JP4329403B2

JP4329403B2 - プラズマ処理装置

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Publication number: JP4329403B2
Application number: JP2003141045A
Authority: JP
Inventors: 廣行松浦; 寿加藤
Original assignee: Tokyo Electron Ltd
Current assignee: Tokyo Electron Ltd
Priority date: 2003-05-19
Filing date: 2003-05-19
Publication date: 2009-09-09
Anticipated expiration: 2023-05-19
Also published as: TWI325600B; US20070137572A1; JP2004343017A; CN100524641C; EP1638139A1; KR20060007375A; WO2004102650A1; EP1638139A4; CN1791972A; KR100856654B1; TW200501213A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体ウエハ等の被処理体に対して比較的低温で所定のプラズマ処理を施すためのプラズマ処理装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、半導体集積回路を製造するためにはシリコン基板等よりなる半導体ウエハに対して、成膜処理、エッチング処理、酸化処理、拡散処理、改質処理、自然酸化膜の除去処理等の各種の処理が行なわれる。これらの処理を縦型の、いわゆるバッチ式の熱処理装置にて行う場合には、まず、半導体ウエハを複数枚、例えば２５枚程度収容できるカセットから、半導体ウエハを縦型のウエハボートへ移載してこれに多段に支持させる。このウエハボートは、例えばウエハサイズにもよるが３０〜１５０枚程度のウエハを載置できる。このウエハボートは、排気可能な処理容器内にその下方より搬入（ロード）された後、処理容器内が気密に維持される。そして、処理ガスの流量、プロセス圧力、プロセス温度等の各種のプロセス条件を制御しつつ所定の熱処理が施される。
【０００３】
ところで、最近にあっては半導体集積回路の更なる高集積化及び高微細化の要求が強くなされており、回路素子の特性の向上の上から半導体集積回路の製造工程における熱履歴も低減化することが望まれている。このような状況下において、縦型の、いわゆるバッチ式の縦型の処理装置においても、ウエハをそれ程の高温に晒さなくても目的とする処理が可能なことから、プラズマを用いた処理装置が各種提案されている。
【０００４】
例えば従来のプラズマ処理装置の一例（例えば特許文献１参照）の概略横断面図が図９に示されている。このプラズマ処理装置では、真空引き可能になされた円筒体状の処理容器２の側壁の外側に、容器中心に対して対向させるようにして例えば２対の電極４、６を設けており、一方の対の電極４にプラズマ発生用の高周波電源８を接続し、他方の対の電極６を接地して、電極４、６間に高周波電圧を印加して処理容器２内の全体にプラズマを発生させるようになっている。半導体ウエハＷは処理容器２内の略中央部に多段に支持され、その一側に例えばプラズマ発生用のガスを導入するガスノズル１０が配置され、上記ウエハＷは処理容器２の外周にこれを囲むようにして設けた加熱ヒータ１２によりウエハＷは所定の温度に加熱維持されつつプラズマ処理される。
【０００５】
また従来のプラズマ処理装置の他の一例（例えば特許文献２、特許文献３参照）の概略横断面図が図１０に示されている。このプラズマ処理装置はリモートプラズマ方式であり、縦型の真空引き可能になされた処理容器内の隔離された領域で、或いは処理容器の外側の領域でプラズマを発生させて生成されたラジカルをウエハに対して供給するようになっている。すなわち図１０に示す場合には、筒体状の処理容器１４の側壁の外側に、高周波電圧を印加する電極１６を備えたプラズマ発生容器１８を設け、このプラズマ発生容器１８内にプロセスガス供給管２０を設けている。そして、このプラズマ発生容器１８内で発生したラジカルを、上記処理容器１４の側壁に多数形成した直径の小さなラジカル導入口２４を介して処理容器１４内のウエハＷに対して供給し、プラズマ処理を行うようになっている。
【０００６】
【特許文献１】
特開平３−２２４２２２号公報
【特許文献２】
特開平５−２５１３９１号公報
【特許文献３】
特開２００２−２８０３７８号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
