プラズマ処理方法、及び素子分離方法
【課題】 ＳＴＩプロセスにおけるシリコンのトレンチの内壁面に沿って、酸素の拡散に対するバリア性を有する数ｎｍ程度の厚みの薄膜を形成する方法を提供する。
【解決手段】 プラズマ処理装置１００では、平面アンテナ３１からマイクロ波透過板２８を経て処理容器１内に放射されたマイクロ波により、処理容器１内で電磁界が形成され、ＡｒガスおよびＮ２ガスがそれぞれプラズマ化する。プラズマ中の活性種の作用によりウエハＷのトレンチの内壁面が極薄く窒化されることにより、緻密なライナーＳｉＮ膜が形成される。
【解決手段】 プラズマ処理装置１００では、平面アンテナ３１からマイクロ波透過板２８を経て処理容器１内に放射されたマイクロ波により、処理容器１内で電磁界が形成され、ＡｒガスおよびＮ２ガスがそれぞれプラズマ化する。プラズマ中の活性種の作用によりウエハＷのトレンチの内壁面が極薄く窒化されることにより、緻密なライナーＳｉＮ膜が形成される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、各種半導体装置の素子分離構造を形成する際に利用可能なプラズマ処理方法、及び素子分離方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
シリコン基板上に形成される素子を分離する技術として、シャロートレンチアイソレーション（ＳＴＩ；Ｓｈａｌｌｏｗ Ｔｒｅｎｃｈ Ｉｓｏｌａｔｉｏｎ）が知られている。ＳＴＩは、シリコンをエッチングしてトレンチを形成し、その中に素子分離膜となるＳｉＯ２膜を埋め込んだ後、化学機械研磨（ＣＭＰ；Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）処理により平坦化することにより実施される。
【０００３】
ＳＴＩでは、トレンチ内にＳｉＯ２膜を埋め込む工程に先立ち、トレンチの内壁面に沿って薄い絶縁膜を形成することが行われている。この絶縁膜は、後のプロセスで、トレンチ内にＳｉＯ２膜を埋め込む際に、反応ガス中の酸素がシリコン内に拡散することを防止する目的で形成される。つまり、トレンチの内壁に沿って薄く形成される絶縁膜は、酸素の拡散に対して一種のバリア膜として機能する。
【０００４】
ＳＴＩにおいて、トレンチの壁面に薄い絶縁膜を形成する技術として、例えば特許文献１では、堆積法によりトレンチ内壁面に１０〜２０ｎｍの厚みの窒化珪素膜を形成する工程が開示されている。また、特許文献２では、酸素ガス及び窒素ガスを含む処理ガスのプラズマによって、トレンチ内をプラズマ酸化処理して１質量％以下の濃度で窒素を含むシリコン酸化膜を形成する工程が開示されている。なお、この特許文献２は、あくまでもシリコン酸化膜の形成を目的とする技術であり、窒素ガスはシリコンの酸化レートを促進する目的で添加されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００８−４１９０１
【特許文献２】国際公開ＷＯ２００７／１３６０４９
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
半導体装置の微細化の進展に伴い、デバイスの素子形成領域が小さくなるとともにＳＴＩにおけるトレンチの開口幅も狭くなりつつある。特許文献１のような堆積法では、トレンチ内壁に沿って窒化珪素膜を数ｎｍ程度の薄膜に成膜することは困難である。また、堆積法による窒化珪素膜は、緻密性が低いため、微細化に対応して薄膜化していくと、バリア膜としての機能が損なわれてしまうという問題もあった。
【０００７】
従って、本発明の目的は、ＳＴＩプロセスにおけるシリコンのトレンチの内壁面に沿って、酸素の拡散に対するバリア性を有する数ｎｍ程度の厚みの薄膜を形成する方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明のプラズマ処理方法は、シリコン上に形成されたトレンチ内に絶縁膜を埋め込み、前記絶縁膜を平坦化して素子分離膜を形成するＳＴＩ法による素子分離において、前記トレンチ内への絶縁膜の埋め込みに先立ち、前記トレンチの内壁面のシリコンをプラズマにより窒化処理するプラズマ窒化処理工程を有するプラズマ処理方法である。そして、前記プラズマ窒化処理工程は、窒素含有ガスを含む処理ガスのプラズマにより、処理圧力が１．３Ｐａ以上１８７Ｐａ以下の範囲内、かつ全処理ガスに対する窒素含有ガスの体積流量比率が１％以上８０％以下の範囲内の条件で行われ、前記トレンチの内壁面に厚さ１〜１０ｎｍの範囲内のシリコン窒化膜を形成することを特徴とする。
【０００９】
本発明のプラズマ処理方法は、前記プラズマ窒化処理工程における処理圧力が１．３Ｐａ以上４０Ｐａ以下の範囲内であることが好ましい。
【００１０】
また、本発明のプラズマ処理方法は、前記プラズマ窒化処理工程の後に、さらに、前記シリコン窒化膜を、酸素含有ガスを含む処理ガスのプラズマにより酸化し、シリコン酸窒化膜に改質するプラズマ酸化処理工程を有することが好ましい。この場合、前記プラズマ酸化処理工程における処理圧力が１．３Ｐａ以上１０００Ｐａ以下の範囲内であり、全処理ガスに対する酸素含有ガスの体積流量比率が１％以上８０％以下の範囲内であることが好ましい。
【００１１】
また、本発明のプラズマ処理方法において、前記プラズマ窒化処理工程及び前記プラズマ酸化処理工程は、複数の孔を有する平面アンテナにより処理容器内にマイクロ波を導入してプラズマを生成させるプラズマ処理装置により行われることが好ましい。
【００１２】
本発明の素子分離方法は、シリコンにトレンチを形成する工程と、前記トレンチ内に絶縁膜を埋め込む工程と、前記絶縁膜を平坦化して素子分離膜を形成する工程と、を備えている。そして、前記トレンチ内に絶縁膜を埋め込む工程に先立ち、窒素含有ガスを含む処理ガスのプラズマにより、処理圧力が１．３Ｐａ以上１８７Ｐａ以下の範囲内、かつ全処理ガスに対する窒素含有ガスの体積流量比率が１％以上８０％以下の範囲内の条件で、前記トレンチの内壁面を窒化処理し、厚さ１〜１０ｎｍの範囲内のシリコン窒化膜を形成するプラズマ窒化処理工程を有することを特徴とする。
【００１３】
本発明の素子分離方法は、前記プラズマ窒化処理工程の後に、さらに、前記シリコン窒化膜を、酸素含有ガスを含む処理ガスのプラズマにより酸化し、シリコン酸窒化膜に改質するプラズマ酸化処理工程を有することが好ましい。
【発明の効果】
【００１４】
本発明のプラズマ処理方法によれば、短時間のプラズマ処理で、シリコンに形成されたトレンチの幅や深さをほとんど変化させずに、高温での熱酸化処理の際に酸素の拡散に対してバリア機能を有する厚さ１〜１０ｎｍの範囲内のライナー膜を形成できる。従って、各種半導体装置の製造プロセスにおいて、ＳＴＩによる素子分離を行う際に本発明のプラズマ処理方法を適用することにより、微細化への対応を可能にしつつ、半導体装置の信頼性を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の第１の実施の形態で使用可能なプラズマ処理装置の一例を示す概略断面図である。
【図２】平面アンテナの構造を示す図面である。
【図３】制御部の構成例を示す説明図である。
【図４】本発明の第１の実施の形態に係るプラズマ処理方法の工程図であり、（ａ）はプラズマ窒化処理前の被処理体の構造を示し、（ｂ）はプラズマ窒化処理後の被処理体の構造を示している。
【図５】本発明の第２の実施の形態で使用可能なプラズマ処理装置の一例を示す概略断面図である。
【図６】本発明の第２の実施の形態に係るプラズマ処理方法の工程図であり、（ａ）はプラズマ窒化処理前の被処理体の構造を示し、（ｂ）はプラズマ窒化処理後の被処理体の構造を示し、（ｃ）はプラズマ酸化処理後の被処理体の構造を示している。
【図７】本発明の第２の実施の形態で使用可能な基板処理システムの概略構成を示す平面図である。
【図８】実験１における高温熱酸化処理の処理温度と増膜量との関係を示すグラフである。
【図９】実験２におけるプラズマ窒化処理の処理時間とＳｉＮ膜の膜厚との関係を示すグラフである。
【図１０】実験２における高温熱酸化処理の処理温度と増膜量との関係をプラズマ窒化処理の処理時間別に示すグラフである。
【図１１】実験３におけるプラズマ窒化処理の処理圧力と増膜量との関係を示すグラフである。
【図１２】実験４におけるＸＰＳ分析によるＳｉＮ膜及びＳｉＯＮ膜中の窒素濃度及び酸素濃度を示す図面である。
【図１３】ＳＴＩプロセスによる素子分離構造を形成する手順を説明するウエハ表面付近の断面図である。
【図１４】シリコン表面を露出させた状態のウエハ表面付近の断面図である。
【図１５】トレンチを形成した後のウエハ表面付近の断面図である。
【図１６】ライナーＳｉＮ膜（ライナーＳｉＯＮ膜）を形成した後のウエハ表面付近の断面図である。
【図１７】埋め込み絶縁膜を形成した状態のウエハ表面付近の断面図である。
【図１８】素子分離構造を形成したウエハ表面付近の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
［第１の実施の形態］
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。本実施の形態のプラズマ処理方法は、シリコン上に形成されたトレンチ内に絶縁膜を埋め込み、前記絶縁膜を平坦化して素子分離膜を形成するＳＴＩ法による素子分離において、前記トレンチ内への絶縁膜の埋め込みに先立ち、前記トレンチの内壁面のシリコンをプラズマにより窒化処理する場合に好ましく適用される。本実施の形態のプラズマ処理方法は、ＳＴＩプロセスにおいて、トレンチ内に絶縁膜を埋め込む工程に先立ち、トレンチの内壁面を、窒素含有ガスを含む処理ガスのプラズマにより窒化し、厚さ１〜１０ｎｍの範囲内のシリコン窒化膜を形成するプラズマ窒化処理工程を含むことができる。ここで、シリコンは、シリコン層（単結晶シリコンまたはポリシリコン）であってもよいし、シリコン基板であってもよい。
【００１７】
＜プラズマ処理装置＞
図１は、第１の実施の形態に係るプラズマ処理方法に用いるプラズマ処理装置１００の概略構成を模式的に示す断面図である。図２は、図１のプラズマ処理装置１００の平面アンテナを示す平面図である。図３は、図１のプラズマ処理装置１００を制御する制御部の構成例を示す図面である。
【００１８】
プラズマ処理装置１００は、複数のスロット状の孔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）にて処理容器内にマイクロ波を導入することにより、高密度かつ低電子温度のマイクロ波励起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。プラズマ処理装置１００では、１×１０１０〜５×１０１２／ｃｍ３のプラズマ密度で、かつ０．７〜２ｅＶの低電子温度を有するプラズマによる処理が可能である。従って、プラズマ処理装置１００は、各種半導体装置の製造過程において、プラズマ窒化処理を行う目的で好適に利用できる。
【００１９】
プラズマ処理装置１００は、主要な構成として、気密に構成された処理容器１と、処理容器１内にガスを供給するガス供給装置１８と、処理容器１内を減圧排気するための、真空ポンプ２４を備えた排気装置と、処理容器１の上部に設けられ、処理容器１内にマイクロ波を導入するマイクロ波導入機構２７と、これらプラズマ処理装置１００の各構成部を制御する制御部５０と、を備えている。なお、ガス供給装置１８は、プラズマ処理装置１００の構成部分とせずに、プラズマ処理装置１００を外部のガス供給装置に接続してガスの供給を行うことも可能である。
【００２０】
処理容器１は、接地された略円筒状の容器により形成されている。なお、処理容器１は角筒形状の容器により形成してもよい。処理容器１は、アルミニウム等の金属またはその合金からなる底壁１ａと側壁１ｂとを有している。
【００２１】
処理容器１の内部には、被処理体である半導体ウエハ（以下、単に「ウエハ」と記す）Ｗを水平に支持するための載置台２が設けられている。載置台２は、熱伝導性の高い材質例えばＡｌＮ等のセラミックスにより構成されている。この載置台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。支持部材３は、例えばＡｌＮ等のセラミックスにより構成されている。
【００２２】
また、載置台２には、その外縁部をカバーし、ウエハＷをガイドするためのカバーリング４が設けられている。このカバーリング４は、例えば石英、ＡｌＮ、Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＮ等の材質で構成された環状部材である。カバーリング４は、載置台２の表面と側面を覆うようにすることが好ましい。これにより、シリコン上への金属汚染など防止できる。
【００２３】
また、載置台２には、温度調節機構としての抵抗加熱型のヒータ５が埋め込まれている。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載置台２を加熱して、その熱で被処理基板であるウエハＷを均一に加熱する。
【００２４】
また、載置台２には、熱電対（ＴＣ）６が配備されている。この熱電対６によって載置台２の温度計測を行うことにより、ウエハＷの加熱温度を例えば室温から９００℃までの範囲で制御可能となっている。
【００２５】
また、載置台２には、ウエハＷを支持して昇降させるためのウエハ支持ピン（図示せず）が設けられている。各ウエハ支持ピンは、載置台２の表面に対して突没可能に設けられている。
【００２６】
処理容器１の内周には、石英からなる円筒状のライナー７が設けられている。また、載置台２の外周側には、処理容器１内を均一排気するため、多数の排気孔８ａを有する石英製のバッフルプレート８が環状に設けられている。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。
【００２７】
処理容器１の底壁１ａの略中央部には、円形の開口部１０が形成されている。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。この排気室１１には、排気管１２が接続されており、この排気管１２を介して真空ポンプ２４に接続されている。
【００２８】
処理容器１の上部には、中央部が開口するとともに、開閉機能を有する蓋部材（Ｌｉｄ）１３が配備されている。開口の内周は、内側（処理容器内空間）へ向けて突出し、環状の支持部１３ａを形成している。
【００２９】
処理容器１の側壁１ｂには、環状をなすガス導入部１５が設けられている。このガス導入部１５は、窒素含有ガスやプラズマ励起用ガスを供給するガス供給装置１８に接続されている。なお、ガス導入部１５はノズル状またはシャワー状に設けてもよい。
【００３０】
また、処理容器１の側壁１ｂには、プラズマ処理装置１００と、これに隣接する真空側搬送室（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１６と、この搬入出口１６を開閉するゲートバルブＧ１とが設けられている。
【００３１】
ガス供給装置１８は、ガス供給源（例えば、不活性ガス供給源１９ａ、窒素含有ガス供給源１９ｂ）と、配管（例えば、ガスライン２０ａ、２０ｂ）と、流量制御装置（例えば、マスフローコントローラ２１ａ、２１ｂ）と、バルブ（例えば、開閉バルブ２２ａ，２２ｂ）とを有している。なお、ガス供給装置１８は、上記以外の図示しないガス供給源として、例えば処理容器１内雰囲気を置換する際に用いるパージガス供給源等を有していてもよい。
【００３２】
プラズマ窒化処理に用いるプラズマ生成用ガスとしての不活性ガスは、例えば希ガスなどを用いることができる。希ガスとしては、例えばＡｒガス、Ｋｒガス、Ｘｅガス、Ｈｅガスなどを用いることができる。これらの中でも、経済性に優れている点でＡｒガスを用いることが特に好ましい。窒素含有ガスとしては、例えばＮ２、ＮＯ、ＮＯ２、ＮＨ３等を挙げることができる。
【００３３】
不活性ガスおよび窒素含有ガスは、ガス供給装置１８の不活性ガス供給源１９ａおよび窒素含有ガス供給源１９ｂから、それぞれガスライン２０ａ、２０ｂを介してガス導入部１５に至り、ガス導入部１５から処理容器１内に導入される。各ガス供給源に接続する各々のガスライン２０ａ、２０ｂには、マスフローコントローラ２１ａ、２１ｂおよびその前後の１組の開閉バルブ２２ａ，２２ｂが設けられている。このようなガス供給装置１８の構成により、供給されるガスの切替えや流量等の制御が出来るようになっている。
【００３４】
