JP2023012621A - 成膜方法及びプラズマ処理装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】炭素含有膜の応力を低減させる。【解決手段】処理容器を有するプラズマ処理装置において基板上に炭素含有膜を形成する成膜方法であって、（ａ）前記処理容器内に酸素雰囲気を形成する工程と、（ｂ）前記処理容器内の載置台に前記基板を載置する工程と、（ｃ）前記処理容器内に炭素含有ガスを供給し、プラズマ生成用の高周波電力により該炭素含有ガスからプラズマを生成し、炭素含有膜を成膜する工程と、を含む成膜方法が提供される。【選択図】図３

Description

本開示は、成膜方法及びプラズマ処理装置に関する。
ＮＡＮＤやＤＲＡＭ等のデバイスを製造するためにエッチング用マスクとしてカーボン系ハードマスクが使用されている。カーボン系ハードマスクとしては、アモルファスカーボンが一般的である。近年、ＮＡＮＤやＤＲＡＭ等のデバイスは年々微細化しており、カーボン系ハードマスクにおいても高いエッチング選択性や低減された応力（圧縮応力）などの特性への要求が厳しくなってきている。カーボン系ハードマスクの特性への要求を達成するために、例えば、アモルファスカーボンハードマスクへドーパントを注入することで、ハードマスクの硬度や密度を増加させる技術が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
特開２０１７－５０４２０９号公報
本開示は、炭素含有膜の応力を低減させることができる技術を提供する。
本開示の一の態様によれば、処理容器を有するプラズマ処理装置において基板上に炭素含有膜を形成する成膜方法であって、（ａ）前記処理容器内に酸素雰囲気を形成する工程と、（ｂ）前記処理容器内の載置台に前記基板を載置する工程と、（ｃ）前記処理容器内に炭素含有ガスを供給し、プラズマ生成用の高周波電力により該炭素含有ガスからプラズマを生成し、炭素含有膜を成膜する工程と、を含む成膜方法が提供される。
一の側面によれば、炭素含有膜の応力を低減させることができる。
実施形態に係るプラズマ処理装置の一例を示す図。 実施形態に係る炭素含有膜の成膜方法の一例を示すフローチャート。 第１実施形態に係る成膜条件と膜特性の一例を示す図。 ラマンスペクトル、ＤＬＣ膜の応力及びエッチング耐性の一例を示す図。 第２実施形態に係る成膜条件と膜特性の一例を示す図。 ラマンスペクトル、ＤＬＣ膜の応力及びエッチング耐性の一例を示す図。 ＤＬＣ膜中のｓｐ３結合の一例を示す図。
以下、図面を参照して本開示を実施するための形態について説明する。各図面において、同一構成部分には同一符号を付し、重複した説明を省略する場合がある。
［プラズマ処理装置］
本実施形態に係るプラズマ処理装置１について、図１を用いて説明する。図１は、本実施形態に係るプラズマ処理装置１の一例を示す概略断面図である。プラズマ処理装置１は、減圧状態の処理容器２内でＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法によりウエハを一例とする基板Ｗに炭素含有膜（例えば、ＤＬＣ膜）を成膜する装置である。
プラズマ処理装置１は、略円筒状の気密な処理容器２を備える。処理容器２の底壁の中央部分には、排気室２１が設けられている。排気室２１は、下方に向けて突出する例えば略円筒状の形状を備える。排気室２１には、例えば排気室２１の側面において、排気流路２２が接続されている。排気流路２２には、圧力調整部２３を介して排気部２４が接続されている。圧力調整部２３は、例えばバタフライバルブ等の圧力調整バルブを備える。排気流路２２は、排気部２４によって処理容器２内を減圧できるように構成されている。処理容器２の側面には、搬送口２５が設けられている。搬送口２５は、ゲートバルブ２６によって開閉自在に構成されている。処理容器２内と搬送室（図示せず）との間における基板Ｗの搬入出は、搬送口２５を介して行われる。
処理容器２内には、基板Ｗを略水平に保持するための載置台３が設けられている。載置台３は、平面視で略円形状に形成されており、支持部材３１によって支持されている。載置台３の表面には、例えば直径が３００ｍｍの基板Ｗを載置するための略円形状の凹部３２が形成されている。凹部３２は、基板Ｗの直径よりも僅かに（例えば１ｍｍ～４ｍｍ程度）大きい内径を有する。凹部３２の深さは、例えば基板Ｗの厚さと略同一に構成される。載置台３は、例えば窒化アルミニウム（ＡｌＮ）等のセラミックス材料により形成されている。また、載置台３は、ニッケル（Ｎｉ）等の金属材料により形成されていてもよい。なお、凹部３２の代わりに載置台３の表面の周縁部に基板Ｗをガイドするガイドリングを設けてもよい。
