JP2017155292A - 基板処理装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】ＰＥＡＬＤ処理を行う基板処理装置において、ウェハに入射するイオンのエネルギーを大幅に低減させ、イオンの打ち込みによる堆積膜へのダメージを抑制させ、表面性状の良好な成膜処理を実施する。【解決手段】基板に対して原料ガスを供給し、基板に対してプラズマを照射して成膜処理を行う基板処理装置であって、基板を載置する載置台を気密に収容する処理容器と、前記処理容器内にプラズマを生成するプラズマ源と、を備え、前記プラズマ源には、プラズマ生成用の高周波電源が備えられ、前記プラズマ源は、生成されるプラズマのシース電位を低減させるシース電位低減手段を備える。【選択図】図７

Description

本発明は、基板表面に成膜処理を行う基板処理装置に関する。
例えば半導体デバイスなどの製造プロセスにおいては、基板としての半導体ウェハ（以下、単に「ウェハ」とも記載する）に対してイオン注入処理、エッチング処理、成膜処理などの各種処理が行われる。ウェハに対して成膜を行う手法としては、いわゆるＡＬＤ（Ａｔｏｍｉｃ Ｌａｙｅｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）と呼ばれる処理（以下、単にＡＬＤ処理とも記載する）が用いられることがある。ＡＬＤ処理では、例えば真空に排気された処理容器内に原料ガスを供給し、ウェハ表面に原料ガスを吸着させる。その後、還元反応などを用い原料ガスの一部をウェハ表面に定着させて成膜を行う。そのため、例えば凹凸状のパターンを有するウェハであっても、その全面に均一な膜厚で成膜を行うことができる。
ところで、ＡＬＤ処理により成膜を行うにあたっては、例えば６００℃程度の高温でウェハを熱処理する必要がある。そうすると、ウェハのサーマルバジェット（熱履歴）が大きくなってしまうが、半導体の微細化に伴い浅接合化が進んでいるため、サーマルバジェットは小さくすることが求められる。そこで近年、熱処理に代えて、原料ガスを表面吸着させたウェハに対してプラズマ照射することで、原料ガスをウェハ表面に定着させて成膜を行う、いわゆるプラズマエンハンスドＡＬＤ（以下、ＰＥＡＬＤとも記載する）が採用されている。
例えば、従来のＣＶＤ処理がＡｒリッチ雰囲気で実施されるのに対し、ＰＥＡＬＤ処理を行う処理容器内にはＨ２が多く供給され、Ｈ２リッチ雰囲気で処理が行われることもある。ＰＥＡＬＤ装置においては、原料ガスのウェハ表面への吸着と、プラズマ照射を交互に繰り返し、原子層ごとに成膜制御を行うことで膜厚の精密な制御が行われ、その際には、Ｈ３ ＋イオンがウェハ上の堆積膜表面に入射する。入射するイオンは、同じエネルギーであれば軽いイオンほど堆積膜内部に深く打ち込まれる。即ち、Ｈ３ ＋イオンはＡｒ＋イオンに比べ軽いため、同じエネルギーで比較すると、従来のＣＶＤ処理で打ち込まれていたＡｒ＋イオンよりもＨ３ ＋イオンは深く打ち込まれることになる。
成膜された膜にＨ３ ＋イオンが深く打ち込まれると、当該イオンの衝撃により、堆積膜にはダメージを受けた表面性状が発現してしまう。これに対し、例えば特許文献１には、プラズマ処理装置において電極に印加する駆動電圧の周波数を高めることでイオンエネルギーを低減させ、且つ、高い選択比でエッチングを行う技術が開示されているように、高周波電圧を印加することでイオンエネルギーを低減させる技術が公知となっている。イオンエネルギーを低減させることで、上記のような膜へのダメージを抑制させることができると推定される。
特開平６−２７５５６１号公報
近年、半導体の微細化に伴い浅接合化が進み、微細加工を含む薄膜の形成が求められており、ＣＶＤ処理に比べＰＥＡＬＤ処理が採用されつつある。これは、更なる高アスペクト比や、あるいはオーバーハングを有するようなデバイス形状への成膜が求められる場合、Ａｒ＋イオン衝撃を利用する従来のＣＶＤ法ではホール側壁やオーバーハングの影となる部位に対するプラズマ処理（例えばＴｉ膜の成膜におけるＣｌ脱離等）には限界があり、ＰＥＡＬＤ処理におけるＨラジカルでの熱化学反応による処理が有効であるからである。
