JP7486442B2

JP7486442B2 - プラズマ処理装置およびプラズマ処理方法

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Publication number: JP7486442B2
Application number: JP2021007232A
Authority: JP
Inventors: 崇央進藤; 清一岡本; 洋大友; 貴倫菊地; 龍夫松土; 靖森田; 隆佐久間
Original assignee: Tokyo Electron Ltd
Current assignee: Tokyo Electron Ltd
Priority date: 2020-07-14
Filing date: 2021-01-20
Publication date: 2024-05-17
Anticipated expiration: 2041-01-20
Also published as: JP2022018062A

Description

本開示は、プラズマ処理装置およびプラズマ処理方法に関する。

半導体ウエハ等の基板に対する処理としてプラズマ処理が多用されている。特許文献１には、真空容器と、真空容器内で基板を載置し、高周波電源が接続される基板電極と、真空容器に設置されたアース電極とを有し、基板電極とアース電極との間にプラズマを生成させるプラズマ処理装置が開示されている。また、特許文献１には、基板電極にダイオードを含む電位調整機構を接続することが記載されている。

特開２０００－３０６８９１号公報

本開示は、基板へのイオン衝撃を抑制しつつ、効率良くプラズマを生成してプラズマ処理を行うことができるプラズマ処理装置およびプラズマ処理方法を提供する。

本開示の一態様に係るプラズマ処理装置は、基板に対してプラズマ処理を施すプラズマ処理装置であって、処理容器と、前記処理容器内に設けられ、基板が載置される基板載置台と、前記基板載置台に含まれる接地された下部電極と、前記下部電極に対向して設けられた上部電極と、処理ガスを前記上部電極と前記下部電極との間に供給するガス供給部と、前記上部電極に高周波電力を印加して前記処理ガスのプラズマを生成する高周波電源と、前記高周波電源と前記上部電極の間に設けられ、上部電極に印加される高周波電圧のうち正電圧を抑制するように高周波電源の電圧波形を整形する電圧波形整形部と、を備える。

本開示によれば、基板へのイオン衝撃を抑制しつつ、効率良くプラズマを生成してプラズマ処理を行うことができるプラズマ処理装置およびプラズマ処理方法が提供される。

第１の実施形態に係るプラズマ処理装置を概略的に示す断面図である。一般的な容量結合プラズマ処理装置において、上部電極が０Ｖの瞬間のプラズマ電位を示す図である。一般的な容量結合プラズマ処理装置において、上部電極が１００Ｖの瞬間のプラズマ電位を示す図である。一般的な容量結合プラズマ処理装置における上部電極に印加される電圧波形を示す図である。一般的な容量結合プラズマ処理装置における概算シース電圧を示す図である。図１のプラズマ処理装置と一般的な容量結合プラズマ処理装置の上部電極電圧波形を示す図である。図１のプラズマ処理装置と一般的な容量結合プラズマ処理装置のイオンを加速する概算シース電圧を示す図である。図１のプラズマ処理装置と一般的な容量結合プラズマ処理装置における、高周波電源の出力パワーが１００Ｗのときのイオンのエネルギー分布を示す図である。図１のプラズマ処理装置と一般的な容量結合プラズマ処理装置における、高周波電源の出力パワーが５００Ｗのときのイオンのエネルギー分布を示す図である。図１のプラズマ処理装置においてプラズマを励起した場合の生成されるプラズマとガスの流れを示す図である。一般的な容量結合プラズマ処理装置においてプラズマを励起した場合の生成されるプラズマとガスの流れを示す図である。下部電極に高周波電源を接続し下部電極側に電圧波形整形部を設けたプラズマ処理装置においてプラズマを励起した場合の生成されるプラズマとガスの流れを示す図である。第２の実施形態に係るプラズマ処理装置を概略的に示す断面図である。一般的な容量結合プラズマ処理装置の上部電極の電圧波形と、電圧波形整形部のスイッチング素子を適切に開閉した場合の上部電極の電圧波形とを示す図である。第３の実施形態に係るプラズマ処理装置を概略的に示す断面図である。図１５のプラズマ処理装置における上部電極の電圧波形を示す図である。図１５のプラズマ処理装置におけるシース電圧を示す図である。第３の実施形態のプラズマ処理装置における他の例の電圧波形整形部を示す図である。第４の実施形態に係るプラズマ処理装置を概略的に示す断面図である。第４の実施形態のプラズマ処理装置における他の例の電圧波形整形部を示す図である。第５の実施形態に係るプラズマ処理装置を概略的に示す断面図である。第５の実施形態のプラズマ処理装置における他の例の電圧波形整形部を示す図である。第６の実施形態に係るプラズマ処理装置を示す断面図である。電圧波形整形部を用いた図２３のプラズマ処理装置と電圧波形整形部を用いないプラズマ処理装置における、Ｓｉ上にＴｉ膜を成膜したときの成膜時間と膜厚との関係を示す図である。電圧波形整形部を用いた図２３のプラズマ処理装置と電圧波形整形部を用いないプラズマ処理装置における、ＳｉＮ上にＴｉ膜を成膜したときの成膜時間と膜厚との関係を示す図である。電圧波形整形部を用いた図２３のプラズマ処理装置と電圧波形整形部を用いないプラズマ処理装置における、Ｓｉ上とＳｉＮ上でのＴｉ膜の膜厚の選択比（Ｓｉ／ＳｉＮ選択比）の平均値を示す図である。第７の実施形態に係るプラズマ処理装置を示す断面図である。連続波の高周波電力を印加した際の上部電圧波形を示す図である。パルス状の高周波電力を印加した際の上部電極波形を示す図であり、（ａ）はデューティ比が３０％、（ｂ）はデューティ比が５０％、（ｃ）はデューティ比が８０％の場合である。第８の実施形態に係るプラズマ処理装置を示す断面図である。電圧波形整形部を用いた図３０のプラズマ処理装置と電圧波形整形部を用いないプラズマ処理装置における、上部電極の電圧波形を示す図である。電圧波形整形部を用いた図３０のプラズマ処理装置と電圧波形整形部を用いないプラズマ処理装置における、各ウエハ位置（Ｘ方向およびＹ方向）におけるエッチングレートを示す図である。電圧波形整形部を用いた図３０のプラズマ処理装置と電圧波形整形部を用いないプラズマ処理装置における、高周波パワーと電子密度（平均値）との関係を示す図である。

以下、添付図面を参照して実施形態について説明する。

＜第１の実施形態＞
まず、基本的な実施形態である第１の実施形態について説明する。
図１は第１の実施形態に係るプラズマ処理装置を概略的に示す断面図である。
プラズマ処理装置１００は、基板Ｗに対してプラズマ処理を行うものであり、容量結合プラズマ処理装置として構成されている。基板Ｗとしては、例えば半導体ウエハを挙げることができるが、これに限定されない。

プラズマ処理装置１００は、略円筒状の金属製の処理容器１を有している。処理容器１は接地されている。処理容器１の内部には、基板Ｗを水平に載置するための基板載置台２が設けられている。基板載置台２は接地された下部電極を含んでいる。図示の例では、基板載置台２が金属製であり、基板載置台２が下部電極として機能し、基板載置台２は接地されている。基板載置台２は絶縁体で構成されていてもよく、その場合は、基板載置台２は金属製の接地された下部電極が埋設された構成をとることができる。

基板載置台２には、プラズマ処理に応じて、加熱機構または冷却機構を有していてもよい。また基板載置台２には、その上面に対し突没可能に複数の昇降ピン（図示せず）が挿通されており、昇降機構（図示せず）による複数の昇降ピンの昇降動作により、基板載置台２に対する基板Ｗの授受が行われるようになっている。

処理容器１の上部には、開口が形成されており、開口には絶縁部材９を介してシャワーヘッド１０が基板載置台２に対向するように嵌め込まれている。シャワーヘッド１０は金属製であり、全体形状が円筒状をなし、上部電極を含んでいる。図示の例ではシャワーヘッド１０自体が上部電極として機能するが、シャワーヘッド１０の一部が上部電極であってもよい。シャワーヘッド１０は、下部に開口を有する本体部１１と、本体部１１の開口を塞ぐように設けられたシャワープレート１２とを有し、これらの間の内部空間はガス拡散空間として機能する。シャワープレート１２には複数のガス吐出孔１３が形成されている。

シャワーヘッド１０にはガス導入孔１４が形成されており、ガス供給部２０から供給されたプラズマ処理のための処理ガスがガス導入孔１４を介してシャワーヘッド１０内に導入される。そして、シャワーヘッド１０内に導入された処理ガスがガス吐出孔１３から処理容器１内に吐出され、上部電極であるシャワーヘッド１０と下部電極である基板載置台２との間の空間に処理ガスが供給される。

