JP5525462B2 - 絶縁膜の形成方法および基板処理装置 - Google Patents

Description

本発明は半導体装置に係り、特に高誘電体膜を有する、超微細化高速半導体装置の製造方法に関する。

今日の超高速半導体装置では、微細化プロセスの進歩とともに、０．１μｍ以下のゲート長が可能になりつつある。一般に微細化とともに半導体装置の動作速度は向上するが、このように非常に微細化された半導体装置では、ゲート絶縁膜の膜厚を、微細化によるゲート長の短縮に伴って、スケーリング則に従って減少させる必要がある。

しかしゲート長が０．１μｍ以下になると、ゲート絶縁膜の厚さも、ＳｉＯ₂を使った場合、１〜２ｎｍ、あるいはそれ以下に設定する必要があるが、このように非常に薄いゲート絶縁膜ではトンネル電流が増大し、その結果ゲートリーク電流が増大する問題を回避することができない。

このような事情で従来より、比誘電率がＳｉＯ₂膜のものよりもはるかに大きく、このため実際の膜厚が大きくてもＳｉＯ₂膜に換算した場合の膜厚が小さいＴａ₂Ｏ₅やＡｌ₂Ｏ₃，ＺｒＯ₂，ＨｆＯ₂、さらにはＺｒＳｉＯ₄あるいはＨｆＳｉＯ₄のような高誘電体材料をゲート絶縁膜に対して適用することが提案されている。このような高誘電体材料を使うことにより、ゲート長が０．１μｍ以下と、非常に短い超高速半導体装置においても１０ｎｍ程度の物理的膜厚のゲート絶縁膜を使うことができ、トンネル効果によるゲートリーク電流を抑制することができる。

例えば従来よりＴａ₂Ｏ₅膜はＴａ（ＯＣ₂Ｈ₅）₅およびＯ₂を気相原料としたＣＶＤ法により形成できることが知られている。典型的な場合、ＣＶＤプロセスは減圧環境下、約４８０°Ｃ、あるいはそれ以上の温度で実行される。このようにして形成されたＴａ₂Ｏ₅膜は、さらに酸素雰囲気中において熱処理され、その結果、膜中の酸素欠損が解消され、また膜自体が結晶化する。このようにして結晶化されたＴａ₂Ｏ₅膜は大きな比誘電率を示す。

かかる高誘電体膜をゲート絶縁膜に使った半導体装置では、高誘電体膜を直接にＳｉ基板上に形成した方が、絶縁膜のＳｉＯ₂換算実効膜厚を減少させるためには好ましいものの、このように高誘電体膜をＳｉ基板上に直接に形成した場合には、高誘電体膜から金属元素がＳｉ基板中に拡散してしまい、チャネル領域においてキャリアの散乱の問題が生じる。

チャネル領域中のキャリアモビリティーを向上させる観点からは、高誘電体ゲート酸化膜とＳｉ基板との間に、１ｎｍ以下、好ましくは０．８ｎｍ以下の厚さのきわめて薄いベース酸化膜を介在させるのが好ましい。前記ベース酸化膜は非常に薄い必要があり、厚さが厚いと高誘電体膜をゲート絶縁膜に使った効果が相殺される。一方、かかる非常に薄いベース酸化膜は、Ｓｉ基板表面を一様に覆う必要があり、また界面準位等の欠陥を形成しないことが要求される。

従来より、薄いゲート酸化膜はＳｉ基板の急速熱酸化（ＲＴＯ）処理により形成されるのが一般的であるが、熱酸化膜を所望の１ｎｍ以下の厚さに形成しようとすると、膜形成時の処理温度を低下させる必要がある。しかし、このように低温で形成された熱酸化膜は界面準位等の欠陥を含みやすく、高誘電体ゲート酸化膜のベース酸化膜としては不適当である。

特にベース酸化膜の場合、その上に高誘電体ゲート絶縁膜を形成する際に、ベース酸化膜のわずかな膜厚の変動が高誘電体ゲート絶縁膜時のインキュベーション時間に影響を与えることが本発明の発明者により見出されているが、このことは、ベース酸化膜に不均一あるいは膜厚変動があると、かかる膜厚変動がその上に形成される高誘電体ゲート絶縁膜に大きく影響してしまい、半導体装置の特性が不良になってしまうことを意味している。このような事情から、高誘電体ゲート絶縁膜の下のベース酸化膜は、単に薄いのみならず、一様な厚さに形成されることが要求されている。

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方法を提供することを具体的な課題とする。

本発明のより具体的な課題は、基板と高誘電体ゲート絶縁膜との間に、所定の厚みの絶縁膜を、一様な厚さで、界面準位等の欠陥を形成することなく形成できる基板処理方法、および基板処理装置を提供することにある。

一の側面によれば基板上に絶縁膜を形成する絶縁膜の形成方法は、処理ガスを、リモートプラズマ源からなる複数のラジカル発生源に供給する工程と、前記複数のラジカル発生源の各々において、前記処理ガスから活性ラジカルを形成する工程と、前記活性ラジカルを前記基板表面に供給する工程と、前記基板表面における前記活性ラジカルの反応により、絶縁膜を形成する工程と、を含み、前記活性ラジカルを形成する工程は、前記リモートプラズマ源からなる複数のラジカル源の各々の状態を変化させながら実行され、さらに前記絶縁膜内における膜状態の変動を最小化するような最適状態を、前記基板を回転させながら前記複数のラジカル源の各々について、前記絶縁膜の状態に基づいて求める工程と、前記基板を回転させながら前記リモートプラズマ源からなる複数のラジカル源の各々の状態を、前記最適状態に設定して基板表面に絶縁膜を形成する工程とを含む。

他の側面によれば基板上に絶縁膜を形成するための基板処理装置は、被処理基板を保持する保持台を有する処理室と、前記被処理基板を前記保持台ごと回転させる回転駆動部と、前記処理室に隣接して、それぞれの位置に設けられ、処理ガスを供給されて前記処理室中に活性ラジカルを供給するリモートプラズマ源からなる複数のラジカル源と、前記複数のラジカル源の状態を設定するラジカル源設定部とを設けられ、前記ラジカル源設定部は前記複数のラジカル源の状態を、前記絶縁膜が一様な膜状態を有するように設定する。

図１を参照するに、半導体装置１０はＳｉ基板１１上に形成されており、Ｓｉ基板１１上には薄いベース酸化膜１２を介して、Ｔａ₂Ｏ₅，Ａｌ₂Ｏ₃，ＺｒＯ₂，ＨｆＯ₂，ＺｒＳｉＯ₄，ＨｆＳｉＯ₄等の高誘電体ゲート絶縁膜１３が形成され、さらに前記高誘電体ゲート絶縁膜１３上にはゲート電極１４が形成されている。

先にも説明したように、かかる高速半導体装置１０では前記ベース酸化膜１２の厚さは可能な限り薄いのが好ましく、典型的には前記ベース酸化膜１２は１ｎｍ以下、好ましくは０．８ｎｍ以下の厚さに形成される。一方、前記ベース酸化膜１２は前記Ｓｉ基板表面を一様に、すなわち一様な膜厚で覆う必要がある。

図２は前記Ｓｉ基板１１上に一様な厚さでベース酸化膜１２を形成するための基板処理装置２０の概略的構成を示す。

図２を参照するに、基板処理装置２０は被処理基板２２を減圧環境下で保持する処理容器２１を有し、前記被処理基板２２はヒータ２１ａを有する保持台２１Ａ上に保持される。さらに前記処理容器２１中には前記保持台２１Ａ上の被処理基板２２に対向するようにシャワーヘッド２１Ｂが設けられ、前記シャワーヘッド２１ＢにはＯ₂，Ｏ₃，Ｎ₂Ｏ，ＮＯあるいはこれらの混合物よりなる酸化ガスが供給される。

前記シャワーヘッド２１Ｂは石英など紫外光に対して透明な材料より形成され、さらに前記処理容器２１には石英などの紫外光を透過させる窓２１Ｃが前記保持台２１Ａ上の被処理基板２２を露出するように形成される。また前記窓２１Ｃの外側には前記窓２１Ｃの面に沿って移動可能な紫外光源２３が形成される。

図２の処理容器２１中にＳｉ基板を前記被処理基板２２として導入し、処理容器２１の内部を排気・減圧した後Ｏ₂などの酸化ガスを導入し、前記紫外光源２３を駆動して前記酸化ガス中に活性なＯ*などのラジカルを形成する。かかる紫外線活性化ラジカルは露出されたＳｉ基板２２の表面を酸化し、その結果前記Ｓｉ基板２２の表面に０．５〜０．８ｎｍ程度の非常に薄い酸化膜が形成される。

