WO2006092985A1

WO2006092985A1 - マイクロ波プラズマ処理装置

Info

Publication number: WO2006092985A1
Application number: PCT/JP2006/303048
Authority: WO
Inventors: Caizhong Tian; Kiyotaka Ishibashi; Toshihisa Nozawa; Nobuhiko Yamamoto
Original assignee: Tokyo Electron Limited
Priority date: 2005-03-04
Filing date: 2006-02-21
Publication date: 2006-09-08
Also published as: CN101133688A; JP2006244891A; KR100960424B1; KR20070108929A

Abstract

　本発明は、被処理体が収容されるチャンバーと、前記チャンバー内に処理ガスを供給する処理ガス供給手段と、前記チャンバー内で前記処理ガスのプラズマを形成するマイクロ波を発生させるマイクロ波発生源と、マイクロ波発生源で発生されるマイクロ波を前記チャンバーに向けて導く導波手段と、前記導波手段によって導かれるマイクロ波を前記チャンバー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、前記チャンバーの天壁を構成し、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、前記平面アンテナの前記マイクロ波透過板に対して反対側に設けられ、前記平面アンテナに到達するマイクロ波の波長を短くする機能を有する、誘電体からなる遅波板と、を備えたマイクロ波プラズマ処理装置である。前記平面アンテナと前記マイクロ波透過板とは、実質的に空気を介さずに密着しており、前記遅波板と前記マイクロ波透過板とは、同じ材質で形成され、前記遅波板、前記平面アンテナ、前記マイクロ波透過板、及び、前記チャンバー内で形成される前記処理ガスのプラズマ、によって形成される等価回路が、共振条件を満たす。

Description

マイクロ波プラズマ処理装置

技術分野

[0001] 本発明は、被処理体にマイクロ波プラズマによる処理を施すマイクロ波プラズマ装置に関する。

背景技術

[0002] 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の高集積化及び高速化の要請から、 LSIを構成する半導体素子のデザインルールが益々微細化されている。また、半導体ウェハは大型化されてきている。それにともなって、プラズマ処理装置にお、ても、このようなデザインルールの微細化および半導体ゥェハの大型化に対応するものが求められて、る。

[0003] 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、利用する電子温度が高いために、微細素子にプラズマダメージが生じてしまう。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が困難である。

[0004] そこで、高密度かつ低電子温度のプラズマを均一に形成することができる RLS A (R adial Line Slot Antenna)マイクロ波プラズマ処理装置が注目されて!/、る（例えば特開 2000 - 294550号公報）。

[0005] RLS Aマイクロ波プラズマ処理装置は、チャンバ一の上部に、所定のパターンの多数のスロットが形成された平面アンテナ（Radial Line Slot Antenna)を備えている。そして、マイクロ波発生源力導かれるマイクロ波力平面アンテナのスロットからチャンバーに向けて放射される。当該マイクロ波は、平面アンテナの下に設けられた誘電体カゝらな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一内に放射される。このマイクロ波電界により、チャンバ一内に導入されるガスはプラズマ化される。このようにして形成されるプラズマにより、半導体ウェハ等の被処理体がプラズマ処理される

[0006] この RLSAマイクロ波プラズマ処理装置によれば、アンテナ直下の広い領域に亘って高、プラズマ密度を実現することができ、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、低電子温度のプラズマが形成されるため、素子へのダメージも小さい。

[0007] この RLSAマイクロ波プラズマ処理装置においては、マイクロ波透過板におけるマイク口波電界分布を調整して、プラズマモードを安定させるために、平面アンテナとマイク口波透過板との間にエアーギャップを設ける技術が知られている (Jpn. Appl. Phy s. Vol.38 (1999) pp.2082- 2088 Part 1, No. 4A, April 1999)。

[0008] し力しながら、平面アンテナとマイクロ波透過板との間にエアーギャップを設けると、マイクロ波透過板を構成する誘電体よりもエアーギャップの方力 Sインピーダンスが高いため、エアーギャップでのマイクロ波パワーロスが大きくなつてしまう。その結果、マイク口波パワー効率が低下したり、アンテナ内部での異常放電が発生しやすくなつてしまう。

発明の要旨

[0009] 本発明は力かる事情に鑑みてなされたものであって、マイクロ波パワーのロスが小さぐマイクロ波パワー効率が低下せず、アンテナ内部での異常放電が発生し難いマイクロ波プラズマ処理装置を提供することを目的とする。

[0010] 上記課題を解決するために、本発明は、被処理体が収容されるチャンバ一と、前記チャンバ一内に処理ガスを供給する処理ガス供給手段と、前記チャンバ一内で前記処理ガスのプラズマを形成するマイクロ波を発生させるマイクロ波発生源と、マイクロ波発生源で発生されるマイクロ波を前記チャンバ一に向けて導く導波手段と、前記導波手段によって導かれるマイクロ波を前記チャンバ一に向けて放射する複数のマイク口波放射孔を有する導体からなる平面アンテナと、前記チャンバ一の天壁を構成し、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、前記平面アンテナの前記マイクロ波透過板に対して反対側に設けられ、前記平面アンテナに到達するマイクロ波の波長を短くする機能を有する、誘電体からなる遅波板と、を備え、前記平面アンテナと前記マイクロ波透過板とは、実質的に空気を介さずに密着しており、前記遅波板と前記マイクロ波透過板とは、同じ材質で形成され、前記遅波板、前記平面アンテナ、前記マイクロ波透過板、及び、前記チャンバ一内で形成される前記処理ガスのプラズマ、によって形成される等価回路が、共振条件を満たすことを特徴とするマイクロ波プラズマ処理装置である。