ガス供給部２０は、プラズマ処理に必要な処理ガス、プラズマ生成ガス、パージガス等の複数のガスを供給する。処理ガスとしては、実施されるプラズマ処理に応じて適切なものが選択される。ガス供給部２０は、複数のガス供給源およびガス供給配管を有し、ガス供給配管には、バルブ類およびマスフローコントローラのような流量制御器が設けられている。

上部電極であるシャワーヘッド１０のほぼ中央には、給電ライン３１を介して高周波電源３０が接続されている。高周波電源３０としては、周波数が１０ｋＨｚ～６０ＭＨｚのものを用いることができる。高周波電源３０から上部電極であるシャワーヘッド１０に高周波電力が供給されることにより、上部電極であるシャワーヘッド１０と下部電極である基板載置台２との間に容量結合プラズマが生成される。

給電ライン３１の高周波電源３０下流側には整合器３２が接続されている。整合器３２は高周波電源３０の内部（または出力）インピーダンスに負荷インピーダンスを整合させるものである。

高周波電源３０と上部電極との間、より詳しくは給電ライン３１の整合器３２下流側部分には、上部電極に印加される高周波電圧のうち正電圧（プラス電圧）を抑制するように高周波電源の電圧波形を整形する電圧波形整形部３３が設けられている。本実施形態において、電圧波形整形部３３は、整合器３２の下流側に設けられたキャパシタ３４と、キャパシタ３４の下流側から分岐し、ダイオード３５を介して接地される接地回路３６とを有する。キャパシタ３４としては、高周波電源３０から見てインピーダンスが低くなる程度の十分な容量を有するものが用いられる。キャパシタ３４の代わりに、整合器３２のブロッキングキャパシタを用いてもよい。

電圧波形整形部３３は、キャパシタ３４による電荷を蓄える機能と、接地回路３６におけるダイオード３５の整流機能により、高周波電源３０がプラス電圧を出力した際に、電流がダイオード３５を通過して接地側に流れるように構成される。このとき、高周波電源３０が出力する電力はキャパシタ３４に蓄えられる。これにより、上部電極電圧がプラス側に大きく振れる現象をなくすことができ、プラズマ電位の上昇が抑制される。すなわち、電圧波形整形部３３を設けることにより、電圧波形整形部３３が存在しない場合よりもプラズマ電位を低減することができる。一方、高周波電源３０がマイナス電圧を出力した際には、高周波電源３０が出力する電力およびキャパシタ３４に蓄えられた電力はプラズマに投入される。この時の電力は上部電極のシースに投入されるため、基板Ｗへのイオン衝撃にはほとんど影響を与えない。

また、ダイオード３５を有する電圧波形整形部３３を設けた状態でプラズマを励起すると、上部電極であるシャワーヘッド１０の近傍に偏って高密度プラズマが生成される。このため、シャワーヘッド１０のガス吐出孔１３から吐出されたガスが確実に高密度プラズマ領域を通過し、供給されたガスが効率的にプラズマ化またはラジカル化されプロセス領域に供給される。

処理容器１の底壁には排気口４１が設けられており、排気口４１には排気管４２を介して排気装置４３が接続されている。排気装置４３は自動圧力制御バルブと真空ポンプを有し、排気装置４３により処理容器１内を排気するとともに、処理容器１内を所望の真空度に保持することが可能となっている。

図示していないが、処理容器１の側壁には、処理容器１に対して基板Ｗを搬入出するための搬入出口が設けられており、この搬入出口はゲートバルブで開閉するように構成されている。

プラズマ処理装置１００の構成部であるガス供給部２０のバルブ類や流量制御器、高周波電源等は、制御部５０により制御される。制御部５０は、ＣＰＵを有する主制御部と、入力装置、出力装置、表示装置、および記憶装置とを有している。そして、記憶装置の記憶媒体に記憶された処理レシピに基づいてプラズマ処理装置１００の処理が制御される。

次に、以上のように構成されたプラズマ処理装置１００における動作について説明する。
まず、ゲートバルブを開にして搬送装置（図示せず）により基板Ｗを搬入出口を介して処理容器１内に搬入し、基板載置台２上に載置する。搬送装置を退避させた後、ゲートバルブを閉じる。

次いで、処理容器１を調圧した後、処理容器１内に処理ガスを導入しつつ、高周波電源３０から高周波電力を上部電極であるシャワーヘッド１０に供給する。これにより、上部電極であるシャワーヘッド１０と下部電極である基板載置台２との間に高周波電界が形成され、これらの間に容量結合プラズマが生成される。

このとき、一般的な容量結合プラズマ処理装置では、下部電極が接地されている場合、プラズマ電位は上部電極電位に大きく依存する。図２に示すように、上部電極が０Ｖの瞬間ではプラズマ電位がαＶであったものが、図３に示すように、上部電極が１００Ｖの瞬間では、プラズマ電位は１００＋αＶ程度となる。

プラズマ中のイオンは基板上面のシース電圧（プラズマ電位と基板電位の差分）で加速され、基板Ｗへ流入する。上部電極には図４に示すような正弦波が印加されるが、生成されるプラズマの強度を高くするため、高周波電源３０より印加される電力を高くすると、プラス側にも高い電圧がかかる。このため、図５に示すように、プラス側の部分でプラズマ電位が引き上げられてシース電圧が高くなり、イオンの加速度が大きくなって基板Ｗへのイオン衝撃が強くなってしまう。

そこで、本実施形態では、整合器３２下流側部分に、上部電極に印加される高周波電圧のうち正電圧（プラス電圧）を抑制するように高周波電源の電圧波形を整形する電圧波形整形部３３を設ける。

本実施形態では、電圧波形整形部３３は、具体的には、キャパシタ３４による電荷を蓄える機能と、接地回路３６のダイオード３５の整流機能により、以下のように動作する。まず、高周波電源３０がプラス電圧を出力した際には、電流はダイオード３５を通過して接地側に流れる。このとき、高周波電源３０が出力する電力はキャパシタ３４に蓄えられる。これにより、上部電極電圧がプラス側に大きく振れる現象をなくすことができ、プラズマ電位の上昇が抑制される。このため、基板Ｗに対するイオンの衝撃を低減できる。一方、高周波電源３０がマイナス電圧を出力した際には、高周波電源３０が出力する電力およびキャパシタ３４に蓄えられた電力はプラズマに投入される。この時の電力は上部電極のシースに投入されるため、基板Ｗへのイオン衝撃にはほとんど影響を与えない。

図６は、電圧波形整形部３３を設けた図１のプラズマ処理装置と電圧波形整形部３３を設けない一般的な容量結合プラズマ処理装置の上部電極電圧波形を示す図である。この図に示すように、電圧波形整形部３３を設けることにより、電圧波形整形部３３を設けない場合に生じていた、上部電極電圧がプラス側に大きく振れる現象をなくすことができ、プラズマ電位の上昇が抑制されることがわかる。これにより、基板Ｗに対するイオンの衝撃を抑制することができる。すなわち、プラズマの強度の制御と基板Ｗに対するイオンの衝撃の抑制とを独立して行うことができる。

図７は、電圧波形整形部３３を設けた図１のプラズマ処理装置と電圧波形整形部３３を設けない一般的な容量結合プラズマ処理装置のイオンを加速するシース電圧を簡易的な計算で導出した結果を示す図である。この図に示すように、電圧波形整形部３３を設けることによりシース電圧が０Ｖ近傍まで低下し、基板Ｗに対するイオンの衝撃を低減できることがわかる。

次に、電圧波形整形部３３を設けた図１のプラズマ処理装置と電圧波形整形部３３を設けない一般的な容量結合プラズマ処理装置のイオンエネルギーを実測した結果について説明する。図８は高周波電源３０の出力パワーが１００Ｗのときのイオンのエネルギー分布を示し、図９は高周波電源３０の出力パワーが５００Ｗのときのイオンのエネルギー分布を示す。これらの図に示すように、電圧波形整形部３３を設けることにより、イオンエネルギーが低減することが実際の評価でも確認された。

また、ダイオード３５を有する電圧波形整形部３３を設けた状態でプラズマを励起すると、上部電極がプラス側に振れないため、図１０に示すように、高密度プラズマ領域Ｐは上部電極であるシャワーヘッド１０近傍に偏って生成される。このため、シャワーヘッド１０のガス吐出孔１３から吐出されたガスが確実に高密度プラズマ領域Ｐを通過し、供給されたガスが効率的にプラズマ化またはラジカル化されプロセス領域に供給される。また、高周波電源３０からの電力は、シャワーヘッド１０の近傍に偏って生成された高プラズマ領域Ｐに投入されるので、電力面でも高効率である。

