JP3732287B2

JP3732287B2 - プラズマ処理装置

Info

Publication number: JP3732287B2
Application number: JP27539396A
Authority: JP
Inventors: 信雄石井; 己拔篠原
Original assignee: Tokyo Electron Ltd; Nihon Koshuha Co Ltd
Current assignee: Tokyo Electron Ltd; Nihon Koshuha Co Ltd
Priority date: 1996-09-26
Filing date: 1996-09-26
Publication date: 2006-01-05
Anticipated expiration: 2016-09-26
Also published as: JPH10106796A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、マイクロ波によりアンテナ表面からプラズマ発生用のエネルギを投入して、これによりプラズマを発生させるプラズマ処理装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、半導体製品の高密度化及び高微細化に伴い半導体製品の製造工程において、成膜、エッチング、アッシング等の処理のためにプラズマ処理装置が使用される場合があり、特に、０．１〜数１０ｍＴｏｒｒ程度の比較的圧力が低い高真空状態でも安定してプラズマを立てることができることからマイクロ波とリング状のコイルからの磁場とを組み合わせて高密度プラズマを発生させるマイクロ波プラズマ装置が使用される傾向にある。
【０００３】
従来、この種のマイクロ波プラズマ装置としては、特開平３−１７２７３号公報に示すような装置が知られている。この装置にあっては、磁場形成手段を有するプラズマ発生室にマイクロ波を導入する導波管を接続し、この導波管より導入したマイクロ波により電子サイクロトロン共鳴を生ぜしめて高密度のプラズマを生成するようになっている。
図９はこの種の従来のプラズマ処理装置の一例を示す概略構成図であり、処理容器２の天井部にマイクロ波導入窓４を設け、マイクロ波発生器６にて発生したマイクロ波を例えば矩形状の導波管８及び円錐状の導波管１０を介してマイクロ波導入窓４まで導いて処理容器２内へ導入するようになっている。そして、処理容器２内へ導入されたマイクロ波は、処理容器２の上部外側に設けた磁石１２により発生される水平方向の磁界とＥＣＲ（ＥｌｅｃｔｒｏｎＣｙｃｌｏｔｒｏｎＲｅｓｏｎａｎｃｅ）を生じ、高密度のプラズマを発生することになる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記した装置例にあっては、矩形導波管８内をＴＥ１０モードで振動してきたマイクロ波を円錐状の導波管１０にてＴＥ１１モードに変換して処理容器内に導入していることから、例えば半導体ウエハ上のある断面を見ると、中心部の電界密度は高く、周辺部に行く程、電界密度が少しずつ低下している状態となっていることから、膜厚もこの密度に略比例して形成されるために、スパッタレートや成膜レートの面内均一が劣化するという問題が発生した。特に、ウエハサイズが８インチから１２インチサイズへ大口径化する程、プラズマ密度の均一性を高めることが困難になり、上記した問題点の解決が強く望まれる。
【０００５】
このような問題点を解決するために、例えば特開平２−１７０５３０号公報に示すように複数の独立したマイクロ波発生器を設け、これらからのマイクロ波を処理容器内に別々に導入することも提案されているが、この場合には、各マイクロ波発生器からのマイクロ波の位相が、相互に不揃い等の理由で、複数のマイクロ波発生器を設けた割りにはそれ程プラズマ密度及び膜厚の面内均一性を高めることはできないし、また、複数のマイクロ波発生器を有することから装置コストの大幅な上昇も余儀なくされてしまう、という不都合もあった。
