JPH11111708A - プラズマ成膜処理方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 基板に対してプラズマにより成膜処理を行う
に当たって、基板のパ−ティクル汚染を抑えること。 【解決手段】 真空容器２内に２．４５ＧＨｚのマイク
ロ波を導入すると共に、８７５ガウス磁界を形成して電
子サイクロトロン共鳴により成膜ガスをプラズマ化し、
基板であるウエハＷ上にＳｉＯＦ膜を成膜する。この際
真空容器２の内壁全体の内部に流路３１を形成し、ここ
に温度調整されたガルデンを通流させて、ウエハＷを搬
入し、成膜し、搬出する一連のプロセスサイクルの間、
内壁面の温度を、プラズマが発生しているときに到達す
る温度Ｔ０以上の温度例えば８０℃に制御する。このよ
うにすると、内壁面の温度はプラズマの発生や消失に関
係なく一定温度に維持されるので、付着したＳｉＯＦ膜
の熱変形による剥離が抑えられて、ウエハＷのパ−ティ
クル汚染が抑えられる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、例えば絶縁膜をプ
ラズマにより基板上に成膜するプラズマ成膜処理方法に
関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体ウエハに対して成膜処理を行う方
法の一つとしてプラズマを利用する処理がある。この処
理はウエハ載置台を備えた真空容器内に処理ガスを導入
して、例えば電磁エネルギーをこの処理ガスに供給して
プラズマ化することによって行われる。電磁エネルギー
の供給の手法としては、マイクロ波と磁界との相互作用
である電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ）を利用する方
法や、ＩＣＰ（Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅ Ｃｏｕｐｌｅｄ
Ｐｌａｓｕｍａ）などと呼ばれている、ドーム状の容器
に巻かれたコイルから電界及び磁界を処理ガスに与える
方法などが知られている。

【０００３】ＥＣＲプラズマ処理を行なう従来のプラズ
マ処理装置の一例を、成膜処理を例にとって図６に基づ
いて説明すると、プラズマ生成室１Ａ内に例えば２．４
５ＧＨｚのマイクロ波を導波管１１を介して供給すると
同時に、例えば図６の点線の位置の磁場の強さが８７５
ガウスとなるように電磁コイル１２により磁界を印加し
て、マイクロ波と磁界との相互作用（共鳴）でプラズマ
生成用ガス例えばＡｒガス及びＯ₂ ガスを高密度にプラ
ズマ化し、このプラズマにより成膜室１Ｂ内に導入され
た反応性ガス例えばＳｉＦ₄ ガスやＳｉＨ₄ ガスを活性
化させて活性種を形成し、載置台１３上の半導体ウエハ
Ｗ（以下「ウエハＷ」という）表面にスパッタエッチン
グと堆積とを同時進行で施すようになっている。

【０００４】そしてこのようなプラズマ処理装置では、
例えばＳｉＯＦ膜やＳｉＯ₂ 膜などの絶縁膜の成膜処理
を行うと成膜室１Ｂの内壁面などにもこれらの膜が付着
してしまうが、成膜処理が進みこの膜の膜厚がある程度
の厚さになると付着した膜が剥がれてパーティクルの原
因となる。このため例えばウエハＷを１２枚成膜する毎
にＣＦ₄ ガスやＮＦ₃ ガスなどのＦ系のクリーニングガ
スを真空容器内に導入し、このガスをプラズマにより活
性化させ、この活性種を付着した膜に反応させて除去し
ている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところで真空容器内に
てプラズマが立つと、そのプラズマの熱により真空容器
の内壁面が昇温し、例えばＳｉＦ₄ ガスを用いた既述の
ＳｉＯＦ膜の成膜プロセスでは８０℃付近にまで昇温す
る。一方プラズマが消失すると前記内壁面の温度は降下
するため、ウエハを真空容器内に搬入し、成膜し、搬出
する一連のサイクルにおいて前記内壁面の温度が大きく
変化する。このため内壁面に付着したＳｉＯＦ膜などの
薄膜が熱変形して内壁面から剥がれやすくなってしま
う。特にＳｉＯＦ膜やＳｉＯ₂ 膜などの絶縁膜は密着性
が低いことからこの傾向が大きく、ウエハのパーティク
ル汚染の一因になる。

