JP4862425B2

JP4862425B2 - 基板処理方法および基板処理装置

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Publication number: JP4862425B2
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Inventors: 哲也辰巳
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Description

本発明は、基板処理方法および基板処理装置に関するものであって、特に、表面ガスエッチング反応により基板の表面処理を行う基板処理方法および基板処理装置に関するものである。

近年、ＵＬＳＩの高集積化が進み、微細加工技術に対する要求も年々厳しいものとなってきている。特に、先端デバイスのトランジスターゲートは、近い将来３０ｎｍ幅以下の線幅を数ｎｍのバラつき以内に抑えつつ量産を行うことを求められている。また、表面数ｎｍの変質やダメージ層の存在がデバイス特性を大きく左右することも知られており、従って、原子数層レベルでの高精度な加工を行う技術が必要とされる。

そこで、処理雰囲気にアンモニア（ＮＨ₃）、フッ化水素（ＨＦ）等のガスを供給し、処理雰囲気内に生成した反応性ガスを基板の表面に供給することで、基板の表面に反応性ガス成分が吸着してなる変質層を形成した後、続く加熱により変質層を気化、脱離させて、基板の表面側をエッチングする表面ガスエッチング反応が検討されている（例えば、特許文献１参照）。

この方法の利点は、除去可能な表面層の厚さが、基板の表面に吸着する反応性ガスの分子の数で律速されることであり、プラズマを用いたドライエッチングのように、処理膜厚が時間に応じて順次増加してゆかず、従って、反応のパターン依存や時間依存などのバラつき要因を排除した処理が可能であるとともに、ｎｍ単位でのエッチングの制御が可能となる。

国際公開第２００４／０８４２８０号パンフレット

しかし、上述した表面ガスエッチング反応は、基板の表面への分子の吸着量がエッチングレートを律速することから、従来のプラズマを用いたドライエッチング方法と比較すると非常に遅いエッチングレートしか達成し得ない。このため、除去する表面層の膜厚によっては、ガスの供給から熱処理までの一連の工程を複数回繰り返す必要があった。したがって、上述した表面ガスエッチング反応においては、エッチングレートの高速化に関する新技術の導入が切望されている。

以上のことから、表面ガスエッチング反応のエッチングレートを高速化する基板処理方法および基板処理装置を提供することを目的としている。

上述したような目的を達成するために、本発明における基板処理方法は、次のような工程を順次行うことを特徴としている。まず、第１工程では、基板の表面に形成された被処理層のバンドキャップ以上のエネルギーのエネルギー線として、波長が１５０ｎｍ以下の紫外線を基板の表面に照射し、被処理層に改質処理を行う。次に、第２工程では、改質処理された基板の上方に２つのガス供給管から異なる２つのガスをシャワーヘッド状に構成されたガス分岐システムを介して供給すると共に、基板の上方の空間で異なる２つのガスを反応させて反応性ガスを生成し、基板の被処理層に反応性ガス成分が吸着してなる変質層を形成する。次いで、第３工程では、熱処理を行うことで、上記変質層を気化して除去することでエッチングする。
また、第１工程及び第２工程は、処理チャンバ内を真空雰囲気にした状態から処理が行われる。

このような基板処理方法では、第１工程で、エネルギー線の照射により、基板の表面に改質処理を行うことから、基板の表面の未結合手が増加する。このため、第２工程において、改質処理を行わない場合と比較して、基板の表面に吸着する反応性ガス成分が増加するため、変質層が厚く形成される。これにより、第３工程でのエッチング量が増大し、エッチングレートを向上させることが可能となる。

また、本発明における基板処理装置は、基板の表面に形成された被処理層のバンドキャップ以上のエネルギーのエネルギー線として、波長が１５０ｎｍ以下の紫外線を基板の表面に照射し、被処理層に改質処理を行う改質処理ユニットと、改質処理された基板の上方に２つのガス供給管から異なる２つのガスをシャワーヘッド状に構成されたガス分岐システムを介して供給すると共に、基板の上方の空間で異なる２つのガスを反応させて反応性ガスを生成し、当該基板の被処理層に反応性ガス成分が吸着してなる変質層を形成するガス処理ユニットと、反応性ガスが供給された基板に熱処理を行う熱処理ユニットと、改質処理ユニット及びガス処理ユニットの処理チャンバの内部を真空雰囲気にする真空ポンプとを備えたことを特徴としている。

このような基板処理装置によれば、改質処理ユニットとガス処理ユニットと熱処理ユニットとを備えていることから、上述した一連の基板処理方法を同一の基板処理装置を用いて行うことができる。

以上、説明したように、本発明における基板処理方法によれば、エッチングレートを向上させることができるため、この基板処理方法を用いた製造プロセスの生産性を向上させることができる。

