(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
被処理物および処理ガスが収容される処理空間にマイクロ波放射アンテナからマイクロ波を放射して、前記マイクロ波放射アンテナのマイクロ波放射面から所定距離だけ離れたプラズマ励起面でプラズマを励起し、その励起したプラズマを用いた処理を被処理物に施すプラズマ処理装置であって、
前記マイクロ波放射面に対向して誘電体が設けられており、
前記誘電体は、前記マイクロ波放射面に対向する第１面と、この第１面とは反対側の第２面とを有し、
マイクロ波の波長を単位として表す前記マイクロ波放射面と前記誘電体の前記第２面との間隔Ｄが、空気中におけるマイクロ波の波長λ０、前記マイクロ波放射面と前記誘電体の前記第１面との間の距離ｄ１、前記第１面と前記第２面との間の前記誘電体の厚さｄ２、および前記誘電体の比誘電率εｒを用いて、Ｄ＝（ｄ１＋ｄ２√(εｒ)）／λ０と表され、
この間隔Ｄが、
０．７×ｎ／４≦Ｄ≦１．３×ｎ／４（ただし、ｎは自然数。）
の範囲に定められており、
前記マイクロ波放射アンテナは、マイクロ波を放射するための多数のスロットペアがマイクロ波放射面に同心円状に配列して形成されたラジアルラインスロットアンテナであり、
前記処理空間内に発生するプラズマが面内均一となるように、最外周に配列された複数のスロットペアの一部が塞がれていることを特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項２】
前記間隔Ｄが０．７×ｎ／２≦Ｄ≦１．３×ｎ／２の範囲に定められている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】
前記最外周に配列された複数のスロットペアが、周方向に沿って６個または３個に１個の割合で塞がれてい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。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、たとえば半導体基板などの被処理物に、マイクロ波の放射により励起されたプラズマによる処理を施すプラズマ処理装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体装置の製造工程においては、ウエハ表面を窒化・酸化させて表面材質を変化させる表面改質処理やレジスト除去のためのアッシング処理、ウエハ表面に絶縁膜などの材料を堆積させて薄膜を形成する成膜処理や、ウエハ表面に形成された薄膜を微細パターンに加工するためのエッチング処理が行われる。このような処理のための装置として、ＲＬＳＡ（Radial Line Slot Antenna）プラズマ処理装置が注目されている。
【０００３】
ＲＬＳＡプラズマ処理装置は、上面が開放された処理チャンバと、この処理チャンバの上面を閉塞するように設けられた誘電体板とを有しており、これらの処理チャンバおよび誘電体板で囲まれた空間が、被処理物としての半導体ウエハにプラズマ処理を施すための処理空間となっている。処理空間内には、半導体ウエハを載置して保持するためのウエハステージが設けられている。また、誘電体板の上方には、誘電体板を通して処理空間内にマイクロ波を放射するためのラジアルラインスロットアンテナが配置されている。
【０００４】
たとえば、このＲＬＳＡプラズマ処理装置を用いて半導体ウエハの表面に窒化処理を施す際には、まず、半導体ウエハが、その表面を上方に向けた状態でウエハステージ上に載置される。次いで、処理空間内に処理ガス（たとえば、Ａｒ／ＮＨ3）が供給された後、ラジアルラインスロットアンテナから処理空間に向けてマイクロ波が放射される。これにより、処理空間内に処理ガスのプラズマが発生し、この発生したプラズマによって、ウエハステージに載置された半導体ウエハの表面が窒化処理されていく。
【０００５】
