JPWO2004097919A1 - 処理ガス導入機構およびプラズマ処理装置 - Google Patents

Abstract

プラズマ発生部と被処理基板を内部に収容するチャンバーとを有するプラズマ処理装置においてプラズマ発生部とチャンバーとの間に設けられ、プラズマ発生部とチャンバーとで画成される処理空間に処理ガスを導入する処理ガス導入機構は、プラズマ発生部を支持するとともにチャンバーに載せられ、処理ガスを処理空間に導入するガス導入路が形成され、その中央に前記処理空間の一部をなす穴部を有するガス導入ベースと、ガス導入ベースの穴部に取り外し可能に装着され、ガス導入路から処理空間に連通して処理ガスを処理空間に吐出する複数のガス吐出孔を有する略リング状をなすガス導入プレートとを有する。

Description

本発明は、基板処理に用いる処理ガスを導入する処理ガス導入機構および、処理ガスを導入して基板のプラズマ処理を行うプラズマ処理装置に関する。

半導体製造工程においては、例えば、被処理体であるシリコンウェハに形成されたコンタクトホールの底部にＴｉを成膜し、Ｔｉと基板のＳｉとの相互拡散によりＴｉＳｉを形成し、その上にＴｉＮ等のバリア層を形成し、さらにその上にＡｌ層、Ｗ層、Ｃｕ層等を形成してホールの埋め込みと配線の形成が行われる。従来から、このような一連の工程を実施するためにクラスターツール型のような複数のチャンバーを有するメタル成膜システムが用いられている。このようなメタル成膜システムにおいては、良好なコンタクトを得るために成膜処理に先立って、シリコンウェハ上に形成された自然酸化膜やエッチングダメージ層等を除去する処理が施される。このような自然酸化膜を除去する装置としては、水素ガスとアルゴンガスを用いて誘導結合プラズマを形成するものが知られている（特開平４−３３６４２６号公報）。
また、誘導結合プラズマを形成して処理する装置としては、被処理体である半導体ウェハを配置したチャンバーの上部に誘電体からなるベルジャーを設け、その外周部に、ＲＦ電源に接続されたコイルインダクタを巻回して誘導結合プラズマを発生させる構成が知られている（特開平１０−２５８２２７号公報、特開平１０−１１６８２６号公報、特開平１１−６７７４６号公報、２００２−２３７４８６号公報）。
この種の誘導結合プラズマ処理装置としては、図１にその一部を示すように、ベルジャー４０１、コイル４０３、図示しないＲＦ電源等を含むプラズマ発生部４００と、被処理体が収容されるチャンバー２０１とを、処理ガスを導入するためのガス導入リング４０８を介してネジ止めしたものがある。具体的には、ベルジャー４０１は、ネジ部品４１０を用いてベルジャー押さえ４０９でガス導入リング４０８に固定される。その際に、ベルジャー押さえ４０９およびガス導入リング４０８とベルジャー４０１の間には、例えばＰＴＦＥ（ポリテトラフロロエチレン）などの樹脂からなる環状の緩衝材４０９ａが挿入されて、ベルジャー４０１を保護している。
ベルジャー４０１を保持したガス導入リング４０８は、リッドベース４０７によって保持されて、当該リッドベース４０７がチャンバー２０１に載置される構造となっている。
ベルジャー４０１とガス導入リング４０８との間、およびリッドベース４０７とチャンバー２０１との間には例えばＯリングなどのシール材４１３および４１４が挿入されて気密性が保持されている。
例えばＡｒガスやＨ_２ガスなどの処理ガスは、ガス導入溝４０８ｂから、当該ガス導入溝４０８ｂに連通したガス孔４０８ａより処理空間４０２に導入される構造になっている。このようにして導入された処理ガスをプラズマ励起して、被処理基板である半導体ウェハのプラズマ処理を行う。
この場合、プラズマ処理によって、例えばスパッタエッチングにより飛散した物質がガス導入リング４０８やリッドベース４０７の側面に付着して堆積物となる。この堆積物が厚くなると、堆積した場所より剥離してパーティクルとなり、装置の稼働率が低下し、半導体装置の歩留まりの低下などの問題が生じる。
そのため、処理空間４０２内において、前記ガス導入リング４０８およびリッドベース４０７を覆うようにカバーシールド４１１を、ネジ４１２によって取り付けた構造としている。このカバーシールド４１１上にエッチングにより飛散した物質が付着した場合、ネジ４１２の着脱によって当該カバーシールド４１１を交換して、堆積物の蓄積によるパーティクルの発生を防止している。
また、ガス孔４０８ａから導入される処理ガスの拡散を遮ることがないように、カバーシールド４１１にはガス穴４０８ａの直径より大きい孔部４１１ａが設けられている。このため、ガス導入リング４０８のガス孔４０８ａの周囲に堆積物が付着してしまう。そこでメンテナンスの際は、カバーシールド４１１とともにガス導入リング４０８も交換する必要がある。
しかしながら、カバーシールド４１１を交換する際には、ベルジャー４０１、ガス導入リング４０８およびリッドベース４０７を取り外す必要が有り、メンテナンスに時間を要する問題がある。また、ガス導入リング４０８はガス流路４０８ｂが形成されているなど構造が複雑であり、交換する部品の価格が高価となってしまい、装置のランニングコストが上昇して半導体装置の生産性低下の要因となる。
一方、この種の誘導結合型プラズマ処理装置においては、プラズマ処理に与える処理空間の形状が詳細には検討されておらず、必ずしもプラズマ処理の均一性が十分ではないという問題がある。
また、プラズマが形成される容器内でウェハを載置するサセプタの構造としては、ウェハの保持エリアを所定の深さの凹状に削り込んでウェハの位置決めを行えるようにしたものが知られている（特開２００２−１５１４１２号公報）。
しかしながら、このようなサセプタの構造を採用した場合にも、プラズマ処理の均一性が十分ではないという問題が生じる。

本発明の目的は、メンテナンス時の交換部品のコストを削減し、ランニングコストを低くすることができる処理ガス導入機構およびプラズマ処理装置を提供することにある。
本発明の他の目的は、メンテナンスが容易であり、メンテナンス時間を短縮することが可能なプラズマ処理装置を提供することにある。
本発明のさらに他の目的は、誘導結合プラズマを用いるプラズマ処理において、被処理体の面内均一性を向上させることが可能なプラズマ処理装置を提供することにある。
本発明の別の目的は、設計や製作コストの上昇や装置構成の汎用性を損なうことなく、被処理体の面内均一性を向上させることが可能なプラズマ処理装置を提供することにある。
本発明の第１の観点によれば、プラズマ発生部と被処理基板を内部に収容するチャンバーとを有するプラズマ処理装置において前記プラズマ発生部と前記チャンバーとの間に設けられ、前記プラズマ発生部と前記チャンバーとで画成される処理空間に処理ガスを導入する処理ガス導入機構であって、前記プラズマ発生部を支持するとともに前記チャンバーに載せられ、処理ガスを前記処理空間に導入するガス導入路が形成され、その中央に前記処理空間の一部をなす穴部を有するガス導入ベースと、前記ガス導入ベースの前記穴部に取り外し可能に装着され、前記ガス導入路から前記処理空間に連通して前記処理ガスを前記処理空間に吐出する複数のガス吐出孔を有する略リング状をなすガス導入プレートとを有する処理ガス導入機構が提供される。
本発明の第２の観点によれば、プラズマを発生させるプラズマ発生部と、被処理基板を内部に収容するチャンバーと、前記プラズマ発生部と前記チャンバーとの間に設けられ、前記プラズマ発生部と前記チャンバーとで画成される処理空間にプラズマ形成用の処理ガスを導入する処理ガス導入機構とを具備し、前記処理ガス導入機構は、前記プラズマ発生部を支持するとともに前記チャンバーに載せられ、処理ガスを前記処理空間に導入するガス導入路が形成され、その中央に前記処理空間の一部をなす穴部を有するガス導入ベースと、前記ガス導入ベースの前記穴部に取り外し可能に装着され、前記ガス導入路から前記処理空間に連通して前記処理ガスを前記処理空間に吐出する複数のガス吐出孔を有する略リング状をなすガス導入プレートとを有するプラズマ処理装置が提供される。
本発明の第３の観点によれば、プラズマを発生するプラズマ発生部と、被処理基板を内部に収容するチャンバーと、前記プラズマ発生部と前記チャンバーとの間に設けられ、前記プラズマ発生部を支持するとともに前記チャンバー上に載せられ、前記プラズマ発生部と前記チャンバーとで画成される処理空間にプラズマ形成用の処理ガスを導入する処理ガス導入機構と、前記処理ガス導入機構および前記プラズマ発生部を前記チャンバーに対して着脱する着脱機構とを具備するプラズマ処理装置が提供される。
