JP7090521B2 - プラズマ処理装置及びプラズマ処理方法 - Google Patents

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Description

本開示は、プラズマ処理装置及びプラズマ処理方法に関する。
特許文献1には、導波管を介して真空チャンバ内部にマイクロ波を伝達させ、真空チャンバ内部でプラズマを発生させるプラズマ処理装置が開示されている。このプラズマ処理装置は、天板と誘電体とを有する。上記天板は、真空チャンバの導波管と対向する部分に設けられマイクロ波を真空チャンバ内部に導入するためのスリットが形成され、真空チャンバ側の面にスリットを通過した上記マイクロ波を内面に沿って伝播させる。また、上記誘電体は、上記天板の真空チャンバ側に設けられると共にマイクロ波を透過させる板状の部材である。そして、上記誘電体の真空チャンバ側の表面には、突条からなる凹凸部が7.5~30mmのピッチで周期的に形成されている。
特許第3787297号公報
本開示にかかる技術は、VHF帯の電磁波を用いて生成したプラズマによるプラズマ処理において、プラズマ分布を均一にする。
本開示の一態様は、被処理体をプラズマ処理するプラズマ処理装置であって、前記被処理体が載置される載置部と、当該プラズマ処理装置内にプラズマ生成用のVHF帯の電磁波を導入する導波部と、前記導波部により導入された前記電磁波を、前記載置部の前記被処理体載置側に形成されるプラズマ処理空間に透過させる誘電体窓と、を有し、前記誘電体窓は、前記載置部の前記プラズマ処理空間側と対向するように設けられた環状の部材であり、前記載置部の方向に突出する複数の凸部が周方向に沿って等間隔で並ぶように前記載置部側に形成され、前記凸部の周方向の幅は、前記誘電体窓内における前記電磁波の波長の1/8~3/8である。
本開示によれば、VHF帯の電磁波を用いて生成したプラズマによるプラズマ処理において、プラズマ分布を均一にすることができる。
本実施形態にかかるプラズマ処理装置の構成の概略を示す縦断面図である。 誘電体窓の下面図である。 誘電体窓に凸部が形成されておらず下面が平坦である場合に、実際にプラズマ処理により成膜を行ったときの膜厚分布を示す図である。 誘電体窓に凸部が形成されておらず下面が平坦である場合に、プラズマ生成条件を変えて、実際に窒素雰囲気下でプラズマ生成を行ったときの処理容器内の様子を模式的に示す図である。
従来から、半導体ウェハ(以下、「ウェハ」という)等の被処理体に対して、成膜処理やエッチング処理等の所定のプラズマ処理を行うプラズマ処理装置が知られている。
特許文献1のプラズマ処理装置では、プラズマの生成にマイクロ波を用いており、マイクロ波を真空チャンバに透過させる板状の誘電体の、真空チャンバ側の表面に、突条からなる凹凸部が7.5~30mmのピッチで周期的に形成されている。このプラズマ処理装置では、周期的な凹凸部を設けることでプラズマ分布を一定に保つようにしている。
ところで、プラズマの生成に、マイクロ波ではなく、VHF帯の電磁波(以下、VHF波)を用いることがある。この場合、本発明者らが鋭意調査したところによれば、当該電磁波の強度やプラズマが生成される真空チャンバ内の圧力によっては、プラズマ分布に周方向の偏りが生じ、プラズマ分布が均一にならないことがある。
特許文献1は、この点に関し何らの開示も示唆もしていない。
そこで、本開示にかかる技術は、VHF波を用いて生成したプラズマによるプラズマ処理において、プラズマ分布を均一にする。
以下、本実施形態にかかるプラズマ処理装置の構成について、図面を参照しながら説明する。なお、本明細書において、実質的に同一の機能構成を有する要素においては、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。
図1は、本実施形態に係るプラズマ処理装置1の概略の構成を示す縦断面図である。
