JP4558284B2 - プラズマ発生方法、クリーニング方法、基板処理方法、およびプラズマ発生装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は一般にプラズマ発生装置に係り、特にプラズマ着火方法に関する。
【０００２】
プラズマ発生装置は半導体装置や液晶表示装置の製造において広く使われている。例えばプラズマ発生装置を使うことにより、半導体基板中に形成された不純物元素の濃度分布が変化しないような低温において成膜処理あるいはエッチング処理を実行することができる。
【０００３】
【従来の技術】
図１は、従来の典型的な枚葉式ＣＶＤ装置１０の構成を示す。
【０００４】
図１を参照するに枚葉式ＣＶＤ装置１０は、加熱機構（図示せず）を含み被処理基板１２Ａを保持するサセプタ１２を含み、真空ポンプ１３により遮断バルブ１３Ａおよびコンダクタンスバルブ１３Ｂを介して排気される処理容器１１を含み、前記処理容器１１中には、原料ガス供給系１５からラインＬ１およびバルブＶ１を介して原料ガスを供給されるシャワーヘッド１４が、前記サセプタ１２上の被処理基板１２Ａに対面するように設けられている。
【０００５】
前記原料供給系１５は原料ガス源１５Ａ〜１５Ｃを含み、前記原料ガス源１５Ａ中の原料ガスは前記ラインＬ１にバルブ１５ＶＡを介して、前記原料ガス源１５Ｂ中の原料ガスは前記ラインＬ１にバルブ１５ＶＢを介して、また前記原料ガス源１５Ｃ中の原料ガスは前記ラインＬ１にバルブ１５ＶＣを介して、供給される。
【０００６】
前記ラインＬ１を通して供給された原料ガスは前記処理容器１１中のプロセス空間に、前記シャワーヘッド１４を介して放出され、前記被処理基板１２Ａの表面における分解反応により、前記被処理基板１２の表面に所望の成膜が生じる。
【０００７】
図１０の枚葉式ＣＶＤ装置１０では、前記処理容器１１には、図示を省略したゲートバルブ構造が前記被処理基板１２Ａの出し入れのために設けられており、前記ゲートバルブ構造は基板搬送室に結合されている。前記枚葉式ＣＶＤ装置１０は、前記基板搬送室に結合された他の処理装置と共に、枚葉式基板処理システムを構成する。
【０００８】
このような枚葉式処理システムを構成する枚葉式ＣＶＤ装置１０では、成膜処理の際に基板温度をサセプタ１２中に形成した加熱装置により制御しており、処理容器１０の壁面は、比較的低い、例えば室温〜１５０℃程度の温度に保持される（コールドウォール）。
【０００９】
このようなコールドウォール型のＣＶＤ装置では、被処理基板１２Ａ上への成膜時に処理容器１１の内壁面への反応生成物の堆積がある程度生じるのが避けられず、このため一又は複数の被処理基板の成膜処理が終了するごとに、前記処理容器１１内部にエッチング性のクリーニングガスを流し、堆積物を除去するクリーニング工程が行われる。
【００１０】
特に最近の超微細化半導体装置の製造に使われるＣＶＤ装置の場合、所定の初期プロセス条件を回復させるために、頻繁に、理想的には被処理基板を１枚処理するたびに、クリーニング工程を行うのが望ましい。しかしこのように頻繁にクリーニング工程を行う場合には、クリーニング時間が半導体装置の製造スループットを大きく低下させる要因となる。
【００１１】
このため、図１のＣＶＤ装置では、前記処理容器１１の外部に、エッチングガス源１６Ａおよびプラズマガス源１６Ｂ、さらにリモートプラズマ源１６Ｃよりなるクリーニングモジュール１６を設け、前記リモートプラズマ源１６Ｃにより形成された反応性の高いエッチングガスをラインＬ２およびバルブ１６ＶＣを解して前記処理容器１１内部のプロセス空間へと供給するようにしている。このようにプラズマ源を処理容器１１の外部に設けることにより、高エネルギのプラズマによる処理容器１１内壁の損傷が回避され、安定なクリーニングを行うことが可能になる。またプラズマ中に形成されるイオンはリモートプラズマ源１６Ｃから処理容器１１へ輸送される途中に電子と再結合するため、図１の構成では反応を促進するラジカルのみが処理容器１１中に供給される。
【００１２】
なお図１において前記エッチングガス源１６ＡはＮＦ3などのフッ素系エッチングガスを前記リモートプラズマ源１６Ｃにバルブ１６ＶＡを介して供給し、また前記プラズマガス源１６ＢはＡｒなどの希ガスを前記リモートプラズマ源１６Ｃに、バルブ１６ＶＢを介して供給する。
【００１３】
このようなリモートプラズマ源１６Ｃとしては、従来、並行平板（ＣＣＰ）型プラズマ発生装置、誘導結合（ＩＣＰ）型プラズマ発生装置、電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ）型プラズマ発生装置、ヘリコン波励起型プラズマ発生装置、マイクロ波共振器型プラズマ発生装置、トロイダル型プラズマ発生装置などが知られているが、プラズマ発生が発生装置の壁面から離れて生じ、処理容器１１内部のプロセス空間へのイオンなど、質量の大きな荷電粒子の導入が少ないトロイダル型プラズマ発生装置を使うのが好ましいと考えられている。
【００１４】
図２は、このような前記リモートプラズマ源１６Ｃとして使われるトロイダル型プラズマ発生装置２０の概略的構成を示す。
【００１５】
図２を参照するに、プラズマ発生装置２０はガス入口２１Ａとガス出口２１Ｂとを設けられた循環的なガス通路２１を有し、前記ガス通路の外側には、高周波コイル２２が巻回されている。
【００１６】
そこで前記ガス入口２１Aに導入されたＡｒなどの希ガスは、前記循環ガス通路２１中を周回するが、その際に前記高周波コイル２２を高周波電力により駆動することにより、前記希ガス中にプラズマを誘起する。このようにして誘起されたプラズマが前記ガス通路１１中を高速で周回するにつれて前記ガス通路１１中には図２中に実線２１ａで示した周回的な電流路が形成され、さらに前記高周波コイルが形成する磁力線が図２中、破線２１ｂに示すように前記電流路２１ａに一致した経路に絞り込まれる。このように磁力線が経路２１ｂに絞り込まれるとプラズマ中の電子やイオンが前記磁力線経路２１ｂに一致する電流路２１ａに絞り込まれ、前記電流路２１ａ中の電流密度がさらに増大するが、このような電流密度の増大は前記磁力線経路２１ｂへのさらなる磁力線の絞込みを生じる。
【００１７】
図２のトロイダル型のプラズマ発生装置２０では、このように高密度プラズマは前記循環ガス通路２１を画成する壁面から離れた位置に形成されるため、特に高エネルギに加速された電子による壁面のスパッタが少なく、汚染の少ないプラズマの形成が可能になる。またこのような汚染の少ないプラズマは安定に維持される。
【００１８】
【特許文献１】
米国特許６３７４８３１号公報
【００１９】
【発明が解決しようとする課題】
このように、図２のトロイダル型のプラズマ発生装置２０では、いったん高密度プラズマが形成されるとそれを安定に維持することができるが、上記の説明からもわかるように、プラズマの着火については課題を有している。この問題は、例えば図２のプラズマ発生装置２０を図１のＣＶＤ装置１０においてリモートプラズマ源１６Ｃとして使った場合に特に顕著に顕れる。
【００２０】
図１を再び参照するに、前記ＣＶＤ装置１０においてはＮＦ3エッチングガスが前記リモートプラズマ源１６Ｃに供給されているが、ＮＦ3やＦ2，ＣＦ4，Ｃ2Ｆ6，Ｃ3Ｆ8，ＳＦ6，ＣｌＦ3などのエッチングに使われるフッ素系化合物は電離エネルギがＡｒに比べて非常に大きく、このため前記リモートプラズマ源１６Ｃ中において前記Ａｒガス源１６ＢからのＡｒガスに電気陰性度の高いＦを含むＮＦ3などのフッ素系エッチングガスが添加された場合、前記リモートプラズマ源１６Ｃ中におけるプラズマの着火が困難になる問題が生じる。
【００２１】
図３は、本発明の発明者が本発明の基礎となる研究において、図１のＣＶＤ装置１０においてリモートプラズマ源１６Ｃとして図２のトロイダル型装置２０を使い、前記リモートプラズマ源１６Ｃに供給されるＡｒ／ＮＦ3混合ガス中におけるＮＦ3ガスの割合を様々に変化させてクリーニングを行った場合の、クリーニング速度とＮＦ3ガス濃度との関係を示す。ただし図３の実験では、前記図２の循環ガス通路２１中の圧力を１３３３Ｐａ（１０Ｔｏｒｒ）に設定し、サセプタ１２の温度を１００℃、またＡｒガスとＮＦ3ガスの合計流量を１５００ＳＣＣＭとした条件下で、前記図１の基板１２Ａ上に形成された熱酸化膜のエッチング（クリーニング）を行っている。図中、縦軸のクリーニング速度は、前記熱酸化膜の毎分あたり膜厚変化率を示す。前記リモートプラズマ源１６Ｃは、周波数が４００ｋＨｚの高周波により駆動している。
【００２２】
図３を参照するに、クリーニング速度はＡｒ／ＮＦ3混合ガス中におけるＮＦ3ガス濃度が増大するにつれて増大するのがわかる。このことから、１２００Ｐａの圧力下で５００ｎｍ／分以上のクリーニング速度を実現しようとすると、前記リモートプラズマ源１６Ｃに供給されるＡｒ／ＮＦ3混合ガスには、少なくとも５％の濃度（＝Ａｒ／（Ａｒ＋ＮＦ3））になるようにＮＦ3を添加するのが望ましいことがわかる。
【００２３】
図４は、図１のＣＶＤ装置１０におけるクリーニング速度とＮＦ3ガス分圧との関係を示す。ただし図４の実験も本発明の発明者が本発明の基礎となる研究において行ったものであり、リモートプラズマ源１６Ｃとして図２のトロイダル型プラズマ発生装置２０を使っている。ただし図４の実験では、前記リモートプラズマ源１６Cに供給されるＮＦ3ガスの濃度を４５％に設定し、Ａｒ／ＮＦ3混合ガスの全流量を１５００ＳＣＣＭに設定した条件下において、前記処理容器１１内の全圧を変化させながら前記熱酸化膜のエッチングを行っている。
【００２４】
図４を参照するに、ＮＦ3ガスの濃度を固定した場合には、処理容器１１内の全圧（従ってＮＦ3ガス分圧）を増大させることにより、熱酸化膜のエッチング速度、すなわちクリーニング速度が増大することがわかる。図４の関係からは、ＮＦ3の濃度を４５％に設定した場合、約２６６Ｐａ（２Ｔｏｒｒ）以上の圧力において毎分５００ｎｍを超えるクリーニング速度（エッチング速度）が実現されているのがわかる。
【００２５】
図３，４の結果は、前記図１のＣＶＤ装置１０において図２に示すトロイダル型プラズマ発生装置２０をリモートプラズマ源１６Ｃとして使った場合、前記リモートプラズマ源１６Ｃに供給されるＡｒ／ＮＦ3混合ガス中のＮＦ3ガス濃度あるいは分圧を増大させることにより、毎分５００ｎｍを超えるクリーニング速度が実現できることを示しており、従って図１０のＣＶＤ装置１０においてクリーニングを効率良く行うには、このようにＮＦ3ガス濃度を増加させるのが好ましいことがわかる。
【００２６】
さらに図５は、図２のトロイダル型プラズマ発生装置２０におけるプラズマ維持パワーと、前記プラズマ発生装置２０に供給されるＡｒ／ＮＦ3混合ガス中のＮＦ3濃度との関係を示す。ただし図５の実験も本発明の発明者が本発明の基礎となる研究において行ったものであり、全圧を１０Ｔｏｒｒ、前記Ａｒ／ＮＦ3混合ガスの全流量を１５００ＳＣＣＭに設定した条件下において、プラズマの発生を行っている。
【００２７】
