JP5304061B2

JP5304061B2 - プラズマ処理装置

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Publication number: JP5304061B2
Application number: JP2008178863A
Authority: JP
Inventors: 直樹松本; 和行加藤; 政史四方; 和人高井
Original assignee: Tokyo Electron Ltd
Current assignee: Tokyo Electron Ltd
Priority date: 2008-07-09
Filing date: 2008-07-09
Publication date: 2013-10-02
Anticipated expiration: 2028-07-09
Also published as: JP2010021243A

Description

この発明は、プラズマ処理装置に関するものであり、特に、マイクロ波をプラズマ源としてプラズマを発生させるプラズマ処理装置に関するものである。

ＬＳＩ（ＬａｒｇｅＳｃａｌｅＩｎｔｅｇｒａｔｅｄｃｉｒｃｕｉｔ）等の半導体装置は、被処理基板である半導体基板（ウェーハ）にエッチングやＣＶＤ（ＣｈｅｍｉｃａｌＶａｐｏｒＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）、スパッタリング等の複数の処理を施して製造される。エッチングやＣＶＤ、スパッタリング等の処理については、そのエネルギー供給源としてプラズマを用いた処理方法、すなわち、プラズマエッチングやプラズマＣＶＤ、プラズマスパッタリング等がある。

ここで、プラズマの発生源としてマイクロ波を用いたプラズマ処理装置が、特開２００５−１００９３１号公報（特許文献１）に開示されている。特許文献１によると、プラズマ処理装置に設けられた天板（誘電体板）の下面側には、テーパ状の凸部または凹部が設けられている。マイクロ波発生器により発生させたマイクロ波により、天板の下面側のテーパ状の凸部または凹部において、電界の最適な共振領域を形成して、チャンバー（処理容器）内に安定したプラズマを発生させ、上記したエッチング処理等を行うこととしている。
特開２００５−１００９３１号公報

被処理基板に対してプラズマ処理を行う際に、プラズマ処理の効率化等の観点から、被処理基板の中央領域に向かって反応ガスを供給するセンターガス導入方式を採用する場合がある。

図５は、センターガス導入方式のプラズマ処理装置１０１を示す概略断面図である。なお、以下に示す図面においては、紙面上を上方向とする。図５に示すように、プラズマ処理装置１０１は、円板状の誘電体板１０６と、誘電体板１０６の径方向の中央領域に設けられ、プラズマ処理用の反応ガスを処理容器１０２内に供給する反応ガス供給部としてのインジェクター１０３と、誘電体板１０６と対向する位置に設けられ、被処理基板１０５を保持する保持台１０４とを含む。

インジェクター１０３は、保持台１０４側に延びる突出部１０７を備える。突出部１０７の先端部１０８には、反応ガスを処理容器１０２内に供給する供給孔１０９が設けられている。供給孔１０９が設けられた突出部１０７の先端部１０８は、保持台１０４と対向する対向面となる誘電体板１０６の下面１１０よりも、保持台１０４側に位置している。このような構成のインジェクター１０３により、反応ガスを処理容器１０２内に供給し、プラズマ処理を行う。

プラズマ処理時においては、保持台１０４と誘電体板１０６との間、すなわち、誘電体板１０６の下面１１０よりも下部側において、電界が発生する。ここで、供給孔１０９を設けた突出部１０７の先端部１０８が、誘電体板１０６の下面１１０よりも下部側に位置すると、電界が発生する領域に先端部１０８が曝され、先端部１０８に電界が集中してしまうおそれがある。そうすると、電界の集中により先端部１０８に過大な負荷がかかる。例えば、Ａｒが混合された混合ガスを反応ガスとして使用した場合、先端部１０８の温度が２００℃にまで達してしまう場合もある。そうすると、インジェクター１０３、引いては、プラズマ処理装置１０１の寿命が短くなってしまうおそれがある。

この発明の目的は、長寿命化を実現することができるプラズマ処理装置を提供することである。

この発明に係るプラズマ処理装置は、その内部で被処理基板にプラズマ処理を行う処理容器と、処理容器内に配置され、その上に被処理基板を保持する保持台と、プラズマ励起用のマイクロ波を発生させるマイクロ波発生器と、保持台と対向する位置に設けられ、マイクロ波を処理容器内に導入する誘電体板と、保持台に保持された被処理基板の中央領域に向かってプラズマ処理用の反応ガスを供給する反応ガス供給部とを備える。反応ガス供給部は、保持台と対向する誘電体板の壁面よりも誘電体板の内方側の後退した位置に配置されるインジェクターベースを含む。インジェクターベースには、プラズマ処理用の反応ガスを処理容器内に供給する供給孔が設けられている。

