JPS63216975A - 薄膜処理装置 - 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】 ［発明の目的］ （産業上の利用分野） 本発明は、基体上に薄膜を形成するか、或いは基体上の
薄膜をエツチングする薄膜処理装置に関する。

（従来の技術） 平板状や円筒状等の形状を有する基体上に、絶縁性、光
導電性、半導体特性等を有する薄膜を形成する方法とし
ては、例えばプラズマ放電を利用した方法があり、集積
回路用の絶縁膜の形成や太陽電池の作製或いは電子写真
感光体の作製等に使用されている。

プラズマ放電を利用した成膜方法としては、プラズマＣ
ＶＤ法が知られている。このプラズマＣＶＤ法は、減圧
した真空槽内に成膜用の反応ガスを導入し、プラズマエ
ネルギにより反応ガスを分解して活性度の高い粒子（ラ
ジカル）を励起し、基体上に上記の様な薄膜を形成す゛
るもので、従来の熱ＣＶＤ法に比べ３００℃前後の低い
温度で健全な膜形成ができるという特徴がある。

このようなプラズマＣＶＤ法に使用される装置の代表的
な例を、第１図及び第２図を参照して説明する。

第１図は、平板状等の基体に成膜を行なうのに好適なプ
ラズマＣＶＤ装置であり、図中の１は真空槽である。こ
の真空槽１には、真空ポンプ等で構成される真空排気系
２が連結されている。前記真空槽ｌ内には、一対の平行
平板電極３．４が配置されている。その一方の電極３は
、高周波電源５に接続され、カソード電極として機能す
る。他方の電極４は、通常接地されており、アノード電
極として機能する。前記アノード電極４の底部付近には
、ヒータ６が配置されている。また、前記真空槽ｌには
、反応ガスをガスボンベや配或いはガス流量調整バルブ
等で構成されるガス導入系７が連結されている。このよ
うな構成のプラズマＣＶＤ装置において、アノード電極
４上に平板状の基体８を設置し、真空排気系２を作動し
て真空槽ｌ内を所定の真空度に保持しながら、基体８を
ヒータ６によって３００℃〜３５０℃程度に加熱し、基
体８の温度が一定になった時点でガス導入系７から反応
ガスを真空槽１内に供給すると共に、カソード電極３に
高周波電源５から１８．５６　ＭＨｚの高周波電圧を印
加すると、反応ガスは前記電極３．４間で励起された放
電により活性化され、アノード電極４上に保持された基
体８上に所望の薄膜が形成される。

第２図は、円筒状等の基体に成膜を行なうのに好適なプ
ラズマＣＶＤ装置であり、図中の１１は真空槽である。

この真空槽１１には、真空ポンプ等で構成される真空排
気系１２が連結されている。前記真空槽ｌｌ内には、一
対の同軸形対向電極１３．１４が配置されている。一方
の電極１３は、高周波電源１５に接続され、カソード電
極として機能する。他方の電極１４は、通常接地されて
おり、アノード電極として機能すると共に、回転機構１
６により回転する構造になっている。前記アノード電極
１４の内部には、ヒータ１７が挿入されている。また、
前記真空槽１１には、反応ガスをガスボンベや配管或い
はガス流量調整バルブ等で構成されるガス導入系１８が
連結されている。このような構成のプラズマＣＶＤ装置
において、アノード電極１４に円筒状の基体１９を保持
させ、真空排気系１２を作動して真空槽ｌｌ内を所定の
真空度に保持しながら、基体１９を保持したアノード電
極１４を回転機構１Ｂにより回転させつつ該基体１９を
ヒータ１７によって３００℃〜３５０℃程度に均一加熱
し、基体１９の温度が一定になった時点でガス導入系１
８から反応ガスを真空槽１１内に供給すると共に、カソ
ード電極１３に高周波電源１５から１３．５６　ＭＨｚ
の高周波電圧を印加すると、反応ガスは前記電極１３．
１４間で励起された放電により活性化され、アノード電
極１４に保持された円筒状の基体１９上に所望の薄膜が
形成される。

上述したプラズマＣＶＤ装置による絶縁膜、パッシベー
ション膜用の酸化シリコン、窒化シリコンや光電変換素
子用のアモルファスシリコンの成膜には、主としてモノ
シランガス（ＳＩ　Ｈ４）、アンモニアガス（ＮＨ３）
、窒素ガス（Ｎ２）等の混合ガスが使用される。かかる
反応ガスを用いて数回成膜処理を行なうと、電極表面に
も薄膜が堆積され、電極間の放電が不安定となり、所望
の特性を有する薄膜を得ることが困難となる。このため
、電極に厚さ数μｍの膜が堆積する毎に、フレオン（Ｃ
Ｆ４）と酸素（０２）の混合ガスを用い、堆積膜を気化
除去するプラズマクリーニングを行なっている。しかし
ながら、従来のカソード電極及びアノード電極は、５Ｕ
Ｓ３０４，５ＵＳ３１６Ｌ等のステンレス鋼により形成
されているため、前記フレオンと酸素の混合ガスのよう
に腐食性の強いガスが接触すると、電極が腐食してその
表面に腐食被膜を生成する。このように電極表面に腐食
被膜が生成すると、成膜時に剥離して装置内で発塵し、
成膜中に混入する。その結果、例えば半導体素子では、
配線の通電不良等の不具合を生じ、製造歩留りが低下す
るという問題があった。