また、本発明における基板処理装置によれば、上述した基板処理方法を同一の基板処理装置を用いて行うことができるため、本発明の基板処理方法を効率よく行うことができる。

本発明の基板処理方法およびこの基板処理方法に用いる基板処理装置の実施の形態を詳細に説明する。

（第１実施形態）
まず、本発明における基板処理装置の実施の形態の一例を、図１の断面構成図を用いて説明する。

［基板処理装置］
この基板処理装置１は、エネルギー線の照射により、基板Ｗの表面に改質処理を行う改質処理ユニット１０と、改質処理後の基板Ｗの表面に反応性ガスを供給するガス処理ユニット２０と、反応性ガスが供給された基板Ｗの表面に熱処理を行う熱処理ユニット３０とを備えている。

ここでは、上記改質処理ユニット１０、ガス処理ユニット２０、および熱処理ユニット３０が、それぞれ別の処理チャンバ１１、２１、３１を備えており、これらが上述した順に一列に配置された構成について説明する。また、各処理チャンバ間の壁には開閉自在なゲートバルブ２が設けられ、ゲートバルブ２を開放することで、各処理チャンバ間が連通するように構成されている。このような構成により、基板Ｗは、ここでの図示を省略した搬送機構によって、各処理チャンバに搬送される。そして、後述する一連の基板処理方法を同一の基板処理装置を用いた連続処理で行うことが可能となる。

＜改質処理ユニット＞
ここで、改質処理ユニット１０は、エネルギー線の照射により基板Ｗの表面に改質処理を行う処理ユニットであり、処理チャンバ１１と、処理チャンバ１１の底部に配置され、基板Ｗを保持する基板ホルダー１２と、基板ホルダー１２に保持された基板Ｗの表面に、エネルギー線として例えば紫外線Ｖを照射する紫外線照射部１３とを備えている。ここで、本発明におけるエネルギー線とは、エネルギーを有した状態で被処理体に照射されるものを指し、光線、イオン、ラジカル、電子線等が相当することとする。

処理チャンバ１１は、例えばその上部に設けられ、紫外線Ｖを照射するためのプラズマ源となるガスを供給するガス供給口１４と、例えばその底部に設けられた排気口１５とを備えている。そして、排気口１５に接続された真空ポンプによって、処理チャンバ１１の内部環境を真空雰囲気に制御可能に構成されている。

また、基板ホルダー１２は、基板Ｗの表面を上方に向けた状態で、基板Ｗを載置保持可能に構成されている。この基板ホルダー１２は、後述する紫外線照射部１３において、プラズマを発生させるための下部電極も兼ねている。

また、紫外線照射部１３は、下部電極となる基板ホルダー１２の上方に、基板ホルダー１２の基板保持面と対向する状態で配置された上部電極１６と、上部電極１６上に配置されたコイル１７と、コイル１７に接続されたソース電源１８と、基板ホルダー１２と上部電極１６との間に配置された透過板１９とを備えている。このように構成されることで、ガス供給口１４から例えばヘリウム（Ｈｅ）ガスが供給された状態で、基板ホルダー１２（下部電極）と上部電極１６との間に電界が印加されると、透過板１９上に高周波誘導熱プラズマ（ＩＣＰ）タイプのＨｅプラズマＰが発生する。これにより、ＨｅプラズマＰから紫外線Ｖが透過板１９を介して基板ホルダー１２に保持された基板Ｗの表面に照射される。

なお、ここでは、ＨｅプラズマＰを発生させて紫外線Ｖを照射する紫外線照射部１３の例について説明したが、紫外線Ｖの照射機構については、上記に限定されるものではない。

＜ガス処理ユニット＞
また、上記改質処理ユニット１０に隣接して配置されるガス処理ユニット２０は、改質処理後の基板Ｗの表面に反応性ガスを供給する処理ユニットであり、処理チャンバ２１と、処理チャンバ２１の底部に配置され、基板Ｗを保持する基板ホルダー２２と、基板ホルダー２２の上方に配置され、基板ホルダー２２に保持された基板Ｗの表面に反応性ガスを供給するガス供給部２３とを備えている。

処理チャンバ２１は、余剰なガスを反応性ガスを排出するための排気口２４を備えており、排気口２４に接続された真空ポンプ（図示省略）によって、処理チャンバ２１の内部環境を真空状態に制御可能に構成されている。

また、基板ホルダー２２は、基板Ｗの表面を上方に向けた状態で、基板Ｗを載置保持可能に構成されている。基板ホルダー２２の内部には、基板ホルダー２２に保持された基板Ｗを冷却するための冷却管２５が配設されている。

さらに、ガス供給部２３は、異なるガスを供給する例えば２つのガス供給管２６ａ、２６ｂと、ガス供給管２６ａ、２６ｂの一端が接続され、処理チャンバ２１内にガスを供給する供給口を有するガス分岐システム２７とを備えている。

上記ガス供給管２６ａ、２６ｂは、その他端側がそれぞれのガスの貯留タンクに接続されている。また、ガス分岐システム２７は、例えばシャワーヘッド状に構成されており、ガス供給管２６ａ、２６ｂから供給されたガスを分離した状態で、処理チャンバ２１内に供給するように構成されている。また、ここでの図示は省略したが、ガス分岐システム２７は温度調整機構を有していることとする。

