JPH0336274A - 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】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、半導体装置の製造においてＣＶＤ装置、エツ
チング装置、スパッタリング装置等として使用される電
子サイクロトロン共鳴を利用したプラズマ装置に関する
。

［発明の概要］ 本発明は、プラズマ引き出し窓を有するプラズマ生成室
と前記プラズマ引き出し窓と対向して配置される試料台
を有する試料室を備えた電子サイクロトロン共鳴型のプ
ラズマ装置において、ゲートバルブを上記プラズマ生成
室と試料室どの境界に配設するか、もしくはプラズマ引
き出し窓と試料台の中途部において試料室をう３割する
位置に配設することにより、試料を移動・交換する際の
装置の真空排気容積を滅し、生産性の向上を図るもので
ある。

〔従来の技術〕

半導体集積回路をはしめとする各種電子デバイスの製造
において、低温プラズマを薄膜形成やエツチングに利用
するための各種の装置や方法が提案されている。低温プ
ラズマを利用すれば、比較的低温（２５０〜３５０°Ｃ
）でも高いエネルギー状態への分子の励起１分解、イオ
ン化等を引き起こすことができる。しかし、この低温プ
ラズマの電離度は極めて低くプラズマ密度より中性粒子
の密度が遥かに高いため、分子の活性化、すなわち励起
分解、イオン化が必ずしも十分ではない。そこで近年で
は、電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ）を利用し、低ガ
ス圧で高活性のプラズマを生成できるＥＣＲプラスマ生
威生成注目されている。

ＥＣＲプラズマとは、発散磁界中でローレンツ力によっ
て円運動をしている電子にその角周波数ω、に等しい角
周波数ωを有するマイクロ波電界が与えられた時（ＥＣ
Ｒ条件の成立）、該電子が共鳴的にマイクロ波のエネル
ギーを吸収して発散磁界の減少する磁力線方向に沿って
加速され、さらに中性分子に衝突してイオン化を誘発す
ることにより効率良く生成されるプラズマである。この
ようなＥＣＲブラスマを発生させるためのプラズマ装置
の最も基本的な装置構成が、特開昭５６１５５５３５号
公報に開示されている。これを第５図に示す。

このプラズマ装置は、マイクロ波発生源（図示セす。）
により発」−シたマイクロ波を導くための矩形導波管（
５０）、娘矩形導波管（５０）に石英ガラス板等からな
るマイクロ波導入窓（５１）を介して接続され電子サイ
クロトロン共鳴を利用してプラズマを発生させるための
プラズマ生成室（５２）、該プラズマ生成室（５２）で
化成したプラズマを引き出すためのプラズマ引き出し窓
（５３〉、ウェハ等の試料（５４）を載置する試料台（
５５）を配設し、プラズマ流（６０）によりＣＶＤ、　
エツチング、スパッタリング等の作業が行われる試料室
（５６）、上記矩形導波管（５０）の一端部からプラズ
マ生成室（５２）にわたってこれらを周回するように配
設された磁気コイル（５７）、上記プラズマ生成室（５
２）にガスを導入するための−次ガス導入系（５８）、
上記試料室（５６）にガスを導入するための二次ガス導
入系（５９）、上記試料室（５６）から矢印入方向に接
続される排気系統（図示・已ず。）等から主として構成
される。

このような装置を使用するにあたっては、プラズマ生成
室（５２）を冷却系（６１）により冷却し、装置内を外
部の排気系統により所定の真空度となるまで排気し、−
次ガス導入系（５８）または二次ガス導入系（５９）、
あるいはその両方から目的に応して適当なガスを導入し
、試料（５４）面上において所定の反応を行わせる。

かかるプラズマ装置を使用すれば、■基板に損傷を与え
ず低汚染で良質な薄膜が形成できる、■高アスペクト比
を要する加工も高精度で行われる、■試料面に高周波バ
イアスを印加することにより広範囲にイオンエネルギー
を制御できる等の優れた利点が生ずる。

〔発明が解決しようとする課題〕

ＥＣＲを利用するプラズマ装置は上述のように多くの優
れた利点を有しているが、生産性番、：未だ解決すべき
問題を残している。それは、このプラズマ装置が主とし
て枚葉処理型の装置であることに起因している。

枚葉処理自体は、近年の半導体装置のデ１ｙインルール
の微細化や大口径ウェハを取り扱う必要性に対応するた
めには好ましいものであるが、ＥＣＲを利用するプラズ
マ装置の場合には次のような問題がある。すなわち、上
記プラズマ装置が発散磁界を利用しているために、−度
に処理できる試料の数が少ない割には試料室の容積の減
少に限度があることである。したがって、試料の移動や
交換を行う度に、所定の真空度を達成するための排気時
間を要し、このことが生産性向上の障害となっている。

