WO2022059537A1 - プラズマ処理装置及び半導体デバイスの製造方法 - Google Patents

プラズマ処理装置及び半導体デバイスの製造方法 Download PDF

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WO2022059537A1
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plasma
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貴彰 加藤
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東京エレクトロン株式会社
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    • H01J2237/332—Coating

Definitions

  • This disclosure relates to a method for manufacturing a plasma processing apparatus and a semiconductor device.
  • Patent Document 1 a disk-shaped overhead electrode supported by a predetermined gap length is provided on a wafer in a processing container.
  • the gas line is connected to a gas inlet connected to the center of the overhead electrode, and gas is introduced into the overhead electrode through the gas inlet.
  • the gas is shower-likely supplied to the processing space through the gas path formed in the overhead electrode and a large number of gas holes.
  • Patent Documents 2, 3 and 4 all describe a plasma processing apparatus.
  • the present disclosure provides a technique capable of achieving in-plane uniformity of plasma.
  • a plasma processing apparatus that generates plasma by an electromagnetic wave supplied into the processing container to process the substrate, and has an upper electrode arranged on the upper part of the processing container and the above.
  • a feeding member connected to the upper electrode and supplying electromagnetic waves to the upper electrode, a first shield member that electrically shields the upper electrode and the feeding member, and the upper electrode and the feeding member are electrically connected to each other.
  • a second shield member to be shielded from the above, provided between the upper electrode and the first shield member, and provided between the upper electrode and the second shield member, and a plurality of internal parts are provided.
  • a plasma processing device is provided in which the power feeding member passes through the internal space of the insulating member and supplies electromagnetic waves to the upper electrode.
  • in-plane uniformity of plasma can be achieved.
  • FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing an example of the plasma processing apparatus according to the first embodiment.
  • FIG. 2 is a diagram showing a cross section taken along the line AA of FIG.
  • the plasma processing apparatus 1 includes a processing container 10, an insulating member 11, a mounting table 12, an upper electrode 14, a feeding member 14a, a first shield member 24a, a second shield member 24b, a power supply 31, and matching. It has a container 32 and a control unit 40.
  • the processing container 10 has a cylindrical shape and extends along the vertical direction.
  • the central axis of the processing container 10 is an axis AX extending in the vertical direction.
  • the processing container 10 is formed of a conductive metal, for example, an aluminum-containing metal.
  • the processing container 10 is grounded.
  • An inlet / outlet for the substrate W, which is an example of a wafer, is formed on the side wall of the processing container 10 (not shown), and the substrate W is conveyed from the inlet / outlet by opening and closing the gate valve.
  • the mounting table 12 is provided in the processing container 10 on which the substrate W is mounted.
  • An exhaust port 10e is formed at the bottom of the processing container 10 below the mounting table 12. The inside of the processing container 10 is evacuated through the exhaust space Ex by the exhaust device connected to the exhaust port 10e.
  • the upper electrode 14 is arranged above the processing container 10 via the plasma processing space (hereinafter referred to as space SP) in the processing container 10.
  • the upper electrode 14 has a substantially disk shape and is arranged so as to face the mounting table 12.
  • a feeding member 14a is connected to the upper surface of the upper electrode 14 at the center.
  • the upper electrode 14 and the feeding member 14a are made of metal.
  • the feeding member 14a has a rod shape as an example, and shares the axis AX with the upper electrode 14 and the processing container 10.
  • Common axis AX means that the object is arranged so that the axis AX is the same as the central axis of the object, and that the axis AX is substantially or substantially the same as the central axis of the object. It means that things are arranged.
  • a ring-shaped dielectric window 21 is fitted between the side surface of the upper electrode 14 and the side surface of the processing container 10.
  • the dielectric window 21 is formed of, for example, alumina, but is not limited to this, and may be a low-loss dielectric.
  • the dielectric window 21 shares the axis AX with the processing container 10.
  • the dielectric window 21 electrically insulates the upper electrode 14, transmits electromagnetic waves, and serves as a transmission path for radiating an electromagnetic field into the processing container 10.
  • first shield member 24a that electrically shields the upper electrode 14 and the feeding member 14a
  • second shield member 24b that electrically shields the upper electrode 14 and the feeding member 14a. It is provided.
  • the first shield member 24a and the second shield member 24b are made of metal and are grounded.
  • the first shield member 24a is an annular member that extends in the vertical direction from the upper part of the side wall of the processing container 10, extends inward at the upper part, and has an inverted L-shaped cross section. One end of the first shield member 24a is in contact with the upper portion of the side wall of the processing container 10, and the other end is in contact with the outer surface of the insulating member 11 all around.
  • the second shield member 24b is a cylindrical member having an inner diameter smaller than the inner diameter of the processing container 10 and larger than the diameter of the feeding member 14a, and the lower end thereof projects outward over the entire circumference so that the cross section becomes L-shaped. ..
  • One end of the second shield member 24b contacts the lower surface of the matching unit 32, and the other end contacts the inner surface of the insulating member 11 all around.
  • the second shield member 24b supports the matching unit 32.
  • the power feeding member 14a is electrically connected to the power supply 31 via the matching unit 32.
  • the power supply 31 is a plasma source that generates electromagnetic waves in the VHF band.
  • the power supply 31 may be a plasma source that generates electromagnetic waves in the UHF band.
  • the frequency of the electromagnetic wave output from the power supply 31 is preferably 100 MHz or more and 800 MHz or less.
  • the matching device 32 includes a matching circuit for matching the impedance on the load side seen from the power supply 31 with the output impedance of the power supply 31.
  • the feeding member 14a and the upper electrode 14 function as internal conductors that propagate electromagnetic waves in the VHF band.
  • the electromagnetic wave flows from the feeding member 14a to the outer peripheral side through the center of the upper electrode 14 via the matching device 32.
  • the electromagnetic wave passes through the dielectric window 21 and radiates an electromagnetic field into the processing container 10.
  • the first shield member 24a and the second shield member 24b form a return circuit for electromagnetic waves and function as an external conductor for propagating electromagnetic waves.
