JPH088232A - プラズマ処理方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 プラズマエッチングやプラズマＣＶＤ等のプ
ラズマ処理における、被処理基板温度の精密な温度制御
方法を提供する。 【構成】 プラズマ処理の直前に、不活性ガスによる予
備プラズマ処理を施して被処理基板温度を平衡状態にす
る。この後、連続して目的とするプラズマ処理を施す。 【効果】 プラズマ処理初期における、プラズマ照射に
基づく被処理基板の温度上昇は、予備プラズマ処理の期
間中にほぼ終了する。このため目的とするプラズマ処理
時においては、被処理基板温度が変動することがなく、
きわめて安定したプラズマ処理が可能となる。この予備
プラズマ処理により、被処理基板の表面形状が実質的に
変化を受けることはない。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は半導体装置等の製造プロ
セスに使用されるプラズマ処理方法に関し、さらに詳し
くは、被処理基板の正確な温度制御を行いつつ、被処理
基板に対し所望のプラズマエッチングやプラズマＣＶＤ
を施すことが可能なプラズマ処理方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】ＬＳＩ等の半導体装置のデザインルール
がハーフミクロンからクォータミクロンのレベルへと微
細化されるに伴い、プラズマエッチングやプラズマＣＶ
Ｄ等の微細加工技術に対する要求は一段と厳しさを増し
ている。例えば、ＭＩＳＦＥＴのゲート電極のパターニ
ングにおいては、高異方性、高選択比、高エッチングレ
ート、低汚染そして下地絶縁膜に対する低ダメージ等の
諸要求を高いレベルで満足させ得るプラズマエッチング
方法が要求される。

【０００３】また、プラズマＣＶＤの分野においても、
堆積する薄膜中に取り込まれる不純物濃度や、薄膜のモ
ホロジ等を均一に制御できるプラズマＣＶＤ方法が求め
られている。

【０００４】この様に、被処理基板に対し高度に制御さ
れたプラズマ処理を施すためには、被処理基板の温度を
正確にコントロールすることが必要である。従来よりこ
の種の温度制御としては、被処理基板を載置する基板ス
テージの温度を一定温度に制御して、間接的に被処理基
板の温度を制御する方法が行われている。この方法を図
６ないし図８を参照して説明する。

【０００５】図６（ａ）〜（ｂ）は、被処理基板１を載
置した基板ステージ部分の概略断面図であり、図６
（ａ）は被処理基板１周辺部をクランパ４で押さえるメ
カニカルクランプ方式、図６（ｂ）は被処理基板１のほ
ぼ全領域を静電チャック５で吸着する静電チャック方式
であり、この場合は静電チャック電源６より静電チャッ
ク電極全面に同電位の高電圧を供給する、単極式静電チ
ャックである。いずれの方式の基板ステージにも、基板
バイアスを制御するＲＦ電源７が結線されている。基板
ステージ２の材質は、熱伝導率のよい例えばＡｌ合金の
ブロックであり、内部には冷媒循環流路、抵抗加熱ヒー
タおよび温度センサ等（以上、図示せず）が組み込まれ
ており、基板ステージ２の温度を制御している。また基
板ステージ２および静電チャック５の中央部には熱伝導
ガス導入孔３が縦貫しており、被処理基板１の裏面に向
けて少量のＨｅ等の熱伝導ガスを供給している。熱伝導
ガスは、基板ステージ２と被処理基板１との微少間隙を
縫って被処理基板周辺部から流出する。すなわち、熱伝
導ガスを介した熱伝導により、温度制御された基板ステ
ージ２と、被処理基板１の間の熱交換を行っている。

【０００６】図６（ａ）〜（ｂ）に示すいずれの方式に
おいても、被処理基板１の熱交換の機構は、図７のモデ
ル図で示すことが可能である。同図は、被処理基板１を
冷却する場合の主な熱伝達経路を表している。すなわ
ち、被処理基板１はプラズマ８からの輻射およびイオン
照射により、Ｈ１の熱量を受けとる。一方、被処理基板
１上方の空間は、高度の減圧雰囲気であるので断熱され
ており、この空間への伝導や対流による熱の放出は極め
て小さい。

