JP2004235430A

JP2004235430A - プラズマ発生装置

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Publication number: JP2004235430A
Application number: JP2003022072A
Authority: JP
Inventors: Hisakuni Shinohara; 壽邦篠原
Original assignee: Rohm Co Ltd
Current assignee: Rohm Co Ltd
Priority date: 2003-01-30
Filing date: 2003-01-30
Publication date: 2004-08-19
Anticipated expiration: 2023-01-30
Also published as: JP3934559B2

Abstract

【課題】本発明は、異常放電や膜の成長の発生を防止することができるプラズマ発生装置を提供することを目的とする。
【解決手段】マイクロ波発生手段に接続され、前記マイクロ波発生手段から発生したマイクロ波によりプラズマが発生する反応器と、前記反応器にガスを供給するための導入路１０ｂと、前記反応器と前記導入路１０ｂとを連結する少なくとも一つのノズル１０ａとを有するプラズマ発生装置を提供する。このプラズマ発生装置における、前記反応器から前記ノズルへのマイクロ波の透過率Ｔは、実質的に、下記式（１）を満たす。
【数９】

ここで、Ｌ_１：前記ノズルのガス進行方向における長さ
Ａ_１：前記ノズルのガス進行方向と垂直な方向の長径
λ：前記反応器内のマイクロ波の波長である。
【選択図】図３

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、マイクロ波により発生したプラズマを利用するプラズマ発生装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ＩＣ（ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄｃｉｒｃｕｉｔ）の形成には、マイクロ波（例えば、２．４５ＧＨｚ）を用いたプラズマ発生装置が用いられている。このマイクロ波を用いたプラズマ発生装置では、高い周波数を有するマイクロ波により高密度、かつ低電子温度のプラズマを得ることができる。よって、ゲート酸化膜等の薄膜への電気的破壊や物理的破壊の影響を抑えることができる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、近年のＩＣの微細化及びウェハの大口径化の要求に対して、従来のガス供給システムでは成膜、エッチング、アッシング、スパッタリング、洗浄等の処理を行う際に、試料に対して均一に処理を施すのが難しいという問題が発生している。例えば、成膜等の処理を行う際には、処理ガスがガス導入部より処理室に導入される。このとき、処理室からガス導入部にマイクロ波が入り込み、ガス導入部内において異常放電や膜の異常成長が生じる問題が発生している。
また、処理室に開口部を設けてガス導入部を形成するため、不均一なガスの供給により処理室内のマイクロ波が不均一となり、プラズマが不均一となる。よって、不均一なプラズマにより、試料に対して均一に処理を施すのが困難となっている。
【０００４】
そこで、本発明は、均一にガスを導入することができるプラズマ発生装置を提供することを目的とする。
また、本発明は、異常放電や膜の異常成長の発生を防止することができるプラズマ発生装置を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本願第１発明は、マイクロ波発生手段と、前記マイクロ波発生手段に接続され、前記マイクロ波発生手段から発生したマイクロ波によりプラズマが発生する反応器と、前記反応器にガスを供給するための導入路と、前記反応器と前記導入路とを連結する少なくとも一つのノズルとを有するプラズマ発生装置を提供する。このプラズマ発生装置における、前記反応器から前記ノズルへのマイクロ波の透過率Ｔは、実質的に、下記式（１）を満たす。
【０００６】
【数３】

ここで、Ｌ_１：前記ノズルのガス進行方向における長さ
Ａ_１：前記ノズルのガス進行方向と垂直な方向の長径
λ：前記反応器内のマイクロ波の波長である。
マイクロ波の透過率Ｔを前記式（１）を満たすようにノズルを設計することで、マイクロ波が導入部へ進入するのを低減することができる。よって、導入部内において異常放電や膜の異常成長等が生じる問題を低減し、また概ね均一なガス供給をすることができる（以下、“均一”とは、“概ね均一”を言うものとする）。
【０００７】
本願第２発明は、前記第１発明において、前記ノズル内のガスのコンダクタンスＣ_１と前記導入路内のガスのコンダクタンスＣ_２との比が、下記式（２）を満たすプラズマ発生装置を提供する。
【０００８】
【数４】