上記図９及び図１０に示すプラズマ処理装置にあっては、プラズマを用いていることからウエハＷのプロセス温度を比較的低温にしても所望の処理を行うことができる、という利点は共に有する。しかしながら、上記装置例にあっては、以下に示すような問題点があった。
すなわち、図９に示すプラズマ処理装置にあっては、ウエハＷ自体がプラズマに直接的に晒されてしまうことから、このウエハ表面にプラズマから大きなダメージを受けてしまう、という問題があった。また処理容器２の周囲に沿って電極４、６を設けていることから、この電極４、６によって発生する熱がかなり大きくなって、この外側に設けてある加熱ヒータ１２によるウエハの温度制御が十分に機能しなくなってしまう、といった問題もあった。
【０００８】
また石英よりなるガスノズル１０が電極４、６間に発生する電界内に位置されることから、このガスノズル１０がプラズマによりスパッタされて、回路素子の不良原因となるパーティクルが発生するばかりか、スパッタにより分解した不純物成分がウエハの成膜処理の場合には堆積膜中に取り込まれてしまう、といった問題もあった。
更にはプラズマガスや処理ガスを供給するガスノズル１０の小口径のガス孔１０Ａの部分に、急激な圧力差が生ずることから、いわゆるホローカソード放電が発生し、この石英製のガスノズルをスパッタしてしまって、この場合にも上述したようなパーティクル等の問題が発生していた。
【０００９】
また図１０に示すプラズマ処理装置にあっては、処理容器１４内に対して分離区画された領域であるプラズマ発生容器１８内でラジカルを発生させ、このラジカルを区画壁に設けた多数の小径のラジカル導入口２４を介してウエハＷに対して供給する、いわゆるリモート方式を採用しているので、折角発生したラジカルが供給途中で消滅して失活してしまう場合があり、このためラジカル濃度が低下して効率が良好でない、といった問題があった。
またこの装置例の場合にも、多数設けた小口径のラジカル導入口２４が電極１６に近いことから、このラジカル導入口２４の部分で上記したようなホローカソード放電が発生し、この石英製の容器側壁の部分をスパッタしてしまう、といった問題があった。
【００１０】
本発明は、以上のような問題点に着目し、これを有効に解決すべく創案されたものである。本発明の目的は、プラズマが発生するプラズマ発生部を処理容器内に対して開口させて連通状態で設けるようにすることにより、ホローカソード放電の発生を抑制すると共に、プラズマによるスパッタ等の発生も抑制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。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明の関連技術は、被処理体に対して所定のプラズマ処理を施すプラズマ処理装置において、真空引き可能になされた縦型の筒体状の処理容器と、複数の前記被処理体を多段に保持して前記処理容器内へ挿脱される被処理体保持手段と、前記処理容器の側壁の一部を凹部状に外側へ窪ませることにより一側が前記処理容器内に開口されて連通されると共に、前記処理容器の高さ方向に沿って設けられたプラズマ発生部と、前記プラズマ発生部に、その長さ方向に沿って設けられてプラズマ発生用の高周波電圧が印加されるべく対向して配置されるプラズマ電極と、前記プラズマ発生部内にプラズマ化されるプラズマ化ガスを供給するために、長さ方向に沿って複数のガス噴射孔が間隔を隔てて形成されたプラズマガス分散ノズルを有するプラズマガス供給手段と、前記処理容器の外周に設けられる加熱手段とを備え、ホローカソード放電の発生を抑制するために、前記高周波の角周波数をωとし、前記プラズマ発生部内の電子と中性粒子との衝突周波数をνとし、前記プラズマ分散ノズル内に前記プラズマガスを流した時に”ν／（ν^２＋ω^２）≒１”となる式を満たすように前記プラズマ分散ノズルと前記プラズマ電極との間の距離を設定するように構成したことを特徴とするプラズマ処理装置である。
このように、プラズマが発生するプラズマ発生部を処理容器内に対して開口させて連通状態で設けるようにすることにより、ホローカソード放電の発生を抑制すると共に、プラズマによるスパッタ等の発生も抑制することができる。
【００１２】
請求項１の発明は、被処理体に対して所定のプラズマ処理を施すプラズマ処理装置において、真空引き可能になされた縦型の筒体状の処理容器と、複数の前記被処理体を多段に保持して前記処理容器内へ挿脱される被処理体保持手段と、前記処理容器の側壁の一部を凹部状に外側へ窪ませることにより一側が前記処理容器内に開口されて連通されると共に、前記処理容器の高さ方向に沿って設けられたプラズマ発生部と、前記プラズマ発生部に、その長さ方向に沿って設けられてプラズマ発生用の高周波電圧が印加されるべく対向して配置されるプラズマ電極と、前記プラズマ発生部内にプラズマ化されるプラズマ化ガスを供給するプラズマガス供給手段と、前記処理容器の外周に設けられる加熱手段とを備え、前記プラズマ発生部の開口に、その長さ方向に形成されたガス流通スリットを有するスリット板を設けるように構成したことを特徴とするプラズマ処理装置である。
