JP2001167900A - Plasma treatment apparatus - Google Patents
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Abstract
Description
【０００１】[0001]
【発明の属する技術分野】この発明は、たとえば半導体
基板などの被処理物に、マイクロ波の放射により励起さ
れたプラズマによる処理を施すプラズマ処理装置に関す
る。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a plasma processing apparatus for performing a process on an object to be processed, such as a semiconductor substrate, with plasma excited by microwave radiation.
【０００２】[0002]
【従来の技術】半導体装置の製造工程においては、ウエ
ハ表面の材質を変化させる表面改質処理や、ウエハ表面
に絶縁膜などの薄膜を形成する成膜処理、ウエハ表面に
形成された薄膜を微細パターンに加工するためのエッチ
ング処理、レジスト除去に用いられるアッシング処理が
行われる。このような表面改質処理や成膜処理、エッチ
ング処理などのための装置として、ＲＬＳＡ（Radial L
ine Slot Antenna）プラズマ処理装置が注目されてい
る。このＲＬＳＡプラズマ処理装置の構成例を図７に示
す。2. Description of the Related Art In a manufacturing process of a semiconductor device, a surface reforming process for changing a material of a wafer surface, a film forming process for forming a thin film such as an insulating film on the wafer surface, and a thin film formed on the wafer surface are finely divided. An etching process for processing into a pattern and an ashing process used for removing the resist are performed. As an apparatus for such a surface modification treatment, a film formation treatment, an etching treatment and the like, RLSA (Radial L
ine Slot Antenna) A plasma processing apparatus is drawing attention. FIG. 7 shows a configuration example of the RLSA plasma processing apparatus.
【０００３】ＲＬＳＡプラズマ処理装置は、上面が開放
された処理チャンバ９１と、この処理チャンバ９１の上
面を閉塞するように設けられた平板状の誘電体板９２
と、誘電体板９２の上面に対向して設けられたラジアル
ラインスロットアンテナ９３と、ラジアルラインスロッ
トアンテナ９３にマイクロ波を導入するためのマイクロ
波導入管９４と、誘電体板９２の下方の処理空間９５内
において半導体ウエハＷを載置して保持するためのウエ
ハステージ９６とを有している。処理チャンバ９１の側
面には、処理空間９５内に処理ガスを導入するためのガ
ス導入管９７が接続されている。The RLSA plasma processing apparatus includes a processing chamber 91 having an open upper surface and a flat dielectric plate 92 provided to close the upper surface of the processing chamber 91.
A radial line slot antenna 93 provided facing the upper surface of the dielectric plate 92; a microwave introduction tube 94 for introducing microwaves to the radial line slot antenna 93; and a process below the dielectric plate 92 A wafer stage 96 for mounting and holding the semiconductor wafer W in the space 95; A gas introduction pipe 97 for introducing a processing gas into the processing space 95 is connected to a side surface of the processing chamber 91.
【０００４】たとえば、このＲＬＳＡプラズマ処理装置
を用いて半導体ウエハＷの表面にアッシング処理を施す
際には、まず、半導体ウエハＷが、その表面を上方に向
けた状態でウエハステージ９６上に載置される。次い
で、図示しない排気機構によって処理空間９５内がほぼ
真空状態にされた後、この処理空間９５内に、ガス導入
管９７から処理ガスとしてのアッシングガスが導入され
る。その後、処理空間９５内に処理ガスが充満した状態
で、マイクロ波導入管９４からラジアルラインスロット
アンテナ９３にマイクロ波が導入される。For example, when ashing is performed on the surface of a semiconductor wafer W using this RLSA plasma processing apparatus, first, the semiconductor wafer W is placed on a wafer stage 96 with its surface facing upward. Is done. Next, after the inside of the processing space 95 is made substantially vacuum by an exhaust mechanism (not shown), an ashing gas as a processing gas is introduced into the processing space 95 from the gas introduction pipe 97. Thereafter, the microwave is introduced from the microwave introduction tube 94 to the radial line slot antenna 93 in a state where the processing space 95 is filled with the processing gas.
【０００５】ラジアルラインスロットアンテナ９３に導
入されたマイクロ波は、ラジアルラインスロットアンテ
ナ９３の下面から誘電体板９２に向けて放射され、誘電
体板９２を透過して処理空間９５に放射される。この処
理空間９５に放射されるマイクロ波のエネルギーによ
り、処理空間９５内に処理ガスのプラズマが発生する。
こうして発生したプラズマ中の電子密度が誘電体板９２
を透過してくるマイクロ波を遮蔽できる密度（カットオ
フ密度）以上になると、マイクロ波は誘電体板９２の下
面から処理空間９５内に一定距離（スキンデプス）ｄだ
け入るまでの間に反射され、このマイクロ波の反射面と
ラジアルラインスロットアンテナ９３の下面との間には
マイクロ波の定在波が形成される。すると、上記マイク
ロ波の反射面がプラズマ励起面となって、このプラズマ
励起面で安定なプラズマが励起されるようになる。半導
体ウエハＷの表面は、プラズマ励起面で励起された安定
なプラズマによりアッシング処理される。[0005] The microwave introduced into the radial line slot antenna 93 is radiated from the lower surface of the radial line slot antenna 93 toward the dielectric plate 92, passes through the dielectric plate 92, and is radiated to the processing space 95. The plasma of the processing gas is generated in the processing space 95 by the energy of the microwave radiated to the processing space 95.
The electron density in the plasma generated in this way is
When the density exceeds the density (cut-off density) at which microwaves that pass through the substrate can be shielded, the microwaves are reflected from the lower surface of the dielectric plate 92 to a distance (skin depth) d into the processing space 95. A microwave standing wave is formed between the microwave reflection surface and the lower surface of the radial line slot antenna 93. Then, the reflecting surface of the microwave becomes a plasma excitation surface, and stable plasma is excited on the plasma excitation surface. Ashing is performed on the surface of the semiconductor wafer W by stable plasma excited on the plasma excitation surface.
