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JP2023120622A - 成膜方法および成膜装置 - Google Patents

成膜方法および成膜装置 Download PDF

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JP2023120622A
JP2023120622A JP2022023572A JP2022023572A JP2023120622A JP 2023120622 A JP2023120622 A JP 2023120622A JP 2022023572 A JP2022023572 A JP 2022023572A JP 2022023572 A JP2022023572 A JP 2022023572A JP 2023120622 A JP2023120622 A JP 2023120622A
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film
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Tadashi Mitsunari
宏貴 荒井
Hirotaka Arai
祐太郎 季子
Yutaro Kishi
康弘 濱田
Yasuhiro Hamada
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Tokyo Electron Ltd
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Abstract

Figure 2023120622000001
【課題】低ストレスのカーボン膜を成膜することができる成膜方法および成膜装置を提供する。
【解決手段】成膜方法は、処理容器内に設けられた基板載置台上に基板を載置する工程と、処理容器内を排気して減圧する工程と、減圧された処理容器内に炭素含有ガスを含む処理ガスを供給しつつ、基板載置台に、プラズマ生成用の高周波電力を印加してプラズマを生成し、基板上にカーボン膜を成膜する工程と、基板載置台に、プラズマ生成用の高周波電力を印加するとともに、基板載置台と対向する対向電極に負の直流電圧を印加してプラズマ処理を行う工程とを有する。
【選択図】図２

Description

本開示は、成膜方法および成膜装置に関する。
特許文献１には、ハードマスク用のアモルファスカーボン層の堆積方法が記載されている。その方法は、ＲＦ電源と整合回路網をシャワーヘッドに、あるいはシャワーヘッドとウエハペデスタルの両方に結合し、シャワーヘッドとウエハペデスタルの間に電界を発生させ、プラズマを形成することで、炭化水素化合物のプラズマ熱分解を生じさせてアモルファスカーボン層を堆積させるものである。
特開２００２－１２９７２号公報
本開示は、低ストレスのカーボン膜を成膜することができる成膜方法および成膜装置を提供する。
本開示の一態様に係る成膜方法は、処理容器内に設けられた基板載置台上に基板を載置する工程と、前記処理容器内を排気して減圧する工程と、減圧された前記処理容器内に炭素含有ガスを含む処理ガスを供給しつつ、前記基板載置台に、プラズマ生成用の高周波電力を印加してプラズマを生成し、前記基板上にカーボン膜を成膜する工程と、前記基板載置台に、プラズマ生成用の高周波電力を印加するとともに、前記基板載置台と対向する対向電極に負の直流電圧を印加してプラズマ処理を行う工程と、を有する。
本開示によれば、低ストレスのカーボン膜を成膜することができる成膜方法および成膜装置が提供される。
第１の実施形態に係る成膜方法を実施する成膜装置の一例を概略的に示す断面図である。 第１の実施形態に係る成膜方法のフローの一例を示すフローチャートである。 第１の実施形態に係る成膜方法に用いられる基板の構造の一例を示す断面図である。 図３の基板上にカーボン膜を成膜した状態を示す断面図である。 ステップＳＴ３で、炭素含有ガスをプラズマ化してプラズマＣＶＤによりカーボン膜を成膜する際の状態を模式的に示す図である。 図５の状態で上部電極に負の直流電圧を印加した際の状態を模式的に示す図である。 上部電極に負の直流電圧を印加することにより上部電極のカーボン膜からスパッタされて放出されたカーボン粒子が基板上のカーボン膜に打ち込まれる状態を模式的に示す図である。 カーボン粒子がカーボン膜に打ち込まれて応力が緩和されることを検証した実験のＤｅｐｏとＤＣＰｌａｓｍａの条件を示す図である。 カーボン粒子がカーボン膜に打ち込まれて応力が緩和されることを検証した実験結果を示す図であり、（ａ）はステップＳＴ４の時間とカーボン膜厚との関係を示す図、（ｂ）はステップＳＴ４の時間と膜ストレスとの関係を示す図である。 