【０００６】本発明は、このような事情の下になされた
ものであり、その目的は基板に対してプラズマにより成
膜処理を行うにあたって基板のパーティクル汚染を抑え
ることのできる方法を提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】このため本発明は、基板
を真空容器内に搬入し、次いで処理ガスをプラズマ化し
てそのプラズマにより前記基板に対して成膜処理を行
い、その後前記基板を真空容器から搬出する一連のプロ
セスサイクルを所定回数行った後、前記真空容器内に付
着している薄膜をクリ−ニングガスにより除去する方法
において、前記プロセスサイクル中における真空容器の
内壁面の温度を、プラズマが発生しているときに到達す
る内壁面の温度Ｔ０以上のほぼ一定温度により維持する
ことを特徴とする。ここで真空容器の内壁面の温度を、
温度Ｔ０以上のほぼ一定温度に維持する代わりに前記温
度Ｔ０以下でかつその近傍の一定温度に維持するように
してもよい。

【０００８】

【発明の実施の形態】図１は本発明方法を実施するため
のプラズマ成膜処理装置の一実施の形態を示す断面図で
あり、図中２は例えばアルミニウム等により形成された
真空容器である。この真空容器２は上方に位置してプラ
ズマを発生させるプラズマ室２１と、この下方に連通さ
せて連結された成膜室２２とからなる。なお真空容器２
は接地されてゼロ電位となっている。

【０００９】この真空容器２の上端は開口されて、この
部分に高周波（マイクロ波）を透過する部材例えば窒化
アルミニウム（ＡｌＮ）により形成された透過窓２３が
気密に設けられている。この透過窓２３は支持リング２
４により外周縁を気密に支持されており、この透過窓２
３と支持リング２４とにより真空容器２内の真空状態を
維持するようになっている。

【００１０】前記真空容器２の例えば壁部全体の内部に
は、恒温剤を通流させるための温度調整用の流路３１が
形成されている。また例えば成膜室２２の内壁には当該
内壁の温度を検出するための例えば白金測温抵抗体等か
らなる温度検出部３２が設けられており、この温度検出
部３２の検出値に基づいて調整部３３にて温度調整され
た恒温剤例えばガルデンが流路３１に通流されるように
なっている。

【００１１】透過窓２３の外側には、プラズマ室２１内
に例えば２．４５ＧＨｚのマイクロ波を供給するため
の、例えば矩形導波管と円筒形導波管と円錐形導波管と
を組み合わせて構成された導波管２５が設けられてい
る。この導波管２５の出口側端部は透過窓２３の上面に
接続されており、入口側端部はプラズマ発生用の高周波
電源部２６に接続されていて、高周波電源部２６にて発
生したマイクロ波を導波管２５で案内して透過窓２３か
らプラズマ室２１内へ導入し得るようになっている。

【００１２】プラズマ室２１を区画する側壁の上部側に
は、例えばプラズマガスを供給するためのガスノズル４
１が周方向に沿って均等に配置して設けられると共に、
このガスノズル４１には図示しないプラズマガス源が接
続されており、プラズマ室２１内の上部にＡｒガスやＯ
₂ ガス等のプラズマガスをムラなく均等に供給し得るよ
うになっている。なお図中ガスノズル４１は図面の煩雑
化を避けるため２本しか記載していないが、実際にはそ
れ以上設けている。

【００１３】一方成膜室２２の上部即ちプラズマ室２１
と連通している部分には、リング状の成膜ガス供給部４
２が設けられている。この成膜ガス供給部４２の内周面
にはガス供給口４２ａが形成されていて、図示しない成
膜ガス源から当該成膜ガス供給部４２に供給された例え
ばＳｉＦ₄ ガス等の成膜ガスが前記ガス供給口４２ａか
ら噴出するようになっている。

