JP2020004822A - 基板処理方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】半導体デバイスの製造コストを抑えることができる技術を提供する。
【解決手段】本開示の基板処理装置は、真空排気可能な処理容器と、下部電極と、上部電極とを有する。下部電極には被処理基板が載置可能である。上部電極は、処理容器内で下部電極に対向して配置される。そして、本開示の基板処理方法では、直流パルス電圧を用いずに交流電圧を用いて被処理基板に対する第一処理を行う一方で、直流パルス電圧を用いて被処理基板に対する第二処理を行う。
【選択図】図１

Description

本開示は、基板処理方法に関する。
半導体デバイスの製造工程において、半導体ウエハに対して成膜処理を行う前に、半導体ウエハに対してイオンボンバードメント処理を行うことがある。イオンボンバードメント処理では、例えば高周波プラズマでイオン化されたＡｒ＋を半導体ウエハの表面にたたきつけることにより、半導体ウエハの表面に付着した自然酸化膜を破壊して洗浄する。
特開２００９−２３９０１２号公報
成膜処理を行う前にイオンボンバードメント処理を行うには、イオンボンバードメント処理用のチャンバ（以下では「イオンボンバードメントチャンバ」と呼ぶことがある）と、成膜処理用のチャンバ（以下では「成膜チャンバ」と呼ぶことがある）という、２つのチャンバを用意する必要があった。
また、イオンボンバードメント処理後の半導体ウエハを、イオンボンバードメントチャンバから成膜チャンバへと空気中で搬送すると、イオンボンバードメントにより除去された自然酸化膜が空気中で再び半導体ウエハに付着してしまう。このため、イオンボンバードメントチャンバから成膜チャンバへの半導体ウエハの搬送は、真空搬送にて行う必要があった。
それぞれ別用途の２つのチャンバを用意すると、半導体デバイスの製造コストが高くなってしまう。また、半導体ウエハを真空搬送するには真空搬送用の別装置が必要になるため、半導体ウエハの真空搬送を行うと、半導体デバイスの製造コストがさらに高くなってしまう。
本開示は、半導体デバイスの製造コストを抑えることができる技術を提供する。
本開示の一態様の基板処理装置は、真空排気可能な処理容器と、下部電極と、上部電極とを有する。下部電極には被処理基板が載置可能である。上部電極は、処理容器内で下部電極に対向して配置される。そして、本開示の一態様の基板処理方法では、直流パルス電圧を用いずに交流電圧を用いて被処理基板に対する第一処理を行う一方で、直流パルス電圧を用いて被処理基板に対する第二処理を行う。
本開示の技術によれば、半導体デバイスの製造コストを抑えることができる。
図１は、実施形態１に係る基板処理装置の構成例を示す図である。 図２は、実施形態１に係る高周波電圧の一例を示す図である。 図３は、実施形態１に係る直流パルス電圧の一例を示す図である。 図４は、実施形態１に係る重畳電圧の一例を示す図である。 図５は、実施形態１に係る基板処理装置で行われる基板処理の一例の説明に供する図である。 図６は、実施形態１に係る基板処理装置で行われる基板処理の一例の説明に供する図である。 図７は、実施形態１に係る基板処理装置で行われる基板処理の一例の説明に供する図である。 図８は、実施形態１に係る基板処理装置で行われる基板処理の一例の説明に供する図である。 図９は、実施形態１に係る基板処理装置で行われる基板処理の一例の説明に供する図である。 図１０は、実施形態１に係る基板処理装置で行われる基板処理の一例の説明に供する図である。 図１１は、実施形態１に係る基板処理装置で行われる基板処理の一例の説明に供する図である。 図１２は、実施形態２に係る基板処理装置の構成例を示す図である。 図１３は、実施形態２に係る基板処理装置で行われる基板処理の一例の説明に供する図である。 図１４は、実施形態２に係る基板処理装置で行われる基板処理の一例の説明に供する図である。 図１５は、実施形態２に係る基板処理装置で行われる基板処理の一例の説明に供する図である。 図１６は、実施形態２に係る基板処理装置で行われる基板処理の一例の説明に供する図である。
以下に、本開示の技術の実施形態を図面に基づいて説明する。各実施形態において同一の構成には同一の符号を付すことにより、実施形態間で重複する説明は省略する。
［実施形態１］
＜基板処理装置の構成＞
図１は、実施形態１に係る基板処理装置の構成例を示す図である。図１に示す基板処理装置１は、容量結合型の平行平板基板処理装置として構成されている。
図１において、基板処理装置１は、例えばアルミニウムまたはステンレス鋼等からなる金属製の処理容器であるチャンバ１０を有する。チャンバ１０は保安接地されている。
