JP2015082546A - プラズマ処理装置及びプラズマ処理方法 - Google Patents

プラズマ処理装置及びプラズマ処理方法 Download PDF

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Abstract

【課題】プラズマ処理装置内の処理ガスを整流し、プラズマ処理を適切に行う。
【解決手段】プラズマ処理装置１は、ウェハＷを収容する処理容器１０と、処理容器１０の底面に設けられ、ウェハＷを載置する載置台２０と、処理容器１０の天井面中央部に設けられ、当該処理容器１０の内部に第１の処理ガスＴ１を供給する第１の処理ガス供給管６０と、処理容器１０の側面に設けられ、当該処理容器１０の内部に第２の処理ガスＴ２を供給する第２の処理ガス供給管７０と、処理容器１０の側面であって、第２の処理ガス供給管７０の上方に設けられ、処理容器１０の内部に下方に向かう整流ガスＲを供給する整流ガス供給管８０と、処理容器１０の内部にマイクロ波を放射するラジアルラインスロットアンテナ４０と、を有する。
【選択図】図２

Description

本発明は、処理ガスをプラズマ化させて被処理体を処理するプラズマ処理装置、及び当該プラズマ処理装置を用いたプラズマ処理方法に関する。
従来から、例えば半導体ウェハなどの被処理体に対して所定のプラズマ処理を施すプラズマ処理装置として、処理容器内にマイクロ波を導入してプラズマを生成させるプラズマ処理装置が知られている。マイクロ波を用いたプラズマ処理装置では、処理容器内において低圧下で電子温度の低い高密度のプラズマを生成させることが可能であり、生成されたプラズマによって、例えば成膜処理やエッチング処理などが行われる。
上記プラズマ処理装置としては、例えば特許文献１に記載されたプラズマ処理装置が提案されている。図６に示すようにプラズマ処理装置１００は、処理容器１１０、載置台１１１、排気部１１２、マイクロ波供給部１１３、第１の処理ガス供給部１１４、第２の処理ガス供給部１１５を有している。載置台１１１は、処理容器１１０の底面に設けられ、ウェハＷを載置する。排気部１１２は、処理容器１１０の底面において載置台１１１の外方に設けられ、処理容器１１０内の雰囲気を排気する。マイクロ波供給部１１３は、処理容器１１０の天井面開口部に設けられ、処理容器１１０の内部にマイクロ波を供給する。第１の処理ガス供給部１１４は、処理容器１１０の天井面中央部（マイクロ波供給部１１３の中央部）に設けられ、処理容器１１０の内部に処理ガスを供給する。第２の処理ガス供給部１１５は、処理容器１１０の側面に設けられ、処理容器１１０の内部に処理ガスを供給する。以上の構成を有するプラズマ処理装置では、第１の処理ガス供給部１１４と第２の処理ガス供給部１１５のそれぞれから供給された処理ガスが、マイクロ波供給部１１３から供給されたマイクロ波によってプラズマ化される。そして、このプラズマ化された処理ガスを用いて、載置台１１１に載置されたウェハＷに対してプラズマ処理が行われる。
特開２０１０−１１８５４９号公報
しかしながら、特許文献１に記載されたプラズマ処理装置１００を用いた場合、図６に示すように第１の処理ガス供給部１１４から供給された処理ガスと、第２の処理ガス供給部１１５からの処理ガスは、載置台１１１に載置されたウェハＷ上で衝突し、さらに処理容器１１０内を上方に向かって流れる。すなわち、プラズマ処理が終了した処理ガスは、排気部１１２から排気されず、処理容器１１０内を上方に流れることになる。
このように処理容器１１０内の処理ガスの流れが乱れると、例えばウェハＷに対して処理ガスが面内不均一に供給されたり、或いは処理ガスが必要以上に処理容器１１０内に滞在し、当該処理ガスが過剰に解離されるなどして、ウェハＷに対して面内均一なプラズマ処理を行うことができない。
また、例えば処理容器１１０内の上部外周部（図６中の点線領域）にガスが滞留し、パーティクルが発生する原因となり得る。
本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、プラズマ処理装置内の処理ガスを整流し、プラズマ処理を適切に行うことを目的とする。
