JPH01122123A - プラズマ処理装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は低温プラズマを用いて半導体素子を製造するプ
ラズマ処理装置に係シ、特ＫＣＶＤ、エツチング、スパ
ッタ、アッシング等の各技術の効率のよい高速処理に好
適なプラズマ処理装置に関する。

〔従来の技術〕

従来の低温プラズマを用いた装置を大別すれば、真空中
で平行平板の電極の一方に１０ＫＨｚ〜３０ＭＨｚ程度
の高周波電圧を印加して　プラズマを発生させる技術を
用いるもの（半導体研究１８；Ｐ１２１〜Ｐ１７０．半
導体研究１９　；Ｐ２２５〜Ｐ２６７）と、２．４５　
ＧＨｚのマイクロ波を真空室へ導入してプラズマを発生
させる技術を用いるものがあり。

これらの内で平行平板電極による技術が主として用いら
れてきた。

一方で半導体素子の微細化に伴い、プラズマ処理時に発
生するイオンの衝撃によ）素子特性が影響を受けること
が問題になってきて、さらに処理能力の向上のために処
理速度を上げることが要請されている。この処理速度を
高める場合に、単にプラズマの密度あるいはラジカル（
イオン化直前の活性粒子）１１度を高めるだけでは不十
分であって、プラズマ処理によるドライエツチングやプ
ラズマＣｖＤではイオンのエネルギーが重要な役割をは
たしている。たとえばドライエツチングの場合にはイオ
ンのエネルギーが大きすぎると、下地の膜が削られたシ
結晶構造に影響を与えて素子特性が劣力する。また小さ
すぎるとエツチング面に形成されるポリマーの除去が十
分く行われず、エツチング速度が低下する。または逆に
ポリマーによる保護膜が形成されず、パターンの側面が
エツチングされて、パターンの寸法精度が悪くなるとい
った問題が発生する。またプラズマＣＶＤのｉ合にもイ
オンのエネルギーが弱いと膜組成が粗となり、エネルギ
ーが強いと密になるというようにイオンエネルギーが成
膜に影響する。

したがってプラズマの高密度化とイオンエネルギーを適
正に制御することとが今後のプラズマ処理に不可欠であ
る。このため公知例として特開昭５６−１５４８０．特
開昭５６−９４８４１に示されるようなマイクロ波を用
いた方式が提案されている。このマイクロ波によ）プラ
ズマを発生させる場合に、マグネトロンによシ発生した
マイクロ波を低圧にしたプラズマ発生室に放射しても、
マイクロ波の電界強度が十分でないため電子に十分なエ
ネルギーが供給されず、プラズマを発生させることか困
難である。したがってマイクロ波忙よシプラズｉを発生
させるためには、電子が磁場と垂直表子面内で回転する
サイクロトロン周波数とマイクロ波の周波数を合致させ
共鳴状態にして電子にエネルギーを供給する方法と、マ
イクロ波を空胴共振器に放射してマイクロ波の振幅を大
きくし電界強度を強めて電子にエネルギーを供給する方
法の２つがある。この前者が％開昭５６−１３４８０に
示されたもので有磁場マイクロ波あるいはＥ　ＣＲ（Ｅ
ｌｅｏｔｒｏｎ　Ｃ７ｏ１ｏｔｒｏｎ　Ｒｅ５ｏｎａｎ
ｃｅ）法とよばれてお９、後者は特開昭５６−９５８４
１に示されるものである。このマイクロ波によシ発生し
たプラズマでは、マイクロ波より電子へ直接にエネルギ
ーが供給されるためＫ、プラズマと基板との間に形成さ
れるシース間電圧はほとんど変化しない。したがって基
板を載せる電極に高周波電圧を印加し、シース間電圧を
任意にコントロールすることにより、プラズマ処理の高
速化に必要な高いプラズマ密度と適正なイオンエネルギ
ーに制御できる。

