特許 5931063 プラズマ処理装置及びプラズマ処理方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】5931063

(24)【登録日】2016年5月13日

(45)【発行日】2016年6月8日

(54)【発明の名称】プラズマ処理装置及びプラズマ処理方法

(51)【国際特許分類】

   H01L 21/3065 20060101AFI20160526BHJP

   H01L 21/31 20060101ALI20160526BHJP

   C23C 16/511 20060101ALI20160526BHJP

   H05H 1/46 20060101ALI20160526BHJP

【ＦＩ】

   H01L21/302 101G

   H01L21/302 101D

   H01L21/31 C

   C23C16/511

   H05H1/46 B

【請求項の数】16

【全頁数】17

(21)【出願番号】特願2013-522022(P2013-522022)

(86)(22)【出願日】2011年11月16日

(65)【公表番号】特表2014-501027(P2014-501027A)

(43)【公表日】2014年1月16日

(86)【国際出願番号】JP2011006391

(87)【国際公開番号】WO2012066779

(87)【国際公開日】20120524

【審査請求日】2014年11月14日

(31)【優先権主張番号】61/458,153

(32)【優先日】2010年11月17日

(33)【優先権主張国】US

(73)【特許権者】

【識別番号】000219967

【氏名又は名称】東京エレクトロン株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100088155

【弁理士】

【氏名又は名称】長谷川 芳樹

(74)【代理人】

【識別番号】100113435

【弁理士】

【氏名又は名称】黒木 義樹

(74)【代理人】

【識別番号】100122507

【弁理士】

【氏名又は名称】柏岡 潤二

(72)【発明者】

【氏名】野沢 俊久

(72)【発明者】

【氏名】デン サイチュウ

(72)【発明者】

【氏名】佐々木 勝

(72)【発明者】

【氏名】三原 直輝

(72)【発明者】

【氏名】松本 直樹

(72)【発明者】

【氏名】茂山 和基

(72)【発明者】

【氏名】吉川 潤

【審査官】 溝本 安展

(56)【参考文献】

【文献】 特開平０４−３４６２２６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０９−１１５８８０（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｌ ２１／３０６５

Ｃ２３Ｃ １６／５１１

Ｈ０１Ｌ ２１／３１

Ｈ０５Ｈ １／４６

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

基板を載置するための載置台を備える処理容器と、
第１のガスの導入口を介して前記処理容器内に第１のガスを供給するように構成された第１のガス供給ユニットと、
前記第１のガスの導入口を介して供給された前記第１のガスの少なくとも一部を第１のプラズマへと転化させるように構成された第１のプラズマ発生ユニットと、
第２のガスの導入口を介して前記処理容器内に第２のガスを供給するように構成された第２のガス供給ユニットと、
前記第２のガスの導入口を介して供給された前記第２のガスの少なくとも一部を第２のプラズマへと転化させるように構成された第２のプラズマ発生ユニットと、
を具備し、
前記第２のプラズマは、前記第１のプラズマとは別個に前記第２のプラズマ発生ユニットを用いて生成されるプラズマであり、
前記載置台からの前記第２のガスの導入口の高さが、前記載置台からの前記第１のガスの導入口の高さよりも低く、
前記第１のガスの導入口は、前記載置台に対して垂直上方において前記処理容器の上側部分に位置し、前記載置台に向けて開口しており、前記第１のプラズマ発生ユニットによって生成される前記第１のプラズマを、前記載置台に対して垂直な方向に拡散するよう構成されており、
前記第２のガスの導入口は、前記処理容器の側壁部に位置し、前記処理容器の内方側に向けて開口しており、前記第２のプラズマ発生ユニットによって生成される前記第２のプラズマを、前記載置台に平行な方向に拡散するよう構成されている、
プラズマ処理装置。

【請求項2】

前記第２のプラズマ発生ユニットは、前記第２のガスが前記処理容器内に進入した直後に、前記第２のガスの少なくとも一部を前記第２のプラズマへと転化させる、請求項１に記載の装置。

【請求項3】

前記第１のプラズマ発生ユニット及び前記第２のプラズマ発生ユニットが、互いに分離している、請求項１に記載の装置。

【請求項4】

前記第１のプラズマ発生ユニットが、第１のマイクロ波を発生するように構成された第１の機構を備え、前記第２のプラズマ発生ユニットが、第２のマイクロ波を発生するように構成された第２の機構を備え、前記第１のマイクロ波及び前記第２のマイクロ波の周波数が、互いに異なる、請求項１に記載の装置。

【請求項5】

前記第１のガス及び前記第２のガスの量比を調節するための制御装置を更に備える、請求項１に記載の装置。

【請求項6】

前記第１のガスが、臭化水素を含有する、請求項１に記載の装置。

【請求項7】

前記第２のプラズマ発生ユニットが、
マイクロ波を発生するように構成された機構と、
前記マイクロ波の偏波特性を変更するように構成された部材と、
を備える、請求項１に記載の装置。

【請求項8】

前記部材が、
第１の誘電体窓及び第２の誘電体窓と、
複数のスロットを備え、前記第１の誘電体窓と前記第２の誘電体窓との間に位置する導体と、
を具備する、請求項７に記載の装置。