【０００６】[0006]
【発明が解決しようとする課題】ラジアルラインスロッ
トアンテナ９３は、下面全域に分布して形成された多数
のスロットを有しており、これら多数のスロットを介し
て、マイクロ波導入管９４から導入されたマイクロ波を
放射するようになっている。したがって、このラジアル
ラインスロットアンテナ９３を用いたＲＬＳＡプラズマ
処理装置では、処理空間９５内にマイクロ波をほぼ均一
に放射することができるから、処理ガスのプラズマを均
一に発生させることができ、これにより半導体ウエハＷ
の表面に均一なプラズマ処理を施すことができるはずで
ある。The radial line slot antenna 93 has a large number of slots distributed over the entire lower surface thereof, and is introduced from the microwave introduction tube 94 through these many slots. It emits microwaves. Therefore, in the RLSA plasma processing apparatus using the radial line slot antenna 93, since the microwave can be radiated almost uniformly into the processing space 95, the plasma of the processing gas can be generated uniformly. Semiconductor wafer W
Should be able to be subjected to a uniform plasma treatment on the surface.
【０００７】ところが、このようなＲＬＳＡプラズマ処
理装置であっても、半導体ウエハＷの表面を均一にプラ
ズマ処理できない場合がある。たとえば、処理空間９５
内の気圧が約４０Ｐａ以下に設定されている場合、処理
チャンバ９１の側壁付近では、プラズマ中の電子が拡散
により失われ、これにより電子密度が低下してマイクロ
波の遮蔽が不十分になる。そのため、マイクロ波の定在
波が良好に形成されず、この部分で励起されるプラズマ
の密度が小さくなるおそれがある。その結果、半導体ウ
エハＷの中央部と比較して、半導体ウエハＷの周縁部に
入射するイオン電流が小さくなり、半導体ウエハＷの表
面に対するプラズマ処理にむらを生じてしまう。However, even with such an RLSA plasma processing apparatus, the surface of the semiconductor wafer W may not be uniformly plasma-processed. For example, processing space 95
If the internal pressure is set to about 40 Pa or less, electrons in the plasma are lost near the side wall of the processing chamber 91 due to diffusion, whereby the electron density decreases and microwave shielding becomes insufficient. Therefore, the standing wave of the microwave is not formed well, and the density of the plasma excited in this portion may be reduced. As a result, the ion current incident on the peripheral portion of the semiconductor wafer W is smaller than that in the central portion of the semiconductor wafer W, and the plasma processing on the surface of the semiconductor wafer W becomes uneven.
【０００８】このような問題を解決するには、プラズマ
励起面で生成されたプラズマが半導体ウエハＷの表面に
到達するまでに拡散して均一になるように、誘電体板９
２とウエハステージ９６との間隔を大きく設定すればよ
いが、この手法では、装置サイズの大型化を招いてしま
う。そのうえ、半導体ウエハＷに入射するイオン電流が
小さくなるために、処理速度が低下するといった問題も
生じる。また、ラジアルラインスロットアンテナ９３の
下面に形成されているスロットを部分的に塞ぎ、ラジア
ルラインスロットアンテナ９３から放射されるマイクロ
波の強度分布を調整することにより、プラズマ励起面で
生成されるプラズマの密度分布を均一化する手法も考え
られる。しかしながら、この手法では、各スロットから
放射されるマイクロ波の強度を微調整することができな
いため、プラズマの面内密度分布を精度良く均一化する
ことは困難である。In order to solve such a problem, the dielectric plate 9 is formed so that the plasma generated on the plasma excitation surface is diffused and uniform before reaching the surface of the semiconductor wafer W.
The distance between the wafer stage 2 and the wafer stage 96 may be set large, but this method results in an increase in the size of the apparatus. In addition, since the ion current incident on the semiconductor wafer W is reduced, there is a problem that the processing speed is reduced. Further, by partially closing the slot formed on the lower surface of the radial line slot antenna 93 and adjusting the intensity distribution of the microwave radiated from the radial line slot antenna 93, the plasma generated on the plasma excitation surface is reduced. A method of making the density distribution uniform is also conceivable. However, in this method, it is difficult to finely adjust the intensity of the microwave radiated from each slot, and it is difficult to accurately uniform the in-plane density distribution of the plasma.
【０００９】そこで、この発明の目的は、上述の技術的
課題を解決し、プラズマの面内密度分布を精度良く均一
化することができ、これにより、被処理物に良好なプラ
ズマ処理を施すことができるプラズマ処理装置を提供す
ることである。SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to solve the above-mentioned technical problems and to make uniform the in-plane density distribution of plasma with high accuracy, thereby performing good plasma processing on an object to be processed. The object of the present invention is to provide a plasma processing apparatus capable of performing the above.
【００１０】[0010]
【課題を解決するための手段および発明の効果】上記の
目的を達成するための請求項１記載の発明は、被処理物
および処理ガスが収容される処理空間にマイクロ波放射
アンテナからマイクロ波を放射して、前記マイクロ波放
射アンテナのマイクロ波放射面から所定距離だけ離れた
プラズマ励起面でプラズマを励起し、その励起したプラ
ズマを用いた処理を被処理物に施すプラズマ処理装置で
あって、マイクロ波透過性を有する誘電体材料で形成さ
れ、前記マイクロ波放射アンテナのマイクロ波放射面に
対向して配置されて、マイクロ波の波長を距離単位とし
て表す前記マイクロ波放射面と前記プラズマ励起面との
間隔を部分的に調整する（すなわち、マイクロ波放射面
内で領域ごとに間隔を異ならせる）間隔調整部材を含む
ことを特徴とするプラズマ処理装置である。Means for Solving the Problems and Effects of the Invention According to the first aspect of the present invention, a microwave is radiated from a microwave radiating antenna to a processing space in which an object to be processed and a processing gas are accommodated. A plasma processing apparatus that emits, excites plasma on a plasma excitation surface separated by a predetermined distance from a microwave emission surface of the microwave emission antenna, and performs a process using the excited plasma on an object to be processed. The microwave radiating surface and the plasma excitation surface, which are formed of a dielectric material having microwave permeability and are arranged to face the microwave radiating surface of the microwave radiating antenna, and represent a microwave wavelength as a distance unit. And a gap adjusting member that partially adjusts the gap with (i.e., varies the gap for each region in, the microwave radiation plane). A plasma processing apparatus.
