JP2604684B2 - プラズマプロセス装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はプラズマプロセス装置に
関し、特に、マグネトロンプラズマを利用してエッチン
グ、化学的気相蒸着およびスパッタリングを実施するプ
ラズマプロセス装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】まず、プラズマプロセス装置の従来例を
説明する。図１０および図１１はプラズマプロセス装置
の従来例を説明する縦断面図およびそのＡ−Ａ矢視であ
る。図において、参照符号１はステンレス製の反応塔を
示しており、この反応塔１の側面はガラスである。反応
塔１は内部に反応室１ａを画成しており、その上下にお
いて接地されている。反応室１ａ内には、略円筒形のカ
ソード２が設けられており、カソード２より大径のシー
ルド３がカーソード２の外方に略５ミリメートル離れて
設けられている。このシールド３はカソード２と反応塔
１との間に発生するプラズマを抑制するものであり、接
地線３ａを介して接地されている。反応室１ａ内には、
略円筒形のアノード５がカソード２の内側でカソード２
に対向して設けられており、カソード２とアノード５の
間隔は略５センチメートルに調整されている。アノード
５は接地線５ａを介して接地されており、一方、カソー
ド２はブロッキングキャパシタＣＰを介して高周波電源
ＰＨに接続されている。

【０００３】反応塔１の上面には、ガス供給孔７が生成
されており、反応ガス８が図示していない反応ガス供給
源からガス供給孔７を通過して反応室１ａに供給され
る。一方、反応塔１の下面にはガス排出孔９が形成され
ており、反応室１ａはこのガス排出孔９を介して図示し
ていない排気装置に連通している。したがって、反応室
１ａ内の空気はガス排出孔９から排気され、反応ガス供
給源と排気装置は共働して反応室１ａ内の反応ガスを所
定の圧力に維持することができる。多数の小孔の形成さ
れたパンチ板が上記カソード２、シールド３およびアノ
ード５として利用されており、上記反応ガス８は反応室
１ａ内で略所定圧力に維持される。

【０００４】反応室１ａ内では、半導体ウェハＷが石英
支持棒（不図示）に支持されてアノード５内方に位置し
ており、これら半導体ウェハＷ上には、ＭＯＳ型電界効
果トランジスタが形成されており、フォトレジスト層が
これらＭＯＳ型電界効果トランジスタを覆う層間絶縁膜
上の配線層をパターン形成すべく設けられていると想定
する。このプラズマプロセス装置はこのフォトレジスト
層をアッシングするものとする。

【０００５】詳述すると、排気装置が反応室１ａ内の空
気を排出した後、反応ガスが反応室１ａ内に導入され、
反応ガス供給源と排気装置とが共働して反応室１ａを略
１Ｔｏｒｒに維持する。このような状態で高周波電源Ｐ
Ｈがカソード２に約１３．５６ＭＨｚの高周波電圧を印
加すると、反応ガスはプラズマ状態になる。この反応ガ
スから発生したプラズマ中のイオンは、アノード５にお
いて電荷を失い、中性電荷の活性なラジカルとなり、こ
の活性ラジカルが半導体ウェハＷに照射される。その結
果、フォトレジスト層は中性ラジカルと反応し、アッシ
ングされる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来のプラズマプロセス装置はその構造に起因する問題点
を含んでいる。まず、反応ガスからのプラズマの発生効
率が低く、したがって、アッシングに長時間を要すると
いう問題点があった。

【０００７】次に、半導体ウェハＷ主面上のフォトレジ
スト層が一様にアッシングされず、フォトレジストが半
導体ウェハＷ上に残るという問題点があった。

【０００８】加えて、半導体ウェハＷに形成されたＭＯ
Ｓ型電界効果トランジスタの内、ゲート絶縁膜が破壊さ
れ、機能不能となるものが高割合で発生するという問題
点もあった。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本願発明者は上記問題点
の原因を研究し、上記第１の問題点はプラズマ発生下で
カソード２から生じる２次電子が発生後僅かな時間内に
アノード５に捕獲され、反応ガスを十分プラズマ化させ
られないことに起因すると結論した。

【００１０】また、上記第２の問題点に関しては、反応
室１ａ内の反応ガスの圧力が高く、ガス流が粘性流とな
っているので、活性ラジカルの面内分布が不均一である
ことに起因すると結論した。

【００１１】更に、上記第３の問題点は、プラズマ中の
イオンがアノード５を構成するパンチ板の小孔を通過し
て半導体ウェハＷをチャージし、その結果、過大な電界
がゲート絶縁膜を絶縁破壊することに起因すると結論し
た。

【００１２】本願発明は上記知見に基づきなされたもの
であり、本願請求項１記載の発明の要旨は、反応室を画
成する反応容器と、上記反応室内に反応ガスを供給し所
定圧力に維持する反応ガス供給手段と、上記反応室内に
処理対象を保持する保持手段と、反応室内に設けられ第
１交流電流の供給される第１カソードと、上記処理対象
と上記第１カソードとの間の上記反応室内に設けられ上
記反応ガスから発生した中性成分が通過可能なアノード
を備えたプラズマプロセス装置において、上記第１カソ
ードと上記アノードとの間の反応室内に設けられ上記中
性成分の通過可能な第２カソードと、上記第２カソード
に上記第１交流電流に対して略逆位相の第２交流電流を
供給する交流電源手段と、上記第１カソードおよび上記
第２カソード間に該第１カソードおよび第２カソードと
略平行な磁界を発生させる磁界発生手段を備え、上記ア
ノードを上記第１カソードと第２カソードと同電位以上
に維持された第１シールドとして機能させると共に、上
記第１カソードと上記第２カソードとの間にマグネトロ
ンプラズマを発生させることである。

【００１３】本願請求項２記載の発明の要旨は、請求項
１記載のプラズマプロセス装置の上記第１シールドと上
記保持手段との間の反応室内に上記中性成分が通過可能
であり上記第１カソードと第２カソードに対して正電圧
を印加されたグリッドを更に設けたことである。

