(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁場とマイクロ波電場との相互作用により、電子サイクロトロン共鳴に基づいて生成するプラズマを利用して、被処理体に所定の処理を施すプラズマ処理方法であって、
電子サイクロトロン共鳴が生じる領域およびその近傍領域において、マイクロ波の進行方向に対して所定の勾配を有する磁場を形成する磁場形成工程と、
所定の電子温度のプラズマが生成するように、前記磁場形成工程で形成された磁場に導入するマイクロ波のパワーを制御するマイクロ波制御工程と、
を含む、ことを特徴とするプラズマ処理方法。
【請求項２】
前記マイクロ波制御工程では、所定の電磁波のパワー吸収分布が生じるようにマイクロ波パワーを制御する、ことを特徴とする請求項１に記載のプラズマ処理方法。
【請求項３】
前記磁場形成工程では、マイクロ波のパワーが、電子サイクロトロン共鳴が生じる領域およびその近傍領域で、面内でほぼ均一に吸収されるよう、所定の勾配を有する磁場を形成する、ことを特徴とする請求項１または２に記載のプラズマ処理方法。
【請求項４】
前記マイクロ波制御工程では、生成するプラズマの電子密度を一定に保持しつつ、電子温度が変化するようにマイクロ波パワーを制御する、ことを特徴とする請求項１または３に記載のプラズマ処理方法。
【請求項５】
処理の施された被処理体の処理状態を示す情報を取得する情報取得工程をさらに備え、
前記マイクロ波制御工程では、前記情報取得工程で取得した情報に基づいて、マイクロ波のパワーを制御する、ことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載のプラズマ処理方法。
【請求項６】
磁場とマイクロ波電場との相互作用により、電子サイクロトロン共鳴に基づいて生成するプラズマを利用して、被処理体に所定の処理を施すプラズマ処理装置であって、
電子サイクロトロン共鳴が生じる領域およびその近傍領域において、マイクロ波の進行方向に対して所定の勾配を有する磁場を形成する磁場形成手段と、
所定の電子温度のプラズマが生成するように、前記磁場形成手段が形成した磁場に導入するマイクロ波のパワーを制御するマイクロ波制御手段と、
を備える、ことを特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項７】
前記マイクロ波制御手段は、所定の電磁波のパワー吸収分布が生じるようにマイクロ波パワーを制御する、ことを特徴とする請求項６に記載のプラズマ処理装置。
【請求項８】
前記磁場形成手段は、マイクロ波のパワーが、電子サイクロトロン共鳴が生じる領域およびその近傍領域で、面内でほぼ均一に吸収されるよう、所定の勾配を有する磁場を形成する、ことを特徴とする請求項６に記載のプラズマ処理装置。
【請求項９】
前記マイクロ波制御手段は、生成するプラズマの電子密度を一定に保持しつつ、電子温度が変化するようにマイクロ波パワーを制御する、ことを特徴とする請求項６または８に記載のプラズマ処理装置。
【請求項１０】
処理の施された被処理体の処理状態を示す情報を取得する情報取得手段をさらに備え、
前記マイクロ波制御手段は、前記情報取得手段が取得した情報に基づいて、マイクロ波のパワーを制御する、ことを特徴とする請求項６乃至９のいずれか１項に記載のプラズマ処理装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体ウェハ、液晶表示基板等の被処理体に電子サイクロトロン共鳴プラズマを用いて所定の処理を施すプラズマ処理方法およびプラズマ処理装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体装置、液晶表示装置等の電子デバイスの製造工程において、プラズマを用いた処理が広く用いられている。このようなプラズマ処理は、プロセスガスあるいはキャリアガスのプラズマを生成し、プロセスガス活性種、あるいは、キャリアガス活性種と接触して励起されたプロセスガスによって半導体ウェハ等の被処理体の表面に化学的あるいは物理的処理を施す。
【０００３】
近年、被処理体に信頼性の高いプラズマ処理を施すため、電子温度の低いプラズマが求められている。例えば、プラズマの電子温度が高い場合、被処理体のダメージ、チャンバ部材のスパッタリングに基づく被処理体の金属汚染等が問題となる。
【０００４】
電子温度の低いプラズマを生成する方法として、マイクロ波を用いて、比較的高い真空圧力でプラズマを生成する方法が開発されている。このような低電子温度プラズマは、例えば、下記特許文献１に記載されるように、ラジアルラインスロットアンテナ（Radial Line Slot Antenna：ＲＬＳＡ）を用いて生成することができる。