本発明は、以上のような問題点に着目し、これを有効に解決すべく創案されたものである。本発明の目的は、処理容器内に電界強度の揃った略同心円状の電界を与えることにより、プラズマ処理の面内均一性を高めたプラズマ処理装置を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記問題点を解決するために、マイクロ波発生器にて発生したマイクロ波を同軸導波管を介して平面アンテナ部材に導き、これより被処理体をプラズマ処理する処理容器内にマイクロ波を導入するプラズマ処理装置において、前記平面アンテナ部材に、中心方向に延びるマイクロ波導入口を形成して同心円上に配置し、前記各マイクロ波導入口に、前記同軸導波管を中心として前記平面アンテナ部材の半径方向へ複数に分岐させて設けた分岐導波管を個別に接続し、前記処理容器内にＴＥ０１モードに類似した同心円状の電界を形成するように構成したものである。
【０００７】
これにより、１つのマイクロ波発生器から発生したマイクロ波は、途中で分岐導波管により複数に分岐され、それぞれの対応するマイクロ波導入口に案内され、これより処理容器内に導入される。ここで、各マイクロ波導入口は平面アンテナ部材の中心方向に延びるように形成されて同心円上に配置されているので、処理容器内には略同心円状の電界が生じ、平面方向に略均一な電界分布を形成することが可能となる。
従って、面内方向のプラズマ密度も均一化させることができるので、プラズマ処理の面内均一性を高めることが可能となる。
ここで、マイクロ波導入口の位置を、平面アンテナ部材の半径方向に対して位置調整可能に設けておくことにより、プラズマ処理の種類に応じてプラズマ密度にある程度の分布を持たせることができ、多様なプラズマ処理に対応することが可能となる。
また、処理容器の外側に、ＥＣＲ用の磁石を設けておくことにより、処理容器内で電子サイクロトロン共鳴を生ぜしめてプラズマ密度の向上を図ることが可能となる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明に係るプラズマ処理装置の一実施例を添付図面に基づいて詳述する。
図１は本発明に係るプラズマ処理装置を示す構成図、図２は分岐導波管と平面アンテナ部材の接合状態を示す斜視図、図３は平面アンテナ部材を示す平面図である。
【０００９】
本実施例においてはプラズマ処理装置をプラズマエッチング装置に適用した場合について説明する。図示するようにプラズマ処理装置としてのこのプラズマエッチング装置１４は、例えば側壁や底部がアルミニウム等の導体により構成されて、全体が筒体状に成形されると共に上部が段部状に縮径された処理容器１６を有しており、内部は密閉された処理空間Ｓとして構成されている。また、この処理空間Ｓの上方が、プラズマ生成空間Ｓ１として形成される。
【００１０】
この処理容器１６内には、上面に被処理体としての例えば半導体ウエハＷを載置する載置台１８が収容される。この載置台１８は、例えばアルマイト処理したアルミニウム等により中央部が凸状に平坦になされた略円柱状に形成されており、この下部は同じくアルミニウム等により円柱状になされた支持台２０により支持されると共にこの支持台２０は処理容器１６内の底部に絶縁材２２を介して設置されている。
【００１１】
上記載置台１８の上面には、ここにウエハを吸着保持するための静電チャックやクランプ機構（図示せず）が設けられ、この載置台１８は給電線２４を介してマッチングボックス２６及び例えば１３．５６ＭＨｚのバイアス用高周波電源２８に接続されている。
載置台１８を支持する支持台２０には、プラズマ処理時のウエハを冷却するための冷却水等を流す冷却ジャケット３０が設けられる。
上記処理容器１６の側壁であって、処理空間Ｓを区画する部分には、容器内に例えばエッチングガスを導入するための例えば石英パイプ製の処理ガス供給ノズル３２が設けられ、このノズル３２はガス供給路３４によりマスフローコントローラ３６及び開閉弁３８を介して処理ガス源４０に接続されている。処理ガスとしてのエッチングガスは、ＣＦ₃ 、ＣＨＦ₃ 、ＣＦ₄ 、Ｃ₄ Ｆ₈ ガス等を単ガスとして或いはこれらと水素ガスとの混合ガスを用いることができる。また、プラズマ生成空間Ｓ１の部分に臨ませて、プラズマガスとしてアルゴン等の不活性ガスを供給するための同じく石英製のガスノズル４２が設けられており、流量制御されたＡｒガスをここに供給するようになっている。
