JP2005294542A

JP2005294542A - プラズマ処理装置およびプラズマ処理方法

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Publication number: JP2005294542A
Application number: JP2004107660A
Authority: JP
Inventors: Takayuki Komiya; 隆行小宮; Chishio Koshimizu; 地塩輿水
Original assignee: Tokyo Electron Ltd
Current assignee: Tokyo Electron Ltd
Priority date: 2004-03-31
Filing date: 2004-03-31
Publication date: 2005-10-20

Abstract

【課題】高真空下であってもプラズマ着火を容易に実現する。
【解決手段】高圧電源１２は、ヒータ３３によって加熱されたマイナスイオンソースＳからマイナスイオンを取り出す。キャリアガス供給装置１５は、キャリアガス（不活性ガス）により、マイナスイオンをプラズマ室２１内に供給する。処理ガス供給装置２２は、プラズマ処理用の処理ガスをプラズマ室２１内に供給し、ガス排気装置２３は、プラズマ室２１内を高真空に設定する。第１高周波電源２５および第２高周波電源２７は、下部電極５１および上部電極５２のそれぞれに高周波を印加し、供給されたマイナスイオンを加速し、供給された処理ガスに衝突させる。これにより、プラズマ室４１内にプラズマを発生させ、半導体ウエハＷにプラズマ処理を施す。
【選択図】図２

Description

本発明は、プラズマ処理装置およびプラズマ処理方法に関する。

半導体装置の製造では、半導体ウエハ上に所定の膜を形成したり、半導体ウエハ上に形成された膜をエッチングしたりするために、プラズマを用いる場合がある。

以上のようなプラズマ処理を実行する場合、処理室内に配置したフィラメントを加熱して熱電子を放出させ、この熱電子を高電圧によって加速し、処理ガスに衝突させることによりプラズマを発生させている（例えば、特許文献１参照。）。
特開２００２−２８９１０６号公報（段落００３１）

近年、上記プラズマ処理は、高真空下で行われる場合がある。高真空下では、処理室内の処理ガスが希薄であるため、フィラメントから放出される熱電子によってプラズマ着火を行うのが困難である。

多量の熱電子を得るためにフィラメントの加熱温度を高く設定すると、フィラメントの寿命が短くなるほか、フィラメント材質の蒸発などによりコンタミネーション、パーティクルが発生するなど、プラズマ処理に対して悪影響が出る。このため、フィラメントの交換等を頻繁に行わなければならない場合がある。また、フィラメント材質は通常金属で、酸化雰囲気では、その高温のため酸化されてしまい使用できない。

また、プラズマ着火を容易にするため、着火時には処理室内の圧力を高めに設定し、プラズマ着火後に処理室内を高真空状態にするという方法も考えられるが、この方法では、圧力調整のための時間が必要となり、所定のプラズマ処理を実行するのに長い時間がかかるという問題がある。

従って、本発明は、コンタミネーションやパーティクルを発生させることなくプラズマ着火を実現するプラズマ処理装置およびプラズマ処理方法を提供することを目的とする。

また、本発明は、短時間でプラズマ処理を実行可能なプラズマ処理装置およびプラズマ処理方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の第１の観点にかかるプラズマ処理装置は、処理室内に配置される半導体ウエハに所定のプラズマ処理を施すプラズマ処理装置であって、前記処理室内に処理ガスを供給するガス供給手段と、前記処理室内にイオンを供給するイオン供給手段と、前記イオン供給手段によって供給される前記イオンを用いて、前記ガス供給手段によって供給される前記処理ガスのプラズマを発生させることにより、前記半導体ウエハに所定のプラズマ処理を施すプラズマ発生手段と、から構成されることを特徴とする。

前記プラズマ発生手段は、前記処理室内に、互いに対向して配置される第１電極および第２電極と、前記第１電極に第１の高周波電圧を印加する第１高周波印加手段と、前記第２電極に第２の高周波電圧を印加する第２高周波印加手段と、前記第１および第２高周波印加手段を制御して前記第１および第２電極に高周波電圧を印加することにより、前記処理室内に供給される前記イオンを加速して該処理室内に供給される前記処理ガスに衝突させ、前記プラズマを発生させる制御手段と、から構成されていてもよい。

前記イオン供給手段は、前記イオンとしてマイナスイオンを前記処理室内に供給してもよい。

前記イオン供給手段は、前記マイナスイオンを含有するイオンソースを加熱する加熱手段と、前記加熱手段によって加熱される前記イオンソースに電界を印加することにより、該イオンソースに含有されている前記マイナスイオンを取り出す電界印加手段と、から構成されていてもよい。

