JP2009088298A - プラズマ処理装置及びプラズマ処理方法 - Google Patents

Abstract

【課題】処理レートが速いプラズマ処理装置を提供すること。
【解決手段】プラズマ処理を行う処理空間１を形成する金属製処理容器２と、処理空間１内に設けられた、被処理基板Ｗが載置される基板載置台３と、金属製処理容器２の側壁を処理空間１から遮蔽し、下端が基板載置台３の被処理基板載置面よりも下方に延びる石英製部材４ａと、石英製部材４ａの底面と金属製処理容器２の底壁２ｂとの間に設けられた、金属製処理容器２の底壁２ｂを、処理空間１から遮蔽する環状の石英製部材６と、基板載置台３の外周近傍から処理空間１に処理ガスを導入する処理ガス導入部と、を備える。
【選択図】図１

Description

この発明は半導体ウエハ等の被処理基板に処理を施す処理装置及び処理方法に係わり、特に、プラズマを用いて被処理基板にプラズマ処理を施すプラズマ処理装置及びプラズマ処理方法に関する。

近時、ＬＳＩの高集積化、高速化の要請からＬＳＩを構成する半導体素子のデザインルールが益々微細化されている。また、生産効率の向上の観点から半導体ウエハの大型化も進展している。これらにともなって、半導体ウエハ等の被処理基板に処理を施す処理装置においても、素子の微細化、及びウエハの大型化に対応できるものが求められている。

近時の半導体プロセスにおいては、膜の形成やエッチングに、プラズマ処理装置の利用が不可欠となっており、特に、低電子温度のプラズマを高密度に生成できるプラズマ処理装置が注目されている（例えば、特許文献１参照）。

しかしながら、プラズマ処理装置を用いて基板を直接に酸化又は窒化する場合、酸化レートや窒化レート等の処理レートが遅い、という事情がある。また、処理容器部材に金属製部材を用いているので、プラズマ作用により、金属汚染の原因となる事情がある。
特開２００３−１３３２９８号公報

この発明は、処理レートが速いプラズマ処理装置及びプラズマ処理方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、この発明の第１の態様に係るプラズマ処理装置は、プラズマ処理を行う処理空間を形成する金属製処理容器と、前記処理空間内に設けられた、被処理基板が載置される基板載置台と、前記金属製処理容器の側壁を前記処理空間から遮蔽し、下端が前記基板載置台の被処理基板載置面よりも下方に延びる石英製部材と、前記石英製部材の底面と前記金属製処理容器の底壁との間に設けられた、前記金属製処理容器の底壁を、前記処理空間から遮蔽する環状の石英製部材と、前記基板載置台の外周近傍から前記処理空間に処理ガスを導入する処理ガス導入部と、を具備する。

この発明の第２の態様に係るプラズマ処理装置は、プラズマ処理を行う処理空間を形成する金属製処理容器と、前記処理空間内に設けられた、被処理基板が載置される基板載置台と、前記処理容器の、前記基板載置台の被処理基板載置面に対向する上面部に設けられ、前記金属製処理容器の側壁を前記処理空間から遮蔽する筒状部位を備えた石英製天板と、前記石英製天板に結合されたマイクロ波アンテナと、前記筒状部位の底面と前記金属製処理容器の底壁との間に設けられた、前記金属製処理容器の底壁を、前記処理空間から遮蔽する石英製プレートと、前記基板載置台の外周近傍から前記処理空間に処理ガスを導入する処理ガス導入部と、を具備する。

この発明の第３の態様に係るプラズマ処理方法は、マイクロ波プラズマを用いて膜を形成するプラズマ処理方法であって、被処理基板の外周ないし上面を、マイクロ波が伝搬される誘電体で囲み、この誘電体にマイクロ波を供給する工程と、前記誘電体にマイクロ波が供給された状態で、処理ガスを、前記被処理基板の外周ないし下方から供給する工程と、を具備する。

この発明によれば、処理容器内に露出する金属表面を誘電体部材で遮蔽することにより、処理レートが速く、金属汚染をも防止できるプラズマ処理装置及びプラズマ処理方法を提供できる。

以下、添付図面を参照してこの発明の実施形態を説明する。

図１Ａはこの発明の一実施形態に係るマイクロ波プラズマを使用するプラズマ処理装置を概略的に示す水平断面図、図１Ｂは図１Ａ中の１Ｂ−１Ｂ線に沿う断面図である。

図１Ａ及び図１Ｂに示すプラズマ処理装置は、特に、ＲＬＳＡ（Ｒａｄｉａｌ Ｌｉｎｅ Ｓｌｏｔ Ａｎｔｅｎｎａ：ラジアルラインスロットアンテナ）プラズマ処理装置１００である。このプラズマ処理装置１００は、ＲＬＳＡを用いて処理室内にマイクロ波を導入してプラズマを発生させるので、処理室内には、５×１０^１０乃至１×１０^１３／ｃｍ^３の高密度、かつ、２ｅＶ以下の低電子温度のプラズマが生成される。

