JPS63243277A - プラズマ成膜装置 - 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〕 本発明は半導体素子の製造に使用されるプラズマ成膜装
置に係り、とくに基板の処理能力の向上と膜特性の最適
化に好適なプラズマ成膜装置に関する。

〔従来技術〕

従来のプラズマ成膜装置は、たとえば１９８２年発行の
半導体研究１８第１４８頁乃至第１５０頁に記載されて
いるように、平行平板電極に高周波電圧を印加してプラ
ズマを発生させるとともにシランガスなどのガスを供給
して基板表面にＳ　ｉ　、　Ｓ　１ｓＮ４ｙＳ　ｉ　Ｏ
２などの膜を形成するものが提案されている。

〔発明が解決しようとする問題点〕

最近の半導体製造に使用される基板は、φ１００閣から
φ１５０ｎａ＋へと年々大口径化の方向にあるので、成
膜処理においても、従来からの多数の基板を同時に処理
する方式から１枚ごとに基板を高速処理する方式に移行
する必要性が生じており、そのためには、成膜速度の高
速化が不可欠である。

従来の装置により成膜速度を高めるには、ガスの供給量
を増加することと、電極に印加する高周波電力を高める
必要がある。すなわち、成膜はＳｉＨ４ガスがプラズマ
中の電子により励起されてはじめて可能なものである。

そのため、ＳｉＨ４ガスの流量を増加してもプラズマ中
で励起されるＳ　ｉ　Ｈ４ガスの割合は一定でこれ以上
に成膜速度が増加しない。

今ＳｉＨ４ガスの流量をパラメータにしたときの電極に
印加する高周波電力と成膜との関係は第２図に示すよう
になる。すなわち、高速成膜をするには、高周波電力を
高めてプラズマ密度の増加をすることとガスの供給量を
増加する必要がある。

しかるに高周波電力を高めると、必然的にプラズマと基
板および電極との間に発生するシー入間電位差も増大し
てイオンのエネルギが大きくなるので、膜の特性が変化
して目的の膜特性が得られない。そのため、膜特性と高
速化の両方を満足することができないから、半導体素子
に使用する性能を満足しなくなるのみでなく大幅な成膜
速度の向上をはかることができない問題がある。

本発明の目的は、従来技術の問題点を解決し、成膜速度
の高速化と、目的とする特性の膜を成膜可能とするプラ
ズマ成膜装置を提供することにある。

〔問題点を解決するための手段〕

前記の目的は、処理室内に半同軸共振器を形成するとと
もに、この半同軸共振器の先端容量部にて前記処理室内
を仕切ってその下方部を密閉状態にし、密閉された前記
処理室内に前記半同軸共振器の中心軸に対向する面に基
板を搭載する基板電極を形成し、かつ前記半同軸共振器
の先端容量部にマイクロ波を供給する手段と、前記密閉
された処理室内のガスを排出する手段と、前記基板電極
に交流電圧を印加する手段とを設けることにより達成さ
れる。

〔作用〕

本発明では、マイクロ波を用いているが、このマイクロ
波は従来の平行平板方式で用いられている１００ＫＨｚ
の乃至２０ＭＨｚの高周波よりさらに高いギガ（ｇｉｇ
ａ）　Ｈｚ　（１０’Ｈｚ）レベルの周波数である。こ
のように高い周波数では、高周波の場合と異なってマイ
クロ波により発生したプラズマと基板との間のシース間
で消費される電力は少なくなり、はとんど電力はプラズ
マ密度の増加に使用される。そのため従来の平行平板方
式に比較して一桁高いプラズマ密度を実現することがで
きる。

その反面、前記プラズマと基板との間のシー入間電位差
は小さく、イオンのエネルギが目的とする膜特性に達し
ない場合もありうる。

そこで基板を搭載する基板電極に交流電圧を印加しシー
入間の電位差を制御することによりイオンのエネルギを
制御している。

しかも、アースに接続された処理室内に半同軸共振器を
形成し、この半同軸共振器の中心軸に対向する面に基板
を設置しているので、前記半同軸共振器と前記基板との
間のシース間電圧を前記基板全面に亘って均一にするこ
とができる。

