JP6796450B2 - プラズマ処理装置 - Google Patents

Description

本発明は、半導体ウェハ等の被処理体をプラズマ処理するプラズマ処理装置に関する。

プラズマ処理は、半導体デバイスの製造に不可欠な技術である。近年ＬＳＩの高集積化、高速化の要請からＬＳＩを構成する半導体素子が更に微細化され、また、半導体ウェハが大型化されている。それに伴い、プラズマ処理装置においても、このような微細化、大型化に対応することが求められている。

プラズマ処理装置としては、従来、平行平板型や誘導結合型のものが用いられている。しかし、これらの形態では、生成されるプラズマの電子温度が高いため微細な素子にダメージが生じてしまい、また、プラズマ密度の高い領域が限定されるため、大型の半導体ウェハを均一かつ高速にプラズマ処理することは困難である。

そこで、高密度で低電子温度の表面波プラズマを均一に形成することができるＲＬＳＡ（登録商標）マイクロ波プラズマ処理装置が注目されている（特許文献１参照）。

ＲＬＳＡ（登録商標）マイクロ波プラズマ処理装置は、表面波プラズマを発生させるためのマイクロ波を放射するマイクロ波放射アンテナとしてチャンバの上部に所定のパターンで複数のスロットが形成された平面スロットアンテナを有する。そして、マイクロ波発生源から導かれたマイクロ波を、上記アンテナのスロットから放射させると共に、チャンバの天壁を構成する誘電体から成るマイクロ波透過板を介して真空に保持されたチャンバ内に放射する。ＲＬＳＡ（登録商標）マイクロ波プラズマ処理装置は、このマイクロ波の電界によりチャンバ内で表面波プラズマを生成し、これにより半導体ウェハ等の被処理体を処理する。

一方、特許文献２には、マイクロ波を複数に分配し、上述のような平面アンテナとインピーダンス整合を行うチューナとを有するマイクロ波放射機構をチャンバの上面に複数設け、それらから放射されたマイクロ波をチャンバ内に導き該チャンバ内でプラズマを空間合成するプラズマ源が開示されている。このように複数のマイクロ波放射機構を用いてプラズマを空間合成することにより、各マイクロ波放射機構から導入されるマイクロ波の位相や強度を個別に調整することができ、プラズマ分布の調整を比較的容易に行うことができる。

この種のマイクロ波プラズマ装置においては、プラズマ処理の際に、Ａｒガスのような励起用ガスと処理ガスをチャンバ内に導入する。特許文献１に記載された装置では、チャンバの側壁から処理ガスが供給され、特許文献２に記載された装置では、チャンバの側壁から処理ガスが供給されている。そのため、これらの装置では、チャンバ内での処理ガスまたは励起ガスの流れの制御性が悪く、処理ガスや励起ガスを均一に導入することが困難である。このような問題に対し、特許文献３には、チャンバの天壁からガスを導入する技術が開示されている。

ところで、励起用ガスと処理ガスをチャンバ内に導入する際、ガスの特性に応じた適切な解離状態が必要である。例えば、処理ガスとしてＳｉＨ_４とＮ_２ガスやＮＨ_３ガス等の窒化ガスとを用いてプラズマＣＶＤによりＳｉＮ膜を形成する場合、ＡｒガスやＮ_２ガス、ＮＨ_３等の窒化ガスは励起・解離のために十分なエネルギーを必要とするが、ＳｉＨ_４ガスは過剰解離を防ぐ必要がある。しかし、特許文献３のようにチャンバの天壁からガスを導入する場合は、電子温度が高い領域にガスを導入せざるを得ず、ＳｉＨ_４ガス等の過剰解離させたくないガスも過剰解離してしまい、気相パーティクルやノズルの目詰まりが発生してしまう。

これに対し、特許文献４には、マイクロ波を導入する天壁に上段シャワープレートを有し、上段シャワープレートと被処理基板との間に下段シャワープレートを有し、上段シャワープレートからはＡｒガス等の励起用ガスや積極的に解離させたいガスを導入し、下段シャワープレートからはＳｉＨ_４ガス等の過剰解離させたくないガスを導入することが記載されている。すなわち、マイクロ波プラズマ処理装置は、天壁からマイクロ波をチャンバ内に導入して表面波プラズマを生成するが、このようなプラズマの電子温度は天壁直下部分が最も高く、天壁から離れた拡散プラズマ領域で急激に電子温度が低下する特徴がある。そのため、このようなチャンバの位置による電子温度の違いを利用して特許文献４の装置ではガスの特性に応じた適切な解離状態を実現している。

特開２０００−２９４５５０号公報 国際公開第２００８／０１３１１２号パンフレット 特開２０１２−２１６５２５号公報 特開２００８−４７８８３号公報

しかしながら、特許文献４のマイクロ波プラズマ処理装置においては、ガス流路と、プラズマを通過させるための開口部とが下段シャワープレートに形成され、処理ガスはチャンバの側壁に設けられたガス供給ポートから導入されるようになっている。これらガス流路及びガス供給ポートがプラズマ拡散の障害物となる。このため、特許文献４のマイクロ波プラズマ処理装置では、プラズマ密度が不十分になって所望のレートや膜質制御性が得られなくなり、また、プラズマの均一性が不十分になって、所望のプラズマ処理の面内均一性が得られないことがある。

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、処理ガスをガスの特性に応じた適切な解離状態で解離させることができ、かつ、プラズマ密度を維持しつつ、処理ガスの導入均一性及び所望のプラズマ均一性を両立させることができるプラズマ処理装置を提供することを目的とする。