【０００５】
【特許文献１】
特開２０００−２９４５５０号公報
【０００６】
上記方法によれば低電子温度のプラズマにより被処理体のダメージ等を回避した処理が可能である。しかし、反面、ガス圧力が高いことはガス中の物質濃度が高いことを意味し、異方性の高いエッチングが行いづらいなど、品質の高い処理が行えない場合がある。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
この点、電子サイクロトロン共鳴（Electron Cyclotron Resonance：ＥＣＲ）プラズマは、比較的低圧で生成可能であり、異方性等の高品質の処理が可能である。しかし、反面、ＥＣＲプラズマは、プラズマ中の電子エネルギー（電子温度）分布のばらつきが、上記ＲＬＳＡプラズマ等と比較して大きい。このため、ＥＣＲプラズマを用いた場合には、上記高圧プラズマを用いた場合と比べ、処理の安定性が低い。
【０００８】
このように、従来の、ＥＣＲプラズマを用いた処理方法は、比較的低圧でプラズマを生成可能であり品質の高い処理が可能であるものの、プラズマの電子温度のばらつきが比較的大きく、処理の安定性が得られにくい。それ故、安定性の高い処理を実現するため、ＥＣＲプラズマの電子温度を高精度に制御する方法が必要とされていたが、このような方法は従来無かった。
【０００９】
上記事情を鑑みて、本発明は、ＥＣＲプラズマを用いた、品質および安定性の高い処理が可能なプラズマ処理方法およびプラズマ処理装置を提供することを目的とする。
また、本発明は、ＥＣＲプラズマの電子温度を高精度に制御可能なプラズマ処理方法およびプラズマ処理装置を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明の第１の観点に係るプラズマ処理方法は、
磁場とマイクロ波電場との相互作用により、電子サイクロトロン共鳴に基づいて生成するプラズマを利用して、被処理体に所定の処理を施すプラズマ処理方法であって、
電子サイクロトロン共鳴が生じる領域およびその近傍領域において、マイクロ波の進行方向に対して所定の勾配を有する磁場を形成する磁場形成工程と、
所定の電子温度のプラズマが生成するように、前記磁場形成工程で形成された磁場に導入するマイクロ波のパワーを制御するマイクロ波制御工程と、
を含む。
【００１１】
上記方法において、前記マイクロ波制御工程では、所定の電磁波のパワー吸収分布が生じるようにマイクロ波パワーを制御してもよい。
【００１２】
上記方法において、前記磁場形成工程では、マイクロ波のパワーが、電子サイクロトロン共鳴が生じる領域およびその近傍領域で、面内でほぼ均一に吸収されるよう、所定の勾配を有する磁場を形成するようにしてもよい。
【００１３】
上記方法において、前記マイクロ波制御工程では、生成するプラズマの電子密度を一定に保持しつつ、電子温度が変化するようにマイクロ波パワーを制御してもよい。
【００１４】
上記方法は、処理の施された被処理体の処理状態を示す情報を取得する情報取得工程をさらに備えてもよく、
前記マイクロ波制御工程では、前記情報取得工程で取得した情報に基づいて、マイクロ波のパワーを制御してもよい。
【００１５】
上記目的を達成するため、本発明の第２の観点に係るプラズマ処理装置は、
磁場とマイクロ波電場との相互作用により、電子サイクロトロン共鳴に基づいて生成するプラズマを利用して、被処理体に所定の処理を施すプラズマ処理装置であって、
電子サイクロトロン共鳴が生じる領域において、マイクロ波の進行方向に対して所定の勾配を有する磁場を形成する磁場形成手段と、
所定の電子温度のプラズマが生成するように、前記磁場形成手段が形成した磁場に導入するマイクロ波のパワーを制御するマイクロ波制御手段と、
を備える。
【００１６】
上記装置において、前記マイクロ波制御手段は、所定の電磁波のパワー吸収分布が生じるようにマイクロ波パワーを制御してもよい。
【００１７】
上記装置において、前記磁場形成工程では、マイクロ波のパワーが、電子サイクロトロン共鳴が生じる領域およびその近傍領域で、面内でほぼ均一に吸収されるよう、所定の勾配を有する磁場を形成するようにしてもよい。
【００１８】
上記装置において、前記マイクロ波制御手段は、生成するプラズマの電子密度を一定に保持しつつ、電子温度が変化するようにマイクロ波パワーを制御してもよい。
【００１９】
上記装置は、処理の施された被処理体の処理状態を示す情報を取得する情報取得手段をさらに備えてもよく、
前記マイクロ波制御手段は、前記情報取得手段が取得した情報に基づいて、マイクロ波のパワーを制御してもよい。
