JP4502639B2 - シャワープレート、プラズマ処理装置、及び、製品の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、半導体基板、液晶表示基板等の被処理体にＣＶＤ、ＲＩＥ等のエッチング、アッシング、酸化、窒化、酸窒化等の処理を行うプラズマ処理装置及び当該プラズマ処理装置を用いて半導体装置等の製品を製造する製造方法に関し、特にこれらプラズマ処理装置または製造方法において使用されるシャワープレートに関する。

従来、この種の半導体製造装置として、特許文献１に記載されたようなプラズマ処理装置が用いられている。特許文献１に記載されているように、当該プラズマ処理装置は、処理室内にマイクロ波を放射するラジアルスロットラインアンテナ、アンテナから放射されるマイクロ波の波長を圧縮する遅相板、当該遅相板に対して間隔を置いて配置され配置されたカバープレート、及び、カバープレートの直下に置かれ、多数のガス放出孔を備えた低損失誘電体によって構成されたシャワープレートを備えている。また、シャワープレートの下部には、間隔を置いて、多数のノズルを備えた導体構造物が配置されている。

シャワープレート内部には、プラズマ発生用のガスが供給され、この状態でアンテナからマイクロ波が与えられると、シャワープレートと導体構造物との間の空間に高密度のプラズマが発生する。当該プラズマは導体構造物を介して、半導体ウェハーを処理する処理空間に導かれる。このような構成では、導体構造物のノズルから放出された処理ガスがシャワープレート下部に形成された高密度プラズマによって励起される。

この場合、シャワープレートには、処理室の外壁に設けられたプラズマガス供給ポートに連通するプラズマガスの供給通路が形成されており、プラズマガス供給ポートからＡｒやＫｒ等のプラズマ励起ガスがシャワープレート内の供給通路に与えられている。更に、励起ガスは供給通路及びシャワープレートのガス放出孔から処理室内に導入されている。

上記したラジアルラインスロットアンテナを備えたプラズマ処理装置では、シャワープレート直下の空間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にダメージが生じることがなく、また処理容器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。

一方、シャワープレートには、同一サイズの多数のガス放出孔が均一且つ一様に配置されている。換言すれば、シャワープレートに配列されるガス放出孔の分布及びサイズはシャワープレート全面に亘って一様である。

特開２００２−２９９３３０号公報

本発明者等の実験によれば、同一サイズのガス放出孔が全面にわたり一様に分布したシャワープレートを使用して、CVD（Chemical Vapor Deposition）等の成膜プロセスを行った場合、基板に形成される膜の膜厚が不均一になり、Reactive Ion Etching (RIE)等のエッチングプロセスを行った場合、エッチングレートが不均一になることが判明した。更に、シャワープレートへの処理ガス堆積によるプロセスの不安定化、歩留まりの劣化、スループットの劣化という問題も生じることも判明した。

本発明の目的は、前述したプラズマ処理装置に伴う種々の不具合の原因を究明して、これらの不具合を軽減できる手法を提供することである。

本発明の具体的な目的は、均一な膜形成或いは均一なエッチングレートを実現できるプラズマ処理装置或いは半導体製造装置を提供することである。

本発明に更に具体的な目的は均一な膜形成或いは均一なエッチングレートを実現するのに役立つシャワープレートを提供することである。

本発明の他の目的は上記したシャワープレートを使用して製品を製造する方法を提供することである。

本発明者等は、上記不具合の原因を鋭意検討した結果、同一サイズのガス放出孔が一様に分布したシャワープレートを使用した場合、基板中央部には周辺部に配置されたガス放出孔からのガスも被処理基板に照射されるため、被処理基板へ到達する単位時間、単位面積あたりのガス分子の量について、被処理基板中央部の方が被処理基板周辺部に比べて多くなり、ガス噴出流がシャワープレートから離れた距離において不均一となり、面内均一性が確保できないと言う事実を見出した。このように、シャワープレートからのガス放出が乱れると、導体構造物に形成された処理ガス放出ノズルから噴出されたガスが、シャワープレートと導体構造物との間の高密度プラズマが形成されている空間に到達してしまい、処理ガスの過剰解離や、シャワープレートへ堆積してしまうという問題点も見出された。

このことから、本発明では、被処理基板の面内へ均一なガス供給を可能とするシャワープレート、当該シャワープレートを含むプラズマ処理装置、及び、プラズマ処理装置を使用した製造方法を提案する。

