特開 2024-112103 プラズマ処理を行う装置、及びプラズマ処理を行う方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024112103

(43)【公開日】2024-08-20

(54)【発明の名称】プラズマ処理を行う装置、及びプラズマ処理を行う方法

(51)【国際特許分類】

   C23C 16/455 20060101AFI20240813BHJP

   C23C 16/50 20060101ALI20240813BHJP

   H01L 21/31 20060101ALI20240813BHJP

   H05H 1/46 20060101ALI20240813BHJP

【ＦＩ】

C23C16/455

C23C16/50

H01L21/31 C

H05H1/46 M

【審査請求】未請求

【請求項の数】12

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023016969

(22)【出願日】2023-02-07

(71)【出願人】

【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】110002756

【氏名又は名称】弁理士法人弥生特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】カク 剣明

【テーマコード（参考）】

2G084

4K030

5F045

【Ｆターム（参考）】

2G084AA02

2G084AA05

2G084AA07

2G084AA13

2G084CC12

2G084CC13

2G084CC16

2G084CC18

2G084CC33

2G084DD02

2G084DD15

2G084DD23

2G084DD55

2G084FF15

4K030AA03

4K030AA13

4K030AA14

4K030AA16

4K030AA17

4K030AA18

4K030BA18

4K030BA38

4K030BA46

4K030CA04

4K030CA12

4K030EA05

4K030EA06

4K030FA01

4K030GA02

4K030LA15

5F045AA08

5F045AB31

5F045AC03

5F045AC11

5F045AC12

5F045AC16

5F045AC17

5F045AD06

5F045AE01

5F045AE21

5F045BB14

5F045DP03

5F045DQ10

5F045EF05

5F045EF07

5F045EH05

5F045EH13

5F045EK07

(57)【要約】

【課題】プラズマ化した処理ガスに含まれるイオンによる影響を抑制して、基板に対してプラズマ処理を行う技術を提供する。
【解決手段】基板にプラズマ処理を行う装置は、処理容器内に設けられた前記基板の載置台と、前記載置台の上方側に配置され、処理ガスをプラズマ化するためのプラズマ形成空間と、前記プラズマ形成空間と前記処理空間との間に配置されたシャワープレートとを備える。さらに前記シャワープレートは、前記プラズマ形成空間から前記処理ガスのプラズマが流入する複数のプラズマ流入孔が形成された第１の面と、前記処理空間へ向けて前記処理ガスのプラズマが流出する複数のプラズマ流出孔が形成された第２の面との間に設けられた区画壁により互いに区画され、各々、前記処理ガスのプラズマに含まれるイオンを衝突させてトラップするためのイオントラップ面が設けられた、複数のイオントラップ空間を備える。
【選択図】図２

【特許請求の範囲】

【請求項1】

処理容器内の基板にプラズマ化した処理ガスを供給してプラズマ処理を行う装置であって、
前記処理容器内に設けられ、前記基板を載置するための載置台と、
前記載置台の上方側に配置され、前記処理ガスをプラズマ化するためのプラズマ形成機構を構成するプラズマ形成空間と、
前記プラズマ形成空間に前記処理ガスを供給するための処理ガス供給部と、
前記プラズマ形成空間と、前記処理空間との間に配置されたシャワープレートと、を備え、
前記シャワープレートは、
前記プラズマ形成空間から前記処理ガスのプラズマが流入する複数のプラズマ流入孔が形成された第１の面と、
前記処理空間へ向けて前記処理ガスのプラズマが流出する複数のプラズマ流出孔が形成された第２の面と、
前記第１の面と前記第２の面との間に設けられた区画壁により互いに区画され、各々、前記プラズマ流入孔から流入した前記処理ガスのプラズマに含まれるイオンを衝突させてトラップした後、プラズマ流出孔を介して前記処理空間へ向けて流出させるためのイオントラップ面が設けられた、複数のイオントラップ空間と、を備える、装置。

【請求項2】

前記イオントラップ面は、前記プラズマ流入孔の出口に対向する位置に配置されている、請求項１に記載の装置。

【請求項3】

前記イオントラップ空間の高さ寸法が０．１ｍｍ～３．１ｍｍの範囲内である、請求項１に記載の装置。

【請求項4】

前記イオントラップ空間は、筒状に構成され、これら筒状の複数の前記イオントラップ空間が、前記シャワープレートの面内にマトリックス状に並べて配置されている、請求項１に記載の装置。

【請求項5】

前記イオントラップ空間は、前記シャワープレートの周方向に沿って環状に構成され、これら環状の複数の前記イオントラップ空間が、前記シャワープレートの面内に同心状に並べて配置されている、請求項１に記載の装置。

【請求項6】

前記シャワープレートには、複数の前記プラズマ流出孔に加え、プラズマ化した前記処理ガスと反応して前記基板に膜を形成するための原料ガスを、前記第２の面から前記処理空間へ向けて供給するための複数の原料ガス供給孔が形成されている、請求項１に記載の装置。

【請求項7】

前記プラズマ形成空間は、前記シャワープレートを構成し、前記第１の面を備える導電板と、誘電体を挟んで前記シャワープレートとの間に隙間を介して配置された電極板との間に形成され、
前記プラズマ形成機構は、前記電極板と前記導電板との一方側に接続された高周波電源部と、他方側に接続された接地端とを備え、これら電極板と導電板との間の容量結合により前記プラズマ形成空間に供給された前記処理ガスをプラズマ化する、請求項１に記載の装置。

【請求項8】

前記プラズマ流出孔の開口面積は、当該プラズマ流出孔が設けられている前記イオントラップ空間の横断面積よりも小さく構成されている、請求項１に記載の装置。

【請求項9】

前記プラズマ流出孔は、前記イオントラップ空間側から前記処理空間側へ向けて次第に開口面積が広くなるように構成されている、請求項１に記載の装置。

【請求項10】

前記区画壁には、前記プラズマ流入孔から流入した前記処理ガスのプラズマに含まれるイオンを電気的に引き寄せて壁面にトラップするために電力が印加される導電部材が設けられている、請求項１に記載の装置。

