JP4204799B2 - プラズマ処理装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はプラズマ処理装置に関し、特に、チャンバ内にマイクロ波を導入することにより形成されるプラズマ生成領域によって、基板に所定の処理を施すためのプラズマ処理装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、半導体装置の高密度化および微細化に伴って、半導体装置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を施すためにプラズマ処理装置が使用されている。特に、マイクロ波を用いてプラズマを発生させるマイクロ波プラズマ処理装置では、約０．１〜１０Ｐａの比較的圧力が低い（高真空）条件のもとでも安定してプラズマを発生させることができる。そのため、たとえば周波数２．４５ＧＨｚのマイクロ波を用いたマイクロ波プラズマ処理装置が注目されている。
【０００３】
そのような従来のプラズマ処理装置の一例について説明する。図６に示すように、プラズマ処理装置は、基板１１５を収容して所定の処理を施すためのチャンバ１０１と、マイクロ波を発生するため高周波電源１０９と、マイクロ波をプラズマ処理装置まで導くための導波管１１９と、マイクロ波をチャンバ１０１内に放射するためのアンテナ部１０７とを備えている。
【０００４】
アンテナ部１０７は、導波管１１９の下端に接続される金属製のラジアル導波路１０７ａと、ラジアル導波路１０７の下端の開口を覆う円板状のスロットアンテナ１０７ｂを備えている。スロットアンテナ１０７ｂの上の導波管１１９と対向する位置には、インピーダンスの調整を行うためのバンプ１０８が設けられている。また、導波路１０７ａ内には大気が存在する。
【０００５】
スロットアンテナ１０７ｂは、たとえば厚さ０．１ｍｍから数ｍｍ程度の銅板等から形成されている。そのスロットアンテナ１０７ｂには、マイクロ波をチャンバ１０１内に向けて放射するための複数のスロット（開口部）が設けられている。
【０００６】
チャンバ１０１の上部には、チャンバ１０１の隔壁の一部を構成する天板１０５が配設されている。天板１１５は、たとえば石英等の誘電体から形成されている。天板１０５とチャンバ１０１の隔壁との間には、たとえばＯリングなどのシール部材１１３が設けられている。アンテナ部１０７はこの天板１０５の上方に間隔を隔てて配置され、アンテナ部１０７と天板１０５との間には空気の層１２０が形成されている。
【０００７】
チャンバ１０１内には基板１１５を保持するためのサセプタ１０３が設けられている。そのサセプタ１０３には、バイアス用高周波電源１１１が接続されている。さらに、チャンバ１０１には、チャンバ１０１内を排気するための真空ポンプ（図示せず）が取り付けられている。
【０００８】
上述したプラズマ装置では、真空ポンプによりチャンバ１０１内が排気されて、所定の圧力範囲のもとでプラズマを生成するためのガスとして、たとえばアルゴンガスがチャンバ１０１内に導入される。
【０００９】
高周波電源１０９により発生したＴＥ１１モードのマイクロ波は、円偏波変換器（図示せず）により導波管１１９の軸線の回りに回転させられて導波管１１９を伝わり、アンテナ部１０７のラジアル導波路１０７ａに到達する。
【００１０】
ラジアル導波路１０７ａに到達したマイクロ波は、ラジアル導波路１０７ａの周縁方向へ伝播する。周縁方向へ伝播するマイクロ波は、スロットアンテナ１０７ｂを介してチャンバー１０１内に電磁界を発生させる。
【００１１】