【０００７】被処理基板１から基板ステージ２への熱伝
達は、Ｈｅ等の熱伝導ガスを経由するものが主である。
他に、被処理基板１からの輻射があるが、これは被処理
基板１の温度Ｔ１と、基板ステージ２の温度Ｔ２との温
度差が、通常１００℃程度であることから小さい。また
被処理基板１と基板ステージ２との接触による熱伝導が
あるが、これは微視的にみて点接触であるので、総接触
面積は小さく、この接触による熱伝導量も小さい。結
局、熱伝導ガスを経由して受け渡すＨ２の熱量がほとん
どである。したがって、被処理基板１の温度Ｔ１は、プ
ラズマから受け取るＨ１の熱量と、被処理基板２へ受け
渡すＨ２の熱量の差に基づき、平衡温度Ｔ１に落ちつ
く。すなわち、プラズマから受け取る熱量Ｈ１に応じ
て、被処理基板１の温度Ｔ１と、基板ステージ２の温度
Ｔ２の間に温度差Ｔ１−Ｔ２が発生する。プラズマエッ
チングの場合、この温度差は通常３０〜５０℃に達する
のである。以上の説明は、被処理基板１を冷却する場合
の熱伝達の機構について述べたが、被処理基板１を加熱
する場合も、Ｈ２の方向が逆となる他は同じであり、や
はり被処理基板１の温度Ｔ１と、基板ステージ２の温度
Ｔ２の間に温度差Ｔ１−Ｔ２が発生する。

【０００８】被処理基板１に対して所定のプラズマ処
理、この場合はプラズマエッチングを開始し、被処理基
板１の温度Ｔ２が平衡に達するまでの、被処理基板１と
基板ステージ２の温度差Ｔ１−Ｔ２の時間変化を図８に
示す。同図に見られるように、プラズマ処理開始直後か
ら約３０秒間は温度差Ｔ１−Ｔ２は刻々と増大し、この
間はエッチングの諸パラメータの内、温度パラメータに
関して無制御状態であることが判る。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】このような問題点に鑑
み、温度依存性の少ないプラズマ処理条件を採用するこ
とによりプロセスの均一性を確保しているのが現状であ
る。しかしながら、ＷやＷＳｉ₂ のように反応生成物の
蒸気圧が小さい材料層をプラズマエッチングする場合等
は、プロセスの温度依存性が大きく、ゲート電極等のパ
ターン形状の均一性や再現性に難点があった。

【００１０】そこで本発明の課題は、プラズマエッチン
グやプラズマＣＶＤ等のプラズマ処理方法において、プ
ロセス初期の被処理基板温度を安定に制御することが可
能なプラズマ処理方法を提供することである。

【００１１】また本発明の別の課題は、所望のプロセス
温度に正確に制御され、被処理基板に対して均一性と再
現性に優れた加工を施すことが可能なプラズマ処理方法
を提供することである。本発明の上記以外の課題は、本
願明細書および添付図面の説明により明らかにされる。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明のプラズマ処理方
法は、上記課題を解決するために発案したものであり、
基板ステージの温度を制御しつつ、被処理基板にプラズ
マ処理を施すプラズマ処理方法であって、このプラズマ
処理の直前に、予備プラズマ処理を施してこの被処理基
板の温度を安定化した後、連続的にプラズマ処理を施す
ことを特徴とするものである。

【００１３】予備プラズマ処理は、被処理基板の表面形
状を実質的に変更しないものでることが好ましく、この
ような予備プラズマ処理としては、不活性ガスのプラズ
マ放電により施すことが望ましい。このような不活性ガ
スとしては、Ｈｅ、Ａｒ、Ｘｅ、Ｎｅ、Ｋｒ、Ｈ₂ 、Ｈ
₂ Ｓ、Ｎ₂ 、ＮＯ、Ｎ₂ Ｏ、ＮＯ₂ 、ＣＯ、ＣＯ₂ 等を
例示でき、これらを１種または混合ガスとしてプラズマ
放電を施せばよい。またここで用いた実質的に変更しな
いものという用語の意味は、被処理基板の表面形状がプ
ラズマエッチングやプラズマＣＶＤにより削れたり、堆
積物が形成されたりして、これにより主たるプラズマ処
理後の被処理基板の表面形状が変更されることがない、
という意味である。