前記加熱手段は、前記マイナスイオンソースを２５０〜１０００℃に加熱してもよい。

上記加熱温度は、好ましくは４００〜８００℃であり、さらに好ましくは７００℃である。

前記電界印加手段は、前記マイナスイオンソースに１００〜２０００Ｖ／ｃｍの電界を印加してもよい。

上記電界の強さは、好ましくは２００〜１０００Ｖ／ｃｍである。

前記処理室内のガスを排気することにより、該処理室内の圧力を所定の圧力に設定する排気手段をさらに備え、前記排気手段は、前記処理室内の圧力を０．０１Ｐａ以下に設定してもよい。

本発明の第２の観点にかかるプラズマ処理方法は、処理室内に配置される半導体ウエハに所定のプラズマ処理を施すプラズマ処理方法であって、前記処理室内に処理ガスを供給するガス供給工程と、前記処理室内にイオンを供給するイオン供給工程と、前記イオン供給工程で供給される前記イオンを用いて、前記ガス供給工程で供給される前記処理ガスのプラズマを発生させることにより、前記半導体ウエハに所定のプラズマ処理を施すプラズマ発生工程と、を備えることを特徴とする。

本発明によって、コンタミネーションやパーティクルを発生させることなくプラズマ着火を実現すると共に、短時間でプラズマ処理を実行することができる。

次に、本発明の実施の形態にかかるプラズマ処理について図面を参照して説明する。

なお、以下では、マイナスイオン、具体的には酸素マイナスイオンラジカル（O^-）を用いてプラズマを発生させ、半導体ウエハ上に所定の膜（例えばSiOF膜など）を形成する場合を例にとって説明する。

本発明の実施の形態にかかるプラズマ処理を実行するプラズマ処理装置は、例えば図１に示すように、マルチチャンバ型半導体製造装置の一部を構成する。なお、マルチチャンバ型半導体製造装置を構成する処理室の数は、図１に示す数に限定されず、任意である。

上記プラズマ処理装置は、図２に示すように、マイナスイオンを供給するイオン供給ユニット１と、マイナスイオンを用いてプラズマを発生させ、所定のプラズマ処理を実行するプラズマ処理ユニット２と、イオン供給ユニット１およびプラズマ処理ユニット２を制御する制御装置３と、から構成される。

イオン供給ユニット１は、処理室（イオン生成室）１１と、高圧電源１２と、原料ガス供給装置１３と、ガス排気装置１４と、キャリアガス供給装置１５と、から構成され、マイナスイオンソースＳからマイナスイオンを取り出し、プラズマ処理ユニット２に供給する。

なお、マイナスイオンソースＳは、例えばC12A7である。マイナスイオンは、C12A7のAlO₄四面体が重合して形成するケージ内に閉じこめられている。後述するように、マイナスイオンソースＳ内のマイナスイオンは、マイナスイオンソースＳを所定温度に加熱して所定の強さの電界を印加することによって取り出すことができる。

処理室１１は、例えばアルミニウム等から形成された処理チャンバである。処理室１１の壁には、様々なガスを流通させるための配管が設置されている。
具体的には、マイナスイオンソースＳにマイナスイオンを補充するための原料ガスを処理室１１内に導入するための原料ガス供給管１１ａと、処理室１１内にキャリアガスを導入するためのキャリアガス供給管１１ｂと、処理室１１内のガスを排気するためのガス排気管１１ｃと、取り出されたマイナスイオンをキャリアガスによってプラズマ処理ユニット２に搬送するためのイオン供給管１１ｄと、が設置されている。

なお、キャリアガス供給管１１ｂとイオン供給管１１ｄとは、処理室１１内に導入されたキャリアガスによるマイナスイオンの搬送がスムーズに行われるように、互いに対向するように設置されている。

また、マイナスイオンは、壁にぶつかったり、他の化学種と結びついたりして、その活性を失っていく。このため、イオン供給管１１ｄの内径はできるだけ大きく、長さはできるだけ短く設定される。また、イオン供給管１１ｄの内壁は、マイナスイオンと反応しにくいフルオロカーボン（特にＰＴＦＥ；四フッ化エチレン樹脂）、または、テフロン（登録商標）等から形成される。さらに、イオン供給管１１ｄは、マイナスイオンを引きつけないように、処理中は、接地されている、または、マイナスの電位に保持されている。

さらに、マイナスイオンの活性を保つ（再結合を低減する）ため、キャリアガスには、不活性ガス、好ましくは酸素ガスを含有する不活性ガスを用いるのが好ましい。

また、キャリアガスの流速を高く維持するために、キャリアガスが供給される領域（処理室１１内の後述する引出電極３６よりも上の領域）は、マイナスイオンが壁等に衝突しない範囲で、できるだけ狭く設定されることが好ましい。

また、処理室１１の壁には、処理室１１内の温度を測定する温度計３１と、処理室１１内の圧力を測定する圧力計３２と、が設置されている。
処理室１１の内部には、ヒータ３３と、接触電極３４と、電極支持部材３５と、引出電極３６と、が設置されている。