[0011] 本発明によれば、平面アンテナとマイクロ波透過板との間が密着しており、従来のようなエアーギャップが形成されないため、エアーギャップによってマイクロ波パワー口スが生じることがなぐマイクロ波パワー効率の低下やアンテナ内部での異常放電を発生し難くすることができる。

[0012] ここで、単にエアーギャップをなくしただけでは、マイクロ波の反射が大きくなり、ブラズマの安定性が悪くなるおそれがある。し力しながら、本発明によれば、遅波板、平面アンテナ、マイクロ波透過板、およびプラズマで形成される等価回路が共振するようになつているので、マイクロ波の反射は極小にされ、また、遅波板とマイクロ波透過板とを同じ材質としているためにマイクロ波の界面反射が防止され、プラズマを安定に維持することができる。

[0013] また、本発明は、被処理体が収容されるチャンバ一と、前記チャンバ一内に処理ガスを供給する処理ガス供給手段と、前記チャンバ一内で前記処理ガスのプラズマを形成するマイクロ波を発生させるマイクロ波発生源と、マイクロ波発生源で発生されるマイクロ波を前記チャンバ一に向けて導く導波手段と、前記導波手段によって導かれるマイクロ波を前記チャンバ一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力ゝらなる平面アンテナと、前記チャンバ一の天壁を構成し、前記平面アンテナのマイク口波放射孔を通過したマイクロ波を透過する、誘電体カゝらなるマイクロ波透過板と、前記平面アンテナの前記マイクロ波透過板に対して反対側に設けられ、前記平面アンテナに到達するマイクロ波の波長を短くする機能を有する、誘電体からなる遅波板と、を備え、前記平面アンテナと前記マイクロ波透過板とは、実質的に空気を介さずに密着しており、前記遅波板と前記マイクロ波透過板とは、これらの誘電率の値の比が 70%〜130%となるような材質で形成され、前記遅波板、前記平面アンテナ、前記マイクロ波透過板、及び、前記チャンバ一内で形成される前記処理ガスのプラズマ、によって形成される等価回路が、共振条件を満たすことを特徴とするマイクロ波プラズマ処理装置である。

[0014] 本発明によれば、平面アンテナとマイクロ波透過板との間が密着しており、従来のようなエアーギャップが形成されないため、エアーギャップによってマイクロ波パワー口スが生じることがなぐマイクロ波パワー効率の低下やアンテナ内部での異常放電を発生し難くすることができる。

[0015] ここで、単にエアーギャップをなくしただけでは、マイクロ波の反射が大きくなり、ブラズマの安定性が悪くなるおそれがある。し力しながら、本発明によれば、遅波板、平面アンテナ、マイクロ波透過板、およびプラズマで形成される等価回路が共振するようになつているので、マイクロ波の反射は極小にされ、また、遅波板とマイクロ波透過板とをこれらの誘電率の値の比が 70%〜130%となるような材質としているためにマイク口波の界面反射が防止され、プラズマを安定に維持することができる。

[0016] 上記いずれの発明においても、前記マイクロ波透過板の厚さは、導入されるマイク口波の波長の 1Z2〜1Z4の範囲、より好ましくは 1Z2〜1Z3の範囲であり、前記平面アンテナのマイクロ波反射率は、 0. 4〜0. 8の範囲である。これらの条件によれば、上記等価回路が共振条件を満たし得る。

[0017] 前記導波手段としては、前記マイクロ波発生源力発生されるマイクロ波を TEモードで伝搬する矩形導波管と、 TEモードを TEMモードに変換するモード変^^と、 T EMモードに変換されたマイクロ波を前記平面アンテナに向けて伝搬する同軸導波管と、を有するものを採用することができる。

[0018] また、前記平面アンテナに形成された複数のマイクロ波放射孔の各々は、長溝状をなし、隣接する二つのマイクロ波放射孔は、互いに交差する方向に配置されて、一つのマイクロ波放射孔対を形成し、複数のマイクロ波放射孔対が、同心円状に配置されて、ることが好適である。

[0019] また、前記遅波板および平面アンテナを覆う蓋体を更に備えることができる。この場合、当該蓋体に冷媒流路が設けられ、この冷媒流路に冷媒を通流させることにより、前記遅波板、平面アンテナ、前記マイクロ波透過板が冷却されるようになっていることが好ましい。このような構成では、エアーギャップが存在しないために、従来エアーギヤップの存在により熱伝導性が低く冷却効率が悪力つたマイクロ波透過板の冷却を、十分に行うことができる。

