JPWO2008108213A1 - プラズマ処理装置、プラズマ処理方法、および記憶媒体 - Google Patents
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Abstract
開示されるプラズマ処理装置は、被処理体を収容する処理容器と、マイクロ波を発生するマイクロ波発生部と、マイクロ波発生部で発生したマイクロ波を処理容器に向けて導く導波路と、導波路に導かれたマイクロ波を処理容器に向けて放射する複数のマイクロ波放射孔を有する導体からなる平面アンテナと、処理容器の天壁を構成し、平面アンテナのマイクロ波放射孔を通過したマイクロ波を透過する、誘電体からなるマイクロ波透過板と、処理容器内に処理ガスを導入する処理ガス導入機構と、平面アンテナの上方に設けられて処理容器内に磁界を形成し、当該磁界によってマイクロ波により処理容器内に生成される処理ガスのプラズマ特性を制御する磁界形成部と、を備える。
Description
本発明は、半導体ウエハ等の被処理体に対してマイクロ波プラズマ処理を行うためのプラズマ処理装置、プラズマ処理方法、およびそのような方法を実施するためのプログラムを格納するコンピュータ可読記憶媒体に関する。
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。近時、ＬＳＩの高集積化、高速化の要請から、デザインルールが益々微細化され、半導体ウエハが大型化されるのにともなって、プラズマ処理装置においてもこのような微細化および大型化への対応が求められている。
ところが、従来から多用されてきた平行平板型や誘導結合型のプラズマ処理装置では、電子温度が高いため微細な構造にプラズマダメージを生じ、また、プラズマ密度の高い領域が限定されるため、大型の半導体ウエ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プラズマを均一に形成することができるＲＬＳＡ（Radial Line Slot Antenna）マイクロ波プラズマ処理装置が注目されている（例えば特許文献１）。
特開２０００−２９４５５０号公報
ＲＬＳＡマイクロ波プラズマ処理装置においては、チャンバーの上部に所定のパターンで多数のスロットが形成された平面アンテナ（Radial Line Slot Antenna）が設けられ、マイクロ波発生源から導かれたマイクロ波が平面アンテナのスロットから、平面アンテナの下に設けられた誘電体からなるマイクロ波透過板を通して真空に保持されたチャンバー内へ放射される。このようにして形成されたマイクロ波電界によってチャンバー内に導入されたガスがプラズマ化され、このプラズマにより半導体ウエハ等の被処理体が処理される。
ＲＬＳＡマイクロ波プラズマ処理装置では、上述のとおり、マイクロ波透過板を透過したマイクロ波によりプラズマが形成される。ここで、このプラズマ中の電子密度がマイクロ波の持つカットオフ密度を超えるとマイクロ波がプラズマ中に入り込めなくなり、プラズマとマイクロ波透過板との間で平面的な方向のみに伝搬する表面波プラズマ（Surface Wave Plasma：SWP）が生じる。表面波プラズマは、高密度かつ低電子温度であるという特徴を有し、アンテナ直下の広い領域に亘って高いプラズマ密度を実現できため、短時間で均一なプラズマ処理を行うことが可能である。また、本来的にチャンバー内に電極を必要としないため、電極へのプラズマダメージや、これに由来する電極からの金属汚染などを低減することができ、素子へのダメージを小さくすることがきる。
しかしながら、表面波プラズマを応用したＣＶＤ装置などの表面波プラズマ処理装置においては、プラズマの密度や均一性をより向上すると共に、素子のダメージ等をより一層抑制したいといった要望がある。
本発明はかかる事情に鑑みてなされ、プラズマの密度や均一性をより向上すると共に、素子のダメージ等をより抑制することができる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を目的とする。また、そのようなプラズマ処理方法をプラズマ処理装置に実行させるプログラムを記憶した記憶媒体を提供することを目的とする。
上記課題を解決するため、本発明の第１の観点によれば、被処理体を収容する処理容器と、マイクロ波を発生するマイクロ波発生部と、マイクロ波発生部で発生したマイクロ波を処理容器に向けて導く導波路と、導波路に導かれたマイクロ波を処理容器に向けて放射する複数のマイクロ波放射孔を有する導体からなる平面アンテナと、処理容器の天壁を構成し、平面アンテナのマイクロ波放射孔を通過したマイクロ波を透過する、誘電体からなるマイクロ波透過板と、処理容器内に処理ガスを導入する処理ガス導入機構と、平面アンテナの上方に設けられて処理容器内に磁界を形成し、当該磁界によってマイクロ波により処理容器内に生成される処理ガスのプラズマ特性を制御する磁界形成部と、を備えるプラズマ処理装置が提供される。
第１の観点によるプラズマ処理装置においては、磁界形成部は、平面アンテナと同心状に設けられたリング状磁石を有するものとすることができる。また、上記のプラズマ処理装置は、磁界形成部が処理容器に対して接近しまたは離反する方向に、磁界形成部を移動する第１の移動機構を更に備えても良い。さらに、このプラズマ処理装置は、第１の移動機構に加えて又は単独に、磁界形成部が処理容器に対して接近しまたは離反する方向と交差する方向に、磁界形成部を移動する第２の移動機構を更に備えても良い。ここで、第２の移動機構が、磁界形成部の中心が平面アンテナの中心の回りを公転するように当該磁界形成部を移動すると好ましい。
