JPH06275566A - マイクロ波プラズマ処理装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【構成】 マイクロ波導入窓１９下面との距離が２０〜
４５mmで、かつ試料台１５上面との距離が２５〜４５mm
の箇所に、複数個の孔１４ａを有する仕切り板１４が配
設されているマイクロ波プラズマ処理装置。 【効果】 プラズマ生成室１１におけるイオンの衝突頻
度が多くなり、仕切り板１４の孔１４ａを透過するイオ
ンの数が減少するため、試料Ｓへのダメージをなくすこ
とができるとともに、ラジカル等の中性粒子が高密度に
存在する領域に試料Ｓが保持されるため、試料Ｓに速く
処理を施すことができ、処理性能の向上を図ることがで
きる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はマイクロ波プラズマ処理
装置に関し、より詳細にはマイクロ波を導入することに
より発生させたプラズマを利用して、例えば半導体素子
基板等にエッチング処理、アッシング処理等を施す装置
として用いられるマイクロ波プラズマ処理装置に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】ＬＳＩの製造工程においては、反応ガス
に対して外部からエネルギーを与えた際に発生するプラ
ズマを用い、各種の処理を施すことが多く行われてい
る。特にプラズマを用いたドライエッチング技術は、Ｌ
ＳＩの製造工程において不可欠の技術になっている。

【０００３】一般にプラズマを生成させるための励起手
段には、マイクロ波を用いる場合とＲＦ（Radio Freque
ncy)を用いる場合とがある。マイクロ波を用いた場合、
ＲＦを用いた場合に比べてより低温で高密度のプラズマ
が得られるとともに、電極による汚染も少なく、装置の
構成及びその操作が簡単である等の利点がある。しかし
従来のマイクロ波を用いたプラズマ装置においては、プ
ラズマ発生領域の面積が狭く、またこのプラズマ発生領
域内で均一にプラズマを発生させることが難しく、した
がって大口径の半導体基板を均一に処理することが困難
であった。

【０００４】プラズマ発生領域の面積が広く、かつ均一
にマイクロ波プラズマを発生させることが可能な装置と
して、誘電体線路を用いた方式のものが知られている
（特開昭６２−５６００号公報及び特開昭６３−９９４
８１号公報）。図６は誘電体線路を用いた従来のマイク
ロ波プラズマ処理装置を模式的に示した断面図であり、
図中１０は反応器を示している。反応器１０はステンレ
ス鋼等の金属を用いて形成され、反応器１０の周囲壁１
０ａは二重構造となっており、その内部には冷却水通路
１８が形成され、冷却水通路１８の内側には水平断面形
状が略２９０×２９０mmを有するプラズマ生成室１１と
反応室１２とが形成されている。プラズマ生成室１１の
上部はマイクロ波導入窓１９により気密状態に封止され
ており、マイクロ波導入窓１９はマイクロ波の透過性を
有し、誘電損失が少なく、かつ耐熱性を有する石英ガラ
ス、アルミナ等の誘電体板を用いて形成されている。ま
た反応室１２には試料Ｓを載置するための試料台１５が
配設され、反応室１２の下部壁には排気装置（図示せ
ず）に接続された排気口１６が形成され、プラズマ生成
室１１の一側壁には反応器１０内に所要の反応ガスを供
給するためのガス供給管１７が接続されている。プラズ
マ生成室１１と反応室１２とは複数個の孔１３ａを有す
る仕切り板１３で仕切られており、仕切り板１３はマイ
クロ波導入窓１９の下面との距離Ｄが略７mmで、かつ試
料台１５との距離ｄが略６０mmの箇所に配設されてい
る。

【０００５】一方、反応器１０の上方には誘電体線路２
０が配設されており、誘電体線路２０における上部及び
側部にはアルミニウム等の金属板を用いて形成された枠
体２１が配設され、枠体２１の下面には誘電損失の小さ
いフッ素樹脂、ポリエチレンあるいはポリスチレン等を
用いて形成された誘電体層２２が貼着されている。また
誘電体線路２０には導波管２３を介してマイクロ波発振
器２４が連結されており、マイクロ発振器２４からのマ
イクロ波が導波管２３を介して誘電体線路２０に導入さ
れるようになっている。