[0020] 例えば、マイクロ波の周波数は、 2. 45GHzであり、遅波板とマイクロ波透過板との比誘電率は、 3. 5〜4. 5であり、マイクロ波放射孔は、二重に配されている。

[0021] 例えば、遅波板とマイクロ波透過板とは、石英であり、マイクロ波プラズマ装置は、プラズマエッチング装置ある、はプラズマ表面改質装置であることが好まし、。

[0022] あるいは、遅波板とマイクロ波透過板とは、アルミナであり、マイクロ波プラズマ装置は、プラズマ CVD装置であることが好ましい。

図面の簡単な説明

[0023] [図 1]図 1は、本発明の一実施の形態に係るマイクロ波プラズマ処理装置を模式的に示す断面図である。

[図 2]図 2は、平面アンテナの構造を示す平面図である。

[図 3]図 3は、遅波板、平面アンテナ、マイクロ波透過板、およびプラズマで形成される等価回路を示す図である。

[図 4]図 4 (a)及び図 4 (b)は、マイクロ波透過板の厚さを説明するための図である。

[図 5]図 5は、本発明のマイクロ波プラズマ処理装置におけるプラズマ透過板表面の電界分布のシミュレーション結果を示す図である。

[図 6]図 6は、本発明のマイクロ波プラズマ処理装置における電子温度分布例の測定結果を示すグラフである。

[図 7]図 7は、本発明のマイクロ波プラズマ処理装置における電子密度分布例を示す図である。

[図 8]図 8 (a)は、本発明に係るマイクロ波プラズマ処理装置について、マイクロ波透過板表面でのマイクロ波電界強度をシミュレーションした結果を示す図である。図 8 ( b)は、従来のマイクロ波プラズマ処理装置について、マイクロ波透過板表面でのマイクロ波電界強度をシミュレーションした結果を示す図である。

発明を実施するための最良の形態

[0024] 以下、添付図面を参照して本発明の実施の形態について具体的に説明する。

図 1は、本発明の一実施の形態に係るマイクロ波プラズマ処理装置を模式的に示す断面図である。

[0025] このマイクロ波プラズマ処理装置 100は、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)を利用して、マイクロ波発生源から導かれるマイクロ波をチャンバ一内に放射してプラズマを形成する RLSAマイクロ波ブラズマ処理装置として構成されて!ヽる。

[0026] このマイクロ波プラズマ処理装置 100は、気密に構成されかつ接地された略円筒状のチャンバ一 1を有している。チャンバ一 1の底壁 laの略中央部には円形の開口部 1 0が形成されている。底壁 laには、この開口部 10と連通すると共に下方に向けて突出する排気室 11が設けられている。チャンバ一 1内には、被処理基板であるウェハ Wを水平に支持するためのサセプタ 2が設けられている。サセプタ 2は、 A1N等のセラミックス力もなる。このサセプタ 2は、排気室 11の底部中央力上方に延びる円筒状の支持部材 3により支持されている。支持部材 3も A1N等のセラミックス力もなる。サセプタ 2の外縁部には、ウェハ Wをガイドするためのガイドリング 4が設けられている。また、サセプタ 2には、抵抗加熱型のヒータ 5が埋め込まれている。このヒータ 5は、ヒータ電源 6から給電されることにより、サセプタ 2を加熱する。サセプタ 2の当該熱が被処理体であるウェハ Wを加熱する。また、チャンバ一 1の内周壁には、石英力もなる円筒状のライナー 7が設けられて、る。

[0027] サセプタ 2には、ウェハ Wを支持して昇降させるためのウェハ支持ピン（図示せず）力サセプタ 2の表面に対して突没可能に設けられて、る。

[0028] チャンバ一 1の側壁には、環状をなすガス導入部材 15が設けられている。このガス導入部材 15には、処理ガス供給系 16が接続されている。これにより、処理ガス供給系 16から所定の処理ガスがガス導入部材 15を介してチャンバ一 1内に導入される。ガス導入部材は、シャワー状に配置してもよい。処理ガスとしては、プラズマ処理の種類に応じて適宜のガスが用いられる。例えば、タングステン系ゲート電極の選択酸ィ匕処理のような酸ィ匕処理を行う場合には、 Arガス、 H ガス、 O ガス等が用いられる。

2 2

[0029] 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。そして、この排気装置 24を作動させることにより、チャンバ一 1内のガスは排気室 11の下方空間 11a内へ均一に排出され、更に排気管 23を介して排気される。これにより、チャンバ一 1内は所定の真空度、例えば 0. 133Pa、まで高速に減圧され得る。

[0030] チャンバ一 1の側壁には、プラズマ処理装置 100に隣接する搬送室（図示せず）との間でウェハ Wの搬入出を行うための搬入出口 25と、この搬入出口 25を開閉するゲートバルブ 26と、が設けられている。

