JPH0441674A - マイクロ波プラズマ装置 - 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】 ｌ！上辺上里旦■ 本発明はマイクロ波プラズマ装置に関し、より詳しくは
主として半導体作製プロセスにおけるＣ　Ｖ　Ｄ　（Ｃ
ｈｅｍｉｃａｌ　Ｖａｐｏｕｒ　Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ
ｌ装置、エツチング装置等として用いられるマイクロ波
プラズマ装置に関する。

従冴ｊ月支術 電子サイクロトロン共鳴励起（以下ＥＣＲと配す）を利
用したマイクロ波プラズマ装置は、高真空領域において
高、活性なプラズマを生成でき、また低イオンエネルギ
、すなわち低ダメージであるということから、高集積半
導体作製プロセスにおける薄膜形成、エツチング等に適
用し得るものとして、盛んに研究開発が行なわれている
。

第８図は従来のマイクロ波プラズマ装置の一例としての
ＣＶＤ装置を模式的に示した断面図であり、図中１１は
略円筒形状のプラズマ生成室を示している。このプラズ
マ生成室１１の上面には、導入窓１３を介して導波管１
４が接続されており、プラズマ生成室１１及び導波管１
４の一端側にわたってその周りには、プラズマ生成室１
１と略同心状に励磁コイル１５が配設されている。

一方、プラズマ生成室１１の下面には、反応室１６が連
設して形成されており、反応室１６上面の導入窓１３に
対向する箇所には、開口部１６ａが形成されている。そ
して、この開口部１６ａの下方の反応室１６内には、試
料Ｓを載置するための試料台１７が配設されている。

このように構成されているマイクロ波プラズマ装置にお
いては、図示しないガス供給機構によりプラズマ生成室
ｌｌ内に所要のガスを供給すると共に励磁コイル１５に
直流電圧を印加し、この後導波管１４よりプラズマ生成
室１１内にマイクロ波を導入すると、プラズマ生成室１
１内でプラズマが発生する。そして、発生したプラズマ
は、励磁コイル１５によって形成された発散磁界により
反応室１６側に引き比され、試料台１７上の試料Ｓを照
射する。このことにより、試料Ｓ表面に膜が形成され、
あるいは試料Ｓ表面がエツチングされる。

明が”決しようとする課題 上記したマイクロ波プラズマ装置では、プラズマ生成室
１１の長さをマイクロ波の波長オーターに、またＥＣＲ
点をプラズマ生成室ｌｌ内に設定している。すなわち、
例えばプラズマ生成室１１の長さをマイクロ波の波長の
３７２波長程度の約２０ｃｍとし、このときのプラズマ
導入口からＥＣＲ点までの距離を約１２ｃｍ程度として
いる。

このため、ＥＣＲ点から試料Ｓまでの距離が長くなり、
高活性なプラズマが試料Ｓに照射され難（いという欠点
があった６また、堆積速度あるいはエツチング速度も遅
く、半導体作製プロセスにおける高スルーブツト化を達
成できないという問題も有していた。

そこで近年では、ＥＣＲ点を試料Ｓ付近にまで近づけて
、試料Ｓ近傍まで高活性なプラズマを導く装置が提案さ
れている（昭和６３年春季第３５回　応用物理学関係連
合講演会予稿集　ｐ４００）。

しかしながらこの装置においては、従来の装置と同様に
、マイクロ波の周波数に対してマイクロ波が反射される
、いわゆるカット・オフとなるプラズマ密度（カット・
オフ密度）が存在するために、周波数２．４５ＧＨｚの
場合、プラズマ密度が７　Ｘ　１０　”ｃｍ−”前後で
頭打ちとなり、高活性なプラズマを高密度で発生させる
ことができないという課題があった。すなわち、ＥＣＲ
磁場よりも高い磁場領域において、その磁場領域にホイ
ッスラー波を励起すれば、カット・オフされることなく
プラズマを高密度で発生させることができる考えられる
が、この装置ではＥＣＲＩｉＨ場よりも高い磁場領域の
長さが短く、ホイッスラー波によってプラズマが十分に
生成されないために、上記した如くプラズマ密度が頭打
ちとなっていた。