ヒータ３３は、処理室１１内の略中央に設置され、処理室１１内に配置されるマイナスイオンソースＳを後述する所定温度に加熱する。ヒータ３３の内部には、原料ガス供給管１１ａに接続され、原料ガス供給管１１ａを介して導入される原料ガスをヒータ３３の表面から噴出させるためのガス流路３３ａが形成されている。

接触電極３４は、マイナスイオンソースＳに貼り付けた状態で製造される。接触電極３４は、原料ガスを通す大きさの貫通した空隙のある多孔質とし、原料ガスとマイナスイオンソースＳと接触電極３４の三相界面を有するように製造する。接触電極３４の製造方法としては、例えば、微粉末を膜状に成型し焼結させたもの、もしくはスパッタリングや蒸着によって膜を堆積させる方法がある。

また、原料ガスとの接触面積を増やすため、接触電極３４は、例えば図３に示すように、複数の開口３４ａを有する網状に形成してもよい。接触電極３４は、電界を印加するための高圧電源１２の陰極と電気的に接続されている。原料ガスが接触電極３４とヒータ３３の隙間から大量に流れ出ることを防ぐため、この間を突起部３３ｂで保持し、気密を保つ。

接触電極３４に使用可能な物質としては、（１）ジルコニア系の物質、（２）セリア系の物質、（３）ペロブスカイト型（ABO₃）複酸化物にドープしたものなどのイオン導電性の高い物質がある。

上記（１）に該当する物質としては、例えば、YSZ（８mol%Y₂O₃-ZrO₂：イットリア安定化ジルコニア）、SSZ（１０mol%Sc₂O₃-１mol%Al₂O₃-ZrO₂：スカンジア安定化ジルコニア）などが挙げられる。

上記（２）に該当する物質としては、例えばGDC（２０mol%GdO_1.5-CeO₂：ガドリニウム含有セリア）、SDC（２０mol%SmO_1.5-CeO₂：サマリウム含有セリア）などが挙げられる。なお、これら以外に、YO_1.5、GaO_1.5、NbO_2.5などをドープしたものでも良い。

上記（３）に該当する物質としては、(La,Sr)MnO₃：マンガン酸ランタン−ストロンチウム置換、(La,Sr)(Co,Ni,Fe)O₃：コバルト酸ランタン−ストロンチウム置換、ニッケル置換、鉄置換、(La,Sr)(Ga,Mg)O₃：ガリウム酸ランタン、ランタンガレート−ストロンチウム置換、マグネシウム置換、(La,Sr)(Cr,Ti,Co)O₃：クロム酸ランタン−ストロンチウム置換、チタン置換、コバルト置換、La_2/3(Ti_0.95Al_0.05)O₃：チタン酸ランタン−アルミ置換などが挙げられる。なお、ランタンを別のランタノイド（La〜Eu、１２配位のイオン半径が比較的大きいもの）（例えば、Sm_0.5Sr_0.5CoO₃など）に置き換えたものでも良い。

電極支持部材３５は、その一端が処理室１１の壁に固定されている。電極支持部材３５は、引出電極３６を、接触電極３４に対向するように支持する。なお、処理室１１内の上部には、マイナスイオンを搬送するためのキャリアガスが供給されるので、引出電極３６は、キャリアガス供給管１１ｂおよびイオン供給管１１ｄの設置位置よりも低い位置に配置される。

引出電極３６は、マイナスイオンソースＳから取り出されたマイナスイオンが通過可能な形状に形成された電極である。例えば、引出電極３６は、網状に形成された金属電極またはセラミック電極あるいはそれらの複合材料で構成される。また、例えば、円板状で中心部に穴を持つ形状でもよい。なお、引出電極３６に使用可能な金属としては、耐酸化性を有するPtやAuなどがある。

高圧電源１２は、その陰極がヒータ３３内を通る配線を介して接触電極３４に接続され、その陽極が電極支持部材３５内を通る配線を介して引出電極３６に接続されている。高圧電源１２は、接触電極３４と引出電極３６との間に所定の大きさの電圧を印加することにより、マイナスイオンソースＳに、後述する強さの電界を印加する。これにより、所定温度に加熱されたマイナスイオンソースＳからマイナスイオンが取り出される。

原料ガス供給装置１３は、原料ガス供給管１１ａを介して処理室１１に接続される。原料ガス供給装置１３は、マイナスイオンが取り出されたマイナスイオンソースＳに新たなマイナスイオンを補充するための原料ガス（酸素ガス、または、酸素ガスと不活性ガスの混合ガス）を、原料ガス供給管１１ａを介して処理室１１内に供給する。

原料ガス供給装置１３によって供給される原料ガスは、原料ガス供給管１１ａを介してヒータ３３の内部に形成されたガス流路３３ａを通ってヒータ３３の表面から噴出される。そして、噴出された原料ガスは、接触電極３４を介してマイナスイオンソースＳと接触電極３４と原料ガスとの三相界面に供給される。

