(57)【要約】リモートプラズマと処理室全体に渡って発生させたプラズマの長所を組み合わせて良好なプロセスを実現することが可能な基板処理装置を提供する。基板処理装置は、処理空間１を外側から囲うように設けられアースに接地された導電性部材１０と、導電性部材の内側に設けられた一対の電極４を有している。絶縁トランス７の１次側コイルが高周波電源部１４に接続され、２次側コイルが電極４に接続されている。２次側コイルと電極４とを接続する接続ラインには切換スイッチ１３が接続されている。切換スイッチ１３を用いて接続ラインのアースへの接続／非接続を切り換えることにより、処理空間１でのプラズマ発生領域を切り換えることができる。
2004079813.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板を処理する空間を提供する処理空間と、
前記処理空間を外側から囲うように設けられ、アースに接地された導電性部材と、
前記導電性部材の内側に設けられた一対の電極と、
高周波電源部と、
１次側コイルと２次側コイルとを有した絶縁トランスであって、前記１次側コイルが前記高周波電源部に電気的に接続され、前記２次側コイルが前記電極に電気的に接続された前記絶縁トランスと、
前記絶縁トランスの前記２次側コイルと前記一対の電極とをそれぞれ電気的に接続する接続ラインの一方に接続され、前記一方の接続ラインの前記アースへの接続・非接続を切り換える切換スイッチと、
前記切換スイッチの動作を制御して、前記処理空間でのプラズマ発生領域が、前記基板が載置されない領域である状態と、前記基板が載置される領域である状態とを切り換える制御部と、
を有する基板処理装置。
【請求項２】
前記一対の電極のうち、少なくとも一方の電極が前記処理空間に設けられている請求項１記載の基板処理装置。
【請求項３】
前記処理空間は処理管により形成され、前記処理管の内部には前記基板が載置される領域と空間的に仕切られたバッファ空間を備え、
前記基板が載置されない領域とは、前記バッファ空間内の領域であって、
前記基板が載置される領域とは、前記バッファ空間を含む、前記処理管内の領域である請求項１記載の基板処理装置。
【請求項４】
前記プラズマ発生領域を前記基板が載置されない領域とする場合は、前記基板に対する処理を行う場合であって、前記プラズマ発生領域を基板が載置される領域とする場合は、前記基板が前記処理空間から搬出された後の前記処理空間内のクリーニングを行う場合である請求項１記載の基板処理装置。
【請求項５】
前記制御部が前記切換えスイッチの動作を制御して、前記基板にトランジスタまたはメモリを形成する工程において膜を形成する場合は、前記プラズマ発生領域を前記基板が配置されない領域とし、前記基板に配線を形成する工程において膜を形成する場合は、前記プラズマ発生領域を前記基板が配置される領域とする請求項１記載の基板処理装置。
【請求項６】
前記基板に所望の膜を形成する際、前記制御部は前記膜の生成の途中で前記切換えスイッチの接続を切り換える請求項１記載の基板処理装置。
【請求項７】
前記制御部が前記切換えスイッチの動作を制御して、前記膜の生成初期段階で、前記プラズマ発生領域を基板が載置されない領域とし、それ以後段階で、前記プラズマ発生領域を基板が載置される領域とする請求項６記載の基板処理装置。
【請求項８】
前記制御部が前記切換えスイッチの動作を制御して、前記膜が数十Åの厚さ生成されるまでは、前記プラズマ発生領域を基板が載置されない領域とし、前記厚さから目標とする膜厚までは、前記プラズマ発生領域を基板が載置される領域とする請求項７記載の基板処理装置。
【請求項９】
前記処理管内には多数の基板が積層して収容され、前記バッファ空間は前記基板の積層された方向に沿って延在し、前記一対の電極が前記バッファ空間内に収容されている請求項３記載の基板処理装置。
【請求項１０】
基板を処理する空間を提供する処理空間と、
前記処理空間を外側から囲うように設けられ、アースに接地された導電性部材と、
前記導電性部材の内側に設けられた一対の電極であって、それらの間に基板が載置されない領域に設置された前記一対の電極と、
前記電極に高周波を印加する高周波電源部とを備え、
前記基板に所望の処理を行う際には、前記電極と前記導電性部材とでプラズマを生成させて、前記処理空間内の基板が載置される領域にプラズマを生成させる基板処理装置。
【請求項１１】
基板を処理する処理室と、
プラズマを発生する一対の電極と、
高周波電源部と、
１次側コイルと２次側コイルとを有した絶縁トランスであって、前記１次側コイルが前記高周波電源部に電気的に接続され、前記２次側コイルが前記電極に電気的に接続された前記絶縁トランスと、
前記絶縁トランスに取り付けた熱電対とを有する基板処理装置。
【請求項１２】
前記絶縁トランスが多段に重ねた複数のフェライトコアを備え、前記熱電対を前記フェライトコアの間に挟み込むように挿入している請求項１１の基板処理装置。
【請求項１３】
前記熱電対がシース付き熱電対である請求項１２の基板処理装置。
【請求項１４】
