JP2024039508A - プラズマ処理装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】基板処理の均一性を図る。【解決手段】基板を載置するステージを有する処理容器と、プラズマ生成用の高周波電力が供給される第１電極と、前記第１電極に対向し、前記第１電極との間にプラズマ生成空間を形成するように構成される第２電極と、誘電体で形成され、前記第１電極の外周に沿って形成された導波路から前記プラズマ生成空間に前記高周波電力を放射するように構成される放射部と、を備え、前記第２電極は、前記ステージとの間に処理空間を形成するように構成され、第１処理ガスを前記プラズマ生成空間から前記処理空間に向かう方向と逆の方向に通流させ、前記プラズマ生成空間に供給する構造を有する、プラズマ処理装置が提供される。【選択図】図１

Description

本開示は、プラズマ処理装置に関する。
例えば、特許文献１は、異なるプラズマを交互に生成するための複数のチャンバ領域を有するエッチングチャンバを提案する。特許文献１では、第１電荷結合プラズマ源が、ある動作モードにおいてウェハへイオン束を生成するために設けられ、一方、二次プラズマ源が、別の動作モードにおいてウェハに顕著なイオン束なしで反応種束を提供するために設けられる。コントローラは、誘電体材料の所望の累積量を除去するために時間をかけて動作モードを繰り返し循環するように操作する。
特表２０１４－５３２９８８号公報
本開示は、基板処理の均一性を図ることができる技術を提供する。
本開示の一の態様によれば、基板を載置するステージを有する処理容器と、プラズマ生成用の高周波電力が供給される第１電極と、前記第１電極に対向し、前記第１電極との間にプラズマ生成空間を形成するように構成される第２電極と、誘電体で形成され、前記第１電極の外周に沿って形成された導波路から前記プラズマ生成空間に前記高周波電力を放射するように構成される放射部と、を備え、前記第２電極は、前記ステージとの間に処理空間を形成するように構成され、第１処理ガスを前記プラズマ生成空間から前記処理空間に向かう方向と逆の方向に通流させ、前記プラズマ生成空間に供給する構造を有する、プラズマ処理装置が提供される。
一の側面によれば、基板処理の均一性を図ることができる。
第１実施形態に係るプラズマ処理装置の一例を示す断面模式図。 第１実施形態に係るプラズマ処理装置の一例を示す断面模式図。 図２のＡ－Ａ断面図。 一実施形態に係るＡＬＤ法による成膜方法の一例を示す図。 図４の成膜方法に使用するガスの一例を示す図。 第２実施形態に係るプラズマ処理装置の一例を示す断面模式図。 図６のＢ－Ｂ断面図。 第２実施形態に係るプラズマ処理装置のヒートパイプの変形例を示す図。
以下、図面を参照して本開示を実施するための形態について説明する。各図面において、同一構成部分には同一符号を付し、重複した説明を省略する場合がある。
本明細書において平行、直角、直交、水平、垂直、上下、左右などの方向には、実施形態の効果を損なわない程度のずれが許容される。角部の形状は、直角に限られず、弓状に丸みを帯びてもよい。平行、直角、直交、水平、垂直、円、一致には、略平行、略直角、略直交、略水平、略垂直、略円、略一致が含まれてもよい。
例えば、ＡＬＤ（Ａｔｏｍｉｃ Ｌａｙｅｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）装置による成膜処理やＡＬＥ（Ａｔｏｍｉｃ Ｌａｙｅｒ Ｅｔｃｈｉｎｇ）装置によるエッチング処理では、短時間でガスの切り替えを繰り返し制御する。よって、高速なガスの切り替えを実現するために処理空間を小さくすることが重要である。一方、ＡＬＤ装置、ＡＬＥ装置、ＣＶＤ（ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）装置、その他の成膜装置やエッチング装置において、処理空間への処理ガスの供給の偏りにより基板処理の均一性が損なわれる。例えば、シャワーヘッド構造のガス供給では、シャワーヘッドに設けられた複数のガス孔のパターンが基板に形成された膜の厚さやエッチング深さに影響を与える。例えば、基板上に成膜される膜について、ガス孔の真下の領域に対応する膜はそれ以外の領域の膜よりも厚くなる等、複数のガス孔のパターンが基板処理に反映されてしまい（以下文中この現象をパターン転写という）、基板処理の不均一を招く要因となる。処理空間の間隔を小さくすると、より複数のガス孔のパターンが膜に転写され易くなり、基板処理の不均一が生じやすくなる。そこで、本開示の一実施形態に係るプラズマ処理装置では、処理空間の間隔を小さくしても基板処理の均一性を図ることができるプラズマ処理装置を提案する。
＜第１実施形態＞
［プラズマ処理装置］
以下、第１実施形態に係るプラズマ処理装置１００の構成について、図１を参照しながら説明する。図１は、第１実施形態に係るプラズマ処理装置１００の一例を示す断面模式図である。プラズマ処理装置１００は、処理容器１０と、処理容器１０内に配置されたステージ２０と、ステージ２０の上方に位置するシャワーヘッド３０と、を有する。
処理容器１０は、内部空間を画成している。半導体ウェハを一例とする基板Ｗは処理容器１０の内部空間で処理される。処理容器１０は、略円筒形状を有しており、処理容器１０内の上方においてシャワーヘッド３０が配置されている。処理容器１０は、アルミニウム等の金属から形成されている。処理容器１０は、接地されている。
