JP4313470B2

JP4313470B2 - プラズマ処理装置およびプラズマ処理方法

Info

Publication number: JP4313470B2
Application number: JP19375399A
Authority: JP
Inventors: 秀樹桐生; 博神力; 正仁杉浦; 真太郎青山
Original assignee: Tokyo Electron Ltd
Current assignee: Tokyo Electron Ltd
Priority date: 1999-07-07
Filing date: 1999-07-07
Publication date: 2009-08-12
Anticipated expiration: 2019-07-07
Also published as: JP2001023976A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は，プラズマ処理装置およびプラズマ処理方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来，処理室外部で生成されたラジカルを処理室内に導入し，処理室内に配置された被処理体にプラズマ処理を施すプラズマ処理装置が提案されている。該装置では，ラジカルを被処理体の処理面に対していわゆる層流状態で，あるいはダウンフロー状態で一定方向から導入するとともに，処理室内のガスを一定方向から排気することにより，一定方向に流れるラジカルにより処理を行っている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら，ラジカルは反応性が高いので，ラジカルをプラズマ導入経路に介装されたバッファ空間内で一旦拡散させた後，上記層流状態で供給したり，あるいはバッファ空間内で拡散したラジカルをさらに多数の小孔を介してダウンフロー状態で供給しても，該ラジカルを被処理体の処理面全面に均一に導入することができないという問題点がある。さらに，ラジカルをバッファ空間や小孔などを通過させると，ラジカルがそれらバッファ空間や小孔などの壁部と衝突して失活し，処理室内へのラジカルの導入効率が低下するという問題点がある。
【０００４】
本発明は，従来の技術が有する上記のような問題点に鑑みて成されたものであり，本願発明の目的は，上記問題点およびその他の問題点を解決することが可能な，新規かつ改良されたプラズマ処理装置およびプラズマ処理方法を提供することである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために，本発明の第１の観点によれば，プラズマを生成するプラズマ生成室と，プラズマを導入して被処理体にプラズマ処理を施すプラズマ処理室とを備えたプラズマ処理装置において，プラズマは相互に切り換え可能な複数のプラズマ導入経路を介してプラズマ処理室に導入され，プラズマ処理室内の雰囲気は相互に切り換え可能な複数の排気経路を介して排気されることを特徴とするプラズマ処理装置が提供される。
【０００６】
本発明によれば，各プラズマ導入経路と各排気経路を適宜開閉させて，プラズマ処理室内のプラズマの導入位置と雰囲気の排気位置とを変えることにより，プラズマ処理室内のプラズマの流れ方向を変化させることができる。その結果，プラズマを被処理体の処理面にむら無く供給することができるので，被処理体に均一な処理を施すことができる。また，かかる構成によれば，プラズマをバッファ空間や小孔等を通過させる必要がないので，プラズマが失活することがなく，被処理体に効率良く処理を施すことができる。なお，プラズマとは，一般的に荷電粒子と中性粒子とによって構成され，集団的ふるまいをする準中性粒子のことをいう。しかし，本発明は，プラズマ処理室内に導入されるプラズマが，例えばラジカル等の中性粒子のみから構成され，被処理体が上記中性粒子のみによって処理されることを排除するものではない。
【０００７】
また，プラズマを被処理体の処理面上を効率良く通過させ，かつ処理面に沿って被処理体の周縁部まで確実に流すためには，各プラズマ導入経路を被処理体の対向面に開口させ，各排気経路を被処理体の周囲下方に開口させることが好ましく，各プラズマ導入経路の開口部および各排気経路の開口部を周方向に等間隔で配置することが好ましい。
【０００８】
また，プラズマ処理室内のプラズマの流れ方向を規則的に異なる方向に変化させるためには，さらに各プラズマ導入経路の開閉および各排気経路の開閉を時系列的に制御する手段を備えることが好ましい。かかる構成によれば，プラズマが導入されない箇所が生じることなく，被処理体の処理面全面にプラズマを導入できるので，均一な処理を行うことができる。
【０００９】
