JP2003059919A - マイクロ波プラズマ処理装置および処理方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 基板表面で均一なプラズマ密度を得、信
頼性、安定性の高い高効率プラズマ処理を行うことがで
きるマイクロ波プラズマ処理装置および処理方法の提
供。 【解決手段】 基板表面の直上に設けられる誘電体窓と
して、外周部にリング状のスリーブを有し、さらに、中
央部の表面形状や厚さが面内調整されたものを用いる。
この面内調整は、基板内の半径の所定範囲に対応する誘
電体窓の領域に凸部を設けたり、凸部の設けられた面と
反対側の面の凸部対応領域に凹部を設けること等により
段差を設けて行われる。誘電体窓の面内調整された領域
の厚さが、誘電体内のマイクロ波の波長の１／４程度で
あり、また、面内調整領域が、誘電体窓の径方向に１／
２波長の整数倍の直径で不連続に設けられる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、マイクロ波励起プ
ラズマ処理装置（以下、マイクロ波プラズマ処理装置と
称す。）およびこの装置を用いるプラズマ処理方法に係
わり、特に、０．５Ｗ／ｃｍ^２〜２０Ｗ／ｃｍ^２の大電
力密度のマイクロ波導入窓を有するマイクロ波プラズマ
処理装置であって、半導体ＬＳＩ作製における被処理物
である基板に成膜、エッチング、膜組成の改善・改質、
アッシングを行うことのできるマイクロ波プラズマ処理
装置、およびこの装置を用いるプラズマ処理方法に係わ
る。

【０００２】

【従来の技術】近年、半導体ＬＳＩにおけるデバイスの
微細化、ウェーハの大口径化に伴い、ウェーハの微細加
工は枚葉処理が主流になっている。その中のＣＶＤやエ
ッチングやアッシングのプラズマ処理ではＤＣや高周波
励起のプラズマ源が用いられている。また、マイクロ波
を用いたプラズマ源ではＥＣＲ（電子サイクロトロン共
鳴）が用いられている。上記のように高周波やＥＣＲで
励起されたプラズマの場合、高密度のプラズマを生成す
るためには磁場の印加が必要である上、大口径で均一な
プラズマを生成することが困難であった。また、プラズ
マ電位が約２０ｅＶと高いために、チャンバ壁をスパッ
タリングして金属汚染が発生したり、さらに、フローテ
ィング基板に対するイオン照射エネルギーも１０ｅＶ以
上と高いために、基板にダメージを与えるといった問題
もあった。

【０００３】そこで、ラジアルラインスロットアンテナ
(以下、ＲＬＳＡと称す。)などのアンテナ手段を用い、
スロットから誘電体を介してマイクロ波を真空雰囲気中
に導入し、強いマイクロ波電界を作り出すことによって
表面波プラズマを生成する方式が開発されている。例え
ば、特開２０００−２９４５４８号公報には、誘電体窓
の厚さを連続的に変えた方式が記載されている。この方
式では、アンテナのスロットパターンにより円偏波マイ
クロ波を放射するので、大口径で均一なプラズマが生成
でき、また、周波数が高いため、低温かつ高密度のプラ
ズマを生成することができ、高速で良質なプラズマ処理
が実現できるとされている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】前記特開２０００−２
９４５４８号公報記載の従来技術では、マイクロ波は、
導波路をある特定モードで伝播し、アンテナ手段から放
射されて真空容器内にマイクロ波電界を作り出し、それ
によってプラズマを形成しているが、プラズマが高密度
になると、エネルギー吸収が起こると同時にプラズマ表
面でマイクロ波は反射され、不特定多数のモードが誘電
体を挟んだアンテナ表面とプラズマ励起部との間で発生
する。このように誘電体窓の厚さを連続的に変え、プラ
ズマ処理室側の面を錐状にしたものを用いる場合、モー
ドの安定性等に問題がある。

【０００５】この反射波は、アンテナ表面とプラズマ励
起部との間を空洞共振器として減衰されるモードと増幅
されるモードとに分かれる。しかし、この反射波が、導
入されたマイクロ波と干渉して減衰すると、プラズマへ
のパワー供給が安定せず、プラズマは不安定になる。そ
の結果、反射波をチューナーで抑え切れなかったり、常
にオートマッチングが大きく揺れてしまい、プラズマが
点滅するといった問題もあった。

【０００６】また、マイクロ波は周波数が高いため、プ
ラズマのある一部が低インピーダンスになる程、パワー
がその一部に集中する傾向がある。さらに、径方向には
表面波モードが形成され、これも多数のモードが結合し
て最も安定する状態を取るが、経時変化によりプラズマ
インピーダンスのバランスが少しでも崩れると、モード
ジャンプを起こしてプラズマ分布の再現性がとれないと
いった問題があった。また、この表面波モードはプロセ
ス圧力にも大きく依存し、低圧（５〜１００Ｐａ程度）
と高圧（１００Ｐａ〜）とではプラズマ密度分布が中央
部と外周部で逆転するといった現象がある。