これにより、プロセス条件に応じてガス流通スリットの幅が最適化したスリット板を用いることができるので、発生したプラズマが被処理体の表面まで漏れ出ることを防止でき、従って、被処理体がプラズマによりダメージを受けることを確実に阻止することができる。
この場合、例えば請求項２に規定するように、前記スリット板は、前記開口に着脱可能に設けられる。
この場合、例えば請求項３に規定するように、前記プラズマ発生部に対向する前記処理容器の反対側の壁面には排気口が形成されている。
また例えば請求項４に規定するように、前記プラズマ発生部には、冷却機構が設けられる。
【００１３】
また例えば請求項５に規定するように、前記処理容器内へプラズマ化されない非プラズマ化ガスを供給する非プラズマガス供給手段が設けられる。
【００１４】
また例えば請求項６に規定するように、前記非プラズマガス供給手段は、長さ方向に沿って複数のガス噴射孔が間隔を隔てて形成された非プラズマガス分散ノズルを有している。
また例えば請求項７に規定するように、前記非プラズマガス分散ノズルは、前記開口の外側に設置されている。
また例えば請求項８に規定するように、前記プラズマ化ガスはアンモニアガスであり、前記非プラズマ化ガスはシラン系ガスであり、プラズマＣＶＤ処理によりシリコン窒化膜（ＳｉＮ）を形成する。
【００１５】
また例えば請求項９に規定するように、前記アンモニアガスと前記シラン系ガスは、間にパージ期間を挟んで交互に間欠的に供給される。
また例えば請求項１０に規定するように、前記プラズマ化ガスは、水素と窒素の混合ガス、またはアンモニアガスであり、前記非プラズマ化ガスはエッチングガスであり、前記被処理体の表面に形成されている自然酸化膜を除去するプラズマ処理を行う。
また例えば請求項１１に規定するように、前記エッチングガスは、三フッ化窒素ガスである。
本発明の関連技術は、請求項１乃至１１のいずれか一項に記載のプラズマ処理装置を用いて被処理体に対して所定のプラズマ処理を施す際に、プラズマガス供給手段のプラズマ分散ノズル内の圧力をＰ１とし、プラズマ発生部のプラズマ電極間の圧力をＰ２とし、前記被処理体の周辺の圧力をＰ３とした時に、ホローカソード放電の発生を抑制するために”Ｐ３＜Ｐ２＜Ｐ１”なる式を満たすようにしたことを特徴とするプラズマ処理装置の使用方法である。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明に係るプラズマ処理装置の一例を添付図面に基づいて詳述する。
図１は本発明の係るプラズマ処理装置の一例を示す縦断面構成図、図２はプラズマ処理装置（加熱手段は省略）を示す横断面構成図、図３は図２中のＡ部を示す部分拡大図、図４はプラズマ電極の取り付け状態を示す斜視図、図５は各種のガスの供給のタイミングを示すタイミングチャートである。
尚、ここではプラズマ化ガスとしてアンモニアガスを用い、非プラズマ化ガスとしてヘキサクロロジシラン（以下「ＨＣＤ」とも称す）ガスを用いてプラズマＣＶＤによりシリコン窒化膜（ＳｉＮ）を成膜する場合を例にとって説明する。
【００１７】
図示するように、このプラズマ処理装置３０は、下端が開口された有天井の円筒体状の処理容器３２を有している。この処理容器３２の全体は、例えば石英により形成されており、この処理容器３２内の天井には、石英製の天井板３４が設けられて封止されている。また、この処理容器３２の下端開口部には、例えばステンレススチールにより円筒体状に成形されたマニホールド３６がＯリング等のシール部材３８を介して連結されている。
上記処理容器３２の下端は、上記マニホールド３６によって支持されており、このマニホールド３６の下方より多数枚の被処理体としての半導体ウエハＷを多段に載置した被処理体保持手段としての石英製のウエハボート４０が昇降可能に挿脱自在になされている。本実施例の場合において、このウエハボート４０の支柱４０Ａには、例えば３０枚程度の直径が３００ｍｍのウエハＷを略等ピッチで多段に支持できるようになっている。
【００１８】
このウエハボート４０は、石英製の保温筒４２を介してテーブル４４上に載置されており、このテーブル４４は、マニホールド３６の下端開口部を開閉する例えばステンレススチール製の蓋部４６を貫通する回転軸４８上に支持される。
そして、この回転軸４８の貫通部には、例えば磁性流体シール５０が介設され、この回転軸４８を気密にシールしつつ回転可能に支持している。また、蓋部４６の周辺部とマニホールド３６の下端部には、例えばＯリング等よりなるシール部材５２が介設されており、容器内のシール性を保持している。