本発明の一態様よれば、ガスを放出する複数の放出孔を備えたシャワープレートにおいて、前記シャワープレートの中心部における単位面積あたりの前記放出孔の孔の合計面積と周辺部における単位面積あたりの前記放出孔の孔の合計面積とが異なることを特徴とするシャワープレートが得られる。具体的には、前記シャワープレートの中心部における単位面積あたりの前記放出孔の孔の合計面積が周辺部における単位面積あたりの前記放出孔の孔の合計面積よりも小さい。

本発明の別の態様によれば、ガスを放出する複数の放出孔を備えたシャワープレートにおいて、前記シャワープレート中心部における前記放出孔の個々の孔面積が周辺部における前記放出孔の個々の孔の面積よりも小さいことを特徴とするシャワープレートが得られる。

本発明の更に別の態様によれば、ガスを放出する複数の放出孔を備えたシャワープレートにおいて、前記シャワープレート中心部における単位面積あたりの前記放出孔の孔の個数が周辺部における単位面積あたりの前記放出孔の孔の個数よりも少ないことを特徴とするシャワープレートが得られる。

本発明の他の態様によれば、ガスを放出する複数の放出孔を備えたシャワープレートにおいて、前記シャワープレート中心部における前記放出孔の孔の間隔が周辺部における前記放出孔の孔の間隔よりも短いことを特徴とするシャワープレートが得られる。

更に、別の態様によれば、ガスを放出する複数の放出孔を備えたシャワープレートにおいて、前記放出孔が同心円状に配置され、前記シャワープレート中心部における前記放出孔の孔の間隔が周辺部における前記放出孔の孔の間隔よりも短いことを特徴とするシャワープレートが得られる。

本発明の他の態様によれば、ガスを放出する複数の放出孔を備えたシャワープレートにおいて、前記放出孔はガスが孔内に流入する側で幅が０.５ｍｍ超、５ｍｍ以下の部分を有し、前記ガスが孔から流出する側で幅が０．０２ｍｍ以上好ましくは０.０５ｍｍ以上、かつ１ｍｍ以下好ましくは０.５ｍｍ以下の部分を有することを特徴とするシャワープレートが得られる。

本発明のシャワープレートは、放出孔のガス流出側の直径がプラズマシース厚の２倍以下であることを特徴とする。また、前記放出孔はガス流入側からガス流出側に向かって孔径が変化していることを特徴とする。

また、本発明のシャワープレートは放出孔のうち、少なくともガス流出側における孔径のシャワープレート全体におけるバラツキが１％以内、好ましくは０．２５％以内であることを特徴とする。また、シャワープレートの両面のうち、少なくともガスを流出させる側の面が平坦面ではないこと、例えばシャワープレートのガスを流出させる側の面が中央部より周辺部が突出していること、あるいはシャワープレートの周辺部の厚さが中央部の厚さよりも大きいことを特徴とする。前記複数の放出孔のうちの少なくとも一部の放出孔の少なくともガスを流出させる側の部分の中心軸は、シャワープレートの少なくとも中央部の被処理物に対向すべき面の法線に対して傾いていてもよい。前記中心軸の傾きは、好ましくは、前記少なくとも一部の放出孔からのガスがシャワープレートの中心方向であって被処理物の置かれるべき方向に向けて放出されるようになされている。また、ガスをシャワープレートの前記放出孔内に流入させる側の面へ前記ガスを系外から導入する手段を前記シャワープレートの中心部ではなくて周辺部に設けたことも本発明の特徴の一つである。

前述したシャワープレートはプラズマ処理装置に使用される。また、前述したシャワープレートはプラズマ処理方法に用いられ、プラズマ処理を適用した半導体装置や表示装置の製造に用いられる。

以下、本発明の原理について説明する。

ガスが半径b₀の孔から放出された場合の速度u(r,z)は、ナビエ・ストークス方程式を解くことにより、

で与えられる。ここで、ｒはそれぞれ孔の中心軸からの径方向距離、zは孔の出口からの中心軸上の距離である。また、μ、ρ、U₀はそれぞれガスの粘性係数、ガスの質量密度、ガスの放出孔での初速度である。同時に、孔からのガスが広がる距離は、b_1/2で定義すると、

で与えられる。ここで、Pはガス圧力（mTorr）、Qはガス流量（sccm）である。幅b_1/2はガスの径方向速度分布において、中心軸上の速度の半分になる径方向位置、すなわちガス速度の半値幅を表している。図１に圧力が1Torr, ガス放出孔直径φ0.2mm、Arガスを噴出した場合における種々の位置zにおけるガスの速度分布の例を示す。図２からも明らかなとおり、放出孔から噴出するガスは距離zに比例して、その分布が広がる。

