JP6362488B2 - プラズマ処理装置及びプラズマ処理方法 - Google Patents

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Description

本発明は、プラズマ処理装置及びプラズマ処理方法に関する。
従来から、半導体デバイスの回路パターンの更なる微細化に伴い、半導体デバイスを構成する種々の膜についても、更なる薄膜化及び均一化が要求されている。このような要求に応える成膜方法として、第1の反応ガスを基板に供給して基板の表面に第1の反応ガスを吸着させ、次に第2の反応ガスを基板に供給して基板の表面に吸着した第1の反応ガスと第2の反応ガスを反応させることにより、反応生成物から構成される膜を基板上に堆積する、いわゆる分子層成膜方法(原子層成膜方法とも言う)が知られている(例えば、特許文献1参照)。かかる成膜方法によれば、反応ガスが(準)自己飽和的に基板表面上に吸着し得るため、高い膜厚制御性、優れた均一性、及び優れた埋め込み特性を実現することができる。
しかしながら、回路パターンの微細化に伴って、例えばトレンチ素子分離構造におけるトレンチは、ライン・スペース・パターンにおけるスペースのアスペクト比が大きくなるにつれて、分子層成膜法においても、トレンチやスペースを埋め込むことが困難な場合がある。例えば、30nm程度の幅を有するスペースを酸化シリコン膜で埋め込もうとすると、狭いスペースの底部に反応ガスが進入し難いため、スペースを画成するライン側壁の上端部近傍での膜厚が厚くなり、底部側で膜厚が薄くなる傾向がある。そのため、スペースに埋め込まれた酸化シリコン膜にはボイドが生じる場合がある。そのような酸化シリコン膜が、例えば後続のエッチング工程においてエッチングされると、酸化シリコン膜の上面に、ボイドと連通する開口が形成されることがある。そうすると、そのような開口からボイドにエッチングガス(又はエッチング液)が進入して汚染が生じたり、又は、後のメタライゼーションの際にボイド中に金属が入り込み、欠陥が生じたりするおそれがある。
このような問題は、ALDに限らず、化学的気相堆積(CVD、Chemical Vapor Deposition)法においても生じ得る。例えば、半導体基板に形成される接続孔を導電性物質の膜で埋め込んで、導電性の接続孔(いわゆるプラグ)を形成する際に、プラグ中にボイドが形成されてしまう場合がある。これを抑制するため、接続孔を導電性物質で埋め込む際に、接続孔の上部に形成される導電性物質のオーバーハング形状部をエッチバックにより除去する工程を繰り返して行うことにより、ボイドが抑制された導電性接続孔を形成する方法が提案されている(例えば、特許文献2参照)。
特開2010−56470号公報 特開2003−142484号公報
しかしながら、上述のスペースや接続孔の埋め込みの際に用いられるエッチング処理においては、エッチング処理後の膜質改善が必ずしも十分でなく、エッチング処理に用いられるフッ素含有ガスのフッ素成分が膜中に残留してしまい、膜質を低下させるおそれがあった。
そこで、本発明は、膜中のフッ素濃度を低下させることができるプラズマ処理装置及びプラズマ処理方法を提供することを目的とする。
上記目的を達成するため、本発明の一態様に係るプラズマ処理装置は、処理容器と、
該処理容器内に設けられ、基板を上面に載置可能な回転テーブルと、
該回転テーブルの周方向における所定箇所に設けられ、第1のプラズマガスから第1のプラズマを発生させて第1のプラズマ処理を行う第1のプラズマ処理領域と、
該第1のプラズマ処理領域と前記周方向において離間して設けられ、第2のプラズマガスから第2のプラズマを発生させて第2のプラズマ処理を行う第2のプラズマ処理領域と、
前記周方向において前記第1のプラズマ処理領域と前記第2のプラズマ処理領域との間の2つの間隔領域の各々に設けられ、前記第1のプラズマ処理領域と前記第2のプラズマ処理領域とを分離して前記第1のプラズマガスと前記第2のプラズマガスとの混合を防止する2つの分離領域と、を有し、
前記第1のプラズマ処理領域はエッチング処理を行う領域であり、
前記第2のプラズマ処理領域は該エッチング処理後の改質処理を行う領域である。
本発明の他の態様に係るプラズマ処理方法は、第1のプラズマガスから第1のプラズマを発生させて基板に第1のプラズマ処理を行う工程と、
前記第1のプラズマ処理が行われた前記基板をパージガスによりパージする工程と、
第2のプラズマガスから第2のプラズマを発生させて前記パージされた前記基板に第2のプラズマ処理を行う工程と、
前記第2のプラズマ処理が行われた前記基板を前記パージガスによりパージする工程と、からなるサイクルを同一周期で複数回繰り返すことにより、前記基板に2種類のプラズマ処理を交互に行うプラズマ処理方法であって、
前記第1のプラズマ処理はエッチング処理であり、
前記第2のプラズマ処理は該エッチング処理後の改質処理である
本発明によれば、膜中のフッ素濃度を抑制しつつエッチングを行うことができる。
本発明の実施形態に係るプラズマ処理装置の一例を示す縦断面図である。 本発明の実施形態に係るプラズマ処理装置の一例を示す横断面図である。 本発明の実施形態に係るプラズマ処理装置の一例を示す横断面図である。 本発明の実施形態に係るプラズマ処理装置の一例の内部の一部を示す分解斜視図である。 本発明の実施形態に係るプラズマ処理装置の一例の内部の一部を示す縦断面図である。 本発明の実施形態に係るプラズマ処理装置の一例の内部の一部を示す斜視図である。 本発明の実施形態に係るプラズマ処理装置の一例の内部の一部を示す縦断面図である。 本発明の実施形態に係るプラズマ処理装置の一例の内部の一部を示す平面図である。 本発明の実施形態に係るプラズマ処理装置の一例のファラデーシールドを示す斜視図である。 本発明の実施形態に係るプラズマ処理装置の一例のファラデーシールドの一部を示す斜視図である。 本発明の実施形態に係るプラズマ処理方法の一例を示した一連の工程図である。図11(a)は、プラズマ処理基板用意工程の一例を示した図である。図11(b)は、エッチング工程の一例を示した図である。図11(c)は、改質工程の一例を示した図である。図11(d)は、埋め込み工程の一例を示した図である。 本発明の実施形態に係るプラズマ処理方法の改質処理を説明するための図である。図12(a)は、SiO膜の成膜時に行われるOプラズマ改質処理を説明するための図である。図12(b)は、SiO膜のエッチング時に行われるHプラズマ改質処理を説明するための図である。 従来の改質工程を実施した後のSiO膜中のフッ素濃度の分析結果を示した図である。 本発明の実施形態に係るプラズマ処理装置の水素ガスの隔離状態を示すシミュレーション結果を示した図である。図14(a)は、回転テーブルの回転速度を20rpmとしたときの水素ガスの隔離状態を示した図である。図14(b)は、回転テーブルの回転速度を240rpmとしたときの水素ガスの隔離状態を示した図である。 本発明の実施形態に係るプラズマ処理装置のNFガスの隔離状態を示すシミュレーション結果を示した図である。図15(a)は、回転テーブルの回転速度を20rpmとしたときのNFガスの隔離状態を示した図である。図15(b)は、回転テーブルの回転速度を240rpmとしたときのNFガスの隔離状態を示した図である。 本発明の実施形態に係るプラズマ処理装置の分離ガスの隔離性を圧力の観点から示すシミュレーション結果を示した図である。図16(a)は、回転テーブルの回転速度を20rpmとしたときの処理容器1内の圧力状態を示した図である。図16(b)は、回転テーブルの回転速度を240rpmとしたときの処理容器1内の圧力状態を示した図である。 本実施形態に係るプラズマ処理装置の分離ガスの隔離性をAr質量濃度の観点から示すシミュレーション結果を示した図である。図17(a)は、回転テーブルの回転速度を20rpmとしたときの処理容器1内のAr質量濃度を示した図である。図17(b)は、回転テーブルの回転速度を240rpmとしたときの処理容器1内のAr質量濃度を示した図である。
以下、図面を参照して、本発明を実施するための形態の説明を行う。
まず、本発明の実施形態に係るプラズマ処理装置及びプラズマ処理方法を適用したエッチング装置の一例について説明する。本発明に係るプラズマ処理装置及びプラズマ処理方法は、エッチング装置の他、成膜装置、エッチングと成膜の双方を行う基板処理装置等、プラズマ処理を行う総ての装置に適用可能であるが、本実施形態においては、一例として、本発明に係るプラズマ処理装置をエッチング装置として構成した実施形態について説明する。
