JP6136613B2 - プラズマ処理方法 - Google Patents

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Description

本発明は、処理ガスのプラズマ化によって得られたプラズマを用いて、基板に対してプラズマ処理を行うプラズマ処理方法に関する。
半導体ウエハ（以下「ウエハ」と言う）に例えば酸化シリコン（ＳｉＯ2）膜や窒化シリコン（Ｓｉ3Ｎ4）膜などの薄膜を成膜する手法として、シリコンを含む原料ガスやこの原料ガスと反応する反応ガス（酸化ガスや窒化ガス）などの処理ガスのプラズマ化によって得られたプラズマを利用する方法が知られている。具体的な成膜方法としては、ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法及びＡＬＤ（Ａｔｏｍｉｃ Ｌａｙｅｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法が挙げられる。即ち、ＣＶＤ法の場合には、原料ガスと反応ガスとを気相中でプラズマ化して反応させて、この反応によって生成した反応生成物をウエハ上に堆積させる。一方、ＡＬＤ法では、原料ガスのプラズマと反応ガスのプラズマとをウエハに対して交互に供給して、ウエハの表面にてシリコン成分の吸着と当該シリコン成分の反応とを交互に行う。
このような成膜方法に用いられる成膜装置の一例としては、例えばウエハを載置する載置部を処理容器内に下部電極として設けると共に、この載置部に対向するように上部電極をなすガスシャワーヘッドを配置した構成が挙げられる。そして、処理容器内に処理ガスを供給すると共に、載置部及びガスシャワーヘッドの一方に対して周波数が例えば１３．５６ＭＨｚの高周波電力を供給することにより、処理ガスのプラズマが得られる。
ここで、ウエハの表面にホールや溝などの凹部が形成されている場合、この凹部のＡＲ（アスペクトレシオ）が数十あるいは数百程度もの大きさになると、当該凹部の内壁面では良好な成膜処理が困難になってしまう。即ち、ウエハの水平面（凹部の底面やウエハの上面）と比べて、前記内壁面では薄膜の膜厚が薄くなったり、あるいは薄膜の膜質が悪くなったりしてしまう。
特許文献１には、処理チャンバの外側にダイポールリング磁石を配置した装置が記載されているが、既述の課題については検討されていない。
特開２００７−２８１４１４
本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、表面に凹部が形成された基板に対してプラズマを用いてプラズマ処理を行うにあたり、凹部の内壁面においても基板の水平面と同様なプラズマ処理を行うことのできるプラズマ処理方法を提供することにある。
本発明のプラズマ処理方法は、
基板の載置部をなす下部電極と前記載置部に対向する上部電極とを備えたプラズマ処理装置を用い、凹部が形成された半導体デバイス製造用の基板にプラズマを用いて成膜する方法において、
処理容器内に設けられた載置部に、基板を載置する工程と、
前記処理容器内を真空排気する工程と、
次いで、前記処理容器内に処理ガスを供給する工程と、
続いて、処理ガスを高周波電力によりプラズマ化してプラズマを得る工程と、
平面で見た時に基板の周縁を囲む磁力線のループが形成されないように、当該基板の周縁における少なくとも一箇所の磁力線が開口する磁場を処理雰囲気に形成して、処理ガスのプラズマ中における電子を基板の表面に沿う方向に移動させる工程と、を含み、
前記プラズマを得る工程は、電気的なカップリングの状態を、高周波電源を前記上部電極に接続したアノードカップリングの状態と、前記高周波電源を前記下部電極に接続したカソードカップリングの状態と、の間で交互に切り替える工程を含むことを特徴とする。
前記移動させる工程の後、処理雰囲気における磁力線を切り替えることにより、前記電子の移動方向を、前記方向とは異なる方向で且つ基板の表面に沿う方向に切り替える工程を行っても良い。前記移動させる工程は、前記磁場を形成した時のプラズマ密度及び当該磁場を形成しない時におけるプラズマ密度を夫々Ｐ１及びＰ２とすると、Ｐ１とＰ２とがほぼ等しくなっていても良い。
本発明は、基板に対して処理ガスのプラズマ化によって得られたプラズマを用いてプラズマ処理を行うにあたり、基板の表面に沿う方向に電子を移動させるための磁場を処理容器内に形成している。そして、この磁場について、平面で見た時に磁力線が基板の周縁を囲まないように、基板の周縁における少なくとも一箇所が開口するように形成している。そのため、基板の表面に凹部が形成されていても、プラズマ密度の増加が起こらないため、基板へのダメージの発生を抑えながら、基板の表面や凹部の底面と同様に、凹部の内壁面についても電子やイオンを衝突させることにより、プラズマ処理を良好に行うことができる。従って、プラズマ処理が原料ガスとこの原料ガスとを用いた成膜処理の場合には、凹部の内壁面を含む基板の露出面に亘って、膜厚及び膜質の揃った薄膜を形成できる。
本発明の第１の実施の形態におけるプラズマ処理装置の一例を示す縦断面図である。 前記プラズマ処理装置における磁場形成機構を示す概略図である。 前記磁場形成機構の配置レイアウトを模式的に示す平面図である。 前記磁場形成機構によって形成される磁力線を示す平面図である。 前記磁場形成機構によって形成される磁力線を示す平面図である。 前記磁場形成機構によって形成される磁力線を示す平面図である。 前記磁場形成機構によって形成される磁力線を示す平面図である。 本発明における作用を模式的に示す基板の縦断面図である。 本発明における作用を模式的に示す基板の縦断面図である。 本発明における作用を模式的に示す基板の縦断面図である。 本発明における作用を模式的に示す基板の縦断面図である。 処理ガスをプラズマ化するための高周波を示す特性図である。 イオンを上下方向に移動させるための高周波を示す特性図である。 処理容器内に供給される高周波を合成した特性を示す特性図である。 電子が移動する様子を模式的に示す作用図である。 電子が移動する様子を模式的に示す作用図である。 電子が移動する様子を模式的に示す作用図である。 電子が移動する様子を模式的に示す作用図である。 電子が移動する様子を模式的に示す作用図である。 本発明の他の例を示す縦断面図である。 前記他の例の作用を示す縦断面図である。 前記他の例の作用を示す縦断面図である。 本発明の別の例を示す縦断面図である。 本発明の更に他の例を示す平面図である。 前記更に他の例の作用を示す平面図である。 前記更に他の例の作用を示す平面図である。 本発明の更に別の例を示す平面図である。 本発明の他の例を示す平面図である。 本発明の他の例を示す平面図である。 本発明の他の例を示す平面図である。 本発明の他の例を示す平面図である。 本発明の他の例を示す平面図である。 本発明の他の例を示す平面図である。 前記他の例を示す平面図である。 本発明の他の例を示す斜視図である。 本発明の他の例の作用を示す基板の縦断面図である。 本発明の他の例の作用を示す基板の縦断面図である。 本発明の他の例の作用を示す基板の縦断面図である。 本発明の他の例の作用を示す基板の縦断面図である。 本発明の第２の実施の形態におけるプラズマ処理装置の一例を示す縦断面図である。 前記プラズマ処理装置を示す斜視図である。 前記プラズマ処理装置を示す横断平面図である。 前記プラズマ処理装置の一部を拡大して示す斜視図である。 前記プラズマ処理装置を模式的に示す縦断面図である。 前記プラズマ処理装置の他の例を示す平面図である。 前記他の例におけるプラズマ処理装置を示す縦断面図である。 前記プラズマ処理装置の他の例を示す平面図である。 前記プラズマ処理装置の他の例を示す平面図である。 前記プラズマ処理装置の他の例を示す平面図である。 前記プラズマ処理装置の他の例を示す平面図である。 本発明の第３の実施の形態におけるプラズマ処理装置の一例を示す縦断面図である。 前記プラズマ処理装置を示す横断平面図である。 本発明の実施例にて得られた実験結果を示す特性図である。