また、第１の観点によるプラズマ処理装置において、磁界形成部は、平面アンテナと同心状に設けられた少なくとも２個のリング状磁石を有するものとすることができる。また、上記のプラズマ処理装置は、リング状磁石の少なくとも１つが処理容器に対して接近しまたは離反する方向に、リング状磁石の少なくとも１つを移動する第３の移動機構を更に備えて良い。さらに、このプラズマ処理装置は、第３の移動機構に加えて又は単独に、リング状磁石の少なくとも１つが処理容器に対して接近しまたは離反する方向と交差する方向に、リング状磁石の少なくとも１つを移動する第４の移動機構を更に備えても良い。ここで、第４の移動機構が、リング状磁石の少なくとも１つの中心が平面アンテナの中心の回りを公転するように当該リング状磁石の少なくとも１つを移動すると好ましい。
さらに、上記のプラズマ処理装置は、処理容器内のプラズマ特性がリング状磁界形成部により制御されるようにリング状磁石の移動を制御する制御部を更に備えて良い。
本発明の第２の観点によれば、処理容器内に被処理体を収容する工程と、処理容器に処理ガスを供給する工程と、マイクロ波発生部で発生したマイクロ波を導波路により複数のマイクロ波放射孔を有する導体からなる平面アンテナに導き、該マイクロ波をこの平面アンテナから処理容器へ導入して処理容器内に処理ガスのプラズマを生成する工程と、処理ガスのプラズマに磁界を印加してプラズマ特性を制御する工程と、を含むプラズマ処理方法が提供される。プラズマを制御する工程は、所望のプラズマ特性を実現するように磁界を制御する工程を含んで良い。また、プラズマを制御する工程は、平面アンテナと同心円状に配置された少なくとも２個のリング状磁石の少なくとも一つが処理容器に対して接近しまたは離反する方向に当該リング状磁石の少なくとも一つを独立に移動する工程を含んで良く、プラズマを制御する工程が、平面アンテナと同心円状に配置された少なくとも２個のリング状磁石の少なくとも一つが処理容器に対して接近しまたは離反する方向と交差する方向に当該リング状磁石の少なくとも一つを独立に移動する工程を含んでも良い。さらに、プラズマを制御する工程が、平面アンテナと同心円状に配置された少なくとも２個のリング状磁石の少なくとも一つの中心が平面アンテナの中心の回りを公転するように当該リング状磁石の少なくとも一つを独立に移動する工程を含むと好ましい。
本発明の第３の観点によれば、上記のプラズマ処理方法を上記のプラズマ処理装置に実行させるプログラムを格納するコンピュータ可読記憶媒体が提供される。
本発明の実施形態によれば、プラズマの密度や均一性をより向上すると共に、素子のダメージ等をより抑制することができるプラズマ処理装置、プラズマ処理方法、及びこのプラズマ処理方法をプラズマ処理装置に実施させるためのプログラムを格納したコンピュータ可読記憶媒体が提供される。
１；チャンバー
２；ハウジング部
３；チャンバーウォール
４；支持部材
５；サセプタ
１３；環状通路
１４；ガス通路
１５；ガス導入路
１５ａ；ガス導入口
１６；ガス供給装置
１８，１９；段部
２４；排気装置
２７；アッパープレート（支持部材）
２７ａ；支持部
２８；透過板
２９；シール部材
３０；マイクロ波導入部
３１；平面アンテナ部材
３２；スロット孔
３７；導波管
３７ａ；同軸導波管
３７ｂ；矩形導波管
３９；マイクロ波発生装置
４０；モード変換器
５１，５２；リング状磁石
６０；磁石移動機構
１００；プラズマ処理装置
Ｗ…半導体ウエハ（被処理体）
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５１，５２；リング状磁石
６０；磁石移動機構
１００；プラズマ処理装置
Ｗ…半導体ウエハ（被処理体）
本発明の一実施形態によれば、処理容器の上方に、処理室内に形成されたプラズマに磁界を印加する磁界形成部が設けられているため、その磁界によって、プラズマを制御することにより、プラズマをより高密度にし、均一性をより向上することができる。
磁界形成部が平面アンテナと同心状に設けられたリング状磁石を有する場合には、リング状磁石のＮ極とＳ極の間にプラズマを集中して、プラズマリングを形成することができ、処理容器周辺部等のプラズマ密度が低い傾向がある部分についてプラズマ密度を高めることができる。特に、磁界形成部が２個以上の複数個のリング状磁石を有する場合には、それぞれのＮ極とＳ極の間にプラズマを集中して、複数個のプラズマリングを同心円状に並べて発生することができるので、より広範囲に亘ってプラズマ密度等を均一にすることができ、より均一性の高いプラズマ処理を行うことが可能になる。
また、本発明の実施形態によるプラズマ処理装置においては、磁界形成部をプラズマに比較的近接して配置できるため、磁界がプラズマへ及ぼす影響や効果を大きくすることができる。さらに、磁界形成部をプラズマに比較的近接して配置できるため、プラズマに大きな磁界を印加することができる一方で、半導体ウエハに対しては弱い磁界を印加することができるため、半導体ウエハのチャージアップダメージ等をより抑制することができる。さらに、磁界形成部をプラズマに比較的近接して配置でき、磁界がプラズマへ及ぼす影響や効果を大きくすることができるため、磁界形成部の小型化が可能であると共に、処理容器を大口径化した場合にも、容易に対処することができる。
