JP4983063B2 - プラズマ処理装置 - Google Patents

Description

本発明は、半導体ウエハ等の被処理体にプラズマ成膜やプラズマエッチング等のプラズマ処理を施すようにしたプラズマ処理装置に関する。

一般に、半導体集積回路を製造するためにはシリコン基板等よりなる半導体ウエハに対して、成膜処理、エッチング処理、酸化処理、拡散処理、改質処理、自然酸化膜の除去処理等の各種の処理が行なわれる。これらの処理を特許文献１等に開示されている縦型の、いわゆるバッチ式の処理装置にて行う場合には、まず、半導体ウエハを複数枚、例えば２５枚程度収容できるカセットから、半導体ウエハを縦型のウエハボートへ移載してこれに多段に支持させる。このウエハボートは、例えばウエハサイズにもよるが３０〜１５０枚程度のウエハを載置できる。このウエハボートは、排気可能な処理容器内にその下方より搬入（ロード）された後、処理容器内が気密に維持される。そして、処理ガスの流量、プロセス圧力、プロセス温度等の各種のプロセス条件を制御しつつ例えば所定の熱処理が施される。

ところで、最近にあっては半導体集積回路の更なる高集積化及び高微細化の要求が強くなされており、回路素子の特性の向上の上から半導体集積回路の製造工程における熱履歴も低減化することが望まれている。このような状況下において、縦型の、いわゆるバッチ式の縦型の処理装置においても、ウエハをそれ程の高温に晒さなくても目的とする処理が可能なことから、原料ガス等を間欠的に供給しながら原子レベルで１層〜数層ずつ、或いは分子レベルで１層〜数層ずつ繰り返し成膜する方法が知られている（特許文献２、３等）。

ここで従来の成膜方法として、シラン系ガスであるジクロロシラン（以下、「ＤＣＳ」とも称す）と窒化ガスであるＮＨ_３ ガスとを用いてシリコン窒化膜（ＳｉＮ）を形成する場合について説明する。図７は従来の一般的な縦型の成膜装置を示す概略構成図、図８は各ガスの供給シーケンスと排気弁の動作との関係を示すグラフである。図７に示すように、この成膜装置の縦型の処理容器２内には、ウエハボート４上に多段に支持された複数枚の半導体ウエハＷが収容されている。そして、この処理容器２内に原料ガスとしての例えばＤＣＳ（ジクロロシラン）と反応性ガスとしての例えばＮＨ_３ とが供給可能になされている。この処理容器２の排気系６には、排気開閉弁８と真空ポンプ１０とが順次介設されており、容器内雰囲気を真空引きできるようになっている。

このような成膜装置を用いてシリコン窒化膜を形成する場合には、図８に示すように、ＤＣＳガスとＮＨ_３ ガスとを交互に異なるタイミングで供給するようにし、ＤＣＳガスの供給時に原料ガスをウエハ表面に吸着させ、これを次工程のＮＨ_３ ガスの供給時に窒化させて極めて薄い原子レベル、或いは分子レベルの膜厚のシリコン窒化膜を形成する、という操作を繰り返して堆積するようになっている。
この場合、原料ガスであるＤＣＳガスの供給時には、排気開閉弁８の開度を小さくすることによって処理容器２内の圧力を高め、この時にウエハ表面に吸着する原料ガスの吸着量をできるだけ多くしてスループットを向上させることが行われている。

特開２００４−６８０１号公報 特開平６−４５２５６号公報 特開平１１−８７３４１号公報

上述したような成膜装置にあっては、比較的良好なステップカバレジが得られ、また膜厚の面内及び面間均一性も高くすることができる。しかし、最近にあっては半導体集積回路に用いる膜種の特性から、成膜温度等のプロセス処理時の更なる低温化が求められており、そのために、縦型のバッチ式の処理装置においても、プラズマのアシストを受けることによりウエハ温度が低温でも所望する反応が得られるプラズマ処理装置が提案されている（例えば特開２００６−４９８０８号公報）。

このプラズマ処理装置では、図７に示すような縦型の処理容器２の側部に、プラズマを形成するためのプラズマ室を、この処理容器２のウエハ領域に開放された状態で設け、このプラズマ室で発生した活性種を直接的に処理容器２のウエハ領域へ導入させて例えば成膜処理等を行うようになっている。この場合、ＤＣＳ（ジクロロシラン）とＮＨ_３ ガスとを交互に間欠的に供給し、ＮＨ_３ ガスはプラズマ室へ導入すると同時にＲＦ（高周波）を印加してプラズマを立てて活性種を作り、ＤＣＳガスは処理容器２内へ導入している。そして、ウエハ表面上にＤＣＳガスが分子レベルで一層、或いは複数層吸着して余分なＤＣＳガスを不活性ガスでパージし、或いは真空引きで排除した後、ＮＨ_３ の活性種で低温での窒化を促進して窒化膜を形成する。そして、この一連の工程を繰り返し行って所望の厚さのシリコン窒化膜を形成するようになっている。