排気装置は、真空ポンプ２４を備えている。真空ポンプ２４は、例えばターボ分子ポンプなどの高速真空ポンプなどにより構成される。真空ポンプ２４は、排気管１２を介して処理容器１の排気室１１に接続されている。処理容器１内のガスは、排気室１１の空間１１ａ内へ均一に流れ、さらに空間１１ａから真空ポンプ２４を作動させることにより、排気管１２を介して外部へ排気される。これにより、処理容器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。
【００３５】
次に、マイクロ波導入機構２７の構成について説明する。マイクロ波導入機構２７は、主要な構成として、マイクロ波透過板２８、平面アンテナ３１、遅波材３３、カバー部材３４、導波管３７、マッチング回路３８およびマイクロ波発生装置３９を備えている。
【００３６】
マイクロ波を透過させるマイクロ波透過板２８は、蓋部材１３において内周側に張り出した支持部１３ａ上に配備されている。マイクロ波透過板２８は、誘電体、例えば石英やＡｌ２Ｏ３、ＡｌＮ等のセラミックスから構成されている。このマイクロ波透過板２８と支持部１３ａとの間は、シール部材２９を介して気密にシールされている。したがって、処理容器１内は気密に保持される。
【００３７】
平面アンテナ３１は、マイクロ波透過板２８の上方において、載置台２と対向するように設けられている。平面アンテナ３１は、円板状をなしている。なお、平面アンテナ３１の形状は、円板状に限らず、例えば四角板状でもよい。この平面アンテナ３１は、蓋部材１３の上端に係止されている。
【００３８】
平面アンテナ３１は、例えば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から構成されている。平面アンテナ３１は、マイクロ波を放射する多数のスロット状のマイクロ波放射孔３２を有している。マイクロ波放射孔３２は、所定のパターンで平面アンテナ３１を貫通して形成されている。
【００３９】
個々のマイクロ波放射孔３２は、例えば図２に示すように、細長い長方形状（スロット状）をなしている。そして、典型的には隣接するマイクロ波放射孔３２が「Ｔ」字状に配置されている。また、このように所定の形状（例えばＴ字状）に組み合わせて配置されたマイクロ波放射孔３２は、さらに全体として同心円状に配置されている。
【００４０】
マイクロ波放射孔３２の長さや配列間隔は、導波管３７内のマイクロ波の波長（λｇ）に応じて決定される。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マイクロ波放射孔３２どうしの間隔をΔｒで示している。なお、マイクロ波放射孔３２の形状は、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、放射状等に配置することもできる。
【００４１】
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が設けられている。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。遅波材３３の材質としては、例えば石英、ポリテトラフルオロエチレン樹脂、ポリイミド樹脂などを用いることができる。
【００４２】
なお、平面アンテナ３１とマイクロ波透過板２８との間、また、遅波材３３と平面アンテナ３１との間は、それぞれ接触させても離間させてもよいが、接触させることが好ましい。
【００４３】
処理容器１の上部には、これら平面アンテナ３１および遅波材３３を覆うように、カバー部材３４が設けられている。カバー部材３４は、例えばアルミニウムやステンレス鋼等の金属材料によって形成されている。このカバー部材３４と平面アンテナ３１とで偏平導波路が形成されている。蓋部材１３の上端とカバー部材３４とは、シール部材３５によりシールされている。また、カバー部材３４の内部には、冷却水流路３４ａが形成されている。この冷却水流路３４ａ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およびマイクロ波透過板２８を冷却できるようになっている。なお、カバー部材３４は接地されている。
【００４４】
カバー部材３４の上壁（天井部）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。導波管３７の他端側には、マッチング回路３８を介してマイクロ波を発生するマイクロ波発生装置３９が接続されている。
【００４５】
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。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。
【００４６】
同軸導波管３７ａの中心には内導体４１が延在している。この内導体４１は、その下端部において平面アンテナ３１の中心に接続固定されている。このような構造により、マイクロ波は、同軸導波管３７ａの内導体４１を介してカバー部材３４と平面アンテナ３１とで形成される偏平導波路へ放射状に効率よく均一に伝播され、平面アンテナ３１のマイクロ波放射孔（スロット）３２より処理容器内に導入されて、プラズマが生成される。
【００４７】
以上のような構成のマイクロ波導入機構２７により、マイクロ波発生装置３９で発生したマイクロ波が導波管３７を介して平面アンテナ３１へ伝搬され、さらにマイクロ波透過板２８を介して処理容器１内に導入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、例えば２．４５ＧＨｚが好ましく用いられ、他に８．３５ＧＨｚ、１．９８ＧＨｚ等を用いることもできる。
【００４８】
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構成となっている。制御部５０は、コンピュータを有しており、例えば図３に示したように、ＣＰＵ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５１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、例えば温度、圧力、ガス流量、マイクロ波出力などのプロセス条件に関係する各構成部（例えば、ヒータ電源５ａ、ガス供給装置１８、真空ポンプ２４、マイクロ波発生装置３９など）を統括して制御する制御手段である。
【００４９】
ユーザーインターフェース５２は、工程管理者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には、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制御プログラム（ソフトウエア）や処理条件データ等が記録されたレシピが保存されている。
【００５０】
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、プラズマ処理装置１００の処理容器１内で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、ＤＶＤ、ブルーレイディスク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。
【００５１】
このように構成されたプラズマ処理装置１００では、６００℃以下の低温で下地層等へのダメージフリーなプラズマ処理を行うことができる。また、プラズマ処理装置１００は、プラズマの均一性に優れていることから、例えば３００ｍｍ径以上の大型のウエハＷに対してもウエハＷの面内で処理の均一性を実現できる。
【００５２】
＜プラズマ処理方法＞
次に、プラズマ処理装置１００において行われる、プラズマ処理方法について図４を参照しながら説明する。図４は、本実施の形態のプラズマ処理方法の工程を説明するためのウエハＷ表面付近の断面図である。
【００５３】
本実施の形態のプラズマ処理方法は、まず、処理対象のウエハＷを準備する。図４（ａ）に示したように、ウエハＷの表面には、シリコン（シリコン層又はシリコン基板）２０１と、酸化珪素（ＳｉＯ２）膜２０３、窒化珪素（ＳｉＮ）膜２０５がこの順番に積層形成されている。また、ウエハＷのシリコン２０１には、トレンチ２０７が形成されている。このトレンチ２０７は、ＳｉＮ膜２０５をマスクとしてエッチングにより形成されたものであり、素子分離膜を埋め込む部分となる。
【００５４】
次に、プラズマ処理装置１００を用いてウエハＷのトレンチ２０７の内壁面を、プラズマ窒化処理する。プラズマ窒化処理によって、トレンチ２０７の内壁面２０７ａは薄く窒化され、図４（ｂ）に示したように、ライナーＳｉＮ膜２０９が形成される。ここで、ライナーＳｉＮ膜２０９の厚みは、半導体装置の微細化への対応を図るため、例えば１ｎｍ以上１０ｎｍ以下の範囲内とすることが好ましい。
【００５５】
＜プラズマ窒化処理の手順＞
プラズマ窒化処理の手順は、以下のとおりである。まず、処理対象のウエハＷをプラズマ処理装置１００に搬入し、載置台２上に配置する。次に、プラズマ処理装置１００の処理容器１内を減圧排気しながら、ガス供給装置１８の不活性ガス供給源１９ａ、窒素含有ガス供給源１９ｂから、例えばＡｒガス、Ｎ２ガスを所定の流量でそれぞれガス導入部１５を介して処理容器１内に導入する。このようにして、処理容器１内を所定の圧力に調節する。
【００５６】
次に、マイクロ波発生装置３９で発生させた所定周波数が例えば２．４５ＧＨｚのマイクロ波を、マッチング回路３８を介して導波管３７に導く。導波管３７に導かれたマイクロ波は、矩形導波管３７ｂおよび同軸導波管３７ａを順次通過し、内導体４１を介して平面アンテナ３１に供給される。つまり、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を介してカバー部材３４と平面アンテナ３１とにより構成される偏平導波路を伝搬していく。そして、マイクロ波は、平面アンテナ３１に貫通形成されたスロット状のマイクロ波放射孔３２からマイクロ波透過板２８を介して処理容器１内におけるウエハＷの上方空間に放射される。この際のマイクロ波出力は、例えば２００ｍｍ径以上のウエハＷを処理する場合には、１０００Ｗ以上５０００Ｗ以下の範囲内から目的に応じて選択することができる。
【００５７】
平面アンテナ３１からマイクロ波透過板２８を経て処理容器１内に放射されたマイクロ波により、処理容器１内で電磁界が形成され、ＡｒガスおよびＮ２ガスがそれぞれプラズマ化する。この際、マイクロ波が平面アンテナ３１の多数のマイクロ波放射孔３２から放射されることにより、略１×１０１０〜５×１０１２／ｃｍ３の高密度で、かつウエハＷ近傍では、略１．２ｅＶ以下の低電子温度のプラズマが生成される。このようにして生成されるプラズマは、下地膜へのイオン等によるプラズマダメージが少ない。そして、プラズマ中の窒素ラジカル、窒素イオンなどの活性種の作用によりウエハＷ表面のシリコン２０１にプラズマ窒化処理が行われる。すなわち、ウエハＷのトレンチ２０７の内壁面２０７ａが窒化されて、極薄く制御された緻密なライナーＳｉＮ膜２０９が形成される。
【００５８】
以上のようにライナーＳｉＮ膜２０９を形成した後、ウエハＷをプラズマ処理装置１００から搬出することにより、１枚のウエハＷに対する処理が終了する。
【００５９】
＜プラズマ窒化処理条件＞
上述のプラズマ窒化処理の処理ガスとしては、希ガスと窒素含有ガスとを含むガスを用いることが好ましい。希ガスとしてはＡｒガスを、窒素含有ガスとしてはＮ２ガスを、それぞれ使用することが好ましい。このとき、全処理ガスに対するＮ２ガスの体積流量比率（Ｎ２ガス流量／全処理ガス流量の百分率）は、ライナーＳｉＮ膜２０９中の窒素濃度を高くして酸素バリア性に優れた緻密な膜を形成する観点から、１％以上８０％以下の範囲内とすることが好ましく、１０％以上３０％以下の範囲内とすることがより好ましい。処理ガス流量として例えばＡｒガスの流量は１００ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）以上２０００ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）以下が好ましく、１０００ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）以上２０００ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）以下の範囲内がより好ましい。Ｎ２ガスの流量は５０ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）以上５００ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）以下の範囲内が好ましく、２００ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）以上５００ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）以下の範囲内がより好ましい。以上の流量範囲から、上記流量比になるように設定することが好ましい。
【００６０】
また、処理圧力は、ライナーＳｉＮ膜２０９中の窒素濃度を高くして酸素バリア性に優れた緻密な膜を形成する観点から、例えば、１８７Ｐａ以下が好ましく、１．３Ｐａ以上１８７Ｐａ以下の範囲内がより好ましく、１．３Ｐａ以上４０Ｐａ以下が最も好ましい。プラズマ窒化処理における処理圧力が１８７Ｐａを超えると、プラズマ中の窒化活性種としてイオン成分が少なくため、窒化レートが低下するとともに、窒素ドーズ量も低下してしまう。
【００６１】
また、マイクロ波のパワー密度は、プラズマ中で活性種を効率よく生成させる観点から、０．７Ｗ／ｃｍ２以上４．７Ｗ／ｃｍ２以下の範囲内とすることが好ましく、１．４Ｗ／ｃｍ２以上３．５Ｗ／ｃｍ２の範囲内がより好ましい。なお、マイクロ波のパワー密度は、マイクロ波透過板２８の面積１ｃｍ２あたりに供給されるマイクロ波パワーを意味する（以下、同様である）。例えば２００ｍｍ径以上のウエハＷを処理する場合には、マイクロ波パワーを、１０００Ｗ以上５０００Ｗ以下の範囲内から上記パワー密度になるように設定することが好ましい。
【００６２】
また、ウエハＷの加熱温度は、載置台２の温度として、例えば２００℃以上６００℃以下の範囲内とすることが好ましく、４００℃以上６００℃以下の範囲内に設定することがより好ましい。
【００６３】
また、プラズマ窒化処理の処理時間は、ライナーＳｉＮ膜２０９を所望の膜厚で形成できれば特に制限はない。例えば、トレンチ２０７の内壁面２０７ａのシリコン表層のみを、均一に、高濃度に窒化して１〜１０ｎｍ、好ましくは２〜５ｎｍの厚みのライナーＳｉＮ膜２０９を形成する観点から、例えば１秒以上３６０秒以下の範囲内とすることが好ましく、９０秒以上２４０秒以下の範囲内とすることがより好ましく、１６０秒以上２４０秒以下の範囲内とすることが最も好ましい。
【００６４】
以上の条件は、制御部５０の記憶部５３にレシピとして保存されている。そして、プロセスコントローラ５１がそのレシピを読み出してプラズマ処理装置１００の各構成部例えばガス供給装置１８、真空ポンプ２４、マイクロ波発生装置３９、ヒータ電源５ａなどへ制御信号を送出することにより、所望の条件でプラズマ窒化処理が行われる。
【００６５】
本実施の形態のプラズマ処理方法によれば、短時間のプラズマ窒化処理によって、高温での熱酸化処理、例えば高温のＣＶＤ法でＳｉＯ２膜をトレンチ内に埋め込む等の際に反応ガス中の酸素の拡散に対してバリアとして機能する厚さが１〜１０ｎｍの範囲内のライナーＳｉＮ膜２０９を形成できる。このように形成したライナーＳｉＮ膜２０９の厚さは、トレンチの幅や深さをほとんど変化させない程度の薄膜であるため、例えば素子のチャンネル長が制約されるなどの影響を与えることがない。従って、各種半導体装置の製造プロセスにおいて、ＳＴＩによる素子分離を行う際に本実施の形態のプラズマ処理方法を適用することにより、微細化への対応を容易にしつつ、半導体装置の信頼性を高めることができる。
【００６６】
［第２の実施の形態］
本実施の形態のプラズマ処理方法は、シリコン上に形成されたトレンチ内に絶縁膜を埋め込み、前記絶縁膜を平坦化して素子分離膜を形成するＳＴＩ法による素子分離において、前記トレンチ内への絶縁膜の埋め込みに先立ち、前記トレンチの内壁面のシリコンをプラズマにより窒化処理する場合に好ましく適用できる。本実施の形態のプラズマ処理方法は、トレンチ内に絶縁膜を埋め込む工程に先立ち、トレンチの内壁面を、窒素含有ガスを含む処理ガスのプラズマにより窒化し、厚さ１〜１０ｎｍの範囲内のシリコン窒化膜を形成するプラズマ窒化処理工程と、シリコン窒化膜を、酸素含有ガスを含む処理ガスのプラズマにより酸化し、シリコン酸窒化膜に改質するプラズマ酸化処理工程と、を含むことができる。本実施の形態のプラズマ処理方法は、プラズマ窒化処理工程の後に、さらにプラズマ酸化処理工程を実施する点において第１の実施の形態と異なっている。
