JP4226135B2 - マイクロ波プラズマ処理装置及び方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【０００２】
【発明の属する技術分野】
本発明は、マイクロ波プラズマ処理装置及び方法に関する。
【０００３】
【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る。特に、０．１乃至１０ｍＴｏｒｒ程度の減圧状態でも安定してプラズマを供給することができるマイクロ波プラズマ装置が提案されている。
【０００４】
典型的なマイクロ波プラズマ装置においては、通常、２．４５ＧＨｚのマイクロ波が、導波管、透過窓、スロット電極を順に通過し、被処理体（例えば、半導体ウェハやＬＣＤ）が配置され減圧環境下に維持された処理室（プロセスチャンバ）内に導入される。２．４５ＧＨｚの周波数を有するマイクロ波を生成するマイクロ波源は電子レンジなどでも使用されて大量生産されており、安価であるという特長からかかるマイクロ波源が多用されている。一方、処理室には反応ガスも導入され、マイクロ波によってプラズマ化され、活性の強いラジカルとイオンとなる。かかるプラズマが被処理体と反応して被処理体に対してＣＶＤやエッチングなど所定の処理が行われる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、２．４５ＧＨｚの周波数を有するマイクロ波を使用して、例えば、プラズマＣＶＤを行った場合、Ｓｉウェハにはその上に形成される成膜（例えば、ＳｉＯ２やＳｉ３Ｎ４）との境界面でダングリングボンドなどの格子欠陥ができることが多い。ダングリングボンドは格子構造の周期性の乱れによって共有結合が切れ、不対電子が残された場合の当該不対電子をいうが、本発明者はこの原因が２．４５ＧＨｚの周波数を有するマイクロ波に起因していることを発見した。即ち、２．４５ＧＨｚの周波数を有するマイクロ波によってもたらされるプラズマの電子エネルギーは一般に図１に示すように分布し、１０ｅＶあたりで極大Ｍを有する。そして、本発明者は、この極大Ｍがダングリングボンドの原因となっていることを発見した。
【０００６】
また、２．４５ＧＨｚの周波数を有するマイクロ波は処理室に定在波をもたらし、均一なプラズマ密度の生成を妨げ、その結果、均一なプラズマ処理を妨げるという問題も有する。
【０００７】
そこで、このような課題を解決する新規かつ有用なマイクロ波プラズマ処理装置及び方法を提供することを本発明の概括的目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明の一側面としてのマイクロ波プラズマ処理装置は、マイクロ波を発生するマイクロ波源と、前記マイクロ波をＴＥＭモードに変換する同軸導波管と、前記同軸導波管を通過した前記マイクロ波を案内するスロット電極と、反応ガスを供給する反応ガス源と、真空ポンプと、前記反応ガス源と前記真空ポンプに接続可能で被処理体を収納することができ、前記スロット電極を通過した前記マイクロ波は前記反応ガスをプラズマ化して、減圧環境下で前記被処理体に所定のプラズマ処理を施すことができる処理室とを有し、前記マイクロ波は、１００ＭＨｚ乃至６００ＭＨｚの周波数を有し、前記マイクロ波は、前記プラズマ化された前記反応ガスの電子エネルギー分布において１０ｅＶ以上の電子の存在確率が２０分の１以下であることを特徴とする。前記マイクロ波は、例えば、前記処理室の直径よりも大きい波長を有する。
【０００９】
本発明の別の側面としてのマイクロ波プラズマ処理装置は、マイクロ波を発生するマイクロ波源と、前記マイクロ波をＴＥＭモードに変換する同軸導波管と、前記同軸導波管を通過した前記マイクロ波の波長を短縮する波長短縮部材と、当該波長短縮部材に接続され、前記波長短縮部材を通過した前記マイクロ波を案内するスロット電極と、反応ガスを供給する反応ガス源及び真空ポンプに接続可能で被処理体を収納することができ、前記スロット電極を通過した前記マイクロ波は前記反応ガスをプラズマ化して、減圧環境下で前記被処理体に所定のプラズマ処理を施すことができる処理室とを有し、前記マイクロ波は、１００ＭＨｚ乃至６００ＭＨｚの周波数を有し、前記マイクロ波は、前記プラズマ化された前記反応ガスの電子エネルギー分布において１０ｅＶ以上の電子の存在確率が２０分の１以下であることを特徴とする。
