WO2006129643A1 - プラズマ処理装置およびプラズマ処理方法 - Google Patents

プラズマ処理装置およびプラズマ処理方法 Download PDF

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Jun Yamashita
Toshio Nakanishi
Tatsuo Nishita
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    • H10P14/6921—Inorganic materials composed of oxides, glassy oxides or oxide-based glasses containing silicon
    • H10P14/69215—Inorganic materials composed of oxides, glassy oxides or oxide-based glasses containing silicon the material being a silicon oxide, e.g. SiO2

Definitions

  • the present invention relates to a plasma processing apparatus for processing a target substrate such as a semiconductor substrate using plasma and performing a process of forming an oxide film, a nitride film, an oxynitride film or the like on the surface of the target substrate, and And a plasma processing method.
  • an acid treatment of silicon or the like is performed for the purpose of forming an insulating film.
  • a silicon oxide film is extremely stable and also has a function as a protective film for external force. Therefore, the film formation technique is indispensable for manufacturing semiconductor devices.
  • a technique for forming a high-quality silicon oxide film with a thin film thickness of 1 nm or less is required.
  • thermal oxidation method has been used to form an oxide film on a silicon surface.
  • thermal oxidation performed at a high temperature of about 1000 ° C has a problem that thermal damage such as re-diffusion of doped impurities occurs.
  • thermal oxidation such as LP-CV D and RTO (Rapid Thermal Oxidation) has a problem that it is difficult to control the film thickness when a thin film of several nm is formed.
  • Patent Document 1 In the presence of a processing gas containing at least, a plasma processing apparatus provided with a partition plate having an opening has been proposed (for example, Patent Document 1). .
  • Patent Document 1 International Publication WO2004Z047157
  • Patent Document 1 is an excellent method that can reduce plasma damage by a partition plate having an opening. In the case of forming an oxide film with a thin film thickness of 1.5 nm or less (particularly, In m or less). It is not considered whether this is applicable.
  • an object of the present invention is to provide a plasma processing apparatus and a plasma processing method capable of controlling the film thickness even when forming a thin film when forming a silicon oxide film or the like using plasma. There is.
  • a processing chamber for accommodating a substrate to be processed
  • a substrate holder for placing a substrate to be processed in the processing chamber
  • a plasma bending means for bending a plasma flow of a processing gas supplied from an upper portion of the processing chamber toward a substrate to be processed placed on the substrate holding table.
  • the plasma bending means may be configured such that two or more plates formed with a plurality of through openings are arranged so that the positions of the through openings do not overlap.
  • the plate is made of a dielectric.
  • the gap adjusting member is preferably a ring-shaped member.
  • the plasma bending means can be a plate made of a porous dielectric.
  • the porosity of the porous dielectric is preferably 70 to 80%.
  • the plasma processing apparatus includes a planar antenna having a plurality of slots for introducing a microwave into the processing chamber.
  • a treatment is performed in a treatment chamber of a plasma oxidation treatment apparatus.
  • a plasma processing method for forming a silicon oxide film by applying an oxygen-containing plasma to silicon on a surface of a substrate to perform an acid treatment is performed in a treatment chamber of a plasma oxidation treatment apparatus.
  • a plasma processing method for performing processing by interposing a plasma bending means for bending a plasma flow between a plasma generation region in the processing chamber and the substrate to be processed.
  • the plasma bending means may be configured such that two or more plates formed with a plurality of through openings are arranged so that the positions of the through openings do not overlap.
  • the plate is made of a dielectric.
  • the plasma bending means may be a plate made of a porous dielectric.
  • the porosity of the porous dielectric is preferably 70 to 80%.
  • the thickness of the oxide film to be formed can be set to 1 nm or less.
  • the oxygen-containing plasma is preferably formed by introducing a microwave into the processing chamber using a planar antenna having a plurality of slots.
  • the plasma processing apparatus of the present invention includes plasma bending means for bending the plasma flow when the plasma passes. Therefore, the action of ions in the plasma can be suppressed and the progress of the oxidization reaction or nitridation reaction can be adjusted.
  • a thin silicon oxide film with a thickness of 1.5 nm, particularly lnm or less can be formed while controlling the film thickness with high accuracy. Further, since the uniformity of the formed oxide film is good, the utility value is high in the process of manufacturing a semiconductor device that is being miniaturized.
  • FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing an example of a plasma oxidation processing apparatus according to a first embodiment of the present invention.
  • FIG. 2A is a plan view for explaining a double plate.
  • FIG. 2B is a cross-sectional view of an essential part for explaining a double plate.
  • FIG. 3 is a drawing for explaining an antenna member.
  • FIG. 4 is a principle diagram for explaining the operation of the double plate.
  • FIG. 5A is a schematic diagram showing a cross-sectional structure of a wafer from which elements are separated in the process of manufacturing a transistor.
  • FIG. 5B is a schematic diagram showing a state in which plasma oxidation treatment is performed for the purpose of forming a gate insulating film in the transistor manufacturing process!
  • FIG. 5C is a schematic view showing a state where a 5C] transistor is formed.
  • FIG. 6 is a schematic cross-sectional view showing an example of a plasma oxidation processing apparatus according to a second embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is a schematic cross-sectional view showing an example of a plasma oxidation processing apparatus according to a third embodiment of the present invention.
  • FIG. 8 is a schematic cross-sectional view showing an example of a plasma oxidation treatment apparatus according to a fourth embodiment of the present invention.
  • FIG. 9 is a schematic sectional view showing an example of a plasma oxidation processing apparatus according to a fifth embodiment of the present invention.
  • FIG. 10 is a schematic sectional view showing an example of a plasma oxidation treatment apparatus according to the sixth embodiment of the present invention.
  • FIG. 11 is a graph showing the relationship between the plasma acid treatment time and the film thickness of the oxide film in Example 1 and the like.
  • FIG. 12 is a graph showing the relationship between the processing time of the plasma acid treatment and the film thickness of the oxide film in Example 2 and the like.
  • FIG. 13 is a graph showing the relationship between the processing time of the plasma acid treatment in Example 2 and the uniformity of the oxide film.
  • FIG. 14 is a graph showing the relationship between the processing time of the plasma oxidation treatment of Example 3 and the film thickness and uniformity of the oxidation film.
  • FIG. 15 is a graph showing the relationship between the film thickness and uniformity of the acid film of the plasma acid treatment in Examples 4 to 6 and the like.
  • FIG. 16 is a graph showing the relationship between the processing time of the plasma acid treatment and the film thickness of the oxide film in Examples 4 to 6 and the like.
  • FIG. 17 is a drawing for explaining a gap ring.
  • FIG. 18 is a drawing for explaining another embodiment of a double plate.
  • FIG. 19 is a drawing for explaining still another embodiment of the double plate. BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
  • FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing an example of a plasma oxidation treatment apparatus according to the first embodiment of the present invention.
  • This plasma oxidation treatment apparatus generates plasma by introducing microwaves into a processing chamber with a planar antenna having a plurality of slots, particularly RLSA (Radial Line Slot Antenna). It is configured as an RLSA microwave plasma oxidation treatment device that can generate microwave plasma with high density and low electron temperature. For example, it is used for various semiconductor devices such as MOS transistors and MOSFETs (field effect transistors). In the manufacturing process, it can be suitably used for the purpose of forming a silicon oxide film. In addition, it can utilize also as a plasma nitridation processing apparatus in order to form a silicon nitride film by changing the process gas supplied to nitrogen-containing gas.
  • the plasma oxidation treatment apparatus 100 includes a substantially cylindrical chamber 1 that is airtight and grounded.
  • a circular opening 10 is formed at a substantially central portion of the bottom wall la of the chamber 11, and an exhaust chamber 11 that communicates with the opening 10 and protrudes downward is provided on the bottom wall la. ing.
  • a susceptor 2 having a ceramic force such as A1N for horizontally supporting a silicon wafer (hereinafter simply referred to as "Ueno") W, which is an object to be processed, is provided in the chamber 11.
  • the susceptor 2 is supported by a support member 3 that also has a ceramic force such as a cylindrical A1N that extends above the bottom center force of the exhaust chamber 11.
  • a guide ring 4 for guiding the wafer W is provided on the outer edge of the susceptor 2.
  • a resistance heating type heater 5 is embedded in the susceptor 2. The heater 5 is supplied with power from a heater power source 6 to heat the susceptor 2, and the wafer W as an object to be processed is heated by the heat. Heat.
  • the temperature can be controlled in the range from room temperature to 800 ° C.
  • a cylindrical liner 7 having a quartz force is provided on the inner periphery of the chamber 11 to prevent metal contamination due to the material constituting the chamber 1 and to keep the inside of the chamber 11 in a clean atmosphere.
  • a baffle plate 8 having a large number of through holes is provided in an annular shape on the outer peripheral side of the susceptor 2 in order to uniformly evacuate the chamber 11, and the baffle plate 8 includes a plurality of support columns 9. Is supported by The kaffle plate 8 can be made of a material such as quartz or ceramics.
  • the susceptor 2 is provided with wafer support pins (not shown) for supporting the wafer W and moving it up and down so as to protrude and retract with respect to the surface of the susceptor 2.
  • a double plate 60 is provided above the susceptor 2 as plasma bending means for bending the plasma flow.
  • the double plate 60 forms a flow path with a labyrinth structure.
  • a first space S is formed above the double plate 60, and a second space S is formed below the double plate 60.
  • This double plate 60 is shown in Figure 1.
  • the upper plate 61 having the through hole 61a and the lower plate 62 having the through hole 62a are configured. These upper and lower plates 61, 62 bend the flow of the plasma that passes through them, restricting the ions in the plasma to be supplied linearly toward Weno and W, trapping ions, and reducing ion energy It works to let you.
  • the upper and lower plates 61 and 62 are, for example, quartz, sapphire, SiN, SiC, Al 2 O
  • the material of the upper and lower plates 61 and 62 high-purity quartz having very few impurities such as metal and alkali metal is used.
  • the total amount of impurities in the quartz member is preferably 50 ppm or less! /.
  • the upper plate 61 and the lower plate 62 are connected at a plurality of locations by connecting members 71 provided in the vicinity of the peripheral edge, and are arranged in parallel with a predetermined distance (described later).
  • the connecting member 71 also functions as a spacer that adjusts the distance between the upper and lower plates 61 and 62.
  • the lower plate 62 is supported by engaging an outer peripheral portion of the lower plate 62 with a support portion 70 protruding from the liner 7 in the chamber 11 toward the inside.
  • the mounting position of the plates 61 and 62 is preferably close to the wafer W.
  • the distance between the lower end of the lower plate 62 and the wafer W is, for example, about 10 mm, preferably 3 to 20 mm. Is more preferable.
  • the distance between the upper end of the upper plate 61 and the lower end of the microwave transmitting plate 28 (described later) is preferably about 35 mm, preferably 20 to 50 mm. More preferable.
  • FIG. 2A shows a state in which the upper and lower plates 61 and 62 are overlapped and viewed from above, and FIG.
  • the thickness (T) of the upper plate 61 and the thickness (T) of the lower plate 62 are both
  • the distance (L) between the two plates 61 and 62 is, for example, preferably about 3 to: LO mm, more preferably set to 5 mm.
  • the through holes 61a of the upper plate 61 and the through holes 62a of the lower plate 62 are arranged substantially evenly so as to cover the mounting area of the wafer W indicated by the broken line in FIG. 2A. Then, as shown in FIGS. 2A and 2B, in a state where the two plates 61 and 62 are stacked, the through hole 62a of the lower plate 62 and the through hole 61a of the upper plate 61 do not overlap. They are formed out of position with respect to each other. That is, the through hole 6 la and the through hole 62 a are arranged so as to form a labyrinth structure in which an opening that connects the upper surface of the upper plate 61 linearly to the wafer surface is not formed.
  • the diameter D of the through hole 61a and the diameter D of the through hole 62a can be arbitrarily set.
  • the through hole 6 la of the upper plate 61 and the through hole 62a of the lower plate 62 that have different sizes depending on the position of the through hole 61a or 62a in the same plate have different sizes. It can also be formed.
  • any arrangement such as concentric circles, radial shapes, spiral shapes, lattice shapes, and staggered shapes can be selected as long as the positions of the holes are shifted between the upper and lower plates 61 and 62.
  • the through holes 61a and 62a may have a triangular shape such as a triangle or a quadrangle, an elliptical shape, or a slit shape.
  • the positional deviation between the through hole 61a and the through hole 62a that is, the wall 61b constituting the through hole 61a of the upper plate 61 and the wall 62b constituting the through hole 62a of the lower plate 62, Distance lL can determine the optimum condition in relation to the distance L between the upper and lower plates 61, 62.
  • T that is, the height of the walls 61b and 62b
  • D that is, the height of the walls 61b and 62b
  • D diameters D and D of the through holes 61a and 62a
  • an annular gas introduction member 15 is provided on the side wall of the chamber 11 above the double plate 60, and a gas supply system 16 is provided in the gas introduction member 15. It is connected.
  • the gas introduction member may be arranged in a nozzle shape or a shower shape.
  • This gas supply system 16 includes, for example, an Ar gas supply source 17 and an O gas supply source 18, which
  • the gas reaches the gas introduction member 15 through the gas line 20 and is introduced into the chamber 11 from the gas introduction member 15.
  • Each of the gas lines 20 is provided with a mass flow controller 21 and front and rear opening / closing valves 22.
  • a rare gas such as He, Kr, or Xe may be used in place of the Ar gas.
  • An exhaust pipe 23 is connected to a side surface of the exhaust chamber 11, and an exhaust device 24 including a high-speed vacuum pump is connected to the exhaust pipe 23.
  • an exhaust device 24 including a high-speed vacuum pump is connected to the exhaust pipe 23.
  • the exhaust device 24 is uniformly discharged into the space 1 la of the exhaust chamber 11 through the gas force baffle plate 8 in the chamber 11 and exhausted through the exhaust pipe 23.
  • the inside of the chamber 11 can be depressurized at a high speed to a predetermined degree of vacuum, for example, 0.133 Pa.
  • a loading / unloading port 25 for loading / unloading the wafer W to / from a transfer chamber (not shown) adjacent to the plasma oxidation treatment apparatus 100, and the loading / unloading port 25.
  • a gate valve 26 that opens and closes!
  • the upper portion of the chamber 11 is an opening, and an annular upper plate 27 is joined to the opening.
  • the inner peripheral lower part of the upper plate 27 faces the inner space of the chamber. It protrudes and forms an annular support portion 27a.
  • Microwave transmission plate that transmits microwaves by supporting ceramics such as quartz, Al 2 O, and A1N on support 27a.
  • An antenna member 31 is provided above the microwave transmission plate 28 so as to face the susceptor 2.
