JP2007299776A - プラズマ処理装置及びプラズマ処理方法 - Google Patents

プラズマ処理装置及びプラズマ処理方法 Download PDF

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Abstract

【課題】活性種等を含むプロセスガスの使用効率を向上させることができると共に、被処理体に対するプラズマ処理の面間均一性及び面内均一性の向上及びスループットの向上を図ることが可能なプラズマ処理装置を提供する。
【解決手段】被処理体Ｗに対してプラズマにより発生した活性種によって所定のプラズマ処理を行うプラズマ処理装置において、筒体状の処理容器１４と、被処理体を複数枚保持する保持手段２２と、処理容器の側壁に設けられてプラズマを発生するためのプラズマ室５８と、プラズマ室にプラズマ用ガスを供給するプラズマ用ガス供給手段３８と、プラズマを立てるためのプラズマ形成手段６０と、処理容器内の上部空間部及び／又は下部空間部に臨ませたガス噴射孔を有する不活性ガス供給手段４２と、上部空間部及び／又は下部空間部に不活性ガスを供給するように制御する制御手段９４とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体ウエハ等の被処理体にプラズマ成膜やプラズマエッチング等のプラズマ処理を施すようにしたプラズマ処理装置及びプラズマ処理方法に関する。
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。これらの処理を特許文献１等に開示されている縦型の、いわゆるバッチ式の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例えば所定の熱処理が施される。
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、原料ガス等を間欠的に供給しながら原子レベルで１層〜数層ずつ、或いは分子レベルで１層〜数層ずつ繰り返し成膜する方法が知られている（特許文献２、３、４等）。このような成膜方法は一般的にはＡＬＤ（Ａｔｏｍｉｃ Ｌａｙｅｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）と称されている。
ここで従来の成膜方法として、シラン系ガスであるジクロロシラン（以下、「ＤＣＳ」とも称す）と窒化ガスであるＮＨ３ ガスとを用いてシリコン窒化膜（ＳｉＮ）を形成する場合について説明する。図８は従来の一般的な縦型の成膜装置を示す概略構成図、図９は各ガスの供給シーケンスと排気弁の動作との関係を示すグラフである。図８に示すように、この成膜装置の縦型の処理容器２内には、ウエハボート４上に多段に支持された複数枚の半導体ウエハＷが収容されている。そして、この処理容器２内に原料ガスとしての例えばＤＣＳ（ジクロロシラン）と反応性ガスとしての例えばＮＨ３ とが供給可能になされている。この処理容器２の排気系６には、排気開閉弁８と真空ポンプ１０とが順次介設されており、容器内雰囲気を真空引きできるようになっている。
このような成膜装置を用いてシリコン窒化膜を形成する場合には、図９に示すように、ＤＣＳガスとＮＨ３ ガスとを交互に異なるタイミングで供給するようにし、ＤＣＳガスの供給時に原料ガスをウエハ表面に吸着させ、これを次工程のＮＨ３ ガスの供給時に窒化させて極めて薄い原子レベル、或いは分子レベルの膜厚のシリコン窒化膜を形成する、という操作を繰り返して堆積するようになっている。
この場合、原料ガスであるＤＣＳガスの供給時には、排気開閉弁８を完全に閉状態にすることによって処理容器２内の圧力を高め、この時にウエハ表面に吸着する原料ガスの吸着量をできるだけ多くしてスループットを向上させることが行われている。
特開２００４−６８０１号公報 特開平６−４５２５６号公報 特開平１１−８７３４１号公報 特開２００６−４９８０９号公報
上述したような成膜装置にあっては、比較的良好なステップカバレジが得られ、また膜厚の面内及び面間均一性もある程度高くすることができる。しかし、最近にあっては半導体集積回路に用いる膜種の特性から、成膜温度等のプロセス処理時の更なる低温化が求められており、そのために、縦型のバッチ式の処理装置においても、プラズマのアシストを受けることによりウエハ温度が低温でも所望する反応が得られるプラズマ処理装置が提案されている（例えば特許文献４）。
このプラズマ処理装置では、図８に示すような縦型の処理容器２の側部に、プラズマを形成するためのプラズマ室を、この処理容器２のウエハ領域に開放された状態で設け、このプラズマ室で発生した活性種を直接的に処理容器２のウエハ領域へ導入させて例えば成膜処理等を行うようになっている。この場合、ＤＣＳ（ジクロロシラン）とＮＨ３ ガスとを交互に間欠的に供給し、ＮＨ３ ガスはプラズマ室へ導入すると同時にＲＦ（高周波）を印加してプラズマを立てて活性種を作り、ＤＣＳガスは処理容器２内へ導入している。そして、ウエハ表面上にＤＣＳガスが分子レベルで一層、或いは複数層吸着して余分なＤＣＳガスを不活性ガスでパージし、或いは真空引きで排除した後、ＮＨ３ の活性種で低温での窒化を促進して窒化膜を形成する。そして、この一連の工程を繰り返し行って所望の厚さのシリコン窒化膜を形成するようになっている。
