JP2013161960A - Plasma processing method and plasma processing apparatus - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、プラズマを用いて被処理体にシリコン酸化膜(SiO2膜)、シリコン窒化膜(SiN膜)などの薄膜を形成するプラズマ処理方法及びこれに用いるプラズマ処理装置に関する。 The present invention relates to a plasma processing method for forming a thin film such as a silicon oxide film (SiO 2 film) and a silicon nitride film (SiN film) on an object to be processed using plasma, and a plasma processing apparatus used therefor.
半導体デバイスの製造過程では、プラズマを用いて、被処理体に対して例えば酸化処理、窒化処理等の成膜処理が行われている。最近では、次世代以降のデバイス開発に向けて、微細化への対応が益々求められており、成膜処理においても、極薄膜を均一な厚みで形成する技術への要求が高まっている。 In the manufacturing process of a semiconductor device, a film forming process such as an oxidation process or a nitriding process is performed on an object to be processed using plasma. Recently, in order to develop devices for the next generation and beyond, there is an increasing demand for miniaturization, and there is an increasing demand for a technique for forming an ultrathin film with a uniform thickness in the film formation process.
半導体ウエハ上への薄膜形成に関する従来技術として、特許文献1では、複数のスロットを有する平面アンテナを用いて処理容器内にマイクロ波を導入してプラズマを生成させるスロットアンテナ方式のプラズマ処理装置を用いて、シリコン酸化膜を形成する技術が提案されている。
As a conventional technique for forming a thin film on a semiconductor wafer,
上記特許文献1に記載されたプラズマ処理方法では、概ね1.6nm程度の薄いシリコン酸化膜を形成できると考えられる。しかし、今後、次世代以降のデバイス開発においては、さらに薄い膜厚で薄膜を形成することが期待される。
In the plasma processing method described in
従って、本発明の目的は、プラズマを利用して、被処理体の表面に、例えば厚さ1nm以下の薄膜を、膜厚をコントロールしながら形成する方法を提供することを目的とする。 Accordingly, an object of the present invention is to provide a method of forming a thin film having a thickness of, for example, 1 nm or less on the surface of an object to be processed while controlling the film thickness using plasma.
本発明のプラズマ処理方法は、複数のマイクロ波により処理容器内にプラズマを生成させて被処理体を処理するプラズマ処理装置を用い、前記被処理体の表面に薄膜を形成する方法である。 The plasma processing method of the present invention is a method of forming a thin film on the surface of a target object by using a plasma processing apparatus for processing the target object by generating plasma in a processing container using a plurality of microwaves.
本発明のプラズマ処理方法は、前記複数のマイクロ波によりプラズマを着火するときのマイクロ波のパワーの合計が前記被処理体の面積当たり1W/cm2以下であり、かつ、前記薄膜の膜厚が1nm以下であってもよい。あるいは、本発明のプラズマ処理方法は、前記被処理体の径が300mm以上であり、前記複数のマイクロ波によりプラズマを着火するときのマイクロ波のパワーの合計が700W以下であり、かつ、前記薄膜の膜厚が1nm以下であってもよい。 In the plasma processing method of the present invention, the total power of microwaves when the plasma is ignited by the plurality of microwaves is 1 W / cm 2 or less per area of the object to be processed, and the film thickness of the thin film is It may be 1 nm or less. Alternatively, in the plasma processing method of the present invention, the diameter of the object to be processed is 300 mm or more, the total power of microwaves when the plasma is ignited by the plurality of microwaves is 700 W or less, and the thin film The film thickness may be 1 nm or less.
また、本発明のプラズマ処理方法は、前記プラズマにより被処理体を処理する処理温度が、100℃以下である。 In the plasma processing method of the present invention, a processing temperature for processing an object to be processed with the plasma is 100 ° C. or less.
また、本発明のプラズマ処理方法は、前記薄膜が、前記被処理体の表面のシリコンが酸化されたシリコン酸化膜であってもよいし、シリコン窒化膜であってもよい。 In the plasma processing method of the present invention, the thin film may be a silicon oxide film in which silicon on the surface of the object to be processed is oxidized or a silicon nitride film.
また、本発明のプラズマ処理方法において、前記プラズマ処理装置は、被処理体を収容する前記処理容器と、前記処理容器の内部に配置され、前記被処理体を載置する載置面を有する載置台と、前記処理容器内に処理ガスを供給するガス供給機構と、前記マイクロ波を生成すると共に、該マイクロ波を複数の経路に分配して出力するマイクロ波出力部と、前記マイクロ波出力部から出力されたマイクロ波を前記処理容器内に導入するアンテナ部と、前記マイクロ波出力部と前記処理容器内との間のインピーダンスを整合させるチューナと、前記処理容器の上部に配置され、複数の開口部を有する導電性部材と、前記複数の開口部に嵌合し、前記処理容器内に前記マイクロ波を透過させて導入させる複数のマイクロ波透過窓と、を備えていてもよい。そして、本発明のプラズマ処理方法は、前記複数のマイクロ波透過窓からそれぞれ前記処理容器内に導入した前記複数のマイクロ波によって前記プラズマを生成するものであってもよい。 In the plasma processing method of the present invention, the plasma processing apparatus includes the processing container that houses the object to be processed, and a mounting surface that is disposed inside the processing container and mounts the object to be processed. A table; a gas supply mechanism that supplies a processing gas into the processing container; a microwave output unit that generates the microwave and distributes and outputs the microwave to a plurality of paths; and the microwave output unit An antenna unit for introducing the microwave output from the processing container, a tuner for matching impedance between the microwave output unit and the processing container, and an upper part of the processing container. A conductive member having an opening, and a plurality of microwave transmission windows that fit into the plurality of openings and allow the microwave to pass through the processing container. There. In the plasma processing method of the present invention, the plasma may be generated by the plurality of microwaves introduced into the processing container from the plurality of microwave transmission windows.
また、本発明のプラズマ処理方法において、前記複数のマイクロ波により前記プラズマを着火するときの前記マイクロ波のパワーの合計は、前記プラズマにより被処理体を処理するときの前記マイクロ波のパワーの合計よりも大きくてもよい。この場合、前記複数のマイクロ波により前記プラズマを着火するときには前記インピーダンスの整合を行わず、前記プラズマにより被処理体を処理するときに前記インピーダンスの整合を行ってもよい。 In the plasma processing method of the present invention, the total power of the microwaves when the plasma is ignited by the plurality of microwaves is the total power of the microwaves when the object to be processed is processed by the plasma. May be larger. In this case, the impedance matching may not be performed when the plasma is ignited by the plurality of microwaves, and the impedance matching may be performed when the object to be processed is processed by the plasma.
また、本発明のプラズマ処理方法は、前記マイクロ波出力部から、前記複数のマイクロ波を、前記プラズマを着火させる第1のパワーで供給して前記プラズマを着火するステップと、前記マイクロ波のパワーを前記第1のパワーよりも低い第2のパワーに変更するステップと、前記第2のパワーの状態で前記インピーダンスの整合を行うステップと、を含んでいてもよい。 The plasma processing method of the present invention includes a step of igniting the plasma by supplying the plurality of microwaves from the microwave output unit with a first power for igniting the plasma, and a power of the microwave. May be changed to a second power lower than the first power, and the impedance matching may be performed in the state of the second power.
また、本発明のプラズマ処理方法において、前記複数のマイクロ波透過窓は、前記導電性部材における中央部分に配置された1つの中心マイクロ波透過窓と、前記中心マイクロ波透過窓を囲むように、前記中央部分よりも外側に配置された少なくとも6つの外側マイクロ波透過窓とを有していてもよい。 Further, in the plasma processing method of the present invention, the plurality of microwave transmission windows surround one central microwave transmission window disposed in a central portion of the conductive member, and the central microwave transmission window, You may have the at least 6 outer side microwave transmission window arrange | positioned outside the said center part.
本発明のプラズマ処理装置は、複数のマイクロ波により処理容器内にプラズマを生成させて被処理体の表面に薄膜を形成するプラズマ処理装置である。このプラズマ処理装置は、被処理体を収容する処理容器と、前記処理容器の内部に配置され、前記被処理体を載置する載置面を有する載置台と、前記処理容器内に処理ガスを供給するガス供給機構と、前記マイクロ波を生成すると共に、該マイクロ波を複数の経路に分配して出力するマイクロ波出力部と、前記マイクロ波出力部から出力されたマイクロ波を前記処理容器内に導入するアンテナ部と、前記マイクロ波出力部と前記処理容器内との間のインピーダンスを整合させるチューナと、前記処理容器の上部に配置され、複数の開口部を有する導電性部材と、前記複数の開口部に嵌合し、前記処理容器内に前記マイクロ波を透過させて導入させる複数のマイクロ波透過窓と、前記処理容器内で前記複数のマイクロ波によりプラズマを着火するときのマイクロ波のパワーの合計が、前記被処理体の面積当たり1W/cm2以下となるように、前記複数のマイクロ波透過窓から、それぞれ前記処理容器内にマイクロ波を導入することにより、前記薄膜の膜厚を1nm以下に制御する制御部と、を備えている。 The plasma processing apparatus of the present invention is a plasma processing apparatus that forms a thin film on the surface of an object to be processed by generating plasma in a processing container using a plurality of microwaves. The plasma processing apparatus includes a processing container that accommodates an object to be processed, a mounting table that is disposed inside the processing container and has a mounting surface on which the object to be processed is mounted, and a processing gas that flows into the processing container. A gas supply mechanism to supply; a microwave output unit that generates the microwave and distributes and outputs the microwave to a plurality of paths; and a microwave output from the microwave output unit in the processing container An antenna section to be introduced into the antenna, a tuner for matching impedance between the microwave output section and the inside of the processing container, a conductive member disposed at an upper part of the processing container and having a plurality of openings, and the plurality A plurality of microwave transmitting windows that are fitted into the openings of the processing container and transmit the microwaves through the processing container, and plasma is ignited by the plurality of microwaves in the processing container. The total microwave power of time is, the so that the area per 1W / cm 2 or less of the object, from said plurality of microwave transmission window, by introducing a microwave into each of the processing vessel, A control unit that controls the thickness of the thin film to 1 nm or less.
本発明のプラズマ処理方法によれば、被処理体の表面に、例えば1nm以下の膜厚の薄膜を制御性よく形成することができる。 According to the plasma processing method of the present invention, a thin film having a thickness of, for example, 1 nm or less can be formed with good controllability on the surface of an object to be processed.