処理容器１０の側壁は、通路２５を提供している。基板Ｗは、処理容器１０の内部と外部との間で搬送されるときに、通路２５を通過する。通路２５は、ゲートバルブ２６によって開閉可能である。ゲートバルブ２６は、処理容器１０の側壁に沿って設けられている。
処理容器１０の底部は、排気口２２を提供している。排気口２２は、排気管２３を介して排気装置２４に接続されている。排気装置２４は、図示しない自動圧力制御弁を有する圧力制御器及びターボ分子ポンプ等の真空ポンプを含む。処理容器１０の内部のガスは、排気口２２を介して排気装置２４によって外部に排気することができる。基板Ｗの処理は、処理容器１０内を真空雰囲気に制御して行われる。
ステージ２０は、その上に基板Ｗを載置する。基板Ｗは、略水平な状態でステージ２０上に載置される。ステージ２０は、支持部材２１によって支持されていてもよい。支持部材２１は、処理容器１０の底部から上方に延びている。ステージ２０及び支持部材２１は、窒化アルミニウム等の誘電体から形成され得る。
基板Ｗを設置するステージ２０の上方には、上部電極４２と下部電極４１とが対向して設けられている。上部電極４２および下部電極４１は、アルミニウム合金、ニッケル、ニッケル合金、ステンレス等の金属からなる。
シャワーヘッド３０は、上部電極４２と下部電極４１とを有する。上部電極４２と下部電極４１とは金属製のシャワープレート構造を有しており、上部電極４２は上部シャワープレート４２Ｄ及び支持プレート４２Ｕを含み、下部電極４１は下部シャワープレート４１Ｄを含む。
上部シャワープレート４２Ｄと支持プレート４２Ｕとは円板形状であり、その直径は等しく、上部シャワープレート４２Ｄの上部に支持プレート４２Ｕが配置されている。支持プレート４２Ｕの下面は外周にて円周上の突出し、上部シャワープレート４２Ｄと接触する。支持プレート４２Ｕの内部空間は、上部シャワープレート４２Ｄの上面に面し、ガス拡散室４３として機能する。
上部電極４２には、高周波電源５０から整合器５１及び電力伝送線路５４を介してＶＨＦ帯の高周波電力が供給される。ＶＨＦ帯の高周波電力をＶＨＦ電力ともいう。上部電極４２は、プラズマ生成用の高周波電力が供給される第１電極の一例である。上部電極４２と下部電極４１との間のプラズマ生成空間１０ｕには、ＶＨＦ電力が供給され、かつ、後述するガスが供給される。プラズマ処理装置１００は、プラズマ生成空間１０ｕにてガスからプラズマを生成し、プラズマ生成空間１０ｕから処理空間１０ｓにプラズマ中のラジカルやイオン等の活性種を供給するリモートタイプのプラズマ処理装置である。
電力伝送線路５４は、処理容器１０の天壁１０ａに形成された貫通穴２７を通り、上部電極４２に接続されている。本実施形態では、高周波電源５０から供給される高周波電力の周波数は、ＶＨＦ帯の周波数であり、３０ＭＨｚ～３００ＭＨｚである。ただし、高周波電源５０から供給される高周波電力の周波数は、これに限らず、例えば１３ＭＨｚ又はこれ以上のＲＦ波の周波数であってもよいし、ＵＨＦ帯の周波数であってもよい。ＵＨＦ波の周波数は３００ＭＨｚ～３ＧＨｚである。
下部電極４１は、上部電極４２に対向し、上部電極４２との間にプラズマ生成空間１０ｕを形成するように構成される第２電極の一例である。下部シャワープレート４１Ｄは、上部シャワープレート４２Ｄの下方にて上部シャワープレート４２Ｄに対向する。下部シャワープレート４１Ｄは円板形状であり、その直径は、上部シャワープレート４２Ｄの直径よりも大きく、処理容器１０の直径に等しい。下部シャワープレート４１Ｄの外周は処理容器１０の側壁にて処理容器１０の上部と下部との間に挟まれて固定されている。これにより、下部シャワープレート４１Ｄは処理容器１０の内部をシャワーヘッド３０が設けられた上部空間１２と、ステージ２０が設けられた下部空間１１とに区画する。
上部シャワープレート４２Ｄの上部の支持プレート４２Ｕの外周に沿って、天壁１０ａと支持プレート４２Ｕとの間に導波路５３が形成されている。導波路５３は、さらに処理容器１０の側壁と支持プレート４２Ｕとの間に鉛直方向に延び、下部シャワープレート４１Ｄの外周上面まで延在する。上部シャワープレート４２Ｄと下部シャワープレート４１Ｄとの間には環状に誘電体の放射部４４が配置されている。放射部４４の外周面の直径は、上部シャワープレート４２Ｄの直径と等しい。放射部４４は、導波路５３を伝搬したＶＨＦ電力を透過させ、プラズマ生成空間１０ｕに放射する。
上部シャワープレート４２Ｄには、上部電極４２を上下に貫通する複数の第２貫通孔４２ａが設けられている。反応ガスは、反応ガス供給源６３からガス供給ライン６４を通って天壁１０ａを貫通する貫通孔６５、天壁１０ａと支持プレート４２Ｕとを繋ぐ環状部材６６及び支持プレート４２Ｕを貫通する貫通孔６７を通り、支持プレート４２Ｕのガス拡散室４３に供給される。反応ガスは、ガス拡散室４３に連通する上部シャワープレート４２Ｄの複数の第２貫通孔４２ａからプラズマ生成空間１０ｕに放出される。
下部シャワープレート４１Ｄを挟んでプラズマ生成空間１０ｕの反対側には、下部シャワープレート４１Ｄとステージ２０の間には処理空間１０ｓが形成されている。下部シャワープレート４１Ｄには、下部電極４１を上下に貫通する複数の第１貫通孔４１ｂが設けられており、プラズマ生成空間１０ｕに供給されたガスおよびプラズマ中の活性種は、複数の第１貫通孔４１ｂから拡散され、処理空間１０ｓに放出される。
