JPH04198476A - プラズマ処理装置 - 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］ 本発明はプラズマ処理装置、特に半導体などの製造工程
においてスパッタリング法により基板上にシリコン膜、
アルミニウム膜、酸化シリコン膜等からなる堆積膜を成
膜するための装置として有用なプラズマ処理装置に関す
る。

［従来の技術］ 半導体ウェハ等からなる基板−Ｌに薄膜を形成する方法
の一つとしてスパッタリング法が用いられている。

一般的なスパッタリング法による成膜は、真空にし得る
槽（真空槽）内を１０−３〜１０−２Ｔｏｒｒ程度の真
空とし、陽極と対向し、ターゲットを保持する陰極に直
流電圧または高周波電力を印加して、これら電極間にプ
ラズマ生成用の放電を起し、陰極降下電圧を利用して陽
イオンを陰極上のターゲツト材に加速衝突させることで
ターゲツト材から放出される原子あるいは分子を基板上
に堆積させることによって行われる。

しかしながら、高周波電力を印加して成膜を行う場合、
−船釣な平行平板型のスパッタリング装置では放電領域
が陰極と陽極の電極間からその外側に広がり、電極間の
外側にプラズマの生成に有効に利用されない放電領域が
生じ、それが電極間に投入された放電用の電力の部分的
な損失となる。

この電力損失が大きいと、電極間に十分な密度のプラズ
マを発生させることができなくなり、効率良いプラズマ
処理ができなくなる。例えば、成膜装置においては、プ
ラズマ密度の低下は、成膜速度の低下や、バイアススパ
ッタリング装置等で利用される基板入射イオン量等の減
少を招く。

この投入電力の損失の問題に対する対応としては、電力
損失を見越して投入電力を増大させる方法がある。しか
しながら、大きな投入電力を用いると真空槽内壁等の所
望としない部分のスパッタリングが増長され、真空槽内
壁等から放出される原子や分子のプラズマ処理への影響
が顕著となり好ましくない。例えば、成膜においては、
真空槽内壁等から放出される原子や分子が堆積膜中に不
純物として混入し、その混入量が増大するという問題が
生じてくる。

［発明が解決しようとする課題］ プラズマ処理装置における放電領域の電極間の空間より
外側への広かりを防止して、投入電力の損失を低減させ
る構成として、電極間の空間を囲むように防着板を設け
る構成が知られている。

しかしながら、実際の高周波放電を用いたプラズマ処理
においては、電極に印加した高周波が防着板に伝搬し易
いため、防着板と真空槽内壁との間に放電が生じ易くな
り、必ずしも効率的ではない。また、イオンの陰極への
加速の程度やその量を制御するために、あるいは防着板
自体のスパッタリングを防止するために、防着板にも電
位を印加することが知られているが、この方法を用いた
場合にも防着板と真空槽内壁の間に生じる放電により本
来電極間に投入されるべき高周波電力の損失が生じ、プ
ラズマ処理への影響は避けられない。

防着板と真空槽内壁の間の放電は、これらの間隔を狭め
ることによって防止できる。

しかしながら、電極に近接させた防着板にさらに真空槽
内壁を近接させて配置すること、すなわち電極と真空槽
内壁の間隔を狭めることは装置の設計−ヒ困難であり、
また、電極と真空槽内壁の間隔を狭めずに防着板を真空
槽内壁側奸寄せて配置すると、防着板と電極との間隔が
広がることになるので前述の放電領域の広がりが生じ、
投入電力の損失の増大を招く。

本発明は上述の従来のプラズマ処理装置における問題に
鑑みなされたものであり、投入電力の効率良い利用が可
能であづ、品質の良い堆積膜の成膜を生産性良く行うこ
とのできるプラズマ処理装置を提供することにある。

［課題を解決するための手段］ 上記目的を達成し得る本発明のプラズマ処理装置は、真
空槽内に、プラズマ発生用の放電を起すための一対の電
極と、これら電極間の空間を含むプラズマ処理領域と該
真空槽の内壁と接触する領域を連通状態で仕切る防着板
とを有するプラズマ処理装置において、前記プラズマ処
理領域と前記真空槽の内壁と接触する領域に圧力差を生
じさせるための手段を設けたことを特徴とする。