［第１の実施の形態：枚葉装置］
本発明のプラズマ処理装置の第１の実施の形態の一例について、図１〜図３を参照して説明する。始めにこのプラズマ処理装置の概略について簡単に説明すると、この装置は、互いに反応する複数種類この例では２種類の処理ガスのプラズマをウエハＷに対して順番に（交互に）供給して反応生成物を積層するＡＬＤ法により薄膜を成膜する成膜装置として構成されている。そして、数十あるいは数百程度もの大きさのアスペクトレシオを持つ凹部が形成されているウエハＷであっても、当該凹部の内壁面における薄膜について、ウエハの水平面と同レベルの膜厚及び膜質で成膜出来るように構成されている。続いて、成膜装置の構成及びこの成膜装置を用いた成膜方法について、以下に説明する。
成膜装置は、例えばアルミニウムなどの透磁材（磁力を透過させる材料）により構成された概略円筒形状の処理容器１と、この処理容器１内において直径寸法が例えば３００ｍｍのウエハＷを載置するための載置部２とを備えている。処理容器１は、平面で見た時に、上方側の部位が下方側の部位よりも縮径するように形成されている。そして、前記上方側の部位の外側には、処理容器１内においてウエハＷの表面に沿って水平方向にプラズマ中の電子を移動させるために、後述する磁場形成機構２０が配置されている。図１中９は、処理容器１内に対してウエハＷの搬入出を行うための搬送口であり、Ｇはゲートバルブである。
載置部２には、ヒータ２ａが設けられており、図示しない電源部から供給される電力によって、載置部２上のウエハＷを成膜温度例えば３００℃に加熱するように構成されている。載置部２の下面側には、導電体からなる下部電極３が配置されており、この下部電極３は接地されている。
下部電極３の下面側中央部には、当該下部電極３を昇降自在に支持する昇降軸４が接続されており、ウエハＷに対して成膜処理を行う上位置と、載置部２に対してウエハＷの搬入出を行う下位置との間で載置部２及び下部電極３を一体的に昇降するように構成されている。また、載置部２及び下部電極３を上下方向に貫通するように、当該載置部２に上端部が支持された昇降ピン５が例えば３カ所に配置されている。そして、昇降ピン５は、載置部２が前記下位置に下降すると、昇降軸４の周囲を囲むように処理容器１の底面部に配置されたリング部材６によって、当該昇降ピン５の下降が規制されると共にウエハＷを載置部２から持ち上げるように構成されている。図１中７は、処理容器１を気密に維持するために昇降軸４の周囲に設けられたベローズである。
既述の磁場形成機構２０は、この例では電磁石により構成されており、具体的には図２にも示すように、磁性材例えば鉄などからなる概略棒状の芯材２１と、当該芯材２１の外側にて芯材２１の長さ方向に沿って一端側から他端側に向かってコイル状に巻回された導電線２２とを備えている。この導電線２２にはスイッチ２４を介して直流電源部２３が接続されており、磁場形成機構２０は、スイッチ２４を切り替えることによって、芯材２１の一端側及び他端側における磁極（Ｓ極またはＮ極）を切り替えできるように構成されている。
即ち、導電線２２の一端側及び他端側には、各々スイッチ２４、２４が磁場切り替え機構として設けられている。そして、これらスイッチ２４、２４は、各々直流電源部２３の＋の端子及び−の端子に接続されている。従って、導電線２２の一端側及び他端側について、直流電源部２３の＋の端子及び−の端子に夫々接続した時と、−の端子及び＋の端子に夫々接続した時とでは、処理容器１内に形成される磁界の向きが反転する。尚、磁界（磁力線）は、実際には後述の図４〜図７のように磁場形成機構２０の磁極の向きに応じて様々な形状となるように形成されるが、ここでは簡略化して説明している。
そして、磁場形成機構２０は、水平方向に向かう磁力線を処理容器１内に形成するために、芯材２１が水平方向に沿って伸びるように、且つ当該芯材２１の長さ方向における一端側が処理容器１側を向くように配置されている。こうして磁場形成機構２０は、処理容器１内に形成される磁力線について、水平方向に沿って一方側から他方側に向かう方向と、前記他方側から前記一方側に向かう方向とを切り替えできるように構成されている。尚、導電線２２の表面は、芯材２１に対して当該導電線２２を絶縁するために、例えば樹脂などにより被覆されている。
また、磁場形成機構２０は、磁力線がウエハＷの表面における凹部内に形成されるように、当該磁場形成機構２０の高さ位置が設定されている。即ち、磁場形成機構２０は、例えば上位置における載置部２から見た時に側方側に位置するように配置されている。具体的には、この例では磁場形成機構２０は、前記上位置における載置部２上のウエハＷの表面の高さ位置と、当該ウエハＷの下面の高さ位置との間の領域を跨ぐように配置されている。
磁場形成機構２０は、図３に示すように、処理容器１の周方向に沿って複数箇所例えば８カ所に配置されており、具体的には水平方向における一方側及び当該一方側に対向する他方側を夫々前方側及び奥側と呼ぶと、処理容器１の前方側には、互いに離間するように２つの磁場形成機構２０、２０が配置されている。処理容器１の奥側には、前記前方側の２つの磁場形成機構２０に各々対向するように、２つの磁場形成機構２０、２０が配置されている。そして、前方側及び奥側を結ぶラインに対して直交する水平ラインの一方側（右側）及び他方側（左側）についても、各々互いに離間して配置された２つの磁場形成機構２０、２０が設けられている。図１中２４ａは、各々の磁場形成機構２０の上方側及び下方側に設けられた永久磁石などからなる磁力線閉じこめ部材であり、磁場形成機構２０によって形成された磁力線が処理容器１の外側に拡散することを抑えるために配置されている。
従って、これら８つの磁場形成機構２０の各々の磁極を互いに個別に設定することにより、処理容器１内には様々な磁力線が形成されることになる。図４〜図７は、各々の磁場形成機構２０の磁極を個別に設定した時に、処理容器１内に形成される磁力線をシミュレーションした結果を示している。ここで、処理容器１の奥側の２つの磁場形成機構２０、２０のうち右側の磁場形成機構２０に「第１」を付すと共に、この第１の磁場形成機構２０から時計周りに順に「第２」、「第３」、、「第８」を付すと、図４〜図７における各々の磁場形成機構２０の磁極の向き（処理容器１側の磁極）は、以下の表のようになっている。尚、この表では、磁場形成機構２０を「磁石」と簡略化している。
（表）
図４〜図７から分かるように、いずれの例についても処理容器１内では磁力線のループが閉じていないことが分かる。従って、表の各例では、処理容器１に磁場を形成しても、プラズマが閉じ込められないと言える。そのため、磁場形成機構２０によって磁場を形成した時における処理容器１内（処理雰囲気）のプラズマ密度Ｐ１は、磁場を形成しない時における処理容器１内のプラズマ密度をＰ２とすると、Ｐ１とＰ２とはほぼ等しくなっている。ここで、Ｐ１とＰ２とが「ほぼ等しい」とは、Ｐ１がＰ２×１．１０よりも小さいことを言い、好ましくはＰ１≦Ｐ２×１．０５であり、更に好ましくはＰ１≦Ｐ２×１．０１である。
ここで、「磁力線のループが閉じていない」とは、言い換えると以下の（ａ）〜（ｄ）の各々と同義である。
（ａ）平面で見た時に、ウエハＷを囲む環状の磁力線が形成されていない
（ｂ）複数の磁場形成機構２０のうち一の磁場形成機構２０と、当該一の磁場形成機構２０に隣接する他の磁場形成機構２０との間では、平面で見た時に、これら一の磁場形成機構２０と他の磁場形成機構２０とを接続する磁力線が形成されていない