  • the antenna member 31 is configured, for example, as a disk-shaped planar antenna, and is locked to the upper end of the side wall of the chamber 1.
  • the antenna member 31 also has a copper plate or aluminum plate force with a surface plated with gold or silver, and has a structure in which a large number of microwave radiation holes (slots) 32 are formed through a predetermined pattern.
  • the microwave radiation holes 32 have, for example, a long groove shape as shown in FIG. 3.
  • adjacent microwave radiation holes 32 are arranged in a “T” shape, and the plurality of microwave radiation holes 32 are arranged. 32 are arranged concentrically.
  • the length and the arrangement interval of the microwave radiation holes 32 are determined according to the wavelength (g) of the microwave.
  • the distance between the microwave radiation holes 32 is gZ4, gZ2, or g.
  • the interval between adjacent microwave radiation holes 32 formed concentrically is indicated by Ar.
  • the microwave radiation hole 32 may have another shape such as a circular shape or an arc shape.
  • the arrangement form of the microwave radiation holes 32 is not particularly limited, and the microwave radiation holes 32 may be arranged concentrically, for example, spirally or radially.
  • the antenna member 31 may have a rectangular plate shape. In this case, a plurality of rows of microwave radiation holes 32 are arranged in series, and the rows of adjacent microwave radiation holes 32 are formed in parallel. Good.
  • a slow wave member 33 having a dielectric constant larger than that of vacuum is provided on the upper surface of the antenna member 31.
  • the material of the slow wave material 33 for example, fluorine-based resin such as quartz and polytetrafluoroethylene, polyimide resin and the like are preferable.
  • the slow wave material 33 has a function of adjusting the wavelength of the microwave to be short. Since the wavelength of the microwave becomes longer in a vacuum, the wavelength of the microwave is shortened by providing the slow wave material 33 so that the microwave can be efficiently supplied to the microwave radiation hole 32. It should be noted that the antenna member 31 and the microwave transmission plate 28 and the slow wave member 33 and the antenna member 31 may be brought into contact with each other or may be separated from each other. ,.
  • a shield lid 34 made of a metal material such as aluminum or stainless steel is provided on the upper surface of the chamber 11 so as to cover the antenna member 31 and the slow wave material 33.
  • the shield lid 34 also has a waveguide function for propagating microwaves in the plane direction.
  • the upper surface of the chamber 11 and the shield lid 34 are sealed by a seal member 35.
  • a cooling water flow path 34a is formed in the shield lid 34, and the shield lid 34, the slow wave material 33, the antenna member 31, and the microwave transmission plate 28 are cooled by allowing cooling water to flow therethrough. It is like that. By cooling these members, the slow wave member 33, the antenna member 31 and the microwave transmission plate 28 can be prevented from being deformed or damaged by heat, and a stable plasma can be formed.
  • the shield lid 34 is grounded.
  • An opening 36 is formed in the center of the upper wall of the shield lid 34, and a waveguide 37 is connected to the opening.
  • a microwave generator 39 is connected to the end of the waveguide 37 via a matching circuit 38. Thereby, for example, a microwave having a frequency of 2.45 GHz generated by the microwave generator 39 is propagated to the antenna member 31 through the waveguide 37.
  • the microwave frequency 8.35 GHz, 1.98 GHz, or the like can be used.
  • the waveguide 37 includes a coaxial waveguide 37a having a circular cross section extending upward from the opening 36 of the shield lid 34, and a mode converter 40 at the upper end of the coaxial waveguide 37a. And a rectangular waveguide 37b extending in the horizontal direction.
  • the mode change 40 between the rectangular waveguide 37b and the coaxial waveguide 37a has a function of converting the microphone mouth wave propagating in the TE mode in the rectangular waveguide 37b into the TEM mode.
  • An inner conductor 41 extends at the center of the coaxial waveguide 37a, and the inner conductor 41 is connected and fixed to the center of the antenna member 31 at the lower end thereof. Thereby, the microwave is efficiently and uniformly propagated radially and to the antenna member 31 through the inner conductor 41 of the coaxial waveguide 37a.
  • Each component of the plasma oxidation processing apparatus 100 is connected to and controlled by a process controller 50 having a CPU.
  • the process controller 50 includes a keyboard for the process manager to input commands to manage the plasma oxidation treatment apparatus 100, a display that visualizes and displays the operating status of the plasma oxidation treatment apparatus 100, etc.
  • the user interface 51 is connected! [0039]
  • the process controller 50 records a control program (software), processing condition data, and the like for realizing various processes executed by the plasma oxide treatment apparatus 100 under the control of the process controller 50.
  • the storage unit 52 where the recipe is stored is connected.
  • recipes such as the control program and processing condition data may be stored in a computer-readable storage medium such as a CD-ROM, a hard disk, a flexible disk, or a flash memory, or other recipes may be used. For example, it is possible to transmit the data from time to time via a dedicated line and use it online.
  • the silicon oxide film is formed by oxidizing the silicon layer of the wafer W by the following procedure. it can.
  • the gate valve 26 is opened, and the Ueno, W, on which the silicon layer is formed from the loading / unloading port 25, is loaded into the chamber 1 and placed on the susceptor 2. Then, Ar gas and O gas are introduced at a predetermined flow rate from the Ar gas supply source 17 and the O gas supply source 18 of the gas supply system 16.
  • the flow rate of rare gas such as Ar is set to 200 to 3000 mLZmin (sccm), O gas.
  • the microwave from the microwave generator 39 is guided to the waveguide 37 through the matching circuit 38, and sequentially passes through the rectangular waveguide 37b, the mode converter 40, and the coaxial waveguide 37a. Is supplied to the antenna member 31 via the inner conductor 41 and the microwave radiation of the antenna member 31 is released. The light is emitted from the injection hole 32 through the microwave transmitting plate 28 into the space above the Weno and W in the chamber 11. The microwave propagates in the TE mode in the rectangular waveguide 37b, and the TE mode microwave is converted into the TEM mode by the mode change 40 and propagates in the coaxial waveguide 37a toward the antenna member 31. And An electromagnetic field is formed in the chamber 11 by the microwave radiated from the antenna member 31 through the microwave transmitting plate 28 to the chamber 11, and Ar gas and O gas are turned into plasma. At this time, the power of the microwave generator 39
  • This microwave plasma is substantially 1 X 1 ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ in the first space S, which is a plasma generation region, when microwaves are radiated from the many microwave radiation holes 32 of the antenna member 31. 12 / ⁇ !! Plasma with a high density of 3 and an electron temperature of approximately 1 to 2 eV.
  • the plasma passes through the double plate 60.
  • the ion density in the plasma can be reduced to 1 X 10 9 to less than 1 X 10 11 / cm 3 and the electron temperature can be reduced to 0.7 eV or less. Plasma damage due to ions etc. can be further reduced.
  • oxygen is introduced into silicon by the action of active species in the plasma, mainly oxygen radicals (O *), to form Si—O bonds, and a high-quality silicon oxide film is formed.
  • FIG. 4 is a principle diagram schematically showing the pattern of the plasma oxidation treatment of the wafer W by the plasma oxidation treatment apparatus 100.
  • the microwave supplied from the antenna member 31 of the plasma oxidation treatment apparatus 100 and Ar The plasma generated by the action of / O gas is placed on the susceptor 2 in the space inside the chamber 11.
  • a double plate 60 (upper plate 61 and lower plate 62) is provided, so that ions are trapped when passing through this, and the ion energy of the plasma is weakened.
  • the plasma branches into a plurality of flows when passing through the through hole 61a of the upper plate 61.
  • the plasma flow then merges between the upper plate 61 and the lower plate 62 and then branches again when passing through the through-hole 62a of the lower plate 62, so that the lower plate 62 Rejoin below.
  • the double plate 60 that forms the flow path of the labyrinth structure prevents ions in the plasma from reaching the wafer W linearly. As shown in FIG.
  • the positions of the two plates are overlapped so that the through hole 62a of the lower plate 62 and the through hole 61a of the upper plate 61 do not overlap. It is important to form them (see Fig. 2A and Fig. 2B).
  • Such an arrangement (labyrinth structure) of the through holes 61a and 62a makes it possible to selectively pass oxygen radicals while blocking the passage of ions in the plasma. Oxygen radicals that have passed through the upper and lower plates 61 and 62 react with the silicon exposed on the wafer W to form SiO (oxide film).
  • Such plasma oxidation treatment apparatus 100 is characterized by a very thin, dense, high-quality silicon oxide film (SiO film) or silicon nitride of lnm or less, for example, about 0.3 to 0.8 nm. Film (SiN film) and silicon oxynitride film (SiON film) are formed
  • the method of the present invention can be applied to the manufacturing process of various semiconductor devices such as MOS transistors.
  • 5A to 5C are diagrams illustrating an example in which the plasma processing method of the present invention is applied in the process of manufacturing a transistor.
  • a well (not shown) is formed on a P-type or N-type Si substrate 101, and an element isolation layer 102 is formed by, for example, the LOCOS method.
  • the silicon substrate 101 is preferably washed with a 1% dilute hydrofluoric acid (DHF) solution in advance to remove the oxide film.
  • DHF dilute hydrofluoric acid
  • the element isolation layer 102 may be formed by STI (Shallow Trench Isolation).
  • plasma oxide treatment is performed to form a gate oxide film (SiO film) 103 on the surface of the silicon substrate 101.
  • SiO film silicon oxide film
  • the gate oxide film 103 is formed mainly by the action of oxygen radicals, and a high-quality gate oxide film 103 with little film damage caused by ions is obtained.
  • the thickness of the gate oxide film 103 varies depending on the target device, but can be, for example, 1 nm or less, preferably about 0.3 to 0.8 nm.
  • a polysilicon layer 104 is formed on the formed gate oxide film 103 by, for example, CVD, and then etched using a mask patterned by a photolithography technique to form a gate electrode.
  • the gate electrode structure is not limited to the single layer of the polysilicon layer 104.
  • tungsten, molybdenum, tantalum, titanium, their silicides, nitrides, alloys are used for the purpose of reducing the specific resistance of the gate electrode and increasing the speed. It is also possible to make a laminated structure including the like.
  • the gate electrode thus formed is subjected to ion implantation and activation treatment to form a source Z drain (not shown), and a side wall 105 made of an insulating film is formed.
  • a MOS structure transistor 110 can be manufactured.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view schematically showing an example of a plasma oxidation treatment apparatus according to the second embodiment of the present invention.
  • a porous plate 63 made of quartz is provided instead of the double plate 60 of the plasma oxidation treatment apparatus 100 of FIG.
  • the porous plate 63 has a porosity of about 75%, and is attenuated by collision of ions in the plasma with the porous plate 63 when the oxygen-containing plasma passes through the pores. Therefore, it functions as a plasma bending means in the same manner as the double plate 60 in the first embodiment (FIG. 1).
  • the porosity of the porous plate 63 is preferably 65 to 85%, more preferably 70 to 80%.
  • porous plate 63 As a material of the porous plate 63, a material other than quartz can be used as long as it is a porous dielectric. 6 is the same as that of the plasma oxidation treatment apparatus 100 of FIG. 1, and therefore the same reference numerals are used for the description. Omitted.
  • the plasma bending means has a flow path for passing plasma, such as the double plate 60 shown in FIG. 1 and the porous plate 63 shown in FIG.
  • the form is not limited.
  • FIG. 7 is a cross-sectional view schematically showing an example of a plasma oxidation treatment apparatus according to the third embodiment of the present invention.
  • the gas introduction member 15a and the gas introduction member 15b are provided above and below the double plate 60 with the double plate 60 interposed therebetween.
  • These gas introduction members 15 a and 15 b are provided in an annular shape on the side wall of the chamber 11 and are connected to the gas supply system 16. That is, the gas introduction member 15a is, for example, Ar gas supply source 17, and the gas introduction member 15b is, for example, O gas supply source 18.
  • the gas introduction members 15a and 15b are respectively introduced into the chamber 11.
  • the gas introduction site is composed of a gas introduction member 15a for introducing a rare gas such as Ar,
  • reaction system gas is introduced by the gas introduction member 15b and interposing the double plate 60 between them, only the rare gas introduced into the region above the double plate 60 is used. Plasma can be generated. Since the plasma generated by the rare gas alone passes through the double plate 60 and its ion energy and electron temperature are reduced, a reaction system such as O is present in the region below the double plate 60.
  • FIG. 8 is a cross-sectional view showing a schematic configuration of a plasma oxidation treatment apparatus 400 according to the fourth embodiment of the present invention.
  • the plasma oxidation processing apparatus 400 can be configured as an ECR (Electron Cyclotron Resonance) type microwave plasma processing apparatus.
  • Reference numeral 401 denotes a magnetron, which is a microwave oscillation source.
  • the magnetron 401 is connected to the discharge chamber 405 via a rectangular waveguide 402, a circular waveguide 403, and a tapered waveguide 404.
  • the discharge chamber 405 is made of a material such as high-purity aluminum.
  • a vacuum chamber 406 is provided below the discharge chamber 405.
  • a quartz plate 407 for supplying microwaves to the discharge chamber 405 is provided between the tapered waveguide 404 and the discharge chamber 405.
  • Solenoid coils 408 and 409 are provided around the discharge chamber 405, and are configured so that a magnetic field can be applied to the discharge chamber 405.
  • a mounting table (susceptor 410) for mounting the wafer W is provided below the discharge chamber 405.
  • the susceptor 410 includes heating means such as a resistance heater (not shown).
  • the susceptor 410 is connected to an RF power source 411 for bias.
  • a double plate 430 is provided above the susceptor 410, that is, between the quartz plate 407 and the susceptor 410, as a plasma bending means for bending the plasma flow when passing through the susceptor 410.
  • the double plate 430 forms a labyrinth-structure flow path.
  • a first space S is formed above the double plate 430, and a second space S is formed below the double plate 430.
  • This double plate 430 has an upper plate with a through hole 43 la.
  • the lower plate 432 having a rate 431 and a through-hole 432a is used, and its structure and function are the same as those of the double plate 60 in the plasma processing apparatus 100 of FIG.
  • Reference numerals 433 and 434 are support members for supporting the plates 431 and 432, respectively.
  • a gas introduction part 412 is provided on the side wall above the double plate 430, and a gas supply system 413 is connected to the gas introduction part 412.
  • the gas supply system 413 includes, for example, an Ar gas supply source 414 and an O gas supply source 415.
  • Each ska reaches the gas introduction part 412 via the gas line 416 and is introduced into the discharge chamber 405 from the gas introduction part 412.
  • Each of the gas lines 416 is provided with a mass flow controller 417 and front and rear opening / closing valves 418.