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。始めに、図1および図2を参照して、本発明の実施の形態のプラズマ処理方法に用いるプラズマ処理装置の構成例について説明する。図1は、本実施の形態で用いるプラズマ処理装置の概略の構成を示す断面図である。図2は、図1に示した制御部の構成を示す説明図である。本実施の形態で用いるプラズマ処理装置1は、連続する複数の動作を伴って、例えば半導体デバイス製造用の半導体ウエハ(以下、単に「ウエハ」と記す。)Wに対して、プラズマ酸化処理、プラズマ窒化処理などの成膜処理を施す装置である。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. First, a configuration example of a plasma processing apparatus used in the plasma processing method according to the embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 1 is a cross-sectional view showing a schematic configuration of a plasma processing apparatus used in the present embodiment. FIG. 2 is an explanatory diagram illustrating a configuration of the control unit illustrated in FIG. 1. The
プラズマ処理装置1は、被処理体であるウエハWを収容する処理容器2と、処理容器2の内部に配置され、ウエハWを載置する載置面21aを有する載置台21と、処理容器2内にガスを供給するガス供給機構3と、処理容器2内を減圧排気する排気装置4と、処理容器2内にプラズマを生成させるためのマイクロ波を発生させると共に、処理容器2内にマイクロ波を導入するマイクロ波導入装置5と、これらプラズマ処理装置1の各構成部を制御する制御部8とを備えている。なお、処理容器2内にガスを供給する手段としては、ガス供給機構3の代りに、プラズマ処理装置1の構成には含まれない外部のガス供給機構を使用してもよい。
The
処理容器2は、例えば略円筒形状をなしている。処理容器2は、例えばアルミニウムおよびその合金等の金属材料によって形成されている。マイクロ波導入装置5は、処理容器2の上部に設けられ、処理容器2内に電磁波(マイクロ波)を導入してプラズマを生成するプラズマ生成手段として機能する。マイクロ波導入装置5の構成については、後で詳しく説明する。
The
処理容器2は、板状の天井部11および底部13と、天井部11と底部13とを連結する側壁部12とを有している。天井部11は、複数の開口部を有している。側壁部12は、処理容器2に隣接する図示しない搬送室との間でウエハWの搬入出を行うための搬入出口12aを有している。処理容器2と図示しない搬送室との間には、ゲートバルブGが配置されている。ゲートバルブGは、搬入出口12aを開閉する機能を有している。ゲートバルブGは、閉状態で処理容器2を気密にシールすると共に、開状態で処理容器2と図示しない搬送室との間でウエハWの移送を可能にする。
The
底部13は、複数(図1では2つ)の排気口13aを有している。プラズマ処理装置1は、更に、排気口13aと排気装置4とを接続する排気管14を備えている。排気装置4は、APCバルブと、処理容器2の内部空間を所定の真空度まで高速に減圧することが可能な高速真空ポンプとを有している。このような高速真空ポンプとしては、例えばターボ分子ポンプ等がある。排気装置4の高速真空ポンプを作動させることによって、処理容器2は、その内部空間が所定の真空度、例えば0.133Paまで減圧される。
The
プラズマ処理装置1は、更に、処理容器2内において載置台21を支持する支持部材22と、支持部材22と処理容器2の底部13との間に設けられた絶縁材料よりなる絶縁部材23とを備えている。載置台21は、被処理体であるウエハWを水平に載置するためのものである。支持部材22は、底部13の中央から処理容器2の内部空間に向かって延びる円筒状の形状を有している。載置台21および支持部材22は、例えばAlN等によって形成されている。
The
プラズマ処理装置1は、更に、載置台21に高周波電力を供給する高周波バイアス電源25と、載置台21と高周波バイアス電源25との間に設けられた整合器24とを備えている。高周波バイアス電源25は、ウエハWにイオンを引き込むために、載置台21に高周波電力を供給する。
The
図示しないが、プラズマ処理装置1は、更に、載置台21を加熱または冷却する温度制御機構を備えている。温度制御機構は、例えば、ウエハWの温度を、25℃(室温)〜900℃の範囲内で制御する。また、載置台21は、載置面21aに対して突没可能に設けられた複数の支持ピンを有している。複数の支持ピンは、任意の昇降機構により上下に変位し、上昇位置において、図示しない搬送室との間でウエハWの受け渡しを行うことができるように構成されている。
Although not shown, the
プラズマ処理装置1は、更に、処理容器2の天井部11に設けられたガス導入部15を備えている。ガス導入部15は、円筒形状をなす複数のノズル16を有している。ノズル16は、その下面に形成されたガス孔16aを有している。ノズル16の配置については、後で説明する。
The
ガス供給機構3は、ガス供給源31を含むガス供給装置3aと、ガス供給源31とガス導入部15とを接続する配管32とを有している。なお、図1では、1つのガス供給源31を図示しているが、ガス供給装置3aは、使用されるガスの種類に応じて複数のガス供給源を含んでいてもよい。
The
ガス供給源31は、例えば、プラズマ生成用の希ガスや、酸化処理や窒化処理に使用される処理ガス等のガス供給源として用いられる。なお、プラズマ生成用の希ガスとしては、例えば、Ar、Kr、Xe、He等が使用される。酸化処理に使用される処理ガスとしては、例えば、酸素ガス、オゾンガス等の酸化性ガスが使用される。窒化処理に使用される処理ガスとしては、例えば、窒素ガス、NH3ガス等が使用される。なお、希ガスは酸化処理用の処理ガスや、窒化処理用の処理ガスと共に使用される場合もある。
The
図示しないが、ガス供給装置3aは、更に、配管32の途中に設けられたマスフローコントローラおよび開閉バルブを含んでいる。処理容器2内に供給されるガスの種類や、これらのガスの流量等は、マスフローコントローラおよび開閉バルブによって制御される。
Although not shown, the
プラズマ処理装置1の各構成部は、それぞれ制御部8に接続されて、制御部8によって制御される。制御部8は、典型的にはコンピュータである。図2に示した例では、制御部8は、CPUを備えたプロセスコントローラ81と、このプロセスコントローラ81に接続されたユーザーインターフェース82および記憶部83とを備えている。
Each component of the
プロセスコントローラ81は、プラズマ処理装置1において、例えば温度、圧力、ガス流量、バイアス印加用の高周波電力、マイクロ波出力等のプロセス条件に関係する各構成部(例えば、高周波バイアス電源25、ガス供給装置3a、排気装置4、マイクロ波導入装置5等)を統括して制御する制御手段である。
In the
ユーザーインターフェース82は、工程管理者がプラズマ処理装置1を管理するためにコマンドの入力操作等を行うキーボードやタッチパネル、プラズマ処理装置1の稼働状況を可視化して表示するディスプレイ等を有している。
The
記憶部83には、プラズマ処理装置1で実行される各種処理をプロセスコントローラ81の制御によって実現するための制御プログラム(ソフトウエア)や、処理条件データ等が記録されたレシピ等が保存されている。プロセスコントローラ81は、ユーザーインターフェース82からの指示等、必要に応じて、任意の制御プログラムやレシピを記憶部83から呼び出して実行する。これにより、プロセスコントローラ81による制御下で、プラズマ処理装置1の処理容器2内において所望の処理が行われる。
The
上記の制御プログラムおよびレシピは、例えば、CD−ROM、ハードディスク、フレキシブルディスク、フラッシュメモリ、DVD、ブルーレイディスク等のコンピュータ読み取り可能な記憶媒体に格納された状態のものを利用することができる。また、上記のレシピは、他の装置から、例えば専用回線を介して随時伝送させてオンラインで利用することも可能である。 As the control program and the recipe, for example, a program stored in a computer-readable storage medium such as a CD-ROM, a hard disk, a flexible disk, a flash memory, a DVD, or a Blu-ray disk can be used. Also, the above recipe can be transmitted from other devices as needed via, for example, a dedicated line and used online.
次に、図1、図3ないし図6を参照して、マイクロ波導入装置5の構成について詳しく説明する。図3は、マイクロ波導入装置5の構成を示す説明図である。図4は、図3に示したマイクロ波導入機構を示す断面図である。図5は、図4に示したマイクロ波導入機構のアンテナ部を示す斜視図である。図6は、図4に示したマイクロ波導入機構の平面アンテナを示す平面図である。
Next, the configuration of the
前述のように、マイクロ波導入装置5は、処理容器2の上部に設けられ、処理容器2内に電磁波(マイクロ波)を導入してプラズマを生成するプラズマ生成手段として機能する。図1および図3に示したように、マイクロ波導入装置5は、処理容器2の上部に配置され、複数の開口部を有する導電性部材である天井部11と、マイクロ波を生成すると共に、マイクロ波を複数の経路に分配して出力するマイクロ波出力部50と、マイクロ波出力部50から出力されたマイクロ波を処理容器2に導入するアンテナユニット60とを有している。本実施の形態では、処理容器2の天井部11は、マイクロ波導入装置5の導電性部材を兼ねている。
As described above, the
マイクロ波出力部50は、電源部51と、マイクロ波発振器52と、マイクロ波発振器52によって発振されたマイクロ波を増幅するアンプ53と、アンプ53によって増幅されたマイクロ波を複数の経路に分配する分配器54とを有している。マイクロ波発振器52は、所定の周波数(例えば、860MHz)でマイクロ波を発振(例えば、PLL発振)させる。なお、マイクロ波の周波数は、860MHzに限らず、2.45GHz、8.35GHz、5.8GHz、1.98GHz等であってもよい。分配器54は、入力側と出力側のインピーダンスを整合させながらマイクロ波を分配する。
The
アンテナユニット60は、複数のアンテナモジュール61を含んでいる。複数のアンテナモジュール61は、それぞれ、分配器54によって分配されたマイクロ波を処理容器2内に導入する。本実施の形態では、複数のアンテナモジュール61の構成は全て同一である。各アンテナモジュール61は、分配されたマイクロ波を主に増幅して出力するアンプ部62と、アンプ部62から出力されたマイクロ波を処理容器2内に導入するマイクロ波導入機構63とを有している。
The
アンプ部62は、マイクロ波の位相を変化させる位相器62Aと、メインアンプ62Cに入力されるマイクロ波の電力レベルを調整する可変ゲインアンプ62Bと、ソリッドステートアンプとして構成されたメインアンプ62Cと、後述するマイクロ波導入機構63のアンテナ部で反射されてメインアンプ62Cに向かう反射マイクロ波を分離するアイソレータ62Dとを含んでいる。
The
位相器62Aは、マイクロ波の位相を変化させて、マイクロ波の放射特性を変化させることができるように構成されている。位相器62Aは、例えば、アンテナモジュール61毎にマイクロ波の位相を調整することによって、マイクロ波の指向性を制御してプラズマの分布を変化させることに用いられる。なお、このような放射特性の調整を行わない場合には、位相器62Aを設けなくてもよい。
The
可変ゲインアンプ62Bは、個々のアンテナモジュール61のばらつきの調整や、プラズマ強度の調整のために用いられる。例えば、可変ゲインアンプ62Bをアンテナモジュール61毎に変化させることによって、処理容器2内全体のプラズマの分布を調整することができる。
The
図示しないが、メインアンプ62Cは、例えば、入力整合回路、半導体増幅素子、出力整合回路および高Q共振回路を含んでいる。半導体増幅素子としては、例えば、E級動作が可能なGaAsHEMT、GaNHEMT、LD(Laterally Diffused)−MOSが用いられる。
Although not shown, the
アイソレータ62Dは、サーキュレータとダミーロード(同軸終端器)とを有している。サーキュレータは、後述するマイクロ波導入機構63のアンテナ部で反射された反射マイクロ波をダミーロードへ導くものである。ダミーロードは、サーキュレータによって導かれた反射マイクロ波を熱に変換するものである。なお、前述のように、本実施の形態では、複数のアンテナモジュール61が設けられており、複数のアンテナモジュール61の各々のマイクロ波導入機構63によって処理容器2内に複数のマイクロ波を導入できる。そのため、個々のアイソレータ62Dは小型のものでもよく、アイソレータ62Dをメインアンプ62Cに隣接して設けることができる。
The
図1に示したように、複数のマイクロ波導入機構63は、天井部11に設けられている。図4に示したように、マイクロ波導入機構63は、インピーダンスを整合させるチューナ64と、増幅されたマイクロ波を処理容器2内に放射するアンテナ部65と、金属材料よりなり、図4における上下方向に延びる円筒状の形状を有する本体容器66と、本体容器66内において本体容器66が延びる方向と同じ方向に延びる内側導体67とを有している。本体容器66および内側導体67は、同軸管を構成している。本体容器66は、この同軸管の外側導体を構成している。内側導体67は、棒状または筒状の形状を有している。本体容器66の内周面と内側導体67の外周面との間の空間は、マイクロ波伝送路68を形成する。
As shown in FIG. 1, the plurality of
図示しないが、アンテナモジュール61は、更に、本体容器66の基端側(上端側)に設けられた給電変換部を有している。給電変換部は、同軸ケーブルを介してメインアンプ62Cに接続されている。アイソレータ62Dは、同軸ケーブルの途中に設けられている。
Although not shown, the