更に図２及び図３を参照しながら説明を続ける。図２は、第１実施形態に係るプラズマ処理装置１００のシャワーヘッド構造とその周辺を示す図である。図３は、図２のＡ－Ａ断面図である。
図３に示すように、下部シャワープレート４１Ｄの外周には、２カ所に流路４１ｃと連通するガス供給口６２が形成されている。下部シャワープレート４１Ｄの内部は、下部シャワープレート４１Ｄの外周に囲まれた空間であり、複数の第１貫通孔４１ｂを除く全空間が、原料ガスが流れる流路４１ｃとなっている。複数の第１貫通孔４１ｂと流路４１ｃとは環状の仕切り壁４５により仕切られている。仕切り壁４５は、例えばアルミニウムの合金で形成されてもよい。図１に示すように、原料ガスは、原料ガス供給源６０からガス供給ライン６１を通って２分岐し、ガス供給口６２から流路４１ｃ内に供給される。
下部シャワープレート４１Ｄは、プラズマ生成空間１０ｕから処理空間１０ｓに向かう方向と逆の方向である上方に向けて原料ガスを噴出させ、プラズマ生成空間１０ｕに供給するシャワープレート構造を有する。下部シャワープレート４１Ｄには複数のガス孔４１ａが設けられている。複数のガス孔４１ａは、下部電極４１の流路４１ｃの上部に設けられ、流路４１ｃに連通する。複数のガス孔４１ａは、プラズマ生成空間１０ｕに向けて上向きに開口し、原料ガスを上方に放出する。すなわち、複数のガス孔４１ａは、下部シャワープレート４１Ｄのステージ２０に対向する面の反対側の面（プラズマ生成空間１０ｕ側の面）に開口し、処理空間１０ｓ側には開口していない。このため、原料ガスは、プラズマ生成空間１０ｕを経由してから処理空間１０ｓに供給されるようになっている。これにより、原料ガスを複数の第１貫通孔４１ｂから処理空間１０ｓに導入し、基板Ｗに吸着させる。
例えば、ＡＬＤ法による成膜の場合、まず、原料ガスを下部シャワープレート４１Ｄから供給し、基板Ｗに原料ガスを吸着する。このとき、ＶＨＦ電力は供給しない。よって、原料ガスは、複数のガス孔４１ａからプラズマ生成空間１０ｕに供給され、プラズマ化せずに複数の第１貫通孔４１ｂから処理空間１０ｓへ導入される。これにより、原料ガスは基板Ｗの表面に化学吸着する。
基板Ｗに原料ガスを吸着させた後、反応ガスを上部シャワープレート４２Ｄの複数の第２貫通孔４２ａからプラズマ生成空間１０ｕに供給する。反応ガスには、アンモニア（ＮＨ３）ガスが含まれる。このとき、放射部４４からプラズマ生成空間１０ｕにＶＨＦ電力が供給され、反応ガスはプラズマ生成空間１０ｕにてプラズマ化される。反応ガス及びプラズマ中の活性種は、複数の第１貫通孔４１ｂから処理空間１０ｓへ導入される。これにより、基板Ｗ上に吸着した原料ガスを反応ガスにより反応させる。反応ガスがＮＨ３ガス又はＮ２ガスの場合、シリコン含有ガスを窒化し、これにより、ＮＨ３分子の分解により生じたＮＨｘラジカルにより、基板Ｗの表面が窒化され、基板Ｗ上に窒化膜が成膜される。
原料ガスは、第１処理ガスの一例である。第１処理ガスは、原料ガスとしてのシリコン含有ガスを含む。シリコン含有ガスは、シラン（ＳｉＨ４）ガス、ジクロロシラン（ＳｉＨ２Ｃｌ２：ＤＣＳ）ガス、又はトリシリルアミン（Ｓｉ３Ｈ９Ｎ：ＴＳＡ）ガスであってもよい。第１処理ガスは原料ガスに加えてプラズマ励起用ガスを含んでもよい。プラズマ励起用ガスはアルゴン（Ａｒ）ガス等の不活性ガスであってもよい。
反応ガスは、第２処理ガスの一例である。第２処理ガスは、反応ガスとしての窒素含有ガスを含む。反応ガスは、ＮＨ３ガス又はＮ２ガスであってもよい。第２処理ガスは反応ガスに加えてプラズマ励起用ガスを含んでもよい。プラズマ励起用ガスはＡｒガス等の不活性ガスであってもよい。
図２に示すように、上部電極４２と下部電極４１との間の間隔Ｈ１（プラズマ生成空間１０ｕの間隔）は、２ｍｍである。下部電極４１とステージ２０との間の間隔Ｈ２（処理空間１０ｓの間隔）は、１０ｍｍ～２０ｍｍの範囲内である。
以上に説明したように、本実施形態では、上部電極４２及び下部電極４１間に供給されたＶＨＦ電力によりプラズマを励起するリモートタイプのプラズマ処理装置１００を提供する。プラズマ処理装置１００では、下部シャワープレート４１Ｄの複数のガス孔４１ａの開口が上向きに形成されている。これにより、処理空間１０ｓの間隔を従来と比較して約１０ｍｍ～約２０ｍｍの範囲内に狭くしてもガス孔４１ａのパターンが膜に転写しにくく、基板処理の均一性を図ることができる。
気層中での活性種の失活を抑制するため、処理空間１０ｓの間隔は小さいことが望ましい。従来のように下部シャワープレート４１Ｄの複数のガス孔４１ａの開口が下向きであると、複数のガス孔４１ａの開口の下方で基板Ｗ上の膜が厚くなり、複数のガス孔４１ａのパターンが膜に転写し、基板処理が不均一になる課題がある。
他方、複数のガス孔４１ａのパターンの転写を避けるために処理空間１０ｓの間隔Ｈ２を大きくすると、例えばＡＬＤ法を用いた成膜ではガスの置換を高速に行う必要があるが、ガスの置換を高速に行えず、基板Ｗの処理時間が増え、これによっても半導体の生産効率が低下する。
