JP6362488B2 - プラズマ処理装置及びプラズマ処理方法 - Google Patents

Description

本発明は、プラズマ処理装置及びプラズマ処理方法に関する。

従来から、半導体デバイスの回路パターンの更なる微細化に伴い、半導体デバイスを構成する種々の膜についても、更なる薄膜化及び均一化が要求されている。このような要求に応える成膜方法として、第１の反応ガスを基板に供給して基板の表面に第１の反応ガスを吸着させ、次に第２の反応ガスを基板に供給して基板の表面に吸着した第１の反応ガスと第２の反応ガスを反応させることにより、反応生成物から構成される膜を基板上に堆積する、いわゆる分子層成膜方法（原子層成膜方法とも言う）が知られている（例えば、特許文献１参照）。かかる成膜方法によれば、反応ガスが（準）自己飽和的に基板表面上に吸着し得るため、高い膜厚制御性、優れた均一性、及び優れた埋め込み特性を実現することができる。

しかしながら、回路パターンの微細化に伴って、例えばトレンチ素子分離構造におけるトレンチは、ライン・スペース・パターンにおけるスペースのアスペクト比が大きくなるにつれて、分子層成膜法においても、トレンチやスペースを埋め込むことが困難な場合がある。例えば、３０ｎｍ程度の幅を有するスペースを酸化シリコン膜で埋め込もうとすると、狭いスペースの底部に反応ガスが進入し難いため、スペースを画成するライン側壁の上端部近傍での膜厚が厚くなり、底部側で膜厚が薄くなる傾向がある。そのため、スペースに埋め込まれた酸化シリコン膜にはボイドが生じる場合がある。そのような酸化シリコン膜が、例えば後続のエッチング工程においてエッチングされると、酸化シリコン膜の上面に、ボイドと連通する開口が形成されることがある。そうすると、そのような開口からボイドにエッチングガス（又はエッチング液）が進入して汚染が生じたり、又は、後のメタライゼーションの際にボイド中に金属が入り込み、欠陥が生じたりするおそれがある。

このような問題は、ＡＬＤに限らず、化学的気相堆積（ＣＶＤ、Chemical Vapor Deposition）法においても生じ得る。例えば、半導体基板に形成される接続孔を導電性物質の膜で埋め込んで、導電性の接続孔（いわゆるプラグ）を形成する際に、プラグ中にボイドが形成されてしまう場合がある。これを抑制するため、接続孔を導電性物質で埋め込む際に、接続孔の上部に形成される導電性物質のオーバーハング形状部をエッチバックにより除去する工程を繰り返して行うことにより、ボイドが抑制された導電性接続孔を形成する方法が提案されている（例えば、特許文献２参照）。

特開２０１０−５６４７０号公報 特開２００３−１４２４８４号公報

しかしながら、上述のスペースや接続孔の埋め込みの際に用いられるエッチング処理においては、エッチング処理後の膜質改善が必ずしも十分でなく、エッチング処理に用いられるフッ素含有ガスのフッ素成分が膜中に残留してしまい、膜質を低下させるおそれがあった。

そこで、本発明は、膜中のフッ素濃度を低下させることができるプラズマ処理装置及びプラズマ処理方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明の一態様に係るプラズマ処理装置は、処理容器と、
該処理容器内に設けられ、基板を上面に載置可能な回転テーブルと、
該回転テーブルの周方向における所定箇所に設けられ、第１のプラズマガスから第１のプラズマを発生させて第１のプラズマ処理を行う第１のプラズマ処理領域と、
該第１のプラズマ処理領域と前記周方向において離間して設けられ、第２のプラズマガスから第２のプラズマを発生させて第２のプラズマ処理を行う第２のプラズマ処理領域と、
前記周方向において前記第１のプラズマ処理領域と前記第２のプラズマ処理領域との間の２つの間隔領域の各々に設けられ、前記第１のプラズマ処理領域と前記第２のプラズマ処理領域とを分離して前記第１のプラズマガスと前記第２のプラズマガスとの混合を防止する２つの分離領域と、を有し、
前記第１のプラズマ処理領域はエッチング処理を行う領域であり、
前記第２のプラズマ処理領域は該エッチング処理後の改質処理を行う領域である。

本発明の他の態様に係るプラズマ処理方法は、第１のプラズマガスから第１のプラズマを発生させて基板に第１のプラズマ処理を行う工程と、
前記第１のプラズマ処理が行われた前記基板をパージガスによりパージする工程と、
第２のプラズマガスから第２のプラズマを発生させて前記パージされた前記基板に第２のプラズマ処理を行う工程と、
前記第２のプラズマ処理が行われた前記基板を前記パージガスによりパージする工程と、からなるサイクルを同一周期で複数回繰り返すことにより、前記基板に２種類のプラズマ処理を交互に行うプラズマ処理方法であって、
前記第１のプラズマ処理はエッチング処理であり、
前記第２のプラズマ処理は該エッチング処理後の改質処理である。

本発明によれば、膜中のフッ素濃度を抑制しつつエッチングを行うことができる。

本発明の実施形態に係るプラズマ処理装置の一例を示す縦断面図である。 本発明の実施形態に係るプラズマ処理装置の一例を示す横断面図である。 本発明の実施形態に係るプラズマ処理装置の一例を示す横断面図である。 本発明の実施形態に係るプラズマ処理装置の一例の内部の一部を示す分解斜視図である。 本発明の実施形態に係るプラズマ処理装置の一例の内部の一部を示す縦断面図である。 本発明の実施形態に係るプラズマ処理装置の一例の内部の一部を示す斜視図である。 本発明の実施形態に係るプラズマ処理装置の一例の内部の一部を示す縦断面図である。 本発明の実施形態に係るプラズマ処理装置の一例の内部の一部を示す平面図である。 本発明の実施形態に係るプラズマ処理装置の一例のファラデーシールドを示す斜視図である。 本発明の実施形態に係るプラズマ処理装置の一例のファラデーシールドの一部を示す斜視図である。 本発明の実施形態に係るプラズマ処理方法の一例を示した一連の工程図である。図１１（ａ）は、プラズマ処理基板用意工程の一例を示した図である。図１１（ｂ）は、エッチング工程の一例を示した図である。図１１（ｃ）は、改質工程の一例を示した図である。図１１（ｄ）は、埋め込み工程の一例を示した図である。 本発明の実施形態に係るプラズマ処理方法の改質処理を説明するための図である。図１２（ａ）は、ＳｉＯ_２膜の成膜時に行われるＯ_２プラズマ改質処理を説明するための図である。図１２（ｂ）は、ＳｉＯ_２膜のエッチング時に行われるＨ_２プラズマ改質処理を説明するための図である。 従来の改質工程を実施した後のＳｉＯ_２膜中のフッ素濃度の分析結果を示した図である。 本発明の実施形態に係るプラズマ処理装置の水素ガスの隔離状態を示すシミュレーション結果を示した図である。図１４（ａ）は、回転テーブルの回転速度を２０ｒｐｍとしたときの水素ガスの隔離状態を示した図である。図１４（ｂ）は、回転テーブルの回転速度を２４０ｒｐｍとしたときの水素ガスの隔離状態を示した図である。 本発明の実施形態に係るプラズマ処理装置のＮＦ_３ガスの隔離状態を示すシミュレーション結果を示した図である。図１５（ａ）は、回転テーブルの回転速度を２０ｒｐｍとしたときのＮＦ_３ガスの隔離状態を示した図である。図１５（ｂ）は、回転テーブルの回転速度を２４０ｒｐｍとしたときのＮＦ_３ガスの隔離状態を示した図である。 本発明の実施形態に係るプラズマ処理装置の分離ガスの隔離性を圧力の観点から示すシミュレーション結果を示した図である。図１６（ａ）は、回転テーブルの回転速度を２０ｒｐｍとしたときの処理容器１内の圧力状態を示した図である。図１６（ｂ）は、回転テーブルの回転速度を２４０ｒｐｍとしたときの処理容器１内の圧力状態を示した図である。 本実施形態に係るプラズマ処理装置の分離ガスの隔離性をＡｒ質量濃度の観点から示すシミュレーション結果を示した図である。図１７（ａ）は、回転テーブルの回転速度を２０ｒｐｍとしたときの処理容器１内のＡｒ質量濃度を示した図である。図１７（ｂ）は、回転テーブルの回転速度を２４０ｒｐｍとしたときの処理容器１内のＡｒ質量濃度を示した図である。

以下、図面を参照して、本発明を実施するための形態の説明を行う。

まず、本発明の実施形態に係るプラズマ処理装置及びプラズマ処理方法を適用したエッチング装置の一例について説明する。本発明に係るプラズマ処理装置及びプラズマ処理方法は、エッチング装置の他、成膜装置、エッチングと成膜の双方を行う基板処理装置等、プラズマ処理を行う総ての装置に適用可能であるが、本実施形態においては、一例として、本発明に係るプラズマ処理装置をエッチング装置として構成した実施形態について説明する。

