JPH04287309A - マイクロ波プラズマ処理装置 - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、マイクロ波プラズマ
を用いて被処理物表面への薄膜形成あるいはエッチング
等の処理を施すマイクロ波プラズマ処理装置であって、
軸線上にマイクロ波透過窓を有し、原料ガスをプラズマ
状態にする軸対称のプラズマ生成室と；　プラズマ生成
室の外側に配置されプラズマ生成室内にマイクロ波との
電子サイクロトロン共鳴を生じさせるための磁界を形成
する外部磁気回路と；　プラズマ生成室の前記マイクロ
波透過窓と対面する側にプラズマ生成室と同軸に形成さ
れたプラズマ引出し口を通してプラズマ照射される被処
理物を設置するステージと；同一口径のガス引出し口が
複数個、周方向等間隔に形成され、ステージとプラズマ
引出し口との間にプラズマ引出し口と同軸に配されてス
テージ近傍に別種の原料ガスをガス量が周方向均等にな
るように噴出する円環状ガスノズルが配される反応室と
；を備えたマイクロ波プラズマ処理装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来のマイクロ波プラズマ処理装置の一
例として特開昭５６−１５５５３５号公報に示されたＥ
ＣＲプラズマＣＶＤ装置を図６に示す。図示されないマ
イクロ波源で発振されたマイクロ波が導波管１を通り、
マイクロ波透過窓２を通過して、図示されない真空排気
装置で真空に保たれた円筒状のプラズマ生成室３に導入
される。 プラズマ生成室３内にはガス導入管４よりプラズマ生成
ガスが供給され、前記マイクロ波と、プラズマ生成室３
を同軸に囲んで配置されたソレノイド７が形成する磁界
との作用でマイクロ波プラズマが生じる。

【０００３】このプラズマは、前記ソレノイドコイルの
形成する発散磁界に沿って下向きに移動し、反応室１１
内にあってＲＦ電力が印加できるステージ１０上に配置
されたウエーハ９に照射される。反応室１１にはガス導
入管６を通して反応ガスが供給される。

【０００４】このような装置において、ウエーハ９の表
面にシリコン窒化膜を形成する場合には、例えばマイク
ロ波の周波数として通常工業的に用いられている２．４
５ＧＨｚ　を用い、プラズマ生成室３内に磁束密度８７
５　ガウスの領域を形成して、プラズマ生成室３に窒素
ガス、反応室１１にシランガスを導入すれば、マイクロ
波電界と磁界とによる電子サイクロトロン共鳴（以下Ｅ
ＣＲと記す）　効果によりプラズマ生成ガスが効率よく
電離され、ウエーハ上にシリコン窒化膜が効率よく形成
される。なお、前記ＲＦ電力をステージに印加して膜形
成を行うと、膜の緻密化，　段差被膜性の改善，　凹部
の膜の平坦化等、目的に応じた成膜が可能である。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上記構成のマイクロ波
プラズマ処理装置では、ガス導入管６から反応室１１内
へ導入された反応ガスが、反応室１１内で真空排気系へ
向かうガス流を形成し、反応室１１内のガス密度が均一
化されず、ウエーハ表面へのガス到達量に分布が生じる
。この分布を均一にして膜厚分布を改善するため、本発
明者は、さきに、特願平１−１１４８０８号にて図５に
示すような反応ガス供給系を提案した。この反応ガス供
給系は、防着筒と称する，　反応室１１内壁面への反応
生成物膜の付着を防止するための円筒２１の内側にリン
グ状の支持面２１ａ　を設け、この面に、ガス放出口と
して同一口径の複数の細孔が周方向等間隔に形成された
断面方形の中空円環からなるガスノズル１９を取り付け
、このガスノズル１９のガス供給口とガス導入管路１６
とを可撓接続管１２で接続してなるものである。ガス供
給系をこのように形成すると、円環状ガスノズル１９の
周方向流路断面積が、周方向流路の流れのコンダクタン
スに対しガス放出口のコンダクタンスが無視できるほど
大きく形成されているため、ガスが円環の周方向均等に
分布して放出され、ウエーハ表面へのガス到達量分布が
大きく改善される。そして、この構成のガス供給系では
、断面方形の円環が、円筒の内側に工作製度高く形成さ
れた支持面に取り付けられるため、保守作業などの際の
ノズルの取外し，再取付け時の円環の位置ずれ，円環面
の傾き等がなくなり、ウエーハ表面に常に安定したガス
流量分布でガスを供給することができる。