  • a part of the electromagnetic field energy of the electromagnetic wave radiated in the processing container 10 is consumed in the generation of the plasma 2 in the space SP.
  • the remaining electromagnetic wave propagates through the side wall of the processing container 10, the first shield member 24a and the second shield member 24b, returns to the matching unit 32 side, and grounds the first shield member 24a and the second shield member 24b. Apply an electric current to the surface.
  • the coaxial waveguide 20 is formed by the feeding member 14a, the upper electrode 14, the first shield member 24a, and the second shield member 24b, and the electromagnetic wave waveguide r is formed inside the coaxial waveguide 20.
  • the waveguide forming the waveguide r is a coaxial waveguide, but the present invention is not limited to this, and a rectangular waveguide may be formed instead of the coaxial waveguide 20. good.
  • the dielectric window 21 has a function of transmitting electromagnetic waves and serving as a transmission path of electromagnetic waves, and also partitions the air space in the coaxial waveguide 20 and the decompression space in the processing container 10 to make the space SP a closed space. Has the function of As a result, the airtightness in the processing container 10 is maintained.
  • a shower head 16 is provided below the upper electrode 14 in parallel with the upper electrode 14.
  • the upper electrode 14 is formed with a ring-shaped gas supply port 19 that penetrates the upper electrode 14 and communicates with the diffusion chamber 17.
  • the shower head 16 has a diffusion chamber 17 for diffusing gas inside, and a plurality of gas discharge holes 18.
  • the diffusion chamber 17 and the plurality of gas discharge holes 18 are examples of gas paths formed in the shower head 16.
  • electromagnetic waves with frequencies of 100 MHz or higher tend to propagate differently than high frequencies with lower frequencies.
  • an electromagnetic wave of 100 MHz or more is applied to the upper electrode 14 via the feeding member 14a, a surface wave plasma due to the electromagnetic wave is generated on the lower surface of the shower head 16.
  • plasma 2 is generated by the energy of the electromagnetic wave of the electromagnetic wave radiated from between the inner conductor and the outer conductor (hereinafter referred to as radiated electromagnetic wave). Be done.
  • radiated electromagnetic wave the energy of the electromagnetic wave of the electromagnetic wave radiated from between the inner conductor and the outer conductor
  • radiated electromagnetic wave the energy of the electromagnetic wave of the electromagnetic wave radiated from between the inner conductor and the outer conductor.
  • a standing wave is formed in the processing container 10 by the surface wave of the electromagnetic wave, and the standing wave is one of the factors that reduce the in-plane uniformity of the plasma. Further, the higher-order mode of the propagation modes when the electromagnetic wave is radiated from the coaxial waveguide 20 into the processing container 10 is one of the factors that reduce the in-plane uniformity of the plasma.
  • the structure around the upper electrode 14 has a concentric ring shape and rotational symmetry around the axis Ax. This makes it difficult for a higher-order mode of the electromagnetic wave propagation mode to occur, reduces the bias of the electromagnetic wave supplied to the space SP, and makes it possible to achieve in-plane uniformity of the plasma.
  • the structure around the upper electrode 14 is formed in a concentric ring shape with the axis Ax as the center.
  • the upper electrode 14, the feeding member 14a, the first shield member 24a, the second shield member 24b, the dielectric window 21, the shower head 16, and the insulating member 11 all have a concentric ring shape centered on the axis Ax. It is formed.
  • the ring-shaped insulating member 11 is provided between the upper electrode 14 and the first shield member 24a, and is provided between the upper electrode 14 and the second shield member 24b. ..
  • the insulating member 11 is fitted in a ring-shaped gap 24c1 formed by separating the first shield member 24a and the second shield member 24b.
  • the first end portion (for example, the upper end portion) of the insulating member 11 directly contacts both the first shield member 24a and the second shield member 24b, and the second end portion (for example, the insulating member 11) of the insulating member 11 is directly contacted.
  • the lower end is in direct contact with the upper electrode 14.
  • a plurality of gas through holes 15 penetrate inside the insulating member 11.
  • the power feeding member 14a is configured to supply electromagnetic waves to the upper electrode 14 through the internal space of the insulating member 11.
  • the insulating member 11 is formed in a ring shape, and the upper end of the insulating member 11 is passed through the ring-shaped gap 24c1 formed between the first shield member 24a and the second shield member 24b, and the lower end of the insulating member 11 is formed. Is connected to the upper surface of the upper electrode 14. With this configuration, a path for passing gas through the space of the coaxial waveguide 20 through which electromagnetic waves pass is provided in the insulating member 11.
  • the feeding member 14a and the insulating member 11 are configured to share the axis Ax of the central axis, and the in-plane uniformity of the plasma can be achieved.
  • the insulating member 11 is formed of, for example, alumina and can transmit electromagnetic waves.
  • the inside of the gas through hole 15 penetrating the inside of the insulating member 11 communicates with the processing container 10 via the shower head 16 to form a decompression space. Therefore, in the decompression space in the gas through hole 15, the gas flowing through the gas through hole 15 is easily discharged by the energy of the electromagnetic wave transmitted through the insulating member 11. Therefore, in order to avoid electric discharge in the gas through hole 15, the diameter ⁇ 1 of the gas through hole 15 is preferably 6 mm or less.
  • the inner diameter ⁇ 2 of the ring-shaped insulating member 11 is 150 mm or more. Including these conditions, the inside of the gas through hole 15 is designed so as not to exceed the discharge start voltage.
  • the occurrence of electric discharge can be suppressed by setting the diameter ⁇ 1 of the gas through hole 15 to 6 mm or less.
  • the inner diameter ⁇ 2 of the ring-shaped insulating member 11 is set to 150 mm or more, in-plane uniformity of plasma can be achieved. The reason is that in the space inside the coaxial waveguide 20, the electric field tends to be relatively weak on the outer peripheral side, and the electric field tends to be stronger on the inner peripheral side than on the outer peripheral side.