チャンバ１０内には、円盤状のサセプタ１２が水平に配置されている。サセプタ１２には、基板処理の被処理基板としての半導体ウエハＷが載置可能である。サセプタ１２は、下部電極としても機能する。チャンバ１０の側壁には、半導体ウエハＷの搬入出口を開閉するゲートバルブ２８が取り付けられている。サセプタ１２は、例えばＡｌＮセラミック等からなり、チャンバ１０の底から鉛直上方に延びる絶縁性の筒状支持部１４に支持されている。
筒状支持部１４の外周に沿ってチャンバ１０の底から鉛直上方に延びる導電性の筒状支持部（内壁部）１６とチャンバ１０の側壁との間に、環状の排気路１８が形成されている。排気路１８の底には排気口２２が設けられている。
排気口２２には排気管２４を介して排気装置２６が接続されている。排気装置２６は、例えばターボ分子ポンプ等の真空ポンプを有しており、チャンバ１０内の処理空間を所望の真空度まで減圧する。チャンバ１０内は、例えば、２００ｍＴｏｒｒ〜２５００ｍＴｏｒｒの範囲の一定の圧力に保たれるのが好ましい。
下部電極として用いられるサセプタ１２と接地との間には、コイル１０１と可変コンデンサ１０２とを有するインピーダンス調整回路１００が接続棒３６を介して電気的に接続されている。
サセプタ１２の上には基板処理対象の半導体ウエハＷが載置され、半導体ウエハＷを囲むようにリング３８が設けられている。リング３８は、導電材（例えばＮｉ，Ａｌ等）からなり、サセプタ１２の上面に着脱可能に取り付けられる。
また、サセプタ１２の上面には、ウエハ吸着用の静電チャック４０が設けられている。静電チャック４０は、膜状または板状の誘電体の間にシート状またはメッシュ状の導電体を挟んで形成される。静電チャック４０内の導電体には、チャンバ１０の外に配置される直流電源４２がオン／オフ切替スイッチ４４及び給電線４６を介して電気的に接続されている。直流電源４２より印加される直流電圧によって静電チャック４０に発生したクーロン力により、半導体ウエハＷが静電チャック４０上に吸着保持される。
サセプタ１２の内部には、円周方向に延びる環状の冷媒室４８が設けられている。冷媒室４８には、チラーユニット（図示せず）より配管５０，５２を介して、所定温度の冷媒（例えば冷却水）が循環供給される。冷媒の温度を制御することによって静電チャック４０上の半導体ウエハＷの温度が制御される。さらに、半導体ウエハＷの温度の精度を高めるために、伝熱ガス供給部（図示せず）からの伝熱ガス（例えばＨeガス）が、ガス供給管５１及びサセプタ１２内のガス通路５６を介して、静電チャック４０と半導体ウエハＷとの間に供給される。
チャンバ１０の天井には、サセプタ１２と平行に向かい合って（つまり、対向して）、円盤状の内側上部電極６０及びリング状の外側上部電極６２が同心状に設けられている。径方向の好適なサイズとして、内側上部電極６０は半導体ウエハＷと同程度の口径（直径）を有し、外側上部電極６２はリング３８と同程度の口径（内径・外径）を有している。但し、内側上部電極６０と外側上部電極６２とは互いに電気的に絶縁されている。両電極６０，６２の間には、例えばセラミックからなるリング状の絶縁体６３が挿入されている。
内側上部電極６０は、サセプタ１２と真正面に向かい合う電極板６４と、電極板６４をその背後（上）から着脱可能に支持する電極支持体６６とを有している。電極板６４の材質として、ＮｉまたはＡｌ等の導電材が好ましい。電極支持体６６は、例えばアルマイト処理されたアルミニウムで構成される。外側上部電極６２も、サセプタ１２と向かい合う電極板６８と、電極板６８をその背後（上）から着脱可能に支持する電極支持体７０とを有している。電極板６８及び電極支持体７０は、電極板６４及び電極支持体６６とそれぞれ同じ材質で構成されるのが好ましい。以下では、内側上部電極６０と外側上部電極６２とを「上部電極６０，６２」と総称することがある。このように、基板処理装置１では、円盤状のサセプタ１２（つまり、下部電極）と、円盤状の上部電極６０，６２とが互いに平行に対向している。
なお、本実施形態では、上部電極６０，６２が、内側上部電極６０と外側上部電極６２との２つの部材で構成される場合を一例として挙げた。しかし、上部電極は１つの部材で構成されても良い。
上部電極６０，６２とサセプタ１２との間に設定される処理空間ＰＳに処理ガスを供給するために、内側上部電極６０がシャワーヘッドとして兼用される。より詳細には、電極支持体６６の内部にガス拡散室７２が設けられ、ガス拡散室７２からサセプタ１２側に貫ける多数のガス吐出孔７４が電極支持体６６及び電極板６４に形成される。ガス拡散室７２の上部に設けられるガス導入口７２ａには、ガス供給部７６から延びるガス供給管７８が接続されている。なお、内側上部電極６０だけでなく外側上部電極６２にもシャワーヘッドを設ける構成としても良い。
チャンバ１０の外には、印加電圧を出力する電圧印加部５が配置されている。電圧印加部５は、給電ライン８８を介して上部電極６０，６２に接続されている。電圧印加部５は、高周波電源３０と、マッチングユニット３４と、可変直流電源８０と、オン／オフ切替スイッチ９２と、パルス発生器８４と、フィルタ８６と、重畳器９１とを有する。
