JP2008010598A - プラズマ処理方法及びその装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】スループットを大幅に向上させることが可能なプラズマ処理方法及びその装置を提供する。
【解決手段】処理容器内へ不活性ガスと処理ガスとを供給してプラズマの存在下にて被処理体に対して処理を施すようにしたプラズマ処理方法において、処理容器内へ不活性ガスの供給を開始して処理容器内の圧力をプラズマが着火できるような圧力に設定する着火圧力設定工程と、処理容器内への処理ガスの供給を開始すると共に、処理ガスが処理容器内に充満してプラズマが着火不能になる前にプラズマを着火するプラズマ着火工程と、処理容器内の圧力を所定の処理を行うためのプロセス圧力に変化させて圧力調整する圧力調整工程と、プラズマを着火して維持するために供給しているプラズマ用電力を所定の処理を行うためのプラズマ用電力の値に変更して所定の処理を行う処理実行工程とを有する。
【選択図】図２

Description

本発明は、半導体ウエハ等の被処理体に対してプラズマ成膜処理やプラズマエッチング処理等を施す際に使用されるプラズマ処理方法及びその装置に係り、特に、スループットを向上させるようにしたプラズマ処理方法及びその装置に関する。
一般に、半導体集積回路等の半導体製品を製造するためには、例えば半導体ウエハに対して成膜処理、エッチング処理、酸化拡散処理、アッシング処理、改質処理等の各種の処理を繰り返し施すことが行われている。このような各種の処理は、製品歩留まり向上の観点から半導体製品の高密度化及び高微細化に伴って、処理のウエハ面内均一性を一層高くすることが求められていると同時に、生産効率の向上のためにスループットの改善が求められている。
ここで従来の処理装置として枚葉式のプラズマ処理装置を例にとって説明する。この種のプラズマ処理装置は、例えば特許文献１、特許文献２等に開示されている。図８は従来の一般的なプラズマ処理装置を示す概略構成図である。
図８において、このプラズマ処理装置２は、真空引き可能になされた処理容器４内に半導体ウエハＷを載置する載置台６を設けており、この載置台６は容器底部より延びる支柱８により支持されている。そして、この載置台６に対向する天井部にマイクロ波を透過する円板状の窒化アルミや石英等よりなる天板１０を気密に設けている。そして処理容器４の側壁には、容器内へ各種のガスを導入するためのガスノズル１２が設けられている。
そして、上記天板１０の上面に厚さ数ｍｍ程度の円板状の平面アンテナ部材１４と、この平面アンテナ部材１４の半径方向におけるマイクロ波の波長を短縮するための例えば誘電体よりなる遅波材１６を設置している。そして、平面アンテナ部材１４には多数の、例えば長溝状の貫通孔よりなるマイクロ波放射用のスロット１８が形成されている。そして、平面アンテナ部材１４の中心部に同軸導波管２０の中心導体２２を接続してマイクロ波発生器２４より発生した、例えば２．４５ＧＨｚのマイクロ波をモード変換器２６にて所定の振動モードへ変換した後に導くようになっている。そして、平面アンテナ部材１４に設けたスロット１８から下方の処理容器４内へマイクロ波を導入し、このマイクロ波により処理容器４内の処理空間Ｓにプラズマを立てるようになっている。
また、処理容器４の底部には排気口２８が設けられており、この排気口２８には圧力制御弁３０と真空ポンプ３２を途中に介設した排気通路３４が接続されており、処理容器４内の雰囲気を真空引きできるようになっている。そして、このような構成において、上記処理容器４内の処理空間Ｓにプラズマを立てて、上記半導体ウエハＷにプラズマエッチングやプラズマ成膜等のプラズマ処理を施すようになっている。
ここでプラズマ処理としてプラズマ成膜処理を行う場合を例にとって説明する。図９は従来のプラズマ成膜方法における各ガスの供給形態等の一例を示すタイミングチャートである。図９（Ａ）はＡｒガスの供給タイミングを示し、図９（Ｂ）はＣ５ Ｆ８ ガスの供給タイミングを示し、図９（Ｃ）は処理容器内の圧力変動を示し、図９（Ｄ）はプラズマ用電力の変動を示す。
ここでは処理ガスとして成膜ガスであるＣ５ Ｆ８ ガスを用い、プラズマ用ガスとして不活性ガスであるＡｒガスを用いて、層間絶縁膜等に使用される低誘電率（Ｌｏｗ−ｋ）膜としてＣＦ膜を形成する場合を説明する。
まず、上記処理容器４内に半導体ウエハＷを搬入して、これを載置台６上に載置する。そして、真空引きを開始して処理容器４内を真空引きして減圧し、そして、第１工程でＡｒガスの供給を開始すると共に、この処理容器４内の圧力をプラズマが着火できる圧力、例えば５００ｍＴｏｒｒ（６７Ｐａ）程度に圧力調整してこれを維持する。この第１工程の時間は５ｓｅｃ程度である。
