(57)【要約】  【課題】  カソードカップリング型プラズマCVD装置において、高周波電力と自己バイアス電圧とを独立して任意の値に制御し、成膜基板の温度上昇を抑制するとともに、生成膜内部の膜応力を低下させる。  【解決手段】  カソード電極とカップリングコンデンサとの間にローパスフィルタコイルと可変抵抗を直列接続し、接地する。これにより、高周波電圧を減少させることなく、自己バイアス電圧が低減する。従って、プラズマ密度を、従来のカソードカップリング型プラズマCVDと同様に高く保ちながら、成膜基板の温度上昇を防ぎ、かつ低応力膜の作製が可能となる。【選択図】  図２
2007096051.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
a) 反応室内に略平行に設けた、接地電極及び被コーティング物を載置する高周波投入電極、
b) カップリングコンデンサを介して高周波投入電極に接続される高周波電源、
c) 高周波投入電極とカップリングコンデンサの間と接地との間に接続されたローパスフィルタ、
を備えるカソードカップリング型プラズマCVD装置。
【請求項２】
ローパスフィルタに直列に可変抵抗を接続した請求項１に記載のカソードカップリング型プラズマCVD装置。
【請求項３】
高周波投入電極の電位を測定する電圧計と、該電圧計による検出値に基づいて前記可変抵抗を制御する自己バイアス電圧制御手段を備える請求項２に記載のカソードカップリング型プラズマCVD装置。
【請求項４】
反応室内に接地電極及び高周波投入電極を略平行に設け、高周波投入電極にカップリングコンデンサを介して高周波電源を接続して、高周波投入電極上に載置した被コーティング物の表面に薄膜を形成するカソードカップリング型プラズマCVD装置による薄膜製造方法において、
高周波投入電極とカップリングコンデンサの間と接地との間にローパスフィルタと可変抵抗を直列に接続し、
該可変抵抗の値を変化させることにより高周波投入電極の自己バイアス電圧を調節する
ことを特徴とするカソードカップリング型プラズマCVD装置による薄膜製造方法。
【請求項５】
層毎に該可変抵抗の値を変化させ、高周波投入電極の自己バイアス電圧を変化させることにより、特性の異なる膜を積層する請求項４に記載のカソードカップリング型プラズマCVD装置による薄膜製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一方の電極を接地し、被コーティング物を載置する他方の電極に高周波電力を投入するカソードカップリング型プラズマCVD装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来のカソードカップリング型プラズマCVD装置（以下カソードCVD装置とする）を図１に示す（特許文献１）。反応室１内に上部電極２と下部電極３がほぼ平行に置かれ、上部電極２は接地され、下部電極３は、カップリングコンデンサ４およびマッチングユニット（MU）５を介して高周波電源６に接続される。上部電極２にはガス導入路７が接続され、反応室１にはガス排出口８が設けられる。
【０００３】
成膜は次のようにして行われる。成膜すべき基板９を下部電極３上に置き、ガス導入路７を通して供給される成膜ガスを上部電極２に設けられた多数の小穴から反応室１内にシャワー状に導入する。そして高周波電源６から下部電極３に高周波電力を投入すると、両電極２、３間の成膜ガスがプラズマ化し、正イオンである成膜ガスイオンと電子とに分離する。このうち成膜ガスイオンが基板９上に堆積して膜が形成される。
【０００４】
カソードCVD装置内での両電極２、３間のプラズマの電位分布を図３に示す。両電極２、３の間に生成されたプラズマのうち、電子は軽量であるため高速で運動し、短時間でプラズマから抜け出して装置壁などに衝突し、消滅する。一方、正イオンは電子に比べて遙かに質量が大きく、移動速度が遅いため、プラズマ中に長時間存在し続ける。このため、プラズマは全体として正の電荷を帯びるようになる。この現象は、特に高周波投入電極である下部電極近傍において著しい。この部分をイオンシースと呼ぶ。イオンシースの正電荷に誘引されて下部電極には負電荷が蓄積され、負の自己バイアス電圧が発生する。従って、下部電極はカソード電極とも呼ばれる。
