JP6096547B2 - プラズマ処理装置及びシャワープレート - Google Patents
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Description
本発明は、プラズマ処理装置及びプラズマ処理装置で用いるシャワープレートに関する。特に、シャワープレートの構造及びこれを用いたプラズマ処理装置に関する。
プラズマ処理は、半導体デバイスの製造に不可欠な技術である。近年、ＬＳＩの高集積化及び高速化の要請から、ＬＳＩを構成する半導体素子の更なる微細加工が求められている。
ところが、容量結合型プラズマ処理装置や誘導結合型プラズマ処理装置では、生成されるプラズマの電子温度が高く、かつプラズマ密度の高い領域が限定される。このため、半導体素子の更なる微細加工の要請に応じたプラズマ処理を実現することは難しかった。
したがって、このような微細加工を実現するためには、低電子温度かつ高プラズマ密度のプラズマを生成することが必要となる。これに応じるために、マイクロ波により処理容器内で表面波プラズマを生成し、これにより半導体ウェハをプラズマ処理する装置が提案されている（例えば、特許文献１）。
特許文献１では、マイクロ波を同軸管に伝送させて処理容器内に放射し、マイクロ波の表面波が持つ電界エネルギーによってガスを励起させることにより、低電子温度で高プラズマ密度の表面波プラズマを発生させるプラズマ処理装置が提案されている。
しかしながら、特許文献１のプラズマ処理装置では、マイクロ波を同軸管から処理容器内に放射するために、その天井部は、表面波プラズマとアンテナとの間を石英等の誘電体板で挟んだ構造となっており、処理ガスは処理容器の側壁から処理容器内に供給される構造となっていた。このように、ガスを天井部以外から供給していたため、ガスの流れを制御することができず、良好なプラズマ制御が難しかった。
そこで、引用文献２では、アンテナの下に多数のガス放出孔を有する誘電体からなるシャワープレートを設け、このシャワープレートを介して処理ガスを鉛直下方に処理容器内に導入する技術が提案されている。これにより、処理容器内に鉛直方向のガス流を形成して処理ガスを均一に供給し、均一なプラズマが形成される。
ところで、本発明者らによれば、例えば引用文献２のようなアンテナ及びシャワープレートを有するプラズマ処理装置においては、シャワープレートの孔の内部に成膜してしまうことが確認された。そして、成膜するとシャワープレートの孔を塞ぐおそれがある。
これは、表面波プラズマにより、シャワープレート近傍の領域における電子温度がシャワープレートの表面から離れた位置より高くなることが原因で、例えばモノシラン（ＳｉＨ４）ガスなどの原料ガスがシャワープレート近傍で過剰に分解され、その結果、シャワープレートの孔部分に成膜堆積したり、気相反応したりしてごみの原因となる。
そこで本発明者らは、シャワープレートから供給される原料ガスを、このシャワープレート近傍の領域における電子温度が高い領域を通過させることなく処理容器内に到達させることができれば、シャワープレート近傍での成膜、気相成長を抑制できると考えた。
本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、処理容器内にガスを導入するシャワープレートを有し、マイクロ波により表面波プラズマを発生させるプラズマ処理装置において、シャワープレートのガス孔に成膜することを抑制することを目的としている。
上記目的を達成するため、本発明は、プラズマ処理が行われる処理容器と、処理容器内に第１のガスと第２のガスを供給するシャワープレートを備えたプラズマ発生用アンテナを有し、マイクロ波の供給により前記シャワープレート表面に形成された表面波によりプラズマを形成して基板を処理するプラズマ処理装置であって、前記シャワープレートには、処理容器内に第１のガスを供給する複数のガス孔と、当該複数のガス孔と異なる位置に、前記シャワープレートの下面から鉛直下方に突出し前記処理容器内に第２のガスを供給する複数の供給ノズルと、が形成され、前記供給ノズルの前記シャワープレートの下端面から前記供給ノズルの下端までの距離は、供給されるマイクロ波の波長の１／１６〜３／１６の長さであることを特徴としている。
本発明によれば、シャワープレートの下面から鉛直下方に突出した供給ノズルにより処理容器内に第２のガスを供給するので、この第２のガスがシャワープレート近傍の領域における電子温度が高い領域を通過することがない。したがって、例えば第２のガスとして原料ガスを用いても、当該原料ガスが表面波プラズマにより過剰に分解されることを避けることができる。その結果、シャワープレートのガス孔への反応生成と気相反応による堆積物を抑制することができる。
前記第２のガスは、前記第１のガスよりも、プラズマにより分解されやすいガスであってもよい。かかる場合、前記第２のガスは原料ガスであり、前記第１のガスはプラズマ発生用のガスであってもよい。