ラジアルラインスロットアンテナは、下面全域に分布して形成された多数のスロットを有しており、これら多数のスロットからマイクロ波を放射するようになっている。したがって、このラジアルラインスロットアンテナを用いたＲＬＳＡプラズマ処理装置では、処理空間内にマイクロ波をほぼ均一に放射することができるから、処理ガスのプラズマを均一に発生させることができ、これにより半導体ウエハの表面に均一なプラズマ処理を施すことができると期待されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、従来のＲＬＳＡプラズマ処理装置は、処理空間内に発生するプラズマ密度が小さいために処理速度が遅く、半導体装置の製造に実際に用いることはできなかった。
そこで、この発明の目的は、高密度なプラズマを発生させることができるプラズマ処理装置を提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段および発明の効果】
上記の目的を達成するための請求項１記載の発明は、被処理物および処理ガスが収容される処理空間にマイクロ波放射アンテナからマイクロ波を放射して、前記マイクロ波放射アンテナのマイクロ波放射面から所定距離だけ離れたプラズマ励起面でプラズマを励起し、その励起したプラズマを用いた処理を被処理物に施すプラズマ処理装置であって、前記マイクロ波放射面に対向して誘電体が設けられており、前記誘電体は、前記マイクロ波放射面に対向する第１面と、この第１面とは反対側の第２面とを有し、マイクロ波の波長を単位として表す前記マイクロ波放射面と前記誘電体の前記第２面との間隔Ｄが、空気中におけるマイクロ波の波長λ０、前記マイクロ波放射面と前記誘電体の前記第１面との間の距離ｄ１、前記第１面と前記第２面との間の前記誘電体の厚さｄ２、および前記誘電体の比誘電率εｒを用いて、Ｄ＝（ｄ１＋ｄ２√(εｒ)）／λ０と表され、この間隔Ｄが、
０．７×ｎ／４≦Ｄ≦１．３×ｎ／４（ただし、ｎは自然数。）
の範囲（好ましくは０．８×ｎ／４≦Ｄ≦１．２×ｎ／４の範囲、さらに好ましくは０．９×ｎ／４≦Ｄ≦１．１×ｎ／４の範囲）に定められており、前記マイクロ波放射アンテナは、マイクロ波を放射するための多数のスロットペアがマイクロ波放射面に同心円状に配列して形成されたラジアルラインスロットアンテナであり、前記処理空間内に発生するプラズマが面内均一となるように、最外周に配列された複数のスロットペアの一部が塞がれていることを特徴とするプラズマ処理装置である。
【０００８】
なお、請求項２に記載のように、前記間隔Ｄは０．７×ｎ／２≦Ｄ≦１．３×ｎ／２の範囲（好ましくは０．８×ｎ／２≦Ｄ≦１．２×ｎ／２の範囲、さらに好ましくは０．９×ｎ／２≦Ｄ≦１．１×ｎ／２の範囲）に定められていることが好ましい。
さらには、前記マイクロ波放射面と前記プラズマ励起面との間にはマイクロ波の定在波が形成され、このマイクロ波の定在波からエネルギーの供給を受けることにより、前記プラズマ励起面においてプラズマが励起されることが好ましい。
【０００９】
上記の発明によれば、マイクロ波の波長を単位として表す前記マイクロ波放射面と前記プラズマ励起面との間隔Ｄが上記不等式で表された範囲（すなわち、ｎ／４の近傍の値。さらに好ましくはｎ／２の近傍の値）に設定されることにより、マイクロ波放射面とプラズマ励起面との間の領域に良好な定在波を形成することができ、これにより、処理空間内に高密度なプラズマを発生させることができる。したがって、このプラズマ処理装置は、半導体装置を製造する工程などに好適に用いることができる。
また、この発明によれば、ラジアルラインスロットアンテナのマイクロ波放射面に同心円状に配列されて形成された多数のスロットペアのうち、最外周に配列された複数のスロットペアの一部が塞がれている。これにより、ラジアルラインスロットアンテナから放射されるマイクロ波の強度分布を調整することにより、処理空間内に発生するプラズマ密度分布の面内均一化を、プラズマ密度の高密度化と同時に達成している。これにより、ほぼ均一なプラズマ処理を、従来装置よりも短時間で被処理物の表面に施すことができる。