【０００５】
プラズマ中の正イオン（成膜ガスイオン）は、この負の自己バイアス電圧によって加速され、下部電極３上に載置された成膜基板９に衝突する。カソードCVD装置では、このイオン加速による物理的な力が化学反応に加わることにより、高速に緻密な膜が形成される。
【０００６】
【特許文献１】特開平07-058103号公報
【特許文献２】特開平06-002121号公報
【特許文献３】特開平08-176854号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
基板９上に生成される膜の特性を向上させるためには、高周波電力を強めてプラズマ密度を高め、成膜ガスの分解を促進させる必要がある。しかしながら、従来のカソードCVD装置では、自己バイアス電圧はカソード電極３に供給する高周波電力により一義的に決まり、高周波電力を上昇させると、プラズマ密度は高まるが、同時に自己バイアス電圧が負に増大する。すると、成膜ガスの分解は促進されるが、基板９に入射するイオンのエネルギーが大きくなり、基板温度の上昇を招く。また、入射イオンのエネルギーが増加すると、基板９上の成膜内での膜応力が大きくなり、基板９の反りや膜剥離の原因となる。
【０００８】
一方、基板９の耐熱温度が低い場合、高周波電力を下げて基板温度が上昇することを防止する必要があるが、高周波電力を下げると装置壁に付着した膜の密度が下がって剥れやすくなる。剥れた膜は細かい箔片（パーティクル）となって基板９上に落下し、成膜の品質を大きく低下させる。また、連続して成膜できる積算膜厚も小さくなり、生産性や安定性に大きな障害となる。
【０００９】
そこで、本発明は高周波電力と自己バイアス電圧とを独立して任意の値に制御することにより、成膜基板の温度上昇を低減し、膜特性の向上と膜応力の低下をはかることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題を解決するために成された本発明に係るカソードカップリング型プラズマCVD装置は、
a) 反応室内に略平行に設けた、接地電極及び被コーティング物を載置する高周波投入電極、
b) カップリングコンデンサを介して高周波投入電極に接続される高周波電源、
c) 高周波投入電極とカップリングコンデンサの間と接地との間に接続されたローパスフィルタ、
を備える。
【００１１】
このローパスフィルタに直列に可変抵抗を接続することにより、更に制御性が高まる。
【００１２】
なお、本発明において、被コーティング物を高周波投入電極に「載置する」という操作は、高周波投入電極が下にあり、その上に被コーティング物を置くことを指すばかりではなく、接地電極を下部に、高周波投入電極を上部に配置して、その上部の高周波投入電極の接地電極側の表面に被コーティング物を固定する場合や、両電極を平行に立設し、被コーティング物を高周波投入電極側に固定することも指す。
【発明の効果】
【００１３】
高周波投入電極（カソード電極）とカップリングコンデンサの間と接地との間にローパスフィルタを接続することにより、高周波電圧を減少させることなく、直流電圧である自己バイアス電圧を低減することが可能となる。これによりプラズマ密度を高く保ちつつ、成膜基板の温度上昇を防ぎ、膜特性を向上させつつ膜応力の低下をはかることが可能となる。
【００１４】
また、このローパスフィルタに可変抵抗を直列接続し、この抵抗値を適宜調節することにより、自己バイアス電圧の大きさを任意に制御することが可能となる。これにより、高周波投入電極上の基板に生成される膜の機能又は特性を制御することができる。例えば、アノードカップリング型プラズマCVD装置と同等の特性を持つ膜と、通常のカソードカップリング型CVD装置で作成される膜とを1つの反応室で連続的に積層することができる。