前記シャワープレートの下面には、下方向に突出する垂下部が形成され、前記垂下部には、所定のパターンで上方に窪んだ窪み部が形成され、前記供給ノズルは、前記窪み部に設けられていてもよい。
前記ガス孔と、前記供給ノズルは、平面視において等間隔に配置されていてもよい。
前記供給ノズルは、前記シャワープレートの中央部を除いた領域に設けられていてもよい。
前記ガス孔から供給される前記第１のガスの流速、又は前記供給ノズルから供給される第２のガスの流速は、前記各ガス孔または前記各供給ノズルごとに異なっていてもよい。
また、別の観点による本発明は、プラズマ処理が行われるプラズマ処理装置の処理容器内に第１のガスと第２のガスを供給するシャワープレートであって、処理容器内に第１のガスを供給する複数のガス孔と、当該複数のガス孔と異なる位置に、前記シャワープレートの下面から鉛直下方に突出し前記処理容器内に第２のガスを供給する複数の供給ノズルと、が形成され、前記供給ノズルの前記シャワープレートの下端面から前記供給ノズルの下端までの距離は、供給されるマイクロ波の波長の１／１６〜３／１６の長さであることを特徴としている。
本発明によれば、処理容器内にガスを導入するシャワープレートを有し、マイクロ波により表面波プラズマを発生させるプラズマ処理装置において、シャワープレートのガス孔への反応生成と気相反応による堆積物を抑制することができる。
以下に添付図面を参照しながら、本発明の実施形態について詳細に説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。
まず、本実施の形態に係るプラズマ処理装置の全体構成について、図１を参照しながら説明する。図１は、プラズマ処理装置１を概略的に示した縦断面図である。
本実施形態では、半導体ウェハＷ（以下、ウェハＷと称呼する。）にプラズマ処理として成膜処理を施すＣＶＤ装置を例に挙げてプラズマ処理装置１を説明する。プラズマ処理装置１は、気密に保持された内部にてウェハＷをプラズマ処理する処理容器１０を有する。処理容器１０は上面が開口した略円筒状で、たとえばアルミニウム等の金属から形成され、接地されている。
処理容器１０の底部には、ウェハＷを載置するサセプタ１１が設けられている。サセプタ１１は、アルミニウム等の金属から形成されていて、絶縁体１２ａを介して支持部材１２により支持され、処理容器１０の底部に設置されている。これにより、サセプタ１１は、電気的に浮いた状態になっている。サセプタ１１及び支持部材１２の材料としては、表面をアルマイト処理（陽極酸化処理）したアルミニウム等が挙げられる。
サセプタ１１には、整合器１３を介してバイアス用の高周波電源１４が接続されている。高周波電源１４は、サセプタ１１にバイアス用の高周波電力を印加する、これにより、ウェハＷ側にプラズマ中のイオンが引き込まれる。なお、図示していないが、サセプタ１１には、ウェハＷを静電吸着するための静電チャック、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ためのガス流路、ウェハＷを搬送する際に昇降する昇降ピン等が設けられてもよい。
処理容器１０の底部には排気口１５が設けられ、排気口１５には真空ポンプを含む排気装置１６が接続されている。排気装置１６を作動させると、処理容器１０の内部が排気され、処理容器１０内が所望の真空度まで減圧される。また、処理容器１０の側壁には、搬入出口１７が形成され、搬入出口１７を開閉可能なゲートバルブ１８の開閉により、ウェハＷが搬入出される。
サセプタ１１の上方には、処理容器１０内にガスを供給しつつ、マイクロ波の供給が可能なプラズマ発生用アンテナ２０(以下、アンテナ２０と称呼する）が装着されている。アンテナ２０は、処理容器１０上部の開口を塞ぐように設けられている。これにより、サセプタ１１とアンテナ２０との間にプラズマ空間Ｕが形成される。アンテナ２０の上部には、マイクロ波を伝送するマイクロ波伝送機構３０が連結され、マイクロ波出力部４０から出力されたマイクロ波をアンテナ２０に伝えるようになっている。
プラズマ処理装置１には、図１に示すように制御部５００が設けられている。制御部５００は、例えばコンピュータであり、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におけるウェハＷの処理を制御するプログラムが格納されている。なお、前記プログラムは、例えばコンピュータ読み取り可能なハードディスク（ＨＤ）、フレキシブルディスク（ＦＤ）、コンパクトディスク（ＣＤ）、マグネットオプティカルデスク（ＭＯ）、メモリーカードなどの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、その記憶媒体から制御部５００にインストールされたものであってもよい。
次に、図２を参照しながら、マイクロ波出力部４０及びマイクロ波伝送機構３０の構成について説明する。
