JP2002151486A

JP2002151486A - 基体処理方法及び装置並びに基体処理装置の運転方法

Info

Publication number: JP2002151486A
Application number: JP2000331239A
Authority: JP
Inventors: Seiya Urushizaki; 清也漆崎
Original assignee: Applied Materials Inc
Current assignee: Applied Materials Inc
Priority date: 2000-10-30
Filing date: 2000-10-30
Publication date: 2002-05-24

Abstract

(57)【要約】【課題】基体処理時のファースト・ウェハ・エフェク
トを解消できる基体処理方法及び装置を提供する。【解決手段】本発明による基体処理方法では、まず、
ＲＰＮ装置１００に備わる活性種供給部３０のマイクロ
波発生部３６から、出力５００Ｗのマイクロ波を発生さ
せる。これにより、アプリケータ３１が言わば予備加熱
され得る。次に、チャンバ２内にＳｉウェハＷａを収容
する。次いで、Ｎ₂ガスを含む原料ガスＧｒをアプリケ
ータ３１内に供給すると共に、マイクロ波発生部３６か
ら出力３ｋＷのマイクロ波を発生させる。このとき、ア
プリケータ３１が既に予備加熱されているので、プラズ
マが確実に形成される。その結果、原料ガスＧｒから生
じる窒素活性種がチャンバ２内のＳｉウェハＷａ上に所
定時間供給され、窒化処理が有効に実施される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、基体処理方法及び
装置並びに基体処理装置の運転方法に関し、詳しくは、
原料ガスをマイクロ波放電によって励起叉は電離させて
生成せしめた活性種を基体上に供給しその基体をその活
性種により処理する基体処理方法、基体処理装置、及
び、その基体処理装置の運転方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体ウェハ等の基体を処理する方法と
して、Ｓｉウェハ上に形成されたＳｉＯ₂膜とい酸化膜
をＲＰＮ（Remote Plasma Nitrization）法等によって
窒化する方法が挙げられる。このようなＲＰＮプロセス
を実施するための装置としては、例えば、枚葉式チャン
バ、例えば、単一のウェハが収容されるランプ加熱装置
のチャンバに、マイクロ波を用いた遠隔式のプラズマ発
生装置が接続されたシステムが用いられている。

【０００３】このようなＲＰＮ装置を用いた場合、マイ
クロ波が導入されるプラズマ発生容器に窒素（Ｎ₂）ガ
ス等の原料ガスが供給され、導波されたマイクロ波がこ
れに照射されて窒素ラジカル（Ｎ^*）等の活性種が生じ
る。この活性種はランプ加熱装置のチャンバ内に収容さ
れたウェハ上に供給され、ウェハ上のＳｉＯ₂等と反応
してＳｉＯ₂膜の窒化処理が行われる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところで、本発明者
は、上記の従来装置を用いたＲＰＮプロセスについて詳
細に検討を行ったところ、以下のような不都合が生じ得
ることを見出した。すなわち、処理すべきウェハをチャ
ンバ内に設置し、チャンバ及び原料ガスが供給される容
器内を所定の圧力となるように減圧し、原料ガスの供給
を開始し、それと共に容器内にマイクロ波を導入すると
いった、所定のシーケンス（レシピ）で処理を行うと、
次のような現象が起ることがある。つまり；

【０００５】（ａ）マイクロ波放電がなかなか起らず、
これによりプラズマが設定時刻に形成されない（いわゆ
る、原料ガスに“着火”しない）。通常、プラズマが所
定時間形成されないと、レシピ上はインターロックが働
いてプロセスが停止されることがある。こうなると、ウ
ェハの窒化処理を確実且つ円滑に行ない難い傾向にあ
る。

【０００６】（ｂ）また、上述のプロセスの停止が判断
される時間内に“着火”はするが、その時刻が設定時刻
よりも遅延する場合も認められた。こうなると、通常、
ウェハの処理時間としては、処理条件に応じた好適な値
（プロセス時間）が予め設定されているため、処理時間
が不都合な程に短縮されてしまい、十分な処理を実施で
きないおそれがある。さらに、これらの結果、最初のウ
ェハが無駄になってしまうことがあり、歩留まりの低
下、及び、コストの増大が懸念される。

【０００７】そこで、本発明はかかる事情に鑑みてなさ
れたものであり、基体の処理を円滑且つ確実に実施で
き、歩留まりの低下やコストの増大を十分に回避できる
基体処理方法及び装置並びに基体処理装置の運転方法を
提供することを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明者は鋭意研究を重ねたところ、上述の不都合
な現象が生起される詳細な機構については未だ明らかで
はないものの、それらの現象が、プロセスを開始する際
の最初のウェハ（First Wafer）に対して顕著に発生す
ること、つまり、この現象はいわゆるファースト・ウェ
ハ・エフェクト（First Wafer effect）と呼べる性質の
現象であることを更に見出した。

【０００９】そして、本発明者は、この知見に基づいて
更に研究を進め、本発明を完成するに至った。すなわ
ち、本発明による基体処理方法は、原料ガスをマイクロ
波放電によって励起叉は電離させて生成せしめた活性種
を基体上に供給しその基体を活性種により処理する活性
種供給工程を備える方法であって、活性種供給工程を実
施する前に、任意の出力から選択される所定の出力値を
有する第１のマイクロ波を発生させ、その第１のマイク
ロ波を原料ガスのマイクロ放電が行われる場所に導入す
る予備マイクロ波導入工程を更に備えることを特徴とす
る。

【００１０】このように構成された基体処理方法では、
予備マイクロ波導入工程を実行し、基体の処理に先立っ
て放電が行われる（べき）場所に第１のマイクロ波を導
入する。その後、基体をチャンバ等に収容し、活性種供
給工程において、原料ガスにマイクロ波を照射すると、
所望のタイミングでマイクロ波放電が起き、プラズマが
形成され且つこれが維持されることが確認された。そし
て、プラズマ中で原料ガスが励起叉は電離されて生じた
活性種を基体上に供給することにより、基体の処理を所
望のプロセス時間実施することができる。

