JPS6318323B2 - - Google Patents

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JPS6318323B2
JPS6318323B2 JP14375276A JP14375276A JPS6318323B2 JP S6318323 B2 JPS6318323 B2 JP S6318323B2 JP 14375276 A JP14375276 A JP 14375276A JP 14375276 A JP14375276 A JP 14375276A JP S6318323 B2 JPS6318323 B2 JP S6318323B2
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JP
Japan
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plasma
substrate
electrode
energy
potential
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JP14375276A
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Takashi Tsuchimoto
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Hitachi Ltd
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Hitachi Ltd
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    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01JELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J37/00Discharge tubes with provision for introducing objects or material to be exposed to the discharge, e.g. for the purpose of examination or processing thereof
    • H01J37/32Gas-filled discharge tubes
    • H01J37/32009Arrangements for generation of plasma specially adapted for examination or treatment of objects, e.g. plasma sources
    • H01J37/32082Radio frequency generated discharge
    • H01J37/32091Radio frequency generated discharge the radio frequency energy being capacitively coupled to the plasma

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  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Physical Or Chemical Processes And Apparatus (AREA)
  • Physical Vapour Deposition (AREA)
  • ing And Chemical Polishing (AREA)
  • Drying Of Semiconductors (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は高周波放電により発生せしめたプラズ
マによる処理方法に関し、主として半導体基板を
プラズマによりデポジシヨンまたはエツチング処
理するための処理方法と処理装置に関するもので
ある。
本発明を説明するため、まず従来の高周波放電
を用いたプラズマによるデポジシヨンおよびエツ
チングの方法について説明する。
第1図は高周波放電を用いたプラズマによるデ
ポジシヨン装置の構成図である。1なる放電管に
2なるガス導入孔により適当圧の材料ガスを導入
する。5は真空槽で図示せざる真空排気系により
排気され、デポジシヨンされる基板6は、保持板