【請求項11】

前記区画壁には、隣り合って配置された前記イオントラップ空間同士を連通させるための連通路が設けられている、請求項１に記載の装置。

【請求項12】

処理容器内の基板にプラズマ化した処理ガスを供給してプラズマ処理を行う方法であって、
前記処理容器内に設けられ、前記基板を載置するための載置台と、前記載置台の上方側に配置され、前記処理ガスをプラズマ化するためのプラズマ形成機構を構成するプラズマ形成空間と、前記プラズマ形成空間に前記処理ガスを供給するための処理ガス供給部と、前記プラズマ形成空間と、前記処理空間との間に配置されたシャワープレートと、を用い、
前記プラズマ形成空間に前記処理ガスを供給する工程と、
前記プラズマ形成機構により、前記プラズマ形成空間に供給された前記処理ガスをプラズマ化する工程と、
前記プラズマ化する工程にて形成された処理ガスのプラズマを、前記シャワープレートの第１の面に形成された複数のプラズマ流入孔を介して、前記プラズマ形成空間から、前記シャワープレート内に形成された複数のイオントラップ空間に流入させる工程と、
区画壁により互いに区画され、各々、イオントラップ面が設けられた複数の前記イオントラップ空間にて、前記プラズマ流入孔から流入した前記処理ガスのプラズマに含まれるイオンを前記イオントラップ面に衝突させてトラップする工程と、
前記トラップする工程にてイオンがトラップされた後の前記処理ガスのプラズマを、前記シャワープレートの第２の面に形成された複数のプラズマ流出孔を介して、複数の前記イオントラップ空間から、前記処理空間に流入させる工程と、を含む方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、プラズマ処理を行う装置、及びプラズマ処理を行う方法に関する。

【背景技術】

【0002】

半導体デバイスの製造工程にて、半導体ウエハ（以下、「ウエハ」と記載する）に対して処理ガスをプラズマ化することにより得られた反応性の高い活性種を用いて、成膜処理やエッチング処理を行うことが知られている。活性種にはイオンやラジカルが含まれるが、このうちラジカルを選択的に用いてプラズマ処理を行う場合がある。

【0003】

例えば特許文献１には、上部電極とシャワープレートとの間に生成された容量結合プラズマにより反応ガスを解離させた後、シャワープレートからリモートプラズマとして供給する技術が記載されている。この特許文献１には、このシャワープレートの直下に多孔板状のイオントラップを設け、プラズマ中のイオンをトラップすることが記載されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２０１９－２０３１５５号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

本開示は、プラズマ化した処理ガスに含まれるイオンによる影響を抑制して、基板に対してプラズマ処理を行う技術を提供する。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本開示は、処理容器内の基板にプラズマ化した処理ガスを供給してプラズマ処理を行う装置であって、
前記処理容器内に設けられ、前記基板を載置するための載置台と、
前記載置台の上方側に配置され、前記処理ガスをプラズマ化するためのプラズマ形成機構を構成するプラズマ形成空間と、
前記プラズマ形成空間に前記処理ガスを供給するための処理ガス供給部と、
前記プラズマ形成空間と、前記処理空間との間に配置されたシャワープレートと、を備え、
前記シャワープレートは、
前記プラズマ形成空間から前記処理ガスのプラズマが流入する複数のプラズマ流入孔が形成された第１の面と、
前記処理空間へ向けて前記処理ガスのプラズマが流出する複数のプラズマ流出孔が形成された第２の面と、
前記第１の面と前記第２の面との間に設けられた区画壁により互いに区画され、各々、前記プラズマ流入孔から流入した前記処理ガスのプラズマに含まれるイオンを衝突させてトラップした後、プラズマ流出孔を介して前記処理空間へ向けて流出させるためのイオントラップ面が設けられた、複数のイオントラップ空間と、を備える。

【発明の効果】

【0007】

本開示によれば、プラズマ化した処理ガスに含まれるイオンによる影響を抑制して、基板に対してプラズマ処理を行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】本開示の一実施形態に係る成膜装置の縦断側面図である。

【図2】成膜装置のプラズマ形成空間及びシャワープレートの構成例を示す縦断側面図である。

【図3】シャワープレートの第１の構成例を示す斜視図である。

【図4】第１の構成例に係るシャワープレートを他の方向から見た斜視図である。

【図5】シャワープレートの第２の構成例を示す斜視図である。

【図6】第２の構成例に係るシャワープレートを他の方向から見た斜視図である。

【図7】前記シャワープレートに設けられたイオントラップ空間の例に係る作用図である。

【図8】シャワープレートの第３の構成例を示す縦断側面図である。

【図9】区画壁に、電力が印加される導電部材が設けられたイオントラップ空間の例に係る作用図である。

【図10】区画壁に、イオントラップ空間を連通させる連通路が設けられたシャワープレートの例に係る縦断側面図である。

【図11】開口面積が広くなるプラズマ流出孔が設けられたシャワープレートの例に係る拡大縦断斜視図である。

【図12】テーパー面によりイオントラップ面を構成したシャワープレートの縦断側面図である。

【図13】シャワープレートのシミュレーションモデルである。

【図14】シミュレーション結果を示すグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0009】

＜成膜装置１＞
初めに、本開示に係る「プラズマ処理を行う装置」の一実施形態である成膜装置１の全体構成例について、図１を参照しながら説明する。本例の成膜装置１は、プラズマ化した反応ガス（処理ガス）と、膜原料を含む原料ガスとをウエハに供給し、ウエハの表面に所望の物質の膜を成膜するように構成されている。ウエハに形成する膜に特段の限定はなく、絶縁膜を形成するための金属酸化膜や金属窒化膜であってもよいし、金属膜であってもよい。また、後述するように、この成膜装置１は、プラズマ化した反応ガスをウエハに供給するにあたり、活性種に含まれるイオンの影響を抑制することが可能な構成を備えている。

【0010】

この成膜装置１における成膜を行う手法としては、原料ガスとプラズマ化した反応ガスとを連続的に供給し、ウエハの表面に膜物質を堆積させるＣＶＤ法であってもよい。また、原料ガスの供給と排気、プラズマ化した反応ガスの供給と排気を交互に実施し、ウエハへの原料ガスの吸着と、反応ガスとの反応とを繰り返して、膜物質の薄膜を積層させるＡＬＤ法であってもよい。