載置台３には、下部電極３３が埋設される。下部電極３３の下方には、温調機構３４が埋設される。温調機構３４は、制御部９からの制御信号に基づいて、載置台３に載置された基板Ｗを設定温度に調整する。
下部電極３３には、整合器３５１を介してＲＦ電源３５が接続されている。ＲＦ電源３５は、後述するＲＦ電源５１の周波数よりも低い周波数（ＬＦ；Low Frequency）の電力を下部電極３３に印加する。ＲＦ電源３５が発生する低周波電力は、基板Ｗにイオンを引き込むためのバイアス用の低周波電力として用いられる。ＲＦ電源３５の周波数は、４５０ｋＨｚ～２７ＭＨｚであり、例えば、１３．５６ＭＨｚである。
載置台３には、載置台３に載置された基板Ｗを保持して昇降するための複数本（例えば３本）の昇降ピン４１が設けられている。昇降ピン４１の材料は、例えばアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）等のセラミックスや石英等であってよい。昇降ピン４１の下端は、支持板４２に取り付けられている。支持板４２は、昇降軸４３を介して処理容器２の外部に設けられた昇降機構４４に接続されている。
昇降機構４４は、例えば排気室２１の下部に設置されている。ベローズ４５は、排気室２１の下面に形成された昇降軸４３用の開口部２１１と昇降機構４４との間に設けられている。支持板４２の形状は、載置台３の支持部材３１と干渉せずに昇降できる形状であってもよい。昇降ピン４１は、昇降機構４４によって、載置台３の表面の上方の側と、載置台３の表面の下方の側との間で、昇降自在に構成される。言い換えると、昇降ピン４１は、載置台３の上面から突出可能に構成される。
また、支持部材３１の下端部は、排気室２１の開口部２１２を貫通し、処理容器２の下方に配置された昇降板４７を介して、昇降機構４６に支持される。排気室２１の底部と昇降板４７との間には、ベローズ４８が設けられており、昇降板４７の上下動によっても処理容器２内の気密性は保たれる。
昇降機構４６が昇降板４７を昇降させることにより、載置台３を昇降することができる。これにより、載置台３と上部電極プレート５の下面とのギャップを調整することができる。
処理容器２の天壁２７には、絶縁部材２８を介して上部電極プレート５が設けられている。上部電極プレート５は、上部電極を成しており、下部電極３３に対向して平行に配置されている。上部電極プレート５には、整合器５１１を介してＲＦ電源５１が接続されている。ＲＦ電源５１は、ＲＦ電源３５の周波数よりも高い周波数（ＨＦ；High Frequency）の電力を上部電極プレート５に供給する。ＲＦ電源５１が発生する高周波電力は、基板Ｗの成膜に必要なプラズマ生成用の高周波電力として用いられる。ＲＦ電源５１の周波数は、例えば、２ＭＨｚ～１ＧＨｚである。ＲＦ電源５１から上部電極プレート５にＲＦ電力が印加される。これにより、載置台３と上部電極プレート５との間にＲＦ電界が生じるように構成されている。上部電極プレート５は、中空状のガス拡散室５２を備える。ガス拡散室５２の下面には、処理容器２内へ処理ガスを分散供給するための多数の孔５３が例えば均等に配置されている。上部電極プレート５における例えばガス拡散室５２の上方には、加熱機構５４が埋設されている。加熱機構５４は、制御部９からの制御信号に基づいて図示しない電源部から給電されることによって、設定温度に加熱される。
ガス拡散室５２には、ガス供給路６が設けられている。ガス供給路６は、ガス拡散室５２に連通している。ガス供給路６の上流側には、ガスライン６２を介してガス源６１が接続されている。ガス源６１は、例えば各種の処理ガスの供給源、マスフローコントローラ、バルブ（いずれも図示せず）を含む。炭素含有膜の形成方法において用いられる炭素含有ガスには、例えば、ＣＨ４、Ｃ２Ｈ２、Ｃ２Ｈ４、Ｃ３Ｈ６を含む。また、炭素含有ガスは、不活性ガスや希釈ガス（例えば、Ｈ２、Ａｒ、Ｈｅ、Ｏ２、Ｎ２）を含んでもよい場合がある。各種のスは、ガス源６１からガスライン６２を介してガス拡散室５２に導入される。