前記の目的を達成するため、本発明は、処理ガスをプラズマ化させて被処理体を処理するプラズマ処理装置であって、被処理体を収容する処理容器と、前記処理容器の底面に設けられ、被処理体を載置する載置部と、前記処理容器の天井面中央部に設けられ、当該処理容器の内部に処理ガスを供給する第１の処理ガス供給部と、前記処理容器の側面に設けられ、当該処理容器の内部に処理ガスを供給する第２の処理ガス供給部と、前記第１の処理ガス供給部の外方且つ前記第２の処理ガス供給部の上方に設けられ、前記処理容器の内部に下方に向かう整流ガスを供給する整流ガス供給部と、前記第１の処理ガス供給部と前記第２の処理ガス供給部のそれぞれから供給される処理ガスをプラズマ化するプラズマ生成部と、を有することを特徴としている。
本発明のプラズマ処理装置では、第１の処理ガス供給部から処理ガスが供給されると共に、第２の処理ガス供給部から処理ガスが供給され、さらに整流ガス供給部から処理容器内に下方に向かう整流ガスが供給される。このように整流ガスが処理容器内に下方に向かって流れるので、従来のように処理ガスが載置部側から処理容器内を上昇するのを抑制することができ、処理容器内の処理ガスを整流することができる。そうすると、載置部に載置された被処理体上に適切に処理ガスを供給することができるので、当該被処理体に対するプラズマ処理を面内均一で行うことができる。また、処理容器内にガスが滞留することがなく、パーティクルの発生を抑制することもできる。以上のように本発明によれば、プラズマ処理を適切に行うことができる。
前記整流ガス供給部は、前記処理容器の側面に設けられ、当該処理容器の内部に整流ガスを供給してもよい。
前記整流ガス供給部から供給される整流ガスの流量は、前記第２の処理ガス供給部から供給される処理ガスの流量よりも大きくてもよい。
前記第２の処理ガス供給部は、前記載置部に載置された被処理体に向けて処理ガスを供給してもよい。
前記処理容器の天井面と前記載置部の上面との間の距離は、１００ｍｍ〜２００ｍｍであってもよい。
別な観点による本発明は、処理容器内で処理ガスをプラズマ化させて被処理体を処理するプラズマ処理方法であって、前記処理容器の天井面中央部に設けられた第１の処理ガス供給部から、当該処理容器の内部に処理ガスを供給すると共に、前記処理容器の側面に設けられた第２の処理ガス供給部から、当該処理容器の内部に処理ガスを供給し、さらに前記第１の処理ガス供給部の外方且つ前記第２の処理ガス供給部の上方に設けられた整流ガス供給部から前記処理容器の内部に下方に向かう整流ガスを供給し、前記処理容器の内部において、前記第１の処理ガス供給部と前記第２の処理ガス供給部のそれぞれから供給された処理ガスをプラズマ化させ、前記処理容器内の載置部に載置された被処理体を処理することを特徴としている。
前記整流ガス供給部は、前記処理容器の側面に設けられ、当該処理容器の内部に整流ガスを供給してもよい。
前記整流ガス供給部から供給される整流ガスの流量は、前記第２の処理ガス供給部から供給される処理ガスの流量よりも大きくてもよい。
前記第２の処理ガス供給部は、前記載置部に載置された被処理体に向けて処理ガスを供給してもよい。
本発明によれば、プラズマ処理装置内の処理ガスを整流し、プラズマ処理を適切に行うことができる。
本実施の形態にかかるプラズマ処理装置の構成の概略を示す縦断面図である。 プラズマ処理装置における処理ガスと整流ガスの流れを示す説明図である。 整流ガス供給管の配置を示す横断面図である。 第２の処理ガスの流量と整流ガスの流量を変化させた場合のウェハ上に形成されるＳｉＮ膜の膜厚分布を示す説明図である。 他の実施の形態にかかるプラズマ処理装置の構成の概略を示す縦断面図である。 従来のプラズマ処理装置における処理ガスと整流ガスの流れを示す説明図である。
以下、本発明の実施の形態について説明する。図１は、本実施の形態にかかるプラズマ処理装置１の構成の概略を示す縦断面図である。なお、本実施の形態のプラズマ処理装置１では、被処理体としてのウェハＷの表面に対してプラズマＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｏｔｉｏｎ）処理を行い、当該ウェハＷの表面にＳｉＮ膜（シリコン窒化膜）を形成する。
プラズマ処理装置１は、図１に示すように処理容器１０を有している。処理容器１０は、天井面が開口した略円筒形状を有し、当該天井面開口部には後述するラジアルラインスロットアンテナ４０が配置されている。また、処理容器１０の側面にはウェハＷの搬入出口１１が形成され、当該搬入出口１１にはゲートバルブ１２が設けられている。そして、処理容器１０はその内部を密閉可能に構成されている。なお、処理容器１０にはアルミニウム又はステンレス鋼等の金属が用いられ、処理容器１０は接地されている。