マイクロ波出力部４０は、マイクロ波用電源４１、マイクロ波発振器４２、アンプ４３及び増幅されたマイクロ波を複数に分配する分配器４４を有している。マイクロ波用電源４１は、マイクロ波発振器４２に対して電力を供給する。マイクロ波発振器４２は、例えば、８６０ＭＨｚの所定周波数のマイクロ波をＰＬＬ発振させる。アンプ４３は、発振されたマイクロ波を増幅する。分配器４４は、マイクロ波の損失ができるだけ起こらないように、入力側と出力側のインピーダンス整合を取りながら、アンプ４３で増幅されたマイクロ波を分配する。
マイクロ波伝送機構３０は、分配器４４で分配されたマイクロ波を処理容器内へ導く複数のアンテナモジュール５０とマイクロ波導入機構５１とを有している。なお、図２では、マイクロ波伝送機構３０が２つのアンテナモジュール５０と２つのマイクロ波導入機構５１を備えている状態を模式的に描図しているが、本実施の形態では、例えば図３に示すように、マイクロ波伝送機構３０はアンテナモジュール５０を例えば７個有しており、６個のアンテナモジュール５０が同一円周状に、その中心に１個のアンテナモジュール５０がアンテナ２０の上部に配置されている。
アンテナモジュール５０は、位相器５２、可変ゲインアンプ５３、メインアンプ５４及びアイソレータ５５を有していて、マイクロ波出力部４０から出力されたマイクロ波をマイクロ波導入機構５１に伝送する。
位相器５２は、マイクロ波の位相を変化させるように構成され、これを調整することによりマイクロ波の放射特性を変調させることができる。これによれば、指向性を制御してプラズマ分布を変化させることができる。なお、このような放射特性の変調が不要な場合には位相器５２は設ける必要はない。
可変ゲインアンプ５３は、メインアンプ５４へ入力するマイクロ波の電力レベルを調整し、プラズマ強度の調整を行う。メインアンプ５４は、ソリッドステートアンプを構成する。ソリッドステートアンプは、図示していない入力整合回路、半導体増幅素子、出力整合回路及び高Ｑ共振回路を有する構成とすることができる。
アイソレータ５５は、アンテナ２０で反射してメインアンプ５４に戻るマイクロ波の反射波を分離するものであり、サーキュレータとダミーロード（同軸終端器）とを有している。サーキュレータは、アンテナ２０で反射したマイクロ波をダミーロードへ導き、ダミーロードは、サーキュレータによって導かれたマイクロ波の反射波を熱に変換する。
次に、マイクロ波導入機構５１及びプラズマ発生用アンテナ２０の構成について図４を参照しながら説明する。図４は、本実施の形態に係るマイクロ波導入機構５１及びアンテナ２０の例えば左半分の構成の概略を拡大して示した縦断面図である。
マイクロ波導入機構５１は、同軸管６０及び遅波板７０を有している。同軸管６０は、筒状の外部導体６０ａ及びその中心に設けられた棒状の内部導体６０ｂからなる同軸状の導波管を有している。同軸管６０の下端には、遅波板７０を介してアンテナ２０が設けられている。同軸管６０は、内部導体６０ｂが給電側、外部導体６０ａが接地側になっている。同軸管６０には、チューナ８０が設けられている。チューナ８０は、例えば２つのスラグ８０ａを有し、スラグチューナを構成している。スラグ８０ａは誘電部材の板状体として構成されており、同軸管６０の内部導体６０ｂと外部導体６０ａとの間に円環状に設けられている。チューナ８０は、後述する制御部５００からの指令に基づき、図示しない駆動機構によりスラグ８０ａを上下動させることにより、同軸管６０のインピーダンスを調整するようになっている。
遅波板７０は、同軸管６０の下面に隣接して設けられている。遅波板７０は、円板状の誘電体部材から形成されている。遅波板７０は、同軸管６０を伝送されたマイクロ波を透過し、アンテナ２０へと導く。
アンテナ２０は、シャワープレート１００を有する。シャワープレート１００は、遅波板７０の下面に隣接して設けられている。シャワープレート１００は、遅波板７０より径が大きな略円盤形状であり、アルミニウムや銅等の電気伝導率が高い導電体から形成されている。シャワープレート１００は、処理容器１０のプラズマ空間Ｕ側に露出し、露出した下面に表面波を伝搬させる。ここでは、シャワープレート１００の金属面がプラズマ空間Ｕ側に露出している。このように露出した下面に伝搬する表面波を以下、金属表面波という。
シャワープレート１００は、略円盤形状の上部プレート１１０と、同じく略円盤形状の下部プレート１２０を上下に重ねた構成となっている。上部プレート１１０には、その上面を貫通し、当該上部プレート１１０の径方向にガスを流通させるガス流路１３０が形成されている。ガス流路１３０には、第２のガスを供給する第２のガス供給源１３１が供給管１３２を介して接続されている。第２のガスとしては、原料ガスとしての例えばモノシランガス（ＳｉＨ４）などが用いられる。上部プレート１１０の下面であってサセプタ１１に載置されたウェハＷに対応する領域の全面には、ガス流路１３０に連通する複数のガス孔１３３が鉛直上方に延伸して設けられている。また、上部プレート１１０のガス孔１３３とは異なる位置には、マイクロ波を通す複数のスロット２２０が形成されている。
