JP4371543B2 - リモートプラズマｃｖｄ装置及び膜形成方法 - Google Patents

リモートプラズマｃｖｄ装置及び膜形成方法 Download PDF

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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、プラズマＣＶＤ装置及びこれを用いた膜形成方法に関し、特に、プラズマ生成領域と基板処理領域を分離または隔離するプラズマＣＶＤの成膜装置及び成膜方法に関し、プラズマ分解を意図しないガスをプラズマ生成領域に逆流させないようにした装置及び方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、プラズマダメージを抑制しながら基板への膜形成を行うプラズマＣＶＤ装置の１つに、プラズマ生成領域と基板処理領域を隔離するリモートプラズマＣＶＤ装置があり、これを用いたＣＶＤ膜形成は、半導体デバイスプロセスにおいて高信頼性デバイスや高性能デバイスが作製可能な処理プロセスとして重要な技術となっている。
【０００３】
大面積フラットパネルディスプレイのスイッチングトランジスタ形成プロセス、駆動回路トランジスタ形成プロセス、及び大口径シリコンウエハプロセス等の大型基板に対応できるリモートプラズマＣＶＤ装置として、例えば、特開昭５３−９１６６５号公報に記載された平行平板リモートプラズマＣＶＤ装置が知られている。
【０００４】
ここで、図１２を参照して、従来の平行平板リモートプラズマＣＶＤ装置について説明する。
【０００５】
図示の平行平板プラズマＣＶＤ装置では、基板３０が設置される基板サセプタ２０と高周波印加電極１０との間に、複数の貫通孔（ラジカル通過孔）５０が開口されたプラズマ閉じ込め電極８０が設置されている。そして、このプラズマ閉じ込め電極８０と高周波印加電極１０との間で第１のガス１００のプラズマ６０を閉じこめている。
【０００６】
このように、図示の平行平板プラズマＣＶＤ装置では、平行平板で発生させた大面積均一なプラズマを用いるため、基板処理に必要なラジカルの供給が大面積均一に行える。さらに、この平行平板プラズマＣＶＤ装置では、プラズマ分解しない第２のガスを電極面に均一に分布した中性ガス噴射孔９０から供給しており、このため、拡散したラジカルとの反応による成膜処理を大面積均一に行うこともできる。
【０００７】
図１２に示す平行平板リモートプラズマＣＶＤ装置において、基板３０上に、例えば、酸化シリコン膜を形成する例について説明する。ここでは、第１のガスとして酸素ガスをプラズマ生成領域に供給し、高周波印加電極１０に高周波電力を印加して酸素プラズマを生成する。この酸素プラズマはプラズマ閉じ込め電極８０によって高周波印加電極１０との間に閉じ込められるため、ラジカル通過孔５０を通って成膜領域へ供給されるのは、励起酸素原子、励起酸素分子、酸素原子、酸素分子、及びオゾンであり、酸素イオンや電子はほとんど供給されない。
【０００８】
一方、第２のガスであるモノシランガスが中空構造であるプラズマ閉じ込め電極８０内に供給され、プラズマ閉じ込め電極の基板側の面に開口された中性ガス噴射孔９０からモノシランガスが供給される。プラズマ閉じ込め電極８０と基板３０との間において、励起酸素原子、励起酸素分子、酸素原子、酸素分子、及びオゾンとモノシランガスとの気相反応が起こり、ＳｉＨｘ、ＳｉＨｘＯｙ、ＳｉＯｙ等の酸化シリコン前駆体が生成され、これらが基板上に付着し、さらに、基板上成長表面での酸化反応や熱解離等を経て基板上に酸化シリコン膜が成膜される。
【０００９】
ここでは、ラジカル通過孔５０及び中性ガス噴射孔９０がプラズマ閉じ込め電極８０上で面内均一に分布しているため、それぞれの孔から供給されるガスのフラックスの面内分布が均一になりやすい。従って、上述の気相反応も基板上空間で面内均一に起こり、酸化シリコン前駆体の基板上面内分布も均一となる。その結果、基板上に形成される酸化シリコン膜の膜質分布も面内均一となる。
【００１０】
このように、プラズマダメージを抑制しながら基板面内均一性に優れる薄膜を形成することができる平行平板リモートプラズマＣＶＤは、大型ガラス基板上薄膜トランジスタのゲート絶縁膜となる酸化シリコン膜や窒化シリコン膜、同様に、大型ガラス基板上薄膜トランジスタの活性層やゲート電極となる非晶質シリコン膜、さらに、大型Ｓｉ基板上トランジスタ素子の層間絶縁膜となる酸化シリコン膜や窒化シリコン膜などを成膜する手法として有望視されている。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、リモートプラズマＣＶＤ技術のもう一つの特徴は、プラズマ分解するガスとプラズマ分解しないガスとに分けて材料ガスの供給ができることである。
【００１２】
例えば、前述した酸素／モノシラン系ＣＶＤによる酸化シリコン形成の場合、モノシランをプラズマ分解してしまうと水素原子や水素分子が過剰に生成されてしまい、酸化シリコン膜中に多量のＨやＯＨを含んでしまうという問題が生ずる。しかしながら、前述したようにリモートプラズマＣＶＤでは、酸素ガスのみをプラズマ分解して活性な酸素原子や酸素励起種を生成し、これと中性のモノシランを反応させることで成膜を行うことができるため、水素原子や水素分子の過剰生成を抑え、かつ、酸素原子や酸素励起種等による酸化力の強い雰囲気で気相反応を生じさせることができる。
【００１３】
従って、ＨやＯＨの含有量が少なく、化学量論的組成に近い高品質の二酸化シリコン膜を形成することができる。
【００１４】
