JPH02170979A

JPH02170979A - 電子サイクロトロン共鳴プラズマの化学蒸着装置

Info

Publication number: JPH02170979A
Application number: JP32304988A
Authority: JP
Inventors: Yoshinobu Kawai; 良信河合; Masayoshi Murata; 正義村田; Yoshiaki Takeuchi; 良昭竹内; Satoshi Uchida; 聡内田
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 1988-12-21
Filing date: 1988-12-21
Publication date: 1990-07-02
Anticipated expiration: 2011-10-30
Also published as: JP2548786B2

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５ｉ０２．Ｓｉ３Ｎ４およびダイヤモンド薄膜
、ａ−Ｓｉ薄膜などの絶縁膜、あるいは半導体などを形
成する化学蒸着（Ｃｈｅｍｉｃａｌ　ＶａｐｅｒＤｅｐ
ｏｓｌＬＩｏｎ　、以下ＣＶＤという）型薄膜形成やＡ
ｐ２０３．Ｔａ２０５．ＡｆｌＮ、あるいはＣＩＩＮ（
Ｃｕｂｉｃ　１ｌｏｒｎ　ＮｌＬｒ１ｄｅ、立方晶窒化
硼素）などの金属化合物膜のスパッタ型膜形成、並びに
、Ｍｏ、Ｗなどの薄膜エツチングなどで用いられる電子
サイクロトロン共鳴（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ　Ｃｙｃｌｏｔ
ｒｏｎＲｃｓｏＴＩａｎｃｅ　、以下ＥＣＲという）プ
ラズマ反応装置に関するものである。

〔従来の技術〕

第５図は従来より用いられているＥＣＲプラズマＣＶＤ
装置の概略構成図を示す、この装置により例えば窒化シ
リコン薄膜を形成する場合を例に取り説明する。

マイクロ波発生器（マグネトロン）１で発生された２、
４５Ｇ　Ｈｚのマイクロ波はアイソレータ２、導波管３
、方向性結合器４、マイク波電力計５、整合器６などを
用いて、矩形あるいは円形の導波管３により伝播され空
洞室７に導入される。空洞室７では、第４図に示すＴＥ
、ｏモードのマイクロ波の定在波が発生する。すなわち
、電界の強さで考えると、空洞室７の内壁では振幅ゼロ
で、中央部で最大を取るガウシアンモードに近い分布と
なっている。ボールアンテナ８は空洞室７内の電界強度
分布がほぼ一様である部位に配置されていて、同軸管９
と同軸コネクター１０および同軸管１１を介してスリッ
ト付金属板１２にマイクロ波を伝播させる。なお上記ス
リット付金属円筒０１２の材質はＡ、ｐ、Ｃｕ、あるい
は５ＵＳ３０４である。

同軸管１１を介してスリット付金属円筒８にマイクロ波
が供給されると、スリット付金属円ｔ９ｉ８の直線部の
スリット上に定在波が形成され、プラズマが発生する。

プラズマ生成室１３は、プラズマ引出し窓１４により反
応容器１５とつながっており、この反応容器１５は、図
示省略の真空ポンプで薄膜形成に必要な所定の真空度、
例えば１０−４Ｔｏｒｒに真空引きされている。

第１のガス供給管１６は、上記プラズマ生成室０１３に
開口してＮ２ガスを供給し、第２のガス供給管１７は、
埋伏ステンレス管１８を介してＳ　ｉ　Ｈ４ガスを反応
容器１５に供給するようになっている。

プラズマ生成室１３の外周には冷却管１９が巻きつけて
あり、冷却水２０を導入流過させることにより、該プラ
ズマ生成室１３を冷却するようになっている。また、プ
ラズマ生成室１３を囲繞するように磁気コイル２１が配
置されていて、供給される２、４５Ｇ　Ｈｚのマイクロ
波と電子サイクロトロン共鳴（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ　Ｃｙ
ｃｌｏＬｒｏｎ　Ｒｅ５ｏｎａｎｃｅ）を起こすように
、磁束密度８７５ガウスの磁界が発生される。

