JPH0463275A - マイクロ波プラズマ装置 - 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】 り東上凹皿■ユＩ 本発明はマイクロ波プラズマ装置に関し、より詳しくは
主として半導体製造プロセスにおいてＣＶ　Ｄ　（Ｃｈ
ｅｍｉｃａｌ　Ｖａｐｏｕｒ　Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎｌ
装置、エツチング装置等として用いられるマイクロ波プ
ラズマ装置に関する。

１東凹弦ｌ 電子サイクロトロン共鳴（以下ＥＣＲと記す）励起によ
りプラズマを発生させる方法は、低ガス圧力で電離度の
高いプラズマを生成でき、イオンエネルギの広範な選択
が可能であり、また大きなイオン電流がとれ、イオン流
の指向性及び均一性に優れる等の利点を有している。こ
のため、高周波半導体素子等の製造における薄膜形成や
エツチング等のプロセスには欠かせないものとして、盛
んに研究開発が進められている。

第３図は従来のマイクロ波プラズマ装置の一例としての
エツチング装置を模式的に示した断面図であり、図中１
１はプラズマ生成室を示している。プラズマ生成室１１
は、内部に冷却水路１１ａが形成された円筒形状をなす
周壁１１ｂと、上部壁１１ｃと、下部壁１１ｄとにより
仕切られて構成されており、上部壁１１ｃの略中夫には
マイクロ波導入口１２が形成されている。マイクロ波導
入口１２は、その上部に配設されたマイクロ波導入窓１
３によって封止されており、マイクロ波導入口１２には
、このマイクロ波導入窓１３を介して導波管１４の下端
が接続されている。導波管１４の上端は、図示しないマ
イクロ波発振器に接続され、マイクロ波発振器で発生し
たマイクロ波は、導波管１４及びマイクロ波導入窓１３
を介してプラズマ生成室１１内へ導かれるようになって
いる。さらに、上部壁１１ｃにはガス供給管１５が接続
されており、プラズマ生成室１１及び導波管１４の下端
側にわたってその周りには、プラズマ生成室１１と略同
心状に励磁コイル１８が配設されている。

一方、プラズマ生成室１１の下部壁ｌｉｄには、プラズ
マ引き出し窓１６が形成されており、プラズマ引き出し
窓１６の下方にはプラズマ引き出し窓１６によりプラズ
マ生成室１１と連通する試料室１７が配設されている。

試料室１７のプラズマ引き出し窓１６に対向する箇所に
は、試料８を静電チャック等により保持する試料台１９
が配設され、試料室１７の下部壁には、図示しない排気
装置に接続される排気口２０が形成されている。

このように構成されているマイクロ波プラズマ装置を用
いて試料Ｓにエツチング処理を施す場合は、まずプラズ
マ生成室１１及び試料室１７内を所要の真空度に設定し
、次いでプラズマ生成室１１内にガス供給管１５を通し
て所要のガスを供給した後、励磁コイル１８で磁界を形
成しつつ導波管１４よりプラズマ生成室１１内にマイク
ロ波を導入する。するとプラズマ生成室１１を空洞共振
器としてガスが共鳴励起され、プラズマ生成室１１内で
プラズマが発生する。発生したプラズマは、励磁コイル
１５によって形成された、試料室１７側に向かうに従い
磁束密度が低下している発散磁界により、試料室１７内
の試料Ｓ周辺に投射され、これにより試料Ｓ表面にエツ
チングが施される。

また、従来においては、上記した装置の他に第４図に示
したプラズマプロセス装置も提案されている（特開昭６
４−８１２１３号公報）。すなわち、第４図において励
磁コイル２８は、個別に電流を通電し得る２個のコイル
２８ａ、２８ｂから構成されており、励磁コイル２８の
外周面、上面及び内周面上部は、それぞれ磁性体２９ａ
、２９ｂ及び２９ｃで被覆されている。磁性体２９ｃの
下端部は導波管１４の下端近傍で内側に向けて折曲され
、縁部２９ｄが形成されており、またコイル２８ａと２
８ｂとの間にも磁性体２９ｅが介装されている。

