JPH02159027A

JPH02159027A - プラズマ処理装置

Info

Publication number: JPH02159027A
Application number: JP31434588A
Authority: JP
Inventors: Susumu Tanaka; 進田中; Katsuya Okumura; 勝弥奥村; Takahiko Moriya; 守屋　孝彦; Shinji Miyazaki; 伸治宮崎
Original assignee: Toshiba Corp; Tokyo Electron Sagami Ltd
Current assignee: Toshiba Corp; Tokyo Electron Sagami Ltd
Priority date: 1988-12-13
Filing date: 1988-12-13
Publication date: 1990-06-19

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】

この発明は、プラズマエツチングやプラズマＣＶＤ等を
行うプラズマ処理装！に関する。

【従来の技術】

ＣＶＤ処理を行う半導体製造装置の反応容器である反応
管の内壁には、加熱された反応管と反応ガスとの化学反
応等により、多結晶シリコンや３１０２等の反応生成物
が次第に付着する。これを放置しておくと付着物が剥離
して処理中の半導体ウェー八表面に付着して汚染するの
で、定期的に反応管の内壁の付着物の除去を行う必要が
ある。この反応管内壁の付着物を除去する方法として、反応管
を取り外す必要がなく、簡単な作業で行うことができる
プラズマエツチングを用いる方法が提案されている（特
開昭６２−１９６８２０号公報参照）。第８図はこの方法に用いられる処理装置の一例を示すも
ので、第９図はこの装置を上方から見た図である０図に
おいて、１は反応管で、２はこの反応管１へのガスの供
給口、３は反応管１からのガスの排気口である。この反
応管１の外周には、中空円筒状にコイルが巻回されたし
−タ４が、反応管１と所定の間隔を開けて配置されてお
り、このヒータ４の熱より反応管１は所定の温度に加熱
される。ヒータ４と反応管１との間の空間には、１対のｔ極５Ａ
、５Ｂが設けられる。第９図に示すように、対の電極５
Ａ及び５Ｂは、それぞれ反応管１の外形形状に適応した
曲面を有し、反応管１の外周の所定角間隔分に渡る幅を
有する導を体からなり、反応管１を介して互いに対向す
るように配される。この対の電極５Ａ及び５Ｂ間には、高周波電源６からイ
ンピーダンス整合器（図示せず）を介して例えば１３．
７５ＨＨ２の高周波信号が供給され、これにより画電極
５Ａ、５Ｂ間に電界が生じせられ、反応管１内の反応ガ
スがプラズマ化される１反応管１の内壁の付着物除去を
行うときは、この反応ガスは例えばＨＦ３やＣＦ４＋０
２などのエツチングガスとされる。そして、このエツチ
ングガスにより反応管１の内壁の付着物はエツチングさ
れて除去される。

【発明が解決しようとする課題】

ところで、第８図及び第９図に示した従来の処理装置は
、電極が１対であるので、を極に高周波信号を供給した
ときに発生する電界Ｅ（第９図参照）は、円周方向で見
たとき強い部分と弱い部分が生じる。このため反応管内
壁の洗浄の際、エツチングが均一に行われない恐れがあ
ったこの円周方向の電界の不均一を改善するため、第１
０図に示すように、を極７を反応管の外周に８個設け、
隣つ合う！極を対の電極としてこれら対の電極間にそれ
ぞれ高周波信号発生源８から高周波信号を供給するよう
にすることが考えられる。このようにすれば、第１０図に示すように電界Ｅは円周
方向には均一に生じ、反応管の内壁の洗浄は良好に行う
ことができる。しかし、この方法の場合、反応管の半径
方向に電界の不均一を生じてしまう、したがって、反応
管内に設置される半導体ウェーハなどに対してプラズマ
処理を行う場合には、ウェーハの表面内で、エツチング
や成膜の均一性が悪くなる欠点がある。この発明は以上の点に鴛み、反応管の円周方向及び半径
方向に均一に電界を発生させることができるプラズマ処
理装置を提供しようとするものである。

