JPS6243335B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、半導体集積回路などの電子デバイス
の製造において、試料基板上に各種材料の薄膜を
形成するための付着装置に関するものであり、特
にプラズマを利用してシリコン系のSi、Si₃N₄、
SiO₂、MoSi₂、WSi₂などの薄膜を形成するための
プラズマ付着装置に関するものである。

従来のこの種の装置はCVD（Chemical Vapor
Deposition）装置として知られており、特に、半
導体集積回路の各種薄膜形成手段として多用され
ているが、高純度、高品質の薄膜を形成できる。
その膜形成反応過程は、試料基板を配列した反応
容器を500℃〜1000℃の高温状態に加熱し、付着
すべき材料の原料をガス状の化合物の形で供給
し、ガス中および試料表面上でガス分子を熱的に
解離・化合させて薄膜を形成する。

しかしながら、この方法は高温状態における熱
的反応を利用しているため、膜形成すべき試料基
板の種類として高温に耐えるもの、高温によつて
特性が劣化しないものに限定され、適用領域が著
しく制限されるという欠点があつた。また、形成
された膜の内部応力などの特性を制御することが
困難であるという欠点があつた。

最近、これらの欠点を解決するため、プラズマ
の作用を利用して比較的低温でCVD装置と同様
の反応を生じさせ、薄膜を形成しようとするプラ
ズマ付着装置が開発された。第１図はこの種従来
のプラズマ付着装置の代表的な原理的構造を示す
もので、このプラズマ付着装置は試料室１、ガス
導入系２および排気系３からなり、試料室１の内
部にプラズマ発生用の高周波電極４およびそれに
対向して試料台５が配置され、試料台５は加熱機
構を有している。ここで、高周波電源７から電極
４に高周波電力を印加して、一般にガス圧0.1〜
10Torrの状態でプラズマ８を発生させ、試料台
５に配置された試料基板６に薄膜を形成する。一
例として、窒化シリコン膜を形成する場合につい
て説明すると、CVD装置と同様にシランガス
（SiH₄）およびアンモニアガス（NH₃）をガス導入
系２より導入し、排気系３から排気しつつ一定の
ガス圧に保ち、高周波電源７から高周波電力を高
周波電極４に供給し、プラズマ８を発生させて
SiH₄およびNH₃を解離し、イオンや電子の入射の
作用をも受けて試料６の表面上で反応・化合さ
せ、窒化シリコンを堆積させる。この場合、試料
台５を300〜500℃に加熱して使用する。従来の
CVD装置では800〜900℃の高温を必要としたの
に対し、かかるプラズマ付着装置によれば、かな
り低温で膜形成できるようになつた。しかしなが
ら、SiH₄やNH₃の分解がまだ不十分で、堆積され
た膜中にＨがとり込まれることや、Si―Ｎの結合
が不十分であることなどにより、高品質の膜が得
られないという欠点があつた。

これに対し、第２図に示すようなマイクロ波放
電によるプラズマを利用した薄膜形成装置が検討
されてきた。この装置はプラズマ源１１と平行磁
界を有した試料室１２とからなり、プラズマ源１
１から熱的拡散によつてプラズマ流１３を試料６
の表面に輸送することにより、試料６に膜を付着
させる。１４は平行磁界発生用磁気コイル、１５
はマイクロ波導波管である。この方法によれば、
ガス圧が低くまた活性度の高いプラズマを形成で
きるので、NH₃の代わりに窒素ガス（N₂）を利用
し、SiH₄と組合わせて窒化シリコン膜を形成で
きるなどの利点がある。しかしながら、プラズマ
源１１から平行磁界を用いて熱的拡散によつてプ
ラズマ流１３を導くため、電子、イオンなどのプ
ラズマの試料表面への作用が不十分であり、従来
のプラズマ付着装置と同様に、300〜500℃の温度
に試料を加熱する必要があるという欠点があつ
た。さらに、用いられているプラズマ源１１はマ
イクロ波導波管１５の内部での放電を利用してい
るため、プラズマ流１３の径が２cm程度と小さ
く、膜形成可能な面積が従来プラズマ付着装置に
比較して著しく小さく、生産性が低いという欠点
があつた。

本発明は以上の状況に鑑みてなされたもので、
その目的は、上述したような従来のプラズマ付着
装置の特長を生かし、高い活性度のプラズマを発
生させ、試料表面でのイオンや電子のプラズマの
作用を高め、試料基板を低温に保つたままで高品
質の薄膜を大面積にわたつて生産性よく形成でき
るプラズマ付着装置を提供することにある。