本発明の実施形態に係るプラズマ処理装置を適用したエッチング装置の一例について、図1〜図10を参照して説明する。本実施形態に係るエッチング装置は、図1及び図2に示すように、平面形状が概ね円形である処理室1と、この処理室1内に設けられ、処理室1の中心に回転中心を有する回転テーブル2と、を備えている。そして、エッチング装置では、後で詳述するように、ALE(Atomic Layer Etching、原子層エッチング)法によりウエハWの表面に成膜された薄膜をエッチングすると共に、エッチング後の薄膜に対してプラズマ改質を行うように構成されている。この時、プラズマ改質を行うにあたって、プラズマによって、薄膜中に含まれているフッ素成分を除去し、膜がフッ素成分を含まないように、又はフッ素濃度ができるだけ小さくなるように、エッチング装置が構成されている。つまり、半導体プロセスでは、フッ素系のエッチングガスを用いてエッチングを行う場合が多いが、フッ素成分がエッチング対象である膜中に残留すると、デバイス特性が悪化してしまう。特に、SiO、SiN等、シリコン系の膜中にフッ素成分が残留すると、デバイス特性に悪影響を与えてしまう。一方、上述のように、エッチングは、NF等、フッ素系ガスをエッチングガスとして用いる場合が多いので、膜のエッチングを行うと、膜中のフッ素濃度が増加するのが一般的であり、またフッ素濃度を可能な限り低下させることが技術的課題ともなっている。よって、本実施形態に係るエッチング装置では、周期的な微量エッチングを行うとともに、膜中に残留したフッ素成分を、周期的な改質処理により効果的に除去するが、この点の詳細については後述する。続いて、エッチング装置の各部について詳述する。
処理室1は、天板11及び容器本体12を備えており、天板11が容器本体12から着脱できるように構成されている。天板11の上面側における中央部には、処理室1内の中心部領域Cにおいて互いに異なる処理ガス同士が混ざり合うことを抑制するために、Arガスを分離ガスとして供給するための分離ガス供給管51が接続されている。また、図1中、容器本体12の上面の周縁部にリング状に設けられたシール部材13、例えばOリングが示されている。
回転テーブル2は、中心部にて概略円筒形状のコア部21に固定されており、このコア部21の下面に接続されると共に鉛直方向に伸びる回転軸22によって、鉛直軸回りこの例では時計回りに回転自在に構成されている。回転軸22の下端に設けられている駆動部23は、回転軸22を鉛直軸回りに回転させる駆動体である。ケース体20は、回転軸22及び駆動部23を収納する。ケース体20は、上面側のフランジ部分が処理室1の底面部14の下面に気密に取り付けられている。また、ケース体20には、回転テーブル2の下方領域にArガスをパージガスとして供給するためのパージガス供給管72が接続されている。処理室1の底面部14におけるコア部21の外周側は、回転テーブル2に下方側から近接するようにリング状に形成されて突出部12aをなしている。
回転テーブル2の表面部には、図2及び図3に示すように、回転方向(周方向)に沿って複数枚例えば5枚の基板であるウエハWを載置するための円形状の凹部24が基板載置領域として設けられている。凹部24は、直径寸法が例えば300mmサイズのウエハWを当該凹部24上に載置すると、ウエハWの表面と回転テーブル2の表面(ウエハWが載置されない領域)とが揃うように、直径寸法及び深さ寸法が設定されている。凹部24の底面には、ウエハWを下方側から突き上げて昇降させるための複数(例えば3本)の昇降ピンが貫通する貫通孔(図示せず)が形成されている。
図2及び図3に示すように、回転テーブル2における凹部24の通過領域と各々対向する位置には、各々例えば石英からなる4本のノズル31、32、41、42が処理室1の周方向(回転テーブル2の回転方向)に互いに間隔をおいて放射状に配置されている。各ノズル31、32、41、42は、例えば処理室1の外周壁から中心部領域Cに向かってウエハWに対向して水平に伸びるように各々取り付けられている。この例では、後述の搬送口15から見て時計回り(回転テーブル2の回転方向)に第1のプラズマガスノズル31、分離ガスノズル41、第2のプラズマガスノズル32、分離ガスノズル42がこの順番で配列されている。第1のプラズマガスノズル31の上方には、図1に示すように、第1のプラズマガスノズル31から吐出されるガスをプラズマ化するために、第1のプラズマ発生器80が設けられている。また、第2のプラズマガスノズル32の上方にも、第2のプラズマガスノズル32から吐出されるガスをプラズマ化するため、第2のプラズマ発生器130が設けられている。なお、図1には、第2のプラズマ発生器130は図示されていない。第1及び第2のプラズマ発生器80、130の詳細については、後述する。
プラズマガスノズル31、32は、夫々第1のプラズマガス供給部、第2のプラズマガス供給部をなし、分離ガスノズル41、42は、各々分離ガス供給部をなしている。なお、図2はプラズマガスノズル31、32が見えるようにプラズマ発生器80及び後述の筐体90を取り外した状態、図3はプラズマ発生器80、130及び筐体90、140を取り付けた状態を表している。また、図1では、プラズマ発生器80について、模式的に一点鎖線で示している(プラズマ発生器130は図1には図示せず)。
各ノズル31、32、41、42は、流量調整バルブを介して夫々以下の各ガス供給源(図示せず)に夫々接続されている。即ち、第1のプラズマガスノズル31は、エッチングガスの供給源に接続されており、例えば、NHガス等のフッ素系ガスがエッチングガスとして用いられる。第2のプラズマガスノズル32は、改質ガスの供給源に接続されており、例えば、フッ素と反応してHFとなり、フッ素を膜中から離脱できる水素ガス等が改質ガスとして用いられる。第1のプラズマガスノズル31は、例えばAr(アルゴン)ガスとNFガスとの混合ガスの供給源に接続されている。第2のプラズマガスノズル32は、例えばArとHガスとの混合ガスの供給源に接続されている。また、分離ガスノズル41、42は、分離ガスであるArガス、Nガス等の不活性ガス(希ガスを含む)のガス供給源に各々接続されている。なお、以下においては、便宜上、エッチング対象となる膜をSiO膜、第1のプラズマガスノズル31から供給されるエッチングガスをArとNFの混合ガス、第2のプラズマガスから供給される改質ガスをArとHの混合ガス、分離ガスをArガスとして説明する。分離ガスは、エッチング対象膜がSiN膜の場合には、Nガスを用いてもよいが、エッチング対象膜がSiO膜の場合には、SiON等を生成しないように、Arガスを用いることが好ましい。なお、以後、第1のプラズマガスノズル31から供給されるエッチングガスを第1のプラズマガス、第2のプラズマガスノズル32から供給される改質ガスを第2のプラズマガスと呼んでもよいこととする。
図7に示すように、プラズマガスノズル31、32及び分離ガスノズル41、42の下面側には、回転テーブル2の半径方向に沿って複数箇所にそれぞれガス吐出孔33、43が例えば等間隔に形成されている。プラズマガスノズル31の側面には、回転テーブル2の回転方向上流側(搬送口15側)且つ下方側(斜め下)を向くように、プラズマガスノズル31の長さ方向に沿って例えば開口径が0.3〜0.5mmのガス吐出孔33が複数箇所に例えば等間隔で形成されている。このようにプラズマガス供給ノズル34のガス吐出孔33の向きを設定した理由については、後で説明する。これら各ノズル31、32、41、42は、当該ノズル31、32、41、42の下端縁と回転テーブル2の上面との離間距離が例えば1〜5mm程度となるように配置されている。