【０００７】本発明の課題は、上記従来技術の問題を解
決することにあり、基板表面で均一なプラズマ密度を得
ることができ、信頼性、安定性の高い高効率プラズマ処
理を行うことができるマイクロ波プラズマ処理装置およ
びこの装置を用いる処理方法を提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明のマイクロ波励起
プラズマ処理装置は、マイクロ波プラズマ処理容器内を
減圧するための排気手段と、該処理容器内にプラズマを
励起するためのガスを供給するためのガス供給手段と、
該処理容器の壁面に設けられたマイクロ波透過用誘電体
窓と、該誘電体窓のマイクロ波導入側に設けられたアン
テナ手段と、該アンテナ手段の上流側に設けられたマイ
クロ波発生手段とを備え、該誘電体窓に対向して該処理
容器内に基板が設置されるように構成されているマイク
ロ波プラズマ処理装置において、該基板表面の直上に設
けられた該誘電体窓が、その処理容器側の面の外周部
に、プラズマ励起領域が直接処理容器壁の金属表面と接
触しないように、リング状のスリーブを有しているもの
である。

【０００９】本発明のマイクロ波励起プラズマ処理装置
において、基板表面の直上に設けられた誘電体窓が、さ
らに、その中央部の表面形状や厚さが面内調整されて、
該基板内の半径の所定範囲に対応する領域がその他の領
域と異なった厚さを有するように構成されている事が好
ましい。誘電体窓はまた、その処理容器側の面およびマ
イクロ波導入側の面のうちの一方の面において、該基板
内の半径の所定範囲に対応する領域に凸部を設けて、該
基板内の半径の所定範囲に対応する領域の厚さがその他
の領域の厚さより厚くなるように構成されたものである
か、または、該凸部の設けられた面と反対側の面の該凸
部対応領域に凹部を設けて、該凸部と凹部との設けられ
た領域の厚さがその他の領域の厚さと同じになるように
構成されたものである事が好ましい。上記処理装置にお
いて、誘電体窓に同心円状の段差を設けて、基板表面か
ら誘電体窓の表面までの距離が基板内の半径の範囲によ
って異なるようにし、生成するプラズマの密度が基板上
で均一になるようにする事が好ましい。

【００１０】上記誘電体窓の同心円状の段差が、該誘電
体窓の径方向に１／２波長の整数倍の直径で不連続に設
けられている事が好ましい。また、誘電体窓が、中央部
の異なった厚さを有する領域や、凸部を有する領域や、
同心円状の段差を有する領域を有し、その領域の厚さが
誘電体内のマイクロ波の波長の１／４程度である事が好
ましい。本発明のマイクロ波プラズマ処理装置によれ
ば、大口径の誘電体窓、例えば、直径２５０ｍｍ以上を
有するか、または直径２５０ｍｍの円と同等以上の面積
を有する誘電体窓を用い、大電力密度のマイクロ波を導
入する事が可能である。

【００１１】本発明のマイクロ波プラズマ処理方法は、
マイクロ波プラズマ処理容器内にガス供給手段によって
プラズマを励起するための原料ガスを供給し、排気ポン
プにより原料および反応副生成ガスを排気して容器内を
減圧にし、マイクロ波発生手段により発振、増幅せしめ
たマイクロ波をアンテナ手段に導入してスロットを通し
て放射し、放射されたマイクロ波をマイクロ波透過窓を
介して真空雰囲気下の該処理容器内へ導入し、このマイ
クロ波の作る電磁界によって処理容器内にプラズマを生
成し、該誘電体窓に対向して設けられた基板をマイクロ
波プラズマ処理する事からなり、上記したように構成さ
れた誘電体窓を備えたプラズマ処理装置を用いてプラズ
マ処理する。上記処理容器内のガス圧は０．１Ｐａ〜１
０００Ｐａであり、電極に印加されるマイクロ波の周波
数は２ＧＨｚ〜１０ＧＨｚであることが好ましい。ガス
圧が０．１Ｐａ未満であり、また、１０００Ｐａを超え
ると放電開始及び維持が困難となる。また、周波数が２
ＧＨｚ未満であると所望のプラズマ密度が得られず、１
０ＧＨｚを超えると電力増幅のための設備が大がかりに
なるほか、その取り扱いに難がある。