【０００６】一方、膜厚分布の改善とともに、成膜速度
向上のための種々の技術開発が推進されている。成膜速
度の向上には、特に、高密度プラズマ中での成膜が効果
的であることから、例えば、ウエーハをＥＣＲ領域に近
づけて成膜を行う方法が従来から種々試みられている。 しかし、このように、ウエーハをプラズマ発生源に近づ
けると、ウエーハ面のプラズマ密度分布が変化して膜厚
分布が再び悪化し、膜厚分布の均一性と成膜速度の向上
とが互いに相容れないという問題が生じていた。

【０００７】この発明の目的は、ウエーハ面のプラズマ
密度分布が成膜条件により異なっても膜厚分布を均一に
することのできるマイクロ波プラズマ処理装置を提供す
ることである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、この発明においては、軸線上にマイクロ波透過窓を
有し、原料ガスをプラズマ状態にする軸対称のプラズマ
生成室と；　プラズマ生成室の外側に配置されプラズマ
生成室内にマイクロ波との電子サイクロトロン共鳴を生
じさせるための磁界を形成する外部磁気回路と；　プラ
ズマ生成室の前記マイクロ波透過窓と対面する側にプラ
ズマ生成室と同軸に形成されたプラズマ引出し口を通し
てプラズマ照射される被処理物を設置するステージと；
同一口径のガス引出し口が複数個、周方向等間隔に形成
され、ステージとプラズマ引出し口との間にプラズマ引
出し口と同軸に配されてステージ近傍に別種の原料ガス
をガス量が周方向均等になるように噴出する円環状ガス
ノズルが配される反応室と；を備えたマイクロ波プラズ
マ処理装置を、円環状ガスノズルをステージとプラズマ
引出し口との間で軸方向に移動させる駆動機構を備えた
装置とするか、円環状ガスノズルの個数を１個または複
数個としてプラズマ引出し口とそれぞれ同軸に配すると
ともに各円環状ガスノズルへの外部からのガス供給がそ
れぞれ流量調整手段を介して独立に行われる装置とする
ものとする。

【０００９】また、これらの装置における円環状ガスノ
ズルの周方向等間隔に形成されるガス吹出し口は、ガス
を円環の半径方向内側へ、またはおよび軸方向ウエーハ
側へ吹き出すように形成するのがよい。

【００１０】

【作用】マイクロ波プラズマ処理装置のガス供給系をこ
のように構成することにより、ウエーハ近傍のプラズマ
密度の不均一に基づく膜厚分布の不均一を補うようにウ
エーハ近傍にガスを供給することができる。すなわち、
円環状ガスノズルを軸方向に可動とすれば、ノズルの移
動につれてノズルのガス放出口とウエーハとの距離、お
よびウエーハ面上の同一点に向かうガスの方向が変化す
る。いま、ガス放出口から放出されたガス分子が、図３
（ａ）　に示すように、直線状にウエーハに到達すると
すれば、ウエーハ表面の微小面積ｄＳに到達するガス分
子の量ｄＩは、微小面積ｄＳを与える立体角ｄΩに比例
する。一方、ｄΩ＝ｄＳ・ｃｏｓ　θ／ｒ２の関係が成
立つから　（ｒはガス放出口ＰからｄＳまでの距離）　
、同一微小面積ｄＳを与える立体角ｄΩは、ノズルの軸
方向位置が一定の場合、θが大きいほど小さく、１つの
ガス放出口に着目すれば、ガス放出口から遠い側でのｄ
Ωが小さく、ウエーハ表面への到達ガス量，　従ってガ
ス密度が小さくなり、近い側でのガス密度が大きくなる
。従って、ウエーハ表面での半径方向各部位でのプラズ
マ密度ｄＩ／ｄＳすなわちｄΩ／ｄＳの周方向変化を求
めると、１つのガス放出口により形成されるウエーハ面
上のガス密度が求まる。この分布をウエーハ面上で全ガ
ス放出口について重畳すると、円環状ガスノズルの軸方
向位置に応じたウエーハ面上のガス密度分布が求まる。 このガス密度分布から求まる分布の不均一度と、円環状
ガスノズルの軸方向の位置すなわちウエーハ面とガス放
出口との垂直距離Ｈとの関係を、ウエーハ径が２００ｍ
ｍ　の場合について求めると、図４の曲線Ａのような結
果が得られる。一方、各Ｈの値での成膜時の膜厚分布の
不均一度　（図では単に分布と記す）　を、ノズル位置
を固定し、ウエーハ位置を変えて求めると、曲線Ｂのよ
うになる。これによれば、ガス密度分布は距離Ｈが小さ
くなるにつれて大きくなるにもかかわらず、実際の膜厚
分布はＨが５０ｍｍ位まで小さくなってもほぼ一定に保
たれる。これは、ウエーハをノズルに近づけウエーハが
プラズマ引出し窓に近づくと、ウエーハ面でのプラズマ
密度の分布が変わり、このプラズマ密度分布の変化をガ
ス密度分布が補っていることを示す。従って成膜速度を
上げるために例えばウエーハをプラズマ引出し窓に近づ
ける際に、同時に円環状ガスノズルを軸方向に移動させ
、ウエーハとの軸方向距離を適正に保つことにより、膜
厚分布を均一化することができる。