[0031] チャンバ一 1の上部は、開口部となっている。この開口部の周縁部に沿って、リング状の支持部 27が設けられている。この支持部 27の上に、マイクロ波を透過するマイク口波透過板 28がシール部材 29を介して気密に設けられている。これにより、チャンバ一 1内は気密に保持されている。マイクロ波透過板 28は、誘電体、例えば石英や A1

2

O 等のセラミックス力なる。

3

[0032] マイクロ波透過板 28の上方には、円板状の平面アンテナ 31が設けられている。平面アンテナ 31は、マイクロ波透過板 28を介してサセプタ 2と対向するように配置されている。この平面アンテナ 31は、チャンバ一 1の側壁の上端に係合されている。平面アンテナ 31は、導体、例えば表面が金メッキされた銅板またはアルミニウム板力もなる。平面アンテナ 31は、多数のマイクロ波放射孔 (スロット） 32が所定のパターンで形成された構成となっている。すなわち、平面アンテナ 31は RLSAアンテナを構成している。マイクロ波放射孔 32は、例えば図 2に示すように、長溝状である。図 2の例では、隣接する二つのマイクロ波放射孔 32が交差する方向に、典型的には図示のように直交する方向に（「T」字状に)配置され、これらマイクロ波放射孔 32の対 (組)が同心円状に配置されて、る。各マイクロ波放射孔 32の長さやマイクロ波放射孔 32の対（組)の配列間隔は、マイクロ波の波長等に応じて決定される。図 2において、同心円状に配置されたマイクロ波放射孔 32の対 (組）同士の径方向間隔 Arを後述する遅波板 33中におけるマイクロ波の波長とし、平面アンテナ 31の中心力も最内周のマイクロ波放射孔 32までの長さも Arに一致させると、平面アンテナ 31から強い電界が放射されることとなり好ましい。図 2の例では、 4ターン（四重円）のマイクロ波放射孔 32 が配置されている。各マイクロ波放射孔 32は、円形状、円弧状等の任意の形状であつてよい。また、マイクロ波放射孔 32 (の組)の配置形態も特に限定されず、同心円状の他、例えば、螺旋状、放射状に配置することもできる。

[0033] この平面アンテナ 31の上面には、真空よりも大きい誘電率を有する誘電体からなる遅波板 33が設けられている。この遅波板 33は、真空中におけるマイクロ波の波長と比較して遅波板中におけるマイクロ波の波長を短くする機能を有して、る。 [0034] チャンバ一 1の上面には、平面アンテナ 31および遅波板 33を覆うように、シールド蓋体 34が設けられている。シールド蓋体 34は、例えばアルミニウムやステンレス鋼等の金属材カなる。チャンバ一 1の上面とシールド蓋体 34とは、シール部材 35によりシールされている。

[0035] シールド蓋体 34には、冷却水流路 34aが形成されている。冷却水流路 34aに冷却水を通流させることにより、平面アンテナ 31、マイクロ波透過板 28、遅波板 33及びシ一ルド蓋体 34が冷却され得る。シールド蓋体 34は、接地されている。

[0036] シールド蓋体 34の中央には、開口部 36が形成されている。この開口部 36に導波管 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、マイク口波発生装置 39が接続されている。これにより、マイクロ波発生装置 39で発生される例えば周波数 2. 45GHzのマイクロ波力導波管 37を介して上記平面アンテナ部材 31へ伝搬されるようになっている。なお、マイクロ波の周波数としては、 8. 35G Hz、 1. 98GHz等を用いることもできる。

[0037] 導波管 37は、シールド蓋体 34の開口部 36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の上端部に接続された水平方向に延びる断面矩形状の矩形導波管 37bと、を有している。矩形導波管 37bの同軸導波管 37aとの接続部側の端部には、モード変が設けられている。同軸導波管 37aの中心には、内導体 41が延在している。この内導体 41の下端部は、平面アンテナ 31の中心部に接続固定されている。

[0038] プラズマ処理装置 100の各構成部は、プロセスコントローラ 50に接続され、当該プロセスコントローラ 50によって制御されるようになっている。プロセスコントローラ 50には、工程管理者がプラズマ処理装置 100の各構成部を管理するためにコマンドの入力操作等を行うためのキーボードやプラズマ処理装置 100の各構成部の稼働状況を可視化して表示するディスプレイ等を含むユーザーインタフェース 51と、プラズマ処理装置 100で実行される各種処理をプロセスコントローラ 50の制御にて実現するための制御プログラムや処理条件データ等が記録されたレシピが格納された記憶部 52 と、が接続されている。

[0039] そして、必要に応じて、ユーザーインタフェース 51からの指示等に基づいて、任意のレシピが記憶部 52から呼び出されて、プロセスコントローラ 50に実行される。これにより、プロセスコントローラ 50の制御下で、プラズマ処理装置 100において所望の処理が行われる。

[0040] 次に、本実施形態における遅波板 33、平面アンテナ 31及びマイクロ波透過板 28 についてさらに詳細に説明する。

[0041] 本実施の形態においては、図 1に示すように、平面アンテナ 31とマイクロ波透過板 28とが密着しており、従来のようなエアーギャップが形成されていない。また、遅波板 33と平面アンテナ 31との間も密着している。しかし、単にエアーギャップをなくしただけでは、モード変換器 40から見たマイクロ波の反射が大きくなり、プラズマの安定性が悪くなるとともに、マイクロ波パワーの効率も劣るものとなる。

