JP2886978B2 - 電子サイクロトロン共鳴プラズマ源及び操作方法 - Google Patents

電子サイクロトロン共鳴プラズマ源及び操作方法

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Description

【発明の詳細な説明】 発明の分野 本発明は、プラズマ流の発生のための電子サイクロト
ロン共鳴加熱を使用する方法及び装置に関するもので、
特に、陰イオン源又は例えば、プラズマ流により行う化
学的蒸着及びエッチングを含む用途によりウェハ等の標
本を処理するのに使用するプラズマ源を使用する方法及
び装置に関するものである。
発明の背景 本発明は、プラズマ内に種々の所望の特性をもたらす
よう電子サイクロトロン共鳴加熱によりコールドプラズ
マを発生させることを意図している。従って、本発明及
び関連の従来技術は、ガスの集中化により生ずるコール
ドプラズマにおけるプラズマ密度、電子温度、及び中性
ガス圧の安定状態値に影響する条件が、３個の結合する
種即ち、電子、イオン及びガス原子の各々の粒子及びパ
ワーバランスによって決定されるという規準に基づく。
完全移送モデルを理想化したポイントモデル近似化に
おいてさえも、すべてのこのようなシステムに見られる
基本プラズマパラメータの相互関連値が、大容量の均一
プラズマをうまく得るのが困難な主要な障害のうちのい
くつかを示すキー要因をなす。大容量の均一プラズマ
は、加速器のための陰イオン源を含む幅広い多種多様の
用途及び特に以下に詳細に説明するプラズマ支援半導体
処理の用途に有益であり、重要である。
上述のタイプの根本的な問題は、以下に従来技術につ
き説明する。いずれにせよ、従来技術の説明及び本発明
の特に従来技術との比較に基づく説明は、上述の問題又
は障害を克服する本発明方法及び装置の新規性を説明す
ることを意図するものである。
上述の半導体処理の用途においては、電子サイクロト
ロン共鳴（ECR）加熱により生ずるプラズマ源は、例え
ば、VLSI薄膜の堆積及びエッチングにおける作成又は展
開技術をなすものである。このような用途は、サブミク
ロンオーダーの寸法の獲得能力、実質的な処理速度、及
びウェハなどの大きい標本の均一な処理能力に必要な他
の処理技術にも適用できる。これら技術の一般的な特性
は当業者にとってはよく理解されており、詳細に説明す
る必要はないであろう。
上述のように、本発明によるECRプラズマ源は蒸着又
はエッチング用途に使用することを意図するものである
が、これら用途の一般的なパメラータは本発明の一部を
なすものではない。このような用途を、本発明をよりよ
く理解するのを助けるために以下に簡単に説明する。
いずれにせよ、本発明によるECRプラズマ源及び以下
に説明する従来の技術は、化学的に活性なプラズマを好
適には、極めて低いガス圧で発生させるのに磁界及びマ
イクロ波パワーを使用する。低圧動作は、処理しようと
する標本よりも相当大きい横方向寸法にわたり均一な低
温イオンの単一指向性の高い又は異方性の高い流れを形
成するのに好ましい。
VLSI薄膜のプラズマ支援化学的蒸着又は反応イオンエ
ッチング用に設計したECRプラズマ源においては、反応
ガスを抽気室に導入し、この抽気室は安定磁界内に配置
しかつ電極放射線に曝す。放射線の周波数f1は、安定磁
界の共鳴相互反応領域と称する領域において電子サイク
ロトロン周波数に共鳴するよう選択する。共鳴条件は、
この領域B1の安定磁界の強度に、ｆ＝eB/2πｍの条件の
下に関連する。但し、ｅ及びｍはそれぞれ電荷の大きさ
及び電子の質量である。
共鳴相互作用領域における電子は電磁放射線から運動
エネルギを得ており、放射線パワー及びガス圧が最適に
調整されれば、加熱された電子は反応ガス分子をイオン
化し、プラズマを発生する。プラズマイオン及び電子
は、共鳴相互作用領域から流出し、イオンを使用して既
存の薄膜に新しい材料を堆積させたり、エッチングした
りしようとするVLSI薄膜に照射させる。プラズマ密度が
充分高い場合、堆積又はエッチングの速度は迅速にな
り、またイオン及び電子のエネルギが充分低い場合、処
理すべき標本への損傷を防止することができる。サブミ
クロンのスケールのエッチングを行うためには、イオン
の軌跡が高い指向性を有することが必要である。このこ
とは、充分低いガス圧で動作することにより可能とな
る。これにより散乱のためのイオン平均自由経路が標本
への距離よりも大きくなる。
営利目的で標本を処理するためには、ECR源からプラ
ズマ流は15〜20cmよりも大きい横方向寸法にわたり均一
であることが必要である。上述のように本発明は、低圧
中性ガス混合物におけるイオン及び電子の高密度の低温
プラズマの大きく均一な流れに対する要求を満たすもの
である。
従来の技術において、ECRプラズマ源の一つとして
「住友」製のプラズマ源がある。この住友製プラズマ源
は例えば、米国特許第4,401,054号（1983年８月30日発
行）に記載のプラズマ堆積装置により示されており、更
に、IISIATの第10界シンポジュウム（1986年、東京）の
議事録の第471頁において、S.Matsuo氏、M.Kiuchi氏、
及びT.Ono氏によって説明されおり、またJ.Vac.sci.Tec
hnol.（B4,696,1986年）にT.Ono氏、M.Oda氏、C.Takaha
shi氏、及びS.Matsuo氏によって説明されている。
この米国特許の装置においては、プラズマ流は、磁気
力線に沿ってサブストレート又は標本に向かって流れ込
む。従って、コールドプラズマ密度において所望の空間
的一様性を得るのは極めて困難である。更に、共鳴相互
作用領域（磁気強度が上述の共鳴条件を満足する表面に
よって区切られる又は限定される領域）で加熱される電
子はこのような磁気力線に沿って標本に直接流れ込むた
め、標本に損傷を与えるような高エネルギ電子の不安定
なバーストを回避するよう適用するマイクロ波パワーを
