JPH0426110A - 薄膜形成装置 - 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〕 この発明は、半導体などの表面に薄膜を形成する装置と
して、プラズマ生成室と、該プラズマ生成室の開口を介
して該プラズマ生成室と連通し内部にウェーハが載置さ
れるとともにＲＦ雷電圧印加されるウェーハステージを
備えた反応室とを備え、プラズマ生成室内で生成された
プラズマを発散磁界の作用でウェーハステージ方向へ引
き出すとともに薄膜原料ガスを反応室内へ供給してウェ
ーハに薄膜を形成する薄膜加工装置の構成と、その運転
方法とに関する。

〔従来の技術〕

この種の薄膜形成装置として、例えば第４図に示すもの
が知られている。図示されないマイクロ波源から発振さ
れたマイクロ波が導波管１を通り、真空透過窓２を通過
して、真空排気装置で真空に保たれたプラズマ生成室３
内に導入されるとともに、プラズマ生成室３を囲む励磁
ソレノイド５によりプラズマ生成室内に前記マイクロ波
とともに電子サイクロトロン共鳴を生しさせる磁界が形
成され、ガス導入管路４を通ってプラズマ生成室３内に
供給されたプラズマ原料ガスをプラズマ化する。このプ
ラズマは前記励磁ソレノイド５が形成する発散磁界に沿
って図の下向きに移動し、反応室７内にあってＲＦ＠Ｂ
（ＲＦは数十ｋ　ｔｌ　ｚないし数十ＭＨｚの周波数を
意味し、通常１３．５６ＭＨｚが用いられる）２０から
ＲＦ雷電圧印加されろウェーハステージ８に載置された
ウェーハ９に照射される。

このような装置において、マイクロ波の周波数を２．４
５ＧＨｚ　とするとともに、励磁ソレノイド５によりプ
ラズマ生成室３内に磁束密度が８７５ガウスの領域を形
成させ、プラズマ原料ガスにＮ、あるいはＯｔ、Ｆｌ膜
原料ガス　（以下反応ガスと記す）にシラン（ＳｉＨａ
）を用いれば、プラズマ生成室３内で電子サイクロトロ
ン共鳴効果により高密度のＮ、あるいは０．ガスのプラ
ズマが生成され、このプラズマが発散磁界に沿ってウェ
ーハ９へ向かいつつシランガスを活性化し、ウェーハ上
にシリコン窒化膜あるいはシリコン酸化膜が形成される
。

一方、ウェーハステージ８にはＲＦｚ源２ｏからＲＦｉ
ｉ圧を印加することができるよう、第５図に示すように
、支持台１１上に絶縁物１２を介して載置された金属製
ウェーハステージ８からＲＦ導入ケーブル１７が反応室
７の外部へ引き出されており、ウェーハ表面に形成され
たアルミ配線等による凹凸表面に平坦なシリコン酸化膜
による絶縁膜を形成するような場合には、ウェーハステ
ージ８にＲＦ雷電圧印加して０．ガスイオンでエツチン
グ速度の早い凸面側壁のシリコン酸化膜をエツチングし
つつエツチング速度の遅い平坦部に膜を堆積させた後、
プラズマ生成室３にＡｒガスを追加供給して、Ａｒガス
のより強いエツチング作用により、凸部頂面に堆積した
膜をエツチング除去しつつ凹部にシリコン酸化膜を堆積
させて全体を平坦化する　（特開昭６１−２１８１３４
号公報参照）。

このように、プラズマ生成室と反応室とが分離され、か
つウェーハステージにＲＦｉｉ圧が印加されるこの種の
装置では、ウェーハが、平行平板型プラズマ生成装置の
ようにプラズマ中にないために高温にさらされることが
なく、従ってダメージを受けることなく凹凸表面に平坦
な膜を形成することができ、かつこの平坦膜の形成に当
り、ウェーハステージに供給するＲＦ電力を制御するこ
とにより、堆積速度１工ツチング速度をともに自由に制
御しつつ成膜できる特長を有する。

〔発明が解決しようとする課題〕

一方、このように構成される薄膜形成装置では、マイク
ロ波が導入されガス圧力が数ｍＴＯｒｒ程度に保たれた
プラズマ生成室内でマイクロ波のエネルギーを得た電子
が磁界の作用でサイクロトロン運動を行い、プラズマ原
料ガスの分子と衝突して高密度のプラズマを生成する。