図５を参照するに、いったんプラズマが形成されると、ＮＦ3ガスの濃度が増大しても、供給されるＲＦパワーを増大させることにより、プラズマを維持することができるのがわかる。一方、図５の関係は、Ａｒ／ＮＦ3混合ガスの濃度を増大させた場合には、プラズマを維持するのに大きなＲＦパワーが要求されることをも示している。前記Ａｒ／ＮＦ3混合ガス中のＮＦ3濃度がゼロの場合には、ごくわずかのＲＦパワーでプラズマが維持されるのがわかる。
【００２８】
さらに図６は、図２のトロイダル型プラズマ発生装置２０におけるプラズマ維持パワーと、前記プラズマ発生装置２０に供給されるＡｒ／ＮＦ3混合ガスの全圧との関係を示す。ただし図６の実験も本発明の発明者が本発明の基礎となる研究において行ったものであり、Ａｒ／ＮＦ3混合ガス中のＮＦ3濃度を４５％に、また前記Ａｒ／ＮＦ3混合ガスの全流量を１５００ＳＣＣＭに設定した条件下において、プラズマの発生を行っている。
【００２９】
図６より、前記Ａｒ／ＮＦ3混合ガス中におけるプラズマ維持パワーは、全圧が低下すると減少し、例えば全圧が約３３３Ｐａ（２．５Ｔｏｒｒ）では３ｋＷ程度の高周波パワーでプラズマが維持されることがわかる。これに対し、全圧が約２０００Ｐａ（１５Ｔｏｒｒ）の場合、４ｋＷを超えるＲＦパワーを投入しなければプラズマを維持できないことがわかる。
【００３０】
このように、図２のトロイダル型プラズマ発生装置２０では、いったんプラズマが着火すれば高いＮＦ3分圧あるいは濃度において、大きなＲＦパワーを投入することにより効率よくプラズマエッチングあるいはプラズマクリーニングを行うことができるが、先にも述べたように、トロイダル型のプラズマ発生装置では、特にＮＦ3など電気陰性度の高い元素を含むガスを供給した場合、プラズマの着火が困難になる問題点を有している。図２のトロイダル型プラズマ発生装置２０では、ＡｒガスにＮＦ3ガスがわずかに添加されただけでも、プラズマは着火しなくなる。また全圧が高くなるとプラズマは着火しなくなる。この問題点は、図５，６のプラズマ維持パワーとＮＦ3濃度あるいは分圧、さらにプラズマ維持パワーと全圧との関係からも示唆されるものである。
【００３１】
勿論このような条件下でも、図２のＲＦコイル２２に非常に大きな高周波電力を供給すればプラズマを着火させることはできるが、このような大電力の供給を行うと、プラズマが着火するまでの間、前記コイルには非常に大きな電圧が印加され、リアクタ破損などの問題が生じてしまう。
【００３２】
このプラズマ着火の問題を回避するために、従来はリモートプラズマ源１６Ｃの着火時にはＡｒ１００％ガスを供給し、プラズマが形成された時点でフッ素系エッチングガスをこれに添加することが行われていた。例えば特許文献１を参照。先に図３〜６で説明した実験でも、プラズマの着火は、このようにプラズマ着火時にＡｒ１００％ガスを使うことで行っている。
【００３３】
しかし、このような従来の方法では、プラズマ着火時に図２の循環ガス通路２１を十分にパージしてＮＦ3ガスを除去しなければプラズマが着火できないため、特に最近の、例えば設計ルールが１μｍ以下の超微細化半導体装置の製造に際して要求される頻繁な処理容器のクリーニング、例えば基板を１枚処理するたびに処理容器１１のクリーニング処理を行おうとすると、非常に長い処理時間がかかってしまい、基板処理スループットが大きく低下してしまう。
【００３４】
そこで本発明は上記の問題点を解決した、新規で有用なプラズマ着火方法、クリーニングおよび基板処理方法を提供することを概括的課題とする。
【００３５】
本発明の他の課題は、トロイダル型プラズマ発生装置において、ＡｒガスとＮＦ3ガスの混合ガスに対してプラズマを着火させるプラズマ着火方法、およびかかるトロイダル型プラズマ発生装置を使った基板処理方法を提供することにある。
【００３６】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記の課題を、ガス入口とガス出口とを備え、周回路を形成するガス通路と、前記ガス通路の一部に巻回されたコイルとを有するトロイダル型プラズマ発生装置におけるプラズマ発生方法であって、前記ガス通路中に、５％以上、４５％以下のＮＦ3を含むＡｒガスとＮＦ3ガスの混合ガスを供給し、前記コイルを高周波電力により駆動して前記混合ガスにプラズマを着火する工程を含み、前記プラズマ着火工程は、６．６５〜６６．５Ｐａの全圧下において実行されることを特徴とするプラズマ発生方法により解決する。
本発明はまた上記の課題を、ガス入口とガス出口とを備え、周回路を形成するガス通路と、前記ガス通路の一部に巻回されたコイルとを有するトロイダル型プラズマ発生装置におけるプラズマ発生方法であって、前記ガス通路中に、５％以上、４５％以下のＦ2を含むＡｒガスとＦ2ガスの混合ガスを供給し、前記コイルを高周波電力により駆動して前記混合ガスにプラズマを着火する工程を含み、前記プラズマ着火工程は、６．６５〜６６．５Ｐａの全圧下において実行されることを特徴とするプラズマ発生方法により解決する。
本発明はまた上記の課題を、排気系により排気され、リモートプラズマ源を結合された処理容器のクリーニング方法であって、前記リモートプラズマ源は、ガス入口とガス出口とを備え、周回路を形成するガス通路と、前記ガス通路の一部に巻回されたコイルとを有するトロイダル型プラズマ発生装置よりなり、前記クリーニング方法は、前記リモートプラズマ源において、Ｆを含むラジカルを形成する工程と、前記ラジカルを前記処理容器内部に供給し、前記ラジカルにより前記処理容器内部をクリーニングする工程とを含み、前記ラジカルを形成する工程は、前記ガス通路中に、Ａｒガス中に５％以上、４５％以下の濃度でＮＦ3またはＦ2をクリーニングガスとして含む混合ガスを、６．６５〜６６．５Ｐａの全圧下において供給し、前記コイルを高周波電力により駆動して前記混合ガスにプラズマを着火する工程を有することを特徴とするクリーニング方法により解決する。
本発明はまた上記の課題を、排気系により排気され、リモートプラズマ源を結合された処理容器中における基板処理方法であって、前記リモートプラズマ源は、ガス入口とガス出口とを備え、周回路を形成するガス通路と、前記ガス通路の一部に巻回されたコイルとを有するトロイダル型プラズマ発生装置よりなり、前記基板処理方法は、前記リモートプラズマ源において、Ｆを含むラジカルを形成する工程と、前記ラジカルを前記処理容器内部に供給し、前記ラジカルにより前記処理容器内において被処理基板表面をエッチングする工程とを含み、前記ラジカルを形成する工程は、前記ガス通路中に、Ａｒガス中に５％以上、４５％以下の濃度でＮＦ3またはＦ2をエッチングガスとして含む混合ガスを、６．６５〜６６．５Ｐａの全圧下において供給し、前記コイルを高周波電力により駆動して前記混合ガスにプラズマを着火する工程を有することを特徴とする基板処理方法により解決する。
本発明はまた上記の課題を、ガス入口とガス出口とを備え、周回路を形成するガス通路と、前記ガス通路の一部に巻回されたコイルと、着火時に前記ガス通路中に、５％以上、４５％以下のＮＦ3またはＦ2を含むＡｒガスとＮＦ3ガスまたはＦ2ガスの混合ガスを供給するガス源と、前記コイルを高周波電極による駆動して前記混合ガスにプラズマを着火する高周波供給手段と、を有し、前記プラズマ着火は、６．６５〜６６．５Ｐａの全圧下において実行されることを特徴とするトロイダル型プラズマ発生装置により解決する。
【００３７】
本発明によれば、トロイダル型のプラズマ発生装置において、Ａｒ／ＮＦ3混合ガスについてプラズマを着火することが可能になり、その結果、プラズマを断続的に形成する必要がある枚葉式の基板処理システムなどにおいて、プラズマを着火しようとするたびにリモートプラズマ源からＮＦ3ガスをパージする工程が省略でき、クリーニングや基板処理のスループットを大きく改善することができる。
【００３８】
またいったんプラズマが着火すると、プラズマを消滅させることなくプラズマ着火ポイントからクリーニングやエッチングが実行されるプロセスポイントまで移行することが可能になり、効率的なプラズマプロセスを実行することが可能になる。
【００３９】
【発明の実施の形態】
［第１実施例］
以下、本発明を好ましい実施例について説明する。
【００４０】
先にも説明したように、トロイダル型プラズマ発生装置では、プラズマによるプラズマ発生装置壁面のスパッタリングが抑制されるため、プラズマを使った基板処理工程における汚染が少ない好ましい特徴があるものの、プラズマの着火が困難であり、プラズマ着火を行う場合には、ＮＦ3など電気陰性度の大きいハロゲンを含むエッチングガスあるいはクリーニングガスを排除し、Ａｒガス１００％の雰囲気において着火を実行する必要があった。
【００４１】
このように従来、トロイダル型プラズマ発生装置では、プラズマの着火はＡｒガス１００％の雰囲気中においてのみ可能であることが一般的に受け入れられていた。これに対し本発明の発明者は、減圧環境下においては電子の平均自由工程が長くなることに着目し、トロイダル型のプラズマ発生装置においても、通常のクリーニングやエッチングに使われるよりも低圧の減圧環境下において高周波電界を印加した場合、電子が電界により大きく加速される結果、大きなエネルギを獲得するであろうこと、およびこのように電子が大きなエネルギを有する場合、Ａｒガス中にＮＦ3など、電気陰性度の高いハロゲンを含むガスが添加されていても、プラズマが着火する可能性があることを着想するに至った。
【００４２】
図７は、このような着想に基づいて本発明の発明者が、本発明の基礎となる研究において、図２のトロイダル型プラズマ発生装置２０（ＡＳＴＲＯＮｉ，ＭＫＳ製、米国特許６１５０６２８号）についてプラズマ着火条件を、前記Ａｒ／ＮＦ3混合ガス中におけるＮＦ3濃度を様々に変化させ、さらに全圧力を様々に変化させながら探索した結果を示す。
【００４３】
図７を参照するに、●はプラズマ着火が生じなかった点を示しており、前記ＮＦ3濃度が２．５％以上では、実験したいずれの圧力においてもプラズマ着火は生じなかったが、ＮＦ3濃度を１．７％とした場合、図中に○で示すように、全圧を６９Ｐａ（５２０ｍＴｏｒｒ）まで低減した場合にプラズマ着火が生じることを見出した。ただし図７の実験では、前記Ａｒ／ＮＦ3混合ガスの全流量を５００ＳＣＣＭとしており、１．７ｋＷの高周波電力を印加している。
【００４４】
そこで、図２のトロイダル型プラズマ発生装置について、このようにして発見された着火点を出発点として、前記Ａｒ／ＮＦ3混合ガスの全圧力、流量および前記混合ガス中におけるＮＦ3濃度を様々に変化させてプラズマ着火点を探索したところ、図８に示すような結果を得た。ただし図８の実験では、周波数が４００ｋＨｚの高周波を、１5００Ｗのパワーで供給している。
【００４５】
図８を参照するに、縦軸は前記Ａｒ／ＮＦ3混合ガス中におけるＮＦ3の濃度（＝ＮＦ3／（Ａｒ＋ＮＦ3））を、横軸は前記ガス通路２１中の全圧を示しており、影を付した範囲がプラズマの着火が可能であった条件を示している。
【００４６】