【課題を解決するための手段】

この発明は、反応容器内にプラズマを生起させて処理す
る装置において、上記プラズマの生起方向を経時的に移
動させるようにしたものである。反応容器の内部に複数対の！極を設け、この複数対の電
極に互いに位相または周波数が異なる高周波信号を供給
するようにして、経時的に方向が変化する電界を生じさ
せ、プラズマの生起方向を経時的に移動させることがで
きる。

【作用】

反応容器の内部のプラズマの生起方向を径時的に移動さ
せるようにしたので、反応容器内に均一にプラズマを発
生させることができる。

【実施例】

第１図は、この発明を縦型反応炉に適用した場合の一例
を示すものである。この例の場合、反応容器は、石英からなる筒状の反応管
１０で構成されており、また、石英外管１１と石英内管
１２どの２重管の構造となっている。もっとも、反応管
１０はこのような２重管の構造でなくても良い。反応管１０の石英内管１２内には、被処理物である半導
体ウェーハ９をバッチ処理できるように、例えば１００
〜１５０枚程度、それぞれ１枚づつ水平に載置できるボ
ート１３が設けられる。このボート１３の下方には保温筒１４が設けられる。そして、ボート１３及び保温間１４はこれらの中心位置
に設けられた回転軸１５により回転可能とされている。すなわち、回転軸１５は、図示しないモータにより図中
矢印で示す方向に回転され、これによりボート１３全体
が回転させられて、各半導体つ工−ハ９がそれぞれ水平
面内で回転させられる。このボート１３の回転の結果、
半導体ウェーハ９表面での工・ツチング及び成膜が均一
に行われるようにされている。１６は反応ガスの供給口である。この供給０１６がら供
給された反応ガスは、この例では、石英管からなる多穴
導入管（インジェクタ）１７に導かれて、図中矢印で示
すように、この導入管１７に穿がれな穴より、編方向に
多数積み重ねられた半導体ウェーハ９に向かって射出さ
れ、反応管１０内に均一にガスを導入できるようにされ
ている。導入されたガスは、石英内管１２と石英外管１
１との隙間を通って排気口１８から外部に排気される。反応管１０の外周には、中空円筒状にコイルが巻回され
たし−タ１９が、外管１１と所定の間隔を開けて配置さ
れている。ヒータ１９と反応管１０の外管１１との間の空間には、
複数対の電極２０が設けられる。この例では、電極２０
は、３対設けられる。第２図は、第１図の装置を反応管
１０の上部から見た図で、この第２図に示すように、６
個の電極２１Ａ、２２＾、２３Ａ、２１８，２２８，２
３Ｂが設けられ、同じ番号同志のものが対の電極とされ
る。各電極は、それぞれ反応管１０の外形形状に適応し
た曲面を有し、反応管１０の外周の所定角間隔分に渡る
幅を有する導電体からなり、各＠極の面は反応管１０の
中心方向を向いている。そして、対の電極２１Ａ、２１
Ｂ　、２２＾、２２Ｂ　、２３Ａ、２３Ｂは、それぞれ
反応管１０を介して互いに対向するように配されている
。この電極２０は、反応管１０の内部の均熱効果を有し
、インコネル等の重金属やＮａ、Ｋ、Ｈ（Ｊ、Ｆｅ、Ｃ
ｕ、Ｎｉなどを透過しない材質、例えばシリコンカーバ
イト、導電性セラミック、グラファイトなどで構成され
ている。そして、この３対のｔ極２１＾、２１Ｂ　、　２２Ａ、
２２Ｂ、２３Ａ、２３Ｂには、高周波電源３０からの高
周波信号ＲＦが、スイッチ回路３１により順次切り換え
られて供給される。すなわち、第３図Ａに示すように、
高周波電源３０からの高周波信号ＲＦが、スイッチ回路
３１が所定時間ずつ端子ａ、ｂ、ｃに順次切り換えられ
ることにより、対向する１対の電極毎に順次所定時間ず
つ供給される。この場合、スイッチ３１が端子ａに接続
されて電極２１Ａ、２１Ｂに高周波信号ＲＦが印加され
るときは、第３図Ｂに示すように反応管１０内の電界Ｅ
