(57)【要約】【課題】  本発明は、広範囲なガス種や圧力等のプラズマ処理条件において基板近傍プラズマ密度分布を均一にするプラズマ処理装置を提供することを目的とする。【解決手段】  本発明は、減圧可能な容器と該容器へガスを供給する手段と該容器にマイクロ波を供給する手段と基体を保持する手段とを備えたマイクロ波プラズマ処理装置であって、該マイクロ波供給手段が、基体被処理面と略直交する面に複数スロットを備えた互いに異径の複数の無終端環状導波管であることにより、基体近傍全面のプラズマ密度分布を簡易に変更するプラズマ処理装置を提供できる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
減圧可能な容器と該容器へのガス供給手段とマイクロ波供給手段と基体保持手段とを備えたマイクロ波プラズマ処理装置であって、該マイクロ波供給手段が、基体被処理面と略直交する面に複数スロットを備えた互いに異径の複数の無終端環状導波管であることを特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項２】
少なくとも一つの前記無終端環状導波管のスロットを含む円筒面の直径が前記基体の直径よりも大きいことを特徴とする請求項１記載のプラズマ処理装置。
【請求項３】
前記複数の無終端環状導波管各々に導入するマイクロ波電力を変更する手段を備えることを特徴とする請求項１または２記載のプラズマ処理装置。
【請求項４】
前記無終端環状導波管を移動する手段を備えることを特徴とする請求項１〜３いずれか記載のプラズマ処理装置。
【請求項５】
前記複数の無終端環状導波管近傍で発生したプラズマ平均密度が略等しくなるように制御する手段を備えることを特徴とする請求項１〜４いずれか記載のプラズマ処理装置。
【請求項６】
該スロットの間隔が無終端環状導波管内のマイクロ波管内波長の１／４あるいはその整数倍であることを特徴とする請求項１〜５いずれか記載のプラズマ処理装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体基板、液晶基板等の半導体製造プロセスに用いるエッチング装置、アッシング装置、ＣＶＤ装置、窒化装置、酸化装置等のプラズマ処理装置に関するものである。特に、基板近傍のプラズマ分布を所望の密度分布に調整する機構を有するプラズマ処理装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
半導体基板をプラズマ処理装置により高品質に処理するには、半導体基板近傍のプラズマ密度分布を均一にすることが重要である。例えばエッチング処理装置においてプラズマ密度分布が不均一であると、エッチング形状が不均一になる等の不都合が生じる。また、窒化処理装置においては、部分的に窒化濃度が異なりチップ性能のバラツキ原因となる。また、ＣＶＤ処理装置においては、部分的に堆積する膜厚が不均一となり生産歩留まり低下原因になることもある等々、半導体装置の性能劣化、品質低下に結びつく。
【０００３】
特開平１０−２３３２９５、特開平５−３４５９８２にある従来技術のプラズマ処理装置においては、スロット付き環状導波管に設けたスロットの配置と半導体基板とプラズマ発生部との位置関係を最適化することにより、半導体基板面内プラズマ処理均一性を得ていた。図２に従来技術プラズマ処理装置例を詳述する。２１はプラズマ処理室、２２は基板、２３は基板２を保持する基板載置台、２５は処理用ガス導入手段、２６は排気口、２８はマイクロ波をプラズマ処理室２１に導入するためのスロット付無終端環状導波管、３１は無終端環状導波管２８にマイクロ波管内波長の１／２又は１／４毎に設けられたスロット、２７はプラズマ処理室１内にマイクロ波を導入する誘電体窓、３０は無終端環状導波管２８に内蔵された冷却水路である。
【０００４】
マイクロ波は環状導波管２８を介し放射状に配置してあるスロット３１からプラズマ処理室２１ヘ導入される。マイクロ波は処理用ガスを励起し誘電体窓２７近傍にプラズマを発生させる。また、誘電体窓２７近傍に発生したプラズマが一定の密度を超えると、マイクロ波は、プラズマ処理室２１内に侵入できず、誘電体窓２７近傍に閉じ込められ、また、スロット３１間で干渉する。放射状に配置してあるスロット３１間で干渉するマイクロ波により、プラズマ発生部密度分布は輪帯状となる。誘電体窓２７近傍で発生したプラズマは、拡散により基板２２に到達する。
【０００５】