【００１４】本願請求項３記載の発明の要旨は上記第２
カソードと上記第１シールドとの間の反応室内に上記中
性成分が通過可能な第４カソードと第３カソードとを互
いに離隔させたカソード対を少なくとも１対、又は第４
カソード１枚のみ、又は上記１対以上をなすカソード対
の第３カソードの隣に第４カソードを１枚離隔させて配
置したカソード群を更に設け、該第４カソード及び第３
カソードに略平行な磁界を印加し、上記交流電源手段は
上記第４カソードと第３カソードとにそれぞれ上記第１
交流電流と上記第２交流電流を供給することである。

【００１５】本願請求項４に記載された発明の要旨は、
請求項１及至３のいずれかに記載のプラズマプロセス装
置の上記第１カソードと上記反応容器との間の反応室内
に上記第１カソードおよび上記第２カソードと同電位以
上に維持された第２シールドを更に設けたことである。

【００１６】本願請求項８記載の発明の要旨は、請求項
１乃至７のいずれかに記載のプラズマプロセス装置の上
記第１カソードと上記第２カソード又は上記第１及至第
４カソード、及び上記第１シールドは同心円状に配され
た互いに直径の異なる円筒であり、第１カソードと第２
カソード又は第１及至第４カソードの互いに対向する各
カソードとの間に上記マグネトロンプラズマの発生する
環状空間が画成されることである。

【００１７】本願請求項１４記載の発明の要旨は、請求
項１及至１３のいずれかに記載のプラズマプロセス装置
の上記保持手段に回転駆動機構を接続し、上記処理対象
を反応室内で回転させることである。

【００１８】本願請求項９記載の発明の要旨は、請求項
１乃至８のいずれかに記載のプラズマプロセス装置の上
記反応室は絶縁体の隔壁で複数の反応分室に分割されて
おり、少なくとも上記第１カソード、上記第２カソード
又は上記第１及至第４カソードは上記複数の反応分室毎
に設けられていると共に上記複数の反応分室で機能する
上記第１シールを固定電源に電気的に接続したことであ
る。

【００１９】本願請求項５記載の発明の要旨は、反応室
を画成し電磁波が通過可能な反応容器と、上記反応室内
に反応ガスを供給し所定圧力に維持する反応ガス供給手
段と、上記反応室内に処理対象を保持する保持手段と、
反応室内に設けられ第１交流電流の供給される第１カソ
ードと、上記処理対象と上記第１カソードとの間の上記
反応室内に設けられ上記反応ガスから発生した中性成分
が通過可能なアノードを備えたプラズマプロセス装置に
おいて、上記反応室外に設けられ第１カソードに上記反
応容器を介して対向する第２カソードと、上記第２カソ
ードに上記第１交流電流に対して略逆位相の第２交流電
流を供給する交流電源手段と、上記第１カソードおよび
上記第２カソード間に該第１カソードおよび第２カソー
ドと略平行な磁界を発生させる磁界発生手段を備え、上
記アノードを上記第１カソードおよび第２カソードと同
電位以上に維持された第１シールドとして機能させると
共に上記反応ガスから発生した中性成分が通過可能な上
記第１カソードと上記第２カソードとの間にマグネトロ
ンプラズマを発生させることである。

【００２０】上記請求項６記載の発明の要旨は、請求項
５記載のプラズマプロセス装置の上記第１シールドと上
記保持手段との間の反応室内に上記中性成分が通過可能
であり上記第１カソードと上記第２カソードに比べ正電
圧の印加されたグリッドを更に設けたことである。

【００２１】本願請求項７記載の発明の要旨は、請求項
５または請求項６記載のプラズマプロセス装置の上記第
１カソードと上記第１シールドとの間の反応室内に上記
中性成分が通過可能な第３カソードと第４カソードとを
互いに離隔させたカソード対を少なくとも１対、又は第
３カソード１枚のみ、又は上記１対以上をなすカソード
対の第４カソードの隣に第３カソードを１枚離隔させて
配置したカソード群を更に設け、該第３カソード及び第
４カソードに略平行な磁界を印加し、上記交流電源手段
は上記第３カソードと上記第４カソードとにそれぞれ上
記第２交流電流と上記第１交流電流を供給することであ
る。

【００２２】本願請求項１０記載の発明の要旨は、反応
室を画成する反応容器と、上記反応室内に反応ガスを供
給し所定圧力に維持する反応ガス供給手段と、上記反応
室内に処理対象を保持する保持手段と、反応室内に設け
られ第１交流電流の供給される第１カソードと、上記処
理対象と上記第１カソードとの間の上記反応室内に設け
られ上記反応ガスから発生した中性成分が通過可能なア
ノードを備えたプラズマプロセス装置において、上記反
応室内の一端部には上記反応ガス供給手段に接続された
反応ガス流入口と上記第１カソードと上記第２カソード
とが配置され、上記反応室内の他端部には上記保持手段
に維持された上記処理対象が配置され、上記一端部と上
記他端部との間の反応室には上記アノードが配置されて
おり、上記第１交流電流に対して略逆位相の第２交流電
流を上記第２カソードに供給する交流電源手段と、上記
第１カソードと上記第２カソードとの間に該第１カソー
ドおよび第２カソードに略平行な磁界を発生させる磁界
発生手段とを更に備え、上記アノードを上記第１カソー
ド及び上記第２カソードに印加される電位と同電位以上
に維持する第１シールドとして機能させて、上記第１カ
ソードと上記第２カソードとの間にマグネトロンプラズ
マを発生させることである。

【００２３】本願請求項１１記載の発明の要旨は、請求
項１０記載のプラズマプロセス装置の上記下部分室内の
上記第１シールドと上記処理対象との間に上記中性成分
が通過可能であり上記第１カソードと上記第２カソード
に比べ任意の電圧を印加できるグリッドを更に設けたこ
とである。