処理容器１０の底面には、ウェハＷを載置する載置部としての載置台２０が設けられている。載置台２０は円筒形状を有し、また載置台２０には例えばアルミニウムが用いられる。
載置台２０の上面には静電チャック２１が設けられている。静電チャック２１は、絶縁材の間に電極２２が挟み込まれた構成を有している。電極２２は処理容器１０の外部に設けられた直流電源２３に接続されている。この直流電源２３により載置台２０の表面にクーロン力を生じさせて、ウェハＷを載置台２０上に静電吸着することができる。
また載置台２０には、コンデンサ２４を介して、ＲＦバイアス用の高周波電源２５が接続されていてもよい。高周波電源２５は、ウェハＷに引き込むイオンのエネルギーを制御するのに適した一定の周波数、例えば１３．５６ＭＨｚの高周波を所定のパワーで出力する。
また載置台２０の内部には、例えば冷却媒体を流通させる温度調節機構２６が設けられている。温度調節機構２６は、冷却媒体の温度を調整する液温調節部２７に接続されている。そして、液温調節部２７によって冷媒媒体の温度が調節され、載置台２０の温度を制御でき、この結果、載置台２０上に載置されたウェハＷを所定の温度に維持できる。なお、載置台２０には、ウェハＷの裏面に伝熱媒体、例えばＨｅガスなどを所定圧力（バックプレッシャー）にて供給するためのガス通路（図示せず）が形成されている。
載置台２０の上面には、静電チャック２１上のウェハＷを囲むように環状のフォーカスリング２８が設けられている。フォーカスリング２８には例えばセラミックスあるいは石英などの絶縁性材料が用いられ、フォーカスリング２８はプラズマ処理の均一性を向上させるように作用する。
なお、載置台２０の下方には、ウェハＷを下方から支持し昇降させるための昇降ピン（図示せず）が設けられている。昇降ピンは、載置台２０に形成された貫通孔（図示せず）を挿通し載置台２０の上面から突出可能になっている。
載置台２０の周囲において、当該載置台２０と処理容器１０の側面との間には、環状の排気空間３０が形成されている。排気空間３０の上部には、処理容器１０内を均一に排気するため、複数の排気孔が形成された環状のバッフル板３１が設けられている。排気空間３０の底部であって、処理容器１０の底面には、排気管３２が接続されている。排気管３２の数は任意に設定でき、円周方向に複数形成されていてもよい。排気管３２は、例えば真空ポンプを備えた排気装置３３に接続されている。排気装置３３は、処理容器１０内の雰囲気を所定の真空度まで減圧することができる。
処理容器１０の天井面開口部には、プラズマ生成用のマイクロ波を供給するラジアルラインスロットアンテナ４０（ｒａｄｉａｌ ｌｉｎｅ ｓｌｏｔ ａｎｔｅｎｎａ）が設けられている。ラジアルラインスロットアンテナ４０は、マイクロ波透過板４１、スロット板４２、遅波板４３、シールド蓋体４４を有している。
マイクロ波透過板４１は、例えばＯリング等のシール材（図示せず）を介して、処理容器１０の天井面開口部に密に設けられている。したがって、処理容器１０の内部は気密に保持される。マイクロ波透過板４１には誘電体、例えば石英、Ａｌ２Ｏ３、ＡｌＮ等が用いられ、マイクロ波透過板４１はマイクロ波を透過させる。
スロット板４２は、マイクロ波透過板４１の上面であって、載置台２０と対向するように設けられている。スロット板４２には複数のスロットが形成され、スロット板４２はアンテナとして機能する。スロット板４２には、導電性を有する材料、たとえば銅、アルミニウム、ニッケル等が用いられる。
遅波板４３は、スロット板４２の上面に設けられている。遅波板４３には低損失誘電体材料、例えば石英、Ａｌ２Ｏ３、ＡｌＮ等が用いられ、遅波板４３はマイクロ波の波長を短縮する。
シールド蓋体４４は、遅波板４３の上面において、遅波板４３とスロット板４２覆うように設けられている。シールド蓋体４４の内部には、例えば冷却媒体を流通させる円環状の流路４５が複数設けられている。流路４５を流れる冷却媒体によって、マイクロ波透過板４１、スロット板４２、遅波板４３、シールド蓋体４４が所定の温度に調節される。
シールド蓋体４４の中央部には同軸導波管５０が接続されている。同軸導波管５０は、内部導体５１と外管５２を有している。内部導体５１は、スロット板４２と接続されている。内部導体５１のスロット板４２側は円錐形に形成されて、スロット板４２に対してマイクロ波を効率よく伝播するようになっている。