〔発明が解決しようとする問題点〕

上記従来技術のプラズマ処理ではイオンのエネルギーが
重要な役割をはたしておプ、上記従来技術のＥＣＲ方式
では特開昭５６−１３４８０に示されるように１基板を
載せた電極に高周波電圧を印加すると、この電極の対向
する側Ｋｇアース電極がないため高周波電流が周囲の処
理室との間に流れ、基板上でのイオンエネルギーの効果
が基板周囲で強くて中心部で弱くなり、基板全体を均一
な条件で処理できないという問題があった。一方の空胴
共振器を用いた方式では、共振器の中でプラズマを発生
させる構造のため、プラズマが発生するとマイクロ波の
波長がプラズマ密度によυ変化するので、共振条件が満
たされずにプラズマが不安定になるという問題があった
。すなわちプラズマが発生するまでには共振条件が満足
されているためマイクロ波の電界強度が強くなってプラ
ズマが発生するが、しかしプラズマが発生してプラズマ
密度が高くなるとマイクロ波の波長が変わりて共振条件
が満たされなくなるため電界強度が小さくなって、電子
へのエネルギー供給が低下しプラズマ密度が低下する。

かくプラズマ密度が低下すると共振条件が満たされ、再
びプラズマ密度が高まるという現象が生じるためプラズ
マを安定に発生させることが困難であった。またこれら
のプラズマから基板に入射するイオンのエネルギーを制
御するため高周波電圧印加電極を空胴共振器内設けると
、マイクロ波の反射等が発生してプラズマがさらに不安
定になるという問題があった。さらにマグネトロンを取
シ付けた矩形導波管を円形空胴共振器に接続しようとす
る場合には、導波管と空胴共振器の結合が十分でなく装
置の性能を低下させるという問題が発生する。

本発明の目的は、安定で高密度なプラズマを発生させる
とともに、基板に入射するイオンのエネルギーが基板全
体で均一にできるようにし、かつ導波管と空胴共振器の
結合をよくして装置効率を向上できるプラズマ処理装置
を提供するにある。

〔問題点を解決するための手段〕

上記目的は、一般に導波管あるいは導波管の−種と考え
られる空胴共振器内をマイクロ波が伝播する場合に導波
管の表面には電場と磁場に対応した電流が流れ、したが
ってこの電流を横切るように導波管の一部にスリットを
設けるとスリットの両端に電荷が蓄積し、これがマイク
ロ波の伝播に伴りて変化することからスリット両端間の
電界が変化して導波管の外部にマイクロ波が放射される
という原理によシ、導波管に設けたスリットよシマイク
ロ波をプラズマ発生室に供給する構成とするか、または
導波管を空胴共振器に接続して該空胴共振器にプラズマ
発生室に向けてスリットを設けマイクロ波をプラズマ発
生室に供給する構成とし、かつ矩形導波管を円形空胴共
振器に接続する場合には導波管の空胴共振器に接続する
端面における断面形状は向き合う２辺が共振器の軸を中
心とする同心円の円弧である４辺形の形状とするプラズ
マ処理装置により達成される。

〔４用〕 上記のプラズマ処理装置では、従来のＥＣＲ方式で導波
管の開口部よシ直接にマイクロ波をプラス１発生室に放
射する構成となりているため、プラズマ発生室と導波管
の開口部の間にアース電極を設置するとマイクロ波がア
ース電極で反射されてプラズマ発生室に供給できないの
に対して、導波管の端面を閉じた構造として該端面に−
ｆイクロ波を放射するスリットを設け、必要に応じて導
波管の端面をアース電位になるようにし、スリットの開
口面積は導波管の端面全体の１１５程度にすることがで
き、したがって基板を載せた電極に高周波電圧を印加し
た場合には高周波電流は導波管の端面と電極間に均等に
流れ、イオンの効果を基板全面に対し均等に発生させる
ことができるうえ、スリットを通して十分な量の１イク
ロ波が供給でき高密度のプラズマを発生させることがで
きる。

また一方で導波管に空胴共振器を接続した構成では空胴
共振器内で共振により振幅を大きくしたマイクロ波がス
リットを通してプラズマ発生室に放射されるため、プラ
ズマ発生室を従来のように空胴共振器構造にしなくとも
高密度のプラズマを発生させることができ、したがって
この場合の電極構造は従来のように空胴共振器との関連
による制約を受けない。また空胴共振器内ではプラズマ
が発生しないためプラズマによる共振状態の変化がなく
、スリットを介してプラズマ発生室内のプラズマを安定
に発生させることができ、さらに空胴共振器をアース電
位に接続するととＫよ、９１ｉＩＣＲ方式の場合と同様
に電極に平行な対向電極とする。