ここで、上式（１）及び（２）に基づいて、シャワープレート全面に単位面積あたり同一に孔を配置した場合における分析結果が図２に示されている。図２に示すように、被処理基板中央部は周辺部に比べ多くガス分子が到達してしまう。

上記した結果に基づき、本発明では、ガス放出孔の分布をシャワープレートの中心部とその周辺部で変化させる。具体的には、単位面積あたりの配置数を径方向に中心から離れるに従い多くするか、若しくは、放出孔の面積をプレート中心から径方向に増加させることで、被処理基板へ到達するガス分子の面内分布を均一化することが出来る。

このことをより具体的に説明すると、まず、ガス放出孔から放出されるガス流量Qは次式で与えられる。

ただし、ここでdは放出孔の孔の直径、Lは孔の長さ、P₁、P₀はそれぞれ孔の入口側の圧力、出口側の圧力である。

ガス放出孔の直径は高密度プラズマが孔へ入り込まないように設計する必要がある。ガス放出孔にプラズマが流入すると、異常放電やガスの堆積が発生し、マイクロ波の伝送効率や歩留まりの劣化が発生してしまう。これらを防止するには、孔径をプラズマシース厚の２倍以下に設定すれば良い。プラズマのシース厚をdとすれば、

で与えられる。ただし、ｍ_i、ｍ_eはそれぞれプラズマイオン質量、電子質量であり、λ_Dはデバイ長であり、

で与えられる。ここで、ε₀は真空の誘電率、kはボルツマン定数、T_eは電子温度、n_eはプラズマの電子密度、eは素電荷量である。これらの式で与えるシース厚は使用されるプラズマのガス種、電子温度、プラズマ電子密度により、０．０１ｍｍから５ｍｍ程度まで変化するので、孔径はその値に対応させてシース厚の２倍以下となる０．０２ｍｍ以上、１０ｍｍ以下に設定すればよい。孔径は、このようにプラズマシースの厚さの２倍以下であれば、プラズマがガス放出側から孔中に入り込むことが防止できるが、直径は好ましくは０．５ｍｍ以下、より好ましくは０．１ｍｍから０.３ｍｍに設定するのが望ましい。また、ガス通過のコンダクタンスを考慮して、０.０５ｍｍ以上とするのが好ましい。そして、径が好ましくは０.０５ｍｍ以上０.５ｍｍ以下の孔はガス流出側すなわちプラズマ発生側に０.２ｍｍから２ｍｍの長さで設け、他の部分、すなわち、ガス流入側はこれよりも大きい、０.５ｍｍ超、５ｍｍ以下の径とする。この程度であれば、孔内でプラズマが立つのを防止できる。もちろん、プラズマのシーズ厚によっては１０ｍｍ以下であってもよい。なお、シャワープレートの厚さは、真空シールのための機械的強度から２０ｍｍ以上が好ましく、製造しやすさから３０ｍｍ以下が好ましい。

また、シャワープレート−カバープレート間の空間のコンダクタンスは、前記空間に圧力差が発生すると式(3)より、ガス流量制御が困難となるため、ガス放出孔のコンダクタンスより十分大きく設定することが望ましい。よって、中心部及び周辺部の圧力は実質的に同一である。

式(3)より、放出孔からのガス流量は孔直径の4乗に比例し、また、式（２）からガス速度広がりの半値幅はガス流量の平方根に反比例することが分る。よって、ガス速度広がりは孔直径の２乗に反比例する。このことより、シャワープレートの周辺部のガス放出孔の孔直径を中心部に比べて大きくすることで、ガス速度広がりを抑えることで被処理基板へ単位時間・単位面積あたりに到達するガス分子数の分布を均一化することが実現する。若しくは、全ての孔の面積を同じにしたときは、単位面積あたりの放出孔の個数をプレート中心から径方向に増加させることで、均一化が可能となる。

ガス放出孔から放出されるガス流量は孔径の４乗に比例する。図１６は、流量誤差の孔径誤差依存性を示している。流量の誤差に対応してプラズマ被処理物のプロセス均一性（成膜厚の均一性、エッチング量の均一性等）が劣化するため、プロセス均一性を４％以内に抑えるためには孔径誤差を１％以内にするのが好ましい。望ましくはプロセス均一性を１％に抑えるために孔径誤差は0.25％以内に抑える事が望ましい。