  • the electric discharge inside the gas through hole 15 is performed. Can be further reduced.
  • the plurality of gas through holes 15 are provided rotationally symmetric with respect to the axis Ax which is the central axis.
  • the number of gas through holes 15 is 16, but the number is not limited to this.
  • the number of gas through holes 15 may be 8 to 16, or may be another number. It is preferable that the plurality of gas through holes 15 are evenly arranged in the circumferential direction.
  • the insulating member 11 is formed in a concentric ring shape with the axis Ax as the central axis, and the plurality of gas through holes 15 are arranged rotationally symmetrically with respect to the axis Ax to suppress the discharge of the gas through holes 15. ,
  • the in-plane uniformity of the plasma can be improved.
  • the plurality of gas through holes 15 communicate with the shower head 16 under the upper electrode 14 to supply gas to the diffusion chamber 17.
  • the gas is supplied to the space SP from the plurality of gas discharge holes 18.
  • the shower head 16 may not be provided.
  • gas is supplied to the space SP from a plurality of gas supply ports 19 formed in the upper electrodes 14 communicating with the plurality of gas through holes 15.
  • a ring-shaped conductive member 22 having a width wider than the radial width of the insulating member 11 is arranged at the upper end of the insulating member 11 exposed from the gap 24c1 of the first shield member 24a and the second shield member 24b. ing.
  • the conductive member 22 is made of a metal such as aluminum.
  • the insulating member 11 and the conductive member 22 share the same axis Ax.
  • the conductive member 22 covers the upper end of the insulating member 11 and comes into contact with the first shield member 24a and the second shield member 24b on the inner side of the inner side surface of the insulating member 11 and the outer side of the outer surface of the insulating member 11. .. As a result, the conductive member 22 electrically connects the first shield member 24a and the second shield member 24b.
  • the electromagnetic wave can be propagated to the first shield member 24a and the second shield member 24b to the matching unit 32 via the conductive member 22.
  • An O-ring 13 is provided on the contact surface between the conductive member 22 and the insulating member 11, and the inside of the plurality of gas through holes 15 in the insulating member 11 is sealed from the atmospheric space to reduce the pressure in the gas through holes 15. It is designed to maintain its state.
  • the plasma processing device 1 that supplies electromagnetic waves in the VHF band has advantages such as improvement in film formation speed by increasing the frequency of the electromagnetic waves for plasma excitation applied to the upper electrode 14.
  • a standing wave of a surface wave may be generated in a shower head 16 arranged under the upper electrode 14 to which an electromagnetic wave is applied, and the standing wave may reduce the in-plane uniformity of the plasma density.
  • the shape of the plasma processing device 1 generates a higher-order mode of the propagation mode of the electromagnetic wave, which further reduces the uniformity of the plasma.
  • the high frequency makes it easy to discharge even under the condition that the pressure of the processing container 10 is low, it is easy to generate a discharge in the reduced pressure space in the propagation region of the electromagnetic wave. That is, it becomes easy to generate an electric discharge in the insulating member 11 that supplies gas into the shower head 16.
  • the structure around the upper electrode 14 is made concentric and rotationally symmetric with respect to the axis Ax.
  • the non-uniformity of the plasma density caused by the insulating member 11 having the gas through hole 15 can be reduced, and the discharge in the gas through hole 15 can be suppressed.
  • desired processing such as film formation, etching, and ashing of the substrate W can be performed with high accuracy.
  • FIG. 3 is a schematic cross-sectional view showing an example of the plasma processing apparatus 1 according to the second embodiment.
  • FIG. 4 is a diagram showing a cross section taken along the line BB of FIG.
  • the plasma processing device 1 according to the second embodiment has the same basic configuration as the plasma processing device 1 according to the first embodiment, but the configurations of the insulating member 11 and the shower head 16 are different. Therefore, in the following, the configuration of the insulating member 11 and the shower head 16 having a configuration different from that of the plasma processing apparatus 1 according to the first embodiment will be described.
  • the brim portion 11a is provided at the upper end of the insulating member 11, the brim portion 11b is provided at the lower end of the insulating member 11, and the brim portions 11a and 11b project outward from the insulating member 11.
  • the brim portion 11a is fitted into a stepped portion of a ring-shaped gap 24c1 formed between the first shield member 24a and the second shield member 24b, and the brim portion 11b is a ring formed on the upper electrode 14. It is fitted in the stepped portion of the shape.
  • the insulating member 11 is fixed between the first shield member 24a and the second shield member 24b and the upper electrode 14.
  • the brim portion 11a is an example of the first end portion of the insulating member 11.
  • the brim portion 11b is an example of a second end portion opposite to the first end portion of the insulating member 11.
  • the shower head 16 is divided into a first region 17c on the inner peripheral side and a second region 17e on the outer peripheral side.
  • a part of the plurality of gas through holes 15 communicates with the first region 17c, and the rest of the plurality of gas through holes 15 communicates with the second region 17e.
  • the plurality of gas through holes 15 have a gas path 15c that branches horizontally and a gas path 15e that extends vertically. Branch to. That is, the eight gas through holes 15 arranged every other of the plurality of gas through holes 15 communicate with the gas path 15c communicating with the first region 17c and supply gas to the first region 17c. do. The remaining eight gas through holes 15 communicate with the gas path 15e communicating with the second region 17e to supply gas to the second region 17e.
  • the gas supplied to the first region 17c is introduced into the space SP from the gas discharge hole 18c, and the gas supplied to the second region 17e is introduced into the space SP from the gas discharge hole 18e.
  • the gas flow rate control can be divided into a first region 17c on the inner peripheral side and a second region 17e formed on the outer periphery of the first region 17c.
  • the flow rate of the argon gas supplied to the first region 17c and the flow rate of the argon gas supplied to the second region 17e can be controlled to different flow rates.
  • the gas type supplied to the first region 17c and the gas type supplied to the second region 17e may be changed.
  • argon gas may be supplied to the first region 17c and helium gas may be supplied to the second region 17e.