上部電極に印加される直流電圧の好ましい範囲を検証した実験結果を示す図である。 ステップＳＴ３のカーボン膜を成膜する工程と、ステップＳＴ４の直流電圧を印加する工程とを交互に繰り返した際における１回当りのカーボン膜の膜厚の好ましい範囲を検証した実験結果を示す図である。 ステップＳＴ４の直流電圧を印加する工程の圧力の好ましい範囲を検証した実験結果を示す図であり、（ａ）はステップＳＴ４の圧力とカーボン膜厚との関係を示す図、（ｂ）はステップＳＴ４の圧力と膜ストレスとの関係を示す図である。 ステップＳＴ４の直流電圧を印加する工程のＨＦパワーの好ましい範囲を検証した実験結果を示す図であり、（ａ）はステップＳＴ４のＨＦパワーとカーボン膜厚との関係を示す図、（ｂ）はステップＳＴ４のＨＦパワーと膜ストレスとの関係を示す図である。 成膜装置の他の例を示す断面図である。 第２の実施形態に係る成膜方法のフローの一例を示すフローチャートである。 第２の実施形態に係る成膜方法を実施可能な他の成膜装置の要部を概略的に示す模式図である。
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、第１の実施形態について説明する。
［成膜装置の一例］
図１は第１の実施形態に係る成膜方法を実施する成膜装置の一例を概略的に示す断面図である。
本例の成膜装置１００は、基板Ｗ上にハードマスクに適したカーボン膜を成膜するものであり、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。
この成膜装置１００は、略円筒状をなし、金属、例えば表面が陽極酸化処理されたアルミニウムで構成された処理容器（チャンバー）１０を有している。この処理容器１０は保安接地されている。
処理容器１０の底部には、セラミックス等からなる絶縁板１２を介して円柱状の金属製の支持台１４が配置され、この支持台１４の上に金属例えばアルミニウムで構成された基板載置台１６が設けられている。基板載置台１６は下部電極を構成する。基板載置台１６は上面に基板Ｗを静電力で吸着保持する静電チャック１８を有している。この静電チャック１８は、絶縁体の内部に電極２０が設けられた構造を有するものであり、電極２０に吸着用直流電源２２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。
静電チャック１８の周囲部分には、プラズマ処理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２４が配置されている。基板載置台１６および支持台１４の側面には、例えば石英からなる円筒状の内壁部材２６が設けられている。
支持台１４の内部には冷媒室２８が設けられている。この冷媒室２８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３０ａ，３０ｂを介して冷媒、例えば冷却水が循環供給され、冷媒によって基板載置台１６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３２を介して静電チャック１８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１６には、プラズマ生成用の第１の高周波電源８８およびバイアス印加用の第２の高周波電源９１が電気的に接続されている。第１の高周波電源８８から基板載置台１６に給電する給電線８９には整合器８７が介装されている。第２の高周波電源９１からの給電線９２は、給電線８９に接続されており、給電線９２には整合器９０が介装されている。第１の高周波電源８８は第２の高周波電源９１よりも周波数が高い。第１の高周波電源８８から供給される高周波電力の周波数は４０ＭＨｚ以上が好ましい。また、第２の高周波電源９１から供給される高周波電力の周波数は３．２ＭＨｚ以下が好ましい。一例として、第１の高周波電源８８が４０ＭＨｚ、第２の高周波電源９１が３．２ＭＨｚの組み合わせを挙げることができる。また、第１の高周波電源８８から供給される高周波電力のパワーは１００Ｗ～１ｋＷの範囲が好ましく、第２の高周波電源９１から供給される高周波電力のパワーは５００Ｗ～５ｋＷの範囲が好ましい。
整合器８７，９０は、それぞれ第１および第２の高周波電源８８，９１側のインピーダンスに負荷（プラズマ）インピーダンスを整合させるためのものである。すなわち、整合器８７，９０は、処理容器１０内にプラズマが生成されている時に第１および第２の高周波電源８８、９１の内部インピーダンスと負荷インピーダンスが見かけ上一致するように機能する。
基板載置台（下部電極）１６の上方には、基板載置台１６と対向するように上部電極３４が設けられている。そして、上部電極３４および基板載置台（下部電極）１６の間の空間がプラズマ生成空間となる。