基板２２近傍のプラズマ密度分布を均一にするために、このスロット３１の配置や、基板２２と誘電体窓２７つまりプラズマ発生部との距離や、プラズマ処理室２１の内径等を調節していた。
【０００６】
しかしながら、その条件が大きく変化し、基板近傍のプラズマ密度が不均一になった場合に、調節が不便であるという課題があった。
【０００７】
一方、図３に示す特開平１１−４０３９７にある公知例は、基板に対向する二重の無終端環状導波管を備えている。また、図４に示す特開平１０−２３３２９５にある公知例は、基板に対向する面にスロットを有する環状導波管と基板に直交する面にスロットを有する環状導波管を備えている。これら公知例は、プラズマ処理条件が大きく変化しても、各々の無終端環状導波管に導入するマイクロ波電力を変更して、基板近傍のプラズマ密度分布を均一にしている。
【０００８】
しかしながら、これら公知例では、複数の無終端環状導波管のスロットから放出されたマイクロ波同士が干渉しやすいので、条件が大きく変化した場合に基板近傍プラズマ密度分布を調整しにくいという課題があった。
【特許文献１】特開平１０−２３３２９５号公報
【特許文献２】特開平５−３４５９８２号公報
【特許文献３】特開平１１−４０３９７号公報
【特許文献４】特開平１０−２３３２９５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は、従来技術の課題を解決するためになされたもので、広範囲なガス種や圧力等のプラズマ処理条件において基板近傍プラズマ密度分布を均一にするプラズマ処理装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、減圧可能な容器と該容器へガスを供給する手段と該容器にマイクロ波を供給する手段と基体を保持する手段とを備えたマイクロ波プラズマ処理装置であって、該マイクロ波供給手段が、基体被処理面と略直交する面に複数スロットを備えた互いに異径の複数の無終端環状導波管であることにより、基体近傍全面のプラズマ密度分布を簡易に変更するプラズマ処理装置を提供できる。
【００１１】
図１の第一の実施例を説明する図にあるように、容器を囲むように配置された無終端環状導波管のスロットから放出されたマイクロ波は、スロット近傍に容器側面に沿って円筒状プラズマを発生する。円筒状に発生したプラズマは、拡散輸送され、基板近傍にて輪帯状の密度分布となる。略中心が互いの内側にある異径の無終端環状導波管を複数備えているので、略同心の輪帯状プラズマ密度分布が、基板近傍に、無終端環状導波管と同じ数できる。この基板近傍の輪帯状プラズマ密度分布は、スロットから放出するマイクロ波電力により、相似形のまま増減する。また、基板近傍プラズマ密度分布はこれら略同心の異径の輪帯状プラズマの重ね合せである。よって、各無終端環状導波管のスロットから放出するマイクロ波電力により、各無終端環状導波管スロット近傍に発生するプラズマ平均密度を増減することで基板近傍の各輪帯状プラズマを分布をほぼ変えずに平均密度を増減し、もって、輪帯状プラズマ密度分布の重ね合せである基板近傍プラズマ密度分布を変更できる。
【００１２】
また、互いに異径の無終端環状導波管に備えたスロットから放出されたマイクロ波は、同一曲面に互いのスロットが無いので、干渉しくにい。また、スロット間にプラズマを局在化させやすい。よって、本発明プラズマ処理装置は、プラズマ発生部密度分布を独立に変更しやすく基板近傍プラズマ密度分布を均一にしやすいので、図３、図４に示す公知のプラズマ処理装置より、十分進歩的である。
【００１３】
前記無終端環状導波管のスロットからのマイクロ波放出量を、スロットの長さや幅等の形状により変更しても良いし、前記無終端環状導波管各々に導入するマイクロ波電力を変更しても良い。
【００１４】
また、少なくとも一つの前記無終端環状導波管のスロットを含む円筒面の直径が前記基体の直径より大きいことにより、基板外周近傍のプラズマ密度を高くし、基板近傍のプラズマ密度分布を均一にしやすくしても良い。
【００１５】
基板の内側にある無終端環状導波管近傍に発生したプラズマは、基板内側近傍をピークとした輪帯状プラズマ分布となる。よって、基板の内側にある無終端環状導波管近傍に発生したプラズマをいくつか重ね合せて用いても、基板外周近傍のプラズマ密度は基板中央より低下してしまう。そこで、無終端環状導波管のスロットを備えた面を基板より外側に配置することにより、基板外周近傍のプラズマ密度を増やし、基板近傍プラズマ密度分布を均一にしやすくする。
【００１６】