下部プレート１２０には、その側面を貫通し、当該下部プレート１２０の径方向にガスを流通させるガス流路１４０が形成されている。ガス流路１４０には、第１のガスを供給する第１のガス供給源１４１が供給管１４２を介して接続されている。第１のガスとしては、プラズマ発生用の例えば窒素ガス、アルゴンガス、水素ガス、又はこれらのガスを混同したガスなどが用いられる。なお、ガス流路１４０は、当該ガス流路１４０を流通するガスとガス流路１３０を流通するガスがシャワープレート１００内で混合することがないように、ガス流路１４０はガス流路１３０とは完全に独立して設けられている。
下部プレート１２０における、上部プレート１１０のガス孔１３３に対応する位置には、当該下部プレート１２０を上下方向に貫通する貫通孔１５０がそれぞれ形成されている。また、下部プレート１２０における、上部プレート１１０のスロット２２０に対応する位置には、上部プレート１１０と同様に、スロット２２０が形成されている。
下部プレート１２０の下面であってサセプタ１１に載置されたウェハＷに対応する領域の全面で且つ貫通孔１５０及びスロット２２０とは異なる位置には、ガス流路１４０に連通する複数のガス孔１５１が鉛直上方に延伸して設けられている。第１のガス供給源１４１からガス流路１４０に供給された第１のガスはこの複数のガス孔１５１を通って、下部プレート１２０の下面から処理容器１０のプラズマ空間Ｕに導入される。
各貫通孔１５０の下端、即ち、下部プレート１２０の下面であって各貫通孔１５０に対応する位置には、アルミニウムやステンレス等に酸化皮膜やシリコンを溶射することにより形成された供給ノズル１６０がそれぞれ接続されている。各供給ノズル１６０は、例えば図４に示すように、貫通孔１５０の下端から鉛直下方に所定の長さLだけ突出して設けられている。これにより、第２のガス供給源１３１からガス流路１３０に供給された第２のガスはこの複数の供給ノズル１６０を通って、第１のガスよりも所定の長さＬだけ低い位置から処理容器１０のプラズマ空間Ｕに導入される。
なお、シャワープレート１００のプラズマ側に露出した面、即ち、下部プレート１２０の下面及び供給ノズル１６０の表面は、溶射により例えばアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）やイットリア（Ｙ２Ｏ３）の被膜（図示せず）で覆われていてもよい。それにより、導体面がプラズマ空間側に露出しないようにしてもよい。
上述した複数のスロット２２０は、ガスの供給経路であるガス流路１３０、１４０、複数のガス孔１３３、１５１及び貫通孔１５０とは異なる位置に設けられ、シャワープレート１００の径方向に対して垂直な方向に貫通している。スロット２２０の一端は、遅波板７０に隣接し、他端は、処理容器１０内側に開口している。マイクロ波は、同軸管６０を伝搬し、遅波板７０を透過した後、複数のスロット２２０に通され処理容器１０内に放射される。なお、スロット２２０の内部を石英などの誘電体で満たす構造としてもよい。
図５は、シャワープレート１００の処理容器１０側に露出した面、即ち下部プレート１２０を下面から見た状態を示した下面図である。図５に示すように、下部プレート１２０には複数の供給ノズル１６０と下部プレート１２０のガス孔１５１とが、例えば格子状のパターンで交互に配置されている。図５では、供給ノズル１６０とガス孔１５１との配置の区別を容易にするために、例えば供給ノズル１６０に対応する位置を二重丸で、ガス孔１５１に対応する位置を丸で表している。このように供給ノズル１６０とガス孔１５１を交互に配置することで、ウェハＷの上面に例えば窒素ガスとモノシランを均等に供給することができる。なお、供給ノズル１６０とガス孔１５１の配置は本実施の形態に限定されるものではなく、供給ノズル１６０とガス孔１５１から供給されたガスがウェハＷの上面に均等に供給されるように、供給ノズル１６０と下部プレート１２０のガス孔１５１とが概ね均等に配置されていれば任意に設定が可能である。ここで、供給ノズル１６０と下部プレート１２０のガス孔１５１とが概ね均等に配置されているとは、各ガス孔１５１と各供給ノズル１６０との間の距離が等しいことを意味するのではなく、例えば図５に示すように、供給ノズル１６０とガス孔１５１の設置数が概ね同数で、交互に配置されていることを意味している。したがって、図５に示す配置以外の一例としては、例えば図６に示すように、供給ノズル１６０とガス孔１５１を交互に同心円状に配置する場合などが挙げられる。
スロット２２０は略環状に設けられ、供給ノズル１６０と貫通孔１５０は共にこのスロット２２０の外周側及び内周側に設けられている。スロット２２０は、完全なリング状には形成されておらず、例えば４つに区切られた扇状となっている。スロット２２０が区切られた部分には、ガス流路１４０がスロット２２０と連通しないように形成され、スロット２２０の内周側に設けられたガス孔１５１にガスを供給するようになっている。