請求項１記載の基板処理装置を用いてデバイスを製造するデバイスの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】  本発明は、基板処理装置およびデバイスの製造方法に関し、特に、プラズマを利用して、ウエハ等の基板に薄膜の成膜、不純物の拡散、エッチング等の処理を行う基板処理装置およびそれを用いるデバイスの製造方法に関するものである。
【背景技術】  半導体製造装置などの基板処理装置には、基板処理に用いる原料ガス等の処理ガスをリモートプラズマで活性化し、基板に成膜等の処理を行うものがある。
放電によりプラズマを生成すると、比較的ライフタイムが長くエネルギーの小さな電気的に中性なラジカル（活性種）と、比較的ライフタイムが短くエネルギーの大きな荷電したイオンなどが同時に発生する。リモートプラズマ型の基板処理装置は、処理室から隔離されたバッファ室（放電室）の中のみでプラズマを生成し、比較的ライフタイムの長い中性なラジカルのみを基板に供給し処理する（このとき、ライフタイムの短いイオンは、基板に到達する前にほとんど失活する）。しかし、基板に対する処理能力を高めるために電極に供給する高周波電力（ＲＦ電力）を大きすると、プラズマはバッファ室内（放電室）のみでなく、処理室全域に渡って生成される。これは、電極に供給する高周波電力を大きくすると、電極と処理室周辺の導電性部材との間に生じる高周波電界（ＲＦ電界）が大きくなるため、放電がバッファ室内のみならず、処理室内全域に渡っても起こり、その結果、処理室全域に渡ってプラズマが生成されることが原因である。基板付近でプラズマが生成されると、中性のラジカル（活性種）だけでなく、高エネルギーなイオンも基板に達する。前記高エネルギーなイオンは、すでに基板上に生成されている回路素子等に電荷を与え（チャージアップ）て前記回路素子を破壊したり、また、高エネルギーなプラズマが基板に衝突することで、基板に物理的なダメージを与えたりし、良好な基板処理が阻害される原因となる。
したがって、本発明の主な目的は、基板付近でプラズマが生成されない状態で基板処理を行うことができる基板処理装置およびそれを使用するデバイスの製造方法を提供することにある。
本発明の他の主な目的は、基板処理速度を向上させることができる基板処理装置を提供することにある。
【発明の開示】
本発明の第１の態様によれば、
基板を処理する空間を提供する処理空間と、
前記処理空間を外側から囲うように設けられたアースに接地された導電性部材と、
前記導電性部材の内側に設けられた一対の電極と、
高周波電源部と、
１次側コイルと２次側コイルとを有した絶縁トランスであって、前記１次側コイルが前記高周波電源部に電気的に接続され、前記２次側コイルが前記電極に電気的に接続された前記絶縁トランスと、
前記絶縁トランスの前記２次側コイルと前記一対の電極とをそれぞれ電気的に接続する接続ラインの一方に接続され、前記一方の接続ラインの前記アースへの接続・非接続を切り換える切換スイッチと、
前記切換スイッチの動作を制御して、前記処理空間でのプラズマ発生領域が、前記基板が載置されない領域である状態と、前記基板が載置される領域である状態とを切り換える制御部と、
を有する基板処理装置が提供される。
本発明の第２の態様によれば、上記基板処理装置を用いてデバイスを製造するデバイスの製造方法が提供される。
本発明の第３の態様によれば、
基板を処理する空間を提供する処理空間と、
前記処理空間を外側から囲うように設けられ、アースに接地された導電性部材と、
前記導電性部材の内側に設けられた一対の電極であって、それらの間に基板が載置されない領域に設置された前記一対の電極と、
前記電極に高周波を印加する高周波電源部とを備え、
前記基板に所望の処理を行う際には、前記電極と前記導電性部材とでプラズマを生成させて、前記処理空間内の基板が載置される領域にプラズマを生成させる基板処理装置が提供される。
本発明の第４の態様によれば、
基板を処理する処理室と、
プラズマを発生する一対の電極と、
高周波電源部と、
１次側コイルと２次側コイルとを有した絶縁トランスであって、前記１次側コイルが前記高周波電源部に電気的に接続され、前記２次側コイルが前記電極に電気的に接続された前記絶縁トランスと、
前記絶縁トランスに取り付けた熱電対とを有する基板処理装置が提供される。
【図面の簡単な説明】  図１は、本発明の第１の実施の形態の縦型減圧ＣＶＤ装置の処理炉を説明するための概略横断面図である。
図２は、本発明の第１の実施の形態の縦型減圧ＣＶＤ装置の処理炉を説明するための概略縦断面図である。
図３は、本発明の第２の実施の形態の縦型減圧ＣＶＤ装置の処理炉を説明するための概略横断面図である。
図４は、本発明の第２の実施の形態の縦型減圧ＣＶＤ装置の処理炉を説明するための概略縦断面図である。
図５は、本発明の第２の実施の形態の縦型減圧ＣＶＤ装置の処理炉を説明するための概略横断面図である。
図６は、本発明の第２の実施の形態の縦型減圧ＣＶＤ装置の処理炉を説明するための概略縦断面図である。
図７は、本発明の第２の実施の形態の縦型減圧ＣＶＤ装置を使用した基板処理時の処理ガスのタイムシーケンスの一例を説明するための図である。