また、前記磁界形成部を、前記処理容器に対して、近接しまたは離反するように移動する磁石移動部をさらに備えることにより、処理容器内の磁界の分布を制御してプラズマ密度やプラズマの均一性等のプラズマ特性の制御が可能となる。リング状磁石を少なくとも２個有し、これらが同心状に配置される場合に、リング状磁石の少なくとも１つを、個別に、前記処理容器に対して接近しまたは離反するように移動する磁石移動機構を設けることにより、プラズマ励起空間の位置、例えばプラズマ励起空間の中央部と周辺部とで磁界強度を変化させることができ、プラズマ密度などのプラズマ特性を制御することができる。これにより、プラズマ処理の均一性、処理特性等を最適化することができる。
以下、添付の図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態によるプラズマ処理装置を具体的に説明する。添付の全図面中、同一または対応する部材または部品については、同一または対応する参照符号を付し、重複する説明を省略する。また、図面は、部材もしくは部品間の相対比を示すことを目的とせず、したがって、具体的な寸法は、以下の限定的でない実施例に照らし、当業者により決定されるべきものである。
図１は、本発明の一実施形態に係るプラズマ処理装置の概略断面図である。このプラズマ処理装置１００では、複数のスロットを有する平面アンテナ、例えばＲＬＳＡ（Radial Line Slot Antenna；ラジアルラインスロットアンテナ）を通して処理室内にマイクロ波などが導入され、処理室内に高密度かつ低電子温度のマイクロ波プラズマが発生される。
プラズマ処理装置１００においてマイクロ波により励起されるプラズマは、アンテナ直下の誘電体とプラズマとの界面に沿って伝搬する表面波を利用して励起する表面波プラズマ（Surface Wave Plasma：SWP）であり、高密度および低電子温度と特徴づけられる。表面波プラズマは、アンテナ直下の広い領域に亘って高いプラズマ密度を有しているため、短時間で均一なプラズマ処理を行うことが可能である。また、処理室内に電極を配置する必要がないため、金属汚染やプラズマダメージなどを低減することができ、素子へのダメージを小さくすることができる。
プラズマ処理装置１００は、気密に構成される。また、プラズマ処理装置１００は、ウエハＷが搬入される接地された略円筒状のチャンバー（処理容器）１を含んでいる。図１を参照すると、チャンバー１は、ハウジング部２と、その上に配置された円筒状チャンバーウォール３とを有している。ハウジング部２とチャンバーウォール３は、アルミニウムまたはステンレス鋼等の金属材料で作製されている。また、チャンバー１の上部には、処理空間にマイクロ波を導入するためのマイクロ波導入部３０が開閉可能に設けられている。
ハウジング部２の下部には、ハウジング部２の底板２ａの略中央部に形成された開口部１０と連通するように排気室１１が設けられている。これにより、チャンバー１の内部は均一に排気される。
ハウジング部２内にはプラズマ処理の対象となるウエハＷを水平に支持するサセプタ５が設けられている。具体的には、サセプタ５は、排気室１１の底部中央から上方に延びる円筒状の支持部材４により支持されている。サセプタ５および支持部材４は、石英やＡｌＮ、Ａｌ２Ｏ３等のセラミックス材料により作製して良い。特に、熱伝導性の良好なＡｌＮでサセプタ５および支持部材４を作製することが好ましい。サセプタ５の外縁部にはウエハＷをガイドするためのガイドリング８が設けられている。また、サセプタ５には、抵抗加熱型のヒータ（図示せず）が埋め込まれており、ヒータ電源６から給電されることによりサセプタ５を加熱して、その熱でサセプタ５に支持されるウエハＷが加熱される。サセプタ５の温度は、サセプタ５に挿入された熱電対２０によって測定され、ヒータ電源６からヒータへ供給される電流が熱電対２０からの信号に基づいて温調器２１により制御されて、例えば室温から１０００℃までの範囲で調整される。
また、サセプタ５には、ウエハＷを支持して昇降させるためのウエハ支持ピン（図示せず）が設けられている。ウエハ支持ピンは、サセプタ５よりも上方へ突出し、サセプタ５よりも下方に退避することができる。サセプタ５の外側には、チャンバー１内を均一排気するためのバッフルプレート７が環状に設けられている。バッフルプレート７は、複数の支柱７ａにより支持されている。なお、チャンバー１の内周に石英で作製される円筒状のライナー４２が設けられている。ライナー４２は、金属材料で作製されるチャンバー１からの金属汚染を防止し、クリーンな環境を維持する役割を有している。ライナー４２は、石英に代わり、セラミックス（Ａｌ２Ｏ３、ＡｌＮ、Ｙ２Ｏ３等）で作製されてもよい。
排気室１１の側面には排気管２３が接続されている。この排気管２３には高速真空ポンプを含む排気装置２４が接続されている。排気装置２４を作動させることによりチャンバー１内のガスが、排気室１１の空間１１ａ内へ均一に排出され、さらに排気管２３を介して排気される。これによりチャンバー１内の圧力を、所定の真空度、例えば０．１３３Ｐａ程度にまで高速に下げることができる。
ハウジング部２には、その側壁に、ウエハＷの搬入出を行うための搬入出口と、この搬入出口を開閉するゲートバルブとが設けられている（いずれも図示せず）。
