(57)【要約】【課題】誘電体窓に複雑な加工を施さなくても、誘電体窓の表面付近で定在波を生じさせないようにし、基板表面のプラズマの均一性を確保できるマイクロ波プラズマ処理装置および処理方法を提供することを課題とする。【解決手段】マイクロ波透過用誘電体窓の基板に対向した上記誘電体窓の表面が、プラズマ処理容器の天井部内壁面の位置と同じ位置かもしくはこの天井部内壁面の位置よりも基板側に突出して位置するように構成し、さらにマイクロ波透過用誘電体窓の外周部とプラズマ処理容器の側壁面との距離を導入するマイクロ波の波長の少なくとも４分の１以上にすることにより、誘電体窓に複雑な加工を施さなくても基板表面のプラズマの均一性を確保することが可能になった。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
天井部が開口されたプラズマ処理容器と、この天井部に気密に設けられたマイクロ波透過用誘電体窓とを少なくとも備え、上記誘電体窓に対向してプラズマ処理容器内に基板が設置できるように構成されているマイクロ波プラズマ処理装置において、基板に対向した上記誘電体窓の表面が、プラズマ処理容器の天井部内壁面の位置と同じ位置かもしくはこの天井部内壁面の位置よりも基板側に突出して位置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処理装置。
【請求項２】
基板に対向した上記誘電体窓の表面が、プラズマ処理容器の天井部内壁面の位置から少なくとも５ｍｍ基板側に突出して位置するように構成されていることを特徴とする請求項１記載のマイクロ波プラズマ処理装置。
【請求項３】
基板に対向した上記誘電体窓の表面の外側縁部にリング状の突出部を設けた場合に、この突出部に囲まれた内側の表面が、プラズマ処理容器の天井部内壁面の位置と同じ位置かもしくはこの天井部内壁面の位置よりも基板側に突出して位置するように構成されていることを特徴とする請求項１もしくは請求項２記載のマイクロ波プラズマ処理装置。
【請求項４】
上記誘電体窓の外周部とプラズマ処理容器の側壁面との間の距離が、導入するマイクロ波の波長の４分の１以上離れていることを特徴とする請求項１記載乃至請求項３のいずれかに記載のマイクロ波プラズマ処理装置。
【請求項５】
導入するマイクロ波の周波数が２．４５ＧＨｚの場合に、上記誘電体窓の外周部とプラズマ処理容器の側壁面との間の距離が３０ｍｍ以上であることを特徴とする請求項４記載のマイクロ波プラズマ処理装置。
【請求項６】
上記誘電体窓の径が、基板の径の２倍以上であることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれかに記載のマイクロ波プラズマ処理装置。
【請求項７】
誘電体窓が請求項３記載の突出部を設けたものである場合は、この突出部に囲まれた内側の表面と基板との距離を半径とし、基板両端部を中心とするそれぞれの円内にこの突出部が含まれないように誘電体窓の径を定めたことを特徴とする請求項２乃至請求項５のいずれかに記載のマイクロ波プラズマ処理装置。
【請求項８】
ガス供給手段によってプラズマを励起するための原料ガスをプラズマ処理容器に供給し、マイクロ波発生手段により発振、増幅せしめたマイクロ波をアンテナ手段に導入して照射させ、この照射されたマイクロ波をマイクロ波透過用誘電体窓を介して真空雰囲気の上記プラズマ処理容器に導入し、このマイクロ波のつくる電磁界によってプラズマ処理容器内にプラズマを生成し、上記マイクロ波透過用誘電体窓に対向して設けられた基板をマイクロ波プラズマ処理する処理方法において、請求項１乃至請求項７のいずれかに記載のマイクロ波プラズマ装置を用いてプラズマ処理を行うことを特徴とするマイクロ波プラズマ処理方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、マイクロ波プラズマ処理装置およびこの装置を用いた処理方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、ＬＳＩなどの半導体デバイスの微細化にともない、半導体デバイスの製造工程においてプラズマ処理装置が多用されている。