ことができるので、イオンの効果も基板全体に均一に発
生させることができる。かつ矩形導波管を円形空胴共振
器に接続する場合には導波管の接続端面の断面形状は向
き合う２辺が共振器の軸を中心とする同心円の円弧であ
る４辺形の形状とすること和より、導波管の端面での電
界の方向と共振器の接続面での電界方向が一致する構造
となるので、導波管と共振器の結合がよくな）共振器内
へ効率よくマイクロ波を供給できる。

〔実施例〕

以下に本発明の一実施例を第１図ないしｇ＆９図によシ
説明する。

まずｔＪ’ｘ６図は本発明によるプラズマ処理装置の一
実施例を示す断面斜視図である。第６図において、１は
空胴共振器、２は導波管、３はマグネトロン、４は石英
板、５はスリット板、６はプラズマ発生室、７は電極、
８は絶縁材、９はガス供給管、１０はガス排気管、１１
は高周波電源、１２は処理ウェハである。空胴共振器１
は共振モードが例えばＩｉｉｏｌ（ＴＭｏｔ）モードの
円形空胴共振器であシ、矩形導波管２を通してマグネト
ロン３からマイクロ波が供給される。導波管２の接続は
円形ｎｏｔモードとの結合をよくするため１円形空胴共
振器１に対し偏心して取）付けられる。円形空胴共振器
１のもう一方の側の端面には石英板４とスリット板５が
固定してあ）、スリット板５０反対側（下ｌｌ１１）に
はプラズマ発生室６が接続される。

なお石英板４によシプラズマ発生室６は真空に封止した
構造である。スリット板５の平面構造は例えば円形導波
管内のＥｏｌ（ＴＭｏｔ　）モードの場合には第７図に
示すように円形Ｂ（Ｎモードの電界（第２図参照）に対
して直角方向にリング状のスリット（開口部）５ａが設
けられる。各スリット５ａの長さは２−４５ＧＨｚのマ
イクロ波を用いた場合には、スリットからのマイクロ波
の放射をよくするため、マイクロ波の１／２波長に相当
する６０間以上の寸法とする。プラズマ発生室６には電
極７とガス供給管９およびガス排気管１０が設けられ、
電極７は絶縁材８を介してプラズマ発生管６に固定され
ており、さらに高周波電源１１が接続される。またガス
供給管９には図示しないガス源からプラズマ処理用ガス
が設定流量だけ供給でき、ガス排気管１０には図示しな
い真空排気ポンプが接続されプラズマ発生室６内を１〜
１０”Ｔｏｒｒの圧力にコントロールできる。

上記の構成で、マグネトロン３を動作させてマイクロ波
を発振させ、導波管２によシ空胴共振器１に供給する。

空胴共振器１内で振幅を大きくしたマイクロ波のエネル
ギーはスリット板５のスリット５ａよ）プラズマ発生室
６に放射される。プラズマ発生室６に放射されたマイク
ロ波の振幅は空胴共振器１で大きくなっているため、プ
ラズマ発生室６が空胴共振器構造でなくともプラズマが
点灯して維持される。まずエツチングの場合について説
明する。ガス供給管９よシエッチングガスを供給し、ガ
ス排気管１０よシ排気して一定圧力とし、マイクロ波を
供給してスリット板５と電極７０間にマイクロ波による
プラスｉを発生させる。

このマイクロ波はプラズマ中の電子に直接作用するため
、プラズマと電極７の間の電位差は２０〜３０ｖのレベ
ルである。電極７上に処理ウェハ１２を置き、高周波電
源１１より電極７に高周波電圧を印加する。すると電極
７とスリット板５は平行に配置されておシ、高周波電流
は電極７とスリット板５０間に均等に流れる。そのため
電極７とプラズマ間に発生する電界は均等になシ、ウェ
ハ１２には全面均一なエネルギーのエツチングガスのイ
オンが高周波電源１１の高周波電圧印加によシ制御され
て入射する。これらのエツチングガスのイオンやプラズ
マ中で励起されたエツチングガスの活性ｍ（ラジカル）
とウェハ１２上の被処理膜が反応してエツチングが進行
する。このとき入射するイオンのエネルギーが均等であ
るため、り二ノ１１１２の全面で均一なエツチングがで
きる。つぎにプラズマＣＶＤの場合について説明すると
、ガス供給管９よ、りＳｉＨ４およびＮ２　、　Ｎ２０
の混合ガスを供給し、プラズマによＦ）Ｎ２０，５ｉＨ
ａを分解してＳｉＯを生成し、ウェハ１２上に成膜する
。