【００１１】なお、請求項２に記載のように、前記マイ
クロ波放射面と前記プラズマ励起面との間にはマイクロ
波の定在波が形成され、このマイクロ波の定在波からエ
ネルギーの供給を受けることにより、前記プラズマ励起
面においてプラズマが励起されることが好ましい。マイ
クロ波の波長を距離単位として表すマイクロ波放射面と
プラズマ励起面との間隔は、プラズマの励起に使用され
るマイクロ波電力（エネルギー）の大きさに影響を与
え、ひいては、プラズマ励起面で励起されるプラズマの
密度に影響を与える。したがって、間隔調整部材を適切
に設計して、マイクロ波放射面とプラズマ励起面との間
隔を上手く設定すれば、プラズマ励起面において安定な
プラズマを均一に発生させることができ、被処理物に均
一なプラズマ処理を施すことができる。たとえば、プラ
ズマが処理空間を形成するチャンバ側壁で消失されるよ
うな場合には、このチャンバ側壁付近でプラズマ励起の
ために消費されるマイクロ波電力が大きくなるように間
隔調整部材を設計することにより、プラズマ励起面にお
いて均一なプラズマを発生させることができる。As described in claim 2, a microwave standing wave is formed between the microwave radiating surface and the plasma excitation surface, and energy is supplied from the microwave standing wave. It is preferable that the plasma is excited on the plasma excitation surface by receiving the plasma. The distance between the microwave radiating surface and the plasma excitation surface, which represents the wavelength of the microwave as a distance unit, affects the magnitude of microwave power (energy) used to excite the plasma, and thus, the excitation at the plasma excitation surface Affects the density of the plasma produced. Therefore, if the distance adjusting member is appropriately designed and the distance between the microwave radiating surface and the plasma excitation surface is set well, stable plasma can be generated uniformly on the plasma excitation surface, and the uniform Plasma processing can be performed. For example, in the case where plasma is lost on the side wall of the chamber forming the processing space, the interval adjusting member is designed so that microwave power consumed for plasma excitation near the side wall of the chamber becomes large. In addition, uniform plasma can be generated on the plasma excitation surface.
【００１２】しかも、プラズマ励起面においてプラズマ
が均一化されているので、プラズマ励起面と被処理物と
の間隔が小さくても、被処理物に均一なプラズマを入射
させることができる。これにより、プラズマ励起面と被
処理物との間隔を小さくすることができ、装置サイズの
小型化を図ることができる。そのうえ、プラズマ励起面
と被処理物との間隔が小さいと、プラズマ励起面と被処
理物との間におけるプラズマの損失が少なくすむので、
高密度なプラズマを被処理物に入射させることができ、
消費電力を増大させることなく処理速度を上げることが
できる。これとは逆に、従来装置と同じ処理速度を達成
するのであれば、処理空間に放射すべきマイクロ波のエ
ネルギーを小さくできるから、装置のランニングコスト
の低減を図ることができる。In addition, since the plasma is made uniform on the plasma excitation surface, even if the distance between the plasma excitation surface and the object is small, uniform plasma can be incident on the object. Accordingly, the distance between the plasma excitation surface and the object can be reduced, and the size of the apparatus can be reduced. In addition, if the distance between the plasma excitation surface and the object is small, the loss of plasma between the plasma excitation surface and the object can be reduced.
High-density plasma can be incident on the workpiece,
The processing speed can be increased without increasing power consumption. Conversely, if the same processing speed as that of the conventional apparatus is achieved, the energy of microwaves to be radiated into the processing space can be reduced, so that the running cost of the apparatus can be reduced.
【００１３】なお、マイクロ波の波長を距離単位として
表す前記マイクロ波放射面と前記プラズマ励起面との部
分的な間隔の調整は、前記間隔調整部材の厚みを部分的
に異ならせることにより達成されてもよいし（請求項
３）、前記間隔調整部材の誘電率を部分的に異ならせる
ことにより達成されてもよい（請求項４）。誘電体中に
おけるマイクロ波の波長λは、真空中におけるマイクロ
波の波長をλ0とし、誘電体の比誘電率をεrとすると、The adjustment of the partial distance between the microwave radiating surface and the plasma excitation surface, which represents the wavelength of the microwave as a distance unit, is achieved by partially varying the thickness of the distance adjusting member. This may be achieved (Claim 3), or achieved by partially varying the dielectric constant of the gap adjusting member (Claim 4). The wavelength λ of the microwave in the dielectric is λ 0 , the wavelength of the microwave in the vacuum is λ 0, and the relative permittivity of the dielectric is ε r ,
【００１４】[0014]
【数１】 (Equation 1)
【００１５】となる。したがって、誘電体の誘電率（比
誘電率）が異なれば、誘電体中を透過するマイクロ波の
波長が異なる。ゆえに、マイクロ波放射面とプラズマ励
起面との間に介在された間隔調整部材の厚みが一様であ
っても、間隔調整部材の誘電率が異なる部分は、その他
の部分とマイクロ波の波長を距離単位とする厚みが異な
ることになる。ゆえに、間隔調整部材の誘電率を部分的
に異ならせることにより、マイクロ波の波長を距離単位
として表すマイクロ波放射面とプラズマ励起面との間隔
を部分的に調整することができる。## EQU1 ## Therefore, if the dielectric constant (dielectric constant) of the dielectric is different, the wavelength of the microwave transmitted through the dielectric is different. Therefore, even if the thickness of the gap adjusting member interposed between the microwave radiating surface and the plasma excitation surface is uniform, the portion of the gap adjusting member having a different dielectric constant has a different wavelength from the other portions. The thickness as a distance unit will be different. Therefore, by partially varying the dielectric constant of the spacing adjusting member, the spacing between the microwave radiating surface and the plasma excitation surface, which represents the wavelength of the microwave as a distance unit, can be partially adjusted.
【００１６】また、請求項５に記載のように、前記マイ
クロ波放射アンテナは、マイクロ波を放射するための多
数のスロットがマイクロ波放射面に分布して形成された
ラジアルラインスロットアンテナであることが好まし
い。According to a fifth aspect of the present invention, the microwave radiating antenna is a radial line slot antenna in which a number of slots for radiating microwaves are distributed on a microwave radiating surface. Is preferred.