本発明の実施形態に係るプラズマ処理装置を適用したエッチング装置の一例について、図１〜図１０を参照して説明する。本実施形態に係るエッチング装置は、図１及び図２に示すように、平面形状が概ね円形である処理室１と、この処理室１内に設けられ、処理室１の中心に回転中心を有する回転テーブル２と、を備えている。そして、エッチング装置では、後で詳述するように、ＡＬＥ（Atomic Layer Etching、原子層エッチング）法によりウエハＷの表面に成膜された薄膜をエッチングすると共に、エッチング後の薄膜に対してプラズマ改質を行うように構成されている。この時、プラズマ改質を行うにあたって、プラズマによって、薄膜中に含まれているフッ素成分を除去し、膜がフッ素成分を含まないように、又はフッ素濃度ができるだけ小さくなるように、エッチング装置が構成されている。つまり、半導体プロセスでは、フッ素系のエッチングガスを用いてエッチングを行う場合が多いが、フッ素成分がエッチング対象である膜中に残留すると、デバイス特性が悪化してしまう。特に、ＳｉＯ_２、ＳｉＮ等、シリコン系の膜中にフッ素成分が残留すると、デバイス特性に悪影響を与えてしまう。一方、上述のように、エッチングは、ＮＦ_３等、フッ素系ガスをエッチングガスとして用いる場合が多いので、膜のエッチングを行うと、膜中のフッ素濃度が増加するのが一般的であり、またフッ素濃度を可能な限り低下させることが技術的課題ともなっている。よって、本実施形態に係るエッチング装置では、周期的な微量エッチングを行うとともに、膜中に残留したフッ素成分を、周期的な改質処理により効果的に除去するが、この点の詳細については後述する。続いて、エッチング装置の各部について詳述する。

処理室１は、天板１１及び容器本体１２を備えており、天板１１が容器本体１２から着脱できるように構成されている。天板１１の上面側における中央部には、処理室１内の中心部領域Ｃにおいて互いに異なる処理ガス同士が混ざり合うことを抑制するために、Ａｒガスを分離ガスとして供給するための分離ガス供給管５１が接続されている。また、図１中、容器本体１２の上面の周縁部にリング状に設けられたシール部材１３、例えばＯリングが示されている。

回転テーブル２は、中心部にて概略円筒形状のコア部２１に固定されており、このコア部２１の下面に接続されると共に鉛直方向に伸びる回転軸２２によって、鉛直軸回りこの例では時計回りに回転自在に構成されている。回転軸２２の下端に設けられている駆動部２３は、回転軸２２を鉛直軸回りに回転させる駆動体である。ケース体２０は、回転軸２２及び駆動部２３を収納する。ケース体２０は、上面側のフランジ部分が処理室１の底面部１４の下面に気密に取り付けられている。また、ケース体２０には、回転テーブル２の下方領域にＡｒガスをパージガスとして供給するためのパージガス供給管７２が接続されている。処理室１の底面部１４におけるコア部２１の外周側は、回転テーブル２に下方側から近接するようにリング状に形成されて突出部１２ａをなしている。

回転テーブル２の表面部には、図２及び図３に示すように、回転方向（周方向）に沿って複数枚例えば５枚の基板であるウエハＷを載置するための円形状の凹部２４が基板載置領域として設けられている。凹部２４は、直径寸法が例えば３００ｍｍサイズのウエハＷを当該凹部２４上に載置すると、ウエハＷの表面と回転テーブル２の表面（ウエハＷが載置されない領域）とが揃うように、直径寸法及び深さ寸法が設定されている。凹部２４の底面には、ウエハＷを下方側から突き上げて昇降させるための複数（例えば３本）の昇降ピンが貫通する貫通孔（図示せず）が形成されている。

図２及び図３に示すように、回転テーブル２における凹部２４の通過領域と各々対向する位置には、各々例えば石英からなる４本のノズル３１、３２、４１、４２が処理室１の周方向（回転テーブル２の回転方向）に互いに間隔をおいて放射状に配置されている。各ノズル３１、３２、４１、４２は、例えば処理室１の外周壁から中心部領域Ｃに向かってウエハＷに対向して水平に伸びるように各々取り付けられている。この例では、後述の搬送口１５から見て時計回り（回転テーブル２の回転方向）に第１のプラズマガスノズル３１、分離ガスノズル４１、第２のプラズマガスノズル３２、分離ガスノズル４２がこの順番で配列されている。第１のプラズマガスノズル３１の上方には、図１に示すように、第１のプラズマガスノズル３１から吐出されるガスをプラズマ化するために、第１のプラズマ発生器８０が設けられている。また、第２のプラズマガスノズル３２の上方にも、第２のプラズマガスノズル３２から吐出されるガスをプラズマ化するため、第２のプラズマ発生器１３０が設けられている。なお、図１には、第２のプラズマ発生器１３０は図示されていない。第１及び第２のプラズマ発生器８０、１３０の詳細については、後述する。

プラズマガスノズル３１、３２は、夫々第１のプラズマガス供給部、第２のプラズマガス供給部をなし、分離ガスノズル４１、４２は、各々分離ガス供給部をなしている。なお、図２はプラズマガスノズル３１、３２が見えるようにプラズマ発生器８０及び後述の筐体９０を取り外した状態、図３はプラズマ発生器８０、１３０及び筐体９０、１４０を取り付けた状態を表している。また、図１では、プラズマ発生器８０について、模式的に一点鎖線で示している（プラズマ発生器１３０は図１には図示せず）。

各ノズル３１、３２、４１、４２は、流量調整バルブを介して夫々以下の各ガス供給源（図示せず）に夫々接続されている。即ち、第１のプラズマガスノズル３１は、エッチングガスの供給源に接続されており、例えば、ＮＨ_３ガス等のフッ素系ガスがエッチングガスとして用いられる。第２のプラズマガスノズル３２は、改質ガスの供給源に接続されており、例えば、フッ素と反応してＨＦとなり、フッ素を膜中から離脱できる水素ガス等が改質ガスとして用いられる。第１のプラズマガスノズル３１は、例えばＡｒ（アルゴン）ガスとＮＦ_３ガスとの混合ガスの供給源に接続されている。第２のプラズマガスノズル３２は、例えばＡｒとＨ_２ガスとの混合ガスの供給源に接続されている。また、分離ガスノズル４１、４２は、分離ガスであるＡｒガス、Ｎ_２ガス等の不活性ガス（希ガスを含む）のガス供給源に各々接続されている。なお、以下においては、便宜上、エッチング対象となる膜をＳｉＯ_２膜、第１のプラズマガスノズル３１から供給されるエッチングガスをＡｒとＮＦ_３の混合ガス、第２のプラズマガスから供給される改質ガスをＡｒとＨ_２の混合ガス、分離ガスをＡｒガスとして説明する。分離ガスは、エッチング対象膜がＳｉＮ膜の場合には、Ｎ_２ガスを用いてもよいが、エッチング対象膜がＳｉＯ_２膜の場合には、ＳｉＯＮ等を生成しないように、Ａｒガスを用いることが好ましい。なお、以後、第１のプラズマガスノズル３１から供給されるエッチングガスを第１のプラズマガス、第２のプラズマガスノズル３２から供給される改質ガスを第２のプラズマガスと呼んでもよいこととする。

図７に示すように、プラズマガスノズル３１、３２及び分離ガスノズル４１、４２の下面側には、回転テーブル２の半径方向に沿って複数箇所にそれぞれガス吐出孔３３、４３が例えば等間隔に形成されている。プラズマガスノズル３１の側面には、回転テーブル２の回転方向上流側（搬送口１５側）且つ下方側（斜め下）を向くように、プラズマガスノズル３１の長さ方向に沿って例えば開口径が０．３〜０．５ｍｍのガス吐出孔３３が複数箇所に例えば等間隔で形成されている。このようにプラズマガス供給ノズル３４のガス吐出孔３３の向きを設定した理由については、後で説明する。これら各ノズル３１、３２、４１、４２は、当該ノズル３１、３２、４１、４２の下端縁と回転テーブル２の上面との離間距離が例えば１〜５ｍｍ程度となるように配置されている。

第１及び第２のプラズマガスノズル３１、３２の下方領域は、夫々ウエハＷ上に成膜されたＳｉＯ_２膜をエッチング処理ための第１のプラズマ処理領域Ｐ１及びエッチング処理されたＳｉＯ_２膜の表面を改質処理するための第２のプラズマ処理領域Ｐ２となる。分離ガスノズル４１、４２は、各々第１のプラズマ処理領域Ｐ１と第２のプラズマ処理領域Ｐ２とを分離する分離領域Ｄを形成する。この分離領域Ｄにおける処理室１の天板１１には、図２及び図３に示すように、概略扇形の凸状部４が設けられており、分離ガスノズル４１、４２は、この凸状部４に形成された溝部４６内に収められている。従って、分離ガスノズル４１、４２における回転テーブル２の周方向両側には、各プラズマガス同士の混合を阻止するために、凸状部４の下面である低い天井面４４（第１の天井面）が配置され、天井面４４の周方向両側には、天井面４４よりも高い天井面４５（第２の天井面）が配置されている。かかる構造を有する分離領域Ｄにおいて、分離ガスノズル４１、４２からＡｒガス等の分離ガスを供給すると、溝部４６から周方向両側に向かって分離ガスが流れ、凸状部４の下面への外部からのガスの進入を阻止する。よって、分離領域Ｄは、上方は凸状部４、凸状部４の下の回転テーブル２との間の隙間は、分離ガスの供給により、分離領域Ｄの周方向両側の空間を分離する。また、凸状部４の周縁部（処理室１の外縁側の部位）は、各プラズマガス同士の混合を阻止するために、回転テーブル２の外端面に対向するとともに容器本体１２に対して僅かに離間するように、Ｌ字型に屈曲している。

