JP2797307B2 - プラズマプロセス装置 - Google Patents

プラズマプロセス装置

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JP2797307B2 JP63058592A JP5859288A JP2797307B2 JP 2797307 B2 JP2797307 B2 JP 2797307B2 JP 63058592 A JP63058592 A JP 63058592A JP 5859288 A JP5859288 A JP 5859288A JP 2797307 B2 JP2797307 B2 JP 2797307B2
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【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明はマイクロ波を用いた電子サイクロトロン共鳴
(Electron Cyclotron Resonance,ECR)励起により発生
させたプラズマを利用する高集積半導体素子等の製造装
置、例えばCVD(Chemical Vapor Deposition)装置、エ
ッチング装置、その他スパッタリング装置等として用い
られるプラズマプロセス装置に関する。
〔従来技術〕
マイクロ波を用いた電子サイクロトロン共鳴励起によ
りプラズマを発生させる装置は低ガス圧で活性度の高い
プラズマを生成でき、イオンエネルギの広範囲な選択が
可能であり、また大きなイオン電流がとれ、イオン流の
指向性、均一性に優れるなどの利点があり、高集積半導
体素子等の製造に欠かせないものとしてその研究,開発
が進められている。
第2図はCVD装置として構成した従来におけるマイク
ロ波を用いた電子サイクロトロン共鳴を利用するプラズ
マ装置の縦断面図であり、31はプラズマ生成室を示して
いる。プラズマ生成室31は周囲壁を2重構造にして冷却
水の通流路31aを備え、また一側壁中央には石英ガラス
板31bにて封止したマイクロ波導入口31cを、更に他側壁
中央には前記マイクロ波導入口31cと対向する位置に円
形のプラズマ引出窓31dを夫々備えている。前記マイク
ロ波導入口31cには他端を図示しない高周波発振器に接
続した導波管32の一端が接続され、またプラズマ引出窓
31dに臨ませて反応室33を配設し、更に周囲にはプラズ
マ生成室31及びこれに接続した導波管32の一端部にわた
ってこれらを囲繞する態様でこれらと同心状に励磁コイ
ル34を配設してある。
反応室33内にはウェーハ等の試料Sを装着する試料台
35が前記プラズマ引出窓31dと対向させて配設され、そ
の前面には円板形をなす試料Sがそのまま、又は静電吸
着等の手段にて着脱可能に装着されるようになってい
る。試料台35内には冷却用の冷却水通流路(図示せず)
が、また試料Sの装着位置には試料Sの静電吸着及び/
又はバイアス印加用電極35bが夫々埋設されており、通
流路には冷却水供給管35aが、また電極35bには直流電源
(図示せず)及び整合器37を介在させてRF(ラジオ周波
数)電源38が接続せしめられている。
前記試料台35の後面側に位置する反応室33の後壁には
図示しない排気装置に連なる排気口33aが開口されてい
る。31g.33gは原料ガス供給系、31h,31iは冷却水の供給
系,排水系である。
而してこのようなCVD装置にあっては、所要の真空度
に設定したプラズマ生成室31,反応室33内に原料ガス供
給系31gから原料ガスを供給し、励磁コイル34にて磁界
を形成しつつプラズマ生成室31内にマイクロ波を導入
し、プラズマ生成室31を空洞共振器として原料ガスを共
鳴励起し、プラズマを生成させ、生成させたプラズマを
励起コイル24にて形成される反応室33側に向かうに従い
磁束密度が低下する発散磁界によって反応室33内の試料
台35上の試料S周辺に投射せしめ、原料ガス供給系33g
から供給される原料ガスを分解し、試料S表面に成膜を
行うようになっている(特開昭57−133636号)。
ところで上述した如きプラズマプロセス装置では一般