【００１７】[0017]
【発明の実施の形態】以下では、この発明の実施の形態
を、添付図面を参照して詳細に説明する。図１は、この
発明の一実施形態に係るプラズマ窒化装置の構成を示す
図解的な断面図である。プラズマ窒化装置は、被処理物
としての半導体ウエハＷの表面にプラズマ窒化処理を施
して、半導体ウエハＷの表面の材質を変化させるための
装置であり、たとえば、半導体ウエハＷがシリコンから
なる場合に、この半導体ウエハＷの表面をＳｉ3Ｎ4に改
質して絶縁膜を形成する工程に用いられる。Embodiments of the present invention will be described below in detail with reference to the accompanying drawings. FIG. 1 is an illustrative sectional view showing a configuration of a plasma nitriding apparatus according to one embodiment of the present invention. The plasma nitriding apparatus is an apparatus for performing a plasma nitriding process on a surface of a semiconductor wafer W as an object to be processed to change the material of the surface of the semiconductor wafer W. For example, when the semiconductor wafer W is made of silicon, The surface of the semiconductor wafer W is modified into Si 3 N 4 to form an insulating film.
【００１８】このプラズマ窒化装置は、上面が開放され
た有底筒状の処理チャンバ１を有している。処理チャン
バ１の上部には、処理チャンバ１の開放された上面を閉
塞するように、たとえば石英、アルミナ（Ａｌ2Ｏ3）ま
たは窒化アルミニウム（ＡｌＮ）などの誘電体からなる
誘電体部材２が設けられていて、これにより、誘電体部
材２の下方に密閉された処理空間３が形成されている。
処理空間３内には、半導体ウエハＷを載置して保持する
ためのウエハステージ４が配置されている。また、処理
チャンバ１の側壁には、処理空間３内に処理ガスを導入
するためのガス導入管５が接続されている。処理ガスと
しては、たとえば、Ａｒ／ＮＨ3、Ａｒ／Ｎ2またはＡｒ
／Ｎ2／Ｈ2などを用いることができる。The plasma nitriding apparatus has a cylindrical processing chamber 1 having a bottom and an open top. A dielectric member 2 made of a dielectric such as quartz, alumina (Al 2 O 3 ), or aluminum nitride (AlN) is provided on the upper portion of the processing chamber 1 so as to close the open upper surface of the processing chamber 1. Thus, a sealed processing space 3 is formed below the dielectric member 2.
In the processing space 3, a wafer stage 4 for placing and holding the semiconductor wafer W is arranged. Further, a gas introduction pipe 5 for introducing a processing gas into the processing space 3 is connected to a side wall of the processing chamber 1. As the processing gas, for example, Ar / NH 3 , Ar / N 2 or Ar
/ N 2 / H 2 or the like can be used.
【００１９】誘電体部材２の上方には、ラジアルライン
スロットアンテナ６が誘電体部材２の上面に対向して設
けられている。ラジアルラインスロットアンテナ６は、
内部にマイクロ波が伝搬可能な絶縁物のプレートを有す
る平板状アンテナであり、その上面には、図示しないマ
イクロ波発振器から発振されるマイクロ波を絶縁物プレ
ートに導くための導波管７が接続されている。この導波
管７としては、たとえば、同軸導波管を採用することが
できる。A radial line slot antenna 6 is provided above the dielectric member 2 so as to face the upper surface of the dielectric member 2. The radial line slot antenna 6
A planar antenna having an insulator plate through which microwaves can propagate, and a waveguide 7 for guiding microwaves oscillated from a microwave oscillator (not shown) to the insulator plate is connected to an upper surface thereof. Have been. As the waveguide 7, for example, a coaxial waveguide can be adopted.
【００２０】また、ラジアルラインスロットアンテナ６
の下面には、図２に示すように、多数のスロットペアＰ
が同心円状に配列して形成されている。各スロットペア
Ｐは、互いに交差する向きを有する一対のスロットＳ
１，Ｓ２からなり、これらのスロットＳ１，Ｓ２は、わ
ずかに離間して略Ｔ字状をなしている。また、ラジアル
ラインスロットアンテナ６の下面の周縁部には、多数の
スロットＳ３が、スロットペアＰの形成されている領域
を取り囲むように形成されている。The radial line slot antenna 6
As shown in FIG. 2, a large number of slot pairs P
Are concentrically arranged. Each slot pair P has a pair of slots S having directions crossing each other.
1 and S2, and these slots S1 and S2 are slightly separated and have a substantially T-shape. In addition, a number of slots S3 are formed on the peripheral edge of the lower surface of the radial line slot antenna 6 so as to surround the area where the slot pair P is formed.
【００２１】半導体ウエハＷの表面に窒化処理を施す際
には、まず、半導体ウエハＷが、その表面を上方に向け
た状態でウエハステージ４上に載置される。次いで、図
示しない排気機構によって処理空間３内の雰囲気が排気
され、処理空間３内がほぼ真空状態にされた後、この処
理空間３内にガス導入管５から処理ガスが導入される。
その後、処理空間３内に処理ガスが充満した状態で、た
とえば、図示しないマイクロ波発振器から周波数２．４
５ＧＨｚのマイクロ波が発振され、このマイクロ波がＴ
ＥＭモードで導波管７内を伝搬してラジアルラインスロ
ットアンテナ６内に導入される。When performing the nitriding process on the surface of the semiconductor wafer W, first, the semiconductor wafer W is placed on the wafer stage 4 with its surface facing upward. Next, the atmosphere in the processing space 3 is evacuated by an exhaust mechanism (not shown), and after the inside of the processing space 3 is almost evacuated, the processing gas is introduced into the processing space 3 from the gas introduction pipe 5.
Thereafter, in a state where the processing space 3 is filled with the processing gas, for example, a frequency of 2.4 is output from a microwave oscillator (not shown).
A microwave of 5 GHz is oscillated, and this microwave is
The light propagates through the waveguide 7 in the EM mode and is introduced into the radial line slot antenna 6.