ところで、プラズマ処理装置において、一般的には処理容器内の圧力は、ウエハに堆積する膜厚の面内均一性及び面間均一性が共に高くなるようにプロセス時の圧力が設定されるが、上述した従来のプラズマ処理装置にあってはウエハを収容している処理容器とプラズマを形成するプラズマ室内との圧力が略同じになっていることから、プラズマ室の圧力が低くなり過ぎてしまい、プラズマの発生効率が著しく低下してしまう、といった問題があった。

そこで、プラズマ室内の圧力を上げるべくプラズマ用ガスであるＮＨ_３ ガスの供給量を多くすることも考えられるが、プラズマ室と処理容器内との間の気体のコンダクタンスが非常に大きい状態で両者は連通されているので、プラズマ室内の圧力をそれ程大きくできないか、或るいは処理容器内の圧力が上昇し過ぎて膜厚の面内及び面間均一性を劣化させてしまう恐れがあった。更には、この場合には、供給するＮＨ_３ ガス量がかなり増大し、ランニングコストが大幅に高騰してしまう、といった問題もあった。

本発明は、以上のような問題点に着目し、これを有効に解決すべく創案されたものである。本発明の目的は、プラズマ用ガスの供給量を増大させることなく、プラズマ室と被処理体を収容する処理容器内との間に圧力差を生ぜしめるようにして、プラズマを効率的に発生することができると共に、被処理体に対するプラズマ処理の面間均一性及び面内均一性を共に高く維持することが可能なプラズマ処理装置を提供することにある。

請求項１に係る発明は、プラズマ用ガスをプラズマにより活性化して発生した活性種と原料ガスとにより被処理体に対して薄膜を形成するようにしたプラズマ処理を行うプラズマ処理装置において、真空引き可能になされた縦型の筒体状の処理容器と、前記被処理体を複数枚保持して前記処理容器内へ収容する保持手段と、前記処理容器の側壁にその長さ方向に沿って設けられてプラズマを発生するためのプラズマ室と、前記プラズマ室内に設けたプラズマ用ガス分散ノズルを有して、前記プラズマ室に前記プラズマ用ガスを供給するプラズマ用ガス供給手段と、前記プラズマ室にプラズマを立てるためのプラズマ形成手段と、前記処理容器内に設けた原料ガス分散ノズルを有して、前記処理容器内に前記原料ガスを供給する原料ガス供給手段と、前記処理容器内と前記プラズマ室との間を仕切って設けられると共に、前記プラズマ室内が前記処理容器内よりも圧力が高くなるように圧力差を生ぜしめつつ前記処理容器内へガスを通すために前記プラズマ室が前記処理容器に対向する面に対する開口率が０．３〜７．３％の範囲内となるように設定されたガス流路が形成された仕切板と、前記原料ガスと前記プラズマ用ガスとを互いにタイミングをずらして交互に間欠的に供給するように制御する制御手段と、を備えたことを特徴とするプラズマ処理装置である。

このように、被処理体を収容する処理容器内とプラズマ室との間を仕切るようにして仕切板を設け、この仕切板にプラズマ室内が処理容器内よりも圧力が高くなるような圧力差を生ぜしめつつガス（活性種を含む）を通すガス流路を形成するようにしたので、プラズマ用ガスの供給量を増大させることなく、プラズマ室と被処理体を収容する処理容器内との間に圧力差を生ぜしめるようにして、プラズマを効率的に発生することができると共に、被処理体に対するプラズマ処理の面間均一性及び面内均一性を共に高く維持することができる。

この場合、例えば請求項２に規定するように、前記プラズマ室は、プラズマを効率的に発生させるための圧力に維持され、前記処理容器内は前記被処理体に対するプラズマ処理の均一性を高くするための圧力に維持されている。
また例えば請求項３に規定するように、前記プラズマ室の圧力は、０．７〜４．０Ｔｏｒｒの範囲内であり、前記処理容器内の圧力は１．０Ｔｏｒｒ以下である。
また例えば請求項４に規定するように、前記ガス流路は、前記仕切板の長さ方向に沿って分散させて設けた複数の断面円形の拡散孔よりなる。
また例えば請求項５に規定するように、前記ガス流路は、複数の細長い拡散孔よりなる。
また例えば請求項６に規定するように、前記プラズマを立てるための電力は１５０〜２５０ワットの範囲内である。
また例えば請求項７に規定するように、前記プラズマ用ガスはアンモニアガスであり、前記原料ガスはジクロロシランガスであり、前記薄膜はシリコン窒化膜である。

本発明の関連技術は、真空引き可能になされた縦型の筒体状の処理容器内に複数枚の被処理体を収容し、前記処理容器の側壁に、所定のガス流路の形成された仕切板を介して設けたプラズマを発生するためのプラズマ室から前記ガス流路を介して前記処理容器内へプラズマにより発生した活性種を供給しつつ前記被処理体にプラズマ処理を施すようにしたプラズマ処理方法において、前記プラズマ室内が前記処理容器内よりも圧力が高くなるように圧力差を生ぜしめつつ前記プラズマ室内へプラズマ用ガスを流すようにしたことを特徴とするプラズマ処理方法である。

