WO2007083653A1

WO2007083653A1 - プラズマ処理装置

Info

Publication number: WO2007083653A1
Application number: PCT/JP2007/050575
Authority: WO
Inventors: Toshiaki Hongoh
Original assignee: Tokyo Electron Limited
Priority date: 2006-01-17
Filing date: 2007-01-17
Publication date: 2007-07-26
Also published as: JP2007194257A

Abstract

　本発明は、マイクロ波によって生じる処理ガスのプラズマを用いて処理を行うプラズマ処理装置に関する。処理装置は、被処理体（Ｗ）が載置される載置台（３４）と、この載置台を収容する真空処理容器（２４）とを備える。処理容器（２４）は、円筒形側壁（２４Ａ）を有し、載置台上に処理ガスのプラズマを形成するための処理空間（Ｓ）を画成する。処理空間の周囲を取り囲んで処理容器の側壁（２４Ａ）にマイクロ波導入窓（７６）が設けられる。処理容器の側壁（２４Ａ）を取り囲んで、マイクロ波導入器（８０）が設けられる。導入器（８０）は、発生器（８４）によって発生されたマイクロ波を導入窓（７６）を通じて処理空間（Ｓ）の略中心に向かって導入する。

Description

明細書

プラズマ処理装置

技術分野

[0001] 本発明は、半導体ウェハ等に対してマイクロ波により生じたプラズマを用いて処理を行うプラズマ処理装置に関する。

背景技術

[0002] 近年、半導体製品の製造工程にお、て、成膜、エッチング、アツシング等の処理のためにプラズマ処理装置が使用される。特に、 0. lmTorr (13. 3mPa)〜数 Torr ( 数百 Pa)程度の比較的圧力が低い高真空状態でも安定してプラズマを立てることができることから、マイクロ波を用いて高密度プラズマを発生させるプラズマ処理装置が使用される傾向にある。

このようなプラズマ処理装置は、例えば特開平 3— 191073号公報、特開平 5— 34 3334号公報、特開平 9— 181052号公報、特開平 5— 345982号公報に開示されている。

[0003] ここで、マイクロ波を用いた一般的なプラズマ処理装置を図 9を参照して概略的に説明する。図 9に示すプラズマ処理装置 2は、真空処理容器 4内に半導体ウェハ Wを載置する載置台 6が設けられている。この載置台 6に対向する処理容器 4の天井部に、マイクロ波を透過する円板状の天板 8を気密に設けてヽる。

[0004] この天板 8の上に、円板状の平面アンテナ部材 10と、この平面アンテナ部材 10の半径方向におけるマイクロ波の波長を短縮するための波長短縮板 12を設置している。この波長短縮板 12の上方には、内部に冷却水を流す冷却水流路が形成された天井冷却ジャケット 14が設けられており、波長短縮板 12等を冷却するようになっている。そして、平面アンテナ部材 10には多数のスロット 16が形成されている。

[0005] これらのスロット 16は一般的には、同心円状に配置されたり、或いは渦巻状に配置されている。そして、平面アンテナ部材 10の中心部に、同軸導波管 18の内部導体 2 0が接続されている。これにより、図示しないマイクロ波発生器より発生したマイクロ波を平面アンテナ部材 10へ導入するようになっている。導入されたマイクロ波は、アンテナ部材 10の中心から半径方向へ放射状に伝搬しつつスロット 16から下方へ放射される。放射されたマイクロ波は、天板 8を透過して下方の処理容器 4内へ導入される。このマイクロ波により、処理容器 4内の処理空間 Sにプラズマを生じさせて、半導体ウエノ、 Wにエッチングや成膜などの所定のプラズマ処理を施すようになってヽる。

[0006] 上記したようなプラズマ処理装置を用いて、成膜やエッチング等のプラズマ処理を行う場合には、処理空間 S内のプラズマの密度をできるだけ均一にして、ウェハ面内の処理の均一性を特に高く維持する必要がある。し力もプラズマ処理を効率的に行うために、処理空間 Sの高さ方向の略中央部分にプラズマ密度^^中させることが望まれる。

[0007] し力しながら、上記平面アンテナ部材 10のスロット 16から下方向へ放射されるマイクロ波は、放射距離が大きくなればなる程減衰する。従って、特に天板 8の下面直下の領域でマイクロ波の強度が大きくなる。このため、例えばプラズマ成膜処理等のように薄膜を堆積させるために分解性ガスを用いるような場合には、ガスの分解が天板 8 の下面の近傍でより促進される。これにより、半導体ウェハの表面に薄膜が堆積する他に、天板 8の下面にもパーティクルの発生原因となる反応生成物や反応副生成物等の不要な薄膜が多く堆積してしまう、という問題があった。