【００６７】
＜プラズマ処理装置＞
第２の実施の形態のプラズマ処理方法では、図１に示したプラズマ処理装置１００に加え、図５に示したプラズマ処理装置１０１を使用する。図５は、プラズマ処理装置１０１の概略構成を模式的に示す断面図である。図５に示すプラズマ処理装置１０１は、ガス供給装置１８において、窒素含有ガス供給源１９ｂに代えて、酸素含有ガス供給源１９ｃを備えている点が、図１のプラズマ処理装置１００と異なっている。従って、以下の説明では、図１との相違点を中心に説明を行い、図１と同じ構成には同一の符号を付して説明を省略する。
【００６８】
図５に示すプラズマ処理装置１０１において、ガス供給装置１８は、ガス供給源として、例えば、不活性ガス供給源１９ａ及び酸素含有ガス供給源１９ｃを有している。また、ガス供給装置１８は、配管（例えば、ガスライン２０ａ、２０ｃ）と、流量制御装置（例えば、マスフローコントローラ２１ａ、２１ｃ）と、バルブ（例えば、開閉バルブ２２ａ，２２ｃ）とを有している。なお、ガス供給装置１８は、上記以外の図示しないガス供給源として、例えば処理容器１内雰囲気を置換する際に用いるパージガス供給源等を有していてもよい。
【００６９】
不活性ガスとしては、例えば希ガスなどを用いることができる。希ガスとしては、例えばＡｒガス、Ｋｒガス、Ｘｅガス、Ｈｅガスなどを用いることができる。これらの中でも、経済性に優れている点でＡｒガスを用いることが特に好ましい。また、プラズマ酸化処理に用いる酸素含有ガスとしては、例えば酸素ガス（Ｏ２）、水蒸気（Ｈ２Ｏ）、一酸化窒素（ＮＯ）、一酸化二窒素（Ｎ２Ｏ）などを挙げることができる。
【００７０】
不活性ガスおよび酸素含有ガスは、ガス供給装置１８の不活性ガス供給源１９ａ、および酸素含有ガス供給源１９ｃから、それぞれガスライン２０ａ、２０ｃを介してガス導入部１５に至り、ガス導入部１５から処理容器１内に導入される。各ガス供給源に接続する各々のガスライン２０ａ、２０ｃには、マスフローコントローラ２１ａ、２１ｃおよびその前後の１組の開閉バルブ２２ａ，２２ｃが設けられている。このようなガス供給装置１８の構成により、供給されるガスの切替えや流量等の制御が出来るようになっている。
【００７１】
次に、本実施の形態のプラズマ処理方法について図６を参照しながら説明する。図６は、本実施の形態のプラズマ処理方法の工程を説明するためのウエハＷ表面付近の断面図である。
【００７２】
＜プラズマ窒化処理工程＞
本実施の形態のプラズマ処理方法は、まず、第１の実施の形態と同様に、処理対象のウエハＷに対して、プラズマ窒化処理を行う。被処理体であるウエハＷは、図６（ａ）に示すように、第１の実施の形態と同様にトレンチ２０７が形成されたシリコン２０１を有している。シリコン２０１のトレンチ２０７内の内壁面２０７ａをプラズマ窒化処理して、ライナーＳｉＮ膜２０９が形成される（図６（ｂ））。本実施の形態において、プラズマ窒化処理工程は、第１の実施の形態と全く同様に実施できるので、説明を省略する。
【００７３】
＜プラズマ酸化処理工程＞
次に、ライナーＳｉＮ膜２０９を有するウエハＷに対し、プラズマ処理装置１０１を用いて、プラズマ酸化処理を行う。これにより、図６（ｃ）に示したように、ライナーＳｉＮ膜２０９が酸化され、ライナーＳｉＯＮ膜２１１が形成される。
【００７４】
＜プラズマ酸化処理の手順＞
プラズマ酸化処理の手順は、以下のとおりである。まず、プラズマ処理装置１０１の処理容器１内を減圧排気しながら、ガス供給装置１８の不活性ガス供給源１９ａ、酸素含有ガス供給源１９ｃから、例えばＡｒガス、Ｏ２ガスを所定の流量でそれぞれガス導入部１５を介して処理容器１内に導入する。このようにして、処理容器１内を所定の圧力に調節する。
【００７５】
次に、マイクロ波発生装置３９で発生させた所定周波数が例えば２．４５ＧＨｚのマイクロ波を、マッチング回路３８を介して導波管３７に導く。導波管３７に導かれたマイクロ波は、矩形導波管３７ｂおよび同軸導波管３７ａを順次通過し、内導体４１を介して平面アンテナ３１に供給される。つまり、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を介してカバー部材３４と平面アンテナ３１とにより構成される偏平導波路を伝搬していく。そして、マイクロ波は、平面アンテナ３１に貫通形成されたスロット状のマイクロ波放射孔３２からマイクロ波透過板２８を介して処理容器１内におけるウエハＷの上方空間に放射される。この際のマイクロ波出力は、例えば２００ｍｍ径以上のウエハＷを処理する場合には、１０００Ｗ以上５０００Ｗ以下の範囲内から目的に応じて選択することができる。
【００７６】
平面アンテナ３１からマイクロ波透過板２８を経て処理容器１に放射されたマイクロ波により、処理容器１内で電磁界が形成され、ＡｒガスおよびＯ２ガスがそれぞれプラズマ化する。この際、マイクロ波が平面アンテナ３１の多数のマイクロ波放射孔３２から放射されることにより、略１×１０１０〜５×１０１２／ｃｍ３の高密度で、かつウエハＷ近傍では、略１．２ｅＶ以下の低電子温度を有するプラズマが生成される。このようにして生成されるプラズマは、下地膜へのイオン等によるプラズマダメージが少ない。そして、プラズマ中の活性種Ｏ２＋イオンやＯ（１Ｄ２）ラジカルの作用によりウエハＷにプラズマ酸化処理が行われる。すなわち、ウエハＷのトレンチ内に形成したライナーＳｉＮ膜２０９の表面を極薄く均一に酸化することにより、膜中の不安定な状態のＳｉ−Ｎ結合や遊離したＮの代わりに、Ｓｉ−Ｏ結合が形成されてライナーＳｉＯＮ膜２１１が形成される。また、この際、シリコンとライナーＳｉＮ膜２０９の界面に酸素が拡散しない程度のプラズマ酸化条件で処理することが好ましい。ただし、Ｓｉ／ＳｉＮ界面まで酸素が拡散しても、膜厚が増膜しない程度であれば、トレンチ幅及びその深さはあまり変化しないため、素子のチャンネル長が制約を受けるなどの影響はほとんどないと考えられる。
【００７７】
以上のようにライナーＳｉＮ膜２０９を酸化してライナーＳｉＯＮ膜２１１に改質した後、ウエハＷをプラズマ処理装置１０１から搬出することにより、１枚のウエハＷに対する処理が終了する。
【００７８】
＜プラズマ酸化処理条件＞
プラズマ酸化処理の処理ガスとしては、希ガスと酸素含有ガスとを含むガスを用いることが好ましい。希ガスとしてはＡｒガスを、酸素含有ガスとしてはＯ２ガスを、それぞれ使用することが好ましい。このとき、全処理ガスに対するＯ２ガスの体積流量比率（Ｏ２ガス流量／全処理ガス流量の百分率）は、酸化レートを高くする観点から、１％以上８０％以下の範囲内とすることが好ましく、１％以上７０％以下の範囲内がより好ましく、１％以上１５％以下の範囲内が最も好ましい。処理ガス流量としては、例えばＡｒガスの流量は１００ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）以上２０００ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）以下が好ましく、１０００ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）以上２０００ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）以下の範囲内がより好ましい。Ｏ２ガスの流量は、５ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）以上２５０ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）以下の範囲内が好ましく、２０ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）以上２５０ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）以下の範囲内がより好ましい。以上の流量範囲から、上記流量比になるように設定することが好ましい。
【００７９】
また、処理圧力は、酸化レートを高くする観点から、例えば、１．３Ｐａ以上１０００Ｐａ以下の範囲内が好ましく、１３３Ｐａ以上１０００Ｐａ以下の範囲内がより好ましく、４００Ｐａ以上６６７Ｐａ以下の範囲内が最も好ましい。プラズマ酸化処理における処理圧力が１３３Ｐａ未満になると、酸素イオン成分が多くなり、酸素イオンがライナーＳｉＮ膜２０９中を拡散してＳｉ／ＳｉＮ界面に到達し、Ｓｉを酸化してしまうため、実質増膜になり、トレンチ幅及びその深さが変化してしまい、例えば素子のチャンネル長が制約を受けるなどの影響が生じる場合がある。また、処理圧力が１０００Ｐａを超えると、酸素ラジカル成分が多くなるため、ライナーＳｉＮ膜２０９を十分に酸化しきれなかったり、均一に酸化されなかったりする場合があるので、トレンチ２０７内に高温でＳｉＯ２膜を埋め込む際、反応ガス中の酸素に対するバリア性が低下する。
【００８０】
また、マイクロ波のパワー密度は、プラズマ中で酸化活性種のＯ２＋イオンやＯ（１Ｄ２）ラジカルを効率よく生成させる観点から、０．７Ｗ／ｃｍ２以上４．７Ｗ／ｃｍ２以下の範囲内とすることが好ましく、１．４Ｗ／ｃｍ２以上３．５Ｗ／ｃｍ２の範囲内がより好ましい。なお、マイクロ波のパワー密度は、マイクロ波透過板２８の面積１ｃｍ２あたりに供給されるマイクロ波パワーを意味する（以下、同様である）。例えば２００ｍｍ径以上のウエハＷを処理する場合には、マイクロ波パワーを、１０００Ｗ以上５０００Ｗ以下の範囲内から上記パワー密度になるように設定することが好ましい。
【００８１】
また、ウエハＷの加熱温度は、載置台２の温度として、例えば２００℃以上６００℃以下の範囲内とすることが好ましく、４００℃以上６００℃以下の範囲内の低温で処理することがより好ましい。
【００８２】
また、プラズマ酸化処理の処理時間は、特に制限はないが、Ｓｉ／ＳｉＮ界面まで酸素が拡散しない程度、または、窒素膜を全て酸化膜にしないという観点から、例えば１秒以上３６０秒以下の範囲内とすることが好ましく、１秒以上６０秒以下の範囲内とすることがより好ましい。
【００８３】
以上の条件は、制御部５０の記憶部５３にレシピとして保存されている。そして、プロセスコントローラ５１がそのレシピを読み出してプラズマ処理装置１０１の各構成部例えばガス供給装置１８、真空ポンプ２４、マイクロ波発生装置３９、ヒータ電源５ａなどへ制御信号を送出することにより、所望の条件でプラズマ酸化処理が行われる。
【００８４】
＜基板処理システム＞
第２の実施の形態のプラズマ処理方法に好ましく利用できる基板処理システムについて説明する。図７は、ウエハＷに対し、プラズマ窒化処理およびプラズマ酸化処理を真空条件で連続的に行なうように構成された基板処理システム２００を示す概略構成図である。この基板処理システム２００は、マルチチャンバ構造のクラスタツールとして構成されている。基板処理システム２００は、主要な構成として、ウエハＷに対して各種の処理を行う４つのプロセスモジュール１００ａ，１００ｂ，１０１ａ，１０１ｂと、これらのプロセスモジュール１００ａ，１００ｂ，１０１ａ，１０１ｂに対してゲートバルブＧ１を介して接続された真空側搬送室１０３と、この真空側搬送室１０３にゲートバルブＧ２を介して接続された２つのロードロック室１０５ａ，１０５ｂと、これら２つのロードロック室１０５ａ，１０５ｂに対してゲートバルブＧ３を介して接続されたローダーユニット１０７とを備えている。
【００８５】
４つのプロセスモジュール１００ａ，１００ｂ，１０１ａ，１０１ｂは、ウエハＷに対して同じ内容の処理を行うこともできるし、あるいはそれぞれ異なる内容の処理を行うこともできる。本実施の形態では、プロセスモジュール１００ａ，１００ｂでは、プラズマ処理装置１００（図１）によってウエハＷ上のシリコンのトレンチの内壁面をプラズマ窒化処理してライナーＳｉＮ膜２０９を形成する。プロセスモジュール１０１ａ，１０１ｂでは、プラズマ処理装置１０１（図５）によってプラズマ窒化処理により形成されたライナーＳｉＮ膜２０９をさらにプラズマ酸化処理する。
【００８６】
真空引き可能に構成された真空側搬送室１０３には、プロセスモジュール１００ａ，１００ｂ，１０１ａ，１０１ｂやロードロック室１０５ａ，１０５ｂに対してウエハＷの受け渡しを行う第１の基板搬送装置としての搬送装置１０９が設けられている。この搬送装置１０９は、互いに対向するように配置された一対の搬送アーム部１１１ａ，１１１ｂを有している。各搬送アーム部１１１ａ，１１１ｂは同一の回転軸を中心として、屈伸及び旋回可能に構成されている。また、各搬送アーム部１１１ａ，１１１ｂの先端には、それぞれウエハＷを載置して保持するためのフォーク１１３ａ，１１３ｂが設けられている。搬送装置１０９は、これらのフォーク１１３ａ，１１３ｂ上にウエハＷを載置した状態で、プロセスモジュール１００ａ，１００ｂ，１０１ａ，１０１ｂ間、あるいはプロセスモジュール１００ａ，１００ｂ，１０１ａ，１０１ｂとロードロック室１０５ａ，１０５ｂとの間でウエハＷの搬送を行う。
【００８７】
ロードロック室１０５ａ，１０５ｂ内には、それぞれウエハＷを載置する載置台１０６ａ，１０６ｂが設けられている。ロードロック室１０５ａ，１０５ｂは、真空状態と大気開放状態を切り替えられるように構成されている。このロードロック室１０５ａ，１０５ｂの載置台１０６ａ，１０６ｂを介して、真空側搬送室１０３と大気側搬送室１１９（後述）との間でウエハＷの受け渡しが行われる。
【００８８】
ローダーユニット１０７は、ウエハＷの搬送を行う第２の基板搬送装置としての搬送装置１１７が設けられた大気側搬送室１１９と、この大気側搬送室１１９に隣接配備された３つのロードポートＬＰと、大気側搬送室１１９の他の側面に隣接配備され、ウエハＷの位置測定を行なう位置測定装置としてのオリエンタ１２１とを有している。
【００８９】
大気側搬送室１１９は、例えば窒素ガスや清浄空気をダウンフローさせる循環設備（図示省略）を備え、クリーンな環境が維持されている。大気側搬送室１１９は、平面視矩形をなしており、その長手方向に沿ってガイドレール１２３が設けられている。このガイドレール１２３に搬送装置１１７がスライド移動可能に支持されている。つまり、搬送装置１１７は図示しない駆動機構により、ガイドレール１２３に沿ってＸ方向へ移動可能に構成されている。この搬送装置１１７は、上下２段に配置された一対の搬送アーム部１２５ａ，１２５ｂを有している。各搬送アーム部１２５ａ，１２５ｂは屈伸及び旋回可能に構成されている。各搬送アーム部１２５ａ，１２５ｂの先端には、それぞれウエハＷを載置して保持する保持部材としてのフォーク１２７ａ，１２７ｂが設けられている。搬送装置１１７は、これらのフォーク１２７ａ，１２７ｂ上にウエハＷを載置した状態で、ロードポートＬＰのウエハカセットＣＲと、ロードロック室１０５ａ，１０５ｂと、オリエンタ１２１との間でウエハＷの搬送を行う。
【００９０】
ロードポートＬＰは、ウエハカセットＣＲを載置できるようになっている。ウエハカセットＣＲは、複数枚のウエハＷを同じ間隔で多段に載置して収容できるように構成されている。
【００９１】
オリエンタ１２１は、図示しない駆動モータによって回転される回転板１３３と、この回転板１３３の外周位置に設けられ、ウエハＷの周縁部を検出するための光学センサ１３５とを備えている。
【００９２】
＜ウエハ処理の手順＞
基板処理システム２００においては、以下の手順でウエハＷに対するプラズマ窒化処理、およびプラズマ酸化処理が行われる。まず、大気側搬送室１１９の搬送装置１１７のフォーク１２７ａ，１２７ｂのいずれかを用い、ロードポートＬＰのウエハカセットＣＲより１枚のウエハＷが取り出され、オリエンタ１２１で位置合わせした後、ロードロック室１０５ａ（または１０５ｂ）に搬入される。ウエハＷが載置台１０６ａ（または１０６ｂ）に載置された状態のロードロック室１０５ａ（または１０５ｂ）では、ゲートバルブＧ３が閉じられ、内部が真空状態に減圧排気される。その後、ゲートバルブＧ２が開放され、真空側搬送室１０３内の搬送装置１０９のフォーク１１３ａ，１１３ｂによってウエハＷがロードロック室１０５ａ（または１０５ｂ）から運び出される。
【００９３】
搬送装置１０９によりロードロック室１０５ａ（または１０５ｂ）から運び出されたウエハＷは、まず、プロセスモジュール１００ａ，１００ｂのいずれかに搬入され、ゲートバルブＧ１を閉じた後でウエハＷに対してプラズマ窒化処理が行われる。
【００９４】