次に第２工程では、マイクロ波発生器２４を駆動してマイクロ波を発生させて、プラズマ用電力を処理容器４内へ投入する。この時の電力は、実際に成膜を行うプロセス時の電力、例えば３０００Ｗ（ワット）よりもやや少ない２５００Ｗ程度であり、これによりプラズマを着火してこれを安定的に維持する。この第２工程の時間は５ｓｅｃ程度である。
次に第３工程では、処理容器４内の圧力を、５００ｍＴｏｒｒからプロセス圧力、例えば４５ｍＴｏｒｒに向けて圧力調整すると共に、上記プラズマ用電力を、２５００Ｗからプロセス時のプラズマ用電力、例えば３０００Ｗへ上昇させる。この第３工程の時間は例えば５ｓｅｃ程度であり、この間に圧力を４５ｍＴｏｒｒで安定させる。
次に第４工程では、Ｃ５ Ｆ８ ガスの供給を開始して、このガスを所定の流量で流し、これにより実際のＣＦ膜の堆積が始まって成膜が開始することになる。この第４工程の時間は、形成するべきＣＦ膜の所望する膜厚に依存することになる。そして、上記した一連の各工程を、各ウエハ毎に行う。
特開平９−１８１０５２号公報 特開２００２−３１１８９２号公報
ところで、上述したプラズマ成膜処理は、周知のようにウエハＷを一枚ずつ連続的に処理する枚葉式の処理であることから、スループットの向上を図るためには一枚のウエハＷの処理に要する時間を、数秒でも短縮化することが求められている。
しかしながら、上述したような従来のプラズマ成膜方法では、第４工程に入る前の第１〜第３工程の時間が比較的長くなっているのみならず、第４工程における成膜工程においても、Ｃ５ Ｆ８ ガスの供給を開始しても、供給開始後に直ちにＣＦ膜の堆積が始まるのではなく、ＣＦ膜の堆積開始までに一定の時間、例えば５ｓｅｃ程度の遅延時間が発生しており、スループットを低下させる原因となっていた。
この遅延時間について図１０を参照して詳しく説明する。図１０は第４工程における経過時間と膜厚との関係を示すグラフである。すなわち、図１０において、横軸は図９中の第４工程（成膜開始）が開始してからの経過時間をとっている。図示するように、Ｃ５ Ｆ８ ガスの供給を開始しても、５ｓｅｃ程度の間は膜厚が増加せず、５ｓｅｃ経過した後に、急激にＣＦ膜が高い成膜レートで堆積している。
この膜厚が増加しない時間がスループット低下の原因となっている遅延時間Ｔ１である。この遅延時間Ｔ１が生ずる理由は、Ｃ５ Ｆ８ ガスの分圧が、ガス供給開始から膜付が開始する所定の圧力に至るまでに時間を要するからである。この遅延時間Ｔ１は、処理容器４の容量や使用するガス種等によって種々変動する。尚、図１０に示すように第４工程の当初より２０Å程度の薄膜が付着しているが、これは処理容器４の内壁面等に付着しているＣＦ膜よりなるプリコート膜が、第２及び第３工程においてＡｒスパッタされてそのスパッタされたＣＦ膜がウエハ表面に堆積したものである。
上記スループットの低下を防止するために、第４工程よりも早い工程でＣ５ Ｆ８ ガスの供給を開始することも考えられるが、このＣ５ Ｆ８ ガスを必要以上に早期に供給すると、このＣ５ Ｆ８ ガスが処理容器４内に充満してプラズマが着火しなくなってしまう。この場合、プラズマ用電力を更に大きくしたり、或いは容器内圧力を変化させることも考えられるが、このような状況下でプラズマが着火した場合、堆積膜の界面において堆積するＣＦ膜の膜質が所望する膜質と異なってしまう恐れがあり、採用することはできない。
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、スループットを大幅に向上させることが可能なプラズマ処理方法及びプラズマ処理装置を提供することにある。
請求項１に係る発明は、真空引き可能になされた処理容器内へ不活性ガスと処理ガスとを供給してプラズマの存在下にて被処理体に対して所定の処理を施すようにしたプラズマ処理方法において、前記処理容器内へ不活性ガスの供給を開始して前記処理容器内の圧力をプラズマが着火できるような圧力に設定する着火圧力設定工程と、前記処理容器内への前記処理ガスの供給を開始すると共に、前記処理ガスが前記処理容器内に充満してプラズマが着火不能になる前にプラズマを着火するプラズマ着火工程と、前記処理容器内の圧力を前記所定の処理を行うためのプロセス圧力に変化させて圧力調整する圧力調整工程と、前記プラズマを着火して維持するために供給しているプラズマ用電力を前記所定の処理を行うためのプラズマ用電力の値に変更して前記所定の処理を行う処理実行工程と、を有することを特徴とするプラズマ処理方法である。
本発明によれば、各プロセス条件を完全に整える時点より僅かに前から処理ガスを先出しすることによって遅延時間が生ずることを防止するようにしたので、スループットを大幅に向上させることができる。
この場合、例えば請求項２に記載するように、前記プラズマ着火工程のプラズマが着火不能になる状態は前記処理ガスの分圧が所定の圧力以上になった状態である。