【００１４】

【作用】本発明のポイントは、プラズマエッチングやプ
ラズマＣＶＤ等の実際のプラズマ処理を施す前段階とし
て、ｉｎ−ｓｉｔｕで予備プラズマ処理を行う点にあ
る。この予備プラズマ処理を行った場合の被処理基板１
と基板ステージ２の温度差Ｔ２−Ｔ１の時間変化を図１
に示す。同図に見られるように、予備プラズマ処理を例
えば３０秒行うことにより、この場合は被処理基板温度
Ｔ２は約５０℃上昇し、平衡温度に達する。この時点で
プロセスガスを切り替え、実際のプラズマ処理を施すこ
とにより、被処理基板の温度変化が極めて少ないプラズ
マ処理を達成することができる。

【００１５】この予備プラズマ処理は、被処理基板の表
面形状を実質的に変更しない不活性ガスにより行うの
で、被処理基板の表面に何ら悪影響を与えることはな
い。また、予備プラズマ処理から実際のプラズマ処理へ
の切り替えは、プラズマからの輻射熱Ｈ１が大きく変化
したり、放電が不安定になることが無いように、プラズ
マ生成用電力や基板バイアス、ガス圧力等、ガス種以外
ののプロセス条件を同一とすることが好ましい。予備プ
ラズマ処理の採用により、所望のプロセス温度に正確に
制御され、均一性と再現性に優れたプラズマエッチング
やプラズマＣＶＤ等のプラズマ処理が可能となるのであ
る。

【００１６】

【実施例】以下、本発明の具体的実施例につき、添付図
面を参照しながら説明する。まず、図５は以下の実施例
で共通に用いた基板バイアス印加型ＥＣＲプラズマ処理
装置の一構成例を示す概略断面図である。マイクロ波導
波管１１を経由して２．４５ＧＨｚのマイクロ波を石英
等の誘電体材料からなるベルジャ１２内に導入し、ソレ
ノイドコイル１３により発生する０．０８７５Ｔの磁場
によりガス導入孔１４からのプロセスガスを励起し、Ｅ
ＣＲプラズマをベルジャ１２内に形成する。被処理基板
１を載置する基板ステージ２まわりは図６（ａ）〜
（ｂ）に示した構造と同じであり、同装置の場合はメカ
ニカルクランプ方式を採用しているが、静電チャック方
式でもよい。同装置では、ガス導入孔１４から予備プラ
ズマ処理用のガスと、主たるプラズマ処理用のガスを切
り替えて導入できる図示しないガス導入機構を有する。

【００１７】実施例１ 本実施例は、プラズマ処理としてプラズマエッチングを
例にとり、不純物を含む多結晶シリコン（ＤＯＰＯＳ）
からなるゲート電極加工に本発明を適用した例であり、
これを図１および図２（ａ）〜（ｃ）を参照して説明す
る。

【００１８】まず図２（ａ）に示すように、ＬＯＣＯＳ
（図示せず）等により素子分離領域を形成したＳｉ等の
半導体基板２１をウェット酸化して例えば２０ｎｍの厚
さのゲート酸化膜２２を形成する。次にシラン系ガスと
ＰＨ₃ 等の不純物ソースを用いた減圧ＣＶＤにより、Ｄ
ＯＰＯＳ層２３を３００ｎｍ形成する。この上に一例と
して化学増幅型レジストを１μｍの厚さに塗布し、Ｋｒ
Ｆエキシマレーザ露光により０．３５μｍ幅のレジスト
マスク２４を形成する。この状態まで形成した試料を被
処理基板とする。

【００１９】この被処理基板１を図５に示した基板バイ
アス印加型ＥＣＲプラズマ処理装置の基板ステージ２に
載置し、図２（ｂ）に示すように一例として下記条件に
よりＨｅガスの予備プラズマ２５による予備プラズマ処
理を３０秒間施す。なお、基板ステージ２は、２０℃の
一定温度に制御する。 Ｈｅ １００ ｓｃｃｍ ガス圧力 ０．０１ Ｐａ マイクロ波パワー １０００ Ｗ（２．４５ＧＨｚ） ＲＦバイアスパワー ３０ Ｗ（２ＭＨｚ） 基板ステージ温度 ２０ ℃ この予備プラズマ処理工程において、被処理基板１の温
度Ｔ１は時間の経過とともに５０℃程度上昇し、ほぼ平
衡温度となる。この様子を図１に示す。同図は従来技術
の説明に用いた図８に対応するものであり、被処理基板
１の温度Ｔ１と基板ステージ２の温度Ｔ２の温度差Ｔ１
−Ｔ２の時間変化を示す図である。なおこのＨｅによる
予備プラズマ処理中、図２（ａ）に示す被処理基板１の
表面形状は、実質的な変化は見られない。