は垂直方向に発生する。スイッチ３１が端子すに接続されて電極２２Ａ、２２Ｂ
に高周波信号ＲＦが印加されるときは、第３図Ｃに示す
ように電界Ｅは垂直方向に対し６０度回転した状態で発
生する。スイッチ３１が端子Ｃに接続されて電１２３Ａ
、２３Ｂに高周波信号ＲＰが印加されるときは、第３図
りに示すように電界Ｅは垂直方向に対し１２０度回転し
た状態で発生する。したがって、反応管１０内には回転
電界が生じ、反応管の円周方向の電界分布の不均一を解
消することができると共に、反応管の半径方向の電界分
布もほぼ均一にすることができる。この回転電界により反応管１０内に放電が生起し、反応
管１０内に供給された反応ガスをプラズマ化し、このプ
ラズマにより反応管内壁のクリーニングや反応管内に設
置した半導体ウェーハなどのプラズマエツチングやプラ
ズマＣＶＤなどのプラズマ処理を実行できる。回転電界を発生させるには次のような構成とすることも
できる。すなわち、第４図に示すように、それぞれ約９０度弱の
角度幅の導電体からなる２対の電極４１Ａ、　４１Ｂ、
４２＾、４２Ｂを互いに直交するように配する。また、
互いに位相が９０度異る高周波信号ＲＦ１及びＲ［２を
それぞれ発生する高周波電源４３及び４４を設け、高周
波電源４３からの高周波信号ＲＦ１を対の電極４１＾、
４１Ｂに、高周波電源４４からの高周波信号ＲＦ２を対
の電極４２Ａ、４２Ｂに、それぞれ供給する。このようにすれば、反応管１０内に互いに直交する電界
Ｅ１、Ｅ２が生じるので回転電界を生じさせることがで
きる。また、高周波信号ＲＦＩとＲＦ２の周波数を変えて反応
管内に均一な電界を発生させても良い。以上の装置を用いたプラズマ処理プロセスの幾つかの例
を、以下説明しよう。（１）反応管１０の内壁の洗浄反応管１０の内部のボート１３は取り出しておき、反応
管１０の下端部は蓋をして、気密にする。そして、反応
管１０内を例えばＩＸＩ）’Ｔｏｒｒの保つように真空
ポンプで排気制御する。この状態で、例えば流量を１０
００３ＣＣＨ程度に調節しながらエツチングガス例えば
ＮＦ３を反応管１０内にガス供給口１６から所定時間供
給する。このとき、反応管１０内は０．２〜ＩＴｏｒｒ
なるように排気制御しておく、そして、前述したように
して、複数対の電極２０に例えば周波数が４００ｋＨｚ
、出力ＩＫＷの高周波信号が供給され、反応管１０内の
エツチングガスがプラズマ化される。そして、反応管１０の内壁の付着物がプラズマエツチン
グにより除去される。この場合、回転電界によりプラズ
マは反応管１０の円周方向に均一に生じるので反応管１
０内の洗浄は良好に行われる。（１１）半導体ウェー八表面の自然酸化膜の除去及びそ
れに続く熱ＣＶＤによる成膜例えば、第５図に示すようにＰ形シリコン基板５１の表
面に５１０２絶縁Ｊｌ！５２が成膜され、この５ＩＯ２
絶縁膜５２の所定位置がエツチングにより除去され、そ
のエツチング除去された部分に開領域５３が形成された
半導体ウェー八表面に、熱ＣＶＤにより例えばポリシリ
コンの配線用膜５４を生成する場合を考える。このとき
ポリシリコン膜５４の成膜を行う前にウェーハを大気に
さらすと、同図において斜線を付して示すように、■領
域５３表面にＳ　ｉ　０２自然酸化膜５５が形成されて
しまう、この５ｉ０２自然酸化膜５５は絶縁膜であるの
で、このままポリシリコン配線用ＷＡ５４の生成を行う
と、配線用膜４と下地膜のＭ領域部分５３とのコンタク
ト部分の導電性が悪化する。そこで、以下に熱ＣＶＤ装置の反応管内に半導体ウェー
ハを挿入するときに、その成膜前のつ工−ハ表面のポリ
シリコン膜上に発生した自然酸化膜５１０２を良好に除
去した後、ポリシリコン等の配線用膜を成膜できる工程
を説明する。ボート１３に配線用膜を形成する前の半導体ウェーハを
１００〜１５０枚、載置する。このとき、ヒータ１９に
より炉の温度は、７００℃とされている。この炉の温度
