JPH0630346B2 - マイクロ波プラズマ処理装置 - Google Patents

マイクロ波プラズマ処理装置

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JPH0630346B2
JPH0630346B2 JP11075287A JP11075287A JPH0630346B2 JP H0630346 B2 JPH0630346 B2 JP H0630346B2 JP 11075287 A JP11075287 A JP 11075287A JP 11075287 A JP11075287 A JP 11075287A JP H0630346 B2 JPH0630346 B2 JP H0630346B2
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直弘 門馬
茂 高橋
琢也 福田
鈴木  登
正 園部
淳 千葉
和夫 鈴木
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Hitachi Ltd
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Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、基板上に所望の物質を堆積して薄膜を形成す
るのに用いられるマイクロ波プラズマ処理装置に関す
る。
〔従来の技術〕
ある基板上に薄膜を形成する方法は多くの分野、例えば
半導体集積回路の製造等において用いられている。とこ
ろで、一般に薄膜の形成は高温の雰囲気中で行なわれる
が、例えば前記半導体集積回路の製造においては、その
工程中、一旦作られた集積回路上にさらに薄膜を形成す
る方法が用いられる場合があり(この場合、前記基板は
集積回路である)、このような集積回路に薄膜を形成す
る場合、高温雰囲気中で薄膜形成が行なわれると集積回
路に悪影響を及ぼすおそれがある。これは集積回路に限
らず、高温を嫌う基板について当然生じる問題である。
近年、このような問題を解決する手段としてマイクロ波
プラズマ処理装置が提案されている。これを第2図
(a),(b)により説明する。
第2図(a)は従来のマイクロ波プラズマ処理装置のシ
ステム構成図、第2図(b)は第2図(a)に示す装置
における磁界強度の分布図である。第2図(a)で、1
は真空容器であり、図示されていない真空排気ポンプに
より真空とされる。1aは真空容器1内における放電
部、1bは真空容器1内における反応部である。2は図
示しないマグネトロンから放射されたマイクロ波を導く
導波管、3はマイクロ波を真空容器1に導入する石英等
の絶縁物性の導入窓である。4は反応部1bに設けられ
た支持板、5は支持板4に支持された薄膜形成対象たる
基板である。6は放電部1aに所定のガスを導入するガ
ス導入管、7は反応部1bに所定のガスを導入するガス導
入管である。8は真空容器1の外部に巻回された電磁コ
イルであり、真空容器1内に第2図(b)に示すような
磁界を形成する。
ここで、上記マイクロ波プラズマ処理装置の動作を、第
2図(b)に示す磁界の分布図を参照しながら説明す
る。第2図(b)で、横軸には真空容器1内におけるマ
イクロ波導入窓3からの距離がとつてあり、縦軸には電
磁コイル8の磁界強度がとつてある。
真空容器1を10-6Torr 以下に真空排気した後、ガス
導入管6から所定のガス、例えば酸素ガスを所定の圧力
で導入し、マイクロ波を照射すると酸素ガスがプラズマ
化する。このとき、さらに電磁コイル8により所定強度
の磁界を印加すると、プラズマ中の電子はローレンツ力
を受けて円運動し、電離していない酸素分子に衝突して
これをイオン化し電子を放出させる。このように電子の
運動により酸素ガスの電離は急速に進み、放電部1aに
は酸素ガスの高密度プラズマが発生する。
上記電子の運動(円運動)は、単にマイクロ波および磁
界が存在するだけでは発生せず、特定のマイクロ波に対
して特定の磁界が存在したときのみ共鳴現象が生じて上
記運動が発生する。即ち、導入されるマイクロ波が2.