＜熱処理ユニット＞
さらに、上記ガス処理ユニット２０に隣接して配置される熱処理ユニット３０は、反応ガスが供給された後の基板Ｗの表面に熱処理を行う処理ユニットであり、処理チャンバ３１と、処理チャンバ３１の底部に配置され、基板Ｗを保持する基板ホルダー３２とを備えている。

処理チャンバ３１には、処理チャンバ３１内に不活性ガスを供給するガス供給口３３と、熱処理により基板Ｗの表面から気化したガスを排出する排気口３４が設けられている。

また、基板ホルダー３２の内部には、基板ホルダー３２に保持された基板Ｗに熱処理を行うためのヒーター３５が配設されている。

（基板処理方法）
次に、上述した基板処理装置１を用いた基板処理方法の一例について説明する。本発明の基板処理方法は、基板Ｗの表面に、改質処理プロセスとガス処理プロセスと熱処理プロセスを、この順に行うものである。

まず、本実施形態の基板処理方法に用いる基板Ｗについて、図２（ａ）、（ｂ）を用いて説明する。図２（ａ）に示すように、例えばシリコン基板からなる半導体基板４１上に例えば酸化シリコンからなるゲート絶縁膜４２を介して、例えばポリシリコンからなるゲート電極４３がパターン形成されている。このゲート電極４３を覆う状態で半導体基板４１上に、例えばＳｉＯ₂膜４４が形成されている。

次いで、図２（ｂ）に示すように、ＳｉＯ₂膜４４（前記図２（ａ）参照）をゲート電極４３の表面が露出するまでエッチバックすることで、ゲート電極４３の両側にＳｉＯ₂からなるサイドウォール４４’を形成する。このエッチバックにより、サイドウォール４４’が設けられたゲート電極４３の両側の半導体基板４１の表面はダメージを受け、自然酸化して、ＳｉＯ₂層４５が形成された状態となる。

この状態の半導体基板４１を基板Ｗとし、基板Ｗの表面に形成されたＳｉＯ₂層４５をエッチングするために、本実施形態の基板処理方法を用いた例について、図２（ｂ）〜（ｅ）を用いて説明する。なお、この基板処理方法に用いる基板処理装置の構成は図１で示したものとする。

＜改質処理プロセス＞
まず、基板処理装置１における改質処理ユニット１０の処理チャンバ１１に基板Ｗを導入し、基板ホルダー１２上に載置保持する。次いで、排気口１５に接続された真空ポンプ（図示省略）により、処理チャンバ１１内を真空雰囲気にする。次いで、ガス供給口１４から処理チャンバ１１内に例えばＨｅガスを導入し、上部電極１６と基板ホルダー（下部電極）１２との間にＨｅプラズマＰを発生させる。そして、ＨｅプラズマＰから透過板１９を透過した紫外線Ｖを基板Ｗの表面に照射することで、改質処理を行う。

この際、図２（ｂ）に示す基板Ｗの表面に形成された被処理層であるＳｉＯ₂層４５を後工程でエッチングすることから、照射する紫外線Ｖは、Ｓｉ−Ｏのバンドギャップ（８．８ｅＶ）以上の高エネルギーの紫外線Ｖ、すなわち、波長１５０ｎｍ以下の紫外線Ｖを照射することが好ましい。上記範囲の紫外線Ｖを基板Ｗの表面に照射することで、図２（ｃ）の領域Ａの拡大図に示すように、変質層４５中のＳｉ−Ｏ結合が分断され、表面側の未結合手４５ａが増加した状態となる。

上記改質処理プロセスのプロセス条件の一例としては、Ｈｅガスの流量を１００ｍｌ／ｍｉｎとし、ソース電源１８のパワーを５００Ｗにするとともに、処理チャンバ１１内の圧力を１．３Ｐａに設定する。この照射条件下では、最短で１２０ｎｍの紫外線Ｖが基板Ｗの表面に照射される。この際、紫外線Ｖは基盤Ｗ表面に向かって方向性を有して照射されるため、ゲート電極４３の両側に設けられたＳｉＯ₂からなるサイドウォール４４’への改質処理は抑制される。

なお、ここでは、後工程でＳｉＯ₂層４５をエッチングすることから、上記範囲の紫外線Ｖを照射することとしたが、ＳｉＯ₂層とは異なる被処理層をエッチングする場合には、被処理層の表面結合を分断し、未結合手が増加するように、紫外線Ｖの照射範囲を設定する。

次いで、搬送機構（図示省略）により、ゲートバルブ２を介して、処理チャンバ１１からガス処理ユニット２０の処理チャンバ２１に改質処理後の基板Ｗを搬送する。この際、予め、処理チャンバ２１の排気口２４に接続された真空ポンプ（図示省略）により、処理チャンバ２１内を真空雰囲気にしておく。そして、処理チャンバ２１内の基板ホルダー２２上に、改質処理後の基板Ｗを載置保持する。これにより、真空状態が維持された状態で基板Ｗが搬送されるため、改質処理後の基板Ｗが大気中に晒されることがなく、図２（ｃ）に示すＳｉＯ₂層４５の未結合手４５aが大気中の水分や酸素等で終端されることが防止される。