しかしながら、ＰＥＡＬＤ処理を採用すると、プラズマ処理時に成膜された膜にＨ３ ＋イオンが深く打ち込まれ堆積膜にダメージを生じてしまうことが問題となる。上述したように、ＰＥＡＬＤ処理においては、イオンエネルギーを低減させることで、堆積膜へのダメージを抑制させることができるものと推定されるが、効率的にイオンエネルギーを低減させ、当該ダメージを好適に抑制させるための技術や詳細な条件等については、十分に創案されていないのが現状である。
このような事情に鑑み、本発明の目的は、ＰＥＡＬＤ処理を行う基板処理装置において、ウェハに入射するイオンのエネルギーを大幅に低減させ、イオンの打ち込みによる堆積膜へのダメージを抑制させ、表面性状の良好な成膜処理を実施することが可能な基板処理装置を提供することにある。
前記の目的を達成するため、本発明によれば、基板に対して原料ガスを供給し、基板に対してプラズマを照射して成膜処理を行う基板処理装置であって、基板を載置する載置台を気密に収容する処理容器と、前記処理容器内にプラズマを生成するプラズマ源と、を備え、前記プラズマ源には、プラズマ生成用の高周波電源が備えられ、前記プラズマ源は、生成されるプラズマのシース電位を低減させるシース電位低減手段を備えることを特徴とする、基板処理装置が提供される。
前記シース電位低減手段は、前記高周波電源に対し重畳印加可能に設けられた直流電源であっても良い。
前記高周波電源に対し前記直流電源により印加される電圧は負の電圧であっても良い。
前記シース電位低減手段は、前記プラズマ源における高周波波形を波形調製する波形調製機構であり、当該波形調製機構は、前記プラズマ源の高周波波形を、波形１周期分の長さにおいて、正負電位１波長分の部分と、印加電圧が変化しない部分とで構成される形状に調製しても良い。
前記波形調製機構によって調製された高周波波形において、前記正負電位１波長分の部分の傾きｄＶ／ｄｔは負であっても良い。
前記波形調製機構によって調製された高周波波形の前記正負電位１波長分の部分の周波数は、１３．５６ＭＨｚ超であっても良い。
前記シース電位低減手段は、前記高周波電源に対し重畳印加可能に設けられた直流電源と、前記プラズマ源における高周波波形を波形調製する波形調製機構の両方から構成されても良い。
本発明によれば、ＰＥＡＬＤ処理を行う基板処理装置において、ウェハに入射するイオンのエネルギーを大幅に低減させ、イオンの打ち込みによる堆積膜へのダメージを抑制させ、表面性状の良好な成膜処理を実施することが可能となる。
本実施の形態にかかるプラズマ処理装置の構成の概略を示す縦断面図である。 ウェハＷ上へのＴｉ膜の成膜処理に関する概略説明図である。 ダメージに関する概略説明図である。 電源の周波数の変化に伴う電子密度の変化及びＨラジカルの生成速度の変化を示すグラフである。 高周波電源の周波数の変化、及び２７ＭＨｚでのＶｐｐの変化に伴うＨ３ ＋イオンのエネルギーの変化を示すグラフである。 従来例である周波数２７ＮＨｚ、印加Ｖｐｐ７００Ｖである高周波電源における正弦波１周期分の基本波形である。 本実施の形態に係る、周波数２７ＭＨｚ、印加Ｖｐｐ４００Ｖである高周波電源における高周波波形である。 本実施の形態に係る高周波波形において、正負電位１波長分の部分Ｌ１の傾斜を変えた場合の波形を示す概略図である。 本実施の形態に係る高周波波形において、傾斜（ｄＶ／ｄｔ）を変化させた時の、電子密度（プラズマ密度）の変化及びＨラジカルの生成効率（生成レート）の変化を示すグラフである。 本実施の形態に係る高周波波形の符号依存性に関する説明図である。 図１０に示した各高周波波形に対応した電子密度分布を示す説明図である。 本実施の形態に係るプラズマ処理装置においてＴｉ膜の成膜に際し、図１０に示す各高周波波形の高周波電源によって高周波の発振を行った場合のイオンエネルギーの変化を示すグラフである。
以下に添付図面を参照しながら、本発明の実施形態の一例について説明する。本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。なお、本実施の形態では、基板処理装置がプラズマを用いて基板を処理するプラズマ処理装置１であり、当該プラズマ処理装置１によりウェハＷ上にＴｉ膜を形成する場合を例にして説明する。
図１は、本実施の形態にかかる基板処理装置としてのプラズマ処理装置１を概略的に示した縦断面図である。プラズマ処理装置１は、有底で上方が開口した略円筒状の処理容器１０と、処理容器１０内に設けられた、ウェハＷを載置する載置台１１と、を有している。処理容器１０は、接地線１２により電気的に接続されて接地されている。また、処理容器１０の内壁は、例えば表面に耐プラズマ性の材料からなる溶射被膜が形成されたライナ（図示せず）により覆われている。
