WO2011007745A1 - マイクロ波プラズマ処理装置およびマイクロ波プラズマ処理方法 - Google Patents

マイクロ波プラズマ処理装置およびマイクロ波プラズマ処理方法 Download PDF

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  • a stable standing wave is generated to generate plasma, thereby performing processing such as nitriding processing or oxidation processing.
  • a slow wave material 33 having a dielectric constant larger than that of a vacuum is provided on the upper surface of the planar antenna 31 so as to cover at least the entire slot forming portion of the planar antenna 31.
  • the slow wave material 33 can be formed of, for example, quartz, ceramics, a resin such as fluorine resin or polyimide.
  • the slow wave material 33 has a function of adjusting the plasma by shortening the wavelength of the microwave because the wavelength of the microwave becomes longer in vacuum.
  • the planar antenna 31 and the microwave transmission plate 28 and the slow wave member 33 and the planar antenna 31 are arranged in close contact with each other, but may be separated from each other.
  • N 2 gas is introduced into the chamber 1, the N 2 gas is turned into plasma (excitation), and plasma nitridation is performed on the wafer W by the plasma.
  • plasmas having different modes stored in the storage unit 53 are formed so that a plasma nitriding process with high in-plane uniformity can be performed.
  • Two or more processing recipes that can obtain a desired, typically uniform plasma processing distribution are selected from a plurality of processing recipes, and plasma processing is performed on the wafer W by the selected two or more processing recipes. .
  • the plasma is turned off, and then the nitrogen gas is stopped, and the purge gas is supplied into the chamber 1 from a purge gas supply system (not shown) to purge the chamber 1, and then the gate
  • the valve 26 is opened and the wafer W is unloaded from the loading / unloading port 25.

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Abstract

　マイクロ波プラズマ処理装置（１００）は、チャンバー（１）と、マイクロ波発生源（３９）と、導波機構（３７ａ，３７ｂ，３１，２８）と、プラズマ処理を行うためのガスを導入するガス導入部（１５）と、チャンバー（１）内を排気するための排気装置が接続される排気口（２３）と、処理条件を制御する制御部（５０）とを具備し、制御部（５０）は、互いにモードの異なるプラズマが形成される複数の処理レシピについてそれにより生成したプラズマによるプラズマ処理分布を予め記憶しておき、複数の処理レシピから、組み合わせることにより所望のプラズマ処理分布が得られる２以上の処理レシピを選択し、選択した２以上の処理レシピによりプラズマ処理を行わせる。

Description

マイクロ波プラズマ処理装置およびマイクロ波プラズマ処理方法
　本発明は、被処理体にマイクロ波プラズマによる処理を施すマイクロ波プラズマ処理装置およびマイクロ波プラズマ処理方法に関する。
　プラズマ処理は、窒化処理、酸化処理、成膜、エッチング等種々の処理に用いられており、半導体デバイスの製造に不可欠な技術であるが、近時、ＬＳＩの高集積化、高速化の要請からＬＳＩを構成する半導体素子のデザインルールが益々微細化され、また、被処理基板である半導体ウエハが大型化されており、それにともなって、プラズマ処理装置においてもこのような微細化および大型化に対応するものが求められている。
　このような要求に対応できるプラズマ処理装置として、ＲＬＳＡ（Radial Line Slot Antenna）マイクロ波プラズマ処理装置が注目されている（例えば特開２０００－２９４５５０号公報）。