同軸導波管５０には、マイクロ波を所定の振動モードに変換するモード変換器５３、矩形導波管５４、マイクロ波を発生するマイクロ波発生装置５５が同軸導波管５０側からこの順で接続されている。マイクロ波発生装置５５は、所定周波数、例えば２．４５ＧＨｚのマイクロ波を発生させる。
かかる構成により、マイクロ波発生装置５５により発生されたマイクロ波は、矩形導波管５４、モード変換器５３、同軸導波管５０を順次伝播し、ラジアルラインスロットアンテナ４０内に供給され、遅波板４３で圧縮され短波長化され、スロット板４２で円偏波を発生させた後、スロット板４２からマイクロ波透過板４１を透過して処理容器１０内に放射される。このマイクロ波により処理容器１０内では処理ガスがプラズマ化し、このプラズマによりウェハＷのプラズマ処理が行われる。
なお、本実施の形態では、ラジアルラインスロットアンテナ４０、同軸導波管５０、モード変換器５３、矩形導波管５４、及びマイクロ波発生装置５５が、本発明におけるプラズマ生成部を構成している。
処理容器１０の天井面、すなわちラジアルラインスロットアンテナ４０の中央部には、第１の処理ガス供給部としての第１の処理ガス供給管６０が設けられている。第１の処理ガス供給管６０はラジアルラインスロットアンテナ４０を貫通し、当該第１の処理ガス供給管６０の一端部はマイクロ波透過板４１の下面において開口している。また、第１の処理ガス供給管６０は同軸導波管５０の内部導体５１の内部を貫通し、さらにモード変換器５３内を挿通して、当該第１の処理ガス供給管６０の他端部は第１の処理ガス供給源６１に接続されている。第１の処理ガス供給源６１の内部には、処理ガスとして、例えばＴＳＡ（トリシリルアミン）、Ｎ２ガス、Ｈ２ガス、Ａｒガスがそれぞれ個別に貯留されている。このうち、ＴＳＡ、Ｎ２ガス、Ｈ２ガスはＳｉＮ膜の成膜用の原料ガスであり、Ａｒガスはプラズマ励起用ガスである。なお、以下において、この処理ガスを「第１の処理ガス」という場合がある。また、第１の処理ガス供給管６０には、第１の処理ガスの流れを制御するバルブや流量調節部等を含む供給機器群６２が設けられている。そして、図２に示すように第１の処理ガス供給源６１から供給された第１の処理ガスＴ１は、第１の処理ガス供給管６０から処理容器１０内に供給される。この第１の処理ガスＴ１は、処理容器１０内において、載置台２０に載置されたウェハＷに向かって鉛直下方に流れる。
図１に示すように処理容器１０の側面には、第２の処理ガス供給部としての第２の処理ガス供給管７０が設けられている。第２の処理ガス供給管７０は、処理容器１０の側面の円周上で等間隔に複数、例えば２４本設けられている。第２の処理ガス供給管７０の一端部は処理容器１０の側面において開口し、他端部はバッファ部７１に接続されている。第２の処理ガス供給管７０は、その一端部が他端部より下方に位置するように斜めに配置されている。
バッファ部７１は、処理容器１０の側面内部に環状に設けられ、複数の第２の処理ガス供給管７０に共通に設けられている。バッファ部７１には、供給管７２を介して第２の処理ガス供給源７３が接続されている。第２の処理ガス供給源６３の内部には、処理ガスとして、例えばＴＳＡ（トリシリルアミン）、Ｎ２ガス、Ｈ２ガス、Ａｒガスがそれぞれ個別に貯留されている。なお、以下において、この処理ガスを「第２の処理ガス」という場合がある。また、供給管７２には、第２の処理ガスの流れを制御するバルブや流量調節部等を含む供給機器群７４が設けられている。そして、図２に示すように第２の処理ガス供給源７３から供給された第２の処理ガスＴ２は、供給管７２を通ってバッファ部７１に導入され、バッファ部７１内で周回方向の圧力を均一化してから第２の処理ガス供給管７０を介して処理容器１０内に供給される。この第２の処理ガスＴ２は、処理容器１０内において、載置台２０に載置されたウェハＷの外周部に向かって斜め下方に流れる。
このように第１の処理ガス供給管６０からの第１の処理ガスＴ１はウェハＷの中心部に向けて供給され、第２の処理ガス供給管７０からの第２の処理ガスＴ２はウェハＷの外周部に向けて供給される。
なお、第１の処理ガス供給管６０と第２の処理ガス供給管７０から処理容器１０内にそれぞれ供給される処理ガスＴ１、Ｔ２は、同種のガスでよいが、別種類のガスであってもよく、各々独立した流量で、或いは任意の流量比で供給することができる。
