JPH02250976A - 成膜方法、エッチング方法及びプラズマ装置 - 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】 以下の順序に従って本発明を説明する。 Ａ、産業上の利用分野 Ｂ０発明の概要 Ｃ０背景技術【第１１図１ Ｄ１発明が解決しようとする問題点 Ｅ１問題点を解決するための手段 Ｆ１作用 Ｇ、実施例［第１図乃至第１θ図］ ａ、第１の実施例【第１図乃至第３図］ｂ、第２の実施
例［第４図乃至第９図］Ｃ１第３の実施例【第１０図】 Ｈ０発明の効果 （Ａ、産業上の利用分野） 本発明はプラズマ装置、特に電子サイクロトロン共鳴を
利用してプラズマを発生させるプラズマ生成室のプラズ
マ引出窓に面して試料の支持部材を備える試料室を設け
たプラズマ装置に関する。 （Ｂ、発明の概要） 本発明は、上記のプラズマ装置において、形成する膜の
膜厚の均一性あるいはエツチングする深さの均一性を高
めることができるようにするため、 プラズマ引出窓の大きさを可変にするか、あるいはプラ
ズマ生成室内で発生した光（プラズマ光）を試料室内の
試料の一部分へ導（ようにしたものである。 （Ｃ，背景技術）［第１１図１ 電子サイクロトロン共鳴を利用してプラズマを発生させ
るプラズマ生成室のプラズマ引出窓に面して試料の支持
部材を備える試料室を設けたプラズマ装置は、低ガス圧
で活性度の高いプラズマを生成することができ、イオン
エネルギの広範囲な選択が可能であり、また大きなイオ
ン電流を得ることができるという利点を有している（特
開昭６２−２７６８２３号公報）、そして、かかるプラ
ズマ装置は絶縁膜等のＣＶＤに好適であるので半導体装
置の製造に用いる装置の一つとして注目されている。 第１１図はプラズマ装置を示す模式的縦断面図である１
図面において、ｌはプラズマ生成室、２は冷却水の通流
室、３はプラズマ生成室ｌの上部を閉塞する石英ガラス
板、４はプラズマ生成室１の上側に設けられたマイクロ
波導波管、５はプラズマ生成室１の底部に形成されたプ
ラズマ引出窓で、図示しない引出用の電極を有している
。 ６はプラズマ生成室１の周囲に配置された励磁コイル、
７はプラズマ生成室１の下側に配置された試料室で、こ
の内部の上記プラズマ引出窓５の下側に当たる部分に試
料を支持する支持台８が配置され、該支持台８上に試料
、例えば半導体ウェハ９が支持されている。 このプラズマ装置は、プラズマ生成室ｌ、試料室７ヘガ
ス（ｌ）、ガス（２）を供給し、励磁コイル６によって
磁界を形成しつつマイクロ波を導入することによりプラ
ズマ生成室１内にガス（１）のプラズマを生成し、生成
されたプラズマイオンを上記図示しない引出用の電極の
作用と、励磁コイル６が作る発散磁界によって上記試料
室７内の半導体基板９上に投射し、該試料室７内に供給
された原料ガス（２）の気相反応によって半導体ウェハ
９の表面に成膜を行うようになっている。 ＣＤ、発明が解決しようとする問題点）ところで、プラ
ズマ装置においては、励磁コイル６によって形成した発
散磁界を利用してプラズマイオンを下側へ投射するよう
にするので、プラズマ流ｌＯは第１１図に示すように発
散した流れとなる。その結果、試料例えば半導体ウェハ
９表面におけるプラズマ流１０の密度が不均一になり、
延いてはＣＶＤにより形成される膜の厚さが不均一にな
るという問題があった。具体的には、プラズマ流１０の
密度はプラズマ流の中心軸で最も高（１周辺に行く程薄
くなるので膜成長速度もプラズマ流の中心軸に当たる部
分で速く、周辺に行く程遅くなる。従って、ＣＶＤ膜の
膜厚には半導体ウェハ９の中央部で厚く、周囲に行く程
