JP5663658B2 - プラズマ評価方法、プラズマ処理方法及びプラズマ処理装置 - Google Patents

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Description

本発明は、プラズマ評価方法、プラズマ処理方法及びプラズマ処理装置に関する。
プラズマＣＶＤ法により窒化膜を形成する際に、プラズマ発光を検出し、波長３２４．０１ｎｍに検出されるＮＨラジカルの発光強度が最大となるように電極へ供給する電力の大きさを設定する方法が知られている（例えば特開平３−２４３７７２号公報参照）。
特開平３−２４３７７２号公報
一方、窒化膜を形成する方法として、原子層堆積法（Atomic Layer Deposition;ＡＬＤ法）がある。この方法では、下記（１）〜（４）のステップを繰り返して基板上に窒化膜を形成する。
（１）処理チャンバ内において成膜材料を基板上に吸着させる。
（２）余分に吸着した成膜材料をパージガスにより除去する。
（３）窒素原子を含むガスから生成されるプラズマを用いて成膜材料をプラズマ窒化処理する。
（４）処理チャンバ内に残存するガスをパージガスにより除去する。
原子層堆積法により窒化膜を形成する場合、プラズマＣＶＤ法による場合に比べて長い時間を要する。特に上記（２）及び（４）のパージ工程に長い時間を要するためである。
また、原子層堆積法により良好な膜質の窒化膜（膜の緻密性が高い窒化膜）を形成するためには、プラズマ条件の最適化が必要となる。そのためには、各プラズマ条件に対して窒化膜を形成し、得られた窒化膜の膜質を精密に評価する必要がある。より精密な膜質の評価を行うためには、被評価膜の窒化膜の膜厚を少なくとも１０ｎｍ以上とする必要がある。しかし、原子層堆積法（ALD）を用いて膜厚１０ｎｍ以上の窒化膜を形成するためには、プラズマＣＶＤ法と比べて非常に長い時間（例えば１〜２時間）を要するために非効率になる。また、各プラズマ条件において形成された窒化膜の膜質は、例えば０．５％フッ酸水溶液に対するウェットエッチングレートを測定することで膜の緻密さを評価する事が出来る事がしられている。しかし、このフッ酸水溶液に対するウェットエッチングレートを測定する作業は煩雑であり、かなりの作業時間を要する。そのため、窒化膜の形成だけでなく、この窒化膜の膜質評価にも長い時間を要するという評価効率上の課題がある。
本発明は、上記事情に鑑みて為されたものであり、良好な膜質の窒化膜を形成可能なプラズマ条件を短時間で決定することができるプラズマ評価方法、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を目的とする。
上述の課題を解決するため、本発明の一側面に係るプラズマ評価方法は、原子層堆積法により窒化膜を形成するためのプラズマを評価するプラズマ評価方法であって、窒素原子及び水素原子を含むガスから生成される前記プラズマからの発光を検出する工程と、検出された前記発光の強度の分光スペクトルにおいて水素原子に起因する第１のピークと前記第１のピークとは異なり水素原子に起因する第２のピークとの強度比を、予め前記強度比と前記窒化膜の膜質を表す指標との関係から算出された基準値と比較した結果を用いて、前記プラズマの評価を行う工程を含む。
本発明者らは、原子層堆積法では、プラズマ発光強度の分光スペクトルにおいて水素原子に起因する２つのピークの強度比が、当該プラズマによって形成される窒化膜の膜質と密接に関連していることを見出した。上記プラズマ評価方法では、良好な膜質の窒化膜を形成可能なプラズマが生成されているか否かを、水素原子に起因する２つのピークの強度比から評価することができる。このため、各プラズマ条件について実際に窒化膜を形成したり、当該窒化膜の評価を行ったりする必要がない。したがって、良好な膜質の窒化膜を形成可能なプラズマ条件を短時間（例えば１０分以内）で決定することができる。
前記第１のピークのピーク波長は６５６．２ｎｍであり、前記第２のピークのピーク波長は４８６．１ｎｍであってもよい。
上記プラズマ評価方法は、前記プラズマの評価を行う工程の後、前記強度比が前記基準値よりも小さい場合に、前記強度比が前記基準値以上となるように前記プラズマの条件を変更する工程を更に含んでもよい。これにより、プラズマ条件を、良好な膜質の窒化膜を形成可能なプラズマ条件に変更することができる。
前記プラズマの条件を変更する工程の後、前記プラズマからの発光を検出する工程に戻ってもよい。これにより、良好な膜質の窒化膜を形成可能なプラズマ条件を維持するように制御することができる。