次いで、前記ゲートバルブＧ１が開放され、ライナーＳｉＮ膜２０９が形成されたウエハＷが搬送装置１０９によりプロセスモジュール１００ａ（または１００ｂ）から真空状態のままプロセスモジュール１０１ａ，１０１ｂのいずれか片方に搬入される。そして、ゲートバルブＧ１を閉じた後でウエハＷに対してプラズマ酸化処理が行われ、ライナーＳｉＮ膜２０９がライナーＳｉＯＮ膜２１１に改質される。
【００９５】
次いで、前記ゲートバルブＧ１が開放され、ライナーＳｉＯＮ膜２１１が形成されたウエハＷが搬送装置１０９によりプロセスモジュール１０１ａ（または１０１ｂ）から真空状態のまま搬出され、ロードロック室１０５ａ（または１０５ｂ）に搬入される。そして、前記とは逆の手順でロードポートＬＰのウエハカセットＣＲに処理済みのウエハＷが収納され、基板処理システム２００における１枚のウエハＷに対する処理が完了する。なお、基板処理システム２００における各処理装置の配置は、効率的に処理を行うことができる配置であれば、いかなる配置構成でもよい。さらに、基板処理システム２００におけるプロセスモジュールの数は４つに限らず、５つ以上であってもよい。
【００９６】
本実施の形態のプラズマ処理方法によれば、短時間のプラズマ処理で、トレンチの幅や深さをほとんど変化させずに、高温での熱酸化処理の際に酸素の拡散に対してバリア膜として機能する厚さ１〜１０ｎｍの範囲内のライナーＳｉＯＮ膜２１１を形成できる。従って、各種半導体装置の製造プロセスにおいて、ＳＴＩによる素子分離を行う際に本実施の形態のプラズマ処理方法を適用することにより、微細化への対応を可能にしつつ、半導体装置の信頼性を高めることができる。
【００９７】
本実施の形態における他の構成及び効果は、第１の実施の形態と同様である。
【００９８】
［実験例］
次に、本発明の効果を確認した実験データについて説明する。
実験１：
シリコン基板に対し、以下のＡ〜Ｄの処理を行って、ＳｉＮ膜、ＳｉＯＮ膜又はＳｉＯ２膜を形成した後、７００℃、７５０℃、８００℃又は８５０℃で、それぞれ３０分間の熱酸化処理（以下、「高温熱酸化処理」と記すことがある）を行った。高温熱酸化処理後の各膜の膜厚の増膜量を測定し、酸素の拡散に対するバリア膜としての有効性を評価した。
【００９９】
［処理Ａ；熱酸化処理によるＳｉＯ２膜の形成］
下記の条件で熱酸化処理を実施し、ＳｉＯ２膜ａを形成した。
＜熱酸化処理条件＞
処理温度；８００℃
処理時間；１８００秒
膜厚（ＳｉＯ２）；約６ｎｍ
【０１００】
［処理Ｂ；熱酸化処理＋プラズマ窒化処理によるＳｉＯＮ膜の形成］
処理Ａと同様の条件で熱酸化処理を行った後、さらに下記の条件でプラズマ窒化処理を実施し、ＳｉＯＮ膜ｂを形成した。
＜プラズマ窒化処理条件＞
Ａｒガス流量；３５０ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）
Ｎ２ガス流量；２５０ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）
処理圧力；２６Ｐａ
載置台の温度；５００℃
マイクロ波パワー；２４００Ｗ（パワー密度；１．２３Ｗ／ｃｍ２）
処理時間；２４０秒
膜厚（ＳｉＯＮ）；約６ｎｍ
【０１０１】
［処理Ｃ；プラズマ窒化処理によるＳｉＮ膜の形成］
下記の条件でプラズマ窒化処理を実施し、ＳｉＮ膜ｃを形成した。
＜プラズマ窒化処理条件＞
Ａｒガス流量；３５０ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）
Ｎ２ガス流量；２５０ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）
処理圧力；２６Ｐａ
載置台の温度；５００℃
マイクロ波パワー；２４００Ｗ（パワー密度；１．２３Ｗ／ｃｍ２）
処理時間；２４０秒
膜厚（ＳｉＮ）；約４ｎｍ
【０１０２】
［処理Ｄ；プラズマ窒化処理＋プラズマ酸化処理によるＳｉＯＮ膜の形成］
処理Ｃと同様の条件でプラズマ窒化処理を行った後、さらに下記の条件でプラズマ酸化処理を実施し、ＳｉＯＮ膜ｄを形成した。
【０１０３】
＜プラズマ酸化処理条件＞
Ａｒガス流量；９９０ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）
Ｏ２ガス流量；１０ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）
処理圧力；１３３Ｐａ
載置台の温度；５００℃
マイクロ波パワー；４０００Ｗ（パワー密度；２．０４Ｗ／ｃｍ２）
処理時間；３０秒
膜厚（ＳｉＯＮ）；約４ｎｍ
【０１０４】
実験結果を図８に示した。図８の縦軸は、高温熱酸化処理後の増膜量（＝高温熱酸化処理後の膜厚−高温熱酸化処理前の膜厚）を示し、横軸は高温熱酸化処理の温度を示している。この図８より、処理ＡによるＳｉＯ２膜ａの場合は、高温熱酸化処理の温度が上昇するにつれて、増膜量が著しく増大していた。高温熱酸化処理における温度上昇に伴う増膜の傾向は、処理Ｂ（熱酸化処理後のプラズマ窒化処理）により形成したＳｉＯＮ膜ｂについても観察された。一方、処理Ｃ（プラズマ窒化処理）によるＳｉＮ膜ｃ、処理Ｄ（プラズマ窒化処理後のプラズマ酸化処理）によるＳｉＯＮ膜ｄでは、高温熱酸化処理による増膜は全く観察されなかった。
【０１０５】
実験２：
シリコン基板に対し、以下の条件で、処理時間を変えてプラズマ窒化処理を行い、ＳｉＮ膜を形成した後、７００℃、７５０℃、８００℃又は８５０℃で、それぞれ３０分間の高温熱酸化処理を行った。高温熱酸化処理後の各膜の膜厚の増膜量を測定し、酸素の拡散に対するバリア膜としての有効性を評価した。
【０１０６】
＜プラズマ窒化処理条件＞
Ａｒガス流量；３５０ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）
Ｎ２ガス流量；２５０ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）
処理圧力；２６Ｐａ
載置台の温度；５００℃
マイクロ波パワー；２４００Ｗ（パワー密度；１．２３Ｗ／ｃｍ２）
処理時間；９０秒、１６０秒、及び２４０秒
【０１０７】
図９に、処理時間（横軸）とＳｉＮ膜の膜厚（縦軸）との関係を示した。また、図１０に、処理時間別の増膜量を示した。図１０の縦軸は、高温熱酸化処理後の増膜量（＝高温熱酸化処理後の膜厚−高温熱酸化処理前の膜厚）を示し、横軸は高温熱酸化処理の温度を示している。図９及び図１０から、処理時間が長くなるに伴い、ＳｉＮ膜の膜厚は増加していったが、高温熱酸化処理による増膜量は逆に減少していた。この結果から、例えば４ｎｍ程度の膜厚でライナーＳｉＮ膜を形成する場合には、上記プラズマ窒化処理条件において処理時間を９０秒以上２４０秒以下の範囲内とすることが好ましく、１６０秒以上２４０秒以下の範囲内とすることがより好ましいと考えられた。
【０１０８】
実験３：
シリコン基板に対し、以下の条件で、処理圧力を変えてプラズマ窒化処理を行い、ＳｉＮ膜を形成した後、８５０℃で、それぞれ３０分間の高温熱酸化処理を行った。高温熱酸化処理後の各膜の膜厚の増膜量を測定し、酸素の拡散に対するバリア膜としての有効性を評価した。
【０１０９】
＜プラズマ窒化処理条件＞
Ａｒガス流量；３５０ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）
Ｎ２ガス流量；２５０ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）
処理圧力；２６Ｐａ、６６７Ｐａ、１０６６Ｐａ
載置台の温度；５００℃
マイクロ波パワー；２４００Ｗ（パワー密度；１．２３Ｗ／ｃｍ２）
処理時間；２４０秒
【０１１０】
図１１に処理圧力別の増膜量を示した。図１１の縦軸は、高温熱酸化処理後の増膜量（＝高温熱酸化処理後の膜厚−高温熱酸化処理前の膜厚）を示し、横軸は処理圧力を示している。図１１から、処理圧力が大きくなるに伴い、高温熱酸化処理による増膜量が大きくなっていた。従って、プラズマ窒化処理の処理圧力は、低いほど好ましいことが確認された。例えば、増膜量を２０ｎｍ以下に抑えるには、上記プラズマ窒化処理条件において処理圧力を１８７Ｐａ以下とすることが好ましく、１．３Ｐａ以上１８７Ｐａ以下の範囲内とすることがより好ましく、１．３Ｐａ以上４０Ｐａ以下の範囲内とすることが最も好ましいと考えられた。
【０１１１】
実験４：
実験１の処理Ｃ及び処理Ｄで得られたＳｉＮ膜ｃ及びＳｉＯＮ膜ｄについて、Ｘ線光電子分光（ＸＰＳ）分析を行った。ＸＰＳ分析によって測定したＳｉＮ膜ｃ及びＳｉＯＮ膜ｄの化学組成プロファイルを重ねて図１２に示した。図１２の縦軸は、窒素濃度及び酸素濃度（いずれも原子％）を示し、横軸は、膜表面（０ｎｍ）からの深さを示している。ＳｉＮ膜ｃでは、窒素が膜厚方向にほぼ均等に分布していたが、ＳｉＯＮ膜ｄでは、窒素のピークがＳｉとの界面付近にシフトしていることが確認された。処理ＤによるＳｉＯＮ膜ｄでは、界面付近に窒素のピークが存在することで、高温熱酸化処理の際に、酸素がＳｉ界面へ向けて拡散していく途中で窒素濃度の高い領域でブロックされ、Ｓｉとの結合が妨げられる結果、優れたバリア性が得られるものと推測された。
【０１１２】
以上の実験結果から、本発明の第１の実施の形態に相当するプラズマ窒化処理を実施した処理Ｃ、及び第２の実施の形態に相当する、プラズマ窒化処理とプラズマ酸化処理を実施した処理Ｄでは、ＳｉＮ膜ｃ及びＳｉＯＮ膜ｄが、いずれも優れたバリア膜として機能し、高温熱酸化処理における酸素の拡散を効果的に防止できることが確認された。このような酸素の拡散に対するバリア機能は、単なる膜組成の違い（ＳｉＯＮかＳｉＮか）ではないことが、処理Ｂとの比較により理解される。
【０１１３】
［ＳＴＩプロセスへの適用例］
次に、本発明に係るプラズマ処理方法を利用して、ＳＴＩプロセスによる素子分離構造を形成する手順について、一例を挙げて説明する。図１３〜図１８は、ＳＴＩプロセスの主要な工程を示すウエハ表面付近の断面図である。
【０１１４】
まず、図１３に示すように、シリコン（シリコン層又はシリコン基板）２０１と、ＳｉＯ２膜２０３、ＳｉＮ膜２０５がこの順番に積層形成されたウエハＷを準備する。次に、ＳｉＮ膜２０５の上にフォトレジスト層ＰＲを設ける。そして、図示は省略するが、トレンチを形成しようとする領域上のＳｉＮ２０５が露出するように、フォトリソグラフィー技術によってフォトレジスト層ＰＲをパターニングする。さらに、パターニングされたフォトレジスト層ＰＲをマスクとして、図１４に示すように、シリコン２０１表面が露出するまでＳｉＮ膜２０５及びＳｉＯ２膜２０３を順次ドライエッチングする。
【０１１５】
次に、フォトレジスト層ＰＲを除去した後、ＳｉＮ膜２０５をマスクとして露出しているシリコン２０１の表面をドライエッチングし、図１５に示すようにトレンチ２０７を形成する。
【０１１６】
次に、トレンチ２０７の内壁面２０７ａに、第１の実施の形態で説明した方法により、プラズマ窒化処理を施し、図１６に示すように、ライナーＳｉＮ膜２０９を形成する。なお、第２の実施の形態で説明した方法により、プラズマ窒化処理後にプラズマ酸化処理を行って、ライナーＳｉＯＮ膜２１１を形成してもよい。ライナーＳｉＮ膜２０９（又はライナーＳｉＯＮ膜２１１）の膜厚は、例えば１〜１０ｎｍの範囲内が好ましく、２〜５ｎｍの範囲内がより好ましい。
【０１１７】
次に、図１７に示すように、ライナーＳｉＮ膜２０９（又はライナーＳｉＯＮ膜２１１）の上から、トレンチ２０７が充填されるように埋め込み絶縁膜２１３を形成する。埋め込み絶縁膜２１３は、典型的には、高温での熱酸化により形成されるＳｉＯ２膜である。これ以降の工程で、ライナーＳｉＮ膜２０９（又はライナーＳｉＯＮ膜２１１）は、埋め込み絶縁膜２１３から酸素がシリコン２０１の内部へ浸入することを防止するバリア膜として機能する。
【０１１８】
次に、図示は省略するが、ＳｉＮ膜２０５が露出するまで、ＣＭＰを行い、埋め込み絶縁膜２１３の上部を平坦化する。さらに、ウェットエッチングにより、ＳｉＮ膜２０５、ＳｉＯ２膜２０３、及び埋め込み絶縁膜２１３の上部を除去して、図１８に示すように、目的とする素子分離構造を形成する。このように形成された素子分離構造では、ライナーＳｉＮ膜２０９（又はライナーＳｉＯＮ膜２１１）が酸素の拡散に対するバリア膜となるため、トレンチ２０７の周囲のシリコンが酸化されることが抑制される。その結果、埋め込み絶縁膜２１３の増膜が抑えられ、微細設計への対応を可能としつつ、素子分離構造の信頼性を高め、さらに、半導体装置の信頼性を向上させることができる。
【０１１９】
以上、本発明の実施の形態を述べたが、本発明は上記実施の形態に制約されることはなく、種々の変形が可能である。例えば、上記実施の形態では、プラズマ窒化処理及びプラズマ酸化処理にＲＬＳＡ方式のマイクロ波プラズマ処理装置を用いたが、例えばＩＣＰプラズマ方式、ＥＣＲプラズマ方式、表面反射波プラズマ方式、マグネトロンプラズマ方式等の他の方式のプラズマ処理装置を用いることができる。
【０１２０】
また、被処理体である基板としては、半導体ウエハに限るものではなく、トレンチが形成されたシリコン層を有する基板であればよい。例えばフラットパネルディスプレイ用基板や太陽電池用基板などを処理対象とすることも可能である。
【符号の説明】
【０１２１】
１…処理容器、２…載置台、３…支持部材、５…ヒータ、１２…排気管、１５…ガス導入部、１６…搬入出口、１８…ガス供給装置、１９ａ…不活性ガス供給源、１９ｂ…窒素含有ガス供給源、１９ｃ…酸素含有ガス供給源、２４…真空ポンプ、２８…マイクロ波透過板、２９…シール部材、３１…平面アンテナ、３２…マイクロ波放射孔、３７…導波管、３７ａ…同軸導波管、３７ｂ…矩形導波管、３９…マイクロ波発生装置、５０…制御部、５１…プロセスコントローラ、５２…ユーザーインターフェース、５３…記憶部、１００，１０１…プラズマ処理装置、２００…基板処理システム、２０１…シリコン、２０３…酸化珪素膜（ＳｉＯ２膜）、２０５…窒化珪素膜（ＳｉＮ膜）、２０７…トレンチ、２０７ａ…内壁面、２０９…ライナーＳｉＮ膜、２１１…ライナーＳｉＯＮ膜、Ｗ…半導体ウエハ（基板）
【技術分野】
【０００１】
本発明は、各種半導体装置の素子分離構造を形成する際に利用可能なプラズマ処理方法、及び素子分離方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
シリコン基板上に形成される素子を分離する技術として、シャロートレンチアイソレーション（ＳＴＩ；Ｓｈａｌｌｏｗ Ｔｒｅｎｃｈ Ｉｓｏｌａｔｉｏｎ）が知られている。ＳＴＩは、シリコンをエッチングしてトレンチを形成し、その中に素子分離膜となるＳｉＯ２膜を埋め込んだ後、化学機械研磨（ＣＭＰ；Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）処理により平坦化することにより実施される。
【０００３】
ＳＴＩでは、トレンチ内にＳｉＯ２膜を埋め込む工程に先立ち、トレンチの内壁面に沿って薄い絶縁膜を形成することが行われている。この絶縁膜は、後のプロセスで、トレンチ内にＳｉＯ２膜を埋め込む際に、反応ガス中の酸素がシリコン内に拡散することを防止する目的で形成される。つまり、トレンチの内壁に沿って薄く形成される絶縁膜は、酸素の拡散に対して一種のバリア膜として機能する。
【０００４】
ＳＴＩにおいて、トレンチの壁面に薄い絶縁膜を形成する技術として、例えば特許文献１では、堆積法によりトレンチ内壁面に１０〜２０ｎｍの厚みの窒化珪素膜を形成する工程が開示されている。また、特許文献２では、酸素ガス及び窒素ガスを含む処理ガスのプラズマによって、トレンチ内をプラズマ酸化処理して１質量％以下の濃度で窒素を含むシリコン酸化膜を形成する工程が開示されている。なお、この特許文献２は、あくまでもシリコン酸化膜の形成を目的とする技術であり、窒素ガスはシリコンの酸化レートを促進する目的で添加されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００８−４１９０１
【特許文献２】国際公開ＷＯ２００７／１３６０４９
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
半導体装置の微細化の進展に伴い、デバイスの素子形成領域が小さくなるとともにＳＴＩにおけるトレンチの開口幅も狭くなりつつある。特許文献１のような堆積法では、トレンチ内壁に沿って窒化珪素膜を数ｎｍ程度の薄膜に成膜することは困難である。また、堆積法による窒化珪素膜は、緻密性が低いため、微細化に対応して薄膜化していくと、バリア膜としての機能が損なわれてしまうという問題もあった。
【０００７】