【００１０】
本発明の別の側面としてのマイクロ波プラズマ処理方法は、被処理体を処理室に導入する工程と、マイクロ波をＴＥＭモードに変換する同軸導波管に１００ＭＨｚ乃至６００ＭＨｚの周波数を有する前記マイクロ波を導入する工程と、前記同軸導波管を通過した前記マイクロ波をスロット電極に導入する工程と、前記処理室の圧力を制御する工程と、反応ガスを前記処理室に導入してプラズマ化する工程とを有し、前記マイクロ波は、前記プラズマ化された前記反応ガスの電子エネルギー分布において１０ｅＶ以上の電子の存在確率が２０分の１以下であることを特徴とする。かかるマイクロ波プラズマ処理方法は、前記周波数を有する前記マイクロ波を当該マイクロ波の波長を短縮するように動作可能な波長短縮部材に供給する工程を更に有し、前記マイクロ波をスロット電極に導入する前記工程は、前記波長短縮部材を通過したマイクロ波を前記スロット電極に導入するように構成されてもよい。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して、プラズマＣＶＤ装置として使用される本発明の例示的なマイクロ波プラズマ装置１００について説明する。なお、各図において同一の参照符号は同一部材を表している。従来のマイクロ波は１〜１００ＧＨｚの周波数をいうが、本発明のマイクロ波はこれに限らず、およそ５０ＭＨｚ〜１００ＧＨｚのものをいう。ここで、図１は、マイクロ波プラズマ装置１００の概略ブロック図である。本実施例のマイクロ波プラズマ装置１００は、マイクロ波源１０と反応ガス供給ノズル５０と真空ポンプ６０とに接続され、アンテナ収納部材２０と、第１の温度制御装置３０と、処理室４０と、第２の温度制御装置７０とを有している。
【００１２】
マイクロ波源１０は、例えば、マグネトロンからなり、例えば、１００ＭＨｚ乃至６００ＭＨｚ程度の周波数を有するマイクロ波（例えば、５ｋＷ）を発生することができる。本実施例では、生成されるプラズマの電子エネルギー分布において１０ｅＶ以上の電子の存在確率が２０分の１以下になるようなマイクロ波の周波数が事前に選択されている。従って、本発明では、通常一般に使用される２．４５ＧＨｚの周波数を有するマイクロ波は使用していない。これは、２．４５ＧＨｚの周波数を有するマイクロ波は図４に示すような極大Ｍを有し、エネルギーの高い電子が半導体ウェハＷに衝突して、半導体ウェハＷに格子欠陥をもたらすからである（例えば、欠陥を表す界面準位密度５ｘ１０１０乃至２ｘ１０１１）。また、ダングリングボンドにより半導体ウェハＷにおける成膜の密着性も悪くなる。
【００１３】
本発明者は、図５に示すように、異なる周波数を有するマイクロ波によってもたらされるプラズマの電子エネルギー分布と格子欠陥の発生の相関関係を検討した結果、１０ｅＶ以上の電子の存在確率が２０分の１程度であれば格子欠陥の発生を許容できる範囲にまで抑えることができることを発見した。１０ｅＶ以上の電子の存在確率とは、図４及び図５に示すグラフにおいて、１０ｅＶ以上の存在確率の積分値である。図４に示すような極大Ｍは、必ずしも全ての周波数のマイクロ波によってもたらされるプラズマで発生するわけではない。例えば、５００ＭＨｚの周波数ではこのような極大が発生しない。また、１３．５６ＭＨｚの周波数では、このような極大が発生しないが、１０ｅＶ以上の電子の存在確率が２０分の１を超えてしまうため好ましくない。プラズマの電子エネルギー分布において１０ｅＶ以上の電子の存在確率が２０分の１程度に相当するマイクロ波の周波数は１００ＭＨｚ乃至６００ＭＨｚ程度の周波数を有するマイクロ波を含むものである。
【００１４】
かかる周波数範囲のマイクロ波を選択することは均一な密度分布を有するプラズマを生成するという付加的な効果も有する。即ち、後述される処理室４０は、例えば、８インチや３００ｍｍの半導体ウェハＷを収納する場合はチャンバ径が３５０乃至５００ｍｍ程度に設定される。かかる処理室４０では均一かつ所定密度のプラズマを生成するためにマイクロ波の均一かつ所定密度の分布が必要である。例えば、全体のプラズマ密度が低下すれば半導体ウェハの処理速度が変化する。その結果、プラズマ処理が時間的に管理される場合、所定の時間（例えば、２分）で処理を停止しても所望の処理（エッチング深さや成膜厚さ）が半導体ウェハＷに形成されていない場合がある。また、部分的にプラズマ密度が集中すれば、部分的に半導体ウェハＷの処理が変化してしまう。