以下に図面を参照して本発明を詳細に説明す
る。

第３図は本発明の実施例であつて、ここに２１
はプラズマ生成室、２２は試料室である。２３は
マイクロ波導入窓であり、この実施例では石英ガ
ラス板が用いられている。マイクロ波源（図示省
略）としては、例えば、周波数2.45GHzのマグネ
トロンを用いることができ、マイクロ波導入窓２
３から外部方向に矩形導波管２４、更に図示して
いない整合器、マイクロ波電力計、アイソレータ
を経た位置に接続されるものとする。プラズマ生
成室２１はステンレス鋼でできており、プラズマ
生成による温度上昇を防止するために、給水、排
水口３０を介して水冷されている。ガス導入系は
２系統を有し、第１ガス導入系２５はプラズマ生
成室２１にガスを導入するためのものであり、第
２ガス導入系２６は小孔を数個所にあけた環状ス
テンレス管２６Ａを有し、ガスを試料室２２内に
導入し、更に試料台５上の試料６の表面方向に直
接導くようにしたものである。プラズマ生成室２
１において、マイクロ波導入窓２３と対向する他
端には、プラズマ流２７を引出すためのプラズマ
引出し窓２８を設ける。また、プラズマ引出し窓
２８の下側には、プラズマ流を遮断することがで
きるように、図示されていないシヤツタを配設
し、このシヤツタを試料室２２の外部から操作で
きるようにする。試料台５には、補助的に試料基
板６を加熱することができるように、ヒータを内
蔵するのが好適である。試料室２２は排気系３に
接続されている。排気系３は、例えば、排気能力
2400／secの油拡散ポンプおよび排気能力500
／minの油回転ポンプにより構成できる。

プラズマ生成室２１はマイクロ波空胴共振器の
条件とし、一例として円形空胴共振モードTE₁₁₃
を採用し、内のり寸法で直径20cm、高さ20cmの円
筒形状を用いてマイクロ波の電界強度を高め、マ
イクロ波放電の効率を高めるようにした。プラズ
マ引出し窓２８はプラズマ生成室２１の内径20cm
に対して径10cmの円形窓とし、マイクロ波回路の
構成において絞り（アイリス）の役目を果し、マ
イクロ波に対する反射面を構成し、プラズマ生成
室２１をマイクロ波空胴共振器として作用させる
ようにした。なお、プラズマ引出し窓２８の代わ
りに格子状金属板を用いることもできる。

プラズマ生成室２１の外周には磁気コイル２９
を周設し、これによつて発生する磁界の強度を、
マイクロ波による電子サイクロトロン共鳴の条件
がプラズマ生成室２１の内部で成立するように決
定する。例えば、周波数2.45GHzのマイクロ波に
対しては電子サイクロトロン共鳴の条件は磁束密
度875Gであるため、磁気コイル２９は最大磁束
密度1000G程度まで得られるように構成する。こ
のような磁界を用いることは、電子サイクロトロ
ン共鳴によつて効率よく電子にエネルギーを与え
るだけでなく、生成した電子やイオンが磁界に垂
直方向に散逸するのを防止する効果を持つてい
る。磁界方向にはプラズマ引出し窓２８の方向に
磁界の強度が弱くなる発散磁界を採用して、プラ
ズマ引出し窓２８からプラズマを効率よく引出せ
るようにした。上述したプラズマ生成に関する基
本構造としては、本願人の先の出願に係わる「イ
オンシヤワ装置」（特願昭54−048535号）におけ
るプラズマ生成の場合とほぼ同様の考えを採用し
た。

磁気コイル２９によつて発生する磁界は、プラ
ズマ生成室２１における電子サイクロトロン共鳴
に利用するだけでなく、その磁界が試料室２２に
も及ぶように構成してあり、試料室２２内の磁界
（磁束密度）の強度はプラズマ引出し窓２８から
試料台５に向けてさらに適当な勾配で減少する発
散磁界の形成に利用されている。発散磁界中では
一般に荷電粒子は円運動しつつ、円運動のエネル
ギーが、角運動量を保存した状態で発散磁界の方
向の運動エネルギーに転化され、磁界強度の減少
する磁力線方向に沿つて加速される。この原理に
より、プラズマは試料台５の方向に能率よく輸送
されるとともに、プラズマ流２７の径は試料台５
に向かつて増大する。プラズマ中の電子およびイ
オンの円運動の半径は、電子およびイオンの運動
エネルギーをそれぞれ10eVおよび0.1eVの程度と
仮定すると、それぞれ0.1mmおよび１〜３mmの程
度とかなり小さいので（磁束密度875Gのとき）、
プラズマは磁力線に沿つてそのまま引出されると
みなすことができる。本実施例においては、試料
台５の位置での磁束密度の強度は約200Gであ
り、10cm径で引出されたプラズマ流２７は試料台
５上で約20cm径に増大している。