  • the non-uniformity of plasma density can be reduced also in the plasma processing apparatus 1 according to the second embodiment.
  • the discharge in the gas through hole 15 can be suppressed. That is, also in the plasma processing apparatus 1 according to the second embodiment, the structure around the upper electrode 14 has a concentric ring shape and rotational symmetry with respect to the axis Ax.
  • the in-plane uniformity of the plasma can be improved by arranging the insulating member 11 having the gas through hole 15 in the propagation space of the electromagnetic wave.
  • the discharge in the gas through hole 15 can be suppressed. Further, by controlling the zone of the gas, the controllability of the plasma density can be further improved.
  • a semiconductor device is executed by executing a step of preparing a substrate W in the processing container 10 and a step of plasma-treating the substrate W in the processing container 10 to form a semiconductor device on the substrate W. Is manufactured on the substrate W.
  • the in-plane uniformity of plasma can be improved as described above, so that a good semiconductor device can be manufactured.
  • the plasma processing device 1 has a control unit 40 including a processor and a memory, and the processor controls each element of the plasma processing device 1 to perform plasma processing on the substrate W according to a recipe stored in the memory.
  • the semiconductor device is formed by plasma processing such as film formation and etching.
  • the target member having a structure around the upper electrode 14 and having a concentric ring shape and rotational symmetry with respect to the axis Ax is not limited to the insulating member 11 for supplying gas.
  • the in-plane uniformity of plasma is arranged by arranging the member in a concentric ring shape and rotationally symmetric with respect to the axis Ax. Can be improved.
  • the members that bundle the wiring are arranged in a concentric ring shape and rotationally symmetric with respect to the axis Ax so that they are in the plane of the plasma.
  • the uniformity can be improved.
  • Plasma processing device 10 Processing container 11 Insulation member 12 Mounting stand 14 Upper electrode 14a Power supply member 16 Shower head 20 Coaxial waveguide 22 Conductive member 24a First shield member 24b Second shield member 30 Gas supply unit 31 Power supply 40 Control unit 201 Coaxial line W board

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Abstract

処理容器内に供給される電磁波によりプラズマを生成して基板の処理を行うプラズマ処理装置であって、前記処理容器の上部に配置される上部電極と、前記上部電極に接続され、電磁波を前記上部電極に供給する給電部材と、前記上部電極と前記給電部材とを電気的にシールドする第１のシールド部材と、前記上部電極と前記給電部材とを電気的にシールドする第２のシールド部材と、前記上部電極と前記第１のシールド部材との間に設けられ、かつ、前記上部電極と前記第２のシールド部材との間に設けられ、内部を複数のガス貫通孔が貫通するリング状の絶縁部材と、前記絶縁部材の第１の端部を覆い、前記第１のシールド部材と前記第２のシールド部材を電気的に接続する導電部材と、を有し、前記給電部材は、前記絶縁部材の内部空間を通り、電磁波を前記上部電極に供給する、プラズマ処理装置が提供される。