は以下の全ての工程中、この７００℃に保たれる。この状態で、真空ボン１で反応管１０内を排気した後、
エツチングガスとして、ＮＦ３を、ガス供給口１６から
、その流量を１０Ｏ３ＣＣＨとして反応管１０内に供給
する。また、エツチングガスＮＦ３に加えて、水素Ｈ２
を流量１００ＳＣＣＨとして反応管１゜内に供給する。このときインジェクタ１７を用いてガスを多数のウェー
ハにほぼ均一に供給することができる。なお、このとき
、反応管１０の内部は、圧力が０．５ＴＯｒｒとなるよ
うに制御されている。水素Ｈ２を加えたのは、自然酸化膜ＳｉＯ２の厚さが２
０〜３０人と薄いためエツチング速度を１０〜３０人／
ｎｉｎと遅くするためて゛ある。ＮＦ３のラジカルはＨ
２と反応してＨＦとして消費され、Ｆラジカルが減少し
、エツチング速度が遅くなる。エツチング速度が遅くな
ることにより、制御時間がコントロールし易くなると共
に、ウェーハ面内及び面間のエツチングの均一性が良く
なる。この状態で、前述と同様にして複数対の電極２０に、周
波数５００ｋＨｚ、出力２００−の高周波信号を、所定
時間供給する。すると、反応管１０内に回転電界が発生
して放電が起こり、これによりエツチングガスＮＦ３が
プラズマ化される。ここで、シリコンと５１０２膜とのプラズマエツチング
速度の温度依存性は第６図に示すようになっている０周
知のように、通常のプラズマエツチングで用いられる比
較的低温の３０℃近傍では、シリコンのエツチング速度
が、５１０２膜のそれよりも約２０倍速い、しかし、熱
ＣＶＤ装置で用いられる７００℃という高温では１．第
６図から明らかなように、両者のエツチング速度はほぼ
同程度になる。したがって、例えば、表面のポリシリコン膜上に自然酸
化膜が発生した半導体ウェーハに対し、例えば７００℃
の高温状態で５プラズマエツチングが行われると、膜厚
の厚い５Ｌ０２１１１２は、その膜厚に対し殆どエツチ
ングされないが、１０〜２０人と膜厚の薄いＳ１０□自
然酸化膜はエツチングされて除去される。自然酸化膜が
除去された後、Ｎ゛領域オバーエツチングされるが、５
１０２と８１とのエツチング速度がほぼ同じであるため
、■領域がエツチングされ過ぎることはない。７００℃の高温では、そのまま続けて熱ＣＶＤ処理がで
きる。したがって、続いて第２の工程で、エツチングガ
スを排気した後、膜生成ガスを反応容器に供給すること
により、例えばポリシリコンの配線用膜を熱ＣＶＤ処理
により生成することができる。以上の工程の結果得られた半導体ウェーハは、自然酸化
膜が除去された後、大気にさらされることなく真空中で
連続してポリシリコン等の配線用膜の生成が行われるの
で、配線用膜と下地膜とのコンタクト部分に自然酸化膜
は存在しないから、このコンタクト部分の抵抗値を従来
のものより小さくすることができ、また、配線用膜と下
地膜との密着性が良くなる。以上はポリシリコン成膜のプロセスにこの発明を適用し
た場合を例にとって説明したが、この発明は、シリコン
窒化膜Ｓ　ｉ　Ｈ４やタングステンＷ成膜、５１０２成
膜プロセスにおいてら有効である。自然酸化膜はピンホ
ールが多数あり、膜厚も一定でなく、絶縁膜としての特
性はＣＶＤにより成膜した５ＩＯ２膜に比べると大幅に
劣った特性であるからである０例えば、キャパシタ形成
プロセスにおいて、ポリシリコン上にＳ　ｉ　Ｈ４を成
膜する前に、ポリシリコン上の自然酸化膜を除去するこ
とにより、良質のキャパシタを形成することができるも
のである。なお、以上の条件においては、エツチング速度は約１０
人／　ｍ　ｉ　ｎとなり、ウェーハ面内、ウェーハ面間
で、このエツチング速度の±１０％以内の均一性が得ら
れた。エツチングガスＮＦ３のみとして他のガスを加えなくて
も自然酸化１１１１ＳｉＯｚの除去は行うことができる
。ただし、この場合には、エツチング速度が１００人／