図８は、本発明の第２の実施の形態の縦型減圧ＣＶＤ装置を使用して全体プラズマおよびリモートプラズマでそれぞれ成膜を行った場合の、膜厚分布を説明するための図である。
図９は、本発明の第２の実施の形態の縦型減圧ＣＶＤ装置を使用して全体プラズマおよびリモートプラズマでそれぞれ成膜を行った場合の、成膜速度のＮＨ３−Ｆｌｏｗｔｉｍｅ依存性を説明するための図である。
図１０は、本発明の第３の実施の形態の縦型減圧ＣＶＤ装置の処理炉に使用されるプラズマ発生回路の一例を説明するための概略図である。
図１１は、本発明の第３の実施の形態の縦型減圧ＣＶＤ装置の処理炉に使用されるプラズマ発生回路の他の例を説明するための概略図である。
図１２は、本発明の第３の実施の形態の縦型減圧ＣＶＤ装置の処理炉に使用されるプラズマ発生回路のさらに他の例を説明するための概略図である。
図１３は、比較のための縦型減圧ＣＶＤ装置の処理炉を説明するための概略横断面図である。
図１４は、比較のための縦型減圧ＣＶＤ装置の処理炉を説明するための概略縦断面図である。
発明を実施するための好ましい形態
本発明の好ましい形態によれば、
基板を処理する空間を提供する処理空間と、
前記処理空間を外側から囲うように設けられ、アースに接地された導電性部材と、
前記導電性部材の内側に設けられた一対の電極と、
高周波電源部と、
１次側コイルと２次側コイルとを有した絶縁トランスであって、前記１次側コイルが前記高周波電源部に電気的に接続され、前記２次側コイルが前記電極に電気的に接続された前記絶縁トランスと、
前記絶縁トランスの前記２次側コイルと前記一対の電極とをそれぞれ電気的に接続する接続ラインの一方に接続され、前記一方の接続ラインの前記アースへの接続・非接続を切り換える切換スイッチと、
前記切換スイッチの動作を制御して、前記処理空間でのプラズマ発生領域が、前記基板が載置されない領域である状態と、前記基板が載置される領域である状態とを切り換える制御部と、
を有する基板処理装置が提供される。
電極と高周波電源部との間に絶縁トランスを設けることで、電極はアースに接続されず、処理空間周辺の導電性部材から絶縁される。したがって、電極間に高周波電力を供給しプラズマを発生させたとしても、電極内の電位の変化は上記導電性部材に対して電位差を生じない。それゆえ、電極と上記導電性部材との間での放電は防止され、処理空間全体に渡るプラズマの発生は防止される。その結果、基板を電極とは離間させておくことにより、基板付近でのプラズマ発生は防止される。
また、制御部により、切換スイッチの動作を制御することにより、電極のアースへの接続有無を切換スイッチを用いて切り替えられるので、プラズマの発生箇所を、バッファ室内等の基板が載置されない領域のみにする、またはバッファ室内と処理室全域というような前記基板が載置される領域にするというように、容易に切り替えできる。
さらに、上記導電性部材は、処理空間を外側から囲うように設けられているので、プラズマ生成時の高周波電力が外部に漏れるのを防止でき、また切換スイッチにより電極がアースに接続されている場合、処理空間内でのプラズマ発生を容易かつ均一に行うことができるので、処理空間内をドライクリーニングする際に有用となる。
また、絶縁トランスのコア（磁芯）にフェライトコアを用いると、フェライトは、高周波帯域での透磁率、飽和磁束密度が大きく、また金属磁性材料に比べて固有抵抗も大きいので、小型のトランスでも効率よく安定したＲＦ電力の供給を行うことができる。
本発明の好ましい他の形態によれば、
基板を処理する空間を提供する処理空間と、
前記処理空間を外側から囲うように設けられ、アースに接地された導電性部材と、
前記導電性部材の内側に設けられた一対の電極であって、それらの間に基板が載置されない領域に設置された前記一対の電極と、
前記電極に高周波を印加する高周波電源部とを備え、
前記基板に所望の処理を行う際には、前記電極と前記導電性部材とでプラズマを生成させて、前記処理空間内の基板が載置される領域にプラズマを生成させる第２の基板処理装置が提供される。
このようにすれば、基板処理速度を向上させることができる。
本発明の好ましい更に他の形態によれば、
基板を処理する処理室と、
プラズマを発生する一対の電極と、
高周波電源部と、
１次側コイルと２次側コイルとを有した絶縁トランスであって、前記１次側コイルが前記高周波電源部に電気的に接続され、前記２次側コイルが前記電極に電気的に接続された前記絶縁トランスと、
前記絶縁トランスに取り付けた熱電対とを有する第３の基板処理装置が提供される。
熱電対により絶縁トランスの温度を的確に測定することができ、基板の処理中に絶縁トランスの温度が上昇して、基板処理装置が危険が状態になるのを防止することができる。
次に、本発明の好ましい実施の形態を図面を参照してさらに詳細に説明する。