本発明は上記した課題に鑑みなされたものであり、広面
積かつ高密度で高活性なプラズマを生成することができ
、大口径の試料（ウェハ）に対しても速い速度でエツチ
ングあるいは膜の形成を行なうことができるマイクロ波
プラズマ装置を提供することを目的としている。

課　を　゛する１、の 上記した目的を達成するために本発明に係るマイクロ波
プラズマ装置は、マイクロ波導入口を備え、電子サイク
ロトロン共鳴励起（以下ＥＣＲと記す）によりプラズマ
を発生させるプラズマ生成室を具備し、該プラズマ生成
室の外周部に磁場発生用の励磁コイルが配設されたマイ
クロ波プラズマ装置において、前記マイクロ波導入口か
らＥＣＲ点までの距離がマイクロ波の波長の４倍以上で
かつ、この間の磁場がＥＣＲＩｉＨ場より高くなるよう
に前記プラズマ生成室及び前記励磁コイルが構成されで
いることを特徴とし、 また、上記装置において、発生したプラズマが導入され
る試料室に、ミラー磁場を形成する電磁コイルが試料周
辺部に配設されていることを特徴としている。

伍月 上記した装置によれば、マイクロ波導入口からＥＣＲ点
までの距離が、マイクロ波の波長の４倍以上になるよう
にプラズマ生成室及び励磁コイルが構成されているので
、該励磁コイルに直流電圧を印加すると、前記プラズマ
生成室内の前記マイクロ波導入口から前記ＥＣＲ点まで
の間でＥＣＲ磁場より高い磁場領域が形成される。この
プラズマ生成室にマイクロ波を導入すると、プラズマ生
成室内でプラズマが発生し、高い磁場領域におけるマイ
クロ波（ホイッスラー波）は、発生したプラズマ中の電
子との相互作用を行ないつつ伝播し、プラズマを生成す
る。ＥＣＲ磁場より高い磁場領域においては、磁場が高
いためにプラズマ中の電子の磁場による拘束が強くなり
、マイクロ波を打ち消す方向に電子が動けなくなるため
マイクロ波が反射されず、従ってホイッスラー波によっ
てプラズマはカット・オフ密度を超えて生成される。ま
た、この高密度のプラズマは、前記励磁コイルにより形
成された発散磁界より試料方向に弓き出される。そして
、高密度となった高活性なプラズマは試料を照射し、こ
のことにより試料表面に速やかに膜が形成され、あるい
は試料表面が速やかにエツチングされる。

また、上記装置において、発生したプラズマが導入され
る試料室に、ミラー磁場を形成する電磁コイルが試料周
辺部に配設されている場合には、発散磁界より試料方向
に引き出された高密度かつ高活性なプラズマは、前記ミ
ラー磁場によりプラズマの試料室壁への拡散を押えつつ
試料付近で拡げられかつ、試料にほぼ垂直に入射するよ
うに指向性が改善されて、試料を照射する。従って、試
料が大口径であっても、試料表面に速やかに膜が形成さ
れ、あるいは試料Ｓ表面が速やかにエツチングされるこ
ととなる、 夾施囮 以下、本発明に係るマイクロ波プラズマ装置の実施例を
図面に基づいて説明する。なお、従来例と同一機能を有
する構成部品には同一の符合を付すこととする。

第１図（ａ）は本発明に係るマイクロ波プラズマ装置の
一例を模式的に示した断面図であり、第１図（ｂ）は第
１図（ａ）の装置内の磁場分布を示したグラフである。

第１図（ａ）中２１は略円筒形状のプラズマ生成室を示
しており、プラズマ生成室２１内には試料台１７が配設
されている。

このプラズマ生成室２１の長さは、第１図（ｂ）に示し
たように、ＥＣＲ点を試料台１７上の試料Ｓ近傍とした
とき、後述する導入窓２４（マイクロ波導入口）からＥ
ＣＲ点までの距ＭＬがマイクロ波の波長の４倍となるよ
うに設定されており、導入窓２４とＥＣＲ点との間には
、ＥＣＲ１ａ場（Ｂ　ＥＣＲＩより高い磁場領域が形成
されるようになっている。