【００２０】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態にかかるプラズマ処理方法およびプラズマ処理装置について、以下図面を参照して説明する。
本実施の形態では、電子サイクロトロン共鳴（Electron Cyclotron Resonance：ＥＣＲ）プラズマ処理装置を例として説明する。このＥＣＲプラズマ処理装置は、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）により、被処理体としての半導体ウェハの表面にシリコン窒化膜を形成する。
【００２１】
図１に、本実施の形態に係るプラズマ処理装置１１の構成を示す。
図１に示すように、プラズマ処理装置１１は、コントローラ１２と、カセットチャンバ１３と、搬送室１４と、プロセスチャンバ１５と、測定チャンバ１６と、を備える。
【００２２】
コントローラ１２は、後述する成膜動作、測定動作等を含む、プラズマ処理装置１１全体の動作を制御する。
【００２３】
カセットチャンバ１３は、カセットの搬入出ポートとして機能する。カセットチャンバ１３は図示しないカセット台等を備え、内部に所定数のカセットを配置可能に構成されている。カセットには、所定枚数の半導体ウェハが収容されている。カセットチャンバ１３は、図示しない排気装置等によりその内部雰囲気を真空引き可能に構成されている。
【００２４】
搬送室１４は、カセットチャンバ１３と、プロセスチャンバ１５と、測定チャンバ１６と、にそれぞれ、ゲートバルブ１７を介して接続されている。搬送室１４には、搬送機構１８が配置されており、搬送室１４を介して、上記各チャンバとの間で被処理体の搬送が行われる。搬送室１４は、その内部雰囲気を真空引き可能に構成されている。
【００２５】
プロセスチャンバ１５は、後述するように、ＥＣＲプラズマを用いて、半導体ウェハにプラズマＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）を施すために設けられている。
【００２６】
測定チャンバ１６は、処理後の半導体ウェハを測定して、形成された膜に関する情報を取得するために設けられている。測定チャンバ１６において、成膜された膜の厚さおよびその質についての情報が取得される。
【００２７】
測定は、分光学的方法によって行われ、例えば、可視光、赤外光等の光を膜の表面に入射させ、その反射光と入射光との干渉度を求めることによって行われる。測定により、例えば、半導体ウェハの表面全体に均一に形成されているかどうかを示す成膜均一性に関する情報が取得される。
後述するように、コントローラ１２は、測定チャンバ１６で得られた膜についての情報に基づいて、プロセスチャンバ１５における成膜動作を制御する。
【００２８】
図２に、プロセスチャンバ１５の構成を示す。プロセスチャンバ１５は、略円筒状の、アルミニウム等から構成されたチャンバ２０を備え、このチャンバ２０はＧＮＤ電位に設定されている。チャンバ２０は、例えば、その下部（底部）が上部よりも大径に構成されている。
チャンバ２０の底部からは、例えば、アルミニウム等から構成された略円柱状の載置台２１が起立している。
【００２９】
載置台２１の上面には、平板状の静電チャック２２が設けられている。静電チャック２２は、ポリイミド、セラミック等の絶縁体の内部に、銅等からなる円板状の電極板２３が埋設されて構成されている。静電チャック２２の一面上には、半導体ウェハＷが載置される。
【００３０】
電極板２３には、直流電源２４が接続され、また、これらと並列に、例えば、１３．５６ＭＨｚのバイアス用高周波電源２５がマッチングボックス２６を介して接続されている。直流電源２４から直流電圧が静電チャック２２に印加されて、半導体ウェハＷと絶縁体との間に静電気力が発生し、これにより半導体ウェハＷは静電チャック２２に吸着保持される。
【００３１】
また、高周波電源２５から電極板２３にバイアス電圧が印加されることにより、半導体ウェハＷの表面へのイオンの引き込みが効率的に行われる。これにより、半導体ウェハＷには、効率的な処理が施される。
【００３２】
載置台２１の内部には、載置台２１上の半導体ウェハＷを加熱するためのヒータ２７が設けられている。ヒータ２７は、例えば、抵抗体から構成されている。
また、載置台２１の下部には、ステージとチャンバ２０との接続部分等の過熱を防ぐための冷却ジャケット２８が設けられている。冷却ジャケット２８は、所定温度の冷媒が通流される流路を備えて構成される。
【００３３】
チャンバ２０の側壁には、ゲート２９が開設されている。ゲート２９は、ゲートバルブ１７によって気密に開閉可能となっている。ゲート２９およびゲートバルブ１７を介して、搬送室１４との間で、半導体ウェハＷの搬送が行われる。
