JP2021192343A - プラズマ処理装置およびプラズマ処理方法 - Google Patents

プラズマ処理装置およびプラズマ処理方法 Download PDF

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Abstract

【課題】処理容器内のプラズマ密度分布を比較的容易に調整することができるプラズマ処理装置を提供する。【解決手段】プラズマ処理装置は、基板を収容し、天壁部と側壁部と底壁部により処理空間を画成する処理容器と、天壁部の上方に設けられ、マイクロ波を発生させるマイクロ波発生部およびマイクロ波を処理容器に向けて放射する複数のマイクロ波放射部を有し、天壁部の下方位置に表面波プラズマを生成するためのプラズマ源と、表面波プラズマを生成するためのガスを供給するガス供給部と、天壁部の複数のマイクロ波放射部に対応する位置に設けられた誘電体からなる複数のマイクロ波透過窓と、天壁部の下面に下方に突出するように設けられ、表面波プラズマの密度分布を調整するように配列された複数の凸状部とを有する。【選択図】 図３

Description

本開示は、プラズマ処理装置およびプラズマ処理方法に関する。
半導体ウエハに対する処理としてプラズマ処理が多用されている。プラズマ処理を行うプラズマ処理装置としては、高密度で低電子温度のプラズマを生成可能なマイクロ波プラズマが注目されている。マイクロ波プラズマを用いたプラズマ処理装置としては、例えば、特許文献１のような、マイクロ波供給部から供給されたマイクロ波を複数のマイクロ波放射部材から放射させ、処理容器の天壁に設けられた複数のマイクロ波透過部材を透過させて処理容器内に生成された表面波プラズマを用いるものが知られている。また、特許文献１には、プラズマ密度を高めるために、天壁に特定の深さの凹部を形成することが記載されている。
特開２０１９−１０６３５８号公報
本開示は、処理容器内のプラズマ密度分布を比較的容易に調整することができるプラズマ処理装置およびプラズマ処理方法を提供する。
本開示の一態様に係るプラズマ処理装置は、基板を収容し、天壁部と側壁部と底壁部により処理空間を画成する処理容器と、前記天壁部の上方に設けられ、マイクロ波を発生させるマイクロ波発生部およびマイクロ波を前記処理容器に向けて放射する複数のマイクロ波放射部を有し、前記天壁部の下方位置に表面波プラズマを生成するためのプラズマ源と、前記表面波プラズマを生成するためのガスを供給するガス供給部と、前記天壁部の前記複数のマイクロ波放射部に対応する位置に設けられた誘電体からなる複数のマイクロ波透過窓と、前記天壁部の下面に下方に突出するように設けられ、前記表面波プラズマの密度分布を調整するように配列された複数の凸状部と、を有する。
本開示によれば、処理容器内のプラズマ密度分布を比較的容易に調整することができるプラズマ処理装置が提供される。
一実施形態に係るプラズマ処理装置を模式的に示す断面図である。 図１のプラズマ処理装置におけるマイクロ波導入装置の構成を示す構成図である。 図１のプラズマ処理装置における処理容器の天壁部を模式的に示す底面図である。 図１のプラズマ処理装置におけるマイクロ波放射機構を模式的に示す断面図である。 図１のプラズマ処理装置における凸状部の機能を説明するための図である。 図１のプラズマ処理装置における凸状部の高さＨおよび隣接する凸状部の間の間隔Ｄを示す図である。 高圧条件における高さ方向のプラズマの電子密度分布を示す図である。 低圧条件における水平方向のプラズマの電子密度分布を示す図である。 凸状部の形状例を説明するための図である。 プラズマの電子密度分布および半値半幅を示す図である。 外周側マイクロ波透過部のマイクロ波透過窓が側壁部に近い場合の凸状部の位置を説明するための図である。 プラズマ密度分布の調整に凸状部を用いずに、Ｓｉ原料ガスとＮ２ガスを用いて窒化珪素（ＳｉＮ）膜を成膜した場合の基板径方向のＲＩ分布を示す図である。 外周側マイクロ波透過部のマイクロ波透過窓を外側にずらしたときに想定されるプラズマの位置および密度分布を示す図である。 外周側マイクロ波透過部のマイクロ波透過窓を外側にずらしたときに実際に得られるプラズマの位置および密度分布を示す図である。 本実施形態のプラズマ処理装置とリファレンスのプラズマ処理装置を用いて窒化珪素（ＳｉＮ）膜を成膜した際の径方向のＲＩ分布のシミュレーション結果を示す図である。 複数の凸状部の配置例を説明するための図である。