図のプラズマ処理装置1は、被処理体としてのウェハWに対して所定のプラズマ処理を行うものである。プラズマ処理装置1では、プラズマ処理に用いられるプラズマはVHF波により生成される。また、プラズマ処理装置1が行うプラズマ処理は、例えば成膜処理やエッチング処理、ドーピング処理である。
プラズマ処理装置1は、内部にプラズマ処理空間Sが形成される略円筒状の処理容器10を有する。処理容器10は、アルミニウム等の金属材料から成り、その内壁が表面に耐プラズマ性の材料からなる溶射皮膜が形成されたライナ(図示せず)により覆われている。また、処理容器10は接地されている。この処理容器10の天壁10aの中央には、貫通孔10bが設けられており、天壁10aの上面には、内部の空洞が貫通孔10bに連通する筒状壁10cが接続されている。なお、図示は省略するが、処理容器10には、処理容器10内の雰囲気、具体的にはプラズマ処理空間S内の雰囲気を排出するための排気口が、例えば底壁10dに設けられている。上記排気口から排気することにより、プラズマ処理空間Sを所定の真空度まで減圧することができる。
処理容器10内におけるプラズマ処理空間Sの下方には、ウェハWが載置される載置部としての載置台11が設けられている。
載置台11は、処理容器10の底部中央に絶縁部材12aを介して立設された支持部材12により支持されている。図示はしていないが、載置台11には、温度制御機構、ウェハWの裏面に熱伝達用のガスを供給するガス流路、搬送アーム(図示せず)との間でウェハWを受け渡すために昇降する昇降ピン等が設けられている。さらに、載置台11には、ウェハWを静電吸着するための静電チャックが設けられていてもよい。
処理容器10内における載置台11のプラズマ処理空間Sの上方には、載置台11と対向するように、アルミニウム等の金属製のシャワーヘッド電極13と誘電体窓14とが設けられている。
シャワーヘッド電極13は、誘電体窓14を介して処理容器10に支持されており、また、その内部には、略円盤状に形成されたガス拡散室13aが設けられている。シャワーヘッド電極13の下部すなわちプラズマ処理空間S側の部分には、ガス拡散室13aと連通するガス供給口13bが複数設けられている。さらに、ガス拡散室13aにはガス供給管15aが接続され、ガス供給管15aにはガス供給源15bが接続されている。ガス供給源15bから供給されたプラズマ処理用ガスは、ガス供給管15aを介してガス拡散室13aに供給される。ガス拡散室13aに供給されたプラズマ処理用ガスは、ガス供給口13bを通じてプラズマ処理空間Sに供給される。
シャワーヘッド電極13の上面中央には、アンテナ導体16が接続されている。アンテナ導体16は、天壁10aの貫通孔10b及び筒状壁10cの中心を通るよう設けられており、また、整合器17を介してVHF発生源18が電気的に接続されている。VHF発生源18は、VHF帯(30MHz~300MHz)の電磁波を出力する。
VHF発生源18からの電磁波は、アンテナ導体16の外周面と筒状壁10cの内周面との間、アンテナ導体16の外周面と貫通孔10bを形成する面との間、天壁10aの内側面とシャワーヘッド電極13の上面との間を順に伝播し、誘電体窓14に到達する。言い換えると、プラズマ処理装置1内にVHF波を導入する導波部は、アンテナ導体16の外周面、筒状壁10cの内周面、貫通孔10bを形成する面、天壁10aの内側面及びシャワーヘッド電極13の上面等から成る。上述の導波部は、電磁波が伝播し易いように石英等の誘電体で充填されていてもよい。
誘電体窓14は、載置台11のプラズマ処理空間S側と対向し且つシャワーヘッド電極13の外周面を覆うように設けられており、また、前述のように伝達してきたVHF波を、プラズマ処理空間Sに透過させる。この誘電体窓14は、載置台11の方向すなわち下方に突出する複数の凸部14aを、載置台11側すなわち下側に有する。誘電体窓14及び凸部14aの詳細については後述する。