【００１５】
しかし、２．４５ＧＨｚマイクロ波は１２２．５ｍｍの波長を有し、上述したチャンバ径３５０乃至５００ｍｍよりも波長が短いため、処理室４０内には数個の定在波の発生をもたらす。かかる定在波は、処理室４０に導入されるマイクロ波の存在分布に強弱をもたらすため、マイクロ波の均一な分布を妨げる。その結果、処理室におけるプラズマ密度が不均一になり、上述したような問題が生ずる。
【００１６】
本実施例で使用されることが可能な、例えば、周波数４５０ＭＨｚを有するマイクロ波は、波長が６７ｃｍ（６７０ｍｍ）であるのでチャンバ径より大きく定在波が発生しにくい。定在波が発生しないのでマイクロ波の存在が均一になり均一な処理を達成することができる。この点から、マイクロ波源１０は、処理室４０の寸法よりも大きな波長を有するマイクロ波を発生することができることが好ましい。使用される処理室４０のチャンバ径が３５０ｍｍ程度であれば、上述した１００ＭＨｚ乃至６００ＭＨｚのマイクロ波はこの要件を満たしている。
【００１７】
マイクロ波は、その後、図示しないモード変換器により伝送形態がＴＭ、ＴＥ又はＴＥＭモードなどに変換される。なお、図１では、発生したマイクロ波がマグネトロンへ戻る反射波を吸収するアイソレータや、負荷側とのマッチングをとるためのＥＨチューナ又はスタブチューナは省略されている。
【００１８】
アンテナ収納部材２０には波長短縮部材２２が収納され、波長短縮部材２２に接触してスロット電極２４がアンテナ収納部材２０の底板として構成されている。アンテナ収納部材２０には熱伝導率が高い材料（例えば、ステンレス）が使用されており、また、後述するように、温調板３２と接触している。従って、アンテナ収納部材２０の温度は温調板３２の温度と略同じ温度に設定される。
【００１９】
波長短縮部材２２はマイクロ波の波長を短縮するために所定の誘電率を有する誘電体である。但し、後述するように、冷却板３２の温度をスロット電極２４に伝達するために熱伝導率が高い所定の材料が使用されることが好ましい。処理室４０に導入されるプラズマ密度を均一にするには、後述するスロット電極２４に多くのスリット２５を形成することも必要がある。波長短縮部材２２は、スロット電極２４に多くのスリット２５を形成することを可能にする機能を有する。波長短縮部材２２としては、誘電率の高い物質、例えば、アルミナ系セラミック、ＳｉＮ、ＡｌＮを使用することができる。
【００２０】
例えば、ＡｌＮは比誘電率εｔが約９であり、波長短縮率ｎ＝１／（εｔ）１／２＝０．３３である。これにより、波長短縮部材２２を通過したマイクロ波の速度は０．３３倍となり波長も０．３３倍となり、後述するスロット電極２４のスリット２５の間隔を短くすることができ、より多くのスリット２５が形成されることを可能にしている。より具体的には、スロット電極２４のスリットの外周寸法はマイクロ波の波長の１．４５倍以上が適当であるため、４５０ＭＨｚのマイクロ波を使用した場合、波長短縮部材２２がなければスロット電極２４は１．４５ｘ６７＝９７ｃｍ以上の外周寸法が必要となるが、波長短縮部材２２があるために９７ｘ０．３３＝３２ｃｍ程度の外周寸法で足りることになる。
【００２１】
スロット電極２４は、波長短縮部材２２にねじ止めされており、例えば、直径５０ｃｍ、厚さ１ｍｍ以下の円筒状銅板から構成される。スロット電極２４は、図２に示すように、中心から少し外側へ、例えば、数ｃｍ程度離れた位置から開始されて多数のスリット２５が渦巻状に次第に周縁部に向けて形成されている。図２においては、スリット２５は、２回渦巻されている。本実施例では、略Ｔ字状にわずかに離間させて配置した一対のスリット２５Ａ及び２５Ｂを組とするスリット対を上述したように配置することによってスリット群を形成している。各スリット２５Ａ、２５Ｂの長さＬ１はマイクロ波の管内波長λの略１／２から自由空間波長の略２.５倍の範囲内に設定されると共に幅は１ｍｍ程度に設定され、スリット渦巻の外輪と内輪との間隔Ｌ２は僅かな調整はあるが管内波長λと略同一の長さに設定されている。即ち、スリットの長さＬ１は、次の式で示される範囲内に設定される。