前記プラズマは、マイクロ波によって生成されてもよい。マイクロ波をプラズマ源として用いると、容量結合や誘導結合などによって生成される他のプラズマ源を用いた場合に比べて、電子温度が低く、電子密度の高いプラズマを得ることができる。このため、窒化膜を形成する際に、ダメージを小さくしながらプラズマ窒化処理の処理速度を向上させることができる。さらに、マイクロ波をプラズマ源として用いると、他のプラズマ源を用いた場合に比べて、プラズマ窒化処理の処理圧力範囲を広く取ることができる。
前記プラズマは、ラジアルラインスロットアンテナによって生成されてもよい。ラジアルラインスロットアンテナを用いると、マイクロ波を処理チャンバ内に均一に導入できるので、その結果、均一なプラズマを生成することができる。
本発明の一側面に係るプラズマ処理方法は、上記プラズマ評価方法によって評価された前記プラズマを用いて、基板上に吸着された層に対してプラズマ処理を施す工程を含む。これにより、基板上に良好な膜質の窒化膜が形成される。
本発明の一側面に係るプラズマ処理装置は、原子層堆積法により窒化膜を形成するためのプラズマ処理装置であって、処理チャンバと、前記処理チャンバ内に、窒素原子及び水素原子を含むガスを供給するガス供給源と、前記処理チャンバ内に、前記ガスから生成されるプラズマを発生させるプラズマ発生器と、前記プラズマからの発光を検出する光検出器と、検出された前記発光の強度の分光スペクトルにおいて水素原子に起因する第１のピークと前記第１のピークとは異なり水素原子に起因する第２のピークとの強度比を、予め前記強度比と前記窒化膜の膜質を表す指標との関係から算出された基準値と比較した結果を用いて、前記プラズマの評価を行う制御部とを備える。
上記プラズマ処理装置では、上記プラズマ評価方法を行うことができる。したがって、良好な膜質の窒化膜を形成可能なプラズマ条件を短時間で決定することができる。
本発明によれば、良好な膜質の窒化膜を形成可能なプラズマ条件を短時間で決定することができるプラズマ評価方法、プラズマ処理方法及びプラズマ処理装置が提供される。
一実施形態に係るプラズマ処理装置を模式的に示す断面図である。 一実施形態に係るプラズマ処理装置を模式的に示す断面図である。 一実施形態に係るプラズマ処理装置のスロット板をＺ方向から見た図である。 一実施形態に係るプラズマ評価方法の各工程を示すフローチャートである。 プラズマ発光強度の分光スペクトルの一例を示すグラフである。 図５に示される分光スペクトルの一部を示すグラフである。 図５に示される分光スペクトルの一部を示すグラフである。 図５に示される分光スペクトルの一部を示すグラフである。 水素原子に起因する２つのピークの強度比と０．５％フッ酸水溶液に対するシリコン窒化膜のウェットエッチングレートとの関係の一例を示すグラフである。 水素原子に起因する１つのピークの強度と０．５％フッ酸水溶液に対するシリコン窒化膜のウェットエッチングレートとの関係の一例を示すグラフである。 一実施形態に係るプラズマ処理装置を模式的に示す断面図である。 一実施形態に係るプラズマ処理方法を模式的に示すタイミングチャートである。 シリコン窒化膜を形成する際のガス流量の一例を示す図表である。
以下、添付図面を参照しながら本発明の実施形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において、同一又は同等の要素には同一符号を用い、重複する説明を省略する。
図１及び図２は、一実施形態に係るプラズマ処理装置を模式的に示す断面図である。図２では、図１におけるヘッド部４４が収納されている。図１及び図２にはＸＹＺ直交座標系が示されている。図１及び図２に示されるプラズマ処理装置１０は、原子層堆積装置（ＡＬＤ装置）である。プラズマ処理装置１０は、処理チャンバ１２と、処理チャンバ１２内にガスＧを供給するガス供給源３６と、処理チャンバ１２内にガスＧから生成されるプラズマＰを発生させるプラズマ発生器１６とを備える。ガスＧは、窒素原子及び水素原子を含む。ガスＧは、例えばアンモニアガスを含む。ガスＧは、Ａｒガス、窒素ガス等の不活性ガスを含んでもよい。
プラズマ処理装置１０は、処理チャンバ１２内において基板Ｗを保持する基板ホルダ１４を備えてもよい。基板Ｗは、例えばシリコン基板等の半導体基板であり、ＸＹ平面に略平行な表面を有している。プラズマＰは、例えばシリコン窒化膜等の窒化膜を基板Ｗ上に形成する。