これに対し、電圧波形整形部３３を設けない場合は、図１１に示すように、上部電極近傍の高密度プラズマ領域Ｐの他、下部電極である基板載置台２側にも高密度プラズマ領域Ｐ´が生成され、投入される電力は高密度プラズマ領域Ｐと高密度プラズマ領域Ｐ´に分散される。このため、シャワーヘッド１０のガス吐出孔１３から吐出されたガスが確実に通過する上部電極近傍の高密度プラズマ領域Ｐの密度は、電圧波形整形部３３を設けた場合に比べ低減してしまう。したがって、ラジカル生成の効率が低下してしまう。

さらに、図１２に示すように、特許文献１と同様、下部電極である基板載置台２に高周波電源３０´を接続し、下部電極側の整合器３２´の下流側にキャパシタ３４´およびダイオード３５´を介して接地される接地回路３６´を有する電圧波形整形部３３´を設けた場合には、基板載置台２側に偏ってプラズマＰ´のみが生成される。このため、一部のガスは高密度プラズマ領域Ｐ´と接することなくプロセス空間から排気されるため、ラジカル生成の効率が低下してしまう。

以上のように、本実施形態では、基板Ｗへのイオン衝撃を抑制しつつ、効率良くプラズマを生成してプラズマ処理を行うことができる。

＜第２の実施形態＞
次に、第２の実施形態について説明する。
図１３は、第２の実施形態に係るプラズマ処理装置を概略的に示す断面図である。
第２の実施形態に係るプラズマ処理装置１０１は、第１の実施形態に係るプラズマ処理装置１００と同様、基本的な実施形態である。本実施形態のプラズマ処理装置１０１は、第１の実施形態の電圧波形整形部３３の代わりに、構造が異なる電圧波形整形部３３１を設けた点のみがプラズマ処理装置１００とは異なっている。したがって、図１３中、図１と同じものには同じ符号を付して説明を省略する。

電圧波形整形部３３１は、給電ライン３１の整合器３２下流側部分に設けられ、上部電極に印加される高周波電圧のうち正電圧（プラス電圧）を抑制するように高周波電源の電圧波形を整形する機能を有する。本実施形態においては、電圧波形整形部３３１は、整合器３２の下流側に設けられたキャパシタ３４と、キャパシタ３４の下流側から分岐し、スイッチング素子３７を介して接地される接地回路３６１とを有する。すなわち、本実施形態では、上部電極に正電圧が印加された際に選択的に接地側へ電流を流す機能を有する素子として、第１の実施形態のダイオード３５の代わりにスイッチング素子３７が設けられている。キャパシタ３４として、整合器３２のブロッキングキャパシタを用いてもよい。また、スイッチング素子３７は、メカニカルリレーでも、トランジスター等の半導体スイッチでもよい。

電圧波形整形部３３１は、キャパシタ３４による電荷を蓄える機能と、接地回路３６１におけるスイッチング素子３７の開閉機能により、高周波電源３０がプラス電圧を出力した際に、電流が接地側に流れるようにすることができる。すなわち、スイッチング素子３７を例えば電圧波形が０Ｖに近づいた時点で開閉し、高周波電源３０がプラス電圧を出力した際に電流が接地側に流れるようにすることにより、第１の実施形態におけるダイオード３５と同じ機能を持たせることができる。このとき、高周波電源３０が出力する電力はキャパシタ３４に蓄えられる。これにより、上部電極電圧がプラス側に大きく振れる現象をなくすことができ、プラズマ電位の上昇が抑制される。一方、高周波電源３０がマイナス電圧を出力した際には、高周波電源３０が出力する電力およびキャパシタ３４に蓄えられた電力はプラズマに投入される。この時の電力は上部電極のシースに投入されるため、基板Ｗへのイオン衝撃にはほとんど影響を与えない。

図１４は、（ａ）電圧波形整形部３３１を設けない一般的な容量結合プラズマ処理装置の上部電極の電圧波形と、（ｂ）電圧波形整形部３３１のスイッチング素子３７を適切に開閉した場合の上部電極の電圧波形とを示す図である。この図に示すように、電圧波形整形部３３１のスイッチング素子３７を適切に開閉することにより、上部電極電圧がプラス側に大きく振れる現象をなくすことができ、プラズマ電位の上昇が抑制されることがわかる。これにより、基板Ｗに対するイオンの衝撃を抑制することができる。

また、本実施形態においても、第１の実施形態と同様、供給されたガスが効率的にプラズマ化またはラジカル化されプロセス領域に供給される。

＜第３の実施形態＞
次に、第３の実施形態について説明する。
図１５は、第３の実施形態に係るプラズマ処理装置を概略的に示す断面図である。
第３の実施形態に係るプラズマ処理装置１０２は、第１の実施形態の電圧波形整形部３３の代わりに、上部電極に印加される電圧を調整する電圧調整部としてツェナーダイオード３８１を有する電圧波形整形部３３２を設けた点のみが第１の実施形態のプラズマ処理装置１００とは異なっている。したがって、図１５中、図１と同じものには同じ符号を付して説明を省略する。

電圧波形整形部３３２は、給電ライン３１の整合器３２下流側部分に設けられ、上部電極に印加される高周波電圧のうち正電圧（プラス電圧）を抑制しつつ、上部電極の正電圧の上限が任意に決定された電圧波形になるように電圧波形を整形する機能を有する。本実施形態において、電圧波形整形部３３２は、整合器３２の下流側に設けられたキャパシタ３４と、キャパシタ３４の下流側から分岐する接地回路３６２とを有する。接地回路３６２は、ダイオード３５およびダイオード３５と直列に設けられた電圧調整部としてのツェナーダイオード３８１を有し、これらを介して接地される。

ツェナーダイオード３８１は、電圧が一定値（ツェナー電圧Ｖｚ）になると、それ以上電圧がかからないように電流を流し始める機能を有するものである。この機能により、ダイオード３５の機能を緩和して、上部電極（シャワーヘッド１０）の正側（プラス側）電圧の上限を任意に決めることができる。すなわち、ツェナー電圧Ｖｚを調整することにより、上部電極に印加される正電圧を任意に変化させて、プラズマ電位を調整し、基板Ｗに供給されるイオンエネルギーを適度に調整することができる。

図１６は、図１５のダイオード３５およびツェナーダイオード３８１を設けた接地回路３６２を有するプラズマ処理装置において、ツェナーダイオード３８１としてツェナー電圧Ｖｚが３９Ｖのものを用いた場合における上部電極の電圧波形を示す図である。この図に示すように、ダイオード３５およびツェナーダイオード３８１を有する接地回路３６２を用いることにより、上部電極の正側（プラス側）の最大電圧をツェナー電圧Ｖｚ程度にできることがわかる。

図１７は、図１５のプラズマ処理装置において、イオンを加速するシース電圧を簡易的な計算で導出した結果を示す図である。この図に示すように、ダイオード３５およびツェナーダイオード３８１を設けた接地回路３６２を有する電圧波形整形部３３２を設けることによりシース電圧がツェナー電圧Ｖｚの近傍の値をとり、基板Ｗに対するイオンエネルギーを調整できることがわかる。

また、本実施形態においても、上部電極のプラス側の電圧が抑制される効果を有するため、供給されたガスが効率的にプラズマ化またはラジカル化されるという効果が維持される。

本実施形態において、異なるツェナー電圧に切替可能にして上部電極の正側電圧の上限値を切り替え可能にした電圧波形整形部３３３としてもよい。図１８は、そのような電圧波形整形部３３３を示す図である。電圧波形整形部３３３は、ダイオード３５の下流側に、スイッチ３９により切替可能な、ツェナー電圧が異なる接地された複数の線路を有する接地回路３６３を有する。本例では、複数の線路として、ツェナーダイオードを設けない（Ｖｚ＝０）第１の線路３８２ａ、第１のツェナーダイオード３８１ａ（Ｖｚ＝４０）を設けた第２の線路３８２ｂ、第２のツェナーダイオード３８１ｂ（Ｖｚ＝８０）を設けた第３の線路３８２ｃ、第３のツェナーダイオード３８１ｃ（Ｖｚ＝１２０）を設けた第３の線路３８２ｄを有する。なお、ここでの各線路のツェナー電圧Ｖｚは例示であって、これらに限定されるものではない。

このように、各線路にツェナー電圧Ｖｚが異なるツェナーダイオードを設けてスイッチにより切り替えるようにすることにより、上部電極（シャワーヘッド１０）の正側電圧の上限を複数段階に切り替えることができる。これにより、スイッチの切り替えのみで、基板Ｗに供給されるイオンエネルギーを制御することができる。