  • the vacuum chamber 406 is connected to an exhaust device 420 having a vacuum pump for decompressing and exhausting the inside of the vacuum chamber 406 through an exhaust pipe 419, and the inside of the vacuum chamber 406 is decompressed to a high vacuum state. It is configured to be able to.
  • an opening 406a for carrying a wafer in and out is formed in a side portion of the vacuum chamber 406, and a gate valve 421 is provided on the outside thereof.
  • a magnetron 401 is attached to a rectangular waveguide 402. For example, it oscillates 2.45GHz microwave.
  • a predetermined magnetic field distribution is set in the discharge chamber 405 by the solenoid coils 408 and 409.
  • the processing gas is introduced from the gas supply system 413 through the gas line 416 into the discharge chamber 405 through the gas introduction unit 412.
  • the processing gas is turned into plasma in the first space S in the discharge chamber 405, and the wafer W is oxidized by the radical-based plasma that has passed through the double plate 430.
  • FIG. 9 is a cross-sectional view showing a schematic configuration of a plasma oxidation processing apparatus 500 according to the fifth embodiment of the present invention.
  • the plasma oxidation treatment apparatus 500 is configured as an inductively coupled plasma (ICP) apparatus.
  • ICP inductively coupled plasma
  • the plasma oxidation treatment apparatus 500 has a bottomed cylindrical chamber 521 with an open top, and a gas supply unit 545 and a gasket 546 that are continuously disposed above the chamber 521.
  • a closed cylindrical bell jar 522 and a processing vessel 520 which also has a force.
  • a susceptor (substrate mounting table) 523 for horizontally supporting the wafer W, which is the object to be processed, is arranged in a state supported by a cylindrical support member 532.
  • a recess 524 is formed on the upper surface of the susceptor body 527 in substantially the same shape as the wafer W, and the wafer W is placed in the recess 524.
  • a disk-shaped lower electrode 525 formed in a mesh shape is embedded below the recess 524, and a heating element 526 is embedded below the lower electrode 525.
  • the susceptor 523 is a susceptor that also has insulator strength like ceramics such as A1N and AlO.
  • a lower electrode 525 for applying a bias voltage and a heating element 526 made of tandastain, molybdenum or the like are embedded, and the susceptor body 527 and the heating element 526
  • the ceramic heater is made up of.
  • a DC power supply 541 is connected to the heating element 526. By supplying power from the power supply 541, the heating element 526 can be heated and the wafer W can be heated to a predetermined temperature.
  • annular shadow ring 530 made of a dielectric material such as quartz, A1N, Al 2 O or the like is provided above the susceptor 523 so as to cover the edge of the wafer W placed in the recess 524.
  • the shadow ring 530 is connected to an annular member 534 via a support column 533 connected to the lower surface thereof, and an elevating mechanism 537 is connected to the annular member 534 via a rod-like member 536.
  • an elevating mechanism 537 is connected to the annular member 534 via a rod-like member 536.
  • a double plate 580 is provided above the susceptor 523 as plasma bending means for bending the plasma flow when passing through the susceptor 523.
  • the double plate 580 forms a flow path with a labyrinth structure.
  • a first space S is formed above the double plate 580, and a second space S is formed below the double plate 580.
  • the heavy plate 580 is composed of an upper plate 581 having a through hole 581a and a lower plate 582 having a through hole 582a, and the structure and function thereof are the same as the double plate 60 in the plasma processing apparatus 100 of FIG. Since it is the same, description is abbreviate
  • Reference numerals 583 and 584 are support members for supporting the plates 581 and 582, respectively.
  • a high-frequency power source 539 having a frequency of 13.56 MHz, for example, is connected to the lower electrode 525 through a matching unit 538, and a predetermined power is supplied from the high-frequency power source 539 to the lower electrode 525.
  • the bias voltage can be applied.
  • an annular gas supply unit 545 and a gasket 546 are provided between the chamber 521 and the bell jar 522. From the gas discharge holes formed over the entire circumference of the gas supply unit 545, Gas supplied from a gas supply mechanism 560 described later is in the processing container 520. To be supplied. Further, the side wall of the chamber 521 has an opening 547, and a gate valve 548 is provided at a position corresponding to the opening 547 outside the chamber 521, and the wafer W is opened with the gate valve 548 open. Are transported between the adjacent load lock chamber (not shown) and the chamber 521.
  • the bell jar 522 is formed of an electrically insulating material such as quartz or a ceramic material, and a coil 542 as an antenna serving as a plasma generating means is wound around the outside thereof.
  • a high frequency power supply 544 having a frequency of, for example, 450 kHz is connected to the coil 542 via a matching device 543.
  • ICP Inductively coupled plasma
  • the gas supply mechanism 560 supplies Ar gas supply source 561 for supplying Ar gas and O gas.
  • O gas supply source 562 O gas supply source 562.
  • a gas line 563 is connected to the Ar gas supply source 561.
  • a mass flow controller 567 and front and rear opening / closing valves 565 and 569 are provided on the gas line 563.
  • a gas line 564 is connected to the O gas supply source 562,
  • a mass flow controller 568 and front and rear opening / closing valves 566, 570 are provided on the gas line 564. These gas lines 563 and 564 are connected to a gas line 571, and the gas line 571 is connected to a gas supply unit 545.
  • an exhaust pipe 550 is connected to the bottom wall of the chamber 521, and an exhaust device 551 including a vacuum pump is connected to the exhaust pipe 550!
  • an exhaust device 551 including a vacuum pump is connected to the exhaust pipe 550!
  • the gate valve 548 is opened, the wafer W is loaded into the chamber 521 by a transfer device (not shown), and the wafer support pins (not shown) protruded from the susceptor 523 with the shadow ring 530 raised. ) Deliver wafer W on top.
  • the wafer support pins and the shadow ring 530 are lowered, the wafer W is placed on the susceptor 523, and the outer peripheral edge of the wafer W is masked by the shadow ring 530.
  • the gate valve 548 is closed, and the inside of the processing vessel 520 is evacuated by the exhaust device 551 to make a predetermined pressure reduction state. This Predetermined into processing vessel 520 from Ar gas supply source 561 and O gas supply source 562 under reduced pressure
  • the active species can be easily attracted to the wafer W.
  • the power supply 541 supplies power to heat the heating element 526, and the wafer W is heated to a predetermined temperature while performing the oxidation treatment.
  • the wafer W is oxidized by the radical-based plasma that has passed through the double plate 580.
  • the gas supply amount is adjusted to adjust the pressure in the processing container 520, the wafer W is lifted by protruding the support pin from the susceptor 523, the gate valve 548 is opened, and the wafer W is opened by a transfer device (not shown). The process in the plasma oxidation treatment apparatus 500 is completed.
  • the ICP-type plasma oxidation processing apparatus 500 Even with the double plate 580, it is possible to control the film thickness with low plasma damage and high accuracy even for thin films. Possible plasma oxidation treatment or the like can be performed.
  • a bell jar 522 having a flat top is used.
  • an ICP type plasma processing apparatus having a hemispherical bell jar also has a double plate 580. Can be deployed.
  • FIG. 10 is a cross-sectional view showing a schematic configuration of a plasma oxidation treatment apparatus 600 according to the sixth embodiment of the present invention.
  • the plasma oxidation treatment apparatus 600 is configured as a Magneguchin type.
  • the plasma oxidation processing apparatus 600 has a vacuum vessel 601 that constitutes a processing chamber.
  • the vacuum vessel 601 is configured by joining an upper vessel 602 and a lower vessel 603 up and down.
  • the upper container 602 is made of ceramics such as alumina or quartz, for example.
  • the lower container 603 is made of metal.
  • the upper container 602 has a substantially flat ceiling portion, and a shower head 604 force S is provided on the ceiling portion.
  • a diffusion chamber 605 is formed inside the shower head 604. .
  • a gas inlet 606 for introducing a processing gas is formed in the upper center of the shower head 604 and communicates with the diffusion chamber 605.
  • a large number of openings 607 are formed at the lower end of the shower head 604, and a plurality of kinds of processing gases introduced from the gas introduction port 606 are mixed and diffused in the diffusion chamber 605, and the opening of the shower head 604 is formed. 607 will be supplied to the processing space in the vacuum vessel 601!
  • a susceptor 608 that is a mounting table that supports a wafer W that is a substrate to be processed is disposed.
  • the susceptor 608 is provided with a heater (not shown) for heating the wafer W to a predetermined temperature.
  • the lower container 603 is provided with an exhaust port 609, and this exhaust port 609 is connected to an exhaust device 610 provided with a vacuum pump or the like.
  • a cylindrical electrode 611 is arranged in a state where the outer peripheral surface force of the upper container 602 is also separated at a predetermined interval.
  • the cylindrical electrode 611 is connected to a high frequency power supply 613 via a matching unit 612.
  • the high-frequency power source 613 is configured to be able to supply high-frequency power having a frequency of, for example, 13.56 MHz to the cylindrical electrode 611.
  • two permanent magnets 614 and 615 formed in a ring shape are arranged around the upper container 602. These two permanent magnets 614 and 615 are magnetized opposite to each other in the radial direction, and the inside of the vacuum vessel 601 is directed to the center direction from the upper permanent magnet 614 and then reversed to the lower side. Magnetic field lines returning to the permanent magnet 615 are formed.
  • the gas supply mechanism 616 supplies Ar gas supply source 617 that supplies Ar gas and O gas.
  • O gas supply source 618 O gas supply source 618.
  • Gas line 619a is connected to Ar gas supply source 617
  • the mass flow controller 620 and front and rear opening / closing valves 62 and 621 are provided on the gas line 619a.
  • a gas line 619b is connected to the O gas supply source 618, and the gas line 619b is connected to the O gas supply source 618.
  • a mass flow controller 620 and front and rear opening / closing valves 621 and 621 are provided.
  • the gas lines 619a and 619b are connected to a gas line 622, and the gas line 622 is connected to a gas inlet 606.
  • a double plate 630 is provided above the susceptor 608 as a plasma bending means for bending the plasma flow when passing through the susceptor 608.
  • This double plate 630 thus, a flow path having a labyrinth structure is formed.
  • a first space S is formed above the double plate 630, and a second space S is formed below the double plate 630.
  • the heavy plate 630 includes an upper plate 631 having a through hole 631a and a lower plate 632 having a through hole 632a.
  • the structure and function of the heavy plate 630 are the same as the double plate 60 in the plasma processing apparatus 100 of FIG. Since it is the same, description is abbreviate
  • Reference numerals 633 and 634 are support members for supporting the plates 631 and 632, respectively.
  • the wafer W is placed on the susceptor 608 by a transfer device (not shown). Then, by operating the exhaust device 610, the gas in the vacuum vessel 601 is exhausted through the exhaust port 609, and the vacuum vessel 601 is evacuated. Next, the susceptor 608 is heated, and the temperature of the wafer W is heated to a predetermined temperature.
  • the processing gas from the gas supply mechanism 616 is introduced from the gas inlet 606.
  • the processing gas introduced from the gas inlet 606 is diffused in the diffusion chamber 605 and supplied to the first space S in the vacuum vessel 601 from the opening 607 of the shower head 604.
  • a predetermined high frequency power is supplied from the high frequency power supply 613 to the cylindrical electrode 611.
  • magnetic lines of force are formed by the permanent magnets 614 and 615, and a high frequency electric field is formed by the cylindrical electrode 611 to generate plasma.
  • the wafer W on the susceptor 608 is processed, and, for example, a silicon oxide film is formed.
  • the wafer W is oxidized by the radical-based plasma that has passed through the double plate 630.
  • the supply of high frequency power from the high frequency power supply 613 is stopped, and the gas in the vacuum vessel 601 is exhausted from the exhaust port 609. Then, the wafer W on the susceptor 608 is unillustrated and unloaded from the vacuum container 601 using a transfer device, and the process is terminated.
  • plasma oxidation processing apparatus 600 magnetron discharge is generated in vacuum vessel 601 by the magnetic field of permanent magnets 614 and 615, and high-density plasma is generated in the space above wafer W. Then, a plasma oxidation process is performed on the surface of the wafer W on the susceptor 608 by the generated high-density plasma. In this way, even with the magnetron ICP-type plasma acid treatment device 600, the double plate 630 can be used to control the film thickness with high accuracy even with low plasma damage. Plasma oxidation treatment, etc. Can be done.
  • a silicon oxide film was formed by oxidizing the Si substrate using a plasma oxidation treatment apparatus 100 having the same configuration as in FIG.
  • a through hole 61a having a diameter of 5 mm was used, and as the lower plate 62, a through hole 62a having a diameter of 5 mm was used.
  • the material of the upper plate 61 and the lower plate 62 is quartz with few impurities.
  • the distance between the upper and lower plates 61, 62 was 5 mm.
  • the plasma treatment condition in the oxidation treatment step is that ArZO is used as a treatment gas at a flow rate of 200.
  • wafer temperature is 400 ° C
  • pressure is 266.6 Pa (2 Torr)
  • plasma power is 2. OkW
  • processing time is 10 seconds, 20 seconds, 40 seconds or Performed in 60 seconds.
  • the Si substrate is subjected to an oxidation treatment under the same conditions as in Example 1 by a plasma oxidation treatment device having the same configuration as the plasma oxidation treatment device 100 of FIG. A silicon oxide film was formed.
  • Example 1 The thickness of the silicon oxide film obtained in Example 1 and Comparative Example 1 was measured with an ellipsometer. The relationship between processing time and film thickness is shown in FIG.
  • a silicon oxide film having a film thickness of about 1 nm is formed by plasma oxidation treatment for 10 seconds, and the film thickness increases as the treatment time increases thereafter. increased.
  • the oxide film was formed using the plasma oxide film treatment apparatus 100 of FIG. 1 equipped with the double plate 60, the film thickness did not exceed lnm even after the treatment for 40 seconds. It was shown that the controllability of the film thickness in the case of the thin film is high.
  • a silicon oxide film was formed by oxidizing the Si substrate using the plasma oxidation treatment apparatus 100 including the double plate 60 having the same configuration as in Example 1.
  • the plasma treatment conditions in the acid treatment process are as follows: ArZO is used as the treatment gas. Used at 0Z20 [mLZmin (sccm)], wafer temperature is 400 ° C, pressure is 66.7 Pa (500 m Torr), plasma power is 2. OkW, processing time is 10 seconds, 20 seconds, 40 seconds Did less than 60 ⁇ .
  • the Si substrate was subjected to an acid treatment under the same conditions as in Example 2 using a plasma acid treatment device having the same configuration as the plasma acid treatment device 100 of FIG. A silicon oxide film was formed.
  • the thickness of the silicon oxide film obtained in Example 2 and Comparative Example 2 was measured with an ellipsometer.
  • the relationship between processing time and film thickness is shown in FIG. 12, and the relationship between processing time and uniformity is shown in FIG.
