JP2633849B2

JP2633849B2 - プラズマ処理装置

Info

Publication number: JP2633849B2
Application number: JP62068838A
Authority: JP
Inventors: 尚彦竹内; 徹大坪; 泰広山口
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1987-03-25
Filing date: 1987-03-25
Publication date: 1997-07-23
Anticipated expiration: 2012-07-23
Also published as: JPS63236327A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は低温プラズマを用いた半導体素子の製造に係
り、特にCVD,エッチング，スパッタリング，灰化等の各
技術の高速処理に好適なプラズマ処理装置に関する。

〔従来の技術〕

低温プラズマを用いた装置を大別すれば、真空中で平
行平板の電極の一方に10KHz〜30KHz程度の高周波電圧を
印加して、プラズマを発生させる技術を用いるもの（半
導体研究18;P121〜P170,半導体研究19;P225〜P267）
と、245GHzのマイクロ波を真空室へ導入してプラズマを
発生させる技術を用いるものがある。従来、これらの内
で平行平板電極による技術が主として用いられてきた。

一方、半導体素子の微細化に伴い、プラズマ処理時に
発生するイオンの衝撃により素子特性が影響を受けるこ
とが問題になってきた。更に、処理能力の向上のために
処理速度を上げることが要請されている。

処理速度を高める場合、単にプラズマの密度あるいは
ラジカル（イオン化直前の活性粒子）温度を高めるだけ
では不十分である。プラズマ処理によるドライエッチン
グや、プラズマCVDではイオンのエネルギーが重要な役
割をはたしている。ドライエッチングの場合、イオンの
エネルギーが大きすぎると、下地の膜が削られたり結晶
構造に影響を与え、素子特性が劣化する。また小さすぎ
るとエッチング面に形成されるポリマーの除去が十分行
われず、エッチング速度が低下する。または逆にポリマ
ーによる保護膜が形成されず、パターンの側面がエッチ
ングされ、パターンの寸法精度が悪くなるといった問題
を発生する。

プラズマCVDでもイオンのエネルギーが弱いと膜組成
が粗となり、エネルギーが強いと密になるというように
イオンエネルギーが成膜に影響する。

したがってプラズマの高密度化と、イオンエネルギー
を適正に制御することが、今後のプラズマ処理に不可欠
である。公知例として特開昭56−13480,特開昭56−9684
1に示されるようなマイクロ波を用いた方式が提案され
ている。

マイクロ波によりプラズマを発生させる場合、マグネ
トロンにより発生したマイクロ波を低圧にしたプラズマ
発生室に放射しても、マイクロ波の電界強度が十分でな
いため電子に十分なエネルギーが供給されず、プラズマ
を発生させることは困難である。したがってマイクロ波
によりプラズマを発生させるためには、電子が磁場と垂
直な平面を回転するサイクロトロン周波数とマイクロ波
の周波数を合致させ共鳴状態にして電子にエネルギーを
供給する方法と、マイクロ波を空洞共振器に放射してマ
イクロ波の振幅を大きくし、電界強度を強めて電子にエ
ネルギーを供給する方法の２つがある。前者が特開昭56
−13480に示されたもので有磁場マイクロ波、あるいはE
CR（Electron Cyclotron Resonance）法とよばれてい
る。後者は特開昭56−96841に示されたものである。

マイクロ波により発生したプラズマではマイクロ波よ
り電子へ直接エネルギーを供給するために、プラズマと
基板との間に形成されるシース間電圧はほとんど変化し
ない。したがって基板を載せる電極に高周波電圧を印加
し、シース間電圧を任意にコントロールすることによ
り、高速化に必要な高いプラズマ密度を適正なイオンエ
ネルギーを得ることができる。

〔発明が解決しようとする問題点〕プラズマ処理ではイオンのエネルギーが重要な役割を
はたすことをさきに述べた。

従来技術の中でECR方式では、特開昭56−13480に示さ
れるように、基板を載せた電極に高周波電圧を印加する
と、この電極の対向する側にはアース電極がないため、
高周波電流は周囲処理室との間に流れ、基板上でのイオ
ンエネルギーの効果が基板周囲で強く中心部で弱くな
り、基板全体を均一な条件で処理できないという問題が
あった。

