(57)【要約】【課題】電極面に対向する領域に磁場を生成することにより、電極全体にわたって均一なプラズマを励起することができるプラズマＣＶＤ装置の提供。【解決手段】シャワープレート電極２３のホルダ対向面とは反対の面に対向するように複数の永久磁石２４ａ，２４ｂを配設する。それらの永久磁石２４ａ，２４ｂは、隣り合う磁石の磁極が互いに逆向きで、かつ、各磁石の磁極の向きが電極板面に垂直となるように配置される。シャワープレート電極２３のホルダ側に漏洩した磁場はプラズマ中の電子をトラップし、より高密度なプラズマがシャワープレート電極２３の近傍全域に均一に形成される。その結果、基板に形成される膜の膜質均一性が向上するとともに、成膜速度の増大が図れる。【選択図】        図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
チャンバー内に導入された原料ガスをプラズマで分離、活性化させて、前記原料ガス中の成分を基板上に堆積させるプラズマＣＶＤ装置において、
前記基板が装着されるホルダと、
前記ホルダに対向するように設けられ、高周波電力が供給される電極板と、
前記電極板のホルダ対向面から前記ホルダ側に漏洩する磁場であって、前記プラズマ中の電子をトラップする磁場を前記電極板のホルダ側表面に対向する領域に形成する磁場形成手段とを備えたことを特徴とするプラズマＣＶＤ装置。
【請求項２】
請求項１に記載のプラズマＣＶＤ装置において、
前記磁場形成手段は、前記電極板の前記ホルダ対向面とは反対の面に対向して配設された複数の磁石で構成され、
隣り合う磁石の磁極が互いに逆向きで、かつ、各磁石の磁極の向きが前記電極板面に垂直となるように前記複数の磁石を配設したことを特徴とするプラズマＣＶＤ装置。
【請求項３】
請求項２に記載のプラズマＣＶＤ装置において、
前記複数の磁石の前記電極板に垂直な方向の位置を変更して、前記ホルダ側に漏洩する磁場を変化させる位置変更機構を設けたことを特徴とするプラズマＣＶＤ装置。
【請求項４】
請求項２または３に記載のプラズマＣＶＤ装置において、
前記複数の磁石の前記電極板と反対側に位置する異なる磁極同士を磁気的に結合する磁路構造体を設けたことを特徴とするプラズマＣＶＤ装置。
【請求項５】
請求項２〜３のいずれかに記載のプラズマＣＶＤ装置において、
前記複数の磁石を冷却する冷却手段を設けたことを特徴とするプラズマＣＶＤ装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体デバイス等の製造に用いられ、プラズマを利用してプロセスガスを分解・活性化することにより薄膜を形成するプラズマＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｅｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、ＣＶＤ装置においては、高周波電源に接続された電極板と基板が載置される基板ホルダとが反応室内に対向配置されている。基板電極である基板ホルダは接地電位とされており、電極板に高周波電力を供給すると電極板と基板ホルダとの間にプラズマが励起される。電極板は多数の孔が形成されたシャワープレートを構成しており、これらの孔を介して成膜用プロセスガスがプラズマ領域に供給される。プロセスガスはプラズマにより分解・活性化され、プロセスガスのイオンやラジカルの反応によって基板上に所望の薄膜が形成される（例えば、特許文献１参照。）。近年、液晶パネルの大型化が進んでおり、これらのガラス基板に薄膜を形成するＣＶＤ装置においては、電極の大型化が必要となっている。
【０００３】
【特許文献１】
特開２０００−１３８１６９号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、電極面積が大きくなると、電極面の延在方向における高周波特性にばらつきが生じやすくなる。例えば、給電部から遠い部分と近い部分とでは電位的に差が生じる場合があり、そのような場合には、高周波特性のばらつきからプラズマ密度に濃淡が生じやすい。プラズマ密度に濃淡が生じると、成膜された膜の膜厚や膜質の均一性が得られなくなる。
【０００５】
本発明は、電極面に対向する領域に磁場を生成することにより、電極全体にわたって均一なプラズマを励起することができるプラズマＣＶＤ装置を提供するものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