に反応室33の周囲壁は電気的に接地電位に設定されてお
り、またその周囲壁は水にて冷却する構成が採られてい
るため、プラズマ流に高い指向性が与えられているもの
の反応室33内で成膜或いはエッチング処理を行ったとき
は試料台35表面及び反応室33の周壁内面各部にも副次反
応物の堆積が生じるのを避ける事ができない。
例えばSiH4とN2又はNH3のガスとを原料ガスに用いて
試料S表面に窒化ケイ素の膜を堆積させた場合、反応室
33の周壁内面には反応生成物である窒化ケイ素、或いは
余剰のSiH4の分解による粉末状のケイ素が堆積する。従
ってこのような成膜処理を反復してゆくと堆積層が厚く
なり、一定以上になると壁面から剥離し始め、反応室33
内に急激なガス流が生じると剥離が進行し、剥離した薄
片等が以後の成膜時に試料S面に付着し、欠陥を発生さ
せる原因となる。
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
きはCF4ガスから電離分解したフッ化炭素原子,CFnがフ
ォトレジストと結合し、有機樹脂膜が周壁内面に堆積
し、この堆積物が残留ガスの吸着,又は汚染の発生源と
なり、エッチングの再現性を低下させる等の欠点があっ
た。
この対策として従来にあっては試料台35表面に対して
はバイアス印加用として用いられるRF電源38にて高周波
電界を印加し、エッチングガスを投射せしめてエッチン
グ除去することが出来るが、反応室33の周壁内面に対し
ては一定の処理量毎に定期的に反応室33の周壁内面を機
械的手段によってクリーニングする方法、又は反応室33
の周壁内面に防着板を取り付けておき、これを交換する
と共にクリーニングする方法、更にはCF4,O2等のガス
プラズマによって反応室33の周壁内面又は防着板の付着
物をエッチング除去する方法等が試みられてきた。
〔発明が解決しようとする問題点〕
しかし単純にクリーニングする方法、又は防着板の交
換とクリーニングを併用する方法では付着物が極めて微
細な粒子状となるため、いずれも完全な付着物の除去は
難しく、しかも比較的長時間にわたって装置の稼動を停
止する必要があり、この間反応室33を大気中に曝すこと
となるため、再現性が悪化する等生産効率の向上を図る
うえでの大きな障害となっていた。
更にエッチング除去する方法は反応室自体が電気的に
接地されているために十分な効果が得られていないのが
現状である。
一方金属製の防着板の場合は、エネルギーをもつプラ
ズマイオンに照射されるとき、防着板自身もエッチング
され金属汚染を誘発することも考えられる。
本発明はかかる事情に鑑みなされたものであって、そ
の目的とすることろはガスプラズマ放電によるエッチン
グ作用を利用して試料室内の堆積物の除去を自動的に、
しかも効率的に行い得るようにしたプラズマプロセス装
置を提供するにある。
〔問題点を解決するための手段〕
本発明に係るプラズマプロセス装置は、電子サイクロ
トロン共鳴励起によりプラズマを発生させるプラズマ生
成室と、発生したプラズマを導入し試料に処理を施す試
料室とを備えたプラズマプロセス装置において、前記試
料室内にこれと電気的に絶縁され、該試料室の内周壁を
覆って配設される絶縁性材料で被覆された導電性保護壁
と、該導電性保護壁に対し、前記試料に処理を施す場合
は接地電位を、また導電性保護壁をクリーニングする場
合はプラズマを該導電性保護壁に導くべく他の電位を選
択的に印加させる手段とを備えることを特徴とする。
〔作用〕
本発明にあっては試料に対する処理を施す場合には、
接地電位とすることで成膜用プラズマ流への影響を抑制
出来、またクリーニングの場合には他の電位を印加する
ことで試料室内に導入されたプラズマ流を導電性保護壁
面に均一に投射せしめ得て周壁内面の堆積物をエッチン
グ除去する。
〔実施例〕
以下本発明をCVD装置として構成した実施例につき図
面に基づき具体的に説明する。第1図は本発明に係るプ
ラズマ装置(以下本発明装置という)の縦断面図であ
り、図中1はプラズマ生成室、2は導波管、3は試料S
に対し成膜を施す試料室たる反応室、4は励磁コイルを
示している。
プラズマ生成室1はステンレス鋼製であって、マイク