【００２０】被処理基板の温度がほぼ平衡温度に達した
直後に、ガス導入孔１４からの導入ガスを切り替え、一
例として下記条件により主たるプラズマ処理としてのプ
ラズマエッチングを施す。 Ｃｌ₂ ２０ ｓｃｃｍ Ｈｅ １００ ｓｃｃｍ ガス圧力 ０．０１ Ｐａ マイクロ波パワー １０００ Ｗ（２．４５ＧＨｚ） ＲＦバイアスパワー ３０ Ｗ（２ＭＨｚ） 基板ステージ温度 ２０ ℃ このプラズマエッチング工程は、プラズマ生成条件が予
備プラズマ処理と大きく変わることのないように条件を
設定しているので、放電がガス切り替えにより不安定と
なることはない。。このため、被処理基板１の温度は図
１に示すようにプラズマエッチング中一定値を保ち、図
２（ｃ）に示すようにＤＯＰＯＳ層２３のパターニング
が終了する。本実施例によれば、Ｈｅの予備プラズマ処
理により、均一で安定した温度制御のもとにプラズマエ
ッチングを施すことが可能でる。

【００２１】実施例２ 本実施例もプラズマ処理としてプラズマエッチングを例
にとり、実施例１と同じＤＯＰＯＳからなるゲート電極
加工に本発明を適用した例であるが、予備プラズマ処理
において被エッチング層表面の自然酸化膜の条件を兼ね
た例であり、これを同じく図１および図２（ａ）〜
（ｃ）を参照して説明する。

【００２２】図２（ａ）に示す被処理基板は実施例１と
同じであるので説明を省略する。この被処理基板１を図
５に示した基板バイアス印加型ＥＣＲプラズマ処理装置
の基板ステージ２に載置し、図２（ｂ）に示すように一
例として下記条件によりＡｒガスの予備プラズマ２５に
よる予備プラズマ処理を３０秒間施す。なお、基板ステ
ージ２は、２０℃の一定温度に制御する。 Ａｒ １００ ｓｃｃｍ ガス圧力 ０．０１ Ｐａ マイクロ波パワー １０００ Ｗ（２．４５ＧＨｚ） ＲＦバイアスパワー ３０ Ｗ（２ＭＨｚ） 基板ステージ温度 ２０ ℃ この予備プラズマ処理工程においも、被処理基板１の温
度Ｔ１は時間の経過とともに５０℃程度上昇し、ほぼ平
衡温度となる。この様子を同じく図１に示す。なおこの
Ａｒによる予備プラズマ処理中、図２（ａ）に示す被処
理基板１の表面形状は、図示しない自然酸化膜が除去さ
れるのみであり、実質的な変化は見られない。

【００２３】被処理基板の温度がほぼ平衡温度に達した
直後に、ガス導入孔１４からの導入ガスを切り替え、一
例として下記条件により主たるプラズマ処理としてのプ
ラズマエッチングを施す。 Ｃｌ₂ ２０ ｓｃｃｍ Ａｒ １００ ｓｃｃｍ ガス圧力 ０．０１ Ｐａ マイクロ波パワー １０００ Ｗ（２．４５ＧＨｚ） ＲＦバイアスパワー ３０ Ｗ（２ＭＨｚ） 基板ステージ温度 ２０ ℃ このプラズマエッチング工程も、プラズマ生成条件が予
備プラズマ処理と大きく変わることのないように条件を
設定しているので、ガス切り替えにより放電が不安定と
なることはない。。このため、被処理基板１の温度は図
１に示すようにプラズマエッチング中一定温度を保ち、
図２（ｃ）に示すようにＤＯＰＯＳ層２３のパターニン
グが終了する。本実施例によれば、Ａｒの予備プラズマ
処理により、均一で安定した温度制御とともに、自然酸
化膜が予め除去されていることも寄与して、極めて均一
で安定なプラズマエッチングを施すことが可能でる。