この半導体デバイスの特性の安定や歩留まりなどは、ウェハ面内における上記プラズマ処理の均一性が大きく寄与する。このプラズマ処理の均一性は、プラズマをウェハ表面で均一に分布させることによって確保される。そこで、たとえばプラズマ処理装置のプラズマ生成部と基板との距離を遠ざけることによってプラズマを拡散させてウェハ表面では均一にするなどの工夫が考えられる。
【０００３】
プラズマ処理装置のうち、最近では、比較的圧力の低い高真空状態でも安定してプラズマを励起することができるマイクロ波プラズマ処理装置が注目されている。
【０００４】
このマイクロ波プラズマ処理装置を用いたプラズマ処理について、具体的にシリコン表面を直接酸化および窒化し、高品質の絶縁膜を形成する場合を例として説明する。
【０００５】
マイクロ波プラズマ処理装置を用いる場合、金属製のプラズマ処理容器内で上記絶縁膜を形成する。このプラズマ処理容器の天井部には開口部が形成され、マイクロ波を装置内に導入するために、石英などからできているマイクロ波透過用誘電体窓がこの開口部に気密に設けられている。
【０００６】
上記絶縁膜の形成に際し、この誘電体窓の基板側の表面と基板との距離がおよそ８０ｍｍ以下であれば、当該プラズマ処理に使用されるガス種や圧力に応じ、生成されるプラズマが均一になるように、マイクロ波の照射強度をアンテナで調整することがある。
【０００７】
一方、プラズマが中央部分で高密度であったり、あるいはリング状の高密度部分が形成されるなど均一性が悪い場合であっても、誘電体窓の表面と基板との間の距離を８０ｍｍ以上離すことによってプラズマが拡散され、基板表面では均一性が確保される。
【０００８】
ところで、マイクロ波プラズマ処理装置でプラズマを励起した場合、誘電体窓の表面と発生したプラズマとの間で表面波と呼ばれるマイクロ波の波が形成される。この表面波は誘電体窓一面に広がり、基板上方ではプラズマが形成される。
【０００９】
通常、プラズマ処理容器の天井部の内壁面の位置は、上記誘電体窓の表面の位置よりも基板側に突起しているため、この誘電体窓の周囲は、上記天井部に形成された開口部の断面によって包囲されている。従って上記表面波がこの開口部断面からなる包囲面に反射すると、表面波とこの反射波が互いに干渉して誘電体窓の表面近傍で定在波が形成される。
【００１０】
この定在波が、マイクロ波プラズマ処理における基板表面上のプラズマの均一性を阻害する原因になっている。すなわち、誘電体窓の中央部のプラズマ密度が誘電体窓の周辺部よりも高密度になるという問題が生じていた。
【００１１】
そこで、従来、誘電体窓の外周部および誘電体窓が設置されている装置壁面の形状を凸凹にして反射波を打ち消し、定在波が生じないようにしていた（例えば、特許文献１参照。）。
【００１２】
【特許文献１】
特開平２００２−１９０４４９号（特許請求の範囲）
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、ある特定のガス種および圧力におけるプラズマ処理に対応させて、アンテナでマイクロ波の照射強度を調整した後、異なるガス種もしくは圧力でプラズマ処理を行うと、プラズマの均一性が悪くなるという不都合があった。
【００１４】
従って、複数の異なるガス種もしくは圧力でそれぞれプラズマ処理を行う場合は、マイクロ波の照射強度をその都度調整しなければならないため、一度の調整でガス種もしくは圧力が異なる複数のプラズマ処理はできず、作業効率が低下するという問題があった。
【００１５】