（ｃ）平面で見た時に、磁力線は、ウエハＷの周縁における少なくとも一箇所が開口している
（ｄ）ウエハＷの外側におけるある任意の位置から、当該ウエハＷの周囲を一回りするように磁力線をたどろうとしても、元の位置に戻ることができない
従って、磁場形成機構２０をあるレイアウトで配置した時、シミュレーションを行うことにより、磁力線のループが閉じているか否かが分かる。尚、図４〜図７では省略しているが、８つの磁場形成機構２０により囲まれた領域が処理容器１の内部を表している。また、図４〜図７では、磁場形成機構２０について模式的に描画している。
続いて、処理容器１の説明に戻ると、載置部２に対向するように、処理容器１の天井面には、当該処理容器１内に処理ガスを供給するための処理ガス供給部をなすガスシャワーヘッド１２が設けられている。ガスシャワーヘッド１２には、処理ガスをプラズマ化するために、周波数が例えば１３．５６ＭＨｚの高周波電源１２ａが整合器１２ｂを介して接続されている。また、このガスシャワーヘッド１２には、プラズマ中のイオンを上下方向に移動させるために、イオンが追従できる程度の周波数（例えば４３０ｋＨｚ）の高周波電源３ａが整合器３ｂを介して接続されている。この例では、処理ガスとして例えばシリコンを含む原料ガス（例えばビスジエチルアミノシランガス）と、この原料ガスと反応する反応ガス（例えば酸素ガス）とを用いており、従ってガスシャワーヘッド１２の上端面には、原料ガス供給路１１ａ及び反応ガス供給路１１ｂの一端側が各々接続されている。
そして、ガスシャワーヘッド１２は、これら原料ガス及び反応ガスが当該ガスシャワーヘッド１２内にて互いに混じり合わないように構成されている。具体的には、ガスシャワーヘッド１２の内部には、原料ガス及び反応ガスが夫々拡散する空間１３、１４が夫々個別に独立して配置されると共に、これら空間１３、１４の下方側には、処理容器１の内部領域に連通するガス吐出孔１５が夫々個別に形成されている。図１中１６及び１７は、夫々原料ガスの貯留部及び反応ガスの貯留部であり、１８は原料ガス供給路１１ａ及び反応ガス供給路１１ｂに対してプラズマ発生用ガス（例えばアルゴン（Ａｒ）ガス）を供給するための貯留部である。また、図１中１９ａ及び１９ｂは、夫々バルブ及び流量調整部であり、１０は絶縁部材である。
処理容器１の床面近傍における側壁面には、当該処理容器１内を真空排気するための排気口３１が形成されており、この排気口３１から伸びる排気路３２には、バタフライバルブなどの圧力調整部３３を介して排気機構をなす真空ポンプ３４が接続されている。
このプラズマ処理装置には、装置全体の動作のコントロールを行うためのコンピュータからなる制御部４１が設けられており、この制御部４１のメモリ内には後述のプラズマ処理を行うためのプログラムが格納されている。このプログラムは、ハードディスク、コンパクトディスク、光磁気ディスク、メモリカード、フレキシブルディスクなどの記憶媒体である記憶部４２から制御部４１内にインストールされる。
続いて、上述の第１の実施の形態の作用について説明する。先ず、載置部２を下位置に設定すると共に、ゲートバルブＧを開放して、図示しない搬送アームにより処理容器１内にウエハＷを搬入し、昇降ピン５の上方側にウエハＷを位置させる。このウエハＷの表面には、後述の図８のように、アスペクトレシオが数十あるいは数百もの大きさの凹部５０が形成されている。そして、載置部２を上昇させながらウエハＷを受け取ると共に、搬送アームを処理容器１から退避させる。次いで、ゲートバルブＧを閉じると共に、載置部２を上方位置に位置させて、圧力調整部３３を介して処理容器１内を処理圧力に設定する。
次いで、高周波電源３ａ、１２ａに対して高周波電力を供給すると共に、例えば既述の図４〜図７のいずれかの磁力線が処理容器１内に形成されるように、各々のスイッチ２４をオンにする。そして、プラズマ発生用ガスと共に原料ガスを処理容器１内に供給すると、図８に示すように、高周波電源１２ａの高周波電力によって原料ガスがプラズマ化してプラズマが生成する。このプラズマは、ウエハＷの表面における凹部５０の内部に拡散して、当該凹部５０の内壁面及び底面を含むウエハＷの露出面に亘って、原料ガスの成分からなる原子層あるいは分子層が吸着層５１として吸着する。
次に、プラズマ発生用ガスについては処理容器１内に供給し続けながら、原料ガスの供給を停止して、あるいは更に高周波電源３ａ、１２ａへの給電を停止して、当該処理容器１内の雰囲気の置換を行う。即ち、処理容器１内を真空排気しているので、原料ガスの供給を停止すると、当該処理容器１の内部では原料ガスが速やかに排出されて、不活性ガス雰囲気（アルゴンガスの雰囲気）となる。
続いて、反応ガスとプラズマ発生用ガスとを処理容器１内に供給すると共に、高周波電源３ａ、１２ａから供給する高周波電力によって、反応ガスをプラズマ化してプラズマを形成する。このプラズマにより、図９に示すように、ウエハＷの露出面に形成された既述の吸着層５１が酸化されて、酸化シリコン膜からなる反応層５２が形成される。ここで、この反応層５２の具体的な膜質や膜厚について、当該反応層５２の形成メカニズムと共に、以下に詳述する。
即ち、反応層５２が形成されるにあたり、始めに図１０に示すように、プラズマ中の例えば酸素ラジカルが吸着層５１と反応する。具体的には、この酸素ラジカルは、寿命がある程度長いので、また電気的に中性となっているので、処理容器１内のガス流れに沿って、活性を保ったまま凹部５０の内部に拡散する。そして、この酸素ラジカルが例えば凹部５０の内壁面における吸着層５１に衝突した場合には、当該吸着層５１と反応してシリコンと酸素とを含む反応生成物が生成する。こうして凹部５０の内壁面や底面を含むウエハＷの露出面に反応生成物が生成するが、この反応生成物は、イオンや電子による物理的な衝撃を受けていないため、それ程緻密化していない。
次いで、図１１に示すように、プラズマに含まれる電子が反応生成物に衝突して、当該反応生成物に含まれる不純物が排出されたり、あるいは反応生成物中の原子や分子の再配列が起こったりすることにより、反応生成物が緻密化する。ここで、この電子の挙動について説明すると、図１２に示すように、ガスシャワーヘッド１２には既述の１３．５６ＭＨｚの高周波電力を供給している。また、このガスシャワーヘッド１２には、図１３に示すように、４３０ｋＨｚの高周波電力を供給しており、従って処理容器１内の電子は、図１４に示すように、これら高周波電源３ａ、１２ａから供給される高周波の合成波によって移動する。即ち、処理容器１内の電子は、概略的な見方をすると、ガスシャワーヘッド１２がプラスに帯電すると上に向かって移動し、一方ガスシャワーヘッド１２がマイナスに帯電すると下方に向かって移動するので、図１５に示すように、上下方向への振幅を繰り返す。そのため、高周波電源３ａ、１２ａの高周波だけで電子を移動させようとすると、言い換えると高周波電源３ａ、１２ａだけを用いて薄膜を成膜しようとすると、反応生成物の緻密化は、ウエハＷの水平面（ウエハＷの上面及び凹部５０の底面）で選択的に起こり、一方凹部５０の内壁面では起こりにくくなってしまう。
そこで、磁場形成機構２０を用いて処理容器１内に磁場を形成し、図１６に示すように、電子やイオンを水平方向に移動させている。即ち、図１７に示すように、磁場が形成されていると、電子は、この磁場における磁力線に沿って伸びる軸周りに回転して螺旋軌道を描きながら、当該磁力線の伸びる方向（詳しくはＮ極からＳ極に向かう方向）に移動する。また、プラズマ中の酸素イオンは、電子とは逆方向に向かって水平方向に移動する。