プラズマ処理装置1では、誘電体窓14を透過したVHF波により、プラズマ処理空間Sにプラズマが生成される。このプラズマ中のイオン等をウェハWに引き込ませるため、載置台11には、整合器19を介してRFバイアス用の高周波電源20が電気的に接続されている。RFバイアス用の高周波電源20は、例えば400kHz~20MHzの周波数の高周波電力を出力する。なお、シャワーヘッド電極13は接地されている。整合器19及びRFバイアス用の高周波電源20はプラズマ処理の特性によっては設けなくてもよい。
さらに、プラズマ処理装置1には制御部21が設けられている。制御部21は、例えばCPUやメモリ等を備えたコンピュータにより構成され、プログラム格納部(図示せず)を有している。プログラム格納部には、プラズマ処理装置1における各種処理のためにVHF発生源18等を制御するためプログラムが格納されている。なお、上記プログラムは、コンピュータに読み取り可能な記憶媒体に記録されていたものであって、当該記憶媒体から制御部21にインストールされたものであってもよい。
続いて、図2を用いて誘電体窓14について説明する。図2は、誘電体窓14の下面図である。
図示するように、誘電体窓14は、円環状の部材である。この誘電体窓14は、平面視において、載置台11上のウェハWと重ならないように当該ウェハWより外側に位置するように設けられている。したがって、ウェハWの外径が300mmである場合、誘電体窓14の内径は例えば300mm以上450mm以下である。なお、この場合、誘電体窓14の径方向の幅L1は例えば40mm以上60mm以下であり、誘電体窓14の外径は例えば350mm以上500mm以下である。
この誘電体窓14は、上側は平坦に形成されているが、前述のように、下側は下方向に突出する複数の凸部14aが形成されている。これら凸部14aは、周方向に沿って等間隔で並ぶように設けられており、例えば、平面視及び断面視の双方において矩形状に形成されている。そして、凸部14aは、VHF発生源18からのVHF波が当該凸部14a内で共鳴し当該凸部14a及び当該凸部14aの直下に電界が集中するように、周方向の幅L2が誘電体窓14内におけるVHF波の波長λの1/8~3/8となっている。本例では、「周方向」とは、誘電体窓14の径方向と垂直な方向を意味する。そして、本例では、平面視において凸部14aを形成する矩形の長辺が誘電体窓14の径方向と垂直であるため、「凸部14aの周方向の幅」とは、上記矩形の長辺の長さを意味する。なお、本例では、凸部14aの径方向の幅は、上記矩形の短辺の長さを意味し、誘電体窓14の径方向の幅L1と略同一である。
また、互いに隣接する凸部14a間の距離L3は、誘電体窓14内におけるVHF波の波長λ(以下、VHF波の誘電体内波長λと省略することがある。)の1%以上としてもよい。これにより、凸部14aそれぞれ及びそれぞれの凸部14aの直下に電界を集中させることができる。
凸部14aは、誘電体窓14の環状の本体部14bに一体に成形される。本体部14bの厚さは例えば10~12mmである。
誘電体窓14は、誘電率が高く成形が容易な材料、例えば、アルミナや石英、窒化アルミにより形成される。
次に、プラズマ処理装置1におけるプラズマ処理について説明する。
まず、ウェハWが、処理容器10内に搬入され、載置台11上に載置される。そして、処理容器10内を排気装置(図示せず)により排気させ、プラズマ処理空間S内の圧力が所定の圧力に調整される。
その後、プラズマ処理用ガスが、ガス供給源15bからシャワーヘッド電極13のガス拡散室13a等を介してプラズマ処理空間Sに、所定の流量で供給される。プラズマ処理用ガスとしては、例えばArガス等の励起用ガスが供給される。また、プラズマ処理装置1で行うプラズマ処理がプラズマCVD処理である場合であってSiN膜を形成する場合、プラズマ処理用ガスとして、上述の励起用ガス以外に、窒素ガスやシランガスが供給される。