【００３４】
チャンバ２０の下方の側壁には、排気口３０が設けられている。排気口３０は、バタフライバルブ等を備えた流量コントローラ（ＡＰＣ）３１を介して、ターボ分子ポンプ等の排気装置３２に接続されている。排気装置３２およびＡＰＣ３１により、チャンバ２０内は、所定の圧力雰囲気、例えば、１〜５０ｍＴｏｒｒ程度の圧力に設定される。
【００３５】
チャンバ２０の上部の、例えば、後述する主コイル４０よりも上には、ガスノズル３３が設けられている。ガスノズル３３は、チャンバ２０の内部に窒素（Ｎ２）ガスを供給する。窒素ガスは、図示しないマスフローコントローラによって、所定の流量でチャンバ２０上部に供給される。なお、図中、ガスノズル３３は２つであるが、これに限らず、３本以上設けてもよい。また、窒素ガスを、アルゴン、ネオン等の不活性ガスとともに供給するようにしてもよい。
【００３６】
チャンバ２０の中央部の、例えば、後述する主コイル４０と載置台２１との間には、ガスリング３４が設けられている。ガスリング３４は、例えば、載置台２１よりも少し大径に形成され、多数のガス孔３４ａを有する。ガスリング３４のガス孔３４ａからは、シラン（ＳｉＨ４）ガスが所定の流量に制御されて、載置台２１上の半導体ウェハＷの表面に供給される。
【００３７】
チャンバ２０の天井部分は開口され、開口部分にはマイクロ波導入窓３５が設けられている。マイクロ波導入窓３５は、マイクロ波を透過可能な材料、例えば、石英、ＳｉＯ２系のガラス、Ｓｉ３Ｎ４、ＮａＣｌ、ＫＣｌ、ＬｉＦ、ＣａＦ２、ＢａＦ２、Ａｌ２Ｏ３、ＡｌＮ、ＭｇＯなどの無機物、また、ポリエチレン、ポリエステル、ポリカーボネート、セルロースアセテート、ポリプロピレン、ポリ塩化ビニル、ポリ塩化ビニリデン、ポリスチレン、ポリアミド、ポリイミドなどの有機物のフィルム、シートから構成されている。マイクロ波導入窓３５と開口部分との接続部分は、Ｏリング等の図示しないシール部材によって気密に封止されている。
【００３８】
チャンバ２０の天井部には、マイクロ波導入窓３５を介して、円錐状のテーパ導波管３６が接続されている。テーパ導波管３６は、マイクロ波の振動モードを変換する変換導波管３７を介して、断面矩形状の矩形導波管３８に接続されている。矩形導波管３８の端部は、マイクロ波発振器３９に接続されている。マイクロ波発振器３９が発振したマイクロ波は、所定モード、例えば、ＴＭ０１モードに変換され、マイクロ波導入窓３５を介してチャンバ２０内に導入される。
マイクロ波の周波数としては、９１５ＭＨｚの工業用周波数が選択される。
【００３９】
チャンバ２０の外部側方には、これを取り囲むようにリング状の主コイル４０が設けられている。また、チャンバ２０の底部の外部下方には、同じくリング状の補助コイル４１が配置されている。なおコイルに代えて永久磁石を用いてもよい。
【００４０】
次に、以上のように構成されたプラズマ処理装置１１の動作について説明する。
まず、搬送機構１８が、カセットチャンバ１３に配置されたカセットから未処理の半導体ウェハＷを取り、搬送室１４に搬入する。その後、カセットチャンバ１３と搬送室１４とを隔てるゲートバルブ１７は閉鎖され、搬送室１４内は、所定の圧力まで減圧される。なお、このとき、すべてのゲートバルブ１７は閉鎖されている。
【００４１】
次いで、搬送室１４とプロセスチャンバ１５とを隔てるゲートバルブ１７が開放され、搬送機構１８は半導体ウェハＷをプロセスチャンバ１５内に搬入する。搬送機構１８は、半導体ウェハＷを載置台２１上に載置した後、プロセスチャンバ１５から退出し、ゲートバルブ１７は閉鎖される。
また、コントローラ１２は、静電チャック２２の電極板２３に直流電圧（チャック電圧）を印加し、静電チャック２２上に半導体ウェハＷを静電気力によって固定する。
【００４２】
続いて、コントローラ１２は、排気装置３２を駆動させてチャンバ２０内を排気し、ＡＰＣ３１により所定の真空度に設定する。次いで、コントローラ１２は、ガスノズル３３およびガスリング３４から、それぞれ、窒素ガスおよびシランガスを所定の流量で導入する。
【００４３】
また、コントローラ１２は、電極板２３に、例えば、１３．５６ＭＨｚ、１．５ｋＷのバイアス電圧を印加するとともに、ヒータ２７により載置台２１の表面温度をプロセス温度まで加熱する。
【００４４】
一方で、コントローラ１２は、主コイル４０および補助コイル４１に通電させて、チャンバ２０の上部に磁場を形成させる。磁場は、筒状のチャンバの軸方向に、上方から下方に向かって形成される。
【００４５】