上述のリモートプラズマＣＶＤの特徴を活かすためには、モノシランがプラズマ領域へ侵入するのを防止又は抑制する装置（機構）を開発する必要がある。つまり、図１２に示す平行平板リモートプラズマＣＶＤ装置において、モノシランガスがプラズマ分解されるのを最小限に抑えるには、図１３中に矢印で示すようなモノシランガスのプラズマ生成領域（プラズマ６０）への逆流を抑える必要がある。即ち、プラズマ閉じ込め電極８０とチャンバ壁７０の隙間を逆流するモノシラン１３０や、ラジカル通過孔５０を逆流するモノシラン１３１の量をでき得る限り抑えることが重要である。
【００１５】
このような装置例として、ラジカル通過孔の開口部の面積の総和Ｓ２と、プラズマ閉じ込め電極領域におけるガスの通過する面積Ｓ１の関係を０．８≦Ｓ２／Ｓ１≦１とした装置が、例えば、特開平８−４５８５８号公報に記載されている。Ｓ２／Ｓ１＝１では、図１４に示すように、プラズマ閉じ込め電極（メッシュプレート）８１とチャンバ壁７０との隙間がないことを意味しており、逆流するモノシラン１３２がプラズマ閉じ込め電極８１とチャンバ壁７０の間から酸素プラズマ生成領域１７０中へ逆流してプラズマ分解されることはない。
【００１６】
しかしながら、特開平８−４５８５８号公報に記載された手法では、プラズマ閉じ込め電極８１に開口されたラジカル通過孔５１を通って酸素プラズマ生成領域１７０中へ逆流するモノシラン１３３については考慮されておらず、依然としてモノシランがプラズマ分解されるという問題点がある。
【００１７】
本発明の目的は、プラズマ分解を意図しないガスをプラズマ生成領域に逆流させないリモートプラズマＣＶＤ装置及びリモートプラズマＣＶＤ成膜法を提供することにある。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するため本発明は、第１のガスのプラズマを形成するプラズマ生成領域と、プラズマ生成領域外で被堆積基板を設置する基板保持機構を有し、かつプラズマ生成領域と被堆積基板の間で第２のガスを供給する手段を有するプラズマＣＶＤ装置において、プラズマ生成領域と第２のガスを供給する手段の間に複数の貫通孔が開口された多孔板が配置されており、前記貫通孔の開口率が５％以下であることを特徴としている。
【００１９】
貫通孔の開口率を５％以下に制限することで、供給された第２のガス（モノシラン等）が第１のガスのプラズマ（酸素プラズマなど）に逆流することが防止または抑制され、プラズマ分解される第２のガスの量を防止または抑制することができる。
【００２０】
また、本発明におけるプラズマＣＶＤ装置は、前記多孔板がプラズマＣＶＤ装置チャンバ内壁との間に隙間を持たずに設置されていることを特徴としている。貫通孔の開口率を５％以下とし、かつチャンバ内壁と多孔板の間に隙間を持たせないことで、貫通孔を経由する第２のガスのプラズマ生成領域への逆流の防止または抑制だけでなく、チャンバ内壁と多孔板の間の隙間を経由する第２のガスのプラズマ生成領域への逆流をも防止することができる。
【００２１】
また、本発明におけるプラズマＣＶＤ装置は、前記多孔板の各貫通孔の直径が３ｍｍ以下であることを特徴としている。前記多孔板において、板内全体の開口率だけでなく貫通孔一つ一つの直径を制限することにより、貫通孔内のコンダクタンスを低くすることができる。コンダクタンスが低ければ、前記多孔板のガス供給側と被処理基板側の圧力差が大きくなり、圧力の低い領域で供給される第２のガスが圧力の高いプラズマ生成領域側へ逆流するのを防止または抑制することができる。
【００２２】
また、本発明におけるプラズマＣＶＤ装置は、前記多孔板の貫通孔同士の間隔が、貫通孔の中心を基準としたときに、前記多孔板と被堆積基板との距離以下であることを特徴としている。本発明において、第２ガスのプラズマ生成領域への逆流を防止または抑制するために前記多孔板の開口率や開口径を制限しているが、貫通孔の間隔が開きすぎると、多孔板を通過した第１のガス（ラジカル、励起種を含む）の被堆積基板上面内分布が貫通孔に対応した分布を持ってしまう。これを防ぐためには、孔同士の間隔を多孔板と被堆積基板の距離以下にする必要がある。これにより、多孔板を通った第１のガスの面内分布を犠牲にせずに、第２のガスがプラズマ生成領域側へ逆流するのを防止または抑制することができる。
【００２３】
また、本発明におけるプラズマＣＶＤ装置は、前記プラズマ生成領域が、電気的に接地された金属製プラズマ閉じ込め電極で仕切られていることを特徴としている。プラズマを閉じ込めるための接地された金属製プラズマ閉じ込め電極でプラズマを閉じ込めることにより、プラズマ生成領域と被堆積基板の間に存在する荷電粒子の数を無視できる程度に抑えることが出来る。したがって、多孔板とプラズマ生成領域の間にはプラズマが存在せず、多孔板を通って逆流する第２のガスがわずかに存在したとしても、多孔板とプラズマ生成領域の間ではプラズマ分解されることが無い。
【００２４】
また、本発明におけるプラズマＣＶＤ装置は、前記多孔板自身が、電気的に接地された金属製プラズマ閉じ込め電極となっていることを特徴としている。前述の接地された金属製プラズマ閉じ込め電極の機能を前記多孔板が兼ねることにより、第２のガスがプラズマ生成領域に逆流しづらい構造であっても、装置構造が複雑化するのを避けることができる。
【００２５】
また、本発明におけるプラズマＣＶＤ装置は、前記多孔板が前記貫通孔と独立した中空部を有しており、前記中空部は被堆積基板に向かって開口された噴射孔を有しており、前記噴射孔から第２のガスを供給することを特徴としている。第２ガス供給の機能を前記多孔板が兼ねることにより、第２のガスがプラズマ生成領域に逆流しづらい構造であっても、装置構造が複雑化するのを避けることができる。また、多孔板が第２ガス供給の機能および接地された金属製プラズマ閉じ込め電極の機能の両方を兼ねていれば、さらに装置構造は単純化する。
