

高周波電極近傍の電界は放電前も放電後も電極面に垂直
方向を向いているので、高周波電界に垂直なミラー電界
を発生させることにより、シース電界で加速された電子
は進行方向に常に垂直にかかる磁界によって電極面に沿
って周方向にサイクロイド運動し、プラズマは高周波電
極近傍にリング状に閉じ込められることになる。このた
め基体の設置位置を異ならせることにより、基体の表面
に生じる損傷や処理速度も異なるものとなる。

基体をプラズマ発生手段の近傍であり、かつ、プラズマ
発生手段によって発生するプラズマのプラズマ密度の低
い場所に設置した場合には高精度かつ高速な処理が行な
われる。これは基体のダメージの原因となるイオンの数
は基体近傍のプラズマ密度に比例することによる。

電極との距離は近１いがプラズマ密度の低い（例えば５
　Ｘ　１０’／ｃｍ’以下）空間に基体を設置すると、
イオンの数は従来のプラズマ処理装置（Ｎｅ　＞ｌ　Ｘ
　１０”７ｃｍ３）よりも１〜２桁以上減少する。また
、通常のプラズマ使用条件（圧力〜１ｏ〜３００Ｔｏｒ
ｒ、電子温度２〜７　ｅＶ）でプラズマ密度を５×１０
”／ｃｍ’以下にすると、シース厚が厚くなるためにシ
ース中でイオンと分子の衝突が起こり、シース電界によ
り加速されたイオンのエネルギーは緩和される。したが
って基体に入射するイオンの数およびエネルギーが減少
し、基体に生じるダメージが低減されるとともに、電極
との距離は近いものとなるので反応して有効な中性励起
種が大量に基体に供給され、高精度な処理が可能になる
。

本発明のものでは上述のようなプラズマ発生領域の制御
を効率よく行なうことのできるミラー磁場を用いて行な
っているので、装置としての精度もよい。

［実施例］第１図は本発明の第１の実施例の構成を示す断面図であ
る。

本実施例は本発明の構造を用いてプラズマＣＶＤ装置を
構造したものである。

図中、１は反応室、２はＳｉ基板などの基体、３は本実
施例の基部となる支持体、４は基体２を加熱するヒータ
、５は排気、６は第１の原料ガス、７は第２の原料ガス
、８は石英管、９□、９２は接地電極、１０は高周波電
極、１１は高周波電源、１２、、１２□は高周波電極近
傍の電界に垂直なミラー磁界を発生させるための電磁石
、１３は窓、１４は窓支持体、１５は孔である。

円筒状の石英管８は支持体３上に載置されており、その
外周部にはプラズマ発生手段である接地電極９１、高周
波電源１１より電源供給を受ける高周波電極１ｏ、接地
電極９２が上から順に巻回されており、これらの各電極
に該当する部分が主たるプラズマ発生領域とされる。ま
た、石英管８の周囲であり、上記各電極の上下となる部
分には、石英管８の外周面に対して垂直なミラー磁界を
発生させるための磁界発生手段である２個の電磁石１２
□、１２□が設けられている。石英管８と支持体３の接
続部近傍の内部は反応室１とされ、該反応室ｌの下部と
なる支持体３上に基体２が不図示の支持具により載置さ
れている。ヒータ４は支持体３を介して基体２を加熱す
るためのもので、基体２が載置される箇所の支持体３の
下部に設けられている。石英管８の上部は窓支持体１４
を間にはさんで、石英にて形成された窓１３により塞が
れている。この窓支持体１４には第２の原料ガス７を流
入させるための孔１４＋が設けられている。

また、支持体３には第１の原料ガスを流入させるための
孔１５が設けられている。

次に本実施例を用いて成膜を行なう際の動作について説
明する。

利用者は、まず、支持体３上に基体２を設置し、ヒータ
４に電流を流し、基体２を室温から数百℃の所望の温度
にまで加熱する。次に、基体２の近傍に直接導入する第
１の原料ガス６とプラズマ発生領域を通して導入する第
２の原料ガス７とを流入させるとともに、排気５側に設
けられたコンダクタンスバルブ（不図示）により０００
１からＩ　Ｔｏｒｒの間の所望の圧力に保持する。さら
に、各電磁石１２１，１２ｚによる数百ガウスのミラー
磁場の存在下、高周波電極１ｏに高周波電源１１て発生
した高周波を数十から数ｋＷ供給させて該高周波電極ｌ
○と２個の接地電極９３９２の間に局在するプラズマを
発生させ、所望の膜厚が得られるまで成膜を行なう。