上記本発明の第１および第２の観点によれば、ガス導入ベースを、プラズマ発生部を支持するとともに前記チャンバーに載せられ、処理ガスを前記処理空間に導入するガス導入路が形成され、その中央に前記処理空間の一部をなす穴部を有する構造とし、このガス導入ベースの前記穴部に、前記ガス導入路から前記処理空間に連通して前記処理ガスを前記処理空間に吐出する複数のガス吐出孔を有する略リング状をなすガス導入プレートを取り外し可能に装着したので、処理ガス導入機構の構造が単純化され、かつ消耗部品の交換が容易となる。そのため、メンテナンス時間が短縮され、プラズマ処理装置の稼働率が上がって生産性が改善される。また、前記処理ガス導入機構の構造を単純化したために、当該処理ガス導入構造の製造コストを低く抑えることが可能となり、プラズマ処理装置の製造コストを低く抑えることが可能となる。
上記本発明の第３の観点によれば、処理ガス導入機構およびプラズマ発生部を前記チャンバーに対して着脱する着脱機構を設けたので、メンテナンスが容易であり、メンテナンス時間を短縮することが可能となる。
本発明の第４の観点によれば、被処理基板に対してプラズマ処理を行うプラズマ処理装置であって、被処理体を収容するチャンバーと、前記チャンバーの上方にチャンバーと連通するように設けられた誘電体からなるベルジャーおよび前記ベルジャーの外側の周囲にコイル状に巻回され前記ベルジャー内に誘導電界を形成するアンテナを有し、前記ベルジャーの内側へプラズマを発生させるプラズマ発生部と、前記プラズマ発生部と前記チャンバーとの間に設けられ、前記プラズマ発生部と前記チャンバーとで画成される処理空間にプラズマ形成用のガスを導入するガス導入機構と、前記チャンバー内に設けられた被処理体が載置される載置台とを具備し、前記ベルジャーの内径Ｄと、前記ベルジャーの中央部の内法高さＨとの比Ｄ／Ｈで表される偏平率Ｋが１．６０〜９．２５であるプラズマ処理装置が提供される。
本発明の第５の観点によれば、被処理基板に対してプラズマ処理を行うプラズマ処理装置であって、被処理体を収容するチャンバーと、前記チャンバーの上方にチャンバーと連通するように設けられた誘電体からなるベルジャーおよび前記ベルジャーの外側の周囲にコイル状に巻回され前記ベルジャー内に誘導電界を形成するアンテナを有し、前記ベルジャーの内側へプラズマを発生させるプラズマ発生部と、前記プラズマ発生部と前記チャンバーとの間に設けられ、前記プラズマ発生部と前記チャンバーとで画成される処理空間にプラズマ形成用のガスを導入するガス導入機構と、前記チャンバー内に設けられた被処理体が載置される載置台とを具備し、前記ベルジャーの内径Ｄと、前記ベルジャーの中央部の天井部分から前記載置台までの距離Ｈ１との比Ｄ／Ｈ１で表される偏平率Ｋ１が、０．９０〜３．８５であるプラズマ処理装置が提供される。
上記本発明の第４および第５の観点は、上述のような誘導結合プラズマを用いる処理装置では、ベルジャーの高さが、被処理基板に対するプラズマ分布密度のばらつきに大きく影響し、特に、大口径のシリコンウェハに対する上述のようなプラズマ処理において面内均一性を向上させるには、ベルジャーの高さの最適化が有効であるという本発明者らが見出した知見に基づいている。
上記本発明の第４の観点によれば、その内部にプラズマが形成されるベルジャーの偏平率Ｋを１．６０〜９．２５と大きな値とするので、載置台上に位置する被処理基板の上方のベルジャー内に形成されるプラズマが被処理体の処理面に沿って広がり、プラズマの密度分布が前記処理面に沿って均一化する。このため、プラズマ処理における被処理体の面内均一性が向上する。
上記本発明の第５の観点によれば、載置台からベルジャーの天井までの高さを加味したベルジャーの偏平率Ｋ１を０．９０〜３．８５と大きな値とするので、載置台上に位置する被処理体の上方のベルジャー内に形成されるプラズマが、被処理体の処理面に沿って広がり、プラズマの密度分布が前記処理面に沿って均一化する。このため、プラズマ処理における被処理体の面内均一性が向上する。
さらに、上記第４および第５の観点では、ベルジャーを偏平にするだけで、それ以外のチャンバー部分は既存の構成をそのまま用いることができ、チャンバー部分の設計変更等に起因するコスト高やチャンバー部分の外部接続構造の変更等による汎用性の低下を招くことなく、プラズマ処理における被処理体の面内均一性を向上させることができる。
本発明の第６の観点によれば、被処理基板に対してプラズマ処理を行うプラズマ処理装置であって、被処理体を収容するチャンバーと、前記チャンバーの上方にチャンバーと連通するように設けられた誘電体からなるベルジャーおよび前記ベルジャーの外側の周囲にコイル状に巻回され前記ベルジャー内に誘導電界を形成するアンテナを有し、前記ベルジャーの内側へプラズマを発生させるプラズマ発生部と、前記プラズマ発生部と前記チャンバーとの間に設けられ、前記プラズマ発生部と前記チャンバーとで画成される処理空間にプラズマ形成用のガスを導入するガス導入機構と、前記チャンバー内に設けられた被処理体が支持される載置台と、誘電体からなり前記載置台を覆うとともに前記被処理体が載置されるマスクとを具備し、前記マスクは、前記被処理体が載置される第１領域と、前記第１領域の周りの第２領域とが同一の高さに構成されているプラズマ処理装置が提供される。
上記本発明の第６の観点は、従来のサセプタの、ウェハの保持エリアを凹形に彫り込む形状では、凹形の外周部のインピーダンスが中央部よりも高くなり、プラズマ形成のバイアス等に影響を及ぼしてプラズマ処理の面内均一性が低下するという問題を解決するためのものであり、被処理体が載置される載置台のマスクにおいて、被処理体が載置される第１領域と、その周辺部の第２領域の高さを同じくして平坦な構成とするので、プラズマ形成時のインピーダンスが、第１および第２領域で均一化し、被処理体の周辺部と中央部とでプラズマの分布密度が均一化し、プラズマ処理における被処理体の面内均一性を向上させることができる。

図１は、従来のプラズマ処理装置の概略の一部を拡大した図、
図２は、本発明の第１実施形態に係るプラズマ処理装置の概略を示す断面図、
図３は、本発明の第１実施形態に係るプラズマ処理装置のガス導入機構部分を拡大して示す断面図。
図４Ａは、ガス導入機構を構成するガス導入ベースを示す斜視図、
図４Ｂは、そのガス導入ベースを示す断面図、
図５Ａは、ガス導入機構を構成するガス導入プレートを示す斜視図、
図５Ｂは、そのガス導入プレートを示す断面図、
図６は、ガス導入機構の一部を拡大して示す断面図、
図７は、ガス導入機構の変形例を示す断面図、
図８は、本発明の第１実施形態に係るプラズマ処理装置の外観を示す斜視図、
図９は、本発明の第２実施形態に係るプラズマ処理装置を示す断面図、
図１０Ａは、従来のプラズマ処理装置のＡｒプラズマのＡｒ^＋の密度分布のシミュレーション結果を示す図、
図１０Ｂは、本発明の第２実施形態に係るプラズマ処理装置におけるプラズマ中のＡｒ^＋の密度分布のシミュレーション結果を示す図、
図１１は、本発明の第２実施形態に係るプラズマ処理装置のベルジャーの形状の効果の一例を示すグラフ。
図１２は、本発明の第２実施形態に係るプラズマ処理装置の変形例を示す断面図、
図１３は、本発明の第３実施形態に係るプラズマ処理装置における半導体ウェハ載置構造を示す概略断面図、
図１４は、図１３の半導体ウェハ載置構造を拡大して示す断面図、
図１５は、図１３の半導体ウェハ載置構造を示す平面図、
図１６は、本発明の第３実施形態における半導体ウェハ載置部分の段差とエッチング結果のバラツキとの関係を示すグラフである。

以下、添付図面を参照して本発明の実施形態について説明する。
第１実施形態
図２は、本発明の第１実施形態に係るプラズマ処理装置の構成の概略図である。プラズマ処理装置１００は被処理基板をプラズマ処理する装置であり、例えば被処理基板上に形成される金属膜上やシリコン上に形成される自然酸化膜などの酸化膜を含む不純物層をプラズマエッチングして除去する工程に用いられる。
プラズマ処理装置１００は、被処理基板である半導体ウェハを収容するチャンバー１０と、チャンバー１０内で半導体ウェハを保持するウェハ保持部２０と、チャンバー１０を覆うように設置され、ウェハにプラズマ処理を施す処理空間Ｓ内にプラズマを発生するプラズマ発生部４０と、プラズマを発生するためのガスを前記処理空間Ｓに導入するためのガス導入機構５０と、ガス導入機構５０にプラズマを生成するためのガスを供給するガス供給機構６０とを有している。また、図２には示されていないが、ガス導入機構５０およびプラズマ発生部４０を着脱する後述する着脱機構を有している。
チャンバー１０はアルミニウムまたはアルミニウム合金等の金属材料からなり、円筒状をなす本体１１と、本体１１の下方に設けられた本体１１よりも小径の円筒状をなす排気室１２とを有している。排気室１２は、本体１１内を均一に排気するために設けられている。
