JP2012023163A

JP2012023163A - プラズマ処理装置

Info

Publication number: JP2012023163A
Application number: JP2010159256A
Authority: JP
Inventors: Kenji Maeda; 賢治前田; Hitoshi Tamura; 仁田村; Yoji Takahashi; 洋二高橋
Original assignee: Hitachi High Technologies Corp; Hitachi High Tech Corp
Current assignee: Hitachi High Tech Corp
Priority date: 2010-07-14
Filing date: 2010-07-14
Publication date: 2012-02-02

Abstract

【課題】微細な加工処理に有効な中密度プラズマ領域での高い制御性とウエハの大口径化に対応した均一性とを両立できるプラズマ処理装置を提供する。
【解決手段】真空排気手段により排気された真空処理室と、真空処理室にガスを供給するためのガス供給手段と、プラズマを生成するためのマイクロ波電力供給手段と、前記真空処理室に備えられた誘電体製のマイクロ波透過窓と、ウエハを載置するための基板ステージと、前記基板ステージを介してウエハに高周波バイアス電力を印加するための高周波バイアス電源と、真空容器に磁場を発生させるためのソレノイドコイルとヨークとを備えたプラズマ処理装置において、前記した誘電体製マイクロ波透過窓の中央部を、他の部分に対して、誘電体中のマイクロ波の波長の概略１／４突出させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、減圧した真空容器内部の処理室内に供給したマイクロ波による電界を用いて形成したプラズマを用いて半導体ウエハ等の処理対象の基板状の試料を処理するプラズマ処理装置に係り、特に処理室内に供給した磁場との相互作用により形成したプラズマを用いて半導体デバイスの製造工程でウエハの表面に処理を施すプラズマ処理装置に関する。

半導体デバイスの量産工程において、プラズマエッチング，プラズマＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition），プラズマアッシング等のプラズマ処理が広く用いられている。プラズマ処理は、減圧した状態の処理用ガスに高周波電力やマイクロ波電力を投入することで発生したイオンやラジカルを、ウエハに照射することで行われる。エッチング用のプラズマ源には、半導体デバイスの微細化に対応した低ガス圧力領域での良好なエッチング形状制御性と、ウエハ面内を均一に処理するための高均一性が求められている。特に、工業周波数である２.４５ＧＨｚで、電子サイクロトロン共鳴（Electron Cycrotolon Resonance：ＥＣＲ）を利用した有磁場マイクロ波プラズマ源は、低圧力で高密度のプラズマを生成することができるため、１９９０年前後から盛んに研究・開発が行われてきた。

このようなマイクロ波プラズマ処理装置の例として特許文献１，特許文献２が挙げられる。この従来技術の装置は、プラズマ生成室とウエハの処理室とが分離されており、プラズマ生成室でＥＣＲ効果を用いて発生させたプラズマを磁場で処理室に引き出し、ウエハの処理を行うことが特徴であった。マイクロ波は矩形導波管や円形導波管を用いてプラズマ生成室に導入され、導波管とプラズマ生成室の間は石英等のマイクロ波を透過する材質の窓で仕切られ、真空封止されていた。

このような従来の技術では処理の不均一性が問題となった。これは、矩形導波管の基本モードである矩形ＴＥ１０モードや円形導波管の基本モードである円形ＴＥ１１モードでは、電界強度が周辺部に比べ中央部が強くなることが原因となって、プラズマの密度，強度の分布が不均一になってしまうためである。

これを解消するため、特許文献１には、導波管とプラズマ生成室の入り口の間の窓部に凹レンズを設けることで中央部のマイクロ波を広げる技術が開示されている。また特許文献２には、該窓部の中央部に凹部を、外周部に凸部を設けることで、中央部のマイクロ波電界を広げ、外周部にマイクロ波電界を集中させる技術が開示されている。

さらに、この窓部とプラズマ界面からの反射波を逆に利用した技術が、特許文献３に開示されている。特許文献３には、処理室がプラズマ生成室を兼ねており投入した電力を効率的に処理に用いることができる処理装置が開示されている。また、プラズマ生成室の上部に円筒空洞部を設けている。

