JP2008235918A - プラズマ基板処理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】基板のプラズマ処理速度を向上させる高密度マイクロ波プラズマ処理装置を提供する。
【解決手段】マイクロ波プラズマ基板処理装置３０は、プラズマ処理が行われる処理空間１１Ａを有する処理容器１１，１２と、前記処理空間内に設けられ、被処理基板Ｗを保持する基板保持台と、前記処理容器と前記基板保持台との間に形成された排気通路と、前記処理容器に結合され、前記処理空間を前記排気通路を介して排気する排気系と、前記処理空間に処理ガスを導入する処理ガス供給系と、前記処理容器に結合されたマイクロ波アンテナとを備え、前記処理容器は石英ガラスよりなり、前記処理容器に対応した側壁部と、前記側壁部に連続して形成された頂部とよりなるマイクロ波窓を構成し、前記処理容器の側壁には、被処理基板の搬入・搬出口１１Ｂが形成されており、前記搬入・搬出口は、弗化アルミニウム層あるいはＳｉＯ₂層により覆われた可動シャッタが設けられる。
【選択図】図５

Description

本発明は一般に基板処理技術に係り、特にシリコン基板上に絶縁膜を形成する基板処理方法に関する。

半導体製造技術においては、シリコン基板上への絶縁膜の形成は、最も基本的で、かつ重要な技術である。特にＭＯＳトランジスタのゲート絶縁膜やフラッシュメモリのトンネルゲート絶縁膜などには、非常に高品質な絶縁膜が必要とされる。これに伴い、このような薄い絶縁膜を、高品質に形成できる技術が必要とされている。

従来より、ＭＯＳトランジスタのゲート絶縁膜に使われるような高品質のシリコン酸化膜は、シリコン基板表面の熱酸化処理により形成されている。このようにして形成されたシリコン熱酸化膜では含まれるダングリングボンドの数が少なく、ゲート絶縁膜のような、チャネル領域を覆うように設けられ高電界が印加される絶縁膜に使った場合でもキャリアのトラップがわずかであり、安定なしきい値特性を実現することができる。

一方、微細化技術の進展により、今日では０．１μｍを切るゲート長の超微細化半導体装置の製造が可能になりつつある。

かかる超微細化半導体装置においてゲート長の短縮により半導体装置の動作速度を向上させようとすると、ゲート絶縁膜の厚さをスケーリング則に従って減少させる必要がある。例えばゲート長が０．１μｍのＭＯＳトランジスタの場合、ゲート絶縁膜の厚さを２ｎｍ以下に減少させる必要があるが、従来の熱酸化膜では、膜厚をこのように減少させるとトンネル電流によるゲートリーク電流が増大してしまう。このことから、従来より、２ｎｍの膜厚が熱酸化膜によるゲート絶縁膜の限界と考えられていた。膜厚が２ｎｍの熱酸化膜では、１×１０^-2Ａ／ｃｍ²程度のゲートリーク電流が実現されている。

これに対し、シリコン基板に対して高密度マイクロ波プラズマによる酸化処理を行うことにより、さらに高品質なシリコン酸化膜を形成する技術が提案されている。

図１は、かかる高密度マイクロ波プラズマを使った基板処理装置１０の構成を示す。

図１を参照するに、基板処理装置１０は基本的には上下に重ねられて処理空間１１Ａを画成する上部処理容器１１および下部処理容器１２と、前記処理空間１１Ａ中に設けられ、被処理基板Ｗを保持するサセプタ１３と、前記処理空間１１Ａの上方開口部を塞ぐように設けられマイクロ波窓として作用するアルミナカバープレート１４とより構成されており、上下の処理容器１１，１２の間には、被処理基板Ｗを出し入れするための基板搬送口１１Ｂが形成されている。

前記サセプタ１３の周囲には、前記サセプタ１３を囲むように排気通路が形成されており、前記処理空間１１Ａは、処理容器１２の下部に設けられた排気口１２Ａに排気系を接続することにより、前記排気通路を介して排気される。前記処理空間１１Ａから排気口１２Ａへの均一な排気を促進するために、前記サセプタ１３周囲の排気通路には、多数の開口部を有する整流板１３Ａが形成されている。

また前記上部処理容器１１は通路１１Ｄ中を通される伝熱性媒体により温度制御され、前記上部処理容器１１には前記処理空間１１Ａに導入される処理ガスの通路１１Ｃが、ガス導入ポートとして形成されている。