ロ波に対して空洞共振器を構成するよう形成されてお
り、また周囲壁を2重構造として水冷ジャケット1aを備
える中空円筒形をなし、一側壁中央には石英板1bで閉鎖
されたマイクロ波導入口1cを備え、また他側壁中央には
前記マイクロ波導入口1cと対向する位置にプラズマの引
出窓1dを備えている。前記マイクロ波導入口1cには導波
管2の一端部が接続され、またプラズマ引出窓1dにはこ
れに臨ませて反応室3が配設され、更に周囲にはプラズ
マ生成室1及びこれに連結された導波管2の一端部にわ
たってこれらと同心状に励磁コイル4が周設せしめられ
ている。
導波管2はその他端部は図示しない高周波発振器に接
続され、高周波発振器で発せられたマイクロ波をマイク
ロ波導入口1cを経てプラズマ生成室1内に導入するよう
にしてある。
励磁コイル4は図示しない直流電源に接続されてお
り、直流電流の通流によって、プラズマ生成室1内にマ
イクロ波の導入によりプラズマを生成し得るよう磁界を
形成すると共に、反応室3側に向けて磁束密度が低くな
る発散磁界を形成し、プラズマ生成室1内に生成された
プラズマを反応室3内に導入せしめるようになってい
る。
反応室3は中空の直方体形に形成され、プラズマ引出
窓1dと対向する側壁には図示しない排気装置に連なる排
気口3aを開口してあり、また反応室3の内部には前記プ
ラズマ引出窓1dと対向させて試料台5が配設され、この
試料台5の前面に前記プラズマ引出窓1dと対向させて試
料Sが着脱可能に装着されている。試料台5内には冷却
用の冷却水通流路及び試料Sに静電吸着および/又はバ
イアス印加するための電極5bが埋設されており、通流路
には冷却水供給管5aが、また電極5bには直流電源(図示
せず)及び整合器7を介在させてRF(ラジオ高周波)電
源8が接続されている。
そして反応室3の内側には試料台5の背面側の壁を除
く周囲壁の内面を覆うべくこれとの間に所要の間隙を隔
てて電気的に絶縁状態に維持して絶縁性材料で被覆され
た導電性の保護壁6,6が配設されている。保護壁6,6は例
えばステンレス鋼板等にて形成されており、少なくとも
試料に面する側は溶射法によって絶縁性材料である酸化
アルミニウムのセラミック層6a,6aが形成され、前記保
護壁6,6を被覆している。各保護壁6,6は切替スイッチSW
1,SW2、整合器9を介在させてRF電源10に接続されてい
る。
切替スイッチSW1,SW2はその切替片を夫々整合器9を
介してRF電源10に接続する位置と、接地する位置とに選
択的に切替え得るよう形成されており、成膜中は接地側
に、また壁面の堆積膜を除去するときはRF電源10側に接
続されるようになっている。
なお切替スイッチSW1,SW2は保護壁6,6に対し接地電
位と、他の負電位(RF電源10,高周波電源に接続した場
合もエッチングのためのプラズマが発生すると保護壁は
自動的に負電位となる:セルフバイアス)に設定される
場合を示したが、特にこれに限るものではなく、例えば
接地電位以外の複数の負電位に選択設定し得る構成とし
てもよい。
また電源としてはRF電源10にのみ限るものではなく、
例えば高周波電源又は直流電源でもよい。直流電源を用
いるときはその負極側を保護壁と接続する。
その他1g,3gはガス供給系、1h,1iは夫々冷却水の供給
系,排水系を示している。
而してこのような本発明装置にあっては反応室3内の
試料台5に試料Sを装着し、プラズマ生成室1,反応室3
内を所要の真空度に設定した後、ガス供給系1g,3gを通
じてプラズマ生成室1,反応室3内に原料ガスを供給し、
励磁コイル4に直流電流を通流すると共に、導波管2,マ
イクロ波導入口1cを通じてマイクロ波をプラズマ生成室
1内に導入する。プラズマ生成室1内に導入されたマイ
クロ波はプラズマ空洞共振器として機能するプラズマ生
成室1内で共振状態となり、原料ガスを分解し、共鳴励
起して、プラズマを生成せしめる。生成されたプラズマ
は励磁コイル4にて形成される発散磁界によって反応室
3内に導入され、RF電源8にて所定バイアスを印加維持
された試料S表面への成膜を行うようになっている。
なおこのときは試料室3の周囲壁は接地電位に、また