ここで、Ｘ：前記導入路に連結される前記ノズルの個数である。
導入路とノズルとのガスのコンダクタンスの比を、導入路に連結されたノズルの個数以上にすることで、ノズルを介して導入路から反応器に概ね均一にガスを供給することができる。
本願第３発明は、前記第２発明において、前記透過率Ｔが１％以下であるプラズマ発生装置を提供する。
【０００９】
反応器からノズルを介して導入されるマイクロ波の透過率Ｔが１％以下となるようなマイクロ波遮断構造とすることで、異常放電や膜の異常成長をさらに低減することができる。
本願第４発明は、前記第１発明において、前記マイクロ波発生手段に接続され、前記試料の処理面に沿う断面が矩形状であり、前記マイクロ波発生手段から発生したマイクロ波の電界強度分布を、前記反応器内でプラズマ処理を施す試料の処理面に沿って概ね均一にする、第１誘電体と、前記プラズマを用いて前記試料を処理する処理手段とを有するプラズマ発生装置を提供する。
【００１０】
第１誘電体が矩形状を有しているので、マイクロ波の電界強度分布が試料の処理面に沿って全体として均一となる。よって、その均一なマイクロ波により均一にプラズマが発生し、このプラズマにより励起・活性化されたガス分子によって均一な薄膜形成が可能となる。また、ガスの流量・組成比等のプロセス条件の変更やメンテナンス等によるプロセス条件の変化が生じても、マイクロ波が伝播する領域が矩形状であるためマイクロ波の電界強度分布が偏りにくい。よって、プロセスマージンを拡大することができる。
【００１１】
本願第５発明は、前記第４発明において、前記第１誘電体の下部に設けられ、少なくとも一つのスロットが形成されており、前記第１誘電体内のマイクロ波の電界強度分布の均一性を保持またはさらに高めるスロット板と、前記スロット板と前記反応器との間に設けられ、前記スロット板から供給されるマイクロ波の電界強度分布の均一性を保持またはさらに高める、前記試料の処理面に沿う断面が矩形状の第２誘電体とを有するプラズマ発生装置を提供する。
第２誘電体が矩形状を有しているので、さらにプラズマを均一に発生させることができる。また、第１誘電体、スロット板、第２誘電体により均一性が高められるため、マイクロ波の均一性を保持し易い。
【００１２】
【発明の実施の形態】
＜プラズマ処理装置＞
プラズマ処理装置は、マイクロ波発生器、処理室及び処理室上部のマイクロ波伝搬領域を有しており、以下のように処理が行われる。
マイクロ波発生器より発生したマイクロ波がマイクロ波伝搬領域を伝搬し、ガス雰囲気の処理室内に電界が形成される。この電界とガスとによりプラズマが発生し、プラズマにより生成された化学種により成膜、エッチング、気相洗浄等の処理が処理室内の試料に施される。
【００１３】
このようなプラズマを利用したプラズマ処理装置には、プラズマにより酸化・窒化を行う装置（以下、プラズマ酸窒化装置という）、プラズマＣＶＤ（ＣｈｅｍｉｃａｌＶａｐｏｕｒＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）装置、プラズマエッチング装置、プラズマアッシング装置、プラズマ洗浄装置、プラズマアニール装置等がある。
以下に、本発明のプラズマ発生装置を、プラズマ酸窒化装置を例に挙げて説明する。
＜第１実施形態例＞
図１は第１実施形態例に係るプラズマ酸窒化装置の外観、図２は図１のＡ−Ａ’を含む試料の処理面に垂直な方向における図１の装置の断面図、図３（ａ）は図１に示すプラズマ酸窒化装置のガス導入部の内部構造の分解斜視図、図３（ｂ）は同図（ａ）のＸ−Ｘ’断面での断面図である。
［構成］
図１及び図２に示すように、第１実施形態例に係るプラズマ酸窒化装置は、マイクロ波発生器１、導波管２、同軸アンテナ３及びチャンバ４を有している。チャンバ４には、成膜ガス等のガスを導入するガス導入口５及びガスを排出するガス排出口６が取り付けられている。また、チャンバ４内部には、誘電体７、処理室８及びガス導入部１０が設けられている。誘電体７の材質としては、石英、フッ素樹脂、ポリエチレン、ポリスチレン等の誘電損失の少ない物質が好ましい。
誘電体は、真空、空気、ガス等比誘電率が“１”である場合を含む。また、誘電体の表面の少なくとも一部が導体で覆われている場合を含む。
【００１４】
処理室８には、試料１２を載置するための試料台１１が誘電体７と対向する位置に設けられている。処理室８の側面には、ガス導入口５から成膜ガス等のガスを処理室８に供給するガス導入部１０が設けられている。ガス導入部１０は、処理室８に開口を有するガス導入ノズル１０ａ、及びガス導入口５と複数のガス導入ノズル１０ａとを連結するガス導入路１０ｂを有している。なお、導波管２のかわりに、スロットアンテナ、矩形導波管、同軸アンテナ等その他のアンテナを設けても良い。
【００１５】
以下に、ガス導入部１０へのマイクロ波の進入を防止するためのマイクロ波遮断構造及び処理室８に概ね均一にガスを導入するためのガス導入構造について詳細に説明する（以下、“均一”とは“概ね均一”をいうものとする。）。まず、マイクロ波遮断構造について説明する。
［マイクロ波遮断構造］
ガスは、図３に示す矢印のように、ガス導入路１０ｂからガス導入ノズル１０ａを通って処理室８へ供給される。このガス導入部１０は、次の条件を満たすように構成されている。ガス導入ノズル１０ａは、処理室８からガス導入ノズル１０ａに導入されるマイクロ波の透過率Ｔが下記式（１）の関係を実質的に満たすように形成されている。
【００１６】
【数５】