　ＲＬＳＡマイクロ波プラズマ処理装置は、複数のスロットを有する平面アンテナであるＲＬＳＡ（Radial Line Slot Antenna；ラジアルラインスロットアンテナ）にて処理室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マイクロ波プラズマを発生させ、チャンバー内の載置台に載置された状態の半導体基板にプラズマ処理を施すものである。これにより、高密度で低電子温度のプラズマを生成することができ、低ダメージでかつ高効率の処理を行うことができる。
　このようなＲＬＳＡマイクロ波プラズマ処理装置においては、安定した定在波を発生させてプラズマを生成することにより、窒化処理や酸化処理等の処理を行う。
　ところで、プラズマ処理においては、近時、半導体ウエハの面内における処理の均一性に対する要求が益々厳しくなっているが、上述のように安定した定在波を発生させてプラズマ処理を行う場合には、半径方向または円周方向にプラズマ密度の分布が形成されるため、要求されるプラズマ処理の面内均一性を確保することが困難になりつつある。
　本発明の目的は、面内均一性の高いマイクロ波プラズマ処理を行うことができるマイクロ波プラズマ処理装置およびマイクロ波プラズマ処理方法を提供することにある。
　本発明の他の目的は、上記マイクロ波プラズマ処理方法を実施するためのプログラムが記憶された記憶媒体を提供することにある。
　本発明者らは、上記目的を達成するために検討した結果、以下のことを知見した。
　（１）マイクロ波プラズマ処理装置は、安定した定在波を発生させて、プラズマ処理を行うものであるが、定在波はマイクロ波のパワーに依存し最も安定な整数倍の波長で存在するため、パワーを変化させるとプラズマ密度が不連続的に変化するモードジャンプという現象が発生する。プラズマ処理中にこのようなモードジャンプが生じると不均一なプラズマ処理となるため、通常はマイクロ波パワーが変動してもモードジャンプが生じない領域でプロセスを行っている。しかし、モードジャンプによりプラズマの密度分布が異なる複数のモードのプラズマが出現するため、このような複数のモードのプラズマを積極的に利用することにより、プラズマ処理分布を制御することができる。
　（２）モードの異なる複数のプラズマは、マイクロ波のパワーだけでなく、チャンバー内圧力やガス流量等の他の処理条件が変化することによっても生じさせることができる。このため、マイクロ波のパワーも含めた処理条件を変化させて生成される複数のモードのプラズマを組み合わせることにより、プラズマ処理分布を制御することができる。
　（３）したがって、複数の処理レシピについてそれにより生成したプラズマによるプラズマ処理分布を把握しておき、これらの処理レシピから所望のプラズマ処理分布が得られる２以上の処理レシピを組み合わせてプラズマ処理することが有効である。
　本発明は、このような知見に基づいて完成されたものである。
　すなわち、本発明の一つの観点によれば、マイクロ波プラズマによって被処理体にプラズマ処理を施すマイクロ波プラズマ処理装置であって、被処理体を収容するチャンバーと、マイクロ波を発生させるマイクロ波発生源と、マイクロ波発生源で発生されたマイクロ波を前記チャンバーに向けて導く導波機構と、前記チャンバー内に、プラズマ処理を行うためのガスを導入するガス導入部と、記チャンバー内を排気するために排気管を介して排気装置が接続される排気口と、処理条件を制御する制御部とを具備し、前記制御部は、互いにモードの異なるプラズマが形成される複数の処理レシピについて、それらを用いて生成されたプラズマによるプラズマ処理分布を予め記憶しておき、前記複数の処理レシピから、組み合わせることにより所望のプラズマ処理分布が得られる２以上の処理レシピを選択し、選択した２以上の処理レシピにより被処理体に対してプラズマ処理を行うように制御する、マイクロ波プラズマ処理装置が提供される。
　本発明の他の観点によれば、被処理体を収容するチャンバーと、マイクロ波を発生させるマイクロ波発生源と、マイクロ波発生源で発生されたマイクロ波を前記チャンバーに向けて導く導波機構と、前記チャンバー内にプラズマ処理を行うためのガスを導入するガス導入部と、前記チャンバー内を排気するために排気管を介して排気装置が接続される排気口とを具備するマイクロ波プラズマ処理装置を用いて被処理体にマイクロ波プラズマ処理を施すマイクロ波プラズマ処理方法であって、互いにモードの異なるプラズマが形成される複数の処理レシピについて、それらを用いて生成されたプラズマによるプラズマ処理分布を予め把握しておくことと、前記複数の処理レシピから、組み合わせにより所望のプラズマ処理分布が得られる２以上の処理レシピを選択することと、選択した２以上の処理レシピにより被処理体にプラズマ処理を行うこととを含む、マイクロ波プラズマ処理方法が提供される。
　本発明のさらに他の観点によれば、コンピュータ上で動作し、被処理体を収容するチャンバーと、マイクロ波を発生させるマイクロ波発生源と、マイクロ波発生源で発生されたマイクロ波を前記チャンバーに向けて導く導波機構と、前記チャンバー内にプラズマ処理を行うためのガスを導入するガス導入部と、前記チャンバー内を排気するために排気管を介して排気装置が接続される排気口とを具備するマイクロ波プラズマ処理装置を制御するためのプログラムが記憶された記憶媒体であって、前記プログラムは、実行時に、互いにモードの異なるプラズマが形成される複数の処理レシピについて、それらを用いて生成されたプラズマによるプラズマ処理分布を予め把握しておくことと、前記複数の処理レシピから、組み合わせにより所望のプラズマ処理分布が得られる２以上の処理レシピを選択することと、選択した２以上の処理レシピにより被処理体にプラズマ処理を行うこととを含む、マイクロ波プラズマ処理方法が行われるように、コンピュータに前記マイクロ波プラズマ処理装置を制御させる、記憶媒体が提供される。