この方法で基体２の表面で第１の原料ガス６、第２の原
料ガス７と反応するため、ＳｉＮ、　５ｊ０２゜Ｔａ２
０ａ、　Ａｌ２Ｏ３，ＡＩＮなどの絶縁体やａ−３ｉ、
　Ｐｏ１ｙ−５ｊ。

Ｃ−５ｉ、　ＧａＡｓなとの半導体、ＡＩ、Ｗなどの金
属を成膜させることが可能である。

以下、本実施例を用いてＬＳＩ保護用のＳｉＮ膜を成膜
させる際の具体例を述へる。

基体２として、Ｓｉ基板上に３１０□を８０００人成膜
させた上にＡＩパターンを７０００人形成させ、基体２
を３００℃に加熱した後、第１の原料ガス６としてＳｉ
Ｎイな２０ｓｅｃｍ、第２の原料ガス７としてＮ２を２
００ｓｅｃｍ流し、圧力を［］、　２Ｔｏｒｒに保った
。高周波電極１０に高周波電源１１からの高周波を２０
０Ｗ供給させ、１１分間成膜させた。その結果、密度２
、８ｇ／ｃｍ３、水素含有率１２ａｔｍ％、ストレス２
Ｘ］　０９ｄｙｎ／ｃｍ２圧縮のダメージの少ない良質
な膜が６６００人成膜された。従来のプラズマＣＶＤ装
置を用いて温度３００℃、　ＳｉＨ４，２０ｓｃｃｍ　
、　Ｎ２，２００ｓｅｃｍ、圧力、　０．２Ｔｏｒｒ高
周波パワー２００Ｗ条件で成膜させた場合の密度２．４
ｇ／ｃｍ”、水素含有率２０ａｔｍ％、ストレス４　Ｘ
　ＩＤ”　ｄｙｎ／ｃｍ２圧縮のものよりも良質のもの
とすることができ、ダメージの発生も少なかった。

・密度は、エリブリメトリによる屈折率とオーシュ分先
による組成比よりローレンツ−ローレンツ関係式により
求めた。

・水素含有率は赤外吸収スペクトル中の５ｉ−１（、Ｎ
−Ｈバンドの吸光度を吸収計数で割り求めた。

・ストレスは干渉計により測定した成膜前後の基体のそ
りの変化より求めた９次に、第１図に示した実施例を表面改質装置に用いる場
合について説明する。

この場合、利用者は支持体３上に基体２を設置し、ヒー
タ４に電流を流し、基体を室温から数百℃の所望の温度
に加熱する。次に、処理用として用いる第１、第２の原
料ガス６．７を流し、排気５側に設けられたコンダクタ
ンスバルブ（不図示）により０００ＩからＩ　Ｔｏｒｒ
の間の所望の圧力に保持する。さらに、電磁石１２．．
１２□による数百ガウスのミラー磁場の存在下、高周波
電極１０に高周波電源１１で発生した高周波を数十から
数ｋＷ供給させて該高周波電極１０と二個の接地電極９
１．９□間に局在するプラズマを発生させ、処理を行な
う。

この方法でＳｉ、　Ａ１．　Ｔｉ、　Ｚｎ、　■ａなど
の酸化、窒化が可能となり、Ｂ、　Ａｓ、　Ｐなどのド
ーピングの処理が可能である。

次に、第１図に示した実施例を用いてＬＳＩゲート用の
Ｓｉを酸化した例について述べる。基体２として３１基
板を用いた。この基体２を５００℃に加熱した後、酸化
に用いるための第１、第２の原料ガス６．７として０２
を２００ｓｅｃｍ流し、圧力を０．２Ｔｏｒｒに保った
。高周波電極１０には高周波電源１１からの高周波を５
０ＤＷ供給させ、１００分間酸化させた。その結果、密
度２．１ｇ／ｃｍ３、耐圧１１ＭＶ／ｃｍ、Ｑｓｓ／ｑ
　、４　ＸＩＯ”／ｃｍ２の良質な膜が６００人形成さ
れた。従来のプラズマ酸化装置を用いた場合に形成され
る膜は、密度１．８ｇ／ｃｍ”、耐圧９ＭＶ／ｃｍ、Ｑ
ｓｓ／ｑ　、　ｌ　ＸｌＯ１２／ｃｍ”であるため、本
実施例のものの方が有利である。

次に、第１図に示した実施例をクリーニング装置に使用
する場合に一ついて説明する。

まず、支持体３上に基体２を設置し、ヒータ４に電流を
流し、基体２を室温から数百℃の所望の温度に加熱する
０次に、クリーニング用の第１、第２の原料ガス６．７
を流し、排気５側に設けられたコンダクタンスバルブ（
不図示）により０．００１からＩ　Ｔｏｒｒの間の所望
の圧力に保持する。

