JPH0355549B2

JPH0355549B2 -

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Publication number: JPH0355549B2
Application number: JP62292004A
Authority: JP
Priority date: 1987-11-20
Filing date: 1987-11-20
Publication date: 1991-08-23
Also published as: JPS63190162A

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
マによる処理装置に関し、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
理するためのプラズマ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
チングの方法とその装置について説明する。

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なるガす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できる。

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に到達し、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Vosinwtで表わされるとするとこの電極１
０の電位にVosinwtで変化する。ここでVoは高
周波の波形の最高値、ｗ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Vosinwt
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Vosinwt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間
の電位差を保持する。したがつて電極１０の電位
が−Voになつた時最高（Vo−Vs）のエネルギ
ーでプラズマよりイオンが到着する。Vo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着せ
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＋Vo）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
電極として真空槽内にあり、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と等しく、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Vosinwtで変化するためやはり
最高（Vo＋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器の高周波電圧Voで
きめられこの高周波電圧は放電のために必要な電
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
ネルギーで到達した場合、単に基板の附着するに
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来きる
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着せしめた場
合、そのエネルギーは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でき
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でき
る。また基板を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できるた
め、かなり低い温度で結晶成長を行うことができ
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こしたりするので数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、原理的にイオン
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
せしめることができ得れば、この処理工程に非常
な進歩を生ぜしめることができる。

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、処理すべき基板に到着せしめるイオン
のエネルギーを制御可能なプラズマ処理装置を提
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、もしくは欠陥な少ないデポ
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、本
発明を第６図の実施例について説明する。

第６図のプラズマ処理装置の構成について説明
するに、図示せざる真空槽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１
０，１１が設けられる。接地側電極１１は処理す
べき基板６の保持板としても作用し、本発明に従
つてバイアス電圧源１４を介してアース電位８に
接続される。

図示されないガス導入孔より真空槽内に適当圧
力のガスを導入して発振器３からの高周波電力に
よつて放電プラズマ９を発生させる。一方、バイ
アス電圧源１４からの負電圧（−V_B）を電極１
１に印加する。これによりプラズマ９により処理
基板６に対し、（V_B＋V_S）のエネルギーのイオン
を到着せしめ得る。すなわち、バイアス電圧源１
４の負電位（−V_B）を変化させることによつて、
イオンエネルギーを調整することができる。

かかる本発明の構成において処理基板６は必ず
しも電極１１の上に位置する必要はなく、例えば
電極１１を接地し、処理基板を電極１１と分離し
てプラズマに接触せしめ、負電圧（−V_B）を印
加してもよい。

本発明によれば、プラズマ処理すべき基板は接
地電位にバイアス電圧源を介して結線される電極
上に載置されるので極めて低いプラズマ電位Vs
（通常数Ｖ以下）に重畳してバイアス電圧V_B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、V_Bの可
変により（V_B＋Vs）と幅広く調整することが可
能となる。このイオンエネルギーの調整により、
エツチング処理においては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に、エツ
チング速度を高めることができる。また、アンダ
ーカツト量の少ないエツチング処理も可能とな
る。一方、デポジシヨン処理においては、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
形成することもできる。

【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図は本発明のプラズマ処理装
置の構成図をそれぞれ示す。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、１３…
…プローベ、１４……基板印加電源。

Claims

【特許請求の範囲】

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ためのプラズマ
処理装置であつて、真空槽内のガスにプラズマ放
電を発生させるために前記真空槽に高周波電力を
供給する手段と、真空槽内の発生プラズマ部に処
理すべき基板を載置するために設けられた電極
と、前記発生プラズマ部のイオンが前記電極上の
基板に到着するときのエネルギーを制御するため
に前記電極と接地電位源との間に接続したバイア
ス電圧源とを具備して成ることを特徴とするプラ
ズマ処理装置。