また、原料ガス供給装置１３は、接触電極３４の背面側におけるガスの全圧および原料（酸素）の分圧が、マイナスイオンソースＳの引出電極３６側におけるガスの全圧および原料の分圧と等しいかまたは少し高くなるように、原料ガスを供給する。この分圧差によりマイナスイオンソースＳ中の目的イオンの濃度勾配を作り、マイナスイオンを引き出しやすくする。

ガス排気装置１４は、排気ポンプ等を備え、ガス排気管１１ｃを介して処理室１１に接続される。ガス排気装置１４は、処理室１１内のガスを排気し、処理室１１内の圧力を後述する圧力に設定する。

キャリアガス供給装置１５は、キャリアガス供給管１１ｂを介して処理室１１に接続される。キャリアガス供給装置１５は、アルゴン、ヘリウムまたは窒素などの不活性ガスを、マイナスイオンソースＳから取り出されたマイナスイオンを搬送するキャリアガスとして処理室１１内に供給する。この際、キャリアガス供給装置１５は、マイナスイオンが、壁にぶつかったり、他の化学種と結びついたりして、その活性を失うのを抑制するために、比較的高い流速（例えば５０cm/s）でキャリアガスを処理室１１内に供給する。

プラズマ処理ユニット２は、プラズマ室２１と、処理ガス供給装置２２と、ガス排気装置２３と、冷媒循環装置２４と、第１高周波電源２５と、第１整合器２６と、第２高周波電源２７と、第２整合器２８と、から構成され、所定のプラズマ処理を実行する。

プラズマ室２１は、アルマイト処理（陽極酸化処理）されたアルミニウム等の導電性材料から形成された処理チャンバであり、接地されている。プラズマ室２１には、下部電極４１と、上部電極４２と、静電チャック４３と、フォーカスリング４４と、バッフル板４５と、圧力計４６と、が設置されている。

下部電極４１は、例えばアルマイト処理されたアルミニウムから形成され、プラズマ室２１内の略中央に設置されている。また、下部電極４１は、その内部に、半導体ウエハＷの温度を所定温度に維持するための冷媒が流通する空洞４１ａを有する。空洞４１ａは、例えば環状に、形成されている。

上部電極４２は、例えばアルマイト処理されたアルミニウムから形成され、下部電極４１に対向するように設置されている。上部電極４２は、中空構造となっており、その下面には、処理ガスおよびマイナスイオンを吹き出すための１以上のガス孔が形成されている。

静電チャック４３は、半導体ウエハＷと同等の平面サイズを有し、下部電極４１上に設置されている。静電チャック４３は、直流電源４３ａを有し、載置される半導体ウエハＷを固定する。

フォーカスリング４４は、静電チャック４３、即ち載置された半導体ウエハＷ、を囲むように、下部電極４１上に設置されている。フォーカスリング４４は、プラズマによって発生した反応性イオン等を引き寄せない絶縁性の材質、例えば石英、から形成されている。このフォーカスリング４４によって、プラズマ室２１内で発生したプラズマを、半導体ウエハＷに効果的に入射させることができる。

バッフル板４５は、複数の微細な細孔を有し、下部電極４１を取り囲んで、プラズマ室２１内を上下の２つの領域に分断するように設置されている。バッフル板４５は、プラズマ室２１内で発生したプラズマが、排ガスと一緒にプラズマ室２１から排出されるのを防止すると共に、排気流の流れを整えて、排ガスを均一に排出するために設けられている。

なお、バッフル板４５が有する細孔の幅は、プラズマの通過が不可能であり、排ガスの通過が可能な幅、例えば０．８〜１mm程度に設定されている。
圧力計４６は、プラズマ室２１内の圧力を測定するために設置されている。

処理ガス供給装置２２は、処理ガス供給管２２ａを介して上部電極４２に接続されている。処理ガス供給装置２２は、プラズマ処理に使用される所定の処理ガスを所定の流量でプラズマ室２１内に供給する。処理ガス供給装置２２が供給する処理ガスは、上部電極４２が有するガス孔を介してプラズマ室２１内に供給される。

なお、上記したイオン供給管１１ｄは、処理ガス供給管２２ａに接続されている。従って、イオン供給ユニット１が供給するマイナスイオンは、処理ガスと共に、上部電極４２が有するガス孔を介してプラズマ室２１内に供給される。

処理ガス供給装置２２が供給する処理ガスは、半導体ウエハＷ上に形成される膜の種類に応じて決定される。例えば、形成対象の膜がSiOF膜である場合、SiF₄、SiH₄、O₂、NF₃、NH₃のガスと、Arガスとの混合ガスが処理ガスとして供給される。