ところで、上記したようなプラズマ処理装置では、更に面内のプラズマ処理の均一性の向上が求められているが、これに十分に対応するのが困難である、という問題があった。また、スループットを更に向上させ、且つプラズマ処理に必要な比較的高価なガスの使用量をできるだけ抑制してランニングコストを低減化することも求められているが、これらの要求に対応するのはかなり困難である、といった問題があった。
更に、処理容器２内のウエハボート４の下方に位置する下部空間部Ｓ１やウエハボート４の上方に位置する上部空間部Ｓ２にプロセスガスが滞留する傾向にあるので、この部分に滞留するガスを置換するためにその分の真空引き時間が長くなるばかりか、上記各空間部Ｓ１、Ｓ２に流れる活性種等を含むプロセスガスが無駄になる、という問題があった。
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、処理容器内の下部空間部や上部空間部に不活性ガスを供給することにより、活性種等を含むプロセスガスの使用効率を向上させることができると共に、被処理体に対するプラズマ処理の面間均一性及び面内均一性の向上及びスループットの向上を図ることが可能なプラズマ処理装置及びプラズマ処理方法を提供することにある。
請求項１に係る発明は、被処理体に対してプラズマにより発生した活性種によって所定のプラズマ処理を行う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、前記被処理体を複数枚保持して前記処理容器内へ収容する保持手段と、前記処理容器の側壁にその長さ方向に沿って設けられてプラズマを発生するためのプラズマ室と、前記プラズマ室にプラズマ用ガスを供給するプラズマ用ガス供給手段と、前記プラズマ室にプラズマを立てるためのプラズマ形成手段と、前記処理容器内の上部空間部及び／又は下部空間部に臨ませたガス噴射孔を有する不活性ガス供給手段と、前記所定のプラズマ処理を行う時に前記上部空間部及び／又は下部空間部に前記不活性ガスを供給するように制御する制御手段と、を備え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、処理容器内の上部空間部及び／又は下部空間部に臨ませたガス噴射孔を有する不活性ガス供給手段を設けて、所定のプラズマ処理を行う時に上部空間部及び／又は下部空間部に不活性ガスを供給するようにしたので、活性種等を含むプロセスガスの使用効率を向上させることができると共に、被処理体に対するプラズマ処理の面間均一性及び面内均一性の向上及びスループットの向上を図ることができる。
この場合、例えば請求項２に規定するように、前記処理容器の前記プラズマ室に対向する側壁には、前記処理容器内の雰囲気を排気する排気口が設けられる。
また例えば請求項３に規定するように、前記処理容器内へ処理ガスを供給する処理ガス供給手段を有し、前記制御手段は前記処理ガスと前記プラズマ用ガスとを交互に繰り返し供給するように制御する。
また例えば請求項４に規定するように、前記処理ガスの供給時と前記プラズマ用ガスの供給時との間には間欠期間が設けられている。
また例えば請求項５に規定するように、前記制御手段は、前記不活性ガスを前記処理ガスの供給時と前記間欠期間と前記プラズマ用ガスの供給時とに亘って連続的に同一流量で供給するように制御する。
また例えば請求項６に規定するように、前記制御手段は、前記不活性ガスを、前記処理ガスの供給時と前記間欠期間と前記プラズマ用ガスの供給時とではそれぞれ異なる流量で供給するように制御する。
また例えば請求項７に規定するように、前記制御手段は、前記間欠期間では前記不活性ガスの供給を停止するように制御する。
請求項８に係る発明は、真空引き可能になされた縦型の筒体状の処理容器と、被処理体を複数枚保持して前記処理容器内へ収容する保持手段と、前記処理容器の側壁にその長さ方向に沿って設けられてプラズマを発生するためのプラズマ室と、前記プラズマ室にプラズマ用ガスを供給するプラズマ用ガス供給手段と、前記プラズマ室にプラズマを立てるためのプラズマ形成手段と、を有するプラズマ処理装置を用いて前記被処理体に対してプラズマにより発生した活性種によって所定のプラズマ処理を行う方法において、前記プラズマ処理を行いつつ前記処理容器内の上部空間部及び／又は下部空間部に不活性ガスを供給して前記被処理体のにプラズマ処理の均一性を制御するようにしたことを特徴とするプラズマ処理方法である。
この場合、例えば請求項９に規定するように、前記処理容器内の雰囲気は、前記処理容器の前記プラズマ室に対向する側壁に設けた排気口より排気する。
請求項１０に係る発明は、真空引き可能になされた縦型の筒体状の処理容器と、被処理体を複数枚保持して前記処理容器内へ収容する保持手段と、前記処理容器の側壁にその長さ方向に沿って設けられてプラズマを発生するためのプラズマ室と、前記プラズマ室にプラズマ用ガスを供給するプラズマ用ガス供給手段と、前記プラズマ室にプラズマを立てるためのプラズマ形成手段と、を有するプラズマ処理装置を用いて前記被処理体に対してプラズマにより発生した活性種によって所定のプラズマ処理を行うに際して、前記プラズマ処理を行いつつ前記処理容器内の上部空間部及び／又は下部空間部に不活性ガスを供給するように前記プラズマ処理装置を制御するプログラムを記憶することを特徴とする記憶媒体である。