本発明が適用される基板処理装置の一例として、縦型減圧ＣＶＤ装置がある。前記縦型減圧ＣＶＤ装置の前面には、図示しないが複数の基板を収容するポッドを装置内に搬入出する搬入搬出部が設けられ、装置内部前方には、図示しないが前記ポッドを複数保持するポッド棚、前記ポッド棚の下方にありポッドを載置するポッドステージ、前記搬入搬出部と前記ポッド棚と前記ポッドステージとの間でポッドを移送するポッド搬送機等を有する。さらに装置内部後方には、図示しないが基板を多段に保持するボート、前記ポッドステージに載置されたポッド内の基板を基板保持部材のボートに移載するウエハ移載機、前記ボートを前記処理炉内に挿入するボートエレベータ等を有し、装置後方上部には基板を処理する処理炉２４を有する。
次に図１〜６を参照して、本発明を適用した実施例の縦型減圧ＣＶＤ装置の処理炉を説明する。
これらの縦型減圧ＣＶＤ装置は、基板を処理する空間を提供する処理空間と、前記処理空間を外側から囲うように設けられ、アースに接地された導電性部材と、前記導電性部材の内側に設けられた一対の電極と、高周波電源部と、１次側コイルと２次側コイルとを有した絶縁トランスであって、前記１次側コイルが前記高周波電源部に電気的に接続され、前記２次側コイルが前記電極に電気的に接続された前記絶縁トランスと、前記絶縁トランスの前記２次側コイルと前記一対の電極とをそれぞれ電気的に接続する接続ラインの一方に接続され、前記一方の接続ラインの前記アースへの接続・非接続を切り換える切換スイッチと、前記切換スイッチの動作を制御して、前記処理空間でのプラズマ発生領域が、前記基板が載置されない領域である状態と、前記基板が載置される領域である状態とを切り換える制御部と、を有している。
図１、図２は、それぞれ本発明の第１の実施例の縦型減圧ＣＶＤ装置の処理炉２４の概略横断面図、及び概略縦断面図である。
処理室１は、石英製で下端が開放された略円筒形の反応管３及び前記下端を蓋するシールフランジ１２で気密に構成され、前記反応管３の内壁側部には石英製のバッファ室２が設けられている。また、前記バッファ室２の中にはプラズマ８を生成するための一対の電極４が電極保護管６に覆われた状態で設けられ、後述するプラズマ発生回路２３から供給される高周波電力により、前記電極４間に放電を起こすことができる。また、反応管３の外側には図示しないヒータ素線と断熱部材からなるヒータ１８が設けられ、制御部２２からの信号により、処理室１内の基板９、及び処理室１内の雰囲気を所望の温度に加熱することができる。
反応管３の下部には、処理室１内部を排気するための排気口１６と、前記バッファ室２内に所望のガスを導入するガス導入口１１が設けられる。前記ガス導入口１１にはガス導入管２０が接続され、制御部２２からの信号により開閉するバルブ１９を介してガス供給源２１に連結されている。ガス導入口１１から導入された処理ガスは、減圧状態の前記バッファ室２内で生じた放電によりプラズマ化される。プラズマで活性化された処理ガスは、バッファ室２の小孔１７より処理室１内に供給され、処理室１内の基板に所望の処理が行われる。なお、処理室外の基板が載置されていない空間（バッファ室）でプラズマを生成し、前記プラズマにより活性化された処理ガスを処理室に供給して基板処理を行う装置を、リモートプラズマ型の基板処理装置と呼ぶ。また、バッファ室２でプラズマ８を生成している間、電極４が発する高周波電力が装置外に漏洩するのを防止するため、反応管３の外側にはアースに接続された導電性を有するカバー１０が設けられる。
プラズマ発生回路２３は、絶縁トランス７と、制御部２２に接続された高周波電源１４と整合器１５と一対の電極１４などを有し、制御部２２からの信号により高周波電源１４から供給された高周波電力（ＲＦ電力）は、整合器１５にて高周波電源とプラズマ・インピーダンスとを整合された後、絶縁トランス７を介して電極４に供給される。電極４と高周波電源１４との間に絶縁トランス７を設けることで、電極４はアース５に接続されず、処理室１周辺の導電性部材から絶縁される。したがって、電極４間に高周波電力を供給して放電し、プラズマ８を発生させたとしても、電極４内の電位の変化は前記導電性部材に対して電位差を生じない。それゆえ前記電極４と前記導電性部材との間での放電によるプラズマの生成は防止され、処理室１内全域でプラズマが生成されることを防止する。
また、前記絶縁トランス７にはドーナッツ状のフェライトコアを用いており、フェライトは高周波帯域での透磁率、飽和磁束密度が大きく、また金属磁性材料に比べて固有抵抗も大きいので、前記絶縁トランス７のコア（磁芯）にフェライトを用いると、小型のトランスでも効率のよい安定した電源供給を可能にすることができる。
次に本発明が適用される縦型減圧ＣＶＤ装置の操作を説明する。複数の基板が収容されたポッドが搬入搬出部より装置内に搬入されると、前記ポッドは図示しないポッド搬送機により図示しないポッド棚に搬送され保管される。ポッド棚に搬送されたポッドは前記ポッド搬送機によりポッドステージに搬送され、ポッド内の基板は図示しない基板移載機により図示しないボートに移載される。基板を多段に保持したボートはエレベータにて処理炉２４に挿入され、ボート下部にあるシールフランジ１２にて、反応管下部を密閉し処理室１を形成する。