本例のプラズマ処理装置１００は、プラズマ処理を行う処理空間１を形成する金属製処理容器２と、処理空間１内に設けられ、被処理基板Ｗが載置される基板載置台３と、処理容器２の、基板載置台３の被処理基板載置面３ａに対向する上面部に設けられ、処理容器２の側壁２ａを処理空間１から遮蔽する高純度の石英製筒状部位４ａを備えた石英製天板４と、天板４に結合されたマイクロ波アンテナ５と、筒状部位４ａの底面と処理容器２の底壁２ｂとの間に設けられ、底壁２ｂを、処理空間１から遮蔽する高純度の石英製プレート６と、を備える。

処理容器２の材質の一例は、アルミニウム、又はアルミニウムを含んだ合金である。本例の処理容器２は、処理室２ｃと接地された蓋体２ｄとから成る。本例では、処理室２ｃ上に蓋体２ｄが載せられ、さらに、蓋体２ｄ上に天板４が支持されることで、シールを介して気密に構成される円筒形の処理空間１が形成される。処理室２ｃに形成される底壁２ｂのほぼ中央部には円形の開口部２ｅが形成されている。底壁２ｂには、開口部２ｅを介して処理空間１と連通する金属製排気室７が接続される。排気室７の材質は、処理容器２と同様に、アルミニウム、又はアルミニウムを含んだ合金等の金属製であり、その形状は、本例では円筒状である。本例では、排気室７の円筒内に、基板載置台３の中央を支持する支持柱８が固定され、支持柱８の先端に支持された基板載置台３が処理空間１内に配置される。

処理容器２の側壁２ａの一部には、処理空間１に、被処理基板Ｗを搬入出するための搬入出口２ｆが形成されている。搬入出口２ｆには開閉可能なゲートバルブ９が取り付けられている。被処理基板Ｗを処理空間１に搬入するとき、及び処理空間１から搬出するときにはゲートバルブ９が開けられ、処理空間１が外界に連通される。被処理基板Ｗを処理空間１内で処理するときにはゲートバルブ９が閉じられ、処理空間１が外界から遮断される。

天板４は蓋体２ｄ上に載せられ、気密に固定されている。天板４は円形であり、天板４の周囲には、処理容器２の側壁２ａに沿ってカーテン状に垂れ下がる筒状部位４ａが設けられている。筒状部位４ａは天板４と一体形成されており、その材質は、天板４と同じ、高純度の石英である。筒状部位４ａは側壁２ａを、処理空間１から遮蔽する役割を持つ。ただし、側壁２ａの一部には、上述したように、搬入出口２ｆが形成されている。筒状部位４ａが搬入出口２ｆを遮蔽してしまうと、被処理基板Ｗの搬入及び搬出ができなくなる。このため、筒状部位４ａの搬入出口２ｆに対応する部分には、被処理基板Ｗの搬入及び搬出ができるように、切り欠き部位４ｂが設けられている。天板４を、搬入出口２ｆから見た側面図を図２Ａ及び図２Ｂに示す。図２Ａに示すように、天板４の筒状部位４ａには、搬入出口２ｆに対応した切り欠き部位４ｂが設けられている。

また、図２Ｂに示すように、筒状部位４ａの底面４ｄは、基板載置台３の被処理基板載置面３ａよりも低い位置に設定する。このように、底面４ｄを被処理基板載置面３ａよりも低い位置まで下げることで、処理空間１のうち、プラズマが、特に良く生成される被処理基板Ｗの上方を、筒状部位４ａで覆うことができる。プラズマが、特に良く生成される箇所を筒状部位４ａで覆うようにすることで、処理容器２の側壁２ａから飛散した金属に起因した汚染は、より軽減される。

筒状部位４ａから、搬入出口２ｆを間に挟んだ処理容器２の外側には、上述したように、アルミニウム、又はその合金等からなる金属製ゲートバルブ９が設けられる。切り欠き部位４ｂが筒状部位４ａに設けられていると、側壁２ａのうち搬入出口２ｆの周囲の部分、搬入出口２ｆの内壁、及びゲートバルブ９が処理空間１に暴露されてしまう。

そこで、本例では、切り欠き部位４ｂに対応して、処理室２ｃ内に望む側に石英製シャッタ１０を設けるようにした。シャッタ１０は、側壁２ａのうち搬入出口２ｆの周囲の部分、搬入出口２ｆの内壁、及びゲートバルブ９の内面を、処理空間１に露出しないようにカバーする。これにより、金属汚染が防止される。シャッタ１０は、例えば、ゲートバルブ９の開閉と連動して上下動する。ゲートバルブ９が閉じると、シャッタ１０が、例えば、上昇して切り欠き部位４ｂを塞ぐ。反対に、ゲートバルブ９が開くと、シャッタ１０が下降して、切り欠き部位４ｂを露呈させる。シャッタ１０を、搬入出口２ｆから見た側面図を図３Ａ及び図３Ｂに示す。