プラズマ発生器１６は、プラズマ励起用のマイクロ波を発生させるマイクロ波発生器１８と、マイクロ波を処理チャンバ１２内に導入するためのラジアルラインスロットアンテナ（Radial Line
Slot Antenna;ＲＬＳＡ：登録商標）２６とを備える。マイクロ波発生器１８は、導波管２０を介して、マイクロ波のモードを変換するモード変換器２２に接続されている。モード変換器２２は、内側導波管２４ａ及び外側導波管２４ｂを有する同軸導波管２４を介してラジアルラインスロットアンテナ２６に接続されている。これにより、マイクロ波発生器１８によって発生したマイクロ波は、モード変換器２２においてモード変換され、ラジアルラインスロットアンテナ２６に到達する。マイクロ波発生器１８が発生するマイクロ波の周波数は、例えば２．４５ＧＨｚである。
ラジアルラインスロットアンテナ２６は、処理チャンバ１２に形成された開口１２ａを塞ぐ誘電体窓３４と、誘電体窓３４の外側に設けられたスロット板３２と、スロット板３２の外側に設けられた冷却ジャケット３０と、スロット板３２と冷却ジャケット３０との間に配置された誘電体板２８とを備える。誘電体窓３４は、基板Ｗに対向配置されている。誘電体窓３４は、例えばアルミニウム酸化物（Ａｌ２Ｏ３）等のセラミック材料からなる。スロット板３２の中央には、内側導波管２４ａが接続されており、冷却ジャケット３０には、外側導波管２４ｂが接続されている。冷却ジャケット３０は導波管としても機能する。これにより、マイクロ波は、内側導波管２４ａと外側導波管２４ｂとの間を伝播し、スロット板３２と冷却ジャケット３０との間の誘電体板２８を伝播して、スロット３２ｃから誘電体窓３４を透過して処理チャンバ１２内に到達する。
図３は、プラズマ処理装置１０のスロット板３２をＺ方向から見た図である。図３にはＸＹＺ直交座標系が示されている。スロット板３２は、例えば円盤状である。スロット板３２には、第１の方向に延びるスロット３２ａと、第１の方向に交差する第２の方向に延びるスロット３２ｂとからなる一対のスロット３２ｃが同心円状に複数形成されている。
例えば、１つのスロット３２ｃに着目すると、第１の方向は第２の方向と直交する。一対のスロット３２ｃは、スロット板３２の中心から径方向に所定の間隔で配置されると共に、スロット板３２の周方向に所定の間隔で配置されている。誘電体窓３４を透過したマイクロ波は、一対のスロット３２ｃを通過して処理チャンバ１２内に導入される。マイクロ波の波長は、誘電体板２８（遅波板）中を透過する際に短くなる。このため、スロット３２ｃより効率的にマイクロ波を処理チャンバ１２内に導入することができる。
再び図１及び図２を参照する。処理チャンバ１２の側壁には、プラズマ処理用のガス供給口１２ｂが形成されている。ガス供給口１２ｂは、誘電体窓３４に形成されてもよいし、処理チャンバ１２内に延びるガス供給手段に形成されてもよい。ガス供給口１２ｂには、ガス供給源３６が接続されている。処理チャンバ１２内に供給されたガスＧにマイクロ波が照射されることによって、処理チャンバ１２内の誘電体窓３４側にプラズマＰが生成される。生成されたプラズマＰは、基板Ｗに向けて拡散する。処理チャンバ１２の底部には、処理チャンバ１２内のガスを排気するための排気口１２ｃが形成されている。排気口１２ｃには、APC（Auto Pressure
Control）バルブ３８を介して真空ポンプ４０が接続されている。基板ホルダ１４には、基板ホルダ１４の温度を調節するための温度調節器４２が接続されている。基板ホルダ１４の温度は、例えば２００〜５００℃が好ましく、より好ましくは３００〜４００℃に調節される。
プラズマ処理装置１０は、原子層堆積用の原料ガス（プリカーサ）及びパージガスを基板Ｗ上に供給するためのガス供給口４４ａが形成されたヘッド部４４を備える。ヘッド部４４は、ヘッド部４４を支持する支持部４６によって駆動装置４８に接続されている。駆動装置４８は、処理チャンバ１２の外側に配置されている。駆動装置４８により、ヘッド部４４及び支持部４６は、Ｘ方向に移動可能である。処理チャンバ１２には、ヘッド部４４を収納するための収納部１２ｄが設けられている。図２に示されるように、ヘッド部４４が収納部１２ｄに収納される場合には、シャッター５０がＺ方向に移動することによって収納部１２ｄは隔離される。なお、図１及び図２に示されるプラズマ処理装置１０は、ヘッド部４４が収納部１２ｄに収納されているか否かを除いて同一である。
中空の支持部４６には、原子層堆積用の原料ガス供給源５２と、パージガス供給源５４とが接続され、連通している。原料ガス及びパージガスは、それぞれ原料ガス供給源５２及びパージガス供給源５４から支持部４６を経由し、ヘッド部４４から基板Ｗ上に供給される。
