JPH0680640B2

JPH0680640B2 - プラズマ装置

Info

Publication number: JPH0680640B2
Application number: JP16498287A
Authority: JP
Inventors: 誠一中村; 了中山
Original assignee: Sumitomo Metal Industries Ltd
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1987-06-30
Filing date: 1987-06-30
Publication date: 1994-10-12
Anticipated expiration: 2009-10-12
Also published as: JPS648624A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明はCDV（Chemical Vapor Deposition）装置、エッ
チング装置等として用いられるプラズマ装置に関するも
のである。

〔従来技術〕

電子サイクロトロン共鳴を利用したプラズマ装置は低ガ
ス圧で活性度の高いプラズマを生成出来、また大径のプ
ラズマ流を引き出せることから高集積半導体素子等にお
ける薄膜形成、エッチング等に適用し得るものとしてそ
の研究，開発が進められている。

第５図はCVD装置として構成した従来のプラズマ装置を
示す縦断面図であり、図中31はプラズマ生成室を示して
いる。プラズマ生成室31は上部壁中央に石英ガラス板31
bにて封止したマイクロ波導入口31cを、また下部壁中央
には前記マイクロ波導入口31cと対向する位置にプラズ
マ引出窓31dを夫々備えており、前記マイクロ波導入口3
1cには他端を図示しない高周波発振器に接続した導波管
32の一端が接続され、またプラズマ引出窓31dに臨ませ
て反応室33を配設し、更に周囲にはプラズマ生成室31及
びこれに接続した導波管32の一端部にわたってこれらを
囲繞する態様でこれらと同心状に励磁コイル34を配設し
てある。

反応室33内にはプラズマ引出窓31dと対向する位置に円
盤形の試料台35が配設され、その上には円板形をなすウ
ェーハ等の試料Ｓがそのまま、又は静電吸着等の手段に
て着脱可能に載置され、更に反応室33の下部壁には図示
しない排気装置に連なる排気口33aが開口されている。

31g,33gは原料ガス供給管、また31e,31fは冷却水の給水
系，排水系である。

而してこのようなCVD装置にあっては所要の真空度に設
定したプラズマ生成室31,反応室33内に原料ガスを供給
し、励磁コイル34にて磁界を形成しつつプラズマ生成室
31内にマイクロ波による高周波電界を印加してプラズマ
を生成させ、生成させたプラズマを励磁コイル34にて形
成される発散磁界によってプラズマ生成室31からプラズ
マ引出窓31dを経て反応室33内の試料台35の試料Ｓ周辺
に導出し、試料Ｓ表面でプラズマ流中のイオン，ラジカ
ル粒子による表面反応を生起させ、試料Ｓ表面に成膜す
るようになっている（特開昭56-155535号）。

〔発明が解決しようとする問題点〕

ところで上述した如き従来のプラズマ装置にあってはプ
ラズマ生成室31で発生せしめられたプラズマは励磁コイ
ル34によって形成される発散磁界の磁力線に沿ってプラ
ズマ引出窓31dを経て反応室33内の試料Ｓ側に引き出さ
れるが、プラズマ生成室31内で発生するプラズマは一様
ではなく、プラズマ生成室31内の中心部での密度が周縁
でのそれよりも高くなる現象が生じ、ここから発散磁界
により引出されるプラズマ流にも同様の密度分布が生
じ、この分布むらがそのまま試料Ｓに向かって拡大投影
されることとなり、試料Ｓを試料台35上にプラズマ引出
窓31dと同心状に配設した場合、試料Ｓの中央部と周縁
部とでは堆積速度に差が生じ、膜厚の不均一が避けられ
ないという問題があった。

このようなプラズマ密度分布の不均一性はCVD装置にお
いてのみならず、エッチング装置として用いる場合にお
いても同様な現象を生じて処理速度がばらつくという問
題があった。

本発明はかかる事情に鑑みなされたものであって、その
目的とするところは試料表面でのプラズマ密度を均一に
し、均一な厚さの成膜、或いは均一なエッチング処理を
行い得るようにしたプラズマ装置を提供するにある。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明にあってはプラズマ生成室内に導入したガスにマ
イクロ波による高周波電界と前記プラズマ生成室の周囲
に配した励磁コイルにより形成される磁界とを作用させ
てプラズマを発生させ、該プラズマを前記磁界により前
記プラズマ生成室と連通した試料室に導出し、該試料室
内の試料に対し成膜又はエッチングを施すプラズマ装置
において、試料の周縁部の磁束密度と中央部の磁束密度
とを前者が後者よりも高くなるように各独立に設定し得
る磁界生成器を具備せしめる。