また、コントローラ１２は、マイクロ波発振器３９から、９１５ＭＨｚのマイクロ波を発振させる。マイクロ波は、変換導波管３７およびテーパ導波管３６を通過することにより、所定モード、例えば、ＴＭ０１モードに変換され、マイクロ波導入窓３５を介してチャンバ２０内に導入される。マイクロ波の導入により、チャンバ２０内には、電場が形成される。後述するように、コントローラ１２は、マイクロ波発振器３９を制御して、所定の電子温度のプラズマが生成されるようなパワーでマイクロ波を発振させる。
【００４６】
マイクロ波電場と磁場との相互作用により、チャンバ２０上部の所定の領域において、電子サイクロトロン共鳴（Electron Cyclotron Resonance：ＥＣＲ）が生じる。すなわち、マイクロ波電場と磁場とによって、磁場領域の電子はローレンツ力を受けて旋回運動（サイクロトロン運動）を行う。旋回運動の周期とマイクロ波の周波数がほぼ一致する磁場領域（以下、ＥＣＲ領域という）では、電子が常に加速される状態となり、電子サイクロトロン共鳴が生じる。ここで、マイクロ波の周波数が９１５ＭＨｚの場合、電子サイクロトロン条件を満たす磁場強度は３２．７ｍＴ（３２７Ｇ）程度である。
【００４７】
ＥＣＲ領域で加速された電子が、チャンバ２０内に供給されたガス中の窒素分子と衝突することにより、プラズマが生成される。プラズマ状態のガスは下方に流れ、供給されているシランガスを活性化し、そのラジカル等を生成させる。このように活性化されたシランと窒素とが、バイアス電圧の印加された半導体ウェハＷの表面に集まり、シリコン窒化膜を形成する。
【００４８】
上記成膜工程において、チャンバ２０内の磁場配位と、マイクロ波のパワーと、は、所定の電子温度のプラズマが生成されるように形成されている。後述するように、ＥＣＲプラズマの電子温度は、磁場配位と、マイクロ波パワーと、を制御することにより制御可能である事が判った。
【００４９】
コントローラ１２は、例えば、ＥＣＲ領域における磁場勾配が比較的小さい値を有するように磁場を形成し、例えば、比較的低いマイクロ波パワーでマイクロ波を発振させる。このとき、チャンバ内には、比較的低い電子温度のプラズマが生成される。このように低電子温度のプラズマで処理することにより、膜のダメージ、チャンバ部材のスパッタリングによる汚染等は低く抑えられる。
【００５０】
プロセスチャンバ１５における上記成膜処理は、所定厚さのシリコン窒化膜が形成されるように行われる。コントローラ１２は、処理が終了したと判別すると、マイクロ波の発振、主コイル４０および補助コイル４１への通電、シランガスの供給、バイアス電圧の印加、ヒータ２７による加熱を停止する。所定時間窒素ガスでパージした後、窒素ガスの供給を停止する。
【００５１】
その後、チャンバ２０内の圧力は所定の圧力まで戻され、ゲートバルブ１７が開放される。静電チャック２２は解除され、半導体ウェハＷは、搬送機構１８により、プロセスチャンバ１５から搬出される。半導体ウェハＷの搬出後、ゲートバルブ１７は閉鎖される。
【００５２】
このとき、測定チャンバ１６と搬送室１４とを隔てるゲートバルブ１７が開放され、搬送機構１８は、半導体ウェハＷを測定チャンバ１６内に搬入する。半導体ウェハは、載置台２１上に載置され、搬送機構１８は測定チャンバ１６から退出する。その後、ゲートバルブ１７は閉鎖される。
【００５３】
測定チャンバ１６において、半導体ウェハＷの表面に形成されたシリコン窒化膜の膜厚および膜質に関する情報が取得される。コントローラ１２は、膜に関する情報に基づいて、処理動作を制御する。
【００５４】
コントローラ１２は、膜厚に関して、その値が所定範囲内にあるかどうかを判別する。所定範囲内にある場合には処理を継続し、無い場合には、プラズマ処理装置１１が正常に動作していないと判別し、その旨警報を出して処理を中断等する。
【００５５】
膜の測定が終了した後、ゲートバルブ１７が開放され、半導体ウェハＷは、搬送室１４に搬出される。次いで、搬送室１４内は所定の圧力雰囲気に設定された後、カセットチャンバ１３に接続されたゲートバルブ１７が開放される。搬送機構１８は、半導体ウェハＷをカセットチャンバ１３のカセットに収容する。その後、搬送機構１８は、新たな半導体ウェハＷを搬送室１４に搬入し、上記と同様の動作を行う。以上のようにして、プラズマ処理装置１１は、多数枚の半導体ウェハＷに対して連続的にプラズマ処理を施す。
【００５６】
ここで、上記連続処理において、コントローラ１２は、測定チャンバ１６にて取得した膜質に関する情報をフィードバックして、プロセスチャンバ１５におけるプラズマ処理を制御する。
【００５７】
すなわち、コントローラ１２は、膜質に関する情報から、プラズマの生成状態、特に、電子温度についての情報を取得する。例えば、コントローラ１２は、取得した膜質情報、例えば、成膜均一性に関する情報に基づいて、予め実験等により求めた相関関係から、成膜時のプラズマの電子温度についての情報を得る。
