WO2011125550A1 - 窒化処理方法及び窒化処理装置 - Google Patents

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WO2011125550A1
WO2011125550A1 PCT/JP2011/057401 JP2011057401W WO2011125550A1 WO 2011125550 A1 WO2011125550 A1 WO 2011125550A1 JP 2011057401 W JP2011057401 W JP 2011057401W WO 2011125550 A1 WO2011125550 A1 WO 2011125550A1
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WO
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stage
temperature
nitriding
plasma
chamber
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PCT/JP2011/057401
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和良 山崎
浩 小林
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東京エレクトロン株式会社
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    • H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/02104—Forming layers
    • H01L21/02107—Forming insulating materials on a substrate
    • H01L21/02296—Forming insulating materials on a substrate characterised by the treatment performed before or after the formation of the layer
    • H01L21/02318—Forming insulating materials on a substrate characterised by the treatment performed before or after the formation of the layer post-treatment
    • H01L21/02321—Forming insulating materials on a substrate characterised by the treatment performed before or after the formation of the layer post-treatment introduction of substances into an already existing insulating layer
    • H01L21/02329—Forming insulating materials on a substrate characterised by the treatment performed before or after the formation of the layer post-treatment introduction of substances into an already existing insulating layer introduction of nitrogen
    • H01L21/02332—Forming insulating materials on a substrate characterised by the treatment performed before or after the formation of the layer post-treatment introduction of substances into an already existing insulating layer introduction of nitrogen into an oxide layer, e.g. changing SiO to SiON
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C8/00—Solid state diffusion of only non-metal elements into metallic material surfaces; Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive gas, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals
    • C23C8/06—Solid state diffusion of only non-metal elements into metallic material surfaces; Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive gas, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals using gases
    • C23C8/36—Solid state diffusion of only non-metal elements into metallic material surfaces; Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive gas, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals using gases using ionised gases, e.g. ionitriding

Definitions

  • the present invention relates to a nitriding method and a nitriding apparatus for nitriding a target object.
  • a nitriding apparatus for nitriding an object to be processed As a nitriding apparatus for nitriding an object to be processed, a nitriding apparatus using microwave plasma described in International Publication No. 02/058130 (hereinafter referred to as Document 1) is known.
  • Reference 1 describes the nitriding conditions for the oxide film as follows: ⁇ N 2 flow rate is 2 ⁇ 5000sccm ⁇ Rare gas flow rate is 200-2000sccm ⁇ Processing temperature is from room temperature (25 °C) to 700 °C ⁇ Processing pressure is 10 (1.33 Pa) to 3000 mTorr (399 Pa) ⁇ Microwave power density of 0.5 to 4 W / cm 2 (Column on page 8 (nitriding conditions for oxide film)).
  • the nitriding conditions for the oxide film only describe conditions for nitriding the oxide film.
  • Specific nitriding treatment conditions in Document 1 are only those described in (Aspects of Nitrogen-Containing Layer Formation) on page 21 to page 22.
  • ⁇ N 2 flow rate is 20 sccm Ar flow rate of 1000 sccm
  • ⁇ Temperature is 400 °C (wafer)
  • Pressure is 66.7 Pa (500 mTorr)
  • Microwave at 2 W / cm 2 -It is described that the processing time is 20 seconds.
  • the nitrogen dose is mainly due to the fact that the wafer temperature is as high as 400 ° C., the pressure is as high as 66.7 Pa, and the processing time is as long as 20 seconds. Is difficult to keep low. Under the specific nitriding conditions described in Document 1, the nitrogen dose is a high value of 6 ⁇ 10 15 atoms / cm 2 or more.
  • the stage 52 described in Document 1 is a stage 52 having a heating mechanism for heating the wafer. There is no cooling mechanism. For this reason, even if the heating mechanism is turned off and nitriding is performed, the stage 52 is heated by the plasma generated in the processing space, and the wafer temperature cannot be kept at a low temperature around room temperature. After all, in Document 1, it is difficult to keep the nitrogen dose introduced into the wafer low.
  • the present invention provides a nitriding apparatus and a nitriding method that can keep the nitrogen dose introduced into the object to be processed low.
  • a nitriding apparatus is a nitriding apparatus for nitriding a surface to be processed of a target object, a chamber for storing the target object, and a gas introduction mechanism in the chamber.
  • a gas introduction member for introducing a nitrogen-containing gas, a plasma generating mechanism for generating plasma in the chamber supplied with the nitrogen-containing gas, and the object to be processed provided in the chamber are mounted.
  • a temperature control mechanism that is provided on the stage and controls the temperature of the stage, and supplies the gas containing nitrogen to the chamber through the gas introduction unit. Generating the plasma of the gas containing nitrogen in the chamber using the plasma generating mechanism, and controlling the temperature of the stage by the temperature control mechanism.
  • An optimum nitrogen dose is introduced by maintaining the temperature constant within the temperature range of the stage, which can be increased by heat input from the plasma, and nitriding the surface of the object to be processed with the plasma. It has a control part to control.
  • a chamber for containing an object to be processed a gas introduction member for introducing a gas containing nitrogen from a gas introduction mechanism into the chamber, and the gas containing nitrogen
  • a plasma generation mechanism for generating plasma in the supplied chamber a stage for placing and heating the object to be processed, which is provided in the chamber, and a temperature provided on the stage.
  • the stage of the gas is generated, and the temperature of the stage can be increased by the heat input from the plasma to the stage by the temperature control mechanism. It kept constant within a temperature range of controls to introduce the optimum nitrogen dose amount by nitriding treatment by the plasma the target surface of the workpiece.
  • Sectional drawing which shows an example of the basic composition of the plasma nitriding apparatus which concerns on embodiment of this invention
  • Sectional drawing which shows the structural example of the planar antenna member of the plasma nitriding apparatus shown in FIG.
  • the block diagram which shows the structural example of the control part of the plasma nitriding apparatus shown in FIG. Diagram showing the relationship between stage temperature and nitrogen dose
  • Sectional drawing which shows an example of to-be-processed object roughly Diagram showing the relationship between stage temperature fluctuation and dose fluctuation
  • Sectional drawing which shows schematically the microwave plasma nitriding processing apparatus which concerns on a 1st example
  • Sectional drawing which shows schematically the microwave plasma nitriding processing apparatus which concerns on a 2nd example FIG.
  • FIG. A is a time chart showing a normal nitriding treatment sequence
  • FIG. B is a time chart showing a nitriding treatment sequence according to the second embodiment of the present invention.
  • the figure which shows the relationship between the wafer processing number processed according to the sequence shown to FIG. 9B, and stage temperature. Diagram showing the relationship between the number of wafers processed and the difference in nitrogen dose
  • the figure which shows schematically the microwave plasma nitriding processing apparatus which concerns on 3rd Embodiment of this invention Sectional drawing which shows an example of the heat removal mechanism shown in FIG.
  • Sectional drawing which shows schematically the microwave plasma nitriding processing apparatus which concerns on the 1st modification of 3rd Embodiment of this invention
  • Sectional drawing which shows schematically the microwave plasma nitriding processing apparatus which concerns on the 2nd modification of 3rd Embodiment of this invention
  • Sectional drawing which shows schematically the microwave plasma nitriding processing apparatus which concerns on the 3rd modification of 3rd Embodiment of this invention
  • Sectional drawing which shows schematically the microwave plasma nitriding processing apparatus which concerns on the 4th modification of 3rd Embodiment of this invention Diagram showing the relationship between the film thickness and the processing temperature
  • FIG. 1 is a cross-sectional view showing an example of a basic configuration of a plasma nitriding apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • a plasma nitriding apparatus according to an example uses microwaves for plasma generation, and microwaves are introduced into a processing chamber by a RLSA (Radial Line Slot Antenna) which is a planar antenna having a plurality of slots.
  • RLSA Random Line Slot Antenna
  • it is configured as an RLSA microwave plasma processing apparatus that generates microwave plasma with high density and low electron temperature by generating plasma.
  • the plasma processing 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 1a of the chamber 1, and an exhaust chamber 11 that communicates with the opening 10 and protrudes downward is provided on the bottom wall 1a. .
  • a stage 2 that horizontally supports a semiconductor substrate, for example, a silicon wafer W, which is an object to be processed.
  • the stage 2 is supported by a cylindrical support member 3 extending upward from the center of the bottom of the exhaust chamber 11.
  • the object mounting surface on which the object to be processed of the stage 2 is mounted is covered with a cover 4 made of, for example, quartz.
  • a cylindrical liner 7 made of quartz with few impurities is provided on the inner periphery of the chamber 1 to prevent metal contamination by the chamber constituent materials.
  • a baffle plate 8 having a plurality of holes 8 a for uniformly exhausting the inside of the chamber 1 is provided in an annular shape on the outer peripheral side of the stage 2, and the baffle plate 8 is supported by a plurality of support members 9. ing.
  • the stage 2 is provided with three (two only shown) wafer support pins 42 that support and lift the silicon wafer W so as to protrude and retract with respect to the workpiece mounting surface of the stage 2.
  • Wafer support pins 42 are fixed to an arm-shaped support member 43.
  • the wafer support pins 42 are lifted and lowered via a support member 43 by a drive mechanism 44 such as an air cylinder.