【請求項9】

前記第２のプラズマ発生ユニットが、誘導結合プラズマを発生するように構成されたコイルを備える、請求項１に記載の装置。

【請求項10】

前記第２のガスが、異なる解離定数を有する少なくとも２つのガスを含有する、請求項１に記載の装置。

【請求項11】

基板を載置するための載置台を備える処理容器内において実施されるプラズマ処理方法であって、
第１のガスの導入口から前記処理容器内に第１のガスを供給する工程と、
第１のプラズマ発生ユニットを用いて、前記第１のガスの少なくとも一部を第１のプラズマへと転化させる工程と、
第２のガスの導入口から前記処理容器内に第２のガスを供給する工程と、
前記第２のガスの少なくとも一部を第２のプラズマへと転化させる工程と、
を含み、
前記第２のプラズマは、前記第１のプラズマとは別個に第２のプラズマ発生ユニットを用いて生成されるプラズマであり、
前記載置台からの前記第２のガスの導入口の高さが、前記載置台からの前記第１のガスの導入口の高さよりも低く、
前記第１のガスの導入口は、前記載置台に対して垂直上方において前記処理容器の上側部分に位置し、前記載置台に向けて開口しており、前記第１のプラズマ発生ユニットによって生成される前記第１のプラズマを、前記載置台に対して垂直な方向に拡散するよう構成されており、
前記第２のガスの導入口は、前記処理容器の側壁部に位置し、前記処理容器の内方側に向けて開口しており、前記第２のプラズマ発生ユニットによって生成される前記第２のプラズマを、前記載置台に平行な方向に拡散するよう構成されている、
方法。

【請求項12】

前記第２のガスの少なくとも一部は、前記第２のガスが前記処理容器内に進入した直後に、前記第２のプラズマへと転化される、請求項１１に記載の方法。

【請求項13】

前記第１のガスが、臭化水素を含有する、請求項１１に記載の方法。

【請求項14】

前記第２のガスが、プラズマ発生ユニットにより転化され、前記ユニットが、
マイクロ波を発生するように構成された機構と、
前記マイクロ波の偏波特性を変更するように構成された部材と、
を備える、請求項１１に記載の方法。

【請求項15】

前記第２のガスが、プラズマ発生ユニットにより転化され、前記ユニットが、誘導結合プラズマを発生するように構成されたコイルを備える、請求項１１に記載の方法。

【請求項16】

前記第２のガスが、異なる解離定数を有する少なくとも２つのガスを含有する、請求項１１に記載の方法。

【発明の詳細な説明】

【相互参照】

【0001】

[0001]本出願は、２０１０年１１月１７日に出願された米国特許仮出願第６１／４５８，１５３号の優先権を主張するものであり、同仮出願の内容を、その全体において参照することにより本明細書に援用するものである。

【技術分野】

【0002】

[0002]本発明は、プラズマ処理装置及びプラズマ処理方法に関するものである。

【背景技術】

【0003】

[0003]ＬＳＩ（Ｌａｒｇｅ Ｓｃａｌｅ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｃｉｒｃｕｉｔ：大規模集積回路）及びＭＯＳ（Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ：金属酸化物半導体）等の半導体素子は、半導体ウエハ及びガラス基板等の基板に対して、エッチング、ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：化学気相成長）、及びスパッタリング等の処理を施すことにより製造される。ここで、プラズマは、かかる処理のためのエネルギー源として使用し得る。かかるプラズマ処理の例には、プラズマエッチング、プラズマＣＶＤ、プラズマＡＬＤ、プラズマスパッタリング、プラズマドーピングが含まれる。

【0004】

[0004]半導体素子の製造においては、基板を面内均一に処理することが求められている。しかし、かかる均一性を妨げる多数の偏りが存在する。これらの偏りは、装置の機差又は装置内におけるプラズマ分布の非均一性に起因し得る。

【発明の概要】

【0005】

[0005]本発明の一態様によれば、プラズマ処理装置が提供される。この装置は、基板を載置するための載置台を備える処理容器と、処理容器内に第１のガスを供給するように構成された第１のガス供給ユニットと、第１のガスの少なくとも一部を第１のプラズマへと転化させるように構成された第１のプラズマ発生ユニットと、処理容器内に第２のガスを供給するように構成された第２のガス供給ユニットと、第２のガスの少なくとも一部を第２のプラズマへと転化させるように構成された第２のプラズマ発生ユニットと、を具備する。この装置においては、載置台からの第２のガスの導入口の高さは、載置台からの第１のガスの導入口の高さよりも低い。

【0006】

[0006]本発明の第２の態様によれば、プラズマ処理装置が提供される。この装置は、基板を載置するための載置台を備える処理容器と、処理容器内に第１のガスを供給するように構成された第１のガス供給ユニットであって、その第１のガスの導入口が処理容器の上側部分に位置する、該第１のガス供給ユニットと、第１のガスの少なくとも一部を第１のプラズマへと転化させるように構成された第１のプラズマ発生ユニットと、処理容器内に第２のガスを供給するように構成された第２のガス供給ユニットであって、その第２のガスの導入口が処理容器の側壁部に位置する、該第２のガス供給ユニットと、第２のガスの少なくとも一部を第２のプラズマへと転化させるように構成された第２のプラズマ発生ユニットと、を具備する。