すなわち前記ガス通路２１中の全圧が減少するにつれてプラズマ着火が可能なＮＦ3濃度範囲が増大し、また前記Ａｒ／ＮＦ3混合ガスの全流量が減少するにつれてプラズマ着火が可能なＮＦ3濃度範囲が増大するのがわかる。
【００４７】
一方、前記ガス通路２１中の全圧が低くなりすぎると、加速された電子がＡｒ原子あるいはＮＦ3分子に衝突する確率が低減し、プラズマの着火は困難になる。
【００４８】
図８より、プラズマ着火時における前記ガス通路２１中の全圧を６６．５Ｐａ（０．５Ｔｏｒｒ）以下、好ましくは６．６５Ｐａ（０．０５Ｔｏｒｒ）以下に減少させることにより、ＮＦ3を５％以上含むＡｒ／ＮＦ3混合ガス中においてプラズマ着火が可能であり、特にＡｒ／ＮＦ3混合ガス中におけるＮＦ3の濃度が４５％に達しても、プラズマ着火が可能な場合があることがわかる。
【００４９】
また図８は、プラズマ着火時に前記トロイダル型プラズマ発生装置に供給されるＡｒ／ＮＦ3混合ガスの流量を低減させることにより、プラズマ着火が生じるＮＦ3濃度範囲が増大する傾向を示している。例えば前記Ａｒ／ＮＦ3混合ガスのガス流量が８０ＳＣＣＭの場合、プラズマ着火は生じるが、プラズマ着火が生じるＮＦ3濃度範囲あるいは圧力範囲は限られているのに対し、前記ガス流量を２０ＳＣＣＭ，５ＳＣＣＭ，３ＳＣＣＭと減少させるにつれて、プラズマ着火が生じるＮＦ3濃度範囲および圧力範囲は拡大するのがわかる。なお、プラズマ着火は前記Ａｒ／ＮＦ3混合ガスのガス流量が１００ＳＣＣＭ以下であれば、前記混合ガスが５％程度のＮＦ3を含んでいても、生じることが確認されている。
【００５０】
図９は、図７，８の結果に基づいて求めた、図２のトロイダル型プラズマ発生装置２０におけるプラズマ着火電圧と全圧との関係を示す。
【００５１】
図９を参照するに、図示の例は前記Ａｒ／ＮＦ3混合ガス中にＮＦ3が５％含まれている場合についてのものであるが、プラズマ着火電圧は全圧の低下と共に低下し、図７の○で示した着火点に略対応する圧力において最小になるのがわかる。これよりも圧力が低下すると前記衝突確率が低下する結果、プラズマ着火電圧は急激に上昇する。
【００５２】
図９の関係からは、前記混合ガスの全圧が非常に高い場合あるいは非常に低い場合であっても、前記混合ガスに対して図９の曲線を超える十分な電圧を与えればプラズマを着火することが可能であることがわかるが、実際のプラズマ発生装置では装置的設計上の、あるいは費用的な制約があり、実際にプラズマ着火可能な圧力範囲は、６．６５〜６６．５Ｐａ（０．０５〜０．５Ｔｏｒｒ）程度の範囲に限られることになる。
【００５３】
このように、本実施例によれば、トロイダル型プラズマ発生装置において、ＮＦ3を５％以上含んだＡｒ／ＮＦ3混合ガスを使った場合でもプラズマの着火が可能となる。このため、例えば枚葉式の基板処理装置において、頻繁に、あるいは基板を１枚処理するごとに処理容器内部をクリーニングする場合、プラズマを着火させるのに処理容器内部からＮＦ3クリーニングガスを長い時間かけてパージする必要がなくなり、基板処理のスループットが大きく向上する。同様な利点は、ＮＦ3ガスを使って被処理基板を１枚ずつエッチングする枚葉式のプラズマエッチング装置の場合においても得られる。
［第２実施例］
図１０は、本発明の発明者が、図２に示すトロイダル型プラズマ発生装置２０において前記ガス通路２１にＡｒとＦ2の混合ガスを、様々なＦ2濃度（Ｆ2／（Ａｒ＋Ｆ2））で供給した場合について、先の図７と同様な手順により、プラズマ着火条件を探索した結果を、本発明の第２実施例として示す。
【００５４】
ただし図１０の実験では、前記Ａｒ／Ｆ2混合ガスの流量を１００ＳＣＣＭに設定し、周波数が４００ｋＨｚの高周波を、１３００Ｗのパワーで供給している。
【００５５】
図１０を参照するに、全ガス流量を１００ＳＣＣＭとした場合、プラズマの着火は前記混合ガス中のＦ2濃度が５％の場合、おおよそ６．６５Ｐａ（０．０５Ｔｏｒｒ）以上、６６．５Ｐａ（０．５Ｔｏｒｒ）以下の圧力範囲において生じ、この着火可能な圧力範囲は、前記混合ガス中のＦ2濃度が増大するにつれて縮小するものの、約４５％のＦ2濃度までは着火が可能であることがわかる。
［第３実施例］
このように、本発明の発明者は、本発明の基礎となる研究において、図２に示すようなトロイダル型のプラズマ発生装置において、ＡｒガスにＮＦ3やＦ2など、電気陰性度の高いハロゲンを含むガスを添加した混合ガスを供給した場合であってもプラズマ着火が可能なこと、およびプラズマ着火が可能となる条件を見出すことに成功した。
【００５６】
一方、実際にＣＶＤ装置、例えば図１のＣＶＤ装置１０においてクリーニングあるいはエッチングに使われる圧力あるいはガス流量は図７あるいは８で示した着火点よりもはるかに大きく、従って、トロイダル型プラズマ発生装置２０では、図７あるいは８の着火点においてプラズマが着火した後、プラズマを消すことなく実際にプロセスが行われるプロセス点まで条件を変化させられることが要求される。例えば先に説明した図３あるいは図４によれば、毎分１５０あるいは２００ｎｍのクリーニング速度を達成しようとすると、Ａｒ／ＮＦ3混合ガス中のＮＦ3の濃度を５０％以上に、また圧力（全圧）も１３３０Ｐａ（１０Ｔｏｒｒ）以上に設定する必要があるのがわかる。
【００５７】
そこで、本発明の発明者は、本発明の基礎となる研究において、前記図１のＣＶＤ装置１０について、図１１に示すように図７あるいは８で説明したプラズマ着火点に対応する着火ポイント(1)から実際のクリーニングあるいはエッチングプロセスが行われるプロセスポイント(2)まで、前記Ａｒ／ＮＦ3混合ガスの全圧および流量を様々な経路で変化させ、ポイント(1)からポイント(2)までプラズマが維持されるかどうかを検証した。ただしこの実験では図１のＣＶＤ装置１０において前記バルブ１６Ｖｃは全開されており、前記リモートプラズマ源１６Ｃとして使われる図２のトロイダル型プラズマ発生装置２０のガス通路２１における圧力と前記処理容器１１内部に圧力は実質的に等しくなっている。
【００５８】
図１１の実験では、着火ポイント(1)における全圧を約１１Ｐａ（０．０８Ｔｏｒｒ）に、また前記Ａｒ／ＮＦ3混合ガスの全流量を３ＳＣＣＭに設定し、プロセスポイント(2)における全圧を１３３０Ｐａ（１０Ｔｏｒｒ）に、また前記Ａｒ／ＮＦ3混合ガスの全流量を３ＳＬＭに設定している。
【００５９】
図１１を参照するに、経路Ａでは前記着火ポイント(1)から前記約１１Ｐａ（０．０８Ｔｏｒｒ）の圧力を維持したままガス流量を増加させ、ポイント(4)に到達する。すなわちポイント(1)からポイント(4)までは、図１のＣＶＤ装置１０において前記処理容器１１中の圧力が、前記Ａｒ／ＮＦ3混合ガスの流量が増大しても一定に維持されるように、排気系のコンダクタンスバルブ１３Ｂを徐々に開いており、前記ポイント(4)においては前記コンダクタンスバルブ１３Ｂは全開状態になっている。このように、前記ポイント(4)は前記コンダクタンスバルブ１３Ｂおよびこれに協働する真空ポンプ１３の能力により決定される。
【００６０】
この状態で前記Ａｒ／ＮＦ3混合ガスの流量を前記プロセスポイント(2)に対応した所定のプロセス流量まで徐々に増大させると前記処理容器１１内部の圧力、従って前記ガス通路２１中の全圧は増大し、ポイント(5)に到達する。この時点から前記Ａｒ／ＮＦ3混合ガス流量を一定に保持したまま、前記コンダクタンスバルブ１３Ｂを徐々に閉じることにより、前記処理容器１１内部の圧力、従って前記ガス通路２１中の圧力は前記プロセスポイント(2)まで徐々に増大する。
【００６１】
一方図１１の経路Ｂでは、前記Ａｒ／ＮＦ3混合ガス流量を一定に保持したまま前記コンダクタンスバルブ１３Ｂを徐々に閉じることにより前記処理容器１１内部の圧力、従って前記ガス通路２１中の全圧は徐々に増大し、全閉状態において前記ポイント(6)に到達する。すなわち前記ポイント(6)は前記コンダクタンスバルブ１３Ｂの全閉状態におけるガスリーク量および真空ポンプ１３の能力により決定される。
【００６２】
前記経路Ｂでは前記ポイント(6)から、前記コンダクタンスバルブ１３Ｂを全閉状態に保持したまま前記Ａｒ／ＮＦ3混合ガスの流量を増大させることにより、前記処理容器１１内部の圧力、従って前記ガス通路２１中の全圧は徐々に増大し、前記プロセスポイント(2)のプロセス圧に対応したポイント(7)に到達する。さらに前記ポイント(7)からＡｒ／ＮＦ3混合ガスの流量を前記プロセスポイント(2)まで徐々に増大させる。その際、前記コンダクタンスバルブ１３Ｂを徐々に閉じることにより、前記処理容器１１内部の圧力、従って前記ガス通路２１中の全圧を前記プロセス圧に維持する。
【００６３】
さらに図１１の経路Ｃでは、前記着火ポイント(1)でプラズマを着火させた後、前記コンダクタンスバルブ１３Ｂの開度を保持したまま前記Ａｒ／ＮＦ3混合ガスの流量を所定のプロセス流量に対応したポイント(3)まで増加させ、さらにその後前記コンダクタンスバルブ１３Ｂを徐々に絞ることにより、前記プロセスポイント(2)まで前記処理容器１１内部の圧力、従って前記ガス通路２１中の全圧を増大させる。
【００６４】
このように、前記着火ポイント(1)からプロセスポイント(2)まで様々な経路でガス流量および全圧を変化する実験を行った結果、図１１中、前記ポイント(1)〜(7)で囲まれた領域においては、前記全圧およびガス流量を変化させても、いったん着火されたプラズマは消滅することがないのが確認されている。
【００６５】
なお、先にも説明したように、ポイント(4)およびポイント(6)、従ってポイント(4)からポイント(5)までの経路、およびポイント(6)からポイント(7)までの経路は、使われるＣＶＤ装置のコンダクタンスバルブ１３Ｂの設計および真空ポンプ１３の能力により決定されるもので、前記コンダクタンスバルブ１３Ｂの最大コンダクタンスを増大させ、あるいは真空ポンプ１３の能力を増大させると前記ポイント(4)からポイント(5)への経路は大流量側にシフトする。また前記コンダクタンスバルブ１３Ｂの最小コンダクタンスを減少させ、あるいは真空ポンプ１３の能力を低下させると前記ポイント(6)からポイント(7)への経路は高圧側にシフトする。
【００６６】
また前記プロセスポイント(2)は、先に図３〜６で説明した条件のいずれかに設定することが可能である。
【００６７】
すなわち、前記プロセスポイント(2)において、図３に示すように前記Ａｒ／ＮＦ3混合ガス中のＮＦ3濃度を８０％まで増大させることにより、熱酸化膜に対して毎分２０００ｎｍのクリーニング速度を実現することが可能である。この場合には、前記着火ポイント(1)からプロセスポイント(2)までの間に前記Ａｒ／ＮＦ3混合ガス中におけるＮＦ3濃度を変化させる必要がある。このような場合であっても、いったんプラズマが着火するとプラズマは維持されることが確認されている。
【００６８】
このようにしてプロセスポイント(2)に到達した後は、通常のクリーニング工程を行うことが可能である。なお、図１のＣＶＤ装置１０ではクリーニングは、前記リモートプラズマ源１６Ｃとして使われるトロイダル型のプラズマ発生装置２０においてプラズマ着火が生じた時点から開始されていることに注意すべきである。