従って、図１８に示すように、凹部５０の内壁面に対しても電子が衝突して、反応生成物の緻密化が進行する。また、凹部５０の内壁面に酸素ラジカルと反応していない未反応の吸着層５１が残っていても、プラズマ中の酸素イオンが電子とは逆方向に移動することによって、当該吸着層５１が反応して反応層５２が形成される。そのため、膜厚についても、凹部５０の内壁面ではウエハＷの水平面と同レベルとなる。
そして、既述のように処理容器１内における磁場を切り替えることにより、図１９に示すように、電子及び酸素イオンの進行経路が種々変わるので、凹部５０の内壁面には、周方向に亘って緻密な反応層５２が形成される。このような磁場の切り替えは、例えば既述の図４→図５→図６→図７の順番で行われると共に、ある磁場を維持する時間（一の磁場から他の磁場に切り替えるまでの時間）は、例えば７５ｎ秒〜５秒好ましくは１５０ｎ秒〜１秒に設定される。
以上の一連のプラズマ処理を行っている間、既述のように、平面で見た時に磁力線のループが閉じないようにしている。そのため、処理容器１内ではプラズマの高密度化が抑制されるので、ウエハＷへのダメージの発生が抑えられる。尚、吸着層５１と酸素ラジカルや電子との反応は瞬時に起こるが、ここでは説明のために順を追って記載している。
こうして再度処理容器１内の雰囲気の置換を行った後、原料ガスの供給と反応ガスの供給とを交互に多数回行うと共に、これらガスを切り替えるときには処理容器１内の雰囲気を置換することにより、反応生成物が多層に亘って積層されて、緻密な薄膜が形成される。
上述の実施の形態によれば、ウエハＷに対してプラズマを用いて薄膜を成膜するにあたり、処理容器１内に磁場を形成すると共に、平面で見た時にこの磁場における磁力線のループが閉じないようにしている。そのため、ウエハＷにダメージが発生することを抑制しながら、プラズマ中の電子を当該ウエハＷの表面に沿って移動させることができるので、ウエハＷの表面にアスペクトレシオの大きな凹部５０が形成されていても、ウエハＷの水平面と同様に凹部５０の内壁面についても膜質及び膜厚の良好な薄膜を形成できる。また、プラズマ中の活性種を拡散させるために処理容器１内を低圧力に設定する必要がないので、良好な（速い）成膜速度で成膜できる。
また、成膜処理の途中において処理容器１内の磁場を切り替えているので、凹部５０の内壁面に周方向に亘って良好な膜質及び膜質を持つ薄膜を形成できる。従って、ウエハＷをフッ酸水溶液に浸漬した場合には、ウエハＷの面内に亘ってフッ酸水溶液に対する高い耐性が得られ、更にこのフッ酸水溶液によるエッチングレートが凹部５０の内壁面を含むウエハＷの露出面に亘って揃う。
更に、磁場形成機構２０を処理容器１の外部に配置していることから、金属のコンタミ混入を抑えて成膜処理を行うことができる。
以上説明した第１の実施の形態では、電子やイオンを凹部５０の内壁面に衝突させるにあたり、当該凹部５０内にて磁力線が形成されるように、磁場形成機構２０をウエハＷの側方側に配置したが、ウエハＷよりも上方側だけに磁場形成機構２０を配置しても良い。即ち、ウエハＷの上方側にて電子やイオンが磁力線に沿って水平方向に移動した場合には、凹部５０内に磁力線が形成されていなくても、電子やイオンは、ウエハＷに向かって下降する時、慣性力や惰性に基づいて凹部５０内を水平方向に移動するので、同様の効果が得られる。
ここで、既述の例ではガスシャワーヘッド１２に高周波電源１２ａ、３ａを各々接続したが、ガスシャワーヘッド１２及び載置部２に対して高周波電源１２ａから各々高周波電力を供給できるように構成しても良い。この場合には、ガスシャワーヘッド１２及び載置部２に対して交互に高周波電力が供給される。このように高周波電源１２ａを接続する理由について、以下に説明する。
即ち、プラズマの内部では、電子の数及びイオンの数が互いに等しくなっており、従ってプラズマは電気的に中性になっている。そして、プラズマ発生用の高周波電源１２ａについて、ガスシャワーヘッド１２に接続した構成（アノードカップリング）では、反応に寄与する主な反応活性種は、ラジカル及び電子となっている。一方、高周波電源１２ａを載置部２側に接続した構成（カソードカップリング）では、ウエハＷの近傍にイオンシースが形成されるため、ウエハＷに近接して活性な電子やイオンが豊富に存在している。従って、カソードカップリングでは、アノードカップリングと比べて、薄膜の成長速度が速くなり、またカバレッジ（凹部５０の内壁面への被覆性）が改善されると思われる。しかしながら、カソードカップリングでは、アノードカップリングと比べて、ウエハＷ（ウエハＷに形成されたデバイス）へのダメージが大きい。
そこで、アノードカップリングとカソードカップリングとを組み合わせることにより、これらアノードカップリングやカソードカップリングを単独で用いる場合よりも、プラズマによるダメージについては最小限に留めながら、あるいはダメージを抑制しながら、速い成膜速度及び良好なカバレッジ特性が得られる。具体的には、図２０に示すように、高周波電源１２ａとガスシャワーヘッド１２及び載置部２とを各々接続すると共に、高周波電源１２ａとガスシャワーヘッド１２との間に、第１のスイッチ６１と、第２のスイッチ６２とを配置する。ガスシャワーヘッド１２側の第２のスイッチ６２については、ガスシャワーヘッド１２が高周波電源１２ａ側に接続される位置と、アースに接続される位置との間で切り替え自在に構成する。一方、第１のスイッチ６１については、高周波電源１２ａをガスシャワーヘッド１２側に接続する位置と、載置部２側に接続する位置との間で切り替え自在に構成する。そして、第１のスイッチ６１と載置部２との間に、第３のスイッチ６３を設けて、この第３のスイッチ６３についても載置部２が高周波電源１２ａに接続される位置とアースに接続される位置との間で切り替え自在に構成する。これらスイッチ６１〜６３は、高周波切り替え機構をなす。尚、図２０中６４は、高周波の進行波の反射を防止するための整合回路（マッチングボックス）である。
このような構成において、図２０のように高周波電源１２ａをガスシャワーヘッド１２に例えば１秒間に亘って接続した後、図２１に示すように、スイッチ６１〜６３を切り替えて、高周波電源１２ａを載置部２側に例えば１秒間に亘って接続する。こうしてガスシャワーヘッド１２及び載置部２に対して交互に高周波電源１２ａを接続する。その結果アノードカップリングとカソードカップリングとを交互に行うことができるので、既述のようにこれらアノードカップリング及びカソードカップリングの各々の長所を生かした成膜処理を行うことができる。即ち、メインの成膜処理についてはプラズマダメージの小さいアノードカップリングで行い、一方カバレッジの改善のために、短時間だけカソードカップリングにて成膜処理を行っている。図２２は、このようなアノードカップリング及びカソードカップリングの切り替えシーケンスの一例を示しており、スイッチの切り替えを行う時には、ガスシャワーヘッド１２と載置部２との間における短絡を防止するために、例えば１００ｍ秒の間に亘って高周波の出力をゼロにしている。
以上のようにアノードカップリングとカソードカップリングとを切り替えるにあたり、図２３に示すように、高周波電源３ａについても同様に第２のスイッチ６２及び第３のスイッチ６３を用いて、高周波電力の出力先を切り替えるようにしても良い。図２３中６５は、高周波電源３ａとスイッチ６２、６３との間に設けられたスイッチである。