【0007】

[0007]本発明の第３の態様によれば、プラズマ処理方法が提供される。この処理は、基板を載置するための載置台を備える処理容器内において実施される。この方法は、第１の導入口から処理容器内に第１のガスを供給するステップと、第１のガスの少なくとも一部を第１のプラズマへと転化させるステップと、第２の導入口から処理容器内に第２のガスを供給するステップと、第２のガスの少なくとも一部を第２のプラズマへと転化させるステップとを含む。この方法においては、載置台からの第２の導入口の高さは、載置台からの第１の導入口の高さよりも低い。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】[0008] 本発明の一実施形態に係るプラズマ処理装置の一例の断面図である。

【図2】図１に示す装置のスロットアンテナ板の概略図である。

【図3】本発明の一実施形態に係るプラズマ処理装置の一変形例の断面図である。

【図4】本発明の一実施形態に係るプラズマ処理装置の一変形例の断面図である。

【図5】本発明の一実施形態に係るプラズマ処理装置の一変形例の断面図である。

【図6A】本発明の別の実施形態に係るプラズマ処理装置の一例の断面図である。

【図6B】図６Ａに示す装置の第２のガス供給ユニットの概略図である。

【図7A】本発明の別の実施形態に係るプラズマ処理装置の一例の断面図である。

【図7B】図７Ａに示す装置の載置台の概略図である。

【図8】本発明の別の実施形態に係るプラズマ処理装置の一例の断面図である。

【図9】本発明の別の実施形態に係るプラズマ処理装置の一例の断面図である。

【図10】本発明の別の実施形態に係るプラズマ処理装置の一例の断面図である。

【図11】酸素ガス濃度と酸化速度又は酸素発光との間の関係の一例を示すグラフである。

【発明の詳細な説明】

【0009】

[0009]以下、本発明の好ましい例示的な実施形態を示す添付の図面を参照として、本発明の実施形態を説明する。以下の説明は、本開示の範囲、適用性、又は構成を限定するように意図されていない。むしろ、好ましい例示的な実施形態の以下の説明は、本開示の好ましい例示的な実施形態の実装を可能にするための説明を当業者に与えるものである。本発明は、添付の特許請求の範囲に記載される本発明の趣旨及び範囲から逸脱することなく、異なる形態において具現化し得る点に留意されたい。

【0010】

[0010]図１は、本発明の一実施形態に係るプラズマ処理装置の一例の断面図を示している。装置２０１は、処理容器１２と、処理容器１２内に第１のガス流Ｆ_１を供給するように構成された第１のガス供給ユニット６１と、第１のマイクロ波発生器１５Ａを備える第１のプラズマ発生ユニットと、処理容器１２内に第２のガス流Ｆ_２を供給するように構成された第２のガス供給ユニット２０２と、第２のマイクロ波発生器１５Ｂを備える第２のプラズマ発生ユニットと、を具備する。処理容器１２は、基板Ｗを載置するための載置台１４を備える。第１のガスの導入口６６Ａ及び第２のガスの導入口６６Ｂは、載置台１４からの高さが異なる。より具体的には、載置台１４からの第２のガスの導入口６６Ｂの高さは、載置台１４からの第１のガスの導入口６６Ａの高さよりも低い。図１に示す装置２０１においては、第１のガスの導入口６６Ａは、処理容器１２の上側部分に位置し、第２のガスの導入口６６Ｂは、処理容器１２の側壁部に位置する。

【0011】

[0011]装置２０１は、処理容器１２の内部の排気を行うための排気装置３６を備える。また、排気装置３６は、処理容器１２内の圧力を所望の圧力へと調節するための圧力調節手段として機能する。載置台１４においては、ＲＦ（ｒａｄｉｏ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ：高周波）バイアス用の高周波電源３７が、マッチングユニット３８を介して載置台１４の電極に電気的に接続されている。バイアス電源手段としての高周波電源３７は、基板Ｗに引き込むイオンのエネルギーを制御するのに適した一定の周波数、例えば１３．５６ＭＨｚの高周波を出力する。この周波数は、所定のパワーで出力され、載置台１４に供給される。マッチングユニット３８は、高周波電源３７のインピーダンスと負荷側のインピーダンスとの整合をとるためのインピーダンス整合ボックスを収容している。この負荷側には、電極、プラズマ、処理容器１２、等が主に含まれる。このインピーダンス整合ボックスの内部には、自己バイアス生成用のブロッキングコンデンサが含まれる。また、図示しないが、基板Ｗを支持するための支持機構、及び温度を調整するための温度調節機構を設けることが可能である。

【0012】

[0012]第１のガス供給ユニット６１は、第１のガスの導入口６６Ａを備えており、第１のガスが第１のガスの導入口６６Ａを通って基板Ｗに向かって供給される。第２のガス供給ユニット２０２は、円形中空部材を備え、第２のガスの導入口６６Ｂを備えており、第２のガスが第２のガスの導入口６６Ｂを通って、径方向において処理容器１２の内方側に向かって供給される。第１のガス供給ユニット６１及び第２のガス供給ユニット２０２はそれぞれ、処理容器１２の外部から処理容器１２の内部にプラズマ処理用のガス等のガスを供給する。

【0013】

[0013]第１のプラズマ発生ユニットは、第１のガスの少なくとも一部を第１のプラズマへと転化させるように構成されている。第１のプラズマ発生ユニットは、第１のマイクロ波を発生するように構成された第１のマイクロ波発生器１５Ａと、第１のマイクロ波の偏波特性を変更するように構成された部材と、を備えている。この部材は、第１の誘電体板２８Ａ、第１の誘電体窓１６Ａ、及び第１の誘電体板２８Ａと第１の誘電体窓１６Ａとの間に位置する第１のスロットアンテナ板３０Ａを備えている。