プロセス速度の増大でこの問題を解決しようとしても、
ＥＣＲプラズマを利用するプロセスは低圧下で行われる
ために本質的にプロセス速度が遅いので、解決は困難で
ある。

そこで本発明は、低損傷、低汚染、高精度、高制御性と
いったＥＣＲプラズマ利用プロセスの長所を活かしつつ
、生産性の向上を可能とするプラズマ装置の提供を目的
とする。

〔課題を解決するための手段〕

本発明者は、プラズマ生成室と試料室の境界、あるいは
試料室内であってかつ試料台に近接する位置にゲートバ
ルブを設ｊ・ノることにより、試料を移動・交換する際
の装置の真空排気容積を減することが、上述の目的を達
成する上で有効であることを見出し、本発明を完成する
に至ったものである。

すなわち、本発明の第１の発明にかかるプラズマ装置は
、電子サイクロトロン共鳴を利用してプラズマを発生さ
せるプラズマ装置であって、プラズマ引き出し窓を有す
るプラズマ生成室と、前記プラズマ引き出し窓と対向し
て配置される試料台を有する試料室を備え、前記プラズ
マ生成室と試料室とがゲートバルブを介して接続されて
なるものである。

本発明の第２の発明にかかるプラズマ装置は、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
マ装置であ、って、プラズマ引き出し窓を有するプラズ
マ生成室と、前記プラズマ引き出し窓と対向して配置さ
れる試料台を有する試料室を備え、前記試料室をプラズ
マ引き出し窓と試料台の中途部において分割する位置に
ゲートバルブが配設されてなるものである。

〔作用〕

本発明において使用されるゲートバルブは気密性に優れ
た部材で構成され、閉鎖時にはプラズマ装置内の所定の
領域を高真空状態に維持することができるものである。

本発明の第１の発明ではこのゲー］・バルブがプラズマ
生成室と試料室との境界に設υられているので、該ゲー
トバルブを閉鎖して試料を移動・交換する際に常圧に戻
るのは試料室のみであり、プラズマ生成室は高真空状態
に維持される。

本発明の第２の発明では、ゲートバルブはプラズマ引き
出し窓と試料台の中途部において試料室を分割する位置
に配設されている。この場合、該ゲートバルブを閉鎖し
た際には高真空状態に維持される空間は第１の発明より
さらに大きくなり、試料の移動・交換時には試料室のう
ち該ゲートバルブより排気系統側に存在する部分のみが
常圧に戻る。

したがって、試料の移動・交換が終了した後に再び真空
排気を行うべき容積が従来のプラズマ装置に比べて大幅
に減少するので、真空排気に要する時間が短縮され、効
率の良い連続処理が可能となり、その結果、生産性が向
上する。

（実施例） 以下、本発明の好適な実施例について図面を参照しなが
ら説明する。

実施例１ 本実施例は、プラズマ生成室と試料室との間にゲートバ
ルブを配設置、たプラズマ装置の例である。

まず、上記プラズマ装置の構成の概略を第１図に示す。

このプラズマ装置（、よ、マイクロ波発生ｔＡ（図示せ
ず。）により発生したマイクロ波を導くための矩形導波
管（１）、該矩形導波管（１）に石英ガラス板等からな
るマイクロ波導入窓（２）を介して接続され電子サイク
ロトロン共鳴を利用してプラズマを発生させるためのプ
ラズマ生成室（３）、該プラズマ生成室（３）で生成し
たプラズマを引き出すためのプラズマ引き出し窓（４）
、ウェハ等の試料（５）を載置する試料台（６）を配設
し、ＣＶＤ、　　エツチング、スパッタリング等の作業
が行われる試料室（７）、上記矩形導波管（１）の一端
部からプラズマ生成室（３）にわたってこれらを周回す
るよ・うに配設された磁気コイル（８）、上記プラズマ
生成室（３）にガスを導入するための一次ガス導入系（
９）、上記試料室（７）にガスを導入するための二次ガ
ス導入系（１０）、上記試料室（７）から矢印Ａ方向に
接続される排気系統（図示せず。）、および複数の試料
の保持手段および搬送手段を有し連続処理を可能とする
目的で上記試料室（７）にロードロックバルブを介して
接続されるロードロツタ室（図示せず。）等から主とし
て構成される。

ここで、マイクロ波発生源としてはたとえば周波数２．
４５ＧＨｚのマグネＩ・ロンを使用することができ、図
示しない整合器、マイクロ波電力計、アイソレータ等を
経て上記矩形導波管（１）に接続されている。