7に保持され、アース電位8に結線されている。
いま高周波発振器3と、これに誘導型に結合し
た放電コイル4により放電管1に高周波電力を印
加すると、放電管1内圧力が10-2Torr程度の適
当圧力であればこの放電管内に無極放電をおこし
放電プラズマ9を生成する。いま放電ガスとし
て、モノシラン(SiH4)と窒素(N2)を導入し、
基板6を図示せざる加熱手段により300〜400℃程
度に加熱すれば基板上にシリコンナイトライド
(Si3N4)膜がデポジシヨンする。
第2図に同じく他の従来のデポジシヨン装置の
構成図を示す。図示せざる真空排気系にて排気さ
れる真空槽5には発振器3と容量型に結合した電
極10,11が導入され、11は基板6の保持板
を兼ねアース電位8に結線される。ガス導入孔2
より適当圧力を導入し放電プラズマ9を発生すれ
ば基板6上に第1図の場合と同様に所望物質をデ
ポジシヨンすることが出きる。
次に第3図は高周波放電を用いたプラズマによ
るエツチング装置の場合の構成図である。真空槽
5には、外側に発振器3と容量型に結合した電極
10,11が位置せしめられ、真空槽5の内部の
保持板7の上に基板6がおかれる。ガス導入孔2
より、例えばフレオンガス(CF4)や酸素(O2
ガスを適当圧に導入し放電プラズマ9を発生せし
めれば弗素イオンによりシリコン基板やシリコン
酸化膜がエツチングされる。
第4図は他の例を示し第3図に似た構成である
が、2枚の容量型結合の電極10,11が真空槽
5内に導入されている。一方の電極10に処理基
板6が取りつけられて保持され接地された一方の
電極11との間で導入された適当圧力のフレオン
ガスにより放電を起しプラズマ9を発生せしめ
る。
放電は高周波放電(数M〜数十MHz)であり、
かつ一方の電極がアース電位でプラズマ9に接触
しているため、印加された高周波の波高に相当す
るエネルギーのイオンが基板6に到着し、このた
め一般のスパツタリングを起こすがまた放電ガス
が反応性の場合、例えばエネルギーをもつた弗素
イオンが基板と反応して反応性スパツタリングを
起こし、基板をエツチングする。この場合の基板
が絶縁物であつても高周波印加のため支障はな
い。
第5図は以上の第1図より第4図までの各種方
式を容量型結合の場合についてまとめ、特に基板
に到達するイオンのエネルギーに着目したもので
ある。
第5図において、3なる発振器に電極10と1
1が容量型結合しており、電極の一方11は、8
に接地してあるものとする。また真空容器5は絶
縁材料により構成され、図示せざる真空排気系に
より排気され、かつ図示せざるガス導入孔より適
当圧力ガスが導入され印加せる高周波電力により
放電し、プラズマ9を形成するものとする。
第5図Aは、放電形式としては第3図に相当し
ている。真空容器内に形成されたプラズマ9は外
界と浮遊電位にある。したがつてデポジシヨンの
場合も、エツチングの場合も、プラズマ9の内部
エネルギー、つまり熱エネルギーにて、真空容器
内に挿入された同じく浮遊電位の基板に到着す
る。
第5図Bは放電形式としては第2図および第4
図に相当する。この場合、一方の電極11は、8
において接地されかつプラズマ9に接触している
ため、プラズマの電位はアース電位よりシースを
へだてて、プラズマの内部エネルギーVsに相当
する電位となる。したがつて第5図Bの11のア
ース側の電極に基板をおくと、デポジシヨンの場
合もエツチングの場合もこのプラズマの内部エネ
ルギーに相当するイオンエネルギーVs(通常約数
V以下)にてイオンが到着する。
一方第5図Bの10の高周波電極は、発振器3
に結線されているためいまこの発振器の出力電圧
波形がVosinωtで表わされるとするとこの電極1
0の電位にVosinωtで変化する。ここでV0は高
周波の波形の最高値、ωは角周波数、tは時間と
する。この電極10もやはりプラズマ10に接触
はしているが、時間平均を取ると、10の電位は
接地電位に等しい。したがつて10へのVosinωt
の高周波印加を行つても、プラズマ9の電位は平
均としてVsに止まる。しかし、現実に電極10
はVosinωtで変化するため、電極10とプラズマ
9との間のシースが増減してプラズマと電極の記
の電位差を保持する。したがつて電極10の電位
が−V0になつた時最高(Vp+Vs)のエネルギー
でプラズマよりイオンが到着する。Vpは通常数
百ボルトの程度であるため、電極10上に保持さ
れた基板は最高数百ボルトのエネルギーのイオン
が衝突する。したがつて普通デポジシヨンをする
場合は第2図のようにアース側の電極に基板を保
