JPH01296599A - Ｅｃｒプラズマ発生装置 - 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］ この発明は電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ）プラズマ
を利用した半導体製造装置、例えばＥＣＲエツチャー、
ＥＣＲＣＶＤ等に適用されるＥＣＲプラズマ発生装置に
関する。

［従来の技術］ 近年、半導体製造工程において電子サイクロトロン共鳴
（ＥＣＲ）プラズマを利用するプロセスが開発され、化
学的気相成長（ＣＶＤ）装置あるいは、エツチング装置
として実用化されている。

このようなＥＣＲプラズマ発生装置はプラズマ源となる
ガスを導入した放電室において、マイクロ波源から伝送
されるマイクロ波と電界に直交するように生ぜしめた磁
界とによって荷電粒子に電界エネルギを効率よく吸収さ
せて高活性のプラズマを生成すると共にこの高活性プラ
ズマ柘発散磁界により取り出し、試料表面に衝突させる
ものであり、マイクロ波の反射波を極力少なくすること
が重要な課題となる。マイクロ波の反射波が多ければ、
プラズマを効率良く発生させることはできず、また反射
波がマイクロ波源であるマグネトロンに戻った場合、そ
の過熱を引き起こすなどの問題がある。

そこで、マイクロ波の反射波をなくす方法として、従来
■マイクロ波の導波管にスリースタープチューナ等を設
はマイクロ波の波長を調整し、放電室で共振効果を高め
る、■マイクロ波をパルス状に照射する、■マイクロ波
の進行方向に誘電体板を挿入してマイクロ波のモードを
準ＴＭ波に変換する、　（マイクロ波の進行方向に電界
成分を持つ準ＴＭ波はプラズマ密度に依存しないで電子
サイクロトロン周波数でプラズマ中の電子と共鳴するこ
とが知られている。）、■放電室に設けたマイクロ波反
射板の開口部を小さく（６０〜８０ｍｍφ）する方法が
とられている。

例えば第５図に示すＥＣＲプラズマ発生装置においては
、マイクロ波源１に接続される導波管２０〜６０の一つ
に、マイクロ波の入射電力及び反射電力を測定し反射波
を監視するパワーモニタ部３ｏを設置し、導波管４０は
マイクロ波の波長を調整して放電室７０内でのマツチン
グをとるスリースタブチューナになっている。更に放電
室７０直前の導波管６０はマイクロ波のモードをＴＥｌ
。

モードからＴＥ□１モードに変換するようにテーパ型導
波管６０が用いられている。そして放電室７０の一端に
設けられたマイクロ波反射板８０の開口部８０ａは約６
０〜８０ｍｍφ程度に設計されている。

このようなＥＣＲプラズマ発生装置においては、マイク
ロ波は通常パルス波として照射され、テーパ型導波管６
０でモード変換された後放電室７０に導かれ、スリース
タブチューナ４０によりマツチングを取ることにより放
電室７０内で共振し、放電室に導入されたガス、例えば
Ｎ２のプラズマを発生させる。発生したプラズマは、反
応室９０がデポジション室でＳｉＨ＜等が導入されてい
るのであればプラズマはＳｊ、Ｈ，等と反応して試料表
面にＳｉ３Ｎ４をデポジションする。

この際、試料に高周波バイアスをかけることによって下
地の平担化、側壁部の緻密化を図ることができる。

このようなプラズマ発生装置は、マイクロ波の反射波を
更に減少させるためにマイクロ波のパルス波を用いてい
る。

［発明が解決しようとする課題］ しかし、このような従来のＥＣＲ技術には以下に述へる
ような問題があった。

まず、放電室７０は通常真空時のマイクロ波の波長に合
わせて共振可能なように設計されている（例えば電界方
向に一波長分の長さになっている）が放電ガスの導入に
よってインピーダンスが変化し、マイクロ波の波長分で
なくなるためマイクロ波の波長側を調整することが必要
となるが、放電室９０及びそれに直結した導波管６ｏの
周囲は磁界発生用の大型コイル１００で取り囲こまれて
いるためマイクロ波の波長を調整するスリースタブチュ
ーナ４０は放電室７０から遠い導波管４０に設けられて
おり、このためマイクロ波の調整が容易ではなく、特に
連続−の場合にはマツチングが困難であった。