なお、試料２２は、反応容器１５内にプラズマ引出し窓
１４と対向する位置へ配置された試料台２３上に置かれ
ている。

さて、電子サイクロトロン共鳴は、電子の電荷と質量を
ｅ、ｍ、磁束密度をＢで表した場合、電子のサイクロト
ロン運動の周波数ｆｃｅがと言う条件を満たすときに発
生し、プラズマ生成室１３に強力なプラズマ流２４が形
成され、プラズマ引出し窓１４を通って反応容器１５内
に入る。

上記引例では、反応ガスとしてＮ２とＳｉＨ４ガスを用
いているので、それらのガスはプラズマ流２４により解
離されて、５ｉＨ３Ｎ４の薄膜が試料２２表面に堆積す
る。

このＥＣＲプラズマを用いた薄膜形成は、通常行われて
いるＣＶＤ薄膜形成に比べて、低ガス圧で高い活性度の
プラズマが得られるため、イオン、電子の衝撃効果によ
り室温で高品質の薄膜を形成出来るなどの特徴をａする
ものである。

なお、ＥＣＲプラズマの応用例としては、上記窒化シリ
コン（Ｓｉ３Ｎ、１）膜の形成の他に、シリ：ｌ：／　
（Ｓ　ｉ）膜、酸化シ！Ｊ　ニア　ン（Ｓ　ｔ　０２　
）膜、あるいは、モリブデンシリサイド（ＭｏＳｉ２）
膜などの形成や、エツチングなどに応用されうるちので
ある。

［発明が解決しようとする課題］従来の技術では、プラズマ発生のためのスリット付金属
円筒１２がプラズマ生成室１３の中に設置しであるので
、次のような問題がある。

（１）第６図に示すように、同軸管９とスリット付金属
円筒１２の接合部で著しく強いプラズマが発生する。そ
のため、同軸管９を伝播してきたマイクロ波エネルギー
の大部分が上記接合部で消費されて、スリット付金属円
筒１２で発生される所要のプラズマの強度が弱くなり、
成膜が効率良くできない。

（２）第６図に示す同軸管９とスリット付金属円筒１２
の接合部に発生の強力なプラズマにより、同軸管９及び
スリット付金属円ｇ３１２の材料例えばＣｕがスパッタ
される。また、スリット付金属円筒１２近傍に発生する
プラズマにより、その材料がスパッタされる。そのスパ
ッタ粒子は、不純物として所要の薄膜の中に混入する。

そのため、高品質の薄膜を得ることが困難である。

［課題を解決するための手段］本発明に係る電子サイクロトロン共鳴プラズマ。

の化学蒸着装置はマイクロ波発振器と方向性結合器と導
波管と、アンテナと、同軸管と、スリット付金属円筒と
、プラズマ生成室と反応容器と磁気コイルを存し、マイ
クロ波伝播にスリット付金属円筒を用いる電子サイクロ
トロン共鳴プラズマの化学蒸着装置において前記スリット付金属円筒を誘電体製容器と非磁性金属製
容器により密閉した空間内に設置し、前記空間の圧力を
高真空または高圧力に保持し、かつ、前記誘電体製容器
の一部が前記スリット付金属円筒の内部に包容された形
でプラズマ生成室となっていることを特徴とする。

［作　用］（１）第１実施例の場合（イ）第２図に示すように、スリット付金属円筒１２を
、石英ガラスあるいはセラミックスなど誘電体製の容器
１００と非磁性金属製の容器１０１の間に設置し、（Ｏ）誘電体製容器１００と非磁性金属製容器１０１の
間の空間を、真空ポンプ１０３及び排気管１０２により
１０−　Ｔｏｒｒ　〜１０−７Ｔｏｒｒの真空にし、（ハ）上記（イ）、（０）の状態において、同軸管９、
同軸コネクター１０及び第２の同軸管１１を用いて、ス
リット付金属円筒にマイクロ波を伝播させる。