  • An annular gas introduction member 15 is provided on the side wall of the chamber 1, and a gas introduction mechanism 16 is connected to the gas introduction member 15.
  • the gas introduction member may be arranged in a nozzle shape or a shower shape.
  • the gas introducing mechanism 16 has, for example, a N 2 gas for supplying N 2 gas supply source 18 and Ar gas is Ar gas supply source 17 and the process gas supplied is a plasma generation gas, these gases , Respectively, reach the gas introduction member 15 via the gas line 20 and are introduced into the chamber 1 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.
  • N 2 gas for example, NH 3 gas or a mixed gas of N 2 and H 2 can be used.
  • the plasma nitriding process may not include a rare gas.
  • the process gas also serves as the plasma generation gas.
  • An exhaust pipe 23 is connected to the side surface of the exhaust chamber 11.
  • An exhaust device 24 including a high-speed vacuum pump is connected to the exhaust pipe 23.
  • the gas in the chamber 1 is uniformly discharged into the space 11 a of the exhaust chamber 11 and is exhausted through the exhaust pipe 23.
  • the inside of the chamber 1 can be depressurized to a predetermined degree of vacuum.
  • a loading / unloading port 25 for loading / unloading the wafer W to / from a transfer chamber (not shown) adjacent to the plasma processing apparatus 100, and a gate valve 26 for opening / closing the loading / unloading port 25. Is provided.
  • the upper part of the chamber 1 is an opening, and a plate 27 having an opening / closing function (Lid) is provided on the upper end of the chamber 1 in a state of being hermetically sealed through a seal member 29a.
  • the plate 27 has an annular shape, and is formed with an annular support portion 27a that protrudes inward along its inner periphery.
  • the support 27a is made of an insulator such as quartz, Al 2 O 3 , AlN, or other ceramics, and the microwave transmitting plate 28 that transmits microwaves is airtight through a seal member 29b such as an O-ring. It is supported by. Therefore, the opening at the top of the chamber 1 is closed in an airtight state by the plate 27 and the microwave transmission plate 28, and the inside of the chamber 1 is kept airtight.
  • a disk-shaped planar antenna 31 is provided above the microwave transmission plate 28 so as to face the stage 2.
  • the planar antenna 31 is locked to the upper end of the side wall of the chamber 1.
  • the planar antenna 31 has a slightly larger diameter than the microwave transmitting plate, and is a disk made of, for example, copper, aluminum, or Ni whose surface is silver or gold plated, and a large number of microwave radiation holes 32 (slots) are predetermined. It is the structure formed by penetrating in this pattern.
  • the microwave radiation holes 32 form a pair, and the pair of microwave radiation holes 32 are typically arranged in a “T” shape. A plurality of pairs are arranged concentrically.
  • the length and arrangement interval of the slots 32 are determined according to the wavelength ( ⁇ g) of the microwave.
  • the intervals of the microwave radiation holes 32 are arranged to be ⁇ g / 4 to ⁇ g.
  • the interval between adjacent slots 32 formed concentrically is indicated by ⁇ r.
  • the slot 32 may have another shape such as a circular shape or an arc shape.
  • the arrangement form of the slots 32 is not particularly limited, and the slots 32 may be arranged concentrically, for example, spirally or radially.
  • a slow wave material 33 having a dielectric constant larger than that of a vacuum is provided 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 an adjustment function for efficiently generating 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.
  • a cover member 34 having a waveguide function made of a metal material such as aluminum, stainless steel, or copper is provided on the upper surface of the chamber 1 so as to cover the planar antenna 31 and the slow wave material 33.
  • the upper surface of the chamber 1 and the cover member 34 are sealed by a seal member 35.
  • a cooling water flow path 34a is formed in the cover member 34, and the cover member 34, the slow wave material 33, the planar antenna 31, and the microwave transmission plate 28 are cooled by allowing the cooling water to flow therethrough, These breakages and deformations are prevented.
  • the planar antenna 31 and the cover member 34 are grounded.
  • An opening 36 is formed at the center of the upper wall of the cover member 34, and a waveguide 37 is connected to the opening 36.
  • a microwave generation device 39 constituting a microwave generation source is connected to an end portion of the waveguide 37 via an impedance matching unit (tuner) 38.
  • an impedance matching unit (tuner) 38 thereby, for example, a microwave with a frequency of 2.45 GHz generated by the microwave generator 39 is propagated to the planar antenna 31 via the waveguide 37 constituting the waveguide.
  • the microwave frequency may be 8.35 GHz, 1.98 GHz, or the like.
  • the waveguide 37 is connected to a coaxial waveguide 37a having a circular cross section extending upward from the opening 36 of the cover member 34, and an upper end portion of the coaxial waveguide 37a via a mode converter 40. And a rectangular waveguide 37b extending in the horizontal direction.
  • the mode converter 40 between the rectangular waveguide 37b and the coaxial waveguide 37a has a function of converting the microwave propagating in the TE mode in the rectangular waveguide 37b into the TEM mode.
  • An inner conductor 41 extends in the center of the coaxial waveguide 37 a, and a lower end portion of the inner conductor 41 is connected and fixed to the center of the planar antenna 31.
  • the microwave propagates through the inner conductor 41 of the coaxial waveguide 37a and is uniformly and efficiently propagated to the planar antenna 31, and is transmitted through the microwave transmission plate 28 from the microwave transmission hole 32 of the planar antenna 31. Radiated into the chamber 1.
  • the waveguide 37, the planar antenna 31, and the microwave transmission plate 28 that constitute the waveguide are waveguide means that guides the microwave generated by the microwave generator 39 that constitutes the microwave generation source into the chamber 1. Function as.
  • control unit 50 Each component of the microwave plasma processing apparatus 100 is connected to and controlled by the control unit 50.
  • the control unit 50 includes a process controller 51 including a microprocessor, and a user interface 52 and a storage unit 53 connected to the process controller.
  • the process controller 51 is configured so that each component, for example, a gas supply system, has a desired process condition such as temperature, pressure, gas flow rate, microwave output, and high-frequency power for bias application. 16, the exhaust device 24, the microwave generator 39, etc. are controlled.
  • the user interface 52 includes a keyboard on which an operator inputs commands to manage the plasma processing apparatus 100, a display for visualizing and displaying the operating status of the plasma processing apparatus 100, and the like.
  • the storage unit 53 causes each component of the plasma processing apparatus 100 to execute processing according to a program for realizing various processes executed by the plasma processing apparatus 100 under the control of the process controller 51 and processing conditions.
  • a program for processing, that is, a processing recipe is stored.
  • the control program and processing recipe are stored in a storage medium (not shown) in the storage unit 53.
  • the storage medium may be a hard disk or semiconductor memory, or may be portable such as a CDROM, DVD, flash memory or the like. Further, instead of storing in a storage medium, a processing recipe or the like may be appropriately transmitted from another device, for example, via a dedicated line.
  • an arbitrary processing recipe is called from the storage unit 53 by an instruction from the user interface 52 and is executed by the process controller 51, so that the plasma processing apparatus 100 can control the process under the control of the process controller 51. Desired processing is performed.
  • FIG. 4 is a diagram showing the relationship between the stage temperature and the nitrogen dose.
  • the results shown in FIG. 4 are obtained by setting the nitriding conditions as follows.
  • Process gas flow rate: Ar / N 2 210 sccm / 10.5 sccm Nitriding time: 5 sec
  • Microwave power density 1.1 W / cm 2
  • the structure of the object to be processed and the evaluation target and evaluation method of the nitrogen dose were as follows. As shown in FIG.
  • a semiconductor substrate for example, a silicon wafer W is used as an object to be processed, and a silicon oxide film 101 having a film thickness of 6.0 nm is formed on the silicon wafer W, and the silicon oxide film 101 is formed.
  • Nitrided The portion of the silicon oxide film 101 that has been subjected to nitriding treatment is denoted by reference numeral 102.
  • the amount of nitrogen introduced into the silicon oxide film 101 by the nitriding treatment was measured using X-ray photoelectron spectroscopy.
  • the coefficient of determination R 2 of the approximate line is 0.9859.
  • the stage temperature is room temperature (e.g., about (2)
  • the nitrogen dose exceeds 3.5 ⁇ 10 15 (atoms / cm 2 ) and is not more than 4.0 ⁇ 10 15 (atoms / cm 2 ).
  • the stage temperature should be controlled above about 60 ° C. and below about 175 ° C.
  • the nitrogen dose exceeds 4.0 ⁇ 10 15 (atoms / cm 2 ) and 4.5 ⁇
  • the stage temperature should be controlled to exceed about 175 ° C. and not more than about 240 ° C.
  • the nitrogen dose is 4.5 ⁇ 10 15 ( exceeding atoms / cm 2 ) to 5.0 ⁇ 10 15 (atoms / cm 2 ) If you want to control within the following range, the stage temperature should be controlled above about 240 ° C and below about 330 ° C.
  • Nitrogen dose exceeds 5.0 ⁇ 10 15 (atoms / cm 2 )
  • the stage temperature should be controlled to exceed about 330 ° C. and to about 420 ° C. or less.
  • the nitrogen dose is 5.5.
  • the stage temperature may be controlled to exceed about 420 ° C. and to about 500 ° C. or less. I understand that.
  • FIG. 6 is a diagram showing the relationship between the stage temperature fluctuation amount and the dose amount fluctuation amount.