Description

プラズマ処理装置及び半導体デバイスの製造方法
　本開示は、プラズマ処理装置及び半導体デバイスの製造方法に関する。
　例えば、特許文献１では、処理容器内のウェハ上に所定のギャップ長で支持されたディスク状のオーバーヘッド電極が設けられている。ガスラインは、オーバーヘッド電極の中央に接続されたガス導入口に接続され、ガスを、ガス導入口を介してオーバーヘッド電極内に導入する。ガスは、オーバーヘッド電極内に形成されたガス経路及び多数のガス孔を通って処理空間にシャワー状に供給される。特許文献２、３、４は、いずれもプラズマ処理装置を記載している。
特開２００９－４７９６号公報 特開２０２０－８８１９３号公報 特開２０２０－９２０３４号公報 特開２０２０－９２１７７号公報
　本開示は、プラズマの面内均一性を図ることができる技術を提供する。
　本開示の一の態様によれば、処理容器内に供給される電磁波によりプラズマを生成して基板の処理を行うプラズマ処理装置であって、前記処理容器の上部に配置される上部電極と、前記上部電極に接続され、電磁波を前記上部電極に供給する給電部材と、前記上部電極と前記給電部材とを電気的にシールドする第１のシールド部材と、前記上部電極と前記給電部材とを電気的にシールドする第２のシールド部材と、前記上部電極と前記第１のシールド部材との間に設けられ、かつ、前記上部電極と前記第２のシールド部材との間に設けられ、内部を複数のガス貫通孔が貫通するリング状の絶縁部材と、前記絶縁部材の第１の端部を覆い、前記第１のシールド部材と前記第２のシールド部材を電気的に接続する導電部材と、を有し、前記給電部材は、前記絶縁部材の内部空間を通り、電磁波を前記上部電極に供給する、プラズマ処理装置が提供される。
　一の側面によれば、プラズマの面内均一性を図ることができる。
第１実施形態に係るプラズマ処理装置の一例を示す断面模式図である。 図１のＡ－Ａ断面を示す図である。 第２実施形態に係るプラズマ処理装置の一例を示す断面模式図である。 図３のＢ－Ｂ断面を示す図である。
　以下、図面を参照して本開示を実施するための形態について説明する。各図面において、同一構成部分には同一符号を付し、重複した説明を省略する場合がある。
＜第1実施形態＞
　［プラズマ処理装置］
　まず、第１実施形態に係るプラズマ処理装置１について、図１及び図２を用いて説明する。図１は、第１実施形態に係るプラズマ処理装置の一例を示す断面模式図である。図２は、図１のＡ－Ａ断面を示す図である。
　第１実施形態に係るプラズマ処理装置１は、処理容器１０、絶縁部材１１、載置台１２、上部電極１４、給電部材１４ａ、第１のシールド部材２４ａ、第２のシールド部材２４ｂ、電源３１、整合器３２及び制御部４０を有する。
　処理容器１０は、円筒形状を有し、垂直方向に沿って延在している。処理容器１０の中心軸は、垂直方向に延びる軸線ＡＸである。処理容器１０は、導電性の金属、例えばアルミ含有金属から形成されている。処理容器１０は接地されている。処理容器１０の側壁には、ウェハを一例とする基板Ｗの搬入出口が形成され（図示せず）、ゲートバルブの開閉により搬入出口から基板Ｗを搬送する。
　載置台１２は、処理容器１０内に設けられ、基板Ｗが載置される。載置台１２の下方の処理容器１０の底部には、排気口１０ｅが形成されている。排気口１０ｅに接続された排気装置により、排気空間Ｅｘを介して処理容器１０内が真空引きされる。
　載置台１２の上方には、処理容器１０内のプラズマ処理空間（以下、空間ＳＰという。）を介して処理容器１０の上部に上部電極１４が配置されている。上部電極１４は、略円盤形状であり、載置台１２に対向して配置される。
　上部電極１４の上面には、中央にて給電部材１４ａが接続されている。上部電極１４及び給電部材１４ａは、金属から形成されている。給電部材１４ａは、一例としては棒状であり、上部電極１４及び処理容器１０と軸線ＡＸを共通にする。
　軸線ＡＸを共通にするとは、対象物の中心軸として軸線ＡＸが同一になるように対象物が配置されていること、及び対象物の中心軸として軸線ＡＸが概ね又は略同一になるように対象物が配置されていることをいう。
　上部電極１４の側面と処理容器１０の側面との間には、リング状の誘電体窓２１が嵌め込まれている。誘電体窓２１は、例えばアルミナから形成されるが、これに限られず、低損失の誘電物であり得る。誘電体窓２１は、処理容器１０と軸線ＡＸを共通にする。誘電体窓２１は、上部電極１４を電気的に絶縁し、かつ、電磁波を透過し、処理容器１０内に電磁界を放射するための伝送経路となっている。
　上部電極１４の上方には、上部電極１４及び給電部材１４ａを電気的にシールドする第１のシールド部材２４ａと、上部電極１４及び給電部材１４ａを電気的にシールドする第２のシールド部材２４ｂとが設けられている。第１のシールド部材２４ａ及び第２のシールド部材２４ｂは、金属から形成され、接地されている。第１のシールド部材２４ａは、処理容器１０の側壁上部から垂直方向に延び、上部で内側に延在し、断面が逆Ｌ字状の環状部材である。第１のシールド部材２４ａの一端は処理容器１０の側壁上部に接触し、他端は、全周において絶縁部材１１の外側面に接触する。第２のシールド部材２４ｂは、処理容器１０の内径よりも小さく給電部材１４ａの直径よりも大きい内径の円筒部材であり、断面がＬ字状になるように下端が全周にわたって外側に張り出している。第２のシールド部材２４ｂの一端は整合器３２の下面に接触し、他端は全周において絶縁部材１１の内側面に接触する。
　第２のシールド部材２４ｂは、整合器３２を支持している。給電部材１４ａは、整合器３２を介して電源３１に電気的に接続されている。電源３１は、ＶＨＦ帯の電磁波を発生するプラズマ源である。電源３１は、ＵＨＦ帯の電磁波を発生するプラズマ源であってもよい。例えば、本実施形態では、電源３１から出力される電磁波の周波数は、１００ＭＨｚ以上であって８００ＭＨｚ以下が好適である。整合器３２は、電源３１から見た負荷側のインピーダンスを電源３１の出力インピーダンスに整合させるための整合回路を含んでいる。