複数のスロット２２０は、アンテナ２０の中心軸に対して、軸対称に形成されている。これにより、スロット２２０から処理容器１０内に、より均一にマイクロ波を放射することができる。
ガス孔１５１及び供給ノズル１６０の直径は、処理容器１０内に放射されたマイクロ波が当該ガス孔１５１及び供給ノズル１６０の内部に入り込まないような大きさとなっている。本実施の形態では、例えば０．６ｍｍである。また、スロット２２０とガス孔１３３、１５１及び貫通孔１５０とはシャワープレート１００内にて完全に分離されている。これにより、ガス孔１３３、１５１や貫通孔１５０での異常放電を防止することができる。
なお、遅波板７０、上部プレート１１０及び下部プレート１２０の接触面は、それぞれ図示しないＯリングによりシールされている。これにより、処理容器１０やスロット２２０の内部を真空状態にすると共に、シャワープレート１００内で第１のガスと第２のガスが混合することを避けることができる。
本実施の形態にかかるプラズマ処理装置１は以上のように構成されており、本プラズマ処理装置１の動作を説明するにあたり、先ず本発明の原理について説明する。
マイクロ波プラズマ処理においてプラズマ発生用のガスとして用いられる、例えば窒素ガスは、その結合エネルギーが約９．９１ｅＶである。その一方、プラズマ処理によりウェハＷに成膜する際に原料ガスとして用いられる、例えばモノシラン（ＳｉＨ４）をＳｉＨ３に分解するためには、約８．７５ｅＶのエネルギーが必要となる。そして、マイクロ波プラズマ処理においてアンテナ２０へ供給するマイクロ波の出力は、成膜の際に必要となるラジカルやプリカーサを生成するためのエネルギーを基準として決定される。ここで、金属表面波を用いたマイクロ波プラズマ処理（特にエバネッセント波を応用した表面波によるプラズマ処理）においては、通常、例えば図１に示すようなアンテナ２０の下端面近傍、例えばアンテナ下面から概ね５ｍｍ以内の領域Ｘは、領域Ｘよりも下方の領域と比較して電子温度が高くなる。
そのため、従来のように、シャワープレート表面の同じ面からプラズマ発生用のガスとして窒素ガスと、原料ガスとしてモノシランガスを供給すると、窒素ガスは領域Ｘで分解されて窒素ラジカルとなるが、領域Ｘより下方の電子温度が低い領域ではエネルギーが十分でないため分解されない。その一方、モノシランガスは、領域Ｘよりも下方においてもＳｉＨ３に分解されるが、電子温度が高くなる領域Ｘでも分解が盛んにおこる。そのため、この領域ＸでＳｉＨ３が過剰に生成されてシリコンが成膜され、シャワープレートのガス孔に堆積してしまっていた。
反応生成と気相反応による堆積物を抑制するためにはアンテナ２０に供給するマイクロ波の出力を下げ、領域Ｘにおける電子温度を低下させればよいが、上述のように、領域Ｘにおいてはプラズマ発生用ガスを分解するために所定の電子温度が必要となるため、マイクロ波の出力を下げるにも限界がある。
そこで、本発明者らは、ガス孔へ堆積する不要な反応生成と気相反応による堆積物を抑制するために、シャワープレートから供給される原料ガスを、電子温度が高い領域Ｘを通過させることなく処理容器１０内に導入する方法について鋭意検討した。ただし、従来のように処理容器１０の側壁から処理容器１０内に原料ガスを供給すると、処理容器１０内のガスの流れを制御することが困難となり、均一なプラズマが得られない。即ち、シャワープレート１００からウェハＷへ向かう鉛直下方のガス流れは維持する必要がある。そこで本発明者らは、シャワープレート１００の内部でプラズマ発生用のガスと原料ガスとが混合しないようにそれぞれ個別にガス流路１３０、１４０を設け、さらに原料ガスの流路に領域Ｘよりも長い長さＬを有するノズルを接続すれば、原料ガスを、領域Ｘを通過させることなく処理容器１０内に導入できることに想到した。かかる場合、原料ガスが領域Ｘで過剰に分解されることを抑制できるので、原料ガスによるプリカーサの生成を抑え、ガス孔が閉塞することを防止できる。これが本発明の原理、即ち、シャワープレート１００を上部プレート１１０と下部プレート１２０に分けて構成し、さらに下部プレート１２０に供給ノズル１６０を設ける理由である。
なお、図４では、上部プレート１１０のガス流路１３０に第２のガス供給源１３１を接続し、下部プレート１２０に貫通孔１５０及び供給ノズル１６０を設けたが、シャワープレート１００の構成は本実施の形態に限定されるものではない。特に、上部プレート１１０のガス流路１３０と下部プレート１２０のガス流路１４０のどちらに第２のガス供給源１３１を接続するかについては任意に設定が可能である。例えば下部プレート１２０のガス流路１４０に第２のガス供給源１３１を接続する場合、供給ノズル１６０をガス孔１５１に接続し、貫通孔１５０には供給ノズル１６０を接続しないようにしてもよい。かかる場合においても、貫通孔１５０からは処理容器１０内に第１のガスであるプラズマ発生用ガスが直接供給される一方、原料ガスである第２のガスは、供給ノズル１６０を介して下部プレート１２０の下端面より所定の長さＬだけ下方の位置から処理容器１０内に直接供給される。