上記プラズマ生成室（３〉　の寸法および断面形状は、
マイクロ波空洞共振モードを達威し高いマイクロ波放電
効率が得られるように設計されている。

プラズマ生成室（３）の外壁は二重構造となっており、
冷却水管（１１）を通して水を導入することによりプラ
ズマの生成による温度上昇を防止するようになされてい
る。

プラズマ生成室（３）と試料室（７〉　との境界には、
プラズマ引き出し窓（４）が配設されており、プラズマ
流（１２）の絞りとなると共に、マイクロ波に対する反
射面を構成し、プラズマ生成室（３）をマイクロ波空洞
共振器として作用させることを可能としている。

１ 上記磁気コイル（８）は、上記プラズマ生成室（３）内
においてＥＣＲ条件を成立させ得る強度の磁界を発生す
るものであり、たとえば周波数２．４５ＧＨ２のマイク
ロ波に対しては磁束密度８７５Ｇを得るに十分なものが
使用される。この磁気コイル（８）は、その発生する磁
界がプラズマ生成室（３）におけるＥＣＲに利用される
のみならず、試料室（７）にも及んで試料台（６）に向
けて適当な勾配で減少する発散磁界が形成されるように
構成されている。

さらに上記試料台（６）は、上記プラズマ引き出し窓（
４）により絞られたプラズマ流（１２）が入射可能であ
り、かつ所定の負電位を達成できる位置に設置されてい
る。上記試料台（６）には高周波バイアスの印加手段（
図示せず。）を設け、プラズマのエネルギーを制御でき
るようにしても良い。

本発明では、プラズマ生成室（３）と試料室（７〉との
間にゲートバルブ（１３）が配設されている。このゲー
トバルブ（１３）の配設形態は、プラズマ生成室（３）
と試料室（７）との間であれば特に限定されるものでは
ないが、第１図に示すようにプラズマ２ 引き出し窓（４）にスライド式等の開閉部材として設け
るのが最も簡便である。これは、装置外部の操作手段（
図示せず。）と接続されており、プラズマ装置内の真空
度を維持したまま開閉可能となされている。

かかるプラズマ装置を使用しである試料に対する処理を
終了した後、これを排出して次の試料を装填するには、
まずガスおよびマイクロ波の供給を中断し、上記ゲート
バルブ（１３）を閉鎖し、ロードロックバルブを開放し
て試料を移動させ、該ロードロツタバルブを再び閉鎖し
て真空排気を行い、試料室（７）が所定の真空度に到達
したところでゲートバルブ（１３）を開放する。このよ
うな操作によれば、プラズマ生成室（３）内は常にマイ
クロ波放電時の真空度に近い状態に維持されており、新
たに真空排気を行うべき容積は試料室（７〉　のみで済
む。

このプラズマ装置を、プラズマＣＶＤにより酸化シリコ
ンを成長させる工程に適用した。−次ガス導入系（９）
からは酸素ガス、二次ガス導入系（１０〉からはシラン
（Ｓ　ｉ　Ｈ４）ガスを導入した。従来は厚さ４０００
人の酸化シリコン膜を成長させるのに２分、試料交換後
の真空排気に３分の時間をそれぞれ要していたが、ゲー
トバルブ（１３〉を使用することにより真空排気の時間
がほぼ半減され、生産性が３０％以上向上した。

なお、第１図に示すプラズマ装置は必ずしもこの図面に
記されている方向に設置する必要はなく、水平設置とし
ても良い。水平設置によれば試料面は垂直方向を向くた
め、塵埃等による汚染を低減する上で有利である。

実施例２ 本実施例は、試料室をプラズマ引き出し窓と試料台の中
途部において分割する位置にゲートバルブが配設された
プラズマ装置の例である。

上記プラズマ装置の構成の機略は第２図に示すとおりで
ある。ゲートバルブプ（２０）以外は実施例１で述べた
ものとほぼ同様であるので、共通の部材については同一
の番号を付しである。

ここで、上記ゲートバルブ〈２０）は仕切り板等の適当
な支持部材（２１）を介して試料台（６）と略平行に配
設されており、閉鎖時にはプラズマ生成室（３）側の空
間全体の高真空状態を維持する役目を果たす。ゲートバ
ルブ（２０）を開放した際の開口部の形状および寸法は
、プラズマ流（１２）の流路に影響を与えないように選
ばれていることは言うまでもない。また、ゲートバルブ
（２０）はできるだけ試料（６）に近接して設けられる
ことが望ましい。

かかるプラズマ装置においては、ゲートバルブ（２０）
を閉鎖した際に高真空状態に維持される空間が実施例１
の場合よりもさらに大きくなるので、試料の移動・交換
後の真空排気に要する時間がより一層短縮され、生産性
が向上する。このプラズマ装置も、実施例１の場合と同
様、水平設置により汚染の低減を図ることができる。