前記の目的を達成するため、本発明は、チャンバと、該チャンバ内で被処理体を載置する載置台と、前記チャンバの天壁を介して前記チャンバ内にマイクロ波を導入し、前記チャンバ内に表面波プラズマを生成するプラズマ源と、前記天壁から第１のガスを前記チャンバ内に供給する第１のガス導入部と、前記天壁と前記載置台との間の所定高さから第２のガスを前記チャンバ内に導入する第２のガス導入部と、を備え、前記第２のガス導入部は、前記天壁から前記載置台の方向へ延出し、同一円周上に等間隔で配された複数のノズルを有し、前記複数のノズルはそれぞれ、円周方向に隣接する前記ノズルに向けて前記第２のガスを吐出することを特徴としている。

本発明によれば、天壁から第１のガスをチャンバ内に導入する第１のガス導入部と、天壁と載置台との間から第２のガスをチャンバ内に導入する第２のガス導入部とを設けたので、処理ガスをガスの特性に応じた適切な解離状態で解離させることができる。また、第２のガス導入部は、天壁と載置台との間の所定高さから第２のガスを吐出するものであり、該導入部は、天壁から載置台の方向へ延出し、同一円周上に等間隔で配された複数のノズルを有し、該複数のノズルそれぞれが、隣接するノズルに向けて第２のガスを吐出するため、プラズマ密度を維持しつつ、処理ガスの導入均一性及び所望のプラズマ均一性を両立させることができる。

前記天壁は、マイクロ波を透過させるための誘電体窓と、該誘電体窓が装着される金属部分とを有し、前記第１のガス導入部は、前記金属部分に形成され、前記ノズルは、前記金属部分における前記第１のガス導入部が形成されていない部分に形成されていることが好ましい。

前記誘電体窓は、前記天壁の中央に設けられた中央誘電体窓と、該中央誘電体窓を中心とした同一円周上に等間隔で配された周囲誘電体窓とを有し、前記複数のノズルはそれぞれ、前記中央誘電体窓と前記周囲誘電体窓との間に向けて前記第２のガスを吐出することが好ましい。

前記複数のノズルはそれぞれ、水平から所定の角度で且つ鉛直方向下側または上側に前記第２のガスを吐出してもよい。

前記ノズルは、水平から所定の角度で且つ鉛直方向下側に吐出するものと水平から所定の角度で且つ鉛直方向上側に吐出するものが交互に設けられていてもよい。

前記第２のガス導入部の外側領域に設けられ、前記第２のガスを前記チャンバに導入する第３のガス導入部をさらに備え、該第３のガス導入部は、同一円周上に等間隔で並べられた別の複数のノズルを有することが好ましい。
前記第２のガス導入部の前記複数のノズルはそれぞれ、当該複数のノズルが配された円の、当該ノズルの位置における接線方向に、前記第２のガスを吐出してもよい。

本発明のプラズマ処理装置によれば、処理ガスをガスの特性に応じた適切な解離状態で解離させることができ、かつ、プラズマ密度を維持しつつ、処理ガスの導入均一性及び所望のプラズマ均一性を両立させることができる。

本発明の第１の実施形態に係るプラズマ処理装置の概略構成を示す断面図である。 図１のプラズマ処理装置に用いられるマイクロ波プラズマ源の構成を示すブロック図である。 図２のマクロ波プラズマ源におけるマイクロ波放射機構の配置を示す図である。 図１のプラズマ処理装置のマイクロ波プラズマ源におけるマイクロ波放射機構を示す断面図である。 図１の天壁の下面図である。 図１の第２のガスシャワー部を構成するノズルの概略を説明する図である。 図１の第３のガスシャワー部を構成するノズルの概略を説明する図である。 本発明の第２の実施形態に係る第３のガスシャワー部の説明図である。

以下、添付図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。また、以下に示す実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係るプラズマ処理装置の概略構成を示す断面図であり、図２は、図１のプラズマ処理装置に用いられるマイクロ波プラズマ源の構成を示すブロック図である。図３は、図２のマクロ波プラズマ源におけるマイクロ波放射機構の配置を示す図であり、図４は、図１のプラズマ処理装置のマイクロ波プラズマ源におけるマイクロ波放射機構を示す断面図である。

図１のプラズマ処理装置１００は、マイクロ波により表面波プラズマを形成してウェハに対して所定のプラズマ処理を行うものである。プラズマ処理としては例えば成膜処理またはエッチング処理等がある。

プラズマ処理装置１００は、気密に構成されたアルミニウム等の金属材料からなる略円筒状の接地されたチャンバ１と、該チャンバ１内にマイクロ波を導入して表面波プラズマを形成するためのマイクロ波プラズマ源２とを備える。チャンバ１の天壁１０ａは、金属製の本体部に、後述する複数のマイクロ波放射機構の誘電体部材が嵌め込まれて構成されており、マイクロ波プラズマ源２は天壁１０ａの複数の誘電体部材を介してチャンバ１内にマイクロ波を導入するようになっている。

また、プラズマ処理装置１００は全体制御部３を備える。全体制御部３は、例えばコンピュータであり、プログラム格納部（図示せず）を有している。プログラム格納部には、プラズマ処理装置１００におけるウェハＷの処理を制御するプログラムが格納されている。なお、上記プログラムは、例えばコンピュータ読み取り可能なハードディスク（ＨＤ）、フレキシブルディスク（ＦＤ）、コンパクトディスク（ＣＤ）、マグネットオプティカルデスク（ＭＯ）、メモリーカード等のコンピュータに読み取り可能な記憶媒体に記録されていたものであって、その記憶媒体から全体制御部３にインストールされたものであってもよい。

チャンバ１内には、被処理体である半導体ウェハＷ（以下、ウェハＷ）を水平に支持するサセプタ（載置台）１１が、チャンバ１の底部中央に絶縁部材１２ａを介して立設された筒状の支持部材１２により支持された状態で設けられている。サセプタ１１及び支持部材１２を構成する材料は、例えば、表面をアルマイト処理（陽極酸化処理）したアルミニウム等の金属や内部に高周波用の電極を有した絶縁性材料（セラミックス等）である。