【００２６】
また、本発明におけるプラズマＣＶＤ装置は、前記多孔板を境とするプラズマ生成領域側と、多孔板を境とする被堆積基板側の領域とには、それぞれ独立した圧力調整機構が具備されていることを特徴としている。前記多孔板の開口率および貫通孔の径を制限し、さらに前記多孔板とチャンバ内壁との隙間を無くすことによって、前記多孔板を境に（被堆積基板側の圧力）＜（プラズマ生成領域側の圧力）の関係を持つ圧力差が生じやすくなる。しかし、プラズマ生成領域の圧力が過剰に高くなると、生成した励起酸素や酸素原子が消滅し易くなり、第２ガス供給領域に十分な量の励起酸素や酸素原子を供給できなくなってしまう。本発明のように、前記多孔板を境とするプラズマ生成領域側と、多孔板を境とする被堆積基板側の領域とに、それぞれ独立した圧力調整機構が設けられていれば、それぞれの領域を所望の圧力に設定することができる。
【００２７】
また、本発明における膜形成方法は、第１のガスを酸素原子を含むガスとし、第２のガスをシリコン原子および水素原子を含むガスとして、上記に記載の多孔板を有するプラズマＣＶＤ装置を用いて被処理基板上に酸化シリコン膜の形成を行うことを特徴としている。シリコン原子および水素原子を含むガスがプラズマ生成領域へ逆流するのを防止または抑制できるため、形成される酸化シリコン膜に含まれるＨまたはＯＨの量を低く抑えることができる。
【００２８】
また、本発明における膜形成方法は、上記に記載のプラズマＣＶＤ装置を用い、多孔板を境とする被処理基板側の領域よりも多孔板を境とするプラズマ生成領域側の方が圧力が高い状態で、被処理基板上に成膜処理を行うことを特徴としている。また、この膜形成方法において、第１のガスを酸素原子を含むガス、第２のガスをシリコン原子および水素原子を含むガスとすることを特徴としている。シリコン原子および水素原子を含むガスがプラズマ生成領域へ逆流するのを防止できるプラズマＣＶＤ装置において、プラズマ生成領域の過剰な圧力上昇を防ぐことができるため、十分な量の酸素励起種および酸素原子の供給下でシリコン原子および水素原子を含むガスとの気相反応を行うことができるため、高品質の酸化シリコン膜を形成することができる。
【００２９】
【発明の実施の形態】
以下本発明について実施の形態に基づいて説明する。
ここでは、酸素とモノシランの反応を用いるリモートプラズマＣＶＤによる酸化シリコン膜形成を例として説明する。
【００３０】
図１に示すリモートプラズマＣＶＤ装置は、真空排気可能な真空チャンバを備えており、この真空チャンバ内には、酸素プラズマ生成領域１７０が規定される。さらに、真空チャンバ内には、基板３０が設置される基板サセプタ２０、酸素ラジカル通過孔（貫通孔）１９０を有する多孔板２２０、リング状モノシランインジェクタ２００が備えられている。
【００３１】
図示のように、多孔板２２０は、リング状モノシランインジェクタ２００と酸素プラズマ生成領域１７０との間に位置しており、チャンバ内壁７０と多孔板２２０との間に隙間はない。
【００３２】
図１に示すリモートプラズマＣＶＤ装置では、プラズマの生成手法として、高周波パワーが印加可能なアンテナ２３０を誘電体窓２４０上に設置した誘導結合放電を用いている（なお、誘導結合放電の代わりに、例えば、容量結合による放電、マイクロ波放電等の手法を用いてもよく、使用する放電手法に応じてプラズマ生成領域周辺に適切な放電機構が備えられることになる）。
【００３３】
図１に示す例では、プラズマ生成領域１７０が基板３０から空間的に十分離れており、プラズマ生成領域１７０におけるイオン密度及び電子密度は、プラズマ生成領域から基板に向かって急激に減少するため、基板３０付近でのイオンや電子の密度は無視できる程度である。
【００３４】
ここで、図２に多孔板２２０の平面図を示す。多孔板２２０には、プラズマ生成領域１７０で生成された酸素原子、励起酸素原子、励起酸素分子、酸素分子、及びオゾンを基板側へ通過させるための酸素ラジカル通過孔（貫通孔）１９０が面内に多数開口されている。貫通孔１９０の分布は、図２に示すような面内均一な開口手法に限らず、中心部の開口率が高い分布、周辺部の開口率が高い分布等、どのような分布でもよい。
【００３５】
図２に示す多孔板２２０において、開口部の開口率は５％以下となっており、このため、リング状モノシランインジェクタ２００から供給されたモノシランガス１４０が酸素プラズマ生成領域１７０へ侵入するのを多孔板２２０が防止又は抑制することになる。
【００３６】
例えば、多孔板２２０が４００ｍｍ×５００ｍｍの大きさで、多孔板に１００個の酸素ラジカル通過孔（貫通孔）１９０を設けたとすると、その開口部の直径が１１ｍｍ程度で開口率５％となる。
【００３７】
いま、酸素ラジカル通過孔（貫通孔）１９０が直径１１ｍｍ、長さ２０ｍｍの円筒形であって、流量１ＳＬＭの酸素ガスをプラズマ生成領域に供給し、基板３０が設置されている成膜領域の圧力が３０Ｐａになるように真空排気制御をした際、多孔板２２０を境に酸素プラズマ生成領域１７０側の圧力は３５Ｐａ程度になる。
【００３８】
このように、多孔板２２０を境界にプラズマ生成領域側よりも成膜領域側の方が圧力が低くなるため、成膜領域側で供給されるモノシランガス１４０が酸素ラジカル通過孔１９０を通って酸素プラズマ生成領域１７０に侵入することが防止又は抑制できる。
【００３９】
なお、前述したように、多孔板２２０はチャンバ内壁との間に隙間を有しないから、モノシランガス１４０がプラズマ領域側へ逆流する経路は酸素ラジカル通過孔（貫通孔）１９０のみであり、この孔の開口率を上述のように制限することが重要である。
【００４０】