本発明によると、シャワープレートは膜形成、エッチング等のプラズマ処理を行うプラズマ装置に適用して、被処理基板表面全体に均一に処理ガスを供給することができ、処理ガスの不均一な接触や解離を防止して、基板全体を均一に処理できると言う利点がある。

以下、本発明の実施形態を図面を用いて説明する。

第１実施形態：
図３を参照すると、Reactive Ion Etching (RIE)プロセス用のマイクロ波プラズマ処理装置が示されている。図示されたマイクロ波プラズマ処理装置は複数の排気ポート８を介して排気される処理室１０を有し、前記処理室１０中には被処理基板１２を保持する保持台１４が配置されている。処理室１０を均一に排気するため、処理室１０は保持台１４の周囲にリング状の空間を規定しており、複数の排気ポート８は空間に連通するように等間隔で、すなわち、被処理基板１２に対して軸対称に配列されている。この排気ポート８の配列により、処理室１０を排気ポート８により均一に排気することができる。

処理室１０上には、保持台１４上の被処理基板１２に対応する位置に、処理室１０の外壁の一部として、低マイクロ波誘電損失の誘電体（アルミナが好ましい）よりなり多数の開口部、即ち、ガス放出孔１５を形成された板状のシャワープレート２０がシールリングを介して取り付けられている。更に、処理室１０には、シャワープレート２０の外側、即ち、シャワープレート２０に対して保持台１４とは反対側に、同じく低マイクロ波誘電損失の誘電体よりなるカバープレート２２が、別のシールリングを介して取り付けられている。

シャワープレート２０の上面と、カバープレート２２との間には、プラズマ励起ガスを充填するプラズマガス空間が形成されており、複数のガス放出孔１５の各々はプラズマガス空間に連通するように形成されている。さらに、シャワープレート２０の内部には処理室１０の外壁に設けられたプラズマガス供給ポート２４に連通するプラズマガスの供給通路２６が形成されている。プラズマガス供給ポート２４に供給されたＡｒやＫｒ等のプラズマ励起ガスは、供給通路２６からプラズマガス空間を介してガス放出孔１５に供給され、処理室１０内へ導入される。

図示されたプラズマ処理装置では、処理室１０中、シャワープレート２０と被処理基板１２との間に、導体構造物２８が配置されている。この導体構造物２８には、外部の処理ガス源（図示せず）から処理室１０に形成された処理ガス通路を介して処理ガスを供給する多数のノズルが形成されている。当該導体構造物２８のノズルの各々は、供給された処理ガスを、導体構造物２８と被処理基板１２との間の空間に放出する。導体構造物２８には、隣接するノズルとの間に、前記空間において形成されたプラズマを前記空間から前記空間に拡散により、効率よく通過させるような大きさの開口部が形成されている。

このような構造を有する導体構造物２８からノズルを介して処理ガスを前記空間に放出した場合、放出された処理ガスは空間において形成された高密度プラズマにより励起される。ただし、前記シャワープレート２０からのプラズマ励起ガスがシャワープレート２０と導体構造物２８との間の空間から、導体構造物２８と被処理基板１２との間の空間へ向かって流れているため、処理ガスがシャワープレート２０と導体構造物２８の空間へ戻る成分は少なく、高密度プラズマに晒されることによる過剰解離でガス分子の分解が少ないため、高品質の基板処理が可能である。

図４（ａ）及び（ｂ）を参照して、図３に示されたシャワープレート２０の構成をより具体的に説明する。図４（ａ）に示されたシャワープレート２０は３６１ｍｍの直径を有し、シャワープレート２０の表面領域は直径８０ｍｍの中心部２０ａとその周辺部２０ｂとに分けることができ、この例では、中心部２０ａには、４つのガス放出孔１５が設けられ、他方、周辺部２０ｂの直径２１０ｍｍの位置に、１６個のガス放出孔１５が設けられ、更に、周辺部２０ｂの直径３１０ｍｍの位置には、２４個のガス放出孔１５が設けられている。この例では、各ガス放出孔１５のサイズは同一であるものとする。

このことからも明らかな通り、図示されたシャワープレート２０は中心部２０ａから外側に行く程、ガス放出孔１５の数が多くなっている。換言すると、図４（ａ）に示された例では、ガス放出孔１５の数がシャワープレート２０の中心からの距離に依存して増加していることが分る。即ち、周辺部２０ｂのガス放出孔１５の分布が中心部２０ａにおけるガス放出孔１５の分布よりも高くなっている。尚、図４は本発明を簡略化して説明するために、ガス放出孔１５の数を実際の数よりも著しく少なく示している。