本発明に係るプラズマ処理装置及びプラズマ処理方法によれば、次のように優れた作用効果を発揮することができる。
処理容器内の上部空間部及び／又は下部空間部に臨ませたガス噴射孔を有する不活性ガス供給手段を設けて、所定のプラズマ処理を行う時に上部空間部及び／又は下部空間部に不活性ガスを供給するようにしたので、活性種等を含むプロセスガスの使用効率を向上させることができると共に、被処理体に対するプラズマ処理の面間均一性及び面内均一性の向上及びスループットの向上を図ることができる。
以下に、本発明に係るプラズマ処理装置及びプラズマ処理方法の一実施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である。尚、ここでは処理ガスとして原料となるシラン系ガスの１つであるジクロロシラン（ＤＣＳ）を用い、プラズマ用ガスとして窒化ガスの１つであるアンモニアガス（ＮＨ３ ）を用い、上記ＮＨ３ ガスをプラズマにより活性化して活性種を作ってシリコン窒化膜（ＳｉＮ）を成膜する場合を例にとって説明する。また、不活性ガスとしては、ここではＮ２ ガスを用いた場合を例にとって説明する。
図１及び図２に示すように、プラズマを形成することができるこのプラズマ処理装置１２は、下端が開口された有天井の円筒体状の処理容器１４を有している。この処理容器１４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１４内の天井には、石英製の天井板１６が設けられて封止されている。また、この処理容器１４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１８がＯリング等のシール部材２０を介して連結されている。尚、このマニホールド１８を、上記処理容器１４と同じ材料の例えば石英で処理容器１４と一体成形してもよい。
上記処理容器１４の下端は、上記マニホールド１８によって支持されており、このマニホールド１８の下方より多数枚の被処理体としての半導体ウエハＷを多段に載置した保持手段としての石英製のウエハボート２２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２２の支柱２２Ａには、例えば５０〜１００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。
このウエハボート２２は、テーブル２６上に石英製の保温筒２４を介して載置されており、このテーブル２６は、マニホールド１８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２８を貫通する回転軸３０上に支持される。
そして、この回転軸３０の貫通部には、例えば磁性流体シール３２が介設され、この回転軸３０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２８の周辺部とマニホールド１８の下端部には、例えばＯリング等よりなるシール部材３４が介設されており、処理容器１４内のシール性を保持している。
上記した回転軸３０は、例えばボートエレベータ等の昇降機構（図示せず）に支持されたアーム３６の先端に取り付けられており、ウエハボート２２及び蓋部２８等を一体的に昇降して処理容器１４内へ挿脱できるようになされている。尚、上記テーブル２６を上記蓋部２８側へ固定して設け、ウエハボート２２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。ここで上記処理容器１６内には、上記ウエハボート２２の下端部よりも下方において空きスペースとして下部空間部Ｓ１が発生し、ウエハボート２２の上方において空きスペースとして上部空間部Ｓ２が発生してしまうことになる。
このマニホールド１８には、処理容器１４内の方へプラズマ化されるプラズマ用ガスとして例えば窒化ガスの１つであるアンモニア（ＮＨ３ ）ガスを供給するプラズマ用ガスガス供給手段３８と、処理ガスとして原料ガスである例えばシラン系ガスの１つであるＤＣＳ（ジクロロシラン）ガスを供給する処理ガス供給手段４０と、不活性ガスとして例えばＮ２ ガスを供給する不活性ガス供給手段４２とが設けられる。尚、不活性ガスとしては、Ｎ２ ガスに限定されず、これに代えてＨｅガス、Ａｒガス、Ｎｅガス等の他の不活性ガスを用いてもよい。具体的には、上記プラズマ用ガス供給手段３８は、上記マニホールド１８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用ガス分散ノズル４４を有している。このプラズマ用ガス分散ノズル４４には、その長さ方向に沿って複数（多数）のガス噴射孔４４Ａが所定の間隔を隔てて形成されており、各ガス噴射孔４４Ａ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。
また同様に上記処理ガス供給手段４０も、上記マニホールド１８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処理ガス分散ノズル４６を有している。上記処理ガス分散ノズル４６には、その長さ方向に沿って複数（多数）のガス噴射孔４６Ａが所定の間隔を隔てて形成されており、各ガス噴射孔４６Ａから水平方向に向けて略均一に原料ガスであるＤＣＳガスを噴射できるようになっている。また上記不活性ガス供給手段４２は、上記マニホールド１８の側壁を内側へ貫通して設けられる石英管よりなる不活性ガスノズル４８を有している。この不活性ガスノズル４８は、上記各分散ノズル４４、４６とは異なって、ここでは短く形成されており、その先端のガス噴射孔４８Ａは上記保温筒２４やテーブル２６が収容されている下部空間部Ｓ１に臨ませて設けられ、必要時にこの下部空間部Ｓ１に不活性ガスであるＮ２ ガスを直接的に噴射して供給できるようになっている。
