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JP7094154B2 - 成膜装置および成膜方法 - Google Patents

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Description

開示の実施形態は、成膜装置および成膜方法に関する。
従来、半導体集積回路の製造では、成膜装置によって半導体ウエハ等の基板に対する成膜が行われる。成膜装置では、所定の真空度にされたチャンバ（処理容器）内に基板が配置され、チャンバ内に成膜原料ガスが供給されてプラズマが生成されることにより、基板に対して成膜が行われる。成膜技術としては、例えば、プラズマＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）、プラズマＡＬＤ（Atomic Layer Deposition）等が知られている。
特開２００９－２３９０１２号公報
本開示は、同じ成膜装置において成膜される薄膜の膜質を多様に制御することができる技術を提供する。
本開示の一態様による成膜装置は、真空排気可能な処理容器と、下部電極と、上部電極と、ガス供給部と、電圧印加部と、切替部とを具備する。下部電極には、前記処理容器内で被処理基板が載置される。上部電極は、前記処理容器内で前記下部電極に対向して配置される。ガス供給部は、前記上部電極と前記下部電極との間の処理空間でプラズマ化する成膜原料ガスを前記処理空間に供給する。電圧印加部は、高周波電源及び直流電源を有し、前記高周波電源及び前記直流電源のうち少なくとも一方から出力される電圧を前記上部電極に印加する。切替部は、前記上部電極に印加される電圧を、前記高周波電源から出力される高周波電圧と、前記直流電源から出力される直流電圧と、前記高周波電圧に前記直流電圧が重畳された重畳電圧とで切り替える。
本開示によれば、同じ成膜装置において成膜される薄膜の膜質を多様に制御することができる。
図１は、実施形態に係る成膜装置の構成の一例を示す図である。 図２は、実施形態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、実施形態に係る重畳電圧の一例を示す図である。 図５は、実施形態に係る成膜処理の流れの一例を示すタイミングチャートである。 図６は、実施形態の各プラズマ生成条件において形成されたＴｉＯ２膜のトップ位置、サイド位置及びボトム位置におけるＷＥＲの一例を示した図である。 図７は、実施形態の重畳電圧におけるＤＣパルス電力と膜応力との関係の一例を示した図（１）である。 図８は、実施形態の重畳電圧におけるＤＣパルス電力と膜応力との関係の一例を示した図（２）である。 図９は、実施形態の各プラズマ生成条件において形成されたＴｉＯ２膜の屈折率の一例を示した図である。 図１０は、実施形態の各プラズマ生成条件において形成された膜の均一性の一例を示した図である。 図１１は、高周波電圧との重畳電圧に一定の直流電圧を適用した場合とパルス状の直流電圧を適用した場合との電子密度の一例を示した図（１）である。 図１２は、高周波電圧との重畳電圧に一定の直流電圧を適用した場合とパルス状の直流電圧を適用した場合との電子密度の一例を示した図（２）である。
以下、添付図面を参照して、本願の開示する成膜装置の実施形態を詳細に説明する。なお、以下に示す実施形態により本開示が限定されるものではない。また、図面は模式的なものであり、各要素の寸法の関係、各要素の比率などは、現実と異なる場合があることに留意する必要がある。さらに、図面の相互間においても、互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれている場合がある。
従来、半導体集積回路の製造では、成膜装置によって半導体ウエハ等の基板に対する成膜が行われる。成膜装置では、所定の真空度にされたチャンバ（処理容器）内に基板が配置され、チャンバ内に成膜原料ガスが供給されてプラズマが生成されることにより、基板に対して成膜が行われる。成膜技術としては、例えば、プラズマＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）、プラズマＡＬＤ（Atomic Layer Deposition）等が知られている。
一方で、従来の技術では、各種成膜パラメータをさまざまに変更したとしても、同じ成膜装置で成膜される薄膜の膜質を多様に制御することは困難である。
そこで、同じ成膜装置において成膜される薄膜の膜質を多様に制御することが期待されている。
＜成膜装置の構成＞