しかし、ガス圧力が高いと衝突回数が増し、イオン化す
るためのエネルギーに達する前に分子に衝突してしまう
ので、ガスがプラズマ化されにくくなり、プラズマ生成
効率が低下し、プラズマ密度が小さくなる。また、プラ
ズマ生成室内に生成されたプラズマは、ｗ４磁ソレノイ
ドが形成する発散磁界に沿ってウェーハステージ方向へ
移動するから、ウェー７１表面に形成される薄膜の膜厚
分布は、プラズマ生成室内のプラズマ密度分布と発散磁
界を形成する磁力線の密度分布とにより左右され、ウェ
ー７１面の中央部で厚く、周縁側で薄くなる分布を示す
。そして、通常、この膜厚分布の不均一度は５％以内に
収めることが要求されている。

そこで、本発明者は、従来技術の項で説明した。

形成腰の平坦化３あるいはイオン衝撃による膜質の改善
などに利用されるＲＦｉｌ圧もしくはＲＦ電力が、膜厚
分布とどのように関連するかを調べるため、次のような
実験を行った。すなわち、装置内ガス圧力を８０　ｍ　
Ｔｏｒｒに保ち、プラズマ生成室に注入するマイクロ波
電力を１４６０Ｗとして、ウェーハステージに供給する
ＲＦｉ力の大きさを変え、直径８インチ（２００ｆｉ）
のウェーハ表面に、各ＲＦ電力ごとにウェーハ中央部が
同一膜厚となるまで成膜をつづけた。この結果を第７図
に示す、この図からみられるように、ウェーハステージ
に供給されるＲＦＩ力が小さいときには、ウェーハステ
ージの周縁側で膜厚の成長が中央部より遅く、ＲＦｔ力
が増すとともに周縁側の膜厚生長速度が増して膜厚分布
がより均一化する。このことは、プラズマ生成室から拡
散磁界に沿って反応室内へ移動するプラズマはウェーハ
の中央部でより大きく膜厚生長に寄与し、ＲＦ　Ｑ力に
よりウェーハ前面側に生成されるプラズマはウェーハ周
縁側の膜厚生長により大きく寄与することを示す。そし
て、具体的数値として、ＲＦ電力が５５３Ｗでは、通常
要求される膜厚分布の不均一度５％以内に入るのに対し
、ＲＦｉ力が３６２Ｗ以下ではもはやこの要求を満たず
ことができない、しかし、ＲＦ？Ｉｌ力が大きくなると
、膜厚分布は改善される一方、ウェーハへのイオン衝撃
が増し、内部応力（圧縮応力）が増加して膜がはがれ易
くなり、生成膜が例えばウェーハ上の最終保護膜である
シリコン窒化膜である場合には、吸湿等の問題が生じる
。この内部応力の増加を避けつつ膜厚分布を均一化しよ
うとすれば、ＲＦ電力を小さくして生成膜の内部応力を
小さく抑えるようにするとともに、ガス圧力を例えば数
＋ｍ　Ｔｏｒｒ以上２００ｍ　Ｔｏｒｒ程度まで上げて
ウェーハ周縁側に低ガス圧、高ＲＦ電力の場合と同様の
ＲＦプラズマをウェーハ周縁側に生成させる必要がある
。しかし、このようにガス圧力を上げると、成膜中にシ
ランの粉が発生し、ウェーハ及び反応室、プラズマ生成
室内部の汚染が住じる。

この発明の目的は、ウェーハステージに供給するＲＦｉ
力が小さく、Ｖｔ置のガス圧力が低（でも均一な膜厚分
布が得られるｉＭ！形成装置を捷供することである。

〔課題を解決するための手段〕

上記課題を解決するために、この発明においては、プラ
ズマ生成室と、該プラズマ生成室の開口を介して該プラ
ズマ生成室と連通し内部にウェーハが載置されるととも
にＲＦ雷電圧印加されるウェーハステージを備えた反応
室とを備え、プラズマ生成室内で生成されたプラズマを
発散磁界の作用でウェーハステージ方向へ引き出すとと
もに薄膜原料ガスを反応室内へ供給してウエーノ１に薄
膜を形成する薄膜加工装置を、ウエーノ＼ステージを同
心に囲みかつウェーハステージから絶縁されたリング状
電極を備えるとともに、ウエーノ＼ステージとリング電
極とにそれぞれ独立にＲＦｔ圧が印加される装置とする
か、ウェーハステージとプラズマ生成室の開口との中間
位置にウェーハステージと同軸にリング状１円筒状など
の軸対称中空電極が反応室から絶縁して配置されるとと
もに該軸対称中空電極と反応室との間に直流電圧が印加
される装置とするものとする。

