JPH02174229A - プラズマ装置およびその使用方法 - 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】 星策上五皿里ユＩ 本発明は、半導体素子等の薄膜形成に供与されるプラズ
マ装置及びその使用方法、より詳しくはプラズマ生成室
と、該プラズマ生成室の周囲に配設されて直流電源が供
給される励磁コイルとを備えた電子サイクロトロン共鳴
を利用するプラズマ装置及びその使用方法に関する。

藍來Ω弦止 電子サイクロトロン共鳴（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ　Ｃｙｃｌ
ｏ−ｔｏｒｏｎ　Ｒｅ５ｏｎａｎｃｅ以下、ｒＥＣＲＪ
と略す）とは、磁場の中でサイクロトロン運動をしてい
る電子に、その角周波数と同じ周波数の電磁波を印加す
ると電磁波のエネルギを効率よく吸収する現象である。

一方、電子にこのような共鳴運動をさせてガス分子との
衝突確率を増加させるとガスイオンの生成が増すと考え
られる。

そこで、近年、高い周波数を有するマイクロ波を利用し
たＥＣＲプラズマ装置が研究・開発されてきている。

この種のプラズマ装置は、イオンの指向性、均一性に優
れており、低ガス圧で電離度の高いプラズマを生成する
ことができるため活性度が高く、イオンエネルギの広範
囲な選択が可能であり、大きなイオン電流が取れるため
、今日では高集積半導体素子等の薄膜形成に欠くことの
できないものとなっている。

ところで、従来、この種のプラズマ装置においては、第
７図に示すように、励磁コイル５１に直流電源５２を供
給することによって磁場が形成されていた。

そして、プラズマ生成室において、Ｎｕ場の強度に応じ
て定まる角周波数でサイクロトロン運動をしている高エ
ネルギ電子と０２、Ｎ２等の反応ガス分子とを衝突させ
て該反応ガス分子を分解、イオン化し、プラズマを生成
させていた。

また、薄膜形成工程において、プラズマ生成室の内壁に
は薄膜が付着するため、反応ガスの代わりにエツチング
性ガスを上記プラズマ生成室に導入し、該生成室内部の
クリーニングを行なっていた。

日が　′しようとする課題 しかし、従来のプラズマ装置においては、励磁コイル５
１に供給される電源が上述の如く直流電源５２であるた
め、マイクロ波は電子サイクロトロン共鳴が起こるため
の条件（ＥＣＲ条件）を満たす狭い一定の面領域（以下
、この面領域を「ＥＣＲポイント」という）で最もよく
吸収され、プラズマ密度や電子温度も該ＥＣＲポイント
で最も高くなる。しかもＥＣＲポイント内でも、導波管
が矩形であるためプラズマの分布が不均一となっていた
。

したがって、従来のプラズマ装置においては、このよう
なプラズマ分布の不均一性に起因して、薄膜形成時、成
膜の均一性に欠けるといった問題点があった。

また、クリーニング工程においては、ＥＣＲポイント近
傍のプラズマ生成室内壁付着物のエツチング速度が他の
箇所よりも速いため、ＥＣＲポイントおよびその近傍の
みが強力にエツチングされ、それ以外の箇所はエツチン
グに時間がかかる等クリーニングの効率が悪く、クリー
ニング操作に時間がかかるという問題点があった。

本発明は上記した問題点に鑑みてなされたものであって
、装置の大型化や複雑化を招来することなく、成膜の均
一性をより一層向上させると共に、プラズマ生成室内の
クリーニングを効果的かつ速やかに行なうことのできる
プラズマ装置及びその使用方法を提供することを目的と
する。

課題を　゛するための　「 上記目的を達成するために本発明は、プラズマ生成室に
反応ガス及びマイクロ波を導入すると共に、該プラズマ
生成室の周囲に配設された励磁コイルに直流電源を供給
して磁界を印加し、電子サイクロトロン共鳴励起により
プラズマを生成させるプラズマ装置において、上記直流
電源に変調を加える変調手段が設けられていることを特
徴としている。