（１）請求項１の発明は、チャンバー内に導入された原料ガスをプラズマで分離、活性化させて、原料ガス中の成分を基板上に堆積させるプラズマＣＶＤ装置に適用され、基板が装着されるホルダと、ホルダに対向するように設けられ、高周波電力が供給される電極板と、電極板のホルダ対向面からホルダ側に漏洩する磁場であって、プラズマ中の電子をトラップする磁場を電極板のホルダ側表面に対向する領域に形成する磁場形成手段とを備えたことを特徴とする。
（２）請求項２の発明は、請求項１に記載のプラズマＣＶＤ装置において、磁場形成手段は、電極板の前記ホルダ対向面とは反対の面に対向して配設された複数の磁石で構成され、隣り合う磁石の磁極が互いに逆向きで、かつ、各磁石の磁極の向きが電極板面に垂直となるように複数の磁石を配設したものである。
（３）請求項３の発明は、請求項２に記載のプラズマＣＶＤ装置において、複数の磁石の電極板に垂直な方向の位置を変更して、ホルダ側に漏洩する磁場を変化させる位置変更機構を設けたものである。
（４）請求項４の発明は、請求項２または３に記載のプラズマＣＶＤ装置において、複数の磁石の電極板と反対側に位置する異なる磁極同士を磁気的に結合する磁路構造体を設けたものである。
（５）請求項５の発明は、請求項２〜３のいずれかに記載のプラズマＣＶＤ装置において、複数の磁石を冷却する冷却手段を設けたものである。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下、図を参照して本発明の実施の形態を説明する。図１は本発明によるプラズマＣＶＤ装置の一実施の形態を示す図であり、プラズマＣＶＤ装置の概略構成を示した断面図である。図１に示す装置は平行平板電極型のプラズマＣＶＤ装置であり、反応室を構成するプロセスチャンバ１の上部に設けられた電極ブロック２と、電極ブロック２と対向する位置に設けられた基板ホルダ３とを備えている。基板ホルダ３の上には成膜対象である基板４が装着される。基板ホルダ３は基板加熱用ヒータ５を備え、かつ、接地されている。基板４はヒータ５によって数百℃に加熱される。
【０００８】
電極ブロック２には高周波電源６が接続されており、プロセスガスのプラズマを励起する際には高周波電源６から周波数１３．５６ＭＨｚの高周波電力が供給される。電極ブロック２は絶縁材７を介してプロセスチャンバ１に固定されており、プロセスチャンバ１は接地されている。電極ブロック２にはガス分散板２１，磁場シャント板２２およびシャワープレート電極２３が設けられており、それらの各々にはガス通過用の孔が多数形成されている。なお、基板ホルダ３は図示上下方向に移動させることができ、それによって基板４とシャワープレート電極２３との距離を変えることができる。
【０００９】
ガス分散板２１およびシャワープレート電極２３は非磁性導体で形成され、磁場シャント板２２は磁性導体で形成されている。それらは電極ブロック２と電気的に接続されている。磁場シャント板２２のシャワープレート電極側の面には、多数の永久磁石２４ａ，２４ｂが設けられている。永久磁石２４ａ，２４ｂの配列やその機能等に付いては後述する。
【００１０】
電極ブロック２にはプロセスガスを供給するためのガス導入管２５が設けられている。ガス導入管２５から導入されたプロセスガスは、ガス分散板２１，磁場シャント板２２およびシャワープレート電極２３のそれぞれに形成された孔を通って、シャワープレート電極２３の全面からプロセスチャンバ１内に噴出する。プロセスチャンバ１内は、排気口１ａに設けられた真空排気装置（不図示）により排気される。
【００１１】
シャワープレート電極２３と基板ホルダ３との間には、プラズマＰが励起される。シャワープレート電極２３から噴出したプロセスガスは、プラズマＰによって分解されてイオンやラジカルになる。これら活性なイオンやラジカルは数百℃（例えば、５００℃）の高温に加熱された基板４上で反応し、基板４の表面に所望の薄膜が形成される。例えば、基板４にアモルファスシリコン膜を形成する場合には、プロセスガスとしてＳｉＨ４、Ｈ２およびＡｒなどを供給する。
【００１２】
図２，３はマグネット２４ａ，２４ｂの配置を示す図である。図２は、図１に示すマグネット２４ａ，２４ｂおよびシャワープレート電極２３を拡散板２１側から見た平面図である。図３は図２のＩＩ−ＩＩ断面図である。図２，３に示すように永久磁石２４ａ，２４ｂは幅ｅ、長さｇ、厚さｆの角柱状の磁石であり、それぞれ厚さ方向に磁化されている。永久磁石２４ａはそれぞれＮ極がシャワープレート電極２３に対向するように配置され、永久磁石２４ｂはそれぞれＳ極がシャワープレート電極２３に対向するように配置されている。
【００１３】
