特許 7740822 プラズマ処理装置及び成膜方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2025-09-08

(45)【発行日】2025-09-17

(54)【発明の名称】プラズマ処理装置及び成膜方法

(51)【国際特許分類】

   H01L 21/31 20060101AFI20250909BHJP

   H01L 21/318 20060101ALI20250909BHJP

   C23C 16/505 20060101ALI20250909BHJP

   H05H 1/46 20060101ALI20250909BHJP

【ＦＩ】

H01L21/31 C

H01L21/318 B

C23C16/505

H05H1/46 M

【請求項の数】 7

(21)【出願番号】P 2021131063

(22)【出願日】2021-08-11

(65)【公開番号】P2023025751

(43)【公開日】2023-02-24

【審査請求日】2024-05-13

(73)【特許権者】

【識別番号】000219967

【氏名又は名称】東京エレクトロン株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100107766

【弁理士】

【氏名又は名称】伊東 忠重

(74)【代理人】

【識別番号】100070150

【弁理士】

【氏名又は名称】伊東 忠彦

(72)【発明者】

【氏名】松浦 廣行

(72)【発明者】

【氏名】安藤 武

(72)【発明者】

【氏名】小林 健

【審査官】岩本 勉

(56)【参考文献】

【文献】国際公開第２０１６／１４７２９６（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開２０１５－１９８１１１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０２０－１５５７２９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００９－０７６８７６（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２０１５／０２７５３５９（ＵＳ，Ａ１）

【文献】米国特許出願公開第２００９／００５６８７７（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０１Ｌ ２１／３１

Ｈ０１Ｌ ２１／３１８

Ｃ２３Ｃ １６／５０５

Ｈ０５Ｈ １／４６

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

基板に膜を成膜するプラズマ処理装置であって、
処理容器内に設けられた反応管と、
基板を保持し、前記反応管内に搬入及び搬出されるボートと、
前記反応管に連通し、ガスからプラズマを生成するプラズマ生成部と、
前記プラズマ生成部に前記ガスを供給するガス供給部と、
前記プラズマ生成部を挟むように設置され、電極を有する電極設置部と、
前記電極に接続され、前記電極に高周波を供給するＲＦ電源と、
前記電極設置部内に前記電極と離間して設けられたコイルと、
前記コイルに接続され、前記コイルに直流電流を供給する直流電源と、
を有し、
前記電極は、前記電極設置部の内部に対向して設置され、
前記コイルは、対向する前記電極と並んで１以上設置される、プラズマ処理装置。

【請求項2】

基板に膜を成膜するプラズマ処理装置であって、
処理容器内に設けられた反応管と、
基板を保持し、前記反応管内に搬入及び搬出されるボートと、
前記反応管に連通し、ガスからプラズマを生成するプラズマ生成部と、
前記プラズマ生成部に前記ガスを供給するガス供給部と、
前記プラズマ生成部を挟むように設置され、電極を有する電極設置部と、
前記電極に接続され、前記電極に高周波を供給するＲＦ電源と、
前記電極設置部内に前記電極と離間して設けられたコイルと、
前記コイルに接続され、前記コイルに直流電流を供給する直流電源と、
を有し、
前記電極は、前記電極設置部の内部に対向して設置され、
前記コイルは、対向する前記電極の両側に複数設置される、プラズマ処理装置。

【請求項3】

前記プラズマ生成部は、前記反応管から矩形状に突出し、
前記電極設置部は、前記矩形状に突出するプラズマ生成部のプラズマ区画壁に沿って設けられる、
請求項１又は２に記載のプラズマ処理装置。

【請求項4】

前記コイルは、前記プラズマ生成部の対向するプラズマ区画壁に沿って１以上巻回される、
請求項３に記載のプラズマ処理装置。

【請求項5】

前記コイルは、少なくとも１つが前記電極よりも前記反応管側に設置される、
請求項１～４のいずれか１項に記載のプラズマ処理装置。

【請求項6】

請求項１～５のいずれか一項に記載のプラズマ処理装置における基板の成膜方法であって、
（ａ）基板を、窒素含有ガスから生成されたプラズマに曝露する工程と、
（ｂ）前記基板を、シリコンを含む成膜ガスに暴露する工程と、
（ｃ）前記基板を、水素ガスから形成されたプラズマに曝露する工程と、
（ｄ）前記工程（ａ）から前記工程（ｃ）までをこの順で繰り返す工程と、を有し、
前記工程（ａ）及び前記工程（ｃ）において前記プラズマを生成する際、前記プラズマ生成部に沿って配置された前記電極設置部に設けられた前記電極に高周波を供給し、前記電極設置部に設けられた前記コイルに直流電流を供給する、成膜方法。

【請求項7】

前記工程（ａ）と前記工程（ｂ）との間、及び前記工程（ｂ）と前記工程（ｃ）との間に前記反応管内をパージする工程を有する、
請求項６に記載の成膜方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、プラズマ処理装置及び成膜方法に関する。