この装置においては、磁性体２９ａ、２９ｂ、２９ｃ、
２９ｄ及び２９ｅにより磁路が構成され、コイル２８ａ
、２８ｂに通流する電流を調節することによって第５図
に示したような磁界分布が形成される。そしてこの磁場
構成により、プラズマ生成室１１内にＥＣＲ条件を満た
す領域が太き（形成されてプラズマの生成が効率良く行
なわれ、またマイクロ波導入口１２に向かうプラズマ流
が抑えられて、マイクロ波導入窓１３への熱負荷が抑制
される。

明が”しようとする課題 しかしながら、上記したいずれのマイクロ波プラズマ装
置においても、励磁コイル１８．２８により形成される
磁界が、試料室１７側に向かうに従い磁束密度が低下す
る発散磁界であるため、試料Ｓ表面に磁力線が斜めに入
射する。そして荷電粒子は磁力線に沿って運動するため
、エツチングや成膜に寄与するプラズマ中のイオンが試
料Ｓに斜めに入射し、エツチング形状が斜めになったリ
、均一に成膜されないという問題が発生していた。

また、第３図に示したプラズマプロセス装置において形
成される単調発散磁界では、同し磁力線に沿ったプラズ
マ生成室１１内の磁束管径と試料Ｓ近傍での磁束管径と
の比が大きく、従ってプラズマ生成室１１内の狭い領域
からのプラズマのみが引き出され利用されることとなる
ため、効率が悪いという課題もあった。また、プラズマ
生成室１１内で単調変化する磁界では、例えばＥＣＲ励
起によりプラズマを発生させるに適した磁界強度領域は
、面状に分布するのみであり、プラズマ生成の効率が悪
かった。

本発明は上記した課題に鑑みなされたものであり、プラ
ズマを効率良く生成することができ、生成されたプラズ
マを大口径とすることができると共に、方向性の改善さ
れたイオン流を得ることができ、優れた形状のエツチン
グあるいは成膜を行なうことが可能なマイクロ波プラズ
マ装置を提供することを目的としている。

課　を解決する為の　段 上記した目的を達成するために本発明に係るマイクロ波
プラズマ装置は、電子サイクロトロン共鳴励起によりプ
ラズマを発生させるプラズマ生成室と、試料を載置する
試料台を備え、発生したプラズマが導入されて前記試料
に処理を施す試料室とを具備したマイクロ波プラズマ装
置において、少なくとも前記プラズマ生成室の外周部に
本体コイルが、前記試料室の外周部に試料室コイルが、
前記プラズマ生成室と前記試料室との接続部分近傍に拡
大コイルがそれぞれ配設され、該拡大コイルは前記本体
コイル及び前記試料室コイルと逆極性の磁場を形成する
ように構成されていることを特徴とし、 また上記した装置において、試料台下方にミラー磁場形
成用コイルが配設されていることを特徴とし、 さらに上記したいずれかの装置において、マイクロ波導
入窓近傍にミラー磁場が形成されるように構成されてい
ることを特徴としている。

さらに、上記３つの装置において、本体コイル、拡大コ
イル及び試料室コイルのプラズマ生成室と試料室とを臨
む方向を除く外周部に、磁性体が配設されていることを
特徴としている。

伍里 プラズマ生成効率や分布は多くの場合、磁界分布で決ま
り、またＥＣＲを使ったプラズマ生成法では主にＥＣＲ
点てプラズマが強く生成される。

上記した装置によれば、少なくとも前記プラズマ生成室
の外周部に本体コイルが、前記試料室の外周部に試料室
コイルが、前記プラズマ生成室と前記試料室との接続部
分近傍に拡大コイルがそれぞれ配設され、該拡大コイル
は前記本体コイル及び前記試料室コイルと逆極性の磁場
を形成するように構成されているので、前記本体コイル
、前記拡大コイル及び前記試料室コイルそれぞれに直流
電流を通流すると、前記本体コイルにより前記プラズマ
生成室のほぼ全域にわたって下向きの磁界が一様に形成
され、この磁界は前記拡大コイルによって形成された上
向きの磁界により、プラズマ引き出し窓周辺で拡げられ
る。拡大されたプラズマ引き出し窓から試料位置にかけ
ての磁界は、その中心でビアダル状に膨らむが、前記試
料室コイルによって前記試料室の中心軸方向に押されて
矯正され、この空間において互いに平行かつ、試料に対
して垂亘に入射する磁力線群が形成される。