図３Ａ及び図３Ｂに示すように、シャッタ１０は、シャフト１０ａを介して駆動機構１０ｂに接続されている。駆動機構１０ｂはシャフト１０ａを上下動させることで、シャフト１０ａの先端に取り付けられたシャッタ１０を上下動させる。図３Ａにはシャッタ１０が上昇している状態が示され、図３Ｂにはシャッタ１０が下降している状態が示されている。シャッタ１０がゲートバルブ９と連動して上下動する様子を図４Ａ及び図４Ｂに示す。

ゲートバルブ９が閉じていると、図４Ａに示すように、シャッタ１０は、切り欠き部位４ｂを塞いでいる。ゲートバルブ９が開くと、図４Ｂに示すように、シャッタ１０は下降して切り欠き部位４ｂを露呈させる。ゲートバルブ９が閉じると、シャッタ１０は上昇して、図４Ａに示したように、切り欠き部位４ｂを塞ぐ。

また、図４Ａ及び図４Ｂの断面に示すように、シャッタ１０の側面は、処理空間１側の面１０ｃと、搬入出口２ｆ側の面１０ｄとで幅、及び高さが異なる。本例では、処理空間１側の面１０ｃは、搬入出口２ｆ側の面１０ｄよりも、幅、及び高さ双方ともが小さくされ、さらには、切り欠き部位４ｂよりも、幅、及び高さよりも双方ともが小さくされ、切り欠き部位４ｂの中に収容されるようになっている。対して、搬入出口２ｆ側の面１０ｄは、切り欠き部位４ｂの幅、及び高さよりも大きくされ、切り欠き部位４ｂの周囲にオーバーラップするようになっている。これにより、切り欠き部位４ｂとシャッタ１０との間に、処理空間１から搬入出口２ｆ側に直線的に抜けるようなクリアランスを無くすことができる。本例では、切り欠き部位４ｂとシャッタ１０との間のクリアランスは途中で屈曲する。クリアランスを途中で屈曲させることで、側壁２ａのうち搬入出口２ｆの周囲の部分、搬入出口２ｆの内壁、及びゲートバルブ９が、処理空間１から直接には見えなくなる。従って、シャッタ１０と切り欠き部位４ｂとの間に直線的なクリアランスがある場合に比較して、搬入出口２ｆの周囲の部分、搬入出口２ｆの内壁、及びゲートバルブ９を、処理空間１からより確実に露出させないようにすることができる。

処理容器２の蓋体２ｄには、処理空間１に処理ガスを導入する処理ガス導入孔２ｇが形成されている。処理ガス導入孔２ｇは側壁２ａに通じる。本例では、側壁２ａに沿って、天板４の筒状部位４ａが形成されている。このままでは、処理ガス導入孔２ｇは、筒状部位４ａによって塞がれてしまい、処理ガスが処理空間１に導入されなくなる。

そこで、本例では、以下のように工夫した。処理ガス導入孔２ｇ周辺の拡大断面図を図５に示す。

図５に示すように、筒状部位４ａと側壁２ａとの間にはクリアランス４ｃが設定されている。処理ガス導入孔２ｇから噴射された処理ガス２ｈは、筒状部位４ａにあたり、クリアランス４ｃを介して筒状部位４ａの底面４ｄの方向に向かう。処理ガス２ｈは、底面４ｄの下を通って処理空間１に吹き出されるようになる。

このような処理ガス２ｈの流れを効率よく作るために、本例では、第１の流路形成部材１１を、筒状部位４ａと処理容器２の側壁２ａとの間に設けるようにした。流路形成部材１１の材質は、例えば、高純度の石英である。流路形成部材１１は、筒状部位４ａと同様に円筒状であり、筒状部位４ａに沿ってカーテン状に垂直方向に延びる垂直部位１１ａを有する。ただし、流路形成部材１１も筒状部位４ａと同様に、搬入出口２ｆの部分においては、被処理基板Ｗの搬入及び搬出を妨げないように、切り欠き部位を備えている。垂直部位１１ａを有する流路形成部材１１は、処理ガス２ｈを、筒状部位４ａに沿って筒状部位４ａの底面４ｄ下に導く。さらに、本例の流路形成部材１１は、底面４ｄの下に、水平方向に延びる水平部位１１ｂを有する。処理ガス２ｈは、部位１１ｂによって流路を垂直方向から水平方向へと変換され、底面４ｄ下を介して処理空間１に導入されるようになる。このように、本例では、処理ガス導入部を、石英製プレート６と筒状部位４ａの底面との間の環状かつスリット上の間隙に設けた。

基板載置台３にはバイアス電圧が与えられることがある。例えば、処理容器２は接地電位とされた場合には、基板載置台３には接地電位とは異なる電位を供給する。基板載置台３に供給された電位と接地電位との間の電位差が、基板載置台３のバイアス電圧となる。

ところが、図５に示すように、本一実施形態に係る処理装置１００においては、処理容器２の側壁２ａが石英製筒状部材４ａ、つまり誘電体で覆われてしまう。このため、基板載置台３と処理容器２との間に誘電体が存在することになり、基板載置台３に安定したバイアス電圧を与え難くなることがある。