チャンバー１には、チャンバー１内に処理ガスを導入するためのガス導入路が形成されている。具体的には、ハウジング部２の側壁の上端に形成された段部１８と、後述するチャンバーウォール３の下端に形成された段部１９とにより、環状通路１３が形成されている。
チャンバーウォール３の上端部は、例えばＯリングなどのシール部材９ａ，９ｂを介してマイクロ波導入部３０と係合し、チャンバーウォール３の下端部は、例えばＯリングなどのシール部材９ｃを介してハウジング部２の上端と接合する。これによりチャンバーウォール３とマイクロ波導入部３０の間、チャンバーウォール３とハウジング部２との間の気密状態が保たれる。また、チャンバーウォール３の内部には、ガス通路１４が形成されている。
チャンバーウォール３の下端部には、下方に袴状（スカート状）に延びる環状の突出部１７が形成されている。突出部１７は、チャンバーウォール３とハウジング部２との境界（接面部）を覆い、比較的低い耐プラズマ性を有するシール部材９ｂがプラズマに直接に晒されるのを防止している。また、チャンバーウォール３の下端には、ハウジング部２の段部１８と組み合わせて環状通路１３が形成されるように段部１９が設けられている。
さらにチャンバーウォール３の上部には、複数個（例えば３２個）のガス導入口１５ａが内周に沿って均等に設けられている。ガス導入口１５ａは、チャンバーウォール３の内部で水平に延びる導入路１５ｂを介してチャンバーウォール３内で鉛直方向に延びるガス通路１４と連通している。
ガス通路１４は、ハウジング部２の上部とチャンバーウォール３の下部との接面部に、段部１８と段部１９によって形成された溝からなる環状通路１３に接続している。この環状通路１３は、処理空間を囲むように略水平方向に環状に形成されている。また、環状通路１３は、ハウジング部２内の任意の箇所（例えば均等な４箇所）において、ハウジング部２の側壁内で垂直方向に延びるように形成された通路１２と接続され、通路１２はガス供給装置１６と接続されている。環状通路１３は、各ガス通路１４へガスを均等に供給するガス分配部としての機能を有している。これにより、特定のガス導入口１５ａから多量の処理ガスが処理空間へ供給されることが防止される。
このように本実施形態では、ガス供給装置１６からのガスを、通路１２、環状通路１３、各ガス通路１４を介して３２個のガス導入口１５ａから均一にチャンバー１内に導入できるので、チャンバー１内のプラズマの均一性を高めることができる。
上述のとおり、チャンバー１はハウジング部２とその上に配置される円筒状のチャンバーウォール３とから構成されるため、チャンバー１は上向きに開口している。この開口は、マイクロ波導入部３０により気密に閉じられている。ただし、マイクロ波導入部３０は、図示しない開閉機構により開閉可能である。
マイクロ波導入部３０は、透過板２８と、透過板２８の上方に配置される平面アンテナ部材３１と、平面アンテナ部材３１の上面に配置される遅波材３３とを有している。これらは、シールド部材３４によって覆われている。また、透過板２８、平面アンテナ部材３１、及び遅波材３３は、支持部材３６を介して断面視Ｌ字形をした環状の押えリング３５によりＯリングを介してアッパープレート２７の支持部材に固定されている。マイクロ波導入部３０が閉じられた場合、チャンバー１の上端とアッパープレート２７とはシール部材９ｃによりシールされる。さらに、平面アンテナ部材３１、及び遅波材３３は、透過板２８を介してアッパープレート２７に支持されている。
透過板２８は、誘電体、具体的には石英やＡｌ２Ｏ３、ＡｌＮ、サファイヤ、ＳｉＮ等のセラミックスで作製される。透過板２８は、マイクロ波を透過してチャンバー１内の処理空間に導入するマイクロ波導入窓として機能する。透過板２８の下面（サセプタ５を向いた面）は平坦状に限らず、マイクロ波を均一化してプラズマを安定化させるため、例えば凹部や溝を形成してもよい。また、図７に示すように、透過板２８の下面はドーム状であってもよい。透過板２８には大気圧と処理容器の内圧との差圧が加わるため、その厚みは平坦状の場合２０〜３０ｍｍ程度必要であるが、ドーム状とすることによりその厚みを１０〜２０％程度薄くすることができる。
透過板２８の下面は、その外周部において、シール部材２９を介して、アッパープレート２７から内向きに放射状に延びる環状の突部２７ａにより支持されている。これにより、マイクロ波導入部３０が閉じられたとき、チャンバー１内を気密に保持することが可能となる。
平面アンテナ部材３１は、円板形状を有している。また、平面アンテナ部材３１は、透過板２８の上方において、シールド部材３４の内周面に係止されている。この平面アンテナ部材３１は、例えば表面が金または銀メッキされた銅板またはアルミニウム板からなる。平面アンテナ部材３１は、マイクロ波などの電磁波を放射するため、平面アンテナ部材３１を貫通する多数のスロット孔３２が所定のパターンで配置されている。
スロット孔３２は、例えば図２に示すように長溝状の上面形状を有する。また、典型的には、隣接する２つのスロット孔３２が組み合わされて「Ｔ」字を形成している。これら複数のスロット孔３２は、図２に示すように同心円状に配置されている。スロット孔３２の長さや配列間隔は、マイクロ波の波長（λｇ）に応じて決定される。例えば、スロット孔３２の間隔は、１／４λｇ、１／２λｇまたはλｇとなるように配置される。ここでλｇは遅波材３３中におけるマイクロ波の波長である。なお、図２においては、同心円状に配置された「Ｔ」字を形成する２つのスロット孔３２同士の間隔をΔｒで示している。また、スロット孔３２は、円形状、円弧状等の他の形状であってもよい。さらに、スロット孔３２は、これらに限定されないが例えば、螺旋状、放射状に配置してもよい。