以下、添付図面を参照して実施の形態について具体的に説明する。
図１は、一実施形態に係るプラズマ処理装置を模式的に示す断面図、図２は図１のプラズマ処理装置のマイクロ波導入装置の構成を示す構成図、図３は図１のプラズマ処理装置における処理容器の天壁部を模式的に示す底面図、図４は図１のプラズマ処理装置におけるマイクロ波放射機構を模式的に示す断面図である。
このプラズマ処理装置１００は、処理容器１と、載置台２と、ガス供給部３と、排気装置４と、プラズマ源５と、制御部６とを備えている。
処理容器１は、基板Ｓを収容するものであり、例えばアルミニウム（Ａｌ）およびその合金等の金属材料によって形成され、略円筒形状をなしており、板状の天壁部１１および底壁部１３と、これらを連結する側壁部１２とを有している。天壁部１１と側壁部１２と低壁部１３によって処理空間が画成される。処理容器１がＡｌで構成されている場合には、内面にアーキング防止のＡｌ２Ｏ３皮膜を有していてもよい。また、内面にＡｌ２Ｏ３やＹ２Ｏ３等のセラミックコートを形成してもよい。
プラズマ源５は、処理容器１の上部に設けられ、処理容器１内にマイクロ波（電磁波）を供給してプラズマを生成するプラズマ生成手段として機能する。プラズマ源５については後で詳細に説明する。
天壁部１１には、後述する複数の開口部を有しており、複数の開口部には誘電体からなるマイクロ波透過窓６３が設けられる。また、天壁部１１の下面には、下方に突出する複数の凸状部２３が設けられている。複数の凸状部２３は、後述するように、プラズマ密度分布を調整するように配列されている。
側壁部１２は、処理容器１に隣接する搬送室（図示せず）との間で基板Ｓの搬入出を行うための搬入出口１４を有している。搬入出口１４はゲートバルブ１５により開閉されるようになっている。底壁部１３には排気装置４が設けられている。排気装置４は底壁部１３に接続された排気管１６に設けられ、真空ポンプと圧力制御バルブを備えている。排気装置４の真空ポンプにより排気管１６を介して処理容器１内が排気される。処理容器１内の圧力は圧力制御バルブにより制御される。
載置台２は、処理容器１の内部に配置され、基板Ｓを載置する。載置台２は、円板状をなしており、例えば、ＡｌＮ等のセラミックスからなっている。載置台２は、処理容器１の底部中央から上方に延びる円筒状の例えばＡｌＮ等のセラミックスからなる支持部材２０により支持されている。載置台２の外縁部には基板Ｓをガイドするためのガイドリング８１が設けられている。また、載置台２の内部には、基板Ｓを昇降するための昇降ピン（図示せず）が載置台２の上面に対して突没可能に設けられている。さらに、載置台２の内部には抵抗加熱型のヒータ８２が埋め込まれており、このヒータ８２はヒータ電源８３から給電されることにより載置台２を介してその上の基板Ｓを加熱する。また、載置台２には、熱電対（図示せず）が挿入されており、熱電対からの信号に基づいて、基板Ｓの加熱温度を制御可能となっている。さらに、載置台２内のヒータ８２の上方には、基板Ｓと同程度の大きさの電極８４が埋設されており、この電極８４には、高周波バイアス電源２２が電気的に接続されている。この高周波バイアス電源２２から載置台２に、イオンを引き込むための高周波バイアスが印加される。なお、高周波バイアス電源２２はプラズマ処理の特性によっては設けなくてもよい。
ガス供給部３は、プラズマ処理に必要なガスを処理容器１内に供給するためのものである。ガスとしては、Ａｒガス等の希ガスからなるプラズマ生成ガス、プラズマ処理のための処理ガスが用いられ、処理ガスはプラズマ処理に応じて種々のものが用いられる。プラズマ処理としては、例えば、窒化珪素（ＳｉＮ）膜の成膜を行うことができ、その場合は、例えば、処理ガスとして、原料ガスであるＳｉ原料ガス、反応ガスであるＮ２ガスを用いることができる。
ガス供給部３は、これらのガスを供給するための複数のガス供給源、各ガス供給源に接続された配管、配管に設けられたバルブや流量制御器等を有するガス供給機構９２を有している。また、ガス供給部３は、ガス供給機構９２からのガスを導く共通の配管９１をさらに有しており、配管９１は天壁部１１に設けられた凸状部２３に接続されている。凸状部２３にはガス流路２３ａが形成されており、凸状部２３から処理容器１内へガスが供給されるようになっている。すなわち、凸状部２３はガス導入ノズル（ガス導入部）としても機能する。なお、処理容器１内へのガスの導入は、凸状部２３以外から行い、凸状部２３をガス導入部として機能させなくてもよい。