【００２２】ラジアルラインスロットアンテナ６内に導
入されたマイクロ波は、ラジアルラインスロットアンテ
ナ６内の絶縁物プレートを伝搬し、その途中でスロット
Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３から漏れて誘電体部材２に向けて放射
され、さらに誘電体部材２を透過して処理空間３に放射
される。この処理空間３に放射されるマイクロ波のエネ
ルギーにより、処理空間３内に処理ガスのプラズマが発
生する。こうして処理空間３内に発生したプラズマ中の
電子密度がマイクロ波を遮蔽可能なカットオフ密度以上
になると、誘電体部材２を透過してくるマイクロ波は、
誘電体部材２の下面から処理空間３内に一定距離（スキ
ンデプス）ｄだけ入るまでの間に反射される。これによ
り、そのマイクロ波の反射面とラジアルラインスロット
アンテナ６の下面（マイクロ波放射面）との間の領域に
マイクロ波の定在波が形成される。この後は、上記マイ
クロ波の反射面がプラズマ励起面となって、このプラズ
マ励起面で安定なプラズマが励起されるようになる。ま
た、マイクロ波定在波の有するエネルギーの大部分は、
誘電体部材２の下面から処理空間３内に一定距離（スキ
ンデプス）ｄだけ入るまでの間で、電子加熱を通じて消
費されるようになる。The microwave introduced into the radial line slot antenna 6 propagates through the insulator plate in the radial line slot antenna 6, leaks from the slots S 1, S 2, S 3 on the way to the dielectric member 2. The light is radiated and further transmitted through the dielectric member 2 and radiated to the processing space 3. The plasma of the processing gas is generated in the processing space 3 by the energy of the microwave radiated to the processing space 3. When the electron density in the plasma generated in the processing space 3 becomes equal to or higher than the cutoff density at which the microwave can be shielded, the microwave transmitted through the dielectric member 2
The light is reflected during a predetermined distance (skin depth) d from the lower surface of the dielectric member 2 into the processing space 3. Thereby, a standing wave of the microwave is formed in a region between the reflecting surface of the microwave and the lower surface (microwave radiation surface) of the radial line slot antenna 6. Thereafter, the microwave reflection surface becomes a plasma excitation surface, and stable plasma is excited on the plasma excitation surface. Most of the energy of the microwave standing wave is
It is consumed through the electronic heating until it enters the processing space 3 from the lower surface of the dielectric member 2 by a certain distance (skin depth) d.
【００２３】マイクロ波の波長を距離単位として表すラ
ジアルラインスロットアンテナ６の下面（マイクロ波放
射面）とプラズマ励起面との間隔は、プラズマの励起に
使用されるマイクロ波電力の大きさに影響を与え、ひい
ては、プラズマ励起面で励起されるプラズマの密度に影
響を与える。したがって、マイクロ波放射面とプラズマ
励起面との間隔を上手く設定すれば、プラズマ励起面に
おいて安定なプラズマを均一に発生させることができ、
ウエハステージ４に載置された半導体ウエハＷの表面に
均一なプラズマ窒化処理を施すことができる。The distance between the lower surface (microwave radiation surface) of the radial line slot antenna 6, which represents the wavelength of the microwave as a distance unit, and the plasma excitation surface has an effect on the magnitude of microwave power used for plasma excitation. And thus affects the density of the plasma excited on the plasma excitation surface. Therefore, if the distance between the microwave emitting surface and the plasma excitation surface is set well, stable plasma can be uniformly generated on the plasma excitation surface,
The surface of the semiconductor wafer W mounted on the wafer stage 4 can be subjected to uniform plasma nitriding.
【００２４】図３は、半導体ウエハＷの表面上における
イオン電流密度分布を示すグラフである。たとえば、
「発明が解決しようとする課題」の項で述べたように、
処理空間３内の気圧が約４０Ｐａ以下に設定されている
場合、処理チャンバ１の側壁付近では、プラズマ中の電
子が拡散により失われ、これにより電子密度が低下して
マイクロ波の遮蔽が不十分になる。そのため、処理チャ
ンバ１の側壁付近でマイクロ波の定在波が良好に形成さ
れず、この部分で励起されるプラズマの密度が小さくな
ってしまう。その結果、図３に二点鎖線で示すように、
半導体ウエハＷの中央部と比較して、半導体ウエハＷの
周縁部に入射するイオン電流密度が小さくなり、半導体
ウエハＷの表面に対するプラズマ処理にむらが生じる。FIG. 3 is a graph showing an ion current density distribution on the surface of the semiconductor wafer W. For example,
As mentioned in the section "Problems to be solved by the invention",
When the atmospheric pressure in the processing space 3 is set to about 40 Pa or less, electrons in the plasma are lost near the side wall of the processing chamber 1 due to diffusion, whereby the electron density decreases and microwave shielding is insufficient. become. Therefore, a standing wave of the microwave is not satisfactorily formed in the vicinity of the side wall of the processing chamber 1, and the density of the plasma excited in this portion is reduced. As a result, as shown by the two-dot chain line in FIG.
As compared with the central portion of the semiconductor wafer W, the ion current density incident on the peripheral portion of the semiconductor wafer W becomes smaller, and the plasma processing on the surface of the semiconductor wafer W becomes uneven.
【００２５】そこで、この実施形態では、たとえば、図
１に示すように、誘電体部材２の下面を上方に凹湾曲さ
せて、誘電体部材２の周縁部の厚みＤｅを中央部の厚み
Ｄｃよりも大きくしている。これにより、処理チャンバ
１の側壁付近でプラズマ励起のために消費されるマイク
ロ波電力量が大きくなり、この処理チャンバ１の側壁付
近においてもプラズマを良好に発生させることができる
から、マイクロ波の遮蔽に十分な電子密度を確保するこ
とができる。よって、プラズマ励起面において処理ガス
の安定なプラズマを均一に発生させることができ、図３
に実線で示すように、半導体ウエハＷの表面上における
イオン電流密度を均一にすることができる。In this embodiment, for example, as shown in FIG. 1, the lower surface of the dielectric member 2 is concavely curved upward, and the thickness De of the peripheral portion of the dielectric member 2 is made larger than the thickness Dc of the central portion. Is also bigger. As a result, the amount of microwave power consumed for exciting the plasma near the side wall of the processing chamber 1 increases, and the plasma can be satisfactorily generated also near the side wall of the processing chamber 1. Enough electron density can be secured. Therefore, a stable plasma of the processing gas can be uniformly generated on the plasma excitation surface, and FIG.