ここで、Ｌ_１：ガス導入ノズル１０ａのガス進行方向の長さ、
Ａ_１：ガス導入ノズル１０ａのガス進行方向と垂直な方向の長径、
λ：処理室８内のマイクロ波の波長である。
このように、ガス導入ノズル１０ａを設計することで、マイクロ波がガス導入部１０へ進入するのを防止することができる。よって、ガス導入部１０内において異常放電や膜の異常成長等が生じる問題を低減し、また均一なガス供給をすることができる。マイクロ波の損失を考慮して透過率Ｔが１％以下となるようにガス導入ノズル１０ａを設計すると好ましい。透過率が１％以下であると、マイクロ波の遮断効率が良く、異常放電や膜の異常成長等の問題をさらに防止できる。
［ガス導入構造］
次にガス導入構造について説明する。ガス導入路１０ｂとガス導入ノズル１０ａとのガスの流れ易さ、所謂コンダクタンスの比を、Ｘ以上に設定すると良い。
ここで、Ｘは、ガス導入路１０ｂに共通に接続されたガス導入ノズル１０ａの個数である。つまり、ガス導入路１０ｂのコンダクタンスＣ_２とガス導入ノズル１０ａのコンダクタンスＣ_１との比は、以下の下記式（２）の関係を満たす。
【００１７】
【数６】

ここで、ガス導入ノズル１０ａのコンダクタンスＣ_１及びガス導入路１０ｂのコンダクタンスＣ_２は、それぞれ以下の下記式（３）及び下記式（４）で表される。
【００１８】
【数７】