プラズマ源５は、前述のように、処理容器１の上方に設けられ、処理容器１内にマイクロ波（電磁波）を導入してプラズマを生成するプラズマ生成手段として機能する。図１に示すように、プラズマ源５は、マイクロ波出力部３０と、アンテナユニット４０とを有する。
マイクロ波出力部３０は、マイクロ波を生成するとともに、マイクロ波を複数の経路に分配して出力するものである。マイクロ波出力部３０は、図２に示すように、マイクロ波電源３１と、マイクロ波発振器３２と、アンプ３３と、分配器３４とを有している。マイクロ波発振器３２はソリッドステートであり、例えば、８６０ＭＨｚでマイクロ波を発振（例えば、ＰＬＬ発振）させる。なお、マイクロ波の周波数は、８６０ＭＨｚに限らず、２．４５ＧＨｚ、８．３５ＧＨｚ、５．８ＧＨｚ、１．９８ＧＨｚ等、７００ＭＨｚから１０ＧＨｚの範囲のものを用いることができる。アンプ３３は、マイクロ波発振器３２によって発振されたマイクロ波を増幅するものである。分配器３４は、アンプ３３によって増幅されたマイクロ波を複数の経路に分配するものであり、入力側と出力側のインピーダンスを整合させながらマイクロ波を分配する。
アンテナユニット４０は、マイクロ波出力部３０から出力されたマイクロ波を処理容器１内に導入するものである。アンテナユニット４０は、図２に示すように、複数のアンテナモジュール４１を含んでいる。複数のアンテナモジュール４１は、それぞれ、分配器３４によって分配されたマイクロ波を処理容器１内に導入する。複数のアンテナモジュール４１の構成は全て同一である。各アンテナモジュール４１は、分配されたマイクロ波を主に増幅して出力するアンプ部４２と、アンプ部４２から出力されたマイクロ波を処理容器１内に放射するマイクロ波放射部４３とを有する。
アンプ部４２は、位相器４５と、可変ゲインアンプ４６と、メインアンプ４７と、アイソレータ４８とを有する。位相器４５は、マイクロ波の位相を変化させる。可変ゲインアンプ４６は、メインアンプ４７に入力されるマイクロ波の電力レベルを調整する。メインアンプ４７は、ソリッドステートアンプとして構成される。アイソレータ４８は、メインアンプ４７に向かう反射マイクロ波を分離する。
図１に示すように、複数のマイクロ波放射部４３は、天壁部１１に配置された複数のマイクロ波透過窓６３に対応する位置に設けられる。
図３に示すように、複数のマイクロ波透過窓６３は、天壁部１１の中心部に１個と、その周囲の外周部に等間隔に６個、合計７個設けられている。中心部の１個のマイクロ波透過窓６３は中心側マイクロ波透過部１１１を構成し、外周部の６個のマイクロ波透過窓６３は外周側マイクロ波透過部１１２を構成する。外周側マイクロ波透過部１１２の６個のマイクロ波透過窓６３は、その中心が天壁部１１の中心を中心とする仮想円１１５上に位置するように配置されている。好適な例では、中心側マイクロ波透過部１１１のマイクロ波透過窓６３は、その中心が天壁部１１の中心と一致した位置に設けられ、外周側マイクロ波透過部１１２の６個のマイクロ波透過窓６３は、正六角形を構成するように配置される。そして、中心側マイクロ波透過部１１１のマイクロ波透過窓６３と、外周側マイクロ波透過部１１２の隣接するマイクロ波透過窓６３とは、それらの中心を結ぶことにより正三角形が形成される位置に存在する。なお、マイクロ波透過窓６３の数およびマイクロ波放射部４３の配置は図３の例に限らず、これらの数も７個に限らない。図３の例では、複数の凸状部２３は、中心側マイクロ波透過部１１１を取り囲むように円周状に配列されている。
各マイクロ波放射部４３は、図４に示すように、同軸管５１と、給電部５５と、チューナ５４と、平面アンテナ６１と、遅波材６２とを有する。同軸管５１は、筒状をなす外側導体５２および外側導体５２内に外側導体５２と同軸状に設けられた内側導体５３を有し、それらの間にマイクロ波伝送路を有する。
給電部５５は、アンプ部４２からの増幅されたマイクロ波をマイクロ波伝送路に給電するものである。給電部５５には、外側導体５２の上端部の側方から同軸ケーブルによりアンプ部４２で増幅されたマイクロ波が導入される。例えば、給電部５５によりマイクロ波を放射することにより外側導体５２と内側導体５３との間のマイクロ波伝送路にマイクロ波電力が給電され、マイクロ波電力がマイクロ波伝送路に沿って下方に伝播される。
