JPH04211115A - Ｒｆプラズマｃｖｄ装置ならびに該装置による薄膜形成方法 - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、半導体製造工程にお
ける一連の工程中、基板表面に薄膜を形成する工程で用
いられるＲＦプラズマＣＶＤ装置として、真空容器内に
、ヒータを内蔵しその平坦な上面に被成膜基板が載置さ
れる基板台と、該基板台に対向する対向面が成膜用ガス
を対向空間にシャワーとして供給するための多数の孔を
備えたシャワー供給面として形成されたＲＦ端電極を備
えてなるＲＦプラズマＣＶＤ装置の、特に、成膜速度の
向上と膜厚、膜質の均一化とを目指した装置構成と、こ
の装置を用いて基板表面に薄膜を形成する際の薄膜形成
方法とに関する。 ［０００２］

【従来の技術】従来、この種のＲＦプラズマＣＶＤ装置
においては、ヒータを内蔵した基板台に載置されて接地
電極を構成する被成膜基板と、この基板に対向するＲＦ
端電極シャワー供給面との対向間隔を２０〜４０ｍｍ、
　これらの電極を収容する真空容器内のガス圧力を数ｔ
ｏｒｒとしてＲＦ端電極ＲＦ電圧を印加し、両電極間に
均一で安定したグロー放電を発生させるとともにＲＦ端
電極シャワー供給面から成膜用ガスを基板の被成膜面全
面に一様に供給しつつ、一方で真空排気系により真空容
器内のガスを排気しつつ真空容器内ガス圧を一定に保っ
て均一な膜厚、膜質の薄膜形成を行っている。なお、均
一な膜厚を得るために均一なガス流を基板面にもたらす
ための孔の配置の一例が、特開平１−１４９９６４号公
報に開示されている。 ［０００３］

【発明が解決しようとする課題】従来のＲＦプラズマＣ
ＶＤ装置においては、電極間に均一で安定したグロー放
電を発生させるために、接地電極となる加熱された基板
とＲＦ端電極シャワー供給面との対向間隔（以下電極間
隔ともいう）を２０〜４０ｍｍに取り、ガス圧力を数ｔ
ｏｒｒと低く押さえている。このため、グロー放電によ
って得られるプラズマの密度が小さく、成膜に寄与する
活性種の密度が小さい。このため、成膜速度が小さく、
装置の生産性が低いという問題があった。また、電極間
隔が大きいため、シャワー供給面から基板へ向かうガス
流の中で電界の拘束を受けない中性活性種の分布が形成
されやすくなり、基板が大面積化すると膜厚および膜質
の均一性が低くなるという問題があった。 ［０００４］　この発明の目的は、同一のＲＦ電源を用
いてＲＦ端電極接地電極との対向空間に高密度の均一な
プラズマを安定に得ることができ、かつ活性種が均一に
分布するＲＦプラズマＣＶＤ装置の電極構成と、この装
置による被成膜基板への薄膜形成時に、成膜速度を高め
ることができ、かつ大面積基板への成膜時にも膜厚およ
び膜質の均一性が得られる薄膜形成方法とを提供するこ
とである。 ［０００５］

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、この発明においては、真空容器内に、ヒータを内蔵
しその平坦な上面に被成膜基板が載置される基板台と、
該基板台に対向する対向面が成膜用ガスを対向空間にシ
ャワーとして供給するための多数の孔を備えたシャワー
供給面として形成されたＲＦ端電極を備えてなるＲＦプ
ラズマＣＶＤ装置を、前記シャワー供給面の孔の直径が
基板台に載置された被成膜基板とシャワー供給面との対
向間隔の０．４倍以下に、かつ孔相互の中心間隔の０゜
７５倍以下となるように形成されている装置とするもの
とする。 ［０００６］そして、シャワー供給面の孔の直径がこの
ように形成されるＲＦプラズマＣＶＤ装置において、被
成膜基板とＲＦ端電極シャワー供給面との間隔を２０ｍ
ｍ以下とすればさらに好適である。 ［０００７］また、シャワー供給面に形成される孔は、
該シャワー供給面上で、共通点を通る。方向が６０°ず
つずれた３本の直線をそれぞれ含む３組の等間隔平行線
群が形成する多数の最小正三角形のそれぞれ頂点位置に
形成すれば好適である。 ［０００８］そして、被成膜基板への薄膜形成に際し、
ＲＦ端電極シャワー供給面の孔の直径と、シャワー供給
面と被成膜基板との対向間隔および孔相互の中心間隔と
の関係が上述のように設定された装置において、成膜用
ガスの圧力を、ＲＦ電極に供給されるＲＦ電圧のもとて
放電可能な圧力として基板上に薄膜を形成する薄膜形成
方法をとるものとする。 ［０００９］

