JPH0620048B2 - 乾式薄膜加工装置 - Google Patents

乾式薄膜加工装置

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JPH0620048B2
JPH0620048B2 JP12345487A JP12345487A JPH0620048B2 JP H0620048 B2 JPH0620048 B2 JP H0620048B2 JP 12345487 A JP12345487 A JP 12345487A JP 12345487 A JP12345487 A JP 12345487A JP H0620048 B2 JPH0620048 B2 JP H0620048B2
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泰明 長尾
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    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01JELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J37/00Discharge tubes with provision for introducing objects or material to be exposed to the discharge, e.g. for the purpose of examination or processing thereof
    • H01J37/32Gas-filled discharge tubes
    • H01J37/32009Arrangements for generation of plasma specially adapted for examination or treatment of objects, e.g. plasma sources
    • H01J37/32357Generation remote from the workpiece, e.g. down-stream

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明はマイクロ波と磁場との相互作用によってEC
R(電子サイクロトロン共鳴)プラズマを生成し、この
プラズマを拡散磁場効果によってプラズマ生成室から反
応室へ輸送し、このプラズマと反応室内へ直接送り込ま
れたモノシランなどの成膜原料ガスとの相互作用によっ
て生じた活性なイオンまたは活性種を用いて、半導体,
IC(集積回路),LSI(大規模集積回路),感光体
などの基板上に窒化シリコン,酸化シリコン,アモルフ
ァスシリコンなどの膜を形成するための乾式薄膜加工装
置に関するものである。
〔従来の技術〕
ECRプラズマを用いたシリコン系膜は膜質が緻密であ
る。低ストレス膜が得られる,低温プロセスが可能であ
る等の特長を有するため、これからの成膜技術として有
望視され、わが国においてさかんに成膜プロセスの研究
が行なわれるようになってきた。ECRとはElectron
CyclotronResonance(電子サイクロトロン共鳴)の
略号であり、磁場とマイクロ波との共鳴効果を用いて電
子を加速し、この電子の運動エネルギを用いてガスを電
離せしめプラズマを得るものである。マイクロ波に励振
された電子は磁力線のまわりを円運動し、そのさい遠心
力とローレンツ力とがバランスする条件がECR条件と
呼ばれる。遠心力をmrω2 ,ローレンツ力を−qrω
Bで表わすと、これらがバランスする条件はω/B=q
/mである。ここで、ωはマイクロ波の角速度,Bは磁
束密度,q/mは電子の比電荷である。マイクロ波周波
数は工業用に認められている2.45GHz が一般に用いら
れ、その場合、0.0875Tが共鳴磁束密度である。
ECRプラズマを応用した薄膜加工装置としてたとえば
第3図に示すものが知られている。この装置ではプラズ
マ生成室を形成するマイクロ波共振器の円筒状金属容器
3と反応室9とを真空排気しておき、ガス供給手段4か
ら目的とする成膜の種類に応じてN2,2,2,r 等の
キャリヤガス(プラズマ発生用ガス)を金属容器3へ流
したところへマイクロ波を導波管1,真空窓2を介して
金属容器3へ送り込む。金属容器3の下部には中心に大
口径の開口13を持った金属板7が取り付けられており、
この金属板と金属容器3とでマイクロ波共振器を構成し
ている。この共振器の外部にはソレノイド6が配置さ
れ、共振器内にECR条件を満たす磁場が発生している