この場合、例えば前記プラズマ室は、プラズマを効率的に発生させるための圧力に維持され、前記処理容器内は前記被処理体に対するプラズマ処理の均一性を高くするための圧力に維持されている。
或いは、例えば前記プラズマ室の圧力は、０．７〜４．０Ｔｏｒｒの範囲内であり、前記処理容器内の圧力は１．０Ｔｏｒｒ以下である。

本発明の他の関連技術は、真空引き可能になされた縦型の筒体状の処理容器内に複数枚の被処理体を収容し、前記処理容器の側壁に、所定のガス流路の形成された仕切板を介して設けたプラズマを発生するためのプラズマ室から前記ガス流路を介して前記処理容器内へプラズマにより発生した活性種を供給するようにしたプラズマ処理装置を用いて前記被処理体に所定のプラズマ処理を施すに際して、前記プラズマ室内が前記処理容器内よりも圧力が高くなるように圧力差を生ぜしめつつ前記プラズマ室内へプラズマ用ガスを流すように前記プラズマ処理装置を制御するプログラムを記憶する記憶媒体である。

本発明に係るプラズマ処理装置によれば、次のように優れた作用効果を発揮することができる。
被処理体を収容する処理容器内とプラズマ室との間を仕切るようにして仕切板を設け、この仕切板にプラズマ室内が処理容器内よりも圧力が高くなるような圧力差を生ぜしめつつガス（活性種を含む）を通すガス流路を形成するようにしたので、プラズマ用ガスの供給量を増大させることなく、プラズマ室と被処理体を収容する処理容器内との間に圧力差を生ぜしめるようにして、プラズマを効率的に発生することができると共に、被処理体に対するプラズマ処理の面間均一性及び面内均一性を共に高く維持することができる。

以下に、本発明に係るプラズマ処理装置の一実施例を添付図面に基づいて詳述する。
図１は本発明の係るプラズマ処理装置の一例を示す縦断面構成図、図２はプラズマ処理装置（加熱手段は省略）を示す横断面構成図、図３は仕切板を示す平面図、図４は仕切板の変形例を示す図である。尚、ここでは原料ガスとしてシラン系ガスの１つであるジクロロシラン（ＤＣＳ）を用い、プラズマ用ガスとして窒化ガスの１つであるアンモニアガス（ＮＨ_３ ）を用い、上記ＮＨ_３ ガスをプラズマにより活性化して活性種を作ってシリコン窒化膜（ＳｉＮ）を成膜する場合を例にとって説明する。

図１及び図２に示すように、プラズマを形成することができるこのプラズマ処理装置１２は、下端が開口された有天井の円筒体状の処理容器１４を有している。この処理容器１４の全体は、例えば石英により形成されており、この処理容器１４内の天井には、石英製の天井板１６が設けられて封止されている。また、この処理容器１４の下端開口部には、例えばステンレススチールにより円筒体状に成形されたマニホールド１８がＯリング等のシール部材２０を介して連結されている。尚、このマニホールド１８を、上記処理容器１４と同じ材料の例えば石英で処理容器１４と一体成形してもよい。

上記処理容器１４の下端は、上記マニホールド１８によって支持されており、このマニホールド１８の下方より多数枚の被処理体としての半導体ウエハＷを多段に載置した保持手段としての石英製のウエハボート２２が昇降可能に挿脱自在になされている。本実施例の場合において、このウエハボート２２の支柱２２Ａには、例えば５０〜１００枚程度の直径が３００ｍｍのウエハＷを略等ピッチで多段に支持できるようになっている。

このウエハボート２２は、石英製の保温筒２４を介してテーブル２６上に載置されており、このテーブル２６は、マニホールド１８の下端開口部を開閉する例えばステンレススチール製の蓋部２８を貫通する回転軸３０上に支持される。
そして、この回転軸３０の貫通部には、例えば磁性流体シール３２が介設され、この回転軸３０を気密にシールしつつ回転可能に支持している。また、蓋部２８の周辺部とマニホールド１８の下端部には、例えばＯリング等よりなるシール部材３４が介設されており、処理容器１４内のシール性を保持している。

上記した回転軸３０は、例えばボートエレベータ等の昇降機構（図示せず）に支持されたアーム３６の先端に取り付けられており、ウエハボート２２及び蓋部２８等を一体的に昇降して処理容器１４内へ挿脱できるようになされている。尚、上記テーブル２６を上記蓋部２８側へ固定して設け、ウエハボート２２を回転させることなくウエハＷの処理を行うようにしてもよい。

このマニホールド１８には、処理容器１４内の方へプラズマ化されるプラズマ用ガスとして例えば窒化ガスの１つであるアンモニア（ＮＨ_３ ）ガスを供給するプラズマ用ガス供給手段３８と、原料ガスとして例えばシラン系ガスの１つであるＤＣＳ（ジクロロシラン）ガスを供給する原料ガス供給手段４０と、パージガスとして不活性ガス、例えばＮ_２ ガスを供給するパージガス供給手段４２とが設けられる。具体的には、上記プラズマ用ガス供給手段３８は、上記マニホールド１８の側壁を内側へ貫通して上方向へ屈曲されて延びる石英管よりなるプラズマ用ガス分散ノズル４４を有している。このプラズマ用ガス分散ノズル４４には、その長さ方向に沿って複数（多数）のガス噴射孔４４Ａが所定の間隔を隔てて形成されており、各ガス噴射孔４４Ａから水平方向に向けて略均一にアンモニアガスを噴射できるようになっている。

