JP2022097936A - 基板処理方法および基板処理装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】良好な膜質を維持しつつ低ストレスのカーボン膜を得ることができる基板処理方法および基板処理装置を提供する。【解決手段】基板処理方法は、炭素含有ガスを含むガスを用いたプラズマＣＶＤにより基板上にカーボン膜を成膜する工程と、成膜されたカーボン膜に対して、ヘリウムガス、またはヘリウムガスおよびアルゴンガスを含み、水素を含まない処理ガスのプラズマによりプラズマ後処理を施す工程とを含む。【選択図】図２

Description

本開示は、基板処理方法および基板処理装置に関する。
近年の半導体微細加工技術の発展に伴い、短波長の光でパターニングされるＡｒＦレジストが用いられている。ＡｒＦレジストはドライエッチング耐性が低いため、ドライエッチング耐性の高いハードマスクとしてアモルファスカーボンが提案されている（特許文献１、２）。そして、特許文献１、２にはこのようなアモルファスカーボンをプラズマＣＶＤ法により成膜することが記載されている。
特開２００２６－１９４５４７号公報 特開２００２－１２９７２号公報
Robertson,J.,"Diamond-like amorphous carbon,"Materials Science andEngineering R 37:129-281,2002
本開示は、良好な膜質を維持しつつ低ストレスのカーボン膜を得ることができる基板処理方法および基板処理装置を提供する。
本開示の一態様に係る基板処理方法は、炭素含有ガスを含むガスを用いたプラズマＣＶＤにより基板上にカーボン膜を成膜する工程と、成膜された前記カーボン膜に対して、ヘリウムガス、またはヘリウムガスおよびアルゴンガスを含み、水素を含まない処理ガスのプラズマによりプラズマ後処理を施す工程と、を含む。
本開示によれば、良好な膜質を維持しつつ低ストレスのカーボン膜を得ることができる基板処理方法および基板処理装置が提供される。
実施形態に係る基板処理方法を実施する基板処理装置の一例を概略的に示す断面図である。 一実施形態に係る基板処理方法のフローを示すフローチャートである。 プラズマ後処理による膜ストレス緩和の推定メカニズムを説明するための図である。 実施形態に係る基板処理方法を実施する基板処理装置の他の例を概略的に示す断面図である。 処理ガスとしてＡｒガス、Ｈ２ガス、Ｎ２ガス、Ｈｅガスを用いてプラズマ後処理を行った際のカーボン膜の膜厚とストレスを測定した結果を示す図である。 ＨｅガスまたはＨ２ガスを用いてプラズマ後処理を行った場合の処理時間と膜ストレスとの関係を示す図である。 ＨｅガスまたはＨ２ガスを用いてプラズマ後処理を行った場合の処理時間と屈折率ｎとの関係を示す図である。 ＨｅガスまたはＨ２ガスを用いてサイクリックにプラズマ後処理を行った場合のサイクル数とドライエッチレート（ＤＥＲ）との関係を示す図である。 プラズマ後処理の際のＨｅ／Ａｒ比率とカーボン膜のストレス変化量との関係を示す図である。 プラズマ後処理の際のＨｅ／Ａｒ比率とカーボン膜の膜厚変化量との関係を示す図である。 プラズマ後処理の際の圧力とカーボン膜のストレス変化量との関係を示す図である。 プラズマ後処理の際の圧力とカーボン膜の膜厚変化量との関係を示す図である。 高周波電力の印加条件を変化させてプラズマ後処理を行った際のカーボン膜の厚さとストレスを測定した結果を示す図である。 プラズマ後処理の際のカーボン膜の膜厚とストレスとの関係を示す図である。 膜厚１０００ｎｍのカーボン膜にプラズマ後処理を施した際の後処理時間とストレスとの関係を示す図である。 カーボン膜を成膜した後４００℃のアニールを行った際の、成膜したまま（Ａｓ Ｄｅｐｏ．）とアニール後のカーボン膜のストレスを示す図である。 カーボン膜を成膜した後、プラズマ後処理を行い、その後４００℃のアニールを行った際の、成膜したまま（Ａｓ Ｄｅｐｏ．）と、後処理後と、アニール後のカーボン膜のストレスを示す図である。
以下、添付図面を参照して実施形態について説明する。
＜基板処理装置の一例＞
図１は実施形態に係る基板処理方法を実施する基板処理装置の一例を概略的に示す断面図である。
本例の基板処理装置１００は、基板Ｗを処理するための容量結合プラズマ処理装置として構成されている。この基板処理装置１００は、後述するように、基板Ｗ上にハードマスクとなるカーボン膜を成膜し、次いで成膜後の基板に対して後処理を行うものである。基板Ｗとしては、例えば半導体ウエハを挙げることができるが、これに限定されない。
この基板処理装置１００は、略円筒状をなし、金属、例えば表面が陽極酸化処理されたアルミニウムで構成された処理容器（チャンバー）１０を有している。この処理容器１０は保安接地されている。