図２及び図３に示されるように、エッチング処理を行う第１のプラズマ処理領域Ｐ１と、改質処理を行う第２のプラズマ処理領域Ｐ２との間の２つの間隔空間には、ともに分離領域Ｄが設けられている。よって、第１のプラズマ処理領域Ｐ１と第２のプラズマ処理領域Ｐ２とは、分離領域Ｄを介して確実に分離される。例えば、第１のプラズマ処理領域Ｐ１内に設けられた第１のプラズマガスノズル３１から（Ａｒ＋ＮＦ_３）ガスが供給され、第２のプラズマ処理領域Ｐ２内に設けられた第２のプラズマガスノズル３２から（Ａｒ＋Ｈ_２）ガスが供給された場合、ＮＦ_３ガスとＨ_２ガスが所定濃度範囲（１．５〜９０．６％）で混合した場合、爆発を起こすおそれがある。よって、ＮＦ_３ガスとＨ_２ガスとの混合を確実に防止すべく、第１のプラズマ処理領域Ｐ１と第２のプラズマ処理領域Ｐ２との間の２つの空間には、各々分離領域Ｄを設け、第１のプラズマ処理領域Ｐ１に供給されるＮＦ_３ガスと第２のプラズマ処理領域Ｐ２に供給されるＨ_２ガスとの混合を確実に防止している。

また、ＮＦ_３ガスとＨ_２ガスは、具体的には、以下の化学反応式（１）により反応する。

３Ｈ_２＋２ＮＦ_３→６ＨＦ＋Ｎ_２ （１）
ここで、Ｈ_２ガスとＮＦ_３ガスが所定の濃度範囲内にあると爆発を起こすおそれがあるのは上述の通りであるが、爆発を起こさない場合であっても、反応の結果ＨＦを発生する。ＨＦは、腐食性のガスであるから、ＨＦが発生して処理容器１の内壁等に付着すると、付着した内壁等を腐食させるおそれがある。よって、たとえ爆発が生じない場合であっても、ＮＦ_３ガスとＨ_２ガスとは混合しない構造をとることが好ましい。この点、本実施形態に係るプラズマ処理装置は、第１のプラズマ処理領域Ｐ２と第２のプラズマ処理領域Ｐ２とを凸状部４と分離ガス（Ａｒガス）の供給で分離する分離領域Ｄを備えているので、爆発や処理容器１の内部の腐食を確実に防止することができる。

なお、分離ガスは、パージガスと同等の役割を果たしているので、分離領域Ｄをパージ領域Ｄ、分離ガスをパージガスと呼んでもよい。

更に、第１及び第２のプラズマ処理領域Ｐ１、Ｐ２は、それ自体でも外部からのガスの進入を防ぐ構造を有するが、この点については後述する。

なお、第１及び第２のプラズマガスノズル３１、３２は、ともに第１及び第２の処理領域Ｐ１、Ｐ２の上流側の位置に設けられている。これは、第１及び第２のプラズマガスノズル３１、３２から供給されたＮＦ_３ガス及びＨ_２ガスを早期にプラズマ化し、ウエハＷが第１及び第２の処理領域Ｐ１、Ｐ２を通過する間に確実にプラズマ処理が行われるようにするためである。

次に、プラズマ発生器８０について詳述する。このプラズマ発生器８０は、例えば銅（Ｃｕ）などの金属線からなる電極（又は「アンテナ」と呼んでもよい。）８３をコイル状に巻回して構成されており、処理室１の内部領域から気密に区画されるように、処理室１の天板１１上に設けられている。この例では、電極８３は、銅の表面にニッケルメッキ及び金メッキをこの順番で施した材質により構成されている。具体的には、図４に示すように、プラズマガス供給ノズル３４の上方側（詳しくはこのノズル３４よりも僅かに回転テーブル２の回転方向上流側の位置からこのノズル３４の回転方向下流側の分離領域Ｄよりも僅かにノズル３４側に寄った位置まで）における天板１１には、平面的に見た時に概略扇形に開口する開口部１１ａが形成されている。

開口部１１ａは、回転テーブル２の回転中心から例えば６０ｍｍ程度外周側に離間した位置から、回転テーブル２の外縁よりも８０ｍｍ程度外側に離れた位置までに亘って形成されている。また、開口部１１ａは、処理室１の中心部領域Ｃに設けられた後述のラビリンス構造部１１０（図５参照）に干渉しないように、平面で見たときに回転テーブル２の中心側における端部がラビリンス構造部１１０の外縁に沿うように円弧状に窪んでいる。そして、開口部１１ａは、図４及び図５に示すように、天板１１の上端側から下端側に向かって開口部１１ａの開口径が段階的に小さくなるように、例えば３段の段部１１ｂが周方向に亘って形成されている。これら段部１１ｂのうち最下段の段部（口縁部）１１ｂの上面には、図５に示すように、周方向に亘って溝１１ｃが形成されており、溝１１ｃ内にはシール部材、例えばＯ−リング１１ｄが配置されている。なお、溝１１ｃ及びＯ−リング１１ｄについては、図４では図示を省略している。

開口部１１ａには、図６にも示すように、上方側の周縁部が周方向に亘ってフランジ状に水平に伸び出してフランジ部９０ａを形成すると共に、中央部が下方側の処理室１の内部領域に向かって窪むように形成された筐体９０が配置されている。この筐体９０は、例えば石英などの誘電体により構成された透磁体（磁力を透過させる材質）であり、図９に示すように、窪んだ部分の厚み寸法ｔが例えば２０ｍｍとなっている。また、筐体９０は、筐体９０の下方にウエハＷが位置した時に、中心部領域Ｃ側における筐体９０の内壁面とウエハＷの外縁との間の距離が７０ｍｍとなり、回転テーブル２の外周側における筐体９０の内壁面とウエハＷの外縁との間の距離が７０ｍｍとなるように構成されている。従って、回転テーブル２の回転方向上流側及び下流側における開口部１１ａの２つの辺と回転テーブル２の回転中心とのなす角度αは、例えば６８°となっている。

なお、筐体９０は、高純度石英の他、高純度アルミナ、イットリア等、耐プラズマエッチング性能に優れた材料で構成されるか、少なくとも表層部位を上述の材料でコーティングして構成する。よって、筐体９０は、基本的には誘電体で構成される。

筐体９０を開口部１１ａ内に嵌め込むと、フランジ部９０ａと段部１１ｂのうち最下段の段部１１ｂとが互いに係止する。そして、Ｏ−リング１１ｄによって、段部１１ｂ（天板１１）と筐体９０とが気密に接続される。また、開口部１１ａの外縁に沿うように枠状に形成された押圧部材９１によってフランジ部９０ａを下方側に向かって周方向に亘って押圧するとともに、押圧部材９１を図示しないボルトなどにより天板１１に固定することにより、処理室１の内部雰囲気が気密状態とされる。このように筐体９０を天板１１に気密に固定した時の筐体９０の下面と回転テーブル２上のウエハＷの表面との間の離間寸法ｈは、４〜６０ｍｍこの例では３０ｍｍとなっている。なお、図６は、筐体９０を下方側から示している。

筐体９０の下面は、筐体９０の下方領域へのＮ_２ガスやＯ_３ガスなどの侵入を阻止するために、図１及び図５〜図７に示すように、外縁部が周方向に亘って下方側（回転テーブル２側）に垂直に伸び出して、ガス規制用の突起部９２を形成している。そして、この突起部９２の内周面、筐体９０の下面及び回転テーブル２の上面により囲まれた領域には、回転テーブル２の回転方向上流側に、プラズマガスノズル３１が配置されている。

なお、筐体９０の下方領域（プラズマ空間１０）に外部からガスが侵入し難くなるように、筐体９０の下面側に突起部９２を形成している。上述のように、第１のプラズマ処理領域Ｐ１と第２のプラズマ処理領域Ｐ２とは、Ａｒガスを供給して両者を分離する分離領域Ｄにより分離されているため、分離領域Ｄと第１のプラズマ処理領域Ｐ１との間の空間は、Ａｒガスで満たされているが、外部のＡｒガスが第１のプラズマ処理領域Ｐ１内に進入すると、ＮＦ_３ガスの濃度が薄くなってしまう。そこで、筐体９０の下方領域にＡｒガスが侵入しにくくなるように、筐体９０の下面側に突起部９２を形成している。