プラズマ処理装置１は、制御部９を備える。制御部９は、例えばコンピュータであり、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、補助記憶装置等を備える。ＣＰＵは、ＲＯＭ又は補助記憶装置に格納されたプログラムに基づいて動作し、プラズマ処理装置１の動作を制御する。制御部９は、プラズマ処理装置１の内部に設けられていてもよく、外部に設けられていてもよい。制御部９がプラズマ処理装置１の外部に設けられている場合、制御部９は、有線又は無線等の通信手段によって、プラズマ処理装置１を制御できる。
［成膜方法］
次に、本実施形態に係るプラズマ処理装置１を用いた炭素含有膜の成膜方法の一例について、図２を用いて説明する。図２は、実施形態に係るプラズマ処理装置１を用いた炭素含有膜の成膜方法の一例を示すフローチャートである。係るプラズマ処理装置１の動作により実施形態に係る成膜方法ＭＴが実行される。
ステップＳ１において、制御部９は、処理容器２内に酸素雰囲気を形成する。具体的には、基板Ｗが処理容器２内に搬送される前に、制御部９は、ガス源６１を制御して処理容器２内に酸素含有ガスを供給して処理容器２内を酸素含有ガスにさらす。また、例えば、制御部９は、ガス源６１を制御して処理容器２内に炭素含有ガスを供給し、ＲＦ電源５１を制御して上部電極プレート５に高周波電力（ＨＦ）を印加する。そして酸素含有ガスのプラズマを生成し、処理容器２内を該プラズマにさらす。また、例えば、処理容器２内を酸素含有ガスにさらすことと、酸素含有ガスのプラズマにさらすこととの両方を含んでもよい。また、酸素含有ガスは、Ｏ２ガスであり、不活性ガスを含んでもよく、Ａｒガス等で希釈した酸素含有ガスを処理容器２内に供給することがより好ましい。
ステップＳ３において、制御部９は、基板Ｗを準備する。制御部９は、図示しない搬送装置を制御して、プラズマ処理装置１の載置台３に基板Ｗを載置する。プラズマ処理装置１は、基板Ｗの上に炭素含有膜を形成する。炭素含有膜の一例は、ＤＬＣ（Diamond Like Carbon）膜である。
ステップＳ５において、制御部９は、酸素雰囲気が形成された処理容器２内に載置された基板Ｗの上に、例えば、炭素含有ガスのプラズマで炭素含有膜を形成する。制御部９は、温調機構３４を制御して、基板Ｗの温度を所定の温度とする。また、温調機構３４は、圧力調整部２３及び排気部２４を制御して、処理容器２内を所定の圧力とする。また、制御部９は、ガス源６１を制御して処理容器２内に炭素含有ガスを供給する。また、制御部９は、ＲＦ電源５１を制御して上部電極プレート５に高周波電力（ＨＦ）を印加する。制御部９は、ＲＦ電源３５を制御して下部電極３３に低周波電力（ＬＦ）を印加する。これにより、炭素含有ガスのプラズマが生成され、このプラズマにより基板Ｗの上に膜中に酸素（Ｏ）を含む炭素含有膜が形成される。
なお、ステップＳ５における成膜条件の例を２つ挙げる。
＜第１実施形態：成膜条件１＞
載置台と上部電極プレートとのギャップ：３０ｍｍ～６０ｍｍ
ガス種：ＣＨ４ガス
ＣＨ４ガス供給量：４０ｓｃｃｍ
処理容器内圧力：３Ｐａ～１００Ｐａ
高周波電力（ＨＦ）：４０ＭＨｚ～１ＧＨｚ（例えば１８０ＭＨｚ）、１００～３０００Ｗ
低周波電力（ＬＦ）：４５０ｋＨｚ～２７ＭＨｚ（例えば、１３.５６ＭＨｚ）、１００～２０００Ｗ
載置台温度：２０℃～３２０℃
＜第２実施形態：成膜条件２＞
載置台と上部電極プレートとのギャップ：３０ｍｍ～６０ｍｍ
ガス種：Ｃ２Ｈ２ガス、Ａｒガス
Ｃ２Ｈ２ガスの供給量：２．５ｓｃｃｍ、Ａｒガスの供給量：２２．５ｓｃｃｍ
＊ただし、Ａｒガスの替わりにＨ２ガス、Ｎ２ガス、Ｈｅガスを使用してもよい。
処理容器内圧力：３Ｐａ～１００Ｐａ
高周波電力（ＨＦ）：４０ＭＨｚ～１ＧＨｚ、１００～３０００Ｗ
低周波電力（ＬＦ）：４５０ｋＨｚ～２７ＭＨｚ、１００～２０００Ｗ
載置台温度：２０℃～３２０℃
炭素含有膜の形成方法として、図２に示すように処理容器２内に酸素雰囲気を形成し（ステップＳ１）、基板Ｗを処理容器２内に載置し（ステップＳ３）、炭素含有ガスのプラズマを用いて基板Ｗ上に炭素含有膜を形成する（ステップＳ５）ことを一例として述べてきたが、この限りではない。例えば、処理容器２内に基板Ｗを載置する工程の後であって、炭素含有膜を成膜する工程の前に酸素含有ガスにさらしてから、炭素含有膜を形成してもよいし、酸素含有プラズマに短時間基板Ｗをさらしてから炭素含有膜を形成してもよい。また、例えば、炭素含有膜を成膜する工程の後に、酸素含有ガスにさらしてもよいし、酸素含有プラズマに短時間基板をさらしてもよい。また、例えば、炭素含有膜を成膜する工程と酸素雰囲気を形成する工程とを繰り返してもよい。このように処理容器２内に酸素雰囲を形成して炭素含有膜を形成することで、膜中に酸素（Ｏ）を含む炭素含有膜を形成できる。また、処理容器内に酸素雰囲を形成するタイミングを制御することで酸素濃度を制御した膜中に酸素（Ｏ）を含む炭素含有膜を形成することができる。