従って、本発明の目的は、ＳＴＩプロセスにおけるシリコンのトレンチの内壁面に沿って、酸素の拡散に対するバリア性を有する数ｎｍ程度の厚みの薄膜を形成する方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明のプラズマ処理方法は、シリコン上に形成されたトレンチ内に絶縁膜を埋め込み、前記絶縁膜を平坦化して素子分離膜を形成するＳＴＩ法による素子分離において、前記トレンチ内への絶縁膜の埋め込みに先立ち、前記トレンチの内壁面のシリコンをプラズマにより窒化処理するプラズマ窒化処理工程を有するプラズマ処理方法である。そして、前記プラズマ窒化処理工程は、窒素含有ガスを含む処理ガスのプラズマにより、処理圧力が１．３Ｐａ以上１８７Ｐａ以下の範囲内、かつ全処理ガスに対する窒素含有ガスの体積流量比率が１％以上８０％以下の範囲内の条件で行われ、前記トレンチの内壁面に厚さ１〜１０ｎｍの範囲内のシリコン窒化膜を形成することを特徴とする。
【０００９】
本発明のプラズマ処理方法は、前記プラズマ窒化処理工程における処理圧力が１．３Ｐａ以上４０Ｐａ以下の範囲内であることが好ましい。
【００１０】
また、本発明のプラズマ処理方法は、前記プラズマ窒化処理工程の後に、さらに、前記シリコン窒化膜を、酸素含有ガスを含む処理ガスのプラズマにより酸化し、シリコン酸窒化膜に改質するプラズマ酸化処理工程を有することが好ましい。この場合、前記プラズマ酸化処理工程における処理圧力が１．３Ｐａ以上１０００Ｐａ以下の範囲内であり、全処理ガスに対する酸素含有ガスの体積流量比率が１％以上８０％以下の範囲内であることが好ましい。
【００１１】
また、本発明のプラズマ処理方法において、前記プラズマ窒化処理工程及び前記プラズマ酸化処理工程は、複数の孔を有する平面アンテナにより処理容器内にマイクロ波を導入してプラズマを生成させるプラズマ処理装置により行われることが好ましい。
【００１２】
本発明の素子分離方法は、シリコンにトレンチを形成する工程と、前記トレンチ内に絶縁膜を埋め込む工程と、前記絶縁膜を平坦化して素子分離膜を形成する工程と、を備えている。そして、前記トレンチ内に絶縁膜を埋め込む工程に先立ち、窒素含有ガスを含む処理ガスのプラズマにより、処理圧力が１．３Ｐａ以上１８７Ｐａ以下の範囲内、かつ全処理ガスに対する窒素含有ガスの体積流量比率が１％以上８０％以下の範囲内の条件で、前記トレンチの内壁面を窒化処理し、厚さ１〜１０ｎｍの範囲内のシリコン窒化膜を形成するプラズマ窒化処理工程を有することを特徴とする。
【００１３】
本発明の素子分離方法は、前記プラズマ窒化処理工程の後に、さらに、前記シリコン窒化膜を、酸素含有ガスを含む処理ガスのプラズマにより酸化し、シリコン酸窒化膜に改質するプラズマ酸化処理工程を有することが好ましい。
【発明の効果】
【００１４】
本発明のプラズマ処理方法によれば、短時間のプラズマ処理で、シリコンに形成されたトレンチの幅や深さをほとんど変化させずに、高温での熱酸化処理の際に酸素の拡散に対してバリア機能を有する厚さ１〜１０ｎｍの範囲内のライナー膜を形成できる。従って、各種半導体装置の製造プロセスにおいて、ＳＴＩによる素子分離を行う際に本発明のプラズマ処理方法を適用することにより、微細化への対応を可能にしつつ、半導体装置の信頼性を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の第１の実施の形態で使用可能なプラズマ処理装置の一例を示す概略断面図である。
【図２】平面アンテナの構造を示す図面である。
【図３】制御部の構成例を示す説明図である。
【図４】本発明の第１の実施の形態に係るプラズマ処理方法の工程図であり、（ａ）はプラズマ窒化処理前の被処理体の構造を示し、（ｂ）はプラズマ窒化処理後の被処理体の構造を示している。
【図５】本発明の第２の実施の形態で使用可能なプラズマ処理装置の一例を示す概略断面図である。
【図６】本発明の第２の実施の形態に係るプラズマ処理方法の工程図であり、（ａ）はプラズマ窒化処理前の被処理体の構造を示し、（ｂ）はプラズマ窒化処理後の被処理体の構造を示し、（ｃ）はプラズマ酸化処理後の被処理体の構造を示している。
【図７】本発明の第２の実施の形態で使用可能な基板処理システムの概略構成を示す平面図である。
【図８】実験１における高温熱酸化処理の処理温度と増膜量との関係を示すグラフである。
【図９】実験２におけるプラズマ窒化処理の処理時間とＳｉＮ膜の膜厚との関係を示すグラフである。
【図１０】実験２における高温熱酸化処理の処理温度と増膜量との関係をプラズマ窒化処理の処理時間別に示すグラフである。
【図１１】実験３におけるプラズマ窒化処理の処理圧力と増膜量との関係を示すグラフである。
【図１２】実験４におけるＸＰＳ分析によるＳｉＮ膜及びＳｉＯＮ膜中の窒素濃度及び酸素濃度を示す図面である。
【図１３】ＳＴＩプロセスによる素子分離構造を形成する手順を説明するウエハ表面付近の断面図である。
【図１４】シリコン表面を露出させた状態のウエハ表面付近の断面図である。
【図１５】トレンチを形成した後のウエハ表面付近の断面図である。
【図１６】ライナーＳｉＮ膜（ライナーＳｉＯＮ膜）を形成した後のウエハ表面付近の断面図である。
【図１７】埋め込み絶縁膜を形成した状態のウエハ表面付近の断面図である。
【図１８】素子分離構造を形成したウエハ表面付近の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
［第１の実施の形態］
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。本実施の形態のプラズマ処理方法は、シリコン上に形成されたトレンチ内に絶縁膜を埋め込み、前記絶縁膜を平坦化して素子分離膜を形成するＳＴＩ法による素子分離において、前記トレンチ内への絶縁膜の埋め込みに先立ち、前記トレンチの内壁面のシリコンをプラズマにより窒化処理する場合に好ましく適用される。本実施の形態のプラズマ処理方法は、ＳＴＩプロセスにおいて、トレンチ内に絶縁膜を埋め込む工程に先立ち、トレンチの内壁面を、窒素含有ガスを含む処理ガスのプラズマにより窒化し、厚さ１〜１０ｎｍの範囲内のシリコン窒化膜を形成するプラズマ窒化処理工程を含むことができる。ここで、シリコンは、シリコン層（単結晶シリコンまたはポリシリコン）であってもよいし、シリコン基板であってもよい。
【００１７】
＜プラズマ処理装置＞
図１は、第１の実施の形態に係るプラズマ処理方法に用いるプラズマ処理装置１００の概略構成を模式的に示す断面図である。図２は、図１のプラズマ処理装置１００の平面アンテナを示す平面図である。図３は、図１のプラズマ処理装置１００を制御する制御部の構成例を示す図面である。
【００１８】
プラズマ処理装置１００は、複数のスロット状の孔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）にて処理容器内にマイクロ波を導入することにより、高密度かつ低電子温度のマイクロ波励起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。プラズマ処理装置１００では、１×１０１０〜５×１０１２／ｃｍ３のプラズマ密度で、かつ０．７〜２ｅＶの低電子温度を有するプラズマによる処理が可能である。従って、プラズマ処理装置１００は、各種半導体装置の製造過程において、プラズマ窒化処理を行う目的で好適に利用できる。
【００１９】
プラズマ処理装置１００は、主要な構成として、気密に構成された処理容器１と、処理容器１内にガスを供給するガス供給装置１８と、処理容器１内を減圧排気するための、真空ポンプ２４を備えた排気装置と、処理容器１の上部に設けられ、処理容器１内にマイクロ波を導入するマイクロ波導入機構２７と、これらプラズマ処理装置１００の各構成部を制御する制御部５０と、を備えている。なお、ガス供給装置１８は、プラズマ処理装置１００の構成部分とせずに、プラズマ処理装置１００を外部のガス供給装置に接続してガスの供給を行うことも可能である。
【００２０】
処理容器１は、接地された略円筒状の容器により形成されている。なお、処理容器１は角筒形状の容器により形成してもよい。処理容器１は、アルミニウム等の金属またはその合金からなる底壁１ａと側壁１ｂとを有している。
【００２１】
処理容器１の内部には、被処理体である半導体ウエハ（以下、単に「ウエハ」と記す）Ｗを水平に支持するための載置台２が設けられている。載置台２は、熱伝導性の高い材質例えばＡｌＮ等のセラミックスにより構成されている。この載置台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。支持部材３は、例えばＡｌＮ等のセラミックスにより構成されている。
【００２２】
また、載置台２には、その外縁部をカバーし、ウエハＷをガイドするためのカバーリング４が設けられている。このカバーリング４は、例えば石英、ＡｌＮ、Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＮ等の材質で構成された環状部材である。カバーリング４は、載置台２の表面と側面を覆うようにすることが好ましい。これにより、シリコン上への金属汚染など防止できる。
【００２３】
また、載置台２には、温度調節機構としての抵抗加熱型のヒータ５が埋め込まれている。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載置台２を加熱して、その熱で被処理基板であるウエハＷを均一に加熱する。
【００２４】
また、載置台２には、熱電対（ＴＣ）６が配備されている。この熱電対６によって載置台２の温度計測を行うことにより、ウエハＷの加熱温度を例えば室温から９００℃までの範囲で制御可能となっている。
【００２５】
また、載置台２には、ウエハＷを支持して昇降させるためのウエハ支持ピン（図示せず）が設けられている。各ウエハ支持ピンは、載置台２の表面に対して突没可能に設けられている。
【００２６】
処理容器１の内周には、石英からなる円筒状のライナー７が設けられている。また、載置台２の外周側には、処理容器１内を均一排気するため、多数の排気孔８ａを有する石英製のバッフルプレート８が環状に設けられている。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。
【００２７】
処理容器１の底壁１ａの略中央部には、円形の開口部１０が形成されている。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。この排気室１１には、排気管１２が接続されており、この排気管１２を介して真空ポンプ２４に接続されている。
【００２８】
処理容器１の上部には、中央部が開口するとともに、開閉機能を有する蓋部材（Ｌｉｄ）１３が配備されている。開口の内周は、内側（処理容器内空間）へ向けて突出し、環状の支持部１３ａを形成している。
【００２９】
処理容器１の側壁１ｂには、環状をなすガス導入部１５が設けられている。このガス導入部１５は、窒素含有ガスやプラズマ励起用ガスを供給するガス供給装置１８に接続されている。なお、ガス導入部１５はノズル状またはシャワー状に設けてもよい。
【００３０】
また、処理容器１の側壁１ｂには、プラズマ処理装置１００と、これに隣接する真空側搬送室（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１６と、この搬入出口１６を開閉するゲートバルブＧ１とが設けられている。
【００３１】
ガス供給装置１８は、ガス供給源（例えば、不活性ガス供給源１９ａ、窒素含有ガス供給源１９ｂ）と、配管（例えば、ガスライン２０ａ、２０ｂ）と、流量制御装置（例えば、マスフローコントローラ２１ａ、２１ｂ）と、バルブ（例えば、開閉バルブ２２ａ，２２ｂ）とを有している。なお、ガス供給装置１８は、上記以外の図示しないガス供給源として、例えば処理容器１内雰囲気を置換する際に用いるパージガス供給源等を有していてもよい。
【００３２】
プラズマ窒化処理に用いるプラズマ生成用ガスとしての不活性ガスは、例えば希ガスなどを用いることができる。希ガスとしては、例えばＡｒガス、Ｋｒガス、Ｘｅガス、Ｈｅガスなどを用いることができる。これらの中でも、経済性に優れている点でＡｒガスを用いることが特に好ましい。窒素含有ガスとしては、例えばＮ２、ＮＯ、ＮＯ２、ＮＨ３等を挙げることができる。
【００３３】
不活性ガスおよび窒素含有ガスは、ガス供給装置１８の不活性ガス供給源１９ａおよび窒素含有ガス供給源１９ｂから、それぞれガスライン２０ａ、２０ｂを介してガス導入部１５に至り、ガス導入部１５から処理容器１内に導入される。各ガス供給源に接続する各々のガスライン２０ａ、２０ｂには、マスフローコントローラ２１ａ、２１ｂおよびその前後の１組の開閉バルブ２２ａ，２２ｂが設けられている。このようなガス供給装置１８の構成により、供給されるガスの切替えや流量等の制御が出来るようになっている。
【００３４】
排気装置は、真空ポンプ２４を備えている。真空ポンプ２４は、例えばターボ分子ポンプなどの高速真空ポンプなどにより構成される。真空ポンプ２４は、排気管１２を介して処理容器１の排気室１１に接続されている。処理容器１内のガスは、排気室１１の空間１１ａ内へ均一に流れ、さらに空間１１ａから真空ポンプ２４を作動させることにより、排気管１２を介して外部へ排気される。これにより、処理容器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。
【００３５】
次に、マイクロ波導入機構２７の構成について説明する。マイクロ波導入機構２７は、主要な構成として、マイクロ波透過板２８、平面アンテナ３１、遅波材３３、カバー部材３４、導波管３７、マッチング回路３８およびマイクロ波発生装置３９を備えている。
【００３６】
マイクロ波を透過させるマイクロ波透過板２８は、蓋部材１３において内周側に張り出した支持部１３ａ上に配備されている。マイクロ波透過板２８は、誘電体、例えば石英やＡｌ２Ｏ３、ＡｌＮ等のセラミックスから構成されている。このマイクロ波透過板２８と支持部１３ａとの間は、シール部材２９を介して気密にシールされている。したがって、処理容器１内は気密に保持される。
【００３７】
平面アンテナ３１は、マイクロ波透過板２８の上方において、載置台２と対向するように設けられている。平面アンテナ３１は、円板状をなしている。なお、平面アンテナ３１の形状は、円板状に限らず、例えば四角板状でもよい。この平面アンテナ３１は、蓋部材１３の上端に係止されている。
【００３８】
平面アンテナ３１は、例えば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から構成されている。平面アンテナ３１は、マイクロ波を放射する多数のスロット状のマイクロ波放射孔３２を有している。マイクロ波放射孔３２は、所定のパターンで平面アンテナ３１を貫通して形成されている。
【００３９】
個々のマイクロ波放射孔３２は、例えば図２に示すように、細長い長方形状（スロット状）をなしている。そして、典型的には隣接するマイクロ波放射孔３２が「Ｔ」字状に配置されている。また、このように所定の形状（例えばＴ字状）に組み合わせて配置されたマイクロ波放射孔３２は、さらに全体として同心円状に配置されている。
【００４０】
マイクロ波放射孔３２の長さや配列間隔は、導波管３７内のマイクロ波の波長（λｇ）に応じて決定される。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マイクロ波放射孔３２どうしの間隔をΔｒで示している。なお、マイクロ波放射孔３２の形状は、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、放射状等に配置することもできる。
【００４１】
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が設けられている。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。遅波材３３の材質としては、例えば石英、ポリテトラフルオロエチレン樹脂、ポリイミド樹脂などを用いることができる。
【００４２】
なお、平面アンテナ３１とマイクロ波透過板２８との間、また、遅波材３３と平面アンテナ３１との間は、それぞれ接触させても離間させてもよいが、接触させることが好ましい。
【００４３】