このプラズマ生成室２１の一側端には、一端側にかけて
徐々に直径が細くなっているテーパ状の導波管２２が連
設して形成されており、テーパ状導波管２２とプラズマ
生成室２１との接続部分には、例えば石英板からなる導
入窓２４が介装されている。また、テーバ状導波管２２
の一端側には、プラズマ生成室２１より小径の円筒形状
の導波管２３が接続されており、テーバ状導波管２２及
びプラズマ生成室２１にわたってその周りには、プラズ
マ生成室２１と略同心状に励磁コイル１５が配設されて
いる。

このように構成されているマイクロ波プラズマ装置にお
いて、プラズマを発生させる場合は、まず図示しないガ
ス供給機構によりプラズマ生成室２１内に所要のガスを
供給する。次いで励磁コイル１５に直流電圧を印加して
、プラズマ生成室２１内に発散磁界を形成すると共に、
プラズマ生成室２１の長さ方向に１５％以内で均一性を
有し、かつ長さがＬであるＥ（、ＲＥＩＩ場より高い磁
場領域を形成する。この後、図示しないマイクロ波発振
器により発振された周波数２．４５ＧＨｚのマイクロ波
を、導波管２３、テーバ状導波管２２及び導入窓２４を
介してプラズマ生成室２１内に導入する。すると、プラ
ズマ生成室２１内でプラズマが発生し、高い磁場領域に
おけるホイッスラー波は１発生したプラズマ中の電子と
の相互作用を行ないつつ伝播し、プラズマを生成する。

そして、このホイッスラー波によってプラズマはカット
・オフ密度を超えて増加し、またこれと同時に発散磁界
により試料台１７方向に引き出され、高密度となった高
活性なプラズマは、試料台１７上の試料Ｓを照射する。

このことにより、試料Ｓ表面に速やかに膜が形成され、
あるいは試料Ｓ表面が速やかにエツチングされる。

上記した装置において、ＥＣＲ磁場領域より高い磁場領
域の長さＬを変化させ、プラズマ密度を測定した結果を
第２図に示す。なお、試料Ｓ上にはラングミューア・プ
ローブ２５を設置し、励磁コイル１５と試料Ｓの両方の
位置を移動させることにより長さしを変化させた。また
、測定はＮ２ガス６０　ＳＣＣＭ、圧力８．　　Ｉ　Ｘ
　Ｉ　Ｏ−”Ｐａ、マイクロ波周波数２．４５ＧＨｚ　
　（波長１２２．４５ｍｍ１　、マイクロ波パワー３ｋ
ｗの条件下で行なった。

第２図から明らかなように、Ｌ≧５００ｍｍのときプラ
ズマ密度が高く、従来報告されている３×１０１１ｃｍ
−”　（昭和６３年春季第３５回　応用物理学関係連合
会講演予稿集　ｐ４００）より一桁多い１．ｌＸｌ０”
ｃｍ−”のプラズマ密度を得ることができた。このこと
から、導入窓２４（マイクロ波導入口）からＥＣＲ点ま
での距離し、すなわちＥＣＲ磁場より高い磁場領域の長
さしをマイクロ波の波長の４倍となるように設定すると
、高活性なプラズマを高密度で得ることができることか
わかる。

次に、励磁コイル１５に通流する電流を変化させること
によって、第３図に示す如くその磁場領域の均一性（＝
（最大磁場−平均磁場）／平均磁場）を■＋２．７％、
■＋９．１％、■＋１７．６％と変化させ、プラズマ密
度を測定した。その結果を第４図に示す、なお、このと
きの測定条件は第２図の場合と同じであり、またＬ＝５
００とした。第４図から明らかなように、均一性１５％
前後でプラズマ密度が急激に低下しており、磁場の高さ
が均一である程プラズマ生成室２１壁へのプラズマの損
失が少なくなり、プラズマの密度が高くなることが確認
された。