【００１１】このように、処理プロセスの開始時に確実
に放電を生起でき且つプラズマが形成される機構の詳細
は十分に解明されてはいないが、おそらく、予備マイク
ロ波導入工程の実施により、複数の基体を連続的に処理
する際の二枚目以降の基体に対する処理環境と同等の環
境が実現されるためと推定される。つまり、第１のマイ
クロ波のエネルギーの一部が、放電場所の空間や周囲の
部材等に付与され、これにより、装置の暖気叉は予備加
熱（プレ・ヒーティング）が行われ得る。そして、この
ような言わばマイクロ波放電の“空焚き”により、枚葉
式のような連続処理にしろ、或いはバッチ処理にしろ、
最初の基体処理が二枚目以降の基体処理と同等な条件で
実施され得る。

【００１２】また、予備マイクロ波導入工程において
は、マイクロ波放電によってプラズマが生じても生じな
くても同等の効果が奏され得る。よって、第１のマイク
ロ波出力としては、極端に強大叉は弱小であることは必
ずしも必要ない。この場合、第１のマイクロ波出力がよ
り低出力であると、エネルギー消費量（電力消費量）を
抑えることができ、経済性を向上する観点から好まし
い。

【００１３】そこで、具体的には、予備マイクロ波導入
工程においては、第１のマイクロ波として、マイクロ波
放電により活性種を生成せしめる際に用いる第２のマイ
クロ波が有する出力値よりも小さい出力値を有するマイ
クロ波を発生させると好適である。

【００１４】また、予備マイクロ波発生工程及び活性種
供給工程においては、原料ガスが供給されその原料ガス
のマイクロ波放電が行われる放電部と、マイクロ波を発
生するマイクロ波発生部と、放電部とマイクロ波発生部
との間に設置されマイクロ波を導波する導波部と、導波
部に設けられ放電部から反射されたマイクロ波を受波す
る反射波受部とを有する活性種供給部を備える基体処理
装置を用い、予備マイクロ波発生工程においては、第１
のマイクロ波として、反射波受部の許容最大出力以下の
出力値を有するマイクロ波を発生させると好ましい。

【００１５】通常、マイクロ波放電が行われてプラズマ
形成が行われると、マイクロ波はそのエネルギーの全部
が完全に消費されて消滅するわけではなく、不可避的に
その一部が反射されて低出力の反射マイクロ波が発生部
側へ戻入される。この傾向は、特にプラズマ形成の初期
に顕著となる。このような反射マイクロ波がマイクロ波
発生部に入射すると機器に悪影響を与えるおそれがあ
る。これを防止するために、通常のＲＰＮ装置等には、
一般にダミーロードと呼ばれる反射マイクロ波の受部
（上述の反射波受部）が設置される。

【００１６】このような反射波受部の許容最大出力は、
上述のように、放電に寄与したマイクロ波の反射波出力
が低いことから、また、装置規模を可及的に縮小する観
点から、必要最小限に低く設定されることが多い。一
方、予備マイクロ波導入工程においても、エネルギーの
一部を失った第１のマイクロ波がその放電部からマイク
ロ波発生部側へ反射され得る。ただし、このときのエネ
ルギー損失は僅少であり、反射マイクロ波出力は、実質
的に第１のマイクロ波出力と略同等の出力値を有する。

【００１７】よって、通常のダミーロード等の反射波受
部では、そのエネルギーの全部を受けきれず、機器が損
傷するおそれがある。こうなると、反射マイクロ波はマ
イクロ波発生部に入射し、そこの機器が損傷するおそれ
もある。これに対し、本発明によるように、予備マイク
ロ波発生工程において、第１のマイクロ波として、反射
波受部の許容最大出力以下の出力値を有するマイクロ波
を発生させれば、先述のような機器の損傷が十分に防止
される。

【００１８】さらに、予備マイクロ波発生工程及び活性
種供給工程においては、基体処理装置として、活性種供
給部に接続され基体が収容されるチャンバを更に有する
ものを用い、且つ、原料ガスとして窒素原子を含有して
成るガス（窒素原子を含有して成る物質、単体、化合物
等、叉は、それらを含むガス）を用い、活性種供給工程
においては、活性種として窒素活性種を基体上に供給し
てその基体上の物質を窒化すると有用である。ここで、
原料ガスの具体例としては、窒素（Ｎ₂）ガス、或い
は、アンモニア（ＮＨ₃）ガス等の還元態窒素を含むガ
ス、アミノ化合物等の窒素を含む基を有する有機系窒素
化合物等が挙げられる。

【００１９】この場合には、原料ガスとしての窒素原子
を含有して成るガスの励起叉は電離により、窒素ラジカ
ル（Ｎ^*）、窒素イオン等の窒素活性種が生じる。これ
らの窒素活性種は、窒化因子として基体に作用し、基体
上の表層部等に窒化膜が形成される。先に述べたよう
に、このような窒化処理は、ＲＰＮ法によって有効に実
施されるので、これに本発明の基体処理方法を適用すれ
ば、ＲＰＮプロセスにおけるファースト・ウェハ・エフ
ェクトを十分に抑制できる。

【００２０】また、本発明による基体処理装置は、本発
明の処理方法を有効に実施するための装置であり、原料
ガスがマイクロ波放電によって励起叉は電離されて生成
された活性種が基体上に供給され、その基体がその活性
種により処理されるものであって、（１）基体が収容さ
れるチャンバと、（２）原料ガスを有する原料ガス源
と、（３）原料ガスに接続され原料ガスのマイクロ波放
電が行われる放電部、マイクロ波を発生するマイクロ波
発生部、放電部とマイクロ波発生部との間に設置されマ
イクロ波を導波する導波部、及び、導波部に設けられ放
電部から反射されたマイクロ波を受波する反射波受部を
有する活性種供給部と、（４）マイクロ波発生部に接続
されており、チャンバ内に基体が収容される前に、任意
の出力から選択される所定の出力値を有する第１のマイ
クロ波が発生するようにマイクロ波発生部を制御する制
御部とを備える。