円筒空洞部の中心には円形導波管が接続されており、マイクロ波は該導波管から円形ＴＥ１１モードで円筒空洞部に導入される。ここで、円筒空洞部の天板から、真空を封止している石英天板とプラズマとの境界面までのマイクロ波に対する等価距離を円形ＴＥ０１モードの管内波長の１／２の整数倍とすることで、プラズマ境界面からの反射波と円筒空洞部の天板からの反射波が共振し、円筒空洞内に円形ＴＥ０１モードの定在波を形成する。この結果導入した円形ＴＥ１１モードと、共振モードであるＴＥ０１モードが重畳されたマイクロ波モードが円筒空洞内に発生する。円形ＴＥ１１モードの電界強度分布は中高分布であり、円形ＴＥ０１モードは外高分布であるため、円筒空洞内にて、両者が重畳されたマイクロ波モードの電界強度分布は略均一となる。これにより円筒空洞下部にあるプラズマ生成室（処理室）に均一で安定な高密度プラズマを発生させることができる。

さらに特許文献４には、円筒空洞共振部とエッチング処理室との間の、真空封じを行っている石英天板の厚さを、石英中のマイクロ波の波長の約１／２の整数倍とすることにより、ウエハ上のプラズマを高密度にする技術が開示されている。

特開平３−２４４１２３号公報特開平６−１２０１５５号公報特開平７−２３５３９４号公報特開平８−３１５９９８号公報

国際半導体技術ロードマップ（International Technologiy Roadmap for Semiconductors；ＩＴＲＳ）によれば、半導体デバイスの微細化とウエハの大口径化は今後も進み、２０１４年から２０１６年の間には２２ｎｍノード，４５０mm（１８インチ）ウエハを用いた量産が立ち上がると予想されている。またトランジスタ構造は、現在の主流であるプレーナ型（平面型）から、ダブルゲート型，トライゲート型等の３Ｄ構造を有したＦｉｎＦＥＴ型が主流になるものと予想される。これら将来の半導体デバイスの製造に用いられるプラズマ処理装置、特に微細化の要であるエッチング装置には、４５０mmの広範囲に渡っての高い処理均一性と極限の微細加工性能が求められている。

特許文献３や特許文献４に記載されているような高密度プラズマを用いるとエッチング速度が速くなりすぎ、制御性，再現性を損なってしまう虞が有った。さらには、マスク選択比や下地選択比の低下、また、側壁荒れの問題も顕在化してくる。ここで高密度プラズマとは、プラズマ密度で７.５ｅ１０cm^-3（２.４５ＧＨｚにおける無磁場でのプラズマのカットオフ密度）以上、ウエハ上のイオン電流密度で３ｍＡ／cm²程度以上のプラズマを指している。

特許文献３や特許文献４に記載の技術では、プラズマ密度を下げるためにマイクロ波の電力を下げると、ＴＥ１１モードに起因したエッチングレートの中高分布となってしまう虞がある。円筒空洞がＴＥ０１モードの共振器として作用するためには、石英天板とプラズマとの境界面からの反射波が、ある程度必要になってくる。マイクロ波はカットオフ密度以上の高密度プラズマ中を、無磁場では全く伝播できず、また、有磁場でも十分には伝播できないため、前記境界面で相当量反射されることになる。この反射波と、円筒空洞の上部からの反射波の重ね合わせで円筒空洞はＴＥ０１モードの共振器として作用できる。

これに対し、カットオフ密度以下の中密度プラズマ領域ではマイクロ波はプラズマ中を伝播できるため、前記境界面でその一部は反射される。その結果、中央部の電界強度が強い円形ＴＥ１１モードが支配的となり、エッチングレート分布も中高になってしまう。このため、中密度領域のプラズマを均一に維持することができなくなってしまうという問題が有った。ここで中密度プラズマとは、プラズマ密度が概略７.５ｅ１０cm^-3以下、１.２ｅ１０cm^-3以上（ウエハ上のイオン電流密度で３.０ｍＡ／cm²程度以下、０.５ｍＡ／cm²程度以上。０.５ｍＡ／cm²は現実的な処理速度が得られる下限。）のプラズマを指している。

さらには、４５０mmウエハの処理に対応するために処理室の径や円筒空洞共振器の径を拡大すると、プロセス条件によっては空洞部で共振させたいモードである円形ＴＥ０１モード以外の高次モード、例えばＴＭ０１，ＴＥ２１，ＴＭ１１，ＴＥ３１等が発生し、処理の均一性を損なったり放電不安定性を引き起こしてしまう虞が有る。

また、特許文献３に記載の従来技術では、真空容器からの金属汚染をさけるために耐プラズマ性の材料で形成された円筒状の絶縁物カバーを真空容器内壁に設置していた。一方、該絶縁物カバーは非常に高価な交換部品であり、装置のランニングコストを上昇させてしまう。また、絶縁物カバーは真空容器から真空断熱されてしまうため、その温度制御が難しいといった問題もあった。