図１に示すように処理容器１０の側面であって、第２の処理ガス供給管７０の上方には、整流ガス供給部としての整流ガス供給管８０が設けられている。整流ガス供給管８０は、その軸方向が水平方向に延伸して設けられている。
図３に示すように整流ガス供給管８０は、処理容器１０の側面の円周上で等間隔に複数、例えば３２本設けられている。整流ガス供給管８０の一端部は処理容器１０の側面において開口し、他端部はバッファ部８１に接続されている。バッファ部８１は、処理容器１０の側面内部に環状に設けられ、複数の整流ガス供給管８０に共通に設けられている。
図１に示すようにバッファ部８１には、供給管８２を介して整流ガス供給源８３が接続されている。整流ガス供給源８３の内部には、整流ガスとして、例えば不活性ガスであるＡｒガスが貯留されている。また、供給管８２には、整流ガスの流れを制御するバルブや流量調節部等を含む供給機器群８４が設けられている。この整流ガス供給管８０から供給される整流ガス（Ａｒガス）の流量は、少なくとも第２の処理ガス供給管７０から供給されるＡｒガスの流量より大きく、より好ましくは、第１の処理ガス供給管６０と第２の処理ガス供給管７０から供給されるＡｒガスの合計流量より大きい。なお、処理ガスにおいては、Ａｒガスの流量が支配的である。
そして、図２に示すように整流ガス供給源８３から供給された整流ガスＲは、供給管８２を通ってバッファ部８１に導入され、バッファ部８１内で周回方向の圧力を均一化してから整流ガス供給管８０を介して処理容器１０内に供給される。この整流ガス供給管８０からの整流ガスＲは、処理容器１０内において水平方向に流れる。
次に、以上のように構成されたプラズマ処理装置１で行われるウェハＷのプラズマ処理について説明する。本実施の形態では、上述したようにウェハＷにプラズマ成膜処理を行って、当該ウェハＷの表面にＳｉＮ膜を形成する。
先ず、ゲートバルブ１３を開き、処理容器１０内にウェハＷを搬入する。ウェハＷは、昇降ピンによって載置台２０上に載置される。このとき、直流電源２３をオンにして静電チャック２１の電極２２に直流電圧を印可し、静電チャック２１のクーロン力によりウェハＷを静電チャック２１上に静電吸着する。そして、ゲートバルブ１３を閉じ、処理容器１０内を密閉した後、排気装置３３を作動させ、処理容器１０内を所定の圧力、例えば４００ｍＴｏｒｒ（＝５３Ｐａ）に減圧する。
その後、第１の処理ガス供給管６０から処理容器１０内に第１の処理ガスＴ１を供給し、第２の処理ガス供給管７０から処理容器１０内に第２の処理ガスＴ２を供給すると共に、整流ガス供給管８０から処理容器１０内に整流ガスＲを供給する。このとき、第１の処理ガス供給管６０から供給されるＡｒガスの流量は例えば１００ｓｃｃｍ（ｍＬ／ｍｉｎ）であり、第２の処理ガス供給管７０から供給されるＡｒガスの流量は例えば７５０ｓｃｃｍ（ｍＬ／ｍｉｎ）であり、整流ガス供給管８０から供給されるＡｒガスの流量は例えば１０００ｓｃｃｍ（ｍＬ／ｍｉｎ）である。すなわち、本実施の形態では、整流ガス供給管８０から供給されるＡｒガスの流量は、第１の処理ガス供給管６０と第２の処理ガス供給管７０から供給されるＡｒガスの合計流量より大きい。
図２に示すように整流ガス供給管８０から処理容器１０内に供給された整流ガスＲは、水平方向に流れた後、鉛直下方に流れる。このように整流ガスＲが鉛直下方に流れるのは、第１の処理ガス供給管６０からの第１の処理ガスＴ１の鉛直下方の流れに沿うためである。鉛直下方に流れる整流ガスＲは、載置台２０に載置されたウェハＷ上方付近に到達した後、排気装置３３によってウェハＷの径方向外側に排気空間３０に向かって流れる。
第１の処理ガス供給管６０から処理容器１０内に供給された第１の処理ガスＴ１は、載置台２０に載置されたウェハＷの中心部に向かって鉛直下方に流れる。第１の処理ガスＴ１は、載置台２０に載置されたウェハＷの中心部上方に到達した後、従来であれば、ウェハＷに衝突して処理容器１０内を上方に向かって流れていた（図中の点線）。この点、本実施の形態では、上述した整流ガスＲによる下降流によって、この第１の処理ガスＴ１の上昇流が抑制される。そして第１の処理ガスＴ１は、整流ガスＲによってウェハＷの径方向外側に排気空間３０に向かって流れる。
第２の処理ガス供給管７０から処理容器１０内に供給された第２の処理ガスＴ２は、載置台２０に載置されたウェハＷの外周部に向かって斜め下方に流れる。第２の処理ガスＴ２は、載置台２０に載置されたウェハＷの外周部上方に到達した後、従来であれば、ウェハＷに衝突して処理容器１０内を上方に向かって流れていた（図中の点線）。この点、本実施の形態では、上述した整流ガスＲによる下降流によって、この第２の処理ガスＴ２の上昇流が抑制される。そして第２の処理ガスＴ２は、整流ガスＲによってウェハＷの径方向外側に排気空間３０に向かって流れる。