【００１２】
そして、処理容器１６の段部の外側には、ＥＣＲ用のリング状の磁石４４が設けられており、プラズマ生成空間Ｓ１にＥＣＲ発生用の磁界を印加するようになっている。
また、容器側壁の外周には、この内部に対してウエハを搬入・搬出する時に開閉するゲートバルブ４６が設けられる。
また、容器底部には、図示されない真空ポンプに接続された排気口４８が設けられており、必要に応じて処理容器１６内を所定の圧力まで真空引きできるようになっている。
【００１３】
一方、処理容器１６の天井部には、この容器内にマイクロ波を導入するために、被処理体Ｗの直径と略同じ大きさの、或いはこれより僅かに大きい開口５０が形成されており、このマイクロ波導入口５０に、Ｏリング等のシール部材５２を介して例えば石英製のマイクロ波透過窓５４が気密に設けられている。
【００１４】
そして、この透過窓５４の上面側に、本発明の特徴とする円板状の平面アンテナ部材５６が設置される。
このアンテナ部材５６は、例えば銅やアルミニウム等の導電性材料よりなり、図２及び図３にも示すようにこのアンテナ部材５６には、この半径方向に延びる複数の、図示例においては４つのスリット状の細長のマイクロ波導入口５８が形成されている。これらの４つのマイクロ波導入口５８は同心円上に配置されて、中心に対して点対称になされている。ここで、アンテナ部材５６と透過窓５４との間の距離は、好ましくはマイクロ波の管内波長程度の長さに設定する。
一方、上記マイクロ波導入口５８に対してマイクロ波を供給するマイクロ波発生器６０は例えば２．４５ＧＨｚのマイクロ波を発生するものであり、これからは、当初は矩形導波管６２を介してマイクロ波を伝送し、途中で変換器６４により伝送形態を変換して、図１にも示すように内部に同軸線６６を有する同軸導波管６８により上記アンテナ部材５６まで伝送される。
【００１５】
この同軸導波管６８は、途中で４つの分岐導波管６８Ａ〜６８Ｄに分岐されており、各分岐導波管６８Ａ〜６８Ｄの先端は、上記アンテナ部材５６に設けた４つのマイクロ波導入口５８を覆うように接続されている。また、同軸線６６も４つに分岐されており、分岐された各同軸線６６Ａ〜６６Ｄは対応する分岐導波管６８Ａ〜６８Ｄ内を通って、アンテナ部材５６に接続されることになる。このようにして、マイクロ波発生器６０にて発生したマイクロ波は、矩形導波管６２、同軸導波管６８及び分岐導波管６８Ａ〜６８Ｄを介して各スリット状のマイクロ波導入口５８から処理容器１６内側に導入されるようになっている。この導入時のマイクロ波の振動モードは、ＴＥ０１モードに類似した略同心円状の電界を形成するようになっており、その中心部にも各マイクロ波導入口５８とアンテナ部材５６の中心点Ｏ１との間の距離Ｌ１を調整することにより、かなり強い電界を生ぜしめるようになっている。
【００１６】
また、図２に示すように分岐導波管６８の分岐点Ｏ２から各分岐導波管６８Ａ〜６８Ｄを通って対応するマイクロ波導入口５８に至る距離は、それぞれ同一となるように設定されており、各マイクロ波導入口５８から導入されるマイクロ波の位相が精度良く同相となるように設定されている。ここで、半導体ウエハＷの直径が１２インチ（略３０ｃｍ）の場合には、図３に示すように平面アンテナ部材５６の直径が略２０〜３０ｃｍ程度、スリット状のマイクロ波導入口５８の幅Ｌ２と長さＬ３はそれぞれ２〜１０ｍｍ及び４０〜８０ｍｍ程度に設定される。また、分岐導波管の長さＬ４は、例えば１００ｍｍ程度に設定されるが、これらの数値はいずれも単に一例を示したに過ぎず、マイクロ波の励振状態等に応じて種々変更されるのは勿論である。
【００１７】
次に、以上のように構成された本実施例の動作について説明する。
