JPH0774112A - プラズマ処理方法、及びその装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】本発明の目的は、生成プラズマの利用効率を大
幅に改善することにより処理膜質を改善すると共に、処
理速度を早くし得ることにある。 【構成】本発明は、磁場発生手段１によって真空容器
２，９内に発生する磁場の磁束密度が、磁場発生手段１
から少なくとも試料台８の位置まで単調減少するもので
あり、かつ、電子サイクロトロン共鳴位置ａは、前記試
料台８近傍に位置していることを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はプラズマ処理方法、及び
その装置に係り、特に、マイクロ波放電により生成した
プラズマを利用し、試料表面に薄膜生成、又はエッチン
グ，スパッタリング，プラズマ酸化等を行うに好適なプ
ラズマ処理方法、及びその装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】通常、磁場中のマイクロ波放電によるプ
ラズマを利用したプラズマ処理装置は、放電空間の一部
である放電管内に、前記磁場とマイクロ波により発生す
る電子サイクロトロン共鳴発生位置を有し、かつ、その
電子サイクロトロン共鳴点から試料室内に設けられた試
料台方向に急激に減少する磁束密度分布となっている。
このため、共鳴点近傍にて生成されたプラズマは、前記
放電管から試料台まで輸送される間に、その密度が１〜
２桁以上減少し、効率的なプラズマ処理ができなかっ
た。

【０００３】又、試料室内に上記共鳴位置を配置した従
来例はあるが、放電管内にも共鳴位置を有したミラー磁
場配位のため、大部分のマイクロ波が放電管内の共鳴位
置で吸収され、試料室内の共鳴位置でのプラズマ生成量
が制約された。

【０００４】また、仮に、試料室内にある共鳴位置にて
プラズマ生成ができたとしても、その付近の磁場勾配が
試料室から放電管方向を向いているため、大部分のプラ
ズマは放電管方向に戻され、全体として試料台方向へ向
かうプラズマ流量は少なくなり、効率的なプラズマ処理
できない。

【０００５】以下、図を用いて説明する。

【０００６】図４は、昭和６１年１２月３，４日行われ
た第３１回半導体集積回路技術シンポジウムの予稿集Ｐ
４９〜５４「ＥＣＳプラズマを用いたＣＶＤ」（以下、
従来例Ａとする）を示したもので、磁場コイル１を外側
に備えた放電管２に導波管３を通してマイクロ波４が入
射窓５から入射され、前記磁場コイル１による磁場中の
電子サイクロトロン運動と前記マイクロ波４が共鳴位置
にて共鳴することにより、プラズマ用ガス６を共鳴電子
が衝突電離してプラズマを生成する。

【０００７】そして、前記放電管２と連結され、試料７
を保持する試料台８を備えた試料室９方向に磁場勾配を
利用して生成プラズマを押し出す。このプラズマによ
り、又は、新たに試料室９に導入された材料ガス１０を
プラズマにより励起、又は電離し、試料７の表面をプラ
ズマ処理する装置である。

【０００８】図５は、図４のマイクロ波入射窓５から試
料台８に至る間の磁束密度分布を示したもので、縦軸が
放電管２と試料室９の境界を０とした軸方向距離、横軸
が磁束密度である。

【０００９】この従来例Ａの場合、入射マイクロ波４の
周波数(２.４５ＧＨｚ）に相当する電子サイクロトロン
共鳴を起こす磁束密度はＢｅ（８７５ガウス）であり、
図５では、この位置がマイクロ波入射窓５から軸方向に
約３cmのところにある。このため、プラズマ中のマイク
ロ波の伝播特性とマイクロ波エネルギーの共鳴吸収条件
からプラズマ生成に有効なのは、３cmの領域のみとな
り、この約３cmの領域にて生成されたプラズマが、約３
５cmの間を磁場勾配の力を受け、両極性拡散により試料
台８方向に輸送される。この時、輸送距離が長いこと
と、磁場が急激に減少するため、前記電子サイクロトロ
ン共鳴を起こす共鳴位置付近のプラズマ密度に対し、試
料７表面に輸送されるプラズマの密度は、前記輸送中の
損失により低下する傾向があった。

【００１０】図６は昭和６１年１２月３，４日行われた
第３１回半導体集積回路技術シンポジウムの予稿集Ｐ６
１〜６６「ＥＣＲプラズマＣＶＤ法によるａ−Ｓｉ：Ｈ
膜」（以下、従来例Ｂとする）を、図７はその磁束密度
分布を示したもので、従来例Ａとの差異は、磁束密度分
布が全体的に大きいことである。