一方、基体上の薄膜をエツチングする方法として、例え
ばドライエツチング技術を利用したものがあり、コンタ
クト開孔用の酸化シリコンのエツチング、ゲート電極形
成のための多結晶シリコンのエツチング、更にＡノ配線
のパターン形成として使用されている。

ドライエツチング技術は、真空槽内に反応ガスを導入し
、電極間のグロー放電により得られるラジカルやイオン
によって、基体上の薄膜をエツチングするもので、プラ
ズマエツチングと反応性イオンエツチングに分類される
。プラズマエツチングはプラズマ中の主としてラジカル
を利用しているのに対して、反応性イオンエツチングは
ラジカルの反応性とイオンエツチングを利用している。

このようなドライエツチング装置の代表的な例を、第３
図又は第４図を参照して説明する。

第３図は、平行平板型のプラズマエツチング装置であり
、図中の２１は図示しない排気系により真空排気される
真空槽である。この真空ｔｆｊ２１内には、一対の平行
平板電極２２．２３が配置されている。一方の電極２２
には高周波電源２４が接続され、カソード電極として機
能する。他方の電極２３は、接地されており、アノード
電極として機能する。このような構成のプラズマエツチ
ング装置において、アノード電極２３上に基体２５を設
置し、図示しない排気系により真空槽２１内を所定の真
空度にした後、図示しないガス導入管よりエツチングガ
スを真空槽２１内に導入し、高周波電源２４よりカソー
ド電極２２に高周波電圧を印加すると、電極２２．２３
の間にプラズマが発生し、その中のラジカルにより基体
２５表面に堆積された薄膜がエツチングされる。

第４図は、平行平板型の反応性イオンエツチング装置で
あり、図中の３１は図示しない排気系により真空排気さ
れる真空槽である。この真空ｍ３１内には、一対の平行
平板電極３２．３３が配置されている。一方の電極３２
は、接地されており、カソード電極として機能する。他
方の電極３３は、高周波電源３４が接続され、アノード
電極として機能する。

このような構成のプラズマエツチング装置において、ア
ノード電極３３上に基体３５を設置し、図示しない排気
系により真空槽３１内を所定の真空度にした後、図示し
ないガス導入管よりエツチングガスを真空槽３１内に導
入し、高周波電源３４よりアノード電極３３に高周波電
圧を印加すると、電極３２．３３の間にプラズマが発生
すると共に、該プラズマ中のイオンがカソードシースで
加速されて高エネルギを持つため、基体３５表面に堆積
された薄膜への該イオンの入射により、薄膜のエツチン
グがなされる。

上述したドライエツチング装置による絶縁用の酸化シリ
コンやゲート電極用の多結晶シリコン、更に配線用のア
ルミニウムのエツチングには、フレオン（ＣＦ４）等の
フッ素ガスやテトラクロロメタン（ＣＣｊ’４）等の塩
素ガスが使用される。

しかしながら、従来のカソード電極及びアノード電極は
、５ＵＳ３０４．５ＵＳ３１６Ｌ等のステンレス鋼で形
成され・ているため、前記腐食性の強いガスを用いてエ
ツチングを行なうと、該電極が腐食損傷し、装置内で発
塵する。発生した粉塵が基体上の薄膜に付着すると、該
粉塵がエツチングマスクとして作用し、配線短絡やコン
タクト開孔不良等を引起こすため、半導体素子等の製造
歩留りが低下するという問題があった。

（発明が解決しようとする問題点） 本発明は上記従来の問題点を解決するためになされたも
ので、腐食性ガスによる真空槽内に配置された電極の腐
食損傷を防止し、高信頼性、高歩留りの成膜或いは高信
頼性のエツチングが可能な薄膜処理装置を提供しようと
するものである。

［発明の構成コ （問題点を解決するための手段） 本発明は、反応ガスが供給される真空槽と該槽内に放電
を励起させるためのカソード電極、アノード電極を設け
た薄膜処理装置において、前記カソード電極及びアノー
ド電極が、重量比でＣｒが２０％以下含有し、残部が実
質的にＮｉからなることを特徴とする薄膜処理装置であ
る。