平面アンテナ６１は、内側導体５３の下端部に接続され、同軸管５１からのマイクロ波を処理容器１内に放射するためのものであり、導体、例えば表面が金メッキされた銅板またはアルミニウム板からなる。平面アンテナ６１は、貫通するように形成されたスロット６１ａを有している。スロット６１ａの形状は、マイクロ波が効率良く放射されるように適宜設定される。スロット６１ａには誘電体が挿入されていてもよい。
遅波材６２は、平面アンテナ６１の上面側に配置され、外側導体５２の下端に嵌め込まれている。遅波材６２は、真空よりも大きい誘電率を有する材料によって形成されており、その厚さによりマイクロ波の位相を調整することができ、マイクロ波の放射エネルギーが最大となるようにすることができる。遅波材６２を構成する誘電体材料としては、例えば、石英やセラミックス、ポリテトラフルオロエチレン樹脂等のフッ素系樹脂、ポリイミド樹脂等を用いることができる。
マイクロ波放射部４３から放射されたマイクロ波は、対応するマイクロ波透過窓６３を透過して処理容器１内に至り、表面波プラズマを生成する。マイクロ波透過窓６３も遅波材６２と同様の誘電体材料で構成することができ、マイクロ波をＴＥモードで効率的に放射することができるような形状をなしている。
チューナ５４は、負荷のインピーダンスをマイクロ波電源３１の特性インピーダンスに整合させるものである。チューナ５４は、スラグチューナを構成している。例えば図４に示すように、チューナ５４は、２つのスラグ７１ａ、７１ｂと、これら２つのスラグをそれぞれ独立して駆動するアクチュエータ７２と、このアクチュエータ７２を制御するチューナコントローラ７３とを有している。スラグ７１ａ、７１ｂは、同軸管５１の平面アンテナ６１よりも基端部側（上端部側）の部分に配置されている。
スラグ７１ａ，７１ｂは、板状かつ環状をなし、セラミックス等の誘電体材料で構成され、同軸管５１の外側導体５２と内側導体５３の間に配置されている。また、アクチュエータ７２は、例えば、内側導体５３の内部に設けられた、それぞれスラグ７１ａ，７１ｂが螺合する２本のねじを回転させることによりスラグ７１ａ，７１ｂを個別に駆動する。そして、チューナコントローラ７３からの指令に基づいて、アクチュエータ７２によって、スラグ７１ａ，７１ｂを上下方向に移動させる。チューナコントローラ７３は、終端部のインピーダンスが５０Ωになるように、スラグ７１ａ，７１ｂの位置を調整する。
メインアンプ４７と、チューナ５４と、平面アンテナ６１とは近接配置されている。そして、チューナ５４と平面アンテナ６１とは集中定数回路を構成し、かつ共振器として機能する。平面アンテナ６１の取り付け部分には、インピーダンス不整合が存在するが、チューナ５４によりプラズマ負荷に対して直接チューニングするので、プラズマを含めて高精度でチューニングすることができる。このため、平面アンテナ６１における反射の影響を解消することができる。
天壁部１１に設けられた複数の凸状部２３は、複数のマイクロ波放射部４３から対応するマイクロ波透過窓６３を透過したマイクロ波によって生成される表面波プラズマの密度分布を調整するように配列されている。すなわち、図５に示すように、凸状部２３が存在しない場合のマイクロ波透過窓６３から透過したマイクロ波によって生成される表面波プラズマの水平方向の広がりを、凸状部２３により意図的に阻止し、プラズマ密度分布を調整する。
図６に示す凸状部２３の高さＨおよび隣接する凸状部２３の間の隙間Ｄは、それぞれ１０ｍｍ以上および５０ｍｍ以下であることが好ましい。高さＨの好ましい範囲を１０ｍｍ以上としたのは、プラズマの分布幅が狭い高圧条件では、電子密度実測データは図７に示すようになり、天壁から１０ｍｍ程度の位置に電子密度のピークが存在するからである。確実にプラズマ分布調整を行う観点からは、Ｈは２０ｍｍ以上が好ましい。また、隙間Ｄの好ましい範囲を５０ｍｍ以下としたのは、分布幅の広い低圧条件では、電子密度実測データは図８に示すようになり、Ｄが５０ｍｍ以下であれば、プラズマ密度分布の狭窄効果が得られるからである。なお、凸状部２３の径については特に制限はないが、５ｍｍ以上が好ましい。
凸状部２３の形状は特に限定されない。図９の（ａ）に示すように断面が円形とすることができるが、円形である必要はなく、例えば（ｂ）のように断面が楕円であってもよい。（ａ）、（ｂ）では先端が曲面となっているが、平面でもよい。また、（ｃ）、（ｄ）のような変形したものであってもよい。