以上のように第１の処理ガスＴ１と第２の処理ガスＴ２は整流ガスＲによって適切に整流され、載置台２０上のウェハＷに供給された後、処理容器１０内で上昇することなく排気管３２から排気される。このため、処理容器１０中にガスが滞留することがなく、パーティクルの発生が抑制される。
このように処理容器１０内に第１の処理ガスＴ１、第２の処理ガスＴ２、整流ガスＲが供給される際、マイクロ波発生装置５５を作動させ、当該マイクロ波発生装置５５において、例えば２．４５ＧＨｚの周波数で所定のパワーのマイクロ波を発生させる。マイクロ波は、矩形導波管５４、モード変換器５３、同軸導波管５０、ラジアルラインスロットアンテナ４０を介して、処理容器１０内に放射される。このマイクロ波によって処理容器１０内では処理ガスＴ１、Ｔ２がプラズマ化し、プラズマ中で処理ガスＴ１、Ｔ２の解離が進み、その際に発生した活性種によってウェハＷ上に成膜処理がなされる。このとき、処理ガスＴ１、Ｔ２は整流ガスＲによって整流され、ウェハＷ上を径方向外側に向かって一様に流れるので、処理ガスＴ１、Ｔ２によるプラズマ処理をウェハＷの面内均一で行うことができる。こうして、ウェハＷの表面にＳｉＮ膜が形成される。
ウェハＷにプラズマ成膜処理を行っている間、高周波電源２５をオンにして、例えば１３．５６ＭＨｚの周波数で所定のパワーの高周波を出力させてもよい。この高周波はコンデンサ２４を介して載置台２０に印加され、ＲＦバイアスがウェハＷに印加される。プラズマ処理装置１では、プラズマの電子温度を低く維持できるので、膜へのダメージがなく、しかも、高密度プラズマにより、処理ガスの分子が解離されやすいので、反応が促進される。また、適切な範囲でのＲＦバイアスの印加は、プラズマ中のイオンをウェハＷへ引き込むように作用するため、ＳｉＮ膜の緻密性を向上させるとともに、膜中のトラップを増加させるように作用する。
その後、ＳｉＮ膜が成長し、ウェハＷに所定の膜厚のＳｉＮ膜が形成されると、第１の処理ガスＴ１、第２の処理ガスＴ２、整流ガスＲの供給と、マイクロ波の照射が停止される。その後、ウェハＷは処理容器１０から搬出されて、一連のプラズマ成膜処理が終了する。
以上の実施の形態によれば、第１の処理ガス供給管６０から第１の処理ガスＴ１が供給されると共に、第２の処理ガス供給管７０から第２の処理ガスＴ２が供給され、さらに整流ガス供給管８０から整流ガスＲが供給される。この整流ガスＲは、処理容器１０内において水平方向に流れた後、鉛直下方に流れるので、従来のように処理ガスが載置台２０側から処理容器１０内を上昇するのを抑制することができ、処理容器１０内の処理ガスＴ１、Ｔ２を整流することができる。そうすると、載置台２０に載置されたウェハＷ上に適切に処理ガスＴ１、Ｔ２を供給することができるので、当該ウェハＷに対するプラズマ処理を面内均一で行うことができる。また、処理容器１０内にガスが滞留することがなく、パーティクルの発生を抑制することもできる。したがって、本実施の形態のプラズマ処理装置１においてプラズマ処理を適切に行うことができる。
本実施の形態のプラズマ処理装置１では、マイクロ波透過板４１の下面（処理容器１０の天井面）と静電チャック２１の上面（載置台２０の上面）との間の距離は１００ｍｍ〜２００ｍｍである。すなわち、処理容器１０の内部のプラズマ処理空間が大きい。このようにプラズマ処理空間が大きいと、処理ガスの流れが複雑になり、例えば従来のように処理ガスの上昇流が発生しやすくなる。そこで、整流ガスＲによって処理ガスＴ１、Ｔ２を整流する本発明は、プラズマ処理空間が大きいプラズマ処理装置、例えば本実施の形態のようにラジアルラインスロットアンテナ４０を用いたプラズマ処理装置１に特に有用となる。
また本実施の形態によれば、第１の処理ガス供給管６０からの第１の処理ガスＴ１はウェハＷの中心部に向けて供給され、第２の処理ガス供給管７０からの第２の処理ガスＴ２はウェハＷの外周部に向けて供給される。すなわち、ウェハＷの中心部は清新な第１の処理ガスＴ１によって成膜処理され、ウェハＷの外周部は清新な第２の処理ガスＴ２によって成膜処理される。そうすると、ウェハＷ面内の全ての箇所に対して清新な処理ガスが供給されるので、ウェハＷに対するプラズマ処理の面内均一性をより向上させることができる。