【背景技術】

【0002】

成膜工程時、プラズマ処理装置の内壁等に所望膜が付着し、堆積する。所望膜の累積膜厚が予め設定された閾値を超えると、膜が剥がれ、累積膜厚に比例して基板上に発生するパーティクル量が増加する。

【0003】

基板上に発生するパーティクル量が管理値を超えないように、予め決められた累積膜厚に達した時点で、プラズマ処理装置の内壁に堆積した膜をドライクリーニングにより除去する。生産性を高めるためには、一のドライクリーニングから次のドライクリーニングまでの期間、つまり、ドライクリーニングサイクルを可能な限り長くすることが望まれる。

【0004】

基板上に発生するパーティクルは、プラズマ生成部から発生するものが多い。基板上に発生するパーティクルを減少させる方法の一つとして、例えば、特許文献１は、成膜された膜中に発生する応力を制御する方法を提案する。ただし、成膜工程にこの膜応力制御工程を含めることで生産性の低下が懸念される。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【文献】特許第４６０７６３７号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

本開示は、プラズマ密度を高める技術を提供する。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本開示の一の態様によれば、基板に膜を成膜するプラズマ処理装置であって、処理容器内に設けられた反応管と、基板を保持し、前記反応管内に搬入及び搬出されるボートと、前記反応管に連通し、ガスからプラズマを生成するプラズマ生成部と、前記プラズマ生成部に前記ガスを供給するガス供給部と、前記プラズマ生成部を挟むように設置され、電極を有する電極設置部と、前記電極に接続され、前記電極に高周波を供給するＲＦ電源と、前記電極設置部内に前記電極と離間して設けられたコイルと、前記コイルに接続され、前記コイルに直流電流を供給する直流電源と、を有し、前記電極は、前記電極設置部の内部に対向して設置され、前記コイルは、対向する前記電極と並んで１以上設置される、プラズマ処理装置が提供される。

【発明の効果】

【0008】

一の側面によれば、プラズマ密度を高めることができる。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】実施形態に係る熱処理装置の一例を示す断面模式図。

【図2】実施形態に係る電極設置部の一例を示す断面模式図（図３のＢ－Ｂ断面）。

【図3】図１のＡ－Ａ断面を示す図。

【図4】実施形態に係るコイルの立体概略図。

【図5】実施形態に係るコイルがつくる磁場の発生予想図。

【図6】実施形態に係る電極設置部の他の例を示す断面模式図。

【図7】実施形態に係る成膜方法の一例を示すフローチャート。

【発明を実施するための形態】

【0010】

以下、図面を参照して本開示を実施するための形態について説明する。各図面において、同一構成部分には同一符号を付し、重複した説明を省略する場合がある。

【0011】

［熱処理装置］
図１を参照しながら、実施形態のプラズマ処理装置の一例としてプラズマ生成部を有する熱処理装置について説明する。図１は、実施形態の熱処理装置の一例を示す概略図である。

【0012】

熱処理装置１は、処理容器１０と反応管３とを有する。処理容器１０は、略円筒形状を有する。反応管３は、処理容器１０の内側に配置される。反応管３は、有天井の略円筒形状を有する。反応管３は、例えば石英等の耐熱材料により形成されている。反応管３は基板を収容する。熱処理装置１は、反応管３と処理容器１０とにより二重構造となっている。

【0013】

熱処理装置１は、マニホールド１３、インジェクタ１４、１５、蓋体１６、ガス出口１９等を有する。マニホールド１３は、略円筒形状を有する。マニホールド１３は、反応管３の下端を支持する。マニホールド１３は、例えばステンレス鋼により形成されている。

【0014】

マニホールド１３の下方から多数枚（例えば、２５枚～１５０枚）の基板Ｗを多段に載置したボート１８が反応管３内に挿入（ロード）される。このように反応管３内には、成膜時、上下方向に沿って間隔を有して多数枚の基板Ｗが略水平に収容される。ボート１８は、例えば石英により形成されている。ボート１８は、３本のロッド６を有し（図１では２本のみ表示）、ロッド６に形成された溝（図示せず）により多数枚の基板Ｗが支持される。基板Ｗは、例えば半導体ウエハであってよい。なお、ボート１８が反応管３内に搬入（ロード）され、基板Ｗに所望膜が形成された後、ボート１８は反応管３から搬出（アンロード）される。

【0015】

ボート１８は、石英により形成された保温筒１７を介してテーブル５上に載置されている。テーブル５は、マニホールド１３の下端の開口を開閉する金属（ステンレス）製の蓋体１６を貫通する回転軸７上に支持される。

【0016】

回転軸７の貫通部には、磁性流体シールが設けられており、回転軸７を気密に封止し、且つ回転可能に支持している。蓋体１６の周辺部とマニホールド１３の下端との間には、処理容器１０内の気密性を保持するためのシール部材８が設けられている。