上記した回転軸４８は、例えばボートエレベータ等の昇降機構５４に支持されたアーム５６の先端に取り付けられており、ウエハボート４０及び蓋部４６等を一体的に昇降して処理容器３２内へ挿脱できるようになされている。尚、上記テーブル４４を上記蓋部４６側へ固定して設け、ウエハボート４０を回転させることなくウエハＷの処理を行うようにしてもよい。
【００１９】
このマニホールド３６には、処理容器３２内の方へプラズマ化されるプラズマ化ガス、例えばアンモニア（ＮＨ₃ ）ガスを供給するプラズマガス供給手段５８と、プラズマ化されない非プラズマ化ガス、例えばシラン系ガスとしてＨＣＤガスを供給する非プラズマガス供給手段６０とが設けられる。具体的には、上記プラズマガス供給手段５８は、上記マニホールド３６の側壁を内側へ貫通して上方向へ屈曲されて延びる石英管よりなるプラズマガス分散ノズル６２を有している。このプラズマガス分散ノズル６２には、その長さ方向に沿って複数（多数）のガス噴射孔６２Ａが所定の間隔を隔てて形成されており、各ガス噴射孔６２Ａから水平方向に向けて略均一にアンモニアガスを噴射できるようになっている。このガス噴射孔６２Ａの直径は例えば０．４ｍｍ程度である。
【００２０】
また同様に上記非プラズマガス供給手段６０も、上記マニホールド３６の側壁を内側へ貫通して上方向へ屈曲されて延びる石英管よりなる非プラズマガス分散ノズル６４を有している。ここでは上記非プラズマガス分散ノズル６４は２本設けられており（図２及び図３参照）、各非プラズマガス分散ノズル６４には、その長さ方向に沿って複数（多数）のガス噴射孔６４Ａが所定の間隔を隔てて形成されており、各ガス噴射孔６４Ａから水平方向に向けて略均一にシラン系ガスを噴射できるようになっている。尚、この非プラズマガス分散ノズル６４は２本でなく、１本のみ設けるようにしてもよい。
【００２１】
そして、上記処理容器３２の側壁の一部には、その高さ方向に沿って本発明の特徴とするプラズマ発生部６８が形成されると共に、このプラズマ発生部６８に対向する処理容器３２の反対側には、この内部雰囲気を真空排気するために処理容器３２の側壁を、例えば上下方向へ削りとることによって形成した細長い排気口７０が設けられている。
具体的には、上記プラズマ発生部６８は、上記処理容器３２の側壁を上下方向に沿って所定の幅で削りとることによって上下に細長い開口７２を形成し、この開口７２をその外側より覆うようにして断面凹部状になされた上下に細長い例えば石英製のプラズマ区画壁７４を容器外壁に気密に溶接接合することにより形成されている。これにより、この処理容器３２の側壁の一部を凹部状に外側へ窪ませることにより一側が処理容器３２内へ開口されて連通されたプラズマ発生部６８が形成されることになる。すなわちプラズマ発生部６８の内部空間は、上記処理容器３２内に一体的に連通された状態となっている。上記開口７２は、ウエハボート４０に保持されている全てのウエハＷを高さ方向においてカバーできるように上下方向に十分に長く形成されている。
【００２２】
そして、上記プラズマ区画壁７４の両側壁の外側面には、その長さ方向（上下方向）に沿って互いに対向するようにして細長い一対のプラズマ電極７６が設けられると共に、このプラズマ電極７６にはプラズマ発生用の高周波電源７８が給電ライン８０を介して接続されており、上記プラズマ電極７６に例えば１３．５６ＭＨｚの高周波電圧を印加することによりプラズマを発生し得るようになっている（図４参照）。尚、この高周波電圧の周波数は１３．５６ＭＨｚに限定されず、他の周波数、例えば４００ｋＨｚ等を用いてもよい。
【００２３】
そして、上記処理容器３２内を上方向に延びていくプラズマガス分散ノズル６２は途中で処理容器３２の半径方向外方へ屈曲されて、上記プラズマ発生部６８内の一番奥（処理容器３２の中心より一番離れた部分）に位置され、この一番奥の部分に沿って上方に向けて起立させて設けられている。この場合、このプラズマガス分散ノズル６２は、図３にも示すように、上記一対の対向するプラズマ電極７６に挟まれた領域、すなわち主たるプラズマが実際に発生するプラズマ発生領域ＰＳよりも外側へ離れた位置に設置されている。従って、上記プラズマガス分散ノズル６２のガス噴射孔６２Ａから噴射されたアンモニアガスは上記プラズマ発生領域ＰＳに向けて噴射されて、ここで分解、或いは活性化されて処理容器３２の中心に向けて拡散しつつ流れるようになっている。
【００２４】
ここで図３に示すように上記開口７２の幅Ｌ１は例えば５〜１０ｍｍ程度、プラズマ発生部６８内の半径方向の長さＬ２は例えば６０ｍｍ程度、プラズマ電極７６の幅Ｌ３は例えば２０ｍｍ程度、上記プラズマ電極７６と上記プラズマガス分散ノズル６２との間の距離Ｌ４は例えば２０ｍｍ程度である。また、処理容器３２及びプラズマ区画壁７４の厚さはそれぞれ５ｍｍ程度である。