高周波電源３０は、高周波数の交流電圧（以下では「高周波電圧」と呼ぶことがある）を生成し、生成した高周波電圧をマッチングユニット３４を介して重畳器９１に供給する。高周波電源３０が生成する高周波電圧の周波数は、例えば１３ＭＨｚ以上であることが好ましい。
図２は、実施形態１に係る高周波電圧の一例を示す図である。図２に示すように、高周波電源３０は、例えば、０Ｖを基準電位ＲＰとする−２５０Ｖ〜２５０Ｖの高周波電圧Ｖ１を生成する。マッチングユニット３４は、高周波電源３０側のインピーダンスと負荷（主に電極、プラズマ、チャンバ）側のインピーダンスとの間の整合をとる。
可変直流電源８０の出力端子はオン／オフ切替スイッチ９２を介してパルス発生器８４に接続され、可変直流電源８０は、負の直流電圧（つまり負のＤＣ電圧）をパルス発生器８４に出力する。オン／オフ切替スイッチ９２がオンになっているときは、負の直流電圧がパルス発生器８４に入力される一方で、オン／オフ切替スイッチ９２がオフになっているときは、負の直流電圧がパルス発生器８４に入力されない。パルス発生器８４は、可変直流電源８０から入力される負の直流電圧を用いて、矩形波の直流パルス電圧（つまりＤＣパルス電圧）を発生し、発生した直流パルス電圧をフィルタ８６を介して重畳器９１に供給する。パルス発生器８４が発生する直流パルス電圧の周波数は、例えば、１０ｋＨｚ〜１ＭＨｚであることが好ましい。また、パルス発生器８４が発生する直流パルス電圧のデューティ比は、１０％〜９０％であることが好ましい。
図３は、実施形態１に係る直流パルス電圧の一例を示す図である。図３に示すように、パルス発生器８４は、例えば、０Ｖ〜−５００Ｖの矩形波の直流パルス電圧Ｖ２を生成する。
フィルタ８６は、パルス発生器８４から出力される直流パルス電圧をスルーで重畳器９１へ出力する一方で、高周波電源３０から出力される高周波電圧を接地ラインへ流してパルス発生器８４側へは流さないように構成されている。
重畳器９１は、高周波電源３０から出力される高周波電圧と、パルス発生器８４から出力される直流パルス電圧とを重畳することにより、高周波電圧と直流パルス電圧とが重畳された電圧（以下では「重畳電圧」と呼ぶことがある）を生成する。生成された重畳電圧は、給電ライン８８を介して上部電極６０，６２に印加される。
図４は、実施形態１に係る重畳電圧の一例を示す図である。図２示す高周波電圧Ｖ１と図３に示す直流パルス電圧Ｖ２とが重畳された場合、図４に示す重畳電圧Ｖ３が生成される。高周波電圧に直流パルス電圧が重畳されることにより、図４に示すように、重畳電圧Ｖ３においては、矩形波の直流パルス電圧Ｖ２（図３）の波形に合わせて、高周波電圧Ｖ１（図２）の基準電位ＲＰが時間の経過に伴って上下に交互に周期的に変化する。つまり、電圧印加部５は、オン／オフ切替スイッチ９２がオンになっている場合には、パルス状（つまり、矩形波状）に変化する高周波電圧を出力する。
このように、オン／オフ切替スイッチ９２がオンになっているときは、可変直流電源８０から出力される負の直流電圧がパルス発生器８４に供給されるので、重畳器９１からは重畳電圧が出力される。一方で、オン／オフ切替スイッチ９２がオフになっているときは、可変直流電源８０から出力される負の直流電圧がパルス発生器８４に供給されないので、マッチングユニット３４から出力された高周波電圧がそのまま重畳器９１から出力される。
つまり、オン／オフ切替スイッチ９２がオンになっているときは、重畳電圧が上部電極６０，６２に印加される一方で、オン／オフ切替スイッチ９２がオフになっているときは、高周波電圧が上部電極６０，６２に印加される。
チャンバ１０内で処理空間ＰＳに面する適当な箇所（例えば、外側上部電極６２の半径方向外側）には、例えばＮｉ，Ａｌ等の導電性部材からなるリング状のグランドパーツ９６が取り付けられている。グランドパーツ９６は、例えばセラミックからなるリング状の絶縁体９８に取り付けられるとともに、チャンバ１０の天井壁に接続されており、チャンバ１０を介して接地されている。プラズマ処理中に電圧印加部５から上部電極６０，６２に重畳電圧または直流パルス電圧が印加されると、プラズマを介して上部電極６０，６２とグランドパーツ９６との間で電子電流が流れるようになっている。
基板処理装置１内の各構成の個々の動作、及び、基板処理装置１全体の動作（シーケンス）は、制御部（図示せず）によって制御される。例えば、排気装置２６、高周波電源３０、オン／オフ切替スイッチ４４，９２、ガス供給部７６、チラーユニット（図示せず）、伝熱ガス供給部（図示せず）等の動作は、制御部（図示せず）によって制御される。制御部の一例として、マイクロコンピュータが挙げられる。
＜基板処理装置での基板処理＞