モノシランガス１４０がプラズマ生成領域に逆流する可能性をより低くするためには、酸素ラジカル通過孔１９０の直径Ｒを小さくすればよく、３ｍｍ以下程度にすれば効果的である。酸素ラジカル通過孔（貫通孔）１９０が１００個開口された図２に示す多孔板２２０において、酸素ラジカル通過孔（貫通孔）１９０の直径が２ｍｍ、長さが１０ｍｍの場合、上記の例と同様に、流量１ＳＬＭの酸素ガスをプラズマ生成領域に供給し、成膜領域の圧力が３０Ｐａになるように真空排気制御をした際、多孔板２２０を境に酸素プラズマ生成領域１７０側の圧力は５８Ｐａ程度になる。
【００４１】
このように、酸素ラジカル通過孔の長さが一定の時、孔の径を小さく制限すれば、多孔板を境界にしてプラズマ領域側と成膜領域側との圧力差を大きくすることができ、モノシランガスのプラズマ領域側への逆流をより効果的に抑えることができる。
【００４２】
なお、多孔板２２０の酸素ラジカル通過孔（貫通孔）１９０の開口率や開口径を制限した際に、酸素ラジカル通過孔（貫通孔）同士の間隔が離れすぎると、多孔板２２０を通過した励起種及びラジカルを含む酸素ガス２１０の基板付近での面内分布が、図３に示すように貫通孔に対応した分布を持ってしまう。これは、図２に示す貫通孔同士の距離Ｄ、Ｄ'及びＤ''が、図１中に示す多孔板２２０と基板３０との距離Ｈより長い場合、酸素ラジカル通過孔（貫通孔）１９０から基板に向かって供給される励起種及びラジカルを含む酸素ガス２１０が横方向の十分な拡散が行われる前に基板に到達してしまうからである。
【００４３】
モノシランガスが供給されている雰囲気に励起種及びラジカルを含む酸素ガス２１０が供給された場合には、ＳｉＯｘＨｙ、ＳｉＨｙ、ＳｉＯｘ等の酸化シリコン前駆体の横方向拡散が十分に起こる前に基板に到達してしまうため、基板上に形成される酸化シリコン膜の基板面内分布も、図３に示すようなプロファイルとなってしまう。これを防ぐためには、前記距離Ｄ、Ｄ'及びＤ''を、前記距離Ｈ以下にする必要がある。前記距離Ｄ、Ｄ'及びＤ''が短ければ短いほど励起種及びラジカルを含む酸素ガス２１０の分布は均一になるが、短すぎると酸素ラジカル通過孔（貫通孔）の開口率が大きくなってしまうため、距離Ｄ、Ｄ'及びＤ''は、酸素ラジカル通過孔（貫通孔）の開口率及び開口径を考慮して設定する必要がある。
【００４４】
次に、酸化シリコン膜の形成について説明する。ここでは、開口径２ｍｍで長さ１０ｍｍの円筒形酸素ラジカル通過孔（貫通孔）１９０が１００個開口された４００ｍｍ×５００ｍｍの多孔板２２０を用いた例について説明する。貫通孔同士の距離は、図２に示すＤに相当する距離が約４６ｍｍ、Ｄ''に相当する距離が約３６ｍｍ、Ｄ'に相当する距離が約５８ｍｍである。
【００４５】
まず、真空排気されたＣＶＤチャンバー内に１ＳＬＭの流量で酸素ガス１５０を導入し、基板３０付近の圧力が３０Ｐａになるように排気能力を制御する。前述の多孔板２２０を用いた結果、多孔板２２０を境にプラズマ生成領域側の圧力は５８Ｐａとなっており、基板３０の位置する成膜領域の約２倍の圧力となっている。
【００４６】
次に、アンテナ２３０に高周波電力を印加して酸素プラズマを形成する。酸素プラズマ生成領域１７０は基板３０から十分離れた距離にあり、かつ、開口径の小さい酸素ラジカル通過孔（貫通孔）１９０を有する多孔板２２０が基板３０と酸素プラズマ生成領域１７０の間に位置しているため、酸素プラズマ生成領域１７０中でのプラズマ密度が１０８〜１０１０ｃｍ−３程度であるのに対し、多孔板２２０と基板３０との間の領域のプラズマ密度は１０６ｃｍ−３以下となっている。即ち、酸素プラズマ生成領域１７０中では電子、酸素原子イオン、酸素分子イオン、酸素原子、励起酸素原子、励起酸素分子、酸素分子、及びオゾン等が存在するが、多孔板２２０と基板３０との間の領域に達する電子及びイオンの量は無視できる程度である。
【００４７】
成膜領域に噴射されるモノシランガス１４０と反応して酸化シリコン膜成膜に寄与するのは、酸素原子、励起酸素原子、励起酸素分子、酸素分子、及びオゾンである。これらの励起種及びラジカルを含む酸素ガス２１０は酸素ラジカル通過孔（貫通孔）１９０を通って成膜領域に拡散し、リング状モノシランインジェクタ２１０から流量５ＳＣＣＭで噴射されたモノシラン１４０と反応してＳｉＯｘ、ＳｉＯｘＨｙ、ＳｉＨｙ等の酸化シリコン前駆体を形成する。そして、基板３０上に酸化シリコン膜が形成される。
【００４８】
ここで、リング状モノシランインジェクタ２００から噴射されたモノシラン１４０は、多孔板２２０の方向にも拡散して酸素ラジカル通過孔（貫通孔）１９０にも到達するが、前述したような圧力差が多孔板２２０を境界として存在しているため、モノシラン１４０が酸素ラジカル通過孔（貫通孔）１９０を通って酸素プラズマ生成領域１７０側へ通り抜けることはほとんどない。
【００４９】
従って、モノシランガスが直接プラズマ分解されることがないため、水素や励起水素が成膜領域での気相反応に寄与することはほとんどなく、形成される酸化シリコン膜中に含有されるＨやＯＨの量も低く抑えられる。
【００５０】
なお、図１中のＨに相当する距離は１００ｍｍであり、Ｈは前述の距離Ｄ、Ｄ'、及びＤ''の２倍以上であるため、励起種及びラジカルを含む酸素ガス２１０や気相で形成された酸化シリコン前駆体の基板上面内分布は均一となり、基板３０上に面内均質な酸化シリコン膜を形成することができる。
【００５１】
さらに、前述したように、多孔板２２０と基板３０との間のプラズマ密度は非常に低くなっているため、通常の平行平板プラズマＣＶＤに比べて基板３０へのプラズマダメージは非常に低くなっている。この効果は、基板表面がＭＯＳ界面を形成するシリコン表面の場合には顕著に現れ、通常の平行平板プラズマＣＶＤで単結晶シリコン基板上に酸化シリコン膜を形成した場合にそのＭＯＳ界面準位密度がミッドギャップ付近で１０１１〜１０１２ｃｍ−２ｅＶ−１であるのに対し、本リモートプラズマＣＶＤで酸化シリコン膜を形成した場合には、１０１０ｃｍ−２ｅＶ−１台の低界面準位密度となる。
