プラズマ処理方法
【課題】基板に形成されたトレンチ側面の酸化膜を薄膜化し、且つトレンチ上のパターン上部の角がエッチングされることを抑制する。
【解決手段】熱酸化膜６０形成後にトレンチ６１が形成されたウェハＷをプラズマによって酸化処理するプラズマ処理方法であって、ウェハＷはイオン引き込み用の高周波電圧が印加されるサセプタに載置され、プラズマによる酸化処理は、イオン引き込み用の高周波電圧をウェハＷに印加しながら行われる。プラズマ酸化処理における処理ガスは、ヘリウムと酸素を含む混合ガスであり、プラズマ処理は、処理容器内において６．７〜１３３Ｐａの圧力で行われる。
【解決手段】熱酸化膜６０形成後にトレンチ６１が形成されたウェハＷをプラズマによって酸化処理するプラズマ処理方法であって、ウェハＷはイオン引き込み用の高周波電圧が印加されるサセプタに載置され、プラズマによる酸化処理は、イオン引き込み用の高周波電圧をウェハＷに印加しながら行われる。プラズマ酸化処理における処理ガスは、ヘリウムと酸素を含む混合ガスであり、プラズマ処理は、処理容器内において６．７〜１３３Ｐａの圧力で行われる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、被処理体をプラズマ処理するプラズマ処理方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、半導体デバイスの微細化、高集積化に伴い、基板上に形成される素子間の分離には、従来用いられているフィールド酸化膜によるＬＯＣＯＳ（Ｌｏｃａｌ Ｏｘｉｄａｔｉｏｎ ｏｆ Ｓｉｌｉｃｏｎ）に代えて、素子間にトレンチを形成し、当該トレンチに酸化膜を形成することにより素子の分離を行う、いわゆるＳＴＩ（Ｓｈａｌｌｏｗ Ｔｒａｎｃｈ Ｉｓｏｌａｔｉｏｎ）が広く用いられている。
【０００３】
ＳＴＩ技術に用いられるトレンチに酸化膜を形成する方法としては、シリコン基板を加熱して行う熱酸化処理や、プラズマによりシリコン基板の表面をプラズマ酸化処理する方法が知られている（例えば、特許文献１）。
【０００４】
プラズマ処理により酸化膜を形成する場合、通常、マイクロ波などを用いてプラズマを発生させるプラズマ処理装置において行われる。プラズマ処理装置では、マイクロ波発振器で発生したマイクロ波を、導波管、アンテナ、誘電体窓を介して処理容器に導入して、処理容器内に供給されたアルゴン（Ａｒ）ガスと酸素ガスのプラズマを生成する。そして、当該酸素ガスのプラズマによって、基板載置台に載置されたシリコン基板の表面をプラズマ酸化処理して、シリコン基板の表面にシリコン酸化膜を形成する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００４−３４９５４６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、上述のトレンチに酸化膜を形成する場合、トレンチの側面の酸化を抑制し、トレンチ側面に形成される酸化膜の膜厚を薄くする方法が検討されている。酸化膜の膜厚は通常数ｎｍ〜十数ｎｍであるが、デバイスの微細化に伴い、シリコン基板の面積に占めるトレンチ（素子形成の際のチャンネル長(巾)）及びトレンチに形成される酸化膜の割合（膜厚）が大きく問題となってきたためである。
【０００７】
プラズマ処理によりトレンチに酸化膜を形成する場合、トレンチ側面の酸化膜を薄膜化するためには、低圧力条件下でプラズマ処理を行うことが有効である。しかしながら、微細化に伴うマイクロローディング効果により、トレンチ底部で酸化が進行しにくく、そのため、トレンチ底部に所望の膜厚の酸化膜を形成するためには処理に時間を要するという問題がある。その結果、トレンチ側面の酸化膜の膜厚も厚くなってしまう。また、トレンチ側面の酸化膜の膜厚も、高さ方向で異なってしまうという問題もある。
【０００８】
この問題を解決するために、通常は基板載置台の下部にイオン引き込み用として、バイアスの高周波電圧を印加する方法が用いられる。このバイアス電圧によりプラズマ中のイオンを基板側に引き込み、それによりトレンチ底部の酸化を進行させ、且つトレンチ側面の酸化膜の薄膜化を図ることができる。
【０００９】