＜ガス処理プロセス＞
この後の工程は、従来の表面ガスエッチング反応と同様に行う。すなわち、ガス供給管２６ａからは、例えばアルゴン（Ａｒ）ガスからなるキャリアガスとＮＨ₃ガス、ガス供給管２６ｂからは、例えばＨＦガスを、ガス分岐システム２７を介して処理チャンバ２１内に供給する。その後、排気口２４を開口し、余剰なガスが除去されるようにする。

上述したように、処理チャンバ２１内にＮＨ₃ガスとＨＦガスとを供給することで、基板ホルダー２２上に保持された基板Ｗの上方の空間では、ＮＨ₃ガスとＨＦガスとが反応し、フッ化アンモニウム（ＮＨ₄Ｆ_x）ガスが生成される。そして、図２（ｄ）に示すように、ＮＨ₄Ｆ_xガスが基板Ｗの表面に設けられたＳｉＯ₂層４５（前記図２（ｃ）参照）に吸着することで、（ＮＨ₄）₂ＳｉＦ₆からなる変質層４５’が形成される。

ここで、変質層４５’はＳｉＯ₂層４５の膜厚の範囲内で表面側に形成され、ここではＳｉＯ₂層４５の全域が変質層４５’となる。この際、上述した改質処理により、ＳｉＯ₂層４５の表面には未結合手４５ａ（前記図２（ｃ）参照）が増加していることから、上記改質処理をしていない場合と比較して、ＮＨ₄Ｆ_xガスの吸着量は約２倍になる。

ここでは、上記ガス処理プロセス条件の一例として、処理チャンバ２１内の圧力を４Ｐａに設定し、ガス流量をＨＦ／ＮＨ₃／Ａｒ＝１００／５０／５００（ｍｌ／ｍｉｎ）とし、基板Ｗの温度を５０℃に設定する。

その後、搬送機構（図示省略）により、ゲートバルブ２を介して処理チャンバ２１から熱処理ユニット３０における処理チャンバ３１にガス処理後の基板Ｗを搬送し、処理チャンバ３１内の基板ホルダー３１上に基板Ｗを載置保持する。

＜熱処理プロセス＞
次に、図２（ｅ）に示すように、処理チャンバ３１に、ガス供給口３３から窒素（Ｎ₂）ガスを供給することで、処理チャンバ３１内を非酸化性雰囲気下とする。この状態で排気口３４を開口し、基板ホルダー３２のヒーター３５を加熱して、基板Ｗの熱処理を行う。これにより、上記変質層４５’（前記図２（ｄ）参照）は、ＮＨ₃、水素（Ｈ₂）、Ｎ₂、四フッ化珪素（ＳｉＦ₄）、水（Ｈ₂Ｏ）に気化して、除去されるため、基板Ｗの表面側がエッチングされる。

この熱処理プロセスのプロセス条件の一例としては、基板ホルダー３１の温度を調整することで、基板の温度を１５０℃に設定する。

以上説明したような基板処理方法によれば、基板Ｗの表面に紫外線Ｖの照射による改質処理を行うことから、ＳｉＯ₂層４５の表面の未結合手４５ａが増加し、改質処理を行わない場合と比較して、基板Ｗ表面への反応性ガス成分の吸着量が増加する。これにより、エッチングレートが増加するため、改質処理を行わない場合には、一連の表面ガスエッチング反応を複数回行うことでＳｉＯ₂層４５を除去していたが、本発明の基板処理方法によれば、１回の処理でＳｉＯ₂層４５を除去する量を増加させることができるため、トータルでの処理時間を削減することが可能となる。

また、本実施形態の基板処理装置１によれば、上述した基板処理方法を同一の基板処理装置１を用いた連続処理で行うことができるため、本発明の基板処理方法を効率よく行うことができる。したがって、上記基板処理方法を用いた製造プロセスの生産性を向上させることができる。

さらに、本実施形態の基板処理装置１によれば、改質処理ユニット１１を構成する処理チャンバ１１とガス処理ユニット２０を構成する処理チャンバ２１が、その内部を真空雰囲気に制御できるように構成されているため、改質処理後の基板Ｗを処理チャンバ１１から処理チャンバ２１に搬送する際には、真空雰囲気を維持した状態で搬送することができる。これにより、改質処理後の基板Ｗの表面の未結合手が大気中の水分や酸素によって終端されることを防止することができる。

なお、上述した実施形態では、図２（ｂ）を用いて説明したように、基板Ｗとして、表面側にＳｉＯ₂層４５が設けられた半導体基板４１を用い、ＳｉＯ₂層４５をエッチング除去する例について説明したが、本発明はこれに限定されることなく、例えば基板Ｗの表面に微細な凹凸パターンを形成する場合にも適用可能である。

この場合には、改質処理を行う際に、貫通状態の開口パターンが設けられた遮光マスクを介して、基板Ｗの表面に紫外線Ｖを照射し、開口パターンを通過した紫外線Ｖのみが基板Ｗの表面に照射されるようにする。これにより、紫外線Ｖが照射された基板Ｗの表面領域のみに改質処理が行われるため、この領域の未結合手が増大する。その後、基板Ｗの表面に反応性ガスを供給すると、改質処理された領域で反応ガス成分の吸着量が増加する。これにより、その後のエッチング速度に差が生じ、改質処理された領域は深く掘り込まれ、未処理領域は浅く掘り込まれることから、基板Ｗの表面側に微細な凹凸パターンを形成することが可能となる。