処理容器１０の底部には、セラミックス等からなる絶縁板１２を介して円柱状の金属製の支持台１４が配置され、この支持台１４の上に金属例えばアルミニウムで構成された基板載置台１６が設けられている。基板載置台１６は下部電極を構成する。基板載置台１６は上面に基板Ｗを静電力で吸着保持する静電チャック１８を有している。この静電チャック１８は、絶縁体の内部に電極２０が設けられた構造を有するものであり、電極２０に直流電源２２から直流電圧を印加することにより、クーロン力等の静電力により基板Ｗが吸着保持される。
静電チャック１８の周囲部分には、プラズマ処理の均一性を向上させるための、例えばシリコンからなる導電性のフォーカスリング２４が配置されている。基板載置台１６および支持台１４の側面には、例えば石英からなる円筒状の内壁部材２６が設けられている。
支持台１４の内部には冷媒室２８が設けられている。この冷媒室２８には、外部に設けられた図示しないチラーユニットより配管３０ａ，３０ｂを介して冷媒、例えば冷却水が循環供給され、冷媒によって基板載置台１６上の基板Ｗの処理温度が制御される。
さらに、図示しない伝熱ガス供給機構からの伝熱ガス、例えばＨｅガスがガス供給ライン３２を介して静電チャック１８の上面と半導体ウエハＷの裏面との間に供給される。
基板載置台（下部電極）１６の上方には、基板載置台１６と対向するように上部電極３４が設けられている。そして、上部電極３４および基板載置台（下部電極）１６の間の空間がプラズマ生成空間となる。上部電極３４は接地されている。
この上部電極３４は、絶縁性遮蔽部材４３を介して、処理容器１０の上部に支持されている。上部電極３４は、基板載置台１６との対向面を構成しかつ多数の吐出孔３７を有する電極板３６と、この電極板３６を着脱自在に支持する水冷構造の電極支持体３８とによって構成されている。電極支持体３８の内部には、ガス拡散室４０が設けられ、このガス拡散室４０からはガス吐出孔３７に連通する多数のガス通流孔４１が下方に延びている。電極支持体３８にはガス拡散室４０へ処理ガスを導くガス導入口４２が形成されており、このガス導入口４２には後述するガス供給部５０に接続されたガス配管５１が接続されている。そして、ガス供給部５０から供給された処理ガスがガス拡散室４０に供給され、ガス通流孔４１およびガス吐出孔３７を介して処理容器１０内に下部電極である基板載置台１６に向けて供給される。すなわち、上部電極３４はシャワーヘッドとして構成される。
ガス供給部５０は、炭素含有ガス（ＣｘＨｙ）、Ｈｅガス、およびＡｒガスを個別的に供給するガス供給源と、これら複数のガス供給源から各ガスを供給するための複数のガス供給配管とを有している。各ガス供給配管には、開閉バルブと、マスフローコントローラのような流量制御器とが設けられており（いずれも図示せず）、これらにより、上記ガスの供給・停止および各ガスの流量制御を行うことができるようになっている。
処理容器１０の底部には排気口６０が設けられ、この排気口６０に排気管６２を介して排気装置６４が接続されている。排気装置６４は、自動圧力制御バルブおよび真空ポンプを有し、この排気装置６４により、処理容器１０内を排気するとともに、処理容器１０内を所望の真空度に保持することが可能となっている。処理容器１０の側壁には、処理容器１０に対して基板Ｗを搬入出するための搬入出口６５が設けられており、この搬入出口６５はゲートバルブ６６で開閉するように構成されている。なお、処理容器１０の内壁に沿って、処理容器１０にエッチング副生物（デポ）が付着することを防止するための着脱自在のデポシールド（図示せず）が設けられている。
下部電極である基板載置台１６には、整合器８７を介して第１の高周波電源８９が電気的に接続され、また、整合器８８を介して第２の高周波電源９０が接続されている。第１の高周波電源８９は第２の高周波電源９０よりも周波数が高い。第１の高周波電源８９から供給される高周波電力は、周波数が１００ＭＨｚ以上で、パワーが５００～３０００Ｗの範囲が好ましい。また、第２の高周波電源９０から供給される高周波電力は、周波数が１３．５６ＭＨｚ以下で、パワーが１００～５０００Ｗの範囲が好ましい。第１の高周波電源８９と第２の高周波電源９０は、高周波電源部を構成する。
整合器８７，８８は、それぞれ第１および第２の高周波電源８９，９０側のインピーダンスに負荷（プラズマ）インピーダンスを整合させるためのものである。すなわち、整合器８７，８８は、処理容器１０内にプラズマが生成されている時に第１および第２の高周波電源８９，９０の内部インピーダンスと負荷インピーダンスが見かけ上一致するように機能する。
基板処理装置１００の構成部であるガス供給部５０のバルブ類や流量制御器、高周波電源等は、制御部８０により制御される。制御部８０は、ＣＰＵを有する主制御部と、入力装置、出力装置、表示装置、および記憶装置とを有している。そして、記憶装置の記憶媒体に記憶された処理レシピに基づいて基板処理装置１００の処理が制御される。
＜基板処理方法＞
次に、図１の基板処理装置により実施される一実施形態に係る基板処理方法について説明する。
図２は一実施形態に係る基板処理方法のフローを示すフローチャートである。
