JP2974635B2 - マイクロ波プラズマ発生装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、励起エネルギとし
てマイクロ波を用いたプラズマ発生装置に関し、特に、
半導体素子等の製造工程におけるエッチングやスパッタ
蒸着による成膜等の処理に用いるのに適したマイクロ波
プラズマ発生装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】例えば半導体基板やガラス基板等の表面
を微細なパターンで高精度にエッチングする方法とし
て、従来、ドライエッチング法が広く採用されている。
このようなドライエッチングに用いられるプラズマ発生
装置として、図６に模式的断面図で示すようなマイクロ
波プラズマ発生装置が知られている。

【０００３】この図６の装置においては、石英管よりな
る放電部６１内にガス供給管６２を介してガスを供給す
るとともに、その放電部６１には導波管６３を介してマ
イクロ波電源６４を接続して、放電部６１内のガスを
２．４５ＧＨｚのマイクロ波で励起してプラズマ化す
る。そして、放電部６１内で発生したプラズマを、輸送
管６５により反応領域であるエッチング室６６に導き、
試料台６７上に置かれた試料Ｗにプラズマ活性種を供給
するように構成されている。

【０００４】このようなマイクロ波プラズマ発生装置を
用いて試料Ｗをドライエッチングするに当たっては、放
電部６１に供給されるエッチングガスとしてＣＦ₄ ，Ｏ
₂ ，ＣＨ₃ ＯＨ等のガスが採用される。この放電部６１
内でのガス圧は１〜１０Ｔｏｒｒとされ、２．４５ＧＨ
ｚの高周波電圧下でプラズマ化される。その放電部６１
内に発生したプラズマ中の陽イオン、電子、中性粒子
は、輸送管６５によりエッチング室６６に導かれるので
あるが、この際、陽イオンおよび電子は輸送管６５中で
再結合されるので、エッチング室６６に到達するのは中
性活性種（ラジカル）のみとなる。エッチング室６６内
では、その中性活性種が試料台６７上の試料Ｗの表面に
一様に供給され、試料Ｗの表面物質との間で化学反応を
起こし、これによって試料Ｗがエッチングされる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところで、以上のよう
な装置によれば、エッチングガスのガス圧が１〜１０Ｔ
ｏｒｒと比較的高いために、プラズマの損失が多く、高
密度プラズマを導くことができず、高速でエッチング処
理をすることができないという問題があった。

【０００６】また、ガス圧が高いために、中性活性種に
よる試料Ｗへの衝撃が大きく、試料Ｗの温度上昇が早く
なるという問題もある。一方、以上の装置において、ガ
ス圧を１０^-3以下の低圧にすると、放電自体が安定せ
ず、不純物がそれだけ多く試料Ｗに取り込まれるという
別の問題が生じてしまう。

【０００７】本発明はこのような実情に鑑みてなされた
もので、放電部内でのマイクロ波放電によりガスを励起
して生成したプラズマを輸送管を介して処理室に導くマ
イクロ波プラズマ発生装置において、高密度のプラズマ
を安定して長時間発生することができ、かつ、低ガス圧
でも安定して放電させることのできるマイクロ波プラズ
マ発生装置の提供を目的としている。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めの構成を、実施の形態を表す図１を参照しつつ説明す
ると、請求項１に係る発明のマイクロ波プラズマ発生装
置は、ガスが供給される放電部１と、その放電部１に対
して導波管３を介してマイクロ波を供給するマイクロ波
電源４と、そのマイクロ波により放電部１内で励起され
たプラズマを反応領域６に導く輸送管５を備えたマイク
ロ波プラズマ発生装置において、放電部１の外周に、当
該放電部１と同軸でありこの放電部１内のマイクロ波を
共振させるための共振器８、および当該放電部１内に磁
場を形成するための磁場発生手段９のうちの少なくとも
共振器８が配置されていることによって特徴づけられ
る。

【０００９】また、本発明では、図５に例示するよう
に、プラズマ反応領域６′に導かれたプラズマが、当該
反応領域中に置かれたスパッタターゲットＴの活性化に
供されるような装置への適用に際しては、輸送管５′
を、ターゲットＴの略中央部分でスパッタ蒸着すべき基
板Ｓ側に向けて開口した構造を採用することが望ましい
（請求項２）。

【００１０】請求項１に係る発明において、放電部１の
外周に共振器８を設けることによって、マイクロ波が共
振して増幅され、実効的に放電部１内への印加電圧が高
くなり、マイクロ波放電の安定化と、放電の持続が可能
となる結果、高密度のプラズマを安定して発生させるこ
とができる。

