JP4252749B2 - 基板処理方法および基板処理装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は一般にプラズマ処理装置に係り、特にマイクロ波プラズマ処理装置に関する。
【０００２】
プラズマ処理工程およびプラズマ処理装置は、近年のいわゆるディープサブミクロン素子あるいはディープサブクォーターミクロン素子と呼ばれる０．１μｍに近い、あるいはそれ以下のゲート長を有する超微細化半導体装置の製造や、液晶表示装置を含む高解像度平面表示装置の製造にとって、不可欠の技術である。
【０００３】
半導体装置や液晶表示装置の製造に使われるプラズマ処理装置としては、従来より様々なプラズマの励起方式が使われているが、特に平行平板型高周波励起プラズマ処理装置あるいは誘導結合型プラズマ処理装置が一般的である。しかしこれら従来のプラズマ処理装置は、プラズマ形成が不均一であり、電子密度の高い領域が限定されているため大きな処理速度すなわちスループットで被処理基板全面にわたり均一なプロセスを行うのが困難である問題点を有している。この問題は、特に大径の基板を処理する場合に深刻になる。しかもこれら従来のプラズマ処理装置では、電子温度が高いため被処理基板上に形成される半導体素子にダメージが生じ、また処理室壁のスパッタリングによる金属汚染が大きいなど、いくつかの本質的な問題を有している。このため、従来のプラズマ処理装置では、半導体装置や平面表示装置のさらなる微細化およびさらなる生産性の向上に対する厳しい要求を満たすことが困難になりつつある。
【０００４】
一方、従来より直流磁場を用いずにマイクロ波電界により励起された高密度プラズマを使うマイクロ波プラズマ処理装置が提案されている。例えば、均一なマイクロ波を発生するように配列された多数のスロットを有する平面状のアンテナ（ラジアルラインスロットアンテナ）から処理容器内にマイクロ波を放射し、このマイクロ波電界により真空容器内のガスを電離してプラズマを励起させる構成のプラズマ処理装置が提案されている。例えば特開平９−６３７９３公報を参照。このような手法で励起されたマイクロ波プラズマではアンテナ直下の広い領域にわたって高いプラズマ密度を実現でき、短時間で均一なプラズマ処理を行うことが可能である。しかもかかる手法で形成されたマイクロ波プラズマではマイクロ波によりプラズマを励起するため電子温度が低く、被処理基板のダメージや金属汚染を回避することができる。さらに大面積基板上にも均一なプラズマを容易に励起できるため、大口径半導体基板を使った半導体装置の製造工程や大型平面表示装置の製造にも容易に対応できる。
【０００５】
【従来の技術】
図１は、従来の誘導結合型プラズマ処理装置１の概略的構成を示す。
【０００６】
図１を参照するに、プラズマ処理装置１は排気ライン２Aにより排気される石英ドームよりなる処理容器２を備え、前記処理容器２により画成されるプロセス空間２B中には,回動機構３Aにより回動される基板保持台３上に被処理基板４が保持されている。さらに前記プロセス空間２Bには、処理ガス供給ライン２Cにより、Ａｒなどの不活性プラズマ励起ガスと酸素あるいは窒素などの処理ガスとが供給される。また前記処理容器２の外側上部にはコイル５が巻回されており、前記コイル５を直流電源により駆動することにより、前記プロセス空間２Ｂの上部に高密度プラズマ２Ｄが励起される。
【０００７】
図１のプラズマ処理装置１では、かかる高密度プラズマ２Ｄに伴って形成される処理ガスのラジカルが被処理基板４の表面に到達し、酸化や窒化などの基板処理が行われる。
【０００８】
しかし、このような従来の誘導結合型プラズマ処理装置１では、高密度プラズマ２Ｄが形成される領域が処理容器２の上部に局在しており、従ってプラズマに伴って形成されるラジカルの濃度分布は著しく不均一なものとなる。特に基板の径方向へのラジカル濃度の不均一は、基板保持台３を回動機構３Ａにより回動させても解消しない。
【０００９】
このため従来の誘導結合型プラズマ処理装置１では、前記被処理基板４表面において可能な限り一様なラジカル濃度分布を実現するために、被処理基板４と高密度プラズマ２Ｄの形成領域との間の距離を離していたが、その結果、基板処理装置１全体の大きさが大きくなってしまったり、被処理気体４に到達するラジカル量が少なくなったりする問題が生じていた。この問題は、特に最近の技術の流れに沿って大口径基板を処理しようとした場合に深刻になる。
【００１０】
一方、従来より誘導磁場を用いずにマイクロ波電界により励起された高密度プラズマを使うマイクロ波プラズマ処理装置が提案されている。例えば、均一なマイクロ波を発生するように配列された多数のスロットを有する平面状のアンテナ（ラジアルラインスロットアンテナ）から処理容器内にマイクロ波を放射し、このマイクロ波電界により真空容器内のガスを電離してプラズマを励起させる構成のプラズマ処理装置が提案されている。例えば特開平９−６３７９３公報を参照。このような手法で励起されたマイクロ波プラズマではアンテナ直下の広い領域にわたって高いプラズマ密度を実現でき、短時間で均一なプラズマ処理を行うことが可能である。しかもかかる手法で形成されたマイクロ波プラズマではマイクロ波によりプラズマを励起するため電子温度が低く、被処理基板のダメージや金属汚染を回避することができる。さらに大面積基板上にも均一なプラズマを容易に励起できるため、大口径半導体基板を使った半導体装置の製造工程や大型平面表示装置の製造にも容易に対応できる。
【００１１】
図２は、本発明の発明者が先に提案した、かかるラジアルラインスロットアンテナを使ったマイクロ波プラズマ処理装置１０の構成を示す。
【００１２】
図２を参照するに、マイクロ波プラズマ処理装置１０は複数の排気ポート１１ａから排気される処理室１１を有し、前記処理室１１中には被処理基板１２を保持する保持台１３が形成されている。前記処理室１１の均一な排気を実現するため、前記保持台１３の周囲にはリング状に空間１１Ａが形成されており、前記複数の排気ポート１１ａを前記空間１１Ａに連通するように等間隔で、すなわち被処理基板に対して軸対称に形成することにより、前記処理室１１を前記空間１１Ａおよび排気ポート１１ａを介して均一に排気することができる。
【００１３】
前記処理室１１上には、前記保持台１３上の被処理基板１２に対面する位置に、前記処理室１１の外壁の一部として、Ａｌ2Ｏ3やＳｉＯ2などの低損失誘電体よりなり多数の開口部１４Ａを形成された板状のシャワープレート１４が図示しないシールリングを介して形成されており、さらに前記シャワープレート１４の外側に同じくＡｌ2Ｏ3はＳｉＯ2など低損失誘電体よりなるカバープレート１５が、図示しない別のシールリングを介して設けられている。
【００１４】
前記シャワープレート１４にはその上面にガス通路１４Ｂが形成されており、前記複数の開口部１４Ａの各々は前記ガス通路１４Ｂに連通するように形成されている。さらに、前記シャワープレート１４の内部には、前記処理容器１１の外壁に設けられたガス供給ポート１１ｐに連通するガス供給通路１４Ｃが形成されており、前記ガス供給ポート１１ｐに供給されたＡｒやＫｒ等のプラズマ励起ガスは、前記供給通路１４Ｃから前記通路１４Ｂを介して前記開口部１４Ａに供給され、前記開口部１４Ａから前記処理容器１１内部の前記シャワープレート１４直下のプロセス空間１１Ｂに、実質的に一様な濃度で放出される。
【００１５】
前記処理容器１１上には、さらに前記カバープレート１５の外側に、前記カバープレート１５から４〜５ｍｍ離間してラジアルラインスロットアンテナ２０が設けられている。前記ラジアルラインスロットアンテナ２０は外部のマイクロ波源（図示せず）に同軸導波管２１を介して接続されており、前記マイクロ波源からのマイクロ波により、前記プロセス空間１１Ｂに放出されたプラズマ励起ガスを励起する。前記カバープレート１５とラジアルラインスロットアンテナ２０の放射面との間は密着されており、さらにアンテナの冷却のため、前記アンテナ２０上に冷却水通路１９Ａを有する冷却ブロック１９が設けられている。