【００２４】本願請求項１２記載の発明の要旨は、請求
項１０または１１記載のプラズマプロセス装置の上記反
応室の上部は絶縁体の隔壁で複数の反応分室に分割され
ており、少なくとも上記第１カソード、上記第２カソー
ドは上記複数の反応分室毎に設けられているとともに、
上記複数の反応分室で機能する上記第１シールドは固定
電源に電気的に接続されていることである。

【００２５】本願請求項１３記載の発明の要旨は、請求
項１０及至１２のいずれかに記載のプラズマプロセス装
置の処理対象に交流電圧を印加することである。

【発明の作用および効果】

【００２６】請求項１記載のプラズマプロセス装置は、
反応ガス供給手段で反応室内の反応ガスをマグネトロン
プラズマを発生させられる圧力に維持し、磁界発生手段
が第１カソードと第２カソードに平行な磁界を発生させ
る。かかる状態で第１カソードと第２カソードとに互い
に逆位相の交流電圧を供給すると、正イオンは第１カソ
ードと第２カソードに衝突し、第１カソードと第２カソ
ードはその間に２次電子を放出する。この２次電子は電
磁場のローレンツ力でサイクロイド運動をしながらドリ
フトし、反応ガスをプラズマとする。プラズマ中の中性
成分は第２カソードおよび第１シールドを通過して処理
対象近傍に至り、処理対象に所定の処理を施す。プラズ
マ中の２次電子は磁力線に沿って運動するので、第１カ
ソードと第２カソードとの間の空間に閉じ込められ、ア
ノードに捕獲されない。その結果、２次電子は反応ガス
中を長時間運動し、高効率でプラズマを発生させる。ま
た、プラズマを電気的に中性に維持する要請から、正イ
オンも上記空間に閉じ込められ、処理対象を帯電させる
ことがない。したがって、処理対象が過度に帯電するこ
とがない。更に、第１カソードと第２カソード間に閉じ
込められた高濃度のプラズマは分離しにくく、一様に中
性成分を発生させる。したがって、処理対象は中性成分
と一様に接触し、一様に処理される。

【００２７】請求項２記載のプラズマプロセス装置は、
第２カソードおよび第１シールドを通過する僅かな正イ
オンを捕獲し、処理対象を正イオンから更に確実に保護
する。

【００２８】請求項３記載のプラズマプロセス装置は、
第３カソ−ドのみ又は第３カソードと第４カソードが第
１カソードおよび第２カソードと共働して一層高密度の
プラズマを発生させる。したがって、処理対象近傍の中
性成分も一層高密度になり、更に高速で所定の処理を実
行できる。

【００２９】請求項４記載のプラズマプロセス装置で
は、第２シールドがプラズマを遮断するので、反応容器
の第１カソードと対向する部分は導電性を必要としな
い。したがって、反応容器をガラス等絶縁体で形成でき
る。

【００３０】請求項８記載のプラズマプロセス装置で
は、第１カソードと第２カソード又は第１乃至第４カソ
ード、及び第１シールドを円筒状に形成したので、マグ
ネトロンプラズマは第１カソードと第２カソード又は第
１乃至第４カソードの互いに対向する各カソードとの間
に画成される環状空間内で閉ループを形成し、２次電子
は該閉ループに沿ってドリフトする。したがって、２次
電子の寿命は長く、プラズマを更に効率よく発生する。

【００３１】請求項１４記載のプラズマプロセス装置で
は、処理対象が反応室内で回転するので、処理対象は反
応室内の中性成分の密度によらず、中性成分と一様に接
触する。したがって、処理対象の各部分は反応室内の初
期位置にかかわらず一様な処理を受ける。

【００３２】請求項９記載の発明では、反応室を複数の
反応分室に分割したので、各反応室で異なる反応ガスを
使用したプラズマを発生させることができる。その結
果、同一の反応容器内で異なるプラズマプロセスを時分
割で、または、同時に実施できる。

【００３３】請求項５記載の発明では第２カソードを反
応容器外に設けるので、既存のプラズマプロセス装置を
容易に本発明に係るプラズマプロセス装置に改造でき
る。

【００３４】請求項６記載のプラズマプロセス装置は、
第１カソードおよび第１シールドを通過する僅かな正イ
オンを捕獲し、処理対象を正イオンから保護する。

【００３５】請求項７記載のプラズマプロセス装置は、
第３カソ−ドのみ又は第３カソードと第４カソードが第
１カソードおよび第２カソードと共働して一層高密度の
プラズマを発生させる。したがって、処理対象近傍の中
性成分も一層高密度になり、更に高速で所定の処理を実
行できる。

【００３６】請求項１０記載のプラズマプロセス装置
は、反応室上部に供給された反応ガスを第１カソードと
第２カソード間で請求項１記載のプラズマプロセス装置
と同様にプラズマを効率よく発生させ、プラズマ成分を
反応室下部の処理対象に供給する。

【００３７】請求項１１記載のプラズマプロセス装置で
は、グリッドが正イオンを阻止し、処理対象を正イオン
から更に確実に保護する。

【００３８】請求項１２記載のプラズマプロセス装置で
は、反応室上部を複数の反応分室に分割したので、各反
応室上部で異なるガスを使用したプラズマを発生させる
ことができる。その結果、同一の反応容器内で異なるプ
ラズマプロセスを時分割で、または、同時に実施でき
る。

【００３９】請求項１３記載のプラズマプロセス装置で
は、正イオンが高周波でバイアスされた処理対象に向か
って加速され、処理対象上に照射される。したがって、
正イオンの衝撃を利用したプラズマプロセスを実施でき
る。

【００４０】

【実施例】以下、本願発明の第１実施例を図１および図
２を参照して説明する。図において、参照符号１１はス
テンレス製の反応塔を示しており、その側面はガラスで
ある。反応塔１１は接地されており、その内部に反応室
１１ａが画成されている。反応ガス導入口１１ｂと排気
口１１ｃが反応塔１１の上面と下面にそれぞれ形成され
ており、反応ガス供給装置（不図示）と排気装置が反応
ガス導入口１１ｂと排気口１１ｃにそれぞれ接続されて
いる。上記図示していない反応ガス供給装置と排気装置
は全体として反応ガス供給手段を構成する。反応ガスは
プラズマプロセス装置の使用目的に応じて選択でき、例
えば、フォトレジストのアッシングには酸素が使用さ
れ、ポリシリコンの化学的気相成長にはシラン（ＳｉＨ
₄）が使用される。