【００１１】また、放電部１の外周に磁場発生手段９を
設けて放電部１内に磁場を形成することにより、放電の
しきい値を低下させることができ、１０^-3Ｔｏｒｒの低
ガス圧下での安定した放電が可能となる。

【００１２】そして共振器８および磁場発生手段９の双
方を設けた場合には、低ガス圧下でも高密度のプラズマ
を長時間にわたり安定して発生させることが可能とな
り、そのプラズマを輸送管５を介して反応領域６に導い
てエッチングに利用する場合には、高いエッチングレー
トのもとに、試料Ｗの温度上昇を抑制し、かつ、試料へ
の不純物取り込みの少ない高精度のエッチングを行うこ
とができる。また、反応領域６においてプラズマにより
スパッタターゲットを活性化することに利用する場合に
は、不純物の少ない高品質の膜を短時間のうちに成膜す
ることが可能となる。

【００１３】請求項２に係る発明においては、上記した
共振器８および／または磁場発生手段９を放電部１の外
周に設けることに加えて、輸送管５′により反応領域
６′に導かれたプラズマをスパッタターゲットＴの活性
化に利用する場合において、輸送管５′をターゲットＴ
の中央部分でスパッタ蒸着すべき基板Ｓ側に向けて開口
させることにより、輸送管５′により反応領域６′内に
導かれたプラズマ中の中性活性種が、ターゲットＴの表
面全面に作用しやすい状態となり、スパッタリング効率
が高められると同時に、ターゲットＴからのスパッタ粒
子が輸送管５′の開口部分に付着しにくいという利点が
ある。

【００１４】なお、本発明において、磁場発生手段９と
しては、永久磁石および電磁石（磁場発生用のコイルを
含む）のいずれをも採用することができる。

【００１５】

【発明の実施の形態】図１は本発明の実施の形態の構成
を示す模式的断面図で、プラズマエッチング装置に本発
明を適用した例を示している。

【００１６】放電部１は円筒状の石英管よりなり、その
一端部にはガス供給管２が設けられているとともに、そ
の側方から、導波管３を介してマイクロ波電源４からの
マイクロ波が導入されるように構成されている。マイク
ロ波電源４は周波数２．４５ＧＨｚのマイクロ波を発生
するマグネトロンである。

【００１７】放電部１の他端部は、輸送管５によってプ
ラズマ処理領域であるエッチング室６と連通している。
エッチング室６内には試料台７が設けられており、被処
理体である試料Ｗはその試料台７上に載置される。

【００１８】放電部１の外周には、それと同軸の略円筒
状で、かつ、放電部１の大きさに対してマイクロ波の振
幅を適切に増幅することのできる比率の大きさで形成さ
れた共振器８が設けられているとともに、その共振器８
の更に外周には、放電部１内にその軸方向にほぼ沿った
磁場を形成するための複数の磁石９・・９が配設されてい
る。また、各磁石９・・９の外周には、磁場勾配を制御す
ると同時に、放電部１内に効率的に必要な磁束密度を得
るためのヨーク９ａ・・９ａが設けられている。

【００１９】各磁石９・・９はこの例において永久磁石で
あり、その配置は、例えば図２に図１のＡ−Ａ断面図を
模式的に示すように、放電室１の円周上でＮ極とＳ極と
が互いに隣接するように配置したものを、図１に示すよ
うに、放電部１の軸方向に複数段（例えば２段）設け
て、軸方向にもＮ極とＳ極とが相互に隣接するように、
各段の磁石９・・９の円周上での配置を捻るようにする。
これにより、放電室１内には、図３に示すように、その
軸方向にほぼ沿った磁場が形成される。

【００２０】以上の実施の形態を用いて試料Ｗの表面を
ドライエッチングする際の作用を、その使用条件，使用
方法とともに述べる。この実施の形態においてプラズマ
を生成する際のパラメータは、放電部１内部のガス圧、
マイクロ波電源４から出力されるマイクロ波のパワーの
ほか、磁石９・・９による磁場の勾配、同磁場の非対称
性、磁石９・・９間の距離、および共振器８と放電部１の
大きさの比率が含まれる。

【００２１】以上のパラメータを設定した後、エッチン
グすべき試料Ｗをエッチング室６内の試料台７上に取り
付けた状態で、供給管２を介して放電部１内に例えばＣ
Ｆ₄，Ｏ₂ ，ＣＨ₃ ＯＨ等のガスを供給するとともに、
導波管３を介して放電部１内にマイクロ波を導入する。
これにより、放電部１内のガスがマイクロ波によって励
起されてプラズマ化する。

