JPS63177525A

JPS63177525A - プラズマ処理装置

Info

Publication number: JPS63177525A
Application number: JP62008062A
Authority: JP
Inventors: Takuya Fukuda; 福田　琢也; Yasuhiro Mochizuki; 康弘望月; Naohiro Monma; 直弘門馬; Shigeru Takahashi; 茂高橋; Noboru Suzuki; 登鈴木; Tadashi Sonobe; 園部　正; Atsushi Chiba; 淳千葉; Kazuo Suzuki; 和夫鈴木
Original assignee: Hitachi Service Engineering Co Ltd; Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Service Engineering Co Ltd; Hitachi Ltd
Priority date: 1987-01-19
Filing date: 1987-01-19
Publication date: 1988-07-21
Anticipated expiration: 2010-08-16
Also published as: JPH0777202B2

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】〔産業上の利用分野〕本発明は、マイクロ波プラズマ処理方法及びその装置に
係り、特に電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ）を利用し
たプラズマＣＶＤの高効率化。

堆積膜質の高品質化、低温プロセス精及び低ダメージ化
を図る上に好適なプラズマ処理方法及び装置に関する。

〔従来の技術〕

従来の有磁場マイクロ波プラズマ処理方法で高効率処理
化を図ったものに特開昭５６−１５５５３５号公報に記
載のように、プラズマ生成室をマイクロ波空胴共振器と
して作用させて、プラズマ活性種を処理する方法さらに
高効率化を図った方法として、特開昭５７−７９６２１
号公報に記載のように、基板処理室外側に磁石を配し、
プラズマ流径を絞ってプラズマ密度を高めた方法がある
。また、特開昭５９−３０１８号公報に記載されている
ように、ミラー磁場により、プラズマ流の拡散を抑制し
て処理効率の増大化を図った方法がある。

〔発明が解決しようとする問題点〕

上記従来技術においては、ＥＣＲ条件を満たす磁束密度
域の考慮がなされて配慮がされておらず、かならずしも
プラズマ処理の高効率化が達成されていない。また、被
処理膜質の特性１例えば、堆積膜の緻密性、結晶性２組
成等が良好ではない等の問題があった０本発明の目的は
、上記不都合を改善することにある。

〔問題点を解決するための手段〕

上記目的は、マイクロ波のＴＥｏ１モードと電子サイク
ロン共鳴を引き起こす磁束密度より１．０〜１．１　位
大きな磁束密度の領域を、プラズマ流方向に、活性種の
平均自由行程距離程度、最低でも５０ｍ以上の長さにわ
たって、または、活性種が平均寿命時間以上通過に時間
を用する距離範囲を連続的に形成することにより達成さ
れる。

上記磁束密度領域の形成は、真空系容器の中心軸方向に
分割した磁石等を複数設置し、また、高精度に制御する
ことで達成される。

〔作用〕

印加するマイクロ波の角周波数をωとすると。

公知のごとく、静磁場中での電子の回転角周波数ω６は
、磁束密度をＢ、電子の質量をｍｓとすると、ωｅ　”
　ｅ　Ｂ　／　ｍ　ｓ　となる。ここで、ω＝ωｅなる
サイクロトロン共鳴条件が成立すると、マイクロ波のエ
ネルギは電子に連続的に供給され、プラズマの電離率は
著しく増大する。その結果、プラズマ活性種の生成率も
著しく増大する。磁場の装置軸方向の分布が磁束密度の
最大点がプラズマ生成室端にあり、処理室側において減
少する単調減少型の発散磁場である場合、マイクロ波の
電場分布の主モードがＴＥｏｌであるとすると、装置内
のＢ（Ｚ、ｒ）：：ω６　ｍｓ　／ｅを満たす位置にて
、はぼプラズマ流に直交するＥＣＲ面が形成される。

伝播して来たマイクロ波には、他の電場分布を有したモ
ードも存在し、かつ、伝播面には透磁率の不均一な面も
あるため、実効的には、上記ＨＣＲ面は伝播方向にＥＣ
Ｒ効率分布をもった領域（実効ＥＣＲ領域）となってい
る、また、とのＥＣＲ領域近傍には同様の分布をもった
プラズマ活性種の高生成効率領域が形成される。従って
、この高生成効率領域の拡大化を図ることにより、プラ
ズマ活性種の濃度は増大し、被処理材の処理効率は増大
する。また、プラズマ処理特性１例えば、基板上に膜を
堆積させる際に、堆積させる分子あるいは原子の電子エ
ネルギ、結合原子間振動２回転及び並通エネルギが高い
程、及びその維持時間が長い程、プラズマ中では、集合
体とならずに単一粒子である確率及び単一粒子濃度が高
くなる。このため、堆積された膜質は熱化学反応組成に
近いものが得られる。更に、上記運動エネルギが高・い
堆積活性種は、予め基板上に形成された分子あるいは原
子層に、エネルギが最小となる配列、配向位置まで再配
列及び再配向運動する確率が高い。