上記（イ）、（ロ）、（ハ）の場合、同軸管９とスリット付金属円筒１２の接合部のまわりは
１０−６〜１０−７Ｔｏｒｒの高真空であるので、強力
なマイクロ波をスリット付金属円筒１２に供給しても、
その部分にプラズマは発生しない。したがって、スパッ
タもされないし、エネルギー損失も大きくならない。

（２）　　第２実施例の場合（ニ）　　第３図に示すように、スリット付金属円筒１
２を石英ガラスあるいはセラミックスなど誘電体製の容
器２００と非磁性金属製の容器２０１の間に設置し、（４・）給気管２０３と圧縮機２０３を用い、誘電体製
容器２００と非磁性金属製容器２０１の間の空間を大気
圧以上の高圧にする。

（へ）　上記（ニ）（ホ）の状態において、同軸管９、
同軸コネクター１０及び第２の同軸管１１を用いて、ス
リット付金属円筒１２にマイクロ波を伝播させる。

上記（ニ）（ホ）（へ）の場合、第２の同軸管１１と、スリット付金属円筒１２の接合部
のまわりは、１〜３ｋｇ／ｃ−の高い圧力であるので、
スリット付金属円筒１２に強力なマイクロ波を供給して
も、その部分にプラズマは発生しない。したがって、ス
パッタも発生せず、エネルギー損失も大きくならない。

［実施例］本発明に係わる装置の第１実施例を第１図ないし第２図
に示す。

第１図〜第２図において１は２．４５ＧＨｚのマイクロ波を発生させるマイクロ
波発振器、２は発生したマイクロ波の反射波によるマイ
クロ波発振器１の破損を防止するアイソレータである。

導波管３の一端は上記マイクロ波発振器１に接続さ、れ
ていて、マイクロ波電力計５に接続された方向性結合器
４がその途中に介装され、他端にはマイクロ波のインピ
ーダンスを調整するスタブチューナ６が接続されている
。

７は空洞室で、導波管３で伝播されてきたマイクロ波の
定在波を発生する。同軸管９に接続されたボールアンテ
ナ８は、上記空洞室７に挿入されている。上記同軸管９
の他端は同軸コネクタ１０と第２の同軸管１１を介して
スリット付金属円筒１２に接続されている。

１００は誘電体製容器で、後述の非磁性金属製容器１０
１と組合せることにより、」１記スリット付金属円筒１
２、第２の同軸管１１を密閉している。１０１は、非磁
性金属製容器で、上記誘電体製容器１００と組合せるこ
とで上記スリット付金属円筒１２を密閉している。

１０２は排気管で、上記非磁性金属製容器１０１と誘電
体製容器１００で密閉された空間の空気を後述の真空ポ
ンプ１０３と組合せることにより排出する。

１０５はプラズマ生成室で、プラズマ引出し窓１４によ
り反応容器１５と迎通し、この反応容器１５は、図示省
略の排気装置で反応に必要な所定の真空度、例えば１０
−３ないし１０＝Ｔｏｒｒに真空引きされている。

第１のガス供給管１６は上記プラズマ生成室１０５に開
口し、たとえばＮ２ガスを供給し、第２のガス供給管１
７は、環状ステンレス管１８を介してたとえＳｉＨ４ガ
スを反応容器１５に供給するようになっている。

また、プラズマ生成室１０５を囲繞するように磁気コイ
ル２１が配置されていて、該プラズマ生成室１０５に供
給される。２．４５ＧＨｚのマイクロ波との電子サイク
ロトロン共鳴を起こすように磁束密度８７５ガウスの磁
界を発生する。