チャンバ１０１内に発生した電磁界によってアルゴンガスが解離し、基板１１５と天板１０５との間にプラズマ生成領域が形成されて、所定のプラズマ処理が行なわれる。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来のプラズマ処理装置では次のような問題点があった。まず、ラジアル導波路１０７ａに到達してラジアル導波路１０７ａの周縁方向へ伝播するマイクロ波がラジアル導波路１０７ａの内周面によって反射されて、ラジアル導波路１０７ａ内には第１の定在波が形成される。
【００１３】
また、スロットアンテナ１０７ｂから放射されるマイクロ波と、そのマイクロ波がチャンバ１０１内に生成したプラズマ生成領域によって反射されて戻ってくるマイクロ波との相互結合によって、天板１０５と空気の層１２０が位置する領域に第２の定在波が形成される。
【００１４】
チャンバ１０１内のプラズマ生成領域は、上述した第１の定在波と第２の定在波との相互結合によって維持されることになる。このとき、第１の定在波と第２の定在波との相互結合が比較的弱い場合には、プラズマ生成領域の維持に第２の定在波の寄与が支配的になる傾向にある。
【００１５】
一方、この第２の定在波は、チャンバ１０１内の圧力、チャンバ内に導入されるガスの種類、あるいは供給する電力量等のプロセス条件によって変動しやすいという傾向がある。
【００１６】
ところで、図６に示すように、第１の定在波はラジアル導波路１０７ａの内径ＰＡと給電されるマイクロ波のモードに依存して形成され、第２の定在波は、天板１０５と空気の層１２０が位置する領域の内径ＰＢとプラズマの状況に依存して形成される。
【００１７】
さらに、第２の定在波の形成にはプラズマ生成領域によって反射されて戻ってくるマイクロ波も関与するため、プラズマ生成領域の大きさにも依存することになる。プラズマ生成領域の大きさはチャンバ１０１の内径ＰＣに制約される。したがって、第２の定在波はチャンバ１０１の内径ＰＣにも依存して形成されることになる。
【００１８】
しかしながら、従来のプラズマ処理装置では、ラジアル導波路１０７ａの内径ＰＡ、天板１０５と空気の層１２０が位置する領域の内径ＰＢおよびチャンバ１０１の内径ＰＣは任意に設定されているため、各ＰＡ、ＰＢ、ＰＣの寸法によっては、プラズマ生成領域の維持に第２の定在波の寄与が支配的になることがある。
【００１９】
上記のように、第２の定在波は、チャンバ１０１内の圧力等のプロセス条件によって変動しやすい。このため、プラズマ生成領域の維持にこのような不安定な第２の定在波の寄与が支配的になると、プラズマ生成領域を形成するための電磁界を制御することが困難になる。
【００２０】
電磁界の制御が困難になると、チャンバ１０１内にてプラズマ密度にばらつきが生じることになる。その結果、基板面内におけるプラズマ処理の程度にばらつきが生じ、たとえばエッチングレートや成膜レートにばらつきが生じるという問題が発生する。
【００２１】
本発明は上記問題点を解決するためになされたものであり、プラズマ生成領域を形成するための電磁界を制御して、プラズマ密度の均一なプラズマ生成領域が形成されるプラズマ処理装置を提供することを目的とする。
【００２２】
【課題を解決するための手段】
本発明に係るプラズマ処理装置は、基板をプラズマ生成領域に晒して所定の処理を施すためのプラズマ処理装置であって、チャンバーと天板部とアンテナ部とを備えている。チャンバには基板が収容される。天板部は、チャンバ内に導入される基板の上方に配置され、チャンバの隔壁の一部をなす。アンテナ部は、天板部との間に空間を形成して設けられ、チャンバ内に高周波電磁界を供給することにより、チャンバー内における天板部と基板部との間の領域にプラズマ生成領域を形成する。そのアンテナ部は所定の内径を有するラジアル導波路を含んでいる。ラジアル導波路内には高周波の第１の定在波が形成されるとともに、天板部と空間には第２の定在波が形成される。チャンバは、天板部およびアンテナ部が位置する部分では所定の内径を有している。そのラジアル導波路の内径をＡ、天板部およびアンテナ部が位置する部分の内径をＢ、天板部の誘電率と空間の誘電率との合成誘電率に基づく高周波電磁界の波長をλ_gとすると、次の式、（Ｂ−Ａ）／２＝（λ_g／２）・Ｎ（Ｎは、０または自然数）を満たすように設定されている。なお、この関係式において、λ_g／１０程度の寸法誤差はこの関係を満たすものと解される。