　本発明のさらに他の観点によれば、被処理体を収容するチャンバーと、前記チャンバー内にマイクロ波を導入してプラズマを生成するマイクロ波発生部と、前記チャンバー内に前記プラズマを生成するためのガスを導入するガス導入部と、前記チャンバー内を排気するために排気管を介して排気装置を接続する排気口とを具備するマイクロ波プラズマ処理装置を用いて被処理体にマイクロ波プラズマ処理を施すマイクロ波プラズマ処理方法であって、第１のモードの第１のプラズマを生成して、被処理体に第１のプラズマ処理をすることと、前記第１のモードとは異なる第２のモードの第２のプラズマを生成して、前記被処理体に第２のプラズマ処理をすることとを含み、前記第１のプラズマ処理のプラズマ処理分布と、前記第２のプラズマ処理のプラズマ処理分布の組み合わせにより、所望のプラズマ処理分布を得る、マイクロ波プラズマ処理方法が提供される。
本発明の一実施形態に係るマイクロ波プラズマ処理装置を示す断面図である。 図１のプラズマ処理装置の平面アンテナ部材の構造を示す図面である。 図１の装置の制御部の概略構成を示すブロック図である。 チャンバー内の圧力を１４０Ｐａとし、図５の平面アンテナを用いて２．４５ＧＨで４００Ｗのマイクロ波を照射して形成されたプラズマの発光状態を示す写真である。 チャンバー内の圧力を２０Ｐａとし、図５の平面アンテナを用いて２．４５ＧＨで４００Ｗのマイクロ波を照射して形成されたプラズマの発光状態を示す写真である。 図４のプラズマを生成した際の平面アンテナのマイクロ波放射孔を説明するための図である。 モードジャンプを説明するための図である。 マイクロ波パワーが１５００Ｗである処理レシピを用いて生成されたプラズマによりプラズマ窒化処理を施して谷型の窒素濃度分布が得られた例を示すチャートである。 マイクロ波パワーが１８００Ｗである処理レシピを用いて生成されたプラズマによりプラズマ窒化処理を施して山型の窒素濃度分布が得られた例を示すチャートである。 図７の窒素濃度分布が得られたレシピと図８の窒素濃度分布が得られたレシピの両方を用いてプラズマ窒化処理を行った際の窒素濃度分布を示すチャートである。 チャンバー内圧力を変化させてプラズマ窒化処理を施した際の窒素濃度分布を示すチャートである。 Ａｒガス流量を変化させてプラズマ窒化処理を施した際の窒素濃度分布を示すチャートである。 Ｎ２ガス流量を変化させてプラズマ窒化処理を施した際の窒素濃度分布を示すチャートである。
　以下、添付図面を参照しながら、本発明の実施形態について説明する。
　以下の実施形態では、マイクロ波プラズマ処理として、ＲＬＳＡマイクロ波プラズマ処理を用い、被処理体として半導体ウエハを用いて、プラズマ処理としてプラズマ窒化処理を行う場合について説明する。ただし、マイクロ波プラズマ処理としてはＲＬＳＡマイクロ波プラズマ処理に限らず他のマイクロ波プラズマ処理であってもよく、窒化処理に限らず、酸化処理、エッチング処理、化学蒸着（ＣＶＤ）成膜等の他の処理にも適用することができ、被処理体としても半導体ウエハに限らず、ＦＰＤ用のガラス基板等、他の被処理体にも適用可能である。
　図１は、本発明の一実施形態に係るマイクロ波プラズマ処理装置を示す断面図である。このマイクロ波プラズマ処理装置は、複数のスロットを有する平面アンテナであるＲＬＳＡ（Radial Line Slot Antenna；ラジアルラインスロットアンテナ）にて処理室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処理装置として構成されている。ここでは、プラズマ処理としてプラズマ窒化処理を行うものを例示する。
　このプラズマ処理装置１００は、気密に構成され、接地された略円筒状のチャンバー１を有している。チャンバー１の底壁１ａの略中央部には円形の開口部１０が形成されており、底壁１ａ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。
　チャンバー１内には被処理基板であるウエハＷを水平に支持するためのＡｌＮ等のセラミックスからなるサセプタ（載置台）２が設けられている。このサセプタ２は、排気室１１の底部中央から上方に延びる円筒状のＡｌＮ等のセラミックスからなる支持部材３により支持されている。サセプタ２の外縁部にはウエハ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、例えば、Ｍｏ、Ｗ材のような抵抗線のヒータ５が埋め込まれており、このヒータ５はヒータ電源５ａ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エハＷを加熱する。また、載置台２には、熱電対６が挿入されており、ウエハＷの加熱温度を、例えば室温から９００℃までの範囲で温度制御可能となっている。チャンバー１の内周には、不純物の少ない石英からなる円筒状のライナー７が設けられ、チャンバー構成材料による金属汚染を防止している。また、載置台２の外周側には、チャンバー１内を均一排気するための複数の孔８ａが形成された石英製のバッフルプレート８が環状に設けられ、このバッフルプレート８は、金属製または石英製部材の複数の支柱９により支持されている。
　サセプタ２には、ウエハＷを支持して昇降させるための３本（２本のみ図示）のウエハ支持ピン４２がサセプタ２の表面に対して突没可能に設けられ、これらウエハ支持ピン４２はアーム状の支持板４３に固定されている。そして、ウエハ支持ピン４２は、エアシリンダ等の駆動機構４４により支持板４３を介して昇降される。
　チャンバー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。ガス導入部材はノズル状やシャワー状に配置してもよい。このガス供給系１６は、例えばプラズマ生成ガスであるＡｒガスを供給するＡｒガス供給源１７および処理ガスであるＮ２ガスを供給するＮ２ガス供給源１８を有しており、これらのガスが、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からチャンバー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２１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Ｎ２ガスに代えて、例えばＮＨ３ガス、Ｎ２とＨ２との混合ガスなどを用いることもできる。また、後述するようにＡｒガスに代えて他の希ガス、例えばＫｒ、Ｈｅ、Ｎｅ、Ｘｅなどのガスを用いてもよいし、これらの２つ以上を混合してもよい。また、プラズマ窒化処理の際に、希ガスを含まなくてもよく、この場合は処理ガスがプラズマ生成ガスを兼ねることとなる。