また例えば請求項３に記載するように、前記プラズマ着火工程では前記処理ガスの供給の開始と同時に前記所定の処理における前記処理ガスの供給量と同じ流量で前記処理ガスを供給する。
また例えば請求項４に記載するように、前記処理実行工程におけるプラズマ用電力の値の変更は、前記処理容器内の圧力が前記所定の処理を行うためのプロセス圧力に達した時に行われる。
また例えば請求項５に記載するように、前記プラズマ着火工程におけるプラズマ用電力は、前記処理実行工程におけるプラズマ用電力よりも低く、且つプラズマの着火に十分な大きさである。
この場合には、プラズマ着火時に投入されるプラズマ用電力は低いので、その分、例えばアルミナ等よりなる天板がスパッタされるのを防止することができるので、例えば膜中にアルミニウムが含まれることを抑制することができる。
また例えば請求項６に記載するように、前記着火圧力設定工程の圧力は、前記処理実行工程における圧力よりも高く、且つプラズマの着火に十分な大きさである。
また例えば請求項７に記載するように、前記所定の処理は、成膜処理又はエッチング処理である。
請求項８に係る発明は、被処理体に対して所定の処理ガスと不活性ガスとを用いてプラズマの存在下で所定の処理を行うプラズマ処理装置において、前記被処理体を載置する載置台が内部に設けられた処理容器と、前記処理容器内の雰囲気を排気するための真空ポンプと圧力制御弁とを有する排気系と、前記処理容器内へ前記処理ガスと不活性ガスとを供給するガス供給手段と、前記処理容器内にプラズマを立てるプラズマ形成手段と、装置全体を制御する制御手段とを備え、前記制御手段は、前記処理容器内へ不活性ガスの供給を開始して前記処理容器内の圧力をプラズマが着火できるような圧力に設定する着火圧力設定工程と、前記処理容器内への前記処理ガスの供給を開始すると共に、前記処理ガスが前記処理容器内に充満してプラズマが着火不能になる前にプラズマを着火するプラズマ着火工程と、前記処理容器内の圧力を前記所定の処理を行うためのプロセス圧力に変化させて圧力調整する圧力調整工程と、前記プラズマを着火して維持するために供給しているプラズマ用電力を前記所定の処理を行うためのプラズマ用電力の値に変更して前記所定の処理を行う処理実行工程と、を行うように制御することを特徴とするプラズマ処理装置である。
請求項９に係る発明は、被処理体を載置する載置台が内部に設けられた処理容器と、前記処理容器内の雰囲気を排気するための真空ポンプと圧力制御弁とを有する排気系と、前記処理容器内へ処理ガスと不活性ガスとを供給するガス供給手段と、前記処理容器内にプラズマを立てるプラズマ形成手段と、装置全体を制御する制御手段とを備えた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の存在下で所定の処理を施すに際して、前記処理容器内へ不活性ガスの供給を開始して前記処理容器内の圧力をプラズマが着火できるような圧力に設定する着火圧力設定工程と、前記処理容器内への前記処理ガスの供給を開始すると共に、前記処理ガスが前記処理容器内に充満してプラズマが着火不能になる前にプラズマを着火するプラズマ着火工程と、前記処理容器内の圧力を前記所定の処理を行うためのプロセス圧力に変化させて圧力調整する圧力調整工程と、前記プラズマを着火して維持するために供給しているプラズマ用電力を前記所定の処理を行うためのプラズマ用電力の値に変更して前記所定の処理を行う処理実行工程と、を行う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記憶媒体である。
本発明に係るプラズマ処理方法及び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。
プロセス条件を完全に整える時点より僅かに前から処理ガスを先出しすることによって遅延時間が生ずることを防止するようにしたので、スループットを大幅に向上させることができる。またプラズマ着火時の電力を可能な限り小さくしているので、プラズマに曝される部分からのスパッタリングによる汚染を抑制することができる。
以下に、本発明に係るプラズマ処理方法及びその装置の一実施例の形態について添付図面を参照して説明する。
図１は本発明に係るプラズマ処理装置の一例を示す構成図である。ここではＡｒガスとＣ５ Ｆ８ ガスとを用いてプラズマによってＣＦ膜を形成する場合を例にとって説明する。
図示するように、このプラズマ処理装置４０は、例えば側壁や底部がアルミニウム等の導体により構成されて、全体が筒体状に成形された処理容器４２を有しており、内部は密閉された処理空間Ｓとして構成されて、この処理空間Ｓにプラズマが形成される。この処理容器４２自体は接地されている。
この処理容器４２内には、上面に被処理体として、例えば直径が３００ｍｍサイズの半導体ウエハＷを載置する円板状の載置台４４が収容される。この載置台４４は、例えばアルミナ等のセラミックにより平坦になされた略円板状に形成されており、例えばアルミニウム等よりなる支柱４６を介して容器底部より支持されている。