図３では、複数の凸状部２３の配置の一例として、中心側マイクロ波透過部１１１を構成するマイクロ波透過窓６３と、外周側マイクロ波透過部１１２を構成する６個のマイクロ波透過窓６３の間の位置に、中心側マイクロ波透過部１１１のマイクロ波透過窓６３を囲むように複数の凸状部２３が配列されている。より具体的には、複数の凸状部２３は、天壁部１１の中心を中心とする仮想円１１６上に配置されている。このように、複数の凸状部２３を中心側マイクロ波透過部１１１のマイクロ波透過窓６３を囲むように、さらには天壁部１１の中心を中心とする仮想円１１６上に配置することにより、径方向のプラズマ密度分布を調整することができる。
径方向のプラズマ密度分布を調整する場合、凸状部２３の位置は、天壁部１１の中心を中心とし、外周側マイクロ波透過部１１２のマイクロ波透過窓６３の中心位置を円周の位置とする仮想円１１５よりも中心側であることが好ましい。これにより、外周側マイクロ波透過部１１２に対応するプラズマの密度分布を径方向に調整して、基板Ｓに対するプラズマ処理の均一性を高めることができる。
表面波プラズマは、天壁部１１の近傍でマイクロ波透過窓６３の中心（径方向距離＝０ｍｍ）から外側に広がり、その密度分布は図１０のようになる。図１０は、天壁部１１の近傍として天壁部１１の下面から１５ｍｍ下方の位置での典型的な条件におけるプラズマの広がりを示すものである。図１０からプラズマ密度の半値半幅は８６ｍｍであるから、プラズマの広がりの典型的な値として半値半幅付近の９０ｍｍを採用することができる。
また、凸状部２３は、外側マイクロ波透過部１１２に対応して生成された表面波プラズマに作用可能な位置に設けられることが好ましい。
具体的には、外周側マイクロ波透過部１１２のマイクロ波透過窓６３の中心から処理容器１の側壁部１２までの距離が９０ｍｍ以上であれば、プラズマは側壁部１２の影響を強く受けないと考えられる。そのような場合に、凸状部２３が外周側マイクロ波透過部１１２のマイクロ波透過窓６３の中心から９０ｍｍ以内の位置に設けられれば、凸状部２３がプラズマに作用して天壁部１１の径方向中心側へのプラズマの広がりを阻止する効果が有効に発揮され、径方向のプラズマ密度分布を調整する効果が大きくなる。
外周側マイクロ波透過部１１２のマイクロ波透過窓６３の中心から側壁部１２までの距離が９０ｍｍ未満であれば、プラズマは側壁部１２の影響を強く受けるようになると考えられる。このとき、図１１に示すように、凸状部２３と側壁部１２との間にプラズマ密度のピークが存在するように凸状部２３の位置を設定することにより、凸状部２３がプラズマに有効に作用し、天壁部１１の径方向中心側へのプラズマの広がりを阻止する効果を有効に発揮できると考えられる。すなわち、外周側のマイクロ透過窓６３が側壁部１２に近い場合は、側壁部１２からの距離が半値全幅に相当する距離である１８０ｍｍ以内の位置に凸状部２３を設置すれば、側壁部１２と凸状部２３との間にプラズマを閉じ込めることができ、プラズマ密度分布を径方向において調整する効果が大きくなる。
制御部６は、典型的にはコンピュータからなり、プラズマ処理装置１００の各部を制御するようになっている。制御部６はプラズマ処理装置１００のプロセスシーケンスおよび制御パラメータであるプロセスレシピを記憶した記憶部や、入力手段およびディスプレイ等を備えており、選択されたプロセスレシピに従って所定の制御を行うことが可能である。
次に、このようなプラズマ処理装置１００によるプラズマ処理について説明する。
プラズマ処理装置１００によりプラズマ処理を行う際には、ガス供給部３からガス導入ノズルとして機能する凸状部２３を介してプラズマ生成ガスを処理容器１の天壁部１１の直下に供給するとともに、処理容器１内にプラズマ源５からマイクロ波を供給してプラズマを着火させる。
このとき、マイクロ波は、プラズマ源５のマイクロ波出力部３０から複数に分配して出力され、アンテナユニット４０の複数のアンテナモジュール４１に導かれる。
各アンテナモジュール４１では、マイクロ波は、ソリッドステートアンプを構成するメインアンプ４７で個別に増幅され、各マイクロ波放射部４３に給電され、同軸管５１を伝送されて平面アンテナ６１に至る。その際に、チューナ５４のスラグ７１ａおよびスラグ７１ｂによりインピーダンスが自動整合される。このため、マイクロ波は、電力反射が実質的にない状態で、チューナ５４から遅波材６２を経て平面アンテナ６１のスロット６１ａから放射される。そして、マイクロ波は、さらにマイクロ波透過窓６３を透過し、プラズマに接するマイクロ波透過窓６３の表面（下面）を伝播し表面波を形成する。各平面アンテナ６１からのマイクロ波電力は、処理容器１内で空間合成され、天壁部１１の直下領域に希ガス、例えばＡｒガスによる表面波プラズマが生成される。