持せしめてVsのエネルギーでイオンを到達せし
め、スパツタリングを行う場合は、高周波側の電
極に基板を保持せしめて、(Vs+Vp)のエネルギ
ーでイオンを到着せしめる。
第5図Cの放電形式は一方の電極11がアース
電極として真空構内にあり、プラズマ9と接触
し、他方の高周波電極10は真空槽外に位置せし
められている。
第5図Bの場合と同じくプラズマ電位はプラズ
マの内部エネルギーVsに等しく、11の電極上
へはVsのエネルギーのイオンが到着する。他方
の高周波電極10をみるとこれは図5Bの高周波
電極10を、絶縁物で覆い、プラズマと直接に接
触しないようにした場合に等しい。この絶縁物の
表面電位はやはりVosinωtで変化するためやはり
最高(Vp+Vs)のエネルギーのイオンが到着し、
絶縁物をスパツタする。これが絶縁物に対する高
周波スパツタリングの原理である。第1図の構成
は第5図cの構成に類似したものと考えることが
できる。
以上のように現在使用されている各種のデポジ
シヨン装置およびエツチング装置を考察すると、
処理する基板へ到着するデポジシヨンまたはエツ
チングのイオンのエネルギーが全くその時の装置
条件により決まり、制御の困難な量になつている
ことが見られる。例えば第1図、第2図のデポジ
シヨンにおいては、デポジシヨンエネルギーはプ
ラズマ9の内部エネルギーVsによりきまり、こ
の内部エネルギーは、印加する高周波電力と放電
のガス圧力によつてきまる。また第3図の構成で
はエツチングのイオンのエネルギーは熱エネルギ
ーであり、第4図の構成ではエツチングのイオン
のエネルギーは高周波発振の高周波電圧Vpでき
められこの高周波電圧は放電のため必要な電圧で
ある。
他方、高周波放電により形成されたプラズマよ
り処理基板に到着するイオンのエネルギーを制御
し得る場合はその効果はいちじるしいものと考え
られる。
デポジシヨンの場合を考えると基板に熱運動エ
ネルギーで到着した場合、単に基板に附着するに
すぎない。基板を加熱すれば、基板より運動エネ
ルギーを得て基板上を移動することが出きるが、
デポジシヨンの場合の基板温度は素子製作上の制
限のため出き得る限り低いことが望まれる。イオ
ンにエネルギーを与えて基板に到達せしめた場
合、そのエネルギーの多くは単に衝突による熱エ
ネルギーとなるが、一部は(〜数%)基板上の運
動エネルギーとなり基板上を運動することが出き
る。したがつて一般のデポジシヨンの場合、附着
せしめた膜は基板上の段差や小孔に対しステツプ
カバレージの良好な附着膜を作成することが出き
る。また基板と同一材料をデポジシヨンした場
合、基板に到着した原子はこの運動エネルギーに
より適当な格子点まで移動することが出きるた
め、かなり低い温度で結晶成長を行うことが出き
る。この到着せしめるエネルギーは、あまりその
値が大きいと基板に対し衝突による欠陥を形成し
またスパツタリングを起したりするので数V〜数
十Vの範囲が適当である。
またエツチングの場合と考える第4図のような
構成では通常イオンは数百eVのエネルギーで基
板に到着するためスパツタリングと同時に基板に
結晶欠陥を起こす。特に放電ガスに反応性のガス
(フレオン等)を使用し、反応性スパツタリング
を起してエツチングを行う場合、イオンのエネル
ギーは数百Vは不要であり、またこのような高い
電圧では局所エツチングを行う場合のマスクがス
パツタによりエツチされて、困難を生じる。
反応性スパツタを行う場合は、原則的にイオン
エネルギーは化学反応を促進せしめる値でよく、
その値もまた数V〜数十Vの程度が望ましい。
以上の考察にみられるごとく、高周波放電を用
いてプラズマを生起し、デポジシヨンまたはエツ
チングを行う装置において、イオンを基板上に数
V〜数十Vの程度の制御されたエネルギーで到着
せしめることが出き得れば、この処理工程に非常
な進歩を生ぜしめることが出きる。
本発明は以上のような要望を満足すべくなされ
たものである。すなわち本発明は、処理基板に到
達せしめるプラズマ中のイオンのエネルギーを比
較的低いエネルギーに制御可能なプラズマ処理方
法を提供することを目的とし、これによつて、ス
テツプカバレージの良好な、もしくは欠陥の少な
いデポジシヨン処理を可能にすること、または、
不要なスパツタリングによるエツチングが防止可
能なエツチング処理を可能にするものである。以
下、第6図の実施例について説明する。
第1の実施例は第6図に示すごとく第2図の構
成に、新たにプラズマ電位を印加する電源12を
発振器3より高周波電極10への高周波電圧印加
のための導線に結線したことである。この効果を