そして上記プラズマ区画壁７４の外側には、これを覆うようにして例えば石英よりなる絶縁保護カバー８２が取り付けられている。また、この絶縁保護カバー８２の内側であって上記プラズマ電極７６と対向する部分には、冷媒通路８４よりなる冷却機構８６が設けられており、この冷媒通路８４に、冷媒として例えば冷却された窒素ガスを流すことにより上記プラズマ電極７６を冷却し得るようになっている。尚、この絶縁保護カバー８２の外側には、これを覆って高周波の漏洩を防ぐために図示しないシールドが設けられる。
【００２５】
そして上記プラズマ発生部６８の開口７２の外側近傍、すなわち開口７２の外側（処理容器３２内）の両側には、上記２本の非プラズマ分散ノズル６４が起立させて設けられており、これに設けた各ガス噴射孔６４Ａより処理容器３２の中心方向に向けてシラン系ガスを噴射し得るようになっている。
一方、上記プラズマ発生部６８に対向させて設けた排気口７０には、これを覆うようにして石英よりなる断面コ字状に成形された排気口カバー部材９０が溶接により取り付けられている。この排気カバー部材９０は、上記処理容器３２の側壁に沿って上方に延びており、処理容器３２の上方のガス出口９２より図示しない真空ポンプ等を介設した真空排気系により真空引きされる。そして、この処理容器３２の外周を囲むようにしてこの処理容器３２及びこの内部のウエハＷを加熱する筒体状の加熱手段９４が設けられている。また上記排気口７０の近傍には、加熱手段９４の温度制御用の熱電対９６（図２参照）が設けられる。
【００２６】
次に、以上のように構成されたプラズマ処理装置を用いて行なわれるプラズマ処理方法について説明する。ここではプラズマ処理として、ウエハ表面にプラズマＣＶＤによりシリコン窒化膜を形成する場合を例にとって説明する。
まず、常温の多数枚、例えば５０枚の３００ｍｍサイズのウエハＷが載置された状態のウエハボート４０を予め所定の温度になされた処理容器３２内にその下方より上昇させてロードし、蓋部４６でマニホールド３６の下端開口部を閉じることにより容器内を密閉する。
そして処理容器３２内を真空引きして所定のプロセス圧力に維持すると共に、加熱手段９４への供給電力を増大させることにより、ウエハ温度を上昇させてプロセス温度を維持し、各種の処理ガスをプラズマガス供給手段５８及び非プラズマガス供給手段６０からそれぞれ交互に間欠的に供給して回転しているウエハボート４０に支持されているウエハＷの表面にシリコン窒化膜を形成する。
【００２７】
具体的には、ＮＨ₃ ガスはプラズマ発生部６８内に設けたプラズマガス分散ノズル６２の各ガス噴射孔６２Ａから水平方向へ噴射され、また、ＨＣＤガスは非プラズマガス分散ノズル６４の各ガス噴射孔６４Ａから水平方向へ噴射され、両ガスが反応してシリコン窒化膜が形成される。この場合、上記両ガスは、連続的に供給されるのではなく、図５に示すように互いにタイミングをずらして、間に真空引きして容器内に残留するガスを排除するパージ期間９６を挟んで交互に間欠的に繰り返し供給され、シリコン窒化膜の薄膜を一層ずつ繰り返し積層する。この場合、ＨＣＤガスの供給期間Ｔ１は５分間程度、ＮＨ₃ ガスの供給期間Ｔ２は２〜３分程度、パージ期間９６の長さＴ３は２分程度であるが、これらの各時間は単に一例を示したに過ぎず、この数値に限定されない。尚、ここでパージとは、Ｎ₂ ガスなどの不活性ガスを処理容器内に流すこと、または／および真空排気により処理容器内の残留ガスを除去することを意味する。
【００２８】
上記プラズマガス分散ノズル６２のガス噴射孔６２Ａより噴出されたＮＨ₃ ガスは、高周波電圧が印加されているプラズマ電極７６間のプラズマ発生領域ＰＳ（図３参照）に流れ込み、ここでプラズマ化されて活性化し、例えばＮ＊、ＮＨ＊、ＮＨ₂ ＊、ＮＨ₃ ＊（記号＊はラジカルであることを示す）等のラジカル（活性種）を発生させる。このラジカルはプラズマ発生部６８の開口７２より処理容器３２内の中心方向に向けて放出されて拡散して、ウエハＷの相互間に層流状態で流れて行くことになる。
【００２９】
そして、上記各ラジカルはウエハＷの表面に付着しているＨＣＤガスの分子と反応してシリコン窒化膜を形成することになる。尚、ウエハＷの表面にラジカルが付着しているところにＨＣＤガスが流れてきた時にも上記と同様にシリコン窒化膜が形成されることになる。このプラズマＣＶＤでのプロセス条件の一例は、プロセス温度が３００〜６００℃程度の範囲内、プロセス圧力が１３３３Ｐａ（１０Ｔｏｒｒ）以下、ＮＨ₃ の流量が３０００ｓｃｃｍ以下、ＨＣＤガスの流量が１０〜８０ｓｃｃｍ程度の範囲内である。そして、成膜レートは略０．２ｎｍ／ｍｉｎ程度である。
【００３０】