チャンバー１０の上方には、チャンバー１０と連続するように、プラズマ発生部４０の構成要素であるベルジャー４１が設けられている。ベルジャー４１は誘電体からなり上部が閉塞された円筒状、例えばドーム型をなしている。そして、チャンバー１０およびベルジャー４１により処理容器が構成され、その中が前記処理空間Ｓとなっている。
ウェハ保持部２０は、被処理体である半導体ウェハＷを水平に支持するための誘電性材料からなるサセプタ（載置台）２１を有し、このサセプタ２１が円筒状の誘電性材料からなる支持部材２２に支持された状態で配置されている。なお、サセプタ２１の上面にウェハＷと略同形の凹部を形成し、この凹部にウェハＷが落とし込まれるようにしてもよく、サセプタ２１上面に静電吸着機構を設けて静電吸着するようにしてもよい。サセプタ２１を構成する誘電性材料としては、セラミック材料、例えばＡｌＮ、Ａｌ_２Ｏ_３を挙げることができ、中でも熱伝導性が高いＡｌＮが好ましい。
サセプタ２１の外周には、サセプタ２１に載置されたウェハＷのエッジを覆うようにシャドウリング２３が昇降可能に設けられている。シャドウリング２３は、プラズマをフォーカスし、均一なプラズマを形成するのに役立つ。また、サセプタ２１をプラズマから保護する役割も有する。
サセプタ２１内の上部にはＭｏ、Ｗ等の金属からなるメッシュ状に形成された電極２４が水平面状に埋設されており、この電極２４には整合器２６を介してウェハに高周波バイアスをかけてイオンを引き込むための高周波電源２５が接続されている。
また、サセプタ２１内には、電極２４の下方位置にヒーター２８が埋設されており、ヒーター電源２９からヒーター２８に給電することにより、ウェハＷを所定の温度に加熱可能に構成されている。なお、電極２４およびヒーター２８への給電線は支持部材２２の内部に挿通されている。
サセプタ２１には、ウェハＷを支持して昇降させるための３本（２本のみ図示）のウェハ昇降ピン３１が挿通されており、サセプタ２１の上面に対して突没可能に設けられている。これらウェハ昇降ピン３１は支持板３２に固定されており、エアシリンダ等の昇降機構３３により支持板３２を介して昇降される。
チャンバー１０の本体１１の内部には、その内壁に沿って本体１１の内壁にプラズマエッチングにより生成された副生成物等が付着することを防止するための略円筒状をなすチャンバーシールド３４が着脱自在に設けられている。このチャンバーシールド３４は、Ｔｉ材（ＴｉまたはＴｉ合金）により構成されている。シールド材としてＡｌ材を用いてもよいが、Ａｌ材では処理中においてパーティクルの発生があるので、付着物との密着性が高くパーティクルの発生を大幅に減少することができるＴｉ材を用いることが好ましい。また、Ａｌ材のシールド本体にＴｉをコーティングして用いてもよい。さらに、チャンバーシールド３４の表面は、付着物との密着性を向上させるため、ブラスト処理等で微小な凹凸形状にしてもよい。このチャンバーシールド３４はチャンバー１０の本体１１の底壁に数カ所（図では２カ所）ボルト３５により取り付けられており、ボルト３５を外すことにより、チャンバー１０の本体１１から取り外すことができ、チャンバー１０内のメンテナンスを容易に行うことができる。
チャンバー１０の側壁は開口３６を有しており、この開口３６はゲートバルブ３７により開閉されるようになっている。このゲートバルブ３７を開にした状態で半導体ウェハＷが隣接するロードロック室（図示せず）とチャンバー１０内との間で搬送されるようになっている。
チャンバー１０の排気室１２は、本体１１の底壁の中央部に形成された円形の穴を覆うように下方に向けて突出して設けられている。排気室１２の側面には排気管３８が接続されており、この排気管３８には排気装置３９が接続されている。そしてこの排気装置３９を作動させることによりチャンバー１０およびベルジャー４１内を所定の真空度まで均一に減圧することが可能となっている。
前記プラズマ発生部４０は、上述のベルジャー４１と、ベルジャー４１の外側に巻回されたアンテナ部材としてのコイル４３と、コイル４３に高周波電力を供給する高周波電源４４と、ベルジャー４１およびコイル４３を覆い、プラズマの紫外線および電磁波をシールドする遮蔽容器４６とを有している。
ベルジャー４１は、例えば石英やＡｌＮ等のセラミックス材料のような誘電体材料で形成されており、円筒状の側壁部４１ａと、その上のドーム状の天壁部４１ｂとを有している。コイル４３は、このベルジャー４１の円筒を形成する側壁部４１ａの外側に略水平方向にコイルとコイルの間が５〜１０ｍｍピッチで好ましくは８ｍｍピッチで所定の巻回数で巻回されており、コイル４３は、例えばフッ素樹脂等の絶縁材でサポートされて固定される。図示の例ではコイル４３の巻回数は７巻である。
上記高周波電源４４は、整合器４５を介してコイル４３に接続されている。高周波電源４４は例えば３００ｋＨｚ〜６０ＭＨｚの周波数の高周波電力を発生する。好ましくは４５０ｋＨｚ〜１３．５６ＭＨｚである。高周波電源４４からコイル４３に高周波電力を供給することにより、誘電体材料からなるベルジャー４１の側壁部４１ａを介してベルジャー４１の内側の処理空間Ｓに誘導電磁界が形成されるようになっている。
ガス導入機構５０は、チャンバー１０とベルジャー４１の間に設けられており、ベルジャー４１を支持するとともにチャンバー１０に載せられたガス導入ベース４８と、このガス導入ベース４８の内側に取り付けられたガス導入プレート４９と、ガス導入ベース４８にベルジャー４１を固定するためのベルジャー押さえ４７とを有している。そして、ガス供給機構６０からの処理ガスが、後述するガス導入ベース４８内に形成されたガス導入路４８ｅおよびガス導入プレート４９に形成されたガス吐出孔４９ａを介して処理空間Ｓに吐出されるようになっている。
ガス供給機構６０は、Ａｒガス供給源６１、Ｈ_２ガス供給源６２を有しており、これらガス供給源には、それぞれガスライン６３，６４が接続されており、これらガスライン６３，６４はガスライン６５に接続されている。そして、これらガスはこのガスライン６５を介してガス導入機構５０へ導かれる。ガスライン６３，６４には、マスフローコントローラ６６およびその前後の開閉バルブ６７が設けられている。
このようにしてガス供給機構６０のガスライン６５を介してガス導入機構５０に供給された、処理ガスであるＡｒガス、Ｈ_２ガスは、ガス導入機構５０のガス導入路４８ｅおよびガス導入プレート４９に形成されたガス吐出孔４９ａを介して処理空間Ｓに吐出され、上述のようにして処理空間Ｓに形成された誘導電磁界によりプラズマ化され、誘導結合プラズマが形成される。
次に、ガス導入機構５０の構造について詳細に説明する。
図３に拡大して示すように、ガス導入ベース４８には、チャンバー１０の本体１１の壁部に形成されたガス導入路１１ｂに接続される第１のガス流路４８ａが形成され、この第１のガス流路４８ａは、ガス導入ベース４８内に略環状または半円状に形成された第２のガス流路４８ｂに接続されている。また、第２のガス流路４８ｂからは内側に向けて等間隔にまたは対角的に複数の第３のガス流路４８ｃが形成されている。一方、ガス導入ベース４８とガス導入プレート４９の間には、ガスが均一に拡散可能に略環状の第４のガス流路４８ｄが形成されており、この第４のガス流路４８ｄに前記第３のガス流路４８ｃが接続されている。そして、これら第１〜第４のガス流路４８ａ，４８ｂ，４８ｃ，４８ｄが連通してガス導入路４８ｅを構成している。
ガスライン６５から導入された処理ガスは、ガス導入路１１ｂを介して、ガス導入ベース４８に形成された第１のガス流路４８ａから、略環状または半円状に形成された第２のガス流路４８ｂ中を均一に拡散する。そして、処理ガスは、当該第２のガス流路４８ｂに連通し処理空間Ｓの方向へ向かう複数の第３のガス流路４８ｃを介して、略環状の第４のガス流路４８ｄに至る。
一方、上述したように、ガス導入プレート４９には、第４のガス流路４８ｄと処理空間Ｓとに連通したガス吐出孔４９ａが等間隔に複数形成されており、処理ガスは第４のガス流路４８ｄからガス吐出孔４９ａを介して、処理空間Ｓに吐出される。また、ガス導入路１１ｂと、第１のガス流路４８ａの接続部分の周囲には、シールリング５２が設置されて、処理ガスを供給する経路の気密性を保持している。
また、ガス導入ベース４８は、上述したようにベルジャー４１を保持してチャンバー１０の本体１１に載置される構造となっている。その際、ガス導入ベース４８とベルジャー４１との間、およびガス導入ベース４８とチャンバー１０の本体１１との間には、それぞれ例えばＯリングなどのシール材５３および５４が介在されており、処理空間Ｓの気密性が保持される。
ベルジャー４１はガス導入ベース４８に保持され、その端部をベルジャー押さえ４７によって固定されている。またベルジャー押さえ４７はネジ５５によってガス導入ベース４８に締結されている。ベルジャー押さえ４７およびガス導入ベース４８とベルジャー４１との間には、ＰＴＦＥなどからなる緩衝材４７ａが介装されている。これは、例えば石英やＡｌ_２Ｏ_３、ＡｌＮなどの誘電材料からなるベルジャー４１が、例えばＡｌなどの金属材料などからなるベルジャー押さえ４７やガス導入ベース４８に衝突して破損することを防ぐためである。また、ガス導入ベース４８とガス導入プレート４９とはネジ５６によって締結されている。