　上記排気室１１の側面には排気口２３が形成され、排気口２３には排気管２３ａが接続されており、この排気管２３ａには高速真空ポンプを含む排気装置２４が接続されている。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ー１内のガスが、バッフルプレート８を介して排気室１１の空間１１ａ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ー１内を所定の真空度、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。
　チャンバー１の側壁には、プラズマ処理装置１００に隣接する搬送室（図示せず）との間でウエハ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とが設けられている。
　チャンバー１の上部は開口部となっており、チャンバー１の上端部の上にプレート２７がシール部材２９ａを介して気密にシールされた状態で設けられている。このプレート２７は環状をなし、その内周に沿って内側に突出する環状の支持部２７ａが形成されている。この支持部２７ａに、例えば石英やＡｌ２Ｏ３、ＡｌＮ等のセラミックスのような絶縁体（誘電体）からなり、マイクロ波を透過するマイクロ波透過板２８がシール部材２９ｂを介して気密な状態で支持されている。従って、チャンバー１の上部の開口部は、プレート２７およびマイクロ波透過板２８により気密な状態で閉塞されており、チャンバー１内は気密に保持される。
　マイクロ波透過板２８の上方には、サセプタ２と対向するように、円板状の平面アンテナ３１が設けられている。この平面アンテナ３１はチャンバー１の側壁上端に係止されている。平面アンテナ３１は、マイクロ波透過板よりも少し大きな径を有し、例えば表面が銀または金メッキされた銅またはアルミニウムまたはＮｉからなる円板であり、多数のマイクロ波放射孔３２（スロット）が所定のパターンで貫通して形成された構成となっている。
　このマイクロ波放射孔３２は、例えば図２に示すように長い形状をなすものが対をなし、典型的には対をなすマイクロ波放射孔３２同士が「Ｔ」字状に配置され、これらの対が複数、同心円状に配置されている。スロット３２の長さや配列間隔は、マイクロ波の波長（λｇ）に応じて決定され、例えばマイクロ波放射孔３２の間隔は、λg／４～λgとなるように配置される。なお、図２においては、同心円状に形成された隣接するスロット３２同士の間隔をΔｒで示している。また、スロット３２は、円形状、円弧状等の他の形状であってもよい。さらに、スロット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。
　この平面アンテナ３１の上面には、真空よりも大きい誘電率を有する遅波材３３が、少なくとも平面アンテナ３１のスロット形成部分の全部を覆うように設けられている。遅波材３３は、例えば石英、セラミックス、フッ素系樹脂やポリイミドのような樹脂等で形成することができる。この遅波材３３は、真空中ではマイクロ波の波長が長くなることから、マイクロ波の波長を短くしてプラズマを調整する機能を有している。なお、平面アンテナ３１とマイクロ波透過板２８との間、および、遅波材３３と平面アンテナ３１との間は、密着して配置されているが、離間していてもよい。
　チャンバー１の上面には、これら平面アンテナ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、銅等の金属材からなる導波管機能を有するカバー部材３４が設けられている。チャンバー１の上面とカバー部材３４とはシール部材３５によりシールされている。カバー部材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、カバー部材３４、遅波材３３、平面アンテナ３１、マイクロ波透過板２８を冷却して、これらの破損、変形を防止するようになっている。なお、平面アンテナ３１およびカバー部材３４は接地されている。
　カバー部材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３６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、インピーダンス整合部（チューナ）３８を介してマイクロ波発生源を構成する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路を構成する導波管３７を介して上記平面アンテナ３１へ伝搬されるようになっている。なお、マイクロ波の周波数としては、８．３５ＧＨｚ、１．９８ＧＨｚ等を用いることもできる。
　導波管３７は、上記カバー部材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との間のモード変換器４０は、矩形導波管３７ｂ内をＴＥモードで伝播するマイクロ波を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、この内導体４１の下端部は、平面アンテナ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を介して平面アンテナ３１へ均一に効率よく伝播され、平面アンテナ３１のマイクロ波放射孔３２からマイクロ波透過板２８を透過してチャンバー１内に放射される。
　なお、導波路を構成する導波管３７、平面アンテナ３１、マイクロ波透過板２８は、マイクロ波発生源を構成するマイクロ波発生装置３９で発生されたマイクロ波をチャンバー１内に導く導波機構として機能する。
　マイクロ波プラズマ処理装置１００の各構成部は、制御部５０に接続されて制御されるようになっている。制御部５０はコンピュータで構成されており、図３に示すように、マイクロプロセッサを備えたプロセスコントローラ５１と、このプロセスコントローラに接続されたユーザーインターフェース５２および記憶部５３とを備えている。