【作用】同一のＲＦ電源を用いて高密度のプラズマを得
るためには、成膜用ガスの圧力をあげ、電極間隔を小さ
くして均一で安定したグロー放電を発生させる必要があ
る。発明者の実験によれば、高ガス圧すなわち低真空度
、類ギャップにて均一で安定したグロー放電を発生させ
るためには、電極、とくに陰極面の凹凸を無くして平坦
化し、放電集中の誘発を避けることが非常に重要である
ことが分かった。すなわち、シャワー供給面の孔は電極
面の凹凸に相当することから、その大きさと電極間隔お
よび孔相互の中心間隔との間に一定の関係が成り立つと
きにのみ安定なグロー放電が得られる。すなわち、孔の
大きさ（直径）が電極間隔りと対比して大きくなると、
孔の周縁部の電界強度Ｅが平均電界強＆Ｅ　　＝Ｖ／Ｄ
（Ｖ：被成膜基板とＲＦ電極との間に印加されている電
圧）に対して異常に大きくなり、均一なグロー放電が得
られなくなる。また、孔相互の中心間隔すなわちピッチ
ｐが孔の直径ｄに近づくと、孔と孔との間の部分が突起
電極として作用するようになるため、この部分に電界が
集中し、フィラメント状アークの形成に到り、均一なグ
ロー放電が得られない。均一なグロー放電が得られるの
は、孔の直径ｄ、被成膜基板とシャワー供給面との間隔
り、孔のピッチｐとの間に、 ｄ（０，４ＸＤ ｄ＜０．７５Ｘｐ の関係が成り立つときのみであることが実験により確認
された。従って、この関係が保たれるように電極系を構
成することにより、電極間に均一で安定したグロー放電
を発生させることができ、同一のＲＦ電源のもとてガス
圧をあげ電極間隔を小さくして高密度の均一なプラズマ
を安定に得ることができる。 ［００１０１この場合、実施例の項で詳細を説明するよ
うに、電極間隔りを、従来の２０〜４０ｍｍから２０ｍ
ｍ以下とすることにより、同一ガス圧力でもプラズマ密
度が顕著に大きくなる。そして、このようにして得られ
た高密度プラズマ中の中性活性種は、電極間隔が小さい
ためにその分布を形成する機会が与えられず、すべての
活性種が均一に分布し、大面積基板に対しても膜厚、膜
質ともに均一な薄膜形成が可能になる。 ［００１１］また、シャワー供給面に形成される孔を、
該シャワー供給面上で共通点を通る。方向が６０°ずつ
ずれた３本の直線をそれぞれ含む３組の等間隔平行線群
が形成する多数の最小正三角形のそれぞれ頂点位置に形
成すれば、面積が一定のシャワー供給面上に、孔の最小
ピッチが一定の場合、最も多くの孔を形成することがで
き、かつガス流が均一化される。また、これにより、所
定のガス流を得るのに孔径を小さくすることができるか
ら、均一なグロー放電が得られる電極間隔を小さくする
ことができ、これによりプラズマ密度をさらに上げるこ
とができる。 ［００１２］以上のことから、被成膜基板への成膜時に
、電極間隔を上述の孔径の条件が保たれる範囲内の可及
的小さい値に保ち、かつ成膜用ガスの圧力を、ＲＦ電極
に供給されるＲＦ電圧のもとて放電可能な圧力として基
板上に薄膜を形成する薄膜形成方法をとることにより、
プラズマ形成空間（電極の対向空間）のプラズマ密度を
高めることができ、成膜速度が高められる。しかも、こ
のようにして得られた高密度プラズマ中の中性活性種は
、電極間隔が小さいためにその分布を形成する機会が与
えられず、すべての活性種が均一に分布し、大面積基板
への成膜時にも膜厚、膜質の均一性が得られる。 ［００１３］