かかる基板処理装置１０では、前記マイクロ波窓１４にラジアルラインスロットアンテナあるいはホーンアンテナなどのマイクロ波アンテナ（図示せず）が結合される。そこで前記ガス導入ポート１１ＣからＡｒあるいはＫｒなどの希ガスとＯ₂ガスを導入し、この状態でマイクロ波アンテナを数百ＭＨｚから１０ＧＨｚ程度の周波数のマイクロ波で駆動することにより、前記処理空間１１Ａ中に、被処理基板の表面上において一様な分布を有する高密度プラズマを形成することができる。

このようにして励起された希ガスプラズマは同時に導入された酸素分子に作用し、その結果、前記処理空間１１Ａ内には原子状酸素Ｏ*が効率的に、しかも均一に形成される。かかる原子状酸素Ｏ*をシリコン基板表面の酸化処理に使うことにより、前記被処理基板表面に６００℃以下の低い温度において、１０００℃以上の温度で形成された熱酸化膜を上回る膜質のプラズマ酸化膜を、被処理基板上に均一に形成することが可能になる。

図１の基板処理装置１０はプラズマを数百ＭＨｚから１０ＧＨｚのマイクロ波により形成するため、形成されたプラズマは高密度であるにもかかわらず電子温度が低く、処理容器１１，１２の内壁をスパッタすることがない。このため、形成される酸化膜には処理容器に起因する金属汚染が生じることがない。また、得られる酸化膜はマイクロ波あるいはプラズマによる損傷がなく、界面準位密度が熱酸化膜の場合よりも低くなる好ましい特徴を示す。

このように、図１の基板処理装置１０は高品質の酸化膜を低温で形成できる、優れた特徴を有しているが、本発明の発明者は、本発明の基礎となる実験において、形成される酸化膜の成長速度が、他の従来の高密度マイクロ波プラズマ基板処理装置を使った場合と比べると劣ることを見出した。

例えば基板処理装置１０において周波数が２．４５ＧＨｚのマイクロ波を２０００Ｗのパワーで供給し、１３３Ｐａの圧力下、Ａｒガスを１０００ＳＣＣＭ，酸素ガスを２０ＳＣＣＭの流量で供給した場合、６ｎｍ／６分の酸化膜成長速度が得られるが、これ以上マイクロ波パワーを増大しても酸化膜成長速度は実質的に増大することがなく、酸化膜成長速度に限界があることが示された。また、この酸化膜成長速度は、従来の他の高密度マイクロ波プラズマ基板処理装置で得られる値よりも劣っている。

図２は、図１の基板処理装置１０において前記処理容器１１および１２としてＡｌを使い、上記の条件下でＳｉ基板の表面を６分間酸化した場合に得られる酸化膜の膜厚を、前記処理容器１１および１２としてステンレススチールを使った場合と比較して示す図である。

図２を参照するに、Ａｌを使った場合、６分間の基板処理で得られる酸化膜の膜厚は６ｎｍ程度であり、酸化膜の成膜速度は約１ｎｍ／分程度にしかならない。また前記処理容器１１および１２としてステンレススチールを使った場合でも、改善はわずかである。

マイクロ波パワー、従って被処理基板Ｗ表面におけるプラズマ密度を増大させても酸化膜の成膜速度が増大しないということは、基板表面における原子状酸素Ｏ*の密度がプラズマ密度に従って増大していないこと、従って形成される原子状酸素Ｏ*の一部が、被処理基板Ｗの酸化に寄与することなく、処理空間１１Ａ内のどこかで、消費されていることを意味している。

半導体装置、特にフラッシュメモリやＥＥＰＲＯＭなどのフローティングゲート電極を有する半導体装置の製造においては、ある程度の膜厚の高品質な酸化膜を効率的に形成できる技術が必要とされる。このためには、図１の基板処理装置において、酸化に寄与しない原子状酸素O*の消費を抑制し、酸化膜あるいは絶縁膜の成膜速度をさらに高める必要がある。

そこで本発明は上記の課題を解決した、新規で有用な基板処理装置を提供することを概括的課題とする。

本発明のより具体的な課題は、被処理基板に対向して平行に延在するマイクロ波窓を有し、マイクロ波窓直下に形成された高密度プラズマにより被処理基板表面を一様に処理する基板処理装置において、マイクロ波プラズマにより励起されたラジカルの基板処理に寄与しない消費を最小化し、基板処理効率を向上させることにある。