上部電極３４は、絶縁性遮蔽部材４３を介して、処理容器１０の上部に支持されている。上部電極３４は、基板載置台１６との対向面を構成しかつ多数のガス吐出孔３７を有する電極板３６と、この電極板３６を着脱自在に支持する電極支持体３８とによって構成されている。電極板３６は導電体で構成され、例えば、一般的に用いられるシリコンで構成することができるが、後述するようにカーボンで構成してもよい。電極支持体３８の内部には、ガス拡散室４０が設けられ、このガス拡散室４０からはガス吐出孔３７に連通する多数のガス通流孔４１が下方に延びている。電極支持体３８にはガス拡散室４０へ処理ガスを導くガス導入口４２が形成されており、このガス導入口４２には後述するガス供給部５０に接続されたガス配管５１が接続されている。そして、ガス供給部５０から供給された処理ガスがガス拡散室４０に供給され、ガス通流孔４１およびガス吐出孔３７を介して処理容器１０内に下部電極である基板載置台１６に向けて供給される。すなわち、上部電極３４はシャワーヘッドとして構成される。
上部電極３４には、給電線９５を介して負の直流電圧を印加するための直流電源９４が電気的に接続されている。給電線９５には、直流電源９４の下流側にローパスフィルタ９３が接続されている。ローパスフィルタ９３は、高周波電源８８，９１からの高周波電力が直流電源９４に供給されないようにするためのものである。直流電源９４からの直流電圧の絶対値は３００Ｖ以上が好ましい。
ガス供給部５０は、炭素含有ガス（ＣｘＨｙ）、希ガス、例えばＡｒガスやＨｅガス、水素ガス（Ｈ２ガス）といったガスを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。なお、本例では希ガスとしてＨｅガスおよびＡｒガスを供給するようになっているが、それに限定されず、例えばＡｒガスのみであってもよく、他の希ガスであってもよい。また、炭素含有ガスのみであってもよい。
処理容器１０の底部には排気口６０が設けられ、この排気口６０に排気管６２を介して排気装置６４が接続されている。排気装置６４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６４により、処理容器１０内を排気するとともに、処理容器１０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１０の側壁には、処理容器１０に対して基板Ｗを搬入出するための搬入出口６５が設けられており、この搬入出口６５はゲートバルブ６６で開閉するように構成されている。なお、処理容器１０の内壁に沿って、処理容器１０にエッチング副生物（デポ）が付着することを防止するための着脱自在のデポシールド（図示せず）が設けられている。
成膜装置１００の構成部であるガス供給部５０のバルブ類や流量制御器、高周波電源８８、９１、直流電源９４等は、制御部８０により制御される。制御部８０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成膜装置１００の処理が制御される。
［成膜方法］
次に、図１の成膜装置により実施される第１の実施形態に係る成膜方法について説明する。
図２は第１の実施形態に係る成膜方法のフローの一例を示すフローチャートである。
図２に示すように、本実施形態では、ステップＳＴ１～ステップＳＴ４を実施する。
ステップＳＴ１は、基板Ｗを処理容器１０内に搬入し、基板載置台１６上に載置する。このとき、基板載置台１６の温度は、載置された基板Ｗの温度が１５０℃以下になるような温度とすることが好ましい。基板Ｗとしては、例えば半導体ウエハを用いることができる。基板Ｗである半導体ウエハとしては、図３に示すように、Ｓｉ基体１０１上に下地膜１０２が形成されたものが例示される。下地膜１０２としては、ＳｉＯ２膜（例えば熱酸化膜）やＳｉＮｘ膜等のＳｉ含有膜が例示される。
ステップＳＴ２は、処理容器１０内を排気して減圧する。このとき、不活性ガス、例えば希ガスであるＡｒガスやＨｅガスを供給しつつ、処理容器１０内を排気する。処理容器１０内の圧力は２０ｍＴｏｒｒ（２．６６Ｐａ）以下が好ましい。
ステップＳＴ３は、減圧された処理容器１０に炭素含有ガスを含む処理ガスを供給しつつ、下部電極である基板載置台１６に、第１の高周波電源８８からのプラズマ生成用高周波電力を印加することによりプラズマを生成し、基板上にカーボン膜を成膜する。具体例としては、図４に示すように、図３の基板Ｗの下地膜１０２上にカーボン膜１０３を成膜する。ステップＳＴ３の期間に、第２の高周波電源９１から基板載置台１６にバイアスを印加するステップを行うことが好ましい。第２の高周波電源９１から基板載置台１６にバイアスを印加することによりカーボン膜のストレスを低減することができる。