  • the nitrogen dose changes by about 0.05 ⁇ 10 15 atoms.
  • the stage temperature variation should be suppressed from ⁇ 34 ° C. or less to ⁇ 10 ° C. or more within the stage temperature control range.
  • FIG. 7 is a cross-sectional view schematically showing a microwave plasma nitriding apparatus according to the first example.
  • the microwave plasma nitriding apparatus 100 a includes a temperature control mechanism 60 that controls the temperature of the stage 2 in the stage 2, and heating that heats the stage 2 as the temperature control mechanism 60.
  • a mechanism 60a for example, a resistance heater, and a temperature measuring device 61 for measuring the temperature of the stage 2, for example, a thermocouple, are provided.
  • the temperature measuring device 61 measures the temperature of the mounting surface on which the object to be processed of the stage 2 is mounted, for example.
  • the role of the heating mechanism 60a is to set the temperature of the stage 2 so that when the nitrogen dose to be introduced is determined, the determined nitrogen dose is introduced into the workpiece. is there.
  • the temperature of the stage 2 is set to 175 ° C. or less as shown in FIG. 4, for example.
  • the temperature of the stage 2 as shown in FIG. 4 and FIG. Is controlled within 175 ° C. ⁇ 22.8 ° C.
  • the set temperature of the heating mechanism 60a is set to 175 ° C.
  • the temperature measurement device 61 is used to measure the temperature of the stage 2 and the measurement result is fed back to the controller 50.
  • the temperature of the stage 2 rises to exceed 175 ° C., for example, 175 ° C.
  • the controller 50 instructs the heater control system 62 to lower the temperature of the stage 2.
  • the set temperature of the heating mechanism 60a is 175 ° C.
  • the reason that the temperature of the stage 2 exceeds 175 ° C. is that the plasma generated in the chamber 1 during the nitriding process is from the plasma to the stage 2 This is because there is heat input.
  • the heater control system 62 is instructed to raise the temperature of the stage 2.
  • the heater control system 62 keeps the temperature of the stage 2 within 175 ° C. ⁇ 22.8 ° C. while raising or lowering the heating temperature by the heating mechanism 60a based on an instruction from the controller 50 during the nitriding process.
  • the microwave plasma nitriding apparatus generates plasma in the chamber 1 to which the gas containing nitrogen is supplied, and the temperature of the stage 2 corresponds to the nitrogen dose to be introduced.
  • the temperature of the stage 2 is set within the temperature range within the temperature range of the stage 2 that can be increased by heat input from the plasma to the stage 2 and within the range of the nitrogen dose to be allowed.
  • the surface to be processed of the object to be processed is nitrided while being kept constant.
  • the nitrogen dose to the object to be processed is controlled with high accuracy even at a low dose of 6.0 ⁇ 10 15 atoms / cm 2 or less. be able to.
  • the nitriding treatment can be performed by setting the stage temperature during the nitriding treatment to, for example, a temperature lower than 40 ° C., specifically, a room temperature of about 20 ° C. to 30 ° C. If the temperature of the stage 2 is nitrided at room temperature, as shown in FIG. 4, for example, the nitrogen dose can be controlled to a lower dose of less than about 3.5 ⁇ 10 15 atoms / cm 2. it can.
  • a plasma of a gas containing nitrogen is generated in the chamber 1, and the temperature of the stage 2 is raised by heat input from the plasma to the stage 2 by the temperature control mechanism 60.
  • the temperature is kept constant within the temperature range of the stage 2 to be obtained, and the object to be processed, in this example, the surface to be processed of the silicon wafer W, is nitrided by the plasma. Thereby, it can control so that the optimal nitrogen dose amount may be introduce
  • the control unit 50 performs control for this purpose.
  • FIG. 8 is a cross-sectional view schematically showing a microwave plasma nitriding apparatus according to the second example.
  • the heating mechanism 60a can be prevented from operating during the nitriding process.
  • the microwave plasma nitriding apparatus 100b is obtained by omitting the heating mechanism 60a and the heater control system 62 from the nitriding apparatus 100a shown in FIG. .
  • the temperature measuring device 61 is not shown, but the temperature measuring device 61 may or may not be present.
  • the temperature at the time of nitriding is, for example, a room temperature of about 20 ° C. to 30 ° C. Can be nitrided. Therefore, as shown in FIG. 4, the nitrogen dose can be controlled to a lower dose of less than about 3.5 ⁇ 10 15 atoms / cm 2 .
  • the heating mechanism 60a is omitted from the stage 2, and the heater control system 62 is not necessary because the heating mechanism 60a is omitted. Therefore, the manufacturing cost of the microwave plasma nitriding apparatus 100b is as follows: Compared to the nitriding apparatus 100a shown in FIG. 7, the advantage that it can be kept low can be further obtained.
  • FIG. 9A is a time chart showing a normal nitriding process sequence.
  • the silicon wafer W is carried into the nitriding apparatus (ST.1) ⁇ the preheating up to the nitriding temperature of the stage 2 (ST.2) ⁇ A cycle of nitriding (ST.3) ⁇ stage 2 heat removal (ST.4) ⁇ unloading the silicon wafer W from the nitriding apparatus (ST.5) is repeated.
  • the nitriding process is performed by heating the stage 2 using the heating mechanism 60a
  • the nitriding process sequence shown in FIG. 9A is employed.
  • FIG. 9B is a time chart showing a nitriding process sequence according to the second embodiment of the present invention.
  • the stage 2 is not heated to a high temperature, for example, a temperature exceeding 500 ° C., or not heated at all. In some cases, nitriding may be performed.
  • preheating (ST.2) and heat removal (ST.4) shown in FIG. 9A are not necessary. Therefore, preheating (ST.2) and heat removal (ST.4) can be eliminated as in the sequence shown in FIG. 9B. If preheating (ST.2) and heat removal (ST.4) can be eliminated, a nitriding method with high throughput can be achieved while optimally controlling the nitrogen dose compared to the normal sequence shown in FIG. 9A. Can be realized. It is particularly effective for introducing a low nitrogen dose.
  • FIG. 10 is a diagram showing the relationship between the number of wafers processed according to the sequence shown in FIG. 9B and the stage temperature.
  • Line I in FIG. 10 shows the state of the stage temperature when the temperature of the heating mechanism 60a is set to 175 ° C. and the wafer W is continuously nitrided without preheating and heat removal according to the sequence shown in FIG. 9B. ing.
  • the stage temperature rises from the first wafer W toward 175 ° C., and rises to about 116 ° C. when the wafer W is 50th.
  • the heating mechanism 60a is operated up to the 50th wafer, and the stage temperature rises to about 116 ° C. at a stretch. Further, in this example, when 50 wafers were nitrided, the heating mechanism 60a was turned off (heating stopped). After the heating mechanism 60a is turned off, the rate of increase in the stage temperature decreases, and the stage temperature is balanced between about 116 ° C. and about 123 ° C. from the 51st sheet to the 100th sheet (reference symbol A).
  • the stage temperature should drop.
  • the equilibrium between the stage temperature of about 116 ° C. and about 123 ° C. is presumed to be due to heat input from the plasma to the stage 2. That is, the temperature of the stage 2 is considered to be a temperature that can be increased by heat input from the plasma without heating the stage 2, and the stage temperature is constant at about 123 ° C. after the 100th sheet. , Is estimated. Since the inclination varies depending on the power for generating plasma, it is necessary to control the power.
  • FIG. 11 is a diagram showing the relationship between the number of processed wafers and the difference in nitrogen dose.
  • the II line in FIG. 11 shows the difference between the nitrogen dose amount of the first wafer W and the nitrogen dose amount for each number of sheets when the stage temperature changes as shown by the I line in FIG.
  • the difference between the nitrogen dose of the first wafer and the nitrogen dose of the wafer W processed as the 25th wafer is about 1.2 ⁇ 10 15 (atoms / cm 2 ).
  • the difference from the nitrogen dose of the first sheet widens greatly.
  • the difference between the nitrogen dose of the first wafer and the nitrogen dose of the wafer W processed as the 100th wafer is about 1.8 ⁇ 10 15.
  • the difference between the nitrogen dose of the first wafer and the nitrogen dose of the wafer W processed as the 112th wafer is also about 1.8 ⁇ 10 15 (atoms / cm 2 ). cm 2 ).
  • the plasma generation mechanism is used to generate plasma in the chamber 1 to which the gas containing nitrogen is supplied, and the temperature of the stage 2 can be increased by heat input from the plasma to the stage 2.
  • the nitrogen dose to the object to be processed is 6.0 ⁇ 10 15 by nitriding the object surface of the object to be processed, in this example, the object surface of the wafer W. Advantages can be obtained in that the dose can be controlled to a low dose of atoms / cm 2 or less, and the variation in nitrogen dose between wafers can be reduced.
  • the stage temperature exceeds a nitrogen dose of 3.0 ⁇ 10 15 (atoms / cm 2 ) and 6.0 ⁇ 10 15 (atoms / cm 2 ) or less in a low temperature range of room temperature (20 ° C.) to 250 ° C.
  • the temperature of the stage 2 that can be increased by heat input from the plasma is suppressed from ⁇ 34 ° C. or less to ⁇ 10 ° C. or more within the stage temperature control range.