本発明は、プラズマ処理が行われる処理空間を有する処理容器と、前記処理空間内に設けられ、被処理基板を保持する基板保持台と、前記処理容器と前記基板保持台との間に形成された排気通路と、前記処理容器に結合され、前記処理空間を、前記排気通路を介して排気する排気系と、前記処理空間に処理ガスを導入する処理ガス供給系と、前記処理容器に結合されたアンテナと、を備えたプラズマ基板処理装置において、前記処理容器の少なくとも一部を石英ガラスで構成し、前記処理容器の上部にプラズマ生成手段を配置し、前記処理容器の側壁には、被処理基板の搬入・搬出口が形成されており、前記搬入・搬出口は、弗化アルミニウム層あるいはＳｉＯ₂層により覆われた可動シャッタが設けられることを特徴とするプラズマ基板処理装置を提供する。
［作用］
本発明によれば、処理空間を画成する処理容器の内壁面を絶縁膜、好ましくは弗化アルミニウム膜あるいは石英ライナを形成することにより、高密度プラズマにより形成された酸素ラジカルが、処理容器１１の内壁面あるいはサセプタ１３の露出表面、さらには側壁面において消滅するのが抑制される。さらにマイクロ波窓１４の材質をアルミナから石英ガラスに変更することで、アルミナが高密度プラズマによりＡｌに還元されるのが抑制され、その結果、Ａｌによるラジカルの消滅が抑制される。その結果、本発明のマイクロ波プラズマ基板処理装置では被処理基板Ｗ表面において非常に高いラジカル密度を保証することができ、成膜速度が向上する。

本発明によれば、マイクロ波プラズマを使ったマイクロ波プラズマ基板処理装置において、処理空間を画成する内壁面を、励起されたラジカルを消滅させないような絶縁膜で覆うことにより、プラズマ密度に対応した成膜速度を実現することが可能になり、基板処理効率が大きく向上する。

［第１実施例］
図３は、本発明の第１実施例によるマイクロ波プラズマ基板処理装置２０の構成を示す。ただし図３中、先に説明した部分には同一の参照符号を付し、説明を省略する。

図３を参照するに、本実施例においては処理容器１１をＡｌにより構成し、さらにその内壁面に弗化処理により弗化アルミニウム層２１を形成する。またサセプタ１３をＡｌＮにより構成し、その側壁面および被処理基板Ｗを載置した場合に露出される表面に石英カバー２３を形成している。また図３の構成では、アルミナあるいは石英ガラスよりなるマイクロ波窓１４に、ラジアルラインスロットアンテナ２１０が結合されており、外部のマイクロ波源から供給されたマイクロ波が、前記マイクロ波窓１４を通って、前記処理空間１１Ａに供給される。

図４は、図３のマイクロ波プラズマ基板処理装置２０を先に図２で説明したのと同一の条件下で運転して得られた被処理基板Ｗの酸化速度を、先の図２の結果と比較して示す。

図４を参照するに、処理容器１１の内壁に弗化アルミニウム層を形成することにより、酸化速度が従来の１．５倍近くまで増大していることがわかる。すなわち、図３のマイクロ波プラズマ基板処理装置２０は、高品質な酸化膜を、従来の約１．５倍の速度で形成できることを意味している。また図４の結果は、図１のマイクロ波プラズマ基板処理装置１０においては高密度プラズマにより処理空間１１Ａ中に形成された原子状酸素Ｏ*のうちのかなりの部分が、処理容器１１の内壁により消滅させられていたことを意味している。

さらに図４に示すように前記マイクロ波窓１４としてアルミナのかわりに石英ガラスを使ったところ、酸化速度が従来の約２倍近くまでさらに増大することが見出された。これはマイクロ波窓１４にアルミナを使った場合、マイクロ波窓１４の直下に励起される高密度プラズマによりアルミナが還元され、形成されたＡｌが原子状酸素Ｏ*を消滅させていたものと解釈される。これに対し、マイクロ波窓１４として石英ガラスを使った場合にはこのような問題は生じることがなく、さらに大きな酸化速度が実現されたものと考えられる。