ガス排気装置２３は、ガス排気管２３ａを介してプラズマ室２１に接続される。なお、ガス排気管２３ａは、バッフル板４５よりも下の位置で、プラズマ室２１に接続されている。ガス排気装置２３は、排気ポンプ等を備え、プラズマ室２１内のガスを排気し、プラズマ室２１内を所定の圧力（例えば０．０１Pa以下）に設定する。

冷媒循環装置２４は、冷媒供給管２４ａを介して、下部電極４１内の空洞４１ａに接続されている。冷媒循環装置２４は、所定温度の冷媒を空洞４１ａ内に循環させる。これにより、冷媒循環装置２４は、静電チャック４３上に載置された半導体ウエハＷの温度を所定温度に維持する。
なお、冷媒循環装置２４が循環させる冷媒は、例えばフロリナートであり、その温度は、例えば５０℃に設定される。

第１高周波電源２５は、第１整合器２６を介して、下部電極４１に接続されている。第１高周波電源２５は、下部電極４１に所定の高周波電圧（例えば０．１〜１３ＭＨｚ）を印加する。

第２高周波電源２７は、第２整合器２８を介して、上部電極４２に接続されている。第２高周波電源２７は、上部電極４２に所定の高周波電圧（例えば１３〜１５０ＭＨｚ）を印加する。

制御装置３は、マイクロコンピュータ等から構成され、所定のプラズマ処理を実行するためのプログラムを記憶している。制御装置３は、記憶しているプログラムに従ってイオン供給ユニット１の動作を制御し、マイナスイオンを供給させる。また、制御装置３は、記憶しているプログラムに従って、プラズマ処理ユニット２の動作を制御し、半導体ウエハＷ上に所定の膜を形成する。なお、制御装置３の詳しい動作については後述する。

次に、ヒータ３３が加熱するマイナスイオンソースＳの温度、高圧電源１２が印加する電圧の大きさ、および、ガス排気装置１４が設定する処理室１１内の圧力の大きさについて説明する。

マイナスイオンソースＳ内のマイナスイオンは、マイナスイオンソースＳを加熱して電界を印加することにより取り出される。この際、マイナスイオンソースＳの温度が低すぎると、マイナスイオンソースＳ中のマイナスイオンが活性化しないため、マイナスイオンを取り出すのが困難になる。一方、マイナスイオンソースＳの温度が高すぎると、活性化されたマイナスイオンが異常発生し、マイナスイオンソースＳが変性するおそれがある。さらに、加熱温度が高すぎると、処理室１１内に設置されるヒータ３３や電極などに、高い耐熱性を有する特殊なセラミックや金属等を用いなければならなくなる。

このため、ヒータ３３が加熱するマイナスイオンソースＳの温度は、マイナスイオンソースＳからマイナスイオンを容易に取り出すことが可能であり、一般的な金属などの材質を使用可能な温度、２５０〜１０００℃、好ましくは４００〜８００℃、さらに好ましくは７００℃に設定される。

以上のような好適な温度に加熱されたマイナスイオンソースＳに電界を印加することにより、マイナスイオンソースＳに含有されているマイナスイオンを取り出すことができる。

この際、印加される電界が弱すぎると、プラズマ生成に必要な量のマイナスイオンを取り出すことができず、一方、強すぎると、必要以上のマイナスイオンが取り出される。

必要以上のマイナスイオンが取り出された場合、目的以外の部分（処理室１１の内壁および引出電極３６等）において生じるマイナスイオンとの反応が、プラズマ処理に影響を与える場合がある。このため、マイナスイオンソースＳに印加する電界の強さは、必要なマイナスイオンの量（電流量）を得ることができる強さに設定される。

例えば、０．０１Pa程度（０．０７５〜０．１０mTorr）の圧力下でプラズマを生成するためには、プラズマ発生領域内にある気体分子の１０％のマイナスイオン量が必要である。また、０．１Pa程度（０．７５〜１．０mTorr）の圧力下でプラズマを生成するためには、プラズマ発生領域内にある気体分子の０．１％のマイナスイオン量が必要である。

プラズマ発生領域の体積が約７００cm³（φ３００mm、高さ１０mm）であると仮定すると、圧力が０．０１Pa程度に設定されている場合、イオン電流を１０μAとすることにより、３秒間で気体分子の１０％のマイナスイオンを供給することができる。また、圧力が０．１Pa程度に設定されている場合、イオン電流を１μAとすることにより、３秒間で気体分子の０．１％のマイナスイオンを供給することができる。

マイナスイオンソースＳから得られる電流量は、マイナスイオンソースＳのサイズ（イオンが取り出される面の面積）が大きくなるほど大きく、また、印加する電界を強くするほど大きくなる。