【0017】

回転軸７は、例えばボートエレベータ等の昇降機構（図示せず）に支持されたアーム２の先端に取り付けられており、ボート１８と蓋体１６とは一体として昇降し、処理容器１０内に対して挿脱される。なお、テーブル５を蓋体１６側へ固定して設け、ボート１８を回転させることなく基板Ｗに処理を行うようにしてもよい。

【0018】

熱処理装置１は、処理容器１０内へ処理ガス、パージガス等の所定のガスを供給するガス供給部２０を有する。ガス供給部２０は、ガス供給管であるインジェクタ１４、１５を有する。インジェクタ１４、１５は、例えば石英により形成されており、マニホールド１３の側壁を内側へ貫通して上方へ屈曲されて垂直方向に延びる。インジェクタ１４、１５の垂直部分には、ボート１８の基板支持範囲に対応する上下方向の長さに亘って、それぞれ複数のガス孔１４ａ、１５ａが所定間隔で形成されている。各ガス孔１４ａ、１５ａは、水平方向にガスを吐出する。インジェクタ１４、１５は、例えば石英により形成されており、マニホールド１３の側壁を貫通して設けられた石英管からなる。なお、図１の例では、インジェクタ１４、１５が１本の場合を示しているが、インジェクタ１４、１５は複数本であってもよい。

【0019】

インジェクタ１４には、ガス配管を介して原料ガス供給源２１から成膜のためのシリコン含有ガスが供給される。本実施形態では、ジクロロシラン（ＳｉＨ_２Ｃｌ_２）が供給される例を挙げて説明するが、シリコン含有ガスはこれに限らない。ガス配管には、流量制御器２２及び開閉弁Ｖ０が設けられている。ジクロロシランは、原料ガス供給源２１から出力され、流量制御器２２にてその流量を制御されて、開閉弁Ｖ０の開閉により反応管３内への供給がオン・オフされる。

【0020】

インジェクタ１５は、その垂直部分がプラズマ生成部６０内に設けられている。インジェクタ１５には、ガス配管を介してアンモニアガス供給源２３からアンモニア（ＮＨ_３）ガスが供給される。ガス配管には、流量制御器２５及び開閉弁Ｖ１が設けられている。ＮＨ_３ガスは、アンモニアガス供給源２３から出力され、流量制御器２５にてその流量を制御されて、開閉弁Ｖ１の開閉によりプラズマ生成部６０内への供給がオン・オフされる。ＮＨ_３ガスは、プラズマ生成部６０にてプラズマ化されて反応管３内に供給される。また、インジェクタ１５には、ガス配管を介して水素ガス供給源２４から水素（Ｈ_２）ガスが供給される。ガス配管には、流量制御器２５及び開閉弁Ｖ２が設けられている。Ｈ_２ガスは、水素ガス供給源２４から出力され、流量制御器２５にてその流量を制御されて、開閉弁Ｖ２の開閉によりプラズマ生成部６０内への供給がオン・オフされる。Ｈ_２ガスは、プラズマ生成部６０においてプラズマ化されて反応管３内に供給される。

【0021】

図示していないが、ガス配管を介してパージガス供給源からパージガスを供給するインジェクタを設けてもよい。ガス配管には、流量制御器及び開閉弁が設けられている。これにより、パージガスは、パージガス供給源からガス配管を介して、所定の流量で反応管３内に供給される。パージガスとしては、例えば窒素（Ｎ_２）、アルゴン（Ａｒ）等の不活性ガスを利用できる。なお、パージガスは、インジェクタ１４，１５の少なくとも１つから供給してもよい。本実施形態では、パージガスは、インジェクタ１４，１５から供給される。係る構成により、ガス供給部２０は、プラズマ生成部６０内にアンモニアガス、水素ガス及びパージガスを供給する。また、ガス供給部２０は、反応管３内にジクロロシラン及びパージガスを供給する。処理ガスは、例えば成膜ガス、クリーニングガス、パージガスを含む。本実施形態において、成膜ガスは、窒化シリコン（ＳｉＮ）膜を成膜するために用いられるガスであり、ジクロロシラン等のシリコン含有ガス、アンモニアガス及び水素ガスを含む。

【0022】

更に熱処理装置１は、排気部３０、加熱部４０、冷却部５０、制御装置９０等を有する。処理容器１０内に供給される処理ガスは、ガス出口１９を介して排気部３０により排気される。ガス出口１９は、マニホールド１３に形成されている。排気部３０は、排気装置３１、排気配管３２及び圧力制御器３３を含む。排気装置３１は、例えばドライポンプ、ターボ分子ポンプ等の真空ポンプである。排気配管３２は、ガス出口１９と圧力制御器３３と排気装置３１とを接続する。圧力制御器３３は、排気配管３２に介設されており、排気配管３２のコンダクタンスを調整することにより処理容器１０内の圧力を制御する。圧力制御器３３は、例えば自動圧力制御バルブである。