（変形例１）
なお、上述した第１実施形態では、改質処理として基板の表面に紫外線照射を行うこととしたが、改質処理として基板の表面にラジカル照射を行ってもよい。この場合には、図１を用いて説明した基板処理装置１における改質処理ユニット１０を、図３に示す改質処理ユニット５０に置き換えた基板処理装置を用いて、基板Ｗの表面処理を行うこととする。

上記改質処理ユニット５０は、処理チャンバ５１と、処理チャンバ５１の底部に配置され、基板Ｗを保持する基板ホルダー５２と、基板ホルダー５２に保持された基板Ｗに、エネルギー線としてラジカルを照射するラジカル照射部５３とを備えている。

このうち処理チャンバ５１と基板ホルダー５２は、第１実施形態で図１を用いて説明した処理チャンバ１１、基板ホルダー１２と同様に構成されている。すなわち、処理チャンバ５１は、その上部にプラズマ源となるガスを供給するガス供給口５４と、その底部に設けられた真空ポンプ（図示省略）に接続された排気口５５とを備えている。また、基板ホルダー５２は、後述するラジカル照射部５３において、プラズマを発生させるための下部電極も兼ねた構成となっている。

また、ラジカル照射部５３は、下部電極となる基板ホルダー５２の上方に、基板ホルダー５２の基板保持面と対向する状態で配置された上部電極５６と、上部電極５６上に配置されたコイル５７と、コイル５７に接続されたソース電源５８とを備えている。これにより、ガス供給口５４から例えばＨ₂ガスおよびＨｅガスが供給された状態で、基板ホルダー５２（下部電極）と上部電極５６との間に電界を印加すると、ＩＣＰタイプの水素／ヘリウム（Ｈ2／Ｈｅ）プラズマＰ’が発生し、水素ラジカル（Ｈ^*）が生成される。そして、基板ホルダー５２に保持された基板Ｗの表面にＨ^*が照射される。

このような改質処理ユニット５０を用いた基板Ｗの表面の改質処理は、次のように行われる。まず、処理チャンバ５１に図２（ｂ）を用いて説明した基板Ｗを導入し、基板ホルダー１２上に載置保持する。次いで、排気口５５に接続された真空ポンプ（図示省略）により、処理チャンバ５１内を真空雰囲気にする。

次いで、ガス供給口５４から処理チャンバ５１内にＨ₂ガスとＨｅガスとを導入し、上部電極１６と基板ホルダー（下部電極）１２との間にＨプラズマＰ’を発生させる。そして、ＨプラズマＰからＨ^*を基板Ｗの表面に照射する。

ここで、後工程でＳｉＯ₂層４５をエッチングすることから、Ｈ^*の照射エネルギーは、Ｓｉ−Ｏのバンドギャップ（８．８ｅＶ）以上のエネルギーであり、かつＨ^*の照射によりＳｉＯ₂層４５がエッチングされないエネルギーの範囲であることが好ましい。この範囲のエネルギーのＨ^*を照射することで、図２（ｃ）を用いて説明したように、ＳｉＯ₂層４５の表面結合が分断され、未結合手４５ａが増加する。

上述したような改質処理プロセスのプロセス条件の一例としては、ガス流量をＨ₂／Ｈｅ＝１０／１００（ｍｌ／ｍｉｎ）とし、ソース電源５８のパワーを１０００Ｗにするとともに、処理チャンバ５１内の圧力を４．０Ｐａに設定する。

なお、ここでは、ラジカル種としてＨ^*を用いた例について説明したが、照射条件を制御することで、上記エネルギーの範囲で照射することが可能なラジカル種であればよく、例えばシリコン（Ｓｉ）との反応をしやすいフッ素（Ｆ），塩素（Ｃｌ），ヨウ素（Ｉ），臭素（Ｂｒ）などのハロゲン系のラジカル種や酸素（Ｏ）と反応しやすい炭素（Ｃ）を含むラジカル種（Ｃ，ＣＨ_x）であってもよい。

上述したような改質処理を行った後、第１実施形態と同様に、ガス処理ユニット２０において、改質処理後の基板Ｗの表面に反応性ガスを供給すると、改質処理を行わない場合と比較して、基板Ｗへの反応性ガス成分の吸着量は約２倍になる。そして、ＳｉＯ₂層４５に反応性ガス成分が吸着することで、ＳｉＯ₂層４５は変質層４５’となる（図２（ｄ）参照）。この後は、第１実施形態と同様に、熱処理ユニット３０において、熱処理を行うことで、変質層４５’を気化して除去する（図２（ｅ）参照）。

以上説明したような基板処理方法および基板処理装置であっても、基板Ｗの表面にＨ^*の照射による改質処理を行うことから、基板Ｗの表面に未結合手４５ａが増加し、改質処理を行わない場合と比較して、基板Ｗの表面に吸着する反応性ガス成分が増加する。したがって、第１実施形態と同様の効果を奏することができる。