したがって、高速成膜と目的とする成膜をうろことがで
きる。

〔実施例〕

以下、本発明の一実施例を示す第１図について説明する
。第１図に示すように、処理室１はアース１８に接続し
、その内部には互いに対向して平行に配置されたアンテ
ナ電極２と基板電極３とを有し、かつ前記アンテナ電極
２の周端部を該処理室１に保持し、その下方の処理室１
内を密閉状態にするための＃！ｉＭリング４と、前記ア
ンテナ電極２の上方位置に間隔をおいて配置されたチュ
ーナ板５と、該処理室１内のガスを排出するためポンプ
（図示せず）に接続する排気管６とを有し、かつ該処理
室１の外方上端部には、前記アンテナ電極２と該処理室
１とで半同軸共振器に形成するための同軸管７とを有し
ている。

前記アンテナ電極２は互いに対向して平行に配置され、
それぞれ周端部を前記絶縁リング４に保持された上部ア
ンテナ電極２ａと、穴２ｃを多数形成した下部アンテナ
電極２　ｂとから形成され、上部アンテナ電ｔＪｉｉ２
ａにてその下方の前記処理室１内を密閉状態にしている
。

前記絶縁リング４は、ガス供給源（図示せず）に接続し
、シランガス（ＳｉＨａ）とアンモニアガス（ＮＨ３）
とを前記アンテナ電極２内に供給し下部アンテナ電極２
ａの穴２ｃから下方の処理室１内に噴出させるガス供給
管９と、水供給源（図示せず）に接続し、前記アンテナ
電極２内の前記処理ガスを冷却するための冷却水管１ｏ
とを有している。

前記同軸管７は、外筒７ａと、この外筒７ａ内同軸心上
に配置された中心軸７ｂとから形成され、一方の外筒７
ａは、その上端部にてマグネトロン８を支持し、その下
端部を前記処理室１に固定するとともに、ジャバラ１１
を介して前記チューナ板５に接続し、他方の中心軸７ｂ
は、その上端部を前記マグネトロン８に接続し、下端部
を前記アンテナ電極２の上部アンテナ電極２ａに接続し
、該同軸管７により前記処理室１と上部アンテナ電極２
ａとで半同軸共振器を形成し、かつ前記マグネトロン８
に図示しない電源よりの通電によりマイクロ波を発生し
たとき、このマイクロ波を前記外筒７ａと中心軸７ｂと
の間およびジャバラ内を通って前記アンテナ電極２と前
記チューナ板５との間に放射状に広がるように供給して
いる。なお、前記マグネトロン８が該同軸管７内を通る
マイクロ波のインピーダンスは、前記外筒７ａの内径と
、中心軸７ｂの外径との比によってあらかじめ設定され
ている。

前記チューナ板５は、前記処理室１に支持されたロッド
１２により上下方向に移動し、このロッド１２に螺着す
るナツト１３にて所定位置に固定されている。なお前記
チューナ板５を上下動可能にした理由はつぎのとおりで
ある。

すなわち、前記に述べたように、同軸管７内を通るマイ
クロ波のインピーダンスは、あらかじめ外筒７ａと中心
軸７ｂとの比によって設定されているが、マイクロ波は
、その後、チューナ板５とアンテナ電極２との間に放射
状に広がるように供給されるので、このときのマイクロ
波のインピーダンスは、前記同軸管７にてあらかじめ設
定されたインピーダンスと一致しなくなってマイクロ波
がアンテナ電極２の上部アンテナ電極２ａを反射するこ
とになる。そこで、前記チューナ板５を上下動させて上
部アンテナ電極２ａとの間の容量を変化させ、これによ
ってマイクロ波をあらかじめ設定されたインピーダンス
と同調をとってマイクロ波が効率良くアンテナ電極２に
供給されるようにするためである。

前記基板電極３は、前記処理室１の底部に固定された軸
受１４に上下方向に移動可能に支持され、前記アンテナ
電極２に対向する表面上に基板１５を保持し、内部にヒ
ータ１６を設置し、下端部を交流電源１７に接続してい
る。

なお、前記基板電極３を上下方向に移動可能にした理由
は、前記アンテナ電極２との間に発生するマイクロ波電
力によるプラズマの容量を同調させるためである。また
交流電源１５を用いた理由は、マグネトロン８からのマ
イクロ波は、プラズマ密度を高めても、プラズマと基板
１５との間のシース間電位差が２０Ｖ前後で小さいので
、前記基板１５に入るイオンのエネルギは大きくならな
い場合もありうる。そこで、該基板電極３に交流電圧を
印加し、前記プラズマと、前記基板１５との間のシース
間電位差を制御してイオンのエネルギを制御し、前記基
板１５の膜表面をたたいて成膜中の分子の活動を活発化
させ、目的とする膜特性の膜を得られるようにするため
である。