制限する必要がある。
関連の従来技術としては、1985年１月８日増尾氏等に
発行された「プラズマ堆積方法及び装置（Plasms Depos
ition Method and Apparatus）」の名称の米国特許第4,
492,620号、及び1986年１月21日増尾氏等に発行された
「半導体装置及びその製造プロセス（Semiconductor De
vice and Manufacturing）」の名称の米国特許第4,564,
997号に記載のものがある。
これら３個の特許は日本電信電話公社に譲渡された。
同一の譲渡人に発行された他の関連の参考資料として
は、1984年５月22日に小野氏等に発行された「イオンシ
ャワー装置（Ion Shower Apparatsu）」の名称の米国特
許第4,450,031号、1984年３月12日に中山氏等に発行さ
れた「化学的蒸着装置（Chemical Vapor Deposition Ap
paratsu）」の名称の米国特許第4,503,807号、1986年１
月28日に逸身氏等に発行された「半導体集積回路のため
の製造プロセス（Manufacturing Process for Semicond
uctor Integrated Circuits）」の名称の米国特許第4,5
66,940号がある。
フランスで開発された（極めて異なる基本的な性質
の）他のプラズマ源の設計のものは、1985年８月13日に
アーナル（Arnal）氏等に発行された「高密度及び低電
子温度の均一大容量プラズマ発生方法及び装置（Proces
s and Device for Producing a Homogeneous Large−Vo
lume Plasma of High Density and of Low Electronic
Temperature）」の名称の米国特許第4,534,842号があ
る。この特許の方法及び装置においては、プラズマは大
容量の自由磁界に蓄積され、空間的均一性を高める。し
かし、ECR加熱領域は小さい容積に集中してプラズマ発
生効率及び中性ガス濃度に対するイオン濃度の比を制限
する。
更に、高エネルギを有する帯電粒子は、標本に向かう
プラズマ流を減少する磁気バリアによって標本に衝突す
るのを阻止される。
イオン源の種々のコンセプトを開示する関連の参考資
料としては、1971年３月23日に発行された米国特許第3,
571,734号、1973年11月20日に発行された米国特許第3,7
74,001号、1974年２月５日に発行された米国特許第3,79
0,787号、1983年11月22日に発行された米国特許第4,41
7,178号、1987年１月20日に発行された米国特許第4,63
8,216号がある。
イオン源の種々の設計として開示された更に他の参考
資料としては、1970年３月10日に発行された米国特許第
3,500,077号、1971年６月１日に発行された米国特許第
3,582,849号、1972年５月２日に発行された米国特許第
3,660,715号、1972年５月16日に発行された米国特許第
3,6663,360号、1973年６月26日に発行された米国特許第
3,742,219号がある。
上述の参考資料のすべて並びにこれら特許に引例とし
て上げられた資料は、ECRプラズマ源及びその用途の背
景をよりよく理解してもらうために本明細書中に記載し
たものである。
従って、上述のように種々の用途に有用であり、単一
指向性又は異方性のあるプラズマ流又はフラックスを確
実に発生するため、特に低圧中性ガス混合物において高
密度なイオン及び電子を有する低温プラズマ大容量・均
一なて流れを発生することができるECRプラズマ源に対
する要求は依然としてあることがわかっている。
発明の要約 本発明の目的は、上述のタイプの１個又はそれ以上の
問題点を克服し、また１個又はそれ以上の利点を得るこ
とができる電子サイクロトロン共鳴加熱によるプラズマ
発生方法及び装置を得るにある。
更に、本発明の他の目的は、化学的蒸着及びエッチン
グのような用途又は陰イオン源のような他の用途に電子
サイクロトロン共鳴加熱によりプラズマを発生する方法
及び装置を得るにあり、プラズマ源室を長手方向軸線を
有する対称的なシリンダとして形成し、室の一方の軸線
方向端部に出口とガス状媒体を室に導入する手段を設け
る。磁界形成磁石は、室の周りに周方向に配列し、室の
周りに連続した磁気力線を環状に形成しまた室内に共鳴
相互作用エンベロープを形成する。この組み合わせにお
いて、マイクロ波パワーを、室の長手方向軸線に直交す
る放射軸線に沿ってプラズマ形成室内に半径方向に放射
し、プラズマ源との相互作用によりエネルギを与えられ
るプラズマ電子が出口に向かって見通し線に沿って伝搬
しないようにする。
更に、マイクロ波パワーは、生ずる高エネルギ電子が
磁気力線に重複衝突し、周方向に配列した磁石により形
成した環状磁気ミラー領域で歳差運動するよう選択した
条件で室に放射する。磁気ミラー形態の帯電粒子の歳差
運動は、1961年ジョニー ウィリー アンド サンズ
（Johon Wiley ＆ Sons）社発行のデビッド ジェイ
ローズ（David J.Rose）及びメルビィル クラーク ジ
ュニア（Melville Clark,Jr.）共著の書籍「プラズマ及
び制御分裂（Plasmas and Controlled Fission）」に記
載されている。この形態により高エネルギ電子がガス原
子に衝突する可能性を高め、この結果プラズマ形成室内
で低ガス圧でもプラズマ密度を大幅に増大することがで
きる。
以下に詳細に説明するようにプラズマ流に単一指向性
又は異方性を確実に得るためには、プラズマ形成室内の
ガス圧は、例えば、約10-5トル（Torr）以下〜約10-4ト
ル（Torr）以上の低レベルで維持するのが好ましい。
大きな横方向寸法にわたりプラズマを均一に形成する
ためには、上述のように形成したプラズマ室内で磁界自
由領域は、プラズマ形成室と出口との間に形成するよう