さらにプラズマからのイオンの入射によ）膜質が制御さ
れる。このときイオンの入射エネルギーが均等化できる
ため、ウェハ１２の全面に均質な成膜ができる。このよ
うにプラズマ処理に不可欠なイオンの効果が均等化され
、かつ安定なプラズマを発生させることができる。

第７図は第６図のスリット板５０円形１０１（’Ｌ’Ｍ
ａ１）モードの場合の平面図である。円形空胴共振器１
が円形導波管のＦｆｏｔモード（ＴＭｏ＊モード）で共
振する場合には１円形Ｆｉ０１モードの電界（第２図）
ＦＣ対し直角方向くリング状のスリット（開口部）５ｍ
が設けられる。第８図は第６図のスリット板５の円形Ｈ
ｏ１（’Ｉ’ＦＪｏ１）モードの場合の平面図である。

円形空胴共振器１が円形導波管のＨＯ１モード（Ｔｌｏ
ｔモード）で共振する場合には。

円形Ｈｏｔモードの電界に対し直角方向に放射状のスリ
ット（開口部）５ｂが設けられる。第９図は′ｉ７＆６
図のスリット板５の円形Ｈｓ１（Ｔ１１ｔ　）モードの
場合の平面図である。円形空胴共振器１が円形導波管の
■１１モード（ＴＦｉ１＊モード）で共振する場合には
、円形Ｈ１１モードの電界に対し直角方向のスリット（
開口部）Ｓｏが設けられる。このようにスリット板５の
平面構造は円形（円筒形）空胴共振器１の共振モードに
対応して、スリットが空胴共振器の表面に流れる電流忙
対し直角方向であるとマイクロ波放射の効率がよいため
、各モードの電界と直角方向のスリット（開口部）が設
けられる。したがって第６図のスリット板５の円形導波
管のＦｆｏｔモードの場合に限定されるものではない。

つぎに第１図は本発明によるプラズマ処理装置の一実施
例を示す導波管接続部の外−斜視図である。第１図にお
いて、第５図と同一符号は同一または相当部分を示し、
２人は導波管接続部である。

円形空胴共振器１と接続する矩形導波管２の接続部２人
の端面における断面形状は向き合う２辺２ｍ、２ｂが空
胴共振器１の軸を中心とする同心円の２つの円弧である
４辺形の形状となっており、その端面から上方に向りて
矩形導波管２の側の端面の矩形断面形状まで連続的に滑
らかに変化する断面形状を有する。このような矩形導波
管２の変形された断面形状の接続部２人によシ、導波管
２の接続部２人と円形空胴共振器５との接続端面付近で
導波管接続部２人の内部の両方の電界と磁界の方向を一
致させることができるので、効率よくマグネトロン３か
らのマイクロ波を矩形導波管２の接続部２人を通して円
形空胴共振器１内へ供給できる。これについて次に説明
する。

第２図は第１図（第５図）の円形空胴共振器１内の共振
モードが円形導波管のＥｏｌ（ＴＭｏｌ）モードの電磁
界分布を示す平面図である。第２図において、実線矢印
は電界Ｅの方向で、破線矢印は磁界Ｈの方向を示す。電
界Ｅの方向は放射状の方向で、磁界Ｈの方向は電界Ｅと
直交する円周方向である。第３図は第１図（第５図）の
矩形導波管２内のＨＯｌ　（Ｔ１１ｏ　）モードの電磁
界分布を示す斜視図である。第５図において、電界Ｅの
方向は図において垂直方向であり、磁界Ｈの方向は電界
Ｅと直交する水平方向である。なお第２図および第３図
の電磁界分布などについては阿部英太部著「マイクロ波
技術」東京大学出版会（１９７９年８月、　ｐ、７０お
よびＰ、７２などを参照している。

