KR101056199B1 - 플라즈마 산화 처리 방법 - Google Patents

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도시히코 시오자와
요시로 가베
준이치 기타가와
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도쿄엘렉트론가부시키가이샤
고쿠리츠 다이가쿠 호우징 나고야 다이가쿠
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Abstract

플라즈마 처리 장치의 처리실 내에서, 산소를 포함하는 처리 가스를 이용하고, O(1D2) 라디칼의 밀도가 1×1012[㎝-3] 이상인 플라즈마를 이용하여 피처리체의 표면을 플라즈마 산화 처리하여 실리콘 산화막을 형성한다. 플라즈마 산화 처리 사이, VUV 모노크로미터(63)에 의해 플라즈마 중의 O(1D2) 라디칼의 밀도를 계측하여 플라즈마 처리 조건을 보정한다.

Description

플라즈마 산화 처리 방법{METHOD OF PLASMA OXIDATION PROCESSING}
본 발명은 플라즈마 산화 처리 방법에 관한 것이며, 상세하게는, 예컨대 반도체 장치의 제조 과정에서 실리콘의 표면에 실리콘 산화막을 형성하는 경우 등에 적용 가능한 플라즈마 산화 처리 방법에 관한 것이다.
각종 반도체 장치의 제조 과정에서는, 반도체 웨이퍼 표면의 실리콘(단결정 실리콘 또는 다결정 실리콘)을 산화시킴으로써, 예컨대 절연막으로서 유용한 실리콘 산화막[산화 규소(SiO2)막]을 형성하는 것이 행해지고 있다. 종래, 실리콘 산화막은, 예컨대 열 산화법에 의해 형성되고 있었다. 그러나, 열 산화 처리의 경우, 1000℃를 넘는 고온에 의해 실리콘 기판에 열 변형이 발생할 염려가 있다.
이 때문에, 산소 가스를 포함하는 처리 가스에 의해 형성된 산소 함유 플라즈마를 피처리체에 작용시켜 실리콘을 산화 처리하는 플라즈마 산화 처리 방법이 제안되어 있다(예컨대, 국제 공개 번호 WO 2004/008519).
상기 국제 공개 번호 WO 2004/008519에 개시된 바와 같은 플라즈마 산화 처 리에 있어서는, 플라즈마 중의 활성종인 O 라디칼이나 O2 + 등의 작용에 의해, Si-Si 결합의 절단과 Si-O 결합의 형성이 행해진다고 생각되고 있다. 이들 플라즈마 중의 활성종의 종류나 그 밀도 등은 플라즈마 형성 조건에 따라 다르고, 플라즈마 처리 결과, 즉 실리콘 산화막의 형성 속도(산화 레이트), 막질 등에 큰 영향을 준다.
종래의 플라즈마 산화 처리에서는, 플라즈마 중의 활성종의 절대치를 파악하는 것이 곤란하였으므로, 플라즈마 처리의 결과인 실리콘 산화막의 상태로부터 최적의 산화 레이트나 원하는 막질이 얻어지도록 플라즈마 처리 조건을 선정하는 것이 행해져 왔다.
이 때문에, 플라즈마 처리 조건의 근소한 변동 등에 의해, 기대하는 플라즈마 처리 결과를 얻을 수 없어, 예컨대 산화 레이트가 변동하여 실리콘 산화막의 막 두께나 막질 등에 격차가 발생한다고 하는 문제가 있다. 또한, 단결정 실리콘을 산화 처리할 때에는, 산화 레이트에 면 방위 의존성이 있다는 것이 알려져 있고, 종래의 플라즈마 산화 프로세스에서는, 예컨대 실리콘의 (110)면과 (100)면에서 산화 레이트에 차이가 발생하여, 면 방위가 다른 부위에 있어서 막 두께를 균일하게 일치시키는 것이 곤란하다고 하는 문제가 있다. 이와 같이, 플라즈마 산화 처리에는 열 산화 처리와는 다른 제어의 곤란함이 존재하므로, 실리콘 산화막을 구성 요소로 포함하는 반도체 디바이스의 수율을 저하시키거나, 전기적 성능에 격차가 발생하여 신뢰성을 저하시키거나 하는 요인이 되고 있다.
발명의 개시
본 발명의 목적은 플라즈마 처리 결과에 격차를 발생시키는 일 없이, 안정적이고 확실하게 산화 처리를 행하는 것이 가능한 플라즈마 산화 처리 방법을 제공하는 것에 있다.
본 발명의 다른 목적은 피처리체 표면을 플라즈마 산화 처리할 때에, 플라즈마 중의 활성종의 절대치를 정확히 파악할 수 있는 플라즈마 산화 처리 방법을 제공하는 것에 있다.
본 발명의 제 1 관점에 의하면, 플라즈마 처리 장치의 처리실 내에서, 산소를 포함하는 처리 가스를 이용하여 O(1D2) 라디칼의 밀도가 1×1012[㎝-3] 이상인 플라즈마를 생성하고, 그 플라즈마에 의해 피처리체의 표면을 산화 처리하는 플라즈마 산화 처리 방법이 제공된다.
상기 제 1 관점에 있어서, 상기 플라즈마로서는, 상기 처리 가스와, 복수의 슬롯을 갖는 평면 안테나에 의해 상기 처리실 내에 도입되는 마이크로파에 의해 형성되는 마이크로파 여기 플라즈마를 이용할 수 있다.
또한, 상기 플라즈마 산화 처리 방법은, 피처리체 표면의 실리콘을 산화 처리하여 실리콘 산화막을 형성하는 경우에 적용할 수 있다. 이 경우, 상기 플라즈마에 의해, 피처리체에 형성된 오목부에 노출되어 있는 실리콘 표면을 산화시켜 실리콘 산화막을 형성하는 것이더라도 좋고, 상기 실리콘 산화막을 형성함으로써, 상기 오목부를 구성하는 측벽의 상단의 실리콘의 각부(角部)에 곡면 형상을 도입하는 것이더라도 좋다.
또한, 상기 실리콘은 단결정 실리콘이더라도, 다결정 실리콘이더라도 좋다. 또한, 플라즈마 산화 처리시의 처리실 내의 압력을 1.33~334㎩로 할 수 있고, 또한 상기 처리 가스 중의 산소의 비율을 0.2~1%로 할 수 있다. 상기 처리 가스는 수소를 1% 이하의 비율로 포함하고 있더라도 좋다. 또한, 플라즈마를 여기시키기 위한 마이크로파 파워를 1W/㎠ 이상으로 할 수 있다.
본 발명의 제 2 관점에 의하면, 플라즈마 처리 장치의 처리실 내에서, 산소를 포함하는 처리 가스를 이용하여 마이크로파 여기 플라즈마를 생성시키는 단계와, 상기 플라즈마 중의 O(1D2) 라디칼 밀도를 계측하는 단계와, 상기 O(1D2) 라디칼 밀도가 1×1012[㎝-3] 이상인 플라즈마를 이용하여 피처리체를 산화 처리하는 단계를 포함하는 플라즈마 산화 처리 방법이 제공된다.
상기 제 2 관점에 있어서, 상기 O(1D2) 라디칼 밀도의 계측 결과에 근거하여, 플라즈마 형성 조건을 보정하는 단계를 더 포함하더라도 좋다. 또한, 상기 플라즈마 형성 조건은, 처리 압력, 상기 처리 가스 중의 산소의 비율, 또는 플라즈마를 여기시키기 위한 마이크로파 파워 중의 하나 이상이더라도 좋다.
본 발명의 제 3 관점에 의하면, 컴퓨터상에서 동작하여 플라즈마 처리 장치를 제어하는 프로그램으로서, 상기 프로그램은, 실행시에, 플라즈마 처리 장치의 처리실 내에서, 산소를 포함하는 처리 가스를 이용하여 O(1D2) 라디칼의 밀도가 1×1012[㎝-3] 이상인 플라즈마를 생성하고, 그 플라즈마에 의해 피처리체의 표면을 산화 처리하는 플라즈마 산화 처리 방법이 행해지도록 상기 플라즈마 처리 장치를 제어하는 프로그램이 제공된다.
본 발명의 제 4 관점에 의하면, 컴퓨터상에서 동작하여 플라즈마 처리 장치를 제어하는 프로그램으로서, 상기 프로그램은, 실행시에, 플라즈마 처리 장치의 처리실 내에서, 산소를 포함하는 처리 가스를 이용하여 마이크로파 여기 플라즈마를 생성시키는 단계와, 상기 플라즈마 중의 O(1D2) 라디칼 밀도를 계측하는 단계와, 상기 O(1D2) 라디칼 밀도가 1×1012[㎝-3] 이상인 플라즈마를 이용하여 피처리체를 산화 처리하는 단계를 포함하는 플라즈마 산화 처리 방법이 행해지도록 상기 플라즈마 처리 장치를 제어하는 프로그램이 제공된다.
본 발명의 제 5 관점에 의하면, 컴퓨터상에서 동작하여 플라즈마 처리 장치를 제어하는 프로그램이 기억된 기억 매체로서, 상기 프로그램은, 실행시에, 플라즈마 처리 장치의 처리실 내에서, 산소를 포함하는 처리 가스를 이용하여 O(1D2) 라디칼의 밀도가 1×1012[㎝-3] 이상인 플라즈마를 생성하고, 그 플라즈마에 의해 피처리체의 표면을 산화 처리하는 플라즈마 산화 처리 방법이 행해지도록 상기 플라즈 마 처리 장치를 제어하는 기억 매체가 제공된다.
본 발명의 제 6 관점에 의하면, 컴퓨터상에서 동작하여 플라즈마 처리 장치를 제어하는 프로그램이 기억된 기억 매체로서, 상기 프로그램은, 실행시에, 플라즈마 처리 장치의 처리실 내에서, 산소를 포함하는 처리 가스를 이용하여 마이크로파 여기 플라즈마를 생성시키는 단계와, 상기 플라즈마 중의 O(1D2) 라디칼 밀도를 계측하는 단계와, 상기 O(1D2) 라디칼 밀도가 1×1012[㎝-3] 이상인 플라즈마를 이용하여 피처리체를 산화 처리하는 단계를 포함하는 플라즈마 산화 처리 방법이 행해지도록 상기 플라즈마 처리 장치를 제어하는 기억 매체가 제공된다.