プラズマ生成に用いる炭素含有ガスとしては、例えばアセチレン（Ｃ２Ｈ２）ガスを用いることができる。炭素含有ガスとしては、アセチレン（Ｃ２Ｈ２）ガスの他、メタン（ＣＨ４）ガス、エチレン（Ｃ２Ｈ４）ガス、エタン（Ｃ２Ｈ６）ガス、プロピレン（Ｃ３Ｈ６）ガス、プロピン（Ｃ３Ｈ４）ガス、プロパン（Ｃ３Ｈ８）ガス、ブタン（Ｃ４Ｈ１０）ガス、ブチレン（Ｃ４Ｈ８）ガス、ブタジエン（Ｃ４Ｈ６）ガス、フェニルアセチレン（Ｃ８Ｈ６）ガスを用いることができる。また、これらのガスから選択される複数のガスを含む混合ガスであってもよい。また、炭素含有ガスの他に希ガスを添加してもよい。希ガスとしてはＡｒガスやＨｅガスを用いることができる。
ステップＳＴ４は、下部電極である基板載置台１６に、高周波電源８８からの高周波電力を印加するとともに、基板載置台１６と対向する対向電極である上部電極３４に、直流電源９４から負の直流電圧を印加してプラズマ処理を行う。ステップＳＴ４のプラズマ処理の際には、処理容器１０内に例えばＡｒガス等の希ガスを導入してプラズマを生成する。この際に、希ガスとともに水素ガス（Ｈ２ガス）を添加してもよい。このＨ２ガスを添加の効果については、以下のようなモデルが考えられる。
まず、Ａｒガス等の希ガスのみでプラズマ処理した場合を考える。希ガスにより、基板載置台１６と対向する対向電極である上部電極３４からスパッタされたカーボン原子は、他の原子と結合することなしに基板に供給される。その際に、カーボン原子のイオンエネルギーにもよるが、基板表面に数原子層の深さをもって打ち込まれる。打ち込まれた後、カーボン原子は近傍のカーボン結合を再構成させ、それにより膜の構造変化が起こることになる。ところがカーボン原子が打ち込まれる前の膜の状態は構造として安定になるように構成されているところに、カーボン原子が突如として打ち込まれた場合、カーボン原子のダングリングボンドがすべて近傍のカーボン原子と安定な結合を作るような再構成が起こり得ず、不安定な構造のままで打ち込まれた位置に存在することがありうる。その場合、不安定なダングリングボンドは、局所的な膜ストレスの要因となったり、成膜後大気開放する際の大気中の水分との反応サイトとなったりしうる。一方、水素を希ガスに添加した場合は、基板載置台と対向する対向電極である上部電極３４からスパッタされたカーボン原子は、解離した水素と結合してＣＨｘとなる。この場合、ダングリングボンドのいくつかは基板に侵入する前より水素で終端されているため、基板表面に打ち込まれた際に膜の再構成が起こりやすく、結果として膜のストレスが低減する場合がある。
なお、通常のプラズマＣＶＤ成膜でも同様な現象は起こりうる。例えば、ＣＨ４などのガスを炭素含有ガスとしてプラズマＣＶＤで成膜した場合、ＣＨ４分子から水素が様々な衝突過程によって解離し、ＣＨｘが基板に対して供給されることが起こりうる。しかしながら、本実施形態と従来手法の違いは下記の点にあると思われる。すなわち、本実施形態では、電極間距離が、数ｃｍのオーダーであること、圧力帯が数１０ｍＴｏｒｒの低圧域であることなどから、対向電極からスパッタされたカーボン原子に適切な量の水素が付着し、その際に、従来の水素を多く含む炭素含有ガスから出発してプラズマ中で解離されるよりも、より炭素リッチなＣＨｘが生成し、これが基板に打ち込まれた際に、効果的に膜ストレスを緩和すると考えられる。
ステップＳＴ４においては、対向電極である上部電極３４に直流電圧を印加することにより、基板Ｗ上に成膜されたカーボン膜のストレスを緩和することができる。
以下、具体的に説明する。
炭素含有ガスをプラズマ化することにより成膜されたカーボン膜は、アモルファスカーボン膜であり、ｓｐ３結合比が大きいダイアモンドライクカーボンとして構成され、高密度かつ高エッチング耐性を有する膜である。このため、次世代のハードマスクとして適している。
一方、ハードマスクは、高密度であることに加え、膜ストレスが低いことが要求される。すなわち、一般に、同じストレスの膜でも膜厚が厚くなると膜のストレスに起因する基板の反りが大きくなり、ハードマスクに要求される膜厚が１μｍ以上の場合には、搬送やリソグラフィーを行うための基板の許容反り量（例えば２００μｍ）を超えて成膜後の後工程処理を行うことが困難となるおそれがある。しかし、従来の炭素含有ガスのプラズマにより成膜されたカーボン膜は、膜密度の上昇と同時に膜ストレスが高いものとなってしまう。つまり、膜密度と膜ストレスとはトレードオフの関係であり、膜密度が高密度になるほど膜ストレスが上昇し、高密度で低ストレスのカーボン膜を得ることは困難であった。