薄くなるという半導体ウニ八半径方向における不均一性
が生じる。 また、プラズマ装置をエツチングに用いた場合にはエツ
チング深さに半導体ウニ八半径方向における不均一性が
生じることになる。即ち、半導体ウェハ９の周辺に行く
程反応が緩慢になるのでエツチング深さが浅（なること
になる。 勿論、磁界が発散磁界にならないように試料室７の周辺
にも励磁コイルを設けることにより磁界のどこをとって
も磁束密度が一定になり、延いてはプラズマ流の密度が
半導体ウェハ９表面上において均一になるようにするこ
とも考えられなくはない。しかしながら、このよう、に
すると装置の複雑化、大型化を招き、延いては高価格化
を招くので現実的ではない。 そこで、本発明は、形成する膜の膜厚の均一性あるいは
エツチング深さの均一性を高めることを目的とする。 （Ｅ、問題点を解決するための手段） 本発明プラズマ装置は上記問題点を解決するため、プラ
ズマ引出窓の大きさを可変にするか、あるいはプラズマ
生成室内で発生した光（プラズマ光）を試料室内の試料
の一部分へ導くようにしたことを特徴とする。 （Ｆ、作用） 本発明プラズマ装置によれば、プラズマ引出窓の大きさ
を可変にした場合には、例えば最初プラズマ引出窓を広
くして成膜あるいはエツチングをし、その後プラズマ引
出窓を狭くして厚い試料の中央部に対してエツチングあ
るいは成膜をするというようにして膜厚の均一性、エツ
チング深さの均一性の向上を図ることができる。 また、プラズマ生成室内で発生したプラズマ光を試料の
一部分へ導くようにした場合には、プラズマ流密度の低
い部分にプラズマ光を導（ことにより低プラズマ流密度
によるエネルギー不足を補い、膜厚の均一性あるいはエ
ツチング深さの均一性の向上を図ることができる。 （Ｇ、実施例）【第１図乃至第１０図】以下、本発明プ
ラズマ装置を図示実施例に従って詳細に説明する。 （ａ、第１の実施例）　【第１図乃至第３図】第１図乃
至第３ｒＩ！ｉは本発明プラズマ装置の第１の実施例を
説明するためのもので、第１図は模式的縦断面図、第２
図は支持部材の断面図である。　本プラズマ装置はプラ
ズマ引出窓５の大きさが可変である点と支持部材（サセ
プタ）８が噴出ガスにより無接触で試料を支持するよう
になっている点で第１１図に示したプラズマ装置と異な
っているが、それ以外の点では共通しており。 その共通点については第１１図において用いたと同じ符
号を付して図示するに留め、説明は省略する。 本プラズマ装置のプラズマ引出窓５は径が例えば２段階
で変化させることができるようになっている。 また、支持部材であるサセプタ８は冷却ガスを噴出する
ことにより半導体ウニ八〇を搬送支持するようになって
いる。１１は外部から冷却ガスを導入するガス導入孔、
１２．１２、・・・は該ガス導入孔１１によってサセプ
タ８内に導入された冷却ガスをサセプタ８の表面から上
方へ噴出するガス噴出孔、１３．１３はサセプタ１３の
表面に突出形成されたところの半導体ウェハ９を案内す
るガイドである。このように冷却ガスを噴出することに
より半導体ウェハ９を支持すると単に半導体ウェハ９を
非接触で支持してゴミの発生を少なくすることができる
だけでなく、半導体ウェハ９のイオン衝撃による温度上
昇を冷却ガスによる冷却効果により防止することができ
る。 第３図（Ａ）、（Ｂ）はプラズマ装置による成膜方法の
一例を示す断面図である。 （Ａ）先ず、同図（Ａ）に示すようにプラズマ引出窓５
の径を大きくしてＥＣＲ−ＣＶＤ法、特に、バイアスＥ
ＣＲ−ＣＶＤ法により例えばＳ、　ｉ　０　ｓ膜を形成
する。すると、前述のとおり半導体ウェハ９の中央部で