[0008] 上記天板 8の下面に不要な薄膜が堆積することを防止するために、天板 8自体をカロ熱して付着物を落としたり、或いはウェハを 1枚成膜処理する毎にドライクリーニングを行ったりすることもできる。しかし、これらの場合には、余分な処理を行うことから、スループットが低下してしまう、といった問題があった。

また上記問題をなくすために、特開平 5— 345982号公報に開示されている技術では、プラズマ発生室と成膜室とを上下に分けるように形成し、いわばリモートプラズマ方式の構造としている。しかし、この場合には装置自体が大型化する、という新たな問題があった。

発明の開示

[0009] 本発明は、以上のような問題点に着目し、これを有効に解決すべく創案されたものである。本発明の目的は、処理容器の天井力離れた処理空間の中心部に密度が均一なプラズマを形成するプラズマ処理装置を提供することにある。 [0010] この目的を達成するために、本発明は、マイクロ波によって生じる処理ガスのプラズマを用いて処理を行うプラズマ処理装置であって、

被処理体が載置される載置台と、

この載置台を収容し、当該載置台上に前記処理ガスのプラズマを形成するための処理空間を画成する、略円筒形の側壁を有した真空処理容器と、

前記処理容器内へ前記処理ガスを含むガスを供給するためのガス供給系と、前記処理空間の周囲を取り囲んで前記処理容器の側壁に設けられたマイクロ波導入窓と、

前記マイクロ波を発生するマイクロ波発生器と、

前記処理容器の側壁を取り囲んで設けられ、前記発生器によって発生された前記マイクロ波を前記マイクロ波導入窓を通じて前記処理空間の略中心に向力つて導入するマイクロ波導入器と、

を備えたことを特徴とするプラズマ処理装置を提供する。

[0011] この装置によれば、処理空間を取り囲むマイクロ波導入器から半径方向に、処理空間の略中心に向けて集中的にマイクロ波を導入することで、処理容器の壁面から離れた処理空間の中心部に高密度のプラズマを均一に形成することができる。

従って、被処理体に対してより均一なプラズマ処理を行うことができる。また、処理容器の内壁面に不要な薄膜が堆積することを防止できる結果、クリーニングの頻度を少なくできるので、その分、スループットを向上させることができる。

[0012] 複数のマイクロ波導入窓を、前記処理容器の側壁の周方向に間隔を置いて配置することがでさる。

前記マイクロ波導入器は、前記マイクロ導入窓を臨む壁に複数のマイクロ波放射スロットが形成された矩形導波管力もなる放射導波管を備えることが好まし、。その場合、以下のような構成とすることが好ましい：

前記マイクロ波放射スロットは、前記マイクロ波を円偏波状態で放射する複数のスロット対として形成され、各スロット対は、互いに僅かに離間して略 T字状に配置された 2つのスロットからなる；

前記スロット対を形成する 2つのスロットの中心間距離は、前記放射導波管内を伝搬するマイクロ波の波長の 1Z4波長の長さである；

前記放射導波管内に、当該導波管内を伝搬するマイクロ波の波長を短縮する波長短縮材が設けられる；

前記矩形導波管は、前記処理容器の側壁を囲むリング状に形成されている。

[0013] 前記載置台は、前記処理容器に対して昇降可能に設けられることが好ましい。これにより、載置台上の被処理体の高さを、処理空間内においてプラズマ条件が最適な高さに調節することができる。

この装置においては、前記ガス供給系は、前記処理容器の天井に設けられたシャヮーヘッドを有することができる。図面の簡単な説明

[0014] [図 1]は、本発明に係るプラズマ処理装置の一実施形態を示す縦断面図；

[図 2]は、図 1の装置におけるマイクロ導入器を示す斜視図；

[図 3]は、図 2のマイクロ導入器における矩形導波管のスロット形成面を展開して示す図；

[図 4]は、図 1の装置において、処理容器の側壁内側を展開して示す図；

[図 5]は、図 1の装置において、処理容器の側壁周辺を示す部分断面図；

[図 6]は、図 1の装置における、処理空間へのマイクロ波の伝搬状態を示す水平断面図；

[図 7]は、矩形導波管の変形例を示す横断面図；

[図 8]は、矩形導波管の他の変形例を示す平面図；

[図 9]は、従来の一般的なプラズマ処理装置を示す縦断面図である。

発明を実施するための最良の形態

[0015] 以下に、本発明に係るプラズマ処理装置の一実施形態を添付図面に基づいて詳述する。

図 1に示すプラズマ処理装置 22は、例えばアルミニウム等により成形されて接地された処理容器 24を有している。この処理容器 24は、略円筒形の側壁 24Aを有している。処理容器 24の底部 26には排気口 28が設けられ、排気口 28にはスロットルバルブ 30を介して真空ポンプ 32が接続されている。これにより、処理容器 24内を真空引き可能になされている。