アンテナ部65は、本体容器66における給電変換部とは反対側に設けられている。後で説明するように、本体容器66におけるアンテナ部65よりも基端側の部分は、チューナ64によるインピーダンス調整範囲となっている。
The
図4および図5に示したように、アンテナ部65は、内側導体67の下端部に接続された平面アンテナ71と、平面アンテナ71の上面側に配置されたマイクロ波遅波材72と、平面アンテナ71の下面側に配置されたマイクロ波透過板73とを有している。マイクロ波透過板73の下面は、処理容器2の内部空間に露出している。マイクロ波透過板73は、本体容器66を介して、マイクロ波導入装置5の導電性部材である天井部11の開口部に嵌合している。マイクロ波透過板73は、本発明におけるマイクロ波透過窓に対応する。
As shown in FIGS. 4 and 5, the
平面アンテナ71は、円板形状を有している。また、平面アンテナ71は、平面アンテナ71を貫通するように形成されたスロット71aを有している。図5および図6に示した例では、4つのスロット71aが設けられており、各スロット71aは、4つに均等に分割された円弧形状を有している。なお、スロット71aの数は、4つに限らず、5つ以上であってもよいし、1つ以上3つ以下であってもよい。
The
マイクロ波遅波材72は、真空よりも大きい誘電率を有する材料によって形成されている。マイクロ波遅波材72を形成する材料としては、例えば、石英、セラミックス、ポリテトラフルオロエチレン樹脂等のフッ素系樹脂、ポリイミド樹脂等を用いることができる。マイクロ波は、真空中ではその波長が長くなる。マイクロ波遅波材72は、マイクロ波の波長を短くしてプラズマを調整する機能を有している。また、マイクロ波の位相は、マイクロ波遅波材72の厚みによって変化する。そのため、マイクロ波遅波材72の厚みによってマイクロ波の位相を調整することにより、平面アンテナ71が定在波の腹の位置になるように調整することができる。これにより、平面アンテナ71における反射波を抑制することができると共に、平面アンテナ71から放射されるマイクロ波の放射エネルギーを大きくすることができる。つまり、これにより、マイクロ波のパワーを効率よく処理容器2内に導入することができる。
The microwave
マイクロ波透過板73は、誘電体材料によって形成されている。マイクロ波透過板73を形成する誘電体材料としては、例えば石英やセラミックス等が用いられる。マイクロ波透過板73は、マイクロ波をTEモードで効率的に放射することができるような形状をなしている。図5に示した例では、マイクロ波透過板73は、直方体形状を有している。なお、マイクロ波透過板73の形状は、直方体形状に限らず、例えば円柱形状、五角形柱形状、六角形柱形状、八角形柱形状であってもよい。
The
上記のように構成されたマイクロ波導入機構63では、メインアンプ62Cで増幅されたマイクロ波は、本体容器66の内周面と内側導体67の外周面との間(マイクロ波伝送路68)を通って平面アンテナ71に達し、平面アンテナ71のスロット71aからマイクロ波透過板73を透過して処理容器2の内部空間に放射される。
In the
チューナ64は、スラグチューナを構成している。具体的には、図4に示したように、チューナ64は、本体容器66のアンテナ部65よりも基端部側(上端部側)の部分に配置された2つのスラグ74A,74Bと、2つのスラグ74A,74Bを動作させるアクチュエータ75と、このアクチュエータ75を制御するチューナコントローラ76とを有している。
The
スラグ74A,74Bは、板状且つ環状の形状を有し、本体容器66の内周面と内側導体67の外周面との間に配置されている。また、スラグ74A,74Bは、誘電体材料によって形成されている。スラグ74A,74Bを形成する誘電体材料としては、例えば、比誘電率が10の高純度アルミナを用いることができる。高純度アルミナは、通常、スラグを形成する材料として用いられている石英(比誘電率3.88)やテフロン(登録商標)(比誘電率2.03)よりも比誘電率が大きいため、スラグ74A,74Bの厚みを小さくすることができる。また、高純度アルミナは、石英やテフロン(登録商標)に比べて、誘電正接(tanδ)が小さく、マイクロ波の損失を小さくすることができるという特徴を有している。高純度アルミナは、更に、歪みが小さいという特徴と、熱に強いという特徴も有している。高純度アルミナとしては、純度99.9%以上のアルミナ焼結体であることが好ましい。また、高純度アルミナとして、単結晶アルミナ(サファイア)を用いてもよい。
The slugs 74 </ b> A and 74 </ b> B have a plate shape and an annular shape, and are disposed between the inner peripheral surface of the
チューナ64は、チューナコントローラ76からの指令に基づいて、アクチュエータ75によって、スラグ74A,74Bを上下方向に移動させる。これにより、チューナ64は、インピーダンスを調整する。例えば、チューナコントローラ76は、終端部のインピーダンスが50Ωになるように、スラグ74A,74Bの位置を調整する。
The
本実施の形態では、メインアンプ62C、チューナ64および平面アンテナ71は、互いに近接して配置されている。特に、チューナ64および平面アンテナ71は、集中定数回路を構成し、且つ共振器として機能する。平面アンテナ71の取り付け部分には、インピーダンス不整合が存在する。本実施の形態では、チューナ64によって、プラズマを含めて高精度でチューニングすることができ、平面アンテナ71における反射の影響を解消することができる。また、チューナ64によって、平面アンテナ71に至るまでのインピーダンス不整合を高精度で解消することができ、実質的に不整合部分をプラズマ空間とすることができる。これにより、チューナ64によって、高精度のプラズマ制御が可能になる。
In the present embodiment, the
次に、図7および図8を参照して、マイクロ波透過板73の配置について説明する。図7は、図1に示した処理容器2の天井部11の底面図である。図8は、本実施の形態における複数のマイクロ波透過板73の配置を示す説明図である。なお、図7では、本体容器66の図示を省略している。また、以下の説明では、マイクロ波透過板73は、円柱形状を有するものとする。
Next, the arrangement of the
マイクロ波導入装置5は、複数のマイクロ波透過板73を含んでいる。前述のように、マイクロ波透過板73は、本発明におけるマイクロ波透過窓に対応する。複数のマイクロ波透過板73は、マイクロ波導入装置5の導電性部材である天井部11の複数の開口部に嵌合した状態で、載置台21の載置面21aに平行な1つの仮想の平面上に配置されている。また、複数のマイクロ波透過板73は、上記仮想の平面において、その中心点間の距離が互いに等しいか、ほぼ等しい3つのマイクロ波透過板73を含んでいる。なお、中心点間の距離がほぼ等しいというのは、マイクロ波透過板73の形状精度やアンテナモジュール61(マイクロ波導入機構63)の組み立て精度等の観点から、マイクロ波透過板73の位置は、所望の位置からわずかにずれていてもよいことを意味する。
The
本実施の形態では、複数のマイクロ波透過板73は、六方最密配置になるように配置された7つのマイクロ波透過板73からなるものである。具体的には、複数のマイクロ波透過板73は、その中心点がそれぞれ正六角形の頂点に一致またはほぼ一致するように配置された6つのマイクロ波透過板73A〜73Fと、その中心点が正六角形の中心に一致またはほぼ一致するように配置された1つのマイクロ波透過板73Gからなるものである。図8において、符号PA〜PGは、それぞれ、マイクロ波透過板73A〜73Gの中心点を示している。なお、頂点または中心点にほぼ一致するというのは、マイクロ波透過板73の形状精度やアンテナモジュール61(マイクロ波導入機構63)の組み立て精度等の観点から、マイクロ波透過板73の中心点は、上記の頂点または中心からわずかにずれていてもよいことを意味する。
In the present embodiment, the plurality of
図7に示したように、マイクロ波透過板73Gは、天井部11における中央部分に配置されている。6つのマイクロ波透過板73A〜73Fは、マイクロ波透過板73Gを囲むように、天井部11の中央部分よりも外側に配置されている。従って、マイクロ波透過板73Gは、本発明における中心マイクロ波透過窓に対応し、マイクロ波透過板73A〜73Fは、本発明における外側マイクロ波透過窓に対応する。なお、本実施の形態において、「天井部11における中央部分」というのは、「天井部11の平面形状における中央部分」を意味する。
As shown in FIG. 7, the
マイクロ波透過板73A〜73Gは、以下の第1および第2の条件を満たしながら配置されている。第1の条件は、マイクロ波透過板73A〜73Gの中心点PA〜PGのうち、互いに隣接する3つの中心点を結ぶことによって平面状に6個の正三角形が形成されるというものである。第2の条件は、これら6個の正三角形によって仮想の正六角形が形成されるというものである。図8に示したように、マイクロ波透過板73A〜73Fの中心点PA〜PFを、マイクロ波透過板73Gを囲むように結ぶと、上記の仮想の正六角形が形成される。
The
なお、図8において、符号Wは、ウエハWの平面形状を、複数のマイクロ波透過板73が配置された仮想の平面に投影して形成された図形(以下、単にウエハWの平面形状と記す。)を示している。図8に示した例では、ウエハWの平面形状は円形である。本実施の形態では、マイクロ波透過板73A〜73Fの中心点PA〜PFの基準となる正六角形の外縁は、ウエハWの平面形状を包含している。マイクロ波透過板73Gの中心点PGは、ウエハWの平面形状(円)の中心点に一致またはほぼ一致している。マイクロ波透過板73A〜73Fの中心点PA〜PFは、ウエハWの平面形状に対する同心円の円周上において、均等またはほぼ均等の間隔で配置されている。
In FIG. 8, symbol W denotes a figure formed by projecting the planar shape of the wafer W onto a virtual plane on which a plurality of
本実施の形態では、全てのマイクロ波透過板73において、互いに隣接する任意の3つのマイクロ波透過板73の中心点間の距離は、互いに等しいか、ほぼ等しくなる。以下、これについて、マイクロ波透過板73A,73B,73Gを例にとって説明する。図8に示したように、マイクロ波透過板73A,73Bの中心点PA,PBは、正六角形の隣接する2つの頂点に一致している。また、マイクロ波透過板73Gの中心点PGは、正六角形の中心点に一致している。図8に示したように、中心点PA,PB,PGを結んで描いた図形は、正三角形になる。従って、中心点PA,PB,PG間の距離は互いに等しくなる。
In the present embodiment, in all the
上記のマイクロ波透過板73A,73B,73Gについての説明は、互いに隣接する3つのマイクロ波透過板73の組み合わせのいずれについても当てはまる。従って、本実施の形態では、全てのマイクロ波透過板73において、互いに隣接する任意の3つのマイクロ波透過板73の中心点間の距離は、互いに等しいか、ほぼ等しくなる。
The above description of the
図4に示したように、マイクロ波導入機構63は、マイクロ波透過板73を含んだ一体構造をなしている。本実施の形態では、複数のマイクロ波導入機構63は、7つのマイクロ波導入機構63からなるものである。各マイクロ波導入機構63は、図7および図8に示したマイクロ波透過板73が配置された位置に対応して配置されている。また、図7に示したように、ガス導入部15の複数のノズル16は、マイクロ波透過板73A〜73Fとマイクロ波透過板73Gとの間において、マイクロ波透過板73Gの周囲を囲むように配置されている。
As shown in FIG. 4, the
次に、プラズマ処理装置1におけるプラズマ処理の手順の一例について説明する。ここでは、処理ガスとして酸素を含有するガスを使用して、ウエハWの表面に対してプラズマ酸化処理を施す場合を例に挙げて、プラズマ処理の手順について説明する。まず、例えばユーザーインターフェース82から、プラズマ処理装置1においてプラズマ酸化処理を行うように、プロセスコントローラ81に指令が入力される。次に、プロセスコントローラ81は、この指令を受けて、記憶部83またはコンピュータ読み取り可能な記憶媒体に保存されたレシピを読み出す。次に、レシピに基づく条件によってプラズマ酸化処理が実行されるように、プロセスコントローラ81からプラズマ処理装置1の各エンドデバイス(例えば、高周波バイアス電源25、ガス供給装置3a、排気装置4、マイクロ波導入装置5等)に制御信号が送出される。
Next, an example of a plasma processing procedure in the
次に、ゲートバルブGが開状態にされて、図示しない搬送装置によって、ウエハWが、ゲートバルブGおよび搬入出口12aを通って処理容器2内に搬入される。ウエハWは、載置台21の載置面21aに載置される。次に、ゲートバルブGが閉状態にされて、排気装置4によって、処理容器2内が減圧排気される。次に、ガス供給機構3によって、所定の流量の希ガスおよび酸素含有ガスが、ガス導入部15を介して処理容器2内に導入される。処理容器2の内部空間は、排気量およびガス供給量を調整することによって、所定の圧力に調整される。
Next, the gate valve G is opened, and the wafer W is loaded into the
次に、マイクロ波出力部50において、処理容器2内に導入するマイクロ波を発生させる。マイクロ波出力部50の分配器54から出力された複数のマイクロ波は、アンテナユニット60の複数のアンテナモジュール61に入力され、各アンテナモジュール61によって、処理容器2内に導入される。各アンテナモジュール61では、マイクロ波は、アンプ部62およびマイクロ波導入機構63を伝搬する。マイクロ波導入機構63のアンテナ部65に到達したマイクロ波は、平面アンテナ71のスロット71aから、マイクロ波透過板73を透過して、処理容器2内におけるウエハWの上方の空間に放射される。このようにして、各アンテナモジュール61から、それぞれ別々にマイクロ波が処理容器2内に導入される。
Next, the
上記のように複数の部位から処理容器2内に導入されたマイクロ波は、それぞれ処理容器2内に電磁界を形成する。これにより、処理容器2内に導入された希ガスや酸素含有ガス等の処理ガスをプラズマ化する。そして、プラズマ中の活性種、例えばラジカルやイオンの作用によって、ウエハWのシリコン表面が酸化されてシリコン酸化膜SiO2の薄膜が形成される。
The microwaves introduced into the