遅波材３３は、平面アンテナ部材３１の上面に設けられている。遅波材３３は、真空の誘電率よりも大きい誘電率を有しており、例えば、石英、セラミックス、ポリテトラフルオロエチレン等のフッ素系樹脂やポリイミド系樹脂により構成されている。大きい誘電率により、遅波材３２では、マイクロ波の波長は、真空中でのマイクロ波の波長よりも短くなる。すなわち、遅波材３２はプラズマを調整する機能を有している。なお、透過板２８と平面アンテナ部材３１とは、互いに密着してもいても離れていても良い。また、平面アンテナ３１と遅波材３３とは、互いに密着してもいても離れていても良い。
シールド部材３４には、冷却水流路（図示せず）が形成されており、そこに冷却水を流すことにより、シールド部材３４、遅波材３３、平面アンテナ部材３１、透過板２８、アッパープレート２７を冷却することができる。これにより、これらの部材の変形や破損が防止され、安定したプラズマを生成することが可能である。なお、シールド部材３４は接地されている。
シールド部材３４は、その中央部に開口部３４ｂを有する。開口部３４ｂには導波管３７が接続されている。この導波管３７の端部には、マッチング回路３８を介してマイクロ波発生装置３９が接続されている。これにより、マイクロ波発生装置３９で発生した、例えば周波数２．４５ＧＨｚのマイクロ波が導波管３７を介して平面アンテナ部材３１へ伝搬される。マイクロ波の周波数は、８．３５ＧＨｚ、１．９８ＧＨｚ等であってよい。
導波管３７は、シールド部材３４の開口部３４ｂから上方へ延出する断面円形状の同軸導波管３７ａと、この同軸導波管３７ａの上端部にモード変換器４０を介して接続された水平方向に延びる矩形導波管３７ｂとを有している。矩形導波管３７ｂと同軸導波管３７ａとの間のモード変換器４０は、矩形導波管３７ｂ内をＴＥモードで伝播するマイクロ波をＴＥＭモードに変換する機能を有している。同軸導波管３７ａの中心には内導体４１が延在しており、内導体４１は、その下端部において平面アンテナ部材３１の中心に接続固定されている。これにより、マイクロ波は、平面アンテナ部材３１へ放射状に効率よく均一に伝播される。
平面アンテナ部材３１の上方には、チャンバー１の内部に磁界を生成する磁石装置５０が設けられている。磁石装置５０は、図３に示すように、互いに且つ平面アンテナ部材３１に対して同心円状に配列されたリング状磁石５１，５２を有している。図４にも示すように、リング状磁石５１の一の面において、リング状磁石５１の内周に沿うように複数のＮ極セグメント５１ａが取り付けられ、リング状磁石５１の同じ面において、リング状磁石５１の外周に沿うように複数のＳ極セグメント５１ｂが取り付けられている。また、リング状磁石５２の一の面において、リング状磁石５２の内周に沿うように複数のＮ極セグメント５２ａが取り付けられ、リング状磁石５２の同じ面において、リング状磁石５２の外周に沿うように複数のＳ極セグメント５２ｂが取り付けられている。
図５に示すように、このように構成される磁石装置５０により、リング状磁石５１と５２との間、リング状磁石５１のＮ極５１ａとＳ極５１ｂの間、リング状磁石５２のＮ極５２ａとＳ極５２ｂの間に強い磁界が形成される。そのような磁界は、チャンバー１内にプラズマが生成された際に、強いＥ×Ｂドリフトを生じさせてプラズマを集中させることができる。その結果、チャンバー１内には３個のプラズマリングが同心円状に生成される。
リング状磁石５１，５２は、磁石移動機構６０により垂直方向に移動することができ、独立にチャンバー１に対して近接しまたは離反する。なお、磁石移動機構６０は、リング状磁石５１，５２のいずれか一方のみを移動するようにしてもよい。
リング状磁石５１，５２が独立に移動可能であるため、プラズマの密度等のプラズマ特性を広い範囲で制御することができる。具体的には、図６に示すように、内側のリング状磁石５１を上方に移動した場合には、チャンバー１の内周部には弱い磁界が印加され、周辺部には強い磁界が印加される。この結果、チャンバー１の内周部に比べ、周辺部においてプラズマ密度が高くなる。このように、リング状磁石５１，５２をそれぞれ独立に移動し、チャンバー１内の中央部および周辺部におけるプラズマの密度分布を制御することができる。
また、磁石装置５０は、磁石移動機構６０によって垂直方向だけでなく水平方向に移動しても良い。例えば、磁石装置５０は、図７（Ａ）〜７（Ｄ）に示すように、同軸導波管３７ａ及び平面アンテナ部材３１に対して一の方向に往復運動して良い。すなわち、磁石装置５０は、図７（Ａ）に示す左端にずれた位置から、図７（Ｂ）及び７（Ｃ）に示すように右方向へ移動し、右端にずれた位置に至り（図７（Ｄ））、再び、図７（Ｃ）、７（Ｂ）及び７（Ａ）の順に（破線の矢印の向きに）移動して良い。さらに、所定の時間、この方向へ往復運動した後に、例えば、この方向と直交する方向に往復運動しても良い。
また、磁石装置５０は、往復運動に限らず、水平方向に２次元的に運動することも可能である。図８（Ａ）〜（Ｄ）を参照すると、磁石装置５０は、図８（Ａ）の位置から矢印８１の方向に移動して図８（Ｂ）の位置に至り、次に矢印８２の方向に移動して図８（Ｃ）の位置に至り、次いで矢印８３の方向に移動して図８（Ｄ）の位置に至る。この後、磁石装置５０は、矢印８４の方向に移動して図８（Ａ）の位置に戻り、以下、同じ移動が繰り返される。換言すると、磁石装置５０は、その中心が矩形の軌道に沿うように移動して良い。