載置台１１は、例えば窒化アルミ（ＡｌＮ）等のセラミックスにより形成されており、その表面には導電性材料による被膜（図示せず）が形成されている。載置台１１の下面は、導電性材料により形成された支持部材１３により支持され、且つ電気的に接続されている。支持部材１３の下端は、処理容器１０の底面により支持され、且つ電気的に接続されている。そのため、載置台１１は処理容器１０を介して接地されており、後述する上部電極３０と対をなす下部電極として機能する。なお、下部電極の構成としては、本実施の形態の内容に限定されるものではなく、例えば載置台１１内に金属メッシュなどの導電性部材を埋め込んで構成してもよい。
載置台１１には、電気ヒータ２０が内蔵されており、載置台１１に載置されるウェハＷを所定の温度に加熱することができる。また、載置台１１には、ウェハＷの外周部を押圧して載置台１１上に固定するクランプリング（図示せず）や、処理容器１０の外部に設けられた図示しない搬送機構との間でウェハＷを受け渡すための昇降ピン（図示せず）が設けられている。
下部電極である載置台１１の上方であって処理容器１０の内側面には、略円盤状に形成された上部電極３０が当該載置台１１に対向して平行に設けられている。換言すれば、上部電極３０は、載置台１１上に載置されたウェハＷに対向して配置されている。上部電極３０は、例えばニッケル（Ｎｉ）などの導電性の金属により形成されている。
上部電極３０には、当該上部電極３０を厚み方向に貫通する複数のガス供給孔３０ａが形成されている。また、上部電極３０の外周縁部全周には、上方に突出する突出部３０ｂが形成されている。即ち、上部電極３０は、有底で上部が開口した略円筒形状を有している。上部電極３０は、この突出部３０ｂの外側面が処理容器１０の内側面と所定の距離だけ離間するように、処理容器１０の内径よりも小さく、且つ上部電極３０における載置台１１と対向する面が、例えば平面視において載置台１１上のウェハＷの全面を覆うように、ウェハＷよりも大きな径を有している。突出部３０ｂの上端面には、略円盤状の蓋体３１が接続され、当該蓋体３１と上部電極３０とで囲まれた空間によりガス拡散室３２が形成されている。蓋体３１も、上部電極３０と同様に、ニッケルなどの導電性の金属により形成されている。なお、蓋体３１と上部電極３０とは、一体に構成されていてもよい。
蓋体３１上面の外周部には、当該蓋体３１の外方に向けて突出する係止部３１ａが形成されている。係止部３１ａの下面は、処理容器１０の上端部に支持された、円環状の支持部材３３により保持されている。支持部材３３は、例えば石英などの絶縁材料により形成されている。そのため、上部電極３０と処理容器１０とは電気的に絶縁されている。また、蓋体３１の上面には、電気ヒータ３４が設けられている。この電気ヒータ３４により、蓋体３１及び当該蓋体３１に接続された上部電極３０を所定の温度に加熱することができる。
ガス拡散室３２には、蓋体３１を貫通してガス供給管５０が接続されている。ガス供給管５０には、図１に示すように処理ガス供給源５１が接続されている。処理ガス供給源５１から供給された処理ガスは、ガス供給管５０を介してガス拡散室３２に供給される。ガス拡散室３２に供給された処理ガスは、ガス供給孔３０ａを通じて処理容器１０内に導入される。この場合、上部電極３０は、処理容器１０内に処理ガスを導入するシャワープレートとして機能する。
本実施の形態における処理ガス供給源５１は、Ｔｉ膜の成膜用の原料ガスとして、ＴｉＣｌ４ガスを供給する原料ガス供給部５２と、還元ガスとして例えばＨ２（水素）ガスを供給する還元ガス供給部５３と、プラズマ生成用の希ガスを供給する希ガス供給部５４を有している。希ガス供給部５４から供給される希ガスとしては、例えばＡｒ（アルゴン）ガスが用いられる。また、処理ガス供給源５１は、各ガス供給部５２、５３、５４とガス拡散室３２との間にそれぞれ設けられたバルブ５５と、流量調整機構５６を有している。ガス拡散室３２に供給される各ガスの流量は、流量調整機構５６によって制御される。