45GHzの周波数を有するとき、磁界強度が875G
aussである点において上記運動が発生する。第2図
(b)で破線が875Gaussの大きさを示し、又、真空
容器1内の磁界分布は実線で示されるので、上記運動が
発生する点は一点鎖線で示される線上にある。このよう
な点は電子サイクロトロン共鳴点(以下、ECRと略称
する)といわれている。ここで、ECR点より導入窓3
側の領域をプラズマ発生領域と称する。
このようにして発生したプラズマは、真空排気が行なわ
れていることにより反応部1bの方に移動する。なお、
この移動は真空排気と併せ、円運動により移動した負電
荷の電子群により正電荷の電子イオンが引きつけられる
作用にも起因する。ECR点よりも基板5側の領域をプ
ラズマ輸送領域と称する。このようにプラズマが移動し
ているとき、ガス導入管7から反応部1bに所定のガ
ス、例えばモノシランガス(SiH)を導入すると、
このモノシランガスは移動してきたプラズマと衝突し、
これにより活性化し、酸素ガスと反応して酸化シリコン
(SiO)となり、基板5上に堆積する。即ち、基板
5上に酸化シリコンの薄膜が形成される。
なお、ガス導入管6,7から導入するガスを選択するこ
とにより、任意の薄膜を形成することができる。
〔発明が解決しようとする問題点〕
上記従来のマイクロ波プラズマ処理装置は、高温により
悪影響を受けるおそれのある基板上に薄膜を形成するの
に極めて優れた装置である。しかしながら、ガス導入管
7から導入されている主原料たるガスの反応効率、即ち
基板5上に物質が堆積する堆積速度や、形成された薄膜
の膜質については充分に満足し得るものではないという
問題があつた。
本発明の目的は、このような問題点を解決し、反応効率
(膜堆積速度)や膜質を向上せしめることができるマイ
クロ波プラズマ処理装置を提供するにある。
〔問題点を解決するための手段〕
上記の目的を達成するため、本発明は、放電部、反応
部、第1のガス導入部、および第2のガス導入部を有す
る真空容器と、前記放電部にマイクロ波を導入するマイ
クロ波導入手段と、前記真空容器内に磁界を形成する磁
界発生手段とを備え、前記反応部に基板を置き、第1の
ガス導入部と第2のガス導入部から所定のガスを導入す
ることにより前記基板上に薄膜を形成するマイクロ波プ
ラズマ処理装置において、前記マイクロ波および前記磁
界により定まる電子サイクロトロン共鳴点に対して、前
記第1のガス導入部と前記第2のガス導入部とをマイク
ロ波の導入側に配置し、かつ前記基板をマイクロ波の導
入側とは反対の側に配置したことを特徴とする。
〔作 用〕
第1のガス導入部から真空容器内に導入されたガスは、
マイクロ波によりプラズマとなつて基板の方向に移送さ
れる。一方、第2のガス導入部から真空容器内に導入さ
れたガスは、上記プラズマに衝突して活性化されるとと
もに上記マイクロ波によつても活性化されプラズマとな
る。そして、これらプラズマ内の電子はECR点におい
て運動(円運動)を生じることにより、プラズマをさら
に高密度のプラズマとする。これにより、所期の反応が
急速に促進され、反応生成物質は基板上に堆積してゆ
く。
〔実施例〕
以下、本発明を図示の実施例に基づいて説明する。
第1図(a)は本発明の実施例に係るマイクロ波プラズ
マ処理装置のシステム構成図、第1図(b)は第1図
(a)に示す装置の磁界強度の分布図である。第1図
(a)で、第2図(a)に示す部分と同一部分には同一
符号を付して説明を省略する。8a,8b,8c,8d
は真空容器1の外部に巻回して配置された4つの電磁コ
イルである。第2図に示す装置と本実施例の装置とは電
磁コイルの数および配置において異なる。
次に、本実施例の動作を第1図(b)に示す磁界強度分
布図を参照しながら説明する。第1図(b)は第2図
(b)と同じく、横軸にマイクロ波導入窓3からの距
離、縦軸に磁界強度がとつてある。又、破線は前述の8
75Gaussの磁界強度を示す。本実施例では、電磁コイ
ル8a〜8dへ供給する電流を調整することにより、真
空容器1内の磁界強度を第1図(b)に示すように形成
する。即ち、ECR点が基板5の近傍であつてガス導入
管7よりも基板5側に存在するようにする。
このような磁界強度分布において、ガス導入管6からガ
スが導入されると、マイクロ波によりこのガスはプラズ
マ化される。このプラズマ化される領域を第1図(b)
では第1プラズマ発生領域として示してある。プラズマ