本発明では前記紫外光源２３を前記光学窓２１Ｃに沿って、所定のプログラムに従って移動させることにより、前記酸化膜を一様な厚さに形成することができる。より具体的に説明すると、例えば装置固有の特性により、被処理基板２２の特定の領域において、形成される酸化膜の膜厚が薄くなるような場合であっても、本発明によればその装置についてあらかじめ実験的に見出しておいた最適の基板領域あるいは最適の紫外線照度に、前記紫外光源２３の位置あるいは駆動エネルギを制御することにより、かかる膜厚の不均一を補償することができる。このため、かかる酸化膜上に高誘電体ゲート絶縁膜を堆積して半導体装置を形成した場合にも、高誘電体ゲート絶縁膜の膜厚が変動する問題を効果的に抑制することができ、安定な特性を有する半導体装置を得ることができる。

このようにして形成された酸化膜は紫外線活性化酸化処理で形成されているため、Zhang他（Zhang, J-Y, et al., Appl. Phys. Lett. 71 (20), 17 November 1997, pp.2964-2966）が報告しているように界面準位等の欠陥が少なく、図１に示す高誘電体ゲート絶縁膜の下のベース酸化膜１２として好適である。

本発明によれば、基板と高誘電体ゲート絶縁膜との間に酸化膜を形成するための基板処理装置において、前記基板表面に酸素を含有する処理ガスを供給するガス供給手段と、前記基板表面に紫外線を照射し、前記処理ガスを活性化する紫外線源と、前記紫外線源を、前記基板表面上の所定の高さにおいて動かす光源移動機構とを設けることにより、前記基板表面への前記紫外光源からの紫外光の照射を最適に行うことができ、前記基板上に、非常に薄い酸化膜を、一様な厚さに形成することが可能になる。また本発明によれば、リモートプラズマを使った基板処理装置において、リモートプラズマ源の状態を最適化することにより、一様な膜質の絶縁膜を形成することが可能になる。

高誘電体ゲート絶縁膜を有する半導体装置の構成を示す図である。 本発明の原理を説明する図である。 本発明の第１実施例による基板処理装置の構成を示す図である。 （Ａ）〜（Ｃ）は、図３の基板処理装置を使って形成した酸化膜の膜厚分布を示す図である。 図３の基板処理装置を使って形成した酸化膜について、処理時間と膜厚との関係を示す図である。 （Ａ）〜（Ｅ）は、図３の基板処理装置を使って形成した酸化膜の膜厚分布を示す別の図である。 （Ａ）〜（Ｅ）は、図３の基板処理装置を使って形成した酸化膜の膜厚分布を示すさらに別の図である。 （Ａ），（Ｂ）は、比較対照例による酸化膜の膜厚分布を示す図である。 本発明第１実施例による最適走査領域決定手順を示すフローチャートである。 本発明第１実施例による最適光源駆動エネルギ決定手順を示すフローチャートである。 本発明の第２実施例によるクラスタ型基板処理装置の構成を示す図である。 本発明の第３実施例によるクラスタ型基板処理装置の構成を示す図である。 図１３の基板処理装置により製造される半導体装置の構成を示す図である。 図３の基板処理装置の一変形例を示す図である。 （Ａ），（Ｂ）は図３の基板処理装置の別の変形例を示す図である。 図３の基板処理装置のさらに別の変形例を示す図である。 本発明の第４実施例による紫外線活性化酸化処理工程による酸化膜の膜厚と紫外光照射量との関係を示す図である。 （Ａ）〜（Ｆ）は、図１７の実験において得られた各試料について、基板上における酸化膜の膜厚分布を示す図である。 図１７の階段状パターンの発生機構を説明する図である。 （Ａ），（Ｂ）は図１６の基板処理装置を３００ｍｍ径ウェハに適用した場合の被処理基板上における紫外光照射強度分布を示す図である。 （Ａ），（Ｂ）は本発明の第５実施例による基板処理装置および紫外光照射強度分布を示す図である。 本発明の第６実施例による基板処理装置の構成を示す図である。 図２２の基板処理装置における紫外光照射強度分布を示す図である。 本発明の第７実施例による基板処理装置の構成を示す図である。 図２４の基板処理装置における紫外光照射強度分布を示す図である。 本発明の第８実施例による基板処理装置の構成を示す図である。 図２６の基板処理装置の一部を拡大して示す斜視図である。 図２６の基板処理装置における紫外光照射強度分布を示す図である。 （Ａ），（Ｂ）は、リモートプラズマ源を使った従来の基板処理装置の構成およびその問題点を示す図である。 従来のリモートプラズマ源の構成を示す図である。 （Ａ），（Ｂ）は、本発明の第９実施例による基板処理装置の構成を示す図である。 （Ａ），（Ｂ）は、図３１（Ａ），（Ｂ）の基板処理装置において行った基板処理の例を示す図である。 図３１（Ａ），（Ｂ）の基板処理装置の最適化手順を示す図である。 図３３の最適化を行うために設けられる機構を示す図である。 図３１（Ａ），（Ｂ）の基板処理装置の最適化手順を示す別の図である。 図３５の最適化を行うための構成を示す図である。 （Ａ），（Ｂ）は、本発明第９実施例の一変形例を示す図である。 本発明第９実施例の別の変形例を示す図である。

［第１実施例］
図３は、本発明の第１実施例による基板処理装置３０の構成を示す。

図３を参照するに、前記基板処理装置３０は被処理基板３２を保持する保持台３１Ａを有する処理容器３１を含み、前記処理容器３１中には前記保持台３１Ａ上の被処理基板３２に対向して石英等の紫外光を透過させる材料よりなるシャワーヘッド３１Ｂが設けられる。前記処理容器３１は排気口３１Ｃを介して排気され、一方前記シャワーヘッド３１Ｂに外部のガス源からＯ₂などの酸化性ガスが供給される。

前記処理容器３１にはさらに前記シャワーヘッド３１Ｂの上方に前記シャワーヘッド３１Ｂおよびその下の被処理基板３２を露出するように、石英などの紫外線を透過する材料よりなる光学窓３１Ｄが形成されている。前記保持台３１Ａ中には前記被処理基板３２を加熱するヒータ３１ａが設けられている。

さらに前記処理容器３１上には、前記光学窓３１Ｄに対応して設けられた結合部３３を介して紫外光露光装置３４が設けられている。

前記紫外光露光装置３４は、前記光学窓３１Ｄに対応した石英光学窓３４Ａと、前記石英光学窓３４Ａおよび光学窓３１Ｄを介して紫外光を前記被処理基板３２上に照射する紫外光源３４Ｂとを含み、前記紫外光源３４Ｂはロボット３４Ｃにより図３中に矢印で示すように、前記光学窓３４Ａに平行な方向に移動が可能に保持されている。図示の例では、前記紫外光源３４Ｂは、前記移動方向に対して略直角に延在するように設けられた線状の光源よりなる。かかる線状の光源としては、例えば波長が１７２ｎｍのエキシマランプを使うことができる。

また図３の構成では、前記紫外光源３４Ｂにより形成された紫外線が前記光学窓３１Ｄを介して前記処理容器３１中に導入されるに先立って空気中の酸素により吸収されてしまうのを回避するため、前記結合部３３には外部のガス源（図示せず）よりＮ₂などの不活性ガスがライン３３Ａを介して供給され、前記不活性ガスは前記紫外光露光装置３４の光学窓３４Ａの取り付け部に形成された隙間を通って前記紫外光露光装置３４中の空間３４Ｄに流入する。

さらに前記紫外光源の駆動に伴い、前記紫外光源３４Ｂの直下に大気中の酸素が巻き込まれ流入するのを抑制するため、紫外光源３４Ｂの両側面に遮蔽板３４Ｆを設け、さらに前記遮蔽板３４Ｆの下において、前記紫外光源３４Ｂに対向する光学窓３４Ａと遮蔽板３４Ｆとの間に形成される高さがせいぜい１ｍｍ程度の狭い領域に、ライン３４ｂを介してＮ₂などの不活性ガスが供給される。この領域には、前記ライン３３Ａからの不活性ガスも供給され、その結果、この領域において紫外光を吸収する酸素が効果的に排除される。

前記遮蔽板３４Ｆ下の領域を通過した不活性ガスは前記空間３４Ｄに流れ出し、さらに前記紫外光露光装置３４中に形成された排気口３４Ｅを通って外部に排出される。

図３の基板処理装置では、前記紫外光露光装置３４において前記ロボット３４Ｃにより前記紫外光源３４Ｂの移動・走査を制御することができ、その結果、前記被処理基板３２の表面に紫外線活性化酸化処理により酸化膜を形成する際に、紫外線露光照射量を制御することにより膜厚の分布を制御することが可能になる。前記ロボット３４Ｃはコンピュータなどの制御装置３５により制御される。また、前記制御装置３５は前記紫外光源３４Ｂの駆動をも制御する。

