(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
反応容器の内部に反応ガスを供給する反応ガス供給機構と、前記反応容器の内部を排気する排気機構と、プラズマ生成機構を備え、前記プラズマ生成機構で生成されたプラズマで基板を処理するプラズマ処理装置において、
前記反応容器は金属材料で形成され、
前記プラズマ生成機構は誘導電界を発生する少なくとも一巻きのコイルを含み、このコイルは、プラズマ生成空間の周囲に配置され、誘電体で囲まれた状態で前記反応容器の内部に設けられ、
前記コイルを囲む前記誘電体は、前記プラズマ生成空間を囲むように前記反応容器の側壁部に対して間隔をあけて配置される筒形誘電体壁と、前記反応容器の前記側壁部と前記筒形誘電体壁の間に配置され、かつ前記コイルを支持する誘電体支持部とからなる、
ことを特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項２】
前記反応容器の上壁部は前記側壁部と回転支持部で開閉自在に結合されると共に、前記側壁部の端部にＯリングが設けられ、前記上壁部を閉じたとき前記上壁部と前記側壁部の前記端部は前記Ｏリングを介して気密に接触することを特徴とする請求項１記載のプラズマ処理装置。
【請求項３】
前記上壁部はシャワー型反応ガス導入部を備え、前記反応ガス供給機構から供給された前記反応ガスは、前記シャワー型反応ガス導入部を通って前記プラズマ生成空間に導入されることを特徴とする請求項２記載のプラズマ処理装置。
【請求項４】
少なくとも前記コイルと前記筒形誘電体壁と前記誘電体支持部の各々の間に形成される隙間部分に不活性ガスを流すガス導入部を設け、このガス導入部は、前記反応容器の前記上壁部で前記コイルを囲む前記誘電体の配置領域に形成され、前記不活性ガスを前記隙間部分に流し当該隙間部分での成膜を阻止したことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のプラズマ処理装置。
【請求項５】
前記コイルに高周波電力を供給する第１機構を有することを特徴とする請求項１記載のプラズマ処理装置。
【請求項６】
前記不活性ガスを導入する前記ガス導入部は前記反応容器の前記上壁部で前記コイルを囲む前記誘電体の配置領域に形成されることを特徴とする請求項１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】
本発明はプラズマ処理装置に関し、特に、半導体デバイスの製造工程においてプラズマを利用して絶縁膜等を基板上に作製するプラズマ処理装置に関する。さらに、このプラズマ処理装置の基本構成はエッチングや膜改質にも応用される。
【０００２】
【従来の技術】
半導体デバイス製造工程ではプラズマアシストにより絶縁膜を作製するプラズマ成膜装置が用いられている。当該成膜装置としては平行平板型のプラズマ装置が多く用いられる。このような装置を用いて０．２５μｍ以下の設計ルールを用いる超ＬＳＩの埋込み絶縁膜を形成するには高密度プラズマが必要となる。
【０００３】
絶縁膜を作製する高密度プラズマ成膜装置の従来例では、例えば特開平８−９２７４８号公報や特開平８−２１３１９６号公報に示されるものがある。いずれの文献でも、コイルを利用した誘導結合型プラズマ発生機構が示されている。誘導結合型プラズマ発生機構を利用した高密度プラズマ成膜装置では、反応容器の外部に配置されたコイルから内部のプラズマ生成空間に誘導電界を与えるため、反応容器の少なくとも側壁部は石英ガラスなどの誘電体材料を用いて形成されることが必要であった。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
従来の高密度プラズマ成膜装置は、前述の通り、反応容器の側壁部の材料として誘電体を使用しているので、次の２つの問題が提起される。第１の問題は、プラズマクリーニングを繰り返し行うため、反応容器の側壁部が劣化することである。第２の問題は、安全性の観点から反応容器の上部にシャワー型反応ガス導入部を設けることが難しいことである。前述の公開公報でもノズル型の反応ガス導入部が利用されていた。
【０００５】
上記の問題は、処理される基板の径が大きくなるに伴って反応容器を大きくしなければならないとき、いっそう顕著になる。