これに対して、本開示のプラズマ処理装置１００では、原料ガスは下部シャワープレート４１Ｄの複数のガス孔４１ａから上向きにプラズマ生成空間１０ｕに供給され、プラズマ生成空間１０ｕから複数の第１貫通孔４１ｂを通って処理空間１０ｓに供給される。このとき、複数の第１貫通孔４１ｂから処理空間１０ｓに供給される原料ガスの流速は、複数のガス孔４１ａの開口が下向きに開口しているときの原料ガスの流速よりも遅くなる。このため、基板Ｗ上に形成される膜への複数のガス孔４１ａのパターンの転写が生じにくくなる。係る構成により、本開示のプラズマ処理装置１００では、処理空間１０ｓの間隔Ｈ２を１０ｍｍ～２０ｍｍの範囲内に小さくすることができる。これにより、基板Ｗの表面に供給される活性種の失活が抑制され、プラズマ処理速度を向上させることができる。また、複数のガス孔４１ａのパターンの転写を避け、基板処理の均一性を向上させることができる。また、複数の第１貫通孔４１ｂ内に進入したプラズマ中の荷電粒子の大半は第１貫通孔４１ｂ内面で再結合するため、処理空間１０ｓに僅かしか放出されない。このため、基板Ｗへのイオンの入射によるダメージがない高品質なプロセスを行うことができる。更に、処理空間１０ｓの間隔Ｈ２が小さいために処理空間１０ｓのガスの置換時間が短縮される。このため、ＡＬＤプロセスに係る時間が短縮され、半導体の生産効率が向上する。
下部電極４１の複数のガス孔４１ａの直径は、複数の第１貫通孔４１ｂの直径よりも小さく設定される。例えば、ガス孔４１ａの直径は、０．２ｍｍ～１ｍｍの範囲内である。第１貫通孔４１ｂの直径は、４ｍｍ～４０ｍｍの範囲内である。これにより、ガス孔４１ａへガスが逆流し難く、下部電極４１内の流路４１ｃへのガスの逆拡散を抑制することができる。
このように複数のガス孔４１ａは小さいため、ガス孔４１ａの近傍では流速が大きい。よって、複数のガス孔４１ａを基板側に開口すると、大きな流速の原料ガスがプラズマ励起用ガスと十分混合する前に基板Ｗ表面に吹付けられる。このため、複数のガス孔４１ａのパターンが、基板Ｗに形成された膜に転写され易く、基板処理の不均一が生じやすい。一方、本開示のプラズマ処理装置１００では、原料ガスがプラズマ生成空間１０ｕにて複数のガス孔４１ａ及び／又は複数の第２貫通孔４２ａから供給されるプラズマ励起用ガスと混合し希釈される。プラズマ生成空間１０ｕで混合したプラズマ励起用ガス、原料ガス、およびプラズマ中で生成された活性種は、下部電極４１の第１貫通孔４１ｂから処理空間１０ｓへ小さな流速で放出され、基板Ｗの表面に供給される。このため、複数のガス孔４１ａのパターンが膜に転写されにくい。
また、上部電極４２の複数の第２貫通孔４２ａの直径は、下部電極４１の複数の第１貫通孔４１ｂの直径よりも小さい。これにより、第２貫通孔４２ａへの原料ガスの逆拡散を抑制し、第２貫通孔４２ａやガス拡散室４３内が成膜されることを回避することができる。
更に、原料ガスをプラズマ生成空間１０ｕへ供給する間、複数の第２貫通孔４２ａからＡｒガス等の希釈ガスを流すことで、原料ガスの複数の第２貫通孔４２ａへの進入を抑制することができる。このときの希釈ガスは、原料ガスの進入を抑制するための抑制ガスとしての機能を有する。抑制ガスとしての機能を有する希釈ガスは、Ａｒガス、Ｎ２ガス、Ｈ２ガス又はＯ２ガスの少なくともいずれかであってよい。
また、反応ガスをプラズマ生成空間１０ｕへ供給する間、複数のガス孔４１ａからＡｒガス等の希釈ガスを流すことで、プラズマ着火を促進させることと、反応ガスの複数の複数のガス孔４１ａへの進入を抑制することができる。このときの希釈ガスは、反応ガスの複数のガス孔４１ａへの進入を抑制するための抑制ガスとしての機能と、プラズマ励起用ガスとしての機能を有する。抑制ガスとしての機能を有する希釈ガスは、Ａｒガス、Ｎ２ガス、Ｈ２ガス又はＯ２ガスの少なくともいずれかであってよい。
複数のガス孔４１ａと複数の第１貫通孔４１ｂと複数の第２貫通孔４２ａとは、平面視で重ならないように配置されている。これにより、複数のガス孔４１ａから上向きに供給されるガスと、複数の第２貫通孔４２ａから下向きに供給されるガスと、が互いに相手側の孔に進入しにくくすることができる。また、複数の第１貫通孔４１ｂから処理空間１０ｓに供給されるガスの流速を抑制することができる。
制御装置８０は、ＡＬＤ法による成膜等の種々の工程をプラズマ処理装置１００に実行させるコンピュータが実行可能な命令を処理する。制御装置８０は、種々の工程を実行するようにプラズマ処理装置１００の各要素を制御するように構成され得る。一実施形態において、制御装置８０の一部又は全てがプラズマ処理装置１００に含まれてもよい。制御装置８０は、処理部、記憶部及び通信インターフェースを含んでもよい。制御装置８０は、例えばコンピュータにより実現される。処理部は、記憶部からプログラムを読み出し、読み出されたプログラムを実行することにより種々の制御動作を行うように構成され得る。このプログラムは、予め記憶部に格納されていてもよく、必要なときに、媒体を介して取得されてもよい。取得されたプログラムは、記憶部に格納され、処理部によって記憶部から読み出されて実行される。媒体は、コンピュータに読み取り可能な種々の記憶媒体であってもよく、通信インターフェースに接続されている通信回線であってもよい。処理部は、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）であってもよい。記憶部は、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）、ＨＤＤ（Ｈａｒｄ Ｄｉｓｋ Ｄｒｉｖｅ）、ＳＳＤ（Ｓｏｌｉｄ Ｓｔａｔｅ Ｄｒｉｖｅ）、又はこれらの組み合わせを含んでもよい。通信インターフェースは、ＬＡＮ（Ｌｏｃａｌ Ａｒｅａ Ｎｅｔｗｏｒｋ）等の通信回線を介してプラズマ処理装置１００との間で通信を行ってもよい。