さらに１本発明は、該プラズマ装置を用いて、薄膜を形
成すると共に、プラズマ生成室内部をクリーニングする
ことを特徴としている。

■ 上記した構成によれば、励磁コイルの作る磁場に変調が
加えられるので、ＥＣＲポイントがコイル軸方向に振動
する。したがって、この変動するＥＣＲポイントに対応
してプラズマ密度や電子温度の分布も均一的に拡がる。

また、このように磁場に変調が加えられると、電磁誘導
により磁場の変化を妨げるようにプラズマ雰囲気中には
電流が流れるので、コイル軸の円周方向にプラズマが揺
さぶられ、ＥＣＲポイント内のプラズマ分布の均一性が
向上する。

さらに、このようにＥＣＲポイントの領域が拡がり、か
つプラズマ分布も均一化された上記プラズマ装置を使用
することによって、成膜の均一性向上が可能となると共
に、プラズマ生成室内の広い範囲において内壁付着物の
エツチング速度の均一化も可能となる。

夾施困 以下、本発明に係る実施例を図面に基づき詳説する。

第１図は本発明に係るプラズマ装置の一例としてのＥＣ
ＲプラズマＣＶＤ装置の概念図であって、このプラズマ
装置は、略円筒状に形成されたプラズマ生成室１と、こ
のプラズマ生成室１の周囲にあってこのプラズマ生成室
ｌと同心状に配設された励磁コイル２と、この励磁コイ
ル２に電力を供給する直流電源３と、この直流電源３に
変調を加える変調手段４と、上記プラズマ生成室１の上
部に接続され、マイクロ波を導入するための導波管５と
、上記プラズマ生成室１の下部に接続された反応室６と
から構成されている。７は半導体基板等の試料８が載置
される試料台である。また、９は上記導波管５と上記プ
ラズマ生成室ｌに挟持された石英ガラスからなるマイク
ロ波の導入窓である。

上記プラズマ生成室１は、本実施例では、内径Ｄ＝２０
０ｍｍ、高さＨ＝２００ｍｍに形成されている。

マイクロ波は、矢印へ方向からプラズマ生成室１に導入
される。

また、上記励磁コイル２は、直流電源３から電力が供給
されるとプラズマ生成室１内に所定の磁場を発生する。

すなわち、プラズマ生成室１において、上記マイクロ波
の角周波数ωと電子サイクロトロンの角周波数ω。とが
等しくなるような磁場を形成して電子に共鳴運動を行な
わせるように構成されているのである。この共鳴を起こ
させるための条件、すなわち、ＥＣＲ条件は、古典力学
的方程式を解く、ことにより容易に求められ、次式で示
される。

ω＝ω。＝ｅＢ／ｍ・１旧・・■ ここで、ｅは電子の電荷、Ｂは磁束密度１ｍは電子の質
量である。

上記０式を充足する面領域がＥＣＲポイントであり、こ
のＥＣＲポイントでマイクロ波が最もよく吸収され、プ
ラズマ密度や電子温度もこの近傍で高くなる。かかる磁
場を形成した後、磁場内で共鳴運動をしている電子と矢
印Ｂ方向から上記プラズマ生成室１に導入される第１の
反応ガス分子とを衝突させ、このガス分子を分解してイ
オン化し、プラズマを生成させるのである。

しかして、上記変調手段４は、上記直流電源３に変調を
加えることによって、種々の波形を有する磁場が現出す
るように構成されている。

すなわち、上記変調手段４によって変調された磁場は、
直流電源に重畳されたものとして得られ、例えば、第２
図（ａ）〜（ｄ）に示すように、正弦波（ａ）、矩形波
（ｂ）、鋸歯状（ｃ）あるいは大きな周期の波形と小さ
な波形とを重ね合わせたもの（ｄ）等が構成される。