本発明は、微細な加工処理に有効な中密度プラズマ領域での高い制御性とウエハの大口径化に対応した均一性とを両立できるプラズマ処理装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は、真空排気手段により排気された真空処理室と、真空処理室にガスを供給するためのガス供給手段と、プラズマを生成するためのマイクロ波電力供給手段と、前記真空処理室に備えられた誘電体製のマイクロ波透過窓と、ウエハを載置するための基板ステージと、前記基板ステージを介してウエハに高周波バイアス電力を印加するための高周波バイアス電源と、真空容器に磁場を発生させるためのソレノイドコイルとヨークとを備えたプラズマ処理装置において、前記した誘電体製マイクロ波透過窓の中央部を、他の部分に対して、誘電体中のマイクロ波の波長の概略１／４突出させたことを特徴とする。

また、上記のプラズマ処理装置において、マイクロ波透過窓の中央突出部の直径が、ウエハ直径の１／３ないし２／３であることを特徴とする。

さらには、上記したプラズマ処理装置において、前記マイクロ波透過窓の外周部を、内径がウエハ直径よりも大きく、厚さが誘電体中のマイクロ波の波長の概略１／４となるように、リング状に突出させたことを特徴とする。

本発明の第一の実施例を示す縦断面図。従来技術及び本発明におけるウエハ上でのイオン電流密度分布のマイクロ波電力依存性を示す二次元グラフ。従来技術及び本発明におけるウエハ上でのイオン電流密度分布のＥＣＲ高さ依存性を示す二次元グラフ。マイクロ波電力とＥＣＲ高さを変化させた際の、従来技術及び本発明におけるウエハ上でのイオン電流密度の均一性の等高線マップ。誘電体製マイクロ波透過窓の中央突出部の直径を変えた際の、ウエハ上でのイオン電流密度を示す二次元グラフ。本発明の第二の実施例を示す縦断面図。磁力線とＥＣＲ高さの一例を示す模式図。

以下、図１乃至図７を用いて本発明によるマイクロ波プラズマ処理装置の実施例を示す。

〔実施例〕
図１は本実施例によるプラズマ処理装置の縦断面図を示している。まず図１を用いて概略を説明する。

略円筒形の真空処理室１の下部には、ウエハ４を載置する基板ステージ５が備えられており、該真空処理室１はコンダクタンス調節バルブ３１を介してターボ分子ポンプ３２により真空排気される構成となっている。前記真空処理室１の上部には略円板状の突出部９を備えた誘電体製のマイクロ波透過窓６が備えられており、その上部には円筒空洞７が備えられている。円筒空洞７の高さは、円筒空洞中で円形ＴＥ０１モードのマイクロ波が共振するように調整されている。

マイクロ波透過窓６の下部にはシャワープレート８が備えられており、図示しないガス供給系から導入された処理用のガスを真空処理室１に均一に分散させる構成となっている。前記円筒空洞７の上部には、円形導波管２１を介してマイクロ波導入系が接続されている。

本実施例では、マイクロ波の周波数として、例えば、工業周波数である２.４５ＧＨｚを用いている。さらに真空処理室１の外部には、１系統ないし３系統の独立して制御，調節された電力が供給されるソレノイドコイル２と、ヨーク３とが備えられている。

本実施例では、真空処理室１にシャワープレート８を介して処理用のガスを導入し、真空処理室１内の圧力をコンダクタンス調節バルブ３１により所望の値に調整した後、マイクロ波等の電波源から真空処理室１に電界を投入することで処理用のガスがプラズマ化される。この際、ソレノイドコイル２により真空処理室１内部にＥＣＲ共鳴を引き起こす強度である８７５ガウスの磁場を印加しておくことで、０.０５Ｐａから５Ｐａ程度の低圧力領域で安定したプラズマを生成することができる。基板ステージ５にはウエハ４に高周波バイアス電力を印加するための手段が備えられており、この電力により基板ステージ５またはウエハ４上面にバイアス電位を形成することでプラズマ中のイオンをウエハ４に引き込みウエハ４の処理の高精度，高速化を図ることができる。

内部が略円筒形の真空処理室１はアルミニウム等の金属製であり側壁の一部は接地されている。また、真空処理室１の内壁は、プラズマ耐性があり、かつデバイスの金属汚染の生起を抑制する絶縁材料、即ち、イットリア（Ｙ₂Ｏ₃），アルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃），フッ化イットリウム（Ｙ₂Ｆ₃），フッ化アルミニウム（Ａｌ₂Ｆ₃），窒化アルミニウム（ＡｌＮ），石英（ＳｉＯ₂）等の材料で、５０μｍないし５００μｍ程度の厚さでコーティングしてある。