【００４１】反応室１１ａ内には、導電性を有する略円
筒形のカソード１２ａ、１２ｂが互いに対向した状態で
略同心円状に絶縁体１１ｄを介して反応塔１１に固定さ
れている。アルミニウム製の網状板がこれらカソード１
２ａ、１２ｂに用いられており、カソード１２ａは約１
５〜３０ミリメートルカソード１２ｂから離れている。
これらカソード１２ａ、１２ｂは位相変換器内蔵マッチ
ングボックス１３を介して高周波電源１４に接続されて
おり、高周波電源１４から供給される交流電流はマッチ
ングボックス１３で互いに１８０度位相の異なる第１交
流電流ｐｈ１と第２交流電流ｐｈ２となり、第１交流電
流ｐｈ１と第２交流電流ｐｈ２はそれぞれカソード１２
ａ、１２ｂに供給される。カソード１２ａの外方と、１
２ｂの内方には、接地された略円筒形のシールド１３
ａ、１３ｂがカソード１２ａ、１２ｂと同心円状に絶縁
体１１ｄを介して反応塔１１に固定されており、アルミ
ニウム製の網状板がこれらシールド１３ａ、１３ｂを形
成している。シールド１３ａ、１３ｂとカソード１２
ａ、１２ｂはそれぞれ約５ミリメートル離隔しており、
接地されたシールド１３ａ、１３ｂはカソード１２ａ、
１２ｂ間にのみプラズマを発生させる。シールド１３ｂ
の内側には、略円筒形のグリッド１５がカソード１２
ａ、１２ｂおよびシールド１３ａ、１３ｂと同心状に絶
縁体１１ｄを介して反応塔１１に固定されており、アル
ミニウム製の網状板がグリッド１５を構成している。な
お、これらカソード１２ａ、１２ｂ、シールド１３ａ、
１３ｂおよびグリッド１５は多数の小孔を有するパンチ
板で形成してもよい。上記グリッド１５は正電圧源１６
に接続されており、選択により正電圧または接地電圧が
グリッド１５に印加される。グリッド１５に印加する電
圧は高周波電源１４の出力に強く依存するが、典型的に
は５０ボルト〜３００ボルトである。グリッド１５の内
部空間には、半導体ウェハＷが石英棒（不図示）に支持
されており、これら半導体ウェハＷはカソード１２ａ、
１２ｂ、シールド１３ａ、１３ｂおよびグリッド１５の
中心軸に対してほぼ直角に配されている。上記石英棒は
回転機構１７に接続されており、回転機構１７は半導体
ウェハＷを反応室内で回転させる。半導体ウェハＷは処
理対象である。

【００４２】反応塔１１は環状の電磁石１８で囲まれて
おり、この電磁石１８はカソード１２ａ、１２ｂと略平
行な磁界１９を反応室１１ａ内に惹起する。磁界は反応
塔１１の上方から下方に印加され、磁界１９の強度はカ
ソード１２ａ、１２ｂの表面で略一様である。磁界１９
が半導体ウェハＷ表面で弱くなっても差し支えない。な
お、電磁石１８に代えて棒状の永久磁石を組み合わせて
磁界１９を形成してもよい。

【００４３】なお、反応室１１ａの側壁が導電性物質で
できており、しかも、カソード１２ａが導電性側壁に接
近しているなら、シールド１３ａは不要である。

【００４４】次に、本実施例に係るプラズマプロセス装
置を使用してフォトレジストのアッシングを実施する手
順を説明する。この場合、ＭＯＳ型電界効果トランジス
タが半導体ウェハＷ上に形成されており、これらＭＯＳ
型電界効果トランジスタ上方にフォトレジスト膜が設け
られていると想定する。まず、排気装置が反応室１１ａ
内の空気を排出し、酸素（Ｏ₂）を導入口１１ｂから反
応室１１ａに導入する。反応ガス供給源と排気装置は反
応室１１ａ内の酸素を１００ｍＴｏｒｒ〜１ｍＴｏｒｒ
あるいはそれ以下に調整する。電流を電磁石１８に流
し、電流はカソード１２ａと１２ｂ上に約１００〜１０
００ガウスの磁界１９を惹起する。マッチングボックス
１３は第１交流電流ｐｈ１と第２交流電流ｐｈ２をカソ
ード１２ａ、１２ｂにそれぞれ供給し、これら交流電流
ｐｈ１、ｐｈ２は各カソード１２ａ、１２ｂの表面およ
び磁界１９に直交する電界を発生する。この電界の方向
は第１交流電流ｐｈ１と第２交流電流ｐｈ２の位相変化
に対応して反転する。その結果、マグネトロン放電がカ
ソード１２ａ、１２ｂ間に発生し、反応ガス（Ｏ₂）か
らプラズマが発生する。このプラズマ中の正イオン２１
は交番する電界に加速され、カソード１２ａ、１２ｂに
衝突して２次電子２２を生じさせる。図３に示されてい
るように、これら２次電子２２は反応室１１ａ内の電磁
場からローレンツ力を得てサイクロイド運動をしながら
ＥｘＢドリフトする。１Ｐａ（７．５ｍＴｏｒｒ）程度
の希薄な反応ガス中では、電子２２は平均５０ミリメー
トル程度無衝突でカソード１２ａ、１２ｂ間を運動でき
る。また、反応室１１ａ内のプラズマ密度は高いので、
プラズマ中の電界は弱くなっており、直交電磁場による
磁界に垂直な方向のドリフトは少ない。したがって、２
次電子２２はカソード１２ａと１２ｂ間を磁力線を中心
に旋回し続け、効率よく酸素分子と衝突する。例えば、
２次電子２２の運動エネルギーを２００ｅＶ、磁界強度
を１５０ガウスと仮定すると、ラーモア運動の回転半径
は４ミリメートル、従って、回転直径は８ミリメートル
程度になる。上述のごとく、カソード１２ａと１２ｂは
１５〜３０ミリメートル程度と接近しているので、その
間隔はラーモア運動の回転直径の４倍以内であり、カソ
ード１２ａ、１２ｂで発生するプラズマは分離すること
なく、カソード１２ａと１２ｂ間に一様に分布する。換
言すれば、カソード１２ａ、１２ｂ間のプラズマ密度は
一定に維持される。しかも、上述のごとく、カソード１
２ａ、１２ｂ間は２次電子のラーモア運動の回転直径に
対し狭いので、カソード１２ａ、１２ｂ間に発生するプ
ラズマは、通常のマグネトロンプラズマの２倍程度の密
度を有する。通常のマグネトロンプラズマでも高周波放
電によるプラズマに比べ、２桁以上発生効率が高いの
で、本実施例におけるマグネトロンプラズマの発生効率
は従来例に比べ極めて高い。