図４（Ａ）〜（Ｃ）は図３の基板処理装置３０を使い、様々な条件下でＳｉＯ₂膜をＳｉ基板上に形成した場合の、得られたＳｉＯ₂膜のエリプソメトリにより求めた膜厚分布をÅ単位で示す。ただし図４（Ａ）〜（Ｃ）において、被処理基板３２としては８インチのＳｉ基板が、表面自然酸化膜を後で説明する表面前処理工程により除去した状態で使われている。また図４（Ａ）〜（Ｃ）の各々において、前記処理容器３１中の内圧は約０．７ｋＰａ（５Ｔｏｒｒ）に設定され、基板温度は３００°Ｃに設定されている。

図示の結果は、前記処理容器３１中にＯ₂を１ｓｌｍの流量で５分間供給した場合のもので、図４（Ａ）は紫外光の照射を行わなかった場合を、また図４（Ｂ），（Ｃ）は前記紫外光源３４Ｂにより、光源直下で３０ｍＷ／ｃｍ²の照度の紫外光を照射した場合を示す。図４（Ｂ）は、前記紫外光源３４Ｂを４１０ｍｍの範囲で、すなわち前記被処理基板３２の全面が一様に露光されるように一様に走査した場合を示す。

図４（Ａ）を参照するに、紫外光照射を行わなかった場合はＳｉ基板表面に形成されるＳｉＯ₂膜の厚さは０．２〜０．３ｎｍ程度であり、実質的な膜形成は生じていないのに対し、図４（Ｂ）の場合には前記Ｓｉ基板表面に約０．８ｎｍのＳｉＯ₂膜が形成されているのがわかる。さらに図４（Ｂ）の場合には、前記紫外光源３４Ｂを４００ｍｍの範囲で一様に走査したにもかかわらず、前記８インチＳｉ基板３２の中央部において形成されたＳｉＯ₂膜の膜厚が減少しているのがわかる。その結果、前記Ｓｉ基板上に形成されたＳｉＯ₂膜の膜厚変動は２．７２％と比較的大きい値になっているが、これは使用した基板処理装置３０に固有の特性を反映しているものと考えられる。

これに対し図４（Ｃ）は、前記Ｓｉ基板３２の中央部付近で１００ｎｍの限られた範囲で前記紫外光源３４Ｂを走査した場合のＳｉＯ₂膜の膜厚分布を示す。

図４（Ｃ）を参照するに、このようにして形成されたＳｉＯ₂膜の膜厚は０．９２〜０．９３ｎｍの範囲に収まり、膜厚変動１．３５％まで減少しているのがわかる。

図５は、図４（Ａ）〜（Ｃ）の実験において、前記処理容器３１中に導入されるＯ₂の流量を様々に変化させた場合について、紫外線露光時間と形成されるＳｉＯ₂膜の厚さとの関係を求めた結果を示す。

図５よりわかるように、形成されるＳｉＯ₂膜の膜厚はＯ₂流量にはほとんど依存せず、１分間を経過すると約１ｎｍの値で飽和することがわかる。一方、露光時間が１分間より短い場合には、膜厚は露光時間共に増大する。図５は、図３の基板処理装置３０を使ったＳｉ基板表面へのベース酸化膜となる薄いＳｉＯ₂膜の形成工程はごく短時間で十分であることを示している。

図６（Ａ）〜（Ｅ）は図３の基板処理装置中において前記処理容器内圧を約０．７ｋＰａ（５Ｔｏｒｒ）、基板温度を４５０°Ｃに設定し、Ｏ₂ガスを１ｓｌｍの流量で供給しながら前記紫外光源３４Ｂを１００ｍｍの範囲で走査した場合に得られるＳｉＯ₂膜の膜厚分布をÅ単位で示す。簡単のため、Ｓｉ基板は矩形形状で示してある。

このうち図６（Ａ）は前記走査を基板中心を基点に、±５０ｍｍの範囲で行った場合を示すが、図６（Ａ）の例では基板中心からｙ軸方向上上方に向かって、またｘ軸方向上右方に向かって前記ＳｉＯ₂膜の膜厚が増大する傾向が存在するのがわかる。この場合のＳｉＯ₂膜の膜厚変動は３．７３％となっている。

これに対して図６（Ｂ）は、前記走査の基点を基板中心からｙ軸方向上下方に向かって１２．５ｍｍずらした場合のＳｉＯ₂膜の膜厚分布を、同じくÅ単位で示す。図６（Ｂ）よりわかるように、ＳｉＯ₂膜の膜厚変動は３．０７％まで減少している。

さらに図６（Ｃ）は、前記走査の基点を基板中心からｙ軸方向下方に２５．０ｍｍずらした場合のＳｉＯ₂膜の膜厚分布をÅ単位で示す。図６（Ｃ）よりわかるように、ＳｉＯ₂膜の膜厚変動は図６（Ｂ）の場合と同じで３．０７％となっている。

これに対し、図６（Ｄ）は、前記走査の基点を基板中心からｙ軸方向下方に３７．５ｍｍずらした場合のＳｉＯ₂膜の膜厚分布をÅ単位で示す。図６（Ｄ）よりわかるように、この場合ＳｉＯ₂膜の膜厚変動は２．７０％まで減少している。

一方、図６（Ｅ）に示すように前記走査の基点を基板中心からｙ軸方向下方に５０．０ｍｍずらした場合には、前記ＳｉＯ₂膜の膜厚変動は５．０８％まで増大している。

このことから、図３の基板処理装置３０においては、前記紫外線源３４Ｂの走査の基点を基板に対して最適化することでも、被処理基板３２上に形成されるＳｉＯ₂膜の膜厚変動を最小化できることが結論される。

次に図７（Ａ）〜（Ｅ）は、図３の基板処理装置３０において前記紫外線源３４Ｂの走査幅を１００ｍｍとし、走査の基点を被処理基板３２の中心からｙ軸方向下方に３７．５ｍｍずらした位置に設定し、照射量をそれぞれ３ｍＷ／ｃｍ²、６ｍＷ／ｃｍ²、１２ｍＷ／ｃｍ²、１８ｍＷ／ｃｍ²および２４ｍＷ／ｃｍ²に設定してＳｉＯ₂膜を形成した場合の膜厚分布をÅ単位で示している。

図７（Ａ）〜（Ｅ）を参照するに、膜厚のばらつきは図７（Ａ）の照射量を３ｍＷ／ｃｍ²に設定した場合が最も小さく、照射量が増大するにつれて膜厚のばらつきも増大しているのがわかる。

図７（Ａ）〜（Ｅ）の結果は、図３の基板処理装置３０において、紫外線源３４Ｂの照射量を最適化することによっても、得られるＳｉＯ₂膜の膜厚のばらつきを最小化できることを示している。

図８（Ａ），（Ｂ）は比較対照例を示し、図８（Ａ）は図７（Ａ）〜（Ｅ）と同一条件下において、紫外光照射を行わずにＳｉＯ₂膜を形成した場合を、また図８（Ｂ）は従来の急速熱酸化（ＲＴＯ）処理によりＳｉＯ₂膜を形成した場合を示すが、このいずれの場合においても４％を超える膜厚変動が観測されることがわかる。

図９，１０は、上記の結果を踏まえた、図３の基板処理装置３０における基板処理方法の最適条件を探索するフローチャートである。このうち、図９は最適走査領域の探索を行うフローチャートであり、図１０は最適照射量の探索を行うフローチャートである。

図９を参照するに、最初にステップ１において被処理基板上の任意の領域が指定され、次にステップ２において前記基板処理装置３０中に被処理基板３２を導入し、前記紫外光源３４Ｂを前記被処理基板３２上の指定された領域において走査させ、ＳｉＯ₂膜を形成する。さらに、前記ステップ１およびステップ２を繰り返すことにより、各繰り返し毎に、新たな被処理基板３２上に前記領域をずらした状態でＳｉＯ₂膜を形成する。

さらにステップ３において各実験で得られたＳｉＯ₂膜の膜厚分布を評価し、ステップ４において膜厚変動が最小となる最適走査領域を見出す。

図９の最適走査条件を探索の後、図１０に示す最適照射条件の探索が行われる。

図１０を参照するに、最初にステップ１１において図９の手順により探索された最適走査領域が指定され、次にステップ１２において紫外光源３４Ｂの駆動エネルギが指定される。さらにステップ１３において前記基板処理装置３０中に被処理基板３２を導入し、前記紫外光源３４Ｂを前記被処理基板３２上の指定された最適領域において、ステップ１２により指定された駆動エネルギで走査させ、ＳｉＯ₂膜を形成する。さらに、前記ステップ１２およびステップ１３を繰り返すことにより、各繰り返し毎に、新たな被処理基板３２上に前記駆動エネルギをずらした状態でＳｉＯ₂膜を形成する。