［成膜方法の一例］
本開示のプラズマ処理装置１００は、ＰＥ－ＡＬＤ（Ｐｌａｓｍａ－Ｅｎｈａｎｃｅｄ Ａｔｏｍｉｃ Ｌａｙｅｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）、ＰＥ－ＣＶＤ（Ｐｌａｓｍａ－Ｅｎｈａｎｃｅｄ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｅｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）、ＰＥ－ＡＬＥ（Ｐｌａｓｍａ－Ｅｎｈａｎｃｅｄ Ａｔｏｍｉｃ Ｌａｙｅｒ Ｅｔｃｈｉｎｇ）等のプロセスに適用可能である。例えば、ＰＥ－ＡＬＤによるＳｉＮ成膜プロセスでは、一例として、原料ガスにＤＣＳ（ｄｉｃｈｌｏｒｏｓｉｌａｎｅ）ガスが使用され、反応ガスにＮＨ３ガスが使用される。また、一例として、希釈ガス（プラズマ励起用ガス）及びパージガスにＡｒガスが使用される。
１ＡＬＤサイクルは、吸着ステップ、第１パージステップ、反応ステップ、第２パージステップの４ステップからなる。
図４及び図５を参照して、一実施形態に係る成膜方法について説明する。図４は、一実施形態に係るＡＬＤ法による成膜方法の一例を示す図である。図５は、図４の成膜方法に使用するガスの一例を示す図である。
本開示のＡＬＤ法による成膜方法は、制御装置８０により制御され、プラズマ処理装置１００により実行される。本処理が開始されると、ステップＳ１において、基板Ｗがステージ２０に載置され、準備される。
次に、ステップＳ２において、吸着ステップが実行される。吸着ステップでは、ＤＣＳガスを下部電極４１の複数のガス孔４１ａから上向きにプラズマ生成空間１０ｕに供給する。また、Ａｒガスを上部電極４２の複数の第２貫通孔４２ａ及び複数のガス孔４１ａからプラズマ生成空間１０ｕに供給する。一例として、図５に示すように、吸着ステップでは、上部電極４２からＡｒガスを０．４ｓｌｍ供給し、下部電極４１からＤＣＳガスとＡｒガスをそれぞれ０．５ｓｌｍ供給する。
これにより、複数の第２貫通孔４２ａにＤＣＳガスが進入することを抑制しながら、ＤＣＳガス及びＡｒガスをプラズマ生成空間１０ｕに供給し、下部電極４１の複数の第１貫通孔４１ｂから処理空間１０ｓに導入する。ＤＣＳ分子は、基板Ｗの表面のＨ基と反応し表面に化学吸着する。
次に、ステップＳ３において、第１パージステップが実行される。第１パージステップでは、パージガスの一例としてＡｒガスを複数の第２貫通孔４２ａ及び複数のガス孔４１ａから供給し、処理容器１０内をＡｒガスで置換し、処理容器１０からＤＣＳガスをパージする。一例として、図５に示すように、第１パージステップでは、上部電極４２からＡｒガスを０．９ｓｌｍ供給し、下部電極４１からＡｒガスを０．５ｓｌｍ供給する。第１パージステップでは、上部電極４２および下部電極４１よりＡｒガスが放出され、処理空間１０ｓがＡｒガスで置換される。
次に、ステップＳ４において、反応ステップが実行される。反応ステップでは、ＮＨ３ガスとＡｒガスを上部電極４２の複数の第２貫通孔４２ａからプラズマ生成空間１０ｕに供給する。また、Ａｒガスを下部電極４１の複数のガス孔４１ａからプラズマ生成空間１０ｕに供給する。また、ＶＨＦ電力をプラズマ生成空間１０ｕに供給する。一例として、図５に示すように、反応ステップでは、上部電極４２からＮＨ３ガスを０．５ｓｌｍ供給し、Ａｒガスを０．４ｓｌｍ供給し、下部電極４１からＡｒガスを０．５ｓｌｍ供給する。
これにより、複数のガス孔４１ａにＮＨ３ガスが進入することを抑制しながら、ＮＨ３ガスとＡｒガスのプラズマを生成し、プラズマ中の活性種を下部電極４１の複数の第１貫通孔４１ｂから処理空間１０ｓに供給する。反応ステップでは、上部電極４２に設けられた複数の第２貫通孔４２ａよりＮＨ３ガスが放出されるとともに、例えば１ｋＷのＶＨＦ電力によりプラズマが励起される。ＮＨ３分子の分解により生じたＮＨｘラジカルにより、基板Ｗの表面のＣｌ原子が除去されると共に表面が窒化され、安定なＳｉＮ結合が生じる。これにより、基板Ｗ上にＳｉＮ膜が形成される。
次に、ステップＳ５において、第２パージステップが実行される。第２パージステップでは、パージガスの一例としてＡｒガスを複数の第２貫通孔４２ａ及び複数のガス孔４１ａから供給し、処理容器１０内をＡｒガスで置換し、処理容器１０からＮＨ３ガスをパージする。一例として、図５に示すように、第２パージステップでは、上部電極４２からＡｒガスを０．９ｓｌｍ供給し、下部電極４１からＡｒガスを０．５ｓｌｍ供給する。第２パージステップでは、上部電極４２および下部電極４１よりＡｒガスが放出され、処理空間１０ｓがＡｒガスで置換される。
次に、ステップＳ６において、設定回数繰り返したかを判定する。設定回数繰り返すまで、ステップＳ２～Ｓ５の処理が繰り返される。ステップＳ６において、設定回数繰り返したと判定されると、ステップＳ７において、基板Ｗを搬出し、本処理を終了する。
設定回数を数１０～数１００回に設定した場合、ステップＳ２～Ｓ５のＡＬＤサイクルの繰り返しにより、数ｎｍ～数１０ｎｍのＳｉＮ膜の薄膜が形成される。
＜第２実施形態＞
［プラズマ処理装置］
次に、第２実施形態に係るプラズマ処理装置１００ａの構成について、図６及び図７を参照しながら説明する。図６は、第２実施形態に係るプラズマ処理装置１００ａの一例を示す断面模式図である。図７は、図６のＢ－Ｂ断面図である。