従って、上記した装置においては、ＥＣＲ磁場より高い
磁場領域をマイクロ波の波長の４倍となる長さしに設定
すると共に、その磁場を１５％以内で均一とすると、よ
り高密度なプラズマを得ることができる。

第５図（ａ）は本発明に係るマイクロ波プラズマ装置の
別の実施例を模式的に示した断面図であり、第５図（ｂ
）は第５図（ａ）の装置内の磁場分布を示したグラフで
ある。第５図（ａ）中３１は試料室であり、試料室３１
は第１図（ａ）と同様に構成されたプラズマ生成室２１
の側面に連設して形成されている。試料室３１内の導入
窓２４と対向する箇所には、試料台１７が配設されてお
り、試料台１７の下方には、ミラー磁場を形成する！磁
コイル３２が配設されている。また、第１図（ａ）と同
様に、テーパ状導波管２２及びプラズマ生成室２１にわ
たってその周りには、プラズマ生成室２１と略同心状に
励磁コイル１５が配設されている。

このように構成されているマイクロ波プラズマ装置にお
いては、プラズマを発生させる際に、励磁コイル１５に
直流電圧を印加して、プラズマ生成室２１内に発散磁界
を形成すると共に、１５％以内で均一性を有し、かつ長
さがしてあるＥＣＲ磁場より高い磁場領域を形成する。

また、これと同時に電磁コイル３２にも直流電圧を印加
して、試料台１７に載置した試料Ｓ周辺部に、第５図（
ａ）に示した如くミラー磁場を形成する。この後、図示
しないマイクロ波発振器により発振された周波数２．４
５Ｇｆ（ｚのマイクロ波を、導波管２３、テーパ状導波
管２２及び導入窓２４を介してプラズマ生成室２１内に
導入する。すると、プラズマ生成室２１内でプラズマが
発生し、高い磁場領域におけるホイッスラー波は、発生
したプラズマ中の電子との相互作用を行ないつつ伝播し
、プラズマを生成する。そしてこのホイッスラー波によ
って、プラズマはカット・オフ密度を超えで増加し、ま
た同時に発散磁界より試料室３１方向に引き出される。

引き出された、高密度かつ高活性なプラズマは、試料Ｓ
付近で最大まで拡げられかつ、ミラー磁場によって試料
Ｓに略垂直に入射するように指向性が改善されて、試料
台１７上の試料Ｓを照射する。

このように、上記装置においては、ミラー磁場によって
高活性かつ高密度のプラズマの照射範囲を広面積とする
ことができるので、たとえ試料Ｓが大口径であっても、
試料Ｓ表面は速やかにエツチングされ、あるいは試料Ｓ
表面には速やかに膜が形成されることとなる。

この装置において、ＥＣＲ磁場より高い磁場領域の長さ
しを変化させ、プラズマ密度を測定した結果を第６図に
示す、なお、試料Ｓ上にはラングミューア・プローブ２
５を設置し、励磁コイル１５と試料Ｓの両方の位置を移
動させることにより長さしを変化させた。また、測定は
Ｎ２ガス６０ＳＣＣＭ、圧力８．　　Ｉ　Ｘ　１０−”
Ｐａ、マイクロ波周波数２．４５ＧＨｚ（波長１２２．
４５ｍｍ１．マイクロ波パワー３ｋｗの条件下で行なっ
た。

第６図から明らかなように、この装置においてもし≧５
００＋ａｍのときプラズマ密度が高く、従来の３　Ｘ　
１０　”ｃｍ−”に対して７．２　Ｘ　１０　”ｃｍ−
”のプラズマ密度を得ることができた。

次に、第３図に示す如く高い磁場領域の均一性を■＋２
．７％、■＋９．１％、■＋１７６％と変化させ、プラ
ズマ密度を測定した結果を第７図に示す、なお、このと
きの測定条件は第６図の場合と同じであり、またＬ＝５
００とした。