例えば、イオンが取り出される面の面積が１０cm²であるC12A7をマイナスイオンソースＳとして用い、マイナスイオンソースＳを７００℃に加熱した場合、４００V/cmの電界を印加することにより、１０μAの電流量を得ることができる。

このように、マイナスイオンソースＳに印加される電界の強さ（即ち、高圧電源１２が印加する電圧の大きさ）は、マイナスイオンソースＳのサイズに応じて、上記した電流量が得られるように設定される。

ただし、印加する電界の大きさが１００V/cm未満では、マイナスイオンソースＳからマイナスイオンを取り出すことができない場合があり、また、２０００V/cm以上では、異常放電が生じる。このため、高圧電源１２が印加する電圧の大きさは、印加する電界の大きさが１００〜２０００V/cm、好ましくは２００〜１０００V/cmの範囲内に収まるように設定される。

マイナスイオンソースＳから取り出されたマイナスイオンは、処理室１１からイオン供給管１１ｄおよび処理ガス供給管２２ａを介してプラズマ室２１に供給される。この際、処理室１１内の圧力がプラズマ室２１内の圧力よりも低いと、逆方向（プラズマ室２１から処理室１１への方向）の拡散が起こり、マイナスイオンを供給しにくくなる。

このため、ガス排気装置１４は、マイナスイオンが処理室１１からプラズマ室２１に円滑に供給されるように、処理室１１内の圧力を、プラズマ室２１の圧力以上（具体的には、１〜１０倍）に設定する。
例えば、プラズマ室２１の圧力が０．０１Paに設定される場合、ガス排気装置１４は、処理室１１内の圧力を、０．０１〜０．１Paに設定する。

次に、上記したプラズマ処理装置の動作について説明する。
マイナスイオンソースＳは、処理室１１内に予めセットされている。半導体ウエハＷは、例えばマルチチャンバ型半導体製造装置の搬送アームによって、プラズマ室２１の図示せぬ搬送口から静電チャック４３上に載置される。

静電チャック４３上に半導体ウエハＷが載置されると、制御装置３は、静電チャック４３を制御して載置された半導体ウエハＷを固定し、予め記憶しているプログラムに従って、イオン供給ユニット１およびプラズマ処理ユニット２の動作を制御し、以下に示すプラズマ処理を行う。

初めに、制御装置３は、原料ガス供給装置１３を制御し、処理室１１内に原料ガスを供給すると共に、ガス排気装置１４を制御し、圧力計３２の測定結果を用いて、処理室１１内の圧力を所定の圧力（例えば０．１Pa）に設定する。

この際、制御装置３は、接触電極３４の背面側におけるガスの全圧、および原料の分圧が、マイナスイオンソースＳの引出電極３６側における雰囲気の全圧、および原料の分圧よりも高くなるように原料ガスを供給する。

そして、制御装置３は、ヒータ３３を制御し、温度計３１の測定結果を用いて、接触電極３４上に載置されたマイナスイオンソースＳを約７００℃に加熱する。
続いて、制御装置３は、キャリアガス供給装置１５を制御し、処理室１１内に所定の流量でキャリアガスを供給する。

その後、制御装置３は、高圧電源１２を制御して、接触電極３４と引出電極３６との間に電圧を印加することにより、上記した強さの電界をマイナスイオンソースＳに印加する。

これにより、マイナスイオンソースＳ内のマイナスイオンが印加された電界によって取り出される。取り出されたマイナスイオンは、引出電極３６を通過し、処理室１１内の上部を流通するキャリアガス（不活性ガス）によって、プラズマ処理ユニット２に搬送される。

また、制御装置３は、静電チャック４３上に半導体ウエハＷを固定した後、処理ガス供給装置２２を制御して、処理ガスをプラズマ室２１内に導入する。
そして、制御装置３は、圧力計４６による測定結果を用い、ガス排気装置２３を制御して、プラズマ室２１内の圧力を所定圧力（例えば０．０１Pa）に設定する。

また、制御装置３は、冷媒循環装置２４を制御して、下部電極４１内の空洞４１ａに所定温度の冷媒を循環させ、半導体ウエハＷの温度を所定温度に設定する。
プラズマ室２１内の圧力が所定圧力になると、制御装置３は、第１高周波電源２５、第１整合器２６、第２高周波電源２７および第２整合器２８を制御して、下部電極４１および上部電極４２のそれぞれに所定の高周波を印加する。これにより、供給されたマイナスイオンが加速される。

この際、マイナスイオンは、プラズマ着火に適した密度（または量）で供給されているので、プラズマ室２１内が高真空に設定されていても、マイナスイオンは供給された処理ガスに容易に衝突する。これにより、プラズマ室２１内に、プラズマを容易に発生させることができる。