また真空処理室１の内部の壁面を温度調節することで、量産時の処理安定性を向上させることができる。真空処理室１の温度の調節は、真空処理室１の内側に液体が流れる流路を形成しておき、チラー等で温調された液体を該流路に流すことで実現できる。もしくは、真空処理室１の側壁の大気側の箇所にヒーターを具備してもよい。

本実施例では、これらの温調手段により真空処理室１は３０℃から１００℃の間の所望の温度で温調される。また、真空処理室１の金属壁部分に白金温度計等の温度モニタ手段を埋め込み、温度モニタ手段からの出力をフィードバックして真空処理室１の温度を調節することで、さらなる処理の安定化が期待できる。

真空処理室１の下方には、ウエハ４を載置するための基板ステージ５が備えられている。基板ステージ５には１系統ないし５系統の温度の調節手段である温調ユニット４５が設けられている。また基板ステージ５は、図示しない伝熱ガス供給系と静電チャック機能を有しており、プラズマ処理中にウエハ４を静電気力で保持し、ウエハ４裏面にＨｅ等の伝熱ガスを供給することで、ウエハ４の温調を可能としている。温調手段を複数設けることにより、ウエハ４の温度分布をきめ細かく制御することができるため、径が４５０mmのような大口径のウエハ４の処理に適した構成となっている。

さらに、基板ステージ５には、第一の整合器４２を介して第一の高周波バイアス電源４１が、さらに、第二の整合器４４を介して第二の高周波バイアス電源４３が備えられている。第一の高周波電源の周波数は第二の高周波バイアス電源の周波数よりも低く設定されており、第一の高周波バイアス電源４１の周波数は４００ｋＨｚないし４ＭＨｚの間から、第二の高周波バイアス電源４３の周波数は２ＭＨｚないし１３.５６ＭＨｚの間から適切に選択される。周波数の異なった２種類の高周波バイアス電源の電力比率を適切に調節することで、ウエハ４に入射するイオンのエネルギー分布を、より細かく制御できる。これにより、マスク選択比や下地選択比の向上が期待できるだけでなく、側壁荒れやノッチ形状，テーパー形状の抑制も期待できる。

真空処理室１の上部には、マイクロ波透過窓６を介して円筒空洞７と電界を供給する電波であるマイクロ波の供給手段が連結されている。マイクロ波供給系は、円形導波管２１，円偏波発生器２２，矩形円形導波管変換部２３，矩形導波管２４，マイクロ波用自動整合器２５，アイソレータ２６，マグネトロン２７から構成されている。

マグネトロン２７より発振されたマイクロ波は矩形ＴＥ１０モードで矩形導波管２４を伝播し、矩形円形導波管変換部２３で円形ＴＥ１１モードに変換されて円筒空洞７に導入される。また、円偏波発生器２２で円形ＴＥ１１モードの偏波面を回転させ、右回り円偏波を発生させることにより、周方向での電界分布を均一化することができる。

また、マイクロ波用自動整合器２５で負荷とのマッチングを取ることにより、マイクロ波電力をプラズマ負荷に効率よく投入し、反射電力を抑えることができる。さらに、アイソレータ２６は、マイクロ波用自動整合器２５で取りきれなかった反射波がマグネトロンに戻ることを防いでいる。

真空処理室１の外部配置された１系統ないし３系統のソレノイドコイル２と、ヨーク３とにより、真空処理室１内部にＥＣＲ共鳴を引き起こす強度である８７５ガウスの磁場が印加される。参考として、図７に磁場形状の一例を示す。図中の点線１０１は磁力線を、実線１０２は８７５ガウスの等磁束密度面（今後、ＥＣＲ面と称する）を示している。

このようなソレノイドコイル２に流れる電流を適宜調節することで、真空処理室１内でのＥＣＲ面の高さ（今後、ＥＣＲ高さと称する）や、ＥＣＲ面の形状，磁力線の発散度合い等を調節することができるようになっている。ＥＣＲ共鳴を用いることにより、微細加工に有利な０.０５Ｐａから５Ｐａ程度の低圧力領域にて、安定したプラズマを生成することができる上に、ＥＣＲ高さやＥＣＲ面の形状，磁力線の発散度合いを制御することにより、真空処理室１内のプラズマ密度分布を制御できる。