なお、下部プレート１２０の下面近傍は表面波プラズマにより高温になるため、ガス流路１４０内を流通するガスもこのプラズマの熱により温度上昇し、ガスそのものの内部エネルギーも高い状態となり、表面波プラズマにより分解しやすくなる。したがって、分解しにくいガス、即ちこの場合にはプラズマ発生用のガスをガス流路１４０内に流通させれば、表面波プラズマによる分解を促進できる。したがって、原料ガスを供給する第２のガス供給源１３１は、上部プレート１１０のガス流路１３０に接続し、プラズマ発生用のガスを供給する第１のガス供給源１４１は下部プレート１２０のガス流路１４０に接続することが好ましい。
一方、下部プレート１２０に突起物である供給ノズル１６０を設けることにより、当該供給ノズル１６０にも表面波が伝搬して共振を起こし、プラズマ空間Ｕにおける均一なプラズマの生成が阻害される可能性があるため、供給ノズル１６０のような構造が採用されることはなかった。しかし、供給ノズル１６０の長さＬ、即ち下部プレート１２０の下面から供給ノズル１６０の下端までの距離を処理容器１０内に導入するマイクロ波の波長の１／１６〜３／１６程度、より好ましくは１／８程度とすることで、供給ノズル１６０での表面波の共振を抑制し、処理容器１０内に安定的にプラズマを生成することができる。なお、表面波により高電子温度となる領域Ｘはシャワープレート１００の下面から５ｍｍ程度の領域であるため、供給ノズル１６０の長さＬを波長の１／１６〜３／１６程度の長さとすれば、供給ノズル１６０の下端は領域Ｘよりも十分に下方となる。本実施の形態では、波長が３４８．６ｍｍである８６０ＭＨｚのマイクロ波を用いるので、供給ノズル１６０の長さは４３．６ｍｍ程度、概ね２１．８〜６５．４ｍｍの範囲に設定されている。
本実施の形態にかかるプラズマ処理装置１は以上のような知見に基づくものである。次に、プラズマ処理装置１を用いて行われる処理について、ウェハＷに窒化シリコン膜を形成する場合を例に説明する。
まず、ウェハＷを処理容器１０内に搬入し、サセプタ１１上に載置する。そして、第１のガス供給源１４１から、プラズマ発生用のガスとして窒素ガス、アルゴンガス及び水素ガスを混合したガスをシャワープレート１００の下部プレート１２０を介して処理容器１０内に導入する。次いで、マイクロ波がマイクロ波出力部４０から出力され、マイクロ波伝送機構３０及び遅波板７０、スロット２２０を通って処理容器１０内にマイクロ波が導入される。これにより、アンテナ２０表面に形成された金属表面波により表面波プラズマが生成され、窒素ラジカルが生成される。それと共に、第２のガス供給源１３１から、原料ガスとしてモノシランガスが供給ノズル１６０を介して処理容器１０内に導入される。
処理容器１０内に導入されたモノシランガスは、プラズマにより励起されてＳｉＨ３に分解される。この際、モノシランガスは電子温度が高いアンテナ２０下面の領域Ｘを通過することなく処理容器１０のプラズマ空間Ｕに導入されるので、過剰に分解することがない。その結果、過剰なＳｉＨ３による反応生成と気相反応が抑えられる。
そして、窒素ラジカル及びＳｉＨ３は、シャワープレート１００からウェハＷに向かう鉛直下方のガス流れに随伴してウェハＷの表面に到達し、ウェハＷ上面に窒化シリコンとして堆積する。これにより、ウェハＷの上面に窒化シリコン膜が形成される。
以上の実施の形態によれば、シャワープレート１００の下部プレート１２０下面から鉛直下方に所定の長さＬで突出する供給ノズル１６０を介して処理容器１０内に原料ガスとして例えばモノシランガスを供給するので、モノシランガスがシャワープレート１００近傍の電子温度が高い領域Ｘを通過することがない。したがって、モノシランガスが表面波プラズマにより過剰に分解されることを避けることができる。その結果、シャワープレート１００を用いてウェハＷにプラズマ処理を施すにあたり、シャワープレート１００のガス孔にシリコンが成膜することを抑制することができる。
また、供給ノズル１６０とガス孔１５１とが均等に配置されているので、ウェハＷの表面における、例えば窒素ラジカルの密度とＳｉＨ３の密度を均一にすることができる。その結果、ウェハＷの表面に均一な膜厚で窒化シリコン膜を堆積させることができる。
さらには、供給ノズル１６０の長さＬが、マイクロ波出力部４０から出力されるマイクロ波の波長の概ね１／８に設定されているので、処理容器１０に突出する供給ノズル１６０においてマイクロ波の共振条件を外すことができる。その結果、供給ノズル１６０がアンテナとして機能してプラズマの生成が阻害されるようなことがない。したがって、本実施の形態にかかるプラズマ処理装置１によれば、安定したプラズマ処理を行うことができる。また、このような構造により、窒素ラジカルの供給量（生成量）でウェハＷ表面への窒化シリコン膜の形成を積極的に制御することが可能になる。