この載置台４４の上面側には、内部に例えば静電チャック用電極として機能する網目状に配設された導体線を有する薄い静電チャック５０が設けられており、この載置台４４上、詳しくはこの静電チャック５０上に載置されるウエハＷを静電吸着力により吸着できるようになっている。そして、この静電チャック５０の上記導体線は、上記静電吸着力を発揮するために配線５２を介して直流電源５４に接続されている。またこの配線５２には、例えば１３．５６ＭＨｚのバイアス用の高周波電力を上記静電チャック５０の導体線へ印加するためにバイアス用高周波電源５６が接続されている。またこの載置台４４内には、抵抗加熱ヒータよりなる加熱手段５８が設けられており、ウエハＷを必要に応じて加熱するようになっている。
また、上記載置台４４には、ウエハＷの搬出入時にこれを昇降させる複数、例えば３本の図示しない昇降ピンが設けられている。また、この処理容器４２の側壁には、この内部に対してウエハＷを搬入・搬出する時に開閉するゲートバルブ６０が設けられ、更に、容器底部には、容器内の雰囲気を排出する排気口６２が設けられる。
そして、上記排気口６２には、処理容器４２内の雰囲気を排気、例えば真空排気するために排気系６４が接続されている。具体的には、上記排気系６４は上記排気口６２に接続された排気通路６６を有している。この排気通路６６の最上流側には、例えばゲートバルブよりなる圧力制御弁６８が介設され、更に下流側には真空ポンプ７０が介設されている。そして、処理容器４２の側壁には例えばキャパシタンスマノメータよりなる圧力検出器７４が設けられており、ここで測定した容器内の圧力を上記圧力制御弁６８に入力してフィードバック制御を行い得るようになっている。
そして、処理容器４２の天井部は開口されて、ここに例えばＡｌ２ Ｏ３ 等のセラミック材や石英よりなるマイクロ波に対しては透過性を有する天板７６がＯリング等のシール部材７８を介して気密に設けられる。この天板７６の厚さは耐圧性を考慮して例えば２０ｍｍ程度に設定される。
そして、この天板７６の上面側に上記処理容器４２内でプラズマを立てるためのプラズマ形成手段８０が設けられている。具体的には、このプラズマ形成手段８０は、上記天板７６の上面に設けられた円板状の平面アンテナ部材８２を有しており、この平面アンテナ部材８２上に遅波材８４が設けられる。この遅波材８４は、マイクロ波の波長を短縮するために高誘電率特性を有している。上記平面アンテナ部材８２は、上記遅波材８４の上方全面を覆う導電性の中空円筒状容器よりなる導波箱８６の底板として構成され、前記処理容器４２内の上記載置台４４に対向させて設けられる。
この導波箱８６及び平面アンテナ部材８２の周辺部は共に処理容器４２に導通されると共に、この導波箱８６の上部の中心には、同軸導波管８８の外側導体８８Ａが接続され、中心導体８８Ｂは、上記遅波材８４の中心の貫通孔を通って上記平面アンテナ部材８２の中心部に接続される。そして、この同軸導波管８８は、モード変換器９０及び導波管９２を介してマッチング（図示せず）を有する例えば２．４５ＧＨｚのマイクロ波発生器９４に接続されており、上記平面アンテナ部材８２へマイクロ波を伝搬するようになっている。
上記平面アンテナ部材８２は、例えば表面が銀メッキされた銅板或いはアルミ板よりなり、この円板には、例えば長溝状の貫通孔よりなる多数のマイクロ波放射用のスロット９６が形成されている。このスロット９６の配置形態は、特に限定されず、例えば同心円状、渦巻状、或いは放射状に配置させてもよい。
そして、この処理容器４２には、この中へ処理に必要な各種のガスを供給するガス供給手段９８が設けられている。具体的には、このガス供給手段９８は、処理容器４２内であって上記載置台４４の上方に配置したシャワーヘッド部１００を有している。このシャワーヘッド部１００は、例えば石英製のガス流路を格子状に形成してこのガス流路の途中に多数のガス噴射孔１０２を形成して構成されている。尚、このシャワーヘッド部１００としては全体を箱形容器状に成形して、その下面に複数のガス噴射孔を形成した構造のものもあり、その形状は特に限定されない。
そして、このシャワーヘッド部１００には、ガス流路１０４が接続されている。このガス流路１０４の基端部は、複数、ここでは２つに分岐されており、各分岐路にはそれぞれガス源１０４Ａ、１０４Ｂが接続されて、必要に応じて各ガスを供給できるようになっている。一方のガス源１０４Ａには、プラズマ用ガスとして不活性ガスが貯留されている。この不活性ガスとしては、ここではＡｒガスが用いられているが、これに限定されず、Ｈｅ、Ｎｅ、Ｎ２ 等を用いてもよい。他方のガス源１０４Ｂには、処理ガスとして成膜ガスが貯留されている。ここでは成膜ガスとしてＣＦ系ガス、例えばＣ５ Ｆ８ ガスが用いられているが、これに限定されず、他のＣＦ系ガスを用いてもよい。尚、実際には、更にＮ２ ガス等の不活性ガスの供給源が設けられるが、ここでは図示省略している。