また、無終端環状導波管を上下に移動することで、無終端環状導波管近傍に発生したプラズマと基板の距離を移動し、ガス種や圧力など広範囲なプラズマ条件においても、基板近傍のプラズマ密度分布を均一にしやすくしても良い。
【００１７】
プラズマは拡散により基板に到達するので、圧力やガス種などプラズマ条件が大きく変化すると、基板近傍プラズマ密度分布が大きく変化する。このような時、無終端環状導波管を上下することで、無終端環状導波管近傍に発生したプラズマと基板の距離を変え、基板近傍の輪帯状プラズマ密度分布を所望の分布にすることで、プラズマ密度分布を得やすくすることができる。
【００１８】
また、前記複数の無終端環状導波管近傍で励起されたプラズマ平均密度が互いに略等しくなるように制御することにより、マイクロ波表面波プラズマを維持しながら基板近傍プラズマ平均密度を広範囲で増減するプラズマ処理装置を提供できる。
【００１９】
マイクロ波表面波プラズマは、プラズマ発生部において略１０の１１乗から１３乗の密度である。例えばこの範囲より低密度になるとマイクロ波表面波とならず、マイクロ波が基板に照射される場合もある。基板近傍プラズマ平均密度は、無終端環状導波管近傍のプラズマ平均密度と略同率で増減するので、基板近傍プラズマ平均密度増減範囲は、無終端環状導波管近傍プラズマ平均密度増減範囲が広い程広い。よって、マイクロ波表面波プラズマを維持しながら基板近傍プラズマ平均密度を広範囲に増減するには、無終端環状導波管近傍のプラズマ平均密度を互いに略等しいまま増減すると良い。これは、無終端環状導波管近傍で励起されたプラズマ平均密度が互いに略等しい時、基板近傍プラズマ密度分布が均一になるように無終端環状導波管の径や位置を選ぶことにより、実現できる。好適には、外径３００ｍｍの基板に対して、内径が略４００ｍｍと略２５０ｍｍである二つの無終端環状導波管を基板から略８０ｍｍと略１８０ｍｍの高さに配置すると良い。
【発明の効果】
【００２０】
本発明は、基体被処理面と略直交する面に複数スロットを備えた互いに異径の複数の無終端環状導波管を備え、各々の環状導波管から放出するマイクロ波電力を変更することで、広範囲なガス種や圧力等のプラズマ処理条件においても基板近傍プラズマ密度分布を均一にするプラズマ処理装置を提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
（実施例１）
本発明プラズマ処理装置の第一の実施例を図１により詳細に説明する。１はマイクロ波を実質的に透過するプラズマ処理室、２は基板、３は基板２を保持する基板戴置台、５は上下それぞれのプラズマ発生部に向けて処理用ガスを吹き付ける様にまたプラズマを含むガスが基板２に到達しやすいようにノズルを設けた処理用ガス導入手段、６は排気口、７と８はマイクロ波管内波長の１／２又は１／４毎にスロット９を設けた無終端環状導波管、１０は無終端環状導波管にマイクロ波を導入する導波管、１１は無終端環状導波管７と８に導入するマイクロ波を分配する分配器である。無終端環状導波管７と８は円筒状で互いに異径で略同軸に配置されており、近傍のプラズマ処理室１内径は略２３０ｍｍと略３８０ｍｍである。また、基板２とそれぞれ略１８０ｍｍと略８０ｍｍ離れている。また、基板２は直径３００ｍｍであり、無終端環状導波管８の内側にある。無終端環状導波管７と８と基板２と基板戴置台３とプラズマ処理室１は略同軸対称である。
【００２２】
本発明プラズマ処理装置を用いて、基板２を窒化処理する。表面に２ｎｍ厚の酸化膜付きシリコン基板２を基板戴置台３に不図示手段により搬送し戴置する。次に、不図示の排気系を介してプラズマ処理室１を０．１Ｐａ以下まで排気する。続いて、処理用ガス導入手段５から５００ｓｃｃｍの窒素をプラズマ処理室１に導入する。次に排気系に設けられた不図示のコンダクタンスバルブを調整し、プラズマ処理室１を１３０Ｐａに保持する。次いで、分配器１１を無終端環状導波管７にほとんど全てのマイクロ波を送るよう傾ける。続いて、マイクロ波電源より１．５ｋＷのマイクロ波を、スロット付無終端環状導波管７を介して、プラズマ処理室１に供給する。マイクロ波は、スロット１１間に表面干渉波プラズマ１２を励起する。スロット１１がプラズマ処理室に沿って円筒状に配列されているので、プラズマ１２も円筒状に励起される。そして、プラズマ中の窒素イオンは拡散しながら基板２近傍に到達し、基板２表面に発生したイオンシースにより加速され基板２に入射し、シリコン酸化膜を窒化する。３分経過後、マイクロ波電源を停止し、窒素ガス供給を停止し、プラズマ処理室１を０．１Ｐａ以下まで排気した後、基板２をプラズマ処理室１外に搬送する。