〔作用〕

この発明は、前述の実験結果から、ＲＦ電力によってウ
ェーハ前面側に生成されるプラズマがウェーハ周縁側の
膜形成により多く寄与すること、従ってこのＲＦプラズ
マはウェーハ周縁側で密度が高く、中央部で低いこと、
従ってウェーハに高ＲＦｉ力を供給しなくともウェーハ
周縁側に高密度のプラズマを生成することができれば、
均一な膜厚分布が得られることに着目したものである。

以下、上記手段のもつ作用もしくはそのもたらす効果の
理解を容易にするために、本発明者が行った実験のデー
タにつき説明する。

従来の装置（第４図）を用い、プラズマ生成室３にＮ！
ガスを、また反応室７にシランガスを導入して装置内の
ガス圧力を８（１ｍＴｏｒｒに保ち、マイクロ波電力１
４６０Ｗをプラズマ生成室３に注入して形成したシリコ
ン窒化膜の膜質を第６図に示す、この図にみられるよう
に、ＲＦ電力が増すとともに膜厚分布が改善され、ＲＦ
ｔ力５５３Ｗで膜厚分布の不均一度が５％以内に入る。

しかし、このときの膜の内部応力は１２　Ｘ　１０’ｄ
ｙｎ　／−と極めて高い。

このような内部応力を与えるウェーハの表面電位■−ゎ
を同図（ａｌに示す。

第７図は、すでに説明したところであるが、第６図（Ｃ
１の結果を与えた１元の実験データを示す。

膜厚分布とウェーハ前面のプラズマ密度分布とは密に対
応するから、ＲＦ１１ｉ力の増加とともに膜厚分布が均
一化する現象は、ＲＦ電力供給により生じた。ウェーハ
前面の電子とイオンとの移動度の差に基づくウェーハの
表面電位によるウェーハ面の電界強度がウェーハ中央部
で小さく、周縁部で大きいことを示している。

第８図はプラズマ密度分布のＲＦｔ力による変化を示す
０反応室圧力もしくは装置内のガス圧力を１００ｍ　Ｔ
ｏｒｒと高く保った場合、プラズマ生成室に注入するマ
イクロ波電力１４７０Ｗに加えてウェーハステージにＲ
Ｆｉ力３８５Ｗを供給すると、ウェーハ前面のプラズマ
密度はウェーハ周縁側で大きく変化し、また、全体のプ
ラズマ密度もＲＦ電力がないときのプラズマ密度をカバ
ーして顕著に上昇する。このことは、反応室圧力が１０
０　ｍＴｏｒｒ程度に高いときには、ＲＦ電力によるプ
ラズマ生成量が多く、ＲＦｔｉ力の供給により生しだウ
ェーハ表面電位によるウェーハ面の電界強度がウェーハ
中央部と周縁側とでさほど大きい差がなくとも膜厚の均
一化が可能であることを示す、従って、本発明のように
、ウェーハに供給するＲＦｔｊｉ力を低（抑え、同心に
配置されたリング状電極に適宜に大きいＲＦｔ力を供給
してリング状電極の表面電位を大きくする場合にも、こ
のＲＦｉ力を反応室圧力に応じて変化させることにより
、膜厚分布を均一化することができる。