【００５８】
コントローラ１２は、得られたプラズマの電子温度についての情報に基づいて、マイクロ波発振器３９のマイクロ波パワーを制御する。後述するように、所定の磁場配位においてプラズマの電子温度はマイクロ波パワーに依存する。コントローラ１２は所定の電子温度のプラズマが生成するように、マイクロ波パワーを制御する。
【００５９】
コントローラ１２は、例えば、電子温度の変化に応じて、マイクロ波パワーを制御して、電子温度をＰＩＤ制御する。なお、電子温度の制御方法は、ＰＩＤ制御に限られず、所定の閾値との差分に応じて電子温度を制御するようにしてもよい。
【００６０】
このように、形成された膜の状態に関する情報をフィードバックして制御することにより、電子温度のばらつきが比較的大きいＥＣＲプラズマを用いても、高品質の膜を、安定に成膜することができる。
【００６１】
以下、ＥＣＲプラズマの電子温度の、磁場配位への依存性について検討した結果について説明する。図３に、実験に用いた装置５０の構成を概略的に示す。なお、図３に示す装置５０は、図２に示す構成とほぼ同様の構成であるので、簡略に説明する。
【００６２】
図３に示す装置５０は、アルミニウム等から構成された略円筒状の容器５１を有する。容器５１の底部には、排気ポート５２が形成され、排気ポート５２を介して容器５１内は所定の真空状態まで排気される。
【００６３】
容器５１の上部には、その一端を封止するようにマイクロ波透過窓５３が設けられている。マイクロ波透過窓５３を介して、容器５１内部に、その軸方向に平行にマイクロ波が入射される。マイクロ波は、９１５ＭＨｚの周波数を有し、ＴＭ０１モードで入射される。
容器５１の上部の周囲には、コイル５４が設けられている。コイル５４は、容器５１の軸方向に磁場を形成する。
【００６４】
容器５１上部には、ガス供給ノズル５５が設けられている。ガス供給ノズル５５からは、窒素ガスが所定流量で容器５１内に供給される。
【００６５】
容器５１の内部には、円盤状の基板ホルダ５６が設けられている。基板ホルダ５６は、昇降可能なシャフト５７に支持されており、容器５１内部をその軸方向に昇降可能となっている。
【００６６】
シャフト５７は中空に構成され、その内部には、ラングミュアプローブ５８が挿通されている。ラングミュアプローブ５８は、その先端が基板ホルダ５６の中央から突出するように配置されている。
【００６７】
ラングミュアプローブ５８は、ラングミュアプローブ法を用いたプラズマの電子密度および電子温度の検出に用いられる。ラングミュアプローブ法は、プラズマ中に配置したプローブに可変の直流電圧を印加し、プラズマの状態に応じた電流の変化を検出し、直流電圧と電流との変化から、電子密度および電子温度を検出する方法である。
【００６８】
なお、図中、ｚは、マイクロ波透過窓５３からの容器５１の軸方向における距離を示す。また、ｒは、容器５１の軸を中心とした半径方向の距離を示す。
【００６９】
所定の磁場勾配を有する磁場配位において、マイクロ波パワーを変化させたときの、生成するプラズマの電子温度および電子密度をラングミュア・プローブを用いて調べた。
実験では、図４に示すような、それぞれ、ＥＣＲ領域における磁場勾配の異なる磁場配位Ｂａ〜Ｂｄについて検討した。磁場勾配の大きさは、Ｂａ＜Ｂｂ＜Ｂｃ＜Ｂｄの順となっている。
【００７０】
図４に示す磁場配位Ｂｂ、Ｂｃ、Ｂｄを形成した場合の結果を図５に、また、磁場配位Ｂａを形成した場合の結果を図６に示す。実験条件は、窒素ガス５０〜７６ｓｃｃｍ、０．１〜１Ｐａ（およそ１−１０ｍＴｏｒｒ）、測定地点ｚ＝４００ｍｍとした。
【００７１】
図５より、ＥＣＲ領域における磁場勾配が比較的大きい磁場配位Ｂｂ、Ｂｃ、Ｂｄにおいては、マイクロ波パワーが大きいほど、電子密度の高いプラズマが生成されることがわかる。一方で、電子温度は、マイクロ波パワーの大きさには依存せず、比較的高い値でほぼ一定であることがわかる。
【００７２】
一方、図６より、ＥＣＲ領域における磁場勾配が比較的小さい磁場配位Ｂａにおいては、マイクロ波パワーが大きいほど、より電子温度の高いプラズマが生成されることがわかる。図６において、マイクロ波パワーを０．５ｋＷ程度から１．３ｋＷ程度まで変化させたとき、電子温度は２ｅＶ程度から７ｅＶ程度まで変化する。また一方で、電子密度は、マイクロ波パワーの大きさには依存せず、ほぼ一定であることがわかる。
【００７３】
図５および図６に示す結果から、ＥＣＲ領域およびその近傍領域における磁場勾配が、所定程度の大きさに、特に、比較的小さい値となるような磁場配位を形成することにより、生成されるプラズマの電子温度を、電子密度を一定に保ちつつ、マイクロ波パワーによって制御可能であることがわかる。