図４（ｂ）に示されているように、シャワープレート２０に設けられている各ガス放出孔１５はカバープレート側に、直径1mmの開口を有し、処理室１０の空間側に直径0.1mmの開口を有している。また、ガス放出孔１５のカバープレート２２の開口深さは１９ｍｍであり、ガス放出孔１５の空間側開口深さは1mmである。

図５を参照すると、シャワープレート２０の中心からの距離と、ガス放出孔１５の数との関係が示されている。ここでは、横軸にシャワープレートの中心からの距離及び縦軸に単位面積当りのガス放出孔の個数（個／ｍ^２）がそれぞれ示されている。図からも明らかなとおり、中心から５０ｍｍの位置に、単位面積当り約３００個／ｍ^２、１００ｍｍの位置に、単位面積当り約４５０個／ｍ^２、１５０ｍｍの位置に、単位面積当り約４９０個／ｍ^２のガス放出孔が形成されている。このように、本発明に係るシャワープレートは、シャワープレート２０の外側に向かうにつれ増加させるガス放出孔の配置を有している。換言すれば、本発明に係るシャワープレートのガス放出孔の配置は径方向依存性を有している。このグラフの関数形は
ｙ＝−０.０１７３ｘ^２ ＋５.３５７４ｘ ＋７１.５１７
である。

図６を参照すると、本発明に係るシャワープレートを使用して、200mmウェハーをプラズマ処理した場合におけるウェハー上での単位時間・単位面積あたりに到達するガス分子数のウェーハ面内分布が示されている。図に示すように、従来のシャワープレートを使用した場合、均一性が2.9%であったが、本発明のシャワープレートでは、より高い均一性（0.23%）を実現できた。

参考例：
図７（ａ）及び（ｂ）を参照すると、CVＤ及び酸窒化膜プロセス用マイクロ波プラズマ処理装置に適したシャワープレート２０が示されている。CVＤ及び酸窒化膜プロセス用マイクロ波プラズマ処理装置全体の構造自体は図３と同様であるので、ここでは説明を省略する。当該マイクロ波プラズマ処理装置内に使用されているシャワープレート２０は400mmの直径、20mmの厚さを有している。ガス放出孔１５は20ｍｍ間隔に設けられている。図７(ａ)に示されたシャワープレート２０は、直径がシャワープレート２０の外側に行く程、広くなるようなガス放出孔１５を有している。言い換えれば、図示されたシャワープレート２０は、その外側に向かうに従ってガス放出孔１５の直径が増加する構造を有している。

図７（ｂ）には、単一のガス放出孔１５の一例が示されており、図示されたガス放出孔１５はカバープレート側から直径1mmの開口を有し、処理室側に直径a(mm)の開口を有している。カバープレート側の開口深さは１９ｍｍであり、処理室側の開口深さは1mmである。ここで、直径aは、図８に示すように、シャワープレートの外側へ向かうに従って開口直径が０.１〜０.１１ｍｍ範囲で増加する構造とした。

このようなシャワープレート２０を用いて、300mmウェハーを処理すると、図９に示すような結果が得られた。即ち、図９には、ウェハー上での単位時間・単位面積あたりに到達するガス分子数のウェーハ面内分布が示されており、開口直径を外側に向かうに従って増加させた本発明の構造を有するシャワープレートを使用した場合、均一性において従来構造では1.9%であったのに対し、本発明では、0.9％という高均一な到達ガス分布が得られた。

第２実施形態：
本発明の第２実施形態に係るシャワープレートはＲＩＥ用マイクロ波プラズマ処理装置に適用される。この場合、ＲＩＥ用マイクロ波プラズマ処理装置は導体構造物２８からノズルを介して処理ガスとしてC₅F₈、O₂、Arを空間に放出する点で第１実施形態に係るプラズマ処理装置とは異なっている。

このようなＲＩＥ用マイクロ波プラズマ処理装置に用いられるシャワープレート２０は、図５及び図６に示されたシャワープレート２０と同様に、単位面積当りのガス放出孔の個数を径方向依存性を持たせて配置している。また、この実施形態に係るシャワープレート２０の上面の空間には、プラズマ励起ガスとして、Arガスが充填され、このArガスは供給通路からガス放出孔２０に供給して、処理室１０内へ導入される。