  • the preheating of the stage 2 (ST. 2)
  • the heat removal (ST.4) is eliminated, and the object to be processed is carried in, the nitriding process, and the object to be processed are continuously carried out.
  • the stage 2 has a temperature that can be increased by heat input from the plasma, and the temperature of the stage 2 can be balanced in the vicinity of the temperature that can be increased as described above.
  • the third embodiment relates to an example of a plasma nitriding apparatus that can balance the temperature of the stage 2 at a lower temperature.
  • FIG. 12 is a diagram schematically showing a microwave plasma nitriding apparatus according to the third embodiment of the present invention.
  • the microwave plasma nitriding apparatus 100c is different from the microwave plasma nitriding apparatus 100a shown in FIG. 7 in the stage 2 instead of the heating mechanism 60a.
  • a temperature control mechanism 60 having a heat removal mechanism 65.
  • the heat removal mechanism 65 removes heat input from the plasma to the stage 2.
  • a specific example of the heat removal mechanism 65 is a cooling device that cools the stage 2 with a cooling fluid (refrigerant) 66, as shown in FIG.
  • the cooling fluid 66 may be gas or liquid as long as it can cool the stage 2.
  • a liquid is used as the cooling fluid 66.
  • water for example, factory circulating water circulated in the factory by the factory circulating water circulation mechanism 67 was used.
  • the temperature of factory circulating water is about room temperature, for example, about 25 ° C.
  • the cooling fluid may be modified to use, for example, a cooling gas.
  • FIG. 14 shows an example in which a groove 70 for flowing cooling gas is formed on the surface of the stage 2 having the heat removal mechanism 65 as a first modification
  • FIG. 15 shows a second modification.
  • An example is shown in which a groove 70 for flowing a cooling gas is formed on the object mounting surface of the cover 4 made of quartz.
  • a plurality of grooves 70 are formed on the object mounting surface of the stage 2 or the object mounting surface of the cover 4 as in the first and second modifications.
  • a cooling gas for example, helium (He) gas is allowed to flow through.
  • He helium
  • a cooling gas flows between the wafer W and the cover 4.
  • the stage temperature was balanced at about 25 ° C. from the first wafer W to the 25th wafer W. That is, by providing the heat removal mechanism 65 in the stage 2, heat input from the plasma to the stage 2 is removed, that is, canceled, and the temperature of the stage 2 remains substantially the same as the temperature of the cooling fluid 66.
  • a line IV in FIG. 11 indicates a difference between the nitrogen dose amount of the first wafer W and the nitrogen dose amount for each sheet when the stage temperature is changed as indicated by the line III in FIG. As shown in line IV, When the microwave plasma apparatus 100c is used, the difference between the nitrogen dose of the first wafer W and the nitrogen dose of the wafer W up to the 25th wafer is about ⁇ 0.2 ⁇ 10 15 (atoms / Cm 2 ).
  • the temperature of the stage 2 is kept constant while the heat input from the plasma to the stage 2 is removed using the heat removal mechanism 65.
  • the temperature of the stage 2 is lower than the temperature at which the temperature of the stage 2 rises and is balanced by the heat input from the plasma by nitriding the surface to be processed of the object to be processed, in this example, the surface to be processed of the wafer W.
  • the nitrogen dose is set to 3.0 ⁇ 10 15 atoms / cm 2 or more, for example, as shown in FIG. It is possible to control to a further low dose of 5 ⁇ 10 15 atoms / cm 2 or less.
  • the sequence shown in FIG. 9B can be used together, and when used together, as described above, preheating (ST.2) and heat removal (ST.4) of the stage 2 are performed. ) As compared with a certain sequence, the advantage that the throughput of the nitriding process can be improved can be further obtained.
  • FIG. 16 is a cross-sectional view schematically showing a microwave plasma nitriding apparatus according to a third modification of the third embodiment of the present invention.
  • the temperature of the cooling fluid 66 was not adjusted, but directly supplied into the heat removal mechanism 65 in the stage 2.
  • a temperature controller 68 for adjusting the temperature of the cooling fluid 66 is provided, and the temperature of the cooling fluid 66 is set to the room temperature or above by using the temperature controller 68. You may make it adjust to less than and supply to the inside of the heat removal mechanism 65 in the stage 2.
  • the temperature of the stage 2 can be arbitrarily increased from room temperature to a temperature that can be increased by heat input from the plasma.
  • the advantage is that it can be balanced at any temperature, or any temperature below room temperature.
  • the temperature of the stage 2 can be controlled to an arbitrary temperature, the nitrogen dose can be improved while throughput can be reduced while the variation between wafers can be reduced, and in particular, the range of low dose can be controlled and expanded.
  • the advantage that it is advantageous for improving the versatility of the microwave plasma nitriding apparatus according to the present invention can also be obtained.
  • FIG. 17 is a cross-sectional view schematically showing a microwave plasma nitriding apparatus according to a fourth modification of the third embodiment of the present invention.
  • a microwave plasma nitriding apparatus 100e shown in FIG. 17 has a temperature control mechanism 60 provided with both a heat removal mechanism 65 and a heating mechanism 60a in the stage 2.
  • both the heat removal mechanism 65 and the heating mechanism 60a can be provided in the stage 2.
  • the temperature of the stage 2 is input from plasma generated at around room temperature or higher. It is possible to obtain an advantage that the temperature can be balanced at an arbitrary temperature not higher than the temperature that can be increased by heat (a temperature controlled within the range of variation of the optimum stage temperature).
  • the microwave plasma nitriding apparatus 100e according to the fourth modification includes the heating mechanism 60a, the temperature of the stage 2 can be set higher than that of the microwave plasma nitriding apparatus 100d shown in FIG. This is advantageous when controlling to the high temperature side.
  • FIG. 18 is a diagram showing the relationship between the film thickness and the processing temperature.
  • the relationship shown in FIG. 18 is that the flow rate of Ar gas / N 2 gas is 1000 sccm / 200 sccm, the microwave power is 1.5 kW, the processing pressure is 20 Pa, the target film thickness of the silicon oxide film is 15 ⁇ , and the nitrogen dose is 9 It was investigated as x10 15 (atoms / cm 2 ).
  • the film into which nitrogen is introduced in this example, the thickness of the silicon oxide film tends to increase.
  • the temperature during nitriding is not less than room temperature (20 ° C.) and less than 200 ° C., because the amount of film increase can be suppressed to 13 to 15%.
  • RLSA microwave plasma processing is used as the microwave plasma nitridation processing
  • the present invention is not limited to this, and other microwave plasma processing may be used.
  • the present invention can be applied to inductively coupled plasma processing, magnetron plasma processing, and surface wave plasma processing.
  • the present invention can be applied to a high dielectric material, a metal film, and the like.
  • the object to be processed is not limited to the silicon wafer, but can be applied to other objects to be processed such as a glass substrate for FPD.
  • the present invention it is possible to provide a nitriding apparatus and a nitriding method that can suppress the nitrogen dose introduced into the object to be processed.