【００７４】
上記のように電子温度がマイクロ波パワーに依存する理由として、マイクロ波パワーが比較的大きいとき電磁波動が発散し、また、マイクロ波パワーが比較的小さいとき電磁波動が集束することが挙げられる。以下では、その理論付けを行っている。
【００７５】
図７（ａ）および（ｂ）に、磁場配位Ｂａにおいて、マイクロ波パワーを０．５ｋＷおよび１．５ｋＷとしたときの、半径ｒ方向の電磁波動分布を計算した結果を示す。また、図８（ａ）および（ｂ）には、同様にマイクロ波パワーを０．５ｋＷおよび１．５ｋＷとしたときの、半径ｒ方向のパワー吸収分布を計算した結果を示す。
なお、計算には、ジャーナル・オブ・アプライド・フィジックス第７２号（１９９２）２６５２頁（福山ら）に記載されたＴＡＳＫを用いた。
【００７６】
ここで、マイクロ波パワーを０．５ｋＷとしたときの電子温度は２ｅＶ程度であり、マイクロ波パワーを１．５ｋＷとしたときの電子温度は７ｅＶ程度であった。従って、マイクロ波パワーが０．５ｋＷおよび１．５ｋＷの結果は、電子温度が比較的低い場合と、高い場合と、をそれぞれ示す。
【００７７】
まず、図７（ａ）より、マイクロ波パワーが小さい場合、すなわち、電子温度が低い場合、図中の矢印に示すように、電磁波動分布は半径方向の外側から中ほどにわたって比較的発散していることがわかる。一方で、図７（ｂ）より、マイクロ波パワーが大きい場合、すなわち、電子温度が高い場合、電磁波動分布は比較的集束していることがわかる。
【００７８】
また、図８（ａ）より、電子温度が比較的低いときには、パワー吸収分布は比較的広い領域に発散していることがわかる。一方、図８（ｂ）より、電子温度が比較的高いときには、パワー吸収分布は半径方向外側の、窓５３に近い領域に比較的集束していることがわかる。
【００７９】
図９（ａ）および（ｂ）に、図８（ａ）および（ｂ）に示すパワー吸収分布を、その大きさとともに示す空間分布図を示す。図９（ａ）および（ｂ）を比較して、電子温度が高いほど（マイクロ波パワーが大きいほど）、その最大値が大きいことがわかる。
【００８０】
以上の結果から、マイクロ波パワーが大きい場合には、電磁波動が集束し、このとき、電磁波のパワー吸収が所定領域に集中することにより、電子温度が高くなることが推察される。一方で、マイクロ波パワーが小さい場合には、電磁波動が発散してパワー吸収も発散し、よって、電子温度は低いものとなる。
【００８１】
このように、電磁波動のパワー吸収分布はマイクロ波パワーに依存して集束または発散する。従って、ＥＣＲプラズマの電子温度は、ＥＣＲ領域およびその近傍における磁場勾配を所定値に設定し、マイクロ波パワーの大きさを制御することにより制御可能である。
【００８２】
また、ＥＣＲ領域における磁場勾配と、マイクロ波パワーと、の関係を調べた結果を、図１１に示す。図１１に示す結果は、図１０に示す、ＥＣＲ領域における磁場勾配の異なる複数の磁場配位Ｂ１〜Ｂ７について、マイクロ波パワーを変化させたときのプラズマ電子温度を示す。なお、測定は、上記測定と同様に、窒素ガスを用い、測定地点Ｚ＝４００ｍｍ、マイクロ波パワーを７５０Ｗ、１ｋＷ、１．２５ｋＷ、１．５ｋＷとした場合について調べた。
【００８３】
図１０に示すように、磁場勾配の大きさは、Ｂ１＜Ｂ２＜…＜Ｂ７となっている。図１１よりわかるように、所定の磁場配位においてマイクロ波パワーを変化させることにより、プラズマの電子温度を変化させることができることがわかる。
【００８４】
また、特に、磁場配位Ｂ２〜Ｂ６、望ましくは、磁場配位Ｂ２〜Ｂ５において、マイクロ波パワーが異なる場合においても、比較的低い電子温度（約３ｅＶ以下）が得られることがわかる。
【００８５】
ＥＣＲ領域近傍における磁場勾配は、例えば、ｚ＝２００ｍｍおよびｚ＝３００ｍｍにおける磁場強度から曲線の傾きを算出することによって近似することができる。
【００８６】
例えば、磁場配位Ｂ６に関して、ｚ＝２００ｍｍおよび３００ｍｍにおける磁場強度が３７ｍＴ（３．７Ｇ）および２８ｍＴ（２．８Ｇ）であり、その勾配は９０ｍＴ／ｍ（９Ｇ／ｍ）である。また、磁場配位Ｂ２に関して、ｚ＝２００ｍｍおよび３００ｍｍにおける磁場強度は３４ｍＴ（３．４Ｇ）および３１ｍＴ（３．１Ｇ）であり、その勾配は３０ｍＴ／ｍ（３Ｇ／ｍ）である。
【００８７】
このことから、ＥＣＲ領域およびその近傍における磁場勾配の値が、例えば、３０〜９０ｍＴ／ｍ（３〜９Ｇ／ｍ）、望ましくは、０．３〜０．５ｍＴ／ｃｍ（３〜５Ｇ／ｍ）程度の範囲内にあるとき、電子温度を比較的低い値としつつ、マイクロ波パワーにより制御できる。
【００８８】