　ｌｉ　ｎ以上であり、また、エッチン、グの均一性は
上記の例よりも悪い。ガスの供給にインジェクタ１７を用い、また、回転軸１
５を中心にボートを回転させてウェーハを回転させれば
、さらにウェーハ面内、面間で、エツチングの均一性が
良くなる。すなわち、インジェクタ１７により縦方向に
多数配列されたウェーハ間にほぼ均一にガスが射出され
るので、ウェーハの縦方向の位置の違いによるガスの濃
度の不均一がなくなり、ウェーハ面間のエツチングの均
一性が良くなる。また、ウェーハを回転させれば、つ工
−ハ面上の点は反応管内の一定の位置に固定されずに種
々の位置の雰囲気中にさらされることになるので、ウェ
ーハ面内でのエツチングの均一性が向上する。プラズマの発生は、電極の近傍の放電電界が強いことか
ら、この電極近傍のほうに漏ると考えられる。そこで、
ボート１３の反応管１０内の位置を、第７図に示すよう
に、反応管１０の内管１２の中心位置よりずれた位置に
し、この反応管１０内における閤心位置おいて、回転軸
１５を中心としてボートを回転させるようにする。この
ようにすれば、プラズマ発生の強い場所の近傍でウェー
ハは回転するから、ウェーハ面内での均一性がより向上
する。また、次のようにＴ４極への高周波信号の供給の仕方を
工夫することによって、より反応管内のプラズマの発生
の均一化を図ることができる。すなわち、この方法は、複数対の電［２０に高周波信号
を、例えば０．１〜０．５秒周期で、バースト状に印加
する方法である。つまり、ウェーハ間にエツチングガス
が流れた後、例えば０．１秒間、電極２０に高周波信号
を印加して、自然酸化膜の除去を行う、０．１秒経った
ら高周波信号の電極への供給を停止し、エツチングガス
が十分流れる時間例えば０．１秒後、再び０．１秒間高
周波信号を電極２０に印加する０以上を連続的に繰り返
す、このようにすれば、を極２０に高周波信号が印加さ
れない期間は、反応管内の電界の不均一がないので、プ
ラズマは反応管内に均一に分布するようになり、つ工−
ハ面内でのエツチングが均一化される。なお、エツチングガスはＮＦ３に限らず、例えばＣＦ、
＋０２やその池のエツチングガスを用いることもできる
。（ｉｉｉ　）　７ラズマＣＶＤによる成膜反応管１０内
を所定の低圧状態、例えば０．１〜３■ｏｒｒに保つよ
うに真空ポンプで排気制御すると共に、ヒータ１９によ
り反応管１０内を例えば３００°Ｃに設定する。その後
、排気制御しながらガス供給口１６から、流量を制御し
つつ、成膜ガスを反応管１０内に所定時間供給する。成
膜ガスは、５１０２膜では例えばＮ　２０　＋Ｓ　ｉ　
Ｈａ　、　Ｔ　Ｅ　ＯＳ　＋　０２．５ｉ３ＮａＪＩｌ
では例えばＮＨ３＋Ｓ　ｉ　Ｈ４が用いられる。この状態で、上述と同様にして、複数のｔ極２０に高周
波信号を供給し、反応管１Ｇ内に回転電界を発生させ、
放電を生じせしめ、成膜ガスをプラスマ化する。これに
より、ウェーハ表面に５１０２膜や５１３Ｎ４膜が成膜
される。この成膜プロセスにおいても、前述のウェーハ表面の自
然酸化膜の除去プロセスの場合と同様に、インジェクタ
を用いてガスを反応管１０内に導入し、また、ボートを
回転させ、高周波信号を電極に所定周期で、バースト状
に印加することにより、成膜の均一性をより向上させる
ことができる。なお、上記の例では、反応管外周に電極を密着させた状
態で高周波信号を印加することにより、各対のｔｉ間に
誘電率が高い石英からなる反応管が存在することになり
、静電容量が大きくなるので、プラズマを容易に発生さ
せることができると共にプラズマ強度が強くなる。した
がって、電極に供給する高周波信号の周波数は、従来一
般的に使用されていた１３．７５ＭＨｚというような高
い周波数でなく、上述したような１０ＭＨｚ以下の低い
周波数で良くなり、周囲の装置に対するシールドが容易
になる。

