JP2598336B2 - プラズマ処理装置 - Google Patents

プラズマ処理装置

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    • H05H1/24—Generating plasma
    • H05H1/46—Generating plasma using applied electromagnetic fields, e.g. high frequency or microwave energy

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、半導体装置の製造過程におけるCVD処理、
エッチング処理、スパッタリング処理などを行うプラズ
マ処理装置に係り、特に、装置内壁を洗浄する機能を備
えたプラズマ処理装置に関する。
（従来技術） 半導体装置の製造に用いられるプラズマ処理装置で
は、各種の反応処理過程で生じたプラズマ生成物が真空
容器内壁にも付着してしまう。
例えば、SiH4ガスとN2ガスまたはNH3ガスとを原料ガ
スとして試料表面に窒化ケイ素膜（SiN）を堆積させた
場合、反応室の内壁には反応生成物である窒化ケイ素、
あるいは余剰のSiH4の分解による粉末状のケイ素が付着
する。
また、フォトレジストをマスクとしてCF4ガスプラズ
マにて酸化ケイ素膜、窒化ケイ素膜をエッチングする
と、ガスから電離分解したフッ化炭素がフォトレジスト
と結合し、有機樹脂膜が真空容器内壁に付着してしま
う。
そして、このように反応室の内壁に付着した付着物が
剥離すると、反応室内に急激なガス流が生じて処理条件
が変動したり、剥離した付着物によって試料が汚染され
てしまうという問題が生じる。
そこで、このようなプラズマ処理装置では、ハロゲン
系のガスを導入してプラズマを発生させることによって
付着物をエッチングしたり、酸素プラズマによって付着
物をアッシングしたりすることによって、定期的に反応
室内の洗浄が行われる。
ところで、付着物を効率良く洗浄するためには、洗浄
部分にプラズマが達するように洗浄部近傍でプラズマを
発生させたり、イオン流を効率良く付着物に向けたりす
る必要がある。そこで、従来のプラズマ処理装置では以
下のような各種の工夫がなされている。
例えば、特開昭62−287623号公報には、反応室内の磁
場勾配を処理時と洗浄時とで逆向きにすることによって
イオンの引き出し方向を切り換えて、洗浄効率を高める
方法が記載されている。
また、特開平１−231320号公報には、反応室の内壁に
複数の電位を選択的に印加可能な導電性保護壁を設け、
プラズマを反応室の内壁に分散投射させて洗浄効率を高
める方法が記載されている。
さらに、特開昭63−111177号公報には、サイクロトロ
ン共鳴点を変化させることによってプラズマ発生位置を
調整し、所望位置を効率良く洗浄する方法が記載されて
いる。
（発明が解決しようとする課題） 上記した従来技術では、いずれも真空容器内を効率良
くかつ均一に洗浄するための工夫が為されておらず、真
空容器内を効率良くかつ均一に洗浄することができない
という問題があった。
本発明の目的は、上記した問題点を解決して、真空容
器内を効率良く洗浄することの可能なプラズマ処理装置
を提供することにある。
さらに、本発明の他の目的は、上記した問題点を解決
して、真空容器内を効率良くかつ均一に洗浄することの
可能なプラズマ処理装置を提供することにある。
（課題を解決するための手段） 上記した目的を達成するために、本発明では、電子サ
イクロトロン共鳴励起を利用し、真空容器内に反応ガス
プラズマを発生させて試料処理を行う機能、および真空
容器内に洗浄ガスプラズマを発生させて真空容器内壁の
洗浄処理を行う機能を備えたプラズマ処理装置におい
て、洗浄処理時の試料面に平行な面内での最大プラズマ
径が、試料処理時の試料面に平行な面内での最大プラズ
マ径よりも大きく、洗浄処理時の最大プラズマ径部での
プラズマ端部が真空容器壁に達するようにすると共に、
さらに以下のような手段を講じた点に特徴がある。
（１）洗浄処理時に、主磁界コイルおよび制御磁界コイ
ルの磁界の向きを試料処理時の逆向きに切り換える切換
手段と、主磁界コイルおよび制御磁界コイルによる磁界