続いて、RFバイアス用の高周波電源20により載置台11にRFバイアス用の高周波電力が供給される。さらに、VHF波が、VHF発生源18から、アンテナ導体16と処理容器10との間等から構成される導波部を介して、誘電体窓14に伝達され、凸部14aを有する誘電体窓14を透過してプラズマ処理空間Sに供給される。
この凸部14aを有する誘電体窓14を透過したVHF波による電界によって生成されたプラズマでは、後述するように周方向偏りが抑制されている。
そして、周方向偏りが抑制されたプラズマにより発生したラジカル等によって、ウェハWにプラズマ処理が施される。
プラズマ処理が完了すると、プラズマ処理用ガスの供給と、高周波電源20からの高周波電力の供給と、VHF発生源18からのVHF波の供給とが停止される。その後、ウェハWが処理容器10から搬出されて、プラズマ処理に係る一連の処理が終了する。
ここで、本実施形態の効果について説明する。
本実施形態では、誘電体窓14に凸部14aが設けられている。図3は、本実施形態と異なり、誘電体窓14に凸部14aが形成されておらず下面が平坦である場合に、実際にプラズマ処理により成膜を行ったときの膜厚分布を示す図である。図3では、黒色が濃いほど当該部分の膜厚が小さいことを意味する。図4は、本実施形態と異なり、誘電体窓14に凸部14aが形成されておらず下面が平坦である場合に、プラズマ生成条件を変えて、実際に窒素雰囲気下でプラズマ生成を行ったときの処理容器10内の様子を模式的に示す図である。図4では、白色に近いほどプラズマの強度が高いことを意味する。なお、プラズマ生成時のVHF波の出力と処理容器10内の圧力は、図4(A)では100W、500mTorr、図4(B)は200W、500mTorr、図4(C)では500W、500mTorrであった。また、図4(D)では100W、1000mTorr、図4(E)は200W、1000mTorr、図4(F)では500W、1000mTorrであった。
本実施形態と異なり、誘電体窓14に凸部14aが形成されておらず下面が平坦である場合、図3に示すように、プラズマ処理により得られた膜の厚さは、周方向において不均一となることがあった。具体的には、膜厚の最大値と最小値の差が膜厚の平均値の約5%以上となることがあった。これは、図4に示すように、プラズマ生成条件によっては、周方向に偏りを有さないプラズマ(例えばリング状のプラズマ)が生成されず、周方向で偏りを有するプラズマが生成されるため、と考えられる。
それに対し、本実施形態では、周方向の幅がVHF波の誘電体内波長λの1/8~3/8である複数の凸部14aが、誘電体窓14の下面に設けられている。したがって、VHF波による電界は、プラズマ生成条件によらず、誘電体窓14の凸部14a及びその直下のプラズマ処理空間Sに集中する。なお、電界が集中する部分では、電磁波のプラズマへの吸収効率が高く、プラズマからの反射波が抑制される。このように電界を集中させる凸部14aが周方向に沿って等間隔で並ぶように設けられているため、誘電体窓14全体において、その直下のプラズマ生成用の電界分布は、プラズマ生成条件によらず、周方向偏りを有さないものとなる。したがって、この電界により生成されたプラズマは、周方向偏りが抑制されたものとなる。また、このプラズマにより、プラズマ処理として成膜処理を行った場合、周方向において均一な膜厚を得ることができる。成膜処理以外のプラズマ処理を行った場合も、周方向において均一な処理結果を得ることができる。
また、本実施形態では、マイクロ波ではなくVHF波を用いている。したがって、マイクロ波を用いることによる不利を改善することができる。例えば、マイクロ波を用いる場合に比べて、プラズマ処理空間Sの高さを低くすることができるため、処理容器10を小型化させプラズマ処理装置1を小型化させることができる。また、高周波を用いても異常な放電が起きない金属製のシャワーヘッド電極を用いることができる。