本発明によるプラズマ成膜装置は、前記のように構成さ
れているから、つぎにその動作について説明する。

ガス供給管９からのＳｉＨ４とＮＨ３のガスをアンテナ
電極２に供給するとともに冷却水管１０からの冷却水を
アンテナ電極２に供給して前記のガスを冷却した状態で
下部アンテナ電極２ｂの穴２ｃから下方の密閉された処
理室１内に供給する。

一方前記密閉された処理室１内は真空ポンプにより前記
ガスを排出されており、前記真空ポンプの排出能力を調
整することによって処理室１内を１　ｍＴｏｒｒ乃至Ｉ
　Ｔｏｒｒの設定圧力に保持されている。

また基板電極３はその上面に基板１５を搭載するととも
にヒータ１６に通電して温度１００〜３００℃の設定値
に保持されている。

さらにマグネトロン８は電源よりの通電によりマイクロ
波を発振すると、マイクロ波はあらかじめ同軸管７の外
筒７ａの内径と中心軸７ｂの外径との比によって決定さ
れるインピーダンスにより同軸管７内およびジャバラ１
１内を通ってチューナ板５と上部アンテナ電極２ａとの
間に放射状に広がるように供給される。このとき前記チ
ューナ板５はロッド１２により上下動して、上部アンテ
ナ電極２ａとの間隔を変えることが可能な構成をしてい
るので、前記チューナ板５と上部アンテナ電極２ａとの
間に供給されるマイクロ波のインピーダンスを前記同軸
管７内を進行するマイクロ波のインピーダンスと容易に
同調をとることができる。

一方前記基板電極３も上下動可能に構成されているので
、前記アンテナ電極２との間隔を変えることによりアン
テナ電極２との間のシース間電位差を前記チューナ板５
と前記アンテナ電極２との間のシース間電位差と同調を
とることができる。

また前記マグネトロンの出力を高めることによりプラズ
マ密度が高くなって高速成膜が実現できるが、その反面
シース間の電位差は小さくプラズマ密度を高めても基板
１５に入るイオンのエネルギーは大きくならない。

そこで、本発明は基板電極３に交流電源１７より交流電
圧を印加し、この電界によりプラズマ中のイオンを加速
して基板１５に入れているので、前記交流電源１７より
の出力を調整することによって最適の膜特性を得ること
ができる。

したがって成膜の高速化と、最適の膜特性の両方を達成
することができる。

なお、本実施例においては、ナイトライド膜の成膜につ
いての場合であるが、これに限定されるものでなく、シ
ランガスとアルゴンガスによるシリコン膜の成膜でガス
の組合せは、自由に変えることが可能である。

〔発明の効果〕

本発明によれば、目的とする膜を高速で成膜できるので
、基板の処理能力の向上をはかることができる。

また、成膜速度と膜質とを別個に制御することができる
ので、膜特性の最適化をはかることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例を示すプラズマ成膜装置の説明
図、第２図はＳｉＨ４流量をパラメータとしたときの電
極に印加する電力と成膜速度との関係を示す図である。 １・・・処理室、２・・・アンテナ電極、３・・・基板
電極。 ５・・・チューナ板、７・・・同軸管、８・・・マグネ
トロン、１１・・・ジャバラ、１２・・・ロッド、１５
・・・基板、１６・・・ヒータ、１７・・・交流電源。 代理人弁理士　　秋　　本　　正　　実第１図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、処理室内に半同軸共振器を形成するとともにこの半
   同軸共振器の先端容量部にて前記処理室内を仕切ってそ
   の下方部を密閉状態に形成し、密閉された前記処理室内
   に前記半同軸共振器の中心軸に対向する面に基板を搭載
   する基板電極を形成し、かつ前記半同軸共振器の先端容
   量部にマイクロ波を供給する手段と、前記密閉された処
   理室内のガスを排出する手段と、前記基板電極に電圧を
   印加する手段とを設けたことを特徴とするプラズマ成膜
   装置。 ２、前記基板電極に電圧を印加する手段は交流電圧を印
   加するように構成されていることを特徴とする特許請求
   の範囲第１項記載のプラズマ成膜装置。 ３、前記半同軸共振器の先端容量部は調整可能に構成さ
   れていることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の
   プラズマ成膜装置。 ４、前記基板電極は前記半同軸共振器の先端容量部との
   間を調整可能に構成されていることを特徴とする特許請
   求の範囲第１項記載のプラズマ成膜装置。