JPS63213344A - プラズマ処理装置 - Google Patents

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〕 本発明はプラズマ処理装置に係り、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、又はエツチング、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装置に関する。

〔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。

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。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
。

以下、図を用いて説明する。

第５図は、昭和６１年１２月３，４日行なわれた第３１
回半導体集積回路技術シンポジウムの予稿集Ｐ４９〜５
４　ｒＥＣＳプラズマを用いたＣＶＤＪ（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。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
表面をプラズマ処理する装置である。第６図は、第５図
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。この従
来例Ａの場合、入射マイクロ波４の周波数（２，４５Ｇ
Ｈｚ）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　（８７５Ｇａｕｓｓ）どあり、第６図では
、この位置がマイクロ波入射窓５から軸方向に約３国の
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、３ａｍの領域のみとなり、この
約３国の領域にて生成されたプラズマが、約３５ａｍ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。

第７図は昭和６１年１２月３，４日行なわれた第３１回
半導体集積回路技術シンポジウムの予稿集Ｐ６１〜６６
　ｒＥＣＲプラズ７ＣＶＤ法によるａ−５ｉ：Ｈ膜」　
（以下従来例Ｂとする）を、第８図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。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２ｉ３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。

第９図は特開昭５９−３０１８号公報（以下、従来例Ｃ
とする）を示し、第１０図はその磁束密度分布である８
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表面近くの礁体密度
を上げるために補助永久磁石１３を備えている。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（第１０図中（１）領域）を伝
播しながら第１の共鳴位置（第１０図中■）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（第１０図中（
ｎ）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（第１０図中＠）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。

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。

〔発明が解決しようとする問題点〕

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。

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ともに、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。

〔問題点を解決するための手段〕

上記目的は、放電管から試料台方向の磁束密度分布形状
をほぼ単調減少形状とし、かつ、プラズマ生成確率が高
い電子サイクロトロン共鳴磁場発生位置を少なくとも一
部試料室内に位置させ高密度プラズマ生成位置と試料表
面間距離を近づけることにより達成することができる。

〔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。

このため、本発明では、放電管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、放電管から試料台方向に除徐に減少する磁束密
度分布形状とし、かつ、試料室内に前記マイクロ波と電
子サイクロトロン共鳴を起こす磁場位置を設けることに
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試料室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。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。

〔実施例〕

以下、本発明のプラズマ処理装置の一実施例を第１図、
第２図、第３図及び第４図を用いて説明する。

第１図及び第２図は、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。第１図は構成を示し、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。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。

第２図は、本実施例の前記放電管２がら試料台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。本発明では、第２図の■及
び■の分布形状としたことを特徴とし、第２図■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、第２図■は、従来公知例の磁束密
度分布例を示している。

第１図において、導波管３により放電管２内に導入され
たマイクロ波（２，４５ＧＨ２）４は、第２図■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内に位置している
ため（第１図■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。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
がほとんど行なわれず、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２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。尚、本実施例における磁場コイル１
の磁束の大きさは、共鳴位置が試料室９内に位置するよ
うな大きさであることは勿論である。

第３図は、本実施例により試料表面に薄膜を生成した場
合の成膜速度を示したもので、膜組成が一定という条件
下で測定したものである。第３図の横軸下段が第２図に
示した磁束密度分布形状（■〜■）を、横軸上段が、そ
れに相当する試料表面上での電子密度を任意単位で示し
たもので（電子密度比）、縦軸が成膜速度を任意単位で
示している（成膜速度比）。この図からも明らかな様に
、前記共鳴位置を試料室９内に位置させ（第３図中■、
■）、かつ、試料７表面に近づけた方が、電子密度が増
加し、結果的に成膜速度が大幅に増加することがわかる
。

第４図は、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を示したもので、横軸
下段が第２図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。この図から明らかなのは、前記共鳴位
置が試料室９内に引き出されている状態（第４図中■、
■）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ｍ撃効果が十分にきいているこ
とを示している。

このような本実施例のように、放電管から試料台方向の
磁束密度分布形状をほぼ単調減少形状とし、かつ、電子
サイクロトロン共鳴発生磁場位置を少なくとも一部試料
室内に位置させることにより、試料表面近傍に高密度プ
ラズマ生成を可能とし、ち密で成膜速度の早い薄膜を生
成することができる。

第１１図〜第１８図に、本発明の他の実施例及び応用例
を示す。第１１図は、前記電子サイクロトロン共鳴発生
磁場位置を試料室９内に位置させる手段として、試料室
９側に磁場をつくる補助磁場発生手段２１を前記試料室
９外側に設けている。