なお、本実施形態において、ダイオード３５の代わりに第２の実施形態のスイッチング素子を用いてもよい。

＜第４の実施形態＞
次に、第４の実施形態について説明する。
図１９は、第４の実施形態に係るプラズマ処理装置を概略的に示す断面図である。
第４の実施形態に係るプラズマ処理装置１０３は、電圧調整部として抵抗３８３を有する電圧波形整形部３３４を設けた点のみが第１の実施形態のプラズマ処理装置１００とは異なっている。したがって、図１９中、図１と同じものには同じ符号を付して説明を省略する。

電圧波形整形部３３４は、給電ライン３１の整合器３２下流側部分に設けられ、上部電極に印加される高周波電圧のうち正電圧（プラス電圧）を抑制しつつ、上部電極の正電圧の上限が任意に決定された電圧波形になるように電圧波形を整形する機能を有する。本実施形態において、電圧波形整形部３３４は、整合器３２の下流側に設けられたキャパシタ３４と、キャパシタ３４の下流側から分岐する接地回路３６４とを有する。接地回路３６４は、ダイオード３５およびダイオード３５と直列に設けられた電圧調整部としての抵抗３８３を有し、これらを介して接地される。

抵抗３８３により、上部電極（シャワーヘッド１０）の正側（プラス側）電圧の上限を任意に決めることができる。すなわち、抵抗３８３の抵抗値を調整することにより、上部電極に印加される正電圧を任意に変化させて、プラズマ電位を調整し、基板Ｗに供給されるイオンエネルギーを適度に調整することができる。これにより、プラズマ処理に応じて、基板Ｗに対し適度な量のイオンを供給することができる。

本実施形態において、抵抗を可変抵抗にしてもよい。図２０は、抵抗３８３の代わりに可変抵抗３８４を設けた接地回路３６５を有する電圧波形整形部３３５を示す図である。このように可変抵抗３８４を設けることによりその抵抗値を切り替えるのみで、基板Ｗに供給されるイオンエネルギーを制御することができる。

＜第５の実施形態＞
次に、第５の実施形態について説明する。
図２１は、第５の実施形態に係るプラズマ処理装置を概略的に示す断面図である。
第５の実施形態に係るプラズマ処理装置１０４は、電圧調整部として電源３８５を有する電圧波形整形部３３６を設けた点のみが第１の実施形態のプラズマ処理装置１００とは異なっている。したがって、図２１中、図１と同じものには同じ符号を付して説明を省略する。

電圧波形整形部３３６は、給電ライン３１の整合器３２下流側部分に設けられ、上部電極に印加される高周波電圧のうち正電圧（プラス電圧）を抑制しつつ、上部電極の正電圧の上限が任意に決定された電圧波形になるように電圧波形を整形する機能を有する。本実施形態において、電圧波形整形部３３６は、整合器３２の下流側に設けられたキャパシタ３４と、キャパシタ３４の下流側から分岐する接地回路３６６とを有する。接地回路３６６は、ダイオード３５およびダイオード３５と直列に設けられた電圧調整部としての電源３８５を有し、これらを介して接地される。本例では電源３８５として直流電源を設けている。

電源３８５により、上部電極（シャワーヘッド１０）の正側（プラス側）電圧の上限を任意に決めることができる。すなわち、電源３８５の電圧を調整することにより、上部電極に印加される正電圧を任意に変化させて、プラズマ電位を調整し、基板Ｗに供給されるイオンエネルギーを適度に調整することができる。

本実施形態において、電源を可変電源にしてもよい。図２２は、電源３８５の代わりに可変電源３８６を設けた接地回路３６７を有する電圧波形整形部３３７を示す図である。このように可変電源３８６を設けることにより、その抵抗値を切り替えるのみで、基板Ｗに供給されるイオンエネルギーを制御することができる。

＜第６の実施形態＞
次に、具体的な実施形態である第６の実施形態について説明する。
本実施形態では、第１の実施形態に示した基本的構造のプラズマ処理装置を成膜装置に適用した例を示す。

図２３は、第６の実施形態に係るプラズマ処理装置を示す断面図である。
プラズマ処理装置１０５は、基板Ｗに対してプラズマＣＶＤによりＴｉ膜を成膜するプラズマＣＶＤ装置であり、容量結合プラズマ処理装置として構成されている。基板Ｗとしては、例えば半導体ウエハを挙げることができるが、これに限定されない。

プラズマ処理装置１０５は、略円筒状をなす金属製の処理容器１１１を有している。処理容器１１１は、本体の底壁１１１ｂの中央部に形成された円形の穴１５０を覆うように下方に向けて突出する排気室１５１を有している。排気室１５１の側面には排気管１５２が接続されており、この排気管１５２には自動圧力制御バルブおよび真空ポンプを有する排気装置１５３が設けられている。この排気装置１５３により、処理容器１１１内を排気するとともに、処理容器１１１内を所望の真空度に保持することが可能となっている。

処理容器１１１の側壁には、処理容器１１１に対して基板Ｗを搬入出するための搬入出口１５７が設けられており、この搬入出口１５７はゲートバルブ１５８で開閉するように構成されている。

処理容器１１１の内部には、基板Ｗを水平に載置するための基板載置台１１２が設けられている。基板載置台１１２は、Ｎｉ等の金属で構成された本体１１３と、その内部に設けられた下部電極１１４およびヒーター１１５とを有している。下部電極１１４は接地されている。ヒーター１１５はヒーター電源１１６から給電されることにより発熱し、載置された基板Ｗを所望の温度に加熱する。基板載置台１１２は、本体１１３の下部中央から下方に延びる円筒状の支持部材１１７により支持されており、支持部材１１７は絶縁部材１１８を介して排気室１５１の底壁に取り付けられている。

処理容器１１１の天壁１１１ａには、開口が形成されており、開口には絶縁部材１１９を介してシャワーヘッド１２０が基板載置台１１２に対向するように嵌め込まれている。シャワーヘッド１２０は金属製であり、全体形状が円筒状をなし、上部電極を含んでいる。図示の例ではシャワーヘッド１２０自体が上部電極として機能するが、シャワーヘッド１２０の一部が上部電極であってもよい。シャワーヘッド１２０は、ベース部材１２１とシャワープレート１２２とを有しており、シャワープレート１２２は円板状をなし、その外周にはフランジ部１２２ａが形成されており、フランジ部１２２ａは円環状をなす中間部材１２３を介してベース部材１２１にねじ止めされている。そして、ベース部材１２１とシャワープレート１２２との間にガス拡散空間１２４が形成されている。ベース部材１２１はその外周にフランジ部１２１ａが形成されており、このフランジ部１２１ａが絶縁部材１１９に支持されている。シャワープレート１２２には複数のガス吐出孔１２５が形成されている。ベース部材１２１の上部中央付近には一つのガス導入孔１２６が形成されている。ガス導入孔１２６には、後述するガス供給部１３０に接続されたガス配管１３０ａが接続され、ガス供給部１３０から供給された処理ガスがシャワーヘッド１２０を介して処理容器１１１内にシャワー状に導入される。すなわち、上部電極であるシャワーヘッド１２０と下部電極１１４を含む基板載置台１１２との間の空間に処理ガスが供給される。

また、シャワーヘッド１２０のベース部材１２１には、シャワーヘッド１２０を加熱するためのヒーター１４７が設けられている。このヒーター１４７はヒーター電源（図示せず）から給電され、シャワーヘッド１２０を所望の温度に加熱する。ベース部材１２１の上部に形成された凹部には断熱部材１４９が設けられている。

ガス供給部１３０は、ＴｉＣｌ_４ガス、Ａｒガス、およびＨ_２ガスを個別的に供給する複数のガス供給源と、これら複数のガス供給源から各ガスを供給するための複数のガス供給配管とを有している。各ガス供給配管には、開閉バルブと、マスフローコントローラのような流量制御器とが設けられており（いずれも図示せず）、これらにより、上記ガスの供給・停止および各ガスの流量制御を行うことができるようになっている。これらガスの他にＮ_２ガスやＮＨ_３ガス等の他のガスを含んでいてもよい。

上部電極であるシャワーヘッド１２０には、第１の実施形態と同様、給電ライン３１を介して高周波電源３０が接続されている。高周波電源３０としては、周波数が１０ｋＨｚ～６０ＭＨｚのものを用いることができる。高周波電源３０から上部電極であるシャワーヘッド１２０に高周波電力が供給されることにより、上部電極であるシャワーヘッド１２０と基板載置台１１２に含まれる下部電極１１４との間に容量結合プラズマが生成される。給電ライン３１の高周波電源３０下流側には整合器３２が接続されている。