また，本発明の第２の観点によれば，プラズマ生成室で生成されたプラズマをプラズマ処理室に導入し，プラズマ処理室内に配置された被処理体にプラズマ処理を施すプラズマ処理方法において，プラズマは相互に切り換え可能な複数のプラズマ導入経路を介してプラズマ処理室に導入され，プラズマ処理室内の雰囲気は相互に切り換え可能な複数の排気経路を介して排気されることを特徴とするプラズマ処理方法が提供される。
【００１０】
かかる構成によれば，各プラズマ導入経路と各排気経路の開閉によりプラズマの導入位置と雰囲気の排気位置とを変え，プラズマ処理室内のプラズマの流れ方向を変化させることができるので，プラズマを被処理体の処理面全面に均一に供給できる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下に，添付図面を参照しながら，本発明にかかるプラズマ処理装置およびプラズマ処理方法を酸化処理装置および酸化処理方法に適用した好適な実施の一形態について詳細に説明する。
【００１２】
（１）酸化処理装置の構成
図１に示す酸化処理装置１００の処理室１０２は，気密な処理容器１０４内に形成されている。また，処理室１０２内には，被処理体，例えば半導体ウェハ（以下，「ウェハ」と称する。）Ｗを載置可能な載置台１０６が配置されている。なお，処理容器１０４および載置台１０６は，表面が陽極酸化処理されたアルミニウムから形成されている。
【００１３】
また，載置台１０６の載置面と対向する処理室１０２の天井部には，図１および図２に示すように，処理室１０２内にラジカルを導入するためのプラズマ導入管１３２から分岐した本実施の形態にかかる第１〜第５分岐導入管１１０，１１２，１１４，１１６，１１８の第１〜第５導入口１１０ａ，１１２ａ，１１４ａ，１１６ａ，１１８ａが形成されている。第１〜第５導入口１１０ａ，１１２ａ，１１４ａ，１１６ａ，１１８ａは，図３に示すように，ウェハＷの表面にラジカルを導入可能なように，載置台１０６上にウェハＷを載置した際に，該ウェハＷと対向する処理室１０２の天井部に形成されている。さらに，図示の例では，第１〜第５導入口１１０ａ，１１２ａ，１１４ａ，１１６ａ，１１８ａは，第１導入口１１０ａを中心として，第２〜第５導入口１１２ａ，１１４ａ，１１６ａ，１１８ａが半径方向かつ周方向に等間隔で配置されている。かかる構成により，処理時には，ラジカルをウェハＷ表面の複数箇所に導入することができる。
【００１４】
また，図１および図２に示すように，第１〜第５分岐導入管１１０，１１２，１１４，１１６，１１８には，制御器１２０の制御により，第１〜第５分岐導入管１１０，１１２，１１４，１１６，１１８内を通過するラジカルの流量を調整する本実施の形態にかかる第１〜第５導入バルブ１２２，１２４，１２６，１２８，１３０がそれぞれに対応して介装されている。なお，第１〜第５導入バルブ１２２，１２４，１２６，１２８，１３０の開度調整については，後述する。
【００１５】
また，第１〜第５分岐導入管１１０，１１２，１１４，１１６，１１８と，プラズマ導入管１３２は，それぞれ例えば石英から成り，ラジカル通過時に該ラジカルが失活しない程度の内径および長さに設定されている。また，第１〜第５分岐導入管１１０，１１２，１１４，１１６，１１８とプラズマ導入管１３２は，ラジカルが壁部に衝突して失活しないように，なるべく屈曲部が形成されないように配管されている。ただし，プラズマ導入管１３２には，後述のキャビティ１３８からラジカルとともに，処理に悪影響を及ぼすイオンや電子も供給されるが，該イオンや電子はラジカルよりも壁部への衝突により失活し易い性質を有している。従って，プラズマ導入管１３２あるいは第１〜第５分岐導入管１１０，１１２，１１４，１１６，１１８，例えば第１〜第５分岐導入管１１０，１１２，１１４，１１６，１１８に，屈曲部１１０ｂ，１１２ｂ，１１２ｃ，１１４ｂ，１１６ｂ，１１６ｃ，１１８ｂをそれぞれに対応して設ければ，処理に必要なラジカルを選択的に処理室１０２内に導入することができる。
【００１６】
また，図１に示すように，プラズマ導入管１３２の一端は，マイクロ波発生器１３４から導波管１３６を介して導入される所定周波数，例えば２．４５ＧＨｚのマイクロ波をプラズマ導入管１３２内に導入するキャビティ１３８内に配置され，プラズマ生成室を構成している。なお，導波管１３６およびキャビティ１３８は，例えばステンレスから形成されている。かかる構成により，処理ガス源１４０から開閉バルブ１４２を介してプラズマ導入管１３２内に処理ガス，例えばＯ_２を導入すると，該Ｏ_２がキャビティ１３８内通過時にマイクロ波の作用によりプラズマ化され，酸素ラジカル，イオン，電子が生成される。また，生成された酸素ラジカル等のうち，イオンおよび電子はプラズマ導入管１３２内および第１〜第５分岐導入管１１０，１１２，１１４，１１６，１１８内の通過時に上記の如く消失する。従って，酸素ラジカルが第１〜第５導入口１１０ａ，１１２ａ，１１４ａ，１１６ａ，１１８ａから処理室１０２内のウェハＷ表面に導入され，上記酸素ラジカルによりウェハＷのＳｉ層が酸化されてＳｉＯ_２膜が形成される。