本発明によれば、防着板によって放電用の一対の電極の
間の空間を含むプラズマ処理領域を囲み、該プラズマ処
理領域とその外部領域に圧力差を設けたことによって、
これら電極間に生じさせた放電領域の電極間より外側へ
の広がりを抑えて、放電領域のほぼ全域をプラズマ処理
に必要なプラズマの発生に利用することが可能となる。

これにより、投入電力損失を抑えた効率良いプラズマ処
理が可能となる。例えば、成膜に利用する場合において
は、防着板を設けない場合と比較して、同じ投入電力で
、より高い成膜速度を得ることができ、また基板に入射
する所望のイオンの割合を増加させてより品質の良い堆
積膜を成膜することができる。

また、本発明における防着板は、防着板本来の目的であ
る真空槽内壁部への堆積膜の形成を防ぐという効果も有
する。

更に、防着板に電位を印加することによって、防着板自
身のスパッタリングによる堆積膜中への不純物の混入を
大幅に削減することが６１能となる。

以下、図面を参照しつつ本発明のプラズマ処理装置の各
種態様例について説明する。

第１図は、スパッタリンク法による成膜に用いる本発明
のプラズマ処理装置の一例の要部の断面１図である。

１はターゲツト材５を保持し得る構成を有する陰極であ
り、ローパスフィルター（ＬＰＦ）を介して直流（ＤＣ
）電源と、また整合回路を介してプラズマ発生用電源で
ある高周波（ＲＦ）電源と接続されている。

２は堆積膜が成膜される基板６を保持し得る構成を有す
る陽極であり、切り替えスイッチ７によって、整合回路
を介したＲＦ定電力びＬＰＦを介したＤＣ電源のいずれ
かと接続される。

３は陰極１と陽極２の間のプラズマ処理領域としての成
膜領域Ｓ１を囲むように配置された防着板であり、４は
ターゲツト材５表面でマグネトロン放電を起させる磁場
を形成するための磁石等からなる磁場発生手段である。

この装置では、電極間の空間を取り囲む防着板３が陰極
１及び陽極２に近接して配置され、防着板３に囲まれた
成膜領域Ｓ１とその外側の真空槽８内壁と接触する領域
Ｓ２とが防着板３と陰極１の設置部との間の狭められた
通路１５によって連通した構成が採られており、成膜領
域Ｓ１には該領域へのガスの導入を可能とするガス導入
管１４が接続されてる。

このような構成により、成膜領域Ｓ１にガスを所定の流
量で導入し、通路１５によって成膜領域Ｓ１から領域Ｓ
２へのガスの流出量を制限することで、成膜領域Ｓ１内
の圧力を領域Ｓ２内の圧力よりも高くして、これらの領
域に圧力差を生じさせることができる。その結果、先に
述べた作用によって目的とする効果を得ることができる
。

通路１５やガス導入管１４を設ける位置、通路１５の大
きさや形状は、装置の構成や成膜条件に応じて、防着板
３を電極１．２にできるかぎり近接させ、かつ成膜領域
Ｓ１と領域Ｓ２に有効な圧力差を生じさせることができ
るように適宜設定される。

この装置における成膜は、例えば以下のようにして行う
ことができる。

まず、ターゲツト材５及び基板６を陰極１及び陽極２の
所定位置にセットし、真空槽８内を排気ユニットにより
、例えばｌＸｌ０−’〜３Ｘ１０−９Ｔｏｒｒ程度もし
くは３Ｘ１０−９Ｔｏｒｒ以下の真空度とする。

次に、Ａｒガスをガス導入管１４から成膜領域Ｓ１内に
導入し、成膜領域Ｓ１と領域Ｓ２とで所定の圧力差を形
成する。

なお、成膜領域Ｓ、の圧力は成膜に必要な圧力とされ、
例えば、３Ｘ１０−３〜５Ｘ１０−２Ｔｏｒｒ程度の圧
力を採用することができる。

また、成膜領域Ｓ１と領域Ｓ２の圧力差に関しては、成
膜領域Ｓ１内の圧力（ｐｓ□）と領域Ｓ２内の圧力（Ｐ
Ｓ２）の比、つまりＰ　ｓＩ／　Ｐ　Ｓ２が５〜１００
程度の値となるのが好ましい。