【００１１】しかも、前記共鳴位置相当の磁束密度の位
置はまだ放電管２内にあり、また、それ以上の磁束密度
がありマイクロ波の共鳴吸収に有効な領域は、最大で放
電管２の２／３程度である。更に、試料台８方向に急激
に磁束密度が減少しているため、従来例Ａと同様に前記
共鳴位置近傍にて生成されたプラズマの密度は、試料７
の表面に拡散していく間に損失により低下する傾向があ
った。

【００１２】図８は特開昭59−3018号公報（以下、従来
例Ｃとする）を示し、図９はその磁束密度分布である。

【００１３】該図に示す従来例Ｃは、プラズマ密度を上
げる目的でプラズマ閉じ込め方式として良く用いられる
ミラー磁場配位としたもので、試料室９の試料７表面近
くの磁体密度を上げるために補助永久磁石１３を備えて
いる。

【００１４】この従来例Ｃでは、入射したマイクロ波４
は、前記共鳴位置よりも大きい磁束密度領域（図９中
（Ｉ）領域）を伝播しながら第１の共鳴位置（図９中
イ）近傍でプラズマ中に共鳴吸収される。しかし、さら
に前記共鳴位置を過ぎ、それよりも小さい磁束密度領域
（図９中（II）領域）を伝搬しようとすると、プラズマ
により伝播しにくくなり、伝播したとしても試料７近傍
の第２共鳴位置(図９中ロ)で生成されたプラズマは、磁
場勾配により放電管方向へ力を受け、結果的には試料７
へ入射するプラズマ密度は、前記第１の共鳴位置近傍に
おけるプラズマ密度に比較して、前記従来例Ａ，Ｂ同様
低下する傾向があった。

【００１５】以上の様に上記従来方式では、マイクロ波
と磁場中の電子サイクロトロン共鳴により生成されるプ
ラズマの密度が、試料表面まで輸送されてくる間に損失
により低下する位置について配慮されていなかった。

【００１６】

【発明が解決しようとする課題】上記従来技術は、放電
管から試料台方向のプラズマ密度分布と磁束密度分布の
関係が考慮されておらず、電子サイクロトロン共鳴発生
位置近傍から試料表面へ輸送されるプラズマの密度が低
下する傾向にあるため、プラズマの利用効率が低く良質
の膜が得られず、しかも処理速度が遅く効率的なプラズ
マ処理ができないという問題があった。

【００１７】本発明は上述の点に鑑み成されたもので、
その目的とするところは、生成プラズマの利用効率を大
幅に改善することにより処理膜質を改善すると共に、処
理速度を早くし得るプラズマ処理装置を提供するにあ
る。

【００１８】

【課題を解決するための手段】上記目的は、磁場とマイ
クロ波との電子サイクロトロン共鳴発生位置が、生成さ
れた薄膜の緻密性を示すエッチレート比の変曲点以下に
位置するように磁場を印加して薄膜を形成するプラズマ
処理方法、真空容器の外側に設けられ、該真空容器内に
電子サイクロトロン共鳴によるプラズマを生成するに十
分な磁場を発生する磁場発生手段によって前記真空容器
内に発生する磁場の磁束密度が、磁場発生手段から少な
くとも試料台の位置まで単調減少するものであり、か
つ、電子サイクロトロン共鳴位置は、前記試料台近傍に
位置しているプラズマ処理装置とすることにより達成す
ることができる。

【００１９】

【作用】一般に、プラズマ中を伝播し、電子サイクロト
ロン共鳴を起こすマイクロ波は、右回り円偏波波であ
り、この波は、前記電子サイクロトロン共鳴を起こすに
必要な磁束密度より小さい磁束密度のプラズマ中では、
カットオフとなり伝播できない。

【００２０】このため、本発明では、真空容器のマイク
ロ波入射端の磁束密度を電子サイクロトロン共鳴位置の
磁束密度より大きくし、磁場発生手段から少なくとも試
料台の位置まで徐徐に減少する磁束密度分布形状とし、
かつ、電子サイクロトロン共鳴位置を、前記試料台近傍
に位置させることにより、該共鳴磁束密度よりも高磁束
密度領域で高密度プラズマが発生する領域を真空容器内
の試料台近傍まで拡張することができ、かつ、磁場勾配
によりプラズマが押し出され試料台まで輸送される距離
を０まで小さくすることができる。