【００１６】
前記ラジアルラインスロットアンテナ２０は、前記同軸導波管２１の外側導波管２１Ａに接続された平坦なディスク状のアンテナ本体１７と、前記アンテナ本体１７の開口部に形成された、多数のスロットを形成された放射板１６とよりなり、前記アンテナ本体１７と前記放射板１６との間には、厚さが一定の誘電体板よりなる遅相板１８が挿入されている。
【００１７】
かかる構成のラジアルラインスロットアンテナ２０では、前記同軸導波管２１から給電されたマイクロ波は、前記ディスク状のアンテナ本体１７と放射板１６との間を、半径方向に広がりながら進行するが、その際に前記遅相板１８の作用により波長が圧縮される。そこで、このようにして半径方向に進行するマイクロ波の波長に対応して前記スロットを同心円状に、かつ相互に直交するように形成しておくことにより、円偏波を有する平面波を前記放射板１６に実質的に垂直な方向に放射することができる。
【００１８】
かかるラジアルラインスロットアンテナ２０を使うことにより、前記シャワープレート１４直下のプロセス空間１１Ｂに均一な高密度プラズマが形成される。このようにして形成された高密度プラズマは電子温度が低く、そのため被処理基板１２にダメージが生じることがなく、また処理容器１１の器壁のスパッタリングに起因する金属汚染が生じることもない。
【００１９】
そこで、図２の基板処理装置１０において前記ガス導入ポート１１ｐにＡｒやＫｒなどのプラズマ励起ガスの他にＯ2ガスやＮＨ3ガス、あるいはＮ2ガスとＨ2ガスとの混合ガスを処理ガスとして供給することにより、前記プロセス空間１１Ｂ中に前記高密度プラズマにより原子状酸素Ｏ*あるいは窒化水素ラジカルＮＨ*などの活性種が励起され、かかる活性種を使うことにより、被処理基板１２表面を酸化処理、窒化処理あるいは酸窒化処理することが可能になる。
【００２０】
また図３に示すように、図２の基板処理装置１０において、前記シャワープレート１４の下部に、処理容器１表面に形成された処理ガス導入ポート１１ｒに連通する処理ガス通路３１Ａと、前記処理ガス通路３１Ａに連通する多数の処理ガス導入ノズル開口部３１Ｂとを備え、また前記空間１１Ｂにおいて形成された処理ガスラジカルを通過させる大きな開口部を有する別の下段シャワープレート３１を設けた構成の基板処理装置１０Ａが提案されている。
【００２１】
図３の基板処理装置１０Ａでは、前記下段シャワープレート３１の下部に別のプロセス空間１１Ｃが画成され、特に下段シャワープレート３１を、その表面が酸化アルミニウム（Ａｌ2Ｏ3）で不動態処理されたステンレススチールなどの導電体により構成することにより、マイクロ波がプロセス空間１１Ｃ中に侵入するのを阻止することが可能になる。そこでプラズマの励起は上段シャワープレート１４直下の空間１１Ｂに限定され、前記空間１１Ｂにおいて励起されたＫｒやＡｒのラジカルＫ*あるいはＡｒ*が前記プロセス空間１１Ｃに、前記シャワープレート３１中の大きな開口部を通過して侵入し、前記ノズル開口部３１Ｂから放出される処理ガスを活性化する。被処理基板１２の処理は、このようにして活性化された処理ガスラジカルによりなされる。
【００２２】
図３の基板処理装置１０Ａでは、前記下段シャワープレート３１を導電体により構成することにより、マイクロ波が前記プロセス空間１１Ｃから排除され、被処理基板のマイクロ波による損傷が回避される。
【００２３】
図３の基板処理装置１０Ａでは、前記下段シャワープレート３１よりＣＶＤ原料ガスを導入することにより、プラズマＣＶＤ工程を行うことが可能である。また、前記下段シャワープレート３１よりドライエッチングガスを導入し、前記保持台１３に高周波バイアスを印加することにより、ドライエッチング工程を行うことも可能である。
【００２４】
【発明が解決しようとする課題】
このように、図２あるいは図３の基板処理装置では、酸化処理を行う場合にはＫｒガスと酸素ガスをプロセス空間１１Ｂに導入することにより、１０ｅＶ程度のエネルギの中間励起状態のＫｒラジカル（Ｋｒ*）を励起する。励起されたＫｒラジカルは、反応
Ｏ2→Ｏ*＋Ｏ*
に従って原子状酸素Ｏ*を効率良く励起し、励起された原子状酸素Ｏ*が被処理基板１２の表面を酸化する。
【００２５】
これに対し、被処理基板１２の窒化処理を行う場合には、Ｋｒガスとアンモニアガス、あるいはＫｒガスと窒素ガスと水素ガスとを導入する。この場合には、励起されたＫｒラジカル（Ｋｒ*）あるいはＡｒラジカル（Ａｒ*）により、反応ＮＨ3→ＮＨ*＋２Ｈ*＋ｅ-
あるいは
反応Ｎ2＋Ｈ2→ＮＨ*＋ＮＨ*
に従って窒化水素ラジカルＮＨ*が励起され、かかる窒化水素ラジカルＮＨ*を使って被処理基板１２の窒化処理がなされる。
【００２６】
一方、被処理基板の窒化処理の際に窒化反応力が強くかつ水素を含まない原子状窒素（Ｎ*）を使ったほうが望ましい場合がある。原子状窒素Ｎ*は、反応
Ｎ2→Ｎ*＋Ｎ*
により形成されるが、その際には２３〜２５ｅＶものエネルギが必要であると考えられる。ＫｒやＡｒプラズマの場合、得られるＫｒラジカルあるいはＡｒラジカルのエネルギは、先にも述べたようにせいぜい１０ｅＶ程度なので、上記反応に従って原子状窒素Ｎ*を励起することはできない。
【００２７】
仮に図２あるいは図３の基板処理装置において、ＫｒガスあるいはＡｒガスと共に窒素ガスを供給しても、反応
Ｎ2→Ｎ2 +＋ｅ-
が得られるだけであり、所望の原子状窒素Ｎ*は励起されない。
【００２８】
図４は、Ｋｒプラズマの状態密度と原子状窒素Ｎ*，窒化水素ラジカルＮＨ*および窒素イオンＮ2 +の励起エネルギとの関係を示す。
【００２９】
図４を参照するに、Ｋｒプラズマの状態密度は低エネルギにおいて大きく、エネルギが増大すると共に急速に減少するのがわかる。このようなプラズマでは、所望の窒素ラジカルを効率良く励起することはできない。
【００３０】
そこで、本発明は上記の課題を解決した、新規で有用な基板処理装置を提供することを概括的課題とする。
【００３１】
本発明のより具体的な課題は、窒素ラジカルＮ*を効率良く発生できる基板処理装置を提供することにある。
【００３２】
【課題を解決するための手段】
一の側面によれば本発明は上記の課題を、処理容器中において、被処理基板を含むプロセス空間と、前記被処理基板が含まれないプラズマ形成空間とが制御電極により隔てられている構成の基板処理装置による基板処理方法であって、前記処理容器中にＨｅとＮ2を含むガスを供給する工程と、前記プラズマ形成空間にプラズマを、前記プラズマ中に原子状窒素Ｎ*が励起されるような条件で形成する工程と、前記原子状窒素Ｎ*により被処理基板表面を窒化する工程とを含み、前記プラズマを励起する工程は、２３〜２５ｅＶの中間励起状態エネルギが実現されるように６６．５〜２６６Ｐａのプロセス圧および２．４ＧＨｚ〜２８ＧＨｚの周波数において、また２００℃〜５００℃のプロセス温度で実行されることを特徴とする基板処理方法により、解決する。
他の側面によれば本発明は上記の課題を、外壁により画成され、被処理基板を保持する保持台を備えた処理容器と、前記処理容器に結合された排気系と、前記処理容器中にプラズマ励起ガスおよび処理ガスを供給するプラズマガス供給部と、前記処理容器上に、前記被処理基板に対面して設けられたマイクロ波窓と、前記保持台上の被処理基板と前記プラズマガス供給部との間に、前記被処理基板に対面するように設けられ、前記マイクロ波窓を含むプラズマ励起空間と前記被処理基板を含むプロセス空間とを隔てる制御電極とよりなり、前記制御電極は、前記処理容器内に形成されたプラズマを通過させる複数の開口部を有する導体部材よりなり、前記制御電極表面が、酸化アルミニウムないしは導電性窒化物により覆われており、原子状窒素Ｎ*により被処理基板を窒化する基板処理装置であって、前記基板処理装置は、前記原子状窒素を発生させるためプラズマ励起ガスとしてＨｅガスを、また前記処理ガスとしてＮ2ガスを前記処理容器に供給し、前記プラズマを２３〜２５ｅＶの中間励起状態が実現されるように６６．５〜２６６Ｐａのプロセス圧および２．４ＧＨｚ〜２８ＧＨｚの周波数において、また２００℃〜５００℃のプロセス温度で励起することを特徴とする基板処理装置により、解決する。