そして、Ａｒガスの導入速度は、成膜領域Ｓ。

内の真空度が成膜に必要な程度に維持され、かつ所定の
圧力差が成膜領域Ｓ１と領域Ｓ２に形成されるように調
節される。

この状態で、陰極工にＲＦ定電力び／またはＤＣ電位を
、陽極にＤＣ電力またはＲＦ定電力所定の条件で印加し
て成膜を行う。

成膜領域Ｓ、内に導入するガスとしては、Ａｒガスの他
に、Ｈｅ、Ｎｅ、Ｋｒ、Ｘｅ、Ｒｎなとの不活性ガスを
挙げることができる。また、これら不活性ガスと一緒に
０２カスを導入して酸化物の成膜、またＮ２ガスあるい
はＮＨ３ガスを導入してチッ化物の成膜を行うこともで
きる。

なお、防着板３には、防着板自体のスパッタリングを防
ぐなどの目的で電位を印加できる手段が付加されてもよ
い。そのような構成を有する装置の一例を第３図に示す
。

第３図に示した装置は、ＬＰＦを介してＤＣ電源１６を
防着板３に接続した以外は第１図の装置と同様の構成を
有する。尚、ＤＣ電源１６の極性は、正電位、負電位と
も印加範囲として含んでいる。

この装置における成膜においては、防着板３にＤＣ電源
１６から所定の電位を印加することで、防着板３自体の
スパッタリングを防止することができ、スパッタリング
により放出される不純物としての原子や分子の堆積膜へ
の混入を大幅に減少させることができる。

従って、防着板に電位を印加可能とした構成を有する装
置は、低い不純物含有量が要求される膜の成膜に好適で
ある。

Ｆ記の例では、成膜領域Ｓ１と領域Ｓ２を連通する通路
１５は固定されたものでるが、第４図に示すように通路
１５の開口部の面積を調整するための調整弁１７をベロ
ーズ１８を上下させることによって移動させ、通路１５
からのガスの流出量を調整して、成膜領域Ｓ１と領域Ｓ
２の圧力差を制御することもできる。

さらに、第１図及び第３図の構成の装置では、基板の搬
出入の手段は示されていないが、例えば第５図に示すよ
うにベローズ１９によって防着板３を」１下できる構成
としたり、第６図及び第７図に示すように防着板３に開
口部２０及び蓋２１を設は蓋２１を開閉自在として、タ
ーゲツト材５及び基板６の搬出入等の操作を行うことが
できる。

なお、第６図に示した装置と第７図に示した装置の違い
は、ＤＣ電源を防着板に接続しているかいないかの違い
である。

また、本発明のプラズマ処理装置において、真空槽８に
ロードロック室を接続することによって、真空槽８内を
大気圧に戻さずに基板の交換を行うことで成膜の効率を
上げることもできる。

以上、スパッタリング法による成膜装置としての本発明
のプラズマ処理装置の各種態様例について説明したが、
本発明のプラズマ処理装置の構成はプラズマＣＶＤ処理
、リアクティブイオンエツチング処理、ドライクリーニ
ング処理、レジストアッシング処理等の他のプラズマ処
理にも適用することができる。

［実施例］ 実施例１ 第２図に示す各部分のサイズを以下のように設定して、
第６図に示すスパッタリング法による成膜装置を作製し
た。

陰極１及び陽極２の直径ｄ、＝９０ｍｍ円筒状防看板の
内径ｄ２＝９１ｍｍ 円筒状防着板の−１一端とターゲツト材表面の距離立、
＝７ｍｍ 電極間距離ｆ１２＝３０ｍｍ なお、真空槽８、防着板３はいずれもステンレス鋼（Ｓ
ＵＳ３１６Ｌ）で構成し、電極１．２はＴａ薄膜を５０
騨コーテイングした鋼材で構成した。