【００１４】前記プラズマ室２１を区画する側壁の外周
には、これに接近させて当該プラズマ室２１を囲むよう
に、例えばリング状の主電磁コイル５１が配置されると
共に、成膜室２２の下方側にはリング状の補助電磁コイ
ル５２が配置され、これらによりプラズマ室２１から成
膜室２２に亘って上から下に向かう磁界例えば８７５ガ
ウスの磁界Ｂを形成し得るようになっている。

【００１５】また成膜室２２内にはウエハＷを載置する
ための載置台６が、処理位置とウエハＷの受け渡し位置
の間で昇降自在に設けられている。この載置台６は例え
ばアルミニウム製の本体６１の上に、ヒ−タと電極とを
内蔵した誘電体プレ−ト６２を設けてなり、表面は静電
チャックとして構成されている。前記電極には静電チャ
ック用の図示しない直流電源が接続されていると共に、
ウエハＷにイオンを引込むためのバイアス電圧を印加す
るように高周波電源部６３が接続されている。

【００１６】次に上述のプラズマ成膜処理装置にて行わ
れる一連のプロセスサイクルについて、基板であるウエ
ハＷ上に例えばＳｉＯＦ膜よりなる層間絶縁膜を形成す
る場合を用いて説明する。先ず真空容器２の側壁に設け
た図示しないゲ−トバルブを開いて図示しない搬送ア−
ムにより、例えば表面にアルミニウム配線が形成された
例えば８インチサイズのウエハＷを図示しないロ−ドロ
ック室から搬入して載置台６上に載置する。

【００１７】続いてゲ−トバルブを閉じて内部を密閉し
た後、載置台６を処理位置まで上昇させ、図示しない排
気管により内部雰囲気を排出して所定の真空度まで真空
引きし、ガスノズル４１からプラズマガス例えばＡｒガ
ス及びＯ₂ ガスを所定の流量で導入すると共に、成膜ガ
ス供給部４２から成膜ガス例えばＳｉＦ₄ ガスを所定の
流量で導入する。そして真空容器２内を所定のプロセス
圧力に維持し、かつ高周波電源部６３により載置台６に
１３．５６ＭＨｚのバイアス電圧を印加すると共に、載
置台６の表面温度を例えば２００℃に設定する。

【００１８】プラズマ室２１内には、高周波電源部２６
からの２．４５ＧＨｚの高周波（マイクロ波）Ｍが真空
容器２の天井部に至り、透過窓２３を介してプラズマ室
２１内に導入される。一方真空容器２内には主電磁コイ
ル５１と補助電磁コイル５２とにより磁界Ｂが形成さ
れ、磁界Ｂの強さが８７５ガウスとなったポイントで、
磁界とマイクロ波との相互作用により電子サイクロトロ
ン共鳴が生じ、この共鳴によりプラズマガスがプラズマ
化され、且つ高密度化される。なおプラズマガスを用い
ることによりプラズマが安定する。

【００１９】生成したプラズマはプラズマ室２１から成
膜室２２に向けてプラズマ流として流れ込んでいき、こ
こに供給されているＳｉＦ₄ ガスはこのプラズマ流によ
り活性化（プラズマ化）されて、活性種（プラズマ）を
形成する。一方プラズマイオンはバイアス電圧によりウ
エハＷに引き込まれ、ウエハＷ表面のパタ−ン（凹部）
に堆積されたＳｉＯＦ膜の角をプラズマイオンのスパッ
タエッチング作用により削り取って間口を広げながら、
ＳｉＯＦ膜が成膜されて凹部内に埋め込まれる。

【００２０】続いてＳｉＯＦ膜が形成された処理後のウ
エハＷを前記搬送ア−ムにより真空容器２から前記ロ−
ドロック室に搬出した後、次に処理すべきウエハＷを前
記ロ−ドロック室から搬入して、載置台６上に載置し
（ウエハＷの交換）、再びウエハＷの成膜処理を行う。
こうして成膜処理のプロセスサイクルを例えば１２回行
って（１２枚のウエハＷに対して成膜処理を行って）、
一連のプロセスサイクルを終了する。