そして、上記各分岐路の途中には、それぞれに流れるガス流量を制御する流量制御器１０６Ａ、１０６Ｂが、それぞれ介設されると共に、各流量制御器１０６Ａ、１０６Ｂの上流側と下流側とには、それぞれ開閉弁１０８Ａ、１０８Ｂが介設されており、上記各ガスを必要に応じてそれぞれ流量制御しつつ流すようになっている。
そして、このプラズマ処理装置４０の全体の動作は、例えばマイクロコンピュータ等よりなる制御手段１１０により制御されるようになっており、この動作を行うコンピュータのプログラムはフレキシブルディスクやＣＤ（Ｃｏｍｐａｃｔ Ｄｉｓｃ）やＨＤＤ（Ｈａｒｄ Ｄｉｓｋ Ｄｒｉｖｅ）やフラッシュメモリ等の記憶媒体１１２に記憶されている。具体的には、この制御手段１１０からの指令により、各ガスの供給や流量制御、マイクロ波の供給や電力制御（プラズマ用電力の制御）、プロセス圧力の制御等が行われる。
次に、以上のように構成されたプラズマ処理装置４０を用いて行なわれるプラズマ処理方法について図２及び図３も参照して説明する。図２は本発明のプラズマ処理方法における各ガスの供給態様等の一例を示すタイミングチャート、図３は本発明のプラズマ処理方法を示すフローチャートである。
まず、全体の流れについて簡単に説明すると、ゲートバルブ６０を介して半導体ウエハＷを搬送アーム（図示せず）により処理容器４２内に収容し、図示しない昇降ピンを上下動させることによりウエハＷを載置台４４の上面の載置面に載置し、そして、このウエハＷを静電チャック５０により静電吸着する。
このウエハＷは加熱手段を設けている場合には、これにより所定のプロセス温度に維持され、必要なガス、例えばここではプラズマによる成膜を行うのでガス供給手段９８からガス流路１０４を介してＡｒガスやＣ５ Ｆ８ ガスを所定の流量でそれぞれ流してシャワーヘッド部１００のガス噴射孔１０２より処理容器４２内へ噴射して供給し、これと同時に排気系６４の真空ポンプ７０が駆動されており、圧力制御弁６８を制御して処理容器４２内を所定のプロセス圧力に維持する。これと同時に、プラズマ形成手段８０のマイクロ波発生器９４を駆動することにより、このマイクロ波発生器９４にて発生したマイクロ波を、導波管９２及び同軸導波管８８を介して平面アンテナ部材８２に供給して処理空間Ｓに、遅波材８４によって波長が短くされたマイクロ波を導入し、これにより処理空間Ｓにプラズマを発生させて所定のプラズマを用いたプラズマ処理を行う。
このように、平面アンテナ部材８２から処理容器４２内へマイクロ波が導入されると、各ガスがこのマイクロ波によりプラズマ化されて活性化され、この時発生する活性種によってウエハＷの表面にプラズマによる成膜処理が施されることになる。
次に、上記成膜の際の本発明方法を図２及び図３も参照して具体的に説明する。図２（Ａ）はＡｒガスの供給状態を示し、図２（Ｂ）はＣ５ Ｆ８ ガスの供給状態を示し、図２（Ｃ）は処理容器内の圧力変化を示し、図２（Ｄ）はプラズマ用電力の変化を示している。ここでは、主に従来方法を行う時に生じた遅延時間Ｔ１（図７参照）を抑制してスループットの向上を図るようにしている。
まず、上述のように、未処理のウエハＷを処理容器４２内へ搬入してこれを載置台４４上に載置したならば（Ｓ１）、処理容器４２内を密閉して容器内の真空引きを開始し、容器内の圧力を減圧する（Ｓ２）。
そして、圧力調整を行って（Ｓ３）、容器内の圧力がプラズマが着火できるような圧力に到達したならば、Ａｒガスの供給を開示すると共に、この容器内の圧力を設定して維持する（Ｓ４：着火圧力設定工程）。この時のＡｒガスの流量は、例えば５０〜３０００ｓｃｃｍの範囲内であり、ここでは２５０ｓｃｃｍに設定している。このＡｒガスの流量は、成膜プロセス時の流量と同じ値にする。
また、プラズマが着火できるような圧力とは、ガス種によって異なるが、Ａｒガスの場合は、例えば５〜１００００ｍＴｏｒｒの範囲内であり、ここでは着火の確実性を考慮して５００ｍＴｏｒｒに設定している。この着火圧力設定工程の時間は例えば１ｓｅｃ程度である。
次に、処理容器４２内の圧力を上記値に維持した状態で処理ガスであるＣ５ Ｆ８ ガスの供給を開始すると共に、プラズマの着火を行う（Ｓ５：プラズマ着火工程）。この場合のＣ５ Ｆ８ ガスの流量は、例えば１０〜１０００ｓｃｃｍの範囲内であり、ここでは２００ｓｃｃｍに設定している。このＣ５ Ｆ８ ガスの流量も、成膜プロセス時の流量と同じ値に設定する。またプラズマを着火するためのプラズマ用電力（マイクロ波供給電力）の下限値は、ガス種や容器内圧力によって変化するが、ここでは可能な限り低い値にするために下限値近傍であって着火に十分な電力とする。本実施例の場合には、プラズマ着火用のプラズマ用電力の下限値は、１０００Ｗ（ワット）程度なので、ここでは１５００Ｗに設定している。このように、着火時のプラズマ用電力を可能な限り小さくする理由は、後述するようにＡｒスパッタによる天板７６等の表面のエッチングを抑制するためである。