Abstract

　窒化処理装置（１００）は、被処理体を収容するチャンバ（１）と、チャンバ内にガス導入機構からの窒素を含むガスを導入するガス導入部材（１５）と、窒素を含むガスが供給されたチャンバ（１）内にプラズマを発生させるプラズマ発生機構（３９）と、チャンバ（１）内に設けられ、被処理体（Ｗ）を載置するとともに加熱するステージ（２）と、ステージ（２）に設けられ、該ステージ（２）の温度を制御する温度制御機構（６０）と、を備えている。さらに、窒化処理装置（１００）は、プラズマ発生機構（３９）を用いてチャンバ（１）内に窒素を含むガスのプラズマを発生させるとともに、ステージ（２）の温度をプラズマ発生機構（３９）によりステージ（２）へのプラズマからの入熱によって上昇し得るステージの温度範囲内で一定に保ち、被処理体（Ｗ）の被処理面を上記プラズマにより窒化処理することにより最適な窒素ドーズ量を導入するように制御する制御部（５０）を有している。

Description

窒化処理方法及び窒化処理装置
　この発明は、被処理体を窒化処理する窒化処理方法及び窒化処理装置に関する。
　被処理体の窒化において、アプリケーションの増加に伴って広範囲な窒素ドーズ量制御が必要とされている。
　被処理体を窒化処理する窒化処理装置としては、国際公開番号０２／０５８１３０号（以下文献１）に記載されたマイクロ波プラズマを利用した窒化処理装置が知られている。
　文献１には、酸化膜の窒化条件として、
　　・Ｎ２の流量を２～５０００ｓｃｃｍ
　　・希ガスの流量を２００～２０００ｓｃｃｍ
　　・処理温度を室温（２５℃）～７００℃
　　・処理圧力を１０（１．３３Ｐａ）～３０００ｍＴｏｒｒ（３９９Ｐａ）
　　・マイクロ波のパワー密度を０．５～４Ｗ／ｃｍ２
　とすることが記載されている（第８頁（酸化膜の窒化条件）の欄）。
　上記酸化膜の窒化条件は酸化膜を窒化できる条件を記載するのみである。文献１における具体的な窒化処理条件は、第２１頁～第２２頁の（窒素含有層形成の態様）に記載された条件のみである。ここには、下地酸化膜２の窒化条件として、
　　・Ｎ２の流量を２０ｓｃｃｍ
　　・Ａｒガスの流量を１０００ｓｃｃｍ、
　　・温度を４００℃（ウエハ）
　　・圧力を６６．７Ｐａ（５００ｍＴｏｒｒ）
　　・マイクロ波を２Ｗ／ｃｍ２
　　・処理時間を２０秒
とすることが記載されている。
　しかし、文献１には、窒素ドーズ量を制御すること、特に、窒素ドーズ量を低く抑えるように制御することについては何等記載されていない。
　文献１に記載された具体的な窒化条件では、ウエハの温度が４００℃と高いこと、圧力が６６．７Ｐａと高いこと、及び処理時間が２０秒と長いことを主な要因として、窒素ドーズ量を低く抑えることが困難である。文献１に記載された具体的な窒化条件では、窒素ドーズ量は６×１０１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ２以上の高い値となってしまう。
　また、文献１に記載されたステージ５２はウエハを加熱する加熱機構を有したステージ５２である。冷却機構は備えていない。このため、たとえ、加熱機構をオフさせて窒化処理をしたとしても、処理空間に発生したプラズマによりステージ５２が加熱されてしまい、ウエハの温度を室温付近の低温に保つことはできない。結局のところ、文献１では、ウエハに導入される窒素ドーズ量を低く抑えることは困難である。
　この発明は、被処理体に導入される窒素ドーズ量を低く抑えることが可能な窒化処理装置及び窒化処理方法を提供する。
　この発明の第１の態様に係る窒化処理装置は、被処理体の被処理面を窒化処理する窒化処理装置であって、前記被処理体を収容するチャンバと、前記チャンバ内にガス導入機構からの窒素を含むガスを導入するガス導入部材と、前記窒素を含むガスが供給された前記チャンバ内に、プラズマを発生させるプラズマ発生機構と、前記チャンバ内に設けられた、前記被処理体を載置するとともに加熱するステージと、前記ステージに設けられ、該ステージの温度を制御する温度制御機構と、を備え、前記チャンバ内に前記ガス導入部を介して、前記窒素を含むガスを供給して、前記プラズマ発生機構を用いて前記チャンバ内に前記窒素を含むガスの前記プラズマを発生させるとともに、前記ステージの温度を前記温度制御機構により前記ステージへの前記プラズマからの入熱によって上昇し得る前記ステージの温度範囲内で一定に保ち、前記被処理体の前記被処理面を前記プラズマにより窒化処理することにより最適な窒素ドーズ量を導入するように制御する制御部を有している。
　この発明の第２の態様に係る窒化処理方法は、被処理体を収容するチャンバと、前記チャンバ内にガス導入機構からの窒素を含むガスを導入するガス導入部材と、前記窒素を含むガスが供給された前記チャンバ内に、プラズマを発生させるプラズマ発生機構と、前記チャンバ内に設けられた、前記被処理体を載置するとともに加熱するステージと、前記ステージに設けられ、該ステージの温度を制御する温度制御機構と、を備えた窒化処理装置を用いて、前記被処理体の被処理面を窒化処理する窒化処理方法であって、前記プラズマ発生機構を用いて、前記チャンバ内に前記窒素を含むガスの前記プラズマを発生させ、前記ステージの温度を前記温度制御機構により前記ステージへの前記プラズマからの入熱によって上昇し得る前記ステージの温度範囲内で一定に保ち、前記被処理体の前記被処理面を前記プラズマにより窒化処理することにより最適な窒素ドーズ量を導入するように制御する。
この発明の実施形態に係るプラズマ窒化処理装置の基本構成の一例を示す断面図 図１に示すプラズマ窒化処理装置の平面アンテナ部材の構造例を示す断面図 図１に示すプラズマ窒化処理装置の制御部の構成例を示すブロック図 ステージ温度と窒素ドーズ量との関係を示す図 被処理体の一例を概略的に示す断面図 ステージ温度変動量とドーズ量変動量との関係を示す図 第１例に係るマイクロ波プラズマ窒化処理装置を概略的に示す断面図 第２例に係るマイクロ波プラズマ窒化処理装置を概略的に示す断面図 Ａ図は通常の窒化処理シーケンスを示すタイムチャート、Ｂ図はこの発明の第２の実施形態に係る窒化処理シーケンスを示すタイムチャート 図９Ｂに示すシーケンスに従って処理したウエハ処理枚数とステージ温度との関係を示す図 ウエハ処理枚数と窒素ドーズ量の差との関係を示す図 この発明の第３の実施形態に係るマイクロ波プラズマ窒化処理装置を概略的に示す図 図１２に示す抜熱機構の一例を示す断面図 この発明の第３の実施形態の第１の変形例に係るマイクロ波プラズマ窒化処理装置を概略的に示す断面図 この発明の第３の実施形態の第２の変形例に係るマイクロ波プラズマ窒化処理装置を概略的に示す断面図 この発明の第３の実施形態の第３の変形例に係るマイクロ波プラズマ窒化処理装置を概略的に示す断面図 この発明の第３の実施形態の第４の変形例に係るマイクロ波プラズマ窒化処理装置を概略的に示す断面図 増膜量と処理温度との関係を示す図
　以下、この発明の実施形態のいくつかを、図面を参照して説明する。なお、全図にわたり、共通の部分には共通の参照符号を付す。
　　　（第１の実施形態）
　図１は、この発明の実施形態に係るプラズマ窒化処理装置の基本構成の一例を示す断面図である。一例に係るプラズマ窒化処理装置は、プラズマの発生にマイクロ波を用いており、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。
　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１を有している。チャンバ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１内には被処理体である半導体基板、例えば、シリコンウエハＷを水平に支持するステージ２が設けられている。ステージ２は、排気室１１の底部中央から上方に延びる円筒状の支持部材３により支持されている。本例では、ステージ２の被処理体を載置する被処理体載置面が、例えば、石英からなるカバー４により覆われている。
　チャンバ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、チャンバ構成材料による金属汚染を防止している。また、ステージ２の外周側には、チャンバ１内を均一排気するための複数の孔８ａ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、複数の支持部材９により支持されている。
　ステージ２には、シリコンウエハ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がステージ２の被処理体載置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はアーム状の支持部材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により支持部材４３を介して昇降される。
　チャンバ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、ガス導入部材１５にはガス導入機構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。このガス導入機構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、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。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。
　排気室１１の側面には排気管２３が接続されている。排気管２３には高速真空ポンプを含む排気装置２４が接続されている。排気装置２４を作動させることによりチャンバ１内のガスが、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１内を所定の真空度に減圧することが可能となっている。