次に、前記した処理ガス導入機構５０を構成するガス導入ベース４８およびガス導入プレート４９をさらに詳細に説明する。
図４Ａ、４Ｂは、ガス導入ベース４８を示したものであり、図４Ａはその斜視図であり、図４Ｂは、図４ＡにおけるＡ−Ａ断面図である。ガス導入ベース４８は、例えばＡｌなどの金属材料からなり、図４Ａに示すように、その中央に略円形状の穴４８ｆが形成された構造となっており、プラズマ処理装置１００に取り付けた際に、穴４８ｆが処理空間Ｓの一部を形成する。ガス導入ベース４８には、図４Ｂの断面に示すように、上述した第１〜第３のガス流路４８ａ，４８ｂ，４８ｃが形成されており、第３のガス流路４８ｃは、空間４８ｄ′に連通している。ガス導入ベース４８の内周面は段差部が形成されており、この段差部にガス導入プレート４９の段差部が係合されるようになっている。そして、ガス導入ベース４８にガス導入プレート４９が取り付けられた際に空間４８ｄ′に対応する部分に第４のガス流路４８ｄが形成される。
図５Ａ、５Ｂは、ガス導入プレート４９を示したものであり、図５Ａはその斜視図であり、図５Ｂは、図５ＡにおけるＢ−Ｂ断面図である。 ガス導入プレート４９は略環状をなし、例えばＴｉやＡｌなどの金属材、または、Ａｌ母材にＴｉを溶射等でコーティングしたコーティング材で構成されている。ガス導入プレート４９は、段差部を有する円筒状の本体部４９ｂと、その下端外縁部に形成された鍔部４９ｃとを有しており、上記ガス吐出孔４９ａは、本体４９ｂの周面に沿って複数設けられている。また、鍔部４９ｃには、上述したネジ５６を挿通してガス導入ベース４８に固定するための複数の固定穴４９ｄが形成されている。
これらガス導入ベース４８およびガス導入プレート４９を係合させて、ネジ５６によって固定した状態を図６に示す。この図に示すように、ガス導入ベース４８の段差部とガス導入プレート４９の段差部とを一致させた状態で組み合わせ、ネジ５６でこれらを固定する。そして、その際に、両者の間に第４のガス流路４８ｄが形成され、この第４のガス流路４８ｄに連通するガス吐出孔４９ａからガスが吐出される。ガス導入プレート４９は、ネジ５６によって、容易にガス導入ベース４８より着脱が可能な構造となっている。
図７に示すように、第４のガス流路４８ｄの側から処理空間Ｓの側に向かって広がった形状、例えば円錐状、ラッパ状を有するガス吐出孔４９ａ′を形成するようにしてもよい。これにより、処理ガスを広い処理空間Ｓに効率よく均一に供給することが可能となる。
次に、以上のようなガス導入機構５０およびプラズマ発生部４０の着脱機構についてプラズマ処理装置１００の外観を示す図８を参照して説明する。
図８に示すように、着脱機構７０は、ガス導入機構５０の外周を規定するガス導入プレート４８の一辺側にネジ７２ｃにより取り付けられた２つの第一ヒンジ部品７２と、これら２つの第１ヒンジ部７２の間に設けられ、チャンバー１０の本体１１にネジ７３ｃによりねじ止めされた第２ヒンジ部品７３を有している。ヒンジ部品７２および７３の中心部には、それぞれベアリング７２ａ、７３ａが設けられており、これらベアリング７２ａ、７３ａにはシャフト７１が挿通されている。これにより、外形が矩形状をなすガス導入機構５０とチャンバー１０の外形が同様の矩形状をなす本体１１とが合わさった装着状態から、シャフト７１を回動中心にして、ガス導入機構５０およびプラズマ発生部４０を上方に回動させて、これらをチャンバー１０から取り外した状態にすることが可能となっている。すなわち、ガス導入機構５０およびプラズマ発生部４０は、着脱機構７０によりチャンバー１０に対して容易に着脱可能となっており、ガス導入機構５０およびプラズマ発生部４０を上方に回動させた状態でメンテナンスを容易に行うことができる。
また、着脱機構７０は、ダンパー７５を有している。ダンパー７５は、固定部材７５ａによりその一端がガス導入プレート４８に、他端がチャンバー１０の本体１１に固定されている。
ダンパー７５は、例えば内部に油圧機構などを有し、伸縮が可能な構造となっており、ガス導入機構５０およびプラズマ発生部４０を上方へ回動させる際に、伸長方向すなわち回動方向に付勢力を及ぼすようになっている。このため、ガス導入機構５０およびプラズマ発生部４０を上方に回動させる際に、ガス導入機構５０およびプラズマ発生部４０を支える力をその分少なくすることができる。さらに、ガス導入ベース４８には、プラズマ発生部４０の着脱の際に、作業者が把持するためのハンドル７４が、ネジ７４ａにより取り付けられている。
次に、以上のように構成されたプラズマ処理装置１００による処理動作について説明する。
まず、ゲートバルブ３７を開にして、図示しない搬送アームによりチャンバー１０内にウェハＷを搬入し、サセプタ２１から突出したウェハ昇降ピン３１の上にウェハＷを受け渡す。次いで、ウェハ昇降ピン３１を下降させてウェハＷをサセプタ２１上面に載置して、シャドウリング２３を下降させる。
その後、ゲートバルブ３７を閉にして、排気装置３９によりチャンバー１０およびベルジャー４１内を排気して所定の減圧状態にし、この減圧状態でガス供給機構６０から供給されたＡｒガスおよびＨ_２ガスをガス導入機構５０を介して処理空間Ｓに吐出させる。これと同時に、高周波電源２５および高周波電源４４から、それぞれサセプタ２１内の電極２４およびコイル４３に高周波電力を供給することにより、処理空間Ｓに電界が生じ、ベルジャー４１内に導入したガスを励起させてプラズマを点火する。
プラズマを点火した後、ベルジャー４１内には誘導電流が流れ、連続的にプラズマが生成され、そのプラズマによりウェハＷ上に形成された自然酸化膜、例えばシリコン上に形成された酸化シリコンや金属膜の上に形成された金属酸化膜をエッチング除去する。この際に高周波電源２５によりサセプタ２１にバイアスが印加され、ヒーター２８によりウェハＷが所定温度に維持される。
この際の条件は、例えば、処理空間Ｓの圧力：０．１〜１３．３Ｐａ、好ましくは０．１〜２．７Ｐａ、ウェハ温度：１００〜５００℃、ガス流量：Ａｒが０．００１〜０．０３ｍＬ／ｍｉｎ、Ｈ_２が０〜０．０６Ｌ／ｍｉｎ好ましくは０〜０．０３Ｌ／ｍｉｎ、プラズマ生成用の高周波電源４４の周波数：３００ｋＨｚ〜６０ＭＨｚ、好ましくは４５０ｋＨｚ〜１３．５６ＭＨｚ、電力：５００〜３０００Ｗ、バイアス用の高周波電源２５の電力：０〜１０００Ｗ（バイアス電位にして−２０〜−２００Ｖ）である。この際のプラズマ密度は、０．７〜１０×１０^１０ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３であり、好ましくは、１〜６×１０^１０ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３である。このような条件で３０秒程度処理することにより、例えばシリコン酸化膜（ＳｉＯ_２）が１０ｎｍ程度除去される。
このようにして自然酸化膜等の酸化物を含む不純物層を除去することにより、例えばその後に形成される膜の密着性が向上する、電気抵抗値が下がる等の効果が得られる。
この場合に、処理ガスを吐出させるガス導入機構５０は、上述したように、ベルジャー４１を保持する機能、およびチャンバー１０の本体１１に載置されて、気密性を保ちながら、処理空間Ｓに処理ガスを導入する機能を兼備している。このため、プラズマ処理装置の部品点数を削減して、構造を単純化し、プラズマ処理装置のコストダウンとなる効果がある。
また、半導体ウェハＷを上述のようにプラズマ処理してスパッタエッチングする際には、スパッタリングにより、半導体ウェハＷ周囲の部材に飛散物質が堆積すると、パーティルなどの微粒子の発生原因となり、半導体装置の生産の歩留まりが低下してしまう。例えば、半導体ウェハＷの周囲の部材で特に堆積物の蓄積する部分、例えばガス吐出孔４９ａの周囲には飛散物質が堆積しやすい。
そこで、本実施形態では、ガス導入プレート４９をガス導入ベース４８にネジ５６により装着し、ガス導入プレート４９を取り外し可能な構造としている。そのため、ガス導入プレート４９の交換が容易であり、メンテナンス時間を短くできる。また、ガス導入プレート４９は構造が単純で安価な部品となっており、メンテナンス時のコストを低く抑えることができる。
また、ガス導入機構５０およびプラズマ発生部４０を、上述のようにして着脱機構７０により容易に着脱することができるので、プラズマ処理を繰り返してメンテナンスが必要となった際に、プラズマ処理装置１００のメンテナンス時間を短縮し、稼働率を向上させることができ、ひいては半導体装置の生産性を向上させることができる。