なお、試料２２は反応容器１５内へプラズマ引出し窓１
４と対向する位置に配置された試料台２３１−に置かれ
ている。

そしてスリット付金属円筒１２は絶縁部材により適当な
手段で誘電体製容器１００に保持されている。

さて、マイクロ波発振器１で発生された２、４５ＧＨｚ
のマイクロ波は、導波管３を介して空洞室７に伝播され
る。空洞室７では、第４図に示すＴＥ１ｏモードのマイ
クロ波の定在波が発生する。

すなわち、電界の強さで考えると、空洞室７の内壁では
振幅ゼロで、中央部で最大を取るガウシアンモードに近
い分布となっている。ボールアンテナ８°は空洞室７内
の電界強度分布がほぼ一様である部位に配置されていて
、同軸管９と同軸コネクター１０および第２の同軸管１
１を介してスリット付金属円筒１２にマイクロ波を伝播
させる。

第２の同軸管１１を介してスリット付金属円筒１２にマ
イクロ波が供給されると、直線部のスリット上に定在波
が形成される。

上記マイクロ波によるプラズマ生成室１０５内のプラズ
マ発生は次のようになる。

反応容器１５内の圧力を例えば１Ｏ−４Ｔｏｒｒとして
、周波数２．４５Ｇ　Ｈｚ　、出力１ないし３ｋｗのマ
イクロ波をスリット付金属円筒１２に印加する。他ツノ
、磁気コイル２１によりスリット付金属円筒］２中心部
の磁界の強さを８７５ガウスとなるように調整する。な
お、マイクロ波回路系と発生するプラズマの整合は、ス
タブチューナ６で取る。

このようにすると、電子サイクロトロン共鳴により、ス
リット付金属円筒１２内すなわちプラズマ生成室１０５
にプラズマが発生する。磁気コイル２１の磁界分布は、
プラズマ生成室１０５の位置からプラズマ出口側の方向
に沿って適当な勾配で減少する発散磁界の形になってい
るので、プラズマ流１０４となって反応容器１５に流出
する。

なお、このプラズマ流は、圧力Ｉ　Ｘ　ｌＯ＝　Ｔ　ｏ
ｒｒで、電子温度約６ｅＶ、電子密度約２　Ｘ　１０”
　ａｍ　−３の値をもち、圧力がＬ記値より小さくなる
と電子温度約４０ｅＶとなる。

他ノｊ、誘電体製容器１００及び非磁性金属製容器１０
１で密閉された空間の空気は、真空ポンプ１０３とυト
気管１０２により、真空度１０−６〜１Ｏ−７Ｔｏｒｒ
〜の真空に引かれている。そのため、」−記スリット付
金属円筒１２と磁気コイル２１などによりプラズマ生成
室１０５内にプラズマが発生する条件で、上記高真空の
空間にはプラズマは発生しない。すなわち、スリット付
金属円筒１２のスリット部、並びに第２の同軸管１１と
スリット付金属円筒１２の接合部にはプラズマは発生し
ない。

したがって、従来技術で問題であったマイクロ波のエネ
ルギー損失は大きくならない。

また、スパッタも起きにくい。たとえ、スパッタが起き
たとしても、プラズマ生成室１０５とスリット付金属円
筒１２は誘電体製容器１００でしゃ断されているので、
スパッタにより生成される不純物は反応容器１５内に混
入されない。

−１ユ述したように、スリット付金属板］２によって高
電子温度で高プラズマ密度のプラズマ流がｉすられる。

これを用いた大面積、高品質、高速度の成膜につき、窒
化シリコン薄膜の形成を例に取り説明する。

第１図において、排気装置（図示省略）により反応容器
１５内を真空度的１Ｏ−８Ｔ　ｏｒｒにし、その内部の
不純物ガスを十分排気した後、第１のガス供給管１６か
ら第１の反応ガスとしてＮ２ガスを供給し、第２のガス
供給管１７からは第２の反応ガスとしてＳｉＨ，１ガス
を供給する。なお、ガス量はそれぞれ５０　ｃ　ｃ　／
　ｍ　ｉ　ｎとし、ガス供給後の反応容器１５内の圧力
は２　Ｘ　１０−’　Ｔｏｒｒとする。試料２３は試料
台２２上に置く。