以上のように、マイナスイオンの密度（または量）は、マイナスイオンソースＳに印加する電界によって容易に制御することができる。このように、容易に高密度を実現可能なマイナスイオンを用いることにより、高真空下であっても、容易にプラズマ着火を行うことができる。これにより、所定のプラズマ処理が速やかに開始され、半導体装置の製造にかかる時間を節約することができる。また、原料ガスに含まれる元素と同じ元素のイオンを用いることにより、コンタミネーションやパーティクルを生成せずにプラズマ着火を行うことができる。

実際に、プラズマ室２１内の圧力を０．１Paに設定し、イオン電流１μAでマイナスイオンを３秒間供給した後に、１００MHzの高周波を印加することによりプラズマを生成することができた。また、さらに低い０．０１Paに圧力を設定した場合でも、イオン電流１０μAでマイナスイオンを３秒間供給した後に、１００MHzの高周波を印加することによりプラズマを生成することができた。また、圧力を０．８Paに設定した場合でも、イオン電流１μAでマイナスイオンを供給し、６０MHzの高周波を印加することによりプラズマを生成することができた。
以上のように、通常ではプラズマ着火が困難な条件であっても、マイナスイオンを利用することにより、容易にプラズマを生成することができた。

なお、上記したイオン供給ユニット１の構成は、図２に示した構成に限らず、例えば図４（ａ）〜４（ｃ）に示すような構成であってもよい。
具体的には、マイナスイオンソースＳが円盤状である場合、クランプ６１によってマイナスイオンソースＳを固定してもよい。この場合は、例えば図４（ａ）に示すように、マイナスイオンソースＳを垂直に設置することも可能である。

また、図４（ａ）に示すように、ヒータ３３の代わりに、被覆ヒータ６２ａを内包する、TaまたはMoから形成される孔開き金属ホットプレート６２ｂが用いられてもよく、温度差を吸収する、中空の金属管６３上にホットプレート６２ｂが設置されてもよい。

また、図４（ｂ）に示すように、ヒータ３３の代わりに、複数のランプ６４を設置し、ランプ６４の輻射熱によってマイナスイオンソースＳを加熱するようにしてもよい。この場合、接触電極３４とランプ６４との間には、光を透過する石英窓６５が設置される。また、輻射熱をマイナスイオンソースＳに集中させるために、ランプ６４の光を反射する反射板６６等が設置されてもよい。

また、図４（ｃ）に示すように、マイクロ波を発生させるマイクロ波電源６７と、マイクロ波を伝搬させる導波管６８ａおよび円錐石英ガラス（導波管）６８ｂと、を設置し、マイクロ波によってマイナスイオンソースＳを加熱するようにしてもよい。この場合、円錐石英ガラス６８ｂと接触電極３４との間には、マイナスイオンソースＳの全面を均一に加熱するために、高いマイクロ波吸収率と高い熱伝導性を有するSiCやムライト（3Al₂O₃・2SiO₂）等から形成される均熱板６９を設置しても良い。

以上のようにイオン供給ユニット１を構成しても、上記した実施の形態と同様に、マイナスイオンをマイナスイオンソースＳから取り出し、プラズマの生成に用いることができる。

また、上記したイオン供給ユニット１は、図４（ａ）に示したように構成され、図５に示すように、マイナスイオンソースＳから取り出されたマイナスイオンが、プラズマ室２１内のプラズマ生成領域に直接供給されるようにしても良い。言い換えると、接触電極３４と引出電極３６との間の電位差により加速されたマイナスイオンが、そのまま真っ直ぐ進んでプラズマ生成領域に供給されるように、処理室１１とプラズマ室２１とをイオン供給管１１ｄで接続しても良い。このようにすれば、キャリアガスを用いずに、マイナスイオンをプラズマ室２１内に供給することができる。

また、上記実施の形態では、マイナスイオンソースＳの例としてC12A7を示したが、他のものをマイナスイオンソースＳとして用いることもできる。例えば、カルシウムアルミネート（Ca₁₂Al₁₄O₃₃、マイエナイト、アルミン酸カルシウム）、シリコン置換型マイエナイト（Ca₁₂Al₁₀Si₄O₃₅）、マイエナイト型ストロンチウムアルミネート（12SrO・7Al₂O₃、Sr₁₂Al₁₄O₃₃、アルミン酸ストロンチウム）や、上記した接触電極３４に使用可能な（１）ジルコニア系の物質、（２）セリア系の物質、（３）ペロブスカイト型（ABO₃）複酸化物にドープしたものなどを用いることができる。

また、上記実施の形態では、酸素マイナスイオンラジカルを用いてプラズマを発生させる場合を例として示したが、他のイオンを用いてプラズマを発生させても良い。例えば、OH^-、F^-、Cl^-等のイオンを用いても良い。

また、上記実施の形態では、形成対象膜の例としてSiOF膜を示したが、形成対象の膜は、SiO₂、SiN、SiC、SiCOH、CFなど、プラズマ処理によって形成可能なものであれば何でも良い。

