JPH0964018A - 表面処理装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【構成】プラズマを用いる表面処理装置で、試料８の面
と平行な電極面を設け、試料８に水平な磁場１３を形成
し、試料に平行にマイクロ波１を導入した。 【効果】電子とイオンの上下壁方向への拡散を抑えるこ
とができ、プラズマ密度を上げることができる。さら
に、カットオフがなくなり従来知られているECR（電子
サイクロトロン共鳴）により高密度のプラズマが発生で
きる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は半導体素子の表面処理装
置に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体素子のエッチングや成膜に現在広
く用いられている装置は、プラズマを利用する装置であ
る。その一つに、ＥＣＲ（電子サイクロトロン共鳴）方
式と呼ばれている装置がある。この方式では、外部より
磁場を印加した真空容器中でマイクロ波によりプラズマ
を発生させる。磁場により電子はサイクロトロン運動を
し、この周波数とマイクロ波の周波数を共鳴させること
で効率良くプラズマを発生できる。また磁場によりプラ
ズマの壁への拡散が抑えられ、高密度のプラズマが発生
できる。試料に入射するイオンを加速するために試料に
は高周波電圧が印加される。プラズマとなるガスには例
えばエッチングを行う場合には塩素やフッ素などのハロ
ゲンガスが用いられる。エッチングのほかに膜の堆積な
どにもこの装置は使われている。

【０００３】この装置では従来から色々な型が提案され
ており、例えば、特開平6−212434号明細書で知られて
いる装置がある。この装置では試料面と平行に電極を配
し、かつ、試料に垂直な磁場を発生させる。この構成
で、試料と平行すなわち磁場と垂直な方向に進行するマ
イクロ波を導入する。この装置では、試料と平行な電極
が、試料に印加される高周波電圧のアースとなるので、
試料面に均一に高周波電流が流れ、表面処理速度が面内
で均一になる利点がある。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】公知例の装置では、磁
場と垂直な方向からマイクロ波が導入されるため、プラ
ズマ中でのマイクロ波の伝播にカットオフ密度がある。
すなわち約７×１０¹⁰／cm^-3以上の密度でマイクロ波が
プラズマ中を伝播できず、それ以上のプラズマ密度には
ならないため、処理速度に限界がある。さらに、イオン
と電子が磁場に添って拡散し、上下にある試料台あるい
は電極面で再結合し消費される量が多くなる。この点で
も高密度プラズマの発生が困難になる。すなわち、例え
ばこの装置をエッチングに使用した場合はエッチング速
度が遅くなりまた膜の堆積に使用した場合は堆積速度が
遅くなる。

【０００５】本発明の目的は処理速度が試料面内で均一
でかつ高速な表面処理装置を提供することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】プラズマの高密度化を図
るために、試料面と平行に電極を配しかつ試料と平行な
方向からマイクロ波を導入する装置で、磁場の方向を試
料と平行にした。

【０００７】

【作用】磁場と平行にマイクロ波を導入することで、電
子とイオンの上下壁方向への拡散を抑えることができ、
プラズマ密度を上げることができる。さらに、カットオ
フがなくなり、従来知られているＥＣＲ（電子サイクロ
トロン共鳴）により高密度のプラズマが発生できる。こ
のため、エッチングあるいは化学気相蒸着などの処理速
度が高速になる。かつ試料と平行に電極が存在するため
に高周波電圧も面内均一にかかり、処理速度が均一にな
る。

【０００８】

【実施例】

（実施例１）以下、実施例を図１により説明する。図１
（ａ）は本発明装置を横から見た断面図で、図１（ｂ）
は本発明の上面図である。真空容器は主に平行に配置さ
れた上面板６と下面板７から成る。この間にマイクロ波
源１から導波管２と導入窓４を介してマイクロ波が導入
される。ここに、マイクロ波の進行方向３と平行な磁場
１３を発生するように配置された磁石５を設置する。磁
石５は電磁石でも永久磁石でもよい。コイル状磁石を四
角形にして真空容器を囲むように配置すると装置を小型
化できる。

【０００９】下面板７には絶縁板１０を挟み試料台９が
設置される。このうえにエッチングなどの表面処理され
る試料８が置かれる。試料台９には数ＫＨｚから数百Ｍ
Ｈｚの高周波電源１１が接続される。なお、高周波のマ
ッチング回路は省略されている。上面板６はアース電位
となっている。真空容器には内部を排気しまた試料８の
出し入れを行うための接続管１２が設けられている。試
料８の搬送機構や真空ポンプは省略してある。真空容器
内には上面板６に設けられた複数個のガス供給管１４か
らガスが供給される。