また、図示はしていないが、サセプタ１１には、温度制御機構、ウェハＷの裏面に熱伝達用のガスを供給するガス流路、ウェハＷを搬送するために昇降する昇降ピン等が設けられている。さらに、ウェハＷを静電吸着するための静電チャックが設けられていてもよい。

さらにまた、サセプタ１１には、整合器１３を介して高周波バイアス電源１４が電気的に接続されている。この高周波バイアス電源１４からサセプタ１１に高周波電力が供給されることにより、ウェハＷ側にプラズマ中のイオンが引き込まれる。なお、高周波バイアス電源１４はプラズマ処理の特性によっては設けなくてもよい。この場合は、サセプタ１１としてＡｌＮのようなセラミックス等からなる絶縁性部材を用いたとしても電極は不要である。

チャンバ１の底部側方には排気管１５が接続されており、この排気管１５には真空ポンプを含む排気装置１６が接続されている。この排気装置１６を作動させることにより、チャンバ１内を排気することができ、チャンバ１内を減圧して所定の圧力に設定することができる。また、チャンバ１の側壁１０ｂには、ウェハＷの搬出入を行うための搬入出口１７と、この搬入出口１７を開閉するゲートバルブ１８とが設けられている。

また、プラズマ処理装置１００は、チャンバ１の天壁１０ａからチャンバ１内に所定のガスを吐出するための第１のガスシャワー部２１と、チャンバ１内の天壁１０ａとサセプタ１１の間の位置からガスを導入する第２のガスシャワー部２２と、を備える。さらに、プラズマ処理装置１００は、チャンバ１内の天壁１０ａとサセプタ１１の間の位置であって第２のガスシャワー部２２より外側の位置からガスを導入する第３のガスシャワー部２３を備える。これら第１〜第３のガスシャワー部２１〜２３の詳細については後述する。

第１のガスシャワー部２１は、第１のガス供給部８１から配管８３を介してＡｒガス等の励起用ガスや、処理ガスのうち高エネルギーで解離させたいガスからなる第１のガスが供給され、これらをチャンバ１内に吐出する。また、第２のガスシャワー部２２及び第３のガスシャワー部２３は、第２のガス供給部８２から、それぞれ配管８４及び配管８５を介して、処理ガスのうち、過剰解離を防ぎたいガスである第２のガスが供給され、それらをチャンバ１内へ吐出する。

マイクロ波プラズマ源２は、複数経路に分配してマイクロ波を出力するマイクロ波出力部３０と、マイクロ波出力部３０から出力されたマイクロ波を伝送するマイクロ波伝送部４０とを有する。

図２に示すように、マイクロ波出力部３０は、マイクロ波電源３１と、マイクロ波発振器３２と、アンプ３３と、分配器３４とを有する。

マイクロ波電源３１は、マイクロ波発振器３２に対して電力を供給する。マイクロ波発振器３２は、所定周波数（例えば８６０ＭＨｚ）のマイクロ波を例えばＰＬＬ発振させる。アンプ３３は、発振されたマイクロ波を増幅する。分配器３４では、マイクロ波の損失ができるだけ起こらないように、入力側と出力側のインピーダンス整合を取りながらアンプ３３で増幅されたマイクロ波を分配する。なお、マイクロ波の周波数としては、８６０ＭＨｚの他に、９１５ＭＨｚ等、７００ＭＨｚから３ＧＨｚの範囲の種々の周波数を用いることができる。

マイクロ波伝送部４０は、複数のアンプ部４１と、アンプ部４１に対応して設けられた複数のマイクロ波放射機構４２とを有する。マイクロ波放射機構４２は、例えば、図３に示すように、天壁１０ａの中央に１個、該中央のものを中心とした円周上に等間隔で６個、合計７個、配置されている。なお、本例では、中心のマイクロ波放射機構４２と外周のマイクロ波放射機構４２との間の距離と、外周のマイクロ波放射機構４２間の距離とは等しくなるよう、これらは配置されている。

マイクロ波伝送部４０のアンプ部４１は、分配器３４にて分配されたマイクロ波を各マイクロ波放射機構４２に導く。アンプ部４１は、位相器４３と、可変ゲインアンプ４４と、メインアンプ４５と、アイソレータ４６とを有する。

位相器４３は、マイクロ波の位相を変化させることができるように構成されており、これを調整することにより放射特性を変調させることができる。例えば、マイクロ波放射機構４２毎に位相を調整することにより、指向性を制御してプラズマ分布を変化させることができる。また、隣り合うマイクロ波放射機構４２においては９０°ずつ位相をずらすようにして円偏波を得ることができる。また、位相器４３は、アンプ内の部品間の遅延特性を調整し、後述のチューナ内での空間合成を目的として使用することができる。ただし、このような放射特性の変調やアンプ内の部品間の遅延特性の調整が不要な場合には位相器４３は設ける必要はない。

可変ゲインアンプ４４は、メインアンプ４５へ入力するマイクロ波の電力レベルを調整し、プラズマ強度を調整するためのアンプである。可変ゲインアンプ４４をアンプ部４１毎に変化させることによって、発生するプラズマに分布を生じさせることもできる。

メインアンプ４５は、ソリッドステートアンプを構成するものであり、例えば、入力整合回路と、半導体増幅素子と、出力整合回路と、高Ｑ共振回路とを有する構成とすることができる。

アイソレータ４６は、後述する平面アンテナで反射してメインアンプ４５に向かう反射マイクロ波を分離するものであり、サーキュレータとダミーロード（同軸終端器）とを有する。サーキュレータは、反射したマイクロ波をダミーロードへ導き、ダミーロードはサーキュレータによって導かれた反射マイクロ波を熱に変換する。