そこで、本例では、処理容器２に、基板載置台３の被処理基板載置面３ａの近くまで延びるアルミニウム、又はその合金等からなる金属製の第２の流路形成部材２ｉを設けるようにした。本例の第２の流路形成部材２ｉは、接地された蓋体２ｄと一体成型され、流路形成部材１１と筒状部位４ａとの間に、筒状部位４ａに沿ってカーテン状に延びるものとした。もちろん、第２の流路形成部材２ｉは、蓋体２ｄと別個に形成されても良い。

このように、被処理基板載置面３ａの近くまで延びる第２の流路形成部材２ｉを設け、接地電位点を、基板載置台３の近くまでもってくることで、たとえ、基板載置台３と処理容器２の側壁との間に誘電体である筒状部位４ａが存在している場合でも、基板載置台３に安定したバイアス電圧を与えることができる。

なお、図５では第２の流路形成部材２ｉを、二点鎖線で示しているが、図１Ｂには、接地された蓋体２ｄと一体成型された第２の流路形成部材２ｉが実線で示されている。

石英製プレート６は、筒状部位４ａの底面４ｄと処理容器２の底壁２ｂとの間に水平に設けられ、処理容器２の底壁２ｂを処理空間１から遮蔽する。石英製プレート６は、処理空間１を排気するための排気経路が設けられる。本例では排気経路として排気用開口６ａを基板載置台３の下方に形成した。排気用開口６ａを基板載置台３の下方に形成することで、排気用開口６ａを基板載置台３の下に遮蔽することができる。排気用開口６ａを、基板載置台３を用いて遮蔽することで、処理空間１から底壁２ｂが直接に見えないようにすることができる。従って、排気用開口６ａが基板載置台３の下方以外に設ける場合に比較して、底壁２ｂを処理空間１から、より確実に遮蔽することができる。石英製プレート６の平面図を図６Ａに示す。

図６Ａに示すように、石英製プレート６は円形であり、その中央部に１つの排気用開口６ａが形成されている。本例では、排気用開口６ａ以外の開口は無い。また、石英製プレート６も、筒状部位４ａと同様に、搬入出口２ｆに対応した切り欠き部位６ｂが設けられている。シャッタ１０は、切り欠き部位６ｂ内に配置される。図６Ａ中の６Ｂ−６Ｂ線に沿う断面を図６Ｂに示す。

図６Ｂに示すように、石英製プレート６は、水平方向に延びる水平部位６ｃと、排気用開口６ａの周囲から排気室７へ向かって垂直方向に延びる垂直部位６ｄとを備える。水平部位６ｃは、処理空間１を底壁２ｂから遮蔽する役割を持つ。垂直部位６ｄは、処理空間１を側壁２ａのうち基板載置台３より下の部分から遮蔽する役割を持つ。さらに、本例の垂直部位６ｄは、特に、図１Ｂに示されるように、処理容器２の開口部２ｅ内に延び、開口部２ｅ内に露呈する内壁を、処理空間１から遮蔽する役割を持つ。また、垂直部位６ｄは、排気用開口６ａの周囲に設けることで、処理空間１から排気流路を形成する。

水平部位６ｃの上面には、突出部位６ｅが形成されている。突出部位６ｅは、本例では、筒状部位４ａの側面と基板載置台３の側面との間に突出する。突出部位６ｅの側面は、特に、図５に良く示されるように、流路形成部材１１の水平部位１１ｂと筒状部位４ａの底面４ｄとの間、即ち、処理ガス２ｈを処理空間１へ導入するスリット状の間隙４ｅに相対する。間隙４ｅから吹き出された処理ガス２ｈの流路は、突出部位６ｅによって、処理空間１の上方に向かって垂直方向に変換される。これにより処理ガス２ｈは、筒状部位４ａの側面と突出部位６ｅとの間に生じている環状かつスリット状の間隙６ｆから、処理空間１の上方に向かって吹き出されるようになる。本例は、処理ガス２ｈを処理空間１へ導入するスリット状の間隙４ｅが基板載置台３よりも下にある構成である。この構成では、処理ガス２ｈが基板載置台３上の被処理基板Ｗに効率良く届かない可能性がある。このような可能性は、本例のように、石英製プレート６の水平部位６ｃの上面に突出部位６ｅを設け、処理空間１内に処理ガスを導入する処理ガス導入部を、処理ガスが基板載置台３の外周近傍から処理空間１の上方に向かって吹き出されるように構成することで軽減することができる。また、処理空間１内の排気は、特に、図５に示すように、基板載置台３の外周から、基板載置台３の下方を介したものとなる。