　給電部材１４ａ及び上部電極１４は、ＶＨＦ帯の電磁波を伝播させる内部導体として機能する。電磁波は、整合器３２を介して給電部材１４ａから上部電極１４の中心を通り外周側へ流れる。電磁波は、誘電体窓２１を透過し、処理容器１０内に電磁界を放射する。
　第１のシールド部材２４ａ及び第２のシールド部材２４ｂは、電磁波のリターン回路を形成し、電磁波を伝播させる外部導体として機能する。処理容器１０内に放射された電磁波の電磁界エネルギーの一部は、空間ＳＰにてプラズマ２の生成に消費される。残りの電磁波は、処理容器１０の側壁、第１のシールド部材２４ａ及び第２のシールド部材２４ｂを伝播し、整合器３２側に戻り、第１のシールド部材２４ａ及び第２のシールド部材２４ｂのグランド面に電流を流す。
　つまり、給電部材１４ａ、上部電極１４、第１のシールド部材２４ａ及び第２のシールド部材２４ｂにより同軸導波管２０が形成され、同軸導波管２０の内部に電磁波の導波経路ｒが形成される。本実施形態では、導波経路ｒを形成する導波管は同軸状の導波管であるが、これに限られず、同軸導波管２０の替わりに矩形状の導波管が形成されてもよい。
　誘電体窓２１は、電磁波を透過し、電磁波の伝送経路となる機能を有するとともに、同軸導波管２０内の大気空間と、処理容器１０内の減圧空間とを仕切り、空間ＳＰを密閉空間にする機能を有する。これにより、処理容器１０内の気密が保持される。
　上部電極１４の下方には、シャワーヘッド１６が上部電極１４と平行に設けられている。上部電極１４には、上部電極１４を貫通し、拡散室１７に連通するリング状のガス供給口１９が形成される。シャワーヘッド１６は、内部にガスを拡散する拡散室１７と、複数のガス吐出孔１８とを有する。拡散室１７及び複数のガス吐出孔１８は、シャワーヘッド１６に形成されたガス経路の一例である。
　一般に１００ＭＨｚ以上の周波数の電磁波は、それよりも低い周波数の高周波と比較して伝搬する経路が異なる傾向にある。１００ＭＨｚ以上の電磁波が給電部材１４ａを介して上部電極１４に印加される場合、シャワーヘッド１６の下面に電磁波による表面波プラズマが生成される。
　例えば、２２０ＭＨｚのＶＨＦ帯の電磁波でプラズマが生成される場合、内部導体と外部導体の間から放射される電磁波（以下、放射電磁波という。）の電磁界のエネルギーでプラズマ２が生成されると考えられる。一方、例えば６０ＭＨｚ以下の高周波が給電部材１４ａを介して上部電極１４に印加された場合、パッシェンの法則に基づき上部電極１４と載置台１２との間に放電現象が生じ、空間ＳＰにて容量結合によってプラズマ２が生成される。ただし、容量結合プラズマが生成される周波数と、電磁波の表面波プラズマが生成される周波数とを明確に区別することは困難である。つまり、「容量結合」によってプラズマが生成されるエネルギーと「放射電磁波」によってプラズマが生成されるエネルギーが、ほぼ等量になる周波数が存在すると考えられる。
　ＶＨＦ帯又はＵＨＦ帯の電磁波をプラズマ源に用いる場合、電磁波の表面波により処理容器１０内に定在波が形成され、定在波がプラズマの面内均一性を低下させる要因の一つとなる。また、電磁波が同軸導波管２０から処理容器１０内に放射される際の伝播モードのうちの高次モードがプラズマの面内均一性を低下させる要因の一つとなる。
　プラズマの面内均一性を図るためには、上部電極１４周辺の構造が、軸線Ａｘを中心として同心円環形状及び回転対称であることが重要である。これにより、電磁波の伝播モードの高次モードが発生し難くなり、また、空間ＳＰに供給される電磁波の偏りを低減させ、プラズマの面内均一性を図ることができる。
　このため、本実施形態では、上部電極１４周辺の構造は、軸線Ａｘを中心として同心円環形状に形成されている。例えば、上部電極１４、給電部材１４ａ、第１のシールド部材２４ａ、第２のシールド部材２４ｂ、誘電体窓２１、シャワーヘッド１６、及び絶縁部材１１は、いずれも軸線Ａｘを中心として同心円環形状に形成されている。
　本実施形態では、リング状の絶縁部材１１が、上部電極１４と第１のシールド部材２４ａとの間に設けられ、かつ、上部電極１４と第２のシールド部材２４ｂとの間に設けられている。絶縁部材１１は、第１のシールド部材２４ａと第２のシールド部材２４ｂとが離間して形成されるリング状の隙間２４ｃ１にはめ込まれている。これにより、絶縁部材１１の第１の端部（例えば上部側端部）は第１のシールド部材２４ａと第２のシールド部材２４ｂの両方に直接接し、絶縁部材１１の第２の端部（例えば下端部）は上部電極１４に直接接する。絶縁部材１１の内部には、複数のガス貫通孔１５が貫通している。
　なお、給電部材１４ａは、絶縁部材１１の内部空間を通り、電磁波を上部電極１４に供給するように構成されている。絶縁部材１１はリング状に形成され、第１のシールド部材２４ａと第２のシールド部材２４ｂとの間に形成されたリング状の隙間２４ｃ１に絶縁部材１１の上端を貫通させ、絶縁部材１１の下端は上部電極１４の上面に接続させる。係る構成により、電磁波が通る同軸導波管２０の空間にガスを通すための経路を絶縁部材１１内に設ける。給電部材１４ａと絶縁部材１１とは、中心軸の軸線Ａｘを共通にするように構成され、プラズマの面内均一性を図ることができる。
　絶縁部材１１は、例えばアルミナから形成され、電磁波を透過させることができる。絶縁部材１１内を貫通するガス貫通孔１５の内部はシャワーヘッド１６を介して処理容器１０に連通し、減圧空間になっている。よって、ガス貫通孔１５内の減圧空間では、ガス貫通孔１５を流れるガスが、絶縁部材１１を透過する電磁波のエネルギーによって放電しやすい状況になっている。そこで、ガス貫通孔１５内での放電を回避するために、ガス貫通孔１５の直径φ１は、６ｍｍ以下であることが好ましい。
　また、リング状の絶縁部材１１の内径φ２は１５０ｍｍ以上であることが好ましい。これらの条件を含めて、ガス貫通孔１５の内部が放電開始電圧を超えないように設計されている。
　係る設計により、ガス貫通孔１５の直径φ１を６ｍｍ以下にすることで、放電の発生を抑制することができる。加えて、リング状の絶縁部材１１の内径φ２を１５０ｍｍ以上にすることで、プラズマの面内均一性を図ることができる。その理由は、同軸導波管２０内の空間では、外周側が比較的電界が弱く、内周側は外周側よりも電界が強い傾向にある。そこで、リング状の絶縁部材１１の内径φ２を１５０ｍｍ以上にし、絶縁部材１１を給電部材１４ａに近い同軸導波管２０内の内周側に配置しないことで、ガス貫通孔１５の内部での放電の発生をより低減できる。