また、上記実施の形態では、半導体ウエハＷ上に所定の膜を形成する場合を例にとって説明したが、上記プラズマ処理装置は、他のプラズマ処理にも適用可能である。例えば、半導体ウエハＷ上に形成された膜をプラズマエッチングする場合等にも適用することができる。

また、上記したイオン供給ユニット１の代わりにプラズマ発生装置を用い、例えばBF₃、PH₃、AsH₃等のガスをアーク放電によってイオン化し、これによって得られるマイナスイオンまたはプラスイオンをプラズマ室２１内に供給して、上記と同様に、プラズマを発生させても良い。

本発明の実施の形態にかかるプラズマ処理装置が構成するマルチチャンバ型半導体製造装置の例を示す図である。本発明の実施の形態にかかるプラズマ処理装置の構成図である。図２のプラズマ処理装置を構成する接触電極の構成図である。図２のプラズマ処理装置を構成するイオン供給ユニットの他の構成を示す図である。本発明の実施の形態にかかるプラズマ処理装置の他の構成図である。

符号の説明

１イオン供給ユニット
２プラズマ処理ユニット
３制御装置
１１処理室
１１ａ原料ガス供給管
１１ｂキャリアガス供給管
１１ｃガス排気管
１１ｄイオン供給管
１２高圧電源
１３原料ガス供給装置
１４ガス排気装置
１５キャリアガス供給装置
２１プラズマ室
２２処理ガス供給装置
２２ａ処理ガス供給管
２３ガス排気装置
２３ａガス排気管
２４冷媒循環装置
２４ａ冷媒供給管
２５第１高周波電源
２６第１整合器
２７第２高周波電源
２８第２整合器
３１温度計
３２圧力計
３３ヒータ
３３ａガス流路
３３ｂ突起部
３４接触電極
３５電極支持部材
３６引出電極
４１下部電極
４１ａ空洞
４２上部電極
４３静電チャック
４３ａ直流電源
４４フォーカスリング
４５バッフル板
４６圧力計

Claims

処理室内に配置される半導体ウエハに所定のプラズマ処理を施すプラズマ処理装置であって、
前記処理室内に処理ガスを供給するガス供給手段と、
前記処理室内にイオンを供給するイオン供給手段と、
前記イオン供給手段によって供給される前記イオンを用いて、前記ガス供給手段によって供給される前記処理ガスのプラズマを発生させることにより、前記半導体ウエハに所定のプラズマ処理を施すプラズマ発生手段と、
から構成されることを特徴とするプラズマ処理装置。
前記プラズマ発生手段は、
前記処理室内に、互いに対向して配置される第１電極および第２電極と、
前記第１電極に第１の高周波電圧を印加する第１高周波印加手段と、
前記第２電極に第２の高周波電圧を印加する第２高周波印加手段と、
前記第１および第２高周波印加手段を制御して前記第１および第２電極に高周波電圧を印加することにより、前記処理室内に供給される前記イオンを加速して該処理室内に供給される前記処理ガスに衝突させ、前記プラズマを発生させる制御手段と、
から構成されている、ことを特徴とする請求項１に記載のプラズマ処理装置。
前記イオン供給手段は、前記イオンとしてマイナスイオンを前記処理室内に供給する、ことを特徴とする請求項１または２に記載のプラズマ処理装置。
前記イオン供給手段は、
前記マイナスイオンを含有するイオンソースを加熱する加熱手段と、
前記加熱手段によって加熱される前記イオンソースに電界を印加することにより、該イオンソースに含有されている前記マイナスイオンを取り出す電界印加手段と、
から構成されている、ことを特徴とする請求項３に記載のプラズマ処理装置。
前記加熱手段は、前記マイナスイオンソースを２５０〜１０００℃に加熱する、ことを特徴とする請求項４に記載のプラズマ処理装置。
前記電界印加手段は、前記マイナスイオンソースに１００〜２０００Ｖ／ｃｍの電界を印加する、ことを特徴とする請求項４または５に記載のプラズマ処理装置。
前記処理室内のガスを排気することにより、該処理室内の圧力を所定の圧力に設定する排気手段をさらに備え、
前記排気手段は、前記処理室内の圧力を０．０１Ｐａ以下に設定する、
ことを特徴とする請求項１乃至６の何れか１項に記載のプラズマ処理装置。
処理室内に配置される半導体ウエハに所定のプラズマ処理を施すプラズマ処理方法であって、
前記処理室内に処理ガスを供給するガス供給工程と、
前記処理室内にイオンを供給するイオン供給工程と、
前記イオン供給工程で供給される前記イオンを用いて、前記ガス供給工程で供給される前記処理ガスのプラズマを発生させることにより、前記半導体ウエハに所定のプラズマ処理を施すプラズマ発生工程と、
を備えることを特徴とするプラズマ処理方法。