第４図は第１図の導波管接続部２人内の電磁界分布を示
す斜視図である。第４図において、電界Ｅの方向は導波
管接続部２人の端面で向き合う１辺２ａの円弧から他辺
２ｂの円弧に向う方向すなわち空胴共振器１の軸を中心
とした半径方向になシ。

磁界Ｈの方向は電界Ｅの方向と直交する方向である。第
５図は第１図の導波管接続部２人の結合面の電界分布を
示す平面図である。第５図において、実線矢印は導波管
接続部２人の場合の電界Ｅの方向で、破線矢印は矩形導
波管２を直接接続した場合の電界Ｖの方向を示す。第５
図の破線矢印で示−す矩形導波管２の場合の電界ビの方
向は第２図の実線矢印で示す空胴共振器１内の電界Ｅの
方向とずれるためマイクロ波の結合度が低下する不具合
がある。これに対し本発明による第５図の実線矢印で示
す導波管接続部２人を用いた場合の電界の方向Ｅは第２
因の空胴共振器１内の電界Ｅの方向と一致するのでマイ
クロ波の結合度が低下することなく、効率よくマグネト
ロン３で発振したマイクロ波を矩形導波管２の接続部２
人を通して空胴共振器１内に供給することができる。な
お円形空胴共振器１の共振モードが第２図に示す円形導
波管のＢｏｌ（’Ｉ’ＭＯ１）モードの場合の結合方法
について説明したが、他の例えば円形導波管のＨｌｌ（
ＴＭ１１）モードなどの場合の結合方法も考えられる。

〔発明の効果〕

本発明によれば、マイクロ波を用いたプラズマの発生が
安定するうえ、空胴共振器との関連による装置構成上の
制約を受けないため空胴共振器をアース電位に接続する
ことで処理対象を載置した電極に平行な対向電極を構成
でき、この対向電極に設けられたスリットを通してマイ
クロ波のエネルギーをプラズマ処理室に放射できるので
、このエネルギーによシ生じるイオンやラジカルの効果
を均一に処理対象に与えることができる。またこのイオ
ンやラジカルの影響を均一に発生させることができるこ
とから、高速で最適なイオンエネルギー〈よるプラズマ
処理ができ、さらに半導体ウェハの微細バター／を高精
度で高速かつ低損傷で形成でき、さらにまた均一な成膜
を高速に行える効果がある。かつマイクロ波源を取シ付
けた導波管の空胴共振器への接続部を改善して、マイク
ロ波の結合度をよくし、装置の効率と性能を向上できる
効果がえられる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明によるプラズマ処理装置の一実施例を示
す導波管接続部の外観斜視図、第２図は第１図の円形空
胴共振器内の電磁界分布を示す平面図、第５図は第１図
の矩形導波管内の電磁界分布を示す斜視図、第４図は第
１図の導波管接続部内の電磁界分布を示す平面図、第５
図はｇ７＆１図の導波管接続部の結合面の電界分布の平
面図、第６図は本発明によるプラズマ処理装置の一実施
例を示の断面斜視図、第７図は第６図のスリット板の一
実施例の平面図、′ｓ８図は第６図のスリット板の他の
実施例の平面図、第９図は第６図のさらに他の実施例の
平面図である。 １・・・・・・空胴共振器、２・・・・・・導波管、２
Ａ・・・・・・導波管接続部、３・・・・・・マグネト
ロン、５・・・・・・スリット板、６・・・・・・プラ
ズマ室、７・・・・・・電極、１１・・・・・・高周波
電源、 第　１図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １、マイクロ波源と接続する導波管と、該導波管と接続
   する円筒形空胴共振器と、該空胴共振器に設けたスリッ
   トを通してマイクロ波を供給されるプラズマ発生室とか
   らなるプラズマ処理装置において、上記導波管の空胴共
   振器との接続面の断面形状は向き合う２辺がほぼ空胴共
   振器の軸を中心とする同心円の円弧である４辺形の形状
   とすることを特徴とするプラズマ処理装置。