【0011】

本例の処理容器１１は扁平な円筒状の金属により構成され、接地されている。処理容器１１の側壁は、ウエハＷの搬入出を行うための搬入出口１２と、この搬入出口１２を開閉するゲートバルブ１３と、を備え、搬入出口１２よりも上部側には、平面視において円環状に構成された排気ダクト１４が設けられている。排気ダクト１４の内周面には、周方向に沿って伸びるスリット状の排気口１４１が形成されている。排気ダクト１４の側壁面には開口部１５が形成され、この開口部１５には排気管１６を介して、圧力調節機構や真空ポンプを含む排気機構１７が接続されている。

【0012】

処理容器１１内にはウエハＷを水平に載置するための載置台２１が設けられており、この載置台２１には、ウエハＷを加熱するためのヒーター２１１が内蔵されている。載置台２１の下面側中央部には、処理容器１１の底部を貫通し、上下方向に伸びる棒状の支持部材２２の上端部が接続され、この支持部材２２の下端部には駆動部２３１が接続されている。支持部材２２及び駆動部２３１は載置台２１の昇降機構２３を構成している。この昇降機構２３によって載置台２１は、図１に示す上方側の処理位置と、この処理位置の下方側の位置との間を昇降移動することができる。下方側の位置は、搬入出口１２から処理容器１１内に進入するウエハＷの搬送機構（不図示）との間で当該ウエハＷの受け渡しを行うための受け渡し位置である。処理位置において、載置台２１の上方側の空間は、ウエハＷを処理するための処理空間１０を構成している。

【0013】

また、載置台２１の下方側には、昇降機構２４１によって昇降自在に構成された複数本の支持ピン２４が配置されている。載置台２１を受け渡し位置に位置させたとき、支持ピン２４を昇降させると、載置台２１に設けられた貫通孔２０を介して支持ピン２４が載置台２１の上面から突没する。この動作により、載置台２１と搬送機構との間でウエハＷの受け渡しを行うことができる。

【0014】

円環状に構成された排気ダクト１４の内側、即ち、載置台２１の上方側には、処理ガスである反応ガスをプラズマ化するためのプラズマ形成空間３０と、その内部に、後述する複数のイオントラップ空間５１が設けられたシャワープレート５と、が配置されている。これらプラズマ形成空間３０及びシャワープレート５の詳細な構成については、図２以降にて説明するので、これらに各種のガスを供給するガス供給系２５の構成例について先に説明しておく。

【0015】

＜ガス供給系２５＞
本例のガス供給系２５は、原料ガスを供給する原料ガス供給源２６と、反応ガスを供給する反応ガス供給源２７と、を備えている。原料ガスは、ウエハＷに形成される膜の膜物質の原料となるプリカーサ（膜原料）を含むガスである。また、反応ガスは、プリカーサと反応して膜物質を得るためのガスである。

【0016】

膜物質として、金属、例えばチタンを含む膜を形成する場合には、四塩化チタン（ＴｉＣｌ_４）を含む原料ガスを例示することができる。反応ガスとしては、酸化膜を形成する場合の酸素（Ｏ_２）ガスやオゾン（Ｏ_３）ガス、窒化膜を形成する場合のアンモニア（ＮＨ_３）ガス、プリカーサを還元して金属膜を形成する場合の還元ガスである水素（Ｈ_２）ガスなどを例示することができる。反応ガスに対しては、反応ガスのプラズマ化を補助するために、アルゴン（Ａｒ）ガスなどの補助ガスを添加してもよい。パージガスとしては、窒素（Ｎ_２）ガスやＡｒガス、ヘリウム（Ｈｅ）ガス、クリプトン（Ｋｒ）ガス、ネオン（Ｎｅ）ガス、キセノン（Ｘｅ）ガス等の不活性ガスや、プラズマ化されていない処理ガスを例示できる。

【0017】

原料ガス供給源２６には、原料ガス供給ライン２６１の一端が接続され、この原料ガス供給ライン２６１には、上流側から順に、流量調節部２６２及びバルブＶ１が介設されている。また、反応ガス供給源２７には反応ガス供給ライン２７１の一端が接続され、この反応ガス供給ライン２７１には、上流側から順に、流量調節部２７２及びバルブＶ２が介設されている。さらに、ＡＬＤにより成膜を行う場合には、短時間に十分な量の原料ガスや反応ガスを供給するため、バルブＶ１、Ｖ２の上流側に、各ガスの貯留タンク２６３、２７３を設けてもよい。
なお、ガス供給系２５の構成は、この例に限定されるものではなく、例えば各ガス供給ライン２６１、２７１に対し、処理容器１１からの原料ガスや反応ガスの排出を促進するパージガスを供給するためのパージガス供給ラインを合流させてもよい。

【0018】

＜プラズマ形成空間３０＞
以下、図２～図６も参照しながら、プラズマ形成空間３０、シャワープレート５の構成について説明する。なお、図１は、成膜装置１の全体構成を説明するための図面であるため、シャワープレート５の構成については、簡略化して表示してある。
先ず、プラズマ形成空間３０内の構成例について説明する。プラズマ形成空間３０は、反応ガスをプラズマ化するためのプラズマ形成機構を構成するものである。この例のプラズマ形成空間３０は、誘電体部材により構成された円環状の側壁部１８を挟んで、互いに上下に対向するように配置された反応ガス供給用のシャワーヘッド３とシャワープレート５との間に形成されている。

【0019】

この例において、シャワーヘッド３は、図１及び図２に示すように、処理容器１１の天井部に配置され、例えばウエハＷよりも直径が大きい平面視円形状に構成されている。シャワーヘッド３の内部にはガスの拡散空間３１が形成され、シャワーヘッド３の下面には、その構成部材を厚さ方向に貫通し、拡散空間３１に連通する複数の吐出孔３２が分散して形成されている。

【0020】

このシャワーヘッド３は金属により構成され、その下面は容量結合プラズマ（ＣＣＰ）を生成するための上部電極として機能する。この観点で、シャワーヘッド３は、本実施の形態の電極板に相当している。一方、図２に示すようにシャワープレート５の構成部材は接地されている。