プラズマ処理装置１０は、プラズマＰからの発光を検出する光検出器７０を備える。光検出器７０は、処理チャンバ１２の側壁に設けられた窓６０に対向配置された集光レンズ６２を備える。プラズマＰからの発光は、窓６０を通過して集光レンズ６２に入射する。集光レンズ６２には、光ファイバ６４を介して分光器６６が接続されている。分光器６６において分光された光は、光電子増倍管６８に導入される。光検出器７０は、例えば発光分光分析装置（ＯＥＳ）である。光検出器７０は、プラズマＰからの発光を検出可能位置ならどの位置に配置されても良い。
プラズマ処理装置１０は、装置全体を制御する制御部５６を備える。制御部５６は、マイクロ波発生器１８、真空ポンプ４０、温度調節器４２、駆動装置４８、プラズマ処理用のガス供給源３６、原子層堆積用の原料ガス供給源５２、パージガス供給源５４、光検出器７０にそれぞれ接続されている。これにより、制御部５６は、マイクロ波出力、処理チャンバ１２内の圧力、基板ホルダ１４の温度、ヘッド部４４のＸ方向の移動、プラズマ処理用のガス、原子層堆積用の原料ガス及びパージガスのガス流量及びガスを流す時間をそれぞれ制御することができる。制御部５６は、例えばコンピュータであり、ＣＰＵ等の演算装置５６ａと、メモリやハードディスク等の記憶装置５６ｂとを備える。記憶装置５６ｂは、コンピュータ読み取り可能な記録媒体であってもよい。記録媒体は、例えばCD、NAND、BD、HDD、USB等である。記憶装置５６ｂには、光検出器７０からのデータが記録される。制御部５６には、制御対象となる種々のデータを表示する表示装置５８が接続されてもよい。
制御部５６は、後述のように、検出されたプラズマ発光強度の分光スペクトルにおいて水素原子に起因する第１のピークと第１のピークとは異なり水素原子に起因する第２のピークとの強度比を、予め強度比と窒化膜の膜質を表す指標との関係から算出された基準値と比較した結果を用いて、プラズマＰの評価を行う。記憶装置５６ｂには、コンピュータに下記プラズマ評価手順を実行させるプログラムが記録されている。
図４は、一実施形態に係るプラズマ評価方法の各工程を示すフローチャートである。本実施形態に係るプラズマ評価方法では、原子層堆積法により窒化膜を形成するためのプラズマＰを評価する。本実施形態に係るプラズマ評価方法は、上述のプラズマ処理装置１０を用いて実施可能であり、例えば図２において基板Ｗがない状態で以下のように実施される。
（プラズマからの発光を検出する工程）
まず、図２に示される光検出器７０によって、ガスＧから生成されるプラズマＰからの発光を検出する（工程Ｓ１）。光検出器７０によって得られたプラズマ発光強度の分光スペクトルデータは、記憶装置５６ｂに記録される。
（プラズマの評価を行う工程）
工程Ｓ１の後、制御部５６によって、検出されたプラズマ発光強度の分光スペクトルにおいて水素原子に起因する第１のピークと第１のピークとは異なり水素原子に起因する第２のピークとの強度比を算出する。一方、当該強度比と窒化膜の膜質を表す指標（例えば０．５％フッ酸水溶液に対する窒化膜のウェットエッチングレート）との関係から、予め窒化膜の膜質が良好であるか否かの閾値に対応する基準値を算出しておく。その後、制御部５６によって、強度比を基準値と比較した結果を用いてプラズマＰの評価を行う（工程Ｓ２）。工程Ｓ２では、例えば強度比が基準値以上か否かを判断する。
ここで、第１のピークのピーク波長は例えば６５６．２ｎｍであり、第２のピークのピーク波長は例えば４８６．１ｎｍである。第１のピークのピーク強度をＩ６５６、第２のピークのピーク強度をＩ４８６とした場合、強度比は、例えばＩ６５６／Ｉ４８６で表される。強度比Ｉ６５６／Ｉ４８６が基準値（例えば４．５）以上である場合、プラズマＰのプラズマ条件が、良好な膜質の窒化膜を形成可能なプラズマ条件であることを示している。強度比Ｉ６５６／Ｉ４８６が基準値よりも小さい場合、プラズマＰのプラズマ条件が、良好な膜質の窒化膜を形成可能なプラズマ条件ではないことを示している。良好な膜質の窒化膜を形成可能なプラズマ条件ではない場合、表示装置５８にアラーム等を表示させてもよい。このようにして、プラズマＰを評価することができる。このようなプラズマ評価は、光検出器をプラズマ処理装置に組み込んで用いて窒化膜を成膜する場合に有効である。
（プラズマの条件を変更する工程）