にすると好適である。
化学的蒸着堆積又はエッチングのために使用するプラ
ズマ源では、標本の表面全体にわたり均一な処理を施す
には、コーティング又はエッチングする標本を出口に連
通するよう配置し、高い均一性のプラズマを含む大きな
横方向寸法を標本よりも大きくなるようにする。
このようにして、本発明方法及び装置によれば、従来
技術で得られるよりも相当大きいイオン流又は電流密度
を伴って相当高いプラズマ密度を有するプラズマ流を発
生することがわかった。同時に、プラズマ流のためのプ
ラズマ分布の一様性は上述の磁界自由領域内で得ること
ができる。更に、上述のサブミクロンのオーダーの寸法
を得るため又は他の所望の用途に適用しやすくするため
には、低ガス圧をプラズマ源室内で維持しても、単一指
向性又は異方性プラズマ特性をプラズマ流内に維持す
る。
上述の組み合わせにより、マイクロ波源には、室内で
より一層対称的でありかつ均一なマイクロ波パワーを発
生するため、室の周りに周方向に配置した溝孔付きウェ
ーブガイドを設けると好適である。更に、マイクロ波源
は、共鳴相互作用領域におけるよりも大きい磁気強度の
領域に配置し、電子プラズマ周波数が電子サイクロトロ
ン周波数よりも相当高くなる高いプラズマ密度を形成す
ることができるようにし、この条件は「過密度作動」と
一般的に称される。
本発明方法及び装置に使用する他の特徴としては、室
の出口に発生するプラズマ流の種々の特性を高める点で
ある。
例えば、マイクロ波源は周方向の磁界形成磁石手段に
関連して配置し、生ずる高エネルギ電子の大部分が、対
称的な室の周りに連続的に存在する環状磁気ミラー領域
内で歳差運動するようにする。このようにして、マイク
ロ波源との相互作用により生ずる高エネルギ電子のエネ
ルギは、歳差運動する電子とガス原子との相互作用によ
りプラズマに効率よく変換され、室内に比較的低いガス
圧でもプラズマ密度を最大にする。
環状不純物除去窪みを周方向に配列した磁石手段に隣
接して形成し、環状ミラー領域から漏れる高エネルギ電
子を収容するようにすると好適である。高エネルギ電子
が室に逆流するのを防止する他の手段を不純物除去窪み
に関連して設けると好適である。例えば、窪みに誘電及
び／又は低温表面を設け、窪みの壁から不純物が散乱す
るのを減少したり、高エネルギ電子をイオンに再結合さ
せたり、低温表面に付着させたりする。この結果生ずる
ガスは、例えば不純物除去窪みに連通する真空ポンプに
より室に逆流しないように不純物除去窪みから除去す
る。
不純物除去窪みに関連して周方向磁石手段には、前記
周方向磁界形成磁石手段には、この周方向磁界形成磁石
手段の周りに磁気力線を密集させ、環状磁気ミラー領域
から高エネルギ電子が漏れるのを減少し、また室の所定
部分特に、磁界自由領域などの領域に磁気力線がランダ
ムに進入するのを減少する手段を設けるとよい。
本発明方法及び装置によれば、10ミリアンペア／平方
センチメートル（10mA/cm2）より相当高い、更に、特
に、少なくとも約100ミリアンペア／平方センチメート
ル（100mA/cm2）の電流密度のプラズマ流を発生するこ
とができる。これにくらべると、従来技術のプラズマ源
は、高々10ミリアンペア／平方センチメートル（10mA/c
m2）の電流密度のプラズマ流しか発生することができな
い。例えば、上述の米国特許第4,401,054号に記載の住
友製のプラズマ源は、約９ミリアンペア／平方センチメ
ートルのプラズマ流しか発生することができない。この
値は従来技術の代表的なものである。
更に、均一プラズマ密度を強調する従来技術では、相
当低いイオン流しか得られない。本発明によれば、高い
イオン流又は電流密度のプラズマ流を発生するばかりで
なく、同時にプラズマ密度の均一性が高いプラズマ流を
発生することができる。即ち、上述の磁界自由領域と、
少なくとも室内を低いガス圧に維持するとき単一指向性
又は異方性が得られるためである。
低いガス圧でも高い電流密度を発生することができる
能力は、本発明によれば、対称的な円筒形室の周りに高
エネルギ電子が歳差運動することにより効率よく得ら
れ、歳差運動する電子とガス原子との相互作用によりマ
イクロ波パワーをコールドプラズマに変換するのを促進
する。
本発明の他の目的及び利点を添付図面につき説明す
る。
図面の簡単な説明 第１図は、本発明により構成し、特に例えば、VLSIウ
ェハ等の標本に化学的蒸着又はエッチングを施すのに適
用するプラズマ形成室の断面ラインは分かりやすくする
ため省略した軸線方向の線図的縦断面図、 第２図は、本発明によるプラズマ形成装置の他の実施
例としての陰イオン源の第１図と同様の線図的縦断面
図、 第３図は、「大容量・高密度プラズマの均一性に影響
する下流域ECRコールドプラズマ源の特徴（Aspects of
Downstream ECR Cold−Plasma Sources Affecting the
Umiformity of Large−Volume,High−Density Plasm
a）」に関連して第４及び第５図にとともに参照して説
明するアルゴンガスの励起及びイオン化のための反応速
度定数の３個の基本関数のグラフ、 第４図は、２個の特性室長さの値を示すアルゴンガス
密度と電子んどとの関係を示すグラフ、 第５図は、異なる動作パラメータの下でのマイクロ波
パワー密度と電子密度との関係を示すグラフである。
好適な実施例の説明 以下の説明は、（ａ）本発明によるプラズマ形成装置
及び使用方法の詳細な説明及び（ｂ）本発明の理解を高
める理論的部分とを含む２個のセクションに分割され
る。この理論的部分は、「理論的背景の考察」と「大容
量・高密度の均一プラズマ発生に影響する下流域ECP.コ
ールドプラズマ源の若干の理論的局面」と称する２個の
セクションを含む。
これら説明の全ては、本発明の種々の利点を明らかに
するものと信ずる。特に、最後の理論的セクションは、
従来技術の代表的プラズマ源即ち、上述の住友製のプラ