ところが、例えば図６（ａ）に示すような、表面に予め熱酸化膜１００を形成した後にトレンチ１０１を形成したシリコン基板Ｗに、イオン引き込み用の電圧を印加してアルゴンガスと酸素ガスによるプラズマ処理を行うと、図６（ｂ）のようにトレンチ１０１上部の熱酸化膜１００のパターンの角がスパッタによりエッチングされ、シリコン基板Ｗ表面に形成されていた熱酸化膜１００が変形してしまうことが確認された。また、スパッタされた熱酸化膜１００のフラックス（飛翔物）１０２がトレンチ１０１の底部に堆積し、プラズマ処理により形成された酸化膜１０３のトレンチ１０１底部における見かけ上の膜厚が、実際に形成された酸化膜１０３の膜厚よりも厚くなってしまうことも確認された。この場合、フラックス（飛翔物）１０２によりトレンチ１０１底部の酸化膜１０３の膜厚を正確に測定することが困難となるため、プラズマ処理が適正に行われているか否かを評価することができなくなるという問題が生じる。
【００１０】
本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、トレンチを有する基板にプラズマ処理により酸化膜を形成するにあたり、トレンチ側面に形成される酸化膜を薄膜化し、且つトレンチ上に形成されたパターンの角がエッチングされることを抑制することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記目的を達成するため、本発明は、被処理体をマイクロ波プラズマにより処理するプラズマ処理装置において、酸化膜形成後にトレンチが形成された基板をプラズマによって酸化処理するプラズマ処理方法であって、前記基板はイオン引き込み用の高周波電圧が印加される載置台に載置され、前記プラズマによる酸化処理は、イオン引き込み用の高周波電圧を基板に印加しながら行い、前記プラズマ酸化処理における処理ガスは、アルゴンより原子量の小さい希ガスと酸素を含む混合ガスであり、前記プラズマ処理は、減圧容器内において６．７〜１３３Ｐａの圧力で行われることを特徴としている。
【００１２】
本発明によれば、イオン引き込み用の高周波電圧を基板に印加しながら当該基板をプラズマ酸化処理するにあたり、処理ガスとしてアルゴンより原子量の小さい希ガスであるヘリウムのガスを用い、減圧容器内において６．７〜１３３Ｐａの低圧条件下でプラズマ処理が行われるので、トレンチ側面の酸化膜を薄膜化するにあたり、トレンチ上のパターン上部の角がエッチングされることを抑制することができる。
【００１３】
前記アルゴンより原子量の小さい希ガスは、ヘリウムガスまたはネオンガスであってもよい。
【００１４】
前記アルゴンより原子量の小さい希ガスはヘリウムガスであり、当該ヘリウムガスの流量は１００〜５００ｍｌ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）、前記酸素ガスの流量は１０〜３００ｍｌ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）であってもよい。
【００１５】
前記プラズマ処理時の基板温度は、２００〜６００℃であってもよい。
【００１６】
前記プラズマ酸化処理における処理ガスには水素が含まれており、前記水素ガスの流量は１〜１００ｍｌ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）であってもよい。
【００１７】
前記マイクロ波のパワーは１０００〜４０００Ｗであってもよい。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、アルゴンより原子量の小さい希ガスと酸素ガスのプラズマで酸化処理することにより、基板に形成されたトレンチ側面の酸化膜を薄膜化し、且つトレンチ上のパターン上部の角がエッチングされることを抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の実施の形態にかかるプラズマ処理方法を実施するプラズマ処理装置の構成の一例を示す概略縦断面図である。
【図２】本発明の実施の形態にかかるプラズマ処理方法によりトレンチに酸化膜を形成する工程を説明するための概略縦断面図であり、図２（ａ）はトレンチが形成されたウェハを、図２（ｂ）は酸素ラジカルによりトレンチを酸化処理する様子を、図２（ｃ）はトレンチに酸化膜が形成された状態をそれぞれ示している。
【図３】処理容器内の圧力と酸化膜の成膜レートとの関係を表したグラフである。
【図４】プラズマ酸化処理後の熱酸化膜近傍の状態を示す縦断面図である。
【図５】プラズマ酸化処理によりトレンチに形成された酸化膜の状態を示す縦断面図である。