【0014】

[0014]先述のように、第１のマイクロ波発生器１５Ａは、第１のマイクロ波を発生するように構成されている。第１のマイクロ波発生器１５Ａにより発生される第１のマイクロ波は、第１の導波管２３Ａ及び第１の同軸導波管２４Ａを通って導かれ、第１の誘電体板２８Ａに到達する。第１の誘電体板２８Ａに伝播された第１のマイクロ波は、第１のスロットアンテナ板３０Ａに設けられた複数のスロットを通過する。これらのスロットから放射された第１のマイクロ波は、第１の誘電体窓１６Ａに伝播する。第１の誘電体窓１６Ａを通過した第１のマイクロ波は、第１の誘電体窓１６Ａの直下に電界を生じさせ、第１のガスの少なくとも一部を第１のプラズマへと転化させる。第１の誘電体窓１６Ａの直下において生じた第１のプラズマは、第１の誘電体窓１６Ａから離れる方向、すなわち載置台１４の方向に拡散し続ける。

【0015】

[0015]図２は、図１に示す装置のスロットアンテナ板の概略図を示している。図２に示すスロットアンテナ板３０Ａは、導体から作製されるものであり、薄い円盤形状をなしている。板厚方向に貫通する複数のスロットが、スロットアンテナ板３０に設けられる。各スロットは、ある方向に細長い第１の長尺スロット４１と、第１の長尺スロット４１に対して垂直な第２の長尺スロット４２とが、互いに隣接し、対を形成するように、構成されている。具体的には、これらのスロットは、隣接し合う２つのスロットが対を成しＴ字状となるように、配置される。このように設けられたスロット対４３は、内周側に配置された内周側スロット群４４と、外周側に配置された外周側スロット群４５とに大別される。内周側スロット群４４においては、７対のスロット対４３がそれぞれ、周方向に等間隔で配置されている。外周側スロット群４５においては、２８対のスロット対４３がそれぞれ、周方向に等間隔で配置されている。また、貫通孔４６が、スロットアンテナ板３０の径方向の中央に設けられている。スロットアンテナ板３０は、中心４７を中心とした回転対称性を有する。スロットアンテナ板３０に設けられるスロットの構成は、任意であり、図２に示すものと異なることが可能である点に留意されたい。

【0016】

[0016]第１の誘電体窓１６Ａは、所定の板厚を有する略円形の板である。第１の誘電体窓１６Ａは、誘電体材料から構成されている。この誘電体材料としては、シリカ、石英、窒化アルミニウム、及びアルミナを例に挙げることが可能である。第１の誘電体窓１６Ａは、環状部材２１７の上に取り付けるように、装置２０１に対して気密的に封止固定される。第１の誘電体窓１６Ａは、板厚方向においてテーパ状の窪みを有する凹部２７を有する。その結果、様々なプラズマ条件に応じて、第１の誘電体窓１６Ａの下方領域におけるプラズマの高い安定性を確保することが可能となる。

【0017】

[0017]同様に、第２のプラズマ発生ユニットは、第２のガスの少なくとも一部を第２のプラズマへと転化させるように構成されている。第２のプラズマ発生ユニットは、第２のマイクロ波を発生するように構成された第２のマイクロ波発生器１５Ｂと、第２のマイクロ波の偏波特性を変更するように構成された部材とを備えている。この部材は、第２の誘電体板２８Ｂ、第２の誘電体窓１６Ｂ、及び第２の誘電体板２８Ｂと第２の誘電体窓１６Ｂとの間に位置する第２のスロットアンテナ板３０Ｂを備える。第２の誘電体板２８Ｂ及び第２の誘電体窓１６Ｂは、処理容器１２の側壁部を囲むリング形状を有し得る。第２のスロットアンテナ板３０Ｂは、複数のスロット孔を備える導体であってもよい。これらのスロット孔は、第２のスロットアンテナ板３０Ｂに部分的に又はその全体に設けられてもよい。

【0018】

[0018]第２のマイクロ波発生器１５Ｂは、第２のマイクロ波を発生するように構成されている。第２のマイクロ波発生器１５Ｂにより発生された第２のマイクロ波は、第２の導波管２３Ｂ及び第２の同軸導波管２４Ｂを通って導かれ、第２の誘電体板２８Ｂに到達する。第２の誘電体板２８Ｂに伝播された第２のマイクロ波は、第２のスロットアンテナ板３０Ｂに設けられた複数のスロットを通過する。これらのスロットから放射された第２のマイクロ波は、第２の誘電体窓１６Ｂに伝播する。第２の誘電体窓１６Ｂを通過した第２のマイクロ波は、第２の誘電体窓１６Ｂの直脇に電界を生じさせ、第２のガスの少なくとも一部を第２のプラズマへと転化させる。第２の誘電体窓１６Ｂの直脇において生じた第２のプラズマは、第２の誘電体窓１６Ｂから離れる方向に拡散し、次いで重力の作用により、第１のプラズマと共に載置台１４の方向に拡散する。