分布を連続的に変化させる励磁制御手段とを設けた。
（２）洗浄ガス流量および排気ガス流量の少なくとも一
方を制御して、洗浄処理時に真空容器内の圧力を予定の
値に保つ圧力制御手段を設けた。
（３）洗浄ガス供給ノズルの真空容器内への導入口を、
反応ガス供給ノズルのそれよりも試料ホルダ側に設け
た。
（作用） 上記した構成（１）によれば、装置の上方を均一に洗
浄できるようになる。
上記した構成（２）によれば、常に最適な条件での洗
浄が可能になる。
上記した構成（３）によれば、試料ホルダ上の洗浄速
度が向上する。
（実施例） 以下、図面を参照して本発明を詳細に説明する。
第１図はプラズマ処理装置の断面図であり、マイクロ
波３の導入窓を組み合わせて構成された放電管１、反応
室２、基板などの試料６を載置する試料ホルダ11、試料
ホルダ11に高周波電界を印加する高周波電源７、主磁界
コイル４、制御磁界コイル５、マイクロ波３の発散を防
止して電子サイクロトロン共鳴（ECR）励起によるプラ
ズマ生成位置を一定位置に特定するマイクロ波発散防止
筒13、ガス供給ノズル8,9、および排気口12を具備し、
放電管１および反応室２が真空容器を構成している。
このような構成のプラズマ処理装置において、試料処
理時には2.45GHzのマイクロ波３による電界と、磁界コ
イル4,5による磁束密度875ガウス以上の磁界とによって
ECRを引き起こし、反応室２内に円筒型の反応ガスプラ
ズマ14を発生させる。
以下、本プラズマ処理装置を用いた本発明の参考例お
よび実施例を詳細に説明する。
［第１参考例（その１）］ 本参考例では、基板６上に窒化ケイ素膜を形成した後
の洗浄方法について説明する。
ガスノズル8,9のそれぞれから、N2ガスを240ml/min、
SiH4を24ml/minづつ導入し、排気量を調整することで真
空容器内の圧力を0.3Paとした。
一方、出力600Wのマイクロ波３を導入し、磁界コイル
4,5への電流を調整することによって磁束密度875ガウス
のECR面19をマイクロ波発散防止筒13内に発生させると
共に、高周波電源７によって試料ホルダ11には出力100W
の高周波電界を印加した。
これにより、磁力線の向きが基板６にほぼ垂直な円筒
型のECRプラズマ14が発生し、基板６表面には60秒で厚
さ350nmのSiN膜が形成された。
また、このときの真空容器内の４点（試料ホルダ11
上、SiH4導入口近傍、，真空容器内壁）における
SiN4膜の付着量は以下の通りである。
340nm 225nm 65nm 52nm このように、基板６上にSiN膜を350nm堆積すると、プ
ラズマが基板を底面とする円筒状であるためにもかかわ
らず、位置〜のいずれにもSiN膜が付着することが
わかる。
このようにしてSiN膜を堆積させた後に、本参考例で
は、洗浄ガスとしてNF3ガスをガスノズル８より導入
し、さらに、発生させるプラズマの形状を以下の２通り
とした場合について、上記した位置〜の４点におけ
る洗浄速度を比較した。
（Ａ）上記と同様の円筒プラズマ14を発生させた場合。
（Ｂ）磁界コイル4,5の電流を調整して、プラズマ端部
が真空容器内壁に達する発散プラズマ15を発生させた場
合。
なお、この際のプラズマ発生条件はNF3流量150ml/mi
n、マイクロ波強度600W、反応圧力0.3Paである。比較結
果を第１表に示す。
第１表から明らかなように、容器内壁部，の洗浄
速度は、円筒プラズマの場合の25〜30nm/minに対して、
発散プラズマの場合では80〜95nm/minとなり、発散プラ
ズマを利用すると円筒プラズマの場合に比べて洗浄速度
が２〜３倍に達することが確認された。
すなわち、本参考例のように、洗浄処理時のプラズマ
の拡がりを基板処理時よりも拡げ、洗浄処理時にはプラ
ズマ端部が真空容器内壁に達して、付着物へのプラズマ
種の入射効率が高まるようにすれば、洗浄速度を著しく
向上させることができる。
［第１参考例（その２）］ 次いで、前記第１参考例の装置を用いて基板６上にSi
O2膜を形成した後の洗浄方法について説明する。
初めに、ガスノズル8,9のそれぞれから、O2ガスを240
ml/min、SiH4を24ml/minづつ導入し、他の条件を前記と
同様にしてSiO2膜を形成した。
次いで、前記と同様の円筒プラズマおよび発散プラズ