　プロセスコントローラ５１は、プラズマ処理装置１００において、温度、圧力、ガス流量、マイクロ波出力、バイアス印加用の高周波電力等のプロセス条件が所望のものとなるように、各構成部、例えばヒータ電源５ａ、ガス供給系１６、排気装置２４、マイクロ波発生装置３９などを制御するようになっている。
　ユーザーインターフェース５２は、オペレータがプラズマ処理装置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イ等を有している。また、記憶部５３は、プラズマ処理装置１００で実行される各種処理をプロセスコントローラ５１の制御にて実現するためのプログラムや、処理条件に応じてプラズマ処理装置１００の各構成部に処理を実行させるためのプログラムすなわち処理レシピが格納されている。
　制御プログラムや処理レシピは記憶部５３の中の記憶媒体（図示せず）に記憶されている。記憶媒体は、ハードディスクや半導体メモリであってもよいし、ＣＤＲＯＭ、ＤＶＤ、フラッシュメモリ等の可搬性のものであってもよい。また、記憶媒体に記憶しておく代わりに、処理レシピ等を他の装置から、例えば専用回線を介して適宜伝送させるようにしてもよい。
　そして、必要に応じて、ユーザーインターフェース５２からの指示等にて任意の処理レシピを記憶部５３から呼び出してプロセスコントローラ５１に実行させることで、プロセスコントローラ５１の制御下で、プラズマ処理装置１００での所望の処理が行われる。
　本実施形態では、制御部５０の記憶部５３に複数の処理レシピが記憶されている。これら複数のレシピは、互いにモードの異なるプラズマが形成されるものであり、各処理レシピにより生成したプラズマの密度分布も予め記憶部５３に記憶しておき、これら複数の処理レシピから、組み合わせにより所望のプラズマ密度分布が得られる２以上の処理レシピを選択し、選択した２以上の処理レシピによりウエハＷに対してプラズマ処理を行わせるように制御する。このようなモードの異なるプラズマを形成する複数の処理レシピは、例えば、プラズマ処理を行うためのガスの流量、マイクロ波のパワー、およびチャンバー１内の圧力の少なくとも１つを異ならせることにより準備される。
　このように構成されたＲＬＳＡ方式のプラズマ処理装置１００においては、まず、ヒータ５によりサセプタ２の温度を例えば２５０～８００℃で加熱した状態で、ゲートバルブ２６を開いて搬入出口２５からウエハＷをチャンバー１内に搬入し、サセプタ２上に載置する。
　そして、Ａｒガスを５００～２０００ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）の流量で導入し、チャンバー１内の圧力を、６６．７～６６７Ｐａ（０．５～５Ｔｏｒｒ）に調整し、その状態でパワー１０００～４０００Ｗ、パワー密度０．５１～２．１Ｗ／ｃｍ２でマイクロ波を導入してプラズマを着火する。
　プラズマ着火は、マイクロ波発生装置３９をオンにして、そこで発生したマイクロ波を、インピーダンス整合部（チューナ）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を介して平面アンテナ３１に供給し、平面アンテナ３１のマイクロ波放射孔３２からマイクロ波透過板２８を介してチャンバー１内におけるウエハＷの上方空間に放射させ、チャンバー１内に供給されたＡｒガスを励起することにより行う。このとき、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換器４０でＴＥＭモードに変換されて、同軸導波管３７ａ内を平面アンテナ３１に向けて伝搬されていく。平面アンテナ３１からマイクロ波透過板２８を経てチャンバー１に放射されたマイクロ波によりチャンバー１内で電磁界が形成され、Ａｒガスが励起されてプラズマ化する。
　プラズマを着火した後、チャンバー１内にＮ２ガスを導入し、Ｎ２ガスをプラズマ化（励起）し、そのプラズマによりウエハＷに対してプラズマ窒化処理を行う。
　従来は、このようなプラズマ窒化処理を行う場合に、単一の処理レシピを用い、安定した定在波を発生させてプラズマを生成するが、定在波が発生する場合には、半径方向にプラズマ密度分布が形成されたり、円周方向にプラズマ密度分布が形成されたりし、良好なプラズマ処理の面内均一性を確保することが困難である。
　例えば、図４Ａ、図４Ｂは、いずれも平面アンテナのマイクロ波放射孔を図５に示すようなハの字状としてプラズマ密度分布が生じやすい状態とし、２．４５ＧＨｚで４００Ｗのマイクロ波を放射した際のプラズマの発光状態（明るい部分はプラズマ密度が高く、暗い部分はプラズマ密度が低い）を示しており、図４Ａはチャンバー内の圧力を１４０Ｐａとした場合であり、図４Ｂは圧力を２０Ｐａとした場合である。これら図から、圧力が１４０Ｐａの場合と２０Ｐａの場合とで明らかにプラズマのモードが異なっており、いずれもプラズマ密度分布が均一でないことがわかる。
　図４Ａ、図４Ｂは、処理条件が異なることにより、プラズマモードジャンプが生じてモードが異なるプラズマが生成されることを示すが、本実施形態においては、このようなモードジャンプを積極的に利用することにより、所望のプラズマ処理分布、すなわち均一な窒化処理分布（窒素濃度分布）を得ることができる。
　モードジャンプは、プラズマ生成条件を変化させた際に、プラズマのモードが突発的に変化する現象をいう。具体的には、例えば、図６に示すように、マイクロ波のパワーを変化させた場合に、モードジャンプが生じてプラズマの状態（ここではプラズマ密度）がステップ状（階段状）に変化する。そして、モードジャンプが生じた部分の間の平坦な部分は、同一のプラズマモードであり、安定した処理を行うことができる領域となる。モードジャンプはマイクロ波のパワーのみならず、チャンバー内の圧力やガス流量等の他の条件を変化させても生じ、これら処理条件を適宜変化させる（すなわち処理レシピを変化させる）ことにより、異なったプラズマ密度分布を有する多数のプラズマモードを得ることができる。
　このため、本実施形態においては、このプラズマ窒化処理の際に、面内均一性の高いプラズマ窒化処理が実施可能なように、記憶部５３に記憶されている互いにモードの異なるプラズマが形成される複数の処理レシピから、組み合わせることにより所望の、典型的には均一なプラズマ処理分布が得られる２以上の処理レシピを選択し、選択した２以上の処理レシピによりウエハＷに対してプラズマ処理を行う。