第1及び第2のプラズマガスノズル31、32の下方領域は、夫々ウエハW上に成膜されたSiO膜をエッチング処理ための第1のプラズマ処理領域P1及びエッチング処理されたSiO膜の表面を改質処理するための第2のプラズマ処理領域P2となる。分離ガスノズル41、42は、各々第1のプラズマ処理領域P1と第2のプラズマ処理領域P2とを分離する分離領域Dを形成する。この分離領域Dにおける処理室1の天板11には、図2及び図3に示すように、概略扇形の凸状部4が設けられており、分離ガスノズル41、42は、この凸状部4に形成された溝部46内に収められている。従って、分離ガスノズル41、42における回転テーブル2の周方向両側には、各プラズマガス同士の混合を阻止するために、凸状部4の下面である低い天井面44(第1の天井面)が配置され、天井面44の周方向両側には、天井面44よりも高い天井面45(第2の天井面)が配置されている。かかる構造を有する分離領域Dにおいて、分離ガスノズル41、42からArガス等の分離ガスを供給すると、溝部46から周方向両側に向かって分離ガスが流れ、凸状部4の下面への外部からのガスの進入を阻止する。よって、分離領域Dは、上方は凸状部4、凸状部4の下の回転テーブル2との間の隙間は、分離ガスの供給により、分離領域Dの周方向両側の空間を分離する。また、凸状部4の周縁部(処理室1の外縁側の部位)は、各プラズマガス同士の混合を阻止するために、回転テーブル2の外端面に対向するとともに容器本体12に対して僅かに離間するように、L字型に屈曲している。
図2及び図3に示されるように、エッチング処理を行う第1のプラズマ処理領域P1と、改質処理を行う第2のプラズマ処理領域P2との間の2つの間隔空間には、ともに分離領域Dが設けられている。よって、第1のプラズマ処理領域P1と第2のプラズマ処理領域P2とは、分離領域Dを介して確実に分離される。例えば、第1のプラズマ処理領域P1内に設けられた第1のプラズマガスノズル31から(Ar+NF)ガスが供給され、第2のプラズマ処理領域P2内に設けられた第2のプラズマガスノズル32から(Ar+H)ガスが供給された場合、NFガスとHガスが所定濃度範囲(1.5〜90.6%)で混合した場合、爆発を起こすおそれがある。よって、NFガスとHガスとの混合を確実に防止すべく、第1のプラズマ処理領域P1と第2のプラズマ処理領域P2との間の2つの空間には、各々分離領域Dを設け、第1のプラズマ処理領域P1に供給されるNFガスと第2のプラズマ処理領域P2に供給されるHガスとの混合を確実に防止している。
また、NFガスとHガスは、具体的には、以下の化学反応式(1)により反応する。
3H+2NF→6HF+N (1)
ここで、HガスとNFガスが所定の濃度範囲内にあると爆発を起こすおそれがあるのは上述の通りであるが、爆発を起こさない場合であっても、反応の結果HFを発生する。HFは、腐食性のガスであるから、HFが発生して処理容器1の内壁等に付着すると、付着した内壁等を腐食させるおそれがある。よって、たとえ爆発が生じない場合であっても、NFガスとHガスとは混合しない構造をとることが好ましい。この点、本実施形態に係るプラズマ処理装置は、第1のプラズマ処理領域P2と第2のプラズマ処理領域P2とを凸状部4と分離ガス(Arガス)の供給で分離する分離領域Dを備えているので、爆発や処理容器1の内部の腐食を確実に防止することができる。
なお、分離ガスは、パージガスと同等の役割を果たしているので、分離領域Dをパージ領域D、分離ガスをパージガスと呼んでもよい。
更に、第1及び第2のプラズマ処理領域P1、P2は、それ自体でも外部からのガスの進入を防ぐ構造を有するが、この点については後述する。
なお、第1及び第2のプラズマガスノズル31、32は、ともに第1及び第2の処理領域P1、P2の上流側の位置に設けられている。これは、第1及び第2のプラズマガスノズル31、32から供給されたNFガス及びHガスを早期にプラズマ化し、ウエハWが第1及び第2の処理領域P1、P2を通過する間に確実にプラズマ処理が行われるようにするためである。
次に、プラズマ発生器80について詳述する。このプラズマ発生器80は、例えば銅(Cu)などの金属線からなる電極(又は「アンテナ」と呼んでもよい。)83をコイル状に巻回して構成されており、処理室1の内部領域から気密に区画されるように、処理室1の天板11上に設けられている。この例では、電極83は、銅の表面にニッケルメッキ及び金メッキをこの順番で施した材質により構成されている。具体的には、図4に示すように、プラズマガス供給ノズル34の上方側(詳しくはこのノズル34よりも僅かに回転テーブル2の回転方向上流側の位置からこのノズル34の回転方向下流側の分離領域Dよりも僅かにノズル34側に寄った位置まで)における天板11には、平面的に見た時に概略扇形に開口する開口部11aが形成されている。
開口部11aは、回転テーブル2の回転中心から例えば60mm程度外周側に離間した位置から、回転テーブル2の外縁よりも80mm程度外側に離れた位置までに亘って形成されている。また、開口部11aは、処理室1の中心部領域Cに設けられた後述のラビリンス構造部110(図5参照)に干渉しないように、平面で見たときに回転テーブル2の中心側における端部がラビリンス構造部110の外縁に沿うように円弧状に窪んでいる。そして、開口部11aは、図4及び図5に示すように、天板11の上端側から下端側に向かって開口部11aの開口径が段階的に小さくなるように、例えば3段の段部11bが周方向に亘って形成されている。これら段部11bのうち最下段の段部(口縁部)11bの上面には、図5に示すように、周方向に亘って溝11cが形成されており、溝11c内にはシール部材、例えばO−リング11dが配置されている。なお、溝11c及びO−リング11dについては、図4では図示を省略している。
開口部11aには、図6にも示すように、上方側の周縁部が周方向に亘ってフランジ状に水平に伸び出してフランジ部90aを形成すると共に、中央部が下方側の処理室1の内部領域に向かって窪むように形成された筐体90が配置されている。この筐体90は、例えば石英などの誘電体により構成された透磁体(磁力を透過させる材質)であり、図9に示すように、窪んだ部分の厚み寸法tが例えば20mmとなっている。また、筐体90は、筐体90の下方にウエハWが位置した時に、中心部領域C側における筐体90の内壁面とウエハWの外縁との間の距離が70mmとなり、回転テーブル2の外周側における筐体90の内壁面とウエハWの外縁との間の距離が70mmとなるように構成されている。従って、回転テーブル2の回転方向上流側及び下流側における開口部11aの2つの辺と回転テーブル2の回転中心とのなす角度αは、例えば68°となっている。
なお、筐体90は、高純度石英の他、高純度アルミナ、イットリア等、耐プラズマエッチング性能に優れた材料で構成されるか、少なくとも表層部位を上述の材料でコーティングして構成する。よって、筐体90は、基本的には誘電体で構成される。
筐体90を開口部11a内に嵌め込むと、フランジ部90aと段部11bのうち最下段の段部11bとが互いに係止する。そして、O−リング11dによって、段部11b(天板11)と筐体90とが気密に接続される。また、開口部11aの外縁に沿うように枠状に形成された押圧部材91によってフランジ部90aを下方側に向かって周方向に亘って押圧するとともに、押圧部材91を図示しないボルトなどにより天板11に固定することにより、処理室1の内部雰囲気が気密状態とされる。このように筐体90を天板11に気密に固定した時の筐体90の下面と回転テーブル2上のウエハWの表面との間の離間寸法hは、4〜60mmこの例では30mmとなっている。なお、図6は、筐体90を下方側から示している。
筐体90の下面は、筐体90の下方領域へのNガスやOガスなどの侵入を阻止するために、図1及び図5〜図7に示すように、外縁部が周方向に亘って下方側(回転テーブル2側)に垂直に伸び出して、ガス規制用の突起部92を形成している。そして、この突起部92の内周面、筐体90の下面及び回転テーブル2の上面により囲まれた領域には、回転テーブル2の回転方向上流側に、プラズマガスノズル31が配置されている。
なお、筐体90の下方領域(プラズマ空間10)に外部からガスが侵入し難くなるように、筐体90の下面側に突起部92を形成している。上述のように、第1のプラズマ処理領域P1と第2のプラズマ処理領域P2とは、Arガスを供給して両者を分離する分離領域Dにより分離されているため、分離領域Dと第1のプラズマ処理領域P1との間の空間は、Arガスで満たされているが、外部のArガスが第1のプラズマ処理領域P1内に進入すると、NFガスの濃度が薄くなってしまう。そこで、筐体90の下方領域にArガスが侵入しにくくなるように、筐体90の下面側に突起部92を形成している。