また空洞共振器を使った方式では、共振器の中でプラ
ズマを発生させる構造のため、プラズマが発生すると、
マイクロ波の波長がプラズマの密度により変化するた
め、共振条件が満たされず、プラズマが不安定になると
いう問題があった。即ちプラズマが発生するまでは共振
条件が満足されているためマイクロ波の電界強度が強く
なりプラズマが発生する。しかしプラズマが発生しプラ
ズマ密度が高くなると、マイクロ波の波長が変わり共振
条件が満たされなくなって電界強度が小さくなる。そし
て電子へのエネルギーの供給が低下しプラズマ密度が低
下する。プラズマ密度が低下すると共振条件が満たさ
れ、ふたたびプラズマ密度が高まる。このような現象の
ためプラズマを安定に発生させることは困難であった。

また、これらのプラズマから基板に入射するイオンの
エネルギーを制御するため、高周波電圧印加電極を空洞
共振器内に設けると、マイクロ波の反射等が発生し、プ
ラズマはさらに不安定になるという問題があった。

本発明の目的は、高密度なプラズマを安定に発生させ
るとともに、基板に入射するイオンのエネルギーを基板
全面で均一にすることが可能なプラズマ処理装置を提供
することにある。

〔問題点を解決するための手段〕

一般に、導波管あるいは導波管の一種と考えられる空
洞共振器内をマイクロ波が進行する場合、導波管の表面
には、電場，磁場に対応した電流が流れる。

したがってこの電流を横切るように導波管の一部にス
リットを設けると、スリットの両端に電荷がたまり、こ
れがマイクロ波の進行に伴って変化することからスリッ
ト両端間の電界が変化し導波管の外部にマイクロ波が放
射される。

前記目的は、上記した原理を用い、マイクロ波電力を
供給してプラズマを発生させて試料を処理するプラズマ
処理装置において、マイクロ波電力を発生させてこの発
生させたマイクロ波電力を輸送するマイクロ波電力供給
手段と、内部が所定の圧力に維持され、マイクロ波電力
供給手段により輸送されたマイクロ波電力を導入してプ
ラズマを発生させるプラズマ室手段と、マイクロ波電力
供給手段とプラズマ室手段との間にあってプラズマ室手
段を真空に封止してマイクロ波電力供給手段と分離する
と共に、マイクロ波電力を透過し、マイクロ波電力供給
手段と電気的に接続してスリット状の開口を設けた導電
体膜を表面に備え、プラズマ室手段の側に複数の開口を
有するガス流路を内部に設けた分離手段と、この分離手
段に設けたガス流路を通してプラズマ室手段の内部にガ
スを供給するガス供給手段とを備えて構成することによ
り達成される。

〔作用〕

従来のECR方式では導波管の開口部より直接マイクロ
波をプラズマ発生室に放射する構成となっている。この
ためプラズマ発生室と導波管の開口部の間にアース電極
を設置する。マイクロ波がアース電極で反射され、プラ
ズマ発生室に供給できない。

本発明では導波管の端面を閉じた構造とし、この端面
にマイクロ波を放射するスリットを設けた。そして必要
に応じて、この導波管の端面をアース電位になるように
した。

スリットの開口面積は導波管の端面全体の1/3程にす
ることができる。したがって基板を載せた電極に高周波
電圧を印加した場合、高周波電流は導波管の端面と電極
間に均等に流れ、イオンの効果を基板全面に対し均等に
発生させることができる。またスリットを通して十分な
量のマイクロ波が供給でき、高密度のプラズマを発生さ
せることができる。このとき、スリットは、マイクロ波
を透過し、熱膨張係数が小さいセラミックスなどの材料
で形成された分離手段の表面に膜状に形成されているの
で、発生した高密度プラズマに曝されても熱膨張による
変形量は少なく、スリットを介してマイクロ波を安定に
供給することが可能になり、プラズマ処理室内で高密度
のプラズマを安定して発生させることができる。

一方、導波管に空洞共振器を接続した場合には空洞共
振器内で共振により振幅を大きくしたマイクロ波がスリ
ットを通してプラズマ発生室に放射される。そのためプ
ラズマ発生室を従来のように空洞共振器構造にしなくと
も、前記したような導電体膜に形成したスリットを介し
てマイクロ波を安定に供給することが可能になり、プラ
ズマ処理室内で高密度のプラズマを安定して発生させる
ことができる。

このため本発明に係る電極構造は従来のように空洞共
振器との関連による制約を受けない。また空洞共振器内
ではプラズマが発生しないため、共振状態の変化がな
く、プラズマを安定に発生させることができる。さらに
空洞共振器をアース電位に接続することで、ECR方式の
場合と同様に、電極に平行な対向電極とすることがで
き、イオンの効果も基板全体に均一に発生させることが
できる。