　図１とともに図１のＡ－Ａ断面を示す図２を参照すると、リング状に形成された絶縁部材１１の断面等が示されている。複数のガス貫通孔１５は、中心軸となる軸線Ａｘに対して回転対称に設けられている。本実施形態では、ガス貫通孔１５の数は１６個であるが、これに限らない。ガス貫通孔１５の数は８個～１６個であってもよいし、他の個数であってもよい。複数のガス貫通孔１５は、周方向に均等に配置されていることが好ましい。
　絶縁部材１１が軸線Ａｘを中心軸として同心円環形状に形成され、かつ、複数のガス貫通孔１５は、軸線Ａｘに対して回転対称に配置されることで、ガス貫通孔１５の放電を抑制し、プラズマの面内均一性を高めることができる。
　本実施形態では、複数のガス貫通孔１５は、上部電極１４の下のシャワーヘッド１６と連通し、拡散室１７にガスを供給する。ガスは、複数のガス吐出孔１８から空間ＳＰに供給される。ただし、シャワーヘッド１６は設けられなくてもよい。シャワーヘッド１６がない場合、複数のガス貫通孔１５に連通する上部電極１４に形成された複数のガス供給口１９から空間ＳＰにガスが供給される。
　第１のシールド部材２４ａ及び第２のシールド部材２４ｂの隙間２４ｃ１から露出した絶縁部材１１の上端には、絶縁部材１１の径方向の幅よりも広い幅を有するリング状の導電部材２２が配置されている。導電部材２２は、例えばアルミニウム等の金属から形成されている。絶縁部材１１及び導電部材２２は、軸線Ａｘを共通にする。導電部材２２は、絶縁部材１１の上端を覆い、絶縁部材１１の内側面よりも内側及び絶縁部材１１の外側面よりも外側にて第１のシールド部材２４ａ及び第２のシールド部材２４ｂと接触する。これにより、導電部材２２は、第１のシールド部材２４ａと第２のシールド部材２４ｂとを電気的に接続する。
　これにより、電磁波のリターン回路において、導電部材２２を介して整合器３２まで第１のシールド部材２４ａ及び第２のシールド部材２４ｂに電磁波を伝播させることができる。なお、導電部材２２と絶縁部材１１との接触面には、Ｏリング１３が設けられ、絶縁部材１１内の複数のガス貫通孔１５内を大気空間から封止し、ガス貫通孔１５内の減圧状態を維持するようになっている。
　ＶＨＦ帯の電磁波を供給するプラズマ処理装置１では、上部電極１４へ印加するプラズマ励起用の電磁波の周波数の高周波化により成膜速度の向上などの利点がある。一方で、電磁波を印加する上部電極１４下に配置されたシャワーヘッド１６に表面波の定在波が発生し、定在波によりプラズマ密度の面内均一性が低下する場合がある。さらにプラズマ処理装置１の形状により電磁波の伝播モードの高次モードが発生し、さらなるプラズマの均一性の低下の要因となる。
　また、高周波化は処理容器１０の圧力が低い条件でも放電しやすくなる反面、その電磁波の伝播領域中にある減圧空間で放電を発生させ易い。つまり、シャワーヘッド１６内にガスを供給する絶縁部材１１内で放電を発生させ易くなる。
　そこで、第１実施形態に係るＶＨＦ帯の電磁波を供給するプラズマ処理装置１において、上部電極１４周辺の構造を軸線Ａｘに対して同心円環形状及び回転対称にする。これにより、ガス貫通孔１５を有する絶縁部材１１が原因となるプラズマ密度の不均一化を低減でき、また、ガス貫通孔１５内での放電を抑制できる。
　これにより、プラズマ２により基板Ｗの処理を行うプラズマ処理装置１において、基板Ｗの成膜、エッチング、アッシング等の所望の処理を精度よく行うことができる。
＜第２実施形態＞
　［プラズマ処理装置］
　次に、第２実施形態に係るプラズマ処理装置１について、図３及び図４を用いて説明する。図３は、第２実施形態に係るプラズマ処理装置１の一例を示す断面模式図である。図４は、図３のＢ－Ｂ断面を示す図である。
　第２実施形態に係るプラズマ処理装置１は、第１実施形態に係るプラズマ処理装置１と基本的構成は同じであるが、絶縁部材１１及びシャワーヘッド１６の構成が異なる。よって、以下では、第１実施形態に係るプラズマ処理装置１と異なる構成の絶縁部材１１及びシャワーヘッド１６の構成について説明する。
　第２実施形態では、絶縁部材１１の上端につば部１１ａが設けられ、絶縁部材１１の下端につば部１１ｂが設けられ、つば部１１ａ、１１ｂは、絶縁部材１１から外側に張り出している。つば部１１ａは、第１のシールド部材２４ａと第２のシールド部材２４ｂとの間に形成されたリング状の隙間２４ｃ１の段差部にはめ込まれ、つば部１１ｂは、上部電極１４に形成されたリング状の段差部にはめ込まれている。これにより、絶縁部材１１を第１のシールド部材２４ａ及び第２のシールド部材２４ｂと上部電極１４との間に固定する。つば部１１ａは、絶縁部材１１の第１の端部の一例である。つば部１１ｂは、絶縁部材１１の第１の端部の反対側の第２の端部の一例である。
　また、第２実施形態では、シャワーヘッド１６は、内周側の第１の領域１７ｃと外周側の第２の領域１７ｅとに区画されている。複数のガス貫通孔１５のうちの一部は、第１の領域１７ｃに連通し、複数のガス貫通孔１５のうちの残りは、第２の領域１７ｅに連通する。
　図３とともに、図３のＢ－Ｂ断面を示す図４を参照すると、複数のガス貫通孔１５は、一つ置きに水平方向に分岐するガス経路１５ｃと垂直方向に延在するガス経路１５ｅとに分岐する。つまり、複数のガス貫通孔１５のうち一つ置きに配置された８個のガス貫通孔１５は、第１の領域１７ｃに連通するガス経路１５ｃに連通して第１の領域１７ｃにガスを供給する。残りの８個のガス貫通孔１５は、第２の領域１７ｅに連通するガス経路１５ｅに連通して第２の領域１７ｅにガスを供給する。第１の領域１７ｃに供給されたガスは、ガス吐出孔１８ｃから空間ＳＰに導入され、第２の領域１７ｅに供給されたガスは、ガス吐出孔１８ｅから空間ＳＰに導入される。
　係る構成により、ガスの流量制御を内周側の第１の領域１７ｃと、第１の領域１７ｃの外周に形成された第２の領域１７ｅに分けて行うことができる。例えば、アルゴンガスを供給するときに、第１の領域１７ｃに供給するアルゴンガスの流量と、第２の領域１７ｅに供給するアルゴンガスの流量とを異なる流量に制御できる。
　第１の領域１７ｃに供給するガス種と、第２の領域１７ｅに供給するガス種とを変えてもよい。例えば、第１の領域１７ｃにアルゴンガスを供給し、第２の領域１７ｅにヘリウムガスを供給してもよい。更に、ガス種と流量とを第１の領域１７ｃと第２の領域１７ｅとで分けてゾーン制御することが可能である。