【００２１】これにより、該共鳴磁束密度より小さい磁
束密度側で急激に減少するプラズマ密度に対して、該共
鳴位置と試料台間の距離を十分小さくできるため、試料
表面に高密度プラズマを輸送することが可能となる。

【００２２】しかも、それは前記磁場とマイクロ波との
電子サイクロトロン共鳴発生位置が、前記試料の表面に
生成された薄膜の緻密性を示すエッチレート比の変曲点
になるように磁場を印加して薄膜を形成することによっ
ても同様である。

【００２３】

【実施例】以下、本発明のプラズマ処理装置の一実施例
を図１，図２、及び図３を用いて説明する。

【００２４】図１及び図２は、有磁場マイクロ波放電に
より試料表面処理（成膜）を行うプラズマ処理装置に本
発明を適用した例である。

【００２５】図１は構成を示し、磁場コイル１を外側に
備えた真空容器を形成する放電管２に導波管３を通して
マイクロ波４が導入され、前記放電管２内に導入された
プラズマ用ガス６を、前記磁場コイル１にて発生する磁
場中の電子サイクロトロン運動と前記マイクロ波４によ
る電子サイクロトロン共鳴により励起、または電離する
ことによりプラズマを生成する。

【００２６】そして、前記放電管２と連結され、処理さ
れる試料７を保持する試料台８を備える真空容器を形成
する試料室９方向に前記磁場コイル１にて発生する磁場
の勾配により前記プラズマを押し出し、新たに前記試料
室９内の試料７の前面に導入された材料ガス１０を前記
プラズマ流により励起、または電離しながら試料７の表
面に輸送することにより、試料７表面に前記プラズマ用
ガス６、及び前記材料ガス１０による組成の薄膜を生成
するプラズマ処理装置である。

【００２７】図２は、本実施例の前記放電管２から試料
台８方向の軸方向の磁束密度分布を示したもので、横軸
が軸方向距離、縦軸が磁束密度を示す。

【００２８】本発明では、図２の及びの分布形状と
したことを特徴とし、図２のの曲線が、前記放電管２
と前記試料室９の境界点に前記電子サイクロトロン共鳴
発生磁場位置がある場合の磁束密度分布形状を示してお
り、図２のは、公知例の磁束密度分布例を示してい
る。

【００２９】図１において、導波管３により放電管２内
に導入されたマイクロ波(２.４５ＧＨｚ）４は、図２の
の磁束密度分布形状にて前記共鳴位置相当の磁束密度
（Ｂｅ＝８７５ガウス）の位置が前記試料室９内におけ
る試料台８の近傍に位置しているため（図１のａ点）、
放電管２内の上記共鳴位置相当の磁束密度以上の磁束密
度領域を伝播し、試料室９内に入り前記共鳴位置に近づ
くにつれ、電子サイクロトロン共鳴による電離及び励起
が活発化し、それに比例してプラズマ密度も増加し、共
鳴位置でプラズマ生成確率は最大値に達する。しかし、
この領域を越え、前記共鳴位置相当の磁束密度（本実施
例では、８７５ガウス）よりも小さい磁束密度のプラズ
マ中を前記マイクロ波が伝播しようとすると、この電子
サイクロトロン共鳴を起こす右回り円偏波波の性質から
カットオフとなり伝播できなくなり、プラズマ中に共鳴
吸収されなかったマイクロ波はこの共鳴位置で反射され
ることになる。

【００３０】このため前記共鳴位置から試料台８側の低
磁束密度領域ではプラズマ生成がほとんど行われず、試
料７表面へ達するプラズマは、前記共鳴位置から試料台
８方向へ徐々に減少する磁場に添う両極性拡散によって
輸送されたプラズマと、この共鳴位置近傍に導入された
材料ガス１０が上記プラズマ流により電離，励起された
原子，分子となる。それ故、前記共鳴位置から試料台８
方向のプラズマ密度分布は急激な減少を示す。しかし、
本発明により、前記共鳴位置から試料表面までの距離を
略０にまで小さくできるため、プラズマ密度が急激に減
少する手前に試料７の表面位置を配置することが可能と
なり、試料７表面近傍の電子密度にほぼ比例する処理速
度を落すことなく、膜生成時のち密性に効果のあるイオ
ン衝撃を与えるイオン密度も適切に選定することがで
き、良質で処理速度の速い薄膜を生成することができ
る。