【００６９】
先にも説明したように、図１１において着火ポイント(1)からプロセスポイント(2)へ移行する場合に、前記Ａｒ／ＮＦ3混合ガス中のＡｒガスとＮＦ3ガスの混合比は固定しても変化させてもよい。その際、本発明ではプラズマ着火が生じた直後からクリーニングが開始されているため、前記Ａｒ／ＮＦ3混合ガス中のＮＦ3濃度を着火ポイント(1)からプロセスポイント(2)へ移行する間に増加させるのみならず、必要に応じて低減させることも可能である。
【００７０】
また、図１のＣＶＤ装置１０において、前記トロイダル型プラズマ発生装置２０をリモートプラズマ源１６Ｃとして使い、前記処理容器１１中において熱酸化膜やＣＶＤ酸化膜など絶縁膜のプラズマエッチング、あるいはＷ膜やＴｉ膜などの金属膜のプラズマエッチング、さらにはＴｉＮ膜など導電性窒化膜のプラズマエッチングやポリシリコン膜のプラズマエッチングを行うことができる。
【００７１】
さらに本実施例においては図１のＣＶＤ装置１０において、図１２に示すように前記ＮＦ3ガス源１６Ａに能力の異なる複数の質量流量コントローラ１６ａ，１６ｂを設け、これらをバルブにより切り替えて使うことも可能である。図１１では、同様に、Ａｒガス源１６Ｂにも、能力の異なる複数の質量流量コントローラ１６ｃ，１６ｄが設けられており、これらがバルブにより切り替えて使われる。
【００７２】
そこで、例えば図１１の着火ポイント(1)から最初に質量流量コントローラ１６ａによりＡｒ／ＮＦ3混合ガス流量が経路Ｃに沿って増大しており、前記経路Ｃ上のポイント(8)において質量流量コントローラ１６ａからより大容量の質量流量コントローラ１６ｂに切り替える場合を考えると、前記質量流量コントローラの切り替えに伴って一時的に流量および全圧がポイント(9)まで低下する場合があるが、より大容量の質量流量コントローラ１６ｂを駆動することにより、経路Ｃ上のポイント(10)に戻すことができる。その際、本実施例によれば、前記ポイント(9)が図１１中に示したプラズマ維持領域内位置している限り、ポイント(1)で着火したプラズマが消滅することはない。
【００７３】
さらに前記復帰後のポイント(10)は前記経路Ｃ上に限定されるものではなく、前記ポイント(8)よりも流量が大きい範囲内で前記プラズマ維持領域内の任意の点に選ぶことができる。
【００７４】
同様な、低圧力下で着火したプラズマを維持したままプロセス条件に対応した高圧力までプラズマ発生装置中の圧力を増大させることは、前記Ａｒ／ＮＦ3ガスの場合のみならず、Ａｒ／Ｆ2混合ガスを使う場合においても可能である。
【００７５】
この場合にも、昇圧中に前記Ａｒ／Ｆ2混合ガス中のＦ2濃度を一定に保持してもよく、また変化させてもよい。
【００７６】
さらに前記プラズマ発生装置中に供給される希ガスはＡｒガスに限定されるものではなく、Ｈｅ，Ｎｅ，Ｋｒ，Ｘｅなどのガスを使うことも可能である。
【００７７】
図１３は、上記の結果に基づいた本発明の第３実施例によるクリーニングあるいはエッチングプロセスで使われるガスおよびＲＦパワーの供給シーケンスを示す。
【００７８】
図１３を参照するに、本実施例においては最初に少量のＡｒガスおよびＮＦ3ガスを図２のトロイダル型プラズマ発生装置２０に供給し、６．６５〜６６．５Ｐａの全圧（Ｐ１）下においてＲＦパワーを供給し、プラズマを着火させる。
【００７９】
プラズマが着火した後、前記ＡｒガスおよびＮＦ3ガスの流量は、図１１中のポイント(1)〜(7)で囲まれた領域中を任意の経路で増大され、所定のプロセス圧Ｐ２に達したところで所望のクリーニングあるいはエッチングプロセスを実行した後、ＲＦパワーを遮断する。
【００８０】
なお、先にも説明したように、ＮＦ3を使ったクリーニングあるいはエッチングプロセスは、プラズマ着火直後からすでに開始されている。
【００８１】
なお、本実施例においても前記NF3ガスの代わりにＦ2ガスを使うことが可能である。この場合には、前記着火工程の圧力Ｐ１、およびその際のＡrガスおよびＦ2ガスの流量を、図１０で説明した着火範囲内に収まるように設定すればよい。
【００８２】
以上、本発明を好ましい実施例について説明したが、本発明はかかる特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した要旨内において様々な変形・変更が可能である。
【００８３】
【発明の効果】
本発明によれば、トロイダル型のプラズマ発生装置において、Ａｒ／ＮＦ3混合ガスについてプラズマを着火することが可能になり、その結果、プラズマを断続的に形成する必要がある枚葉式の基板処理システムなどにおいて、プラズマを着火しようとするたびにリモートプラズマ源からＮＦ3ガスをパージする工程が省略でき、クリーニングや基板処理のスループットを大きく改善することができる。
【００８４】
またいったんプラズマが着火すると、プラズマを消滅させることなくプラズマ着火ポイントからクリーニングやエッチングが実行されるプロセスポイントまで移行することが可能になり、効率的なプラズマプロセスを実行することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明が適用されるＣＶＤ装置の構成を示す図である。
【図２】図１のＣＶＤ装置で使われる、従来のトロイダル型プラズマ発生装置の構成を示す図である。
【図３】プラズマクリーニングプロセスで使われるＡｒ／ＮＦ3混合ガス中のＮＦ3濃度とクリーニング速度との関係を示す図である。
【図４】プラズマクリーニングプロセスで使われるＡｒ／ＮＦ3混合ガスの全圧とクリーニング速度との関係を示す図である。
【図５】プラズマクリーニングプロセスで使われるＡｒ／ＮＦ3混合ガス中のＮＦ3濃度プラズマ維持パワーとの関係を示す図である。
【図６】プラズマクリーニングプロセスで使われるＡｒ／ＮＦ3混合ガスの全圧とプラズマ維持パワーとの関係を示す図である。
【図７】本発明の第１実施例によるプラズマ着火条件の探索を説明する図である。
【図８】本発明の第１実施例により見出されたプラズマ着火条件を示す図である。
【図９】本発明の第１実施例により見出された、プラズマ着火電圧と全圧との関係を示す図である。
【図１０】本発明の第２実施例による、Ａｒ／Ｆ2ガスのプラズマ着火条件を示す図である。
【図１１】本発明の第３実施例による、プラズマ着火ポイントから、プラズマクリーニングあるいはプラズマエッチングプロセスポイントまでの移行を示す図である。
【図１２】本発明の第３実施例において使われる、ガス流量切り替え機構の構成を示す図である。
【図１３】本発明の第３実施例によるプラズマクリーニング／エッチング工程のガスおよびＲＦパワー供給シーケンスを示す図である。
【符号の説明】
１０ ＣＶＤ装置
１１ 処理容器
１２ サセプタ
１３ 真空ポンプ
１３Ａ 遮断バルブ
１３Ｂ コンダクタンスバルブ
１４ シャワーヘッド
１５ 原料ガス供給系
１５Ａ〜１５Ｃ 原料ガス源
１５ＶＡ〜１５ＶＣ バルブ
１６ クリーニングモジュール
１６Ａ クリーニングガス源
１６Ｂ Ａｒガス源
１６ａ〜１６ｄ 質量流量コントローラ
１６Ｃ リモートプラズマ源
１６ＶＡ〜１６ＶＣ バルブ
２０ トロイダル型プラズマ発生装置
２１ ガス通路
２１Ａ ガス入口
２１Ｂ ガス出口
２１ａ 電流路
２１ｂ 磁力線
２２ 高周波コイル
Ｌ1 原料ガスライン
Ｌ２ クリーニングガスライン
【発明の属する技術分野】
本発明は一般にプラズマ発生装置に係り、特にプラズマ着火方法に関する。
【０００２】
プラズマ発生装置は半導体装置や液晶表示装置の製造において広く使われている。例えばプラズマ発生装置を使うことにより、半導体基板中に形成された不純物元素の濃度分布が変化しないような低温において成膜処理あるいはエッチング処理を実行することができる。
【０００３】
【従来の技術】
図１は、従来の典型的な枚葉式ＣＶＤ装置１０の構成を示す。
【０００４】
図１を参照するに枚葉式ＣＶＤ装置１０は、加熱機構（図示せず）を含み被処理基板１２Ａを保持するサセプタ１２を含み、真空ポンプ１３により遮断バルブ１３Ａおよびコンダクタンスバルブ１３Ｂを介して排気される処理容器１１を含み、前記処理容器１１中には、原料ガス供給系１５からラインＬ１およびバルブＶ１を介して原料ガスを供給されるシャワーヘッド１４が、前記サセプタ１２上の被処理基板１２Ａに対面するように設けられている。
【０００５】
前記原料供給系１５は原料ガス源１５Ａ〜１５Ｃを含み、前記原料ガス源１５Ａ中の原料ガスは前記ラインＬ１にバルブ１５ＶＡを介して、前記原料ガス源１５Ｂ中の原料ガスは前記ラインＬ１にバルブ１５ＶＢを介して、また前記原料ガス源１５Ｃ中の原料ガスは前記ラインＬ１にバルブ１５ＶＣを介して、供給される。
【０００６】
前記ラインＬ１を通して供給された原料ガスは前記処理容器１１中のプロセス空間に、前記シャワーヘッド１４を介して放出され、前記被処理基板１２Ａの表面における分解反応により、前記被処理基板１２の表面に所望の成膜が生じる。
【０００７】
図１０の枚葉式ＣＶＤ装置１０では、前記処理容器１１には、図示を省略したゲートバルブ構造が前記被処理基板１２Ａの出し入れのために設けられており、前記ゲートバルブ構造は基板搬送室に結合されている。前記枚葉式ＣＶＤ装置１０は、前記基板搬送室に結合された他の処理装置と共に、枚葉式基板処理システムを構成する。
【０００８】
このような枚葉式処理システムを構成する枚葉式ＣＶＤ装置１０では、成膜処理の際に基板温度をサセプタ１２中に形成した加熱装置により制御しており、処理容器１０の壁面は、比較的低い、例えば室温〜１５０℃程度の温度に保持される（コールドウォール）。
【０００９】
このようなコールドウォール型のＣＶＤ装置では、被処理基板１２Ａ上への成膜時に処理容器１１の内壁面への反応生成物の堆積がある程度生じるのが避けられず、このため一又は複数の被処理基板の成膜処理が終了するごとに、前記処理容器１１内部にエッチング性のクリーニングガスを流し、堆積物を除去するクリーニング工程が行われる。
【００１０】
特に最近の超微細化半導体装置の製造に使われるＣＶＤ装置の場合、所定の初期プロセス条件を回復させるために、頻繁に、理想的には被処理基板を１枚処理するたびに、クリーニング工程を行うのが望ましい。しかしこのように頻繁にクリーニング工程を行う場合には、クリーニング時間が半導体装置の製造スループットを大きく低下させる要因となる。
【００１１】
このため、図１のＣＶＤ装置では、前記処理容器１１の外部に、エッチングガス源１６Ａおよびプラズマガス源１６Ｂ、さらにリモートプラズマ源１６Ｃよりなるクリーニングモジュール１６を設け、前記リモートプラズマ源１６Ｃにより形成された反応性の高いエッチングガスをラインＬ２およびバルブ１６ＶＣを解して前記処理容器１１内部のプロセス空間へと供給するようにしている。このようにプラズマ源を処理容器１１の外部に設けることにより、高エネルギのプラズマによる処理容器１１内壁の損傷が回避され、安定なクリーニングを行うことが可能になる。またプラズマ中に形成されるイオンはリモートプラズマ源１６Ｃから処理容器１１へ輸送される途中に電子と再結合するため、図１の構成では反応を促進するラジカルのみが処理容器１１中に供給される。