シャワープレート電極２３は矩形状をしており、永久磁石１４ａ，２４ｂは図２のｘ方向およびｙ方向のそれぞれに関して交互に配置されている。永久磁石２４ａ，２４ｂのｘ方向配列のピッチはｃであり、ｙ方向配列のピッチはｇとなっている。すなわち、永久磁石１４ａ，２４ｂは、ｙ方向に関しては間隔を開けずに配置されている。
【００１４】
シャワープレート電極２３に形成されたプロセスガス通過用の孔２３ａは、シャワープレート電極２３の全面に均一に分布するように多数形成されており、それらの孔径は数ｍｍである。また、永久磁石２４ａ，２４ｂとシャワープレート電極２３との間には、プロセスガスの流れを妨げないように隙間ｊが形成される（図３参照）。隙間ｊは、例えば、１〜数ｍｍ程度に設定される。
【００１５】
図４は図２のＩＶ−ＩＶ断面図であり、図２を用いてマグネット２４ａ，２４ｂの機能を説明する。磁力線３０，３１は永久磁石２４ａ，２４ｂによって形成される磁場の様子を示したものである。磁力線３０は永久磁石２４ａのＮ極から出て、非磁性材から成るシャワープレート電極２３を突き抜けて基板側のプラズマ生成領域に入った後に、再びシャワープレート電極２３を突き抜けて隣接する永久磁石２４ｂのＳ極に入る。
【００１６】
一方、永久磁石２４ｂのＮ極および永久磁石２４ａのＳ極は磁性材料から成る磁場シャント板２２を介して磁気的に結合し、永久磁石２４ｂのＮ極を出て隣接する永久磁石２４ａのＳ極に入る磁力線３１は磁場シャント板２２の中に集中する。このような磁場シャント板２２を設けることにより、磁力線３０をシャワープレート電極２３の基板側に効率的に漏洩させることができる。
【００１７】
プラズマ中の電子は磁力線３０で示される漏洩磁場によってトラップされ、電子の磁場形成領域に滞在する確率が高くなる。その結果、電子とプロセスガス分子との衝突確率が高くなり、その磁場形成領域のプラズマ密度が高くなる。図４に示す例では、シャワープレート電極２３から距離ｄの位置にプラズマ密度の高い領域が形成される。磁力線３０がシャワープレート電極２３から遠くまで漏洩するほど距離ｄは大きくなり、漏洩の程度が小さければ距離ｄは小さくなる。
【００１８】
図２，３に示すような永久磁石２４ａ，２４ｂの配置では、距離ｄの平面内においても、特に、永久磁石２４ａ同士の中間点であって、かつ、永久磁石２４ｂ同士の中間点でもある点Ｍ（×印で示す点で、図４も参照）を中心とする近傍領域に、安定したプラズマが生成される。このような点Ｍは、シャワープレート電極２３の直下の全体に均等に分布している。
【００１９】
例えば、一般的な永久磁石を用いた場合には、永久磁石２４ａ，２４ｂの配置にも依存するがｄ＝１５〜２０ｍｍ程度となる。実際には、成膜プロセスに応じて距離ｄを設定し、設定した距離ｄに合わせて永久磁石２４ａ，２４ｂの寸法ｅ，ｆ，ｇ、間隔ｃ，ｊを決定する。ただし、上述したようにプロセスガスの流れを考慮して、間隔ｊは小さすぎない方が良い。一例として、間隔ｃを１０〜３０ｍｍに設定し、ｄ＝２０ｍｍにおける磁場強度が１００〜３００ガウスの範囲となるように永久磁石２４ａ，２４ｂの磁化強度を設定する。
【００２０】
図４において、プロセスガスは磁場シャント板２２に形成された孔２２ａを通って磁場シャント板２２とシャワープレート電極２３との間に流れ込み、さらに、シャワープレート電極２３に形成された多数の孔２３ａを通ってプラズマ生成領域に噴出する。このときプロセスガスはシャワープレート電極２３の孔２３ａにより整流され、シャワープレート電極２３の全面から均一に噴出する。
【００２１】
図１に示した装置では永久磁石２４ａ，２４ｂの図示上下方向位置を固定としたが、可変としても良い。図５は永久磁石２４ａ，２４ｂに関する昇降機構の一例を示す図である。永久磁石２４ａ，２４ｂが設けられたシャワープレート電極２３は、連結部材４２によってガス分散板２１と連結されている。ガス分散板２１は昇降機構４０のロッド４１に固定されている。ロッド４１は上下に伸縮し、この伸縮によりガス分散板２１およびシャワープレート電極２３が一体で上下に移動する。これによって永久磁石２４ａ，２４ｂが上下して、磁力線３０の漏れ具合も変化する。このような昇降機構４０を設けることにより、成膜プロセスに応じて図４に示す距離ｄを容易に変えることができる。
【００２２】