本実施形態では、ステップＳＴ３で、炭素含有ガスをプラズマ化してプラズマＣＶＤによりカーボン膜を成膜する際には、図５に示すように、基板Ｗにカーボン膜２０１が成膜されると同時に、基板Ｗと対向する対向電極である上部電極３４の表面にもカーボン膜（ＣｘＨｙ膜）２０２が堆積される。その成膜量は、表面の電位状態にもよるが、基板への成膜量と同程度と考えてよい。例えば、基板Ｗ上に成膜量５ｎｍのカーボン膜２０１を成膜した場合、上部電極３４に堆積されるカーボン膜２０２も５ｎｍ程度となる。この状態で、ステップＳＴ４で上部電極３４に負の直流電圧を印加すると、図６に示すように、上部電極３４から２次電子２０３が放出されるとともに、プラズマ中のイオン（例えばアルゴンイオン）２０４が上部電極３４に引き込まれてその表面のカーボン膜２０２をスパッタすることによりカーボン粒子（ＣｘＨｙ）２０５が放出される。そして、図７に示すように、よりエネルギーが大きいカーボン粒子２０５が基板Ｗ上に成膜されたカーボン膜２０１に打ち込まれることにより、カーボン膜２０１の応力が緩和されるものと考えられる。
このことを検証した実験について説明する。上部電極３４の電極板３６をシリコン製とし、高周波プラズマを生成させつつ上部電極３４に直流電圧を印加して成膜し、成膜時間と膜の応力の関係を調査した。ここでは、図８に示すように、ステップＳＴ３のカーボン膜の成膜（Ｄｅｐｏ）の時間を５ｓｅｃとし、ステップＳＴ４の直流電圧印加プラズマ処理（ＤＣＰｌａｓｍａ）の時間を変化させ、これらを８回繰り返した。Ｄｅｐｏの条件は、圧力：２０ｍＴｏｒｒ、４０ＭＨｚの高周波電力（ＨＦ）のパワー：４００Ｗ、３．２ＭＨｚの高周波電力（ＬＦ）のパワー：５００Ｗ、直流電圧（ＤＣ）：－７５Ｖ、炭素含有ガス：Ｃ２Ｈ２ガス、Ｃ２Ｈ２ガス／Ａｒガスの流量：５０／１００ｓｃｃｍとした。また、ＤＣＰｌａｓｍａの条件は、圧力１００ｍＴｏｒｒ、ＨＦのパワー：４００Ｗ、ＤＣ：－９００Ｖ、Ｈ２ガス／Ａｒガスの流量：２００／５００ｓｃｃｍとした。
その結果を図９に示す。図９の（ａ）はＤＣＰｌａｓｍａ時間とカーボン膜厚との関係を示す図であり、（ｂ）はＤＣＰｌａｓｍａ時間と膜ストレス（コンプレッシブ）との関係を示す図である。図９の（ａ）に示すように、ＤＣＰｌａｓｍａ時間が長くなるに従い、膜厚が厚くなる傾向が見られた。また、図９の（ｂ）に示すように、ＤＣＰｌａｓｍａ時間が２０ｓｅｃまでの膜サンプルは応力低減効果が大きかったが、３０ｓｅｃになると応力低減効果が飽和する結果が得られた。また、直流電圧印加時間が２０ｓｅｃまでのサンプルは、基板上に成膜された膜はカーボン膜であったのに対し、印加時間が３０ｓｅｃのサンプルでは膜中にシリコンが検出された。
このことは、対向電極である上部電極３４（電極板３６）に堆積されたカーボン膜がプラズマ処理中にスパッタされて基板上の膜にカーボン粒子が打ち込まれることにより膜応力が低減し、カーボン膜がすべてスパッタされてシリコンがスパッタされると応力低減が生じないことを示している。
また、この実験結果から、電極板３６をカーボンで構成すれば、電極板３６に堆積されたカーボン膜が全てスパッタされても膜応力を緩和する効果が維持されることが導かれる。
ステップＳＴ４の直流電圧を印加してプラズマ処理を行う工程においては、直流電源９４から上部電極３４へ印加される直流電圧の絶対値は３００Ｖ以上が好ましい。
このことを検証した実験結果を図１０に示す。ここでは、Ｄｅｐｏの条件については図８と同じ条件とし、ＤＣＰｌａｓｍａの条件については時間を５ｓｅｃに固定し、ＤＣ電圧を－３００～－９００Ｖで変化させた以外は図８と同じ条件とした。
図１０に示すように、ＤＣ電圧の絶対値が３００Ｖから増加するに従い、膜厚が厚くなり、かつ膜のストレスの低減効果が大きくなることがわかる。ＤＣ電圧の絶対値は、高いほど上部天板からのカーボンスパッタ量が増加すると考えられるため、高ければ高いほどよい。ただし、装置によってはＤＣ電源の仕様の制約があり、図１０で示した実験では、ＤＣ電圧の絶対値を最大９００Ｖとした。
図９の実験結果にも示すように、ステップＳＴ３のカーボン膜を成膜する工程と、ステップＳＴ４の直流電圧を印加する工程とは、交互に繰り返すことが好ましい。これにより基板Ｗ上にカーボン膜を薄く成膜した後に、カーボン粒子がカーボン膜に打ち込まれるので、カーボン粒子打ち込みによる応力緩和効果を大きくすることができる。このとき、１回のカーボン膜の膜厚を１０ｎｍ以下にすることが好ましい。
このことを検証した実験結果を図１１に示す。ここでは、ＤＣＰｌａｓｍａを行わずに図８と同じ条件のＤｅｐｏを４０ｓｅｃ行ったものをＲｅｆ．とし、ＤＣＰｌａｓｍａを２０ｓｅｃに固定して、Ｄｅｐｏの時間およびステップＳＴ３とステップＳＴ４のサイクル数を変えたものをケース１～３とした。Ｄｅｐｏの条件およびＤＣＰｌａｓｍａの条件を時間以外は図８と同じ条件とした。具体的には、表１に示すように、ケース１ではＤｅｐｏ時間：５ｓｅｃ、サイクル数：８とし、ケース２ではＤｅｐｏ時間：１０ｓｅｃ、サイクル数：４、ケース３ではＤｅｐｏ時間：２０ｓｅｃ、サイクル数：２とした。この際の１サイクル当りの膜厚は、ケース１で１０ｎｍ、ケース２で２０ｎｍ、ケース３で４０ｎｍであった。
Figure 2023120622000002