図２に示すように、本実施形態では、まず、基板Ｗを処理容器１０内に搬入する（ステップＳＴ１）。次いで、処理容器１０内で炭素含有ガスを用いたプラズマＣＶＤにより基板Ｗ上にカーボン膜を成膜する（ステップＳＴ２）。次いで、処理容器１０内にＨｅガス、またはＨｅガスおよびＡｒガスを含み、水素を含まない処理ガスのプラズマを生成して、基板Ｗ上に成膜されたカーボン膜に対してプラズマ後処理を施す（ステップＳＴ３）。
ステップＳＴ２のカーボン膜の成膜に際しては、処理容器１０内の圧力は１～５０ｍＴｏｒｒ（０．１３～６．６６Ｐａ）の範囲が好ましく、例えば２０ｍＴｏｒｒ（２．６６Ｐａ）に設定される。また、基板Ｗの温度は１５０℃以下が好ましい。カーボン膜の成膜に際して、ガス供給部５０から処理ガスとして、原料ガスである炭素含有ガス（ＣｘＨｙ）と、希ガスであるＡｒガスおよび／またはＨｅガスを処理容器内に供給し、第１および第２の高周波電源８９，９０から下部電極である基板載置台１６に高周波電力を供給する。第１の高周波電源８９からはプラズマ生成用の高周波電力が供給され、第２の高周波電源９０からはバイアス印加用の高周波電力が供給される。これにより、上部電極３４と下部電極である基板載置台１６との間に高周波電界が形成され、容量結合プラズマが生成される。そして、処理ガスのプラズマによるプラズマＣＶＤにより基板Ｗ上にカーボン膜が成膜される。
このように成膜されたカーボン膜はアモルファスカーボン膜であり、ｓｐ３結合比が大きいダイアモンドライクカーボンとして構成され、高密度かつ高エッチング耐性を有する膜である。このため、このように成膜されたカーボン膜はハードマスクとして適している。
原料ガスとして供給される炭素含有ガスとしては、例えばアセチレン（Ｃ２Ｈ２）ガスを用いることができる。炭素含有ガスとしては、アセチレン（Ｃ２Ｈ２）ガスの他、メタン（ＣＨ４）ガス、エチレン（Ｃ２Ｈ４）ガス、エタン（Ｃ２Ｈ６）ガス、プロピレン（Ｃ３Ｈ６）ガス、プロピン（Ｃ３Ｈ４）ガス、プロパン（Ｃ３Ｈ８）ガス、ブタン（Ｃ４Ｈ１０）ガス、ブチレン（Ｃ４Ｈ８）ガス、ブタジエン（Ｃ４Ｈ６）ガス、フェニルアセチレン（Ｃ８Ｈ６）ガスを用いることができる。また、これらのガスから選択される複数のガスを含む混合ガスであってもよい。
希ガスであるＡｒガスおよび／またはＨｅガスは、希釈ガスとして添加され、原料ガスとともにプラズマ化される。ＨｅガスおよびＡｒガスに対するＨｅガスの流量比率（｛Ｈｅガス流量／（Ｈｅガス流量＋Ａｒガス流量）｝×１００％）は、６０～９０％の範囲が好ましい。
炭素含有ガスの流量は、３０～３００ｓｃｃｍの範囲が好ましく、希ガスの流量は、１５～１０００ｓｃｃｍの範囲が好ましい。
第１の高周波電源８９から供給されるプラズマ生成用の高周波電力は、周波数：１００ＭＨｚ以上（例えば１００ＭＨｚ）、パワー：５００～３０００Ｗの範囲が好ましい。また、第２の高周波電源９０から供給されるバイアス印加用の高周波電力は、周波数：１３．５６ＭＨ以下（例えば１３．５６ＭＨｚ）、パワー：１００～５０００Ｗの範囲が好ましい。
ステップＳＴ３のプラズマ後処理は、ステップＳＴ２が終了後、処理容器１０内をパージし、処理容器１０内の圧力および基板Ｗの温度を調整した後に実施される。ステップＳＴ３のプラズマ後処理では、カーボン膜を成膜した後の基板Ｗを、Ｈｅガス、またはＨｅガスおよびＡｒガスを含み、水素を含まないガスのプラズマにより後処理することにより、ステップＳＴ２で成膜されたカーボン膜のストレスを低減させる。なお、膜のストレスは圧縮方向のストレスがプラス、引張方向のストレスがマイナスで表され、ストレス低減とはストレスの絶対値が小さくなることをいう。
ステップＳＴ２においてプラズマＣＶＤで成膜されたカーボン膜は、密度が高く、耐ドライエッチング性にも優れているが、膜のストレスが高いという問題がある。一般に、同一のストレスを持った膜を基板上に成膜する場合に、膜の反り量は厚膜になるほど大きくなり、搬送やリソグラフィーをするための許容反り量（例えば２００μｍ）を超えるために、厚膜のカーボン膜成膜後の基板を後工程処理することが困難となる。また、カーボン膜をハードマスクとして形成した場合には、次工程にＳｉＯＮ膜の成膜が行われ、その際に４００℃に加熱されるため、カーボン膜がさらに高ストレスの膜に変化してしまう。このため基板の反りが問題となる。
これに対して、ステップＳＴ３のプラズマ後処理により、カーボン膜の膜質（密度および耐ドライエッチング性）を維持したまま、膜のストレスを低減することができる。
以下、ステップＳＴ３による膜ストレス緩和の推定メカニズムについて図３を参照して説明する。