また、エッチング対象膜がSiN膜のときには、分離ガスとしてNガスを用いる場合もある。この場合、筐体90の下方領域(プラズマ空間10)においてプラズマガスノズル31から供給されるガスがプラズマ化されるので、プラズマ空間10にNガスが進入すると、NガスのプラズマとOガス(Oガス)のプラズマとが互いに反応してNOxガスが生成する。このNOxガスが発生すると、処理室1内の部材が腐食してしまう。そこで、筐体90の下方領域にNガスが侵入し難くするためにも、筐体90の下面側に突起部92を形成している。
プラズマガス供給ノズル34の基端側(処理室1の側壁側)における突起部92は、プラズマガス供給ノズル34の外形に沿うように概略円弧状に切りかかれている。突起部92の下面と回転テーブル2の上面との間の離間寸法dは0.5〜4mmであり、この例では2mmとなっている。突起部92の幅寸法及び高さ寸法は、夫々例えば10mm及び28mmとなっている。なお、図7は、回転テーブル2の回転方向に沿って処理室1を切断した縦断面図を示している。
また、エッチング処理中には、回転テーブル2が時計回りに回転するので、Arガスがこの回転テーブル2の回転に連れられて回転テーブル2と突起部92との間の隙間から筐体90の下方側に侵入しようとする。そのため、上述の隙間を介して筐体90の下方側へのNガスの侵入を阻止するために、隙間に対して筐体90の下方側からガスを吐出させている。具体的には、プラズマガスノズル31のガス吐出孔33について、図5及び図7に示すように、この隙間を向くように、即ち回転テーブル2の回転方向上流側且つ下方を向くように配置している。鉛直軸に対するプラズマガス供給ノズル34のガス吐出孔33の向く角度θは、図7に示すように例えば45°程度となっている。
ここで、筐体90の下方(プラズマ空間10)側から天板11と筐体90との間の領域をシールするO−リング11dを見ると、図5に示すように、プラズマ空間10とO−リング11dとの間に突起部92が周方向に亘って形成されている。そのため、O−リング11dは、プラズマに直接曝されないように、プラズマ空間10から隔離されている。従って、プラズマ空間10中のプラズマが例えばO−リング11d側に拡散しようとしても、突起部92の下方を経由して行くことになるので、O−リング11dに到達する前にプラズマが失活することになる。
筐体90の内部(筐体90において下方側に窪んだ領域)には、筐体90の内部形状に概略沿うように形成された厚み寸法kが例えば1mm程度の導電性の板状体である金属板からなる、接地されたファラデーシールド95が収納されている。この例では、ファラデーシールド95は、銅(Cu)板または銅板にニッケル(Ni)膜及び金(Au)膜を下側からメッキした板材により構成されている。即ち、ファラデーシールド95は、筐体90の底面に沿うように水平に形成された水平面95aと、水平面95aの外周端から周方向に亘って上方側に伸びる垂直面95bと、を備えており、上方側から見た時に筐体90の内縁に沿って概略扇状となるように構成されている。ファラデーシールド95は、例えば金属板の圧延加工により、あるいは金属板における水平面95aの外側に対応する領域を上方側に折り曲げることにより形成されている。
また、回転テーブル2の回転中心からファラデーシールド95を見た時の右側及び左側におけるファラデーシールド95の上端縁は、夫々右側及び左側に水平に伸び出して支持部96をなしている。そして、ファラデーシールド95を筐体90の内部に収納すると、ファラデーシールド95の下面と筐体90の上面とが互いに接触すると共に、支持部96が筐体90のフランジ部90aにより支持される。水平面95a上には、ファラデーシールド95の上方に載置されるプラズマ発生器80との絶縁を取るために、厚み寸法が例えば2mm程度の例えば石英からなる絶縁板94が積層されている。水平面95aには、多数のスリット97が形成されているが、スリット97の形状や配置レイアウトについては、プラズマ発生器80の電極83の形状と併せて後述する。なお、絶縁板94については、後述の図8及び図9などでは描画を省略している。
プラズマ発生器80は、ファラデーシールド95の内部に収納されるように構成されている。従って図4及び図5に示すように、筐体90、ファラデーシールド95及び絶縁板94を介して処理室1の内部(回転テーブル2上のウエハW)に対向するように配置されている。このプラズマ発生器80は、電極83を鉛直軸回りに巻回して構成されており、この例では2つのプラズマ発生部81、82を備えている。各々のプラズマ発生部81、82は、電極83が各々3重に巻回されている。これら2つのプラズマ発生部81、82のうち一方を第1のプラズマ発生部81、他方を第2のプラズマ発生部82と呼ぶと、第1のプラズマ発生部81は、図4及び図5に示すように、平面的に見た時に筐体90の内縁に沿うように概略扇状となっている。また、第1のプラズマ発生部81は、第1のプラズマ発生部81の下方にウエハWが位置した時に、このウエハWにおける中心部領域C側の端部と回転テーブル2の外縁側の端部との間に亘ってプラズマを照射(供給)できるように、中心部領域C側及び外周側の端部が各々筐体90の内壁面に近接するように配置されている。なお、電極83内部には冷却水の通流する流路が形成されているが、ここでは省略している。
このように、プラズマ発生器80の電極83を処理室1の外部に配置し、外部から電界、磁界を処理室1内に導入する構成とすれば、処理室1内に電極83が配置されないので、処理室1内のメタルコンタミを防止することができ、高品質の成膜を行うことができる。しかしながら、筐体90は高純度石英等の誘電体であるため、電極83が処理室1内にある構成と比較して、プラズマ放電が発生し難くなる場合がある。本実施形態に係るプラズマ処理装置においては、かかる電極83を処理室1外に設ける構成を採用しつつも、プラズマ放電を安定的に発生させることができるプラズマ処理装置及びプラズマ処理方法を提供する。
第2のプラズマ発生部82は、回転テーブル2の半径方向外周側においてウエハWにプラズマを供給できるように、回転テーブル2上のウエハWの中心位置から200mm程度外周側に離間した位置と、回転テーブル2の外縁から90mm程度外周側に離間した位置と、の間に配置されている。即ち、回転テーブル2が回転すると、中心部側に比べて外周部側では周速度が速くなる。そのため、外周部側では内周部側よりもウエハWに供給されるプラズマの量が少なくなる場合がある。そこで、回転テーブル2の半径方向においてウエハWに供給されるプラズマの量を揃えるために、いわば第1のプラズマ発生部81によってウエハWに供給されるプラズマの量を補償するために、第2のプラズマ発生部82を設けている。
第1のプラズマ発生部81及び第2のプラズマ発生部82における夫々の電極83は、各々整合器84を介して周波数が例えば13.56MHz及び出力電力が例えば5000Wの高周波電源85に個別に接続されており、第1のプラズマ発生部81及び第2のプラズマ発生部82に対して独立して高周波電力を調整できるように構成されている。なお、図3などにおいては整合器84及び高周波電源85について簡略化している。また、図1、図3及び図4において、各々のプラズマ発生部81、82と整合器84及び高周波電源85とを電気的に接続するための接続電極86が示されている。
ここで、高周波電源85は、電極83に供給する高周波電力の出力(以下、単に「高周波出力」とも言う。)を可変とすることができる。高周波電源85の出力は、例えば、処理室600℃、1.8Torr通常の成膜におけるプラズマ処理では3300Wに設定されている。
次に、ファラデーシールド95のスリット97について詳述する。スリット97は、各々のプラズマ発生部81、82において発生する電界及び磁界(電磁界)のうち電界成分が下方のウエハWに向かうことを阻止すると共に、磁界をウエハWに到達させるためのものである。即ち、電界がウエハWに到達すると、ウエハWの内部に形成されている電気配線が電気的にダメージを受けてしまう場合がある。一方、ファラデーシールド95は、接地された金属板により構成されているので、スリット97を形成しないと、電界に加えて磁界も遮断してしまう。また、電極83の下方に大きな開口部を形成すると、磁界だけでなく電界も通過してしまう。そこで、電界を遮断して磁界を通過させるために、以下のように寸法及び配置レイアウトを設定したスリット97を形成している。