まず、ゲートバルブ４６を介して半導体ウエハＷを搬送アームにより処理容器１６内に収容し、リフタピン（図示せず）を上下動させることによりウエハＷを載置台１８の上面の載置面に載置する。
そして、処理容器１６内を所定のプロセス圧力、例えば０．１〜数１０ｍＴｏｒｒの範囲内に維持して、処理ガス供給ノズル３０から例えばＣＦ₄ 等のエッチングガスを流量制御しつつ供給し、また、ガスノズル４２からプラズマガスとしてＡｒガスを供給する。尚、このＡｒガスを供給しない場合もある。同時にマイクロ波発生器６０からのマイクロ波を、矩形導波管６２、同軸導波管６８及び分岐導波管６８Ａ〜６８Ｄを介してアンテナ部材５６に供給してプラズマ生成空間Ｓ１及び処理空間Ｓに、電界を形成し、これによりプラズマを発生させ、エッチング処理を行う。
【００１８】
ここで、マイクロ波発生器６０にて発生した例えば２．４５ＧＨｚのマイクロ波は、ＴＥ１０モードで矩形導波管６２内を伝搬されて変換器６４にて同軸モードに変換される。そして、同軸導波管６８内を伝搬されたマイクロ波は分岐点Ｏ２にて４つの分岐導波管６８Ａ〜６８Ｄに分岐されてそれぞれを伝搬し、スリット状の各マイクロ波導入口５８よりプラズマ生成空間Ｓ１側へ導入されることになり、磁石１２により印加される磁界により電子サイクロトロン共鳴を生ずる。ここで、マイクロ波導入口５８は、図４にも示すように円板状アンテナ部材５６の半径方向へ細長スリット状に形成され、且つ、アンテナ部材５８の中心点Ｏ１を中心とした同心円上に配置されているので、ＴＥ０１モードに類似したモード励振してアンテナ部材５８の周方向に揃った略同心円状の交播電界が発生することになる。そして、同軸導波管６８の分岐点Ｏ２（図２参照）から各マイクロ波導入口５８に至る距離は同一に設定されているので、各マイクロ波導入口５８から導入されるマイクロ波の位相は揃って同相となっており、円周方向に亘って略均一な電界を発生させることが可能となる。
【００１９】
この場合、電界強度が低下する傾向にあるアンテナ部材５６の中心部は、中心点Ｏ１と各マイクロ波導入口５８との間の距離Ｌ１（図３参照）を適切に設定することで、電界の落ち込みを防止することができる。
図５は半導体ウエハ上における電界の強度分布を示すグラフであり、図中曲線Ａは従来装置の電界曲線を示し、曲線Ｂは本発明装置の電界曲線を示している。従来装置の曲線Ａは、ウエハ中心部から周辺部に行くに従って電界強度が低下しており、特に、ウエハサイズの大きな１２インチウエハの場合にはその中心部と周辺部とでプラズマ処理に大きな差が生じてしまう。これに対して、本発明の曲線Ｂの場合には、ウエハ中心部で電界強度の僅かな低下があるが、ウエハ周辺部においてもあまり電界強度が低下しておらず、従って、大きなサイズのウエハに対してもプラズマ処理を面内に亘って略均一に行なうことができることが判明する。
【００２０】
このように、ウエハの面内方向に亘って略均一な、高い密度のプラズマを形成できることから、プラズマ処理、ここでは面内に亘って均一なエッチング処理を行なうことができる。また、プラズマのスパッタ成膜を行なう場合には、同様に面内に亘って均一な成膜を施すことが可能となる。
尚、上記実施例の場合には、平面アンテナ部材５６に４つのスリット状のマイクロ波導入口を形成したが、略同心円状の電界を形成し得るのであるならば、上記数値に限定されず、例えば図６に示すように１２０度の等間隔で同心円上に３つのマイクロ波導入口５８を設けるようにしてもよいし、或いは５個以上のマイクロ波導入口を等間隔で設けるようにしてもよい。
【００２１】
また、上記実施例では各マイクロ波導入口５８の取り付け位置は、固定的に設けたが、プロセスの種類によっては、プラズマ密度に僅かな分布を持たせたいような場合も生ずる。このような場合に対応できるように各マイクロ波導入口５８の取り付け位置をアンテナ部材の半径方向に移動可能となるように構成してもよい。図７及び図８はこのような構成を示す部分拡大図である。