【００１９】
【数８】

ここで、Ａ_１：ガス進行方向と垂直な方向のガス導入ノズル１０ａの長径、
Ｂ_１：ガス進行方向と垂直な方向のガス導入ノズル１０ａの短径、
Ｌ_１：ガス進行方向のガス導入ノズル１０ａの長さ、
Ｐ_１：ガス導入ノズル１０ａ内の平均圧力、
Ｋ_１：ガス導入ノズル１０ａの形状因子、
Ａ_２：ガス進行方向と垂直な方向のガス導入路１０ｂの長径、
Ｂ_２：ガス進行方向と垂直な方向のガス導入路１０ｂの短径、
Ｌ_２：ガス進行方向のガス導入路１０ｂの長さ、
Ｐ_２：ガス導入路１０ｂ内の平均圧力、
Ｋ_２：ガス導入路１０ｂの形状因子である。
【００２０】
このように、ガス導入路１０ｂとガス導入ノズル１０ａとのコンダクタンスの比を、ガス導入路１０ｂに共通に接続されたガス導入ノズル１０ａの個数Ｘ以上にすることで、ガス導入ノズル１０ａから処理室８に均一にガスを供給することができる。よって、均一なガス供給により均一なプラズマを形成することができるので、均一な薄膜を形成することができる。なお、Ｋ_１、Ｋ_２は、ガス導入路１０ｂの形状により“０”から“１”の値をとる。
ガス導入ノズル１０ａとガス導入路１０ｂとのコンダクタンスの比を大きくすればすればするほど、均一にガスを供給することができるが、ガス導入部１０の動作圧力、ガス流量、物理的耐性等を考慮して設定するのが好ましい。
【００２１】
式（３）、式（４）の関係式は、上記の式に限定されるものではなく、流路の形状の違い等により適宜、適当な関係式を用いることができる。
［処理］
このプラズマ酸窒化装置では、例えば以下のように成膜の処理が行われる。
まず、ガス排出口６より排気を行って、処理室８内を所定の真空度にし、ガス導入口５、ガス導入路１０ｂ及びガス導入ノズル１０ａを介して処理室８内にガスを導入する。次に、マイクロ波発生器１より発生したマイクロ波を、導波管２を介して誘電体７に導入する。誘電体７は、導入されたマイクロ波を均一化し、処理室８内に導入する。導入されたマイクロ波により発生したプラズマは、ガス分子を励起・活性化させ化学種を生成し、試料１２の表面に薄膜を形成する。
＜第１実施例＞
以下の図４〜図６を参照し、第１実施形態例に係るプラズマ酸窒化装置について、第１実施例を挙げてより具体的に説明する。図４は第１実施例のプラズマ酸窒化装置の外観、図５は図４のＢ−Ｂ’を含む図中Ｘ軸に垂直な図４の装置の断面図、図６は図４に示すプラズマ酸窒化装置の要部の分解斜視図である。
［全体構成］
本実施例に係るプラズマ酸窒化装置は、矩形導波管２０、Ｈ面スロットアンテナ３０及び試料１２の処理面に沿う断面が矩形状のチャンバ（以下、矩形チャンバ）２５を有している。前記第１実施形態例と同様に、マイクロ波発生器１、ガス導入口５、ガス排出口６及びガス導入部１０が矩形チャンバ２５に設けられている。また、矩形チャンバ２５には、試料１２の処理面に沿う断面が矩形状の処理室（以下、矩形処理室）２５ｂ及び矩形処理室２５ｂを覆う、試料１２の処理面に沿う断面が矩形状のチャンバ蓋（以下、矩形チャンバ蓋）２５ａが設けられている。
【００２２】
矩形チャンバ蓋２５ａは、図６に示すように、上から順にそれぞれ、試料１２の処理面に沿う断面が矩形状のアンテナ誘電体（以下、矩形アンテナ誘電体）３４、スロット３６ａが設けられた、試料１２の処理面に沿う断面が矩形状のスロット板（以下、矩形スロット板）３６及び試料１２の処理面に沿う断面が矩形状の封止誘電体（以下、矩形封止誘電体）３８を有している。スロット板の材質としては、Ｃｕ、Ａｌ等の金属板が用いられる。矩形アンテナ誘電体３４上には、Ｈ面スロットアンテナ３０が載置されており、このＨ面スロットアンテナ３０により矩形導波管２０から矩形アンテナ誘電体３４にマイクロ波が導入される。Ｈ面スロットアンテナ３０は、上部３０ａ、側部３０ｂ及び底部３０ｃを有している。底部３０ｃつまりＨ面スロットアンテナ３０のＨ面には、図示しないスロットが形成されている。Ｈ面スロットアンテナ３０上部には矩形導波管２０が搭載されている。
【００２３】
ここで、矩形アンテナ誘電体３４は、その内部におけるマイクロ波の電界強度分布を、試料１２の処理面に沿う方向に概ね均一化するための誘電体である（以下、電界強度分布が概ね均一なマイクロ波を、均一なマイクロ波と称する。また、以下の“均一”とは“試料１２の処理面に沿う方向に概ね均一”をいうものとする）。