さらにステップ１４において各実験で得られたＳｉＯ₂膜の膜厚分布を評価し、膜厚変動が最小となる紫外光源３４Ｂの最適駆動エネルギを見出す。さらにステップ１５において、かかる最適駆動エネルギにおいて膜形成がなされるように、前記基板処理装置３０の紫外光源３４Ｂを制御するプログラムを決定する。

このようにして決定されたプログラムに従って前記制御装置３５は前記ロボット３４Ｃおよび紫外光源３４Ｂを動作させ、その結果前記紫外光源３４Ｂは最適な基板領域を最適な駆動エネルギで走査し、その結果、前記前記被処理基板３４上に０．３〜１．５ｎｍ、好ましくは１ｎｍ以下、より好ましくは０．８ｎｍ以下の厚さの、非常に薄い、しかも膜厚の一様なＳｉＯ₂膜が形成される。

［第２実施例］
図１１は、図３の基板処理装置３０を組み込んだ、本発明の第２実施例による基板処理システム４０の構成を示す。

図１１を参照するに、前記基板処理システム４０はクラスタ型処理装置であり、基板搬入／搬出のためのロードロック室４１と、基板表面を窒素ラジカルＮ*と水素ラジカルＨ*、およびＮＦ₃ガスにより処理し、基板表面の自然酸化膜をＮ−Ｏ−Ｓｉ−Ｈ系の揮発性膜に変換し、除去する前処理室４２と、図３の基板処理装置３０よりなるＵＶ−Ｏ₂処理室４３と、基板上にＴａ₂Ｏ₅、Ａｌ₂Ｏ₃，ＺｒＯ₂、ＨｆＯ₂，ＺｒＳｉＯ₄，ＨｆＳｉＯ₄等の高誘電体膜を堆積するＣＶＤ処理室４４と、基板を冷却する冷却室４５とを真空搬送室４６で連結した構成を有し、前記真空搬送室４６中には搬送アーム（図示せず）が設けられている。

動作時には、前記ロードロック室４１に導入された被処理基板は経路（１）に沿って前記前処理室４２に導入され、自然酸化膜が除去される。前記前処理室４２で自然酸化膜を除去された被処理基板４２は経路（２）に沿って前記ＵＶ−Ｏ₂処理室４３に導入され、図３の基板処理装置３０により、前記紫外光源３４Ｂにより最適な領域を最適な駆動エネルギで走査させることにより、図１に示すＳｉＯ₂ベース酸化膜１２を厚さが１ｎｍ以下の一様な膜厚に形成される。

さらに、前記ＵＶ−Ｏ₂処理室４３において前記ＳｉＯ₂膜を形成された被処理基板は経路（３）に沿ってＣＶＤ処理室４４に導入され、前記ＳｉＯ₂膜上に図１に示す高誘電体ゲート絶縁膜１４が形成される。

さらに前記被処理基板は前記ＣＶＤ処理室４４から経路（４）に沿って冷却室４５に移され、前記冷却室４５で冷却された後、経路（５）に沿ってロードロック室４１に戻され、外部に搬出される。

［第３実施例］
図１２は、本発明の第３実施例による基板処理システム４０Ａの構成を示す。

図１２を参照するに、基板処理システム４０Ａは前記基板処理システム４０と類似した構成を有するが、前記ＣＶＤ処理室４４の変わりにプラズマ窒化処理室４４Ａが設けられている。

前記プラズマ窒化処理室４４Ａには、前記ＵＶ−Ｏ₂処理室４３においてＳｉＯ₂膜を形成された被処理基板が経路（３）に沿って供給され、表面にプラズマ窒化処理により、ＳｉＯＮ膜が形成される。

かかる工程を、前記ＵＶ−Ｏ₂処理室４３とプラズマ窒化処理室４４Ａとの間で繰り返すことにより、図１３に示す、ＳｉＯＮゲート絶縁膜１３Ａを有する半導体装置１０Ａを形成することができる。ただし図１３Ａ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１３の構造１０Ａでは、前記ＳｉＯＮゲート絶縁膜１３Ａは１．５〜２．５ｎｍの厚さに形成されるが、その際図１２の基板処理装置４０Ａを使うことにより、前記ＳｉＯＮゲート絶縁膜１３Ａの底部近傍においてＯリッチに、また上部近傍においてＮリッチになるように組成勾配を形成することも可能である。
［変形例］
なお、図３の基板処理装置３０において、前記線状紫外光源３４Ｂの移動は図３に示した矢印方向の往復運動に限定されるものではなく、図１４に示すように前記被処理基板３２に対して回転させ、これに往復運動を組み合わせるようにしてもよい。また、かかる光源３４Ｂの被処理基板３２に対する回転は、光源３４Ｂ自体を回転させても、また被処理基板３２を回転させてもよい。

また、図３の基板処理装置３０において、前記線状紫外光源３４Ｂの代わりに図１５（Ａ）に示すように点状の紫外光源３４Ｂ'を使い、これを所定方向に往復運動させてもよい。さらに、図１５（Ｂ）に示すようにかかる点状紫外光源３４Ｂ'を前記被処理基板３２上において縦横方向に走査させてもよい。

図１６は、図３の基板処理装置３０の別の変形例による基板処理装置３０₁を示す。ただし図１６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１６を参照するに、前記基板処理装置３０₁では前記石英シャワーヘッド３１Ｂが除去され、その代わりに前記処理容器３１中にＯ₂を導入する複数のガス導入部３１Ｂ'が、前記基板３２上の領域を避けるように形成されている。さらに図１４の構成では、図３の構成において前記紫外光露光装置３４に前記結合部３３に対応して形成されていた石英窓３４Ａが撤去されている。

かかる構成によれば、前記紫外光源３４Ｂにより形成された紫外線の石英窓３４Ａあるいはシャワーヘッド３１Ｂによる吸収が最小になる。

なお、図３あるいは図１６の構成では、必要に応じて前記排気口３４Ｅに排気ダクトを接続し、紫外光露光装置３４からの排気を無害化した後環境中に排出するようにしてもよい。

［第４実施例］
本発明の発明者は、先に図３で説明した基板処理装置３０を使って、Ｓｉ基板３２の（１００）面上にＳｉＯ₂膜を紫外光源３４Ｂの駆動パワーを様々に変化させながら形成し、得られたＳｉＯ₂膜について、膜厚をＸＰＳ（X-ray photoelectron spectroscopy）法により測定する実験を行った。膜厚測定をＸＰＳにより行うことにより、空気中で膜厚測定を行うエリプソメトリを使った場合にくらべて、大気中からの吸着成分（Ｈ₂Ｏや有機物）によるＳｉＯ₂膜の膜厚変化の効果を排除することができ、より正確な膜厚の測定が可能になる。

図１７は、このようにして得られたＳｉＯ₂膜の膜厚と紫外光パワーとの関係を示す。ただし図１７の実験は紫外光のパワーを光源直下における５０ｍＷ／ｃｍ²の照度を基準に、前記基準照度の１０〜４５％の間で照度を変化させた場合についてのもので、酸化時間は５分間としている。また図１７の実験では、光源３４Ｂの位置を先に図９で説明した手順により最適化してある。

図１７を参照するに、ＸＰＳ法で測定したＳｉＯ₂膜の膜厚は、照射紫外光の照度が基準照度の約１５〜２５％の範囲では照度と共におおよそ直線的に、０．６６ｎｍから０．７２ｎｍまで略直線的に増加し、また基準照度の約３５％から４０％の範囲でもおおよそ直線的に０．７３ｎｍから０．７８ｎｍまで増加するのがわかる。さらに図１７は、前記照射紫外光の照度が前記基準照度の約２５〜３５％の範囲では、ＳｉＯ₂膜の膜厚が０．７２ｎｍから０．７３ｎｍまで、わずか０．０１ｎｍしか変化しないことがわかる。