〔作用〕

本発明はこれによって試料の周縁部における磁束密度分
布が相対的に高くなり、逆に試料中心部の磁束密度分布
は相対的に低下せしめられ、全体として試料表面に導か
れるプラズマの密度分布が均一化され、成膜速度，エッ
チング速度等の処理速度も均一化される。

〔実施例〕

以下本発明をCVD装置として構成した実施例につき図面
に基づき具体的に説明する。第１図は本発明に係るプラ
ズマ装置（以下本発明装置という）の模式的縦断面図で
あり、図中１はプラズマ生成室、２は導波管、３は試料
Ｓに対し成膜を施す試料室たる反応室、４は励磁コイル
を示している。

プラズマ生成室１は上部壁中央には石英ガラス板1bで閉
鎖されたマイクロ波導入口1cを備え、また下部壁中央に
は前記マイクロ波導入口1cと対向する位置に円形のプラ
ズマ引出窓1dを備えており、前記マイクロ波導入口1cに
は導波管２の一端部が接続され、またプラズマ引出窓1d
にはこれに臨ませて反応室３が配設され、更に周囲には
プラズマ生成室１及びこれに連結された導波管２の一端
部にわたって励磁コイル４が周設せしめられている。

導波管２の他端部は図示しない高周波発振器に接続され
ており、発せられたマイクロ波はマイクロ波導入口1cか
らプラズマ生成室１内に導入されるようにしてある。励
磁コイル４は図示しない直流電源に接続されており、直
流電流の通流によってプラズマ生成室１内にマイクロ波
の導入によりプラズマを生成し得るよう磁界を形成す
る。この磁界は反応室３側に向けて磁束密度が低くなる
発散磁界となっており、プラズマ生成室１内に生成され
たプラズマを反応室３内に導出せしめるようになってい
る。

反応室３内にはその下部中央であって、プラズマ引出窓
1dと対向する位置に試料台５が配設され、その上にはウ
ェーハ等の試料Ｓがそのまま、又は静電吸着等の手段に
て着脱可能に載置されるようにしてあり、また底壁には
図示しない排気装置に連なる排気口3aを開口してある。

1g,3gは原料ガス供給管、また1e,1fは冷却水の給水系，
排水系である。

そして本発明装置にあっては前記反応室３内であって試
料台５に対しプラズマ生成室１と反対側、即ち試料台５
の下部に、磁界生成器を構成する大小２個の円筒状磁石
6,7がマイクロ波導入口1c,プラズマ引出窓1d及び試料台
５等と中心線を同じにして配設されている。

各円筒状磁石6,7は、夫々円筒形ヨーク6a,7aの外周に導
線を巻回して構成してあり、円筒状磁石６を内側に、ま
た円筒状磁石７を外側にし、更に軸心線方法に円筒状磁
石６を高く、円筒状磁石７を低く上下方向に若干位置を
ずらして同心状に配設されている。円筒状磁石７は前記
励磁コイル４により形成される磁界の中心線上において
励磁コイル４による磁力線と同方向の磁力線を形成する
ように、また円筒状磁石６は中心線上において前記励磁
コイル４により形成される磁界の磁力線と反対方向の磁
力線を形成するよう設定され、しかもその磁束密度は、
円筒状磁石６による磁界のそれよりも円筒状磁石７によ
る磁界が大きくなるように直流電流を通流させるべく構
成してある。各円筒状磁石6,7夫々により形成される磁
界の磁束密度値については、特に限定するものではなく
試料Ｓ表面で，プラズマ分布が均一化するよう設定すれ
ばよい。

第２図は本発明装置によって得られる試料台５上におけ
る鉛直方向磁束密度Bzの試料台５の半径方向（ｘ方向）
における分布図であり、横軸に試料台中心からの離隔距
離（cm）を、また縦軸に鉛直方向磁束密度（Gauss）を
とって示してある。分布図中実線は本発明装置の、また
破線は従来装置における各分布を示している。