さらに、本例は、特に、図１Ｂに示すように、底壁２ｂに形成された開口部２ｅから、金属製排気室７の内壁にかけて設けられた、高純度の石英製カバー１２を備える。石英製カバー１２は、排気室７の内壁を処理空間１から遮蔽する。排気室７の内壁は、処理空間１からは直接には見えない。ただし、基板載置台３に被処理基板Ｗを上昇させたり下降させたりするリフトピンが設けられていた場合には、排気室７の内壁が、処理空間１から直接に見える可能性がある。リフトピンは、図１乃至図６では、特に図示していないが、基板載置台３を貫通するリフトピン孔に挿入されている。リフトピン孔を介して、排気室７の内壁が、処理空間１から見えることがある。このような場合には、上記石英製カバー１２を、底壁２ｂに形成された開口部２ｅから、金属製排気室７の内壁にかけて設けると良い。

本例では、天板４に結合されたマイクロ波アンテナ５は平面アンテナである。平面アンテナから放射されるマイクロ波は、天板４を介して処理空間１に伝えられる。平面アンテナの具体的な一例は、特に、図１Ｂに示すように、ＲＬＳＡ（ラジアルラインスロットアンテナ）である。

図７に、本一実施形態を適用した具体的なＲＬＳＡプラズマ処理装置の一例を示す。図７において、図１乃至図６と同一の部分については同一の参照符号を付し、重複する説明は省略する。

図７に示すように、具体的一例に係る装置では、基板載置台３上に、例えば、高純度の石英製のステージカバー３ｂが被せられている。また、上下動するリフトピン１３、例えば、３本のリフトピン１３（図中では１本のみ図示）が設けられており、基板載置台３及びステージカバー３ｂには、リフトピン１３を挿通させるためのリフトピン孔１３ａが形成されている。

また、石英製プレート６の突出部位６ｅは筒状部材４ａと対向して設けられており、かつ、突出部位６ｅの上端部は曲面とされている。上端部を曲面とすることで、処理ガスを基板載置台３の外周から被処理基板Ｗの上方に向かって効率よく導くことができるようになる。さらに、突出部位６ｅはステージカバー３ｂの縁との間に空間を有するように形成されており、この空間が排気流路となる。さらにこの空間は、ステージカバー３ｂの下方から基板載置台３の下方にかけて斜めに延びており、基板載置台３の下方で、垂直方向に延びる。また、突出部位６ｅの上端部を本例のように曲面とすると、ガスが、基板載置台３の外周から基板載置台３の下方に向かって効率よく排気できるようになる。

図７に示す装置における処理ガス導入の流れ（１）乃至（３）、及び排気の流れ（４）乃至（６）は、以下の通りとなる。

（１） 筒状部位４ａの側面と第２の流路形成部材２ｉとの間の空間における下向き垂直な流れ（第１の流路）
（２） 筒状部位４ａの底面と第１の流路形成部材１１の水平部位１１ｂとの間の空間における処理空間１に向かう水平な流れ（第２の流路）
（３） 突出部位６ｅの側面と筒状部位４ａの側面との間の空間における上向き垂直な流れ（第３の流路）
（４） 突出部位６ｅの側面とステージカバー３ｂの縁との間の空間における下向き垂直な流れ（第１の排気路）
（５） 石英製プレート６とステージカバー３ｂの下方から基板載置台３の下方にかけての空間における下向き斜めの流れ（第２の排気路）
（６） 基板載置台３の下方の空間における石英製プレート６の垂直部位６ｄに沿った下無味垂直な流れ（第３の排気路）
図７に示す装置（実施形態）を用いて、シリコン酸化膜の形成試験を実施した。試験内容は、Ａｒ／Ｏ_２プラズマによる酸化プロセス、即ち、処理ガスとして酸素、希釈ガスとしてアルゴンを用い、酸素濃度（Ｏ_２濃度）と圧力とをパラメータとし、形成されるシリコン酸化膜の膜厚を調べてみた。酸化条件は、時間を３６０秒、基板載置台３の温度を４００℃、流量は５００乃至１０００ｓｃｃｍ（一例は１０００ｓｃｃｍ、酸素濃度１００％のときは５００ｓｃｃｍ）、パワー密度は０．４１乃至４．１９Ｗ／ｃｍ２（一例は２．８５Ｗ／ｃｍ^２）、マイクロ波パワーは５００乃至５０００Ｗとした。膜厚の単位はオングストロームである。

図８Ａに、試験の結果を示す。また、図８Ｂに、比較例として、筒状部位４ａを持たない従来の装置によるシリコン酸化膜の形成試験の結果を示す。試験内容、及び処理条件は、上記同様である。図８Ａ、及び図８Ｂにおいて、値無しの欄は、プラズマ不安定による評価不可であったところである。

図９は、図８Ａに示す結果と、図８Ｂに示す結果とを比較したもので、示される値は、（実施形態の膜厚／比較例の膜厚）×１００であり、単位は％である。

比較結果から説明すると、図９に示すように、本一実施形態に係る装置では、低圧力、低酸素濃度のとき、例えば、圧力が０．０５Ｔｏｒｒで、酸素濃度が２５％のときまでは、比較例よりも酸化レートが劣るものの、酸素濃度が５０％以上になると、圧力に関係なく、比較例よりも酸化レートが向上することが確認された。