第7図において示すと、第7図Aは第6図の高周
波電極10の電位をこのプラズマ電位電源12を
結線してないか、或いはこの電源の出力電圧が0
の時の様子を示す。高周波電圧は前述のごとく
Vosinωtにて最高±Vpが、アース電位Eに対して
印加される。しかし第7図Aに見られるごとく、
この電位は平均として、アース電位Eであり、9
のプラズマ電位は前述のごとく全体として、プラ
ズマの内部エネルギーVsであり、第6図の高周
波電極10には電極が−Vpになつた時これに対
応して前述のごとく最高(Vp+Vs)のエネルギ
ーのイオンが到着するが、他方のアース電位にあ
る電極11の上にのせられた処理基板6の上には
Vsのエネルギーのイオンより到着しない。次に
第6図に示すプラズマ電位電源12により高周波
電極10に正のプラズマ電位Vpを印加すると、
高周波の印加状態には変化なく第7図Bに示すよ
うに平均として、前のアース電位EよりVpだけ
電位レベルが上昇した状態で高周波電力が印加さ
れる。この高周波電極10はプラズマに触れてい
るためプラズマ電位は全体として(Vp+Vs)に
上昇し、このため処理基板6には(Vp+Vs)の
エネルギーのイオンが到着する。
プラズマ電位電源12の正電位Vpを変化せし
めることにより任意のエネルギーにてイオンを制
御した値にて処理基板6の上に到着せしめ得る。
このようにして、デポジシヨンまたはエツチング
を所定のエネルギーを有せるイオンにて、高周波
プラズマ9の中より基板6に到着せしめ、処理を
行うことが出きる。なおこの方法において、処理
基板6は必ずしも電極11の上に位置する必要は
なく、接地電位にてプラズマに接触しておればよ
い。
特に、本発明によれば、プラズマ処理すべき基
板は接地電位に接続する電極側に載置されるの
で、高周波電力の印加電極側に比較して、極めて
低いプラズマ電位(イオンシース電圧)VS(通常
数V以下)に重畳してバイアス電圧VPを印加す
ることとなり、この結果、プラズマ中のイオンを
基板に到着せしめるエネルギーを、VPの可変に
より、(VS+VP)と幅広く調整することが可能と
なる。(VS+VP)のエネルギーの調整により、本
発明をプラズマエツチング処理に適用すれば、エ
ツチングマスクなどの不要なエツチングが防止で
きると同時、エツチング速度を高めることができ
る。また、アンダーカツトの少ない方向性のある
エツチング処理も可能となる。一方、本発明をプ
ラズマデポジシヨン処理に適用すれば、ステツプ
カバレージの良いデポジシヨン膜を形成すること
ができ、また、欠陥の少ないデポジシヨン膜を形
成することができる。
【図面の簡単な説明】
第1図、第2図は従来の高周波放電によるプラ
ズマを用いたデポジシヨン装置の構成図、第3
図、第4図は従来の高周波放電によるプラズマを
用いたエツチング装置の構成図、第5図A,B,
Cは第1図より第4図までの構成を動作原理より
説明を行うため3種に分類した動作原理の説明の
ための構成図、第6図乃至第7図は本発明の説明
を示し、第6図はプラズマに所定の電位を与える
ための新規な方法の構成図、第7図AおよびBは
第6図の構成の動作原理の説明図である。 1……放電管、2……ガス導入孔、3……高周
波発振器、4……誘導型結合放電コイル、5……
真空容器、6……処理基板、7……保持板、8…
…アース電位結線、9……生成プラズマ、10…
…容量型結合電極(高周波電極)、11……容量
型結合電極、12……プラズマ電位電源。

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 1 プラズマの化学反応を利用して基板をデポジ
    シヨンまたはエツチング処理するプラズマ処理方
    法において、真空槽内にプラズマ発生のための高
    周波電力を印加する第1の電極と接地電位に接続
    する第2の電極とを設け、前記第2の電極上また
    はその近傍の接地電位に接続される電極上にプラ
    ズマ処理すべき基板を載置し、さらに前記第1の
    電極に正のバイアス電圧を印加することによつて
    発生プラズマ中のイオンを所定のエネルギーにて
    前記基板に到着せしめるようになしたことを特徴
    とするプラズマ処理方法。
JP14375276A 1976-11-30 1976-11-30 Method and apparatus for plasma treatment Granted JPS5368171A (en)

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