上記各ノズル４４、４６、４８には、それぞれのガス通路５２、５４、５６が接続されている。そして、各ガス通路５２、５４、５６には、それぞれ開閉弁５２Ａ、５４Ａ、５６Ａ及びマスフローコントローラのような流量制御器５２Ｂ、５４Ｂ、５６Ｂが介設されており、ＮＨ３ ガス、ＤＣＳガス及びＮ２ ガスをそれぞれ流量制御しつつ供給できるようになっている。
そして、上記処理容器１４の側壁には、その長さ方向（高さ方向）に沿ってプラズマを発生するためのプラズマ室５８が形成されていると共に、このプラズマ室５８にプラズマを立てるためのプラズマ形成手段６０が設けられている。また、このプラズマ室５８に対向する処理容器１４の反対側の側壁には、この内部雰囲気を真空排気するために処理容器１４の側壁を、例えば上下方向へ削り取ることによって形成した細長い排気口６２が設けられている。具体的には、上記プラズマ室５８は、上記処理容器１４の側壁を上下方向に沿って所定の幅で削り取ることによって上下に細長い縦長の開口部６４（図２参照）を形成し、この開口部６４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６６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。上記開口部６４は、ウエハボート２２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。
そして、上記プラズマ区画壁６６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上記プラズマ形成手段６０の一部を形成する細長い一対のプラズマ電極６８が設けられる。このプラズマ電極６８にはプラズマ発生用の高周波電源７０が給電ライン７２を介して接続されており、上記プラズマ電極６８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。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。
そして、上記処理容器１４内を上方向に延びて行くプラズマ用ガス分散ノズル４４は途中で処理容器１４の半径方向外方へ屈曲されて、上記プラズマ区画壁６６内の一番奥（処理容器１４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。従って、高周波電源７０がオンされている時に上記プラズマ用ガス分散ノズル４４のガス噴射孔４４Ａから噴射されたアンモニアガスはここで活性化されて活性種を発生して処理容器１４の中心に向けて拡散しつつ流れるようになっている。
そして上記プラズマ区画壁６６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７４が取り付けられている。また、この絶縁保護カバー７４の内側部分には、図示しない冷媒通路が設けられており、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６８を冷却し得るようになっている。
そして上記プラズマ区画壁６６の開口部６４の外側近傍、すなわち開口部６４の外側（処理容器１４内）の一側には、上記処理ガス分散ノズル４６が起立させて設けられており、このノズル４６に設けたガス噴射孔４６Ａより処理容器１４の中心方向に向けてＤＣＳガスを噴射し得るようになっている。
そして、上記プラズマ室５８の開口部６４は、所定のガス孔７６の形成された仕切板７８が、その周辺部を開口部６４の区画壁に溶接等することによって閉じられており、プラズマ室５８と処理容器１４内（ウエハ収容領域内）とを区画して仕切るようになっている。上記ガス孔７６は、上記プラズマ室５８内が上記処理容器１４内よりも圧力が高くなるように圧力差を生ぜしめつつプラズマ室５８から処理容器１４内へガス（活性種を含む）を通すように連通されている。
この仕切板７８は、処理容器１４と同じ材料である例えば石英により形成されており、上記ガス孔７６は、この仕切板７８の長さ方向に沿って分散させて配列するように複数個設けられている。このガス孔７６のピッチは、ウエハボート２２に多段に収容されるウエハＷのピッチと同じに設定され、且つ水平方向においてウエハＷと同じレベルになるように形成されて、活性種を効率的にウエハＷに流すようになっている。
一方、上記プラズマ室５８に対向させて設けた排気口６２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８０が溶接により取り付けられている。この排気口カバー部材８０は、上記処理容器１４の側壁に沿って上方に延びており、処理容器１４の上方のガス出口８２に連通されている。そして、この処理容器１４の外周を囲むようにしてこの処理容器１４及びこの内部のウエハＷを加熱する筒体状の加熱手段８４が設けられている。そして、上記ガス出口８２には、真空排気系８６が接続されている。この真空排気系８６は、上記ガス出口８２に連結された排気通路８８を有しており、この排気通路８８の途中には、例えばゲートバルブよりなる圧力制御弁９０や真空ポンプ９２が順次介設されている。