【００１７】
一方，載置台１０６周囲下方の処理室１０２の床部には，図１，図３および図４に示すように，処理室１０２内のガスを排気するための本実施の形態の特徴である第１〜第４分岐排気管１４４，１４６，１４８，１５０の第１〜第４排気口１４４ａ，１４６ａ，１４８ａ，１５０ａが周方向に略等間隔で形成されている。なお，本実施の形態では，図３に示すように，第１および第３分岐排気管１４４，１４８と，第１，第３および第５分岐導入管１１０，１１４，１１８とは同一断面に配置されないが，説明の便宜上，図１では，第１および第３分岐排気管１４４，１４８と，第１，第３および第５分岐導入管１１０，１１４，１１８とを一緒に図示している。
【００１８】
また，図１および図４に示すように，第１〜第４分岐排気管１４４，１４６，１４８，１５０は，排気管１５２を介して真空ポンプＰ１５４に接続されている。また，第１〜第４分岐排気管１４４，１４６，１４８，１５０には，上記制御器１２０の制御により，第１〜第４分岐排気管１４４，１４６，１４８，１５０内を通過するガスの排気量を調整する本実施の形態にかかる第１〜第４排気バルブ１５６，１５８，１６０，１６２がそれぞれに対応して介装されている。なお，第１〜第４排気バルブ１５６，１５８，１６０，１６２の開度調整については，後述する。
【００１９】
（２）第１〜第５導入バルブおよび第１〜第４排気バルブの開度調整
第１〜第５導入バルブ１２２，１２４，１２６，１２８，１３０および第１〜第４排気バルブ１５６，１５８，１６０，１６２は，図１に示す制御器１２０により，図５に示すタイミングチャートに従って一定時間ごとに規則的に開度調整が行われる。
【００２０】
まず，処理開始時Ｔ０時からＴ１時までは，第１〜第５導入バルブ１２２，１２４，１２６，１２８，１３０および第１〜第４排気バルブ１５６，１５８，１６０，１６２の全てを開放する。その結果，図６（ａ）に示すように，第１〜第５導入口１１０ａ，１１２ａ，１１４ａ，１１６ａ，１１８ａの全てからウェハＷ表面全面に向けてラジカルが導入された後，ウェハＷ表面を通過したガスが第１〜第４排気口１４４ａ，１４６ａ，１４８ａ，１５０ａの全てから排気される。なお，説明の便宜上，図６（ａ）では，第１，第３および第５分岐導入管１１０，１１４，１１８と，第１および第３分岐排気管１４４，１４８のみを示し，また図６（ｂ）および図６（ｃ）では，第１，第２および第４分岐導入管１１０，１１２，１１６と，第１および第２分岐排気管１４４，１４６のみを示している。
【００２１】
次いで，Ｔ１時からＴ２時までは，第２導入バルブ１２４と，第２および第３排気バルブ１５８，１６０を開放したままで，他の各バルブを閉じる。その結果，図６（ｂ）に示すように，第２導入口１１２ａからラジカルが導入されるとともに，処理室１０２内のガスは第２および第３排気口１４６，１４８から排気されるので，ラジカルはウェハＷ上を第２導入口１１２ａ側から第２および第３排気口１４６，１４８側に流れる。
【００２２】
以下同様に，Ｔ２時からＴ３時までは，第３導入バルブ１２６と，第３および第４排気バルブ１６０，１６２が開放されて，ラジカルがウェハＷ上を第３導入口１１４ａ側から第３および第４排気バルブ１６０，１６２側に流れる。また，Ｔ３時からＴ４時までは，第４導入バルブ１２８と，第１および第４排気バルブ１５６，１６２が開放されて，図６（ｃ）に示すように，上記Ｔ１時からＴ２時までとは逆に，ラジカルがウェハＷ上を第４導入口１１６ａ側から第１および第４排気口１４４ａ，１５０ａ側に流れる。さらに，Ｔ４時からＴ５時までは，第５導入バルブ１３０と，第１および第２排気バルブ１５６，１５８が開放されて，上記Ｔ２時からＴ３時までとは逆に，ラジカルがウェハＷ上を第５導入口１１８ａ側から第１および第２排気バルブ１４４ａ，１４６ａ側に流れる。また，Ｔ５時から処理終了時までは，上述したＴ０時〜Ｔ５時の各工程が順次繰り返し行われる。
【００２３】
以上のように，Ｔ０時〜Ｔ１時は，ラジカルがウェハＷ全面に導入され，またＴ１時〜Ｔ５時は，上記ラジカルの流れが順次時計回りで規則的に変えられていき，さらに上記各動作が処理開始から処理終了まで連続的に行われる。その結果，処理全体としてみれば，ラジカルがウェハＷの処理面に複数方向からむら無く導入されるので，結果的にウェハＷ全面に均一にラジカルを導入することができ，均一な酸化処理を施すことができる。なお，上記ラジカルの流れが順次反時計回りで変わるように，第１〜第５導入バルブ１２２，１２４，１２６，１２８，１３０と，第１〜第４排気バルブ１５６，１５８，１６０，１６２の開度調整を行っても良い。