【００１０】例えばこの装置でシリコン酸化膜をエッチ
ングする場合には、ＣＦ₄，Ｃ₄Ｆ₈,Ｃ₂Ｆ₆，Ｃ₃Ｆ₈，Ｃ
ＨＦ₃，ＣＨ₂Ｆ₂ などのＣ，Ｈ，Ｆからなるガスが供給
される。真空容器内に発生したプラズマは磁場１３の回
りをら旋運動するので上面板６，下面板７方向への拡散
が抑えられ、高密度のプラズマが発生する。さらに、電
子のサイクロトロン運動の周波数とマイクロ波の周波数
を一致するようにすればＥＣＲプラズマが発生して、よ
り高密度にできる。例えばマイクロ波の周波数が２.４
５ＧＨｚの場合は磁場強度を８７５Gaussにすればこの
条件になる。この強度の磁場を試料中心部で発生させる
と試料直上で高密度のプラズマが形成できる。この密度
の磁場を試料から外れた位置で発生させると、そこで形
成されたプラズマが磁場１３に添って試料に拡散するの
で密度はやや低くなるが均一性を上げることができる。

【００１１】試料に高周波電圧を印加することによりプ
ラズマ中のイオンが加速されて試料８に入射し、そのエ
ネルギによりエッチングが進行する。このときプラズマ
中に高周波電流が流れるが、試料と平行にアース電位の
上面板６があるために、高周波電流に対するプラズマの
抵抗が試料８面内で均一になり、面内ほぼ均一に電流が
流れて、エッチング速度も面内で均一となる。上面板６
と下面板７間の距離は小さいほうが電流の通過路の距離
が短く、プラズマの影響も小さくなるため高周波電流は
均一になり、１０cm以下が適当である。さらに用途によ
っては３cm以下にするとよい。

【００１２】（実施例２）図２は図１の試料台を改良し
た装置である。ここでは下面板１６が絶縁材１５により
装置のほかの部分と絶縁されている。そして、下面板１
６に直接高周波電力が印加でき下面板が試料台を兼ね
る。この構成は、先の実施例と比べ構造が単純でかつ試
料台を冷却あるいは加熱などするのに適している。

【００１３】（実施例３）図３はマイクロ波の導入方法
を変えた実施例で、図３（ａ）（ｂ）はそれぞれ装置の
断面図と上面図である。マイクロ波源１から放出された
マイクロ波は導波管２を通り次に導波管同軸変換機１９
を介して同軸ケーブル１７を流れ、アンテナ１８より真
空容器内に放出される。この構成で先の実施例と同じ効
果が得られる。さらにこの実施例では、マイクロ波電力
の供給を均一にするためにマイクロ波源を二つ用いて真
空容器の両側から電力を供給し、より均一性を上げてい
る。

【００１４】同軸ケーブルとアンテナの組み合わせは、
アンテナ近傍で電界の向きが乱れて実施例１の導波管と
比較して効率が多少悪くなるが、小型である利点があ
る。マイクロ波を２箇所から導入する場合は、試料の出
し入れあるいは真空排気用の接続管２０を図３（ｂ）の
ように他の側面に配置する。あるいは、導入窓４とアン
テナ１８を可動で取り外しできる構造とし、試料の出し
入れは導入窓４面から行うこともできる。

【００１５】なお、マイクロ波源１は一つにして、途中
にマイクロ波の分岐機を設けマイクロ波を２箇所から導
入してもよい。また実施例１の導波管を用いた装置でマ
イクロ波を複数の箇所から導入してもよい。

【００１６】（実施例４）図４は磁石を変えた実施例で
ある。ここでは小型磁石２２を複数個用いてマイクロ波
の進行方向と平行な磁場２１を形成する。マイクロ波を
２箇所から導入しさらに磁力線の極も対称にするように
磁石を配している。小型磁石２２は電磁石でも永久磁石
でもよい。この構成では磁石が小型になると同時に磁場
の強度分布を細かく制御できる利点がある。なお、小型
磁石は上面板６の上だけでなく下面板１６の下側あるい
は両面の上下に配してもよい。

【００１７】（実施例５）図５は別実施例で、磁石２３
をたすき状に配置した装置である。このような磁石配置
でできる磁場２４は、マイクロ波の進行方向の垂直成分
２５も大きくなるが、平行成分２６もあるので、完全に
平行な場合よりも効率は落ちるが実施例１と同じ効果が
あり、かつ磁石２３の数を低減できる。