【００２１】さらに、マイクロ波発生部が、第１のマイ
クロ波として、マイクロ波放電により活性種が生成され
る際に用いられる第２のマイクロ波の出力値よりも小さ
い出力値を有するマイクロ波を発生するものであると好
ましい。またさらに、マイクロ波発生部が、第１のマイ
クロ波として、反射波受部の許容最大出力以下の出力値
を有するマイクロ波を発生するものであるとより好まし
い。さらにまた、原料ガス源が、原料ガスとして窒素原
子を含有して成るガスを有するものであるときに、本発
明は特に好適である。

【００２２】また、本発明による基体処理装置の運転方
法は、本発明の基体処理装置を有効に運転する方法であ
って、（１）チャンバ内に基体を収容する前に、マイク
ロ波発生部において第１のマイクロ波を発生させ、
（２）その第１のマイクロ波を放電部に導入し、（３）
第１のマイクロ波の発生を停止した後、（４）チャンバ
内に基体を収容し、（５）チャンバ内に基体を収容した
後に、原料ガスを放電部に供給すると共に、マイクロ波
発生部において第２のマイクロ波を発生させ、その第２
のマイクロ波を放電部に導入し、その原料ガスをマイク
ロ波放電によって励起叉は電離させて活性種を生成せし
め、その活性種を基体上に供給することを特徴とする。

【００２３】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態について
添付図面を参照して詳細に説明する。なお、同一の要素
には同一の符号を用いることとし、重複する説明は省略
する。また、上下左右等の位置関係は、特に断らない限
り、図面に示す位置関係に基づくものとする。また、図
面の寸法比率は図示の比率に限られるものではない。

【００２４】図１は、本発明による基体処理装置の好適
な一実施形態を示す構成図（一部断面図）である。ＲＰ
Ｎ装置１００は、例えばＳｉＯ₂膜が形成されたＳｉウ
ェハＷａを温度制御しながら熱処理を行う枚葉式急速加
熱熱処理装置から成る熱処理部１に、マイクロ波放電に
よるＲＰ（Remote Plasma）方式の活性種供給部３０を
介して、Ｎ₂ガス及びＨｅガスの各ガス源４１，４２
（原料ガス源）を有する原料ガス供給系４０が接続され
たものである。

【００２５】熱処理部１は、ベース部２ａ、側壁部２ｂ
及び蓋部２ｃで構成されたチャンバ２を備えている。こ
のチャンバ２内には、ＳｉウェハＷａを支持するウェハ
支持部材３が設置されている。ウェハ支持部材３は、ベ
ース部２ａにベアリング４を介して回転自在に取り付け
られた円筒フレーム５と、この円筒フレーム５の上端に
設けられたリングフレーム６とから成っている。また、
リングフレーム６の内側縁部には、ＳｉウェハＷａのエ
ッジ部が支持される支持用段部６ａが形成されている。
ここで、図１に示す如くＳｉウェハＷａがウェハ支持部
材３に支持された状態では、ＳｉウェハＷａの裏面側
に、ベース部２ａとウェハ支持部材３とＳｉウェハＷａ
とで囲まれた空間Ｓａが形成される。

【００２６】また、ベース部２ａの下部には、搬送ロボ
ット（図示せず）によりチャンバ２内に搬送されたＳｉ
ウェハＷａをウェハ支持部材３に支持させるためのリフ
ト部材７が設けられている。このリフト部材７は、ベー
ス部２ａを貫通してＳｉウェハＷａを持ち上げる複数本
の支持ピン８を有している。

【００２７】さらに、チャンバ２の蓋部２ｃの上方に
は、ウェハ支持部材３に支持されたＳｉウェハＷａを加
熱する複数の加熱ランプ９から成るランプ群９Ｇが配置
されている。蓋部２ｃには円形の窓部Ｌｗが設けられて
おり、加熱ランプ９の輻射熱が窓部Ｌｗを介してＳｉウ
ェハＷａに伝えられる。また、ベース部２ａには、Ｓｉ
ウェハＷａの温度を光学的に検出する温度センサ１０が
設けられている。この温度センサ１０は、ベース部２ａ
におけるウェハ支持部材３に囲まれた円形プレート１１
において、その中心と周縁の一部を含み且つ所定の角度
（例えば９０度）を有する略扇形のセンサ設置領域内に
複数組み込まれている。上述の空間Ｓａは、光学的に完
全な閉空間となっており、光学式の温度センサ１０によ
る空間Ｓａを利用してのＳｉウェハＷａの温度検出が支
障なく行える。

【００２８】また、チャンバ２の側壁部２ｂには、ガス
供給口１２とガス排出口１３とが対向して設けられてい
る。ガス供給口１２には、チャンバ２内におけるＳｉウ
ェハＷａ裏面側の空間Ｓａの外部であるＳｉウェハＷａ
表面側の空間Ｓｂに、後述する反応ガスＸを供給する活
性種供給部３０のアプリケータ３１（後述）が接続され
ている。一方、ガス排出口１３には、空間Ｓｂ内のガス
をチャンバ２の外部に排出するためのガス排出系５０が
配管を介して接続されている。このガス排出系５０は、
減圧ポンプ及びチャンバ２内の圧力を検出する圧力セン
サ（共に図示せず）を有している。

【００２９】さらに、ベース部２ａの円形プレート１１
には、ガス供給口１６及びガス排出口１７が設けられて
いる。ガス供給口１６には、空間Ｓａ内に、所定のガス
Ｇｋ、例えば、酸素（Ｏ₂）ガスとＮ₂ガスとの混合ガ
ス、Ｏ₂ガスとアルゴン（Ａｒ）ガスとの混合ガス等を
供給するためのガス供給管１８が接続され、ガス排出口
１７には、空間Ｓａ内のガスＧｋをチャンバ２の外部に
排出するためのガス排出管１９が接続されている。

【００３０】またさらに、円形プレート１１の周縁部に
おけるセンサ設置領域を含む部位には、断面Ｌ字型の突
起片２０が設けられ、この突起片２０の内側にガス供給
口１６が形成されている。また、円形プレート１１にお
いてその中心からガス供給口１６の反対側に僅かにずれ
た位置にガス排出口１７が形成され、ガス供給口１６と
ガス排出口１７との間にセンサ設置領域が設けられた構
成となっている。これにより、ガス供給口１６から導入
されたガスＧｋは、円形プレート１１におけるセンサ設
置領域全範囲の上方を通ってガス排出口１７から排出さ
れる。