図１１に示すように、ケース１～３はいずれも、Ｒｅｆ．よりも膜ストレスが低下しており、特に、ケース１で最も膜ストレスが低かった。このことから、Ｄｅｐｏによる膜厚１０ｎｍ以下ごとにＤＣＰｌａｓｍａを行うシーケンスが、ストレス低減効果が高いことが確認された。
ステップＳＴ４の直流電圧を印加する工程では、その際の圧力が高圧になるほどストレス低減効果を高めることができ、その際の圧力は３０ｍＴｏｒｒ（４Ｐａ）以上であることが好ましい。
このことを検証した実験結果を図１２に示す。ここでは、ＤＣＰｌａｓｍａの際の圧力を３０～１００ｍＴｏｒｒの間で変化させ、ＤｅｐｏとＤＣＰｌａｓｍａを５ｓｅｃずつ８サイクル繰り返し行った。このときのＤｅｐｏの条件は図８と同じ条件とし、ＤＣＰｌａｓｍａの条件は、時間および圧力以外、図８の条件と同じ条件とした。
図１２の（ａ）はＤＣＰｌａｓｍａの圧力とカーボン膜厚との関係を示す図であり、（ｂ）はＤＣＰｌａｓｍａの圧力と膜ストレス（コンプレッシブ）との関係を示す図である。図１２の（ａ）に示すように、ＤＣＰｌａｓｍａの圧力が高くなるに従い、膜厚が厚くなる傾向が見られた。また、図１２の（ｂ）に示すように、ＤＣＰｌａｓｍａの圧力が高くなるに従い、膜ストレスが低下する傾向が見られ、ステップＳＴ４の圧力が高圧になるほどストレス低減効果が大きくなることが確認された。
ステップＳＴ４の直流電圧を印加する工程においては、その際のプラズマ生成用の第１の高周波電源８８からの高周波パワー（ＨＦパワー）が高いほど膜ストレス低減効果を高めることができ、その際のパワーは２００Ｗ以上であることが好ましい。
このことを検証した実験結果を図１３に示す。ここでは、ＤＣＰｌａｓｍａの際のＨＦパワーを２００Ｗ、４００Ｗ、８００Ｗと変化させ、ＤｅｐｏとＤＣＰｌａｓｍａを５ｓｅｃずつ８サイクル繰り返し行った。このときのＤｅｐｏの条件は図８と同じ条件とし、ＤＣＰｌａｓｍａの条件は、時間およびＨＦパワー以外、図８の条件と同じ条件とした。
図１３の（ａ）はＤＣＰｌａｓｍａのＨＦパワーとカーボン膜厚との関係を示す図であり、（ｂ）はＤＣＰｌａｓｍａのＨＦパワーと膜ストレス（コンプレッシブ）との関係を示す図である。図１３の（ａ）に示すように、ＤＣＰｌａｓｍａのＨＦパワーが高くなるに従い、膜厚が厚くなる傾向が見られた。また、図１３の（ｂ）に示すように、ＤＣＰｌａｓｍａのＨＦパワーが高くなるに従い、膜ストレスが低下する傾向が見られ、ステップＳＴ４のＨＦパワーが高いほどストレス低減効果が大きくなることが確認された。
図１の成膜装置１００では、バイアス印加用として第２の高周波電源９１からプラズマ生成用の高周波電力より低い周波数（例えば３．２ＭＨｚ）の高周波電力を印加したが、直流のバイアスを印加してもよい。
図１４は、直流バイアスを印加する成膜装置の一例を示す断面図である。図１４の成膜装置１００´は、下部電極である基板載置台１６にバイアス印加用の直流電源９７が電気的に接続されている。バイアス印加用の直流電源９７からの給電線９８は、第１の高周波電源８８の給電線８９に接続されており、バイアス印加用の直流電源９７からの直流電圧は給電線９８および給電線８９を介して基板載置台１６に印加される。直流電源９７に接続される給電線９８には、第１の高周波電源８８からの高周波電力が直流電源９７に供給されないようにローパスフィルタ９６が介装されている。基板載置台１６には直流電源９７の負極が接続される。
図１４の成膜装置１００´の他の構成は、図１の成膜装置１００と同じであるため、同じ符号を付して説明を省略する。
＜第２の実施形態＞
次に、第２の実施形態に係る成膜方法について説明する。
図１５は第２の実施形態に係る成膜方法のフローの一例を示すフローチャートである。本実施形態は、上述した図１４に示す成膜装置１００´を用いて行うことができる。
図１５に示すように、本実施形態では、ステップＳＴ１１～ステップＳＴ１５を実施する。
ステップＳＴ１１は、基板Ｗを処理容器１０内に搬入し、基板載置台１６上に載置する。このステップＳＴ１１は第１の実施形態のステップＳＴ１と同様に行われる。
ステップＳＴ１２は、処理容器１０内を排気して減圧する。このステップＳＴ１２は第１の実施形態のステップＳＴ２と同様に行われる。
ステップＳＴ１３は、減圧された処理容器１０に炭素含有ガスを含む処理ガスを供給しつつ、下部電極である基板載置台１６に、第１の高周波電源８８からのプラズマ生成用高周波電力を印加することによりプラズマを生成し、基板上にカーボン膜を成膜する。このステップＳＴ１３は第１の実施形態のステップＳＴ３と同様に行われる。
ステップＳＴ１４およびステップＳＴ１５は、ステップＳＴ１３のカーボン膜を成膜している期間に交互に実施される。すなわち、ステップＳＴ１３の基板載置台１６への高周波電源８８からの高周波電力印加と、処理容器１０内へのカーボン含有ガスを含むガスの供給を継続的に行っている状態で、ステップＳＴ１４およびステップＳＴ１５が交互に実施される。