【００１２】
なお図１において前記エッチングガス源１６ＡはＮＦ3などのフッ素系エッチングガスを前記リモートプラズマ源１６Ｃにバルブ１６ＶＡを介して供給し、また前記プラズマガス源１６ＢはＡｒなどの希ガスを前記リモートプラズマ源１６Ｃに、バルブ１６ＶＢを介して供給する。
【００１３】
このようなリモートプラズマ源１６Ｃとしては、従来、並行平板（ＣＣＰ）型プラズマ発生装置、誘導結合（ＩＣＰ）型プラズマ発生装置、電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ）型プラズマ発生装置、ヘリコン波励起型プラズマ発生装置、マイクロ波共振器型プラズマ発生装置、トロイダル型プラズマ発生装置などが知られているが、プラズマ発生が発生装置の壁面から離れて生じ、処理容器１１内部のプロセス空間へのイオンなど、質量の大きな荷電粒子の導入が少ないトロイダル型プラズマ発生装置を使うのが好ましいと考えられている。
【００１４】
図２は、このような前記リモートプラズマ源１６Ｃとして使われるトロイダル型プラズマ発生装置２０の概略的構成を示す。
【００１５】
図２を参照するに、プラズマ発生装置２０はガス入口２１Ａとガス出口２１Ｂとを設けられた循環的なガス通路２１を有し、前記ガス通路の外側には、高周波コイル２２が巻回されている。
【００１６】
そこで前記ガス入口２１Aに導入されたＡｒなどの希ガスは、前記循環ガス通路２１中を周回するが、その際に前記高周波コイル２２を高周波電力により駆動することにより、前記希ガス中にプラズマを誘起する。このようにして誘起されたプラズマが前記ガス通路１１中を高速で周回するにつれて前記ガス通路１１中には図２中に実線２１ａで示した周回的な電流路が形成され、さらに前記高周波コイルが形成する磁力線が図２中、破線２１ｂに示すように前記電流路２１ａに一致した経路に絞り込まれる。このように磁力線が経路２１ｂに絞り込まれるとプラズマ中の電子やイオンが前記磁力線経路２１ｂに一致する電流路２１ａに絞り込まれ、前記電流路２１ａ中の電流密度がさらに増大するが、このような電流密度の増大は前記磁力線経路２１ｂへのさらなる磁力線の絞込みを生じる。
【００１７】
図２のトロイダル型のプラズマ発生装置２０では、このように高密度プラズマは前記循環ガス通路２１を画成する壁面から離れた位置に形成されるため、特に高エネルギに加速された電子による壁面のスパッタが少なく、汚染の少ないプラズマの形成が可能になる。またこのような汚染の少ないプラズマは安定に維持される。
【００１８】
【特許文献１】
米国特許６３７４８３１号公報
【００１９】
【発明が解決しようとする課題】
このように、図２のトロイダル型のプラズマ発生装置２０では、いったん高密度プラズマが形成されるとそれを安定に維持することができるが、上記の説明からもわかるように、プラズマの着火については課題を有している。この問題は、例えば図２のプラズマ発生装置２０を図１のＣＶＤ装置１０においてリモートプラズマ源１６Ｃとして使った場合に特に顕著に顕れる。
【００２０】
図１を再び参照するに、前記ＣＶＤ装置１０においてはＮＦ3エッチングガスが前記リモートプラズマ源１６Ｃに供給されているが、ＮＦ3やＦ2，ＣＦ4，Ｃ2Ｆ6，Ｃ3Ｆ8，ＳＦ6，ＣｌＦ3などのエッチングに使われるフッ素系化合物は電離エネルギがＡｒに比べて非常に大きく、このため前記リモートプラズマ源１６Ｃ中において前記Ａｒガス源１６ＢからのＡｒガスに電気陰性度の高いＦを含むＮＦ3などのフッ素系エッチングガスが添加された場合、前記リモートプラズマ源１６Ｃ中におけるプラズマの着火が困難になる問題が生じる。
【００２１】
図３は、本発明の発明者が本発明の基礎となる研究において、図１のＣＶＤ装置１０においてリモートプラズマ源１６Ｃとして図２のトロイダル型装置２０を使い、前記リモートプラズマ源１６Ｃに供給されるＡｒ／ＮＦ3混合ガス中におけるＮＦ3ガスの割合を様々に変化させてクリーニングを行った場合の、クリーニング速度とＮＦ3ガス濃度との関係を示す。ただし図３の実験では、前記図２の循環ガス通路２１中の圧力を１３３３Ｐａ（１０Ｔｏｒｒ）に設定し、サセプタ１２の温度を１００℃、またＡｒガスとＮＦ3ガスの合計流量を１５００ＳＣＣＭとした条件下で、前記図１の基板１２Ａ上に形成された熱酸化膜のエッチング（クリーニング）を行っている。図中、縦軸のクリーニング速度は、前記熱酸化膜の毎分あたり膜厚変化率を示す。前記リモートプラズマ源１６Ｃは、周波数が４００ｋＨｚの高周波により駆動している。
【００２２】
図３を参照するに、クリーニング速度はＡｒ／ＮＦ3混合ガス中におけるＮＦ3ガス濃度が増大するにつれて増大するのがわかる。このことから、１２００Ｐａの圧力下で５００ｎｍ／分以上のクリーニング速度を実現しようとすると、前記リモートプラズマ源１６Ｃに供給されるＡｒ／ＮＦ3混合ガスには、少なくとも５％の濃度（＝Ａｒ／（Ａｒ＋ＮＦ3））になるようにＮＦ3を添加するのが望ましいことがわかる。
【００２３】
図４は、図１のＣＶＤ装置１０におけるクリーニング速度とＮＦ3ガス分圧との関係を示す。ただし図４の実験も本発明の発明者が本発明の基礎となる研究において行ったものであり、リモートプラズマ源１６Ｃとして図２のトロイダル型プラズマ発生装置２０を使っている。ただし図４の実験では、前記リモートプラズマ源１６Cに供給されるＮＦ3ガスの濃度を４５％に設定し、Ａｒ／ＮＦ3混合ガスの全流量を１５００ＳＣＣＭに設定した条件下において、前記処理容器１１内の全圧を変化させながら前記熱酸化膜のエッチングを行っている。
【００２４】
図４を参照するに、ＮＦ3ガスの濃度を固定した場合には、処理容器１１内の全圧（従ってＮＦ3ガス分圧）を増大させることにより、熱酸化膜のエッチング速度、すなわちクリーニング速度が増大することがわかる。図４の関係からは、ＮＦ3の濃度を４５％に設定した場合、約２６６Ｐａ（２Ｔｏｒｒ）以上の圧力において毎分５００ｎｍを超えるクリーニング速度（エッチング速度）が実現されているのがわかる。
【００２５】
図３，４の結果は、前記図１のＣＶＤ装置１０において図２に示すトロイダル型プラズマ発生装置２０をリモートプラズマ源１６Ｃとして使った場合、前記リモートプラズマ源１６Ｃに供給されるＡｒ／ＮＦ3混合ガス中のＮＦ3ガス濃度あるいは分圧を増大させることにより、毎分５００ｎｍを超えるクリーニング速度が実現できることを示しており、従って図１０のＣＶＤ装置１０においてクリーニングを効率良く行うには、このようにＮＦ3ガス濃度を増加させるのが好ましいことがわかる。
【００２６】
さらに図５は、図２のトロイダル型プラズマ発生装置２０におけるプラズマ維持パワーと、前記プラズマ発生装置２０に供給されるＡｒ／ＮＦ3混合ガス中のＮＦ3濃度との関係を示す。ただし図５の実験も本発明の発明者が本発明の基礎となる研究において行ったものであり、全圧を１０Ｔｏｒｒ、前記Ａｒ／ＮＦ3混合ガスの全流量を１５００ＳＣＣＭに設定した条件下において、プラズマの発生を行っている。
【００２７】
図５を参照するに、いったんプラズマが形成されると、ＮＦ3ガスの濃度が増大しても、供給されるＲＦパワーを増大させることにより、プラズマを維持することができるのがわかる。一方、図５の関係は、Ａｒ／ＮＦ3混合ガスの濃度を増大させた場合には、プラズマを維持するのに大きなＲＦパワーが要求されることをも示している。前記Ａｒ／ＮＦ3混合ガス中のＮＦ3濃度がゼロの場合には、ごくわずかのＲＦパワーでプラズマが維持されるのがわかる。
【００２８】
さらに図６は、図２のトロイダル型プラズマ発生装置２０におけるプラズマ維持パワーと、前記プラズマ発生装置２０に供給されるＡｒ／ＮＦ3混合ガスの全圧との関係を示す。ただし図６の実験も本発明の発明者が本発明の基礎となる研究において行ったものであり、Ａｒ／ＮＦ3混合ガス中のＮＦ3濃度を４５％に、また前記Ａｒ／ＮＦ3混合ガスの全流量を１５００ＳＣＣＭに設定した条件下において、プラズマの発生を行っている。
【００２９】
図６より、前記Ａｒ／ＮＦ3混合ガス中におけるプラズマ維持パワーは、全圧が低下すると減少し、例えば全圧が約３３３Ｐａ（２．５Ｔｏｒｒ）では３ｋＷ程度の高周波パワーでプラズマが維持されることがわかる。これに対し、全圧が約２０００Ｐａ（１５Ｔｏｒｒ）の場合、４ｋＷを超えるＲＦパワーを投入しなければプラズマを維持できないことがわかる。
【００３０】
このように、図２のトロイダル型プラズマ発生装置２０では、いったんプラズマが着火すれば高いＮＦ3分圧あるいは濃度において、大きなＲＦパワーを投入することにより効率よくプラズマエッチングあるいはプラズマクリーニングを行うことができるが、先にも述べたように、トロイダル型のプラズマ発生装置では、特にＮＦ3など電気陰性度の高い元素を含むガスを供給した場合、プラズマの着火が困難になる問題点を有している。図２のトロイダル型プラズマ発生装置２０では、ＡｒガスにＮＦ3ガスがわずかに添加されただけでも、プラズマは着火しなくなる。また全圧が高くなるとプラズマは着火しなくなる。この問題点は、図５，６のプラズマ維持パワーとＮＦ3濃度あるいは分圧、さらにプラズマ維持パワーと全圧との関係からも示唆されるものである。
【００３１】
勿論このような条件下でも、図２のＲＦコイル２２に非常に大きな高周波電力を供給すればプラズマを着火させることはできるが、このような大電力の供給を行うと、プラズマが着火するまでの間、前記コイルには非常に大きな電圧が印加され、リアクタ破損などの問題が生じてしまう。
【００３２】
このプラズマ着火の問題を回避するために、従来はリモートプラズマ源１６Ｃの着火時にはＡｒ１００％ガスを供給し、プラズマが形成された時点でフッ素系エッチングガスをこれに添加することが行われていた。例えば特許文献１を参照。先に図３〜６で説明した実験でも、プラズマの着火は、このようにプラズマ着火時にＡｒ１００％ガスを使うことで行っている。
【００３３】
しかし、このような従来の方法では、プラズマ着火時に図２の循環ガス通路２１を十分にパージしてＮＦ3ガスを除去しなければプラズマが着火できないため、特に最近の、例えば設計ルールが１μｍ以下の超微細化半導体装置の製造に際して要求される頻繁な処理容器のクリーニング、例えば基板を１枚処理するたびに処理容器１１のクリーニング処理を行おうとすると、非常に長い処理時間がかかってしまい、基板処理スループットが大きく低下してしまう。
【００３４】
そこで本発明は上記の問題点を解決した、新規で有用なプラズマ着火方法、クリーニングおよび基板処理方法を提供することを概括的課題とする。
【００３５】
本発明の他の課題は、トロイダル型プラズマ発生装置において、ＡｒガスとＮＦ3ガスの混合ガスに対してプラズマを着火させるプラズマ着火方法、およびかかるトロイダル型プラズマ発生装置を使った基板処理方法を提供することにある。