（変形例２）
また、改質処理として、基板Ｗの表面にイオン照射を行ってもよい。この場合には、図１を用いて説明した基板処理装置１における改質処理ユニット１０を、図４に示す改質処理ユニット６０に置き換えた構成の基板処理装置を用いて基板Ｗの表面処理を行う。

上記改質処理ユニット６０は、処理チャンバ６１と、処理チャンバ６１の底部に配置され、基板Ｗを保持する基板ホルダー６２と、基板ホルダー６２に保持された基板Ｗに、エネルギー線としてイオンを照射するイオン照射部６３とを備えている。

このうち処理チャンバ６１と基板ホルダー６２は、第１実施形態で図１を用いて説明した処理チャンバ１１、基板ホルダー１２と同様に構成されている。すなわち、処理チャンバ５１は、その上部にプラズマ源となるガスを供給するガス供給口６４と、その底部に設けられた真空ポンプ（図示省略）に接続された排気口６５とを備えている。また、基板ホルダー６２は、後述するラジカル照射部６３において、プラズマを発生させるための下部電極も兼ねた構成となっている。ただし、この基板ホルダー６２には、基板ホルダー６２にバイアスパワーを印加するためのソース電源６６が接続されており、イオンエネルギーを適宜変化させることができる。

イオン照射部６３は、下部電極となる基板ホルダー６２の上方に、基板ホルダー６２の基板保持面と対向する状態で配置された上部電極６７と、上部電極６７上に配置されたコイル６８と、コイル６８に接続されたソース電源６９とを備えている。これにより、ガス供給口６４から例えばＡｒガスが供給された状態で、基板ホルダー６２（下部電極）と上部電極６６との間に電界を印加することで、ＩＣＰタイプのＡｒプラズマＰ''が発生する。これにより、基板ホルダー６２に保持された基板Ｗの表面にＡｒイオン（Ａｒ⁺）が照射される。

このような改質処理ユニット６０を用いた基板Ｗの表面の改質処理は、次のように行われる。まず、処理チャンバ６１に図２（ｂ）を用いて説明した基板Ｗを導入し、基板ホルダー６２上に載置保持する。次いで、排気口６５に接続された真空ポンプ（図示省略）により、処理チャンバ６１内を真空雰囲気にする。

次いで、ガス供給口６４から処理チャンバ６１内にＡｒガスを導入し、上部電極６７と基板ホルダー（下部電極）６２との間にＡｒプラズマＰ''を発生させる。そして、ＡｒプラズマＰ''からＡｒ⁺を基板Ｗの表面に照射する。

ここで、後工程でＳｉＯ₂層４５をエッチングすることから、Ａｒ⁺の照射エネルギーは、Ｓｉ−Ｏのバンドギャップ（８．８ｅＶ）以上のエネルギーであり、かつＡｒ⁺の照射によりＳｉＯ₂層４５がスパッタエッチングされないエネルギー範囲であることが好ましい。この範囲のエネルギーのＡｒ⁺を照射することで、図２（ｃ）を用いて説明したように、ＳｉＯ₂層４５の表面結合が分断され、未結合手４５ａが増加する。なお、この際、Ａｒ⁺は基盤Ｗ表面に向かって方向性を有して照射されるため、ゲート電極４３の両側に設けられたＳｉＯ₂からなるサイドウォール４４への改質処理は抑制される。

この改質処理プロセスのプロセス条件の一例としては、Ａｒガスのガス流量を１００ｍｌ／ｍｉｎとし、ソース電源６６の基板バイアスパワーを１００Ｗ、ソース電源６９のＩＣＰ放電パワーを１０００Ｗにするとともに、処理チャンバ６１内の圧力を１３．３Ｐａに設定する。

なお、ここでは、イオン種としてＡｒ⁺を用いた例について説明したが、照射条件を制御することで、上記エネルギーの範囲で照射することが可能なイオン種であればよく、例えばヘリウムイオン（Ｈｅ⁺）,キセノンイオン（Ｘｅ⁺）,クリプトンイオン（Ｋｒ⁺）等のイオン種であってもよい。

上述したような改質処理を行った後、第１実施形態と同様に、ガス処理ユニット２０において、改質処理後の基板Ｗの表面に反応性ガスを供給すると、基板Ｗへの反応性ガス成分の吸着量は約２倍になる。そして、ＳｉＯ₂層４５に反応性ガス成分が吸着することで、ＳｉＯ₂層４５は変質層４５’（図２（ｄ）参照）となる。この後は、第１実施形態と同様に、熱処理ユニット３０において、熱処理を行うことで、変質層４５’を気化して除去する。

以上説明したような基板処理方法および基板処理装置であっても、基板Ｗの表面に、Ａｒ⁺の照射による改質処理を行うことから、ＳｉＯ₂層４５の未結合手４５ａが増加し、改質処理を行わない場合と比較して、基板Ｗの表面への反応性ガス成分の吸着量が増加する。したがって、第１実施形態と同様の効果を奏することができる。