矩形アンテナ誘電体３４下部の矩形スロット板３６は、矩形アンテナ誘電体３４から導入されるマイクロ波の電界強度分布の均一性を、スロット３６ａにより保持したままあるいはさらに高める。矩形スロット板３６は、必ずしも試料１２の処理面に沿う断面が矩形状である必要はなく、矩形アンテナ誘電体３４、矩形封止誘電体３８及び矩形処理室２５ｂを覆う形状であれば良く、例えば、円形状であっても良い。
【００２４】
矩形封止誘電体３８は、矩形スロット板３６より導入されたマイクロ波の電界強度分布の均一性を保持したままあるいはさらに高め、矩形封止誘電体３８下方の矩形処理室２５ｂにプラズマを発生させるための電界を形成する。また、矩形封止誘電体３８は、真空状態の矩形処理室２５ｂを大気から隔離し、清浄空間に保つ。
［ガス導入部の構成］
次に、ガス導入部１０の構成を具体的に説明する。ガス導入部１０は、矩形処理室２５ｂに成膜ガス等のガスを供給するためにガス導入口５と接続され、ガス導入路１０ｂとガス導入路１０ｂに共通に設けられた８０個のガス導入ノズル１０ａとを有している。ガス導入部１０の分解斜視図は、図３と同様であり、ガス導入ノズル１０ａの形状は、Ａ_１＝５ｍｍ，Ｂ_１＝１ｍｍ，Ｌ_１＝１０ｍｍ、ガス導入路１０ｂの形状は、Ａ_２＝２０ｍｍ，Ｂ_２＝２０ｍｍ，Ｌ_２＝５００ｍｍに設定されている。このように設定すると、ガス導入ノズル１０ａにおけるマイクロ波の透過率Ｔは、前記式（１）より０．１９％となる。また、１〜１０００Ｔｏｒｒまでの圧力域において、コンダクタンス比（Ｃ_２／Ｃ_１）は１１０以上となる。そのため、実施例１に係るプラズマ発生装置は、透過率Ｔが１％より十分に小さく、ガス導入部１０へマイクロ波の進入をほぼ遮断して異常放電や膜の異常成長を低減している。また、コンダクタンス比が、ガス導入ノズル１０ａの個数８０個よりも十分に大きいので、処理室８に均一にガスを供給することができる。よって、均一な薄膜を形成することができる。
【００２５】
さらに、本実施例に係るプラズマ酸窒化装置は、試料１２の処理面に沿う面方向にマイクロ波を伝搬させる領域、すなわち矩形アンテナ誘電体３４及び矩形封止誘電体３８が矩形状を有しているので、マイクロ波の電界強度分布が試料の処理面に沿って全体として均一となる。その均一なマイクロ波により均一にプラズマが発生し、このプラズマにより励起・活性化されたガス分子によって均一な薄膜形成が可能となる。また、ガスの流量・組成比等のプロセス条件の変更やメンテナンス等によるプロセス条件の変化が生じても、マイクロ波が伝播する領域が矩形状であるためマイクロ波の電界強度分布が偏りにくい。よって、プロセスマージンを拡大することができる。
【００２６】
また、矩形アンテナ誘電体３４により電界強度分布が均一化されたマイクロ波が、矩形スロット板３６を介して均一に矩形封止誘電体３８に導入され、矩形封止誘電体３８によりさらに均一性が高められるので、マイクロ波の均一性を保持し易い。
［その他の実施形態例］
（Ａ）本発明は、シリコンプロセス以外の化合物、ＦＰＤ（ＦｌａｔＰａｎｅｌＤｉｓｐｌａｙ）プロセス等に適用可能である。
（Ｂ）前記実施例は、必要に応じて組み合わせて用いることができる。
【００２７】
【発明の効果】
本発明を用いれば、均一にガスを導入することができるプラズマ発生装置を提供することができる。
また、本発明を用いれば、異常放電や膜の異常成長の発生を防止することができるプラズマ発生装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１実施形態例に係るプラズマ酸窒化装置の外観図。
【図２】図１のＡ−Ａ’を含む試料の処理面に垂直な方向における図１の装置の断面図。
【図３】（ａ）図１に示すプラズマ酸窒化装置のガス導入部の内部構造の分解斜視図。
（ｂ）（ａ）のＸ−Ｘ’断面での断面図。
【図４】第１実施例のプラズマ酸窒化装置の外観図。
【図５】図４のＢ−Ｂ’を含む図中Ｘ軸に垂直な図４の装置の断面図。
【図６】図４に示すプラズマ酸窒化装置の要部の分解斜視図。
【符号の説明】
１マイクロ波発生器
２導波管
３同軸アンテナ
４チャンバ
５ガス導入口
６ガス排出口
７誘電体
８処理室
１０ガス導入部
１０ａガス導入ノズル
１０ｂガス導入路
１２試料
２０矩形導波管
２５矩形チャンバ
３０Ｈ面スロットアンテナ
３４矩形アンテナ誘電体
３６矩形スロット板
３８矩形封止誘電体