【００３６】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記の課題を、ガス入口とガス出口とを備え、周回路を形成するガス通路と、前記ガス通路の一部に巻回されたコイルとを有するトロイダル型プラズマ発生装置におけるプラズマ発生方法であって、前記ガス通路中に、５％以上、４５％以下のＮＦ3を含むＡｒガスとＮＦ3ガスの混合ガスを供給し、前記コイルを高周波電力により駆動して前記混合ガスにプラズマを着火する工程を含み、前記プラズマ着火工程は、６．６５〜６６．５Ｐａの全圧下において実行されることを特徴とするプラズマ発生方法により解決する。
本発明はまた上記の課題を、ガス入口とガス出口とを備え、周回路を形成するガス通路と、前記ガス通路の一部に巻回されたコイルとを有するトロイダル型プラズマ発生装置におけるプラズマ発生方法であって、前記ガス通路中に、５％以上、４５％以下のＦ2を含むＡｒガスとＦ2ガスの混合ガスを供給し、前記コイルを高周波電力により駆動して前記混合ガスにプラズマを着火する工程を含み、前記プラズマ着火工程は、６．６５〜６６．５Ｐａの全圧下において実行されることを特徴とするプラズマ発生方法により解決する。
本発明はまた上記の課題を、排気系により排気され、リモートプラズマ源を結合された処理容器のクリーニング方法であって、前記リモートプラズマ源は、ガス入口とガス出口とを備え、周回路を形成するガス通路と、前記ガス通路の一部に巻回されたコイルとを有するトロイダル型プラズマ発生装置よりなり、前記クリーニング方法は、前記リモートプラズマ源において、Ｆを含むラジカルを形成する工程と、前記ラジカルを前記処理容器内部に供給し、前記ラジカルにより前記処理容器内部をクリーニングする工程とを含み、前記ラジカルを形成する工程は、前記ガス通路中に、Ａｒガス中に５％以上、４５％以下の濃度でＮＦ3またはＦ2をクリーニングガスとして含む混合ガスを、６．６５〜６６．５Ｐａの全圧下において供給し、前記コイルを高周波電力により駆動して前記混合ガスにプラズマを着火する工程を有することを特徴とするクリーニング方法により解決する。
本発明はまた上記の課題を、排気系により排気され、リモートプラズマ源を結合された処理容器中における基板処理方法であって、前記リモートプラズマ源は、ガス入口とガス出口とを備え、周回路を形成するガス通路と、前記ガス通路の一部に巻回されたコイルとを有するトロイダル型プラズマ発生装置よりなり、前記基板処理方法は、前記リモートプラズマ源において、Ｆを含むラジカルを形成する工程と、前記ラジカルを前記処理容器内部に供給し、前記ラジカルにより前記処理容器内において被処理基板表面をエッチングする工程とを含み、前記ラジカルを形成する工程は、前記ガス通路中に、Ａｒガス中に５％以上、４５％以下の濃度でＮＦ3またはＦ2をエッチングガスとして含む混合ガスを、６．６５〜６６．５Ｐａの全圧下において供給し、前記コイルを高周波電力により駆動して前記混合ガスにプラズマを着火する工程を有することを特徴とする基板処理方法により解決する。
本発明はまた上記の課題を、ガス入口とガス出口とを備え、周回路を形成するガス通路と、前記ガス通路の一部に巻回されたコイルと、着火時に前記ガス通路中に、５％以上、４５％以下のＮＦ3またはＦ2を含むＡｒガスとＮＦ3ガスまたはＦ2ガスの混合ガスを供給するガス源と、前記コイルを高周波電極による駆動して前記混合ガスにプラズマを着火する高周波供給手段と、を有し、前記プラズマ着火は、６．６５〜６６．５Ｐａの全圧下において実行されることを特徴とするトロイダル型プラズマ発生装置により解決する。
【００３７】
本発明によれば、トロイダル型のプラズマ発生装置において、Ａｒ／ＮＦ3混合ガスについてプラズマを着火することが可能になり、その結果、プラズマを断続的に形成する必要がある枚葉式の基板処理システムなどにおいて、プラズマを着火しようとするたびにリモートプラズマ源からＮＦ3ガスをパージする工程が省略でき、クリーニングや基板処理のスループットを大きく改善することができる。
【００３８】
またいったんプラズマが着火すると、プラズマを消滅させることなくプラズマ着火ポイントからクリーニングやエッチングが実行されるプロセスポイントまで移行することが可能になり、効率的なプラズマプロセスを実行することが可能になる。
【００３９】
【発明の実施の形態】
［第１実施例］
以下、本発明を好ましい実施例について説明する。
【００４０】
先にも説明したように、トロイダル型プラズマ発生装置では、プラズマによるプラズマ発生装置壁面のスパッタリングが抑制されるため、プラズマを使った基板処理工程における汚染が少ない好ましい特徴があるものの、プラズマの着火が困難であり、プラズマ着火を行う場合には、ＮＦ3など電気陰性度の大きいハロゲンを含むエッチングガスあるいはクリーニングガスを排除し、Ａｒガス１００％の雰囲気において着火を実行する必要があった。
【００４１】
このように従来、トロイダル型プラズマ発生装置では、プラズマの着火はＡｒガス１００％の雰囲気中においてのみ可能であることが一般的に受け入れられていた。これに対し本発明の発明者は、減圧環境下においては電子の平均自由工程が長くなることに着目し、トロイダル型のプラズマ発生装置においても、通常のクリーニングやエッチングに使われるよりも低圧の減圧環境下において高周波電界を印加した場合、電子が電界により大きく加速される結果、大きなエネルギを獲得するであろうこと、およびこのように電子が大きなエネルギを有する場合、Ａｒガス中にＮＦ3など、電気陰性度の高いハロゲンを含むガスが添加されていても、プラズマが着火する可能性があることを着想するに至った。
【００４２】
図７は、このような着想に基づいて本発明の発明者が、本発明の基礎となる研究において、図２のトロイダル型プラズマ発生装置２０（ＡＳＴＲＯＮｉ，ＭＫＳ製、米国特許６１５０６２８号）についてプラズマ着火条件を、前記Ａｒ／ＮＦ3混合ガス中におけるＮＦ3濃度を様々に変化させ、さらに全圧力を様々に変化させながら探索した結果を示す。
【００４３】
図７を参照するに、●はプラズマ着火が生じなかった点を示しており、前記ＮＦ3濃度が２．５％以上では、実験したいずれの圧力においてもプラズマ着火は生じなかったが、ＮＦ3濃度を１．７％とした場合、図中に○で示すように、全圧を６９Ｐａ（５２０ｍＴｏｒｒ）まで低減した場合にプラズマ着火が生じることを見出した。ただし図７の実験では、前記Ａｒ／ＮＦ3混合ガスの全流量を５００ＳＣＣＭとしており、１．７ｋＷの高周波電力を印加している。
【００４４】
そこで、図２のトロイダル型プラズマ発生装置について、このようにして発見された着火点を出発点として、前記Ａｒ／ＮＦ3混合ガスの全圧力、流量および前記混合ガス中におけるＮＦ3濃度を様々に変化させてプラズマ着火点を探索したところ、図８に示すような結果を得た。ただし図８の実験では、周波数が４００ｋＨｚの高周波を、１5００Ｗのパワーで供給している。
【００４５】
図８を参照するに、縦軸は前記Ａｒ／ＮＦ3混合ガス中におけるＮＦ3の濃度（＝ＮＦ3／（Ａｒ＋ＮＦ3））を、横軸は前記ガス通路２１中の全圧を示しており、影を付した範囲がプラズマの着火が可能であった条件を示している。
【００４６】
すなわち前記ガス通路２１中の全圧が減少するにつれてプラズマ着火が可能なＮＦ3濃度範囲が増大し、また前記Ａｒ／ＮＦ3混合ガスの全流量が減少するにつれてプラズマ着火が可能なＮＦ3濃度範囲が増大するのがわかる。
【００４７】
一方、前記ガス通路２１中の全圧が低くなりすぎると、加速された電子がＡｒ原子あるいはＮＦ3分子に衝突する確率が低減し、プラズマの着火は困難になる。
【００４８】
図８より、プラズマ着火時における前記ガス通路２１中の全圧を６６．５Ｐａ（０．５Ｔｏｒｒ）以下、好ましくは６．６５Ｐａ（０．０５Ｔｏｒｒ）以下に減少させることにより、ＮＦ3を５％以上含むＡｒ／ＮＦ3混合ガス中においてプラズマ着火が可能であり、特にＡｒ／ＮＦ3混合ガス中におけるＮＦ3の濃度が４５％に達しても、プラズマ着火が可能な場合があることがわかる。
【００４９】
また図８は、プラズマ着火時に前記トロイダル型プラズマ発生装置に供給されるＡｒ／ＮＦ3混合ガスの流量を低減させることにより、プラズマ着火が生じるＮＦ3濃度範囲が増大する傾向を示している。例えば前記Ａｒ／ＮＦ3混合ガスのガス流量が８０ＳＣＣＭの場合、プラズマ着火は生じるが、プラズマ着火が生じるＮＦ3濃度範囲あるいは圧力範囲は限られているのに対し、前記ガス流量を２０ＳＣＣＭ，５ＳＣＣＭ，３ＳＣＣＭと減少させるにつれて、プラズマ着火が生じるＮＦ3濃度範囲および圧力範囲は拡大するのがわかる。なお、プラズマ着火は前記Ａｒ／ＮＦ3混合ガスのガス流量が１００ＳＣＣＭ以下であれば、前記混合ガスが５％程度のＮＦ3を含んでいても、生じることが確認されている。
【００５０】
図９は、図７，８の結果に基づいて求めた、図２のトロイダル型プラズマ発生装置２０におけるプラズマ着火電圧と全圧との関係を示す。
【００５１】
図９を参照するに、図示の例は前記Ａｒ／ＮＦ3混合ガス中にＮＦ3が５％含まれている場合についてのものであるが、プラズマ着火電圧は全圧の低下と共に低下し、図７の○で示した着火点に略対応する圧力において最小になるのがわかる。これよりも圧力が低下すると前記衝突確率が低下する結果、プラズマ着火電圧は急激に上昇する。
【００５２】
図９の関係からは、前記混合ガスの全圧が非常に高い場合あるいは非常に低い場合であっても、前記混合ガスに対して図９の曲線を超える十分な電圧を与えればプラズマを着火することが可能であることがわかるが、実際のプラズマ発生装置では装置的設計上の、あるいは費用的な制約があり、実際にプラズマ着火可能な圧力範囲は、６．６５〜６６．５Ｐａ（０．０５〜０．５Ｔｏｒｒ）程度の範囲に限られることになる。
【００５３】
このように、本実施例によれば、トロイダル型プラズマ発生装置において、ＮＦ3を５％以上含んだＡｒ／ＮＦ3混合ガスを使った場合でもプラズマの着火が可能となる。このため、例えば枚葉式の基板処理装置において、頻繁に、あるいは基板を１枚処理するごとに処理容器内部をクリーニングする場合、プラズマを着火させるのに処理容器内部からＮＦ3クリーニングガスを長い時間かけてパージする必要がなくなり、基板処理のスループットが大きく向上する。同様な利点は、ＮＦ3ガスを使って被処理基板を１枚ずつエッチングする枚葉式のプラズマエッチング装置の場合においても得られる。
［第２実施例］
図１０は、本発明の発明者が、図２に示すトロイダル型プラズマ発生装置２０において前記ガス通路２１にＡｒとＦ2の混合ガスを、様々なＦ2濃度（Ｆ2／（Ａｒ＋Ｆ2））で供給した場合について、先の図７と同様な手順により、プラズマ着火条件を探索した結果を、本発明の第２実施例として示す。
【００５４】
ただし図１０の実験では、前記Ａｒ／Ｆ2混合ガスの流量を１００ＳＣＣＭに設定し、周波数が４００ｋＨｚの高周波を、１３００Ｗのパワーで供給している。
【００５５】