[0042] そこで、本実施の形態においては、遅波板 33、平面アンテナ 31、マイクロ波透過板 28及び形成されるプラズマで構成される図 3に示すような等価回路が共振条件を満たすようになっており、かつ、遅波板 33とマイクロ波透過板 28とが同じ材質力もなつている。上記等価回路が共振条件を満たすようになつていることにより、マイクロ波の反射を極小にすることができる。また、遅波板 33とマイクロ波透過板 28とが同じ材質力もなつていることにより、マイクロ波の界面反射を防止することができる。これらにより、プラズマの安定性を高くしつつ、マイクロ波パワーの効率を高く維持することができる。

[0043] 図 3に示すように、遅波板 33およびプラズマ透過板 28はコンデンサ一として機能し、平面アンテナ 31は抵抗として機能し、プラズマはコイルとして機能する。図 3の等価回路に示すように、遅波板 33のキャパシタンスを Cl、プラズマ透過板 28のキャパシタンスを C2、平面アンテナ 31の抵抗を R、プラズマのインダクタンスを Lとし、さらにマイク口波の周波数を fとすると、共振状態となるためには、以下の（1)式が成り立つ必要がある。

[数 1]

( 1) ここで、 Cは、 C= l/{ (1/Cl) + (1/C2) }である。

[0044] このような共振条件を満たすためには、キャパシタンスを規定するマイクロ波透過板 28の厚さ力マイクロ波透過板 28中におけるマイクロ波の波長の lZ2〜lZ4(l/2 え〜 1/4 λ )の範囲であること、および、平面アンテナ 31のモード変換器 40から見たマイクロ波反射率 (パワー反射係数）が 0. 4〜0. 8の範囲内であること、が有効である。

[0045] 共振条件を規定する上記（1)式に含まれているキャパシタンスの大きさは、構成要素部材の厚さに反比例する。ここで、遅波板 33については、薄い方が平面アンテナ 31及びマイクロ波透過板 28を効率良く冷却することができるので、マイクロ波透過板 28の厚さ（キャパシタンス Cの大きさに対して、より支配的となるキャパシタンス C2)を共振となり得る範囲に規定する。マイクロ波透過板 28の厚さが導入されるマイクロ波の波長の 1Z2より大きいか 1Z3より小さいと、共振条件を満たす領域が狭くなる。さらに 1Z4より小さくなると、共振することは困難となる。

[0046] ここで、マイクロ波透過板 28の厚さとしては、図 4 (a)に示すように、その形状が平坦な場合には、その実際の厚さ dlが用いられる。その際のマイクロ波透過板 28のキヤノンタンスを CF、その比誘電率を ε 0とし、表面積を S1とすると、以下の（2)式が成り立つ。

CF= ε 0 (Sl/dl) · ' · (2)

一方、マイクロ波透過板 28が複雑形状の場合には、その厚さとしては、キャパシタンスの計算式力求めた相当厚さ d2が用いられる。すなわち、複雑形状のマイクロ波透過板 28のキャパシタンスを CC、表面積を S2とすると、以下の（3)式が成り立つ。ここで、表面積 S2は必ず求められる。従って、複雑形状で d2が求めにくい場合は、キャパシタンス CCを実測した後、（3)式力逆算して相当厚さ d2を求めて、これをマイクロ波透過板 28の厚さとすることができる。

CC= ε 0 (S2/d2) · ' · (3)

なお、この際の相当厚さ d2は、図 4 (b)に示すように、凹凸の平均厚さに相当する。

[0047] 平面アンテナ 31のマイクロ波反射率については、それが 0. 4より低いと、周波数が変化した際の位相の変化が大きいために共振条件に調整することが困難であり、一方、それが 0. 8を超えると、本質的に共振条件を満たし難くなる。

[0048] なお、遅波板 33とマイクロ波透過板 28とは、同一材質であることが好ましい。しかし

、異なる材質であっても、それらの誘電率の比が 70%乃至 130%の範囲であれば、必ず共振条件に調整できるということがシミュレーションにより確認されている。

[0049] このように構成されたプラズマ処理装置 100においては、まず、ゲートバルブ 26が開とされて、搬入出口 25から被処理体であるウェハ Wがチャンバ一 1内に搬入される