また、エッチング対象膜がＳｉＮ膜のときには、分離ガスとしてＮ_２ガスを用いる場合もある。この場合、筐体９０の下方領域（プラズマ空間１０）においてプラズマガスノズル３１から供給されるガスがプラズマ化されるので、プラズマ空間１０にＮ_２ガスが進入すると、Ｎ_２ガスのプラズマとＯ_３ガス（Ｏ_２ガス）のプラズマとが互いに反応してＮＯｘガスが生成する。このＮＯｘガスが発生すると、処理室１内の部材が腐食してしまう。そこで、筐体９０の下方領域にＮ_２ガスが侵入し難くするためにも、筐体９０の下面側に突起部９２を形成している。

プラズマガス供給ノズル３４の基端側（処理室１の側壁側）における突起部９２は、プラズマガス供給ノズル３４の外形に沿うように概略円弧状に切りかかれている。突起部９２の下面と回転テーブル２の上面との間の離間寸法ｄは０．５〜４ｍｍであり、この例では２ｍｍとなっている。突起部９２の幅寸法及び高さ寸法は、夫々例えば１０ｍｍ及び２８ｍｍとなっている。なお、図７は、回転テーブル２の回転方向に沿って処理室１を切断した縦断面図を示している。

また、エッチング処理中には、回転テーブル２が時計回りに回転するので、Ａｒガスがこの回転テーブル２の回転に連れられて回転テーブル２と突起部９２との間の隙間から筐体９０の下方側に侵入しようとする。そのため、上述の隙間を介して筐体９０の下方側へのＮ_２ガスの侵入を阻止するために、隙間に対して筐体９０の下方側からガスを吐出させている。具体的には、プラズマガスノズル３１のガス吐出孔３３について、図５及び図７に示すように、この隙間を向くように、即ち回転テーブル２の回転方向上流側且つ下方を向くように配置している。鉛直軸に対するプラズマガス供給ノズル３４のガス吐出孔３３の向く角度θは、図７に示すように例えば４５°程度となっている。

ここで、筐体９０の下方（プラズマ空間１０）側から天板１１と筐体９０との間の領域をシールするＯ−リング１１ｄを見ると、図５に示すように、プラズマ空間１０とＯ−リング１１ｄとの間に突起部９２が周方向に亘って形成されている。そのため、Ｏ−リング１１ｄは、プラズマに直接曝されないように、プラズマ空間１０から隔離されている。従って、プラズマ空間１０中のプラズマが例えばＯ−リング１１ｄ側に拡散しようとしても、突起部９２の下方を経由して行くことになるので、Ｏ−リング１１ｄに到達する前にプラズマが失活することになる。

筐体９０の内部（筐体９０において下方側に窪んだ領域）には、筐体９０の内部形状に概略沿うように形成された厚み寸法ｋが例えば１ｍｍ程度の導電性の板状体である金属板からなる、接地されたファラデーシールド９５が収納されている。この例では、ファラデーシールド９５は、銅（Ｃｕ）板または銅板にニッケル（Ｎｉ）膜及び金（Ａｕ）膜を下側からメッキした板材により構成されている。即ち、ファラデーシールド９５は、筐体９０の底面に沿うように水平に形成された水平面９５ａと、水平面９５ａの外周端から周方向に亘って上方側に伸びる垂直面９５ｂと、を備えており、上方側から見た時に筐体９０の内縁に沿って概略扇状となるように構成されている。ファラデーシールド９５は、例えば金属板の圧延加工により、あるいは金属板における水平面９５ａの外側に対応する領域を上方側に折り曲げることにより形成されている。

また、回転テーブル２の回転中心からファラデーシールド９５を見た時の右側及び左側におけるファラデーシールド９５の上端縁は、夫々右側及び左側に水平に伸び出して支持部９６をなしている。そして、ファラデーシールド９５を筐体９０の内部に収納すると、ファラデーシールド９５の下面と筐体９０の上面とが互いに接触すると共に、支持部９６が筐体９０のフランジ部９０ａにより支持される。水平面９５ａ上には、ファラデーシールド９５の上方に載置されるプラズマ発生器８０との絶縁を取るために、厚み寸法が例えば２ｍｍ程度の例えば石英からなる絶縁板９４が積層されている。水平面９５ａには、多数のスリット９７が形成されているが、スリット９７の形状や配置レイアウトについては、プラズマ発生器８０の電極８３の形状と併せて後述する。なお、絶縁板９４については、後述の図８及び図９などでは描画を省略している。

プラズマ発生器８０は、ファラデーシールド９５の内部に収納されるように構成されている。従って図４及び図５に示すように、筐体９０、ファラデーシールド９５及び絶縁板９４を介して処理室１の内部（回転テーブル２上のウエハＷ）に対向するように配置されている。このプラズマ発生器８０は、電極８３を鉛直軸回りに巻回して構成されており、この例では２つのプラズマ発生部８１、８２を備えている。各々のプラズマ発生部８１、８２は、電極８３が各々３重に巻回されている。これら２つのプラズマ発生部８１、８２のうち一方を第１のプラズマ発生部８１、他方を第２のプラズマ発生部８２と呼ぶと、第１のプラズマ発生部８１は、図４及び図５に示すように、平面的に見た時に筐体９０の内縁に沿うように概略扇状となっている。また、第１のプラズマ発生部８１は、第１のプラズマ発生部８１の下方にウエハＷが位置した時に、このウエハＷにおける中心部領域Ｃ側の端部と回転テーブル２の外縁側の端部との間に亘ってプラズマを照射（供給）できるように、中心部領域Ｃ側及び外周側の端部が各々筐体９０の内壁面に近接するように配置されている。なお、電極８３内部には冷却水の通流する流路が形成されているが、ここでは省略している。

このように、プラズマ発生器８０の電極８３を処理室１の外部に配置し、外部から電界、磁界を処理室１内に導入する構成とすれば、処理室１内に電極８３が配置されないので、処理室１内のメタルコンタミを防止することができ、高品質の成膜を行うことができる。しかしながら、筐体９０は高純度石英等の誘電体であるため、電極８３が処理室１内にある構成と比較して、プラズマ放電が発生し難くなる場合がある。本実施形態に係るプラズマ処理装置においては、かかる電極８３を処理室１外に設ける構成を採用しつつも、プラズマ放電を安定的に発生させることができるプラズマ処理装置及びプラズマ処理方法を提供する。

第２のプラズマ発生部８２は、回転テーブル２の半径方向外周側においてウエハＷにプラズマを供給できるように、回転テーブル２上のウエハＷの中心位置から２００ｍｍ程度外周側に離間した位置と、回転テーブル２の外縁から９０ｍｍ程度外周側に離間した位置と、の間に配置されている。即ち、回転テーブル２が回転すると、中心部側に比べて外周部側では周速度が速くなる。そのため、外周部側では内周部側よりもウエハＷに供給されるプラズマの量が少なくなる場合がある。そこで、回転テーブル２の半径方向においてウエハＷに供給されるプラズマの量を揃えるために、いわば第１のプラズマ発生部８１によってウエハＷに供給されるプラズマの量を補償するために、第２のプラズマ発生部８２を設けている。

第１のプラズマ発生部８１及び第２のプラズマ発生部８２における夫々の電極８３は、各々整合器８４を介して周波数が例えば１３．５６ＭＨｚ及び出力電力が例えば５０００Ｗの高周波電源８５に個別に接続されており、第１のプラズマ発生部８１及び第２のプラズマ発生部８２に対して独立して高周波電力を調整できるように構成されている。なお、図３などにおいては整合器８４及び高周波電源８５について簡略化している。また、図１、図３及び図４において、各々のプラズマ発生部８１、８２と整合器８４及び高周波電源８５とを電気的に接続するための接続電極８６が示されている。

ここで、高周波電源８５は、電極８３に供給する高周波電力の出力（以下、単に「高周波出力」とも言う。）を可変とすることができる。高周波電源８５の出力は、例えば、処理室６００℃、１．８Ｔｏｒｒ通常の成膜におけるプラズマ処理では３３００Ｗに設定されている。

次に、ファラデーシールド９５のスリット９７について詳述する。スリット９７は、各々のプラズマ発生部８１、８２において発生する電界及び磁界（電磁界）のうち電界成分が下方のウエハＷに向かうことを阻止すると共に、磁界をウエハＷに到達させるためのものである。即ち、電界がウエハＷに到達すると、ウエハＷの内部に形成されている電気配線が電気的にダメージを受けてしまう場合がある。一方、ファラデーシールド９５は、接地された金属板により構成されているので、スリット９７を形成しないと、電界に加えて磁界も遮断してしまう。また、電極８３の下方に大きな開口部を形成すると、磁界だけでなく電界も通過してしまう。そこで、電界を遮断して磁界を通過させるために、以下のように寸法及び配置レイアウトを設定したスリット９７を形成している。