　以上に説明したように、第２実施形態に係るプラズマ処理装置１においてもプラズマ密度の不均一化を低減できる。また、ガス貫通孔１５内での放電を抑制できる。つまり、第２実施形態に係るプラズマ処理装置１においても、上部電極１４周辺の構造を軸線Ａｘに対して同心円環形状及び回転対称にする。これにより、電磁波の伝播空間にガス貫通孔１５を有する絶縁部材１１を配置したことによりプラズマの面内均一性を高めることができる。また、ガス貫通孔１５内での放電を抑制できる。また、ガスをゾーン制御することで、更にプラズマ密度の制御性を高めることができる。
　プラズマ処理装置１では、処理容器１０内に基板Ｗを準備する工程と、処理容器１０内の基板Ｗをプラズマ処理し、基板Ｗ上に半導体デバイスを形成する工程と、を実行することで半導体デバイスを基板Ｗの上に製造する。第１及び第２実施形態に係るプラズマ処理装置１によれば、上記のようにプラズマの面内均一性を向上させることができるため、良好な半導体デバイスを製造できる。プラズマ処理装置１は、プロセッサ及びメモリを含む制御部４０を有し、メモリに記憶されたレシピに従い、プロセッサがプラズマ処理装置１の各要素を制御して基板Ｗをプラズマ処理する。これにより、成膜やエッチング等のプラズマ処理によって半導体デバイスが形成される。
　今回開示された各実施形態に係るプラズマ処理装置及び半導体デバイスの製造方法は、すべての点において例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。各実施形態は、添付の請求の範囲及びその主旨を逸脱することなく、様々な形態で変形及び改良が可能である。上記複数の実施形態に記載された事項は、矛盾しない範囲で他の構成も取り得ることができ、また、矛盾しない範囲で組み合わせることができる。
　例えば、上部電極１４周辺の構造であって軸線Ａｘに対して同心円環形状及び回転対称にする対象部材は、ガスを供給するための絶縁部材１１に限られない。例えば、電磁波が通る空間に冷媒等の流体の流路を通す部材を配置する場合についても、係る部材を、軸線Ａｘに対して同心円環形状及び回転対称に配置することでプラズマの面内均一性を向上させることができる。また、電磁波が通る空間に、光ファイバ－などの信号伝達のための配線を通す場合にも配線を束ねた部材を軸線Ａｘに対して同心円環形状及び回転対称に配置することでプラズマの面内均一性を向上させることができる。
　本願は、日本特許庁に２０２０年９月１５日に出願された基礎出願２０２０－１５４８６１号の優先権を主張するものであり、その全内容を参照によりここに援用する。
１　　　　　プラズマ処理装置
１０　　　　処理容器
１１　　　　絶縁部材
１２　　　　載置台
１４　　　　上部電極
１４ａ　　　給電部材
１６　　　　シャワーヘッド
２０　　　　同軸導波管
２２　　　　導電部材
２４ａ　　　第１のシールド部材
２４ｂ　　　第２のシールド部材
３０　　　　ガス供給部
３１　　　　電源       
４０　　　　制御部
２０１　　　同軸線路
Ｗ　　　　　基板

Claims (11)

  1. 　処理容器内に供給される電磁波によりプラズマを生成して基板の処理を行うプラズマ処理装置であって、
    　前記処理容器の上部に配置される上部電極と、
    　前記上部電極に接続され、電磁波を前記上部電極に供給する給電部材と、
    　前記上部電極と前記給電部材とを電気的にシールドする第１のシールド部材と、
    　前記上部電極と前記給電部材とを電気的にシールドする第２のシールド部材と、
    　前記上部電極と前記第１のシールド部材との間に設けられ、かつ、前記上部電極と前記第２のシールド部材との間に設けられ、内部を複数のガス貫通孔が貫通するリング状の絶縁部材と、
    　前記絶縁部材の第１の端部を覆い、前記第１のシールド部材と前記第２のシールド部材を電気的に接続する導電部材と、を有し、
    　前記給電部材は、前記絶縁部材の内部空間を通り、電磁波を前記上部電極に供給する、
    　プラズマ処理装置。
  2. 　前記絶縁部材の前記第１の端部は前記第１のシールド部材と前記第２のシールド部材の両方に直接接し、前記絶縁部材の第２の端部は前記上部電極に直接接する、
    　請求項１に記載のプラズマ処理装置。
  3. 　前記電磁波は、ＶＨＦ帯又はＵＨＦ帯の電磁波である、
    　請求項１又は２に記載のプラズマ処理装置。
  4. 　前記電磁波の周波数は、１００ＭＨｚ以上であって８００ＭＨｚ以下である、
    　請求項３に記載のプラズマ処理装置。
  5. 　前記給電部材と前記絶縁部材とは、中心軸を共通にするように構成される、
    　請求項１～４のいずれか一項に記載のプラズマ処理装置。
  6. 　前記複数のガス貫通孔は、前記中心軸に対して回転対称に設けられる、
    　請求項５に記載のプラズマ処理装置。
  7. 　前記上部電極の下に、前記複数のガス貫通孔と連通するガス経路を有するシャワーヘッドを有する、
    　請求項１～６のいずれか一項に記載のプラズマ処理装置。
  8. 　前記シャワーヘッドは、第１の領域と前記第１の領域の外周に形成された第２の領域とに区画され、
    　前記複数のガス貫通孔のうちの一部は、前記第１の領域に連通し、
    　前記複数のガス貫通孔のうちの残りは、前記第２の領域に連通する、
    　請求項７に記載のプラズマ処理装置。
  9. 　前記ガス貫通孔の直径は、６ｍｍ以下である、
    　請求項１～８のいずれか一項に記載のプラズマ処理装置。
  10. 　前記絶縁部材の内径は、１５０ｍｍ以上である、
    　請求項１～９のいずれか一項に記載のプラズマ処理装置。
  11. 　請求項１～１０のいずれか一項に記載のプラズマ処理装置を用いた半導体デバイスの製造方法であって、
    　基板を前記プラズマ処理装置が有する処理容器内に準備する工程と、
    　前記処理容器内の基板をプラズマ処理し、これにより、基板上に半導体デバイスを形成する工程と、
    　を有する半導体デバイスの製造方法。
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