【００４５】カソード１２ａ、１２ｂ間に発生した高濃
度のプラズマは、多量の２次電子２２、多量の正イオン
２１および多量の中性ラジカル２３（酸素原子）を含ん
でおり、プラズマ中の負イオンは僅かである。この中性
ラジカル２３は網状のカソード１２ｂ、シールド１３ｂ
およびグリッド１５を通過して半導体ウェハＷ近傍に至
る。その結果、フォトレジスト膜は室温程度の熱エネル
ギーしか持たない中性ラジカルと純粋に化学反応して一
酸化炭素（ＣＯ）および水（Ｈ₂Ｏ）となり、アッシン
グされる。

【００４６】２次電子２２は正イオン２１及び中性ラジ
カル２３に比べて質量が小さいので、磁力線に捕獲され
てカソード１２ａ、１２ｂ間から殆ど漏れることはな
い。また、プラズマの電荷中性の要請から、正イオン２
１もカソード１２ａ、１２ｂ間から殆ど漏れることはな
い。したがって、２次電子２２はカソード１２ａ、１２
ｂ間に閉じ込められ、磁力線に沿ってドリフトし、アノ
ード１５には捕獲されない。その結果、長寿命の２次電
子２２は反応ガスを効率よくプラズマ化し、かかる高密
度のプラズマから供給される多量の中性ラジカル２３が
高速でフォトレジストをアッシングする。本実施例のア
ッシング速度は従来例に比べ１桁以上優れている。

【００４７】また、上述のごとく、カソード１２ａ、１
２ｂの間隔はラーモア運動の回転直径に対し十分に狭い
ので、２次電子２２により発生するプラズマは分離する
ことなく、高密度を維持する。しかも、反応室１１ａ内
の反応ガスはマグネトロンプラズマを維持できる限りで
きるだけ低圧なので、プラズマは反応ガス流に妨げられ
ることなく運動できる。その結果、プラズマから供給さ
れる中性ラジカルも一様となり、フォトレジストも一様
にアッシングされる。

【００４８】更に、カソード１２ａ、１２ｂ間に閉じ込
められたプラズマからは、正イオン２１が漏れ出しにく
く、この正イオン２１が半導体ウェハＷを帯電させ、ゲ
ート絶縁膜を破壊することはない。たとえ僅かな正イオ
ン２１がカソード１２ｂとシールド１３ｂを通過したと
しても、この正イオン２１は正電圧の印加されたグリッ
ド１５に捕獲され、半導体ウェハＷに到達できない。な
お、僅かに到達する正イオン２１を無視できる場合は、
グリッド１５を接地電圧としてもよく、グリッド１５及
び正電圧源１６を取り除いてもよい。

【００４９】図４は本願発明の第２実施例の概略構成を
示す断面図である。同図中、第１実施例と同一構成部分
は同一符号を付し、詳細な説明を省略する。本実施例で
は、カソード２１は反応塔１１と電磁石１８との間に設
けられており、カソード１２ａは反応塔１１のガラス側
壁から１５〜３０ミリメートル離れている。本実施例で
は、シールド１３ａが反応室１１ａから取り除かれてい
る。プラズマは大気中に置かれたカソード２１周辺に発
生しないからである。

【００５０】アッシングまたは化学的気相成長では、互
いに逆位相の交流電流が第１実施例と同様にカソード１
２ａと２１に供給される。このとき発生する電界は、反
応塔１１のガラス側壁を通過して反応室１１ａに至り、
プラズマが反応塔１１側壁とカソード１２ａとの間に発
生する。かようにして発生したプラズマの挙動は、第１
実施例と同様なので、詳細な説明を省略する。本実施例
でも、半導体ウェハＷ近傍の僅かな正イオンが許される
場合は、グリッド１５と正電圧源１６を取り除くことも
できる。本実施例は、カソード２１を反応塔１１外に設
けるので、既設のプラズマプロセス装置を容易に本発明
にしたがって改造できる。

【００５１】図５は本願発明の第３実施例の概略構成を
示す断面図である。同図中、第１実施例および第２実施
例と同一構成部分は同一符号を付し、詳細な説明を省略
する。本実施例では、カソード２１、１２ａに加えて、
一対のカソード３１、３２がカソード１２ａとシールド
１３ｂとの間の反応室１１ａ内に設けられている。カソ
ード３１はカソード３２及びカソ−ド１２ａから１５〜
３０ミリメートル離れており、交流電流ｐｈ１、ｐｈ２
はカソード３１、３２にそれぞれ供給されている。電磁
石１８は全てのカソード２１、１２ａ、３１、３２に対
して平行な磁界１９を発生し、磁界強度は各カソード２
１、１２ａ、３１、３２の表面で変化しないことが望ま
しい。本実施例では、各カソード２１、１２ａ、３１、
３２間に高濃度プラズマが発生するので反応ガスは反応
塔１１の側壁から供給される。

【００５２】本実施例では、カソード２１、１２ａ、３
１、３２が２層以上のプラズマ発生空間を形成している
ので、半導体ウェハＷに到着する中性ラジカルは再１、
第２実施例に比べ一層高密度であり、アッシングまたは
化学的気相成長は高速度で実施される。