【0021】

図２に示すように、シャワーヘッド３は、整合器３３を介して交流の高周波電源部３４に接続され、高周波電力が供給されるように構成されている。高周波電源部３４の周波数は１３．５６ＭＨｚや２．４５ＧＨｚを例示できる。この際、高周波電力にＤＣを重畳するように構成してもよい。また、交流の高周波電源部３４の代わりに、直流の電源を用い、ＰＷＭ（Pulse Width Modulation）によりＤＣパルスを印加する構成であってもよい。なお、上述の例に替えて、シャワーヘッド３を接地し、シャワープレート５に高周波電源部３４を接続する構成も排除されるものではない。

【0022】

プラズマ形成空間３０に対しては、シャワーヘッド３を介して反応ガス供給ライン２７１より反応ガスが供給される。この観点で、反応ガス供給ライン２７１及びその上流側に接続された反応ガス供給源２７、流量調節部２７２などは、本例の処理ガス供給部を構成している。

【0023】

＜シャワープレート５＞
次に、シャワープレート５の構成例について、図２～図６を参照して説明する。なお、図２はシャワープレート５について、上下方向（Ｚ方向）に拡大して描いている。このシャワープレート５は、プラズマ形成空間３０と処理空間１０との間に設けられ、載置台２１に載置されるウエハＷと対向するように配置されている。

【0024】

例えばシャワープレート５は、ウエハＷよりも直径が大きい円板状に形成され、その周縁領域が既述の側壁部１８の下面側に配置されている。本例のシャワープレート５の下面周縁は排気ダクト１４にて支持されており、側壁部１８は、排気ダクト１４の上面と処理容器１１の天井部１９とを接続するように設けられている。こうして、成膜装置１の内部は、シャワープレート５によって上下に区画され、シャワープレート５の上方がプラズマ形成空間３０、下方が処理空間１０として構成される。以下、プラズマ形成空間３０に向けて配置されたシャワープレート５の上面を第１の面５０ａ、処理空間１０に向けて配置されたシャワープレート５の下面を第２の面５０ｂとも呼ぶ。

【0025】

シャワープレート５の内部には、複数のイオントラップ空間５１が設けられている。これらイオントラップ空間５１は、第１の面５０ａと第２の面５０ｂとの間に設けられた区画壁５１２によって互いに区画されている。各イオントラップ空間５１は、第１の面５０ａに複数、設けられたプラズマ流入孔５０１に連通し、プラズマ形成空間３０にて形成された反応ガスのプラズマは、これらのプラズマ流入孔５０１を介してイオントラップ空間５１に流れ込む。また、イオントラップ空間５１は、第２の面５０ｂに複数、設けられたプラズマ流出孔５０２に連通し、イオントラップ空間５１に流れ込んだ反応ガスのプラズマは、これらのプラズマ流出孔５０２を介して処理空間１０へ向けて流出する。

【0026】

このように、プラズマ形成空間３０内にてプラズマ化された反応ガスは、シャワープレート５に形成された複数のイオントラップ空間５１内を流れた後、処理空間１０へと供給される。この観点で本例の成膜装置１は、リモート式のプラズマ処理装置を構成している。

【0027】

ここで、反応ガスをプラズマ化することにより得られた反応性の高い活性種には、イオンやラジカル、中性粒子が含まれている。イオンのうち、高いエネルギーを持つイオンは、ウエハに成膜される膜や下地に対して、電気的ダメージや、高速に移動して衝突することによる物理的ダメージを発生させるおそれがある。さらに、高いエネルギーを持つイオンにより膜原料が過剰解離し、成膜制御が困難になる懸念もある。このため、プラズマ化した反応ガスに含まれる、高いエネルギーを持つイオンの影響を抑制し、成膜に適したエネルギーを有するイオンやラジカル、中性粒子をウエハＷに供給して処理を行うことが好ましい。

【0028】

＜イオントラップ空間５１＞
そこで、本例では各イオントラップ空間５１に、プラズマに含まれるイオンを衝突させてトラップするためのイオントラップ面５１１を設け、活性種に含まれるイオンの含有量を低減する。一方、イオントラップ空間５１は、プラズマ中のラジカルや中性粒子を選択的に通過させてウエハＷに供給する構成となっている。

【0029】

図２、図７に示すように、本例のイオントラップ空間５１においては、プラズマ流出孔５０２の開口面積は、当該プラズマ流出孔５０２が設けられているイオントラップ空間５１の横断面積よりも小さく設定されている。そして、この設定を実現するにあたり、プラズマ流出孔５０２を形成する、シャワープレート５の下部側領域の構成部材は、イオントラップ空間５１を区画する区画壁５１２の内壁面よりも、イオントラップ空間５１の内側へ突出した構成部を備えている。そして、区画壁５１２の内壁面よりも内側へ突出した構成部（以下、「突出部５１３」ともいう）の上面は、プラズマ流入孔５０１の出口側の開口と対向する位置に配置されている。この構成において、突出部５１３の上面は、本例のイオントラップ面５１１に相当している。

【0030】

シャワープレート５内における、複数のイオントラップ空間５１の構成、配置については、種々のものを例示できる。
例えば図３、図４の一部破断斜視図に示すシャワープレート５Ａでは、各イオントラップ空間５１を筒状に構成している。そして、これら筒状の複数のイオントラップ空間５１を、シャワープレート５Ａの面内にマトリックス状に並べて配置している。なお、本開示においては、図３、図４や後述の図１１中に示すように、上下方向の高さ寸法よりも、直径が大きい、扁平な円盤形状のイオントラップ空間５１についても「筒状」の概念に含む。

【0031】

ここで図３は、第１の面５０ａ側からシャワープレート５Ａを見た状態を示しており、図４は、第２の面５０ｂ側からシャワープレート５を見た状態を示している。各イオントラップ空間５１に対応して設けられたプラズマ流入孔５０１は、筒状のイオントラップ空間５１の横断面形状に沿って環状に並べて設けられている。そして、これら環状に並べられたプラズマ流入孔５０１の組が、マトリックス状に並べて配置されている（図３）。

【0032】

このプラズマ流入孔５０１の配置に対応させて、イオントラップ面５１１についても筒状の区画壁５１２の内壁面に沿った小環状に構成されている。プラズマ流出孔５０２は、当該環状のイオントラップ面５１１の内側に設けられた小孔状の流路として構成されている（図４）。なお、これらの図においては、後述する拡散空間６２や原料ガス供給孔６１の記載は省略してある。