以上の実施の形態においては、下部プレート１２０は円盤状に形成されていたが、例えば図７に示すように、下部プレート１２０の下面におけるノズル１６０が設けられた領域に、下方に所定の長さＤだけ突出する垂下部２５０を設けてもよい。かかる場合、垂下部２５０は、例えば図７に示すように、ノズル１６０を避けて設けられる。換言すれば、垂下部２５０のノズル１６０に対応する位置は、上方に窪んでいる。なお、図７では簡略化のためにガス孔１５１の記載は省略しているが、ガス孔１５１は垂下部２５０の下面に形成される。これにり、スロット２２０（石英リング）より放射されるマイクロ波のいくらかは反射され、ノズル１６０へ伝播するマイクロ波を弱くすることができる。一方、この形状では、ノズル１６０へ伝播するマイクロ波を弱くできるが、ノズル１６０の根元、即ち垂下部２５０の下面から供給される窒素ガスやアルゴンガスといったプラズマ発生用ガスのラジカル生成も弱められてしまう。これを回避するために、例えば、垂下部２５０の下面に、図７に示すような溝２５０ａを設けても良い。溝２５０ａを設けることにより、溝２５０ａの中で窒素ガス、アルゴンガスといったプラズマ発生用ガスがプラズマにより加熱され、ラジカル生成を促進することができる。なお、溝２５０ａの形状の一例としては、例えば図７に示すように、各供給ノズル１６０の周囲を囲むように設けられた、例えば格子状のパターンなどが考えられる。
また、これとは別に、図８に示すように、ノズル１６０の外周の直径をノズル１６０の長さ方向で２段階以上に分割しても良い。具体的には、例えば図８に示すように、ノズル１６０の根元部分、換言すればノズル１６０における下部プレート１２０側の端部から所定の長さを、図７に示すノズル１６０よりも径の大きい拡張部１６０ａとし、この拡張部１６０ａからノズル１６０の先端までを、拡張部１６０ａよりも直径の小さな先端部１６０ｂとしてもよい。これにより、拡張部１６０ａと先端部１６０ｂとの境界で直径が変化することで階段状になっているノズル１６０の角部でマイクロ波が反射され、ノズル１６０へ伝播するマイクロ波が大幅に弱められる。
なお、垂下部２５０には必ずしも溝２５０ａを設ける必要はない。また、例えば図７においては、ノズル１６０を避けて垂下部２５０を形成していたが、例えば図９に示すように、垂下部２５０の下端にノズル２６０を直接設けるようにしてもよい。かかる場合、ノズル２６０の長さは、図７に示す場合のノズル１６０の長さＬと同等である。換言すれば、垂下部２５０の下端からノズル２６０の先端までの長さは、垂下部２５０の有無やノズル１６０、２６０の配置によらずＬとなる。このように、垂下部２５０に直接ノズル２６０を設けた場合も、ノズル２６０へ伝播するマイクロ波を大幅に弱めることができる。また、本発明者らによれば、垂下部２５０に溝２５０ａを設けない場合であっても、ノズル２６０の根元で窒素ガスやアルゴンガスといったプラズマ発生用ガスのラジカル生成が弱められることを抑制できることが確認されている。なお、図８および図９においても簡略化のためにガス孔１５１は図示していない。また、図８において、図７に記載された溝２５０ａと同様の溝を設けてもよい。かかる場合においても、溝２５０ａの効果により窒素ガス、アルゴンガスといったプラズマ発生用ガスのラジカル生成を促進することができる。
また一般に、アンテナに供給される電力の周波数が高くなると、表皮効果によりアンテナのプラズマ側の面に、端部側から中心側に向かう高周波電流が流れる。その結果、アンテナ下面における電界強度分布は、スロット２２０で囲まれた中央部で高く、外周端部に向かうほど低下したものとなる。そのため、本実施の形態にかかるアンテナ２０においても、スロット２２０で囲まれた中央に位置する供給ノズル１６０の近傍で電界強度が高くなることが本発明者らにより確認された。そこで本発明者らが鋭意調査したところ、スロット２２０で囲まれた中央部の供給ノズル１６０を取り除くことで、中央部の供給ノズル１６０近傍で電界強度が高くなることを抑制できることが確認された。したがって、下部プレート１２０におけるスロット２２０で囲まれた中央部には供給ノズル１６０を設けないようにしてもよい。なお、スロット２２０で囲まれた中央部とは、下部プレート１２０においてスロット２２０で囲まれた領域の中心一点を意味するのではなく、例えばスロット２２０で囲まれた領域の中心から概ね半径４０ｍｍ以内の領域を意味している。
以上の実施の形態では、上部プレート１１０のガス流路１３０及び下部プレート１２０のガス流路１４０にそれぞれ一つの供給管１３２、１４２を介して第２のガス供給源１３１、第１のガス供給源１４１を接続したが、例えばガス流路１３０、ガス流路１４０をそれぞれ独立した環状で同心円状の流路とし、それぞれのガス流路に複数の供給管１３２及び供給管１４２を複数設け、各流路に供給するガスの流量を制御するようにしてもよい。そうすることで、下部プレート１２０の各領域ごとにガスの供給量を制御することが可能となり、例えば電界強度分布に対応して原料ガスやプラズマ発生用ガスの供給量を制御して、ウェハＷに対してより均一なプラズマ処理を行うことができる。