【００１０】
なお、前記マイクロ波放射面と前記プラズマ励起面との間には誘電体板が介在されていることが好ましく、この場合において、誘電体板とマイクロ波放射面との間隔が微小であれば、誘電体板の厚みｄを、
０．７×ｎ／４≦ｄ≦１．３×ｎ／４（ただし、ｄはマイクロ波の波長を単位として表した厚さである。）
の範囲に定めてもよい。
【００１１】
請求項３に記載されているように、前記最外周に配列された複数のスロットペアが、周方向に沿って６個または３個に１個の割合で塞がれていることが好ましい。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下では、この発明の実施の形態を、添付図面を参照して詳細に説明する。
図１は、この発明の一実施形態に係るプラズマ窒化装置の構成を示す図解的な断面図である。プラズマ窒化装置は、被処理物としての半導体ウエハＷの表面を窒化物に改質するものであり、たとえば、Ｓｉ（シリコン）からなる半導体ウエハＷの表面をＳｉ3Ｎ4に変化させて絶縁層を形成する工程などに用いられる。
【００１３】
このプラズマ窒化装置は、上面が開放された有底筒状の処理チャンバ１を有している。処理チャンバ１の上部には、処理チャンバ１の開放された上面を閉塞するように、たとえば石英からなる誘電体板２が設けられていて、これにより、誘電体板２の下方に密閉された処理空間３が形成されている。処理空間３内には、半導体ウエハＷを載置して保持するためのウエハステージ４が配置されている。また、処理チャンバ１の側壁には、処理空間３内に処理ガスを導入するためのガス導入管５が接続されている。処理ガスとしては、たとえば、Ａｒ／ＮＨ3やＡｒ／Ｎ2／Ｈ2などを用いることができる。
【００１４】
誘電体板２の上方には、この誘電体板２の上面（第１面）から距離ｄ１だけ離れた位置に、ラジアルラインスロットアンテナ６が誘電体板２の上面に対向して設けられている。ラジアルラインスロットアンテナ６は、内部にマイクロ波が伝搬可能な絶縁物のプレートを有する平板状アンテナであり、その下面には、図２に示すように、多数のスロットペアＰが同心円状に配列して形成されている。各スロットペアＰは、互いに交差する向きを有する一対のスロットＳ１，Ｓ２からなり、これらのスロットＳ１，Ｓ２は、ラジアルラインスロットアンテナ６内におけるマイクロ波波長の１／４に相当する距離（１／４管内波長＝１／４λｇ）だけ離間して略Ｔ字状をなしている。
【００１５】
一方、ラジアルラインスロットアンテナ６の上面には、図示しないマイクロ波発振器から発振されるマイクロ波を絶縁物プレートに導くための導波管７が接続されている。この導波管７としては、たとえば、同軸導波管を用いることができる。
半導体ウエハＷの表面に窒化処理を施す際には、まず、半導体ウエハＷが、その表面を上方に向けた状態でウエハステージ４上に載置される。次いで、図示しない排気機構によって処理空間３内の雰囲気が排気され、処理空間３内がほぼ真空状態にされた後、この処理空間３内にガス導入管５から処理ガス（プロセスガス）が導入される。その後、処理空間３内に処理ガスが充満した状態で、たとえば、図示しないマイクロ波発振器から周波数２．４５ＧＨzのマイクロ波が発振され、このマイクロ波がＴＥＭモードで導波管７内を伝搬してラジアルラインスロットアンテナ６内に導入される。
【００１６】
ラジアルラインスロットアンテナ６内に導入されたマイクロ波は、ラジアルラインスロットアンテナ６内の絶縁物プレートを伝搬し、その途中でスロットペアＰから漏れて誘電体板２に向けて放射され、さらに誘電体板２を透過して処理空間３に放射される。この処理空間３に放射されるマイクロ波のエネルギーにより、処理空間３内に処理ガスのプラズマが励起され、その処理ガスのプラズマによる処理が半導体ウエハＷの表面に施されていく。
【００１７】