従って、前記プラズマ生成室内にマイクロ波を導入する
と、前記プラズマ生成室内の広い領域において効率良く
プラズマが発生し、発生したほとんどのプラズマは、前
記本体コイルにより形成された磁界により前記試料室側
に引き出され、前記拡大コイルにより拡大された磁力線
群に沿ってプラズマ径が拡大される。この後、再び平行
な磁力線群に従って試料に投射され、プラズマ中のイオ
ンが試料に対して略垂直に入射する。

また上記した装置において、前記試料台下方にミラー磁
場形成用コイルが配設されている場合には、前記拡大コ
イルにより拡大された磁界は、前記試料台下部に形成さ
れたミラー磁場により縮小される。従って試料付近にお
いて平行かつ、試料に対して垂直に入射する磁力線群を
形成することが容易となる。

さらに上記したいずれかの装置において、前記マイクロ
波導入窓近傍にミラー磁場が形成されるように構成され
ている場合には、ミラー磁場によってプラズマ中の荷電
粒子がマイクロ導入窓側へ移動するのが抑制され、マイ
クロ波導入窓への°熱負荷が減少する。

これら３つの装置において、本体コイル、拡大コイル及
び試料室コイルのプラズマ生成室と試料室とを臨む方向
を除く外周部に、磁性体が配設されている場合には、磁
界が集中され磁路が有効に利用できるので、少ない電力
で磁界が効果的に形成される。

！亘困 以下、本発明に係るマイクロ波プラズマ装置の実施例を
図面に基づいて説明する。なお、従来例と同一機能を有
する構成部品には同一の符合を付すこととする。

第１図は本発明に係るブラズプロセス装置の一実施例を
模式的に示した断面図であり、図中１１は略円筒形状に
形成されたプラズマ生成室を示している。プラズマ生成
室１１の上部の略中央箇所には、マイクロ波導入口１２
が形成されており、マイクロ波導入口１２は、その上部
に配設されたマイクロ波導入窓１３によって封止されて
いる。

マイクロ波導入口１２には、このマイクロ波導入窓１３
を介して導波管１４の下端が接続され、導波管１４の上
端は、図示しないマイクロ波発振器に接続されている。

そしてマイクロ波発振器で発生したマイクロ波は、導波
管１４及びマイクロ波導入窓１３を介してプラズマ生成
室１１内へ導かれるようになっている。

プラズマ生成室１１の下部には、プラズマ引き出し窓１
６が形成されており、プラズマ引き出し窓１６の下方に
はプラズマ引き出し窓１６によりプラズマ生成室１１と
連通ずる試料室１７が配設されている。

また、試料室１７のプラズマ引き出し窓１６に対向する
箇所には、試料Ｓを静電チャック等により保持する試料
台１９が配設されている。

一方、プラズマ生成室１１及び導波管１４の下端側にわ
たってその周りには、プラズマ生成室１１と略同心状に
本体コイル３０が配設されており、本体コイル３０は、
個別に電流を通流しうる３個のコイル３０ａ、３０ｂ及
び３０ｃで構成されている。この本体コイル３０下方の
プラズマ生成室１１と試料室１７との接続部分近傍の試
料室１７内には、試料室１７と略同心状に拡大コイル３
１が配設されており、拡大コイル３１は本体コイル３０
及び後述する試料室コイル３２と逆極性の磁場を形成す
るように構成されている。また拡大コイル３１下方の試
料室１７の外周には、試料室１７と略同心状に試料室コ
イル３２が配設され、試料台１９の下方にはミラー磁場
形成用コイル３３が配設されている。

このように構成されたマイクロ波プラズマ装置において
は、試料台１９に試料Ｓを載置した後、プラズマ生成室
１１及び試料室１７内を所要の真空度に設定し、次いで
プラズマ生成室１１内に図示しないガス供給管を通して
所要のガスを供給する。そして本体コイル３０の各コイ
ル３０ａ、３０ｂ、３０ｃへのアンペアターンを調節し
て各コイル３０ａ、３０ｂ、３０ｃに直流電流を通流す
ると共に、拡大コイル３１、試料室コイル３２及びミラ
ー磁場形成用コイル３３のそれぞれにも直流電流を通流
する。すると第１区に示したように、本体コイル３０に
よりプラズマ生成室１１のほぼ全域にわたって下向きの
磁界が一様に形成され、この磁界は拡大コイル３１によ
って形成された上向きの磁界により、プラズマ引き出し
窓１６周辺において拡げられる。そして拡大された磁界
は、ミラー磁場形成用コイル３３により形成されたミラ
ー磁場により縮小される。このときプラズマ引き出し窓
１６から試料Ｓ位置にかけての磁界は、その中心でビア
ダル状に膨らむが、試料室コイル３２によって試料室１
７の中心軸方向に押されて矯正され、この空間において
互いに平行かつ、試料Ｓに対して垂直に入射する磁力線
群が形成される。