【００５３】図５に示された実施例では、カソードは２
対設けられているが、カソードは３対以上設けてもよ
い。また、カソードは必ずしも対をなしていなくてもよ
く、第１交流電流と第２交流電流のいずれか一方の印加
されるカソードが他方の印加されるカソードより１枚多
くてもよい。

【００５４】図６は本願発明の第４実施例を示す断面図
であり、第１実施例と同一構成部分には同一符号を付
し、詳細な説明は省略する。本実施例に係るプラズマプ
ロセス装置では、反応塔４０の略円筒形の反応室が、絶
縁体の隔壁４１で二分されている。グリッド１５は第１
実施例と同様に網状の円筒体であるが、カソード１２
ａ、１２ｂとシールド１３ａ、１３ｂにそれぞれ対応す
るカソード４２ａ、４２ｂおよび４３ａ、４３ｂはいず
れも網状の半円筒形である。これら半円筒形のカソード
４２ａ、４２ｂとシールド４３ａ、４３ｂは隔壁４１で
二分された反応分室４４ａ、４４ｂの一方に略同心円上
に収納されており、反応ガス導入口４５ａと排気口４５
ｂは反応分室４４ａ、４４ｂにそれぞれ開口している。
したがって、反応ガスは反応ガス分室４４ａに流入し、
シールド４３ａ、４３ｂ、カソード４２ａ、４２ｂ、グ
リッド１５を通過して反応分室４４ｂから排気口４５ｂ
を介して流出する。半導体ウェハＷは回転駆動機構１７
により中性ラジカルと均一に接触し、アッシング処理ま
たは化学的気相成長処理を受ける。

【００５５】なお、グリッド１５も半円筒状であっても
よい。また、反応分室４４ａ、４４ｂは反応室を１８０
度ずつ二分したものでなくともよく、反応室を任意の角
度で分割し、カソード４２ａ、４２ｂ、シールド４３
ａ、４３ｂおよびグリッド１５を反応分室に対応した扇
形筒型にしてもよい。

【００５６】図７は本願発明の第５実施例を示す断面図
であり、第１実施例および第４実施例で使用した符号は
第１実施例および第４実施例の対応する構成であること
を示している。図において、反応塔５０内の略円筒形の
反応室は、絶縁体の隔壁５１ａ、５１ｂ、５１ｃで三等
分されており、グリッド１５は隔壁５１ａ〜５１ｃで分
断されることなく、３つの反応分室５２ａ、５２ｂ、５
２ｃにまたがっているが、カソード４２ａ、４２ｂとシ
ールド４３ａ、４３ｂは隔壁５１ａで二分されている。
反応ガス導入口５３ａ、５３ｂは反応分室５２ａと５２
ｂにそれぞれ開口しており、異なる反応ガスの供給源が
それぞれ反応ガス導入口５３ａ、５３ｂに接続されてい
る。反応分室５２ｃは排気口５３ｃに連通している。排
気導入口５３ａ、５３ｂから導入された反応ガスは反応
分室５２ａ、５２ｂでそれぞれ中性ラジカルを生成し、
反応室内で回転する半導体ウェハＷ上で化学反応する。
したがって、互いの反応性が極めて高い中性ラジカルで
あっても、反応室で互いに化学反応することなく、反応
体ウェハＷ上でのみ反応する。

【００５７】また、反応分室５２ａと反応室５２ｂを交
互に使用するなら、異なったプラズマプロセスを半導体
ウェハＷ上で反復的に実行することができる。例えば、
本実施例のプラズマプロセス装置を使用すれば、化合物
半導体の組成を変化させた超格子構造を容易に形成する
こともできる。更に、アッシングと化学的気相成長をそ
れぞれ反応分室５２ａ、５２ｂで実行することもでき
る。

【００５８】なお、反応分室数は２つに限らず、３以上
であってもよい。また、排気口５３ｃを反応塔５０の底
部に開口させ、反応分室５２ａ〜５２ｃで共有するな
ら、反応分室５２ｃも更に他の反応ガス供給源に接続し
てプラズマの発生に利用できる。更に、反応分室５２ａ
〜５２ｃは容積を変化させてもよい。

【００５９】図８は本願発明の第６実施例を示す断面図
であり、第１実施例の構成と対応する構成は同一符号を
付されている。参照符号６１は略円筒形の反応容器であ
り、反応容器６１内には反応室６１ａが画成されてい
る。反応室６１ａは絶縁体の隔壁６２ａ、６２ｂで上下
３分されているが、隔壁６２ａ、６２ｂは多数の孔６２
ｃで三分割された分室６１ｂ、６１ｃ、６１ｄを連通し
ている。分室６１ｃは反応ガス供給装置（不図示）に連
通しており、分室６１ｄは排気装置（不図示）に接続さ
れている。分室６１ｃには、カソード６３ａ、６３ｂ、
６３ｃ、６３ｄが同心状に隔壁６２ａ、６２ｂに固定さ
れており、第１交流電流ｐｈ１と第２交流電流ｐｈ２が
カソード６３ａ、６３ｃとカソード６３ｂ、６３ｄにそ
れぞれ供給されている。カソード６３ａ〜６３ｄは互い
に略等距離離隔している。第３分室６１ｄには、シール
ド６４とグリッド６５が略水平に配され絶縁体６６を介
して反応容器６１に固定されている。半導体ウェハＷは
グリッド６５の下方に保持されている。シールド６４は
接地されており、グリッド６５は電圧源６５ａにより接
地電圧または正電圧を印加される。これらシールド６４
とグリッド６５は半導体ウェハＷを正イオンから保護
し、中性ラジカルを通過させる。また、隔壁６２６より
上部の反応室は、第５実施例同様に２つ以上の独立した
反応分室より構成されていてもよい。

【００６０】正イオンを半導体ウェハＷに照射する場合
は、負電圧をグリッド６５に印加するか、グリッド６５
自体を除去する。また、負の直流バイアスを半導体ウェ
ハＷに印加すると、正イオンが効果的に半導体ウェハＷ
に照射される。