工程Ｓ２の後、強度比Ｉ６５６／Ｉ４８６が基準値よりも小さい場合、強度比Ｉ６５６／Ｉ４８６が基準値以上となるようにプラズマＰの条件を変更してもよい（工程Ｓ３）。これにより、プラズマ条件を、良好な膜質の窒化膜を形成可能なプラズマ条件に変更することができる。変更可能なプラズマＰの条件としては、マイクロ波発生器１８に供給されるマイクロ波出力、処理チャンバ１２内の圧力、基板ホルダ１４の温度、ガスＧのガス種、ガス流量、流量比及びガスを流す時間、ガスＧを供給する場所等が挙げられる。これらの中でプラズマＰの状態に及ぼす影響が大きいのは、マイクロ波発生器１８に供給されるマイクロ波出力、処理チャンバ１２内の圧力である。
工程Ｓ３の後、上記工程Ｓ１に戻ってもよい。これにより、良好な膜質の窒化膜を形成可能なプラズマ条件を維持するようにフィードバック制御することができる。
本実施形態のプラズマ評価方法では、良好な膜質の窒化膜を形成可能なプラズマＰが生成されているか否かを、水素原子に起因する２つのピークの強度比から評価することができる。このため、各プラズマ条件について窒化膜を形成したり、当該窒化膜の評価を行ったりする必要がない。したがって、緻密な良好な膜質の窒化膜を形成可能なプラズマ条件を短時間（例えば１０分以内）で決定することができる。その結果、窒化膜形成プロセスのスループットが向上する。
また、本実施形態のプラズマ評価方法では、プラズマＰの状態の経時変化をモニタリングすることができる。これにより、プラズマ処理装置１０の構成部品を交換するタイミングが分かる。このプラズマ評価方法は、プラズマ処理装置１０の構成部品のうち特に劣化し易い誘電体窓３４の交換タイミングを判定するのに有効である。
さらに、図２において基板Ｗがある状態で本実施形態に係るプラズマ評価方法を実施してもよい。その場合、原子層堆積法により基板Ｗ上に窒化膜を形成しながらプラズマＰの状態をリアルタイムにモニタリングすることができる。よって、良好な膜質の窒化膜を安定的に形成することができる。また、マイクロ波によって生成されるプラズマＰを用いると、プラズマＰの電子温度が１．５eV以下と低いので、窒化膜を形成する際に、ダメージを小さくしながらプラズマ窒化処理の処理速度を向上させることができる。さらに、ラジアルラインスロットアンテナ２６を用いると、マイクロ波を処理チャンバ１２内に均一に導入できるので、その結果、広範囲で均一なプラズマＰを生成することができる。
以下、水素原子に起因する２つのピークの強度比と窒化膜の膜質との関係について、例を挙げて説明する。
図５は、プラズマ発光強度の分光スペクトルの一例を示すグラフである。縦軸は発光強度を示す。横軸は波長（ｎｍ）を示す。図５には、プラズマＰを生成するためのガスＧとして下記ガス１〜６をそれぞれ用いた場合について、２００〜８００ｎｍにおける分光スペクトルが示されている。
ガス１：ＮＨ３、Ａｒ及びＮ２の混合ガス
ガス２：ＮＨ３及びＡｒの混合ガス
ガス３：ＮＨ３及びＮ２の混合ガス
ガス４：ＮＨ３
ガス５：Ｎ２及びＡｒの混合ガス
ガス６：Ｎ２
なお、プラズマ処理中の処理チャンバ１２内の圧力を５Ｔｏｒｒ（６６６．５Ｐａ）として基板Ｗ上に吸着したシリコン含有化合物をプラズマ窒化処理した。ＮＨ３が含まれているガス１〜４ではシリコン窒化膜が形成され（シリコン含有化合物がプラズマ窒化処理されやすく）、ＮＨ３が含まれていないガス５及び６では、シリコン窒化膜が形成されづらい（シリコン含有化合物がプラズマ窒化処理されづらい）。
図６〜８は、図５に示される分光スペクトルの一部を拡大して示すグラフである。図６のグラフには、４６０〜５１０ｎｍにおける分光スペクトルが示されている。図７のグラフには、６００〜８００ｎｍにおける分光スペクトルが示されている。図８のグラフには、３２０〜３４５ｎｍにおける分光スペクトルが示されている。
図６に示されるように、ガス１〜４において、ピーク波長４８６．１ｎｍの水素原子に起因するピークが検出されている。また、図７に示されるように、ガス１〜４において、ピーク波長６５６．２ｎｍの水素原子に起因するピークが検出されている。これらのピークは、ＮＨ３が解離して生成した水素原子に起因する。図８に示されるように、ピーク波長３３７．１ｎｍのＮ２に起因するピークは検出されているが、ピーク波長３３６．０ｎｍのＮＨに起因するピークは検出されていない。ＮＨに起因するピークが検出されていないので、ＮＨ３はＨとＮＨ２ラジカルに解離していると推測される。
つまり、NH3を効率良く解離させて水素原子を生成させるためには、NH3にN2やArを混合することが有効である。この場合、プラズマ中でN2およびArが励起する際に高速電子が生成されるので、この電子がNH3を解離し易くし、効率良く水素原子が生成されると考えられる。