プロセスコントローラ81からプラズマ処理装置1の各エンドデバイスにプラズマ処理を終了させる制御信号が送出されると、マイクロ波の発生が停止されると共に、希ガスおよび酸素含有ガスの供給が停止されて、ウエハWに対するプラズマ処理が終了する。次に、ゲートバルブGが開状態にされて、図示しない搬送装置によって、ウエハWが搬出される。
When a control signal for terminating the plasma processing is sent from the
なお、酸素含有ガスの代りに窒素含有ガスを使用することにより、ウエハWに対して窒化処理を施し、シリコン窒化膜SiNの薄膜を形成することができる。 By using a nitrogen-containing gas instead of the oxygen-containing gas, the wafer W can be nitrided to form a silicon nitride film SiN thin film.
プラズマ処理装置1では、互いに隣接するマイクロ波透過板73の中心点間距離が、互いに等しいかほぼ等しくなるように設定される。隣接する複数のマイクロ波透過板73の中心点間距離が異なるように配置されていると、各マイクロ波透過板73に基づくマイクロ波プラズマの密度分布が全て同一の場合、プラズマ密度に偏りが生じ、ウエハWの面内での処理の均一性を保つことが困難になる。これに対し、プラズマ処理装置1では、互いに隣接するマイクロ波透過板73の中心点間距離が、互いに等しいかほぼ等しくなるように設定されることから、マイクロ波プラズマの密度分布を均一化することが容易になる。このように、プラズマ処理装置1では、簡単な構成で、マイクロ波プラズマの密度分布を均一化することが可能になり、ウエハWの面内での処理の均一性が得られる。
In the
また、プラズマ処理装置1では、マイクロ波透過板73Gは、天井部11における中央部分に配置され、6つのマイクロ波透過板73A〜73Fは、マイクロ波透過板73Gを囲むように、天井部11の中央部分よりも外側に配置されている。これにより、プラズマ処理装置1では、広い領域にわたって、マイクロ波プラズマの密度分布を均一化することが可能になる。また、プラズマ処理装置1では、複数のアンテナモジュール61の構成は全て同一である。これにより、プラズマ処理装置1では、各アンテナモジュール61において同様のプラズマ発生条件を用いることができ、マイクロ波プラズマの密度分布の調整が容易になる。なお、正六角形の内側に対応する領域の下方におけるプラズマ密度は、正六角形の外側に対応する領域の下方におけるプラズマ密度よりも大きくなる。本実施の形態では、図8を参照して説明したように、マイクロ波透過板73A〜73Fの中心点の基準となる正六角形の外縁は、ウエハWの平面形状を包含している。これにより、プラズマ処理装置1では、プラズマ密度が大きい領域にウエハWを配置することができる。
Further, in the
[第1の実施の形態]
次に、プラズマ処理装置1を用いて行われる本発明の第1の実施の形態に係るプラズマ処理方法について説明する。本実施の形態のプラズマ処理方法は、プラズマ処理装置1の処理容器2内で複数のマイクロ波によりプラズマを生成させて被処理体であるウエハWを処理し、例えばウエハWの表面のシリコンを酸化してシリコン酸化膜を形成する。なお、本明細書において、複数のマイクロ波によりプラズマを着火させるときの複数のマイクロ波パワーの合計を「着火時総パワー」、前記プラズマでウエハWを処理するときの複数のマイクロ波パワーの合計を「プロセス時総パワー」とする。また、1つのマイクロ波からプラズマを着火させるときのマイクロ波パワーを「着火時パワー」、1つのマイクロ波から生成したプラズマでウエハWを処理するときのマイクロ波パワーを「プロセス時パワー」とする。
[First Embodiment]
Next, a plasma processing method according to the first embodiment of the present invention performed using the
本実施の形態では、処理容器2内に複数のマイクロ波によりプラズマを生成させる複数マイクロ波方式のプラズマ処理装置1を用い、厚さ1nm(10オングストローム)以下、好ましくは0.5〜1nmの範囲内の極薄膜を形成するために、低いマイクロ波パワーでプラズマ酸化処理を行う。具体的には、本実施の形態のプラズマ処理方法では、着火時総パワーを、ウエハWの面積当たり1W/cm2以下、好ましくは0.8W/cm2以下、より好ましくは0.6W/cm2以下とする。例えば、300mm径のウエハWを被処理体とする場合、着火時総パワーを700W以下、好ましくは560W以下、より好ましくは420W以下とする。
In the present embodiment, a
本実施の形態のプラズマ処理方法で、着火時総パワーを上記のように規定する理由は以下のとおりである。一般に、マイクロ波透過板73が小径であるプラズマ処理装置1において、着火時総パワーは、プロセス時総パワーに比べて、2〜3倍程度大きい値となる。従って、着火時総パワーがウエハWの面積当たり1W/cm2以下であれば、プロセス時総パワーは概ねウエハWの面積当たり1W/cm2以下となり、低パワーでのプラズマ処理が可能になる。
The reason why the total power at the time of ignition is specified as described above in the plasma processing method of the present embodiment is as follows. In general, in the
これに対し、大径のマイクロ波透過板を用いる単一マイクロ波方式のプラズマ処理装置では、着火時パワーが1W/cm2以下では、プラズマの着火が困難であり、また、極力低いパワーで着火させる場合には、安定したプラズマを維持する観点からも、概してプロセス時パワーと着火時パワーがほぼ等しい値になる場合が多い。 In contrast, in a single microwave plasma processing apparatus using a large-diameter microwave transmission plate, it is difficult to ignite plasma when the power during ignition is 1 W / cm 2 or less, and ignition is performed with as low a power as possible. In order to maintain a stable plasma, the power during the process and the power during the ignition are generally almost equal in many cases.
ここで、本実施の形態のプラズマ処理方法の特徴をより明確にするため、比較例のプラズマ処理方法に用いるプラズマ処理装置について説明する。図9は、処理容器内で一つのマイクロ波からプラズマを生成させる単一マイクロ波方式のプラズマ処理装置501の構成を模式的に示す断面図である。プラズマ処理装置501は、処理容器502、載置台521および支持部材522を備えている。処理容器502、載置台521および支持部材522の構成は、図1に示した処理容器2、載置台21および支持部材22の構成と同じである。
Here, in order to clarify the characteristics of the plasma processing method of the present embodiment, a plasma processing apparatus used for the plasma processing method of the comparative example will be described. FIG. 9 is a cross-sectional view schematically showing the configuration of a single microwave
プラズマ処理装置501は、図1および図3に示したマイクロ波導入装置5の代りに、マイクロ波導入装置505を備えている。マイクロ波導入装置505は、処理容器502の上部に設けられる。マイクロ波導入装置505としては、マイクロ波透過板573を1個だけ含む既知の構成のマイクロ波導入装置を用いることができる。マイクロ波透過板573は、例えば円板形状を有している。マイクロ波透過板573の平面形状の直径は、ウエハWの直径よりも大きく、例えば460mmである。
The
プラズマ処理装置501におけるその他の構成は、プラズマ処理装置1と同じである。
Other configurations of the
プラズマ処理装置501では、マイクロ波透過板573の数が1個であることから、マイクロ波透過板573の平面形状をウエハWの平面形状よりも大きくする必要がある。マイクロ波透過板573の面積が大きくなると、プラズマを安定的に着火および放電させるために必要なマイクロ波のパワーも大きくなる。例えば、マイクロ波透過板573が円板形状を有し、マイクロ波透過板573の平面形状の直径が約500mmの場合、プラズマを安定的に着火および放電させるために必要なマイクロ波のパワー(着火時パワー及びプロセス時パワー)の最小値は1000Wである。
In the
一方、プラズマ処理装置1では、複数のマイクロ波透過板73が設けられることから、プラズマ処理装置501のマイクロ波透過板573に比べて、マイクロ波透過板73の面積を小さくすることができる。なお、プラズマ処理装置1のマイクロ波透過板73が円柱形状を有している場合、マイクロ波透過板73の平面形状の直径は、例えば90〜200mmの範囲内、好ましくは90〜150mmの範囲内とすることができる。その結果、プラズマ処理装置1では、プラズマ処理装置501を用いる場合に比べて、プラズマを安定的に着火および放電維持させるために必要なマイクロ波のパワーを小さくすることができる。これにより、プラズマ処理装置1では、低パワーのマイクロ波によるプラズマ着火及び放電維持が可能になり、厚さ1nm以下の薄膜を、膜厚を制御しながら形成するプラズマ処理に適している。
On the other hand, since a plurality of
<プラズマ酸化処理の条件>
次に、プラズマ処理装置1を用いて、1nm以下の膜厚のシリコン酸化膜を形成するための主要な条件として、処理ガスの種類と流量、処理圧力、マイクロ波パワー、処理温度、酸化レート、処理時間、インピーダンス整合手順を挙げて詳細に説明する。なお、これらの条件は、制御部8の記憶部83にレシピとして保存されている。そして、プロセスコントローラ81がそのレシピを読み出してプラズマ処理装置1の各構成部へ制御信号を送出することにより、所望の条件でプラズマ酸化処理が行われる。
<Plasma oxidation conditions>
Next, the main conditions for forming a silicon oxide film having a thickness of 1 nm or less using the
<処理ガスの種類と流量>
プラズマ酸化処理の処理ガスとしては、プラズマ生成用の希ガスと酸素含有ガスを用いることが好ましい。希ガスとしては、例えば、Ar、Kr、Xe、He等を使用することができる。酸素含有ガスとしては、例えば、O2ガス、オゾンガス等を使用することができる。これらの中でも、希ガスとしてはArガスが、酸素含有ガスとしてはO2ガスが、それぞれ好ましい。処理容器2内における全処理ガスに対する酸素含有ガスの体積流量比率(酸素含有ガス流量/全処理ガス流量の百分率)は、酸化力を適度に調節して厚さ1nm以下の薄膜の形成を容易にする観点から、例えば0.1〜5%の範囲内とすることが好ましく、0.5〜3%の範囲内とすることがより好ましい。プラズマ酸化処理では、希ガスの流量は、例えば100〜10000mL/min(sccm)の範囲内から、上記流量比になるように設定することが好ましい。酸素含有ガスの流量は、例えば0.1〜500mL/min(sccm)の範囲内から、上記流量比になるように設定することが好ましい。
<Process gas types and flow rates>
As a processing gas for the plasma oxidation treatment, it is preferable to use a rare gas for generating plasma and an oxygen-containing gas. As the rare gas, for example, Ar, Kr, Xe, He or the like can be used. As the oxygen-containing gas, for example, O 2 gas, ozone gas, or the like can be used. Among these, Ar gas is preferable as the rare gas, and O 2 gas is preferable as the oxygen-containing gas. The volume flow rate ratio of the oxygen-containing gas to the total processing gas in the processing vessel 2 (oxygen-containing gas flow rate / percentage of the total processing gas flow rate) makes it easy to form a thin film having a thickness of 1 nm or less by appropriately adjusting the oxidizing power. From the viewpoint of, for example, it is preferably in the range of 0.1 to 5%, more preferably in the range of 0.5 to 3%. In the plasma oxidation treatment, it is preferable to set the flow rate of the rare gas so that the flow rate ratio is within the range of, for example, 100 to 10000 mL / min (sccm). The flow rate of the oxygen-containing gas is preferably set to be the above flow rate ratio, for example, within the range of 0.1 to 500 mL / min (sccm).