厚（周辺部で薄いＳＩＯ自腹ができる。 （Ｂ）次に、反応ガスの供給を停止しプラズマ引出窓５
の径を第３図（Ｂ）に示すように小さくし、その状態で
アルゴンＡｒのみによりスパッタエツチングを行う、す
ると、Ｓ　ｉ　Ｏ＊膜の膜厚が厚（なっている半導体ウ
ェハ９中央部表面がエツチングされるのでＳｔｅｍ膜の
膜厚が均一化する。そして、膜厚が均一化したところで
エツチングを停止する。 従って、本プラズマ装置によれば膜厚が均一なＳ　ｉ　
Ｏｓ膜を形成することができる。 尚、本プラズマ装置により例えば絶縁膜等のエツチング
を行う場合には、先ずプラズマ引出窓５の径を大きくし
てエツチングを行い、次にプラズマ引出窓５の径を小さ
くして絶縁膜等の成膜を行うことによりエツチング深さ
の均一性を向上させることができる。というのは、最初
プラズマ引出窓５を太き（してエツチングを行うと半導
体つエバ９の中央部でエツチング深さが深くなるが、そ
の後プラズマ引出窓５を小さくして絶縁膜を成膜するの
で半導体ウェハ９のエツチング深さが深すぎた中央部に
絶縁膜が成膜し、エツチング深さが均一化する。 このように、本プラズマ装置によれば、ＣＶＤ膜を形成
する場合には該ＣＶＤ膜の膜厚の均一性を高めることが
でき、エツチングする場合にはエツチング深さの均一性
を高めることができる。 （ｂ、第２の実施例）【第４図乃至第９図】第４図乃至
第６図は本発明プラズマ装置の第２の実施例を説明する
ためのものであり、第４図はプラズマ装置の模式的縦断
面図、第５図は支持部材の断面図である。 本プラズマ装置は半導体ウェハを、その周辺部を石英ク
ランプで押えることによりサセプタによって支持してい
る点と、サセプタを所定温度に加熱するサーボ系を有し
ている点で第１図、第２図に示したプラズマ装置と異な
っているいるが、それ以外の点では全く共通しており、
勿論プラズマ引出窓５の径を変化させることができるよ
うになっている点でも共通している。 １４はサセプタ８の上面に設けられた石英クランプで、
該石英クランプ１４によって半導体ウェハ９の周辺部を
押えることによって半導体ウェハ９をサセプタ８上に支
持した状態を保つようになっている。 １５はサセプタ８の内部に形成されたガス通路で、該ガ
ス通路１５にはガス導入バイブ１６を通じて例えばアル
ゴンＡｒガスが供給され、そして、そのガスは排気バイ
ブ１６°を通じて排出される。１７はサセプタ８の上部
の温度を検出する温度検知器、１８は該温度検知器１７
の検出温度と設定温度を比較し、比較結果に基づいてヒ
ーター制御信号を作るサーボ回路、１９は該回路１８か
らのヒーター制御信号に応じてヒーター２０の加熱電流
を変化させる駆動回路である。該ヒーター２０はガス導
入パイプ１６に巻回されている。ヒーター２０はサセプ
タ８内部のガス通路１５に供給されるガスをガス導入パ
イプ１６において加熱し、加熱したガスを介してサセプ
タ８を間接的に加熱する。そして、温度を一定にするサ
ーボの働きによってサセプタ８は所定の温度に保たれる
ようになっている。このようにサセプタ８を所定温度に
加熱するのは膜質な良くするためである。 即ち、低温成長（無加熱成長）では耐エツチングレート
等が低い等ＣＶＤ膜の膜質が良好でない場合があり、こ
のような場合にはサセプタを加熱することにより半導体
ウェハな所定の温度に高めることが好ましい、従って、
サーボ系によってその要請に応えようとするのである。 そして、ヒーターで直接サセプタを加熱するのではなく
、ヒーターでガスを加熱しそのガスでサセプタを加熱す
るのは、熱容量を太き（し、オーバーヒートの虞れをな
くすためである。 第６図（Ａ）、（Ｂ）は第４図及び第５図に示したプラ