【0033】

一方、図５、図６の一部破断斜視図に示すシャワープレート５Ｂでは、各イオントラップ空間５１を、当該シャワープレート５Ｂの周方向に沿って環状に構成している。そして、これら環状の複数のイオントラップ空間５１を、シャワープレート５Ｂの面内に同心状に並べて配置している。

【0034】

これらの図において、図５は、第１の面５０ａ側からシャワープレート５Ｂを見た状態を示しており、図６は、第２の面５０ｂ側からシャワープレート５Ｂを見た状態を示している。各イオントラップ空間５１に対応して設けられたプラズマ流入孔５０１は、環状のイオントラップ空間５１の平面形状に沿って環状に並べて設けられている。そして、これら環状に並べられたプラズマ流入孔５０１の組が、同心状に並べて配置されている（図５）。

【0035】

このプラズマ流入孔５０１の配置に対応させて、イオントラップ面５１１についても環状の区画壁５１２の内周側、外周側の両内壁面に沿って環状に構成されている。即ち、シャワープレート５Ｂのイオントラップ空間５１において、環状のイオントラップ面５１１は、２つずつ配置されている。プラズマ流出孔５０２は、これら２つの環状のイオントラップ面５１１に挟まれるように、環状のスリット流路として構成されている（図６）。なお、これらの図においても、後述する拡散空間６２や原料ガス供給孔６１の記載は省略してある点は、図３、図４の場合と同様である。

【0036】

＜原料ガス供給孔６１＞
さらに、シャワープレート５には、プラズマ化した反応ガスの供給を行うための既述のイオントラップ空間５１に加え、処理空間１０に向けて原料ガスを供給するための複数の原料ガス供給孔６１が形成されている。図１、図２、図７に示す例では、イオントラップ空間５１の下部において、プラズマ流出孔５０２とは異なる領域に、原料ガスの拡散空間６２と、この拡散空間６２に連通する原料ガス供給孔６１とが設けられている。

【0037】

既述のように図示は省略してあるが、例えば複数の原料ガスの拡散空間６２は、図３、図４に示したイオントラップ空間５１と同様に、筒状（既述のように「円盤形状」の場合を含む）に形成してマトリックス状に配列してもよい。また、拡散空間６２は、図４、図５に示したイオントラップ空間５１と同様に、環状に形成して同心状に配置してもよい。

【0038】

複数の拡散空間６２同士は不図示のガス流路により互いに接続されている。そして、既述のプラズマ流出孔５０２は、複数の拡散空間６２同士の間を貫くように形成されている。また、各拡散空間６２の下部には原料ガス供給孔６１が形成されている。既述のように、イオンがトラップされた後の反応ガスが流れるプラズマ流出孔５０２はマトリックス状や同心状に並べられている。このとき、原料ガス供給孔６１は、これらプラズマ流出孔５０２の間に位置するように、小孔状又はスリット状に形成される。

【0039】

また、図２に示すように、シャワープレート５の周縁部側に形成された拡散空間６２１には、原料ガス供給路６４の下流端が接続されている。この原料ガス供給路６４は、例えば図２に示すように、側壁部１８内を上下に延在し、処理容器１１の天井部１９に開口するように形成されている。原料ガス供給路６４の上流側はガス供給系２５の原料ガス供給ライン２６１に接続されている。こうして、原料ガス供給ライン２６１から原料ガス供給路６４に供給された原料ガスは、接続用の拡散空間を介して各拡散空間６２に供給され、原料ガス供給孔６１から処理空間１０に向けて吐出される。

【0040】

以上に説明した構成を備えるシャワープレート５は、単体部材により構成してもよいし、複数の部材を組み合わせて構成してもよい。シャワープレート５は、例えばステンレス、アルミニウム等の金属や、石英、セラミックス、樹脂などの誘電体により構成される。特に既述のようにシャワーヘッド３とシャワープレート５との間に容量結合プラズマを形成する場合には、例えば第１の面５０ａを構成する部材は、金属により構成される。第１の面５０ａを構成する金属製のシャワープレート５の構成部材の表面は、導電体膜や誘電体膜で覆われていてもよい。

【0041】

図１の説明に戻ると、成膜装置１は制御部１００を備えている。制御部１００は、プログラムを記憶した記憶部、メモリ、ＣＰＵを含むコンピュータにより構成される。プログラムは、制御部１００から成膜装置１の各部に向けて制御信号を出力し、ウエハＷの搬入出や成膜処理を実行するための命令（ステップ）が組まれている。このようなプログラムは、コンピュータの記憶部、例えばフレキシブルディスク、コンパクトディスク、ハードディスク、ＭＯ（光磁気ディスク）、不揮発性メモリなどに格納され、この記憶部から読み出されて制御部１００にインストールされる。

【0042】

＜成膜処理＞
次いで、以上に説明した構成を備える成膜装置１を用い、プラズマ処理として、ウエハＷへの成膜処理を実施する動作について説明する。
外部の真空搬送室に処理対象のウエハＷが搬送されてきたら、ゲートバルブ１３を開き、搬入出口１２を介して、ウエハＷを保持した搬送機構（不図示）を処理容器１１内に進入させる。そして、下方位置にて待機している載置台２１に対し、支持ピン２４を用いてウエハＷの受け渡しを行う。

【0043】

しかる後、処理容器１１から搬送機構を退出させ、ゲートバルブ１３を閉じると共に、処理容器１１内の圧力調節、ウエハＷの温度調節を行う。次いで、プラズマ形成空間３０へ向けて反応ガスの供給を行う（処理ガスを供給する工程）と共に、高周波電源部３４からシャワーヘッド３に高周波電力を印加する。
シャワーヘッド３への高周波電力の印加によって、シャワーヘッド３とシャワープレート５との間に容量結合プラズマを形成し、プラズマ形成空間３０に供給された反応ガスがプラズマ化される（処理ガスをプラズマ化する工程）。なお、既述のようにプラズマ化する反応ガスにはＡｒガスなどの補助ガスを同時に供給してもよい。