プラズマ処理時において、保持台と誘電体板との間には、マイクロ波プラズマによる電界が形成される。このようなプラズマ処理装置によると、プラズマ処理時において、反応ガス供給部に含まれるインジェクターベースが、保持台と対向する誘電体板の壁面よりも誘電体板の内方側の後退した位置に配置されているため、電界が形成される領域にインジェクターベースが曝されることはなくなる。そうすると、反応ガスを処理容器内に供給する供給孔が設けられたインジェクターベースに電界が集中するおそれを低減することができ、インジェクターベースに対する電界による負荷を軽減することができる。したがって、このようなプラズマ処理装置は、長寿命化を実現することができる。

好ましくは、インジェクターベースのうち、供給孔は、保持台に対向する壁面に設けられている。

さらに好ましくは、保持台に対向する壁面は、平らである。

また、インジェクターベースは、保持台に対向する誘電体板の壁面に達しない範囲で、保持台に対向する壁面から保持台側に延びる突出部を含むよう構成してもよい。

好ましくは、突出部の先端部には、供給孔が設けられている。

さらに好ましい一実施形態として、誘電体板は、円板状であり、インジェクターベースには、供給孔が誘電体板の径方向中央に位置するように設けられている。

このようなプラズマ処理装置によると、プラズマ処理時において、反応ガス供給部に含まれるインジェクターベースが、保持台と対向する誘電体板の壁面よりも誘電体板の内方側の後退した位置に配置されているため、電界が形成される領域にインジェクターベースが曝されることはなくなる。そうすると、反応ガスを処理容器内に供給する供給孔が設けられたインジェクターベースに電界が集中することはなく、インジェクターベースに対する電界による負荷を軽減することができる。したがって、このようなプラズマ処理装置は、長寿命化を実現することができる。

以下、この発明の実施の形態を、図面を参照して説明する。図１は、この発明の一実施形態に係るプラズマ処理装置の要部を示す概略断面図である。図１に示すように、プラズマ処理装置１１は、その内部で被処理基板Ｗにプラズマ処理を行う処理容器１２と、処理容器１２内にプラズマ処理用の反応ガスを供給する反応ガス供給部１３と、その上に被処理基板Ｗを保持する円板状の保持台１４と、プラズマ励起用のマイクロ波を発生させるマイクロ波発生器１５と、保持台１４と対向する位置に配置され、マイクロ波発生器１５により発生させたマイクロ波を処理容器１２内に導入する誘電体板１６と、プラズマ処理装置１１全体を制御する制御部（図示せず）とを備える。制御部は、反応ガス供給部１３におけるガス流量、処理容器１２内の圧力等、被処理基板Ｗをプラズマ処理するためのプロセス条件を制御する。

処理容器１２は、保持台１４の下方側に位置する底部１７と、底部１７の外周から上方向に延びる側壁１８とを含む。側壁１８は、円筒状である。処理容器１２の底部１７には、排気用の排気孔１９が設けられている。処理容器１２の上部側は開口しており、処理容器１２の上部側に配置される誘電体板１６、および誘電体板１６と処理容器１２との間に介在するシール部材としてのＯリング２０によって、処理容器１２は密封可能に構成されている。

マッチング２１を有するマイクロ波発生器１５は、モード変換器２２および導波管２３を介して、マイクロ波を導入する同軸導波管２４の上部に接続されている。同軸導波管２４は、径方向中央に設けられる中心導体２５と、中心導体２５の径方向外側に設けられる外周導体２６とを含む。中心導体２５の上端部は、モード変換器２２の天井区画壁に接続されている。マイクロ波発生器１５において発生させるマイクロ波の周波数としては、例えば、２．４５ＧＨｚが選択される。なお、導波管２３としては、断面が円形状のものや断面が矩形状のものが使用される。

誘電体板１６は、円板状であって、誘電体で構成されている。誘電体板１６の下部側には、導入されたマイクロ波による定在波の発生を容易にするためのテーパ状に凹んだ環状の凹部２７が設けられている。この凹部２７により、誘電体板１６の下部側にマイクロ波によるプラズマを効率的に生成することができる。なお、誘電体板１６の具体的な材質としては、石英やアルミナ等が挙げられる。