また同様に上記原料ガス供給手段４０も、上記マニホールド１８の側壁を内側へ貫通して上方向へ屈曲されて延びる石英管よりなる原料ガス分散ノズル４６を有している。上記原料ガス分散ノズル４６には、その長さ方向に沿って複数（多数）のガス噴射孔４６Ａが所定の間隔を隔てて形成されており、各ガス噴射孔４６Ａから水平方向に向けて略均一に原料ガスであるＤＣＳガスを噴射できるようになっている。また同様にパージガス供給手段４２も、上記マニホールド１８の側壁を内側へ貫通して上方向へ屈曲されて延びる石英管よりなるパージガス分散ノズル４８を有している。このパージガス分散ノズル４８には、その長さ方向に沿って複数（多数）のガス噴射孔４８Ａ（図２参照）が所定の間隔を隔てて形成されており、各ガス噴射孔４８Ａから水平方向に向けて略均一にＮ_２ ガスを噴射できるようになっている。

上記各ノズル４４、４６、４８には、それぞれのガス通路５２、５４、５６が接続されている。そして、各ガス通路５２、５４、５６には、それぞれ開閉弁５２Ａ、５４Ａ、５６Ａ及びマスフローコントローラのような流量制御器５２Ｂ、５４Ｂ、５６Ｂが介設されており、ＮＨ_３ ガス、ＤＣＳガス及びＮ_２ ガスをそれぞれ流量制御しつつ供給できるようになっている。

そして、上記処理容器１４の側壁には、その長さ方向（高さ方向）に沿ってプラズマを発生するためのプラズマ室５８が形成されていると共に、このプラズマ室５８にプラズマを立てるためのプラズマ形成手段６０が設けられている。また、このプラズマ室５８に対向する処理容器１４の反対側には、この内部雰囲気を真空排気するために処理容器１４の側壁を、例えば上下方向へ削り取ることによって形成した細長い排気口６２が設けられている。具体的には、上記プラズマ室５８は、上記処理容器１４の側壁を上下方向に沿って所定の幅で削り取ることによって上下に細長い縦長の開口部６４（図２参照）を形成し、この開口部６４をその外側より覆うようにして断面凹部状になされた上下に細長い例えば石英製のプラズマ区画壁６６を容器外壁に気密に溶接接合することにより形成されている。上記開口部６４は、ウエハボート２２に保持されている全てのウエハＷを高さ方向においてカバーできるように上下方向に十分に長く形成されている。

そして、上記プラズマ区画壁６６の両側壁の外側面には、その長さ方向（上下方向）に沿って互いに対向するようにして上記プラズマ形成手段６０の一部を形成する細長い一対のプラズマ電極６８が設けられる。このプラズマ電極６８にはプラズマ発生用の高周波電源７０が給電ライン７２を介して接続されており、上記プラズマ電極６８に例えば１３．５６ＭＨｚの高周波電圧を印加することによりプラズマを発生し得るようになっている。尚、この高周波電圧の周波数は１３．５６ＭＨｚに限定されず、他の周波数、例えば４００ｋＨｚ等を用いてもよい。

そして、上記処理容器１４内を上方向に延びて行くプラズマ用ガス分散ノズル４４は途中で処理容器１４の半径方向外方へ屈曲されて、上記プラズマ区画壁６６内の一番奥（処理容器１４の中心より一番離れた部分）に位置され、この一番奥の部分に沿って上方に向けて起立させて設けられている。従って、高周波電源７０がオンされている時に上記プラズマ用ガス分散ノズル４４のガス噴射孔４４Ａから噴射されたアンモニアガスはここで活性化されて活性種を発生して処理容器１４の中心に向けて拡散しつつ流れるようになっている。

そして上記プラズマ区画壁６６の外側には、これを覆うようにして例えば石英よりなる絶縁保護カバー７４が取り付けられている。また、この絶縁保護カバー７４の内側部分には、図示しない冷媒通路が設けられており、冷却された窒素ガスを流すことにより上記プラズマ電極６８を冷却し得るようになっている。
そして上記プラズマ区画壁６６の開口部６４の外側近傍、すなわち開口部６４の外側（処理容器１４内）の両側には、上記原料ガス分散ノズル４６とパージガス分散ノズル４８とがそれぞれ片側ずつに起立させて設けられており、各ノズル４６、４８に設けた各ガス噴射孔４６Ａ、４８Ａより処理容器１４の中心方向に向けてＤＣＳガスとＮ_２ ガスとをそれぞれ噴射し得るようになっている。

そして、上記プラズマ室５８の開口部６４は、所定のガス流路７６の形成された本発明の特徴とする仕切板７８が、その周辺部を開口部６４の区画壁に溶接等することによって閉じられており、プラズマ室５８と処理容器１４内（ウエハ収容領域内）とを区画して仕切るようになっている。上記ガス流路７６は、上記プラズマ室５８内が上記処理容器１４内よりも圧力が高くなるように圧力差を生ぜしめつつプラズマ室５８から処理容器１４内へガス（活性種を含む）を通すように連通されている。