ズマ源に対する本発明の利点を明確にするものである。
第１図につき説明すると、本発明による新規な電子サ
イクロトロン共鳴プラズマ10は、少なくともプラズマ源
又はプラズマ室において低い背景（background）ガス圧
を維持するとき、均一で低温のプラズマの大直径又は大
断面積の流れ（ストリーム）を形成又は発生することを
意図する。
プラズマ源10は、以下に詳細に説明するように長手方
向軸線14の周りに対称的なシリンダとするのが好適な室
又はエンクロージャ12を有する。
中性の反応ガス混合物を、従来のようにガス源16から
室12に導入する。
室12には、更に、高速真空ポンプ18を設け、好適に
は、約10-5〜10-4トル（Torr）の動作範囲の低背景ガス
圧に室内を維持する。好適な低圧背景ガスを導入する目
的は以下に詳細に説明する。
対称的な磁気力線は室12内に複数個の円筒形に配列し
た永久磁石の列20により形成する。特に、２個の円筒形
磁石組立体22、24をプラズマ形成部分26の周縁の周りに
配列し、円筒形ローブとしての形態の磁気力線を発生す
る。
円筒形磁気組立体22に対して３個のローブ状の磁気力
線を参照符号28、30、32で示す。他の円筒形磁気組立体
24に対しては同様のローブ状の磁気力線34、36、38によ
り示す。
磁石組立体22、24は円筒形とし、室12の周縁の周りに
ほぼ対称的にし、ローブ状の磁気力線の各隣接対28、30
及び34、36が環状の磁気ミラー領域40、42を形成するよ
うにしたことは重要なことである。これら領域はクロス
ハッチングで示し、磁気ミラー領域40、42の位置を強調
する。
マイクロ波源44は、室のプラズマ形成部分26に隣接す
る磁石列22、24間に配置する。好適には、マイクロ波源
44に溝孔付きウェーブガイド46を設け、このウェーブガ
イド46からマイクロ波パワーを室のプラズマ形成部分26
に導入する。いずれにせよ、マイクロ波パワーは、室軸
線14に直交する矢印48で示す多重投射軸線に沿って導入
する。
溝孔付きのウェーブガイド46は、マイクロ波パワーを
室の全周にわたり均一に導入させることができる。更
に、室が対称的な構造をしているため、放射軸線48は全
て長手方向軸線14に対して半径方向に指向する。更に、
磁気強度は溝孔付きウェーブガイドの位置での局部最大
値から共鳴値まで減少し、上述のように過密度動作を可
能にする。
マイクロ波源44と円筒形磁石組立体22、24の相互作用
を詳細に説明する前に、出口50を室12の一方の軸線方向
端部に形成することについて言及する。室12の他方の軸
線方向端部は壁52と追加の永久磁石列54により閉鎖す
る。この追加永久磁石列54は室のプラズマ形成部分26内
に磁界を発生する補助を行う。更に、追加の磁石列54は
端部壁52の磁気絶縁を形成する。同様の磁気絶縁機能は
円筒形磁石列20、特に円筒形磁石組立体22、24によって
も行われる。
上述のようにマイクロ波源44を配列したため、マイク
ロ波パワーと室内の既存背景プラズマとの相互作用によ
り生ずる高エネルギ電子が標本56に直接見通し線を経て
伝導するのを防止する。マイクロ波パワーにより生ずる
高エネルギ電子は、２個のクラスに分けて考慮する。高
エネルギ電子の第１クラスは、プラズマ形成室部分26の
中心領域に進入して磁気力線28〜30に衝突する。傾向を
有するものである。この第１クラスの高エネルギ電子
は、中性ガス原子に反応又は衝突し、コールドプラズマ
の密度増加を減少するまでプラズマ形成室部分26ないで
横方向に進退する傾向を有する。
高エネルギ電子の第２のクラスは、２個の円筒形磁石
組立体22、24に隣接しこれら組立体の中間に配置するマ
イクロ波源44の構成に基づく。高エネルギ電子のこの第
２クラスは磁気ミラー領域40、42内に捕捉される。
磁気ミラー領域の環状又は連続性のため、いわゆる第
２クラスの高エネルギ電子は、磁気ミラー領域により形
成される環状経路の周りに連続的に「プレセッション
（歳差運動）」と称するプロセスで移動する。いずれに
せよ、環状又は連続磁気ミラー領域の周りの高エネルギ
電子プレセッシングにより、中性ガス原子に衝突するま
でこの領域内にとどまり、衝突した時点でプラズマ形成
室部分26内のコールドプラズマの密度を増加させる補助
を行う。
いずれにせよ、円筒形室12の対称形状並びに円筒形磁
石組立体22、24とマイクロ波源44との相互作用構成によ
り、極めて効率よくマイクロ波パワーをコールドプラズ
マに変換するとともに、上述のように標本56に高エネル
ギ電子が見通し線伝導するのを防止する。
第１図のプラズマ源10は化学的蒸着又は例えば、ウェ
ハ56のエッチングに使用するのに適用し、ウェハ56は出
口50に連通するホルダ58上に配置する。同時に、室12内
のプラズマ形成室部分26と出口50との中間に磁界自由領
域60を形成する。更に、絶縁磁石62を自覚自由領域60の
周縁の周りに配置し、領域60内のプラズマが室の隣接壁
部分に衝突するのを防止する。
普通の電子サイクロトロン共鳴加熱方法では、マイク
ロ波源44及び磁石は、連続面64として示すような共鳴相
互作用領域を発生する。第１図に示すように、共鳴加熱
領域64はほぼプラズマ形成室部分26に突入するととも
に、磁界自由領域の壁に密接する。共鳴領域64を通過す
る高エネルギ電子のエネルギは増幅されること勿論であ
る。
一般的に、上述の高エネルギ電子の第１にクラスのも
のは、一度領域64を通過してから上述のようにガス原子
との相互作用を行うまでプラズマ形成室26の中心部分に
留まる。
磁気ミラー領域で歳差運動する第２のクラスの高エネ
ルギ電子は、大幅に増幅されたエネルギレベルを有す
る。即ち、このクラスの高エネルギ電子は、室の周縁の
周りに歳差運動しながら共鳴領域64を何度も通過するこ
とができるためである。このため、磁石は、共鳴加熱エ
ンプロープ64はが磁気ミラー領域40、42と相互作用して
高エネルギ電子のための増幅エネルギレベルを得るよう
設計する。