そして、プラズマが着火したタイミングで、ガス供給部３からガス導入ノズルとして機能する凸状部２３を介して処理ガスを供給し、処理ガスをプラズマ化させ、基板Ｓにプラズマ処理を行う。プラズマ処理として、例えば、処理ガスとして、原料ガスであるＳｉ原料ガス、反応ガスであるＮ２ガスを用いた窒化珪素（ＳｉＮ）膜の成膜が行われる。
なお、プラズマ生成ガスと処理ガスを同時にプラズマ生成領域に供給してプラズマを着火してもよく、また、プラズマ生成ガスを用いずに、処理ガスをプラズマ生成領域に供給して直接プラズマを着火してもよい。
プラズマ処理装置１００では、複数のマイクロ波放射部４３からマイクロ波を放射して極力均一なプラズマを生成し、基板Ｓに対する均一なプラズマ処理を行うため、マイクロ波放射部４３およびそれに対応するマイクロ波透過窓６３の配置位置を適正化し、放射条件も厳密に調整する。
しかし、プラズマ密度分布の調整に凸状部２３を用いない場合は、それでもなお、処理によっては十分な処理の均一性が得られない場合がある。例えば、Ｓｉ原料ガスとＮ２ガスを用いて窒化珪素（ＳｉＮ）膜を成膜する場合、図１２に示すように、膜中のＳｉとＮの比率の指標であるＳｉＮ膜の屈折率（ＲＩ値）が、基板Ｓ（半導体ウエハ）の中心から１００ｍｍ程度の外周部で落ち込む現象が生じる場合がある。
このようなプラズマ処理の不均一を解消するためには、プラズマ密度分布調整する手法が求められる。
プラズマ密度分布は、マイクロ波放射部４３（マイクロ波透過窓６３）の配置、処理容器１の寸法、ガス種などでほぼ自動的に決まってしまうため調整が難しい。マイクロ波放射部４３（マイクロ波透過窓６３）の配置を変更することでプラズマ密度分布を調整することも考えられる。例えば、図１２の状態を改善するために、図１３のように外周側マイクロ波透過部１１２のマイクロ波透過窓６３を外側へずらしてプラズマを外側にシフトさせることが想定される。しかし、実際には図１４に示すように側壁部１２の影響でプラズマを十分に外側へシフトさせることができず、所望の効果を得難いことが判明した。また、マイクロ波放射部４３（マイクロ波透過窓６３）の配置を変更することは、装置設計を変更することになり大掛かりである。
そこで、本実施形態では、処理容器１の天壁部１１の下面に、下方に突出するように複数の凸状部２３を設け、かつこれら複数の凸状部２３を表面波プラズマの密度分布を調整するように配列する。凸状部２３は、処理容器１内の天壁部１１の近傍部分に生成される表面波プラズマの径方向の広がりを阻止することができるので、処理に応じて所望のプラズマが形成されるように、プラズマ密度分布の調整が可能となる。
具体的手順は以下の通りとなる。
特定条件のプラズマ処理について、凸状部２３の影響がないときのプラズマの状態（プラズマ処理の均一性またはプラズマ密度分布）を予め把握しておく。そして、天壁部１１の下面に、生成された表面波プラズマが所望のプラズマの密度分布に調整されるような配列で複数の凸状部２３を設ける。そして、そのような凸状部２３を有する天壁部１１を用いたプラズマ処理装置１００にて、上記手順により当該特定条件のプラズマ処理を実施する。
凸状部２３によりプラズマ密度分布を調整する手法は、天壁部１１に複数の凸状部２３を適切な位置に設けるだけでよいので、大掛かりな装置設計等の変更が不要であり、比較的容易にプラズマ密度分布調整することができる。また、基本的なプラズマ密度分布を大きく変更せずに、適度な調整を行うことができる。さらに、プラズマ密度分布を調整したい部分に応じて凸状部２３を設ける位置を調整することにより、きめ細かいプラズマ密度調整を行うことができる。
また、表面波プラズマは、天壁部１１の近傍に生成されるプラズマであるため、その密度分布制御のためには、凸状部２３の高さＨは上述したように１０ｍｍ以上、好ましくは２０ｍｍ以上と短くてよい。
上記特許文献１では、天壁に特定深さの凹部を形成することが記載されているが、凹部は電界を閉じ込めてプラズマ密度を上昇させるために用いられ、プラズマ密度分布は意図しておらず、また、実際にプラズマ密度分布の調整にはほとんど寄与しない。また、特許文献１の図３（ａ）、（ｂ）には、「比較例」として、天壁部に凸状部を設けた例が示されているが、その図４（ｂ）をみると、凹部を設けた場合よりも電子密度が低いことが示されているのみであり、プラズマ密度分布を調整する効果については記載されていない。