【０００６】
本発明の目的は、上記の問題を解決することにあり、誘導結合型プラズマ発生機構を備える高密度プラズマ処理装置で、反応容器の側壁部の劣化を防止し、反応容器の安全性を高め、反応容器の上部からシャワー状に反応ガスを導入できるようにしたプラズマ処理装置を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段および作用】
第１の本発明（請求項１に対応）に係るプラズマ処理装置は、上記の目的を達成するため、反応容器の内部に反応ガスを供給する反応ガス供給機構と、反応容器の内部を排気する排気機構と、プラズマ生成機構を備えて、プラズマ生成機構で生成されたプラズマで基板を処理する処理装置であり、反応容器は金属材料で形成され、プラズマ生成機構は誘導電界を発生する少なくとも一巻きのコイルを含み、このコイルは、プラズマ生成空間の周囲に配置され、誘電体で囲まれた状態で前記反応容器の内部に設けられ、コイルを囲む誘電体は、プラズマ生成空間を囲むように反応容器の側壁部に対して間隔をあけて配置される筒形誘電体壁と、反応容器の側壁部と筒形誘電体壁の間に配置され、かつコイルを支持する誘電体支持部とから構成されている。
【０００８】
上記の構成では、プラズマを発生させるための空間に誘導電界を作るコイルを反応容器の内部に配置できる構成を実現したので、反応容器の材料に金属を使用することができ、反応容器の強度を高め、かつ劣化に対する耐久性を高めることが可能となった。それ故、反応容器の安全性が向上した。また反応容器内に配置されるコイルは誘電体で覆われて、プラズマから保護される。
【００１０】
第２の本発明（請求項２に対応）に係るプラズマ処理装置は、上記第１の発明において、好ましくは、反応容器の上壁部は側壁部と回転支持部で開閉自在に結合されると共に、側壁部の端部にＯリングが設けられ、上壁部を閉じたとき上壁部と側壁部の端部はＯリングを介して気密に接触することを特徴とする。反応容器の側壁部に対してその上壁部を開閉自在にすることによって、例えば筒形誘電体壁の交換を行うときなどのメンテナンスを容易に行うことができる。
【００１１】
第３の本発明（請求項３に対応）に係るプラズマ処理装置は、上記第２の発明において、好ましくは、上壁部がシャワー型反応ガス導入部を備え、反応ガス供給機構から供給された反応ガスは、シャワー型反応ガス導入部を通ってプラズマ生成空間に導入されることを特徴とする。
【００１２】
第４の本発明（請求項４に対応）に係るプラズマ処理装置は、上記の各発明において、好ましくは、少なくともコイルと筒形誘電体壁と誘電体支持部の各々の間に形成される隙間部分に不活性ガスを流すガス導入部を設け、このガス導入部は、反応容器の上壁部でコイルを囲む誘電体の配置領域に不活性ガスを導入するガス導入部に形成され、不活性ガスを隙間部分に流してＯリングを腐食から保護しかつ当該隙間部分での成膜を阻止したことを特徴とする。
【００１３】
第５の本発明（請求項５に対応）に係るプラズマ処理装置は、上記第１の発明において、好ましくは、コイルに高周波電力を供給する第１機構を有することを特徴とする。
さらに第６の本発明（請求項６に対応）に係るプラズマ処理装置は、上記第１の発明において、好ましくは、不活性ガスを導入するガス導入部は反応容器の上壁部でコイルを囲む誘電体の配置領域に形成されることを特徴とする。
【００１４】
前述した第１から第６の本発明に係るプラズマ処理装置の特徴的構成は、絶縁膜の成膜に適用され、さらにエッチングや膜改質などのプラズマ処理を行う装置に適用することが可能である。この場合にも、誘導結合型プラズマ発生機構を備える高密度プラズマ処理装置において、反応容器を金属材料で作ることができ、それ故に反応容器の側壁部の劣化を防止し、反応容器の安全性を増加できる。また反応容器の上部にシャワー型反応ガス導入部を設けることができる。エッチングや膜改質などのプラズマ処理装置では、絶縁膜のみに限らず、金属膜にも用いることができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の好適な実施形態を添付図面に基づいて説明する。
【００１６】