蓋体３１には、当該蓋体３１を介して上部電極３０に高周波電力を供給してプラズマを生成するための高周波電源６０が整合器６１を介して電気的に接続されている。高周波電源は、例えば１００ｋＨｚ〜１００ＭＨｚの周波数の高周波電力が出力可能であるように構成されている。整合器６１は、高周波電源６０の内部インピーダンスと負荷インピーダンスをマッチングさせるものであり、処理容器１０内にプラズマが生成されているときに、高周波電源６０の内部インピーダンスと負荷インピーダンスとが見かけ上一致するように作用する。
処理容器１０の底面には、処理容器１０内を排気する排気機構７０が排気管７１を介して接続されている。排気管７１には、排気機構７０による排気量を調節する調節弁７２が設けられている。したがって、排気機構７０を駆動することにより、排気管７１を介して処理容器１０内の雰囲気を排気し、処理容器１０内を所定の真空度まで減圧することができる。
以上のプラズマ処理装置１には、制御部１００が設けられている。制御部１００は、例えばコンピュータであり、プログラム格納部（図示せず）を有している。プログラム格納部には、電気ヒータ２０、３４や流量調整機構５６、高周波電源６０、整合器６１、排気機構７０及び調節弁７２などの各機器を制御して、基板処理装置１を動作させるためのプログラムも格納されている。
なお、上記のプログラムは、例えばコンピュータ読み取り可能なハードディスク（ＨＤ）、フレキシブルディスク（ＦＤ）、コンパクトディスク（ＣＤ）、マグネットオプティカルデスク（ＭＯ）、メモリーカードなどのコンピュータに読み取り可能な記憶媒体に記録されていたものであって、その記憶媒体から制御部１００にインストールされたものであってもよい。
本実施の形態にかかるプラズマ処理装置１は以上のように構成されている。次に、本実施の形態にかかるプラズマ処理装置１における、ウェハＷ上へのＴｉ膜の成膜処理について説明する。図２はウェハＷ上へのＴｉ膜の成膜処理に関する概略説明図である。
成膜処理にあたっては、先ず、処理容器１０内にウェハＷが搬入され、載置台１１上に載置されて保持される。このウェハＷの表面には、例えば図２（ａ）に示すように、所定の厚みの絶縁層２００が形成されており、ウェハＷ上に形成されたソースやドレンに対応する導電層２０２の上方には、コンタクトホール２０１が形成されている。
ウェハＷが載置台１１に保持されると、排気機構７０により処理容器１０内が排気され気密に保持される。それと共に処理ガス供給源５１から、ＴｉＣｌ４ガス、Ｈ２ガス及びＡｒガスがそれぞれ所定の流量で処理容器１０内に供給される。この際、ＴｉＣｌ４ガスの流量は概ね５〜５０ｓｃｃｍ、Ｈ２ガスの流量は概ね５〜１００００ｓｃｃｍ、Ａｒガスの流量は概ね１００〜５０００ｓｃｃｍとなるように各流量調整機構５６が制御される。本実施の形態では、ＴｉＣｌ４ガス、Ｈ２ガス及びＡｒガスは、それぞれ６．７ｓｃｃｍ、４０００ｓｃｃｍ、１６００ｓｃｃｍの流量で供給される。また、処理容器１０内の圧力が、例えば６５Ｐａ〜１３３０Ｐａ、本実施の形態では概ね６６６Ｐａとなるように、調節弁７２の開度が制御される。
それと共に、各電気ヒータ２０、３４等により、上部電極３０、載置台１１上のウェハＷを、例えば４００℃以上に加熱及び維持する。次いで高周波電源６０により上部電極３０に高周波電力を印加する。これにより、処理容器１０内に供給された各ガスは、上部電極３０と下部電極として機能する載置台１１との間でプラズマ化され、ＴｉＣｌｘ、Ｔｉ、Ｃｌ、Ｈ、Ａｒのイオンやラジカルによるプラズマが生成される。
ウェハＷの表面では、プラズマによって分解された原料ガスであるＴｉＣｌｘが、還元ガスであるＨラジカルやＨ３ ＋イオンにより還元される。これにより、図２（ｂ）に示すように、ウェハＷ上にＴｉ膜２１０が形成される。ウェハＷの処理が終了すると、処理容器１０からウェハＷが搬出される。そして、処理容器１０内に新たなウェハＷが搬入され、この一連のウェハＷの処理が繰り返し行われる。
以上説明した、本実施の形態に係るプラズマ処理装置１でのプラズマエンハンスドＡＬＤ処理（ＰＥＡＬＤ処理）による成膜処理（例えばＴｉ膜の成膜処理）では、処理容器１０内にプラズマを生成させるために、高周波電源６０から所定の周波数で、所定の電力が供給される。
