JPH0732134B2 - プラズマ装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明はCVD（Chemical Vapor Deposition）装置、エッ
チング装置、スパッタリング装置等として用いられるプ
ラズマ装置に関するものである。

〔従来技術〕

電子サイクロトロン共鳴を利用したプラズマ装置は低ガ
ス圧で活性度の高いプラズマを生成出来、また大径のプ
ラズマ流を引き出せることから高集積半導体素子等にお
ける薄膜形成、エッチングに適用し得るものとしてその
研究，開発が進められている。

第４図は薄膜形成装置として構成した従来のプラズマ装
置を示す縦断面図であり、図中31はプラズマ生成室を示
している。プラズマ生成室31は上部壁中央に石英ガラス
板31bにて封止したマイクロ波導入口31cを、また下部壁
中央には前記マイクロ波導入口31cと対向する位置にプ
ラズマ引出窓31dを夫々備えており、前記マイクロ波導
入口31cには他端を図示しない高周波発振器に接続した
導波管32の一端が接続され、またプラズマ引出窓31dに
臨ませて反応室33を配設し、更に周囲にはプラズマ生成
室31及びこれに接続した導波管32の一端部にわたってこ
れらを囲繞する態様でこれらと同心状に励磁コイル34を
配設してある。

反応室33内には円盤形の載置台37が配設され、その上に
は円板形をなすウェーハ等の試料Ｓがそのまま、又は静
電吸着等の手段にて着脱可能に載置され、更に反応室33
の下部壁には図示しない排気装置に連なる排気口33aが
開口されている。31g,33gは原料ガス供給管である。

而してこのような薄膜形成装置にあっては、所要の真空
度に設定したプラズマ生成室31,反応室33内に原料ガス
を供給し、励磁コイル34にて磁界を形成しつつプラズマ
生成室31内にマイクロ波を導入してプラズマを生成さ
せ、生成させたプラズマを励磁コイル34にて形成される
プラズマ引出窓31d前方の反応室33側に向かうに従い磁
束密度が低下する発散磁界によってプラズマ生成室31か
らプラズマ引出窓31dを経て反応室33内の載置台37の試
料Ｓ周辺に導出し、試料Ｓ表面でプラズマ流中のイオ
ン，ラジカル粒子による表面反応を生起させ試料Ｓ表面
に成膜するようになっている（特開昭56-155535号）。

〔発明が解決しようとする問題点〕

ところで上述した如き従来のプラズマ装置にあってはプ
ラズマ生成室31で発生せしめられたプラズマは励磁コイ
ル34によって形成される発散磁界の磁力線に沿ってプラ
ズマ引出窓31dを経て反応室33内の試料Ｓ側に引き出さ
れる。

前記プラズマは、プラズマ生成室31内で一様には発生せ
ず、プラズマ生成室31中心部でプラズマ密度がより高く
なるように発生するために、そのプラズマ生成室31内の
むらが発散磁界によりそのまま試料Ｓに向かって拡大投
影されてしまうという現象が認められる。従って、発散
磁界より引き出されたプラズマのプラズマ密度分布は試
料Ｓ中央部で高く、周縁部で低くなって、試料Ｓ内にお
ける堆積速度に差が生じ、膜厚の不均一が避けられない
という問題があった。

このような膜厚、或いはエッチング深さの不均一性は薄
膜形成装置においてのみならず、エッチング装置、スパ
ッタ薄膜形成装置（特開昭59-47728号）として用いる場
合においても処理速度がばらつく同様な現象が認められ
ている。

本発明はかかる事情に鑑みなされたものであって、その
目的とするところは表面での磁束密度分布を均一化し、
プラズマ密度を均一にし、均一な厚さの成膜、或いは均
一なエッチング処理を行い得るようにしたプラズマ装置
を提供するにある。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明に係るプラズマ装置は電子サイクロトロン共鳴を
利用してプラズマを発生させ、これを磁界を利用してプ
ラズマ引出窓から試料の載置台を備える試料室に導出す
るようにしたプラズマ装置において、前記載置台の試料
に対しプラズマ引出窓と反対側に、試料周縁部の磁束密
度が中央部のそれより高い磁界を生成する磁界生成器を
配設し、該磁界生成器は、前記試料表面でのプラズマ密
度を均一にすべく、前記試料の直径と略等しいか又はこ
れよりも大きい外径を有する円筒形の磁性体と、該磁性
体の周囲に同心に配設されたコイルとで構成したことを
特徴とする。