［膜特性］
図２に示す成膜方法により形成された炭素含有膜の一例としてＤＬＣ膜を挙げ、ＤＬＣ膜の特性について＜第１実施形態：成膜条件１＞の場合と、＜第２実施形態：成膜条件２＞の場合について順に説明する。
＜第１実施形態：成膜条件１＞
まず、＜第１実施形態：成膜条件１＞の場合のＤＬＣ膜の特性について、図３を参照しながら説明する。図３は、第１実施形態に係る成膜条件１とＤＬＣ膜の特性の一例を示す図である。成膜条件（ａ）～（ｃ）のうち成膜条件（ｂ）が＜第１実施形態：成膜条件１＞と同一である。成膜条件（ｂ）では、ＤＬＣ膜を成膜する工程においてＣＨ４ガスを４０ｓｃｃｍ供給した。また、成膜条件（ａ）～（ｃ）のいずれも、処理容器２内に基板Ｗを載置する工程とＤＬＣ膜を成膜する工程とを所定回数繰り返し、載置工程と成膜工程の間に酸素雰囲気を形成する工程として、処理容器２内を酸素プラズマにさらすことを設定された回数行った。成膜条件（ｂ）では、酸素プラズマにさらすことを５回行った。
参考例の成膜条件（ａ）では、ＣＨ４ガスを２００ｓｃｃｍ供給し、成膜条件（ｂ）よりも高流量に設定した。また、成膜条件（ａ）では、酸素プラズマにさらすことを３回行った。
参考例の成膜条件（ｃ）では、ＣＨ４ガスとＡｒガスの混合ガスをＣＨ４ガス４０ｓｃｃｍ、Ａｒガス１６０ｓｃｃｍの割合でそれぞれ供給した。つまり、ＣＨ４ガスの流量は成膜条件（ｂ）と同じ流量であるが、Ａｒガスにより希釈したため、ガスの総流量としては成膜条件（ａ）のＣＨ４ガスの流量と同じであった。また、成膜条件（ｃ）では、酸素プラズマにさらすことを５回行った。
図３では、成膜条件（ａ）～（ｃ）で形成された各ＤＬＣ膜の特性を示す値として、ＤＥＲ（Dry Etching Rate）、応力（Ｓｔｒｅｓｓ）、ＤＬＣ膜に含まれる元素の割合、膜密度を示す。ＤＥＲは、ＤＬＣ膜のドライエッチング耐性を示す。応力（Ｓｔｒｅｓｓ）は、圧縮応力の向きをマイナスとしてＤＬＣ膜の応力を示す。ＤＬＣ膜に含まれる元素の割合は、ラザフォード後方散乱分光法（ＲＢＳ：Rutherford Backscattering Spectrometry）の計測結果である。
この結果、成膜条件（ａ）で形成したＤＬＣ膜の応力は－１．０ＧＰａであり、膜中の酸素は検出されなかった。よって、成膜条件（ａ）に示す２００ｓｃｃｍの高流量のＣＨ４ガスにより形成されたＤＬＣ膜は硬く、高ストレスであることがわかる。
成膜条件（ｂ）で形成したＤＬＣ膜は、応力が－８６ＭＰａであり、成膜条件（ａ）にて形成したＤＬＣ膜と比較して応力を９０％低減できた。ドライエッチング耐性（ＤＥＲ）及び膜密度は成膜条件（ａ）により形成されたＤＬＣ膜とほぼ同じであった。よって、成膜条件（ｂ）にて形成したＤＬＣ膜は、成膜条件（ａ）にて形成したＤＬＣ膜よりも低ストレス、かつ、ドライエッチング耐性及び膜密度は維持できており、例えば、ＤＬＣ膜をハードマスクとして用いる場合に、特に有用である。
また、成膜条件（ａ）にて形成したＤＬＣ膜内の酸素は検出されなかったが、成膜条件（ｂ）にて形成したＤＬＣ膜中の酸素の割合は４．９％であった。つまり、成膜条件（ｂ）にて形成したＤＬＣ膜は、低流量のＣＨ４ガスを供給して膜を形成したことで膜中に酸素が含有したと考えられる。これにより、成膜条件（ｂ）により形成したＤＬＣ膜中の酸素の作用により、ドライエッチング耐性及び膜密度を維持しつつ、成膜条件（ａ）にて形成したＤＬＣ膜と比較して９０％のストレスの低減を実現できた。
参考例の成膜条件（ｃ）で形成したＤＬＣ膜は、応力が－８１２ＭＰａであり、膜中の酸素は検出されなかった。ドライエッチング耐性及び膜密度は成膜条件（ａ）及び（ｂ）により形成されたＤＬＣ膜とほぼ同じであった。
以上から成膜条件（ｂ）では酸素を含有するＤＬＣ膜を成膜でき、膜中の酸素の作用により柔軟かつ低ストレスのＤＬＣ膜を成膜できた。成膜条件（ｂ）にて形成されたＤＬＣ膜の中に酸素が含有された理由は、成膜条件（ｂ）による成膜では、ＣＨ４ガスが低流量で成膜レートが遅いために、処理容器２内の酸素が膜中に取り込まれたと推測される。この実験では所定時間成膜した後、処理容器２に隣接する搬送室に基板を搬送して処理容器２内をＯ２プラズマにさらすことを行いながら搬送室で所定時間の間、基板を待機した後、搬送室から基板を戻して再び成膜工程を実行することで処理容器２内が酸素雰囲気になった。また、このように成膜工程の間にＯ２プラズマにさらすことを行うことに限らず、基板を搬入する前にＯ２プラズマにさらすことを実行してもよいし、成膜工程後にＯ２プラズマにさらすことを実行してもよい。