【００６１】なお、半導体ウェハＷはカソード６３ａ〜
６３ｄの中心線に対して直角である必要はなく、傾斜し
ていてもよい。

【００６２】図９は本願発明の第７実施例を示す断面図
であり、第１実施例の構成と対応する構成には同一符号
が付され、詳細説明は省略されている。本実施例では、
反応容器７１の上部には第１交流電流ｐｈ１の供給され
るカソード７２が固定されており、反応ガス供給源（不
図示）と排気装置（不図示）は導入口７１ａと排気口７
１ｂとに接続されている。カソード７２の下方には、第
２交流電流の供給されるカソード７３と接地されたアノ
ード７４と電圧源１６に接続されたグリッド７５が設け
されており、更にその下方に半導体ウェハＷが保持され
ている。又、グリッド７５より上部の反応室は、第５実
施例同様に２つ以上の独立した反応分室より構成されて
いてもよい。

【００６３】本実施例でも、グリッド７５を正電圧でバ
イアスすれば、中性ラジカルが半導体ウェハＷ上に供給
され、負電圧でバイアスするかグリッド７５を除去すれ
ば正イオンを半導体ウェハ上に照射できる。

【００６４】上記各実施例において、カソードに印加さ
れる交流電流の周波数、カソードの数、反応室の圧力、
カソードの間隔は適宜変更可能であり、特に、カソード
の間隔は電子の平均自由行程に比例して大きくできる。

【００６５】上記シールドの有無、対をなすカソードの
一方を反応室の内外いずれに設けるか、カソードを１対
以上何枚設けるか、反応分室の有無、カソードと半導体
ウェハとの相対的位置などは、上記実施例に限定され
ず、任意に組み合わせることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本願発明に係るプラズマプロセス装置の第１実
施例の概略構成を示す断面図である。

【図２】図１中のＢ−Ｂ矢視断面図である。

【図３】マグネトロン放電時に反応室内に発生する電子
のドリフトを説明する図。

【図４】本願発明に係るプラズマプロセス装置の第２実
施例の概略構成を示す断面図である。

【図５】本願発明に係るプラズマプロセス装置の第３実
施例の概略構成を示す断面図である。

【図６】本願発明に係るプラズマプロセス装置の第４実
施例の概略構成を示す断面図である。

【図７】本願発明に係るプラズマプロセス装置の第５実
施例の概略構成を示す断面図である。

【図８】本願発明に係るプラズマプロセス装置の第６実
施例の概略構成を示す断面図である。

【図９】本願発明に係るプラズマプロセス装置の第７実
施例の概略構成を示す断面図である。

【図１０】プラズマプロセス装置の従来例の概略構成を
示す断面図である。

【図１１】図１０中のＡ−Ａ矢視断面図である。

【符号の説明】

１１、４０、５０、６１、７１．．．．反応塔（反応容
器） １１ａ、６１ａ．．．．反応室 １２ａ、４２ａ、６３ａ、７２．．．．カソード（第１
カソード） １３ｂ、４３ｂ、６４、７４．．．．．アノード（第１
シ−ルド） １２ｂ、２１、４２ｂ、６３ｂ、７３．．カソード（第
２カソード） １３／１４．．．マッチングボックス／交流電源（交流
電源手段） １８．．．．．電磁石（磁界発生手段） １９．．．．．磁界（磁力線の方向） ２３．．．．．中性ラジカル（中性成分） １５、６５、７５．．．．グリッド １３ａ、４３ａ．．．．．シールド（第２シールド） １７．．．．．回転駆動機構 ３１、６３ｃ．．．．．カソード（第３カソード） ３２、６３ｄ．．．．．カソード（第４カソード） ４４ａ、５２ａ、５２ｂ．．．．反応分室 Ｗ．．．．．処理対象

───────────────────────────────────────────────────── 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 21/3065 Ｈ０１Ｌ 21/302 Ｃ