。ウェハ Wは、サセプタ 2上に載置される。

[0050] そして、ガス供給系 16から所定の処理ガスがガス導入部材 15を介してチャンバ一

1内に導入され、所定の圧力に維持される。例えば、タングステン系ゲート電極の選択酸化処理のような酸化処理を行う場合には、処理ガスとして Arガス、 H ガス、 O

2 2 ガス等がチャンバ一 1内に導入され、チャンバ一 1内の圧力は例えば 3〜700Paとされる。

[0051] 次いで、マイクロ波発生装置 39からのマイクロ波がマッチング回路 38を経て導波管 37に導かれる。マイクロ波は、矩形導波管 37b、モード変 40、同軸導波管 37a 及び遅波板 33を順次通って、平面アンテナ部材 31に供給される。マイクロ波は、更に、平面アンテナ部材 31からマイクロ波透過板 28を経てチャンバ一 1内におけるゥエノ、 Wの上方空間に放射される。マイクロ波は、矩形導波管 37b内では TEモードで伝搬される。この TEモードのマイクロ波は、モード変^ ^40で TEMモードに変換される。この TEMモードのマイクロ波は、同軸導波管 37a内を平面アンテナ部材 31に向けて伝搬されていく。

[0052] 平面アンテナ部材 31からマイクロ波透過板 28を経てチャンバ一 1に放射されるマイクロ波により、チャンバ一 1内では導入された処理ガスがプラズマ化される。このブラズマにより、酸化処理等の所定の処理が行われる。

[0053] 本実施の形態のマイクロ波プラズマ処理装置 100は、略 10¹²Zcm³以上の高プラズマ密度で、かつ、略 1. 5eV以下の低電子温度プラズマを実現することができる。このため、低温かつ短時間でプラズマ処理を行うことができ、し力も下地膜へのイオン等のプラズマダメージが小さい等のメリットがある。

[0054] また、本実施の形態においては、図 1に示すように、平面アンテナ 31とマイクロ波透過板 28との間が密着した状態となっており、従来のようなエアーギャップが形成されていないため、エアーギャップでマイクロ波パワーロスが生じることがない。また、マイクロ波パワー効率の低下や、アンテナ内部におけるマイクロ波放射孔 (スロット） 32のギャップ間及び遅波板 33周辺にて発生しやすい異常放電を防止することができる。

[0055] し力し、単にエアーギャップをなくしただけでは、モード変換器 40から見たマイクロ波の反射が大きくなり、プラズマの安定性が悪くなるおそれがある。これに対して、本実施の形態においては、遅波板 33、平面アンテナ 31、マイクロ波透過板 28及び形成されるプラズマで構成される等価回路が共振するようになっていることにより、マイクロ波の反射を極小にすることができる。また、遅波板 33とマイクロ波透過板 28とが同じ材質力なっていることにより、マイクロ波の界面反射を防止することができる。これらにより、プラズマを安定に維持しつつ、マイクロ波パワー効率の低下やアンテナ内部での異常放電を発生し難くすることができる。なお、平面アンテナ 31とマイクロ波透過板 28とは、その間に実質的に空気を介さずに密着していればよい。すなわち、密着誤差や熱膨張等によるわず力な隙間があっても、 0. 1mm以下であれば許容される (本発明に含まれる)。

[0056] また、平面アンテナ 31とマイクロ波透過板 28との間には、熱伝導性の低いエアーギャップが存在しない。このため、シールド蓋体 34に形成された冷却水流路 34aに冷却水を通流させて、平面アンテナ 31、マイクロ波透過板 28、遅波板 33及びシールド蓋体 34を冷却する際に、従来冷却効率が悪かったマイクロ波透過窓 28を効率良く冷却することができる。

[0057] 次に、本発明の効果を確認するために行われた実験について説明する。

ここでは、以下のような遅波板 33、平面アンテナ 31及びプラズマ透過板 28が用いられた。

遅波板:石英製、径 Φ 329mm,厚さ 7mm

平面アンテナ：径 φ 344πιπι、厚さ 0. 3mm

プラズマ透過板：石英製、径 φ 362mm,厚さ 31. 3mm(=l/2 λ )、

フラットタイプ、平面アンテナに密着した一体型

また、電気特性は以下のように設定された。周波数： 2. 45GHz

ノヮ一密度： 2. 67W/cm² (at 2750W) , 2. 91W/cm²

(at 3000W)

入力インピーダンス： 50 Ω (2. 45GHz)

パワー反射係数： 0. 75 (2. 45GHz)

[0058] 以上の条件で、プラズマ透過板の中における電界分布のシミュレーションが行われた。解析条件として、プラズマ放射孔 (スロット）は、図 5に示すように、各々は長溝状とされ、隣接する二つのマイクロ波放射孔 32同士は「L」字状に配置され、これら「L」字状のマイクロ波放射孔 32の対 (組)が同心円状に二重に配置され、プラズマ密度は l X 10¹²Zcm³とされた。その結果、図 5に示すように、電界分布は比較的均一であり、 3 X 10² VZm以上の高い電界強度の部分が多ぐ 4 X 10² VZm以上の部分も見られ、マイクロ波パワーのロスが少な、ことが確認された。

[0059] 次に、以上の条件で、実際にプラズマが形成され、電子温度分布および電子密度分布が求められた。その際、処理ガスとしては Arが用いられ、チャンバ一内圧力は 1 Torr(133Pa)とされ、マイクロ波パワーは 2750Wとされた。図 6に電子温度分布を示し、図 7に電子密度分布を示す。