マイクロ波放射機構４２は、アンプ部４１から出力されたマイクロ波をチャンバ１内に放射する機能及びインピーダンスを整合する機能を有する。

マイクロ波放射機構４２は、図４に示すように、同軸管５１を有する。同軸管５１は、筒状の外側導体５２及びその中心に設けられた棒状の内側導体５３からなる同軸状のマイクロ波伝送路を有する。また、マイクロ波放射機構４２は、アンプ部４１で増幅されたマイクロ波を、同軸ケーブル５５を介して同軸管５１に給電する給電アンテナ（図示せず）、を有する。さらに、マイクロ波放射機構４２は、負荷のインピーダンスをマイクロ波電源３１の特性インピーダンスに整合させるチューナ５４と、同軸管５１からのマイクロ波をチャンバ１内に放射するアンテナ部５６とを有する。

外側導体５２の上端部の側方から同軸ケーブル５５により給電されたマイクロ波が、給電アンテナから放射され、外側導体５２と内側導体５３との間のマイクロ波伝送路にマイクロ波電力が給電されてアンテナ部５６に向かって伝播する。

アンテナ部５６は、同軸管５１の下端部に設けられており、チャンバ１の天壁１０ａの金属部分に嵌め込まれている。アンテナ部５６は、内側導体５３の下端部に接続された円板状をなす平面アンテナ６１と、平面アンテナ６１の上面側に配置された遅波材６２と、平面アンテナ６１の下面側に配置された誘電体窓６３とを有している。

平面アンテナ６１には、その厚さ方向に貫通するようにスロット６１ａが形成されている。スロット６１ａは、マイクロ波が効率良く放射されるような形状をなしている。スロット６１ａには誘電体が挿入されていてもよい。

遅波材６２は、真空よりも大きい誘電率を有する誘電体によって形成されており、マイクロ波の波長を短くしてアンテナを小さくする機能を有している。遅波材６２は、その厚さによりマイクロ波の位相を調整することができ、平面アンテナ６１の接合部が定在波の「はら」になるように厚さを調整することにより、マイクロ波の放射エネルギーが最大となるようにすることができる。

誘電体窓６３も同様の誘電体で構成され、天壁１０ａの金属部分に嵌め込まれており、その下面はチャンバ１の内部空間に露出している。誘電体窓６３は、マイクロ波をＴＦモードで効率的に放射することができるような形状をなしている。そして、誘電体窓６３を透過したマイクロ波は、チャンバ１内の誘電体窓６３の直下部分に表面波プラズマを生成する。
なお、以下では、誘電体窓６３のうち、中央に位置するものを中央誘電体窓６３といい、この中央誘電体窓６３を中心とした同一円周上に等間隔で配されたものを周囲誘電体窓６３という。

遅波材６２及び誘電体窓６３は、例えば、石英やセラミックス、ポリテトラフルオロエチレン樹脂等のフッ素系樹脂、ポリイミド樹脂等から形成される。

チューナ５４は、同軸管５１のアンテナ部５６よりも基端部側（上端部側）の部分に配置された２つのスラグ７１ａ、７１ｂを有し、スラグチューナを構成している。また、チューナ５４は、これら２つのスラグをそれぞれ独立して駆動するアクチュエータ７２と、このアクチュエータ７２を制御するチューナコントローラ７３とを有している。

スラグ７１ａ、７１ｂは、セラミックス等の誘電体材料で構成され、板状かつ円環状をなし、同軸管５１の外側導体５２と内側導体５３の間に配置されている。また、アクチュエータ７２は、例えば、内側導体５３の内部に設けられた、それぞれスラグ７１ａ、７１ｂが螺合する２本のねじを回転させることによりスラグ７１ａ、７１ｂを個別に駆動する。このアクチュエータ７２は、チューナコントローラ７３からの指令に基づいて、スラグ７１ａ、７１ｂを上下方向に移動させる。２つのスラグ７１ａ、７１ｂのうち一方のみを動かすと、スミスチャートの原点を通る軌跡を描き、両方同時に動かすと位相のみが回転する。チューナコントローラ７３は、周端部のインピーダンスが５０Ωになるように、スラグ７１ａ、７１ｂの位置を制御することによりインピーダンス整合を行う。

メインアンプ４５と、チューナ５４と、平面アンテナ６１とは近接配置している。そして、チューナ５４と平面アンテナ６１とは集中定数回路を構成し、かつ共振器として機能する。平面アンテナ６１の取り付け部分には、インピーダンス不整合が存在するが、チューナ５４によりプラズマ負荷に対して直接チューニングするので、プラズマを含めて高精度でチューニングすることができ、平面アンテナ６１における反射の液用を解消することができる。

次に、プラズマ処理装置１００におけるガス導入機構について、図１及び図５〜図７を参照して説明する。
図５は、天壁１０ａの下面図である。図６は、第２のガスシャワー部２２を構成するノズルの概略を説明する図であり、図６（Ａ）及び図６（Ｂ）はそれぞれ上記ノズルの断面図及び側面図である。図７は、第３のガスシャワー部２３を構成するノズルの概略を説明する図であり、第３のガスシャワー部２３が設けられる側壁１０ｂの平面図である。

プラズマ処理装置１００は、図１及び図５に示すように、第１〜第３のガスシャワー部２１〜２３を有する。第１のガスシャワー部２１は、チャンバ１の天壁１０ａからガスを吐出する。第２のガスシャワー部２２は、天壁１０ａとサセプタ１１との間の所定高さからガスを吐出する。第３のガスシャワー部２３は、第２のガスシャワー部２２の外側領域からガスを吐出する。