【００１８】（実施例６）図６は別実施例で、マイクロ
波入口近くに石英などのマイクロ波を通過する物質でで
きたブロック２７を置いた装置である。これにより、マ
イクロ波の入口近傍での異常放電を防ぎプラズマの均一
性を上げることができる。

【００１９】（実施例７）以上の実施例で述べた装置
は、マイクロ波の放電と高周波の放電を切り分けて使用
することも可能である。この方法を実施例１の装置で説
明する。この装置で磁石５を電磁石として磁石の電流を
止めて磁場を消して、かつマイクロ波源１を消すと、高
周波電源１１で放電を発生させることができる。この状
態は従来からＲＩＥ（Reactive Ion Etching）として知
られている装置と同じになる。

【００２０】ＲＩＥでは、試料に入射するイオンのエネ
ルギが高く試料８に損傷が入りやすいなどの問題がある
が、磁場を使用しないために面内の均一性が非常に良い
利点もある。試料への損傷は主にエッチングが終了して
下地が現われたときに、下地がイオンで照射されて生じ
る。そこで例えば、下地が現われる直前までＲＩＥ状態
で使用して、下地が現われる直前にマイクロ波を導入し
てかつ磁場１３を発生させてマイクロ波放電状態のエッ
チングに切り替える事ができる。また逆に、損傷が余り
問題にならずむしろ下地表面にエッチングするために高
いイオンエネルギを必要とする改質層が存在する試料な
どでは、最初にマイクロ波放電で異方性の高いエッチン
グをして後にＲＩＥで改質層をエッチングすることがで
きる。

【００２１】このように両者の利点を生かして放電モー
ドを切り替えられる。また放電モードを交互に切り替え
る方法もある。

【００２２】また、放電モードを切り替えるのに同期し
て導入するガスの種類や圧力、高周波電源１１の電力を
変えるとさらに加工の自由度が大きくなる。

【００２３】また、この装置では試料面内の高周波電流
に対する抵抗が一定なので、高周波の周波数を上げても
処理速度の均一性が損なわれることがない。従って、試
料に印加する電圧を方形波のように高い周波数性分を含
むパルス状にする場合も適した構造である。

【００２４】

【発明の効果】本発明により半導体試料のエッチングや
成膜などの処理速度を高速化しかつ面内均一性を上げる
ことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明を適用したエッチング装置の断面図およ
び上面図。

【図２】本発明を適用したエッチング装置の断面図。

【図３】本発明を適用したエッチング装置の断面図およ
び上面図。

【図４】本発明を適用したエッチング装置の断面図。

【図５】本発明を適用したエッチング装置の断面図およ
び上面図。

【図６】本発明を適用したエッチング装置の断面図。

【符号の説明】

１…マイクロ波源、２…導波管、３…マイクロ波進行方
向、４…導入窓、５…磁石、６…上面板、７…下面板、
８…試料、９…試料台、１０…絶縁板、１１…高周波電
源、１２…接続管、１３…磁場、１４…ガス供給管。

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】内部を真空に排気できる容器と、前記容器
   内に試料を設置する試料台と、前記容器内にプラズマを
   発生させるマイクロ波電源と前記試料台に電圧を印加す
   る高周波電源と前記容器内に磁場を形成する磁石とから
   なる装置において、試料面と平行に電極面を配し、磁場
   が試料面と平行になるように磁石を配し、前記試料と前
   記電極面のなす空間の側面からマイクロ波をその進行方
   向が磁場と平行になるように導入したことを特徴とする
   表面処理装置。
2. 【請求項２】請求項１の前記容器の形状は直方体で前記
   磁石の形状も四角形のコイル状である表面処理装置。
3. 【請求項３】請求項１または２において、前記マイクロ
   波を前記容器の複数の側面から導入した表面処理装置。
4. 【請求項４】請求項１，２または３において、前記磁石
   を複数個の小型磁石とし、これらの磁石を前記試料面の
   下あるいは前記試料と平行な前記電極面の上、あるいは
   その両方に配置して前記試料面と平行な磁場を形成した
   表面処理装置。
5. 【請求項５】請求項１，２，３または４において、前記
   試料面とそれに平行な前記電極面との間の距離を１０cm
   以下にした表面処理装置。
6. 【請求項６】請求項１，２，３，４または５において、
   前記マイクロ波電源と前記高周波電源を交互に点灯する
   表面処理装置。