【0023】

加熱部４０は、断熱材４１、ヒータ４２及び外皮４３を含む。断熱材４１は、略円筒形状を有し、外管１２の周囲に設けられている。断熱材４１は、シリカ及びアルミナを主成分として形成されている。ヒータ４２は、発熱体の一例であり、断熱材４１の内周に設けられている。ヒータ４２は、処理容器１０の高さ方向に複数のゾーンに分けて温度制御が可能なように処理容器１０の側壁に線状又は面状に設けられている。外皮４３は、断熱材４１の外周を覆うように設けられている。外皮４３は、断熱材４１の形状を保持すると共に断熱材４１を補強する。外皮４３は、ステンレス鋼等の金属により形成されている。また、加熱部４０の外部への熱影響を抑制するために、外皮４３の外周に水冷ジャケット（図示せず）を設けてもよい。係る加熱部４０は、ヒータ４２に供給されるパワーによりヒータ４２の発熱量が決まり、これにより、処理容器１０内を所望の温度になるまで加熱する。

【0024】

冷却部５０は、処理容器１０に向けて冷却流体を供給し、処理容器１０内のウエハＷを冷却する。冷却流体は、例えば空気であってよい。冷却部５０は、例えば熱処理の後にウエハＷを急速降温させる際に処理容器１０に向けて冷却流体を供給する。冷却部５０は、流体流路５１、吹出孔５２、分配流路５３、流量調整部５４、排熱口５５を有する。

【0025】

流体流路５１は、断熱材４１と外皮４３との間に高さ方向に複数形成されている。流体流路５１は、例えば断熱材４１の外側に周方向に沿って形成された流路である。吹出孔５２は、各流体流路５１から断熱材４１を貫通して形成されており、外管１２と断熱材４１との間の空間に冷却流体を吹き出す。

【0026】

分配流路５３は、外皮４３の外部に設けられており、冷却流体を各流体流路５１に分配して供給する。流量調整部５４は、分配流路５３に介設されており、流体流路５１に供給される冷却流体の流量を調整する。

【0027】

排熱口５５は、複数の吹出孔５２よりも上方に設けられており、外管１２と断熱材４１との間の空間に供給された冷却流体を熱処理装置１の外部に排出する。熱処理装置１の外部に排出された冷却流体は、例えば熱交換器により冷却されて再び分配流路５３に供給される。ただし、熱処理装置１の外部に排出された冷却流体は、再利用されることなく排出されてもよい。

【0028】

制御装置９０は、熱処理装置１の動作を制御する。制御装置９０は、例えばコンピュータであってよい。熱処理装置１の全体の動作を行うコンピュータのプログラムは、記憶媒体に記憶されている。記憶媒体は、例えばフレキシブルディスク、コンパクトディスク、ハードディスク、フラッシュメモリ、ＤＶＤ等であってよい。

【0029】

［プラズマ生成部及び電極設置部］
反応管３の側壁の一部には、プラズマ生成部６０が形成されている。プラズマ生成部６０は、反応管３に設けられた開口８１を介して反応管３に連通する。プラズマ生成部６０及び電極設置部の構成の一例について、図１に加え、図２及び図３を参照しながら説明する。図２は、実施形態に係る電極設置部７０の一例を示す断面模式図であり、図３のＢ－Ｂ断面及び整合回路２７、ＲＦ電源２８、直流電源６３を示す。図３は、図１のＡ－Ａ断面を示す図である。

【0030】

図１～図３に示すように、プラズマ生成部６０は、反応管３の側壁の一部に反応管３の長手方向（垂直方向）に沿って設けられ、ガスからプラズマを生成する。図３を参照すると、プラズマ生成部６０は、反応管３の長手方向に沿って反応管３から矩形状に突出するプラズマ区画壁６０ａ（図４参照）を有する。プラズマ区画壁６０ａは、反応管３に溶接され、プラズマ生成部６０の内部空間は開口８１（図１、図３参照）を介して反応管３に連通している。

【0031】

図３に示すように、反応管３内にはシリコンプリカーサー（例えばジクロロシラン ＳｉＨ_２Ｃｌ_２）供給用のインジェクタ１４が設置される。ガス供給部２０の原料ガス供給源２１は、垂直方向に複数形成されたガス孔１４ａから反応管３内にジクロロシランガスを供給する。

【0032】

プラズマ生成部６０の内部には、ＮＨ_３ガス及びＨ_２ガス供給用のインジェクタ１５が設置される。ガス供給部２０のアンモニアガス供給源２３は、垂直方向に複数形成されたガス孔１５ａからプラズマ生成部６０内にＮＨ_３ガスを供給し、水素ガス供給源２４は、垂直方向に複数形成されたガス孔１５ａからプラズマ生成部６０内にＨ_２ガスを供給する。

【0033】

開口８１に対向する反応管３の側壁下部には、反応管３内を真空排気するための排気口１９（図１、図３参照）が設けられ、インジェクタ１４，１５から供給されたガスを排気する。