〔作用〕

本発明は円筒形の磁性体と、磁性体の周囲に同心に配設
されたコイルとからなる磁界生成器により、試料の周縁
部における磁束密度が中央部に対して相対的に高く、従
ってこれに対して引き出されるプラズマは、プラズマ生
成室31の周縁部で低密度であった部分が試料Ｓ表面では
密度が高まり、逆にプラズマ生成室31の中央部で高密度
であった部分が試料Ｓ表面では密度が低くなり、この結
果試料Ｓ表面上でプラズマ密度分布が均一化される。こ
のため従来は不均一性であった成膜速度，エッチング速
度等の処理速度が均一化される。

〔実施例〕

以下本発明を薄膜形成装置として構成した実施例につき
図面に基づき具体的に説明する。第１図は本発明に係る
プラズマ装置（以下本発明装置という）の縦断面図であ
り、図中１はプラズマ生成室、２は導波管、３は試料Ｓ
に対し成膜を施す試料室たる反応室、４は励磁コイルを
示している。

プラズマ生成室１は上部壁中央には石英ガラス板1bで閉
鎖されたマイクロ波導入口1cを備え、また下部壁中央に
は前記マイクロ波導入口1cと対向する位置に円形のプラ
ズマ引出窓1dを備えており、前記マイクロ波導入口1cに
は導波管２の一端部が接続され、またプラズマ引出窓1d
にはこれに臨ませて反応室３が配設され、更に周囲には
プラズマ生成室１及びこれに連結された導波管２の一端
部にわたって励磁コイル４が周設せしめられている。

導波管２の他端部は図示しない高周波発振器に接続され
ており、発せられたマイクロ波をマイクロ波導入口1cか
らプラズマ生成室１内に導入するようにしてある。励磁
コイル４は図示しない直流電源に接続されており、直流
電流の通流によってプラズマ生成室１内にマイクロ波の
導入によりプラズマを生成し得るよう磁界を形成すると
共に、反応室３側に向けて磁束密度が低くなる発散磁界
を形成し、プラズマ生成室１内に生成されたプラズマを
反応室３内に導出せしめるようになっている。

反応室３内にはその下部中央であって、プラズマ引出窓
1dと対向する位置に載置台７が配設され、その上には円
板形をなすウェーハ等の試料Ｓがそのまま、又は静電吸
着等の手段にて着脱可能に載置されるようにしてあり、
また底壁には図示しない排気装置に連なる排気口3aを開
口してある。1g,3gは原料ガス供給管である。

そして本発明装置にあっては前記載置台７の下部に、円
筒形に形成された磁性体５がプラズマ引出窓1d、載置台
７及びこの上に載置される試料Ｓと略同心に配設されて
いる。この磁性体５の外径Ｄは試料Ｓの直径と略等しい
か、又はこれよりも大きく設定され、また内径ｄは零以
外、即ち０＜ｄ＜Ｄに設定されている。

第２図は上述した如き円板形の試料Ｓと外径Ｄの円筒形
をなす磁性体５を用いた場合の磁力線の様子を示す説明
図であり、励磁コイル４にて形成される発散磁界の磁力
線は磁性体５に引き寄せられる。すなわち、磁性体５の
外側に拡がった磁力線は内側へ引き戻され、磁性体５の
内側の磁力線は外側に押し拡げられる結果プラズマ生成
室31から引き出されたプラズマの試料Ｓ表面での密度分
布はこれに対応して均一化される。

以下これにつき更に詳しく説明する。

本発明において重要なことは試料周縁部の磁束密度が中
央部より高い磁界を生成する磁界生成器、つまり上記実
施例では円筒型の磁性体５を用いることが重要である。

例えば特公昭58-13627号には本願発明と同様にマイクロ
波とによってプラズマを発生させるエッチング装置が記
されており、試料に対し、上記磁界を発生させるコイル
又はプラズマ引出窓と反対側に磁石を設けてミラー磁場
を形成することとしている。第６図はミラー磁場を形成
した場合の磁力線の様子を示す模式図である。図におい
て61は発散磁界を形成するコイル、62はミラー磁場を形
成する磁石である。このようなミラー磁場は磁石62の存
在によってコイル61によって生成された磁束が発散せず
に収束するものの、磁束密度は中央部において高く、周
縁部において低い状態のままであり、この磁場内に試料
を置く場合はプラズマが無駄なく利用できるとしても試
料表面でのプラズマ密度の均一化は望めないのである。