【0044】

＜イオントラップ空間５１の作用＞
プラズマ形成空間３０にてプラズマ化された反応ガスは、プラズマ流入孔５０１を介してイオントラップ空間５１内に流れ込む（イオントラップ空間に流入させる工程）。このとき、図７に示すように、プラズマ流入孔５０１の出口側の開口と対向する位置には、イオントラップ空間５１が配置されている。イオントラップ空間５１内に進入した反応ガスのプラズマは、プラズマ流入孔５０１からの吐出方向に沿ってイオントラップ面５１１へ向かって流れた後、イオントラップ面５１１に案内されて流れ方向を変え、プラズマ流出孔５０２に流れ込む。

【0045】

この反応ガスのプラズマには、イオンＩやラジカルなどの活性種や中性粒子が含まれる。一方、プラズマ流入孔５０１の側壁５１８の表面近傍には、プラズマのバルク流れの領域よりも電位の低いシース領域が形成される。このため、正電荷を有するイオンＩの一部は、側壁５１８の表面近傍のシース領域に引き寄せられ、側壁５１８の表面にトラップされる。その後、直行性あるイオンIはイオントラップ面５１１に衝突しイオントラップ面５１１の表面にトラップされる（イオンをトラップする工程）。

【0046】

上述の作用により、反応ガスのプラズマに含まれる、高いエネルギーを持つイオンＩが効率的にトラップされる。この結果、イオンの含有量が少なく、ラジカルの含有量が多いリモートプラズマを、プラズマ流出孔５０２を介して載置台２１上のウエハＷに対して供給することができる（処理空間に流入させる工程）。

【0047】

ここで、本例のシャワープレート５において、複数のイオントラップ空間５１は区画壁５１２によって互いに区画されている。言い換えると、シャワープレート５は、プラズマ形成空間３０に向けて配置された第１の面５０ａを構成する部材と、処理空間１０に向けて配置された第２の面５０ｂを構成する部材とが、複数の区画壁５１２によって接続された構成となっている。

【0048】

一方、プラズマ形成空間３０に向けて配置された第１の面５０ａには、プラズマから熱が入射する。ここで、背景技術にて説明した、特許文献１に記載の技術のように、多孔板状のシャワープレートの直下に多孔板状のイオントラップを配置する従来の構成の成膜装置にて、プラズマからシャワープレートに熱が入射する場合を考える。従来構成の場合には、シャワープレートがプラズマから受け取った熱の伝熱先は、他の部材と接触するシャワープレートの周縁部のみとなってしまう。このため、シャワープレート全体が均一に冷却されにくく、例えば中央部と周縁部とで温度差の大きな領域が形成されてしまうおそれがある。

【0049】

シャワープレート面内で大きな温度差が形成されると、プラズマ形成空間３０における反応ガスのプラズマ化の状態についても面内で大幅に不均衡となり、活性種濃度などの濃度差が形成されるおそれがある。この結果、シャワープレートに対向して配置されたウエハＷに対しても、例えば中央部側と周縁部側とで活性種の濃度分布の差が大きなプラズマが供給され、面内均一性の高い成膜処理を行ううえでの阻害要因となってしまうおそれもある。

【0050】

この点、既述のように、本実施の形態のシャワープレート５は、第１の面５０ａを構成する部材と、第２の面５０ｂを構成する部材とが、複数の区画壁５１２によって接続されている。これは、従来構成における、多孔板状のシャワープレートと、その直下に配置された多孔板状のイオントラップとが、複数の区画壁５１２によって接続された構成に対応している。このため、複数の区画壁５１２が伝熱路となって、プラズマからの熱入射がある第１の面５０ａ側の構成部材から、プラズマからの熱入射の無い第２の面５０ｂ側の構成部材を介しても、熱を逃がすことができる。この結果、第１の面５０ａの面内で、活性種濃度の分布がより均一なプラズマを形成することが可能となり、面内均一性の高い成膜を行うことができる。

【0051】

また、区画壁５１２によって区画された複数のイオントラップ空間５１を設けることにより、各イオントラップ空間５１の形状（筒状、環状、多面形状など）や、複数のイオントラップ空間５１の配置（マトリックス状の配置や同心状の配置）を種々設定することができる（図３、図４、図５、図６を参照）。また、各イオントラップ空間５１においても、イオントラップ空間５１の高さ、幅、配置角度、イオントラップ空間５１の横断面積とプラズマ流出孔５０２の開口面積との比、イオントラップ面５１１の幅や面積、イオントラップ面５１１をテーパー面により構成するなど、多くの設計変数を設定することが可能である。これらの設計変数を最適化することによって、より効率的にイオンＩをトラップする構成を探索する最適設計も容易となる。

【0052】

ここで、図３～図７を用いて例示したイオントラップ空間５１のように、各イオントラップ空間５１について、第１の面５０ａ側に複数のプラズマ流入孔５０１を設け、第２の面５０ｂ側に１つのプラズマ流出孔５０２を設ける構成は、必須ではない。例えば図８に示すシャワープレート５Ｃでは、各イオントラップ空間５１の下面側には底板部５１７が設けられている。そして、第１の面５０ａ側には、底板部５１７の上面の中央領域と対向するように１つのプラズマ流入孔５０１が設けられている。一方、当該中央領域を囲む底板部５１７の周縁部には、複数のプラズマ流出孔５０２が設けられている。この構成の場合、プラズマ流入孔５０１の出口と対向する、底板部５１７の上面の中央領域がイオントラップ面５１１を構成する。

【0053】

以上に説明した成膜処理において、ＣＶＤ法により成膜を行う場合は、イオントラップ空間５１にてイオンＩがトラップされた後のプラズマ化した反応ガスの供給と、原料ガス供給孔６１を介した原料ガスの供給とを並行して実施してもよい。
また、ＡＬＤ法により成膜を行う場合には、例えば「原料ガス供給孔６１を介した原料ガスの供給（ウエハＷへのプリカーサの吸着）→イオントラップ空間５１及び原料ガス供給孔６１を介したパージガスの供給→イオントラップ空間５１を介したプラズマ化した反応ガスの供給（ウエハＷに吸着したプリカーサとの反応）→イオントラップ空間５１及び原料ガス供給孔６１を介したパージガスの供給」のサイクルが、所定回数繰り返される。

【0054】

予め設定された期間、ＣＶＤ法またはＡＬＤ法による成膜を行ったら、反応ガス、原料ガスの供給、及びシャワーヘッド３への高周波電力の供給を停止する。しかる後、搬入時とは反対の手順にて、成膜が行われたウエハＷを処理容器１１から搬出する。