一方、誘電体窓の表面と基板との間の距離を離すと、基板表面での均一性は確保できるが、同時に基板表面でのプラズマ密度が下がり、反応活性種の基板への到達量が減少し、プラズマ処理に時間がかかるという問題が生じていた。
【００１６】
さらに、基板表面のプラズマの均一性を阻害する原因の定在波を生じさせないようにするために、誘電体窓の外周部および誘電体窓が設置されているプラズマ処理容器の側壁面の形状を凸凹にすれば、上記不都合は解消されるが、凸凹の形状にする加工技術は複雑であり、実質的に加工が困難であるという問題があった。
【００１７】
本発明は、上記問題点に鑑み、上記誘電体窓に複雑な加工を施さなくても、誘電体窓の表面付近で定在波を生じさせないようにし、基板表面のプラズマの均一性を確保できるマイクロ波プラズマ処理装置および処理方法を提供することを課題とする。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明にかかるマイクロ波プラズマ処理装置は、天井部が開口されたプラズマ処理容器と、この天井部に気密に設けられたマイクロ波透過用誘電体窓とを少なくとも備え、上記誘電体窓に対向してプラズマ処理容器内に基板が設置できるように構成されているマイクロ波プラズマ処理装置において、基板に対向した上記誘電体窓の表面が、プラズマ処理容器の天井部内壁面の位置と同じ位置かもしくはこの天井部内壁面の位置よりも基板側に突出して位置するように構成されていることを特徴とする。
【００１９】
この構成によれば、誘電体窓の外周部には、プラズマ処理容器の天井部に形成された開口部の断面からなる包囲面がないため、表面波が反射せず、定在波の形成を抑制することができる。
【００２０】
従って、誘電体窓表面と基板との距離に関係なく、また、ガス種や圧力などの条件を変化させても、基板表面で均一なプラズマ分布を得ることができる。
【００２１】
基板に対向した上記誘電体窓の表面が、プラズマ処理容器の天井部内壁面より基板側に位置する場合、この天井部内壁面から誘電体窓の表面までの距離は少なくとも５ｍｍであることが望ましい。
【００２２】
基板に対向した上記誘電体窓の表面の外側縁部に、リング状の突出部を設けた場合は、この突出部に囲まれた内側の表面が、プラズマ処理容器の天井部内壁面の位置と同じ位置かもしくはこの天井部内壁面の位置よりも基板側に突出して位置するように構成すればよい。
【００２３】
なお、上記誘電体窓の外周部とプラズマ処理容器の側壁面との間の距離は、導入するマイクロ波の波長の４分の１以上離れていることが好ましい。これは、誘電体窓の外周部とプラズマ処理容器の側壁面との間でプラズマを形成させるスペースを与えることによって、マイクロ波が誘電体窓の中央部方向に反射し、定在波を形成することを抑えるためである。
【００２４】
従って、例えば、導入するマイクロ波の周波数が２．４５ＧＨｚの場合に、上記誘電体窓の外周部とプラズマ処理容器の側壁面との距離は３０ｍｍ以上とすればよい。
【００２５】
また、上記誘電体窓の径は、基板の径の２倍以上であることが好ましい。さらに誘電体窓の外周部に上記突出部を設けたものである場合は、この突出部に囲まれた内側の表面と基板との距離を半径とし、基板両端部を中心とするそれぞれの円内にこの突出部が含まれないように誘電体窓の径を定めればよい。この突出部の有無で好ましい誘電体窓の径の長さが異なるのは、突出部によって基板端部の膜厚に影響を与えないようにするためである。
【００２６】
また、上記課題を解決するため、本発明にかかるマイクロ波プラズマ処理方法は、ガス供給手段によってプラズマを励起するための原料ガスをプラズマ処理容器に供給し、マイクロ波発生手段により発振、増幅せしめたマイクロ波をアンテナ手段に導入して照射させ、この照射されたマイクロ波をマイクロ波透過用誘電体窓を介して真空雰囲気の上記プラズマ処理容器に導入し、このマイクロ波のつくる電磁界によってプラズマ処理容器内にプラズマを生成し、上記マイクロ波透過用誘電体窓に対向して設けられた基板をマイクロ波プラズマ処理する処理方法において、上記いずれかに記載のマイクロ波プラズマ装置を用いてプラズマ処理を行うことを特徴とする。