ターゲツト材５としての円板状のアルミニウム板（直径
９０ｍｍ、厚さ５ｍｍ）を陰極１に、また基板６として
の円板状のシリコンウェハ（直径５０ｍｍ、厚さ０．４
ｍｍ）を陽極２上にセットし、排気ユニットを作動させ
て、真空槽８内が２ＸＩＯ−９Ｔｏｒｒとなったところ
で、ガス導入管１４からＡｒガスを３０ＳＣＣＭの流量
で導入して、成膜領域Ｓ、内と領域Ｓ２内の圧力が安定
したところでこれらの領域の圧力を圧力計１２．１３で
測定したところ、成膜領域ＳＩ内は７ｍＴｏｒｒ、領域
Ｓ２内は０．１ｍＴｏｒｒであった。

この状態で、以１の条件でのシリコンウェハ基板６上へ
のアルミニウム堆積膜の成膜を行った。

高周波（ＲＦ電源から陰極１に印加）：周波数：１３．
５６ＭＨｚ 投入電カニ表１に示す。

陽極２の電位： アース電位（ＯＶ） 基板温度：１００℃ 各投入電力における成膜速度を測定し、その結果を表１
に示した。

比較例Ｉ Ａｒガスを真空槽内に導入可能とし、防着板を設けない
以外は実施例１で用いた装置と同様の第８図に示す構成
の成膜装置を作製し、真空槽内の成膜時の圧力を排気ユ
ニットのコンダクタンスバルブ９を調節することで７ｍ
Ｔｏｒｒに維持する以外は実施例１と同様の条件でシリ
コンウェハ基板上にアルミニウム堆積膜の成膜を行い、
表１に示す各投入電力における成膜速度を測定した。

得られた結果を表１に示す。

比較例２ 実施例１で用いた成膜装置の円筒状防着板の内径ｄ２を
１５０ｍｍのもに代えた成膜装置を用いて、成膜領域Ｓ
１内圧力と領域Ｓ２内圧力を共にほぼ７ｍＴｏｒｒとし
た以外は実施例１と同様の条件でシリコンウェハ基板上
にアルミニウム堆積膜の成膜を行い、表１に示す各投入
電力における成膜速度を測定した。

得られた結果を表１に示す。

表　　１ 表１の結果から、実施例１においては、投入電力の増加
割合に対する成膜速度の増加割合はほぼ直線的であり、
投入電力損失が効果的に抑えられて投入電力が効率良く
成膜に利用されていることが示された。

これに対して、比較例１においては、放電領域の電極間
空間の外側への広がりに起因する投入電力の損失が生じ
、同一投入電力において、実施例１よりも成膜速度が低
下した。さらに、その低下の割合は投入電力を増大させ
るほど大きくなり、防着板がない場合には、高い投入電
力においては投入電力損失も増大することが示された。

また、比較例２においては、比較例１に比べて成膜速度
は増大しているものの、成膜領域Ｓ１と領域Ｓ２に圧力
差を設けた実施例１はど成膜速度は大きくなく、実施例
１に比べて投入電力の損失が大きいことが解る。

実施例２ 実施例１と同じ構成の装置を用い、実施例１の操作に従
って以下の条件でのシリコンウェハ基板上へのシリコン
堆積膜の成膜を行った。

ターゲット材二円板状のシリコンウェハ（直径９０ｍｍ
、厚さ５ｍｍ） 基板：円板状のシリコンウェハ（直径５０ｍｍ、厚さ０
．４ｍｍ） 高周波電力（陰極１に印加）： １００ＭＨｚ、１００Ｗ ＤＣ電位： 陰極１　ニー２００Ｖ 陽極２　：　＋５Ｖ Ａｒガス導入流量：３０３ＣＣＭ 成膜領域Ｓ１内圧力ニ７ｍＴｏｒｒ 領域Ｓ２内圧カニ０．ＩＴｏｒｒ 基板温度：表２に示す。

得られたシリコン堆積膜（膜厚１０００人）の結晶状態
をその電子線解析像により調へた結果を表２に示す。

比較例３ 比較例１と同じ構成の装置を用い、真空槽内の成膜時の
圧力を排気ユニットのコンダクタンスバルブ９を調節す
ることで７ｍＴｏｒｒに維持する以外は実施例２と同様
の条件でシリコンウェハ基板上へのシリコン堆積膜の成
膜（膜厚１０００人）を行い、表２に示す各基板温度に
おける堆積膜の結晶性を調べた。