【００２４】実施例３ 本実施例は、被処理基板と予備プラズマ処理条件は実施
例１と同一であり、主たるプラズマ処理であるＤＰＯＳ
層のプラズマエッチングにおいてメインエッチャントで
あるＣｌ₂ の流量を実施例１に比較して増加した例であ
る。このプラズマエッチング条件のみを示す。 Ｃｌ₂ １００ ｓｃｃｍ Ｈｅ １００ ｓｃｃｍ ガス圧力 ０．０２ Ｐａ マイクロ波パワー １０００ Ｗ（２．４５ＧＨｚ） ＲＦバイアスパワー ３０ Ｗ（２ＭＨｚ） 基板ステージ温度 ２０ ℃ このプラズマエッチング工程は、プラズマ生成条件、特
にガス圧力が予備プラズマ処理と変わっているが、放電
がガス切り替えにより不安定となることは特にない。被
処理基板１の温度は、予備プラズマ処理での平衡温度か
ら多少ずれるものの、その温度変位は図８に示した従来
例と比較すれば格段に少ない。本実施例によれば、Ｈｅ
の予備プラズマ処理により、安定した温度制御のもとに
エッチングレートの大きい、スループットの高いプラズ
マエッチングが可能となる。

【００２５】実施例４ 本実施例はＣＶＤにより成膜した高融点金属層のエッチ
バック工程に本発明を適用した例であり、これを図１お
よび図３（ａ）〜（ｄ）を参照して説明する。

【００２６】まず、図３（ａ）に示すように図示しない
不純物拡散層等の能動素子が形成された半導体基板３５
上にＳｉＯ₂ 等からなる層間絶縁膜３２を形成し、一例
として０．３５μｍ径の接続孔３３を不純物拡散層に臨
んで開口する。つぎにＴｉ層３４、ＴｉＮ層３５をこの
順にスパッタリングによりコンフォーマルに形成する。
続けてブランケットＣＶＤにより、Ｗからなる高融点金
属層３６を形成する。ブランケットＣＶＤ条件は、例え
ば、 ＷＦ₆ ２５ ｓｃｃｍ ＳｉＨ₄ １０ ｓｃｃｍ ガス圧力 １×１０⁴ Ｐａ 被処理基板温度 ４７５ ℃ の条件で２０秒間核成長を行った後、 ＷＦ₆ ６０ ｓｃｃｍ Ｈ₂ ３６０ ｓｃｃｍ ガス圧力 １×１０⁴ Ｐａ 被処理基板温度 ４７５ ℃ 基板ステージ温度 ２０ ℃ の条件に切り替えて堆積する。高融点金属層３６は、接
続孔内部を埋め込み、さらに層間絶縁膜３２上で３００
ｎｍの厚さになるように形成した。このようにして形成
した高融点金属層３３の表面は、例えば、３０ｎｍ_p-p
の粗いモホロジを有する。このため、このままエッチバ
ックしてＷのコンタクトプラグを形成すると、コンタク
トプラグや層間絶縁膜表面に粗いモホロジが転写され、
平坦性を損ねる虞れがある。ここまで形成した試料を被
処理基板とする。

【００２７】次に、この被処理基板１を図５に示す基板
バイアス印加型ＥＣＲプラズマ処理装置の基板ステージ
２上に載置し、下記条件により予備プラズマ処理を３０
秒間施した。 Ｈ₂ Ｓ １００ ｓｃｃｍ ガス圧力 ０．５ Ｐａ マイクロ波パワー １０００ Ｗ（２．４５ＧＨｚ） ＲＦバイアスパワー ５０ Ｗ（２ＭＨｚ） 基板ステージ温度 ２０ ℃ この予備プラズマ３５による予備プラズマ処理により、
図３（ｂ）に示すように高融点金属層３６表面の凹凸を
覆って、イオウ（Ｓ）からなるイオウ系材料層３７が堆
積し、その表面は平滑面を形成した。同時に、被処理基
板の温度は上昇し、図１に示すようにほぼ平衡温度に達
した。なお、この予備プラズマ処理により被処理基板を
構成する高融点金属層３６そのものの表面形状が変化す
ることは無い。

【００２８】続けて、ガス導入孔１４からのガスを切り
替え、一例として下記条件により高融点金属層３６のエ
ッチバックを行った。 ＳＦ₆ １００ ｓｃｃｍ ガス圧力 ０．５ Ｐａ マイクロ波パワー １０００ Ｗ（２．４５ＧＨｚ） ＲＦバイアスパワー ５０ Ｗ（２ＭＨｚ） 基板ステージ温度 ２０ ℃ このエッチング工程では、被処理基板温度が予備プラズ
マ処理により安定しているため、安定なエッチバックを
施すことができ、平滑面を有するイオウ層３７と高融点
金属層３６は共にエッチングされ、図３（ｃ）に示すよ
うに接続孔３３内には平滑な表面を有する高融点金属層
が残された。また露出したＴｉＮ層３５の表面も、高融
点金属層３３の粗いモホロジが転写されることもなかっ
た。