この構成のＲＩＥ用マイクロ波プラズマ処理装置においても、均一なガスフローを実現でき、処理ガスがシャワープレート２０と導体構造物２８の間の空間へ戻ることなく、処理ガスの過剰解離を防いで、高アスペクト比のコンタクトホールエッチングを高エッチングレートで均一に行うことができた。

上に説明した実施形態で説明したように、本発明は、被処理基板として半導体ウェハーを処理する半導体製造装置用シャワープレートに適用した場合に、より大きな効果を上げることができる。なお、シャワープレートの中心から周辺へのガス放出孔の数又は径の変化は連続的に行われても良いし、或いは、不連続的に行われても良い。

第３実施形態：
図１０を参照すると、Plasma-Enhanced Chemical Vapor Deposition (PECVD)プロセス用マイクロ波プラズマ処理装置が示されている。図示されたマイクロ波プラズマ処理装置は複数の排気ポート１０１を介して排気される処理室１０２を有し、前記処理室１０２中には被処理基板１０３を保持する保持台１０４が配置されている。処理室１０２を均一に排気するため、処理室１０２は保持台１０４の周囲にリング状の空間を規定しており、複数の排気ポート１０１は空間に連通するように等間隔で、すなわち、被処理基板１０３に対して軸対称に配列されている。この排気ポート１０１の配列により、処理室１０２を排気ポート１０１より均一に排気することができる。

処理室１０２上には、保持台１０４の処理基板１０３に対応する位置に、処理室１０２の外壁の一部として、比誘電率が９．８で、かつ低マイクロ波誘電損失（誘電損失が1×10^-4以下）である誘電体のアルミナよりなり、多数（２３８個）の開口部、即ちガス放出孔１０５が形成された板状のシャワープレート１０６がシールリング１０７を介して取り付けられている。更に、処理室１０２には、シャワープレート１０６の外側、即ち、シャワープレート１０６に対して保持台１０４とは反対側に、アルミナよりなるカバープレート１０８が、別のシールリング１０９を介して取り付けられている。シャワープレート１０６の上面と、カバープレート１０８との間には、プラズマ励起ガスを充填する空間１１０が形成されている。換言すると、前記カバープレート１０８において、前記カバープレート１０８の前記シャワープレート１０６側の面に多数の突起物１１１が形成され、さらに前記カバープレート１０８の周辺も前記突起物１１１と同一面まで突起している突起リング１１２が形成されているため、前記シャワープレート１０６と前記カバープレート１０８の間に前記空間１１０が形成される。前記ガス放出孔１０５は前記空間１１０に配置されている。

シャワープレート１０６は、直径360mm、外周部の厚さは25mmである。直径150mm以内に対しては、10mm凹んだ構造をしている。換言すれば、直径150mm以内において厚さは15mmとなっている。凹部の周辺は45°のテーパ構造としているため、直径170mmより外側の厚さが25mmとなる。テーパの角度は45°に限られることはなく、またテーパの角はRをつけて電界集中を抑える構造にするのが望ましい。図１１(a),(b)に、前記シャワープレート６に空けられたガス放出孔１０５の断面図を示す。(a)は、凹部でない位置（シャワープレートにおいて、直径150mmの外側）に空けられたガス放出孔１０５である。プラズマが励起される処理室２側は、直径0.1mm、長さ0.5mmの孔が空けられており、45°のテーパ部を介して直径1mmの孔に接続されている。直径1mmの孔とテーパ部を合わせた孔の長さは24.5mmとなる。(b)は、凹部（シャワープレートにおいて直径170mmの内側）に空けられたガス放出孔１０５の断面図を示している。プラズマが励起される処理室２側は、直径0.1mm、長さ0.5mmの孔が空けられており、45°のテーパ部を介して直径1mmの孔に接続されている。直径1mmの孔とテーパ部を合わせた孔の長さは14.5mmとなる。本実施例ではテーパ部にガス放出孔は空けられていないが、テーパ部にガス放出孔を空けても良い。図１２を参照すると、同図には本実施例におけるシャワープレート１０６に開けられたガス放出孔１０５の単位面積あたりの個数とシャワープレート中心からの距離の関係を示している。このグラフの関数形は
y = 0.018x² + 0.71x + 467.2
であり、ガス放出孔の配置は径方向依存性を有し、シャワープレート１０６の外側に向かうにつれ単位面積あたりのガス放出孔の配置数が増加している。