マを発生させてSiO2付着物の洗浄効果を調べた。また試
料ホルダ11に400KHz、出力100Wの高周波電界を印加した
場合の洗浄効果についても調べた。結果を第２表に示
す。
第２表から明らかなように、SiO2付着物の洗浄に際し
ても、プラズマ径の拡がる発散プラズマを利用すると洗
浄効率が向上することがわかる。また、電界が印加され
る部分では洗浄効率がさらに向上することがわかる。換
言すれば、酸化膜の洗浄に際しては、付着物へのイオン
入射量を増やすことが効果的であることがわかる。
［第２参考例］ 第１参考例の装置を用い、真空容器内をNF3ガスで洗
浄する前および洗浄した後の状態において、表面にCr膜
の形成されたガラス基板上にSiN膜を350nm形成し、その
後、別の装置によって真性アモルファスSi膜およびＮ型
アモルファスSi膜を連続的に形成して薄膜トランジスタ
（TFT）を公知の手法によって形成し、それぞれのトラ
ンジスタの移動度を調べた。
その結果、洗浄を行う前に形成されたトランジスタの
移動度が0.6cm2/V・secであったのに対して、洗浄を行
った後に形成されたトランジスタの移動度は0.3cm2/V・
secと低下し、トランジスタ特性が劣っていることがわ
かった。そして、洗浄後に形成されたトランジスタのSi
N膜を分析したところ、多量のふっ素元素が検出され
た。
そこで、本参考例では第２図に示したように、洗浄ガ
スであるNF3ガスを導入するための洗浄ガス専用ノズル1
0を設けると共に、ノズル8,9,10の真空容器内への導入
口近傍にそれぞれ遮断弁38,39,40を設けて、洗浄時には
遮断弁38,39を閉じて洗浄を行い、成膜時には遮断弁40
を閉じて前記トランジスタを形成したところ、その移動
度は0.6cm2/V・secとなった。
以上の実験結果から、洗浄ガスの専用ノズルを設ける
と共に、基板処理時と洗浄時とで各ノズル内の残留ガス
の影響を極力排除することによって、洗浄直後に基板処
理を行っても特性の優れた薄膜を形成できるようになる
ことがわかった。
［第３参考例］ 第３図は本発明の第３参考例を説明するための図であ
る。
本参考例では、制御磁界コイル５による磁界の向きが
成膜時の逆向きとなるようにして、主磁界コイル４によ
る磁界と制御磁界コイル５による磁界とによって処理室
内にいわゆるカスプ磁界を発生させ、該カスプ磁界によ
ってプラズマ状態となった反応ガスにより付着物を洗浄
するようにした点に特徴がある。
初めに、O2ガスとSiH4ガスとを材料ガスとし、基板の
大きさを底面とする円筒プラズマを前記と同様にして発
生させて基板６上にSiO2を堆積した。
一方、洗浄に際しては、洗浄ガスとしてNF3を導入
し、主磁界コイル４および制御磁界コイル５を制御して
カスプ磁界を発生させてNF3プラズマによる洗浄を行っ
た。
NF3プラズマ17はカスプ磁界境界面18に沿って容器内
壁方向16に流れるので、第３図の右側に示したように、
境界面18の位置ではSiO2が著しく高速で洗浄され、境界
面より下側では洗浄速度が急激に衰えてしまう。
そこで、本参考例では主磁界コイル４および制御磁界
コイル５を連続的に制御して、カスプ磁界の境界面18を
主磁界コイル４と制御磁界コイル５との間で、図中上下
方向に走査するようにした。
第４図は、カスプ磁界位置を一定として洗浄した場合
（実線）、およびカスプ磁界位置を走査して洗浄した場
合（点線）の残留SiO2の付着量を示した図である。同図
から明らかなように、カスプ磁界位置を走査すれば付着
物へのプラズマ種の入射位置が連続的に変化するので、
容器内壁を均一に洗浄することができるようになる。
［第１実施例］ 第５図は本発明の第１実施例を説明するための図であ
る。
本実施例では、主磁界コイル４による磁界の向きと制
御磁界コイル５による磁界の向きとを共に成膜時の逆向
きとなるように制御して装置の上方にプラズマを発生さ
せ、装置上方を均一に洗浄できるようにした点に特徴が
ある。
上記した第３参考例では、主磁界コイル４よりも上側
位置の放電管１付近に付着したSiOxを均一に洗浄するこ
とができなかった。そこで本実施例では、主磁界コイル
４および制御磁界コイル５を連続的に制御し、前記第３
参考例のようなカスプ磁界発生状態から主磁界コイル４