  • a silicon oxide film having a thickness of about 1.8 nm was formed by the plasma oxide treatment for 10 seconds.
  • the film thickness was about 0.8 nm even after 40 seconds of treatment. In other words, it was shown that the double plate 60 is effective in controlling the film thickness in thin film formation.
  • Example 2 was much more excellent in uniformity than Comparative Example 2 in which the double plate 60 was not provided.
  • a silicon oxide film was formed by oxidizing the Si substrate using the plasma oxidation treatment apparatus 100 including the double plate 60 having the same configuration as in Example 1.
  • the plasma processing conditions in the oxidation process are ArZO as a processing gas at a flow rate of 2000Z5 [mLZmin (sccm)].
  • the wafer temperature was 400 ° C
  • the pressure was 66.7 Pa (500 mTorr)
  • the supply rate to the plasma was 2.0 kW
  • the processing time was 5, 10, 20, and 40 seconds.
  • the thickness of the obtained silicon oxide film was measured with an ellipsometer.
  • Figure 14 shows the relationship between processing time, oxide film thickness, and uniformity.
  • Fig. 14 shows that the O ratio (O ZAr ratio) in the processing gas is set to 1Z400, so that 5-10
  • a silicon oxide film was formed by oxidizing the Si substrate using the plasma oxidation treatment apparatus 100 including the double plate 60 having the same configuration as in Example 1.
  • the plasma treatment conditions in the oxidation treatment process are Ar and O as treatment gases, and the flow rate ratio and treatment pressure are as follows.
  • the plasma oxidation treatment apparatus having the same configuration as that of the plasma oxidation treatment apparatus 100 of FIG. 1 except that the double plate 60 was not provided was performed under the following conditions.
  • the wafer temperature was 400 ° C.
  • the supply ratio to plasma was 2. OkW
  • the processing time was 5 to 60 seconds.
  • the thickness of the obtained silicon oxide film was measured with an ellipsometer.
  • FIG. 15 shows the relationship between the film thickness and uniformity of the silicon oxide film
  • FIG. 16 shows the relationship between the processing time and the film thickness. From FIG. 15, in Examples 4 to 6 using the plasma oxidation apparatus 100 equipped with the double plate 60, an extremely thin silicon oxide film having a thickness of about 0.5 to 1. Onm was formed. However, the uniformity of the film thickness within the wafer surface was approximately 1.5% or less, and fluctuations due to the gas flow rate ratio and processing pressure were small. Further, FIG. 16 shows that the film thickness does not exceed 1 nm even when the processing time is 40 seconds, and it is easy to control the film thickness even in the case of a thin film.
  • Comparative Example 3 where the double plate 60 was used, a relatively good in-plane uniformity was obtained, but the film thickness exceeded lnm, and it was difficult to control the film thickness in the case of a thin film. Met.
  • Comparative Example 4 which uses a double plate 60, the film thickness is 1.5 in a short time. It exceeded the nm, and the uniformity could not be controlled. From the above results, by using the double plate 60, a very thin silicon oxide film with a film thickness of about 0.5 to 1. Onm can be formed with high accuracy in film thickness and in-plane uniformity. It was shown that it can be done.
  • a member having a labyrinth structure For example, a remote plasma method, ICP method, ECR method, magnetron method, surface reflection wave method, etc. may be used. .
  • the force using the microwave plasma processing apparatus that excites plasma with microwaves having a frequency of 300 MHz to 300 GHz can also be used.
  • the plasma oxidation treatment apparatus is taken as an example.
  • the plasma processing apparatus of the present invention can be configured as a plasma nitriding apparatus provided with the double plate 60 and the porous plate 63.
  • an annular gap ring 72 may be interposed to adjust the distance between the upper and lower plates 61 and 62.
  • the diameter of the gap ring 72 may be long enough to surround the area where the through holes 6 la and 62 a of the upper and lower plates 61 and 62 are disposed.
  • the shape of the through holes 61a, 62a of the double plate 60 is not limited to a circle, and may be any shape, for example, a square shape or an elongated slit.
  • a plate 64 and a lower plate 65 provided with slits 64a and 65a formed so as to be displaced from each other.
  • the upper plate 66 having a plurality of rectangular through holes 66a and the lower plate 67 having a plurality of rectangular through holes 67a are seen through from above. You may arrange
  • the opening areas and ratios of the through holes 61a, 62a, etc., the slits 64a, 65a, etc. can be appropriately adjusted according to the plasma oxidation treatment conditions.
  • FIGS. 5A to 5C as an example of the plasma processing using the plasma oxidation processing apparatus 100 of the present invention, the formation of the gate insulating film in the gate electrode of the MOS transistor or the like is described, but the present invention is not limited thereto. It is not done.
  • nitriding for gate insulating film formation, oxidation of polysilicon for capacitor lower electrode, oxidation before high-k (high dielectric constant) gate insulating film formation, selective oxidation of polysilicon sidewall of flash memory It can also be applied to the formation of an acid film in processing.
  • the plasma processing apparatus and the plasma processing method of the present invention can be suitably used in the manufacturing process of various semiconductor devices.

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Abstract

　プラズマ酸化処理装置１００において、サセプタ２の上方には、二重プレート６０が配備されている。上側のプレート６１および下側のプレート６２は、それぞれ石英等の誘電体で構成され、所定間隔、例えば５ｍｍの間隔を以て互いに離間して平行に配置されており、複数の貫通孔６１ａ，６２ａを有している。二枚のプレートを重ねた状態で、下側のプレート６２の貫通孔６２ａと上側のプレート６１の貫通孔６１ａが重ならないように、位置をずらして配備されている。  

Description

明 細 書
プラズマ処理装置およびプラズマ処理方法
技術分野
[0001] 本発明は、プラズマを用いて半導体基板等の被処理基板を処理し、被処理基板表 面に酸化膜、窒化膜、酸窒化膜等を形成する処理を行なうプラズマ処理装置、およ びプラズマ処理方法に関する。
背景技術
[0002] 各種半導体装置の製造過程では、絶縁膜形成などの目的で、シリコンなどの酸ィ匕 処理が行なわれる。シリコン酸ィ匕膜は、極めて安定であり、外部力 の保護膜として の機能も有することから、その成膜技術は半導体装置製造にぉ 、て欠くことができな い。近年では、半導体装置の微細化に伴い、 lnm以下の薄い膜厚で、かつ良質な シリコン酸ィ匕膜を形成する技術が必要になっている。
[0003] これまで、シリコン表面に酸ィ匕膜を形成するには、多くの場合、熱酸化法が用いら れてきた。しかし、 1000°C程度の高温で行なわれる熱酸ィ匕では、ドーピングされた不 純物の再拡散など、熱によるダメージが発生するという問題があった。また、 LP-CV Dや RTO (Rapid Thermal Oxidation)等の熱酸化では数 nmの薄膜を开成する場合 に膜厚の制御が難し 、と 、う問題もあった。
[0004] 一方、プラズマ処理によってシリコン酸ィ匕膜を形成する技術として、 Oおよび希ガス
2
を少なくとも含む処理ガスの存在下で、開口部を有する仕切り板を配備したプラズマ 処理装置を用いて、シリコン基板の表面を酸ィ匕処理する方法が提案されている (例え ば、特許文献 1)。
特許文献 1：国際公開 WO2004Z047157号
発明の開示
[0005] 一般に、プラズマ酸ィ匕処理により酸ィ匕膜を形成する場合の課題として、プラズマ中 のイオンなどの作用で、形成される酸ィ匕膜や下地膜などにプラズマダメージを与える ことが挙げられる。このため、上記特許文献 1では、開口部を有する仕切り板を介在さ せること〖こよって、プラズマのイオンエネルギーとイオン密度を減少させ、プラズマダメ ージを緩和している。しかし、特に lnm以下の薄い膜厚で酸ィ匕膜を形成しょうとする 場合には、酸ィ匕が進み過ぎて膜厚が厚くなるなど、膜厚の制御が難しぐ部位によつ て膜厚差が生じることがある。特に、 300mm以上の大型化した基板では膜厚の均一 性が損なわれるという懸念があった。前記特許文献 1の方法は、開口部を有する仕切 り板によりプラズマダメージを低減できる優れた方法である力 1. 5nm以下 (特に In m以下)の薄い膜厚で酸ィ匕膜を形成する場合にも適用可能であるカゝ否かは検討され ていない。
[0006] 従って、本発明の目的は、プラズマを利用してシリコン酸ィ匕膜等を形成する際に、 薄膜形成においても膜厚の制御が可能なプラズマ処理装置およびプラズマ処理方 法を提供することにある。