図１８（Ａ）〜（Ｆ）は、図１７の実験で使ったＳｉ基板上における前記紫外線活性化酸化処理工程により形成されたＳｉＯ₂膜の膜厚分布を示す。

図１８（Ａ）〜（Ｆ）を参照するに、ＳｉＯ₂膜の膜厚変動は、このように照射紫外光の照度を減少させ、ＳｉＯ₂膜を膜厚が１．０ｎｍ以下になるように形成した場合、図１８（Ｃ）の照度を基準照度の２５％に設定した場合を除き、２％以下に抑制できることがわかる。特に図１８（Ｄ），（Ｅ）に示すように紫外光照度を基準照度の３０％あるいは３５％に設定した場合、すなわち紫外光照度を図１７におけるＳｉＯ₂膜の膜厚増加が小さい照度領域に設定した場合、ＳｉＯ₂膜の膜厚変動は１．２１〜１．３１％まで抑制できることがわかる。

このようなＳｉＯ₂膜の膜厚を１．０ｎｍ以下に減少させた場合に見られる膜厚分布の均一性の著しい向上、および特に図１７に見られる照射紫外光照度に対するＳｉＯ₂膜厚の階段状の変化は、紫外線活性化酸化処理工程における自己制御（セルフリミティング）効果の存在を示唆している。すなわち図１７に見られるＳｉＯ₂膜厚の階段状の変化は紫外光照射パワーについて観測されたものであるが、同様の階段状の変化は処理温度や処理時間についても観測されるものと考えられる。

図１９は、かかる自己制御効果について、推測されるメカニズムの一つを示す。

図１９を参照するに、被処理Ｓｉ基板表面には酸化処理の際、酸素が侵入することにより３次元Ｓｉ−Ｏ−Ｓｉネットワーク構造を有するＳｉＯ₂膜が形成される。Ｓｉ基板の酸化の進行はＳｉ原子の結合の弱い部分からはじまる。しかるに基板結晶の１つの原子層がすべて酸化された図１９のような状態ではそのような結合の弱い部分が少なくなると考えられる。そこであらたな酸化を起こすためには増えた膜厚分を酸素原子が侵入する必要とあいまってさらに多量の活性化された酸素が必要になると考えられ、その結果、かかる紫外線活性化酸化処理工程において紫外線強度に伴う活性酸素濃度の増加によっても酸化膜成長の促進が鈍化してしまう領域が生じるものと考えられる。かかる酸化膜成長の原子層酸化に伴うセルフリミッティング効果により、図１７に示す階段状の酸化膜成長が生じるものと考えられる。

かかる均一性は、ＳｉＯ₂分子層にして５〜６層まで維持されるものと考えられる。

図１７，１８の結果より、図３の基板処理装置３０において紫外光線活性化酸化処理は、ＳｉＯ₂膜が５〜６分子層以下、より好ましくは３分子層以下の厚さを有するように実行するのが好ましい。

［第５実施例］
次に、先の実施例の基板処理装置３０'をさらに発展させ、来たるべき大口径被処理基板に対応させた本発明の第５の実施例による基板処理装置５０について、図２０（Ａ），（Ｂ）および図２１（Ａ），（Ｂ）を参照しながら説明する。

図２０（Ａ），（Ｂ）を参照するに、図２０（Ｂ）は先に図１６で説明した基板処理装置装置３０'の平面図を、また図２０（Ａ）は前記被処理基板３２が３００ｍｍの直径を有する場合の前記基板３２上における紫外線照射強度分布を示す。ただし図２０（Ａ）の照射強度分布は、前記３００ｍｍ直径の被処理基板３２を長さが３３０ｍｍの線状紫外線源３４Ｂにより、高さ１００ｍｍの位置から照射した場合における、前記紫外線源直下での照射紫外光強度分布を示す。図２０（Ａ），（Ｂ）中、先に説明した部分には対応する参照符号を付し、説明を省略する。

図２０（Ａ）より、図１６の構成の基板処理装置３０'を、そのまま３００ｍｍ径を超える大口径基板の処理に使った場合には、被処理基板３２の端部で照射光強度が３０％ほども減衰するのがわかる。このような大口径被処理基板の処理に際して紫外光強度分布の均一性を向上させるためには、前記線状紫外線源３４Ｂの長さをさらに延長することももちろん考えられるが、かかるアプローチは基板処理装置の大型化を招くため、好ましくない。

これに対し、図２１（Ａ），（Ｂ）は上記の課題を解決した、本発明の第５実施例による基板処理装置５０の構成を示す。ただし図２１（Ａ），（Ｂ）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２０（Ａ），（Ｂ）と同様に、図２１（Ｂ）が基板処理装置５０の平面図を、図２１（Ａ）が被処理基板３２上における紫外光強度分布を示す。

図２１（Ｂ）を参照するに、本実施例では前記線状紫外光源３４Ｂを、単一の直線上に一直線状に配列した複数の線状紫外光源３４Ｂ₁，３４Ｂ₂および３４Ｂ₃より構成し、各々の紫外光源を対応する駆動装置３５₁，３５₂および３５₃により駆動する。

図２１（Ａ）は、前記紫外光源３４Ｂ₁，３４Ｂ₂および３４Ｂ₃の光出力比を１：１．５５：１に制御した場合の、被処理基板３２上、紫外光源直下の領域における光の強度分布を示す。

図２１（Ａ）よりわかるように、紫外光強度の変動は図２０（Ａ）に示す約３０％に達する変動に対し、約３．５％の変動幅まで改善されている。すなわち先の図３で説明した本発明の第１実施例の基板処理装置３０、あるいは図１６で説明した基板処理装置３０'において線状紫外光源３４Ｂを複数の線状紫外光源要素により構成し、各々の紫外光源要素を個別に駆動すると共に前記複数の紫外光源要素を全体として移動させ、被処理基板３２の表面を走査することにより、非常に均一な厚さの酸化膜を被処理基板３２上に形成することができる。

さらに図９に示したようなフローチャートと同様な、最適な膜厚分布に対応した駆動条件を探索する最適値探索手順を前記紫外光源要素の出力比に対して適用し、最適の出力比を求めることにより、基板処理装置に固有の不均一要因を補正し膜厚のさらなる均一化を図ることが可能になる。すなわち本実施例では図９のステップ１において走査領域の指定の代わりに紫外光源３４Ｂ₁〜３４Ｂ₃の駆動パワー比を変化させ、ステップ３で成膜結果を評価し、ステップ４で最適な走査領域の代わりに最適な駆動パワー比を選択する。

［第６実施例］
次に本発明の第６実施例による基板処理装置６０の構成を、図２２を参照しながら説明する。基板処理装置６０は来るべき半導体装置のさらなる微細化に対応させたものであり、被処理基板の回転機構と単数または複数の線状紫外線源とを組み合わせる。

図２２は本実施例による基板処理装置６０の構成を示す。図中、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２２を参照するに、前記基板処理装置６０は先の第１実施例で説明した基板処理装置３０処理容器３１と同様の処理容器６１中において直径が３００ｍｍの被処理基板６２Ｗを保持する保持台６２を有し、前記保持台６２は回転駆動部６３により回転駆動される。また前記処理容器６１の上部には単一の、長さが例えば３３０ｍｍの線状の紫外光源６４Ａを含む光源ユニット６４が設けられ、前記紫外光源６４Ａは紫外線透過窓６５を介して前記保持台６２上の被処理基板を照射する。前記処理容器６１は真空ポンプ６１Ｐにより排気され、さらに前記処理容器６１中には前記被処理基板に対向するようにライン６１ａを介してＯ₂を供給される石英シャワーノズル６１Ａが設けられている。また前記光源ユニット６４には冷却水通路が設けられ、ライン６４Ｗを通って循環する冷却水により水冷される。前記保持台６２中にはヒータ等の熱源６２Ｈが設けられ、被処理基板６２Ｗの温度を制御する。

図２２の構成では、前記保持台６２に結合された回転軸６２Ａには樹脂製Ｏリングあるいはより理想的には磁気流体シール材よりなる真空シール６２Ｂが設けられ、前記処理容器６１内部がシールされている。また前記紫外光源６４Ａは、図２２に示すように被処理基板の中心からずらして設けられている。前記回転保持台６２中の熱源６２Ｈを駆動する駆動ライン６２ｈは、前記処理容器６１の外部に、コンタクト６２Ｃを介して引き出される。

図２３（Ａ）は図２２の基板処理装置６０において、前記被処理基板６２Ｗを回転させた場合における被処理基板６２Ｗ上における紫外線強度の径方向分布を、前記紫外光源６４Ａと被処理基板６２Ｗとの相対配置を様々に変化させながら求めた結果を示す。ただし図２３（Ａ）中、横軸には被処理基板６２Ｗの半径方向の距離を、また縦軸には各点における平均紫外線照射強度を示す。また図２３（Ａ）では前記被処理基板６２Ｗと光源６４Ａとの間の高さ方向距離（ワークディスタンス）は１００ｍｍとしている。