【実施例】図１に本発明によるＲＦ電極のシャワー供給
面構造の一実施例を、図２にこの実施例によるシャワー
供給面を有するＲＦ電極を用いたＲＦプラズマＣＶＤ装
置構成の一実施例を示す。 ［００１４］真空容器１の両壁には、被成膜基板２の搬
入、搬出を行うための仕切り弁３ａ、３ｂが真空容器１
に真空シール可能に取り付けられている。被成膜基板２
は、真空容器１内に該真空容器の外部から図示されない
駆動装置により上下動可能に設置された。ヒータを内蔵
する基板台４の上面に接触して設置される。この基板台
４と対向する対向面５１をシャワー供給面とするＲＦ電
極５が、絶縁ブツシュ９を介して真空容器１に取り付け
られ、かつＲＦ電源６に接続されている。ＲＦ電極５に
は、さらに、シャワー供給面５１の背面側に成膜用ガス
を送り込むための絶縁材からなるガス供給管８が接続さ
れている。なお、図中の符号７は、ガス供給管８を介し
てシャワー供給面５１と基板２との対向空間に成膜用ガ
スが継続して供給されている状態で真空容器１内を０゜
５〜１０ｔｏｒｒ範囲内の一定のガス圧に保つために、
真空容器内のガスを所定の流量で排気する真空排気系で
ある。 ［００１５１基板２への成膜時には、基板２が基板台４
からの加熱により一定の温度になった後、成膜用ガスを
ＲＦ電極５内へ送り込み、ＲＦ電極５のシャワー供給面
５１の孔を通してシャワー供給面５１と基板２との対向
空間に供給するとともにＲＦ電極５にＲＦ電源６から高
周波電力を供給して成膜を行う。 ［００１６］ところで、ＲＦ電極５のシャワー供給面５
１の孔は、これを限られた面積内でできるだけ多く形成
し、これにより放電形成空間（シャワー供給面５１と基
板２との対向空間）に所定のガス量を供給する際の孔の
直径を小さくして、　〔課題を解決するための手段〕の
項で与えられた関係：ｄ＜０．４Ｄ、ｄ＜０．７５ｐを
より満足しやすくするために、図１に示すように、孔は
正三角形の頂点位置に配されている。ここで、ｄが孔の
直径、Ｄがシャワー供給面と基板との対向間隔、ｐが孔
相互の中心間隔である。 ［００１７］シヤワ一供給面と基板との対向空間におけ
る放電状態が、孔の直径ｄと、シャワー供給面と基板と
の対向間隔りとの組合わせにより、どのように変わるか
を調べた実験結果を図３に示す。図中の○印は均一なグ
ロー放電が形成されたことを示し、Ｘ印はフィラメント
状アークが形成され、均一なグロー放電が得られなかっ
たことを示す。この実験結果から、均一なグロー放電は
、ｄ＝ｏ、４Ｄの直線より右側の領域において、すなわ
ちｄ＜０．４Ｄのときに得られることが分かる。 ［００１８］また、図４に孔の直径ｄと孔相互の中心間
隔ｐとの組合わせにより、放電状態がどのように変わる
かを調べた実験結果を示す。この実験結果から、均一な
グロー放電は、ｄ＝０．７５ｐより右側の領域において
、すなわちｄ（０，７５ｐのときに得られることがわか
る。 ［００１９］図５に孔の直径ｄが、上述の条件：ｄ〈０
．４Ｄ、ｄ＜０．７５ｐを満たしている状態で、シャワ
ー供給面と被成膜基板との間に形成されるプラズマの密
度ｎｅがシャワー供給面と被成膜基板との対向間隔りと
ともにどのように変わるかを、ガス圧をパラメータとし
て調べた実験結果を示す。この実験結果から、プラズマ
密度は、対向間隔りが等しい場合には、ガス圧にほぼ比
例して変わることがわかる。また、間隔りが小さくなる
につれ、プラズマ密度は、ガス圧が一定の場合、対向間
隔りにほぼ反比例して大きくなることがわかる。従って
、対向間隔りを、従来の２０〜４０ｍｍ範囲から、例え
ば２０ｍｍ以下の範囲とし、均一なグロー放電が得られ
るように孔を形成した上でガス圧をあげることにより、
従来と比べ、密度が顕著に高いプラズマを得ることがで
き、かつ中性活性種を含む活性種の分布を均一化するこ
とができる。ガス圧を、ＲＦ電極に供給されたＲＦ電圧
のもとて放電可能な最高圧力とすることにより、プラズ
マ密度は可能な極限値に達し、成膜速度が極限まで高め
られる。 ［００２０］