制御部２２からの信号により、ヒータ１８に電力が供給され、基板９、反応管３、図示しないボートなどの処理室１内の構成物及びその雰囲気を所定の温度に加熱する。また、ヒータ１８による加熱と同時に処理室１内部を排気口１６から図示しないポンプで排気する。処理室１内が所定の圧力に達し、さらに基板９が所定の温度に達すると、処理室１にガス導入口１１から反応ガスが導入され、図示しない圧力調整機構によって処理室１内の圧力を所定の値に保持する。
処理室１内の圧力が所定の圧力に達した後、制御部２２からの信号により、プラズマ発生回路２３から高周波電力が電極４に供給され、バッファ室２内部にプラズマ８が生成される。このとき、電極４はアースに接続されてなく、処理室１周辺の導電性部材から絶縁されているので、電極４間に高周波電力を供給して放電し、プラズマを発生させたとしても、処理室内１全域でプラズマが生じることはない。
プラズマで励起され活性化した処理ガスは、小穴１７から処理室１内の基板に供給され、基板９に所望の処理を行う。尚、実際には、絶縁トランスに高電圧をかけた場合、絶縁トランスの絶縁崩壊が生じて、前記絶縁トランスの内部が導通し、結果的に電極と導電性部材との間で放電が生じる恐れがある。従って、我々は、実験として、処理室を、１３３［Ｐａ］の窒素ガス雰囲気にし、プラズマ発生回路２２から電極４に高周波電力を供給したところ、８００［Ｗ］程度まで処理室の中での放電は生じないことを確認した。従って、処理室１内での処理ガスのプラズマ励起は、８００［Ｗ］程度まで生じないと考えられ、通常、基板処理に用いる約４００［Ｗ］程度の電力では、処理室内での処理ガスのプラズマ励起は生じないと考えられる。
本発明の第２の実施例における縦型減圧ＣＶＤ装置の処理炉２４の概略横断面図を図３，５に、概略縦断面図を図４，６に示す。
図３，４，５，６に示す第２の実施例が前述の図１，２に示す第１の実施例と異なる部分は、前記絶縁トランス７の電極４側に接続された供給線の一端を切り替えスイッチ１３を介してアース５に接続し、前記スイッチ１３の開閉の制御が制御部２２で行われる点である。なお、スイッチ１３の切り替えは、制御部２２によらず、手動で行うようにすることもできる。
図３，４は、前記スイッチ１３が開かれており、電極４が処理室１周辺の導電性部材（例えば、シールフランジ１２やヒーター素線、カバー１０等）から絶縁されている状態を示しており、プラズマ８がバッファ室２内のみで生成れている状態を示している。また、図５，６は、前記スイッチ１３が閉じられており、電極４が処理室１周辺の導電性部材とアース５を介して接続されている状態を示しており、プラズマ８がバッファ室２のみならず処理室全域に渡って生成されている状態を示している。電極４のアース５への接続有無をスイッチ１３を用いて切り替えられるので、プラズマの発生箇所を、バッファ室２内のみ、またはバッファ室と処理室内全域という様に、容易に切り替えできる。
上述のようなプラズマ発生箇所の切り替えは、処理室１内をプラズマクリーニングする場合に有効である。ＣＶＤ装置では、基板処理時に処理室１内部に付着した反応副生成物を定期的に除去するため、処理室１内にクリーニングガスを供給してドライクリーニングする。このとき、プラズマを利用すると効率良くクリーニングできるため、基板処理を行う場合はスイッチ１３を開いて、バッファ室２（基板が載置されていない空間）のみでプラズマを発生させるリモートプラズマ（局所プラズマ）で処理し、一方、処理室１内をドライクリーニングする場合はスイッチ１３を閉じて、処理室１全体に渡ってプラズマを発生させるプラズマモード（全体プラズマ）でクーニング処理をすることが可能となる。処理室全体にプラズマを生成する場合は、プラズマを発生させる領域が大きくなるので、局所プラズマ時よりも高周波電力のパワーを上げ、例えば、約８００Ｗとする。
処理炉全体にプラズマを立てた方が、クリーニングガスが活性化した状態（エネルギーが高い状態）で処理室全体に行き渡るので、クリーニング効率の向上が図れる。
なお、クリーニングガスを流す前に絶縁トランス７の二次側のスイッチ１３をアースに接続する。また、クリーニングを行うタイミングとしては、基板処理が完了し、基板９を処理室１から搬出し、空のボート（図示せず）を処理室１に挿入した後に、クリーニング開始となる。
上記のような特徴を持つ基板処理装置を用いて基板処理を行えば、基板ダメージの少ない半導体装置を製造することができる。
次に、このような装置を用いた基板処理において、局所プラズマと全体プラズマを使い分ける例を説明する。
局所プラズマはウェーハを処理する際、電気的に中性な活性種のみを供給する。例えば、半導体集積回路の製造プロセスにおいて集積回路で構成するＤＲＡＭのトランジスタ部ゲートスペーサ形成（ｅｘ．窒化膜）やフラッシュメモリーのゲート酸化膜部分のＯＮＯ膜（Ｏ＝酸化膜、Ｎ＝窒化膜、の積層膜）形成工程などに用いられる。
膜質劣化の原因はプラズマ中の高エネルギーの荷電粒子に起因する事が知られているがメカニズムはケースバイケースで明確にはなっていない。
またプラズマを反応室全体に広げると反応質部材（ｅｘ．反応室を構成する金属部やシール部）からプロセスに悪影響を及ぼす不純物がプロセスに混入することがあり、膜質劣化の原因となる。