【００５２】
なお、図１に示す装置では、酸素プラズマ生成領域１７０と基板３０との距離を十分に離すことで基板へのプラズマダメージを抑制していたが、例えば、図４に示すように電気的に接地された金属製のプラズマ閉じ込め電極８２でプラズマを効率よく閉じ込めるようにすれば、多孔板２２０と基板３０との間のプラズマ密度をより低減することができる。プラズマ閉じ込め電極８２が効率よくプラズマを閉じ込めるためには、開口部の大きさがプラズマのデバイ長と同程度またはそれ以下となっていればよい。
【００５３】
さらに他の例として、図５に示すように、多孔板自体を電気的に接地した金属製多孔板２５０とし、このプラズマ閉じ込め多孔板２５０で酸素プラズマの閉じ込めとモノシランガスのプラズマ生成領域への逆流防止の２つの役割を果たすこともできる。この構造の最大の利点は、モノシランがプラズマ生成領域へ逆流しずらい構造であっても、装置構造が複雑化しないことである。プラズマ閉じ込め多孔板２５０の構造は、図２に示す多孔板２２０の構造と同様であるが、酸素ラジカル通過孔１９１はプラズマ閉じ込めの役割を果たすために酸素プラズマのデバイ長程度以下のサイズであることが必要である。
【００５４】
図２に示す例において、開口径２ｍｍ、長さ１０ｍｍの円筒状酸素ラジカル通過孔（貫通孔）１９０が１００個開口された４００ｍｍ×５００ｍｍの多孔板を用い、酸素ガスを１ＳＬＭ供給して基板領域を３０Ｐａに調節したところ、プラズマ生成領域が５８Ｐａになることを説明したが、この多孔板を金属製として、電気的に接地して、図５に示すプラズマ閉じ込め多孔板２５０とすれば、酸素ガス１ＳＬＭ、基板領域３０Ｐａの条件で、酸素プラズマ生成領域１７２の圧力は同様に５８Ｐａ程度となる。ここで、１３．５６ＭＨｚの高周波電力を１Ｗ／ｃｍ３程度印加してプラズマ密度１０８ｃｍ−３、電子温度１０５Ｋ程度の酸素プラズマを生成した場合のデバイ長は２ｍｍ程度であり、酸素ラジカル通過孔の径と同程度となる。従って、開口径２ｍｍ、長さ１０ｍｍの円筒状酸素ラジカル通過孔（貫通孔）１９１が、１００個開口された４００ｍｍ×５００ｍｍの多孔板をプラズマ閉じ込め多孔板２５０とすれば、モノシランガスの逆流防止とプラズマの効果的な閉じ込めを両立することができる。
【００５５】
さらに他の例について、図６乃至図１０を参照して詳細に説明する。
【００５６】
図６に示すリモートプラズマＣＶＤ装置と図５に示す装置の差異は、リング状モノシランインジェクタ２１０がなく、図５に示すプラズマ閉じ込め多孔板２５０がモノシランインジェクタの役割をも果たしている点である。つまり、図６に示すリモートプラズマＣＶＤ装置では、プラズマ閉じ込め多孔板兼モノシランインジェクタ２６０が備えられていることになる。
【００５７】
このような構成とすることによって、さらに装置構造を単純化することができるとともに、モノシランガス供給の基板面上分布の均一化も実現することができる。
【００５８】
ここで、プラズマ閉じ込め多孔板兼モノシランインジェクタ２６０の構造を図７の断面図及び図８の平面図に示す。酸素ラジカル通過孔（貫通孔）１９２の構造については、前述のプラズマ閉じ込め多孔板２５０の酸素ラジカル通過孔（貫通孔）１９１と同様である。プラズマ閉じ込め多孔板兼モノシランインジェクタ２６０の特徴は、図７に示すように、プラズマ閉じ込め多孔板上部板３１０とプラズマ閉じ込め多孔板下部板３２０とで挟まれた空間が中空部３６０となっており、この中空部３６０が酸素ラジカル通過孔（貫通孔）１９２とは独立した構造になっていることである。
【００５９】
図示の例では、この中空部３６０にモノシラン１４０が供給され、成膜領域に向かって開口されたモノシラン噴射孔１２１を通してモノシラン１４０が供給される。図７には示されていないが、中空部３６０は繋がった空間であり、モノシランガスはこの中空部３６０で面内均一化され、図８に示すようにプラズマ閉じ込め多孔板下部板３２０に面内均一に開口されたモノシラン噴射孔１２１から成膜領域へ供給されることになる。
【００６０】
さらに、モノシランガスを基板面直上で均一に供給するためには、プラズマ閉じ込め多孔板兼モノシランインジェクタ２６０の中空部３６０内に、モノシランガスを均一化するための拡散板を設ければよい。
【００６１】
図９及び図１０に拡散板を設置した例を示す。図６に示すように、モノシランガスはチャンバ外部からプラズマ閉じ込め多孔板兼モノシランインジェクタ２６０の側面を通して供給されるため、中空部３６０内で均一化する前にモノシラン噴射孔１２１から噴射されやすくなっている。これを防ぐために、図９に示すように、中空部３６０に第１の拡散板３３０と第２の拡散板３４０とを設け、モノシランガスが均一化する時間を与えるとともに、拡散板に開口するモノシラン拡散通過孔３５０の開口分布を、図１０に示すように面内均一とせず、中空部で均一化しやすい開口分布を持たせる。これによって、最終的にモノシラン噴射孔１２１から噴射される時点で面内均一な噴射を可能にする。なお、拡散板の数は２枚に限らず、１枚でも３枚以上でもよい。
【００６２】
このように、プラズマ閉じ込め多孔板兼モノシランインジェクタ２６０にモノシランのプラズマ生成領域への逆流防止、プラズマ閉じ込め、及びモノシラン噴射の３つの役割を持たせることで、単純な構造のリモートプラズマＣＶＤ装置を用いた高品質な酸化シリコン膜の形成が可能となる。
【００６３】