【００３１】また、活性種供給部３０は、原料ガスＧｒ
が導入されるガス供給口３１ａが設けられた空間Ｓｃを
有するアプリケータ３１（放電部）を備えている。この
アプリケータ３１は、ガス供給口３１ａに対向する位置
に活性種等を含む反応ガスＸが流通可能なガス排出口３
１ｂが設けられており、配管を介して、空間Ｓｃとチャ
ンバ２の空間Ｓｂとが連通するようにチャンバ２に結合
されている。さらに、アプリケータ３１には、その外胴
を貫通するように、略中空管状のマイクロ波ガイド３２
（導波部）が接続されており、その端部が空間Ｓｃの隔
壁に当設されている。

【００３２】また、マイクロ波ガイド３２の他端部に
は、マグネトロンを有するマイクロ波発生部３６が設け
られている。このマイクロ波発生部３６によって、所定
の周波数、及び、任意の出力から選択される所定の出力
値を有するマイクロ波が発生される。このマイクロ波
は、マイクロ波ガイド３２内を導波してアプリケータ３
１の空間Ｓｃ内に導入される。これにより、空間Ｓｃ内
に導入された原料ガスＧｒにマイクロ波が照射され、マ
イクロ波放電によるプラズマが形成されて原料ガス由来
の活性種を含む反応ガスＸが生成される。さらに、マイ
クロ波ガイド３２の一部の周囲には、マイクロ波出力の
マッチングをとるチューナー３３、マイクロ波の反射波
（反射マイクロ波）を受けるダミーロード３４（反射波
受部）、及び、マイクロ波の出力検出を行う出力検出部
３５が設置されている。

【００３３】また、原料ガス供給系４０は、上述の如
く、Ｎ₂ガスが貯留されるガス源４１と、不活性ガスと
してのＨｅガスが貯留されるガス源４２とを備えてい
る。これらのガス源４１，４２は、それぞれＭＦＣ（マ
スフローコントローラ）４３，４４が設けられた配管を
介して、アプリケータ３１のガス供給口３１ａに接続さ
れている。こうして、Ｎ₂ガス及びＨｅガスを含む原料
ガスＧｒがアプリケータ３１内へ供給されるようになっ
ている。

【００３４】さらに、ＭＦＣ４３，４４は、制御部３８
に電線ケーブルを介して接続されている。制御部３８
は、ＣＰＵ３８ａとこれに接続され且つ双方向伝送が可
能な入出力インターフェイス３８ｂを有している。これ
により、ＭＦＣ４３，４４からの流量信号が入出力イン
ターフェイス３８ｂを介してＣＰＵ３８ａに入力され、
ＣＰＵ３８ａからの制御信号が入出力インターフェイス
３８ｂを介してＭＦＣ４３，４４へ出力されるようにな
っている。

【００３５】また、制御部３８のＣＰＵ３８ａには、入
出力インターフェイス３８ｂを介して、出力検出部３５
及びマイクロ波発生部３６も接続されている。これによ
り、ＣＰＵ３８ａから、マイクロ波の出力設定信号がマ
イクロ波発生部３６に伝送され、この出力設定信号（制
御信号）に基づいてマイクロ波の出力が設定されるよう
にされている。また、出力検出部３５で検出されたマイ
クロ波の出力実測値が、制御部３８に入力され、ＣＰＵ
３８ａでは、この出力実測値と出力設定値との比較が行
われ、フィードバック制御によるマイクロ波出力の調整
が行われる。

【００３６】このように構成されたＲＰＮ装置１００を
用いた本発明による基体処理方法、すなわちＲＰＮ装置
１００の運転方法の一例について、図１及び図２を参照
して説明する。図２は、本発明による基体処理方法叉は
基体処理装置の運転方法によってＳｉウェハＷａ上に形
成されたＳｉＯ₂膜を窒化処理する手順の概略を示すフ
ロー図である。なお、以下に示す処理手順は、例えば、
制御部３８を有する工程管理用計算機、シーケンサー等
によって、連続的に自動実施する。また、本実施形態で
は、例えば、２５枚のＳｉウェハＷａの処理を単位キャ
ンペーンとする。

【００３７】まず、アプリケータ３１の内部ガスを不活
性ガス等で置換する。次に、制御部３８からマイクロ波
発生部３６にマイクロ波発生信号を出力し、所定の出力
値を有するマイクロ波（第１のマイクロ波）を発生させ
る（ステップＳ１）。この第１のマイクロ波の出力値と
しては、ダミーロード３４の耐性許容出力以下の出力値
とし、特に限定されないが、例えば、ダミーロード３４
の耐性許容出力が５００Ｗであるときに、５００Ｗ以下
の値とする。また、第１のマイクロ波の周波数として
は、例えば略２．４５ＧＨｚ程度であると好ましい。

【００３８】この第１のマイクロ波は、マイクロ波ガイ
ド３２内を導波し、チューナー３３によって出力及び周
波数の整合（マッチング）及び調整が施された後、空間
Ｓｃを画成する隔壁を介して空間Ｓｃ内へ導入される
（ステップＳ２）。このように、ステップＳ１，Ｓ２に
より予備マイクロ波導入工程が構成される。このとき、
第１のマイクロ波出力は出力検出部３５で検出され、こ
の検出信号に基づいてその出力値が適正値（設定値）と
なるようにフィードバック制御される。

【００３９】この第１のマイクロ波の発生を所定時間実
行し、空間Ｓｃへの導入を所定時間継続する。このと
き、空間Ｓｃ内の雰囲気及び圧力によっては、プラズマ
が形成される場合とプラズマが形成されない場合があ
る。いずれにしても、第１のマイクロ波のエネルギーの
一部（僅少量と考えられる）が、空間Ｓｃの周囲の部材
に付与され、アプリケータ３１内が予備的に加熱される
等の処理が施される（ステップＳ３）。なお、本発明者
の知見によれば、アプリケータ３１内の温度が上昇する
ことが必須な条件であるとは現在のところ必ずしも限定
できない。