このような状態でプラズマ流を発生させ窒化シリコン膜
を形成させる。

この成膜結果を種々解析したところ、概ね次のような結
果が得られた。

窒化シリコン膜の屈折率は１．９ないし２．０、暗電導
率は（１，０〜２．０　）　Ｘ　１０　″１４Ω−’０
１１１−’であった。

本発明に係わるＥＣＲプラズマ反応装置を用いると、上
記した窒化シリコン薄膜の形成に限らず、第１・第２の
反応ガスとしてＡｒガスと５ｆＨ４ガスを用いればａ−
８ｉ膜が形成できる他、ｏ２ガスとＳｉＨ，１ガスで５
ｉ０２膜、Ｍ　ｏ　Ｆ　６ガスとＳｉＨ，１ガスでモリ
ブデンサイドＭｏＳｉ２、およびＡｒガスとＣＨ，１、
Ｈ２との混合ガスでダイヤモンド薄膜など、色々な薄膜
形成ができる。

本発明の第２実施例を第３図に示す。第２実施例は第１
実施例すなわち第２図の真空ポンプ１０３に代えて、圧
縮機２０３を用いた場合である。

第２実施例の場合スリット付金属円筒１２の接合部のま
わりは１〜３　ｋｇ　／　ｃｄの高い圧力であるのでス
リット付金属円筒１２に強力なマイクロ波を供給しても
その部分にプラズマは発生しない。したがってスパッタ
も発生せずエネルギー損失も大きくならない。

［発明の効果］以−に説明したように、本発明に係る装置では、スリット付金属円筒を用いた電
子サイクロトロン共鳴マイクロ波放電によるプラズマ流
発生を、上記スリット付金属円筒をプラズマ生成室内に
設置せず、かつ、上記スリット付金属円筒を高真空ある
いは高圧力の状態に設置したので、大面積の基板に、高
速でかつ高純度の薄膜形成反応を生じさせることができ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１実施例を示す図、第２図は第１図
の要部の拡大図である。第３図は本発明の第２実施例を
示す図、第４図は矩形導波管の電磁界分布を示す図、第
５図は従来装置の構成を示す図、第６図は従来装置のプ
ラズマ生成室を示す図である。１・・・マイクロ波発振器、３・・・導波管、８・・・
ボールアンテナ、９．１１・・・同軸管、１２・・・ス
リット付金属円筒、１０５・・・プラズマ生成室、１６
・・・第１のガス供給管（ガス供給装置）、１７・・・
第２のガス供給管（ガス供給装置）、１５・・・反応器
、２１・・・磁気コイル、１００・・・誘電体製容器、
１０１、・・非磁性金属製の容器。出願人代理人　弁理士　鈴　江　武　彦ζ 連形１Ｊ攻青ＴＥ＋ｏモード第図第図第図

Claims

【特許請求の範囲】マイクロ波発振器と方向性結合器と導波管と、アンテナ
と、同軸管と、スリット付金属円筒と、プラズマ生成室
と反応容器と磁気コイルを有し、マイクロ波伝播にスリ
ット付金属円筒を用いる電子サイクロトロン共鳴プラズ
マの化学蒸着装置において前記スリット付金属円筒を誘電体製容器と非磁性金属製
容器により密閉した空間内に設置し、前記空間の圧力を
高真空または高圧力に保持し、かつ、前記誘電体製容器
の一部が前記スリット付金属円筒の内部に包容された形
でプラズマ生成室となっていることを特徴とする電子サ
イクロトロン共鳴プラズマの化学蒸着装置。