【００２７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態にかかるマイクロ波プラズマ処理装置を図１、図２および図３を参照して説明する。
【００２８】
図１は、本発明の一実施形態として、半導体基板用のマイクロ波プラズマ処理装置の構成を表した断面図である。図３および図４は、従来の一般的な半導体基板用のマイクロ波プラズマ処理装置を表した断面図である。
【００２９】
図１において、１は、プラズマ処理を行う金属製のプラズマ処理容器である。プラズマ処理容器１の天井部１０１の上部には、マイクロ波の照射強度を調整する同軸導波変換器及びアンテナ２が設けられている。同軸導波変換器及びアンテナ２と、天井部１０１の開口部に気密に設けられた誘電体窓４との間には、マイクロ波を照射するスロット３が設けられている。なお、上記誘電体窓４の原材料は、石英などである。この誘電体窓４は、スロット３を介して照射されたマイクロ波を透過し、プラズマ処理容器１内にマイクロ波を導入する。
【００３０】
このマイクロ波（２．４５ＧＨｚ）は、マグネトロン５で発振し、導波管８を介して上記同軸導波変換器及びアンテナ２に導入される。
【００３１】
プラズマ処理容器１の内部には、上記誘導体窓４と対向する位置に、プラズマ処理基板１２を保持する電極１３があり、この電極１３に高周波電源１４から必要に応じて高周波を印加する。なお、この高周波のインピーダンス調整は整合器１５によって行う。
【００３２】
次に、本実施形態におけるマイクロ波プラズマ処理装置の動作を説明する。プラズマ処理容器１の側面から、ガス供給手段９によってプラズマを励起させるためのガスを供給し、排気システム１０によってプラズマ処理容器１内を減圧にし、プラズマ処理容器１のプロセス圧力を圧力調整弁１１によって調整し、原料および反応副生成ガスを排気する。マグネトロン５で発振、増幅されたマイクロ波は、４Ｅチューナ７を通して同軸導波変換器及びアンテナ２に導入され、スロット３から照射される。このとき反射波は、４Ｅチューナ７によってマイクロ波処理容器１側へ戻されるが、調整しきれない反射波についてはアイソレータ６で吸収されてマグネトロン５へ戻ることを防いでいる。スロット３から照射されたマイクロ波は、誘電体窓４を介して真空雰囲気のプラズマ処理容器１の内部へ導入され、このマイクロ波のつくる電磁界によってプラズマ処理容器１内にプラズマＰを形成する。このプラズマＰにより、エッチングや成膜プロセスなどを行うことができる。なお、ＳＷＰは、誘導体窓４の表面とプラズマＰとの間に生じるマイクロ波の表面波を模式的に表したものである。
【００３３】
上記マイクロ波プラズマ処理装置を用いて酸化処理を行う場合は、例えばアルゴンやクリプトンなどの希ガスと酸素を混合してトータル０．１７Ｐａ・ｍ３／ｓｅｃ（１００ｓｃｃｍ）以上を導入し、１〜１３３Ｐａの圧力範囲において処理する。一方、窒化処理を行う場合は、例えばアルゴンやクリプトンなどのなどの希ガスとアンモニア、窒素および水素を混合し、トータル０．１７Ｐａ・ｍ３／ｓｅｃ（１００ｓｃｃｍ）以上を導入し、１〜１３３Ｐａの圧力範囲において処理する。
【００３４】
図１において、基板１２に対向する側の誘電体窓４の表面の位置は、マイクロ波処理容器１の天井部１０１の内壁面の位置よりも基板１２側に突出している。従って、表面波ＳＷＰは、プラズマ処理容器１の側壁の金属面に照射されることも、金属面から反射されることもなく、誘電体窓４の外周部で腹と節を形成する。なお、上記天井部１０１の内壁面の位置よりも、誘電体窓４の表面を基板１２側に突出して位置するようにする場合には、誘電体窓４の表面から上記天井部１０１の内壁面までの距離は５ｍｍ程度が好ましい。
