JP3961247B2 - プラズマ処理方法、プラズマ処理装置及び半導体装置の製造方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、プラズマを用いて基板上に薄膜を形成するプラズマ処理方法、プラズマ処理装置及び、これらを用いた半導体装置の製造方法に係り、特に誘導結合型(ＩＣＰ型)、ヘリコン波励起型（ＨＷＰ型）、電子サイクロトロン共鳴型(ＥＣＲ型)、マグネトロン放電型、表面波励起型等の種々の高密度プラズマによる反応を利用した技術分野に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体装置においては、素子配線を電気的に隔離するための絶縁膜が用いられている。従来、この絶縁膜としては、熱酸化法にてシリコン基板を酸化して形成されたシリコン酸化膜(ＳｉＯ2膜)、又はモノシラン（ＳｉＨ4）やテトラエトキシシラン(ＴＥＯＳ)等のガスを原料として化学気相成長法(ＣＶＤ)にて形成されたＳｉＯ2膜が主に用いられている。しかし、これらの成膜方法では６００℃以上の高温熱処理が必須であり、低融点のメタルを堆積した後の被処理基体への処理が困難であるという問題がある。この問題を解決する方法として、低温での処理が可能な、プラズマ反応を用いたシリコンの酸化法やプラズマＣＶＤ法が開発された。しかし、これらの処理法により得られた酸化膜は、熱酸化法により得られる酸化膜と比較して、密度が低く、電気的耐圧が低く、又誘電率が高い特性しか得られないという問題がある。
【０００３】
又、近年の高速ロジックデバイス、メモリーデバイス等では、回路の複雑化に伴い、配線幅の微細化、配線の多層化等の要求が増大している。多層配線における層間絶縁膜の形成法に要求される特性の一つに埋め込み性能があげられる。素子の微細化に伴い狭くなった素子分離用のトレンチや配線間を絶縁膜で埋め込む必要があるからである。これらの要求を満たすものとして、高密度プラズマを用いたＣＶＤ法が注目されている。高密度プラズマＣＶＤ法は、１Ｐａ程度の圧力においてプラズマ放電を行うことを特徴としており、プラズマ生成法により、ＩＣＰ型、ＨＷＰ型、ＥＣＲ型、マグネトロン放電型、表面波励起プラズマ型等がある。高密度プラズマＣＶＤでは、低圧力下で放電を行うことから、中性粒子に対してイオン種の密度が数％を占め、イオン種を用いた成膜が実現される。この為、サセプタにバイアス電圧を印加することでイオン種を基板へ引き込み、方向性をもった堆積を実現し、更にアルゴン（Ａｒ）等の希ガスの添加により、電場の集中する溝の開口部のエッジ部分を選択的にスパッタ・エッチングすることで、高アスペクトの溝の埋め込みを可能にしている。
【０００４】
従来例の一例として、ＩＣＰ型高密度プラズマ処理装置を説明する。図８にＩＣＰ型の高密度プラズマ処理装置の概略図を示す。この高密度プラズマ処理装置は、プラズマ生成のために用いられる容器基体１、誘電体容器２、プラズマ生成のためのＲＦコイル３とＲＦ電源装置６、基板５、基板５を保持するための基板ホルダ（４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄ）、バイアス電圧によるイオン引き込みをするためのＲＦ電源７、図示を省略している真空排気系、複数の原料ガス供給システム（図略）に接続された複数の水平ノズル９１０，９１１、及び頂部ノズル９２１から構成されている。プラズマ容器１と誘電体容器２から構成されるプラズマチャンバー内に、複数の原料ガス供給システム（図略）に、それぞれ接続された複数の水平ノズル９１０，９１１及び頂部ノズル９２１から原料ガスを流し、真空排気系から排気することによりチャンバー内は１Ｐａ程度に保つ。ＲＦ電源装置６によってＲＦコイル３に３ｋＷ程度の高周波電界を印加して、チャンバー内にプラズマを生成させる。更に、ＲＦ電源７によって、基板ホルダ上部４ａ上に保持された基板５（温度制御手段の図略）にバイアス電圧をかけ、プラズマから基板５へイオン種を引き込む。図８に示すように、水平ノズル９１０，９１１及び頂部ノズル９２１が、保持基板ホルダ（４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄ）上方において、基板５と平行に配置され、これらの水平ノズル９１０，９１１及び頂部ノズル９２１からモノシラン（ＳｉＨ4）/Ａｒガス及びＯ2ガスが供給される。プラズマで生成される中性ラジカル種とイオン種によって、基板５上にＳｉＯ2膜が堆積される。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ここで、シリコン酸化膜(ＳｉＯ2膜)の成膜を例に、プラズマＣＶＤの問題点を検討する。ＳｉＯ2膜のプラズマ装置、特に高密度プラズマ処理装置等のイオン種を積極的に用いたプラズマ処理装置における第１の問題にＳｉ源イオン種密度の不足の問題がある。これは、ＳｉＯ2膜の成膜においては、配線幅や素子分離用のトレンチの微細化が進むことによる埋め込み特性の悪化（埋め込み特性の限界）の問題となる。高密度プラズマＣＶＤの例で説明すると、イオン照射によって表面に出来た成膜サイト（Ｓｉ(s)-ＯＨ）にＳｉ源（中性ラジカル種Ｓｉ源（ＳｉＨ3、ＳｉＨ2、ＳｉＨ、Ｓｉ、ＳｉＯ等）とイオン種Ｓｉ源（ＳｉＨ3 +、ＳｉＨ2 +、ＳｉＨ＋、Ｓｉ＋等））が供給されてＳｉＯ2膜の成膜が進行するが、１Ｐａ程度の高密度プラズマ条件でも、中性ラジカル種の表面へのフラックスがイオン種のフラックスと比較して５倍から１０倍多い。そのために異方性成膜特性が損なわれ、溝部への埋め込み特性に限界が現れる。即ち、従来方法の高密度プラズマＣＶＤによるＳｉＯ2成膜では、Ｓｉ源イオン種密度不足による埋め込み特性限界が発生し、配線間に空間が残り、絶縁膜埋め込み後の工程（ウエット洗浄処理等）における歩留まりを著しく低下させるとともに、デバイスの信頼性を低下させる。
【０００６】
第２の問題として、成膜される物質（ＳｉＯ2膜）に対する非Ｓｉ源イオン種によるスパッタが原因の埋め込み形状の悪化がある。前述したＡｒガスから生成されたイオン種（Ａｒ+）や、Ｏ2ガスから生成されたイオン種（Ｏ+、Ｏ2 +）は、Ｓｉ源イオン種と比較して成膜される物質（ＳｉＯ2膜）に対する「スパッタ効率」が大きい。イオン種の基板５へのエネルギーやフラックスが大きすぎると、図３（ｂ）に示すように、隣の配線上のＳｉＯ2膜５９の傾斜部からたたき出されたスパッタ種によって成膜６１が起こる。特に開口部の幅ｌ2が幅ｌ1より狭い場合（ｌ1≫ｌ2）、即ち、トレンチ幅ｌ2の微細化が進んだ場合は、オーバーハング６２が埋め込み成膜中に発生し、その後更に堆積を続けても溝部の内部に空洞や巣が形成される（図３（ａ）は、イオン種の基板５へのエネルギーやフラックスが小さい場合を示す模式図である。）。その結果、イオン種の種類やエネルギーに依存して、狭いトレンチ幅ｌ2のトレンチでの埋め込み特性が悪化する。
【０００７】
第３の問題として、プラズマ密度の分布及び供給されるガス密度の分布に起因する膜厚均一性の悪化がある。これは、ガスノズル９１１，９１２，９２１等のガス供給管を用いて原料ガスを導入する、ＩＣＰ型等の高密度プラズマ処理装置で特に顕著となる。プラズマによる部材消耗を防ぐためにノズル等を用いて、プラズマ外、或いはプラズマ密度の低い部分から原料ガスは導入され、必然的に、プラズマ部において原料ガス密度分布が生成され、プラズマ密度分布、膜厚分布均一性の悪化につながる。
【０００８】
上記に置いて、ＳｉＯ2膜の埋め込みをする場合で説明したが、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）等のプラズマエッチングやドーピングを含む場合においても、同様である。或いは、タングステン（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ）等の金属を１００ｎｍレベルの微細なコンタクトホールやバイアホールに埋め込む場合も同様である。この様に、イオン種を積極的に用いて行うプロセスで、イオン種の密度不足やイオン種の面内分布改善の問題が発生している。
【０００９】
上記問題点を鑑み、本発明は基板の表面反応に必要なイオン種の密度（イオン種密度）を中性ラジカル種に比して増大させることが出来る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である。具体的には、基板表面の成膜サイト若しくはエッチングサイトにおいて、中性ラジカル種のフラックスに比して、イオン種のフラックスが増大出来、これにより異方性成膜特性や異方性エッチング特性が改善された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である。
【００１０】
本発明の他の目的は、配線幅や素子分離用のトレンチの微細化が１００ｎｍレベルまで進んだ場合でも、埋め込みやエッチング等のプラズマ反応の特性が良好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である。
【００１１】
本発明の更に他の目的は、過剰な存在が表面反応を阻害する第２イオン種によるスパッタを抑制し、これにより異方性成膜特性や異方性エッチング特性を向させた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である。
【００１２】
本発明の更に他の目的は、プラズマ密度の面内分布、イオン種密度の面内分布が均一化し、膜厚均一性やエッチング深さの均一性が向上した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である。
【００１３】
本発明の更に他の目的は、配線間や素子分離用のトレンチに空間を残すことなく、良好な薄膜の埋め込みが出来、その後の工程における製造歩留まりが著しく向上出来る半導体装置の製造方法を提供することである。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために本発明の第１の特徴は、反応室内に基板を配置し、反応室の頂部と基板の間に、基板に隣接したイオン走行領域、このイオン走行領域に隣接した第１低密度プラズマ形成領域、この第１低密度プラズマ形成領域に隣接した高密度プラズマ形成領域、及びこの高密度プラズマ形成領域と反応室の頂部に挟まれた第２低密度プラズマ形成領域を位置させ、高密度プラズマ形成領域のプラズマを用いた基板の表面反応により、基板上に成膜若しくは基板をエッチングする方法に関する。即ち、本発明の第１の特徴に係るプラズマ処理方法は、（イ）反応室内に基板を配置するステップと、（ロ）反応室内を減圧にするステップと、（ハ）反応室の側壁部に設けられ、第１低密度プラズマ形成領域に根本部を有し、先端部が高密度プラズマ形成領域方向に向かうノズルを用い、基板表面の仰角方向に、表面反応に必要な第１イオン種を生成する化合物ガスのみから実質的になる第１のガスを噴射するステップと、（ニ）第１のガスを噴射するステップと同時に、第１低密度プラズマ形成領域において、基板の表面に対して平行方向に、成膜若しくはエッチングされる物質に対するスパッタ効率が、第１イオン種より高い第２イオン種を生成する第２のガスを噴射するステップと、（ホ）高密度プラズマ形成領域、第１及び第２の低密度プラズマ形成領域に高周波電界を印加することにより、高密度プラズマ形成領域に第１イオン種が高密度に生成された高密度プラズマを生成し、第１及び第２の低密度プラズマ形成領域に低密度プラズマを生成し、第１イオン種をイオン走行領域を介して基板の表面に到達させ、第１イオン種による表面反応を生じさせるステップとを含むことを要旨とする。「成膜される物質に対するスパッタ効率」とは、ＣＶＤ、エピタキシャル成長等の成膜の場合における成膜（堆積膜）材料に対する、イオンによるスパッタ効率を意味する。又、「エッチングされる物質に対するスパッタ効率」は、基板そのものをエッチングする場合であれば、基板材料に対するイオンによるスパッタ効率であり、基板上に基板とは異なる材料の被エッチング部が形成されている場合は、この被エッチング部となる材料に対するイオンによるスパッタ効率を意味する。種々のイオン種と種々の被スパッタ材料との組み合わせにおいて、イオン銃を用いた実験により「スパッタ効率」は測定される。「スパッタ効率」の実験結果は、基礎データとして文献に記載されているので、それを利用すれば良い。本発明者の実験によれば、「第１イオン種を生成する化合物ガスのみから"実質的"になる」とは、第１のガスの成分を考慮した場合、「表面反応に必要な第１イオン種を生成する化合物ガス」に対してこれ以外のガスが流量比で２０％以下含まれているのであれば、「のみから"実質的"になる」と解釈可能である。
【００１５】
本発明の第１の特徴に係るプラズマ処理方法によれば、基板の表面反応に必要な第１イオン種のイオン種密度を中性ラジカル種に比して、増大させることが出来る。即ち、基板表面の成膜サイトにおいて、中性ラジカル種の表面へのフラックスに比して第１イオン種のフラックスを増大出来る。この為、異方性成膜特性が改善され、溝部への埋め込み特性が向上する。これにより、プラズマＣＶＤにおいては、配線幅や素子分離用のトレンチの微細化が１００ｎｍレベルまで進んだ場合でも、埋め込み特性を向上させることが出来る。この結果、配線間に空間を残すことなく、良好な絶縁膜埋め込みが出来るので、その後の工程（ウエット洗浄処理等）における歩留まりが著しく向上し、半導体装置の信頼性を向上させる。前述したように、第２イオン種としての、Ａｒ+，Ｏ+，Ｏ2 +等は、表面反応に必要な第１イオン種と比較すると、成膜若しくはエッチングされる物質に対するスパッタ効率が大きい。第１の特徴に係るプラズマ処理方法によれば、過剰な存在が表面反応を阻害する第２イオン種によるスパッタが抑制されるので、プラズマＣＶＤにおける埋め込み特性が向上する。第２イオン種の基板への過剰なエネルギーや過剰なフラックスを制御出来るので、プラズマＣＶＤにおいては、隣の配線上の成膜の傾斜部からたたき出されたスパッタ種による異常な成膜が抑制され、オーバーハング形状等の発生が回避出来る。その結果、１００ｎｍレベルの狭いトレンチ間での埋め込み特性が極めて優れたものになる。又、プラズマ密度の面内分布、イオン種密度の面内分布が均一化するので、膜厚均一性やエッチング深さの均一性が向上する。
【００１６】
本発明の第１の特徴において、第１のガスは、金属の水素化合物ガス、金属のハロゲン化合物ガス、金属の有機化合物ガス、半導体の水素化合物ガス、半導体のハロゲン化合物ガス、半導体の有機化合物ガスからなるグループから選ぶことが可能である。一方、第２のガスは、希ガス、水素ガス、窒素ガス、窒素の化合物ガス、酸素ガス、酸素の化合物ガスからなるグループから選ぶことが可能である。例えば、本発明の第１の特徴において、第１のガスはシリコンの水素化合物ガス、第２のガスは、酸素ガス若しくは酸素の化合物ガスとすれば、シリコン酸化物のプラズマＣＶＤが実現出来る。本発明の第１の特徴において、第１のイオン種の第１のガスから生成された中性ラジカル種に対する密度比を、０．０１〜０．０４５にすることが可能である。
【００１７】
本発明の第２の特徴は、本発明の第１の特徴に係るプラズマ処理方法と同様に、反応室内に基板を配置し、反応室の頂部と基板の間に、基板に隣接したイオン走行領域、このイオン走行領域に隣接した第１低密度プラズマ形成領域、この第１低密度プラズマ形成領域に隣接した高密度プラズマ形成領域、及びこの高密度プラズマ形成領域と反応室の頂部に挟まれた第２低密度プラズマ形成領域を位置させ、高密度プラズマ形成領域のプラズマを用いた基板の表面反応により、基板上に成膜若しくは基板をエッチングする方法に関する。即ち、本発明の第２の特徴に係るプラズマ処理方法は、（イ）反応室内に基板を配置するステップと、（ロ）反応室内を減圧にするステップと、（ハ）反応室の側壁部に設けられ、第１低密度プラズマ形成領域に根本部を有し、先端部が高密度プラズマ形成領域方向に向かうノズルを用い、基板表面の仰角方向に、表面反応に必要なイオン種を生成する化合物ガスのみから実質的になる第１のガスを噴射するステップと、（ニ）第１のガスを噴射するステップと同時に、第１低密度プラズマ形成領域において、基板の表面に対して平行方向に、基板の表面反応に必要なラジカル種を生成する原料となる第２のガスを噴射するステップと、（ホ）高密度プラズマ形成領域、第１及び第２の低密度プラズマ形成領域に高周波電界を印加することにより、高密度プラズマ形成領域にイオン種が高密度に生成された高密度プラズマを生成し、第１及び第２の低密度プラズマ形成領域に低密度プラズマを生成し、イオン種をイオン走行領域を介して基板の表面に到達させ、イオン種及びラジカル種による表面反応を生じさせるステップとを含むことを要旨とする。ここで、「イオン種」は、電荷を有する反応種（化学種）であり、「ラジカル種」は電荷を有しない反応種（化学種）である。第１の特徴で説明したと同様に、「イオン種を生成する化合物ガスのみから"実質的"になる」とは、第１のガスの成分として、「表面反応に必要なイオン種を生成する化合物ガス」に対して、流量比で２０％以下の他のガスの混合を許容する意である。
【００１８】
本発明の第２の特徴においては、反応室の側壁部から高密度プラズマ形成領域方向に向かって傾斜した方向に沿って、基板の表面反応に必要なイオン種を生成する原料となる第１のガスを噴射し、基板の表面に対して平行方向に基板の表面反応に必要なラジカル種を生成する原料となる第２のガスを噴射することにより、第１のガスの分解効率を向上させ、不足するイオン種密度を増大させることが可能となる。即ち、アスペクト比の大きいトレンチ、コンタクトホール、バイアホール等を形成する際に必要なイオン種密度と中性ラジカル種密度の制御が容易になる。アスペクト比の大きいトレンチのエッチング反応においては、中性ラジカル種は、エッチング表面での反応層生成、及びエッチング中に現れる側壁保護のために用いられる。従来、アスペクト比の大きいトレンチのエッチング反応において、一般には、イオン種密度が不足し、アスペクト比の大きいトレンチの形成は困難であったが、本発明の第２の特徴によれば、イオン種密度を十分高くすることが出来るので、アスペクト比の大きなトレンチ、ホールの形成が簡単に、且つ高精度で形成出来る。