また、例えばウェハＷの一部に処理ガスを供給し、当該処理ガスをウェハＷ上で拡散させる場合に比べて、本実施の形態のように第１の処理ガスＴ１と第２の処理ガスＴ２をそれぞれウェハＷの中心部と外周部に直接供給することによって、ウェハＷ上に形成されるＳｉＮ膜の緻密さをより的確に制御することができる。
さらに、この第２の処理ガスＴ２の流量を調節することによって、ウェハＷの外周部に形成されるＳｉＮ膜の膜厚を適切に制御することができ、ウェハＷ全面におけるＳｉＮ膜の膜厚を自在に制御できる。
また本実施の形態によれば、整流ガス供給管８０から供給されるＡｒガスの流量は、第１の処理ガス供給管６０と第２の処理ガス供給管７０から供給されるＡｒガスの合計流量より大きいので、整流ガスＲによって処理ガスＴ１、Ｔ２の上昇をより確実に抑制することができる。なお、発明者らが鋭意検討した結果、整流ガス供給管８０から供給されるＡｒガスの流量が、少なくとも第２の処理ガス供給管７０から供給されるＡｒガスの流量より大きければ、整流ガスＲによって処理ガスＴ１、Ｔ２の上昇を抑制できることが分かっている。
ここで、整流ガス供給管８０から供給される整流ガスＲの流量について説明する。図４は、図１に示したプラズマ処理装置１において、第２の処理ガス供給管７０から供給される第２の処理ガスＴ２のＡｒガスの流量と、整流ガス供給管８０から供給される整流ガスＲ（Ａｒガス）の流量とをそれぞれ変化させた場合にプラズマ処理を行った結果を示している。図４中の図面については、ウェハＷの表面に形成されるＳｉＮ膜の膜厚の面内分布を示し、図４中の数字％は、所望の膜厚に対する、ウェハＷ面内の最大膜厚と最小膜厚との膜厚差の比率を示している。第２の処理ガスＴ２のＡｒガスの流量は、２５０ｓｃｃｍ、５００ｓｃｃｍ、７５０ｓｃｃｍ、１０００ｓｃｃｍ、１２５０ｓｃｃｍに変化させた。整流ガスＲのＡｒガスの流量は、５００ｓｃｃｍ、１０００ｓｃｃｍ、１５００ｓｃｃｍに変化させた。なお、その他のプラズマ処理条件は共通しているので説明を省略する。
図４を参照すると、膜厚差の比率が最小となるのは、すなわちＳｉＮ膜の面内均一性が最も高いのは、第２の処理ガスＴ２のＡｒガスの流量が７５０ｓｃｃｍであって、整流ガスＲの流量が１０００ｓｃｃｃｍの場合である。したがって、本プロセス処理条件における整流ガスＲの最適流量は１０００ｓｃｃｍとなる。
なお、上述の整流ガスＲの最適流量は一例であって、当該整流ガスＲの最適流量は、プラズマ処理条件に応じて決まるものである。
以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施の形態について説明したが、本発明はかかる例に限定されない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
以上の実施の形態のプラズマ処理装置１において、整流ガス供給管８０は処理容器１０の側面に設けられていたが、整流ガス供給管８０の位置は、第１の処理ガス供給管６０の外方且つ第２の処理ガス供給管７０の上方であれば、これに限定されない。
例えば図５に示すように、整流ガス供給管８０は処理容器１０の天井面、すなわちマイクロ波透過板４１の下面に設けられていてもよい。整流ガス供給管８０の一端部はマイクロ波透過板４１の下面に開口し、他端部はバッファ部８１に接続されている。また整流ガス供給管８０は、第１の処理ガス供給管６０の周囲に複数、例えば３２本設けられている。なお、これら複数の整流ガス供給管８０と、これらに付随するバッファ部８１、供給管８２、整流ガス供給源８３、供給機器群８４の構成は上記実施の形態と同様であるので説明を省略する。
かかる場合においても、上記実施の形態と同様の効果を享受できる。すなわち、整流ガス供給管８０からの整流ガスＲは、処理容器１０内において鉛直下方に流れるので、従来のように処理ガスが載置台２０側から処理容器１０内を上昇するのを抑制することができ、処理容器１０内の処理ガスＴ１、Ｔ２を整流することができる。したがって、本実施の形態のプラズマ処理装置１においてプラズマ処理を適切に行うことができる。
また、以上の実施の形態では、整流ガス供給管８０から供給される整流ガスＲはＡｒガスであったが、これに加えて、処理ガスＴ１、Ｔ２と同様のＴＳＡ、Ｎ２ガス、Ｈ２ガスを含んでいてもよい。かかる場合、整流ガスＲは処理ガスＴ１、Ｔ２の整流に寄与するだけでなく、ウェハＷに対するプラズマ成膜処理にも寄与する。したがって、ウェハＷ上に形成されるＳｉＮ膜の膜厚の面内均一性をより向上させることができる。