本発明者らが、ＰＥＡＬＤ処理による成膜に関しシミュレーション解析等によって検討を行ったところ、例えばＴｉＣｌ４、Ｈ２、Ａｒ等を処理ガスとしてＰＥＡＬＤ処理によりＴｉ膜の成膜を行う処理容器内には、例えばＨ２が多く供給され、Ｈ２リッチ雰囲気で処理が行われることから、堆積膜内部にＨ３ ＋イオンが打ち込まれるためにダメージが生じていることが分かった。このダメージは、ＣＶＤ処理による成膜では発現しない表面性状であることから、膜質の低下につながることが懸念される。図３はダメージに関する概略説明図であり、（ａ）がＣＶＤ処理によって成膜された膜の一部概略図、（ｂ）がＰＥＡＬＤ処理によって成膜された膜４００の一部概略図である。
図３（ｂ）に示すような、ダメージ部位４０１が生じる要因について更に検討すると、Ｈ３ ＋イオンが高エネルギーでもって膜に入射することが原因であることが知見される。例えば周波数が４５０ｋＨｚの低周波数であり、印加Ｖｐｐ（ｐｅａｋ ｔｏ ｐｅａｋ電圧）が１３５０Ｖであるような電源でもって高周波の発振を行うと、シース電位Ｖｓ（プラズマ〜ウェハ間の電位差）が大きいために高エネルギーでＨ３ ＋イオンが堆積膜の内部深くに浸入してしまう。
ここで、本発明者らは、図１に示すプラズマ処理装置１において、ウェハＷに対してＴｉＣｌ４を原料とするＴｉＣｌｘをプリカーサーとして吸着させ、表面に吸着したＴｉＣｌｘからＣｌを脱離させてＴｉ膜を成膜する場合に関し、成膜されるＴｉ膜に生じる恐れがある入射イオンダメージを抑制させるための技術について更なる検討を行い、以下のような知見を得た。
Ｔｉ膜を成膜する場合、プリカーサーＴｉＣｌｘからＣｌを脱離させるために、処理容器１０内に生成されるＨラジカルを所定量以上とする必要があり、従来は周波数が４５０ｋＨｚ、Ｖｐｐが１３５０Ｖの電源でもって高周波の発振を行っていた。これに対し、Ｈ３ ＋イオンのエネルギーを低下させ、シース電位Ｖｓを低減させることで堆積膜へのダメージを抑制させることができることが分かっていた。イオンエネルギーを低下させるためには、高周波発振のための電源の周波数をより高い高周波とすることになる。
そこで、本発明者らは、プラズマ処理装置１においてＴｉ膜を成膜する場合に、高周波発振のための電源の周波数を変化させ、Ｈラジカルの生成速度とＨ３ ＋イオンのエネルギーを計算した。図４は、電源の周波数の変化に伴う処理容器内の電子密度（図中○）の変化及びＨラジカルの生成速度（図中△）の変化を示すグラフである。また、図４には、２７ＭＨｚにおいては印加Ｖｐｐを１３５０Ｖから７００Ｖへ変化させた際の処理容器内の電子密度（図中●）とＨラジカルの生成速度（図中▲）を付記している。図５は、電源の周波数の変化に伴う処理容器内でのＨ３ ＋イオンのエネルギーの変化（図中○：最大値、及び、図中△：平均値）を示すグラフである。
図４に示すように、同じ印加Ｖｐｐでは、電源の周波数が高くなるにつれて電子密度ならびにＨラジカルの生成速度は一度減少する傾向にある。しかし、周波数が１３．５６ＭＨｚ超である場合に、電子密度及びＨラジカルの生成速度は増加し、更に高い周波数においては、極めて高い値となる。そのため、周波数が１３．５６ＭＨｚ超である場合には、従来の周波数４５０ｋＨｚ印加時と同等の電子密度ならびにＨラジカル生成速度を保ったまま、印加Ｖｐｐを低減することができる。例えば電源の周波数が２７ＭＨｚの場合には、周波数が４５０ｋＨｚ、Ｖｐｐが１３５０Ｖの電源でもって高周波の発振を行った場合とほぼ同等の電子密度ならびにＨラジカルの生成速度を保ったまま、印加Ｖｐｐを７００Ｖにまで低減することが可能である。
また、図５に示すように、同じ印加Ｖｐｐであれば、電源の周波数が高くなるにつれて処理容器内でのＨ３ ＋イオンのエネルギーは、平均および最大値共に低下している。即ち、電源の周波数を高周波化することで、イオンの入射エネルギーが低下することは明らかである。上述したように、２７ＭＨｚにおいては印加Ｖｐｐを低減し得るため、更にイオンの入射エネルギーを平均及び最大値共に低下させることが可能である。
このように、電源の周波数を高周波化すると共に、印加Ｖｐｐを小さくすることで、電子密度ならびにＨラジカルの生成速度を十分なものとし、且つ、ウェハＷ上に形成されるプラズマのシース電位Ｖｓが低減され、Ｈ３ ＋イオンのエネルギーを低下させ、堆積膜のダメージを抑制させることができる。ここで、プラズマのシース電位Ｖｓを低減させるためのシース電位低減手段としては種々の手段が考えられる。以下、このシース電位低減手段について説明する。なお、図１には、シース電位低減手段３００を簡略的に図示しているが、このシース電位低減手段３００は、以下に説明するような種々の構成（ＤＣ電源あるいは波形調製機構）を有しており、必要に応じて高周波電源６０の内部等に設置されても良い。
