JPS63217620A - プラズマ処理装置 - 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】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、プラズマ処理方法及び装置に係り、特に、電
子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ）を利用したプラズマＣ
ＶＤの高効率化、堆積膜質の高品質化、低温プロセス化
及び低ダメージ化を図る上に好適なプラズマ処理装置に
関する。

〔従来の技術〕

従来の有磁場マイクロ波プラズマ処理方法及び装置は、
特開昭５６−１５５５３５号公報に記載のように。

プラズマ生成室内においてプラズマ活性種を生じさせ、
その活性種を発散磁界等で活性種生成効率最大領域から
充分前れた位置に設置された被処理基板１こプラズマ流
をあてて処理するものであった。

このプラズマ処理方法において、さらに高効率化を図っ
た方法として、特開昭５７−７９６２１号公報に記載の
ように、基板処理室外側に磁石を配し、プラズマ流径を
絞ってプラズマ密度を高めた方法がある。また、特開昭
５９−３０１８号公報に記載されているように、ミラー
磁場によりプラズマ流の拡散を抑制して、被処理基板付
近のプラズマ密度を高めて、処理効率の増大化を図った
方法がある。

〔発明が解決しようとする問題点〕

上記従来技術は、プラズマ活性種の寿命、あるいは、活
性値が被処理基板に達するまでの失活塵等の点について
配慮がされておらず、必ずしもプラズマ処理の高効率化
が達成されていない。また、被処理膜質の特性、例えば
堆積膜の緻密性、結晶性２組成等が良好ではない等の問
題があった。本発明の目的は、上記不都合を改善するこ
とにある。

具体的には、活性種の失活塵を考慮してプラズマ処理の
高効率化をはかった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〕

上記目的は、被処理基板の位置をプラズマ活性種の最大
生成点となる電子サイクロトロン共鳴点（ＥＣＲ点）か
ら最大でも１５０＋ｍ以下にすることにより達成される
。

ＥＣＲ点と被処理基板との距離の調節は、プラズマ生成
室の磁束密度を高くし、また高精度に制御することで達
成される。

〔作用〕

マイクロ波プラズマ放電により反応ガスは活性化される
。特に、ＥＣＲ点近傍で最も効率よく活性化される。生
成した活性種は、その後、エネルギー散逸により活性を
失ったり、他端子との衝突による粒子間相互作用による
失活も起こる。従って、被処理基板をＥＣＲ点に近づけ
ることにより、プラズマ活性種を活性度の高い状態が維
持された状態にて基板に到達させることが出来る。この
ため、プラズマ処理の高効率化がなされる。また。

プラズマ処理特性、例えば、基板上に膜を堆積させる際
に、堆積させる分子あるいは原子の電子エネルギ結合原
子間振動力２同転及び並進エネルギが高い程、プラズマ
中では集合体とならずに単一粒子である確率が高いため
、堆積された膜質は熱化学反応組成に近いものが得られ
る。更に、基板に付着した堆積活性種は上記運動エネル
ギが高いため、予め基板上に形成された分子層に、エネ
ルギが最小となる配列、配向位置まで、再配列及び再配
向運動する確率が高い。このため、得られた膜質の緻密
性や結晶性は高くなる。また、化学組成比も熱化学反応
により形成された膜に近くなる。

尚、磁場分布Ｂ（Ｚ）（Ｚはプラズマ流方向を正とした
真空装置の中心軸座標）が単調減少でなければ、ｄＢ／
ｄ　Ｚ＞０となる位置にてマイクロ波の伝播が阻害され
、プラズマ活性種の生成効率が低下するため望ましくな
い。

〔実施例〕

以下、本発明の一実施例を図面を用いて詳細に説明する
。第１図は本発明のプラズマ処理装置の主要部の模式図
である。本装置は、プラズマ生成室４、マイクロ波導波
管７．（マイクロ波６の発振器は図省略）、ＥＣＲ用磁
場コイル９及び１３゜処理室２、排気口１２（排気系は
図省略）、反応ガス供給ノズル５及び１１（反応ガス供
給系は図省略）、基板支持台３より成る。プラズマ生成
室４は直径２４０（ｍ）φ、長さ２５０（ａｍ）の透明
石英製で、円錐形の頂部がマイクロ波導入窓８となって
いる。ＥＣＲ用磁場コイル９及び１３は、プラズマ生成
室及び処理室の周囲に設置され、プラズマ生成室の最大
磁束密度は２．６　（ＫＧａｕｓｓ）であり、それぞれ
３個及び２個に分割され個別に調整することにより磁束
密度を制御できる。処理室２は直径２４０（ｍｍ）φの
ステンレス鋼製で、中に設置された基板支持台３は直径
１２０（ｍｓ）φのアルミナ製でその位置はプラズマ流
方向（図面では左右）に可変である。第２図はマイクロ
波進行方向の磁束密度の分布の例を示す、ＥＣＲ磁場コ
イル９及び１３を調整することにより、各種の分布を作
ること及び基板支持台３の位置を設定することにより基
板とＥＣＲ点との距離を制御できる。