[0007] 上記課題を解決するため、本発明の第 1の観点によれば、被処理基板を収容する 処理チャンバ一と、
前記処理チャンバ一内で被処理基板を載置する基板保持台と、
前記処理チャンバ一の上部から前記基板保持台に載置された被処理基板に向け て供給される処理ガスのプラズマの流れを屈曲させるプラズマ屈曲手段と、を備えた 、プラズマ処理装置が提供される。
[0008] 前記プラズマ屈曲手段は、複数の貫通開口部が形成された 2枚以上のプレートを、 該貫通開口部の位置が重ならないように配置したものとすることができる。この場合、 前記プレートが誘電体により構成されるものであることが好ましい。また、前記 2枚以 上のプレートの間に、プレートとプレートとの間隔を調整するギャップ調整部材を配備 することが好ましい。この場合、前記ギャップ調整部材力 リング状をした部材である ことが好ましい。
[0009] また、 前記プラズマ屈曲手段は、多孔質誘電体により構成されるプレートとするこ とができる。この場合、前記多孔質誘電体の気孔率が、 70〜80%であることが好まし い。
[0010] また、プラズマ処理装置は、前記処理チャンバ一内にマイクロ波を導入するための 複数のスロットを有する平面アンテナを備えて 、ることが好まし 、。
[0011] 本発明の第 2の観点によれば、プラズマ酸ィ匕処理装置の処理チャンバ一内で被処 理基板表面のシリコンに対して酸素含有プラズマを作用させて酸ィ匕処理し、シリコン 酸ィ匕膜を形成するプラズマ処理方法であって、
前記処理チャンバ一内のプラズマ発生領域と前記被処理基板との間に、プラズマ の流れを屈曲させるプラズマ屈曲手段を介在させて処理を行なう、プラズマ処理方 法が提供される。
[0012] 前記プラズマ屈曲手段は、複数の貫通開口部が形成された 2枚以上のプレートを、 該貫通開口部の位置が重ならないように配置したものとすることができる。この場合、 前記プレートが誘電体により構成されるものであることが好ましい。
[0013] 前記プラズマ屈曲手段は、多孔質誘電体により構成されるプレートとすることができ る。この場合、前記多孔質誘電体の気孔率が、 70〜80%であることが好ましい。
[0014] さらに、上記第 2の観点では、形成される酸化膜の膜厚が、 lnm以下とすることが できる。また、前記酸素含有プラズマは、複数のスロットを有する平面アンテナにて前 記処理チャンバ一内にマイクロ波を導入して形成されるものであることが好ましい。
[0015] 本発明のプラズマ処理装置は、プラズマが通過する際にプラズマの流れを屈曲さ せるプラズマ屈曲手段を備えている。従って、プラズマ中のイオンの作用を抑え、酸 化反応ゃ窒化反応の進行を調節することができる。例えば、 1. 5nm、特に lnm以下 の薄いシリコン酸ィ匕膜についても、膜厚を高精度に制御しながら形成することができ る。また、形成された酸ィ匕膜の均一性も良好であるため、微細化が進む半導体装置 の製造過程にぉ 、て利用価値が高 、ものである。
図面の簡単な説明
[0016] [図 1]本発明の第 1実施形態に係るプラズマ酸化処理装置の一例を示す概略断面図 である。
[図 2A]二重プレートの説明に供する平面図である。
[図 2B]二重プレートの説明に供する要部断面図である。
[図 3]アンテナ部材の説明に供する図面である。
[図 4]二重プレートの作用を説明するための原理図である。
[図 5A]トランジスタの製造過程において、素子分離されたウェハの断面構造を示す 模式図。 圆 5B]トランジスタの製造過程において、ゲート絶縁膜形成の目的でプラズマ酸化処 理をして!/ヽる状態を示す模式図である。
圆 5C]トランジスタを形成した状態を示す模式図である。
[図 6]本発明の第 2実施形態に係るプラズマ酸化処理装置の一例を示す概略断面図 である。
[図 7]本発明の第 3実施形態に係るプラズマ酸化処理装置の一例を示す概略断面図 である。
[図 8]本発明の第 4実施形態に係るプラズマ酸化処理装置の一例を示す概略断面図 である。
[図 9]本発明の第 5実施形態に係るプラズマ酸化処理装置の一例を示す概略断面図 である。
圆 10]本発明の第 6実施形態に係るプラズマ酸ィ匕処理装置の一例を示す概略断面 図である。
圆 11]実施例 1等におけるプラズマ酸ィ匕処理の処理時間と酸ィ匕膜の膜厚の関係を示 すグラフ図面である。
圆 12]実施例 2等におけるプラズマ酸ィ匕処理の処理時間と酸ィ匕膜の膜厚の関係を示 すグラフ図面である。
圆 13]実施例 2等におけるプラズマ酸ィ匕処理の処理時間と酸ィ匕膜の均一性の関係を 示すグラフ図面である。
[図 14]実施例 3のプラズマ酸ィ匕処理の処理時間と酸ィ匕膜の膜厚および均一性の関 係を示すグラフ図面である。
圆 15]実施例 4〜6等におけるプラズマ酸ィ匕処理の酸ィ匕膜の膜厚と均一性との関係 を示すグラフ図面である。
[図 16]実施例 4〜6等におけるプラズマ酸ィ匕処理の処理時間と酸ィ匕膜の膜厚との関 係を示すグラフ図面である。
[図 17]ギャップリングの説明に供する図面である。
圆 18]二重プレートの別の実施形態を説明する図面である。
圆 19]二重プレートのさらに別の実施形態を説明する図面である。 発明を実施するための最良の形態
[0017] 以下、適宜添付図面を参照して本発明の実施の形態について具体的に説明する 。図 1は、本発明の第 1実施形態に係るプラズマ酸ィ匕処理装置の一例を模式的に示 す断面図である。このプラズマ酸ィ匕処理装置は、複数のスロットを有する平面アンテ ナ、特に RLSA (Radial Line Slot Antenna;ラジアルラインスロットアンテナ）にて処理 チャンバ一内にマイクロ波を導入してプラズマを発生させることにより、高密度かつ低 電子温度のマイクロ波プラズマを発生させ得る RLSAマイクロ波プラズマ酸ィ匕処理装 置として構成されており、例えば、 MOSトランジスタ、 MOSFET (電界効果型トラン ジスタ)などの各種半導体装置の製造過程において、シリコン酸化膜を形成する目的 で好適に利用可能なものである。なお、供給する処理ガスを窒素含有ガスに換えるこ とにより、シリコン窒化膜を形成する目的で、プラズマ窒化処理装置としても利用でき る。
[0018] 上記プラズマ酸ィ匕処理装置 100は、気密に構成され、接地された略円筒状のチヤ ンバー 1を有している。チャンバ一 1の底壁 laの略中央部には円形の開口部 10が形 成されており、底壁 laにはこの開口部 10と連通し、下方に向けて突出する排気室 11 が設けられている。
[0019] チャンバ一 1内には被処理体であるシリコンウエノヽ（以下、単に「ウエノヽ」と記す) W を水平に支持するための A1N等のセラミックス力もなるサセプタ 2が設けられている。 このサセプタ 2は、排気室 11の底部中央力 上方に延びる円筒状の A1N等のセラミ ックス力もなる支持部材 3により支持されている。サセプタ 2の外縁部にはウェハ Wを ガイドするためのガイドリング 4が設けられている。また、サセプタ 2には抵抗加熱型の ヒータ 5が埋め込まれており、このヒータ 5はヒータ電源 6から給電されることによりサセ プタ 2を加熱して、その熱で被処理体であるウェハ Wを加熱する。このとき、例えば室 温から 800°Cまでの範囲で温度制御可能となっている。なお、チャンバ一 1の内周に は、石英力もなる円筒状のライナー 7が設けられ、チャンバ一構成材料による金属汚 染を防止し、チャンバ一 1内をクリーンな雰囲気に維持している。また、サセプタ 2の 外周側には、チャンバ一 1内を均一排気するため、図示しない多数の貫通孔が形成 されたバッフルプレート 8が環状に設けられ、このバッフルプレート 8は、複数の支柱 9 により支持されている。ノ ッフルプレート 8は、例えば石英、セラミックス等の材質によ り構成することがでさる。
[0020] サセプタ 2には、ウェハ Wを支持して昇降させるためのウェハ支持ピン（図示せず） がサセプタ 2の表面に対して突没可能に設けられている。
[0021] サセプタ 2の上方には、プラズマの流れを屈曲させるプラズマ屈曲手段として、二重 プレート 60が設けられている。この二重プレート 60により、ラビリンス構造の流路が形 成される。そして二重プレート 60の上方には第 1の空間 Sが形成され、二重プレート 60の下方には第 2の空間 Sが形成されている。この二重プレート 60は、図 1に示す
2
ように、貫通孔 61aを有する上側のプレート 61および貫通孔 62aを有する下側のプレ ート 62により構成される。これら上下のプレート 61, 62は、そこを通過するプラズマの 流れを屈曲させ、プラズマ中のイオンがウエノ、 Wへ向けて直線的に供給させることを 制限してイオンをトラップし、イオンエネルギーを低減させるように作用する。上下の プレート 61および 62は、例えば石英、サフアイャ、 SiN、 SiC、 Al O
2 3、 A1Nなどの誘 電体や、単結晶シリコンまたは多結晶シリコン等のシリコンなどの材料で構成されて いる。
本実施形態では、上下のプレート 61および 62の材質として、金属やアルカリ金属 等の不純物が非常に少な 、高純度の石英を用いている。例えば石英部材中の不純 物の合計量は 50ppm以下であることが好まし!/、。
[0022] 上側のプレート 61および下側のプレート 62は、周縁部近傍に設けられた連結部材 71によって複数箇所で連結され、所定間隔 (後述)を以て互いに離間して平行に配 置されている。この連結部材 71は、上下のプレート 61, 62の間隔を調節するスぺー サ一としても機能する。そして、下側のプレート 62は、その外周部が、チャンバ一 1内 のライナー 7から内側に向けて全周にわたって突起した支持部 70と係合することによ り支持されている。
[0023] プレート 61および 62の取付け位置は、ウェハ Wに近接した位置が好ましぐ下側の プレート 62の下端とウェハ Wとの距離は、例えば 3〜20mmが好ましぐ 10mm程度 とすることがより好ましい。この場合、上側のプレート 61の上端とマイクロ波透過板 28 (後述）の下端との距離は、例えば 20〜50mmが好ましぐ 35mm程度とすることがよ り好ましい。
[0024] 二重プレート 60の上側のプレート 61には、複数の貫通孔 61aが形成されており、ま た下側のプレート 62にも同様に複数の貫通孔 62aが形成されている。図 2Aおよび 図 2Bは、上下のプレート 61, 62の詳細を示す図面である。図 2Aは、上下のプレート 61 , 62を重ねて上から見た状態を示しており、図 2Bは、上下のプレート 61, 62を重 ねた状態における要部断面を示している。
[0025] 上側のプレート 61の厚さ（T )および下側のプレート 62の厚さ（T )は、ともに、例え
1 2
ば 2〜： L Omm程度が好ましぐそれぞれ 5mm程度に設定することがより好ましい。な お、上下のプレート 61, 62の厚さ Tおよび Tは同じである必要はない。
1 2
また、 2枚のプレート 61, 62の間隔 (L )は、例えば 3〜： LOmm程度とすることが好 ましぐ 5mmに設定することがより好ましい。
[0026] 上側のプレート 61の貫通孔 61aおよび下側のプレート 62の貫通孔 62aは、図 2A 中、破線で示すウェハ Wの載置領域を覆うように略均等に配置されている。そして、 図 2Aおよび図 2Bに示すように、二枚のプレート 61, 62を重ねた状態で、下側のプ レート 62の貫通孔 62aと上側のプレート 61の貫通孔 61aが重ならないように、互いに 位置をずらして形成されている。つまり、上側のプレート 61より上方力も直線的にゥェ ハ面までを結ぶ開口が形成されないラビリンス構造となるように貫通孔 6 laと貫通孔 6 2aが配置されている。
[0027] 貫通孔 61aの径 Dおよび貫通孔 62aの径 Dは、任意に設定することが可能であり
1 2
、例えば、本実施形態の場合は 5mm程度に設定されている。なお、同一プレート内 で貫通孔 61aまたは 62aの位置により孔の大きさを変化させてもよぐ上側のプレート 61の貫通孔 6 laと下側のプレート 62の貫通孔 62aとを異なる大きさに形成することも できる。また、貫通孔 61a, 62aの配置も、上下のプレート 61, 62で孔の位置がずれ ていれば、同心円状、放射状、螺旋状、格子状、千鳥状等の任意の配列を選択でき る。また、貫通孔 61a, 62aは、三角形、四角形等の角形状、楕円状、スリット状など でもよい。
[0028] また、貫通孔 61aと貫通孔 62aとの位置のずれ、つまり上側のプレート 61の貫通孔 61aを構成する壁 61bと、下側のプレート 62の貫通孔 62aを構成する壁 62bとの距 lLは、上下のプレート 61, 62の間隔 Lとの関係で最適な条件を決定することがで
2 1
きる。
すなわち、プラズマ中のイオンの通過を制限する観点から、上下のプレート 61, 62 の間隔 Lが大きい場合には、 Lも相対的に大きくする必要がある。逆に L力 、さい
1 2 1 場合には、 Lを相対的に小さくしても、プラズマのイオンをトラップする作用を発揮さ
2
せることが可能である。また、 Lとしの関係に加え、上下のプレート 61, 62の厚さ T
1 2 1
, T (つまり、壁 61b, 62bの高さ）、貫通孔 61a, 62aの径 D , D、さらには貫通孔 6
2 1 2
la, 62aの形状や配置、上下のプレート 61, 62の設置位置（ウェハ Wからの距離）な どを総合的に考慮することにより、イオンの通過を制限する作用を最大限に引き出す ことが可能になる。
[0029] 再び図 1を参照するに、二重プレート 60より上方のチャンバ一 1の側壁には環状を なすガス導入部材 15が設けられており、このガス導入部材 15にはガス供給系 16が 接続されている。なお、ガス導入部材はノズル状またはシャワー状に配置してもよい。 このガス供給系 16は、例えば Arガス供給源 17、 Oガス供給源 18を有しており、これ
2
らガスが、それぞれガスライン 20を介してガス導入部材 15に至り、ガス導入部材 15 からチャンバ一 1内に導入される。ガスライン 20の各々には、マスフローコントローラ 2 1およびその前後の開閉バルブ 22が設けられている。なお、前記 Arガスに代えて、 He、 Kr、 Xeなどの希ガスを用いることもできる。
[0030] 上記排気室 11の側面には排気管 23が接続されており、この排気管 23には高速真 空ポンプを含む排気装置 24が接続されて 、る。そしてこの排気装置 24を作動させる ことによりチャンバ一 1内のガス力 バッフルプレート 8を介して排気室 11の空間 1 la 内へ均一に排出され、排気管 23を介して排気される。これによりチャンバ一 1内は所 定の真空度、例えば 0. 133Paまで高速に減圧することが可能となっている。
[0031] チャンバ一 1の側壁には、プラズマ酸ィ匕処理装置 100に隣接する搬送室（図示せ ず）との間でウェハ Wの搬入出を行うための搬入出口 25と、この搬入出口 25を開閉 するゲートバルブ 26とが設けられて!/、る。
[0032] チャンバ一 1の上部は開口部となっており、この開口部に環状のアッパープレート 2 7が接合される。アッパープレート 27の内周下部は、内側のチャンバ一内空間へ向 けて突出し、環状の支持部 27aを形成している。支持部 27aに誘電体、例えば石英 や Al O、 A1N等のセラミックス力もなり、マイクロ波を透過するマイクロ波透過板 28
2 3
がシール部材 29を介して気密に設けられている。したがって、チャンバ一 1内は気密 に保持される。
[0033] マイクロ波透過板 28の上方には、サセプタ 2と対向して、アンテナ部材 31が設けら れている。このアンテナ部材 31は、例えば円板状の平面アンテナとして構成され、チ ヤンバー 1の側壁上端に係止されている。アンテナ部材 31は、表面が金または銀メッ キされた銅板またはアルミニウム板力もなり、多数のマイクロ波放射孔 (スロット） 32が 所定のパターンで貫通して形成された構成となって 、る。このマイクロ波放射孔 32は 、例えば図 3に示すように長溝状をなし、典型的には隣接するマイクロ波放射孔 32同 士が「T」字状に配置され、これら複数のマイクロ波放射孔 32が同心円状に配置され ている。マイクロ波放射孔 32の長さや配列間隔は、マイクロ波の波長（ g)に応じて 決定され、例えばマイクロ波放射孔 32の間隔は、 gZ4、 gZ2またはえ gとなるよ うに配置される。なお、図 3において、同心円状に形成された隣接するマイクロ波放 射孔 32同士の間隔を Arで示している。また、マイクロ波放射孔 32は、円形状、円弧 状等の他の形状であってもよい。さらに、マイクロ波放射孔 32の配置形態は特に限 定されず、同心円状のほか、例えば、螺旋状、放射状に配置することもできる。なお、 アンテナ部材 31の形状は四角板状でもよぐその場合、マイクロ波放射孔 32を直列 状に複数列配設し、隣接するマイクロ波放射孔 32の列どうしが平行をなすように形成 してちよい。