〔実施例〕

以下、本発明の一実施例を第１図により説明する。

空洞共振器１はE₀₁モードの円形空洞共振器であり、
導波管２を通してマグネトロン３からマイクロ波が供給
される。導波管２の取付けはE₀₁モードとの結合をよく
するため、円形空洞共振器１に対し偏心して取り付けら
れている。円形空洞共振器１のもう一方の側にはセラミ
ックス板４が固定してある。セラミックス板４には、金
のメッキ５によりスリットが作られていてのメッキパタ
ーンを含めて共振器を構成している。セラミックス板４
の下にはプラズマ発生室６が接続されていて、セラミッ
クス板４により真空に封止した構造となっている。

メッキ５によって形成されたスリットの形状は、第２
図に示すように、5bが金でメッキされた部分で、5cがメ
ッキされていないスリット開口部である。またE₀₁モー
ドの電界に対し、直角方向にリング状のスリット開口部
がある。各スリット5cの長さは2.45GHzのマイクロ波を
用いた場合、スリットからのマイクロ波の放射をよくす
るため、マイクロ波の1/2波長に当る60mm以上の寸法と
している。

プラズマ発生室６（第１図）には電極7,ガス供給管9,
ガス排気管10が設けてある。電極７は絶縁材８を介して
プラズマ発生室６に固定されており、さらに高周波電源
11が接続してある。

ガス供給管９には図示しないガス源からプラズマ処理
用ガスが設定流量だけ供給できるようになっている。

ガス排気管10には図示しない真空排気ポンプが接続し
てあり、プラズマ発生室内を１〜10^-3Torrの圧力にコン
トロールできるようになっている。

マグネトロン３を動作させマイクロ波を発振させ、導
波管２により空洞共振器１に供給する。空洞共振器内で
増幅されたマイクロ波のエネルギーはメッキ５のスリッ
トよりプラズマ発生室に放射される。プラズマ発生室に
放射されたマイクロ波の振幅は空洞共振器１で大きくな
っているため、プラズマ発生室が空洞共振器構造でなく
ともプラズマが点灯し、維持される。

本実施例のプラズマCVDへの適用を説明する。SiH₄お
よびN₂,N₂Oの混合ガスをガス供給管９より供給し、プラ
ズマにより、N₂O,SiH₄を分解してSiOxを生成し、ウエハ
12上に成膜する。

本実施例では、スリットをセラミックス板に金メッキ
することで形成したが、スリットは導電体の平板にスリ
ット孔を加工することによって形成することもできる。
しかしこの場合は、高出力のマイクロ波を入れた場合、
プラズマによる加熱によりスリット板が熱変形を起こす
不都合がある。しかし、本実施例のようにセラミックス
板に金メッキでスリットを形成すれば、熱はセラミック
ス板を伝って外部へ逃げ、またセラミックス板は熱によ
る変形が小さいため、その不都合を解消できる。

本実施例は円形導波管内のマイクロ波モードがE₀₁モ
ードである場合について説明したが、本発明はこれに限
定されるものではない。ただし空洞共振器の表面に流れ
る電流に対して、スリットが直角方向であるとマイクロ
波放射の効率が良い。このためE₀₁モードの場合は第２
図に示すように、H₀₁モードの場合は第３図に示すよう
に、そしてH₁₁モードでは第４図に示すようにスリット
形状を適宜選べば効果が上がる。

その他の実施例として第５図には第１図で示したプラ
ズマ処理装置において、セラミックス板４の上方にメッ
キ５によってスリットを形成した断面図を示す。この場
合メッキ５は真空雰囲気にさらされないため、メッキ材
料による汚染を防ぐことができる。

次にその他の実施例を示す。第６図は第１図に示した
プラズマ処理装置のセラミックス板４の真空封止部分の
詳細図を示す。セラミックス板４がプラズマ発生室６と
の間にＯリング13を狭み込み真空に封止している。セラ
ミックス板４には、金のメッキ５によりスリットが形成
されているが、セラミックス板４のＯリング封止面にも
同様に金がメッキされている。このためＯリング13の周
囲は導電体でかこまれ、マイクロ波がその中に入り込む
ことがなく、マイクロ波によるＯリング13の加熱がなく
なる。

第７図は、第１図のプラズマ処理装置において、ガス
供給が、セラミックス板４からシャワー状に行えるよう
にしたプラズマ処理装置の断面図である。ガス供給管９
によって導かれたプラズマ処理用ガスは、セラミックス
板４の内部に設けられた流路に流入する。