【００１９】
本発明の第２の特徴において、例えば、第１のガスはハロゲン化アルキルのガス、第２のガスは、パーフルオロカーボンのガスとすることが出来る。
【００２０】
本発明の第３の特徴は、プラズマを用いた表面反応により、基板上に成膜若しくは基板をエッチングする装置に関する。即ち、本発明の第３の特徴に係るプラズマ処理装置は、（イ）真空排気可能な反応室と、（ロ）基板を配置するための、反応室内に配置された基板ホルダと、（ハ）反応室の側壁部に根本部が配置され、側壁部から反応室の頂部方向に噴射方向が設定され、表面反応に必要な第１イオン種を生成する化合物ガスのみから実質的になる第１のガスを反応室内に導入するための複数本の第１ノズルと、（ニ）第１ノズルの根本部と実質的に同一水平レベル、若しくは第１ノズルの根本部より基板寄りの水平位置に配置され、基板の表面に平行方向の噴射方向を有し、第１ノズルよりも本数が少なく、成膜若しくはエッチングされる物質に対するスパッタ効率が第１イオン種より高い第２イオン種を生成する原料、若しくは基板の表面反応に必要なラジカル種を生成する原料となる第２のガスを反応室内に導入するための第２ノズルと、（ホ）第１ノズルが配置された位置と反応室の頂部との間の空間に第１イオン種が高密度に生成された高密度プラズマを生成するための高周波電界印加手段とを含むことを要旨とする。
【００２１】
本発明の第３の特徴に係るプラズマ処理装置によれば、複数本の第１ノズルを用いて、基板の表面反応に必要な第１イオン種のイオン種密度を中性ラジカル種に比して、増大させることが出来る。即ち、基板表面の反応サイトにおいて、中性ラジカル種の表面へのフラックスに比して第１イオン種のフラックスを増大出来る。この為、異方性成膜特性や異方性エッチング特性が改善される。
【００２２】
本発明の第４の特徴は、本発明の第１の特徴に係るプラズマ処理方法を用いて、半導体基板上にシリコン酸化膜を堆積する段階を含む半導体装置の製造方法に対応する。したがって、本発明の第１の特徴に係るプラズマ処理方法と同様に、反応室内に半導体基板を配置し、反応室の頂部と半導体基板の間に、半導体基板に隣接したイオン走行領域、このイオン走行領域に隣接した第１低密度プラズマ形成領域、この第１低密度プラズマ形成領域に隣接した高密度プラズマ形成領域、及びこの高密度プラズマ形成領域と反応室の頂部に挟まれた第２低密度プラズマ形成領域を位置させ、高密度プラズマ形成領域のプラズマを用いた半導体基板の表面反応により、半導体基板上にシリコン酸化膜を堆積する段階を含む。即ち、本発明の第４の特徴に係る半導体装置の製造方法は、（イ）半導体基板の表面に開口部の幅が９５ｎｍ〜１３０ｎｍの溝部を設けるステップと、（ロ）反応室内に半導体基板を配置するステップと、（ハ）反応室内を減圧にするステップと、（ニ）反応室の側壁部に設けられ、第１低密度プラズマ形成領域に根本部を有し、先端部が高密度プラズマ形成領域方向に向かうノズルを用い、基板表面の仰角方向に、シリコンの水素化合物ガスを噴射するステップと、（ホ）シリコンの水素化合物ガスを噴射するステップと同時に、第１低密度プラズマ形成領域において、基板の表面に対して平行方向に、酸素ガス若しくは酸素の化合物ガスを噴射するステップと、（ヘ）高周波電界を印加することにより、高密度プラズマ形成領域にＳｉ源イオン種が高密度に生成された高密度プラズマを生成し、第１及び第２の低密度プラズマ形成領域に低密度プラズマを生成し、Ｓｉ源イオン種を介した表面反応によりシリコン酸化膜を堆積し、溝部を埋め込むステップとを含むことを要旨とする。
【００２３】
本発明の第４の特徴に係る半導体装置の製造方法によれば、溝部（トレンチ）の表面反応に必要なＳｉ源イオン種、即ちＳｉＨx +(ＳｉＨ3 +、ＳｉＨ2 +、ＳｉＨ+、Ｓｉ+)の密度を、Ｓｉ源中性ラジカル種、即ちＳｉＨx(ＳｉＨ3、ＳｉＨ2、ＳｉＨ、Ｓｉ、ＳｉＯ)の密度に比して増大させることが出来る。即ち、基板表面の反応サイトにおいて、Ｓｉ源中性ラジカル種のフラックスに比してＳｉ源イオン種のフラックスを増大出来る。この為、微細な溝部（トレンチ）に対する異方性成膜特性が改善され、シリコン酸化膜の埋め込み特性が向上する。したがって、アスペクト比５程度で、トレンチの溝幅の微細化が９５ｎｍ〜１３０ｎｍまで進んだ場合でも、優れた埋め込み特性を発揮することが出来る。この結果、配線間に空間を残すことなく、良好なシリコン酸化膜の埋め込みが出来るので、その後の工程（ウエット洗浄処理等）における歩留まりが著しく向上し、半導体装置の信頼性が向上する。更に、第４の特徴に係る半導体装置の製造方法によれば、過剰なＡｒ+，Ｏ+，Ｏ2 +等によるスパッタが抑制されるので、プラズマＣＶＤにおける埋め込み特性が向上する。Ａｒ+，Ｏ+，Ｏ2 +等の過剰なエネルギーや過剰なフラックスを制御出来るので、シリコン酸化膜のプラズマＣＶＤにおいては、隣の配線上の成膜の傾斜部からたたき出されたスパッタ種に起因する異常な成膜を抑制し、オーバーハング形状等の発生を回避出来る。又、プラズマ密度の面内分布、イオン種密度の面内分布が均一化するので、膜厚均一性に優れ、半導体装置の製造歩留まりが高くなる。
【００２４】
【発明の実施の形態】
次に、図面を参照して、本発明の第１〜第３の実施の形態を説明する。本発明は、ＩＣＰ型、ＨＷＰ型、ＥＣＲ型、マグネトロン放電型、表面波励起型等の種々の高密度プラズマを利用して基板（被処理基体）を処理する方法及び装置に適用可能であるが、以下の第１〜第３の実施の形態においては、ＩＣＰ型高密度プラズマ処理装置について例示的に説明する。又、以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付している。但し、図面は模式的なものであり、厚みと平面寸法との関係、各層の厚みの比率等は現実のものとは異なることに留意すべきである。したがって、具体的な厚みや寸法は以下の説明を参酌して判断すべきものである。又図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることは勿論である。
【００２５】
(第１の実施の形態)
図１に示すように、本発明の第１の実施の形態に係るプラズマ処理装置は、真空排気可能な反応室（１，２）と、この反応室（１，２）内に配置された、基板５を配置するための基板ホルダ（４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄ）と、反応室（１，２）に接続された、反応室（１，２）内を減圧にする真空排気配管１３と、斜め上方向を向いた複数本の第１ノズル８０１，・・・・・，８０７，・・・・・と、水平方向を向いた複数の第２ノズル９０１，・・・・・，９０５，・・・・・と、反応室（１，２）の内部にプラズマを生成するための高周波電界印加手段（３，６）とを少なくとも有するＩＣＰ型高密度プラズマ処理装置である。反応室（１，２）はステンレス等の耐腐食性金属からなる容器基体（ベース）１と、この容器基体１の上部のフランジに密閉構造で接続された誘電体容器２とから構成されている。誘電体容器２は、例えば、半透明石英（ＳｉＯ2）や不透明アルミナ（Ａｌ2Ｏ3）で構成されている。基板ホルダ（４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄ）は、金属製の埋め込み電極４ｄと、この埋め込み電極４ｄを囲んだ、絶縁性材料で構成された基板ホルダ上部４ａ及び基板ホルダ下部４ｂとで構成され、更に基板ホルダ支持部４ｃにより容器基体１に固定されている。埋め込み電極４ｄには、例えば１３．５６ＭＨｚのＲＦバイアス電源７が図示を省略したブロッキングコンデンサを介して接続されている。埋め込み電極４ｄには、バイアス電源７の他に、静電チャック用のＤＣ電源を接続しても良い。更に、図示を省略しているが、基板温度制御用のガス冷却手段等を基板ホルダ（４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄ）の内部に収納している。複数本の第１ノズル８０１，・・・・・，８０７，・・・・・は、反応室（１，２）の側壁部に根本部が配置され、側壁部から反応室（１，２）の頂部方向に噴射方向が設定されている。この第１ノズル８０１，・・・・・，８０７，・・・・・からは、基板５の表面反応に必要な第１イオン種を生成する化合物ガスのみから実質的に構成された第１のガスが反応室（１，２）内に導入される。更に、誘電体容器２の頂部中央部に設けられた頂部ノズル９２１からも、第１のガスが反応室（１，２）内に導入される。第１ノズル８０１，・・・・・，８０７，・・・・・・及び頂部ノズル９２１の先端は直径０．１ｍｍ〜０．８ｍｍ程度のオリフィスが設けられていて、第１ノズル８０１，・・・・・，８０７，・・・・・及び頂部ノズル９２１の前には超音速領域、或いは亜音速領域が生成される。第１ノズル８０１，・・・・・，８０７，・・・・・には、ガス配管８１が接続され、ガス配管８１には、図示を省略した第１のガスの導入量を制御するマスフローコントローラ等の導入ガス制御バルブが設けられている。図示を省略しているが頂部ノズル９２１にも、第１のガスの導入量を制御する制御手段を具備したガス配管が接続されている。
【００２６】
一方、第２ノズル９０１，・・・・・，９０５，・・・・・は、第１ノズル８０１，・・・・・，８０７，・・・・・の根本部よりと実質的に同一水平レベル、若しくは第１ノズル８０１，・・・・・，８０７，・・・・・の根本部より基板５寄りの水平位置の側壁部に根本部が配置されている。即ち、第２ノズル９０１，・・・・・，９０５，・・・・・の付け根は、第１ノズル８０１，・・・・・，８０７，・・・・・の根本部よりも下方にあっても良い。第２ノズル９０１，・・・・・，９０５，・・・・・からは、第１イオン種より成膜若しくはエッチングされる物質に対するスパッタ効率の高い第２イオン種を生成する原料となる第２のガスが反応室（１，２）内に導入される。第２ノズル９０１，・・・・・，９０５，・・・・・の先端は、第１ノズル８０１，・・・・・，８０７，・・・・・と同様に、直径０．１ｍｍ〜０．８ｍｍ程度のオリフィスが設けられており、ノズル前には超音速領域、或いは亜音速領域が生成される。第２ノズル９０１，・・・・・，９０５，・・・・・には、図示を省略したガス配管が接続され、ガス配管には、第２１のガスの導入量を制御するマスフローコントローラ等の導入ガス制御バルブが設けられているのは、第１ノズル８０１，・・・・・，８０７，・・・・・と同様である。なお、第１ノズル８０１，・・・・・，８０７，・・・・・、頂部ノズル９２１及び第２ノズル９０１，・・・・・，９０５，・・・・・のオリフィス径は、ガスの到達、混合を助長するために、０．２ｍｍ〜０．６ｍｍ程度であることがより好ましい。
【００２７】
優れた反応の均一性を確保するためには、第１イオン種の分布を決定する第１ノズル８０１，・・・・・，８０７，・・・・・の本数が多いことが重要になる。なぜなら、全体のノズル本数が多くなると、ノズルから出るガス噴流間の干渉が起こり、この干渉によって基板５方向にガスが逃げ、膜厚分布は悪化する。したがって、図２に示すように、膜厚分布にあまり影響を与えない第２のガスを導入する水平方向を向いた第２ノズル９０１，９０２，・・・・・，９０６の本数は少なく、表面反応に必要な第１イオン種を生成する化合物ガスのみから実質的に構成された第１のガスを導入する第１ノズル８０１，８０２，・・・・・，８１２の本数は増やすことが必要となる（図２のＡ−Ａ方向に沿った断面図が図１に対応する。）。図２においては、第２ノズル９０１，９０２，・・・・・，９０６の本数が６本、第１ノズル８０１，８０２，・・・・・，８１２の本数が１２本の例が示されているが、この本数に限定されないことは勿論である。要は、第２ノズル９０１，９０２，・・・・・，９０６の本数が第１ノズル８０１，８０２，・・・・・，８１２の本数より少なければ、目的とするプラズマ反応の種類や特性に応じて、ノズルの本数は適宜選択可能である。
【００２８】
図示を省略するが、容器基体１にはダイヤフラム型の圧力計やその他の真空ゲージ等所定の圧力測定器が配置され、この圧力測定器の信号を用いて、自動的に反応室（１，２）内の圧力が制御出来るようになっている。真空排気配管１３には、図示を省略するが、この圧力測定器の信号をフィードバックして制御する圧力制御バルブが接続され、更に圧力制御バルブには、排気速度２〜８ｍ3／ｓ程度のケミカル型ターボ分子ポンプ、拡散ポンプ、クライオポンプ、或いはメカニカルブースタポンプ等の真空排気系が接続されている。
【００２９】
高周波電界印加手段（３，６）は、誘電体容器２の頂部近傍に設けられたＲＦコイル３と、このＲＦコイル３に高周波電力を供給する、例えば１３．５６ＭＨｚのＲＦ電源６とから構成されている。ＲＦ電源６からの高周波出力は、図示を省略したマッチングボックスを介して、ＲＦコイル３に供給される。高周波電界印加手段（３，６）は、第２ノズル９０１，・・・・・，９０５，・・・・・が配置された位置と反応室（１，２）の頂部との間の空間にプラズマを生成する。一般に、反応室（１，２）内のプラズマ生成部には分布があり、ＲＦ電界が集中する高密度プラズマ形成領域１１とその周辺の低密度プラズマ形成領域（１２ａ，１２ｂ）が存在する（図１では、それぞれ「高密度プラズマ領域」１１、「低密度プラズマ領域」（１２ａ，１２ｂ）と略記している。）。ＩＣＰ型、表面波励起プラズマ型等の高密度プラズマ処理装置でその分布は特に顕著になり、ＩＣＰ型高密度プラズマ処理装置の場合、コイル３が設置される誘電体容器２の近傍、基板５に対して上方に高密度プラズマ形成領域１１（プラズマ中のイオン種密度、電子密度が高い領域）が存在しその周囲に低密度プラズマ形成領域（１２ａ，１２ｂ）が存在する。
【００３０】
図１においては、反応室（１，２）内において、基板５の表面の法線方向に、順に、基板５に隣接したイオン走行領域１０、このイオン走行領域１０に隣接した第１低密度プラズマ形成領域（図１では、「第１低密度プラズマ領域」と略記）１２ａ、この第１低密度プラズマ形成領域１２ａに隣接した高密度プラズマ形成領域（図１では、「高密度プラズマ領域」と略記）１１、及びこの高密度プラズマ形成領域１１に隣接した第２低密度プラズマ形成領域（図１では、「第２低密度プラズマ領域」と略記）１２ｂが生成されている。第１低密度プラズマ形成領域１２ａと第２低密度プラズマ形成領域１２ｂとは、高密度プラズマ形成領域１１を包み込むように誘電体容器２の側壁部近傍で互いに連続している。
【００３１】
図１において、第１ノズル８０１，・・・・・，８０７，・・・・・のノズル長Ｌ１は、基板ホルダ（４ａ，４ｂ，４ｃ）と容器基体１との間のギャップ長Ｌ及び第１ノズル８０１，・・・・・，８０７，・・・・・の基板５に対する仰角（上向き角度）θ１、容器基体１の内径２Ｒ、基板５の半径ｒによって決まる次式：
Ｒ−ｒ≧Ｌ１・ｃｏｓθ１≧０．９Ｌ ・・・・・（１）
の範囲の値であることが好ましい。第１ノズル８０１，・・・・・，８０７，・・・・・の容器基体１の壁面における基板５からの高さ（以下において「ノズル付け根高さ」という。）Ｈ１は、容器基体１の内径を２Ｒ、基板５の半径ｒ、反応室（１，２）の中央天井（頂部）の基板５からの高さＨ２とすれば、ノズル長Ｌ１及び仰角θ１から、
Ｈ＝Ｒ−ｒ―Ｌ１・cosθ１ ・・・・・（２）
を定義し、このＨを用いて、
Ｈ２−Ｌ１・sinθ１−（Ｒ−Ｌ１・cosθ１）・tanθ１
≧Ｈ１≧Ｈ・tan（５０−θ１）−Ｌ１・sinθ１ ・・・・・（３）
の範囲とするのが好ましい。
【００３２】
又、第１ノズル８０１，・・・・・，８０７，・・・・・の基板５に対する仰角θ１は、反応室（１，２）の中央天井（頂部）の基板５からの高さＨ２、容器基体１の内径２Ｒ、ノズル付け根高さＨ１から、
Ｈ２―Ｈ１―Ｌ１・sinθ２＝（Ｒ−Ｌ１・cosθ２）・tanθ２・・・・・（４）
の関係で求まる角度θ２、及び
Ｈ１＋Ｌ１・sinθ３＝（Ｒ−ｒ−Ｌ１・cosθ３）・tan（５０−θ３）・（５）の関係で求まる角度θ３を定義し、これらの角度θ２及び角度θ３を用いて、
θ２≧θ１≧θ３ ・・・・・（６）
の範囲とするのが好ましい。
【００３３】
容器基体１の内径を２Ｒ＝３８０ｍｍ、反応室（１、２）の中央天井（頂部）の基板５からの高さＨ２＝１４０ｍｍ、基板ホルダ（４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄ）と容器基体との間のギャップ長Ｌ＝５０ｍｍ、基板５の半径ｒ＝１００ｍｍ（８インチウエハ）の場合、後述するように、埋め込み特性・面内膜厚均一性から第１ノズル８０１，・・・・・，８０７，・・・・・の仰角θ１は８°から３０°の範囲が好ましい。
【００３４】
式（１）〜式（６）を考慮すると、例えば、第１ノズル８０１，・・・・・，８０７，・・・・・の仰角θ１＝８°の場合、９１ｍｍ≧Ｌ１≧４５ｍｍ、仰角θ１＝３０°の場合、１０３ｍｍ≧Ｌ１≧５２ｍｍの範囲のノズル長が好ましい。更に例えば、ノズル長Ｌ１＝５５ｍｍとすると、仰角θ１＝８°の場合、１１３ｍｍ≧Ｈ１≧２４ｍｍ、仰角θ１＝３０°の場合、３５ｍｍ≧Ｈ１≧−１２ｍｍのノズル付け根高さＨ１の範囲が好ましい。ここで、「マイナス」のノズル付け根高さＨ１は、文字通り、「基板５の表面よりも下側」という意味である。
【００３５】