【００４０】また、空間Ｓｃ内に導入された第１のマイ
クロ波は、終端（ターミネーション）されず、初期の出
力と同程度の出力を有したままアプリケータ３１で反射
される。この反射マイクロ波は、マイクロ波ガイド３２
内を逆方向に導波し、ダミーロード３４で受波される。
よって、この反射マイクロ波がマイクロ波発生部３６へ
入射するおそれはない。また、反射マイクロ波の出力値
は、第１のマイクロ波の出力値よりも小さいので、ダミ
ーロード３４が過負荷となることもない。

【００４１】次いで、所定時間、第１のマイクロ波を発
生させた後、制御部３８からマイクロ波停止信号をマイ
クロ波発生部３６へ送出し、これにより第１のマイクロ
波を停止する（ステップＳ４）。この場合の所定時間と
しては、装置構造、規模、処理対象のＳｉウェハＷａの
種類、性状等に依存するものの、好ましくは、５秒以
上、より好ましくは１０秒以上が望ましい。この時間が
５秒未満であると、予備マイクロ波発生工程を実施する
効果が十分に得られない傾向にある。また、処理時間を
極力短縮する点を考慮すれば、この時間は１０秒程度で
あると一層好適である。

【００４２】続けて、熱処理部１のチャンバ２の内部を
不活性ガス等で置換し、搬送ロボット（図示せず）を用
いて最初のＳｉウェハＷａをチャンバ２内に搬送し収容
する（ステップＳ５）。次に、チャンバ２内及びアプリ
ケータ３１内を封止した状態でガス排出系５０のポンプ
を運転し、チャンバ２内及びアプリケータ３１内を減圧
する。なお、以降の処理プロセスにおいては、ガス排出
系５０を常時運転して所定の減圧状態を維持する。チャ
ンバ２内が所定の圧力となった時点で、リフト部材７に
より複数の支持ピン８を上昇させてＳｉウェハＷａを持
ち上げ、その後、支持ピン８を下降させてＳｉウェハＷ
ａをウェハ支持部材３のリングフレーム６上に載置す
る。

【００４３】次いで、制御部３８からＭＦＣ４３，４４
に所定の流量設定信号を伝送し、ガス源４１，４２から
のＮ₂ガス及びＨｅガスの供給を開始する。これによ
り、アプリケータ３１内の空間Ｓｃ内に、Ｎ₂ガス及び
Ｈｅガスが混合されて成る原料ガスＧｒを連続的に供給
する（ステップＳ６）。このとき、アプリケータ３１内
の原料ガスＧｒの全圧としては、好ましくは０．１〜２
０Ｔｏｒｒ（０．０１３〜２．７ｋＰａ）、より好まし
くは０．１〜２Ｔｏｒｒ（０．０１３〜０．２７ｋＰ
ａ）とする。

【００４４】それと共に、制御部３８からマイクロ波発
生部３６に別のマイクロ波発生信号を出力し、所定の出
力値を有するマイクロ波（第２のマイクロ波）を発生さ
せる（ステップＳ７）。この第２のマイクロ波の周波数
としては、好ましくは略２．４５ＧＨｚ、その出力値
は、好ましくは２．５〜３．５ｋＷ、より具体的には略
３．０ｋＷであると好適である。

【００４５】発生した第２のマイクロ波は、マイクロ波
ガイド３２内を導波し、チューナー３３によって出力及
び周波数の整合（マッチング）及び調整が施された後、
空間Ｓｃを画成する隔壁を介して空間Ｓｃ内へ導入され
る（ステップＳ８）。このとき、第２のマイクロ波の出
力は出力検出部３５で検出され、この検出信号に基づい
てその出力が適正値（設定値）となるようにフィードバ
ック制御される。

【００４６】なお、アプリケータ３１内に導入された第
２のマイクロ波の一部は、特にその導入初期に、アプリ
ケータ３１内で反射されてマイクロ波ガイド３２内を逆
流することがある。このような反射マイクロ波は、第２
のマイクロ波の初期出力に比して減弱されており、ダミ
ーロード３４で十分に受波される。これにより、この反
射マイクロ波がマイクロ波発生部３６へ流入することが
防止される。

【００４７】こうして、空間Ｓｃ内に導入された第２の
マイクロ波は、原料ガスＧｒに照射され、これにより、
空間Ｓｃ内においてマイクロ波放電が生じ、プラズマが
形成される。このとき、プラズマは確実に且つ時間遅延
がなく良好に着火形成される。第２のマイクロ波が照射
されると、原料ガスＧｒ中のＮ₂ガスの少なくとも一部
が励起叉は解離され、Ｎ₂ガス及び／叉はＮ₂ガス由来の
窒素活性種が生じる（ステップＳ９）。この窒素活性種
としては、例えば、窒素イオン等のイオン性活性種、及
び、Ｎ^*、Ｎ₂ ^*ラジカル等の励起種叉は中性活性種等が
考えられる。ただし、作用はこれに特定されるものでは
ない。

【００４８】そして、この窒素活性種を含む反応ガスＸ
が生成し、アプリケータ３１からチャンバ２内のガス供
給口１２を通して空間Ｓｂ内へ導入される（ステップＳ
１０）。また、この反応ガスＸは、ＳｉウェハＷａ周辺
を流通し、一部がガス排出口１３からガス排出系５０へ
排気される。こうして、空間Ｓｂ内におけるＳｉウェハ
Ｗａ上に反応ガスＸひいては反応ガスＸに含まれる窒素
活性種を供給する。これにより、ＳｉウェハＷａは、表
面全体が窒素活性種に曝されることとなる。

【００４９】ここで、アプリケータ３１の空間Ｓｃ内で
生成された反応ガスＸ中には、イオン性活性種成分や電
子等が含まれているが、それらは、アプリケータ３１か
らチャンバ２に至る自由行程において再結合し、叉は、
エネルギーロスによって消費される。よって、空間Ｓｂ
に達した反応ガスＸ中の活性種は、励起種等の中性活性
種の含有割合が高められたものとなり得る。