さらに、各電磁石１２＋、１２ｇによる数百ガウスのミ
ラー磁場の存在下、高周波電極１０に高周波電源１１で
発生した高周波を数十から数ｋＷ供給させて該高周波電
極１０と二個の接地電極９１．９２間に局在するプラズ
マを発生させ、クリーニングいを行なった。

次に、第１図に示した実施例を用いて、Ｓｉ基板のクリ
ーニングを行なった例について述へる。基体２としてＳ
ｉ基板を用いた。この基体２を３００　”Ｃに加熱した
後、クリーニングに用いるための第１、第２の原料ガス
６．７として、ＮＦＳを２００ｓｅｃｍ流し、圧力を０
．１Ｔｏｒｒに保った。高周波電極１０に高周波電源１
１からの高周波を２００Ｗ供給させる処理を８分間行な
わせた。その後、光ＣＶＤによりＳｉＯ□膜を９００人
成膜させて界面特性（Ｑｓｓ／ｑ）を測定したところ３
　Ｘ　１０”／ｃｍ”の良好な値が得られた。

従来のプラズマクリーニング装置を用いた場合に形成さ
れる膜は、Ｑｓｓ／ｑ　　５Ｘ　１０”　／ｃｍ”であ
るため、本実施例のものの方が有利である。

なお、第１図に示した実施例中の２個の接地電極９３．
９□近傍の磁界は、プラズマ発生を抑えるためのもので
あるので、接地電極を含む面に平行な方がよい。ここで
用いる高周波の周波数は１〜３００Ｍ）Ｉｚの範囲の適
当な値を選択する。また、高周波電極近傍での磁束密度
は、必要なプラズマ閉込めの度合いに応じて１００〜１
ｋＧの適当な値を選択する。磁界発生手段として用いら
れる電磁石は永久磁石でもよい。

第２図は本発明の第２の実施例の構成を示す断面図であ
る。

本実施例は第１図に示した第１の実施例を用いて特開昭
６２−９０９２４号公報に示されるような光アシストプ
ラズマＣＶＤ装置を構成したものである。

図中、２３は基体２や基体２に付着するガス分子および
反応中間体に吸収可能な波長光を発生するランプ、２４
はランプ２３の光をミキシングするために設けられるフ
ライアレイレンズ等のインテグレータ、２５はインテグ
レータ２４の透過光を入射し、平行光束に成型して出射
するコリメートレンズである。この他の構成は第１図に
示したものと同様であるため、同一番号を付し、説明は
省略する。

本実施例を用いて成膜を行なわせる際の動作について説
明する。

利用者は、まず、支持体３上に基体２を設置し、ランプ
２３からの光を窓１３を介して被覆基体２に照射すると
ともに、ヒータ４により基体２を室温から数百℃の所望
の温度にまで加熱する。

次に基体２近傍に直接導入する第１の原料ガス６とプラ
ズマ発生領域を通して導入する第２の原料ガス７とを流
入させるとともに、排気５側に設けられたコンダクタン
スバルブ（不図示）により、０、００１からＩ　Ｔｏｒ
ｒの間の所望の圧力に保持する。

さらに、各電磁石１２＋、１２ｉによる数百ガウスのミ
ラー磁場の存在下、高周波電極１ｏに高周波電源１１で
発生した高周波を数十から数ｋＷ供給させて該高周波電
極１０と２個の接地電極９３．９□のそれぞれの間に局
在するプラズマを発生させ、所望の膜厚が得られるまで
成膜を行なう。

原料ガスを変えることにより、この方法で、ＳｊＮ、　
５ｉＯｚ、　Ｔａ２０５．　ＡＩＪｓ、　ＡＩＮなどの
絶縁体、ａ−Ｓｉ。

Ｐｏ１ｙ−Ｓｉ、　Ｃ−５ｉ、　ＧａＡｓなどの半導体
、ＡＩ、　Ｗなどの金属な成膜可能である。

以下第２図に示した実施例を用いてＬＳＩ保護保護用Ｓ
ｉ酸膜する具体例について述べる。

被覆基体２としてＳｉ基板上にＳｉＯ□を８０００人成
膜した上にＡ１パターンを７０００人形成したものを用
い、また、ランプ２３としてはキセノンランプを用いた
。ランプ２３からの光を０．６　Ｗ／ｃｍ２程度基体２
に照射した。この光照射により基体２の温度は３００℃
まで上昇した。第１のガス６としてＳｉＨ４を２０ｓｅ
ｃｍ、第２のガス７としてＮ２を２００　ｓｃｃｍ流入
させ、圧力なＯ０Ω５Ｔｏｒｒに保った。続いて、高周
波電極１０に高周波電源１１からの高周波電力を０２０
０Ｗ供給し、１５分開成膜した。