具体的には、スリット９７は、図８に示すように、第１のプラズマ発生部８１及び第２のプラズマ発生部８２の各々の電極８３の巻回方向に対して直交する方向に伸びるように、周方向に亘って電極８３の下方位置に各々形成されている。従って、例えば回転テーブル２の半径方向に沿って電極８３が配置された領域においては、スリット９７は回転テーブル２の接線方向あるいは円周方向に沿うように直線状または円弧状に形成されている。また、回転テーブル２の外縁に沿うように円弧状に電極８３が配置された領域においては、スリット９７は回転テーブル２の回転中心から外縁に向かう方向に直線状に形成されている。そして、２つの領域間において電極８３が屈曲する部分では、スリット９７は当該屈曲する部分における電極８３の伸びる方向に対して直交するように、回転テーブル２の周方向及び半径方向に対して各々傾斜する向きに形成されている。従って、スリット９７は、電極８３の伸びる方向に沿って多数配列されている。

ここで、電極８３には、既述のように周波数が１３．５６ＭＨｚの高周波電源８５が接続されており、この周波数に対応する波長は２２ｍである。そのため、スリット９７は、この波長の１／１００００以下程度の幅寸法となるように、図９に示すように、幅寸法ｄ１が１〜５ｍｍこの例では２ｍｍ、スリット９７、９７間の離間寸法ｄ２が１〜５ｍｍこの例では２ｍｍとなるように形成されている。また、このスリット９７は、図８に示すように、電極８３の伸びる方向から見た時に、長さ寸法が例えば各々６０ｍｍとなるように、電極８３の右端よりも３０ｍｍ程度右側に離間した位置から、電極８３の左端よりも３０ｍｍ程度左側に離間した位置までに亘って形成されている。これらスリット９７の形成領域から外れた領域、即ち電極８３の巻回された領域の中央側には、回転テーブル２の回転中心側及び外周側においてファラデーシールド９５に開口部９８が形成されている。なお、図３ではスリット９７を省略している。また、図４及び図５などではスリット９７について簡略化しているが、スリット９７は、例えば１５０本程度形成されている。スリット９７は、開口部９８に近接する領域から当該開口部９８から離れた領域に向かうにつれて、幅寸法ｄ１が広がるように形成されているが、ここでは図示を省略している。

なお、第１のプラズマ発生器８０についてのみ詳細に説明したが、第２のプラズマ発生器１３０及び筐体１４０も、第１のプラズマ発生器８０及び筐体９０と同様に構成することができる。よって、第２のプラズマ発生器１３０については、その説明を省略する。

続いて、処理室１の各部の説明に戻る。回転テーブル２の外周側において当該回転テーブル２よりも僅かに下位置には、図２、図５及び図１０に示すように、カバー体であるサイドリング１００が配置されている。サイドリング１００は、例えば装置のクリーニング時において、各処理ガスに代えてフッ素系のクリーニングガスを通流させた時に、クリーニングガスから処理室１の内壁を保護するためのものである。即ち、サイドリング１００を設けないと、回転テーブル２の外周部と処理室１の内壁との間には、横方向に気流（排気流）が形成される凹部状の気流通路が周方向に亘ってリング状に形成されている。そのため、このサイドリング１００は、気流通路に処理室１の内壁面ができるだけ露出しないように、気流通路に設けられている。この例では、各分離領域Ｄ及び筐体９０における外縁側の領域は、このサイドリング１００の上方側に露出している。

サイドリング１００の上面には、互いに周方向に離間するように２箇所に排気口６１、６２が形成されている。言い換えると、気流通路の下方側に２つの排気口が形成され、これら排気口に対応する位置におけるサイドリング１００に、排気口６１、６２が形成されている。これら２つの排気口６１、６２のうち一方及び他方を夫々第１の排気口６１及び第２の排気口６２と呼ぶと、第１の排気口６１は、第１のプラズマガスノズル３１と、第１のプラズマガスノズル３１よりも回転テーブルの回転方向下流側における分離領域Ｄとの間において、分離領域Ｄ側に寄った位置に形成されている。第２の排気口６２は、プラズマガスノズル３２と、プラズマガスノズル３２よりも回転テーブルの回転方向下流側における分離領域Ｄとの間において、分離領域Ｄ側に寄った位置に形成されている。第１の排気口６１は、エッチング用の第１のプラズマガス及び分離ガスを排気するためのものであり、第２の排気口６２は、改質用の第２のプラズマガス及び分離ガスを排気するためのものである。これら第１の排気口６１及び第２の排気口６２は、図１に示すように、各々バタフライバルブなどの圧力調整部６５の介設された排気管６３により、真空排気機構である例えば真空ポンプ６４に接続されている。

ここで、上述のように、中心部領域Ｃ側から外縁側に亘って筐体９０、１４０を設けているので、筐体９０、１４０よりも回転テーブル２の回転方向上流側に吐出された各ガスは、筐体９０、１４０によって第１及び第２の排気口６１、６２に向かおうとするガス流がいわば規制されてしまう。そこで、筐体９０、１４０の外側におけるサイドリング１００の上面に、第１及び第２のプラズマガス及び分離ガスが流れるための溝状のガス流路１０１、１０２をそれぞれ形成している。具体的には、このガス流路１０１、１０２は、図３に示すように、筐体９０、１４０における回転テーブル２の回転方向上流側の端部よりも例えば６０ｍｍ程度第１及び第２のプラズマガスノズル３１、３２側に寄った位置から、第１及び第２の排気口６１、６２までの間に亘って、深さ寸法が例えば３０ｍｍとなるように円弧状に形成されている。従って、ガス流路１０１、１０２は、筐体９０、１４０の外縁に沿うように、また上方側から見た時に筐体９０、１４０の外縁部に跨がるように形成されている。このサイドリング１００は、図示を省略しているが、フッ素系ガスに対する耐腐食性を持たせるために、表面が例えばアルミナなどによりコーティングされているか、あるいは石英カバーなどにより覆われている。

天板１１の下面における中央部には、図２に示すように、凸状部４における中心部領域Ｃ側の部位と連続して周方向に亘って概略リング状に形成されると共に、その下面が凸状部４の下面（天井面４４）と同じ高さに形成された突出部５が設けられている。この突出部５よりも回転テーブル２の回転中心側におけるコア部２１の上方側には、中心部領域Ｃにおいて第１のプラズマガスと第２のプラズマガスとが互いに混ざり合うことを抑制するためのラビリンス構造部１１０が配置されている。即ち、図１から分かるように、筐体９０を中心部領域Ｃ側に寄った位置まで形成しているので、回転テーブル２の中央部を支持するコア部２１は、回転テーブル２の上方側の部位が筐体９０を避けるように回転中心側に寄った位置に形成されている。従って、中心部領域Ｃ側では、外縁部側よりも例えば処理ガス同士が混ざりやすい状態となっている。そこで、ラビリンス構造部１１０を形成することにより、ガスの流路を稼いで処理ガス同士が混ざり合うことを防止している。なお、図１において筐体１４０は図示されていないが、筐体９０と同様である。

回転テーブル２と処理室１の底面部１４との間の空間には、図１に示すように、加熱機構であるヒータユニット７が設けられ、回転テーブル２を介して回転テーブル２上のウエハＷを例えば３００℃に加熱するようになっている。図１中、ヒータユニット７の側方側に設けられたカバー部材７１ａ、ヒータユニット７の上方側を覆う覆い部材７ａが示されている。また、処理室１の底面部１４には、ヒータユニット７の下方側において、ヒータユニット７の配置空間をパージするためのパージガス供給管７３が周方向に亘って複数箇所に設けられている。

処理室１の側壁には、図２及び図３に示すように図示しない外部の搬送アームと回転テーブル２との間においてウエハＷの受け渡しを行うための搬送口１５が形成されており、この搬送口１５はゲートバルブＧより気密に開閉自在に構成されている。また、回転テーブル２の凹部２４は、この搬送口１５に臨む位置にて搬送アームとの間でウエハＷの受け渡しが行われることから、回転テーブル２の下方側において当該受け渡し位置に対応する部位には、凹部２４を貫通してウエハＷを裏面から持ち上げるための受け渡し用の昇降ピン及びその昇降機構（いずれも図示せず）が設けられている。

また、図１に示すように、エッチング装置には、装置全体の動作のコントロールを行うためのコンピュータからなる制御部１２０が設けられている。制御部１２０は、ＣＰＵ（Central Processing Unit、中央処理装置）１２１及びメモリ１２２を備える。制御部１２０のメモリ１２２内には後述のエッチング処理及び改質処理を行うためのプログラムが格納されており、ＣＰＵ１２１がプログラムを読み込んでプログラムを実行する。このプログラムは、後述の装置の動作を実行するようにステップ群が組まれており、ハードディスク、コンパクトディスク、光磁気ディスク、メモリカード、フレキシブルディスクなどの記憶媒体である記憶部１２１から制御部１２０内のメモリ１２２にインストールされる。

制御部１２０は、プロセスレシピに従い、プラズマ処理制御を含めた全体のプロセス制御を行う。また、プラズマ処理制御の具体的な制御・処理内容は、プロセスレシピと同様に、コンデショショニングレシピのような状態で与えられてもよい。プロセスレシピ、コンディショニングレシピは、例えば、記憶部１２１から制御部１２０内のメモリ１２２にインストールされ、ＣＰＵ１２１により実行されてもよい。