図５〜図１１は、実施形態１に係る基板処理装置で行われる基板処理の一例の説明に供する図である。基板処理装置１における基板処理は、以下のステップ１−１〜１−４に従って行われる。
＜ステップ１−１：図５＞
図５にステップ１−１の処理の一例を示す。基板処理装置１において、まずゲートバルブ２８を開状態にして加工対象の半導体ウエハＷをチャンバ１０内に搬入して、静電チャック４０の上に載置する。次に、オン／オフ切替スイッチ４４をオンにし、静電吸着力によって静電チャック４０上に半導体ウエハＷを吸着保持する。また、排気装置２６によりチャンバ１０内の圧力を設定値（例えば、５００ｍＴｏｒｒ）に調節する。また、静電チャック４０と半導体ウエハＷとの間に伝熱ガスを供給する。図５に示すように、半導体ウエハＷの一例として、Ｓｉウエハが挙げられる。
また、オン／オフ切替スイッチ９２をオフにすることにより、上部電極６０，６２には、重畳電圧を印加せずに高周波電圧を印加する。オン／オフ切替スイッチ９２がオフになっているときは、直流パルス電圧は重畳器９１に供給されないため、直流パルス電圧は上部電極６０，６２にも印加されない。また、基板処理装置１が図１に示す構成を採ることにより、サセプタ１２には、高周波電圧、直流パルス電圧及び重畳電圧の何れも印加されることはない。
また、ガス供給部７６より処理ガスとして、ＴＥＯＳガス、Ｏ２ガス及びＡｒガスを所定の流量でチャンバ１０内に導入する。なお、Ａｒガスは、プラズマの安定化のために用いられる。
これにより、内側上部電極６０より吐出されたＴＥＯＳガス及びＯ２ガスは、上部電極６０，６２と、下部電極として用いられるサセプタ１２との間での放電によって処理空間ＰＳでプラズマ化する。そして、このプラズマに含まれるラジカルやイオンによって、Ｓｉウエハの表面にＳｉＯ２膜が形成される。ＳｉＯ２膜は、半導体ウエハＷ上に形成される酸化膜の一例である。
＜ステップ１−２：図６＞
図６にステップ１−２の処理の一例を示す。ステップ１−１に後続するステップ１−２では、オン／オフ切替スイッチ９２をオンにする。オン／オフ切替スイッチ９２をオンにすることにより、上部電極６０，６２には、重畳電圧が印加される。また、ガス供給部７６より処理ガスとして、ＳｉＨ４ガス、Ｎ２ガス及びＡｒガスを所定の流量でチャンバ１０内に導入する。これにより、内側上部電極６０より吐出されたＳｉＨ４ガス及びＮ２ガスは、上部電極６０，６２と、下部電極として用いられるサセプタ１２との間での放電によって処理空間ＰＳでプラズマ化する。そして、このプラズマに含まれるラジカルやイオンによって、ステップ１−１で形成されたＳｉＯ２膜の表面にさらにＳｉＮ膜が形成（積層）される。ＳｉＮ膜は、半導体ウエハＷ上に形成される窒化膜の一例である。
＜ステップ１−３：図７＞
図７にステップ１−３の処理の一例を示す。ステップ１−２に後続するステップ１−３では、オン／オフ切替スイッチ９２をオフにする。オン／オフ切替スイッチ９２をオフにすることにより、上部電極６０，６２には、高周波電圧が印加される。また、ガス供給部７６より処理ガスとして、ＴＥＯＳガス、Ｏ２ガス及びＡｒガスを所定の流量でチャンバ１０内に導入する。これにより、内側上部電極６０より吐出されたＴＥＯＳガス及びＯ２ガスは、上部電極６０，６２と、下部電極として用いられるサセプタ１２との間での放電によって処理空間ＰＳでプラズマ化する。そして、このプラズマに含まれるラジカルやイオンによって、ステップ１−２で形成されたＳｉＮ膜の表面にさらにＳｉＯ２膜が形成（積層）される。
＜ステップ１−４：図８＞
図８にステップ１−４の処理の一例を示す。ステップ１−３に後続するステップ１−４では、オン／オフ切替スイッチ９２をオンにする。オン／オフ切替スイッチ９２をオンにすることにより、上部電極６０，６２には、重畳電圧が印加される。また、ガス供給部７６より処理ガスとして、ＳｉＨ４ガス、Ｎ２ガス及びＡｒガスを所定の流量でチャンバ１０内に導入する。これにより、内側上部電極６０より吐出されたＳｉＨ４ガス及びＮ２ガスは、上部電極６０，６２と、下部電極として用いられるサセプタ１２との間での放電によって処理空間ＰＳでプラズマ化する。そして、このプラズマに含まれるラジカルやイオンによって、ステップ１−３で形成されたＳｉＯ２膜の表面にさらにＳｉＮ膜が形成（積層）される。
以上、ステップ１−１〜１−４の処理について説明した。
ここで、チャンバ１０内の圧力を５００ｍＴｏｒｒにした状態でオン／オフ切替スイッチ９２をオフにして上部電極６０，６２に周波数４０ＭＨｚの高周波電圧を印加したときのチャンバ１０内の電子温度の分布を図９に示す。また、チャンバ１０内の圧力を５００ｍＴｏｒｒにした状態でオン／オフ切替スイッチ９２をオンにして上部電極６０，６２に重畳電圧を印加したときのチャンバ１０内の電子温度の分布を図１０に示す。図１０では、周波数４０ＭＨｚの高周波電圧、及び、デューティ比５０％、周波数５００ｋＨｚの直流パルス電圧を重畳器９１に供給することにより重畳電圧を生成した。図９及び図１０は、ｚ方向（図１）の距離ｄと電子温度との関係（つまり、チャンバ１０内の電子温度の分布）を示す。距離ｄは、ｚ方向（図１）において、サセプタ１２の上面（つまり、静電チャック４０の上面）を基点とし、サセプタ１２の上面から上部電極６０，６２の下面までの距離を示す。図９及び図１０では、一例として、サセプタ１２の上面と上部電極６０，６２の下面との間の距離ｄ（つまり、電極間ギャップ）が０.０１４ｍである場合の電子温度の分布が示されている。