第１の実施形態と同様、給電ライン３１の整合器３２下流側部分には、上部電極に印加される高周波電圧のうち正電圧（プラス電圧）を抑制するように高周波電源の電圧波形を整形する電圧波形整形部３３が設けられている。電圧波形整形部３３は、整合器３２の下流側に設けられたキャパシタ３４と、キャパシタ３４の下流側から分岐し、ダイオード３５を介して接地される接地回路３６とを有する。キャパシタ３４としては、高周波電源３０から見てインピーダンスが低くなる程度の十分な容量を有するものが用いられる。キャパシタ３４の代わりに、整合器３２のブロッキングキャパシタを用いてもよい。

電圧波形整形部３３は、第１の実施形態と同様、キャパシタ３４による電荷を蓄える機能と、接地回路３６におけるダイオード３５の整流機能により、高周波電源３０がプラス電圧を出力した際に、電流がダイオード３５を通過して接地側に流れるように構成される。これにより、プラズマ電位の上昇が抑制され、基板Ｗに対するイオンの衝撃が抑制される。

プラズマ処理装置１０５の構成部であるガス供給部１３０のバルブ類や流量制御器、高周波電源等は、制御部１６０により制御される。制御部１６０は、第１の実施形態の制御部５０と同様に構成される。

次に、以上のように構成されたプラズマ処理装置１０５における動作について説明する。

まず、ゲートバルブ１５８を開にして、基板Ｗを、搬入出口１５７を介して処理容器１１１内へ搬入し、予め定められた温度に保持された基板載置台１１２に載置する。そして、処理容器１１１内の圧力を調整するとともに、プラズマ生成ガスであるＡｒガス、還元ガスであるＨ_２ガス、Ｔｉ原料ガスであるＴｉＣｌ_４ガスを図示しないプリフローラインに流してプリフローを行う。次いで、ガス流量および圧力を同じに保ったまま成膜用のラインに切り替え、これらのガスをシャワーヘッド１２０を介して処理容器１１１内に導入する。

そして、Ａｒガス、Ｈ_２ガス、ＴｉＣｌ_４ガスを処理容器１１１に導入したままの状態で、高周波電源３０をオンにし、プラズマを生成して、プラズマＣＶＤにより、基板Ｗの表面にＴｉ膜を成膜する。

このときの条件としては、基板載置台１１２の温度を３００～７００℃、処理容器１１１内の圧力を１３．３～１３３３Ｐａ（０．１～１０Ｔｏｒｒ）の範囲とすることができる。

プラズマＣＶＤによるＴｉ膜の成膜は、プラズマによるイオン衝撃により、下地膜表面を壊し、ダングリングボンドを形成させ、成膜原料（プリカーサー）であるＴｉＣｌ_４の解離種であるＴｉＣｌ_３またはＴｉＣｌ_２をダングリングボンド形成部分に吸着させることによりなされる。

ＳｉまたはＳｉＧｅのような結合エネルギーが小さい下地にＴｉ膜を成膜する場合は、イオン衝撃は小さくてよく、プラズマのイオンエネルギーを極力低下させることが望ましい。

また、表面にＳｉまたはＳｉＧｅと、他の材料（例えばＳｉＮまたはＳｉＯ_２）とを有する基板において、ＳｉまたはＳｉＧｅ上に選択的にＴｉ膜を成膜したいという要請がある。このような場合にもイオンエネルギーを低下させることが有効である。

すなわち、ＳｉおよびＳｉＧｅの結合エネルギーは、それぞれ３２７ｋＪ／ｍｏｌおよび３０１ｋＪ／ｍｏｌと小さいのに対し、ＳｉＮおよびＳｉＯ_２の結合エネルギーは、それぞれ７９８ｋＪ／ｍｏｌおよび４３９ｋＪ／ｍｏｌとＳｉやＳｉＧｅに比べて大きい。そのため、イオンエネルギーを、ＳｉまたはＳｉＧｅのみが解離できるように低下させることにより、ＳｉまたはＳｉＧｅへの選択成膜が実現できると考えられる。

なお、Ｔｉ膜の選択成膜は、ＳｉおよびＳｉＧｅに限らず、表面に結合エネルギーが相対的に小さい第１の材料部分と、相対的に結合エネルギーが大きい第２の材料部分とを有する場合であれば、第１の材料部分に選択的にＴｉ膜を成膜することができる。

イオンエネルギーを低下させる手段としては、一般的には、処理容器内の圧力を高圧にする、高周波パワーを下げる等が考えられるが、ＴｉＣｌ_４ガスを用いたプラズマ処理では、その分解に電力を消費するため、高圧・低パワーでは放電を維持し難い。

これに対し、本実施形態では、第１の実施形態と同様、上部電極に印加される高周波電圧のうち正電圧（プラス電圧）を抑制するように高周波電源３０の電圧波形を整形する電圧波形整形部３３を用いる。具体的には、キャパシタ３４によりバイアスを発生させてＶｐｐを維持し、接地回路３６におけるダイオード３５の整流機能により、上部電極電圧がプラス側に大きく振れる現象をなくして、プラズマ電位の上昇を抑制する。これにより、プラズマ生成条件を変えることなく基板Ｗに対するイオンエネルギーを低下させることができ、所望の成膜処理を実現させることができる。

また、高周波電源３０の周波数が高い場合は、電子温度が低く放電マージンが低下してしまうため、高周波電源３０の周波数は１０ｋＨｚ～６０ＭＨｚ程度、例えば４５０ｋＨｚが好ましい。

次に、電圧波形整形部３３を用いた装置と用いない装置により、基板表面のＳｉおよびＳｉＮ上にＴｉ膜を成膜した実験結果について説明する。ここでは、ＳｉおよびＳｉＮ表面の自然酸化膜をドライ処理で除去した後、Ｔｉ成膜を行った。

このときの条件は以下の通りである。
高周波電力周波数：４５０ｋＨｚ
高周波パワー：４０Ｗ
圧力：２．０Ｔｏｒｒ
電極間ギャップ：１３．５ｍｍ
基板載置台温度：４５０℃
ガス：ＴｉＣｌ_４／Ａｒ／Ｈ_２＝２５／２４００／１０００ｓｃｃｍ

図２４は、電圧波形整形部３３を用いた図２３のプラズマ処理装置と電圧波形整形部３３を用いないプラズマ処理装置における、Ｓｉ上にＴｉ膜を成膜したときの成膜時間と膜厚との関係を示す図である。この図に示すように、Ｓｉ上では、電圧波形整形部３３を用いても用いなくても膜厚はほぼ同等であることがわかる。

一方、図２５は、電圧波形整形部３３を用いた図２３のプラズマ処理装置と電圧波形整形部３３を用いないプラズマ処理装置における、ＳｉＮ上にＴｉ膜を成膜したときの成膜時間と膜厚との関係を示す図である。この図に示すように、ＳｉＮ上では、電圧波形整形部３３を用いることにより、膜厚が約６割減少することが確認された。

図２６は、以上の結果からＳｉ上とＳｉＮ上でのＴｉ膜の膜厚の選択比（Ｓｉ／ＳｉＮ選択比）の平均値を示す図である。この図に示すように、Ｓｉ／ＳｉＮ選択比が、電圧波形整形部３３を用いない場合に１．５～１．６程度であったものが、電圧波形整形部３３を用いることにより３．３～３．６と大きく改善することが確認された。また、図には示されてはいないが、基板のセンターについては、Ｓｉ／ＳｉＮ選択比が１．６から４．９に改善され、さらに改善幅が大きいことが確認された。

なお、本実施形態においても、電圧波形整形部３３を設けた状態でプラズマを励起することにより、プラズマは上部電極であるシャワーヘッド１２０近傍に偏って生成される。このため、吐出されたガスは確実に高密度プラズマ領域を通過するため、効率的にプラズマ化またはラジカル化することが可能となる。

本実施形態においても、正電圧が印加された際に選択的に接地側へ電流を流す素子として、ダイオードの代わりに第２の実施形態のようにスイッチング素子を用いてもよい。また、接地回路として、ダイオードやスイッチング素子のような正電圧が印加された際に選択的に接地側へ電流を流す素子に加えて、第３の実施形態から第５の実施形態のように、ツェナーダイオード、抵抗、電源のような電圧調整部を設けてもよい。これにより、下地によって適切にイオンエネルギーの制御を行うことができ、成膜性、特に選択成膜性を制御することができる。

＜第７の実施形態＞
次に、具体的な実施形態である第７の実施形態について説明する。
図２７は、第７の実施形態に係るプラズマ処理装置を示す断面図である。
本実施形態のプラズマ処理装置１０５ａは、高周波電源３０の代わりに高周波パルス電源６０を用いた点のみが図２３の第６の実施形態に係るプラズマ処理装置１０５と異なっている。他は図２３のプラズマ処理装置と同じ構成なので同じ符号を付して説明を省略する。

本実施形態では、図２７のプラズマ処理装置１０５ａにより、第６の実施形態と同様にＴｉ膜の選択成膜を実現することに加え、パルス状の高周波電力を用いてＴｉ膜の腐食を抑制する。