そして、上記各ガスの供給、供給停止、ガス流量の制御及び高周波のオン・オフ制御、圧力制御弁９０による圧力制御等は例えばマイクロコンピュータ等よりなる制御手段９４により行われる。そして、この制御手段９４は、このプラズマ処理装置１２の全体の動作も制御することになる。またこの制御手段９４は、上記した装置全体の動作を制御するためのプログラムを記憶する例えばフロッピディスクやハードディスクドライバやフラッシュメモリ等の記憶媒体９６を有している。
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による成膜方法（いわゆるＡＬＤ成膜）について図３も参照して説明する。図３は本発明のプラズマ処理方法における各ガスの供給形態の一例を示すグラフである。上述したように、以下に説明する動作は、上記記憶媒体９６に記憶されたプログラムに基づいて行われる。ここでは成膜処理として、ウエハ表面に低温で間欠的にプラズマを用いてシリコン窒化膜（ＳｉＮ）を形成する場合を例にとって説明する。各ガスの供給は、図３に示すように行われており、ＮＨ３ ガスの供給時にプラズマを立ててＮＨ３ の活性種を形成している。図３中において、図３（Ａ）及び図３（Ｂ）はそれぞれＤＣＳガスとＮＨ３ ガスの供給形態を示し、図３（Ｃ）〜図３（Ｈ）は不活性ガスであるＮ２ ガスの第１実施例〜第６実施例の供給形態をそれぞれ示す。また以下に説明する処理中においては、真空ポンプ９２は連続的に駆動されて真空引きが継続的に行われている。
まず、常温の多数枚、例えば５０〜１００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２２を予め所定の温度になされた処理容器１４内にその下方より上昇させてロードし、蓋部２８でマニホールド１８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１４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８４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、上記ＤＣＳガスとＮＨ３ ガスとを処理ガス供給手段４０及びプラズマ用ガス供給手段３８からそれぞれ交互に間欠的に供給し、回転しているウエハボート２２に支持されているウエハＷの表面にシリコン窒化膜（ＳｉＮ）を形成する。この際、ＮＨ３ ガスを単独で供給する時に、全供給時間に亘って、或いは全供給時間の一部において高周波電源（ＲＦ電源）７０をオンしてプラズマを立てるようにする。
具体的には、ＮＨ３ ガスはプラズマ用ガス分散ノズル４４の各ガス噴射孔４４Ａから水平方向へ噴射され、また、ＤＣＳガスは処理ガス分散ノズル４６の各ガス噴射孔４６Ａから水平方向へ噴射される。この場合、上記各ガスは、連続的に供給されるのではなく、例えば図３に示すように互いにタイミングをずらして供給する。そして、タイミングをずらしたガス同士は、間に間欠期間（パージ期間）１００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。上記両ガスは、先にＤＣＳガスを供給して処理ガスである原料ガスをウエハ表面に付着させ、その後にＮＨ３ ガスを供給してウエハ表面に付着している原料ガスを窒化して薄い層状のシリコン窒化膜を形成する、という１サイクルの処理を複数回繰り返し行う。
ここで不活性ガスであるＮ２ ガスは、不活性ガス供給手段４２の不活性ガスノズル４８から処理容器１４内の下方へ下部空間部Ｓ１に向けて直接的に供給している。尚、この下部空間部Ｓ１の容量は上部空間部Ｓ２の容量よりも比較的大きくなっている。この不活性ガスの供給形態は、第１実施例の場合には、図３（Ｃ）に示すように、この成膜期間の最初から最後まで連続的に且つ同一流量で供給している。換言すれば、ＤＣＳガスの供給時と間欠期間１００とプラズマ用ガス供給時とに亘って連続的に供給している。
このようにＮ２ ガスを供給することにより、ＤＣＳガスや活性種を含むＮＨ３ ガスが、この下部空間部Ｓ１内へ侵入して流れ込んでくることを抑制することができる。従って、ＤＣＳガスや活性種を含むＮＨ３ ガス等のプロセスガスは無駄になるのが少なくなって効率的にウエハ表面と接触することになり、プロセスガスの使用効率を向上させることができる。
また間欠期間１００においてもＮ２ ガスを供給することにより、この下部空間部Ｓ１に流れ込んできて滞留している傾向にあるＤＣＳガスやＮＨ３ ガス等のプロセスガスの排出を促進させることができるので、その分、ガスの置換を早めることができ、スループットを向上させることができる。
例えば前述したように、この成膜処理は例えば５００サイクル行うと仮定すれば、１サイクルでガス置換操作を数秒、例えば２秒短縮化できるとすれば、全体で１０００秒（＝２×５００）も成膜時間を短縮化してスループットを向上させることができる。