【００２１】次いで一連のプロセスサイクルにより真空
容器２内に付着したＳｉＯＦ膜のクリ−ニングを行う。
このクリ−ニングでは、ガスノズル４１からクリ−ニン
グガスである例えばＮＦ₃ ガスとＮ₂ ガスとを所定の流
量でプラズマ室２１内に導入する。そして真空容器２内
を所定のプロセス圧力に維持し、成膜処理と同様にマイ
クロ波と磁界との相互作用により電子サイクロトロン共
鳴を生じさせ、この共鳴によりクリ−ニングガスの活性
種を形成する。この活性種は真空容器２内に付着してい
るＳｉＯＦ膜と反応して、ＳｉＯＦ膜を例えばＳｉＦ₄
に分解して除去する。

【００２２】続いて上述の成膜処理のプロセスサイクル
で行われる真空容器２の内壁面の温度制御について、図
２により説明する。クリ−ニング終了後、温度調整され
たガルデンを流路３１に通流させて真空容器２の内壁面
の温度を、プラズマが発生しているときに到達する内壁
面の温度Ｔ０以上の温度、例えばＳｉＯＦ膜の成膜処理
では８０℃以上の温度Ｔ１に制御する。続いてウエハＷ
を真空容器２に搬入して成膜処理を行い、前記一連のプ
ロセスサイクルを行うが、このプロセスサイクルの間、
真空容器２の内壁面の温度をほぼ温度Ｔ１に維持するよ
うに温度制御を行う。

【００２３】この際クリ−ニングでは温度コントロ−ル
は行わないが、クリ−ニング時の内壁面の温度は成膜処
理時よりも低くなり、例えばＳｉＯＦ膜のクリ−ニング
では前記温度Ｔ０以下の温度例えば７０℃程度となる。
真空容器２内の温度はバイアス電力に依存するが、クリ
−ニング時はバイアス電力を印加しないので、クリ−ニ
ング時の壁面の温度が成膜時より低くなるからである。

【００２４】ここで図２では、クリ−ニングは前記プロ
セスサイクルよりも時間が短く、またウエハＷの搬入出
という操作がないので、内壁面の温度が成膜処理時より
も変化しにくいため、図示の便宜上クリ−ニング時の内
壁面の温度はほぼ一定になっている。またプロセスサイ
クルの開始時とクリ−ニング開始時の内壁面の温度は急
激に変化するように記載されているが、実際には徐々に
変化している。

【００２５】このように温度制御を行うと、前記プロセ
スサイクルの間、前記内壁面の温度は常にプラズマが発
生しているときに到達する温度Ｔ０以上のほぼ一定温度
Ｔ１に制御されるので、ＳｉＯＦ膜の剥離が原因となる
パ−ティクルの発生が抑えられ、ウエハＷのパ−ティク
ル汚染が防止される。

【００２６】ここで実際に本発明者らが内壁面の温度制
御とパ−ティクル数との関係を確認するために行った実
験例について説明する。上述の図１に示すプラズマ成膜
処理装置を用い、Ａｒガス及びＯ₂ ガスを夫々３００ｓ
ｃｃｍ、１６０ｓｃｃｍの流量でプラズマ室２１内に導
入すると共に、ＳｉＦ₄ ガスを１２０ｓｃｃｍの流量で
成膜室２２内に導入し、高周波電力を２７００Ｗ、バイ
アス電力を２７００Ｗ、真空容器２内の圧力を０．４Ｐ
ａとして、真空容器２の内壁面の温度を変えて、上述の
実施の形態と同様のプロセスサイクルによりＳｉＯＦ膜
を８インチサイズのウエハＷ上に成膜し、このプロセス
サイクルの間に発生したパ−ティクルの個数を調べた。

【００２７】この際パ−ティクル数は、テンコ−ル社製
サ−フスキャン６４２０により測定した。この結果を図
３に示すが、ここで横軸の無制御とは内壁面の温度制御
を行わなかった場合、２５℃とは内壁面の温度を２５℃
に制御した場合を示している。

【００２８】この結果により、内壁面の温度制御を行っ
た場合には、行わなかった場合よりもパ−ティクルの個
数は少なく、特に内壁面を８０℃以上の温度に制御した
場合にはパ−ティクルの個数はかなり少なくなることが
確認された。