図１は、実施形態に係る成膜装置の構成例を示す図である。図１において、成膜装置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、被処理基板としての半導体ウエハＷが載置される円盤状のサセプタ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、例えばアルミニウム、ＡｌＮセラミックもしくはニッケルからなり、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の側壁との間には、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、５００ｍＴｏｒｒ～５０００ｍＴｏｒｒ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。このインピーダンス調整回路は、可変コイルと固定コンデンサ、もしくは固定コイルと可変コンデンサ、の組み合わせで使用する。高周波電源の周波数が数ＭＨｚ以下であれば前者、数ＭＨｚ以上であれば後者を使用する。例えば高周波電源の周波数が１３．５６ＭＨｚの場合は固定コイルと可変コンデンサから成るインピーダンス調整回路を使用する。
サセプタ１２の上には被処理基板である半導体ウエハ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、プロセスへの悪影響が少ない導電材（例えばニッケルまたはアルミニウム等）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。
サセプタ１２の上面には、ウエハ吸着用の静電チャック４０を設けても良い。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。そして、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。そして、かかる冷媒の温度によって、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、ウエハ温度の精度を一層高めるために、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（より正確にはＤＣ的）に絶縁されている。内側上部電極６０及び外側上部電極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（上方）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の材質としては、ニッケルまたはアルミニウム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もしくはニッケルで構成される。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（上方）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、成膜装置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に成膜原料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、原料ガス供給部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、パルス発生器８４と、フィルタ８６と、重畳器９１と、オン／オフ切替スイッチ９２，９３とを有する。
高周波電源３０は、プラズマの生成に寄与する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及びオン／オフ切替スイッチ９２を介して重畳器９１に供給する。
オン／オフ切替スイッチ９２がオンになっているときは、高周波電圧が重畳器９１に供給される一方で、オン／オフ切替スイッチ９２がオフになっているときは、高周波電圧が重畳器９１に供給されない。高周波電源３０が生成する高周波電圧の周波数は、例えば４００ｋＨｚ以上であることが好ましい。
図２は、実施形態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。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及びオン／オフ切替スイッチ９３を介して重畳器９１に供給する。
オン／オフ切替スイッチ９３がオンになっているときは、直流電圧が重畳器９１に供給される一方で、オン／オフ切替スイッチ９３がオフになっているときは、直流電圧が重畳器９１に供給されない。
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。なお、パルス発生器８４は、パルス状ではなく一定の直流電圧を出力することもできる。かかる一定の直流電圧を出力する例については後述する。
図３は、実施形態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、－５００Ｖ～０Ｖ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及びオン／オフ切替スイッチ及び９３がオンになっている場合には、重畳器９１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。