また、プラズマ処理装置１１は、同軸導波管２４によって導入されたマイクロ波を伝播する遅波板２８と、複数設けられたスロット穴２９からマイクロ波を誘電体板１６に導入する薄板円板状のスロットアンテナ３０とを備える。マイクロ波発生器１５により発生させたマイクロ波は、同軸導波管２４を通って、遅波板２８に伝播され、スロットアンテナ３０に設けられた複数のスロット穴２９から誘電体板１６に導入される。誘電体板１６を透過したマイクロ波は、誘電体板１６の直下に電界を生じさせ、処理容器１２内にプラズマを生成させる。

保持台１４は、高周波電極を兼ねており、底部１７から垂直上方に延びる絶縁性の筒状支持部３１に支持されている。筒状支持部３１の外周に沿って処理容器１２の底部１７から垂直上方に延びる導電性の筒状支持部３２と処理容器１２の側壁１８との間には、環状の排気路３３が形成される。この排気路３３の上部には、複数の貫通孔が設けられた環状のバッフル板３４が取り付けられている。排気孔１９の下部には排気管３５を介して排気装置３６が接続されている。排気装置３６は、ターボ分子ポンプなどの真空ポンプを有している。排気装置３６により、処理容器１２内を所望の真空度まで減圧することができる。

保持台１４には、ＲＦバイアス用の高周波電源３７がマッチングユニット３８および給電棒３９を介して電気的に接続されている。この高周波電源３７は、被処理基板Ｗに引き込むイオンのエネルギーを制御するのに適した一定の周波数、例えば、１３．６５ＭＨｚの高周波を所定のパワーで出力する。マッチングユニット３８は、高周波電源３７側のインピーダンスと、主に電極、プラズマ、処理容器１２といった負荷側のインピーダンスとの間で整合をとるための整合器を収容しており、この整合器の中に自己バイアス生成用のブロッキングコンデンサが含まれている。

保持台１４の上面には、被処理基板Ｗを静電吸着力で保持するための静電チャック４１が設けられている。また、静電チャック４１の径方向外側には、被処理基板Ｗの周囲を環状に囲むフォーカスリング４２が設けられている。静電チャック４１は、導電膜からなる電極４３を一対の絶縁膜４４、４５の間に挟みこんだものである。電極４３には高圧の直流電源４６がスイッチ４７および被覆線４８を介して電気的に接続されている。直流電源４６より印加される直流電圧により、クーロン力で被処理基板Ｗを静電チャック４１上に吸着保持することができる。

保持台１４の内部には、周方向に延びる環状の冷媒室５１が設けられている。この冷媒室５１には、チラーユニット（図示せず）より配管５２、５３を介して所定の温度の冷媒、例えば、冷却水が循環供給される。冷媒の温度によって静電チャック４１上の被処理基板Ｗの処理温度を制御できる。さらに、伝熱ガス供給部（図示せず）からの伝熱ガス、例えば、Ｈｅガスがガス供給管５４を介して静電チャック４１の上面と被処理基板Ｗの裏面との間に供給される。

ここで、反応ガス供給部１３の具体的な構成について説明する。図２は、図１に示すプラズマ処理装置１１のうち、ＩＩで示す部分の拡大図である。図１および図２に示すように、反応ガス供給部１３は、保持台１４と対向する壁面となる誘電体板１６の下面６３よりも誘電体板１６の内方側の後退した位置に配置されるインジェクターベース６１を含む。誘電体板１６には、径方向の中央領域において板厚方向に貫通し、インジェクターベース６１を収容するベース収容部６４が設けられている。インジェクターベース６１は、ベース収容部６４に収容されるように設けられている。インジェクターベース６１とベース収容部６４との間には、Ｏリング６５が介在しており、処理容器１２内の密封性を確保することとしている。

なお、インジェクターベース６１の材質としては、アルマイト処理を施したアルミニウムやＹ_２Ｏ_３（イットリア）コートアルミニウム等が用いられる。ここで、インジェクターベース６１において、Ｏリング６５よりも内方側に配置される部分については、Ｙ_２Ｏ_３（イットリア）コートアルミニウムを用い、Ｏリング６５よりも外方側に配置される部分については、アルマイト処理が施されたアルミニウムを用いることが好ましい。なお、インジェクターベース６１単体を図１中の矢印ＩＩＩの方向から見た図を、図３に示す。また、図示はしないが、このような導電体から構成されるインジェクターベース６１は、プラズマ処理装置１１の外部において接地された構成となっている。

インジェクターベース６１には、プラズマ処理用の反応ガスを処理容器１２内に供給する供給孔６６が設けられている。インジェクターベース６１のうち、供給孔６６は、保持台１４に対向する壁面６７に設けられている。保持台１４に対向する壁面６７は、平らである。供給孔６６は、複数設けられている。なお、インジェクターベース６１には、供給孔６６が誘電体板１６の径方向中央に位置するように設けられており、供給孔６６を含む壁面６７の一部が、処理容器１２内において露出するよう構成されている。