このため、運動エネルギが高い堆積活性種濃度が高い程
、得られた膜質の緻密性や結晶性は良くなる。また、化
学組成比も熱化学反応により形成された膜に近くなる。

尚、ＥＣＲ領域を被処理基板に近づけると、Ｗ突等によ
る分子間相互作用によるプラズマ活性種の失活の程度が
減少するため、さらに、高処理化及び適正化が期待され
る。

上記磁場分布Ｂ（Ｚ）（Ｚはプラズマ流方向を正とした
真空装置の中心軸座標）が単調減少でなければ、ｄＢ／
ｄＺ＞Ｏとなる位置にて、マイクロ波の伝播が阻害され
プラズマ活性種の生成効率が低下するため望ましくない
。

〔実施例〕

以下、本発明の一実施例を図面を用いて詳細に説明する
。第１図は本発明のプラズマ処理装置の主要部の模式図
である。本装置は、プラズマ生成室４、マイクロ波導波
管７、（マイクロ波６の発振器は省略）　、ＥＣＲ用磁
場コイル９及び１３処理室２．排気口１２（排気系は省
略）、反応ガス供給ノズル５及び１１（反応ガス供給系
は省略）、基板支持台３．より成る。プラズマ生成室４
は直径２４０〔膿〕φ、長さ２５０〔閣〕の透明石英製
で、円錐形の頂部がマイクロ波導入窓８、となっている
、ＥＣＲ用磁場コイル９及び１３は、プラズマ生成室及
び処理室の周囲に設置され、プラズマ生成室の最大磁束
密度は３　、０　（ＫＧａｕｓｓ）　　であり、それぞ
れ５個及び３個に分割され個別に調整（電流方向も含む
）することにより磁束密度を制御できる。処理室２は直
径２４０〔■〕φのステンレス鋼製で、中に設置された
基板支゛時台３は直径１２０（■〕φのアルミナ製でそ
の位置はプラズマ流方向（図では左右）に可変である。

コイル９及び１３を調整することにより、及び基板支持
台３の位置を設定することにより、基板に対するＥＣＲ
点（マイクロ波伝播及び励起は均一で、かつ、マイクロ
波のＴＥｏｉモードのみ考慮共鳴磁束密度をＢｏで示す
。）距離を一定にして、各種の分布を作ることが出来る
。第２図（ａ）、（ｂ）は、プラズマ流方向を正、基板
位置を原点とし、真空容器中心軸座標をＺとした時の磁
束密度分布、Ｂ　（Ｚ）である、磁場形状を一定にして
、磁場強度を一様に変化させたときの磁場分布の一例を
示したものが第２図（ａ）である、また、第２図（ｂ）
は、Ｂ　／　Ｂ　ｏがほぼ一定（Ｂ／Ｂｏ＝１．１）に
し、Ｂ　／　Ｂ　ｏ領域の長さを変えた際の磁場分布の
一例を示したものである。

大嵐孤上被処理基板１としてシリコンウェハ（直径１００〔ｍ〕
φ）を用い、シリコン酸化膜を形成した。

プラズマ生成室４内に第１のガス導入管５を通して酸素
（０２）を４０　（ｍ　ｎ　／ｌ１ｌｉｎ）導入し、２
．４５（ＧＨｚｌのマイクロ波６をプラズマ生成室に導
入し、かつ静磁場発生コイル９及び１３により８７５　
（Ｇａｕｓｓ）　　以上の磁場を発生させてプラズマ流
１０を生成させ、第２のガス導入管１１よりモノシラン
（ＳｉＨｉ）を６　（ｍ　Ｑ　／ｗｉｎ）導入し処理室
２内の圧力は排気系により１　（ｍＴｏｒｒ）にした、
上記静磁場発生コイル９及び１３に流す電流値を調整す
ることにより、磁束密度分布を制御した。基板とＥＣＲ
点距離をほぼ一定にし、かつ、磁束密度分布形状は一定
にしたまま、前記、実効ＥＣＲ領域を第２図（ａ）、（
ｂ）に示したように異ならせ５ｉＯｚ膜を堆積させた。

第３図（ａ）。

（ｂ）は５ｉＯｚ膜堆積速度の実効ＥＣＲ領域におよぼ
す磁束密度、あるいは、実効ＥＣＲ領域の長さ依存性を
示したものである。誤差は同一基板内の最大誤差を示し
ている。（ｃ）、（ｄ）は堆積膜のバッファエツチング
（ＨＦＩ容、ＮＨ４Ｆ６容の混合）液によるエツチング
速度の、（ｅ）。