본 발명의 제 7 관점에 의하면, 피처리체를 플라즈마 처리하기 위한 진공 배기 가능한 처리실과, 상기 처리실 내에 마이크로파를 도입하기 위한 복수의 슬롯을 갖는 평면 안테나와, 상기 플라즈마 중의 O(1D2) 라디칼 밀도를 계측하는 계측 수단과, 상기 처리실 내에서, 산소를 포함하는 처리 가스를 이용하여 O(1D2) 라디칼의 밀도가 1×1012[㎝-3] 이상인 플라즈마를 생성하고, 그 플라즈마에 의해 피처리체의 표면을 산화 처리하는 플라즈마 산화 처리 방법이 행해지도록 제어하는 제어부를 구비하는 플라즈마 처리 장치가 제공된다.
본 발명의 제 8 관점에 의하면, 피처리체를 플라즈마 처리하기 위한 진공 배기 가능한 처리실과, 상기 처리실 내에 마이크로파를 도입하기 위한 복수의 슬롯을 갖는 평면 안테나와, 상기 플라즈마 중의 O(1D2) 라디칼 밀도를 계측하는 계측 수단과, 상기 처리실 내에서, 산소를 포함하는 처리 가스를 이용하여 마이크로파 여기 플라즈마를 생성시키는 단계와, 상기 플라즈마 중의 O(1D2) 라디칼 밀도를 계측하는 단계와, 상기 O(1D2) 라디칼 밀도가 1×1012[㎝-3] 이상인 플라즈마를 이용하여 피처리체를 산화 처리하는 단계를 포함하는 플라즈마 산화 처리 방법이 행해지도록 제어하는 제어부를 구비하는 플라즈마 처리 장치가 제공된다.
본 발명의 제 9 관점에 의하면, 피처리체를 플라즈마 처리하기 위한 진공 배기 가능한 처리실과, 상기 처리실 내에 마이크로파를 도입하기 위한 복수의 슬롯을 갖는 평면 안테나와, 상기 플라즈마 중의 O(1D2) 라디칼 밀도를 계측하는 계측 수단과, 상기 O(1D2) 라디칼의 계측 결과에 근거하여, 상기 O(1D2) 라디칼 밀도가 1×1012[㎝-3] 이상이 되도록 플라즈마 형성 조건을 제어하는 제어부를 구비하는 플라즈마 처리 장치가 제공된다.
본 발명에 의하면, 고에너지의 활성종인 O(1D2) 라디칼의 밀도가 1×1012[㎝-3] 이상인 플라즈마를 효율적으로 생성하고, 그 플라즈마에 의해 피처리체의 표면을 산화 처리함으로써, 높은 산화 레이트로 플라즈마 산화 처리를 행할 수 있다. 또 한, 예컨대 단결정 실리콘을 산화 처리할 때의 면 방위 의존성도 개선할 수 있으므로, 오목부나 볼록부 등이 형성된 실리콘 표면을 산화 처리할 때에도 유리하게 적용할 수 있다.
또한, 본 발명에 의하면, 피처리체 표면을 플라즈마 산화 처리할 때에, 플라즈마 중의 활성종인 O(1D2) 라디칼의 밀도를 모니터링하여 플라즈마 처리 조건에 반영시킴으로써, 효율적으로 O(1D2)를 생성시킬 수 있는 최적의 조건에서 안정적으로 플라즈마 산화 처리를 행할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 플라즈마 산화 처리 방법의 실시에 적합한 플라즈마 처리 장치의 일례를 나타내는 개략 단면도,
도 2는 평면 안테나 부재의 구조를 나타내는 도면,
도 3은 플라즈마 중의 라디칼을 계측하는 계측부의 개략 구성도,
도 4A는 레이저 광을 발진했을 때에 있어서의 제 3 고조파의 발생 과정을 나타내는 도면,
도 4B는 레이저에 의해 발진되는 2파장의 광을 이용한 2광자 공명 4광파 혼합 과정을 나타내는 도면,
도 5A는 O(1D2) 계측용 VUV 레이저 광 프로파일로서 동정된 제 3 고조파 발 생 과정에서의 VUV 레이저 광 프로파일,
도 5B는 O(3PJ) 계측용 VUV 레이저 광 프로파일로서 동정된 2광자 공명 4광파 혼합 과정에서의 VUV 레이저 광 프로파일,
도 6A는 오목부 형성 공정 및 플라즈마 산화 처리에 의한 실리콘 산화막 형성 공정을 설명하기 위한 공정 단면도,
도 6B는 오목부 형성 공정 및 플라즈마 산화 처리에 의한 실리콘 산화막 형성 공정을 설명하기 위한 공정 단면도,
도 6C는 오목부 형성 공정 및 플라즈마 산화 처리에 의한 실리콘 산화막 형성 공정을 설명하기 위한 공정 단면도,
도 6D는 오목부 형성 공정 및 플라즈마 산화 처리에 의한 실리콘 산화막 형성 공정을 설명하기 위한 공정 단면도,
도 6E는 오목부 형성 공정 및 플라즈마 산화 처리에 의한 실리콘 산화막 형성 공정을 설명하기 위한 공정 단면도,
도 6F는 오목부 형성 공정 및 플라즈마 산화 처리에 의한 실리콘 산화막 형성 공정을 설명하기 위한 공정 단면도,
도 6G는 오목부 형성 공정 및 플라즈마 산화 처리에 의한 실리콘 산화막 형성 공정을 설명하기 위한 공정 단면도,
도 6H는 오목부 형성 공정 및 플라즈마 산화 처리에 의한 실리콘 산화막 형성 공정을 설명하기 위한 공정 단면도,
도 6I는 오목부 형성 공정 및 플라즈마 산화 처리에 의한 실리콘 산화막 형성 공정을 설명하기 위한 공정 단면도,
도 7은 본 발명의 플라즈마 산화 처리 방법의 처리 순서의 일례를 나타내는 흐름도,
도 8은 처리 압력과 라디칼 밀도의 관계를 나타내는 그래프,
도 9는 처리 압력과 실리콘 산화막의 막 두께의 관계를 나타내는 그래프,
도 10은 O2 유량비와 라디칼 밀도의 관계를 나타내는 그래프,
도 11은 O2 유량비와 실리콘 산화막의 막 두께의 관계를 나타내는 그래프,
도 12는 마이크로파 파워와 라디칼 밀도의 관계를 나타내는 그래프,
도 13은 마이크로파 파워와 실리콘 산화막의 막 두께의 관계를 나타내는 그래프,
도 14는 플라즈마 산화 처리에 있어서의 산화 레이트와 O(1D2) 밀도의 관계를 나타내는 그래프,
도 15는 본 발명의 플라즈마 처리를 행한 경우와 열 산화 처리를 행한 경우에서 산화 레이트를 비교한 결과를 나타내는 도면,
도 16은 처리 시간 30초에서의 산화막 두께와 각 활성종의 플럭스의 관계를 나타내는 도면,
도 17은 본 발명의 모델을 설명하기 위한 흐름도,
도 18은 본 발명의 플라즈마 산화 처리의 초기 단계를 나타내는 모델도,
도 19는 플라즈마 산화 처리에 있어서의 실리콘의 면 방위 의존성을 나타내는 그래프,
도 20은 열 산화막과 플라즈마 산화막에 관한 TDDB 측정 결과를 나타내는 그래프,
도 21은 라디칼 밀도의 공간 분포 측정의 설명을 돕는 원리도이다.
발명을 실시하기 위한 최선의 형태
이하, 도면을 참조하면서 본 발명의 바람직한 형태에 대하여 설명한다.
도 1은 본 발명의 플라즈마 산화 처리 방법의 실시에 적합한 플라즈마 처리 장치의 일례를 모식적으로 나타내는 단면도이다. 이 플라즈마 처리 장치는, 복수의 슬롯을 갖는 평면 안테나, 특히 RLSA(Radial Line Slot Antenna)로 처리실 내에 마이크로파를 도입하여 플라즈마를 발생시킴으로써, 고밀도이고 낮은 전자 온도의 마이크로파 플라즈마를 발생시킬 수 있는 RLSA 마이크로파 플라즈마 처리 장치로서 구성되어 있어, 반도체 장치의 제조 과정에서, 예컨대 트랜지스터에 있어서의 게이트 절연막으로서의 실리콘 산화막의 형성이나, 소자 분리 기술인 STI(Shallow Trench Isolation)에 있어서의 트렌치 내벽면의 실리콘 산화막 형성 등의 목적으로 적합하게 이용된다.
이 플라즈마 처리 장치(100)는 기밀하게 구성되고, 접지된 대략 원통 형상의 챔버(1)를 갖고 있다. 챔버(1)의 바닥벽(1a)의 대략 중앙부에는 원형의 개구부(10)가 형성되어 있고, 바닥벽(1a)에는 이 개구부(10)와 연통하여, 아래쪽을 향해서 돌출하는 배기실(11)이 마련되어 있다.
챔버(1) 내에는 피처리 기판인 반도체 웨이퍼(이하, 「웨이퍼」라고 기재함) (W)를 수평으로 지지하기 위한 AlN 등의 세라믹스로 이루어지는 서셉터(2)가 마련되어 있다. 이 서셉터(2)는 배기실(11)의 바닥부 중앙으로부터 위쪽으로 연장되는 원통 형상의 AlN 등의 세라믹스로 이루어지는 지지 부재(3)에 의해 지지되어 있다. 서셉터(2)의 외연부(外緣部)에는 웨이퍼(W)를 가이드하기 위한 가이드 링(4)이 마련되어 있다. 또한, 서셉터(2)에는 저항 가열형의 히터(5)가 매립되어 있고, 이 히터(5)는 히터 전원(6)으로부터 급전됨으로써 서셉터(2)를 가열하여, 그 열로 피처리체인 웨이퍼(W)를 가열한다. 이때, 예컨대 실온으로부터 800℃까지 범위에서 처리 온도를 제어할 수 있도록 되어 있다. 또, 챔버(1)의 내주에는, 석영으로 이루어지는 원통 형상의 라이너(7)가 마련되어 있다. 또한, 서셉터(2)의 외주측에는, 챔버(1) 내를 균일하게 배기하기 위해, 다수의 배기 구멍(8a)을 갖는 석영제의 배플 플레이트(8)가 고리 형상으로 마련되고, 이 배플 플레이트(8)는 복수의 지주(9)에 의해 지지되어 있다.