このためプラズマを不純物の少ない材料（石英等）（＝バッファ室（放電室））で構成し、被処理基板とは離れた場所に設けた放電室で生成された電気的に中世の活性種のみを被処理基板に供給するリモートプラズマプロセスが用いられる。
一方、プラズマを反応室全体に広げると被処理基板近傍にプラズマが存在するための寿命の短い活性粒子も大量に被処理基板表面に供給することができる。このため処理の速度を上げてスループットが向上できる。
全体プラズマは膜質を劣化させたり（高エネルギなイオンにより）、不純物を膜中に取り込んだり（＝前述した局所プラズマによる処理の説明中での不純物混入）するため、これがあまり問題にならないプロセスに適用することができる。たとえば配線工程のビットラインスペーサ（ｅｘ．窒化膜）等への適用が考えられる。
また、局所プラズマと全体プラズマの長所を組み合わせて良好なプロセスを実現することが可能である。
例えば集積回路で構成するトランジスタ周辺プロセスにおいて（ｅｘ．窒化膜）、最初の成膜（数十Å）は局所プラズマで行い、残りの数百Åは全体プラズマを用いるとデバイス特性が良好で且つ高スループットのプロセスが可能である（成膜する際、界面の膜状態が重要であるため、成膜初期段階では局所プラズマでつけることで、良質膜で且つ高スループットで成膜可能）。
本発明では絶縁トランスをＲＦフィーダ部に設けてこの２次側をスイッチで絶縁（スイッチＯＦＦ）すると局所プラズマにすることができる。本スイッチは自動で切り替えることができるためプロセスの進行中に自動的に局所プラズマから全体プラズマに切替えて、高スループットのプロセスが実現できる。
次に、図７乃至図９を参照して、基板を処理する空間を提供する処理空間と、前記処理空間を外側から囲うように設けられ、アースに接地された導電性部材と、前記導電性部材の内側に設けられた一対の電極であって、それらの間に基板が載置されない領域に設置された前記一対の電極と、前記電極に高周波を印加する高周波電源部とを備え、前記基板に所望の処理を行う際には、前記電極と前記導電性部材とでプラズマを生成させて、前記処理空間内の基板が載置される領域にプラズマを生成させる基板処理装置を使用した基板処理について説明する。
図７は、本発明の第２の実施の形態の縦型減圧ＣＶＤ装置を図５、図６に示す状態で使用した基板処理時の処理ガスのタイムシーケンスの一例を説明するための図である。尚、図７は、図３、図４に示す状態で使用した基板処理時の処理ガスのタイムシーケンスの一例としても参照される。図８は、本発明の第２の実施の形態の縦型減圧ＣＶＤ装置を使用して全体プラズマ（図５、図６に示す状態）およびリモートプラズマ（図３、図４に示す状態）でそれぞれ成膜を行った場合の、膜厚分布を説明するための図である。図９は、本発明の第２の実施の形態の縦型減圧ＣＶＤ装置を使用して全体プラズマ（図５、図６に示す状態）およびリモートプラズマ（図３、図４に示す状態）でそれぞれ成膜を行った場合の、成膜速度のＮＨ３−Ｆｌｏｗｔｉｍｅ依存性を説明するための図である。
ここでは、ＡＬＤ法（原子層成長法）を用いて反応ガスとして、ジクロールシラン、アンモニアを使用して、基板上に窒化珪素（ＳｉＮ）膜を形成するデバイスの製造方法を説明する。
高品質なＳｉＮ膜を低温で得るために、アンモニアを処理室に供給する前に、処理室外の基板が載置されていない空間（バッファ室）でプラズマを用いて活性化させ、その後、処置室に供給して基板処理を行う。このように基板処理を行う装置をリモートプラズマ型の基板処理装置と呼ぶ。
放電によりプラズマを生成すると、比較的ライフタイムが長くエネルギーの小さな電気的に中性なラジカル（活性種）と、比較的ライフタイムが短くエネルギーの大きな荷電したイオンなどが同時に発生する。リモートプラズマ型の基板処理装置では、プラズマがバッファ室内のみで生成され、荷電したイオンが基板に達しないため、すでに基板上に生成されている回路素子等に電荷を与え（チャージアップ）て前期回路素子を破壊したり、また、高エネルギーなプラズマが基板に衝突することで、基板に物理的なダメージを与えたりしない利点がある。
しかしプラズマ生成箇所と基板との距離があるため、バッファ室内でアンモニアをプラズマで活性化し処理室に供給する時間を比較的長めに取らないと、成膜に対する寄与率の高いラジカルが失活して、基板内で局所的に成長速度が著しく低下する領域が発生してしまう。またその際は膜の成長速度も低下してしまう。基板の処理能力を高めるために、基板面内で均一な膜をできるだけ高速で作製する必要がある。
そこで、本発明の第２の実施の形態の縦型減圧ＣＶＤ装置を使用してスイッチを１３を閉じた状態（図５、図６参照）でプラズマを発生させて、プラズマの発生範囲を電極近傍のバッファ室２のみならず、処理室１内全体に広げる。処理室１内全体に広がったプラズマを以降全体プラズマと記述する。
このような処理装置を用い、反応ガスとしてジクロールシラン、アンモニアを用い、ＡＬＤ法（原子層成長法）によって基板上に薄膜を形成する方法において、基板近傍までプラズマを広げることで、アンモニアをプラズマで活性化し処理室に供給するまでの時間を短縮させることができ、大幅に膜の均一性および成長速度を向上させることが可能となる。
