(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
反応ガス導入部と排気口と基板保持体を備えた反応容器と、この反応容器の内部に前記反応ガス導入部を介して反応ガスを供給する反応ガス供給機構と、前記排気口を介して前記反応容器の内部を排気し減圧状態に保持する排気機構と、前記反応容器内に処理用プラズマを生成するためのプラズマ生成機構を備え、前記基板保持体の上に置かれた基板を前記プラズマで処理するようにしたプラズマ処理装置において、
前記プラズマ生成機構は、前記基板保持体に対して同心状に設けられた少なくとも２つのコイルと、これらのコイルに電力を供給する電力供給源とを含み、
少なくとも１つの前記コイルは前記反応容器の内部に配置され、他の少なくとも１つの前記コイルは前記反応容器の外側に配置され、
前記反応容器の内部に配置される前記コイルの径は前記基板の径よりも大きく、
前記反応容器の外側に配置される前記コイルの径は、前記反応容器の内部に配置される前記コイルの径よりも小さく、
外側の前記コイルに対応する前記反応容器の壁部に誘電体窓が設けられ、前記反応容器における前記誘電体窓の大きさは、外側の前記コイルの径の小径化に伴って小さいままに維持され、
少なくとも２つの前記コイルに供給された前記電力で各コイルは前記反応容器内に誘導電界を生成し、前記反応容器内で生成される誘導電界は少なくとも２つの前記コイルによる誘導電界の組み合わせで作られる、
ことを特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項２】
前記電力供給源に対して少なくとも２つの前記コイルは直列または並列に接続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。
【請求項３】
前記反応容器の内部に配置された前記コイルと前記基板保持体およびその上方空間との間に誘電体製膜付着防止壁を設けたことを特徴とする請求項１または２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、プラズマを利用した薄膜形成やエッチングに適したプラズマ処理装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体装置の製造工程において、プラズマアシストによる薄膜形成やエッチングを行うため、プラズマ処理装置が用いられている。近年、このプラズマ処理装置のプラズマ発生機構として、高いプラズマ密度を得られる環状のコイルを用いた誘導結合型プラズマ発生機構が用いられる。この誘導結合型プラズマ発生機構では、基板を処理するための反応容器の外側に環状コイルを配置し、当該反応容器の内部に効率よく誘導電界を生成するため、反応容器における環状コイルに面した壁部の一部に石英ガラス等の誘電体窓が形成されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
従来のプラズマ処理装置では、被処理基板の径の大形化に伴って反応容器の外部に設けられた環状コイルの径を大きくする必要があった。さらに、環状コイルの径が大きくなるにつれて、誘電体窓を大きくする必要があった。しかしながら、誘電体の１つである例えば石英ガラスは、通常の反応容器素材であるステンレス材と比較すると、機械的に脆弱であり、さらに熱膨脹率がステンレス材と異なるため、誘電体窓を所望の大きさに大型化して作ることが困難であるという問題が提起されていた。
【０００４】
また他面で、通常の誘導結合型プラズマ発生機構で用いられていた一巻きの環状のコイルでは、反応容器の外部に配置されるため、反応容器内に生成される誘導電界の均一性が悪く、そのため基板上のプラズマ処理の均一性が悪いという問題があった。
【０００５】
本発明の目的は、上記の問題を解決することにあり、誘電体窓の大きさを相対的に小さく維持したままで基板の大形化に適応させることができ、誘導電界を効率よく生成して均一性の良好なプラズマを生成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。
【０００６】
【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、反応ガス導入部と排気口と基板保持体を備えた反応容器と、この反応容器の内部に反応ガス導入部を介して反応ガスを供給する反応ガス供給機構と、排気口を介して反応容器の内部を排気し減圧状態に保持する排気機構と、反応容器内に処理用プラズマを生成するためのプラズマ生成機構を備え、基板保持体の上に置かれた基板をプラズマで処理する装置であり、さらに、上記のプラズマ生成機構が、基板保持体に対して同心状に設けられた少なくとも２つのコイルと、これらのコイルに電力を供給する電力供給源とを含み、少なくとも１つのコイルは反応容器の内部に配置され、他の少なくとも１つのコイルは反応容器の外側に配置され、反応容器の内部に配置されるコイルの径は基板の径よりも大きく、反応容器の外側に配置されるコイルの径は、反応容器の内部に配置されるコイルの径よりも小さく、外側のコイルに対応する反応容器の壁部に誘電体窓が設けられ、反応容器における誘電体窓の大きさは、外側のコイルの径の小径化に伴って小さいままに維持され、少なくとも２つのコイルに供給された電力で各コイルは反応容器内に誘導電界を生成し、反応容器内で生成される誘導電界は少なくとも２つのコイルによる誘導電界の組み合わせで作られる、ように構成される。これによってプラズマ生成機構として基板の径よりも大きな径のコイルを反応容器内に設けかつ反応容器内に配置されるコイルの径よりも小さい径のコイルを反応容器外に設けた構成は、大きな径のコイルを１つだけ反応容器の外側に配置した従来装置の構成に比較して、機械的に脆弱な誘電体窓の径を相対的に小さくすることができる。さらに、反応容器の内外で同心円状に配置された２つの一巻きコイルを設けることによって、従来装置の一巻きのコイルを設けた場合に比較して、反応容器内における誘導電界の均一性を向上することができる。