【0019】

[0019]上述のように生じた第１のプラズマ及び第２のプラズマは、基板Ｗに対して協働的に作用する。したがって、基板１４には、プラズマエッチング、プラズマＣＶＤ、プラズマスパッタリング、等々のプラズマ処理が施される。先述のように、載置台１４からの第２のガスの導入口６６Ｂの高さは、載置台１４からの第１のガスの導入口６６Ａの高さよりも低い。したがって、第２のプラズマが発生する領域の高さは、第１のプラズマが発生する領域の高さよりも低い。本発明者らは、第１プラズマの電子温度が、載置台１４に接近するにつれて、特に載置台１４の外周部に対応する領域において、より低くなることを発見した。装置内におけるプラズマ分布のかかる非均一性は、基板の面内均一処理を妨げる一因となり得る。この知見から、本発明者らは、第１のプラズマを発生するためのユニットの下方に第２のプラズマを発生するためのユニットを導入することにより、プラズマ密度分布を補償することが可能となるという着想を抱いた。実際に、かかる構成の使用は、基板のプラズマ処理の面内均一性の改善に対して有意な効果を有することが判明している。

【0020】

[0020]装置２０１においては、プラズマ処理の面内均一性は、第１のプラズマ発生ユニットのパワー、第２のプラズマ発生ユニットのパワー、第１のガスの量、及び第２のガスの量の中の少なくとも１つを制御することにより調節することが可能である。例えば、装置２０１は、第１のプラズマ発生ユニット及び第２のプラズマ発生ユニットのパワー比を調節するための制御装置を更に備えていてもよい。別個に、又は追加的に、装置２０１は、第１のガス及び第２のガスの量比を調節するための制御装置を更に備えてもよい。これらの制御装置は、プラズマ処理の面内均一性のより精密な調節を可能とし得る。

【0021】

[0021]好ましくは、処理容器１２の内側に対面する第２のプラズマ発生ユニットの境界面は、第２のガスの導入口６６Ｂの付近に位置する。図１に示す装置２０１においては、例えば、この境界面は、第２のガスの導入口６６Ｂの直上に位置する。かかる構成の使用により、第２のプラズマ発生ユニットは、第２のガスが処理容器１２に進入した直後に、第２のガスの少なくとも一部を第２のプラズマへと転化させることが可能となる。第２のガスが第２のプラズマへと即座に転化されることにより、プラズマ処理の面内均一性をより精密に制御することが可能となる。

【0022】

[0022]第１のガス及び第２のガスに関しては、プラズマへと転化され得るあらゆる種類のガスを使用することができる。したがって、アルゴン（Ａｒ）、クリプトン（Ｋｒ）、臭化水素（ＨＢｒ）、アンモニア（ＮＨ_３）、窒素（Ｎ_２）、トリフルオロメタン（ＣＨＦ_３）、フッ化炭素（Ｃ_ｘＦ_ｙ）、及びそれらの組合せを例として挙げることが可能である。第１のガスの種類及び第２のガスの種類は、同一であってもよく、又は互いに異なるものであってもよい点に留意されたい。

【0023】

[0023]本発明者らは、第１のガスが臭化水素（ＨＢｒ）を含有し、第２のガスが使用されない場合には、プラズマ処理の面内均一性が比較的低いものとなることを発見した。したがって、第１のガスが、臭化水素（ＨＢｒ）を含有する場合には、装置２０１において第２のプラズマにより第１のプラズマを補償することが、特に有効である。

【0024】

[0024]また、本発明者らは、アンモニア（ＮＨ_３）、窒素（Ｎ_２）、及びトリフルオロメタン（ＣＨＦ_３）等のガスの解離には、臭化水素のようなガスの場合に比べてより高いエネルギーが必要となることを発見した。装置２０１においては、第２のガスの導入口６６Ｂ付近の電子温度は、第２のプラズマ発生ユニットの存在に起因して高温となる。したがって、プラズマ処理の面内均一性は、アンモニア（ＮＨ_３）、窒素（Ｎ_２）、及びトリフルオロメタン（ＣＨＦ_３）等のガスが第２のガスとして使用される場合であっても、容易に実現することが可能となる。

【0025】

[0025]さらに、プラズマ処理の面内均一性は、解離定数が異なる２つ以上のガスを第２のガスとして使用することによって改善することが可能である。解離定数の異なる２つ以上のガスの混合気の使用により、処理容器１２における第２のプラズマの分布をより精密に制御することが可能となる。例えば、アンモニア（ＮＨ_３）は、１ｅＶにて１×１０^−１３ｃｍ^２／ｓを上回る高い解離定数を有する。他方において、窒素（Ｎ_２）及びトリフルオロメタン（ＣＨＦ_３）は、共に１ｅＶにて１×１０^−１４ｃｍ^２／ｓ未満のより低い解離定数を有する。高い解離定数を有するガス及び低い解離定数を有するガスを含有する２つ以上のガスの混合気を第２のガスとして使用することにより、並びに、それらのガスの量比を制御することにより、第２のプラズマの解離のより精密な制御を実現することが可能となる。

【0026】

[0026]図１に示す装置２０１においては、同軸導波管が、マイクロ波を供給するために使用される。しかし、円形導波管又は矩形導波管等々の他の導波管を使用してもよい。

【0027】

[0027]図１に示す装置２０１におけるように、好ましくは、第１のプラズマ発生ユニット及び第２のプラズマ発生ユニットは、互いに分離されている。かかる構成を使用することにより、マイクロ波の干渉及び共振を低減することができる。