【００１２】本発明によれば、マイクロ波プラズマ処理
装置において、上記したように誘電体窓の表面形状や厚
さを面内調整し、供給するマイクロ波と反射波が共振器
内で増幅される領域とそうでない領域とを形成する事
で、パワーをその増幅される領域に効率的に集中させ、
また、空間で安定する表面波モードを制限する事でモー
ドジャンプの発生を抑制できるため、信頼性、安定性の
高い高効率プロセスを行うことができる。また、プラズ
マは、誘電体窓の表面から僅か数ミリ以内離れた領域で
励起され、拡散によって対向する基板上に到達する。こ
の拡散によるプラズマ密度の減衰は略々距離の二乗に比
例する。プラズマ密度の低い領域に対応する誘電体部分
を基板側に近づけるように誘電体窓の形状に段差をつけ
る事により、基板表面で均一なプラズマ密度を得る事が
出来る。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態に係る
マイクロ波プラズマ処理装置を、図１、２、５、および
６を参照して説明する。図１は、本発明の第一実施態様
として、ＲＬＳＡを用いた半導体基板用マイクロ波プラ
ズマ処理装置において、外周部にリング状のスリーブを
有するマイクロ波透過窓を備えた装置の概略の構成を示
す断面図である。

【００１４】図１において、１０１はプラズマ処理を行
うための処理容器、１０２は同軸導波変換器およびアン
テナ手段、１０３はマイクロ波を放射するスロット、１
０４はマイクロ波透過用誘電体窓、１０５はエッチング
や成膜を行うために基板上方にマイクロ波電界により形
成されたプラズマ、１０６はマイクロ波を発振するマグ
ネトロン、１０７はアイソレータ、１０８は４Ｅチュー
ナー、１０９は導波管、１１０はプラズマ形成用ガスの
供給手段、１１１は排気ポンプ、１１２は容器１０１内
の圧力を調整する圧力調整弁、１１３はプラズマ処理を
される基板、１１４は基板を保持する電極、１１５は基
板電極１１４および基板１１３に必要に応じて高周波を
印加するための高周波電源、１１６は高周波のインピー
ダンス調整をとるための整合器である。誘電体窓１０４
の外周部、すなわち中央部から離れた部分には、プラズ
マ励起領域が直接処理容器壁の金属表面と接触しないよ
うにリング状のスリーブ１１７が形成されている。

【００１５】以下、図１に示す装置を用いて行うプラズ
マ処理方法についての概要を説明する。処理容器１０１
内にガス供給手段１１０によってプラズマ１０５を励起
させるためのガスを供給し、排気ポンプ１１１を作動さ
せ、原料および反応副生成ガスを排気して処理容器１０
１内を減圧にし、処理容器１０１内のプロセス圧力を圧
力調整弁１１２によって調整する。マグネトロン１０６
で発振、増幅されたマイクロ波は４Ｅチューナー１０８
を通してアンテナ１０２に導入され、スロット１０３か
ら放射される。このとき、反射波は４Ｅチューナー１０
８によって処理容器１０１側へと戻されるが、調整しき
れない反射波についてはアイソレータ１０７で吸収し、
マグネトロン１０６へ戻ることを防いでいる。スロット
１０３から放射されたマイクロ波は誘電体窓１０４を介
して真空雰囲気下の処理容器１０１の内部へ導入され、
このマイクロ波の作る電磁界によって処理容器１０１内
にプラズマ１０５を形成する。

【００１６】形成されたプラズマ１０５の密度が誘電体
窓１０４の近傍でマイクロ波のカットオフ密度を越える
と、マイクロ波の侵入長は数ミリとなってプラズマ中の
数ミリの範囲において一部のエネルギーがプラズマ１０
５に吸収され残りは反射される。生成されたプラズマ１
０５の密度分布は、スロットパターンによっては平面で
均一に調整することができるが、その時の処理容器１０
１内の圧力や誘電体窓１０４の形状にも大きく依存す
る。このようにして生成されたプラズマ１０５は拡散に
よって基板１１３へ到達し、基板１１３に対して所望の
プラズマ処理を施すことができる。

【００１７】図２は、本発明の第二実施態様として、Ｒ
ＬＳＡを用いた半導体基板用マイクロ波プラズマ処理装
置の構成において、アンテナ手段側の面に凸部を設けた
マイクロ波透過窓を備えた装置の概略の構成を示す断面
図である。この装置においては、マイクロ波の導入窓を
構成する誘電体窓２０４として、同心円の領域、すなわ
ち、円形の誘電体窓の中心から所定の等距離までの領域
において大気側（マイクロ波導入側）の表面に凸部（直
径：Ｄ２）を設けて、その部分の厚さを変えた誘電体窓
を用いている。その他の構成は図１に示すものと同じ構
成であり、図中の符号については、特に断らない限り、
図１と同じ符号は同じ構成を示す。