【発明の効果】

この発明によれば、複数対の電極を順次切り換え、ある
いは２対の電極に互いに位相や周波数が異なる高周波信
号を供給することにより、反応管の内部に経時的に向き
を変える電界を生じさせるようにしたので、反応管内部
の電界は、その円周方向及び半径方向に均一になる。し
たがって、この電界に基づいて発生したプラズマは反応
管内部においてほぼ均一に生じているから、プラズマエ
ツチングや成膜等のプラズマ処理の半導体ウェー八面内
での均一性が良くなる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明によるプラズマ処理装置の一例を示す
図、第２図は第１図の装置を上方から見た図、第３図は
複数対の電極の構成の一例を説明するための図、第４図
は複数対の電極の構成の他の例を示す図、第５図及び第
６図はこの発明によるプラズマ装置を使用するプロセス
の一例を説明するための図、第７図はこの発明による装
置のなの例を示す図、第８図は従来のプラズマ処理装置
の一例を示す図、第９図は第８図の装置を上方から見た
図、第１０図は先に考えられた複数対の１極の構成例を
示す図である。１０；反応管１６：ガス供給口１８：ガス排気口１９：ヒータ２１Ａ、２１Ｂ　、２２＾、２２Ｂ　、　２３Ａ、２３
Ｂ　、４１Ａ、４１Ｂ、４２＾、４２Ｂ　、対の電極３０．４３，４４　、高周波電源３１；スイッチ回路代理人　弁理士　佐　藤　正　美 ′ｆＩ！１１　　図第２図第図第因フ゛２ス゛マ処理＊Ｌイセの預り第１図矛箋（文）り電岑コ≦ｎイ列第１０図

Claims

【特許請求の範囲】

（１）反応容器内にプラズマを生起させて処理する装置
において、上記プラズマの生起方向を経時的に移動させ
るようにしたプラズマ処理装置。
（２）請求項（１）記載のプラズマ処理装置において、
複数対の電極に互いに位相または周波数が異なる高周波
信号を供給して、上記反応容器の内部に経時的に方向が
変化する電界を発生させるようにしたプラズマ処理装置
。