【００１１】また、円環状ガスノズルを１個または複数
個、プラズマ引出し窓と同軸に配するとともに装置外部
から各ノズルに供給するガスの量を、各ノズルそれぞれ
独立に制御するようにすれば、ウエーハの位置等の成膜
条件に応じてウエーハ面に到達するガスの面密度分布を
、膜厚分布が均一になるように制御することが容易に可
能になる。

【００１２】そして、円環状ガスノズルのガス放出口を
、ガスを円環の半径方向内側へ、またはおよび軸方向ウ
エーハ側へ吹き出すように形成すると、放出方向が円環
の半径方向またはおよび垂直方向であるから、工作上、
方向の精度を高く保つことができるとともに、吹出し方
向を両方向とした場合には、円環状ガスノズルを軸方向
に移動させる際のウエーハ面上半径方向のガス密度分布
の変化が大きく、成膜条件に基づくプラズマ密度分布の
大幅な変化に対応することができる。

【００１３】同様に、円環状ガスノズルを複数同軸に配
置する場合にも、例えばウエーハに最も近いノズルに半
径方向，　軸方向の両方向にガスが吹き出すようにガス
放出口を形成して各ノズルそれぞれ独立に供給ガス量を
制御すれば、さらに細かいガス密度分布の制御が可能に
なる。この場合、各円環状ガスノズルは必ずしも環の直
径が等しいものを用いる必要はなく、例えば、プラズマ
引出し窓に近いものほど小径のものを用いるとともに、
ガス放出口が周方向にずれるように配置し、各ノズルご
とにそれぞれ半径方向，　軸方向のいずれか、または両
方向にガスを吹き出すようにして、ウエーハ面に到達す
るガスの半径方向分布を細かく調整することも可能であ
る。

【００１４】

【実施例】図１に本発明の一実施例を示す。図において
、図５，　図６と同一の部材には同一符号が付されてい
る。

【００１５】本実施例は、環状ガスノズルを、プラズマ
引出し口とステージとの間でプラズマ引出し口の軸線方
向に移動させる駆動装置を備えたマイクロ波プラズマ処
理装置の全体構成例を示す。円環状ガスノズル１９には
中空の支柱２４が溶接等により剛に結合され、駆動用の
中空シャフト２２ともボルト等の締結部材を用いて剛に
結合される。中空シャフト２２は反応室１１底面の孔を
貫通して外部へ引き出され、結合部材２８を介してねじ
棒３２と結合される。ねじ棒３２は先端部で歯車３３と
螺合し、駆動モータ３５の回転軸先端部に取り付けられ
たウォーム３４により歯車３３を介して軸方向に駆動さ
れ、中空シャフト２２を介してノズル１９を軸方向に移
動させる。移動時のノズル円環の横振れや傾きを極力小
さくして成膜結果の再現性が得られるよう、中空シャフ
ト２２の軸方向移動を案内するガイド２６は、シャフト
２２の径に対して十分な長さの案内長をもち、また、案
内部と中空シャフト２２との嵌合いが静合状態となるよ
うに形成され、さらに案内部に成膜時の反応生成物微粉
が入らないよう、ダストシール２７が設けられている。 符号２３はベローズであり、両端面をフランジ３７およ
びガイド２６のフランジと気密に接合させている。中空
シャフト２２とねじ棒３２との結合部を形成する結合部
材２８には、ガスボンベ３１から出てマスフローコント
ローラ３０により流量を調整される反応ガスが通る可撓
接続管２９が接続されている。