実施例１ 被処理基板１としてシリコンウェハ（直径１０１００（
＋）　φ）を用い、シリコン酸化膜を形成した。プラズ
マ生成室４内に第１のガス導入管５を通して酸素を４０
　Ｃｍ　Ｑ　／ｆｆ１ｉｎ　）導入し、２．４５（ＧＨ
ｚ３のマイクロ波６を導波管７により伝播させてマイク
ロ波導入窓８を通してプラズマ生成室に導入する。さら
に、プラズマ生成容器の外側に設置された同軸型の静磁
場発生コイル９及び１３により８７５　（Ｇａｕｓｓ）
以上の磁場を発生させてプラズマ流１０を生成させ第２
のガス導入管１１よりモノシラン（ＳｉＨａ）を６　（
ｍ　Ｑ　／ｗｉｎ）導入し、処理室２内の圧力は排気系
により１（ｍＴｏｒｒｌにした。上記静磁場発生コイル
９及び１３に流す電流値を調整することにより、磁束密
度分布を制御しあるいは基板支持台位置を調整し。

ＥＣＲ点と被処理基板間の距離を異ならせた。第３図（
ａ）、（ｂ）は５ｉＯｚ膜堆積速度と堆積速度の基板内
でのバラツキ、（ｃ）、（ｄ）は堆積膜のバッファエツ
チング（ＨＦＩ容、ＮＨ４Ｆ６容の混合）液によるエツ
チング速度と基板内でのバラツキ、（ｅ）、（ｆ）は形
成された膜の光学屈折率と屈折率の基板内でのバラツキ
、（ｇ）。

（ｈ）は形成された膜のオージェ分光から得られたＳ　
ｉ　／　Ｏのモル比と基板内でのバラツキを、ＥＣＲ点
と基板間距離ｄに対して図示したものである。なお、図
中破線は基板位置をプラズマ生成室内にした結果である
。堆積速度については、第３図（ａ）から距離ｄがＯ〜
１５０Ｃｍ〕あたりの領域で比較的速く、特にｄ二１０
０　（ａｓ）付近から堆積速度が大きくなることがわか
る。また。

第３図（ｂ）から堆積速度のバラツキはｄが０〜７０（
ｍｌで小さく、均一性が優れていることがわかる。第３
図（ｃ）と（ｄ）から、ｄが１５０〔■〕以内の所にエ
ツチング速度がおそい領域があり、この領域内で緻密性
の高い膜が得られていること、及びｄが０〜７０〔■〕
の領域において均一性が良好であることがわかる。第３
図Ｃｅ）と（ｆ）から、ｄが０〜１５０（＋ｍ）内で熱
酸化膜に近い屈折率の膜が得られていること、ｄが０〜
７０［ｍ）において均一性が良好であることがわかる。

第３図（ｇ）、（ｈ）から、ｄが０以上である領域でＳ
ｉ／０モル比が０．５　となり、均一性も良効であるこ
とがわかる。

尚、磁束密度分布を一定にし、基板支持台の位置を調整
して、処理室内でＥＣＲ点と被処理基板間の距離ｄを変
えた場合には同じ結果が得られたが、基板位置をプラズ
マ生成室内に位置させた場合、すなわち基板が第１のガ
ス導入管と第２のガス導入管間に位置させた場合は、第
３図（ａ）〜（ｈ）中で破線で示したように、基板位置
を処理室に位置させた場合と比較して、堆積速度の減少
や、分布が悪くなる等の値に差異はあるものの、これら
値のＥＣＲ点と被処理基板間の距離の関係から見ると同
様の結果が得られていることがわかる。このことから、
マイクロ波プラズマ放電による膜堆積特性には、プラズ
マ活性種の最大生成領域、すなわち、装置内のＥＣＲ面
と基板までの距離に大きく依存していることがわかる。

さらに、活性種の寿命や不活性分子との衝突等の相互作
用による失活等の影響がない距離は平均自由行程以下で
あることがわかる６さらにｄがＯ〜７０（ｍ）において
は成膜及び膜質均一性が優れ、これはモノシランの活性
種５ｉＨｚ＋等の脱活性寿命範囲と一致している。

実施例２ 上記装置にて、第１導入ガスとして窒素を４０［ｍ　Ｑ
　／ｗｉｎ　］第２導入ガスとしてモノシラン（ＳｉＨ
ａ）を６　（ｍ　Ｑ　／ｗｉｎ　）を流し、圧力を１　
［ｍＴｏｒｒ）で処理室内で５ｉａＮａ膜堆積させた。

結果を第４図（ａ）〜（ｈ）に示した。第３図の５ｉＯ
ｚ膜堆積時と同様に、堆積速度、膜のエツチング速度、
屈折率、化学組成比、及びこれらの基板内でのバラツキ
はＥＣＲ点と基板間距離ｄに大きく依存している。化学
組成比（Ｓｉ／Ｎモル比）はｄが０以上で一定であるが
、ｄが０〜１５０（ｍ）で、膜のエツチング速度および
屈折率が熱チツ化膜と同じか又は近いものが得られ、か
つ堆積速度も大きい。基板内の膜の均一性については、
５ｉｎｓ膜の形成と同様、ｄがＯ〜７０〔閣〕で比較的
良好である。