他の側面によれば本発明は上記の課題を、石英ガラス壁により画成され、被処理基板を保持する保持台を備えた処理容器と、前記処理容器に結合された排気系と、前記処理容器中にプラズマ励起ガスおよび処理ガスを供給するプラズマガス供給部と、前記保持台上の被処理基板に対面するように設けられ、前記処理容器内部を、前記被処理基板を含むプロセス空間とプラズマ励起空間とに分割する制御電極と、前記石英ガラス壁外側に、前記プラズマ励起空間に対応して設けられた誘導コイルとよりなり、前記制御電極は、前記処理容器内に形成されたプラズマを通過させる複数の開口部を有する導体部材よりなり、前記制御電極表面が、酸化アルミニウムないしは導電性窒化物により覆われており、前記プラズマガス供給部からはＨｅガスとＮ2ガスが前記処理容器中に導入され、前記プラズマ励起空間において原子状窒素Ｎ＊を励起できる２３〜２５ｅＶの電子温度およびプラズマエネルギを有する高密度プラズマが形成され、前記プラズマ励起空間において前記高密度プラズマにより形成された原子状窒素Ｎ*により被処理基板を窒化することを特徴とする基板処理装置により、解決する。
【００３３】
【発明の実施の形態】
［第１実施例］
図５は、本発明の第１実施例による基板処理装置１００の構成を示す。ただし図５中、先に説明した部分に対応する部分には同一の参照符号を付し、説明を省略する。
【００３４】
図５を参照するに、シャワープレート１４は処理容器１１にシール１１ｓを介して装着されており、また前記カバープレート１５は前記シャワープレート１４上にシール１１ｔを介して装着されている。また前記ラジアルラインスロットアンテナ２０は前記処理容器１１上に、シール１１ｕを介して装着されている。
【００３５】
さらに図５の基板処理装置１００では前記放射板１６とカバープレート１５との間の界面が、前記処理容器１１の上部の、前記放射板と係合する領域に形成された環状溝１１ｇおよびこれに連通する排気ポート１１Ｇを介して排気され、さらに前記界面には、その後０．８気圧程度のＨｅガスが、伝熱媒体として導入されている。導入されたＨｅガスは、バルブ１１Ｖを閉鎖することで前記界面に封入される。
【００３６】
図６を参照するに、前記格子状制御電極１３１にはプラズマ励起空間１１Ｂにおいて励起されたラジカルが自由に通過できるサイズの開口部１３２が多数形成されており、従って、前記プラズマ励起空間１１Ｂにおいて励起されたラジカルは、前記制御電極１３１を通ってプロセス空間１１Ｃへと自由に拡散する。
【００３７】
図６を参照するに、前記格子状制御電極１３１にはプラズマ励起空間１１Ｂにおいて励起されたラジカルが自由に通過できるサイズの開口部１３２が多数形成されており、従って、前記プラズマ励起空間１１Ｂにおいて励起されたプラズマは、前記制御電極１３１を通ってプロセス空間１１Ｃへと自由に拡散する。
【００３８】
図５の構成では前記格子状制御電極１３１は接地されており、その結果、前記ラジアルラインスロットアンテナ２０から前記プラズマ励起空間１１Ｂに導入されたマイクロ波は、前記プラズマ励起空間１１Ｂにプラズマが形成されていない状態においても前記格子状制御電極１３１により反射され、プロセス空間１１Ｃ中に侵入することはない。従って、被処理基板１２がマイクロ波により損傷する問題は、図５の基板処理装置１００では生じない。
【００３９】
前記格子状制御電極１３１はＷやＴｉ等により形成することができるが、表面に導電性窒化物、例えばＷＮやＴｉＮの層１３１ａを形成しておくことにより、プラズマ照射に対する耐性を向上させることが可能である。またかかる格子状制御電極１３１を石英ガラスにより形成し、表面に導電性窒化物層１３１ａを形成してもよい。さらに、基板処理装置１００では、プラズマ励起空間１１Ｂにおいて処理容器１１の側壁面を石英ライナ１１Ｄにより覆っている。
【００４０】
図５の基板処理装置１００では、前記処理ガス導入ポート１１ｐにＨｅガスとＮ2ガスとが導入され、前記ラジアルラインスロットアンテナには、約２８ＧＨｚのマイクロ波が供給される。典型的には処理容器１１内のプロセス圧を６６．５〜２６６Ｐａ（０．５〜２Ｔｏｒｒ）の範囲に設定し、２００〜５００℃の温度範囲において被処理基板１２の窒化処理あるいは酸窒化処理が実行される。
【００４１】
図７は、図５の基板処理装置１００において、プラズマガスとしてＨｅを使った場合の、励起されるプラズマの状態密度を示す。
【００４２】
図７を参照するに、衝突断面積の小さいＨｅをプラズマガスとして使うことにより、励起されたＨｅラジカルＨｅ*はマイクロ波電界により大きく加速される。その結果、プラズマエネルギが大きく増大し、原子状窒素Ｎ*を励起するに十分なエネルギが得られることがわかる。一方、Ｋｒをプラズマガスとして使っていた場合に効率良く励起されていた窒化水素ラジカルＮＨ*や窒素イオンＮ2 +の励起効率は大きく低減することがわかる。
【００４３】
そこで、本発明では基板処理装置１００において、プラズマガスとしてＨｅを使うことにより、２３〜２５ｅＶの高いプラズマエネルギにおいて原子状窒素Ｎ*の効率的な励起を実現する。一方、プラズマ中の電子温度が高くなりすぎるのを抑制するため、本発明では先に提案されているマイクロ波よりも高い、約２８ＧＨｚあるいはそれ以上の周波数のマイクロ波発生源２２を使い、マイクロ波発生源２２により発生されたマイクロ波によりラジアルラインスロットアンテナ２０を駆動する。マイクロ波発生現の周波数としては、約２．４ＧＨｚ，８．３ＧＨｚなどの周波数を選択してもよい。さらにプラズマ励起空間１１Ｂとプロセス空間１１Ｃとを制御電極１３１により分離することにより、プロセス空間における電子温度およびプラズマエネルギを、基板処理に適当なレベルまで低減させる。
【００４４】
特に、前記制御電極１３１の表面に先に説明したようにＡｌ2Ｏ3不動態膜は導電性窒化物を形成しておくことにより、制御電極は高エネルギプラズマに対して効果的に保護される。また、プラズマ励起領域１１Ｂにおいて処理容器１１の内壁を石英ライナ１１Ｄにより覆うことにより、高エネルギプラズマによる処理容器１１内壁のスパッタリングおよびこれに伴う基板の汚染の問題が回避される。
【００４５】
図８は本実施例の一変形例による基板処理装置１００Ａの構成を示す。
【００４６】
図８を参照するに、基板処理装置１００Ａでは制御電極３１は絶縁膜３１Ａにより処理容器１１から絶縁されており、負電圧源３１Ｂが接続されている。
【００４７】
図８の構成によれば、前記制御電極３１の電位を適当な負電位に制御することにより、前記プラズマ励起空間１１Ｂにおいて励起された正電荷を有する窒素イオンＮ2 +を補足することが可能になり、窒素イオンＮ2 +がプロセス空間１１Ｃに侵入するのが回避される。
【００４８】
本実施例の基板処理装置１００あるいは１００Ａにおいて、前記プラズマガス供給ポート１１ｐにＨｅガスとＮ2ガスとＯ2ガスとを供給することにより、前記被処理基板１２の酸窒化処理を行うことも可能である。
［第２実施例］
図９は、本発明の第２実施例による基板処理装置２００の構成を示す。ただし図９中、先に説明した部分に対応する部分には同一の参照符号を付し、説明を省略する。
【００４９】
図９を参照するに、本実施例ではシャワープレート１４が撤去され、その代わりに、前記処理容器１１に、被処理基板１２に対して略対称的に、複数の処理ガス導入口１１Ｐが形成されている。その結果、本実施例では前記プラズマ励起空間１１Ｂの上部において、誘電体窓を構成するカバープレート１５が露出する。また、先の実施例と同様に、前記プラズマ励起空間１１Ｂにおいては処理容器側壁が石英ライナ１１Ｄにより覆われている。