【００２３】
窒化処理後、基板２表面シリコン酸窒化膜の酸化シリコン膜換算厚さをＫＬＡテンコール社製エリプソメーターで測定したところ、図５（ａ）のように中央が厚い分布であった。これは、基板２から離れた無終端環状導波管７付近に励起された小径の円筒状プラズマが、基板近傍まで拡散する間に凸状プラズマ密度分布になったためである。
【００２４】
続いて、分配器１１を無終端管状導波管８にほとんど全てのマイクロ波を送るように傾け、新たに基板２を窒化処理する。窒化処理後、基板２表面シリコン酸窒化膜の酸化シリコン膜換算厚さは、図５（ｂ）のように周辺が厚い分布であった。これは、基板２の外側近くにある無終端環状導波管８付近に励起された円筒状プラズマに近い程プラズマ密度が高くなるので、基板外周近傍が中央よりプラズマ密度の高い凹状プラズマ密度分布になったためである。
【００２５】
続いて、分配器１１により無終端環状導波管７と８に分配するマイクロ波を変えながら、いくつか基板２を窒化処理する。窒化処理後の基板２表面シリコン酸窒化膜の酸化シリコン膜換算厚さは、図５（ｃ）のように無終端環状導波管７と８に分配するマイクロ波の分配比により異なる分布となった。マイクロ波の分配比を略１：１にするとほぼ均一な膜厚となり、無終端環状導波管７へのマイクロ波分配比を増やすと基板２中央の膜厚が厚い凸分布となり、無終端環状導波管８へのマイクロ波分配比を増やすと基板２外周の膜厚が厚い凹分布となる。
【００２６】
以上説明したように、本発明は、基体と略直交する面に複数スロットを備えた二つの異径の無終端環状導波管を同軸対称に配置し、各々から放出するマイクロ波電力を変更することで、基板近傍で二つの同心輪帯状プラズマ密度分布を各々変更し、これら同心輪帯状プラズマ密度分布の重ね合せである基板近傍全面のプラズマ密度分布を簡易に均一にするプラズマ処理装置を提供できる。
【００２７】
また、互いに異径の無終端環状導波管に備えたスロットから放出されたマイクロ波は、同一曲面にスロットが無いので、干渉しくにい。また、スロット間にプラズマを局在化させやすい。よって、本発明プラズマ処理装置は、プラズマ発生部密度分布を独立に変更しやすく基板近傍プラズマ密度分布を均一にしやすいので、図３、図４に示す公知のプラズマ処理装置より、十分進歩的である。
【００２８】
（実施例２）
本発明第二の実施例を図６により詳細に説明する。１３は無終端環状導波管７を上下移動する駆動手段、１４は無終端環状導波管８を上下する駆動手段である。無終端環状導波管７と８それぞれに独立したマイクロ波電源を接続し、上下移動しやすくしている。図１と同じものの説明を割愛する。
【００２９】
本発明プラズマ処理装置を用いて、基板２を以下のように窒化処理する。表面に２ｎｍ厚の酸化膜付きシリコン基板２を基板戴置台３に不図示手段により搬送し戴置する。次に、不図示の排気系を介してプラズマ処理室１を０．１Ｐａ以下まで排気する。続いて、処理用ガス導入手段５から５００ｓｃｃｍの窒素をプラズマ処理室１に導入する。次に排気系に設けられた不図示のコンダクタンスバルブを調整し、プラズマ処理室１を４００Ｐａに保持する。駆動装置１４、１３により無終端環状導波管７、８を上に移動する。次いで、マイクロ波電源より１．５ｋＷのマイクロ波をスロット付無終端環状導波管７，８を介してプラズマ処理室１に導入する。マイクロ波は、スロット１１間に表面干渉波プラズマ１２を励起する。３分経過後、マイクロ波電源を停止し、窒素ガス供給を停止し、プラズマ処理室１を０．１Ｐａ以下まで排気した後、基板２をプラズマ処理室１外に搬送する。
【００３０】
４００Ｐａという高圧では、プラズマが拡散しにくく基板近傍において急峻な輪帯状プラズマ分布となりやすいので、無終端環状導波管７，８すなわちプラズマ発生部を基板から遠ざけ、基板近傍で緩慢な輪帯状プラズマ密度分布とし、基板近傍全面のプラズマ密度分布を均一にしやすくする。
【００３１】
以上説明したように、本発明は、無終端環状導波管を移動する手段により、圧力等のプラズマ条件に応じて無終端環状導波管のスロットと基板の距離を変えることで、より広いプラズマ条件においても、基板近傍全面のプラズマ密度分布を簡易に均一にするプラズマ処理装置を提供できる。
【００３２】
（実施例３）
本発明第三の実施例を図７により詳細に説明する。本発明第三の実施例は、無終端環状導波管を３つ利用している。
【００３３】