【００２３】
この構造によれば、各内径が実質的に上記関係を満たすように設定されていることで、ラジアル導波路内に形成される第１の定在波と、天板部およびアンテナ部が位置する部分に形成される第２の定在波の位相が揃って、第１の定在波と第２の定在波との相互結合が、従来のプラズマ処理装置の場合よりも強くなる。これにより、プラズマ生成領域の形成維持に第１の定在波の寄与が支配的となる。その結果、プラズマ生成領域の形成維持をアンテナ部によって制御することができ、プラズマ密度のばらつきが低減される。
【００２４】
また、チャンバは、プラズマが形成される領域に臨む部分では所定の内径を有し、そのプラズマが形成される領域に臨む部分の内径をＣとすると、次の式、Ｃ≦Ａを満たすように設定されていることが好ましい。なお、この関係式においても、λ_g／１０程度の寸法誤差はこの関係を満たすものと解される。
【００２５】
これは、内径Ｃが内径Ａよりも大きい場合には、チャンバ内に形成されるプラズマ生成領域がより大きくなってしまい、このプラズマ生成領域によって天板部の誘電率と空間の誘電率との合成誘電率の値がプラズマの状況とともに変化して上記関係を満たすことができなくなり、第１の定在波と第２の定在波との相互結合を強くすることができないと考えられるからである。
【００２６】
第２の定在波が形成される領域に位置する天板部は、具体的には石英板等の誘電体を含むことが好ましい。
【００２７】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態に係るプラズマ処理装置について説明する。図１に示すように、プラズマ処理装置は、基板１５を収容して所定の処理を施すためのチャンバ１と、マイクロ波を発生するため高周波電源９と、マイクロ波をプラズマ処理装置まで導くための導波管１９と、マイクロ波をチャンバ１内に放射するためのアンテナ部７とを備えている。
【００２８】
アンテナ部７は、導波管１９の下端に接続される金属製のラジアル導波路７ａと、ラジアル導波路７ａの下端の開口を覆う円板状のスロットアンテナ７ｂを備えている。スロットアンテナ７ｂの上の導波管１９と対向する位置には、インピーダンスの調整を行うためのバンプ８が設けられている。また、導波路７ａ内には大気が存在する。
【００２９】
スロットアンテナ７ｂは、たとえば厚さ０．１ｍｍから数ｍｍ程度の銅板等から形成されている。そのスロットアンテナ７ｂには、マイクロ波をチャンバ１内に向けて放射するための複数のスロット（開口部）が設けられている。
【００３０】
チャンバ１の上部には、チャンバ１の隔壁の一部を構成する天板５が配設されている。天板５は、たとえば石英等から形成されている。天板５とチャンバ１の隔壁との間には、たとえばＯリングなどのシール部材１３が設けられている。アンテナ部７はこの天板５の上方に間隔を隔てて配置され、アンテナ部７と天板５との間には空気の層２０が形成されている。
【００３１】
チャンバ１内には基板１５を保持するためのサセプタ３が設けられている。そのサセプタ３には、バイアス用の高周波電源１１が接続されている。さらに、チャンバ１には、チャンバ１内を排気するための真空ポンプ（図示せず）が取り付けられている。
【００３２】
本プラズマ処理装置では、天板５およびアンテナ部７が位置する領域の内径Ｂとラジアル導波路７ａの内径Ａとの差の半分の長さが、天板５およびアンテナ部７が位置する領域における大気（空気の層２０）の誘電率と天板５の誘電率との合成誘電率に基づくマイクロ波の波長λ_gの半分の長さの０を含む自然数倍となっている。すなわち、およそ次の式で表される寸法関係になっている。