【００３１】図３は、本実施例により試料表面に生成し
た薄膜を、そのち密性を示すエッチレート比で示したも
ので、横軸下段が図２に示した磁束密度分布形状（〜
）を、横軸上段がそれに相当する放電管２と試料室９
の境界点である放電管出口での磁束密度を前記共鳴位置
の磁束密度をＢｅとして示し、縦軸にエッチレート比を
任意単位で示している。

【００３２】この図から明らかなのは、前記共鳴位置が
試料室９内に引き出され、試料台８の近傍に位置してい
る状態（図３中、及び）では、エッチレート比が小
さく、ち密な膜が生成していることを示し、試料表面近
傍のプラズマ密度が高いため、膜生成時のイオン衝撃効
果が十分にきいていることを示している。

【００３３】即ち、ち密な膜を得るためには、エッチレ
ート比の変曲点以下に前記電子サイクロトロン共鳴位置
が位置するように磁場を印加すればよいことがわかる。

【００３４】

【発明の効果】以上説明した本発明のプラズマ処理装
置、及びその方法によれば、磁場発生手段によって真空
容器内に発生する磁場の磁束密度が、磁場発生手段から
少なくとも試料台の位置まで単調減少するものであり、
かつ、電子サイクロトロン共鳴位置は、前記試料台近傍
に位置している装置、磁場とマイクロ波との電子サイク
ロトロン共鳴発生位置が、試料の表面に生成された薄膜
の緻密性を示すエッチレート比の変曲点になるように磁
場を印加して薄膜を形成する方法としたものであるか
ら、高密度プラズマ生成位置と試料表面間距離が近づく
ため、試料表面に高密度プラズマを輸送することができ
るので、膜質の良い、しかも処理速度の早いプラズマ処
理ができ、此種プラズマ処理装置には非常に有効であ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例を示す有磁場マイクロ波放電
プラズマ処理装置の断面図である。

【図２】図１の装置における軸方向磁束密度分布を示す
特性図である。

【図３】図１の装置により成膜した薄膜のエッチレート
比と磁束密度の関係を示す特性図である。

【図４】従来例のプラズマ処理装置を示す断面図であ
る。

【図５】図４の装置における軸方向磁束密度分布を示す
特性図である。

【図６】従来例のプラズマ処理装置を示す断面図であ
る。

【図７】図６の装置における軸方向磁束密度分布を示す
特性図である。

【図８】従来例のプラズマ処理装置を示す断面図であ
る。

【図９】図８の装置における軸方向磁束密度分布を示す
特性図である。

【符号の説明】

１…磁場コイル、２…放電管、３…導波管、４…マイク
ロ波、５…入射窓、６…プラズマ用ガス、７…試料、８
…試料台、９…試料室、１０…材料ガス、11ａ，１１ｂ
…冷却水、１２…真空排気。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｈ０１Ｌ 21/203 Ｓ 8122−4Ｍ 21/3065 (72)発明者 園部 正 茨城県日立市幸町三丁目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 茨城県日立市幸町三丁目１番１号 株式会 社日立製作所日立工場内 (72)発明者 門馬 直弘 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 望月 康弘 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 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

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】磁場発生手段を備えた容器内にマイクロ波
   と放電ガスを導入し、該容器内に導入された放電ガス
   を、前記磁場発生手段にて発生する磁場中の電子サイク
   ロトロン運動とマイクロ波が共鳴することにより前記放
   電ガスを励起、又は電離してプラズマを生成し、このプ
   ラズマにより新たに容器内に導入された材料ガスを励
   起、又は電離して前記容器内に収納されている試料の表
   面に薄膜を形成するプラズマ処理方法において、 前記磁場とマイクロ波との電子サイクロトロン共鳴発生
   位置が、前記試料の表面に生成された薄膜の緻密性を示
   すエッチレート比の変曲点になるように磁場を印加して
   薄膜を形成することを特徴とするプラズマ処理方法。
2. 【請求項２】真空容器と、該真空容器に設けられたガス
   導入口と、前記真空容器内にマイクロ波を導入する手段
   と、前記真空容器内に設けられた処理されるべき試料を
   保持する試料台と、前記真空容器の外側に設けられ、該
   真空容器内に電子サイクロトロン共鳴によるプラズマを
   生成するに十分な磁場を発生する磁場発生手段とを備
   え、前記磁場発生手段によって前記真空容器内に発生す
   る磁場の磁束密度が、磁場発生手段から少なくとも前記
   試料台の位置まで単調減少するものであり、かつ、電子
   サイクロトロン共鳴位置は、前記試料台近傍に位置して
   いることを特徴とするプラズマ処理装置。