この分布図から明らかな如く従来装置では実質上励磁コ
イル34による場合だけであり、発散磁界の鉛直方向磁束
密度Bzは試料台５の中心部で最大値を示し、ここから離
隔するに従って漸次磁束密度Bzが低下しているのに対
し、本発明装置では外側の円筒状磁石７の上方で磁束密
度Bzが最大値を示し、ここから外方及び内方ともに磁束
密度Bzは急激に低下する分布となっている。

これは外側の円筒状磁石７によって、励磁コイル４によ
り形成される発散磁界のうち試料台５の外方に発散して
いた磁力線が試料台５の周縁部側に引き寄せられ、一方
内側の円筒状磁石６によって試料台５の中央部付近の磁
力線が逆に試料台５の周縁部側に発散せしめられた結果
とみることが出来る。

このような本発明装置にあってはプラズマ生成室１内で
発生させたプラズマを励磁コイル４による発散磁界を利
用してプラズマ引出窓1dを通じ反応室３内に導出する過
程で、外側の円筒状磁石７によってその内側のプラズマ
は閉じ込められ、一方内側の円筒状磁石６による磁界に
よって中央部のプラズマは試料台５の周縁部に発散され
ることとなって試料Ｓの周縁部におけるプラズマ密度が
相対的に大きくなり、本来励磁コイル４のみに依る場合
は試料Ｓの中心部から周縁部に向かって低下するプラズ
マ密度分布特性をこれら両円筒状磁石6,7の作用によっ
て試料Ｓ表面でのプラズマ密度分布の不均一性が改善さ
れることとなるのである。

従って、試料台５上の試料Ｓの周縁部が第２図における
両側の磁束密度の高い部分と対応するよう配置し、更に
プラズマの分散が均一となるよう内，外の円筒状磁石6,
7に対する電流等を適正に設定すればよいこととなる。

なお上述の実施例では円筒状磁石７は前記励磁コイル４
により形成される磁界の中心線上において励磁コイル４
による磁力線と同方向の磁力線を形成するように、また
円筒状磁石６は同じく、中心線上において前記励磁コイ
ル４により形成される磁界の磁力線と反対方向の磁力線
を形成するよう直流電流を通流させることとしている
が、これらを逆に、即ち円筒状磁石７は前記励磁コイル
４による磁界の中心線上において励磁コイル４による磁
力線と反対方向の磁力線を形成するように、また円筒状
磁石６は、中心線上において励磁コイル４により形成さ
れる磁界の磁力線と同方向の磁力線を形成するよう直流
電流を通流させると、試料台上の鉛直方向磁束密度Bz
は、円筒状磁石６の上方で最大値を示し、ここから外方
および内方ともに急激に減少する分布となり、第２図に
示した磁束密度Bz分布と等価な分布を得ることが可能で
ある。

また円筒状磁石６のヨーク6aとコイルとの組み合わせ及
び円筒状磁石７のヨーク7aとコイルとの組み合わせを夫
々１個の円筒形の永久磁石に置き換えても上述の実施例
と同様の効果を得ることができることは勿論である。

更に、円筒状磁石6,7はヨーク6a,7aに導線を巻線して構
成したは場合を示したが、前記励磁コイル４にて形成さ
れる磁界の磁力線と中心線上にて反対方向の磁力線を形
成するよう直流電流を通流させる円筒状磁石については
ヨークを用いないで単に導線をリング状に巻回したもの
でもよい。

また前記実施例では円筒状磁石6,7を試料台５の直下に
配設した構成を示したが、試料Ｓ表面に所定の磁束密度
を有する磁界を形成し得る範囲内であればその設置位置
を特に限定するものではなく、例えば反応室３の外部に
配設し、或いは円筒状磁石6,7と試料台５とを一体的に
構成し、或いは円筒状磁石6,7が試料台５を兼ねるよう
構成してもよい。

第3,4図は本発明装置に用いる磁界生成器の各他の実施
例を示す拡大縦断面図であり、第３図に示す磁界生成器
にあっては内側に位置する磁石は中実の円柱状であっ
て、また試料Ｓ側に位置する端面を上方に向けて球面状
をなすよう膨出させて形成したヨーク16aの周面に導線
を巻回して円柱状をなす磁石16として構成してある。