【００２２】このとき、放電部１の外周に設けられた共
振器８により、マイクロ波は共振して増幅され、マイク
ロ波電源４の出力パワーに比してより高振幅のマイクロ
波が放電部１内に導入されることになり、単に導波管３
を介してマイクロ波を導入する場合に比して、放電部１
内に導入されるマイクロ波パワーが増大し、高効率でマ
イクロ波を導入することが可能となる。

【００２３】また、磁石９・・９により放電部１内に軸方
向に沿った磁場が形成されているたため、放電部１内で
の放電のしきい値が低下し、１０^-3Ｔｏｒｒ程度の低い
ガス圧でも容易に放電が可能となるとともに、放電部１
内でのプラズマの損失が低減され、高密度のプラズマ状
態を維持することができる。

【００２４】このようにして放電部１内に発生した高密
度のプラズマは、輸送管５を介してエッチング室６に向
けて輸送される。この輸送時において、プラズマ中の陽
イオンと電子が再結合され、結局、エッチング室６内の
試料Ｗのエッチングに有効な粒子は中性活性種のみとな
り、その中性活性種が拡散されて試料Ｗの表面上に一様
に供給され、試料Ｗの表面物質との間で化学反応が起こ
りエッチングが進行することになる。放電室１内で発生
するプラズマは、前記したように損失が低減されて高密
度プラズマが維持されているために、エッチングレート
を高くすることができるとともに、低ガス圧下での放電
によるプラズマであるために、試料Ｗへの衝撃が少な
く、温度上昇が少ない。

【００２５】なお、以上の実施の形態では、磁石９・・９
として複数の永久磁石を用い、それらを各段に複数個ず
つ２段に配置することによって、放電部１内にその軸方
向に沿った磁場を形成したが、本発明はこれに限定され
ることなく、永久磁石に代えて電磁石を用いることがで
きる。すなわち、図４に例示するように、放電室１の周
囲に沿って巻回したコイル９′を２段に設け、その各コ
イル９′に同方向に電流を流すことにより、放電室１内
にその軸方向に沿った図示のような磁場を形成すること
ができる。また、図１および図４の実施の形態におい
て、磁石９・・９またはコイル９′は３段以上に配置して
もよいし、１段としてもよい。

【００２６】また、以上の各実施の形態では、放電室１
の外周に共振器８と磁場発生手段９・・９ないしは９′
を設けたが、共振器８のみを設けても、従来のこの種の
装置に比して、放電部１内においてより低ガス圧下でよ
り高密度のプラズマを安定して長時間発生することがで
きる。

【００２７】更に、以上の各例では、放電部１で発生し
たプラズマをエッチングに利用する例を示したが、本発
明では、そのプラズマをスパッタ蒸着におけるターゲッ
トの活性化にも利用することができる。その実施の形態
の構成を図５に模式的断面図で示す。

【００２８】この図５の実施の形態においては、放電部
１、ガス供給管２、導波管３、マイクロ波電源４、共振
器８、磁場発生手段としての磁石９・・９は図１の例と同
等であるが、輸送管５′は放電部１とプラズマ処理領域
であるスパッタ室６′とを連通させている。スパッタ室
６′には、２極間ターゲットＴおよび基板支持台１１が
配置されており、蒸着すべき基板Ｓは基板支持台１１に
取り付けられる。

【００２９】ターゲットＴにはＲＦ電源１２が接続され
ているとともに、ターゲットＴに隣接してスパッタ室
６′の外方には、永久磁石１３・・１３がターゲットＴの
中心に近い内側から外側へと順にＳ極，Ｎ極が隣合うよ
うに配置されている。

【００３０】輸送管５′は、スパッタ室６′内のターゲ
ットＴの中央部分において、基板Ｓ側に向けて開口して
いる。以上の実施の形態において、図１の実施の形態と
同様にして、共振器８および磁石９・・９の存在により放
電室１内で安定して高密度状態を維持するように発生し
たプラズマは、輸送管５′を介してスパッタ室６′内に
ターゲットＴの中央部分に輸送され、その輸送時におい
て陽イオンと電子は再結合するが、有効成分である中性
活性種が輸送管５′によりターゲットＴの中央部分に供
給される。従って、ターゲットＴの表面にはその全面に
ほぼ一様に中性活性種が供給され、ターゲットＴの表面
全面が活性化される。この状態でターゲットＴに高周波
電圧を印加すると、ターゲットＴの表面が全面的にスパ
ッタされてその効率が向上し、基板Ｓに向けて略一様な
分布のもとにスパッタ粒子が飛散し、基板Ｓの表面に一
様で良質な膜を形成することができる。