下部電極４１に設けられた複数の第１貫通孔４１ｂを透過する活性種の失活を抑制するためには、第１貫通孔４１ｂの経路長は短いこと、すなわち、下部電極４１は薄いことが望ましい。一方、下部電極４１は、プラズマ中の荷電粒子の表面への流入及びステージ２０からの輻射熱の流入により加熱される。また、下部電極４１には、プラズマ生成空間１０ｕにてプラズマが生成されると、プラズマからの入熱がある。
下部電極４１の外周部は、処理容器１０の側壁に繋がっているため、下部電極４１に流入した熱は下部電極４１の外周部から処理容器１０の側壁に伝わる。このため、下部電極４１の中心部で温度が高く、外周部で温度が低くなり、下部電極４１内に温度分布が生じる。下部電極４１内の温度分布により、熱膨張のために下部電極４１に応力がかかり、下部電極４１が撓んだり破損したりすることがある。下部電極４１を薄くすると熱抵抗が大きくなるため、下部電極４１の変形がより顕著になる。そうすると、上部電極４２と下部電極４１との間の間隔Ｈ１や下部電極４１とステージ２０との間の間隔Ｈ２が設計値から変化し、正常なプロセスが行えない。
下部電極４１内に温度分布が生じないようにするためには、下部電極４１を厚くすればよい。しかし、下部電極４１を厚くすると、前述したように、第１貫通孔４１ｂの経路長が長くなるために、プラズマ生成空間１０ｕで生成された活性種が下部電極４１の第１貫通孔４１ｂを通過する間に貫通孔の壁等に当たって再結合し、失活し易くなる。第１貫通孔４１ｂの経路長が長くなると、ラジカル等の活性種が指数関数的に減ってしまう。
そこで、第２実施形態に係るプラズマ処理装置１００ａでは、下部電極４１の厚さが薄くても下部電極４１内に温度分布が生じ難いように、下部電極４１の温度を均熱化するためのヒートパイプ７０を下部電極４１に内蔵する。
第２実施形態に係るプラズマ処理装置１００ａが、第１実施形態に係るプラズマ処理装置１００と異なる点は、下部電極４１にヒートパイプ７０を内蔵する点のみであり、その他の構成は同一である。このため、以下では下部電極４１の構成について説明し、その他の構成の説明を省略する。
図６のＢ－Ｂ断面図である図７を参照すると、８本のヒートパイプ７０が下部シャワープレート４１Ｄ内に放射状に設けられている。第１貫通孔４１ｂはヒートパイプ７０と干渉しない位置に配置される。下部シャワープレート４１Ｄは、円板形状であり、複数のヒートパイプ７０は直線状である。ヒートパイプ７０のそれぞれは、先端が下部シャワープレート４１Ｄの中心Ｃに向かうように径方向に配置されている。つまり、ヒートパイプ７０の長手方向が径方向に向いている。
複数の第１貫通孔４１ｂの内部と流路４１ｃとは環状の仕切り壁４５により仕切られている。複数のヒートパイプ７０の内部と流路４１ｃとは矩形状の仕切り壁４６により仕切られている。仕切り壁４５、４６は、例えばアルミニウムの合金で形成されてもよい。ヒートパイプ７０の内側には毛細管構造（ウィック）が形成されてもよい。
図６に示すように、ヒートパイプ７０の内部には、作動液７４が封入されている。作動液７４は、純水、アルコール、フロン等の液体からなる。下部シャワープレート４１Ｄは、プラズマ中の荷電粒子の表面への流入、ステージ２０からの輻射熱の流入により加熱される。ヒートパイプ７０内の作動液７４は蒸発潜熱を奪い蒸発し、局所的にヒートパイプ７０内の圧力が上昇する。蒸気は、より温度が低く、圧力が低い下部電極４１の外周部に高速で移動する。下部電極４１の外周部で蒸気は凝縮し、凝縮潜熱を放出する。このように、ヒートパイプ７０機構の導入により、下部シャワープレート４１Ｄの径方向の熱伝導率を飛躍的に大きくすることができる。この結果、下部電極４１の温度を均熱化することができ、下部電極４１の反り等の変形や破損を抑制することができる。
［下部シャワープレートの製造方法］
次に、ヒートパイプ７０の機構を備えた下部電極４１の製造方法を説明する。先ず、図６に示す内部構造を備えた下部シャワープレート４１Ｄを、拡散接合により構成する。例えば、内部に下部シャワープレート４１Ｄの流路４１ｃを形成したり、ヒートパイプの空間を形成したりしたものであって、下部シャワープレート４１Ｄの上部と下部に分割した上下部品を切削加工した後、これらの上下部品を併せて拡散接合し、一体化する。
次に、作動液の導入口より、ヒートパイプ７０の空間７１内に適量の作動液７４を注入する。次に、作動液７４が凍結する温度まで、下部シャワープレート４１Ｄを冷却する。そこで、作動液７４の導入口に真空排気装置（不図示）を接続し、ヒートパイプ７０の空間７１内を真空に排気した後、真空に保ったままゴム栓７２によりヒートパイプ７０内を密封する。その後、真空排気装置が外される。さらに、気密を確実にするために、イモねじ７３および接着剤でヒートパイプ７０内を封止する。これにより、ヒートパイプ７０内は作動液７４以外の不純物なく作動液７４をヒートパイプ７０内に封入することができる。これにより、ヒートパイプ７０を内蔵した下部シャワープレート４１Ｄを製造することができる。ただし、下部シャワープレート４１Ｄの製造方法は、これに限らない。
（変形例）
図８は、第２実施形態に係るプラズマ処理装置１００ａの下部シャワープレート４１Ｄ（ヒートパイプ７０）の変形例を示す図である。図８は、図６のＢ－Ｂ断面図の他例である。なお、図８に示す下部電極４１では、複数のガス孔４１ａの図示を省略している。