次に図１１を参照して、リモートプラズマＣＶＤ装置の他の例について説明する。図１１の装置構造は図６に示すプラズマ閉じ込め多孔板兼モノシランインジェクタ２６０を有するリモートプラズマＣＶＤ装置と類似しており、異なるのは、真空排気系が１系統でなく、２系統を有していることである。前述したように、真空排気系を基板側に１系統有する装置では、酸素ラジカル通過孔（貫通孔）の開口径と孔長が決まると、ある酸素ガス流量とある成膜領域圧力に対して、プラズマ生成領域の圧力は決まった値を持ってしまう。従って、プロセス条件の自由度が制限されてしまう。
【００６４】
さらに、本発明では、多孔板の酸素ラジカル通過孔（貫通孔）の開口率や開口径を制限し、加えて、多孔板とチャンバ内壁との隙間を無くすことによって多孔板を境に、（被堆積基板側の圧力）＞（プラズマ生成領域側の圧力）の関係をもつ圧力差を生じやすくさせている。この圧力差は、被堆積基板側圧力一定の下では、開口径を狭める程、孔長を長くする程、またプラズマ生成領域に供給する酸素の流量を多くするほど大きくなり、プラズマ生成領域側の圧力が高くなる。
【００６５】
プラズマ生成領域側の圧力が過剰に高くなると、酸素プラズマ生成領域１７４中の平均自由行程が短くなるため、酸素プラズマ生成領域１７４中で生成した酸素原子、励起酸素原子、励起酸素分子、酸素分子、及びオゾンの内、励起酸素原子、励起酸素分子、酸素原子が消滅しやすくなり、成膜領域に供給される酸素ガス（ラジカル、励起種を含む）中で酸素分子の比率が高くなってしまう。
【００６６】
酸素分子の比率の多い酸素ガス（ラジカル、励起種を含む）とモノシランの反応では、ＳｉＯｘの重合生成物が形成されやすく、低密度の酸化シリコン膜となるだけでなく、膜成長表面での酸化も抑制されるため、ＳｉＨｘやＳｉＨｘＯｙ等が膜中に残されやすく、ＨやＯＨを多く含む、低品質の酸化シリコン膜が形成されてしまう。
【００６７】
従って、図１１に示す例では、酸素プラズマ生成領域の圧力値選択の自由度制限、並びに酸素プラズマ生成領域の圧力過剰上昇という点を解消するため、多孔板を境界としたプラズマ生成領域側及び多孔板を境とした被堆積基板側の両方に、独立した真空排気系を備えている。
【００６８】
例えば、図１１におけるプラズマ閉じ込め多孔板兼モノシランインジェクタ２６１が４００ｍｍ×５００ｍｍの大きさであり、この多孔板中に開口径２ｍｍ、孔長１０ｍｍの円筒形の酸素ラジカル通過孔（貫通孔）１９３が１００個開口されているとする。ここで、流量１ＳＬＭの酸素ガスをプラズマ生成領域に供給し、基板３０が設置されている成膜領域の圧力が３０Ｐａになるように第２の真空排気２８０側で排気制御をし、第１の真空排気２７０を行わないとき、多孔板を境にして酸素プラズマ生成領域１７４側の圧力は５８Ｐａ程度になる。
【００６９】
ここでさらに、酸素ガスの流量を３ＳＬＭとし、成膜領域の圧力が６０Ｐａになるように第２の真空排気２８０側の排気制御を行い、第１の真空排気２７０を行わないと、多孔板を境にして酸素プラズマ生成領域１７４側の圧力は１００Ｐａを超えてしまう。酸素プラズマ生成領域１７４が１００Ｐａを超えると、プラズマ領域で生成された酸素原子イオン、酸素分子イオン、電子、酸素原子、励起酸素原子、励起酸素分子、酸素分子、及びオゾン等の内、衝突によって消滅しやすい種が減少し、成膜領域に供給される酸素ガス（ラジカル、励起種を含む）中での励起酸素原子、励起酸素分子、酸素原子の比率が低くなり、酸素分子の比率は高くなって、上述したような問題が発生する。
【００７０】
しかしながら、ここで、第１の真空排気２７０を作動させ、第２の真空排気と独立の制御を行うと、酸素プラズマ生成領域１７４の圧力を所望の圧力に調整することができる。例えば、上記の例で、酸素プラズマ生成領域ガスの流量を３ＳＬＭ、成膜領域の圧力を５８Ｐａとした場合でも、酸素プラズマ生成領域１７４の圧力を７０Ｐａ等任意の圧力に設定することができる。
【００７１】
酸化シリコン膜の形成方法は以下の通り。ここでは開口径２ｍｍで長さ１０ｍｍの円筒形酸素ラジカル通過孔（貫通孔）が１００個開口された４００ｍｍ×５００ｍｍの多孔板を用いた例を示す。酸素ラジカル通過孔（貫通孔）同士の距離は、図２のＤに相当する距離が約４６ｍｍ、Ｄ''に相当する距離が約３６ｍｍ、Ｄ'に相当する距離が約５８ｍｍである。真空排気されたＣＶＤチャンバー内に、高周波印加電極１１に設けられたガス供給孔を通して２ＳＬＭの流量で酸素ガス１５０を導入して、基板３０付近の圧力が６０Ｐａになるように第２の真空排気２８０の排気能力を制御する。
【００７２】
第１の真空排気２７０を用いない場合、プラズマ閉じ込め多孔板兼モノシランインジェクタ２６１を境にしてプラズマ生成領域側の圧力は約９０Ｐａとなるが、第１の真空排気２７０を用いて、プラズマ生成領域側の圧力を７０Ｐａに制御する。
【００７３】
次に、高周波印加電極１１に高周波電力を印加して酸素プラズマを形成する。酸素プラズマ生成領域１７４は電気的に接地されたプラズマ閉じ込め多孔板兼モノシランインジェクタ２６０によって高周波印加電極１１との間に効率よく閉じ込められているため、酸素プラズマ生成領域１７４中でのプラズマ密度が１０８〜１０１０ｃｍ−３程度であるのに対し、プラズマ閉じ込め多孔板兼モノシランインジェクタ２６１と基板３０の間の領域のプラズマ密度は１０４ｃｍ−３以下となっている。即ち、酸素プラズマ生成領域１７４中では電子、酸素原子イオン、酸素分子イオン、酸素原子、励起酸素原子、励起酸素分子、酸素分子、及びオゾン等が存在するが、プラズマ閉じ込め多孔板兼モノシランインジェクタ２６１と基板３０の間の領域に達する電子及びイオンの量は無視できる程度である。
【００７４】