一般にストレスの要因は膜中のｓｐ３結合とｓｐ２結合の混在による格子長の違いによる局所歪が一因であることが、非特許文献１にも記載されている。プラズマＣＶＤにおいても同様に膜中に複数の結合状態が混在することによって内部歪が生じていると考えられる。この内部歪はｓｐ３結合の密度が多い膜において、結合の自由度が低いために、緩和されにくいと考えられる。また、本実施の形態に記載された方法でプラズマＣＶＤにより成膜されたカーボン膜は、Ｃ原子間の結合として、ｓｐ３結合を多く含むダイアモンドライクカーボンである。これらのカーボン膜は水素を２０％程度含むためＣＨ３やＣＨといった末端も存在している。すなわち、図３（ａ）の状態となっていると考えられる。このため、水素を含むＣＨ３やＣＨといった末端やｓｐ２結合の存在により内部歪が生じてストレスが高くなる。さらに、ＳｉＯＮ膜の成膜の際の４００℃のアニールが加わると、膜中に含まれるＡｒが離脱する。その際に脱離した空孔部に新たな歪が生じるためカーボン膜の歪は緩和されずストレスが高くなる。
これに対し、カーボン膜を成膜した後にＳＴ３のプラズマ後処理を実施すると、プラズマによるイオンエネルギーによりカーボン膜がエネルギーを得て、図３（ｂ）の点線で囲んだ部分に示すように、ＣＨ３やＣＨといった末端のＨが膜中で移動し、ｓｐ２の単一結合が増加し膜の自由度が向上することで、構造の再編成が起き、膜ストレスが緩和されると推定される。この水素の移動は短距離で起こるので、膜組成は大きく変化しない。また、アニールにより膜中のＡｒが抜ける際にも、膜の自由度が向上しているために、カーボン膜の歪はさらに緩和されると考えられる。このため、ＳＴ３のプラズマ後処理を行った後はアニールによってカーボン膜がさらに高ストレスになることはなく、むしろ膜ストレスはより低下する。
以上のような推定メカニズムは、成膜後、プラズマ後処理後、アニール後のそれぞれの深さ方向の組成（Ｃ、Ｈ、Ａｒの濃度）をＳＩＭＳで確認した結果、プラズマ後処理では深さ方向の大きな組成変化がなく、アニールによりＡｒの離脱が確認されたことによるものである。すなわち、ＳＩＭＳの結果からプラズマ後処理によるストレス変化は、組成変化に基づくものではないことから、結合状態の変化が起因している可能性が示唆され、上記メカニズムに想到した。
ステップＳＴ３のプラズマ後処理に際しては、処理容器１０内の圧力は１０～１００ｍＴｏｒｒ（１．３３～１３．３Ｐａ）が好ましく、例えば２０ｍＴｏｒｒ（２．６６Ｐａ）に設定される。また、基板Ｗの温度は２００℃以下が好ましい。そして、ガス供給部５０から処理ガスとして、Ｈｅガス、またはＨｅガスおよびＡｒガスを含み、水素を含まないガスを処理容器１０内に供給し、第２の高周波電源９０から下部電極である基板載置台にプラズマ生成用の１３．５６ＭＨｚ以下の高周波電力が供給される。これにより、上部電極３４と下部電極である基板載置台１６との間に処理ガスのプラズマが生成され、基板Ｗのカーボン膜に対するプラズマ後処理が施される。
処理ガス中に水素を含まないとしたのは、水素は炭素含有ガスに含まれ、炭素含有ガスに対して親和性が高いガスであり、ストレスを緩和する効果を有するが、水素を含むと、膜密度が低下し、ＤＥＲも低下してしまうからである。これに対し、ＨｅガスおよびＡｒガスはカーボン膜の膜質に影響を及ぼさない。一方、膜ストレスを緩和する効果はＡｒガスよりもＨｅガスのほうが大きい。したがって、後処理の処理ガスを、Ｈｅガス、またはＨｅガスおよびＡｒガスを含み、水素を含まないガスとする。好ましくは、Ｈｅガス単独、またはＨｅガスとＡｒガスの混合ガスである。ＨｅガスおよびＡｒガスに対するＨｅガスの流量比率（Ｈｅガス流量／（Ｈｅガス流量＋Ａｒガス流量）×１００％）は、８０％以上であることが好ましい。ＨｅガスおよびＡｒガスに対するＨｅガスの流量比率を８０％以上にすることにより、ストレス緩和効果が大きく、かつ膜厚変化を小さくすることができる。より好ましくは９０％以上である。ステップＳＴ３における処理ガスの流量は、１０～５００ｓｃｃｍが好ましい。
高周波電力に関しては、ステップＳＴ２と同様に、第１の高周波電源８９および第２の高周波電源９０からの２周波印加でもよいが、周波数が高すぎる場合や、高い周波数を含む２周波印加では、ストレス低減効果が小さく、また膜厚変化が生じるという不都合が生じる。このような観点から、高周波電力は１周波印加で周波数は１３．５６ＭＨｚ以下が好ましい。図１の基板処理装置１００では、周波数が１３．５６ＭＨｚ以下の第２の高周波電源９０のみから下部電極である基板載置台１６に高周波電力が供給されることが好ましい。
ステップＳＴ３においても、下部電極である基板載置台１６に高周波電力が供給されることにより、上部電極３４と下部電極である基板載置台１６との間に高周波電界が形成され、容量結合プラズマが生成される。そして、処理ガスのプラズマにより後処理が施され、カーボン膜のストレスが低減される。
ステップＳＴ３のプラズマ後処理は、ストレス低減効果の膜厚依存性は小さく、カーボン膜が１μｍの厚膜であっても、２ｍｉｎ程度の処理でストレス低減が可能である。
ハードマスクとして用いられるカーボン膜は、その上にＳｉＯＮ膜のような膜が成膜され、その際に、２００～４５０℃、例えば４００℃でアニールされる。このとき、従来のようにプラズマＣＶＤによりカーボン膜成膜後、直接アニールが施されると、カーボン膜の歪は緩和されず、より高ストレスの膜となる。この際のストレスはコンプレッシブ方向に作用し、基板（半導体ウエハ）の反り量は大きくなる。ハードマスクは１μｍ程度の厚膜の場合が多く、基板の反りが大きくなり、次工程のリソグラフィー工程で不具合が生じる。これに対し、本実施形態では、カーボン膜を成膜後、プラズマ後処理を行うことにより膜ストレスが緩和され、その後のアニールによってもカーボン膜のストレスは上昇することはなく、むしろより低下させることができる。このため、次工程へ影響を及ぼすことを回避することができる。