特に、従来のように供給ノズル１６０を有さないシャワープレートを用いて、原料ガスとしてモノシランガスを処理容器１０内に供給する場合、シャワープレート１００下面で原料ガスが過剰に分解されるために、ＳｉＨ３の生成量を制御することが困難であったが、本発明では供給ノズル１６０を用いてモノシランガスを供給して過剰なＳｉＨ３の生成を抑えることができるので、モノシランガスの供給量を制御することで容易にＳｉＨ３の生成量を調整できる。かかる場合、さらに供給管１３２及び供給管１４２を複数設けて下部プレート１２０の所定の領域ごとにガスの供給量を制御することで、各領域ごとにより厳密に窒素ラジカルとＳｉＨ３の生成量を調整できるので、ウェハＷに対してより均一なプラズマ処理を施すことが可能となる
また、以上の実施の形態では、シャワープレート１００は、上部プレート１１０と下部プレート１２０とにより構成されていたが、第２のガスのガス流路１３０および第１のガスのガス流路１４０とが独立して形成され、シャワープレート１００の内部でガスが混ざらない構成となっていれば、シャワープレート１００をどのように構成するかについては本実施の形態に限定されるものではなく、任意に設定が可能である。
以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について詳細に説明したが、本発明はかかる例に限定されない。本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、これらについても、当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
１ プラズマ処理装置
１０ 処理容器
１１ サセプタ
１２ 支持部材
１３ 整合器
１４ 高周波電源
３０ マイクロ波伝送機構
４０ マイクロ波出力部
５０ アンテナモジュール
１００ シャワープレート
１１０ 上部プレート
１２０ 下部プレート
１３０ ガス流路
１４０ ガス流路
１６０ 供給ノズル
２２０ スロット
５００ 制御装置
Ｕ プラズマ空間
Ｗ ウェハ
１０ 処理容器
１１ サセプタ
１２ 支持部材
１３ 整合器
１４ 高周波電源
３０ マイクロ波伝送機構
４０ マイクロ波出力部
５０ アンテナモジュール
１００ シャワープレート
１１０ 上部プレート
１２０ 下部プレート
１３０ ガス流路
１４０ ガス流路
１６０ 供給ノズル
２２０ スロット
５００ 制御装置
Ｕ プラズマ空間
Ｗ ウェハ
Claims (8)
- プラズマ処理が行われる処理容器と、処理容器内に第１のガスと第２のガスを供給するシャワープレートを備えたプラズマ発生用アンテナを有し、マイクロ波の供給により前記シャワープレート表面に形成された表面波によりプラズマを形成して基板を処理するプラズマ処理装置であって、
前記シャワープレートには、処理容器内に第１のガスを供給する複数のガス孔と、当該複数のガス孔と異なる位置に、前記シャワープレートの下面から鉛直下方に突出し前記処理容器内に第２のガスを供給する複数の供給ノズルと、が形成され、
前記供給ノズルの前記シャワープレートの下端面から前記供給ノズルの下端までの距離は、供給されるマイクロ波の波長の１／１６〜３／１６の長さであることを特徴とする、プラズマ処理装置。 - 前記第２のガスは、前記第１のガスよりも、プラズマにより分解されやすいガスであることを特徴とする、請求項１に記載のプラズマ処理装置。
- 前記第２のガスは原料ガスであり、前記第１のガスはプラズマ発生用のガスであることを特徴とする、請求項２に記載のプラズマ処理装置。
- 前記シャワープレートの下面には、下方向に突出する垂下部が形成され、
前記垂下部には、所定のパターンで上方に窪んだ窪み部が形成され、
前記供給ノズルは、前記窪み部に設けられていることを特徴とする、請求項１〜３のいずれかに記載のプラズマ処理装置。 - 前記ガス孔と、前記供給ノズルは、平面視において等間隔に配置されていることを特徴とする、請求項１〜４のいずれかに記載のプラズマ処理装置。
- 前記供給ノズルは、前記シャワープレートの中央部を除いた領域に設けられていることを特徴とする、請求項１〜５のいずれかに記載のプラズマ処理装置。
- 前記ガス孔から供給される前記第１のガスの流速、又は前記供給ノズルから供給される第２のガスの流速は、前記各ガス孔または前記各供給ノズルごとに異なることを特徴とする、請求項１〜６のいずれかに記載のプラズマ処理装置。
- プラズマ処理が行われるプラズマ処理装置の処理容器内に第１のガスと第２のガスを供給するシャワープレートであって、
処理容器内に第１のガスを供給する複数のガス孔と、当該複数のガス孔と異なる位置に、前記シャワープレートの下面から鉛直下方に突出し前記処理容器内に第２のガスを供給する複数の供給ノズルと、が形成され、
前記供給ノズルの前記シャワープレートの下端面から前記供給ノズルの下端までの距離は、供給されるマイクロ波の波長の１／１６〜３／１６の長さであることを特徴とする、シャワープレート。
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