又、マイクロ波をパルス状にした場合は、プラズマが間
欠的に一気に発生するため、放電室や反応室の室壁に付
着した反応生成物がパーティクルとしてはがれ、試料に
付着し、このようなパーティクルの付着は半導体素子不
良の原因となっていた。

更に、マイクロ波をパルス状にした場合は試料台への高
周波バイアス印加時に、試料台に発生するセルフバイア
ス（ＶＤＣ）のピーク時が大きくなり試料に損傷を与え
るおそれがあった。第６図（ａ）、（ｂ）に連続波とパ
ルス波の場合の試料台に発生するセルフバイアス（Ｖｎ
ｃ）の様子を示した。同図に示すようにマイクロ波が連
続の場合はセルフバイアス（Ｖｎｃ）は一定であり、高
周波バイアス２０ＯＷ時−８０Ｖであるが、パルスの場
合はマイクロ波休止時に−ＶＤＣの値が大きく、−２０
０Ｖにも達する。

次にマイクロ波反射板８０の開口８０ａを小さくした場
合には、反射波は減少するものの反応室９０に向かうプ
ラズマ流の径が小さくなり、一般にプラズマ流内ではそ
の中心が強いプラズマであるから、試料の周辺部でのエ
ツチングあるいはＣＶＤの均一性が良くない。また、均
一性を高めるためには小径の試料にしか適用することが
できない。一方、マイクロ波反射板の開口を例えば１０
０ｍｍφ以上に大きくした場合は、スリースタブチュー
ナで調整してもマイクロ波の反射波は小さくならない。

この発明はこのような従来の問題点を解消し、マイクロ
波がパルス波であっても連続波であってもその反射波を
極めて少なくすることができ、プラズマ発生効率の高い
ＥＣＲプラズマ発生装置を提供することを目的とする。

又、連続波の使用を可能にしこれによって試料の損傷や
パーティクル付着のないＥＣＲプラズマ発生装置を提供
することを目的とする。

［課題を解決するための手段］ このような問題を解決する本発明のＥＣＲプラズマ発生
装置は、マイクロ波を発生するマイクロ波源、該マイク
ロ波を伝送するための導波管及び前記マイクロ波を利用
してプラズマを発生させるための放電室から成るＥＣＲ
プラズマ発生装置において、前記放電室直前の導波管に
前記マイクロ波の波長調整手段を設けたことを特徴とす
る。

ここで、放電室直前の導波管は円筒状の導波管でもよい
が、好ましくはテーパ型導波管とする。

又、放電室直前に調整手段を設置するためには、磁界発
生用コイルを小型化し、導波管にかからないか、一部が
かかるのみとする。

［作用］ マイクロ波を放電室直前で調整するようにしたので放電
室におけるガス導入によるインピーダンスの変化に直ち
に応答して放電室で共振できるようにマイクロ波を調整
することができ、極めてマツチングがよい。従ってマイ
クロ波は共振によって効率良くプラズマ発生利用される
ので反射波は極めて少ない。

［実施例］ 以下、本発明のＥＣＲプラズマ発生装置をＥＣＲＣＶＤ
装置に適用した実施例について図面を参照して説明する
。

第１図のＥＣＲＣＶＤ装置はマイクロ波を発生するマイ
クロ波源１、マイクロ波を伝送する導波管２〜５、プラ
ズマを発生させるための放電室６及び発生したプラズマ
によって試料にデポジションを行うための反応室７とか
ら成り、放電室６の周囲には磁界を発生させるための小
型コイル８が設けられている。マイクロ波源１はマグネ
トロンなどのマイクロ波発生装置で、例えば工業周波数
（２，４５ＧＨｚ）のマイクロ波を発生する。