以上のように、本実施形態の基板処理方法によれば、Ｈｅガス、またはＨｅガスおよびＡｒガスを含み、水素を含まないガスのプラズマ後処理を行うことにより、良好な膜質を維持しつつ低ストレスのカーボン膜を得ることができる。このため、膜厚依存性がなく、１μｍ以上の厚膜のカーボン膜を成膜することができる。
また、このような後処理を行うことにより、カーボン膜成膜後に４００℃程度のアニールが施された際に、カーボン膜のストレスが上昇して基板に反りが発生することを回避することができる。
また、カーボン膜の成膜とその後のプラズマ後処理を、同一の基板処理装置の同一の処理容器内でガスおよび高周波電力の設定を変えるだけで連続して行うことができるので、生産性への影響をおよぼすことなく、低ストレスのカーボン膜を形成することが可能である。
＜基板処理装置の他の例＞
図４は実施形態に係る基板処理方法を実施する基板処理装置の他の例を概略的に示す断面図である。
本例の基板処理装置１０１は、図１の基板処理装置と同様の容量結合プラズマ処理装置として構成されている。基板処理装置１０１は、図１における周波数の高いほうの第１の高周波電源８９の代わりに、上部電極３４に接続された第１の高周波電源８９´を有している。第１の高周波電源８９´は、整合器８７´および給電棒９１を介して上部電極３４に接続されている。整合器８７´は、第１の高周波電源８９´側のインピーダンスに負荷（プラズマ）インピーダンスを整合させるためのものである。上部電極３４には、第１の高周波電源８９´からの高周波は通さずに第２の高周波電源９０からの高周波をグランドへ通すためのローパスフィルタ９２が電気的に接続されている。一方、下部電極である基板載置台１６には、第１の高周波電源８９´からの高周波をグランドに通すためのハイパスフィルタ９４が電気的に接続されている。
図４の基板処理装置１０１において、他の構成は図１の基板処理装置１００と同様である。したがって、図４中、図１と同じものには同じ符号を付して説明を省略する。
図４の基板処理装置１０１では、第１の高周波電源８９´から上部電極３４に、周波数が高い、好ましくは１００ＭＨｚ以上の高周波電力が供給される。また、第２の高周波電源９０からは、図１の基板処理装置１００と同様、周波数が低い、好ましくは１３．５６ＭＨｚ以下の高周波電力が供給される。第１の高周波電源８９´と第２の高周波電源９０は高周波電源部を構成する。
図４の基板処理装置１０１では、ステップＳＴ２のカーボン膜の成膜の際には、第１の高周波電源８９´から上部電極３４にプラズマ生成用の高周波電力を供給し、第２の高周波電源９０から下部電極である基板載置台１６にバイアス印加用の高周波電力を供給する。ステップＳＴ２は、プラズマ生成用の高周波電力が上部電極３４に印加される以外は、上述した条件と同様の条件で実施される。
また、ステップＳＴ３のプラズマ後処理は、ステップＳＴ２と同様に、第１の高周波電源８９´および第２の高周波電源９０からの２周波印加でもよいが、図１の基板処理装置１００の場合と同様、１周波印加で周波数は１３．５６ＭＨｚ以下が好ましい。また、他の条件についても上述した条件と同様の条件で実施される。
＜実験例＞
次に、実験例について説明する。
［実験例１］
ここでは、カーボン膜成膜後のプラズマ後処理について、処理ガスの影響を確認した。
まず、図１に示す構造を有する基板処理装置を用い、以下の条件でカーボン膜を成膜した。
・成膜条件
温度：６０℃
圧力：２０ｍＴｏｒｒ
Ａｒガス：４００ｓｃｃｍ
Ｃ２Ｈ２ガス：５０ｓｃｃｍ
第１の高周波電源（ＨＦ）：１００ＭＨｚ、２ｋＷ
第２の高周波電源（ＬＦ）：１３．５６ＭＨｚ、０．５ｋＷ
時間：３０ｓｅｃ
その後、プラズマ後処理を、処理ガスとしてＡｒガス、Ｈ２ガス、Ｎ２ガス、Ｈｅガスを用いて以下の条件で行った。
・プラズマ後処理条件
温度：６０℃
圧力：２０ｍＴｏｒｒ
ガス流量：５００ｓｃｃｍ
第１の高周波電源（ＨＦ）：１００ＭＨｚ、１ｋＷ
第２の高周波電源（ＬＦ）：１３．５６ＭＨｚ、１ｋＷ
時間：３０ｓｅｃ
上記処理ガスを用いてプラズマ後処理を行った後、カーボン膜の膜厚とストレスを測定した。膜厚は成膜したままの厚さを１００％として％表示した。比較のため、プラズマ後処理を行わない場合（Ｒｅｆ．）にも同様にカーボン膜の厚さとストレスを測定した。結果を図５に示す。
図５に示すように、Ａｒガスの場合は膜ストレスを低下させる効果は見られなかった。また、Ｎ２ガスの場合は膜ストレスを低下させる効果は小さく、スパッタによる膜厚低下が大きかった。これに対しＨｅガスおよびＨ２ガスの場合は、後処理後の膜厚変化が小さく、膜ストレスを低下させる効果が大きかった。