従って、成膜領域に噴射されるモノシランガス１４０と反応して酸化シリコン膜成膜に寄与するのは、酸素原子、励起酸素原子、励起酸素分子、酸素分子、及びオゾンである。これらの励起種及びラジカルを含む酸素ガス２１０は酸素ラジカル通過孔（貫通孔）１９３を通って成膜領域に拡散し、プラズマ閉じ込め多孔板兼モノシランインジェクタ２６１から流量５ＳＣＣＭで噴射されたモノシラン１４０と反応してＳｉＯｘ、ＳｉＯｘＨｙ、ＳｉＨｙ等の酸化シリコン前駆体を形成して、基板３０上に酸化シリコン膜が形成されることになる。
【００７５】
ここで、プラズマ閉じ込め多孔板兼モノシランインジェクタ２６１から噴射されたモノシラン１４０は、酸素ラジカル通過孔（貫通孔）１９３付近にも到達するが、多孔板を境にしてプラズマ生成領域側と成膜領域側では約１０Ｐａの圧力差が存在しているため、酸素ラジカル通過孔（貫通孔）１９３を通って酸素プラズマ生成領域１７４側へ通り抜けることはほとんどない。モノシランガスが直接プラズマ分解されることが抑制されているため、水素や励起水素が成膜領域での気相反応に寄与することはほとんどなく、形成される酸化シリコン膜中に含有されるＨやＯＨの量も低く抑えられる。
【００７６】
なお、図１１中のＨに相当する距離は１００ｍｍであり、前述の距離Ｄ、Ｄ'およびＤ''の２倍以上であるため、励起種およびラジカルを含む酸素ガス２１０や気相で形成された酸化シリコン前駆体の基板上面内分布は均一となり、基板３０上に面内均質な酸化シリコン膜を形成することができる。モノシランガス１４０の基板面直上分布をさらに均一にする場合には、図１０に示すプラズマ閉じ込め多孔板２５０のように、その中空部に拡散板を設ければよい。さらに、前述したように、プラズマ閉じ込め多孔板兼モノシランインジェクタ２６０と基板３０の間のプラズマ密度は非常に低くなっているため、通常の平行平板プラズマＣＶＤに比べて基板３０へのプラズマダメージは非常に低くなっている。この効果は、基板表面がＭＯＳ界面を形成するシリコン表面の場合には顕著に現れ、通常の平行平板プラズマＣＶＤで単結晶シリコン基板上に酸化シリコン膜を形成した場合にそのＭＯＳ界面準位密度がミッドギャップ付近で１０１１〜１０１２ｃｍ− ２ｅＶ−１であるのに対し、本リモートプラズマＣＶＤで酸化シリコン膜を形成した場合には１０１０ｃｍ−２ｅＶ−１台の低界面準位密度となる。
【００７７】
以上の例においては、４００ｍｍ×５００ｍｍの多孔板、または４００ｍｍ×５００ｍｍのプラズマ閉じ込め多孔板、または４００ｍｍ×５００ｍｍのプラズマ閉じ込め多孔板兼モノシランインジェクタに、開口径２ｍｍ、孔長１０ｍｍの円筒形の酸素ラジカル通過孔（貫通孔）を１００個開口した例を中心に説明したが、開口径、開口長、開口数、多孔板形状などは本発明の特許請求の範囲に記載された範囲であれば、どのような値をとっても良い。例えば、４００ｍｍ×５００ｍｍのプラズマ閉じ込め多孔板兼モノシランインジェクタに、開口径２ｍｍ、孔長５ｍｍの円筒形の酸素ラジカル通過孔（貫通孔）を１５００個開口したような構成でもよく、この構成では、流量１ＳＬＭの酸素ガスをプラズマ生成領域に供給し、成膜領域の圧力が３０Ｐａになるように真空排気制御をすると、多孔板を境に酸素プラズマ生成領域側の圧力は約３８Ｐａ程度になる。
【００７８】
また以上の例において、モノシランの供給手法として、リング状モノシランインジェクタ及び面型の多孔板兼モノシランインジェクタを用いた例について説明したが、枠状インジェクタ、格子状インジェクタ、直線状インジェクタ等、どのような形態であってもよい。
【００７９】
また、以上の例では、モノシランと酸素を用いた酸化シリコン膜形成を例にあげたが、モノシランの代わりにジシラン等の高次シランやＴＥＯＳ（Ｔｅｔｒａｅｔｈｏｘｙｓｉｌａｎｅ）等の液体Ｓｉ原料等でもよく、酸素のかわりに亜酸化窒素、酸化窒素等を用いてもよい。
【００８０】
さらに、酸化シリコン膜形成を例にあげてＣＶＤ成膜の説明をを行ったが、モノシランとアンモニアの反応による窒化シリコン膜形成、モノシランと希ガスまたは水素との反応による非晶室シリコン膜形成など、他の材料系のプラズマＣＶＤ成膜に関しても同様の効果を得ることができる。
【００８１】
加えて、以上の例においては、誘導結合リモートプラズマＣＶＤ装置及び平行平板リモートプラズマＣＶＤ装置を用いた例について説明したが、プラズマ生成領域と基板処理領域とが空間的に隔離または分離されているプラズマＣＶＤ装置であれば、マイクロ波プラズマ、電子サイクロトロン共鳴プラズマ、誘導結合プラズマ、ヘリコン波プラズマを用いたプラズマＣＶＤ装置等、どのような形態の装置であっても適用される。
【００８２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明では、リモートプラズマＣＶＤにおいて、プラズマ分解を意図しないガスがプラズマ生成領域に逆流するのを抑制又は防止することができ、プラズマ分解を意図しないガスがプラズマ分解されることによって生ずる不純物が、形成する膜中に含まれるのを抑制又は防止することができるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるリモートプラズマＣＶＤ装置の第１の例を示す側面概略図である。
【図２】図１に示すリモートプラズマＣＶＤ装置で用いられる多孔板を示す平面概略図である。
【図３】酸素ガス（ラジカル、励起種を含む）の基板上面内分布を示す図である。
【図４】本発明によるリモートプラズマＣＶＤ装置の第２の例を示す側面概略図である。
【図５】本発明によるリモートプラズマＣＶＤ装置の第３の例を示す側面概略図である。
【図６】本発明によるリモートプラズマＣＶＤ装置の第４の例を示す側面概略図である。
【図７】中空構造のプラズマ閉じ込め多孔板の一例を示す側面概略図である。
【図８】図７に示す多孔板の上部板及び下部板を示す平面概略図である。