次に、本発明の薄膜処理装置の電極を構成する合金中の
金属の役割及び配合量の限定理由について詳細に説明す
る。なお、以下の説明における％は重工％を意味するも
のである。

Ｃ「は、高温における耐ハロゲン性及び耐酸化性を維持
するために、基本的な元素である。Ｃ「の配合量が２０
％を超えると、σ相が生成して熱間加工性と共に高温強
度を低下させる。より好ましいＣ「の配合量は、５．０
〜１５．０％の範囲である。

以上説明したＣｒの他に、更に固溶、析出強化による高
温強度及び保護性成膜の密着性を改善するため、Ａ　Ｉ
ｏ、３〜３．５％、ＴＩＯ，５〜３．０％及びＺｒ、Ｎ
ｂ、Ｖのうち少なくとも１種以上３．０％以下、更にＹ
、Ｌａ　、Ｃｅのうち少なくとも１種以上０．２％以下
含有させることができる。

上記ＡＩは、耐酸化性の改善に効果のある元素で、特に
高温の酸化性雰囲気において、Ｃｒの共存下でＡ１２０
３を主体とする緻密な酸化被膜を形成し、高温耐酸化性
を著しく向上させる。かかるＡＩ！の配合量を０．３％
未満にすると、該Ａ、ｌ？の配合効果を充分に達成でき
ず、かといってその配合量が３．５％を超えると、Ｎｉ
と金属間化合物（Ｎｉ３Ａｉ）を形成し、融点の低下と
熱間加工性の劣化を起こす恐れがある。

上記Ｔｉは、Ｃとの結合力がＣ「より大きい元素で、Ｃ
ｒが結晶粒界においてＣ「炭化物を生成してＣ「欠乏層
を形成することを阻止し、その結果孔食を防止する効果
を発揮する。かかるＴｉ配合量を０．５％未満にすると
、該Ｔｉの配合効果を充分に達成できず、かといってそ
の配合量が３．０％を超えると、その効果の増大化を期
待できないばかりか、コスト上昇を招く。

上記Ｚｒ　、、Ｎｂ５Ｖは、Ｃ及びＮと反応してマトリ
ックス中に微細な炭窒化物を形成し、温強度を向上する
と共に、熱間加工割れを抑制するのに有効である。かか
る元素を配合量が３．０％を超えると、合金を脆化させ
る。なお、これらの元素はいずれか１種を単独添加して
も、２種以上を複合添加しても良く、合計量で」〕限が
３．０％以下であれば良い。より好ましいこれら金属の
配合量は、０．５〜２，０％である。

上記Ｙ　−Ｌ　ａ　ＳＣｅは、保護性成膜の密着性の改
善に効果のある元素である。かかる元素の配合量が０．
２％を超えると、成膜の保護作用を失わせる恐れがある
。なお、これらの元素はいずれか１種を単独添加しても
、２種以上を複合添加しても良く、合計量で上限が０．
２％以下であればよい。

より好ましいこれらの元素の配合量は、０．０２〜０６
１％の範囲である。

（作用） 本発明によれば、上述した合金組成からなるカソード電
極及びアノード電極を使用することによって、該電極の
耐ハロゲン性、耐酸化性を著しく向上できるため、従来
のステンレス製電極のエツチングガスによる腐食に伴っ
て生じる粉塵が生成膜中に混入するのを防止して高信頼
性の成膜を図ることができ、更に所定パターンの形成不
良を防止して信頼性の高い薄膜処理を達成した薄膜処理
装置を得ることができる。

（発明の実施例） 以下、本発明の実施例を前述した図面を参照して説明す
る。

実施例１ カソード電極及びアノード電極を下記第１表に示すＮｉ
合金で作製し、第１図に示す平行平板型のプラズマＣＶ
Ｄ装置に組込み、ＣＦ４と０２の混合ガスを用い、下記
条件にて連続５回のプラズマエツチング（電極の耐久性
試験）を行なった。

ガス流量・・・ＣＦ４；８００　　　、　ｏ、、　　：
８０真空槽内圧力・・・１　ｔｏｒｒ ＲＦ電力密度−・・０．２　Ｗ　／　ｃｄ真空槽内温度
・・・３５０℃ エツチング時間・・・・・・１５０　ｗｉｎしかして、
エツチング後に電極の重コ変化により腐食量を測定した
。また、直径１０ｍｍの石英管を装置内に挿入し、粉塵
を孔径０．２μｍのメンブランフィルタ−に吸引捕集し
て発塵二を測定した。