［実験例２］
ここでは、プラズマ後処理について、Ｈｅガスを用いた場合とＨ２ガスを用いた場合とで比較した。
まず、図１に示す構造を有する基板処理装置を用い、Ｃ２Ｈ２ガスの流量を１８０ｓｃｃｍとした以外は実験例１と同じ条件でカーボン膜を成膜した。
その後、プラズマ後処理を、ＨｅガスまたはＨ２ガスを用いた以下の共通条件とし、時間を変化させて行った。
・プラズマ後処理条件
温度：６０℃
圧力：２０ｍＴｏｒｒ
ＨｅガスｏｒＨ２ガス：４００ｓｃｃｍ
Ａｒガス：１００ｓｃｃｍ
ＨＦ（１００ＭＨｚ）：０Ｗ
ＬＦ（１３．５６ＭＨｚ）：２ｋＷ
以上のようにプラズマ後処理を行った後、カーボン膜のストレスと屈折率ｎを測定した。屈折率ｎはカーボン膜の密度に対応する指標であり、ｎの２乗が密度に比例するという対応関係がある。図６に処理時間と膜ストレスとの関係、図７は処理時間と屈折率ｎとの関係を示す。なお、図６および図７には、比較としてプラズマ後処理を行わなかった場合（Ｒｅｆ．）の結果も示している。
また、それぞれＨ２ガスおよびＨｅガスを用いて上記条件にて３０ｓｅｃずつサイクリックにプラズマ照射したカーボン膜に対しドライエッチングを施した。図８は、そのときのサイクル数とドライエッチレート（ＤＥＲ）との関係を示す図である。
図６に示すように、Ｈｅガスを用いた場合もＨ２ガスを用いた場合もストレスは低下しており、ストレス低減効果はＨ２ガスのほうが高かった。しかし、図７に示すように、Ｈｅガスを用いた場合には屈折率ｎは低下しないのに対し、Ｈ２ガスを用いた場合は屈折率ｎが低下していることが確認された。また、図８に示すように、Ｈｅを用いた場合には８サイクルでもＤＥＲの変化がないのに対して、Ｈ２ガスを用いた場合には８サイクルでＤＥＲが上昇していることが確認された。
このように、Ｈ２ガスは、ストレス低減効果が高いものの、膜密度を低下させＤＥＲを上昇させ、カーボン膜の膜質を低下させてしまうが、Ｈｅガスは、カーボン膜の密度の低下やＤＥＲの上昇を生じさせずにストレスを低減できる。すなわち、プラズマ後処理の処理ガスとしてＨ２ガスよりＨｅガスのほうが適していることが確認された。
［実験例３］
実験例１、２において、Ｈｅガスがプラズマ後処理の処理ガスとして適していることが確認されたが、ここでは、プラズマ後処理の処理ガスとしてＨｅガスとＡｒガスを用いた場合について実験を行った。
まず、図１に示す構造を有する基板処理装置を用いて、実験例２と同じ条件でカーボン膜を成膜した。
その後、プラズマ後処理を、以下の条件でＨｅガスとＡｒガスの流量比率を変化させて行った。
・プラズマ後処理条件
温度：６０℃
圧力：２０ｍＴｏｒｒ
ガス流量：５００ｓｃｃｍ
ＨＦ（１００ＭＨｚ）：０Ｗ
ＬＦ（１３．５６ＭＨｚ）：２ｋＷ
時間：１２０ｓｅｃ
以上のようにプラズマ後処理を行った後、ＨｅガスおよびＡｒガスに対するＨｅガスの流量比率（｛Ｈｅガス流量／（Ｈｅガス流量＋Ａｒガス流量）｝×１００（％）；以下Ｈｅ／（Ｈｅ＋Ａｒ）比率と記す）とカーボン膜のストレス変化量との関係、およびＨｅ／（Ｈｅ＋Ａｒ）比率とカーボン膜の膜厚変化量との関係を求めた。その結果を図９および図１０に示す。
プラズマ後処理は、ストレスの変化量（ストレス改善効果）が大きいほど、膜厚変化量が小さいほど望ましい。図９からＨｅ／（Ｈｅ＋Ａｒ）比率が８０％で最もストレス変化量が大きくなっており、Ｈｅガスが１００％まで高いストレス変化量が維持されていることがわかる。また、図１０からＨｅ／（Ｈｅ＋Ａｒ）比率が８０％を超えたあたりから膜厚変化量が急激に低下していることがわかる。これらの結果から、Ｈｅ／（Ｈｅ＋Ａｒ）比率は８０％以上が好ましく、９０％以上がより好ましいことが確認された。
［実験例４］
ここでは、プラズマ後処理における圧力の影響について実験を行った。
まず、図１に示す構造を有する基板処理装置を用いて、実験例２と同じ条件でカーボン膜を成膜した。
その後、プラズマ後処理を、以下の条件で圧力を変化させて行った。
・プラズマ後処理条件
温度：６０℃
Ｈｅガス：４００ｓｃｃｍ
Ａｒガス：１００ｓｃｃｍ
ＨＦ（１００ＭＨｚ）：０Ｗ
ＬＦ（１３．５６ＭＨｚ）：２ｋＷ
時間：１２０ｓｅｃ
以上のようにプラズマ後処理を行った後、圧力とカーボン膜のストレス変化量との関係、および圧力とカーボン膜の膜厚変化量との関係を求めた。その結果を図１１および図１２に示す。
上述したように、プラズマ後処理は、ストレスの変化量（ストレス改善効果）が大きいほど、膜厚変化量が小さいほど望ましい。図１１から圧力が３０ｍＴｏｒｒのときに最もストレス変化量が大きくなっていることがわかる。また、図１２から膜厚変化量についても圧力が３０ｍＴｏｒｒのときに大きくなっていることがわかる。圧力が１０ｍＴｏｒｒでは膜厚変化量が小さくなるものの、ストレスの変化量も小さくストレス改善効果は小さい。一方、圧力が１００ｍＴｏｒｒではストレス変化量が３０ｍＴｏｒｒよりも低下しているが比較的高い値を維持しており、また膜厚変化量も低下している。このデータから、３０ｍＴｏｒｒにおいて膜厚変化量が多少大きくなるもののストレス変化量が大きく、３０ｍＴｏｒｒ付近が好ましいことが確認された。