若干の高エネルギ電子は磁気ミラー領域40、42から室
12の円筒形壁に向かって漏れる即ち「リーク」する傾向
があるため、環状の不純物除去窪み66、68を円筒形磁石
組立体22、24に隣接して形成する。このようにして、磁
気ミラー領域40、42からリークしようとするいかなる高
エネルギ電子及びこれに付随するイオンも窪み66、68に
進入する。窪み66、68内の壁表面は、好適には、適当な
誘電材料から形成して壁材料のスパッタリングを最小に
するようにする。
本発明は、更に、窪み66、68において又は連通して窪
み66、68内の高エネルギ電子又は不純物がプラズマ形成
室部分26に進入するのを防止する手段を設けることを意
図する。例えば、極低温表面72を窪みに形成し、この領
域の高エネルギ電子及び不純物を除去するようにする。
この目的のために代案として、窪み66、68に連通する高
真空源（図示せず）を設けることもできる。
窪み66、68内の高エネルギ電子を除去することの他
に、円筒形磁石組立体22、24により、磁気力線を磁石組
立体の周りにより密集させて漏れを最小にする形態にす
ると好適である。この目的のため、円筒形磁石組立体2
2、24の各々には、ほぼプラズマ形成室部分26に対向す
る円筒形の基本磁石74、76を設ける。追加の磁石対78、
80及び82、84を、矢印で示す磁極線が対角線方向に指向
するようにして基本磁石の背部に設け、磁気力線が第１
図に示すような磁石組立体の周りに密集するよう引き寄
せる。
同時に円筒形磁石組立体22、24は、磁気力線が磁界自
由領域に突入するのを防止し、磁界自由領域の機能を良
好に果たすようにする。
プラズマ源10の動作モードは、上述の説明から当業者
にとっては明らかであろう。しかし、本発明を完全に理
解するために動作方法を簡単に説明する。
第１図につき動作を説明すると、まず高エネルギ電子
はマイクロ波源44からのマイクロ波パワーと室のプラズ
マ形成部分26に初期的に存在する背景プラズマとの相互
作用により形成される。これにより２種類のクラスの高
エネルギ電子が上述のようにして形成され、双方のクラ
スの高エネルギ電子は、出口50に直接見通し線に沿って
伝導するのを阻止される。
円筒形室12、磁石及びマイクロ波源の特別な設計によ
って、コールドプラズマの密度を増加するよう高エネル
ギ電子変換を高効率で行う。更に、室に低圧を維持して
プラズマを一方向性又は上述のように異方性にする。コ
ールドプラズマは、プラズマ形成室部分26から出口50に
向かって流れるため、磁界自由領域60を通過する。この
領域においては、磁気力線が存在しないため、コールド
プラズマは出口50に接近するにつれて極めて均一な密度
になる。このように、プラズマは磁界自由領域60から出
口50に向かって流れるとき、高い電流密度という特性だ
けでなく、均一なプラズマ密度及び単一方向性又は異方
性の特性があり、標本56に対する化学的蒸着又はエッチ
ングの実施を大幅に向上する。
これらプロセスを実施するには、追加の活性ガスを最
初から不活性ガスと一緒に又は順次に、好適には、磁界
自由領域に導入し、プラズマがこれらの用途の通常の機
能を行えるようにすること勿論である。
本発明による電子サイクロトロン共鳴加熱によりプラ
ズマを発生又は形成する方法及び装置は他の用途にも有
用である。第２図に示すように、本発明のプラズマ源
は、陰イオン源として使用するものを説明する。第２図
につき説明すると、プラズマ源内の全ての構成部材は、
上述の第１図のプラズマ源の構成部材と同様である。従
って、第２図のプラズマ源10′の構成部材のすべては第
１図のプラズマ源の対応構成部材の参照符号にダッシュ
を付して示す。
しかし、第２図のプラズマ源10′においては、標本ホ
ルダ58の代わりに磁気グリッド86を使用する。プラズマ
源10′及び円筒形室12′は上述のように機能して磁界自
由領域60′で大きな断面積を有する高電流密度、均一で
単一方向のプラズマ流を発生し、このプラズマ流は磁気
グリッド86を通過する。
本発明のプラズマ源における運用の実施例及び方法は
上述した通りである。上述のように本発明の特徴は、以
下の理論的説明で強調する。しかし、この説明は単に説
明のためのものであり、本発明を限定するものではな
い。
理論的背景の考察 電子の熱的速度はイオンの熱的速度よりも相当高いた
め、また、プラズマはプラズマ容積全体にわたり電気的
に中性でなければならないため、同時二極性電界は自然
的に発生し、電子流を減少しまた標本56に向かうイオン
流を促進する。双方のクラスの正味の軸線方向同時二極
流の速度は、イオンの音響速度Csに等しいと予想され、
次式で表される。
対応のイオン流はΓi＝niCsであり、対応のイオン流
密度はji＝eiとなる。プラズマ源が適度な処理速度であ
るならば、標本に対して0.01A/cm2を越える等価のイオ
ン電流密度を生じなければならない。プラズマ電子温度
は、約4eVであり、プラズマイオン密度が２×1012イオ
ン／cm3である場合、等価のイオン電流密度は0.1A/cmを
越えると予想される。
本発明の大きな利点は、共鳴相互作用領域でのプラズ
マ形成が、カットオフ値よりも相当大きい密度ncで得ら
れる点であり、但し、 nc＝Ｍεｏ（２πf/e）2 であり、ε0は自由空間の誘電率である。過密度プラズ
マの形成及び維持は、高周波数電磁界を、より高い磁気
強度の領域から伝搬する電子サイクロトロン波に結合す
る新規な方法により可能となる。ホイッスラーは、標本
に交差しない磁気力線に沿って伝搬し、たとえ極めて他
界マイクロ波パワーであっても、波によって加速される
電子が標本に直接流れ込むのを防止する。この特徴の重
要性は、プラズマの密度を制御する要因を考慮すること
によって実現することができる。
次のセクションで、プラズマ平衡の簡素化したポイン
トモデルにより、中心室に直接流入するクラスの電子の
プラズマ密度、温度、中性ガス圧及び適用したマイクロ
波パワーの主要な従属関係を説明する。しかし、このモ