反応ガス供給部１３には、同軸導波管２４の中心導体２５、スロットアンテナ３０および誘電体板１６をそれぞれ貫通し、供給孔６６に至るようにして形成されたガス流路６８が設けられている。中心導体２５の上端部に形成されたガス入口６９には、途中に開閉弁７０やマスフローコントローラのような流量制御器７１等が介設されたガス供給系７２が接続されている。ガス供給系７２により流量等を調整しながら反応ガスを供給する。

次に、この発明の一実施形態に係る上記したプラズマ処理装置１１を用いて、被処理基板Ｗのプラズマ処理方法について説明する。

まず、保持台１４上に被処理基板Ｗを保持させる。次に、処理容器１２内を所定の圧力に減圧し、反応ガス供給部１３により反応ガスを供給して所定の圧力に維持する。具体的には、ガス流路６８から反応ガスを送り込み、供給孔６６から被処理基板Ｗの中央領域に向かって処理容器１２内に反応ガスを供給する。その後、プラズマ励起用のマイクロ波をマイクロ波発生器１５により発生させ、誘電体板１６を介して処理容器１２内にマイクロ波を導入し、処理容器１２内にプラズマを発生させる。なお、反応ガスは、酸素を混合した反応ガスを含む。このようにして、被処理基板Ｗにプラズマ処理を行う。

ここで、プラズマ発生時において、保持台１４と誘電体板１６との間には、上下方向にマイクロ波プラズマによる電界が形成される。このような領域において、導電体から構成される部材が配置され電界中に曝されると、電界が集中して電界による負荷がかかるおそれがある。

しかし、このようなプラズマ処理装置１１によると、プラズマ処理時において、反応ガス供給部１３に含まれるインジェクターベース６１が、誘電体板１６の下面６３よりも誘電体板１６の内方側の後退した位置に配置されているため、電界が形成される領域にインジェクターベース６１が曝されることはなくなる。そうすると、反応ガスを処理容器１２内に供給する供給孔６６が設けられたインジェクターベース６１に電界が集中するおそれを低減することができ、インジェクターベース６１に対する電界による負荷を軽減することができる。したがって、このようなプラズマ処理装置１１は、長寿命化を実現することができる。

なお、プラズマ処理装置１１において上記したＡｒが混合された混合ガスを反応ガスとして使用した実験を行なったが、インジェクターベース６１が温度上昇を引き起こすことはなかった。

上記の実施の形態においては、インジェクターベース６１のうち、保持台１４に対向する壁面６７を平らにすることとしたが、これに限らず、他の形状であってもよいし、凹凸が設けられていてもよい。

また、保持台１４に対向する壁面６７から保持台１４側に延びるように、突出部を設け、その先端に供給孔を設けることにしてもよい。図４は、この場合におけるプラズマ処理装置の一部を示す拡大断面図であり、図２に示す部分に相当する。なお、図４は、図２に示すプラズマ処理装置とインジェクターベースを除いて同じ構成であり、図４中、図２と同一の部材については、同じ参照符号を付して、その説明を省略する。

図４に示すように、インジェクターベース８１は、誘電体板１６の下面６３に達しない範囲で、保持台１４に対向する壁面８２から保持台１４側に延びる突出部８３を含む。具体的には、図４中に示す保持台１４の上面８４から誘電体板１６の下面６３までの距離Ｌ_１よりも、保持台１４の上面８４から突出部８３の先端部８５までの距離Ｌ_２の方が長く構成されている。また、突出部８３の先端部８５には、供給孔８６が設けられている。

このように構成することによっても、インジェクターベース８１の突出部８３の先端部８５に電界が集中することはなく、インジェクターベース８１に対する電界による負荷を軽減することができる。この場合、より被処理基板Ｗに近い位置で反応ガスを供給孔８６から供給することができるため、プラズマ処理の効率化を図ることができる。

ここで、保持台１４に対向する壁面８２から先端部８５に至るまでの突出部８３の長さは、処理容器１２内にマイクロ波を導入した際に保持台１４と誘電体板１６との間に形成される電界と共振する長さと異なるよう構成することが好ましい。こうすることにより、突出部８３の電界の共振による影響を少なくして、負荷を軽減することができる。

なお、上記の実施の形態において、インジェクターベースは導電体から構成されることとしたが、これに限らず、石英等の絶縁体から構成されることとしてもよい。

以上、図面を参照してこの発明の実施形態を説明したが、この発明は、図示した実施形態のものに限定されない。図示した実施形態に対して、この発明と同一の範囲内において、あるいは均等の範囲内において、種々の修正や変形を加えることが可能である。