［実験例５］
ここでは、プラズマ後処理における高周波電力の影響について実験を行った。
まず、図１に示す構造を有する基板処理装置を用いて、実験例１と同じ条件でカーボン膜を成膜した。
その後、プラズマ後処理を、以下の共通条件とした上で高周波電力の印加条件を変化させて行った。
・プラズマ後処理条件
温度：６０℃
圧力：２０ｍＴｏｒｒ
Ｈｅガス：４００ｓｃｃｍ
Ａｒガス：１００ｓｃｃｍ
時間：１２０ｓｅｃ
高周波電力の印加条件は、条件Ａ：ＨＦ（１００ＭＨｚ）およびＬＦ（１３．５６ＭＨｚ）のいずれも１０００Ｗ、条件Ｂ：ＨＦ（１００ＭＨｚ）のみ２０００Ｗ、条件Ｃ：ＬＨ（１３．５６ＭＨｚ）のみ２０００Ｗとした。
以上のように高周波電力の印加条件を変化させてプラズマ後処理を行った後、カーボン膜の膜厚とストレスを測定した。膜厚は成膜したままの厚さを１００％として％表示した。比較のため、プラズマ後処理を行わない場合（Ｒｅｆ．）にも同様にカーボン膜の厚さとストレスを測定した。結果を図１３に示す。
図１３に示すように、条件Ｂの１００ＭＨｚのみ印加した場合は、ストレスの低下は見られず、膜厚変化が大きかった。また、条件Ａの１００ＭＨｚおよび１３．５６ＭＨｚの両方を印加した場合は、ストレスの低下量が少なく、膜厚変化も大きかった。これに対し、条件Ｃの１３．５６ＭＨｚのみを印加した場合は、膜厚変化を小さく維持しつつ、ストレスを大きく低減できることが確認された。
［実験例６］
ここでは、プラズマ後処理における膜厚の影響について実験を行った。
まず、図１に示す構造を有する基板処理装置を用いて以下の条件とし、処理時間を変化させて膜厚が３２０ｎｍ、５６０ｎｍ、１１００ｎｍのカーボン膜の成膜を行った。
・成膜条件
温度：６０℃
圧力：２０ｍＴｏｒｒ
Ａｒガス：４５ｓｃｃｍ
Ｃ２Ｈ２ガス：１８０ｓｃｃｍ
ＨＦ（１００ＭＨｚ）：２ｋＷ
ＬＦ（１３．５６ＭＨｚ）：０．５ｋＷ
その後、プラズマ後処理を、以下の条件で行った。
・プラズマ後処理条件
温度：６０℃
圧力：２０ｍＴｏｒｒ
Ｈｅガス：４００ｓｃｃｍ
Ａｒガス：１００ｓｃｃｍ
ＨＦ（１００ＭＨｚ）：０Ｗ
ＬＦ（１３．５６ＭＨｚ）：２ｋＷ
時間：１２０ｓｅｃ
以上のようにプラズマ後処理を行った後、膜厚とストレスとの関係を求めた。その結果を図１４に示す。この図に示すように、膜厚にかかわらずストレス低減効果が得られており、ストレス低減効果の膜厚依存性が小さいことが確認された。
また、上記条件で膜厚１０００ｎｍ（１μｍ）のカーボン膜を成膜した後、プラズマ後処理を時間を変化させて行った。その際の後処理時間とストレスとの関係を図１５に示す。この図に示すように、カーボン膜の膜厚が１μｍと厚い場合でも、２ｍｉｎ程度の処理でストレス低減効果が得られることが確認された。
［実験例７］
ここでは、カーボン膜に対するアニールの影響について実験した。
まず、図１に示す構造を有する基板処理装置を用い、実験例６と同様の条件で基板上に膜厚が１０００ｎｍ（１μｍ）のカーボン膜を成膜した。その後、ＳｉＯＮ膜の成膜を模擬した４００℃のアニールを行った。成膜したまま（Ａｓ Ｄｅｐｏ．）とアニール後のカーボン膜のストレスを測定した。その結果を図１６に示す。この図に示すように、成膜したままのカーボン膜のストレスは－５００Ｐａ以上と高く、４００℃のアニールを行うことによりストレスがさらに高くなっていることがわかる。
次に、同様の条件で基板上にカーボン膜を成膜した後、実験例６と同様の条件でプラズマ後処理を行った。その後、ＳｉＯＮ膜の成膜を模擬した４００℃のアニールを行った。成膜したまま（Ａｓ Ｄｅｐｏ．）と、後処理後と、アニール後のカーボン膜のストレスを測定した。その結果を図１７に示す。この図に示すように、プラズマ後処理によりカーボン膜のストレスは２００ＭＰａ程度低減しており、４００℃のアニールによりさらに低減することが確認された。
＜他の適用＞
以上、実施形態について説明したが、今回開示された実施形態は、全ての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。上記の実施形態は、添付の特許請求の範囲およびその主旨を逸脱することなく、様々な形態で省略、置換、変更されてもよい。
例えば、上記実施形態においては、基板処理装置として容量結合プラズマ処理装置を用いた例を示したが、これに限らず、誘導結合プラズマやマイクロ波プラズマ等他のプラズマを用いるものであってもよい。
また、上記実施形態においては、カーボン膜の成膜とプラズマ後処理とを同じ処理容器内で連続して行っているが、別々の処理容器を用いて行ってもよい。その場合には、カーボン膜の成膜とプラズマ後処理で用いるプラズマは、同じ生成手法で生成されたものであっても異なる生成手法で生成されたものであってもよい。
１０；処理容器
１６；基板載置台（下部電極）
３４；上部電極
５０；ガス供給部
６４；排気装置
８０；制御部
８９；第１の高周波電源
９０；第２の高周波電源