その結果、密度３．１ｇ／ｃｍ’、水素含有率５ａｔｍ
％、ストレス２ｘ　ＩＤ”ｄｙｎ／ｃｍ２引張のダメー
ジの少ない良質な膜が７３００人成膜された。従来のプ
ラズマＣＶＤ装置を用いた場合に形成された膜は、密度
２、４ｇ／ｃｍ３、水素含有率２０ａｔｍ％、ストレス
４×１０９ｄｙｎ／ｃｍ２圧縮であり、ダメージが多く
発生することが多いため、本実施例のものの方が有利で
ある。

［発明の効果］本発明は以上説明したように構成されているので、以下
に記載するような効果を奏する。

請求項１に記載したものにおいては、プラズマ発生手段
によって形成される高周波電界に対して、これと直交す
るミラー磁界を磁界発生手段に発生させてプラズマを局
在化させることにより、基体の設置位置に応じて、該基
体の表面に生じる損傷や処理速度を異ならせることがで
き、これらを精度よく制御することが容易となる効果が
ある。

請求項２に記載のものにおいては、プラズマ密度が低く
、かつプラズマ発生手段の近傍に基体が置かれるので、
基体に入射するイオンのエネルギーおよび数が減少され
、反応に有効な中性励起種は基体近傍に大量に輸送され
るため、高精度かつ高速な処理を行なうことができる効
果がある。

請求項３に記載されたものにおいては、上記各効果を備
えた光アシストプラズマ処理装置を構成することができ
る効果がある。

請求項４．５．６または７に記載された方法においては
、上記各効果が有効に用いられた処理をそれぞれ行なう
ことができる効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１の実施例の構成を示す断面図、第
２図は本発明の第２の実施例の構成を示す断面図である
。１・・・反応室、　　　　　２・・・被覆基体、３・・
・支持体、　　　　　４・・・ヒータ、５・・・排気、
　　　　　　６・・・第１の原料ガス、７・・・第２の
原料ガス、　　８・・・石英管、９１，９□・・・接地
電極、　　１０・・・高周波電極、１１・・・高周波電
源、　　ＩＬ、　１２□・・・電磁石、１３・・・窓、
　　　　　　　１４・・・窓支持体、１４＋、］５・・
・孔、　　　　　　２３・・・ランプ、２４・・・イン
テグレータ、２５・・・コリメートレンズ。特許出願人　　キャノン株式会社

Claims

【特許請求の範囲】

１．所定ガスが流入され、所定圧力に維持された処理室
内にプラズマを発生させることにより、該処理室内に設
置された基体の処理を行なうプラズマ処理装置において
、前記処理室内にプラズマを発生させるためのプラズマ発
生手段として、前記処理室の外周部に設けられた二個の
接地電極と該二個の接地電極の間の処理室の外周部に設
けられた高周波電極とを含むものが用いられ、前記プラズマ発生手段により形成される電界と直交する
ミラー磁界を発生させるための磁界発生手段が設けられ
ていることを特徴とするプラズマ処理装置。
２．請求項１記載のプラズマ処理装置において、前記基体がプラズマ発生手段の近傍であり、かつ、プラ
ズマ発生手段によって発生するプラズマのプラズマ密度
の低い場所に設置されることを特徴とするプラズマ処理
装置。
３．請求項１または請求項２に記載のプラズマ処理装置
において、前記基体もしくは前記基体に付着したガス分子および反
応中間体に吸収可能な波長光を前記被覆基体に向けて照
射する光源手段を有することを特徴とするプラズマ処理
装置。
４．所定ガスが流入され、所定圧力に維持された処理室
内にプラズマを発生させることにより、該処理室内に設
置された基体の処理を行なうプラズマ処理方法において
、前記処理室内にプラズマを発生させるためのプラズマ発
生手段として、前記処理室の外周部に設けられた二個の
接地電極と該二個の接地電極の間の処理室の外周部に設
けられた高周波電極とを含むものを用い、前記プラズマ
発生手段により形成される電界と直交するミラー磁界を
発生させるための磁界発生手段が設けられている装置の
前記処理室内に前記所定ガスを導入し、該所定ガスを前
記プラズマ発生手段を用いてプラズマ化し、該プラズク
を用いて前記基体の処理を行うことを特徴とするプラズ
マ処理方法。
５．前記基体上に博膜を形成する請求項４に記載のプラ
ズマ処理方法。
６．前記基体の表面改質を行う請求項４に記載のプラズ
マ処理方法。
７．前記基体表面または前記基体表面の付着物を除去す
る請求項４に記載のプラズマ処理方法。