[0060] 図 6に示すように、電子温度は 1. 6eV以下で、かつ、その分布のばらつきは小さい。また、図 7に示すように、電子密度はほぼ 1 X 10¹²/cm³以上で、かつ、その分布のばらつきも小さい。すなわち、低電子温度かつ高密度のプラズマが安定して形成されて、ることが確認された。

[0061] 次に、本発明に係るマイクロ波プラズマ処理装置と、従来のエアーギャップを有するマイクロ波プラズマ処理装置とについて、マイクロ波透過板の中におけるマイクロ波電界強度のシミュレーション結果を説明する。本発明のマイクロ波プラズマ処理装置の場合、遅波板 33、平面アンテナ 31、プラズマ透過板 28および電気特性は、上記実験と同様とされ、プラズマ密度は 1 X 10¹⁰/cm³とされた。従来のマイクロ波プラズマ処理装置の場合には、これらにカ卩えて、エアーギャップの長さ（厚さ）が 20mmとされた。それぞれの結果を図 8 (a)および図 8 (b)に示す。図 8 (a)に示すように、本発明の装置では、 1. 75 X 10¹ VZm以上という高いマイクロ波電界強度の部分が見られる。しかし、図 8 (b)に示すように、従来の装置では、 5VZm以下の低い部分が多い。すなわち、本発明により従来よりもマイクロ波電解強度が著しく高められることがわかった。なお、マイクロ波電界強度の均一性については、本発明と従来技術とで大きな差がみられな、ことが判明した。

[0062] いままで述べてきたような本発明の思想に基づく好適な半導体製造装置として、マイク口波透過板 28と遅波板 33とがアルミナ (Al O )により構成される装置、あるい

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は、これらが石英（SiO )により構成される装置を挙げることができる。

2

[0063] マイクロ波透過板 28と遅波板 33とがアルミナにより構成される装置が好適に適用される例としては、プラズマ CVD装置を挙げることができる。マイクロ波透過板 28とブラズマの活性種等とが反応してマイクロ波透過板 28を構成する元素を含むガスが発生する場合、当該ガスが被処理体上に成膜される膜中に取り込まれて膜質を劣化させる可能性がある。ここで、マイクロ波透過板 28がアルミナ製であれば、アルミナは緻密であるため、例えば石英等に比べて、酸素の放出量を 1桁程度低く抑えることができる。また、例えば、アルミナと他の材料を積層してなる、アルミナに近い誘電率を持つ異なる材料にて、マイクロ波透過板 28と遅波板 33とを構成してもよい。この場合には、誘電率の値の比が共振条件を満足させ得る 70%から 130%の間となるように、比誘電率が 7. 4力 9. 6の範囲にある材料が種々組み合わせられ得る。

[0064] 一方、マイクロ波透過板 28と遅波板 33とが石英により構成される装置が好適に適用される例としては、プラズマエッチング装置あるいはプラズマ表面改質装置を挙げることができる。エッチングや表面改質用のプロセス条件では、イオン衝撃によってマイク口波透過板 28がスパッタされる。この時、マイクロ波透過板 28を構成する元素が金属を含んでいると、被処理体に金属汚染を引き起こす可能性がある。従って、例えばアルミナ等は使用できない。このような場合に、マイクロ波透過板 28が石英製であれば、多くの場合被処理体もシリコンウェハやガラス基板であってこれらと石英とは同じ元素 Siを主成分とするものであるから、金属汚染を引き起こすことはない。

[0065] さらに、マイクロ波透過板 28と遅波板 33とが石英により構成される装置において、同心円状に配置されるマイクロ波放射孔 32の径方向間隔と、平面アンテナ 31の中心力も最内周のマイクロ波放射孔 32までの長さとを A rとし（図 2参照）、 Δ Γ= (遅波板中でのマイクロ波の波長）とすると、マイクロ波周波数が 2. 45GHzの場合、マイク口波放射孔 32は 2ターン形成 (配置）される。ここで、平面アンテナ 31としては、現在の主流である 300mmウェハを処理する装置を想定しており、すなわち、平面アンテナ 31の直径も略 300mmとしている。これに対して、マイクロ波透過板 28と遅波板 33 とがアルミナであれば、マイクロ波放射孔 32は 3ターン形成 (配置）される。両者を比較するに、 3ターンの装置は、 2ターンの装置に比べて、スロットの設計や調整が極めて困難である。例えば、 3ターンの装置では、中間ターンのスロットの数を増やしても、その直下のプラズマ密度が上がるわけではなぐプラズマ空間の中心の密度が減少して外周の密度が高くなつたり、その逆もありうる。中間ターンのスロットから放射されるマイクロ波は、内周ターンおよび外周ターンのスロットから放射される電磁波と、互いに干渉する力もである。このような観点からは、マイクロ波透過板 28と遅波板 33 とを構成する材料として、マイクロ波放射孔 32が 2ターン形成される石英が好ま U、。また、例えば、石英と他の材料を積層してなる、石英に近い誘電率を持つ異なる材料にて、マイクロ波透過板 28と遅波板 33とを構成してもよい。この場合には、誘電率の値の比が共振条件を満足させ得る 70%から 130%の間となるように、比誘電率が 3. 5力 4. 5の範囲にある材料が種々組み合わせられ得る。この場合にも、マイクロ波透過板 28と遅波板 33とが石英の場合と同様、マイクロ波周波数が 2. 45GHzの場合、マイクロ波放射孔 32は 2ターン形成 (配置）される。