真空処理室１の上部には、略円板状をした誘電体製のマイクロ波透過窓６が備えられている。該マイクロ波透過窓の直径は前記真空処理室１の内径よりも若干大きくなっており、外周縁部の下面と真空処理室１の側壁の部材の上端部との間をこれらに挟まれたＯリング等でシールすることにより、真空処理室１内と外部の大気との間を気密に封止して内部の真空度を所望のものに維持している。マイクロ波透過窓６の材質としては、マイクロ波の損失が小さく、汚染を引き起こさない材質、即ち、石英，アルミナ，イットリア等の材質が望ましい。

前記マイクロ波透過窓６の下部には略円板状の誘電体製のシャワープレート８が備えられている。シャワープレート８の材質も、マイクロ波透過窓６の材質と同様に、マイクロ波の損失が小さく、汚染を引き起こさない材質、即ち、石英，アルミナ，イットリア等の材質が望ましい。本実施形態ではマイクロ波透過窓及びシャワープレート８の材質を石英とした。

シャワープレート８には直径０.１mmないし０.８mm程度の小孔が、５mmピッチないし２０mmピッチ程度の間隔で開けられており、また、その厚さは５mmないし１５mmの間で使用者の処理に応じて適切に選択される。シャワープレート８とマイクロ波透過窓６の間には、０.１mmないし１mm程度の図示しないガスバッファ室が設けられており、このガスバッファ室の外周部から導入された処理用のガスはガスバッファ室の全体に充満して行き渡り下方のガス孔から全体的に均等に真空処理室１内に流入させることができる。

また、本実施例でガスバッファ室とシャワープレートを内周部と外周部の２つの領域に分け、それぞれに別系統のガス供給系（図示せず）を接続し、内周部と外周部に流す処理用のガスの種類，組成，流量を適宜調節することで、ウエハ４に到達するラジカル種の分布を制御することが可能になる。これにより、より高いウエハ４面内の処理均一性を達成することができる。また、処理用のガスとしては、Ｃｌ₂，ＨＢｒ，ＨＣｌ，ＣＦ₄，ＣＨＦ₃，ＳＦ₆，ＢＣｌ₃，Ｏ₂，ＣＨ₄等の反応性ガスの中から１種類ないしは４種類程度を、被エッチング膜の種類に応じて適切に選び、それぞれの流量や混合比が適切に調節される。また、これらの混合した反応性ガスに、ＡｒやＸｅ等の希釈ガスを適切な流量で加えても良い。

本実施例で用いられる石英製のマイクロ波透過窓６の上面の中央部には、マイクロ波透過窓６と同じ材質である石英で、直径がウエハ４径の１／３から２／３の範囲の値で選択されたもので、高さが石英中を伝播するマイクロ波の波長の１／４にされた略円板状の突出部９が、円筒空洞７及びマイクロ波透過窓６と中心軸を合わせて配置されている。本突出部９は、前記マイクロ波透過窓６と一体で形成されていても良く、別々の部品であっても良い。

突出部９を設けることにより、突出部９を透過して下方に伝播するマイクロ波の透過率を周囲の他の部分と比較し低下させることができる。前述したように、中密度程度のプラズマを想定した場合、円筒空洞７での円形ＴＥ０１モードの共振が十分に行われないため、中心部の電界強度が強い円形ＴＥ１１モードが主体となって真空処理室１に伝播する。したがって、本実施例のように突出部９によってマイクロ波透過窓６の中央部でマイクロ波透過率を低減することにより、プラズマに投入されるマイクロ波の電界強度分布を均一化でき、ひいてはプラズマ分布を均一化できる。以下、マイクロ波透過率の調節について説明する。

マイクロ波がある媒質から別の媒質へと伝播する際には、その界面で必ず一部は反射する。また、両媒質の誘電率が大きく異なるときには、反射はより大きくなることは良く知られている。

本実施例の場合、マイクロ波がプラズマに伝播していく過程の中でマイクロ波の反射界面となるのは、マイクロ波透過窓６及び突出部９両者の上面と、シャワープレート８の下面（プラズマとの境界面）の２箇所である。マイクロ波透過窓６の厚さを、この２箇所からの反射波を打ち消しあうような厚さ（仮に厚さＡとする）に設定すればマイクロ波の透過率は最大となり、また、マイクロ波透過窓６と突出部９の厚さを、前記した２箇所からの反射波が強めあうような厚さ（厚さＢとする）に設定すると、突出部９のマイクロ波の透過率は最小となる。ここで、厚さＡと厚さＢの差の絶対値は、マイクロ波透過窓６の媒質（石英）中のマイクロ波の波長λｗの１／４（石英中では１６mm）となる。