ここで図９及び図１０に示したような従来のプラズマ処理装置にあっては、ガスノズルのガス孔やラジカルガス導入口においてホローカソード放電が発生していたが、本実施例ではプラズマ発生部６８内は、上記処理容器３２内に対して比較的幅広の開口７２を介して連通されて一体的になされているので、この部分でホローカソード放電が発生することを防止することができる。また同様に、プラズマガス分散ノズル６２はプラズマ電極７６、或いはプラズマ発生領域ＰＳから例えば所定の距離Ｌ４（図３参照）だけ離れているので、比較的にホローカソード放電が発生し易い上記プラズマガス分散ノズル６２のガス噴射孔６２Ａの近傍においても、ホローカソード放電が発生することを防止することができる。従って、ホローカソード放電によって石英製のプラズマ分散ノズル６２や処理容器３２の壁面等がスパッタされることがないので、石英材料のパーティクルが発生することも阻止することができる。
【００３１】
またプラズマはプラズマ発生部６８内で局所的に発生するので、このプラズマがウエハＷまで届くことはなく、従ってウエハＷにプラズマによるダメージが発生することを防止することができる。
また上述のように、プラズマ発生部６８内で局部的に発生したラジカルは、比較的に幅広の開口７２を介してウエハＷ側に供給されるので、従来のプラズマ処理装置のようなリモートプラズマ型の処理装置とは異なり、ラジカルが消滅することなく、すなわち失活することなくこのラジカルをウエハＷ側に供給することができ、プラズマ処理効率を向上させることができる。
【００３２】
更にはプラズマ電極７６で発生した熱は、冷却機構８６によって冷却されるので、ここでの発熱がウエハＷの温度コントロールに悪影響を及ぼすことも防止することができる。更には、ウエハ温度のコントロール用の熱電対９６（図２参照）は、上記プラズマ電極７６から遠く離れた位置に設けられているので、この熱電対９６の出力信号に高周波によるノイズが侵入することもなく、この点よりもウエハＷの温度コントロールを精度良く行うことができる。
上記実施例ではシラン系ガスとしてＨＣＤガスを用いたがこれに限定されず、他のシラン系ガスを用いてもよい。他のシラン系ガスとしては、例えばモノシラン［ＳｉＨ₄ ］、ジシラン［Ｓｉ₂ Ｈ₆ ］、ジクロロシラン（ＤＣＳ）、ヘキサメチルジシラザン（ＨＭＤＳ）、テトラクロロシラン（ＴＣＳ）、ジシリルアミン（ＤＳＡ）、トリシリルアミン（ＴＳＡ）、ビスターシャルブチルアミノシラン（ＢＴＢＡＳ）等も用いることができる。
【００３３】
また上記実施例ではプラズマ発生部６８の開口７２の幅Ｌ１は固定的であったが、プロセスの種類、或いはプロセス条件によっては、この開口７２の幅Ｌ１を小さく設定したい場合や、或いは逆に大きく設定したい場合が生ずる。そこで、この開口７２の幅Ｌ１を予定される最大の幅と同じ、或いはそれより予めかなり大きく設定しておき、そして異なる幅のスリットが形成された複数のスリット板を予め用意しておき、これを上記開口７２に着脱可能に設けるようにしてもよい。図６は上記したようなスリット板の一例を示す斜視図、図７はスリット板を取り付けたプラズマ発生部の開口の部分を示す概略横断面図である。
【００３４】
図６及び図７に示すように、このスリット板１００は、比較的薄い、例えば厚さが３ｍｍ程度の例えば石英板により形成されており、中央部にその長手方向に沿って幅広の貫通孔よりなるガス流通スリット１０２が形成されている。そして、このスリット板１００の両側には、この部分を斜めにテーパ状に成形して取り付けテーパ面１０４が形成されている。そして、上記開口７２を区画する処理容器３２側の区画壁の両側端面には、上記取り付けテーパ面１０４と嵌合するように断面三角形状の嵌合凹部１０６が形成されており、この嵌合凹部１０６に上記スリット板１００の取り付けテーパ面１０４を嵌合させて、このスリット板１００を上下方向へスライド移動させることにより、上述のように着脱可能に取り付け固定している。そして、上記ガス流通スリット１０２の横幅Ｌ１ａが種々異なるように形成した複数種類のスリット板１００を予め用意しており、プロセス条件等に応じて最適化された横幅Ｌ１ａを有するスリット幅１００を着脱可能に取り付けるようにする。
【００３５】
これによれば、ホローカソード放電の発生を抑制できるのは勿論のこと、プロセス条件やプロセスの種類に応じてガス流通スリットの幅が最適化されたスリット板を適宜選択的に用いることができるので、発生したプラズマがウエハＷの表面まで漏れ出ることを確実に防止することができ、従って、ウエハＷがプラズマによりダメージを受けることを確実に阻止することができる。
【００３６】
ここで本発明においてホローカソード放電が生じないような条件について検討を行ったので、その検討結果について説明する。
一般に、平行平板型のプラズマ電極間に高周波電圧を印加し、このプラズマ電極間の圧力を変化させると放電開始電圧も変化する。この時のプラズマ電極間の電圧Ｐと放電開始電圧Ｅとの関係は、一般的に図８に示すような関係となる。すなわち図８に示す特性曲線は下に凸となる極小値を有する特性となり、圧力Ｐｂで電圧は極小値となる。