第１のガスシャワー部２１は、天壁１０ａの金属部分に円環状に形成されたガス拡散空間１４１と、ガス拡散空間１４１の上部に設けられ該空間１４１と連通するガス導入孔１４２とを有する。また、第１のガスシャワー部２１は、ガス拡散空間１４１からチャンバ１に至る複数のガス吐出孔１４３を有する。上述のガス導入孔１４２には配管８３が接続されている。したがって、第１のガス供給部８１から配管８３を経て供給された、励起用ガス例えばＡｒガスや、処理ガスのうち高エネルギーで解離させたいガスである第１のガスがチャンバ１の天壁１０ａから供給される。ガス吐出孔１４３の数は、例えば１２個であり、１２個のノズルは、例えば、第２のガスシャワー部２２より内側の部分に、平面視における天壁１０ａの中心を中心とした同一円周上に等間隔で設けられている。

第２のガスシャワー部２２は、天壁１０ａからサセプタ１１の方向へ延出するノズル１１０を有する。該ノズル１１０は天壁１０ａから垂直方向に延出することが好ましい。ノズル１１０の数は、例えば６個であり、６個のノズルは、例えば、天壁１０ａの金属部分であって第１のガスシャワー部２１が設けられていない部分に、平面視における天壁１０ａの中心を中心とした同一円周上に等間隔で設けられている。また、ノズル１１０は、例えば、周囲誘電体窓６３より内側の位置であって、近接する周囲誘電体窓６３までの距離と中央誘電体窓６３までの距離とが等しくなる位置に設けられている。

ノズル１１０は、ＳｉＨ_４等の処理ガスのうち過剰解離を抑制したい第２のガスをチャンバ１の電子温度が相対的に低い領域に吐出するためのものである。ノズル１１０は、金属で作製することが好ましく、熱伝導性が良いもの、例えばアルミニウムが特に好ましい。また、ノズル１１０は母材無垢であってもよいが、汚染制御のため、Ｙ_２Ｏ_３等のセラミックスの溶射、アルマイト処理（陽極酸化処理）、ブラスト処理等を施してもよい。ただし、異常放電が起きない条件であれば、ノズル１１０を誘電体で作製してもよい。

ノズル１１０の内部には、図６（Ａ）に示すように、ガス流路となる断面視Ｌ字状の空間部１１１が形成されている。また、図６（Ｂ）に示すように、各ノズル１１０の先端部側面には、ガス吐出孔１１２が形成されている。ガス吐出孔１１２は、空間部１１１から隣接するノズル１１０に向けてガスを吐出する。言い換えると、ガス吐出孔１１２は、当該孔１１２が形成されているノズル１１０に隣接するノズル１１０の方向を向くように形成されている。各ガス吐出孔１２２からのガスはある程度広がりを持って吐出される。なお、空間部１１１から水平方向に対してある程度角度を持たせてガス吐出孔１１２を設けてもよい。
さらに、本例では、６個のノズル１１０が設けられている円を基準にすると、各ノズル１１０からのガスの吐出方向は同一周方向である。さらにまた、本例では、ガス吐出孔１１２はそれぞれ、中央誘電体窓６３と周囲誘電体窓６３との間に向けてガスを吐出する。なお、各ノズル１１０は隣接するノズル１１０のうち一方のノズル１１０に対してのみガスを吐出するが、両方のノズル１１０に向けて、すなわち、二方向に吐出してもよい。

また、吐出孔１１２は、天壁１０ａとサセプタ１１との間の所定の位置からガスを吐出する。すなわち、吐出孔１１２はノズル１１０における天壁１０ａから所定距離の位置に設けられている。上記所定距離は、吐出するガスが所望の解離度になるように最適化され、天壁１０ａの内面から２０〜２００ｍｍの範囲で適宜設定される。供給する処理ガスがＳｉＨ_４ガスの場合、上記所定距離は３０〜１５０ｍｍの範囲が好ましく、例えば８０ｍｍに設定される。

ガス吐出孔１１２の径は、プラズマの侵入を防ぐ観点から０．５ｍｍ以下にすることが好ましい。例えば、０．１ｍｍ、０．３ｍｍ、０．５ｍｍとされる。ガス吐出孔１１２の径は、さらに小さくてもよく、加工限界と考えられる５μｍ程度であってもよい。

なお、以上では、ガス吐出孔１１２は、当該孔１１２が形成されているノズル１１０に隣接するノズル１１０の方向を向くように形成されているとしている。この場合の「隣接するノズル１１０の方向を向く」とは、ガス吐出孔１１２の中心軸と、隣接するノズル１１０の中心軸とが交差することを含むが、必ずしも交差することは要さず、目標とするガスの均一性等が確保できればよい。

ノズル１１０の数は以上の説明では６個としたがこれに限定されない。ノズル１１０の数は目標とするガスの均一性、ガス流量、プラズマの均一性や周囲誘電体窓６３の数等に応じて最適化され、例えば、４〜３２個程度の範囲に設定され、６〜１６個の範囲が好ましい。
なお、ノズル１１０の本数が多いほど、またノズル１１０の間隔が狭いほどプラズマの均一性が悪化する傾向にあるので、ノズル１１０の数及び間隔は、要求されるプラズマの均一性を確保できるように設定することが好ましい。また、要求されるプラズマの均一性が確保される限りにおいて、プラズマを意図的に遮断するために、ノズル１１０の間隔を狭く、本数を多く設定することもできる。ノズル１１０の間隔は、内接円がφ３０ｍｍ以上となる間隔であることが好ましく、例えばφ８０ｍｍに設定される。

また、ノズル１１０は上述のように同一円周上に設けられるが、該円周の径は、処理ガスの均一導入のため、処理ガスのガス種、圧力、チャンバ形状に応じて最適化することが好ましい。ノズル１１０が設けられる円周の径は３０〜５０５ｍｍの範囲で変化させることができる。ノズル１１０が設けられる円周の径はウェハ径よりも小さいことが好ましく、例えば、プラズマＣＶＤによりＳｉＮ膜を形成する場合には、第２のガスシャワー部２２からＳｉＨ_４ガスが吐出されるが、その場合にはノズル１１０の径は８０〜３２０ｍｍ程度、例えば、１６０ｍｍに設定される。