【００３１】また、輸送管５′はターゲットＴの中央部
分において基板Ｓ側に向けて開口しているから、従来の
この種の装置のようにターゲットＴの側方から中性活性
種を供給する場合に比して、スパッタ粒子が輸送管５′
の開口部近傍に付着しにくいという利点もある。

【００３２】更に、ターゲットＴには、永久磁石１３・・
１３が内側から外側へとＳ極、Ｎ極の順で配置されてい
るから、磁気コイルを用いる場合のような装置の大型化
を招くことなく所要の磁場（例えば８７５Ｇ）を生じさ
せることができ、コンパクトな装置により効率の高いス
パッタ蒸着を実現することができる。

【００３３】以上のように、本発明によれば、励起用の
マイクロ波が導入される放電室の周囲に、当該放電部と
同軸でありマイクロ波を共振させて増幅する共振器、お
よび放電室内に磁場を発生するための磁場発生手段のう
ちの少なくとも共振器を設けた構成を採用しているか
ら、共振器のみを設けた場合には、放電室内へ導入され
るマイクロ波パワーがその電源パワーに比して実効的に
増大し、マイクロ波放電の安定化と放電の持続が可能と
なり、高密度のプラズマを安定して発生させることがで
きる。そして共振器と磁場発生手段の双方を設けた場合
には、低ガス圧下でも高密度のプラズマを長時間にわた
り発生させることが可能となり、そのプラズマを輸送管
を介して反応領域に導いてエッチングに利用する場合に
は、試料の温度をあまり上昇させることなく、高いエッ
チングレートのもとに、試料への不純物取り込みの少な
い高精度のエッチングを行うことができる。また、反応
領域においてプラズマによりスパッタターゲットを活性
化することに利用する場合には、不純物の少ない高品質
の膜を短時間のうちに成膜することが可能となる。

【００３４】また、放電室内で発生したプラズマを反応
領域においてスパッタターゲットの活性化に利用する場
合においては、上記に加えて、輸送管をターゲットの中
央部分で、スパッタ蒸着すべき基板側に向けて開口させ
た構成を採用することにより、輸送管を介して反応領域
に輸送された中性活性種がターゲットの全面に略均等に
行き渡り、ターゲットの表面を全面的に活性化するた
め、スパッタリングの効率化と、スパッタ粒子の均一な
分布に伴う蒸着膜の均質化を達成できると同時に、反応
領域（スパッタ室）内での輸送管の開口部近傍へのスパ
ッタ粒子の付着を防止することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明をプラズマエッチング（ドライエッチン
グ）装置に適用した実施の形態の構成を示す模式的断面
図

【図２】図１のＡ−Ａ部分での模式的断面図で示す磁石
９・・９の配置状況の説明図

【図３】図１の実施の形態における磁石９・・９により形
成される磁場の説明図

【図４】放電室内に磁場を形成するための手段としてコ
イル９′を用いた本発明の他の実施の形態の、要部構成
の説明図

【図５】本発明をスパッタ蒸着装置に適用した実施の形
態の構成を示す模式的断面図

【図６】ドライエッチング等に用いられる従来のマイク
ロ波プラズマ発生装置の構成例を示す模式的断面図

【符号の説明】

１ 放電室 ２ ガス供給管 ３ 導波管 ４ マイクロ波電源 ５，５′ 輸送管 ６ エッチング室 ６′ スパッタ室 ７ 試料台 ８ 共振器 ９・・９ 磁石 ９′ コイル １１ 基板支持台 １２ ＲＦ電源 １３・・１３ 永久磁石 Ｗ 試料 Ｔ ターゲット Ｓ 基板

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ガスが供給される放電部と、その放電部
   に対して導波管を介してマイクロ波を供給するマイクロ
   波電源と、そのマイクロ波により放電部内で励起された
   プラズマを反応領域に導く輸送管を備えたマイクロ波プ
   ラズマ発生装置において、上記放電部の外周に、当該放
   電部と同軸でありこの放電部内のマイクロ波を共振させ
   るための共振器、および当該放電部内に磁場を形成する
   ための磁場発生手段のうちの少なくとも共振器が配置さ
   れていることを特徴とするマイクロ波プラズマ発生装
   置。
2. 【請求項２】 上記プラズマ反応領域に導かれたプラズ
   マが、当該反応領域内に置かれたスパッタターゲットの
   活性化に供されるとともに、上記輸送管は、そのスパッ
   タターゲットの略中央部分でスパッタ蒸着すべき基板側
   に向けて開口していることを特徴とする、請求項１に記
   載のマイクロ波プラズマ発生装置。