この発明の一実施形態に係るプラズマ処理装置の要部を示す概略断面図である。図１に示すプラズマ処理装置のうち、ＩＩで示す部分の拡大図である。図１に示すプラズマ処理装置に含まれるインジェクターベースを図１中の矢印ＩＩＩの方向から見た図である。この発明の他の実施形態に係るプラズマ処理装置の一部を示す拡大断面図であり、図２に示す部分に相当する。インジェクターを含むセンターガス導入方式のプラズマ処理装置の要部を示す概略断面図である。

符号の説明

１１プラズマ処理装置、１２処理容器、１３反応ガス供給部、１４保持台、１５マイクロ波発生器、１６誘電体板、１７底部、１８側壁、１９排気孔、２０，６５Ｏリング、２１マッチング、２２モード変換器、２３導波管、２４同軸導波管、２５中心導体、２６外周導体、２７凹部、２８遅波板、２９スロット穴、３０スロットアンテナ、３１，３２筒状支持部、３３排気路、３４バッフル板、３５排気管、３６排気装置、３７高周波電源、３８マッチングユニット、３９給電棒、４１静電チャック、４２フォーカスリング、４３電極、４４，４５絶縁膜、４６直流電源、４７スイッチ、４８被覆線、５１冷媒室、５２，５３配管、５４ガス供給管、６１，８１インジェクターベース、６３下面、６４ベース収容部、６６，８６供給孔、６７，８２壁面、６８ガス流路、６９ガス入口、７０開閉弁、７１流量制御器、７２ガス供給系、８３突出部、８４上面、８５先端部。

Claims

その内部で被処理基板にプラズマ処理を行う処理容器と、
前記処理容器内に配置され、その上に前記被処理基板を保持する保持台と、
プラズマ励起用のマイクロ波を発生させるマイクロ波発生器と、
前記保持台と対向する位置に設けられ、マイクロ波を前記処理容器内に導入する誘電体板と、
前記保持台に保持された前記被処理基板の中央領域に向かってプラズマ処理用の反応ガスを供給する反応ガス供給部とを備えるプラズマ処理装置であって、
前記反応ガス供給部は、前記保持台と対向する前記誘電体板の壁面よりも前記誘電体板の内方側の後退した位置に配置されるインジェクターベースを含み、
前記インジェクターベースには、プラズマ処理用の反応ガスを前記処理容器内に供給する供給孔が設けられており、
前記供給孔は、前記保持台と対向する前記誘電体板の壁面である前記誘電体板の下面よりも上方側に設けられていて、かつ前記処理容器内に露出している、プラズマ処理装置。
前記インジェクターベースのうち、前記供給孔は、前記保持台に対向する壁面に設けられている、請求項１に記載のプラズマ処理装置。
前記保持台に対向する壁面は、平らである、請求項２に記載のプラズマ処理装置。
前記誘電体板は、円板状であり、
前記インジェクターベースには、前記供給孔が前記誘電体板の径方向中央に位置するように設けられている、請求項１〜３のいずれかに記載のプラズマ処理装置。
その内部で被処理基板にプラズマ処理を行う処理容器と、
前記処理容器内に配置され、その上に前記被処理基板を保持する保持台と、
プラズマ励起用のマイクロ波を発生させるマイクロ波発生器と、
前記保持台と対向する位置に設けられ、マイクロ波を前記処理容器内に導入する誘電体板と、
前記保持台に保持された前記被処理基板の中央領域に向かってプラズマ処理用の反応ガスを供給する反応ガス供給部とを備えるプラズマ処理装置であって、
前記反応ガス供給部は、前記保持台と対向する前記誘電体板の壁面よりも前記誘電体板の内方側の後退した位置に配置されるインジェクターベースを含み、
前記インジェクターベースの材質は、アルマイト処理を施したアルミニウムまたはＹ_２Ｏ_３（イットリア）コートアルミニウムであり、
前記インジェクターベースは、前記誘電体板に設けられた前記インジェクターベースを収容するベース収容部に収容されており、
前記インジェクターベースと前記ベース収容部との間には、Ｏリングが介在しており、
前記インジェクターベースには、プラズマ処理用の反応ガスを前記処理容器内に供給する供給孔が設けられており、
前記供給孔は、前記保持台と対向する前記誘電体板の壁面である前記誘電体板の下面よりも上方側に設けられていて、かつ前記処理容器内に露出している、プラズマ処理装置。