図２３（Ａ）を参照するに、前記光源６４Ａを被処理基板６２Ｗの中央付近（例えば０ｍｍ）に位置させると、対応するずれ量のプロットを見れば明らかなように中心（横軸の０ｍｍ）位置において照射強度は最大となり、被処理基板周辺部に向って紫外照射強度が減少しているのがわかる。一方、前記紫外光源６４Ａを被処理基板６２Ｗの中心から半径方向に大きく、例えばだけ１５０ｍｍずらしたところ、前記被処理基板６２Ｗ上における照射強度分布は基板中心部において小さく、基板端部に向って増加する傾向を示す。特に前記紫外光源６４Ａを前記被処理基板６２Ｗの中心から半径方向１１０ｍｍの位置に置いた場合、照射紫外光強度の変化は最も小さく、概ね１０％以内に収まるのがわかる。

このように、図２２の基板処理装置６０においては紫外光源６４Ａを図２２中に示すように被処理基板６２Ｗの半径方向に、前記被処理基板６２Ｗの中心から１１０ｍｍだけずらし、さらに前記紫外光源６４Ａの高さを１００ｍｍの高さに配置し、被処理基板６２Ｗと紫外線源６４Ａとを相対的に回転させながら紫外線活性化酸化処理工程を行うことにより、非常に均一な厚さの酸化膜がシリコン基板上に形成されることがわかる。

さらにかかる最適位置から前記紫外光源６４Ａを図２２に矢印で示したように限られた範囲、例えば前記被処理基板６４Ａの中心から７５ｍｍから１２５ｍｍの範囲で変位させることにより、前記被処理基板６４Ａ上に形成される酸化膜の膜厚分布を変化させることも可能である。また先に図９で説明した最適な膜厚分布を探索するフローチャートを適用して前記紫外光源６４Ａについて最適のずれ量を求めることにより、基板処理装置６０に固有の膜厚を不均一化する要因を補正し、膜厚の均一化を図ることができる。さらに本実施例の基板処理装置６０では先の第１実施例における基板処理装置３０あるいは３０'に比べて紫外光源６４Ａの移動範囲が限定されており、このためその装置全体の大きさを小さくすることができる。

［第７実施例］
図２４は本発明の第７実施例による基板処理装置７０の構成を示す。ただし図２４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２４を参照するに、本実施例では先の実施例における基板処理装置６０と同様な構成を有するが、単一の紫外光源６４Ａを可動に設けた光源ユニット６４の代わりに、複数の固定紫外光源７４Ａ₁，７４Ａ₂を前記被処理基板６２Ｗの中心から外して設け、前記固定紫外光源７４Ａ₁および７４Ａ₂をそれぞれの対応する駆動装置７４ａ₁および７４ａ₂により駆動する。図示の例では前記紫外光源７４Ａ₁は被処理基板６２Ｗの中心から２５ｍｍだけ半径方向上外側に変位した位置に、また紫外光源７４Ａ₂は被処理基板６２Ｗの中心から半径方向上１７５ｍｍ外側に変位した位置に設けられている。さらに前記光源ユニット７４には前記紫外光源７４Ａ₁および７４Ａ₂に対応して紫外光透過窓７４Ｂが設けられている。

図２５は、図２４の基板処理装置７０における、前記紫外光源７４Ａ₁のみによる被処理基板６２Ｗ上での紫外光強度分布および前記紫外光源７４Ａ₂のみによる被処理基板６２Ｗ上での紫外光強度分布、さらに前記紫外光源７４Ａ₁および７４Ａ₂の両方を駆動した場合の紫外光強度分布を示す。ただし図２５の実験において、前記紫外光源７４Ａ₁は被処理基板６２Ｗの中心から半径方向上外側に２５ｍｍだけ離間して設けられており、前記紫外光源７４Ａ₂は前記被処理基板６２Ｗの中心から半径方向上外側に１７５ｍｍ離間して設けられている。さらに図２５においては前記紫外光源７４Ａ₁は対応する駆動装置７４ａ₁により７３％の出力で駆動され、一方前記紫外光源７４Ａ₂は対応する駆動装置７４ａ₂により２７％の出力で駆動されている。

図２５よりわかるように、前記紫外光源７４Ａ₁および７４Ａ₂は単独では単調に変化する紫外光強度分布を被処理基板６２Ｗ上に形成するが、その変化方向が逆になっているためそれぞれの駆動パワーを最適化することにより、被処理基板６２Ｗ上に非常に一様な紫外光強度分布を実現することが可能になる。図２５の例では、前記紫外光の照射強度変化が２％台に抑制されている。かかる最適な駆動パワーは先に説明した図９の最適値探索手順により、ステップ１において前記駆動装置７４ａ₁，７４ａ₂の駆動出力を変化させ、ステップ３において成膜結果を評価し、ステップ４において最適値を決定することにより求めることができる。

［第８実施例］
図２６は本発明の第８実施例による基板処理装置８０の構成を示す。ただし図２６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２６を参照するに、本実施例の基板処理装置８０は先の実施例による基板処理装置７０と類似した構成を有するが、基板処理装置７０における光源ユニット７４の代わりに、膨らんだ形状のアルミニウムドームよりなる光源ユニット８４が設けられており、前記光源ユニット８４上には前記紫外光源７４Ａ₁および７４Ａ₂が異なった高さで、すなわち被処理基板６２Ｗの表面から測って異なった距離に取り付けられている。

図２７は図２６の基板処理装置８０のうち、被処理基板６２Ｗと紫外光源７４Ａ₁，７４Ａ₂との関係を示す。

図２７を参照するに、前記紫外光源７４Ａ₁は被処理基板６２Ｗの中心Ｏから半径方向に距離ｒ₁だけ離れた位置において、第１のワークディスタンスＷＤ₁で設けられており、一方前記紫外光源７４Ａ₂は被処理基板６２Ｗの中心Ｏから半径方向により大きな距離ｒ₂だけ離れた位置において、より小さな第２のワークディスタンスＷＤ₂で設けられている。先の基板処理装置７０と同様に、前記紫外光源７４Ａ₁は駆動装置７４ａ₁により、また紫外光源７４Ａ₂は駆動装置７４ａ₂により、独立に駆動される。

図２８は図２６の基板処理装置８０において距離ｒ₁，ｒ₂をそれぞれ５０ｍｍおよび１６５ｍｍに設定し、ワークディスタンスＷＤ₁およびＷＤ₂をそれぞれ１００ｍｍおよび６０ｍｍに設定した場合の前記被処理基板６２Ｗ上における紫外光源７４Ａ₁による紫外光強度分布および紫外光源７４Ａ₂による紫外光強度分布、さらに前記紫外光源７４Ａ₁および７４Ａ₂による合成紫外光強度分布を示す。ただし図２８では前記紫外光源７４Ａ₁は６４％の出力で、また紫外光源７４Ａ₂は３６％の出力で駆動されている。

図２８を参照するに、前記紫外光源７４Ａ₁および７４Ａ₂による紫外光強度分布はいずれも単調かつ逆方向に変化し、前記紫外光源７４Ａ₁による紫外光強度分布と紫外光源７４Ａ₂による紫外光強度分布とを重ねることにより、紫外光照射強度変化を２％以下に抑制することが可能である。

本実施例においても、先の実施例と同様に図９と同様な最適地探索手順により、紫外光源７４Ａ₁および７４Ａ₂の最適駆動パワーを求めることができる。

［第９実施例］
次に、本発明の第９実施例によるリモートプラズマ源を使った基板処理装置について説明する。

図２９（Ａ）は通常のリモートプラズマ基板処理装置９０の構成を示す。ただし図示の例では、基板処理装置９０はＳｉ基板上に形成されたＳｉＯ₂膜の表面に窒化反応により窒化膜を形成する窒化処理に使われている。

図２９（Ａ）を参照するに、基板処理装置９０は、排気ポート９１Ａにおいて排気される処理容器９１中に被処理基板Ｗを保持する石英保持台９２を有し、さらに前記処理容器９１上には、前記被処理基板Ｗに対向してＮ₂ガスを供給され、これをプラズマにより活性化して活性なＮ₂ラジカルを形成するリモートプラズマ源９３が形成されている。また前記石英保持台９２の下には、前記被処理基板Ｗに対応してヒータ９４が形成されている。また図２９（Ａ）中には、前記リモートプラズマ源９３で形成されたＮ₂ラジカルの濃度分布が示されている。当然ながら、Ｎ₂ラジカルの濃度は前記リモートプラズマ源９３の直下、すなわち前記リモートプラズマ源９３を被処理基板Ｗの中心位置に形成していた場合には、前記被処理基板Ｗの中心において最大となる。