また、図１１に、チャンバ１０内の圧力を５００ｍＴｏｒｒにした状態で上部電極６０，６２に高周波電圧のみ、または、重畳電圧を印加したときの波長と発光強度との関係を示す。
つまり、ステップ１−１，１−３（図５，７）の処理が行われるときの状態が図９に示され、ステップ１−２，１−４（図６，８）の処理が行われるときの状態が図１０及び図１１に示されている。
ステップ１−１，１−３の処理が行われるとき、つまり、上部電極６０，６２に高周波電圧が印加されるときには、図９に示すように、サセプタ１２の上面付近、及び、上部電極６０，６２の下面付近の双方で、電子温度が高くなる。電子温度が高いほど、処理ガスの解離が促進されてプラズマの生成量が増加するため、プラズマに含まれるラジカルが増加する。また、電子温度が高いほど、プラズマに含まれるイオンがより活性化されるため、膜質の改善効果が上がって膜密度が上がる。
よって、ステップ１−１，１−３の処理により、上部電極６０，６２の下面付近では、ＳｉＯ２膜の形成源であるラジカルが増加する一方で、サセプタ１２の上面付近では、プラズマに含まれるイオンの活性度が上がる。よって、ステップ１−１，１−３の処理により、膜密度が高いＳｉＯ２膜を効率良く形成することができる。
これに対し、ステップ１−２，１−４の処理が行われるとき、つまり、上部電極６０，６２に重畳電圧が印加されるときには、図１０に示すように、図９と比較して、上部電極６０，６２の下面付近での電子温度がさらに上昇する一方で、サセプタ１２の上面付近での電子温度が大きく低下する。上部電極６０，６２の下面付近での電子温度の上昇により、図１１に示すように、上部電極６０，６２の直下においてＮ２の解離が促進されて、ＳｉＮ膜の形成源であるＮラジカルが増加する。図１１からは、上部電極６０，６２に重畳電圧を印加した場合は、高周波電圧のみを印加した場合に比べ、Ｎ２の発光強度が減少する一方で、Ｎ２の解離が促進されてＮラジカルの発光強度が増加していること（つまり、Ｎラジカルが増加していること）が分かる。よって、上部電極６０，６２に重畳電圧を印加することにより、ステップ１−２，１−４の処理で形成されるＳｉＮ膜での窒化力を強化することができる。
一方で、電子温度が低いほど、イオンによる電極に対する損傷の度合が小さくなる。
よって、ステップ１−２，１−４の処理により、サセプタ１２に対する損傷を抑制しつつ、窒化力が強化されたＳｉＮ膜を形成することができる。
以上のように、実施形態１では、ステップ１−１，１−３の処理において、直流パルス電圧を上部電極６０，６２及びサセプタ１２に印加せずに、高周波電圧を上部電極６０，６２に印加してＳｉウエハに対する処理を行うことにより、Ｓｉウエハ上にＳｉＯ２膜を形成する。また、実施形態１では、ステップ１−２，１−４の処理において、重畳電圧を上部電極６０，６２に印加してＳｉウエハに対する処理を行うことにより、Ｓｉウエハ上にＳｉＮ膜を形成する。Ｓｉウエハは、被処理基板としての半導体ウエハＷの一例である。また、ＳｉＯ２膜は酸化膜の一例であり、ＳｉＮ膜は窒化膜の一例である。
こうすることで、ステップ１−１，１−３の処理では、膜質を改善しながらＳｉＯ２膜を効率良く形成することができる。一方で、ステップ１−２，１−４の処理では、サセプタ１２に対する損傷を抑制しつつ、窒化力が強化されたＳｉＮ膜を形成することができる。このように、実施形態１によれば、Ｓｉウエハに対する互いに異なる２つの成膜処理を１つのチャンバ１０内で行うことができる。
また、実施形態１では、基板処理装置１は、サセプタ１２と接地との間に接続されたインピーダンス調整回路１００を有する。
こうすることで、上部電極６０，６２とサセプタ１２との間のインピーダンスを減少させることが可能になるため、上部電極６０，６２に印加される高周波電圧、及び、上部電極６０，６２に印加される重畳電圧の高周波電圧成分がサセプタ１２に到達し易くなる。
［実施形態２］
＜基板処理装置の構成＞
図１２は、実施形態２に係る基板処理装置の構成例を示す図である。図１２に示す基板処理装置２は、実施形態１に係る基板処理装置１（図１）と同様に、容量結合型の平行平板基板処理装置として構成されている。以下、図１２に示す基板処理装置２において、実施形態１に係る基板処理装置１（図１）と異なる構成について説明する。