As shown by the solid line, the ion current density on the surface of the semiconductor wafer W can be made uniform.
【００２６】以上のようにこの実施形態によれば、誘電
体部材２の厚みを部分的に異ならせて、マイクロ波放射
面とプラズマ励起面との間隔を上手く設定することによ
り、プラズマ励起面において安定なプラズマを均一に発
生させることができる。ゆえに、ウエハステージ４に載
置された半導体ウエハＷの表面に均一なプラズマ窒化処
理を施すことができる。しかも、プラズマ励起面におい
てプラズマが均一化されているので、誘電体部材２とウ
エハステージ４との間隔が小さくても、ウエハステージ
４上に載置された半導体ウエハＷの表面上に均一なプラ
ズマ（イオン電流）を入射させることができる。これに
より、プラズマ励起面と半導体ウエハＷとの間隔をたと
えば３〜４ｃｍに設定することができ、プラズマ励起面
と半導体ウエハＷとの間隔が６〜１０ｃｍに設定された
従来装置と比較して、装置サイズを小型化することがで
きる。しかも、誘電体部材２とウエハステージ４との間
隔が小さいと、プラズマ励起面と半導体ウエハＷの表面
との間におけるプラズマの損失が少なくすむので、高密
度なプラズマ（イオン電流）を半導体ウエハＷの表面に
入射させることができ、消費電力を増大させることなく
処理速度を上げることができる。これとは逆に、従来装
置と同じ処理速度を達成するのであれば、処理空間３に
放射すべきマイクロ波のエネルギーを小さくできるか
ら、装置のランニングコストの低減を図ることができ
る。As described above, according to this embodiment, the thickness of the dielectric member 2 is made partially different and the distance between the microwave radiating surface and the plasma excitation surface is set well, so that the plasma excitation surface Stable plasma can be generated uniformly. Therefore, the surface of the semiconductor wafer W placed on the wafer stage 4 can be subjected to uniform plasma nitriding. In addition, since the plasma is made uniform on the plasma excitation surface, even if the distance between the dielectric member 2 and the wafer stage 4 is small, the uniform plasma is formed on the surface of the semiconductor wafer W mounted on the wafer stage 4. (Ion current) can be incident. Thereby, the distance between the plasma excitation surface and the semiconductor wafer W can be set to, for example, 3 to 4 cm, and compared with the conventional apparatus in which the distance between the plasma excitation surface and the semiconductor wafer W is set to 6 to 10 cm. The size of the device can be reduced. In addition, if the distance between the dielectric member 2 and the wafer stage 4 is small, the loss of plasma between the plasma excitation surface and the surface of the semiconductor wafer W is reduced, so that high-density plasma (ion current) can be supplied to the semiconductor wafer W. And the processing speed can be increased without increasing power consumption. Conversely, if the same processing speed as that of the conventional apparatus is achieved, the energy of the microwave to be radiated to the processing space 3 can be reduced, so that the running cost of the apparatus can be reduced.
【００２７】なお、この実施形態では、誘電体部材２の
下面を上方に凹湾曲させることにより、誘電体部材２の
周縁部の厚みＤｅを中央部の厚みＤｃよりも大きくして
いるが、たとえば、誘電体部材２の上面を下方に凹湾曲
させることにより、誘電体部材２の周縁部の厚みＤｅを
中央部の厚みＤｃよりも大きくしてもよい。この場合、
誘電体部材２の下面が平面となり、この誘電体部材２の
下面から一定距離（スキンデプス）だけ離れたプラズマ
励起面と半導体ウエハＷの表面（処理対象面）との間の
距離が面内均一になるから、半導体ウエハＷの表面上に
おけるプラズマ密度の均一性をより向上させることがで
きる。In this embodiment, the lower surface of the dielectric member 2 is concavely curved upward, so that the thickness De of the peripheral portion of the dielectric member 2 is larger than the thickness Dc of the central portion. By making the upper surface of the dielectric member 2 concavely curved downward, the thickness De of the peripheral portion of the dielectric member 2 may be larger than the thickness Dc of the central portion. in this case,
The lower surface of the dielectric member 2 is flat, and the distance between the plasma excitation surface separated from the lower surface of the dielectric member 2 by a certain distance (skin depth) and the surface of the semiconductor wafer W (target surface) is uniform in the plane. Therefore, the uniformity of the plasma density on the surface of the semiconductor wafer W can be further improved.
【００２８】また、誘電体部材２は、必ずしも一体に形
成されている必要はなく、複数の分割部分で構成されて
いてもよい。たとえば、図４に示すように、誘電体部材
２を平板状の下分割部分２１とこの下分割部分２１上に
設けられた上分割部分２２とで構成し、上分割部分２２
の形状を変更することにより、誘電体部材２の厚みを部
分的に異ならせるようにしてもよい。さらには、図５に
示すように、誘電体部材２を平板状の下分割部分２３と
この下分割部分２３上に設けられた複数のリング状分割
部分２４，２５とで構成し、リング状分割部分２４，２
５の高さを互いに異ならせることにより、誘電体部材２
の厚みを部分的に異ならせるようにしてもよい。The dielectric member 2 does not necessarily have to be formed integrally, but may be constituted by a plurality of divided parts. For example, as shown in FIG. 4, the dielectric member 2 is composed of a plate-shaped lower divided portion 21 and an upper divided portion 22 provided on the lower divided portion 21.
The thickness of the dielectric member 2 may be partially changed by changing the shape of the dielectric member 2. Further, as shown in FIG. 5, the dielectric member 2 is composed of a plate-shaped lower divided portion 23 and a plurality of ring-shaped divided portions 24 and 25 provided on the lower divided portion 23 to form a ring-shaped divided portion. Parts 24, 2
By making the heights of the dielectric members 2 different from each other,
May be partially different.