上記変調手段４は、具体的には第３図に示すように交流
電源４で構成することができる。すなわち、交流電源４
に直流電源３を直列接続し、この交流電源によって一定
の振幅を有する電流を励磁コイル２に供給し、磁場に変
調を加え、ＥＣＲ条件（上記０式参照）の下、プラズマ
を発生させるのである。

さらに、上記変調手段４は、コンピュータで制御するこ
とによって、より好ましい状態で実施することができる
。すなわち、コンピュータ制御を行なうことによって、
第４図に示すような複雑な任意の波形に対しても、入射
マイクロ波の位相を調整してプラズマとマイクロ波のイ
ンピーダンス整合を確実に行なうことが可能となり、安
定したプラズマの生成を維持することができる。前述の
ような交流電源で変調手段４を構成した場合はマイクロ
波の位相を調整するための手段を別途設ける必要がある
が、この変調手段４を上述の如くコンピュータで構成す
ることによってそのような手間が省は好都合である。

このように構成されたプラズマ装置において、半導体基
板等の試料８への成膜は、以下の如く行なわれる（第１
図参照）。

まず、プラズマ生成室ｌ及び反応室６に矢印ＢおよびＣ
方向から反応ガスを導入した後、所定圧に設定し、導波
管５を介して所定の高周波所を有するマイクロ波をプラ
ズマ生成室１に導入する。

この実施例では所定圧として２　Ｘ　１Ｏ−３Ｔｏｒｒ
、マイクロ波の周波数は２．４５ＧＨｚ、その出力は６
００Ｗにそれぞれ設定されている。

一方、上記変調手段４によって上述の如く変調が加えら
れた電流を励磁コイル２に供給すると、ＥＣＲ条件（上
記０式）を充足する所定の磁場が発生し、電子サイクロ
トロン共鳴が起こる。プラズマ生成室１に矢印Ｂ方向か
ら導入されるＮ２．０□等の第一の反応ガスは、サイク
ロトロン共鳴運動をしている高エネルギ電子と衝突し、
上記第一の反応ガスは分解されてイオン化し、プラズマ
１０を生成する０次いで、このプラズマは、発散磁界に
より引出窓１１を通過し、反応室６内に弓き出される。

矢印Ｅ方向に加速されたプラズマは、矢印Ｃ方向から反
応室６に導入された５ＩＨ４等の第二の反応ガスと反応
して試料台７に載置された試料８の表面に５ｉｓＮ４．
５ｉ０２等の薄膜１２を形成する。尚、反応室６内の未
反応物等は矢印り方向へと排気される。

この場合、磁場に上述の如（変調が加えられたことによ
って、ＥＣＲポイントがコイル軸方向に変動すると共に
、上記プラズマ生成室１内のプラズマ雰囲気中には電磁
誘導により磁場の変化を妨げるような電流が流れる。つ
まり、ＥＣＲポイントの領域が見掛は上振動して拡大す
ると共に、コイル軸の同心軸の周囲にプラズマが揺さぶ
られることどなる。したがって、ＥＣＲポイント内のプ
ラズマ分布がより一層均−化されることとなり、上記薄
膜１２は、従来に比し、その試料面内の膜厚がより一旧
均−化される。

ところで、このように試料８の表面に薄膜１２が形成さ
れる一方、反応室６内で生成されたＳｉＯ□、５ｉＪ４
等の反応物は装置内部で拡散され、プラズマ生成室内壁
１３や反応室内壁１４に薄膜状に付着する。特にプラズ
マ生成室内壁１３に付着した薄膜がこの内壁１３から剥
離すると、反応室６に落下し薄膜１２の形成に悪影響を
及ぼす虞がある。

そこで、上記プラズマ生成室ｌの内部にクリーニングを
施してこのような付着物（薄膜）を除去する必要がある
が、本実施例に係るプラズマ装置を使用することによっ
て、かかるクリーニング操作を極めて合理的に行なうこ
とができる。