処理容器１の上部には、これら平面アンテナ３１および遅波材３３を覆うように、カバー部材３４が設けられている。カバー部材３４は、例えばアルミニウムやステンレス鋼等の金属材料によって形成されている。このカバー部材３４と平面アンテナ３１とで偏平導波路が形成されている。蓋部材１３の上端とカバー部材３４とは、シール部材３５によりシールされている。また、カバー部材３４の内部には、冷却水流路３４ａが形成されている。この冷却水流路３４ａ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およびマイクロ波透過板２８を冷却できるようになっている。なお、カバー部材３４は接地されている。
【００４４】
カバー部材３４の上壁（天井部）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。導波管３７の他端側には、マッチング回路３８を介してマイクロ波を発生するマイクロ波発生装置３９が接続されている。
【００４５】
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。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。
【００４６】
同軸導波管３７ａの中心には内導体４１が延在している。この内導体４１は、その下端部において平面アンテナ３１の中心に接続固定されている。このような構造により、マイクロ波は、同軸導波管３７ａの内導体４１を介してカバー部材３４と平面アンテナ３１とで形成される偏平導波路へ放射状に効率よく均一に伝播され、平面アンテナ３１のマイクロ波放射孔（スロット）３２より処理容器内に導入されて、プラズマが生成される。
【００４７】
以上のような構成のマイクロ波導入機構２７により、マイクロ波発生装置３９で発生したマイクロ波が導波管３７を介して平面アンテナ３１へ伝搬され、さらにマイクロ波透過板２８を介して処理容器１内に導入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、例えば２．４５ＧＨｚが好ましく用いられ、他に８．３５ＧＨｚ、１．９８ＧＨｚ等を用いることもできる。
【００４８】
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構成となっている。制御部５０は、コンピュータを有しており、例えば図３に示したように、ＣＰＵ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５１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、例えば温度、圧力、ガス流量、マイクロ波出力などのプロセス条件に関係する各構成部（例えば、ヒータ電源５ａ、ガス供給装置１８、真空ポンプ２４、マイクロ波発生装置３９など）を統括して制御する制御手段である。
【００４９】
ユーザーインターフェース５２は、工程管理者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には、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制御プログラム（ソフトウエア）や処理条件データ等が記録されたレシピが保存されている。
【００５０】
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、プラズマ処理装置１００の処理容器１内で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、ＤＶＤ、ブルーレイディスク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。
【００５１】
このように構成されたプラズマ処理装置１００では、６００℃以下の低温で下地層等へのダメージフリーなプラズマ処理を行うことができる。また、プラズマ処理装置１００は、プラズマの均一性に優れていることから、例えば３００ｍｍ径以上の大型のウエハＷに対してもウエハＷの面内で処理の均一性を実現できる。
【００５２】
＜プラズマ処理方法＞
次に、プラズマ処理装置１００において行われる、プラズマ処理方法について図４を参照しながら説明する。図４は、本実施の形態のプラズマ処理方法の工程を説明するためのウエハＷ表面付近の断面図である。
【００５３】
本実施の形態のプラズマ処理方法は、まず、処理対象のウエハＷを準備する。図４（ａ）に示したように、ウエハＷの表面には、シリコン（シリコン層又はシリコン基板）２０１と、酸化珪素（ＳｉＯ２）膜２０３、窒化珪素（ＳｉＮ）膜２０５がこの順番に積層形成されている。また、ウエハＷのシリコン２０１には、トレンチ２０７が形成されている。このトレンチ２０７は、ＳｉＮ膜２０５をマスクとしてエッチングにより形成されたものであり、素子分離膜を埋め込む部分となる。
【００５４】
次に、プラズマ処理装置１００を用いてウエハＷのトレンチ２０７の内壁面を、プラズマ窒化処理する。プラズマ窒化処理によって、トレンチ２０７の内壁面２０７ａは薄く窒化され、図４（ｂ）に示したように、ライナーＳｉＮ膜２０９が形成される。ここで、ライナーＳｉＮ膜２０９の厚みは、半導体装置の微細化への対応を図るため、例えば１ｎｍ以上１０ｎｍ以下の範囲内とすることが好ましい。
【００５５】
＜プラズマ窒化処理の手順＞
プラズマ窒化処理の手順は、以下のとおりである。まず、処理対象のウエハＷをプラズマ処理装置１００に搬入し、載置台２上に配置する。次に、プラズマ処理装置１００の処理容器１内を減圧排気しながら、ガス供給装置１８の不活性ガス供給源１９ａ、窒素含有ガス供給源１９ｂから、例えばＡｒガス、Ｎ２ガスを所定の流量でそれぞれガス導入部１５を介して処理容器１内に導入する。このようにして、処理容器１内を所定の圧力に調節する。
【００５６】
次に、マイクロ波発生装置３９で発生させた所定周波数が例えば２．４５ＧＨｚのマイクロ波を、マッチング回路３８を介して導波管３７に導く。導波管３７に導かれたマイクロ波は、矩形導波管３７ｂおよび同軸導波管３７ａを順次通過し、内導体４１を介して平面アンテナ３１に供給される。つまり、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を介してカバー部材３４と平面アンテナ３１とにより構成される偏平導波路を伝搬していく。そして、マイクロ波は、平面アンテナ３１に貫通形成されたスロット状のマイクロ波放射孔３２からマイクロ波透過板２８を介して処理容器１内におけるウエハＷの上方空間に放射される。この際のマイクロ波出力は、例えば２００ｍｍ径以上のウエハＷを処理する場合には、１０００Ｗ以上５０００Ｗ以下の範囲内から目的に応じて選択することができる。
【００５７】
平面アンテナ３１からマイクロ波透過板２８を経て処理容器１内に放射されたマイクロ波により、処理容器１内で電磁界が形成され、ＡｒガスおよびＮ２ガスがそれぞれプラズマ化する。この際、マイクロ波が平面アンテナ３１の多数のマイクロ波放射孔３２から放射されることにより、略１×１０１０〜５×１０１２／ｃｍ３の高密度で、かつウエハＷ近傍では、略１．２ｅＶ以下の低電子温度のプラズマが生成される。このようにして生成されるプラズマは、下地膜へのイオン等によるプラズマダメージが少ない。そして、プラズマ中の窒素ラジカル、窒素イオンなどの活性種の作用によりウエハＷ表面のシリコン２０１にプラズマ窒化処理が行われる。すなわち、ウエハＷのトレンチ２０７の内壁面２０７ａが窒化されて、極薄く制御された緻密なライナーＳｉＮ膜２０９が形成される。
【００５８】
以上のようにライナーＳｉＮ膜２０９を形成した後、ウエハＷをプラズマ処理装置１００から搬出することにより、１枚のウエハＷに対する処理が終了する。
【００５９】
＜プラズマ窒化処理条件＞
上述のプラズマ窒化処理の処理ガスとしては、希ガスと窒素含有ガスとを含むガスを用いることが好ましい。希ガスとしてはＡｒガスを、窒素含有ガスとしてはＮ２ガスを、それぞれ使用することが好ましい。このとき、全処理ガスに対するＮ２ガスの体積流量比率（Ｎ２ガス流量／全処理ガス流量の百分率）は、ライナーＳｉＮ膜２０９中の窒素濃度を高くして酸素バリア性に優れた緻密な膜を形成する観点から、１％以上８０％以下の範囲内とすることが好ましく、１０％以上３０％以下の範囲内とすることがより好ましい。処理ガス流量として例えばＡｒガスの流量は１００ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）以上２０００ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）以下が好ましく、１０００ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）以上２０００ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）以下の範囲内がより好ましい。Ｎ２ガスの流量は５０ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）以上５００ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）以下の範囲内が好ましく、２００ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）以上５００ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）以下の範囲内がより好ましい。以上の流量範囲から、上記流量比になるように設定することが好ましい。
【００６０】
また、処理圧力は、ライナーＳｉＮ膜２０９中の窒素濃度を高くして酸素バリア性に優れた緻密な膜を形成する観点から、例えば、１８７Ｐａ以下が好ましく、１．３Ｐａ以上１８７Ｐａ以下の範囲内がより好ましく、１．３Ｐａ以上４０Ｐａ以下が最も好ましい。プラズマ窒化処理における処理圧力が１８７Ｐａを超えると、プラズマ中の窒化活性種としてイオン成分が少なくため、窒化レートが低下するとともに、窒素ドーズ量も低下してしまう。
【００６１】
また、マイクロ波のパワー密度は、プラズマ中で活性種を効率よく生成させる観点から、０．７Ｗ／ｃｍ２以上４．７Ｗ／ｃｍ２以下の範囲内とすることが好ましく、１．４Ｗ／ｃｍ２以上３．５Ｗ／ｃｍ２の範囲内がより好ましい。なお、マイクロ波のパワー密度は、マイクロ波透過板２８の面積１ｃｍ２あたりに供給されるマイクロ波パワーを意味する（以下、同様である）。例えば２００ｍｍ径以上のウエハＷを処理する場合には、マイクロ波パワーを、１０００Ｗ以上５０００Ｗ以下の範囲内から上記パワー密度になるように設定することが好ましい。
【００６２】
また、ウエハＷの加熱温度は、載置台２の温度として、例えば２００℃以上６００℃以下の範囲内とすることが好ましく、４００℃以上６００℃以下の範囲内に設定することがより好ましい。
【００６３】
また、プラズマ窒化処理の処理時間は、ライナーＳｉＮ膜２０９を所望の膜厚で形成できれば特に制限はない。例えば、トレンチ２０７の内壁面２０７ａのシリコン表層のみを、均一に、高濃度に窒化して１〜１０ｎｍ、好ましくは２〜５ｎｍの厚みのライナーＳｉＮ膜２０９を形成する観点から、例えば１秒以上３６０秒以下の範囲内とすることが好ましく、９０秒以上２４０秒以下の範囲内とすることがより好ましく、１６０秒以上２４０秒以下の範囲内とすることが最も好ましい。
【００６４】
以上の条件は、制御部５０の記憶部５３にレシピとして保存されている。そして、プロセスコントローラ５１がそのレシピを読み出してプラズマ処理装置１００の各構成部例えばガス供給装置１８、真空ポンプ２４、マイクロ波発生装置３９、ヒータ電源５ａなどへ制御信号を送出することにより、所望の条件でプラズマ窒化処理が行われる。
【００６５】
本実施の形態のプラズマ処理方法によれば、短時間のプラズマ窒化処理によって、高温での熱酸化処理、例えば高温のＣＶＤ法でＳｉＯ２膜をトレンチ内に埋め込む等の際に反応ガス中の酸素の拡散に対してバリアとして機能する厚さが１〜１０ｎｍの範囲内のライナーＳｉＮ膜２０９を形成できる。このように形成したライナーＳｉＮ膜２０９の厚さは、トレンチの幅や深さをほとんど変化させない程度の薄膜であるため、例えば素子のチャンネル長が制約されるなどの影響を与えることがない。従って、各種半導体装置の製造プロセスにおいて、ＳＴＩによる素子分離を行う際に本実施の形態のプラズマ処理方法を適用することにより、微細化への対応を容易にしつつ、半導体装置の信頼性を高めることができる。
【００６６】
［第２の実施の形態］
本実施の形態のプラズマ処理方法は、シリコン上に形成されたトレンチ内に絶縁膜を埋め込み、前記絶縁膜を平坦化して素子分離膜を形成するＳＴＩ法による素子分離において、前記トレンチ内への絶縁膜の埋め込みに先立ち、前記トレンチの内壁面のシリコンをプラズマにより窒化処理する場合に好ましく適用できる。本実施の形態のプラズマ処理方法は、トレンチ内に絶縁膜を埋め込む工程に先立ち、トレンチの内壁面を、窒素含有ガスを含む処理ガスのプラズマにより窒化し、厚さ１〜１０ｎｍの範囲内のシリコン窒化膜を形成するプラズマ窒化処理工程と、シリコン窒化膜を、酸素含有ガスを含む処理ガスのプラズマにより酸化し、シリコン酸窒化膜に改質するプラズマ酸化処理工程と、を含むことができる。本実施の形態のプラズマ処理方法は、プラズマ窒化処理工程の後に、さらにプラズマ酸化処理工程を実施する点において第１の実施の形態と異なっている。
【００６７】
＜プラズマ処理装置＞
第２の実施の形態のプラズマ処理方法では、図１に示したプラズマ処理装置１００に加え、図５に示したプラズマ処理装置１０１を使用する。図５は、プラズマ処理装置１０１の概略構成を模式的に示す断面図である。図５に示すプラズマ処理装置１０１は、ガス供給装置１８において、窒素含有ガス供給源１９ｂに代えて、酸素含有ガス供給源１９ｃを備えている点が、図１のプラズマ処理装置１００と異なっている。従って、以下の説明では、図１との相違点を中心に説明を行い、図１と同じ構成には同一の符号を付して説明を省略する。
【００６８】
図５に示すプラズマ処理装置１０１において、ガス供給装置１８は、ガス供給源として、例えば、不活性ガス供給源１９ａ及び酸素含有ガス供給源１９ｃを有している。また、ガス供給装置１８は、配管（例えば、ガスライン２０ａ、２０ｃ）と、流量制御装置（例えば、マスフローコントローラ２１ａ、２１ｃ）と、バルブ（例えば、開閉バルブ２２ａ，２２ｃ）とを有している。なお、ガス供給装置１８は、上記以外の図示しないガス供給源として、例えば処理容器１内雰囲気を置換する際に用いるパージガス供給源等を有していてもよい。
【００６９】
不活性ガスとしては、例えば希ガスなどを用いることができる。希ガスとしては、例えばＡｒガス、Ｋｒガス、Ｘｅガス、Ｈｅガスなどを用いることができる。これらの中でも、経済性に優れている点でＡｒガスを用いることが特に好ましい。また、プラズマ酸化処理に用いる酸素含有ガスとしては、例えば酸素ガス（Ｏ２）、水蒸気（Ｈ２Ｏ）、一酸化窒素（ＮＯ）、一酸化二窒素（Ｎ２Ｏ）などを挙げることができる。
【００７０】
不活性ガスおよび酸素含有ガスは、ガス供給装置１８の不活性ガス供給源１９ａ、および酸素含有ガス供給源１９ｃから、それぞれガスライン２０ａ、２０ｃを介してガス導入部１５に至り、ガス導入部１５から処理容器１内に導入される。各ガス供給源に接続する各々のガスライン２０ａ、２０ｃには、マスフローコントローラ２１ａ、２１ｃおよびその前後の１組の開閉バルブ２２ａ，２２ｃが設けられている。このようなガス供給装置１８の構成により、供給されるガスの切替えや流量等の制御が出来るようになっている。
【００７１】
次に、本実施の形態のプラズマ処理方法について図６を参照しながら説明する。図６は、本実施の形態のプラズマ処理方法の工程を説明するためのウエハＷ表面付近の断面図である。
【００７２】
＜プラズマ窒化処理工程＞
本実施の形態のプラズマ処理方法は、まず、第１の実施の形態と同様に、処理対象のウエハＷに対して、プラズマ窒化処理を行う。被処理体であるウエハＷは、図６（ａ）に示すように、第１の実施の形態と同様にトレンチ２０７が形成されたシリコン２０１を有している。シリコン２０１のトレンチ２０７内の内壁面２０７ａをプラズマ窒化処理して、ライナーＳｉＮ膜２０９が形成される（図６（ｂ））。本実施の形態において、プラズマ窒化処理工程は、第１の実施の形態と全く同様に実施できるので、説明を省略する。
【００７３】
＜プラズマ酸化処理工程＞
次に、ライナーＳｉＮ膜２０９を有するウエハＷに対し、プラズマ処理装置１０１を用いて、プラズマ酸化処理を行う。これにより、図６（ｃ）に示したように、ライナーＳｉＮ膜２０９が酸化され、ライナーＳｉＯＮ膜２１１が形成される。
【００７４】
＜プラズマ酸化処理の手順＞