又、容器基体１の内径を２Ｒ＝５００ｍｍ、反応室（１、２）の中央天井（頂部）の基板５からの高さＨ２＝１６０ｍｍ、基板ホルダ（４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄ）と容器基体との間のギャップ長Ｌ＝６０ｍｍ、基板５の半径ｒ＝１５０ｍｍ（１２インチウエハ）の場合、式（１）〜式（６）を考慮すると、例えば、第１ノズル８０１，・・・・・，８０７，・・・・・の仰角θ１＝８°の場合、１０１ｍｍ≧Ｌ１≧５４ｍｍ、θ１＝３０°の場合、１１５ｍｍ≧Ｌ１≧６２ｍｍの範囲のノズル長が好ましい。更に例えば、ノズル長Ｌ１＝５５ｍｍとすると、仰角θ１＝８°の場合、１４０ｍｍ≧Ｈ１≧４５ｍｍ、仰角θ１＝３０°の場合、０≧Ｈ１≧−１４ｍｍのノズル付け根高さＨ１の範囲が好ましい。
【００３６】
より具体的に、シリコン酸化膜（ＳｉＯ2膜）をＣＶＤする場合で説明すると、第１のガスとしてシリコン（Ｓｉ）を含む化合物ガスを用いれば良い。例えばＳｉＨ4ガスを第１のガスとして、高密度プラズマ形成領域１１を向いたノズル長Ｌ1＝５０ｍｍ、ノズル付け根高さＨ1＝４０ｍｍの第１ノズル８０１，・・・・・，８０７，・・・・・から流量５０ｓｃｃｍで導入する。一方、第２のガスとして、流量１００ｓｃｃｍのＯ2ガス、或いはＯ2ガスとＡｒ等の希ガスの混合ガスが採用可能である。この第２のガスを８インチウエハ（基板）５の基板表面に対して平行となっているノズル長Ｌ* 1＝２０ｍｍ、ノズル付け根高さＨ* 1＝４０ｍｍの第２ノズル９０１，・・・・・，９０５，・・・・・から導入すれば良い。そして、ＲＦ電源６から３ｋＷ程度のプラズマ生成用高周波電界を印加し、同時にバイアス電源７を用いて、１〜２ｋＷ程度のバイアス用高周波電界を印加すればプラズマが生成される。図１に示すように、ＳｉＨ4を導入する第１ノズル８０１，・・・・・，８０７，・・・・・を上方に向けているので、高密度プラズマ形成領域１１でのＳｉＨ4ガス濃度が高くなる。この結果、第１イオン種（ＳｉＨ3 +、ＳｉＨ2 +、ＳｉＨ+、Ｓｉ+）がイオン走行領域１０を介して基板５の表面に到達し、基板５の表面において、第１イオン種（ＳｉＨ3 +、ＳｉＨ2 +、ＳｉＨ+、Ｓｉ+）を介した表面反応が促進され、基板５上にＳｉＯ2膜が堆積する。
【００３７】
以下において、ＳｉＨ4/Ａｒ/Ｏ2ガス系を用いた高密度プラズマにより、基板５上にシリコン酸化膜（ＳｉＯ2膜）を堆積する反応を、詳細に説明する。以下の説明では、添え字(s)、(g)、(d)は、それぞれ表面、気体、堆積膜状態を表すとする。即ち、ＳｉＯ2膜のプラズマＣＶＤにおいては、以下の５つの主反応が生じる。
【００３８】
(ａ) 表面の酸化（ＯＨ基作成）：
Ｓｉ(s)-Ｈp＋酸化剤→Ｓｉ(s)-ＯＨq＋副生成物 ・・・・・（７）
ここで、ｐ＝１，２，３、ｑ＝１，２，３、酸化剤はＯ、Ｏ*、ＯＨ、副生成物はＯＨ、Ｈ2Ｏである。
【００３９】
(ｂ) イオン種励起によるＨの脱離（成膜表面サイトＳｉ(s)-ＯＨ生成）：
Ｓｉ(s)-ＯＨq＋イオン種Ｘ+→Ｓｉ(s)-ＯＨ＋副生成物＋Ｘ・・・・・（８）
ここで、ｑ＝１，２，３、イオン種Ｘ+はＡｒ+、Ｏ+、Ｏ2 +、ＳｉxＨy +、副生成物はＨ2、Ｈ2Ｏである。
【００４０】
(ｃ) Ｓｉ源供給（表面の成膜サイトで成膜反応）：
Ｓｉ(s)-ＯＨ+Ｓｉ源中性ラジカル種ＳｉＨx
→ＳｉＯ2(d)＋Ｓｉ(s)-Ｈx+1 ・・・・・（９）
Ｓｉ(s)-ＯＨ+Ｓｉ源イオン種ＳｉＨx +＋ｅ
→ＳｉＯ2(d)＋Ｓｉ(s)-Ｈx+1 ・・・・・（１０）
ここで、Ｓｉ源中性ラジカル種ＳｉＨxはＳｉＨ3、ＳｉＨ2、ＳｉＨ、Ｓｉ、ＳｉＯであり、Ｓｉ(s)-Ｈx+1はＳｉ(s)-Ｈ、Ｓｉ(s)-Ｈ2、Ｓｉ(s)-Ｈ3であり、Ｓｉ源イオン種ＳｉＨx +はＳｉＨ3 +、ＳｉＨ2 +、ＳｉＨ+、Ｓｉ+である。
【００４１】
(ｄ)スパッタエッチング：
イオン種Ｘ+＋ＳｉＯ2(d)→ＳｉＯ2(g)＋Ｘ ・・・・・（１１）
ここで、イオン種Ｘ+はＡｒ+、Ｏ+、Ｏ2 +、ＳｉxＨy +である。
【００４２】
(ｅ) ＳｉＯ2の直接成膜（スパッタ種の再付着、成膜）：
ＳｉＯ2(g)→ＳｉＯ2(d) ・・・・・（１２）
溝部への埋め込み特性は式（８）、式（１０） に示されるイオン反応により改善され、式（９）、式（１２）に示される反応により悪化される。本発明によれば、表面反応に必要な第１イオン種であるＳｉ源イオン種ＳｉＨx +(ＳｉＨ3 +、ＳｉＨ2 +、ＳｉＨ+、Ｓｉ+)を増大させ、Ｓｉ源中性ラジカル種ＳｉＨx(ＳｉＨ3、ＳｉＨ2、ＳｉＨ、Ｓｉ、ＳｉＯ)密度を減少させ、更に、第２イオン種である非Ｓｉ源イオン種（Ａｒ+、Ｏ+、Ｏ2 +等）密度を減少させるために、式（１０）に示されるイオン反応が促進され、式（９）で示される中性ラジカル種の反応及び式（１２） (式（１１）の反応が抑制されるため)で示されるＳｉＯ2膜に対するスパッタ反応が抑制される。そのため、従来方法では埋め込めなかった狭い配線間をＳｉＯ2膜で埋め込むことが可能となる。
【００４３】
図４は、Ｓｉ源イオン種密度のＲＦパワー依存性、及び（Ｓｉ源イオン種密度／Ｓｉ源中性ラジカル種密度）で定義されるＳｉ源イオン種相対密度のＲＦパワー依存性を示す。図４は、ジャーナル・オブ・バキューム・サイエンス・エンド・テクノロジー（J.Vac.Sci.Technol.），第A16巻，第２号，１９９８年に記載されたエレン・ミーク（Ellen Meeks）らの反応モデルを用いた反応シミュレーションの結果である。この反応シミュレーションは、完全混合槽（ＰＳＲ）及び槽列モデルを解析するアプリケーションであるケミキン・アウロラ（Chemkin Aurora）を用いて計算した。図４に示すように、ＲＦパワーが１ｋＷ以上では、ＲＦパワーの増加とともに、Ｓｉ源中性ラジカル種密度（[ＳｉＨx]=[ＳｉＨ3]＋[ＳｉＨ2]＋[ＳｉＨ]＋[Ｓｉ]＋[ＳｉＯ]）はあまり変化しない一方、Ｓｉ源イオン種密度（[ＳｉＨx ＋]=[ＳｉＨ3 ＋]＋[ＳｉＨ2 ＋]＋[ＳｉＨ＋]＋[Ｓｉ＋]）は増大し続けることが分かる。その結果、図４に示すように、Ｓｉ源イオン種相対密度(= Ｓｉ源イオン種密度／Ｓｉ源中性ラジカル種密度密度)は８ｋＷまでは増大することが分かる。
【００４４】
図５は、ＲＦパワー３ｋＷにおけるＳｉ源イオン種密度のＳｉＨ4ガス濃度依存性、及びＳｉ源イオン種相対密度のＳｉＨ4ガス濃度依存性を示す。ＳｉＨ4ガス濃度は、[ＳｉＨ4]/（[ＳｉＨ4]＋[Ｏ2]＋[Ａｒ]）で定義される。図５に示すように、ＳｉＨ4ガス濃度の増大とともに、Ｓｉ源中性ラジカル種（ＳｉＨx）密度、Ｓｉ源イオン種（ＳｉＨx ＋）密度ともに増大するが、Ｓｉ源中性ラジカル種密度が飽和状態になるため、ＳｉＨ4ガス濃度０．４以上においてＳｉ源イオン種相対密度は、急激に増大する。即ち、ＳｉＨ4を噴出する第１ノズル８０１，・・・・・，８０７，・・・・・を斜め上方に向けたことより、高密度プラズマ形成領域１１でのＳｉＨ4ガス濃度が高くなったことが分かる。この結果、Ｓｉ基板５上の表面反応の反応速度（成長速度）を支配する第１イオン種（ＳｉＨx ＋）の、中性ラジカル種（ＳｉＨx）に対する密度比が、０．０１５〜０．０２５になり、Ｓｉ源イオン種（第１のイオン種）の中性ラジカル種に対する相対密度が高くなっていることが分かる。
【００４５】
図６は、ＲＦパワー７ｋＷにおけるＳｉ源イオン種密度のＳｉＨ4ガス濃度依存性、及びＳｉ源イオン種相対密度のＳｉＨ4ガス濃度依存性を示す。図６に示すように、ＳｉＨ4ガス濃度の増大とともに、Ｓｉ源中性ラジカル種（ＳｉＨx）密度、Ｓｉ源イオン種（ＳｉＨx ＋）密度ともに増大するが、Ｓｉ源中性ラジカル種密度が飽和状態になるため、ＳｉＨ4ガス濃度０．４以上においてＳｉ源イオン種相対密度は、急激に増大する。この結果、「第１のガスから生成された第１のイオン種（ＳｉＨx ＋）」の、「第１のガスから生成された中性ラジカル種（ＳｉＨx）」に対する密度比が、０．０２５〜０．０４５になり、Ｓｉ源イオン種（第１のイオン種）の中性ラジカル種に対する相対密度が極めて高くなっていることが分かる。図５及び図６に示す結果を見れば、ガスにかかるＲＦパワー増大効果とＳｉＨ4ガス濃度増大効果の相乗効果により、Ｓｉ源イオン種相対密度は高くなり、埋め込み限界が大きく改善されることが分かる。
【００４６】
実際の、Ｓｉ源中性ラジカル種、Ｓｉ源イオン種の基板へのフラックスΓ(ＳｉＨx)、Γ(ＳｉＨx+)はそれぞれ、
Γ(ＳｉＨx) =(１／４)・[ＳｉＨx]・ｖ(ＳｉＨx) ・・・・・（１３）
Γ(ＳｉＨx +) =０．６・[ＳｉＨx +]・ｖ(ＳｉＨx +) ・・・・・（１４）
ｖ(ＳｉＨx +)= (2・ｑ・Ｖdc／ｍi)1/2 ・・・・・（１５）
で示される。ここで、ｑは電気素量、ｘはイオン化数、ｍiはイオンの質量、Ｖdcはセルフバイアス電圧、ｖ(ＳｉＨx)は中性ラジカルの熱速度、ｖ(ＳｉＨx +)はイオン種の基板入射速度である。典型的な一例をとると、Ｖdc=８５Ｖ、温度Ｔ(gas)=７００[Ｋ]の場合、ｖ(ＳｉＨ2)=６６０[ｍ/ｓ]， ｖ(ＳｉＨ2 +)=２２０００[ｍ/ｓ]となり、Ｓｉ源イオン種相対密度を約８０倍したものがフラックス比となる。
【００４７】
図７は、第１の実施の形態における埋め込み限界の向上を、第１ノズル８０１，・・・・・，８０７，・・・・・のノズル角度（仰角）θ１依存性として示す。図７中に示されるように、アスペクト比５程度では、従来例（θ１＝０°）では１４０ｎｍ程度に埋め込み限界があったが、第１ノズル８０１，・・・・・，８０７，・・・・・のみを上向きにすることにより、溝部への埋め込み特性は大きく改善され、少なくとも８°≦θ１≦４０°の範囲において、溝部の深さ４００ｎｍ〜８００ｎｍ程度において、溝幅１１０ｎｍ程度までは、簡単に埋め込み可能であることが分かる。図示を省略しているが、更に条件を最適化すると、溝部の深さ４００ｎｍ〜８００ｎｍ程度において、溝幅９５ｎｍまで埋め込み可能である。条件の最適化には、式（１１）及び(１２)で示されるＡｒ+イオンによるスパッタ、再付着・成膜(反応)を防止するために、Ａｒガス流量を下げること、或いはＡｒガスをまったく流さないことが有効となる。
【００４８】
一方、図７に示すように、膜厚均一性は第１ノズル８０１，・・・・・，８０７，・・・・・を上に向けたことにより、基板５周辺部でのＳｉ源が減少して基板５周辺部でＣＶＤ膜の成長速度が低くなるため、膜厚均一性が大きく変化する。実用レベルとして、均一性が±８%以下になる条件を要求すれば、角度は８°≦θ１≦３０°の範囲が好ましい。これらは、３ｓｃｃｍ≦ＳｉＨ４流量／ノズル１本≦７ｓｃｃｍ、１０ｓｃｃｍ≦Ｏ２流量／ノズル１本≦２６ｓｃｃｍ、０ｓｃｃｍ≦Ａｒ流量／ノズル１本≦１０ｓｃｃｍの範囲で有効となる。ＣＶＤ膜の成長速度を落とさないため、又、ＳｉＯ2膜の絶縁特性確保するために、Ｏ2ガス或いはＯ2／Ａｒ混合ガスは、水平に向いた第２ノズル９０１，・・・・・，９０５，・・・・・から、低密度プラズマ形成領域（１２ａ，１２ｂ）に供給される。
【００４９】
ＳｉＨ4ガスの２０％以下の流量となる少量であれば、キャリアガスとして、Ａｒ等の希ガスも第１ノズル８０１，・・・・・，８０７，・・・・・からＳｉＨ4に混合しても良い。即ち、本発明においては、第１のガスに、「表面反応に必要なイオン種を生成する化合物ガス」に対して、流量比で２０％以下のキャリアガス等の他のガスが混合されていても、「イオン種を生成する化合物ガスのみから"実質的"になる」と解釈可能である。いずれにせよ、優れた溝部への埋め込み特性と優れた膜厚均一性を両立させるために、これらのノズル配置においては、角度は８°≦θ１≦３０°の範囲が有効となる。
【００５０】
既に、式（１）〜（６）を用いて説明したように、均一性を確保しつつ溝部への埋め込み特性を向上させるためには、第１ノズル８０１，・・・・・，８０７，・・・・・のノズル長Ｌ１、ノズル付け根高さＨ１、角度θ１、基板５の大きさ(半径ｒ)、プラズマ空間の大きさ、即ち反応室（１，２）大きさ（半径Ｒ）、誘電体容器２の天井から基板５の表面までの高さＨ２、基板ホルダ（４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄ）と反応室（１，２）の側壁（胴）との間のギャップ長Ｌとの関係を最適化することが重要である。第１ノズル８０１，・・・・・，８０７，・・・・・の仰角θ１が、式（４）で定義される誘電体容器２の天井の中心を向く角度θ２よりも大きくなると、基板５の周辺部へのＳｉ源供給が大きく減少し、膜厚均一性を確保出来なくなる。逆に仰角θ１が小さく、ガス噴流広がりが基板５に直接当たる方向を向いていると、基板５周辺部での溝部への埋め込み特性が悪化すると共に、膜厚が局所的に大きくなり、均一性が悪化する。ノズル付け根高さＨ1の上限についても同様な制限が加わる。又、ノズル長Ｌ１が短くなると排気側にガスが引っ張られ、原料効率が大きく悪化する。ノズル長Ｌ１が長すぎると、基板５の周辺部での膜厚均一性確保が困難になり、高密度プラズマによるノズル劣化の問題も発生する。
【００５１】
本発明の第１の実施の形態に係る第１ノズル８０１，・・・・・，８０７，・・・・・を用いる場合、プロセスの合間、例えば基板５の搬送時等に微小パーティクルがノズル穴から入り込み、後の成膜プロセスでの安定性劣化となり得る。成膜時の原料ガスが流れている以外の時間において、希ガス、或いはＮ2等の不活性ガスを流すことが長期安定性確保のために必要となる。
【００５２】
上記の説明では、ＳｉＯ2膜のプラズマＣＶＤにおける表面反応に必要な第１イオン種を生成する化合物ガスとして、ＳｉＨ4ガスを例に説明したが、ＳｉＨ4ガス以外でも、ジシラン（Ｓｉ2Ｈ6）ガス等のＳｉ水素化物、四塩化珪素（ＳｉＣｌ４）、トリクロロシラン（ＳｉＨＣｌ３）、ジクロロシラン（ＳｉＨ２Ｃｌ２）等のハロゲン化物、或いはテトラエチルシリケート（ＴＥＯＳ）等の有機ソースを第１ノズル８０１，・・・・・，８０７，・・・・・から導入し、Ｏ2ガス、ＣＯ2、Ｎ2Ｏ等の酸素を含むガスを水平方向を向いた第２ノズル９０１，・・・・・，９０５，・・・・から導入することにより、溝部への埋め込み特性、膜厚均一性に優れたＳｉＯ2膜が成膜可能である。
【００５３】
（第２の実施の形態）
第１の実施の形態ではＩＣＰ型プラズマＣＶＤを説明したが、第２の実施の形態ではプラズマエッチングを説明する。第２の実施の形態に係るプラズマエッチングに用いるプラズマ処理装置の構成は、実質的に図１及び図２に示す構成と同様である。但し、プラズマＣＶＤとは導入するガスが異なり、特に、水平方向の第２ノズル９０１，・・・・・，９０５，・・・・からは、基板５の表面反応に必要なラジカル種を生成する原料となる第２のガスを噴射する点が主なる相違点である。又、第１の実施の形態に係るプラズマＣＶＤ装置では、図示を省略したガス冷却手段が基板ホルダ（４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄ）の内部に収納されていると説明したが、第２の実施の形態に係るプラズマエッチング装置では、基板５を冷却するための水冷配管が設けられている点が異なる。ウェハステージとなる基板ホルダ上部４ａの冷却方法については、冷媒として液体窒素、液体ヘリウムやフロロカーボンを使っても構わない。他は、第１の実施の形態に係るＩＣＰ型プラズマＣＶＤ装置と実質的に同様であるので、プラズマ処理装置の構造の重複した記載を省略する。
【００５４】
ここでは、図１及び図２に示すＩＣＰ型プラズマＣＶＤ装置を、プラズマエッチング装置として説明する。即ち、図１及び図２に示すプラズマ処理装置において、反応室（１，２）の第１低密度プラズマ形成領域１２ａに隣接した側壁部から高密度プラズマ形成領域１１方向に向かって傾斜した方向に沿って、基板５の表面反応に必要、若しくは表面反応の反応速度（エッチング速度）を支配するイオン種（第１の実施の形態の「第１イオン種」に対応する。）を生成する化合物ガスのみから実質的に構成された第１のガスを噴射し、この第１のガスを噴射するステップと同時に、反応室（１，２）の第１低密度プラズマ形成領域１２ａに隣接した側壁部から基板５の表面に対して平行方向に基板５の表面反応（エッチング反応）に必要なラジカル種を生成する原料となる第２のガスを噴射することにより、第２の実施の形態に係るプラズマエッチングが実施出来る。そして、高密度プラズマ形成領域１１、第１低密度プラズマ形成領域１２ａ及び第２の低密度プラズマ形成領域１２ｂに高周波電界を印加することにより、高密度プラズマ形成領域１１にイオン種が高密度に生成された高密度プラズマが生成され、第１低密度プラズマ形成領域１２ａ及び第２の低密度プラズマ形成領域１２ｂに低密度プラズマが生成される。そして、生成されたイオン種及びラジカル種がイオン走行領域１０を介して基板５の表面に到達し、基板５の表面において、イオン種及びラジカル種を介した表面反応によりプラズマエッチングが促進する。
【００５５】
ＲＩＥにおいては、イオン種の異方性を用いて奥行き方向に長くエッチングを進めるが、アスペクト比の大きいトレンチやコンタクトホール、或いはバイアホールを開孔するためには、イオン種と中性ラジカル種の密度制御が重要となる。中性ラジカル種は、エッチング表面での反応層生成、及びエッチング中に現れる側壁保護のために用いられる。一般には、イオン種の生成量不足が発生する。
【００５６】