ノズル１１０の水平方向断面形状は、例えば円形であるが、これに限られない。ノズル１１０はプラズマの遮蔽を抑制することが好ましく、そのような観点から断面形状が円形であることが好ましい。また、ノズル１１０の断面角部に電界集中を緩和する観点から、断面角部にＲを形成することが好ましい。

また、ノズル１１０の前述の空間部１１１は、配管８４が接続された天壁１０ａ内の流路を介してガスが供給される。したがって、第２のガス供給部８２から配管８４を経て供給された過剰解離を防ぎたい処理ガスである第２のガスが、空間部１１１に供給され、ガス吐出孔１１２から吐出される。

なお、ノズル１１０に冷却機能を持たせてもよい。
また、ノズル１１０の径はプラズマの均一性の観点からは極力細い方が好ましいが、ガス供給のための空間部を設ける観点、熱伝導性を確保する観点からはある程度の径が必要であり、５〜２０ｍｍが好ましく、例えばφ１５ｍｍに設定される。

ノズル１１０の天壁１０ａへの接続箇所は、プラズマ源２により形成される表面波電界の節に対応する箇所であることが好ましい。

ノズル１１０は、チャンバ１の天壁１０ａと一体で作製しても別体としてもよい。別体とする場合には、天壁１０ａと確実に締結して電気的に同電位とすること、及びガスの漏洩を確実に防止できる構造であることが必要である。

第３のガスシャワー部２３は、ウェハＷの外側部分へ、過剰解離を抑制したい処理ガスである第２のガスを吐出するものである。第３のガスシャワー部２３は、図１及び図７に示すように、側壁１０ｂからチャンバ１の平面視中心に向けて延出する３０個のノズル１３０を有する。該ノズル１３０は側壁１０ｂから水平方向に延出することが好ましい。ノズル１３０は、円環状の側壁１０ｂに対して等間隔で設けられ、すなわち、３０個のノズル１３０は同一平面上に円環状に等間隔で並べられている。これらノズル１３０は、平面視でウェハＷに重複しない領域に形成されている。

各ノズル１３０には、チャンバ１の平面視中心に向けてガスを吐出するガス吐出孔１３４が形成されている。なお、後述のガス拡散空間１３１から水平方向に対してある程度角度を持たせてガス吐出孔１３４を設けてもよく、水平方向に設けてもよい。

また、第３のガスシャワー部２３は、側壁１０ｂに円環状に形成されたガス拡散空間１３１と、ガス拡散空間１３１の外側方に設けられ該空間１３１と連通するガス導入孔１３２とを有する。また、第３のガスシャワー部２３は、ガス拡散空間１３１からノズル１３０に至る流路１３３を有する。上述のガス導入孔１３２には配管８５が接続されている。したがって、第２のガス供給部８２から配管８５を経て供給された第２のガスが、ガス導入孔１３２等を有する側壁１０ｂを経て、ノズル１３０に至り、ガス吐出孔１３４からチャンバ１の平面視中心方向に吐出される。

第３のガスシャワー部２３のノズル１３０の材質、ガス吐出孔１３４の径等は、上述した第２のガスシャワー部２２に準じて適宜設定される。

なお、第３のガスシャワー部２３のガス吐出孔１３４は、該孔１３４から吐出されるガスの過剰解離を防止できる高さ位置に配置されていればよく、必ずしも第２のガスシャワー部２２のガス吐出孔１１２と同じ高さ位置でなくてもよい。

ノズル１３０の数は、目標とするガスの均一性、ガス流量、プラズマの均一性等に応じて最適化され、例えば、４〜２００個程度の範囲に設定され、２０〜５０個の範囲が好ましい。
なお、ノズル１３０の本数が多いほど、またノズル１３０の間隔が狭いほどプラズマの均一性が悪化する傾向にあるので、ノズル１３０の数及び間隔は、要求されるプラズマの均一性を確保できるように設定することが好ましい。また、要求されるプラズマの均一性が確保される限りにおいて、プラズマを意図的に遮断するために、ノズル１３０の間隔を狭く、本数を多く設定することもできる。ノズル１３０の間隔は、根本の間隔がφ３０ｍｍ以上となる間隔であることが好ましく、例えばφ８０ｍｍに設定される。

次に、以上のように構成されるプラズマ処理装置１００における動作について説明する。

まず、ウェハＷをチャンバ１内に搬入し、サセプタ１１上に載置する。そして、排気装置１６によりチャンバ１内を排気し、チャンバ１内の圧力を所定の圧力に調整し、その後、第１のガス供給部８１から配管８３を介して天壁１０ａに形成された第１のガスシャワー部２１にプラズマを生成するための励起用ガス、例えばＡｒガスや、処理ガスのうち解離のために高いエネルギーを必要とするガスである第１のガスを供給し、これらガスを第１のガスシャワー部２１からチャンバ１内へ吐出する。

一方、マイクロ波プラズマ源２のマイクロ波出力部３０から、マイクロ波伝送部４０の複数のアンプ部４１及び複数のマイクロ波放射機構４２の伝送路を伝送されてきたマイクロ波を、天壁１０ａに嵌め込まれたアンテナ部５６の遅波材６２、平面アンテナ６１のスロット６１ａ及び誘電体窓６３を介してチャンバ１内に放射する。このとき、チューナ５４のスラグ７１ａ及びスラグ７１ｂによりインピーダンスが自動整合され、電力反射が実質的にない状態で、マイクロ波が供給される。各マイクロ波放射機構４２から放射されたマイクロ波は空間合成され、形成されたマイクロ波電界により、天壁１０ａの誘電体窓６３の表面部分では表面波プラズマを生成する。このとき、天壁１０ａの近傍では表面波プラズマの電子温度は高く、第１のガスは高エネルギーで解離される。