第１２図は、第１１図の実施例の軸方向の磁束密度分布
を示す。第１２図中■の破線は、第１１図の磁場コイル
１のみによる磁束密度分布曲線を示し、第１２図中■の
破線は、第１１図の補助磁場発生手段のみによる磁束密
度分布曲線を示す。これにより第１２図中■の曲線が、
■及び■を重畳させたものとなり、共鳴発生磁場位置は
、第１２図中、矢印で示した方向に引き出され、試料室
９内に位置する。この補助磁場発生手段２１で共鳴発生
位置を試料室９内に位置させるには、その磁束密度は概
略５０ガウス以上あればよい。このような本実施例では
、前記磁場コイル１を小さくでき、第１図〜第４図に示
す実施例と同じ効果があり、かつ前記補助磁場発生手段
２１の調整により。

前記磁場；イル１による放電管２内の磁場分布にあまり
影響を与えずに前記共鳴発生磁場位置を移動調整するこ
とができる共に、この補助磁場発生手段２１により引き
出されたプラズマの流径、密度等も制御できるという効
果がある。

第１３図は、前記第１１図の実施例中の補助磁場発生手
段２１を放電管２側と試料室９側のほぼ中間位置外側に
設けた例である。第１４図は、この軸方向磁束密度分布
を示す１゜第１３図の実施例においては、前記磁場コイ
ルによる磁場（第１４図中■破線）と前記補助磁場発生
手段２１による磁場（第１４図中［相］破線）の重畳と
して第１４図中■曲線の磁束密度分布が得られ、第１１
図及び第１２図の実施例と同様の効果がある。

第１５図は、前記補助磁場発生手段２１を試料室９内に
設けた例で、前記実施例と同様の効果がある。

第１６図は、前記補助磁場発生手段２１を試料室９内の
試料台８裏側に設けた例で、これによっても前期実施例
と同様の効果がある。

第１７図は、前記補助磁場発生手段２１が試料室９内の
試料台８を兼ねた例で、補助磁場発生手段付試料台８ａ
としたことを特徴とする。このように構成しても前期実
施例と同様の効果がある。

第１８図は、本発明をエツチング装置に応用した例を示
し、プラズマ用ガス６がエツチングガスを兼ね、プラズ
マ発生確率の高い前記共鳴位置が前記補助磁場発生手段
２１による磁場により試料室９内に位置するため（第１
８図中■〜■間に前記共鳴発生磁場位置を制御する）、
処理される試料７に適切なエツチング条件が得られると
いう効果がある。

尚、上述した各実施例では、磁場の磁束密度が、マイク
ロ波導入側の放電空間から試料台方向に向ってほぼ単調
減少する分布形状であるという表現をしたが、要は共鳴
発生位置が試料室内で一曲面となるような分布形状であ
ればよい。更に、試料と共鳴発生位置を試料室内で近づ
けるためには、試料台を移動させることによっても可能
である。

〔発明の効果〕

以上説明した本発明のプラズマ処理装置によれば、放電
管から試料台方向の磁束密度分布形状をほぼ単調減少形
状とし、かつ、プラズマ生成確率が高い電子サイクロト
ロン共鳴磁場発生位置を試料室内に位置させたものであ
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】