この仕切板７８は、処理容器１４と同じ材料である例えば石英により形成されており、上記ガス流路７６は、気体のコンダクタンスを小さくするためにここでは図３にも示すように、仕切板７８の長さ方向に沿って分散させて配列するように設けた複数の断面円形の拡散孔７６Ａにより構成されている。この時のプラズマ室５８の近傍の断面図と、これを区画する仕切板７８の平面図との概略図は、図４（Ａ）にも示されている。ここでは、上記拡散孔７６Ａは、２列に上下方向に配列されており、この拡散孔７６ＡのピッチＰ１は、ウエハボート２２に多段に収容されるウエハＷのピッチと同じに設定され、且つ水平方向においてウエハ間になるように各拡散孔７６Ａが形成されて、活性種を効率的にウエハＷの表面に供給できるように流すようになっている。

この場合、上述したように、上記拡散孔７６Ａよりなるガス流路７６は、プラズマ室５８内が処理容器１４内と同圧になることを防止してプラズマ室５８内の圧力が処理容器１４内よりも高くなるようにするために設けたものである。従って、供給する各ガスのガス流量や真空引きの排気能力にもよるが、このプラズマ室５８は、プラズマを効率的に発生させるための圧力、例えば０．７〜４．０Ｔｏｒｒ（９３〜５３３Ｐａ）程度の範囲内に維持し、ウエハＷが収容されている処理容器１４内はウエハＷに対するプラズマ処理、すなわちここではプラズマ成膜処理における膜厚の面内均一性及び面間均一性を高く維持できるような圧力、例えば１．０Ｔｏｒｒ（１３３Ｐａ）以下に維持する。

そのために、ここでは上記ガス流路７６である拡散孔７６Ａの開口率は７．３％以下に設定するのがよい。ここで開口率とは、上記プラズマ室５８が上記処理容器５８に対向する面の面積（仕切板７８の面積と略同じ）に対する拡散孔７６Ａの総和の面積の比率で定義される。

一方、上記プラズマ室５８に対向させて設けた排気口６２には、これを覆うようにして石英よりなる断面コ字状に成形された排気口カバー部材８０が溶接により取り付けられている。この排気口カバー部材８０は、上記処理容器１４の側壁に沿って上方に延びており、処理容器１４の上方のガス出口８２に連通されている。そして、この処理容器１４の外周を囲むようにしてこの処理容器１４及びこの内部のウエハＷを加熱する筒体状の加熱手段８４が設けられている。そして、上記ガス出口８２には、真空排気系８６が接続されている。この真空排気系８６は、上記ガス出口８２に連結された排気通路８８を有しており、この排気通路８８の途中には、ゲートバルブよりなる圧力制御弁９０や真空ポンプ９２が順次介設されている。

そして、上記各ガスの供給、供給停止、ガス流量の制御及び高周波のオン・オフ制御、圧力制御弁９０による圧力制御等は例えばマイクロコンピュータ等よりなる制御手段９４により行われる。そして、この制御手段９４は、このプラズマ処理装置１２の全体の動作も制御することになる。またこの制御手段９４は、上記した装置全体の動作を制御するためのプログラムを記憶する例えばフロッピディスクやフラッシュメモリやハードディスクドライバ等の記憶媒体９６を有している。

次に、以上のように構成されたプラズマ処理装置を用いて行なわれるプラズマによる成膜方法について説明する。上述したように、以下に説明する動作は、上記記憶媒体９６に記憶されたプログラムに基づいて行われる。ここでは成膜処理として、ウエハ表面に低温で間欠的にプラズマを用いてシリコン窒化膜（ＳｉＮ）を形成する場合を例にとって説明する。各ガスの供給は、図８に示した場合と同様であり、ＮＨ_３ ガスの供給時にプラズマを立ててＮＨ_３ の活性種を形成している。

まず、常温の多数枚、例えば５０〜１００枚の３００ｍｍサイズのウエハＷが載置された状態のウエハボート２２を予め所定の温度になされた処理容器１４内にその下方より上昇させてロードし、蓋部２８でマニホールド１８の下端開口部を閉じることにより容器内を密閉する。そして処理容器１４内を真空引きして所定のプロセス圧力に維持すると共に、加熱手段８４への供給電力を増大させることにより、ウエハ温度を上昇させてプロセス温度を維持し、上記ＤＣＳガスとＮＨ_３ ガスとを原料ガス供給手段４０及びプラズマ用ガス供給手段３８からそれぞれ交互に間欠的に供給し、回転しているウエハボート２２に支持されているウエハＷの表面にシリコン窒化膜（ＳｉＮ）を形成する。この際、ＮＨ_３ ガスを単独で供給する時に、全供給時間に亘って、或いは全供給時間の一部において高周波電源（ＲＦ電源）７０をオンしてプラズマを立てるようにする。