【0034】

図３に示すように、電極設置部７０は、プラズマ生成部６０を挟むように設置され、内部に高周波電極２６及びコイル６１，６２を有する。電極設置部７０は、プラズマ生成部６０のプラズマ区画壁６０ａのうち、対向するプラズマ区画壁６０ａ１、６０ａ２に隣接して設けられる。２枚で１対の高周波電極２６はプラズマ生成部６０を挟むようにプラズマ生成部６０の両側の壁６０ａ１、６０ａ２に設置される。プラズマ生成部６０は真空空間であり、電極設置部７０は大気空間である。

【0035】

図２には、プラズマ生成部６０の一方の電極設置部７０に設けられた高周波電極２６及びコイル６１、６２を示す。図２に示すように、高周波電極２６は、対向するプラズマ区画壁６０ａ１、６０ａ２（以下、壁６０ａ１、６０ａ２ともいう。）の一方に沿って長手方向に延在している。高周波電極２６は、他方の電極設置部７０にて壁６０ａ１、６０ａ２の他方に沿って長手方向に延在している高周波電極２６と一対となっている。コイル６１、６２は壁６０ａ１、６０ａ２に沿って巻回される（図４参照）。

【0036】

一対の高周波電極２６は、整合回路２７を介してＲＦ電源２８に接続され、ＲＦ電源２８から高周波（ＲＦ）を供給される。プラズマ生成部６０は、高周波の電力によりＮＨ_３ガスをプラズマ化してプラズマ生成部６０内にて膜を窒化するための活性種を生成する。また、プラズマ生成部６０は、高周波の電力によりＨ_２ガスをプラズマ化してプラズマ生成部６０内にて水素（Ｈ）ラジカルを生成する。

【0037】

コイル６１、６２は、高周波電極２６と離間して設けられている。図２に示すように、コイル６１、６２は直流電源６３に接続される。直流電源６３は、コイル６１、６２に直流電流を供給する。

【0038】

図３に示すように、電極設置部７０内には石英等の絶縁部材３６が埋め込まれ、プラズマ区画壁６０ａの対向する壁６０ａ１、６０ａ２に沿って設けられた一対の高周波電極２６とコイル６１，６２とを電気的に絶縁する。

【0039】

コイル６１、６２は、対向する壁６０ａ１、６０ａ２に沿って１以上巻回される。図４は、磁場印加用のコイル６１、６２の立体概略図である。２つのコイル６１、６２は、プラズマ生成部６０の外側に巻かれる。反応管３から遠い方がコイル６１であり、反応管３に近い方がコイル６２である。図４に示すとおりコイル６１とコイル６２はプラズマ生成部６０の下方で連結されており、全体として一体のコイルとなっている。これらのコイルに直流電源６３を接続し、直流電源６３から直流電流を供給する。また、ＲＦ電源２８から高周波電極２６に高周波を印加する。これにより、プラズマを生成するプラズマ生成部６０の内部に磁場を印加する。コイル６１とコイル６２とが分離され、それぞれ個別に専用の直流電源に接続してもよい。図４ではコイル６１、６２は、壁６０ａ１、６０ａ２に沿って１ターン巻かれているが、コイル６１、６２は複数ターン巻かれてもよい。

【0040】

図５は、実施形態に係るコイル６１，６２がつくる磁場の発生予想図を示す。プラズマ生成部６０におけるプラズマ密度を大きくし、必要な反応活性種の生成量の増大化を実現することで成膜時のプラズマ処理工程の時間を短縮できる。そこで、本実施形態では、プラズマ密度を大きくし、反応活性種の生成量を増大させるために、高周波電極２６（平行平板電極）の近傍にコイル６１、６２を設置している。そして、コイル６１、６２に直流電流を流して磁場を発生させる。そして、発生させた磁場を、高周波によりＮＨ_３ガス及びＨ_２ガスから生成したプラズマに作用させる。

【0041】

２つのコイル６１、６２により形成される磁場は、図５に矢印で示す磁場の向きと範囲を有する。図４及び５の例では、直流電流は、手前側のコイル６１、６２を下から上へ流れ、上部で奥側へ流れ、奥側のコイル６１、６２を上から下へ流れる。これにより、図５に示す磁場が生成される。ただし、直流電流の向きは逆でもよい。プラズマＰ中の電子は磁場の影響を受けて円運動（サイクロトロン運動）する。これにより、プラズマＰ中の中性粒子に電子が当たる回数（衝突周波数）を増やすことができる。これにより、高周波電極２６に同じパワーの高周波を供給した場合であっても磁場が形成されている本実施形態では、磁場が形成されていない場合と比べてプラズマＰの密度を高くすることができる。