【００２９】さらに続けて、Ｃｌ系ガスに切り替え、一
例として下記条件により、層間絶縁膜３２上のＴｉＮ層
３５とＴｉ層３４の除去を行った。 Ｃｌ₂ ８０ ｓｃｃｍ Ｏ₂ ２０ ｓｃｃｍ ガス圧力 ０．５ Ｐａ マイクロ波パワー １０００ Ｗ（２．４５ＧＨｚ） ＲＦバイアスパワー ５０ Ｗ（２ＭＨｚ） 基板ステージ温度 ２０ ℃ このエッチング条件により、接続孔内には高融点金属
層、ＴｉＮ層およびＴｉ層からなる平滑な表面を有する
コンタクトプラグ３８が図３（ｄ）に示すように形成さ
れた。このため、次に形成するＡｌ系合金等からなる上
層配線表面も極めて平坦に形成することができ、多層配
線の信頼性向上に寄与する。

【００３０】本実施例では、予備プラズマ処理におい
て、被処理基板１の温度安定化と、イオウ層３７の堆積
による平滑化プロセスとを同時に施すことが可能となっ
た。なお、イオウは昇華性であるが、被処理基板温度が
約９０℃未満であればその表面に堆積することが可能で
ある。

【００３１】実施例５ 本実施例は先の実施例４における予備プラズマ処理条件
を変更したものであり、この予備プラズマ処理条件のみ
を次に示す。 Ｈ₂ Ｓ ５０ ｓｃｃｍ Ｎ₂ ５０ ｓｃｃｍ ガス圧力 ０．５ Ｐａ マイクロ波パワー １０００ Ｗ（２．４５ＧＨｚ） ＲＦバイアスパワー ５０ Ｗ（２ＭＨｚ） 基板ステージ温度 ２０ ℃ この予備プラズマ３５処理により、図３（ｂ）に示すよ
うに高融点金属層３６表面の凹凸を覆って（ＳＮ）
_x （ポリチアジル）からなるイオウ系材料層３７が堆積
し、平滑面を形成した。同時に、被処理基板の温度は上
昇し、図１に示すようにほぼ平衡温度に達した。続くプ
ラズマエッチング工程と効果は実施例４と同じであるの
で記述を省略する。なお、ポリチアジルは被処理基板温
度が約１４０℃以下であればその表面に堆積することが
できる。

【００３２】実施例６ 本実施例はプラズマ処理としてプラズマＣＶＤを例にと
り、Ｔｉ層およびＴｉＮ層の形成を行った例であり、こ
れを図１および図４（ａ）〜（ｄ）を参照して説明す
る。なお同図では、前実施例の説明で参照した図３と同
一の構成部分には同じ参照符号を付すものとする。この
Ｔｉ層およびＴｉ層は、実施例３においてはスパッタリ
ングにより形成したが、アスペクト比の大きい微細な接
続孔をコンフォーマルに被覆するには、スパッタリング
はステップカバレッジの点でやや難点がある。

【００３３】まず、図示しない不純物拡散層等が形成さ
れたＳｉ等の半導体基板上にＳｉＯ ₂ 等の層間絶縁膜３
２を例えば１μｍの厚さに形成し、不純物拡散層に臨む
０．３５ｎｍ径の接続孔を形成する。ここまで形成した
図４（ａ）に示す試料を被処理基板とする。この被処理
基板１を図５に示した基板バイアス印加型ＥＣＲプラズ
マ処理装置の基板ステージ２上に載置し、一例として下
記条件により予備プラズマ処理を施す。基板ステージ温
度は４００℃に保つ。 Ａｒ １００ ｓｃｃｍ ガス圧力 ０．１ Ｐａ マイクロ波パワー １０００ Ｗ（２．４５ＧＨｚ） ＲＦバイアスパワー ２０ Ｗ（２ＭＨｚ） 基板ステージ温度 ４００ ℃ この予備プラズマ２５による処理により、接続孔底部の
自然酸化膜はクリーニング除去されるとともに、被処理
基板温度は数十℃上昇して図１に示すようにほぼ平衡温
度に到達する。