具体的には、エッチング速度を支配するイオン種を生成する化合物ガスのみから実質的に構成された第１のガスとして、例えば、ＣＨ３ ＋イオンを生成しやすいハロゲン化アルキルのガス、例えば沃化メチル（ＣＨ３Ｉ）ガス、塩化メチル（ＣＨ３Ｃｌ）ガス、若しくはフッ化メチル（ＣＨ３Ｆ）ガスを用いる。一方、第２のガスとして、ＣＦ２ラジカルを生成しやすいパーフルオロカーボンのガス、例えばテトラフルオロエチレン（Ｃ２Ｆ4）ガス、若しくはパーフルオロソンクロブタン（Ｃ4Ｆ8）ガスを用いる。ＣＨ３Ｉガス等のハロゲン化アルキルを用いることでイオン種密度は増大するが、それでも不足が残る。第２の実施の形態に係るプラズマエッチング装置においては、ハロゲン化アルキルのガスを第１ノズル８０１，・・・・・，８０７，・・・・・から導入し、パーフルオロカーボンのガスを水平方向を向いた第２ノズル９０１，・・・・・，９０５，・・・・から導入することにより、ハロゲン化アルキルの分解効率が上昇し、表面反応に不足するイオン種を増大させることが可能となる。その結果、開口幅が１００ｎｍレベルで、アスペクト比の大きなトレンチ、コンタクトホール、バイア・ホール等が高精度、且つ再現性良く、エッチング出来る。
【００５７】
ハロゲン化アルキル／パーフルオロカーボン系以外でも、イオン種生成を目的とするガスを第１ノズル８０１，・・・・・，８０７，・・・・・から導入し、中性ラジカル種生成を目的とするガス、或いはイオン種生成目的以外のガスを水平方向を向いた第２ノズル９０１，・・・・・，９０５，・・・・から導入することにより、同様に、アスペクト比の大きなトレンチ、コンタクトホール、バイア・ホール等が高精度、且つ再現性良く、エッチング出来る。
【００５８】
（第３の実施の形態）
ノズルの仰角θ１を最適化することにより、増大するイオン量とラジカル量を制御することが可能となる。例えば、プラズマＣＶＤにおいては、厳しい溝部への埋め込み特性を必要とする部分には第１ノズル８０１，・・・・・，８０７，・・・・・を用い、デポレートを優先するプロセスでは仰角θ１を小さくする、水平にする、或いは水平方向を向いた第２ノズル９０１，・・・・・，９０５，・・・・からＳｉＨ4ガス等を導入することにより、高速プロセスが達成される。一つの成膜プロセス中でも、埋め込み後は仰角θ１を小さく変え、或いは水平方向を向いた第２ノズル９０１，・・・・・，９０５，・・・・を用いて成膜レートを大きくし、スループットを稼ぐことも可能となる。
【００５９】
エッチングにおいては、エッチング速度と異方性形状（エッチング形状）を制御が可能となる。
【００６０】
角度調整機構は、第１ノズル８０１，・・・・・，８０７，・・・・・全体で同時に調節される機構と、１本１本個々に調節される機構がある。個々の制御機構の場合には、膜厚分布改善のために、ノズル個体差補正のために、微調整が可能となる。
【００６１】
（その他の実施の形態）
上記のように、本発明は第１〜第３の実施の形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。
【００６２】
第１の実施の形態においては、ＳｉＯ2膜のプラズマＣＶＤを例に説明したが、水平方向を向いた第２ノズル９０１，・・・・・，９０５，・・・・から流すガスを、窒素（Ｎ2）ガス、アンモニア（ＮＨ3）ガス等の窒素を含む化合物ガス、或いは水素（Ｈ2）ガスに換えると、溝部への埋め込み特性、膜厚均一性に優れたシリコン窒化膜（Ｓｉ3Ｎ4膜）或いはアモルファスシリコンａ-ＳｉＨ膜がプラズマ反応を用いて成膜可能となる。又、ＳｉＨ4ガスと共に、第１ノズル８０１，・・・・・，８０７，・・・・・からモノゲルマン（ＧｅＨ4）ガス、フッ化ゲルマニウム（ＧｅF4）ガスを、第２ノズル９０１，・・・・・，９０５，・・・・からメタン（ＣＨ4）ガス、エタン（Ｃ2Ｈ6）ガス、エチレン（Ｃ2Ｈ4）ガス、アセチレン（Ｃ2Ｈ2）ガス等のガスを導入することにより、溝部への埋め込み特性、膜厚均一性に優れたa-ＳｉＣ、a-ＳｉＧｅ:Ｈ膜も成膜可能となる。
【００６３】
更に、第１のガスとなる「表面反応に必要なイオン種（第１イオン種）を生成する化合物ガス」として６フッ化タングステン（ＷＦ6）を第１ノズル８０１，・・・・・，８０７，・・・・・から噴射し、第２のガスとして、ＳｉＨ4ガス若しくはＨ2ガスを第２ノズル９０１，・・・・・，９０５，・・・・から噴射すれば、タングステン（Ｗ）膜が堆積出来る。同様に、第１のガスとして４塩化チタン（ＴｉＣｌ4）ガスを第１ノズル８０１，・・・・・，８０７，・・・・・から噴射し、第２のガスとしてＮＨ3ガス，Ｈ2ガス、若しくはＮ2ガスを第２ノズル９０１，・・・・・，９０５，・・・・から噴射すれば、窒化チタン（ＴｉＮ）膜が堆積出来る。この様にすれば、１００ｎｍレベルの微細なコンタクトホールやバイアホールへのＷ，ＴｉＮ膜等の金属膜の埋め込み特性を改善し、電気伝導特性、信頼性、膜厚均一性に優れた金属配線が成膜可能である。この様に、イオン化を目的としたガスを第１ノズル８０１，・・・・・，８０７，・・・・・から導入し、その他のガスを水平方向を向いた第２ノズル９０１，・・・・・，９０５，・・・・から導入することにより、種々のメタル膜、ダイヤモンド膜、セラミック膜、化合物半導体膜が堆積可能である。
【００６４】
既に述べた第１〜第３の実施の形態の説明においては、プラズマＣＶＤ、プラズマエッチングの系で説明したが、これ以外のアッシング等の場合であっても、イオン化が必要なガスを高密度なプラズマ部に導入し、他の原料ガスを低密度なプラズマ領域に導入することにより、イオン種密度を増大させることが可能となる。
【００６５】
又、容器基体１の前後に基板搬送ゲートバルブを介して真空予備室が配置するようにしても良い。こうすれば、基板５の搬送は、まず基板５を真空予備室（ロードロック室）内にセットし、真空予備室を真空排気後、基板搬送ゲートバルブを開け、セットされた基板５をローダーロボットアームにより容器基体１内に移す。次に基板ホルダ上部４ａ周辺に配置される基板受け渡しのためのピン上に移し、このピンを下げることで基板５を基板ホルダ上部４ａにセットし、所定の静電チャック電圧を埋め込み電極に印加し、静電チャックで基板５をクランプするようにしても良い。
【００６６】
なお、図１に示すようなプラズマ処理装置を用いれば、以下のような工程で半導体装置が製造可能である。
【００６７】
（イ）まず、半導体基板（Ｓｉ基板）５の表面を熱酸化し、３００ｎｍ〜８００ｎｍの酸化膜を形成する。そして、フォトレジスト膜を酸化膜の表面にスピン塗布する。そして、フォトリソグラフィー技術により、フォトレジスト膜をパターニングする。そして、このフォトレジスト膜をマスクとして、ＲＩＥなどにより酸化膜をエッチングする。酸化膜をエッチング後、フォトレジスト膜を除去する。そして、パターニングされた酸化膜をマスクとして、半導体基板５の表面に、図３に示すような開口部の幅ｌ2が９５ｎｍ〜１３０ｎｍ、深さ４００ｎｍ〜８００ｎｍの溝部を設ける。溝部形成後、エッチング用マスクとして用いた酸化膜を除去する。
【００６８】
（ロ）次に、図１に示すプラズマ処理装置の容器基体１の側壁に、基板搬送ゲートバルブ（図示省略）を介して設けられた真空予備室（図示省略）の内部に、溝部を設けられた半導体基板５を配置する。そして、この真空予備室を真空排気後、基板搬送ゲートバルブを開け、真空予備室にセットされた半導体基板５をローダーロボットアームにより容器基体１内に移す。次に基板ホルダ上部４ａ周辺に配置される基板受け渡しのためのピン上に移し、このピンを下げることで半導体基板５を基板ホルダ上部４ａにセットし、所定の静電チャック電圧を埋め込み電極に印加し、静電チャックで半導体基板５をクランプする。そして、ローダーロボットアームを戻し、基板搬送ゲートバルブを閉じる。この結果、反応室（１，２）内部に、半導体基板５が配置される。
【００６９】
（ハ）次に、図１に示すプラズマ処理装置の真空排気配管１３に接続された主ゲートバルブ（図示省略）を開け、反応室（１，２）内の圧力を、容器基体１に設けられた圧力測定器でモニタしながら、１０-3Ｐａ〜１０-7Ｐａ程度の所定の圧力に到達するまで真空排気する。この際、真空排気配管１３に主ゲートバルブを介して接続されたケミカル型ターボ分子ポンプ等の真空排気ポンプを用いる。
【００７０】
（ニ）所定の圧力に到達したら、基板温度制御用のガス冷却手段を用いて、半導体基板５の冷却を開始する。更に、図１に示すように、反応室（１，２）の側壁部に設けられ、第１低密度プラズマ形成領域１２ａに根本部を有し、先端部が高密度プラズマ形成領域１１方向に向かう第１ノズル８０１，８０２，・・・・・，８１２を用い、基板表面の仰角θ１方向に、シリコンの水素化合物（ＳｉＨ4）ガスを噴射する。この際、第１ノズル８０１，８０２，・・・・・，８１２に接続されたガス配管８１の一部に設けられたマスフローコントローラ等の導入ガス制御バルブで、シリコンの水素化合物ガスの流量を制御する。又、真空排気配管１３に接続された圧力制御バルブを利用してＣＶＤ圧力を制御する。
【００７１】
（ホ）シリコンの水素化合物ガスを噴射するステップと同時に、図１に示す第１低密度プラズマ形成領域１２ａに設けられた第２ノズル９０１，・・・・・，９０５，・・・・・を用いて、半導体基板５の表面に対して平行方向に、酸素ガス若しくは酸素の化合物ガスを噴射する。この際、第２ノズル９０１，・・・・・，９０５，・・・・・に接続されたガス配管の一部に設けられた導入ガス制御バルブで、酸素ガス若しくは酸素の化合物ガスの流量を制御する。又、真空排気配管１３に接続された圧力制御バルブを利用してＣＶＤ圧力を制御する。
【００７２】
（ヘ）ＲＦ電源６からの、例えば１３．５６ＭＨｚの高周波電力をＲＦコイル３に供給し、高周波電界を印加することにより、高密度プラズマ形成領域１１にＳｉ源イオン種が高密度に生成された高密度プラズマを生成し、第１低密度プラズマ形成領域１２ａ及び第２の低密度プラズマ形成領域１２ｂに低密度プラズマを生成する。この際、図１に示す埋め込み電極４ｄには、ＲＦバイアス電源７を用い、例えば１３．５６ＭＨｚのＲＦバイアスを印加する。この結果、Ｓｉ源イオン種を介した表面反応により、シリコン酸化膜５９が半導体基板５の表面に堆積し、図３（ａ）に示すように溝部が埋め込まれる。図３（ａ）は、埋め込みの途中の段階の模式図であるが、更に深さ４００ｎｍ〜８００ｎｍの溝部が完全に埋まるまで堆積を続ける。
【００７３】
（ト）溝部が完全に埋まれば、ＲＦ電源６及びＲＦバイアス電源７のスイッチを切り、更に第１ノズル８０１，８０２，・・・・・，８１２及び第２ノズル９０１，・・・・・，９０５，・・・・・からのガス供給を停止する。そして、図１に示すプラズマ処理装置の真空排気配管１３に接続された主ゲートバルブ（図示省略）を閉じ、容器基体１の側壁に設けられた基板搬送ゲートバルブ（図示省略）を介して、真空予備室（図示省略）の半導体基板５を戻す。そして、基板搬送ゲートバルブを閉じた後、真空予備室の窓を開け、半導体基板５を大気中に取り出す。
【００７４】
（チ）この後、必要に応じて化学的機械研磨（ＣＭＰ）等を用いて、シリコン酸化膜５９の表面を平坦化する。この後は、フォトリソグラフィー技術を駆使した選択的イオン注入等の周知の半導体製造プロセスであるので、説明を省略する。
【００７５】
この様に、本発明はここでは記載していない様々な実施の形態等を含むことは勿論である。したがって、本発明の技術的範囲は上記の説明から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ定められるものである。
【００７６】
【発明の効果】
本発明によれば、１００ｎｍレベルの微細な溝部への埋め込み特性やエッチング特性が大きく改善され、膜厚均一性も良好になる。
【００７７】
この結果、１００ｎｍレベルの微細な配線間の溝部、コンタクトホール（バイアホール）やＳＴＩトレンチの埋め込み及びエッチングが可能となり、超高速・低消費電力の半導体デバイス、或いはギガスケールの超高密度半導体集積回路（ＧＳＩ）の製造が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係るプラズマ処理装置の概略を示す断面図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態に係るプラズマ処理装置のガスノズルの配置の概略を示す上面図である。
【図３】図３（ａ）は、Ａｒイオンのフラックスが少ない場合、図３（ｂ）は、Ａｒイオンのフラックスが多い場合における溝部への酸化膜の埋め込み特性を示す模式的な断面図である。
【図４】ＲＦパワーとＳｉ源中性ラジカル種密度との関係、及びＲＦパワーとＳｉ源イオン種相対密度との関係を示す図である。
【図５】ＲＦパワー３ｋＷにおけるＳｉＨ4ガス濃度とＳｉ源中性ラジカル種密度との関係、ＳｉＨ4ガス濃度とＳｉ源イオン種相対密度との関係を示す図である。
【図６】ＲＦパワー７ｋＷにおけるＳｉＨ4ガス濃度とＳｉ源中性ラジカル種密度との関係、ＳｉＨ4ガス濃度とＳｉ源イオン種相対密度との関係を示す図である。
【図７】ノズルの角度と膜厚の均一性の関係、及びノズルの角度と埋め込み限界幅の関係を示す図である。
【図８】従来のプラズマＣＶＤ装置の概略を示す断面図である。
【符号の説明】
１ 容器基体（ベース）
２ 誘電体容器
３ ＲＦコイル
４ａ 基板ホルダ上部
４ｂ 基板ホルダ下部
４ｃ 基板ホルダ支持部
４ｄ 埋め込み電極
５ 基板
６ ＲＦ電源
７ バイアス電源
１０ イオン走行領域
１１ 高密度プラズマ形成領域（高密度プラズマ領域）
１２ａ 第１低密度プラズマ形成領域（第１低密度プラズマ領域）
１２ｂ 第２低密度プラズマ形成領域（第２低密度プラズマ領域）
１３ 真空排気配管
５９ シリコン酸化膜(ＳｉＯ2膜)
６１ スパッタ種による成膜
６２ オーバーハング
８１ ガス配管
８０１，・・・・・，８０７，・・・・・ 第１ノズル
９０１，・・・・・，９０５，・・・・・ 第２ノズル
９２１ 頂部ノズル
【発明の属する技術分野】
本発明は、プラズマを用いて基板上に薄膜を形成するプラズマ処理方法、プラズマ処理装置及び、これらを用いた半導体装置の製造方法に係り、特に誘導結合型(ＩＣＰ型)、ヘリコン波励起型（ＨＷＰ型）、電子サイクロトロン共鳴型(ＥＣＲ型)、マグネトロン放電型、表面波励起型等の種々の高密度プラズマによる反応を利用した技術分野に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体装置においては、素子配線を電気的に隔離するための絶縁膜が用いられている。従来、この絶縁膜としては、熱酸化法にてシリコン基板を酸化して形成されたシリコン酸化膜(ＳｉＯ2膜)、又はモノシラン（ＳｉＨ4）やテトラエトキシシラン(ＴＥＯＳ)等のガスを原料として化学気相成長法(ＣＶＤ)にて形成されたＳｉＯ2膜が主に用いられている。しかし、これらの成膜方法では６００℃以上の高温熱処理が必須であり、低融点のメタルを堆積した後の被処理基体への処理が困難であるという問題がある。この問題を解決する方法として、低温での処理が可能な、プラズマ反応を用いたシリコンの酸化法やプラズマＣＶＤ法が開発された。しかし、これらの処理法により得られた酸化膜は、熱酸化法により得られる酸化膜と比較して、密度が低く、電気的耐圧が低く、又誘電率が高い特性しか得られないという問題がある。
【０００３】
又、近年の高速ロジックデバイス、メモリーデバイス等では、回路の複雑化に伴い、配線幅の微細化、配線の多層化等の要求が増大している。多層配線における層間絶縁膜の形成法に要求される特性の一つに埋め込み性能があげられる。素子の微細化に伴い狭くなった素子分離用のトレンチや配線間を絶縁膜で埋め込む必要があるからである。これらの要求を満たすものとして、高密度プラズマを用いたＣＶＤ法が注目されている。高密度プラズマＣＶＤ法は、１Ｐａ程度の圧力においてプラズマ放電を行うことを特徴としており、プラズマ生成法により、ＩＣＰ型、ＨＷＰ型、ＥＣＲ型、マグネトロン放電型、表面波励起プラズマ型等がある。高密度プラズマＣＶＤでは、低圧力下で放電を行うことから、中性粒子に対してイオン種の密度が数％を占め、イオン種を用いた成膜が実現される。この為、サセプタにバイアス電圧を印加することでイオン種を基板へ引き込み、方向性をもった堆積を実現し、更にアルゴン（Ａｒ）等の希ガスの添加により、電場の集中する溝の開口部のエッジ部分を選択的にスパッタ・エッチングすることで、高アスペクトの溝の埋め込みを可能にしている。
【０００４】
従来例の一例として、ＩＣＰ型高密度プラズマ処理装置を説明する。図８にＩＣＰ型の高密度プラズマ処理装置の概略図を示す。この高密度プラズマ処理装置は、プラズマ生成のために用いられる容器基体１、誘電体容器２、プラズマ生成のためのＲＦコイル３とＲＦ電源装置６、基板５、基板５を保持するための基板ホルダ（４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄ）、バイアス電圧によるイオン引き込みをするためのＲＦ電源７、図示を省略している真空排気系、複数の原料ガス供給システム（図略）に接続された複数の水平ノズル９１０，９１１、及び頂部ノズル９２１から構成されている。プラズマ容器１と誘電体容器２から構成されるプラズマチャンバー内に、複数の原料ガス供給システム（図略）に、それぞれ接続された複数の水平ノズル９１０，９１１及び頂部ノズル９２１から原料ガスを流し、真空排気系から排気することによりチャンバー内は１Ｐａ程度に保つ。ＲＦ電源装置６によってＲＦコイル３に３ｋＷ程度の高周波電界を印加して、チャンバー内にプラズマを生成させる。更に、ＲＦ電源７によって、基板ホルダ上部４ａ上に保持された基板５（温度制御手段の図略）にバイアス電圧をかけ、プラズマから基板５へイオン種を引き込む。図８に示すように、水平ノズル９１０，９１１及び頂部ノズル９２１が、保持基板ホルダ（４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄ）上方において、基板５と平行に配置され、これらの水平ノズル９１０，９１１及び頂部ノズル９２１からモノシラン（ＳｉＨ4）/Ａｒガス及びＯ2ガスが供給される。プラズマで生成される中性ラジカル種とイオン種によって、基板５上にＳｉＯ2膜が堆積される。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ここで、シリコン酸化膜(ＳｉＯ2膜)の成膜を例に、プラズマＣＶＤの問題点を検討する。ＳｉＯ2膜のプラズマ装置、特に高密度プラズマ処理装置等のイオン種を積極的に用いたプラズマ処理装置における第１の問題にＳｉ源イオン種密度の不足の問題がある。これは、ＳｉＯ2膜の成膜においては、配線幅や素子分離用のトレンチの微細化が進むことによる埋め込み特性の悪化（埋め込み特性の限界）の問題となる。高密度プラズマＣＶＤの例で説明すると、イオン照射によって表面に出来た成膜サイト（Ｓｉ(s)-ＯＨ）にＳｉ源（中性ラジカル種Ｓｉ源（ＳｉＨ3、ＳｉＨ2、ＳｉＨ、Ｓｉ、ＳｉＯ等）とイオン種Ｓｉ源（ＳｉＨ3 +、ＳｉＨ2 +、ＳｉＨ＋、Ｓｉ＋等））が供給されてＳｉＯ2膜の成膜が進行するが、１Ｐａ程度の高密度プラズマ条件でも、中性ラジカル種の表面へのフラックスがイオン種のフラックスと比較して５倍から１０倍多い。そのために異方性成膜特性が損なわれ、溝部への埋め込み特性に限界が現れる。即ち、従来方法の高密度プラズマＣＶＤによるＳｉＯ2成膜では、Ｓｉ源イオン種密度不足による埋め込み特性限界が発生し、配線間に空間が残り、絶縁膜埋め込み後の工程（ウエット洗浄処理等）における歩留まりを著しく低下させるとともに、デバイスの信頼性を低下させる。