서셉터(2)에는, 웨이퍼(W)를 지지하여 승강시키기 위한 웨이퍼 지지핀(도시하지 않음)이 서셉터(2)의 표면에 대하여 돌출 가능하게 마련되어 있다.
챔버(1)의 측벽에는 고리 형상을 이루는 가스 도입 부재(15)가 마련되어 있고, 균등하게 가스 방사 구멍이 형성되어 있다. 이 가스 도입 부재(15)에는 가스 공급계(16)가 접속되어 있다. 또, 가스 도입 부재(15)는 샤워 형상으로 배치하더라도 좋다. 이 가스 공급계(16)는, 예컨대 Ar 가스 공급원(17), O2 가스 공급원(18), H2 가스 공급원(19)을 갖고 있고, 이들 가스가 각각 가스 라인(20)을 통하여 가스 도입 부재(15)에 달하여, 가스 도입 부재(15)의 가스 방사 구멍으로부터 챔버(1) 내에 균일하게 도입된다. 가스 라인(20)의 각각에는, 매스 플로우 컨트롤러(21) 및 그 전후의 개폐 밸브(22)가 마련되어 있다. 또, Ar 가스 대신에 다른 희가스, 예컨대 Kr, He, Ne, Xe 등의 가스를 이용하더라도 좋고, 또한 후술하는 바와 같이 희가스는 포함하지 않더라도 좋다.
상기 배기실(11)의 측면에는 배기관(23)이 접속되어 있고, 이 배기관(23)에는 고속 진공 펌프를 포함하는 배기 장치(24)가 접속되어 있다. 그리고 이 배기 장치(24)를 작동시킴으로써 챔버(1) 내의 가스가, 배기실(11)의 공간(11a) 내로 균일하게 배출되어, 배기관(23)을 통하여 배기된다. 이에 따라 챔버(1) 내를 소정의 진공도, 예컨대 0.133㎩까지 고속으로 감압하는 것이 가능해지고 있다.
챔버(1)의 측벽에는, 플라즈마 처리 장치(100)에 인접하는 반송실(도시하지 않음)과의 사이에서 웨이퍼(W)의 반입출을 행하기 위한 반입출구(25)와, 이 반입출구(25)를 개폐하는 게이트 벨브(26)가 마련되어 있다.
챔버(1)의 상부는 개구부로 되어 있고, 이 개구부의 주연부를 따라 링 형상의 지지부(27)가 마련되어 있다. 이 지지부(27)에 유전체, 예컨대 석영이나 Al2O3 등의 세라믹스로 이루어지고, 마이크로파를 투과하는 마이크로파 투과판(28)이 밀봉 부재(29)를 통하여 기밀하게 마련되어 있다. 따라서, 챔버(1) 내는 기밀하게 유지된다.
마이크로파 투과판(28)의 위쪽에는, 서셉터(2)와 대향하도록 원판 형상의 평면 안테나 부재(31)가 마련되어 있다. 이 평면 안테나 부재(31)는 챔버(1)의 측벽 상단에 계지되어 있다. 평면 안테나 부재(31)는, 예컨대 8인치 크기의 웨이퍼(W)에 대응하는 경우에는, 직경이 300~400㎜, 두께가 1~수㎜(예컨대, 5㎜)인 도전성 재료로 이루어지는 원판이다. 구체적으로는, 예컨대 표면이 은 또는 금 도금된 동판 또는 알루미늄판으로 이루어지고, 다수의 마이크로파 방사 구멍(32)(슬롯)이 소정의 패턴으로 관통하여 형성된 구성으로 되어 있다. 이 마이크로파 방사 구멍(32)은, 예컨대 도 2에 나타내는 바와 같이 긴 홈 형상을 하고, 전형적으로는 인접하는 마이크로파 방사 구멍(32)끼리 「T」자 형상으로 배치되고, 이들 복수의 마이크로파 방사 구멍(32)이 동심원 형상으로 배치되어 있다. 마이크로파 방사 구멍(32)의 길이나 배열 간격은 마이크로파의 파장(λg)에 따라 결정되고, 예컨대 마이크로파 방사 구멍(32)의 간격은 λg/4, λg/2 또는 λg가 되도록 배치된다. 또, 도 2에 있어서는, 동심원 형상으로 형성된 인접하는 마이크로파 방사 구멍(32)끼리의 간격을 Δr로 나타내고 있다. 또한, 마이크로파 방사 구멍(32)은 원형 형상, 원호 형상 등의 다른 형상이더라도 좋다. 또한, 마이크로파 방사 구멍(32)의 배치 형태는 특별히 한정되지 않고, 동심원 형상 외에, 예컨대 나선상, 방사상으로 배치할 수도 있다.
이 평면 안테나 부재(31)의 윗면에는, 진공보다도 큰 유전율을 갖는, 예컨대 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리이미드 등의 수지로 이루어지는 지파재(33)가 마련되어 있다. 이 지파재(33)는, 진공 중에서는 마이크로파의 파장이 길어지므로, 마이크로파의 파장을 짧게 하여 플라즈마를 조정하는 기능을 갖고 있다. 또, 평면 안테나 부재(31)와 마이크로파 투과판(28) 사이, 또한 지파재(33)와 평면 안테나 부재(31) 사이는, 각각 밀착 또는 이간시켜 배치할 수 있다.
챔버(1)의 윗면에는, 이들 평면 안테나 부재(31) 및 지파재(33)를 덮도록, 예컨대 알루미늄이나 스테인리스강, 구리 등의 금속재로 이루어지는 도파관의 기능을 갖는 실드 덮개(34)가 마련되어 있다. 챔버(1)의 윗면과 실드 덮개(34)는 밀봉 부재(35)에 의해 밀봉되어 있다. 실드 덮개(34)에는, 냉각수 유로(34a)가 형성되어 있고, 그곳에 냉각수를 통류시킴으로써 실드 덮개(34), 지파재(33), 평면 안테나 부재(31), 마이크로파 투과판(28)을 냉각하도록 되어 있다. 또, 실드 덮개(34)는 접지되어 있다.
실드 덮개(34)의 윗벽의 중앙에는 개구부(36)가 형성되어 있고, 이 개구부(36)에는 도파관(37)이 접속되어 있다. 이 도파관(37)의 단부에는, 매칭 회로(38)를 통하여 마이크로파 발생 장치(39)가 접속되어 있다. 이에 따라, 마이크로파 발생 장치(39)에서 발생한, 예컨대 주파수 2.45㎓의 마이크로파가 도파관(37)을 통하여 상기 평면 안테나 부재(31)에 전파되도록 되어 있다. 또, 마이크로파의 주파수로서는, 8.35㎓, 1.98㎓ 등을 이용할 수도 있다.
도파관(37)은, 상기 실드 덮개(34)의 개구부(36)로부터 위쪽으로 연장하는 단면 원 형상의 동축 도파관(37a)과, 이 동축 도파관(37a)의 상단부에 모드 변환기(40)를 통하여 접속된 수평 방향으로 연장하는 직사각형 도파관(37b)을 갖고 있다. 직사각형 도파관(37b)과 동축 도파관(37a) 사이의 모드 변환기(40)는, 직사각형 도파관(37b) 내를 TE 모드로 전파하는 마이크로파를 TEM 모드로 변환하는 기능을 갖고 있다. 동축 도파관(37a)의 중심에는 내도체(41)가 연장하고 있고, 이 내도체(41)의 하단부는 평면 안테나 부재(31)의 중심에 접속 고정되어 있다. 이에 따라, 마이크로파는 동축 도파관(37a)의 내도체(41)를 통하여 평면 안테나 부재(31)에 균일하게 효율적으로 전파된다.
플라즈마 처리 장치(100)는, 측정 수단으로서의 계측부(60)를 구비하고 있다. 이 계측부(60)에 의해, 예컨대 파장 가변 진공 자외 레이저에 의한 진공 자외 흡수 분광법(Vacuum Ultra Violet Laser Absorption Spectroscopy)을 이용하여, 플라즈마 파라미터로서, 라디칼의 일종인 O(1D2)의 밀도를 광학적으로 계측할 수 있다. 이 방법에서는, 1대 또는 2대의 색소 레이저와 희가스 셀을 이용함으로써, 측정 대상의 산소 원자의 공명 라인 근방의 진공 자외 레이저 광을 파장 가변으로 발진하고, 여기서는 흡수체인 플라즈마 중을 통과시켰을 때의 상기 레이저 광의 흡수 프로파일과, 상기 레이저 광의 발광 프로파일을 분광기에 의해 측정하여, 그 비로부터 O(1D2) 등의 라디칼 밀도를 결정할 수 있다. 이 방법은 광을 이용한 비접촉 측정법이므로, 측정 대상인 플라즈마에 영향을 주는 일 없이, 실시간으로 인라인 측정할 수 있다.
계측부(60)는, 도 3에 나타내는 바와 같이, 레이저 광원(61)과, 이 레이저 광원(61)에 대하여 챔버(1) 내의 플라즈마 형성 공간을 사이에 두도록 대향하여 챔버(1)의 반대측에 외부 배치된 수광부(검출부)로서의 VUV 모노크로미터(63)를 구비하고 있다. 레이저 광원(61)으로부터 발진된 레이저 광은, 챔버(1)의 측벽에 마련된 투과창(65)을 통하여 챔버(1) 내에 도입되고, 챔버(1) 내의 플라즈마 형성 공간을 통과하여 챔버(1)의 측벽의 대향하는 부위에 마련된 투과창(67)을 통하여 챔버(1) 밖으로 유도되어, 광전자 증배관(PMT)(69)을 구비한 VUV 모노크로미터(63)에 의해 수광될 수 있도록 구성되어 있다.
또한, 레이저 광원(61)과 투과창(65) 사이에는, 레이저 광원(61)으로부터의 레이저 광을 집광하기 위한 합성 석영 렌즈(71)와, 2광자 공명 4광파 혼합 과정이나 제 3 고조파에 의한 소정 파장의 광을 발진시키기 위한 희가스 셀(73)이 마련되어 있다. 희가스 셀(73)에는, 이온 검출기(75)가 구비되어 있다.