【発明の効果】本発明においては、ＲＦプラズマＣＶＤ
装置を上述のように構成したので、以下に記載するよう
な効果が得られる。 ［００２１１請求項１の装置では、両電極間に常に均一
で安定したグロー放電を形成することができる。このた
め、同一のＲＦ電源のもとで成膜用ガスの圧力をあげ、
電極間隔を小さくして均一で安定したグロー放電を発生
させることにより、高密度のプラズマ、従って高密度の
活性種を得ることができ、装置の成膜速度をあげること
ができるとともに、その小さい電極間隔から、中性活性
種の分布が形成されることなくすべての活性種が基板前
面に均一に分布し、大面積基板に対しても膜厚、膜質が
均一な成膜が可能になる。また、電極間隔を小さくして
安定な成膜が可能とすることから、気相での反応が少な
くなり、この反応によって生成されたパーティクルが基
板表面に粒の状態で乗ることによる。いわゆるパーティ
クル汚損が少なくなるという副次的効果も得ることかで
きる。 ［００２２］請求項２の装置では、図５の実施例に示し
たように、ガス圧が同じ場合、同一のＲＦ電源のもとて
プラズマ密度は電極間隔に反比例し、また、電極間隔が
等しい場合にはガス圧にほぼ比例するから、電極間隔を
従来の２０〜４０ｍｍ範囲から２０ｍｍ以下の範囲内で
、所要精度が維持できる孔径を考慮の上、できるだけ小
さく、例えば５〜１５ｍｍ範囲内に設定してガス圧をあ
げることにより、従来と比べ、密度が顕著に高いプラズ
マを得ることができ、また、活性種が均一に分布して、
成膜速度が向上し、膜厚および膜質が均一化される。 ［００２３］請求項３の装置では、孔の最小ピッチが一
定の場合には、シャワー供給面に最も多くの孔を形成す
ることができ、かつガス流が均一化される。また、これ
により、所定のガス流量を得るのに孔径を小さくすると
とができ、均一なグロー放電が得られる電極間隔を小さ
くすることができるから、均一なプラズマの密度をさら
にあげることができる。 ［００２４］そして、本発明の装置では、電極系が常に
均一で安定したグロー放電が形成されるように構成され
ていることから、基板表面に薄膜を形成する際の薄膜形
成方法として、請求項４に記載したように、電極間隔を
可及的小さい値に保ち、かつ成膜用ガスの圧力を、ＲＦ
電極に供給されるＲＦ電圧のもとて放電可能な圧力とし
て基板上に薄膜を形成する薄膜形成方法をとることによ
り、プラズマ形成空間（電極の対向空間）のプラズマ密
度を高めることができ、成膜速度が高められる。しかも
、このようにして得られた高密度プラズマ中の中性活性
種は、電極間隔が小さいためにその分布を形成する機会
が与えられず、すべての活性種が均一に分布し、大面積
基板への成膜時にも膜厚、膜質の均一性が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例によるＲＦ電極のシャワー供
給面の構造を示す図であって同図（ａ）は平面図、同図
（ｂ）は同図（ａ）のＡ−Ａ線に沿う断面図

【図２】図
２に示す構造のシャワー供給面を有するＲＦ電極を備え
たＲＦプラズマＣＶＤ装置構成の一実施例を示す縦断面
図

【図３］　ＲＦ電極のシャワー供給面の孔の直径と、該
シャワー供給面と被成膜基板との間隔との組合わせによ
る放電状態の変化を示す線図 【図４］　ＲＦ電極のシャワー供給面の孔の直径と孔相
互の中心間隔との組合わせによる放電状態の変化を示す
線図 【図５１　ＲＦ電極のシャワー供給面と被成膜基板との
間隔とプラズマ密度との関係をガス圧をパラメータとし
て示す線図 【符号の説明】 １　　真空容器 ２　　基板（被成膜基板） ４　　基板台 ５　　　ＲＦ電極 ６　　　ＲＦ電源 ５１　　シャワー供給面 ５２孔

【図１】

【図２】

【図３】

【図４】

【図５】

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】真空容器内に、ヒータを内蔵しその平坦な
   上面に被成膜基板が載置される基板台と、該基板台に対
   向する対向面が成膜用ガスを対向空間にシャワーとして
   供給するための多数の孔を備えたシャワー供給面として
   形成されたＲＦ端電極を備えてなるＲＦプラズマＣＶＤ
   装置において、前記シャワー供給面の孔の直径が基板台
   に載置された被成膜基板とシャワー供給面との対向間隔
   の０．４倍以下に、かつ孔相互の中心間隔の０．７５倍
   以下となるように形成されていることを特徴とするＲＦ
   プラズマＣＶＤ装置。
2. 【請求項２】請求項第１項に記載のＲＦプラズマＣＶＤ
   装置において、被成膜基板とＲＦ端電極シャワー供給面
   との対向間隔を２０ｍｍ以下としたことを特徴とするＲ
   ＦプラズマＣＶＤ装置。
3. 【請求項３】請求項第１項に記載のＲＦプラズマＣＶＤ
   装置において、ＲＦ端電極シャワー供給面に形成される
   孔が、該シャワー供給面上で、共通点を通る。方向が６
   ０°ずつずれた３本の直線をそれぞれ含む３組の等間隔
   平行線群が形成する多数の最小正三角形のそれぞれ頂点
   位置に形成されることを特徴とするＲＦプラズマＣＶＤ
   装置。
4. 【請求項４】請求項第１項ないし第３項いずれかに記載
   の装置を用い、成膜用ガスの圧力を、ＲＦ端電極供給さ
   れるＲＦ電圧のもとて放電可能な圧力として基板上に薄
   膜を形成することを特徴とする薄膜形成方法。