【０００６】
第２の問題として、成膜される物質（ＳｉＯ2膜）に対する非Ｓｉ源イオン種によるスパッタが原因の埋め込み形状の悪化がある。前述したＡｒガスから生成されたイオン種（Ａｒ+）や、Ｏ2ガスから生成されたイオン種（Ｏ+、Ｏ2 +）は、Ｓｉ源イオン種と比較して成膜される物質（ＳｉＯ2膜）に対する「スパッタ効率」が大きい。イオン種の基板５へのエネルギーやフラックスが大きすぎると、図３（ｂ）に示すように、隣の配線上のＳｉＯ2膜５９の傾斜部からたたき出されたスパッタ種によって成膜６１が起こる。特に開口部の幅ｌ2が幅ｌ1より狭い場合（ｌ1≫ｌ2）、即ち、トレンチ幅ｌ2の微細化が進んだ場合は、オーバーハング６２が埋め込み成膜中に発生し、その後更に堆積を続けても溝部の内部に空洞や巣が形成される（図３（ａ）は、イオン種の基板５へのエネルギーやフラックスが小さい場合を示す模式図である。）。その結果、イオン種の種類やエネルギーに依存して、狭いトレンチ幅ｌ2のトレンチでの埋め込み特性が悪化する。
【０００７】
第３の問題として、プラズマ密度の分布及び供給されるガス密度の分布に起因する膜厚均一性の悪化がある。これは、ガスノズル９１１，９１２，９２１等のガス供給管を用いて原料ガスを導入する、ＩＣＰ型等の高密度プラズマ処理装置で特に顕著となる。プラズマによる部材消耗を防ぐためにノズル等を用いて、プラズマ外、或いはプラズマ密度の低い部分から原料ガスは導入され、必然的に、プラズマ部において原料ガス密度分布が生成され、プラズマ密度分布、膜厚分布均一性の悪化につながる。
【０００８】
上記に置いて、ＳｉＯ2膜の埋め込みをする場合で説明したが、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）等のプラズマエッチングやドーピングを含む場合においても、同様である。或いは、タングステン（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ）等の金属を１００ｎｍレベルの微細なコンタクトホールやバイアホールに埋め込む場合も同様である。この様に、イオン種を積極的に用いて行うプロセスで、イオン種の密度不足やイオン種の面内分布改善の問題が発生している。
【０００９】
上記問題点を鑑み、本発明は基板の表面反応に必要なイオン種の密度（イオン種密度）を中性ラジカル種に比して増大させることが出来る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である。具体的には、基板表面の成膜サイト若しくはエッチングサイトにおいて、中性ラジカル種のフラックスに比して、イオン種のフラックスが増大出来、これにより異方性成膜特性や異方性エッチング特性が改善された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である。
【００１０】
本発明の他の目的は、配線幅や素子分離用のトレンチの微細化が１００ｎｍレベルまで進んだ場合でも、埋め込みやエッチング等のプラズマ反応の特性が良好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である。
【００１１】
本発明の更に他の目的は、過剰な存在が表面反応を阻害する第２イオン種によるスパッタを抑制し、これにより異方性成膜特性や異方性エッチング特性を向させた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である。
【００１２】
本発明の更に他の目的は、プラズマ密度の面内分布、イオン種密度の面内分布が均一化し、膜厚均一性やエッチング深さの均一性が向上した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である。
【００１３】
本発明の更に他の目的は、配線間や素子分離用のトレンチに空間を残すことなく、良好な薄膜の埋め込みが出来、その後の工程における製造歩留まりが著しく向上出来る半導体装置の製造方法を提供することである。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために本発明の第１の特徴は、反応室内に基板を配置し、反応室の頂部と基板の間に、基板に隣接したイオン走行領域、このイオン走行領域に隣接した第１低密度プラズマ形成領域、この第１低密度プラズマ形成領域に隣接した高密度プラズマ形成領域、及びこの高密度プラズマ形成領域と反応室の頂部に挟まれた第２低密度プラズマ形成領域を位置させ、高密度プラズマ形成領域のプラズマを用いた基板の表面反応により、基板上に成膜若しくは基板をエッチングする方法に関する。即ち、本発明の第１の特徴に係るプラズマ処理方法は、（イ）反応室内に基板を配置するステップと、（ロ）反応室内を減圧にするステップと、（ハ）反応室の側壁部に設けられ、第１低密度プラズマ形成領域に根本部を有し、先端部が高密度プラズマ形成領域方向に向かうノズルを用い、基板表面の仰角方向に、表面反応に必要な第１イオン種を生成する化合物ガスのみから実質的になる第１のガスを噴射するステップと、（ニ）第１のガスを噴射するステップと同時に、第１低密度プラズマ形成領域において、基板の表面に対して平行方向に、成膜若しくはエッチングされる物質に対するスパッタ効率が、第１イオン種より高い第２イオン種を生成する第２のガスを噴射するステップと、（ホ）高密度プラズマ形成領域、第１及び第２の低密度プラズマ形成領域に高周波電界を印加することにより、高密度プラズマ形成領域に第１イオン種が高密度に生成された高密度プラズマを生成し、第１及び第２の低密度プラズマ形成領域に低密度プラズマを生成し、第１イオン種をイオン走行領域を介して基板の表面に到達させ、第１イオン種による表面反応を生じさせるステップとを含むことを要旨とする。「成膜される物質に対するスパッタ効率」とは、ＣＶＤ、エピタキシャル成長等の成膜の場合における成膜（堆積膜）材料に対する、イオンによるスパッタ効率を意味する。又、「エッチングされる物質に対するスパッタ効率」は、基板そのものをエッチングする場合であれば、基板材料に対するイオンによるスパッタ効率であり、基板上に基板とは異なる材料の被エッチング部が形成されている場合は、この被エッチング部となる材料に対するイオンによるスパッタ効率を意味する。種々のイオン種と種々の被スパッタ材料との組み合わせにおいて、イオン銃を用いた実験により「スパッタ効率」は測定される。「スパッタ効率」の実験結果は、基礎データとして文献に記載されているので、それを利用すれば良い。本発明者の実験によれば、「第１イオン種を生成する化合物ガスのみから"実質的"になる」とは、第１のガスの成分を考慮した場合、「表面反応に必要な第１イオン種を生成する化合物ガス」に対してこれ以外のガスが流量比で２０％以下含まれているのであれば、「のみから"実質的"になる」と解釈可能である。
【００１５】
本発明の第１の特徴に係るプラズマ処理方法によれば、基板の表面反応に必要な第１イオン種のイオン種密度を中性ラジカル種に比して、増大させることが出来る。即ち、基板表面の成膜サイトにおいて、中性ラジカル種の表面へのフラックスに比して第１イオン種のフラックスを増大出来る。この為、異方性成膜特性が改善され、溝部への埋め込み特性が向上する。これにより、プラズマＣＶＤにおいては、配線幅や素子分離用のトレンチの微細化が１００ｎｍレベルまで進んだ場合でも、埋め込み特性を向上させることが出来る。この結果、配線間に空間を残すことなく、良好な絶縁膜埋め込みが出来るので、その後の工程（ウエット洗浄処理等）における歩留まりが著しく向上し、半導体装置の信頼性を向上させる。前述したように、第２イオン種としての、Ａｒ+，Ｏ+，Ｏ2 +等は、表面反応に必要な第１イオン種と比較すると、成膜若しくはエッチングされる物質に対するスパッタ効率が大きい。第１の特徴に係るプラズマ処理方法によれば、過剰な存在が表面反応を阻害する第２イオン種によるスパッタが抑制されるので、プラズマＣＶＤにおける埋め込み特性が向上する。第２イオン種の基板への過剰なエネルギーや過剰なフラックスを制御出来るので、プラズマＣＶＤにおいては、隣の配線上の成膜の傾斜部からたたき出されたスパッタ種による異常な成膜が抑制され、オーバーハング形状等の発生が回避出来る。その結果、１００ｎｍレベルの狭いトレンチ間での埋め込み特性が極めて優れたものになる。又、プラズマ密度の面内分布、イオン種密度の面内分布が均一化するので、膜厚均一性やエッチング深さの均一性が向上する。
【００１６】
本発明の第１の特徴において、第１のガスは、金属の水素化合物ガス、金属のハロゲン化合物ガス、金属の有機化合物ガス、半導体の水素化合物ガス、半導体のハロゲン化合物ガス、半導体の有機化合物ガスからなるグループから選ぶことが可能である。一方、第２のガスは、希ガス、水素ガス、窒素ガス、窒素の化合物ガス、酸素ガス、酸素の化合物ガスからなるグループから選ぶことが可能である。例えば、本発明の第１の特徴において、第１のガスはシリコンの水素化合物ガス、第２のガスは、酸素ガス若しくは酸素の化合物ガスとすれば、シリコン酸化物のプラズマＣＶＤが実現出来る。本発明の第１の特徴において、第１のイオン種の第１のガスから生成された中性ラジカル種に対する密度比を、０．０１〜０．０４５にすることが可能である。
【００１７】
本発明の第２の特徴は、本発明の第１の特徴に係るプラズマ処理方法と同様に、反応室内に基板を配置し、反応室の頂部と基板の間に、基板に隣接したイオン走行領域、このイオン走行領域に隣接した第１低密度プラズマ形成領域、この第１低密度プラズマ形成領域に隣接した高密度プラズマ形成領域、及びこの高密度プラズマ形成領域と反応室の頂部に挟まれた第２低密度プラズマ形成領域を位置させ、高密度プラズマ形成領域のプラズマを用いた基板の表面反応により、基板上に成膜若しくは基板をエッチングする方法に関する。即ち、本発明の第２の特徴に係るプラズマ処理方法は、（イ）反応室内に基板を配置するステップと、（ロ）反応室内を減圧にするステップと、（ハ）反応室の側壁部に設けられ、第１低密度プラズマ形成領域に根本部を有し、先端部が高密度プラズマ形成領域方向に向かうノズルを用い、基板表面の仰角方向に、表面反応に必要なイオン種を生成する化合物ガスのみから実質的になる第１のガスを噴射するステップと、（ニ）第１のガスを噴射するステップと同時に、第１低密度プラズマ形成領域において、基板の表面に対して平行方向に、基板の表面反応に必要なラジカル種を生成する原料となる第２のガスを噴射するステップと、（ホ）高密度プラズマ形成領域、第１及び第２の低密度プラズマ形成領域に高周波電界を印加することにより、高密度プラズマ形成領域にイオン種が高密度に生成された高密度プラズマを生成し、第１及び第２の低密度プラズマ形成領域に低密度プラズマを生成し、イオン種をイオン走行領域を介して基板の表面に到達させ、イオン種及びラジカル種による表面反応を生じさせるステップとを含むことを要旨とする。ここで、「イオン種」は、電荷を有する反応種（化学種）であり、「ラジカル種」は電荷を有しない反応種（化学種）である。第１の特徴で説明したと同様に、「イオン種を生成する化合物ガスのみから"実質的"になる」とは、第１のガスの成分として、「表面反応に必要なイオン種を生成する化合物ガス」に対して、流量比で２０％以下の他のガスの混合を許容する意である。
【００１８】
本発明の第２の特徴においては、反応室の側壁部から高密度プラズマ形成領域方向に向かって傾斜した方向に沿って、基板の表面反応に必要なイオン種を生成する原料となる第１のガスを噴射し、基板の表面に対して平行方向に基板の表面反応に必要なラジカル種を生成する原料となる第２のガスを噴射することにより、第１のガスの分解効率を向上させ、不足するイオン種密度を増大させることが可能となる。即ち、アスペクト比の大きいトレンチ、コンタクトホール、バイアホール等を形成する際に必要なイオン種密度と中性ラジカル種密度の制御が容易になる。アスペクト比の大きいトレンチのエッチング反応においては、中性ラジカル種は、エッチング表面での反応層生成、及びエッチング中に現れる側壁保護のために用いられる。従来、アスペクト比の大きいトレンチのエッチング反応において、一般には、イオン種密度が不足し、アスペクト比の大きいトレンチの形成は困難であったが、本発明の第２の特徴によれば、イオン種密度を十分高くすることが出来るので、アスペクト比の大きなトレンチ、ホールの形成が簡単に、且つ高精度で形成出来る。
【００１９】
本発明の第２の特徴において、例えば、第１のガスはハロゲン化アルキルのガス、第２のガスは、パーフルオロカーボンのガスとすることが出来る。
【００２０】
本発明の第３の特徴は、プラズマを用いた表面反応により、基板上に成膜若しくは基板をエッチングする装置に関する。即ち、本発明の第３の特徴に係るプラズマ処理装置は、（イ）真空排気可能な反応室と、（ロ）基板を配置するための、反応室内に配置された基板ホルダと、（ハ）反応室の側壁部に根本部が配置され、側壁部から反応室の頂部方向に噴射方向が設定され、表面反応に必要な第１イオン種を生成する化合物ガスのみから実質的になる第１のガスを反応室内に導入するための複数本の第１ノズルと、（ニ）第１ノズルの根本部と実質的に同一水平レベル、若しくは第１ノズルの根本部より基板寄りの水平位置に配置され、基板の表面に平行方向の噴射方向を有し、第１ノズルよりも本数が少なく、成膜若しくはエッチングされる物質に対するスパッタ効率が第１イオン種より高い第２イオン種を生成する原料、若しくは基板の表面反応に必要なラジカル種を生成する原料となる第２のガスを反応室内に導入するための第２ノズルと、（ホ）第１ノズルが配置された位置と反応室の頂部との間の空間に第１イオン種が高密度に生成された高密度プラズマを生成するための高周波電界印加手段とを含むことを要旨とする。
【００２１】
本発明の第３の特徴に係るプラズマ処理装置によれば、複数本の第１ノズルを用いて、基板の表面反応に必要な第１イオン種のイオン種密度を中性ラジカル種に比して、増大させることが出来る。即ち、基板表面の反応サイトにおいて、中性ラジカル種の表面へのフラックスに比して第１イオン種のフラックスを増大出来る。この為、異方性成膜特性や異方性エッチング特性が改善される。
【００２２】
本発明の第４の特徴は、本発明の第１の特徴に係るプラズマ処理方法を用いて、半導体基板上にシリコン酸化膜を堆積する段階を含む半導体装置の製造方法に対応する。したがって、本発明の第１の特徴に係るプラズマ処理方法と同様に、反応室内に半導体基板を配置し、反応室の頂部と半導体基板の間に、半導体基板に隣接したイオン走行領域、このイオン走行領域に隣接した第１低密度プラズマ形成領域、この第１低密度プラズマ形成領域に隣接した高密度プラズマ形成領域、及びこの高密度プラズマ形成領域と反応室の頂部に挟まれた第２低密度プラズマ形成領域を位置させ、高密度プラズマ形成領域のプラズマを用いた半導体基板の表面反応により、半導体基板上にシリコン酸化膜を堆積する段階を含む。即ち、本発明の第４の特徴に係る半導体装置の製造方法は、（イ）半導体基板の表面に開口部の幅が９５ｎｍ〜１３０ｎｍの溝部を設けるステップと、（ロ）反応室内に半導体基板を配置するステップと、（ハ）反応室内を減圧にするステップと、（ニ）反応室の側壁部に設けられ、第１低密度プラズマ形成領域に根本部を有し、先端部が高密度プラズマ形成領域方向に向かうノズルを用い、基板表面の仰角方向に、シリコンの水素化合物ガスを噴射するステップと、（ホ）シリコンの水素化合物ガスを噴射するステップと同時に、第１低密度プラズマ形成領域において、基板の表面に対して平行方向に、酸素ガス若しくは酸素の化合物ガスを噴射するステップと、（ヘ）高周波電界を印加することにより、高密度プラズマ形成領域にＳｉ源イオン種が高密度に生成された高密度プラズマを生成し、第１及び第２の低密度プラズマ形成領域に低密度プラズマを生成し、Ｓｉ源イオン種を介した表面反応によりシリコン酸化膜を堆積し、溝部を埋め込むステップとを含むことを要旨とする。
【００２３】