また、圧力が０．５Ｔｏｒｒ以上になると、酸素濃度に関係なく、比較例よりも酸化レートが向上することが確認された。

このように、本一実施形態に係るプラズマ処理装置は、金属汚染を抑制できるばかりでなく、全体的に酸化レートが高く、特に、高酸素濃度、かつ、高圧力での酸化の際には酸化レートが高まる、という利点をも得ることができた。

特に、図８Ａに示すように、圧力が５Ｔｏｒｒで酸素濃度１００％、及び圧力が９Ｔｏｒｒで酸素濃度が７５％、及び１００％のとき、形成されるシリコン酸化膜の膜厚が５０オングストローム（５ｎｍ）を超える。これは、比較例との比較によれば、図９に示すように、酸化レートが、５６％から１４４％増しという結果である。特に、圧力が９Ｔｏｒｒ、酸素濃度が１００％のときには、上記条件で９４．１６６オングストローム（約９．４ｎｍ）という膜厚のシリコン酸化膜が形成され、最高の酸化レートを示した。高圧力下で高い酸化レート、特に、９Ｔｏｒｒで、比較例に比べて２倍以上の酸化レートを示したことは、今後の半導体プロセスに有用な結果である。

なお、高酸素濃度、高圧力の環境下で酸化レートが２５％増という、実施に最適な良い結果が得られた条件は、図９に示すように、圧力が５Ｔｏｒｒ以上で酸素濃度が７５％以上の場合、及び圧力が９Ｔｏｒｒ以上で酸素濃度が５０％以上の場合である。

図９に示した結果をグラフ化した図を、図１０に示す。

図１０に示すように、圧力が０．５Ｔｏｒｒ以上の領域では、酸素濃度（Ｏ_２濃度）に関係なく、比較例よりも酸化レートが向上する。

さらに、圧力が０．５Ｔｏｒｒ以上の領域では、特に、圧力が１Ｔｏｒｒ以上の領域では、酸素濃度が２５％以上の場合において、その酸素濃度が高くなるにつれて酸化レートが高まっていく、という傾向があることが確認された。

図１０に示す曲線Ｉは酸素濃度が２５％の場合、曲線ＩＩは酸素濃度が５０％の場合、曲線ＩＩＩは酸素濃度が７５％の場合、及び曲線ＩＶは酸素濃度が１００％の場合である。これらの曲線Ｉ乃至ＩＶに示すように、圧力が０．５Ｔｏｒｒ以上、特に、圧力が１Ｔｏｒｒ以上の領域では、酸素濃度が２５％以上の場合において、その酸素濃度が高くなるにつれて酸化レートが高まっている。

図１０に示す結果からは、特に、シリコン酸化膜を形成する際の圧力を０．５Ｔｏｒｒ以上とし、シリコン酸化膜を形成する処理ガスの酸素濃度を２５％以上とすることで、酸化レートが、特に速いプラズマ処理方法が得られることが分かる。

このような結果が得られた根拠の一つとして、処理ガスを基板の外周方向より導入する、という処理ガスの拡散経路の違い、及び処理容器の金属部材の露出を完全に遮蔽する、という処理空間１の形状の違いを挙げることができる。

図１１Ａは本一実施形態に係る装置を概略的に示す断面図、図１１Ｂは比較例に係る装置を概略的に示す断面図である。

図１１Ａ、及び図１１Ｂに示すように、両者の相違点を述べると、本一実施形態に係る装置は筒状部位４ａがあり、比較例には筒状部位４ａがない。また、処理ガスの供給箇所５０は、本一実施形態に係る装置は被処理基板Ｗの側面ないしは下方にあるのに対し、比較例では被処理基板Ｗの上方にある。排気箇所５１は両者ともが被処理基板Ｗの下方にあることは一致するが、本一実施形態に係る装置は処理ガスの供給箇所５０から排気箇所５１までの距離が短く、比較例はこの距離が、処理空間１の上方から下方までと長い。

これらの相違点から以下のような推測が成り立つ。

本一実施形態では処理ガスの供給箇所５０、及び排気箇所５１の双方が処理空間１の側面ないしは下方にある。しかも、石英製プレート６の突出部位６ｅを挟んで隣り合うので、供給箇所５０から排気箇所５１までの距離が短い。距離が短いために、処理空間１に供給した処理ガスをすぐに排気することができ、酸化処理等のプラズマ処理に必要な最小限の処理ガスのみを処理空間１に拡散できる。しかも、供給箇所５０と排気箇所５１とが突出部位６ｅを挟んで隣り合わせになるので、供給箇所５０から供給された処理ガスは、被処理基板Ｗの上方に届く前に、一旦排気箇所５１の上方を通過することになる。このため、供給された処理ガスの一部は被処理基板Ｗの上方に届く前に排気されるから、被処理基板Ｗの上方には、プラズマ処理に不要なガスが拡散し難くなり、必要な最小限の処理ガスのみが拡散されやすくなる。通常、処理空間１に供給された処理ガスのうち、実際にプラズマ処理に作用する処理ガスの割合は１０％未満である。９０％以上は不要なガスである。不要なガスは酸化処理等のプラズマ処理を阻害する可能性がある。しかし、本一実施形態では不要なガスが被処理基板Ｗの上方に拡散し難くなるから、高圧下でも酸化レート等の処理レートが落ちない。落ちないばかりか、図９及び図１０に示したように、処理レート（酸化レート）が概ね向上する結果が得られた。