【図９】中空構造のプラズマ閉じ込め多孔板の他の例を示す側面概略図である。
【図１０】図９に示す多孔板の第１及び第２の拡散板を示す平面概略図である。
【図１１】本発明によるリモートプラズマＣＶＤ装置の第５の例を示す側面概略図である。
【図１２】従来の平行平板リモートプラズマＣＶＤ装置の一例を示す側面概略図である。
【図１３】図１２に示すＣＶＤ装置の動作を示す側面概略図である。
【図１４】従来の平行平板リモートプラズマＣＶＤ装置の他の例を示す側面概略図である。
【符号の説明】
１０、１１ 高周波印加電極
２０ 基板サセプタ
３０ 基板
４０ 励起種及びラジカルを含む第１のガス
５０、５１ ラジカル通過孔
６０ プラズマ
７０ チャンバ壁
８０、８１、８２ プラズマ閉じ込め電極
９０ 中性ガス噴射孔
１００ 第１のガス
１１０ 第２のガス
１２０、１２１ モノシラン噴射孔
１３０、１３１、１３２、１３３ 逆流するモノシラン
１４０ モノシランガス
１５０ 酸素ガス
１６０ 真空排気
１７０、１７１、１７２、１７３、１７４ 酸素プラズマ生成領域
１８０ モノシランインジェクタ
１９０、１９１、１９２、１９３ 酸素ラジカル通過孔（貫通孔）
２００ リング状モノシランインジェクタ
２１０ 励起種及びラジカルを含む酸素ガス
２２０ 多孔板
２３０ アンテナ
２４０ 誘電体窓
２５０ プラズマ閉じ込め多孔板
２６０、２６１ プラズマ閉じ込め多孔板兼モノシランインジェクタ
２７０ 第１の真空排気
２８０ 第２の真空排気
２９０ 第１の真空計
３００ 第２の真空計
３１０ プラズマ閉じ込め多孔板上部板
３２０ プラズマ閉じ込め多孔板下部板
３３０ 第１の拡散板
３４０ 第２の拡散板
３５０ モノシラン拡散通過孔
３６０ 中空部

Claims (11)

  1. 第１のガスのプラズマを形成するプラズマ生成領域が備えられ、前記プラズマ生成領域の外に被堆積基板を設置する基板保持機構と、前記プラズマ生成領域と前記被堆積基板との間で第２のガスを供給する供給手段とを有するプラズマＣＶＤ装置において、
    前記プラズマ生成領域と前記供給手段との間には複数の貫通孔が形成された多孔板が配置されており、前記貫通孔の開口率が５％以下であり、前記貫通孔間の距離が、前記多孔板と前記被堆積基板との距離よりも小さく、且つ、
    前記プラズマ生成領域には高周波印加電極が設けられていると共に、前記多孔板が、前記高周波印加電極よりも被堆積基板側に設けられ、電気的に接地された金属製プラズマ閉じ込め電極となっていることを特徴とするプラズマＣＶＤ装置。
  2. 前記多孔板はプラズマＣＶＤ装置チャンバ内壁との間に隙間を有することなく配置されていることを特徴とする請求項１に記載のプラズマＣＶＤ装置。
  3. 前記多孔板の各貫通孔の直径は３ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載のプラズマＣＶＤ装置。
  4. 前記多孔板には前記貫通孔と独立した中空部が形成されるとともに前記中空部に連通して前記被堆積基板に向かって開口された噴射孔が形成されており、前記貫通孔と独立した中空部には、前記第２のガスが通過可能な開口を有する拡散板が設けられていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載のプラズマＣＶＤ装置。
  5. 前記多孔板を境界とする前記プラズマ生成領域側の領域と前記多孔板を境界とする前記被堆積基板側の領域とにはそれぞれ独立した圧力調整機構が配置され、前記プラズマ生成領域と前記多孔板を境に前記被堆積基板側の空間とをそれぞれ所望の圧力に排気制御可能に構成されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載のプラズマＣＶＤ装置。
  6. 前記第１のガスを酸素原子を含むガスとし、前記第２のガスをシリコン原子及び水素原子を含むガスとして、請求項１乃至５のいずれか一項に記載のプラズマＣＶＤ装置を用いて前記被堆積基板上に酸化シリコン膜を形成するようにしたことを特徴とする膜形成方法。
  7. 請求項１乃至５のいずれか一項に記載のプラズマＣＶＤ装置を用い、前記多孔板を境界とする前記被堆積基板側の領域よりも前記多孔板を境界とする前記プラズマ生成領域側の方がその圧力が高い状態で、前記被堆積基板上に成膜処理を行うようにしたことを特徴とする膜形成方法。
  8. 前記第１のガスを酸素原子を含むガスとし、前記第２のガスをシリコン原子及び水素原子を含むガスとしたことを特徴とする請求項７に記載の膜形成方法。
  9. 第１のガスのプラズマを形成するプラズマ生成領域が備えられ、前記プラズマ生成領域の外に被堆積基板を設置する基板保持機構と、前記プラズマ生成領域と前記被堆積基板との間で第２のガスを供給する供給手段とを有するプラズマＣＶＤ装置において、前記プラズマ生成領域と前記供給手段との間には複数の貫通孔が形成された多孔板が電極として配置されており、前記貫通孔の開口率が５％以下であり、前記貫通孔間の距離が、前記多孔板と前記被堆積基板との距離よりも小さく、且つ、前記プラズマ生成領域に比べ前記多孔板を介した前記被堆積基板側の領域におけるプラズマ密度が小さいことを特徴とするプラズマＣＶＤ装置。
  10. 請求項９において、前記プラズマ生成領域に比べ、前記多孔板を介した前記被堆積基板側の領域におけるプラズマ密度が２桁以上小さいことを特徴とするプラズマＣＶＤ装置。
  11. 請求項１０において、前記被堆積基板側の領域におけるプラズマ密度が１０６ｃｍ−３以下であることを特徴とするプラズマＣＶＤ装置。
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