<マイクロ波パワー>
プラズマ処理装置1を用いるプラズマ処理において、マイクロ波としては860MHzのマイクロ波を用いることが好ましい。また、着火時総パワーは、厚さ1nm以下の薄膜の形成を容易にする観点から、ウエハWの面積当たり1W/cm2以下、好ましくは0.5〜1W/cm2の範囲内とする。例えば、300mm径のウエハWを被処理体とする場合、着火時総パワーを700W以下、好ましくは350〜700Wの範囲内とすることができる。着火時総パワーが1W/cm2もしくは700Wを超えると、プラズマ着火直後の酸化レートが高くなり、厚さ1nm以下の薄膜の形成が困難になるか、あるいは、膜厚の制御性が著しく悪化する。着火時総パワーの下限は、安定したプラズマを生成させる観点から、ウエハWの面積当たり0.5W/cm2以上とすることが好ましい。なお、プラズマ処理装置1では、7つのマイクロ波透過板73からマイクロ波を導入するため、1つのマイクロ波透過板73から導入されるマイクロ波の着火時パワーは、100W以下とすることができる。
<Microwave power>
In the plasma processing using the
また、プラズマ処理装置1を用いるプラズマ処理において、プロセス時総パワーは、着火時総パワーよりも小さくすることが可能であり、例えば着火時総パワーの1/3〜1/2程度とすることができる。例えば、プラズマ処理装置1で、300mm径のウエハWを処理する場合、着火時総パワーを420〜700W(ウエハWの面積あたり0.6〜1W/cm2)の範囲内とすると、プロセス時総パワーを140〜350W(ウエハWの面積あたり0.2〜0.5W/cm2)の範囲内とすることができる。なお、プラズマ処理装置1では、7つのマイクロ波透過板73からマイクロ波を導入するため、1つのマイクロ波透過板73から導入されるマイクロ波のプロセス時パワーは、50W以下とすることができる。また、条件によっては、着火時総パワーをそのままプロセス時総パワーとすることや、着火時総パワーよりも高いプロセス時総パワーを設定することも可能である。
Further, in the plasma processing using the
これに対し、比較例のプラズマ処理装置501の場合は、上述のとおり、300mm径のウエハWを処理する場合、着火時パワー及びプロセス時パワーの最小値は1000W(1.42W/cm2)であり、この値以下では安定したプラズマの着火及び放電維持は困難である。従って、プラズマ処理装置501では、プラズマ処理装置1に比べると、プラズマ酸化処理における酸化レートが高くなり、厚さ1nm以下の薄膜の形成は困難である。
On the other hand, in the case of the
<処理圧力>
処理圧力は、着火時総パワーを下げて厚さ1nm以下の薄膜の形成を容易にする観点から、例えば30〜600Paの範囲内が好ましく、80〜300Pa以下の範囲内がより好ましい。ここで、図10は、プラズマ処理装置1の1つのマイクロ波透過板73を用いてArガス100%のプラズマを着火させる場合における圧力と着火時パワーの関係を表すパッシェン(Paschen)カーブである。ここでは、マイクロ波透過板73の径が90mmである場合と、150mmである場合とを比較している。このパッシェンカーブから、マイクロ波透過板73が小径である90mm径の方が150mm径に比べて着火時パワーが小さくてよいことが理解される。なお、比較例の単一マイクロ波方式のプラズマ処理装置501では、上記のとおり大型のマイクロ波透過板573を用いるため、さらに大きな着火時パワーが必要になる。
<Processing pressure>
The processing pressure is preferably in the range of 30 to 600 Pa, and more preferably in the range of 80 to 300 Pa, from the viewpoint of facilitating formation of a thin film having a thickness of 1 nm or less by reducing the total power during ignition. Here, FIG. 10 is a Paschen curve representing the relationship between the pressure and the ignition power when the plasma of
また、同じ大きさのマイクロ波透過板73を用いる場合でも、着火時パワーを小さくできる圧力範囲が存在することがわかる。図10の例では、マイクロ波透過板73が90mm径である場合、例えば30〜600Paの範囲内で着火時パワーがほぼ100Wを下回っている。また、マイクロ波透過板73が150mm径である場合、例えば80〜300Paの範囲内で着火時パワーがほぼ100Wを下回っている。
It can also be seen that there is a pressure range where the ignition power can be reduced even when the
<処理温度>
ウエハWの処理温度は、酸化レートを下げて厚さ1nm以下の薄膜の形成を容易にする観点から、例えば室温(30℃)〜200℃の範囲内とすることが好ましく、100℃以下に設定することがより好ましい。なお、処理温度は載置台21の温度を意味し、室温(30℃)は加熱しないことを意味する。
<Processing temperature>
The processing temperature of the wafer W is preferably set in the range of room temperature (30 ° C.) to 200 ° C., for example, from the viewpoint of facilitating formation of a thin film having a thickness of 1 nm or less by reducing the oxidation rate, and is set to 100 ° C. or less. More preferably. In addition, processing temperature means the temperature of the mounting
ここで、図11は、異なる処理温度でウエハW表面のシリコンに対してプラズマ酸化処理をした場合のシリコン酸化膜の膜厚と処理時間との関係を示す特性図である。図11の縦軸は、プラズマ処理によって形成されたシリコン酸化膜の膜厚を示し、横軸はプロセス時間を示している。なお、図11の縦軸は、エリプソメーターによって測定した膜厚である。本明細書においては、特に注記しない限り、膜厚はエリプソメーターにより測定された値を意味する。 Here, FIG. 11 is a characteristic diagram showing the relationship between the film thickness of the silicon oxide film and the processing time when the plasma oxidation processing is performed on the silicon on the surface of the wafer W at different processing temperatures. The vertical axis in FIG. 11 indicates the film thickness of the silicon oxide film formed by plasma processing, and the horizontal axis indicates the process time. In addition, the vertical axis | shaft of FIG. 11 is the film thickness measured with the ellipsometer. In this specification, unless otherwise noted, the film thickness means a value measured by an ellipsometer.
実験は、条件a〜cで実施した。条件a,bは、7個のマイクロ波透過板73を含むプラズマ処理装置1を使用し、条件aでは処理温度を室温(30℃)、条件bでは処理温度を500℃とした。条件cは、比較のため、単一マイクロ波方式のプラズマ処理装置501を使用し、処理温度を300℃とした。
The experiment was performed under conditions ac. Conditions a and b used the
プラズマ処理装置1を用いるプラズマ酸化処理の温度以外の条件は以下の通りである。マイクロ波透過板73とウエハWとの間の間隔(ギャップ)を85mmに固定した。1つのマイクロ波透過板73から導入されるマイクロ波のパワーを着火時パワー60W、プロセス時パワー20Wとした。処理容器2内の圧力は133Paとした。プラズマ生成用の希ガスとして990sccm(mL/min)のArを用い、酸素含有ガスとして10sccm(mL/min)のO2を用いた。
Conditions other than the temperature of the plasma oxidation process using the
プラズマ処理装置501を用いるプラズマ酸化処理の条件cは以下の通りである。まず、処理温度(載置台521の設定温度)を300℃とした。マイクロ波透過板573とウエハWとの間の間隔(ギャップ)を85mmとし、マイクロ波の着火時パワーを1000W、プロセス時パワーを1000Wとした。処理容器502内の圧力は133Paとした。プラズマ生成用の希ガスとして1980sccm(mL/min)のArを用い、酸素含有ガスとして20sccm(mL/min)のO2を用いた。
The conditions c of the plasma oxidation process using the
図11より、複数のマイクロ波でプラズマを生成させるプラズマ処理装置1を用いた条件aでは、単一マイクロ波方式のプラズマ処理装置501を用いた条件cに比べ、同じプロセス時間でも形成されるシリコン酸化膜を大幅に薄膜化できている。なお、同じプラズマ処理装置1を用いた条件bでは、条件aに比べると、酸化レートが大きく、厚さ1nm以下の薄膜形成における制御性が条件aでの処理に比べ低下している。これは処理温度が500℃の高温であるためと考えられる。しかし、図11より、処理温度が100℃以下であれば、膜厚の制御性よく厚さ1nm以下のシリコン酸化膜を形成することが十分に可能であると考えられる。
From FIG. 11, the condition a using the
<酸化レート>
本実施の形態のプラズマ処理方法は、厚さ1nm以下の薄膜の形成を容易にする観点から、例えば、プラズマ着火のためのマイクロ波の供給を開始(パワーON)してから30秒間における平均酸化レートを0.03nm/秒以下とすることが好ましく、0.005〜0.03nm/秒とすることがより好ましい。マイクロ波の供給開始から30秒間における平均酸化レートを0.03nm/sec以下にすることによって、短い処理時間でも膜厚の制御性が高まり、1nm以下、好ましくは0.5〜1nm以下の任意の厚みで薄膜を形成できる。
<Oxidation rate>
From the viewpoint of facilitating the formation of a thin film having a thickness of 1 nm or less, the plasma processing method of the present embodiment is, for example, an average oxidation for 30 seconds after the microwave supply for plasma ignition is started (power ON). The rate is preferably 0.03 nm / second or less, and more preferably 0.005 to 0.03 nm / second. By controlling the average oxidation rate in 30 seconds from the start of the microwave supply to 0.03 nm / sec or less, the controllability of the film thickness is enhanced even in a short processing time, and 1 nm or less, preferably 0.5 to 1 nm or less. A thin film can be formed with a thickness.