図１は、本発明の特徴的な構造を含む絶縁膜用プラズマ成膜装置の概略構成を示す縦断面図である。本実施形態では絶縁膜用プラズマ成膜装置に関して説明するが、基本的構成は、エッチング用あるいは膜改質用のプラズマ処理装置であっても同じである。
【００１７】
図１において、プラズマ成膜装置は反応容器１１を備える。反応容器１１は円筒形の側壁部１１ａと底壁部１１ｂを有する。底壁部１１ｂの中央部が基板サセプタ１２となり、その上に基板１３が載置される。反応容器１１は金属材料で作られている。反応容器１１の上壁部１１ｃは開閉自在な構造を有する。上壁部１１ｃのほぼ中心部にはシャワー型の反応ガス導入部１４が設けられる。また反応容器１１の内部には円筒形をした絶縁体（好ましくは誘電体）の筒部１５が配置される。反応容器１１の側壁部１１ａと絶縁体筒部１５は、反応容器１１の内部にて二重構造を形成し、絶縁体筒部１５を境に内側領域と外側領域が形成される。当該内側領域では反応ガスが導入され、かつプラズマを生成するための誘導電界が生成される。内側領域は、プラズマが生成される空間である。また上記外側領域、すなわち絶縁体筒部１５の周囲には、上記誘導電界を作るための少なくとも一巻きのコイル１６が配置される。上記絶縁体筒部１５はコイル１６による誘導電界を上記内側領域に与える働きを有する。コイル１６は、上記外側領域に配置されたコイル支持部１７によって支持される。コイル支持部１７は絶縁体（好ましくは誘電体）によって形成され、全体として環状であって、内側面にコイル１６を配置するための環状溝を有している。かかる構成によってコイル１６は、コイル支持部１７と絶縁体筒部１５によって囲まれた状態で配置される。コイル１６は反応容器１１の内部に配置される。
【００１８】
誘導電界を生成するための上記コイル１６は高周波電力供給機構１８に接続されている。高周波電力供給機構１８はプラズマ生成用の電力を供給する電力供給源である。この高周波電力供給機構１８には、印加電圧を設定するための可変の直流電源１９，２１が接続される。直流電源１９，２１によって出力電圧を調整できる。反応容器１１の上壁部１１ｃは金属材料で形成され、かつ当該上壁部１１ｃは接地されている。この結果、反応容器１１は接地電位に保持される。また基板サセプタ１２には、基板１３にバイアス電圧を印加するための高周波電力供給機構２２が接続される。反応ガスはシャワー型反応ガス導入部１４から反応容器１１の上記内側領域に導入される。また内側領域に導入された反応ガスは排気口２３から排気機構２４によって排気される。排気機構２４はドライポンプとターボポンプの組合せによって構成される。
【００１９】
反応容器１１の上壁部１１ｃは開閉自在な構造を有する。上壁部１１ｃの一箇所は回転自在な構造を有する支持部２５で、反応容器１１の側壁部１１ａに結合される。上壁部１１ｃは支持部２５を中心に開閉自在である。上壁部１１ｃの他端には取手１１ｄが設けられ、ここを把持することによって人力で開閉される。また反応容器１１の側壁部１１ａの上端にはＯリング２６が配置される。Ｏリング２６によって、上壁部１１ｃを閉じたとき、上壁部１１ｃと側壁部１１ａの間は気密に保持される。
【００２０】
また上記シャワー型反応ガス導入部１４は、反応ガス供給機構（図示せず）のパイプ１４ａによって供給された反応ガスを多数の細孔１４ｂからプラズマ生成空間に吹き出す構造を有する。
【００２１】
図１に示した構成では、コイル１６を絶縁体筒部１５とコイル支持部１７からなる誘電性を有する部材で囲みながら反応容器１１の内部に配置するようにしたため、反応容器１１そのものを誘電体でなく金属材料で作ることができ、その強度を高め、劣化を防ぎ、安全性を向上した。また反応容器１１のメンテナンスを容易にする目的で上壁部１１ｃを開閉自在な構造とした。これにより、絶縁体筒部１５やコイル支持部１７等の交換を容易に行える。またＯリング２６を配置することによりシール構造を設け、反応容器１１のシール性を高めることができる。またＯリング２６が、プラズマ生成空間で作られたプラズマから飛来する活性分子種によって腐食するのを防止するため、上壁部１１ｃに不活性ガス導入口２７を形成し、この不活性ガス導入口２７からアルゴン等の不活性ガスを導入している。不活性ガスは、活性分子種がＯリング２６に付着するのを阻止する流れを形成する。また不活性ガスの流れは、上壁部１１ｃ、誘導電界発生用コイル１６、コイル支持部１７、絶縁体筒部１５の各々の間に形成されるわずかな隙間に生じる。不活性ガスの流れは、さらに、これらの隙間に薄膜が堆積するのを阻止し、その結果ダストパーティクルの発生を抑制できるという利点を有する。