具体的には、スリット97は、図8に示すように、第1のプラズマ発生部81及び第2のプラズマ発生部82の各々の電極83の巻回方向に対して直交する方向に伸びるように、周方向に亘って電極83の下方位置に各々形成されている。従って、例えば回転テーブル2の半径方向に沿って電極83が配置された領域においては、スリット97は回転テーブル2の接線方向あるいは円周方向に沿うように直線状または円弧状に形成されている。また、回転テーブル2の外縁に沿うように円弧状に電極83が配置された領域においては、スリット97は回転テーブル2の回転中心から外縁に向かう方向に直線状に形成されている。そして、2つの領域間において電極83が屈曲する部分では、スリット97は当該屈曲する部分における電極83の伸びる方向に対して直交するように、回転テーブル2の周方向及び半径方向に対して各々傾斜する向きに形成されている。従って、スリット97は、電極83の伸びる方向に沿って多数配列されている。
ここで、電極83には、既述のように周波数が13.56MHzの高周波電源85が接続されており、この周波数に対応する波長は22mである。そのため、スリット97は、この波長の1/10000以下程度の幅寸法となるように、図9に示すように、幅寸法d1が1〜5mmこの例では2mm、スリット97、97間の離間寸法d2が1〜5mmこの例では2mmとなるように形成されている。また、このスリット97は、図8に示すように、電極83の伸びる方向から見た時に、長さ寸法が例えば各々60mmとなるように、電極83の右端よりも30mm程度右側に離間した位置から、電極83の左端よりも30mm程度左側に離間した位置までに亘って形成されている。これらスリット97の形成領域から外れた領域、即ち電極83の巻回された領域の中央側には、回転テーブル2の回転中心側及び外周側においてファラデーシールド95に開口部98が形成されている。なお、図3ではスリット97を省略している。また、図4及び図5などではスリット97について簡略化しているが、スリット97は、例えば150本程度形成されている。スリット97は、開口部98に近接する領域から当該開口部98から離れた領域に向かうにつれて、幅寸法d1が広がるように形成されているが、ここでは図示を省略している。
なお、第1のプラズマ発生器80についてのみ詳細に説明したが、第2のプラズマ発生器130及び筐体140も、第1のプラズマ発生器80及び筐体90と同様に構成することができる。よって、第2のプラズマ発生器130については、その説明を省略する。
続いて、処理室1の各部の説明に戻る。回転テーブル2の外周側において当該回転テーブル2よりも僅かに下位置には、図2、図5及び図10に示すように、カバー体であるサイドリング100が配置されている。サイドリング100は、例えば装置のクリーニング時において、各処理ガスに代えてフッ素系のクリーニングガスを通流させた時に、クリーニングガスから処理室1の内壁を保護するためのものである。即ち、サイドリング100を設けないと、回転テーブル2の外周部と処理室1の内壁との間には、横方向に気流(排気流)が形成される凹部状の気流通路が周方向に亘ってリング状に形成されている。そのため、このサイドリング100は、気流通路に処理室1の内壁面ができるだけ露出しないように、気流通路に設けられている。この例では、各分離領域D及び筐体90における外縁側の領域は、このサイドリング100の上方側に露出している。
サイドリング100の上面には、互いに周方向に離間するように2箇所に排気口61、62が形成されている。言い換えると、気流通路の下方側に2つの排気口が形成され、これら排気口に対応する位置におけるサイドリング100に、排気口61、62が形成されている。これら2つの排気口61、62のうち一方及び他方を夫々第1の排気口61及び第2の排気口62と呼ぶと、第1の排気口61は、第1のプラズマガスノズル31と、第1のプラズマガスノズル31よりも回転テーブルの回転方向下流側における分離領域Dとの間において、分離領域D側に寄った位置に形成されている。第2の排気口62は、プラズマガスノズル32と、プラズマガスノズル32よりも回転テーブルの回転方向下流側における分離領域Dとの間において、分離領域D側に寄った位置に形成されている。第1の排気口61は、エッチング用の第1のプラズマガス及び分離ガスを排気するためのものであり、第2の排気口62は、改質用の第2のプラズマガス及び分離ガスを排気するためのものである。これら第1の排気口61及び第2の排気口62は、図1に示すように、各々バタフライバルブなどの圧力調整部65の介設された排気管63により、真空排気機構である例えば真空ポンプ64に接続されている。
ここで、上述のように、中心部領域C側から外縁側に亘って筐体90、140を設けているので、筐体90、140よりも回転テーブル2の回転方向上流側に吐出された各ガスは、筐体90、140によって第1及び第2の排気口61、62に向かおうとするガス流がいわば規制されてしまう。そこで、筐体90、140の外側におけるサイドリング100の上面に、第1及び第2のプラズマガス及び分離ガスが流れるための溝状のガス流路101、102をそれぞれ形成している。具体的には、このガス流路101、102は、図3に示すように、筐体90、140における回転テーブル2の回転方向上流側の端部よりも例えば60mm程度第1及び第2のプラズマガスノズル31、32側に寄った位置から、第1及び第2の排気口61、62までの間に亘って、深さ寸法が例えば30mmとなるように円弧状に形成されている。従って、ガス流路101、102は、筐体90、140の外縁に沿うように、また上方側から見た時に筐体90、140の外縁部に跨がるように形成されている。このサイドリング100は、図示を省略しているが、フッ素系ガスに対する耐腐食性を持たせるために、表面が例えばアルミナなどによりコーティングされているか、あるいは石英カバーなどにより覆われている。
天板11の下面における中央部には、図2に示すように、凸状部4における中心部領域C側の部位と連続して周方向に亘って概略リング状に形成されると共に、その下面が凸状部4の下面(天井面44)と同じ高さに形成された突出部5が設けられている。この突出部5よりも回転テーブル2の回転中心側におけるコア部21の上方側には、中心部領域Cにおいて第1のプラズマガスと第2のプラズマガスとが互いに混ざり合うことを抑制するためのラビリンス構造部110が配置されている。即ち、図1から分かるように、筐体90を中心部領域C側に寄った位置まで形成しているので、回転テーブル2の中央部を支持するコア部21は、回転テーブル2の上方側の部位が筐体90を避けるように回転中心側に寄った位置に形成されている。従って、中心部領域C側では、外縁部側よりも例えば処理ガス同士が混ざりやすい状態となっている。そこで、ラビリンス構造部110を形成することにより、ガスの流路を稼いで処理ガス同士が混ざり合うことを防止している。なお、図1において筐体140は図示されていないが、筐体90と同様である。
回転テーブル2と処理室1の底面部14との間の空間には、図1に示すように、加熱機構であるヒータユニット7が設けられ、回転テーブル2を介して回転テーブル2上のウエハWを例えば300℃に加熱するようになっている。図1中、ヒータユニット7の側方側に設けられたカバー部材71a、ヒータユニット7の上方側を覆う覆い部材7aが示されている。また、処理室1の底面部14には、ヒータユニット7の下方側において、ヒータユニット7の配置空間をパージするためのパージガス供給管73が周方向に亘って複数箇所に設けられている。
処理室1の側壁には、図2及び図3に示すように図示しない外部の搬送アームと回転テーブル2との間においてウエハWの受け渡しを行うための搬送口15が形成されており、この搬送口15はゲートバルブGより気密に開閉自在に構成されている。また、回転テーブル2の凹部24は、この搬送口15に臨む位置にて搬送アームとの間でウエハWの受け渡しが行われることから、回転テーブル2の下方側において当該受け渡し位置に対応する部位には、凹部24を貫通してウエハWを裏面から持ち上げるための受け渡し用の昇降ピン及びその昇降機構(いずれも図示せず)が設けられている。