このプラズマ着火工程の時間は、プラズマを着火してこれを安定に維持するための最小時間であり、例えば２ｓｅｃ程度である。尚、図２（Ｂ）及び図２（Ｄ）に示すように、ここではＣ５ Ｆ８ ガスの供給開始とプラズマ用電力の供給開始とを同時に行うようにしたが、これに限定されない。例えばＣ５ Ｆ８ ガスの供給開始を先に行って、その後、直ちにプラズマ用電力の供給開始を行ってもよいし、或いは、この逆の操作を行うようにしてもよい。いずれにしても、２ｓｅｃ程度の短い時間内で、上記両操作を行うようにする。この場合、ガス種にもよるが、Ｃ５ Ｆ８ ガスが処理容器４２内に充満して、その分圧が所定の圧力、例えば１０ｍＴｏｒｒ以上になるとプラズマが着火不能になるので、この着火不能状態になる前のタイミングでプラズマ着火電力を供給するようにしてプラズマを立てる。
次に、上記各ガスの流量及びプラズマ用電力をそれぞれ維持した状態で、処理容器４２内の圧力を、成膜を行うプロセス圧力まで低下させる圧力調整を行う（Ｓ６：圧力調整工程）。ここでのＣＦ膜の成膜のためのプロセス圧力は、例えば１０〜１０００ｍＴｏｒｒの範囲内であり、ここでは４８ｍＴｏｒｒ（６．４Ｐａ）に設定している。この圧力調整工程の時間は、プラズマ着火工程の圧力から成膜を行うためのプロセス圧力への変更に要する時間であり、例えば３ｓｅｃ程度である。
次に、処理容器４２内の圧力が予め設定したプロセス圧力に到達したならば、各ガスの流量をそれぞれ維持した状態でプラズマ用電力を、プロセス時の電力まで上昇させて実際にプロセス（成膜処理）を開始させてプラズマ成膜処理を実行する（Ｓ７：処理実行工程）。
このプロセス時のプラズマ用電力は、例えば１０００〜６０００Ｗの範囲内であり、ここでは３０００Ｗに設定している。これにより、実際にＣＦ膜の付着堆積が行われることになり、この場合、プラズマの着火を阻害しない程度ですでにＣ５ Ｆ８ ガスが先出しされているので、処理実行工程では、遅延時間Ｔ１（図１０参照）が生ずることなく直ちに成膜が開始することになる。従って、その分、成膜処理を迅速化させて、スループットを向上させることができる。
この処理実行工程の時間は、形成すべき膜厚に依存し、そして、成膜処理が完了したならば（Ｓ８）、この処理済みのウエハＷを処理容器４２の外側へ搬出する（Ｓ９）。そして、未処理のウエハＷが存在するならば（Ｓ１０のＮＯ）、上記ステップＳ１へ戻って、前述した各工程を繰り返し行い、全てのウエハの処理が完了したならば（Ｓ１０のＹＥＳ）、全ての成膜処理を完了することになる。
このように、本発明では、プロセス条件を完全に整える時点（処理実行工程）より僅かに前から処理ガスを、例えば５ｓｅｃ程度先出しすることによって遅延時間が生ずることを防止するようにしたので、例えばプラズマ成膜処理に対するスループットを大幅に向上させることができる。
例えば図９に示す従来のプラズマ成膜方法の場合には、第１〜第３工程に要する時間である１５ｓｅｃに加えて、遅延時間Ｔ１（例えば５ｓｅｃ）が存在したので、実際にＣＦ膜の堆積が開始するまで２０ｓｅｃ程度も要したが、本発明方法の場合には、ＣＦ膜の堆積が開始するまでに６ｓｅｃ（＝１＋２＋３）程度まで短縮することができたので、その分、一枚のウエハを処理する時間が短くなって、スループットを大幅に向上させることができる。
ここで上記Ｃ５ Ｆ８ ガスの先出し時間は、プラズマ着火工程と圧力調整工程の双方の時間を加えた５ｓｅｃであるが、この先出し時間の設定を長くし過ぎると、プラズマ用電力をプロセス時の電力へ上昇させる前に膜付きが開始してしまい、この結果、膜質の劣るＣＦ膜が当初堆積する恐れがある。従って、処理容器４２の容量やＣ５ Ｆ８ ガスの流量にもよるが、先出し時間の上限値は、例えば遅延時間Ｔ１の２倍程度である。
また圧力調整工程の時間が短く、プラズマ着火工程と圧力調整工程との和が遅延時間Ｔ１以下である場合には、図４及び図５の変形例１及び２に示すように（図５に示す場合は途中に待ち工程を加えている）、プラズマ着火工程の開始から圧力調整工程の終了までの時間を遅延時間Ｔ１よりも短くすることができる。この場合であっても、処理実行工程の開始時点においてＣ５ Ｆ８ ガスが先出しされているので、従来における成膜方法（図９参照）よりも遅延時間を短縮することができる。
さらに図２及び図６に示す変形例３のように、プラズマ着火工程の開始から圧力調整工程の終了までの時間（図６に示す場合は途中に待ち工程を加えている）を遅延時間Ｔ１と同じにすることが好ましい。これにより遅延時間を実質的に零にすることができ、上述のような膜質の劣るＣＦ膜が処理実行工程に先立ってウエハ上に堆積する恐れもない。この場合、プラズマ着火工程の開始から圧力調整工程の終了までの期間が成膜の生じないインキュベーションタイムとなる。