【００２９】このように内壁面の温度を８０℃以上の温
度に制御した場合にパ−ティクルの個数が少なくなるの
は次のような理由に因るものと推察される。先ず第１に
ＳｉＯＦ膜の成膜処理ではプラズマが発生しているとき
の内壁面の温度は８０℃程度になることが確認されてい
るが、内壁面の温度を８０℃以上のほぼ一定温度に制御
すれば、プロセスサイクルの間前記内壁面の温度はプラ
ズマの発生と消失に関わらずほぼ一定となる。このため
内壁面に付着したＳｉＯＦ膜の熱変形が防止され、この
熱変形によりＳｉＯＦ膜に亀裂が入り、この亀裂が原因
となって当該ＳｉＯＦ膜が剥がれ落ちることが抑えられ
ると考えられる。

【００３０】第２に内壁面を８０℃以上にすると、Ｓｉ
ＯＦ膜の内壁面に対する密着性が高められ、これにより
ＳｉＯＦ膜はより強固に内壁面に付着することになって
より内壁面から剥がれにくくなるので、この観点からも
プロセスサイクルの間のパ−ティクルの発生が防止され
ると考えられる。

【００３１】実際に本発明者らがＳｉＯＦ膜の密着強度
の温度依存性を確認するために実験を行ったところ、図
４に示す結果が得られた。この実験では上述の図１に示
すプラズマ成膜処理装置を用い、Ａｒガス及びＯ₂ ガス
を夫々３００ｓｃｃｍ、１６０ｓｃｃｍの流量でプラズ
マ室２１内に導入すると共に、ＳｉＦ₄ ガスを１２０ｓ
ｃｃｍの流量で成膜室２２内に導入し、高周波電力を２
７００Ｗ、バイアス電力を２７００Ｗ、真空容器２内の
圧力を０．４Ｐａとして、真空容器２の内壁面の温度を
変えて、アルミニウム板上にＳｉＯＦ膜を成膜し、当該
ＳｉＯＦ膜の密着強度をセバスチャン法によりを測定し
た。この結果により、成膜時の内壁面の温度が高い程、
ＳｉＯＦ膜の密着強度が大きいことが確認され、特に内
壁面の温度が８０℃以上になると、密着強度は６ｋｐｓ
ｉ以上になることが認められた。

【００３２】このように本実施の形態では、成膜処理の
一連のプロセスサイクルを前記温度Ｔ０以上の温度、例
えばＳｉＯＦ膜の場合では８０℃以上のほぼ一定の温度
で行うことが望ましいが、この際温度の上限は、例えば
真空容器２にＯリングが用いられている場合には、この
Ｏリングの耐性を考慮して２００℃以下好ましくは１５
０℃以下に設定することが望ましい。

【００３３】以上において本実施の形態では、クリ−ニ
ング時にも温度制御を行い、例えばＳｉＯＦ膜のクリ−
ニングでは、前記内壁面の温度を８０℃以上の温度に制
御するようにしてもよい。このようにすると、クリ−ニ
ングは化学反応であって温度が高くなると反応速度が高
まるため、クリ−ニング時間が短くなり、この結果成膜
処理全体のスル−プットが向上するという効果がある。
実際に本発明者らがＳｉＯＦ膜のクリ−ニングの温度依
存性を確認するために実験を行ったところ、図５に示す
結果が得られ、クリ−ニング時間は前記内壁面の温度が
高くなるにつれて短くなることが確認された。

【００３４】この実験では上述の図１に示すプラズマ成
膜処理装置を用い、Ａｒガス、Ｏ₂ガス及びＳｉＦ₄ ガ
スを夫々所定の流量で導入し、高周波電力を２７００
Ｗ、バイアス電力を２７００Ｗ、真空容器２内の圧力を
０．４Ｐａとして、１２枚のウエハＷに対してＳｉＯＦ
膜を成膜した後、クリ−ニングガスとしてＮＦ₃ ガスと
Ｎ₂ ガスを夫々１０００ｓｃｃｍ、５００ｓｃｃｍの流
量で導入すると共に、高周波電力を１２００Ｗ、バイア
ス電力を０Ｗ、真空容器２内の圧力を４００Ｐａとし
て、真空容器２の内壁面の温度を制御しながらクリ−ニ
ングを行い、クリ−ニング時間を測定した。