【００５０】
本実施例によれば、基板処理装置１１の構成が簡略化され、安価な費用で効率良く、前記プラズマガス供給ポート１１ｐにＨｅガスとＮ2ガスとを供給し、前記ラジアルラインスロットアンテナ２０に約２８ＧＨｚのマイクロ波を供給することにより、原子状窒素Ｎ*を使った被処理基板１２の窒化処理を行うことが可能である。また、前記プラズマガス供給ポート１１ｐにＨｅガスとＮ2ガスとＯ2ガスとを供給することにより、被処理基板１２の酸窒化処理を行うことが可能である。
［第３実施例］
図１０は、本発明の第３実施例による基板処理装置３００の構成を示す。ただし図１０中、先に説明した部分に対応する部分には同一の参照符号を付し、説明を省略する。
【００５１】
図１０を参照するに、基板処理装置３００は先に図１で説明した基板処理装置１と類似した構成を有するが、石英処理容器２中に先の制御電極３１と同様な制御電極６が設けられ、制御電極６により、前記処理容器２内の空間が、高密度プラズマ２Ｄが励起されるプラズマ励起空間２Ｂ1と被処理基板４を含むプロセス空間２Ｂ2とに分離される。
【００５２】
本実施例では、前記プラズマ励起空間２Ｂ1に前記処理ガス供給ライン２ＣよりＨｅガスとＮ2ガスが導入され、前記プラズマ励起空間２Ｂ1において原子状窒素Ｎ*を励起する高い電子温度およびプラズマエネルギを有する高密度プラズマ２Ｄが形成される。
【００５３】
このようにして形成された原子状窒素Ｎ*は前記制御電極６を通ってプロセス空間２Ｃに拡散し、被処理基板４の表面を窒化する。かかる構成においてもプラズマの電子温度およびエネルギは前記プラズマ励起空間２Ｂ1においては非常に高くても、前記プロセス空間２Ｂ2においては被処理基板４を処理するのに適当なレベルまで低下する。
【００５４】
本実施例においても、前記制御電極６の電位を電圧源６Ａにより制御することにより、前記プラズマ励起空間２Ｂ1において生じたＮ2 +などの低エネルギの正イオンを捕獲し、プロセス空間２Ｂ2から排除することが可能になる。また、前記制御電極６の電位を制御することにより、前記プラズマ励起空間２Ｂ1における高密度プラズマ２Ｄの状態を制御することが可能になる。
【００５５】
本実施例の基板処理装置２００において、前記処理ガス供給ライン２ＣからＨｅガスとＮ2ガスとＯ2ガスを導入することにより、前記プロセス空間２Ｂ2において基板４の酸窒化処理を行うことも可能である。
【００５６】
以上、本発明を好ましい実施例について説明したが、本発明はかかる特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した要旨内において様々な変形・変更が可能である。
【００５７】
【発明の効果】
本発明によれば、プラズマ励起ガスとしてＨｅを使うことにより、基板処理装置中に原子状窒素Ｎ*を励起するに十分な高いエネルギを有するプラズマを形成することが可能で、このようにして励起された原子状窒素Ｎ*を使うことにより、被処理基板を効率的に窒化処理することが可能になる。その際、高密度プラズマが形成されるプラズマ励起空間を被処理基板が含まれるプロセス空間から、制御電極により分離することにより、プロセス空間におけるプラズマエネルギを基板処理に適当なレベルまで低下させることが可能になり、またプラズマ励起空間で形成された正イオンをトラップすることが可能になる。本発明をマイクロ波励起プラズマを使った基板処理装置に適用する場合には、プラズマ励起を約２８ＧＨｚあるいはそれ以上の周波数のマイクロ波により行うことにより、プラズマエネルギが過大になるのを回避できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の誘導結合型プラズマ処理装置の構成を示す図である。
【図２】先に提案されたマイクロ波基板処理装置の構成を示す図である。
【図３】先に提案された別のマイクロ波基板処理装置の構成を示す図である。
【図４】図２あるいは図３のマイクロ波基板処理装置のプラズマ励起特性を説明する図である。
【図５】本発明の第１実施例によるマイクロ波基板処理装置の構成を示す図である。
【図６】図５のマイクロ波基板処理装置の一部を示す図である。
【図７】図５のマイクロ波基板処理装置のプラズマ励起特性を示す図である。
【図８】図５のマイクロ波基板処理装置の一変形例を示す図である。
【図９】本発明の第２実施例によるマイクロ波基板処理装置の構成を示す図である。
【図１０】本発明の第３実施例による誘導結合型プラズマ処理装置の構成を示す図である。
【符号の説明】
１、３００ 誘導結合型基板処理装置
２ 石英処理容器
２Ａ 排気系
２Ｂ プロセス空間
２Ｃ 処理ガス導入ポート
２Ｄ 高密度プラズマ
３ 基板保持台
３Ａ 回転機構
４ 被処理基板
５ 誘導コイル
１０，１００，１００Ａ，２００ マイクロ波プラズマ基板処理装置
１１ 処理容器
１１Ａ 空間
１１Ｂ プラズマ励起空間
１１ａ 排気ポート
１１ｐ ガス導入ポート
１２ 被処理基板
１３ 基板保持台
１４，３１ シャワープレート
１４Ａ 開口部
１４Ｃ ガス通路
１５ カバープレート
１６ 放射板
１７ アンテナ本体
１８ 遅相板
１９ 冷却ブロック
１９Ａ 冷却水通路
２０ ラジアルラインスロットアンテナ
２１，２１Ａ，２１Ｂ 同軸導波管
３１Ａ 処理ガス通路
３１Ｂ ノズル開口部
１３１ 制御電極
１３１ａ 導電性窒化物膜
【発明の属する技術分野】
本発明は一般にプラズマ処理装置に係り、特にマイクロ波プラズマ処理装置に関する。
【０００２】
プラズマ処理工程およびプラズマ処理装置は、近年のいわゆるディープサブミクロン素子あるいはディープサブクォーターミクロン素子と呼ばれる０．１μｍに近い、あるいはそれ以下のゲート長を有する超微細化半導体装置の製造や、液晶表示装置を含む高解像度平面表示装置の製造にとって、不可欠の技術である。
【０００３】
半導体装置や液晶表示装置の製造に使われるプラズマ処理装置としては、従来より様々なプラズマの励起方式が使われているが、特に平行平板型高周波励起プラズマ処理装置あるいは誘導結合型プラズマ処理装置が一般的である。しかしこれら従来のプラズマ処理装置は、プラズマ形成が不均一であり、電子密度の高い領域が限定されているため大きな処理速度すなわちスループットで被処理基板全面にわたり均一なプロセスを行うのが困難である問題点を有している。この問題は、特に大径の基板を処理する場合に深刻になる。しかもこれら従来のプラズマ処理装置では、電子温度が高いため被処理基板上に形成される半導体素子にダメージが生じ、また処理室壁のスパッタリングによる金属汚染が大きいなど、いくつかの本質的な問題を有している。このため、従来のプラズマ処理装置では、半導体装置や平面表示装置のさらなる微細化およびさらなる生産性の向上に対する厳しい要求を満たすことが困難になりつつある。
【０００４】
一方、従来より直流磁場を用いずにマイクロ波電界により励起された高密度プラズマを使うマイクロ波プラズマ処理装置が提案されている。例えば、均一なマイクロ波を発生するように配列された多数のスロットを有する平面状のアンテナ（ラジアルラインスロットアンテナ）から処理容器内にマイクロ波を放射し、このマイクロ波電界により真空容器内のガスを電離してプラズマを励起させる構成のプラズマ処理装置が提案されている。例えば特開平９−６３７９３公報を参照。このような手法で励起されたマイクロ波プラズマではアンテナ直下の広い領域にわたって高いプラズマ密度を実現でき、短時間で均一なプラズマ処理を行うことが可能である。しかもかかる手法で形成されたマイクロ波プラズマではマイクロ波によりプラズマを励起するため電子温度が低く、被処理基板のダメージや金属汚染を回避することができる。さらに大面積基板上にも均一なプラズマを容易に励起できるため、大口径半導体基板を使った半導体装置の製造工程や大型平面表示装置の製造にも容易に対応できる。