さらに、磁石装置５０は、図９（Ａ）〜（Ｄ）に示すように、磁石装置５０の中心が、同軸導波管３７ａおよび平面アンテナ３１の中心の回りを公転するように移動しても良い。換言すると、同軸導波管３７ａおよび平面アンテナ３１の中心と磁石装置５０の中心からずれた点とが一致するように磁石装置５０を回転（偏心回転）しても良い。
このように磁石装置５０を水平方向に移動すると、プラズマ処理中に、プラズマの高密度部分が磁石装置５０の移動とともに移動することとなり、以下の効果が発揮される。例えばプラズマ処理装置１００がプラズマエッチング装置であるとすると、磁石装置５０が静止している場合には、透過板２８の同じ部分が高密度のプラズマに晒されるため、その部分が他の部分に比べて大きく損傷されることとなる。その結果、透過板２８を高い頻度で交換しなければならなくなる。しかし、磁石装置５０が水平方向に移動すると、ある一定の部分が高密度プラズマに晒されることが回避されるため、一定の部分が大きな損傷を受けることがなく、したがって、透過板２８の交換頻度を低減することができる。
また、磁石装置５０の移動周期は、図７から図９に示すいずれの移動パターンにおいても元の位置に戻ったときに１回と計数すると、毎分５回以上が好ましく、毎分２０回程度が更に好ましい。例えば、偏心回転の場合、その回転数は２０ｒｐｍ程度であると好ましい。これは以下の理由による。プラズマ処理装置１００における一枚のウエハの処理に要する時間は、一般に、１分程度であるため、磁石装置５０を２０ｒｐｍ程度で偏心回転すると、一枚のウエハを処理する間に磁石装置５０は２０回、回転することになる。この程度の回転数であれば、ウエハに対するプラズマ密度分布がウエハ面内で平均化されるため、ウエハに対し実質的に均一な密度でプラズマ処理を行うことができる。
なお、磁石移動機構６０は、半導体装置の製造装置の技術分野において知られた部品や部材により構成することができる。例えば、磁石移動機構６０は、磁石装置５０（リング状磁石５１，５２）を垂直方向に動かすため空気圧シリンダを有して良く、磁石装置５０（リング状磁石５１，５２）を往復運動するためリニアモータを有して良く、磁石装置５０（リング状磁石５１，５２）を偏心回転するため回転モータとこれと組み合わされる歯車等を有していて良い。
また、磁石移動機構６０は、上述のとおり、磁石装置５０を垂直方向と水平方向に移動するように構成しても良いが、この磁石移動機構６０に代わり、プラズマ処理装置１００は、磁石装置５０を垂直方向に移動する一の移動機構と、磁石装置５０を水平方向に移動する他の移動機構とを有しても良い。さらに、磁石装置５０を垂直方向と水平方向とのいずれかの方向に限らず、所望のプラズマ特性を得るため、平面アンテナ３１に対して所定の角度で磁石装置５０を移動しても構わない。
なお、磁石装置５０は、１個のリング状磁石を有するものであっても、３個以上のリング状磁石を有するものであってもよい。
このプラズマ処理装置１００は、マイクロプロセッサ（コンピュータ）からなるコントローラ７０を有している。コントローラ７０は、マイクロ波発生装置３９、ガス供給装置１６、排気装置２４、温調器２１、磁石移動機構６０等を始めとする種々の構成部がこのコントローラ７０に接続され、これらの構成部を制御する。特に、磁石移動機構６０がコントローラ７０により制御されて磁石装置５０を移動し、チャンバー１内に所望のプラズマ密度が実現される。また、コントローラ７０には、オペレータがプラズマ処理装置１００を管理するためにコマンドの入力操作等を行うキーボードや、プラズマ処理装置１００の稼働状況を表示するディスプレイ等からなるユーザーインターフェース７１が接続されている。
また、コントローラ７０には記憶部７２が接続されている。記憶部７２は、コントローラ７０がプラズマ処理装置１００に種々の処理を実行させるプログラムを格納している。プログラムには、プラズマ処理装置１００で実行される各種処理をコントローラ７０で制御するための制御プログラムや、処理条件に応じてプラズマ処理装置１００の各構成部を動作させるプログラム（すなわちレシピ）が含まれる。また、これらのプログラムは、コンピュータ可読記憶媒体７３に記憶されて、これから記憶部７２へダウンロードされる。コンピュータ可読記憶媒体７３は、ハードディスク装置（携帯型ハードディスク装置を含む）やフラッシュメモリ等の半導体メモリであってもよいし、ＣＤ−ＲＯＭやＤＶＤ等の光学ディスク、フロッピーディスクなどの磁気ディスク、ＵＳＢメモリであってもよい。また、レシピなどは、サーバなどの他の装置から回線を介して記憶部７２に格納されても良い。
また、記憶部７２はコンピュータ可読記憶媒体７３から種々のレシピを格納することができ、必要に応じて、ユーザーインターフェース７１からの指示等にて特定されたレシピが記憶部７２からコントローラ７０へ読み出される。読み出されたレシピがコントローラ７０により実行されて、コントローラ７０の制御下で、プラズマ処理装置１００での所望の処理が行われる。
次に、このように構成されたプラズマ処理装置１００の動作について説明する。
まず、ウエハＷをチャンバー１内に搬入し、サセプタ５上に載置する。そして、ガス供給装置１６から、プラズマ処理装置１００で行われる処理に合わせて、例えばＡｒ、Ｋｒ、Ｈｅなどの希ガス、例えばＯ２、Ｎ２Ｏ、ＮＯ、ＮＯ２、ＣＯ２などの酸化ガス、例えばＮ２、ＮＨ３などの窒化ガス、薄膜堆積のための原料ガス、エッチングガス、およびこれらの組み合わせを含む処理ガスを所定の流量でガス導入口１５ａを介してチャンバー１内に導入する。