ズマ装置による成膜方法の一例を順に示す断面図である
。 （Ａ）先ず、同図（Ａ）に示すようにプラズマ弓出窓５
を狭くシ（具体的には石英クランプ１４よりも内側にプ
ラズマ流があたるようにする。）でＳｉＨ４＋０１＋　
　（＋Ａｒ）ガスを供給してバイアＸＥＣＲ−ＣＶＤに
よりＳｉ　Ｏｓ膜の形成を行う、この場合、プラズマ流
は絞られているから５ｉｎｓ膜の膜成長速度は速いが、
半導体ウェハ９の中央部で厚く、周辺部に行く程薄（な
るという膜厚の不均一性がある。 （Ｂ）次に、同図（Ｂ）に示すようにプラズマ引出窓５
を広（シ（具体的にはプラズマ流が石英クランプ１４に
も充分にあたるように広くする）その状態でＳ　Ｉ　Ｈ
４＋Ｏｉ　＋Ａｒガスを供給したバイアスＥＣＲ−ＣＶ
ＤによりＳｉＯｘ膜の形成を続ける。すると、アルゴン
Ａｒイオンにより石英クランプ１４がスパッタされ、そ
れを構成する５ｉ０２の粒子が生じ、該粒子が半導体ウ
ェハ９の周辺部に付着する。 従って、半導体ウェハ９の周辺部において膜厚が薄くな
ろうとする傾向をな（し膜厚）均一性ヲ高めることがで
きる。 第７図は支持部材の加熱手段の変形例を示す。 のである。 本変形例は、サセプタにガスＡｒを導入１６１１路を２
つにし、一方の経路ｌｅａは加熱せず、他方の経路１６
ｂをヒーター２０によって常に一定の加熱電流によって
加熱し、経路１６ａ及び１６ｂのバルブ２１．２１．２
１．２１の開閉をサーボ回路（第７図では図示せず）に
より制御することによりサセプタ８の温度を制御するも
のである。このようにすれば、熱応答特性が非常に良（
することができる、特に、アルゴンイオンの衝撃による
急激な温度上昇が起きたときに対する対応が迅速にでき
、温度の安定性を高めることができる。 尚、ガスの加熱をヒーターにより行うのではなくマイク
ロ波電源や導波管で発生する熱を利用することにより行
うようにしても良い、というのは、このようにすれば、
マイクロ波電源や導波管の冷却が不要になるからである
。即ち、サセプタ８の加熱と、マイクロ波電源や導波管
の冷却とを兼ねることができ、−石二鳥となるのである
。 第８図は本発明プラズマ装置の試料室へのガス導入手段
の第１の変形例を示す模式的縦断面図である０本変形例
はガス導入バイブ２２を上下方向に移動可能にしたもの
である。 即ち、普通のプラズマ装置は試料室７のサセプタ８より
も相当に高いところに（プラズマ引出窓５のすぐ下側）
に反応ガス（２）が供給され、反応ガスの供給されると
ころは位置が固定されている。しかし、これだと反応ガ
スの流れに起因して半導体ウェハ９中央部で膜厚が厚（
、周辺部で薄くなる膜厚不均一性が生じる。そこで、ガ
ス導入バイブ２２を下側に移動できるようにするのであ
る。というのは、ガス導入バイブ２２を半導体ウェハ９
と同程度の高さまで下げると、逆に半導体ウェハ９の周
辺部の方が中央部よりも膜成長速度が速くなるので、ガ
ス導入バイブ２２を上側に位置させてＣＶＤを行い、あ
る時間経過したらガス導入バイブ２０を降下させてＣＶ
Ｄを行うことにより膜厚の均一性を高めることができる
からである。・ 尚、ガス導入バイブ２２はガス噴出部がリング状に形成
されリング状ガス噴出部から内側へガスが噴出されるよ
うになっている。ちなみに、第１図、第４図に示したプ
ラズマ装置においても試料室ｌ内に反応ガス（２）を供
給するガス導入バイブの内端なそのようなリング状にし
ても良い。 尚、本プラズマ装置による成膜は、必要な膜厚の８０％
位までをガス導入バイブ２２を高いところに位置させた
状態で行い、残りの２０％の成膜なガス導入バイブ２２