　チャンバ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１の上部は開口部となっており、チャンバ１の上端部の上に開閉機能（Lid）を有するプレート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からなり、マイクロ波を透過するマイクロ波透過板２８がＯリング等のシール部材２９ｂを介して気密な状態で支持されている。したがって、チャンバ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、ステージ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。
　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効率よく生成する調整機能を有している。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を伝播して平面アンテナ３１へ均一に効率よく伝播され、平面アンテナ３１のマイクロ波透過孔３２からマイクロ波透過板２８を透過してチャンバ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１内に導く導波手段として機能する。
　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、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。
　図４は、ステージ温度と窒素ドーズ量との関係を示す図である。　
　図４に示す結果は、窒化処理条件を下記のように設定して求めたものである。　
　　　処理ガス流量：　Ａｒ／Ｎ２　＝　２１０ｓｃｃｍ／１０．５ｓｃｃｍ
　　　窒化処理時間：　５ｓｅｃ
　　　ステージ温度：　４０℃、１７５℃、２５０℃、５００℃と変化
　　　処理圧力　　：　０．１５Ｔｏｒｒ（２０Ｐａ）
　　　マイクロ波のパワー密度：　１．１Ｗ／ｃｍ２
　また、被処理体の構造、及び窒素ドーズ量の評価対象及び評価手法は下記とした。　
　図５に示すように、被処理体には、半導体基板、例えば、シリコンウエハＷを用い、該シリコンウエハＷ上に膜厚６．０ｎｍのシリコン酸化膜１０１を形成し、該シリコン酸化膜１０１を窒化処理した。窒化処理されたシリコン酸化膜１０１の部分には参照符号１０２を付す。窒化処理によって、シリコン酸化膜１０１内に導入された窒素の量（窒素ドーズ量）は、Ｘ線光電子分光法を用いて測定した。
　図４に示すように、窒素ドーズ量はステージ温度と関係があり、ステージ温度が低くなるにつれて窒素ドーズ量は低下する傾向を示す。図４には評価結果として、菱形で示す複数の実測値と、最小二乗法を用いてこれら複数の実測値を直線回帰させることで得た近似直線ｙ＝０．００５３ｘ＋３．２２７５とが示されている。この近似直線の決定係数Ｒ２は０．９８５９である。
　例えば、図４に示す結果（ｙ＝０．００５３ｘ＋３．２２７５）及び実測値に従うと、
　（１）　窒素ドーズ量を３．０×１０１５（atoms／ｃｍ２）を超え３．５×１０１５（atoms／ｃｍ２）以下の範囲に制御したい場合には、ステージ温度は室温（例えば約２０℃）以上約６０℃以下に制御すれば良いこと
　（２）　窒素ドーズ量を３．５×１０１５（atoms／ｃｍ２）を超え４．０×１０１５（atoms／ｃｍ２）以下の範囲に制御したい場合には、ステージ温度は約６０℃を超え約１７５℃以下に制御すれば良いこと
　（３）　窒素ドーズ量を４．０×１０１５（atoms／ｃｍ２）を超え４．５×１０１５（atoms／ｃｍ２）以下の範囲に制御したい場合には、ステージ温度は約１７５℃を超え約２４０℃以下に制御すれば良いこと
　（４）　窒素ドーズ量を４．５×１０１５（atoms／ｃｍ２）を超え５．０×１０１５（atoms／ｃｍ２）以下の範囲に制御したい場合には、ステージ温度は約２４０℃を超え約３３０℃以下に制御すれば良いこと
　（５）　窒素ドーズ量を５．０×１０１５（atoms／ｃｍ２）を超え５．５×１０１５（atoms／ｃｍ２）以下の範囲に制御したい場合には、ステージ温度は約３３０℃を超え約４２０℃以下に制御すれば良いこと
　（６）　窒素ドーズ量を５．５×１０１５（atoms／ｃｍ２）を超え６．０×１０１５（atoms／ｃｍ２）以下の範囲に制御したい場合には、ステージ温度は約４２０℃を超え約５００℃以下に制御すれば良いこと
が分かる。
　図６は、ステージ温度変動量とドーズ量変動量との関係を示す図である。
　図６は、ステージ温度の変動によって、どれだけ窒素ドーズ量が変動するのかを、図４に示す近似直線ｙ＝０．００５３ｘ＋３．２２７５から求めたものである。
　図６によれば、ステージ温度が１０℃変化すると窒素ドーズ量が約０．０５×１０１５atoms変化することが分かる。
　図６からは、例えば、窒素ドーズ量を４．０×１０１５atoms／ｃｍ２±３％の範囲（＝４．０×１０１５atoms±０．１２×１０１５atoms／ｃｍ２）内に抑えたいのであれば、ステージ温度の変動量を±２２．８℃以下からステージ温度の制御範囲内の±１０℃以上に抑えれば良いことが分かる。
　同様に、窒素ドーズ量を５．０×１０１５atoms／ｃｍ２±３％の範囲（＝５．０×１０１５atoms±０．１５×１０１５atoms／ｃｍ２）内に抑えたいのであれば、ステージ温度の変動量を±２８℃以下に抑えれば良いことが、また、窒素ドーズ量を６．０×１０１５atoms／ｃｍ２±３％の範囲（＝６．０×１０１５atoms±０．１８×１０１５atoms／ｃｍ２）内に抑えたいのであれば、ステージ温度の変動量を±３４℃以下からステージ温度の制御範囲内の±１０℃以上に抑えれば良いことが分かる。
　つまり、窒素ドーズ量３．０×１０１５（atoms／ｃｍ２）を超え６．０×１０１５（atoms／ｃｍ２）以下の範囲に制御する場合、ステージ温度を室温(２０℃)以上５００℃以下の範囲に設定し、且つ、ステージ温度の変動量を±３４℃以下からステージ温度の制御範囲内の±１０℃以上に抑えことが好ましい。特にステージ温度が室温(２０℃)以上２５０℃以下の範囲の窒素ドーズ量の制御に有効である。
　次に、窒素ドーズ量を制御することが可能な装置構成の具体例を説明する。
　図７は、第１例に係るマイクロ波プラズマ窒化処理装置を概略的に示す断面図である。
　図７に示すように、第１例に係るマイクロ波プラズマ窒化処理装置１００ａは、ステージ２には、ステージ２の温度を制御する温度制御機構６０、温度制御機構６０としてはステージ２を加熱する加熱機構６０ａ、例えば、抵抗ヒータと、ステージ２の温度を測定する温度測定器６１、例えば、熱電対とが設けられている。温度測定器６１は、例えば、ステージ２の被処理体が載置される載置面の温度を測定する。
　窒素ドーズ量を制御するにあたり、加熱機構６０ａの役割は、導入するべき窒素ドーズ量が定まったら、定まった窒素ドーズ量が被処理体に導入されるように、ステージ２の温度を設定することである。例えば、窒素ドーズ量を４．０×１０１５atoms／ｃｍ２以下としたいのであれば、例えば、図４に示したように、ステージ２の温度を１７５℃以下に設定する。
　より詳しい一例をあげると、例えば、窒素ドーズ量を４．０×１０１５atoms／ｃｍ２以下±３％以内で制御したいのであれば、図４及び図６に示したように、ステージ２の温度を１７５℃±２２．８℃以内で制御する。この制御は、まず、加熱機構６０ａの設定温度を１７５℃とする。そして、窒化処理の間、例えば、温度測定器６１を用いてステージ２の温度を測定しながら、測定結果をコントローラ５０にフィードバックする。コントローラ５０は、ステージ２の温度が１７５℃を、例えば、１７５℃＋２２．８℃を上回るように上がってきたら、ステージ２の温度を下げるようにヒータ制御系６２に指示する。加熱機構６０ａの設定温度が１７５℃であるにも関わらず、ステージ２の温度が１７５℃を上回る理由は、窒化処理の間、チャンバ１内に発生されているプラズマからのステージ２へのプラズマからの入熱があるためである。反対に、ステージ２の温度が１７５℃－２２．８℃を下回るように下がってきたら、ステージ２の温度を上げるようにヒータ制御系６２に指示する。ヒータ制御系６２は、窒化処理の間、コントローラ５０の指示に基づき、加熱機構６０ａによる加熱温度を上げたり、下げたりしながら、ステージ２の温度を１７５℃±２２．８℃以内とする。
　このように、第１例に係るマイクロ波プラズマ窒化処理装置は、窒素を含むガスが供給されたチャンバ１内にプラズマを発生させるとともに、ステージ２の温度を、導入するべき窒素ドーズ量に対応した温度に設定し、ステージ２の温度を、ステージ２へのプラズマからの入熱によって上昇し得るステージ２の温度範囲内、かつ、許容されるべき窒素ドーズ量の範囲内に収まるような温度範囲内で一定に保ちながら、被処理体の被処理面を窒化処理する。
　このように構成することで、図４に示したように、被処理体への窒素ドーズ量を、６．０×１０１５atoms／ｃｍ２以下の低ドーズであっても、高精度に制御することができる。
　また、ステージ２の温度が低ければ低いほど、窒素ドーズ量を低ドーズにできることから、窒化処理の間、ヒータ制御系６２により加熱機構６０ａの電源をオフし、加熱機構６０ａを動作させないようにしても良い。この場合には、窒化処理の際のステージ温度を、例えば、温度４０℃未満、具体的には２０℃～３０℃程度の室温として窒化処理することができる。ステージ２の温度を、室温として窒化処理すれば、図４に示したように、例えば、窒素ドーズ量を、約３．５×１０１５atoms／ｃｍ２未満の、さらに低ドーズに制御することができる。