【００１５】
なお、特許文献２には、高周波電源８と高周波コイル６の間にコイル９及び可変抵抗１０を設けた装置が開示されているが、これは上記本願発明に係るカソードカップリング型プラズマCVD装置とは全く異なる原理で作動する、イオンプレーティング装置である。すなわち、イオンプレーティング装置では、自己バイアスは高周波コイル周辺に生じるのに対し、カソードカップリング型プラズマCVD装置では自己バイアスは基板を載置する電極の近傍に生じる。このため、カソードカップリング型プラズマCVD装置では基板を載置する電極の近傍に生じる自己バイアスを利用して基板上に高速に緻密な膜形成が可能となる効果を奏する。
また、特許文献３には、下部電極３に高周波電源９が接続され、下部電極３と高周波電源９の間と接地との間にローパスフィルタを介して直流電源が接続されたプラズマCVD装置が開示されている。この装置では下部電極近傍に生じる自己バイアス電圧の制御がある程度可能となるものの、直流電源が必要となり、装置の構成が複雑となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
［実施例１］
本発明に係るカソードカップリング型プラズマCVD装置の一構成例を図２に示す。図１と比較すると明らかな通り、装置の基本的構成は従来のカソードカップリング型プラズマCVD装置と同様であるが、本発明に係る装置では、高周波電力が投入される下部電極（カソード電極）３とカップリングコンデンサ４との間に、ローパスフィルタコイル１０を接続し、さらに自己バイアス電圧を調節するためのの可変抵抗１１を直列接続して接地している。なお、ローパスフィルタコイル１０と可変抵抗１１は、スイッチ１２により下部電極３から切り離すこともできる。切り離すと、従来のカソードカップリング型プラズマCVD装置（図１）と同じとなる。
【００１７】
両電極２、３間に生成されるプラズマを発電の場と考えた場合、カップリングコンデンサ４は、時定数（カップリングコンデンサ容量Cと自己バイアス電圧制御用可変抵抗の抵抗値Rの積：CR積）の値によっては過負荷になる。ローパスフィルタコイル１０は直流電圧を自由に通すため、カップリングコンデンサ４に蓄積された負電荷は、ローパスフィルタコイル１０から抵抗１１を介して接地される。このため、自己バイアス電圧の絶対値は低下する。また、CR積が変化することにより、接地へ流れ込む負電荷の量を制御できる。そのため、可変抵抗１１の値を調節することで、自己バイアス電圧の大きさを任意に設定することが可能となる。
【００１８】
自己バイアス電圧の値により、成膜基板９の表面に衝突するイオンのエネルギーが変化し、生成する膜の性質に影響を与える。従って、可変抵抗値を調節することにより、成膜基板９の温度上昇を制御し、生成する膜の機能又は特性を制御することができる。
具体的には、可変抵抗値を変化させて自己バイアス電圧を制御することにより、アノードカップリング型プラズマCVD装置と同等の特性を持つ膜を作成することができ、また通常のカソードカップリング型CVD装置で作成される膜を作成することもできる。また、これらを交互に作成することにより、1つの反応室で両者を交互にかつ連続的に積層することができる。
【００１９】
高周波電圧と自己バイアス電圧の高周波電力依存性を、以下の3通りの装置構成において測定した。
(1)ローパスフィルタコイル１０と抵抗１１を接続しない（切り離した）、従来の装置構成。
(2)ローパスフィルタコイル１０(L=102μH)を接続し、可変抵抗１１の大きさを19 kΩとした装置構成。
(3)ローパスフィルタコイル１０(L=102μH)を接続し、可変抵抗１１の大きさを1.9 kΩとした装置構成。
【００２０】
測定条件は、O2流量680 sccm，圧力100 Pa，アノード電極２の温度、およびカソード電極３の温度は共に100 ℃とし、高周波電力を50〜400 Wの間で変化させた。
【００２１】