【００２２】
【数１】

このように各スリット２５Ａ、２５Ｂを形成することにより、処理室４０には均一なマイクロ波の分布を形成することが可能になる。渦巻状スリットの外側であって円盤状スロット電極２４の周縁部にはこれに沿って幅数ｍｍ程度のマイクロ波電力反射防止用放射素子２６が形成されている。これにより、スロット電極２４のアンテナ効率を上げている。なお、本実施例のスロット電極２４のスリットの模様は単なる例示であり、任意のスリット形状（例えば、Ｌ字状など）を有する電極をスロット電極として利用することができることはいうまでもない。例えば、図６乃至図９に示す同心円、放射状など様々な形状を有するスリット１２５ａ乃至ｄを有するスロット電極１２４ａ乃至ｄを使用することができる。
【００２３】
アンテナ収納部材２０には第１の温度制御装置３０が接続されている。第１の温度制御装置３０は、マイクロ熱によるアンテナ収納部材２０及びこの近傍の構成要素の温度変化が所定の範囲になるように制御する機能を有する。第１の温度制御装置３０は、図３に示すように、温調板３２と、封止部材３４と、温度センサ３６とヒータ装置３８とを有し、水道などの水源３９から冷却水を供給される。制御の容易性から、水源３９から供給される冷却水の温度は恒温であることが好ましい。温調板３２は、例えば、ステンレスなど熱伝導率がよく、流路３３を加工しやすい材料が選択される。流路３３は、例えば、矩形状の温調板３２を縦横に貫通し、ねじなどの封止部材３４を貫通孔にねじ込むことによって形成することができる。もちろん、図３に拘らず、温調板３２と流路３３それぞれは任意の形状を有することができる。冷却水の代わりに他の種類の冷媒（アルコール、ガルデン、フロン等）を使用することができるのはもちろんである。
【００２４】
温度センサ３６は、ＰＴＣサーミスタ、赤外線センサなど周知のセンサを使用することができる。なお、熱電対も温度センサ３６に使用することができるが、マイクロ波の影響を受けないように構成することが好ましい。温度センサ３６は流路３３に接続してもよいし、接続していなくてもよい。代替的に、温度センサ３６は、アンテナ収納部材２０、波長短縮部材２２及び／又はスロット電極２４の温度を測定してもよい。
【００２５】
ヒータ装置３８は、例えば、温調板３２の流路３３に接続された水道管の周りに巻かれたヒータ線などとしてから構成される。ヒータ線に流れる電流の大きさを制御することによって温調板３２の流路３３を流れる水温を調節することができる。温調板３２は熱伝導率が高いので流路３３を流れる水の水温と略同じ温度に制御されることができる。
【００２６】
温調板３２はアンテナ収納部材２０に接触しており、アンテナ収納部材２０と波長短縮部材２２は熱伝導率が高い。この結果、温調板３２の温度を制御することによって波長短縮部材２２とスロット電極２４の温度を制御することができる。
【００２７】
波長短縮部材２２とスロット電極２４は、温調板３２などがなければ、マイクロ波源１０の電力(例えば、５ｋＷ)を長時間加えることにより、波長短縮部材２２とスロット電極２４での電力ロスから電極自体の温度が上昇する。この結果、波長短縮部材２２とスロット電極２４が熱膨張して変形する。
【００２８】
例えば、スロット電極２４は、熱膨張により最適なスリット長さが変化して後述する処理室４０内における全体のプラズマ密度が低下したり部分的にプラズマ密度が集中したりする。全体のプラズマ密度が低下すれば半導体ウェハＷの処理速度が変化する。その結果、プラズマ処理が時間的に管理して、所定時間（例えば、２分）経過すれば処理を停止して半導体ウェハＷを処理室４０から取り出すというように設定した場合、全体のプラズマ密度が低下すれば所望の処理（エッチング深さや成膜厚さ）が半導体ウェハＷに形成されていない場合がある。また、部分的にプラズマ密度が集中すれば、部分的に半導体ウェハＷの処理が変化してしまう。このようにスロット電極２４が温度変化により変形すればプラズマ処理の品質が低下する。
【００２９】
更に、温調板３２がなければ、波長短縮部材２２とスロット電極２４の材質が異なり、また、両者はねじ止めされているから、スロット電極２４が反ることになる。この場合も同様にプラズマ処理の品質が低下することが理解されるであろう。
【００３０】