또한, 수광측 투과창(67)과 VUV 모노크로미터(63) 사이에는, 차동 펌프(77)와 MgF2 렌즈(79)가 마련되어 있다.
레이저 광원(61)은, 예컨대 파장 308㎚의 레이저 광을 발진하는 XeCl 엑시머 레이저(81)와, 이 XeCl 엑시머 레이저(81)를 펌프 광으로 하여 소정 파장의 광을 발진하는 2대의 색소 레이저(83a, 83b)를 구비하고 있다. 또, 도 3에 있어서의 부호 85는 레이저 광을 반사시키는 미러이다.
VUV 모노크로미터(63)는, 컴퓨터를 구비한 프로세스 컨트롤러(50)(후술)에 접속되어 있고, 거기서 계측 데이터의 처리나 프로세스 조건의 제어가 행해진다. 계측부(60)에 의해 마이크로파 플라즈마를 측정하는 경우, 레이저 광원(61)으로부터 VUV 모노크로미터(63)로 향하는 레이저 광이 통과하는 광로 R은, 마이크로파 투과창(28)의 아랫면을 기준으로 하여, 예컨대 소정의 거리 L만큼 아래쪽으로 설정할 수 있다. 여기서, 거리 L은 60~80㎜로 하는 것이 바람직하고, 본 실시형태에서는 70㎜로 하고 있다. 이 경우, 서셉터(2)의 웨이퍼 탑재면으로부터 광로 R까지의 거리는 20㎜로 설정할 수 있다.
계측부(60)에서는, 이하와 같이 하여 플라즈마 중의 라디칼의 밀도를 측정할 수 있다.
예컨대, 산소 라디칼로서 O(1D2)를 측정하는 경우에는, 희가스 셀(73)에 Xe와 Ar의 혼합 희가스를 도입하고, 이 혼합 희가스를 비선형 매질로 하여 레이저 광원(61)에서 파장 115.2㎚ 부근의 O(1D2) 검출용 레이저 광을 발진하여, 제 3 고조파의 발생 과정에서의 파장을 VUV 모노크로미터(63)로 검출함으로써, O(1D2)의 밀도를 측정할 수 있다.
즉, 도 4A에 나타내는 바와 같이, XeCl 엑시머 레이저(81)를 펌프 광으로 하는 1대의 색소 레이저를 이용하여, ωUV의 파장의 광을 희가스 셀(73) 내에 집광하고, Xe와 Ar의 혼합 희가스 내에 있어서 파장 115.2㎚ 부근의 제 3 고조파(ωVUV=3ωUV)를 발진시키고, 처리 용기 내의 플라즈마에 조사하여, O(1D2)의 흡수에 근거한 진공 자외역 광의 파장을 VUV 모노크로미터(63)에 의해 검출한다.
또, O(1D2)의 계측에 있어서도, 충분한 측정 정밀도를 얻기 위해, 미리 O(1D2) 계측용 VUV 레이저 광의 프로파일을 동정하여 둘 필요가 있다. 예컨대, 실온(26.85℃; 300K)에 있어서, 파장 114.938㎚ 근방에 존재하는 CO의 흡수율 프로파일을 계측함으로써 제 3 광조파 발생 과정에서의 VUV 레이저 광의 프로파일을 동정할 수 있다. 이 계측의 조건으로서는, 압력 0.13㎩(1×10-3Torr), 온도 26.85℃(300K), 천이 파장 114.938㎚ 부근이다. 도 5A에, O(1D2) 계측용 VUV 레이저 광 프로파일로서 동정된 제 3 고조파 발생 과정에서의 VUV 레이저 광 프로파일을 나타냈다. 이 프로파일은 반값 전폭 0.44㎝-1의 가우스형 분포이다.
또한, 산소 라디칼로서 O(3PJ)를 측정하는 경우에는, Kr의 2광자 공명 라인을 이용하고, Kr의 비선형 특성을 이용함으로써, 130㎚ 부근의 VUV 레이저 광을 발진하여, 2광자 공명 4광파 혼합 과정에서의 파장을 VUV 모노크로미터로 검출함으로써, O(3PJ)의 밀도를 측정할 수 있다.
즉, 도 4B에 나타내는 바와 같이, XeCl 엑시머 레이저(81)를 펌프 광으로 하는 2대의 색소 레이저에 의해 발진되는, ω1과 ω2의 2파장의 광을 이용하여, 이들 2파장의 광을, Kr을 충전한 희가스 셀 내에서 집광하고, Kr 원자의 2광자 흡수를 이용한 4광파 혼합차 주파 기술을 이용하여 파장 130㎚ 부근(ωVUV=2ω1-ω2)의 진공 자외역의 광을 발진시켜 처리 용기 내의 플라즈마에 조사하여, O(3PJ)의 흡수에 근거한 진공 자외역의 광의 파장을 VUV 모노크로미터(63)에 의해 검출한다.
또, O(3PJ)의 측정에 있어서는, 충분한 측정 정밀도를 얻기 위해, 미리 O(3PJ) 계측용 VUV 레이저 광의 프로파일을 동정하여 둘 필요가 있다. 예컨대, 실온(26.85℃; 300K)에 있어서, 파장 129.559㎚ 부근에 존재하는 Xe의 흡수율 프로파일을 계측함으로써 2광자 공명 4광파 혼합 과정에서의 VUV 레이저 광의 프로파일을 동정할 수 있다. 이 계측의 조건은, 예컨대 압력 0.04㎩(3×10-4Torr), 온도 26.85℃(300K), 천이 파장 129.559㎚(1S0-1P1)로 할 수 있다. 도 5B에, O(3PJ) 계측용 VUV 레이저 광 프로파일로서 동정된 2광자 공명 4광파 혼합 과정에서의 VUV 레이저 광 프로파일을 나타냈다. 이 프로파일은 반값 전폭 0.40㎝-1의 가우스형 분포이다.
이상과 같은 수법으로 생성되는 레이저 광을, 계측 대상 라디칼의 흡수 파장 범위에 걸친 파장을 스캔하여, 계측함으로써 각 파장에서의 흡수율을 파악할 수 있다. 이 흡수율의 파장 의존성과 레이저 광의 발광 프로파일과 하기의 수학식 1로부터, 계측 대상 라디칼의 흡수 프로파일 f2(ν)와, 중심 주파수에 있어서의 흡수 계수 k를 구할 수 있다. 이들과 수학식 2로부터, 계측 대상 라디칼의 절대 밀도가 산출된다.
Figure 112008068761325-pct00001
(식 중, I0은 레이저 광의 출력, I는 플라즈마 통과 후의 레이저 광의 출력, f1(ν)는 레이저 광의 발광 프로파일, f2(ν)는 흡수체(여기서는 플라즈마)의 흡수 프로파일, k는 흡수체의 중심 주파수에 있어서의 흡수 계수, L은 흡수체의 길이, kL은 흡수체의 광학 두께를 각각 의미한다.)
그리고, 계측 대상 라디칼의 절대 밀도 N은 아래 수학식 2에 근거하여 산출할 수 있다.
Figure 112008068761325-pct00002
(식 중, f2(ν)는 흡수체의 흡수 프로파일, v0은 흡수체의 중심 주파수, gu, g1은 통계 중율(重率), A는 아인슈타인 A 계수, c는 광속을 각각 의미한다.)
이상과 같이, 파장 가변 진공 자외 레이저 광을 이용한 진공 자외 흡수 분광법에 의한 흡수 프로파일의 계측에서는, 플라즈마 처리 장치(100)의 마이크로파 플라즈마원에 의해 생성된 산소 함유 플라즈마 중의 각종 라디칼(O(1D2), O(3PJ) 등)에 그 라디칼의 공명선의 파장에 동기시킨 진공 자외 레이저 광을 조사하고, 라디칼이 흡수한 진공 자외역의 광의 파장을 VUV 모노크로미터(63)로 검출하여, 광전자 증배관(PMT)(69)에 의해 전기 신호로 변환함으로써, 실시간으로 각종 라디칼의 절대 밀도를 검출할 수 있다.
또한, 상기 계측 방법에서는, 배경 흡수가 존재하는 조건하에 있어서도, 정확한 계측이 가능함과 아울러, 계측 결과에 의해 흡수체의 병진 온도를 구할 수 있으므로, 온도의 가정을 필요로 하지 않고서 정확히 절대 밀도를 계측할 수 있다.
또, 레이저 광원(61)이 아니라, 예컨대 마이크로 홀로캐소드 램프 등의 인코히런트 광원을 이용하는 경우는, 계측 대상 라디칼의 흡수 프로파일을 가정(일반적으로는 라디칼의 온도)할 필요가 있으므로, 정확한 라디칼 밀도를 파악할 수 없다.
또한, 130㎚ 근방의 O(3PJ)의 에너지 준위를 고려한 경우에, O(3P0)이 파장 130.604㎚, O(3P1)이 파장 130.487㎚, O(3P2)가 파장 130.217㎚에 천이선을 갖는 한편으로, VUV 모노크로미터의 분해능은 0.4㎚ 정도에 불과하므로, 이들 3개의 천이선을 분해할 수 없어, 가정을 필요로 한다. 그래서, 계측에 있어서는, 기저 상태의 밀도 분포를 볼츠만 분포(400K)라 가정하고, 밀도비 O(3P0):O(3P1):O(3P2)=0.09:0.34:1로 하여 계측을 행하는 것이 필요하다.
플라즈마 처리 장치(100)의 각 구성부는, CPU를 구비한 프로세스 컨트롤러(50)에 접속되어 제어되는 구성으로 되어 있다. 프로세스 컨트롤러(50)에는, 공 정 관리자가 플라즈마 처리 장치(100)를 관리하기 위해 커맨드의 입력 조작 등을 행하는 키보드나, 플라즈마 처리 장치(100)의 가동 상황을 가시화하여 표시하는 디스플레이 등으로 이루어지는 유저 인터페이스(51)가 접속되어 있다.
또한, 프로세스 컨트롤러(50)에는, 플라즈마 처리 장치(100)에서 실행되는 각종 처리를 프로세스 컨트롤러(50)의 제어로 실현하기 위한 제어 프로그램(소프트웨어)이나 처리 조건 데이터 등이 기록된 레시피가 저장된 기억부(52)가 접속되어 있다.