　つまり、従来は、１つの処理レシピで形成されるプラズマでプラズマ窒化処理を行っており、面内均一性の低い場合が生じていたが、このような場合でも、モードの異なるプラズマが生成される他の処理レシピを組み合わせることにより、面内均一性の高いプラズマ処理を行うことができる。
　具体例を示す。チャンバー１内の圧力：３０Ｐａ（２２５ｍＴｏｒｒ）、Ａｒガスの流量：１０００ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）、Ｎ２ガス流量：１００ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）、マイクロ波パワー：１５００Ｗ、温度：４００℃という条件の処理レシピＡでプラズマ窒化処理を３８ｓｅｃ行った場合には、プラズマ密度は中心が低く周辺が高い谷型の分布となり、このようなプラズマモードで窒化処理を行った場合には、図７に示すようにプラズマ密度に対応した谷型の窒素濃度分布となる（図中の＋は濃度が高いことを示し、数字が大きいほど高い濃度であり、－は濃度が低いことを示し、数字が大きいほど低い濃度である。以下同じ。）この場合の窒素濃度の平均値（Ａｖｅ．）は１４．１％、σ／Ａｖｅ．は２．４６％と均一性が悪い結果となった。また、チャンバー１内の圧力：３０Ｐａ（２２５ｍＴｏｒｒ）、Ａｒガスの流量：１０００ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）、Ｎ２ガス流量：１００ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）、マイクロ波パワー：１８００Ｗ、温度：４００℃という条件の処理レシピＢは、上記処理レシピＡからモードジャンプが生じて異なるプラズマモードとなり、この処理レシピＢでプラズマ窒化処理を３６ｓｅｃ行った場合には、プラズマ密度は中心が高く周辺が低い山型の分布となり、このようなプラズマモードで窒化処理を行った場合には、図８に示すようにプラズマ密度に対応した山型の窒素濃度分布となる。この場合の窒素濃度の平均値（Ａｖｅ．）は１４．７％、σ／Ａｖｅ．は３．１０％と均一性が悪い結果となった。
　これに対し、これら処理レシピＡと処理レシピＢとを組み合わせることにより、面内均一性の高いプラズマ処理を行うことができ、窒素濃度の面内均一性を高めることができる。実際に、処理レシピＡで２７ｓｅｃ間処理した後、マイクロ波パワーを１８００Ｗに上昇させて処理レシピＢで９ｓｅｃ間処理した結果、図９に示すように明確な山や谷が見られない窒素濃度分布となり、窒素濃度の平均値（Ａｖｅ．）は１４．３０％、σ／Ａｖｅ．は０．７２％となり、σ／Ａｖｅ．が１．０％未満という高い面内均一性が達成された。
　このように、事前に所定の処理レシピによるプラズマのモードを把握しておくことにより、２以上の処理レシピを組み合わせて所望のプラズマ処理分布を形成することができ、プラズマ窒化処理の面内均一性を良好にすることができる。なお、上記処理レシピＡ、Ｂと同様、チャンバー１内の圧力：３０Ｐａ（２２５ｍＴｏｒｒ）、Ａｒガスの流量：１０００ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）、Ｎ２ガス流量：１００ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）、温度：４００℃とした際には、マイクロ波パワーが５００～１６００Ｗ（パワー密度：０．２５～０．８５Ｗ／ｃｍ２）であれば谷型のプラズマ密度分布となるプラズマモードとなり、このプラズマモードにより窒化処理を行うことにより谷型の窒化処理面内分布が得られ、一方、マイクロ波パワーが１７００～４０００Ｗ（パワー密度：０．８６～２．１Ｗ／ｃｍ２）であれば山型のプラズマ密度分布となるプラズマモードとなり、このプラズマモードにより窒化処理を行うことにより山型の窒化処理面内分布が得られることが確認されているから、プラズマ処理分布が谷型となる条件および山型となる条件の中からそれぞれ適宜選択した条件の処理レシピを組み合わせることにより面内均一性の高いプラズマ窒化処理を行うことができる。
　以上はマイクロ波パワーを変化させたてプラズマモードを変化させた場合の具体例であるが、以下にチャンバー１内の圧力、Ａｒガス流量、Ｎ２ガス流量を変化させた具体例を示す。
　まず、Ａｒガスの流量：１０００ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）、Ｎ２ガス流量：２００ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）、マイクロ波パワー：１８５０Ｗ、温度：４００℃に固定し、チャンバー１内の圧力を２０Ｐａ、３０Ｐａ、４０Ｐａ、５０Ｐａ、６６．６６Ｐａと変化させ、プラズマモードを変化させてプラズマ窒化処理を行った。その際の窒素濃度の分布は図１０のようになり、プラズマモードにより窒素濃度の分布が大きく変化することがわかる。したがって、これらのプラズマモードを適宜組み合わせれば、窒素濃度分布（プラズマ処理分布）のばらつきをより小さくすることができる。
　次に、チャンバー内圧力：４０Ｐａ（３００ｍＴｏｒｒ）、Ｎ２ガス流量：２００ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）、マイクロ波パワー：１８５０Ｗ、温度：４００℃に固定し、Ａｒガス流量を５００ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）、１０００ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）、２０００ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）と変化させ、プラズマモードを変化させてプラズマ窒化処理を行った。その際の窒素濃度の分布は図１１のようになり、プラズマモードにより窒素濃度の分布が大きく変化することがわかる。したがって、これらのプラズマモードを適宜組み合わせれば、窒素濃度分布（プラズマ処理分布）のばらつきをより小さくすることができる。