具体的には、ＮＨ_３ ガスはプラズマ用ガス分散ノズル４４の各ガス噴射孔４４Ａから水平方向へ噴射され、また、ＤＣＳガスは原料ガス分散ノズル４６の各ガス噴射孔４６Ａから水平方向へ噴射される。この場合、上記各ガスは、連続的に供給されるのではなく、例えば図８に示すように互いにタイミングをずらして供給する。そして、タイミングをずらしたガス同士は、間に間欠期間（パージ期間）を挟んで交互に間欠的に繰り返し供給され、シリコン窒化膜の薄膜を繰り返し積層する。上記両ガスは、先にＤＣＳガスを供給して原料ガスをウエハ表面に付着させ、その後にＮＨ_３ ガスを供給してウエハ表面に付着している原料ガスを窒化して薄い層状のシリコン窒化膜を形成する、という１サイクルの処理を複数回繰り返し行う。この場合、両ガスの供給動作の間の間欠期間ではパージガスとしてＮ_２ ガスを供給し、容器内の残留ガスの排出を促進させる。尚、この成膜処理が行われている間は、真空排気系８６によって連続的に真空引きが行われている。またこのガスの供給形態は単に一例を示すだけであって、ガスの供給形態は特に限定されない。

また具体的なプロセス条件としては、吸着工程であるＤＣＳガスの供給期間は１〜１２０秒程度、反応工程（窒化工程）であるＮＨ_３ ガスの供給期間は１〜１２０秒程度、パージ期間である間欠期間の長さは１〜３０秒程度であるが、これらの各時間は単に一例を示したに過ぎず、この数値に限定されない。通常、１サイクルによって形成される膜厚は０．５〜１．１Å／サイクル程度であるので、目標膜厚が例えば７００Åであるならば、６００サイクル程度繰り返し行うことになる。

またＤＣＳガスの流量は５０〜２０００ｓｃｃｍの範囲内、例えば１０００ｓｃｃｍ（１ｓｌｍ）であり、プロセス用ガスであるＮＨ_３ ガスの流量は１００〜５０００ｓｃｃｍの範囲内、例えば３０００ｓｃｃｍである。またプロセス温度はＣＶＤ成膜処理よりも低い温度であり、具体的には２５０〜７００℃の範囲内、好ましくは３５０〜６００℃の範囲内である。このプロセス温度が２５０℃よりも低いと、反応が生ぜずにほとんど膜が堆積せず、また７００℃よりも高い場合には、膜質の劣るＣＶＤによる堆積膜が形成されてしまうのみならず、前工程ですでに形成されている金属膜等に熱的ダメージを与えてしまう。

またプロセス圧力に関しては、ウエハＷを収容している処理容器１４内の圧力（プロセス圧力）は１．０Ｔｏｒｒ以下に設定してプラズマ処理であるプラズマ成膜による膜厚の面内均一性及び面間均一性が共に高く維持できるように最適化している。
この場合、処理容器１４内のプロセス圧力が１．０Ｔｏｒｒを越えて大きくなると活性種の失活が急激に多くなって好ましくなく、成膜速度を考慮すると上記処理容器１４内のプロセス圧力の下限値は０．２Ｔｏｒｒ程度であり、これよりもプロセス圧力が低下すると、生産効率であるスループットが大幅に低下してしまう。

これに対して、プラズマ室５８は、気体のコンダクタンスを小さくするためにガス流路７６として複数の拡散孔７６Ａが形成された仕切板７８により、処理容器１４内から仕切って区画しているので、このプラズマ室５８内は、上記処理容器１４内よりも高い圧力である例えば０．７〜４．０Ｔｏｒｒの範囲内に設定している。換言すれば、プラズマ室５８内にてプラズマにより活性化されて発生したＮＨ_３ ガスの活性種及びガスは、各拡散孔７６Ａから抵抗を受けつつ流れて処理容器１４内の各ウエハＷに到達することになる。

このように、プラズマ室５８内の圧力を比較的高く維持することができるので、このプラズマ室５８内でのプラズマ発生効率を向上させてプラズマ密度を高くすることができる。すなわち、プラズマ室５８内は、ここでのプラズマ発生効率が高くなるようにこの室内の圧力を比較的高く維持できると共に、処理容器１４内は、ここでのウエハＷに対する膜厚の面間及び面内均一性が共に良好になるようにプロセス圧力を低く維持することができる。換言すれば、プラズマ室５８内はプラズマの高効率発生に適した圧力に維持できると共に、ウエハ収容領域はスループットが高く、且つ良好な面間及び面内均一性を得るのに適した圧力に維持できることになる。

この場合、高周波電源７０からの供給電力にもよるが、プラズマ室５８内での圧力が４．０Ｔｏｒｒを越えて大きくなると、プラズマの着火が急激に低下して好ましくない。また、プラズマ室５８の圧力が０．７Ｔｏｒｒを越えて小さくなると、プラズマの発生効率が急激に低下して好ましくない。
また上記実施例では図４（Ａ）に示すように、仕切板７８に形成したガス流路７６を構成する断面円形の拡散孔７６Ａを、仕切板７８の長手方向に２列で配列するようにしたが、これに限定されず、例えば図４（Ｂ）に示すように１列で配列してもよいし、３列以上の複数列で配列してもよいし、或いは断面円形の拡散孔７６Ａに限定されず、例えば図４（Ｃ）に示すように細長い拡散孔７６Ｂを複数個、直線状に配列するように形成してもよいし、更には、この細長い拡散孔７６Ｂを連結して１本の細長い線状の拡散孔として形成してもよい。