また、図1に示すように、エッチング装置には、装置全体の動作のコントロールを行うためのコンピュータからなる制御部120が設けられている。制御部120は、CPU(Central Processing Unit、中央処理装置)121及びメモリ122を備える。制御部120のメモリ122内には後述のエッチング処理及び改質処理を行うためのプログラムが格納されており、CPU121がプログラムを読み込んでプログラムを実行する。このプログラムは、後述の装置の動作を実行するようにステップ群が組まれており、ハードディスク、コンパクトディスク、光磁気ディスク、メモリカード、フレキシブルディスクなどの記憶媒体である記憶部121から制御部120内のメモリ122にインストールされる。
制御部120は、プロセスレシピに従い、プラズマ処理制御を含めた全体のプロセス制御を行う。また、プラズマ処理制御の具体的な制御・処理内容は、プロセスレシピと同様に、コンデショショニングレシピのような状態で与えられてもよい。プロセスレシピ、コンディショニングレシピは、例えば、記憶部121から制御部120内のメモリ122にインストールされ、CPU121により実行されてもよい。
次に、本発明の実施形態に係るプラズマ処理方法について説明する。本発明に係るプラズマ処理方法は、比較的短時間のエッチング工程と改質工程の周期的な切り替えが可能であれば、上述のプラズマ処理装置以外のプラズマ処理装置を用いても実現可能であるが、上述のプラズマ処理装置は本発明に係るプラズマ処理方法を好適に実施することができるので、上述のプラズマ処理装置を用いた例を挙げて本発明の実施形態に係るプラズマ処理方法を説明する。また、本発明の実施形態に係るプラズマ処理方法は、本発明に係るプラズマ処理方法を、エッチング処理方法に適用した例を挙げて説明する。
図11は、本発明の実施形態に係るプラズマ処理方法の一例を示した一連の工程図である。図11(a)は、プラズマ処理基板用意工程の一例を示した図である。プラズマ処理基板用意工程では、表面上にエッチング対象となる膜160が成膜されたウエハWを用意する。図11(a)に示すように、ウエハWの表面には、凹形状パターン150が形成されていてもよい。凹形状パターン150は、ウエハWの表面に形成された窪み形状を有する配線パターンであり、溝状のトレンチ、井戸状の高アスペクト比の孔等を含む。本実施形態においては、膜160がSiO膜である例を挙げて説明する。
具体的には、まず、ゲートバルブGを開放して(図2、3参照)、回転テーブル2を間欠的に回転させながら、図示しない搬送アームにより搬送口15を介して回転テーブル2上に例えば5枚のウエハWを載置する。次いで、ゲートバルブGを閉じ、真空ポンプ64により処理容器1内を引き切りの状態にすると共に、回転テーブル2を時計周りに回転させながらヒータユニット7によりウエハWを、例えば250〜600℃程度に加熱する。ウエハWの温度は、用途に応じて種々の温度とすることができるが、例えば、400℃前後に設定してもよい。また、処理容器1内の圧力も、用途に応じて種々の圧力値に設定することができるが、例えば、2Torrに設定してもよい。
回転テーブル2の回転速度は、プロセスにより異なるが、例えばSiO膜をエッチング処理する場合には、1〜240rpmの範囲、好ましくは20〜240rpmの範囲としてもよい。
続いて、第1のプラズマガスノズル31からArガス及びNFガスの混合ガスを第1のプラズマ処理領域P1に供給するとともに、第2のプラズマガスノズル32からArガス及びHガスの混合ガスを第2のプラズマ処理領域P2に供給する。また、分離ガスノズル41、42から分離ガス(又はパージガス)としてArガスを所定の流量で供給し、分離ガス供給管51及びパージガス供給管72、72からもArガスを所定の流量で供給する。そして、圧力調整部65により真空容器1内を予め設定した処理圧力に調整する。また、第1及び第2のプラズマ発生器80、130に高周波電力を供給する。
なお、各ガスの流量は、用途に応じて種々の流量値に設定してよいが、例えば、目安として、分離ガス供給管51のArガスの流量を1(slm)前後、分離ガスノズル41、42からのArガスの流量を5(slm)前後、第1のエッチングガスノズル31からのArガスの流量を10(slm)前後、NFガスの流量を0.1(slm)前後、第2のエッチングガスノズル32からのArガスの流量を10(slm)前後、Hガスの流量を2(slm)前後に設定してもよい。
図11(b)は、エッチング工程の一例を示した図である。エッチング工程は、回転テーブル2を回転させ、ウエハWが第1のプラズマ処理領域P1を通過する時に行われる。ウエハWが第1のプラズマ処理領域P1内を通過する際、ArとFのプラズマにより膜160はエッチングされる。第1のエッチングガスノズル31から供給されたArガスとNFガスは、第1のプラズマ発生器80によりプラズマ化され、このプラズマがSiO膜160をエッチングする。回転テーブル2は、例えば、比較的遅い20rpmの回転速度で回転しているとしても、1回転するのに3秒であるから、3秒未満の時間で第1のプラズマ処理領域P1をウエハWは通過する。よって、3秒未満の短時間のエッチング処理が膜160に対してなされる。より正確には、第1のプラズマ処理領域P1は、多くても回転テーブル2の全体の1/4未満の面積しか無いので、0.75秒未満の短時間のエッチング処理が行われる。なお、エッチング工程では、膜160の中にフッ素成分が残留するので、図11(a)の状態とは膜160の状態が異なり、この状態を膜161とする。
図11(c)は、改質工程の一例を示した図である。改質工程は、回転テーブル2を回転させ、ウエハWが分離領域Dを通過した後、第2のプラズマ処理領域P2を通過する時に行われる。ウエハWは、第1のプラズマ処理領域P1の回転方向下流側にある分離領域Dを通過する際、分離ガスノズル41から供給される分離ガスであるArガスでパージされ、清浄化される。そして、分離領域Dを通過した後、ウエハWが第2のプラズマ処理領域P2内を通過する際、ArとHのプラズマにより膜161は改質される。第2のエッチングガスノズル32から供給されたArガスとHガスは、第2のプラズマ発生器80によりプラズマ化され、このプラズマがSiO膜161中のフッ素成分と反応し、HFとなってSiO膜161中から抜け、SiO膜161中のF成分を低減させる。なお、その際の反応は、化学反応式(2)のようである。
H+F→HF (2)
図11(b)で説明したように、回転テーブル2は、例えば、比較的遅い20rpmの回転速度で回転しているとしても、1回転するのに3秒であるから、3秒未満の時間で第2のプラズマ処理領域P2をウエハWは通過する。よって、3秒未満の短時間の改質処理が膜160に対してなされる。より正確には、第2のプラズマ処理領域P2も、多くても回転テーブル2の全体の1/4未満の面積しか無いので、0.75秒未満の短時間の改質処理が行われる。なお、改質工程では、膜161の中にフッ素成分が消滅又は低減するので、図11(a)の状態と同様の状態に膜161が戻り、この膜質回復状態を、図11(a)と同様に膜160とする。
ウエハWは、第2のプラズマ処理領域P2を通過した後は、第2のプラズマ処理領域P2の回転方向下流側にある分離領域Dを通過し、分離ガスノズル42からArガスの供給を受けてパージされ、清浄化される。そして、分離領域Dを通過した。
ここで、回転テーブル2は連続的に回転を継続するので、図11(b)のエッチング工程と図11(c)の改質工程は、同一周期で、回転テーブル2が停止するまで繰り返されることになる。周期は、比較的回転速度が遅い20rpmの場合であっても、3秒になる。回転速度が速い240rpmの場合には、周期は0.25秒である。なお、周期の範囲は、例えば、0秒より大きく60秒以下であり、好ましくは、0秒より大きく30秒以下であり、更に好ましくは、0.25秒以上3秒以下の範囲である。よって、回転テーブル2の回転により、極めて短時間のエッチング工程、パージ工程、改質工程、パージ工程のサイクルが同一周期で複数回繰り返されることになる。当然、エッチング量及び改質量は原子層レベルとなり、ALE法(原子層エッチング法)によるエッチング処理と、エッチング後の改質処理が交互に周期的に行われる。このような微量のエッチング処理と、微量の改質処理を繰り返すことは、フッ素含有量の少ない高品質のエッチング膜を形成する上で、非常に効果的である。一般的に、従来のエッチング処理では、本実施形態に係るエッチング処理と異なり、図11(b)に示すエッチング工程をある程度長時間継続して行い、エッチング工程が終了した後、図11(c)に示す改質処理工程をやはりある程度長時間継続して行うプロセスが行われていた。しかし、この場合、改質処理が不十分で、膜160中のフッ素成分を十分に低減させることができない場合が多かった。本実施形態に係るプラズマ処理方法では、膜160中のフッ素成分を効果的に除去できる。この点、図12を用いて詳細に説明する。