基板処理装置２は、電圧印加部６を有する。電圧印加部６は、高周波電源３０と、オン／オフ切替スイッチ９３と、マッチングユニット３４と、可変直流電源８０と、オン／オフ切替スイッチ９４と、パルス発生器８４と、フィルタ８６とを有する。
高周波電源３０は、オン／オフ切替スイッチ９３、マッチングユニット３４及び接続棒３６を介して、サセプタ１２に電気的に接続されている。本実施形態の高周波電源３０は、主に、サセプタ１２上に載置される半導体ウエハＷに対するイオンの引き込みに寄与する。マッチングユニット３４は、高周波電源３０側のインピーダンスと負荷（主に電極、プラズマ、チャンバ）側のインピーダンスとの間の整合をとる。高周波電源３０によって生成された高周波電圧は、オン／オフ切替スイッチ９３を介してサセプタ１２に供給される。よって、オン／オフ切替スイッチ９３がオンになっているときは、高周波電圧がサセプタ１２に印加される一方で、オン／オフ切替スイッチ９３がオフになっているときは、高周波電圧がサセプタ１２に印加されない。
一方で、可変直流電源８０から出力される負の直流電圧はオン／オフ切替スイッチ９４を介してパルス発生器８４に供給される。よって、オン／オフ切替スイッチ９４がオンになっているときは、直流パルス電圧が上部電極６０，６２に印加される一方で、オン／オフ切替スイッチ９４がオフになっているときは、直流パルス電圧が上部電極６０，６２に印加されない。
基板処理装置２内の各構成の個々の動作、及び、基板処理装置２全体の動作（シーケンス）は、制御部（図示せず）によって制御される。例えば、排気装置２６、高周波電源３０、オン／オフ切替スイッチ４４，９３，９４、ガス供給部７６、チラーユニット（図示せず）、伝熱ガス供給部（図示せず）等の動作は、制御部（図示せず）によって制御される。制御部の一例として、マイクロコンピュータが挙げられる。
＜基板処理装置での基板処理＞
図１３〜図１６は、実施形態２に係る基板処理装置で行われる基板処理の一例の説明に供する図である。基板処理装置２における基板処理は、以下のステップ２−１〜２−３に従って行われる。
＜ステップ２−１：図１３＞
図１３にステップ２−１の処理の一例を示す。基板処理装置２において、まずゲートバルブ２８を開状態にして加工対象の半導体ウエハＷをチャンバ１０内に搬入して、静電チャック４０の上に載置する。次に、オン／オフ切替スイッチ４４をオンにし、静電吸着力によって静電チャック４０上に半導体ウエハＷを吸着保持する。また、排気装置２６によりチャンバ１０内の圧力を設定値（例えば、５００ｍＴｏｒｒ）に調節する。また、静電チャック４０と半導体ウエハＷとの間に伝熱ガスを供給する。図１３に示すように、半導体ウエハＷの一例として、Ｓｉウエハが挙げられる。このＳｉウエハの表面には、電気抵抗になる自然酸化膜が付着している。Ｓｉウエハの表面に付着している自然酸化膜の一例として、ＳｉＯ２膜が挙げられる。
また、オン／オフ切替スイッチ９４をオフにする一方で、オン／オフ切替スイッチ９３をオンにすることにより、上部電極６０，６２に直流パルス電圧を印加せずに、サセプタ１２に高周波電圧を印加する。また、基板処理装置２が図１２に示す構成を採ることにより、上部電極６０，６２には高周波電圧が印加されることはなく、また、サセプタ１２には直流パルス電圧が印加されることはない。
また、ガス供給部７６より処理ガスとしてＡｒガスを所定の流量でチャンバ１０内に導入する。
これにより、内側上部電極６０より吐出されたＡｒガスは、上部電極６０，６２と、下部電極として用いられるサセプタ１２との間での放電によって処理空間ＰＳでプラズマ化する。そして、このプラズマに含まれるＡｒイオンによってＳｉウエハに対してイオンボンバードメントが行われて、Ｓｉウエハの表面に付着しているＳｉＯ２膜が洗浄されて除去される。
＜ステップ２−２：図１４＞
図１４にステップ２−２の処理の一例を示す。ステップ２−１に後続するステップ２−２では、オン／オフ切替スイッチ９３をオフにする一方で、オン／オフ切替スイッチ９４をオンにする。これにより、サセプタ１２に高周波電圧が印加されずに、上部電極６０，６２に直流パルス電圧が印加される。また、ガス供給部７６より処理ガスとして、ＴｉＣｌ４ガス及びＨ２ガスを所定の流量でチャンバ１０内に導入する。これにより、内側上部電極６０より吐出されたＴｉＣｌ４ガス及びＨ２ガスは、上部電極６０，６２と、下部電極として用いられるサセプタ１２との間での放電によって処理空間ＰＳでプラズマ化し、このプラズマに含まれるラジカルやイオンによって、Ｓｉウエハの表面にＴｉ膜が形成される。また、ＴｉＣｌ４のＣｌとＨ２とが結びつくことによりＨＣｌが生成される。
＜ステップ２−３：図１５＞