つまり、処理容器２内に薄い濃度の酸素が存在する酸素雰囲気を形成し、低流量（例えば、４０ｓｃｃｍ）のＣＨ４ガスを供給することで、ＤＬＣ膜の形成中に酸素が含有される。
一方、処理容器２内に酸素雰囲気を形成し、２００ｓｃｃｍの高流量のＣＨ４ガスを供給すると、ＤＬＣ膜の形成中に酸素が含有されない。また、ＣＨ４ガスとＡｒガスの混合ガスをＣＨ４ガス４０ｓｃｃｍ、Ａｒガス１６０ｓｃｃｍの割合で混合したガスを供給した場合にはＤＬＣ膜中に酸素は含有されない。これは、Ａｒガス１６０ｓｃｃｍをキャリアガスとしてＣＨ４ガスの流速が早くなったため、ＤＬＣ膜中に酸素が含有されなかったと考えられる。よって、ＣＨ４ガスを４０ｓｃｃｍ程度の低流量に下げ、ＣＨ４ガスの流速を遅くしながらＤＬＣ膜の成膜速度を低下させる必要がある。これにより、ＤＬＣ膜中に酸素が含有され、低ストレスの膜を形成できる。
図４（ａ）は、ラマンスペクトルの一例を示すグラフである。図４（ｂ）は、ＤＬＣ膜の応力及びエッチング耐性の一例を示すグラフである。図４（ａ）では、成膜条件１（図３の成膜条件（ｂ））及び図３の成膜条件（ａ）により形成されたＤＬＣ膜のラマン分光法の計測結果を示す。図４（ａ）の横軸はラマンシフトを示し、縦軸は散乱強度を示す。実線は、第１実施形態の成膜条件（ｂ）により形成されたＤＬＣ膜のラマンスペクトルを示し、破線は、参考例の成膜条件（ａ）により形成されたＤＬＣ膜のラマンスペクトルを示す。
図４（ａ）では、成膜条件（ａ）により形成されたＤＬＣ膜のラマンスペクトル（破線）に対して成膜条件（ｂ）により形成されたＤＬＣ膜のラマンスペクトル（実線）は、ピークＧの波形が右にシフトしている。これは、成膜条件（ｂ）により形成されたＤＬＣ膜が成膜条件（ａ）により形成されたＤＬＣ膜よりも低ストレスの膜になっていることを示す。成膜条件（ｂ）により形成されたＤＬＣ膜に酸素が含有されているために、低ストレスの膜になったことを裏付けている。
また、図４（ｂ）の横軸はＣＨ４ガスの流量を示し、縦軸（左）は応力（Ｓｔｒｅｓｓ）、縦軸（右）はエッチング耐性を示す。成膜条件（ａ）により形成されたＤＬＣ膜の特性は、ＣＨ４ガスの流量が２００ｓｃｃｍのときの応力及びエッチング耐性である。成膜条件（ｂ）により形成されたＤＬＣ膜の特性は、ＣＨ４ガスの流量が４０ｓｃｃｍのときの応力及びエッチング耐性である。これによれば、成膜条件（ｂ）により形成されたＤＬＣ膜は、成膜条件（ａ）により形成されたＤＬＣ膜と比較してエッチング耐性を維持しつつ、膜のストレスを大幅に低下させることができた。
次に、＜第２実施形態：成膜条件２＞の場合のＤＬＣ膜の特性について、図５を参照しながら説明する。図５は、第２実施形態に係る成膜条件とＤＬＣ膜の特性の一例を示す図である。成膜条件（ａ）及び（ｂ）のうち成膜条件（ｂ）が、＜第２実施形態：成膜条件２＞と同一である。成膜条件（ｂ）では、ＤＬＣ膜を成膜する工程においてＣ２Ｈ２ガスの供給量を２．５ｓｃｃｍ、Ａｒガスの供給量を２２．５ｓｃｃｍ、総流量２５ｓｃｃｍに設定した。また、成膜条件（ｂ）の場合、処理容器内に基板を載置する工程とＤＬＣ膜を成膜する工程とを所定回数繰り返し、載置工程と成膜工程の間に酸素雰囲気を形成する工程として、処理容器内を酸素プラズマにさらすことを９回行った。
これに対して、参考例の成膜条件（ａ）では、ＤＬＣ膜を成膜する工程においてＣ２Ｈ２ガスの供給量を２０ｓｃｃｍ、Ａｒガスの供給量を１８０ｓｃｃｍ、総流量２００ｓｃｃｍに供給した。また、成膜条件（ａ）では、処理容器内に基板を載置する工程とＤＬＣ膜を成膜する工程とを所定回数繰り返し、載置工程と成膜工程の間に酸素雰囲気を形成する工程として、処理容器内を酸素プラズマにさらすことを行わなかった。
この結果、成膜条件（ａ）で形成したＤＬＣ膜は、応力が－２．７ＧＰａであり、膜中の酸素は検出されなかった。よって、成膜条件（ａ）により形成されたＤＬＣ膜は硬く、高ストレスであることがわかる。