今、振幅Ｅｐ（実効値Ｅ）、角周波数ωの高周波の電界中に置かれた電子を考える。電極間の圧力がＰのとき、電子と中性粒子との衝突周波数をνとすると、電子の運動方程式は以下のようになる。
ｍ_e ・ｄＶ／ｄｔ＝ｅ・√２ｅｘｐ（ｉωｔ）−ｍ_e νＶ
ｍ_e ：電子の質量、Ｖ：電子の運動速度、ｅ：電子の電荷
【００３７】
上記式より電子の運動速度Ｖを求めると、以下の式のようになる。
Ｖ＝｛ｅ√２Ｅ／ｍ_e （ｉω＋ν）｝ｅｘｐ（ｉωｔ）
電子群が高周波電界から単位時間当たりに獲得する平均エネルギーＷは、電子密度をｎ_e とすると以下の式のようになる。
Ｗ＝Ｒｅ［｛−（ｅｎ_e Ｖ）＊√２ｅｘｐ（ｉωｔ）｝／２］
＝（ｎ_e ｅ² ／ｍ_e ν）｛ν² ／（ν² ＋ω² ）｝Ｅ²
＝（ｎ_e ｅ² ／ｍ_e ）｛ν／（ν² ＋ω² ）｝Ｅ²
尚、”Ｒｅ”は［］の実数部をとることを表す。また”（）＊”は（）の共役複素数を表す。
【００３８】
ここでＫ＝ν／（ν² ＋ω² ）とすると、Ｋが最大の時、放電開始電圧Ｅは最小となる。その条件はω≒νの時に満足する。
この時のプラズマ発生部６８内である電極間圧力ＰをＰ２とする（図３参照）。また、プラズマガス分散ノズル６２内の圧力をＰ１、開口７２の外側（処理容器３２内）の圧力をＰ３とする。
電極間圧力Ｐが高くなり、ω＞＞νとなると、Ｋ＝ν／（ν² ＋ω² ）≒１となり、放電開始電圧Ｅは増大する。従って、このような条件になるようにプラズマガス分散ノズル６２内の圧力Ｐ１と、これとプラズマ電極７６との間の距離Ｌ４（図３参照）を設定し、これによりプラズマ分散ノズル６２の内部で放電が発生しないようにし、この結果、ガス噴射孔６２Ａでのホローカソード放電が発生することを防止する。また電極間の圧力ＰがＰ２よりも小さいとき、ω＜＜νとなれば、Ｗ∝νＥ² となる。従って、ウエハＷの周辺の圧力Ｐ３を以下に示すような条件に設定することにより、ホローカソード放電が発生することを確実に防止することができる。
Ｐ３＜Ｐ２＜Ｐ１
【００３９】
すなわち、上記条件を満足するように例えば前記開口７２の幅Ｌ１やガス流通スリット１０２の幅Ｌ１ａの値が決定される。
また以上の実施例では、シリコン窒化膜をプラズマＣＶＤにより成膜する場合を例にとって説明したが、他の異なる膜種をプラズマＣＶＤにより形成するようにしてもよい。また、プラズマＣＶＤ処理に限定されず、他の処理、例えばプラズマエッチング処理、プラズマアッシング処理、プラズマ洗浄（クリーニング）処理等を行うようにしてもよく、この場合、使用するガス種が増加するならば、更に別のガス分散ノズルを設けるようにすればよい。また各ガス分散ノズルからは、必要とする処理ガス（プラズマ化ガス及び非プラズマ化ガス）を同時に供給して混合ガス状態としてもよい。この場合、開口７２の出口近傍に非プラズマ分散ノズル６４を設けることにより、プラズマ化ガスにより形成されたラジカルと非プラズマ化ガスとを効率よく混合させることができる。
【００４０】
シリコン基板よりなるウエハＷの表面に部分的に、或いは全面的に形成されている自然酸化膜（ＳｉＯ₂ ）を除去するクリーニング処理を行う場合には、プラズマ化ガスと非プラズマ化ガスとを同時に供給して両ガスを混合させる。この場合、プラズマガス分散ノズル６２から噴射されるプラズマ化ガスとしては、例えば水素と窒素との混合ガス、或いはアンモニアガスを選択的に用いることができる。また、非プラズマガス分散ノズル６４から噴射される非プラズマ化ガスとしては例えば三フッ化窒素（ＮＦ₃ ）ガス等を用いることができる。またこのプラズマクリーニング処理は、処理容器３２内や内部構造物のクリーニング時にも使用することができる。
【００４１】
また更には、本発明は有機系絶縁膜の誘電率改善プラズマ処理にも適用することができる。例えば塗布法［ＳＯＧ（ＳｐｉｎＯｎＧｌａｓｓ）法］、或いはＣＶＤ法で形成した低誘電率の層間絶縁膜であって、ＭＳＱ（ＭｅｔｙｌＳｉｌｓｅｓＱｕｅｏｘａｎｅ）系、ＨＳＱ（ＨｙｄｒｏｇｅｎＳｉｌｓｅｓＱｕｅｏｘａｎｅ）系等の有機系絶縁膜を、加熱焼成する代わりに本発明のプラズマ処理装置により、例えば水素又はアンモニアガスをプラズマ化してプラズマ処理することもできる。この場合、水素ガスのプラズマ化によりその活性種を上記有機系絶縁膜に３０分間プラズマ処理を行ったところ、その誘電率は初期に２．５５であったものを２．４０まで改善することができた。
また、被処理体としては、半導体ウエハに限定されず、ガラス基板やＬＣＤ基板等にも、本発明を適用することができる。
【００４２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明のプラズマ処理装置によれば、次のように優れた作用効果を発揮することができる。