[0034] このアンテナ部材 31の上面には、真空の誘電率よりも大きい誘電率を有する遅波 材 33が設けられている。遅波材 33の材質としては、例えば石英、ポリテトラフルォロ エチレン等のフッ素系榭脂、ポリイミド榭脂等が好ましい。この遅波材 33は、マイクロ 波の波長を短く調整する機能を有している。真空中ではマイクロ波の波長が長くなる ことから、遅波材 33を配備することにより、マイクロ波の波長を短くし、マイクロ波を効 率良くマイクロ波放射孔 32へ供給できるようにしている。なお、アンテナ部材 31とマイ クロ波透過板 28との間、また、遅波材 33とアンテナ部材 31との間は、それぞれ接触 させても離間させてもょ 、が、接触させることが好まし 、。 [0035] チャンバ一 1の上面には、これらアンテナ部材 31および遅波材 33を覆うように、例 えばアルミニウムやステンレス鋼等の金属材からなるシールド蓋体 34が設けられてい る。シールド蓋体 34は、マイクロ波を平面方向に伝播させる導波管の機能も有してい る。チャンバ一 1の上面とシールド蓋体 34とはシール部材 35によりシールされている 。シールド蓋体 34には、冷却水流路 34aが形成されており、そこに冷却水を通流さ せることにより、シールド蓋体 34、遅波材 33、アンテナ部材 31、マイクロ波透過板 28 を冷却するようになっている。これらの部材を冷却することにより、熱によって遅波材 3 3、アンテナ部材 31およびマイクロ波透過板 28の変形、破損を防止し、安定したブラ ズマを形成できる。なお、シールド蓋体 34は接地されている。
[0036] シールド蓋体 34の上壁の中央には、開口部 36が形成されており、この開口部には 導波管 37が接続されている。この導波管 37の端部には、マッチング回路 38を介して マイクロ波発生装置 39が接続されている。これにより、マイクロ波発生装置 39で発生 した、例えば周波数 2. 45GHzのマイクロ波が導波管 37を介して上記アンテナ部材 31へ伝播されるようになっている。マイクロ波の周波数としては、 8. 35GHz, 1. 98 GHz等を用いることもできる。
[0037] 導波管 37は、上記シールド蓋体 34の開口部 36から上方へ延出する断面円形状 の同軸導波管 37aと、この同軸導波管 37aの上端部にモード変換器 40を介して接続 された水平方向に延びる矩形導波管 37bとを有している。矩形導波管 37bと同軸導 波管 37aとの間のモード変翻 40は、矩形導波管 37b内を TEモードで伝播するマ イク口波を TEMモードに変換する機能を有している。同軸導波管 37aの中心には内 導体 41が延在しており、内導体 41は、その下端部においてアンテナ部材 31の中心 に接続固定されている。これにより、マイクロ波は、同軸導波管 37aの内導体 41を介 してアンテナ部材 31へ放射状に効率よく均一に伝播される。
[0038] プラズマ酸化処理装置 100の各構成部は、 CPUを備えたプロセスコントローラ 50 に接続されて制御される構成となっている。プロセスコントローラ 50には、工程管理 者がプラズマ酸ィ匕処理装置 100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、プラズマ酸化処理装置 100の稼働状況を可視化して表示するディスプレ ィ等カもなるユーザーインターフェース 51が接続されて!、る。 [0039] また、プロセスコントローラ 50には、プラズマ酸ィ匕処理装置 100で実行される各種 処理をプロセスコントローラ 50の制御にて実現するための制御プログラム（ソフトゥェ ァ)や処理条件データ等が記録されたレシピが格納された記憶部 52が接続されて ヽ る。
[0040] そして、必要に応じて、ユーザーインターフェース 51からの指示等にて任意のレシ ピを記憶部 52から呼び出してプロセスコントローラ 50に実行させることで、プロセスコ ントローラ 50の制御下で、プラズマ酸ィ匕処理装置 100での所望の処理が行われる。 また、前記制御プログラムや処理条件データ等のレシピは、コンピュータ読み取り可 能な記憶媒体、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 ュメモリなどに格納された状態のものを利用したり、あるいは、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したりすることも可能である。
[0041] このように構成された RLSA方式のプラズマ酸化処理装置 100においては、以下 のような手順でウェハ Wのシリコン層を酸ィ匕してシリコン酸ィ匕膜を形成する処理を行う ことができる。
まず、ゲートバルブ 26を開にして搬入出口 25からシリコン層が形成されたウエノ、 W をチャンバ一 1内に搬入し、サセプタ 2上に載置する。そして、ガス供給系 16の Arガ ス供給源 17および Oガス供給源 18から、 Arガス、 Oガスを所定の流量でガス導入
2 2
部材 15を介してチャンバ一 1内に導入する。
[0042] 具体的には、例えば Arなどの希ガス流量を 200〜3000mLZmin(sccm)、 Oガ
2 ス流量を l〜600mLZmin (sccm)に設定し、チャンバ一内を 6. 7〜1333Pa (50m Torr〜： LOTorr)、好ましくは 26. 6〜400Pa (200mTorr〜3Torr)の処理圧力に調 整し、ウエノヽ Wの温度を 300〜800。C、好ましくは 400〜800。Cにカロ熱する。この際 、 lnm以下の薄膜でシリコン酸ィ匕膜 (SiO膜)を形成し、かつ、その際の膜厚の制御
2
性を優れたものにする観点から、 Arと Oの流量比 (ArZO )は、 5
2 〜500程度とする
2
ことが好ましぐ 10〜400力 Sより好ましい。
[0043] 次に、マイクロ波発生装置 39からのマイクロ波を、マッチング回路 38を経て導波管 37に導き、矩形導波管 37b、モード変換器 40、および同軸導波管 37aを順次通過さ せて内導体 41を介してアンテナ部材 31に供給し、アンテナ部材 31のマイクロ波放 射孔 32からマイクロ波透過板 28を介してチャンバ一 1内におけるウエノ、 Wの上方空 間に放射させる。マイクロ波は、矩形導波管 37b内では TEモードで伝搬し、この TE モードのマイクロ波はモード変 40で TEMモードに変換されて、同軸導波管 37a 内をアンテナ部材 31に向けて伝搬されて 、く。アンテナ部材 31からマイクロ波透過 板 28を経てチャンバ一 1に放射されたマイクロ波によりチャンバ一 1内で電磁界が形 成され、 Arガスと Oガスがプラズマ化する。この際、マイクロ波発生装置 39のパワー
2
は、 0. 5〜5kWとすることが好ましい。
[0044] このマイクロ波プラズマは、マイクロ波がアンテナ部材 31の多数のマイクロ波放射 孔 32から放射されることにより、プラズマ生成領域である第 1の空間 Sでは、略 1 X 1 θη δ Χ ΙΟ12/^!!3の高密度で、電子温度が略 l〜2eVのプラズマとなる。また、二 重プレート 60の下方の第 2の空間 Sでは、プラズマが二重プレート 60を通過する際
2
にエネルギーの高いイオンの通過が妨害され、主にラジカルが通過することにより、 プラズマの電子温度とイオンエネルギーが大幅に低減される。これは、次のような機 構〖こよるものと考えられる。上下のプレート 61, 62は絶縁物で形成されているので、 プラズマに対してフローティング電位を有している。このため、プレート 61, 62の表面 (プレート壁面や貫通孔 61a, 62aの内壁面）には、電位差を持つシースが形成され る。その結果、高エネルギーのイオンはシースで加速されてプレート 61, 62に衝突し て多くが失活する。これに対し、ラジカルは中性なので貫通孔 6 la, 62aを通過して 二重プレート 60の下方の第 2の空間 Sへ供給される。
2
[0045] 以上のような機構により、例えば、二重プレート 60の下方の第 2の空間 S (つまり、
2 ウェハ Wとプレート 62との間）では、プラズマ中のイオン密度を 1 X 109〜1 X 1011/ cm3未満に、また、電子温度を 0. 7eV以下に低下させることができるので、イオン等 によるプラズマダメージをよりいっそう低減できる。そして、プラズマ中の活性種、主と して酸素ラジカル (O*)などの作用によってシリコン中に酸素が導入されて Si— O結 合が形成され、良質なシリコン酸ィ匕膜が成膜される。
[0046] ここで、図 4を参照しながら、本発明の作用について述べる。図 4は、プラズマ酸化 処理装置 100によるウェハ Wのプラズマ酸ィ匕処理の模様を模式的に示す原理図で ある。プラズマ酸ィ匕処理装置 100のアンテナ部材 31から供給されるマイクロ波と、 Ar /Oガスとが作用して発生したプラズマは、チャンバ一 1内の空間をサセプタ 2に載
2
置されたウェハ Wの方向へ向けて降下してくる。その途中には、二重プレート 60 (上 側のプレート 61および下側のプレート 62)が配備されているため、ここを通過する際 にイオンがトラップされプラズマのイオンエネルギーが弱められる。プラズマは、上側 のプレート 61の貫通孔 61aを通過する際に複数の流れに分岐する。そして、プラズ マの流れは上側のプレート 61と下側のプレート 62との間でー且合流した後、下側の プレート 62の貫通孔 62aを通過する際に再び分岐し、下側のプレート 62の下方で再 度合流する。このように、ラビリンス構造の流路を形成する二重プレート 60によって、 プラズマ中のイオンなどが直線的にウェハ Wに到達することが妨げられる。そして、 図 4に示すように、プラズマ中に含まれるアルゴンイオン (Ar+)や、酸素イオン (02_) などのイオンや電子 (e_)は、荷電粒子であるため、石英等の絶縁物力 なるプレート 61, 62の表面に形成されたプラズマシースにより加速されてプレート 61, 62に衝突 する。その結果、貫通孔 61aおよび 62aを通過したプラズマ中では多くのイオンが失 活し、イオンエネルギーが弱められる。また、プラズマのイオン密度は減少し、電子温 度も低下する。一方、中性粒子である酸素ラジカル (O*)は、貫通孔 61aおよび 62a をすり抜けて通過し、ウェハ Wまで到達する。
プラズマ中のイオンの通過を制御するためには、二枚のプレートを重ねた状態で、 下側のプレート 62の貫通孔 62aと上側のプレート 61の貫通孔 61aが重ならないよう に、位置をずらして形成することが重要となる（図 2A,図 2B参照)。このような貫通孔 61a, 62aの配置（ラビリンス構造）により、プラズマ中のイオンの通過を遮りつつ、酸 素ラジカルを選択的に通過させることが可能になる。上下のプレート 61, 62を通過し た酸素ラジカルは、ウェハ W上に露出したシリコンと反応して SiO (酸化膜)を形成
2
する。従って、イオンの通過を制御することでシリコンの過剰な酸ィ匕が抑制されるとと もに、より低電子温度のプラズマ処理が可能になり、極薄い膜厚の制御が可能になる とともに、膜質を良質にすることができる。このようなプラズマ酸ィ匕処理装置 100の特 徴は、 lnm以下、例えば 0. 3〜0. 8nm程度の非常に薄ぐかつ緻密で良質なシリコ ン酸ィ匕膜 (SiO膜)やシリコン窒化膜 (SiN膜)、シリコン酸窒化膜 (SiON膜)を形成
2
する場合に特に有利に働く。 [0048] 本発明方法は、 MOSトランジスタなどの各種半導体装置の製造過程に適用するこ とができる。図 5A〜図 5Cは、トランジスタの製造過程で本発明のプラズマ処理方法 を適用した例を説明する図面である。
まず、図 5Aに示すとおり、 P型もしくは N型の Si基板 101に、ゥエル（図示せず）を 形成し、さらに例えば LOCOS法により素子分離層 102を形成する。このシリコン基 板 101は、予め 1%希フッ酸 (DHF)溶液で洗浄し、酸ィ匕膜を除去しておくことが好ま しい。なお、素子分離層 102は、 STI (Shallow Trench Isolation)により形成してもよい
[0049] 次いで、図 5Bに示すように、プラズマ酸ィ匕処理を行ない、シリコン基板 101の表面 にゲート酸ィ匕膜 (SiO膜） 103を形成する。このプラズマ酸ィ匕処理では、被処理体で
2
ある Si基板 101の上部に配備された二重プレート 60をプラズマが通過する際に、プ ラズマ中の Arイオンの大半がブロックされ、酸素ラジカルのみが選択的に通過する。 これにより、ゲート酸ィ匕膜 103は、主として酸素ラジカルの作用により形成されることに なり、イオンによるダメージの少ない膜質の良質なゲート酸ィ匕膜 103が得られる。この ゲート酸化膜 103の膜厚は、 目的とするデバイスによっても異なるが、例えば lnm以 下、好ましくは 0. 3〜0. 8nm程度とすることができる。
[0050] そして、形成したゲート酸化膜 103上に、例えば CVDによりポリシリコン層 104を成 膜した後、フォトリソグラフィー技術によりパターン形成されたマスクを用いてエツチン グしてゲート電極を形成する。なお、ゲート電極構造は、ポリシリコン層 104の単層に 限らず、ゲート電極の比抵抗を下げ、高速化する目的で、例えばタングステン、モリ ブデン、タンタル、チタン、それらのシリサイド、ナイトライド、合金等を含む積層構造 にすることもできる。そして、このように形成されたゲート電極に対し、イオン注入およ び活性ィ匕処理を行なってソース Zドレイン（図示を省略)を形成し、絶縁膜によるサイ ドウオール 105を形成することによって、図 5Cに示すように、 MOS構造のトランジスタ 110を製造できる。
[0051] 図 6は、本発明の第 2実施形態に係るプラズマ酸ィ匕処理装置の一例を模式的に示 す断面図である。本実施形態のプラズマ酸ィ匕処理装置 200では、図 1のプラズマ酸 化処理装置 100の二重プレート 60に換え、石英製の多孔質プレート 63を配備した。 この多孔質プレート 63は、気孔率が約 75%であり、この気孔内を酸素含有プラズマ が通過する際にプラズマ中のイオンが多孔質プレート 63に衝突することによって減 衰される。従って、第 1実施形態（図 1)における二重プレート 60と同様にプラズマ屈 曲手段として機能するものである。この目的のため、多孔質プレート 63の気孔率は 6 5〜85%とすることが好ましぐ 70〜80%がより好ましい。多孔質プレート 63の材質 としては、多孔質の誘電体であれば石英以外ものを用いることができる。なお、図 6に 示す第 2実施形態に係るプラズマ酸ィ匕処理装置 200の他の構成は、図 1のプラズマ 酸ィ匕処理装置 100と同様であるため、同一の符号を付して説明を省略する。
[0052] 以上のように、プラズマ屈曲手段としては、図 1に示す二重プレート 60や、図 6に示 す多孔質プレート 63の如ぐプラズマを通過させる流路を有し、かつ、当該流路が直 線的に形成されておらず折曲したラビリンス構造を持つものであれば、その形態は問 わない。
[0053] 図 7は、本発明の第 3実施形態に係るプラズマ酸ィ匕処理装置の一例を模式的に示 す断面図である。本実施形態のプラズマ酸ィ匕処理装置 300では、二重プレート 60を 間に挟んでその上下にガス導入部材 15aとガス導入部材 15bが設けられている。こ れらのガス導入部材 15aおよび 15bは、それぞれチャンバ一 1の側壁に環状に設け られており、ガス供給系 16に接続されている。すなわち、ガス導入部材 15aは、例え ば Arガス供給源 17に、また、ガス導入部材 15bは、例えば Oガス供給源 18に、そ
2
れぞれ接続されている。 Arガスおよび Oガスは、それぞれガスライン 20を介して、そ
2
れぞれガス導入部材 15aおよび 15bに至り、チャンバ一 1内に導入される。
[0054] このように、ガス導入部位を、 Arなどの希ガスを導入するガス導入部材 15aと、 Oな