第９図はウェーハステージの位置によっても膜厚分布を
均一化できることを示す実験結果である。

図中の成膜位置の数（ｆｔ４ｏｔｍ、・・・は、ウェー
ハステージ８　（第４図）と窓６との軸方向距離を示す
。

ウェーハステージと窓との距離が近づくと、ウェーハの
表面電位によるウェーハ面の電界強度がウェーハ周縁側
で中央部より大きくなり、ＲＦプラズマによる膜厚の成
長が周縁部で速くなる。窓はＲＦ＠電の電極に相当し、
開口の大きさによりＲＦプラズマが形成される領域が決
まる。所望の膜質を得るために必要なプラズマ生成室開
口からのプラズマ移動距離上の制約から成膜位置の上限
が決定されるので、ウェーハステージの位１は従来のま
まとして、ウェーハ近傍に窓と順位の電極を設置し、開
口に相当する内径の大きさとウェーハステージとの軸方
向距離とを最適化することにより、ウェーハ周縁側のプ
ラズマ密度が適度に高まり、ウェーハに供給するＲＦ電
力が小さくても膜厚を均一にすることができる。この場
合、電極の電位は必ずしも接地電位すなわち反応室の電
位である必要はなく、ウェーハに随意に所望の低ＲＦ電
力を供給して膜厚を均一化するには、電極の電位を変え
うるように装置を構成することが、ウェーハ周縁側のプ
ラズマ密度の制御に便利である。

また、電極の形状は必ずしも平板状である必要はなく、
円筒状としても同様に目的を達成することができる。

〔実施例〕

第１図に本発明の第】の実施例によるウェーハステージ
まわりの構成を示す、この実施例では、ウェーハステー
ジ８は直径８インチ（２００ｍ）のウェーハを対象とし
て作られ、このウェーハステージを囲んでウェーハステ
ージと同心にリング状の電極１３が絶縁物１４によりウ
ェーハステージから絶縁されて配置され、ウェーハステ
ージ８．絶縁物１４、リング状電極１３からなる電極系
が絶縁物１２を介して支持台１１に載置されている。支
持台１１は中空円筒部１１ａを有し、ここには特に図示
しいなか、反応室７との間に気密を保ちながら軸方向移
動ができるように装置が構成されており、成膜時にはウ
ェーハ径に応じた最適位置にセットされる。金属製のウ
ェーハステージ８には中空円筒部１１ａを通るＲＦ導入
ケーブル１７を介してＲＦ電源２１からＲＦ電力が供給
され、リング状電極１３にはＲＦ導入ケーブル１８を介
してＲＦＩＨｆｉ２２からＲＦｉｉ力が供給される。成
膜時にはＲＦ１１ｉ源２１から供給するＲＦｉｉ力を低
（抑え、ＲＦ電源２２から供給するＲＦ電力を適宜に大
きくして、ウェーハ９の面に生しる対反応室負電位より
もリング状電極１３の面に生じる負電位の大きさを大き
くする。

第２図に本発明の第２の実施例による反応室内の構成を
示す、ウェーハステージ８とプラズマ生底室３の開口６
ａとの中間位置に、平板からなるリング状ｔｌｆｆｉ１
４がウェーハステージ８と同軸に配置され、成膜時には
電極１４に直流電源２３から反応室７の壁面のブッシン
グ１５を通して対ウェーハステージ正電位が与えられ、
ウェーハステージ８に供給されるＲＦｉｉ力が小さくて
も、ウェーハ周縁側には中央部と比べて強い電界が形成
され、ウェーハ周縁側に密度の高いＲＦプラズマが形成
される。

第３図に第２図に示す実施例の変形例を示す。

この実施例は第２図のリング状平板電極１４の代りに円
筒状電極１６を用いたものであり、円筒の下端部がウェ
ーハ９を同心に囲むようにしている。成膜時には円筒状
電極１６に直流電源２３から対ウェーハステージ正電位
が与えられ、ウェーハステージ８に供給されるＲＦｉｌ
ｉ力が小さくても、ウェーハ周縁側には中央部と比べて
強い電界が形成され、ウェーハ周縁部に密度の高いＲＦ
プラズマが形成される。