上記の説明では片方のマイクロ波の反射界面をシャワープレート８下面（プラズマとの境界面）としたが、実際はシャワープレート８の上部にはガスバッファ室があり、また、シャワープレート８直下のプラズマ密度も縦方向に分布を持っているため、シャワープレート８下面の反射境界の位置は明確には定まらない。したがって、前記した厚さＡと厚さＢとの差の絶対値を概ねλｗ／４とした上で、厚さＡを実験的に定めればよい。

次に、図２から図４を用いて、本実施例の作用を説明する。これらの例では、ウエハ４径が３００mmの場合のプラズマ処理装置における結果を説明する。また、結果の説明の中で比較対象として従来の技術の結果を説明する。また、本実施例は、マイクロ波透過窓６の中央部に、φ１５０mmの範囲で１６mm突出部９を設けた例における結果を意味している。また、事前に行った予備試験の結果、マイクロ波透過窓６の上面からシャワープレート８の下面までの距離は４２mmとしている。

図２に、ウエハ４上のイオン電流密度分布のマイクロ波電力依存性を示す。放電に用いたガスはＣｌ₂／ＨＢｒ混合ガス、圧力は０.４Ｐａ、ＥＣＲ高さが６０mmの磁場条件であり、マイクロ波電力を小（４００Ｗ、破線），中（８００Ｗ、実線），大（１２００Ｗ、一点破線）と変化させた際の結果である。図２（ａ）に示したように、従来の技術ではマイクロ波電力が１２００Ｗと大きい条件では比較的均一性は良好であるのに対し、マイクロ波電力を４００Ｗまで下げると著しい凸分布が発生することがわかる。また、投入したマイクロ波電力に対する、イオン電流密度分布のリニアリティーも小さいことがわかる。

これに対し図２（ｂ）に示したように、本実施例ではマイクロ波電力が１２００Ｗから４００Ｗの範囲にてイオン電流密度の均一性は良好であり、また、投入したマイクロ波電力に対する、イオン電流密度分布のリニアリティーも良好であることがわかる。つまり、イオン電流密度で１ｍＡ／cm²から３ｍＡ／cm²程度の中密度領域のプラズマ密度を、マイクロ波パワーにて良好に制御できていることがわかる。

次に図３に、ウエハ４上のイオン電流密度分布のＥＣＲ高さ依存性を示す。放電に用いたガスはＣｌ₂／ＨＢｒ混合ガス、圧力は０.４Ｐａ、マイクロ波電力は６００Ｗであり、ヨークの下端を基準にしたＥＣＲ高さ（図７中のＨ）をパラメータとして低（０mm、破線），中（４０mm、実線）、高（１４０mm、一点破線）と変化させた場合の結果である。

従来の技術では、ＥＣＲ高さを変化させてもプラズマ生成に寄与している電界強度分布が中高分布であるため、凸型のイオン電流密度分布しか得られていない。これに対し、本実施例では、マイクロ波透過窓６の突出部９により中央部分のマイクロ波透過率を抑制することで、プラズマ生成に寄与する電界強度分布が均一（もしくは、若干の外高分布）化されている。

このため、ウエハ４上イオン電流密度分布は、ＥＣＲ高さを変化させることで、凹分布，フラット分布，凸分布と制御できることがわかる。また、ＥＣＲ高さを変化させた場合には、イオン電流密度分布の形状が変わるだけでなく、マイクロ波の電力が一定であっても、イオン電流密度の平均値は変化する。ＥＣＲ高さが低い、即ちＥＣＲ面がウエハ４に近い場合は、ウエハ４のごく近傍でプラズマが生成されるため、イオン電流密度の平均値は高くなる一方、ＥＣＲ高さが高い、即ちＥＣＲ面がウエハ４から遠い場合は、ＥＣＲ面で生成されたプラズマがウエハ４に届くまでの間に拡散，減衰するため、イオン電流密度の平均値は低くなる。

以上の図２，図３に示した通り、本実施例によれば、微細加工に適した中密度程度のプラズマを均一に生成させることができるだけでなく、マイクロ波パワーとＥＣＲ高さを変化させることにより、プラズマ密度分布形状を凸分布から凹分布まで制御できることがわかる。また、ＥＣＲ高さだけでなく、ＥＣＲ面の形状や磁力線の発散程度を制御することで、より精密なプラズマ密度分布制御をおこなうことができる。