図１５にステップ２−３の処理の一例を示す。ステップ２−２に後続するステップ２−３では、オン／オフ切替スイッチ９３及びオン／オフ切替スイッチ９４の双方をオンにする。これにより、サセプタ１２に高周波電圧が印加される一方で、上部電極６０，６２に直流パルス電圧が印加される。また、ガス供給部７６より処理ガスとして、ＴｉＣｌ４ガス及びＮＨ３ガスを所定の流量でチャンバ１０内に導入する。これにより、内側上部電極６０より吐出されたＴｉＣｌ４ガス及びＮＨ３ガスは、上部電極６０，６２と、下部電極として用いられるサセプタ１２との間での放電によって処理空間ＰＳでプラズマ化し、このプラズマに含まれるラジカルやイオンによって、ステップ２−２で形成されたＴｉ膜の表面にさらにＴｉＮ膜が形成（積層）される。
以上、ステップ２−１〜２−３の処理について説明した。
ここで、チャンバ１０内の圧力を５００ｍＴｏｒｒにした状態でオン／オフ切替スイッチ９４をオフにする一方でオン／オフ切替スイッチ９３をオンにして、サセプタ１２に周波数４０ＭＨｚの高周波電圧を印加したときのチャンバ１０内の電子温度の分布は、上記の図９に示したものと同様になる。また、チャンバ１０内の圧力を５００ｍＴｏｒｒにした状態でオン／オフ切替スイッチ９４をオンにする一方でオン／オフ切替スイッチ９３をオフにして、上部電極６０，６２にデューティ比５０％、周波数５００ｋＨｚの直流パルス電圧を印加したときのチャンバ１０内の電子温度の分布を図１６に示す。また、チャンバ１０内の圧力を５００ｍＴｏｒｒにした状態でオン／オフ切替スイッチ９３，９４の双方をオンにして、サセプタ１２に周波数４０ＭＨｚの高周波電圧を印加する一方で、上部電極６０，６２にデューティ比５０％、周波数５００ｋＨｚの直流パルス電圧を印加したときのチャンバ１０内の電子温度の分布は、上記の図１０に示したものと同様になる。図１６には、図９及び図１０と同様に、一例として、サセプタ１２の上面と上部電極６０，６２の下面との間の距離ｄ（つまり、電極間ギャップ）が０.０１４ｍである場合の電子温度の分布が示されている。
また、チャンバ１０内の圧力を５００ｍＴｏｒｒにした状態でサセプタ１２に高周波電圧を印加する一方で、上部電極６０，６２に直流パルス電圧を印加したときの波長と発光強度との関係は、上記の図１１に示したものと同様になる。
つまり、ステップ２−１（図１３）の処理が行われるときの状態が図９に示され、ステップ２−２（図１４）の処理が行われるときの状態が図１６に示され、ステップ２−３（図１５）の処理が行われるときの状態が図１０及び図１１に示されている。
ステップ２−１の処理が行われるとき、つまり、サセプタ１２に高周波電圧が印加されるときには、図９に示すように、サセプタ１２の上面付近、及び、上部電極６０，６２の下面付近の双方で、電子温度が高くなる。電子温度が高いほど、処理ガスの解離が促進されてプラズマの生成量が増加するため、プラズマに含まれるイオンが増加する。また、電子温度が高いほど、プラズマに含まれるイオンがより活性化される。
よって、ステップ２−１の処理により、上部電極６０，６２の下面付近では、イオンボンバードメントに用いられるＡｒイオンが増加する一方で、サセプタ１２の上面付近では、プラズマに含まれるＡｒイオンの活性度が上がる。よって、ステップ２−１の処理により、Ａｒイオンによるイオンボンバードメントの洗浄効果を上げることができる。
また、ステップ２−２の処理が行われるとき、つまり、上部電極６０，６２に直流パルス電圧が印加されるときには、図１６に示すように、図９と比較して、上部電極６０，６２の下面付近での電子温度がさらに上昇する一方で、サセプタ１２の上面付近での電子温度が大きく低下する。電子温度が高いほど、処理ガスの解離が促進されてプラズマの生成量が増加するため、プラズマに含まれるラジカルが増加する。また、電子温度が低いほど、イオンによる電極に対する損傷の度合が小さくなる。
よって、ステップ２−２の処理により、サセプタ１２に対する損傷を抑制しつつ、上部電極６０，６２の直下で多量に生成されるラジカルによりＴｉ膜を効率良く形成することができる。
また、ステップ２−３の処理が行われるとき、つまり、サセプタ１２に高周波電圧が印加され、かつ、上部電極６０，６２に直流パルス電圧が印加されるときには、図１０に示すように、図１６と比較して、上部電極６０，６２の下面付近での電子温度が図１６と同程度の高温に維持されたまま、サセプタ１２の上面付近での電子温度が僅かに上昇する。上部電極６０，６２の下面付近の電子温度が高温に維持されるため、図１１に示すように、上部電極６０，６２の直下においてＮＨ３の解離が促進されて、ＴｉＮ膜の形成源であるＮラジカルが増加する。図１１からは、サセプタ１２に高周波電圧を印加し、かつ、上部電極６０，６２に直流パルス電圧を印加した場合は、高周波電圧のみをサセプタ１２に印加した場合に比べ、Ｎ２の発光強度が減少する一方で、Ｎ２の解離が促進されてＮラジカルの発光強度が増加していること（つまり、Ｎラジカルが増加していること）が分かる。よって、サセプタ１２に高周波電圧を印加した状態で、上部電極６０，６２に直流パルス電圧を印加することにより、ステップ２−３の処理で形成されるＴｉＮ膜での窒化力を強化することができる。