成膜条件（ｂ）で形成したＤＬＣ膜は、応力が－１．０ＧＰａであり、成膜条件（ａ）にて形成したＤＬＣ膜と比較して応力を６３％低減できた。ドライエッチング耐性（ＤＥＲ）及び膜密度は成膜条件（ａ）により形成されたＤＬＣ膜とほぼ若干の低下は見られたがほぼ同レベルであった。よって、成膜条件（ｂ）にて形成したＤＬＣ膜は、成膜条件（ａ）にて形成したＤＬＣ膜よりも低ストレス、かつ、ドライエッチング耐性及び膜密度は維持できており、例えば、ＤＬＣ膜をハードマスクとして用いる場合に、特に有用である。
また、成膜条件（ｂ）にて形成したＤＬＣ膜中の酸素の割合は６．６％であった。つまり、成膜条件（ｂ）にて形成したＤＬＣ膜は、低流量のＣ２Ｈ２ガスを供給して膜を形成したため、ＤＬＣ膜中に酸素が含有された。これにより、成膜条件（ｂ）により形成したＤＬＣ膜では、膜中の酸素の作用により、ドライエッチング耐性及び膜密度を維持しつつ、成膜条件（ａ）にて形成したＤＬＣ膜と比較して６３％のストレスの低減を実現できた。
図６（ａ）は、ラマンスペクトルの一例を示すグラフである。図６（ｂ）は、ＤＬＣ膜の応力及びエッチング耐性の一例を示すグラフである。図６（ａ）では、第２実施形態の成膜条件２（図５の成膜条件（ｂ））及び参考例の図５の成膜条件（ａ）により形成されたＤＬＣ膜のラマン分光法の計測結果を示す。図６（ａ）の横軸はラマンシフトを示し、縦軸は散乱強度を示す。実線は、図５の成膜条件（ｂ）により形成されたＤＬＣ膜のラマンスペクトルを示し、破線は、参考例の図５の成膜条件（ａ）により形成されたＤＬＣ膜のラマンスペクトルを示す。
図６（ａ）では、成膜条件（ａ）により形成されたＤＬＣ膜のラマンスペクトル（破線）に対して図５の成膜条件（ｂ）により形成されたＤＬＣ膜のラマンスペクトル（実線）は、ピークＧの波形が右にシフトしている。これは、成膜条件（ｂ）により形成されたＤＬＣ膜が成膜条件（ａ）により形成されたＤＬＣ膜よりも柔らかい膜になっていることを示す。成膜条件（ｂ）により形成されたＤＬＣ膜に酸素が含有されているために、低ストレスの膜になったことを示す。
また、図６（ｂ）の横軸はＣ２Ｈ２ガス＋Ａｒガスの混合ガスの流量（この流量の１０％がＣ２Ｈ２ガスの流量(１０％-Ｃ２Ｈ２)）を示し、縦軸（左）は応力（Ｓｔｒｅｓｓ）、縦軸（右）はエッチング耐性を示す。成膜条件（ａ）により形成されたＤＬＣ膜の特性は、Ｃ２Ｈ２ガス＋Ａｒガスの混合ガスの総流量が２００ｓｃｃｍ、Ｃ２Ｈ２ガスの流量が２０ｓｃｃｍのときの応力及びエッチング耐性である。成膜条件（ｂ）により形成されたＤＬＣ膜の特性は、Ｃ２Ｈ２ガス＋Ａｒガスの混合ガスの総流量が２５ｓｃｃｍ、Ｃ２Ｈ２ガスの流量が２．５ｓｃｃｍのときの応力及びエッチング耐性である。これによれば、成膜条件（ｂ）により形成されたＤＬＣ膜は、成膜条件（ａ）により形成されたＤＬＣ膜と比較してエッチング耐性を維持しつつ、膜のストレスを大幅に低下させることができた。
［まとめ］
（低流量の炭素含有ガス供給）
以上の実験では、炭素含有ガスが低流量の場合に膜中に酸素が含有し、低ストレスの炭素含有膜が形成されることがわかった。炭素含有ガスがＣＨ４ガスの場合、膜中に酸素が含有し、低ストレスの炭素含有膜が形成されるためは、図４（ｂ）のグラフからストレスが－５００ＭＰａ以下となる流量として１２０ｓｃｃｍ以下が効果がある。つまり、「ＣＨ４ガスの低流量」とは、４０ｓｃｃｍ～１２０ｓｃｃｍ程度である。
炭素含有ガスがＣ２Ｈ２ガスの場合、膜中に酸素が含有し、低ストレスの炭素含有膜が形成されるためは、図６（ｂ）のグラフから２５ｓｃｃｍ～１２０ｓｃｃｍの１０％の２．５ｓｃｃｍ～１２ｓｃｃｍの範囲で効果がある。Ｃ２Ｈ２ガスが２．５ｓｃｃｍのとき、Ａｒガスの量を２２．５ｓｃｃｍよりも多くすることも可能である。よって、「Ｃ２Ｈ２ガスの低流量」とは、１ｓｃｃｍ～１２ｓｃｃｍ程度である。以上から、ＣＨ４ガス及びＣ２Ｈ２ガスの低流量の範囲を総合して、「炭素含有ガスの低流量」とは、１ｓｃｃｍ～１２０ｓｃｃｍ程度である。
（成膜方法実行時のガス流速）
第１実施形態に係る成膜方法では、炭素含有ガスがＣＨ４ガスの場合、炭素含有膜の成膜速度を下げるようにＣＨ４ガスの流量を設定する。炭素含有ガスを供給する工程は、設定した流量のＣＨ４ガスに不活性ガスを混合させずに供給する。つまり、ＣＨ４ガスの単ガスのみを供給する。
炭素含有ガスがＣ２Ｈ２ガスの場合、炭素含有膜の成膜速度を下げるようにＣ２Ｈ２ガスの流量を設定する。ただし、炭素含有ガスを供給する工程は、設定した流量のＣ２Ｈ２ガスに設定した流量よりも多い流量の不活性ガスを混合させて供給する。