以下に、磁場形成機構２０の配置レイアウトの他の例について説明する。図２４は、処理容器１の外側において、当該処理容器１の周方向に沿って複数箇所例えば１６カ所に磁場形成機構２０を配置した例を示している。この例では、これら磁場形成機構２０は、互いに等間隔で離間するように配置されており、従ってある磁場形成機構２０から見た時、処理容器１を介して別の磁場形成機構２０が対向している。このような構成において処理容器１内の磁場を切り替える時には、図２５に示すように、これら磁場形成機構２０のうち一の磁場形成機構２０に通電して、当該磁場形成機構２０における処理容器１側の磁極を例えばＳ極にする。また、前記一の磁場形成機構２０に対向する別の磁場形成機構２０について、同様に通電すると共に、処理容器１側の磁極を例えばＮ極にする。こうして前記一の磁場形成機構２０と他の磁場形成機構２０との間において、前記別の磁場形成機構２０から前記一の磁場形成機構２０に向かう磁力線が形成される。尚、図２５では、磁力線について模式的に簡略化して描画している。
次いで、前記一の磁場形成機構２０及び前記別の磁場形成機構２０への通電を停止すると共に、図２６に示すように、前記一の磁場形成機構２０に対して反時計回り（左回り）に隣接する磁場形成機構２０について、処理容器１側の磁極が例えばＳ極となるように通電する。また、前記隣接する磁場形成機構２０に対向する磁場形成機構２０についても、処理容器１側の磁極が例えばＮ極となるように通電する。従って、処理容器１の内部を介して対向する磁場形成機構２０、２０同士の間で磁力線が形成されるが、この磁力線は、図２５と比べて、僅かに（例えば反時計回りに３０°だけ）鉛直軸周りに回転していると言える。
こうして通電する磁場形成機構２０、２０を周方向に沿って順次切り替えていくと、水平方向に沿って形成される磁力線について、処理容器１の中心を鉛直方向に伸びる軸の周りにいわば回転するので、既述の例と同様の効果が得られる。
また、図２７〜図３２は、磁場形成機構２０の他の配置レイアウト及び各々の磁場形成機構２０の配置レイアウトに基づいて磁力線をシミュレーションした結果について示している。具体的には、図２７は、処理容器１の手前側及び奥側に各々２つの磁場形成機構２０を互いに離間させて配置すると共に、処理容器１の右側及び左側には夫々３つの磁場形成機構２０を互いに離間させて設けた例を示している。処理容器１の手前側及び奥側における磁場形成機構２０のうち右側の磁場形成機構２０は、各々Ｎ極が処理容器１側を向いている。また、処理容器１の手前側及び奥側における磁場形成機構２０のうち左側の磁場形成機構２０は、各々Ｓ極が処理容器１側を向いている。処理容器１の右側における３つの磁場形成機構２０は、各々Ｎ極が処理容器１側を向いており、処理容器１の左側の３つの磁場形成機構２０は、各々Ｓ極が処理容器１側を向いている。
図２８は、処理容器１の手前側及び奥側には磁場形成機構２０を配置せず、処理容器１の右側及び左側に各々２つの磁場形成機構２０を配置した例を示している。処理容器１の右側の２つの磁場形成機構２０は、各々Ｎ極が手前側を向き、且つＳ極が奥側を向くように配置されている。処理容器１の左側の２つの磁場形成機構２０は、各々Ｓ極が手前側を向き、且つＮ極が奥側を向くように配置されている。
図２９は、既述の図２７における磁場形成機構２０に加えて、処理容器１の右側及び左側に各々一つの磁場形成機構２０を配置した例を示している。従って、処理容器１の右側では、４つの磁場形成機構２０が配置されると共に、これら４つの磁場形成機構２０は、Ｎ極が処理容器１側を向いている。処理容器１の左側では、同様に４つの磁場形成機構２０が配置されると共に、これら４つの磁場形成機構２０は、Ｓ極が処理容器１側を向いている。
図３０は、図２８の構成について、処理容器１の右側における奥側の磁場形成機構２０と、処理容器１の左側における奥側の磁場形成機構２０との各々の磁極を反転させた例を示している。図３１は、図３０の構成について、処理容器１の右側の２つの磁場形成機構２０を各々時計周りに９０°回転させると共に、処理容器１の左側の２つの磁場形成機構２０については各々反時計周りに９０°回転させた例を示している。図３２は、図３１の構成について、処理容器１の右側における奥側の磁場形成機構２０と、処理容器１の左側における奥側の磁場形成機構２０とを各々１８０°反転させた例を示している。これら図２７〜図３２のいずれの配置レイアウトについても、磁力線のループは閉じていないことが分かる。
以上の各例においては、複数の磁場形成機構２０を用いて磁力線を形成したが、１つの磁場形成機構２０だけを用いても良い。この場合であっても、図３３及び図３４から分かるように、当該１つの磁場形成機構２０の磁極を切り替えることにより、処理容器１内における磁力線が反転するので、同様の効果が得られる。また、磁極を切り替えるにあたり、磁場形成機構２０として電磁石を用いたが、電磁石に代えて、図３５に示すように、永久磁石からなる磁石部材２６を下方側から支持する回転軸２７を配置して、磁石部材２６を鉛直軸周りに回転させても良い。
以上のようにＡＬＤ法によって成膜する薄膜については、既述の反応ガスの貯留部１７として、窒素（Ｎ）を含む反応ガス例えばアンモニア（ＮＨ3）ガスの貯留源を設けることにより、酸化シリコン膜に代えて、窒化シリコン膜を成膜しても良い。即ち、窒化シリコン膜は、シリコンを含む原子層あるいは分子層からなる吸着層５１を形成した後、図３６に示すように、アンモニアガスをプラズマ化して得られるプラズマをウエハＷに供給して形成される。このプラズマには、窒素ラジカルが含まれており、この窒素ラジカルが吸着層５１と反応して既述の窒化シリコン膜が形成されるが、この窒素ラジカルは、例えば既述の酸素ラジカルと比べて寿命が短い。また、前記プラズマ中には、窒素を含むイオン（ＮＨイオン）が含まれているが、イオンは電子よりも重いため水平方向には移動しにくい。
従って、ウエハＷの上面や凹部５０の底面など、ウエハＷの水平面については、窒素ラジカルや窒素含有イオンが上方側からウエハＷ側に向かって活性を保ったまま下降するうちに到達するので、窒化シリコン膜が形成される。一方、凹部５０の内壁面については、処理容器１内に磁場を形成していない場合には、窒化シリコン膜を形成するためには、一度窒素ラジカルが凹部５０内に入り込んだ後、当該ラジカルが水平方向に拡散するまでの時間が必要になるので、当該内壁面に衝突する時、窒素ラジカルは失活している場合がある。このように失活した窒素ラジカルが衝突しても、窒化シリコン膜が形成されないので、凹部５０の内壁面では、ウエハＷの水平面よりも膜厚が薄くなりやすい。また、窒素ラジカルの衝突によって形成された窒化シリコン膜に対して、図３７に示すように、電子の衝突によって緻密化が図られるが、既述の酸化シリコン膜と同様に、高周波電源１２ａ、３ａを設けただけだと凹部５０の内壁面では当該緻密化が進行しにくい。
そこで、水平方向に向かう磁力線を処理容器１内に形成すると共に、成膜処理の途中でこの磁力線を既述のように切り替えると、図３８に示すように、プラズマ中の窒素を含むイオン（ＮＨイオン）が凹部５０内において水平方向に移動する。そのため、凹部５０の内壁面では、吸着層５１の反応が速やかに起こり、また図３９に示すように、プラズマ中の電子の衝突も起こるので、ウエハＷの水平面と同レベルの膜厚及び膜質を持つ窒化シリコン膜が形成される。
更にまた、ＡＬＤ法で成膜する薄膜としては、酸化シリコン膜や窒化シリコン膜以外にも、例えば原料ガス及び反応ガスとして夫々ＴＥＭＡＨ（テトラキスエチルメチルアミノハフニウム）ガス、ＴＤＭＡＨ（テトラキスジメチルアミノハフニウム）ガス、ＴＥＭＡＺ（テトラキスエチルメチルアミノジルコニウム）ガスなど及びＯ3ガス、Ｏ2ガス、Ｈ2Ｏガスを用いてＨｆＯ2膜やＺｒＯ2膜を成膜しても良い。また、原料ガス及び反応ガスのうちいずれか一方のガスのみについて、磁場を印加した状態でプラズマ処理を行っても良い。即ち、既述のように酸化シリコン膜を成膜する時には、原料ガスについては磁場を形成しておかなくても良好な吸着層５１が形成されるため、原料ガス及び反応ガスのうち一方だけに対して磁場を印加しながらプラズマ処理を行っても良い。