更には、上記したようにＤＣＳガスやＮＨ３ ガス等のプロセスガスが下部空間部Ｓ１に流入するのを抑制することができることから、その分、各プロセスガスが各ウエハ表面に対して均等に接触することになり、その分、プラズマ処理、すなわちここでは膜厚の面間均一性及び面内均一性を向上させることができる。
また具体的なプロセス条件としては、吸着工程であるＤＣＳガスの供給期間Ｔ１は１〜１２０秒程度、反応工程（窒化工程）であるＮＨ３ ガスの供給期間Ｔ２は１〜１２０秒程度、パージ期間である間欠期間Ｔ３の長さは１〜３０秒程度であるが、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。通常、１サイクルによって形成される膜厚は０．５〜１．１Å／サイクル程度であるので、目標膜厚が例えば５００Åであるならば、５００サイクル程度繰り返し行うことになる。
またＤＣＳガスの流量は５０〜２０００ｓｃｃｍの範囲内、例えば１０００ｓｃｃｍ（１ｓｌｍ）であり、プロセス用ガスであるＮＨ３ ガスの流量は１００〜５０００ｓｃｃｍの範囲内、例えば３０００ｓｃｃｍである。またＮ２ ガスの供給量は１０〜３００００ｓｃｃｍの範囲内、例えば５０００ｓｃｃｍ程度である。またプロセス温度はＣＶＤ成膜処理よりも低い温度であり、具体的には２５０〜７００℃の範囲内、好ましくは３５０〜６００℃の範囲内である。このプロセス温度が２５０℃よりも低いと、反応が生ぜずにほとんど膜が堆積せず、また７００℃よりも高い場合には、膜質の劣るＣＶＤによる堆積膜が形成されてしまうのみならず、前工程ですでに形成されている金属膜等に熱的ダメージを与えてしまう。
またプロセス圧力に関しては、ウエハＷを収容している処理容器１４内の圧力（プロセス圧力）は０．６Ｔｏｒｒ以下に設定してプラズマ処理であるプラズマ成膜による膜厚の面内均一性及び面間均一性が共に高く維持できるように最適化している。
この場合、処理容器１４内のプロセス圧力が０．６Ｔｏｒｒを越えて大きくなると活性種の失活が急激に多くなって好ましくなく、成膜速度を考慮すると上記処理容器１４内のプロセス圧力の下限値は０．０１Ｔｏｒｒ程度であり、これよりもプロセス圧力が低下すると、生産効率であるスループットが大幅に低下してしまう。
ここで上記Ｎ２ ガスの供給形態は図３（Ｃ）に示す第１実施例に限定されず、例えば図３（Ｄ）〜図３（Ｈ）に示すように種々の形態を取ることができる。例えば図３（Ｄ）に示す第２実施例の場合には、間欠期間Ｔ３の内の一部、例えば間欠期間Ｔ３内の後半の部分ｔにおいて、Ｎ２ ガスの供給を完全に停止して容器内の残留ガスの排気を促進している。
また図３（Ｅ）に示す第３実施例の場合には、間欠期間Ｔ３においてＮ２ ガスの供給を完全に停止している。これによれば、間欠期間Ｔ３におけるＮ２ ガスの供給を停止している分だけＮ２ ガスの使用量を抑制することができる。
またＤＣＳガスとＮＨ３ ガスの供給量は、一般的にはＤＣＳガスよりもＮＨ３ ガスの供給量の方が遥かに大きいが、これに対応させてＮ２ ガスの供給量を途中で変えるようにしてもよい。例えば図３（Ｆ）に示す第４実施例の場合には、上記両ガスの供給量の大小に対応させて、ＤＣＳガスの供給の時はＮＨ３ ガスの供給量を小さくし、ＮＨ３ ガスの供給の時はＮＨ３ ガスの供給量を大きくしている。
尚、間欠期間Ｔ３においては、ＮＨ３ ガスの供給を停止している。これによれば、プロセスガスの供給量の大小に応じてＮＨ３ ガスの供給量を変えているので、その排出を促進させることができる。
また図３（Ｇ）に示す第５実施例の場合には、上記第４実施例の場合とは逆にしており、すなわちＤＣＳガスの供給の時はＮＨ３ ガスの供給量を大きくし、ＮＨ３ ガスの供給の時はＮＨ３ ガスの供給量を小さくしている。
また図３（Ｈ）に示す第６実施例の場合には、１サイクルの間において、間欠期間Ｔ３を含めてＮＨ３ ガスの供給量をステップ状に増加し、ＮＨ３ ガスの供給時をピークとして減少させるようにしている。いずれにしても、ＮＨ３ ガスの供給形態は、上記図３（Ｃ）〜図３（Ｈ）の供給形態に限定されず、他に種々の供給形態をとり得る。
このように、処理容器１４内の下部空間部Ｓ１に臨ませたガス噴射孔を有する不活性ガス供給手段４２を設けて、所定のプラズマ処理を行う時に下部空間部Ｓ１に不活性ガスを供給するようにしたので、活性種等を含むプロセスガスの使用効率を向上させることができると共に、被処理体Ｗに対するプラズマ処理の面間均一性及び面内均一性の向上及びスループットの向上を図ることができる。
＜本発明装置の評価＞
次に、本発明装置の評価実験を行ったので、その評価結果について説明する。
図４は評価実験を行った時のプラズマ処理装置を示す概略模式図（仕切板の記載は省略）、図５はウエハ位置と膜厚との関係を現す評価結果を示すグラフである。ウエハは直径が２００ｍｍのサイズのものを用いている。図４（Ａ）及び図５（Ａ）はＮ２ 導入を行わない従来装置の場合を示し、図４（Ｂ）及び図５（Ｂ）はＮ２ 導入を行った本発明装置の場合を示し、ここではＮ２ の導入量は１ｓｌｍに設定している。尚、参照符号については図１に示す構成部分と同一部分には同一参照符号を付してある。
また本発明装置において、Ｎ２ ガスの供給形態は、図３（Ｃ）に示すような連続供給を行っている。図中のウエハ番号は、ウエハボート２２中に全部で６１枚のウエハを多段に収容できるが、これを下方から順に番号付けした時のウエハ番号を示している。尚、この点は後述する各グラフについても同じである。