　このようなマイクロ波プラズマ窒化処理装置１００ａを用いて、チャンバ１内に窒素を含むガスのプラズマを発生させ、ステージ２の温度を温度制御機構６０によりステージ２へのプラズマからの入熱によって上昇し得るステージ２の温度範囲内で一定に保ち、被処理体、本例ではシリコンウエハＷの被処理面を上記プラズマにより窒化処理する。これにより、最適な窒素ドーズ量が導入されるように制御することができる。また、このための制御は、制御部５０が行なう。
　図８は、第２例に係るマイクロ波プラズマ窒化処理装置を概略的に示す断面図である。
　上述したように、この発明の実施形態に係る窒化処理方法によれば、窒化処理の間、加熱機構６０ａを動作させないようにすることもできる。
　この知見に基づき、図８に示すように、第２例に係るマイクロ波プラズマ窒化処理装置１００ｂは、図７に示した窒化処理装置１００ａから加熱機構６０ａ及びヒータ制御系６２を省いたものである。図８中では、温度測定器６１は示されていないが、温度測定器６１についてはあっても無くてもどちらでも良い。
　このような第２例に係る窒化処理装置１００ｂによれば、ステージ２に加熱機構６０ａが設けられていないので、窒化処理の際の温度を、例えば、ステージ温度を２０℃～３０℃程度の室温として窒化処理することができる。したがって、図４に示したように、窒素ドーズ量を約３．５×１０１５atoms／ｃｍ２未満の、さらに低ドーズに制御することができる。
　さらに、上記利点に加えて、ステージ２から加熱機構６０ａが省かれること、加熱機構６０ａが省かれることでヒータ制御系６２も必要がなくなることから、マイクロ波プラズマ窒化処理装置１００ｂの製造コストは、図７に示した窒化処理装置１００ａに比較して、低く抑えることができる、という利点を、さらに得ることができる。
　　　（第２の実施形態）
　図９Ａは、通常の窒化処理シーケンスを示すタイムチャートである。
　図９Ａに示すように、通常の窒化処理シーケンスにおいては、基本的に、窒化処理装置へのシリコンウエハＷの搬入（ＳＴ．１）→ステージ２の窒化処理温度までの予熱（ＳＴ．２）→窒化処理（ＳＴ．３）→ステージ２の除熱（ＳＴ．４）→窒化処理装置からのシリコンウエハＷの搬出（ＳＴ．５）、というサイクルを繰り返す。第１の実施形態において、ステージ２を、加熱機構６０ａを用いて加熱して窒化処理を行う場合には、図９Ａに示す窒化処理シーケンスが採用される。
　図９Ｂは、この発明の第２の実施形態に係る窒化処理シーケンスを示すタイムチャートである。
　ところで、第１の実施形態においても説明した通りであるが、この発明に係る窒化処理方法においては、ステージ２を高い温度、例えば、５００℃を超える温度に加熱せずに、あるいは全く加熱せずに窒化処理を行う場合があり得る。
　ステージ２を加熱しない場合には、図９Ａに示した予熱（ＳＴ．２）及び除熱（ＳＴ．４）は必要ない。したがって、図９Ｂに示すシーケンスのように、予熱（ＳＴ．２）及び除熱（ＳＴ．４）を無くすことができる。予熱（ＳＴ．２）及び除熱（ＳＴ．４）を無くすことができれば、図９Ａに示した通常のシーケンスに比較して、窒素ドーズ量を最適に制御しつつ、スループットの良い窒化処理方法を実現することができる。特に低窒素ドーズ量の導入に効果的である。
　図１０は、図９Ｂに示すシーケンスに従って処理したウエハ処理枚数とステージ温度との関係を示す図である。
　図１０中の線Ｉは、加熱機構６０ａの温度を１７５℃に設定し、図９Ｂに示すシーケンスに従い予熱及び除熱無しで、ウエハＷを連続して窒化処理したときのステージ温度の状況を示している。
　図１０中の線Ｉに示すように、ステージ温度は、１枚目のウエハＷから１７５℃に向かって上昇し、５０枚目のウエハＷのときには約１１６℃付近まで上昇する。５０枚目のウエハまでは加熱機構６０ａを作動させており、ステージ温度は約１１６℃付近まで一気に上昇する。さらに、本例では、ウエハＷの窒化処理が５０枚終了したところで、加熱機構６０ａをオフさせた（加熱停止）。加熱機構６０ａをオフさせた後、ステージ温度の上昇率が下がり、５１枚目から１００枚目までステージ温度は、約１１６℃から約１２３℃の間で均衡する（参照符号Ａ）。本来ならば加熱機構６０ａをオフさせると、ステージ温度は下がるはずである。しかし、ステージ温度が約１１６℃から約１２３℃の間で均衡するのは、ステージ２へのプラズマからの入熱によるものと推測される。即ち、ステージ２の温度は、ステージ２を加熱しなくても、プラズマからの入熱によって上昇し得る温度が存在する、と考えられ、１００枚目以降はステージ温度が約１２３℃で一定となる、と推測される。その傾きは、プラズマを生成するパワーにより変化するので、そのパワーに対する制御が必要である。
　図１１は、ウエハ処理枚数と窒素ドーズ量の差との関係を示す図である。
　図１１中のII線は、図１０中のＩ線のようにステージ温度が変化した場合の１枚目のウエハＷの窒素ドーズ量と枚数毎の窒素ドーズ量との差を示している。例えば、１枚目の窒素ドーズ量と２５枚目に処理されたウエハＷの窒素ドーズ量との差は、約１．２×１０１５（atoms／ｃｍ２）あることを示している。このようにステージ温度が上昇する範囲においては、１枚目の窒素ドーズ量との差が大きく広がっていく。
　対して、参照符号Ｂに示すステージ温度が均衡する範囲においては、１枚目の窒素ドーズ量と１００枚目に処理されたウエハＷの窒素ドーズ量との差が、約１．８×１０１５（atoms／ｃｍ２）であるのに対し、１枚目の窒素ドーズ量と、１１２枚目に処理されたウエハＷの窒素ドーズ量との差もまた、約１．８×１０１５（atoms／ｃｍ２）である。１００枚目に処理されたウエハＷの窒素ドーズ量と１１２枚目に処理されたウエハＷの窒素ドーズ量との差は、ほとんどない。つまり、ステージ温度が均衡する範囲においては、窒素ドーズ量のウエハ間バラツキが小さくなる。
　従って、プラズマ発生機構を用いて窒素を含むガスが供給されたチャンバ１内にプラズマを発生させるとともに、ステージ２の温度を、ステージ２へのプラズマからの入熱によって上昇し得るステージ２の温度範囲内で一定に保ち、被処理体の被処理面、本例ではウエハＷの被処理面を窒化処理するように構成することで、被処理体への窒素ドーズ量を、６．０×１０１５atoms／ｃｍ２以下の低ドーズに制御でき、かつ、窒素ドーズ量のウエハ間バラツキを小さくできる、という利点を得ることができる。
　つまり、ステージ温度が室温(２０℃)以上２５０℃以下の低温範囲で、窒素ドーズ量３．０×１０１５（atoms／ｃｍ２）を超え６．０×１０１５（atoms／ｃｍ２）以下の範囲に制御する場合、プラズマからの入熱によって上昇し得るステージ２の温度をステージ温度の変動量を±３４℃以下からステージ温度の制御範囲内の±１０℃以上に抑えことが好ましい。
　そして、ステージ２の温度を、ステージ２へのプラズマからの入熱によって上昇し得るステージ２の温度範囲内で一定に保ちつつ、図９Ｂに示したように、ステージ２の予熱（ＳＴ．２）及び除熱（ＳＴ．４）を無くし、被処理体の搬入、窒化処理、及び被処理体の搬出を連続して行うようにする。これにより、ステージ２の予熱（ＳＴ．２）及び除熱（ＳＴ．４）があるシーケンスに比較して、窒化処理のスループットを良好にできる、という利点を得ることができる。
　　　（第３の実施形態）
　さて、ステージ２には、プラズマからの入熱によって上昇し得る温度というものがあり、この上昇し得る温度付近で、ステージ２の温度を均衡させることができることは、上述した通りである。
　第３の実施形態は、ステージ２の温度を、さらに低温で均衡させることが可能なプラズマ窒化処理装置の例に関する。
　図１２は、この発明の第３の実施形態に係るマイクロ波プラズマ窒化処理装置を概略的に示す図である。
　図１２に示すように、第３の実施形態に係るマイクロ波プラズマ窒化処理装置１００ｃが、図７に示したマイクロ波プラズマ窒化処理装置１００ａと異なるところは、加熱機構６０ａに代えて、ステージ２内に抜熱機構６５を備えている温度制御機構６０を持つことである。抜熱機構６５は、ステージ２へのプラズマからの入熱を抜熱するものである。抜熱機構６５の具体的な一例は、図１３に示すように、冷却流体（冷媒）６６によってステージ２を冷却する冷却装置である。冷却流体６６は、ステージ２を冷却できるものであれば、気体でも液体でも良い。本例では、冷却流体６６に液体を用いた。液体の一例としては水、例えば、工場循環水循環機構６７によって工場内を循環する工場循環水を利用した。工場循環水の温度は、ほぼ室温、例えば、２５℃程度である。
　また、ステージ２を２５℃以下に冷却したい場合には、冷却流体として、例えば、冷却ガスを併用するように変形しても良い。
　図１４には第１の変形例として、抜熱機構６５を有するステージ２の被処理体載置面に、冷却ガスを流す溝７０を形成した例を、図１５には第２の変形例として、石英からなるカバー４の被処理体載置面に、冷却ガスを流す溝７０を形成した例を示す。
　図１４及び図１５に示す第１、第２の変形例のように、ステージ２の被処理体載置面、又はカバー４の被処理体載置面に複数の溝７０を形成し、溝７０に冷却ガス、例えば、ヘリウム（Ｈｅ）ガスを流す。これにより、ウエハＷとカバー４との間には冷却ガスが流れるようになり、ステージ２内の抜熱機構６５からの冷却作用と、冷却ガスからの冷却作用との併合により、ウエハＷを、さらに低温、例えば、２５℃以下の低温に効率的に冷却することができる。
　次に、図１３に示すマイクロ波プラズマ装置１００ｃを用いて、図９Ｂに示すシーケンスに従って処理したウエハ処理枚数とステージ温度との関係を調べてみた。結果を、図１０中の線IIIに示す。
　図１０中の線IIIに示すように、マイクロ波プラズマ装置１００ｃを用いた場合には、ステージの温度は、１枚目のウエハＷから２５枚目のウエハＷまで約２５℃で均衡した。つまり、抜熱機構６５をステージ２内に備えることによってステージ２へのプラズマからの入熱が抜熱、即ちキャンセルされ、ステージ２の温度が冷却流体６６の温度と、ほぼ同じであり続ける。