図12は、本実施形態に係るプラズマ処理方法の改質処理を説明するための図である。図12(a)は、SiO膜の成膜時に行われるOプラズマ改質処理を説明するための図である。図12(a)に示されるように、SiO膜を成膜した場合、一般的には、Oガス、Oガス等の酸化ガスによる改質処理が行われる。Oガスがプラズマ化し、O(P)は、SiO膜の膜中まで到達し、Si基板を酸化することができる。また、O(P)は、寿命が短く、膜中深くまでは到達できないが、反応性が非常に高いため、SiO膜の表面改質が可能である。つまり、SiO膜の成膜時には、所定の膜厚のSiO膜を成膜した後、Oプラズマ改質処理をある程度時間をかけて行えば、膜中まで酸化による改質処理を行うことが可能である。
図12(b)は、SiO膜のエッチング時に行われるHプラズマ改質処理を説明するための図である。図12(b)に示されるように、SiO膜をエッチングした場合、一般的には、Hガスによる改質処理が行われる。Hプラズマは、反応性自体は高いが、寿命が短いため、膜中の深い箇所まで到達せず、膜の表面での反応改質とならざるを得ない。そうすると、エッチング処理を長時間行い、所定のエッチング量までエッチングした後、一括してエッチング後の膜の改質処理を行おうとしても、Hプラズマが膜中まで到達せず、膜中のフッ素成分を除去することが困難である。よって、微量のエッチングを行ったら微量の改質処理を行う、という本実施形態に係るプラズマ処理方法がフッ素成分の除去に非常に有効であり、効果的にSiO膜中のフッ素成分の除去、低減を行うことができる。
図13は、従来の改質工程を実施した後のSiO膜中のフッ素濃度の分析結果を示した図である。図13においては、処理容器1内の温度が400℃、回転テーブル2の回転速度が60rpm、高周波電源85が1500W、Arガスの流量10kcc、エッチングガスの流量50ccの条件下で、エッチングを行わない膜中の残留フッ素濃度を曲線N、エッチング及び改質処理を行ったときの膜中の残留フッ素濃度を曲線M、エッチングのみ行って改質処理を行わないときの膜中の残留フッ素濃度を曲線Lで示している。
図13に示されるように、エッチングを行った曲線L、Mは、ともにエッチングを行わない曲線Nよりもフッ素残留濃度が大きく上がっている。また、改質処理を行っていない曲線Lに比較して、改質処理を行った曲線Mは、膜の浅い領域の表面から3nm未満の領域ではフッ素濃度が低下しており、若干のフッ素濃度低減の効果が見られているが、その効果は小さく、膜の深さ5nm以上の箇所では、殆どフッ素低減の効果は見出せない。この点、図12で説明した内容と合致している。
図11の説明に戻る。図11(b)、(c)において説明したように、微量のエッチング工程(ALE)と微量の表面のフッ素除去の改質処理を繰り返すことにより、図12及び13で説明した従来技術の問題点を解消することができ、フッ素含有量の少ないSiO膜160を形成することができる。
図11(d)は、埋め込み工程の一例を示した図である。埋め込み工程では、所望のエッチング処理及び改質処理を終了した後、必要に応じて、凹形状パターン150の埋め込みを行う。なお、エッチング工程及び改質工程自体は、図11(b)、(c)で終了しているので、エッチングだけのプロセスであれば、図11(d)は行わなくともよい。また、逆に、図11(a)〜(c)の成膜、エッチングの工程を繰り返し、徐々に凹形状パターン150の埋め込みを行うようにしてもよい。本実施形態に係るプラズマ処理方法は、エッチング工程を含む種々のプロセスに適用することができる。
なお、エッチングを含む基板処理プロセスが終了した後は、ウエハWを搬入した手順と逆の手順でウエハWを処理容器1から搬出し、所定の基板処理プロセスを終了する。
図14は、本実施形態に係るプラズマ処理装置の水素ガスの隔離状態を示すシミュレーション結果を示した図である。図14(a)は、回転テーブル2の回転速度を20rpmとしたときの水素ガスの隔離状態を示した図であり、図14(b)は、回転テーブル2の回転速度を240rpmとしたときの水素ガスの隔離状態を示した図である。
上述のように、エッチングガスであるNFガスと改質ガスであるHガスは、所定濃度範囲で混合すると爆発を引き起こし、また、たとえ爆発しなくてもHFを発生させると処理容器1の内壁に悪影響を及ぼすため、両者は互いに完全に隔離されることが好ましい。よって、本実施形態に係るプラズマ処理装置が本実施形態に係るプラズマ処理方法を実施している際の改質ガスとエッチングガスの隔離状況を把握するためのシミュレーション実験を行った。
図14は、改質ガスであるHガスの質量濃度を示している。なお、シミュレーション条件は、処理容器1内の圧力が2Torr、ウエハWの温度が400℃、分離ガス供給管51のArガス流量が1slm、分離ガスノズル41、42のArガス流量が5slm、第1のプラズマガスノズル31のArガス流量が10slm、NFガス流量が0.1slm、第2のプラズマガスノズル32のArガス流量が10slm、Hガス流量が2slmである。
図14(a)、(b)に示すように、回転テーブル2の回転速度が20rpm、240rpmの場合の双方とも、質量割合水素が高い領域Q、Rは第2のプラズマ処理領域P2とほぼ一致しており、質量割合水素が中程度の領域S、T、O及び低い領域U、Vが回転テーブル2の回転に引っ張られてやや第2のプラズマ処理領域P2の回転方向下流側に出ているが、それ以外は質量割合水素がほぼゼロに近い領域Wとなっている。なお、回転テーブル2の回転速度が高い図14(b)の方が、回転速度が低い図14(a)よりも質量割合水素が高い領域が広くなっているが、それでもなお領域Vは分離領域Dまで到達していない。よって、第2のプラズマ処理領域P2の水素ガス隔離能力及び分離領域Dの水素ガス隔離領域は十分に高く、水素ガスの隔離に問題が無いことが確認された。
図15は、本実施形態に係るプラズマ処理装置のNFガスの隔離状態を示すシミュレーション結果を示した図である。図15(a)は、回転テーブル2の回転速度を20rpmとしたときのNFガスの隔離状態を示した図であり、図15(b)は、回転テーブル2の回転速度を240rpmとしたときのNFガスの隔離状態を示した図である。
なお、シミュレーション条件は、図14で説明した条件と同様である。図15(a)、(b)において、質量割合フッ素が高い領域Q、Rは第1のプラズマ処理領域P1の付近に収まっており、質量割合フッ素が中程度の領域S、T、O及び低い領域U、Vがやや第1のプラズマ処理領域P1の回転方向両側に広がっているが、回転テーブル2の回転方向下流側にある分離領域Dで完全に分離され、分離領域D及びその下流側では、質量割合フッ素がほぼゼロの領域Wとなっている。また、上流側は、分離領域Dに遠く到達しない位置で質量割合フッ素がほぼゼロの領域Wとなっている。当然、質量割合フッ素は、第2のプラズマ処理領域P2が含まれている分離領域Dに挟まれた領域ではほぼゼロである(領域W)。よって、第1のプラズマ処理領域P1のNFガス隔離能力及び分離領域DのNFガス隔離領域は十分に高く、NFガスの隔離に問題が無いことが確認された。
図16は、本実施形態に係るプラズマ処理装置の分離ガスの隔離性を圧力の観点から示すシミュレーション結果を示した図である。図16(a)は、回転テーブル2の回転速度を20rpmとしたときの処理容器1内の圧力状態を示した図であり、図16(b)は、回転テーブル2の回転速度を240rpmとしたときの処理容器1内の圧力状態を示した図である。
なお、シミュレーション条件は、図14で説明した条件と同様である。よって、処理容器1内の圧力は、2Torrに設定されている。図16(a)、(b)に示されるように、分離ガスノズル41、42及びその周辺の圧力は、高圧力の領域Q、R、S、Tとなっているが、それ以外の領域は、圧力が中程度からやや低いU、Vとなっている。これは、分離ガスノズル41、42及びその周辺の圧力が他の領域よりも高くなっており、分離領域Dのガス隔離性に問題が無いことを示している。よって、分離領域Dのガス隔離性に問題が無いことが、圧力の観点から示された。