対して、比較例は処理ガスの供給箇所５０が処理空間１の上方にあり、排気箇所５１が処理空間１の下方にあるので、供給箇所５０から排気箇所５１までの距離が長く、供給されたほとんどの処理ガスが処理空間１に拡散する。比較例では、処理空間１に供給された処理ガスは、被処理基板Ｗの上方、もしくは周りを通過する。このため、被処理基板Ｗの上方や周りに、プラズマ処理に不要なガスが拡散しやすい。特に、高圧下になると不要なガスが多くなるので、酸化が阻害されてしまう。

また、本一実施形態は石英製筒状部位４ａ、つまり誘電体が被処理基板Ｗの横まで延びている。このため、処理空間１内において、被処理基板Ｗは、上方、及び周りを含んで全体的に誘電体で取り囲まれたかたちとなる。誘電体はマイクロ波が透過する。このように、被処理基板Ｗの側面ないし上面を、マイクロ波を透過する誘電体で囲む。この誘電体を介してマイクロ波を供給し、処理ガスを、被処理基板Ｗ（基板載置台３）の外周側ないしは下方から供給することで、マイクロ波プラズマが被処理基板Ｗの極近傍で発生しやすくなる。また、処理ガスの濃度が被処理基板上面で高い状態で、被処理基板Ｗの極近傍でマイクロ波プラズマが発生することで、酸化処理の効率が良くなる。

対して、比較例は誘電体が天板４のみであり、しかも、処理ガスは処理空間の上方から供給されるから、マイクロ波プラズマは処理空間１の上方、即ち、天板４の近くで発生しやすくなる。このように比較例では、本一実施形態に比較して、プラズマが被処理基板Ｗから離れた箇所で発生しやすくなってしまうので、酸化処理の効率が低くなりやすい。

これらのことから、本一実施形態に係るプラズマ処理装置は、筒状部位４ａを持たない装置に比較して、全体的に酸化レート等の処理レートが高く、特に、高酸素濃度、かつ、高圧力でのプラズマ処理の際には酸化レート等の処理レートが高まる、と推測される。

このように、本一実施形態に係るプラズマ処理装置は、処理容器２の内壁を、石英を用いて覆い、処理空間１に暴露させないようにすることで、処理レートが速いプラズマ処理装置を得ることができる。

また、処理容器２の内壁を、石英を用いて覆い、処理空間１に暴露させないようにすることで、処理容器２の内壁から飛散した金属に起因するような汚染を減らすことができる。

よって、本一実施形態に係るプラズマ処理装置は、緻密で品質の良い膜を、速い処理レートで形成することもできる。

以上、この発明を一実施形態に従って説明したが、この発明は上記一実施形態に限られるものではなく、種々の変形が可能である。また、この発明の実施形態は上記一実施形態が唯一の実施形態でもない。

例えば、上記一実施形態ではプラズマ処理として酸化処理を例示したが、一実施形態に係る装置は、酸化処理に限られるものではなく、例えば、窒化処理や酸窒化処理、又は成膜処理にも適用することができる。

また、マイクロ波アンテナとして、ＲＬＳＡを例示したが、ＲＬＳＡ以外のマイクロ波アンテナを用いることもできる。

また、プラズマ処理装置としては、その他の平行平板型、表面波型、マグネトロン型、及び誘導結合型等のプラズマ処理装置にも適用することができる。

図１Ａはこの発明の一実施形態に係るプラズマ処理装置を概略的に示す水平断面図、図１Ｂは図１Ａ中の１Ｂ−１Ｂ線に沿う断面図 図２Ａ及び図２Ｂは天板を搬入出口からみた側面図 図３Ａ及び図３Ｂはシャッタを搬入出口からみた側面図 図４Ａ及び図４Ｂはシャッタとゲートバルブとが連動する様子を示す断面図 処理ガス導入孔周辺の拡大断面図 図６Ａは石英製プレートの平面図、図６Ｂは図６Ａ中の６Ｂ−６Ｂ線に沿う断面図 一実施形態を適用したＲＬＳＡプラズマ処理装置の一例を示す断面図 図８Ａ及び図８Ｂはシリコン酸化膜形成試験の結果を示す図 図９は図８Ａ及び図８Ｂに示すシリコン酸化膜形成試験の比較結果を示す図 図９に示す結果をグラフ化して示す図 図１１Ａは一実施形態に係る装置を概略的に示す断面図、図１１Ｂは比較例に係る装置を概略的に示す断面図