具体的には、ベルジャー４１を交換する際やウエットクリーニングなどの作業を行う際、チャンバー１０のメンテナンスを行う場合に、プラズマ発生部４０を取り外しする必要があるが、上述のようにプラズマ発生部４０をガス導入機構５０とともに回動させて取り外すことができ、これらのメンテナンス作業を短時間で行うことができる。
また、ガス導入機構５０およびプラズマ発生部４０がこのように容易に着脱可能であることから、ガス導入機構５０およびプラズマ発生部４０をチャンバー１０から取り外して上述のようにガス導入機構のガス導入プレート４９を交換する作業を容易にかつ短時間で行うことが可能となる。
さらに、着脱機構７０はダンパー７５を有し、このダンパー７５がプラズマ発生部４０に対し、それが開く方向に付勢力を及ぼすので、プラズマ発生部４０を回動する際にプラズマ発生部４０を支える力をその分少なくすることができ、メンテナンス作業が容易になり、作業効率が向上する。
第２実施形態
次に、本発明の第２実施形態について説明する。
図９は、本発明の第２実施形態に係るプラズマ処理装置の構成の概略図である。プラズマ処理装置１００′は第１実施形態のプラズマ処理装置１００と同様、例えば被処理基板上に形成される金属膜上やシリコン上に形成される自然酸化膜などの酸化膜を含む不純物層をプラズマエッチングして除去する工程に用いられるものであり、被処理基板である半導体ウェハを収容するチャンバー１０′と、チャンバー１０′内で半導体ウェハを保持するウェハ保持部２０′と、チャンバー１０′を覆うように設置され、ウェハにプラズマ処理を施す処理空間Ｓ内にプラズマを発生するプラズマ発生部４０′と、プラズマを発生するためのガスを前記処理空間Ｓに導入するためのガス導入機構５０′と、ガス導入機構５０にプラズマを生成するためのガスを供給するガス供給機構６０′とを有している。
これらのうちチャンバー１０′と、ウェハ保持部２０′およびその周辺の部材は第１実施形態と全く同様に構成されているので、図２と同じものには同じ符号を付して説明を省略する。
プラズマ発生部４０′は、ベルジャー１４１と、ベルジャー１４１の外側に巻回されたアンテナ部材としてのコイル１４３と、コイル１４３に高周波電力を供給する高周波電源１４４と、ベルジャー１４１の天壁の上に設けられた対向電極としての導電性部材１４７とを有する。
ベルジャー１４１は、例えば石英やＡｌ_２Ｏ_３、ＡｌＮ等のセラミックス材料のような誘電体材料で形成されており、円筒状の側壁部１４１ａと、その上のドーム状の天壁部１４１ｂ（半径Ｒ１＝１６００ｍｍ〜２２００ｍｍ）と、側壁部１４１ａと天壁部１４１ｂとを接続する湾曲状のコーナ部１４１ｃ（半径Ｒ２＝２０ｍｍ〜４０ｍｍ）を有する多半径ドーム形状を呈している。このベルジャー１４１の円筒を形成する側壁部１４１ａの外側には上記コイル１４３が略水平方向にコイルとコイルの間が５〜１０ｍｍピッチで好ましくは８ｍｍピッチで所定の巻回数で巻回されており、コイル１４３は、例えばフッ素樹脂等の絶縁材でサポートされて固定される。図示の例ではコイル１４３の巻回数は４巻である。上記高周波電源１４４は、整合器１４５を介してコイル１４３に接続されている。高周波電源１４４は３００ｋＨｚ〜６０ＭＨｚの周波数を有している。好ましくは４５０ｋＨｚ〜１３．５６ＭＨｚである。そして、高周波電源１４４からコイル１４３に高周波電力を供給することにより、誘電体材料からなるベルジャー１４１の側壁部１４１ａを介してベルジャー１４１内側の処理空間Ｓに誘導電磁界が形成されるようになっている。
ガス導入機構５０′は、チャンバー１０′とベルジャー１４１との間に設けられた、リング状をなすガス導入部材１３０を有している。このガス導入部材１３０はＡｌ等の導電性材料からなり、接地されている。ガス導入部材１３０には、その内周面に沿って複数のガス吐出孔１３１が形成されている。またガス導入部材１３０の内部には環状のガス流路１３２が設けられており、このガス流路１３２にはガス供給機構６０′から後述するようにＡｒガス、Ｈ_２ガス等が供給され、これらガスがガス流路１３２から上記ガス吐出孔１３１を介して処理空間Ｓへ吐出される。ガス吐出孔１３１は、水平に向けて形成され、処理ガスがベルジャー１４１内に供給される。また、ガス吐出孔１３１を斜め上に向けて形成し、処理ガスをベルジャー１４１内の中央部に向かって供給するようにしてもよい。
ガス供給機構６０′は、プラズマ処理用のガスを処理空間Ｓに導入するためのものであり、例えば図２のガス供給機構６０と同様に、ガス供給源、開閉バルブ、および流量制御のためのマスフローコントローラ（いずれも図示せず）を有しており、ガス配管１６１を介して上記ガス導入部材１３０へ所定のガスを供給する。なお、各配管のバルブおよびマスフローコントローラは図示しないコントローラにより制御される。
プラズマ処理用のガスとしては、Ａｒ、Ｎｅ、Ｈｅが例示され、それぞれ単体で用いることができる。また、Ａｒ、Ｎｅ、ＨｅのいずれかとＨ_２との併用、およびＡｒ、Ｎｅ、ＨｅのいずれかとＮＦ_３との併用であってもよい。これらの中では、図２の場合と同様、Ａｒ単独、Ａｒ＋Ｈ_２が好ましい。プラズマ処理用のガスは、エッチングしようとするターゲットに応じて適宜選択される。
前記導電性部材１４７は、対向電極として機能するとともに、ベルジャー１４１を押圧する機能を有し、表面が陽極酸化されたアルミニウム、アルミニウム、ステンレス鋼、チタン等で形成されている。
次に、ベルジャー１４１についてさらに詳細に説明する。
本実施形態では、プラズマの均一性を向上させてエッチングの面内均一性を高めるべく、ベルジャー１４１の偏平度等を規定している。
すなわち、ベルジャー１４１の側壁部１４１ａの内径Ｄと、ドーム状の天壁部１４１ｂの中央部分の高さＨとの比Ｄ／Ｈで定義される偏平率Ｋ（＝Ｄ／Ｈ）の値は、１．６０〜９．２５になるように構成されている。
偏平率Ｋが１．６０より小さいと面内均一性は向上できず、偏平率Ｋが９．２５より大きいとプラズマ形成に必要なコイル１４３の巻回が実質的に困難になる。
また、ベルジャー１４１の円筒状の側壁部１４１ａの内径Ｄと、ドーム状の天壁部１４１ｂの中央部分の、サセプタ２１の上からの高さＨ１との比Ｄ／Ｈ１で定義される偏平率Ｋ１（＝Ｄ／Ｈ１）の値は、０．９０〜３．８５になるように構成されている。
このような偏平率を有する場合、結果的に、コイル１４３の巻数は、１０回以下、望ましくは、７〜２回程度、より好ましくは、４〜２回程度となる。
このベルジャー１４１の、ドーム状の天壁部１４１ｂの中央部分の高さＨの値、ドーム状の天壁部１４１ｂの中央部分の、サセプタ２１の上からの高さＨ１の値、および円筒状の側壁部１４１ａの内径Ｄの値は、一例として、それぞれ、Ｈ＝９８ｍｍ、Ｈ１＝２０９ｍｍ、およびＤ＝４５０ｍｍであり、このときの偏平率Ｋ＝４．５９、偏平率Ｋ１＝２．１５である。
また、他の各部の寸法関係の一例を示すと、ベルジャー１４１のドーム部の内法高さをＨ２、ベルジャー２の円筒部分の高さをＨ３（すなわち、Ｈ＝Ｈ２＋Ｈ３）、ガス導入部材３０の厚さをＨ４、サセプタ１１の上面からチャンバー１の開口端上面（ガス導入部材３０の載置面）までの高さをＨ５、サセプタ１１の上面からガス導入部材３０の上面までの高さをＨ６としたとき、各部の寸法値、比率は、一例として以下のようになる。
すなわち、比率Ｋ２＝Ｈ／Ｈ６は、略０．５５〜１．５０である。比率Ｋ３＝Ｈ２／Ｈ３は２．１以下であり、好ましくは０．８５以下、より好ましくは０．６７以下である。
また、比率Ｋ４＝Ｈ２／（Ｈ３＋Ｈ６）は、０．７５未満であり、好ましくは、０．６５以下、さらに好ましくは、略０．５５以下である。
また、Ｈ２が略２９〜７４ｍｍの場合、Ｈ６＋Ｈ３は、略９７〜２２０ｍｍである。Ｈ３が略３５ｍｍ以上の場合、Ｈ５＋Ｈ４は略６２〜１２０ｍｍである。Ｈ２が略２９ｍｍの場合、Ｈ３が略３５〜１００ｍｍでは、Ｈ５は略０〜７２ｍｍ以下、この好ましくは、略２２〜７２ｍｍである。
以上のような比率で形成したベルジャー１４１を用いることで、ベルジャー１４１内の外周部分においてプラズマ密度の高い領域がウェハＷ側へ移行し、プラズマ密度が均一な領域を広くすることができる。これにより、ウェハＷの存在部分に均一なプラズマが形成され、エッチング均一性が良好となる。このため、特に大口径のウェハ（基板）に有効である。
次に、このように構成されるプラズマ処理装置１００′による処理動作について説明する。
まず、ゲートバルブ３７を開にして、図示しない搬送アームによりチャンバー１０′内にウェハＷを搬入し、サセプタ２１から突出したウェハ昇降ピン３１の上にウェハＷを受け渡す。次いで、ウェハ昇降ピン３１を下降させてウェハＷをサセプタ２１上面に載置して、シャドウリング２３を下降させる。