以上説明したように、上記実施の形態によれば、所定の磁場配位、特に、ＥＣＲ領域における所定の磁場勾配を形成することにより、電子温度を高精度に制御することができる。このため、比較的電子温度のばらつきが大きいＥＣＲプラズマを用い、高品質の膜を安定に形成することができる。
【００８９】
また、所定の磁場勾配、特に、ｚ方向に対して磁場勾配の比較的小さい磁場配位において、マイクロ波パワーを変化させることにより、生成するプラズマの電子温度を高精度に制御できる。
【００９０】
さらに、上記実施の形態では、形成した膜の質に関する情報を取得し、これに基づいて処理時のプラズマの電子温度を推定する。連続処理において、推定した電子温度情報をフィードバックして、マイクロ波パワーを調節してプラズマの電子温度を制御する。このように、プラズマ生成をフィードバックして制御することにより、ＥＣＲプラズマでは比較的大きい電子温度のばらつきを抑え、高品質の膜を安定に形成することが可能となる。
【００９１】
本発明は、上記実施の形態に限られず、種々の変形、応用が可能である。以下、本発明を適用可能な上記実施の形態の変形態様について、説明する。
【００９２】
上記実施の形態では、９１５ＭＨｚのマイクロ波を用いるものとしたが、使用する周波数は、これに限られず、２．４５ＧＨｚ等いかなる周波数であってもよい。
【００９３】
上記実施の形態では、枚葉式の装置に適用した例を示したが、本発明は、バッチ式の装置にも勿論適用可能である。
また、上記例では、プロセスチャンバ１５と、測定チャンバ１６と、を１つずつ設ける構成とした。しかし、各チャンバの数は、いくつであってもよい。
さらにまた、測定チャンバ１６を設けず、膜厚および膜質の測定を搬送室１４内で行うようにしてもよい。この場合、例えば、光学的測定ユニットを搬送室１４の天井に設け、光透過窓を介して測定光を搬送機構１８に保持された半導体ウェハＷに照射するようにすればよい。
【００９４】
上記実施の形態では、測定チャンバ１６では、分光学的方法によって膜質を検査するものとした。しかし、測定方法はこれに限られず、絶縁膜に通電するなどの電気的方法を用いてもよい。
また、上記例では測定チャンバ１６における検査は、処理ウェハに対して１枚づつ行うものとしたが、所定枚数ごとに検査するようにしてもよい。
【００９５】
上記実施の形態では、シランガスと窒素ガスとを用いてＣＶＤによりシリコン窒化膜を成膜する場合について説明した。しかし、使用するガスの種類および生成する膜種は、上記例に限られない。勿論、ＭＯＣＶＤなどの処理装置にも適用可能である。
また、ＣＶＤに限らず、ＰＶＤ等のプラズマ処理を行う場合についても適用可能である。さらに、成膜処理に限らず、エッチング、表面改質、アッシング、アニール等の、ＥＣＲプラズマを用いるいかなるプラズマ処理にも適用可能である。
【００９６】
上記実施の形態では、半導体ウェハを処理する場合について説明したが、液晶表示基板であってもよい。
【００９７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、ＥＣＲプラズマを用いた、品質および安定性の高い処理が可能なプラズマ処理方法およびプラズマ処理装置が提供される。
また、本発明によれば、ＥＣＲプラズマの電子温度を高精度に制御可能なプラズマ処理方法およびプラズマ処理装置が提供される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態に係るプラズマ処理装置の構成を示す図である。
【図２】図１に示すプロセスチャンバの構成を示す図である。
【図３】実験装置の構成を示す図である。
【図４】磁場配位Ｂａ〜Ｂｄの形状を示す図である。
【図５】磁場配位Ｂｂ〜Ｂｄと、電子温度および電子密度と、の関係を示す図である。
【図６】磁場配位Ｂａと、電子温度および電子密度と、の関係を示す図である。
【図７】電子温度と電磁波動分布との関係を示す図である。
【図８】電子温度とパワー吸収分布との関係を示す図である。
【図９】図８に示すパワー吸収分布の空間分布を示す図である。
【図１０】磁場配位Ｂ１〜Ｂ７の形状を示す図である。
【図１１】磁場配位Ｂ１〜Ｂ７における、マイクロ波パワーと電子温度との関係を示す図である。
【符号の説明】
１１  プラズマ処理装置
１２  コントローラ
１５  プロセスチャンバ
１６  測定チャンバ
２０  チャンバ
２１  載置台
３３  ガスノズル
３４  ガスリング
３５  マイクロ波導入窓
３９  マイクロ波発振器
４０  主コイル
４１  補助コイル
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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