この時のガス供給量は、ＤＣＳガスが１００ｓｃｃｍ、ＮＨ３ ガスが５００ｓｃｃｍである。また全体で５００サイクルの成膜処理を行った。
図５（Ａ）に示すグラフから明らかなように、従来装置の場合には、３枚のウエハに対する膜厚の面内均一性は、それぞれ±４．２２％、±３．８８％及び±４．５４％であるのに対して、図５（Ｂ）に示す本発明装置の場合には、±３．６０％、±２．７６％及び±２．７９％となっており、全てにおいて膜厚の面内均一性を向上できることが確認できた。
この時のガスの流れを模式的に示すと、図４（Ａ）に示すように従来装置の場合には、各分散ノズル４６、４４から供給されるＤＣＳガスや活性種を含むＮＨ３ ガスのプロセスガスは大部分はウエハＷに向けて水平方向に流れて行くが、一部のガスは矢印１１０Ａ、１１Ｂに示すように下部空間部Ｓ１や上部空間部Ｓ２に流れ込むことになる。このためプロセスガスは両空間部Ｓ１、Ｓ２で滞留してプロセスガスや活性種の使用効率を劣化させたり、プロセスガスの置換に多くの時間を要してスループットを低下させたり、或いは膜厚の面内均一性を低下させたりする原因となる。この場合、特に、上部空間部Ｓ２の容量よりも、下部空間部Ｓ２の容量の方が遥かに大きいので、この下部空間部Ｓ２に滞留するプロセスガスの影響が大きくなる。
これに対して、図４（Ｂ）に示すように本発明装置の場合には、不活性ガスノズル４８からここでは矢印１１２Ａに示すように下部空間部Ｓ１側へＮ２ ガスを直接供給するようにしているので、この下部空間部Ｓ１へプロセスガスが侵入してくることを抑制することができる。従って、上記した各問題点を大幅に改善することが可能となる。尚、上記上部空間部Ｓ２側へＮ２ ガスを供給するノズル構造については後述する。
更に、上記Ｎ２ ガスの供給量を途中で変化させた場合についての評価を行ったので、その評価結果を図６を参照して説明する。図６はＮ２ ガスの供給量を変化させた時のウエハ位置と膜厚との関係を示すグラフである。図６（Ａ）におけるＮ２ ガスの供給形態は図３（Ｆ）の第４実施例に対応し、Ｎ２ ガスの供給量は、ＤＣＳ供給時には０．２ｓｌｍに設定し、ＤＣＳ供給時には１ｓｌｍに設定している。また図６（Ｂ）におけるＮ２ ガスの供給形態は図３（Ｇ）の第５実施例に対応し、Ｎ２ ガスの供給量は、ＤＣＳ供給時には１ｓｌｍに設定し、ＤＣＳ供給時には０．２ｓｌｍに設定している。
図６（Ａ）及び図６（Ｂ）から明らかなように、Ｎ２ ガスの供給形態に応じて膜厚の面内均一性や面間均一性が大きく変動しており、従って、Ｎ２ ガスの供給量を変化させることより、膜厚の面内均一性や面間均一性をコントロールできることが確認できる。
＜変形例＞
次に、不活性ガスであるＮ２ ガスを供給する不活性ガスノズル４８の変形例について説明する。図７は不活性ガスノズルの変形例を用いた処理容器を示す概略構成図（仕切板の記載は省略）である。
図７（Ａ）に示す場合には、不活性ガスノズル４８をＬ字状に成形してその先端部を処理容器内の天井部まで延ばしており、この先端部にガス噴射孔４８Ｂを設けて、上部空間部Ｓ２のみに不活性ガスを供給できるようにしている。この場合には、容量の大きな下部空間部Ｓ１にＮ２ ガスを供給していないので、先に説明した図１の場合よりも作用効果は少し劣るが、前述したような作用効果を十分に発揮することができる。
また図７（Ｂ）に示す場合には、不活性ガスノズル４８をＬ字状に成形して、そのＬ字状のノズルの屈曲部に図１に示す実施例と同様なガス噴射孔４８Ａを形成すると共に、上端部にも、図７（Ａ）で説明したものと同じガス噴射孔４８Ｂを設けて、下部空間部Ｓ１と上部空間部Ｓ２の両方に不活性ガス（Ｎ２ ）を供給できるようになっている。この場合には、下部空間部Ｓ１と上部空間部Ｓ２の双方に不活性ガスを供給するようにしているので、図１に示す装置例の作用効果を一層向上させることができる。
尚、図７（Ｂ）に示す場合には、２本の不活性ガスノズルを設け、一方のノズルから下部空間部Ｓ１に供給するようにし、他方のノズルから上部空間部Ｓ２に、それぞれＮ２ ガスを供給するようにしてもよい。
また上記実施例では原料ガスとしてＤＣＳガスを用いたが、これに限定されず、他の原料ガス、例えばヘキサクロロジシラン（ＨＣＤ）、モノシラン、ジシラン等を用いる場合にも、本発明を適用することができる。
また図１に示す装置例としては逆に、プラズマ用ガスとして原料ガスをプラズマ用ガス分散ノズル４４から供給し、他方のＮＨ３ ガスを処理ガスとして処理ガス分散ノズル４６から供給するようにしてもよい。
また更には、処理ガスとしてはＮＨ３ ガスに限定されず、Ｎ２ Ｏ、ＮＯ等の他のガスも用いることができる。
また上記各ガスに加えて、不純物元素導入のためのＢＣｌ３ ガスや炭素を導入のためのエチレン等の不純物ガスを添加するようにしてもよい。
また成膜処理としては、上述したようなＡＬＤ処理に限定されず、他の成膜処理、例えばプラズマＣＶＤ処理にも本発明を適用することができる。
また更には、本発明は上記したプラズマ成膜処理に限定されず、他のプラズマ処理、例えばプラズマ改質処理、プラズマエッチング処理、プラズマアッシング処理等にも適用することができる。
また、ここでは被処理体として半導体ウエハを例にとって説明したが、これに限定されず、ガラス基板、ＬＣＤ基板、セラミック基板等にも本発明を適用することができる。