2 どの反応系ガスを導入するガス導入部材 15bとにより区別し、かつ、それらの間に二 重プレート 60を介在させることにより、二重プレート 60よりも上側の領域に導入される 希ガスのみによってプラズマを生成させることが可能になる。そして、希ガスのみによ り生成したプラズマは、二重プレート 60を通過させることによってそのイオンエネルギ 一と電子温度が低減するので、二重プレート 60よりも下側の領域に Oなどの反応系
2
ガスを別途導入し、低エネルギーのイオンによって反応系ガスの解離を抑制した状 態で酸ィ匕処理を行なうことが可能になる。なお、前記と同様に、 Arガスに代えて、 He 、 Kr、 Xeなどの希ガスを用いることもできる。図 7に示す第 3実施形態に係るプラズマ 酸化処理装置 300の他の構成は、図 1のプラズマ酸ィ匕処理装置 100と同様であるた め、同一の符号を付して説明を省略する。
[0055] 図 8は、本発明の第 4実施形態に係るプラズマ酸ィ匕処理装置 400の概略構成を示 す断面図である。このプラズマ酸化処理装置 400は、 ECR (Electron Cyclotron Reso nance；電子サイクロトン共鳴)方式のマイクロ波プラズマ処理装置として構成されて!ヽ る。符号 401はマグネトロンであり、マイクロ波の発振源である。マグネトロン 401は、 矩形導波管 402、円形導波管 403、テーパ導波管 404を介して放電室 405に接続さ れている。この放電室 405は、純度の高いアルミニウム等の材質で形成されている。 放電室 405の下方には、真空室 406が設けられている。また、テーパ導波管 404と 放電室 405の間には放電室 405にマイクロ波を供給するための石英板 407が設けら れている。放電室 405の周囲には、ソレノイドコイル 408, 409が設けられており、放 電室 405内に磁場を与えることができるように構成されて 、る。
[0056] 放電室 405の下方には、ウェハ Wを載置するための載置台（サセプタ 410)が設け られている。このサセプタ 410には、図示しない抵抗加熱ヒータ等の加熱手段を備え ている。また、サセプタ 410には、バイアス用の RF電源 411が接続されている。また、 サセプタ 410の上方、つまり石英板 407とサセプタ 410の間には、そこを通過する際 にプラズマの流れを屈曲させるプラズマ屈曲手段として、二重プレート 430が設けら れている。この二重プレート 430により、ラビリンス構造の流路が形成される。二重プ レート 430の上方には第 1の空間 Sが形成され、二重プレート 430の下方には第 2の 空間 Sが形成されている。この二重プレート 430は、貫通孔 43 laを有する上側のプ
2
レート 431および貫通孔 432aを有する下側のプレート 432により構成されており、そ の構造と機能は図 1のプラズマ処理装置 100における二重プレート 60と同様である ので、ここでは説明を省略する。なお、符号 433, 434は、プレート 431, 432をそれ ぞれ支持する支持部材である。
[0057] 放電室 405において二重プレート 430より上方の側壁には、ガス導入部 412が設 けられており、このガス導入部 412にはガス供給系 413が接続されている。このガス 供給系 413は、例えば Arガス供給源 414、 Oガス供給源 415を有しており、これらガ スカ それぞれガスライン 416を介してガス導入部 412に至り、ガス導入部 412から 放電室 405内に導入される。ガスライン 416の各々には、マスフローコントローラ 417 およびその前後の開閉バルブ 418が設けられている。
[0058] 真空室 406は、排気管 419を介して、真空室 406内を減圧排気するための真空ポ ンプを備えた排気装置 420に接続されており、真空室 406内を高真空状態まで減圧 できるように構成されている。また、真空室 406の側部にはウェハを搬入出するため の開口部 406aが形成されており、その外側にはゲートバルブ 421が配備されている マグネトロン 401は、矩形導波管 402に取り付けられており、例えば、 2.45GHzの マイクロ波を発振する。一方、放電室 405内にはソレノイドコイル 408, 409により所 定の磁場分布が形成されるように設定されている。そして、処理ガスは、ガス供給系 4 13からガスライン 416を通り、ガス導入部 412を介して放電室 405内に導入される。 処理ガスは、放電室 405内の第 1の空間 Sでプラズマ化し、二重プレート 430を通過 したラジカル主体のプラズマによりウェハ Wが酸化処理される。
[0059] このように、 ECR方式のプラズマ酸化処理装置 400にお!/、ても、二重プレート 430 を配備することにより、低プラズマダメージで、かつ薄膜においても膜厚を高精度に 制御可能なプラズマ酸ィ匕処理等を行なうことができる。
[0060] 次に、図 9は、本発明の第 5実施形態に係るプラズマ酸化処理装置 500の概略構 成を示す断面図である。このプラズマ酸ィ匕処理装置 500は誘導結合プラズマ (ICP) 装置として構成されている。図 9に示すように、プラズマ酸ィ匕処理装置 500は、上部 の開口した有底円筒状のチャンバ一 521と、チャンバ一 521の上方に、ガス供給部 5 45およびガスケット 546を介して連続的に設けられた有蓋円筒状のベルジャー 522 と力もなる処理容器 520を有している。チャンバ一 521内には、その上部で被処理体 であるウェハ Wを水平に支持するためのサセプタ (基板載置台） 523が、円筒状の支 持部材 532に支持された状態で配置されている。サセプタ本体 527の上面にはゥェ ハ Wと略同型に凹部 524が形成されており、この凹部 524にウェハ Wが載置されるよ うになつている。この凹部 524の下方にメッシュ状に形成された円盤状の下部電極 5 25が埋設され、さらにこの下部電極 525の下方に発熱体 526が埋設されている。す なわち、サセプタ 523は、 A1N、 Al O等のセラミックスのような絶縁体力もなるサセプ
2 3
タ本体 (絶縁体部材） 527中に、バイアス電圧を印加する下部電極 525と、タンダステ ン、モリブデン等からなる発熱体 526とが埋設されて構成されており、サセプタ本体 5 27と発熱体 526とでセラミックヒーターを構成している。発熱体 526には直流の電源 541が接続されており、電源 541から給電することにより発熱体 526を加熱状態とし て、ウェハ Wを所定の温度に加熱することができる。
[0061] また、サセプタ 523の上方には、凹部 524に載置されたウェハ Wのエッジを覆うよう に、石英、 A1N、 Al O等の誘電体からなる環状のシャドウリング 530が設けられてい
2 3
る。このシャドウリング 530は、その下面に接続された支持柱 533を介して環状部材 5 34に連結されており、環状部材 534には棒状部材 536を介して昇降機構 537が接 続されている。この昇降機構 537によって棒状部材 536を昇降させることにより、環状 部材 534、支持柱 533およびシャドウリング 530を一体的に昇降させることが可能で ある。また、棒状部材 536の周囲はべローズ 535により囲繞されており、処理容器 52 0内の雰囲気が棒状部材 536の近傍力も外部に漏れることが防止されている。
[0062] また、サセプタ 523の上方には、そこを通過する際にプラズマの流れを屈曲させる プラズマ屈曲手段として、二重プレート 580が設けられている。この二重プレート 580 により、ラビリンス構造の流路が形成される。二重プレート 580の上方には第 1の空間 Sが形成され、二重プレート 580の下方には第 2の空間 Sが形成されている。この二
1 2
重プレート 580は、貫通孔 581aを有する上側のプレート 581および貫通孔 582aを 有する下側のプレート 582により構成されており、その構造と機能は図 1のプラズマ処 理装置 100における二重プレート 60と同様であるので、ここでは説明を省略する。な お、符号 583, 584は、プレート 581, 582をそれぞれ支持する支持部材である。
[0063] 上記の下部電極 525には、例えば 13. 56MHzの周波数を有する高周波電源 539 が整合器 538を介して接続されており、この高周波電源 539から下部電極 525に給 電することにより、所定のバイアス電圧を印加可能に構成されている。
[0064] また、チャンバ一 521とベルジャー 522の間には、環状のガス供給部 545およびガ スケット 546が設けられており、このガス供給部 545内側の全周にわたって形成され たガス吐出孔より、後述するガス供給機構 560から供給されるガスが処理容器 520内 に供給される。さらに、チャンバ一 521の側壁は開口 547を有しており、チャンバ一 5 21の外側の開口 547と対応する位置にはゲートバルブ 548が設けられ、このゲート バルブ 548を開にした状態でウェハ Wが隣接するロードロック室（図示せず）とチャン バー 521内との間で搬送されるようになっている。
[0065] ベルジャー 522は、例えば石英やセラミックス材料等の電気絶縁材料で形成されて おり、その外側にはプラズマ発生手段であるアンテナとしてのコイル 542が卷回され ている。コイル 542には、例えば 450kHzの周波数を有する高周波電源 544が整合 器 543を介して接続され、この高周波電源 544から整合器 543を介してコイル 542に 高周波電力を供給することにより、ベルジャー 522内に誘導結合プラズマ (ICP)が発 生するようになっている。
[0066] ガス供給機構 560は、 Arガスを供給する Arガス供給源 561および Oガスを供給す
2
る Oガス供給源 562を有している。 Arガス供給源 561には、ガスライン 563が接続さ
2
れ、このガスライン 563上にマスフローコントローラ 567とその前後の開閉バルブ 565 , 569とが設けられている。また、 Oガス供給源 562にはガスライン 564が接続され、
2
このガスライン 564上にマスフローコントローラ 568とその前後の開閉バルブ 566, 57 0とが設けられている。これらガスライン 563, 564はガスライン 571〖こ接続され、この ガスライン 571がガス供給部 545と接続されている。
[0067] また、チャンバ一 521の底壁には、排気管 550が接続されており、この排気管 550 には真空ポンプを含む排気装置 551が接続されて!、る。この排気装置 551を作動さ せることにより、処理容器 520内は所定の真空度に維持可能になっている。
[0068] 次に、このように構成されるプラズマ酸化処理装置 500によりウェハ W上のシリコン を酸化処理してシリコン酸化膜を形成する際の動作について説明する。
まず、ゲートバルブ 548を開にして、図示しない搬送装置によりチャンバ一 521内 にウェハ Wを装入し、シャドウリング 530を上昇させた状態でサセプタ 523から突出さ せたウェハ支持ピン（図示せず)上にウェハ Wを受け渡す。次いで、前記ウェハ支持 ピンおよびシャドウリング 530を下降させ、ウェハ Wをサセプタ 523上に載置し、シャ ドウリング 530でウェハ Wの外周縁部をマスクする。その後、ゲートバルブ 548を閉に して、排気装置 551により処理容器 520内を排気して所定の減圧状態にする。この 減圧状態で Arガス供給源 561および Oガス供給源 562から処理容器 520内に所定
2
流量で Arガスおよび Oガスを導入しつつ、高周波電源 544からコイル 542への高周
2
波電力の供給を開始する。これにより、ベルジャー 522内に誘導結合プラズマを生成 して Ar、 O等の活性種を形成させる。また、高周波電源 539からサセプタ 523に高
2
周波電力を供給してウェハ wに自己バイアス電圧を印加することにより、活性種をゥ ェハ Wに引き込みやすくなる。
[0069] このような状態で、電源 541より給電して発熱体 526を加熱状態としてウェハ Wを所 定温度に加熱しながら、酸化処理を行う。この際、ベルジャー 522内では、二重プレ ート 580を通過したラジカル主体のプラズマによりウェハ Wが酸化処理される。その 後、排気装置 551の排気量ならびに Arガス供給源 561および Oガス供給源 562か
2
らのガス供給量を調節して処理容器 520内の圧力を調整するとともに、前記支持ピン をサセプタ 523から突出させてウェハ Wを持ち上げ、ゲートバルブ 548を開にして図 示しない搬送装置によりウェハ Wを取り出すことにより、プラズマ酸ィ匕処理装置 500 における工程が終了する。
[0070] このように、 ICP方式のプラズマ酸化処理装置 500にお!/、ても、二重プレート 580を 配備することにより、低プラズマダメージで、かつ薄膜においても膜厚を高精度に制 御可能なプラズマ酸化処理等を行なうことができる。なお、図 9ではベルジャー 522と して頂部が平坦な形状のものを使用したが、例えば半球形状のベルジャーを備えた I CP方式のプラズマ処理装置にっ 、ても、同様に二重プレート 580を配備することが できる。
[0071] 図 10は、本発明の第 6実施形態に係るプラズマ酸ィ匕処理装置 600の概略構成を 示す断面図である。このプラズマ酸ィ匕処理装置 600は、マグネ口トン方式として構成 されている。プラズマ酸化処理装置 600は、処理室を構成する真空容器 601を有し ている。この真空容器 601は、上部容器 602と下部容器 603とが上下に接合されて 構成されている。上部容器 602は、例えばアルミナ、石英等のセラミックスにより構成 されて 、る。下部容器 603は金属により形成されて 、る。
[0072] 上部容器 602はほぼ平坦な天井部を有しており、この天井部には、シャワーヘッド 604力 S設けられている。シャワーヘッド 604の内部には拡散室 605が形成されている 。シャワーヘッド 604の上部中央には、処理ガスを導入するガス導入口 606が形成さ れており、前記拡散室 605に連通している。また、シャワーヘッド 604の下端には、多 数の開口 607が形成されており、ガス導入口 606から導入された複数種の処理ガス は、拡散室 605で混合'拡散され、シャワーヘッド 604の開口 607から真空容器 601 内の処理空間に供給されるようになって!/、る。
[0073] 真空容器 601内には、被処理基板であるウェハ Wを支持する載置台であるサセプ タ 608が配置されている。このサセプタ 608には、ウェハ Wを所定温度まで加熱する ためのヒータ（図示せず）が設けられている。また、下部容器 603には、排気口 609が 設けられ、この排気口 609は、真空ポンプ等を備えた排気装置 610に接続されてい る。
[0074] 上部容器 602の外側には、筒状電極 611が上部容器 602の外周面力も所定間隔 で離間した状態で配置されている。この筒状電極 611は、整合器 612を介して高周 波電源 613に接続されている。この高周波電源 613は、例えば 13. 56MHzの周波 数を持つ高周波電力を筒状電極 611へ供給出来るように構成されて ヽる。
[0075] また、リング状に形成された 2つの永久磁石 614, 615が上部容器 602の周囲に配 置されている。これら 2つの永久磁石 614, 615は、径方向で互いに逆向きに着磁さ れており、真空容器 601の内部には上側の永久磁石 614から中心方向に向力つた 後で反転して下側の永久磁石 615に戻る磁力線が形成される。
[0076] ガス供給機構 616は、 Arガスを供給する Arガス供給源 617および Oガスを供給す
2
る Oガス供給源 618を有している。 Arガス供給源 617には、ガスライン 619aが接続
2
され、このガスライン 619a上にマスフローコントローラ 620とその前後の開閉バルブ 6 21, 621と力設けられている。
また、 Oガス供給源 618にはガスライン 619bが接続され、このガスライン 619b上に
2
マスフローコントローラ 620とその前後の開閉バルブ 621, 621とが設けられている。 これらガスライン 619a, 619bはガスライン 622〖こ接続され、このガスライン 622がガス 導入口 606に接続されて 、る。