【0042】

図５に示すａ点、ｂ点およびｃ点は、プラズマ生成部６０の中央部（壁６０ａ１、６０ａ２から略同一距離）に位置する。ａ点は高周波電極２６直下の領域よりインジェクタ１５側に位置する点で、図５に示す手前と奥のコイル６１を繋ぐラインの中間に位置し、コイル６１がつくる磁場の影響を受ける。ｂ点は高周波電極２６直下の領域より反応管３側に位置する点で、手前と奥のコイル６２を繋ぐラインの中間に位置し、コイル６２がつくる磁場の影響を受ける。ｃ点は高周波電極２６直下の領域、すなわち、高周波電極２６間の中央に位置し、コイル６１およびコイル６２がつくる合成された磁場が基板Ｗ側からインジェクタ１５側に向かって発生する。ｃ点での磁場はａ点やｂ点の磁場に比べて小さく、磁場印加の効果が小さい領域である。

【0043】

コイル６１とコイル６２、または、コイル６２のみを設置し、コイルに直流電流を流して発生する磁場をプラズマに印加してプラズマ密度を増加させる。それぞれのコイルの巻き数は１回から１０回程度である。コイルに供給する直流電流は１Ａから１０Ａ程度である。コイル６１，６２のいずれかのみ設置してもよい。ただし、コイル６１，６２のいずれかを設置する場合、基板Ｗから遠い方のコイル６１よりも基板Ｗに近い方のコイル６２を設置することが好ましい。

【0044】

コイル６１、６２はヒータ４２が配置された処理容器１０内に設置されるため、耐熱性が高く導電率が大きい金属材料が使用される。導電率が大きい材料を用いることで大きな磁場を発生させることができる。

【0045】

磁束密度Ｂの磁場中の電子（質量ｍ_ｅ，電荷ｅ）は、磁場に垂直な平面内で一定の角速度（角周波数）ω_ｃ＝ｅＢ／ｍ_ｅで旋回（サイクロトロン）運動をおこなう。ω_ｃをサイクロトロン周波数とよび、これに等しい角周波数の電磁波を共鳴吸収する。この現象は電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ：Electron Cyclotron Resonance）とよばれる。

【0046】

サイクロトロン周波数ω_ｃが高周波周波数ωに等しいとき、電子の速度は時間に正比例し、電子は時間とともに加速される。電子は、高周波電極がつくる電界によりエネルギーを吸収し続けることから、この条件が電子サイクロトロン共鳴となる。

【0047】

たとえば、ＲＦ電源２８から出力されるプラズマ生成用の高周波の周波数を１３．５６ＭＨｚした場合、ｂ点におけるプラズマ中の電子のサイクロトロン周波数をω_ｃ［ｒａｄ／ｓ］する。ω_ｃ／２π＝ｆ_ｃ［ｓ^－１］がＲＦ電源２８の周波数である１３．５６ＭＨｚと一致する磁束密度は０．４８ｍＴである。コイル６２のみを設置し、ｂ点における磁束密度を０．４８ｍＴにするには、コイル６２の巻き数を５回、電流を５Ａ程度流す必要がある。

【0048】

コイル６１、６２に流す電流は、制御装置９０により０Ａ～１０Ａの範囲で任意に設定でき、プラズマの生成条件に対応して最適な磁場が印加できるようにする。コイル６１、６２の電流の大きさは、本実施形態の成膜方法において使用される成膜用のレシピの中で設定可能なプロセスパラメータの一つとして設定可能である。

【0049】

コイルは、電極設置部７０の内部に１以上設置され、最大２つ設けられることができる。ただし、これに限られず、コイルは、インジェクタ１５が設置されるプラズマ区画壁６０ａの壁６０ａ３に沿ってプラズマ生成部６０の外側に取り付けられてもよい。図６は、壁６０ａ３に沿ってプラズマ生成部６０の外側にコイル６４を形成した例を示す。この場合、コイル６１、６２、６４の３つが設けられてもよいし、コイル６１、６２、６４の少なくとも１つが設けられてもよい。

【0050】

また、本実施形態では、図４に示すように、一巻のコイル６１、６２を並べて配置したが、これに限られず、コイル６１、６２のそれぞれを上下に２つに分けて、上部のコイル６１、６２と下部のコイル６１、６２を別々に設けてもよい。

【0051】

プラズマ生成部６０の中央のＲＦ電源２８が対向する位置においてプラズマの密度が最も高くなることが好ましい。そこで、図６に示すように、プラズマ生成部６０の壁６０ａ１、６０ａ２の高周波電極２６の両側に凹みを設け、凹みにコイル６１、６２を配置してもよい。これにより、プラズマ生成部６０の中央のＲＦ電源２８が対向する位置により近接してコイル６１、６２を設けることができる。これにより、プラズマ生成部６０の中央付近に強い磁場を形成し、更にプラズマ密度を高めることができる。

【0052】

［成膜方法］
以上に説明したバッチ式のプラズマ処理装置である熱処理装置１に基板Ｗを投入し、成膜する方法について説明する。本実施形態では、窒化シリコン膜（以下「ＳｉＮ膜」と記す。）のＡＬＤ（Atomic layer deposition）法による成膜工程を行う。ただし、成膜方法はＡＬＤ法による成膜に限らない。例えば、ＣＶＤ法による成膜に適用することができる。