保護壁6,6は切替スイッチSW1,SW2によって同様に接地
電位に夫々設定しておく。
これにより反応室3内のプラズマによって保護壁6,6
が浮遊電位となって成膜イオン流に影響を与えるのを防
止し得る。
稼動時間が所定値に達すると、成膜作業を一時中止し
て各切替スイッチSW1,SW2を夫々接地側からRF電源10側
に切替え、またガス供給系1gからエッチング用の10%O2
添加CF4ガスを供給する。
試料室5についてもRF電源8にて所定の電位を印加す
る。これによって反応室3でプラズマが生成せしめられ
ると自動的に各保護壁6,6及び試料台5は負電位に設定
され(セルフバイアス)、プラズマ放電は四周に分散さ
れ、保護壁6,6及び試料台5表面に堆積した膜をエッチ
ング除去し、除去されたイオン,ガス等は排気口3aを通
じて排出される。
〔数値例〕
第1図に示す如き装置でガス供給系1gからN2ガスを10
SCCMの割合で、またガス供給系3gからSiH4を8SCCMの割
合で供給し、プラズマ生成室1,反応室3内の真空度を0.
7mTorr、マイクロ波パワーを200Wとして試料表面に窒化
ケイ素膜をのべ膜厚で約1μm堆積させたところ、保護
壁6,6の内面のセミラック層6a,6aには最大約0.4μmの
厚さに膜の付着がみられた。またこの時点でのウェハ上
での0.3μm以上のパーティクルの付着は10個/cm2であ
った。
次いで切替スイッチSW1,SW2を夫々高周波電源10側に
印加し、10%O2添加CF4ガスをプラズマ生成室1内に40S
CCMの割合で導入し、真空度を0.5mTorr、RFパワーを200
Wとしてプラズマを発生させエッチングを行った。この
直後でのパーティクルは1個/cm2以下となり、約10分
間のエッチングで付着膜が除去されたことが確認でき、
また保護壁6,6は被覆した酸化アルミニウムのセラミッ
ク層6a,6aの表面を露出させることができた。その結果
クリーニングに要する時間は従来の1/10に短縮し得た。
なお上述の実施例は本発明装置をCVD装置に適用した
構成を示したが、何らこれに限るものではなく、例えば
エッチング装置、スパッタリング装置等にも適用し得る
ことは勿論である。
〔効果〕
以上の如く本発明にあっては、試料室内にこれを覆う
態様でこれと電気的に絶縁状態を維持した絶縁性材料の
被覆をもつ導電性の保護壁を設け、接地電位と他の電位
とに選択的に設定し得るようにしたから、金属汚染を防
止し得ることは勿論、試料に対する処理を施す場合には
接地電位を印加することで成膜用のプラズマ流に対する
影響を抑制出来、またクリーニングを行う場合には、他
の電位を印加することでプラズマを四周に効率的に分散
出来て、試料室の浄化工程を自動的に、しかも高真空を
維持した状態で効果的に短時間で行うことが出来て生産
効率が高いなど本発明は優れた効果を奏するものであ
る。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明装置の縦断面図、第2図は従来装置の縦
断面図である。 1…プラズマ生成室、2…導波管、3…反応室、4…励
磁コイル、5…試料台、6…保護壁、6a…セラミック
層、7…整合器、8…RF電源、9…整合器、10…RF電
源、S…試料、SW1,SW2…切替スイッチ

Claims (1)

    (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によりプラズ
    マを発生させるプラズマ生成室と、発生したプラズマを
    導入し試料に処理を施す試料室とを備えたプラズマプロ
    セス装置において、 前記試料室内にこれと電気的に絶縁され、該試料室の内
    周壁を覆って配設される絶縁性材料で被覆された導電性
    保護壁と、該導電性保護壁に対し、前記試料に処理を施
    す場合は接地電位を、また導電性保護壁をクリーニング
    する場合はプラズマを該導電性保護壁に導くべく他の電
    位を選択的に印加させる手段とを備えることを特徴とす
    るプラズマプロセス装置。
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