[0016] この処理容器 24内には、円板状の載置台 34が設けられている。載置台 34は、その上面に例えば直径が 300mmサイズの半導体ウェハ Wを載置して保持できるようになっている。載置台 34は、その下面中心より下方へ延びる支柱 36により支持されている。この支柱 36の下部は、容器底部 26を貫通している。そして、この支柱 36は、図示しない昇降機構により上下移動可能になされている。これにより、処理容器 24に対して載置台 34を昇降できるようになって、る。

[0017] 支柱 36を囲むようにして伸縮可能な金属べローズ 38が設けられている。ベローズ 3 8は、処理容器 24内の気密性を維持しつつ載置台 34の昇降移動を許容できるようになっている。また容器底部 26から上方に、例えば 3本（図示例では 2本のみ記す）の支持ピン 40が延びている。これらの支持ピン 40に対応して、載置台 34にピン揷通孔 42が形成されている。

[0018] 従って、処理容器 24外部より進入する搬送アーム（図示せず）と載置台 34との間でウエノ、 Wを移載する際、ピン揷通孔 42を貫通した支持ピン 40の上端でウェハ Wを受けとることができるようになつている。このため、処理容器 24の下部側壁には、搬送ァームを侵入させるために開閉可能になされたゲートバルブ 44が設けられている。

[0019] また、載置台 34の全体は耐熱材料、例えばアルミナ等のセラミックにより構成されている。載置台 34内部には加熱手段 46が設けられる。この加熱手段 46は、載置台 34の略全域に亘つて埋め込まれた抵抗加熱ヒータ 48を有している。ヒータ 48は、支柱 36内を通る配線 50を介してヒータ電源 52に接続されている。

[0020] 載置台 34の上面には、内部に網目状に配設された導体線 54を有する薄い静電チャック 56が設けられている。載置台 34上に載置されるウェハ Wを、静電チャック 56の静電吸着力により吸着できるようになつている。静電チャック 56の導体線 54は、配線 58を介して直流電源 60に接続されている。この配線 58には、例えば 13. 56MHzのバイアス用の高周波電力を必要に応じて導体線 54へ印加するために、バイアス用高周波電源 62が接続されて、る。

[0021] また、処理容器 24の天井側には、ガス供給系 64が設けられて、る。このガス供給系 64は、例えばアルミニウムやアルミニウム合金よりなるシャワーヘッド 66を有している。シャワーヘッド 66の下面には、多数のガス噴射孔 68が形成されている。処理容器 24内には、載置台 34上、この場合はシャワーヘッド 66の下面と載置台 34との間に、処理ガスのプラズマを形成するための処理空間 Sが画成されている。ガス供給系 64は、シャワーヘッド 66のガス噴射孔 68を通じて、成膜ガス等の処理ガスを含むガスを流量制御しつつ処理空間 S内へ供給できるようになって、る。

[0022] そして、処理容器 24の側壁 24Aには、処理空間 Sの周囲を取り囲んで複数のマイクロ波導入窓 76が設けられている。図 4及び図 5にも示すように、これらの導入窓 76 は、処理容器側壁 24Aの周方向に間隔を置いて配置されている。具体的には、側壁 24Aには、周方向に間隔を置いて複数の矩形開口 72が形成されている。開口 72同士の間には、それぞれ支柱 (窓枠） 74が設けられている。換言すれば、処理容器 24 の上部と下部とが、複数の支柱 74によって連結されている。このような構造は、例えば円筒状のアルミニウムブロック体から開口 72の部分を削り取ることによって形成することができる。そして、各開口 72の外側に、それぞれマイクロ波導入窓 76が、例えば Oリング等のシール部材 78を介して気密に取り付け固定されている。導入窓 76は、例えば石英板や、窒化アルミニウム等のセラミック板等の、マイクロ波を透過できる材料により構成される。導入窓 76は、側壁 24A外面に対応した円弧状の水平断面形状を有している。

[0023] 各開口 72の大きさは、図 4に示すように、例えば長さ L1が 150mm程度、幅（高さ） W1が 80mm程度にそれぞれ設定されている。各開口 72の面積は、図 9に示す天板 8より小さくなるので、マイクロ波導入窓 76に加わる容器内外の圧力差による荷重は天板 8よりも遥かに小さくなる。従って、マイクロ波導入窓 76の厚さを相対的に薄くすることができる。図 5では、マイクロ波導入窓 76を構成する板材力開口 72毎に分割して設けられて、るが、複数の開口 72にまたがる（より周方向に長!、)板材を用いるようにしてもよい。