【００３３】
（Ｂ−Ａ）／２＝（λ_g／２）・Ｎ （Ｎ：０または自然数）
さらに、チャンバ１の内径Ｃはラジアル導波路７ａの内径Ａより短く設定されているか、後述するように内径Ｃは内径Ａと同じである。なお、Ｎが０の場合は、内径Ａと内径Ｂとが実質的に等しい場合である。また、上記寸法関係の式において、λ_g／１０程度の寸法誤差は、この関係を満たすものと解される。
【００３４】
次に、上述したプラズマ処理装置の動作について説明する。まず、真空ポンプによりチャンバ１内が排気されて、所定の圧力範囲のもとでプラズマを生成するためのガスとして、たとえばアルゴンガスがチャンバ１内に導入される。
【００３５】
高周波電源９によりマイクロ波として、円偏波のＴＥ１１モードのマイクロ波が発生する。図２に示すように、ＴＥ１１モードのマイクロ波は、導波管１９に設けられた円偏波変換器（図示せず）によって、導波管１９の軸線の回りに矢印Ｙに示す方向に回転させられるマイクロ波２１として導波管１９を伝わって、ラジアル導波路７ａに到達する。
【００３６】
ラジアル導波路７ａに到達したマイクロ波は、ラジアル導波路７ａの周縁方向へ伝播する。周縁方向へ伝播するマイクロ波は、スロットアンテナ７ｂを介してチャンバ１内に電磁界を発生させる。
【００３７】
チャンバ１内に発生した電磁界によってアルゴンガスがイオン化し、基板１５と天板５との間にプラズマ生成領域が形成されてプロセスガスが解離され、基板１５に対して所定のプラズマ処理が行なわれる。
【００３８】
このとき、図３に示すように、ラジアル導波路７ａの周縁方向へ伝播するマイクロ波がラジアル導波路７ａの内周面によって反射されて、ラジアル導波路７ａ内には第１の定在波Ｓ１が形成される。
【００３９】
また、スロットアンテナ７ｂから放射されるマイクロ波と、そのマイクロ波がチャンバ１内に生成したプラズマ生成領域１７によって反射されて戻ってくるマイクロ波との相互結合によって、天板５およびアンテナ部７が位置する領域に第２の定在波Ｓ２が形成される。
【００４０】
このプラズマ処理装置では、上述した内径Ａ、内径Ｂおよびマイクロ波の波長が上記関係式を満足することで、天板５およびアンテナ部７が位置する領域における内径Ｂと内径Ａとの差の半分の長さに対応する部分Ｌでは、第２の定在波Ｓ２において、実質的に波長λｇ／２の自然数Ｎ倍または０倍の定在波が形成されることになる。なお、図３では、簡単のためにＮを１として、波長λｇ／２の定在波が形成されている。
【００４１】
しかも、チャンバ１の内径Ｃがラジアル導波路７ａの内径Ａと実質的に同じかそれよりも短いことで、チャンバ１内に形成維持されるプラズマ生成領域１７によって、天板５と空気の層２０が位置する領域における大気の誘電率と天板５の誘電率との合成誘電率の値が影響を受けることはほとんどないものと考えられる。
【００４２】
このことによって、図３に示すように、天板５と空気の層２０が位置する領域において中心から長さＡ／２の位置Ｐ１では、第２の定在波Ｓ２の節が位置することになるとともに、中心から長さＢ／２の位置Ｐ２においても節が位置することになる。
【００４３】
一方、ラジアル導波路７ａ内の中心から長さＡ／２の位置Ｐ３においては、第１の定在波Ｓ１の節が位置することになる。
【００４４】
これにより、定在波Ｓ１と定在波Ｓ２の位相のずれがなくなって両定在波Ｓ１、Ｓ２の位相が揃うことになる。その結果、定在波Ｓ１と定在波Ｓ２の相互結合が、従来のプラズマ処理装置の場合に比べてより強くなる。定在波Ｓ１と定在波Ｓ２の相互結合が強くなることで、チャンバ１内にプラズマ生成領域１７を形成維持するのに定在波Ｓ１の寄与が支配的になる。
【００４５】