を半導体ウェハ９と同程度に低くした状態で行うと最も
膜厚の均一性を高めることができろことが確認されてい
る。 また、ＣＶＤ中ガス導入バイブ２２を上から下へあるい
は下から上へ徐々に移動させることとし、その移動速度
を適宜コントロールすることにより成膜を行うようにし
ても良い。 また更に、１つの導ガス導入バイブ２２を上下方向に移
動するのではな（、試料室７の上部に反応ガスを導入す
る高位置のガス導入バイブ２２と、サセプタ８と略と同
じ高さのところに反応ガスを導入する低位置のガス導入
バイブ２２とを設け、反応ガス（２）を両方のバイブ２
２．２２から供給するようにしても良い。 第９図は本発明プラズマ装置の試料室へのガス導入手段
の第２の変形例を示す模式的縦断面図である。 本プラズマ装置は、ガス導入バイブ２２の数を４個（２
２８〜２２ｄ）にしてより膜厚の均一性を高めるように
したものである。 本プラズマ装置によりＳｉＯ□膜の成膜な行う方法の一
例を述べると、プラズマ生成室１ヘガスＣｌ　ｉとして
酸素ガスを４０ｃｃ導入し、ガス導入バイブ２２ａから
Ｓ　ｉ　Ｈ４を２４ＣＣ導入し、マイクロ波電力８００
Ｗ、圧力１０−”Ｔｏｒｒで所望の膜厚の８０％程度を
成膜し、その後残りの２０％を上記状態で更にガス導入
バイブ２２ｄからもＳ　ｉ　Ｈ＜を２ｃｃ導入すること
により行う。 これによって非常に高い膜厚の均一性が得られることが
確認されている。 次に、別の例を述べると、プラズマ生成室１へ駿素ガス
を４０ｃｃ導入し、ガス導入バイブ２２ａからＳｉＨ，
を２４ｃｃ導入し、そして、ガス導入バイブ２２ｂまた
は２２ｃからはオゾン０、を導入し、そして、ガス導入
バイブ２２ｄからはＳｔＨ，を導入する方法もある。オ
ゾンＯ＠を試料室７内に導入するのはプラズマ流の下流
で活性種が失活する割合が多くなるので、失活分を活性
なオゾンＯ３によって補うためである。これにより成膜
速度が速くなる 更に別の例として、プラズマ引出窓ｌへはＮ。 ０を導入し、ガス導入バイブ２２ａからはＳ　ｉ　ＯＨ
＜を導入してＳｉｎ、膜を形成する場合について述べる
。この場合もガス導入バイブ２２ｂまたは２２ｃからは
オゾンＯｎを導入し、そして、ガス導入バイブ２２ｄか
らはＳｉＨ，を導入する。このようにＮ１をプラズマの
形成に用いるのは、ＳｉＨ，−０１系を用いた場合に生
じる気相での反応が充分に行われてダストが発生したり
カバレッジが悪くなるという問題を回避することができ
るからである。そして、とのＮｓＯガス系を用いた場合
には膜成長速度はＳ　Ｉ　Ｈ。 −〇系の場合よりも低下するが、オゾン０３によりその
成長速度の低下分をカバーすることができる。 （ｃ、第３の実施例）【第１Ｏ図】 第３図は本発明プラズマ装置の第３の実施例を示す模式
的縦断面図である。 本実施例は第１１図に示した従来のプラズマ装置とはプ
ラズマ生成室で発生したプラズマ光を試料である半導体
ウェハの一部（周辺部）へ導く導光手段を有している点
で異なっているが、それ以外の点では共通しており、共
通している点については説明を省略する。 ２３はプラズマ生成室１の側壁に設けたプラズマ光取り
出し窓、２４．２４、・・・は該窓２３を経て外側に出
射されたプラズマ生成室ｌ内からのプラズマ光を試料室
７内の半導体ウェハ９の周辺部へ導く光ファイバである
。 本プラズマ装置は、マイクロ波電力とこのマイクロ波の
周波数とで決まる電子サイクロトロン共鳴条件を満たす
磁場条件以上の磁場を印加してプラズマを形成し、この
プラズマの光エネルギーを上記プラズマ光取り出し窓２
３から光ファイバー２４．２４１・・・によって半導体
ウェハ９の周辺部上に導いて該周辺部上に光ＣＶＤが行