ところで、処理空間３内に発生したプラズマ中の電子密度がマイクロ波を遮蔽可能な密度（カットオフ密度）以上になると、誘電体板２を透過してくるマイクロ波は、誘電体板２の下面（第２面）から処理空間３内に微小距離（スキンデプス）だけ入るまでの間に反射されるようになる。その結果、ラジアルラインスロットアンテナ６の下面（マイクロ波放射面）とマイクロ波の反射端が形成する面（マイクロ波反射面）との間の領域にマイクロ波の定在波が形成され、この後は、マイクロ波反射面がプラズマ励起面となって、このプラズマ励起面で安定なプラズマが励起されるようになる。
【００１８】
したがって、プラズマ中の電子密度がカットオフ密度以上になると、処理空間３内に発生するプラズマの密度は、ラジアルラインスロットアンテナ６の下面とプラズマ励起面との間に形成される定在波の状態の影響を受けると考えられる。そして、本願発明者らは、ラジアルラインスロットアンテナ６の下面と誘電体板２の下面との距離を適切に設定して、ラジアルラインスロットアンテナ６の下面とプラズマ励起面との間の領域に良好な定在波を形成することにより、処理空間３内に発生するプラズマの密度を高めることができると考えた。
【００１９】
すなわち、従来のＲＬＳＡプラズマ処理装置では、ラジアルラインスロットアンテナの下面と誘電体板２の下面との間隔がマイクロ波の波長と無関係に設定されているのに対し、このプラズマ窒化装置（プラズマ処理装置）では、マイクロ波の波長を距離単位として表すラジアルラインスロットアンテナ６の下面と誘電体板２の下面（≒プラズマ励起面）との間隔Ｄが約１／２となるように、ラジアルラインスロットアンテナ６の下面と誘電体板２の上面との間の距離ｄ１および誘電体板２の厚みｄ２が設定されている。この実施形態では、たとえば、ラジアルラインスロットアンテナ６の下面と誘電体板２の上面との間の距離ｄ１が６mmに設定され、誘電体板２の厚みｄ２が３０mmに設定されている。
【００２０】
ここで、マイクロ波の波長を距離単位として表すラジアルラインスロットアンテナ６の下面と誘電体板２の下面との間隔Ｄは、空気中におけるマイクロ波の波長をλ0とし、誘電体板２中におけるマイクロ波の波長をλとすると、
Ｄ＝（ｄ１／λ0）＋（ｄ２／λ）
と表される。誘電体板２中におけるマイクロ波の波長λは、誘電体板２の比誘電率をεrとすると、
【００２１】
【数１】
0004504511.tif 000002
【００２２】
と表されるから、上記間隔Ｄは、
【００２３】
【数２】
0004504511.tif 000003
【００２４】
と表すことができる。したがって、この実施形態では、石英からなる誘電体板２の非誘電率εr＝３．９および周波数２．４５ＧＨzのマイクロ波の空気中（真空中）における波長λ0＝１２２(mm)を上記式(1)に代入することにより、マイクロ波の波長を距離単位として表すラジアルラインスロットアンテナ６の下面と誘電体板２の下面との間隔Ｄが約０．５３に設定されていることが判る。
図３は、(a)誘電体板２の厚みｄ２を３０mmに設定した場合、および(b)誘電体板２の厚みｄ２を２０mmに設定した場合（従来装置）の半導体ウエハＷの表面に入射するイオン電流密度分布を示すグラフである。いずれのグラフも、ラジアルラインスロットアンテナ６の下面と誘電体板２の上面との間の距離ｄ１を６mmに、誘電体板２の下面と半導体ウエハＷの表面との間の距離を６５mmに、処理空間３内の気圧を６６．５Ｐaにそれぞれ設定して、ラジアルラインスロットアンテナ６に周波数２．４５ＧＨzで電力１２００Ｗのマイクロ波を導入して励起させたプラズマ中のイオン電流密度分布を調べた結果を示している。
【００２５】
図３(a)(b)の比較から、誘電体板２の厚みｄ２を３０mmに設定した場合の方が、誘電体板２の厚みｄ２を２０mmに設定した場合よりも、半導体ウエハＷの表面におけるイオン電流密度（プラズマ密度）が大きいことが理解される。