ここで上述したように、Ｃ５ Ｆ８ ガスを先出しした時の効果について実験を行ったので、その評価結果について説明する。図７は処理実行工程における経過時間と堆積したＣＦ膜の膜厚との関係を示すグラフである。ここではプラズマ着火工程と圧力調整工程においてＣ５ Ｆ８ ガスを供給しないでＡｒガスのみを供給し、処理実行工程においてＣ５ Ｆ８ ガスを供給した場合（曲線Ａ）と、プラズマ着火工程以降にＣ５ Ｆ８ ガスとＡｒガスの双方を供給した場合（曲線Ｂ：本発明方法）とを比較している。ここではこの処理実行工程の開始より５ｓｅｃだけ先立ってＣ５ Ｆ８ ガスの供給を開始している。他のプロセス条件は、図２を参照して説明した場合と同じである。
Ａｒガスのみ供給した曲線Ａの場合には、当初より膜厚は１４Å程度であって、経過時間が増加しても膜厚はほとんど変化がなかった。
これに対して、本発明方法である曲線Ｂの場合には、当初の膜厚は４Åであり、その後、経過時間が１ｓｅｃ増加する毎に、膜厚は１７Å及び４２Å程度というように急激に増加しており、図１０に示す遅延時間Ｔ１が発生することなく、処理実行工程に移行すると、直ちに実際に膜の堆積を開始できることが確認することができた。
尚、ここで経過時間”０”の時に、曲線Ａの場合は１４Å程度の初期膜厚があり、曲線Ｂの場合は４Å程度の初期膜厚があり、しかも、曲線Ｂの方が膜厚が少し小さくなっている。この初期膜厚は処理容器４２の内壁面等に形成してあったＣＦ膜よりなるプリコート膜がこの処理実行工程の前段側でＡｒスパッタにより剥がれてその成分がウエハ上に堆積したものであり、更に、曲線Ｂの方が初期膜厚が小さい理由は、Ｃ５ Ｆ８ ガスを先出しした分だけＡｒプラズマのエネルギーがＣ５ Ｆ８ ガスに与えられ、Ａｒスパッタ量が低減し、その分の堆積量が落ちたからである。
また本発明では、プラズマを着火する時のプラズマ用電力を、従来方法の時の２５００Ｗ（図６参照）よりもかなり低い１５００Ｗ程度に設定しているので、その分、例えばアルミナよりなる天板７６がＡｒスパッタされることを抑制することができる。このため、ウエハＷ上に堆積するＣＦ膜中にＡｌ成分が取り込まれることを抑制することができる。実際に、従来方法で成膜したＣＦ膜中のアルミニウムの濃度を”１００”とすると、本発明方法で成膜したＣＦ膜中のアルミニウムの濃度を”０．９４〜５．８”程度まで低減することができた。
尚、本実施例ではＣＦ膜を成膜する場合を例にとって説明したが、使用するガス種や堆積する膜種はこれに限定されず、例えばＳｉＣＯ膜、ＳｉＮ膜、ＳｉＯ２ 膜等の全ての膜種の成膜時に、本発明を適用することができる。
更には、プラズマ処理の種類としては成膜処理に限定されず、他のプラズマ処理、例えばプラズマエッチング処理やアッシング処理、クリーニング処理等にも本発明を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。
本発明に係るプラズマ処理装置の一例を示す構成図である。 本発明のプラズマ処理方法における各ガスの供給態様等の一例を示すタイミングチャートである。 本発明のプラズマ処理方法を示すフローチャートである。 本発明のプラズマ処理方法における各ガスの供給態様等の第１の変形例を示すタイミングチャートである。 本発明のプラズマ処理方法における各ガスの供給態様等の第２の変形例を示すタイミングチャートである。 本発明のプラズマ処理方法における各ガスの供給態様等の第３の変形例を示すタイミングチャートである。 処理実行工程における経過時間と堆積したＣＦ膜の膜厚との関係を示すグラフである。 従来の一般的なプラズマ処理装置を示す概略構成図である。 従来のプラズマ成膜方法における各ガスの供給形態等の一例を示すタイミングチャートである。 第４工程における経過時間と膜厚との関係を示すグラフである。
符号の説明
４０ プラズマ処理装置
４２ 処理容器
４４ 載置台
５８ 加熱手段
６４ 排気系
７０ 真空ポンプ
７６ 天板
８２ 平面アンテナ部材
９４ マイクロ波発生器
９８ ガス供給手段
１００ シャワーヘッド部
１０４Ａ，１０４Ｂ ガス源
１１０ 制御手段
１１２ 記憶媒体
Ｗ 半導体ウエハ（被処理体）



Claims (9)

  1. 真空引き可能になされた処理容器内へ不活性ガスと処理ガスとを供給してプラズマの存在下にて被処理体に対して所定の処理を施すようにしたプラズマ処理方法において、
    前記処理容器内へ不活性ガスの供給を開始して前記処理容器内の圧力をプラズマが着火できるような圧力に設定する着火圧力設定工程と、
    前記処理容器内への前記処理ガスの供給を開始すると共に、前記処理ガスが前記処理容器内に充満してプラズマが着火不能になる前にプラズマを着火するプラズマ着火工程と、