一方、スロット電極２４は、温度が一定であれば高温下に配置されても、変形を生じない。また、プラズマＣＶＤ装置においては、処理室４０に水分が液状又は霧状で存在すれば半導体ウェハＷの膜中に不純物として混入されることになるためできるだけ温度を上げておくことが好ましい。また、処理室４０と後述する誘電体２８との間を密封するオーリングなどの部材は８０乃至１００℃程度の耐熱性を有することを考慮すると、温調板３２（即ち、スロット電極２４）は、例えば、７０℃を基準に±５℃程度となるように制御される。７０℃などの設定温度と±５℃などの許容温度範囲は要求される処理や構成部材の耐熱性その他によって任意に設定することができる。
【００３１】
この場合、第１の温度制御装置３０は、温度センサ３６の温度情報を得て、温調板３２の温度が７０℃±５℃になるようにヒータ装置３８に供給する電流を（例えば、可変抵抗などを使用して）制御する。スロット電極２４は、７０℃で使用されることを前提に、即ち、７０℃の雰囲気下に置かれた時に最適なスリット長さを有するように設計される。代替的に、温度センサ３６が温調板３２に配置される場合には、温調板３２からスロット電極２４へあるいはこの逆へ熱が伝搬するには時間がかかるから７０℃±１０℃にするなどより広い許容範囲を設定してもよい。
【００３２】
第１の温度制御装置３０は、最初は、室温下に置かれた温調板３２の温度は７０℃よりも低いからヒータ装置３８を最初に駆動して水温を７０℃程度にして温調板３２に供給してもよい。代替的に、マイクロ熱による温度上昇を７０℃付近になるまで温調板３２に水を流さなくてもよい。従って、図３に示す例示的な温度制御機構は水源３９からの水量を調節するマスフローコントローラと開閉弁とを含んでいてもよい。温調板３２の温度が７５℃を超えた場合には、例えば、１５℃程度の水を水源３９から供給して温調板３２の冷却を開始し、その後、温度センサ３６が６５℃を示したときにヒータ装置３８を駆動して温調板３２の温度が７０℃±５℃になるように制御する。第１の温度制御装置３０は、上述のマスフローコントローラと開閉弁を利用することによって、例えば、１５℃程度の水を水源３９から供給して温調板３２の冷却を開始し、その後、温度センサ３６が７０℃を示したときに水の供給を停止するなど様々な制御方法を採用することができる。
【００３３】
このように、第１の温度制御装置３０は、波長短縮部材２２とスロット電極２４が所定の設定温度を中心とする所定の許容温度範囲になるように温度制御をすることにより、処理室４０における処理の品質を維持することができる。例えば、スロット電極２４は、７０℃の雰囲気下に置かれた時に最適なスリット長さを有するように設計された場合に、これを単に１５℃程度に冷却するだけでは最適な処理環境を得るのに無意味であることが理解されるであろう。
【００３４】
また、第１の温度制御装置３０は、温調板３２を流れる水の温度を制御することによって波長短縮部材２２とスロット電極２４の温度を同時に制御している。これは、温調板３２、アンテナ収納部材２０及び波長短縮部材２２を熱伝導率の高い材料で構成したことによるものである。かかる構成を採用することにより、これら３つの温度制御を１の装置で兼用することができるので複数の装置を要しない点で装置全体の大型化とコストアップを防止することができる。なお、温調板３２は、冷却手段の単なる一例であり、冷却ファンなどその他の冷却手段を採用することができることはいうまでもない。
【００３５】
本実施例では、温調板３２とアンテナ収納部材２０は別個の部材であったが、温調板３２の機能をアンテナ収納部材２０にもたせてもよい。例えば、アンテナ収納部材２０の上面及び／又は側面に流路３２を形成することによりアンテナ収納部材２０を直接冷却することができる。また、アンテナ収納部材２０の側面に流路３２を形成すれば、波長短縮部材２２とスロット電極２４とを同時に冷却することも可能である。また、スロット電極２４の周囲に温調板を設けたり、若しくは、スリット２５の配置を妨げないようにスロット電極２４自体に流路を形成することもできる。
【００３６】