Claims

マイクロ波発生手段と、
前記マイクロ波発生手段に接続され、前記マイクロ波発生手段から発生したマイクロ波によりプラズマが発生する反応器と、
前記反応器にガスを供給するための導入路と、
前記反応器と前記導入路とを連結する少なくとも一つのノズルとを有し、
前記反応器から前記ノズルへのマイクロ波の透過率Ｔは、実質的に、下記式（１）を満たすプラズマ発生装置

ここで、Ｌ_１：前記ノズルのガス進行方向における長さ
Ａ_１：前記ノズルのガス進行方向と垂直な方向の長径
λ：前記反応器内のマイクロ波の波長。
前記ノズル内のガスのコンダクタンスＣ_１と前記導入路内のガスのコンダクタンスＣ_２との比が、下記式（２）を満たす請求項１に記載のプラズマ発生装置

ここで、Ｘ：前記導入路に連結される前記ノズルの個数。
前記透過率Ｔが１％以下である、請求項２に記載のプラズマ発生装置。
前記マイクロ波発生手段に接続され、前記試料の処理面に沿う断面が矩形状であり、前記マイクロ波発生手段から発生したマイクロ波の電界強度分布を、前記反応器内でプラズマ処理を施す試料の処理面に沿って概ね均一にする、第１誘電体と、
前記プラズマを用いて前記試料を処理する処理手段と、を有する請求項１に記載のプラズマ発生装置。
前記第１誘電体の下部に設けられ、少なくとも一つのスロットが形成されており、前記第１誘電体内のマイクロ波の電界強度分布の均一性を保持またはさらに高めるスロット板と、
前記スロット板と前記反応器との間に設けられ、前記スロット板から供給されるマイクロ波の電界強度分布の均一性を保持またはさらに高める、前記試料の処理面に沿う断面が矩形状の第２誘電体と、をさらに有する請求項４に記載のプラズマ発生装置。