【００１８】マイクロ波の導入窓である誘電体窓２０４
は、誘電体窓１０４と同様の材質のものから作製され得
る。厚さ５０ｍｍの石英板を用いる場合、例えば、φ＝
９５ｍｍまでの範囲（Ｄ２）の領域において誘電体窓２
０４の大気側を凸型にし、その凸型部分の厚さを６０ｍ
ｍにしてある。例えば、直径（Ｄｗ）２００ｍｍのシリ
コン基板の直上にある誘電体窓の厚さは、基板の半径が
０ｍｍから４７．５ｍｍまでの範囲（Ｄ２Ｘ１／２）の
領域においてその直上に位置する領域の厚さが６０ｍｍ
になり、その他の領域における厚さが５０ｍｍになる。

【００１９】図５は、本発明の第三実施態様として、Ｒ
ＬＳＡを用いた半導体基板用マイクロ波プラズマ処理装
置の構成において、処理容器１０１側の面に凸部を設け
たマイクロ波透過窓を備えた装置の概略の構成を示す断
面図である。この装置においては、マイクロ波の導入窓
を構成する誘電体窓５０４として、同心円の領域、すな
わち誘電体窓の中心から所定の等距離までの領域におい
て図２の場合とは逆に真空側の表面に凸部（直径：Ｄ
５）を設けて、その部分の厚さを変えた誘電体窓を用い
ている。その他の構成は図１に示すものと同じ構成であ
り、図中の符号については、特に断らない限り、図１と
同じ符号は同じ構成を示す。

【００２０】マイクロ波の導入窓である誘電体窓５０４
は、誘電体窓１０４と同様の材質のものから作製され得
る。厚さ４４ｍｍの石英板を用いる場合、例えば、φ＝
６０ｍｍまでの範囲（Ｄ５）の領域において誘電体窓５
０４の真空側を凸型にし、その凸型部分の厚さを６０ｍ
ｍにしてある。例えば、直径（Ｄｗ）２００ｍｍのシリ
コン基板の直上にある誘電体窓の厚さは、基板の半径が
０ｍｍから３０ｍｍまでの範囲（Ｄ５Ｘ１／２）の領域
においてその直上に位置する領域の厚さが６０ｍｍにな
り、その他の領域における厚さが４４ｍｍになる。ま
た、基板の半径が０ｍｍから３０ｍｍまでの領域（Ｄ５
Ｘ１／２）において、基板から誘電体板までの距離（Ｌ
５２）を４０ｍｍとし、その他の領域においてはその距
離（Ｌ５１）を５６ｍｍとしてある。

【００２１】図６は、本発明の第四実施態様として、Ｒ
ＬＳＡを用いた半導体基板用マイクロ波プラズマ処理装
置の構成において、処理容器１０１側の面に凸部を設
け、かつ、大気側の面で該凸部に対応する領域に凹部を
設けたマイクロ波透過窓を備えた装置の概略の構成を示
す断面図である。この装置においては、マイクロ波の導
入窓を構成する誘電体窓６０４として、同心円の領域、
すなわち誘電体窓の中心から所定の等距離までの領域に
おいてマイクロ波導入側の表面に凸部、真空側の表面に
凹部を設けるように加工し、誘電体窓自体の厚さがどの
領域においても同じ厚さになるように構成した誘電体窓
を用いている。その他の構成は図１に示すものと同じ構
成であり、図中の符号については、特に断らない限り、
図１と同じ符号は同じ構成を示す。

【００２２】マイクロ波の導入窓である誘電体窓６０４
は、誘電体窓１０４と同様の材質のものから作製され得
る。厚さ５０ｍｍの石英板を用いる場合、例えば、φ＝
６０ｍｍまでの範囲（Ｄ６）の領域において誘電体窓６
０４の真空側を凹型にし、基板６１３から直径（Ｄｗ）
２００ｍｍの基板の直上にある誘電体窓までの距離につ
いては、基板の半径が０ｍｍから３０ｍｍまでの範囲
（Ｄ６）の領域においてはその距離（Ｌ６２）を６５ｍ
ｍとし、その他の領域においてはその距離（Ｌ６１）を
６０ｍｍとしてある。上記プラズマ処理容器内の圧力
は、プロセス条件により異なるが、一般に、５Ｐａ〜１
０００Ｐａの範囲において所望の効果を得ることができ
る。誘電体窓の下面と基板の上面との距離（Ｌ１１、Ｌ
２１、Ｌ５１、Ｌ５２、Ｌ６１、Ｌ６２）は、プラズマ
密度、酸化速度、膜厚分布均一性等の関係により、一般
に、３０ｍｍ〜１２０ｍｍの範囲にすることが好まし
い。