【0028】

[0028]図１に示す装置２０１においては、好ましくは、第１のマイクロ波の周波数及び第２のマイクロ波の周波数は、相互に異なる。かかる設定を使用することにより、マイクロ波の干渉及び共振を低減することができる。これら２つの周波数の差は、例えば周波数がより高いものを基準として２〜３％等に設定されてもよい。

【0029】

[0029]図１に示す装置２０１においては、第２の誘電体板２８Ｂは、第２の誘電体窓１６Ｂの上部に設けられる。しかし、第２の誘電体板２８Ｂ及び第２の誘電体窓１６Ｂの位置的な関係は、任意である。

【0030】

[0030]図３は、本発明の一実施形態に係るプラズマ処理装置の一変形例の断面図を示している。図３に示す装置２０１においては、第２の誘電体板２８Ｂは、第２の誘電体窓１６Ｂに対して水平に設けられている。かかる構成によっても、プラズマ処理の面内均一性を改善することがやはり可能となる。図には示さないが、第２の誘電体板２８Ｂは、第２の誘電体窓１６Ｂの下方に設けることも可能である。

【0031】

[0031]図１及び図３に示す装置２０１においては、第１のプラズマ発生ユニット及び第２のプラズマ発生ユニットは共に、マイクロ波発生器を備えている。しかしながら、これらのユニットが双方共に、マイクロ波発生器を使用することによってプラズマを発生する必要はない。例えば、これらのユニットの少なくとも一方が、誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）を発生するように構成されたコイルといったように、マイクロ波発生器以外の別の機構を使用することによりプラズマを発生してもよい。

【0032】

[0032]図４は、本発明の一実施形態に係るプラズマ処理装置の一変形例の断面図を示している。図４に示す装置２０１においては、第２のプラズマ発生ユニットは、それを介して第２のガスが供給されるガス管３０１と、ガス管３０１の外側に配置されたコイル３００と、を備えている。コイル３００は、誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）機構により第２のガスの少なくとも一部を第２のプラズマへと転化させるための磁界を生成するように構成されている。かかる構成によっても、プラズマ処理の面内均一性を改善することが可能である。

【0033】

[0033]装置２０１は、プラズマ処理の面内均一性又は任意の他の特性を改善することが可能な追加の部品を更に備えていてもよい。図５は、本発明の一実施形態に係るプラズマ処理装置の一変形例の断面図を示している。図５に示す装置２０１は、第２のプラズマ発生ユニット内に傾斜部品２１０を更に備える点を除けば、図１に示す装置２０１と同一である。この傾斜部品２１０により、第２のマイクロ波によって生じた電界を第２のガスとより容易に相互作用させることを可能とすることによって、第２のガスの少なくとも一部を第２のプラズマへと転化させることをより容易とする。

【0034】

[0034]本発明の一実施形態に係るプラズマ処理方法は、典型的には装置２０１を使用する。この方法は、第１の導入口から処理容器内に第１のガスを供給するステップと、第１のガスの少なくとも一部を第１のプラズマへと転化させるステップと、第２の導入口から処理容器内に第２のガスを供給するステップと、第２のガスの少なくとも一部を第２のプラズマへと転化させるステップと、を含む。ここで、載置台からの第２の導入口の高さは、載置台からの第１の導入口の高さよりも低い。

【0035】

[0035]この方法により実現されるプラズマ処理の例には、プラズマエッチング、プラズマＣＶＤ、プラズマＡＬＤ、プラズマスパッタリング、及びプラズマドーピングが含まれる。この方法は、プラズマエッチングに特に有用である。特に、多層膜のエッチング工程（例えば、ＳｉＡＲＣ／有機膜／ＳｉＮ／Ｓｉの３層エッチング工程）においては、それぞれの被処理膜を処理する際に第１のマイクロ波及び第２のマイクロ波のパワー、及び／又は、第１のガス及び第２のガスの量を適切に調節することによって、面内均一な処理を実施することが可能となる。

【0036】

[0036]このプラズマ処理方法は、面内処理の均一性を改善することが可能である。したがって、好ましくは、この方法は、処理すべき基板のサイズが大きな場合に使用される。例えば、この方法は、４５０ｍｍ超の直径を有する半導体ウエハ又はガラス基板を処理する場合に、特に有用である。

【0037】

[0037]また、プラズマ処理の面内均一性を改善するために、他の実施形態を使用することも可能である。以降においては、プラズマエッチングの例を説明する。しかし、それらの実施形態は、プラズマＣＶＤ、プラズマＡＬＤ、プラズマスパッタリング、及びプラズマドーピングを含む他のプラズマ処理に対しても適用することが可能である。

【0038】

[0038]図６Ａは、本発明の別の実施形態に係るプラズマ処理装置の一例の断面図を示している。図６Ｂは、図６Ａに示す装置の第２のガス供給ユニットの概略図を示している。図６Ａ及び図６Ｂにおいては、アウターガス供給ユニットが複数のゾーンに分割され、それぞれのゾーンに個別にガスを供給することが可能な、プラズマ処理装置が提供される。また、異なるガス流量にてそれぞれのゾーンに対してガスを供給するような構成をとることが可能である。

【0039】

[0039]ガスは、被処理基板の外周部からチャンバの中央に向かって、又は被処理基板の方向に供給される。また、アウターガス供給ユニットは、処理容器の側壁部の内部に設けられてもよく（図示せず）、また、図６Ａ及び図６Ｂに示すように、壁部から突出するリング形状のガス供給ユニットであってもよい。