さらに図３のマイクロ波プラズマ基板処理装置２０では、前記サセプタ１３の周囲の排気通路に形成された整流板１３ＡをＡｌにより形成し、その表面を弗化処理して弗化アルミニウム層を形成しておくのが好ましい。また前記弗化アルミニウム層２１の代わりに石英ライナを使うことも可能である。

なお、本実施例のマイクロ波プラズマ基板処理装置３０はシリコン基板の酸化処理のみならず、窒化処理あるいは酸窒化処理においても有効である。

シリコン基板の窒化処理の場合には、ＡｒやＫｒなどの希ガスとＮＨ₃ガス、あるいはＮ₂ガスを前記処理空間１１Ａに導入すればよい。またシリコン基板の酸窒化処理の場合には、窒化処理に使われるガスにさらにＯ₂ガスを添加すればよい。
［第２実施例］
図５は、本発明の第２実施例によるマイクロ波プラズマ基板処理装置３０の構成を示す。ただし図５中、先に説明した部分に対応する部分には同一の参照符号を付し、説明を省略する。

図５を参照するに、マイクロ波プラズマ基板処理装置３０は先の実施例のマイクロ波プラズマ基板処理装置２０と同様に上部処理容器１１と下部処理容器１２とより構成されるが、カバープレート１４の代わりに、処理容器１１内に保持されたベルジャ型の石英ガラス容器３４が設けられ、前記石英容器３４は処理容器１１の内壁面に係合する側壁部と前記被処理基板Ｗに実質的に平行に延在し、処理空間１１Ａを前記サセプタ１３および整流板１３Ａと共に画成する天井部とより構成されている。また、前記処理容器１１の内壁面のうち、前記石英容器３４が設けられていない部分は石英ライナ３１により覆われており、前記石英ライナ３１には前記処理ガス通路１１Ｃに連通する処理ガス導入ポート３１Ａが形成されている。

前記石英ガラス容器３４の天井部はマイクロ波窓を構成し、図５に示すようにかかるマイクロ波窓にラジアルラインスロットアンテナ２１０が結合される。

かかる構成のマイクロ波プラズマ基板処理装置３０では、処理空間１１Ａの内壁面が石英ガラスにより覆われているため、金属内壁面における原子状酸素Ｏ*の消滅が抑制され、投入されたプラズマパワーに応じた速度で酸化処理を行うことが可能である。その結果、先に図４で説明したように、酸化処理の際の酸化膜形成速度を著しく増大させることが可能になる。

なお、本実施例のマイクロ波プラズマ基板処理装置３０はシリコン基板の酸化処理のみならず、窒化処理あるいは酸窒化処理においても有効である。

図６は、本実施例のマイクロ波プラズマ基板処理装置３０の一変形例による基板処理装置４０の構成を示す。

図６を参照するに、本実施例では、下部処理容器１２に形成された基板搬入・搬出口１１Ｂに、石英ガラスよりなる可動シャッタ３１Ｂを形成する。その結果、前記基板搬入・搬出口１１Ｂにおける原子状酸素Ｏ*の消滅が抑制され、基板処理効率がさらに向上する。また被処理基板Ｗの特定の方向に原子状酸素Ｏ*の濃度が減少することがなく、軸対称に一様な基板処理を行うことが可能になる。
［第３実施例］
図７は、本発明の第３実施例によるマイクロ波プラズマ基板処理装置５０の構成を示す。ただし図中、先に説明した部分に対応する部分には同一の参照符号を付し、説明を省略する。

図７を参照するに、マイクロ波プラズマ基板処理装置５０は先の実施例の基板処理装置３０あるいは４０と同様に上部処理容器１１と下部処理容器１２とを有するが、サセプタ１３が上下動自在に構成されており、前記サセプタ１３の下降位置に対応して、前記下部容器１２中に被処理基板Ｗの搬入・搬出口１１Ｂが形成されている。

また前記上部処理容器１１は先に説明したベルジャ型の石英容器３４を保持し、前記サセプタ１３が所定の処理位置まで上昇したところで、前記石英容器３４中に処理空間１１Ａが形成される。その際、前記処理空間１１Ａは、石英容器３４の内壁面とサセプタ１３上の被処理基板Ｗ、および前記サセプタ１３の処理位置に対応して形成された整流板１３Ａとにより、実質的に画成される。