ところで、ＴＥ１１モードのマイクロ波は、導波管１９の軸線の回りに回転させられるマイクロ波２１として導波管１９を伝わって、ラジアル導波路７ａに到達するため、図４に示すように、定在波Ｓ１はラジアル導波路７ａ内において、矢印Ｙに示す方向に回転している。これによって、ラジアル導波路７ａ内では、定在波Ｓ１の節と腹とが略同心円状に位置することになる。
【００４６】
したがって、プラズマ生成領域１７を形成維持するのを支配する定在波Ｓ１において節と腹とが略同心円状に位置することによって、チャンバ１内には略同心円状のプラズマ密度分布を有するプラズマ生成領域１７が形成維持されることになる。
【００４７】
すなわち、プラズマ生成領域１７を形成維持するのにアンテナ部７のラジアル導波路７ａ内に形成される定在波Ｓ１の寄与が支配的になることで、プラズマ生成領域１７を形成維持するための電磁界をアンテナ部７によって制御することができることになる。
【００４８】
これにより、従来のプラズマ処理装置の場合のように、不安定な定在波Ｓ２によって支配されるプラズマ生成領域に比べて、プラズマ生成領域１７におけるプラズマ密度分布のばらつきが低減される。
【００４９】
その結果、基板１５面内におけるプラズマ処理の程度のばらつきが低減されて、エッチングレートや成長レート等の基板１５面内の均一性をより向上することができる。
【００５０】
なお、上述したプラズマ処理装置では、チャンバ１の内径Ｃがラジアル導波路７ａの内径Ａよりも短い場合を例に挙げて説明したが、図５に示すように、内径Ｃが内径Ａと実質的に同じ長さを有するプラズマ処理装置であってもよい。
【００５１】
このようなプラズマ処理装置の場合においても、チャンバ１内に形成維持されるプラズマ生成領域１７によって、天板５およびアンテナ部７が位置する領域における合成誘電率の値の変化はほとんどないものと考えられるため、定在波Ｓ１（アンテナ部７）によってプラズマ生成領域１７を制御することができる。
【００５２】
なお、チャンバ１の内径Ｃがラジアル導波路７ａの内径Ａよりも長くなる場合には、チャンバ１内に形成維持されるプラズマ生成領域１７がより大きくなる（たとえば、図６を参照）。
【００５３】
この場合には、プラズマ生成領域のプラズマの状態によって、天板５とアンテナ部７が位置する領域における合成誘電率の値が変化すると考えられる。合成誘電率の値が変化することで、波長λｇの値が変わり上記関係式が満たされなくなり、定在波Ｓ１と定在波Ｓ２の相互結合を強くすることができなくなる。その結果、定在波Ｓ１（アンテナ部）によってプラズマ生成領域１７の形成維持を制御することが困難になる。
【００５４】
したがって、本プラズマ処理装置では、上記関係式を満足するとともに、チャンバ１の内径Ｃはラジアル導波路７ａの内径Ａと実質的に同じ長さかそれよりも短く設定されていることで、プラズマ生成領域１７をアンテナ部７によって制御することができ、プラズマ密度のばらつきが低減されて基板１５面内におけるプラズマ処理の均一性をより向上することができる。
【００５５】
今回開示された実施の形態はすべ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。本発明は上記の説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【００５６】
【発明の効果】
本発明に係るプラズマ処理装置によれば、各内径が（Ｂ−Ａ）／２＝（λ_g／２）・Ｎ（Ｎは、０または自然数）という関係を満たすように設定されていることで、ラジアル導波路内に形成される第１の定在波と、天板部およびアンテナ部が位置する部分に形成される第２の定在波の位相が揃って、第１の定在波と第２の定在波との相互結合が、従来のプラズマ処理装置の場合よりも強くなる。これにより、プラズマ生成領域の形成維持に第１の定在波の寄与が支配的となる。その結果、プラズマ生成領域の形成維持をアンテナ部によって制御することができ、プラズマ密度のばらつきが低減される。なお、この関係式において、λ_g／１０程度の寸法誤差はこの関係を満たすものと解される。