図３０は、前記リモートプラズマ源９３の構成を詳細に示す。

図３０を参照するに、前記リモートプラズマ源９３は、一端において前記基板処理容器９１に装着され、他端にＮ₂あるいはＡｒ等のプラズマガスを導入する入り口９３ａを形成され、石英ライニング９３ｂを有する本体９３Ａと、前記本体９３Ａ上の前記他端に形成されマイクロ波を給電されるアンテナ９３Ｂと、前記本体９３Ａの前記一端に形成され、前記リモートプラズマ源９３で形成された活性ラジカルを多数の開口部を介して前記処理容器９１に供給する石英拡散板９３Ｃとよりなり、前記本体９３Ａの外側には前記一端と他端の中間にマグネット９３Ｄが配設される。かかるリモートプラズマ源９３では、前記導入口９３ａを介して前記本体９３Ａ中にＮ₂ガスやＡｒガスを導入し、さらに前記アンテナ９３Ｂにマイクロ波を給電することにより、前記本体９３Ａ中に前記マグネット９３Ｄの位置に対応してプラズマが形成され、プラズマによりＮ₂ガスが活性化されることにより形成された窒素ラジカルＮ*が前記拡散板９３Ｃを介して前記処理容器９１中に導入される。

図２９（Ｂ）は図２９（Ａ）の基板処理装置９０により前記ＳｉＯ₂膜を形成されたＳｉ被処理基板Ｗ上にＳｉＯＮ膜を様々な条件で形成した場合の、基板表面におけるＮの濃度分布を示す。ただし図２９（Ｂ）中、Ｎの濃度分布は被処理基板Ｗの中心を原点として、半径方向に測定したプロファイルを示す。

図２９（Ｂ）を参照するに、被処理基板Ｗ上にはＮの非一様な濃度分布が生じており、前記被処理基板Ｗの中心において濃度が最大となることがわかる。さらに前記Ｎの濃度分布は被処理基板Ｗの中心に対して略対称的であり、このような対称的な濃度分布が生じている場合には、基板を回転させても前記非一様な濃度分布を一様にすることはできない。

これに対し、図３１（Ａ），（Ｂ）は本発明の第９実施例による基板処理装置１００の構成を示す。ただし図３１（Ａ）は断面図を、また図３１（Ｂ）は平面図を示す。図３１（Ａ），（Ｂ）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３１（Ａ），（Ｂ）を参照するに、本実施例では複数のリモートプラズマ源９３₁および９３₂が被処理基板Ｗの中心を外して、それぞれの位置（ｘ₁，０），（ｘ₂，０）に形成されており、その結果前記被処理基板Ｗ上にはこれらのリモートプラズマ源の各々に起因するラジカル濃度分布を重畳したラジカル濃度分布が基板Ｗの半径方向に形成される。そこで図３１（Ａ），（Ｂ）に示すように被処理基板Ｗを回転させることにより、基板Ｗ上におけるラジカルの濃度分布が平均化される。

図３２（Ａ）は、前記被処理基板Ｗとして表面にＳｉＯ₂膜を形成したＳｉ基板を使い、被処理基板Ｗを固定した場合、すなわち回転させない場合における、窒化処理後の基板表面のＮ濃度分布を示す。一方図３２（Ｂ）は、前記Ｓｉ基板Ｗの窒化処理の際に基板Ｗを中心の周りで回転させた場合の基板表面におけるＮ濃度分布を示す。ただし図３２（Ａ），（Ｂ）中、■，◆および△で示した点は、それぞれリモートプラズマ源９３₁のみを使った場合、リモートプラズマ源９３₂のみを使った場合、およびリモートプラズマ源９３₁および９３₂の双方を使った条件でＳｉＯＮ膜を形成した場合に対応する。

図３２（Ａ）を参照するに、前記基板Ｗを回転させない場合には基板の半径方向にゆるやかに変化するＮ濃度分布が得られるのに対し、前記基板Ｗを回転させた場合には、図３２（Ｂ）に示すように非常に一様なＮ濃度分布が得られるのがわかる。

図３１（Ａ），（Ｂ）の基板処理装置１００では、前記被処理基板を回転させた場合に図３２（Ｂ）に示す一様なＮ濃度分布が得られるように、前記リモートプラズマ源９３₁，９３₂を前記処理容器９１上に、図３１（Ａ），（Ｂ）中において矢印で示したように、変位可能に装着されており、前記リモートプラズマ源９３₁，９３₂は図３２（Ｂ）のような一様なＮ濃度分布が得られる最適な位置において前記処理容器９１上に固定されている。

図３３は、かかる最適位置を求める手順を示すフローチャートである。

図３３を参照するに、最初にステップ１１において被処理基板上の任意の位置がリモートプラズマ源９３₁，９３₂に対して指定され、前記リモートプラズマ源９３₁，９３₂が前記指定位置において前記処理容器９１上に固定される。次にステップ２２において前記基板処理装置１００中に被処理基板Ｗを導入し、前記被処理基板Ｗを回転させながら前記リモートプラズマ源９３₁，９３₂を駆動することにより、ＳｉＯＮ膜を形成する。さらに、前記ステップ２１およびステップ２２を繰り返すことにより、各繰り返し毎に、新たな被処理基板Ｗ上に前記リモートプラズマ源９３₁，９３₂の位置をずらした状態でＳｉＯＮ膜を形成する。

さらにステップ２３において各実験で得られたＳｉＯＮ膜のＮ濃度分布を評価し、ステップ２４において濃度分布の変動が最小となる最適位置を前記リモートプラズマ源９３₁，９３₂について見出す。

図３４は、このように前記リモートプラズマ源９３₁，９３₂を前記処理容器９１上に変位可能に装着する機構を示す。ただし図３４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３４を参照するに、前記本体９３Ａには前記処理容器９１の外壁と係合する装着フランジ９３ｃが形成されており、前記本体９３Ａは前記処理容器９１に、前記装着フランジ９３ｃをネジ孔９３Ｅにおいてネジ９３Ｆによりねじ止めすることにより固定される。その際、図３４の構成では前記ネジ孔９３Ｅを前記ネジ９３Ｆよりも大きく形成することにより、前記ネジ９３Ｆをゆるめた状態で前記本体９３Ａを矢印の方向に移動させることが可能である。

図３４の構成において、前記ネジ９３Ｆおよびネジ孔９３Ｅを省略し、前記フランジ９３ｃを前記処理容器９１の外壁に対して摺動可能に形成することもできる。

さらに本実施例では、図３３のリモートプラズマ源９３₁，９３₂の位置についての最適化に続き、図３５に示すように駆動パワーの最適化がなされる。

図３５を参照するに、最初にステップ３１において図３３の手順により探索された最適位置が前記リモートプラズマ源９３₁，９３₂に対して指定され、次にステップ３２において前記リモートプラズマ源９３₁，９３₂の駆動エネルギが指定される。さらにステップ３３において前記基板処理装置１００中に被処理基板Ｗを導入し、前記リモートプラズマ源９３₁，９３₂を前記被処理基板Ｗ上の指定されたそれぞれの最適位置において、ステップ３２により指定された駆動エネルギで駆動し、ＳｉＯＮ膜を形成する。さらに、前記ステップ３２およびステップ３３を繰り返すことにより、各繰り返し毎に、新たな被処理基板Ｗ上に前記駆動エネルギをずらした状態でＳｉＯＮ膜を形成する。

さらにステップ３４において各実験で得られたＳｉＯＮ膜中の窒素濃度分布を評価し、濃度変動が最小となる最適駆動エネルギを、前記リモートプラズマ源９３₁および９３₂について見出す。さらにステップ３５において、かかる最適駆動エネルギにおいて膜形成がなされるように、前記基板処理装置１００のリモートプラズマ源９３₁，９３₂を制御するプログラムを決定する。

図３６は、前記リモートプラズマ源９３₁，９３₂の駆動回路９５の構成を示す。

図３６を参照するに、駆動回路９５はマイクロ波電源９５Ａにより駆動されるマイクロ波発生器９５Ｂを含み、前記マイクロ波発生器９５Ｂで形成された典型的には周波数が２．４５ＧＨｚのマイクロ波が導波管９５Ｃを通ってインピーダンス整合器９５Ｄに供給され、さらに前記アンテナ９３Ｂに供給される。前記駆動回路９５はさらに前記インピーダンス整合器９５Ｄのインピーダンスを前記アンテナ９３Ｂのインピーダンスに整合させる同調回路９５Ｅを備えている。

かかる構成の駆動回路９５では、図３５のステップ３２において、前記マイクロ波発生器９５Ｂを制御することにより、前記リモートプラズマ源９３₁，９３₂の駆動エネルギを最適化することが可能である。