ため、共振器内にECRプラズマが発生する。このプラ
ズマが反応室9に押し出され、試料台10へ向かう空間内
にガス入口12から原料ガス,例えばシランガスSiH4を送
りこんでこのガスを上記プラズマにより活性化すると、
発生した活性種が基板11と反応して基板11の表面に、用
いたキャリヤガスの種類によって異なるシリコン系の各
種薄膜が形成される。
〔発明が解決しようとする問題点〕
このようなECR成膜装置において、反応速度すなわち
成膜速度をはじめ諸特性をきめるプラズマパラメタに決
定的影響を与えるのが、マイクロ波共振器を構成する金
属容器3およびソレノイド6の設計諸元である。
本発明はこのうちマイクロ波共振器の設計に関するもの
であり、以下、この点にしぼって従来技術の問題点を説
明する。
プラズマ生成室内における電界強度を充分高めるため、
プラズマ生成室の金属容器は共振器となるように構成さ
れ、かつ種々の条件からこの容器を円筒状に形成すると
ともにこの容器内におけるマイクロ波の共振モードをT
E113 モードとすることが多く、この場合、円筒の内径
は、従来、20cmが例外なく採用されてきた(昭和59年電
気四学会連合大会;9−3ECRプラズマの薄膜形成へ
の応用;松尾,木内参照)。
のちに詳しく述べるように、この設計寸法は、ECRプ
ラズマ生成用共振器としては問題があり、そのため、注
入したマイクロ波パワがプラズマ生成にフルに利用され
ず、従って成膜速度が低くかつマイクロ波パワを増して
も成膜速度があまり上がらない欠点を有していた。ま
た、この欠点自体一般には問題にされていなかった。
この発明の目的は、前記従来の問題点に鑑み、共振器を
構成する円筒状金属容器の設計寸法を適切に設定して成
膜速度を大ならしめ、かつマイクロ波注入パワの増大に
つれて薄膜の成長速度を増大させうるECRプラズマ成
膜装置を提供することである。
〔問題点を解決するための手段〕
マイクロ波共振器理論によると次式が成立する。マイク
ロ波の共振モードがTMmns モードの場合 マイクロ波の共振モードがTEmns モードの場合 ここでX(mn),X〔mn〕はそれぞれベッセル関数Jm
(X)=0,Jm ′(X)=0のn番目の根であり、f
はマイクロ波の周波数、Dは円筒形空洞共振器の内径、
cは光速、Lは円筒形空胴共振器の長さである。またs
は円筒形空胴共振器の両端面位置をノードとする定在波
の前記両端面間半波数である。そこで、マイクロ波の共
振モードがTE113 モードの場合には、(2)式から となる。すなわち、TE113 モードの共振を発生させる
ためには、空胴共振器の内径と長さとの間には(3)式に
示す関係が満足されなければならない。この式からもわ
かるように、共振を発生させるための共振器の内径D
は、共振器の形状を与えるD/Lにより異なり、D/L
の小さい、細長い共振器では内径が小さくなり、D/L
の大きい共振器では内径が大きくなる。そこで、従来の
共振器と同様に、D/L=1,f=2.45×109 zとし
て内径Dを求めると、 D=19.7cm が得られる。従来はこの端数を切り上げてD=L=20cm
に設定していた。
ところが、この寸法(D=20cmには競合モードが存在す
る。すなわち共振モードとしてTM210 モードを考える
と、(1)式の右辺は、 2.672 ×c2 =2.4 ×1021 一方、D=20cmの場合には、(1)式の左辺は、 2.4 ×1021 となり、TE113 モードと同時にTM210 モードが励振
されることになる。しかもTM210 モードの場合には、
TE113 モードの場合のように、共振器の内径として前
述の19.7cmが切り上げられた近似内径によって生じてい
るものではなく、D=20cmにおいて(1)式を厳密に満足
させているから、共振の鋭さすなわちQ値が高く、入力
されたマイクロ波パワがこのモードの共振に影響され、
しかもTMモードはECRプラズマの生成には寄与しな
いことから、TEモードによるプラズマ生成へのパワの
配分が小さくなる。さらに、TE113 モードは、 D=15cmではTM110 モードと、 D=21cmではTM221 モードと、 D=26cmではTM212 モードと 競合する。なお、前記TM210 ,TM110 においては、
s=0であるが、これは共振器内の電磁界分布が長さ方
向に均一であることを意味する。
経験によると、端面に開口を有する円筒共振器では、±
0.5 cmの範囲でDを調整しないと前記競合はさけられな
い。また競合を避けるため、Dをさらに小さくすると、
こんどは薄膜が形成される基板の直径も小さくせざるを
得なくなり、実用上はD=15cmが下限である。またソレ