われるようにしたものである。このようにすれば、半導
体ウェハ９の周辺部でＣＶＤ膜の膜成長速度が低下する
分を光ＶＤにより補うことができ、従って成膜速度の均
一化を図ることができるのでＣＶＤ膜の膜厚の均一性を
高めることができるのである。 尚、本プラズマ装置において、プラズマ光取り出し窓に
プラズマ光の波長や光量を制御する装置を設けることに
より膜厚の均一性をより高めるようにしても良い、また
、サセプタ８を回転させることにより膜厚の均一性を高
めることも有益である。更に、光ファイバー２４．２４
、・・・の先端に光を集光するシステムを設けてプラズ
マ光の有効利用を図るようにしても良い。 このように、本発明プラズマ装置は種々の態様で実施す
ることができ、また種々のバリエーションが考えられる
。 （Ｈ，発明の効果） 以上に述べたように、本発明プラズマ装置は、プラズマ
引出窓の大きさを可変にするか、あるいはプラズマ生成
室内で発生した光（プラズマ光）を試料室内の試料の一
部分へ導くようにしたことを特徴とする。 従って、本発明プラズマ装置によれば、プラズマ引出窓
の大きさを可変にした場合には、例えば最初プラズマ引
出窓を広くして成膜あるいはエツチングをし、その後プ
ラズマ引出窓を狭くして厚い試料の中央部に対してエツ
チングあるいは成膜をするようにして膜厚の均一性、エ
ツチング深さの均一性の向上を図ると−とができる。 また、プラズマ生成室内で発生したプラズマ光を試料の
一部分へ導くようにした場合には、プラズマ流密度の低
い部分にプラズマ光を導くことにより低プラズマ流密度
によるエネルギー不足を補い、膜厚の均一性あるいはエ
ツチング深さの均一性の向上を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図乃至第３図は本発明プラズマ装置の第１の実施例
を説明するためのもので、第１図はプラズマ装置の模式
的縦断面図、第２図は支持部材の断面図、第３図（Ａ）
、（Ｂ）は成膜方法を示す断面図、第４図乃至第６図は
本発明プラズマ装置の第２の実施例を説明するためのも
ので、第４図はプラズマ装置の模式的縦断面図、第５図
は支持部材の断面図、第６図（Ａ）、（Ｂ）は成膜方法
を示す断面図、第７図は支持部材の加熱手段の変形例を
示す構成図、第８図はガス導入手段の第１の変形例を示
す模式的縦断面図、第９図は同じく第２の変形例を示す
模式的縦断面図、第１０図は本発明プラズマ装置の第３
の実施例な示す模式的縦断面図、第１１図は背景技術を
示す模式的縦断面図である。 符号の説明 ｌ・・・プラズマ生成室、 ５・・・プラズマ引出窓、８・・・支持部材、９・・・
試料、２４・・・導光手段。 出　　願　　人　　　　ソ　ニ 第７図 ガス導入手段のｙＦ５１の 変形例を示す模式的縦断面図 第８図 背景液＃ｒ亡示す断面図 第１１図

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）電子サイクロトロン共鳴を利用してプラズマを発
   生させるプラズマ生成室のプラズマ引出窓に面して試料
   の支持部材を備える試料室を設けたプラズマ装置におい
   て、 上記プラズマ引出窓の大きさを可変にしてなることを特
   徴とするプラズマ装置
2. （２）電子サイクロトロン共鳴を利用してプラズマを発
   生させるプラズマ生成室のプラズマ引出窓に面して試料
   の支持部材を備える試料室を設けたプラズマ装置におい
   て、 上記プラズマ生成室内で発生した光を上記試料室内の試
   料の一部分へ導く導光手段を設けたことを特徴とするプ
   ラズマ装置