그리고, 필요에 따라, 유저 인터페이스(51)로부터의 지시 등으로 임의의 레시피를 기억부(52)로부터 호출하여 프로세스 컨트롤러(50)에 실행시킴으로써, 프로세스 컨트롤러(50)의 제어하에서, 플라즈마 처리 장치(100)에서의 원하는 처리가 행해진다. 또한, 상기 제어 프로그램이나 처리 조건 데이터 등의 레시피는, 컴퓨터 판독 가능한 기억 매체, 예컨대 CD-ROM, 하드 디스크, 플렉서블 디스크, 플래시 메모리 등에 저장된 상태인 것을 이용하거나, 혹은 다른 장치로부터, 예컨대 전용 회선을 통하여 수시 전송시켜 온라인으로 이용하거나 하는 것도 가능하다.
이와 같이 구성된 플라즈마 처리 장치(100)는, 800℃ 이하의 낮은 온도에서도 손상이 없는 플라즈마 처리에 의해 양질의 막을 형성할 수 있음과 아울러, 플라즈마 균일성이 우수하여 프로세스의 균일성을 실현할 수 있다.
이 플라즈마 처리 장치(100)는, 상술한 바와 같이, 트랜지스터의 게이트 절연막의 형성이나, STI에서의 트렌치의 내벽의 산화 처리 등의 목적으로 적합하게 이용 가능한 것이다. 플라즈마 처리 장치(100)에 의해 플라즈마 산화 처리를 행할 때에는, 산소를 포함하는 처리 가스를 이용하여, 이하의 순서로 O(1D2) 라디칼의 밀도가 1×1012[㎝-3] 이상, 바람직하게는 1×1012~1×1013[㎝-3], 더 바람직하게는 1×1012~5×1012[㎝-3]인 플라즈마를 이용하여 피처리체를 산화 처리한다.
우선, 게이트 벨브(26)를 열어 반입출구(25)로부터, 예컨대 트렌치가 형성된 웨이퍼(W)를 챔버(1) 내로 반입하여, 서셉터(2) 상에 탑재한다.
그리고, 가스 공급계(16)의 Ar 가스 공급원(17) 및 O2 가스 공급원(18)으로부터, Ar 가스 및 O2 가스를 소정의 유량으로 가스 도입 부재(15)를 통하여 챔버(1)내에 도입하여, 소정의 처리 압력으로 유지한다. 이때, O(1D2) 라디칼의 밀도가 1×1012[㎝-3] 이상인 플라즈마를 형성하는 데에 있어서, 처리 가스 중의 산소의 비율은, 예컨대 1% 이하가 바람직하고, 0.2~1%가 보다 바람직하다. 가스 유량은, 예컨대 Ar 가스: 500~10000mL/min(sc㎝), O2 가스: 5~100mL/min(sc㎝)의 범위로부터, 전체 가스 유량에 대한 산소의 비율이 상기 값이 되도록 선택할 수 있다.
또한, Ar 가스 공급원(17) 및 O2 가스 공급원(18)으로부터의 Ar 가스 및 O2 가스에 더하여, H2 가스 공급원(19)으로부터 H2 가스를 소정 비율로 도입할 수도 있다. 이 경우, H2 가스의 비율은, 예컨대 처리 가스 전체의 양에 대하여 1% 이하가 되도록 하는 것이 바람직하고, 0.01~1%가 보다 바람직하다.
또한, 챔버 내 처리 압력은, O(1D2) 라디칼의 밀도가 1×1012[㎝-3] 이상인 플라즈마를 형성하는 데에 있어서 334㎩ 이하가 바람직하고, 267㎩ 이하가 보다 바람직하고, 90~133.3㎩의 범위가 바람직하다. 또한, 처리 온도는 실온~500℃로부터 선택 가능하고, 400~500℃가 바람직하다.
이어서, 마이크로파 발생 장치(39)로부터의 마이크로파를, 매칭 회로(38)를 지나 도파관(37)으로 유도한다. 마이크로파는, 직사각형 도파관(37b), 모드 변환기(40), 및 동축 도파관(37a)을 순차적으로 통과하여 평면 안테나 부재(31)에 공급되고, 평면 안테나 부재(31)로부터 마이크로파 투과판(28)을 지나 챔버(1) 내에서의 웨이퍼(W)의 위쪽 공간으로 방사된다. 마이크로파는, 직사각형 도파관(37b) 내에서는 TE 모드로 전파되고, 이 TE 모드의 마이크로파는 모드 변환기(40)에서 TEM 모드로 변환되어, 동축 도파관(37a) 내를 평면 안테나 부재(31)를 향하여 전파되어 간다. 이때, 마이크로파 발생 장치(39)의 파워는 1W/㎠ 이상, 예컨대 1~3W/㎠로 하는 것이 바람직하고, 1.4~2.8W/㎠가 보다 바람직하다.
평면 안테나 부재(31)로부터 마이크로파 투과판(28)을 지나 챔버(1)에 방사된 마이크로파에 의해 챔버(1) 내에서 전자계가 형성되어, Ar 가스 및 O2 가스가 플라즈마화되고, 이 플라즈마에 의해 웨이퍼(W)에 형성된 오목부 내에 노출된 실리콘 표면을 산화시킨다. 이 마이크로파 플라즈마는 마이크로파가 평면 안테나 부재(31)의 다수의 마이크로파 방사 구멍(32)으로부터 방사됨으로써, 대략 1×1010~5 ×1012/㎤ 혹은 그 이상의 고밀도의 플라즈마가 되고, 그 전자 온도는 0.5~2eV 정도, 플라즈마 밀도의 균일성은 ±5% 이하이다. 따라서, 저온에서 단시간에 산화 처리를 행하여 얇은 산화막을 형성할 수 있고, 더구나 산화막으로의 플라즈마 중의 이온 등에 의한 손상이 작아, 양질의 산화막을 형성할 수 있다.
다음으로, 도 6A~6I를 참조하면서, 본 발명의 플라즈마 산화 처리 방법을 STI에서의 트렌치 내부의 산화 처리에 적용한 예에 대하여 설명을 행한다. 도 6A~6I는 STI에서의 트렌치의 형성과 그 후에 행해지는 산화막 형성까지의 공정을 나타내는 공정 단면도이다.
우선, 도 6A 및 도 6B에서, 실리콘 기판(101)에, 예컨대 열 산화 등의 방법에 의해 SiO2 등의 실리콘 산화막(102)을 형성한다. 다음으로, 도 6C에서는, 실리콘 산화막(102) 상에, 예컨대 CVD(Chemical Vapor Deposition)에 의해 Si3N4 등의 실리콘 질화막(103)을 형성한다. 또한, 도 6D에서는, 실리콘 질화막(103)의 위에, 포토레지스트를 도포한 후, 포토리소그래피 기술에 의해 패터닝하여 레지스트층(104)을 형성한다.
다음으로, 레지스트층(104)을 에칭 마스크로 하여, 예컨대 할로젠계의 에칭 가스를 이용하여 실리콘 질화막(103)과 실리콘 산화막(102)을 선택적으로 에칭함으로써, 레지스트층(104)의 패턴에 대응하여 실리콘 기판(101)을 노출시킨다(도 6E). 다시 말해, 실리콘 질화막(103)에 의해, 트렌치를 위한 마스크 패턴이 형성된다. 도 6F는, 예컨대 산소 등을 포함하는 처리 가스를 이용한 산소 함유 플라즈마에 의 해, 이른바 애싱 처리를 실시하여 레지스트층(104)을 제거한 상태를 나타낸다.
도 6G에서는, 실리콘 질화막(103) 및 실리콘 산화막(102)을 마스크로 하여, 실리콘 기판(101)에 대하여 선택적으로 에칭을 실시함으로써 트렌치(110)를 형성할 수 있다. 이 에칭은, 예컨대 Cl2, HBr, SF6, CF4 등의 할로젠 또는 할로젠 화합물이나, O2 등을 포함하는 에칭 가스를 사용하여 행할 수 있다.
도 6H는 STI에서의 에칭 후의 웨이퍼(W)의 트렌치(110)에 대하여 플라즈마 산화 처리를 실시하는 산화 처리 공정을 나타내고 있다. 이 산화 처리 공정을, 플라즈마 중의 O(1D2) 밀도가 1×1012[㎝-3] 이상인 조건으로 실시함으로써, 트렌치(110)의 필렛(110a)을 둥그스름하게 하고, 또한 실리콘의 면 방위에 의존하는 일 없이, 트렌치(110)의 내면(측벽부, 바닥부)에 균일한 막 두께로 산화막(111a, 111b)을 형성할 수 있다.
산화 처리 공정에서의 처리 가스로서는, 예컨대 O2와 희가스의 혼합 가스를 이용할 수 있다. 이 경우, 전체 처리 가스에 대한 산소의 비율(백분율)을 1% 이하로 하는 것이 바람직하다. 또한, 산화 처리 공정의 압력은, 334㎩ 이하로 하는 것이 바람직하다. 이와 같이, 처리 가스 중의 O2의 비율과 처리 압력을 조절함으로써, 플라즈마 중의 O(1D2) 라디칼의 양을 제어할 수 있다. 또, 처리 가스 중에는, O2 가스에 더하여, H2 가스를 소정 비율로 첨가할 수도 있다.
그리고, O(1D2) 라디칼의 밀도가 1×1012[㎝-3] 이상인 플라즈마를 이용하여 플라즈마 산화 처리를 실시함으로써, 산화막(111)의 막질을 치밀하게 할 수 있음과 아울러, 면 방위 의존성을 억제하여, 트렌치(110)의 부위에 의한 막 두께차를 해소하여, 예컨대 트렌치(110)의 측벽부와 바닥부에 균일한 막 두께로 양질의 산화막(111a, 111b)을 형성할 수 있다.
또한, 플라즈마 중의 O(1D2) 라디칼의 양을 제어함으로써, 도 6I에 나타내는 바와 같이, 트렌치(110)의 필렛(110a)에서, 내부의 실리콘(101)을 둥그스름하게 형성(곡면을 형성)할 수 있다. 이와 같이, 트렌치(110)의 필렛(110a)이나 바닥부 코너부(110b)의 실리콘(101)에 둥그스름한 형상을 도입함으로써, 예각으로 형성되어 있는 경우와 비교하여, 누설 전류의 발생을 억제할 수 있다.