図１０を参照するに、全ガス流量を１００ＳＣＣＭとした場合、プラズマの着火は前記混合ガス中のＦ2濃度が５％の場合、おおよそ６．６５Ｐａ（０．０５Ｔｏｒｒ）以上、６６．５Ｐａ（０．５Ｔｏｒｒ）以下の圧力範囲において生じ、この着火可能な圧力範囲は、前記混合ガス中のＦ2濃度が増大するにつれて縮小するものの、約４５％のＦ2濃度までは着火が可能であることがわかる。
［第３実施例］
このように、本発明の発明者は、本発明の基礎となる研究において、図２に示すようなトロイダル型のプラズマ発生装置において、ＡｒガスにＮＦ3やＦ2など、電気陰性度の高いハロゲンを含むガスを添加した混合ガスを供給した場合であってもプラズマ着火が可能なこと、およびプラズマ着火が可能となる条件を見出すことに成功した。
【００５６】
一方、実際にＣＶＤ装置、例えば図１のＣＶＤ装置１０においてクリーニングあるいはエッチングに使われる圧力あるいはガス流量は図７あるいは８で示した着火点よりもはるかに大きく、従って、トロイダル型プラズマ発生装置２０では、図７あるいは８の着火点においてプラズマが着火した後、プラズマを消すことなく実際にプロセスが行われるプロセス点まで条件を変化させられることが要求される。例えば先に説明した図３あるいは図４によれば、毎分１５０あるいは２００ｎｍのクリーニング速度を達成しようとすると、Ａｒ／ＮＦ3混合ガス中のＮＦ3の濃度を５０％以上に、また圧力（全圧）も１３３０Ｐａ（１０Ｔｏｒｒ）以上に設定する必要があるのがわかる。
【００５７】
そこで、本発明の発明者は、本発明の基礎となる研究において、前記図１のＣＶＤ装置１０について、図１１に示すように図７あるいは８で説明したプラズマ着火点に対応する着火ポイント(1)から実際のクリーニングあるいはエッチングプロセスが行われるプロセスポイント(2)まで、前記Ａｒ／ＮＦ3混合ガスの全圧および流量を様々な経路で変化させ、ポイント(1)からポイント(2)までプラズマが維持されるかどうかを検証した。ただしこの実験では図１のＣＶＤ装置１０において前記バルブ１６Ｖｃは全開されており、前記リモートプラズマ源１６Ｃとして使われる図２のトロイダル型プラズマ発生装置２０のガス通路２１における圧力と前記処理容器１１内部に圧力は実質的に等しくなっている。
【００５８】
図１１の実験では、着火ポイント(1)における全圧を約１１Ｐａ（０．０８Ｔｏｒｒ）に、また前記Ａｒ／ＮＦ3混合ガスの全流量を３ＳＣＣＭに設定し、プロセスポイント(2)における全圧を１３３０Ｐａ（１０Ｔｏｒｒ）に、また前記Ａｒ／ＮＦ3混合ガスの全流量を３ＳＬＭに設定している。
【００５９】
図１１を参照するに、経路Ａでは前記着火ポイント(1)から前記約１１Ｐａ（０．０８Ｔｏｒｒ）の圧力を維持したままガス流量を増加させ、ポイント(4)に到達する。すなわちポイント(1)からポイント(4)までは、図１のＣＶＤ装置１０において前記処理容器１１中の圧力が、前記Ａｒ／ＮＦ3混合ガスの流量が増大しても一定に維持されるように、排気系のコンダクタンスバルブ１３Ｂを徐々に開いており、前記ポイント(4)においては前記コンダクタンスバルブ１３Ｂは全開状態になっている。このように、前記ポイント(4)は前記コンダクタンスバルブ１３Ｂおよびこれに協働する真空ポンプ１３の能力により決定される。
【００６０】
この状態で前記Ａｒ／ＮＦ3混合ガスの流量を前記プロセスポイント(2)に対応した所定のプロセス流量まで徐々に増大させると前記処理容器１１内部の圧力、従って前記ガス通路２１中の全圧は増大し、ポイント(5)に到達する。この時点から前記Ａｒ／ＮＦ3混合ガス流量を一定に保持したまま、前記コンダクタンスバルブ１３Ｂを徐々に閉じることにより、前記処理容器１１内部の圧力、従って前記ガス通路２１中の圧力は前記プロセスポイント(2)まで徐々に増大する。
【００６１】
一方図１１の経路Ｂでは、前記Ａｒ／ＮＦ3混合ガス流量を一定に保持したまま前記コンダクタンスバルブ１３Ｂを徐々に閉じることにより前記処理容器１１内部の圧力、従って前記ガス通路２１中の全圧は徐々に増大し、全閉状態において前記ポイント(6)に到達する。すなわち前記ポイント(6)は前記コンダクタンスバルブ１３Ｂの全閉状態におけるガスリーク量および真空ポンプ１３の能力により決定される。
【００６２】
前記経路Ｂでは前記ポイント(6)から、前記コンダクタンスバルブ１３Ｂを全閉状態に保持したまま前記Ａｒ／ＮＦ3混合ガスの流量を増大させることにより、前記処理容器１１内部の圧力、従って前記ガス通路２１中の全圧は徐々に増大し、前記プロセスポイント(2)のプロセス圧に対応したポイント(7)に到達する。さらに前記ポイント(7)からＡｒ／ＮＦ3混合ガスの流量を前記プロセスポイント(2)まで徐々に増大させる。その際、前記コンダクタンスバルブ１３Ｂを徐々に閉じることにより、前記処理容器１１内部の圧力、従って前記ガス通路２１中の全圧を前記プロセス圧に維持する。
【００６３】
さらに図１１の経路Ｃでは、前記着火ポイント(1)でプラズマを着火させた後、前記コンダクタンスバルブ１３Ｂの開度を保持したまま前記Ａｒ／ＮＦ3混合ガスの流量を所定のプロセス流量に対応したポイント(3)まで増加させ、さらにその後前記コンダクタンスバルブ１３Ｂを徐々に絞ることにより、前記プロセスポイント(2)まで前記処理容器１１内部の圧力、従って前記ガス通路２１中の全圧を増大させる。
【００６４】
このように、前記着火ポイント(1)からプロセスポイント(2)まで様々な経路でガス流量および全圧を変化する実験を行った結果、図１１中、前記ポイント(1)〜(7)で囲まれた領域においては、前記全圧およびガス流量を変化させても、いったん着火されたプラズマは消滅することがないのが確認されている。
【００６５】
なお、先にも説明したように、ポイント(4)およびポイント(6)、従ってポイント(4)からポイント(5)までの経路、およびポイント(6)からポイント(7)までの経路は、使われるＣＶＤ装置のコンダクタンスバルブ１３Ｂの設計および真空ポンプ１３の能力により決定されるもので、前記コンダクタンスバルブ１３Ｂの最大コンダクタンスを増大させ、あるいは真空ポンプ１３の能力を増大させると前記ポイント(4)からポイント(5)への経路は大流量側にシフトする。また前記コンダクタンスバルブ１３Ｂの最小コンダクタンスを減少させ、あるいは真空ポンプ１３の能力を低下させると前記ポイント(6)からポイント(7)への経路は高圧側にシフトする。
【００６６】
また前記プロセスポイント(2)は、先に図３〜６で説明した条件のいずれかに設定することが可能である。
【００６７】
すなわち、前記プロセスポイント(2)において、図３に示すように前記Ａｒ／ＮＦ3混合ガス中のＮＦ3濃度を８０％まで増大させることにより、熱酸化膜に対して毎分２０００ｎｍのクリーニング速度を実現することが可能である。この場合には、前記着火ポイント(1)からプロセスポイント(2)までの間に前記Ａｒ／ＮＦ3混合ガス中におけるＮＦ3濃度を変化させる必要がある。このような場合であっても、いったんプラズマが着火するとプラズマは維持されることが確認されている。
【００６８】
このようにしてプロセスポイント(2)に到達した後は、通常のクリーニング工程を行うことが可能である。なお、図１のＣＶＤ装置１０ではクリーニングは、前記リモートプラズマ源１６Ｃとして使われるトロイダル型のプラズマ発生装置２０においてプラズマ着火が生じた時点から開始されていることに注意すべきである。
【００６９】
先にも説明したように、図１１において着火ポイント(1)からプロセスポイント(2)へ移行する場合に、前記Ａｒ／ＮＦ3混合ガス中のＡｒガスとＮＦ3ガスの混合比は固定しても変化させてもよい。その際、本発明ではプラズマ着火が生じた直後からクリーニングが開始されているため、前記Ａｒ／ＮＦ3混合ガス中のＮＦ3濃度を着火ポイント(1)からプロセスポイント(2)へ移行する間に増加させるのみならず、必要に応じて低減させることも可能である。
【００７０】
また、図１のＣＶＤ装置１０において、前記トロイダル型プラズマ発生装置２０をリモートプラズマ源１６Ｃとして使い、前記処理容器１１中において熱酸化膜やＣＶＤ酸化膜など絶縁膜のプラズマエッチング、あるいはＷ膜やＴｉ膜などの金属膜のプラズマエッチング、さらにはＴｉＮ膜など導電性窒化膜のプラズマエッチングやポリシリコン膜のプラズマエッチングを行うことができる。
【００７１】
さらに本実施例においては図１のＣＶＤ装置１０において、図１２に示すように前記ＮＦ3ガス源１６Ａに能力の異なる複数の質量流量コントローラ１６ａ，１６ｂを設け、これらをバルブにより切り替えて使うことも可能である。図１１では、同様に、Ａｒガス源１６Ｂにも、能力の異なる複数の質量流量コントローラ１６ｃ，１６ｄが設けられており、これらがバルブにより切り替えて使われる。
【００７２】
そこで、例えば図１１の着火ポイント(1)から最初に質量流量コントローラ１６ａによりＡｒ／ＮＦ3混合ガス流量が経路Ｃに沿って増大しており、前記経路Ｃ上のポイント(8)において質量流量コントローラ１６ａからより大容量の質量流量コントローラ１６ｂに切り替える場合を考えると、前記質量流量コントローラの切り替えに伴って一時的に流量および全圧がポイント(9)まで低下する場合があるが、より大容量の質量流量コントローラ１６ｂを駆動することにより、経路Ｃ上のポイント(10)に戻すことができる。その際、本実施例によれば、前記ポイント(9)が図１１中に示したプラズマ維持領域内位置している限り、ポイント(1)で着火したプラズマが消滅することはない。
【００７３】
さらに前記復帰後のポイント(10)は前記経路Ｃ上に限定されるものではなく、前記ポイント(8)よりも流量が大きい範囲内で前記プラズマ維持領域内の任意の点に選ぶことができる。
【００７４】
同様な、低圧力下で着火したプラズマを維持したままプロセス条件に対応した高圧力までプラズマ発生装置中の圧力を増大させることは、前記Ａｒ／ＮＦ3ガスの場合のみならず、Ａｒ／Ｆ2混合ガスを使う場合においても可能である。
【００７５】
この場合にも、昇圧中に前記Ａｒ／Ｆ2混合ガス中のＦ2濃度を一定に保持してもよく、また変化させてもよい。
【００７６】
さらに前記プラズマ発生装置中に供給される希ガスはＡｒガスに限定されるものではなく、Ｈｅ，Ｎｅ，Ｋｒ，Ｘｅなどのガスを使うことも可能である。
【００７７】
図１３は、上記の結果に基づいた本発明の第３実施例によるクリーニングあるいはエッチングプロセスで使われるガスおよびＲＦパワーの供給シーケンスを示す。
【００７８】
図１３を参照するに、本実施例においては最初に少量のＡｒガスおよびＮＦ3ガスを図２のトロイダル型プラズマ発生装置２０に供給し、６．６５〜６６．５Ｐａの全圧（Ｐ１）下においてＲＦパワーを供給し、プラズマを着火させる。
【００７９】
プラズマが着火した後、前記ＡｒガスおよびＮＦ3ガスの流量は、図１１中のポイント(1)〜(7)で囲まれた領域中を任意の経路で増大され、所定のプロセス圧Ｐ２に達したところで所望のクリーニングあるいはエッチングプロセスを実行した後、ＲＦパワーを遮断する。
【００８０】