（ｆ）は形成された膜の光学屈折率の、（ｇ）。

（ｈ）は、形成された膜のオージェ分光から得られたＳ
　ｉ　／　Ｏのモル比の、それぞれ、実効ＥＣＲ領域の
磁束密度依存性と、領域の距離依存性を示している。Ｂ
　／　Ｂ　ｏの値は、ＥＣＲ点と基板間距離が１０１０
０（における値を、ΔΩは、Ｂ　／　Ｂ　。

２１、Ｏ〜１．１の距離を示している。

堆積速度については第３図（ａ）、（ｂ）から、Ｂ　／
　Ｂ　ｏが１．０〜１．１、ΔＱが５０（＋ｍ＋）以上
においては効率が良いこと、第３図（ｃ）、（ｄ）から
同様にＢ　／　Ｂ　ｏが１．０〜１．１にてΔＱが５０
１ｍ）以上でエツチング速度がおそい。すなわち、緻密
性の高い膜が得られていることがわかる。第３図（８）
、（ｆ）、及び（ｇ）、（ｈ）からＢ　／　Ｂ　ｏが１
．０〜１．１、ΔＱが５０（ａｍ）以上において、熱酸
化膜と同等の膜が得られることがわかる。このことから
、マイクロ波プラズマ放電には、実効的なＥＣＲ領域が
存在し、また。

その領域の拡大化を図ることにより処理の高効率化及び
堆積膜の良質化が図れることがわかる。

寒胤涯主上記装置にて、第１導入ガスを水素、第２導入ガスをモ
ノシラン（ＳｉＨ４）として、基板温度を３２０（’Ｃ
）として多結晶Ｓｉ膜を堆積した。

その結果、Ｂ／Ｂｏが１．０〜１．１、ΔＱが５０（ａ
ｍ）以上において、第４図（ａ）、（ｂ）のように堆積
速度が大きく、かつ、Ｘ線回折から調べた多結晶シリコ
ンの結晶粒径が大きく結晶性が優れていることがわかっ
た。

失態■ユ上記装置にて、第１導入ガスを６フツ化イオウ（ＳＦｅ
）として、多結晶シリコン膜と酸化ケイ素膜をエツチン
グした、第５図（ａ）、（ｂ）にこの結果を示した。実
施例１，２と同様に、Ｂ／Ｂｏが１．０〜１．１及びΔ
０が５０［ｍ１以上において、ＬＳＩゲート材エツチン
グ等に求められる酸化ケイ素材に対する多結晶シリコン
材の高選択エツチングがなされることがわかる。

このように本実施例によれば、マイクロ波プラズマ処理
効率及び処理特性は、実効的なＥＣＲ領域の広さに大き
く依存していることがわかった。

従ってこの領域を拡大化することにより、プラズマ活性
種濃度の増大化が図れ、その結果、プラズマ処理の高効
率化、及び、この活性種の高エネルギ状態を長く維持す
ることにより、堆積膜、あるいはエツチング特性の良好
化が図れるため、プラズマ処理の適正化が図れる。上記
効果は、マイクロ波のＴＥｏｓモードにおける計算上の
ＥＣＲ条件を達成する磁束密度の１．０〜１．１倍の強
度の連続領域を形成し、その領域の長さをプラズマ流方
向に５０〔１３以上とすることにより達成される。

〔発明の効果〕

本発明によれば、マイクロ波プラズマ処理において、膜
堆積速度等、処理効率が向上するため。

製造工程のスルーブツトが向上する効果がある。

また、成膜においては、低温の被処理基板上にも高温熱
処理と同等の結晶性、緻密性の膜質が得られる効果があ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明のマイクロ波プラズマ処理装置の断面図
、第２図（ａ）、（ｂ）は、磁束密度分布の例を示す図
、第３〜５図は本発明による実験データを示す図である
、１・・・被処理基板、２・・・処理室、４・・・プラズ
マ生成室、６・・・マイクロ波、８・・・マイクロ波導
入窓、９゜１３・・・プラズマ生成用静磁場発生コイル
、５゜１１・・・反応ガス供給ノズル。

Claims

【特許請求の範囲】１、マイクロ波導入窓、真空排気系、反応ガス導入系及
び電子サイクロトロン共鳴を引き起こすに必要な磁場か
ら成るプラズマ処理装置において、マイクロ波のＴＥ＿
ｏ＿１モードと電子サイクロトロン共鳴を引き起こす磁
束密度より１．０〜１．１倍大きな磁束密度の領域を、
プラズマ流方向に５０ｍｍ以上の長さで連続的に形成し
たことを特徴とするプラズマ処理装置。２、マイクロ波のＴＥ＿ｏ＿１モードと電子サイクロト
ロン共鳴を引き起こす磁束密度より１．０〜１．１倍大
きな磁束密度の連続領域に、プラズマ流を２×１０＾２
秒以上通過させることを特徴とするプラズマ処理方法。