[0077] また、サセプタ 608の上方には、そこを通過する際にプラズマの流れを屈曲させる プラズマ屈曲手段として、二重プレート 630が設けられている。この二重プレート 630 により、ラビリンス構造の流路が形成される。二重プレート 630の上方には第 1の空間 Sが形成され、二重プレート 630の下方には第 2の空間 Sが形成されている。この二
1 2
重プレート 630は、貫通孔 631aを有する上側のプレート 631および貫通孔 632aを 有する下側のプレート 632により構成されており、その構造と機能は図 1のプラズマ処 理装置 100における二重プレート 60と同様であるので、ここでは説明を省略する。な お、符号 633, 634は、プレート 631, 632をそれぞれ支持する支持部材である。
[0078] 次にプラズマ酸ィ匕処理装置 600における処理手順について説明する。まず、図示 しない搬送装置によりウェハ Wをサセプタ 608に載置する。そして、排気装置 610を 作動させることにより、真空容器 601内のガスを、排気口 609を介して排気して真空 容器 601内を真空状態にする。次に、サセプタ 608を加熱し、ウェハ Wの温度を所 定温度まで加熱する。
次にガス供給機構 616からの処理ガスをガス導入口 606から導入する。このガス導 入口 606から導入された処理ガスは、拡散室 605内で拡散され、シャワーヘッド 604 の開口 607から真空容器 601内の第 1の空間 Sに供給される。そして高周波電源 61 3から所定の高周波電力を筒状電極 611に供給する。真空容器 601内では、永久磁 石 614, 615により磁力線が形成され、かつ筒状電極 611により高周波電界が形成 されることによりプラズマが生成される。このプラズマにより、サセプタ 608上のウェハ Wが処理され、例えばシリコン酸ィ匕膜が形成される。この際、真空容器 601内では、 二重プレート 630を通過したラジカル主体のプラズマによりウェハ Wが酸化処理され る。所定時間経過後、高周波電源 613からの高周波電力の供給を停止し、真空容器 601内のガスを排気口 609力ら排気する。そして、サセプタ 608上のウェハ Wを図示 しな 、搬送装置を用いて真空容器 601内から搬出し、処理を終了する。
[0079] 以上のように、プラズマ酸化処理装置 600では、永久磁石 614、 615の磁界により 真空容器 601内でマグネトロン放電が発生し、ウェハ Wの上方空間に高密度プラズ マが生成される。そして、生成された高密度プラズマにより、サセプタ 608上のウェハ Wの表面にプラズマ酸化処理が施される。このように、マグネトロン ICP方式のプラズ マ酸ィ匕処理装置 600においても、二重プレート 630を配備することにより、低プラズマ ダメージで、かつ薄膜にお!、ても膜厚を高精度に制御可能なプラズマ酸化処理等を 行なうことができる。
[0080] 次に、本発明の効果を確認した試験結果について、図 11〜図 16を参照しながら 説明を行なう。
実施例 1
図 1と同様の構成のプラズマ酸ィ匕処理装置 100を用い、 Si基板を酸化処理してシリ コン酸化膜を形成した。二重プレート 60の上側のプレート 61として貫通孔 61aの直 径が 5mmのものを用い、下側のプレート 62として貫通孔 62aの直径が 5mmのものを 用いた。上側のプレート 61および下側のプレート 62の材質は、いずれも不純物の少 ない石英を用いた。上下のプレート 61, 62の間隔は、 5mmとした。
[0081] 酸化処理工程におけるプラズマ処理の条件は、処理ガスとして ArZOを流量 200
2
0Z200[mLZmin(sccm) ]で用い、ウェハ温度は 400°C、圧力は 266. 6Pa (2To rr)とし、プラズマへの供給パワーは 2. OkW、処理時間は 10秒、 20秒、 40秒または 60秒で行なった。
[0082] 比較例 1
二重プレート 60を配備しない以外は、図 1のプラズマ酸ィ匕処理装置 100と同様の 構成を備えたプラズマ酸ィ匕処理装置により、実施例 1と同様の条件で Si基板を酸ィ匕 処理してシリコン酸化膜を形成した。
[0083] 上記実施例 1、比較例 1で得たシリコン酸ィ匕膜の膜厚をエリプソメーターで測定した 。処理時間と膜厚との関係を図 11に示した。
図 11より、二重プレート 60を配備しない比較例 1では、 10秒のプラズマ酸ィ匕処理で ほぼ lnmの膜厚のシリコン酸ィ匕膜が形成され、その後処理時間が長くなるに伴い膜 厚が増加した。これに対し、二重プレート 60を配備した図 1のプラズマ酸ィ匕処理装置 100を用いて酸ィ匕膜形成を行なった場合には 40秒の処理でも膜厚は lnmを超えて おらず、薄膜の場合の膜厚の制御性が高 、ことが示された。
[0084] 実施例 2
実施例 1と同様の構成の二重プレート 60を備えたプラズマ酸ィ匕処理装置 100を用 い、 Si基板を酸化処理してシリコン酸化膜を形成した。
酸ィ匕処理工程におけるプラズマ処理の条件は、処理ガスとして ArZOを流量 200 0Z20[mLZmin(sccm) ]で用い、ウェハ温度は 400°C、圧力は 66. 7Pa (500m Torr)とし、プラズマへの供給パワーは 2. OkW、処理時間は 10秒、 20秒、 40秒また は 60ί少で行なった。
[0085] 比較例 2
二重プレート 60を配備しない以外は、図 1のプラズマ酸ィ匕処理装置 100と同様の 構成を備えたプラズマ酸ィ匕処理装置により、実施例 2と同様の条件で Si基板を酸ィ匕 処理してシリコン酸化膜を形成した。
[0086] 上記実施例 2、比較例 2で得たシリコン酸ィ匕膜の膜厚をエリプソメーターで測定した 。処理時間と膜厚との関係を図 12に、処理時間と均一性との関係を図 13に示した。 図 12より、二重プレート 60を配備しない比較例 2では、 10秒のプラズマ酸ィ匕処理で ほぼ 1. 8nmの膜厚でシリコン酸ィ匕膜が形成された。一方、二重プレート 60を配備し た図 1のプラズマ酸ィ匕処理装置 100を用いて酸ィ匕膜形成を行なった実施例 2では、 4 0秒の処理でも膜厚は 0. 8nm程度であり、二重プレート 60が薄膜形成における膜 厚の制御に効果的であることが示された。
[0087] また、膜厚の均一性については、図 13より、二重プレート 60を配備しない比較例 2 に比べて実施例 2の方が格段に均一性に優れていた。
[0088] 実施例 3
実施例 1と同様の構成の二重プレート 60を備えたプラズマ酸ィ匕処理装置 100を用 い、 Si基板を酸化処理してシリコン酸化膜を形成した。酸化処理工程におけるプラズ マ処理の条件は、処理ガスとして ArZOを流量 2000Z5 [mLZmin (sccm) ]で用
2
い、ウェハ温度は 400°C、圧力は 66. 7Pa (500mTorr)とし、プラズマへの供給パヮ 一は 2. 0kW、処理時間は 5秒、 10秒、 20秒、 40秒で行なった。得られたシリコン酸 化膜の膜厚をエリプソメーターで測定した。処理時間と酸化膜厚および均一性の関 係を図 14に示した。
[0089] 図 14力ら、処理ガス中の O比率（O ZAr比）を 1Z400にすることにより、 5〜10
2 2
秒間の処理でほぼ 0. 7nm以下の薄膜を形成できることが示された。さらに、この条 件では、 40秒間の処理でも膜厚を 0. 8nm以下に制御できた。また、酸化膜厚の均 一'性も良好であった。 [0090] 実施例 4〜6、比較例 3、 4
実施例 1と同様の構成の二重プレート 60を備えたプラズマ酸ィ匕処理装置 100を用 い、 Si基板を酸化処理してシリコン酸化膜を形成した。酸化処理工程におけるプラズ マ処理の条件は、処理ガスとして Arと Oを用い、流量比と処理圧力は下記のとおりと
2
した。また、比較のため、二重プレート 60を配備しない以外は、図 1のプラズマ酸ィ匕 処理装置 100と同様の構成を備えたプラズマ酸ィ匕処理装置により下記の条件で実 施した。 なお、実施例、比較例ともに、ウェハ温度は 400°C、プラズマへの供給パヮ 一は 2. OkW、処理時間は 5〜60秒で行なった。得られたシリコン酸ィ匕膜の膜厚をェ リプソメーターで測定した。
[0091] 実施例 4 ;二重プレート使用
Ar/O比 =400、圧力 66. 7Pa (500mTorr)
2
実施例 5 ;二重プレート使用
Ar/O比 = 100、圧力 66. 7Pa (500mTorr)
2
実施例 6；二重プレート使用
Ar/O比 = 10、圧力 266. 6Pa (2Torr)
2
比較例 3；二重プレート不使用
Ar/O比 = 10、圧力 266. 6Pa (2Torr)
2
比較例 4；二重プレート不使用
Ar/O比 = 100、圧力 66. 7Pa (500mTorr)
2
[0092] シリコン酸ィ匕膜の膜厚と均一性の関係を図 15に、また、処理時間と膜厚との関係を 図 16に、それぞれ示した。図 15から、二重プレート 60を備えたプラズマ酸ィ匕処理装 置 100を用いた実施例 4〜6では、膜厚 0. 5〜1. Onm程度の極く薄いシリコン酸化 膜を形成した場合でも、ウェハ面内の膜厚の均一性が略 1. 5%以下であり、ガス流 量比や処理圧力による変動は少な力つた。また、図 16から、処理時間が 40秒でも膜 厚は lnmを超えておらず、薄膜の場合でも膜厚の制御が容易であることが示された 。一方、二重プレート 60を使用しな力つた比較例 3では、比較的良好な面内均一性 が得られたものの膜厚は lnmを超えてしまい、薄膜の場合には膜厚の制御が困難で あった。また、二重プレート 60を使用しな力つた比較例 4では、短時間で膜厚が 1. 5 nmを超えてしまい、均一性も制御できなかった。以上の結果から、二重プレート 60を 介在させることによって、膜厚 0. 5〜1. Onm程度の極く薄いシリコン酸ィ匕膜を膜厚と 面内均一性を高精度に制御して形成できることが示された。
[0093] 以上、本発明の実施形態を述べたが、本発明は上記実施形態に制約されることは なぐ種々の変形が可能である。
たとえば、図 1では、 RLSA方式のプラズマ酸ィ匕処理装置 100を例に挙げた力 被 処理基板に対してプラズマが一定方向から供給される装置であれば、そこにラビリン ス構造を有する部材 (二重プレート 60など）を配備することにより同様の効果が得られ るので、例えばリモートプラズマ方式、 ICP方式、 ECR方式、マグネトロン方式、表面 反射波方式等のプラズマ酸化処理装置であってもよ 、。
[0094] また、上記第 1から第 4の実施形態では、周波数 300MHz〜300GHzのマイクロ 波によりプラズマを励起させるマイクロ波プラズマ処理装置を用いた力 例えば上記 第 5、第 6の実施形態のように周波数 30kHz〜300MHzの高周波を用いてプラズマ を励起させる高周波プラズマ処理装置を用いることもできる。
[0095] さらに、上記実施形態では、プラズマ酸ィ匕処理装置を例に挙げたが、二重プレート 60や多孔質プレート 63を配備してプラズマ中のイオンを減少させることによるプラス、 マダメージの低減効果や薄膜形成における膜厚制御効果は、酸化処理に限らず、 例えば処理ガスとして窒素含有ガスを用いるシリコンの窒化処理においても、同様に 得ることができる。従って、本発明のプラズマ処理装置は、二重プレート 60や多孔質 プレート 63を配備したプラズマ窒化処理装置として構成することも可能である。
[0096] また、二重プレート 60に換え、必要に応じてプレートを三枚以上重ねて配備するこ とちでさる。
[0097] また、図 1のプラズマ酸化処理装置 100では、上下のプレート 61, 62を所定の間隔 に離間した状態で支持するため、連結部材 71を配備する構成を採用したが、連結部 材 71に換えて、例えば図 17に示すように円環状のギャップリング 72を介在させて上 下のプレート 61, 62の間隔を調整するようにしてもよい。ギャップリング 72の直径は、 上下のプレート 61, 62の貫通孔 6 la, 62aの配設領域を囲む程度の長さであればよ い。ギャップリング 72を用いることにより、上下のプレート 61, 62の間の空間において プラズマの横方向への拡散を防止できるので、プラズマによる処理効率を維持しつ つ二重プレート 60によるイオントラップの制御性を高めることができる。
[0098] また、二重プレート 60の貫通孔 61a, 62aの形状は、円形に限らず任意であり、例 えば四角等の形状や細長のスリットでもよぐ例えば、図 18に示すように上側のプレ ート 64と下側のプレート 65に、それぞれ形成されたスリット 64a, 65aを互いに位置が ずれるように配備したものを用いることもできる。
さらに、例えば、図 19に示すように、矩形の貫通孔 66aを複数備えた上側のプレー ト 66と、矩形の貫通孔 67aを複数備えた下側のプレート 67と、を上から透視した状態 で貫通孔 66aと貫通孔 67aとが位置をずらして H字型に配列されるように配備しても よい。
[0099] また、貫通孔 61a, 62a等、スリット 64a, 65a等の開口面積やその比率などは、プラ ズマ酸化処理条件等に応じて適宜調整することができる。
[0100] さらに、図 5A〜図 5Cでは、本発明のプラズマ酸化処理装置 100を用いるプラズマ 処理の適用例として、 MOSトランジスタなどのゲート電極におけるゲート絶縁膜の形 成を挙げたが、これに限定されるものではない。例えば、ゲート絶縁膜形成のための 窒化処理や、キャパシタの下部電極のポリシリコンの酸化処理、 High— k (高誘電率 )ゲート絶縁膜形成前の酸化処理、フラッシュメモリのポリシリコン側壁の選択酸化処 理などにおける酸ィ匕膜の形成などにも適用できる。
産業上の利用可能性
[0101] 本発明のプラズマ処理装置およびプラズマ処理方法は、各種半導体装置の製造 過程において好適に利用可能である。

Claims

請求の範囲
[1] 被処理基板を収容する処理チャンバ一と、
前記処理チャンバ一内で被処理基板を載置する基板保持台と、
前記処理チャンバ一の上部から前記基板保持台に載置された被処理基板に向け て供給される処理ガスのプラズマの流れを屈曲させるプラズマ屈曲手段と、 を備えた、プラズマ処理装置。
[2] 請求項 1にお 、て、前記プラズマ屈曲手段は、複数の貫通開口部が形成された 2 枚以上のプレートを、該貫通開口部の位置が重ならないように配置したものである、 プラズマ処理装置。
[3] 請求項 2において、前記プレートが誘電体により構成されるものである、プラズマ処 理装置。
[4] 請求項 2において、前記 2枚以上のプレートの間に、プレートとプレートとの間隔を 調整するギャップ調整部材を配備した、プラズマ処理装置。
[5] 請求項 4にお 、て、前記ギャップ調整部材が、リング状をした部材である、プラズマ 処理装置。
[6] 請求項 1にお 、て、前記プラズマ屈曲手段は、多孔質誘電体により構成されるプレ ートである、プラズマ処理装置。
[7] 請求項 6にお 、て、前記多孔質誘電体の気孔率が、 70〜80%である、プラズマ処 理装置。
[8] 請求項 1において、前記処理チャンバ一内にマイクロ波を導入するための複数のス ロットを有する平面アンテナを備えて 、る、プラズマ処理装置。
[9] プラズマ酸ィ匕処理装置の処理チャンバ一内で被処理基板表面のシリコンに対して 酸素含有プラズマを作用させて酸化処理し、シリコン酸化膜を形成するプラズマ処理 方法であって、
前記処理チャンバ一内のプラズマ発生領域と前記被処理基板との間に、前記ブラ ズマの流れを屈曲させるプラズマ屈曲手段を介在させて処理を行なう、プラズマ処理 方法。
[10] 請求項 9において、前記プラズマ屈曲手段は、複数の貫通開口部が形成された 2 枚以上のプレートを、該貫通開口部の位置が重ならないように配置したものである、 プラズマ処理方法。
[11] 請求項 10において、前記プレートが誘電体により構成されるものである、プラズマ 処理方法。
[12] 請求項 11において、前記プラズマ屈曲手段は、多孔質誘電体により構成されるプ レートである、プラズマ処理方法。
[13] 請求項 12において、前記多孔質誘電体の気孔率が、 70〜80%である、プラズマ 処理方法。
[14] 請求項 9において、形成される酸化膜の膜厚が、 lnm以下である、プラズマ処理方 法。
[15] 請求項 9において、前記酸素含有プラズマは、複数のスロットを有する平面アンテ ナにて前記処理チャンバ一内にマイクロ波を導入して形成されるものである、プラズ マ処理方法。
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