なお、先にも説明したように、ＮＦ3を使ったクリーニングあるいはエッチングプロセスは、プラズマ着火直後からすでに開始されている。
【００８１】
なお、本実施例においても前記NF3ガスの代わりにＦ2ガスを使うことが可能である。この場合には、前記着火工程の圧力Ｐ１、およびその際のＡrガスおよびＦ2ガスの流量を、図１０で説明した着火範囲内に収まるように設定すればよい。
【００８２】
以上、本発明を好ましい実施例について説明したが、本発明はかかる特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した要旨内において様々な変形・変更が可能である。
【００８３】
【発明の効果】
本発明によれば、トロイダル型のプラズマ発生装置において、Ａｒ／ＮＦ3混合ガスについてプラズマを着火することが可能になり、その結果、プラズマを断続的に形成する必要がある枚葉式の基板処理システムなどにおいて、プラズマを着火しようとするたびにリモートプラズマ源からＮＦ3ガスをパージする工程が省略でき、クリーニングや基板処理のスループットを大きく改善することができる。
【００８４】
またいったんプラズマが着火すると、プラズマを消滅させることなくプラズマ着火ポイントからクリーニングやエッチングが実行されるプロセスポイントまで移行することが可能になり、効率的なプラズマプロセスを実行することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明が適用されるＣＶＤ装置の構成を示す図である。
【図２】図１のＣＶＤ装置で使われる、従来のトロイダル型プラズマ発生装置の構成を示す図である。
【図３】プラズマクリーニングプロセスで使われるＡｒ／ＮＦ3混合ガス中のＮＦ3濃度とクリーニング速度との関係を示す図である。
【図４】プラズマクリーニングプロセスで使われるＡｒ／ＮＦ3混合ガスの全圧とクリーニング速度との関係を示す図である。
【図５】プラズマクリーニングプロセスで使われるＡｒ／ＮＦ3混合ガス中のＮＦ3濃度プラズマ維持パワーとの関係を示す図である。
【図６】プラズマクリーニングプロセスで使われるＡｒ／ＮＦ3混合ガスの全圧とプラズマ維持パワーとの関係を示す図である。
【図７】本発明の第１実施例によるプラズマ着火条件の探索を説明する図である。
【図８】本発明の第１実施例により見出されたプラズマ着火条件を示す図である。
【図９】本発明の第１実施例により見出された、プラズマ着火電圧と全圧との関係を示す図である。
【図１０】本発明の第２実施例による、Ａｒ／Ｆ2ガスのプラズマ着火条件を示す図である。
【図１１】本発明の第３実施例による、プラズマ着火ポイントから、プラズマクリーニングあるいはプラズマエッチングプロセスポイントまでの移行を示す図である。
【図１２】本発明の第３実施例において使われる、ガス流量切り替え機構の構成を示す図である。
【図１３】本発明の第３実施例によるプラズマクリーニング／エッチング工程のガスおよびＲＦパワー供給シーケンスを示す図である。
【符号の説明】
１０ ＣＶＤ装置
１１ 処理容器
１２ サセプタ
１３ 真空ポンプ
１３Ａ 遮断バルブ
１３Ｂ コンダクタンスバルブ
１４ シャワーヘッド
１５ 原料ガス供給系
１５Ａ〜１５Ｃ 原料ガス源
１５ＶＡ〜１５ＶＣ バルブ
１６ クリーニングモジュール
１６Ａ クリーニングガス源
１６Ｂ Ａｒガス源
１６ａ〜１６ｄ 質量流量コントローラ
１６Ｃ リモートプラズマ源
１６ＶＡ〜１６ＶＣ バルブ
２０ トロイダル型プラズマ発生装置
２１ ガス通路
２１Ａ ガス入口
２１Ｂ ガス出口
２１ａ 電流路
２１ｂ 磁力線
２２ 高周波コイル
Ｌ1 原料ガスライン
Ｌ２ クリーニングガスライン
Claims (26)
- ガス入口とガス出口とを備え、周回路を形成するガス通路と、
前記ガス通路の一部に巻回されたコイルとを有するトロイダル型プラズマ発生装置におけるプラズマ発生方法であって、
前記ガス通路中に、５％以上、４５％以下のＮＦ3を含むＡｒガスとＮＦ3ガスの混合ガスを供給し、前記コイルを高周波電力により駆動して前記混合ガスにプラズマを着火する工程を含み、
前記プラズマ着火工程は、６．６５〜６６．５Ｐａの全圧下において実行されることを特徴とするプラズマ発生方法。 - 前記プラズマ着火工程において前記混合ガスは、ＮＦ3を、１０％以上、４５％以下の濃度で含むことを特徴とする請求項１記載のプラズマ発生方法。
- 前記プラズマ着火工程において前記混合ガスは、ＮＦ3を、２０％以上、４５％以下の濃度で含むことを特徴とする請求項１または２記載のプラズマ発生方法。
- 前記着火工程の後、前記混合ガスの全圧を増大させる工程を含むことを特徴とする請求項１〜３のうち、いずれか一項記載のプラズマ発生方法。
- 前記混合ガスの全圧を増大させる工程は、前記混合ガス中のＮＦ3濃度を一定に保持しながら実行されることを特徴とする請求項４記載のプラズマ発生方法。
- 前記混合ガスの全圧を増大させる工程は、前記混合ガス中のＮＦ3濃度を変化させながら実行されることを特徴とする請求項４記載のプラズマ発生方法。
- 前記混合ガスの全圧を増大させる工程の後、前記混合ガスはＮＦ3を５０〜４０％の濃度で含むことを特徴とする請求項４〜６のうち、いずれか一項記載のプラズマ発生方法。
- ガス入口とガス出口とを備え、周回路を形成するガス通路と、
前記ガス通路の一部に巻回されたコイルとを有するトロイダル型プラズマ発生装置におけるプラズマ発生方法であって、
前記ガス通路中に、５％以上、４５％以下のＦ2を含むＡｒガスとＦ2ガスの混合ガスを供給し、前記コイルを高周波電力により駆動して前記混合ガスにプラズマを着火する工程を含み、
前記プラズマ着火工程は、６．６５〜６６．５Ｐａの全圧下において実行されることを特徴とするプラズマ発生方法。 - 前記プラズマ着火工程の後、前記混合ガスの全圧を増大させる工程を含むことを特徴とする請求項８記載のプラズマ発生方法。
- 前記混合ガスの全圧を増大させる工程は、前記混合ガス中のＦ2濃度を一定に保持しながら実行されることを特徴とする請求項９記載のプラズマ発生方法。
- 前記混合ガスの全圧を増大させる工程は、前記混合ガス中のＦ2濃度を変化させながら実行されることを特徴とする請求項９記載のプラズマ発生方法。
- 排気系により排気され、リモートプラズマ源を結合された処理容器のクリーニング方法であって、
前記リモートプラズマ源は、ガス入口とガス出口とを備え、周回路を形成するガス通路と、前記ガス通路の一部に巻回されたコイルとを有するトロイダル型プラズマ発生装置よりなり、
前記クリーニング方法は、前記リモートプラズマ源において、Ｆを含むラジカルを形成する工程と、
前記ラジカルを前記処理容器内部に供給し、前記ラジカルにより前記処理容器内部をクリーニングする工程とを含み、
前記ラジカルを形成する工程は、
前記ガス通路中に、Ａｒガス中に５％以上、４５％以下の濃度でＮＦ3またはＦ2をクリーニングガスとして含む混合ガスを、６．６５〜６６．５Ｐａの全圧下において供給し、前記コイルを高周波電力により駆動して前記混合ガスにプラズマを着火する工程を有することを特徴とするクリーニング方法。 - 前記プラズマ着火工程の後、前記クリーニング工程の前に、前記混合ガスの全圧を増大させる工程を含むことを特徴とする請求項１２記載のクリーニング方法。
- 前記混合ガスの全圧を増大させる工程は、前記混合ガス中の前記クリーニングガス濃度を一定に保持しながら実行されることを特徴とする請求項１２または１３記載のクリーニング方法。
- 前記混合ガスの全圧を増大させる工程は、前記混合ガス中の前記クリーニングガス濃度を変化させながら実行されることを特徴とする請求項１２または１３記載のクリーニング方法。
- 前記クリーニング工程は、前記混合ガス中におけるＮＦ3の濃度を５０〜４０％に設定して実行されることを特徴とする請求項１２〜１５のうち、いずれか一項記載のクリーニング方法。
- 前記プラズマ着火工程において前記混合ガスは、ＮＦ3を前記クリーニングガスとして、１０％以上、４５％以下の濃度で含むことを特徴とする請求項１２〜１６のうち、いずれか一項記載のクリーニング方法。
- 前記プラズマ着火工程において前記混合ガスは、ＮＦ3を前記クリーニングガスとして、２０％以上、４５％以下の濃度で含むことを特徴とする請求項１２〜１６のうち、いずれか一項記載のクリーニング方法。
- 排気系により排気され、リモートプラズマ源を結合された処理容器中における基板処理方法であって、
前記リモートプラズマ源は、ガス入口とガス出口とを備え、周回路を形成するガス通路と、前記ガス通路の一部に巻回されたコイルとを有するトロイダル型プラズマ発生装置よりなり、
前記基板処理方法は、前記リモートプラズマ源において、Ｆを含むラジカルを形成する工程と、
前記ラジカルを前記処理容器内部に供給し、前記ラジカルにより前記処理容器内において被処理基板表面をエッチングする工程とを含み、
前記ラジカルを形成する工程は、
前記ガス通路中に、Ａｒガス中に５％以上、４５％以下の濃度でＮＦ3またはＦ2をエッチングガスとして含む混合ガスを、６．６５〜６６．５Ｐａの全圧下において供給し、前記コイルを高周波電力により駆動して前記混合ガスにプラズマを着火する工程を有することを特徴とする基板処理方法。 - 前記プラズマ着火工程の後、前記エッチング工程の前に、前記混合ガスの全圧を増大させる工程を含むことを特徴とする請求項１９記載の基板処理方法。
- 前記混合ガスの全圧を増大させる工程は、前記混合ガス中の前記エッチングガス濃度を一定に保持しながら実行されることを特徴とする請求項１９または２０記載の基板処理方法。
- 前記混合ガスの全圧を増大させる工程は、前記混合ガス中の前記エッチングガス濃度を変化させながら実行されることを特徴とする請求項１９〜２１のうち、いずれか一項記載の基板処理方法。
- 前記エッチング工程は、前記混合ガス中におけるＮＦ3の濃度を５０〜４０％に設定して実行されることを特徴とする請求項１９〜２２のうち、いずれか一項記載の基板処理方法。
- 前記プラズマ着火工程において前記混合ガスは、ＮＦ3を前記エッチングガスとして、１０％以上、４５％以下の濃度で含むことを特徴とする請求項１９〜２３のうち、いずれか一項記載の基板処理方法。
- 前記プラズマ着火工程において前記混合ガスは、ＮＦ3を前記エッチングガスとして、２０％以上、４５％以下の濃度で含むことを特徴とする請求項１９〜２３のうち、いずれか一項記載の基板処理方法。
- ガス入口とガス出口とを備え、周回路を形成するガス通路と、
前記ガス通路の一部に巻回されたコイルと、
着火時に前記ガス通路中に、５％以上、４５％以下のＮＦ3またはＦ2を含むＡｒガスとＮＦ3ガスまたはＦ2ガスの混合ガスを供給するガス源と、
前記コイルを高周波電極による駆動して前記混合ガスにプラズマを着火する高周波供給手段と、を有し、
前記プラズマ着火は、６．６５〜６６．５Ｐａの全圧下において実行されることを特徴とするトロイダル型プラズマ発生装置。
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