電子サイクロトロン共鳴によつて円運動のエネ
ルギを得た電子（10〜30eV程度の平均値を有す
ると考えられる）は、上述の発散磁界によつてそ
の円運動エネルギーの70〜80％のエネルギーを磁
力線方向の運動エネルギーに転化し、試料台５に
入射する（途中でのガス分子との衝突によるエネ
ルギー損失を考えれば多少減少する）。試料台５
の表面材質として絶縁体を用いるか、あるいは試
料台５を電気的に浮遊の状態にすることによつ
て、上述の電子の入射により試料台５は負に帯電
し、この負電位によつてプラズマ中のイオンが試
料台５に向つて加速され、イオン入射量が増加す
る。入射電子数は負電位の発生によつて減少する
ため、電子およびイオンの入射量が一致したとこ
ろで定常状態になる。ここで、入射電子は、円運
動のエネルギーとして最初の値の20〜30％をなお
かつ有しているので、上述のイオン入射による試
料表面の衝撃効果とともに、試料基板上に付着・
堆積される膜の品質の向上に有効に作用する。

なお、形成すべき膜の種類によつては、上述の
イオン入射よりさらに大きいエネルギーのイオン
衝撃が有効な場合もあるが、これに対しては試料
台５に高周波電力を印加して高周波スパツタ装置
と同様の原理によつて試料面に負のセルフバイア
ス電圧を生じさせ、イオン衝撃の効果を増加させ
ることもできる。また、直流電源を試料台５に接
続して直流電位を与え、同様の効果を得ることも
できる。但し、絶縁体の膜形成の場合には高周波
電力を用いる方が優れている。

ガス導入系としては、先に述べたように、プラ
ズマ生成室２１にガスを導入する第１ガス導入系
２５と直接試料室２２にガスを導入する第２ガス
導入系２６とを有し、形成すべき膜の種類、供給
する原料のガスの種類に応じてガスの導入方法を
選択することによつて対応できる。例えば、窒化
シリコンの形成の場合には、安定なN₂を第１ガ
ス導入系２５から導入し、分解しやすいSiH₄を
第２ガス導入系２６から導入して試料表面上で反
応させて窒化シリコン膜を形成する。

次に、本発明プラズマ付着装置の具体例につい
て述べる。第１ガス導入系２５にN₂を導入して
プラズマ流２７を形成した場合、試料室２２のガ
ス圧が３×10^-5Torr以上の広いガス圧領域で安
定に放電できた。最適なガス圧領域は５×10^-5〜
３×10^-3Torrであつた。第４図に示すデータ
は、発散磁界によつてプラズマ流を引出す方式の
有効性を示すもので、プラズマ引出し窓２８から
の距離（cm）とその位置に試料台５を設置した場
合に生じる試料台５の負電位（Ｖ）との関係を求
めたものである。このときに用いたガスはN₂で
あり、ガス圧は２×10^-4Torrとした。距離が増
加するほど、すなわち、発散磁界の影響が大きく
なるほど、試料台５に生じる負電位は増加し、距
離20cmでは負電位は13〜14Vにもなつた。試料表
面に入射するイオンのエネルギーはさらに電子の
熱運動によつて誘起される負の電位によつて加速
されるエネルギーが加算されるため、15〜30eV
の程度となつた。膜形成過程におけるこの程度の
負電位は最も好ましい値といわれている。また、
第４図に示した負電位は、発散磁界によつて電子
だけでなく、イオンも能率よく引出されることを
意味している。

次に、本発明装置を用いて窒化シリコン膜を形
成した結果について説明する。試料室２２内の真
空度を８×10^-6Torrまで排気した後、第１ガス
導入系２５にN₂を15〜20c.c.／分、第２ガス導入
系２６にSiH₄を10c.c.／分導入して、試料室２２
内のガス圧を約２×10^-4Torrとして、マイクロ
波電力100〜400Wの条件で膜を形成した。このと
き、試料台５は加熱しないで常温の条件でプラズ
マ付着を開始させた。このとき、窒化シリコンの
付着速度は100〜350Å／分と能率よく膜形成でき
た。形成した窒化シリコン膜の屈折率は偏光解析
によつて測定した結果、1.9〜2.0であつた。ま
た、赤外吸光分析の結果、Si−Ｎの結合による吸
収スペクトルが鋭く観察され、不純物である酸素
によるSi−Ｏ結合のスペクトルは認められなかつ
た。また、耐酸性の評価として、緩衝フツ酸液に
よるエツチ速度を測定した結果、100Å／分以下
とすぐれた値を示し、低温の状態で、非常に高品
質の窒化シリコン膜を形成できることが確められ
た。さらに、従来のCVD装置により形成した窒
化シリコン膜と比較して、膜の内部応力が著しく
小さいため、厚さ２μｍ以上の膜を「クラツク」
や「はくり」を生じることなしに安定に形成でき
た。