図７の構成では、さらに前記上部処理容器１１の石英容器３４と整流板１３Ａとの間に、石英あるいは表面を弗化処理したＡｌよりなるリング３１ａが形成されており、かかるリング３１ａにガス導入ポート３１Ａが、前記処理ガス通路１１Ｃに連通するように形成されている。

かかる構成のマイクロ波プラズマ基板処理装置５０では、処理空間１１Ａが実質的に完全に石英ガラスあるいは弗化アルミニウムにより画成されているため、ラジアルラインスロットアンテナ２１０を駆動して処理空間１１Ａ中に高密度プラズマを形成した場合、プラズマ密度に応じた高密度の原子状酸素Ｏ*が励起され、かかる原子状酸素Ｏ*を使うことにより、高品質なプラズマ酸化膜を、効率良く形成することが可能になる。

なお、本実施例のマイクロ波プラズマ基板処理装置５０はシリコン基板の酸化処理のみならず、窒化処理あるいは酸窒化処理においても有効である。

また、以上の説明ではマイクロ波アンテナとしてラジアルラインスロットアンテナを使ったが、本発明はかかる特定のアンテナ構成に限定されるものではなく、ホーンアンテナなど他のマイクロ波アンテナを使うことも可能である。

以上、本発明を好ましい実施例について説明したが、本発明はかかる特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した要旨内において様々な変形・変更が可能である。

以上、本発明を好ましい実施形態について説明したが、本発明はかかる特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した要旨内において様々な変形・変更が可能である。

従来のマイクロ波プラズマ基板処理装置の構成を示す図である。 従来のマイクロ波プラズマ基板処理装置の課題を示す図である。 本発明の第１実施例によるマイクロ波プラズマ基板処理装置の構成を示す図である。 図３のマイクロ波プラズマ基板処理装置の効果を示す図である。 本発明の第２実施例によるマイクロ波プラズマ基板処理装置の構成を示す図である。 図５のマイクロ波プラズマ基板処理装置の一変形例を示す図である。 本発明の第３実施例によるマイクロ波プラズマ基板処理装置の構成を示す図である。

符号の説明

１０，２０，３０，４０，５０ マイクロ波プラズマ基板処理装置
１１，１２ 処理容器
１１Ａ 処理空間
１１Ｂ 基板搬入・搬出口
１１Ｃ 処理ガス導入通路
１１Ｄ 伝熱媒体通路
１２Ａ 排気口
１２Ｂ，３１Ｂ 可動シャッタ機構
１３ サセプタ
１３Ａ 整流板
１４ マイクロ波窓
２１ 弗化アルミニウム層または石英ライナ
２３ 石英カバー
３１ 石英ライナ
３４ 石英ベルジャ
２１０ ラジアルラインスロットアンテナ

Claims (5)

1. プラズマ処理が行われる処理空間を有する処理容器と、
   前記処理空間内に設けられ、被処理基板を保持する基板保持台と、
   前記処理容器と前記基板保持台との間に形成された排気通路と、
   前記処理容器に結合され、前記処理空間を、前記排気通路を介して排気する排気系と、
   前記処理空間に処理ガスを導入する処理ガス供給系と、
   前記処理容器に結合されたアンテナと、を備えたプラズマ基板処理装置において、
   前記処理容器の少なくとも一部を石英ガラスで構成し、前記処理容器の上部にプラズマ生成手段を配置し、
   前記処理容器の側壁には、被処理基板の搬入・搬出口が形成されており、前記搬入・搬出口は、弗化アルミニウム層あるいはＳｉＯ₂層により覆われた可動シャッタが設けられることを特徴とするプラズマ基板処理装置。
2. 前記処理容器は石英ガラスよりなり、前記処理容器に対応した側壁部と、前記側壁部に連続して形成された頂部とよりなるマイクロ波窓を構成することを特徴とする請求項１記載のプラズマ基板処理装置。
3. 前記第処理容器の内壁面のうち、石英ガラスで覆われていない部分がＳｉＯ₂層またはフッ化アルミニウム層により覆われていることを特徴とする請求項１記載のプラズマ基板処理装置。
4. 前記排気通路には整流板が設けられており、前記整流板は弗化アルミニウムあるいはＳｉＯ₂層により覆われていることを特徴とする請求項１〜３のうち、いずれか一項記載のプラズマ基板処理装置。
5. 前記アンテナは、ラジアルラインスロットアンテナである請求項１〜４のうち、いずれか一項記載のプラズマ基板処理装置。

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