（第２実施形態）
第１実施形態では、図１を用いて説明したように、改質処理ユニット１０、ガス処理ユニット２０、熱処理ユニット３０がそれぞれ別の処理チャンバ１１、２１、３１を備えている例について説明したが、各処理ユニットが同一の処理チャンバに設けられていてもよい。この場合には、各処理ユニットにおける処理チャンバと基板ホルダーを除く構成要素が、１つの処理チャンバと１つの基板ホルダーを共有した構成となる。

図５に示すように、基板処理装置１’は、処理チャンバ７１と、処理チャンバ７１の例えば底部に配置され、基板Ｗを保持する基板ホルダー７２と、基板ホルダー７２上に配置された基板Ｗの表面に、エネルギー線として紫外線Ｖを照射することで改質処理を行う紫外線照射部７３と、改質処理後の基板Ｗの表面に反応性ガスを供給するガス供給部７４とを備えている。

処理チャンバ７１には、例えばその上部に設けられ、紫外線Ｖを照射するためのプラズマ源となるガスを供給するガス供給口７５と、例えばその底部に設けられた排気口７６とを備えている。そして、排気口７６に接続された真空ポンプによって、処理チャンバ７１の内部環境を真空雰囲気に制御可能に構成されている。

また、基板ホルダー７２は、基板Ｗの表面を上方に向けた状態で、基板Ｗを載置保持可能に構成されている。基板ホルダー７２は、後述する紫外線照射部７３において、プラズマを発生させるための下部電極も兼ねている。さらに、基板ホルダー７２の内部には、基板ホルダー７２上に保持された基板Ｗを冷却する冷却管７７が基板ホルダー７２の表面側に配設されている。これにより、後述するガス処理プロセス中の基板Ｗの温度が制御される。

さらに、基板ホルダー７２の内部には、この冷却管７７の下部側に、基板ホルダー７２上に保持された基板Ｗを加熱するヒーター７８が配設されている。このヒーター７８により、後述する熱処理プロセス中の基板Ｗの温度が制御される。

さらに、紫外線照射部７３は、第１実施形態と同様に構成されている。すなわち、下部電極となる基板ホルダー７２の上方に、基板ホルダー７２の基板保持面と対向する状態で配置された上部電極７９と、上部電極７９上に配置されたコイル８０と、コイル８０に接続されたソース電源８１と、基板ホルダー７２と上部電極７９との間に配置された紫外線Ｖを透過させる透過板８２とを備えている。この透過板８２は、処理チャンバ７１において、紫外線Ｖの光源となるプラズマが発生する領域と、後述する反応性ガスを供給する領域とを仕切るように配置されることとする。

さらに、処理チャンバ７１の側壁には処理チャンバ７１内に反応性ガスを供給する２つのガス供給管８３ａ、８３ｂが相対配置された状態で挿入されており、基板ホルダー７２に保持された基板Ｗの上方空間で各ガスが反応するように構成されている。なお、ここでは、ガス供給管８３ａ、８３ｂの供給端が筒状である例について説明するが、供給端の形状は特に限定されず、シャワーヘッド状であってもよい。

上述したような基板処理装置を用いた基板処理方法について説明する。なお、基板Ｗとしては、第１実施形態と同様に、図２（ｂ）を用いて説明した状態の半導体基板４１を用いることとする。また、各処理プロセスのプロセス条件は、第１実施形態と同一条件で行う。

＜改質処理プロセス＞
まず、図５を用いて説明した基板処理装置１’における処理チャンバ７１に、図２（ｂ）を用いて説明した基板Ｗを導入し、基板ホルダー７２上に基板Ｗを載置保持する。次いで、排気口７６に接続された真空ポンプ（図示省略）により、処理チャンバ７１内を真空雰囲気にする。次いで、ガス供給口７５から処理チャンバ７１内にＨｅガスを導入し、上部電極７９と基板ホルダー（下部電極）７２との間にＨｅプラズマＰを発生させる。そして、ＨｅプラズマＰから透過板８２を透過した紫外線Ｖを基板Ｗの表面に照射する。これにより、図２（ｃ）を用いて説明したように、ＳｉＯ₂層４５の表面結合が分断され、未結合手４５ａが増加する。その後、再び、排気口７６に接続された真空ポンプ（図示省略）により、処理チャンバ７１内を真空雰囲気にする。

＜ガス処理プロセス＞
次いで、ガス供給管８３ａからはＡｒガスからなるキャリアガスとＮＨ₃ガス、ガス供給管８３ｂからはＨＦガスを処理チャンバ７１内に供給する。その後、排気口７６を開口し、余剰なガスが除去されるようにする。

これにより、基板ホルダー７２上に保持された基板Ｗの上方の空間では、ＮＨ₃ガスとＨＦガスとが反応し、ＮＨ₄Ｆ_xガスが生成される。そして、図２（ｄ）に示すように、ＮＨ₄Ｆ_xガスが基板Ｗの表面に設けられたＳｉＯ₂層４５（図２（ｃ）参照）に吸着することで、（ＮＨ₄）₂ＳｉＦ₆からなる変質層４５’が形成される。この際、上述した改質処理により、ＳｉＯ₂層４５の表面には未結合手４５ａが増加していることから、上記改質処理をしていない場合と比較して、ＮＨ₄Ｆ_xガスの吸着量は約２倍になる。