図９は、水素原子に起因する２つのピークの強度比と０．５％フッ酸水溶液に対するシリコン窒化膜のウェットエッチングレートとの関係の一例を示すグラフである。縦軸は、強度比（［水素原子に起因するピーク波長６５６．２ｎｍのピーク強度］／［水素原子に起因するピーク波長４８６．１ｎｍのピーク強度］）を示す。横軸は、プラズマＰを生成するためのガスＧの種類を示す。図９中には、形成されたシリコン窒化膜を０．５％フッ酸水溶液でウェットエッチングしたときのウェットエッチングレートが示されている。この値は、ＷＶＧ（Ｗｅｔ Ｖａｐｏｒ Ｇｅｎｅｒａｔｏｒ）を用いて９５０℃でシリコンを熱酸化して得られる熱酸化膜のウェットエッチングレートを１とした場合の相対値である。高品質の緻密なシリコン窒化膜の場合、ウェットエッチングレートの値は１以下となる。図９に示されるように、ガス１では、シリコン窒化膜のウェットエッチングレートが０．５３であり、強度比が４．６５である。ガス２では、シリコン窒化膜のウェットエッチングレートが０．４８であり、強度比が５．０２である。ガス３では、シリコン窒化膜のウェットエッチングレートが０．４９であり、強度比が４．７０である。ガス４では、シリコン窒化膜のウェットエッチングレートが１．１であり、強度比が４．３３である。図９のグラフから、強度比が大きくなるに連れて、シリコン窒化膜のウェットエッチングレートが小さくなる（シリコン窒化膜の膜質が向上して緻密になる）ことが分かる。すなわち、強度比が大きくなると、シリコン窒化膜のウェットエッチングレートは単調減少する。この強度比が大きければ大きい程、ＮＨ２ラジカルがより多く生成していると考えられる。このＮＨ２ラジカルによって窒化プロセスが進むことにより、シリコン窒化膜の膜質が向上すると考えられる。
この場合、プラズマガス（Ar+N2）に対するNH3ガスの流量比は、ガス１では０．１５、ガス２では０．５、ガス３では０．５、ガス４では１である。好ましい流量比は１未満であり、より好ましくは、０．８以下であり、０．５以下０．０５以上が良い。
なお、ＦＴ−ＩＲ分析結果から、原子層堆積法により形成されるシリコン窒化膜は、減圧化学気層成長（ＬＰＣＶＤ）法により形成されるシリコン窒化膜に比べてＳｉ−ＮＨ基の結合を多く含むことが分かっている。また、ＳＩＭＳ分析結果から、原子層堆積法により形成されるシリコン窒化膜中の水素原子含有量は、ＬＰＣＶＤ法により形成されるシリコン窒化膜中の水素原子含有量に比べて多いことが分かっている。一方、ＬＰＣＶＤ法により形成されるシリコン窒化膜のウェットエッチングレートは、原子層堆積法により形成されるシリコン窒化膜のウェットエッチングレートよりも小さい。よって、シリコン窒化膜中の水素原子含有量が多くなると、シリコン窒化膜のウェットエッチングレートが大きくなる（シリコン窒化膜の膜質が低下する）ことが分かる。
図１０は、水素原子に起因する１つのピークの強度と０．５％フッ酸水溶液に対するシリコン窒化膜のウェットエッチングレートとの関係の一例を示すグラフである。縦軸は、水素原子に起因するピーク波長６５６．２ｎｍのピーク強度を示す。横軸は、プラズマ生成用のガスＧの種類を示す。図１０では、シリコン窒化膜のウェットエッチングレートが１．１となるガス４とシリコン窒化膜のウェットエッチングレートが０．４９となるガス３との間でピーク強度が殆ど変わらないことが分かる。また、シリコン窒化膜のウェットエッチングレートが０．５３となるガス１のピーク強度は、シリコン窒化膜のウェットエッチングレートが０．４９となるガス３のピーク強度よりも大きくなっている。すなわち、ピーク強度とシリコン窒化膜のウェットエッチングレートとの間には、図９のような強度比とシリコン窒化膜のウェットエッチングレートとの間の相関関係がない。よって、水素原子に起因するピーク波長６５６．２ｎｍのピーク強度のみからシリコン窒化膜の膜質を予測することは困難と考えられる。
水素原子に起因するピーク波長４８６．１ｎｍのピーク強度についても、図１０と同様の傾向が見られた。よって、水素原子に起因するピーク波長４８６．１ｎｍのピーク強度のみからシリコン窒化膜の膜質を予測することは困難と考えられる。また、図８に示されるＮ２に起因するピーク波長３３７．１ｎｍのピーク強度とシリコン窒化膜のウェットエッチングレートとの間にも、図９のような強度比とシリコン窒化膜のウェットエッチングレートとの間の相関関係がない。よって、Ｎ２に起因するピーク波長３３７．１ｎｍのピーク強度のみからシリコン窒化膜の膜質を予測することは困難と考えられる。