また、原料ガスと反応ガスとを同時に処理容器１内に供給してＣＶＤ法を用いて成膜する場合にも、処理容器１内に磁場を形成することにより以上説明した例と同様の効果が得られる。即ち、ＣＶＤ法の場合には、処理容器１内に原料ガス及び反応ガスを同時に供給すると、気相中においてこれらガスの反応によって反応生成物が生成して、ウエハＷの露出面に吸着する。従って、凹部５０の内部についても良好に薄膜を成膜するためには、当該凹部５０内に活性種をできるだけ拡散させる必要がある。
しかしながら、凹部５０内に活性種を引き込むにあたって、磁場形成機構２０を用いない従来の手法では、ガス（活性種）が拡散しやすいように処理容器１内の圧力を下げる手法が採られる。そのため、前記従来の手法では、凹部５０内に活性種を引き込んだとしても、成膜圧力が低いので成膜速度については低下してしまう。一方、成膜速度を稼ぐために処理容器１内における圧力を高めると、活性種が拡散しにくくなって凹部５０内への被覆性が悪くなってしまう。即ち、凹部５０が形成されたウエハＷに対して、従来のＣＶＤ法を用いて被覆性高く薄膜を成膜しようとすると、成膜速度と被覆性とがトレードオフの関係になっており、被覆性高く速やかに薄膜を形成するのは困難であった。
これに対して以上説明した本発明の手法では、電子やイオンを水平方向に移動させているので、既述の従来の手法と比べて、活性種が凹部５０内に入り込みやすく、そのため凹部５０の内壁面付近における活性種の濃度を高くできる。従って、凹部５０が形成されたウエハＷに対して薄膜をＣＶＤ法によって成膜する場合であっても、被覆性高く且つ速やかに薄膜を形成できる。
以上説明した例において、載置部２にウエハＷを載置するにあたり、当該載置部２に図示しない静電チャックを埋設して、ウエハＷを載置部２に静電吸着しても良い。
［第２の実施の形態：セミバッチ装置］
続いて、本発明の第２の実施の形態として、複数枚例えば５枚のウエハＷに対して共通の処理容器内にて同時に成膜を行うセミバッチタイプの装置について図４０〜図４４を参照して説明する。この装置は、平面形状が概ね円形である処理容器をなす真空容器１０１と、この真空容器１０１内に設けられ、当該真空容器１０１の中心に回転中心を有する載置部である回転テーブル１０２とを備えている。真空容器１０１の天板１１１の上面側における中央部には、真空容器１０１内の中心部領域Ｃにおいて互いに異なる処理ガス同士が混ざり合うことを抑制するために、窒素（Ｎ2）ガスを供給するための分離ガス供給管１５１が接続されている。図４０中１１３は、シール部材例えばＯリングであり、１０７は真空容器１０１の底面部１１４と回転テーブル１０２との間に設けられたヒータユニットである。また、図４０中１７３は、ヒータユニット１０７の配置空間をパージするためのパージガス供給管である。
回転テーブル１０２は、中心部にて概略円筒形状のコア部１２１に固定されており、このコア部１２１の下面に接続されると共に鉛直方向に伸びる回転軸１２２によって、鉛直軸周りに回転自在に構成されている。図４０中１２３は回転軸１２２を鉛直軸周りに回転させる駆動部であり、１２０は回転軸１２２及び駆動部１２３を収納するケース体である。ケース体１２０には、回転テーブル１０２の下方領域に窒素ガスをパージガスとして供給するためのパージガス供給管１７２が接続されている。
回転テーブル１０２の表面部には、図４１〜図４２に示すように、ウエハＷを落とし込んで保持するために、円形の凹部１２４が基板載置領域として設けられており、この凹部１２４は、当該回転テーブル１０２の回転方向（周方向）に沿って複数箇所例えば５箇所に形成されている。凹部１２４の通過領域と各々対向する位置には、４本のノズル１３１、１３２、１４１、１４２が真空容器１０１の周方向に互いに間隔をおいて放射状に配置されている。これら各ノズル１３１、１３２、１４１、１４２は、例えば真空容器１０１の外周壁から中心部領域Ｃに向かってウエハＷに対向して水平に伸びるように各々取り付けられている。この例では、後述の搬送口１１５から見て時計周り（回転テーブル１０２の回転方向）に第１の処理ガスノズル１３１、分離ガスノズル１４１、第２の処理ガスノズル１３２及び分離ガスノズル１４２がこの順番で配列されている。
各ノズル１３１、１３２、１４１、１４２は、流量調整バルブを介して夫々以下の各ガス供給源（図示せず）に夫々接続されている。即ち、第１の処理ガスノズル１３１は、原料ガス供給路をなしており、既述の原料ガスの貯留部に接続されている。また、第２の処理ガスノズル１３２は、反応ガス供給路をなしており、反応ガスの貯留部に接続されている。分離ガスノズル１４１、１４２は、分離ガスである窒素ガスのガス供給源に各々接続されている。これらガスノズル１３１、１３２、１４１、１４２の例えば下面側には、ガス吐出孔１３３が回転テーブル１０２の半径方向に沿って複数箇所に形成されている。
そして、第２の処理ガスノズル１３２に対して回転テーブル１０２の回転方向上流側には、当該第２の処理ガスノズル１３２から吐出される反応ガスをプラズマ化するためのプラズマ発生部をなす一対の対向電極１３５、１３５が配置されている。即ち、対向電極１３５、１３５は、第２の処理ガスノズル１３２に沿うように回転テーブル１０２の半径方向に各々伸び出しており、基端側が真空容器１０１の側面部を気密に貫通して、既述の整合器１２ｂを介して高周波電源１２ａに接続されている。これら第２の処理ガスノズル１３２及び対向電極１３５、１３５は、図４３に示すように、下面側が開口する概略箱型のカバー部材１３６によって長さ方向に亘って上面側及び両側面側が覆われている。尚、このカバー部材１３６については、図４３以外では描画を省略している。また、対向電極１３５、１３５は、例えば石英などからなる絶縁材により表面が被覆されているが、ここでは省略している。
分離ガスノズル１４１、１４２が配置された領域における真空容器１０１の天板１１１には、図４１、図４２及び図４４に示すように、概略扇形の凸状部１０４が設けられており、従って当該分離ガスノズル１４１、１４２は、この凸状部１０４内に収められている。こうして分離ガスノズル１４１、１４２における回転テーブル１０２の周方向両側には、各処理ガス同士の混合を阻止するために、前記凸状部１０４の下面である低い天井面が配置され、この天井面の前記周方向両側には、当該天井面よりも高い天井面が配置されている。尚、図４４は、真空容器１０１を周方向に沿って切断して展開した縦断面図を示している。
そして、各々の凸状部１０４、１０４において、各分離ガスノズル１４１、１４２よりも第２の反応ガスノズル１３２寄りの部位は、図４４に示すように、上側の領域が回転テーブル１０２の半径方向に亘って概略箱型に窪んでおり、当該窪んだ部分に既述の磁場形成機構２０が各々配置されている。この磁場形成機構２０は、図４１及び図４２に示すように、回転テーブル１０２の半径方向に沿って複数箇所例えば４カ所に設けられており、既述のようにスイッチ２４を介して直流電源部２３に各々接続されている。従って、第２の処理ガスノズル１３２から見ると、回転テーブル１０２の回転方向上流側及び下流側には、回転テーブル１０２の回転方向に沿って互いに対向するように磁場形成機構２０が配置されており、これら磁場形成機構２０は、当該第２の処理ガスノズル１３２側の磁極を各々切り替え自在に構成されている。尚、図４２などではスイッチ２４及び直流電源部２３について図示を省略しており、図４４ではこれらスイッチ２４及び直流電源部２３を簡略化している。