なお、複数のマイクロ波放射部から処理容器内にマイクロ波を供給するタイプのプラズマ処理装置として、従来から処理容器内へガスを導入するためのガス導入ノズルを天壁部から下方に突出して設けたものが知られている（例えば特開２０１４−１８３２９７号公報）。しかし、このような従来技術では、ガス導入ノズルは、例えばガスを天壁表面から離れた位置に供給すること等を意図しており、プラズマ密度分布を調整することを意図するものではない。
また、図３のように、凸状部２３を天壁部１１の中心を中心とする仮想円１１６上に配置することにより、径方向のプラズマ密度分布を調整することができる。特に、凸状部２３の位置は、天壁部１１の中心を中心とし、外周側マイクロ波透過部１１２のマイクロ波透過窓６３の中心位置を円周の位置とする仮想円１１５よりも天壁部１１の中心側であることが好ましい。また、凸状部２３は、外側マイクロ波透過部１１２に対応して生成された表面波プラズマに作用可能な位置に設けられることが好ましい。具体的には、外周側マイクロ波透過部１１２のマイクロ波透過窓６３の中心から処理容器１の側壁部１２までの距離が９０ｍｍ以上の場合に、凸状部２３が外周側マイクロ波透過部１１２のマイクロ波透過窓６３の中心から９０ｍｍ以内の位置に設けられることが好ましい。また、外周側マイクロ波透過部１１２のマイクロ波透過窓６３の中心から側壁部１２までの距離が９０ｍｍ未満である場合に、凸状部２３を側壁部１２から半値半幅の２倍である半値全幅付近の１８０ｍｍ以内の位置に設けることが好ましい。これらの好ましい範囲を満たすことにより、プラズマ密度分布を径方向に調整する効果が大きくなる。
次に、本実施形態の効果を確認した結果について説明する。
ここでは、図３と同様に、天壁部にマイクロ波を透過する７つのマイクロ波透過窓６３を設け、さらに、複数の凸状部を設けた２種類のプラズマ処理装置によるプラズマ処理をシミュレートした。一つは、凸状部２３を、プラズマ密度分布を調整する機能を有する位置である、外周側マイクロ波透過部１２のマイクロ波透過窓６３の中心位置を円周の位置とする仮想円１１５から天壁部１１の中心側に７０ｍｍの距離の位置に設けた実施形態のプラズマ処理装置である。他の一つは、凸状部２３を、プラズマ密度分布を調整する機能を有しない位置である、外周側マイクロ波透過部１２のマイクロ波透過窓６３の中心位置を円周の位置とする仮想円１１５から天壁部１１の中心側に９５ｍｍの距離の位置に設けたリファレンス（ｒｅｆ．）のプラズマ処理装置である。具体的には、これらの装置を用いて、３００ｍｍの半導体ウエハ上にＳｉ原料ガスとＮ２ガスを用いて窒化珪素（ＳｉＮ）膜を成膜する場合についてシミュレートした。その際のＲＩ分布のシミュレーション結果を図１５に示す。この図に示すように、リファレンスの場合は、図１２と同様、ウエハの中心から１００ｍｍ程度の位置でＲＩ値が落ち込んでいるが、本実施形態に従ってプラズマ密度分布調整用の凸状部を設けた場合は、ＲＩ値が均一化されていることがわかる。なお、ここではパワー比率等の条件は最適化していないが、これらを最適化することによりさらにＲＩ分布の均一性は高まると考えられる。
以上、実施形態について説明したが、今回開示された実施形態は、全ての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。上記の実施形態は、添付の特許請求の範囲およびその主旨を逸脱することなく、様々な形態で省略、置換、変更されてもよい。
例えば、上記実施形態では、図１６（ａ）に示すように、凸状部２３を、天壁部１１の中心を中心とする仮想円１１６上に配置した例を示し、これにより径方向のプラズマ密度分布を調整する例を示したが、凸状部２３の配置はこれに限るものではない。例えば、図１６（ｂ）に示すように、凸状部２３を天壁部１１の径方向に並べて、周方向のプラズマ密度分布を調整するようにしてもよいし、図１６（ｃ）に示すように、凸状部２３を円弧状に並べて、径方向と周方向が混合した方向のプラズマ密度分布を調整するようにしてもよい。