誘電体２８はスロット電極２４と処理室４０との間に配置されている。スロット電極２４と誘電体２８は、例えば、ロウにより強固にかつ機密に面接合される。代替的に、焼成されたセラミック製の誘電体２８の裏面に、スクリーン印刷などの手段により銅薄膜を、スリットを含むスロット電極２４の形状にパターン形成して、これを焼き付けるように銅箔のスロット電極２４を形成してもよい。誘電体２８は、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）などからなり、減圧又は真空環境にある処理室４０の圧力がスロット電極２４に印加されてスロット電極２４が変形したり、スロット電極２４が処理室４０に剥き出しになってスパッタされたり銅汚染を発生したりすることを防止している。必要があれば、誘電体２８を熱伝導率の低い材質で構成することによって、スロット電極２４が処理室４０の温度により影響を受けるのを防止してもよい。
【００３７】
選択的に、誘電体２８は、波長短縮部材２２と同様に、熱伝導率の高い材質（例えば、ＡｌＮ）で形成することができる。この場合は、誘電体２８の温度を制御することによってスロット電極２４の温度制御を行うことができ、スロット電極２４を介して波長短縮部材２２の温度制御を行うことができる。この場合、誘電体２８の周囲に温調板を形成したり、誘電体２８の内部にマイクロ波の処理室４０への導入を妨げないように流路を形成することも可能である。なお、上述した温度制御は任意に組み合わせることもできる。
【００３８】
処理室４０は、側壁や底部がアルミニウムなどの導体により構成されて、全体が筒状に成形されており、内部は後述する真空ポンプ６０により所定の減圧又は真空密閉空間に維持されることができる。処理室４０内には、熱板４２とその上に被処理体である半導体ウェハＷが収納されている。なお、図１においては、半導体ウェハＷを固定する静電チャックやクランプ機構などは便宜上省略されている。
【００３９】
熱板４２は、ヒータ装置３８と同様に、処理室４０内の温度を所定の処理温度にするために第２の温度制御装置７０に接続されている。かかる第２の温度制御装置７０は、処理室４０内の温度を測定する温度センサ７２が測定した温度に従って熱板４２に流れる加熱用電流の大きさを制御することができる。第２の温度制御装置７０は、例えば、第１の温度制御装置３０による温度制御の結果として処理室４０内の温度が所定の処理温度よりも下がった場合に、熱板４２を介して処理室４０の温度を上げるように動作することができる。処理室４０の温度も所定の処理温度と許容温度範囲を予め設定しておき、これに基づいて第２の温度制御装置７０は熱板４２の動作を制御することができる。処理室４０に使用される処理温度と許容温度範囲は、第１の温度制御装置３０が使用するそれらと同一であってもよいし異なっていてもよい。また、熱板４２は、半導体ウェハＷを載置する台と一体であってもよいし別個の部材であってもよい。温度センサ７２には温度センサ３６と同様のものを使用することができる。
【００４０】
処理室４０の側壁には、反応ガスを導入するための石英パイプ製ガス供給ノズル５０が設けられ、このノズル５０は、ガス供給路５２によりマスフローコントローラ５４及び開閉弁５６を介して反応ガス源５８に接続されている。例えば、窒化シリコン膜を堆積させようとする場合には、反応ガスとして所定の混合ガス（即ち、ネオン、キセノン、アルゴン、ヘリウム、ラドン、クリプトンのいずれかにＮ２とＨ２を加えたもの）にＮＨ３やＳｉＨ４ガスなどを混合したものが選択されることができる。
【００４１】
真空ポンプ６０は、処理室４０の圧力を所定の圧力（例えば、０．１乃至数１０ｍＴｏｒｒ）まで真空引きすることができる。なお、図１においては、排気系の詳細な構造も省略されている。
【００４２】
次に、以上のように構成された本実施例のマイクロ波プラズマ処理装置１００の動作について説明する。まず、通常処理室４０の側壁に設けられている図示しないゲートバルブを介して半導体ウェハＷを搬送アームにより処理室４０に収納する。その後、図示しないリフタピンを上下動させることによって半導体ウェハＷを所定の載置面に配置する。
【００４３】
次に、処理室４０内をポンプ６０により減圧し、所定の処理圧力、例えば、５０ｍＴｏｒｒに維持してノズル５０から、例えば、ヘリウム、窒素及び水素の混合ガスにＮＨ３を更に混合した一以上の反応ガス源５８からマスフローコントローラ５４及び開閉弁５６を介して流量制御しつつ処理室４０に導入される。
【００４４】