図４に高周波電力(RF)と高周波電圧(Vpp)の関係、図５に高周波電力(RF)と自己バイアス電圧(Vdc)の関係をそれぞれ示す。高周波電力(RF)の増加に伴い高周波電圧は増加するが、その値は３つの装置構成の間に殆ど差が無い。一方、自己バイアス電圧(Vdc)は、いずれの装置構成においても高周波電力(RF)の増加に伴い負に増加するが、全ての高周波電力の範囲で(1)が最も負にバイアスされており、(2)、(3)と直列抵抗値が小さくなるに従って自己バイアス電圧の絶対値が小さくなる。すなわち、装置構成(3)によれば自己バイアス電圧Vdcの絶対値を最も小さくすることができる。
【００２２】
以上の結果から、下部電極３を、ローパスフィルタコイル１０および抵抗１１を介して接地することにより、高周波電力と高周波電圧の関係を変化させることなく、自己バイアス電圧の絶対値を大きく低減できることが判明した。さらに抵抗値を小さくするほど、自己バイアス電圧の絶対値は大きく低下した。これは、ローパスフィルタと抵抗の接続により、高いプラズマ密度を維持しつつ、イオン引込力を抑え、成膜基板９の温度上昇等の不都合を低下させうることを示す。さらに、抵抗値を任意に設定することで、0 Vから-300 Vの範囲内で、高周波電圧と自己バイアス電圧とを独立して所望の値とすることが可能であることも、図５より明らかである。
【００２３】
［実施例２］
本発明のカソードカップリング型プラズマCVD装置を用いた成膜例を、従来の装置を用いた成膜例と比較しつつ示す。
実施例１で示した３通りの装置構成で、テトラエトキシシランと酸素O2を用いてSiO2膜を作成し、得られた膜の応力を測定した。高周波電力は300 Wで固定した。このとき、自己バイアス電圧は、(1)で-272 V、(2)で-198 V、(3)で-95 Vである。成膜条件は、テトラエトキシシラン流量20 sccm，O2流量680 sccm，圧力100 Pa、アノード電極２およびカソード電極３の温度は共に150℃とした。成膜時間は5分とした。
【００２４】
図６に、自己バイアス電圧(Vdc)と生成膜の膜応力（Stress）の関係を示す。(1)の装置構成により作成した膜は、自己バイアス電圧が高いため大きい圧縮応力-220 MPaを有する。一方、(2)、(3)の装置構成により作成した膜は、自己バイアス電圧の低減により、膜応力は減少した。
【００２５】
図7に、自己バイアス電圧(Vdc)と成膜基板温度の関係を示す。(1)では、設定温度の150℃から、5分成膜後に190℃まで上昇していた。一方、(2)では170℃，(3)では160℃となっており、自己バイアス電圧を低下させることで、成膜基板の温度上昇を低減できる。
以上の結果から、自己バイアス電圧を低下させることで、低応力膜を作成することができるとともに、成膜基板温度を上昇させることなく成膜することができることがわかった。
【００２６】
［実施例３］
本発明のカソードカップリング型プラズマCVD装置を用いて作成した膜と、アノードカップリング型プラズマCVD装置（以下アノードCVD装置とする）を用いて作成した膜とを比較する。
実施例１の(3)の装置構成で低応力SiCN膜を作成し、アノードCVD装置で得られたSiCN膜との比較を行った。成膜ガスとして、1,1,1,3,3,3-ヘキサメチルジシラザン（以下HMDSとする）と水素H2を用いた。成膜条件は、HMDS流量10 sccm，H2流量200 sccm，圧力67 Pa，アノード電極２の温度、およびカソード電極３の温度は共に70℃とした。
【００２７】
図８に、アノードCVD装置で作成したSiCN膜とカソードCVD装置で作成したSiCN膜のFT-IRスペクトルを示す。両者は定量的には多少の差異はあるものの、現われたピークの波数はほぼ同じであり、定性的には同等のSiCN膜が得られている。また、膜応力はアノードCVD装置で作成したものが-5.5 MPa，カソードCVD装置で作成したものが-6.6 MPaであり、ほぼ同値である。
【００２８】
以上のことから、ローパスフィルタコイルと抵抗を接続し、自己バイアス電圧を低減させることでアノードCVD装置と同等の低応力SiCN膜を得ることが可能であると結論できる。