また、プラズマＰが励起されると、プラズマＰからの輻射等によって永久磁石２４ａ，２４ｂの温度が上昇する。この温度上昇は永久磁石２４ａ，２４ｂの磁化劣化の要因となる。そこで、図６に示す装置では、永久磁石２４ａ，２４ｂが固定されている磁場シャント板２２を冷却する冷却機構を設けた。図６に示す例では、磁場シャント板４５がガス分散板も兼ており、磁場シャント板４５には冷却機構として冷却パイプ４６が装着されている。このような冷却機構で磁場シャント板２２を冷却することにより、永久磁石２４ａ，２４ｂの温度上昇を抑えることができ、永久磁石２４ａ，２４ｂの磁化劣化を防止することができる。
【００２３】
本実施の形態のプラズマＣＶＤ装置によれば、以下のような効果を奏することができる。
（Ａ）安定かつ均一なプラズマ励起による膜質の均一性向上
上述したように、電子をトラップする磁場をシャワープレート電極２３のプラズマ生成領域側表面に形成することにより、シャワープレート電極２３の全面に安定かつ均一なプラズマＰを容易に形成することが可能となる。その結果、基板面積の大小に関わらずプラズマＰに対向する基板４のプラズマ密度分布が均一となり、膜質の均一性を向上させることができる。なお、永久磁石２４ａ，２４ｂの配設の仕方は様々であって、図２に示すようにシャワープレート電極２３の全面に配設しても良いし、全面ではなくプラズマが励起し難い領域に配設するようにしても良い。
【００２４】
（Ｂ）成膜速度の向上
電子が磁場にトラップされることによりプロセスガス分子の分離効率が上がって、より高密度なプラズマＰを距離ｄ付近（図１，４参照）に形成することができる。そのため、成膜速度の向上を図ることができる。また、距離ｄが小さくなると電位勾配が急峻になり、同じ高周波パワーを投入した場合、距離ｄが小さくなればなるほどプラズマＰが励起しやすくなる。そのため、永久磁石２４ａ，２４ｂを用いない場合に比べてプラズマ密度が１桁程度上昇する。言い換えれば、より少ない高周波パワーで従来と同程度のプラズマ密度を得ることができる。
【００２５】
（Ｃ）基板温度の低温化
プラズマＣＶＤでは、プラズマＰのエネルギーを利用するだけでなく、さらに基板１４をヒータ５で５００℃程度まで加熱することによって成膜反応を行わせている。しかし、上述したようにプラズマ密度が１桁上昇すると、基板加熱温度を１００〜２００℃程度下げることが可能となる。なお、高密度なプラズマ領域はシャワープレート電極２３の直下の距離ｄの位置に形成され基板４と離れているため、対向配置された基板４に対して熱電子による温度上昇をもたらさない。
【００２６】
（Ｄ）基板ダメージの低減
本実施の形態では、シャワープレート電極２３の近くに高密度領域が形成される。そのため、プラズマ入射による基板のダメージを小さくすることができる。
【００２７】
上述した実施の形態では、磁場形成手段として永久磁石２４ａ，２４ｂを用いたが、永久磁石２４ａ，２４ｂに代えて、電磁石や、交番磁界を形成するコイル等を用いても良い。なお、実施の形態と特許請求の範囲の要素との対応において、シャワープレート電極２３は電極板を、昇降機構４０は位置変更機構を、磁場シャント板２２，４５は磁路構造体をそれぞれ構成する。また、本発明の特徴を損なわない限り、本発明は上記実施の形態に何ら限定されるものではない。
【００２８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、電極板のホルダ側表面に対向する領域に電子をトラップする磁場を形成したことにより、電極板とほぼ同じ広がりを有する均一なプラズマを形成することが可能となり、膜質の均一性を向上させることができる。また、プラズマ密度が向上してガス分解効率が上がるため、成膜速度の増大を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるプラズマＣＶＤ装置の一実施の形態を示す概略構成図である。
【図２】マグネット２４ａ，２４ｂの配置を示す平面図である。
【図３】図２のＩＩ−ＩＩ断面図である。
【図４】図２のＩＶ−ＩＶ断面図である。
【図５】永久磁石２４ａ，２４ｂに関する昇降機構の一例を示す図である。
【図６】冷却機構を備えたプラズマＣＶＤ装置の概略構成を示す図である。
【符号の説明】
１  プロセスチャンバ
２  電極ブロック
３  基板ホルダ
４  基板
５  ヒータ
６  高周波電源
７  絶縁材
２１  ガス分散板
２２，４５  磁場シャント板
２３  シャワープレート電極
２５  ガス導入管
２４ａ，２４ｂ  永久磁石
３０，３１  磁力線
４０  昇降機構
４６  冷却パイプ
Ｐ  プラズマ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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