【0055】

＜効果＞
本実施形態に係る成膜装置１によれば以下の効果がある。プラズマ化した反応ガスを、複数のイオントラップ空間５１に流入させ、イオントラップ面５１１にてイオンＩをトラップした後、プラズマ流出孔５０２を介して処理空間１０へと供給する。このため、ラジカルの濃度を高めた反応ガスをウエハＷに供給して成膜処理を行うことができる。

【0056】

＜第２の実施形態＞
図９は、イオントラップ面５１１に加えて、区画壁５１２の内壁面においてもイオンＩをトラップすることが可能に構成された第２の実施形態を示している。なお、図９～図１３において、図１～図７を用いて説明したものと共通の構成要素には、これらの図に付したものと共通の符号を付してある。

【0057】

図９に示すように、第２の実施形態に係るシャワープレート５Ｄにおいて、区画壁５１２は、金属により構成された第１の面５０ａ、第２の面５０ｂの構成部材と各々、接するように絶縁部材５１５の層を配置している。そして、これら絶縁部材５１５の間に挟まれるように導電部材５１４の層を設け、当該導電部材５１４に対し、電源部５２を接続した構成となっている。ここで電源部５２は、直流電源により構成し、導電部材５１４に対して例えば負極を接続してもよい。但し、導電部材５１４に直流電源の負極を接続することは必須の要件ではない。例えば、導電部材５１４に対して直流電源の正極を接続してもよいし、電源部５２を、交流電源により構成してもよい。

【0058】

上述の構成を備えたシャワープレート５Ｄにおいて、電源部５２から導電部材５１４に電力を印加すると、導電部材５１４によって構成された区画壁５１２の内壁面の電位が変化する。この結果、既述のイオントラップ面５１１に加え、導電部材５１４に対してもイオンＩを電気的に引き寄せ、導電部材５１４の内壁面にトラップすることができる。

【0059】

＜第３の実施形態＞
次いで図１０に示す第３の実施形態に係るシャワープレート５Ｅは、隣り合って配置されたイオントラップ空間５１を区画する区画壁５１２に対し、これらイオントラップ空間５１同士を連通させるための連通路５１６が設けられている。連通路５１６を設けることにより隣り合うイオントラップ空間５１間の圧力差が小さくなり、各プラズマ流出孔５０２からより均一にプラズマ化した反応ガスを供給することができる。また、イオントラップ空間５１内のガス置換性が向上し、より短い時間でパージを行うことができるという効果もある。

【0060】

＜第４の実施形態＞
また、図１１に示す第４の実施形態に係るシャワープレート５Ｆにおいては、各プラズマ流出孔５０２の開口面積が、イオントラップ空間５１側から処理空間１０側へ向けて次第に広くなるように構成されている。プラズマ流出孔５０２の開口面積を次第に広げることにより、ウエハＷの面内の広い領域に亘って、より均一にプラズマ化した反応ガスを供給することができる。

【0061】

また図１２に示すように、イオントラップ面５１１は、区画壁５１２側からプラズマ流出孔５０２側へ向けて、その高さ位置が次第に低くなるように形成されたテーパー面によって構成してもよい。また、テーパー面によってイオントラップ面５１１を構成する手法は、図３～図１０を用いて説明した他の実施形態に係るシャワープレート５、５Ａ～５Ｅに設けられたイオントラップ空間５１に適用してもよい。

【0062】

ここで、上述の各実施の形態に係る成膜装置１に設けるプラズマ形成機構は、平行平板型の構成に限定されるものではなく、マイクロ波によりプラズマを発生させてもよい。また、アンテナの周囲に形成された高周波の変動磁場により渦電流を発生させて処理ガスをプラズマ化するＩＣＰ（Inductively Coupled Plasma）を利用してもよい。さらに、ＳＷＰ（Surface-Wave Plasma）、ＤＰＰ（Discharge Produced Plasma）、ＨＣＰ（Hollow Cathode Plasma）等によりプラズマを発生させてもよい。

【0063】

さらに、図１において実施される成膜処理では、シャワープレート５の原料ガス供給孔６１から供給される原料ガスとしては、既述のＴｉＣｌ_４ガス以外に、ＳｉＨ_４ガスやＳｉを含むガス、ＮＨ_３ガスやＮを含むガス、金属材料系ガスなどを例示することができる。また、原料ガス供給孔６１をシャワープレート５に設ける構成には限らず、シャワープレート５とは独立して設けられた原料ガス供給孔から処理空間１０に原料ガスを供給するようにしてもよい。例えば原料ガスノズルを処理空間１０内に挿入するように設け、この原料ガスノズルに形成された原料ガス供給孔を介して原料ガスを供給する構成であってもよい。

【0064】

また、本開示は成膜処理には限定されず、ウエハＷに形成された膜のエッチングを行うエッチング処理装置や、プラズマ化された改質ガスにより、ウエハＷ上の物質の改質を行う改質処理を行う改質装置に適用してもよい。
例えばエッチング処理について、図１に示す装置をエッチング装置に適用し、ウエハＷ表面に形成されたガリウムヒ素膜（ＧａＡｓ膜）に対して原子層エッチング（Atomic Layer Etching）処理を行う場合を例にして説明する。このエッチングでは、処理空間１０に、シャワープレート５の原料ガス供給孔６１を介してエッチャントガスを供給し、載置台２１上のウエハ表面に形成されたＧａＡｓ膜に吸着させる。エッチャントガスとしては、塩素（Ｃｌ_２）ガス、塩化水素（ＨＣｌ）ガスなどの腐食性ガスを用いることができる。

【0065】

次いで、プラズマ形成空間３０にて、不活性ガス例えばＡｒガスをプラズマ化し、シャワープレート５の各イオントラップ空間５１を介して処理空間１０に供給する。この例では、プラズマ形成空間３０にてプラズマ化されるＡｒガスが処理ガスに相当する。この際、イオントラップ空間５１に設けられたイオントラップ面５１１にて、Ａｒガスから高いエネルギーのイオンを除去し、低いエネルギーのイオンまたはラジカルを処理空間１０に供給する。Ａｒガスの活性種に含まれるラジカルまたは低いエネルギーイオンは、ウエハ表面のＧａＡｓ膜に吸着したエッチャントガスに衝突し、電気エネルギーを与えて、エッチャントガスとエッチング対象の原子層との化学反応を誘発する。これによりエッチャントガスとＧａＡｓ膜の原子層、不活性ガスがウエハ表面から除去される。