なお、強度や気密性等に問題がなければ、導入窓 76を構成する板材を、単一の円筒形の板材とすることも可能である。さらに、支柱 74を廃して、円筒形の板材カもなる単一の導入窓 76を形成することも可能である。その場合、下記マイクロ波導入器 80 や、それに付随する構造物によって、処理容器 24の構造的強度を保つように構成してもよい。

[0024] そして、処理容器の側壁 24Aを取り囲んで、本発明の特徴とするマイクロ波導入器 80が設けられている。このマイクロ波導入器 80は、側壁 24Aを囲むリング状の矩形導波管からなる放射導波管 82 (図 2参照）を有している。この放射導波管 82は、略真つ直ぐな矩形導波管力もなる接続導波管 88 (図 2参照）を介して、例えば 2. 45GHz のマイクロ波を発生するマイクロ波発生器 84に接続されてヽる。放射導波管 82は、中空 (大気圧状態)の矩形断面を有し、その大きさは、縦 L2が例えば 9〜l lcm程度、横 L3が例えば 5〜6cm程度（図 1参照）に設定されている。

[0025] 放射導波管 82のマイクロ波導入窓 76を臨む (これに接する）内周壁 82Aには、細長、形状をした複数のマイクロ波放射スロット 86が形成されて、る。これらの放射スロット 86は、マイクロ波を円偏波状態で放射する複数のスロット対 86, 86として形成されている。各スロット対は、互いに僅かに離間して略 T字状に（互いに略直交する向きで）配置された 2つのスロット 86からなる。これらのスロット対 86, 86は、互いに周方向に間隔を置、て、支柱 74と重なることなく開口 72を臨むように配置されて、る（図 4 および図 5参照)。

[0026] 図 3に示すように、各スロット 86の長さ L4は、放射導波管 82内を伝搬するマイクロ波の（大気中での）波長 λ οの 1Z2倍程度であり、例えば 60mm程度に設定される。各スロット 86の幅 L5は、例えば 10mm程度に設定される。またスロット対 86, 86同士の間隔 P1は特に限定されないが、例えば 150mm程度である。また、各スリット対 86 , 86において略 T字を形成する 2つのスロット 86同士の中心間距離 L6は、上記波長 λ οの 1Z4倍の大きさに設定される。これにより、各スリット対 86, 86から放射されるマイクロ波が円偏波状態で、処理空間 Sの略中心に向力つて伝搬するようになっている。

図 1に示すように、接続導波管 88の途中には、マッチング回路 90が介設されている。これにより、例えば ΤΕモードのマイクロ波を接続導波管 88から放射導波管 82へ伝搬させるようになって、る。

[0027] このプラズマ処理装置 22の全体の動作は、例えばマイクロコンピュータ等よりなる制御器 92により制御されるようになっている。この制御を行うコンピュータのプロダラムは、磁気ディスク、光ディスク、フラッシュメモリ等の記憶媒体 94に記憶されている。具体的には、この制御器 92からの指令により、ガスの供給や流量制御、マイクロ波や高周波の供給や電力制御、プロセス温度やプロセス圧力の制御等が行われる。

[0028] 次に、以上のように構成されたプラズマ処理装置 22を用いて行なわれるプラズマ処理方法について概説する。

まず、載置台 34上にウェハ Wを載置して静電チャック 56により吸着固定する。このウエノ、 Wは加熱手段 46により所定のプロセス温度に維持される。例えば成膜ガスのような処理ガスを含むガスをシャワーヘッド 66より処理容器 24内へ所定の流量で供給しつつ、スロットルバルブ 30を制御して処理容器 24内を所定のプロセス圧力に維持する。

[0029] 一方、マイクロ波発生器 84で発生させた TEモードのマイクロ波が、接続導波管 88 を介して放射導波管 82内へ伝搬される。このマイクロ波は、放射導波管 82内を周方向に伝搬されながら、各スロット対 86, 86より放射される。図 5及び図 6に示すように、各スロット対 86, 86から放射されたマイクロ波 Mは、導入窓 76を透過して開口 72を通過し、処理空間 Sの略中心に向力つて半径方向に導入される。