【００２９】
本実施例で接続したローパスフィルタコイル１０と可変抵抗１１を、スイッチ１２により下部電極３から電気的に切断すれば、容易に従来の装置構成（図１）に戻すことが可能である。従って、アノードCVDで作成される膜と同等の特性を有する膜と、通常のカソードCVDで作成される膜と同等な膜とを1つの反応室で連続的に積層できることは明らかである。
【００３０】
すなわち、実施例２及び３の結果は、可変抵抗１１の値を変化させることにより、成膜される膜の機能又は特性を変化させることができることを示している。
【００３１】
これを具現化した装置を図９に示す。このカソードカップリング型プラズマCVD装置では、電圧計１３により下部電極（カソード電極）３の自己バイアス電圧をモニタしつつ、その値が所定の値となるように可変抵抗１１の値を調節する自己バイアス電圧制御装置１４が設けられている。この自己バイアス電圧制御装置１４に予め所定のプログラムを入れておくことにより、所望の特性を有する均質な膜を生成することもでき、また、特性が連続的に変化する膜や特性の異なる層が積層した膜等も生成することができる。
【００３２】
本発明は、平行平板型のリアクティブエッチング装置にも適用することが可能であり、この場合にも、高周波電圧とは独立に自己バイアス電圧(Vdc)を制御することができる。また、図１０に示すように、誘導結合コイルを有するCVD装置又はRIE装置にも本発明を適用することが可能であり、この場合にも高周波電圧とは独立に自己バイアス電圧(Vdc)を制御することができる。この場合には更に、コイル電圧を低下させることができ、例えばコイルの下に設置された誘電板がプラズマのイオンによって損傷を受ける度合いを低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】従来のカソードカップリング型プラズマCVD装置の一例の概略構成図。
【図２】本発明に係るカソードカップリング型プラズマCVD装置の一例の概略構成図。
【図３】カソードカップリング型プラズマCVD装置における両電極間のプラズマの電位分布を表すグラフ。
【図４】カソードカップリング型プラズマCVD装置における、高周波電力（RF）と高周波電圧（Vpp）との関係を示すグラフ。
【図５】カソードカップリング型プラズマCVD装置における、高周波電力（RF）と自己バイアス電圧（Vdc）との関係を示すグラフ。
【図６】カソードカップリング型プラズマCVD装置における、自己バイアス電圧（Vdc）と膜応力との関係を示すグラフ。
【図７】カソードカップリング型プラズマCVD装置における、自己バイアス電圧（Vdc）と成膜基板温度との関係を示すグラフ。
【図８】アノードCVD装置で作成したSiCN膜とカソードCVD装置で作成したSiCN膜のFTIRスペクトルのグラフ。
【図９】本発明に係るカソードカップリング型プラズマCVD装置の第二の例の概略構成図。
【図１０】本発明を適用した誘導結合コイルを有するCVD装置の概略構成図。
【符号の説明】
【００３４】
１…プラズマCVD反応室
２…上部電極（アノード電極）
３…下部電極（カソード電極）
４…カップリングコンデンサー
５…マッチングユニット
６…高周波電源
７…ガス導入路
８…排気口
９…成膜基板
１０…ローパスフィルタコイル
１１…可変抵抗
【図１】
2007096051.tif 000003
【図２】
2007096051.tif 000004
【図３】
2007096051.tif 000005
【図４】
2007096051.tif 000006
【図５】
2007096051.tif 000007
【図６】
2007096051.tif 000008
【図７】
2007096051.tif 000009
【図８】
2007096051.tif 000010
【図９】
2007096051.tif 000011
【図１０】
2007096051.tif 000012