【００２３】上記したように誘電体窓の厚さを所定の範
囲内で変える場合は、その厚さを誘電体内のマイクロ波
の波長（λｇ）のλｇ／４程度にする事が望ましい。マ
イクロ波の電界強度はそこに存在する定在波の状況によ
り交播するので、中央部が最適厚さであれば、薄い外周
部ではプラズマ密度が低くなってしまう。これは、誘電
体窓の厚さを単に部分的に薄くしただけではその薄い部
分で電界強度が強くなるとは限らないからである。その
ために、本発明におけるように、中央部の厚さを規定し
て、誘電体内のマイクロ波の波長のλｇ／４の段差を設
けることが効果的である。誘電体窓の厚さを変える範囲
または段差をつける範囲は、同心円のリング状に配置さ
れたものであっても、または適宜分布させて配置された
ものでも良い。

【００２４】高密度のプラズマを生成するためには、投
入するマイクロ波の周波数を、一般に、２ＧＨｚ〜１０
ＧＨｚの範囲内から適宜選択し、また、誘電体窓の直下
のプラズマ密度がマイクロ波のカットオフ密度に達する
ようにするためには、投入電力を、誘電体窓下面の面積
に対して、好ましくは１Ｗ／ｃｍ^２〜５Ｗ／ｃｍ^２の範
囲内から適宜選択してプロセスを行うのがよい。プロセ
スガスとしては、堆積膜（絶縁膜、半導体膜、金属膜
等）の形成、ＣＶＤ法による薄膜（シリコン系半導体薄
膜、シリコン化合物系薄膜、金属薄膜、金属化合物薄膜
等）の形成、基板表面のエッチング、基板表面上の有機
成分のアッシング除去、基板表面の酸化処理、基板表面
の有機物のクリーニング等の各プロセスによって異なる
が、公知の各種ガスを適宜選択して用いることができ
る。例えば、一種類以上の公知のガスをプロセス中に少
なくとも合計８．５Ｘ１０^−２Ｐａ・ｍ^３／ｓｅｃ以上
導入すればよい。

【００２５】基板の支持ステージ温度は、エッチングや
成膜等の各プロセスによって異なるが、一般に、−４０
℃〜６００℃の範囲内から適宜選択すればよい。処理対
象とする基板は、特に制限されず、例えば、半導体基板
に限らず、ガラス基板、プラスチック基板、ＡｌＴｉＣ
基板等を使用できる。マイクロ波の導入窓を構成する誘
電体としては、機械的強度が十分で、マイクロ波の透過
率が十分高くなるように誘電損失が非常に小さい材料で
あれば特に制限されず、例えば、石英、アルミナ（サフ
ァイア）、窒化アルミニウム、窒化シリコン、フッ化炭
素ポリマー等を用いることができる。

【００２６】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面を参照してさら
に詳細に説明する。 （実施例１）図１および図２に示す本発明の装置を用い
てＫｒ／Ｏ_２プラズマを生成し、シリコン基板を直接酸
化処理した後の処理ウェーハの酸化膜の厚さの測定につ
いて説明する。はじめに、図１に示す装置を用いて行う
シリコン基板の酸化処理について説明する。マイクロ波
の導入窓に誘電体窓１０４を設置し、シリコン基板１１
３を真空処理容器１０１内にセットした後、マグネトロ
ン１０６からマイクロ波を出力して下記の条件でプラズ
マを生成し、プラズマ酸化後のシリコン基板１１３の酸
化膜の厚さをエリプソメータにより測定した。

【００２７】誘電体窓１０４として、直径３８０ｍｍ
（真空容器側：３５０ｍｍ）、厚さ５０ｍｍの石英板
（誘電率３．８、誘電損失＜１．０Ｘ１０^−４＠２．４
５ＧＨｚ）を設置した。マイクロ波は周波数：２．４５
ＧＨｚで出力：２．５ｋＷ（約２．６Ｗ／ｃｍ^２）と
し、ホットプレート温度を４００℃に維持し、シリコン
基板１１３の上面と誘電体窓１０４の下面との間の距離
（Ｌ１１）を６０ｍｍとして、基板電極１１４上にある
シリコン基板１１３には高周波バイアスを印加すること
なく、プラズマ処理を行った。プラズマ励起用ガスとし
て、Ｋｒを０．５Ｐａ・ｍ^３／ｓｅｃ、Ｏ_２を１．７Ｘ
１０^−２Ｐａ・ｍ^３／ｓｅｃ供給し、圧力調整弁１１２
によって処理容器１０１内の圧力を１３３Ｐａに調整
し、１０分間放電して、ウェーハのプラズマ酸化処理を
行った。また、圧力調整弁１１２によって処理容器１０
１内の圧力を８０Ｐａに調整したこと以外は、上記と同
じ条件でプラズマ処理を行った。