【０００５】
【従来の技術】
図１は、従来の誘導結合型プラズマ処理装置１の概略的構成を示す。
【０００６】
図１を参照するに、プラズマ処理装置１は排気ライン２Aにより排気される石英ドームよりなる処理容器２を備え、前記処理容器２により画成されるプロセス空間２B中には,回動機構３Aにより回動される基板保持台３上に被処理基板４が保持されている。さらに前記プロセス空間２Bには、処理ガス供給ライン２Cにより、Ａｒなどの不活性プラズマ励起ガスと酸素あるいは窒素などの処理ガスとが供給される。また前記処理容器２の外側上部にはコイル５が巻回されており、前記コイル５を直流電源により駆動することにより、前記プロセス空間２Ｂの上部に高密度プラズマ２Ｄが励起される。
【０００７】
図１のプラズマ処理装置１では、かかる高密度プラズマ２Ｄに伴って形成される処理ガスのラジカルが被処理基板４の表面に到達し、酸化や窒化などの基板処理が行われる。
【０００８】
しかし、このような従来の誘導結合型プラズマ処理装置１では、高密度プラズマ２Ｄが形成される領域が処理容器２の上部に局在しており、従ってプラズマに伴って形成されるラジカルの濃度分布は著しく不均一なものとなる。特に基板の径方向へのラジカル濃度の不均一は、基板保持台３を回動機構３Ａにより回動させても解消しない。
【０００９】
このため従来の誘導結合型プラズマ処理装置１では、前記被処理基板４表面において可能な限り一様なラジカル濃度分布を実現するために、被処理基板４と高密度プラズマ２Ｄの形成領域との間の距離を離していたが、その結果、基板処理装置１全体の大きさが大きくなってしまったり、被処理気体４に到達するラジカル量が少なくなったりする問題が生じていた。この問題は、特に最近の技術の流れに沿って大口径基板を処理しようとした場合に深刻になる。
【００１０】
一方、従来より誘導磁場を用いずにマイクロ波電界により励起された高密度プラズマを使うマイクロ波プラズマ処理装置が提案されている。例えば、均一なマイクロ波を発生するように配列された多数のスロットを有する平面状のアンテナ（ラジアルラインスロットアンテナ）から処理容器内にマイクロ波を放射し、このマイクロ波電界により真空容器内のガスを電離してプラズマを励起させる構成のプラズマ処理装置が提案されている。例えば特開平９−６３７９３公報を参照。このような手法で励起されたマイクロ波プラズマではアンテナ直下の広い領域にわたって高いプラズマ密度を実現でき、短時間で均一なプラズマ処理を行うことが可能である。しかもかかる手法で形成されたマイクロ波プラズマではマイクロ波によりプラズマを励起するため電子温度が低く、被処理基板のダメージや金属汚染を回避することができる。さらに大面積基板上にも均一なプラズマを容易に励起できるため、大口径半導体基板を使った半導体装置の製造工程や大型平面表示装置の製造にも容易に対応できる。
【００１１】
図２は、本発明の発明者が先に提案した、かかるラジアルラインスロットアンテナを使ったマイクロ波プラズマ処理装置１０の構成を示す。
【００１２】
図２を参照するに、マイクロ波プラズマ処理装置１０は複数の排気ポート１１ａから排気される処理室１１を有し、前記処理室１１中には被処理基板１２を保持する保持台１３が形成されている。前記処理室１１の均一な排気を実現するため、前記保持台１３の周囲にはリング状に空間１１Ａが形成されており、前記複数の排気ポート１１ａを前記空間１１Ａに連通するように等間隔で、すなわち被処理基板に対して軸対称に形成することにより、前記処理室１１を前記空間１１Ａおよび排気ポート１１ａを介して均一に排気することができる。
【００１３】
前記処理室１１上には、前記保持台１３上の被処理基板１２に対面する位置に、前記処理室１１の外壁の一部として、Ａｌ2Ｏ3やＳｉＯ2などの低損失誘電体よりなり多数の開口部１４Ａを形成された板状のシャワープレート１４が図示しないシールリングを介して形成されており、さらに前記シャワープレート１４の外側に同じくＡｌ2Ｏ3はＳｉＯ2など低損失誘電体よりなるカバープレート１５が、図示しない別のシールリングを介して設けられている。
【００１４】
前記シャワープレート１４にはその上面にガス通路１４Ｂが形成されており、前記複数の開口部１４Ａの各々は前記ガス通路１４Ｂに連通するように形成されている。さらに、前記シャワープレート１４の内部には、前記処理容器１１の外壁に設けられたガス供給ポート１１ｐに連通するガス供給通路１４Ｃが形成されており、前記ガス供給ポート１１ｐに供給されたＡｒやＫｒ等のプラズマ励起ガスは、前記供給通路１４Ｃから前記通路１４Ｂを介して前記開口部１４Ａに供給され、前記開口部１４Ａから前記処理容器１１内部の前記シャワープレート１４直下のプロセス空間１１Ｂに、実質的に一様な濃度で放出される。
【００１５】
前記処理容器１１上には、さらに前記カバープレート１５の外側に、前記カバープレート１５から４〜５ｍｍ離間してラジアルラインスロットアンテナ２０が設けられている。前記ラジアルラインスロットアンテナ２０は外部のマイクロ波源（図示せず）に同軸導波管２１を介して接続されており、前記マイクロ波源からのマイクロ波により、前記プロセス空間１１Ｂに放出されたプラズマ励起ガスを励起する。前記カバープレート１５とラジアルラインスロットアンテナ２０の放射面との間は密着されており、さらにアンテナの冷却のため、前記アンテナ２０上に冷却水通路１９Ａを有する冷却ブロック１９が設けられている。
【００１６】
前記ラジアルラインスロットアンテナ２０は、前記同軸導波管２１の外側導波管２１Ａに接続された平坦なディスク状のアンテナ本体１７と、前記アンテナ本体１７の開口部に形成された、多数のスロットを形成された放射板１６とよりなり、前記アンテナ本体１７と前記放射板１６との間には、厚さが一定の誘電体板よりなる遅相板１８が挿入されている。
【００１７】
かかる構成のラジアルラインスロットアンテナ２０では、前記同軸導波管２１から給電されたマイクロ波は、前記ディスク状のアンテナ本体１７と放射板１６との間を、半径方向に広がりながら進行するが、その際に前記遅相板１８の作用により波長が圧縮される。そこで、このようにして半径方向に進行するマイクロ波の波長に対応して前記スロットを同心円状に、かつ相互に直交するように形成しておくことにより、円偏波を有する平面波を前記放射板１６に実質的に垂直な方向に放射することができる。
【００１８】
かかるラジアルラインスロットアンテナ２０を使うことにより、前記シャワープレート１４直下のプロセス空間１１Ｂに均一な高密度プラズマが形成される。このようにして形成された高密度プラズマは電子温度が低く、そのため被処理基板１２にダメージが生じることがなく、また処理容器１１の器壁のスパッタリングに起因する金属汚染が生じることもない。
【００１９】
そこで、図２の基板処理装置１０において前記ガス導入ポート１１ｐにＡｒやＫｒなどのプラズマ励起ガスの他にＯ2ガスやＮＨ3ガス、あるいはＮ2ガスとＨ2ガスとの混合ガスを処理ガスとして供給することにより、前記プロセス空間１１Ｂ中に前記高密度プラズマにより原子状酸素Ｏ*あるいは窒化水素ラジカルＮＨ*などの活性種が励起され、かかる活性種を使うことにより、被処理基板１２表面を酸化処理、窒化処理あるいは酸窒化処理することが可能になる。
【００２０】
また図３に示すように、図２の基板処理装置１０において、前記シャワープレート１４の下部に、処理容器１表面に形成された処理ガス導入ポート１１ｒに連通する処理ガス通路３１Ａと、前記処理ガス通路３１Ａに連通する多数の処理ガス導入ノズル開口部３１Ｂとを備え、また前記空間１１Ｂにおいて形成された処理ガスラジカルを通過させる大きな開口部を有する別の下段シャワープレート３１を設けた構成の基板処理装置１０Ａが提案されている。