以下、プラズマ生成室１内部のクリーニング方法につい
て説明する（第１図参照）。

まず、ＳＦ、等のエツチング性ガスを矢印Ｂ方向からプ
ラズマ生成室１に導入した後、プラズマ生成室ｌ及び反
応室６を所定圧力（圧力２　Ｘ　１０−”Ｔ。

ｒｒ）に設定し、マイクロ波（周波数２．４５ＧＨｚ、
出力６００Ｗ）をプラズマ生成室ｌに導入する。また、
変調手段４によって変調が加えられた電流を励磁コイル
２に供給し、所定の磁場を発生させ、電子サイクロトロ
ン共鳴励起によりプラズマを生成させる。これによりプ
ラズマ生成室ｌの内壁１３に付着した薄膜をエツチング
によって除去し、プラズマ生成室ｌ内部のクリーニング
を行なうことができる。

このようなりリーニング操作において、前記変調手段４
によって、励磁コイル２の作る磁場には変調が加えられ
たので、薄膜形成工程と同様、ＥＣＲポイントがコイル
軸方向に変動する。したがって、プラズマの密度や電子
温度もこの変動するＥＣＲポイントに対応して均一的に
拡がる。しかも前述の如くプラズマ雰囲気中には磁場の
変化を妨げるような電流が流れるのでコイル軸の周囲に
プラズマが揺さぶられ、コイルの円周方向にもプラズマ
は均一的に分布する。つまり、見掛は上大きなＥＣＲポ
イントが形成され、かつこのＥＣＲポイント内でのプラ
ズマ分布もより一層均−化されるため、プラズマ生成室
内壁１３全体に亙って略均−なエツチング速度が得られ
る。したがって、従来のように局部的に強力なエツチン
グが行なわれるのではなく、プラズマ生成室ｌの内部全
域に亙ってエツチングを略均−に行なうことができ、ク
リーニング時間の短縮を行なうことが可能となる。

第５図は変調手段４として交流電源を使用した場合（第
３図参照）のエツチング特性を示した特性図であり、第
６図は比較例として従来例（第７図参照）のエツチング
特性を示した特性図である。横軸は導入窓９からの壁面
上下方向の距離ｔ（ｍｍ）を示し、縦軸はプラズマ生成
室内壁１３の付着物のエツチング速度（入／ｍ１ｎ）を
示している。この特性はプラズマ生成室内壁１３に厚さ
約ＩＬＬｍのＳｉＯ□の薄膜を形成してエツチングを行
なった結果を示したものである。また、エッチング速度
（人／ｍ１ｎ）は、エツチング時間１０分後の薄膜残厚
を測定して算出した。尚、励磁コイル２には１８Ａの電
流を流し、正弦波を描く交流電源によって、±４Ａの振
幅を加えて変調した。

この両図の比較から明らかなように、従来例においては
、ＥＣＲポイントが狭いため、このＥＣＲポイント（図
中、Ｇで示す）及びその近傍のエツチング速度が速く、
ＥＣＲポイントから離れるにつれて、エツチング速度が
遅くなっている。これに対し、本実施例ではＥＣＲポイ
ントが見掛は上拡大されているため、プラズマ生成室１
の内部全域に亙ってエツチング速度が略均−となってい
ることが解る。すなわち、従来においては、エツチング
速度がプラズマ生成室ｌ内で不均一なため、クリーニン
グに要する時間が長くなるのに対し、本実施例ではエツ
チング速度がプラズマ生成室１内の全域に亙って略均−
となり、クリーニング時間が短縮されることとなる。因
みに、本実施例に係るプラズマ装置でクリーニングした
場合、従来に比べてそのクリーニング時間が約２／３に
短縮されることが確認され、所期の目的を達成すること
ができた。