＜プラズマ室とウエハ領域（処理容器内）との圧力関係＞
ここでプラズマ室５８と処理容器１４内であるウエハ領域との間の圧力関係について検討を行ったので、その検討結果について説明する。
図５はプラズマ用ガス分散ノズルに供給するガス流量（ＮＨ_３ ）と各領域の圧力との関係を示すグラフである。図５において、曲線Ａはウエハ領域（処理容器内）の圧力を示し、曲線Ｂはプラズマ室５８内の圧力を示す。ここでは上記拡散孔７６Ａの直径Ｄ１を０．７ｍｍに設定し、この拡散孔７６Ａを各ウエハ位置に対応させて２列に形成した場合について検討を行った。この時の仕切板７８に対する拡散孔７８Ａの開口率は０．４％である。ここで処理容器１４内の真空引きは最大１２０リットル／ｓｅｃの排気速度で行っている。

このグラフから明らかなように、プラズマ用ガス分散ノズル４４からガスを供給することにより、プラズマ室１４内の圧力をウエハ領域の圧力よりも高くすることができ、ガスの供給量を多くする程、両者間の圧力差を大きくできることが判る。尚、上記仕切板７８を設けないで開口部６４を開放状態とした従来装置の場合には、プラズマ室とウエハ領域の圧力は略同じとなり、曲線Ａのようになる。

＜プラズマ発生効果の評価＞
次にプラズマ発生効率について検討して評価したので、その評価結果について説明する。
図６は４５０℃におけるプラズマ室の圧力とプラズマ密度（Ｔｏｒｒ換算）との関係を示すグラフである。ここで縦軸のプラズマ密度についてはプラズマ圧力換算で測定した。図６中において、プラズマ発生用の高周波電源に関して、曲線Ｃ１は１５０ワットの場合を示し、曲線Ｃ２は２００ワットの場合を示し、曲線Ｃ３は２５０ワットの場合を示す。尚、上記仕切板７８を設けていない従来装置の場合はプラズマ室（ウエハ領域も同じ）の圧力は０．６Ｔｏｒｒである。

ここで曲線Ｃ１，Ｃ２の場合はプラズマ室の圧力が略０．９Ｔｏｒｒの時にプラズマ密度は共にピーク値を示し、ピーク値よりも圧力が低くなるとプラズマ密度は急激に小さくなり、またピーク値よりも圧力が高くなるとプラズマ密度は緩やかに小さくなっている。また曲線Ｃ３の場合はプラズマ室の圧力が略１．１Ｔｏｒｒの時にプラズマ密度はピーク値を示し、ピーク値よりも圧力が低くなるとプラズマ密度は先の曲線Ｃ１，Ｃ２よりも急激に低くなり、またピーク値よりも圧力が高くなるとプラズマ密度は先の曲線Ｃ１，Ｃ２よりも更に緩やかにに小さくなっている。

ここで各ピーク値の８０％のプラズマ密度を下限値とすると、電力１５０ワットの曲線Ｃ１の場合はプラズマ室の圧力は０．７〜２．０Ｔｏｒｒの範囲が良好であり、好ましくは０．８〜１．４Ｔｏｒｒの範囲がよい。電力２００ワットの曲線Ｃ２の場合はプラズマ室の圧力は０．７〜２．１Ｔｏｒｒの範囲が良好であり、好ましくは０．８〜１．５Ｔｏｒｒの範囲がよい。電力２５０ワットの曲線Ｃ３の場合はプラズマ室の圧力は０．７〜４．０Ｔｏｒｒ（４．０Ｔｏｒｒを越すとプラズマの着火が困難になる）の範囲が良好であり、好ましくは０．８〜２．５Ｔｏｒｒの範囲がよい。

このように、投入する高周波電力によって、プラズマ密度、すなわちプラズマの発生効率は１Ｔｏｒｒの近辺をピークとして変動することが判る。これによりプラズマ室５８内の圧力を０．７〜４．０Ｔｏｒｒの範囲内に設定することにより、プラズマ発生効率を高く維持できることが確認することができた。
また図６に示すグラフから明らかなように、従来装置で用いていた０．６Ｔｏｒｒの時のプラズマ密度と比較して、各曲線Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３のピーク値は各段にプラズマ密度が大きくなってプラズマ発生効率を向上できることが判明し、特に曲線Ｃ３の場合にはプラズマ密度は略２倍になって、良好な結果を示すことが判る。

＜仕切板７８の開口率の検討＞
また仕切板７８に形成した拡散孔の大きさ等を種々変更してプラズマ室とウエハ領域との間で圧力差を生ずるための開口率について検討を行ったので、その検討結果について説明する。尚、ここで開口率とは仕切板の面積に対する各拡散孔の面積の総和の比率をいうものとする。
プラズマ室内へガスを供給して検討した結果、開口率が１００％（仕切板は無し）〜７．３％程度までは圧力差がほとんど生じなかったが、開口率を７．３％以下にすると、次第に圧力差が生じてきた。