このセラミックス板４の平面透視図を第８図に、断面
図を第９図に示す。セラミックス板４は第９図に示すよ
うに２枚の板を合せた構造になっている。第８図に示す
ように下方のセラミックス板にはガス流路溝15aが加工
されていて、溝の内壁15bは第９図に示されるように金
メッキされている。また下方のセラミックス板には直径
1mm程度の円形ガス吹出口14も加工されており、セラミ
ックス板に供給されたガスは溝15aを通り、この穴から
プラズマ処理室に供給される。一方、上方のセラミック
ス板の下方には第８図に示されるスリットパターン5bが
金メッキされている。但しスリット孔5cにはメッキされ
ていない。このメッキされたスリットパターン5bは第９
図に示すように、下方セラミックス板のガス流路溝15a
を覆っており、このため溝15a内にマイクロ波が侵入せ
ず、ガス流路溝内15aでプラズマが発生せずガスが分解
してしまう問題がない。

また以上の実施例では、セラミックス板４に導電体で
メッキすることによってスリットを形成したが、本発明
はこれに限定されるものではない。メッキ以外にもセラ
ミックス板４に導電体を塗布するか、あるいは箔状の薄
板を貼り付けることによってスリットを形成しても、同
様の効果が得られる。

さらに用いる導電体材料として、以上実施例では金に
ついて中心に述べたが、本発明では材料は金に限定され
たものではなく、導電性を有する材料一般についても、
同様の効果が得られる。またセラミックス板のプラズマ
発生室側に導電体のメッキなどによりスリットを形成さ
せた場合、汚染や、ウエハ内に重金属物質が進入するこ
とを防ぐため、スリットに用いる材料としては金，銀，
白金などの貴金属が適している。

〔発明の効果〕

本発明によれば、高密度のプラズマに曝されても導電
体膜で形成されたスリット部の熱変形量が少ないのでマ
イクロ波を安定して供給することができ、これによりプ
ラズマ処理室内で高密度プラズマを安定して発生させる
ことが可能になった。

本発明によれば空洞共振器との関連による装置構成上
の制約を受けない効果がある。従って空洞共振器をアー
ス電位に接続することで処理対象を装置した電極に平行
な対向電極を構成できる。この結果、対向電極に設けら
れたスリットを通してマイクロ波のエネルギーを伝播で
きるので、このエネルギーにより生じるイオンやラジカ
ルの効果を均一に処理対象に与えることができる。

またイオンやラジカルの影響を均一に発生させること
ができる。この結果、高速で最適なイオンエネルギーに
よるプラズマ処理ができる。更に、半導体ウエハの微細
パターンを高精度、高速にかつ低損傷で形成できる。更
にまた均一な成膜を高速に行える効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の斜視図、第２図は第１図の
実施例で用いられるスリットの平面図、第３図は第２図
のスリットの別の実施例の平面図、第４図は第２図のス
リットの第３の実施例の平面図、第５図は第１図のスリ
ット位置を変えた実施例の断面図、第６図は第１図の真
空封止部分の詳細断面図、第７図は第１図の別のガス供
給法の実施例の断面図、第８図は第７図のセラミックス
板の平面図、第９図は第７図のセラミックス板の断面図
である。１……空洞共振器、４……セラミックス板５……メッキ、６……プラズマ発生室７……電極、11……高周波電源 13……Ｏリング

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】マイクロ波電力を供給してプラズマを発生
させて試料を処理するプラズマ処理装置において、マイクロ波電力を発生させて該発生させたマイクロ波電
力を輸送するマイクロ波電力供給手段と、内部が所定の圧力に維持され、前記マイクロ波電力供給
手段により輸送されたマイクロ波電力を導入してプラズ
マを発生させるプラズマ室手段と、前記マイクロ波電力供給手段と前記プラズマ室手段との
間にあって前記プラズマ室手段を真空に封止して前記マ
イクロ波電力供給手段と分離すると共に、前記マイクロ
波電力を透過し、前記マイクロ波電力供給手段と電気的
に接続してスリット状の開口を設けた導電体膜を表面に
備え、前記プラズマ室手段の側に複数の開口を有するガ
ス流路を内部に設けた分離手段と、該分離手段に設けた前記ガス流路を通して前記プラズマ
室手段の内部にガスを供給するガス供給手段とを有することを特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項２】前記導電体膜を、前記マイクロ波電力供給
手段の側に設けたことを特徴とする特許請求の範囲第１
項記載のプラズマ処理装置。