以上の説明で用いた図では、凸部14aは本体部14bに一体に形成された突起により形成されており、凸部14aの下面は本体部14bの下面より下側に位置していた。これに限らず、凸部14aは本体部14bに一体に形成された凹所間で形成され、凸部14aの下面と本体部14bの下面が一致していていもよい。
なお、以上の説明では、誘電体窓14の凸部14aが周方向に沿って等間隔で設けられている、ものとした。ただし、凸部14aを設ける間隔は厳密に等しい必要はなく、誘電体窓14の直下のプラズマ処理空間Sの電界が、プラズマ生成条件によらず周方向の偏りがないものとなればよい。
また、本実施形態では、互いに隣接する凸部14a間の距離L3が、VHF波の誘電体内波長λの1%以上である。したがって、凸部14aそれぞれ及びそれぞれの凸部14aの直下に電界を集中させることができる。その結果、誘電体窓14の直下における電界分布として、周方向偏りを有さない分布をより確実に得ることができる。
なお、凸部14aに電界を集中させるため、凸部14aの径方向の幅をVHF波の誘電体内波長λの1/8~3/8にすることも考えられる。しかし、プラズマ処理装置1の大型化を避けるためには、凸部14aの径方向の幅ではなく、周方向の幅を、VHF波の誘電体内波長λの1/8~3/8にするすることが好ましい。
以上の例では、平面視において凸部14aを形成する矩形の長辺と誘電体窓14の径方向とが成す角度は垂直(90°)であった。そして、凸部14aの周方向の幅とは、上記矩形の長辺の長さを意味していた。これに限られず、平面視において凸部14aを形成する矩形の長辺と誘電体窓14の径方向とが成す角度が45°以上90°未満または90°超且つ135°以下であってもよい。この場合、凸部14aの周方向の幅は、上記矩形の長辺の長さを意味してもよいし、上記矩形の対角線の長さを意味してもよい。言い換えると、この場合、平面視において凸部14aを形成する矩形の長辺または対角線の長さをVHF波の誘電体内波長λの1/8~3/8とすることにより、周方向において均一なプラズマ処理結果を得ることができる。
また、以上の例では、平面視における凸部14aの形状は矩形であった。これに限らず、平面視における凸部14aの形状は楕円形であってもよい。この場合、凸部14aの周方向の幅は、例えば、平面視において凸部14aを形成する楕円形の長軸方向の長さを意味する。つまり、この場合、平面視において凸部14aを形成する楕円形の長軸方向の長さをVHF波の誘電体内波長λの1/8~3/8とすることにより、周方向において均一なプラズマ処理結果を得ることができる。
今回開示された実施形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。上記の実施形態は、添付の請求の範囲及びその主旨を逸脱することなく、様々な形態で省略、置換、変更されてもよい。
なお、以下のような構成も本開示の技術的範囲に属する。
(1)被処理体をプラズマ処理するプラズマ処理装置であって、
前記被処理体が載置される載置部と、
当該プラズマ処理装置内にプラズマ生成用のVHF帯の電磁波を導入する導波部と、
前記導波部により導入された前記電磁波を、前記載置部の前記被処理体載置側に形成されるプラズマ処理空間に透過させる誘電体窓と、を有し、
前記誘電体窓は、前記載置部の前記プラズマ処理空間側と対向するように設けられた環状の部材であり、前記載置部の方向に突出する複数の凸部が周方向に沿って等間隔で並ぶように前記載置部側に形成され、
前記凸部の周方向の幅は、前記誘電体窓内における前記電磁波の波長の1/8~3/8である、プラズマ処理装置。
前記(1)によれば、環状の誘電体窓に、周方向の幅がVHF帯の電磁波の波長の1/8~3/8である凸部が複数設けられている。そのため、上記電磁波の強度やプラズマ処理時の圧力によらず、プラズマ生成用の電磁波が凸部内において共振し、当該凸部に電界が集中する。電界が集中する部分では、電磁波のプラズマへの吸収効率が高く、プラズマからの反射波が抑制される。このような凸部が周方向に沿って等間隔で並ぶように設けられているため、プラズマ処理におけるプラズマ分布を均一にすることができる。