【０００７】
第１の発明の構成では、プラズマ生成機構に含まれる、反応容器内に誘導電界を与えるためのコイルを、大きな径のコイルと小さい径のコイルの少なくとも２つから構成し、大きな径のコイルを反応容器内に、小さな径のコイルを反応容器外にそれぞれ設け、２つのコイルを基板保持体に対して同心円的な位置関係にて配置することで、誘電体窓の大きさを相対的に小さいままに維持することができ、２つのコイルの組み合わせにより誘導電界を効率的に反応容器内に与えることが可能となる。さらにこの構成では、反応容器の壁部における誘電体窓の大きさを相対的に大きくする必要がないので、反応容器の強度を高く保つことができる。
【０００８】
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、第１の発明において、好ましくは、電力供給源に対して少なくとも２つのコイルは直列または並列に接続されることを特徴とする。
【０００９】
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、第１または第２の発明において、好ましくは、反応容器の内部に配置されたコイルと基板保持体およびその上方空間との間に誘電体製膜付着防止壁を設けるように構成される。この構成では、反応容器内部に配置したコイルへの不必要な成膜を防止することができる。
【００１０】
【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。
【００１１】
図１は本発明に係るプラズマ処理装置の代表的な実施形態を示し、反応容器の内外の構成を概略的に示している。図１において、反応容器１１は、その上壁に反応ガスを反応容器１１内に導入するための反応ガス導入部１２を備え、その下壁に排気口１３を備えている。反応容器１１の外側に設けられたよく知られた反応ガス供給機構（図示せず）から供給された反応ガスは、反応ガス導入部１２を通って反応容器１１の内部に導入される。また反応容器１１の外側に設けられたよく知られた排気機構（図示せず）によって上記排気口１３を通して反応容器内の未反応ガスや副生成ガスが排気される。反応容器１１の内部は所要の減圧状態に保持されている。
【００１２】
反応容器１１の内部には、その下壁の箇所に、基板保持体１４が配置される。基板保持体１４は、反応容器１１の外側に配置されたバイアス用電力供給機構１５に接続され、所要のバイアス電位に保持されている。基板保持体１４の上には、被処理物である基板１６が配置される。さらに基板保持体１４の上方の空間には、基板保持体１４や基板１６に対して同心円的な位置関係に定められた一巻きのコイル１７が配置されている。コイル１７の支持機構には、望ましい任意の構造を採用できるので、その図示を省略している。コイル１７は、反応容器１１の外側に配置された電力供給機構１８に接続されている。電力供給機構１８によりコイル１７に対して高周波（ＲＦ）の電流が供給されると、反応容器１１の内部に誘導電界が生成される。この誘導電界は基板１６の上方空間およびその周辺領域において生成される。そのため、反応容器１１内のコイル１７の径は、処理されるべき基板１６の径よりも必要なだけ大きくなるように設計されている。
【００１３】
また、基板保持体１３および基板１６の周囲の位置であって、かつコイル１７と反応ガス導入部１２との間の位置には、例えば円筒形の誘電体防止壁１９が配置される。誘電体防止壁１９を支持する構造は望ましい任意の構造とすることができるので、その図示を省略している。この誘電体防止壁１９は、基板保持体１４の上方空間に生成されたプラズマに基づく成膜物質でコイル１７の表面に膜が不必要に堆積するのを防止する働きを有する。誘電体防止壁１９は基板保持体１４、基板１６、およびプラズマが生成される基板保持体の上方空間を囲むように配置されている。
【００１４】
さらに反応容器１１の外側には、まず反応容器１１の上壁の外側に、基板保持体１４の軸心に関して同心円となるように、上記コイル１７に比較して相対的に径の小さい一巻きの環状コイル２０が配置される。反応容器１１の外側のコイル２０も、電力供給機構１８に接続されている。コイル２０に対応する反応容器１１の上壁の部分には好ましくは円板状の誘電体窓２１が形成されている。誘電体窓２１は、コイル２０と基板１６の間に位置する。誘電体窓２１の径はコイル２０の径よりも大きくなっており、コイル２０の反応容器１１への投影は誘電体窓２１に含まれる。反応容器１１の外側にあるコイル２０と、前述の反応容器内のコイル１７とによって、反応容器１１内に誘導電界を効率よく生成することが可能となる。
【００１５】