ところが、誘電体板２の厚みｄ２を２０mmに設定した場合は、半導体ウエハＷの表面におけるイオン電流密度の分布がほぼ均一であるのに対し、誘電体板２の厚みｄ２を３０mmに設定した場合は、半導体ウエハＷの中心付近に入射するイオン電流が半導体ウエハＷの周縁付近に入射するイオン電流よりも大きくなっており、イオン電流密度の分布に面内不均一が生じている。
【００２６】
そこで、この実施形態では、ラジアルラインスロットアンテナ６の下面に形成されているスロットペアＰの一部を塞ぎ、ラジアルラインスロットアンテナ６から放射されるマイクロ波の強度分布を調整することにより、半導体ウエハＷの表面に入射するイオン電流密度分布の均一化を図っている。具体的には、ラジアルラインスロットアンテナ６の下面の最外周に配列されたスロットペアＰの１／６または１／３を塞ぐことにより、半導体ウエハＷの表面に入射するイオン電流密度分布の均一化を図っている。
【００２７】
なお、１／６のスロットペアＰを塞ぐとは、周方向に沿って６個に１個の割合でスロットペアＰを塞ぐことをいい、１／３のスロットペアＰを塞ぐとは、周方向に沿って３個に１個の割合でスロットペアＰを塞ぐことをいう。
図４は、(a)スロットペアＰを１つも塞がなかった場合、(b)最外周に配列されたスロットペアＰのうちの１／６を塞いだ場合、および(c)最外周に配列されたスロットペアＰのうちの１／３を塞いだ場合の半導体ウエハＷの表面に入射するイオン電流密度分布を示すグラフである。いずれのグラフも、ラジアルラインスロットアンテナ６の下面と誘電体板２の上面との間の距離ｄ１を６mmに、誘電体板２の厚みｄ２を３０mmに、誘電体板２の下面と半導体ウエハＷの表面との間の距離を６５mmに、処理空間３内の気圧を６６．５Ｐaにそれぞれ設定して、ラジアルラインスロットアンテナ６に周波数２．４５ＧＨzで電力１２００Ｗのマイクロ波を導入して励起させたプラズマ中のイオン電流密度分布を調べた結果を示している。
【００２８】
この図４から、最外周に配列されたスロットペアＰのうちの１／６個または１／３個を塞ぐことにより、半導体ウエハＷの表面に入射するイオン電流密度分布が均一化されることが理解される。
以上のようにこの実施形態によれば、マイクロ波の波長を距離単位として表すラジアルラインスロットアンテナ６の下面と誘電体板２の下面との間隔Ｄが約１／２となるように、ラジアルラインスロットアンテナ６の下面と誘電体板２の上面との間の距離ｄ１および誘電体板２の厚みｄ２を上手く設定することにより、処理空間３内に発生するプラズマの高密度化を達成している。したがって、このプラズマ窒化装置は、半導体ウエハＷの表面に窒化処理を施して半導体装置を製造する工程に好適に用いることができる。
【００２９】
また、この実施形態では、ラジアルラインスロットアンテナ６の下面に形成されたスロットパターンＰの一部を塞いで、ラジアルラインスロットアンテナ６から放射されるマイクロ波の強度分布を調整することにより、ウエハステージ４に載置された半導体ウエハＷの表面に入射するイオン電流密度分布の均一化を、イオン電流（プラズマ密度）の高密度化と同時に達成している。これにより、ほぼ均一なプラズマ窒化処理を、従来装置よりも短時間で半導体ウエハＷの表面に施すことができる。
【００３０】
なお、この実施形態では、誘電体板２を石英で構成して、ラジアルラインスロットアンテナ６の下面と誘電体板２の上面との間の距離ｄ１を６mmに設定し、誘電体板２の厚みｄ２を３０mmに設定する場合を例に挙げたが、誘電体板２は、たとえばアルミナ（Ａｌ2Ｏ3）またはアルミナイトライド（ＡｌＮ）など、石英以外の誘電体で構成されていてもよい。また、上記距離ｄ１および厚みｄ２の値も適当に変更されるとよく、たとえば、誘電体板２が熱伝導率の大きい材料で構成されて、プラズマ中のイオンと電子とが再結合して発生する熱を効率よくチャンバ壁に伝達することによりラジアルラインスロットアンテナ６の高温化を防止できる場合には、ラジアルラインスロットアンテナ６の下面と誘電体板２の上面との間の距離ｄ１が０mmに設定されて、ラジアルラインスロットアンテナ６が誘電体板２に接触していてもよい。