その後、ゲートバルブ３７を閉にして、排気装置３９によりチャンバー１０′およびベルジャー１４１内を排気して所定の減圧状態にし、この減圧状態でガス供給機構６０′から供給された所定のガス、例えばＡｒガスをガス導入部材１３０のガス吐出孔１３１からベルジャー１４１内に吐出させる。これと同時に、バイアス用の高周波電源２５およびプラズマ生成用の高周波電源１４４から、それぞれサセプタ２１内の電極２４およびコイル１４３に高周波電力を、それぞれ、０〜１０００Ｗおよび５００〜３０００Ｗ供給することにより、コイル１４３と導電性部材１４７との間等に電界が生じ、ベルジャー１４１内に導入したガスを励起させてプラズマを点火する。プラズマを点火した後、ベルジャー１４１内には誘導電流が流れ、連続的にプラズマが生成され、そのプラズマによりウェハＷ上に形成された自然酸化膜、例えばシリコン上に形成された酸化シリコンや金属膜の上に形成された金属酸化膜をエッチング除去する。この際に高周波電源２５によりサセプタ２１にバイアスが印加され、ヒーター２８によりウェハＷが所定温度に維持される。その温度は２０〜８００℃であり、好ましくは２０〜２００℃である。
この際のプラズマ密度は、０．７〜１０×１０^１０ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３であり、好ましくは、１〜６×１０^１０ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３である。このようなプラズマで３０秒程度処理することにより、例えばシリコン酸化膜（ＳｉＯ_２）が１０ｎｍ程度除去される。
このようにして自然酸化膜等の酸化物を含む不純物層を除去することにより、例えばその後に形成される膜の密着性が向上する、電気抵抗値が下がる等の効果が得られる。
ここで、本実施形態の場合には、上述のようにベルジャー１４１の偏平率Ｋを１．６０〜９．２５に、あるいは偏平率Ｋ１を０．９０〜３．８５にしているので、ベルジャー１４１内に形成されるプラズマが、ウェハＷの表面全体に対して均一に広がるように形成され、ベルジャー１４１内の外周部においてプラズマ密度の高い領域がウェハ側へ移行されるので、プラズマによるウェハＷに対するエッチング処理が表面全体に対して均一に行われることとなり、エッチングの面内均一性が向上する。この場合に、Ｒ１＝１６００ｍｍ〜２２００ｍｍ、Ｒ２＝２０ｍｍ〜４０ｍｍ、と規定することにより、特にＲ１を大きくすることで、ベルジャー１４１の断面形状が長方形に近い偏平状となり、ベルジャー１４１内に形成されるプラズマが、ウェハＷの表面全体に対してより均一に広がるように形成される。したがって、プラズマによるウェハＷに対するエッチング処理が表面全体に対して均一に行われることとなり、エッチングの面内均一性が向上する。
図１０Ａは、従来の高さの高いベルジャー（高さＨが１３７ｍｍ、内径Ｄが４５０ｍｍ、コイルの巻回数が１０巻）の場合におけるベルジャー内のＡｒプラズマのＡｒ^＋の密度分布のシミュレーション結果を示し、図１０Ｂは、本実施形態のベルジャー１４１（高さＨが９８ｍｍ、内径Ｄが４５０ｍｍ、コイルの巻回数が４巻）におけるプラズマ中のＡｒ^＋の密度分布のシミュレーション結果を示している。
図１０Ａの従来の場合に比較して、より偏平な形状の本実施の形態の図１０Ｂのほうが、ウェハＷの平面方向に均一な広がりを持つＡｒ^＋の密度分布が見られ、ウェハＷに対するプラズマによるエッチングの面内均一性が向上することがこのシミュレーション結果からも裏付けられている。
すなわち、エッチングの均一性を向上させるには、ウェハ面上領域にプラズマ（Ａｒ^＋イオン密度）を均一に形成する必要がある。従って、プラズマの均一な領域を形成するには、均一に形成するＡｒ^＋イオン密度の領域にウェハＷが晒されることが好ましい。
つまり、ベルジャー１４１を横に広く形成すればプラズマが広がるが、装置が大きくなり、また、プラズマ密度も減少し、パワーも必要になってくるので装置コストが高くなる。
本実施形態の場合には、ベルジャー１４１の偏平率Ｋ、Ｋ１、および比率Ｋ２〜Ｋ４、ならびに載置台面からベルジャー１４１内の天井部までの高さＨ１等を最適化したので、装置の大型化や消費電力の増大を招くことなく、低コストでプラズマ密度を維持し、均一性を向上させることができる。
図１１に、載置台面からベルジャー１４１内の天井部までの高さＨ１とエッチング均一性の関係の一例を示す。この図１１に例示されるように、Ｈ１が２１０ｍｍまではエッチング均一性がほぼ一定であるが、２５０ｍｍを超えるとエッチング均一性が大きく低下している。このため、本実施形態の場合には、上述のように、一例として、Ｈ１＝２０９ｍｍとすることで、良好なエッチング均一性を達成している。
なお、本実施形態では、コイル１４３の巻回数を削減し、ベルジャー１４１の高さを縮減して、ベルジャー１４１を偏平化するが、チャンバー１０′は、従来の構成をそのまま用いる。その理由は、通常、チャンバーは、サセプタやゲートバルブ等の機構を、他の成膜装置等のプロセス装置と共通の設計にすることで、コストダウンが可能になるとともに、チャンバーに対してウェハの搬入出を行う外部搬送機構やロードロック室との接続構造を複数種の成膜装置やエッチング装置等のプロセス装置で共通化することにより、すなわち、チャンバーと外部搬送機構やロードロック室との接続構造の標準化により、複数のプロセス装置を相互に接続するマルチチャンバー化が容易になるからである。
換言すれば、本実施形態のプラズマ処理装置によれば、従来のチャンバーをそのまま用いることで、コストを抑制しつつ、かつ汎用性を損なうことなく、ウェハに対するプラズマ処理における面内均一性の向上を実現することができる。
本実施形態のプラズマ処理装置において、ガス導入機構として上記第１実施形態と同様のものを用いることが好ましい。その構成を図１２に示す。この図のプラズマ処理装置は、図９のガス導入機構５０′に代えて、第１実施形態のガス導入機構５０を用いている。他は、図９と同様に構成されている。
なお、本実施形態においても、第１実施形態の着脱機構７０と同様の着脱機構を設けることが好ましい。
第３実施形態
次に、本発明の第３実施形態について説明する。この第３実施形態は、被処理基板である半導体ウェハＷの載置構造に特徴がある。
図１３は、本発明の第３実施形態に係るプラズマ処理装置における半導体ウェハ載置構造を示す概略断面図である。本実施形態ではサセプタ２１の上にキャップ状のマスクプレート１７０が着脱自在に設けられてウェハ保持部２０″が構成され、このマスクプレート１７０の表面上にウェハＷが載置されるようになっている。半導体ウェハ載置構造やチャンバー回りの構造は、第２実施形態と同様であるから、図１３において、第２実施形態の図１０と同じものには同じ符号を付して説明を簡略化する。
マスクプレート１７０は、石英（ＳｉＯ_２）等の誘電体で構成されている。このマスクプレート１７０は、ウェハＷを載置しない状態でプラズマ処理を行ってチャンバー１０′内の初期化を行うため、および、サセプタ２１からウェハＷへ汚染物が飛散することを防止するために設けられており、特にシリコン上の酸化物をエッチング除去する際に有効である。
図１４の拡大断面図に例示されるように、マスクプレート１７０の上面は、載置されるウェハＷの裏面に接するウェハ載置領域１７０ａ、およびその外側の周辺領域１７０ｂが、段差をなすことなく、同じ厚さ（高さ）に平坦に形成されている。
一例としてウェハＷの直径が３００ｍｍの場合、マスクプレート１７０の外径は、一例として、３５２ｍｍである。
サセプタ２１およびマスクプレート１７０において、ウェハ載置領域１７０ａに対応する位置には、ウェハＷを支持して昇降させるための３本（２本のみ図示）のウェハ昇降ピン３１が挿通される貫通孔３１ｂおよび賃通孔１７０ｃが穿設されており、この貫通孔３１ｂおよび貫通孔１７０ｃを通じて、ウェハ昇降ピン３１がマスクプレート１７０の上面に対して突没可能になっている。
図１５に例示されるように、マスクプレート１７０の上面の周辺領域１７０ｂには、ウェハＷの外縁部を取り囲むように、複数（本実施形態の場合は６個）の位置決め突起１７１が周方向にほぼ等間隔に配列されており、ウェハ載置領域１７０ａに載置されたウェハＷの位置ずれを防止している。図１４に例示されるように、位置決め突起１７１の配列領域の直径は、その内側に配置されるウェハＷの外周と個々の位置決め突起１７１との間隙Ｇが０．５〜２ｍｍ、望ましくは１ｍｍになるように設定される。
この位置決め突起１７１の寸法は、高さがウェハＷの厚さよりも低いことが好ましく、高さは０．７７５ｍｍ以下であり、さらに好ましくは、０．７ｍｍ以下、より好ましくは０．０５〜０．３ｍｍ以下で、直径は０．２〜５ｍｍである。位置決め突起１７１の寸法は、一例として、直径が２．４ｍｍで高さが０．３ｍｍであり、直径３５２ｍｍのマスクプレート１７０の表面に占める面積は無視できる程度に小さい。すなわち、マスクプレート１７０の表面の周辺領域１７０ｂは、実質的にウェハ載置領域１７０ａと同じ高さで平坦である。