上記第６の実施形態では、電圧波形整形部３３を用いてプラズマ電位の上昇を抑制することにより、プラズマ生成条件を変えることなく基板Ｗに対するイオンエネルギーを、結合エネルギーが小さい第１の材料部分のみが解離できるように低下させ、選択成膜を実現する。具体例を挙げると、イオンエネルギーを、結合エネルギーが相対的に大きいＳｉＮまたはＳｉＯ_２は解離せず、結合エネルギーが相対的に小さいＳｉまたはＳｉＧｅのみが解離するように低下させて選択成膜を実現する。

このように電圧波形整形部３３を用いたＴｉ膜の選択成膜でＴｉ膜を厚膜化しようとする場合、高周波電力を高パワーにするか、または成膜時間を延長することが考えられる。しかし、いずれの場合も、膜中のＣｌ残留濃度が高くなって膜の腐食が進行してしまうことが見出された。腐食していないＴｉ膜では、Ｔｉ膜の表面側でＯ、Ｎ、Ｃｌが検出され、酸化層がＴｉ膜の表面に生成されているが、Ｔｉ膜が腐食した場合は、膜中からＯ、Ｎ、Ｃｌが検出され、Ｔｉ膜と下地のＳｉ膜との間に酸化層が生成された状態となる。

そこで、本実施形態では、高周波パルス電源６０を用いてパルス状の高周波電力を上部電極であるシャワーヘッド１２０に印加してプラズマを生成する。パルス状の高周波電力は、典型的には、高周波電力を周期的に印加し、高周波電力がＯＮの状態とＯＦＦの状態を繰り返し出現させる。

このように、パルス状の高周波電力を供給することにより、Ｔｉ膜の選択成膜においてＴｉ膜を厚膜化するために、高パワー化または成膜時間を長時間化しても、膜の腐食を抑制することができる。

このようにパルス状の高周波電力を供給することによりＴｉ膜の腐食が抑制されるメカニズムについては、以下のように想定される。

パルスがＯＦＦの時間では、ＴｉＣｌ_４が成膜ではなく、膜表面の弱いＣｌ結合のエッチングに寄与する。また、成膜レートも遅くなるため脱Ｃｌの時間を確保できる。

さらに、パルスがＯＦＦになった後のアフターグロー領域ではシースが消失し、電子がイオンに取り込まれてイオン－イオンプラズマが生じている。また、パルスＯＦＦの瞬間には基板は負に帯電しているため、プラズマ中の正イオンであるＨ^３＋イオンが基板に向かうこととなる。この結果、Ｈ^３＋がＴｉ膜中のＣｌを還元し、腐食を抑制する効果が大きくなると考えられる。

高周波パルス電源６０の高周波の周波数は、第６の実施形態の高周波電源３０の周波数と同様、１０ｋＨｚ～６０ＭＨｚ程度が好ましく、例えば４５０ｋＨｚである。また、パルスの周波数は０．１～５００ｋＨｚが好ましく、例えば１０ｋＨｚである。また、パルスのデューティ比は１～９９％の範囲とすることができ、好ましくは、１０～９０％である。

高周波電力を印加した際の上部電圧波形については、連続波（ＣＷ）の場合は図２８のようになるのに対して、パルス状の高周波電力を印加した場合は図２９のようになる。図２９の（ａ）はデューティ比が３０％、（ｂ）はデューティ比が５０％、（ｃ）はデューティ比が８０％の場合である。なお、高周波電力の周波数は４５０ｋＨｚ、パルス周波数は１０ｋＨｚである。

なお、パルス状の高周波電力は、上記のように完全なＯＮ・ＯＦＦでなくてもよく、パワーが大きい状態と小さい状態を繰り返すものであってもよい。

次に、連続波の高周波電力を印加する図２３の装置およびパルス状の高周波電力を印加する図２７の装置から、電圧波形整形部３３を除いた装置により、基板表面のＳｉおよびＳｉＮ上にＴｉ膜を成膜した実験結果について説明する。ここでは、ＳｉおよびＳｉＮ表面の自然酸化膜をドライ処理で除去した後、Ｔｉ成膜を行った。

ここでは、パルス状の高周波電力を印加する場合は、デューティ比を８０％および５０％とした。成膜時間は、連続波の場合は３６０ｓｅｃとし、パルス状の高周波電力の場合は、高周波電力が印加されている時間が同じになるように、デューティ比が８０％の場合は４５０ｓｅｃ、デューティ比が５０％の場合は７２０ｓｅｃとした。

他の条件は以下の通りである。
高周波電力周波数：４５０ｋＨｚ
高周波パワー：１００Ｗ
圧力：４．０Ｔｏｒｒ
電極間ギャップ：１３．５ｍｍ
基板載置台温度：４５０℃
ガス：ＴｉＣｌ_４／Ａｒ／Ｈ_２＝２５／２４００／１０００ｓｃｃｍ
パルス周波数：１０ｋＨｚ

成膜後、基板を処理容器から搬出し、Ｔｉ膜の腐食の有無を確認するとともに、シート抵抗を測定した。その結果、連続波の場合はＴｉ膜の腐食が進み、膜のシート抵抗が５１０．１Ω／ｓｑ．であった。これに対し、デューティ比８０％のパルスの場合はＴｉ膜の腐食は見られたが連続波の場合よりも抑制され、シート抵抗は２７６．４Ω／ｓｑ．であった。また、デューティ比５０％のパルスの場合はＴｉ膜の腐食は見られなかった。

すなわち、連続波の高周波電力では腐食が進むのに対し、パルス状の高周波電力により、Ｔｉ膜の腐食が抑制され、さらに、パルスのデューティ比を低下させることにより、Ｔｉ膜の腐食がより一層抑制されることが確認された。

なお、上の実験では、電圧波形整形部を設けない装置を用いたため、Ｓｉ膜上およびＳｉＮ膜上に同程度の膜厚のＴｉ膜が形成され、選択性は見られなかった。

次に、電圧波形整形部３３を有し連続波の高周波電力を印加する図２３の装置および電圧波形整形部３３を有しパルス状の高周波電力を印加する図２７の装置により、基板表面のＳｉおよびＳｉＮ上にＴｉ膜を成膜した実験結果について説明する。ここでは、ＳｉおよびＳｉＮ表面の自然酸化膜をドライ処理で除去した後、Ｔｉ成膜を行った。

ここでは、条件Ａ、Ｂとして、パワー４０Ｗの連続波の高周波電力を印加し、処理時間をそれぞれ９００ｓｅｃおよび１２００ｓｅｃとした。また、条件Ｃとして、デューティ比を２０％のパルス状の高周波電力を印加し、高周波パワーを６０Ｗ、処理時間を１５００ｓｅｃとした。

他の条件は以下の通りである。
高周波電力周波数：４５０ｋＨｚ
圧力：６．０Ｔｏｒｒ
電極間ギャップ：１３．５ｍｍ
基板載置台温度：４５０℃
ガス：ＴｉＣｌ_４／Ａｒ／Ｈ_２＝２５／２４００／１０００ｓｃｃｍ
パルス周波数：１０ｋＨｚ

成膜後、基板を処理容器から搬出し、各条件におけるＳｉ膜上のＴｉ膜の膜厚とＳｉＮ膜上のＴｉ膜の膜厚を測定した。

その結果、条件Ａでは、Ｓｉ膜上およびＳｉＮ膜上のＴｉ膜の平均厚さはそれぞれ５．７ｎｍ、０．８ｎｍであり、Ｓｉ／ＳｉＮ選択比の平均値は７．２であった。条件Ｂでは、Ｓｉ膜上およびＳｉＮ膜上のＴｉ膜の平均厚さはそれぞれ６．２ｎｍ、０．８ｎｍであり、Ｓｉ／ＳｉＮ選択比の平均値は７．８であった。条件Ｃでは、Ｓｉ膜上およびＳｉＮ膜上のＴｉ膜の平均厚さはそれぞれ８．１５ｎｍ、１．０７ｎｍであり、Ｓｉ／ＳｉＮ選択比の平均値は７．６３であった。このように、いずれの場合も、電圧波形整形部３３を用いているためＳｉ／ＳｉＮ選択比が高かった。

次に、Ｔｉ膜の腐食を確認したところ、条件Ａでは腐食は確認されなかったが、処理時間を長くした条件Ｂでは腐食が確認された。パルス状の高周波電力を印加した条件Ｃでは、条件Ｂよりも膜厚が厚いにもかかわらず、Ｔｉ膜の腐食が確認されなかった。また、シート抵抗を確認したところ、条件Ａでは３３６．２Ω／ｓｑ．であったのに対し、条件Ｃでは２５９．１Ω／ｓｑ．であり、パルス状の高周波電力を印加して膜の腐食が抑制された結果、シート抵抗が低下していることが確認された。