<処理時間>
本実施の形態のプラズマ処理方法において、処理時間は、1nm以下の所望の厚みでシリコン酸化膜の形成が可能であれば特に制限はないが、上記酸化レートを考慮すると、プラズマ着火のためのマイクロ波パワーの供給を開始(パワーON)する時点を基準に、例えば10〜100秒の範囲内とすることが好ましい。
<Processing time>
In the plasma processing method of the present embodiment, the processing time is not particularly limited as long as the silicon oxide film can be formed with a desired thickness of 1 nm or less. However, considering the oxidation rate, the processing time is microscopic for plasma ignition. For example, it is preferable that the time is within a range of 10 to 100 seconds with reference to a point in time when the supply of wave power is started (power ON).
<インピーダンス整合手順>
次に、本実施の形態のプラズマ処理方法におけるインピーダンス整合手順について、図12A,12B及び図13A及び図13Bを参照しながら説明する。本実施の形態のプラズマ処理方法では、複数のマイクロ波によりプラズマを着火するときにはインピーダンス整合を行わず、複数のマイクロ波により生成したプラズマによりウエハWを処理するときにインピーダンス整合を行うことが好ましい。なお、プラズマ処理装置1において、インピーダンス整合は、チューナ64の2つのスラグ74A,74Bを上下に変位させることにより行われる(図4参照)。
<Impedance matching procedure>
Next, an impedance matching procedure in the plasma processing method of the present embodiment will be described with reference to FIGS. 12A and 12B and FIGS. 13A and 13B. In the plasma processing method of this embodiment, it is preferable that impedance matching is not performed when plasma is ignited by a plurality of microwaves, and impedance matching is performed when the wafer W is processed by plasma generated by a plurality of microwaves. In the
図12A及び図12Bは、それぞれ、プラズマ処理装置1の一つのマイクロ波透過板73からマイクロ波を導入し、酸素プラズマを着火させる際のインピーダンス整合の手順とプラズマ発光との関係を示している。図12A,図12Bの縦軸は、発光分光分析(OES)による波長777nmにおける酸素ラジカルの発光強度比を示し、横軸は、マイクロ波の設定パワーを示している。図12A及び図12B中の四角のプロット(マッチングあり)は、圧力133Paで処理ガスとしてO2ガスを1体積%含有するArガスとO2ガスとの混合ガスを用い、インピーダンス整合を行ってプラズマを生成させた場合の設定パワーと発光強度との関係を示している。図12A及び図12B中のひし形のプロット(マッチングなし)は、圧力133Paで処理ガスとしてO2ガスを1体積%含有するArガスとO2ガスとの混合ガスを用い、インピーダンス整合を行わずプラズマを生成させた場合の設定パワーと発光強度との関係を示している。
12A and 12B show the relationship between the impedance matching procedure and plasma emission when a microwave is introduced from one
また、図13A及び図13Bは、それぞれ、プラズマ処理装置1の一つのマイクロ波透過板73からマイクロ波を導入し、酸素プラズマを着火させる際のインピーダンス整合の手順を示すタイミングチャートである。図13A及び図13Bにおいて、横軸は時間を示し、t1は処理ガス導入開始、t2はマイクロ波導入によるプラズマ着火、t3はプロセス時パワーへの切り替え、t4はプロセス終了(マイクロ波停止)、t5は処理ガス供給停止、のタイミングを示している。なお、図13A及び図13Bに示すタイミングチャートでは、処理ガスとしてArガスとO2ガスを同時に処理容器2内に導入してプラズマを着火しているが、例えばArガスを先に処理容器2内に導入してプラズマを着火し、後からO2ガスの導入を行うようにしてもよい。
13A and 13B are timing charts showing impedance matching procedures when a microwave is introduced from one
図12A及び図13Aは、プラズマ着火と同時に、インピーダンス整合を開始させる方法(以下、方法Aと記す)を示している。この場合の発光強度の変化を図12A中に太い矢印で示している。具体的には、方法Aの場合は、着火時パワー100Wでプラズマを着火させ(時点t2)、同時に着火時パワーでインピーダンス整合を開始し、インピーダンス整合をしながら、プロセス時パワー50Wに移行する(時点t3)。 12A and 13A show a method of starting impedance matching simultaneously with plasma ignition (hereinafter referred to as method A). The change in emission intensity in this case is indicated by a thick arrow in FIG. 12A. Specifically, in the case of Method A, the plasma is ignited with an ignition power of 100 W (time t2), and simultaneously impedance matching is started with the ignition power, and the impedance is matched and the process power is shifted to 50 W ( Time t3).
一方、図12B及び図13Bは、プラズマ着火と同時には、インピーダンス整合を開始せず、プロセスに移行するときに、インピーダンス整合を開始する方法(以下、方法Bと記す)を示している。この場合の発光強度の変化を図12B中に太い矢印で示している。方法Bでは、着火時パワー100Wでプラズマを着火させ(時点t2)、着火後、インピーダンス整合を行うことなくプロセス時パワー50Wに移行し(時点t3)、プロセス時パワーでインピーダンス整合を開始する。 On the other hand, FIGS. 12B and 13B show a method (hereinafter referred to as method B) in which impedance matching is not started at the same time as plasma ignition but is started when the process is shifted to. The change in emission intensity in this case is indicated by a thick arrow in FIG. 12B. In Method B, the plasma is ignited with an ignition power of 100 W (time t2), and after ignition, the process shifts to a process power of 50 W without performing impedance matching (time t3), and impedance matching is started with the process power.
図12Aと図12Bから、インピーダンス整合を行うタイミングの違いによって、着火時パワー及びプロセス時パワーが同じでも、方法Bでは方法Aに比べ、酸素ラジカルの発光を大幅に抑制できていることが理解される。すなわち、方法Bでは、着火時パワーでインピーダンス整合を行わないことによって、プラズマ着火時において、プラズマ中の酸化活性種である酸素ラジカルの生成量を方法Aよりも大幅に抑制できている。 From FIG. 12A and FIG. 12B, it is understood that the emission of oxygen radicals can be significantly suppressed by Method B compared to Method A even when the ignition power and the process power are the same due to the difference in timing of impedance matching. The That is, in Method B, impedance matching is not performed with ignition power, so that the amount of oxygen radicals, which are oxidation active species in plasma, can be greatly suppressed compared to Method A during plasma ignition.
図12A及び図12Bは、一つのマイクロ波によりプラズマを生成させた場合について示したものであるが、プラズマ処理装置1によって複数のマイクロ波でプラズマを生成させた場合も、同様に、方法Bでは方法Aよりも、プラズマ着火時においてプラズマ中の酸化活性種である酸素ラジカルの生成量を大幅に抑制できる。従って、方法Bの手順を採用することによって、方法Aの手順に比べ、プラズマ処理装置1を用いる薄膜(シリコン酸化膜)の形成において、プラズマ着火時の酸化を抑制することができ、膜厚の制御性が良好になり、一層の薄膜化が可能になる。このことを確認した実験結果について、図14を参照しながら説明する。
FIGS. 12A and 12B show the case where plasma is generated by one microwave. However, when plasma is generated by a plurality of microwaves by the
図14は、プラズマ処理によって形成されたシリコン酸化膜の膜厚とプロセス時間との関係を示す特性図である。図14の縦軸は、プラズマ処理によって形成されたシリコン酸化膜の膜厚を示し、横軸はプロセス時間を示している。実験は、下記の条件1〜4で実施した。条件1〜3は、7個のマイクロ波透過板73を備えたプラズマ処理装置1を使用し、条件4は、比較のため、単一マイクロ波方式のプラズマ処理装置501を使用した。なお、シリコン酸化膜の膜厚の測定には、エリプソメーターを使用した。
FIG. 14 is a characteristic diagram showing the relationship between the film thickness of the silicon oxide film formed by plasma processing and the process time. The vertical axis in FIG. 14 indicates the film thickness of the silicon oxide film formed by plasma treatment, and the horizontal axis indicates the process time. The experiment was carried out under the following
<条件1>
プラズマ生成方式:複数マイクロ波
着火時総パワー:420W
プロセス時総パワー:140W
着火時パワー:60W
プロセス時パワー:20W
インピーダンス整合:方法B
<条件2>
プラズマ生成方式:複数マイクロ波
着火時総パワー:700W
プロセス時総パワー:350W
着火時パワー:100W
プロセス時パワー:50W
インピーダンス整合:方法B
<条件3>
プラズマ生成方式:複数マイクロ波
着火時総パワー:700W
プロセス時総パワー:350W
着火時パワー:100W
プロセス時パワー:50W
インピーダンス整合:方法A
<条件4>
プラズマ生成方式:単一マイクロ波
着火時パワー:1000W
プロセス時パワー:1000W
インピーダンス整合:方法A
<
Plasma generation method: Multiple microwaves Total power at ignition: 420W
Total power during process: 140W
Power at ignition: 60W
Process power: 20W
Impedance matching: Method B
<
Plasma generation method: Multiple microwaves Total power at ignition: 700W
Total power during process: 350W
Ignition power: 100W
Process power: 50W
Impedance matching: Method B
<
Plasma generation method: Multiple microwaves Total power at ignition: 700W
Total power during process: 350W
Ignition power: 100W
Process power: 50W
Impedance matching: Method A
<
Plasma generation method: Single microwave Ignition power: 1000W
Process power: 1000W
Impedance matching: Method A
プラズマ処理装置1を用いるプラズマ酸化処理の他の条件は以下の通りである。マイクロ波透過板73とウエハWとの間の間隔(ギャップ)を85mmに固定した。処理容器2内の圧力は133Paとした。プラズマ生成用の希ガスとして990sccm(mL/min)のArを用い、酸素含有ガスとして10sccm(mL/min)のO2を用いた。また、処理温度を30℃とした。
Other conditions for the plasma oxidation process using the
プラズマ処理装置501を用いるプラズマ酸化処理の他の条件は以下の通りである。マイクロ波透過板573とウエハWとの間の間隔(ギャップ)を85mmとした。プラズマ生成用の希ガスとして1980sccm(mL/min)のArを用い、酸素含有ガスとして20sccm(mL/min)のO2を用いた。また、処理温度を300℃とした。
Other conditions for the plasma oxidation process using the
図14より、複数のマイクロ波でプラズマを生成させるプラズマ処理装置1を用いた条件1〜3では、単一マイクロ波方式のプラズマ処理装置501を用いた条件4に比べ、着火時総パワー及びプロセス時総パワーの両方が小さいため、同じプロセス時間でも形成されるシリコン酸化膜を大幅に薄膜化できている。特に、インピーダンス整合を方法Bで行った条件1及び条件2では、プロセス開始(プロセス時間0)から20秒経過後でもシリコン酸化膜の膜厚は1nm以下であり、インピーダンス整合を方法Aで行った条件3に比べても良好な結果が得られた。一方、条件4では、酸化レートが大きすぎるため、シリコン酸化膜の膜厚を1nm以下に制御することは現実的に不可能である。
As shown in FIG. 14, the
図14において、プロセス時間0は、方法A、方法Bともに、マイクロ波パワーをオン(ON)してプラズマを着火してから、5秒間かけて安定化させた後、プロセス時パワーに切り替え(図13A,13Bの時点t3)、さらにプロセス時パワーで5秒間かけて安定化させた時点を意味する。従って、図14において、プロセス時間0は、方法A,方法Bともに、マイクロ波パワーのオン(ON)から約10秒程度経過している。このため、図14の条件1〜3では、プロセス時間0であっても、すでに0.9nm程度のシリコン酸化膜の膜厚が計測されている。このように、プロセス時間0までに形成される膜厚を考慮すると、条件1〜3では、プロセス時間0から20秒経過後までの平均酸化レートは、明らかに0.005nm/sec程度である。条件1〜3では、このような低酸化レートのプラズマ処理が可能であり、特に、インピーダンス整合を方法Bで行った条件1及び条件2では、プロセス時間0に至るまでの着火直後のプラズマによる酸化を効果的に抑制できるため、シリコン酸化膜の膜厚を1nm以下の任意の膜厚で制御性良く形成できる。
In FIG. 14, the
以上、本実施の形態のプラズマ処理方法によれば、被処理体であるウエハWの表面に、1nm以下の膜厚のシリコン酸化膜を、膜厚の制御性よく形成することができる。 As described above, according to the plasma processing method of the present embodiment, a silicon oxide film having a thickness of 1 nm or less can be formed on the surface of the wafer W that is an object to be processed with good controllability of the thickness.