ステップＳＴ１４は、基板載置台１６に直流電源９７からバイアス用の直流電圧を印加する。このような直流バイアスは、第１の実施形態における高周波バイアスと同様、成膜されるカーボン膜のストレスを低減する効果を有する。基板載置台１６に印加されるバイアス用の直流電圧は負の直流電圧であり、５００～３ｋＶが好ましい。なお、ステップＳＴ１４は、図１の成膜装置１００を用いて、第２の高周波電源９１から基板載置台１６に高周波バイアスを印加して行ってもよい。
ステップＳＴ１５は、第１の実施形態のステップＳＴ４と同様、対向電極である上部電極３４に直流電源９４から負の直流電圧を印加してプラズマ処理を行う。
このように、ステップＳＴ１４で基板載置台１６への直流バイアスの印加により、成膜するカーボン膜のストレスを低減することができ、ステップＳＴ１５の上部電極３４への直流電圧印加により、成膜されたカーボン膜にカーボン粒子を打ち込んで膜ストレスを低減することができる。そして、ステップＳＴ１３のカーボン膜の成膜中に、ステップＳＴ１４による成膜するカーボン膜自体のストレス低減と、ステップＳＴ１５による成膜された後のカーボン膜のストレス緩和とが交互に繰り返し実施されることにより、ストレスの低いカーボン膜を得ることができる。
ステップＳＴ１４とステップＳＴ１５は、下部電極である基板載置台１６と上部電極３４への直流電圧印加の切換えで実現できるので、高速で行うことができ、ステップＳＴ１５のカーボン膜のストレス緩和作用を高めることができる。
本実施形態では、ステップＳＴ１４とステップＳＴ１５を、下部電極である基板載置台１６と上部電極３４への直流電圧印加の切換えで実現できるので、一つの直流電源により基板載置台１６と上部電極３４へ直流電圧を切り替えるようにしてもよい。そのような成膜装置の一例を図１６に示す。図１６はそのような成膜装置の要部を概略的に示す模式図である。本例の成膜装置１００″は、一つの直流電源１１０を有しており、直流電源１１０の負極がスイッチ１１１に接続されている。スイッチ１１１は、給電線１１２により上部電極３４に接続され、給電線１１３により下部電極である基板載置台１６に接続されている。給電線１１２および１１３には、第１の高周波電源８８からの高周波電力が直流電源１１０に供給されないように、それぞれローパスフィルタ１１４および１１５が介装されている。
このような構成により、スイッチ１１１の切換えにより、一つの直流電源１１０から基板載置台１６と上部電極３４とで直流電圧の印加を切換えてステップＳＴ１４とステップＳＴ１５を行うことができ、より簡易な構造の成膜装置を実現できる。
＜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、上記実施形態の成膜装置は例示に過ぎず、種々の構成の装置を用いることができる。また、基板として半導体ウエハを用いた場合について示したが、基板は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。
１０；処理容器
１６；基板載置台（下部電極）
３４；上部電極
５０；ガス供給部
６４；排気装置
８０；制御部
８８；第１の高周波電源
９１；第２の高周波電源
９４、９７、１１０；直流電源
１００、１００´、１００″；成膜装置
１０１；Ｓｉ基体
１０２；下地膜
１０３；カーボン膜
１１１；スイッチ
２０１；基板上のカーボン膜
２０２；上部電極に堆積されたカーボン膜（ＣｘＨｙ膜）
２０３；２次電子
２０４；イオン
２０５；カーボン粒子（ＣｘＨｙ）
Ｗ；基板

Claims (18)

  1. 処理容器内に設けられた基板載置台上に基板を載置する工程と、
    前記処理容器内を排気して減圧する工程と、
    減圧された前記処理容器内に炭素含有ガスを含む処理ガスを供給しつつ、前記基板載置台に、プラズマ生成用の高周波電力を印加してプラズマを生成し、前記基板上にカーボン膜を成膜する工程と、
    前記基板載置台に、プラズマ生成用の高周波電力を印加するとともに、前記基板載置台と対向する対向電極に負の直流電圧を印加してプラズマ処理を行う工程と、
    を有する、成膜方法。
  2. 前記カーボン膜を成膜する工程を実施する期間に、前記基板載置台にバイアス用の高周波電力または直流電圧を印加する工程をさらに有する、請求項１に記載の成膜方法。
  3. 前記対向電極に負の直流電圧を印加して前記プラズマ処理を行う工程は、前記炭素含有ガスを含むガスを供給しない状態で実施される、請求項１または請求項２に記載の成膜方法。
  4. 前記カーボン膜を成膜する工程と、前記対向電極に負の直流電圧を印加して前記プラズマ処理を行う工程と、を交互に繰り返す、請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の成膜方法。