本発明によれば、プラズマが発生するプラズマ発生部を処理容器内に対して開口させて連通状態としてそこにスリット板を設けるようにすることにより、ホローカソード放電の発生を抑制すると共に、プラズマによるスパッタ等の発生も抑制することができる。
また、プラズマガス分散ノズルをプラズマ電極のプラズマ発生領域よりも離れた位置に設けているので、このプラズマガス分散ノズルがプラズマによりスパッタされたり、或いはこれにホローカソード放電が発生したりすることを、一層抑制することができる。
また、プロセス条件に応じてガス流通スリットの幅が最適化したスリット板を用いることができるので、発生したプラズマが被処理体の表面まで漏れ出ることを防止でき、従って、被処理体がプラズマによりダメージを受けることを確実に阻止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の係るプラズマ処理装置の一例を示す縦断面構成図である。
【図２】プラズマ処理装置（加熱手段は省略）を示す横断面構成図である。
【図３】図２中のＡ部を示す部分拡大図である。
【図４】プラズマ電極の取り付け状態を示す斜視図である。
【図５】各種のガスの供給のタイミングを示すタイミングチャートである。
【図６】スリット板の一例を示す斜視図である。
【図７】スリット板を取り付けたプラズマ発生部の開口の部分を示す概略横断面図である。
【図８】平行平板型のプラズマ電極間の電圧と放電開始電圧との関係を示すグラフである。
【図９】従来のプラズマ処理装置の一例を示す概略横断面図である。
【図１０】従来のプラズマ処理装置の他の一例を示す概略横断面図である。
【符号の説明】
３０プラズマ処理装置
３２処理容器
４０ウエハボート（被処理体支持手段）
５８プラズマガス供給手段
６０非プラズマガス供給手段
６２プラズマガス分散ノズル
６２Ａガス噴射孔
６４非プラズマガス分散ノズル
６８プラズマ発生部
７０排気口
７２開口
７６プラズマ電極
７８高周波電源
８６冷却機構
９４加熱手段
９６パージ期間
１００スリット板
１０２ガス流通スリット
ＰＳプラズマ発生領域
Ｗ半導体ウエハ（被処理体）

Claims

被処理体に対して所定のプラズマ処理を施すプラズマ処理装置において、
真空引き可能になされた縦型の筒体状の処理容器と、
複数の前記被処理体を多段に保持して前記処理容器内へ挿脱される被処理体保持手段と、
前記処理容器の側壁の一部を凹部状に外側へ窪ませることにより一側が前記処理容器内に開口されて連通されると共に、前記処理容器の高さ方向に沿って設けられたプラズマ発生部と、
前記プラズマ発生部に、その長さ方向に沿って設けられてプラズマ発生用の高周波電圧が印加されるべく対向して配置されるプラズマ電極と、
前記プラズマ発生部内にプラズマ化されるプラズマ化ガスを供給するプラズマガス供給手段と、
前記処理容器の外周に設けられる加熱手段とを備え、
前記プラズマ発生部の開口に、その長さ方向に形成されたガス流通スリットを有するスリット板を設けるように構成したことを特徴とするプラズマ処理装置。
前記スリット板は、前記開口に着脱可能に設けられることを特徴とする請求項１記載のプラズマ処理装置。
前記プラズマ発生部に対向する前記処理容器の反対側の壁面には排気口が形成されていることを特徴とする請求項１又は２記載のプラズマ処理装置。
前記プラズマ発生部には、冷却機構が設けられることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載のプラズマ処理装置。
前記処理容器内へプラズマ化されない非プラズマ化ガスを供給する非プラズマガス供給手段が設けられることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載のプラズマ処理装置。
前記非プラズマガス供給手段は、長さ方向に沿って複数のガス噴射孔が間隔を隔てて形成された非プラズマガス分散ノズルを有していることを特徴とする請求項５記載のプラズマ処理装置。
前記非プラズマガス分散ノズルは、前記開口の外側に設置されていることを特徴とする請求項６記載のプラズマ処理装置。
前記プラズマ化ガスはアンモニアガスであり、前記非プラズマ化ガスはシラン系ガスであり、プラズマＣＶＤ処理によりシリコン窒化膜（ＳｉＮ）を形成することを特徴とする請求項５乃至７のいずれか一項に記載のプラズマ処理装置。
前記アンモニアガスと前記シラン系ガスは、間にパージ期間を挟んで交互に間欠的に供給されることを特徴とする請求項８記載のプラズマ処理装置。
前記プラズマ化ガスは、水素と窒素の混合ガス、またはアンモニアガスであり、前記非プラズマ化ガスはエッチングガスであり、前記被処理体の表面に形成されている自然酸化膜を除去するプラズマ処理を行うことを特徴とする請求項５乃至７のいずれか一項に記載のプラズマ処理装置。
前記エッチングガスは、三フッ化窒素ガスであることを特徴とする請求項１０記載のプラズマ処理装置。