上記のごとき反応容器内外に設けた２つのコイル１７，２０と、これらのコイルに電力を供給する電力供給機構１８とによってプラズマ処理装置のプラズマ生成機構が構成される。本実施形態では、反応容器内外に設けられた２つのコイル１７，２０の組み合わせを利用して反応容器１１内に誘導電界を効率的に与えるようにし、当該反応容器１１内に成膜用プラズマを生成するようにした。プラズマ生成機構として相対的に大きな径のコイル１７を反応容器内に設けかつ相対的に小さい径のコイル２０を反応容器外に設けた本実施形態の構成は、大きな径のコイルを１つだけ反応容器の外側に配置した従来装置の構成に比較して、機械的に脆弱な誘電体窓の径を相対的に小さくすることができる。さらに、反応容器１１の内外で同心円状に配置された２つの一巻きコイル１７，２０を設けることによって、従来装置の一巻きのコイルを設けた場合に比較して、反応容器１１内における誘導電界の均一性を向上することができる。
【００１６】
なお反応容器１１の側壁の周囲には、反応容器内で生成されたプラズマの拡散状態を制御するための磁石２２が配置されている。この構成によって、基板１６の表面に垂直な静磁界を生成させ、基板１６を処理するプラズマの密度を高くすることができる。
【００１７】
共通の電力供給機構１８に対する２つのコイル１７，２０の接続関係については次のような構成を採用できる。第１の接続構成は、図２に示されるように、コイル１７，２０を直列に接続する構成である。第２の接続構成は、図３に示されるように、コイル１７，２０を並列に接続した構成である。並列接続の場合には、２つのコイルに流れる電流が同相になるようにするために、位相調整器２３が接続される。また図２および図３に示される接続構成では、接地端にコンデンサ２４を設けている。これは、コイルが直流的に接地されないようにすることにより、供給された電力を効率的に誘導電界の生成に使用できるようにするためである。なお、２つのコイル１７，２０の各々は、前述の実施形態では分割されることなく全体として一巻き状にて環形状に作られていたが、図４の符号１７′，２０′で指摘されたコイルに示すごとく分割して形成し、全体として環状にすることも可能である。
【００１８】
上記構成を有するプラズマ処理装置の具体的な例を説明する。基板１６には直径２００ｍｍのＳｉ基板を使用し、反応容器１１内のコイル１７に直径３００ｍｍのもの、反応容器１１外のコイル２０に直径１００ｍｍのものをそれぞれ使用した。２つのコイル１７，２０は直列に接続され、電力供給機構１８からは周波数１３．５６ＭＨｚで２．５ｋＷの電力が供給された。誘電体窓２１には石英ガラスを使用し、その直径は１５０ｍｍである。また基板保持体１４には、電力導入機構１５から１３．５６ＭＨｚ、２．５ｋＷのバイアス電力を供給した。さらに、反応ガス供給機構によってＳｉＨ4 を１００sccm、Ｏ2 を１００sccm、それぞれ導入した。以上の結果、基板１６の表面にＳｉＯ2 を成膜し、基板１６の表面の全体に設けた直径０．２５μｍ、深さ１μｍの穴を５％のばらつきで均一性よく埋め込むことができた。
【００１９】
前述の実施形態では反応容器１１の内外にそれぞれ一巻きコイルを１つずつ設けるようにしたが、反応容器１１の内外のそれぞれに一巻きのコイルを２以上設けることも可能である。また各コイルの巻き数を増すことも可能である。
【００２０】
前述の実施形態ではＳｉＯ2 のＣＶＤ成膜の例を説明したが、本発明によるプラズマ処理装置の構成は、他のＣＶＤやエッチング、膜改質などのプラズマ処理に適用することができる。
【００２１】
【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、プラズマ生成機構に含まれる誘導電界を生成するためのコイルを反応容器の内外に配置された少なくとも２つのコイルで構成し、相対的に内側のコイルの径を大きくしかつ外側のコイルの径を小さくし、かつ外側コイルに対応する誘電体窓の径を小さく形成したため、反応容器内に効率的に誘導電界を生成でき、プラズマ処理装置で処理される基板の径が大形化しても、基板上にプラズマ処理を均一性よく行うことができると共に、反応容器の壁部に設けられる誘電体窓の面積を小さくすることができるので、反応容器の強度を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るプラズマ処理装置の代表的実施形態を示す構成図である。
【図２】２つのコイルを直列に接続した構成図である。
【図３】２つのコイルを並列に接続した構成図である。
【図４】コイルを分割した構成を示す図である。
【符号の説明】
１１                  反応容器
１２                  反応ガス導入部
１３                  排気口
１４                  基板保持体
１５                  バイアス用電力供給機構
１６                  基板
１７，２０            コイル
１８                  電力供給機構
１９                  誘電体防止壁
２１                  誘電体窓
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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