デルの磁気的に閉塞した電子に対して最も隣接する局面
のいくつかを以下に考慮する。
高エネルギ電子の発生速度eは、マイクロ波パワー
密度μにより影響される。即ちe ＝μ／ωe 但し、ωeは電子の平均エネルギである。この結果生
ずる高エネルギ電子の密度neは、平均寿命τeにより欠
点される。即ち、 ne＝eτe＝μτe／ωe となる。磁気ミラー効果により閉塞される高エネルギ電
子の寿命は、ほぼ次式により与えられる。即ち、 τe≒3.5×104ωe 3/2(neλ/10)-1sec eV-3/2cm-3 但し、λは λ＝24−1n（ne 1/2Te -1） で与えられるクーロン対数である。
高エネルギ電子の密度は、マイクロ波パワー及び次式
による平均電子エネルギにより決定される。即ち、 例えば、μ≒１ω／cm-3であり、ωe＝10eVであ
り、λ/10≒1.5のとき ne≒1.2×1012cm-3 となる。更に、平均電子エネルギが100eVに近い値であ
る場合、高エネルギ電子密度はマイクロ波パワー密度の
平方根として増加する。本発明に使用するこの新規なマ
イクロ波結合の着想によれば、標本に照射してウェハに
損傷を与える高エネルギ電子の不安定なバーストを生ず
ることなく極めて高いマイクロ波パワー密度を使用する
ことができる。
高エネルギ電子は二次イオン−電子対をiの速度で
生じ、この速度は次式で与えられる。即ち、i ＝nenc＜σVe＞i 但し、noは中性ガスの密度であり、＜σVe＞は高エネ
ルギ電子の分布にわたり平均した電子衝撃イオン化速度
定数である。例えば、アルゴンガスに対してはこの反応
速度定数は、約100eVの電子温度に対して最大値を有
し、２×10-7cm3/secとなる。τiを室におけるイオンの
平均残留時間であるとすると、イオン密度niは次式で与
えられる。即ち、 ni＝iτi＝nenc＜σVe＞iτi； τiは大まかにL/Csとして見積もられる。ただし、Ｌ
は室の軸線方向の長さであり、Csはイオンの音響速度で
ある。
対応のイオン流は次式で与えられる。即ち、 ri＝niCs＝nenoL＜σVe＞i 指向性の高いイオン流を得るためには、積noLはイオ
ン散乱断面積σscattで設定される臨界レベル以下に留
まるよう制限される。即ち、 イオン流の上限は、次式により与えられる。即ち、 アルゴンの場合、σscatt≒10-14cm2のとき、 であり、次式の等価電流密度に対応する。即ち、 但し、μ3W/cm3はマイクロ波パワー密度（Watts/cm
3）である。
本発明の理解は従来技術特に上述の住友製のマイクロ
波源と対比した本発明の動作機能の理論的比較により更
に容易になるであろう。
均一大容量・高密度プラズマに影響する下流域ECRコー
ルドプラズマ源の概要 下流域ECRコールドプラズマ源例えば、住友製のプラ
ズマ源の特性に影響する基礎的な関係のいくつかを以下
に説明する。粒子及びパワーバランスの条件を考慮する
ことにより高い空間的一様性を有する高密度プラズマの
大容量を発生するこの方法が２個の大きな障害に突き当
たることが明らかになるであろう。簡単に述べると、こ
れら障害は、電子サイクロトロン加熱に使用されるプラ
ズマ及びマイクロ波放射線に供給する中性ガス濃度が放
出断面にわたり均一でなければならないという条件であ
る。局部的な粒子及びパワーパランスの等式は、中性ガ
ス濃度、マイクロ波パワー、電子（及びイオン）密度及
び電子温度との間の関係を成立させるのに適用される。
分析は以下のようにして行われる。
（１）プラズマパラメータは任意の磁気力線条件を特徴
付けるものと想定され、この場合、磁界に平行な電子及
びイオンの自由運動により迅速な平均化が達成される。
（２）イオン−電子対が発生する速度は、周囲の中性ガ
ス濃度no、局部的電子密度ne及び平均イオン化速度定数
＜σVe＞により影響され、この平均イオン化速度定数
は、考慮するガスのタイプ及び局部的電子温度Te及び対
応のパワー（１立方センチメートル当たり）μiに依
存する。
（３）ガス原子の励起は、パワーの放射損失につなが
り、この放射損失は平均励起速度定数＜σVe＞xを使用
してno、neから見積もることができ、この平均励起速度
定数＜σVe＞xは、やはりガスのタイプ及び電子温度に
依存するものである。
（４）帯電粒子及びこの帯電粒子に関連する運動エネル
ギは、磁気力線に沿ったイオン音響速度Csでの同時二極
流によりプラズマ源領域から損失すると想定れれる。
（５）以下に示すように、イオン−電子対の発生速度が
同時二極損失速度とが拮抗（バランス）する条件は、中
性ガス濃度に対する電子温度に関係する。
（６）同時に、マイクロ波パワー（１立方センチメート
ル当たり）μとイオン化に必要なパワー及びガス原子
の励起との間のバランスは、マイクロ波パワーのプラズ
マ密度に関係する。
このようにして、プラズマパラメータの首尾一貫した
値を決定する支配的な等式は、各種類の粒子バランス及
びパワーバランスである。電子に関しては次式で表され
る。即ち、 及び 但し、ne及びnoはそれぞれ電子の局部的値及び中性ガ
ス濃度、＜σVe＞iは電子分布にわたって平均したイオ
ン化速度定数、τe及びτEはそれぞれ粒子閉塞時間及び
エネルギ閉塞時間、μ、x、iはそれぞれマイクロ
波パワーの吸収、ガス原子の励起及びガス原子のイオン
化に関連するパワー密度であり、x ＝neno＜σVe＞xEx またx ＝neno＜σVe＞iEi 中心室に直接流れ込むコールドプラズマの閉塞時間の
大まかなモデルとしては、 τe〜２τE〜L/Cs と仮定する。
但し、 はイオン音響速度であり、Ｌは別個に決定すべき特性長
さである。安定状態では no＜σVe＞iτe＝１ であり、 である。
仮定した寿命τeに対しては であり、この式から電子温度は局部的中性ガス濃度によ
り決定されると結論される。noのこの表現にパワーバラ
ンス等式を代入すると、マイクロ波パワー密度と電子密
度との関係式即ち、 が導かれる。この関係式から、電子密度は、中性ガス濃