の励磁電流を徐々に下げ、零とした後にさらに下げて電
流の向きを反転して第５図に示した上向き磁界16を発生
させた。
また、主磁界コイル４および制御磁界コイル５による
磁界の向きとを共に逆向きとした状態で磁界分布を連続
的に変化させ、プラズマ種の容器内壁への入射位置を連
続的に変化させることによって容器内を均一に洗浄でき
るようにした。
本実施例によれば、同図右側に示したように、装置上
方での洗浄速度で速くなるので、放電管１付近に付着し
たSiOxを効率良くかつ均一に洗浄できるようになる。
［第２実施例］ 第６図は本発明の第２実施例のプラズマ処理装置の構
成を示した図である。
本実施例では、洗浄ガス（NF3）の流量を検出して調
整する流量調整装置23と、真空容器内の圧力を検出する
圧力検出装置20と、前記流量調整装置23および圧力検出
装置20の出力信号を検出し、検出結果に応じて主磁界コ
イル４、制御磁界コイル５、洗浄ガス流量、および排気
ガスバルブ22の開度等を適宜調整する制御装置21とを備
えている。
第７図は、前記圧力検出装置20で検出される圧力と洗
浄速度との関係を表した図である。同図から、圧力が約
2Paのときの洗浄速度が最も速いことが分る。
上記した実験結果から、本実施例では洗浄速度が最も
速くなる圧力として2Paを選定し、制御装置21は洗浄処
理時の圧力が常に2Paとなるように、洗浄ガス流量およ
び排気ガスブルブ22の開度を調整する。同時に、制御装
置21は主磁界コイル４および制御磁界コイル５を制御し
て、前記各実施例および各参考例で説明したような、洗
浄処理に適した形状のプラズマを発生させるための磁界
を発生させる。
なお、上記した説明では洗浄ガスとしてハロゲン系の
NF3を用いたが、酸素を洗浄ガスとして用いた場合に
は、圧力が約７×10-3Paのときの洗浄速度が最も速いこ
とを確認した。
本実施例によれば、常に最適な条件での洗浄が可能に
なる。
［第３実施例］ 第８図は本発明の第３実施例のプラズマ処理装置の構
成を示した図である。
本実施例では、洗浄ガス供給ノズル10aの供給口を基
板ボルダ11近傍に設けた点に特徴がある。本装置を用い
て洗浄処理を行った結果を第３表に示す。なお、〜
は、前記第１図に関して説明した真空容器内の位置を表
し、洗浄条件は前記第１参考例で発散プラズマを用いた
場合と同一である。
第３表から明らかなように、本実施例によれば、第１
参考例で発散プラズマを用いた場合（第１表）に比べ
て、反応ガス導入口付近での洗浄速度は低下したが、
基板ホルダ上および容器内壁部，の洗浄速度は著
しく向上した。
［第４実施例］ 上記した各実施例では、本発明をCVD装置の洗浄に適
用して説明したが、本発明はこれのみに限定されるもの
ではなく、エッチング装置にも適用できる。
たとえば、第１図に関して説明した装置をエッチング
用に用い、CF4ガスをエッチングガスとして用いてSi基
板をエッチングすると、第１図に示した位置〜に炭
素が付着する。
酸素ガスを洗浄ガスとして用いて、前記と同様に円筒
プラズマおよび発散プラズマを発生させてときの洗浄速
度を第４表に示す。
第４表から明らかなように、エッチングによる洗浄に
おいても、容器内壁部，に関しては円筒プラズマよ
りも発散プラズマの方が洗浄速度の速いことが分った。
さらに、基板ホルダ400KHz、出力100Wの高周波電界を
加えると、基板ホルダ上の洗浄速度に関しても、円筒
形状プラズマを用いた場合以上の洗浄速度を得られるこ
とが確認された。
（発明の効果） 以上の説明から明らかなように、本発明によれば、洗
浄処理時に試料面に平行な面内での最大プラズマ径が、
以下のような効果が達成される。
（１）洗浄処理時に、主磁界コイルおよび制御磁界コイ
ルの磁界の向きを試料処理時の逆向きに切り換え、主磁
界コイルおよび制御磁界コイルによる磁界分布を連続的
に変化させるようにしたので、装置上方を均一に洗浄で
きるようになる。
（２）洗浄ガス流量および排気ガス流量の少なくとも一
方を制御して、洗浄処理時に真空容器内の圧力を予定の
値に保つようにしたので、常に最適な条件での洗浄が可
能になる。
（３）洗浄ガス供給ノズルの真空容器内への導入口を、
反応ガス供給ノズルよりも試料ホルダ側に設けたので、
試料ホルダ上の洗浄速度が向上する。