＜熱処理プロセス＞
次に、再び、排気口７６に接続された真空ポンプにより処理チャンバ７１内を真空雰囲気にして、上記供給ガスをパージした後、ガス供給口３３からＮ₂ガスを供給することで、処理チャンバ７１内を非酸化性雰囲気とする。この状態で、排気口７６を開口し、基板ホルダー７２のヒーター７８を加熱して、基板Ｗの熱処理を行う。これにより、図２（ｅ）に示すように、上記変質層４５’（図２（ｄ）参照）は気化して除去されるため、基板Ｗの表面側がエッチングされる。

以上説明したような基板処理方法および基板処理装置であっても、基板Ｗの表面に、未結合手４５ａが増加するように、紫外線Ｖの照射による改質処理を行うことから、基板Ｗの表面への反応性ガス成分の吸着量が増加する。これにより、第１実施形態と同様の効果を奏することができる。

また、本実施形態の基板処理装置によれば、同一処理チャンバ７１内に改質処理ユニット１０とガス処理ユニット２０と熱処理ユニット３０とを備えていることから、上述した基板処理方法を同一の処理チャンバ７１を用いて行うことができるため、本発明の基板処理方法をさらに効率よく行うことができる。また、処理チャンバ間の搬送機構等を省略することができるため、コスト的にも有利である。

なお、上述した第２実施形態の基板処理装置１’では、紫外線照射部７３が設けられた例について説明したが、紫外線照射部７３の代わりに、図３を用いて説明したラジカル照射部５３または図４を用いて説明したイオン照射部６３が設けられていてもよい。

また、上記第２実施形態では、改質処理ユニット１０、ガス処理ユニット２０および熱処理ユニット３０が同一チャンバ内に設けられた例について説明したが、改質処理ユニット１０とガス処理ユニット２０が同一チャンバに設けられており、熱処理ユニット３０が別の処理チャンバに設けられていてもよく、ガス処理ユニット２０と熱処理ユニット３０が同一チャンバに設けられており、改質処理ユニット１０が別の処理チャンバに設けられていても構わない。

本発明の基板処理装置に係る第１実施形態を説明するための断面構成図である。本発明の基板処理方法に係る第１実施形態を説明するための製造工程断面図である。本発明の基板処理装置に係る第１実施形態の変形例１を説明するための断面構成図である。本発明の基板処理装置に係る第１実施形態の変形例２を説明するための断面構成図である。本発明の基板処理装置に係る第２実施形態を説明するための断面構成図である。

符号の説明

１，１’…基板処理装置、１０，５０，６０…改質処理ユニット、２０…ガス処理ユニット、３０…熱処理ユニット、１１，２１，３１，７１…処理チャンバ、４５’…変質層、Ｗ…基板、

Claims

基板の表面に形成された被処理層のバンドキャップ以上のエネルギーのエネルギー線として、波長が１５０ｎｍ以下の紫外線を前記基板の表面に照射し、前記被処理層に改質処理を行う第１工程と、
改質処理された前記基板の上方に２つのガス供給管から異なる２つのガスをシャワーヘッド状に構成されたガス分岐システムを介して供給すると共に前記基板の上方の空間で前記異なる２つのガスを反応させて反応性ガスを生成し、当該基板の前記被処理層に前記反応性ガス成分が吸着してなる変質層を形成する第２工程と、
熱処理を行い、前記変質層を気化して除去することで、前記基板の表面側をエッチングする第３工程と、を有し、
前記第１工程及び前記第２工程は、処理チャンバ内を真空雰囲気にした状態から処理が行われる
基板処理方法。
基板の表面に形成された被処理層のバンドキャップ以上のエネルギーのエネルギー線として、波長が１５０ｎｍ以下の紫外線を前記基板の表面に照射し、前記被処理層に改質処理を行う改質処理ユニットと、
改質処理された前記基板の上方に２つのガス供給管から異なる２つのガスをシャワーヘッド状に構成されたガス分岐システムを介して供給すると共に、前記基板の上方の空間で前記異なる２つのガスを反応させて反応性ガスを生成し、当該基板の前記被処理層に前記反応性ガス成分が吸着してなる変質層を形成するガス処理ユニットと、
前記反応性ガスが供給された前記基板に熱処理を行う熱処理ユニットと、
前記改質処理ユニット及び前記ガス処理ユニットの処理チャンバの内部を真空雰囲気にする真空ポンプと、
を備えた基板処理装置。
前記改質処理ユニット、前記ガス処理ユニットおよび前記熱処理ユニットが、それぞれ別の処理チャンバを備えており、
各処理チャンバが、連通可能な状態で、前記改質処理ユニット、前記ガス処理ユニット、前記熱処理ユニットの順に配置されている
請求項２記載の基板処理装置。
前記改質処理ユニット、前記ガス処理ユニットおよび前記熱処理ユニットが、同一の処理チャンバに設けられている
請求項２記載の基板処理装置。