導波管２〜５はステンレス等の金属管で導波管３には発
生したマイクロ波の入射電力及び反射電力を測定し、反
射波を監視するパワーモニタ部３ａが設置される。導波
管４はマイクロ波源伝送路を直角に変更するＥコーナ、
導波管５はテーパ型導波管でマイクロ波の進行方向に誘
電体板９が挿入されている。

この導波管５の形状及び誘電体板９の存在によって誘電
体板９を進行するマイクロ波はＴＥ□。モードから準Ｔ
Ｍモートに変換される。誘電体板９としては石英板を用
いることができる。

導波管５は、放電室６に接続される放電室直前の導波管
であり、これにマイクロ波の波長調整手段としてスリー
スタブ１０が設けられる。すなわち、導波管５において
はマイクロ波のモード変換と波長の調整が行われる。

導波管５と放電室６との間には、マイクロ波は通すが放
電室６の真空はシールする部材１１が介在する。部材１
１としては誘電体板９と同様に石英板が好適である。

放電室６は、マイクロ波の共振室として設計され、例え
ば電界方向にマイクロ波の真空における１波長分の長さ
を有し、その一端にはマイクロ波反射板１２が設けられ
る。マイクロ波反射板１２は放電室６で発生したプラズ
マを反応室７に導入するための開口部１２ａが設けられ
る。開口部１２ａの径は、従来と同様、６０〜８０ｍｍ
φとすることもできるが、好ましくはそれより広く、例
えば１００〜１２０ｍｍφ程度にする。尚、この値は処
理するウェハ等試料の径に応じて変化させることができ
る。

放電室６の外周に設けられる小型コイル８は導波管５に
設けたスリースタブ１０の操作を防げない程の大きさで
あればよく、好適にはコイル内側に冷却装置を設けた小
型コイル、例えば導管コイルの管内に冷却水を循環させ
て冷却効率を高めたものを用いる。

コイル８は電界に垂直方向の磁界を発生し、その磁界の
強さは例えば２．４５ＧＨ２のマイクロ波に対し、磁束
密度Ｂ＝８７５Ｇａｕｓｓである。

更に、放電室６にはプラズマ源となるガス、例えばＮ２
．０２、Ａｒ等を導入するための導入口１３が設けられ
る。

反応室７は放電室６で発生するプラズマを利用してウェ
ハ基板等の試料ＷにＣＶＤを行うための反応室で試料台
］４を備え、この試料台１４上に図示しない搬送機構に
よって試料Ｗが搬入され載置される。反応室７がデポジ
ションを行う場合にはガス導入口１５よりＳｊ、Ｈ，等
が導入される。この場合、発生するプラズマがＮ２プラ
ズマであればＳ］Ｈ２と相互作用し試料」二に５ｊ３Ｎ
４がデポジションし、○、プラズマの場合はＳｉＯ２が
デポジションする。

放電室６と反応室７とは図示しない真空系に接続され、
目的に応して所望の圧（減圧）でデポジションが行われ
る。

次にこのような構成におけるＥＣＲＣＶＤ装置の動作を
説明する。

まず、プラズマ源１から連続したマイクロ波を発生させ
る。このマイクロ波は導波管２〜４を経てテーパ型導波
管５において、ＴＥ、ｏモー１−から円形ＴＥ１□モー
トに変換され放電室６内に伝送される。放電室６にはプ
ラズマ源となるガスがガス導入口１２より導入されると
共に、小型コイル８によって所望の磁界が生じており、
ここで伝送されたマイクロ波が共振することにより、効
率良く電界エネルギが吸収され高活性のプラズマが発生
する。この時放電室６はガスの導入によってインピーダ
ンスが変化してマイクロ波の波長分でなくなるが、この
変動は反射波の増加としてパワーモニタ部３ａで検知さ
れるので、導波管５のスリースタブ］０によってマイク
ロ波の波長を調整し、マツチングをとる。スリースタブ
１０はマイクロ波が共振する放電室６の直前の導波管５
に設けられているため、連続波であっても非常に応答性
よく、マツチングがとれる。