プラズマ酸化処理の手順は、以下のとおりである。まず、プラズマ処理装置１０１の処理容器１内を減圧排気しながら、ガス供給装置１８の不活性ガス供給源１９ａ、酸素含有ガス供給源１９ｃから、例えばＡｒガス、Ｏ２ガスを所定の流量でそれぞれガス導入部１５を介して処理容器１内に導入する。このようにして、処理容器１内を所定の圧力に調節する。
【００７５】
次に、マイクロ波発生装置３９で発生させた所定周波数が例えば２．４５ＧＨｚのマイクロ波を、マッチング回路３８を介して導波管３７に導く。導波管３７に導かれたマイクロ波は、矩形導波管３７ｂおよび同軸導波管３７ａを順次通過し、内導体４１を介して平面アンテナ３１に供給される。つまり、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を介してカバー部材３４と平面アンテナ３１とにより構成される偏平導波路を伝搬していく。そして、マイクロ波は、平面アンテナ３１に貫通形成されたスロット状のマイクロ波放射孔３２からマイクロ波透過板２８を介して処理容器１内におけるウエハＷの上方空間に放射される。この際のマイクロ波出力は、例えば２００ｍｍ径以上のウエハＷを処理する場合には、１０００Ｗ以上５０００Ｗ以下の範囲内から目的に応じて選択することができる。
【００７６】
平面アンテナ３１からマイクロ波透過板２８を経て処理容器１に放射されたマイクロ波により、処理容器１内で電磁界が形成され、ＡｒガスおよびＯ２ガスがそれぞれプラズマ化する。この際、マイクロ波が平面アンテナ３１の多数のマイクロ波放射孔３２から放射されることにより、略１×１０１０〜５×１０１２／ｃｍ３の高密度で、かつウエハＷ近傍では、略１．２ｅＶ以下の低電子温度を有するプラズマが生成される。このようにして生成されるプラズマは、下地膜へのイオン等によるプラズマダメージが少ない。そして、プラズマ中の活性種Ｏ２＋イオンやＯ（１Ｄ２）ラジカルの作用によりウエハＷにプラズマ酸化処理が行われる。すなわち、ウエハＷのトレンチ内に形成したライナーＳｉＮ膜２０９の表面を極薄く均一に酸化することにより、膜中の不安定な状態のＳｉ−Ｎ結合や遊離したＮの代わりに、Ｓｉ−Ｏ結合が形成されてライナーＳｉＯＮ膜２１１が形成される。また、この際、シリコンとライナーＳｉＮ膜２０９の界面に酸素が拡散しない程度のプラズマ酸化条件で処理することが好ましい。ただし、Ｓｉ／ＳｉＮ界面まで酸素が拡散しても、膜厚が増膜しない程度であれば、トレンチ幅及びその深さはあまり変化しないため、素子のチャンネル長が制約を受けるなどの影響はほとんどないと考えられる。
【００７７】
以上のようにライナーＳｉＮ膜２０９を酸化してライナーＳｉＯＮ膜２１１に改質した後、ウエハＷをプラズマ処理装置１０１から搬出することにより、１枚のウエハＷに対する処理が終了する。
【００７８】
＜プラズマ酸化処理条件＞
プラズマ酸化処理の処理ガスとしては、希ガスと酸素含有ガスとを含むガスを用いることが好ましい。希ガスとしてはＡｒガスを、酸素含有ガスとしてはＯ２ガスを、それぞれ使用することが好ましい。このとき、全処理ガスに対するＯ２ガスの体積流量比率（Ｏ２ガス流量／全処理ガス流量の百分率）は、酸化レートを高くする観点から、１％以上８０％以下の範囲内とすることが好ましく、１％以上７０％以下の範囲内がより好ましく、１％以上１５％以下の範囲内が最も好ましい。処理ガス流量としては、例えばＡｒガスの流量は１００ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）以上２０００ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）以下が好ましく、１０００ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）以上２０００ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）以下の範囲内がより好ましい。Ｏ２ガスの流量は、５ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）以上２５０ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）以下の範囲内が好ましく、２０ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）以上２５０ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）以下の範囲内がより好ましい。以上の流量範囲から、上記流量比になるように設定することが好ましい。
【００７９】
また、処理圧力は、酸化レートを高くする観点から、例えば、１．３Ｐａ以上１０００Ｐａ以下の範囲内が好ましく、１３３Ｐａ以上１０００Ｐａ以下の範囲内がより好ましく、４００Ｐａ以上６６７Ｐａ以下の範囲内が最も好ましい。プラズマ酸化処理における処理圧力が１３３Ｐａ未満になると、酸素イオン成分が多くなり、酸素イオンがライナーＳｉＮ膜２０９中を拡散してＳｉ／ＳｉＮ界面に到達し、Ｓｉを酸化してしまうため、実質増膜になり、トレンチ幅及びその深さが変化してしまい、例えば素子のチャンネル長が制約を受けるなどの影響が生じる場合がある。また、処理圧力が１０００Ｐａを超えると、酸素ラジカル成分が多くなるため、ライナーＳｉＮ膜２０９を十分に酸化しきれなかったり、均一に酸化されなかったりする場合があるので、トレンチ２０７内に高温でＳｉＯ２膜を埋め込む際、反応ガス中の酸素に対するバリア性が低下する。
【００８０】
また、マイクロ波のパワー密度は、プラズマ中で酸化活性種のＯ２＋イオンやＯ（１Ｄ２）ラジカルを効率よく生成させる観点から、０．７Ｗ／ｃｍ２以上４．７Ｗ／ｃｍ２以下の範囲内とすることが好ましく、１．４Ｗ／ｃｍ２以上３．５Ｗ／ｃｍ２の範囲内がより好ましい。なお、マイクロ波のパワー密度は、マイクロ波透過板２８の面積１ｃｍ２あたりに供給されるマイクロ波パワーを意味する（以下、同様である）。例えば２００ｍｍ径以上のウエハＷを処理する場合には、マイクロ波パワーを、１０００Ｗ以上５０００Ｗ以下の範囲内から上記パワー密度になるように設定することが好ましい。
【００８１】
また、ウエハＷの加熱温度は、載置台２の温度として、例えば２００℃以上６００℃以下の範囲内とすることが好ましく、４００℃以上６００℃以下の範囲内の低温で処理することがより好ましい。
【００８２】
また、プラズマ酸化処理の処理時間は、特に制限はないが、Ｓｉ／ＳｉＮ界面まで酸素が拡散しない程度、または、窒素膜を全て酸化膜にしないという観点から、例えば１秒以上３６０秒以下の範囲内とすることが好ましく、１秒以上６０秒以下の範囲内とすることがより好ましい。
【００８３】
以上の条件は、制御部５０の記憶部５３にレシピとして保存されている。そして、プロセスコントローラ５１がそのレシピを読み出してプラズマ処理装置１０１の各構成部例えばガス供給装置１８、真空ポンプ２４、マイクロ波発生装置３９、ヒータ電源５ａなどへ制御信号を送出することにより、所望の条件でプラズマ酸化処理が行われる。
【００８４】
＜基板処理システム＞
第２の実施の形態のプラズマ処理方法に好ましく利用できる基板処理システムについて説明する。図７は、ウエハＷに対し、プラズマ窒化処理およびプラズマ酸化処理を真空条件で連続的に行なうように構成された基板処理システム２００を示す概略構成図である。この基板処理システム２００は、マルチチャンバ構造のクラスタツールとして構成されている。基板処理システム２００は、主要な構成として、ウエハＷに対して各種の処理を行う４つのプロセスモジュール１００ａ，１００ｂ，１０１ａ，１０１ｂと、これらのプロセスモジュール１００ａ，１００ｂ，１０１ａ，１０１ｂに対してゲートバルブＧ１を介して接続された真空側搬送室１０３と、この真空側搬送室１０３にゲートバルブＧ２を介して接続された２つのロードロック室１０５ａ，１０５ｂと、これら２つのロードロック室１０５ａ，１０５ｂに対してゲートバルブＧ３を介して接続されたローダーユニット１０７とを備えている。
【００８５】
４つのプロセスモジュール１００ａ，１００ｂ，１０１ａ，１０１ｂは、ウエハＷに対して同じ内容の処理を行うこともできるし、あるいはそれぞれ異なる内容の処理を行うこともできる。本実施の形態では、プロセスモジュール１００ａ，１００ｂでは、プラズマ処理装置１００（図１）によってウエハＷ上のシリコンのトレンチの内壁面をプラズマ窒化処理してライナーＳｉＮ膜２０９を形成する。プロセスモジュール１０１ａ，１０１ｂでは、プラズマ処理装置１０１（図５）によってプラズマ窒化処理により形成されたライナーＳｉＮ膜２０９をさらにプラズマ酸化処理する。
【００８６】
真空引き可能に構成された真空側搬送室１０３には、プロセスモジュール１００ａ，１００ｂ，１０１ａ，１０１ｂやロードロック室１０５ａ，１０５ｂに対してウエハＷの受け渡しを行う第１の基板搬送装置としての搬送装置１０９が設けられている。この搬送装置１０９は、互いに対向するように配置された一対の搬送アーム部１１１ａ，１１１ｂを有している。各搬送アーム部１１１ａ，１１１ｂは同一の回転軸を中心として、屈伸及び旋回可能に構成されている。また、各搬送アーム部１１１ａ，１１１ｂの先端には、それぞれウエハＷを載置して保持するためのフォーク１１３ａ，１１３ｂが設けられている。搬送装置１０９は、これらのフォーク１１３ａ，１１３ｂ上にウエハＷを載置した状態で、プロセスモジュール１００ａ，１００ｂ，１０１ａ，１０１ｂ間、あるいはプロセスモジュール１００ａ，１００ｂ，１０１ａ，１０１ｂとロードロック室１０５ａ，１０５ｂとの間でウエハＷの搬送を行う。
【００８７】
ロードロック室１０５ａ，１０５ｂ内には、それぞれウエハＷを載置する載置台１０６ａ，１０６ｂが設けられている。ロードロック室１０５ａ，１０５ｂは、真空状態と大気開放状態を切り替えられるように構成されている。このロードロック室１０５ａ，１０５ｂの載置台１０６ａ，１０６ｂを介して、真空側搬送室１０３と大気側搬送室１１９（後述）との間でウエハＷの受け渡しが行われる。
【００８８】
ローダーユニット１０７は、ウエハＷの搬送を行う第２の基板搬送装置としての搬送装置１１７が設けられた大気側搬送室１１９と、この大気側搬送室１１９に隣接配備された３つのロードポートＬＰと、大気側搬送室１１９の他の側面に隣接配備され、ウエハＷの位置測定を行なう位置測定装置としてのオリエンタ１２１とを有している。
【００８９】
大気側搬送室１１９は、例えば窒素ガスや清浄空気をダウンフローさせる循環設備（図示省略）を備え、クリーンな環境が維持されている。大気側搬送室１１９は、平面視矩形をなしており、その長手方向に沿ってガイドレール１２３が設けられている。このガイドレール１２３に搬送装置１１７がスライド移動可能に支持されている。つまり、搬送装置１１７は図示しない駆動機構により、ガイドレール１２３に沿ってＸ方向へ移動可能に構成されている。この搬送装置１１７は、上下２段に配置された一対の搬送アーム部１２５ａ，１２５ｂを有している。各搬送アーム部１２５ａ，１２５ｂは屈伸及び旋回可能に構成されている。各搬送アーム部１２５ａ，１２５ｂの先端には、それぞれウエハＷを載置して保持する保持部材としてのフォーク１２７ａ，１２７ｂが設けられている。搬送装置１１７は、これらのフォーク１２７ａ，１２７ｂ上にウエハＷを載置した状態で、ロードポートＬＰのウエハカセットＣＲと、ロードロック室１０５ａ，１０５ｂと、オリエンタ１２１との間でウエハＷの搬送を行う。
【００９０】
ロードポートＬＰは、ウエハカセットＣＲを載置できるようになっている。ウエハカセットＣＲは、複数枚のウエハＷを同じ間隔で多段に載置して収容できるように構成されている。
【００９１】
オリエンタ１２１は、図示しない駆動モータによって回転される回転板１３３と、この回転板１３３の外周位置に設けられ、ウエハＷの周縁部を検出するための光学センサ１３５とを備えている。
【００９２】
＜ウエハ処理の手順＞
基板処理システム２００においては、以下の手順でウエハＷに対するプラズマ窒化処理、およびプラズマ酸化処理が行われる。まず、大気側搬送室１１９の搬送装置１１７のフォーク１２７ａ，１２７ｂのいずれかを用い、ロードポートＬＰのウエハカセットＣＲより１枚のウエハＷが取り出され、オリエンタ１２１で位置合わせした後、ロードロック室１０５ａ（または１０５ｂ）に搬入される。ウエハＷが載置台１０６ａ（または１０６ｂ）に載置された状態のロードロック室１０５ａ（または１０５ｂ）では、ゲートバルブＧ３が閉じられ、内部が真空状態に減圧排気される。その後、ゲートバルブＧ２が開放され、真空側搬送室１０３内の搬送装置１０９のフォーク１１３ａ，１１３ｂによってウエハＷがロードロック室１０５ａ（または１０５ｂ）から運び出される。
【００９３】
搬送装置１０９によりロードロック室１０５ａ（または１０５ｂ）から運び出されたウエハＷは、まず、プロセスモジュール１００ａ，１００ｂのいずれかに搬入され、ゲートバルブＧ１を閉じた後でウエハＷに対してプラズマ窒化処理が行われる。
【００９４】
次いで、前記ゲートバルブＧ１が開放され、ライナーＳｉＮ膜２０９が形成されたウエハＷが搬送装置１０９によりプロセスモジュール１００ａ（または１００ｂ）から真空状態のままプロセスモジュール１０１ａ，１０１ｂのいずれか片方に搬入される。そして、ゲートバルブＧ１を閉じた後でウエハＷに対してプラズマ酸化処理が行われ、ライナーＳｉＮ膜２０９がライナーＳｉＯＮ膜２１１に改質される。
【００９５】
次いで、前記ゲートバルブＧ１が開放され、ライナーＳｉＯＮ膜２１１が形成されたウエハＷが搬送装置１０９によりプロセスモジュール１０１ａ（または１０１ｂ）から真空状態のまま搬出され、ロードロック室１０５ａ（または１０５ｂ）に搬入される。そして、前記とは逆の手順でロードポートＬＰのウエハカセットＣＲに処理済みのウエハＷが収納され、基板処理システム２００における１枚のウエハＷに対する処理が完了する。なお、基板処理システム２００における各処理装置の配置は、効率的に処理を行うことができる配置であれば、いかなる配置構成でもよい。さらに、基板処理システム２００におけるプロセスモジュールの数は４つに限らず、５つ以上であってもよい。
【００９６】
本実施の形態のプラズマ処理方法によれば、短時間のプラズマ処理で、トレンチの幅や深さをほとんど変化させずに、高温での熱酸化処理の際に酸素の拡散に対してバリア膜として機能する厚さ１〜１０ｎｍの範囲内のライナーＳｉＯＮ膜２１１を形成できる。従って、各種半導体装置の製造プロセスにおいて、ＳＴＩによる素子分離を行う際に本実施の形態のプラズマ処理方法を適用することにより、微細化への対応を可能にしつつ、半導体装置の信頼性を高めることができる。
【００９７】
本実施の形態における他の構成及び効果は、第１の実施の形態と同様である。
【００９８】
［実験例］
次に、本発明の効果を確認した実験データについて説明する。
実験１：
シリコン基板に対し、以下のＡ〜Ｄの処理を行って、ＳｉＮ膜、ＳｉＯＮ膜又はＳｉＯ２膜を形成した後、７００℃、７５０℃、８００℃又は８５０℃で、それぞれ３０分間の熱酸化処理（以下、「高温熱酸化処理」と記すことがある）を行った。高温熱酸化処理後の各膜の膜厚の増膜量を測定し、酸素の拡散に対するバリア膜としての有効性を評価した。
【００９９】
［処理Ａ；熱酸化処理によるＳｉＯ２膜の形成］
下記の条件で熱酸化処理を実施し、ＳｉＯ２膜ａを形成した。
＜熱酸化処理条件＞
処理温度；８００℃
処理時間；１８００秒
膜厚（ＳｉＯ２）；約６ｎｍ
【０１００】
［処理Ｂ；熱酸化処理＋プラズマ窒化処理によるＳｉＯＮ膜の形成］
処理Ａと同様の条件で熱酸化処理を行った後、さらに下記の条件でプラズマ窒化処理を実施し、ＳｉＯＮ膜ｂを形成した。
＜プラズマ窒化処理条件＞
Ａｒガス流量；３５０ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）
Ｎ２ガス流量；２５０ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）
処理圧力；２６Ｐａ
載置台の温度；５００℃
マイクロ波パワー；２４００Ｗ（パワー密度；１．２３Ｗ／ｃｍ２）
処理時間；２４０秒
膜厚（ＳｉＯＮ）；約６ｎｍ
【０１０１】
［処理Ｃ；プラズマ窒化処理によるＳｉＮ膜の形成］
下記の条件でプラズマ窒化処理を実施し、ＳｉＮ膜ｃを形成した。
＜プラズマ窒化処理条件＞
Ａｒガス流量；３５０ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）
Ｎ２ガス流量；２５０ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）