次に、本発明の実施形態に係るプラズマ処理方法について説明する。本発明に係るプラズマ処理方法は、比較的短時間のエッチング工程と改質工程の周期的な切り替えが可能であれば、上述のプラズマ処理装置以外のプラズマ処理装置を用いても実現可能であるが、上述のプラズマ処理装置は本発明に係るプラズマ処理方法を好適に実施することができるので、上述のプラズマ処理装置を用いた例を挙げて本発明の実施形態に係るプラズマ処理方法を説明する。また、本発明の実施形態に係るプラズマ処理方法は、本発明に係るプラズマ処理方法を、エッチング処理方法に適用した例を挙げて説明する。

図１１は、本発明の実施形態に係るプラズマ処理方法の一例を示した一連の工程図である。図１１（ａ）は、プラズマ処理基板用意工程の一例を示した図である。プラズマ処理基板用意工程では、表面上にエッチング対象となる膜１６０が成膜されたウエハＷを用意する。図１１（ａ）に示すように、ウエハＷの表面には、凹形状パターン１５０が形成されていてもよい。凹形状パターン１５０は、ウエハＷの表面に形成された窪み形状を有する配線パターンであり、溝状のトレンチ、井戸状の高アスペクト比の孔等を含む。本実施形態においては、膜１６０がＳｉＯ_２膜である例を挙げて説明する。

具体的には、まず、ゲートバルブＧを開放して（図２、３参照）、回転テーブル２を間欠的に回転させながら、図示しない搬送アームにより搬送口１５を介して回転テーブル２上に例えば５枚のウエハＷを載置する。次いで、ゲートバルブＧを閉じ、真空ポンプ６４により処理容器１内を引き切りの状態にすると共に、回転テーブル２を時計周りに回転させながらヒータユニット７によりウエハＷを、例えば２５０〜６００℃程度に加熱する。ウエハＷの温度は、用途に応じて種々の温度とすることができるが、例えば、４００℃前後に設定してもよい。また、処理容器１内の圧力も、用途に応じて種々の圧力値に設定することができるが、例えば、２Ｔｏｒｒに設定してもよい。

回転テーブル２の回転速度は、プロセスにより異なるが、例えばＳｉＯ_２膜をエッチング処理する場合には、１〜２４０ｒｐｍの範囲、好ましくは２０〜２４０ｒｐｍの範囲としてもよい。

続いて、第１のプラズマガスノズル３１からＡｒガス及びＮＦ_３ガスの混合ガスを第１のプラズマ処理領域Ｐ１に供給するとともに、第２のプラズマガスノズル３２からＡｒガス及びＨ_２ガスの混合ガスを第２のプラズマ処理領域Ｐ２に供給する。また、分離ガスノズル４１、４２から分離ガス（又はパージガス）としてＡｒガスを所定の流量で供給し、分離ガス供給管５１及びパージガス供給管７２、７２からもＡｒガスを所定の流量で供給する。そして、圧力調整部６５により真空容器１内を予め設定した処理圧力に調整する。また、第１及び第２のプラズマ発生器８０、１３０に高周波電力を供給する。

なお、各ガスの流量は、用途に応じて種々の流量値に設定してよいが、例えば、目安として、分離ガス供給管５１のＡｒガスの流量を１（ｓｌｍ）前後、分離ガスノズル４１、４２からのＡｒガスの流量を５（ｓｌｍ）前後、第１のエッチングガスノズル３１からのＡｒガスの流量を１０（ｓｌｍ）前後、ＮＦ_３ガスの流量を０．１（ｓｌｍ）前後、第２のエッチングガスノズル３２からのＡｒガスの流量を１０（ｓｌｍ）前後、Ｈ_２ガスの流量を２（ｓｌｍ）前後に設定してもよい。

図１１（ｂ）は、エッチング工程の一例を示した図である。エッチング工程は、回転テーブル２を回転させ、ウエハＷが第１のプラズマ処理領域Ｐ１を通過する時に行われる。ウエハＷが第１のプラズマ処理領域Ｐ１内を通過する際、ＡｒとＦのプラズマにより膜１６０はエッチングされる。第１のエッチングガスノズル３１から供給されたＡｒガスとＮＦ_３ガスは、第１のプラズマ発生器８０によりプラズマ化され、このプラズマがＳｉＯ_２膜１６０をエッチングする。回転テーブル２は、例えば、比較的遅い２０ｒｐｍの回転速度で回転しているとしても、１回転するのに３秒であるから、３秒未満の時間で第１のプラズマ処理領域Ｐ１をウエハＷは通過する。よって、３秒未満の短時間のエッチング処理が膜１６０に対してなされる。より正確には、第１のプラズマ処理領域Ｐ１は、多くても回転テーブル２の全体の１／４未満の面積しか無いので、０．７５秒未満の短時間のエッチング処理が行われる。なお、エッチング工程では、膜１６０の中にフッ素成分が残留するので、図１１（ａ）の状態とは膜１６０の状態が異なり、この状態を膜１６１とする。

図１１（ｃ）は、改質工程の一例を示した図である。改質工程は、回転テーブル２を回転させ、ウエハＷが分離領域Ｄを通過した後、第２のプラズマ処理領域Ｐ２を通過する時に行われる。ウエハＷは、第１のプラズマ処理領域Ｐ１の回転方向下流側にある分離領域Ｄを通過する際、分離ガスノズル４１から供給される分離ガスであるＡｒガスでパージされ、清浄化される。そして、分離領域Ｄを通過した後、ウエハＷが第２のプラズマ処理領域Ｐ２内を通過する際、ＡｒとＨのプラズマにより膜１６１は改質される。第２のエッチングガスノズル３２から供給されたＡｒガスとＨ_２ガスは、第２のプラズマ発生器８０によりプラズマ化され、このプラズマがＳｉＯ_２膜１６１中のフッ素成分と反応し、ＨＦとなってＳｉＯ_２膜１６１中から抜け、ＳｉＯ_２膜１６１中のＦ成分を低減させる。なお、その際の反応は、化学反応式（２）のようである。

Ｈ＋Ｆ→ＨＦ （２）
図１１（ｂ）で説明したように、回転テーブル２は、例えば、比較的遅い２０ｒｐｍの回転速度で回転しているとしても、１回転するのに３秒であるから、３秒未満の時間で第２のプラズマ処理領域Ｐ２をウエハＷは通過する。よって、３秒未満の短時間の改質処理が膜１６０に対してなされる。より正確には、第２のプラズマ処理領域Ｐ２も、多くても回転テーブル２の全体の１／４未満の面積しか無いので、０．７５秒未満の短時間の改質処理が行われる。なお、改質工程では、膜１６１の中にフッ素成分が消滅又は低減するので、図１１（ａ）の状態と同様の状態に膜１６１が戻り、この膜質回復状態を、図１１（ａ）と同様に膜１６０とする。

ウエハＷは、第２のプラズマ処理領域Ｐ２を通過した後は、第２のプラズマ処理領域Ｐ２の回転方向下流側にある分離領域Ｄを通過し、分離ガスノズル４２からＡｒガスの供給を受けてパージされ、清浄化される。そして、分離領域Ｄを通過した。

ここで、回転テーブル２は連続的に回転を継続するので、図１１（ｂ）のエッチング工程と図１１（ｃ）の改質工程は、同一周期で、回転テーブル２が停止するまで繰り返されることになる。周期は、比較的回転速度が遅い２０ｒｐｍの場合であっても、３秒になる。回転速度が速い２４０ｒｐｍの場合には、周期は０．２５秒である。なお、周期の範囲は、例えば、０秒より大きく６０秒以下であり、好ましくは、０秒より大きく３０秒以下であり、更に好ましくは、０．２５秒以上３秒以下の範囲である。よって、回転テーブル２の回転により、極めて短時間のエッチング工程、パージ工程、改質工程、パージ工程のサイクルが同一周期で複数回繰り返されることになる。当然、エッチング量及び改質量は原子層レベルとなり、ＡＬＥ法（原子層エッチング法）によるエッチング処理と、エッチング後の改質処理が交互に周期的に行われる。このような微量のエッチング処理と、微量の改質処理を繰り返すことは、フッ素含有量の少ない高品質のエッチング膜を形成する上で、非常に効果的である。一般的に、従来のエッチング処理では、本実施形態に係るエッチング処理と異なり、図１１（ｂ）に示すエッチング工程をある程度長時間継続して行い、エッチング工程が終了した後、図１１（ｃ）に示す改質処理工程をやはりある程度長時間継続して行うプロセスが行われていた。しかし、この場合、改質処理が不十分で、膜１６０中のフッ素成分を十分に低減させることができない場合が多かった。本実施形態に係るプラズマ処理方法では、膜１６０中のフッ素成分を効果的に除去できる。この点、図１２を用いて詳細に説明する。