【００３５】ここでクリ−ニングの終点は、ＳｉＯＦ膜
の分解により生じたＯの活性種の発光強度を測定するこ
とにより行い、この発光強度はクリ−ニングが進行する
につれて次第に小さくなって行き、クリ−ニング終了時
にはゼロになることから、このＯの活性種の発光強度が
ゼロになるまでの時間をクリ−ニング時間とした。

【００３６】このように成膜処理のプロセスサイクルと
クリ−ニングとの間を通して、真空容器２の内壁面を同
じ温度例えば成膜処理のプラズマが発生しているときに
到達する温度Ｔ０以上の温度に制御するようにすれば、
内壁面の温度がクリ−ニング時に低くなってしまうこと
がないので、プロセスサイクルを温度の安定を待つこと
無く、クリ−ニング終了後に直ちにプロセスサイクルを
開始することができ、より成膜処理全体のスル−プット
を向上させることができる。

【００３７】さらに本実施の形態では、真空容器２の内
壁面の温度は前記温度Ｔ０以上の温度に限らず、この近
傍の温度であれば温度Ｔ０以下の温度であってもよい。
温度Ｔ０の近傍の温度であれば温度Ｔ０以下の温度であ
っても、プラズマの発生、消失に伴う内壁面の温度変化
の割合は小さく、ＳｉＯＦ膜の熱変形は起こりにくいと
考えられるからである。

【００３８】以上において本発明では、流路３１にガル
デンを通流させて内壁面の温度制御を行うかわりに、真
空容器２の内壁面に加熱手段を埋設して、これにより温
度制御を行うようにしてもよい。また本発明方法は、Ｓ
ｉＯＦ膜の成膜処理以外にＳｉＯ₂ 膜、ＣＦ膜や有機絶
縁膜の成膜処理等にも適用でき、例えばＳｉＯ₂ 膜の成
膜処理の場合には、前記温度Ｔ０は７０℃程度であるの
で、前記プロセスサイクルを７０℃以上のほぼ一定温度
で行うことが望ましい。

【００３９】

【発明の効果】本発明のプラズマ処理装置によれば、基
板に対してプラズマにより成膜処理を行うに当たって、
基板のパ−ティクル汚染を抑えることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明方法を実施するためのプラズマ成膜処理
装置の一実施の形態を示す断面図である。

【図２】本発明方法の成膜処理のプロセスサイクルを示
す説明図である。

【図３】内壁面の温度とパ−ティクル発生数との関係を
示す特性図である。

【図４】ＳｉＯＦ膜の温度依存性を示す特性図である。

【図５】クリ−ニング時間の温度依存性を示す特性図で
ある。

【図６】従来のプラズマ処理装置を示す断面図である。

【符号の説明】

２ 真空容器 ２１ プラズマ室 ２２ 成膜室 ２５ 導波管 ２６ 高周波電源部 ３１ 流路 ３２ 温度検出部 ３３ 調整部 ５１ 主電磁コイル ６ 載置台 Ｗ 半導体ウエハ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 斎藤 正英 東京都港区赤坂５丁目３番６号 東京エレ クトロン株式会社内

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 基板を真空容器内に搬入し、次いで処理
   ガスをプラズマ化してそのプラズマにより前記基板に対
   して成膜処理を行い、その後前記基板を真空容器から搬
   出する一連のプロセスサイクルを所定回数行った後、前
   記真空容器内に付着している薄膜をクリ−ニングガスに
   より除去する方法において、 前記プロセスサイクル中における真空容器の内壁面の温
   度を、プラズマが発生しているときに到達する内壁面の
   温度Ｔ０以上のほぼ一定温度により維持することを特徴
   とするプラズマ成膜処理方法。
2. 【請求項２】 真空容器の内壁面の温度を、温度Ｔ０以
   上のほぼ一定温度に維持する代わりに前記温度Ｔ０以下
   でかつその近傍の一定温度に維持することを特徴とする
   請求項１記載のプラズマ成膜処理方法。