【００２８】その結果、基板上に形成されたシリコン酸
化膜の厚さの分布はほぼ同心円状となった。図３にその
径方向の平均厚さを示す。図３から、８０Ｐａの場合
は、基板上の外周部が中央部よりも膜厚が厚く、酸化速
度が速いのに対し、１３３Ｐａの場合は、中央部の酸化
速度の方が速いという事がわかる。

【００２９】次に、図２に示す装置を用いて、図１に示
す装置の場合と同様の条件で、シリコン基板２１３をプ
ラズマ酸化処理し、酸化膜（酸化シリコン膜）の厚さを
エリプソメータにより測定した。その結果、基板上に形
成されたシリコン酸化膜の厚さの分布はほぼ同心円状に
均一となった。図４にその径方向の平均厚さを示す。こ
の結果を図３と比較すると、８０Ｐａの場合の酸化膜の
膜厚分布から、外周部は依然中央部よりも酸化速度は速
いがその差違は小さくなっており、また、分布均一性が
改善されていることがわかる。また、全体的に酸化膜の
形成速度が速くなっている。このことから、誘電体窓の
形状を変更する事でマイクロ波のパワーが効率的にプラ
ズマに供給されるようになるとともに、分布均一性が向
上している事がわかる。１３３Ｐａの場合も、全体的に
酸化速度が速くなっており、８０Ｐａの場合と同様のこ
とがいえる。

【００３０】（実施例２）図５に示す装置を用いてＫｒ
／Ｏ_２プラズマを生成し、シリコン基板を直接酸化処理
した後の処理ウェーハの酸化膜の厚さの測定について説
明する。実施例１に記載した図１に示す装置の場合と同
様の条件で、シリコン基板５１３をプラズマ酸化処理
し、酸化膜の厚さをエリプソメータにより測定した。

【００３１】その結果、基板上に形成されたシリコン酸
化膜の厚さの分布はほぼ同心円状に均一となった。図７
にその径方向の平均厚さを示す。この結果を図３と比較
すると、８０Ｐａの場合の酸化膜の膜厚分布から、図３
の場合と逆に中央部が外周部よりも酸化速度が速くなっ
ていることがわかる。これは、シリコン基板の半径が０
ｍｍから３０ｍｍまでの範囲において、誘電体窓（プラ
ズマ生成領域）までの距離（Ｌ５２）が短いために基板
に到達するプラズマの密度が他の範囲（距離：Ｌ５１）
より高いためである。よって、領域ごとに真空側の誘電
体窓下面から基板までの距離を近づける事でその領域で
の成膜速度が上昇し、また、その距離を調整する事で膜
厚の分布均一性を改善する事が出来る。

【００３２】（実施例３）図６に示す装置を用いてＫｒ
／Ｏ_２プラズマを生成し、シリコン基板を直接酸化処理
した後の処理ウェーハの酸化膜の厚さの測定について説
明する。実施例１に記載した図１に示す装置の場合と同
様の条件で、シリコン基板６１３をプラズマ酸化処理
し、酸化膜の厚さをエリプソメータにより測定した。

【００３３】その結果、基板上に形成されたシリコン酸
化膜の厚さの分布はほぼ同心円状に均一となった。図８
にその径方向の平均厚さを示す。この結果を図３と比較
すると、８０Ｐａの場合の酸化膜の膜厚分布から、中央
部の酸化速度が上昇する方向に改善され、また、均一性
が上がっている事がわかる。一方、１３３Ｐａにおいて
は逆に外周部の酸化速度が上昇する方向に改善され、ま
た、均一性が上がっている。これは、一見、上記実施例
の結果と矛盾するが、１３３Ｐａの高圧条件においては
平面形状の誘電体窓１０４（図１）を用いてもプラズマ
が中央部に集中する傾向がある。しかし、実施例２にお
ける結果のように基板中央部は誘電体窓（プラズマ生成
領域）までの距離（Ｌ６２）が他の領域（距離：Ｌ６
１）に比べて５ｍｍ遠いため、基板に到達するプラズマ
の密度が他の範囲より薄くなり、分布が改善されたと考
えられる。逆に、８０Ｐａの低圧ではプラズマ密度が薄
いためにプラズマは広がる傾向があるが、表面波の発生
する面の一部を凹型にすることで凹型の領域でのプラズ
マ生成が多くなり、マイクロ波の安定結合モードが圧力
条件により影響を受け難くなったためと考えられる。そ
のため、プラズマの広がりが抑えられ、高圧条件の場合
に近い分布が得られるようになったのである。

【００３４】上記の様に、領域ごとに誘電体窓の両面に
凹凸加工を施す事で、この領域にマイクロ波のパワーを
意図的に集中させ、圧力依存が少なくかつ均一性の良い
プラズマの生成が可能になった。上記実施例では、図
１、２、５および６に示すマイクロ波プラズマ処理装置
を用いて、シリコン基板をプラズマ酸化処理し、酸化膜
を形成したが、同じプラズマ処理装置を用いて、半導体
ＬＳＩ作製における被処理物である基板に対して、成
膜、エッチング、膜組成の改善・改質、アッシング等の
工程を、公知の薄膜形成ガス、エッチャントガス、アッ
シングガス等を用いて行う事ができた。