第１貫通孔４１ｂから処理空間１０ｓに放出されたガスは、基板Ｗ上を径方向に流れ、ステージ２０の外周部から排気される。第１貫通孔４１ｂが径方向に並んで配置されている部分があると、この方向のガスの流れが他の部分より多くなり、ガス流れが周方向に偏ってしまうことがある。これを回避するには、第１貫通孔４１ｂが径方向に並ばないように配置することが望ましい。第１貫通孔４１ｂはヒートパイプ７０と干渉しない位置に配置される。複数のヒートパイプ７０のそれぞれは、先端が下部電極４１の中心Ｃを向かないように径方向から傾けて配置される。例えば、図８に示すように、直線状のヒートパイプ７０を、中心Ｃを通る径方向の線から角度θだけ傾けて配置する。これにより、周方向のガス流れの偏りを緩和することができる。曲線状のヒートパイプを配置しても、同様の効果が得られる。
第２実施形態に係るプラズマ処理装置１００ａでは、下部シャワープレート４１Ｄへのヒートパイプ７０機構の導入により、薄くても熱伝導性に優れた下部電極４１が実現される。これにより、シャワーヘッド３０にハイパワーの高周波電力を投入しても下部シャワープレート４１Ｄが撓んだり破損したりする問題が生じず、下部シャワープレート４１Ｄの第１貫通孔４１ｂを通過する活性種の失活が抑制される。このため、多量の活性種の処理空間１０ｓへの供給が可能になる。また、プラズマ処理時間が短縮し、半導体の生産効率が向上する。
複数のガス孔４１ａを下部電極４１の流路４１ｃの上部に設けると、下部電極４１と上部電極４２の間のプラズマ生成空間１０ｕに原料ガスが放出される。放出された原料ガスは下部電極４１の複数の第１貫通孔４１ｂから処理空間１０ｓに導入される。その後、パージガスを供給することで、プラズマ生成空間１０ｕ内の原料ガスはパージされる。その際、パージが十分でないと、プラズマ生成空間１０ｕ内に残留した原料ガスがプラズマにより分解され、下部電極４１と上部電極４２の表面に反応生成物が堆積しやすくなる。反応生成物の堆積を抑制するには、反応生成物が揮発しやすくなるよう下部電極４１及び上部電極４２の温度を高く設定するとよい。例えば、ＤＣＳガスとＮＨ３ガスによる窒化ケイ素（ＳｉＮ膜）のＡＬＤプロセスでは、反応生成物としてＳｉ，Ｃｌ，Ｎ，Ｈの化合物が生成される。反応生成物の付着を抑制するには、例えば１５０℃以上の温度にするとよい。
一方、下部電極４１を高温化すると、下部電極４１の材料の降伏強度が低下しステージ２０からの輻射熱やプラズマからの入熱による熱応力により塑性変形する可能性がある。下部電極４１を高温化しても塑性変形しにくくするためには、熱応力を小さくすること、すなわち、下部電極４１を均熱化することが有効である。このため、複数のガス孔４１ａを下部電極４１の流路４１ｃの上部に設ける下部電極４１において、ヒートパイプ７０構造の導入が有効となる。
なお、複数のヒートパイプ７０のそれぞれは、アルミニウム合金で形成された仕切り壁４６により下部電極４１が有する流路４１ｃと仕切られた空間７１に挿入されてもよい。図８に示すように、銅で形成され、作動液等が挿入されているヒートパイプ７０を下部電極４１の外周の開口（不図示）から仕切り壁４６内の空間７１に挿入する。これにより、アルミニウム合金の仕切り壁４６と銅の仕切り壁４７の二重構造を持つ矩形状のヒートパイプ７０を配置することができる。これによれば、完成品としてのヒートパイプ７０を空間７１に挿入すればよく、前述した製造方法に使用したイモねじ７３やゴム栓７２の設置を不要とすることができる。また、作動液を封入する等の動作も不要とすることができ、ヒートパイプ７０の設置作業の効率化を図ることができる。
以上に説明したように、本実施形態のプラズマ処理装置によれば、基板処理の均一性を図ることができる。
今回開示された実施形態に係るプラズマ処理装置は、すべての点において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。実施形態は、添付の請求の範囲及びその主旨を逸脱することなく、様々な形態で変形及び改良が可能である。上記複数の実施形態に記載された事項は、矛盾しない範囲で他の構成も取り得ることができ、また、矛盾しない範囲で組み合わせることができる。
本開示の下部電極は、Atomic Layer Deposition(ALD)装置、Capacitively Coupled Plasma(CCP)、Inductively Coupled Plasma(ICP)、Radial Line Slot Antenna(RLSA)、Electron Cyclotron Resonance Plasma(ECR)、Helicon Wave Plasma(HWP)のいずれのタイプのプラズマ処理装置にも適用可能である。
また、本開示のプラズマ処理装置は、一枚ずつ基板を処理する枚葉装置、複数枚の基板を一括処理するバッチ装置及びセミバッチ装置のいずれにも適用できる。
１０ 処理容器
１０ｕ プラズマ生成空間
１０ｓ 処理空間
２０ ステージ
３０ シャワーヘッド
４１ 下部電極
４１ａ ガス孔
４１ｂ 第１貫通孔
４１ｃ 流路
４１Ｄ 下部シャワープレート
４２ 上部電極
４２ａ 第２貫通孔
４２Ｄ 上部シャワープレート
４４ 放射部
７０ ヒートパイプ
８０ 制御装置
１００、１００ａ プラズマ処理装置

Claims (19)

  1. 基板を載置するステージを有する処理容器と、