最上段の無終端環状導波管のスロットを備えた面の内径が最も小さく基板２と最も離れているので、最上段の無終端環状導波管から放出するマイクロ波により励起されるプラズマは、基板中央近傍の密度が最も高い凸分布となる。また、中段の無終端環状導波管から放出されるマイクロ波により励起されるプラズマは、基板中間近傍の密度が最も高い輪帯状分布となる。そして、下段の無終端環状導波管から放出されるマイクロ波により励起されるプラズマは、基板外周近傍の密度が最も高い輪帯状分布となる。基板近傍プラズマ密度はこれら３つのプラズマ密度分布の重ね合せであるので、これら３つのプラズマ密度分布の密度を実施例１と同様に各無終端環状導波管に導入するマイクロ波電力を変えることにより、基板近傍プラズマ密度分布を簡易に変更できる。
【００３４】
本発明は、無終端環状導波管を３つ重ねて利用することにより、大口径基板近傍全面のプラズマを均一な密度分布にすることができる。また、プラズマが拡散しにくい高圧などのプラズマ条件においても、無終端環状導波管を多数重ねて利用することにより、基板近傍全面のプラズマを均一な密度分布にすることができる。
【００３５】
（実施例４）
本発明第四の実施例を図８により詳細に説明する。本発明第四の実施例は、無終端環状導波管を小さい径のものから順に下から重ねている。プラズマ処理室１より小さな無終端環状導波管８を二つ用いている。また、無終端環状導波管８に設けたスロット９は、プラズマ処理室１内にマイクロ波を放出するように、外向きに開口している。処理用ガス導入手段５は、プラズマ発生部にガスノズルを向けている。
【００３６】
第四の実施例は、プラズマ処理室１の外側に無終端環状導波管８を設置することにより、プラズマ処理装置を小型にできる。
【００３７】
（実施例５）
本発明第五の実施例を図９により詳細に説明する。本発明第五の実施例は、略同じ高さに異径の無終端環状導波管を２つ配置している。マイクロ波を容器に向けて放出するように、内側の無終端環状導波管７のスロット９は外側を向き、外側の無終端環状導波管８のスロット９は内側を向いている。また、基板２にプラズマを含むガスが流れるように、ガス導入手段１５は、無終端環状導波管８のスロット９に向け、下から上にガスが流れるように、ガスノズルを設けている。また、ガス導入手段１６は、無終端環状導波管７のスロット９に向けて、上から下にガスが流れるように、ガスノズルを設けている。
【００３８】
第五の実施例は、無終端環状導波管７，８を略同じ高さに設けることにより、基板２と無終端環状導波管７，８との距離すなわち無終端環状導波管近傍に励起されるプラズマ１２、１７との距離を略同等とすることにより、プラズマ１２、１７が基板近傍に拡散し形成する輪帯状プラズマ密度分布の平均密度を略同等にしやすくすることができる。プラズマ発生部平均密度を略同等のとき、基板近傍プラズマ平均密度が略同等であるので、マイクロ波表面波プラズマを維持しながら基板近傍プラズマ平均密度をより広範囲に変更することができる。
【００３９】
本発明は、半導体基板の窒化に限定するものではなく、例えば、半導体基板、液晶基板等の半導体製造プロセスに用いるエッチング装置、アッシング装置、ＣＶＤ装置、窒化装置、酸化装置等のプラズマ処理装置にも有効である。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本発明第一の実施例を説明する図。
【図２】従来技術の一例を説明する図。
【図３】従来技術の一例を説明する図。
【図４】従来技術の一例を説明する図。
【図５】本発明第一の実施例プラズマ処理装置による基板窒化処理例。
【図６】本発明第二の実施例を説明する図。
【図７】本発明第三の実施例を説明する図。
【図８】本発明第四の実施例を説明する図。
【図９】本発明第五の実施例を説明する図。
【符号の説明】
【００４１】
１  プラズマ処理室
２  基板
３  基板戴置台
５  ガス導入手段
６  排気口
７  無終端環状導波管
８  無終端環状導波管
９  スロット
１０  導波管
１１  分配器
１２  プラズマ発生部
１３  駆動装置
１４  駆動装置
１５  ガス導入手段
１６  ガス導入手段
１７  プラズマ発生部
２１  プラズマ処理室
２２  基板
２３  基板戴置台
２５  ガス導入手段
２６  排気口
２７  誘電体窓
２８  無終端環状導波管
３０  冷却水路
３１  スロット
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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