マスクプレート１７０の上面のウェハ載置領域１７０ａには、中心部から放射状に通気溝１７２が刻設されており、この通気溝１７２の端部は、ウェハ昇降ピン３１が挿通される貫通孔１７０ｃおよび貫通孔３１ｂに連通している。そして、ウェハＷをマスクプレート１７０上のウェハ載置領域１７０ａに載置する際には、ウェハＷの裏面とマスクプレート１７０との間の雰囲気が通気溝１７２および貫通孔１７０ｃ、貫通孔３１ｂを通じてサセプタ２１の裏面側に速やかに排出される。これにより、ウェハＷが不安定な浮動状態となって位置ずれすることを防止して、安定かつ速やかな載置操作を行うことが可能になる。逆に、ウェハ昇降ピン３１の突き上げ動作にてウェハＷをマスクプレート１７０上から浮上させる際には、ウェハＷの裏面側に貫通孔３１ｂ、貫通孔１７０ｃおよび通気溝１７２を通じてサセプタ２１の裏面側の雰囲気が流れ込むことにより、ウェハＷの裏面側が負圧になって浮上を妨げる吸着力が発生することを防止し、ウェハＷの速やかな浮上操作を実現することができる。
ここで、図１３〜図１５に例示されるマスクプレート１７０では、上述のように、載置されるウェハＷの裏面に接するウェハ載置領域１７０ａ、およびその外側の周辺領域１７０ｂが、段差をなすことなく、同じ厚さ（高さ）に平坦に形成されているので、プラズマ形成時におけるマスクプレート１７０（サセプタ２１）の上面内におけるインピーダンスの分布が、ウェハ載置領域１７０ａ、およびその外側の周辺領域１７０ｂで均一になる。このため、プラズマの密度分布が、ウェハ載置領域１７０ａ（ウェハＷの表面）上と、その外側の周辺領域１７０ｂとで均一化され、インピーダンスの分布の偏り等に起因して、ウェハＷの中心部と周辺部とでエッチング速度が異なる等の処理のばらつきが解消され、ウェハＷの全面においてエッチング処理等のプラズマ処理の面内均一性が向上する。
図１６は、マスクプレート１７０のウェハ載置領域１７０ａにウェハＷを位置決めするための段差を形成した場合において、当該段差の高さ寸法Ｔｓ（横軸：単位ｍｍ）の値と、エッチング結果のばらつきＮＵ（縦軸：単位％、１σの範囲からはずれた測定結果の個数の全測定結果に対する百分率であり小さいほど均一）を示した線図である。
この図１６からも明らかなように、Ｔｓの値が小さいほど、エッチングのばらつきＮＵ％も小さくなり、Ｔｓ＝０（すなわち、本実施形態のように、ウェハ載置領域１７０ａと周辺領域１７０ｂとの段差がない平坦な場合に相当）で、ばらつきが最小となり、面内均一性が最も良好になることが知られる。
本実施形態のようにマスクプレート１７０を備えたウェハ載置構造を、図１０の第２実施形態に係る偏平なベルジャー１４１を備えたプラズマ処理装置１００′に適用した場合には、当該ベルジャー１４１の偏平化によるプラズマの分布密度の均一化との相乗効果で、より面内均一性を向上させる効果を期待することができる。
また、本実施の形態のマスクプレート１７０を備えたウエハ載置構造は、コイル１４３の巻回数が７回以上の比較的高さの高いベルジャーを備えた従来のプラズマ処理装置に適用した場合でも面内均一性の向上の効果を得ることができる。
なお、以上説明した実施形態は、あくまでも本発明の技術的内容を明らかにすることを意図するものであって、本発明はこのような実施形態のみ限定して解釈されるものではなく、本発明の思想の範囲内で、種々に変更して実施することができるものである。
たとえば、上記実施形態では本発明を自然酸化膜の除去を行う装置に適用した場合を示したが、本発明はコンタクトエッチング等を行う他のプラズマエッチング装置に適用することも可能であり、さらには、本発明を他のプラズマ処理装置に適用することも可能である。さらに、被処理体として半導体ウェハを用いた例について示したが、これに限らず、ＬＣＤ基板等、他の被処理体に対しても適用可能である。
さらに、本発明の範囲を逸脱しない限り、上記実施形態の構成要素を適宜組み合わせたもの、あるいは上記実施の形態の構成要素を一部取り除いたものも本発明の範囲内である。

Claims (43)

1. プラズマ発生部と被処理基板を内部に収容するチャンバーとを有するプラズマ処理装置において前記プラズマ発生部と前記チャンバーとの間に設けられ、前記プラズマ発生部と前記チャンバーとで画成される処理空間に処理ガスを導入する処理ガス導入機構であって、
   前記プラズマ発生部を支持するとともに前記チャンバーに載せられ、処理ガスを前記処理空間に導入するガス導入路が形成され、その中央に前記処理空間の一部をなす穴部を有するガス導入ベースと、
   前記ガス導入ベースの前記穴部に取り外し可能に装着され、前記ガス導入路から前記処理空間に連通して前記処理ガスを前記処理空間に吐出する複数のガス吐出孔を有する略リング状をなすガス導入プレートと
   を有する処理ガス導入機構。
2. 前記複数のガス吐出孔は、前記ガス導入プレートの内周に沿って一列に形成されている請求項１に記載の処理ガス導入機構。
3. 前記ガス導入ベースに形成されたガス導入路は、処理ガスが導入される第１のガス流路と、第１のガス流路に連通され環状または半円状をなす第２のガス流路と、第２ガス流路から前記処理空間側に向かう複数の第３のガス流路と、前記第３のガス流路に連通するとともに、前記ガス導入プレートに形成された前記ガス吐出孔に連通する第４のガス流路とを有する請求項１に記載の処理ガス導入機構。
4. 前記第４のガス流路は、前記ガス導入ベースと前記ガス導入プレートとの間に形成される請求項３に記載の処理ガス導入機構。
5. 前記ガス導入ベースの内周部に段差が形成され、前記ガス導入プレートの外周部に段差が形成され、これら段差同士を合わせることにより、前記ガス導入プレートが前記ガス導入ベースに装着される請求項１に記載の処理ガス導入機構。
6. 前記プラズマ発生部とともに前記チャンバーから取り外し可能に設けられている請求項１に記載の処理ガス導入機構。
7. プラズマを発生させるプラズマ発生部と、
   被処理基板を内部に収容するチャンバーと、
   前記プラズマ発生部と前記チャンバーとの間に設けられ、前記プラズマ発生部と前記チャンバーとで画成される処理空間にプラズマ形成用の処理ガスを導入する処理ガス導入機構と
   を具備し、
   前記処理ガス導入機構は、
   前記プラズマ発生部を支持するとともに前記チャンバーに載せられ、処理ガスを前記処理空間に導入するガス導入路が形成され、その中央に前記処理空間の一部をなす穴部を有するガス導入ベースと、
   前記ガス導入ベースの前記穴部に取り外し可能に装着され、前記ガス導入路から前記処理空間に連通して前記処理ガスを前記処理空間に吐出する複数のガス吐出孔を有する略リング状をなすガス導入プレートと
   を有するプラズマ処理装置。
8. 前記複数のガス吐出孔は、前記ガス導入プレートの内周に沿って等間隔に形成されている請求項７に記載のプラズマ処理装置。
9. 前記処理ガス導入機構の前記ガス導入ベースに形成されたガス導入路は、処理ガスが導入される第１のガス流路と、第１のガス流路に連通され環状または半円状をなす第２のガス流路と、第２ガス流路から前記処理空間側に向かう複数の第３のガス流路と、前記第３の流路に連通するとともに、前記ガス導入プレートに形成された前記ガス吐出孔に連通する第４のガス流路とを有する請求項７に記載のプラズマ処理装置。
10. 前記第４のガス流路は、前記ガス導入ベースと前記ガス導入プレートとの間に形成される請求項９に記載のプラズマ処理装置。
11. 前記ガス導入ベースの内周部に段差が形成され、前記ガス導入プレートの外周部に段差が形成され、これら段差同士を合わせることにより、前記ガス導入プレートが前記ガス導入ベースに装着される請求項７に記載のプラズマ処理装置。
12. 前記処理ガス導入機構と前記プラズマ発生部とを、前記チャンバーに対して着脱させる着脱機構をさらに具備する請求項７に記載のプラズマ処理装置。
13. 前記プラズマ発生部は、誘電体壁と、前記誘電体壁の外側に設けられたアンテナと、アンテナに高周波電力を供給する高周波電源とを有し、前記アンテナに高周波電力を供給することにより、前記誘電体壁を介して前記処理空間に誘導結合プラズマを形成する請求項７に記載のプラズマ処理装置。
14. 前記誘電体壁はベルジャーであり、前記アンテナは前記ベルジャーの外周に巻回されたコイルである請求項１３に記載のプラズマ処理装置。
15. プラズマを発生するプラズマ発生部と、
    被処理基板を内部に収容するチャンバーと、
    前記プラズマ発生部と前記チャンバーとの間に設けられ、前記プラズマ発生部を支持するとともに前記チャンバー上に載せられ、前記プラズマ発生部と前記チャンバーとで画成される処理空間にプラズマ形成用の処理ガスを導入する処理ガス導入機構と、