図７（Ａ）は分岐導波管、例えば６８Ａが接続された平面アンテナ部材の部分拡大図を示し、この平面アンテナ部材５６の分岐導波管６８Ａの取付部には、マイクロ波導入口よりもその長手方向にかなり大きくなされた長方形状の補助導入口７０が形成されている。そして、図７（Ｂ）に示すように上記補助導入口７０を十分に覆ってその長さ方向にある程度の長さを持たせるように構成した、例えば銅板製のスライド板７２を用意し、このスライド板７２にスリット状のマイクロ波導入口５８を形成しておく。
そして、図８に示すようにこのスライド板７２を上記補助導入口７０の部分に重ね合わせて、矢印７４に示すようにアンテナ部材５６の半径方向へスライド可能に設ける。
【００２２】
このようにマイクロ波導入口５８の取り付け位置をアンテナ部材５６の半径方向へ位置調整可能に設けることにより、図５中に示す曲線Ｂのウエハ中心部における電界の落ち込み量を制御して、プラズマ処理の種類に対応した所望のプラズマ分布状態を得ることができる。
尚、上記実施例においては、処理容器の外側にアンテナ部材を設けた場合を例にとって説明したが、これを石英等によりコーティングして処理容器内に設けるようにしてもよい。
また、ここではプラズマエッチング処理を例にとって説明したが、プラズマ成膜処理、プラズマスパッタ処理、プラズマアッシング処理等にも適用できるのは勿論である。
更には、被処理体として半導体ウエハに限定されず、ＬＣＤ基板、ガラス基板等にも適用し得る。
【００２３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明のプラズマ処理装置によれば、次のように優れた作用効果を発揮することができる。
平板アンテナ部材に設けた複数のマイクロ波導入口より位相の揃ったマイクロ波を導入することにより略同心円状の電界を処理容器内に形成でき、大面積に亘ってプラズマ密度の均一化を図ることができる。
従って、プラズマ処理の面内均一性の向上を図ることができる。
また、マイクロ波導入口を半径方向へ位置調整可能に設けることにより、プラズマ処理の種類に対応させて所望のプラズマ密度の分布状態を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るプラズマ処理装置を示す構成図である。
【図２】分岐導波管と平面アンテナ部材の接合状態を示す斜視図である。
【図３】平面アンテナ部材を示す平面図である。
【図４】平面アンテナ部材によって形成されるある瞬間の電界の状態を示す図である。
【図５】半導体ウエハの上方の電界の分布の状態を示すグラフである。
【図６】３つのマイクロ波導入口を設けた時の平面アンテナ部材を示す平面図である。
【図７】マイクロ波導入口を位置調整可能とするための構成を示す図である。
【図８】図７に示す部材を組み合わせた時の状態を示す図である。
【図９】従来のプラズマ処理装置の一例を示す概略構成図である。
【符号の説明】
１４プラズマ処理装置
１６処理容器
１８載置台
４４ＥＣＲ用の磁石
５４マイクロ波透過窓
５６平面アンテナ部材
５８マイクロ波導入口
６０マイクロ波発生器
６２矩形導波管
６６、６６Ａ〜６６Ｄ同軸線
６８同軸導波管
６８Ａ〜６８Ｄ分岐導波管
７０補助導入口
７２スライド板
Ｗ半導体ウエハ（被処理体）

Claims

マイクロ波発生器にて発生したマイクロ波を同軸導波管を介して平面アンテナ部材に導き、これより被処理体をプラズマ処理する処理容器内にマイクロ波を導入するプラズマ処理装置において、前記平面アンテナ部材に、中心方向に延びるマイクロ波導入口を形成して同心円上に配置し、前記各マイクロ波導入口に、前記同軸導波管を中心として前記平面アンテナ部材の半径方向へ複数に分岐させて設けた分岐導波管を個別に接続し、前記処理容器内にＴＥ０１モードに類似した同心円状の電界を形成するように構成したことを特徴とするプラズマ処理装置。
前記マイクロ波導入口は、前記アンテナ部材の半径方向に位置調整可能に設けられていることを特徴とする請求項１記載のプラズマ処理装置。
前記分岐導波管の分岐点から前記各マイクロ波導入口に至るまでの長さは同一に設定されていることを特徴とする請求項１または２記載のプラズマ処理装置。
前記処理容器の外側には、ＥＣＲ用の磁石を設けていることを特徴とする請求項１乃至３記載のプラズマ処理装置。