【００２４】
以上，本発明の好適な実施の一形態について，添付図面を参照しながら説明したが，本発明はかかる構成に限定されるものではない。特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇において，当業者であれば，各種の変更例および修正例に想到し得るものであり，それら変更例および修正例についても本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
【００２５】
例えば，上記実施の形態において，処理室に５つの導入口と４つの排気口を設ける構成を例に挙げて説明したが，本発明はかかる構成に限定されるものではなく，ラジカル流の制御が可能であれば，任意の数の給気口と排気口を処理室に備えても，本発明を実施することができる。
【００２６】
また，上記実施の形態において，Ｔ０時〜Ｔ１時以外の各時間では，１つの導入口からラジカルを導入し，２つの排気口からガスを排気する構成を例に挙げて説明したが，本発明はかかる構成に限定されるものではなく，任意の数の導入口からラジカルを導入し，任意の数の排気口から排気する構成を採用しても，本発明を実施することができる。
【００２７】
さらに，上記実施の形態において，Ｏ_２から生じた酸素ラジカルによりウェハに酸化処理を施す構成を例に挙げて説明したが，本発明はかかる構成に限定されるものではなく，例えばＮ_２とＯ_２との混合ガスを処理ガスとして使用し，生成された窒素ラジカルと酸素ラジカルにより被処理体に酸窒化処理を施したり，あるいはＮ_２を処理ガスとして使用し，生成された窒素ラジカルにより被処理体に窒化処理を施す場合にも，本発明を適用することができる。
【００２８】
【発明の効果】
本発明によれば，処理室外部で生成されたラジカルを処理室内に配置された被処理体に均一に導入でき，均一な処理を施すことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を適用可能な酸化処理装置を示す概略的な断面図である。
【図２】図１に示す酸化処理装置の上部を表す概略的な斜視図である。
【図３】図１に示す酸化処理装置の導入口と排気口の配置位置を説明するための概略的な説明図である。
【図４】図１に示す酸化処理装置の下部を表す概略的な斜視図である。
【図５】図１に示す酸化処理装置の導入バルブおよび排気バルブの開閉タイミングを説明するための概略的なタイミングチャート図である。
【図６】図１に示す酸化処理装置の処理時のラジカルの流れを説明するための概略的な説明図である。
【符号の説明】
１００酸化処理装置
１０２処理室
１０６載置台
１１０，１１２，１１４，１１６，１１８第１〜第５分岐導入管
１１０ａ，１１２ａ，１１４ａ，１１６ａ，１１８ａ第１〜第５導入口
１２０制御器
１２２，１２４，１２６，１２８，１３０第１〜第５導入バルブ
１３２プラズマ導入管
１３８キャビティ
１４０処理ガス源
１４４，１４６，１４８，１５０第１〜第４分岐排気管
１４４ａ，１４６ａ，１４８ａ，１５０ａ第１〜第４排気口
１５２排気管
１５４真空ポンプ
１５６，１５８，１６０，１６２第１〜第４排気バルブ
Ｗウェハ

Claims

プラズマを生成するプラズマ生成室と，前記プラズマを導入して被処理体にプラズマ処理を施すプラズマ処理室とを備えたプラズマ処理装置において：
前記プラズマは相互に切り換え可能な複数のプラズマ導入経路を介して前記プラズマ処理室に導入され，前記プラズマ処理室内の雰囲気は相互に切り換え可能な複数の排気経路を介して排気され、
前記複数のプラズマ導入経路の各プラズマ導入経路の開閉および前記複数の排気経路の各排気経路の開閉を時系列的に制御する手段を備えることを特徴とする，プラズマ処理装置。
前記各プラズマ導入経路は前記被処理体の対向面に開口し，前記各排気経路は前記被処理体の周囲下方に開口していることを特徴とする，請求項１に記載のプラズマ処理装置。
前記各プラズマ導入経路の開口部および前記各排気経路の開口部は周方向に等間隔で配されることを特徴とする，請求項２に記載のプラズマ処理装置。
プラズマ生成室で生成されたプラズマをプラズマ処理室に導入し，前記プラズマ処理室内に配置された被処理体にプラズマ処理を施すプラズマ処理方法において：
前記プラズマは相互に切り換え可能な複数のプラズマ導入経路を介して前記プラズマ処理室に導入され，前記プラズマ処理室内の雰囲気は相互に切り換え可能な複数の排気経路を介して排気され、
前記複数のプラズマ導入経路の各プラズマ導入経路の開閉および前記複数の排気経路の各排気経路の開閉を時系列的に制御することを特徴とする，プラズマ処理方法。