또, 본 발명의 플라즈마 산화 처리 방법에 의해 산화막(111)을 형성한 후는, STI에 의한 소자 분리 영역 형성의 순서에 따라, 예컨대 CVD법에 의해 트렌치(110) 내에 SiO2 등의 절연막을 매립한 후, 실리콘 질화막(103)을 스토퍼층으로 하여 CPM에 의해 연마를 행하여 평탄화한다. 평탄화한 후는, 에칭에 의해 실리콘 질화막(103) 및 매립 절연막의 상부를 제거함으로써 소자 분리 구조를 형성할 수 있다.
도 7은 본 발명의 플라즈마 산화 처리 방법의 순서의 일례를 나타내는 흐름도이다. 이 예에서는, 계측부(60)에 의해 플라즈마 중의 O(1D2) 밀도를 모니터링하면서 플라즈마 산화 처리를 행한다.
우선, 단계 S1에서는, 플라즈마 처리 장치(100)의 챔버(1) 내에, 도시하지 않은 반송 장치에 의해 웨이퍼(W)를 반입하여, 서셉터(2) 상에 탑재한다. 다음으로, 단계 S2에서는, 챔버(1) 내에 가스 공급계(16)로부터 Ar 가스 및 O2 가스를 소정의 유량으로 도입한다. 단계 S3에서는, 배기 장치(24)를 작동시켜 챔버(1) 내를 소정의 압력으로 감압하여 안정화시킨다.
다음으로, 단계 S4에서는, 마이크로파 발생 장치(39)에서 소정 주파수의 마이크로파를 발생시키고, 매칭 회로(38), 도파관(37) 및 평면 안테나 부재(31)를 통하여 챔버(1) 내 공간에 도입하여, 산소 함유 플라즈마를 생성시킨다. 이 산소 함유 플라즈마에 의해, 웨이퍼(W) 표면의 실리콘을 플라즈마 산화 처리하여 실리콘 산화막을 형성한다.
플라즈마 산화 처리 사이에는, 계측부(60)에 의해 플라즈마 중의 O(1D2) 밀도를 계측하여 모니터링한다(단계 S5). 이 단계 S5에서 계측된 O(1D2) 밀도는 프로세스 컨트롤러(50)에 송출된다. 그리고, 단계 S6에서는, 계측된 O(1D2) 밀도가, 미리 설정된 기준치(예컨대, 1×1012[㎝-3]) 이상인지 여부를 프로세스 컨트롤러(50)가 판단한다. 이 기준치는, 공정 관리자가 유저 인터페이스(51)를 통하여 입력하거나, 또는 플라즈마 산화 처리의 레시피의 일부로서 기억부(52)에 보존하여 둔 것을 이용할 수 있다.
이 단계 S6에서 O(1D2) 밀도가 기준치(예컨대, 1×1012[㎝-3]) 이상(예)이라고 판단된 경우에는, 플라즈마 처리 조건은 양호한 상태이므로, 단계 S7에서 플라즈마 처리가 계속된다. 그리고, 레시피에 의해 규정된 처리 시간이 경과한 후는, 단계 S8에서 마이크로파를 「오프」로 하여, 플라즈마 산화 처리를 종료시킨다. 계속해서, 단계 S9에서는, 챔버 내를 승압하고, 또한 단계 S10에서 웨이퍼(W)를 챔버(1) 내로부터 반출하여, 1장의 웨이퍼(W)에 대한 처리가 종료한다.
한편, 단계 S6에서, O(1D2) 밀도가 기준치(예컨대, 1×1012[㎝-3]) 이상이 아님(노)으로 판단된 경우에는, 단계 S11에서 플라즈마 처리 조건을 보정한다. 이 단계 S11에 있어서 보정되는 플라즈마 처리 조건으로서는, 예컨대 처리 가스 중의 O2의 유량 비율, 처리 압력, 마이크로파 파워 등을 들 수 있다. 이 단계 S11에서는, 계측된 O(1D2) 밀도에 따라, 어떤 조건을 어느 정도 보정하면 좋은지를, 미리 규정하여 둔 테이블 등을 이용할 수 있다. 그리고, 단계 S11에서 플라즈마 처리 조건을 보정한 후는, 단계 S5로 되돌아가 다시 계측부(60)에 의해 플라즈마 중의 O(1D2) 밀도를 모니터링하면서, 소정 시간 경과할 때까지 플라즈마 산화 처리가 계속된다.
이와 같이, 플라즈마 중의 O(1D2) 밀도를 계측하여 모니터링하고, 그 결과에 따라 그 값이 기준치 이상이 되도록 플라즈마 생성 조건을 제어함으로써 안정적으로 원하는 처리 결과(막 두께, 막질 등)를 얻을 수 있다. 따라서, 높은 신뢰성하에서 플라즈마 산화 처리를 행할 수 있게 되어, 반도체 디바이스의 신뢰성과 수율을 향상시킬 수 있다.
또, 도 7에서는, 1장의 웨이퍼(W)를 처리하는 과정에서 플라즈마 중의 O(1D2) 밀도를 모니터링하고, 그 결과에 근거하여 즉시 같은 웨이퍼(W)에 대한 처리 조건을 보정하도록 했지만, 어떤 1장의 웨이퍼(W)에 대한 처리에 있어서 플라즈마 중의 O(1D2) 밀도를 계측하고, 그 결과에 근거하여 다음에 처리되는 웨이퍼(W)의 플라즈마 처리 조건을 보정하도록 하더라도 좋다. 이 경우, 플라즈마 중의 O(1D2) 밀도의 계측은 임의의 간격, 예컨대 1로트의 웨이퍼(W)를 처리하는 중에 1장에 대해서만 실시하도록 할 수도 있다.
다음으로, 본 발명의 기초가 된 시험 결과에 대하여 설명한다.
우선, 도 8은 플라즈마 처리 장치(100) 내에서 생성되는 플라즈마 중의 라디칼인 O(1D2) 및 O(3P2)의 원자 밀도와 처리 압력의 관계에 대하여 나타내고 있고, 도 9는 웨이퍼(W)를 30초간 플라즈마 산화 처리한 경우의 실리콘 산화막의 막 두께와 처리 압력의 관계에 대하여 나타내고 있다. 플라즈마 형성 조건은, Ar 유량 500mL/min(sc㎝), O2 유량 5mL/min(sc㎝)[O2 가스 혼합 비율 1%], 처리 온도 400℃, 마이크로파 파워 1500W(1.46W/㎠)이고 처리 압력을 90~666.7㎩의 사이에서 변화시켰다.
도 8로부터, O(3P2) 밀도에 비하여 O(1D2) 밀도는, 처리 압력이 높아짐에 따라 빠르게 감소하는 경향이 보이고, 300㎩를 초과하면, O(1D2)의 밀도는 1×1012[㎝-3]을 하회하는 것을 알 수 있다.
또한, 도 9로부터, 실리콘의 산화 레이트는, 처리 압력이 높아짐에 따라 저하하고 있어, 도 8에 나타내는 플라즈마 중의 O(1D2) 밀도의 거동과 상관이 있는 것으로 나타났다.
도 10은 플라즈마 중의 O(1D2) 밀도 및 O(3P2) 밀도와 처리 가스의 유량 비율의 관계에 대하여 나타내고 있고, 도 11은 웨이퍼(W)를 30초간 플라즈마 산화 처리한 경우의 실리콘 산화막의 막 두께와 처리 가스의 유량비의 관계에 대하여 나타내고 있다. 플라즈마 형성 조건은, 처리 압력 133.3㎩(1Torr), 처리 온도 400℃, 마이크로파 파워 1500W(1.46W/㎠)로 하고, Ar 유량 300~500mL/min(sc㎝), O2 유량 1~200mL/min(sc㎝)[O2 가스 유량 비율; 여기서는, (O2/Ar)×100으로 하여 0.2~66.7%]의 사이에서 변화시켰다.
도 10으로부터, O(3P2) 밀도는 처리 가스 중의 O2 유량 비율[(O2/Ar)×100]이 증가하여도 거의 변화하지 않지만, O(1D2) 밀도는 처리 가스 중의 O2 유량 비율이 1%를 초과하면 급격히 감소하고 있는 것을 알 수 있다. 또한, 도 11에서, 실리콘의 산화 레이트는, 처리 가스 중의 O2 유량 비율이 1%로 최대가 된 후는 처리 압력이 높아짐에 따라 감소하고 있어, 도 10에 나타내는 플라즈마 중의 O(1D2) 밀도의 거동과 상관이 있는 것으로 나타났다.
또한, 도 12는 플라즈마 중의 O(1D2) 밀도 및 O(3P2) 밀도와 마이크로파 파워의 관계에 대하여 나타내고 있고, 도 13은 웨이퍼(W)를 30초간 플라즈마 산화 처리한 경우의 실리콘 산화막의 막 두께와 마이크로파 파워의 관계에 대하여 나타내고 있다. 플라즈마 형성 조건은, 처리 압력 133.3㎩(1Torr), Ar 유량 500mL/min(sc㎝), O2 유량 5mL/min(sc㎝)[O2 가스 혼합 비율 1%], 처리 온도 400℃, 처리 시간 30초로 하여, 마이크로파 파워를 1000~2750W(0.97~2.67W/㎠)의 사이에서 변화시켰다.
도 12에서, O(3P2) 밀도는 마이크로파 파워의 증가에 따라 직선적으로 증가하는 경향을 나타냈지만, O(1D2) 밀도는 마이크로파 파워가 1.5㎾에 달할 때까지의 사이에 급격히 증가하고 있다. 또한, 도 13에서, 실리콘의 산화 레이트는, 마이크로파 파워가 1.5㎾[1.46(W/㎠)] 이상에서 약 0.09[㎚/s]가 되고 있어, 실용상 충분 한 값에 달하고 있는 것을 알 수 있다.
다음으로 도 14는, 플라즈마 중의 O(1D2) 밀도와 산화 레이트의 관계를 나타내고 있다. 여기서는, 플라즈마 처리시의 처리 압력, O2 유량 비율[여기서는, (O2/Ar)×100] 및 마이크로파 파워를 변화시킴으로써 여러 가지의 O(1D2) 밀도의 플라즈마를 형성하여, 실리콘에 대한 산화 레이트를 측정했다. 이 도 14로부터, O(1D2) 밀도가 1×1012[㎝-3] 이상이면, 약 0.08[㎚/s]이라는 실용상 충분한 산화 레이트를 얻을 수 있는 것이 확인되었다.