処理室４０の温度は７０℃程度になるように第２の温度制御装置７０と熱板４２により調整される。また、第１の温度制御装置３０は、温調板３２の温度が７０℃程度になるようにヒータ装置３８を制御する。これにより、温調板３２を介して波長短縮部材２２とスロット電極２４の温度も７０℃程度に維持される。スロット電極２４は７０℃で最適のスリット長を有するように設計されている。また、スロット電極２４は±５℃程度の温度誤差が許容範囲であるということが予め分かっているものとする。
【００４５】
一方、マイクロ波源１０からの周波数４５０ＭＨｚのマイクロ波を図示しない矩形導波管や同軸導波管などを介してアンテナ収納部材２０内の波長短縮部材２２に、例えば、ＴＥＭモードなどで導入する。波長短縮部材２２を通過したマイクロ波はその波長が短縮されてスロット電極２４に入射し、スリット２５から処理室４０に誘電体２８を介して導入される。波長短縮部材２２とスロット電極２４は温度制御されているので、熱膨張などによる変形はなく、スロット電極２４は最適なスリット長さを維持することができる。これによってマイクロ波は、均一に（即ち、部分的集中なしに）かつ全体として所望の密度で（即ち、密度の低下なしに）処理室４０に導入されることができる。
【００４６】
継続的な使用により、温調板３２の温度が７５℃よりも上昇すれば第１の温度制御装置３０は水源３９より１５℃程度の冷却水を温調板３２に導入することによりこれを７５℃以内になるように制御する。同様に、処理開始時や過冷却により温調板３２の温度が６５℃以下になれば第１の温度制御装置３０はヒータ装置３８を制御して水源３９から温調板３２に導入される水温を上げて温調板３２の温度を６５℃以上にすることができる。
【００４７】
一方、温調板３２による過冷却によって処理室４０の温度が所定の温度よりも低くなったことを温度センサ７２が検知すれば、水分が不純物としてウェハＷに混入することを防ぐため第２の温度制御装置７０は熱板４２を制御して処理室４０の温度を制御することができる。
【００４８】
その後、マイクロ波は、反応ガスをプラズマ化して成膜処理を行う。成膜処理は、例えば、予め設定された所定時間だけ行われてその後、半導体ウェハＷは上述の図示しないゲートバルブから処理室４０の外へ出される。処理室４０には定在波を形成しないで所望の密度のマイクロ波が均一に供給されるのでウェハＷには所望の厚さの膜が均一に形成されることになる。また、マイクロ波によって発生するプラズマの電子エネルギー分布はウェハＷに結晶欠陥をもたらさないので高品質の成膜処理を行うことができる。更に、処理室４０の温度は水分などがウェハＷに混入することのない温度に維持されるので所望の成膜品質を維持することができる。
【００４９】
以上、本発明の好ましい実施例を説明したが、本発明はその要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。例えば、本発明のマイクロ波プラズマ処理装置１００は電子サイクロトロン共鳴の利用を妨げるものではないため、所定の磁場を発生させるリング状コイルなどを有してもよい。また、本実施例のマイクロ波プラズマ処理装置１００はプラズマＣＶＤ装置として説明されているが、マイクロ波プラズマ処理装置１００は半導体ウェハＷをエッチングしたりクリーニングしたりする場合にも使用することができることはいうまでもない。更に、本発明で処理される被処理体は半導体ウェハに限られず、ＬＣＤなどを含むものである。また、本発明のマイクロ波の周波数に関して１０ｅＶ以上の電子の存在確率が２０分の１以下となる周波数であれば２．４５ＧＨｚ以上でも用いることができることはもちろんである。
【００５０】
【発明の効果】
本発明の例示的一態様であるマイクロ波プラズマ処理装置及び方法によれば、使用されるマイクロ波はプラズマ化された反応ガスの電子エネルギー分布において１０ｅＶ以上の電子の存在確率が２０分の１以下になるような周波数を有するので、被処理体にダングリングボンドが形成されることを防止して所期の処理品質を維持することができる。また、本発明の例示的一態様であるマイクロ波プラズマ処理装置及び方法は、定在波の形成を防止して被処理体に均一な処理を施すことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本実施例の例示的なマイクロ波プラズマ処理装置の構造を示す概略ブロック図である。