　次に、チャンバー内圧力：４０Ｐａ（３００ｍＴｏｒｒ）、Ａｒガス流量：１０００ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）、マイクロ波パワー：１８５０Ｗ、処理温度：４００℃に固定し、Ｎ２ガス流量を２０ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）、４０ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）、１００ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）、２００ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）、４００ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）と変化させ、プラズマモードを変化させてプラズマ窒化処理を行った。その際の窒素濃度の分布は図１２のようになり、プラズマモードにより窒素濃度の分布が大きく変化することがわかる。したがって、これらのプラズマモードを適宜組み合わせれば、窒素濃度分布（プラズマ処理分布）のばらつきをより小さくすることができる。
　なお、上記具体例は、プロセス条件を１つずつ変化させてプラズマモードを変化させたが、２以上の条件を変化させてもモードを変化させることができることはいうまでもない。
　２以上の処理レシピを組み合わせるには、プラズマ窒化処理の全処理時間を２以上の処理レシピで配分すればよく、その配分の方法は任意である。例えば、２つの処理レシピを組み合わせる場合は、前半を一方の処理レシピで処理し、後半を他方の処理レシピで処理してもよいし、２つの処理レシピでの処理を交互に複数回行ってもよい。また、２以上の処理レシピのそれぞれの処理時間を変化させることによりプラズマ処理分布を制御することもできる。この２以上の処理レシピの配分の制御は、制御部５０により行われる。
　プラズマのモードの変更は、チャンバー内の圧力、ガス流量、マイクロ波のパワーの少なくとも１つを変化させることにより行うことができ、したがって、モードの異なるプラズマを形成する複数の処理レシピは、プラズマ処理を行うためのガスの流量、マイクロ波のパワー、およびチャンバー内の圧力の少なくとも１つを異ならせることにより準備すればよいが、短時間でプラズマのモードを変更する観点からは、マイクロ波パワーを変化させることが好ましい。実際の装置においてマイクロ波パワーによりプラズマモードを変更するためには、モードジャンプの前後でインピーダンス整合部（チューナ）３８が反射波を最小にするための同期を取る必要があるが、そのために約２ｓｅｃ程度の時間を要する。したがって、処理レシピの変更スパンは５ｓｅｃ以上であることが好ましい。
　本実施形態においてプラズマ窒化処理を行う際の好ましい条件としては、チャンバー内圧力：６．６６～６６６Ｐａ（０．０５～５Ｔｏｒｒ）Ａｒガス流量：５００～２０００ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）、Ｎ２ガス流量：５～２００ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）、ウエハＷの温度：２５０～５００℃、マイクロ波のパワー：５００～４０００Ｗ（パワー密度：０．２５～２．１Ｗ／ｃｍ２）を挙げることができ、これらの範囲内でマイクロ波パワー、チャンバー内圧力、アルゴンガスの流量等の処理条件が異なる２以上の処理レシピを用いることが好ましい。
　このようにして、窒化処理が終了した後、プラズマをオフにし、その後窒素ガスを停止し、図示しないパージガス供給系からチャンバー１内にパージガスを供給してチャンバー１内のパージを行い、次いで、ゲートバルブ２６を開いて搬入出口２５からウエハＷを搬出する。
　本実施形態においては、複数の処理レシピについてプラズマを形成した際のプラズマ処理分布を予め記憶しておき、複数の処理レシピから、組み合わせにより所望のプラズマ処理分布が得られる２以上の処理レシピを選択し、選択した２以上の処理レシピにより被処理体であるウエハＷに対してプラズマ窒化処理を行うようにしたので、面内均一性（Ｎ濃度または膜厚）が良好なプラズマ窒化処理を行うことができる。具体的には、従来のプラズマ処理分布（被処理体であるウエハの面内での処理のばらつきである窒素濃度のばらつき（σ）を処理の平均値（窒素濃度の平均値）で割った値は数％程度であったが、本実施形態では１％以下とすることができた。
また、このようにマイクロ波を平面アンテナ３１の多数のマイクロ波放射孔３２から放射させてマイクロ波プラズマを形成するので、略１×１０１０～５×１０１２／ｃｍ３の高密度で、かつウエハＷ近傍では０．７～１．２ｅＶ以下の低電子温度プラズマとなり、ラジカルを主体とした下地へのイオンのダメージの少ないプラズマ窒化処理を実現することができる。
　このように、複数の処理レシピについてプラズマ処理分布を予め記憶しておき、前記複数の処理レシピから、組み合わせにより所望のプラズマ処理分布が得られる２以上の処理レシピを選択し、選択した２以上の処理レシピにより被処理体、例えばウエハに対してプラズマ処理を行うようにすることにより、任意のプラズマ処理分布を得ることができ、典型的には面内均一性が良好なマイクロ波プラズマ処理を行うことができる。そして、このようにマイクロ波プラズマ処理を行うことにより、被処理体の面内での処理のばらつき（σ）を処理の平均値で割った値で１％以下の面内均一性を得ることができる。
　なお、本発明は上記実施形態に限定されることなく、本発明の思想の範囲内で種々の変形が可能である。
　例えば、本発明は、上述したように、酸化処理にも好適であり、その場合には、処理ガスとしてＯ２ガス、ＮＯ２ガス等の酸素含有ガスと希ガスを用いて処理を行うことができる。

Claims (14)

  1. 　マイクロ波プラズマによって被処理体にプラズマ処理を施すマイクロ波プラズマ処理装置であって、
    　被処理体を収容するチャンバーと、