は基板5の方へ移送されてゆくが、その中途でガス導入
管7から原材料ガスが導入される。この原材料ガスは、
マイクロ波の影響を受けてプラズマ化されるとともに、
移送されてきたプラズマと衝突することによつてもプラ
ズマ化される。この原材料ガスがプラズマ化される領域
を第1図(b)では第2プラズマ発生領域として示され
ている。
これらプラズマがECR点に達すると、プラズマ中の電
子に運動(円運動)が生じ、この運動中の電子とプラズ
マ中の粒子の衝突の繰返しにより、プラズマはさらに高
密度のプラズマとなる。これにより、所要の反応は急速
に促進されて反応生成物質を生じ、これはプラズマとと
もに基板5に移送されてその上に堆積されてゆく。第1
図(b)ではECR点と基板5の表面との間はプラズマ
輸送領域として示されている。
ここで、本実施例の装置を用いたシリコン酸化膜形成の
具体例について述べる。電磁コイル8a〜8dの供給電
流を調整することにより、最大磁界強度2500Gauss
でECR点が基板5の直前となるように磁界強度分布を
制御し、ガス導入管6から酸素140ml/min を、
又、ガス導入管7からモノシラン(SiH)20ml
/min とヘリウム80ml/min の混合ガスを供給し、
かつ、真空容器1内の圧力を1.0mTorr とした。な
お、基板5としてシリコンウエハを用い、又、マイクロ
波は周波数2.45GHz、出力400Wとした。この
結果を、従来装置による膜形成および高温雰囲気(熱酸
化)による膜形成の場合の結果と並べて次表に示す。
上記の表中、エツチング速度とは、形成されたシリコン
酸化膜が溶解する速度を示し、括弧内はその溶解液を示
す。溶解液「緩衝HF」は、HF(49%)とNH
とが1:6の割合で混合された後、溶解液「Pエッチ」
はHF(49%)、HNO(69%)、HOが1.
5:1:30の割合で混合された液である。
上記の表において、堆積速度をみると、本実施例の装置
は従来の装置のほぼ2倍の堆積速度で薄膜を形成するこ
とができ、反応効率を著るしく高めていることが判る。
これは、前述のように、ガス導入管7から導入された原
材料ガスが、第1プラズマ発生領域からのプラズマによ
り活性化されるだけではなく、導入されたマイクロ波に
よつても活性化されることによるものと考えられる。
さらに上記の表において、本実施例により形成された薄
膜は、赤外線吸収スペクトルピーク位置およびエツチン
グ速度をみると従来装置により形成された薄膜に比べて
優れた膜質を有することが判る。例えば、エツチング速
度をみると、その値は従来装置の薄膜より小さく、本実
施例の薄膜が溶解し難い膜質、即ち膜が緻密であること
が判る。一般に、熱酸化により形成された膜質は緻密性
が大きいのが特徴であるが、本実施例の薄膜の緻密性は
熱酸化による場合の緻密性に近くなつている。
次に、本実施例の装置を用いたシリコン膜形成の具体例
について述べる。さきの具体例と同じ装置構成におい
て、ガス導入管6からヘリウム60ml/min を、又、
ガス導入管7からモノシラン20〜100ml/min を
供給し、かつ、真空容器1内の圧力を0.8mTorr と
した。その結果、シリコン膜の堆積速度は最大600n
m/min となり、従来装置における最大堆積速度100
nm/min に比べて大幅に向上することが判つた。さら
に、堆積したシリコン膜の膜質について、ラマン分光お
よびX線回折により調査した結果、ラマン分光により、
堆積シリコン膜中の結晶成分の存在割合は従来装置によ
るシリコン膜の約10倍であり、又、X線回折により、
X線回折強度が従来装置によるシリコン膜の200〜1
000倍であることが判つた。このことから、従来装置
によるシリコン膜は主としてアモルフアスであり、本実
施例によるシリコン膜は主として多結晶であることが明
らかであつて、その緻密性が著るしく改善されることに
なる。
このように、本実施例では、電磁コイルに供給する電流
を調整してECR点を原材料ガスの導入位置よりも基板
側でかつ当該基板近傍に存在するようにしたので、原材
料ガスの反応効率および膜質を向上させることができ
る。そして、反応効率を高めることにより、膜堆積速度
を向上させることができ、また原材料ガスの消費量を低
減せしめることができるとともに、排ガス処理やメンテ
ナンスが容易となる。
なお、上記実施例の説明では、ECR点を基板近傍に存
在せしめる例について説明したが、ECR点を任意の点