【0040】

[0040]各ガス供給ゾーンに対して、エッチングにおいて使用される混合ガス（希ガス、ＣＦ_ｘガス、等々）が、スプリッタにおいて分配され、供給される。また、スプリッタを使用することによりエッチングにおいて使用される混合ガスをセンターガス供給ユニット及びアウターガス供給ユニットに分配することが可能であり、スプリッタを使用することによりアウターガス供給ユニットに分配された混合ガスを各ガス供給ゾーンに分配してもよい。各ガス供給ゾーンに対して、異なる混合比のガスが、供給されてもよい。アウターガス供給ユニットは、例えば石英又はセラミック（例えばＳｉＣ）から作製される。複数のゾーンは、３〜１０個の分割部分からなることが可能であり、４〜６個の分割部分からなる複数のゾーンが、好ましい。

【0041】

[0041]各ゾーンにガスを供給するための配管と処理容器への連結セクションとしての機能を好ましくは兼任する各支持セクションは、アウターガス供給ユニットが熱膨張した場合であっても、アウターガス供給ユニットに対してかかるストレスを回避し得るように、支持されてもよい。具体的には、それぞれの支持セクションが、自由に動くように支持され得る。

【0042】

[0042]周方向において異なる流量で又は異なる種類の混合ガスにてガスを供給することにより、周方向におけるプラズマ処理の均一性を改善及び調節することが可能となる。また、ガス流量に起因する径方向におけるプラズマの偏りを補正することが可能となる。また、素子間の機差若しくは組立誤差に起因する、又はバイアス電極の構造に起因する、偏りにより引き起こされる周方向におけるプラズマ処理の均一性を補正することが可能となる。

【0043】

[0043]図７Ａは、本発明の別の実施形態に係るプラズマ処理装置の一例の断面図を示している。図７Ｂは、図７Ａに示す装置の載置台の概略図を示している。

【0044】

[0044]図７Ａ及び図７Ｂは、ＥＳＣ（ｅｌｅｃｔｒｏｓｔａｔｉｃ ｃｈｕｃｋ：静電チャック）が載置台の上に連結された、プラズマ処理装置を示している。ＥＳＣ内部の静電吸着用の電極（第１の電極）には、ＥＳＣ用の電源及び第１のＲＦ電源が重畳されている。リング形状の電極（第２の電極）が、ＥＳＣの内部周辺部に設置されており、ＲＦ電源は、この第２の電極に接続されている。第１の電極及び第２の電極を使用して被処理基板に対して印加されるバイアスは、径方向において調節される。図７Ａ及び図７Ｂにおいては、ブロッキングコンデンサ及びマッチングユニットの記載が省略されている点に留意されたい。

【0045】

[0045]また、複数のリング形状電極を設けることが可能である。各電極は、それぞれに対応のＲＦ電源に対して接続される。図７Ｂにおいては、第２の電極及び第３の電極が、第１の電極の下部に設けられている。このように第１の電極の下部に第２の電極及び第３の電極を設けることにより、電極の存在しない領域（切れ目）が無くなる。電極の存在しない領域は、バイアスが印加されない領域であるため、基板処理の面内均一性に影響を及ぼす恐れがある。

【0046】

[0046]また、第１の電極に対して印加されるＲＦの周波数並びに第２の電極及び第３の電極に対して印加されるＲＦの周波数は、マッチングユニットに対する干渉を考慮して対応の異なる周波数を印加するように設定することが可能である。例えば、１３．５６ＭＨｚのＲＦが、第１の電極に印加される場合には、１３．２８ＭＨｚのＲＦが、第２の電極に印加され、１３．８３ＭＨｚのＲＦが、第３の電極に印加される。周波数は、２％〜１０％だけ異なることが可能である。

【0047】

[0047]また、さらに、ＥＳＣが載置台上に連結され、ＥＳＣの電極が径方向において複数の部材に分割され、これらの電極のそれぞれに、電圧を個別に制御することが可能となるようにＥＳＣ用の電源及びＲＦの電源の印加が重畳され、被処理基板に対して印加されるバイアスが径方向において調節され得る、プラズマ処理装置を構成することが可能である。

【0048】

[0048]被処理基板に対して印加されるバイアス電圧を径方向において調節することにより、被処理基板の中心から周辺部方向に変化するエッチングレート又は形状差を調節することが可能となる。好ましくは、この調節は、ポリシリコン、窒化シリコン、及び酸化シリコンのエッチングに対して使用することが可能である。また、レジストマスクのエッチングではバイアスの変化の影響が大きいため、レジストマスクを使用することが好ましい場合がある。

【0049】

[0049]図８は、本発明の別の実施形態に係るプラズマ処理装置の一例の断面図を示している。図９は、本発明の別の実施形態に係るプラズマ処理装置の一例の断面図を示している。図８及び図９は、プラズマ処理容器内にリング形状部材を備え、リング形状部材に対してＲＦ又はＤＣを印加し、リング形状部材をエッチング（スパッタリング）し、それによりプラズマ空間内のラジカル濃度を制御することを特徴とする、プラズマ処理装置を表わしている。