【００２２】
誘導電界を発生させるためのコイル１６の形状としては、目的に応じたプラズマを生成するため、円筒型の一巻き（または単巻き）コイル、円盤型の一巻きコイル、複数巻きの各種コイルを用いることができる。
【００２３】
次に、上記絶縁膜用プラズマ成膜装置をシリコン酸化膜の形成に利用した具体的な実施例を説明する。この実施例では、基板１３として直径２００ｍｍのＳｉ基板を使用し、この基板にシリコン酸化膜を堆積する。基板サセプタ１２として直径２００ｍｍの静電界型チャックサセプタを使用し、誘導電界発生用コイル１６として直径２８０ｍｍの円筒型一巻きコイルを用いた。円筒型一巻きコイルには、プラズマ生成用高周波電力供給機構１８から１３．５６ＭＨｚ、２．５ｋＷの電力が供給される。また基板サセプタ１２には、基板バイアス印加高周波電力供給機構２２から１３．５６ＭＨｚ、２．０ｋＷの電力が供給される。シャワー型反応ガス導入部１４からは、ＳｉＨ4 ガスを１００sccm、Ａｒガスを５００sccmの流量で導入した。
【００２４】
上記の条件下で、配線間幅０．２μｍのメタル配線が形成された径２００ｍｍのＳｉ基板にシリコン酸化膜の成長を行った。その結果、±２％の高い膜厚均一性で埋め込み成長を実現できることを確認した。また１０万枚の連続成長を行った。その結果、本実施形態によるプラズマ成膜装置では、反応容器１１が金属材料で作られているため劣化することがないこと、およびメンテナンスとしては５０００枚毎に絶縁体筒部１５を交換するのみで、再現性の良い埋込み成膜が高い生産性をもって実現されることも確認した。
【００２５】
前記の説明では、シリコン酸化膜などの絶縁膜の埋込み成膜例を述べたが、本発明の特徴的構成は、他の絶縁膜ＣＶＤや、エッチングや膜改質などのプラズマ処理の装置にも適用できるのは勿論である。この場合には、絶縁膜に限らず、金属膜にも利用できる。
【００２６】
【発明の効果】
以上の説明で明らかなように本発明によれば、次の効果を奏する。
【００２７】
本発明に係るプラズマ処理装置によれば、プラズマ生成空間に誘導電界を生成するためのコイルを誘電体部材（絶縁体）で覆って保護しながら反応容器の内部に配置するようにしたため、反応容器そのものを金属材料で作ることができ、反応容器の劣化を防止し、反応容器の強度を高め、かつ反応容器の安全性を高めることができる。これにより再現性の良い絶縁膜の埋込み成膜を実現できる。また反応容器の大型化を可能にする。さらに、反応容器の安全性が高められたため、反応容器の反応ガス導入部としてシャワー型反応ガス導入部を採用できる。また反応容器の上壁部を開閉構造としたため、反応容器のメンテナンスが簡単である。
【００２８】
なおエッチングや膜改質などのプラズマ処理装置に適用すれば、絶縁膜に限らず金属膜にも応用でき、成膜に関する効果を除き、前述した同じ効果が発揮される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る絶縁膜用プラズマ成膜装置の要部の縦断面図である。
【符号の説明】
１１                  反応容器
１１ａ                側壁部
１１ｃ                上壁部
１２                  基板サセプタ
１３                  基板
１４                  シャワー型反応ガス導入部
１５                  絶縁体筒部
１６                  コイル
１７                  コイル支持部
１８，２２            高周波電力供給機構
２５                  支持部
２６                  Ｏリング
２７                  不活性ガス導入口
【図１】
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