[0030] この結果、処理空間 Sにおいては、高さ方向において天井力離れた中心側に密度が高い状態で均一に分布されたプラズマを形成することができる。すなわち、図 9 に示す従来装置では、天板 8の裏面側が最もマイクロ波の強度が大きぐ天板 8から離れる程、マイクロ波は 2次関数的に弱くなつていた。これに対して、本発明の場合には、処理空間 Sを取り囲むマイクロ波導入器 80から半径方向に、処理空間 Sの略中心に向けて集中的にマイクロ波 Mを導入するようにしている。これにより、処理容器 24の壁面力離れた処理空間 Sの中心部において、マイクロ波の強度を増大させ、高密度のプラズマを均一に形成することができる。

[0031] 従って、半導体ウェハ Wの表面に対して成膜等のプラズマ処理をより均一に行うことができる。また、処理容器 24の内壁面に反応生成物や反応副生成物よりなる不要な付着膜が堆積することを防止することがでる。このため、クリーニング頻度を少なくできるので、その分、スループットを向上させるとがでる。また、処理空間 Sに導入されたマイクロ波を処理ガスの分解に対して効率的に利用することができるので、マイクロ波の電力の効率ィ匕を図ることができる。

[0032] また、放射導波管 82の放射スロット 86は、マイクロ波を円偏波状態で放射する複数のスロット対 86, 86として形成されている。これにより、処理空間 Sに向けてマイクロ波を効率良く導入することができ、し力もプラズマ密度の均一性を更に向上させることができる。

更には従来装置で必要とされたモード変を用いる必要がなぐその分、設備コストを削減することができる。

[0033] なお、載置台 34を処理容器 24に対して昇降可能に設けて、るので、載置台 34上のウェハ Wの高さを、処理空間 S内においてプラズマ条件が最適な高さに調節することができる。

[0034] 以上の実施形態においては、放射導波管 82内を中空状態としたが、これには限定されない。例えば、図 7の変形例に示すように、放射導波管 82内に例えばセラミック等の誘電体よりなる波長短縮材 98を設けて、伝搬するマイクロ波の波長を短縮させるようにしてもよい。このように波長短縮材 98を設けた場合には、マイクロ波の波長を基準として設定される各部の寸法は、波長短縮材 98中で短縮された波長により設定される。従って、装置の小型化を図ることができる。

[0035] また、図 2に示す接続導波管 88は、放射導波管 82から接線方向へ延びるように接続されている力これには限定されない。例えば、図 8の変形例に示すように、接続導波管 88を、放射導波管 82に対して半径方向に延びるように接続してもよ!/、。なお、本発明のプラズマ処理装置は、成膜処理、エッチング処理、アツシング処理、スパッタ処理等の各種の処理を行うプラズマ処理装置として構成することができる。また、被処理体は、半導体ウェハに限定されず、ガラス基板、 LCD基板、セラミック基板等にも本発明を適用することができる。

Claims

請求の範囲

[1] マイクロ波によって生じる処理ガスのプラズマを用いて処理を行うプラズマ処理装置であって、

被処理体が載置される載置台と、

前記マイクロ波を発生するマイクロ波発生器と、

を備えたことを特徴とするプラズマ処理装置。

[2] 複数のマイクロ波導入窓が前記処理容器の側壁の周方向に間隔を置、て配置されて、る、ことを特徴とする請求項 1記載のプラズマ処理装置。

[3] 前記マイクロ波導入器は、前記マイクロ導入窓を臨む壁に複数のマイクロ波放射スロットが形成された矩形導波管からなる放射導波管を備える、ことを特徴とする請求項 1記載のプラズマ処理装置。

[4] 前記マイクロ波放射スロットは、前記マイクロ波を円偏波状態で放射する複数のスロット対として形成され、各スロット対は、互いに僅かに離間して略 T字状に配置された

2つのスロットからなる、ことを特徴とする請求項 3記載のプラズマ処理装置。

[5] 前記スロット対を形成する 2つのスロットの中心間距離は、前記放射導波管内を伝搬するマイクロ波の波長の 1Z4波長の長さである、ことを特徴とする請求項 3記載のプラズマ処理装置。

[6] 前記放射導波管内に、当該導波管内を伝搬するマイクロ波の波長を短縮する波長短縮材が設けられる、ことを特徴とする請求項 3記載のプラズマ処理装置。

[7] 前記矩形導波管は、前記処理容器の側壁を囲むリング状に形成されている、ことを特徴とする請求項 3記載のプラズマ処理装置。

[8] 前記載置台は、前記処理容器に対して昇降可能に設けられる、ことを特徴とする請求項 1記載のプラズマ処理装置。

[9] 前記ガス供給系は、前記処理容器の天井に設けられたシャワーヘッドを有する、ことを特徴とする請求項 1記載のプラズマ処理装置。