ガス導入口１１から導入された処理ガスは、減圧状態のバッファ室２および処理室１内で生じた放電によりプラズマ化（全体プラズマ）される。全体プラズマで活性化された処理ガス（アンモニアガス）は、バッファ室２の小孔１７より処理室１内に供給されるか、あるいは基板近傍で全体プラズマにより活性化され、処理室１内の基板に所望の処理が行われる。なお、ジクロルシランのガス導入系は図示されていない。
基板処理時の処理ガスのタイムシーケンスを図７に示す。処理ガスのジクロールシラン（ＤＣＳ）とアンモニア（ＮＨ３）は別系統から反応炉に交互にそれぞれΔＴ１、ΔＴ３の時間で供給される。実際にプラズマで励起されるのはＮＨ３であり、図３中のΔＴ３に相当する。ＤＣＳとＮＨ３の供給の間には、それぞれΔＴ２およびΔＴ４のＮ２パージ時間がある。ＡＬＤ法ではΔＴ１、ΔＴ２、ΔＴ３およびΔＴ４の時間を合計して１ｃｙｃｌｅとし、基板の処理能力を高めるためには、基板面内で均一な膜をできるだけ高速に、すなわち１ｃｙｃｌｅにかかる時間（ΔＴ１、ΔＴ２、ΔＴ３およびΔＴ４の時間）をできるだけ短縮して処理する必要がある。本発明では全体プラズマを用いることにより、ΔＴ３の時間が大幅に短縮可能であることを見出した。
図８に基板面内でのＡＬＤ−ＳｉＮ膜の膜厚分布を全体プラズマとリモートプラズマで比較して示す。全体プラズマは、スイッチを１３を閉じた状態（図５、図６参照）でプラズマを発生させて、プラズマの発生範囲を電極近傍のバッファ室２のみならず、処理室１内全体に広げた場合であり、リモートプラズマは、スイッチを１３を開いた状態（図３、図４参照）でプラズマを発生させて、プラズマの発生範囲を電極近傍のバッファ室２のみとした場合である。リモートプラズマではＮＨ３−Ｆｌｏｗｔｉｍｅが短くなるにつれ、Ｙ軸の−１５０ｍｍの方向（ＮＨ３供給口から遠ざかる方向）で著しく膜厚の低下が見られていることが分かる。一方、全体プラズマではその傾向はほとんど見られず、ＮＨ３−Ｆｌｏｗｔｉｍｅが３秒という比較的短い時間でも、面内方向に均一に成膜されていることが分かる。また図９に成長速度のＮＨ３−Ｆｌｏｗｔｉｍｅ依存性を全体プラズマとリモートプラズマで比較して示す。比較的短いＮＨ３−Ｆｌｏｗｔｉｍｅの領域で、成長速度が全体プラズマを用いたほうがリモートプラズマを用いるよりも高い値が得られていることが分かる。
次に、図１０乃至図１２を参照して、基板を処理する処理室と、プラズマを発生する一対の電極と、高周波電源部と、１次側コイルと２次側コイルとを有した絶縁トランスであって、前記１次側コイルが前記高周波電源部に電気的に接続され、前記２次側コイルが前記電極に電気的に接続された前記絶縁トランスと、前記絶縁トランスに取り付けた熱電対とを有する基板処理装置について説明する。
図１０は、本発明の第３の実施の形態の縦型減圧ＣＶＤ装置の処理炉に使用されるプラズマ発生回路の一例を説明するための概略図である。図１１は、本発明の第３の実施の形態の縦型減圧ＣＶＤ装置の処理炉に使用されるプラズマ発生回路の他の例を説明するための概略図である。図１２は、本発明の第３の実施の形態の縦型減圧ＣＶＤ装置の処理炉に使用されるプラズマ発生回路のさらに他の例を説明するための概略図である。なお、本実施の形態において、処理炉は、図１、２に示す処理炉２４と同じである。
第１および第２のように、絶縁トランス７を用いた場合には、絶縁トランス７はプラズマを生成するための例えば１３．５６［ＭＨｚ］の高周波電力を効率よく伝播させるために、例えばフェライトコアが用いられ、その場合には、コアが機械的或いは熱的なショックによりコアの電気的な特性が変わり、ＲＦ電力印加時、コア自身の温度が上昇することがある。このコアの温度上昇はコアの特性のばらつきによっても多少の差はあるが、上記ショックによって特性が変わった場合は急激に温度が上昇することがある。
フェライトコアの場合キューリー点を超えるともはやトランスとしての機能を果たさず加速的に温度が上昇し破損に至る。
このためコアの温度上昇を検知するために温度スイッチ（図示せず）を絶縁トランス７のシールドケース（図示せず）に設けることが考えられるが、シールドケースに設けたのでは、温度スイッチが絶縁トランス７と離れて設けられることになり、この温度スイッチ１９が検知する温度は絶縁トランス７の温度より相当低い値となる。
またシールドケースの周囲温度や絶縁トランス７から温度スイッチまでの熱伝達経路のばらつきによって温度検出時間にばらつきが生じ、最悪の場合絶縁トランスを構成するフェライトコアの破損を防止できない場合がある。フェライトコアが破損した状態でＲＦ電力を供給することは周囲の部品の温度上昇の原因にもなり非常に危険である。
そこで、本実施の形態では、絶縁トランスの温度と適格に測定するために、トランス自身に熱電対を取り付けて極力時間差のない状態で絶縁トランスの温度上昇を検知する。