　さらに、ウエハ処理枚数と窒素ドーズ量の差との関係を調べてみた。結果を、図１１中の線IVに示す。
　図１１中の線IVは、図１０中III線のようにステージ温度が変化した場合の１枚目のウエハＷの窒素ドーズ量と枚数毎の窒素ドーズ量との差を示している。線IVに示すように、
マイクロ波プラズマ装置１００ｃを用いた場合には、１枚目のウエハＷの窒素ドーズ量と、２５枚目までのウエハＷの窒素ドーズ量との差が、約－０．２×１０１５（atoms／ｃｍ２）の範囲内で均衡する。
　このように、窒素を含むガスが供給されたチャンバ１内にプラズマを発生させるとともに、抜熱機構６５を用いてステージ２へのプラズマからの入熱を抜熱しながら、ステージ２の温度を一定に保ち、被処理体の被処理面、本例ではウエハＷの被処理面を窒化処理するように構成することで、ステージ２の温度を、プラズマからの入熱によって上昇し均衡する温度よりも低い温度で均衡させることができる、という利点を得ることができる。
　ステージ温度を低い温度１０～３０℃、例えば、室温付近２５℃で均衡させることができれば、図４に示したように、窒素ドーズ量を、例えば、３．０×１０１５atoms／ｃｍ２以上３．５×１０１５atoms／ｃｍ２以下のさらに低ドーズに制御することができる。
　また、第３の実施形態においても、図９Ｂに示したシーケンスを併用することができ、併用した場合には、上述したように、ステージ２の予熱（ＳＴ．２）及び除熱（ＳＴ．４）があるシーケンスに比較して、窒化処理のスループットを良好にできる、という利点をさらに得ることができる。
　図１６は、この発明の第３の実施形態の第３の変形例に係るマイクロ波プラズマ窒化処理装置を概略的に示す断面図である。
　図１３に示したマイクロ波プラズマ窒化処理装置１００ｃにおいては、冷却流体６６の温度を調整せずに、直接にステージ２内の抜熱機構６５の内部に供給した。
　これを、図１６に示すマイクロ波プラズマ窒化処理装置１００ｄのように、冷却流体６６の温度を調節する温度調節器６８を設け、温度調節器６８を用いて冷却流体６６の温度を室温以上又は室温未満に調節して、ステージ２内の抜熱機構６５の内部に供給するようにしても良い。
　第３の変形例に係るマイクロ波プラズマ窒化処理装置１００ｄによれば、冷却流体６６の温度を調節することで、ステージ２の温度を、室温以上プラズマからの入熱によって上昇し得る温度以下の任意な温度、又は室温未満の任意な温度で均衡させることができる、という利点を得ることができる。
　また、ステージ２の温度を、任意な温度に制御できるので、窒素ドーズ量を、ウエハ間バラツキを小さくできつつ、スループットを向上が出来、特に、低ドーズの範囲を制御可能に広げることができ、この発明に係るマイクロ波プラズマ窒化処理装置の汎用性の向上に有利である、という利点をも得ることができる。
　図１７は、この発明の第３の実施形態の第４の変形例に係るマイクロ波プラズマ窒化処理装置を概略的に示す断面図である。
　図１７に示すマイクロ波プラズマ窒化処理装置１００ｅは、ステージ２内に、抜熱機構６５と加熱機構６０ａとの双方を備えた温度制御機構６０を持つ。このように、ステージ２内に、抜熱機構６５と加熱機構６０ａとの双方を備えることも可能である。
　第４の変形例に係るマイクロ波プラズマ窒化処理装置１００ｅによれば、図１６に示したマイクロ波プラズマ窒化処理装置１００ｄと同様に、ステージ２の温度を、室温付近以上で生成したプラズマからの入熱によって上昇し得る温度以下の任意な温度（最適なステージ温度の変動量範囲内に制御した温度）で均衡させることができる、という利点を得ることができる。
　特に、第４の変形例に係るマイクロ波プラズマ窒化処理装置１００ｅは、加熱機構６０ａを備えているので、図１６に示したマイクロ波プラズマ窒化処理装置１００ｄに比較して、ステージ２の温度をより高温側へ制御する場合に有利である。
　　　（第４の実施形態）
　図１８は、膜厚と処理温度との関係を示す図である。
　図１８に示す関係は、Ａｒガス／Ｎ２ガスの流量を１０００ｓｃｃｍ／２００ｓｃｃｍとし、マイクロ波パワーを１．５ｋＷ、処理圧力を２０Ｐａ、酸化シリコン膜のターゲット膜厚を１５オングストローム、窒素ドーズ量を９×１０１５（atoms／ｃｍ２）として調べたものである。
　図１８に示すように、処理温度が上がると、窒素が導入された膜、本例ではシリコン酸化膜の膜厚が増す、という傾向がある。
　このため、窒化処理の際の温度は低いことが望ましい。
　例えば、ターゲット膜厚が１５オングストロームの場合には、窒化処理の際の温度を、室温(２０℃)以上２００℃未満とすると、増膜量を１３～１５％以内に抑えることができるので好ましい。
　また、処理圧力は、本例では２０Ｐａとしたが、１．３Ｐａ以上５３Ｐａ（＝４００ｍＴｏｒｒ）未満とすれば、処理圧力をより低圧側にすることで増膜を抑制することが可能である。
　以上、この発明をいくつかの実施形態に従って説明したが、この発明は、上記いくつかの実施形態に限定されることは無く、種々変形可能である。
　例えば、上記実施形態ではマイクロ波プラズマ窒化処理として、ＲＬＳＡマイクロ波プラズマ処理を用いた例を示したが、これに限らず、他のマイクロ波プラズマ処理であってもよい。又は、誘導結合型プラズマ処理、マグネトロンプラズマ処理、表面波プラズマ処理にも適用可能である。
　さらに、上記実施形態では被処理体としてシリコンウエハ上に形成されたシリコン酸化膜を窒化処理する場合について示したが、高誘電体、金属膜等にも適用可能である。また、被処理体はシリコンウエハに限らず、ＦＰＤ用のガラス基板等、他の被処理体にも適用可能であることは言うまでもない。
　この発明によれば、被処理体に導入される窒素ドーズ量を低く抑えることが可能な窒化処理装置及び窒化処理方法を提供できる。

Claims (8)

  1. 　被処理体の被処理面を窒化処理する窒化処理装置であって、
    　前記被処理体を収容するチャンバと、
    　前記チャンバ内にガス導入機構からの窒素を含むガスを導入するガス導入部材と、
    　前記窒素を含むガスが供給された前記チャンバ内に、プラズマを発生させるプラズマ発生機構と、
    　前記チャンバ内に設けられた、前記被処理体を載置するとともに加熱するステージと、
    　前記ステージに設けられ、該ステージの温度を制御する温度制御機構と、を備え、
    　前記チャンバ内に前記ガス導入部を介して、前記窒素を含むガスを供給して、前記プラズマ発生機構を用いて前記チャンバ内に前記窒素を含むガスの前記プラズマを発生させるとともに、前記ステージの温度を前記温度制御機構により前記ステージへの前記プラズマからの入熱によって上昇し得る前記ステージの温度範囲内で一定に保ち、前記被処理体の前記被処理面を前記プラズマにより窒化処理することにより最適な窒素ドーズ量を導入するように制御する制御部を有している窒化処理装置。
  2. 　前記温度制御機構は、前記ステージへのプラズマからの入熱を抜熱する抜熱機構を備え、
    　前記プラズマ発生機構を用いて前記チャンバ内に前記窒素を含むガスの前記プラズマを発生させるとともに、前記抜熱機構を用いて前記ステージへの前記プラズマからの入熱を抜熱しながら、前記ステージの温度を一定に保ち、前記被処理体の前記被処理面を窒化処理するように構成されている請求項１に記載の窒化処理装置。
  3. 　前記温度制御機構は、前記ステージを加熱する加熱機構と、
    　前記ステージへのプラズマからの入熱及び前記加熱機構からの入熱を抜熱する抜熱機構と、を備え、
    　前記プラズマ発生機構を用いて前記プラズマ発生機構を用いて前記チャンバ内に前記窒素を含むガスの前記プラズマを発生させるとともに、前記抜熱機構を用いて前記ステージへの前記プラズマからの入熱及び前記加熱機構からの入熱を抜熱しながら、前記ステージの温度を一定に保ち、前記被処理体の前記被処理面を窒化処理するように構成されている請求項１に記載の窒化処理装置。
  4. 　前記温度制御機構により、前記一定に保たれる前記ステージの温度が、前記ステージへの前記プラズマからの入熱によって上昇し得る前記ステージの温度範囲内に制御される請求項３に記載の窒化処理装置。
  5. 　前記窒化処理が、前記被処理体を前記チャンバ内に搬入した後、前記ステージを予熱することなく前記窒化処理を行い、前記窒化処理終了後、前記ステージを除熱することなく前記被処理体を前記チャンバ外へ搬出することで行われる請求項１に記載の窒化処理装置。
  6. 　前記窒化処理の際の処理圧力を、１ｍＴｏｒｒ以上４００ｍＴｏｒｒ未満とする請求項１に記載の窒化処理装置。
  7. 　前記窒化処理の際の処理温度を、室温以上２００℃未満とする請求項１に記載の窒化処理装置。
  8. 　被処理体を収容するチャンバと、前記チャンバ内にガス導入機構からの窒素を含むガスを導入するガス導入部材と、前記窒素を含むガスが供給された前記チャンバ内に、プラズマを発生させるプラズマ発生機構と、前記チャンバ内に設けられた、前記被処理体を載置するとともに加熱するステージと、前記ステージに設けられ、該ステージの温度を制御する温度制御機構と、を備えた窒化処理装置を用いて、前記被処理体の被処理面を窒化処理する窒化処理方法であって、
    　前記プラズマ発生機構を用いて、前記チャンバ内に前記窒素を含むガスの前記プラズマを発生させ、
    　前記ステージの温度を前記温度制御機構により前記ステージへの前記プラズマからの入熱によって上昇し得る前記ステージの温度範囲内で一定に保ち、前記被処理体の前記被処理面を前記プラズマにより窒化処理することにより最適な窒素ドーズ量を導入するように制御する窒化処理方法。
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