다음으로, 본 발명의 플라즈마 산화 처리의 메커니즘에 대하여 설명한다. 상술한 바와 같이, 본 발명의 플라즈마 산화 처리에서는, O(1D2) 라디칼의 밀도가 1×1012[㎝-3] 이상인 플라즈마를 이용함으로써, 높은 산화 레이트로 안정하게 플라즈마 산화 처리를 행하는 것이 가능하다. 도 15는 본 발명의 플라즈마 산화 처리를 행한 경우와, 열 산화 처리를 행한 경우에서, 산화 레이트를 비교한 결과를 나타내는 도면이다. 산화 처리 조건은 이하와 같다.
<플라즈마 산화 처리의 조건(본 발명 조건 A)>
처리 압력: 133.3㎩(1Torr)
처리 온도: 400℃
마이크로파 파워: 1500W(마이크로파 투과판(28)의 면적 1㎠당, 1.46W/㎠)
Ar 유량: 500mL/min(sc㎝)
O2 유량: 5mL/min(sc㎝)
O2 가스 비율: 약 1%
웨이퍼 직경: 200㎜
마이크로파 투과판(28)의 면적: 1027㎟
<열 산화 처리의 조건(비교 조건)>
처리 온도: 900℃
처리 가스: H2 가스/O2 가스
유량: H2 가스 0.45mL/min(sc㎝)
O2 가스 0.9mL/min(sc㎝)
도 15로부터 판독할 수 있듯이, O(1D2) 라디칼을 주된 산화 활성종으로 하는 본 발명의 플라즈마 산화 처리에서는, 산화 개시 당초의 초기 단계(초기 산화, 제 1 산화)에서, 열 산화 처리보다도 큰 산화 레이트를 나타내고 있다. 그 한편으로, 어느 정도 산화막의 형성이 진행한 단계(정상 산화, 제 2 산화)에서는, 열 산화 처리에 비하여 산화 레이트가 저하하고 있다.
그래서, 본 발명의 플라즈마 산화 처리에 있어서, 산화 초기 단계와 산화 후반 단계에서의 산화 레이트가 변화하는 원인에 대하여 검토를 행했다. 여기서는, 다양한 프로세스 조건으로 플라즈마를 생성하여 산화막을 형성하는 시험을 행하고, 그 때의 처리 시간 30초에서의 산화막 두께와 활성종의 플럭스의 관계를 구했다. 그 결과를 도 16에 나타낸다. 도 16은 횡축에 처리 시간 30초에서의 산화막 두께를 취하고, 종축에 각 활성종의 플럭스를 취하여, 이들의 관계를 나타내는 도면이다. 여기서 「활성종의 플럭스」란, 1㎠의 면적을 1초간 정도에 통과하는 활성종의 입자수를 의미한다. 본 시험에서는, 활성종으로서, O(1D2) 라디칼, O(3P2) 라디칼 및 O2 + 이온을 계측했다. 이 도 16으로부터, O(1D2) 라디칼 및 O2 + 이온의 플럭스가 커짐에 따라, 30초간 형성되는 산화막 두께도 증가하는 경향이 발견된다. 한편, O(3P2) 라디칼의 플럭스는, 시험을 한 어떤 조건에 있어서도 거의 일정한 값으로 추이하고 있어, 산화막 두께와의 관계는 발견할 수 없다.
이상의 결과로부터, 플라즈마 중의 O(1D2) 라디칼과 O2 + 이온은 실리콘 산화막의 형성에 어떠한 형태로 관여하고 있지만, O(3P2) 라디칼은 거의 관여하고 있지 않은 것으로 추측된다. 이 추측의 타당성은, 라디칼 및 이온의 포텐셜 에너지 및 전자 상태로부터도 설명할 수 있다.
실리콘을 산화시켜 실리콘 산화막을 형성하기 위해서는, 실리콘의 Si-Si 결합을 절단하여 Si-O 결합을 형성할 필요가 있다. Si-Si의 결합 에너지는 2.3[eV] 인데 대하여, O(1D2) 라디칼의 포텐셜 에너지는 4.6[eV]이며, O(3P2) 라디칼의 포텐셜 에너지는 2.6[eV]이다. 따라서, O(1D2) 라디칼은 Si-Si 결합을 절단하기 위해 필요한 에너지 레벨을 충분히 초과하는 높은 포텐셜 에너지를 갖고 있지만, O(3P2)라디칼의 경우는, 간신히 Si-Si 결합을 절단할 수 있을 정도의 포텐셜 에너지밖에 갖고 있지 않은 것을 알 수 있다.
또한, 라디칼의 전자 상태로부터, O(1D2) 라디칼의 경우에는 Si-O 결합의 형성에 스핀 반전은 없고, O(3P2) 라디칼의 경우는 스핀 반전을 가지므로, O(3P2) 라디칼은 O(1D2) 라디칼에 비하여 Si-O 결합을 형성하기 어렵다. 이와 같이, O(1D2) 라디칼과 O(3P2) 라디칼을 비교하면, 실리콘을 산화시키는 경우에, O(1D2) 라디칼은 반응 장벽이 낮고, O(3P2) 라디칼은 반응 장벽이 높은 것을 알 수 있다. 이상으로부터, 본 발명의 플라즈마 산화 처리에 있어서, 산화 반응에 기여하는 라디칼의 주체는 O(1D2) 라디칼이며, O(3P2) 라디칼은 거의 산화에 기여하고 있지 않은 것이 이해된다.
한편, 도 16으로부터 어떠한 형태로 O(1D2) 라디칼과 마찬가지로 산화 반응에 기여하고 있다고 생각되는 O2 + 이온의 포텐셜 에너지는 12.1[eV]로 매우 크지만, O2 + 이온은 실리콘 표면에 도달하면, 그 실리콘 표면에 부착되어 있는 전자와 결합하여 내부 에너지가 0인 분자상 산소가 되므로(O2 ++e-→O2), 이 상태에서는 직접 실리콘 산화 반응에 기여한다고는 생각할 수 없다. 그러나, O2 + 이온은 실리콘 표면에 도달하기 직전에, 플라즈마 시스를 통과할 때에 가속되므로, 큰 병진 에너지(운동 에너지)를 갖게 된다. 이 병진 에너지의 크기는, 예컨대 상기의 본 발명 조건 A에서 형성된 플라즈마의 경우에 8~10[eV] 정도로, 실리콘 표면의 Si-Si 결합을 충분히 활성화(절단)할 수 있는 크기이다.
이상을 종합하면, 도 17의 흐름도에 나타내는 다음과 같은 모델을 생각할 수 있다.
플라즈마 산화의 초기 단계(산화 개시 단계)에서는, 도 18의 모델도에 나타내는 바와 같이, 우선, 큰 병진 에너지를 갖는 O2 + 이온이 실리콘 최표면에 충돌하고, 실리콘의 Si-Si 결합을 절단하여 활성화하여, 실리콘 표면이 산화되기 쉬운 상태가 된다(제 1 단계). 이어서, 거기에 O(1D2) 라디칼이 공급됨으로써 Si-O 결합이 고속으로 형성된다(제 2 단계). 이 제 1 단계 및 제 2 단계에 의해 상술한 초기 산화인 제 1 산화가 진행된다. 다시 말해, O2 + 이온에 의한 어시스트 효과에 의해, O(1D2) 라디칼에 의한 산화 반응이 촉진되어, 높은 산화 레이트로 실리콘 산화막의 형성이 진행된다.
플라즈마 산화가 진행되어 어느 정도 산화막의 형성이 진행된 단계(상술한 정상 산화인 제 2 산화)에서는, O2 + 이온의 대부분은, 산화 반응이 일어나는 Si-SiO2 계면까지 도달할 수 없으므로, O2 + 이온에 의한 어시스트 효과는 발생하지 않지만, O2 + 이온 어시스트가 없더라도, O(1D2) 라디칼의 확산에 의해 산화 반응이 진행된다(제 3 단계). 그러나, 이 단계에서는, 라디칼의 실활 확률도 높아지므로, 초기 단계(산화 개시 단계)에 비하여 산화 레이트가 대폭 저하된다(도 15 참조).
이와 같이, 본 발명의 플라즈마 산화 처리 방법에 있어서는, 산화 활성종의 주역은 어디까지나 O(1D2) 라디칼이며, O2 + 이온은 O(1D2) 라디칼에 의한 산화 반응을 어시스트하고 있는 것으로 추찰된다. 이상과 같은 산화 반응의 메커니즘을 고려하면, 본 발명의 플라즈마 산화 처리에서는, O(1D2) 라디칼의 밀도가 1×1012[㎝-3] 이상(바람직하게는, 1×1012~1×1013[㎝-3], 보다 바람직하게는, 1×1012~5×1012[㎝-3]) 인 것에 더하여, 또한 O2 + 이온의 밀도가 1×1011[㎝-3] 이상(바람직하게는, 1×1011~1×1012[㎝-3])인 플라즈마를 이용하여 플라즈마 산화 처리를 행함으로써, O2 + 이온에 의한 어시스트 효과를 충분히 얻을 수 있어, 높은 산화 레이트에서의 플라즈마 산화 처리가 가능해지는 것으로 생각된다. 또, 1×1011[㎝-3] 이상의 O2 + 이온 밀도를 갖는 플라즈마를 생성시키기 위한 조건은, 1×1012[㎝-3] 이상의 O(1D2) 라디칼 밀도를 갖는 플라즈마를 생성시킬 수 있는 조건과 마찬가지이고, 예컨대 이하에 나타내는 조건을 들 수 있다.
<이온 어시스트 효과를 얻을 수 있는 플라즈마 산화 처리 조건>
처리 가스로서 Ar 가스와 O2 가스를 이용하여, 예컨대 Ar 가스: 500~10000mL/min(sc㎝), O2 가스: 5~100mL/min(sc㎝)의 유량 범위 중에서, 전체 가스 유량에 대한 산소의 비율이, 예컨대 1% 이하, 바람직하게는 0.2~1%가 되도록 한다. O2/Ar의 유량비는 0.0005~0.2가 바람직하다. 또한, H2 가스를 처리 가스 전체에 대하여 1% 이하, 바람직하게는 0.01~1%의 범위로 혼합하더라도 좋다. 또한, 처리 압력은 90~334㎩가 바람직하고, 90~267㎩가 보다 바람직하고, 90~133.3㎩의 범위가 한층 바람직하다. 또한, 처리 온도는 실온~600℃로부터 선택 가능하고, 400~500℃가 바람직하다. 마이크로파 파워는 1W/㎠ 이상, 예컨대 1~3W/㎠로 하는 것이 바람직하고, 1.4~2.8W/㎠가 보다 바람직하다.