〔発明の効果〕

以上に述べたように、本発明においては、プラズマ生成
室と一該プラズマ生成室の開口を介して該プラズマ生成
室と連通し内部にウェーハが載置されるとともにＲＦ電
圧が印加されるウェーハステージを備えた反応室とを備
え、プラズマ生成室内で生成されたプラズマを発散磁界
の作用でウェーハステージ方向へ引き出すとともに薄膜
原料ガスを反応室内へ供給してウェーハに＊Ｗ４を形成
する薄膜加工装置を、ウェーハステージを同心に囲みか
つウェーハステージから絶縁されたリング状電極を備え
るとともに、ウェーハステージとリング電極とにそれぞ
れ独立にＲＦ電圧が印加されるｖｔ置とするか、ウェー
ハステージとプラズマ生成室の開口との中間位置にウェ
ーハステージと同軸にリング状１円筒状などの軸対称中
空電極が反応室から絶縁して配置されるとともに該軸対
称中空電極と反応室との間に直流電圧が印加される装置
としたので、ウェーハステージに供給するＲＦ電力が小
さくても、ウェーハ周縁側にウェーハの中央部と比べて
十分高いＲＦ電界を形成することができる。これにより
装置内のガス圧力を反応ガスによる粉の発生を生しない
程度以下に低く保ち、プラズマ生成室でのプラズマ生成
効率を高く維持しつつ、薄膜の内部応力が過大とならな
いようにウェーハステージへのＲＦ′ｇ！、力を低く抑
えた状態で均一な膜厚を実現させることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１の実施例によるウェーハステージ
まわりの構成を示す断面図、第２図は本発明の第２の実
施例による反応室内の構成を示す断面図、第３図は第２
図に示す実施例の変形例を示す断面図、第４図は従来の
薄膜形成装置の構成例を示す断面図、第５図は第４図に
示す薄膜形成装置におけろウェーハステージまわりの構
造を示す拡大断面図、第６図ないし第９図は本発明の発
明者が第４図の薄膜形成装置を用いて行った実験の結果
を示す図であって、第６図はウェーハの表面電位１薄膜
の内部応力、膜厚分布不均一度のＲＦｔ力依存性を示す
図、第７図はウェーハ全面にわたる膜厚分布のＲＦ電力
依存性を示す線図、第８図はウェーハ前面のプラズマ密
度分布（７）ＲＦｔ力依存性の一例を示す線図、第９図
はウェーハ全面にわたる膜厚分布がプラズマ生成室の開
口とウェーハステージとの軸方向距離によって変化する
様子を示す線図である。 ３；プラズマ生成室、５：励磁ソレノイド、６ａ：開口
、７：反応室、８：ウェーハステージ、９：ウェーハ、
１３．１４，１６　：電極、２０．２１，２２　：　Ｒ
Ｆｔ源、２３：直流電源、　　　　　　　　　　　−１
第２図 第４胆 第５図 脂厘ガ昂 ＲＦ区力（Ｗ） ウェーハ申ル°力）ジの社唄ｑ　（ｍｍ）第７ｒｇＪ 第８２ 、月１ンｐ１（メン ？工−ハ［１］：’ＪＬ力１５の距離ｃ次歳ン第ｑｈ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）プラズマ生成室と、該プラズマ生成室の開口を介し
   て該プラズマ生成室と連通し内部にウェーハが載置され
   るとともにＲＦ電圧が印加されるウェーハステージを備
   えた反応室とを備え、プラズマ生成室内で生成されたプ
   ラズマを発散磁界の作用でウェーハステージ方向へ引き
   出すとともに薄膜原料ガスを反応室内へ供給してウェー
   ハに薄膜を形成する薄膜加工装置において、ウェーハス
   テージを同心に囲みかつウェーハステージから絶縁され
   たリング状電極を備えるとともに、ウェーハステージと
   リング状電極とにそれぞれ独立にＲＦ電圧が印加される
   ことを特徴とする薄膜形成装置。 ２）プラズマ生成室と、該プラズマ生成室の開口を介し
   て該プラズマ生成室と連通し内部にウェーハが載置され
   るとともにＲＦ電圧が印加されるウェーハステージを備
   えた反応室とを備え、プラズマ生成室内で生成されたプ
   ラズマを発散磁界の作用でウェーハステージ方向へ引き
   出すとともに薄膜原料ガスを反応室内へ供給してウェー
   ハに薄膜を形成する薄膜加工装置において、ウェーハス
   テージとプラズマ生成室の開口との中間位置にウェーハ
   ステージと同軸にリング状、円筒状などの軸対称中空電
   極が反応室から絶縁して配置されるとともに該軸対称中
   空電極と反応室との間に直流電圧が印加されることを特
   徴とする薄膜形成装置。