従って、ガス流路７６（拡散孔７６Ａ）の開口率は７．３％以下が望ましいことが判る。また開口率が過度に小さい場合には、ウエハ領域内に流れ込む活性種（ガスを含む）が少なくなるので、その下限は０．３％程度であった。
尚、上記実施例ではプラズマ成膜処理を行うに際して、プラズマ用ガスと原料ガスとを交互に供給して成膜する場合を例にとって説明したが、これに限定されず、プラズマ用ガスとして原料ガスを用いる場合もあり、或いは両ガスを同時に供給してプラズマＣＶＤにより成膜する場合もある。いずれにしても、プラズマ室５８と処理容器１４内の圧力がそれぞれの最適な圧力範囲に設定できれば、そのガスの供給形態は問わない。

また本発明は、プラズマ処理としては上述したプラズマ成膜処理に限定されず、プラズマエッチング処理、プラズマ酸化拡散処理、プラズマ改質処理等にも適用できるのは勿論である。
また被処理体としては、半導体ウエハに限定されず、ガラス基板、セラミック基板等にも本発明を適用することができる。

本発明の係るプラズマ処理装置の一例を示す縦断面構成図である。 プラズマ処理装置（加熱手段は省略）を示す横断面構成図である。 仕切板を示す平面図である。 仕切板の変形例を示す図である。 プラズマ用ガス分散ノズルに供給するガス流量（ＮＨ_３ ）と各領域の圧力との関係を示すグラフである。 ４５０℃におけるプラズマ室の圧力とプラズマ密度（Ｔｏｒｒ換算）との関係を示すグラフである。 従来の一般的な縦型の成膜装置を示す概略構成図である。 各ガスの供給シーケンスと排気弁の動作との関係を示すグラフである。

符号の説明

１２ プラズマ処理装置
１４ 処理容器
２２ ウエハボート（保持手段）
３８ プラズマ用ガス供給手段
４０ 原料ガス供給手段
４４ プラズマ用ガス分散ノズル
５８ プラズマ室
６０ プラズマ形成手段
６６ プラズマ区画壁
６８ プラズマ電極
７０ 高周波電源
７６ ガス流路
７６Ａ 拡散孔
７８ 仕切板
８６ 真空排気系
９４ 制御手段
９６ 記憶媒体
Ｗ 半導体ウエハ（被処理体）

Claims (7)

1. プラズマ用ガスをプラズマにより活性化して発生した活性種と原料ガスとにより被処理体に対して薄膜を形成するようにしたプラズマ処理を行うプラズマ処理装置において、
   真空引き可能になされた縦型の筒体状の処理容器と、
   前記被処理体を複数枚保持して前記処理容器内へ収容する保持手段と、
   前記処理容器の側壁にその長さ方向に沿って設けられてプラズマを発生するためのプラズマ室と、
   前記プラズマ室内に設けたプラズマ用ガス分散ノズルを有して、前記プラズマ室に前記プラズマ用ガスを供給するプラズマ用ガス供給手段と、
   前記プラズマ室にプラズマを立てるためのプラズマ形成手段と、
   前記処理容器内に設けた原料ガス分散ノズルを有して、前記処理容器内に前記原料ガスを供給する原料ガス供給手段と、
   前記処理容器内と前記プラズマ室との間を仕切って設けられると共に、前記プラズマ室内が前記処理容器内よりも圧力が高くなるように圧力差を生ぜしめつつ前記処理容器内へガスを通すために前記プラズマ室が前記処理容器に対向する面に対する開口率が０．３〜７．３％の範囲内となるように設定されたガス流路が形成された仕切板と、
   前記原料ガスと前記プラズマ用ガスとを互いにタイミングをずらして交互に間欠的に供給するように制御する制御手段と、
   を備えたことを特徴とするプラズマ処理装置。
2. 前記プラズマ室は、プラズマを効率的に発生させるための圧力に維持され、前記処理容器内は前記被処理体に対するプラズマ処理の均一性を高くするための圧力に維持されていることを特徴とする請求項１記載のプラズマ処理装置。
3. 前記プラズマ室の圧力は、０．７〜４．０Ｔｏｒｒの範囲内であり、前記処理容器内の圧力は１．０Ｔｏｒｒ以下であることを特徴とする請求項１又は２記載のプラズマ処理装置。
4. 前記ガス流路は、前記仕切板の長さ方向に沿って分散させて設けた複数の断面円形の拡散孔よりなることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載のプラズマ処理装置。
5. 前記ガス流路は、複数の細長い拡散孔よりなることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載のプラズマ処理装置。
6. 前記プラズマを立てるための電力は１５０〜２５０ワットの範囲内であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載のプラズマ処理装置。
7. 前記プラズマ用ガスはアンモニアガスであり、前記原料ガスはジクロロシランガスであり、前記薄膜はシリコン窒化膜であることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一項に記載のプラズマ処理装置。

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