【0050】

[0050]処理容器の側壁部中にリング形状部材を設けることが可能である（図８）。また、被処理基板の周辺にリング形状部材を設けることも可能である（図９）。

【0051】

[0051]リング形状部材材料は、シリコン（Ｓｉ）又は炭素（Ｃ）をベースとするものであってもよい。リング形状部材材料は、４族材料を含有する材料をベースとするものであってもよい。リング形状部材材料は、３族材料及び５族材料からなるものであってもよい。処理用に使用されるガスは、ハロゲンを含有してもよい。処理用に使用されるガスは、炭素（Ｃ）及びフッ素（Ｆ）、塩素（Ｃｌ）、臭素（Ｂｒ）、ヨウ素（Ｉ）、又は水素（Ｈ）を少なくとも含有するガスであってもよい。

【0052】

[0052]リング形状部材をエッチングすることにより、プラズマ中のラジカル種及びイオン種の濃度を調節することが可能となり、被処理基板に対するエッチングにおける選択性及びエッチングレート等を向上させることが可能となる。具体的には、リング形状部材がＳｉであり、エッチングガスがＣＦ_ｘ及びＡｒを含有する場合には、エッチングガスは、電離（プラズマへと転化）され、Ｆラジカルが、発生する。この際に、ＲＦバイアスが、Ｓｉから作製されたリング形状部材に対して印加され、Ｓｉは、Ａｒによりエッチングされる。その結果、ラジカル状態のＳｉが、処理容器内において発生し、ＳｉＦ_４が、Ｓｉ及びＦの結合により形成される。Ｓｉ及びＦは、互いに容易に結合する。このように形成されたＳｉＦ_４は、排気され、その結果、処理容器内のＦラジカルの個数が減少し得る。バイアスの大きさを変更することにより、Ｓｉのエッチング量を調節することが可能となり、また、例えば、除去されるＦの量を調節することも可能となる。

【0053】

[0053]適切な結合を有するイオン及びラジカルが、所望のエッチングを実施するために必要とされるが、この構成を採用することにより、ラジカル種の濃度を制御することが可能となり、適正量のＦイオン及びＦラジカルを使用してＳｉＯ_２をエッチングする場合には、このエッチングは、Ｓｉに関するエッチング選択性を高めるといった効果を有する。

【0054】

[0054]リング形状部材がＣから作製され、エッチングガスがＣＦ_ｘ及びＡｒを含有する場合には、エッチングガスは、電離（プラズマに転化）され、Ｆラジカルが発生する。この際に、ＲＦバイアスが、Ｃから作製されたリング形状部材に対して印加され、Ｃは、Ａｒによりエッチングされる。その結果、ラジカル状態のＣが発生し、Ｆと結合することによりＣＦ_ｘを形成する。ＣＦ_ｘの堆積特性により、被処理基板上への堆積によって、被処理基板のエッチング量を制御することが可能となる。また、さらに、Ｆラジカルの個数を減少させることが可能となる。リング形状部材において使用されるＣは、典型的にはグラス状カーボンである。

【0055】

[0055]図１０は、本発明の別の実施形態に係るプラズマ処理装置の一例の断面図を示している。図１１は、酸素ガス濃度と酸化速度又は酸素ルミネッセンスとの間の関係の一例を示すグラフを示している。

【0056】

[0056]適量のラジカル及びイオンが、所望のエッチングを実施するために必要となるが、場合によっては、プラズマのみによる解離においてラジカル種の濃度を制御することは不可能であった。図１１の縦軸は、酸素（Ｏ）プラズマの発光強度及び酸化速度（エッチングの場合にはエッチングレートに相当する）を表し、横軸は、酸素（Ｏ_２）ガスの濃度を表す。酸素（Ｏ）プラズマの発光強度が高く、酸化速度がより速い領域（点線領域）は、不活性ガス（例えばＡｒ）の濃度を基準とする酸素（Ｏ_２）ガス濃度が２％〜３％である領域である。この領域は、処理速度を加速させるためにスループットを高めるのに望ましい領域である。しかしながら、この領域においては、ラジカル濃度が、ガスの流量の変動により変化しやすいため、処理の再現性の問題又は素子間の機差により、制御が困難であった。

【0057】

[0057]図１０は、プラズマ処理において使用される一以上のガスを間欠的に（ＯＮ／ＯＦＦ）供給するための、又は流量を反復的に変更するための、制御装置を有することを特徴とするプラズマ処理装置を示している。

【0058】

[0058]ガス流を増加した場合に凸形状又は凹形状において変化するピーク領域付近に位置する流量領域を反復することを目的として、ガスのＯＮ／ＯＦＦ又は流量制御が実施される。これにより、これらの特徴が、平均化され、それにより、再現性及び素子間の機差の緩和が実現される。このガスに関して、ＯＮ／ＯＦＦは、典型的には、１秒当たり約０．５〜１の間隔で調節され、又は、流量は、１秒当たり約０．５〜１の間隔で調節することが可能である。

【0059】

[0059]特に、理想的には、このガスのＯＮ／ＯＦＦ又は流量制御は、Ｏ_２又はハロゲンを含有するガスを使用するエッチング処理、アッシング処理、酸化処理、ＣＶＤ処理、及びＡＬＤ処理において、利用することが可能である。

【0060】

[0060]具体的な装置及び方法に関連して本開示の原理を上記において説明したが、この説明は、専ら例としてなされたものであり、本発明の範囲を限定するものではないことが、自明なものとして理解されよう。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6A】

【図6B】

【図7A】

【図7B】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】