【００２１】
図３の基板処理装置１０Ａでは、前記下段シャワープレート３１の下部に別のプロセス空間１１Ｃが画成され、特に下段シャワープレート３１を、その表面が酸化アルミニウム（Ａｌ2Ｏ3）で不動態処理されたステンレススチールなどの導電体により構成することにより、マイクロ波がプロセス空間１１Ｃ中に侵入するのを阻止することが可能になる。そこでプラズマの励起は上段シャワープレート１４直下の空間１１Ｂに限定され、前記空間１１Ｂにおいて励起されたＫｒやＡｒのラジカルＫ*あるいはＡｒ*が前記プロセス空間１１Ｃに、前記シャワープレート３１中の大きな開口部を通過して侵入し、前記ノズル開口部３１Ｂから放出される処理ガスを活性化する。被処理基板１２の処理は、このようにして活性化された処理ガスラジカルによりなされる。
【００２２】
図３の基板処理装置１０Ａでは、前記下段シャワープレート３１を導電体により構成することにより、マイクロ波が前記プロセス空間１１Ｃから排除され、被処理基板のマイクロ波による損傷が回避される。
【００２３】
図３の基板処理装置１０Ａでは、前記下段シャワープレート３１よりＣＶＤ原料ガスを導入することにより、プラズマＣＶＤ工程を行うことが可能である。また、前記下段シャワープレート３１よりドライエッチングガスを導入し、前記保持台１３に高周波バイアスを印加することにより、ドライエッチング工程を行うことも可能である。
【００２４】
【発明が解決しようとする課題】
このように、図２あるいは図３の基板処理装置では、酸化処理を行う場合にはＫｒガスと酸素ガスをプロセス空間１１Ｂに導入することにより、１０ｅＶ程度のエネルギの中間励起状態のＫｒラジカル（Ｋｒ*）を励起する。励起されたＫｒラジカルは、反応
Ｏ2→Ｏ*＋Ｏ*
に従って原子状酸素Ｏ*を効率良く励起し、励起された原子状酸素Ｏ*が被処理基板１２の表面を酸化する。
【００２５】
これに対し、被処理基板１２の窒化処理を行う場合には、Ｋｒガスとアンモニアガス、あるいはＫｒガスと窒素ガスと水素ガスとを導入する。この場合には、励起されたＫｒラジカル（Ｋｒ*）あるいはＡｒラジカル（Ａｒ*）により、反応ＮＨ3→ＮＨ*＋２Ｈ*＋ｅ-
あるいは
反応Ｎ2＋Ｈ2→ＮＨ*＋ＮＨ*
に従って窒化水素ラジカルＮＨ*が励起され、かかる窒化水素ラジカルＮＨ*を使って被処理基板１２の窒化処理がなされる。
【００２６】
一方、被処理基板の窒化処理の際に窒化反応力が強くかつ水素を含まない原子状窒素（Ｎ*）を使ったほうが望ましい場合がある。原子状窒素Ｎ*は、反応
Ｎ2→Ｎ*＋Ｎ*
により形成されるが、その際には２３〜２５ｅＶものエネルギが必要であると考えられる。ＫｒやＡｒプラズマの場合、得られるＫｒラジカルあるいはＡｒラジカルのエネルギは、先にも述べたようにせいぜい１０ｅＶ程度なので、上記反応に従って原子状窒素Ｎ*を励起することはできない。
【００２７】
仮に図２あるいは図３の基板処理装置において、ＫｒガスあるいはＡｒガスと共に窒素ガスを供給しても、反応
Ｎ2→Ｎ2 +＋ｅ-
が得られるだけであり、所望の原子状窒素Ｎ*は励起されない。
【００２８】
図４は、Ｋｒプラズマの状態密度と原子状窒素Ｎ*，窒化水素ラジカルＮＨ*および窒素イオンＮ2 +の励起エネルギとの関係を示す。
【００２９】
図４を参照するに、Ｋｒプラズマの状態密度は低エネルギにおいて大きく、エネルギが増大すると共に急速に減少するのがわかる。このようなプラズマでは、所望の窒素ラジカルを効率良く励起することはできない。
【００３０】
そこで、本発明は上記の課題を解決した、新規で有用な基板処理装置を提供することを概括的課題とする。
【００３１】
本発明のより具体的な課題は、窒素ラジカルＮ*を効率良く発生できる基板処理装置を提供することにある。
【００３２】
【課題を解決するための手段】
一の側面によれば本発明は上記の課題を、処理容器中において、被処理基板を含むプロセス空間と、前記被処理基板が含まれないプラズマ形成空間とが制御電極により隔てられている構成の基板処理装置による基板処理方法であって、前記処理容器中にＨｅとＮ2を含むガスを供給する工程と、前記プラズマ形成空間にプラズマを、前記プラズマ中に原子状窒素Ｎ*が励起されるような条件で形成する工程と、前記原子状窒素Ｎ*により被処理基板表面を窒化する工程とを含み、前記プラズマを励起する工程は、２３〜２５ｅＶの中間励起状態エネルギが実現されるように６６．５〜２６６Ｐａのプロセス圧および２．４ＧＨｚ〜２８ＧＨｚの周波数において、また２００℃〜５００℃のプロセス温度で実行されることを特徴とする基板処理方法により、解決する。
他の側面によれば本発明は上記の課題を、外壁により画成され、被処理基板を保持する保持台を備えた処理容器と、前記処理容器に結合された排気系と、前記処理容器中にプラズマ励起ガスおよび処理ガスを供給するプラズマガス供給部と、前記処理容器上に、前記被処理基板に対面して設けられたマイクロ波窓と、前記保持台上の被処理基板と前記プラズマガス供給部との間に、前記被処理基板に対面するように設けられ、前記マイクロ波窓を含むプラズマ励起空間と前記被処理基板を含むプロセス空間とを隔てる制御電極とよりなり、前記制御電極は、前記処理容器内に形成されたプラズマを通過させる複数の開口部を有する導体部材よりなり、前記制御電極表面が、酸化アルミニウムないしは導電性窒化物により覆われており、原子状窒素Ｎ*により被処理基板を窒化する基板処理装置であって、前記基板処理装置は、前記原子状窒素を発生させるためプラズマ励起ガスとしてＨｅガスを、また前記処理ガスとしてＮ2ガスを前記処理容器に供給し、前記プラズマを２３〜２５ｅＶの中間励起状態が実現されるように６６．５〜２６６Ｐａのプロセス圧および２．４ＧＨｚ〜２８ＧＨｚの周波数において、また２００℃〜５００℃のプロセス温度で励起することを特徴とする基板処理装置により、解決する。
他の側面によれば本発明は上記の課題を、石英ガラス壁により画成され、被処理基板を保持する保持台を備えた処理容器と、前記処理容器に結合された排気系と、前記処理容器中にプラズマ励起ガスおよび処理ガスを供給するプラズマガス供給部と、前記保持台上の被処理基板に対面するように設けられ、前記処理容器内部を、前記被処理基板を含むプロセス空間とプラズマ励起空間とに分割する制御電極と、前記石英ガラス壁外側に、前記プラズマ励起空間に対応して設けられた誘導コイルとよりなり、前記制御電極は、前記処理容器内に形成されたプラズマを通過させる複数の開口部を有する導体部材よりなり、前記制御電極表面が、酸化アルミニウムないしは導電性窒化物により覆われており、前記プラズマガス供給部からはＨｅガスとＮ2ガスが前記処理容器中に導入され、前記プラズマ励起空間において原子状窒素Ｎ＊を励起できる２３〜２５ｅＶの電子温度およびプラズマエネルギを有する高密度プラズマが形成され、前記プラズマ励起空間において前記高密度プラズマにより形成された原子状窒素Ｎ*により被処理基板を窒化することを特徴とする基板処理装置により、解決する。
【００３３】
【発明の実施の形態】
［第１実施例］
図５は、本発明の第１実施例による基板処理装置１００の構成を示す。ただし図５中、先に説明した部分に対応する部分には同一の参照符号を付し、説明を省略する。
【００３４】
図５を参照するに、シャワープレート１４は処理容器１１にシール１１ｓを介して装着されており、また前記カバープレート１５は前記シャワープレート１４上にシール１１ｔを介して装着されている。また前記ラジアルラインスロットアンテナ２０は前記処理容器１１上に、シール１１ｕを介して装着されている。
【００３５】
さらに図５の基板処理装置１００では前記放射板１６とカバープレート１５との間の界面が、前記処理容器１１の上部の、前記放射板と係合する領域に形成された環状溝１１ｇおよびこれに連通する排気ポート１１Ｇを介して排気され、さらに前記界面には、その後０．８気圧程度のＨｅガスが、伝熱媒体として導入されている。導入されたＨｅガスは、バルブ１１Ｖを閉鎖することで前記界面に封入される。