回転テーブル１０２と真空容器１０１の内壁面との間における底面部１１４には、２つの排気口１６１、１６２が形成されている。これら２つの排気口１６１、１６２のうち一方及び他方を夫々第１の排気口１６１及び第２の排気口１６２と呼ぶと、第１の排気口１６１は、第１の処理ガスノズル１３１と、当該第１の処理ガスノズル１３１よりも回転テーブル１０２の回転方向下流側における凸状部１０４との間に形成されている。第２の排気口１６２は、第２の処理ガスノズル１３２と、当該第２の処理ガスノズル１３２よりも回転テーブル１０２の回転方向下流側における凸状部１０４との間に形成されている。これら第１の排気口１６１及び第２の排気口１６２は、図４０に示すように、各々バタフライバルブなどの圧力調整部１６５の介設された排気管１６３により、真空排気機構である真空ポンプ１６４に接続されている。図４２中１１５はウエハＷの搬送口であり、外部の搬送アーム１７１との間においてウエハＷの搬入出が行われる。この搬送口１１５を臨む位置における回転テーブル１０２の下方側には、回転テーブル１０２の貫通口を介してウエハＷを裏面側から持ち上げるための昇降ピン（いずれも図示せず）が設けられている。
続いて、このセミバッチタイプの装置における作用について説明する。始めに、回転テーブル１０２を間欠的に回転させながら、搬送アーム１７１により搬送口１１５を介して回転テーブル１０２上に例えば５枚のウエハＷを載置する。次いで、真空容器１０１を気密に閉じると共に、当該真空容器１０１内を成膜圧力に設定する。そして、回転テーブル１０２を例えば２ｒｐｍ〜２４０ｒｐｍで時計周りに回転させると共に、ヒータユニット１０７によりウエハＷを加熱する。
続いて、処理ガスノズル１３１、１３２から夫々原料ガス及び反応ガスを吐出すると共に、対向電極１３５、１３５間に高周波電力を供給して、反応ガスをプラズマ化する。また、平面で見た時に第２の処理ガスノズル１３２の周囲を囲む磁力線のループが形成されないように、各々の磁場形成機構２０に対して通電する。更に、分離ガスノズル１４１、１４２から分離ガスを所定の流量で吐出し、分離ガス供給管１５１及びパージガス供給管１７２からも窒素ガスを所定の流量で吐出する。
回転テーブル１０２上のウエハＷが第１の処理ガスノズル１３１の下方側に到達すると、既述のようにウエハＷの露出面には吸着層５１が形成される。また、この吸着層５１が形成されたウエハＷが第２の処理ガスノズル１３２の下方側に到達すると、酸素ラジカルによって反応層５２が形成されると共に、磁界によって電子が水平方向に移動しているので、当該反応層５２の緻密化が進行する。
こうして既述の例と同様に真空容器１０１内における磁場を切り替えながら回転テーブル１０２を多数回に亘って回転させることにより、各々のウエハＷにおいて、反応層５２が多層に亘って積層されて薄膜が形成される。
以下に、このようなセミバッチタイプの装置の他の例について列挙する。図４５は、第２の処理ガスノズル１３２から見て回転テーブル１０２の回転方向上流側及び下流側に各々磁場形成機構２０を配置することに代えて、中心部領域Ｃと、真空容器１０１の外側とに磁場形成機構２０を配置した例を示している。真空容器１０１の外側では、当該外側の磁場形成機構２０を避けるように、第２の処理ガスノズル１３２や対向電極１３５、１３５が屈曲して設けられる。
一方、中心部領域Ｃにおける磁場形成機構２０については、図４６に示すように、真空容器１０１の天板１１１の上面側中央部が概略円筒形状に窪んでおり、この窪んだ部分に収納されている。即ち、天板１１１の下面側中央部は、下方側に向かって突出しており、この突出した部分を避けるように、回転テーブル１０２の中心部側に設けられた既述のコア部１２１の上端部が取り除かれている。分離ガス供給管１５１は、磁場形成機構２０を避けるように引き回されている。このような構成においても、同様の効果が得られる。
また、図４７は、真空容器１０１の外側に互いに隣接して３つの磁場形成機構２０を配置すると共に、各々の磁場形成機構２０に対向するように、回転テーブル１０２の中心部領域Ｃについても３つの磁場形成機構２０を配置した例を示している。更に、図４８は、図４７の磁場形成機構２０に加えて、真空容器１０１の外側に、回転テーブル１０２の外周端よりも中心部領域Ｃ側の部位を介して互いに対向するように２つの磁場形成機構２０を配置した例を示している。更にまた、図４９は、回転テーブル１０２の中心部領域Ｃを介して対向するように、即ち回転テーブル１０２における回転中心を通る水平ラインの一方側及び他方側に各々磁場形成機構２０を配置した例を示している。尚、これら図４７〜図４９では各ノズルについては記載を省略しており、また真空容器１０１などの部材についても簡略化している。
以上説明したセミバッチタイプの装置では、真空容器１０１内の磁力線を切り替えるにあたって、既述のように電磁石を用いても良いし、回転軸２７などを介して磁石部材２６を鉛直軸周りに回転させても良い。また、磁力線を切り替えるにあたって、これら電磁石や回転軸２７を用いることに代えて、回転テーブル１０２を回転させる回転軸１２２を用いても良い。即ち、回転テーブル１０２上において公転しているあるウエハＷから見ると、磁場形成機構２０の磁力線を切り替えなくても、回転テーブル１０２上におけるある位置と、当該ある位置から回転テーブル１０２の回転方向下流側に公転した位置とでは、ウエハＷの表面を通る磁力線の向きが異なる。従って、磁場形成機構２０の磁場を切り替えるための磁場切り替え機構として、スイッチ２４に代えて、あるいはスイッチ２４と共に、ウエハＷの姿勢を変化させる部材（回転軸１２２）を用いても良い。
また、以上説明したセミバッチタイプの各例では、吸着層５１の形成と反応層５２の成膜とからなる成膜サイクルを多数回に亘って繰り返したが、各々の成膜サイクルにおいて、反応層５２を改質するステップを行っても良い。即ち、酸化シリコン膜を成膜するプロセスにて既に説明したように、反応層５２が電子によって緻密化されるので、反応層５２を形成するステップと、反応層５２の緻密化を行うステップとを個別に行うようにしても良い。言い換えると、既述の各例では、これら反応層５２を形成するステップ及び当該反応層５２の緻密化を行うステップとが同時に行われていると言える。
具体的な装置としては、図５０に示すように、搬送口１１５から見て時計周りに、プラズマ発生用ガス例えばアルゴン（Ａｒ）ガスを供給するための補助ガスノズル１３４、分離ガスノズル１４１、第１の反応ガスノズル１３１、分離ガスノズル１４２及び第２の処理ガスノズル１３２がこの順番で設けられている。そして、対向電極１３５、１３５は、補助ガスノズル１３４に対して回転テーブル１０２の回転方向上流側に隣接して設けられている。磁場形成機構２０については、例えば中心部領域Ｃと、対向電極１３５、１３５の外周側における真空容器１０１の外側とに配置されている。
このような装置では、第１の反応ガスノズル１３１の下方にて吸着層５１が形成された後、第２の処理ガスノズル１３２の下方位置にて、当該第２の処理ガスノズル１３２から吐出する例えばオゾンガスによって反応層５２が形成される。第２の処理ガスノズル１３２の下方側では、凹部５０の内壁面には電子が供給されていないので、あるいは更にウエハＷの水平面についても電子が供給されていないので、反応層５２の緻密化が進行していない。続いて、補助ガスノズル１３４の下方位置にウエハＷが到達すると、プラズマ発生用ガスのプラズマに含まれる電子が水平方向に移動して、凹部５０の内壁面を含むウエハＷの露出面に亘って反応層５２の緻密化が進行する。
［第３の実施の形態：バッチ炉］
続いて、本発明の第３の実施の形態について、多数枚例えば１５０枚のウエハＷに対して一括して成膜処理を行うバッチ式の装置について図５１及び図５２を参照して説明する。この装置は、ウエハＷを棚状に積載するための載置部をなすウエハボート２０１と、このウエハボート２０１を内部に気密に収納して成膜処理を行うための縦型の処理容器である反応管２０２とを備えている。反応管２０２の外側には加熱炉本体２０４が設けられており、この加熱炉本体２０４の内壁面には周方向に亘って加熱部であるヒータ２０３が配置されている。