【００３４】つぎにガス導入孔１４からのガスを切り替
え、一例として下記条件によりＴｉ層３４を形成する。 ＴｉＣｌ₄ ４０ ｓｃｃｍ Ｈ₂ ６０ ｓｃｃｍ ガス圧力 ０．１ Ｐａ マイクロ波パワー １０００ Ｗ（２．４５ＧＨｚ） 基板ステージ温度 ４００ ℃ 本プラズマＣＶＤ工程により、１０ｎｍのＴｉ層３４が
ステップカバレッジよく形成される。

【００３５】さらにガスを切り替え、一例として下記条
件によりＴｉＮ層３５を形成する。 ＴｉＣｌ₄ ２５ ｓｃｃｍ Ｎ₂ ２５ ｓｃｃｍ Ｈ₂ ５０ ｓｃｃｍ ガス圧力 ０．１ Ｐａ マイクロ波パワー １０００ Ｗ（２．４５ＧＨｚ） 基板ステージ温度 ４００ ℃ 本プラズマＣＶＤ工程では、被処理基板温度はすでに平
衡温度に達しており、残留塩素量の少ない良好な膜質を
有するとともに、ステップカバレッジに優れたＴｉＮ層
３５が形成される。このＴｉＮ層の厚さは５０ｎｍであ
る。

【００３６】引き続く次工程においては、Ａｌ系合金を
高温スパッタリングして接続孔３３内を埋め込んでコン
タクトプラグないしは上層配線（図示せず）を形成す
る。本実施例によれば、予備プラズマ処理によりほぼ平
衡温度にまで被処理基板を安定化してからプラズマＣＶ
Ｄを施すので、安定した均一なプロセスが可能である。
特に、ＴｉＮ層の形成においては、所望のプロセス温度
より低い温度でプラズマＣＶＤを施すと、下地との界面
に残留塩素が偏析しやすいものであるが、予備プラズマ
処理を施せば、この温度制御の問題が解消される。これ
により、コンタクト抵抗値の小さい、またＡｌ系合金の
アフターコロージョンの虞れのないコンタクトプラグが
得られる。

【００３７】以上、６種の実施例をもって本発明を説明
したが、本発明はこれらの実施例に限定されることはな
く、各種の実施態様が可能である。

【００３８】例えば、プラズマ処理としてプラズマエッ
チングおよびプラズマＣＶＤを例示したが、スパッタリ
ングによるデポジションやエッチングに適用してもい。
プラズマ処理装置として、基板バイアス印加型ＥＣＲプ
ラズマ処理装置を例示したが、平行平板型プラズマ処理
装置、バレル型プラズマ処理装置、ヘリコン波プラズマ
処理装置、ＩＣＰ（Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ Ｃｏｕｐ
ｌｅｄ ｐｌａｓｍａ）装置、そしてＴＣＰ（Ｔｒａｎ
ｓｆｏｒｍｅｒ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｐｌａｓｍａ）装置
等各種プラズマ処理装置に適用して安定な被処理基板温
度制御を達成することができる。

【００３９】不活性ガスとしてＨｅ、Ａｒ、Ｎ₂ および
Ｈ₂ Ｓを例示したが、他にＸｅ、Ｎｅ、Ｋｒ、Ｈ₂ 、Ｎ
Ｏ、Ｎ₂ Ｏ、ＮＯ₂ 、ＣＯおよびＣＯ₂ 等のガスを任意
に用いてよい。中でもＸｅの中性励起種によるプラズマ
発光のスペクトルは、ミリカン領域の極めて短波長のＶ
ＵＶ光を含まないので、フォトンエネルギが８．４ｅＶ
と小さい。これを他の不活性ガスについてみると、Ｈｅ
が２１，２ｅＶ、Ａｒが１１．６ｅＶ、Ｋｒが１０．０
ｅＶであることから、被処理基板に与える光照射ダメー
ジはＸｅが最も少ない。ＳｉＯ₂ のバンドギャップエネ
ルギが８．８ｅＶであることから、被処理基板の構成材
料層に応じて希ガスの種類を選択すればよい。

【００４０】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
によれば不活性ガスによる予備プラズマ処理を施すこと
により、主たるプラズマ処理における被処理基板温度を
一定に、しかも安定に制御することができる。これによ
り、温度プロセス条件が正確にコントロールされたプラ
ズマエッチングやプラズマＣＶＤ等を施すことが可能と
なった。