成膜装置１の電圧印加部５には、切替部６が接続される。切替部６は、オン／オフ切替スイッチ９２，９３を制御することにより、上部電極６０，６２に印加される電圧を、上述の高周波電圧と、直流パルス電圧と、重畳電圧とで切り替える。
具体的には、切替部６は、オン／オフ切替スイッチ９２，９３を両方ともオンに制御することにより、高周波電圧及び直流パルス電圧を重畳器９１に供給して、重畳器９１から重畳電圧を出力させることができる。また、切替部６は、オン／オフ切替スイッチ９２をオンに制御し、オン／オフ切替スイッチ９３をオフに制御することにより、高周波電圧のみを重畳器９１に供給して、重畳器９１から高周波電圧を出力させることができる。
さらに、切替部６は、オン／オフ切替スイッチ９２をオフに制御し、オン／オフ切替スイッチ９３をオンに制御することにより、直流パルス電圧のみを重畳器９１に供給して、重畳器９１から直流パルス電圧を出力させることができる。
また、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、例えばニッケルまたはアルミニウム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。
成膜装置１内の各構成（例えば、排気装置２６、高周波電源３０、切替部６、原料ガス供給部７６、チラーユニット、伝熱ガス供給部等）の個々の動作、及び、成膜装置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。かかる制御部は、例えばマイクロコンピュータからなる。
＜成膜装置での成膜処理＞
つづいて、成膜装置１における成膜処理の流れについて、図５を参照しながら説明する。図５は、実施形態に係る成膜処理の流れを示すタイミングチャートである。
成膜装置１において成膜を行なうには、まずゲートバルブ２８を開状態にして処理対象の半導体ウエハＷをチャンバ１０内に搬入して、サセプタ１２または静電チャック４０の上に載置する。静電チャック４０に載置する場合、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、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。
そして、図５に示すように、原料ガス供給部７６より成膜原料ガスである原料ガスおよびパージガスを所定の流量でチャンバ１０内に導入し、排気装置２６によりチャンバ１０内の圧力を設定値に調節する（ステップＳ１）。
例えば、ＴｉＯ２を成膜する場合、原料ガスとしては、テトラキスジメチルアミノチタン（ＴＤＭＡＴ）ガスが好ましい。一方で、四塩化チタン（ＴｉＣｌ４）、テトラ（イソプロポキシ）チタン（ＴＴＩＰ）、四臭化チタン（ＴｉＢｒ４）、四ヨウ化チタン（ＴｉＩ４）、テトラキスエチルメチルアミノチタン（ＴＥＭＡＴ）等の他のＴｉ含有ガスを用いることもできる。
また、パージガスとしては、例えば、Ａｒガス及びＯ２ガスの混合ガス（以下、Ａｒ／Ｏ２ガスと呼ぶことがある）等が用いられる。
次に、原料ガスの供給を停止する（ステップＳ２）。これにより、Ａｒ／Ｏ２ガスで半導体ウエハＷの表面がパージされ、半導体ウエハＷの表面に付着した余分な原料ガスの分子が除去される。
次に、高周波電源３０及び可変直流電源８０を用いて、所定の電圧を上部電極６０，６２に印加し、処理空間ＰＳにプラズマを生成する（ステップＳ３）。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酸素分子がプラズマ化し、このプラズマで生成される酸素ラジカルや酸素イオンと、半導体ウエハＷ表面に吸着した原料ガスの分子とが反応する。これにより、半導体ウエハＷ表面にＴｉＯ２の被膜が生成される。
次に、処理空間ＰＳ内のプラズマ生成を停止する（ステップＳ４）。これにより、Ａｒ／Ｏ２ガスで半導体ウエハＷの表面がパージされ、余分なＴｉＯ２の分子が除去される。これにより、原子層１層分のＴｉＯ２膜が形成される。そして、ここまで説明したステップＳ１～Ｓ４の処理を繰り返すことにより、所望の膜厚を有するＴｉＯ２膜を半導体ウエハＷの表面に形成することができる。
例えば、図５に示すように、ステップＳ１を０．４秒行い、ステップＳ２を０．４秒行い、ステップＳ３を０．４秒行い、ステップＳ４を０．１秒行うことにより、半導体ウエハＷの表面にＴｉＯ２膜を形成することができる。なお、ステップＳ１～Ｓ４の実施時間はかかる例に限られない。
＜実験結果＞
つづいて、成膜装置１を用いて様々な条件で成膜したＴｉＯ２膜の各種特性に関する実験結果について、図６～図１０を参照しながら説明する。図６は、実施形態の各プラズマ生成条件において形成されたＴｉＯ２膜のトップ位置、サイド位置及びボトム位置におけるＷＥＲ（Ｗｅｔ Ｅｔｃｈｉｎｇ Ｒａｔｅ）を示した図である。