    前記処理ガス導入機構および前記プラズマ発生部を前記チャンバーに対して着脱する着脱機構と
    を具備するプラズマ処理装置。
16. 前記着脱機構は、前記処理ガス導入機構および前記プラズマ発生部を一体的に回動させるヒンジ機構を含む請求項１５に記載のプラズマ処理装置。
17. 前記着脱機構は、前記処理ガス導入機構および前記プラズマ発生部を一体的に回動させて取り外す際に、前記処理ガス導入機構および前記プラズマ発生部に対し、その回動方向へ付勢力を及ぼすダンパー機構を有する請求項１６に記載のプラズマ処理装置。
18. 前記着脱機構は、前記処理ガス導入機構および前記プラズマ発生部の着脱動作を行うためのハンドル部を有する請求項１５に記載のプラズマ処理装置。
19. 前記プラズマ発生部は、誘電体壁と、前記誘電体壁の外側に設けられたアンテナと、アンテナに高周波電力を供給する高周波電源とを有し、前記アンテナに高周波電力を供給することにより、前記誘電体壁を介して前記処理空間に誘導結合プラズマを形成する請求項１５に記載のプラズマ処理装置。
20. 前記誘電体壁はベルジャーであり、前記アンテナは前記ベルジャーの外周に巻回されたコイルである請求項１９に記載のプラズマ処理装置。
21. 前記処理ガス導入機構は、
    前記プラズマ発生部を支持するとともに前記チャンバーに載せられ、処理ガスを前記処理空間に導入するガス導入路が形成され、その中央に前記処理空間の一部をなす穴部を有するガス導入ベースと、
    前記ガス導入ベースの前記穴部に取り外し可能に装着され、前記ガス導入路から前記処理空間に連通して前記処理ガスを前記処理空間に吐出する複数のガス吐出孔を有する略リング状をなすガス導入プレートと
    を有する請求項１５に記載のプラズマ処理装置。
22. 被処理基板に対してプラズマ処理を行うプラズマ処理装置であって、
    被処理体を収容するチャンバーと、
    前記チャンバーの上方にチャンバーと連通するように設けられた誘電体からなるベルジャーおよび前記ベルジャーの外側の周囲にコイル状に巻回され前記ベルジャー内に誘導電界を形成するアンテナを有し、前記ベルジャーの内側へプラズマを発生させるプラズマ発生部と、
    前記プラズマ発生部と前記チャンバーとの間に設けられ、前記プラズマ発生部と前記チャンバーとで画成される処理空間にプラズマ形成用のガスを導入するガス導入機構と、
    前記チャンバー内に設けられた被処理体が載置される載置台と
    を具備し、
    前記ベルジャーの内径Ｄと、前記ベルジャーの中央部の内法高さＨとの比Ｄ／Ｈで表される偏平率Ｋが１．６０〜９．２５であるプラズマ処理装置。
23. 前記ベルジャーは円筒状の側壁部と、その上に設けられた天壁部とを有し、前記アンテナは円筒状の側壁部に巻回される請求項２２に記載のプラズマ処理装置。
24. 前記アンテナの巻回数は、４回以下である請求項２２に記載のプラズマ処理装置。
25. 誘電体からなり前記載置台を覆うマスクをさらに具備し、前記マスクは、前記被処理体が載置される第１領域と、前記第１領域の周りの第２領域とが同一の高さに構成されている請求項２２に記載のプラズマ処理装置。
26. 前記第２領域には、前記被処理体を前記第１領域の位置に位置決めするための複数の突起が設けられている請求項２５に記載のプラズマ処理装置。
27. 前記第１領域には、前記被処理体を前記載置台から浮上させるための昇降ピンが貫通する複数のピン孔と、前記ピン孔に連通する溝パターンとが設けられている請求項２５に記載のプラズマ処理装置。
28. 前記ガス導入機構は、
    前記ベルジャーを支持するとともに前記チャンバーに載せられ、処理ガスを前記処理空間に導入するガス導入路が形成され、その中央に前記処理空間の一部をなす穴部を有するガス導入ベースと、
    前記ガス導入ベースの前記穴部に取り外し可能に装着され、前記ガス導入路から前記処理空間に連通して前記処理ガスを前記処理空間に吐出する複数のガス吐出孔を有する略リング状をなすガス導入プレートと
    を有する請求項２２に記載のプラズマ処理装置。
29. 前記ガス導入機構と前記プラズマ発生部とを、前記チャンバーに対して着脱させる着脱機構をさらに具備する請求項２２に記載のプラズマ処理装置。
30. 前記ベルジャーは、半径Ｒ１が１６００ｍｍ〜２２００ｍｍの天壁部と、円筒状の側壁部と、前記天壁部と前記側壁部を接続する半径Ｒ２が２０ｍｍ〜４０ｍｍのコーナ部とからなる多半径ドーム形状を呈する請求項２２に記載のプラズマ処理装置。
31. 被処理基板に対してプラズマ処理を行うプラズマ処理装置であって、
    被処理体を収容するチャンバーと、
    前記チャンバーの上方にチャンバーと連通するように設けられた誘電体からなるベルジャーおよび前記ベルジャーの外側の周囲にコイル状に巻回され前記ベルジャー内に誘導電界を形成するアンテナを有し、前記ベルジャーの内側へプラズマを発生させるプラズマ発生部と、
    前記プラズマ発生部と前記チャンバーとの間に設けられ、前記プラズマ発生部と前記チャンバーとで画成される処理空間にプラズマ形成用のガスを導入するガス導入機構と、
    前記チャンバー内に設けられた被処理体が載置される載置台と
    を具備し、
    前記ベルジャーの内径Ｄと、前記ベルジャーの中央部の天井部分から前記載置台までの距離Ｈ１との比Ｄ／Ｈ１で表される偏平率Ｋ１が、０．９０〜３．８５であるプラズマ処理装置。
32. 前記ベルジャーは円筒状の側壁部と、その上に設けられた天壁部とを有し、前記アンテナは円筒状の側壁部に巻回される請求項３１に記載のプラズマ処理装置。
33. 前記アンテナの巻回数は、４回以下である請求項３１に記載のプラズマ処理装置。
34. 誘電体からなり前記載置台を覆うマスクをさらに具備し、前記マスクは、前記被処理体が載置される第１領域と、前記第１領域の周りの第２領域とが同一の高さに構成されている請求項３１に記載のプラズマ処理装置。
35. 前記第２領域には、前記被処理体を前記第１領域の位置に位置決めするための複数の突起が設けられている請求項３４に記載のプラズマ処理装置。
36. 前記第１領域には、前記被処理体を前記載置台から浮上させるための昇降ピンが貫通する複数のピン孔と、前記ピン孔に連通する溝パターンとが設けられている請求項３４に記載のプラズマ処理装置。
37. 前記ベルジャーは、半径Ｒ１が１６００ｍｍ〜２２００ｍｍの天壁部と、円筒状の側壁部と、前記天壁部と前記側壁部を接続する半径Ｒ２が２０ｍｍ〜４０ｍｍのコーナ部とからなる多半径ドーム形状を呈する請求項３１に記載のプラズマ処理装置。
38. 被処理基板に対してプラズマ処理を行うプラズマ処理装置であって、
    被処理体を収容するチャンバーと、
    前記チャンバーの上方にチャンバーと連通するように設けられた誘電体からなるベルジャーおよび前記ベルジャーの外側の周囲にコイル状に巻回され前記ベルジャー内に誘導電界を形成するアンテナを有し、前記ベルジャーの内側へプラズマを発生させるプラズマ発生部と、
    前記プラズマ発生部と前記チャンバーとの間に設けられ、前記プラズマ発生部と前記チャンバーとで画成される処理空間にプラズマ形成用のガスを導入するガス導入機構と、
    前記チャンバー内に設けられた被処理体が支持される載置台と、
    誘電体からなり前記載置台を覆うとともに前記被処理体が載置されるマスクと
    を具備し、
    前記マスクは、前記被処理体が載置される第１領域と、前記第１領域の周りの第２領域とが同一の高さに構成されているプラズマ処理装置。
39. 前記第２領域には、前記被処理体を前記第１領域の位置に位置決めする複数の突起が設けられている請求項３８記載のプラズマ処理装置。
40. 前記第１領域には、前記被処理体を前記載置台から浮上させるための昇降ピンが貫通する複数のピン孔と、前記ピン孔に連通する溝パターンとが設けられていることを特徴とする請求項３８に記載のプラズマ処理装置。
41. 前記ベルジャーの内径Ｄと、前記ベルジャーの中央部の内法高さＨとの比Ｄ／Ｈで表される偏平率Ｋが、１．６０〜９．２５である請求項３８に記載のプラズマ処理装置。
42. 前記ベルジャーの内径Ｄと、前記ベルジャーの中央部の天井部分と前記載置台との距離Ｈ１との比Ｄ／Ｈ１で表される偏平率Ｋ１が、０．９０〜３．８５であることを特徴とする請求項３８に記載のプラズマ処理装置。
43. 前記ベルジャーは、半径Ｒ１が１６００ｍｍ〜２２００ｍｍの天壁部と、円筒状の側壁部と、前記天壁部と前記側壁部を接続する半径Ｒ２が２０ｍｍ〜４０ｍｍのコーナ部とからなる多半径ドーム形状を呈する請求項３８に記載のプラズマ処理装置。

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