また、第２のガス供給部８２から、配管８４、８５を介して第２のガスシャワー部２２及び第３のガスシャワー部２３に、処理ガスのうち、過剰解離を防ぎたいガスである第２のガスを供給し、そのガスを第２のガスシャワー部２２及び第３のガスシャワー部２３からチャンバ１内に吐出する。第２のガスシャワー部２２及び第３のガスシャワー部２３から吐出された第２のガスは、第１のガスのプラズマにより励起される。このとき、第２のガスシャワー部２２のガス吐出孔１１２、及び第３のガスシャワー部２３のガス吐出孔１３４の形成位置は、マイクロ波が放射される天壁１０ａの表面から離れたよりエネルギーが低い位置であるため、第２のガスは過剰解離が抑制された状態で励起される。そして、第１のガス及び第２のガスのプラズマによりウェハＷにプラズマ処理を施す。

例えば、プラズマＣＶＤによりＳｉＮ膜を形成する場合、第１のガス供給部８１からは、第１のガスとして、励起用のＡｒガス及び高い解離エネルギーが必要な窒化ガスであるＮ_２ガスまたはＮＨ_３が第１のガスシャワー部２１へ供給され、それらがチャンバ１内へ吐出されプラズマが生成される。また、第２のガス供給部８２からは、第２のガスとして、過剰解離を防ぐ必要があるＳｉＨ_４ガスが第２のガスシャワー部２２及び第３のガスシャワー部２３へ供給され、第２のガスがチャンバ１内へ吐出され、過剰解離が抑制された状態で励起される。

これにより、チャンバ１内における電子温度の違いを利用してガスの特性に応じてガスの解離を制御することができ、ＳｉＨ_４ガス等の過剰解離しやすい処理ガスである第２のガスの過剰解離による気相反応パーティクルの発生や、ノズル（ガス吐出孔）の目詰まりを抑制することができる。

また、第２のガスシャワー部２２は、同一の円周上に配されたガス吐出孔１１２それぞれから、該孔１１２が設けられたノズル１１０に隣接するノズル１１０に向けてガスを吐出し、すなわち上記同一の円の接線方向にガスを吐出する。このノズル１１０自体がプラズマの均一性に与える影響は限定的である。したがって、ノズル１１０の本数を適切に調整することにより、所望のプラズマ均一性を得ることができる。特に、プラズマ処理装置１００では、ノズル１１０が天壁１０ａから垂直に延出しているため、該ノズル１１０がプラズマの均一性に与える影響は小さい。さらに、ノズル１１０が設けられている円周の外径はそのままに、ノズル１１０の数を最適化することにより、所望のガス導入の均一性（周方向均一性）を得ることができるので、プラズマの均一性を保持しつつ、処理ガスの導入の均一性を得ることができる。

すなわち、プラズマ処理装置１００では、処理ガスをガスの特性に応じた適切な解離状態で解離させることができ、かつ、処理ガスの導入均一性及び所望のプラズマ均一性を両立させることができる。

また、プラズマ処理装置１００では、天壁１０ａに対して設けられた部材すなわちノズル１１０から処理ガスを吐出するため構造が単純であり、処理ガスを吐出するための部材すなわちノズル１１０を冷却する機構等を簡易にすることができる。

さらに、第２のガスシャワー部２２の外側に、第３のガスシャワー部２３を設け、第２のガスを第３のガスシャワー部２３の円環状且つ等間隔に並べられた複数のノズル１３０から吐出するようにしたので、第２のガスの均一性をより高めることができる。

この場合に、ノズル１３０はチャンバ１の側壁１０ｂから突出するように形成されているが、ノズル１３０は、平面視でウェハＷの外側に設けられているので、ノズル１３０はプラズマの均一性にほとんど影響を与えない。

さらにまた、プラズマ処理装置１００は、天壁１０ａが、金属製の本体に、複数のマイクロ波放射機構４２の誘電体窓６３を嵌め込んだ構造を有しているので、第２のガスシャワー部２２のノズル１１０を天壁１０ａの金属部分に溶接等により容易に接合することができる。また、天壁１０ａの金属部分とノズル１１０と一体に構成する場合にも加工が容易である。

このように、複数のマイクロ波放射機構４２を用いてプラズマを空間合成することにより、各マイクロ波放射機構４２から導入されるマイクロ波の位相や強度を個別に調整することができ、プラズマ分布の調整を比較的容易に行うことができ、制御性の良いプラズマ処理を行うことができる。

（第２の実施形態）
図８は、第２の実施形態に係るプラズマ処理装置を説明する図であり、本実施形態に係る天壁の下面図である。なお、以下では、第１の実施形態との相違点のみ説明し、第２のガスの供給形態等、第１の実施形態のものと同様の部分については説明を省略する。

本実施形態では、図に示すように、ウェハＷの外側部分へ過剰解離を抑制したい処理ガスである第２のガスを吐出する第３のガスシャワー部２３が、天壁１０ａからサセプタ１１の方向へ延出するノズル１５０を有する。ノズル１５０の数は例えば１２個である。１２個のノズル１５０は、天壁１０ａの金属部分であって第１のガスシャワー部２１より外側の部分に設けられている。より具体的には、ノズル１５０は、第２のガスシャワー部２２より外側の部分における、マイクロ波放射機構４２の誘電体窓６３の間の位置に２つずつ設けられている。また、ノズル１５０の位置は、平面視における天壁１０ａの中心を中心とした同一円周上である。言い換えると、本実施形態のプラズマ処理装置は、第２のガスを吐出するものとして、同心状に設けられた複数のノズル群を有する。