実施例３ 上記装置にて、第１導入ガスを水素、第２導入ガスをモ
ノシラン（ＳｉＨａ）として、基板温度を３２０℃とし
て多結晶Ｓｉ膜を処理室内で堆積した。その結果、ｄが
０〜１５０（ｍｌの距離において、第５図（ａ）、（ｂ
）のように、堆積速度か大きく、かつＸ線回折から調べ
た多結晶シリコンの結晶粒径が大きく結晶性が優れてい
ることが判る。

実施例４ 上記装置にて、第１導入ガスを水素、第２導入ガスを六
フッ化タングステン（ＷＦｅ）として、圧力０．３１１
ＩＴｏｒｒ　ＴＷ膜を処理室内で堆積させた。

第６図（ａ）、（ｂ）のように、ｄがＯ−１５０〔■〕
において、抵抗率が４．０μΩ／ａ１１とバルクの抵抗
率と同様の低抵抗膜が効率良く形成された。

ＷＦｅ活性種寿命における平均自由行程は、この圧力で
前記のＳｉＨ４と同程度であり、脱活性寿命範囲の膜特
性が優れていることが判った。

実施例５ 上記装置にて、第１導入ガスとして水素と窒素の混合ガ
スを、第２導入ガスとして三塩化アルミニウム（ＡｕＣ
Ｑａ）を窒素キャリアで供給し、処理室内で窒化アルミ
ニウム（ＡＩ２Ｎ）を堆積させた。堆積速度及び堆積膜
の破壊電圧を測定したところ、第７図（ａ）、（ｂ）の
ように、ｄがＯ〜１５０（ｆｆＩｌ〕ニおイテ破壊電圧
が５〔Ｍｖ／口〕以上となる良効な絶縁材が効率良く得
られた。このときの界面準位密度はｌ　Ｑ　１０　［、
−２］と良好であった。

実施例６ 上記装置にて、第１導入ガスとして６フツ化イオウ（Ｓ
Ｆｅ）を導入し、圧力ｌ　（ｍＴｏｒｒ）にて多結晶シ
リコン及び酸化ケイ素をエツチングした。

多結晶シリコンのエツチング速度及び酸化ケイ素に対す
るエツチング選択比（Ｓｉ／５ｉＯｚ）は、第８図（ａ
）、（ｂ）のようになった、ｄか０〜１５０（ｍ）にお
いて、多結晶シリコンは高選択的に、効率良くエツチン
グされる。

このようにこれらの実施例によれば、マイクロ波プラズ
マ処理効率及び堆積膜の特性は、ＥＣＲ点と被処理基板
間距離ｄ、すなわち、プラズマ活性種の寿命及び不活性
種との衝突等の相互作用による電子エネルギーの活性度
の失活度、あるいは、振動２回転、並進エネルギーの低
下度に大きく依存しテオリ、ソノ結果、ｄがＯ〜１５ｏ
ＣｆｆＩＩ＋〕内にすると堆積速度、膜質が良好となる
効果がある。

さらに、プラズマ活性種の寿命及び失活度の分布がある
ため堆積速度あるいは膜質の均一性を考慮すると、ｄが
０〜７０（ｍ）内で、これらも良好となる効果がある。

〔発明の効果〕

本発明によれば、ＥＣＲ点と被処理材のきよりを１５０
−以下にしたので、マイクロ波プラズマ処理において、
膜堆積速度が向上し、その結果、スループットが向上す
る効果がある。また、成膜においては低温の被処理基板
上にも高温熱処理と同等の結晶性、緻密性の膜質が得ら
れる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明のマイクロ波プラズマ処理装置の断面図
、第２図はプラズマ生成室及び処理室の磁束密度分布の
例を示す図、第３図ないし第８図は本発明による実験デ
ータを示す図である。 １・・・被処理基板、２・・・処理室、３・・・プラズ
マ生成室、６・・・マイクロ波、８・・・マイクロ波導
入窓、９゜１３・・・プラズマ生成用静磁場発生コイル
、５゜令１０ 第２虐 寮３（２１１ ＥＣ恒咽ｎ鞘１リ　　５ＣＣ１０頂な−（）も　４　口 恭５圀 Ｅ（Ｆ、ｅ、に＠Ｗｊ−／ｆｌＤ１１ｈｔｎｍ）　　　
ＥＣ駒ｔ１９１ｄｌｒＪＦＥｆｌＨＬＥ（聴ε裏緩ｍ話
維帥）　　　ＥＣ１ｌす、ε某板陶ごＥ祭Ｇり療α

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、磁場分布がマイクロ波導入窓から、被処理基板方向
   に向つて弱くなる単調減少であるとともに、前記被処理
   基板が電子サイクロトロン共鳴点から１５０ｍｍ以内に
   位置する領域で処理されるよう構成したことを特徴とす
   るプラズマ処理装置。 ２、前記被処理基板がマイクロ波導入方向に位置を調整
   可能である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。 ３、磁場分布を調整することによつて電子サイクロトロ
   ン共鳴点の位置を調整可能である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。