図１２は、本実施形態に係るプラズマ処理方法の改質処理を説明するための図である。図１２（ａ）は、ＳｉＯ_２膜の成膜時に行われるＯ_２プラズマ改質処理を説明するための図である。図１２（ａ）に示されるように、ＳｉＯ_２膜を成膜した場合、一般的には、Ｏ_２ガス、Ｏ_３ガス等の酸化ガスによる改質処理が行われる。Ｏ_２ガスがプラズマ化し、Ｏ（^３Ｐ）は、ＳｉＯ_２膜の膜中まで到達し、Ｓｉ基板を酸化することができる。また、Ｏ（^１Ｐ）は、寿命が短く、膜中深くまでは到達できないが、反応性が非常に高いため、ＳｉＯ_２膜の表面改質が可能である。つまり、ＳｉＯ_２膜の成膜時には、所定の膜厚のＳｉＯ_２膜を成膜した後、Ｏ_２プラズマ改質処理をある程度時間をかけて行えば、膜中まで酸化による改質処理を行うことが可能である。

図１２（ｂ）は、ＳｉＯ_２膜のエッチング時に行われるＨ_２プラズマ改質処理を説明するための図である。図１２（ｂ）に示されるように、ＳｉＯ_２膜をエッチングした場合、一般的には、Ｈ_２ガスによる改質処理が行われる。Ｈ_２プラズマは、反応性自体は高いが、寿命が短いため、膜中の深い箇所まで到達せず、膜の表面での反応改質とならざるを得ない。そうすると、エッチング処理を長時間行い、所定のエッチング量までエッチングした後、一括してエッチング後の膜の改質処理を行おうとしても、Ｈプラズマが膜中まで到達せず、膜中のフッ素成分を除去することが困難である。よって、微量のエッチングを行ったら微量の改質処理を行う、という本実施形態に係るプラズマ処理方法がフッ素成分の除去に非常に有効であり、効果的にＳｉＯ_２膜中のフッ素成分の除去、低減を行うことができる。

図１３は、従来の改質工程を実施した後のＳｉＯ_２膜中のフッ素濃度の分析結果を示した図である。図１３においては、処理容器１内の温度が４００℃、回転テーブル２の回転速度が６０ｒｐｍ、高周波電源８５が１５００Ｗ、Ａｒガスの流量１０ｋｃｃ、エッチングガスの流量５０ｃｃの条件下で、エッチングを行わない膜中の残留フッ素濃度を曲線Ｎ、エッチング及び改質処理を行ったときの膜中の残留フッ素濃度を曲線Ｍ、エッチングのみ行って改質処理を行わないときの膜中の残留フッ素濃度を曲線Ｌで示している。

図１３に示されるように、エッチングを行った曲線Ｌ、Ｍは、ともにエッチングを行わない曲線Ｎよりもフッ素残留濃度が大きく上がっている。また、改質処理を行っていない曲線Ｌに比較して、改質処理を行った曲線Ｍは、膜の浅い領域の表面から３ｎｍ未満の領域ではフッ素濃度が低下しており、若干のフッ素濃度低減の効果が見られているが、その効果は小さく、膜の深さ５ｎｍ以上の箇所では、殆どフッ素低減の効果は見出せない。この点、図１２で説明した内容と合致している。

図１１の説明に戻る。図１１（ｂ）、（ｃ）において説明したように、微量のエッチング工程（ＡＬＥ）と微量の表面のフッ素除去の改質処理を繰り返すことにより、図１２及び１３で説明した従来技術の問題点を解消することができ、フッ素含有量の少ないＳｉＯ_２膜１６０を形成することができる。

図１１（ｄ）は、埋め込み工程の一例を示した図である。埋め込み工程では、所望のエッチング処理及び改質処理を終了した後、必要に応じて、凹形状パターン１５０の埋め込みを行う。なお、エッチング工程及び改質工程自体は、図１１（ｂ）、（ｃ）で終了しているので、エッチングだけのプロセスであれば、図１１（ｄ）は行わなくともよい。また、逆に、図１１（ａ）〜（ｃ）の成膜、エッチングの工程を繰り返し、徐々に凹形状パターン１５０の埋め込みを行うようにしてもよい。本実施形態に係るプラズマ処理方法は、エッチング工程を含む種々のプロセスに適用することができる。

なお、エッチングを含む基板処理プロセスが終了した後は、ウエハＷを搬入した手順と逆の手順でウエハＷを処理容器１から搬出し、所定の基板処理プロセスを終了する。

図１４は、本実施形態に係るプラズマ処理装置の水素ガスの隔離状態を示すシミュレーション結果を示した図である。図１４（ａ）は、回転テーブル２の回転速度を２０ｒｐｍとしたときの水素ガスの隔離状態を示した図であり、図１４（ｂ）は、回転テーブル２の回転速度を２４０ｒｐｍとしたときの水素ガスの隔離状態を示した図である。

上述のように、エッチングガスであるＮＦ_３ガスと改質ガスであるＨ_２ガスは、所定濃度範囲で混合すると爆発を引き起こし、また、たとえ爆発しなくてもＨＦを発生させると処理容器１の内壁に悪影響を及ぼすため、両者は互いに完全に隔離されることが好ましい。よって、本実施形態に係るプラズマ処理装置が本実施形態に係るプラズマ処理方法を実施している際の改質ガスとエッチングガスの隔離状況を把握するためのシミュレーション実験を行った。

図１４は、改質ガスであるＨ_２ガスの質量濃度を示している。なお、シミュレーション条件は、処理容器１内の圧力が２Ｔｏｒｒ、ウエハＷの温度が４００℃、分離ガス供給管５１のＡｒガス流量が１ｓｌｍ、分離ガスノズル４１、４２のＡｒガス流量が５ｓｌｍ、第１のプラズマガスノズル３１のＡｒガス流量が１０ｓｌｍ、ＮＦ_３ガス流量が０．１ｓｌｍ、第２のプラズマガスノズル３２のＡｒガス流量が１０ｓｌｍ、Ｈ_２ガス流量が２ｓｌｍである。

図１４（ａ）、（ｂ）に示すように、回転テーブル２の回転速度が２０ｒｐｍ、２４０ｒｐｍの場合の双方とも、質量割合水素が高い領域Ｑ、Ｒは第２のプラズマ処理領域Ｐ２とほぼ一致しており、質量割合水素が中程度の領域Ｓ、Ｔ、Ｏ及び低い領域Ｕ、Ｖが回転テーブル２の回転に引っ張られてやや第２のプラズマ処理領域Ｐ２の回転方向下流側に出ているが、それ以外は質量割合水素がほぼゼロに近い領域Ｗとなっている。なお、回転テーブル２の回転速度が高い図１４（ｂ）の方が、回転速度が低い図１４（ａ）よりも質量割合水素が高い領域が広くなっているが、それでもなお領域Ｖは分離領域Ｄまで到達していない。よって、第２のプラズマ処理領域Ｐ２の水素ガス隔離能力及び分離領域Ｄの水素ガス隔離領域は十分に高く、水素ガスの隔離に問題が無いことが確認された。

図１５は、本実施形態に係るプラズマ処理装置のＮＦ_３ガスの隔離状態を示すシミュレーション結果を示した図である。図１５（ａ）は、回転テーブル２の回転速度を２０ｒｐｍとしたときのＮＦ_３ガスの隔離状態を示した図であり、図１５（ｂ）は、回転テーブル２の回転速度を２４０ｒｐｍとしたときのＮＦ_３ガスの隔離状態を示した図である。

なお、シミュレーション条件は、図１４で説明した条件と同様である。図１５（ａ）、（ｂ）において、質量割合フッ素が高い領域Ｑ、Ｒは第１のプラズマ処理領域Ｐ１の付近に収まっており、質量割合フッ素が中程度の領域Ｓ、Ｔ、Ｏ及び低い領域Ｕ、Ｖがやや第１のプラズマ処理領域Ｐ１の回転方向両側に広がっているが、回転テーブル２の回転方向下流側にある分離領域Ｄで完全に分離され、分離領域Ｄ及びその下流側では、質量割合フッ素がほぼゼロの領域Ｗとなっている。また、上流側は、分離領域Ｄに遠く到達しない位置で質量割合フッ素がほぼゼロの領域Ｗとなっている。当然、質量割合フッ素は、第２のプラズマ処理領域Ｐ２が含まれている分離領域Ｄに挟まれた領域ではほぼゼロである（領域Ｗ）。よって、第１のプラズマ処理領域Ｐ１のＮＦ_３ガス隔離能力及び分離領域ＤのＮＦ_３ガス隔離領域は十分に高く、ＮＦ_３ガスの隔離に問題が無いことが確認された。

図１６は、本実施形態に係るプラズマ処理装置の分離ガスの隔離性を圧力の観点から示すシミュレーション結果を示した図である。図１６（ａ）は、回転テーブル２の回転速度を２０ｒｐｍとしたときの処理容器１内の圧力状態を示した図であり、図１６（ｂ）は、回転テーブル２の回転速度を２４０ｒｐｍとしたときの処理容器１内の圧力状態を示した図である。

なお、シミュレーション条件は、図１４で説明した条件と同様である。よって、処理容器１内の圧力は、２Ｔｏｒｒに設定されている。図１６（ａ）、（ｂ）に示されるように、分離ガスノズル４１、４２及びその周辺の圧力は、高圧力の領域Ｑ、Ｒ、Ｓ、Ｔとなっているが、それ以外の領域は、圧力が中程度からやや低いＵ、Ｖとなっている。これは、分離ガスノズル４１、４２及びその周辺の圧力が他の領域よりも高くなっており、分離領域Ｄのガス隔離性に問題が無いことを示している。よって、分離領域Ｄのガス隔離性に問題が無いことが、圧力の観点から示された。