Claims (14)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 反応室を画成する反応容器と、上記反応
   室内に反応ガスを供給し所定圧力に維持する反応ガス供
   給手段と、上記反応室内に処理対象を保持する保持手段
   と、反応室内に設けられ第１交流電流の供給される第１
   カソードと、上記処理対象と上記第１カソードとの間の
   上記反応室内に設けられ上記反応ガスから発生した中性
   成分が通過可能なアノードを備えたプラズマプロセス装
   置において、上記第１カソードと上記アノードとの間の
   反応室内に設けられ上記中性成分の通過可能な第２カソ
   ードと、上記第２カソードに上記第１交流電流に対して
   略逆位相の第２交流電流を供給する交流電源手段と、上
   記第１カソードおよび上記第２カソード間に該第１カソ
   ードおよび第２カソードと略平行な磁界を発生させる磁
   界発生手段を備え、上記アノードを上記第１カソードお
   よび第２カソードと同電位以上に維持された第１シール
   ドとして機能させると共に上記第１カソードと上記第２
   カソードとの間にマグネトロンプラズマを発生させるこ
   とを特徴とするプラズマプロセス装置。
2. 【請求項２】 上記第１シールドと上記保持手段との間
   の反応室内に上記中性成分が通過可能であり上記第１カ
   ソードと上記第２カソードに比べ正電圧の印加されたグ
   リッドを更に設けたことを特徴とする請求項１記載のプ
   ラズマプロセス装置。
3. 【請求項３】 上記第２カソードと上記第１シールドと
   の間の反応室内に上記中性成分が通過可能な第４カソー
   ドと第３カソードとを互いに離隔させたカソード対を少
   なくとも１対、又は第４カソード１枚のみ、又は上記１
   対以上をなすカソード対の第３カソードの隣に第４カソ
   ードを１枚離隔させて配置したカソード群を更に設け、
   該第４カソード及び第３カソードに略平行な磁界を印加
   し、上記交流電源手段は上記第４カソードと第３カソー
   ドとにそれぞれ上記第１交流電流と上記第２交流電流を
   供給することを特徴とする請求項１又は請求項２記載の
   プラズマプロセス装置。
4. 【請求項４】 上記第１カソードと上記反応容器との間
   の反応室内に上記第１カソードおよび上記第２カソード
   と同電位以上に維持された第２シールドを更に設けたこ
   とを特徴とする請求項１及至３のいずれかに記載のプラ
   ズマプロセス装置。
5. 【請求項５】 反応室を画成し電磁波が通過可能な反応
   容器と、上記反応室内に反応ガスを供給し所定圧力に維
   持する反応ガス供給手段と、上記反応室内に処理対象を
   保持する保持手段と、反応室内に設けられ第１交流電流
   の供給される第１カソードと、上記処理対象と上記第１
   カソードとの間の上記反応室内に設けられ上記反応ガス
   から発生した中性成分が通過可能なアノードを備えたプ
   ラズマプロセス装置において、 上記反応室外に設けられ第１カソードに上記反応容器を
   介して対向する第２カソードと、上記第２カソードに上
   記第１交流電流に対して略逆位相の第２交流電流を供給
   する交流電源手段と、上記第１カソードおよび上記第２
   カソード間に該第１カソードおよび第２カソードと略平
   行な磁界を発生させる磁界発生手段を備え、上記アノー
   ドを上記第１カソードおよび第２カソードと同電位以上
   に維持された第１シールドとして機能させると共に上記
   反応ガスから発生した中性成分が通過可能な上記第１カ
   ソードと上記第２カソードとの間にマグネトロンプラズ
   マを発生させることを特徴とするプラズマプロセス装
   置。
6. 【請求項６】 上記第１シールドと上記保持手段との間
   の反応室内に上記中性成分が通過可能であり上記第１カ
   ソードと上記第２カソードに比べ正電圧の印加されたグ
   リッドを更に設けたことを特徴とする請求項５記載のプ
   ラズマプロセス装置。
7. 【請求項７】 上記第１カソードと上記第１シールドと
   の間の反応室内に上記中性成分が通過可能な第３カソー
   ドと第４カソードとを互いに離隔させたカソード対を少
   なくとも１対、又は第３カソード１枚のみ、又は上記１
   対以上をなすカソード対の第４カソードの隣に第３カソ
   ードを１枚離隔させて配置したカソード群を更に設け、
   該第３カソード及び第４カソードに略平行な磁界を印加
   し、上記交流電源手段は上記第３カソードと上記第４カ
   ソードとにそれぞれ上記第２交流電流と上記第１交流電
   流を供給することを特徴とする請求項５または請求項６
   記載のプラズマプロセス装置。
8. 【請求項８】 上記第１カソードと上記第２カソード又
   は上記第１及至第４カソード、及び上記第１シールドは
   同心円状に配された互いに直径の異なる円筒であり、第
   １カソードと第２カソード又は第１及至第４カソードの
   互いに対向する各カソードとの間に上記マグネトロンプ
   ラズマの発生する環状空間が画成されることを特徴とす
   る請求項１及至７のいずれかに記載のプラズマプロセス
   装置。
9. 【請求項９】 上記反応室は絶縁体の隔壁で複数の反応
   分室に分割されており、少なくとも上記第１カソード、
   上記第２カソード又は上記第１及至第４カソードは上記
   複数の反応分室毎に設けられているとともに、上記複数
   の反応分室で機能する上記第１シールドは固定電源に電
   気的に接続されていることを特徴とする、請求項１及至
   ８のいずれかに記載のプラズマプロセス装置。
10. 【請求項１０】 反応室を画成する反応容器と、上記反
    応室内に反応ガスを供給し所定圧力に維持する反応ガス
    供給手段と、上記反応室内に処理対象を保持する保持手
    段と、反応室内に設けられ第１交流電流の供給される第
    １カソードと、上記処理対象と上記第１カソードとの間
    の上記反応室内に設けられ上記反応ガスから発生した中
    性成分が通過可能なアノードとを備えたプラズマプロセ
    ス装置において、 上記反応室内の一端部には上記反応ガス供給手段に接続
    された反応ガス流入口と上記第１カソードと上記第２カ
    ソードとが配置され、上記反応室内の他端部には上記保
    持手段に維持された上記処理対象が配置され、上記一端
    部と上記他端部との間の反応室内には上記アノードが配
    置されており、 上記第１交流電流に対して略逆位相の第２交流電流を上
    記第２カソードに供給する交流電源手段と、上記第１カ
    ソードと上記第２カソードとの間に該第１カソードおよ
    び第２カソードに略平行な磁界を発生させる磁界発生手
    段とを更に備え、上記アノードを上記第１カソード及び上記第２カソード
    に印加される電位と同電位以上に維持された第１シール
    ドとして機能させ、 上記第１カソードと上記第２カソードとの間にマグネト
    ロンプラズマを発生させることを特徴とするプラズマプ
    ロセス装置。
11. 【請求項１１】 上記下部分室内の上記第１シールドと
    上記処理対象との間に上記中性成分が通過可能であり上
    記第１カソードと上記第２カソードに比べ任意の電圧を
    印加できるグリッドを更に設けたことを特徴とする請求
    項１０記載のプラズマプロセス装置。
12. 【請求項１２】 上記反応室の上部は絶縁体の隔壁で複
    数の反応分室に分割されており、少なくとも上記第１カ
    ソード、上記第２カソードは上記複数の反応分室毎に設
    けられているとともに、上記複数の反応分室で機能する
    上記第１シールドは固定電源に電気的に接続されている
    ことを特徴とする請求項１０又は請求項１１記載のプラ
    ズマプロセス装置。
13. 【請求項１３】 上記処理対象に交流バイアスを印加し
    たことを特徴とする請求項１０及至１２のいずれかに記
    載のプラズマプロセス装置。
14. 【請求項１４】 上記保持手段は回転駆動機構に接続さ
    れており、上記処理対象は反応室内で回転することを特
    徴とする請求項１及至１３のいずれかに記載のプラズマ
    プロセス装置。