【００５０】一方、チャンバ２内の空間Ｓａ内に、ガス
供給管１８を通してガスＧｋを連続的に供給する。この
際には、制御部３８によりガスＧｋのＭＦＣ（図示せ
ず）に流量設定信号を伝送し、所定の流量でガスＧｋを
供給してもよい。ガスＧｋは、ガス供給口１６から空間
Ｓａ内を流通し、ガス排出口１７から排出される。この
とき、空間Ｓａ内は、ＳｉウェハＷａの自重により実質
的に閉状態に維持されているため、空間Ｓａ内のガスＧ
ｋが空間Ｓｂに漏出するおそれは殆ど無い。

【００５１】また、このとき、空間Ｓａ内に供給される
ガスＧｋの流量が空間Ｓａから排出されるガスＧｋの流
量よりも少なくなるように、空間ＳａからのガスＧｋの
排出流量を調整する。これにより、ウェハ支持部材３と
ＳｉウェハＷａとの間に形成された僅かな間隙を通っ
て、空間Ｓｂ内の反応ガスＸが空間Ｓａ内に流れ込み、
強制的な流体の閉空間が形成される。

【００５２】次いで、上述の反応ガスＸ及びガスＧｋの
供給と略同時に、駆動手段（図示せず）によりウェハ支
持部材３を回転駆動させてＳｉウェハＷａを回転させる
と共に、複数の加熱ランプ９を点灯させる（ステップＳ
１１）。これにより、ＳｉウェハＷａの温度を室温から
徐々に且つ急速に上昇させる。

【００５３】ＳｉウェハＷａの温度が所定温度に達する
と、ＳｉウェハＷａ上において窒素活性種との相互作用
が生じる。具体的には、ＳｉＯ₂膜を構成するＳｉ−Ｏ
結合が活性種からエネルギーを付与されて励起叉は解離
し、Ｓｉ−Ｎ結合叉はＯ−Ｎ結合が生じる。その結果、
ＳｉＯ₂膜の主として表層部が窒化処理される（ステッ
プＳ１２）。ただし、作用機構はこれに限定されるもの
ではない。なお、この場合の処理時間（成膜時間）とし
ては、処理条件によって所望の処理が行える最適なプロ
セス時間、例えば６０〜１２０秒が予め設定されてい
る。以上のように、ステップＳ６〜Ｓ１２から活性種供
給工程が構成されている。

【００５４】一方、空間ＳａにおけるＳｉウェハＷａ表
面には、自然酸化膜であるシリコン亜酸化物（ＳｉＯ）
の昇華を抑え得るＳｉＯ₂膜が形成される。こうして、
その後の工程におけるＳｉウェハＷａの裏面の保護が可
能となる。次いで、所定時間経過した後、ＳｉウェハＷ
ａの回転を停止し、複数の加熱ランプ９の熱出力を所定
のウェハ搬出温度となるように制御し、制御部３８から
マイクロ波発生部３６に第２のマイクロ波の停止信号を
伝送すると共に、ＭＦＣ４３，４４に流量ゼロ信号を伝
送して原料ガスＧｒの供給を停止する（諸操作の停止；
ステップＳ１３）。

【００５５】さらに、ＳｉウェハＷａの温度が搬出可能
な温度まで下降した後、図示しない搬送ロボットにより
ＳｉウェハＷａをチャンバ２の外部に搬出し（ステップ
Ｓ１４）、二枚目以降のＳｉウェハＷａの窒化処理へ移
行する（ステップＳ１５）。このとき、二枚目以降のＳ
ｉウェハＷａの処理は、上述のステップＳ５から開始す
る。これは、既に実施した最初の（一枚目の）Ｓｉウェ
ハＷａの処理自体が、予備マイクロ波発生工程を実施し
たのと同様の作用及び効果を奏するためである。そし
て、全ＳｉウェハＷａの処理が終了したら、処理キャン
ペーンを終了する。

【００５６】ここで、以上説明したＳｉウェハＷａの窒
化処理において、アプリケータ３１内へ供給するＮ₂ガ
スとＨｅガスとの混合割合は、特に限定されるものでは
ないが、Ｎ₂ガスが約３０ｖｏｌ％以上含まれると窒化
処理速度（窒化膜の成膜速度）が十分に高められるので
好ましい。ただし、極く薄い窒化膜を形成させる場合に
は、成膜速度が大き過ぎて所望の膜厚を得難いおそれが
あるので、あえて成膜速度を抑えるために、Ｎ₂ガスの
混合割合を好ましくは３０ｖｏｌ％未満、より好ましく
は０．１〜２０ｖｏｌ％、特に好ましくは０．５〜５ｖ
ｏｌ％とすると好適である。こうすれば、膜厚の均一性
に優れた極薄の窒化膜を形成し易い利点がある。

【００５７】Ｎ₂ガス及びＨｅガスの混合比をこのよう
な好適な範囲内の値とするには、制御部３８によりＭＦ
Ｃ４３，４４を制御してガス源４１，４２からのＮ₂ガ
ス及びＨｅガスのアプリケータ３１への供給流量を適宜
調整することにより達成できる。また、Ｎ₂ガス及びＨ
ｅガスの混合比（割合）を調整することにより、Ｓｉウ
ェハＷａ上に供給される窒素活性種の量を任意に調節で
きる。これにより、窒化膜の膜質を制御することも可能
である。

【００５８】また、ステップＳ１２におけるＳｉウェハ
Ｗａの温度（処理温度、窒化膜の成膜温度）としては、
反応ガスＸの濃度等にもよるが、好ましくは、４５０〜
９００℃、より好ましくは５５０〜７５０℃であると好
適である。

【００５９】さらに、反応ガスＸの空間Ｓｂ内の全圧
は、好ましくは０．１〜２０Ｔｏｒｒ（０．０１３〜
２．７ｋＰａ）、より好ましくは０．１〜２Ｔｏｒｒ
（０．０１３〜０．２７ｋＰａ）であることが望まし
い。この圧力が上記下限値未満であると、十分な成膜速
度（反応効率）が得られない程に反応ガスＸ中の活性種
濃度が低下する傾向にある。これに対し、上記圧力が上
記上限値を超えても、成膜速度の低下が顕著となる場合
がある。これは、活性種の相互作用による失活が一因で
あると推定される。