[第2の実施の形態]
次に、プラズマ処理装置1を用いて行われる本発明の第2の実施の形態に係るプラズマ処理方法について説明する。本実施の形態のプラズマ処理方法は、プラズマ処理装置1の処理容器2内に複数のマイクロ波によりプラズマを生成させて被処理体であるウエハWを処理し、例えばウエハWの表面のシリコンを窒化してシリコン窒化膜を形成する。
[Second Embodiment]
Next, a plasma processing method according to the second embodiment of the present invention performed using the
本実施の形態では、処理容器2内に複数のマイクロ波によりプラズマを生成させる方式のプラズマ処理装置1を用い、厚さ1nm(10オングストローム)以下、好ましくは0.5〜1nmの範囲内の極薄膜を形成するために、低いマイクロ波パワーでプラズマ窒化処理を行う。具体的には、本実施の形態のプラズマ処理方法では、着火時総パワーを、ウエハWの面積当たり1W/cm2以下、好ましくは0.8W/cm2以下、より好ましくは0.6W/cm2以下とする。例えば、300mm径のウエハWを被処理体とする場合、着火時総パワーを700W以下、好ましくは560W以下、より好ましくは420W以下とする。
In the present embodiment, a
本実施の形態のプラズマ処理方法で、着火時総パワーを上記のように規定する理由は、第1の実施の形態と同様である。 In the plasma processing method of the present embodiment, the reason for defining the total power during ignition as described above is the same as in the first embodiment.
<プラズマ窒化処理の条件>
次に、プラズマ処理装置1を用いて、1nm以下の膜厚のシリコン窒化膜を形成するための主要な条件として、処理ガスの種類と流量、処理圧力、マイクロ波パワー、処理温度、窒化レート、処理時間、インピーダンス整合手順を挙げて詳細に説明する。なお、これらの条件は、制御部8の記憶部83にレシピとして保存されている。そして、プロセスコントローラ81がそのレシピを読み出してプラズマ処理装置1の各構成部へ制御信号を送出することにより、所望の条件でプラズマ窒化処理が行われる。
<Conditions for plasma nitriding>
Next, the main conditions for forming a silicon nitride film having a thickness of 1 nm or less using the
<処理ガスの種類と流量>
プラズマ窒化処理の処理ガスとしては、プラズマ生成用の希ガスと窒素含有ガスを用いることが好ましい。希ガスとしては、例えば、Ar、Kr、Xe、He等を使用することができる。窒素含有ガスとしては、例えば、窒素ガス、NH3ガス等が使用される。これらの中でも、希ガスとしてはArガスが、窒素含有ガスとしてはN2ガスが、それぞれ好ましい。処理容器2内における全処理ガスに対する窒素含有ガスの体積流量比率(窒素含有ガス流量/全処理ガス流量の百分率)は、窒化力を適度に調節して厚さ1nm以下の薄膜の形成を容易にする観点から、5〜25%の範囲内とすることが好ましく、10〜20%の範囲内とすることがより好ましい。プラズマ窒化処理では、例えば希ガスの流量は、100〜10000mL/min(sccm)の範囲内から、上記流量比になるように設定することが好ましい。窒素含有ガスの流量は5〜2500mL/min(sccm)の範囲内から、上記流量比になるように設定することが好ましい。
<Process gas types and flow rates>
As a processing gas for plasma nitriding, it is preferable to use a rare gas for generating plasma and a nitrogen-containing gas. As the rare gas, for example, Ar, Kr, Xe, He or the like can be used. As the nitrogen-containing gas, for example, nitrogen gas, NH 3 gas or the like is used. Among these, Ar gas is preferable as the rare gas, and N 2 gas is preferable as the nitrogen-containing gas. The volume flow ratio of the nitrogen-containing gas to the total processing gas in the processing vessel 2 (nitrogen-containing gas flow rate / percentage of the total processing gas flow rate) is easy to form a thin film having a thickness of 1 nm or less by appropriately adjusting the nitriding power. Therefore, the content is preferably in the range of 5 to 25%, and more preferably in the range of 10 to 20%. In the plasma nitriding treatment, for example, the flow rate of the rare gas is preferably set so that the flow rate ratio is within the range of 100 to 10000 mL / min (sccm). The flow rate of the nitrogen-containing gas is preferably set so as to be the above flow rate ratio within the range of 5 to 2500 mL / min (sccm).
<マイクロ波パワー>
プラズマ処理装置1を用いるプラズマ処理において、着火時総パワーは、厚さ1nm以下の薄膜の形成を容易にする観点から、ウエハWの面積当たり1W/cm2以下、好ましくは0.5〜1W/cm2の範囲内とする。例えば、300mm径のウエハWを被処理体とする場合、着火時総パワーを700W以下、好ましくは350〜700Wの範囲内とすることができる。着火時総パワーが1W/cm2もしくは700Wを超えると、プラズマ着火直後の窒化レートが高くなり、厚さ1nm以下の薄膜の形成が困難になるか、あるいは、膜厚の制御性が著しく悪化する。着火時総パワーの下限は、安定したプラズマを生成させる観点から、ウエハWの面積当たり0.5W/cm2以上とすることが好ましい。なお、プラズマ処理装置1では、7つのマイクロ波透過板73からマイクロ波を導入するため、1つのマイクロ波透過板73から導入されるマイクロ波の着火時パワーは、100W以下とすることができる。
<Microwave power>
In plasma processing using the
また、プラズマ処理装置1を用いるプラズマ処理において、プロセス時総パワーは、着火時総パワーよりも小さくすることが可能であり、例えばプロセス時総パワーの1/3〜1/2程度とすることができる。例えば、プラズマ処理装置1で、300mm径のウエハWを処理する場合、着火時総パワーを420〜700W(ウエハWの面積あたり0.6〜1W/cm2)の範囲内とすると、プロセス時総パワーを140〜350W(ウエハWの面積あたり0.2〜0.5W/cm2)の範囲内とすることができる。なお、プラズマ処理装置1では、7つのマイクロ波透過板73からマイクロ波を導入するため、1つのマイクロ波透過板73から導入されるマイクロ波のプロセス時パワーは、50W以下とすることができる。また、条件によっては、着火時総パワーをそのままプロセス時総パワーとすることや、着火時総パワーよりも高いプロセス時総パワーを設定することも可能である。
Further, in the plasma processing using the
これに対し、第1の実施の形態で説明した比較例のプラズマ処理装置501の場合は、上述のとおり、300mm径のウエハWを処理する場合、着火時パワー及びプロセス時パワーの最小値は1000W(1.42W/cm2)であり、この値以下では安定したプラズマの着火及び放電維持は困難である。従って、プラズマ処理装置501では、プラズマ処理装置1に比べると、プラズマ窒化処理における窒化レートが高くなり、厚さ1nm以下の薄膜の形成は困難である。
On the other hand, in the case of the
<処理圧力>
処理圧力は、着火時総パワーを下げて厚さ1nm以下の薄膜の形成を容易にする観点から、例えば10〜600Paの範囲内が好ましく、20〜300Pa以下の範囲内がより好ましい。
<Processing pressure>
From the viewpoint of reducing the total power during ignition and facilitating the formation of a thin film having a thickness of 1 nm or less, the treatment pressure is preferably in the range of 10 to 600 Pa, and more preferably in the range of 20 to 300 Pa or less.
<処理温度>
ウエハWの処理温度は、窒化レートを下げて厚さ1nm以下の薄膜の形成を容易にする観点から、例えば室温(30℃)〜200℃の範囲内とすることが好ましく、100℃以下に設定することがより好ましい。なお、処理温度は載置台21の温度を意味し、室温(30℃)は加熱しないことを意味する。
<Processing temperature>
The processing temperature of the wafer W is preferably set in the range of room temperature (30 ° C.) to 200 ° C., for example, from the viewpoint of facilitating formation of a thin film having a thickness of 1 nm or less by lowering the nitriding rate, and is set to 100 ° C. or less. More preferably. In addition, processing temperature means the temperature of the mounting
<窒化レート>
本実施の形態のプラズマ処理方法は、厚さ1nm以下の薄膜の形成を容易にする観点から、例えばプラズマ着火のためのマイクロ波の供給を開始(パワーON)してから30秒間における平均窒化レートが0.05nm/秒以下であることが好ましく、0.005〜0.05nm/秒であることがより好ましい。マイクロ波の供給開始から30秒間における平均窒化レートを0.05nm/sec以下にすることによって、短い処理時間でも膜厚の制御性が高まり、1nm以下、好ましくは0.5〜1nm以下の任意の厚みで薄膜を形成できる。
<Nitriding rate>
From the viewpoint of facilitating the formation of a thin film having a thickness of 1 nm or less, the plasma processing method of the present embodiment has an average nitriding rate for 30 seconds after the supply of microwaves for plasma ignition is started (power ON), for example. Is preferably 0.05 nm / second or less, and more preferably 0.005 to 0.05 nm / second. By controlling the average nitridation rate in 30 seconds from the start of microwave supply to 0.05 nm / sec or less, the controllability of the film thickness is increased even in a short processing time, and 1 nm or less, preferably 0.5 to 1 nm or less. A thin film can be formed with a thickness.
<処理時間>
本実施の形態のプラズマ処理方法において、処理時間は、1nm以下の所望の厚みでシリコン窒化膜の形成が可能であれば特に制限はないが、上記窒化レートを考慮すると、プラズマ着火のためのマイクロ波パワーの供給を開始(パワーON)する時点を基準に、例えば10〜100秒の範囲内とすることが好ましい。
<Processing time>
In the plasma processing method of the present embodiment, the processing time is not particularly limited as long as the silicon nitride film can be formed with a desired thickness of 1 nm or less. For example, it is preferable that the time is within a range of 10 to 100 seconds with reference to a point in time when the supply of wave power is started (power ON).