【0066】

エッチャントガスの吸着と、プラズマ化されたＡｒガスの供給との間には、処理空間１０にパージガスを導入して排気が行われる。これらの工程を繰り返して、予め設定された量のエッチングが行われる。
プラズマ化されたＡｒガスには、様々なエネルギーのイオンが含まれているが、原子層エッチングでは、原子層１層単位でエッチングを行うため、低いエネルギーのイオンやラジカルを用いることが求められる。上述の例では、Ａｒガスについては、例えば２０ｅＶ以下のエネルギーのイオンとラジカルをウエハＷに供給することが好ましい。

【0067】

このように低いエネルギーのイオンやラジカルを用いてエッチング処理を行うので、ウエハＷや堆積した膜に欠陥を与えずにＧａＡｓ膜の原子層１層をエッチングすることができる。従って、原子層エッチングにおいても、イオントラップ空間５１にて、プラズマ化された処理ガスから高いエネルギーのイオンを除去できる構成は有効である。
また、図１に示す装置を用いて、原子層エッチングと成膜処理とを、ガスを切り替えて実施し、エッチングと成膜処理を連続して実施するようにしてもよい。

【0068】

さらにまた、原子層エッチングを実施するときに、シャワープレート５の原料ガス供給孔６１から供給されるエッチャントガスとしては、既述のＣｌ_２ガス、ＨＣｌガス以外に、ＣＨＦ_３ガス、ＣＨ_３Ｆガス、Ｈ_２ガス、ＢＣｌ_３ガス、ＳｉＣｌ_４ガス、Ｂｒ_２ガス、ＨＢｒガス、ＮＦ_３ガス、ＣＦ_４ガス、ＳＦ_６ガス、Ｏ_２ガス、ＳＯ_２ガスやＣＯＳガスなどを例示することができる。

【0069】

今回開示された実施形態は全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。上述の実施形態は、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。

【実施例0070】

（シミュレーション）
プラズマ流入孔５０１、イオントラップ空間５１、プラズマ流出孔５０２の設計を種々変化させて、これらの領域におけるラジカルの濃度分布を流体シミュレータにより特定の条件下（圧力、温度、流量など）でシミュレーションし、ラジカル失活量の少ない構成例を探索した。
Ａ．シミュレーション条件
図３、図４を用いて説明した構成のプラズマ流入孔５０１、イオントラップ空間５１、プラズマ流出孔５０２に対応するシミュレーションモデルを作成した（図１３）。プラズマ流入孔５０１の直径はｄ１＝２ｍｍ、設置数は１０、プラズマ流出孔５０２の直径はｄ２＝６ｍｍとした。また、イオントラップ空間５１の上面側の部材の厚さはｔ１＝２ｍｍ、下面側の部材の厚さはｔ２＝６ｍｍとした。そして、イオントラップ空間５１の直径ｄ３を種々変化させて設定した条件下において、以下の考え方に基づきイオントラップ空間５１の高さｔ３を決定した。図１３中には、プラズマ流入孔５０１の外周縁の位置から入射したイオンＩの軌跡を太線の矢印ＩＤで示してある。この条件下で、プラズマ流入孔５０１の外周縁の位置から、矢印ＩＤ以上の入射角で入射したイオンＩが、イオントラップ面５１１の表面や区画壁５１２の内壁面にトラップされる条件が形成されるようにイオントラップ空間５１の高さｔ３を求めた。この場合、イオントラップ面５１１に対し、矢印ＩＤよりも小さな入射角を持ったイオンＩは、プラズマ流入孔５０１を構成する、イオントラップ空間５１の上面側の部材の側面にトラップされることになる。本例のシミュレーション条件として、圧力は１３３Ｐａ、温度は２００℃、プラズマ流出孔５０２から流入する処理ガスの流量は４ｓｃｃｍに設定した。処理ガスは、水素ガスとし、プラズマ形成空間３０における水素ラジカルの質量分率を０．００１％とした。

【0071】

（実施例１）イオントラップ空間５１の直径をｄ３＝１０．４ｍｍに設定した。イオントラップ空間５１の高さはｔ３＝０．２ｍｍとなった。
（実施例２）イオントラップ空間５１の直径をｄ３＝１２ｍｍに設定した。イオントラップ空間５１の高さはｔ３＝１ｍｍとなった。
（実施例３）イオントラップ空間５１の直径をｄ３＝１６ｍｍに設定した。イオントラップ空間５１の高さはｔ３＝３ｍｍとなった。
（実施例４）イオントラップ空間５１の直径をｄ３＝２０ｍｍに設定した。イオントラップ空間５１の高さはｔ３＝５ｍｍとなった。

【0072】

Ｂ．シミュレーション結果
図１４は、各実施例におけるイオントラップ空間５１の高さｔ３に対し、プラズマ流出孔５０２の出口位置における水素ラジカルの残余率をプロットした図である。既述のように、これらの実施例では、プラズマ流入孔５０１、プラズマ流出孔５０２の直径の直径ｄ１、ｄ２などを固定した条件下で、直径ｄ３の設計値を変化させている。そして、既述の手法に基づき、各直径ｄ３の条件下における好適なイオントラップ空間５１の高さｔ３を導きだしている。

【0073】

図１４によれば、上述の条件下でイオントラップ空間５１の直径ｄ３を変化させたとき、水素ラジカルの残余率が最大となるイオントラップ空間５１の高さｔ３が存在することが分かる。例えばラジカルの残余率が４０％以上となる、イオントラップ空間５１の高さｔ３は、０．１ｍｍ以上、３．１ｍｍ以下の範囲を好適範囲として例示することができる。上述の範囲において、イオントラップ空間５１の高さｔ３の下限値（０．１ｍｍ）は、部材の加工制約である。

【符号の説明】

【0074】

１ 成膜装置
２１ 載置台
３０ プラズマ形成空間
５、５Ａ～５Ｇ
シャワープレート
５１ イオントラップ空間
５１１ イオントラップ面
５１２ 区画壁

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】