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。 プラズマ処理装置を示す横断面構成図である。 本発明のプラズマ処理方法における各ガスの供給形態の一例を示すグラフである。 評価実験を行った時のプラズマ処理装置を示す概略模式図である。 ウエハ位置と膜厚との関係を現す評価結果を示すグラフである。 Ｎ２ ガスの供給量を変化させた時のウエハ位置と膜厚との関係を示すグラフである。 不活性ガスノズルの変形例を用いた処理容器を示す概略構成図である。 従来の一般的な縦型の成膜装置を示す概略構成図である。 各ガスの供給シーケンスと排気弁の動作との関係を示すグラフである。
符号の説明
１２ プラズマ処理装置
１４ 処理容器
２２ ウエハボート（保持手段）
３８ プラズマ用ガス供給手段
４０ 処理ガス供給手段
４２ 不活性ガス供給手段
４４ プラズマ用ガス分散ノズル
４６ 処理ガス分散ノズル
４８ 不活性ガス分散ノズル
５８ プラズマ室
６０ プラズマ形成手段
６２ 排気口
６６ プラズマ区画壁
６８ プラズマ電極
７０ 高周波電源
７６ ガス流路
７８ 仕切板
８６ 真空排気系
９４ 制御手段
９６ 記憶媒体
Ｓ１ 下部空間部
Ｓ２ 上部空間部
Ｗ 半導体ウエハ（被処理体）

Claims (10)

  1. 被処理体に対してプラズマにより発生した活性種によって所定のプラズマ処理を行う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、
    前記被処理体を複数枚保持して前記処理容器内へ収容する保持手段と、
    前記処理容器の側壁にその長さ方向に沿って設けられてプラズマを発生するためのプラズマ室と、
    前記プラズマ室にプラズマ用ガスを供給するプラズマ用ガス供給手段と、
    前記プラズマ室にプラズマを立てるためのプラズマ形成手段と、
    前記処理容器内の上部空間部及び／又は下部空間部に臨ませたガス噴射孔を有する不活性ガス供給手段と、
    前記所定のプラズマ処理を行う時に前記上部空間部及び／又は下部空間部に前記不活性ガスを供給するように制御する制御手段と、
    を備えたことを特徴とするプラズマ処理装置。
  2. 前記処理容器の前記プラズマ室に対向する側壁には、前記処理容器内の雰囲気を排気する排気口が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。
  3. 前記処理容器内へ処理ガスを供給する処理ガス供給手段を有し、前記制御手段は前記処理ガスと前記プラズマ用ガスとを交互に繰り返し供給するように制御することを特徴とする請求項１または２記載のプラズマ処理装置。
  4. 前記処理ガスの供給時と前記プラズマ用ガスの供給時との間には間欠期間が設けられていることを特徴とする請求項３記載のプラズマ処理装置。
  5. 前記制御手段は、前記不活性ガスを前記処理ガスの供給時と前記間欠期間と前記プラズマ用ガスの供給時とに亘って連続的に同一流量で供給するように制御することを特徴とする請求項４記載のプラズマ処理装置。
  6. 前記制御手段は、前記不活性ガスを、前記処理ガスの供給時と前記間欠期間と前記プラズマ用ガスの供給時とではそれぞれ異なる流量で供給するように制御することを特徴とする請求項４記載のプラズマ処理装置。
  7. 前記制御手段は、前記間欠期間では前記不活性ガスの供給を停止するように制御することを特徴とする請求項４記載のプラズマ処理装置。
  8. 真空引き可能になされた縦型の筒体状の処理容器と、
    被処理体を複数枚保持して前記処理容器内へ収容する保持手段と、
    前記処理容器の側壁にその長さ方向に沿って設けられてプラズマを発生するためのプラズマ室と、
    前記プラズマ室にプラズマ用ガスを供給するプラズマ用ガス供給手段と、
    前記プラズマ室にプラズマを立てるためのプラズマ形成手段と、
    を有するプラズマ処理装置を用いて前記被処理体に対してプラズマにより発生した活性種によって所定のプラズマ処理を行う方法において、
    前記プラズマ処理を行いつつ前記処理容器内の上部空間部及び／又は下部空間部に不活性ガスを供給して前記被処理体のにプラズマ処理の均一性を制御するようにしたことを特徴とするプラズマ処理方法。
  9. 前記処理容器内の雰囲気は、前記処理容器の前記プラズマ室に対向する側壁に設けた排気口より排気することを特徴とする請求項８記載のプラズマ処理方法。
  10. 真空引き可能になされた縦型の筒体状の処理容器と、
    被処理体を複数枚保持して前記処理容器内へ収容する保持手段と、
    前記処理容器の側壁にその長さ方向に沿って設けられてプラズマを発生するためのプラズマ室と、
    前記プラズマ室にプラズマ用ガスを供給するプラズマ用ガス供給手段と、
    前記プラズマ室にプラズマを立てるためのプラズマ形成手段と、
    を有するプラズマ処理装置を用いて前記被処理体に対してプラズマにより発生した活性種によって所定のプラズマ処理を行うに際して、
    前記プラズマ処理を行いつつ前記処理容器内の上部空間部及び／又は下部空間部に不活性ガスを供給するように前記プラズマ処理装置を制御するプログラムを記憶することを特徴とする記憶媒体。

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