図１０を参照すれば、絶縁トランス７には外部へのＲＦ電力の漏れを防止するためシールドケース３３が設けてある。絶縁トランス７には熱電対３１が取り付けてあり電気信号はノイズフィルタ３２を介して温度測定器３０に接続されている。なお、絶縁トランス７はドーナツ状のフェライトコアを用いる事によりトランスの外形寸法を小型化できる。
またＲＦノイズの影響を極力押さえるための図１１に示すようにシース３４が付いた熱電対を用いると温度測定の際のＲＦノイズの影響を抑制することができる。
図１２は絶縁トランス７を構成するフェライトコア３５の間に絶縁シート３６を挟み、その絶縁シート３６の中に熱電対３１を挿入した状態を示している。
図１、２を参照すれば、プラズマを生成させて処理室１内の基板９を処理している間、熱電対３１（図１０〜図１２参照）で測定した絶縁トランス７の温度が既定値に達した場合はＲＦ電力の供給を停止し基板９の処理は中止される。
このように、絶縁トランス７に取り付けた熱電対３１によって絶縁トランス７の温度を適格に測定することにより、基板９の処理中に絶縁トランスの温度が急激に上昇して、装置が危険な状態になることを防ぐことができる。
次に、本発明者らによって従来検討されていたリモートプラズマを用いた基板処理装置の処理炉の一形態を比較例として、図１３、図１４に示す。
図１３、図１４は、それぞれ本発明者らによって従来検討されていたリモートプラズマを用いた基板処理装置の処理炉２４の横断面図、及び縦断面図である。
処理室１は石英製の反応管３及びシールフランジ１２で気密に構成され、前記反応管３の内壁側部には石英製のバッファ室２が設けられている。また、前記バッファ室２の中には放電によりプラズマ８を生成するための一対の電極４が設けれ、高周波電源１４が供給する高周波電力を整合器１５を介して前記電極４に供給し、前記電極４間で放電するようになっている。また、反応管３の外側にはヒータ１８が設けられ、反応管３内の基板９、及び処理室１内の雰囲気を所望の温度に加熱することができる。
反応管３の下部には、前記バッファ室２内に所望のガスを導入するガス導入口１１と、処理室１内部を排気するための排気口１６が設けられており、ガス導入口１１から導入された処理ガスは、減圧状態の前記バッファ室２内で前記電極４間の放電によりプラズマ化される。プラズマ化された処理ガスは、バッファ室２の小孔１７より処理室１内に供給され、処理室１内の基板に所望の処理が行われる。また、バッファ室２で処理ガスのプラズマ８を生成している間、電極４が発する高周波電力が基板処理装置外に漏洩するのを防止するため、反応管３の外側にはアース５に接続された導電性を有するカバー１０が設けられる。
放電によりプラズマを生成すると、比較的ライフタイムが長くエネルギーの小さな電気的に中性なラジカル（活性種）と、比較的ライフタイムが短くエネルギーの大きな荷電したイオンなどが同時に発生する。リモートプラズマ型の基板処理装置は、処理室から隔離されたバッファ室２（放電室）の中のみでプラズマを生成し、比較的ライフタイムの長い中性なラジカルのみを基板に供給し処理する（このとき、ライフタイムの短いイオンは、基板に到達する前にほとんど失活する）。しかし、基板に対する処理能力を高めるために電極４に供給する高周波電力（ＲＦ電力）を大きすると、プラズマはバッファ室２内（放電室）のみでなく、処理室１全域に渡って生成される。これは、電極４に供給する高周波電力を大きくすると、電極４と処理室１周辺の導電性部材（例えばシールフランジ１２やヒーター素線、カバー１０など）との間に生じる高周波電界（ＲＦ電界）が大きくなるため、放電がバッファ室２内のみならず、処理室１内全域に渡っても起こり、その結果、処理室１全域に渡ってプラズマが生成されることが原因である。基板付近でプラズマが生成されると、中性のラジカル（活性種）だけでなく、高エネルギーなイオンも基板に達する。前記高エネルギーなイオンは、すでに基板上に生成されている回路素子等に電荷を与え（チャージアップ）て前記回路素子を破壊したり、また、高エネルギーなプラズマが基板に衝突することで、基板に物理的なダメージを与えたりし、良好な基板処理が阻害される原因となる。
明細書、特許請求の範囲、図面および要約書を含む２００３年３月４日提出の日本国特許出願２００３−５６７７２号の開示内容全体は、そのまま引用してここに組み込まれる。
【産業上の利用可能性】  以上のように、本発明の一態様によれば、基板付近でプラズマが生成されない状態で基板処理を行うことができる。また、本発明の他の態様によれば、基板処理速度を向上させることができる。
その結果、本発明は、半導体ウエハを処理する基板処理装置およびそれを使用するデバイスの製造方法に特に好適に利用できる。
【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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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【国際調査報告】
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