(2)互いに隣接する前記凸部間の距離は、前記電磁波の波長の1%以上である、上記(1)に記載のプラズマ処理装置。
(3)前記誘電体窓は、アルミナ、石英または窒化アルミにより形成されている、上記(1)または(2)に記載のプラズマ処理装置。
(4)前記誘電体窓は、円環状の部材であり、外径が350mm~500mm、内径が300~450mmである、上記(1)~(3)のいずれか1に記載のプラズマ処理装置。
(5)プラズマ処理装置を用いて被処理体をプラズマ処理するプラズマ処理方法であって、
前記プラズマ処理装置は、
前記被処理体が載置される載置部と、
前記載置部の前記被処理体載置側に形成されるプラズマ処理空間に透過させる誘電体窓と、を有し、
前記誘電体窓は、前記載置部の前記プラズマ処理空間側と対向するように設けられた環状の部材であり、前記載置部の方向に突出する複数の凸部が周方向に沿って並ぶように前記載置部側に形成され、
前記凸部の周方向の幅は、前記誘電体窓内におけるプラズマ生成用のVHF帯の電磁波の波長の1/8~3/8であり、
当該プラズマ処理方法は、
前記プラズマ処理装置内に前記電磁波を導入する工程と、
導入された前記電磁波を、前記誘電体窓を介して前記プラズマ処理空間へ供給し、プラズマを生成する工程と、を有するプラズマ処理方法。
1 プラズマ処理装置
10 処理容器
11 載置台
14 誘電体窓
14a 凸部
L2 周方向の幅
S プラズマ処理空間

Claims (5)

  1. 被処理体をプラズマ処理するプラズマ処理装置であって、
    前記被処理体が載置される載置部と、
    当該プラズマ処理装置内にプラズマ生成用のVHF帯の電磁波を導入する導波部と、
    前記導波部により導入された前記電磁波を、前記載置部の前記被処理体載置側に形成されるプラズマ処理空間に透過させる誘電体窓と、を有し、
    前記誘電体窓は、前記載置部の前記プラズマ処理空間側と対向するように設けられた環状の部材であり、前記載置部の方向に突出する複数の凸部が周方向に沿って等間隔で並ぶように前記載置部側に形成され、
    前記凸部の周方向の幅は、前記誘電体窓内における前記電磁波の波長の1/8~3/8である、プラズマ処理装置。
  2. 互いに隣接する前記凸部間の距離は、前記電磁波の波長の1%以上である、請求項1に記載のプラズマ処理装置。
  3. 前記誘電体窓は、アルミナ、石英または窒化アルミにより形成されている、請求項1または2に記載のプラズマ処理装置。
  4. 前記誘電体窓は、円環状の部材であり、外径が350mm~500mm、内径が300~450mmである、請求項1~3のいずれか1項に記載のプラズマ処理装置。
  5. プラズマ処理装置を用いて被処理体をプラズマ処理するプラズマ処理方法であって、
    前記プラズマ処理装置は、
    前記被処理体が載置される載置部と、
    前記載置部の前記被処理体載置側に形成されるプラズマ処理空間に透過させる誘電体窓と、を有し、
    前記誘電体窓は、前記載置部の前記プラズマ処理空間側と対向するように設けられた環状の部材であり、前記載置部の方向に突出する複数の凸部が周方向に沿って並ぶように前記載置部側に形成され、
    前記凸部の周方向の幅は、前記誘電体窓内におけるプラズマ生成用のVHF帯の電磁波の波長の1/8~3/8であり、
    当該プラズマ処理方法は、
    前記プラズマ処理装置内に前記電磁波を導入する工程と、
    導入された前記電磁波を、前記誘電体窓を介して前記プラズマ処理空間へ供給し、プラズマを生成する工程と、を有するプラズマ処理方法。
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