<インピーダンス整合手順>
本実施の形態のプラズマ処理方法におけるインピーダンス整合手順は、第1の実施の形態におけるインピーダンス整合手順と同様である。本実施の形態においても、方法Bを採用することによって、方法Aに比べ、プラズマ処理装置1を用いる薄膜(シリコン窒化膜)の形成において、プラズマ着火時の窒化を抑制することができ、膜厚の制御性が良好になり、一層の薄膜化が可能になる。
<Impedance matching procedure>
The impedance matching procedure in the plasma processing method of the present embodiment is the same as the impedance matching procedure in the first embodiment. Also in this embodiment, by adopting the method B, nitriding at the time of plasma ignition can be suppressed in the formation of a thin film (silicon nitride film) using the
次に、本実施の形態のプラズマ処理方法の効果を示す実験結果について、図15を参照して説明する。図15は、プラズマ処理によって形成されたシリコン窒化膜の膜厚とプロセス時間との関係を示す特性図である。図15の縦軸は、プラズマ処理によって形成されたシリコン窒化膜の膜厚を示し、横軸はプロセス時間を示している。実験は、7個のマイクロ波透過板73を備えたプラズマ処理装置1を使用して以下の条件で実施した。マイクロ波透過板73とウエハWとの間の間隔(ギャップ)は85mmに固定した。着火時総パワーは700W、プロセス時総パワーは350W、着火時パワーは100W、プロセス時パワーは50Wに設定した。処理容器2内の圧力は20Paとした。プラズマ生成用の希ガスとして1000sccm(mL/min)のArを用い、窒素含有ガスとして20sccm(mL/min)のN2を用いた。また、処理温度を30℃とした。インピーダンス整合は、プラズマ着火と同時には、インピーダンス整合を開始せず、プロセスに移行するときに、インピーダンス整合を開始する方法B(第1の実施の形態を参照)により実施した。シリコン窒化膜の膜厚の測定には、エリプソメーターを使用した。
Next, experimental results showing the effects of the plasma processing method of the present embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 15 is a characteristic diagram showing the relationship between the film thickness of the silicon nitride film formed by plasma processing and the process time. The vertical axis in FIG. 15 indicates the film thickness of the silicon nitride film formed by plasma processing, and the horizontal axis indicates the process time. The experiment was performed using the
図15より、複数のマイクロ波でプラズマを生成させるプラズマ処理装置1を用い、着火時総パワー及びプロセス時総パワーの両方を小さく抑えてプラズマ処理を行うことにより、プロセス開始(プロセス時間0)から10秒経過後でもシリコン窒化膜の膜厚を1nm以下にコントロールできることが確認できた。
From FIG. 15, by using the
また、図15において、プロセス時間0は、マイクロ波パワーをオン(ON)してプラズマを着火してから、5秒間かけて安定化させた後、プロセス時パワーに切り替え、さらにプロセス時パワーで5秒間かけて安定化させた時点を意味する。従って、図15において、プロセス時間0は、マイクロ波パワーのオン(ON)から約10秒程度経過している。このため、図15では、プロセス時間0であっても、すでに0.5nm程度のシリコン窒化膜の膜厚が計測されている。このように、プロセス時間0までに形成される膜厚を考慮すると、プロセス時間0から10秒経過後までの平均窒化レートは、明らかに0.05nm/sec程度である。また、インピーダンス整合を方法Bで行うことによって、プロセス時間0に至るまでの着火直後のプラズマによる窒化を効果的に抑制できている。
Further, in FIG. 15, the
以上、本実施の形態のプラズマ処理方法によれば、被処理体であるウエハWの表面に、1nm以下の膜厚のシリコン窒化膜を、膜厚の制御性よく形成することができる。 As described above, according to the plasma processing method of the present embodiment, a silicon nitride film having a thickness of 1 nm or less can be formed with good controllability on the surface of the wafer W that is the object to be processed.
なお、本発明は、上記各実施の形態に限定されず、種々の変更が可能である。例えば、本発明のプラズマ処理方法は、半導体ウエハを被処理体とする場合に限らず、例えば太陽電池パネルの基板やフラットパネルディスプレイ用基板を被処理体とする場合にも適用できる。 In addition, this invention is not limited to said each embodiment, A various change is possible. For example, the plasma processing method of the present invention is not limited to a case where a semiconductor wafer is used as an object to be processed, but can also be applied to a case where, for example, a solar cell panel substrate or a flat panel display substrate is used as an object.
また、上記実施の形態では、ウエハWの表面のシリコンをプラズマ酸化処理又はプラズマ窒化処理する場合を例に挙げたが、処理対象はシリコンに限るものではない。例えば、プラズマ酸化処理の対象は、シリコン窒化膜(SiN膜)でもよいし、プラズマ窒化処理の対象は、シリコン酸化膜(SiO2膜)でもよく、さらに別の種類の膜でもよい。 In the above embodiment, the case where the silicon on the surface of the wafer W is subjected to the plasma oxidation process or the plasma nitridation process has been described as an example. However, the processing target is not limited to silicon. For example, the target of the plasma oxidation process may be a silicon nitride film (SiN film), and the target of the plasma nitridation process may be a silicon oxide film (SiO 2 film) or another type of film.
1…プラズマ処理装置、2…処理容器、3…ガス供給機構、4…排気装置、5…マイクロ波導入装置、8…制御部、14…排気管、15…ガス導入部、16…ノズル、21…載置台、21a…載置面、24…整合器、25…高周波バイアス電源、50…マイクロ波出力部、51…電源部、52…マイクロ波発振器、53…アンプ、54…分配器、60…アンテナユニット、61…アンテナモジュール、62…アンプ部、63…マイクロ波導入機構、64…チューナ、65…アンテナ部、66…本体容器、67…内側導体、71…平面アンテナ、71a…スロット、72…マイクロ波遅波材、73…マイクロ波透過板、81…プロセスコントローラ、82…ユーザーインターフェース、83…記憶部、W…半導体ウエハ。
DESCRIPTION OF
Claims (10)
前記複数のマイクロ波によりプラズマを着火するときのマイクロ波のパワーの合計が前記被処理体の面積当たり1W/cm2以下であり、かつ、前記薄膜の膜厚が1nm以下であることを特徴とするプラズマ処理方法。 A plasma processing method for forming a thin film on a surface of a target object using a plasma processing apparatus that generates a plasma in a processing container by a plurality of microwaves to process the target object,
The total microwave power when the plasma is ignited by the plurality of microwaves is 1 W / cm 2 or less per area of the object to be processed, and the thickness of the thin film is 1 nm or less. A plasma processing method.
前記被処理体の径が300mm以上であり、
前記複数のマイクロ波によりプラズマを着火するときのマイクロ波のパワーの合計が700W以下であり、かつ、前記薄膜の膜厚が1nm以下であることを特徴とするプラズマ処理方法。 A plasma processing method for forming a thin film on a surface of a target object using a plasma processing apparatus that generates a plasma in a processing container by a plurality of microwaves to process the target object,
The diameter of the object to be processed is 300 mm or more,
A plasma processing method, wherein the total power of microwaves when the plasma is ignited by the plurality of microwaves is 700 W or less, and the thickness of the thin film is 1 nm or less.
前記処理容器の内部に配置され、前記被処理体を載置する載置面を有する載置台と、
前記処理容器内に処理ガスを供給するガス供給機構と、
前記マイクロ波を生成すると共に、該マイクロ波を複数の経路に分配して出力するマイクロ波出力部と、
前記マイクロ波出力部から出力されたマイクロ波を前記処理容器内に導入するアンテナ部と、
前記マイクロ波出力部と前記処理容器内との間のインピーダンスを整合させるチューナと、
前記処理容器の上部に配置され、複数の開口部を有する導電性部材と、
前記複数の開口部に嵌合し、前記処理容器内に前記マイクロ波を透過させて導入させる複数のマイクロ波透過窓と、
を備え、
前記複数のマイクロ波透過窓からそれぞれ前記処理容器内に導入した前記複数のマイクロ波によって前記プラズマを生成するものである請求項1から5のいずれか1項に記載のプラズマ処理方法。 The plasma processing apparatus includes the processing container for storing an object to be processed;
A mounting table disposed inside the processing container and having a mounting surface on which the object to be processed is mounted;
A gas supply mechanism for supplying a processing gas into the processing container;
A microwave output unit that generates the microwave and distributes and outputs the microwave to a plurality of paths;
An antenna section for introducing the microwave output from the microwave output section into the processing container;
A tuner for matching impedance between the microwave output unit and the inside of the processing container;
A conductive member disposed at an upper portion of the processing container and having a plurality of openings;
A plurality of microwave transmission windows that fit into the plurality of openings and allow the microwaves to pass through the processing vessel;
With
The plasma processing method according to claim 1, wherein the plasma is generated by the plurality of microwaves introduced into the processing container from the plurality of microwave transmission windows.
前記複数のマイクロ波により前記プラズマを着火するときには前記インピーダンスの整合を行わず、前記プラズマにより被処理体を処理するときに前記インピーダンスの整合を行う請求項6に記載のプラズマ処理方法。 The total power of the microwaves when the plasma is ignited by the plurality of microwaves is greater than the total power of the microwaves when the object is processed by the plasma,
The plasma processing method according to claim 6, wherein the impedance matching is not performed when the plasma is ignited by the plurality of microwaves, and the impedance matching is performed when the object to be processed is processed by the plasma.
前記マイクロ波のパワーを前記第1のパワーよりも低い第2のパワーに変更するステップと、
前記第2のパワーの状態で前記インピーダンスの整合を行うステップと、
を含む請求項6に記載のプラズマ処理方法。 Supplying the plurality of microwaves from the microwave output unit with a first power for igniting the plasma to ignite the plasma; and
Changing the power of the microwave to a second power lower than the first power;
Matching the impedance in the second power state;
The plasma processing method of Claim 6 containing this.
被処理体を収容する処理容器と、
前記処理容器の内部に配置され、前記被処理体を載置する載置面を有する載置台と、
前記処理容器内に処理ガスを供給するガス供給機構と、
前記マイクロ波を生成すると共に、該マイクロ波を複数の経路に分配して出力するマイクロ波出力部と、
前記マイクロ波出力部から出力されたマイクロ波を前記処理容器内に導入するアンテナ部と、
前記マイクロ波出力部と前記処理容器内との間のインピーダンスを整合させるチューナと、
前記処理容器の上部に配置され、複数の開口部を有する導電性部材と、
前記複数の開口部に嵌合し、前記処理容器内に前記マイクロ波を透過させて導入させる複数のマイクロ波透過窓と、
前記処理容器内で前記複数のマイクロ波によりプラズマを着火するときのマイクロ波のパワーの合計が、前記被処理体の面積当たり1W/cm2以下となるように、前記複数のマイクロ波透過窓から、それぞれ前記処理容器内にマイクロ波を導入することにより、前記薄膜の膜厚を1nm以下に制御する制御部と、
を備えたことを特徴とするプラズマ処理装置。 A plasma processing apparatus for generating plasma in a processing container by a plurality of microwaves to form a thin film on the surface of an object to be processed,
A processing container for storing an object to be processed;
A mounting table disposed inside the processing container and having a mounting surface on which the object to be processed is mounted;
A gas supply mechanism for supplying a processing gas into the processing container;
A microwave output unit that generates the microwave and distributes and outputs the microwave to a plurality of paths;
An antenna section for introducing the microwave output from the microwave output section into the processing container;
A tuner for matching impedance between the microwave output unit and the inside of the processing container;
A conductive member disposed at an upper portion of the processing container and having a plurality of openings;
A plurality of microwave transmission windows that fit into the plurality of openings and allow the microwaves to pass through the processing vessel;
From the plurality of microwave transmission windows, the total power of the microwaves when the plasma is ignited by the plurality of microwaves in the processing container is 1 W / cm 2 or less per area of the object to be processed. A control unit for controlling the film thickness of the thin film to 1 nm or less by introducing a microwave into the processing container,
A plasma processing apparatus comprising:
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