図３７（Ａ），（Ｂ）は、本実施例の一変形例による基板処理装置１００Ａの構成を示す。ただし図３７（Ｂ）は図３７（Ａ）の一部を拡大した拡大断面図である。

図３７（Ａ），（Ｂ）を参照するに、本実施例では前記基板処理容器９１上にはフランジ部９６Ａおよび９６Ｂを有するベローズ９６が前記フランジ部９６Ａにより装着され、さらに前記ベローズ９６上には前記リモートプラズマ源９３₁あるいは９３₂の本体９３Ａが、前記装着フランジ９３ｃをフランジ９６Ｂに係合させることにより装着されている。

かかる構成の基板処理装置１００Ａでは、前記リモートプラズマ源の前記被処理基板Ｗに対する角度を、前記ベローズ９６を変形することにより変化させることが可能で、従って先に説明した図３３の工程において、前記最適位置の決定の変わりに、最適角度を前記リモートプラズマ源９３₁，９３₂に対して決定することも可能である。

図３８は本実施例のさらに別の変形例による基板処理装置１００Ｂを示す。ただし図３８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３８を参照するに、基板処理装置１００Ｂでは前記リモートプラズマ源９３₁，９３₂に加えて第３のリモートプラズマ源９３₃が、同様に矢印で示すように変位可能に設けられている。本発明はこのように３つ以上のリモートプラズマ源を有する基板処理装置に対しても有効である。また、本発明は単一のリモートプラズマ源のみを有する基板処理装置に対しても有効である。

また本実施例は表面にＳｉＯ₂膜を形成したＳｉ基板の窒化反応によるＳｉＯＮ膜の形成のみならず、酸化反応によるＳｉＯ₂膜の形成やＳｉＮ膜の形成、さらにプラズマＣＶＤ法によるＴａ₂Ｏ₅膜、ＺｒＯ₂膜、ＨｆＯ₂膜、ＺｒＳｉＯ₄、ＨｆＳｉＯ₄膜等の高誘電体膜の形成にも有効である。

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。

１０，１０Ａ 半導体装置
１１ Ｓｉ基板
１２ ベース酸化膜
１３ 高誘電体ゲート絶縁膜
１３Ａ ＳｉＯＮゲート絶縁膜
１４ ゲート電極
２０，３０，３０₁，５０，６０，７０，８０，９０，９０Ａ，９０Ｂ 基板処理装置
２１，３１，９１ 処理容器
２１Ａ，３１Ａ，９２ 基板保持台
２１ａ，３１ａ，９４ ヒータ
２１Ｂ，３１Ｂ シャワーヘッド
２１Ｃ，３１Ｄ 光学窓
２２，３２，Ｗ 被処理基板
２３ 紫外光源
３１Ｂ' Ｏ₂供給ライン
３１Ｃ，９１Ａ 排気口
３３ 結合部
３３Ａ，３４ｂ，３４ｃ 不活性ガス供給ライン
３４ 紫外光露光装置
３４Ａ 光学窓
３４Ｂ、３４Ｂ' 紫外光源
３４Ｃ ロボット
３４Ｄ 空間
３４Ｅ 排気口
３４Ｆ 遮蔽板
３５ 制御装置
４０，４０Ａ 基板処理システム
４１ ロードロック室
４２ 前処理室
４３ 酸化膜形成処理室
４４ ＣＶＤ室
４４Ａ プラズマ窒化処理室
４５ 冷却室
４６ 真空搬送室
９３，９３₁，９３₂，９３₃ リモートプラズマ源
９３Ａ 本体
９３Ｂ アンテナ
９３Ｃ 石英拡散板
９３Ｄ マグネット
９３Ｅ ネジ孔
９３Ｆ 装着ネジ
９３ａ ガス導入口
９３ｂ 石英ライニング
９３ｃ 装着フランジ
９５ 駆動回路
９５Ａ マイクロ波電源
９５Ｂ マイクロ波発生装置
９５Ｃ 導波管
９５Ｄ インピーダンス整合器
９５Ｅ 同調回路
９６ ベローズ
９６Ａ，９６Ｂ フランジ

Claims (15)

1. 基板上に絶縁膜を形成する絶縁膜の形成方法であって、
   処理ガスを、リモートプラズマ源からなる複数のラジカル発生源に供給する工程と、
   前記複数のラジカル発生源の各々において、前記処理ガスから活性ラジカルを形成する工程と、
   前記活性ラジカルを前記基板表面に供給する工程と、
   前記基板表面における前記活性ラジカルの反応により、絶縁膜を形成する工程と、を含み、
   前記活性ラジカルを形成する工程は、前記リモートプラズマ源からなる複数のラジカル源の各々の状態を変化させながら実行され、
   さらに前記絶縁膜内における膜状態の変動を最小化するような最適状態を、前記基板を回転させながら前記複数のラジカル源の各々について、前記絶縁膜の状態に基づいて求める工程と、
   前記基板を回転させながら前記リモートプラズマ源からなる複数のラジカル源の各々の状態を、前記最適状態に設定して基板表面に絶縁膜を形成する工程とを含むことを特徴とする絶縁膜の形成方法。
2. 前記リモートプラズマ源の各々は、前記リモートプラズマ源から離間して形成され前記活性ラジカルを通過させる開口部を含むことを特徴とする請求項１記載の絶縁膜の形成方法。
3. 前記開口部には拡散板が設けられ、前記活性ラジカルは前記拡散板を通過して前記基板表面に供給されることを特徴とする請求項２記載の絶縁膜の形成方法。
4. 前記複数のラジカル源の各々の最適状態は、前記絶縁膜の組成変動を最小化するように選ばれることを特徴とする請求項１または２記載の絶縁膜の形成方法。
5. 前記複数のラジカル源の各々の状態を変化させる工程は、前記複数のラジカル源の位置を、前記基板に対して相対的に変位させる工程を含むことを特徴とする請求項１〜４のうち、いずれか一項記載の絶縁膜の形成方法。
6. 前記複数のラジカル源の各々の状態を変化させる工程は、前記ラジカル源の駆動パワーを変化させる工程を含むことを特徴とする請求項１〜４のうち、いずれか一項記載の絶縁膜の形成方法。
7. 前記複数のラジカル源の各々の状態を変化させる工程は、前記ラジカル源の角度を前記基板に対して変化させる工程を含むことを特徴とする請求項１〜４のうち、いずれか一項記載の絶縁膜の形成方法。
8. 前記複数のラジカル源は、前記基板の上方において前記基板の中心からそれぞれの半径方向にそれぞれの距離で調節自在に設けられた複数のリモートプラズマ源よりなることを特徴とする請求項１記載の絶縁膜の形成方法。
9. 基板上に絶縁膜を形成するための基板処理装置であって、
   前記基板を保持する保持台を有する処理室と、
   前記基板を前記保持台ごと回転させる回転駆動部と、
   前記処理室に隣接して、それぞれの位置に設けられ、処理ガスを供給されて前記処理室中に活性ラジカルを供給するリモートプラズマ源からなる複数のラジカル源と、
   前記複数のラジカル源の状態を設定するラジカル源設定部とを設けられ、
   前記ラジカル源設定部は前記複数のラジカル源の状態を、前記絶縁膜が一様な膜状態を有するように設定することを特徴とする基板処理装置。
10. 前記複数のラジカル源の各々は、前記処理ガスを供給されるリモートプラズマ源と、前記リモートプラズマ源から離間して設けられ、前記活性ラジカルを前記処理室中に供給する開口部とを有することを特徴とする請求項９記載の基板処理装置。
11. 前記開口部には拡散板が設けられ、前記活性ラジカルは前記拡散板を通過して前記処理室中に供給されることを特徴とする請求項１０記載の基板処理装置。
12. 前記ラジカル源設定部は、前記複数のラジカル源の状態を、前記絶縁膜が一様な組成を有するように設定することを特徴とする請求項９または１０記載の基板処理装置。
13. 前記ラジカル源設定部は、前記複数のラジカル源の各々を、前記処理室に対して移動可能に保持することを特徴とする請求項９〜１２のうち、いずれか一項記載の基板処理装置。
14. 前記ラジカル源設定部は、前記複数のラジカル源の各々を、前記基板に対する角度が可変であるように保持することを特徴とする請求項１０〜１３のうち、いずれか一項記載の基板処理装置。
15. 前記ラジカル源設定部は前記リモートプラズマ源を駆動する駆動回路を含み、前記駆動回路は前記絶縁膜が一様な膜状態を有するように前記リモートプラズマ源を駆動することを特徴とする請求項１０〜１２のうち、いずれか一項記載の基板処理装置。

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