このような磁界生成器にあっては、円柱状磁石16により
形成される磁力線は周縁部よりも中央部側に向かうに従
って磁力線の通過が容易となり、試料Ｓの中心線に向か
う従ってプラズマに対する発散効果が高く、換言すれば
試料Ｓの中心線上における鉛直方向プラズマ密度Bzをよ
り小さくすることが可能となり、プラズマ分布をより均
一化し得ることとなる。

他の構成、並びに作用は前記第１図に示した実施例にお
ける磁界生成器と実質的に同じであり、対応する部分に
は同じ番号を付して説明を省略する。

第４図に示す磁界生成器にあっては、内側に位置する磁
石は、円板状の底板部26bの片面中央に円柱状部26cを、
また周縁部寄りの位置に円筒状部26dを相互の間に所要
の間隔を隔てた状態で同心状に立設し、円筒状部26dの
外周面に導線を巻回して円筒状をなす磁石26を構成して
ある。

このような磁界生成器にあっては円筒状磁石26により形
成される磁力線は、中央部では円柱状部26cによる磁路
が、また周縁部では円筒状部26dによる磁路が夫々形成
されて磁力線が他の部分よりも選択的に通り易くなって
磁束密度が高くなるため試料Ｓの中央部上でのプラズマ
に対する発散効果を高め得、鉛直方向磁束密度Bzを小さ
くし得、前記第３図に示す実施例の場合と同様にプラズ
マの一様化を図れることとなる。

上述した如き本発明装置と第５図に示す従来装置とにつ
いて夫々プラズマ生成室１へN₂ガス（流量35sccm）を、
また反応室３へSiH₄ガス（流量28sccm）を夫々原料ガス
として導入し、マイクロ波パワー600Wでプラズマを発生
させ、これを利用して試料台５上の直径５インチのSiウ
ェーハ上に窒化シリコン膜を形成せしめ、その膜厚分布
及び成膜速度を測定した結果、従来装置では膜厚分布の
ばらつきは±9.8％、堆積速度は2400Å／分であった
が、本発明装置では成膜速度のばらつきは±４％に低減
出来、また円筒状磁石７によるプラズマ閉じ込め効果に
よってプラズマに無駄がなく、その有効利用が図れる結
果、堆積速度を2700Å／分に向上し得た。

なお膜厚分布は下式によって求めた。

〔効果〕以上の如く本発明装置にあっては、試料の周縁部の磁束
密度と中央部の磁束密度とを前者が後者よりも高くなる
よう各独立に設定し得る磁界生成器を具備するから、試
料周縁部前方の磁束密度が中心部よりも相対的に高めら
れ、試料表面に対するプラズマ分布密度が改善され、均
一な厚さの成膜、或いは均一な処理速度のエッチングを
行い得るなど、本発明は優れた効果を奏するものであ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明装置の縦断面図、第２図は本発明装置に
おける試料前面の磁束密度分布を示す分布図、第3,4図
は本発明装置に用いる磁界生成器の模式的拡大断面図、
第５図は従来装置の縦断面図である。１…プラズマ生成室、２…導波管、３…反応室、４…励
磁コイル、５…試料台、6,7…円筒状磁石、Ｓ…試料

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】プラズマ生成室内に導入したガスにマイク
ロ波による高周波電界と前記プラズマ生成室の周囲に配
した励磁コイルにより形成される磁界とを作用させてプ
ラズマを発生させると共に、該プラズマを前記磁界によ
り前記プラズマ生成室と連通した試料室に導出し、該試
料室内の試料に対し成膜、或いはエッチングを施すプラ
ズマ装置において、試料の周縁部の磁束密度と中央部の
磁束密度とを前者が後者よりも高くなるように各独立に
設定し得る磁界生成器を具備することを特徴とするプラ
ズマ装置。
【請求項２】前記磁界生成器は前記励磁コイルによって
形成される磁界と同方向の磁界及び逆方向の磁界を同時
に印加するものである特許請求の範囲第１項記載のプラ
ズマ装置。
【請求項３】前記磁界生成器は試料に対し、前記プラズ
マ生成室と反対側に配設されている特許請求の範囲第１
項記載のプラズマ装置。
【請求項４】前記磁界生成器は前記励磁コイルと中心線
を同じくし、該励磁コイルにより形成される磁界と同方
向及び逆方向の磁界を各形成する２つの円筒状磁石を備
える特許請求の範囲第１項記載のプラズマ装置。