【図２】 図１に示すマイクロ波プラズマ処理装置に使用されるスロット電極の具体的構成例を説明するための概略平面図である。
【図３】 図１に示すマイクロ波プラズマ処理装置に使用される第１の温度制御装置と温調板の構成を示す概略ブロック図である。
【図４】 周波数２．４５ＧＨｚのマイクロ波がもたらすプラズマの電子エネルギー分布を概略的に示すグラフである。
【図５】 周波数１３．５６ＭＨｚ乃至５００ＭＨｚのマイクロ波がもたらすプラズマの電子エネルギー分布を概略的に示すグラフである。
【図６】 図２に示すスロット電極の変形例を示す概略平面図である。
【図７】 図２に示すスロット電極の別の変形例を示す概略平面図である。
【図８】 図２に示すスロット電極の更に別の変形例を示す概略平面図である。
【図９】 図２に示すスロット電極の更に別の変形例を示す概略平面図である。
【符号の説明】
１０ マイクロ波源
２０ アンテナ収納部材
２２ 波長短縮部材
２４ スロット電極
２５ スリット
２８ 誘電体
３０ 第１の温度制御装置
３２ 温調板
３６ 温度センサ
３８ ヒータ装置
３９ 水源
４０ 処理室
４２ 熱板
５０ 反応ガス供給ノズル
５８ 反応ガス源
６０ 真空ポンプ
７０ 第２の温度制御装置
７２ 温度センサ

Claims (5)

1. マイクロ波を発生するマイクロ波源と、
   前記マイクロ波をＴＥＭモードに変換する同軸導波管と、
   前記同軸導波管を通過した前記マイクロ波を案内するスロット電極と、
   反応ガスを供給する反応ガス源と、
   真空ポンプと、
   前記反応ガス源と前記真空ポンプに接続可能で被処理体を収納することができ、前記スロット電極を通過した前記マイクロ波は前記反応ガスをプラズマ化して、減圧環境下で前記被処理体に所定のプラズマ処理を施すことができる処理室とを有し、
   前記マイクロ波は、１００ＭＨｚ乃至６００ＭＨｚの周波数を有し、
   前記マイクロ波は、前記プラズマ化された前記反応ガスの電子エネルギー分布において１０ｅＶ以上の電子の存在確率が２０分の１以下であることを特徴とするマイクロ波プラズマ処理装置。
2. マイクロ波を発生するマイクロ波源と、
   前記マイクロ波をＴＥＭモードに変換する同軸導波管と、
   前記同軸導波管を通過した前記マイクロ波の波長を短縮する波長短縮部材と、
   当該波長短縮部材に接続され、前記波長短縮部材を通過した前記マイクロ波を案内するスロット電極と、
   反応ガスを供給する反応ガス源及び真空ポンプに接続可能で被処理体を収納することができ、前記スロット電極を通過した前記マイクロ波は前記反応ガスをプラズマ化して、減圧環境下で前記被処理体に所定のプラズマ処理を施すことができる処理室とを有し、
   前記マイクロ波は、１００ＭＨｚ乃至６００ＭＨｚの周波数を有し、
   前記マイクロ波は、前記プラズマ化された前記反応ガスの電子エネルギー分布において１０ｅＶ以上の電子の存在確率が２０分の１以下であることを特徴とするマイクロ波プラズマ処理装置。
3. 前記マイクロ波は前記処理室の直径よりも大きい波長を有する請求項１又は２記載のマイクロ波プラズマ処理装置。
4. 被処理体を処理室に導入する工程と、
   マイクロ波をＴＥＭモードに変換する同軸導波管に１００ＭＨｚ乃至６００ＭＨｚの周波数を有する前記マイクロ波を導入する工程と、
   前記同軸導波管を通過した前記マイクロ波をスロット電極に導入する工程と、
   前記処理室の圧力を制御する工程と、
   反応ガスを前記処理室に導入してプラズマ化する工程とを有し、
   前記マイクロ波は、前記プラズマ化された前記反応ガスの電子エネルギー分布において１０ｅＶ以上の電子の存在確率が２０分の１以下であることを特徴とするマイクロ波プラズマ処理方法。
5. 前記周波数を有する前記マイクロ波を当該マイクロ波の波長を短縮するように動作可能な波長短縮部材に供給する工程を更に有し、
   前記マイクロ波をスロット電極に導入する前記工程は、前記波長短縮部材を通過したマイクロ波を前記スロット電極に導入する請求項４記載のマイクロ波プラズマ処理方法。

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