プラズマ処理装置１において、シース電位低減手段３００として、高周波電源６０に対し重畳印加可能に設けられたＤＣ（直流）電源を設け、所定の電圧のＤＣを高周波電源６０に重畳印加するといった手段が考えられる。特に、シース電位低減のためにはＤＣ電源により負の電圧であるＤＣを高周波電源６０（上部電極３０）に印加することが望ましい。
具体的には、例えば周波数２７ＭＨｚ、印加Ｖｐｐ７００Ｖの高周波発振電源に対し、負の電圧である−３００ＶのＤＣを印加することでプラズマのシース電位Ｖｓを低減させるといった事が考えられる。この場合、ウェハＷ上に形成されるプラズマのシース電位の最大値は約２００Ｖとなる。
この方法により、イオンエネルギーを低下させて堆積膜へのダメージを抑制させることが可能となる。具体的には、高エネルギーでＨ３ ＋イオンが堆積膜内部深くに浸入するのが防止され、ダメージが生じるのを防ぐことができる。
また、本発明者らの検討によれば、高周波電源６０の高周波波形を波形調製（Ｗａｖｅｆｏｒｍ Ｔａｉｌｏｒｉｎｇ）し、好適な波形とすることで、シース電位を低減させることができることが知見されている。即ち、シース電位低減手段３００としての波形調製機構を設けることで、シース電位の低減を図ることが可能である。
この際、高周波発振のための電源の高周波波形を、基本波長の１周期分の長さを変えることなく、その波形を、同じ１周期分の長さにおいて正負電位１波長分の部分と、印加電圧が変化しない部分とで構成される形状（ここでは、Ｈｅａｒｔ Ｂｅａｔ波形と称する）に調製することが好ましい。
図６、図７は、本実施の形態に係るプラズマ処理装置１での高周波電源６０の高周波波形の説明図である。図６は、従来例である周波数２７ＮＨｚ、印加Ｖｐｐ７００Ｖである高周波電源における正弦波１周期波長分の長さ（１周期長さＬ）の基本波形であり、以下の式（１）に示す傾き（点線にて図示）を有するものである。
ｄＶ／ｄｔ＝５．９４×１０１０（Ｖ／ｓ） ・・・（１）
一方、図７は、本実施の形態で用いることが望ましい、周波数２７ＭＨｚ、印加Ｖｐｐ４００Ｖである高周波電源における高周波波形である。図７に示す波形の波長は、従来の基本波形（図６参照）と同じ長さであり、この波形の１周期の長さＬは、正負電位１波長分の部分Ｌ１と、印加電圧が変化しない部分Ｌ２から構成されており、いわゆるＨｅａｒｔ Ｂｅａｔ波形となっている。なお、印加電圧が変化しない部分Ｌ２に関しては、実質的にプラズマ生成に関与しない程度の電圧の変化が存在しても問題ない。この本実施の形態に係る高周波波形において、正負電位１波長分の部分Ｌ１の傾きは、上記式（１）で示した傾きより大きい傾斜を有するものであれば良い。例えば、以下の式（２）に示す値とすることが望ましい。
ｄＶ／ｄｔ＝９．１８×１０１０（Ｖ／ｓ） ・・・（２）
図８は、本実施の形態に係る高周波波形において、正負電位１波長分の部分Ｌ１の傾斜を変えた場合の波形を示しており、図８（ａ）、（ｂ）、（ｃ）の順に傾斜が大きくなるような波形を示している。図８（ａ）はｄＶ／ｄｔ＝８．００×１０１０（Ｖ／ｓ）、（ｂ）はｄＶ／ｄｔ＝９．１８×１０１０（Ｖ／ｓ）、（ｃ）はｄＶ／ｄｔ＝１．０３×１０１１（Ｖ／ｓ）である。
また、図９は、本実施の形態に係る高周波波形において、図８（ａ）〜（ｃ）に示すように傾斜（ｄＶ／ｄｔ）を大きくした時の、電子密度（プラズマ密度）の変化及びＨラジカルの生成速度の変化を示すグラフである。
図８、９に示すように、本実施の形態に係るプラズマ処理装置１において、高周波電源６０をいわゆるＨｅａｒｔ Ｂｅａｔ波形の高周波電源とした場合、正負電位１波長分の部分Ｌ１の傾斜が大きくなる程、電子密度及びＨラジカルの生成速度が増大している。このことから、本実施の形態に係る高周波波形においては、正負電位１波長分の部分Ｌ１の傾斜を大きくするような波形調製を行うことが好ましいことが分かる。
換言すると、本実施の形態に係る高周波波形において、正負電位１波長分の部分Ｌ１の傾斜が大きくなる程、電子密度及びＨラジカルの生成速度を維持しつつ、イオンエネルギーを低下させることが可能となる。このように波形調製を行った本実施の形態に係る高周波波形を用いてプラズマ処理を行うことで、印加Ｖｐｐを小さくしウェハＷ上に形成されるプラズマのシース電位Ｖｓを低減させ、Ｈ３ ＋イオンのエネルギーを低下させて、堆積膜へのダメージを抑制させることが可能となる。