【００４１】予備プラズマ処理は不活性ガスにより施す
ので、被処理基板の表面形状を実質的に変えることはな
い。また予備プラズマ処理は、主たるプラズマ処理を施
す装置と同一のプラズマ処理装置内で連続的に施すもの
である。このため、プラズマ処理装置に新たに温度制御
機構等を付加する必要が無く、従来のプロセスの若干の
変更で済み、スループットを損ねることも実質的にな
い。

【００４２】本発明のプラズマ処理施すは、特にサブハ
ーフミクロンクラスの微細なデザインルールの半導体装
置の精密なプラズマ処理に用いて効果があり、高集積度
半導体装置の製造プロセスへ寄与する意義は大きい。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のプラズマ処理を適用した、被処理基板
と基板ステージとの温度差の時間変化を示す図でる。

【図２】本発明を適用した実施例１、２および３のプラ
ズマ処理を説明する概略断面図であり、（ａ）は半導体
基板上にゲート酸化膜、ＤＯＰＯＳ層およびレジストマ
スクを順次形成した状態、（ｂ）は予備プラズマ処理を
施しつつある状態、（ｃ）はＤＯＰＯＳ層をパターニン
グした状態である。

【図３】本発明を適用した実施例４および５のプラズマ
処理方法を説明する概略断面図であり、（ａ）は高融点
金属層を形成した状態、（ｂ）は予備プラズマ処理を施
しつつある状態、（ｃ）は高融点金属層をエッチバック
した状態、（ｄ）は層間絶縁膜上のＴｉＮ層およびＴｉ
層を除去した状態である。

【図４】本発明を適用した実施例６のプラズマ処理方法
を説明する概略断面図であり、（ａ）は半導体基板上の
層間絶縁膜に接続孔を形成した状態、（ｂ）は予備プラ
ズマ処理を施しつつある状態、（ｃ）はＴｉ層を形成し
た状態、（ｄ）はＴｉＮ層を形成した状態である。

【図５】本発明を適用した各実施例で共通に用いたプラ
ズマ処理装置の一構成例を示す概略断面図である。

【図６】基板ステージ部分の概略断面図であり、（ａ）
はメカニカルクランプ方式、（ｂ）は静電チャック方式
せある。

【図７】被処理基板の熱交換の機構を示すモデル図であ
る。

【図８】従来のプラズマ処理方法における被処理基板と
基板ステージとの温度差の時間変化を示す図である。

【符号の説明】

１ 被処理基板 ２ 基板ステージ ３ 熱伝導ガス導入孔 ４ クランパ ５ 静電チャック ６ 静電チャック電源 ７ ＲＦ電源 ８ プラズマ １１ マイクロ波導波管 １２ ベルジャ １３ ソレノイドコイル １４ ガス導入孔 ２１、３１ 半導体基板 ２２ ゲート酸化膜 ２３ ＤＯＰＯＳ層 ２４ レジストマスク ２５ 予備プラズマ ３２ 層間絶縁膜 ３３ 接続孔 ３４ Ｔｉ層 ３５ ＴｉＮ層 ３６ 高融点金属層 ３７ イオウ系材料層 ３８ コンタクトプラグ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｈ０１Ｌ 21/302 Ｆ

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 基板ステージの温度を制御しつつ、被処
   理基板にプラズマ処理を施すプラズマ処理方法であっ
   て、 該プラズマ処理の直前に、予備プラズマ処理を施して前
   記被処理基板の温度を安定化した後、連続的に該プラズ
   マ処理を施すことを特徴とする、プラズマ処理方法。
2. 【請求項２】 予備プラズマ処理は、被処理基板の表面
   形状を実質的に変更しないものであることを特徴とす
   る、請求項１記載のプラズマ処理方法。
3. 【請求項３】 予備プラズマ処理は、不活性ガスのプラ
   ズマ放電により施すことを特徴とする、請求項１記載の
   プラズマ処理方法。
4. 【請求項４】 不活性ガスは、Ｈｅ、Ａｒ、Ｘｅ、Ｎ
   ｅ、Ｋｒ、Ｈ₂ 、Ｈ₂ Ｓ、Ｎ₂ 、ＮＯ、Ｎ₂ Ｏ、Ｎ
   Ｏ₂ 、ＣＯ、ＣＯ₂ からなる群から選ばれるいずれか１
   種であることを特徴とする、請求項３記載のプラズマ処
   理方法。