なお、以上の実施の形態では、マイクロ波を用いたプラズマ処理を例にとって説明したが、これに限定されず、高周波電圧を用いたプラズマ処理についても本発明を適用できるのは勿論である。また、以上の実施の形態では、本発明を成膜処理を行うプラズマ処理に適用していたが、本発明は、成膜処理以外の基板処理、例えばエッチング処理やスパッタリングを行うプラズマ処理にも適用できる。さらに、本発明のプラズマ処理で処理される被処理体は、ガラス基板、有機ＥＬ基板、ＦＰＤ（フラットパネルディスプレイ）用の基板等のいずれのものであってもよい。
本発明は、例えば半導体ウェハ等のプラズマ処理に有用であり、特にラジアルラインスロットアンテナを用いたプラズマ処理に有用である。
１ プラズマ処理装置
１０ 処理容器
２０ 載置台
３２ 排気管
４０ ラジアルラインスロットアンテナ
５０ 同軸導波管
６０ 第１の処理ガス供給管
７０ 第２の処理ガス供給管
８０ 整流ガス供給管
Ｒ 整流ガス
Ｔ１ 第１の処理ガス
Ｔ２ 第２の処理ガス
Ｗ ウェハ

Claims (9)

  1. 処理ガスをプラズマ化させて被処理体を処理するプラズマ処理装置であって、
    被処理体を収容する処理容器と、
    前記処理容器の底面に設けられ、被処理体を載置する載置部と、
    前記処理容器の天井面中央部に設けられ、当該処理容器の内部に処理ガスを供給する第１の処理ガス供給部と、
    前記処理容器の側面に設けられ、当該処理容器の内部に処理ガスを供給する第２の処理ガス供給部と、
    前記第１の処理ガス供給部の外方且つ前記第２の処理ガス供給部の上方に設けられ、前記処理容器の内部に下方に向かう整流ガスを供給する整流ガス供給部と、
    前記第１の処理ガス供給部と前記第２の処理ガス供給部のそれぞれから供給される処理ガスをプラズマ化するプラズマ生成部と、を有することを特徴とする、プラズマ処理装置。
  2. 前記整流ガス供給部は、前記処理容器の側面に設けられ、当該処理容器の内部に整流ガスを供給することを特徴する、請求項１に記載のプラズマ処理装置。
  3. 前記整流ガス供給部から供給される整流ガスの流量は、前記第２の処理ガス供給部から供給される処理ガスの流量よりも大きいことを特徴とする、請求項１又は２に記載のプラズマ処理装置。
  4. 前記第２の処理ガス供給部は、前記載置部に載置された被処理体に向けて処理ガスを供給することを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一項に記載のプラズマ処理装置。
  5. 前記処理容器の天井面と前記載置部の上面との間の距離は、１００ｍｍ〜２００ｍｍであることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一項に記載のプラズマ処理装置。
  6. 処理容器内で処理ガスをプラズマ化させて被処理体を処理するプラズマ処理方法であって、
    前記処理容器の天井面中央部に設けられた第１の処理ガス供給部から、当該処理容器の内部に処理ガスを供給すると共に、
    前記処理容器の側面に設けられた第２の処理ガス供給部から、当該処理容器の内部に処理ガスを供給し、
    さらに前記第１の処理ガス供給部の外方且つ前記第２の処理ガス供給部の上方に設けられた整流ガス供給部から前記処理容器の内部に下方に向かう整流ガスを供給し、
    前記処理容器の内部において、前記第１の処理ガス供給部と前記第２の処理ガス供給部のそれぞれから供給された処理ガスをプラズマ化させ、前記処理容器内の載置部に載置された被処理体を処理することを特徴とする、プラズマ処理方法。
  7. 前記整流ガス供給部は、前記処理容器の側面に設けられ、当該処理容器の内部に整流ガスを供給することを特徴する、請求項６に記載のプラズマ処理方法。
  8. 前記整流ガス供給部から供給される整流ガスの流量は、前記第２の処理ガス供給部から供給される処理ガスの流量よりも大きいことを特徴とする、請求項６又は７に記載のプラズマ処理方法。
  9. 前記第２の処理ガス供給部は、前記載置部に載置された被処理体に向けて処理ガスを供給することを特徴とする、請求項６〜８のいずれか一項に記載のプラズマ処理方法。
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