【０００６】このように構成されたマイクロ波プラズマ
処理装置を用い、例えば試料台１５上に載置された試料
Ｓ表面にアッシング処理を施す場合、まず排気口１６か
ら排気を行ってプラズマ生成室１１及び反応室１２を所
要の真空度に設定した後、ガス供給管１７から反応ガス
を供給する。また冷却水を冷却水通路１８に循環させ、
プラズマ生成室１１及び反応室１２を所定の温度に保持
する。次いでマイクロ波発振器２４においてマイクロ波
を発振させ、このマイクロ波を導波管２３を介して誘電
体線路２０へ導入する。すると誘電体線路２０の下方に
電界が形成され、形成された電界がマイクロ波導入窓１
９を透過してプラズマ生成室１１に供給され、プラズマ
が生成される。生成されたプラズマ中における主にラジ
カル等の中性粒子が孔１３ａを透過して反応室１２の試
料Ｓ周辺に導かれ、試料Ｓ上のレジストをアッシングす
る。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】近年ＬＳＩ製造技術の
進歩に伴い、アッシング速度等の処理性能（以下、単に
処理性能と記す）が大きく、かつ高品質処理が可能なマ
イクロ波プラズマ処理装置が求められている。

【０００８】図７は上記した従来の装置において、マイ
クロ波導入窓１９下面と仕切り板１３との距離Ｄを７mm
に固定し、仕切り板１３と試料台１５上面との距離ｄを
６０mmから次第に短く設定した場合のアッシングレート
を示した曲線図である。この図から明らかなように上記
した従来のマイクロ波プラズマ処理装置においては、試
料台１５が仕切り板１３に近接して配設された場合、こ
れらが接近するほど処理性能を大きくすることが可能と
なる。しかし試料台１５が仕切り板１３に近接して配設
されると、イオンによるダメージが試料Ｓに生じ、した
がって高品質を維持しつつ処理性能を高めることが難し
いという課題があった。

【０００９】本発明はこのような課題に鑑みなされたも
のであり、高品質を維持しつつ処理性能をより一層向上
させることができるマイクロ波プラズマ処理装置を提供
することを目的としている。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明に係るマイクロ波プラズマ処理装置は、マイク
ロ波発振器と、マイクロ波を伝送する導波管と、該導波
管に接続された誘電体線路と、該誘電体線路に対向配置
されたマイクロ波導入窓を有する反応器と、該反応器内
に設けられた試料台とを備えたマイクロ波プラズマ処理
装置において、前記マイクロ波導入窓の下面との距離が
２０〜４５mmで、かつ前記試料台の上面との距離が２５
〜４５mmの箇所に、複数個の孔を有する仕切り板が配設
されていることを特徴としている。

【００１１】

【作用】本発明者等は、仕切り板とマイクロ波導入窓の
下面との距離（以下、プラズマ生成室高さと記す）Ｄ及
び前記仕切り板と試料台の上面との距離（以下、試料台
高さと記す）ｄを種々に変え、処理性能及びダメージの
関係について調査を行った。調査結果を表１に示す。

【００１２】

【表１】

【００１３】この結果から明らかなように、処理性能及
びダメージは前記プラズマ生成室高さＤ及び試料台高さ
ｄによる影響を受けており、前記した各距離の変化によ
り処理性能がより向上したり、あるいは試料Ｓがダメー
ジを受ける場合があることを突き止めた。例えば前記プ
ラズマ生成室高さＤが１７mmの場合、前記試料台高さｄ
が２０〜５０mmでは処理性能は従来のものに比べて優れ
るかまたは良好となるが、ダメージが発生することとな
り、前記試料台高さｄが６０mmではダメージが無くなる
が、処理性能は従来のものと略同一程度のままである。
また、例えば前記プラズマ生成室高さＤが４７mmの場
合、前記試料台高さｄが２０mmでは処理性能は従来のも
のに比べて優れたものとなるが、ダメージが発生するこ
ととなり、前記試料台高さｄが３０〜６０mmではダメー
ジが無くなるが、処理性能は従来のものに比べてやや良
好かまたは略同一の程度にしか改善されないこととな
る。そして表中二重線の枠で示すように、前記プラズマ
生成室高さＤが２０〜４５mm、前記試料台高さｄが２５
〜４５mmに設定された装置では、ダメージを防止し得る
とともに処理性能が大幅に向上することとなる。

【００１４】この原因については、前記プラズマ生成室
高さＤが２０〜４５mmに設定された場合、プラズマ中の
イオンの衝突頻度が多くなり、前記仕切り板の孔を透過
するイオンの数が減少するため、前記試料台と前記仕切
り板との距離ｄが２５mm未満以内に近接しない限り、イ
オンによる試料Ｓへのダメージがなくなるものと考えら
れる。他方、ラジカル等の中性粒子は減少することなく
前記仕切り板の孔を透過するため、前記試料台と前記仕
切り板との距離ｄが４５mmを超えて離れない限り、試料
Ｓに効率的なエッチングやアッシング処理が施されるも
のと考えられる。

【００１５】本発明に係るマイクロ波プラズマ処理装置
によれば、マイクロ波導入窓の下面との距離が２０〜４
５mmで、かつ試料台との距離が２５〜４５mmの箇所に、
複数個の孔を有する仕切り板が配設されているので、プ
ラズマ生成室におけるイオンの衝突頻度が多くなり、前
記仕切り板の孔を透過するイオンの数が減少するため、
試料Ｓへのダメージがなくなるとともに、ラジカル等の
中性粒子が高密度に存在する領域に試料Ｓが保持される
ため、試料Ｓに処理が速く施され、処理性能の向上を図
り得ることとなる。