【００３１】
誘電体板２の材料と、マイクロ波の波長を距離単位として表すラジアルラインスロットアンテナ６の下面と誘電体板２の下面との間隔Ｄが約１／２となる上記距離ｄ１および厚みｄ２との組み合わせの例を下記表にまとめておく。
【００３２】
【表１】
0004504511.tif 000004
【００３３】
また、この実施形態では、マイクロ波の波長を距離単位として表すラジアルラインスロットアンテナ６の下面と誘電体板２の下面との間隔Ｄが約１／２となるように、ラジアルラインスロットアンテナ６の下面と誘電体板２の上面との間の距離ｄ１および誘電体板２の厚みｄ２を設定することが好ましいとしたが、たとえば、上記間隔Ｄが約１／２の整数倍となるように、上記距離ｄ１および厚みｄ２が設定されてもよい。さらには、上記間隔Ｄが約１／４の整数倍となるように、上記距離ｄ１および厚みｄ２が設定されてもよい。
【００３４】
すなわち、ラジアルラインスロットアンテナ６の下面とプラズマ励起面との間の領域に良好な定在波を形成して、処理空間３内に高密度なプラズマを発生させるためには、マイクロ波の波長を距離単位として表すラジアルラインスロットアンテナ６の下面と誘電体板２の下面との間隔Ｄが次の不等式を満たせばよい。
０．７×ｎ／４≦Ｄ≦１．３×ｎ／４（ｎ：自然数）
さらに、この発明は他の形態で実施することもできる。たとえば、上述の実施形態では、プラズマ窒化装置を例にとって説明したが、このプラズマ窒化装置に限定されず、たとえばプラズマＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）装置やプラズマアッシング装置、プラズマエッチング装置、プラズマ酸化装置など、被処理物にプラズマによる処理を施す装置に広く本発明を適用することができる。
【００３５】
なお、この発明がプラズマＣＶＤ装置に適用される場合には、処理ガスとして、たとえばＡｒ／ＳｉＨ4やＴＥＯＳ／Ｏ2などを用いることができる。また、この発明がプラズマアッシング装置に適用される場合には、処理ガスとして、たとえばＯ2、Ａｒ／Ｏ2またはＫｒ／Ｏ2などを用いることができる。さらに、この発明がプラズマエッチング装置に適用される場合には、処理ガス（エッチングガス）として、たとえばＣｌ2やＨＢｒなどを用いることができる。さらにまた、この発明がプラズマ酸化装置に適用される場合には、処理ガスとして、たとえばＫｒ／Ｏ2やＡｒ／Ｏ2などを用いることができる。
【００３６】
その他、特許請求の範囲に記載された事項の範囲で種々の変更を施すことが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の一実施形態に係るプラズマ窒化装置の構成を示す図解的な断面図である。
【図２】ラジアルラインスロットアンテナの下面を示す図である。
【図３】  (a)誘電体板の厚みを３０mmに設定した場合、および(b)誘電体板の厚みを２０mmに設定した場合（従来装置）の半導体ウエハの表面に入射するイオン電流密度分布を示すグラフである。
【図４】  (a)スロットペアを１つも塞がなかった場合、(b)最外周に配列されたスロットペアのうちの１／６を塞いだ場合、および(c)最外周に配列されたスロットペアのうちの１／３を塞いだ場合の半導体ウエハの表面に入射するイオン電流密度分布を示すグラフである。
【符号の説明】
１    処理チャンバ
２    誘電体板
３    処理空間
４    ウエハステージ
５    ガス導入管
６    ラジアルラインスロットアンテナ（マイクロ波放射アンテナ）
７    導波管
Ｐ    スロットペア
Ｓ１，Ｓ２  スロット
Ｗ    半導体ウエハ（被処理物）
【図１】
0004504511.tif 000005
【図２】
0004504511.tif 000006
【図３】
0004504511.tif 000007
【図４】
0004504511.tif 000008