【００２９】さらにまた、この実施形態においては、誘
電体部材２の厚みを部分的に異ならせることにより、マ
イクロ波の波長を距離単位とするマイクロ波放射面とプ
ラズマ励起面との間隔を調整しているが、誘電体部材２
の誘電率を部分的に異ならせることにより、マイクロ波
の波長を距離単位とするマイクロ波放射面とプラズマ励
起面との間隔を調整するようにしてもよい。たとえば、
図６に示すように、誘電体部材２を平板状の下分割部分
２６とこの下分割部分２６上に設けられた同じ厚みを有
するリング状分割部分２７，２８とで構成し、これらリ
ング状分割部分２７，２８を誘電率の互いに異なる誘電
体材料で構成することにより、マイクロ波の波長を距離
単位とするマイクロ波放射面とプラズマ励起面との間隔
を調整するようにしてもよい。Furthermore, in this embodiment, the distance between the microwave radiating surface and the plasma excitation surface, which uses the microwave wavelength as a distance unit, is adjusted by partially varying the thickness of the dielectric member 2. But the dielectric member 2
The distance between the microwave radiating surface and the plasma excitation surface may be adjusted by making the permittivity of the microwave partially different so that the wavelength of the microwave is a distance unit. For example,
As shown in FIG. 6, the dielectric member 2 is composed of a plate-shaped lower divided portion 26 and ring-shaped divided portions 27 and 28 provided on the lower divided portion 26 and having the same thickness. By configuring the portions 27 and 28 with dielectric materials having different dielectric constants, the distance between the microwave radiating surface and the plasma excitation surface with the microwave wavelength as a distance unit may be adjusted.
【００３０】誘電体中におけるマイクロ波の波長λは、
真空中におけるマイクロ波の波長をλ0とし、誘電体の
比誘電率をεrとすると、The wavelength λ of the microwave in the dielectric is
Assuming that the wavelength of the microwave in vacuum is λ 0 and the relative permittivity of the dielectric is ε r ,
【００３１】[0031]
【数２】 (Equation 2)
【００３２】となる。したがって、誘電体の誘電率（比
誘電率）が異なれば、誘電体中を透過するマイクロ波の
波長が異なる。よって、リング状分割部分２７，２８の
厚み（物理的距離）が同じであっても、リング状分割部
分２７，２８を構成する誘電体材料の誘電率が異なれ
ば、マイクロ波の波長を距離単位として表すリング状分
割部分２７，２８の厚みは異なることになる。ゆえに、
リング状分割部分２７，２８を誘電率の互いに異なる誘
電体材料で構成することによっても、マイクロ波の波長
を距離単位とするマイクロ波放射面とプラズマ励起面と
の間隔を調整することができる。## EQU1 ## Therefore, if the dielectric constant (dielectric constant) of the dielectric is different, the wavelength of the microwave transmitted through the dielectric is different. Therefore, even if the thicknesses (physical distances) of the ring-shaped divided portions 27 and 28 are the same, if the dielectric materials constituting the ring-shaped divided portions 27 and 28 have different dielectric constants, the wavelength of the microwave is converted into a distance unit. The thicknesses of the ring-shaped divided portions 27 and 28 represented by will be different. therefore,
By forming the ring-shaped divided portions 27 and 28 from dielectric materials having different dielectric constants, it is also possible to adjust the distance between the microwave radiating surface and the plasma excitation surface using the microwave wavelength as a distance unit.
【００３３】さらに、この発明は他の形態で実施するこ
ともできる。たとえば、図１、図４〜図６に示す誘電体
部材２の各構成は、処理チャンバ１の側壁付近における
マイクロ波の強度を増大させることによってプラズマの
均一化を達成する構成であり、たとえば、平板状の誘電
体板を用いたときに処理チャンバ１の中央部のプラズマ
密度が小さくなるような場合には、処理チャンバ１の中
央部におけるマイクロ波の強度が増大するように誘電体
部材２の構成を変更すればよい。この場合、処理チャン
バ１の中央部で消費されるマイクロ波電力を増大させる
ために、たとえば、誘電体部材２の下面を下方に凸湾曲
させて、誘電体部材２の中央部の厚みＤｃが周縁部の厚
みＤｅよりも大きくなるようにしてもよい。Further, the present invention can be embodied in other forms. For example, each configuration of the dielectric member 2 shown in FIG. 1 and FIGS. 4 to 6 is a configuration for achieving uniform plasma by increasing the intensity of microwaves near the side wall of the processing chamber 1. If the plasma density at the center of the processing chamber 1 is reduced when a flat dielectric plate is used, the dielectric member 2 is increased so that the microwave intensity at the center of the processing chamber 1 increases. What is necessary is just to change a structure. In this case, in order to increase the microwave power consumed in the central portion of the processing chamber 1, for example, the lower surface of the dielectric member 2 is convexly curved downward so that the thickness Dc of the central portion of the dielectric member 2 is The thickness may be larger than the thickness De of the portion.
【００３４】また、上述の実施形態では、プラズマ窒化
装置を例にとって説明したが、このプラズマ窒化装置に
限定されず、たとえばプラズマＣＶＤ（Chemical Vapor
Deposition）装置やプラズマアッシング装置、プラズ
マエッチング装置、プラズマ酸化装置など、被処理物に
プラズマによる処理を施す装置に広く本発明を適用する
ことができる。なお、この発明がプラズマＣＶＤ装置に
適用される場合には、処理ガスとして、たとえばＡｒ／
ＳｉＨ4やＴＥＯＳ／Ｏ2などを用いることができる。ま
た、この発明がプラズマアッシング装置に適用される場
合には、処理ガスとして、たとえばＯ2、Ａｒ／Ｏ2また
はＫｒ／Ｏ2などを用いることができる。さらに、この
発明がプラズマエッチング装置に適用される場合には、
処理ガス（エッチングガス）として、たとえばＣｌ2や
ＨＢｒなどを用いることができる。さらにまた、この発
明がプラズマ酸化装置に適用される場合には、処理ガス
として、たとえばＫｒ／Ｏ2やＡｒ／Ｏ2などを用いるこ
とができる。In the above-described embodiment, a plasma nitriding apparatus has been described as an example. However, the present invention is not limited to this plasma nitriding apparatus. For example, a plasma CVD (Chemical Vapor
The present invention can be widely applied to apparatuses for performing plasma processing on an object to be processed, such as a deposition apparatus, a plasma ashing apparatus, a plasma etching apparatus, and a plasma oxidation apparatus. When the present invention is applied to a plasma CVD apparatus, for example, Ar /
SiH 4 or TEOS / O 2 can be used. When the present invention is applied to a plasma ashing apparatus, for example, O 2 , Ar / O 2 or Kr / O 2 can be used as a processing gas. Further, when the present invention is applied to a plasma etching apparatus,
As the processing gas (etching gas), for example, Cl 2 or HBr can be used. Furthermore, when the present invention is applied to a plasma oxidizing apparatus, for example, Kr / O 2 or Ar / O 2 can be used as a processing gas.