処理圧力；２６Ｐａ
載置台の温度；５００℃
マイクロ波パワー；２４００Ｗ（パワー密度；１．２３Ｗ／ｃｍ２）
処理時間；２４０秒
膜厚（ＳｉＮ）；約４ｎｍ
【０１０２】
［処理Ｄ；プラズマ窒化処理＋プラズマ酸化処理によるＳｉＯＮ膜の形成］
処理Ｃと同様の条件でプラズマ窒化処理を行った後、さらに下記の条件でプラズマ酸化処理を実施し、ＳｉＯＮ膜ｄを形成した。
【０１０３】
＜プラズマ酸化処理条件＞
Ａｒガス流量；９９０ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）
Ｏ２ガス流量；１０ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）
処理圧力；１３３Ｐａ
載置台の温度；５００℃
マイクロ波パワー；４０００Ｗ（パワー密度；２．０４Ｗ／ｃｍ２）
処理時間；３０秒
膜厚（ＳｉＯＮ）；約４ｎｍ
【０１０４】
実験結果を図８に示した。図８の縦軸は、高温熱酸化処理後の増膜量（＝高温熱酸化処理後の膜厚−高温熱酸化処理前の膜厚）を示し、横軸は高温熱酸化処理の温度を示している。この図８より、処理ＡによるＳｉＯ２膜ａの場合は、高温熱酸化処理の温度が上昇するにつれて、増膜量が著しく増大していた。高温熱酸化処理における温度上昇に伴う増膜の傾向は、処理Ｂ（熱酸化処理後のプラズマ窒化処理）により形成したＳｉＯＮ膜ｂについても観察された。一方、処理Ｃ（プラズマ窒化処理）によるＳｉＮ膜ｃ、処理Ｄ（プラズマ窒化処理後のプラズマ酸化処理）によるＳｉＯＮ膜ｄでは、高温熱酸化処理による増膜は全く観察されなかった。
【０１０５】
実験２：
シリコン基板に対し、以下の条件で、処理時間を変えてプラズマ窒化処理を行い、ＳｉＮ膜を形成した後、７００℃、７５０℃、８００℃又は８５０℃で、それぞれ３０分間の高温熱酸化処理を行った。高温熱酸化処理後の各膜の膜厚の増膜量を測定し、酸素の拡散に対するバリア膜としての有効性を評価した。
【０１０６】
＜プラズマ窒化処理条件＞
Ａｒガス流量；３５０ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）
Ｎ２ガス流量；２５０ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）
処理圧力；２６Ｐａ
載置台の温度；５００℃
マイクロ波パワー；２４００Ｗ（パワー密度；１．２３Ｗ／ｃｍ２）
処理時間；９０秒、１６０秒、及び２４０秒
【０１０７】
図９に、処理時間（横軸）とＳｉＮ膜の膜厚（縦軸）との関係を示した。また、図１０に、処理時間別の増膜量を示した。図１０の縦軸は、高温熱酸化処理後の増膜量（＝高温熱酸化処理後の膜厚−高温熱酸化処理前の膜厚）を示し、横軸は高温熱酸化処理の温度を示している。図９及び図１０から、処理時間が長くなるに伴い、ＳｉＮ膜の膜厚は増加していったが、高温熱酸化処理による増膜量は逆に減少していた。この結果から、例えば４ｎｍ程度の膜厚でライナーＳｉＮ膜を形成する場合には、上記プラズマ窒化処理条件において処理時間を９０秒以上２４０秒以下の範囲内とすることが好ましく、１６０秒以上２４０秒以下の範囲内とすることがより好ましいと考えられた。
【０１０８】
実験３：
シリコン基板に対し、以下の条件で、処理圧力を変えてプラズマ窒化処理を行い、ＳｉＮ膜を形成した後、８５０℃で、それぞれ３０分間の高温熱酸化処理を行った。高温熱酸化処理後の各膜の膜厚の増膜量を測定し、酸素の拡散に対するバリア膜としての有効性を評価した。
【０１０９】
＜プラズマ窒化処理条件＞
Ａｒガス流量；３５０ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）
Ｎ２ガス流量；２５０ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）
処理圧力；２６Ｐａ、６６７Ｐａ、１０６６Ｐａ
載置台の温度；５００℃
マイクロ波パワー；２４００Ｗ（パワー密度；１．２３Ｗ／ｃｍ２）
処理時間；２４０秒
【０１１０】
図１１に処理圧力別の増膜量を示した。図１１の縦軸は、高温熱酸化処理後の増膜量（＝高温熱酸化処理後の膜厚−高温熱酸化処理前の膜厚）を示し、横軸は処理圧力を示している。図１１から、処理圧力が大きくなるに伴い、高温熱酸化処理による増膜量が大きくなっていた。従って、プラズマ窒化処理の処理圧力は、低いほど好ましいことが確認された。例えば、増膜量を２０ｎｍ以下に抑えるには、上記プラズマ窒化処理条件において処理圧力を１８７Ｐａ以下とすることが好ましく、１．３Ｐａ以上１８７Ｐａ以下の範囲内とすることがより好ましく、１．３Ｐａ以上４０Ｐａ以下の範囲内とすることが最も好ましいと考えられた。
【０１１１】
実験４：
実験１の処理Ｃ及び処理Ｄで得られたＳｉＮ膜ｃ及びＳｉＯＮ膜ｄについて、Ｘ線光電子分光（ＸＰＳ）分析を行った。ＸＰＳ分析によって測定したＳｉＮ膜ｃ及びＳｉＯＮ膜ｄの化学組成プロファイルを重ねて図１２に示した。図１２の縦軸は、窒素濃度及び酸素濃度（いずれも原子％）を示し、横軸は、膜表面（０ｎｍ）からの深さを示している。ＳｉＮ膜ｃでは、窒素が膜厚方向にほぼ均等に分布していたが、ＳｉＯＮ膜ｄでは、窒素のピークがＳｉとの界面付近にシフトしていることが確認された。処理ＤによるＳｉＯＮ膜ｄでは、界面付近に窒素のピークが存在することで、高温熱酸化処理の際に、酸素がＳｉ界面へ向けて拡散していく途中で窒素濃度の高い領域でブロックされ、Ｓｉとの結合が妨げられる結果、優れたバリア性が得られるものと推測された。
【０１１２】
以上の実験結果から、本発明の第１の実施の形態に相当するプラズマ窒化処理を実施した処理Ｃ、及び第２の実施の形態に相当する、プラズマ窒化処理とプラズマ酸化処理を実施した処理Ｄでは、ＳｉＮ膜ｃ及びＳｉＯＮ膜ｄが、いずれも優れたバリア膜として機能し、高温熱酸化処理における酸素の拡散を効果的に防止できることが確認された。このような酸素の拡散に対するバリア機能は、単なる膜組成の違い（ＳｉＯＮかＳｉＮか）ではないことが、処理Ｂとの比較により理解される。
【０１１３】
［ＳＴＩプロセスへの適用例］
次に、本発明に係るプラズマ処理方法を利用して、ＳＴＩプロセスによる素子分離構造を形成する手順について、一例を挙げて説明する。図１３〜図１８は、ＳＴＩプロセスの主要な工程を示すウエハ表面付近の断面図である。
【０１１４】
まず、図１３に示すように、シリコン（シリコン層又はシリコン基板）２０１と、ＳｉＯ２膜２０３、ＳｉＮ膜２０５がこの順番に積層形成されたウエハＷを準備する。次に、ＳｉＮ膜２０５の上にフォトレジスト層ＰＲを設ける。そして、図示は省略するが、トレンチを形成しようとする領域上のＳｉＮ２０５が露出するように、フォトリソグラフィー技術によってフォトレジスト層ＰＲをパターニングする。さらに、パターニングされたフォトレジスト層ＰＲをマスクとして、図１４に示すように、シリコン２０１表面が露出するまでＳｉＮ膜２０５及びＳｉＯ２膜２０３を順次ドライエッチングする。
【０１１５】
次に、フォトレジスト層ＰＲを除去した後、ＳｉＮ膜２０５をマスクとして露出しているシリコン２０１の表面をドライエッチングし、図１５に示すようにトレンチ２０７を形成する。
【０１１６】
次に、トレンチ２０７の内壁面２０７ａに、第１の実施の形態で説明した方法により、プラズマ窒化処理を施し、図１６に示すように、ライナーＳｉＮ膜２０９を形成する。なお、第２の実施の形態で説明した方法により、プラズマ窒化処理後にプラズマ酸化処理を行って、ライナーＳｉＯＮ膜２１１を形成してもよい。ライナーＳｉＮ膜２０９（又はライナーＳｉＯＮ膜２１１）の膜厚は、例えば１〜１０ｎｍの範囲内が好ましく、２〜５ｎｍの範囲内がより好ましい。
【０１１７】
次に、図１７に示すように、ライナーＳｉＮ膜２０９（又はライナーＳｉＯＮ膜２１１）の上から、トレンチ２０７が充填されるように埋め込み絶縁膜２１３を形成する。埋め込み絶縁膜２１３は、典型的には、高温での熱酸化により形成されるＳｉＯ２膜である。これ以降の工程で、ライナーＳｉＮ膜２０９（又はライナーＳｉＯＮ膜２１１）は、埋め込み絶縁膜２１３から酸素がシリコン２０１の内部へ浸入することを防止するバリア膜として機能する。
【０１１８】
次に、図示は省略するが、ＳｉＮ膜２０５が露出するまで、ＣＭＰを行い、埋め込み絶縁膜２１３の上部を平坦化する。さらに、ウェットエッチングにより、ＳｉＮ膜２０５、ＳｉＯ２膜２０３、及び埋め込み絶縁膜２１３の上部を除去して、図１８に示すように、目的とする素子分離構造を形成する。このように形成された素子分離構造では、ライナーＳｉＮ膜２０９（又はライナーＳｉＯＮ膜２１１）が酸素の拡散に対するバリア膜となるため、トレンチ２０７の周囲のシリコンが酸化されることが抑制される。その結果、埋め込み絶縁膜２１３の増膜が抑えられ、微細設計への対応を可能としつつ、素子分離構造の信頼性を高め、さらに、半導体装置の信頼性を向上させることができる。
【０１１９】
以上、本発明の実施の形態を述べたが、本発明は上記実施の形態に制約されることはなく、種々の変形が可能である。例えば、上記実施の形態では、プラズマ窒化処理及びプラズマ酸化処理にＲＬＳＡ方式のマイクロ波プラズマ処理装置を用いたが、例えばＩＣＰプラズマ方式、ＥＣＲプラズマ方式、表面反射波プラズマ方式、マグネトロンプラズマ方式等の他の方式のプラズマ処理装置を用いることができる。
【０１２０】
また、被処理体である基板としては、半導体ウエハに限るものではなく、トレンチが形成されたシリコン層を有する基板であればよい。例えばフラットパネルディスプレイ用基板や太陽電池用基板などを処理対象とすることも可能である。
【符号の説明】
【０１２１】
１…処理容器、２…載置台、３…支持部材、５…ヒータ、１２…排気管、１５…ガス導入部、１６…搬入出口、１８…ガス供給装置、１９ａ…不活性ガス供給源、１９ｂ…窒素含有ガス供給源、１９ｃ…酸素含有ガス供給源、２４…真空ポンプ、２８…マイクロ波透過板、２９…シール部材、３１…平面アンテナ、３２…マイクロ波放射孔、３７…導波管、３７ａ…同軸導波管、３７ｂ…矩形導波管、３９…マイクロ波発生装置、５０…制御部、５１…プロセスコントローラ、５２…ユーザーインターフェース、５３…記憶部、１００，１０１…プラズマ処理装置、２００…基板処理システム、２０１…シリコン、２０３…酸化珪素膜（ＳｉＯ２膜）、２０５…窒化珪素膜（ＳｉＮ膜）、２０７…トレンチ、２０７ａ…内壁面、２０９…ライナーＳｉＮ膜、２１１…ライナーＳｉＯＮ膜、Ｗ…半導体ウエハ（基板）
【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリコン上に形成されたトレンチ内に絶縁膜を埋め込み、前記絶縁膜を平坦化して素子分離膜を形成するＳＴＩ法による素子分離において、前記トレンチ内への絶縁膜の埋め込みに先立ち、前記トレンチの内壁面のシリコンをプラズマにより窒化処理するプラズマ窒化処理工程を有するプラズマ処理方法であって、
前記プラズマ窒化処理工程は、窒素含有ガスを含む処理ガスのプラズマにより、処理圧力が１．３Ｐａ以上１８７Ｐａ以下の範囲内、かつ全処理ガスに対する窒素含有ガスの体積流量比率が１％以上８０％以下の範囲内の条件で行われ、前記トレンチの内壁面に厚さ１〜１０ｎｍの範囲内のシリコン窒化膜を形成することを特徴とするプラズマ処理方法。
【請求項２】
前記プラズマ窒化処理工程における処理圧力が１．３Ｐａ以上４０Ｐａ以下の範囲内である請求項１に記載のプラズマ処理方法。
【請求項３】
前記プラズマ窒化処理工程の後に、さらに、前記シリコン窒化膜を、酸素含有ガスを含む処理ガスのプラズマにより酸化し、シリコン酸窒化膜に改質するプラズマ酸化処理工程を有する請求項１又は２に記載のプラズマ処理方法。
【請求項４】
前記プラズマ酸化処理工程における処理圧力が１．３Ｐａ以上１０００Ｐａ以下の範囲内であり、全処理ガスに対する酸素含有ガスの体積流量比率が１％以上８０％以下の範囲内である請求項３に記載のプラズマ処理方法。
【請求項５】
前記プラズマ窒化処理工程及び前記プラズマ酸化処理工程は、複数の孔を有する平面アンテナにより処理容器内にマイクロ波を導入してプラズマを生成させるプラズマ処理装置により行われる請求項３又は４に記載のプラズマ処理方法。
【請求項６】
シリコンにトレンチを形成する工程と、前記トレンチ内に絶縁膜を埋め込む工程と、前記絶縁膜を平坦化して素子分離膜を形成する工程と、を備えた素子分離方法において、
前記トレンチ内に絶縁膜を埋め込む工程に先立ち、窒素含有ガスを含む処理ガスのプラズマにより、処理圧力が１．３Ｐａ以上１８７Ｐａ以下の範囲内、かつ全処理ガスに対する窒素含有ガスの体積流量比率が１％以上８０％以下の範囲内の条件で、前記トレンチの内壁面を窒化処理し、厚さ１〜１０ｎｍの範囲内のシリコン窒化膜を形成するプラズマ窒化処理工程を有することを特徴とする素子分離方法。
【請求項７】
前記プラズマ窒化処理工程の後に、さらに、前記シリコン窒化膜を、酸素含有ガスを含む処理ガスのプラズマにより酸化し、シリコン酸窒化膜に改質するプラズマ酸化処理工程を有する請求項６に記載の素子分離方法。
【請求項１】
シリコン上に形成されたトレンチ内に絶縁膜を埋め込み、前記絶縁膜を平坦化して素子分離膜を形成するＳＴＩ法による素子分離において、前記トレンチ内への絶縁膜の埋め込みに先立ち、前記トレンチの内壁面のシリコンをプラズマにより窒化処理するプラズマ窒化処理工程を有するプラズマ処理方法であって、
前記プラズマ窒化処理工程は、窒素含有ガスを含む処理ガスのプラズマにより、処理圧力が１．３Ｐａ以上１８７Ｐａ以下の範囲内、かつ全処理ガスに対する窒素含有ガスの体積流量比率が１％以上８０％以下の範囲内の条件で行われ、前記トレンチの内壁面に厚さ１〜１０ｎｍの範囲内のシリコン窒化膜を形成することを特徴とするプラズマ処理方法。
【請求項２】
前記プラズマ窒化処理工程における処理圧力が１．３Ｐａ以上４０Ｐａ以下の範囲内である請求項１に記載のプラズマ処理方法。
【請求項３】
前記プラズマ窒化処理工程の後に、さらに、前記シリコン窒化膜を、酸素含有ガスを含む処理ガスのプラズマにより酸化し、シリコン酸窒化膜に改質するプラズマ酸化処理工程を有する請求項１又は２に記載のプラズマ処理方法。
【請求項４】
前記プラズマ酸化処理工程における処理圧力が１．３Ｐａ以上１０００Ｐａ以下の範囲内であり、全処理ガスに対する酸素含有ガスの体積流量比率が１％以上８０％以下の範囲内である請求項３に記載のプラズマ処理方法。
【請求項５】
前記プラズマ窒化処理工程及び前記プラズマ酸化処理工程は、複数の孔を有する平面アンテナにより処理容器内にマイクロ波を導入してプラズマを生成させるプラズマ処理装置により行われる請求項３又は４に記載のプラズマ処理方法。
【請求項６】
シリコンにトレンチを形成する工程と、前記トレンチ内に絶縁膜を埋め込む工程と、前記絶縁膜を平坦化して素子分離膜を形成する工程と、を備えた素子分離方法において、
前記トレンチ内に絶縁膜を埋め込む工程に先立ち、窒素含有ガスを含む処理ガスのプラズマにより、処理圧力が１．３Ｐａ以上１８７Ｐａ以下の範囲内、かつ全処理ガスに対する窒素含有ガスの体積流量比率が１％以上８０％以下の範囲内の条件で、前記トレンチの内壁面を窒化処理し、厚さ１〜１０ｎｍの範囲内のシリコン窒化膜を形成するプラズマ窒化処理工程を有することを特徴とする素子分離方法。
【請求項７】
前記プラズマ窒化処理工程の後に、さらに、前記シリコン窒化膜を、酸素含有ガスを含む処理ガスのプラズマにより酸化し、シリコン酸窒化膜に改質するプラズマ酸化処理工程を有する請求項６に記載の素子分離方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【公開番号】特開２０１２−２１６６３２（Ｐ２０１２−２１６６３２Ａ）
【公開日】平成２４年１１月８日（２０１２．１１．８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−８００７６（Ｐ２０１１−８００７６）
【出願日】平成２３年３月３１日（２０１１．３．３１）
【出願人】（０００２１９９６７）東京エレクトロン株式会社 (5,184)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１１月８日（２０１２．１１．８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年３月３１日（２０１１．３．３１）
【出願人】（０００２１９９６７）東京エレクトロン株式会社 (5,184)
【Ｆターム（参考）】
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