【００３５】

【発明の効果】以上詳細に説明したように、本発明によ
れば、マイクロ波プラズマ処理装置において、誘電体窓
の表面形状や誘電体窓の厚さを面内調整し、供給するマ
イクロ波と反射波が共振器内で増幅される領域とそうで
ない領域を形成する事で、パワーをその増幅される領域
に効率的に集中させることができるため、また、空間で
安定する表面波モードを制限する事でモードジャンプの
発生を抑制できるため、信頼性、安定性の高い高効率プ
ロセスを行うことができる。また、プラズマは誘電体窓
から数ミリ以内の領域で励起され、拡散によって対向す
る基板上に到達する。この拡散によるプラズマ密度の減
衰は略々距離の二乗に比例する。密度の低い領域の誘電
体窓を基板側に近づくように段差をつける事により基板
表面で均一なプラズマ密度を得る事が出来る。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の第一実施形態に係るマイクロ波プラ
ズマ処理装置の概略の構成を示す模式的断面図。

【図２】 本発明の第二実施形態に係るマイクロ波プラ
ズマ処理装置の概略の構成を示す模式的断面図。

【図３】 図１に示す装置を用いて形成されたシリコン
酸化膜について、その径方向の平均厚さを示すグラフ。

【図４】 図２に示す装置を用いて形成されたシリコン
酸化膜について、その径方向の平均厚さを示すグラフ。

【図５】 本発明の第三実施形態に係るマイクロ波プラ
ズマ処理装置の概略の構成を示す模式的断面図。

【図６】 本発明の第四実施形態に係るマイクロ波プラ
ズマ処理装置の概略の構成を示す模式的断面図。

【図７】 図５に示す装置を用いて形成されたシリコン
酸化膜について、その径方向の平均厚さを示すグラフ。

【図８】 図６に示す装置を用いて形成されたシリコン
酸化膜について、その径方向の平均厚さを示すグラフ。

【符号の説明】

１０１ プラズマ処理容器 １０２ 同軸導
波変換器およびアンテナ １０３ スロット １０４ 誘電体
板 １０５ プラズマ １０６ マグネ
トロン １０７ アイソレータ １０８ ４Ｅチ
ューナー １０９ 導波管 １１０ ガス供
給手段 １１１ 排気ポンプ １１２ 圧力調
整弁 １１３ 基板 １１４ 基板電
極 １１５ 基板電極用高周波電源 １１６ 基板電
極用整合器 １１７ スリーブ ２０４ 誘電体
板 ２１３ 基板 Ｌ２１ 誘電体
板−基板間距離 Ｄｗ 基板範囲 Ｄ２ 誘電体
板厚さ変更範囲 ５０４ 誘電体板 ５１３ 基板 Ｌ５１ 誘電体板−基板間距離 Ｌ５２ 誘電体
板−基板間距離（厚さ変更部）
Ｄ５ 誘電体板厚さ変更範囲 ６０４ 誘電体板 ６１３ 基板 Ｌ６１ 誘電体板−基板間距離 Ｌ６２ 誘電体
板−基板間距離（形状変更部）
Ｄ６誘電体厚さ変更範囲

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 4G075 AA24 AA30 BC01 BC06 CA26 EC30 EE02 FA05 FC15 5F045 AA20 AB32 AC11 AC14 AD08 AE19 AE21 AF03 BB02 DP04 EH03 EH11 EH20 GB13