なお、本実施の形態に係る高周波波形の振幅は任意に調製可能であるが、プラズマのシース電位Ｖｓを低減させるといった観点からは、なるべく小さくすることが望ましい。
例えば、正弦波を基本波とし、そのｎ倍の高調波までを重畳することにより調製した電位波形を電極に印加する場合、その電極電位Ｖ（ｔ）は以下の式（３）で示される。
この式（３）で示す電極電位は、ｔ＝ｍ／ｆ（但し、ｍは整数、ｆは周波数）の時に傾きｄＶ／ｄｔが以下の式（４）に示す最大値を取る。
この式（４）で示す最大値は、基本波の周波数ｆ＝ω／（２π）及び振幅Ｖ０に比例する。なお、ａｎは波形調製に係る係数である。
プラズマ電位を上昇させないため、Ｖ０はできる限り小さくすべきであるが、プラズマの生成を促進させるためには、波形を重畳して出現するＶｐｐ（Ｖ０に比例）の値が処理ガスの電離しきいエネルギー(εion)よりも大となる必要がある。即ち、以下の式（５）を満たす必要がある。
Ｖｐｐ＞εion ・・・（５）
一方、Ｖ０を可能な範囲で小さくするためにはｆの値を大きく取れば良い。但し、電子が電場に応答して運動できることが必要であることから、電子プラズマ周波数ｆｐ,ｅが上限となる。基本波のｎ倍の高調波までを重畳していることより、基本波の周波数の上限は以下の式（６）より決まる。
ここで、ｅは素電荷、ε０は真空の誘電率、ｎｅはプラズマ中における電子密度、ｍｅは電子の質量である。
また、本実施の形態に係る高周波波形に関しては、正負電位１波長分の部分Ｌ１の傾斜の符号依存性についても検討する必要がある。図１０は、本実施の形態に係る高周波波形の符号依存性に関する説明図であり、傾きの絶対値はどちらも９．１８×１０１０（Ｖ／ｓ）である。図１０（ａ）はｄＶ／ｄｔ＞０、図１０（ｂ）はｄＶ／ｄｔ＜０の場合を示している。
また、図１１（ａ）、（ｂ）は、図１０に示した各高周波波形に対応したウェハ（接地電極）−シャワー（駆動電極）間の電子密度分布を示す説明図である。
図１０、図１１に示すように、本実施の形態に係る高周波波形において、正負電位１波長分の部分Ｌ１の傾斜の符号の正負が変わった場合であっても、処理容器内における基本的な電子密度分布は大きくは変わらない。但し、ｄＶ／ｄｔ＞０である場合（図１０（ａ））の方が、ｄＶ／ｄｔ＜０である場合（図１０（ｂ））に比べ、電子密度分布がウェハＷ側に偏るような分布となっている。即ち、ｄＶ／ｄｔ＜０である場合の方が、ｄＶ／ｄｔ＞０である場合に比べウェハＷ側のシースが厚くなり、シース中におけるイオンとガス分子間の衝突頻度が増大するため、ウェハＷに入射するイオンのエネルギーを更に小さくすることができる。
図１２は、本実施の形態に係るプラズマ処理装置１においてＴｉ膜の成膜に際し、図１０、図１１に示す各高周波波形の高周波電源によって高周波の発振を行った場合のイオンエネルギーの変化を示すグラフである。図１２に示すように、（ａ）のｄＶ／ｄｔ＞０である場合と、（ｂ）のｄＶ／ｄｔ＜０である場合とを比較すると、入射イオンエネルギーの最大値は同じであるものの、その平均値はｄＶ／ｄｔ＜０である場合の方が低く抑えられている。
即ち、本実施の形態に係るプラズマ処理装置１においては、いわゆるＨｅａｒｔ Ｂｅａｔ波形を調製し得る高周波電源を用いて高周波発振を行うことが望ましく、更には、当該高周波波形については、正負電位１波長分の部分Ｌ１の傾斜の符号がｄＶ／ｄｔ＜０となるような波形にすることで、更なるイオンエネルギーの低下を見込むことができる。これにより、堆積膜へのダメージを更に抑制させることが可能となる。
なお、高周波発振のための電源において、本実施の形態に係る高周波波形に波形調製を行うに際しては、図７に示すようないわゆるＨｅａｒｔ Ｂｅａｔ波形を間断なく繰り返すような周期の高周波電源を用いても良く、または、いわゆるＨｅａｒｔ Ｂｅａｔ波形を１周期ごとに所定の間隔だけ空けるような周期の高周波電源を用いても良い。但し、いずれの場合においても、処理容器１０内に十分なプラズマが生成され、基板処理時にその状態が継続的に担保されるような周期に調製されることが必要である。