度に影響される電子温度の値に対してマイクロ波パワー
密度によって大きく決定されることが分かる。
中性ガス濃度及び弟子温度に関係するキー関数即ち、 は、R.L.フリーマン及びE.M.ジョーンズ共著の「プラズ
マ物理実験における原子衝突プロセス（Atomic Collisi
on Processes in Plasma Physics Experiments）」（CL
M−R 137,クルハム図書館入蔵1974年）からのイオン化
速度定数データを使用してアルゴンガスの電子温度に対
してプロットされる（92で示す。）アルゴンガス濃度及
び電子温度の対応の値は、第４図において特性長さＬの
３個の値に対して示す。
安定状態の粒子のバランス条件及びマイクロ波パワー
条件を満足する（no、Te）の値に対して電子密度に対す
るパワー密度の比は、安定状態パワーバランス（上述の
説明参照）の条件から見積もることができる。電子の励
起及びイオン化に基づく中性原子当たりの総エネルギ損
失は第３図に94で示す。励起速度定数は次式から計算さ
れる。即ち、 Ex＝11eV及びEi＝15eVと見積もることができる。アルゴ
ンの励起速度とイオン化反応速度との比は第３図に96で
示される。
第４図にnoに対してプロットした安定状態の粒子バラ
ンスの電子温度の値から、Teはnoの２価関数であるとす
ることができる。またＬにより決定される臨界値よりも
小さいno及び使用するガスの特別なタイプに関しては安
定状態の解は存在しない。μに対する電子密度の幾つ
かの例を第５図に異なる電子温度の値（従って、中性ガ
ス濃度の値）に対して示す。
Te（no）の２価値であることの幾つかの概要を説明す
るため、Ｌ＝10cmで、no＝1.3×1012cm-3の場合（この
場合は、粒子バランスはTe＝28eV、又は130eVで維持す
ることができる）を考慮する。低温度の場合は、次式の
ようになる。即ち、 また高温の場合は次式のようになる。即ち、 このようにして、或るパワー密度の場合、低温／高濃
度平衡又は高温／低濃度平衡を得ることができる。中性
ガス濃度が増加するにつれて、２個の生じうる平衡状態
の差が増加する。
要約すると、このポイントモデルから導かれる２個の
主要な発見は、以下の通りである。即ち、 （１）局部的電子温度は局部的中性ガス濃度により影響
される。
（２）局部的電子温度は局部的マイクロ波パワー密度に
より影響される。
従って、住友製のような下流域プラズマ源におけるne
及びTeはの一様性を得るためには、プラズマの断面全体
にわたり均一な中性ガス濃度及びマイクロ波パワー密度
を得ることが必要になる。しかし、中性ガス濃度及びマ
イクロ波パワー密度の均一な分布は、大容量・高密度プ
ラズマにおいては得るのが困難である。即ち、複雑な移
送現象が中性ガス原子及び電磁放射線の貫入に影響する
ためである。
１ω／cm3のパワー密度に対しては、低Te／高neブラ
ンチを選択することができる場合、ne〜noを得ることが
できる。高パワーでは、高温度／低濃度ブランチが励起
するのを回避することは困難である。即ち、高パワーで
の協力単相電子サイクロトロンは、温度異方性が高い高
エネルギ電子を発生する傾向を有するためである。これ
ら条件の下では不安定なマイクロ波が自然発生する可能
性が潜在的に存在するため、プラズマ平衡を制御するこ
とが困難になる。
以上、上述した種々の理論的考察により本発明による
方法及び装置の新規性が明らかにされたものと信じる。
上述したところは、本発明の好適な実施例を説明したに
過ぎず、請求の範囲において種々の変更を加えることが
できること勿論である。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平２−70063（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−14429（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−31999（ＪＰ，Ａ) 特表 平２−501965（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) H05H 1/46 H01L 21/302 H01L 21/3065

Claims (9)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】標本を、化学的蒸着及びエッチングを含む
    プロセスにより処理するのに使用する電子サイクロトロ
    ン共鳴（ECR）プラズマ源において、 長手方向軸線の周りに対称的な円筒形の室と、 前記円筒形の室の一方の軸線方向端部に隣接して前記標
    本のうちの１個を支持する支持手段と、 ガス状媒体を前記室に導入する導入手段と、 前記室の他方の軸線方向端部に隣接して周方向に延在し
    前記室の長手方向軸線を包囲する環状のローブ及び共鳴
    相互作用領域を形成する磁気力線を有する周方向に対称
    的な磁界を発生する磁界発生手段と、 前記室の一方の軸線方向端部に隣接してほぼ磁界のない
    無磁界領域を発生させるとともに、前記無磁界領域内へ
    のまた前記標本に向う磁気力線の好ましくない延長を減
    少する無磁界領域発生手段と、 マイクロ波源との相互作用により高エネルギ状態にされ
    たプラズマ電子が無磁界領域内で磁気力線に沿いつつ前
    記標本に見通し線に沿って伝導することがないよう前記
    室の前記長手方向軸線に直交し、前記共鳴相互作用領域
    に向う放射軸線を有するマイクロ波源と、 前記室内に低いガス圧を維持する低ガス圧維持手段と を具え、 前記無磁界領域から前記標本に向かってプラズマ流が高
    プラズマ密度でありまた前記標本よりも大きい横方向寸
    法にわたり均一な特性を有して流れるようにしたことを
    特徴とする電子サイクロトロン共鳴プラズマ源。