【００１６】

【実施例及び比較例】以下、本発明に係るマイクロ波プ
ラズマ処理装置の実施例を図面に基づいて説明する。な
お、従来例と同一機能を有する構成部品には同一の符号
を付すこととする。

【００１７】図１は本発明に係るマイクロ波プラズマ処
理装置の実施例を模式的に示した断面図であり、図１に
示した装置の構成は仕切り板１４の配設位置を除いて図
６に示した従来のマイクロプラズマ処理装置と同様であ
るため、ここではその詳細な説明は省略し、従来のもの
と相違する箇所についてのみその構成を説明する。図中
１０は反応器を示しており、反応器１０における冷却水
通路１８の内側には水平断面形状が略２９０×２９０mm
を有するプラズマ生成室１１と反応室１２とが形成され
ている。プラズマ生成室１１の上部はマイクロ波導入窓
１９により気密状態に封止され、反応室１２には試料Ｓ
を載置するための試料台１５が配設されている。プラズ
マ生成室１１と反応室１２とは複数個の孔１４ａを有す
る仕切り板１４で仕切られており、仕切り板１４はマイ
クロ波導入窓１９下面との距離が２０〜４５mmで、かつ
試料台１５上面との距離が２５〜４５mmの箇所に配設さ
れている。

【００１８】このように構成されたマイクロ波プラズマ
処理装置を用い、試料Ｓにアッシング処理を施した場合
について説明する。実施例の装置におけるプラズマ生成
室高さＤ及び試料台高さｄを表２に示し、処理条件を表
３に示す。

【００１９】

【表２】

【００２０】

【表３】

【００２１】また比較例として、表４に示したプラズマ
生成室高さＤ及び試料台高さｄを有する装置を使用し
た。

【００２２】

【表４】

【００２３】図２は実施例及び比較例の装置を用いた場
合におけるアッシングレートを測定した結果を示した曲
線図であり、図中黒く塗りつぶした丸印は実施例の装置
の場合を示し、それ以外の印は比較例の装置の場合を示
している。この図から明らかなように、従来の装置にお
けるプラズマ生成室高さＤが７mm、試料台高さｄが６０
mmの場合に比べ、実施例に係る装置の場合、アッシング
レートを略１．６倍に速めることができた。

【００２４】次に実施例及び比較例の装置を用い、ＭＮ
ＯＳ（Metal Nitride Oxide Semiconductor)構造の試料
Ｓを処理・作製し、フラットバンドシフトによりダメー
ジ評価を行った。図３に示すように、ＭＮＯＳ構造の試
料Ｓはｐ形Ｓｉ基板３１表面に厚さが略３nmのＳｉＯ₂
膜３２が形成され、ＳｉＯ₂ 膜３２上に厚さが略４０nm
のＳｉ₃ Ｎ₄ 膜３３が形成され、Ｓｉ₃ Ｎ₄ 膜３３上に
厚さが略４００nmのポリＳｉ膜３４が形成されたものを
用いた。このフラットバンドシフトによるダメージ評価
は、デバイス製作時の処理工程におけるダメージ評価法
のひとつであり、処理中、価電子等により一定の電圧が
掛かかるか否かで評価を行う方法である。すなわち、電
圧が掛かかる場合にはデバイスの特性が変化し、誤動作
を引き起こす要因となるため、ダメージが生じていると
評価する。

【００２５】図４は実施例としてプラズマ生成室高さＤ
が２７mm、試料台高さｄが４０mmの装置を用い、また比
較例としてプラズマ生成室高さＤが７mm、試料台高さｄ
が４０mmの装置及びプラズマ生成室高さＤが１７mm、試
料台高さｄが４０mmの装置を用い、ＭＮＯＳ構造の試料
Ｓに処理を施した場合において、試料Ｓの直径Ｙ軸上に
おけるフラットバンド電圧ΔＶ_fbの分布を測定した結果
を示した曲線図である。この図から明らかなように、比
較例の装置の場合にはダメージが発生するが、実施例の
装置の場合、直径Ｙ軸上における全ての部位でフラット
バンド電圧ΔＶ_fbがゼロであり、ダメージは発生してい
なかった。