以上の結果から、電圧波形整形部３３とパルス状の高周波電力を併用することにより、Ｓｉ膜上に高選択比でＴｉ膜を成膜できる効果を維持し、腐食を抑制しつつ、Ｓｉ膜上のＴｉ膜の膜厚を厚くできることが確認された。

＜第８の実施形態＞
次に、具体的な実施形態である第８の実施形態について説明する。
本実施形態では、第１の実施形態に示した基本的構造のプラズマ処理装置をエッチング装置に適用した例を示す。

図３０は、第８の実施形態に係るプラズマ処理装置を示す断面図である。
本実施形態に係るプラズマ処理装置１０６は、基板Ｗに存在する膜をエッチングするエッチング装置であり、容量結合プラズマ処理装置として構成されている。基板Ｗとしては、例えば半導体ウエハを挙げることができるが、これに限定されない。

プラズマ処理装置１０６は、略円筒状をなす金属製の処理容器２０１を有している。この処理容器２０１は保安接地されている。

処理容器２０１の底部には、セラミックス等からなる絶縁板２１２を介して円柱状をなす金属製の支持台２１４が配置され、この支持台２１４の上に例えばアルミニウムからなる円柱状の基板載置台２１６が設けられている。基板載置台２１６は下部電極を構成し、接地されている。基板載置台２１６は上面に基板Ｗを静電力で吸着保持する静電チャック２１８を有している。この静電チャック２１８は、絶縁体の内部に電極２２０が設けられた構造を有するものであり、電極２２０に直流電源２２２から直流電圧を印加することにより、クーロン力等の静電力により基板Ｗが吸着保持される。

基板載置台２１６の上面の静電チャック２１８の周囲部分には、エッチングの均一性を向上させるための、例えばシリコンからなる導電性のフォーカスリング２２４が配置されている。基板載置台２１６および支持台２１４の側面には、例えば石英からなる円筒状の内壁部材２２６が設けられている。

支持台２１４の内部には冷媒室２２８が設けられている。この冷媒室には、外部に設けられた図示しないチラーユニットより配管２３０ａ，２３０ｂを介して冷媒、例えば冷却水が循環供給され、冷媒の温度によって基板載置台２１６上の基板Ｗの処理温度が制御される。

さらに、図示しない伝熱ガス供給機構からの伝熱ガス、例えばＨｅガスがガス供給ライン２３２を介して静電チャック２１８の上面と基板Ｗの裏面との間に供給される。

下部電極である基板載置台２１６の上方には、基板載置台２１６と対向するように上部電極であるシャワーヘッド２３４が設けられている。そして、上部電極であるシャワーヘッド２３４と下部電極である基板載置台２１６の空間がプラズマ生成空間となる。

上部電極であるシャワーヘッド２３４は、絶縁性遮蔽部材２４３を介して、処理容器２０１の上部に支持されている。シャワーヘッド２３４は、基板載置台２１６との対向面を構成しかつ多数のガス吐出孔２３７を有する電極板２３６と、この電極板２３６を着脱自在に支持する水冷構造の電極支持体２３８とによって構成されている。電極支持体２３８の内部には、ガス拡散室２４０が設けられ、このガス拡散室２４０からはガス吐出孔２３７に連通する多数のガス通流孔２４１が下方に延びている。電極支持体２３８にはガス拡散室２４０へ処理ガスを導くガス導入孔２４２が形成されており、このガス導入孔２４２には後述するガス供給部２５０に接続されたガス配管２５１が接続され、ガス供給部２５０から供給された処理ガスがシャワーヘッド２３４を介して処理容器２０１内にシャワー状に吐出される。すなわち、処理ガスは、上部電極であるシャワーヘッド２３４と、下部電極である基板載置台２１６との間に供給される。

ガス供給部２５０は、ＡｒガスおよびＯ_２ガスを含む複数のガスを個別的に供給するガス供給源と、これら複数のガス供給源から各ガスを供給するための複数のガス供給配管とを有している。なお、図中には、ガス供給部２５０にＡｒとＯ_２しか描いていないが、ＡｒガスとＯ_２ガス以外に、エッチングに必要な他のガスが含まれていてもよい。他のガスとしては、例えば、ＣＦ_４、Ｃ_４Ｆ_８、ＣＨＦ_３、ＨＢｒ、Ｃｌ_２等のハロゲン含有ガスを挙げることができる。各ガス供給配管には、開閉バルブと、マスフローコントローラのような流量制御器とが設けられており（いずれも図示せず）、これらにより、上記ガスの供給・停止および各ガスの流量制御を行うことができるようになっている。

処理容器２０１の底部には排気口２６０が設けられ、この排気口２６０に排気管２６２を介して排気装置２６４が接続されている。排気装置２６４は、自動圧力制御バルブおよび真空ポンプを有し、この排気装置２６４により、処理容器２０１内を排気するとともに、処理容器２０１内を所望の真空度に保持することが可能となっている。

処理容器２０１の側壁には、処理容器２０１に対して基板Ｗを搬入出するための搬入出口２６５が設けられており、この搬入出口２６５はゲートバルブ２６６で開閉するように構成されている。

上部電極であるシャワーヘッド２３４には、第１の実施形態と同様、給電ライン３１を介して高周波電源３０が接続されている。高周波電源３０としては、周波数が１０ｋＨｚ～６０ＭＨｚのものを用いることができる。高周波電源３０から上部電極であるシャワーヘッド２３４に高周波電力が供給されることにより、上部電極であるシャワーヘッド２３４と下部電極としての基板載置台２１６との間に容量結合プラズマが生成される。給電ライン３１の高周波電源３０下流側には整合器３２が接続されている。

電圧波形整形部３３は、第１の実施形態と同様、キャパシタ３４による電荷を蓄える機能と、接地回路３６におけるダイオード３５の整流機能により、高周波電源３０がプラス電圧を出力した際に、電流がダイオード３５を通過して接地側に流れるように構成される。これにより、プラズマ電位の上昇が抑制され、基板Ｗに対するイオンエネルギーが低減される。

プラズマ処理装置１０６の構成部であるガス供給部２５０のバルブ類や流量制御器、高周波電源等は、制御部２７０により制御される。制御部２７０は、第１の実施形態の制御部５０と同様に構成される。

次に、以上のように構成されたプラズマ処理装置１０６における動作について説明する。

まず、ゲートバルブ２６６を開とし、搬入出口２６５を介してエッチング対象膜を有する基板Ｗを処理容器２０１内に搬入し、基板載置台２１６上に載置する。そして、排気装置２６４により処理容器２０１内を排気し、圧力を調整するとともに、ガス供給部２５０からエッチングのための処理ガスとしてＡｒガスおよびＯ_２ガスを含むガスをシャワーヘッド２３４へ供給し、ガス吐出孔２３７を介して処理容器２０１内へ供給する。それと同時に高周波電源３０をオンにし、プラズマを生成して基板Ｗのエッチング対象膜をプラズマエッチングする。

このときの条件としては、基板載置台２１６（静電チャック２１８）の温度を３０℃以下、処理容器２０１内の圧力を０．１３３～１３３Ｐａ（１～１０００ｍＴｏｒｒ）、例えば６７Ｐａ（５００ｍＴｏｒｒ）とすることができる。

Ａｒ／Ｏ_２混合プラズマは、プラズマエッチングまたはプラズマアッシングに多用されており、その制御性を高めることは技術的に重要である。特にプラズマと基板との界面の反応が重要であり、界面でのイオンエネルギーの違いが表面反応およびプロセス結果に大きく影響する。

本実施形態では、第１の実施形態と同様、上部電極に印加される高周波電圧のうち正電圧（プラス電圧）を抑制するように高周波電源３０の電圧波形を整形する電圧波形整形部３３を用いる。具体的には、キャパシタ３４の電化蓄積機能によりバイアスを発生させ、接地回路３６におけるダイオード３５の整流機能により、上部電極電圧がプラス側に大きく振れる現象をなくして、プラズマ電位の上昇を抑制する。これにより、プラズマ状態を変えることなく基板Ｗに対するイオンエネルギーを低下させてエッチング性を制御することができる。基板載置台２１６（静電チャック２１８）の温度が３０℃以下と低温である場合は、イオンエネルギーによるエッチングが支配的であるため、特にイオンエネルギーの低下によるエッチング制御性を高めることができる。

次に、電圧波形整形部３３を用いた装置と用いない装置により、Ａｒ／Ｏ_２プラズマを用いてフォトレジストをプラズマエッチングした実験結果について説明する。

このときの条件は以下の通りである。
基板：３００ｍｍＳｉウエハ
高周波電力周波数：４５０ｋＨｚ
高周波パワー：３００Ｗ
圧力：８００ｍＴｏｒｒ
ガス：Ａｒ／Ｏ_２＝１０００／５００ｓｃｃｍ
電極間ギャップ：１５ｍｍ
静電チャック温度：２３℃～
フォーカスリング：Ｓｉ（フローティング）