  5. 前記カーボン膜を成膜する工程は、１回あたり１０ｎｍ以下のカーボン膜を成膜する、請求項４に記載の成膜方法。
  6. 前記対向電極に負の直流電圧を印加して前記プラズマ処理を行う工程の期間、前記基板載置台にバイアス用の高周波電力または直流電圧を印加する工程を実施しない、請求項４または請求項５に記載の成膜方法。
  7. 前記対向電極に負の直流電圧を印加して前記プラズマ処理を行う工程は、圧力が４Ｐａ以上で実施される、請求項４から請求項６のいずれか一項に記載の成膜方法。
  8. 前記対向電極に負の直流電圧を印加して前記プラズマ処理を行う工程の際に前記対向電極に印加される直流電圧は、絶対値が３００Ｖ以上である、請求項２から請求項７のいずれか一項に記載の成膜方法。
  9. 前記対向電極に負の直流電圧を印加して前記プラズマ処理を行う工程の際に印加される前記プラズマ生成用の高周波電力のパワーは２００Ｗ以上である、請求項１から請求項８のいずれか一項に記載の成膜方法。
  10. 前記基板載置台にバイアス用の直流電圧を印加する工程をさらに有し、
    前記カーボン膜を成膜する工程を実施する期間に、前記基板載置台にバイアス用の直流電圧を印加する工程と、前記対向電極に負の直流電圧を印加してプラズマ処理を行う工程とを交互に繰り返す、請求項１に記載の成膜方法。
  11. 前記対向電極に負の直流電圧を印加してプラズマ処理を行う工程と、前記基板載置台にバイアス用の直流電圧を印加する工程とは、一つの直流電源からの直流電圧を切り替えて行う、請求項１０に記載の成膜方法。
  12. 基板を収容する処理容器と、
    前記処理容器内に基板を載置する基板載置台と、
    前記基板載置台に対向して設けられた対向電極と、
    前記処理容器内に、処理に使用するガスを供給するガス供給部と、
    前記処理容器内を排気して前記処理容器内を減圧する排気部と、
    前記基板載置台にプラズマ生成用の高周波電力を供給する高周波電源と、
    前記対向電極に負の直流電圧を印加する直流電源と、
    制御部と、
    を有し、
    前記制御部は、
    前記基板載置台に基板を載置した状態で、前記排気部を前記処理容器内が所望の圧力に減圧されるように制御し、
    減圧された前記処理容器内に炭素含有ガスを含む処理ガスを供給しつつ、前記基板載置台に、プラズマ生成用の高周波電力を印加してプラズマを生成し、前記基板上にカーボン膜を成膜する工程と、
    前記基板載置台に、プラズマ生成用の高周波電力を印加するとともに、前記基板載置台と対向する対向電極に負の直流電圧を印加してプラズマ処理を行う工程と、
    が実行されるように、前記ガス供給部、前記排気部、前記高周波電源、および前記直流電源を制御する、成膜装置。
  13. 前記成膜装置は、前記基板載置台にバイアス用の高周波電力または直流電圧を印加するバイアス用電源をさらに有し、
    前記制御部は、前記カーボン膜を成膜する工程の期間に、前記基板載置台にバイアス用の高周波電力または直流電圧を印加する工程をさらに実行させるように制御する、請求項１２に記載の成膜装置。
  14. 前記制御部は、前記カーボン膜を成膜する工程と、前記対向電極に負の直流電圧を印加して前記プラズマ処理を行う工程と、を交互に繰り返すように制御する、請求項１２または請求項１３に記載の成膜装置。
  15. 前記制御部は、前記対向電極に負の直流電圧を印加して前記プラズマ処理を行う工程が、前記炭素含有ガスを含むガスを供給しない状態で実施されるように制御する、請求項１４に記載の成膜装置。
  16. 前記制御部は、前記対向電極に直流電圧を印加する工程の期間、前記基板載置台にバイアス用の高周波電力または直流電圧を印加する工程を実施しないように制御する、請求項１４または請求項１５に記載の成膜装置。
  17. 前記成膜装置は、前記基板載置台にバイアス用の直流電圧を印加するバイアス用電源をさらに有し、
    前記制御部は、前記基板載置台にバイアス用の直流電圧を印加する工程をさらに実施するように制御し、
    前記カーボン膜を成膜する工程を実施する期間に、前記対向電極に負の直流電圧を印加してプラズマ処理を行う工程と、前記基板載置台にバイアス用の直流電圧を印加する工程とを交互に繰り返すように制御する、請求項１２に記載の成膜装置。
  18. 前記直流電源と前記バイアス用電源は、共通の直流電源であり、
    前記制御部は、前記対向電極に負の直流電圧を印加してプラズマ処理を行う工程と、前記基板載置台にバイアス用の直流電圧を印加する工程とが、前記共通の直流電源からの直流電圧を切り替えて行われるように制御する、請求項１７に記載の成膜装置。
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