【００１６】円環状ガスノズル１９は、この実施例では
、ガス吹出し口が断面方形の円環内周面に周方向等分に
８個形成され、ガス吹出し方向を円環の半径方向内側方
向のみとしている。この円環状ガスノズル１９を用いた
ときの２００ｍｍ　径ウエーハに到達するガス密度の面
内分布を、ノズル１９とウエーハ９との軸方向相対位置
を変えて計算すると、さきに説明した図４の曲線Ａが得
られる。また、この円環状ガスノズル１９を用い、ノズ
ル１９とウエーハ９との各軸方向相対位置でシリコン窒
化膜を形成したときの膜厚分布を求めると図４の曲線Ｂ
が得られた。この結果から、すでに説明したように、成
膜速度を上げるためにステージ１０をプラズマ引出し窓
１４に近づけ、これによりウエーハに到達するプラズマ
密度分布が悪化したようなときにも、このプラズマ密度
の悪化が円環状ガスノズル１９とウエーハ９との軸方向
相対位置によって変わるウエーハ面でのガス密度分布で
補われ、膜厚分布が均一化されることが分かる。

【００１７】図２に本発明の別の実施例を示す。この実
施例は、１個または複数個の円環状ガスノズルを用いて
反応室内へのガス供給系を形成する際の円環状ガスノズ
ルの構造と個数との組合わせ方法の数例を示すものであ
る。

【００１８】同図（ａ）　は、円環状ガスノズルが１個
、防着板　（図１の符号２１）　または反応室（図１の
符号１１）　の内壁面に固設された場合を示す。断面方
形の円環状ガスノズル１９Ｃ　は、内周面と下面とにガ
ス放出口が形成され、反応ガスであるシランガスのボン
ベからマスフローコントローラで流量が制御されたシラ
ンガスがノズル１９Ｃ　に供給される。ノズル１９Ｃ　
の半径方向内側へ向かうシランガスと、軸方向下方へ向
かうシランガスとでは、ウエーハとノズルとの軸方向相
対位置により、ウエーハ面に到達するガス量の割合が変
化するから、割合の大きい方でガス密度分布を変化させ
て、プラズマ密度分布の不均一を補うことができる。

【００１９】同図（ｂ）　は、円環状ガスノズルを２個
用いてガス供給系を構成する場合の各ノズルの構造例を
示す。ガスの吹出し方向が半径方向内側へ向かうノズル
１９Ａ　をウエーハから遠方の側に、ガスの吹出し方向
が軸方向ウエーハ側へ向かうノズル１９Ｂ　をウエーハ
側に配し、各ノズルに供給するガス量を独立に調整する
ことにより、各方向に吹き出すガス量が独立に制御され
、膜厚分布均一化に向けたガス密度分布の制御が容易に
可能となる。

【００２０】同図（ｃ）　は、円環状ガスノズルを３個
用いてガス供給系を形成する場合の各ノズルの構造例を
示す。この実施例では、すべてのノズルにガスの吹出し
方向が半径方向内側へ向かうノズル１９Ａ　が用いられ
、各ノズルから吹き出されたガスはすべて半径方向内側
へ向かうものの、それぞれの吹出し量が独立に制御され
るため、ウエーハ面でのガス密度分布の制御が容易であ
る。

【００２１】なお、ここには特に実施例として図示して
いないが、例えば図２（ｂ）　あるいは図２（ｃ）　の
ように、円環状ガスノズルを複数個用いる場合に、プラ
ズマ引出し窓に近いノズルほど環径の小さいものを使用
するとともに、ガス吹出し口の周方向の位置を互いにず
らせ、かつノズル構造として、例えば、同図（ａ）　に
示すような両方向吹出しノズル１９Ｃ　を用いるガス供
給系の構成も可能である。

【００２２】

【発明の効果】本発明では、マイクロ波プラズマ処理装
置を上述のように構成したので、以下のような効果が得
られる。

【００２３】請求項１の装置では、ウエーハと円環状ガ
スノズルとの軸方向距離を任意に設定することができ、
ウエーハ位置等の成膜条件によりウエーハ面のプラズマ
密度分布が変化しても、膜厚分布の均一化を可能にする
ガス密度分布をウエーハ面上に得ることができ、これに
より、ウエーハをプラズマ引出し窓に近づけて成膜速度
を向上させるような場合にも、同時に膜厚分布の均一化
を達成することができる。

【００２４】請求項２の装置では、各ノズルへの反応ガ
スの流量制御のみでウエーハ面上のガス密度分布を制御
することができ、装置構成を複雑化することなく膜厚分
布の均一化を達成することができる。