本発明の第４の特徴に係る半導体装置の製造方法によれば、溝部（トレンチ）の表面反応に必要なＳｉ源イオン種、即ちＳｉＨx +(ＳｉＨ3 +、ＳｉＨ2 +、ＳｉＨ+、Ｓｉ+)の密度を、Ｓｉ源中性ラジカル種、即ちＳｉＨx(ＳｉＨ3、ＳｉＨ2、ＳｉＨ、Ｓｉ、ＳｉＯ)の密度に比して増大させることが出来る。即ち、基板表面の反応サイトにおいて、Ｓｉ源中性ラジカル種のフラックスに比してＳｉ源イオン種のフラックスを増大出来る。この為、微細な溝部（トレンチ）に対する異方性成膜特性が改善され、シリコン酸化膜の埋め込み特性が向上する。したがって、アスペクト比５程度で、トレンチの溝幅の微細化が９５ｎｍ〜１３０ｎｍまで進んだ場合でも、優れた埋め込み特性を発揮することが出来る。この結果、配線間に空間を残すことなく、良好なシリコン酸化膜の埋め込みが出来るので、その後の工程（ウエット洗浄処理等）における歩留まりが著しく向上し、半導体装置の信頼性が向上する。更に、第４の特徴に係る半導体装置の製造方法によれば、過剰なＡｒ+，Ｏ+，Ｏ2 +等によるスパッタが抑制されるので、プラズマＣＶＤにおける埋め込み特性が向上する。Ａｒ+，Ｏ+，Ｏ2 +等の過剰なエネルギーや過剰なフラックスを制御出来るので、シリコン酸化膜のプラズマＣＶＤにおいては、隣の配線上の成膜の傾斜部からたたき出されたスパッタ種に起因する異常な成膜を抑制し、オーバーハング形状等の発生を回避出来る。又、プラズマ密度の面内分布、イオン種密度の面内分布が均一化するので、膜厚均一性に優れ、半導体装置の製造歩留まりが高くなる。
【００２４】
【発明の実施の形態】
次に、図面を参照して、本発明の第１〜第３の実施の形態を説明する。本発明は、ＩＣＰ型、ＨＷＰ型、ＥＣＲ型、マグネトロン放電型、表面波励起型等の種々の高密度プラズマを利用して基板（被処理基体）を処理する方法及び装置に適用可能であるが、以下の第１〜第３の実施の形態においては、ＩＣＰ型高密度プラズマ処理装置について例示的に説明する。又、以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付している。但し、図面は模式的なものであり、厚みと平面寸法との関係、各層の厚みの比率等は現実のものとは異なることに留意すべきである。したがって、具体的な厚みや寸法は以下の説明を参酌して判断すべきものである。又図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることは勿論である。
【００２５】
(第１の実施の形態)
図１に示すように、本発明の第１の実施の形態に係るプラズマ処理装置は、真空排気可能な反応室（１，２）と、この反応室（１，２）内に配置された、基板５を配置するための基板ホルダ（４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄ）と、反応室（１，２）に接続された、反応室（１，２）内を減圧にする真空排気配管１３と、斜め上方向を向いた複数本の第１ノズル８０１，・・・・・，８０７，・・・・・と、水平方向を向いた複数の第２ノズル９０１，・・・・・，９０５，・・・・・と、反応室（１，２）の内部にプラズマを生成するための高周波電界印加手段（３，６）とを少なくとも有するＩＣＰ型高密度プラズマ処理装置である。反応室（１，２）はステンレス等の耐腐食性金属からなる容器基体（ベース）１と、この容器基体１の上部のフランジに密閉構造で接続された誘電体容器２とから構成されている。誘電体容器２は、例えば、半透明石英（ＳｉＯ2）や不透明アルミナ（Ａｌ2Ｏ3）で構成されている。基板ホルダ（４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄ）は、金属製の埋め込み電極４ｄと、この埋め込み電極４ｄを囲んだ、絶縁性材料で構成された基板ホルダ上部４ａ及び基板ホルダ下部４ｂとで構成され、更に基板ホルダ支持部４ｃにより容器基体１に固定されている。埋め込み電極４ｄには、例えば１３．５６ＭＨｚのＲＦバイアス電源７が図示を省略したブロッキングコンデンサを介して接続されている。埋め込み電極４ｄには、バイアス電源７の他に、静電チャック用のＤＣ電源を接続しても良い。更に、図示を省略しているが、基板温度制御用のガス冷却手段等を基板ホルダ（４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄ）の内部に収納している。複数本の第１ノズル８０１，・・・・・，８０７，・・・・・は、反応室（１，２）の側壁部に根本部が配置され、側壁部から反応室（１，２）の頂部方向に噴射方向が設定されている。この第１ノズル８０１，・・・・・，８０７，・・・・・からは、基板５の表面反応に必要な第１イオン種を生成する化合物ガスのみから実質的に構成された第１のガスが反応室（１，２）内に導入される。更に、誘電体容器２の頂部中央部に設けられた頂部ノズル９２１からも、第１のガスが反応室（１，２）内に導入される。第１ノズル８０１，・・・・・，８０７，・・・・・・及び頂部ノズル９２１の先端は直径０．１ｍｍ〜０．８ｍｍ程度のオリフィスが設けられていて、第１ノズル８０１，・・・・・，８０７，・・・・・及び頂部ノズル９２１の前には超音速領域、或いは亜音速領域が生成される。第１ノズル８０１，・・・・・，８０７，・・・・・には、ガス配管８１が接続され、ガス配管８１には、図示を省略した第１のガスの導入量を制御するマスフローコントローラ等の導入ガス制御バルブが設けられている。図示を省略しているが頂部ノズル９２１にも、第１のガスの導入量を制御する制御手段を具備したガス配管が接続されている。
【００２６】
一方、第２ノズル９０１，・・・・・，９０５，・・・・・は、第１ノズル８０１，・・・・・，８０７，・・・・・の根本部よりと実質的に同一水平レベル、若しくは第１ノズル８０１，・・・・・，８０７，・・・・・の根本部より基板５寄りの水平位置の側壁部に根本部が配置されている。即ち、第２ノズル９０１，・・・・・，９０５，・・・・・の付け根は、第１ノズル８０１，・・・・・，８０７，・・・・・の根本部よりも下方にあっても良い。第２ノズル９０１，・・・・・，９０５，・・・・・からは、第１イオン種より成膜若しくはエッチングされる物質に対するスパッタ効率の高い第２イオン種を生成する原料となる第２のガスが反応室（１，２）内に導入される。第２ノズル９０１，・・・・・，９０５，・・・・・の先端は、第１ノズル８０１，・・・・・，８０７，・・・・・と同様に、直径０．１ｍｍ〜０．８ｍｍ程度のオリフィスが設けられており、ノズル前には超音速領域、或いは亜音速領域が生成される。第２ノズル９０１，・・・・・，９０５，・・・・・には、図示を省略したガス配管が接続され、ガス配管には、第２１のガスの導入量を制御するマスフローコントローラ等の導入ガス制御バルブが設けられているのは、第１ノズル８０１，・・・・・，８０７，・・・・・と同様である。なお、第１ノズル８０１，・・・・・，８０７，・・・・・、頂部ノズル９２１及び第２ノズル９０１，・・・・・，９０５，・・・・・のオリフィス径は、ガスの到達、混合を助長するために、０．２ｍｍ〜０．６ｍｍ程度であることがより好ましい。
【００２７】
優れた反応の均一性を確保するためには、第１イオン種の分布を決定する第１ノズル８０１，・・・・・，８０７，・・・・・の本数が多いことが重要になる。なぜなら、全体のノズル本数が多くなると、ノズルから出るガス噴流間の干渉が起こり、この干渉によって基板５方向にガスが逃げ、膜厚分布は悪化する。したがって、図２に示すように、膜厚分布にあまり影響を与えない第２のガスを導入する水平方向を向いた第２ノズル９０１，９０２，・・・・・，９０６の本数は少なく、表面反応に必要な第１イオン種を生成する化合物ガスのみから実質的に構成された第１のガスを導入する第１ノズル８０１，８０２，・・・・・，８１２の本数は増やすことが必要となる（図２のＡ−Ａ方向に沿った断面図が図１に対応する。）。図２においては、第２ノズル９０１，９０２，・・・・・，９０６の本数が６本、第１ノズル８０１，８０２，・・・・・，８１２の本数が１２本の例が示されているが、この本数に限定されないことは勿論である。要は、第２ノズル９０１，９０２，・・・・・，９０６の本数が第１ノズル８０１，８０２，・・・・・，８１２の本数より少なければ、目的とするプラズマ反応の種類や特性に応じて、ノズルの本数は適宜選択可能である。
【００２８】
図示を省略するが、容器基体１にはダイヤフラム型の圧力計やその他の真空ゲージ等所定の圧力測定器が配置され、この圧力測定器の信号を用いて、自動的に反応室（１，２）内の圧力が制御出来るようになっている。真空排気配管１３には、図示を省略するが、この圧力測定器の信号をフィードバックして制御する圧力制御バルブが接続され、更に圧力制御バルブには、排気速度２〜８ｍ3／ｓ程度のケミカル型ターボ分子ポンプ、拡散ポンプ、クライオポンプ、或いはメカニカルブースタポンプ等の真空排気系が接続されている。
【００２９】
高周波電界印加手段（３，６）は、誘電体容器２の頂部近傍に設けられたＲＦコイル３と、このＲＦコイル３に高周波電力を供給する、例えば１３．５６ＭＨｚのＲＦ電源６とから構成されている。ＲＦ電源６からの高周波出力は、図示を省略したマッチングボックスを介して、ＲＦコイル３に供給される。高周波電界印加手段（３，６）は、第２ノズル９０１，・・・・・，９０５，・・・・・が配置された位置と反応室（１，２）の頂部との間の空間にプラズマを生成する。一般に、反応室（１，２）内のプラズマ生成部には分布があり、ＲＦ電界が集中する高密度プラズマ形成領域１１とその周辺の低密度プラズマ形成領域（１２ａ，１２ｂ）が存在する（図１では、それぞれ「高密度プラズマ領域」１１、「低密度プラズマ領域」（１２ａ，１２ｂ）と略記している。）。ＩＣＰ型、表面波励起プラズマ型等の高密度プラズマ処理装置でその分布は特に顕著になり、ＩＣＰ型高密度プラズマ処理装置の場合、コイル３が設置される誘電体容器２の近傍、基板５に対して上方に高密度プラズマ形成領域１１（プラズマ中のイオン種密度、電子密度が高い領域）が存在しその周囲に低密度プラズマ形成領域（１２ａ，１２ｂ）が存在する。
【００３０】
図１においては、反応室（１，２）内において、基板５の表面の法線方向に、順に、基板５に隣接したイオン走行領域１０、このイオン走行領域１０に隣接した第１低密度プラズマ形成領域（図１では、「第１低密度プラズマ領域」と略記）１２ａ、この第１低密度プラズマ形成領域１２ａに隣接した高密度プラズマ形成領域（図１では、「高密度プラズマ領域」と略記）１１、及びこの高密度プラズマ形成領域１１に隣接した第２低密度プラズマ形成領域（図１では、「第２低密度プラズマ領域」と略記）１２ｂが生成されている。第１低密度プラズマ形成領域１２ａと第２低密度プラズマ形成領域１２ｂとは、高密度プラズマ形成領域１１を包み込むように誘電体容器２の側壁部近傍で互いに連続している。
【００３１】
図１において、第１ノズル８０１，・・・・・，８０７，・・・・・のノズル長Ｌ１は、基板ホルダ（４ａ，４ｂ，４ｃ）と容器基体１との間のギャップ長Ｌ及び第１ノズル８０１，・・・・・，８０７，・・・・・の基板５に対する仰角（上向き角度）θ１、容器基体１の内径２Ｒ、基板５の半径ｒによって決まる次式：
Ｒ−ｒ≧Ｌ１・ｃｏｓθ１≧０．９Ｌ ・・・・・（１）
の範囲の値であることが好ましい。第１ノズル８０１，・・・・・，８０７，・・・・・の容器基体１の壁面における基板５からの高さ（以下において「ノズル付け根高さ」という。）Ｈ１は、容器基体１の内径を２Ｒ、基板５の半径ｒ、反応室（１，２）の中央天井（頂部）の基板５からの高さＨ２とすれば、ノズル長Ｌ１及び仰角θ１から、
Ｈ＝Ｒ−ｒ―Ｌ１・cosθ１ ・・・・・（２）
を定義し、このＨを用いて、
Ｈ２−Ｌ１・sinθ１−（Ｒ−Ｌ１・cosθ１）・tanθ１
≧Ｈ１≧Ｈ・tan（５０−θ１）−Ｌ１・sinθ１ ・・・・・（３）
の範囲とするのが好ましい。
【００３２】
又、第１ノズル８０１，・・・・・，８０７，・・・・・の基板５に対する仰角θ１は、反応室（１，２）の中央天井（頂部）の基板５からの高さＨ２、容器基体１の内径２Ｒ、ノズル付け根高さＨ１から、
Ｈ２―Ｈ１―Ｌ１・sinθ２＝（Ｒ−Ｌ１・cosθ２）・tanθ２・・・・・（４）
の関係で求まる角度θ２、及び
Ｈ１＋Ｌ１・sinθ３＝（Ｒ−ｒ−Ｌ１・cosθ３）・tan（５０−θ３）・（５）の関係で求まる角度θ３を定義し、これらの角度θ２及び角度θ３を用いて、
θ２≧θ１≧θ３ ・・・・・（６）
の範囲とするのが好ましい。
【００３３】
容器基体１の内径を２Ｒ＝３８０ｍｍ、反応室（１、２）の中央天井（頂部）の基板５からの高さＨ２＝１４０ｍｍ、基板ホルダ（４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄ）と容器基体との間のギャップ長Ｌ＝５０ｍｍ、基板５の半径ｒ＝１００ｍｍ（８インチウエハ）の場合、後述するように、埋め込み特性・面内膜厚均一性から第１ノズル８０１，・・・・・，８０７，・・・・・の仰角θ１は８°から３０°の範囲が好ましい。
【００３４】
式（１）〜式（６）を考慮すると、例えば、第１ノズル８０１，・・・・・，８０７，・・・・・の仰角θ１＝８°の場合、９１ｍｍ≧Ｌ１≧４５ｍｍ、仰角θ１＝３０°の場合、１０３ｍｍ≧Ｌ１≧５２ｍｍの範囲のノズル長が好ましい。更に例えば、ノズル長Ｌ１＝５５ｍｍとすると、仰角θ１＝８°の場合、１１３ｍｍ≧Ｈ１≧２４ｍｍ、仰角θ１＝３０°の場合、３５ｍｍ≧Ｈ１≧−１２ｍｍのノズル付け根高さＨ１の範囲が好ましい。ここで、「マイナス」のノズル付け根高さＨ１は、文字通り、「基板５の表面よりも下側」という意味である。
【００３５】
又、容器基体１の内径を２Ｒ＝５００ｍｍ、反応室（１、２）の中央天井（頂部）の基板５からの高さＨ２＝１６０ｍｍ、基板ホルダ（４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄ）と容器基体との間のギャップ長Ｌ＝６０ｍｍ、基板５の半径ｒ＝１５０ｍｍ（１２インチウエハ）の場合、式（１）〜式（６）を考慮すると、例えば、第１ノズル８０１，・・・・・，８０７，・・・・・の仰角θ１＝８°の場合、１０１ｍｍ≧Ｌ１≧５４ｍｍ、θ１＝３０°の場合、１１５ｍｍ≧Ｌ１≧６２ｍｍの範囲のノズル長が好ましい。更に例えば、ノズル長Ｌ１＝５５ｍｍとすると、仰角θ１＝８°の場合、１４０ｍｍ≧Ｈ１≧４５ｍｍ、仰角θ１＝３０°の場合、０≧Ｈ１≧−１４ｍｍのノズル付け根高さＨ１の範囲が好ましい。
【００３６】
より具体的に、シリコン酸化膜（ＳｉＯ2膜）をＣＶＤする場合で説明すると、第１のガスとしてシリコン（Ｓｉ）を含む化合物ガスを用いれば良い。例えばＳｉＨ4ガスを第１のガスとして、高密度プラズマ形成領域１１を向いたノズル長Ｌ1＝５０ｍｍ、ノズル付け根高さＨ1＝４０ｍｍの第１ノズル８０１，・・・・・，８０７，・・・・・から流量５０ｓｃｃｍで導入する。一方、第２のガスとして、流量１００ｓｃｃｍのＯ2ガス、或いはＯ2ガスとＡｒ等の希ガスの混合ガスが採用可能である。この第２のガスを８インチウエハ（基板）５の基板表面に対して平行となっているノズル長Ｌ* 1＝２０ｍｍ、ノズル付け根高さＨ* 1＝４０ｍｍの第２ノズル９０１，・・・・・，９０５，・・・・・から導入すれば良い。そして、ＲＦ電源６から３ｋＷ程度のプラズマ生成用高周波電界を印加し、同時にバイアス電源７を用いて、１〜２ｋＷ程度のバイアス用高周波電界を印加すればプラズマが生成される。図１に示すように、ＳｉＨ4を導入する第１ノズル８０１，・・・・・，８０７，・・・・・を上方に向けているので、高密度プラズマ形成領域１１でのＳｉＨ4ガス濃度が高くなる。この結果、第１イオン種（ＳｉＨ3 +、ＳｉＨ2 +、ＳｉＨ+、Ｓｉ+）がイオン走行領域１０を介して基板５の表面に到達し、基板５の表面において、第１イオン種（ＳｉＨ3 +、ＳｉＨ2 +、ＳｉＨ+、Ｓｉ+）を介した表面反応が促進され、基板５上にＳｉＯ2膜が堆積する。
【００３７】
以下において、ＳｉＨ4/Ａｒ/Ｏ2ガス系を用いた高密度プラズマにより、基板５上にシリコン酸化膜（ＳｉＯ2膜）を堆積する反応を、詳細に説明する。以下の説明では、添え字(s)、(g)、(d)は、それぞれ表面、気体、堆積膜状態を表すとする。即ち、ＳｉＯ2膜のプラズマＣＶＤにおいては、以下の５つの主反応が生じる。
【００３８】
(ａ) 表面の酸化（ＯＨ基作成）：
Ｓｉ(s)-Ｈp＋酸化剤→Ｓｉ(s)-ＯＨq＋副生成物 ・・・・・（７）
ここで、ｐ＝１，２，３、ｑ＝１，２，３、酸化剤はＯ、Ｏ*、ＯＨ、副生成物はＯＨ、Ｈ2Ｏである。
【００３９】
(ｂ) イオン種励起によるＨの脱離（成膜表面サイトＳｉ(s)-ＯＨ生成）：
Ｓｉ(s)-ＯＨq＋イオン種Ｘ+→Ｓｉ(s)-ＯＨ＋副生成物＋Ｘ・・・・・（８）
ここで、ｑ＝１，２，３、イオン種Ｘ+はＡｒ+、Ｏ+、Ｏ2 +、ＳｉxＨy +、副生成物はＨ2、Ｈ2Ｏである。
【００４０】
(ｃ) Ｓｉ源供給（表面の成膜サイトで成膜反応）：
Ｓｉ(s)-ＯＨ+Ｓｉ源中性ラジカル種ＳｉＨx
→ＳｉＯ2(d)＋Ｓｉ(s)-Ｈx+1 ・・・・・（９）
Ｓｉ(s)-ＯＨ+Ｓｉ源イオン種ＳｉＨx +＋ｅ
→ＳｉＯ2(d)＋Ｓｉ(s)-Ｈx+1 ・・・・・（１０）
ここで、Ｓｉ源中性ラジカル種ＳｉＨxはＳｉＨ3、ＳｉＨ2、ＳｉＨ、Ｓｉ、ＳｉＯであり、Ｓｉ(s)-Ｈx+1はＳｉ(s)-Ｈ、Ｓｉ(s)-Ｈ2、Ｓｉ(s)-Ｈ3であり、Ｓｉ源イオン種ＳｉＨx +はＳｉＨ3 +、ＳｉＨ2 +、ＳｉＨ+、Ｓｉ+である。
【００４１】
(ｄ)スパッタエッチング：
イオン種Ｘ+＋ＳｉＯ2(d)→ＳｉＯ2(g)＋Ｘ ・・・・・（１１）
ここで、イオン種Ｘ+はＡｒ+、Ｏ+、Ｏ2 +、ＳｉxＨy +である。
【００４２】
(ｅ) ＳｉＯ2の直接成膜（スパッタ種の再付着、成膜）：
ＳｉＯ2(g)→ＳｉＯ2(d) ・・・・・（１２）