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 マイクロ波プラズマ処理容器内を減圧す
   るための排気手段と、該処理容器内にプラズマを励起す
   るためのガスを供給するためのガス供給手段と、該処理
   容器の壁面に設けられたマイクロ波透過用誘電体窓と、
   該誘電体窓のマイクロ波導入側に設けられたアンテナ手
   段と、該アンテナ手段の上流側に設けられたマイクロ波
   発生手段とを備え、該誘電体窓に対向して該処理容器内
   に基板が設置されるように構成されているマイクロ波プ
   ラズマ処理装置において、該基板表面の直上に設けられ
   た該誘電体窓は、その処理容器側の面の外周部に、プラ
   ズマ励起領域が直接処理容器壁の金属表面と接触しない
   ように、リング状のスリーブを有している事を特徴とす
   るマイクロ波プラズマ処理装置。
2. 【請求項２】 前記基板表面の直上に設けられた誘電体
   窓は、さらに、その中央部の表面形状や厚さが面内調整
   されて、該基板内の半径の所定範囲に対応する領域がそ
   の他の領域と異なった厚さを有するように構成されてい
   る事を特徴とする請求項１記載のマイクロ波プラズマ処
   理装置。
3. 【請求項３】 前記基板表面の直上に設けられた誘電体
   窓は、さらに、その処理容器側の面およびマイクロ波導
   入側の面のうちの一方の面において、該基板内の半径の
   所定範囲に対応する領域に凸部を設けて、該基板内の半
   径の所定範囲に対応する領域の厚さがその他の領域の厚
   さより厚くなるように構成されたものであるか、また
   は、該凸部の設けられた面と反対側の面の該凸部対応領
   域に凹部を設けて、該凸部と凹部との設けられた領域の
   厚さがその他の領域の厚さと同じになるように構成され
   たものである事を特徴とする請求項１記載のマイクロ波
   プラズマ処理装置。
4. 【請求項４】 前記基板表面の直上に設けられた誘電体
   窓に同心円状の段差を設けて、該基板表面から該誘電体
   窓の表面までの距離が基板内の半径の範囲によって異な
   るようにし、生成するプラズマの密度が該基板上で均一
   になるようにした事を特徴とする請求項１記載のマイク
   ロ波プラズマ処理装置。
5. 【請求項５】 前記基板表面の直上に設けられた誘電体
   窓の同心円状の段差が、該誘電体窓の径方向に１／２波
   長の整数倍の直径で不連続に設けられている事を特徴と
   する請求項４記載のマイクロ波プラズマ処理装置。
6. 【請求項６】 前記基板表面の直上に設けられた誘電体
   窓が、中央部の異なった厚さを有する領域や、凸部を有
   する領域や、同心円状の段差を有する領域を有し、その
   領域の厚さが誘電体内のマイクロ波の波長の１／４程度
   である事を特徴とする請求項２〜５のいずれかに記載の
   マイクロ波プラズマ処理装置。
7. 【請求項７】 マイクロ波プラズマ処理容器内にガス供
   給手段によってプラズマを励起するための原料ガスを供
   給し、排気ポンプにより原料および反応副生成ガスを排
   気して容器内を減圧にし、マイクロ波発生手段により発
   振、増幅せしめたマイクロ波をアンテナ手段に導入して
   スロットを通して放射し、放射されたマイクロ波をマイ
   クロ波透過窓を介して真空雰囲気下の該処理容器内へ導
   入し、このマイクロ波の作る電磁界によって処理容器内
   にプラズマを生成し、該誘電体窓に対向して設けられた
   基板をマイクロ波プラズマ処理する事からなり、該基板
   表面の直上に設けられた該誘電体窓として、その処理容
   器側の面の外周部に、プラズマ励起領域が直接処理容器
   壁の金属表面と接触しないように、リング状のスリーブ
   を有しており、さらに、その中央部の表面形状や厚さが
   面内調整されて、該基板内の半径の所定範囲に対応する
   領域がその他の領域と異なった厚さを有するように構成
   されているか、または、その処理容器側の面およびマイ
   クロ波導入側の面のうちの一方の面において、該基板内
   の半径の所定範囲に対応する領域に凸部を設けて、該基
   板内の半径の所定範囲に対応する領域の厚さがその他の
   領域の厚さより厚くなるように構成されているか、また
   は、該凸部の設けられた面と反対側の面の該凸部対応領
   域に凹部を設けて、該凸部と凹部との設けられた領域の
   厚さがその他の領域の厚さと同じになるように構成され
   ている誘電体窓を備えたプラズマ処理装置を用いてプラ
   ズマ処理を行う事を特徴とするマイクロ波プラズマ処理
   方法。
8. 【請求項８】 前記誘電体窓として、同心円状の段差を
   該誘電体窓の径方向に１／２波長の整数倍の直径で不連
   続に設けた誘電体窓を備えたプラズマ処理装置を用い、
   生成するプラズマの密度が基板上で均一になるようにし
   てプラズマ処理を行う事を特徴とする請求項７記載のマ
   イクロ波プラズマ処理方法。
9. 【請求項９】 前記誘電体窓として、中央部の異なった
   厚さを有する領域や、凸部を有する領域や、同心円状の
   段差を有する領域を有し、その領域の厚さを誘電体内の
   マイクロ波の波長の１／４程度にした誘電体窓を備えた
   プラズマ処理装置を用いてプラズマ処理を行う事を特徴
   とする請求項７または８記載のマイクロ波プラズマ処理
   方法。
10. 【請求項１０】 前記処理容器内の前記ガス圧は０．１
    Ｐａ〜１０００Ｐａであり、電極に印加されるマイクロ
    波の周波数は２ＧＨｚ〜１０ＧＨｚであることを特徴と
    する請求項７〜９のいずれかに記載のマイクロ波プラズ
    マ処理方法。