【００３５】
なお、誘電体窓４の径は、基板１２の径の２倍以上であることが好ましいが、図１のように誘電体窓４の外周部に突出部を設けたものである場合は、図２で示すとおり、この突出部に囲まれた内側の表面と基板１２との距離を半径ｒとし、基板１２の両端部を中心とするそれぞれの円ｃ内にこの突出部が含まれないように誘電体窓４の径を定めればよい。この突出部の有無で好ましい誘電体窓４の径の長さが異なるのは、突出部によって基板４の端部の膜厚に影響を与えないようにするためである。たとえば、図１において突出部に囲まれた内側の表面と基板１２との距離が６０ｍｍ程度であり、基板４が２００ｍｍの場合、誘電体窓４の突出部に囲まれた内側の径はおよそ２８０ｍｍとなる。
【００３６】
このとき圧力によっては、基板１２側からみると誘電体窓４の外周部とプラズマ処理容器１の側壁面との間に波状のプラズマを形成することがあるが、これは基板１２の表面のプラズマ処理には影響せず、逆に上記外周部で電力を消費するため基板１２上の誘電体窓４の表面のプラズマＰは均一になる。この場合、誘電体窓４の外周部とプラズマ処理容器１の側壁面との間の距離は、導入するマイクロ波の波長の４分の１以上離せばよい。たとえば、本実施の形態では、導入するマイクロ波は、２．４５ＧＨｚであるから、波長１２２ｍｍにたいして約３０ｍｍ以上の距離を離せばよいことになる。
【００３７】
本実施の形態では、マイクロ波をマイクロ波処理容器１内に導入する手段として、マイクロ波を同軸に変換した後、スロット３を介して照射する同軸導波変換器及びアンテナ２を使用しているが、アンテナ手段としては、他に導波管８にスリットをいれたものなどを特に使用することができ特に限定されるものではない。
【００３８】
比較のために示す図３および図４のマイクロ波プラズマ処理装置も基本的構成は図１と同じであり、図中の符号については図１と同じ符号は同じ構成を示す。なお、図３の装置と図４の装置の違いは、図４では誘電体窓４の表面の外側縁部にリング状の突出部を設けているのに対し、図３でこの突出部が設けられていない点である。図３および図４はいずれの場合も、誘電体窓４の表面の位置が、天井部１０１の内壁面の位置よりも基板１２側から遠い位置にあるため、誘電体窓４の周囲には、この天井部１０１に形成された開口部断面からなる金属製の包囲面が形成されている。ＳＷＰ’およびＳＷＰ’’は、模式的に表した表面波であるが、いずれも上記金属製の包囲面で短絡されるため、中央部分に強い定在波を生成する。その結果、プラズマ密度も誘電体窓４の中央や誘電体窓４の中央を取り囲むリング状の部分で高くなり、均一性を損なうことになる。
【００３９】
【実施例】
以下、本発明にかかるマイクロ波プラズマ処理装置を用いて行うプラズマ処理の実施例について従来のマイクロ波プラズマ処理装置の場合と比較して説明する。
【００４０】
図１と図３のマイクロ波プラズマ処理装置を用いて０．５％希フッ酸により、自然酸化膜を除去した基板１２をそれぞれプラズマ酸化処理およびプラズマ窒化処理した。
【００４１】
プラズマ酸化は、Ｋｒ／Ｏ２ガスを用い、圧力を８０Ｐａ、処理時間を１０分として行った。一方、プラズマ窒化はＡｒ／ＮＨ３ガスを用い、圧力を８Ｐａ、処理時間を７分として行った。図１と図３の装置において、誘電体窓４の表面と基板１２との距離を調整してどちらも６０ｍｍとした。
【００４２】
プラズマ処理後、基板上の任意の位置における酸化物膜および窒化物膜の膜厚分布を分光分散エリプソメータで測定し、結果を比較した。酸化処理の結果を図５に窒化処理の結果を図６にそれぞれ示す。
【００４３】