図１７は、本実施形態に係るプラズマ処理装置の分離ガスの隔離性をＡｒ質量濃度の観点から示すシミュレーション結果を示した図である。図１７（ａ）は、回転テーブル２の回転速度を２０ｒｐｍとしたときの処理容器１内のＡｒ質量濃度を示した図であり、図１７（ｂ）は、回転テーブル２の回転速度を２４０ｒｐｍとしたときの処理容器１内のＡｒ質量濃度を示した図である。

図１７に示されるように、Ａｒ質量濃度は、分離領域Ｄと、第１及び第２のプラズマ処理領域Ｐ１、Ｐ２以外の領域では高濃度の領域Ｑが大きく占めているが、第１及び第２のプラズマ処理領域Ｐ１、Ｐ２内では、低濃度の領域Ｖが大半を占めている。これは、Ａｒガスをパージガスとして供給している分離領域ＤのＡｒガスによるガス隔離性に問題が無いことを示している。つまり、Ａｒガス濃度にも領域差が出ており、ガス隔離性の高さを示している。よって、分離領域Ｄのガス隔離性に問題が無いことが、Ａｒ質量濃度の観点から示された。

このように、本実施形態に係るプラズマ処理装置は、高いガスの隔離能力を有し、よって、混合すると問題が発生し得るＨ_２ガスとＮＦ_３ガスを同時に処理容器１内に供給することができ、ＡＬＥと微量の改質処理を周期的に行って、効果的に膜中のフッ素成分を除去又は低減できる。これにより、高品質の膜質を保ちつつエッチングを行うことができる。

なお、本実施形態に係るプラズマ処理装置及びプラズマ処理方法は、ＳｉＯ_２膜にエッチング処理を施す例を挙げて説明したが、ＳｉＮ膜、ＴｉＮ膜を含む種々の膜に対してエッチング処理が可能である。

また、エッチング処理のみならず、２種類の異なるプラズマ処理が必要なプロセスであれば、好適に本実施形態に係るプラズマ処理装置及びプラズマ処理方法を適用することができ、例えば、成膜工程や、成膜工程とエッチング工程の双方を交互に行う凹形状パターンへの膜の埋め込み等、種々のプロセスに適用することが可能である。

以上、本発明の好ましい実施形態について詳説したが、本発明は、上述した実施形態に制限されることはなく、本発明の範囲を逸脱することなく、上述した実施形態に種々の変形及び置換を加えることができる。

１ 処理容器
２ 回転テーブル
２４ 凹部
３１、３２ プラズマガスノズル
４１、４２ 分離ガスノズル
８０、１３０ プラズマ発生器
９０、１４０ 筐体
Ｐ１、Ｐ２ プラズマ処理領域
Ｄ 分離領域

Claims (16)

1. 処理容器と、
   該処理容器内に設けられ、基板を上面に載置可能な回転テーブルと、
   該回転テーブルの周方向における所定箇所に設けられ、第１のプラズマガスから第１のプラズマを発生させて第１のプラズマ処理を行う第１のプラズマ処理領域と、
   該第１のプラズマ処理領域と前記周方向において離間して設けられ、第２のプラズマガスから第２のプラズマを発生させて第２のプラズマ処理を行う第２のプラズマ処理領域と、
   前記周方向において前記第１のプラズマ処理領域と前記第２のプラズマ処理領域との間の２つの間隔領域の各々に設けられ、前記第１のプラズマ処理領域と前記第２のプラズマ処理領域とを分離して前記第１のプラズマガスと前記第２のプラズマガスとの混合を防止する２つの分離領域と、を有し、
   前記第１のプラズマ処理領域はエッチング処理を行う領域であり、
   前記第２のプラズマ処理領域は該エッチング処理後の改質処理を行う領域であるプラズマ処理装置。
2. 前記第１のプラズマ処理領域には、前記第１のプラズマガスを供給する第１のプラズマガスノズルが設けられ、
   前記第２のプラズマ処理領域には、前記第２のプラズマガスを供給する第２のプラズマガスノズルが設けられ、
   前記分離領域には、分離ガスを供給する分離ガスノズルが設けられた請求項１に記載のプラズマ処理装置。
3. 前記第１のプラズマ処理領域及び前記第２のプラズマ処理領域は、前記処理容器の天井面から前記回転テーブルに向かって突出し、前記第１のプラズマ及び前記第２のプラズマの流出を防ぐ側壁を各々有する請求項２に記載のプラズマ処理装置。
4. 前記分離領域は、前記処理容器の天井面から前記回転テーブルに向かって突出して下面と前記回転テーブルの上面との間に狭い空間を形成する凸状部と、前記下面よりも高い面を有して前記分離ガスノズルを収容する溝とを有し、
   前記分離ガスノズルからの前記分離ガスの供給により、前記第１のプラズマガスと前記第２のプラズマガスとの混合を防ぐ請求項２又は３に記載のプラズマ処理装置。
5. 前記第１のプラズマ処理領域には、前記第１のプラズマガスとしてフッ素含有ガスが供給され、
   前記第２のプラズマ処理領域には、前記第２のプラズマガスとして水素ガス含有ガスが供給され、
   前記分離領域には、前記分離ガスとして希ガス又は窒素ガスが供給される請求項２乃至４のいずれか一項に記載のプラズマ処理装置。
6. 前記分離領域で前記周方向に区画された２つの領域は、前記処理容器の底面に各々排気口を有する請求項１乃至５のいずれか一項に記載のプラズマ処理装置。
7. 前記排気口は、前記第１のプラズマ処理領域及び前記第２のプラズマ処理領域の前記回転テーブルの回転方向下流側端部にそれぞれ設けられた請求項６に記載のプラズマ処理装置。
8. 前記回転テーブルは、前記上面に載置された前記基板を前記第１のプラズマ処理領域、前記分離領域、前記第２のプラズマ処理領域、前記分離領域の順で通過させる方向に回転可能な請求項１乃至７のいずれか一項に記載のプラズマ処理装置。
9. 第１のプラズマガスから第１のプラズマを発生させて基板に第１のプラズマ処理を行う工程と、
   前記第１のプラズマ処理が行われた前記基板をパージガスによりパージする工程と、
   第２のプラズマガスから第２のプラズマを発生させて前記パージされた前記基板に第２のプラズマ処理を行う工程と、
   前記第２のプラズマ処理が行われた前記基板を前記パージガスによりパージする工程と、からなるサイクルを同一周期で複数回繰り返すことにより、前記基板に２種類のプラズマ処理を交互に行うプラズマ処理方法であって、
   前記第１のプラズマ処理はエッチング処理であり、
   前記第２のプラズマ処理は該エッチング処理後の改質処理であるプラズマ処理方法。
10. 前記基板の表面上には膜が成膜されており、
    前記エッチング処理は該膜をエッチングする処理であり、
    前記改質処理は前記エッチング処理が行われた該膜を改質する処理である請求項９に記載のプラズマ処理方法。
11. 前記エッチング処理は、前記膜を分子層レベルでエッチングする微量の処理であり、
    前記改質処理は、エッチング処理された前記膜の表面を分子層レベルで改質する微量の処理である請求項１０に記載のプラズマ処理方法。
12. 前記第１のプラズマガスはフッ素含有ガスであり、
    前記第２のプラズマガスは水素含有ガスであり、
    前記パージガスは希ガス又は窒素ガスである請求項９乃至１１のいずれか一項に記載のプラズマ処理方法。
13. 前記サイクルに要する時間は０秒より大きく３０秒以下である請求項９乃至１２のいずれか一項に記載のプラズマ処理方法。
14. 前記サイクルに要する時間は０．２５秒以上１２秒以下である請求項１３に記載のプラズマ処理方法。
15. 処理容器内に設けられた回転テーブル上に該回転テーブルの周方向に沿って複数の基板を載置し、前記処理容器内に前記回転テーブルの回転方向に沿って前記第１のプラズマ処理を行う第１のプラズマ処理領域、前記第１のプラズマ処理が行われた基板を前記パージガスによりパージするパージ領域、前記第２のプラズマ処理を行う第２のプラズマ処理領域、前記第２のプラズマ処理が行われた基板を前記パージガスによりパージする前記パージ領域を順に配置し、前記回転テーブルを所定速度で回転させることにより前記サイクルを前記同一周期で複数回繰り返す請求項９乃至１４のいずれか一項に記載のプラズマ処理方法。
16. 前記第１のプラズマ処理領域と前記第２のプラズマ処理領域は、前記パージ領域により分離され、
    前記第１のプラズマ処理が行われた基板を前記パージガスによりパージする工程により前記第１のプラズマ処理を行う工程中における前記第２のプラズマガスの混入を防止し、
    前記第２のプラズマ処理が行われた基板を前記パージガスによりパージする工程により前記第２のプラズマ処理を行う工程中における前記第１のプラズマガスの混入を防止する請求項１５に記載のプラズマ処理方法。

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