    プラズマ生成用の高周波電力が供給される第１電極と、
    前記第１電極に対向し、前記第１電極との間にプラズマ生成空間を形成するように構成される第２電極と、
    誘電体で形成され、前記第１電極の外周に沿って形成された導波路から前記プラズマ生成空間に前記高周波電力を放射するように構成される放射部と、を備え、
    前記第２電極は、前記ステージとの間に処理空間を形成するように構成され、第１処理ガスを前記プラズマ生成空間から前記処理空間に向かう方向と逆の方向に通流させ、前記プラズマ生成空間に供給する構造を有する、プラズマ処理装置。
  2. 前記第２電極は、内部に形成された流路と、前記流路に連通し、前記プラズマ生成空間に向けて開口する複数のガス孔とを有し、前記構造は、前記流路から前記複数のガス孔に前記第１処理ガスを供給するシャワーヘッド構造である、
    請求項１に記載のプラズマ処理装置。
  3. 前記第２電極は、前記第２電極を貫通する複数の第１貫通孔を有し、前記プラズマ生成空間に供給した前記第１処理ガスを前記複数の第１貫通孔から前記処理空間に導入し、前記基板を処理する、
    請求項２に記載のプラズマ処理装置。
  4. 前記複数のガス孔の直径は、前記複数の第１貫通孔の直径よりも小さい、
    請求項３に記載のプラズマ処理装置。
  5. 前記第１電極は、前記第１電極を貫通する複数の第２貫通孔を有し、
    前記複数のガス孔と前記複数の第１貫通孔と前記複数の第２貫通孔とは、平面視で重ならないように配置されている、
    請求項４に記載のプラズマ処理装置。
  6. 前記第１電極は、第２処理ガスを前記複数の第２貫通孔に通流させ、前記プラズマ生成空間に供給するシャワーヘッド構造を有する、
    請求項５に記載のプラズマ処理装置。
  7. 前記第２電極は、前記放射部から放射した高周波電力により前記プラズマ生成空間に供給された前記第２処理ガスのプラズマの活性種を前記複数の第１貫通孔から前記処理空間に導入し、前記基板をプラズマ処理する、
    請求項６に記載のプラズマ処理装置。
  8. 前記第２電極と前記ステージとの間の間隔は、１０ｍｍ～２０ｍｍの範囲内である、
    請求項１～４のいずれか一項に記載のプラズマ処理装置。
  9. 前記高周波電力は、ＶＨＦ波電力である、
    請求項１～４のいずれか一項に記載のプラズマ処理装置。
  10. 前記第１処理ガスは、原料ガスとしてのシリコン含有ガスを含み、
    前記第２処理ガスは、反応ガスとしての窒素含有ガスを含み、
    前記プラズマ処理装置は、前記第１処理ガスと前記第２処理ガスとを用いて前記基板を処理することにより、前記基板にシリコン窒化膜を形成する、
    請求項６に記載のプラズマ処理装置。
  11. 前記シリコン含有ガスは、シラン（ＳｉＨ４）ガス、ジクロロシラン（ＳｉＨ２Ｃｌ２：ＤＣＳ）ガス、又はトリシリルアミン（Ｓｉ３Ｈ９Ｎ：ＴＳＡ）ガスであり、
    前記窒素含有ガスは、ＮＨ３ガス又はＮ２ガスであり、
    請求項１０に記載のプラズマ処理装置。
  12. 前記プラズマ処理装置は、制御装置を備え、
    前記制御装置は、
    （ａ）前記第１処理ガスを前記第２電極から供給し、前記基板にシリコン含有ガスを吸着する工程と、
    （ｂ）パージガスを前記第１電極及び前記第２電極から供給し、前記処理容器から前記第１処理ガスをパージする工程と、
    （ｃ）前記第２処理ガスを前記第１電極から供給し、前記第２処理ガスのプラズマの活性種により、前記基板をプラズマ処理する工程と、
    （ｄ）パージガスを前記第１電極及び前記第２電極から供給し、前記処理容器から前記第２処理ガスをパージする工程と、
    （ｅ）前記（ａ）～前記（ｄ）の工程を、この順で設定回数繰り返す工程と、を制御する、
    請求項１０に記載のプラズマ処理装置。
  13. 前記（ａ）の工程は、前記第１処理ガスの進入を抑制するための抑制ガスを前記第１電極から供給し、
    前記（ｃ）の工程は、前記第２処理ガスの進入を抑制するための抑制ガスを前記第２電極から供給する、
    請求項１２に記載のプラズマ処理装置。
  14. 前記抑制ガスは、Ａｒガス、Ｎ２ガス又はＯ２ガスである、
    請求項１３に記載のプラズマ処理装置。
  15. 前記第２電極は、内部に複数のヒートパイプを有する、
    請求項１～４のいずれか一項に記載のプラズマ処理装置。
  16. 前記第２電極は、円板形状であり、
    前記複数のヒートパイプのそれぞれは、先端が前記第２電極の中心に向かうように径方向に配置される、
    請求項１５に記載のプラズマ処理装置。
  17. 前記第２電極は、円板形状であり、
    前記複数のヒートパイプのそれぞれは、先端が前記第２電極の中心を向かないように径方向から傾けて配置される、
    請求項１５に記載のプラズマ処理装置。
  18. 前記複数のヒートパイプのそれぞれは、仕切り壁により前記第２電極が有する流路と仕切られている、
    請求項１５に記載のプラズマ処理装置。
  19. 前記複数のヒートパイプのそれぞれは、仕切り壁により前記第２電極が有する流路と仕切られた空間に挿入されている、
    請求項１５に記載のプラズマ処理装置。
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