【００３５】その他、特許請求の範囲に記載された事項
の範囲で種々の変更を施すことが可能である。In addition, various changes can be made within the scope of the matters described in the claims.
【図１】この発明の一実施形態に係るプラズマ窒化装置
の構成を示す図解的な断面図である。FIG. 1 is an illustrative sectional view showing a configuration of a plasma nitriding apparatus according to an embodiment of the present invention.
【図２】ラジアルラインスロットアンテナの下面を示す
図である。FIG. 2 is a diagram illustrating a lower surface of the radial line slot antenna.
【図３】半導体ウエハの表面上におけるイオン電流密度
分布を示すグラフである。FIG. 3 is a graph showing an ion current density distribution on a surface of a semiconductor wafer.
【図４】誘電体部材の変形例について説明するための断
面図である。FIG. 4 is a cross-sectional view for describing a modification of the dielectric member.
【図５】誘電体部材の他の変形例について説明するため
の断面図である。FIG. 5 is a cross-sectional view for explaining another modified example of the dielectric member.
【図６】誘電体部材のさらに他の変形例について説明す
るための断面図である。FIG. 6 is a cross-sectional view for explaining still another modified example of the dielectric member.
【図７】従来のＲＬＳＡプラズマ処理装置の構成を示す
図解的な断面図である。FIG. 7 is an illustrative sectional view showing a configuration of a conventional RLSA plasma processing apparatus.
１ 処理チャンバ ２ 誘電体部材（間隔調整部材） ３ 処理空間 ４ ウエハステージ ５ ガス導入管 ６ ラジアルラインスロットアンテナ（マイクロ波放
射アンテナ） ７ 導波管 Ｗ 半導体ウエハ（被処理物）DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Processing chamber 2 Dielectric member (space adjustment member) 3 Processing space 4 Wafer stage 5 Gas introduction tube 6 Radial line slot antenna (microwave radiation antenna) 7 Waveguide W Semiconductor wafer (workpiece)
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 熊本 信久 京都市右京区西院溝崎町21番地 ローム株 式会社内 Ｆターム(参考） 5F004 AA01 BA06 BB14 BB18 BD01 BD04 BD07 DA00 DA04 DA23 DA24 DA25 DA26 ────────────────────────────────────────────────── ─── Continuing on the front page (72) Nobuhisa Kumamoto, Inventor No. 21 Kumasaki-cho, Saiin-ku, Kyoto-shi, F-term (reference) 5F004 AA01 BA06 BB14 BB18 BD01 BD04 BD07 DA00 DA04 DA23 DA24 DA25 DA26
Claims (5)
空間にマイクロ波放射アンテナからマイクロ波を放射し
て、前記マイクロ波放射アンテナのマイクロ波放射面か
ら所定距離だけ離れたプラズマ励起面でプラズマを励起
し、その励起したプラズマを用いた処理を被処理物に施
すプラズマ処理装置であって、 マイクロ波透過性を有する誘電体材料で形成され、前記
マイクロ波放射アンテナのマイクロ波放射面に対向して
配置されて、マイクロ波の波長を距離単位として表す前
記マイクロ波放射面と前記プラズマ励起面との間隔を部
分的に調整する間隔調整部材を含むことを特徴とするプ
ラズマ処理装置。A microwave radiating antenna for radiating a microwave into a processing space in which an object to be processed and a processing gas are accommodated; A plasma processing apparatus that excites plasma and performs a process using the excited plasma on an object to be processed. The plasma processing apparatus is formed of a dielectric material having microwave transparency and is provided on a microwave radiating surface of the microwave radiating antenna. A plasma processing apparatus, comprising: an interval adjusting member that is disposed to face and partially adjusts an interval between the microwave emission surface and the plasma excitation surface, each of which represents a microwave wavelength as a distance unit.
面との間にはマイクロ波の定在波が形成され、このマイ
クロ波の定在波からエネルギーの供給を受けることによ
り、前記プラズマ励起面においてプラズマが励起される
ことを特徴とする請求項１記載のプラズマ処理装置。2. A microwave standing wave is formed between the microwave radiating surface and the plasma exciting surface, and energy is supplied from the microwave standing wave to form the plasma exciting surface. 2. The plasma processing apparatus according to claim 1, wherein the plasma is excited in the step.
単位として表す前記マイクロ波放射面と前記プラズマ励
起面との間隔を部分的に調整するために、部分的に厚み
が異ならせてあることを特徴とする請求項１または２に
記載のプラズマ処理装置。3. The gap adjusting member has a partially different thickness in order to partially adjust a gap between the microwave radiating surface and the plasma excitation surface, which is expressed in units of a microwave wavelength. 3. The plasma processing apparatus according to claim 1, wherein:
単位として表す前記マイクロ波放射面と前記プラズマ励
起面との間隔を部分的に調整するために、部分的に誘電
率が異ならせてあることを特徴とする請求項１ないし３
のいずれかに記載のプラズマ処理装置。4. The distance adjusting member has a partially different dielectric constant in order to partially adjust a distance between the microwave radiating surface and the plasma excitation surface, which represents a wavelength of microwave as a unit. 4. The method according to claim 1, wherein:
The plasma processing apparatus according to any one of the above.
波を放射するための多数のスロットがマイクロ波放射面
に分布して形成されたラジアルラインスロットアンテナ
であることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに
記載のプラズマ処理装置。5. The microwave radiating antenna according to claim 1, wherein said microwave radiating antenna is a radial line slot antenna having a plurality of slots for radiating microwaves distributed on a microwave radiating surface. The plasma processing apparatus according to any one of the above.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP34934199A JP2001167900A (en) | 1999-12-08 | 1999-12-08 | Plasma treatment apparatus |
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|---|---|
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| JP (1) | JP2001167900A (en) |
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- 1999-12-08 JP JP34934199A patent/JP2001167900A/en active Pending
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