図１１は、一実施形態に係るプラズマ処理装置を模式的に示す断面図である。図１１に示されるプラズマ処理装置１０Ａは、以下の点を除いてプラズマ処理装置１０と同様の構成を備える。
プラズマ処理装置１０Ａは、ヘッド部４４に代えてドーナツ状のヘッド部４４ｂを備える。ヘッド部４４ｂは、支持部４６ａによって支持される。ヘッド部４４ｂをＸＹ平面において回転させるようにしても良い。
ヘッド部４４ｂは、原子層堆積用の原料ガス（プリカーサ）及びパージガスを基板Ｗ上に供給するためのガス供給口が基板Ｗ中央に向けて形成されたリング部４４ｒを有する。リング部４４ｒは例えば石英からなる。原料ガスは、例えばシリコン含有化合物を含む。パージガスは、例えばＡｒガス、窒素ガス等の不活性ガスを含む。リング部４４ｒは、基板Ｗの外周に沿って配置される。リング部４４ｒには、原子層堆積用の原料ガス供給源５２と、パージガス供給源５４とが接続され、連通している。原料ガス及びパージガスは、それぞれ原料ガス供給源５２及びパージガス供給源５４からヘッド部４４ｂに供給され、リング部４４ｒから内側に向けて基板Ｗ上に供給される。
プラズマ処理装置１０Ａでは、誘電体窓３４の下面に凹部３４ａが形成されている。マイクロ波の定在波が抑制されることにより、効率良くマイクロ波が誘電体窓３４を透過してチャンバ１２内に導入される。その結果、均一なプラズマＰが生成される。誘電体窓３４には、プラズマ処理用のガス供給口１２ｄが形成されている。ガス供給口１２ｄは、誘電体窓３４及びスロット板３２の中央を貫通して内側導波管２４ａと連通する。ガス供給源３６から供給されるガスＧは、内側導波管２４ａ内を経由して、ガス供給口１２ｄから処理チャンバ１２内に供給されてもよい。ガス供給口１２ｄからは、NH3ガス、N2ガス、Arガス等の窒化ガス、プラズマ生成用ガス、パージ用ガスが供給される。
プラズマ処理装置１０Ａでは、複数のプラズマ処理用のガス供給口１２ｂが、処理チャンバ１２の側壁の環状領域に沿って形成される。ガス供給口１２ｂは、処理チャンバ１２の側壁の内部に形成されるリング状の空隙に連通されるように、処理チャンバ１２の外側から中心に均等に放射状に形成される。ガス供給口１２ｂからは、N2ガス、Arガス等の、プラズマ生成用ガス、パージ用ガスが供給される。NH3ガス等の窒化ガスが供給されても良い。
プラズマ処理装置１０Ａは、プラズマ処理用のガス供給口が環状のリング部材に形成されたエッジリング１２ｅを備える。エッジリング１２ｅでは、ガス供給口１２ｂが、基板Ｗに向かって、チャンバ１２内中央に向かって均等に形成される。エッジリング１２ｅは例えば石英からなる。ガス供給源３６から供給されるガスＧは、エッジリング１２ｅから処理チャンバ１２内に供給されてもよい。ガス供給口１２ｅからは、NH3ガス、N2ガス、Arガス等の窒化ガス、プラズマ生成用ガス、パージ用ガスが供給される。
ガス供給口１２ｂ，１２ｄ及びエッジリング１２ｅから供給されるガスＧのガス種、ガス流量、流量比及びガスを流す時間等はそれぞれ独立に制御され得る。
図１２は、一実施形態に係るプラズマ処理方法を模式的に示すタイミングチャートである。本実施形態に係るプラズマ処理方法は、上記プラズマ評価方法によって評価されたプラズマＰを用いて、基板Ｗ上に吸着された層に対してプラズマ処理を施す工程を含む。これにより、基板Ｗ上に良好な膜質の窒化膜が形成される。
上記プラズマ処理方法は、例えばプラズマ処理装置１０Ａを用いて、下記のステップ１〜４を繰り返して行われる。これにより、例えば１〜１５ｎｍの厚さを有する窒化膜が形成される。
（ステップ１）処理チャンバ１２内において、例えばジクロロシラン等の原料ガスを基板Ｗ上に吸着させてシリコン含有化合物を生成する（時刻ｔ１〜ｔ２）。一例において、原料ガスは、Ａｒ（ガス供給口１２ｂからの流量：９００ｓｃｃｍ）、Ｎ２（ガス供給口１２ｂからの流量：９００ｓｃｃｍ）及びジクロロシラン（リング部４４ｒからの流量：２８０ｓｃｃｍ）を含む。
（ステップ２）必要に応じて処理チャンバ１２内を真空引き（時刻ｔ２〜ｔ３）した後、余分に吸着した原料ガスをパージガスにより除去する（時刻ｔ３〜ｔ４）。一例において、パージガスは、Ａｒ（ガス供給口１２ｂからの流量：９００ｓｃｃｍ、ガス供給口１２ｄ及びエッジリング１２ｅからの流量：５００ｓｃｃｍ、リング部４４ｒからの流量：５００ｓｃｃｍ）、Ｎ２（ガス供給口１２ｂからの流量：９００ｓｃｃｍ）及びアンモニア（ガス供給口１２ｄ及びエッジリング１２ｅからの流量：４００ｓｃｃｍ）を含む。