ノイドの現実的な大きさを考慮すると、磁場分布の観点
から実用上D=26cmが上限である。従ってTMモードの
励振を避けながらTE113 モードの共振を生じさせる円
筒共振器の内径は、 D=15.5〜19.5cmおよびD=21.5cm〜25.5cm が望ましい仕上がり寸法となる。
〔作用〕 以上のように、円筒共振器の内径を前述の範囲で設定す
るとともに、(2)式に従って円筒の長さを設定すれば、
TMモードの励振をさけることができるから、共振器内
へ注入されたマイクロ波パワが有効にTE113 モードの
形成に消費され、この結果、成膜速度が大きくなるとと
もに、注入されるマイクロ波パワの増大につれて薄膜の
成長速度も比例的に増大する。
〔実施励〕
第1図に本発明に基づいて構成される乾式薄膜加工装置
の円筒共振器を構成する金属容器設計の一実施励を示
す。この実施例では円筒内径Dの一方の範囲内で19cmに
設定され、この円筒部の長さを(3)式に基づいて19.8cm
に設定している。
このように設計された装置を用いて成膜を行なったとき
の成膜速度と注入さたマイクロ波パワとの関係を従来と
比較して第2図に示す。図は原料ガスとしてシランガス
(SiH4)を用、キャリヤガスとしてN2を用いた場合を示
し、曲線(イ)が本実施例の装置によるもの、曲線
(ロ)が従来の装置によるものである。いずれの装置に
おいてもシランガスとN2の供給割合は同一とし、それぞ
れ20ccmin ,30ccmin としている。
図にみられるように、従来の装置ではマイクロ波パワを
増大させても成膜速度は比例的に上昇せず、飽和傾向を
示すのに対し、本実施例の装置においては、金属容器の
設計寸法が厳密にTE113 モードの共振条件を満足して
いるため、成膜速度曲線の立上がりも早く、かつ金属容
器の内径がTMモードの励振を許さない範囲内に設定さ
れているから、注入されたマイクロ波パワは有効にTE
113 モードの形成に消費され、注入パワの増大とともに
比例的に成膜速度が増大する。
〔発明の効果〕
以上に述べたように、本発明によれば、プラズマ生成室
を形成するマイクロ波共振器の円筒状金属容器の内径
を、プラズマ生成に寄与せずかつ注入されるマイクロ波
パワが増大してもこれに比例した成膜速度の上昇を妨げ
るTMモードの共振が生じない範囲内に設定したので、
注入されたマイクロ波パワが、励磁ソレノイド6が生ず
る磁力線と直交する電界を有し、これによりプラズマ生
成に寄与するTEモードの形成に有効に消費され、成膜
速度が従来の装置に比して大きくなるとともに、注入さ
れるマイクロ波パワの増大とともに成膜速度が比例的に
増大するという大きな効果がある。
【図面の簡単な説明】
第1図はプラズマ生成室を構成する円筒状金属容器の寸
法設定に対する本発明の一実施例を示す乾式薄膜加工装
置の断面説明図、第2図は第1図の装置による成膜速度
と注入されたマイクロ波パワとの関係を従来装置の場合
と比較して示す線図、第3図は従来の装置における円筒
状金属容器の寸法を示す装置の断面説明図である。 1:導波管(マイクロ波伝達手段)、3:金属容器、
4:ガス供給手段、6:ソレノイド、9:反応室、11:
基板、13:開口。

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】マイクロ波を発生する手段と、このマイク
    ロ波を伝達する手段と、このマイクロ波伝達手段と結合
    されて前記マイクロ波が導入されるとともにガス供給手
    段を介して送入されたガスをこのマイクロ波との共鳴効
    果によりプラズマ化して活性な原子,分子またはイオン
    を生ずる磁力線を発生する励磁用ソレノイドを備え軸線
    が該ソレノイドが生ずる磁力線束の中心軸とほぼ一致す
    る開口を前記マイクロ波伝達手段と対向する側に有する
    プラズマ生成室と、このプラズマ生成室と前記開口を介
    して結合され該開口から前記磁力線束に沿って流出する
    前記活性な原子,分子またはイオンを用いて表面に薄膜
    が形成される基板が配される反応室とを備えた乾式薄膜
    加工装置であって、前記プラズマ生成室が前記磁力線束
    の中心軸と軸線が一致する円筒状に形成されかつ該円筒
    の内径と高さの関係が周波数が2.45GHのマイクロ波
    に対しTE113 モードの共振を生ずるように設定される
    ものにおいて、前記円筒の内径を15.5ないし19.5cmある
    いは21.5ないし25.5cmの範囲内に設定することを特徴と
    する乾式薄膜加工装置。
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