図17は、本実施形態に係るプラズマ処理装置の分離ガスの隔離性をAr質量濃度の観点から示すシミュレーション結果を示した図である。図17(a)は、回転テーブル2の回転速度を20rpmとしたときの処理容器1内のAr質量濃度を示した図であり、図17(b)は、回転テーブル2の回転速度を240rpmとしたときの処理容器1内のAr質量濃度を示した図である。
図17に示されるように、Ar質量濃度は、分離領域Dと、第1及び第2のプラズマ処理領域P1、P2以外の領域では高濃度の領域Qが大きく占めているが、第1及び第2のプラズマ処理領域P1、P2内では、低濃度の領域Vが大半を占めている。これは、Arガスをパージガスとして供給している分離領域DのArガスによるガス隔離性に問題が無いことを示している。つまり、Arガス濃度にも領域差が出ており、ガス隔離性の高さを示している。よって、分離領域Dのガス隔離性に問題が無いことが、Ar質量濃度の観点から示された。
このように、本実施形態に係るプラズマ処理装置は、高いガスの隔離能力を有し、よって、混合すると問題が発生し得るHガスとNFガスを同時に処理容器1内に供給することができ、ALEと微量の改質処理を周期的に行って、効果的に膜中のフッ素成分を除去又は低減できる。これにより、高品質の膜質を保ちつつエッチングを行うことができる。
なお、本実施形態に係るプラズマ処理装置及びプラズマ処理方法は、SiO膜にエッチング処理を施す例を挙げて説明したが、SiN膜、TiN膜を含む種々の膜に対してエッチング処理が可能である。
また、エッチング処理のみならず、2種類の異なるプラズマ処理が必要なプロセスであれば、好適に本実施形態に係るプラズマ処理装置及びプラズマ処理方法を適用することができ、例えば、成膜工程や、成膜工程とエッチング工程の双方を交互に行う凹形状パターンへの膜の埋め込み等、種々のプロセスに適用することが可能である。
以上、本発明の好ましい実施形態について詳説したが、本発明は、上述した実施形態に制限されることはなく、本発明の範囲を逸脱することなく、上述した実施形態に種々の変形及び置換を加えることができる。
1 処理容器
2 回転テーブル
24 凹部
31、32 プラズマガスノズル
41、42 分離ガスノズル
80、130 プラズマ発生器
90、140 筐体
P1、P2 プラズマ処理領域
D 分離領域

Claims (16)

  1. 処理容器と、
    該処理容器内に設けられ、基板を上面に載置可能な回転テーブルと、
    該回転テーブルの周方向における所定箇所に設けられ、第1のプラズマガスから第1のプラズマを発生させて第1のプラズマ処理を行う第1のプラズマ処理領域と、
    該第1のプラズマ処理領域と前記周方向において離間して設けられ、第2のプラズマガスから第2のプラズマを発生させて第2のプラズマ処理を行う第2のプラズマ処理領域と、
    前記周方向において前記第1のプラズマ処理領域と前記第2のプラズマ処理領域との間の2つの間隔領域の各々に設けられ、前記第1のプラズマ処理領域と前記第2のプラズマ処理領域とを分離して前記第1のプラズマガスと前記第2のプラズマガスとの混合を防止する2つの分離領域と、を有し、
    前記第1のプラズマ処理領域はエッチング処理を行う領域であり、
    前記第2のプラズマ処理領域は該エッチング処理後の改質処理を行う領域であるプラズマ処理装置。
  2. 前記第1のプラズマ処理領域には、前記第1のプラズマガスを供給する第1のプラズマガスノズルが設けられ、
    前記第2のプラズマ処理領域には、前記第2のプラズマガスを供給する第2のプラズマガスノズルが設けられ、
    前記分離領域には、分離ガスを供給する分離ガスノズルが設けられた請求項1に記載のプラズマ処理装置。
  3. 前記第1のプラズマ処理領域及び前記第2のプラズマ処理領域は、前記処理容器の天井面から前記回転テーブルに向かって突出し、前記第1のプラズマ及び前記第2のプラズマの流出を防ぐ側壁を各々有する請求項に記載プラズマ処理装置。
  4. 前記分離領域は、前記処理容器の天井面から前記回転テーブルに向かって突出して下面と前記回転テーブルの上面との間に狭い空間を形成する凸状部と、前記下面よりも高い面を有して前記分離ガスノズルを収容する溝とを有し、
    前記分離ガスノズルからの前記分離ガスの供給により、前記第1のプラズマガスと前記第2のプラズマガスとの混合を防ぐ請求項2又は3に記載のプラズマ処理装置。
  5. 前記第1のプラズマ処理領域には、前記第1のプラズマガスとしてフッ素含有ガスが供給され、
    前記第2のプラズマ処理領域には、前記第2のプラズマガスとして水素ガス含有ガスが供給され、
    前記分離領域には、前記分離ガスとして希ガス又は窒素ガスが供給される請求項乃至のいずれか一項に記載のプラズマ処理装置。
  6. 前記分離領域で前記周方向に区画された2つの領域は、前記処理容器の底面に各々排気口を有する請求項1乃至のいずれか一項に記載のプラズマ処理装置。
  7. 前記排気口は、前記第1のプラズマ処理領域及び前記第2のプラズマ処理領域の前記回転テーブルの回転方向下流側端部にそれぞれ設けられた請求項に記載のプラズマ処理装置。
  8. 前記回転テーブルは、前記上面に載置された前記基板を前記第1のプラズマ処理領域、前記分離領域、前記第2のプラズマ処理領域、前記分離領域の順で通過させる方向に回転可能な請求項1乃至7のいずれか一項に記載のプラズマ処理装置。
  9. 第1のプラズマガスから第1のプラズマを発生させて基板に第1のプラズマ処理を行う工程と、
    前記第1のプラズマ処理が行われた前記基板をパージガスによりパージする工程と、
    第2のプラズマガスから第2のプラズマを発生させて前記パージされた前記基板に第2のプラズマ処理を行う工程と、
    前記第2のプラズマ処理が行われた前記基板を前記パージガスによりパージする工程と、からなるサイクルを同一周期で複数回繰り返すことにより、前記基板に2種類のプラズマ処理を交互に行うプラズマ処理方法であって、
    前記第1のプラズマ処理はエッチング処理であり、
    前記第2のプラズマ処理は該エッチング処理後の改質処理であるプラズマ処理方法
  10. 前記基板の表面上には膜が成膜されており、
    前記エッチング処理は該膜をエッチングする処理であり、
    前記改質処理は前記エッチング処理が行われた該膜を改質する処理である請求項に記載のプラズマ処理方法。
  11. 前記エッチング処理は、前記膜を分子層レベルでエッチングする微量の処理であり、
    前記改質処理は、エッチング処理された前記膜の表面を分子層レベルで改質する微量の処理である請求項10に記載のプラズマ処理方法。
  12. 前記第1のプラズマガスはフッ素含有ガスであり、
    前記第2のプラズマガスは水素含有ガスであり、
    前記パージガスは希ガス又は窒素ガスである請求項乃至11のいずれか一項に記載のプラズマ処理方法。
  13. 前記サイクルに要する時間は0秒より大きく30秒以下である請求項乃至12のいずれか一項に記載のプラズマ処理方法。
  14. 前記サイクルに要する時間は0.25秒以上12秒以下である請求項13に記載のプラズマ処理方法。
  15. 処理容器内に設けられた回転テーブル上に該回転テーブルの周方向に沿って複数の基板を載置し、前記処理容器内に前記回転テーブルの回転方向に沿って前記第1のプラズマ処理を行う第1のプラズマ処理領域、前記第1のプラズマ処理が行われた基板を前記パージガスによりパージするパージ領域、前記第2のプラズマ処理を行う第2のプラズマ処理領域、前記第2のプラズマ処理が行われた基板を前記パージガスによりパージする前記パージ領域を順に配置し、前記回転テーブルを所定速度で回転させることにより前記サイクルを前記同一周期で複数回繰り返す請求項乃至14のいずれか一項に記載のプラズマ処理方法。
  16. 前記第1のプラズマ処理領域と前記第2のプラズマ処理領域は、前記パージ領域により分離され、
    前記第1のプラズマ処理が行われた基板を前記パージガスによりパージする工程により前記第1のプラズマ処理を行う工程中における前記第2のプラズマガスの混入を防止し、
    前記第2のプラズマ処理が行われた基板を前記パージガスによりパージする工程により前記第2のプラズマ処理を行う工程中における前記第1のプラズマガスの混入を防止する請求項15に記載のプラズマ処理方法。
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