    前記処理容器内の圧力を前記所定の処理を行うためのプロセス圧力に変化させて圧力調整する圧力調整工程と、
    前記プラズマを着火して維持するために供給しているプラズマ用電力を前記所定の処理を行うためのプラズマ用電力の値に変更して前記所定の処理を行う処理実行工程と、
    を有することを特徴とするプラズマ処理方法。
  2. 前記プラズマ着火工程のプラズマが着火不能になる状態は前記処理ガスの分圧が所定の圧力以上になった状態であることを特徴とする請求項１記載のプラズマ処理方法。
  3. 前記プラズマ着火工程では前記処理ガスの供給の開始と同時に前記所定の処理における前記処理ガスの供給量と同じ流量で前記処理ガスを供給す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方法。
  4. 前記処理実行工程におけるプラズマ用電力の値の変更は、前記処理容器内の圧力が前記所定の処理を行うためのプロセス圧力に達した時に行われることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載のプラズマ処理方法。
  5. 前記プラズマ着火工程におけるプラズマ用電力は、前記処理実行工程におけるプラズマ用電力よりも低く、且つプラズマの着火に十分な大きさであることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載のプラズマ処理方法。
  6. 前記着火圧力設定工程の圧力は、前記処理実行工程における圧力よりも高く、且つプラズマの着火に十分な大きさであることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載のプラズマ処理方法。
  7. 前記所定の処理は、成膜処理又はエッチング処理であることを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載のプラズマ処理方法。
  8. 被処理体に対して所定の処理ガスと不活性ガスとを用いてプラズマの存在下で所定の処理を行うプラズマ処理装置において、
    前記被処理体を載置する載置台が内部に設けられた処理容器と、
    前記処理容器内の雰囲気を排気するための真空ポンプと圧力制御弁とを有する排気系と、
    前記処理容器内へ前記処理ガスと不活性ガスとを供給するガス供給手段と、
    前記処理容器内にプラズマを立てるプラズマ形成手段と、
    装置全体を制御する制御手段とを備え、
    前記制御手段は、
    前記処理容器内へ不活性ガスの供給を開始して前記処理容器内の圧力をプラズマが着火できるような圧力に設定する着火圧力設定工程と、
    前記処理容器内への前記処理ガスの供給を開始すると共に、前記処理ガスが前記処理容器内に充満してプラズマが着火不能になる前にプラズマを着火するプラズマ着火工程と、
    前記処理容器内の圧力を前記所定の処理を行うためのプロセス圧力に変化させて圧力調整する圧力調整工程と、
    前記プラズマを着火して維持するために供給しているプラズマ用電力を前記所定の処理を行うためのプラズマ用電力の値に変更して前記所定の処理を行う処理実行工程と、を行うように制御することを特徴とするプラズマ処理装置。
  9. 被処理体を載置する載置台が内部に設けられた処理容器と、
    前記処理容器内の雰囲気を排気するための真空ポンプと圧力制御弁とを有する排気系と、
    前記処理容器内へ処理ガスと不活性ガスとを供給するガス供給手段と、
    前記処理容器内にプラズマを立てるプラズマ形成手段と、
    装置全体を制御する制御手段とを備えた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の存在下で所定の処理を施すに際して、
    前記処理容器内へ不活性ガスの供給を開始して前記処理容器内の圧力をプラズマが着火できるような圧力に設定する着火圧力設定工程と、
    前記処理容器内への前記処理ガスの供給を開始すると共に、前記処理ガスが前記処理容器内に充満してプラズマが着火不能になる前にプラズマを着火するプラズマ着火工程と、
    前記処理容器内の圧力を前記所定の処理を行うためのプロセス圧力に変化させて圧力調整する圧力調整工程と、
    前記プラズマを着火して維持するために供給しているプラズマ用電力を前記所定の処理を行うためのプラズマ用電力の値に変更して前記所定の処理を行う処理実行工程と、を行う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記憶媒体。


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