また、上記実施形態では、天壁部１１の中央に中心側マイクロ波透過部１１１を構成する１個のマイクロ波透過窓６３を配置し、天壁部１１の外周部に外周側マイクロ波透過部１１２を構成する６個のマイクロ波透過窓６３を配置した例を示した。しかし、これに限らず、天壁部の任意の位置に複数のマイクロ波透過窓を配置したプラズマ処理装置であってよい。
また、上記実施形態では、プラズマ処理装置としてＳｉＮ膜を成膜する成膜装置を例にとって示したが、他の膜の成膜装置であってもよいし、エッチング等の成膜以外のプラズマ処理装置であってもよい。
１；処理容器
２；載置台
３；ガス供給部
４；排気装置
５；プラズマ源
６；制御部
１１；天壁部
２３；凸状部
４３；マイクロ波放射部
６３；マイクロ波透過窓
１００；プラズマ処理装置
Ｓ；基板

Claims (9)

  1. 基板を収容し、天壁部と側壁部と底壁部により処理空間を画成する処理容器と、
    前記天壁部の上方に設けられ、マイクロ波を発生させるマイクロ波発生部およびマイクロ波を前記処理容器に向けて放射する複数のマイクロ波放射部を有し、前記天壁部の下方位置に表面波プラズマを生成するためのプラズマ源と、
    前記表面波プラズマを生成するためのガスを供給するガス供給部と、
    前記天壁部の前記複数のマイクロ波放射部に対応する位置に設けられた誘電体からなる複数のマイクロ波透過窓と、
    前記天壁部の下面に、下方に突出するように設けられ、前記表面波プラズマの密度分布を調整するように配列された複数の凸状部と、
    を有する、プラズマ処理装置。
  2. 前記天壁部において、複数の前記マイクロ波透過窓は、前記天壁部の中心側の中心側透過部を構成するマイクロ波透過窓と、その外周側の外周側透過部を構成するマイクロ波透過窓に分かれており、複数の前記凸状部は、前記中心側透過部を囲むように配列されている、請求項１に記載のプラズマ処理装置。
  3. 前記外周側透過部は、複数の前記マイクロ波透過窓が、前記天壁部の中心を中心とする仮想円上に位置するように構成され、
    複数の前記凸状部は、前記天壁部の中心を中心とし、前記外周側マイクロ波透過部を構成する複数の前記マイクロ波透過窓の中心位置を円周の位置とする仮想円よりも中心側であり、かつ前記外周側マイクロ波透過部に対応して生成された表面波プラズマに作用可能な位置に設けられる、請求項２に記載のプラズマ処理装置。
  4. 前記外周側マイクロ波透過部を構成するマイクロ波透過窓の中心位置が、前記処理容器の前記側壁部から９０ｍｍ以上の場合に、前記凸状部は、前記外周側マイクロ波透過部を構成する複数の前記マイクロ波透過窓の中心位置から９０ｍｍ以内の位置に設けられる、請求項３に記載のプラズマ処理装置。
  5. 前記外周側マイクロ波透過部を構成するマイクロ波透過窓の中心位置が、前記処理容器の前記側壁部から９０ｍｍより小さい場合に、前記凸状部は、前記処理容器の前記側壁部から１８０ｍｍ以内の位置に設けられる、請求項３に記載のプラズマ処理装置。
  6. 前記凸状部の長さは１０ｍｍ以上である、請求項１から請求項５のいずれか一項に記載のプラズマ処理装置。
  7. 前記凸状部の互いに隣接するものの間の隙間は５０ｍｍ以下である、請求項１から請求項６のいずれか一項に記載のプラズマ処理装置。
  8. 前記凸状部は、前記ガス供給部から供給されたガスを前記処理容器内に導入するガス導入部として機能する、請求項１から請求項７のいずれか一項に記載のプラズマ処理装置。
  9. 基板を収容し、天壁部と側壁部と底壁部により処理空間を画成する処理容器と、前記天壁部の上方に設けられ、マイクロ波を発生させるマイクロ波発生部、およびマイクロ波を前記処理容器に向けて放射する複数のマイクロ波放射部を有し、前記天壁部の下方位置に表面波プラズマを生成するためのプラズマ源と、前記表面波プラズマを生成するためのガスを供給するガス供給部と、前記天壁部の前記複数のマイクロ波放射部に対応する位置に設けられた誘電体からなる複数のマイクロ波透過窓とを有するプラズマ処理装置において、特定条件のプラズマ処理のプラズマの状態を予め把握することと、
    前記天壁部の下面に、下方に突出するように、生成された表面波プラズマが所望のプラズマの密度分布に調整されるような配列で複数の凸状部を設けることと、
    前記凸状部が設けられた天壁部を用いたプラズマ処理装置により、基板に対して前記特定条件のプラズマ処理を行うことと、
    を有するプラズマ処理方法。
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