まず、ウエハＷをチャンバー１内に搬入し、サセプタ５上に載置する。そして、ガス供給装置１６から、プラズマ処理装置１００で行われる処理に合わせて、例えばＡｒ、Ｋｒ、Ｈｅなどの希ガス、例えばＯ２、Ｎ２Ｏ、ＮＯ、ＮＯ２、ＣＯ２などの酸化ガス、例えばＮ２、ＮＨ３などの窒化ガス、薄膜堆積のための原料ガス、エッチングガス、およびこれらの組み合わせを含む処理ガスを所定の流量でガス導入口１５ａを介してチャンバー１内に導入する。
次に、マイクロ波発生装置３９を起動してマイクロ波を発生させ、このマイクロ波をマッチング回路３８を通して導波管３７に導き、矩形導波管３７ｂ、モード変換器４０、および同軸導波管３７ａを順次通過させる。
マイクロ波は、矩形導波管３７ｂ内ではＴＥモードで伝搬し、このＴＥモードのマイクロ波はモード変換器４０でＴＥＭモードに変換され、同軸導波管３７ａ内をＴＥＭモードで伝搬する。そして、ＴＥＭモードのマイクロ波は、平面アンテナ部材３１に到達し、平面アンテナ部材３１の多数のスロット孔３２から透過板２８を経てチャンバー１に放射される。放射されたマイクロ波によりチャンバー１内で電磁界が形成されて、処理ガス等が励起され、プラズマが生成される。
このように平面アンテナ部材３１の多数のスロット孔３２から放射されたマイクロ波によって形成されたマイクロ波励起プラズマは、誘電体とプラズマとの界面に沿って伝搬する表面波を利用して励起する表面波プラズマであり、１×１０１１〜５×１０１２／ｃｍ３の高密度で、かつウエハＷ近傍では略１．５ｅＶ以下の低電子温度プラズマとなる。このため、プラズマによるウエハＷへのダメージが低減された状態で、プラズマにより生成された活性種等によってウエハＷが処理される。
このようにしてマイクロ波プラズマが生成されたチャンバー１内に磁石装置５０による磁界が印加されると、プラズマにＥ×Ｂドリフトが生じ、プラズマ密度を高めることができる。具体的には、磁石装置５０において、リング状磁石５１と５２との間、リング状磁石５１のＮ極とＳ極の間、リング状磁石５２のＮ極とＳ極の間に強い磁界が形成され（図５）、この磁界に対応して３つの同心円状のプラズマリングを生成することができる。このように磁界の強い部分にプラズマを集中させることができるので、周辺部分等のプラズマ密度が低い部分に強い磁界が印加されるようにすることにより、プラズマ密度等のプラズマ特性を均一性を高めることができる。また、このように複数個のプラズマリングを形成することにより、広範囲に亘ってプラズマ密度等を均一にすることができる。
また、プラズマ処理装置１００において生成されるマイクロ波プラズマは表面波プラズマであるため、透過板２８の近くにしかプラズマが生成されない。このため磁石装置５０（リング状磁石５１，５２）はマイクロ波導入部３０の上方に配置されていても、プラズマに比較的近接することとなり、プラズマに対する磁界の作用を大きくすることができる。したがって、プラズマの密度分布を効率よく制御することができる。また、このように磁石装置５０をプラズマに比較的近接して配置できるため、磁石装置５０を小型化することができ、よって、半導体ウエハＷに与えられる磁界の影響を軽減することができる。具体的には、半導体ウエハＷ上での磁束密度を３０ガウス以下とすることができる。これにより半導体ウエハＷの磁界によるダメージやチャージアップダメージ等を抑制することができる。さらに、上述したように磁石装置５０の小型化が可能であるので、チャンバー１を大口径化した場合にも、容易にこれに対応することができる。なお、図９のドーム型をした透過板２８を用いれば、透過板２８を薄くすることができるので、磁石装置５０とプラズマをさらに近接させることも可能となる。
さらに、本実施形態では、磁石移動機構６０により、リング状磁石５１，５２をそれぞれ独立にチャンバー１に近づけ、またはチャンバー１から遠ざけるように移動することができるため、チャンバー１内での磁界強度を制御することができ、プラズマ密度等を制御することができる。このため、プロセス特性の均一性を高めることができる。
上述の実施形態とともに本発明を説明したが、本発明は具体的に開示された実施例に限定されさるものではなく、クレームされた本発明の範囲から逸脱することなく、種々の変形例や実施例が考えられる。
プラズマ処理は、特に限定されるものではなく、酸化処理、窒化処理、酸窒化処理、薄膜の堆積処理、エッチング処理などの種々のプラズマ処理であって良い。
また、磁石装置５０では２つのリング状磁石が同心状に配置されているが、上述のように１つでも３つ以上のリング状磁石が磁石装置５０に配置されて良い。磁石装置５０が１つのリング状磁石を有する場合、その１つのリング状磁石が磁石移動機構により垂直方向または水平方向に移動される。また、３つ以上のリング状磁石を有する磁石装置においては、磁石移動機構によって、少なくとも１つのリング状磁石を移動させればよい。さらに、磁石装置の磁石についても、リング状磁石に限るものではない。
さらに、被処理体についても、半導体ウエハに限らず、ＦＰＤ用ガラス基板などの他の基板を対象にすることができ、ＦＰＤ用ガラス基板のような矩形基板の場合、リング状磁石の形状はガラス基板に対応した矩形状として良く、１つ又は２つ以上の矩形状磁石を同心状に配置しても良い。