本発明にかかるシャワープレートにより被処理基板１０３へ均一なガス供給を行ない、かつ均一なプラズマ到達分布を同時に達成し、被処理基板１０３の上面内において均一な処理が可能となった。

第４実施形態
図１３を参照すると、本発明の第４実施形態に係るシャワープレート２０１を示している。前記シャワープレートは、RIE用マイクロ波プラズマ処理装置に適用される。このようなRIE用マイクロ波プラズマ装置に用いられるシャワープレート２０１は、図１２と同様に、ガス放出孔が配置されている。ただし、シャワープレートの直径60mm以内に配置されている16個のガス放出孔２０２においては、前記ガス放出孔２０２の軸が、シャワープレート２０１の上面もしくは下面の法線ベクトルに対して、20°の角度をもたせ、被処理基板１０３の中心方向に向けられている。軸を中心方向に傾ける角度は20°に限られることはなく、またこの角度に径方向依存性を持たせても良い。

この構成のシャワープレートにおけるガスフローの検討を行なったところ、被処理基板中央での特異点が消滅し、被処理基板全体にわたる均一なガスフローが実現したことが判明した。

第５実施形態
図１４を参照すると、本発明の第５施形態に係るシャワープレートを示している。前記シャワープレートは、RIE用マイクロ波プラズマ処理装置に適用される。この場合、導体構造物２８からノズルを介して処理ガスとしてC5F8、O2、Arを空間に放出する点で第１実施形態に係るプラズマ処理装置とは異なっている。

このようなRIE用マイクロ波プラズマ装置に用いられるシャワープレート３０１は、図１２と同様に、ガス放出孔が配置されている。ただし、シャワープレートの直径60mm以内に配置されている16個のガス放出孔３０２においては、前記ガス放出孔３０２の軸が、シャワープレート３０１の上面もしくは下面の法線ベクトルに対して、20°の角度をもたせ、被処理基板１０３の中心方向に向けられている。

この構成のRIEマイクロ波プラズマ処理装置を使用した結果、被処理基板中央におけるガスフローの特異点が消滅し、均一なガスフローが実現し、さらに被処理基板へ到達するプラズマ流束も均一となり、高エッチングレートで高均一なエッチングプロセスが可能となった。

第６実施形態
図１５を参照すると、Reactive Ion Etching (RIE)プロセス用マイクロ波プラズマ処理装置が示されている。第１実施例から第５実施例と内容が同じものについては、説明を省略する。図１５を参照するに、プラズマ励起ガス供給ポート４０１がシールリング４０５を介してシャワープレート４０６に接続されている。プラズマ励起ガスは、系外から前記プラズマ励起ガス供給ポート４０１より、シャワープレートとカバープレートの間に形成された前記プラズマガス空間の外周部へ連通するように設けられたプラズマ励起ガス供給通路４０２を介して前記プラズマガス空間へ導入される。前記プラズマ励起ガス供給ポート４０１及びそれに対応したプラズマ励起ガス供給通路４０２は、均一なガス供給を行なうために複数個設置されるのが望ましい。このようなRIE用マイクロ波プラズマ装置に用いられるシャワープレート４０６は、図１４と同様なガス放出孔が配置されている。本実施例においては、さらに前記シャワープレート４０６の中心に、垂直にもう1つのガス放出孔４０４が空けられている。この構成のRIEマイクロ波プラズマ処理装置を使用した結果、被処理基板中央におけるガスフローの特異点が消滅し、均一なガスフローが実現し、さらに被処理基板へ到達するプラズマ流束も均一となり、高エッチングレートで高均一なエッチングプロセスが可能となった。

本発明における課題を説明するグラフであり、ここでは、ガス噴流の速度分布を示すグラフである。 従来における単位時間・単位面積当り、基板に到達するガス分子の数の基板位置依存性を示すグラフである。 本発明に係るマイクロ波プラズマ処理装置の概略構成を示す図である。 （ａ）及び（ｂ）はそれぞれ図３に示されたシャワープレートを具体的に説明する平面図及び断面図である。 本発明に係るシャワープレートにおける単位面積当りの孔個数と、シャワープレート中心からの距離依存性を説明する図である。 本発明と従来技術におけるガス流束の基板からの距離依存性を示すグラフである。 （ａ）及び（ｂ）はそれぞれ本発明の参考例に係るマイクロ波プラズマ処理装置に使用されるシャワープレートの上面図及び断面図である。 本発明の参考例に係るシャワープレートに形成されるガス放出孔の直径と、シャワープレート中心からの距離との関係を示す図である。 本発明と従来技術とにおけるガス流束と基板中心からの距離との関係を示すグラフである。 本発明の第４実施形態に係るマイクロ波プラズマ処理装置の概略構成を示す図である。 （ａ）及び（ｂ）はそれぞれシャワープレートの孔を具体的に説明する断面図である。 シャワープレートにおける単位面積当りの孔個数と、シャワープレート中心からの距離依存性を説明する図である。 本発明の第５実施形態に用いられるシャワープレートの断面図である。 本発明の第５実施形態に用いられるシャワープレートの断面図である。 本発明の第６実施形態に係るマイクロ波プラズマ処理装置の概略構成を示す図である。 本発明のシャワープレートにおけるガス放出孔の直径誤差と、ガス流量誤差との関係を示すグラフである。