    　マイクロ波を発生させるマイクロ波発生源と、
    　マイクロ波発生源で発生されたマイクロ波を前記チャンバーに向けて導く導波機構と、
    　前記チャンバー内に、プラズマ処理を行うためのガスを導入するガス導入部と、
    　前記チャンバー内を排気するために排気管を介して排気装置が接続される排気口と、
    　処理条件を制御する制御部と
    を具備し、
    　前記制御部は、互いにモードの異なるプラズマが形成される複数の処理レシピについて、それらを用いて生成されたプラズマによるプラズマ処理分布を予め記憶しておき、前記複数の処理レシピから、組み合わせることにより所望のプラズマ処理分布が得られる２以上の処理レシピを選択し、選択した２以上の処理レシピにより被処理体に対してプラズマ処理を行わせる、マイクロ波プラズマ処理装置。
  2. 　前記導波機構は、マイクロ波発生源で発生されたマイクロ波を伝送する導波路と、前記導波路にて伝送されたマイクロ波を前記チャンバーに向けて放射する複数のマイクロ波放射孔を有する導体からなる平面アンテナと、前記チャンバーの天壁を構成し、前記平面アンテナのマイクロ波放射孔から放射されたマイクロ波を透過する、誘電体からなるマイクロ波透過板とを有する、請求項１に記載のマイクロ波プラズマ処理装置。
  3. 　前記モードの異なるプラズマを形成する複数の処理レシピは、前記プラズマ処理を行うためのガスの流量、マイクロ波のパワー、および前記チャンバー内の圧力の少なくとも１つを異ならせることにより準備される、請求項１に記載のマイクロ波プラズマ処理装置。
  4. 　前記モードの異なるプラズマは、モードジャンプにより形成される、請求項１に記載のマイクロ波プラズマ処理装置。
  5. 　前記所望のプラズマ処理分布は、被処理体の面内での処理のばらつき（σ）を処理の平均値で割った値で１％以下である、請求項１に記載のマイクロ波プラズマ処理装置。
  6. 　被処理体を収容するチャンバーと、マイクロ波を発生させるマイクロ波発生源と、マイクロ波発生源で発生されたマイクロ波を前記チャンバーに向けて導く導波機構と、前記チャンバー内にプラズマ処理を行うためのガスを導入するガス導入部と、前記チャンバー内を排気するために排気管を介して排気装置が接続される排気口とを具備するマイクロ波プラズマ処理装置を用いて被処理体にマイクロ波プラズマ処理を施すマイクロ波プラズマ処理方法であって、
    　互いにモードの異なるプラズマが形成される複数の処理レシピについて、それらを用いて生成されたプラズマによるプラズマ処理分布を予め把握しておくことと、
    　前記複数の処理レシピから、組み合わせにより所望のプラズマ処理分布が得られる２以上の処理レシピを選択することと、
    　選択した２以上の処理レシピにより被処理体にプラズマ処理を行うこととを含む、マイクロ波プラズマ処理方法。
  7. 　前記モードの異なるプラズマを形成する複数の処理レシピは、前記プラズマ処理を行うためのガスの流量、マイクロ波のパワー、および前記チャンバー内の圧力の少なくとも１つを異ならせることにより準備される、請求項６に記載のマイクロ波プラズマ処理方法。
  8. 　前記モードの異なるプラズマは、モードジャンプにより形成される、請求項６に記載のマイクロ波プラズマ処理方法。
  9. 　前記所望のプラズマ処理分布は、被処理体の面内での処理のばらつき（σ）を処理の平均値で割った値で１％以下である、請求項６に記載のマイクロ波プラズマ処理方法。
  10. 　コンピュータ上で動作し、被処理体を収容するチャンバーと、マイクロ波を発生させるマイクロ波発生源と、マイクロ波発生源で発生されたマイクロ波を前記チャンバーに向けて導く導波機構と、前記チャンバー内にプラズマ処理を行うためのガスを導入するガス導入部と、前記チャンバー内を排気するために排気管を介して排気装置が接続される排気口と、を具備するマイクロ波プラズマ処理装置を制御するためのプログラムが記憶された記憶媒体であって、前記プログラムは、実行時に、互いにモードの異なるプラズマが形成される複数の処理レシピについて、それらを用いて生成されたプラズマによるプラズマ処理分布を予め把握しておくことと、前記複数の処理レシピから、組み合わせにより所望のプラズマ処理分布が得られる２以上の処理レシピを選択することと、選択した２以上の処理レシピにより被処理体にプラズマ処理を行うこととを含む、マイクロ波プラズマ処理方法が行われるように、コンピュータに前記マイクロ波プラズマ処理装置を制御させる、記憶媒体。
  11. 　被処理体を収容するチャンバーと、前記チャンバー内にマイクロ波を導入してプラズマを生成するマイクロ波発生部と、前記チャンバー内に前記プラズマを生成するためのガスを導入するガス導入部と、前記チャンバー内を排気するために排気管を介して排気装置を接続する排気口とを具備するマイクロ波プラズマ処理装置を用いて被処理体にマイクロ波プラズマ処理を施すマイクロ波プラズマ処理方法であって、
    　第１のモードの第１のプラズマを生成して、被処理体に第１のプラズマ処理をすることと、
    　前記第１のモードとは異なる第２のモードの第２のプラズマを生成して、前記被処理体に第２のプラズマ処理をすることと
    を含み、
    　前記第１のプラズマ処理のプラズマ処理分布と、前記第２のプラズマ処理のプラズマ処理分布の組み合わせにより、所望のプラズマ処理分布を得る、マイクロ波プラズマ処理方法。
  12. 　前記第１のプラズマ処理により山型のプラズマ処理分布が得られ、前記第２のプラズマ処理により谷型のプラズマ処理分布が得られる、請求項１１に記載のマイクロ波プラズマ処理方法。
  13. 　前記第１のプラズマ処理と前記第２のプラズマ処理を繰り返し行う、請求項１１に記載のマイクロ波プラズマ処理方法。
  14. 　前記第１モードの前記第１のプラズマおよび前記第２のモードの第２のプラズマは、ガスの流量、マイクロ波のパワー、および前記チャンバー内の圧力の少なくとも１つの条件を互いに異ならせて生成される、請求項１１に記載のマイクロ波プラズマ処理方法。
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