また、リング状磁石５１には複数のＮ極セグメント５１ａと複数のＳ極セグメント５１ｂとが取り付けられているが、Ｎ極セグメントおよびＳ極セグメントに代わり、複数の電磁石コイルを取り付けて、これらに電流を流して、例えば図５に示す磁界を形成しても良い。
さらに、図９（Ａ）〜（Ｄ）を参照しながら、偏心回転する磁石装置５０を説明したが、以下のようにしても良い。すなわち、環状プレートを用意し、この環状プレートの一面に例えばＮ極セグメント５１ａ，５２ａとＳ極セグメント５１ｂ，５２ｂとを環状プレートに対して非同心円状に取り付けて、この環状プレートを、同軸導波管３７ａ及び平面アンテナ部材３１の中心を中心として自転させても構わない。これによっても、図９（Ａ）〜（Ｄ）に示す偏心回転と実質的に同一の偏心回転が実現される。
本出願は、２００７年３月８日に日本国特許庁へ出願された特許出願第２００７−０５８５３７号に関連する主題を包含し、それらの内容のすべてをここに援用する。
Claims (16)
- 被処理体を収容する処理容器と、
マイクロ波を発生するマイクロ波発生部と、
前記マイクロ波発生部で発生したマイクロ波を前記処理容器に向けて導く導波路と、
前記導波路に導かれたマイクロ波を前記処理容器に向けて放射する複数のマイクロ波放射孔を有する導体からなる平面アンテナと、
前記処理容器の天壁を構成し、前記平面アンテナのマイクロ波放射孔を通過したマイクロ波を透過する、誘電体からなるマイクロ波透過板と、
前記処理容器内に処理ガスを導入する処理ガス導入機構と、
前記平面アンテナの上方に設けられて前記処理容器内に磁界を形成し、当該磁界によって前記マイクロ波により前記処理容器内に生成される処理ガスのプラズマ特性を制御する磁界形成部と、
を備えるプラズマ処理装置。 - 前記磁界形成部は、前記平面アンテナと同心状に設けられたリング状磁石を有する、請求項１に記載のプラズマ処理装置。
- 前記磁界形成部が前記処理容器に対して接近しまたは離反する方向に、前記磁界形成部を移動する第１の移動機構を更に備える、請求項１または請求項２に記載のプラズマ処理装置。
- 前記磁界形成部が前記処理容器に対して接近しまたは離反する方向と交差する方向に、前記磁界形成部を移動する第２の移動機構を更に備える、請求項１から請求項３のいずれか一項に記載のプラズマ処理装置。
- 前記第２の移動機構が、前記磁界形成部の中心が前記平面アンテナの中心の回りを公転するように当該磁界形成部を移動する、請求項４に記載のプラズマ処理装置。
- 前記磁界形成部は、前記平面アンテナと同心状に設けられた少なくとも２個のリング状磁石を有する、請求項１に記載のプラズマ処理装置。
- 前記リング状磁石の少なくとも１つが前記処理容器に対して接近しまたは離反する方向に、前記リング状磁石の少なくとも１つを移動する第３の移動機構を更に備える、請求項６に記載のプラズマ処理装置。
- 前記リング状磁石の少なくとも１つが前記処理容器に対して接近しまたは離反する方向と交差する方向に、前記リング状磁石の少なくとも１つを移動する第４の移動機構を更に備える、請求項６または請求項７に記載のプラズマ処理装置。
- 前記第４の移動機構が、前記リング状磁石の少なくとも１つの中心が前記平面アンテナの中心の回りを公転するように当該前記リング状磁石の少なくとも１つを移動する請求項８に記載のプラズマ処理装置。
- 前記処理容器内のプラズマ特性が前記リング状磁界形成部により制御されるように前記リング状磁石の移動を制御する制御部を更に備える、請求項７から請求項９のいずれか一項に記載のプラズマ処理装置。
- 処理容器内に被処理体を収容する工程と、
前記処理容器に処理ガスを供給する工程と、
マイクロ波発生部で発生したマイクロ波を導波路により複数のマイクロ波放射孔を有する導体からなる平面アンテナに導き、該マイクロ波をこの平面アンテナから前記処理容器へ導入して前記処理容器内に処理ガスのプラズマを生成する工程と、
前記処理ガスのプラズマに磁界を印加してプラズマ特性を制御する工程と、
を含むプラズマ処理方法。 - 前記プラズマを制御する工程が、所望の前記プラズマ特性を実現するように前記磁界を制御する工程を含む、請求項１１に記載のプラズマ処理方法。
- 前記プラズマを制御する工程が、前記平面アンテナと同心円状に配置された少なくとも２個のリング状磁石の少なくとも一つが前記処理容器に対して接近しまたは離反する方向に当該リング状磁石の少なくとも一つを独立に移動する工程を含む、請求項１２に記載のプラズマ処理方法。
- 前記プラズマを制御する工程が、前記平面アンテナと同心円状に配置された少なくとも２個のリング状磁石の少なくとも一つが前記処理容器に対して接近しまたは離反する方向と交差する方向に当該リング状磁石の少なくとも一つを独立に移動する工程を含む、請求項１２または請求項１３に記載のプラズマ処理方法。
- 前記プラズマを制御する工程が、前記平面アンテナと同心円状に配置された少なくとも２個のリング状磁石の少なくとも一つの中心が前記平面アンテナの中心の回りを公転するように当該リング状磁石の少なくとも一つを独立に移動する工程を含む、請求項１４に記載のプラズマ処理方法。
- 請求項１１から１５のいずれか一項に記載のプラズマ処理方法を、請求項１から９のいずれか一項に記載のプラズマ処理装置に実行させるプログラムを格納するコンピュータ可読記憶媒体。
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