第７図から明らかなように、均一性１５％前後でプラズ
マ密度が急激に低下しており、磁場の高さが均一である
程プラズマ生成室２１壁へのプラズマの損失が少なくな
り、プラズマの密度が高くなっていることがわかる。ま
た、この測定においてミラー磁場によるプラズマの収束
を行なわない場合は、プラズマ密度が２０％程度減少し
た。このことから、ミラー磁場はプラズマの照射範囲の
拡大と共にプラズマ密度を維持する上でも有効であるこ
とが確認された。

光肌五四逮 以上の説明により明らかなように、本発明に係るマイク
ロ波プラズマ装置にあっては、マイクロ波導入口からＥ
ＣＲ点までの距離が、マイクロ波の波長の４倍以上にな
るようにプラズマ生成室及び励磁コイルが構成されてい
るので、装置を駆動すると、前記マイクロ波導入口から
前ＦＥ　ＣＲ点までの間に高い磁場領域が形成され、こ
の高い磁場領域におけるホイッスラー波によってプラズ
マはカット・オフ密度を超えて増加する。従って、高活
性なプラズマを高密度で生成することができ、試料表面
に速い速度でエツチングあるいは膜の形成を行なうこと
ができ、半導体プロセスにおける高スルーブツト化を達
成することができる。

また、上記装置において、発生したプラズマが導入され
る試料室に、ミラー磁場を形成する電磁コイルが試料周
辺部に配設されている場合には、前記ミラー磁場によっ
て、高活性なプラズマの密度を高く保ちつつその指向性
を改善することができ、しかも照射範囲を広面積とする
ことができる。従って、大口径の試料（ウェハ）に対し
ても速い速度でエツチングあるいは膜の形成を行なうこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）は本発明に係るマイクロ波プラズマ装置の
一例を模式的に示した断面図、第１図（ｂ）は第１図（
ａ）の装置内の磁場分布を示したグラフ、第２図はＥＣ
Ｒ１１ｆｌ場領域より高い磁場領域の長さＬを変化させ
、プラズマ密度を測定した結果を示したグラフ、第３図
は高い磁場領域においてその磁場の均一性を種々変化さ
せた様子を示したグラフ、第４図は第３図における磁場
の均一性とプラズマ密度との関係を測定した結果を示し
たグラフ、第５図（ａ）は本発明に係るマイクロ波プラ
ズマ装置の別の例を模式的に示した断面図、第５図（ｂ
）は第５図（ａ）の装置内の磁場分布を示したグラフ、
第６図はＥＣＲｍ場領域より高い磁場領域の長さしを変
化させ、プラズマ色度を測定した結果を示したグラフ、
第７図は第３図における磁場の均一とプラズマ密度との
関係を測定した結果を示したグラフ、第８図は従来のマ
イクロ波プラズマ装置の一例としてのＣＶＤＷ置を模式
的に示した断面図である。 １５・・・励磁コイル ２１・・・プラズマ生成室 ２４・・・導入窓（マイクロ波導入口）３１・・・試料
室 ３２・・・電磁コイル Ｓ・・・試料 特 許 出 願 人： 住友金属工業株式会社 代 理 人

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）マイクロ波導入口を備え、電子サイクロトロン共
   鳴励起（以下ＥＣＲと記す）によりプラズマを発生させ
   るプラズマ生成室を具備し、該プラズマ生成室の外周部
   に磁場発生用の励磁コイルが配設されたマイクロ波プラ
   ズマ装置において、前記マイクロ波導入口からＥＣＲ点
   までの距離がマイクロ波の波長の４倍以上でかつ、この
   間の磁場がＥＣＲ磁場より高くなるように前記プラズマ
   生成室及び前記励磁コイルが構成されていることを特徴
   とするマイクロ波プラズマ装置。
2. （２）発生したプラズマが導入される試料室に、ミラー
   磁場を形成する電磁コイルが試料周辺部に配設されてい
   る請求項１記載のマイクロ波プラズマ装置。