この実験結果は、半導体ウエハＷ上に矩形状の凸部を複数並べて形成し、かかる凸部上にＴｉＯ２膜を形成した場合のＷＥＲを示している。また、かかるＷＥＲは、凸部の上面（以下、トップ位置と呼ぶことがある）と、凸部の側面（以下、サイド位置と呼ぶことがある）と、隣接する凸部間の底面（以下、ボトム位置と呼ぶことがある）とについてそれぞれ評価した。
さらに、この実験結果におけるＴｉＯ２膜の成膜は、上述のステップＳ３の実施時間０．４秒、圧力０．５Ｔｏｒｒで行い、インピーダンス調整回路１００を動作させずに半導体ウエハＷを接地させた状態で行った。
そして、ステップＳ３におけるプラズマ生成を、上部電極６０，６２に高周波電圧（ＲＦ２００Ｗ）を投入した場合と、重畳電圧（ＲＦ２００Ｗ＋ＤＣ３３０Ｖ）を投入した場合と、直流パルス電圧（ＤＣ４１０Ｖ）を投入した場合とで比較した。なお、高周波電圧の周波数は１３．５６ＭＨｚであり、ＤＣパルス電圧の周波数は５００ｋＨｚ、デューティ比は５０％である（以下同様）。
図６に示すように、プラズマを高周波電圧（図では「ＲＦ」と記載）で生成することにより、トップ位置と、サイド位置と、ボトム位置とのＷＥＲを略均等に揃えることができる。すなわち、実施形態では、プラズマを高周波電圧で生成することにより、凹凸のある半導体ウエハＷの表面にＷＥＲが略均等なＴｉＯ２膜を形成することができる。
また、プラズマを重畳電圧（図では「ＲＦ＋ＤＣ」と記載）で生成することにより、トップ位置及びボトム位置に比べて、サイド位置のＷＥＲを小さくすることができる。すなわち、実施形態では、プラズマを重畳電圧で生成することにより、ダブルパターニングプロセスのスペーサにＴｉＯ２膜を適用する場合に、マスクとして用いるサイド位置のＴｉＯ２膜をより残しやすくすることができる。
さらに、プラズマを直流パルス電圧（図では「ＤＣ」と記載）で生成することにより、トップ位置及びボトム位置に比べて、サイド位置のＷＥＲを大きくすることができる。すなわち、実施形態では、プラズマを直流パルス電圧で生成することにより、凹凸のある半導体ウエハＷのトップ位置とボトム位置とに選択的にＴｉＯ２膜を形成する場合に、効率良くＴｉＯ２膜を形成することができる。
ここまで説明したように、実施形態によれば、上部電極６０，６２に投入される電圧を、切替部６で高周波電圧、重畳電圧または直流パルス電圧に切り替えることにより、同じ成膜装置１において成膜される薄膜のＷＥＲを多様に制御することができる。
なお、投入される電圧の種類で薄膜のＷＥＲが大きく変化するのは、プラズマ中のイオンやラジカルの入射分布およびフラックスが、水平面（＝トップ位置やボトム位置）と垂直面（＝サイド位置）とにおいて投入される電圧の種類により大きく変わることが要因と推測される。
図７は、実施形態の重畳電圧におけるＤＣパルス電力と膜応力との関係を示した図（１）である。この実験結果は、平坦な半導体ウエハＷ上にＴｉＯ２膜を形成した場合の膜応力を示している。なお、かかるＴｉＯ２膜の膜応力は、ダブルパターニングプロセスのスペーサにＴｉＯ２膜を適用する場合の重要なパラメータである。
この実験結果におけるＴｉＯ２膜の成膜は、ステップＳ３の実施時間０．４秒、圧力０．５Ｔｏｒｒ及び２Ｔｏｒｒで行い、インピーダンス調整回路１００を動作させずに半導体ウエハＷを接地させた状態で行った。そして、重畳電圧をＲＦ２００Ｗ一定で、ＤＣパルス電圧を様々に変化させて上部電極６０，６２に印加してプラズマ生成を行い、かかる変化させた各直流パルス電圧での膜応力をプロットした。
図７に示すように、圧力が２Ｔｏｒｒの場合で、直流パルス電力をゼロ、すなわちプラズマを高周波電圧で生成することにより、膜応力をｔｅｎｓｉｌｅ（プラス側）にすることができる。一方で、同じ条件で直流パルス電力を印加、すなわちプラズマを重畳電圧で生成することにより、膜応力をｃｏｍｐｒｅｓｓｉｖｅ（マイナス側）にすることができる。
このように、実施形態によれば、上部電極６０，６２に投入される電圧を、切替部６で高周波電圧または重畳電圧に切り替えることにより、同じ成膜装置１において成膜される薄膜の膜応力を多様に制御することができる。
図８は、実施形態の重畳電圧におけるＤＣパルス電力と膜応力との関係を示した図（２）である。この実験結果は、インピーダンス調整回路１００を動作させて半導体ウエハＷをフローティング状態にした以外は図７の実験結果と同じ条件でＴｉＯ２膜を成膜した場合の結果である。
図８に示すように、直流パルス電力をゼロ、すなわちプラズマを高周波電圧で生成することにより、いずれの圧力でも図７の例に比べて膜応力をよりｔｅｎｓｉｌｅ（プラス側）にすることができる。さらに、同じ条件で直流パルス電力を印加、すなわちプラズマを重畳電圧で生成することにより、膜応力を段階的にｃｏｍｐｒｅｓｓｉｖｅ（マイナス側）に制御することができる。
このように、実施形態によれば、インピーダンス調整回路１００を動作させることにより、同じ成膜装置１において成膜される薄膜の膜応力をさらに多様に制御することができる。