図４に、マイクロ波パワーとＥＣＲ高さを変化させた場合のウエハ４上イオン電流密度分布の均一性の等高線図を示す。放電に用いたガスはＣｌ₂／ＨＢｒ混合ガス、圧力は０.４Ｐａであり、マイクロ波パワーは４００Ｗから１２００Ｗまでを２００Ｗピッチで６条件、ＥＣＲ高さは０mmから１６０mmまでを２０mmピッチで９条件、１つのハードに対し都合５４条件で実験データを採取した結果である。図４に示される通り、本実施例である図４（ｂ）では、従来の技術である図４（ａ）と比較してイオン電流密度分布の均一性が２０％以下の領域が、低マイクロ波パワー側に広がっていることが明らかであり、プロセスウインドが２倍近く広くなっていることがわかる。

図２から図４では、マイクロ波パワーとＥＣＲ高さ（磁場）を変化させた際のウエハ４上のイオン電流密度分布をもって本実施例の作用効果を説明してきた。これは、マイクロ波の伝播とプラズマの生成に最も寄与しているのが、電界強度分布と磁場強度，磁場形状だからである。実際のプラズマ処理では、これ以外にガスの種類やガスの流量といったパラメータも変化させるが、これらを変化させたとしても図２から図４で説明した実施例の効果に何ら変わりはない。ガス種やガス流量が最も強く影響を与えるのは、被エッチング材料やマスク材料，下地材料との化学反応であり、マイクロ波の伝播やプラズマの生成ではないからである。

但し、ガス圧力に関しては、ＥＣＲ共鳴によるプラズマ生成に影響を与える場合もありうる。電子は磁場によりローレンツ力を受け、磁力線の周りを旋回するように運動する。電子が磁力線の周りを回転する角周波数（ラーマー周波数、ωｒ）とマイクロ波の角周波数（ωｍ）が一致した場合にＥＣＲ共鳴が起きるが、もし処理用ガスの圧力が高ければ、電子が共鳴加熱されている間にガス分子やガス原子と弾性衝突を起こして運動方向を変えられてしまうため、ＥＣＲ共鳴はおきにくくなる。但し本実施例では微細加工に適した低圧力を対象としているため、ＥＣＲ共鳴が起きにくくなるといった事態は発生しない。

電子とガス分子との衝突周角波数をωｃとした場合、ωｃ≪ωｍ（＝ωｒ）がＥＣＲ共鳴を引き起こす条件となるが、微細加工に好適な圧力０.０５Ｐａから５Ｐａでは、例えばＣｌ₂ガス中の電子の衝突周波数ωｃ／２πは２.５ｅ６Ｈｚから２.５ｅ８Ｈｚ程度になる。これに対し、マイクロ波の周波数ωｍ／２πは２.４５ｅ９Ｈとなるため、ωｃ≪ωｍとなるからである。以上をまとめると、本実施例の効果は、ωｃ≪ωｍとなるガス圧力領域においては、ガス圧力を変えた場合においても有効である。

次に、図５に、本発明において、マイクロ波透過窓６の中央の突出部９の直径を、φ１００mm，φ１５０mm，φ２００mmと変化させた場合のウエハ４上のイオン電流密度分布を示す。放電に用いた条件は、ガス種がＣｌ₂／ＨＢｒ混合ガス、圧力が０.４Ｐａ、マイクロ波電力が１２００Ｗ、ＥＣＲ高さが１００mmである。

本図に示す通り、突出部９の直径を、ウエハ４の直径（φ３００mm）に対し１／３から２／３程度で変化させても、電界強度分布を均一化し、プラズマを均一化するという作用変化しない。また、この結果は特定のマイクロ波パワーとＥＣＲ高さで示したが、実際の実験データは、図４のような５４条件のマトリクスデータで採取しており、いずれの条件においてもφ１００mmからφ２００mmの範囲で本実施例の上記効果に変わりがない。

以上、本発明の第一の実施例の構成と効果を詳細に説明してきた。なお、上記では径３００mmのウエハ４を用いたプラズマ処理装置について説明を行ったが、これらは４５０mm径のプラズマ処理装置に容易に適用可能であることはいうまでもない。

次に、図６に、本発明の実施例の変形例について説明する。図１に示した実施例に対応する構成要素には同じ番号を付けてあり、同一となる説明は省略する。

本変形例は、誘電体のマイクロ波透過窓６の中央部に突出部９を設けるとともに、誘電体のマイクロ波透過窓６の外周部に、誘電体内でのマイクロ波の波長の１／４程度の厚さの、略円環状の部材であるリング状突出部１０を設けている。リング状突出部１０は、その内径がウエハ４直径よりも大きく、外径がマイクロ波透過窓６とほぼ同一であり、マイクロ波透過窓６と内周及び外周の円の中心が同心となるように配置されている。リング状突出部１０は、前記マイクロ波透過窓６と同一の誘電体材料で一体で形成されていても良く、別々の部品であっても良い。