表２に示された結果から明らかなように、実施例２では
、比較例２よりも低い基板温度で結晶性の良い堆積膜を
得ることができた。

表　　２ 電子回折像　　　　　　　　　Ｓｉ膜厚：１０００人０
：菊池線 ○：ストリーク ×　：ノ＼ロー 実施例３ 実施例！と同じ構成の成膜装置の防着板にＬＰＦを介し
てＤＣ電源１６を接続した第７図に示す装置を用い、実
施例１の操作に従って以下の条件でのシリコンウェハ基
板上へのシリコン堆積膜の成膜を行った。

ターゲット材：円板状のシリコンウェハ（直径９０ｍｍ
、厚さ５ｍｍ） 基板：円板状のシリコンウェハ（直径５０ｍｍ、Ｊ″４
さ０．４ｍｍ） 高周波電力（陰極１に印加）： １００ＭＨｚ、１００Ｗ ＤＣ電位（シールド電位、防着板に印加）：第９図に示
す。

Ａｒガス導入流量：３０３ＣＣＭ 成膜領域Ｓ、内圧カニ７ｍＴｏｒｒ 領域Ｓ２内圧カニ０．ＩＴｏｒｒ 基板温度＝２５０℃ 膜厚：１０００人 シールド電位を種々変化させた際の堆積膜中へのＦｅの
混入量をＳＩＭＳ法によって測定した。

その結果を第９図に示す。第９図に示すように、本実施
例の装置においては、防着板へのＤＣ電位を負から正へ
増加させることによってＦｅの混入量を減少させること
ができ、電位（ＯＶ）の印加において後述の比較例３の
装置で得られた堆積膜よりもＦｅ混人を低く抑えること
ができ、かつ＋２０Ｖ以上では検出限界以下とすること
が可能となった。

比較例４ 比較例１と同じ構成の成膜装置を用い、真空槽内の成膜
時の圧力を排気ユニットのコンダクタンスパルプ９を調
節することで７ｍＴｏｒｒに維持する以外は実施例３と
同様の条件でシリコンウェハ基板上にシリコン堆積膜の
成膜（膜厚１０００人）を行い、堆積膜中へのＦｅの混
入量をＳＩＭＳ法によって測定したところ、上述の各実
施例におけるよりも多いＦｅ混入量が検出された。

［発明の効果］ 本発明のプラズマ処理装置においては、防着板によって
放電用の一対の電極の間の空間を含むプラズマ処理領域
を囲み、かつプラズマ処理領域とそれ以外の領域に圧力
差を設けたことによって、これら電極間に生じた放電領
域の電極間より外側への広がりが抑えられ、放電領域の
ほぼ全域をプラズマ処理に必要なプラズマの発生に利用
することができる。それにより、投入電力損失を抑えた
効率良いプラズマ処理が可能となる。また、充分なプラ
ズマ密度を得ることができるので、良好なプラズマ処理
を行うことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図〜第７図は本発明のプラズマ処理装置の各種態様
例における要部の断面図、第８図は防着板を設けないタ
イプの従来のプラズマ処理装置の要部の断面図、第９図
は実施例３で得られたＦｅの混入量と防着板に印加する
シールド電位の関係を示すグラフである。 １：陰極　　　　　　　２：陽極 ３：防着板　　　　　　４：磁石 ５：タゲット材　　　　６：基板 ７：スイッチ　　　　　８：真空槽 ９：コンダクタンス調整バルブ １０．１１．１６：ＤＣ電源 １２．１３：圧力計 １４コガス導入管　　　１５：通路 １７：弁 １８．１９．２２：ベローズ ２０：開口部　　　　　２工：蓋 特許出願人　　キャノン株式会社 大　　　見　　　忠　　　弘

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）真空槽内に、プラズマ発生用の放電を起すための一
   対の電極と、これら電極間の空間を含むプラズマ処理領
   域と該真空槽の内壁と接触する領域を連通状態で仕切る
   防着板とを有するプラズマ処理装置において、前記プラ
   ズマ処理領域と前記真空槽の内壁と接触する領域に圧力
   差を生じさせるための手段を設けたことを特徴とするプ
   ラズマ処理装置。 ２）防着板に電位を印加するための手段が設けられてい
   る請求項１に記載のプラズマ処理装置。