ＣＨ４ガスの場合、流量の大きいＡｒガスで希釈すると、膜中に酸素を含有することができず、高ストレスのＤＬＣ膜となった。これは、Ａｒガスで希釈しない場合に比べてガス流速が速くなり、ＤＬＣ膜の膜中に酸素を取り込むのに十分な通過時間をかけられなかったことや、Ａｒガスによって酸素が希釈されてしまい、膜中に取り込まれた酸素濃度が大幅に低くなってしまったために検出できなかったものと考えられる。また、Ｃ２Ｈ２ガスの場合、Ａｒガスで希釈されているガス(１０％-Ｃ２Ｈ２)を使用したが、ガス流量が大きいと、膜中に酸素を含有することができず、高ストレスのＤＬＣ膜となった。これは、ガス流量が小さい場合に比べてガス流速が速くなり、ＤＬＣ膜の膜中に酸素を取り込むのに十分な通過時間をかけられなかったものと考えられる。したがって、ガス流量を小さくする、つまりガス流速を遅くすることで、膜中に酸素を含有できるものと推察する。
（炭素含有膜中の酸素濃度）
成膜条件１、２のいずれかにて成膜方法により成膜した場合、形成された炭素含有膜は酸素を含有する。その際の炭素含有膜中の酸素濃度が１０％以上であると応力は下げることができても、ドライエッチング耐性及び膜密度が悪化する。よって、炭素含有膜中の酸素濃度は１０％以下であることが好ましい。これにより、エッチング耐性及び膜密度を維持しつつ、低ストレスの炭素含有膜を形成できる。炭素含有膜中の酸素濃度は５～７％がさらに好ましい。
（炭素含有ガスの流量設定）
炭素含有ガスの流量を膜応力、成膜速度、膜密度、ドライエッチングレートの少なくとも１つと炭素含有ガスの流量との関係を示す情報を実験やシミュレーションにより予め求め、かかる情報に基づき炭素含有ガスの流量を設定してもよい。例えば、膜応力、成膜速度、膜密度、ドライエッチングレートの少なくとも１つと炭素含有ガスの流量との関係を示す情報は、予め制御部９に設けられた記憶部に記憶しておく。炭素含有膜を成膜する工程において、制御部９は、記憶部に記憶した情報に基づいて炭素含有ガスの流量を設定する。
例えば、成膜速度と炭素含有ガスの流量との関係を示す情報を予め記憶部に記憶し、炭素含有膜を成膜する工程において、制御部９は、記憶部に記憶した情報に基づいて炭素含有膜の成膜速度を下げるように炭素含有ガスの流量を設定してもよい。
（膜中のｓｐ３結合）
ＤＬＣ膜は、短距離秩序としてｓｐ３結合及びｓｐ２結合の両方が混在し、長距離秩序を持たない不規則なアモルファス構造の炭素含有膜である。また、ＤＬＣ膜は、ドライエッチング耐性を有している。また、ＤＬＣ膜は、強い圧縮応力（compressive stress）を有している。ＤＬＣ膜中に酸素を含有させることと、ｓｐ３結合を減少させることで、圧縮応力を低減させ、低ストレスの炭素含有膜を形成できる。
図７は、ＤＬＣ膜中のｓｐ３結合の一例を示す図である。図４及び図６に示すラマンスペクトルのＧピークの位置によってｓｐ３結合の状態を測定できる。図４の低流量のＣＨ４ガスの場合及び図６の低流量のＣ２Ｈ２ガスの場合のいずれのラマンスペクトルのＧピークの位置（実線）が若干右にシフトしている。このことから、膜中のｓｐ３結合が減っていることを示す。これは、ＤＬＣ膜中のダイアモンド構造が減り、ＤＬＣ膜の応力が緩和されたことを意味する。
図４及び図６に示すラマンスペクトルのＤの位置の散乱強度Ｉ（Ｄ）とＧの位置の散乱強度Ｉ（Ｇ）の比であるＩ（Ｄ）／Ｉ（Ｇ）によってｓｐ３結合の状態を測定できる。具体的には、Ｉ（Ｄ）／Ｉ（Ｇ）が大きくなると（Ｄの位置の実線が上がってくると）、ｓｐ３結合が減少し、ＤＬＣ膜中のダイアモンド構造が減ってくることを意味する。
図７の横軸はＣ２Ｈ２ガスの流量であり、縦軸（左）はＧピークの位置であり、縦軸（右）はＩ（Ｄ）／Ｉ（Ｇ）の値である。これによれば、Ｃ２Ｈ２ガスが低流量になるほど、Ｇピークの位置及びＩ（Ｄ）／Ｉ（Ｇ）の値が大きくなっている。以上から、本実施形態に係る成膜方法では、Ｃ２Ｈ２ガスを低流量にすることで、ＤＬＣ膜中のｓｐ３結合が減少し、ＤＬＣ膜中のダイアモンド構造が減るため、これによりＤＬＣ膜中の応力を弱めることができる。なお、実施形態１で用いたＣＨ４ガスでも同様である。
以上のように、本実施形態に係るプラズマ処理装置１で成膜されたＤＬＣ膜によれば、従来よりもドライエッチング耐性及び膜密度を維持しつつ、ＤＬＣ膜の圧縮応力を緩和することができる。
なお、上記の実施形態では、化学気相堆積（ＣＶＤ：Chemical Vapor Deposition）法による成膜方法を説明した。しかし、これに限定されず、成膜方法は、プラズマ処理装置１において例えば原子層堆積（ＡＬＤ：Atomic Layer Deposition）法による成膜にも同様に適用できる。