以上説明したように、本実施の形態に係るプラズマ処理装置１での成膜処理では、シース電位低減手段３００として、高周波電源６０に対し重畳印加可能に設けられたＤＣ（直流）電源を設け、所定の電圧のＤＣを高周波発振のための電源に印加するといった方法や、電源の高周波波形を波形調製する波形調製機構を設け、いわゆるＨｅａｒｔ Ｂｅａｔ波形の高周波電源を用いる構成とするといった方法を採用することができる。このような方法によれば、プラズマのシース電位Ｖｓが低減され、イオンエネルギーが低下し、従来の成膜時に発現していた堆積膜へのダメージを抑制させることができる。
以上、本発明の実施の形態の一例を説明したが、本発明は図示の形態に限定されない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
例えば、上記実施の形態においては、シース電位低減手段３００として、所定の電圧のＤＣを高周波発振のための電源に印加するといった手段（ＤＣ電源を設ける場合）と、高周波発振のための電源の波形調製を行うといった手段（波形調製機構を設ける場合）を挙げて説明している。これらの各手段は、プラズマ処理装置１において一方のみを設けるような構成としても良く、あるいは、両方の手段を設けるような構成としても良い。
また、上記の実施の形態では、処理容器１０内にプラズマを生成する手段について、上記実施の形態の内容に限定されるものではない。処理容器内にプラズマを生成するプラズマ源としては、コイル状に設けられたアンテナを介して高周波を印加することで、誘電体窓を介して誘導結合によりプラズマを生成する誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）を用いても良いし、ヘリコン波プラズマやサイクロトロン共鳴プラズマ等の他のプラズマ源を用いてもよい。
また、例えば上記の実施形態では、プラズマエンハンスドＡＬＤ処理を例にして説明したが、本発明は例えばＡＬＥ（Ａｔｏｍｉｃ Ｌａｙｅｒ Ｅｔｃｈｉｎｇ）処理などにも適用できる。
本発明は、基板表面に成膜処理を行う基板処理装置に適用できる。
１…プラズマ処理装置（基板処理装置）
１０…処理容器
１１…載置台
１２…接地線
１３…支持部材
２０…電気ヒータ
３０…上部電極
３１…蓋体
３２…ガス拡散室
３３…支持部材
５０…ガス供給管
５１…処理ガス供給源
５２…原料ガス供給部
５３…還元ガス供給部
５４…希ガス供給部
６０…高周波電源
７０…排気機構
１００…制御部
３００…シース電位低減手段
Ｗ…ウェハ（被処理体）

Claims (7)

  1. 基板に対して原料ガスを供給し、基板に対してプラズマを照射して成膜処理を行う基板処理装置であって、
    基板を載置する載置台を気密に収容する処理容器と、
    前記処理容器内にプラズマを生成するプラズマ源と、を備え、
    前記プラズマ源には、プラズマ生成用の高周波電源が備えられ、
    前記プラズマ源は、生成されるプラズマのシース電位を低減させるシース電位低減手段を備えることを特徴とする、基板処理装置。
  2. 前記シース電位低減手段は、前記高周波電源に対し重畳印加可能に設けられた直流電源であることを特徴とする、請求項１に記載の基板処理装置。
  3. 前記高周波電源に対し前記直流電源により印加される電圧は負の電圧であることを特徴とする、請求項２に記載の基板処理装置。
  4. 前記シース電位低減手段は、前記プラズマ源における高周波波形を波形調製する波形調製機構であり、
    当該波形調製機構は、前記プラズマ源の高周波波形を、波形１周期分の長さにおいて、正負電位１波長分の部分と、印加電圧が変化しない部分とで構成される形状に調製することを特徴とする、請求項１に記載の基板処理装置。
  5. 前記波形調製機構によって調製された高周波波形において、前記正負電位１波長分の部分の傾きｄＶ／ｄｔは負であることを特徴とする、請求項４に記載の基板処理装置。
  6. 前記波形調製機構によって調製された高周波波形の前記正負電位１波長分の部分の周波数は、１３．５６ＭＨｚ超であることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一項に記載の基板処理装置。
  7. 前記シース電位低減手段は、前記高周波電源に対し重畳印加可能に設けられた直流電源と、前記プラズマ源における高周波波形を波形調製する波形調製機構の両方から構成される、請求項１に記載の基板処理装置。
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