다음으로, 본 발명의 효과를 확인한 시험 결과에 대하여 설명한다.
도 19는, 도 1의 플라즈마 처리 장치(100)를 이용하여, 면 방위가 다른 실리콘 표면을 플라즈마 산화 처리한 결과를 나타내고 있다. 도 19의 그래프의 횡축은 시간이며, 종축은 실리콘의 (110)면에 형성된 산화막 두께[Tox(110)]와, 실리콘의 (100)면에 형성된 산화막 두께[Tox(100)]의 비[Tox(110)/Tox(100)]를 나타내고 있다.
이 시험에 있어서의 플라즈마 형성 조건은 이하와 같다.
<조건 A; 도 19 중의 부호 A>
처리 압력: 133.3㎩(1Torr)
처리 온도: 400℃
마이크로파 파워: 1500W(마이크로파 투과판(28)의 면적 1㎠당, 1.46W/㎠)
Ar 유량: 500mL/min(sc㎝)
O2 유량: 5mL/min(sc㎝)
O2 가스 비율: 약 1%
웨이퍼 직경: 200㎜
마이크로파 투과판(28)의 면적: 1027㎟
<조건 B; 도 19 중의 부호 B>
처리 압력: 666.7㎩(5Torr)
처리 온도: 400℃
마이크로파 파워: 1500W(마이크로파 투과판(28)의 면적 1㎠당, 1.46W/㎠)
Ar 유량: 120mL/min(sc㎝)
O2 유량: 37mL/min(sc㎝)
H2 유량: 3mL/min(sc㎝)
O2 가스 비율: 약 25%
웨이퍼 직경: 200㎜
마이크로파 투과판(28)의 면적: 1027㎟
도 19로부터, O(1D2) 밀도가 높은 조건 A(저압ㆍ저산소 농도 조건)에서는, O(1D2) 밀도가 낮은 조건 B(고압ㆍ고산소 농도 조건)에 비하여, 분명히 등속 산화 라인에 가까워, 면 방위 의존성이 적은 것을 알 수 있다.
다음으로, 상기 조건 A 및 조건 B에 의해, 도 6G에 나타내는 것과 마찬가지의 실리콘의 오목부(110) 내를 플라즈마 산화 처리했다. 그 결과, 조건 A에서 실리콘 산화막을 형성한 오목부(110)의 필렛(110a)에는 둥그스름한 부분이 도입된데 대하여, 조건 B에서 실리콘 산화막을 형성한 오목부(110)의 필렛(110a)에는 둥그스름한 부분은 형성되지 않아, 실리콘의 필렛이 예각이 되어, 누설 전류의 발생 등이 염려되었다.
다음으로, 상기 조건 A 및 조건 B에 의해 형성한 실리콘 산화막을 이용하여 MOS 캐패시터(도시 생략)를 작성하여, TDDB(경시 절연 파괴 시험; Time Dependent Dielectric Breakdown) 측정을 행했다. TDDB 측정 대상의 실리콘 산화막의 막 두께(Tox)는 8㎚, 면적(S)은 1×10-4㎠, 정전류치(CCS)는 -0.1A/㎠, 측정 개소(N)는 28포인트(pts)로 했다.
또한, 비교를 위해, O2 가스와 H2 가스로부터 H2O(수증기)를 만드는 WVG(Water Vapor Generation)법에 의해 950℃로 열 산화 처리함으로써 얻어진 열 산화막에 대해서도, 마찬가지로 TDDB 측정을 실시했다.
도 20은 TDDB 측정의 결과를 나타내고 있고, 종축은 Qbd(산화막 파괴 전하)의 평균치를 의미하고 있다. 도 20으로부터, 본 발명의 O(1D2) 밀도가 1×1012[㎝-3] 이상인 플라즈마를 이용한 플라즈마 산화 처리에 의해 형성된 실리콘 산화막의 경우에는, 열 산화막에 비하여, Qbd가 유의하게 커서, 내압 성능이 우수한 것이 확인되었다.
또, 본 발명은 상기 실시형태에 한정되는 것은 아니고, 여러 가지의 변형이 가능하다. 예컨대, 도 1에서는, RLSA 방식의 플라즈마 처리 장치(100)를 예로 들었지만, 예컨대 리모트 플라즈마 방식, ICP 플라즈마 방식, ECR 플라즈마 방식, 표면 반사파 플라즈마 방식, 마그네트론 플라즈마 방식 등의 플라즈마 처리 장치이더라도 좋다.
또한, 상기 실시형태에서는, 본 발명을 STI에서의 트렌치 내의 산화막 형성 을 적용한 경우를 예로 들었지만, 이것에 한하지 않고, 예컨대 트랜지스터에 있어서의 게이트 절연막으로서의 실리콘 산화막의 형성에도 적용할 수 있다.
또한, 요철이 형성되어 부위에 따라 면 방위가 상이한 실리콘 표면, 예컨대 핀 구조나 홈 게이트 구조의 3차원 트랜지스터의 제조 과정에서 게이트 절연막 등으로서의 실리콘 산화막을 형성하는 경우에도, 본 발명을 적용하는 것이 가능하다.
또한, 상기 실시형태에서는, 챔버(1)에 마련된 서로 대향하는 1쌍의 포트(투과창(65, 67))를 통하여 레이저 광을 조사ㆍ수광하여 플라즈마 중의 라디칼 밀도를 계측했지만, 복수의 대향 포트를 통하여 라디칼 밀도의 계측을 행하는 것도 가능하다. 예컨대, 도 21에 나타내는 바와 같이, 복수의 레이저 광원(예컨대, 레이저 광원(61a, 61b, 61c))으로부터, 각각 복수의 포트(투과창(65, 67))를 통하여 복수의 수광부(예컨대, VUV 모노크로미터(63a, 63b, 63c))를 향하여 레이저 광을 조사하고, 그 결과를, 예컨대 아벨 변환 등의 수법으로 해석함으로써, 챔버(1) 내에서의 플라즈마 중의 라디칼 밀도의 공간 분포를 파악할 수 있다. 이 경우, 라디칼 밀도의 공간 분포의 계측 결과에 근거하여 피드백을 행하여 플라즈마 처리 조건을 보정함으로써, 플라즈마 중의 라디칼 밀도를 균일화하는 것이 가능하다.
본 발명은 반도체 디바이스의 제조 과정에서 단결정 실리콘 또는 다결정 실리콘에 산화막을 형성하는 처리에 적합하게 이용할 수 있다.

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  18. 피처리체를 마이크로파 여기 플라즈마 처리하기 위한 진공 배기 가능한 처리실과,
    상기 처리실 내에 Ar 가스와 산소 가스를 포함하는 처리 가스를 공급하는 가스 도입 부재와,
    상기 처리실 내에 마이크로파를 도입하여 상기 마이크로파 여기 플라즈마를 생성하기 위한 복수의 슬롯을 갖는 평면 안테나와,
    상기 마이크로파 여기 플라즈마 중의 O(1D2) 라디칼 밀도를 계측하는 하나의 제1 레이저와 상기 제1 레이저와 상이한 적어도 하나의 제2 레이저를 포함하는 계측 수단과,
    상기 처리실 내를 감압하기 위한 배기 장치를 접속하는 배기관과,
    상기 처리실 내의 압력을 상기 배기 장치에 의해 1.33Pa~334Pa로 하고, 상기 가스 도입 부재로부터 Ar 가스와 산소 가스를 상기 처리 가스 중의 산소 가스의 비율을 0.2~1%로 공급하고, 상기 처리실 내에 상기 평면 안테나에 의해 마이크로파의 파워를 0.97~2.67W/cm2로 상기 처리실 내에 도입하며, 상기 계측 수단의 계측에 의해 O(1D2) 라디칼의 밀도가 1×1012[㎝-3] 이상인 플라즈마를 생성하고, 그 플라즈마에 의해 피처리체 표면의 산화 처리가 행해지도록 제어하는 제어부
    를 구비한 것을 특징으로 하는, 플라즈마 산화 처리 장치.
  19. 삭제
  20. 피처리체를 마이크로파 여기 플라즈마 처리하기 위한 진공 배기 가능한 처리실과,
    상기 처리실 내에 Ar 가스와 산소 가스를 포함하는 처리 가스를 공급하는 가스 도입 부재와,
    상기 처리실 내에 마이크로파를 도입하여 상기 마이크로파 여기 플라즈마를 생성하기 위한 복수의 슬롯을 갖는 평면 안테나와,
    상기 마이크로파 여기 플라즈마 중의 O(1D2) 라디칼 밀도를 계측하는 하나의 제1 레이저와 상기 제1 레이저와 상이한 적어도 하나의 제2 레이저를 포함하는 계측 수단과,
    상기 처리실 내를 감압하기 위한 배기 장치를 접속하는 배기관과,
    상기 계측 수단에 의해 계측한 상기 O(1D2) 라디칼의 계측 결과에 근거하여, 상기 O(1D2) 라디칼 밀도가 1×1012[㎝-3] 이상이 되도록 마이크로파 여기 플라즈마 형성 조건을 상기 배기 장치에 의해 상기 처리실 내의 압력을 1.33Pa~334Pa로 하고, 상기 가스 도입 부재로부터 Ar 가스와 산소 가스를 상기 처리 가스 중의 산소 가스의 비율을 0.2~1%로 공급하고, 상기 처리실 내의 상기 평면 안테나에 의해 도입되는 마이크로파의 파워를 0.97~2.67W/cm2로 제어하는 제어부
    를 구비한 것을 특징으로 하는, 플라즈마 산화 처리 장치.
  21. 제18항 또는 제20항에 있어서,
    상기 제1 레이저는 엑시머 레이저이고, 상기 제2 레이저는 색소 레이저인 것을 특징으로 하는 플라즈마 산화 처리 장치.
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