【００５７】
また、チャンバは、プラズマが形成される領域に臨む部分では所定の内径を有し、そのプラズマが形成される領域に臨む部分の内径をＣとすると、次の式、Ｃ≦Ａを満たすように設定されていることが好ましく、これは、内径Ｃが内径Ａよりも大きい場合には、チャンバ内に形成されるプラズマ生成領域がより大きくなってしまい、このプラズマ生成領域によって天板部の誘電率と空間の誘電率との合成誘電率の値がプラズマの状況とともに変化して上記関係を満たすことができなくなり、第１の定在波と第２の定在波との相互結合を強くすることができないと考えられるからである。なお、この関係式においても、λ_g／１０程度の寸法誤差はこの関係を満たすものと解される。
【００５８】
第２の定在波が形成される領域に位置する天板部は、具体的には石英板等の誘電体を含むことが好ましい。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施の形態に係るプラズマ処理装置の断面図である。
【図２】 同実施の形態において、プラズマ処理装置の動作を説明するためのマイクロ波の回転を示す図である。
【図３】 同実施の形態において、プラズマ処理装置の動作を説明するための定在波の様子を示す断面図である。
【図４】 同実施の形態において、プラズマ処理装置の動作を説明するためのラジアル導波路内において回転する定在波を示す図である。
【図５】 同実施の形態において、変形例に係るプラズマ処理装置の断面図である。
【図６】 従来のプラズマ処理装置の断面図である。
【符号の説明】
１ チャンバ、３ サセプタ、５ 天板、７ アンテナ部、７ａ ラジアル導波路、７ｂ スロットアンテナ、８ バンプ、９，１１ 高周波電源、１３ Ｏリング、１５ 基板、１７ プラズマ生成領域、１９ 導波管、２１ マイクロ波、Ｓ１，Ｓ２ 定在波。

Claims (3)

1. 基板をプラズマ生成領域に晒して所定の処理を施すためのプラズマ処理装置であって、
   基板を収容するためのチャンバと、
   前記チャンバ内に導入される基板の上方に配置され、前記チャンバの隔壁の一部をなす天板部と、
   前記天板部との間に空間を形成して設けられ、前記チャンバ内に高周波電磁界を供給することにより、前記チャンバ内における前記天板部と前記基板部との間の領域にプラズマ生成領域を形成するためのアンテナ部と
   を備え、
   前記アンテナ部は所定の内径を有するラジアル導波路を含み、
   前記ラジアル導波路内には高周波の第１の定在波が形成されるとともに、前記天板部と前記空間には第２の定在波が形成され、
   前記チャンバは、前記天板部および前記アンテナ部が位置する部分では所定の内径を有し、
   前記ラジアル導波路の内径をＡ、前記天板部および前記アンテナ部が位置する部分の内径をＢ、前記天板部の誘電率と前記空間の誘電率との合成誘電率に基づく高周波電磁界の波長をλ_gとすると、次の式、
   （Ｂ−Ａ）／２＝（λ_g／２）・Ｎ（Ｎは、０または自然数）
   を満たすように設定された、プラズマ処理装置。
2. 前記チャンバーは、前記プラズマが形成される領域に臨む部分では所定の内径を有し、
   前記プラズマが形成される領域に臨む部分の内径をＣとすると、次の式、
   Ｃ≦Ａ
   を満たすように設定された、請求項１記載のプラズマ処理装置。
3. 前記天板部は誘電体を含む、請求項１または２に記載のプラズマ処理装置。

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