１００，１０１；基板処理装置
Ｗ；基板

Claims (15)

  1. 炭素含有ガスを含む処理ガスを用いたプラズマＣＶＤにより基板上にカーボン膜を成膜する工程と、
    成膜された前記カーボン膜に対して、ヘリウムガス、またはヘリウムガスおよびアルゴンガスを含み、水素を含まない処理ガスのプラズマにより前記カーボン膜の膜ストレスを低減させるプラズマ後処理を施す工程と、
    を含む、基板処理方法。
  2. 前記プラズマ後処理を施す工程は、ヘリウムガスおよびアルゴンガスに対するヘリウムガスの流量比率を｛（ヘリウムガス流量／（ヘリウムガス流量＋アルゴンガス流量））×１００（％）で表した場合に、前記流量比率を８０％以上として行われる、請求項１に記載の基板処理方法。
  3. 前記カーボン膜を成膜する工程は、前記処理ガスとして前記炭素含有ガスと希ガスからなる希釈ガスを含むものを用いて行われる、請求項１または請求項２に記載の基板処理方法。
  4. 前記カーボン膜を成膜する工程と、前記プラズマ後処理を施す工程は、同一の処理容器内で連続して行われる、請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の基板処理方法。
  5. 前記カーボン膜を成膜する工程と、前記プラズマ後処理を施す工程は、基板を載置する基板載置台である下部電極と、前記下部電極に対向する上部電極との間に高周波電界を形成して生成される容量結合プラズマによって行われる、請求項４に記載の基板処理方法。
  6. 前記カーボン膜を成膜する工程は、周波数が１００ＭＨｚ以上の第１の高周波電力を前記下部電極または前記上部電極に印加し、周波数が１３．５６ＭＨｚの第２の高周波電力を前記下部電極に印加して行われる、請求項５に記載の基板処理方法。
  7. 前記プラズマ後処理を施す工程は、周波数が１３．５６ＭＨｚ以下の高周波電力を前記下部電極に印加して行われる、請求項５または請求項６に記載の基板処理方法。
  8. 前記プラズマ後処理を施す工程は、圧力を１．３３～１３．３Ｐａの範囲にして行われる、請求項５から請求項７のいずれか一項に記載の基板処理方法。
  9. 前記カーボン膜はハードマスクとして用いられる、請求項１から請求項８のいずれか一項に記載の基板処理方法。
  10. 前記プラズマ後処理を施す工程の後、前記カーボン膜に２００～４５０℃の範囲のアニールが施された際に前記カーボン膜の膜ストレスが上昇しない、請求項１から請求項９のいずれか一項に記載の基板処理方法。
  11. 基板を収容する処理容器と、
    前記処理容器内に基板を載置する基板載置台として設けられた下部電極と、
    前記下部電極に対向して設けられた上部電極と、
    前記処理容器内に、処理に使用するガスを供給する処理ガス供給部と、
    前記処理容器内を排気して前記処理容器内の圧力を調整するための排気部と、
    前記下部電極と前記上部電極との間に高周波電界を形成して容量結合プラズマを生成するための高周波電源部と、
    前記処理ガス供給部、前記排気部、および前記高周波電源部を制御する制御部と、
    を有し、
    前記制御部は、前記処理容器内に基板が収容された状態で、炭素含有ガスを含む処理ガスを用いたプラズマＣＶＤにより基板上にカーボン膜を成膜する工程と、成膜された前記カーボン膜に対して、ヘリウムガス、またはヘリウムガスおよびアルゴンガスを含み、水素を含まない処理ガスのプラズマにより前記カーボン膜の膜ストレスを低減させるプラズマ後処理を施す工程と、が連続して実施されるように制御する、基板処理装置。
  12. 前記高周波電源部は、周波数が１００ＭＨｚ以上の第１の高周波電源と、周波数が１３．５６ＭＨｚ以下の第２の高周波電源とを有し、
    前記第１の高周波電源は、前記下部電極または前記上部電極に高周波電力を印加し、前記第２の高周波電源は、前記下部電極に高周波電力を印加する、請求項１１に記載の基板処理装置。
  13. 前記制御部は、前記カーボン膜を成膜する工程を実施する際に、前記第１の高周波電源および前記第２の高周波電源から高周波電力を印加し、前記プラズマ後処理を施す工程を実施する際に、前記第２の高周波電源から高周波電力を印加するように前記高周波電源部を制御する、請求項１２に記載の基板処理装置。
  14. 前記制御部は、前記プラズマ後処理を施す工程の際に、ヘリウムガスおよびアルゴンガスに対するヘリウムガスの流量比率を｛（ヘリウムガス流量／（ヘリウムガス流量＋アルゴンガス流量））×１００（％）で表した場合に、前記流量比率を８０％以上となるように制御する、請求項１１から請求項１３のいずれか一項に記載の基板処理装置。
  15. 前記制御部は、前記プラズマ後処理を施す工程の際に、前記処理容器内の圧力を１．３３～１３．３Ｐａの範囲となるように制御する、請求項１１から請求項１４のいずれか一項に記載の基板処理装置。
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