このようなリング状突出部１０を設けることにより、リング状突出部１０のマイクロ波透過率を他の部分と比較し低下させることができる、即ち、ウエハ４よりも外側の真空処理室１の内壁近傍の領域のマイクロ波強度を低下させることができ、このような領域で生成されるプラズマ密度を下げることができる。これにより、真空処理室１の内壁へのプラズマからのダメージを抑制し、内壁の消耗を抑制することができるため、真空処理室１の寿命を長くすることができる。さらには、真空処理室１の内側壁の削れに起因した、パーティクルや金属汚染の発生を抑制することができる。また、本変形例においても実施例と同様に、誘電体のマイクロ波透過窓６の中央部に突出部９を設けてあるため、ウエハ４上のプラズマを中密度領域で均一に生成でき、また、磁場の制御でプラズマ密度分布を制御できることは言うまでもない。

このような変形例よれば、中密度領域のプラズマを均一に、制御性良く生成できるだけでなく、真空処理室１の内壁の消耗を抑え、パーティクルや汚染の発生を抑制し、真空処理室１の寿命を延ばすことが可能となる。

以上の実施例、変形例によれば、誘電体製マイクロ波透過窓６の中央部を、他の部分に対して、誘電体中のマイクロ波の波長の１／４だけ突出させることで、マイクロ波透過窓６の中央部でのマイクロ波の透過率が低下する。これにより、真空処理室１内の電界の強度の分布が均一化され、中密度領域（ウエハ上イオン電流密度で０.５ｍＡ／cm²〜３ｍＡ／cm²程度）で均一なプラズマが生成される。さらには、マイクロ波と磁場の相互作用を用いることで、微細加工に有利な低圧領域（０.０５Ｐａ〜５Ｐａ、特に０.１Ｐａ以下）で、プラズマが安定に生成される。さらには、磁場を調節することでウエハ直上のプラズマ密度分布が調節される。

また、前記マイクロ波透過窓６の外周部をリング状に突出させることにより、真空処理室１の内側壁面の近傍に発生するプラズマが抑制される。このため、真空処理室１の内側壁の削れに起因したパーティクルや金属汚染の発生が抑えられ、真空処理室１の長寿命化やこの内部を大気開放してウエット清掃する間隔が長くでき、プラズマ処理装置の稼働率が向上しひいては装置のランニングコストが低減される。

１真空処理室
２ソレノイドコイル
３ヨーク
４ウエハ
５基板ステージ
６マイクロ波透過窓
７円筒空洞
８シャワープレート
９突出部
１０リング状突出部
２１円形導波管
２２円偏波発生器
２３矩形円形導波管変換部
２４矩形導波管
２５マイクロ波用自動整合器
２６アイソレータ
２７マグネトロン
３１コンダクタンス調節バルブ
３２ターボ分子ポンプ
４１第一の高周波バイアス電源
４２第一の整合器
４３第二の高周波バイアス電源
４４第二の整合器
４５温調ユニット
１０１磁力線
１０２ＥＣＲ面

Claims

真空排気手段により排気された真空処理室と、真空処理室にガスを供給するためのガス供給手段と、プラズマを生成するためのマイクロ波電力供給手段と、前記真空処理室に備えられた誘電体製のマイクロ波透過窓と、ウエハを載置するための基板ステージと、前記基板ステージを介してウエハに高周波バイアス電力を印加するための高周波バイアス電源と、真空容器に磁場を発生させるためのソレノイドコイルと、ヨークと、を備えたプラズマ処理装置において、前記した誘電体製マイクロ波透過窓の中央部を、他の部分に対して、誘電体中のマイクロ波の波長の概略１／４突出させたことを特徴としたプラズマ処理装置。
請求項１のプラズマ処理装置において、前記マイクロ波透過窓の中央突出部の直径が、ウエハ直径の１／３ないし２／３であることを特徴としたプラズマ処理装置。
請求項１ないし請求項２に記載のプラズマ処理装置において、前記マイクロ波透過窓の外周部を、内径がウエハ直径よりも大きく、厚さが誘電体中のマイクロ波の波長の概略１／４となるように、リング状に突出させたことを特徴としたプラズマ処理装置。