また、第３のガスシャワー部２３のノズル１５０は、不図示のガス吐出孔が形成されている。該ガス吐出孔からの第２のガスの吐出方向は、チャンバ１の平面視中心に向かう方向であってもよいし、第１の実施形態におけるノズル１１０からのものと同様に、隣接するノズルに向かう方向であってもよく、目標とするガスの均一性、ガス流量、プラズマの均一性等に応じて最適化される。
本実施形態においても、第２のガスの均一性をより高めることができる。

なお、ノズル１５０のガス吐出孔は、該ガス吐出孔から吐出されるガスの過剰解離を防止できる高さ位置に配置されていればよく、必ずしも第２のガスシャワー部２２のガス吐出孔と同じ高さ位置でなくてもよい。

ノズル１５０の数は以上の説明では１２としたがこれに限定されない。ノズル１５０の数は、第２のガスシャワー部２２のノズル１１０の数よりも大きいことが好ましく、目標とするガスの均一性、ガス流量、プラズマの均一性等に応じて最適化される。ノズル１５０の数は、例えば、６〜６４個程度の範囲に設定され、１２〜３２個の範囲が好ましい。

（他の適用）
本発明の実施形態に係るプラズマ処理装置は、第２のガスシャワー部の複数のノズルが全て、水平から所定の角度で且つ鉛直方向下側または上側に第２のガスを吐出する形態であってもよい。

さらに、本発明の実施形態に係るプラズマ処理装置は、第２のガスシャワーの複数のノズルが、水平から所定の角度で且つ鉛直方向下側に吐出するノズルと、水平から所定の角度で且つ鉛直方向上側に吐出するノズルとを交互に設けられていてもよい。

以上の説明では、プラズマ処理としてＳｉＮ膜を成膜するプラズマＣＶＤを例示した。しかし、本発明の実施の形態に係るプラズマ処理は、これに限らず、過剰解離を防ぎたいガスと高エネルギーで解離させたいガスとを含むガスによるプラズマ処理であれば適用可能であり、ＳｉＣＮ膜、ＣＦ膜、ＢＮ膜、ＳｉＯ_２膜、ＳｉＯＮ膜等の成膜や、成膜処理以外のエッチング処理等にも適用可能である。

また、以上の例では、ＳｉＮ膜の成膜のために、第１のガスとしてＡｒガスと窒化ガス（Ｎ_２ガスまたはＮＨ_３ガス）を導入し、第２のガスとしてＳｉＨ_４ガスを導入していた。しかし、本発明の実施の形態においては、第１のガスとしてＮ_２のみを導入したり、Ｏ_２のみを導入したりしてもよく、第２のガスとして、ＳｉＨ_４ガスとＨ_２ガスを導入したり、これらに加えてＣ_２Ｈ_６ガスを導入したり、ＳｉＨ_４ガスとＣ_２Ｈ_６ガスを導入したりしてもよい。

さらにまた、被処理体は半導体ウェハに限定されず、ＬＣＤ（液晶ディスプレイ）用基板に代表されるＦＰＤ（フラットパネルディスプレイ）基板や、セラミックス基板等の他の基板であってもよい。

本発明は被処理体をプラズマ処理する技術に有用である。

１００…プラズマ処理装置
１…チャンバ
２…マイクロ波プラズマ源
３…全体制御部
１０ａ…天壁
１０ｂ…側壁
１１…サセプタ
１１０…ノズル
１１２…ガス吐出孔
１３０、１５０…ノズル
１３４…ガス吐出孔
１４３…ガス吐出孔
２１…第１のガスシャワー部
２２…第２のガスシャワー部
２３…第３のガスシャワー部
６３…誘電体窓
８１…第１のガス供給部
８２…第２のガス供給部

Claims (7)

1. チャンバと、
   該チャンバ内で被処理体を載置する載置台と、
   前記チャンバの天壁を介して前記チャンバ内にマイクロ波を導入し、前記チャンバ内に表面波プラズマを生成するプラズマ源と、
   前記天壁から第１のガスを前記チャンバ内に供給する第１のガス導入部と、
   前記天壁と前記載置台との間の所定高さから第２のガスを前記チャンバ内に導入する第２のガス導入部と、
   を備え、
   前記第２のガス導入部は、
   前記天壁から前記載置台の方向へ延出し、同一円周上に等間隔で配された複数のノズルを有し、
   前記複数のノズルはそれぞれ、円周方向に隣接する前記ノズルに向けて前記第２のガスを吐出することを特徴とするプラズマ処理装置。
2. 前記天壁は、マイクロ波を透過させるための誘電体窓と、該誘電体窓が装着される金属部分とを有し、
   前記第１のガス導入部は、前記金属部分に形成され、
   前記ノズルは、前記金属部分における前記第１のガス導入部が形成されていない部分に形成され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。
3. 前記誘電体窓は、前記天壁の中央に設けられた中央誘電体窓と、該中央誘電体窓を中心とした同一円周上に等間隔で配された周囲誘電体窓とを有し、
   前記複数のノズルはそれぞれ、前記中央誘電体窓と前記周囲誘電体窓との間に向けて前記第２のガスを吐出す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。
4. 前記複数のノズルはそれぞれ、水平から所定の角度で且つ鉛直方向下側または上側に前記第２のガスを吐出することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のプラズマ処理装置。
5. 前記ノズルは、水平から所定の角度で且つ鉛直方向下側に吐出するものと水平から所定の角度で且つ鉛直方向上側に吐出するものが交互に設けられていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のプラズマ処理装置。
6. 前記第２のガス導入部の外側領域に設けられ、前記第２のガスを前記チャンバに導入する第３のガス導入部をさらに備え、
   該第３のガス導入部は、同一円周上に等間隔で並べられた別の複数のノズルを有することを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載のプラズマ処理装置。
7. 前記第２のガス導入部の前記複数のノズルはそれぞれ、当該複数のノズルが配された円の、当該ノズルの位置における接線方向に、前記第２のガスを吐出することを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載のプラズマ処理装置。

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