溝部への埋め込み特性は式（８）、式（１０） に示されるイオン反応により改善され、式（９）、式（１２）に示される反応により悪化される。本発明によれば、表面反応に必要な第１イオン種であるＳｉ源イオン種ＳｉＨx +(ＳｉＨ3 +、ＳｉＨ2 +、ＳｉＨ+、Ｓｉ+)を増大させ、Ｓｉ源中性ラジカル種ＳｉＨx(ＳｉＨ3、ＳｉＨ2、ＳｉＨ、Ｓｉ、ＳｉＯ)密度を減少させ、更に、第２イオン種である非Ｓｉ源イオン種（Ａｒ+、Ｏ+、Ｏ2 +等）密度を減少させるために、式（１０）に示されるイオン反応が促進され、式（９）で示される中性ラジカル種の反応及び式（１２） (式（１１）の反応が抑制されるため)で示されるＳｉＯ2膜に対するスパッタ反応が抑制される。そのため、従来方法では埋め込めなかった狭い配線間をＳｉＯ2膜で埋め込むことが可能となる。
【００４３】
図４は、Ｓｉ源イオン種密度のＲＦパワー依存性、及び（Ｓｉ源イオン種密度／Ｓｉ源中性ラジカル種密度）で定義されるＳｉ源イオン種相対密度のＲＦパワー依存性を示す。図４は、ジャーナル・オブ・バキューム・サイエンス・エンド・テクノロジー（J.Vac.Sci.Technol.），第A16巻，第２号，１９９８年に記載されたエレン・ミーク（Ellen Meeks）らの反応モデルを用いた反応シミュレーションの結果である。この反応シミュレーションは、完全混合槽（ＰＳＲ）及び槽列モデルを解析するアプリケーションであるケミキン・アウロラ（Chemkin Aurora）を用いて計算した。図４に示すように、ＲＦパワーが１ｋＷ以上では、ＲＦパワーの増加とともに、Ｓｉ源中性ラジカル種密度（[ＳｉＨx]=[ＳｉＨ3]＋[ＳｉＨ2]＋[ＳｉＨ]＋[Ｓｉ]＋[ＳｉＯ]）はあまり変化しない一方、Ｓｉ源イオン種密度（[ＳｉＨx ＋]=[ＳｉＨ3 ＋]＋[ＳｉＨ2 ＋]＋[ＳｉＨ＋]＋[Ｓｉ＋]）は増大し続けることが分かる。その結果、図４に示すように、Ｓｉ源イオン種相対密度(= Ｓｉ源イオン種密度／Ｓｉ源中性ラジカル種密度密度)は８ｋＷまでは増大することが分かる。
【００４４】
図５は、ＲＦパワー３ｋＷにおけるＳｉ源イオン種密度のＳｉＨ4ガス濃度依存性、及びＳｉ源イオン種相対密度のＳｉＨ4ガス濃度依存性を示す。ＳｉＨ4ガス濃度は、[ＳｉＨ4]/（[ＳｉＨ4]＋[Ｏ2]＋[Ａｒ]）で定義される。図５に示すように、ＳｉＨ4ガス濃度の増大とともに、Ｓｉ源中性ラジカル種（ＳｉＨx）密度、Ｓｉ源イオン種（ＳｉＨx ＋）密度ともに増大するが、Ｓｉ源中性ラジカル種密度が飽和状態になるため、ＳｉＨ4ガス濃度０．４以上においてＳｉ源イオン種相対密度は、急激に増大する。即ち、ＳｉＨ4を噴出する第１ノズル８０１，・・・・・，８０７，・・・・・を斜め上方に向けたことより、高密度プラズマ形成領域１１でのＳｉＨ4ガス濃度が高くなったことが分かる。この結果、Ｓｉ基板５上の表面反応の反応速度（成長速度）を支配する第１イオン種（ＳｉＨx ＋）の、中性ラジカル種（ＳｉＨx）に対する密度比が、０．０１５〜０．０２５になり、Ｓｉ源イオン種（第１のイオン種）の中性ラジカル種に対する相対密度が高くなっていることが分かる。
【００４５】
図６は、ＲＦパワー７ｋＷにおけるＳｉ源イオン種密度のＳｉＨ4ガス濃度依存性、及びＳｉ源イオン種相対密度のＳｉＨ4ガス濃度依存性を示す。図６に示すように、ＳｉＨ4ガス濃度の増大とともに、Ｓｉ源中性ラジカル種（ＳｉＨx）密度、Ｓｉ源イオン種（ＳｉＨx ＋）密度ともに増大するが、Ｓｉ源中性ラジカル種密度が飽和状態になるため、ＳｉＨ4ガス濃度０．４以上においてＳｉ源イオン種相対密度は、急激に増大する。この結果、「第１のガスから生成された第１のイオン種（ＳｉＨx ＋）」の、「第１のガスから生成された中性ラジカル種（ＳｉＨx）」に対する密度比が、０．０２５〜０．０４５になり、Ｓｉ源イオン種（第１のイオン種）の中性ラジカル種に対する相対密度が極めて高くなっていることが分かる。図５及び図６に示す結果を見れば、ガスにかかるＲＦパワー増大効果とＳｉＨ4ガス濃度増大効果の相乗効果により、Ｓｉ源イオン種相対密度は高くなり、埋め込み限界が大きく改善されることが分かる。
【００４６】
実際の、Ｓｉ源中性ラジカル種、Ｓｉ源イオン種の基板へのフラックスΓ(ＳｉＨx)、Γ(ＳｉＨx+)はそれぞれ、
Γ(ＳｉＨx) =(１／４)・[ＳｉＨx]・ｖ(ＳｉＨx) ・・・・・（１３）
Γ(ＳｉＨx +) =０．６・[ＳｉＨx +]・ｖ(ＳｉＨx +) ・・・・・（１４）
ｖ(ＳｉＨx +)= (2・ｑ・Ｖdc／ｍi)1/2 ・・・・・（１５）
で示される。ここで、ｑは電気素量、ｘはイオン化数、ｍiはイオンの質量、Ｖdcはセルフバイアス電圧、ｖ(ＳｉＨx)は中性ラジカルの熱速度、ｖ(ＳｉＨx +)はイオン種の基板入射速度である。典型的な一例をとると、Ｖdc=８５Ｖ、温度Ｔ(gas)=７００[Ｋ]の場合、ｖ(ＳｉＨ2)=６６０[ｍ/ｓ]， ｖ(ＳｉＨ2 +)=２２０００[ｍ/ｓ]となり、Ｓｉ源イオン種相対密度を約８０倍したものがフラックス比となる。
【００４７】
図７は、第１の実施の形態における埋め込み限界の向上を、第１ノズル８０１，・・・・・，８０７，・・・・・のノズル角度（仰角）θ１依存性として示す。図７中に示されるように、アスペクト比５程度では、従来例（θ１＝０°）では１４０ｎｍ程度に埋め込み限界があったが、第１ノズル８０１，・・・・・，８０７，・・・・・のみを上向きにすることにより、溝部への埋め込み特性は大きく改善され、少なくとも８°≦θ１≦４０°の範囲において、溝部の深さ４００ｎｍ〜８００ｎｍ程度において、溝幅１１０ｎｍ程度までは、簡単に埋め込み可能であることが分かる。図示を省略しているが、更に条件を最適化すると、溝部の深さ４００ｎｍ〜８００ｎｍ程度において、溝幅９５ｎｍまで埋め込み可能である。条件の最適化には、式（１１）及び(１２)で示されるＡｒ+イオンによるスパッタ、再付着・成膜(反応)を防止するために、Ａｒガス流量を下げること、或いはＡｒガスをまったく流さないことが有効となる。
【００４８】
一方、図７に示すように、膜厚均一性は第１ノズル８０１，・・・・・，８０７，・・・・・を上に向けたことにより、基板５周辺部でのＳｉ源が減少して基板５周辺部でＣＶＤ膜の成長速度が低くなるため、膜厚均一性が大きく変化する。実用レベルとして、均一性が±８%以下になる条件を要求すれば、角度は８°≦θ１≦３０°の範囲が好ましい。これらは、３ｓｃｃｍ≦ＳｉＨ４流量／ノズル１本≦７ｓｃｃｍ、１０ｓｃｃｍ≦Ｏ２流量／ノズル１本≦２６ｓｃｃｍ、０ｓｃｃｍ≦Ａｒ流量／ノズル１本≦１０ｓｃｃｍの範囲で有効となる。ＣＶＤ膜の成長速度を落とさないため、又、ＳｉＯ2膜の絶縁特性確保するために、Ｏ2ガス或いはＯ2／Ａｒ混合ガスは、水平に向いた第２ノズル９０１，・・・・・，９０５，・・・・・から、低密度プラズマ形成領域（１２ａ，１２ｂ）に供給される。
【００４９】
ＳｉＨ4ガスの２０％以下の流量となる少量であれば、キャリアガスとして、Ａｒ等の希ガスも第１ノズル８０１，・・・・・，８０７，・・・・・からＳｉＨ4に混合しても良い。即ち、本発明においては、第１のガスに、「表面反応に必要なイオン種を生成する化合物ガス」に対して、流量比で２０％以下のキャリアガス等の他のガスが混合されていても、「イオン種を生成する化合物ガスのみから"実質的"になる」と解釈可能である。いずれにせよ、優れた溝部への埋め込み特性と優れた膜厚均一性を両立させるために、これらのノズル配置においては、角度は８°≦θ１≦３０°の範囲が有効となる。
【００５０】
既に、式（１）〜（６）を用いて説明したように、均一性を確保しつつ溝部への埋め込み特性を向上させるためには、第１ノズル８０１，・・・・・，８０７，・・・・・のノズル長Ｌ１、ノズル付け根高さＨ１、角度θ１、基板５の大きさ(半径ｒ)、プラズマ空間の大きさ、即ち反応室（１，２）大きさ（半径Ｒ）、誘電体容器２の天井から基板５の表面までの高さＨ２、基板ホルダ（４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄ）と反応室（１，２）の側壁（胴）との間のギャップ長Ｌとの関係を最適化することが重要である。第１ノズル８０１，・・・・・，８０７，・・・・・の仰角θ１が、式（４）で定義される誘電体容器２の天井の中心を向く角度θ２よりも大きくなると、基板５の周辺部へのＳｉ源供給が大きく減少し、膜厚均一性を確保出来なくなる。逆に仰角θ１が小さく、ガス噴流広がりが基板５に直接当たる方向を向いていると、基板５周辺部での溝部への埋め込み特性が悪化すると共に、膜厚が局所的に大きくなり、均一性が悪化する。ノズル付け根高さＨ1の上限についても同様な制限が加わる。又、ノズル長Ｌ１が短くなると排気側にガスが引っ張られ、原料効率が大きく悪化する。ノズル長Ｌ１が長すぎると、基板５の周辺部での膜厚均一性確保が困難になり、高密度プラズマによるノズル劣化の問題も発生する。
【００５１】
本発明の第１の実施の形態に係る第１ノズル８０１，・・・・・，８０７，・・・・・を用いる場合、プロセスの合間、例えば基板５の搬送時等に微小パーティクルがノズル穴から入り込み、後の成膜プロセスでの安定性劣化となり得る。成膜時の原料ガスが流れている以外の時間において、希ガス、或いはＮ2等の不活性ガスを流すことが長期安定性確保のために必要となる。
【００５２】
上記の説明では、ＳｉＯ2膜のプラズマＣＶＤにおける表面反応に必要な第１イオン種を生成する化合物ガスとして、ＳｉＨ4ガスを例に説明したが、ＳｉＨ4ガス以外でも、ジシラン（Ｓｉ2Ｈ6）ガス等のＳｉ水素化物、四塩化珪素（ＳｉＣｌ４）、トリクロロシラン（ＳｉＨＣｌ３）、ジクロロシラン（ＳｉＨ２Ｃｌ２）等のハロゲン化物、或いはテトラエチルシリケート（ＴＥＯＳ）等の有機ソースを第１ノズル８０１，・・・・・，８０７，・・・・・から導入し、Ｏ2ガス、ＣＯ2、Ｎ2Ｏ等の酸素を含むガスを水平方向を向いた第２ノズル９０１，・・・・・，９０５，・・・・から導入することにより、溝部への埋め込み特性、膜厚均一性に優れたＳｉＯ2膜が成膜可能である。
【００５３】
（第２の実施の形態）
第１の実施の形態ではＩＣＰ型プラズマＣＶＤを説明したが、第２の実施の形態ではプラズマエッチングを説明する。第２の実施の形態に係るプラズマエッチングに用いるプラズマ処理装置の構成は、実質的に図１及び図２に示す構成と同様である。但し、プラズマＣＶＤとは導入するガスが異なり、特に、水平方向の第２ノズル９０１，・・・・・，９０５，・・・・からは、基板５の表面反応に必要なラジカル種を生成する原料となる第２のガスを噴射する点が主なる相違点である。又、第１の実施の形態に係るプラズマＣＶＤ装置では、図示を省略したガス冷却手段が基板ホルダ（４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄ）の内部に収納されていると説明したが、第２の実施の形態に係るプラズマエッチング装置では、基板５を冷却するための水冷配管が設けられている点が異なる。ウェハステージとなる基板ホルダ上部４ａの冷却方法については、冷媒として液体窒素、液体ヘリウムやフロロカーボンを使っても構わない。他は、第１の実施の形態に係るＩＣＰ型プラズマＣＶＤ装置と実質的に同様であるので、プラズマ処理装置の構造の重複した記載を省略する。
【００５４】
ここでは、図１及び図２に示すＩＣＰ型プラズマＣＶＤ装置を、プラズマエッチング装置として説明する。即ち、図１及び図２に示すプラズマ処理装置において、反応室（１，２）の第１低密度プラズマ形成領域１２ａに隣接した側壁部から高密度プラズマ形成領域１１方向に向かって傾斜した方向に沿って、基板５の表面反応に必要、若しくは表面反応の反応速度（エッチング速度）を支配するイオン種（第１の実施の形態の「第１イオン種」に対応する。）を生成する化合物ガスのみから実質的に構成された第１のガスを噴射し、この第１のガスを噴射するステップと同時に、反応室（１，２）の第１低密度プラズマ形成領域１２ａに隣接した側壁部から基板５の表面に対して平行方向に基板５の表面反応（エッチング反応）に必要なラジカル種を生成する原料となる第２のガスを噴射することにより、第２の実施の形態に係るプラズマエッチングが実施出来る。そして、高密度プラズマ形成領域１１、第１低密度プラズマ形成領域１２ａ及び第２の低密度プラズマ形成領域１２ｂに高周波電界を印加することにより、高密度プラズマ形成領域１１にイオン種が高密度に生成された高密度プラズマが生成され、第１低密度プラズマ形成領域１２ａ及び第２の低密度プラズマ形成領域１２ｂに低密度プラズマが生成される。そして、生成されたイオン種及びラジカル種がイオン走行領域１０を介して基板５の表面に到達し、基板５の表面において、イオン種及びラジカル種を介した表面反応によりプラズマエッチングが促進する。
【００５５】
ＲＩＥにおいては、イオン種の異方性を用いて奥行き方向に長くエッチングを進めるが、アスペクト比の大きいトレンチやコンタクトホール、或いはバイアホールを開孔するためには、イオン種と中性ラジカル種の密度制御が重要となる。中性ラジカル種は、エッチング表面での反応層生成、及びエッチング中に現れる側壁保護のために用いられる。一般には、イオン種の生成量不足が発生する。
【００５６】
具体的には、エッチング速度を支配するイオン種を生成する化合物ガスのみから実質的に構成された第１のガスとして、例えば、ＣＨ３ ＋イオンを生成しやすいハロゲン化アルキルのガス、例えば沃化メチル（ＣＨ３Ｉ）ガス、塩化メチル（ＣＨ３Ｃｌ）ガス、若しくはフッ化メチル（ＣＨ３Ｆ）ガスを用いる。一方、第２のガスとして、ＣＦ２ラジカルを生成しやすいパーフルオロカーボンのガス、例えばテトラフルオロエチレン（Ｃ２Ｆ4）ガス、若しくはパーフルオロソンクロブタン（Ｃ4Ｆ8）ガスを用いる。ＣＨ３Ｉガス等のハロゲン化アルキルを用いることでイオン種密度は増大するが、それでも不足が残る。第２の実施の形態に係るプラズマエッチング装置においては、ハロゲン化アルキルのガスを第１ノズル８０１，・・・・・，８０７，・・・・・から導入し、パーフルオロカーボンのガスを水平方向を向いた第２ノズル９０１，・・・・・，９０５，・・・・から導入することにより、ハロゲン化アルキルの分解効率が上昇し、表面反応に不足するイオン種を増大させることが可能となる。その結果、開口幅が１００ｎｍレベルで、アスペクト比の大きなトレンチ、コンタクトホール、バイア・ホール等が高精度、且つ再現性良く、エッチング出来る。
【００５７】
ハロゲン化アルキル／パーフルオロカーボン系以外でも、イオン種生成を目的とするガスを第１ノズル８０１，・・・・・，８０７，・・・・・から導入し、中性ラジカル種生成を目的とするガス、或いはイオン種生成目的以外のガスを水平方向を向いた第２ノズル９０１，・・・・・，９０５，・・・・から導入することにより、同様に、アスペクト比の大きなトレンチ、コンタクトホール、バイア・ホール等が高精度、且つ再現性良く、エッチング出来る。
【００５８】
（第３の実施の形態）
ノズルの仰角θ１を最適化することにより、増大するイオン量とラジカル量を制御することが可能となる。例えば、プラズマＣＶＤにおいては、厳しい溝部への埋め込み特性を必要とする部分には第１ノズル８０１，・・・・・，８０７，・・・・・を用い、デポレートを優先するプロセスでは仰角θ１を小さくする、水平にする、或いは水平方向を向いた第２ノズル９０１，・・・・・，９０５，・・・・からＳｉＨ4ガス等を導入することにより、高速プロセスが達成される。一つの成膜プロセス中でも、埋め込み後は仰角θ１を小さく変え、或いは水平方向を向いた第２ノズル９０１，・・・・・，９０５，・・・・を用いて成膜レートを大きくし、スループットを稼ぐことも可能となる。
【００５９】
エッチングにおいては、エッチング速度と異方性形状（エッチング形状）を制御が可能となる。
【００６０】
角度調整機構は、第１ノズル８０１，・・・・・，８０７，・・・・・全体で同時に調節される機構と、１本１本個々に調節される機構がある。個々の制御機構の場合には、膜厚分布改善のために、ノズル個体差補正のために、微調整が可能となる。
【００６１】
（その他の実施の形態）
上記のように、本発明は第１〜第３の実施の形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。
【００６２】
第１の実施の形態においては、ＳｉＯ2膜のプラズマＣＶＤを例に説明したが、水平方向を向いた第２ノズル９０１，・・・・・，９０５，・・・・から流すガスを、窒素（Ｎ2）ガス、アンモニア（ＮＨ3）ガス等の窒素を含む化合物ガス、或いは水素（Ｈ2）ガスに換えると、溝部への埋め込み特性、膜厚均一性に優れたシリコン窒化膜（Ｓｉ3Ｎ4膜）或いはアモルファスシリコンａ-ＳｉＨ膜がプラズマ反応を用いて成膜可能となる。又、ＳｉＨ4ガスと共に、第１ノズル８０１，・・・・・，８０７，・・・・・からモノゲルマン（ＧｅＨ4）ガス、フッ化ゲルマニウム（ＧｅF4）ガスを、第２ノズル９０１，・・・・・，９０５，・・・・からメタン（ＣＨ4）ガス、エタン（Ｃ2Ｈ6）ガス、エチレン（Ｃ2Ｈ4）ガス、アセチレン（Ｃ2Ｈ2）ガス等のガスを導入することにより、溝部への埋め込み特性、膜厚均一性に優れたa-ＳｉＣ、a-ＳｉＧｅ:Ｈ膜も成膜可能となる。
【００６３】
更に、第１のガスとなる「表面反応に必要なイオン種（第１イオン種）を生成する化合物ガス」として６フッ化タングステン（ＷＦ6）を第１ノズル８０１，・・・・・，８０７，・・・・・から噴射し、第２のガスとして、ＳｉＨ4ガス若しくはＨ2ガスを第２ノズル９０１，・・・・・，９０５，・・・・から噴射すれば、タングステン（Ｗ）膜が堆積出来る。同様に、第１のガスとして４塩化チタン（ＴｉＣｌ4）ガスを第１ノズル８０１，・・・・・，８０７，・・・・・から噴射し、第２のガスとしてＮＨ3ガス，Ｈ2ガス、若しくはＮ2ガスを第２ノズル９０１，・・・・・，９０５，・・・・から噴射すれば、窒化チタン（ＴｉＮ）膜が堆積出来る。この様にすれば、１００ｎｍレベルの微細なコンタクトホールやバイアホールへのＷ，ＴｉＮ膜等の金属膜の埋め込み特性を改善し、電気伝導特性、信頼性、膜厚均一性に優れた金属配線が成膜可能である。この様に、イオン化を目的としたガスを第１ノズル８０１，・・・・・，８０７，・・・・・から導入し、その他のガスを水平方向を向いた第２ノズル９０１，・・・・・，９０５，・・・・から導入することにより、種々のメタル膜、ダイヤモンド膜、セラミック膜、化合物半導体膜が堆積可能である。