またこのとき、本体コイル３０、拡大コイル３１及び試
料室コイル３２に通流する電流を調節することによって
、プラズマ生成室１１から試料Ｓ位置に至る空間の所要
の位置に、８７５Ｇ（ＥＣＲ励起によりプラズマを発生
させるに必要な磁界強度）以上の磁界強度が形成される
。

そして上記した如く磁界を形成しつつ、導波管１４より
プラズマ生成室１１内にマイクロ波を導入すると、プラ
ズマ生成室１１を空洞共振器としてガスが共鳴励起され
、プラズマ生成室１１内の広い領域において効率良くプ
ラズマが発生する。

発生したプラズマのほとんどは、本体コイル３０により
形成された磁界により試料室１７側に引き出され、拡大
コイル３１により拡大された磁力線群に沿ってプラズマ
径が拡大された後、再び平行な磁力線群に従って試料Ｓ
に投射される。このことにより、プラズマ中のイオンが
試料Ｓに対して略垂直に入射し、試料Ｓ表面に優れた形
状のエツチングが行なわれることとなる。

なお上記装置においては、試料台１９の下方にミラー磁
場形成用コイル３３が配設されている場合について述べ
たが、ミラー磁場形成用コイル３３の替わりに試料台１
９の下方にまで伸ばされた試料室コイル３２を配設して
も良く、その場合にも上記と同様の効果を得ることがで
きる。

第２図は本体コイル３０、拡大コイル３１及び試料室コ
イル３２のそれぞれ周辺に、さらに鉄等からなる磁性体
３４を配設したときのプラズマプロセス装置内に形成さ
れた磁界の様子を示した模式図である。すなわち第２図
においては、本体コイル３０の外周面、上面、下面及び
内周面上部には、それぞれ磁性体３４ａ、３４ｂ、３４
ｃ及び３４ｄが配設され、磁性体３４ｃの下端部は導波
管１４の下端近傍で内側に向けて折曲されて、縁部３４
ｅが形成されている。また拡大コイル３１の外周面、試
料室コイル３２の外周面、上面及び下面にもそれぞれ、
磁性体３４ｆ、３４ｇ、３４ｈ、３４１が配設されてい
る。このように、本体コイル３０、拡大コイル３１及び
試料室コイル３２のそれぞれのプラズマ生成室１１と試
料室１７とを臨む方向を除く外周部に、鉄等からなる磁
性体３４を配設し、磁性体３４による磁路を有効に利用
すれば、第２図に示したように少ない電力でも磁界の形
成を効果的に行なうことが可能となる。

また、上記したプラズマプロセス装置の別の実施例とし
て、第２図における本体コイル３０の部分に代えて第４
図に示したように、プラズマ生成室１１の外周部にコイ
ル２８ｂに比べ、大きな磁界を発生させられるコイル２
８ａが配設され、また磁性体２９ａ、ＦｉＦｉ性体２９
ｅが配設され、第５図に示した如くマイクロ波導入窓１
３近傍でミラー磁場が形成されるように構成されたもの
が挙げられる。この場合においては、ミラー磁場によっ
てプラズマ中の荷電粒子がマイクロ導入窓１３側へ移動
するのが抑制されるため、マイクロ波導入窓１３への熱
負荷を減少させることができる。従って、この装置にお
いては高マイクロ波パワーにも対応することができ、ま
た低マイクロ波゛パワーにおいてもプラズマ利用効率を
向上させることが可能となる。

第４図では磁性体２９ａ、２９ｂ、２９ｅを配設する例
を示したが、これら磁性体２９ａ、２９ｂ、２９ｅはな
くてもよい。しかしながら磁性体２９ａ、２９ｂ、２９
ｅを配設する方が、磁力線の利用効率の上では有利であ
る。

なお、上記したミラー磁場は、第１図に示した本体コイ
ル３０を構成する各コイル３０ａ、３０ｂ、３０ｃの直
流電流を制御し、異なる強さの電流を通流することによ
っても形成することができる。