（ステップ３）例えばアンモニア等のガスＧから生成されるプラズマＰを用いて、基板Ｗ上に吸着された原料ガス（シリコン含有化合物）からなる層をプラズマ窒化処理する（時刻ｔ４〜ｔ５）。プラズマＰは、マイクロ波のパワー（例えば４０００Ｗ）をＯＮにすることにより生成される。
（ステップ４）必要に応じて処理チャンバ１２内を真空引き（時刻ｔ５〜ｔ６）した後、処理チャンバ１２内に残存するガスをパージガスにより除去する（時刻ｔ６〜ｔ７）。ステップ４のパージガスはステップ２のパージガスと同じであってもよい。
以上のようなステップ１〜４を１サイクルとして、所望の膜厚（例えば１〜１５ｎｍ）のシリコン窒化膜が形成される。
上記ステップ１〜４を行う前に、窒素原子及び水素原子を含むガスＧから生成されるプラズマＰを用いて基板Ｗを予めプラズマ窒化処理してもよい。
図９及び図１０の実験例におけるシリコン窒化膜は、図１１のプラズマ処理装置１０Ａによって形成される。図１３は、シリコン窒化膜を形成する際のガス流量の一例を示す図表である。図１３には、実験例１〜６について、後述するステップ３においてガス供給口１２ｂ，１２ｄ及びエッジリング１２ｅから供給されるガスＧに含まれる各ガスの流量が示されている。一例では、プラズマ処理中の処理チャンバ１２内の圧力が５Ｔｏｒｒ、温度が４００℃である。実験例１〜６において、リング部４４ｒからのＡｒ流量は例えば１００ｓｃｃｍである。実験例１〜４は、図９及び図１０の実験例におけるシリコン窒化膜を形成する際のガス流量に対応する。
以上、本発明の好適な実施形態について詳細に説明したが、本発明は上記実施形態に限定されない。
１０…プラズマ処理装置、１２…処理チャンバ、１６…プラズマ発生器、２６…ラジアルラインスロットアンテナ、３６…ガス供給源、５６…制御部、７０…光検出器、Ｇ…窒素原子及び水素原子を含むガス、Ｐ…プラズマ。

Claims (7)

  1. 原子層堆積法により窒化膜を形成するためのプラズマを評価するプラズマ評価方法であって、
    窒素原子及び水素原子を含むガスから生成される前記プラズマからの発光を検出する工程と、
    検出された前記発光の強度の分光スペクトルにおいて水素原子に起因する第１のピークと前記第１のピークとは異なり水素原子に起因する第２のピークとの強度比を、予め前記強度比と前記窒化膜の膜質を表す指標との関係から算出された基準値と比較した結果を用いて、前記プラズマの評価を行う工程と、
    を含み、
    前記第１のピークのピーク波長が６５６．２ｎｍであり、前記第２のピークのピーク波長が４８６．１ｎｍである、プラズマ評価方法。
  2. 前記プラズマの評価を行う工程の後、前記強度比が前記基準値よりも小さい場合に、前記強度比が前記基準値以上となるように前記プラズマの条件を変更する工程を更に含む、請求項１に記載のプラズマ評価方法。
  3. 前記プラズマの条件を変更する工程の後、前記プラズマからの発光を検出する工程に戻る、請求項２に記載のプラズマ評価方法。
  4. 前記プラズマが、マイクロ波によって生成される、請求項１〜３のいずれか一項に記載のプラズマ評価方法。
  5. 前記プラズマが、ラジアルラインスロットアンテナによって生成される、請求項４に記載のプラズマ評価方法。
  6. 請求項１〜５のいずれか一項に記載のプラズマ評価方法によって評価された前記プラズマを用いて、基板上に吸着された層に対してプラズマ処理を施す工程を含む、プラズマ処理方法。
  7. 原子層堆積法により窒化膜を形成するためのプラズマ処理装置であって、
    処理チャンバと、
    前記処理チャンバ内に、窒素原子及び水素原子を含むガスを供給するガス供給源と、
    前記処理チャンバ内に、前記ガスから生成されるプラズマを発生させるプラズマ発生器と、
    前記プラズマからの発光を検出する光検出器と、
    検出された前記発光の強度の分光スペクトルにおいて水素原子に起因する第１のピークと前記第１のピークとは異なり水素原子に起因する第２のピークとの強度比を、予め前記強度比と前記窒化膜の膜質を表す指標との関係から算出された基準値と比較した結果を用いて、前記プラズマの評価を行う制御部と、
    を備え、
    前記第１のピークのピーク波長が６５６．２ｎｍであり、前記第２のピークのピーク波長が４８６．１ｎｍである、プラズマ処理装置。
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