【００６４】
既に述べた第１〜第３の実施の形態の説明においては、プラズマＣＶＤ、プラズマエッチングの系で説明したが、これ以外のアッシング等の場合であっても、イオン化が必要なガスを高密度なプラズマ部に導入し、他の原料ガスを低密度なプラズマ領域に導入することにより、イオン種密度を増大させることが可能となる。
【００６５】
又、容器基体１の前後に基板搬送ゲートバルブを介して真空予備室が配置するようにしても良い。こうすれば、基板５の搬送は、まず基板５を真空予備室（ロードロック室）内にセットし、真空予備室を真空排気後、基板搬送ゲートバルブを開け、セットされた基板５をローダーロボットアームにより容器基体１内に移す。次に基板ホルダ上部４ａ周辺に配置される基板受け渡しのためのピン上に移し、このピンを下げることで基板５を基板ホルダ上部４ａにセットし、所定の静電チャック電圧を埋め込み電極に印加し、静電チャックで基板５をクランプするようにしても良い。
【００６６】
なお、図１に示すようなプラズマ処理装置を用いれば、以下のような工程で半導体装置が製造可能である。
【００６７】
（イ）まず、半導体基板（Ｓｉ基板）５の表面を熱酸化し、３００ｎｍ〜８００ｎｍの酸化膜を形成する。そして、フォトレジスト膜を酸化膜の表面にスピン塗布する。そして、フォトリソグラフィー技術により、フォトレジスト膜をパターニングする。そして、このフォトレジスト膜をマスクとして、ＲＩＥなどにより酸化膜をエッチングする。酸化膜をエッチング後、フォトレジスト膜を除去する。そして、パターニングされた酸化膜をマスクとして、半導体基板５の表面に、図３に示すような開口部の幅ｌ2が９５ｎｍ〜１３０ｎｍ、深さ４００ｎｍ〜８００ｎｍの溝部を設ける。溝部形成後、エッチング用マスクとして用いた酸化膜を除去する。
【００６８】
（ロ）次に、図１に示すプラズマ処理装置の容器基体１の側壁に、基板搬送ゲートバルブ（図示省略）を介して設けられた真空予備室（図示省略）の内部に、溝部を設けられた半導体基板５を配置する。そして、この真空予備室を真空排気後、基板搬送ゲートバルブを開け、真空予備室にセットされた半導体基板５をローダーロボットアームにより容器基体１内に移す。次に基板ホルダ上部４ａ周辺に配置される基板受け渡しのためのピン上に移し、このピンを下げることで半導体基板５を基板ホルダ上部４ａにセットし、所定の静電チャック電圧を埋め込み電極に印加し、静電チャックで半導体基板５をクランプする。そして、ローダーロボットアームを戻し、基板搬送ゲートバルブを閉じる。この結果、反応室（１，２）内部に、半導体基板５が配置される。
【００６９】
（ハ）次に、図１に示すプラズマ処理装置の真空排気配管１３に接続された主ゲートバルブ（図示省略）を開け、反応室（１，２）内の圧力を、容器基体１に設けられた圧力測定器でモニタしながら、１０-3Ｐａ〜１０-7Ｐａ程度の所定の圧力に到達するまで真空排気する。この際、真空排気配管１３に主ゲートバルブを介して接続されたケミカル型ターボ分子ポンプ等の真空排気ポンプを用いる。
【００７０】
（ニ）所定の圧力に到達したら、基板温度制御用のガス冷却手段を用いて、半導体基板５の冷却を開始する。更に、図１に示すように、反応室（１，２）の側壁部に設けられ、第１低密度プラズマ形成領域１２ａに根本部を有し、先端部が高密度プラズマ形成領域１１方向に向かう第１ノズル８０１，８０２，・・・・・，８１２を用い、基板表面の仰角θ１方向に、シリコンの水素化合物（ＳｉＨ4）ガスを噴射する。この際、第１ノズル８０１，８０２，・・・・・，８１２に接続されたガス配管８１の一部に設けられたマスフローコントローラ等の導入ガス制御バルブで、シリコンの水素化合物ガスの流量を制御する。又、真空排気配管１３に接続された圧力制御バルブを利用してＣＶＤ圧力を制御する。
【００７１】
（ホ）シリコンの水素化合物ガスを噴射するステップと同時に、図１に示す第１低密度プラズマ形成領域１２ａに設けられた第２ノズル９０１，・・・・・，９０５，・・・・・を用いて、半導体基板５の表面に対して平行方向に、酸素ガス若しくは酸素の化合物ガスを噴射する。この際、第２ノズル９０１，・・・・・，９０５，・・・・・に接続されたガス配管の一部に設けられた導入ガス制御バルブで、酸素ガス若しくは酸素の化合物ガスの流量を制御する。又、真空排気配管１３に接続された圧力制御バルブを利用してＣＶＤ圧力を制御する。
【００７２】
（ヘ）ＲＦ電源６からの、例えば１３．５６ＭＨｚの高周波電力をＲＦコイル３に供給し、高周波電界を印加することにより、高密度プラズマ形成領域１１にＳｉ源イオン種が高密度に生成された高密度プラズマを生成し、第１低密度プラズマ形成領域１２ａ及び第２の低密度プラズマ形成領域１２ｂに低密度プラズマを生成する。この際、図１に示す埋め込み電極４ｄには、ＲＦバイアス電源７を用い、例えば１３．５６ＭＨｚのＲＦバイアスを印加する。この結果、Ｓｉ源イオン種を介した表面反応により、シリコン酸化膜５９が半導体基板５の表面に堆積し、図３（ａ）に示すように溝部が埋め込まれる。図３（ａ）は、埋め込みの途中の段階の模式図であるが、更に深さ４００ｎｍ〜８００ｎｍの溝部が完全に埋まるまで堆積を続ける。
【００７３】
（ト）溝部が完全に埋まれば、ＲＦ電源６及びＲＦバイアス電源７のスイッチを切り、更に第１ノズル８０１，８０２，・・・・・，８１２及び第２ノズル９０１，・・・・・，９０５，・・・・・からのガス供給を停止する。そして、図１に示すプラズマ処理装置の真空排気配管１３に接続された主ゲートバルブ（図示省略）を閉じ、容器基体１の側壁に設けられた基板搬送ゲートバルブ（図示省略）を介して、真空予備室（図示省略）の半導体基板５を戻す。そして、基板搬送ゲートバルブを閉じた後、真空予備室の窓を開け、半導体基板５を大気中に取り出す。
【００７４】
（チ）この後、必要に応じて化学的機械研磨（ＣＭＰ）等を用いて、シリコン酸化膜５９の表面を平坦化する。この後は、フォトリソグラフィー技術を駆使した選択的イオン注入等の周知の半導体製造プロセスであるので、説明を省略する。
【００７５】
この様に、本発明はここでは記載していない様々な実施の形態等を含むことは勿論である。したがって、本発明の技術的範囲は上記の説明から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ定められるものである。
【００７６】
【発明の効果】
本発明によれば、１００ｎｍレベルの微細な溝部への埋め込み特性やエッチング特性が大きく改善され、膜厚均一性も良好になる。
【００７７】
この結果、１００ｎｍレベルの微細な配線間の溝部、コンタクトホール（バイアホール）やＳＴＩトレンチの埋め込み及びエッチングが可能となり、超高速・低消費電力の半導体デバイス、或いはギガスケールの超高密度半導体集積回路（ＧＳＩ）の製造が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係るプラズマ処理装置の概略を示す断面図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態に係るプラズマ処理装置のガスノズルの配置の概略を示す上面図である。
【図３】図３（ａ）は、Ａｒイオンのフラックスが少ない場合、図３（ｂ）は、Ａｒイオンのフラックスが多い場合における溝部への酸化膜の埋め込み特性を示す模式的な断面図である。
【図４】ＲＦパワーとＳｉ源中性ラジカル種密度との関係、及びＲＦパワーとＳｉ源イオン種相対密度との関係を示す図である。
【図５】ＲＦパワー３ｋＷにおけるＳｉＨ4ガス濃度とＳｉ源中性ラジカル種密度との関係、ＳｉＨ4ガス濃度とＳｉ源イオン種相対密度との関係を示す図である。
【図６】ＲＦパワー７ｋＷにおけるＳｉＨ4ガス濃度とＳｉ源中性ラジカル種密度との関係、ＳｉＨ4ガス濃度とＳｉ源イオン種相対密度との関係を示す図である。
【図７】ノズルの角度と膜厚の均一性の関係、及びノズルの角度と埋め込み限界幅の関係を示す図である。
【図８】従来のプラズマＣＶＤ装置の概略を示す断面図である。
【符号の説明】
１ 容器基体（ベース）
２ 誘電体容器
３ ＲＦコイル
４ａ 基板ホルダ上部
４ｂ 基板ホルダ下部
４ｃ 基板ホルダ支持部
４ｄ 埋め込み電極
５ 基板
６ ＲＦ電源
７ バイアス電源
１０ イオン走行領域
１１ 高密度プラズマ形成領域（高密度プラズマ領域）
１２ａ 第１低密度プラズマ形成領域（第１低密度プラズマ領域）
１２ｂ 第２低密度プラズマ形成領域（第２低密度プラズマ領域）
１３ 真空排気配管
５９ シリコン酸化膜(ＳｉＯ2膜)
６１ スパッタ種による成膜
６２ オーバーハング
８１ ガス配管
８０１，・・・・・，８０７，・・・・・ 第１ノズル
９０１，・・・・・，９０５，・・・・・ 第２ノズル
９２１ 頂部ノズル
Claims (7)
- 反応室内に基板を配置し、前記反応室の頂部と前記基板の間に、前記基板に隣接したイオン走行領域、該イオン走行領域に隣接した第１低密度プラズマ形成領域、該第１低密度プラズマ形成領域に隣接した高密度プラズマ形成領域、及び該高密度プラズマ形成領域と前記反応室の頂部に挟まれた第２低密度プラズマ形成領域を位置させ、前記高密度プラズマ形成領域のプラズマを用いた前記基板の表面反応により、前記基板上に成膜若しくは前記基板をエッチングする方法であって、
前記反応室内に前記基板を配置するステップと、
前記反応室内を減圧にするステップと、
前記反応室の側壁部に設けられ、前記第１低密度プラズマ形成領域に根本部を有し、先端部が前記高密度プラズマ形成領域方向に向かうノズルを用い、前記基板表面の仰角方向に、前記表面反応に必要な第１イオン種を生成する化合物ガスのみから実質的になる第１のガスを噴射するステップと、
前記第１のガスを噴射するステップと同時に、前記第１低密度プラズマ形成領域において、前記基板の表面に対して平行方向に、前記成膜若しくはエッチングされる物質に対するスパッタ効率が、前記第１イオン種より高い第２イオン種を生成する第２のガスを噴射するステップと、
前記高密度プラズマ形成領域、第１及び第２の低密度プラズマ形成領域に高周波電界を印加することにより、前記高密度プラズマ形成領域に前記第１イオン種が高密度に生成された高密度プラズマを生成し、前記第１及び第２の低密度プラズマ形成領域に低密度プラズマを生成し、前記第１イオン種を前記イオン走行領域を介して前記基板の表面に到達させ、前記第１イオン種による前記表面反応を生じさせるステップ
とを含み、前記第１イオン種の前記第１のガスから生成された中性ラジカル種に対する密度比が、０．０１〜０．０４５であることを特徴とするプラズマ処理方法。 - 反応室内に基板を配置し、前記反応室の頂部と前記基板の間に、前記基板に隣接したイオン走行領域、該イオン走行領域に隣接した第１低密度プラズマ形成領域、該第１低密度プラズマ形成領域に隣接した高密度プラズマ形成領域、及び該高密度プラズマ形成領域と前記反応室の頂部に挟まれた第２低密度プラズマ形成領域を位置させ、前記高密度プラズマ形成領域のプラズマを用いた前記基板の表面反応により、前記基板上に成膜若しくは前記基板をエッチングする方法であって、
前記反応室内に前記基板を配置するステップと、
前記反応室内を減圧にするステップと、
前記反応室の側壁部に設けられ、前記第１低密度プラズマ形成領域に根本部を有し、先端部が前記高密度プラズマ形成領域方向に向かうノズルを用い、前記基板表面の仰角方向に、前記表面反応に必要な第１イオン種を生成するハロゲン化アルキルのガスを噴射するステップと、
前記ハロゲン化アルキルのガスを噴射するステップと同時に、前記第１低密度プラズマ形成領域において、前記基板の表面に対して平行方向に、前記成膜若しくはエッチングされる物質に対するスパッタ効率が、前記第１イオン種より高い第２イオン種を生成するパーフルオロカーボンのガスを噴射するステップと、
前記高密度プラズマ形成領域、第１及び第２の低密度プラズマ形成領域に高周波電界を印加することにより、前記高密度プラズマ形成領域に前記第１イオン種が高密度に生成された高密度プラズマを生成し、前記第１及び第２の低密度プラズマ形成領域に低密度プラズマを生成し、前記第１イオン種を前記イオン走行領域を介して前記基板の表面に到達させ、前記第１イオン種による前記表面反応を生じさせるステップ
とを含むことを特徴とするプラズマ処理方法。 - 反応室内に基板を配置し、前記反応室の頂部と前記基板の間に、前記基板に隣接したイオン走行領域、該イオン走行領域に隣接した第１低密度プラズマ形成領域、該第１低密度プラズマ形成領域に隣接した高密度プラズマ形成領域、及び該高密度プラズマ形成領域と前記反応室の頂部に挟まれた第２低密度プラズマ形成領域を位置させ、前記高密度プラズマ形成領域のプラズマを用いた前記基板の表面反応により、前記基板上に成膜若しくは前記基板をエッチングする方法であって、
前記反応室内に前記基板を配置するステップと、
前記反応室内を減圧にするステップと、
前記反応室の側壁部に設けられ、前記第１低密度プラズマ形成領域に根本部を有し、先端部が前記高密度プラズマ形成領域方向に向かうノズルを用い、前記基板表面の仰角方向に、前記表面反応に必要なイオン種を生成する化合物ガスのみから実質的になる第１のガスを噴射するステップと、
前記第１のガスを噴射するステップと同時に、前記第１低密度プラズマ形成領域において、前記基板の表面に対して平行方向に、前記基板の表面反応に必要なラジカル種を生成する原料となる第２のガスを噴射するステップと、
前記高密度プラズマ形成領域、第１及び第２の低密度プラズマ形成領域に高周波電界を印加することにより、前記高密度プラズマ形成領域に前記イオン種が高密度に生成された高密度プラズマを生成し、前記第１及び第２の低密度プラズマ形成領域に低密度プラズマを生成し、前記イオン種を前記イオン走行領域を介して前記基板の表面に到達させ、前記イオン種及びラジカル種による前記表面反応を生じさせるステップ
とを含み、前記第１イオン種の前記第１のガスから生成された中性ラジカル種に対する密度比が、０．０１〜０．０４５であることを特徴とするプラズマ処理方法。 - 前記第１のガスは、金属の水素化合物ガス、金属のハロゲン化合物ガス、金属の有機化合物ガス、半導体の水素化合物ガス、半導体のハロゲン化合物ガス、半導体の有機化合物ガスからなるグループから選ばれるガスであり、
前記第２のガスは、希ガス、水素ガス、窒素ガス、窒素の化合物ガス、酸素ガス、酸素の化合物ガスからなるグループから選ばれるガスであることを特徴とする請求項１又は３に記載のプラズマ処理方法。 - 前記第１のガスはシリコンの水素化合物ガス、前記第２のガスは、酸素ガス若しくは酸素の化合物ガスであることを特徴とする請求項１又は３に記載のプラズマ処理方法。
- 反応室内に基板を配置し、前記反応室の頂部と前記基板の間に、前記基板に隣接したイオン走行領域、該イオン走行領域に隣接した第１低密度プラズマ形成領域、該第１低密度プラズマ形成領域に隣接した高密度プラズマ形成領域、及び該高密度プラズマ形成領域と前記反応室の頂部に挟まれた第２低密度プラズマ形成領域を位置させ、前記高密度プラズマ形成領域のプラズマを用いた前記基板の表面反応により、前記基板上に成膜若しくは前記基板をエッチングする方法であって、
前記反応室内に前記基板を配置するステップと、
前記反応室内を減圧にするステップと、
前記反応室の側壁部に設けられ、前記第１低密度プラズマ形成領域に根本部を有し、先端部が前記高密度プラズマ形成領域方向に向かうノズルを用い、前記基板表面の仰角方向に、前記表面反応に必要なイオン種を生成するハロゲン化アルキルのガスを噴射するステップと、
前記ハロゲン化アルキルのガスを噴射するステップと同時に、前記第１低密度プラズマ形成領域において、前記基板の表面に対して平行方向に、前記基板の表面反応に必要なラジカル種を生成する原料となるパーフルオロカーボンのガスを噴射するステップと、
前記高密度プラズマ形成領域、第１及び第２の低密度プラズマ形成領域に高周波電界を印加することにより、前記高密度プラズマ形成領域に前記イオン種が高密度に生成された高密度プラズマを生成し、前記第１及び第２の低密度プラズマ形成領域に低密度プラズマを生成し、前記イオン種を前記イオン走行領域を介して前記基板の表面に到達させ、前記イオン種及びラジカル種による前記表面反応を生じさせるステップとを含むことを特徴とするプラズマ処理方法。 - プラズマを用いた表面反応により、基板上に成膜若しくは基板をエッチングする装置であって、
真空排気可能な反応室と、
前記基板を配置するための、前記反応室内に配置された基板ホルダと、
前記反応室の側壁部に根本部が配置され、前記側壁部から前記反応室の頂部方向に噴射方向が設定され、前記表面反応に必要な第１イオン種を生成する化合物ガスのみから実質的になるハロゲン化アルキルのガスを前記反応室内に導入するための複数本の第１ノズルと、
前記第１ノズルの根本部と実質的に同一水平レベル、若しくは前記第１ノズルの根本部より前記基板寄りの水平位置に配置され、前記基板の表面に平行方向の噴射方向を有し、前記第１ノズルよりも本数が少なく、前記成膜若しくはエッチングされる物質に対するスパッタ効率が前記第１イオン種より高い第２イオン種を生成する原料、若しくは前記基板の表面反応に必要なラジカル種を生成する原料となるパーフルオロカーボンのガスを前記反応室内に導入するための第２ノズルと、
前記第１ノズルが配置された位置と前記反応室の頂部との間の空間に前記第１イオン種が高密度に生成された高密度プラズマを生成するための高周波電界印加手段とを含むことを特徴とするプラズマ処理装置。
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