【００３６】
図６を参照するに、前記格子状制御電極１３１にはプラズマ励起空間１１Ｂにおいて励起されたラジカルが自由に通過できるサイズの開口部１３２が多数形成されており、従って、前記プラズマ励起空間１１Ｂにおいて励起されたラジカルは、前記制御電極１３１を通ってプロセス空間１１Ｃへと自由に拡散する。
【００３７】
図６を参照するに、前記格子状制御電極１３１にはプラズマ励起空間１１Ｂにおいて励起されたラジカルが自由に通過できるサイズの開口部１３２が多数形成されており、従って、前記プラズマ励起空間１１Ｂにおいて励起されたプラズマは、前記制御電極１３１を通ってプロセス空間１１Ｃへと自由に拡散する。
【００３８】
図５の構成では前記格子状制御電極１３１は接地されており、その結果、前記ラジアルラインスロットアンテナ２０から前記プラズマ励起空間１１Ｂに導入されたマイクロ波は、前記プラズマ励起空間１１Ｂにプラズマが形成されていない状態においても前記格子状制御電極１３１により反射され、プロセス空間１１Ｃ中に侵入することはない。従って、被処理基板１２がマイクロ波により損傷する問題は、図５の基板処理装置１００では生じない。
【００３９】
前記格子状制御電極１３１はＷやＴｉ等により形成することができるが、表面に導電性窒化物、例えばＷＮやＴｉＮの層１３１ａを形成しておくことにより、プラズマ照射に対する耐性を向上させることが可能である。またかかる格子状制御電極１３１を石英ガラスにより形成し、表面に導電性窒化物層１３１ａを形成してもよい。さらに、基板処理装置１００では、プラズマ励起空間１１Ｂにおいて処理容器１１の側壁面を石英ライナ１１Ｄにより覆っている。
【００４０】
図５の基板処理装置１００では、前記処理ガス導入ポート１１ｐにＨｅガスとＮ2ガスとが導入され、前記ラジアルラインスロットアンテナには、約２８ＧＨｚのマイクロ波が供給される。典型的には処理容器１１内のプロセス圧を６６．５〜２６６Ｐａ（０．５〜２Ｔｏｒｒ）の範囲に設定し、２００〜５００℃の温度範囲において被処理基板１２の窒化処理あるいは酸窒化処理が実行される。
【００４１】
図７は、図５の基板処理装置１００において、プラズマガスとしてＨｅを使った場合の、励起されるプラズマの状態密度を示す。
【００４２】
図７を参照するに、衝突断面積の小さいＨｅをプラズマガスとして使うことにより、励起されたＨｅラジカルＨｅ*はマイクロ波電界により大きく加速される。その結果、プラズマエネルギが大きく増大し、原子状窒素Ｎ*を励起するに十分なエネルギが得られることがわかる。一方、Ｋｒをプラズマガスとして使っていた場合に効率良く励起されていた窒化水素ラジカルＮＨ*や窒素イオンＮ2 +の励起効率は大きく低減することがわかる。
【００４３】
そこで、本発明では基板処理装置１００において、プラズマガスとしてＨｅを使うことにより、２３〜２５ｅＶの高いプラズマエネルギにおいて原子状窒素Ｎ*の効率的な励起を実現する。一方、プラズマ中の電子温度が高くなりすぎるのを抑制するため、本発明では先に提案されているマイクロ波よりも高い、約２８ＧＨｚあるいはそれ以上の周波数のマイクロ波発生源２２を使い、マイクロ波発生源２２により発生されたマイクロ波によりラジアルラインスロットアンテナ２０を駆動する。マイクロ波発生現の周波数としては、約２．４ＧＨｚ，８．３ＧＨｚなどの周波数を選択してもよい。さらにプラズマ励起空間１１Ｂとプロセス空間１１Ｃとを制御電極１３１により分離することにより、プロセス空間における電子温度およびプラズマエネルギを、基板処理に適当なレベルまで低減させる。
【００４４】
特に、前記制御電極１３１の表面に先に説明したようにＡｌ2Ｏ3不動態膜は導電性窒化物を形成しておくことにより、制御電極は高エネルギプラズマに対して効果的に保護される。また、プラズマ励起領域１１Ｂにおいて処理容器１１の内壁を石英ライナ１１Ｄにより覆うことにより、高エネルギプラズマによる処理容器１１内壁のスパッタリングおよびこれに伴う基板の汚染の問題が回避される。
【００４５】
図８は本実施例の一変形例による基板処理装置１００Ａの構成を示す。
【００４６】
図８を参照するに、基板処理装置１００Ａでは制御電極３１は絶縁膜３１Ａにより処理容器１１から絶縁されており、負電圧源３１Ｂが接続されている。
【００４７】
図８の構成によれば、前記制御電極３１の電位を適当な負電位に制御することにより、前記プラズマ励起空間１１Ｂにおいて励起された正電荷を有する窒素イオンＮ2 +を補足することが可能になり、窒素イオンＮ2 +がプロセス空間１１Ｃに侵入するのが回避される。
【００４８】
本実施例の基板処理装置１００あるいは１００Ａにおいて、前記プラズマガス供給ポート１１ｐにＨｅガスとＮ2ガスとＯ2ガスとを供給することにより、前記被処理基板１２の酸窒化処理を行うことも可能である。
［第２実施例］
図９は、本発明の第２実施例による基板処理装置２００の構成を示す。ただし図９中、先に説明した部分に対応する部分には同一の参照符号を付し、説明を省略する。
【００４９】
図９を参照するに、本実施例ではシャワープレート１４が撤去され、その代わりに、前記処理容器１１に、被処理基板１２に対して略対称的に、複数の処理ガス導入口１１Ｐが形成されている。その結果、本実施例では前記プラズマ励起空間１１Ｂの上部において、誘電体窓を構成するカバープレート１５が露出する。また、先の実施例と同様に、前記プラズマ励起空間１１Ｂにおいては処理容器側壁が石英ライナ１１Ｄにより覆われている。
【００５０】
本実施例によれば、基板処理装置１１の構成が簡略化され、安価な費用で効率良く、前記プラズマガス供給ポート１１ｐにＨｅガスとＮ2ガスとを供給し、前記ラジアルラインスロットアンテナ２０に約２８ＧＨｚのマイクロ波を供給することにより、原子状窒素Ｎ*を使った被処理基板１２の窒化処理を行うことが可能である。また、前記プラズマガス供給ポート１１ｐにＨｅガスとＮ2ガスとＯ2ガスとを供給することにより、被処理基板１２の酸窒化処理を行うことが可能である。
［第３実施例］
図１０は、本発明の第３実施例による基板処理装置３００の構成を示す。ただし図１０中、先に説明した部分に対応する部分には同一の参照符号を付し、説明を省略する。
【００５１】
図１０を参照するに、基板処理装置３００は先に図１で説明した基板処理装置１と類似した構成を有するが、石英処理容器２中に先の制御電極３１と同様な制御電極６が設けられ、制御電極６により、前記処理容器２内の空間が、高密度プラズマ２Ｄが励起されるプラズマ励起空間２Ｂ1と被処理基板４を含むプロセス空間２Ｂ2とに分離される。
【００５２】
本実施例では、前記プラズマ励起空間２Ｂ1に前記処理ガス供給ライン２ＣよりＨｅガスとＮ2ガスが導入され、前記プラズマ励起空間２Ｂ1において原子状窒素Ｎ*を励起する高い電子温度およびプラズマエネルギを有する高密度プラズマ２Ｄが形成される。
【００５３】
このようにして形成された原子状窒素Ｎ*は前記制御電極６を通ってプロセス空間２Ｃに拡散し、被処理基板４の表面を窒化する。かかる構成においてもプラズマの電子温度およびエネルギは前記プラズマ励起空間２Ｂ1においては非常に高くても、前記プロセス空間２Ｂ2においては被処理基板４を処理するのに適当なレベルまで低下する。
【００５４】
本実施例においても、前記制御電極６の電位を電圧源６Ａにより制御することにより、前記プラズマ励起空間２Ｂ1において生じたＮ2 +などの低エネルギの正イオンを捕獲し、プロセス空間２Ｂ2から排除することが可能になる。また、前記制御電極６の電位を制御することにより、前記プラズマ励起空間２Ｂ1における高密度プラズマ２Ｄの状態を制御することが可能になる。
【００５５】
本実施例の基板処理装置２００において、前記処理ガス供給ライン２ＣからＨｅガスとＮ2ガスとＯ2ガスを導入することにより、前記プロセス空間２Ｂ2において基板４の酸窒化処理を行うことも可能である。