本発明のプラズマ付着装置は窒化シリコンの形
成のみならず、シリコン、酸化シリコン、リンケ
イ酸ガラス、モリブデンシリサイド、タングステ
ンシリサイドなど各種の膜形成に好適に用いるこ
とができる。例えば、シリコン（Si）膜の形成で
は、第１ガス導入系２５にSiH₄、あるいは第１
ガス導入系２５にArなどの不活性ガス、第２ガ
ス導入系２６にSiH₄；酸化シリコン（SiO₂）で
は、第１ガス導入系２５にO₂、第２ガス導入系
２６にSiH⁴；リンケイ酸ガラス（PSG）では、第
１ガス導入系２５にO₂、第２ガス導入系２６に
SiH₄とPH₃の混合ガス；モリブデンシリサイド
（MoSi₂）では、第１ガス導入系２５にMoF₆、第
２ガス導入系２６にSiH₄を導入する。更に加え
て、第１および第２のガス導入系２５および２６
にさらに別のガスを導入し、膜の種類、膜品質を
制御することもできる。

以上説明したように、本発明はプラズマ生成に
電子サイクロトロン共鳴条件によるマイクロ波放
電を用い、発散磁界によつてプラズマ流を効率よ
く引出し、大面積の領域で膜形成できるようにし
たので、低ガス圧で高い活性度のプラズマが得ら
れ、イオオン、電子の衝撃効果により低温で高品
質の膜を形成でき、プラズマ生成室および試料室
への２系統のガス導入によつて、特定のガスのみ
を重点的に活性化できる。しかもまた、本発明に
よれば、プラズマ流を利用しており、プラズマが
試料室壁面に接しないので、水分などの吸着ガス
の悪影響を小さくでき、更に加えて、プラズマ生
成室と試料室が分離されているため膜形成処理の
自動化やインプロセス制御に有利であるなどの利
点を有する。

本発明は上述してきた付着への適用だけでなく
CF₄などハロゲン系のガスを導入することによつ
て、エツチングにも適用できることは明らかであ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の高周波放電を利用したプラズマ
付着装置の構成図、第２図は従来のマイクロ波放
電を利用したプラズマ付着装置の構成図、第３図
は本発明の一実施例のプラズマ付着装置を示す構
成図、第４図はプラズマ流によつて生ずる試料台
の負電位の測定結果を示すグラフである。 １…プラズマ生成室を兼ねる試料室、２…ガス
導入系、３…排気系、４…高周波電極、５…試料
台、６…試料、７…高周波電源、８…プラズマ、
１１…プラズマ源、１２…試料室、１３…プラズ
マ流、１４…平行磁界発生用磁気コイル、１５…
マイクロ波導波管、２１…プラズマ生成室、２２
…試料室、２３…マイクロ波導入窓、２４…矩形
導波管、２５…第１ガス導入系、２６…第２ガス
導入系、２７…プラズマ流、２８…プラズマ引出
し窓、２９…電子サイクロトロン共鳴およびプラ
ズマ流の形成のための磁気コイル、３０…冷却水
の給水、排水口。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 真空容器内にガスを導入してプラズマを発生
   させ、該プラズマ中の分子を活性化し、膜形成す
   べき試料基板上で反応させて薄膜を付着・堆積さ
   せるプラズマ付着装置において、前記試料基板を
   載置する試料台を配設した試料室と、活性化すべ
   きガスをプラズマ状態にするプラズマ生成室とを
   有し、該プラズマ生成室を、前記試料室から分離
   して配設し、前記プラズマ生成室は、マイクロ波
   導入窓、マイクロ波導入手段および前記マイクロ
   波導入窓と対向する側の壁面に形成され、プラズ
   マ流を前記試料室に引出すためのプラズマ引出し
   窓を有し、前記プラズマ生成室の外周には当該プ
   ラズマ生成室内において電子サイクロトロン共鳴
   を引起すに必要な磁束密度を形成するとともに、
   前記試料室内においては、前記プラズマ生成室か
   ら前記試料室内の試料台に向かつて磁束密度強度
   が適当な勾配で弱くなる発散磁界を形成する磁気
   回路を設けたことを特徴とするプラズマ付着装
   置。 ２ 特許請求の範囲第１項記載のプラズマ付着装
   置において、前記プラズマ生成室はマイクロ波空
   胴共振器の条件を満足する形状および寸法に定め
   たことを特徴とするプラズマ付着装置。 ３ 特許請求の範囲第１項または第２項記載のプ
   ラズマ付着装置において、前記プラズマ生成室へ
   のガス導入系および前記試料室へのガス導入系を
   有することを特徴とするプラズマ付着装置。