今回開示された実施形態に係る成膜方法及びプラズマ処理装置は、すべての点において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。実施形態は、添付の請求の範囲及びその主旨を逸脱することなく、様々な形態で変形及び改良が可能である。上記複数の実施形態に記載された事項は、矛盾しない範囲で他の構成も取り得ることができ、また、矛盾しない範囲で組み合わせることができる。
Ｗ 基板
１ プラズマ処理装置
２ 処理容器
３ 載置台
５ 上部電極プレート（上部電極）
６ ガス供給路
９ 制御部
３３ 下部電極
３５ ＲＦ電源
５１ ＲＦ電源

Claims (12)

  1. 処理容器を有するプラズマ処理装置において基板上に炭素含有膜を形成する成膜方法であって、
    （ａ）前記処理容器内に酸素雰囲気を形成する工程と、
    （ｂ）前記処理容器内の載置台に前記基板を載置する工程と、
    （ｃ）前記処理容器内に炭素含有ガスを供給し、プラズマ生成用の高周波電力により該炭素含有ガスからプラズマを生成し、炭素含有膜を成膜する工程と、
    を含む成膜方法。
  2. 前記（ａ）の工程は、前記（ｂ）の工程の前に前記処理容器内に酸素含有ガスを供給して前記処理容器内を前記酸素含有ガスにさらすこと、及び、前記処理容器内に酸素含有ガスを供給してプラズマを生成し、前記処理容器内を前記プラズマにさらすことの少なくとも１つを含む、
    請求項１に記載の成膜方法。
  3. 前記（ａ）の工程は、前記（ｂ）の工程の後であって、前記（ｃ）の工程の前又は前記（ｃ）の工程の後の少なくともいずれかにおいて、前記処理容器内に酸素含有ガスを供給して前記基板を前記酸素含有ガスにさらすこと、及び、前記処理容器内に酸素含有ガスを供給してプラズマを生成し、前記基板を前記プラズマにさらすことの少なくとも１つを含む、
    請求項１又は２に記載の成膜方法。
  4. 前記（ｃ）の工程と前記（ａ）の工程とを繰り返すことを含む、
    請求項１～３のいずれか一項に記載の成膜方法。
  5. 膜応力、成膜速度、膜密度及びドライエッチングレートの少なくとも１つと炭素含有ガスの流量との関係を示す情報を予め記憶部に記憶する工程を有し、
    前記（ｃ）の工程は、前記記憶部に記憶した情報に基づいて前記炭素含有ガスの流量を設定する、
    請求項１～４のいずれか一項に記載の成膜方法。
  6. 成膜速度と炭素含有ガスの流量との関係を示す情報を予め記憶部に記憶する工程を有し、
    前記（ｃ）の工程は、前記記憶部に記憶した情報に基づいて前記炭素含有膜の成膜速度を下げるように前記炭素含有ガスの流量を設定する、
    請求項１～４のいずれか一項に記載の成膜方法。
  7. 前記炭素含有ガスがＣＨ４ガス、Ｃ２Ｈ２ガスの少なくとも１つを含む、
    請求項６に記載の成膜方法。
  8. 前記炭素含有ガスがＣＨ４ガスであり、前記炭素含有膜の成膜速度を下げるように前記ＣＨ４ガスの流量を設定し、
    前記（ｃ）の工程は、前記設定した流量のＣＨ４ガスの単ガスを供給する、
    請求項７に記載の成膜方法。
  9. 前記炭素含有ガスがＣ２Ｈ２ガスであり、前記炭素含有膜の成膜速度を下げるようにＣ２Ｈ２ガスの流量を設定し、
    前記（ｃ）の工程は、前記設定した流量のＣ２Ｈ２ガスと不活性ガスとの混合ガスを供給する、
    請求項７に記載の成膜方法。
  10. 前記（ｃ）の工程は、前記炭素含有ガスの流量を１～１２０ｓｃｃｍに制御する、
    請求項１～９のいずれか一項に記載の成膜方法。
  11. 前記炭素含有膜は酸素を含み、前記炭素含有膜中の酸素濃度は１０％以下である、
    請求項１～１０のいずれか一項に記載の成膜方法。
  12. 処理容器と上部電極プレートと高周波電源と制御部とを有するプラズマ処理装置であって、
    前記制御部は、
    前記処理容器内に酸素雰囲気を形成する工程と、
    前記処理容器内の載置台に基板を載置する工程と、
    前記上部電極プレートから前記処理容器内に炭素含有ガスを供給する工程と、
    前記処理容器内に炭素含有ガスを供給し、前記高周波電源からプラズマ生成用の高周波電力を印加し、該炭素含有ガスからプラズマを生成し、炭素含有膜を成膜する工程と、
    を含む工程を制御する、プラズマ処理装置。
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