符号の説明

１…処理空間、２…金属製処理容器、２ａ…金属製処理容器の側壁、２ｂ…金属製処理容器の底壁、３…基板載置台、３ａ…被処理基板載置面、４…石英製天板、４ａ…筒状部位、５…マイクロ波アンテナ、６…石英製プレート。

Claims (17)

1. プラズマ処理を行う処理空間を形成する金属製処理容器と、
   前記処理空間内に設けられた、被処理基板が載置される基板載置台と、
   前記金属製処理容器の側壁を前記処理空間から遮蔽し、下端が前記基板載置台の被処理基板載置面よりも下方に延びる石英製部材と、
   前記石英製部材の底面と前記金属製処理容器の底壁との間に設けられた、前記金属製処理容器の底壁を、前記処理空間から遮蔽する環状の石英製部材と、
   前記基板載置台の外周近傍から前記処理空間に処理ガスを導入する処理ガス導入部と、
   を具備することを特徴とするプラズマ処理装置。
2. プラズマ処理を行う処理空間を形成する金属製処理容器と、
   前記処理空間内に設けられた、被処理基板が載置される基板載置台と、
   前記処理容器の、前記基板載置台の被処理基板載置面に対向する上面部に設けられ、前記金属製処理容器の側壁を前記処理空間から遮蔽する筒状部位を備えた石英製天板と、
   前記石英製天板に結合されたマイクロ波アンテナと、
   前記筒状部位の底面と前記金属製処理容器の底壁との間に設けられた、前記金属製処理容器の底壁を、前記処理空間から遮蔽する石英製プレートと、
   前記基板載置台の外周近傍から前記処理空間に処理ガスを導入する処理ガス導入部と、
   を具備することを特徴とするプラズマ処理装置。
3. 前記石英製プレートは排気用開口を前記基板載置台の下方に有し、前記処理空間内の雰囲気を前記基板載置台の下方から排気することを特徴とする請求項２に記載のプラズマ処理装置。
4. 前記石英製プレートは、前記筒状部位の側面と前記基板載置台の側面との間に突出する突出部位を有することを特徴とする請求項２に記載のプラズマ処理装置。
5. 前記筒状部位は、前記突出部位と対向する部分を有することを特徴とする請求項４に記載のプラズマ処理装置。
6. 前記金属製処理容器の側壁に形成された、処理ガスを前記処理空間に導入するガス導入孔と、
   前記筒状部位と前記金属製処理容器の側壁との間に設けられた、前記処理ガスを前記筒状部位に沿ってこの筒状部位の底面下に導き、前記処理ガスを、前記筒状部位の底面下を介して前記処理空間に導入するガス流路形成部材と、をさらに具備することを特徴とする請求項２に記載のプラズマ処理装置。
7. 前記金属製処理容器の底壁に形成された開口部と、
   前記開口部に接続され、排気機構に接続される金属製排気室と、
   前記底壁に形成された開口部から前記金属製排気室の内壁にかけて設けられた、前記金属製排気室の内壁を、前記処理空間から遮蔽する石英製カバーと、をさらに具備することを特徴とする請求項２に記載のプラズマ処理装置。
8. 前記金属製処理容器の側壁に形成された、前記被処理基板を前記処理空間内に搬入出する搬入出口と、
   前記筒状部位に形成された、前記搬入出口に対応した切り欠き部位と、
   前記切り欠き部位と前記搬入出口との間に設けられた、石英製シャッタと、をさらに具備することを特徴とする請求項２に記載のプラズマ処理装置。
9. 前記マイクロ波アンテナは、平面アンテナであることを特徴とする請求項２に記載のプラズマ処理装置。
10. 前記平面アンテナは、ラジアルラインスロットアンテナであることを特徴とする請求項９に記載のプラズマ処理装置。
11. 前記プラズマ処理装置は、シリコン酸化膜を形成するものであることを特徴とする請求項２に記載のプラズマ処理装置。
12. マイクロ波プラズマを用いて膜を形成するプラズマ処理方法であって、
    被処理基板の外周ないし上面を、マイクロ波が伝搬される誘電体で囲み、この誘電体にマイクロ波を供給する工程と、
    前記誘電体にマイクロ波が供給された状態で、処理ガスを、前記被処理基板の外周ないし下方から供給する工程と、
    を具備することを特徴とするプラズマ処理方法。
13. 前記処理ガスは、前記処理ガスを排気する排気口の上方を通過させた後、前記被処理基板の上方に供給することを特徴とする請求項１２に記載のプラズマ処理方法。
14. 前記形成される膜は、シリコン酸化膜であることを特徴とする請求項１２に記載のプラズマ処理方法。
15. 前記シリコン酸化膜を形成する処理ガスの酸素濃度を５０％以上とすることを特徴とする請求項１４に記載のプラズマ処理方法。
16. 前記シリコン酸化膜を形成する際の圧力を０．５Ｔｏｒｒ以上とすることを特徴とする請求項１４に記載のプラズマ処理方法。
17. 前記シリコン酸化膜を形成する処理ガスの酸素濃度を２５％以上とすることを特徴とする請求項１６に記載のプラズマ処理方法。

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