Claims (10)

1. ガスを放出する複数の放出孔を備えた誘電体の半導体製造装置用シャワープレートにおいて、前記放出孔は、前記ガスが流入側の直径が流出する側の直径よりも大きく、且つ、流出する側の直径がプラズマシース厚の２倍以下の所定の直径を有し、更に、前記放出孔の長さは、前記流入側の直径及び前記流出する側の直径よりも長く、前記放出孔の単位面積当たりの個数ｙは、前記シャワープレートの中心からの距離ｘの２次曲線によって表され、且つ、前記放出孔のガスが孔から流出する側における孔径のシャワープレート全体におけるバラツキが１％以内であって、前記２次曲線は、
   ｙ＝−０．０１７３ｘ^２＋５．３５７４ｘ＋７１．５１７で表されることを特徴とする半導体製造装置用シャワープレート。
2. 請求項１において、前記ガスが孔から流出する側の直径が０.０２ｍｍ以上、１０ｍｍ以下であることを特徴とする半導体製造装置用シャワープレート。
3. 請求項１において、前記放出孔はガスが孔内に流入する側で直径が０.５ｍｍ超、５ｍｍ以下の部分を有し、前記ガスが孔から流出する側で直径が０.０２ｍｍ以上、０.５ｍｍ以下の部分を有することを特徴とする半導体製造装置用シャワープレート。
4. 請求項３において、前記直径が０.０２ｍｍ以上、０.５ｍｍ以下の部分は長さが０.２ｍｍから２ｍｍであることを特徴とする半導体製造装置用シャワープレート。
5. 請求項１〜４のいずれか一項において、半導体製造装置用シャワープレートの厚さが少なくとも２０ｍｍであることを特徴とする半導体製造装置用シャワープレート。
6. 請求項５において、前記放出孔のガスが孔から流出する側の孔径の半導体製造装置用シャワープレート全体におけるバラツキが０．２５％以内であることを特徴とする半導体製造装置用シャワープレート。
7. ガス流入側直径１ｍｍ及びガス流出側直径０.１ｍｍで、前記流入側及び流出側の直径よりも長さの長い複数の放出孔を備え、誘電体の半導体製造装置用シャワープレートにおいて、前記半導体製造装置用シャワープレートのガスを流出側の面が中央部より周辺部が突出し、且つ、前記放出孔の単位面積当たりの個数ｙは、シャワープレートの中心からの距離ｘの２次曲線によって表れ、前記２次曲線は、
   ｙ＝０．０１８ｘ ^２ ＋０．７１ｘ＋４６７．２で表されることを特徴とする半導体製造装置用シャワープレート。
8. ガス流入側の直径１ｍｍ及びガス流出側直径０．１ｍｍを有し、且つ、長さが２０ｍｍの複数の放出孔を備えた誘電体の半導体製造装置用シャワープレートを含むプラズマ処理装置において、前記半導体製造装置用シャワープレート中心部における単位面積あたりの前記放出孔の個数が周辺部における単位面積あたりの前記放出孔の個数よりも少なく、且つ、前記放出孔の単位面積当たりの個数ｙは、前記半導体製造装置用シャワープレートの中心からの距離ｘの２次曲線によって表され、前記２次曲線は、
   ｙ＝−０．０１７３ｘ ^２ ＋５．３５７４ｘ＋７１．５１７で表されることを特徴とするプラズマ処理装置。
9. 請求項１乃至７のいずれか一つに記載された半導体製造装置用シャワープレートを使用して処理を行い、製品を製造することを特徴とする製品の製造方法。
10. 請求項９において、前記製品は半導体装置であることを特徴とする製品の製造方法。

Images