【図面の簡単な説明】
第１図は本発明の第１参考例の断面図、第２図は本発明
の第２参考例の断面図、第３図は本発明の第３参考例の
断面図、第４図は第３参考例を説明するための図、第５
図は本発明の第１実施例の断面図、第６図は本発明の第
２実施例の断面図、第７図は第２実施例を説明するため
の図、第８図は本発明の第３実施例の断面図である。 １……放電管、２……反応室、３……マイクロ波、４…
…主磁界コイル、５……制御磁界コイル、６……試料、
７……高周波電源、8,9……ガス供給ノズル、10,10a…
…洗浄ガス供給ノズル、11……試料ホルダ、12……排気
口
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｈ０１Ｌ 21/31 Ｈ０１Ｌ 21/302 Ｂ (72)発明者 園部 正 茨城県日立市幸町３丁目１番１号 株式 会社日立製作所日立工場内 (56)参考文献 特開 平３−75373（ＪＰ，Ａ)

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】電子サイクロトロン共鳴励起を利用し、真
    空容器内に反応ガスプラズマを発生させて試料処理を行
    う機能、および真空容器内に洗浄ガスプラズマを発生さ
    せて真空容器内壁の洗浄処理を行う機能を備えたプラズ
    マ処理装置において、 真空容器内に反応ガスを供給する反応ガス供給ノズル
    と、 サイクロトロン共鳴のための磁界を、真空容器内のプラ
    ズマ生成領域に発生させる主磁界コイルと、 プラズマ流を制御するための磁界を、真空容器内のプラ
    ズマ反応領域に発生させる制御磁界コイルと、 プラズマ反応領域で試料を支持する試料ホルダと、 洗浄処理時に、前記主磁界コイルおよび制御磁界コイル
    の磁界の向きを試料処理時の逆向きに切り換える切換手
    段と、 主磁界コイルおよび制御磁界コイルによる磁界分布を連
    続的に変化させる励磁制御手段とを具備し、 洗浄処理時の試料面に平行な面内での最大プラズマ径
    は、試料処理時の試料面に平行な面内での最大プラズマ
    径よりも大きく、洗浄処理時の前記最大プラズマ径部で
    のプラズマ端部は真空容器壁に達することを特徴とする
    プラズマ処理装置。
  2. 【請求項２】電子サイクロトロン共鳴励起を利用し、真
    空容器内に反応ガスプラズマを発生させて試料処理を行
    う機能、および真空容器内に洗浄ガスプラズマを発生さ
    せて真空容器内壁の洗浄処理を行う機能を備えたプラズ
    マ処理装置において、 洗浄ガスの流量を検出して調整する流量調整手段と、 真空容器内の圧力を検出する圧力検出手段と、 洗浄ガス流量および排気ガス流量の少なくとも一方を制
    御して、洗浄処理時に真空容器内の圧力を予定の値に保
    つ圧力制御手段とを具備し、 洗浄処理時の試料面に平行な面内での最大プラズマ径
    は、試料処理時の試料面に平行な面内での最大プラズマ
    径よりも大きく、洗浄処理時の前記最大プラズマ径部で
    のプラズマ端部は真空容器内壁に達することを特徴とす
    るプラズマ処理装置。
  3. 【請求項３】電子サイクロトロン共鳴励起を利用し、真
    空容器内に反応ガスプラズマを発生させて試料処理を行
    う機能、および真空容器内に洗浄ガスプラズマを発生さ
    せて真空容器内壁の洗浄処理を行う機能を備えたプラズ
    マ処理装置において、 真空容器内に反応ガスを供給する反応ガス供給ノズル
    と、 真空容器内に洗浄ガスを供給する洗浄ガス供給ノズル
    と、 プラズマ反応領域で試料を支持する試料ホルダとを具備
    し、 前記洗浄ガス供給ノズルの真空容器内への導入口を、前
    記反応ガス供給ノズルのそれよりも前記試料ホルダ側に
    設け、洗浄処理時の試料面に平行な面内での最大プラズ
    マ径は、試料処理時の試料面に平行な面内での最大プラ
    ズマ径よりも大きく、洗浄処理時の前記最大プラズマ径
    部でのプラズマ端部は真空容器内壁に達することを特徴
    とするプラズマ処理装置。
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