【0053】

成膜工程時に熱処理装置１の処理容器１０の内壁等に堆積したＳｉＮ膜の累積膜厚が予め設定された閾値を超えると、ＳｉＮ膜が剥がれて累積膜厚に比例して基板上に発生するパーティクル量が増加する。例えば、反応管３内を５００℃～６００℃に保持し、プラズマを用いてＡＬＤ法によりＳｉＮ膜を成膜する場合、累積膜厚が１．０μｍ前後でパーティクル増加量の管理値を超える場合がある。

【0054】

基板上に発生するパーティクル量が管理値を超えないように、予め決められた累積膜厚に達した時点で、熱処理装置１の処理容器１０の内壁に成膜されたＳｉＮ膜はドライクリーニングにより除去される。その後、再び決められた累積膜厚に達するまで、ＳｉＮ膜のＡＬＤ法による成膜工程が繰り返し実施される。処理容器１０のドライクリーニングから次のドライクリーニングまでの期間を「ドライクリーニングサイクル」と呼び、通常その長さを累積膜厚（μｍ）であらわす。近年、熱処理装置１の稼働率の向上のためにドライクリーニングサイクルの延長が重要課題の一つとなっている。

【0055】

熱処理装置１におけるＡＬＤ法によるＳｉＮ膜の成膜の場合、基板上に発生するパーティクルは主に基板近傍に設置されたプラズマ生成部６０から発生するものが多い。プラズマ生成部６０に成膜されたＳｉＮ膜が、プラズマの作用によってその一部が剥がれて微小なパーティクルとして基板Ｗの表面に付着すると考えられる。

【0056】

基板Ｗ上に発生するパーティクルを減少させる方法はいくつかあるが、有効な方法の一つとして、成膜されるＳｉＮ膜中に発生する応力を制御する方法がある。この場合、ＳｉＮ膜中に発生する応力を制御するために、ＡＬＤシーケンス（ＡＬＤサイクル）中に水素ラジカルパージ工程（Hydrogen radical purge，ＨＲＰ）を追加する。

【0057】

しかし、ＨＲＰ工程を追加するとＡＬＤサイクル時間が長くなり、生産性が低下するという課題が生じる。そこで、生産性と膜応力制御を両立させるために、言い換えると、ＡＬＤサイクル時間を短縮しつつＨＲＰの効果を維持、向上させるために、プラズマ密度を大きくし、必要な反応活性種の生成量を増大化させることが可能な熱処理装置１を使用して成膜を行う。

【0058】

熱処理装置１を使用したＳｉＮ膜のＡＬＤサイクルは、（１）プラズマアシストを使用したアンモニアガスのプラズマによる窒化、（２）真空パージ、（３）シリコンプリカーサーのフロー、（４）真空パージ、（５）ＨＲＰの順に（１）～（５）工程を繰り返す。なお、（３）シリコンプリカーサーのフローの一例としては、例えばジクロロシランガスを反応管３内に流し、熱反応を生じさせる。（３）ではプラズマは使用しない。

【0059】

生産性を向上させるためには、（１）及び（５）のプラズマを使用する工程の時間を短縮することが有効である。そのために、プラズマ生成部６０におけるプラズマ密度を大きくし、必要な反応活性種の生成量を増大させる。必要な反応活性種の生成量を増大させるために単純に印加する高周波電力を増大させると、それに比例してパーティクルの発生量が増加することが知られている。したがって本実施形態に係る熱処理装置１では、高周波電力を増大させる方法ではなく、生成させた容量結合のプラズマＰに直流磁場を印加することで生産性向上の目的を達成させる。以下、本実施形態に係る成膜方法について、図７を参照しながら説明する。図７は、実施形態に係る成膜方法の一例を示すフローチャートである。図７の成膜方法は、制御装置９０により制御される。

【0060】

本処理が開始されると、制御装置９０は、コイル６１、６２に直流電流を供給し、プラズマ生成部６０に磁場を発生させる。また、インジェクタ１５からＮＨ_３ガスを供給し、高周波電極２６に高周波電力を印加する。これにより、高周波電力によりＮＨ_３ガスからプラズマを生成する。これにより、反応管３内では、プラズマ生成部６０から送り込まれたＮＨ_３ガスのプラズマに基板Ｗを曝露し、基板Ｗ上の膜を窒化させる窒化工程が実行される（工程Ｓ１）。なお、窒素含有ガスはＮＨ_３ガスに限られず、Ｎ_２ガス等であってもよい。

【0061】

次に、制御装置９０は、インジェクタ１４、１５からＡｒガス等の不活性ガスを供給し、排気装置３１により反応管３内を排気し、真空パージ工程を実行する（工程Ｓ３）。

【0062】

次に、制御装置９０は、インジェクタ１４からＳｉＨ_２Ｃｌ_２ガスを反応管３内に流し、熱反応を生じさせる（工程Ｓ５）。このときプラズマは使用しない。これにより、基板Ｗを、シリコンを含む成膜ガスに暴露し、ＳｉＮ膜を成膜する。次に、制御装置９０は、インジェクタ１４、１５からＡｒガス等の不活性ガスを供給し、排気装置３１により反応管３内を排気し、真空パージ工程を実行する（工程Ｓ７）。