本発明に係るマイクロ波プラズマ処理装置を用いてプラズマ処理した場合は、いずれも膜厚分布は良い均一性を示している。すなわち、それぞれの膜厚は、酸化処理した場合は、およそ７１Å〜７２Å付近で一定であり（図５）、窒化処理した場合は、およそ４６Å〜５０Å付近で一定である（図６）。なお、図示しないが、上記と異なる条件の酸化処理および窒化処理においても同様の分布傾向であった。
【００４４】
一方、図３のマイクロ波プラズマ処理装置を用いてプラズマ処理した場合は、いずれも基板中央部の膜厚が厚くなっていることがわかる。すなわち、それぞれの膜厚は、酸化処理した場合は、基板周辺部ではおよそ８０Åであるが、基板中央部ではおよそ１０３Åであり（図５）、窒化処理した場合は、基板周辺部ではおよそ３３Åであるが、基板中央部ではおよそ５９Åである（図６）。これは、図３のＳＷＰ’で示したように、天井部１０１に形成された開口部断面からなる上記金属製の包囲面で反射したマイクロ波が定在波を形成し、誘電体窓４の基板中央部のプラズマ密度が上がってしまったためと考えられる。
【００４５】
さらに、圧力が比較的高い８０Ｐａの場合、図１のマイクロ波プラズマ処理装置の誘電体窓４の外周部とプラズマ処理容器１の側壁面との間に波状のプラズマが形成された。これは、誘電体窓４の外周部とプラズマ処理容器１の側壁面との間の距離を、導入するマイクロ波の波長の４分の１以上離したために、図３の従来のマイクロ波プラズマ処理装置では、マイクロ波が誘電体窓４の中央部に反射してくるのに対し、図１の装置の場合には、誘電体窓４の外周部とプラズマ処理容器１の側壁面との間でプラズマを形成し、マイクロ波が誘電体窓４の中央部に反射するのを防いでいるためと考えられる。
【００４６】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明は、マイクロ波を利用したプラズマ処理において、基板に対向した誘電体窓の表面をプラズマ処理容器の天井部内壁面の位置と同じ位置かもしくはこの天井部内壁面よりも基板側に位置するように構成し、さらに誘電体窓の外周部と、プラズマ処理容器の側壁面との間の距離をマイクロ波の波長の４分の１以上離すことによって、これまでプラズマの均一性を低下させる原因であった定在波を抑制できるようになった。従って、誘電体窓の表面と基板との距離が近い場合でもプラズマ処理の均一性を確保できるようになり、また、ガス種や圧力を変化させても、その都度装置の構成を調整せずにプラズマの均一性の高い処理を行うことが可能となった。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明にかかるマイクロ波プラズマ処理装置の断面図。
【図２】突出部を設けた場合の誘電体窓の径の決定の仕方を示す断面図
【図３】従来のマイクロ波プラズマ処理装置の断面図。
【図４】従来のマイクロ波プラズマ処理装置の断面図（誘電体窓の表面の外側縁部にリング状の突出部を設けたもの）。
【図５】図１と図３の装置を使用してシリコン基板をプラズマ酸化処理した場合の膜厚分布を示す図
【図６】図１と図３の装置を使用してシリコン基板をプラズマ窒化処理した場合の膜厚分布を示す図
【符号の説明】
１    プラズマ処理容器
２    同軸導波変換器およびアンテナ
３    スロット
４    誘電体窓
５    マグネトロン
６    アイソレータ
７    ４Ｅチューナ
８    導波管
９    ガス供給手段
１０  排気ポンプ
１１  圧力調整弁
１２  基板
１３  電極
１４  高周波電源
１５  整合器
Ｐ    プラズマ
ＳＷＰ表面波
【図１】
2004311510.tif 000003
【図２】
2004311510.tif 000004
【図３】
2004311510.tif 000005
【図４】
2004311510.tif 000006
【図５】
2004311510.tif 000007
【図６】
2004311510.tif 000008