第７図は試料中心からの距離ｒ（cm）（第６図参照）と
載置台７上における載置台に垂直方向の成分である磁束
密度Bz分布との関係を発散磁界（破線），ミラー磁界
（１点斜線）及び本発明の磁界生成器による磁界（実
線）について記したものである。この図から明らかな如
く、本発明装置は試料周縁部を中央部より高くすること
で、発散磁界又はミラー磁場ではプラズマ生成室内のプ
ラズマ密度分布（周縁部が低い）がそのまま投影される
だけであるのを補正することが可能なのである。

第３図は本発明装置において用いる磁性体の他の構成を
示す模式的断面図であり、円筒形をなす磁性体５の外周
面に隙間なく細い絶縁被覆された導電線６を密に多数回
巻着せしめ、その端部間には図示しない直流電源を接続
してあり、必要な大きさの直流電流を通流して試料Ｓ表
面に対する磁束密度分布を微調節し得るようにしてあ
る。

なお絶縁被覆された導電線６は磁性体５の外周面に直接
巻き付ける代わりに磁性体５の周囲にリング形に配設し
てもよい。他の構成は第1,2図に示す磁性体と実質的に
同じである。

また上述の各実施例では、磁性体５を載置台７の下部に
配設した構成を示したが、試料Ｓの下であればどのよう
な位置でもよく磁性体５を載置台７上に配設し、或いは
磁性体５と載置台７とを一体的に構成し、或いは磁性体
５が載置台７を兼ねるよう構成してもよい。

上述した如き本発明装置と第４図に示す従来装置とにつ
いて夫々プラズマ生成室１へO₂ガスを、また反応室３へ
SiH₄ガスを夫々原料ガスとして導入してプラズマを発生
させ、これを載置台７上の直径５インチのSiウェーハ上
に堆積せしめ、その膜厚分布のばらつきを測定した結
果、従来装置では±10％あったが、本発明装置では±５
％に低減することが出来た。

なお膜厚分布は下式によって求めた。

〔効果〕 以上の如く本発明装置にあっては、試料に対し、プラズ
マ引出窓と反対側に円筒形の磁性体とその周囲に同心に
配設されたコイルによって、試料室側に向けて形成され
る発散磁界の磁力線のうち、試料の周縁部又はその近傍
の磁力線が試料周縁部と交叉する向き、つまり内外方向
に湾曲せしめられ、試料周縁部の磁束密度が高められ、
試料表面での磁束密度分布が改善され、均一な厚さの成
膜等の処理を行い得るなど、本発明は優れた効果を奏す
るものである。

【図面の簡単な説明】 第１図は本発明装置の縦断面図、第２図は本発明装置に
おける磁力線を示す説明図、第３図は本発明装置に用い
る磁性体の他の構成を示す拡大断面図、第４図は従来装
置の縦断面図、第５図は従来装置におけるプラズマ引出
用の発散磁界の磁力線と試料との関係を示す説明図、第
６図はミラー磁場の説明図、第７図は各種の磁場におけ
る磁束密度分布図である。 １……プラズマ生成室、２……導波管、３……反応室、
４……励磁コイル、５……磁性体、６……導電線、７…
…載置台、Ｓ……試料

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】電子サイクロトロン共鳴を利用してプラズ
   マを発生させ、これを磁界を利用してプラズマ引出窓か
   ら試料の載置台を備える試料室に導出するようにしたプ
   ラズマ装置において、 前記載置台の試料に対しプラズマ引出窓と反対側に、試
   料周縁部の磁束密度が中央部のそれより高い磁界を生成
   する磁界生成器を配設し、該磁界生成器は、前記試料表
   面でのプラズマ密度を均一にすべく、前記試料の直径と
   略等しいか又はこれよりも大きい外径を有する円筒形の
   磁性体と、該磁性体の周囲に同心に配設されたコイルと
   で構成したことを特徴とするプラズマ装置。