また、上記実施例においてはエツチング装置に用いられ
る場合について説明したが、ＣＶＤ装置等に用いること
も可能であり、この場合は試料Ｓ表面に良好な膜を形成
することができる。

λ眠二盈呈 以上の説明により明らかなように、本発明に係るマイク
ロ波プラズマ装置にあっては、少なくとも前記プラズマ
生成室の外周部に本体コイルが、前記試料室の外周部に
試料室コイルが、前記ブラズマ生成室と前記試料室との
接続部分近傍に拡大コイルがそれぞれ配設され、該拡大
コイルは前記本体コイル及び前記試料室コイルと逆極性
の磁場を形成するように構成されているので、プラズマ
生成室内の広い領域でプラズマを効率良く発生させるこ
とができ、プラズマの輸送効率を改善することができる
。また大口径のプラズマが得られと共にプラズマ中のイ
オンを試料に対して略垂直に入射させることができる。

従って、優れた形状のエツチングあるいは成膜を行なう
ことが可能となり、大口径の試料に対しても同様の効果
を得ることができる。

また上記した装置において、試料台下方にミラーｉ場形
成用コイルが配設されている場合には、拡大コイルによ
り拡大された磁界を試料台下方に形成されたミラー磁場
により効率よく縮小することができる。従って、試料付
近において平行かつ、試料に対して垂直に入射する磁力
線群を容易に形成することができる。

さらに上記したいずれかの装置において、マイクロ波導
入窓近傍にミラー磁場が形成されるように構成されてい
る場合には、ミラー磁場によってプラズマ中の荷電粒子
が前記マイクロ導入窓側へ移動するのが抑制され、マイ
クロ波導入窓への熱負荷を減少させることができる。

さらに、上記３つの装置において、本体コイル、拡大コ
イル及び試料室コイルのプラズマ生成室と試料室とを臨
む方向を除く外周部に、ｍ性体が配設されている場合に
は、磁界が集中され磁路が有効に利用できるので、少な
い電力で磁界を効果的に形成できる。従って、高マイク
ロ波パワーにも対応することができ、また低マイクロ波
パワーにおいてもプラズマ利用効率を向上させることが
可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係るマイクロ波プラズマ装置の一例を
模式的に示した断面図、第２図は第１図の装置にさらに
磁性体を配設したときのプラズマプロセス装置内におけ
る磁界の様子を示した模式図、第３図は従来のマイクロ
波プラズマ装置の一例としてのエツチング装置を模式的
に示した断面図、第４図は従来のマイクロ波プラズマ装
置の別の例としてのエツチング装置を模式的に示した断
面図、第５図は第４区に示した装置のプラズマ生成室内
における磁場強度分布を示したグラフである。 第１図 １１・・・プラズマ生成室 １３・・・マイクロ波導入窓 １７・・・試料室　　　　１９・・・試料台３０・・・
本体コイル ３０ａ、３０ｂ、３０　ｃ　・・・コイル３１・・・拡
大コイル　　３２・・・試料室コイル３３・・・ミラー
磁場形成用コイル ３４・・・磁性体 Ｓ・・・試料

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）電子サイクロトロン共鳴励起によりプラズマを発
   生させるプラズマ生成室と、試料を載置する試料台を備
   え、発生したプラズマが導入されて前記試料に処理を施
   す試料室とを具備したマイクロ波プラズマ装置において
   、少なくとも前記プラズマ生成室の外周部に本体コイル
   が、前記試料室の外周部に試料室コイルが、前記プラズ
   マ生成室と前記試料室との接続部分近傍に拡大コイルが
   それぞれ配設され、該拡大コイルは前記本体コイル及び
   前記試料室コイルと逆極性の磁場を形成するように構成
   されていることを特徴とするマイクロ波プラズマ装置。
2. （２）試料台下方にミラー磁場形成用コイルが配設され
   ている請求項１記載のマイクロ波プラズマ装置。
3. （３）マイクロ波導入窓近傍にミラー磁場が形成される
   ように構成されている請求項１又は２記載のマイクロ波
   プラズマ装置。
4. （４）本体コイル、拡大コイル及び試料室コイルのプラ
   ズマ生成室と試料室とを臨む方向を除く外周部に、磁性
   体が配設されている請求項１、２又は３記載のマイクロ
   波プラズマ装置。