ところで、上述の実施例１および実施例２に示したプラ
ズマ装置は、さらに以下に示すような種々の工夫を施す
ことにより一層の生産性の向」二を］　５ 実現することができる。

その第一は、第３図に示すようにプラズマ装置全体を可
能な範囲で小型化することである。この装置では、プラ
ズマ生成室（３０）がマイクロ波空洞共振モードを達成
できる条件にてできる限り小さく形成され、これになら
ってプラズマ引き出し窓（３１〉の開口部も縮小されて
いる。試料室（３４）の側壁部（３４ａ）の形状は、プ
ラズマ流（３２）の流路に沿って排気系統側に向かって
拡大するごとくテーパー状とされている。ここで、上記
プラズマ引き出し窓（３１）が十分に小さく形成されて
いると、プラズマ流（３２〉が小さく絞られるために発
散磁界により広がっても末端部において試料台（６）の
全面を一度にカバーすることができない場合も生ずる。

そこで、プラズマ流（３２）を試料台（６）の全面に均
一に入射させるため、該試料台（６）には偏心自公転手
段（３３）が設けられている。かかる設計によれば、プ
ラズマ装置の大きさは約半分まで縮小することができ、
さらに該プラズマ装置のプラズマ生成室（３０）と試料
室（３４）の間、もしくは試料室（３４）６ の中途部にゲートバルブを配設すれば、真空排気に要す
る時間は極めて大幅に短縮される。

第二の工夫は、試料台の形状に関するものである。たと
えば、第４図に示すように、従来の平板型の試料台に代
えて多角錐台型（この図面では四角錐台型）のサセプタ
ー（４０）を利用することができる。このサセプター（
４０〉の各側面（４０ａ）の傾斜は使用時にはプラズマ
流の流路と略平行とされることが望ましく、これはサセ
プター（４０）自身の設計によることはもちろん、試料
室外部に別の磁気コイルを設けてプラズマの流路を制御
することによっても達成することができる。サセプター
（４０）の各側面（４０ａ）にはウェハ等の試料（６）
を保持するための保持手段（図示せず。）が設けられて
おり、該保持手段には処理の均一性を向」ニさせるため
に各試料（６）をたとえば矢印Ｘ方向へ回転させる回転
機構も内蔵されている。さらに、サセプター（４０）自
身が多角錐台の中心軸の周りにたとえば矢印Ｙ方向に回
転するようになされていても良い。

各試料（６）は傾斜面に保持されるため、汚染防止の観
点からも有利である。

かかる試料台（４０）を第５図に示すような従来の一般
的なＥＣＲプラズマ装置内に設置しようどすると、試料
室（５６〉の容積が著しく増大し、装置が大型化したり
真空排気に要する時間が長くなる等の問題を生ずる虞れ
があるが、本発明のようにゲートバルブを配設すればこ
れらの問題は回避され、極めて生産性の高いプラズマ装
置の供給が可能となる。

［発明の効果］ 以上の説明からも明らかなように、本発明にかかるプラ
ズマ装置においては、ゲートバルブを配設することによ
り試料を移動・交換した後の真空排気容積を減すること
ができるので、真空排気に要する時間が短縮され、また
常圧にもどる容積が少ない分だけ汚染の機会も少なくな
る。したがって、将来ウェハの大口径化、均一性の向上
、メンテナンスの容易化、装置の小型化等を目的どして
枚葉処理が広く行われるようになった場合にも、高品質
な処理が高い生産性をもって実施できるようになる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明にかかるプラズマ装置の一構成例を示す
概略断面図である。第２図は本発明にかかるプラズマ装
置の他の構成例を示す概略断面図である。第３図は本発
明にかかるプラズマ装置のさらに他の構成例を示す概略
断面図である。第４図は本発明のプラズマ装置に適用可
能な試料台の一例を示す概略斜視図である。第５図は電
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
従来の一般的なプラズマ装置の構成を示す概略断面図で
ある。 マイクロ波導波管 プラズマ生成室 プラズマ引き出し窓 試料 試料台 ９ 試料室 ブラスマ流 １３．２０　　・ ゲートバルブ

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
   生させるプラズマ装置において、 プラズマ引き出し窓を有するプラズマ生成室と、前記プ
   ラズマ引き出し窓と対向して配置される試料台を有する
   試料室を備え、 前記プラズマ生成室と試料室とがゲートバルブを介して
   接続されてなるプラズマ装置。
2. （２）電子サイクロトロン共鳴を利用してプラズマを発
   生させるプラズマ装置において、 プラズマ引き出し窓を有するプラズマ生成室と、前記プ
   ラズマ引き出し窓と対向して配置される試料台を有する
   試料室を備え、 前記試料室をプラズマ引き出し窓と試料台の中途部にお
   いて分割する位置にゲートバルブが配設されてなるプラ
   ズマ装置。