【００６０】このように構成されたＲＰＮ装置１００及
び本発明による基体処理方法（ＲＰＮ装置１００の運転
方法）によれば、複数のＳｉウェハＷａをＲＰＮ装置１
００で連続的に枚葉処理するキャンペーンにおいて、最
初の（一枚目の）ＳｉウェハＷａの窒化処理に先立っ
て、第１のマイクロ波を用いた予備処理（ステップＳ
３）を実施するので、その最初のＳｉウェハＷａに対
し、二枚目以降のＳｉウェハＷａに対するのと同様な処
理環境を実現できる。よって、従来問題であったプラズ
マの遅延形成による窒化処理の未完、プラズマの未形成
によるプラズマ停止、といったファースト・ウェハ・エ
フェクトを十分に解消できる。その結果、キャンペーン
全体を通して、ＳｉウェハＷａの処理を円滑且つ確実に
実施でき、歩留まりの低下や処理コストの増大を十分に
回避できる。

【００６１】また、第１のマイクロ波の出力値をダミー
ロード３４の耐性許容出力以下としているので、ステッ
プＳ１〜Ｓ３において発生する反射マイクロ波をダミー
ロード３４で受波しても、ダミーロード３４が過負荷と
ならず、その損傷を防止できる。これにより、その反射
マイクロ波がマイクロ波発生部３６へ入射することを十
分に抑制できるので、マイクロ波発生部３６への影響及
び損傷をも防止できる。それらの結果、マイクロ波発生
部３６の機器寿命を延長できると共に、機器の不具合に
よるプロセスの停止を十分に抑止できる。

【００６２】さらに、第１のマイクロ波出力が、本来の
窒化処理で使用する第２のマイクロ波出力よりも小さい
ので、電力消費量の増大を軽減できる。よって、経済性
の悪化を抑制することが可能である。またさらに、アプ
リケータ３１内において、マイクロ波放電によるプラズ
マ形成で窒素活性種を生成させるので、低圧でのプラズ
マ形成によって窒素活性種濃度を十分に高めることがで
きる。また、このように生じた窒素活性種をチャンバ２
内に導入するので、窒素活性種を高濃度でＳｉウェハＷ
ａ上に供給でき、成膜速度を向上することが可能とな
る。しかも、チャンバ２の空間Ｓｂ内では、中性活性種
の比率が高められるので、ＳｉウェハＷａやチャンバ２
の内壁等に与えるダメージを十分に軽減できる。

【００６３】さらにまた、本発明による基体処理装置及
び方法は、ＲＰ機能を有する種々の装置に適用すること
が可能であり、或いは、そのような装置をベースに構成
することも簡易である。ここで、本発明者は、本発明の
優位性を確認すべく、Applied Materials社製の成膜装
置（RTP XE CENTURA（登録商標））を用いて、従来方法
と、図２に示す手順を用いた本発明の基体処理方法とに
よる処理キャンペーンを実施した。

【００６４】まず、予備マイクロ波発生工程を実施しな
い従来の方法を用いた場合、最初のＳｉウェハの処理を
開始し、マイクロ波を約３ｋＷの出力で発生させると、
以下のような現象が確認された。（１）マイクロ波の発生から数秒〜１０秒程度遅延して
プラズマが発生することがあった。なお、プラズマの有
無は、アプリケータ３１内に設けた光学式センサにより
測定した。この場合、プロセス時間は予め設定されてい
るので、成膜時間が設定値よりも実質的に短くなり、所
望の窒化膜が得られなかった。（２）インターロックによるプロセス停止を判断する時
間（例えば１５秒）内にプラズマが形成されないことが
あった。この場合、最初のＳｉウェハＷａに対する窒化
処理を実施できず、また、再立ち上げのための時間を要
した。（３）上記（１）叉は（２）の場合に、活性種供給部３
０付近で、衝撃音のような異音が発生した。これは、高
出力の反射マイクロ波によるものと推定される。

【００６５】次に、本発明の方法（出力値が５００Ｗの
第１のマイクロ波、及び、出力値が３ｋＷの第２のマイ
クロ波）により複数の処理キャンペーンを実施した。そ
の結果、最初のＳｉウェハＷａに対して上記の従来方法
で認められた（１）〜（３）に示す現象は起らず、キャ
ンペーン中の全ウェハに対して略同等の処理を実施でる
ことが確認された。また、それらの膜特性にも有意なば
らつきは生じないことが判明した。

【００６６】なお、上述した実施形態においては、制御
部３８に、例えば、図示しないウェハ搬送用の搬送ロボ
ットの制御信号といったチャンバ２のロードロックに関
する信号等が入力されるようになっていてもよい。これ
により、ＣＰＵ３８ａにおいて、チャンバ２内に最初の
ＳｉウェハＷａが収容されたか否かを判定し、その結果
に基づいて、第１のマイクロ波を出力させてもよい。ま
た、ダミーロード３４の許容耐性出力によっては、第１
のマイクロ波の出力値を第２のマイクロ波の出力値より
も大きくしても構わない。また、出力検出部３５からの
出力実測値に基づいたフィードバック制御、及び／叉
は、処理全体の自動制御は、必ずしも必要ない。

【００６７】さらに、Ｎ₂ガスとＨｅガスとをガス供給
口３１ａの直前で混合せずに、両ガスをガス供給口３１
ａから独立にアプリケータ３１へ導入して空間Ｓｃ内で
混合するようにしてもよい。またさらに、チャンバ２内
に空間Ｓａを形成すること、及び／又は、ガスＧｋを空
間Ｓａに供給して流通させることは実施しなくてもよ
い。この場合、ウェハ支持部材３の代りに通常のサセプ
タを用いてＳｉウェハＷａを支持してもよく、加熱ラン
プ９の代りにこのサセプタにヒーター等の加熱源を設け
ても構わない。さらにまた、空間ＳａにガスＧｋを供給
しない場合には、ＳｉウェハＷａをウェハ支持部材３に
載置してから、チャンバ２内を減圧してもよい。