図９は、実施形態の各プラズマ生成条件において形成されたＴｉＯ２膜の屈折率を示した図である。この実験結果は、平坦な半導体ウエハＷ上にＴｉＯ２膜を形成した場合の屈折率を示している。
また、この実験結果におけるＴｉＯ２膜の成膜は、ステップＳ３の実施時間０．４秒、圧力０．５Ｔｏｒｒ及び２Ｔｏｒｒで行い、インピーダンス調整回路１００を動作させずに半導体ウエハＷを接地させた状態で行った。
そして、ステップＳ３におけるプラズマ生成を、上部電極６０，６２に高周波電圧（ＲＦ２００Ｗ）を投入した場合と、重畳電圧（ＲＦ２００Ｗ＋ＤＣ３３０Ｖ）を投入した場合と、直流パルス電圧（ＤＣ４１０Ｖ）を投入した場合とで比較した。
図９に示すように、投入される電圧の種類及び圧力を変えてプラズマを生成することにより、波長６３３ｎｍにおけるＴｉＯ２膜の屈折率を２．２３から２．３９まで様々に制御することができる。
このように、実施形態によれば、上部電極６０，６２に投入される電圧を、切替部６で高周波電圧、重畳電圧または直流パルス電圧に切り替えることにより、同じ成膜装置１において成膜される薄膜の屈折率を多様に制御することができる。
図１０は、実施形態の各プラズマ生成条件において形成された膜の均一性を示した図であり、図９に示した例と同じ条件で半導体ウエハＷ上にＴｉＯ２膜を形成した場合の均一性を１σの値で示している。
図１０に示すように、圧力が２Ｔｏｒｒの場合で、プラズマを重畳電圧または直流パルス電圧で生成することにより、プラズマを高周波電圧で生成する場合に比べて膜の均一性を向上させることができる。また、圧力が０．５Ｔｏｒｒの場合でも、プラズマを直流パルス電圧で生成することにより、プラズマを高周波電圧で生成する場合に比べて膜の均一性を向上させることができる。
＜一定の直流電圧の適用について＞
つづいて、高周波電圧との重畳電圧にパルス状の直流電圧（すなわち、直流パルス電圧）を適用した場合と、一定の直流電圧を適用した場合との比較について、図１１及び図１２を参照しながら説明する。
上述のように、可変直流電源８０に接続されたパルス発生器８４は、パルス状のほかに一定の直流電圧を出力することもできることから、高周波電圧との重畳電圧に一定の直流電圧を適用することができる。そこで、高周波電圧との重畳電圧に一定の直流電圧を適用した場合と、直流パルス電圧を適用した場合との効果の違いについて以下に検証する。
図１１は、高周波電圧との重畳電圧に一定の直流電圧を適用した場合とパルス状の直流電圧を適用した場合との電子密度を示した図（１）である。具体的には、図１１は、かかる両方の場合において、直流電力を３００Ｗで一定にして高周波電力を変化させた際の電子密度をプラズマ計測で評価した結果について示している。なお、図１１及び図１２には、理解の容易のため、高周波電圧のみを印加した場合のプラズマ計測結果も示している。
図１１に示すように、高周波電圧のみを印加した場合に比べて、高周波電圧との重畳電圧にパルス状の直流電圧を適用することにより、プラズマ中の電子密度を大きく増加させることができる。さらに、高周波電圧との重畳電圧に一定の直流電圧を適用した場合にも、パルス状の直流電圧を適用した場合と同等の電子密度を増加させる効果を得ることができる。
図１２は、高周波電圧との重畳電圧に一定の直流電圧を適用した場合とパルス状の直流電圧を適用した場合との電子密度を示した図（２）であり、かかる両方の場合における電子密度の面内分布について示している。
図１２に示すように、高周波電圧との重畳電圧に一定の直流電圧を適用した場合にも、パルス状の直流電圧を適用した場合と同等の面内分布を得ることができる。
このように、実施形態では、高周波電圧との重畳電圧に一定の直流電圧を適用した場合に、直流パルス電圧を適用した場合と同等の効果を得ることができる。したがって、実施形態によれば、高周波電圧との重畳電圧に一定の直流電圧を適用することにより、同じ成膜装置において成膜される薄膜の膜質を多様に制御することができる。
また、高周波電圧との重畳電圧に一定の直流電圧を適用することにより、電圧印加部５のパルス発生器８４を不要にすることができることから、成膜装置１の製造コストを低減することができる。
以上のように、実施形態では、成膜装置１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、上部電極６０，６２と、原料ガス供給部７６と、電圧印加部５と、切替部６とを有する。サセプタ１２には被処理基板が載置される。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。原料ガス供給部７６は、上部電極６０，６２とサセプタ１２との間の処理空間ＰＳでプラズマ化する成膜原料ガスを処理空間ＰＳに供給する。電圧印加部５は、高周波電源３０及び可変直流電源８０を有し、高周波電源３０及び可変直流電源８０のうち少なくとも一方から出力される電圧を上部電極６０，６２に印加する。切替部６は、上部電極６０，６２に印加される電圧を、高周波電源３０から出力される高周波電圧と、可変直流電源８０から出力される直流電圧と、高周波電圧に直流電圧が重畳された重畳電圧とで切り替える。