[0066] なお、本発明は、上記実施の形態に限定されることなぐ種々変形可能である。たとえば、処理装置の構成は、本発明の構成要件を満たす限り、上記実施の形態に限るものではない。また、対象のプラズマ処理は、酸化処理に限らず、成膜処理、エッチング処理等、種々の処理に適用可能である。さらに、プラズマ処理を行う被処理体としては、半導体ウェハに限らず、フラットパネルディスプレイ基板等、他のものであつてもよい。

[0067] 以上のような本発明は、半導体デバイスの製造工程における酸化処理、成膜処理、エッチング処理等、低電子温度および高密度のプラズマが求められるプラズマ処理に好適である。

Claims

請求の範囲

[1] 被処理体が収容されるチャンバ一と、

前記チャンバ一内に処理ガスを供給する処理ガス供給手段と、

前記チャンバ一内で前記処理ガスのプラズマを形成するマイクロ波を発生させるマイク口波発生源と、

マイクロ波発生源で発生されるマイクロ波を前記チャンバ一に向けて導く導波手段と、

前記導波手段によって導かれるマイクロ波を前記チャンバ一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力なる平面アンテナと、

前記チャンバ一の天壁を構成し、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、誘電体力もなるマイクロ波透過板と、

前記平面アンテナの前記マイクロ波透過板に対して反対側に設けられ、前記平面アンテナに到達するマイクロ波の波長を短くする機能を有する、誘電体からなる遅波板と、

を備え、

前記平面アンテナと前記マイクロ波透過板とは、実質的に空気を介さずに密着しており、

前記遅波板と前記マイクロ波透過板とは、同じ材質で形成され、

前記遅波板、前記平面アンテナ、前記マイクロ波透過板、及び、前記チャンバ一内で形成される前記処理ガスのプラズマ、によって形成される等価回路が、共振条件を満たす

ことを特徴とするマイクロ波プラズマ処理装置。

[2] 被処理体が収容されるチャンバ一と、

マイクロ波発生源で発生されるマイクロ波を前記チャンバ一に向けて導く導波手段と、前記導波手段によって導かれるマイクロ波を前記チャンバ一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力なる平面アンテナと、

を備え、

前記遅波板と前記マイクロ波透過板とは、これらの誘電率の値の比が 70%〜130 %となるような材質で形成され、

ことを特徴とするマイクロ波プラズマ処理装置。

[3] 前記マイクロ波透過板の厚さは、導入されるマイクロ波の波長の 1Z2〜： LZ4の範囲であり、

前記平面アンテナのマイクロ波反射率は、 0. 4〜0. 8の範囲である

ことを特徴とする請求項 1または 2に記載のマイクロ波プラズマ処理装置。

[4] 前記導波手段は、前記マイクロ波発生源力発生されるマイクロ波を TEモードで伝搬する矩形導波管と、 TEモードを TEMモードに変換するモード変換器と、 TEMモードに変換されたマイクロ波を前記平面アンテナに向けて伝搬する同軸導波管と、を有する

ことを特徴とする請求項 1乃至 3のいずれかに記載のマイクロ波プラズマ処理装置。

[5] 前記平面アンテナに形成された複数のマイクロ波放射孔の各々は、長溝状をなし、隣接する二つのマイクロ波放射孔は、互いに交差する方向に配置されて、一つのマイクロ波放射孔対を形成し、複数のマイクロ波放射孔対が、同心円状に配置されている

ことを特徴とする請求項 1乃至 4のいずれかに記載のマイクロ波プラズマ処理装置。

[6] 前記遅波板および平面アンテナを覆う蓋体

を更に備えたことを特徴とする請求項 1乃至 5のいずれかに記載のマイクロ波プラズマ処理装置。

[7] 前記蓋体には冷媒流路が設けられており、この冷媒流路に冷媒を通流させることにより、前記遅波板、平面アンテナ、前記マイクロ波透過板が冷却されるようになっている

ことを特徴とする請求項 6に記載のマイクロ波プラズマ処理装置。

[8] マイクロ波の周波数は、 2. 45GHzであり、

遅波板とマイクロ波透過板との比誘電率は、 3. 5〜4. 5であり、

マイクロ波放射孔は、二重に配されている

ことを特徴とする請求項 1乃至 7のいずれかに記載のマイクロ波プラズマ処理装置。

[9] 遅波板とマイクロ波透過板とは、石英であり、

マイクロ波プラズマ装置は、プラズマエッチング装置あるヽはプラズマ表面改質装置である

ことを特徴とする請求項 1乃至 8のいずれかに記載のマイクロ波プラズマ処理装置。

[10] 遅波板とマイクロ波透過板とは、アルミナであり、

マイクロ波プラズマ装置は、プラズマ CVD装置である