これらの結果を、同第１表に併記した。なお、比較のた
めに従来から用いられている５ＵＳ３０４（試料点１１
）　、５ＵＳ３１０Ｓ　（試料点１２）及び５ＵＳ３１
６Ｌ　（試料ＮＱ１３）からなる電極の結果についても
同第１表に併記した。

上記第１表から明かなように、本実施例１の試料Ｎα１
〜ｌＯの電極は腐食量が比較例の５ＵＳ３０４（試料Ｎ
α１１）　、５ＵＳ３１０Ｓ　（試料慮１２）及び５Ｕ
Ｓ３１６Ｌ　（試料慮１３）に比べ１１５０以下に減少
し、本発明の薄膜処理装置に使用する電極が耐ハロゲン
性及び耐酸化性に優れていることが判明した。また、本
実施例１の試料Ｎ［ｌｌ　−１０の電極は発塵量が比較
例の試料Ｎｆｌｌｌ−１３のステンレス鋼からなる電極
に比べ１１５０以下に減少し、本発明の薄膜処理装置に
使用する電極が腐食発塵の低減に対して非常に効果を発
揮することが判明した。

次に、成膜用反応ガスとしてＳｉＨ４ガスを用い、成膜
時のガス流量及び真空槽内の圧力を夫々２０００　ＳＣ
ＣＭ　、０．５　ｔｏｒｒとし、基体温度を３５０℃に
保ち、１３．５（ｉ　ＭＨｚの高周波をカソード電極に
印加し、５インチＳｌウェハ上に５１０２絶縁膜を形成
した。得られた５Ｉ０２膜中の不純物量をフレームレス
原子吸光装置により測定し、膜中の汚染度を評価した。

その結果を、下記第２表に示した。

第　　２　　表 上記第２表から明かなように、本実施例１の試料Ｎｆｌ
ｌ〜１０の電極を用いた薄膜処理装置では比較例の試料
Ｎα１１〜１３の電極を用いた薄膜処理装置に比べて不
純物元素であるＦＣ，Ｃｒ、Ａノ笠の混入量を大幅に低
減することができた。

なお、上記実施例１においては平行平板型のプラズマＣ
ＶＤ装置に適用した例を示したが、この代わりに電子サ
イクロトロン共鳴プラズマＣＶＤ装置や光励起プラズマ
ＣＶＤ装置などに適用してもよいことは勿論である。

実施例２ カソード電極及びアノード電極を既述した第１表に示す
試料階ｌ〜１０のＮｉ合金及び同第１表に示す試料ＮＣ
Ｌ１１〜１３のステンレス鋼で作製し、第３図に示す平
行平板型のプラズマエツチング装置に組込み、ＣＣｌ４
ガスを用い、５インチのＳｉウェハ上のＡｊ？膜のエツ
チングを行なった。

得られたデバイスの電気特性を評価した結果、比較例で
あるステンレス鋼（試料ＮＱＩＩ〜１３）を使用したデ
バイスのショート発生率は１０〜３０％であったが、本
実施例２（第１表中の試料慮１〜１０）ではショートの
発生は認められなかった。

［発明の効果］ 以上詳述した如く、本発明によれば従来の薄膜処理装置
におけるプラズマエツチングによる生成膜への異物混入
やパターンの形成不良の問題を解消でき、高信頼性、高
歩留りの成膜或いは高信頼性のエツチングを達成し得る
薄膜処理装置を提供できるものである。

【図面の簡単な説明】

第１図ぼ又は第２図は夫々プラズマＣＶＤ装置を示す縦
断面図、第３図又は第４図は夫々ドライエツチング装置
を示す縦断面図である。 １．１１．２１．３１・・・真空槽、２．１２・・・真
空排気系、３．１３．２２．３２・・・カソード電極、
４．１４．２３．３３・・・アノード電極、５．１５．
２４．３４・・・高周波電源、６．１７・・・ヒータ、
７．１Ｂ・・・ガス導入系、８、Ｉ９．２５．３５・・
・基体。 出願人代理人　弁理士　鈴江武彦 塩２図 １１３図 第４図

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）、反応ガスが供給される真空槽と該槽内に放電を
   励起させるためのカソード電極、アノード電極を設けた
   薄膜処理装置において、前記カソード電極及びアノード
   電極が、重量比でＣｒが２０％以下含有し、残部が実質
   的にＮｉからなることを特徴とする薄膜処理装置。
2. （２）、カソード電極及びアノード電極が重量比でＣｒ
   ２０％以下、Ａｌ０．３〜３．５％、Ｔｉ０．５〜３．
   ０％及びＺｒ、Ｎｂ、Ｖのうち少なくとも１種以上３．
   ０％以下、更にＹ、Ｌａ、Ｃｅのうち少なくとも１種以
   上０．２％以下含有し、残部が実質的にＮｉからなるこ
   とを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の薄膜処理装
   置。