上記実施例では、第一の反応ガスをプラズマ生成室に、
第二の反応ガスを反応室に導入する例を示したが、反応
室に導入した反応ガスは、プラズマ生成室内に拡散する
ので、プラズマ生成室への第一の反応ガスの導入を省く
こともできる。いずれの場合でも、薄膜の形成、プラズ
マ生成室内壁のクリーニングには、実用上顕著な相違は
ない。

また、本発明の装置は、励磁コイル軸に垂直な面におけ
るプラズマの分布が均一であるため、前述のように均一
な膜厚の薄膜形成に有効に利用できるほか、半導体素子
の製造工程におけるエツチングにおいても、試料面内の
エツチング速度を均一にすることができるので、エツチ
ング装置としても優れた性能を持っている。

尚、本発明は上記実施例に限定されることはなく、要旨
を逸脱しない範囲において変更可能なことはいうまでも
ない。

光！しと従里 以上、詳述したように本発明に係るプラズマ装置および
その使用方法にあっては、プラズマ生成室と、このプラ
ズマ生成室の周囲に配設されて直流電源が供給される励
磁コイルとを備えたプラズマ装置において、上記直流電
源に変調を加える変調手段が設けられているので、ＥＣ
Ｒポイントがコイル軸方向に変動し、ＥＣＲポイントが
見掛は上振動する。したがって、この変動するＥＣＲポ
イントに対応してプラズマ密度や電子温度の分布も均一
的に拡がる。

また、このように変調が加えられたことによって、プラ
ズマ雰囲気中には電磁誘導により磁場の変化を妨げるよ
うな電流が流れるため、プラズマはコイル軸の周囲に揺
さぶられて円周方向に均一的に分布する。したがって、
試料面内への成膜の均一性を向上させることができるほ
か、エツチングに用いた場合には、試料面内のエツチン
グ速度を均一にすることができる。

さらに、本発明の主目的とするプラズマ生成室の内壁付
着物のクリーニングも迅速に行なうことができる。

つまり、このプラズマ装置を用いることによって、より
一層薄膜形成及びエツチングの均一性が向上し、より品
質の優れた薄膜の形成及びエツチングを行なうこ、とが
できるという効果がある。

また、このプラズマ装置を用いて、プラズマ生成室内部
をクリーニングすることによって、クリーング時間の短
縮ができ、プラズマ生成室内のクリーニングを効果的か
つ速やかに行なうことができる。

さらに、本発明に係るプラズマ装置は、変調手段により
直流電源に変調を加えて励磁コイルに電流を供給したに
すぎないので、構造が簡単であり、装置の大型化や複雑
化を招来することもないという効果もある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係るプラズマ装置の一実施例を示す概
念図、第２図（ａ）〜（ｄ）は変調手段によって変調さ
れて出力された波形の一例を示す波形図、第３図は変調
手段として交流電源を使用した場合の電気回路図、第４
図は変調手段による変調波形の他の例を示す波形図、第
５図は本発明に係るプラズマ装置のプラズマ生成室内壁
付着物のエツチング特性を示す特性図、第６図は従来の
プラズマ装置のプラズマ生成室内壁付着物のエツチング
特性図、第７図は従来のプラズマ装置の電気回路図であ
る。 ■・・・プラズマ生成室、２・・・励磁コイル、３・・
・直流電源、４・・・変調手段。 特許出願人　：　住友金属工業株式会社代理人　　　：
　弁理士　　弁内　龍二（ａ） 第３図 （ｂ） 牛 第４図 第 図 第 ７図

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）プラズマ生成室に反応ガス及びマイクロ波を導入
   すると共に、該プラズマ生成室の周囲に配設された励磁
   コイルに直流電源を供給して磁界を印加し、電子サイク
   ロトロン共鳴励起によりプラズマを生成させるプラズマ
   装置において、上記直流電源に変調を加える変調手段が
   設けられていることを特徴とするプラズマ装置。
2. （２）請求項（１）記載のプラズマ装置を用いて、薄膜
   を形成すると共に、プラズマ生成室内部をクリーニング
   することを特徴とするプラズマ装置の使用方法。