第１図は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、第２図は第１図の装置にお
ける軸方向磁束密度分布図、第３図は、第１図の装置に
より成膜した場合の成膜速度°比と磁束密度分布形状、
及びそれに伴う電子密度比の関係を示す特性図、第４図
は第１図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、第５図は従来例■のプラ
ズマ処理装置を示す断面図、第６図は第５図の装置にお
ける軸方向磁束密度分布図、第７図は従来例■のプラズ
マ処理装置を示す断面図、第８図は第７図の装置におけ
る軸方向磁束密度分布図、第９図は従来例■のプラズマ
処理装置を示す断面図、第１０図は第９図の装置におけ
る軸方向磁束密度分布図、第１１図、第１３図、第１５
図、第１６図、第１７図、及び第１８図は各々本発明の
他の実施例を示す断面図、第１２図は第１１図の装置、
第１４図は第１３図の装置における軸方向磁束密度分布
図である。 １・・・磁場コイル、２・・・放電管、３・・・導波管
、４・・・マイクロ波、Ｓ・・・入射窓、６・・・プラ
ズマ用ガス。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、放電ガスが導入されると共に、放電空間の一部を形
   成する放電管と、該放電管の放電空間内に磁場を発生す
   る磁場発生手段と、前記放電管の放電空間内にマイクロ
   波を導入する手段と、前記放電管に連結され、かつ、処
   理されるべき試料を保持する試料台が配置される試料室
   とを備えたプラズマ処理装置において、前記磁場の磁束
   密度が前記マイクロ波導入側の放電空間から試料台方向
   に向つてほぼ単調減少する分布形状を持ち、かつ、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
   鳴の共鳴発生位置が少なくとも一部前記試料室内に位置
   することを特徴とするプラズマ処理装置。 ２、放電ガスが導入されると共に、放電空間の一部を形
   成する放電管と、該放電管の放電空間内に磁場を発生す
   る磁場発生手段と、前記放電管の放電空間内にマイクロ
   波を導入する手段と、前記放電管に連結され、かつ、処
   理されるべき試料を保持する試料台が配置される試料室
   とを備えたプラズマ処理装置において、前記磁場の磁束
   密度が前記磁場とマイクロ波により発生する電子サイク
   ロトロン共鳴の共鳴発生位置が一曲面となるような分布
   形状を持つと共に、その電子サイクロトロン共鳴の共鳴
   発生位置が少なくとも一部前記試料室内に位置すること
   を特徴とするプラズマ処理装置。 ３、放電ガスが導入されると共に、放電空間の一部を形
   成する放電管と、該放電管の放電空間内に磁場を発生す
   る磁場発生手段と、前記放電管の放電空間内にマイクロ
   波を導入する手段と、前記放電管に連結され、かつ、処
   理されるべき試料を保持する試料台が配置される試料室
   とを備えたプラズマ処理装置において、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の共鳴発
   生位置を少なくとも一部前記試料室内に位置させる補助
   磁場発生手段を備えていることを特徴とするプラズマ処
   理装置。 ４、前記補助磁場発生手段を、前記試料室の外側で、か
   つ、前記試料台とほぼ平行な位置となるように設置した
   ことを特徴とする特許請求の範囲第３項記載のプラズマ
   処理装置。５、前記補助磁場発生手段を、前記試料室の
   内側で、かつ、前記試料台とほぼ平行な位置となるよう
   に設置したことを特徴とする特許請求の範囲第３項記載
   のプラズマ処理装置。６、前記補助磁場発生手段を、前
   記放電管と試料室とのほぼ中間に設置したことを特徴と
   する特許請求の範囲第３項記載のプラズマ処理装置。 ７、前記補助磁場発生手段を、前記試料台の裏側に設置
   したことを特徴とする特許請求の範囲第３項記載のプラ
   ズマ処理装置。 ８、前記補助磁場発生手段を、前記試料台と兼用させた
   ことを特徴とする特許請求の範囲第３項記載のプラズマ
   処理装置。 ９、放電ガスが導入されると共に、放電空間の一部を形
   成する放電管と、該放電管の放電空間内に磁場を発生す
   る磁場発生手段と、前記放電管の放電空間内にマイクロ
   波を導入する手段と、前記放電管に連結され、かつ、処
   理されるべき試料を保持する試料台が配置される試料室
   とを備えたプラズマ処理装置において、前記磁場発生手
   段における磁束は、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の共鳴発生位置を少なくとも
   一部前記試料室内に位置させるような強さであることを
   特徴とするプラズマ処理装置。 １０、放電ガスが導入されると共に、放電空間の一部を
   形成する放電管と、該放電管の放電空間内に磁場を発生
   する磁場発生手段と、前記放電管の放電空間内にマイク
   ロ波を導入する手段と、前記放電管に連結され、かつ、
   処理されるべき試料を保持する試料台が配置される試料
   室とを備えたプラズマ処理装置において、前記放電管内
   の最大磁束密度が、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の共鳴発生位置における磁束
   密度の約１．５倍以上であることを特徴とするプラズマ
   処理装置。 １１、放電ガスが導入されると共に、放電空間の一部を
   形成する放電管と、該放電管の放電空間内に磁場を発生
   する磁場発生手段と、前記放電管の放電空間内にマイク
   ロ波を導入する手段と、前記放電管に連結され、かつ、
   処理されるべき試料を保持する試料台が配置される試料
   室とを備えたプラズマ処理装置において、前記試料室の
   外側に、前記磁場とマイクロ波により発生する電子サイ
   クロトロン共鳴の共鳴発生位置を少なくとも一部前記試
   料室内に位置させる補助磁場発生手段を設け、該補助磁
   場発生手段の磁束密度の大きさを５０ガウス以上とした
   ことを特徴とするプラズマ処理装置。 １２、放電ガスが導入されると共に、放電空間の一部を
   形成する放電管と、該放電管の放電空間内に磁場を発生
   する磁場発生手段と、前記放電管の放電空間内にマイク
   ロ波を導入する手段と、前記放電管に連結され、かつ、
   処理されるべき試料を保持する試料台が配置される試料
   室とを備えたプラズマ処理装置において、前記磁場の磁
   束密度が前記マイクロ波導入側の放電空間から試料台方
   向に向つてほぼ単調減少する分布形状を持ち、かつ、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
   共鳴の共鳴発生位置を少なくとも一部前記試料室内に位
   置させると共に、前記試料室内に引き出されたプラズマ
   の流径、密度等を制御する補助磁場発生手段を備えてい
   ることを特徴とするプラズマ処理装置。