図３１は、電圧波形整形部３３を用いた図３０のプラズマ処理装置と電圧波形整形部３３を用いないプラズマ処理装置における、上部電極の電圧波形を示す図である。この図に示すように、電圧波形整形部３３を用いることにより、上部電極のプラス側の電圧が低下していることがわかる。

図３２は、電圧波形整形部３３を用いた図３０のプラズマ処理装置と電圧波形整形部３３を用いないプラズマ処理装置における、各ウエハ位置（Ｘ方向およびＹ方向）におけるエッチングレートを示す図である。この図に示すように、電圧波形整形部３３を用いることにより、エッチングレートが電圧波形整形部３３を用いない場合の０．４４倍となることが確認された。本実験における静電チャック温度は３０℃以下と十分に低いため、Ｏラジカルよりもイオンエネルギーのエッチングが支配的であり、電圧波形整形部３３を用いることによるエッチングレートの低下は、イオンエネルギーの低下による効果である。

次に、電圧波形整形部３３を用いた図３０のプラズマ処理装置と電圧波形整形部３３を用いないプラズマ処理装置において、高周波パワーを１００Ｗ、３００Ｗ、５００Ｗ、８００Ｗと変化させて、上部電極であるシャワーヘッド２３４と下部電極である基板載置台２１６の間の中間の高さ位置におけるＸ方向およびＹ方向の電子密度を求めた。その結果を図３３に示す。図３３は、このときの高周波パワーと、Ｘ方向、Ｙ方向の各位置での電子密度の平均値との関係を示す図である。この図に示すように、電圧波形整形部３３を用いた場合も用いない場合も、電子密度（プラズマ密度）に大きな変化がないことが確認された。

以上の結果より、電圧波形整形部３３を用いることにより、Ａｒ／Ｏ_２混合プラズマによって、電子密度を大きく変えず、イオンエネルギーのみ低下させることが可能であり、制御性のよいプラズマエッチングを行えることが確認された。

なお、本実施形態においても、電圧波形整形部３３を設けた状態でプラズマを励起することにより、プラズマは上部電極であるシャワーヘッド２３４近傍に偏って生成される。このため、吐出されたガスは確実に高密度プラズマ領域を通過するため、効率的にプラズマ化またはラジカル化することが可能となる。

本実施形態においても、正電圧が印加された際に選択的に接地側へ電流を流す素子として、ダイオードの代わりに第２の実施形態のようにスイッチング素子を用いてもよい。また、接地回路として、ダイオードやスイッチング素子のような正電圧が印加された際に選択的に接地側へ電流を流す素子に加えて、第３の実施形態から第５の実施形態のように、ツェナーダイオード、抵抗、電源のような電圧調整部を設けてもよい。これにより、イオンエネルギーの制御を行うことができ、プラズマエッチングの制御性をより高めることができる。

＜他の適用＞
以上、実施形態について説明したが、今回開示された実施形態は、全ての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。上記の実施形態は、添付の特許請求の範囲およびその主旨を逸脱することなく、様々な形態で省略、置換、変更されてもよい。

例えば、上記実施形態では、上部電極と下部電極の間にガスを導入するシャワーヘッドを上部電極として用いた例を示したが、ガス導入部を上部電極と別個に設けてもよい。また、上記実施形態の装置は例示に過ぎず、上部電極に高周波電力を印加し、下部電極を接地した容量結合タイプのプラズマ処理装置であれば適用することができる。また、基板として半導体ウエハを例示したが、半導体ウエハに限らず、ＬＣＤ（液晶ディスプレイ）用基板に代表されるＦＰＤ（フラットパネルディスプレイ）基板や、セラミックス基板等の他の基板であってもよい。

１，１１１，２０１；処理容器
２，２１６；基板載置台（下部電極）
１０，１２０，２３４；シャワーヘッド（上部電極）
２０，１３０，２５０；ガス供給部
３０；高周波電源
３３，３３１，３３２，３３３，３３４，３３５，３３６，３３７；電圧波形整形部
３４；キャパシタ
３５；ダイオード
３６，３６１，３６２，３６３，３６４，３６５，３６６，３６７；接地回路
３７；スイッチング素子
６０；高周波パルス電源
１００，１０１，１０２，１０３，１０４，１０５，１０５ａ，１０６；プラズマ処理装置
１１２；基板載置台
１１４；下部電極
３８１，３８１ａ、３８１ｂ、３８１ｃ；ツェナーダイオード
３８３；抵抗
３８４；可変抵抗
３８５；電源
３８６；可変電源
Ｗ；基板

Claims

基板に対してプラズマ処理を施すプラズマ処理装置であって、
処理容器と、
前記処理容器内に設けられ、基板が載置される基板載置台と、
前記基板載置台に含まれる接地された下部電極と、
前記下部電極に対向して設けられた上部電極と、
処理ガスを前記上部電極と前記基板載置台との間に供給するガス供給部と、
前記上部電極に高周波電力を印加して前記処理ガスのプラズマを生成する高周波電源と、
前記高周波電源と前記上部電極の間に設けられ、上部電極に印加される高周波電圧のうち正電圧を抑制するように高周波電源の電圧波形を整形する電圧波形整形部と、
を備える、プラズマ処理装置。
前記電圧波形整形部は、前記高周波電源の給電ラインに設けられたキャパシタと、前記給電ラインの前記キャパシタの下流側から分岐しダイオードを介して接地される接地回路と、を有する、請求項１に記載のプラズマ処理装置。
前記電圧波形整形部は、前記高周波電源の給電ラインに設けられたキャパシタと、前記給電ラインの前記キャパシタの下流側から分岐し、前記上部電極に正電圧が印加された際に選択的に接地側へ電流を流すようにオン・オフするスイッチング素子を介して接地される接地回路と、を有する、請求項１に記載のプラズマ処理装置。
前記接地回路は、前記上部電極に印加される電圧を調整する電圧調整部をさらに有する、請求項２または請求項３に記載のプラズマ処理装置。
前記電圧調整部は、ツェナーダイオードを含む、請求項４に記載のプラズマ処理装置。
前記接地回路は、ツェナー電圧が異なる接地された複数の線路と、前記複数の線路のいずれかに切り替えるスイッチとを有する、請求項５に記載のプラズマ処理装置。
前記電圧調整部は抵抗を含む、請求項４に記載のプラズマ処理装置。
前記抵抗は可変抵抗である、請求項７に記載のプラズマ処理装置。
前記電圧調整部は電源を含む、請求項４に記載のプラズマ処理装置。
前記電源は可変電源である、請求項９に記載のプラズマ処理装置。
前記ガス供給部は前記基板に向けて前記処理ガスを吐出するシャワーヘッドを有し、前記シャワーヘッドは前記上部電極を含む、請求項１から請求項１０のいずれか一項に記載のプラズマ処理装置。
前記処理ガスは、ＴｉＣｌ_４とＨ_２とＡｒとを含み、
前記プラズマ処理は、前記基板の表面にＴｉ膜を成膜する処理である、請求項１から請求項１１のいずれか一項に記載のプラズマ処理装置。
前記基板は、表面に結合エネルギーが相対的に小さい第１の材料部分と、相対的に結合エネルギーが大きい第２の材料部分とを有し、前記第１の材料部分に選択的にＴｉ膜を成膜する、請求項１２に記載のプラズマ処理装置。
前記第１の材料部分は、ＳｉまたはＳｉＧｅである、請求項１３に記載のプラズマ処理装置。
前記第２の材料部分は、ＳｉＮまたはＳｉＯ_２である、請求項１３または請求項１４に記載のプラズマ処理装置。
前記高周波電源は、パルス状の高周波電力を供給する高周波パルス電源である、請求項１２から請求項１５のいずれか一項に記載のプラズマ処理装置。
前記処理ガスは、ＡｒとＯ_２とを含み、
前記プラズマ処理は、前記基板の表面部分をプラズマエッチングするエッチング処理である、請求項１から請求項１１のいずれか一項に記載のプラズマ処理装置。
請求項１から請求項１７のいずれか一項に記載のプラズマ処理装置を用いて基板にプラズマ処理を行うプラズマ処理方法であって、
前記基板載置台に基板を載置することと、
前記上部電極と前記基板載置台との間に処理ガスを供給することと、
前記高周波電源から高周波電力を前記上部電極に供給し、プラズマを生成することと、
前記プラズマにより前記基板にプラズマ処理を行うことと、
を有する、プラズマ処理方法。