【００５６】
以上、本発明を好ましい実施例について説明したが、本発明はかかる特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した要旨内において様々な変形・変更が可能である。
【００５７】
【発明の効果】
本発明によれば、プラズマ励起ガスとしてＨｅを使うことにより、基板処理装置中に原子状窒素Ｎ*を励起するに十分な高いエネルギを有するプラズマを形成することが可能で、このようにして励起された原子状窒素Ｎ*を使うことにより、被処理基板を効率的に窒化処理することが可能になる。その際、高密度プラズマが形成されるプラズマ励起空間を被処理基板が含まれるプロセス空間から、制御電極により分離することにより、プロセス空間におけるプラズマエネルギを基板処理に適当なレベルまで低下させることが可能になり、またプラズマ励起空間で形成された正イオンをトラップすることが可能になる。本発明をマイクロ波励起プラズマを使った基板処理装置に適用する場合には、プラズマ励起を約２８ＧＨｚあるいはそれ以上の周波数のマイクロ波により行うことにより、プラズマエネルギが過大になるのを回避できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の誘導結合型プラズマ処理装置の構成を示す図である。
【図２】先に提案されたマイクロ波基板処理装置の構成を示す図である。
【図３】先に提案された別のマイクロ波基板処理装置の構成を示す図である。
【図４】図２あるいは図３のマイクロ波基板処理装置のプラズマ励起特性を説明する図である。
【図５】本発明の第１実施例によるマイクロ波基板処理装置の構成を示す図である。
【図６】図５のマイクロ波基板処理装置の一部を示す図である。
【図７】図５のマイクロ波基板処理装置のプラズマ励起特性を示す図である。
【図８】図５のマイクロ波基板処理装置の一変形例を示す図である。
【図９】本発明の第２実施例によるマイクロ波基板処理装置の構成を示す図である。
【図１０】本発明の第３実施例による誘導結合型プラズマ処理装置の構成を示す図である。
【符号の説明】
１、３００ 誘導結合型基板処理装置
２ 石英処理容器
２Ａ 排気系
２Ｂ プロセス空間
２Ｃ 処理ガス導入ポート
２Ｄ 高密度プラズマ
３ 基板保持台
３Ａ 回転機構
４ 被処理基板
５ 誘導コイル
１０，１００，１００Ａ，２００ マイクロ波プラズマ基板処理装置
１１ 処理容器
１１Ａ 空間
１１Ｂ プラズマ励起空間
１１ａ 排気ポート
１１ｐ ガス導入ポート
１２ 被処理基板
１３ 基板保持台
１４，３１ シャワープレート
１４Ａ 開口部
１４Ｃ ガス通路
１５ カバープレート
１６ 放射板
１７ アンテナ本体
１８ 遅相板
１９ 冷却ブロック
１９Ａ 冷却水通路
２０ ラジアルラインスロットアンテナ
２１，２１Ａ，２１Ｂ 同軸導波管
３１Ａ 処理ガス通路
３１Ｂ ノズル開口部
１３１ 制御電極
１３１ａ 導電性窒化物膜
Claims (15)
- 処理容器中において、被処理基板を含むプロセス空間と、前記被処理基板が含まれないプラズマ形成空間とが制御電極により隔てられている構成の基板処理装置による基板処理方法であって、
前記処理容器中にＨｅとＮ2を含むガスを供給する工程と、
前記プラズマ形成空間にプラズマを、前記プラズマ中に原子状窒素Ｎ*が励起されるような条件で形成する工程と、
前記原子状窒素Ｎ*により被処理基板表面を窒化する工程とを含み、
前記プラズマを励起する工程は、２３〜２５ｅＶの中間励起状態エネルギが実現されるように６６．５〜２６６Ｐａのプロセス圧および２．４ＧＨｚ〜２８ＧＨｚの周波数において、また２００℃〜５００℃のプロセス温度で実行されることを特徴とする基板処理方法。 - 前記プラズマを形成する工程は、前記プラズマ形成空間にマイクロ波を供給する工程を含むことを特徴とする請求項１記載の基板処理方法。
- 前記マイクロ波を供給する工程は、ラジアルラインスロットアンテナを駆動することにより実行されることを特徴とする請求項２記載の基板処理方法。
- 前記プラズマを励起する工程では、前記制御電極は接地されることを特徴とする請求項３記載の基板処理方法。
- 前記プラズマを形成する工程では、前記制御電極に負電位が印加されることを特徴とする請求項３記載の基板処理方法。
- 前記処理容器中に供給されるガスは、さらにＯ2を含むことを特徴とする請求項３記載の基板処理方法。
- 外壁により画成され、被処理基板を保持する保持台を備えた処理容器と、
前記処理容器に結合された排気系と、
前記処理容器中にプラズマ励起ガスおよび処理ガスを供給するプラズマガス供給部と、
前記処理容器上に、前記被処理基板に対面して設けられたマイクロ波窓と、
前記保持台上の被処理基板と前記プラズマガス供給部との間に、前記被処理基板に対面するように設けられ、前記マイクロ波窓を含むプラズマ励起空間と前記被処理基板を含むプロセス空間とを隔てる制御電極とよりなり、
前記制御電極は、前記処理容器内に形成されたプラズマを通過させる複数の開口部を有する導体部材よりなり、
前記制御電極表面が、酸化アルミニウムないしは導電性窒化物により覆われており、
原子状窒素Ｎ*により被処理基板を窒化する基板処理装置であって、前記基板処理装置は、前記原子状窒素を発生させるためプラズマ励起ガスとしてＨｅガスを、また前記処理ガスとしてＮ2ガスを前記処理容器に供給し、前記プラズマを２３〜２５ｅＶの中間励起状態が実現されるように６６．５〜２６６Ｐａのプロセス圧および２．４ＧＨｚ〜２８ＧＨｚの周波数において、また２００℃〜５００℃のプロセス温度で励起することを特徴とする基板処理装置。 - 前記制御電極は格子形状を有し、接地されていることを特徴とする請求項７記載の基板処理装置。
- 前記制御電極は格子形状を有し、前記基板処理装置は前記制御電極に接続された負電圧源を含むことを特徴とする請求項７記載の基板処理装置。
- 前記プラズマ励起空間において、前記処理容器の内壁は絶縁層により覆われていることを特徴とする請求項７〜９のうち、いずれか一項記載の基板処理装置。
- さらに前記処理容器の外側に、前記マイクロ波窓に結合したマイクロ波アンテナを有することを特徴とする請求項７〜１０のうち、いずれか一項記載の基板処理装置。
- 石英ガラス壁により画成され、被処理基板を保持する保持台を備えた処理容器と、
前記処理容器に結合された排気系と、
前記処理容器中にプラズマ励起ガスおよび処理ガスを供給するプラズマガス供給部と、
前記保持台上の被処理基板に対面するように設けられ、前記処理容器内部を、前記被処理基板を含むプロセス空間とプラズマ励起空間とに分割する制御電極と、
前記石英ガラス壁外側に、前記プラズマ励起空間に対応して設けられた誘導コイルとよりなり、
前記制御電極は、前記処理容器内に形成されたプラズマを通過させる複数の開口部を有する導体部材よりなり、
前記制御電極表面が、酸化アルミニウムないしは導電性窒化物により覆われており、
前記プラズマガス供給部からはＨｅガスとＮ2ガスが前記処理容器中に導入され、前記プラズマ励起空間において原子状窒素Ｎ＊を励起できる２３〜２５ｅＶの電子温度およびプラズマエネルギを有する高密度プラズマが形成され、
前記プラズマ励起空間において前記高密度プラズマにより形成された原子状窒素Ｎ*により被処理基板を窒化することを特徴とする基板処理装置。 - 前記石英ガラス壁はドーム上空間を画成することを特徴とする請求項１２記載の基板処理装置。
- 前記制御電極は接地されていることを特徴とする請求項１２または１３記載の基板処理装置。
- 前記制御電極は負電圧源に接続されていることを特徴とする請求項１２または１３記載の基板処理装置。
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