発生したプラズマはプラズマ流として反射板１２の開口
部１２ａより反応室７に流入し、ここで導入される反応
ガスと相互作用し、試料台１４上の試料Ｗに衝突しデポ
ジションが行われる。この際、必要に応し試料台１４に
バイアス電圧をかけ下地の平坦化、側壁部の緻密化を図
る。

この場合、開口部１２ａが広いためプラズマ流は中心か
ら広い範囲が均一であり、従ってデポジションの均一性
が得られる。

尚、第２図に本装置により連続マイクロ波を用いた場合
のパワーと反射波のデータを、第３図にＥＣＲ条件であ
る８　７５　Ｇａｕｓｓの発生湯所をコイル電流を変え
ることにより変化させた場合の反射波のデータをそれぞ
れ示した。両図からも明らかなようにマイクロ波パワー
が４００Ｗ以上では常に安定して反射波は約１％と非常
に少なく、また磁界の発生湯所にかかわらず反射波は約
１％と極めて少なかった。放電ガスの種類や圧力を種々
変えた場合でも同様であった。

尚、本実施例においては、放電室６の直前の導波管とし
てテーパ型の導波管を用いると共に誘電体板９を挿入す
る構成としたがこの実施例に限定されることはなく、例
えばマイクロ波のモートを変換しない場合でもあるいは
導波管が円管であっても反射波を減らす効果を得ること
ができる。

また、マイクロ波マツチングのための調整手段としても
、スリースタブのみならず第４図に示すようなツースタ
ブ１０′付導波管などの調整手段を用いることができる
。

更に、本実施例においては、連続したマイクロ波の場合
について述へたが、連続波でなくパルス波であっても適
用できることはいうまでもない。

［発明の効果］ 以上の説明からも明らかなように本発明においては、Ｅ
ＣＲプラズマ発生装置においてマイクロ波のマツチング
を放電室直前で行うようにしたため、マツチングの応答
性が極めて良好で、マイタロ波の反射波を非常に少なく
することができる。

又、これによりプラズマ流の径を大きくとることができ
るので、均一なエツチングあるいはデポジションを行う
ことができ、高品質な製品を得ることができる。特に、
テーパ型導波管の使用と組み合わせることにより反射波
を１％以下に押えることができる。

更に、マイクロ波として連続波を使用できるので、パル
ス波の欠点である間欠的プラズマ発生によるパーティク
ルの発生と試料への付着、高い自己バイアスによる試料
の損傷等をなくすことができる。

更に、マイクロ波の調整手段は放電室直前の導波管に設
けられているので、従来のようにスリースタブチューナ
を設ける必要がなく装置全体として小型化を図ることが
できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明のＥＣＲプラズマ発生装置の一実施例を
示す図、第２図は同実施例を用いた際のマイクロ波パワ
ーと反射波のデータを示す図、第３図は同実施例を用い
た際の磁界発生条件と反射波のデータを示す図、第４図
は別の実施例を示す図、第５図は従来のプラズマ発生装
置、第６図（ａ）、（ｂ）はマイクロ波とセルフバイア
スの関係を示す図である。 １・・・・・・・マイクロ波源 ２〜４・・・導波管 ５・・・・・・テーパ型導波管（放電室直前の導波管）
６・・・・・・放電室 ７・・・・・・反応室 ８・・・・・・コイル １０・・・・スリースタブ（波長調整手段）１０’　・
・・・ツースタブ（波長調整手段）代理人　弁理士　　
守　谷　−雄 ：　　　　　　　Ｉ／′Ｉ　　　　　　　Ｏ□束−浣シ ？　　　　　　−〇 □　灸眞賢メ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 　マイクロ波を発生するマイクロ波源、該マイクロ波を
   伝送するための導波管及び前記マイクロ波を利用してプ
   ラズマを発生させるための放電室から成るＥＣＲプラズ
   マ発生装置において、前記放電室直前の導波管に前記マ
   イクロ波の波長調整手段を設けたことを特徴とするＥＣ
   Ｒプラズマ発生装置。