反応管２０２は、側面部が上下方向に亘って外側に向かって膨らむように形成されると共に、この膨らんだ部分には、図５２に示すように、各々上下方向に伸びる反応ガスインジェクタ２０５及び一対の電極２０６、２０６が収納されるように構成されている。また、反応管２０２内には、これら反応ガスインジェクタ２０５及び電極２０６、２０６に対してウエハボート２０１を介して対向するように、原料ガスを供給するための原料ガスインジェクタ２０７が上下方向に伸びるように配置されている。反応管２０２の上端部は、排気口２０８をなしており、圧力調整部２０９を介して接続された排気機構をなす真空ポンプ２１０によって反応管２０２の内部を真空排気できるように構成されている。図５１中２１１は酸素ガス貯留部、２１２は原料ガス貯留部であり、また２１３はアルゴンガスの貯留部である。
ウエハボート２０１の下方側には、回転軸２１４を介してモータなどの回転機構２１５が接続されており、ウエハボート２０１を鉛直軸周りに回転できるように構成されている。そして、反応管２０２の外側には、図５１に示すように、既述の磁場形成機構２０が互いに対向するように配置されている。磁場形成機構２０は、ウエハボート２０１の長さ方向に沿うように複数箇所に配置されており、各々のウエハＷの表面において水平方向に向かう磁力線を形成できるように構成されている。
このような装置では、ウエハボート２０１に多数枚のウエハＷを積載して、次いで当該ウエハボート２０１を反応管２０２内に気密に収納する。続いて、反応管２０２内を成膜圧力に保ちながら、鉛直軸周りに回転しているウエハボート２０１に対して原料ガスを供給して、各々のウエハＷの表面に吸着層５１を形成する。次に、反応管２０２内の雰囲気を置換した後、反応管２０２内に磁力線を形成すると共に当該磁力線を切り替えながら、酸素ガスのプラズマを各々のウエハＷの表面に供給すると、既述の各例と同様に反応層５２が形成される。即ち、各々のウエハＷに対して側方側からプラズマを供給しているが、当該ウエハＷの表面には既述のようにアスペクトレシオの大きな凹部５０が形成されている。従って、反応管２０２内に磁力線を形成しない場合には、凹部５０内では、プラズマ（電子やイオン）は当該凹部５０の内壁面に衝突しにくい。一方、反応管２０２内に磁力線を形成することにより、凹部５０内では、当該凹部５０の深さ方向に亘って電子やイオンが水平方向に移動するので、凹部５０の内壁面では、ウエハＷの水平面と同様の膜質及び膜厚の薄膜が形成される。
この例においても、各ウエハＷが鉛直軸周りに回転しているので、磁場形成機構２０における磁力線を切り替えずに、磁場切り替え機構として回転機構２１５を用いても良い。尚、原料ガスについても電極２０６、２０６を別に設けてプラズマ化しても良い。
以上の各例において、処理容器１（真空容器１０１、反応管２０２）の内部に形成する磁場の強度としては、０．１ｍＴ／ｃｍ〜１Ｔ／ｃｍである。ここで、以上の各例では、プラズマ処理の途中において、処理容器１（真空容器１０１、反応管２０２）の内部における磁力線を切り替えたが、０．２５ｍＴ／ｃｍ〜０．７５ｍＴ／ｃｍ程度の弱磁場であれば、電子やイオンが蛇行する。従って、前記弱磁場を処理容器１内に形成する場合には、磁力線を切り替えなくても、既述の各例と同様の効果が得られる。
以下に、弱磁場の場合において、処理容器１内の磁場を切り替えずに酸化シリコン膜（ＵＬＴ−ＳｉＯ2膜：Ｕｌｔｒａ Ｌｏｗ Ｔｅｍｐ．−ＳｉＯ2）の成膜処理を行った場合の実験結果について説明する。この実験には、磁場を発生させずに成膜処理を行った場合と、弱磁場を形成しながら成膜処理を行った場合とについて、フッ酸に対するウエットエッチングレートを夫々測定した。具体的な成膜条件としては、以下のように設定した。成膜装置については、既述の図１に記載の枚葉装置を用いると共に、この装置にてＡＬＤ法にて成膜処理を行った。
（成膜条件）
成膜温度：Ｒ．Ｔ．（室温）
処理圧力：６６．６６Ｐａ（０．５Ｔｏｒｒ）
原料ガス：ＢＤＥＡＳ（ビスジエチルアミノシラン）ガス
反応ガス：Ｏ2＝１０００ｓｃｃｍ
その他ガス：Ａｒ＝５００ｓｃｃｍ
磁場強度：０．２６ｍＴ／ｃｍ（ただし、ウエハの中心位置における強度）
ＡＬＤの処理サイクル数：１２０サイクル
プラズマ発生用の高周波電力：１０００Ｗ
プラズマ発生用の高周波周波数：１３．５６ＭＨｚ
その結果、図５３に示すように、磁場を発生させずに成膜処理を行った場合には、トレンチ（溝）の内部では、ウエハＷの表面（平坦面）と比べて、フッ酸に溶解しやすくなっており、従ってそれ程膜密度が高くなっていないことが分かる。一方、弱磁場を形成しながら成膜処理を行った場合には、ウエハＷの表面及びトレンチの内部のいずれにおいても、フッ酸に対する溶解度が同レベルになっており、トレンチの内部についても良好な膜密度になっていることが分かる。従って、この実験結果から、弱磁場では処理容器１内の磁力線を切り替えずに成膜処理を行っても、本発明の効果が得られることが分かる。
Ｗ ウエハ
１ 処理容器
２ 載置部
３ａ 高周波電源
１２ ガスシャワーヘッド
１１ａ 原料ガス供給路
１１ｂ 反応ガス供給路
１２ａ 高周波電源
２０ 磁場形成機構
３１ 排気口
５０ 凹部
５１ 吸着層
５２ 反応層

Claims (5)

  1. 基板の載置部をなす下部電極と前記載置部に対向する上部電極とを備えたプラズマ処理装置を用い、凹部が形成された半導体デバイス製造用の基板にプラズマを用いて成膜する方法において、
    処理容器内に設けられた載置部に、基板を載置する工程と、
    前記処理容器内を真空排気する工程と、
    次いで、前記処理容器内に処理ガスを供給する工程と、
    続いて、処理ガスを高周波電力によりプラズマ化してプラズマを得る工程と、
    平面で見た時に基板の周縁を囲む磁力線のループが形成されないように、当該基板の周縁における少なくとも一箇所の磁力線が開口する磁場を処理雰囲気に形成して、処理ガスのプラズマ中における電子を基板の表面に沿う方向に移動させる工程と、を含み、
    前記プラズマを得る工程は、電気的なカップリングの状態を、高周波電源を前記上部電極に接続したアノードカップリングの状態と、前記高周波電源を前記下部電極に接続したカソードカップリングの状態と、の間で交互に切り替える工程を含むことを特徴とするプラズマ処理方法。
  2. 前記アノードカップリングの状態と前記カソードカップリングの状態との間で切り替えるときには、上部電極及び下部電極の短絡を防止するために、一旦高周波の出力を停止することを特徴とする請求項１記載のプラズマ処理方法。
  3. シリコンを含む処理ガスである原料ガスを処理容器内に供給して前記基板に吸着させる工程と、処理ガスである反応ガスをプラズマ化して、前記基板に吸着されている原料ガスと反応させる工程と、が交互に繰り返される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方法。
  4. 前記移動させる工程の後、処理雰囲気における磁力線を切り替えることにより、前記電子の移動方向を、前記方向とは異なる方向で且つ基板の表面に沿う方向に切り替える工程を行うことを特徴とする請求項１ないし３のいずれか一項に記載のプラズマ処理方法。
  5. 前記移動させる工程は、前記磁場を形成した時のプラズマ密度及び当該磁場を形成しない時におけるプラズマ密度を夫々Ｐ１及びＰ２とすると、Ｐ１とＰ２とがほぼ等しくなるように磁場を形成する工程であることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか一項に記載のプラズマ処理方法。
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