【００６８】

【発明の効果】以上説明した通り、本発明の成膜方法及
び装置によれば、基体の処理を円滑且つ確実に実施で
き、特に、複数の基体を同一装置で連続的に処理する際
に従来より問題であったファースト・ウェハ・エフェク
トを解消できる。また、これにより、基体の処理におけ
る歩留まりの低下やコストの増大を十分に回避すること
が可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による基体処理装置の好適な一実施形態
を示す構成図（一部断面図）である。

【図２】本発明による基体処理方法叉は基体処理装置の
運転方法によってＳｉウェハ上に形成されたＳｉＯ₂膜
を窒化処理する手順の概略を示すフロー図である。

【符号の説明】

１…熱処理部、２…チャンバ、９…加熱ランプ、３０…
活性種供給部、３１…アプリケータ（放電部）、３２…
マイクロ波ガイド（導波部）、３４…ダミーロード（反
射波受部）、３６…マイクロ波発生部、３８…制御部、
４０…原料ガス供給系、４１，４２…ガス源（原料ガス
供給源）、１００…ＲＰＮ装置（基体処理装置）、Ｇｒ
…原料ガス、Ｗａ…Ｓｉウェハ（基体）、Ｘ…反応ガ
ス。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者漆崎清也千葉県成田市新泉14−３野毛平工業団地内アプライドマテリアルズジャパン株式会社内Ｆターム(参考） 4K030 AA13 AA14 AA18 BA44 CA04 CA12 FA01 KA30 5F045 AA20 AB33 AB34 AC11 AC15 AC16 AF08 BB08 DP04 EH18 EK12 EM10 GB05 5F058 BD01 BD04 BD15 BF74

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】原料ガスをマイクロ波放電によって励起
叉は電離させて生成せしめた活性種を基体上に供給し該
基体を該活性種により処理する活性種供給工程、を備え
る基体処理方法であって、前記活性種供給工程を実施する前に、任意の出力から選
択される所定の出力値を有する第１のマイクロ波を発生
させ、該第１のマイクロ波を前記原料ガスのマイクロ放
電が行われる場所に導入する予備マイクロ波導入工程
を、更に備えることを特徴とする基体処理方法。
【請求項２】前記予備マイクロ波導入工程において
は、前記第１のマイクロ波として、前記マイクロ波放電
により前記活性種を生成せしめる際に用いる第２のマイ
クロ波の出力値よりも小さい出力値を有するマイクロ波
を発生させる、ことを特徴とする請求項１記載の基体処
理方法。
【請求項３】前記予備マイクロ波発生工程及び前記活
性種供給工程においては、前記原料ガスが供給され該原
料ガスのマイクロ波放電が行われる放電部と、マイクロ
波を発生するマイクロ波発生部と、該放電部と該マイク
ロ波発生部との間に設置され前記マイクロ波を導波する
導波部と、該導波部に設けられ前記放電部から反射され
たマイクロ波を受波する反射波受部とを有する活性種供
給部を備える基体処理装置を用い、前記予備マイクロ波発生工程においては、前記第１のマ
イクロ波として、前記反射波受部の許容最大出力以下の
出力値を有するマイクロ波を発生させる、ことを特徴と
する請求項１叉は２に記載の基体処理方法。
【請求項４】前記予備マイクロ波発生工程及び前記活
性種供給工程においては、前記基体処理装置として、前
記活性種供給部に接続され前記基体が収容されるチャン
バを更に有するものを用い、且つ、前記原料ガスとして
窒素原子を含有して成るガスを用い、前記活性種供給工程においては、前記活性種として窒素
活性種を前記基体上に供給して該基体上の物質を窒化す
る、ことを特徴とする請求項３記載の基体処理方法。
【請求項５】原料ガスがマイクロ波放電によって励起
叉は電離されて生成された活性種が基体上に供給され、
該基体が該活性種により処理される基体処理装置であっ
て、前記基体が収容されるチャンバと、前記原料ガスを有する原料ガス源と、前記原料ガス源に接続され前記原料ガスのマイクロ波放
電が行われる放電部、マイクロ波を発生するマイクロ波
発生部、該放電部と該マイクロ波発生部との間に設置さ
れ前記マイクロ波を導波する導波部、及び、該導波部に
設けられ前記放電部から反射されたマイクロ波を受波す
る反射波受部、を有する活性種供給部と、前記マイクロ波発生部に接続されており、前記チャンバ
内に前記基体が収容される前に、任意の出力から選択さ
れる所定の出力値を有する第１のマイクロ波が発生する
ように前記マイクロ波発生部を制御する制御部と、を備
えることを特徴とする基体処理装置。
【請求項６】前記マイクロ波発生部は、前記第１のマ
イクロ波として、前記マイクロ波放電により前記活性種
が生成される際に用いられる第２のマイクロ波の出力値
よりも小さい出力値を有するマイクロ波を発生するもの
である、ことを特徴とする請求項５記載の基体処理装
置。
【請求項７】前記マイクロ波発生部は、前記第１のマ
イクロ波として、前記反射波受部の許容最大出力以下の
出力値を有するマイクロ波を発生するものである、こと
を特徴とする請求項５叉は６に記載の基体処理装置。
【請求項８】前記原料ガス源は、前記原料ガスとして
窒素原子を含有して成るガスを有するものである、こと
を特徴とする請求項５〜７のいずれか一項に記載の基体
処理方法。
【請求項９】請求項５〜８のいずれか一項に記載の基
体処理装置を運転する方法であって、前記チャンバ内に前記基体を収容する前に、前記マイク
ロ波発生部において前記第１のマイクロ波を発生させ、
該第１のマイクロ波を前記放電部に導入し、前記第１のマイクロ波の発生を停止した後、前記チャン
バ内に前記基体を収容し、前記チャンバ内に前記基体を収容した後に、前記原料ガ
スを前記放電部に供給すると共に、前記マイクロ波発生
部において前記第２のマイクロ波を発生させ、該第２の
マイクロ波を前記放電部に導入し、該原料ガスをマイク
ロ波放電によって励起叉は電離させて前記活性種を生成
せしめ、該活性種を該基体上に供給する、ことを特徴と
する基体処理装置の運転方法。