さらに、図１０では、図１６と比較して、サセプタ１２の上面付近での電子温度が僅かに上昇するため、ステップ２−３の処理では、ステップ２−２の処理に比べて、サセプタ１２の上面付近で、イオンの活性度が上がる。
よって、ステップ２−３の処理により、窒化力が強化された膜密度が高いＴｉＮ膜を効率良く形成することができる。
以上のように、実施形態２では、ステップ２−１のイオンボンバードメント処理において、直流パルス電圧を上部電極６０，６２及びサセプタ１２に印加せずに、高周波電圧をサセプタ１２に印加してＳｉウエハに対する処理を行うことにより、Ｓｉウエハの表面に付着しているＳｉＯ２膜を洗浄する。Ｓｉウエハは、被処理基板としての半導体ウエハＷの一例であり、ＳｉＯ２膜は自然酸化膜の一例である。また、実施形態２では、ステップ２−２の成膜処理において、高周波電圧を上部電極６０，６２及びサセプタ１２に印加せずに、直流パルス電圧を上部電極６０，６２に印加してＳｉウエハに対する処理を行うことにより、Ｓｉウエハ上にＴｉ膜を形成する。
こうすることで、ステップ２−１の処理では、イオンボンバードメントの洗浄効果を上げることができる。一方で、ステップ２−２の処理では、サセプタ１２に対する損傷を抑制しつつ、Ｔｉ膜を効率良く形成することができる。このように、実施形態２によれば、イオンボンバードメント処理と成膜処理という、Ｓｉウエハに対する互いに異なる２つの処理を１つのチャンバ１０内で行うことができる。
以上、実施形態１及び実施形態２について説明した。
以上のように、実施形態１及び実施形態２では、基板処理装置１，２は、真空排気可能なチャンバ１０と、下部電極として用いられるサセプタ１２と、上部電極６０，６２とを有する。サセプタ１２には半導体ウエハＷが載置可能である。上部電極６０，６２は、チャンバ１０内でサセプタ１２に対向して配置される。そして、基板処理装置１，２では、直流パルス電圧を用いずに高周波電圧を用いて半導体ウエハＷに対する第一処理が行われる一方で、直流パルス電圧を用いて半導体ウエハＷに対する第二処理が行われる。第一処理の一例として、上記のステップ１−１の処理、または、ステップ２−１の処理が挙げられる。また、第二処理の一例として、上記のステップ１−２の処理、または、ステップ２−２の処理が挙げられる。
こうすることで、第一処理と第二処理という、半導体ウエハＷに対する互いに異なる２つの処理を１つのチャンバ１０内で行うことができるため、半導体デバイスの製造コストを抑えることができる。
なお、本開示の実施形態はすべ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。実に、上記の実施形態は多様な形態で具現され得る。また、上記の実施形態は、特許請求の範囲及びその趣旨を逸脱することなく、様々な形態で省略、置換、変更されても良い。
１，２ 基板処理装置
５，６ 電圧印加部
１０ チャンバ
１２ サセプタ
６０ 内側上部電極
６２ 外側上部電極

Claims (6)

  1. 真空排気可能な処理容器と、
    前記処理容器内で被処理基板が載置可能な下部電極と、
    前記処理容器内で前記下部電極に対向して配置される上部電極と、
    を具備する基板処理装置における基板処理方法であって、
    直流パルス電圧を用いずに交流電圧を用いて前記被処理基板に対する第一処理を行うことと、
    前記直流パルス電圧を用いて前記被処理基板に対する第二処理を行うことと、
    を有する基板処理方法。
  2. 前記直流パルス電圧を前記上部電極及び前記下部電極に印加せずに、前記交流電圧を前記上部電極に印加して前記第一処理を行い、
    前記直流パルス電圧により基準電位が時間の経過に伴って上下に交互に変化する前記交流電圧を前記上部電極に印加して前記第二処理を行う、
    請求項１に記載の基板処理方法。
  3. 前記第一処理により酸化膜を成膜し、
    前記第二処理により窒化膜を成膜する、
    請求項２に記載の基板処理方法。
  4. 前記基板処理装置は、前記下部電極と接地との間に接続されたインピーダンス調整回路をさらに具備する、
    請求項２に記載の基板処理方法。
  5. 前記直流パルス電圧を前記上部電極及び前記下部電極に印加せずに、前記交流電圧を前記下部電極に印加して前記第一処理を行い、
    前記交流電圧を前記上部電極及び前記下部電極に印加せずに、前記直流パルス電圧を前記上部電極に印加して前記第二処理を行う、
    請求項１に記載の基板処理方法。
  6. 前記第一処理はイオンボンバードメント処理であり、
    前記第二処理は成膜処理である、
    請求項５に記載の基板処理方法。
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