【００２５】請求項３の装置では、ガス吹出し口が、ガ
スを円環の半径方向内側へ、またはおよび軸方向ウエー
ハ側へ吹き出すように形成されるから、吹出し方向が円
環の面方向あるいは面に垂直方向となり、工作上、方向
の精度が高く保たれ、ガス密度分布の再現性が高くなる
。また、ウエーハの位置に応じ、ガスの吹出し方向が半
径方向内側，　軸方向ウエーハ側いずれかの方向のみの
ノズル，　あるいは両方向のノズルを用いて膜厚分布の
より均一化を達成させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の一実施例を示すマイクロ波プラズマ
処理装置の全体構成図

【図２】この発明の別の実施例として、円環状ガスノズ
ルの構造と個数との組合わせ方法の数例を示すものであ
り、同図（ａ）　はノズルが１個の場合の例を、同図（
ｂ）　はノズルが２個の場合の例を、同図（ｃ）　はノ
ズルが３個の場合の例を示すガス供給系構成図

【図３】円環状ガスノズルの周方向等間隔に形成された
ガス放出口から均等に放出されたガスによるウエーハ面
上ガス密度分布の計算方法を説明するための説明図

【図
４】図３を用いて計算したウエーハ面上ガス密度分布と
、実際の膜厚分布とを対比して示す線図

【図５】本発明
者がさきに提案した反応ガス供給系の構成を示すマイク
ロ波プラズマ処理装置全体の縦断面図

【図６】従来のマ
イクロ波プラズマ処理装置の構成例を示す縦断面図

【符号の説明】

２　　　　マイクロ波透過窓 ３　　　　プラズマ生成室 ６　　　　ガス導入管 ７　　　　ソレノイド（外部磁気回路）９　　　　ウエ
ーハ（被処理物） １０　　　　ステージ １１　　　　反応室 １４　　　　プラズマ引出し口 １６　　　　ガス導入管路 １９　　　　ノズル（円環状ガスノズル）２２　　　　
中空シャフト ３２　　　　ねじ棒 ３５　　　　駆動モータ

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】軸線上にマイクロ波透過窓を有し、原料ガ
   スをプラズマ状態にする軸対称のプラズマ生成室と；　
   プラズマ生成室の外側に配置されプラズマ生成室内にマ
   イクロ波との電子サイクロトロン共鳴を生じさせるため
   の磁界を形成する外部磁気回路と；　プラズマ生成室の
   前記マイクロ波透過窓と対面する側にプラズマ生成室と
   同軸に形成されたプラズマ引出し口を通してプラズマ照
   射される被処理物を設置するステージと；同一口径のガ
   ス引出し口が複数個、周方向等間隔に形成され、ステー
   ジとプラズマ引出し口との間にプラズマ引出し口と同軸
   に配されてステージ近傍に別種の原料ガスをガス量が周
   方向均等になるように噴出する円環状ガスノズルが配さ
   れる反応室と；を備えたマイクロ波プラズマ処理装置に
   おいて、円環状ガスノズルをステージとプラズマ引出し
   口との間で軸方向に移動させる駆動機構を備えているこ
   とを特徴とするマイクロ波プラズマ処理装置。
2. 【請求項２】軸線上にマイクロ波透過窓を有し、原料ガ
   スをプラズマ状態にする軸対称のプラズマ生成室と；　
   プラズマ生成室の外側に配置されプラズマ生成室内にマ
   イクロ波との電子サイクロトロン共鳴を生じさせるため
   の磁界を形成する外部磁気回路と；　プラズマ生成室の
   前記マイクロ波透過窓と対面する側にプラズマ生成室と
   同軸に形成されたプラズマ引出し口を通してプラズマ照
   射される被処理物を設置するステージと；同一口径のガ
   ス引出し口が複数個、周方向等間隔に形成され、ステー
   ジとプラズマ引出し口との間にプラズマ引出し口と同軸
   に配されてステージ近傍に別種の原料ガスをガス量が周
   方向均等になるように噴出する円環状ガスノズルが配さ
   れる反応室と；を備えたマイクロ波プラズマ処理装置に
   おいて、ステージとプラズマ引出し口との間に配される
   円環状ガスノズルは、個数を１個または複数個としてプ
   ラズマ引出し口とそれぞれ同軸に配するとともに各円環
   状ガスノズルへの外部からのガス供給がそれぞれ流量調
   整手段を介して独立に行われることを特徴とするマイク
   ロ波プラズマ処理装置。
3. 【請求項３】請求項第１項または第２項に記載のマイク
   ロ波プラズマ処理装置において、円環状ガスノズルの周
   方向等間隔に形成されるガス吹出し口は、ガスを円環の
   半径方向内側へ、またはおよび軸方向ウエーハ側へ吹き
   出すように形成されていることを特徴とするマイクロ波
   プラズマ処理装置。