  2. 【請求項２】前記マイクロ波源は、生ずる高エネルギ電
    子が周方向に延在する磁界発生手段によって形成される
    環状磁気ミラー領域において磁気力線に何度も衝突した
    り、歳差運動するよう配置し、これにより高エネルギ電
    子のガス原子との衝突の可能性を高めて低ガス圧でプラ
    ズマ密度が増加するようにした請求の範囲第１項に記載
    の電子サイクロトロン共鳴プラズマ源。
  3. 【請求項３】前記マイクロ波源には、前記室の周りに周
    方向に配列した溝孔付きのウェーブガイドを設け、前記
    室内においてより一層対称的でありかつ一様なマイクロ
    波パワーの結合を生じ、また過密度動作を得ることがで
    きるようにしたことを特徴とする請求の範囲第２項に記
    載の電子サイクロトロン共鳴プラズマ源。
  4. 【請求項４】前記室の他方の端部に磁気力線を発生する
    周方向に延びかつ周方向に対称的な磁石手段を設けて閉
    鎖し、前記マイクロ波源及び周方向に延在する磁界発生
    手段を前記閉鎖した他方の端部に隣接して前記室のプラ
    ズマ形成部分に配置したことを特徴とする請求の範囲第
    １項に記載の電子サイクロトロン共鳴プラズマ源。
  5. 【請求項５】前記マイクロ波源は、前記周方向に延在す
    る磁界発生手段に隣接して配置し、生ずる高エネルギ電
    子の大部分が周方向に配列した前記周方向に延在する磁
    界発生手段により形成される環状磁気ミラー領域におい
    て歳差運動し、これにより前記マイクロ波源との相互作
    用により生ずる高エネルギ電子のエネルギが、歳差運動
    電子とガス原子との相互作用により効率よくプラズマに
    変換され、プラズマ密度を最大にすることができるよう
    にしたことを特徴とする請求の範囲第１項に記載の電子
    サイクロトロン共鳴プラズマ源。
  6. 【請求項６】高い密度のプラズマを発生するための電子
    サイクロトロン共鳴（ECR）プラズマ源において、 長手方向軸線の周りに対称的であり、一方の軸線方向端
    部に出口を設けた円筒形の室と、 ガス状媒体を前記室に導入する導入手段と、 前記室の他方の軸線方向端部に隣接して周方向に延在
    し、前記室の長手方向軸線を包囲する環状のローブ及び
    共鳴相互作用領域を形成する磁気力線を有する周方向に
    対称的な磁界を発生する磁界発生手段と、 前記室の一方の軸線方向端部に隣接してほぼ磁界のない
    無磁界領域を発生させるとともに、無磁界領域内へのま
    た前記標本に向う磁気力線の好ましくない延長を減少す
    る無磁界領域発生手段と、 マイクロ波源との相互作用により高エネルギ状態にされ
    たプラズマ電子が無磁界領域内で磁気力線に沿いつつ前
    記標本に見通し線に沿って伝導することがないよう前記
    室の前記長手方向軸線に直交し、前記共鳴相互作用領域
    に向う放射軸線を有するマイクロ波源と 前記室内に低いガス圧を維持する低ガス圧維持手段と を具えことを特徴とする電子サイクロトロン共鳴プラズ
    マ源。
  7. 【請求項７】前記マイクロ波源は、生ずる高エネルギ電
    子が周方向に延在する磁界発生手段によって形成される
    環状磁気ミラー領域において磁気力線に何度も衝突した
    り、歳差運動するよう配置し、これにより高エネルギ電
    子のガス原子との衝突の可能性を高めてプラズマ密度が
    増加するようにした請求の範囲第６項に記載の電子サイ
    クロトロン共鳴プラズマ源。
  8. 【請求項８】標本を、化学的蒸着及びエッチングを含む
    プロセスにより処理する電子サイクロトロン共鳴（EC
    R）によりプラズマを発生する方法において、 長手方向軸線を有し、一方の軸線方向端部に出口を設け
    た円筒形で対称的な室を形成するステップと、 前記室にガス状媒体を導入するステップと、 前記室の他方の軸線方向端部に隣接して前記室の長手方
    向軸線を包囲する環状のローブ及び共鳴相互作用領域を
    形成する磁気力線を有する周方向に対称的な磁界を発生
    するステップと、 マイクロ波源の相互作用により高エネルギ状態にされた
    プラズマ電子が前記標本に見通し線に沿って伝導するこ
    とがないよう前記室の前記長手方向軸線に直交し、前記
    共鳴相互作用領域に向うマイクロ波パワーを放射するス
    テップと、 前記室の一方の端部に隣接して無磁界領域を形成し、前
    記出口に伝導する均一プラズマを発生するステップと、 前記無磁界領域から前記標本に向かってプラズマ流が高
    プラズマ密度でありまた前記標本よりも大きい横方向寸
    法にわたり均一な特性を有して流れるよう前記出口に連
    通する標本を支持するステップと、 よりなることを特徴とする電子サイクロトロン共鳴プラ
    ズマ発生方法。
  9. 【請求項９】電子サイクロトロン共鳴（ECR）により、
    高い密度のプラズマを発生する方法において、 長手方向軸線を有し、一方の軸線方向端部に出口を設け
    た円筒形で対称的な室を形成するステップと、 前記室にガス状媒体を導入するステップと、 前記室の他方の軸線方向端部に隣接して前記室の長手方
    向軸線を包囲する環状のローブ及び共鳴相互作用領域を
    形成する磁気力線を有する周方向に対称的な磁界を発生
    するステップと、 マイクロ波源との相互作用により高エネルギ状態にされ
    たプラズマ電子が前記標本に見通し線に沿って伝導する
    ことがないよう前記室の前記長手方向軸線に直交し、前
    記共鳴相互作用領域に向うマイクロ波パワーを放射する
    ステップと よりなることを特徴とする電子サイクロトロン共鳴プラ
    ズマ発生方法。
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