こうすることで、同じ成膜装置１において成膜される薄膜の膜質を多様に制御することができる。
また、実施形態では、成膜装置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、同じ成膜装置１において成膜される薄膜の膜応力をさらに多様に制御することができる。
また、実施形態では、可変直流電源８０から出力される直流電圧はパルス状である。こうすることで、半導体ウエハＷ上に形成される膜の均一性を向上させることができる。
また、実施形態では、可変直流電源８０から出力される直流電圧は一定である。こうすることで、成膜装置１の製造コストを低減することができる。
以上、本開示の実施形態について説明したが、本開示は上記実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない限りにおいて種々の変更が可能である。たとえば、上記の実施形態では、ステップＳ１～Ｓ４の処理を繰り返して１層の膜を成膜する際には、投入される電圧の種類を固定して成膜した例について示したが、ステップＳ１～Ｓ４の処理を繰り返す際に投入される電圧の種類を適宜変更してもよい。
例えば、成膜処理の前半では高周波電圧でプラズマ生成して膜応力がｔｅｎｓｉｌｅな膜を成膜し、成膜処理の後半では重畳電圧でプラズマ生成して膜応力がｃｏｍｐｒｅｓｓｉｖｅな膜を成膜してもよい。これにより、膜応力を全体としてゼロに近づけることができる。
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。
Ｗ 半導体ウエハ（被処理基板の一例）
１ 成膜装置
５ 電圧印加部
６ 切替部
１０ チャンバ
１２ サセプタ（下部電極の一例）
３０ 高周波電源
６０，６２ 上部電極
７６ 原料ガス供給部
８０ 可変直流電源（直流電源の一例）
１００ インピーダンス調整回路
ＰＳ 処理空間

Claims (7)

  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される下部電極と、
    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、
    前記上部電極と前記下部電極との間の処理空間でプラズマ化する成膜原料ガスを前記処理空間に供給するガス供給部と、
    高周波電源及び直流電源を有し、前記高周波電源及び前記直流電源のうち少なくとも一方から出力される電圧を前記上部電極に印加する電圧印加部と、
    前記上部電極に印加される電圧を、前記高周波電源から出力される高周波電圧と、前記直流電源から出力される直流電圧と、前記高周波電圧に前記直流電圧が重畳された重畳電圧とで切り替える切替部と、
    各部を制御する制御部と、
    を具備し、
    前記制御部は、前記成膜原料ガスを前記高周波電圧でプラズマ化することで、成膜される薄膜の膜応力をｔｅｎｓｉｌｅにし、前記成膜原料ガスを前記重畳電圧でプラズマ化することで、成膜される薄膜の膜応力をｃｏｍｐｒｅｓｓｉｖｅにする
    成膜装置。
  2. 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１に記載の成膜装置。
  3. 前記直流電源から出力される直流電圧はパルス状である、
    請求項１または２に記載の成膜装置。
  4. 前記直流電源から出力される直流電圧は一定である、
    請求項１または２に記載の成膜装置。
  5. 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される下部電極と、
    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、
    成膜原料ガスを前記処理容器に供給するガス供給部と、
    前記上部電極に高周波電圧を印加する高周波電源と、
    前記上部電極に直流電圧を印加する直流電源と、を有し、
    前記処理容器内にプラズマを生成し、前記成膜原料ガスをプラズマ化して前記被処理基板の表面に成膜処理を行う成膜装置によって行われる成膜方法において、
    前記成膜原料ガスを前記高周波電圧でプラズマ化することで、成膜される薄膜の膜応力をｔｅｎｓｉｌｅにし、前記成膜原料ガスを前記高周波電圧に前記直流電圧が重畳された重畳電圧でプラズマ化することで、成膜される薄膜の膜応力をｃｏｍｐｒｅｓｓｉｖｅにする
    成膜方法。
  6. 前記直流電圧はパルス状である、
    請求項５に記載の成膜方法。
  7. 前記直流電圧は一定である、
    請求項５に記載の成膜方法。
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