(例えば第2図に示す点)に存在せしめ、基板をその近
傍に位置せしめてもよいのは明らかである。そして、ど
のような場合でも、原材料ガスが導入される値はECR
点よりも反基板側に存在するのは当然である。又、電磁
コイルの個数や配置は種々の条件に応じてに任意に選定
することができる。さらに、磁界形成に永久磁石を用い
ることもできる。
〔発明の効果〕
以上述べたように、本発明は、第1のガス導入部と第2
のガス導入部を、ECR点に対してマイクロ波導入側に
配置するようにしたので、原材料ガスの反応効率および
膜質を向上させることができる。又、反応効率の向上に
より膜堆積速度を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
第1図(a),(b)は本発明の実施例に係るマイクロ
波プラズマ処理装置のシステム構成図および磁界強度分
布図、第2図(a),(b)は従来のマイクロ波プラズ
マ処理装置のシステム構成図および磁界強度分布図であ
る。 1……真空容器、1a……放電部、1b……反応部、2
……導波管、5……基板、6,7……ガス導入管、8a
〜8d……電磁コイル
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 高橋 茂 茨城県日立市久慈町4026番地 株式会社日 立製作所日立研究所内 (72)発明者 福田 琢也 茨城県日立市久慈町4026番地 株式会社日 立製作所日立研究所内 (72)発明者 鈴木 登 茨城県日立市幸町3丁目1番1号 株式会 社日立製作所日立工場内 (72)発明者 園部 正 茨城県日立市幸町3丁目1番1号 株式会 社日立製作所日立工場内 (72)発明者 千葉 淳 茨城県日立市幸町3丁目1番1号 株式会 社日立製作所日立工場内 (72)発明者 鈴木 和夫 茨城県日立市会瀬町2丁目9番1号 日立 サービスエンジニアリング株式会社内

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】放電部、反応部、第1のガス導入部、およ
    び第2のガス導入部を有する真空容器と、前記放電部に
    マイクロ波を導入するマイクロ波導入手段と、前記真空
    容器内に磁界を形成する磁界発生手段と、前記反応部に
    置かれた基板とを備え、前記第1のガス導入部および前
    記第2のガス導入部から所定のガスを導入することによ
    り前記基板上に薄膜を形成するマイクロ波プラズマ処理
    装置において、前記基板を、前記マイクロ波および前記
    磁界により定まる電子サイクロトロン共鳴点に対して前
    記マイクロ波の導入側とは反対側に配置するとともに、
    前記第1のガス導入部および前記第2のガス導入部を、
    前記電子サイクロトロン共鳴点に対して前記マイクロ波
    の導入側に配置した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】特許請求の範囲第1項において、前記磁界
    発生手段は、前記真空容器の外部に配置された複数の電
    磁コイルであることを特徴とするマイクロ波プラズマ処
    理装置
JP11075287A 1987-01-19 1987-05-08 マイクロ波プラズマ処理装置 Expired - Lifetime JPH0630346B2 (ja)

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EP88107319A EP0290036B1 (en) 1987-05-08 1988-05-06 Plasma treatment apparatus
DE3853551T DE3853551T2 (de) 1987-05-08 1988-05-06 Plasmabehandlungsvorrichtung.
KR1019880005316A KR950012712B1 (ko) 1987-05-08 1988-05-07 플라즈마 처리장치
US08/131,519 US5433788A (en) 1987-01-19 1993-10-04 Apparatus for plasma treatment using electron cyclotron resonance

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