【0063】

次に、制御装置９０は、コイル６１、６２に直流電流を供給し、プラズマ生成部６０に磁場を発生させる。また、インジェクタ１５からＨ_２ガスを供給し、高周波電極２６に高周波電力を印加する。これにより、高周波電力によりＨ_２ガスからプラズマを生成し、生成されたＨ_２ガスのプラズマに基板Ｗを曝露する（工程Ｓ９）。これにより、水素ラジカルパージ（ＨＲＰ）工程を実行する。これにより、成膜されたＳｉＮ膜中に発生する応力を制御する。この結果、膜中の応力の制御により基板Ｗ上に発生するパーティクルを減少させることができる。

【0064】

次に、制御装置９０は、インジェクタ１４、１５からＡｒガス等の不活性ガスを供給し、排気装置３１により反応管３内を排気し、真空パージ工程を実行する（工程Ｓ１１）。なお、工程Ｓ１１は省略してもよい。

【0065】

次に、制御装置９０は、予め定められた所定回数繰り返したかを判定する（工程Ｓ１３）。制御装置９０は、所定回数繰り返していないと判定すると、工程Ｓ１に戻り、工程Ｓ１～Ｓ１１の工程をこの順で繰り返す。制御装置９０は、工程Ｓ１３において所定回数繰り返したと判定すると、本処理を終了する。

【0066】

本実施形態に係る成膜方法によれば、工程Ｓ１及び工程Ｓ９にてプラズマを生成する。このとき、プラズマ生成部６０に沿って配置された電極設置部７０に設けられる高周波電極２６に高周波電力を供給し、電極設置部７０に設けられたコイル６１、６２に直流電流を供給する。

【0067】

これにより、成膜性能を維持したまま、工程Ｓ１の時間（窒化時間）を約１０～２０％短縮し、工程Ｓ９の時間（ＨＲＰ時間）を約１０～３０％短縮することができる。成膜性能とは、膜質、膜厚均一性、ＡＬＤサイクルレート（工程Ｓ１～Ｓ１１の１サイクルで生成される膜の厚さ）をいう。

【0068】

また、本実施形態ではコイル６１、６２を配置した熱処理装置１を使用する。これにより、コイル６１、６２を配置しない熱処理装置と比較してドライクリーニングサイクルの時間を、１．５倍程度まで長くすることができる。その結果、熱処理装置１の稼働率を上昇させることができる。また、品質管理のための工数や材料コストの削減が可能となる。

【0069】

以上に説明したように、本実施形態のプラズマ処理装置及び成膜方法によれば、プラズマ生成部６０にて生成するプラズマ密度を高めることができる。また、成膜方法においてパーティクルの発生を抑制しながら、生産性を向上させることができる。例えば、ＡＬＤ法による本実施形態の成膜方法において使用される成膜用のレシピの時間（ＡＬＤサイクル時間）の範囲内で、ＮＨ_３ガスのプラズマによる窒化時間及びＨ_２ガスのプラズマによるＨＲＰ時間を短縮できる。これにより、生産性を向上させつつ、成膜されるＳｉＮ膜中に発生する応力を最適化することでパーティクルの発生を抑制できる。これにより、ドライクリーニングサイクルを現状の１．５倍程度まで長くできる。

【0070】

今回開示された実施形態に係るプラズマ処理装置及び成膜方法は、すべての点において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。実施形態は、添付の請求の範囲及びその主旨を逸脱することなく、様々な形態で変形及び改良が可能である。上記複数の実施形態に記載された事項は、矛盾しない範囲で他の構成も取り得ることができ、また、矛盾しない範囲で組み合わせることができる。

【0071】

本成膜方法はＳｉＮ膜の成膜に限られず、他の成膜時にも使用できる。また、例えば、本成膜方法は所望膜の表面処理にも使用でき、膜の表面状態を変えることができる。例えば、酸化シリコン膜（ＳｉＯ_２）が成膜された基板Ｗをプラズマ処理装置に搬入して、ＮＨ_３ガスのプラズマを生成し、基板Ｗをプラズマ処理すると、酸化シリコン膜の表面が窒化する。実施形態に係るプラズマ処理装置によれば、ＮＨ_３ガスのプラズマの密度を高めることができ、これにより、表面処理の時間を短縮できる。

【符号の説明】

【0072】

１ 熱処理装置
３ 反応管
１０ 処理容器
１４、１５ インジェクタ
２０ ガス供給部
２６ 高周波電極
４０ 加熱部
４２ ヒータ
５０ 冷却部
６０ プラズマ生成部
６１，６２ コイル
７０ 電極設置部
９０ 制御装置

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】