【００２６】このように実施例に係る装置及び比較例の
装置を用い、アッシング処理性能及びダメージ発生の有
無に関し、総括的にまとめた結果を上記した表１に示
す。

【００２７】これらの結果から明らかなように、実施例
に係るマイクロ波プラズマ処理装置では、マイクロ波導
入窓１９下面との距離が２０〜４５mmで、かつ試料台１
５上面との距離が２５〜４５mmの箇所に、複数個の孔１
４ａを有する仕切り板１４が配設されているので、プラ
ズマ生成室１１におけるイオンの衝突頻度が多くなり、
仕切り板１４の孔１４ａを透過するイオンの数が減少す
るため、試料Ｓへのダメージをなくすことができるとと
もに、ラジカル等の中性粒子が高密度に存在する領域に
試料Ｓが保持されるため、試料Ｓにアッシング処理を速
く施すことができ、アッシング処理性能の向上を図るこ
とができる。

【００２８】上記した実施例では試料Ｓにアッシング処
理を施した場合について説明したが、エッチング処理を
施す場合についても同様の効果を得ることができる。

【００２９】また、図５は別の実施例に係るマイクロ波
プラズマ処理装置を模式的に示した断面図であり、誘電
体線路及び導波管を除いて図１に示した装置と同様の装
置であるので、ここではその詳細な説明を省略し、図１
に示したものと相違する箇所についてのみその構成を説
明する。図中１０は反応器を示しており、反応器１０の
上方にはアルミニウム等の金属板を用いて形成された枠
体４１が配設されており、枠体４１上面には垂直方向に
導波管４３が接続されている。さらに導波管４３にはマ
イクロ波発振器２４が連結されており、マイクロ発振器
２４からのマイクロ波が導波管４３を介してプラズマ生
成室１１に導入されるようになっている。また反応器１
０における冷却水通路１８の内側には、水平断面形状が
略２９０×２９０mmのプラズマ生成室１１と反応室１２
とが形成されており、プラズマ生成室１１と反応室１２
とは複数個の孔１４ａを有する仕切り板１４で仕切られ
ている。

【００３０】このように構成されたマイクロ波プラズマ
処理装置においても、マイクロ波導入窓１９の下面との
距離が２０〜４５mmで、かつ試料台１５との距離が２５
〜４５mmの箇所に仕切り板１４を配設することが望まし
く、上記実施例の装置の場合と略同様の効果を得ること
ができる。

【００３１】

【発明の効果】以上詳述したように本発明に係るマイク
ロ波プラズマ処理装置にあっては、マイクロ波導入窓の
下面との距離が２０〜４５mmで、かつ試料台の上面との
距離が２５〜４５mmの箇所に、複数個の孔を有する仕切
り板が配設されているので、プラズマ生成室におけるイ
オンの衝突頻度が多くなり、前記仕切り板の孔を透過す
るイオンの数が減少するため、試料Ｓへのダメージをな
くすことができるとともに、ラジカル等の中性粒子が高
密度に存在する領域に試料Ｓが保持されるため、試料Ｓ
に速く処理を施すことができ、処理性能の向上を図るこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係るマイクロ波プラズマ処理装置の実
施例を模式的に示した断面図である。

【図２】実施例及び比較例の装置を用いた場合における
アッシングレートを測定した結果を示した曲線図であ
り、図中黒く塗りつぶした丸印は実施例の装置の場合を
示し、それ以外の印は比較例の装置の場合を示してい
る。

【図３】フラットバンドシフトによるダメージ評価に用
いられるＭＮＯＳ構造の試料Ｓを、模式的に示した断面
図である。

【図４】実施例及び比較例の装置を用い、ＭＮＯＳ構造
の試料Ｓに処理を施した場合、試料Ｓの直径Ｙ軸上にお
けるフラットバンド電圧ΔＶ_fbの分布を測定した結果を
示した曲線図である。

【図５】別の実施例に係るマイクロ波プラズマ処理装置
を模式的に示した断面図である。

【図６】誘電体線路を用いた従来のマイクロ波プラズマ
処理装置を模式的に示した断面図である。

【図７】従来の装置において、マイクロ波導入窓の下面
と仕切り板との距離Ｄを７mm一定とし、仕切り板と試料
台上面との距離ｄを６０mmから次第に短く設定した場合
のアッシングレートを示した曲線図である。

【符号の説明】

１０ 反応器 １４ 仕切り板 １４ａ 孔 １５ 試料台 １９ マイクロ波導入窓 ２０ 誘電体線路 ２３ 導波管 ２４ マイクロ波発振器

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 マイクロ波発振器と、マイクロ波を伝送
   する導波管と、該導波管に接続された誘電体線路と、該
   誘電体線路に対向配置されたマイクロ波導入窓を有する
   反応器と、該反応器内に設けられた試料台とを備えたマ
   イクロ波プラズマ処理装置において、前記マイクロ波導
   入窓の下面との距離が２０〜４５mmで、かつ前記試料台
   の上面との距離が２５〜４５mmの箇所に、複数個の孔を
   有する仕切り板が配設されていることを特徴とするマイ
   クロ波プラズマ処理装置。