【図６】従来のプラズマ処理方法による酸化膜の形成工程を示す概略縦断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明の実施の形態の一例について、図を参照して説明する。図１は、本発明の実施の形態に係るプラズマ処理装置１の概略構成を示す縦断面図である。プラズマ処理装置１は、いわゆるラジアルラインスロットアンテナ方式であり、マイクロ波を発生させて装置内に電界を生じさせ、装置内に供給された処理ガスをプラズマ化させ、ウェハＷに対してエッチング処理等を行うものである。なお、ウェハＷとしては、シリコン基板が用いられる。
【００２１】
プラズマ処理装置１は、ウェハＷを保持する保持台としてのサセプタ１１が設けられた処理容器１２を有している。サセプタ１１は、例えば断熱性のセラミックスにより形成されている。サセプタ１１には、ウェハＷの表面温度の管理を行うヒータ１１ａと、プラズマ引き込み用の高周波電圧を印加するためのバイアス用電極１１ｂが内蔵されている。バイアス用電極１１ｂには、サセプタ１１のセラミックスと同程度の熱膨張係数の材料が用いられ、例えばタングステン（Ｗ）やモリブデン（Ｍｏ）などにより構成されている。バイアス用電極１１ｂは、プラズマ引き込み用の高周波電圧発生させる交流電源１１ｃに接続されている。また、ヒータ１１ａは、ヒータ用電源１１ｄに接続されている。処理容器１２の底部には、処理容器１２の内部を排気する排気部としての排気室１３が設けられている。排気室１３には、真空ポンプなどの排気装置１４に通じる排気管１５が接続されている。
【００２２】
処理容器１２の上方は、サセプタ１１上のウェハＷに対応して開口する開口部を有している。この開口部には、当該開口部を塞ぎ、処理容器内にマイクロ波を供給するマイクロ波供給部２を配置している。気密性を確保するためのＯリングなどのシール材１６を介して、石英やＡｌ２Ｏ３からなる誘電体窓１７を支持し、処理容器１２を開閉する機能を有する蓋部材（Ｌｉｄ）１８によって気密に塞がれている。蓋部材１８の上面には、断面形状が略Ｌ字型をした円環状の固定部材１８ａが設けられ、蓋部材１８と固定部材１８ａとは、例えばボルトなどの接合部材（図示せず）により固定されている。また、固定部材１８ａの上面には、断面形状がＬ字を９０度左に回転させた略Ｌ字型の円環状の押え部材１８ｂが設けられ、図示しない接合部材により、当該押え部材１８ｂ、固定部材１８ａ及びカバープレート２２が固定されている。
【００２３】
誘電体窓１７の上（外側）には、アンテナ２０が配置されている。このアンテナ２０は、導電性を有する材質、たとえば銅、アルミニウム、ニッケル等の金属製の薄い円板からなり、表面に複数のスロット２０ａが同心円状に形成されている、いわゆるラジアルラインスロットアンテナである。各スロット２０ａは略方形の貫通した溝であり、隣接するスロット同士は互いに直交して略アルファベットの「Ｔ」の文字を形成するように配設されている。スロット２０ａの長さや配列間隔は、供給されるマイクロ波の波長に応じて決定されている。
【００２４】
アンテナ２０の上面には、石英、アルミナ、窒化アルミニウム等からなる誘電体板２１が配置されている。この誘電体板２１は、遅波板として機能する。誘電体板２１の上方には、アルミニウム等の導電性のカバープレート２２が誘電体板２１を覆うように配置されている。また、アンテナ２０は、その外周部をカバープレート２２に系止されて設置されている。カバープレート２２の内部には、冷媒が流れる冷媒路２２ａが設けられており、アンテナ２０、誘電体板２１、誘電体窓１７を冷却するようになっている。また、カバープレート２２の中央には、同軸導波管２３が接続されている。同軸導波管２３の上端部には、矩形導波管２４及びモード変換器２５を介して、マイクロ波発生装置２６が接続されている。
【００２５】
マイクロ波発生装置２６は、処理容器１２の外部に設置されており、例えば２．４５ＧＨｚのマイクロ波を発生させることができる。また、マイクロ波発生装置２３には、モード変換器２５を介してインピーダンス整合器２７が設けられており、マイクロ波のインピーダンスのマッチングが行われる。同軸導波管２３は、側導体２３ａと内側導体２３ｂとからなり、内側導体２３ｂはアンテナ２０に接続する内導体が配置すされている。かかる構成により、マイクロ波発生装置２６から発生したマイクロ波は、インピーダンス整合器２７、矩形導波管２４、モード変換機２５及び同軸導波管２４内を伝播し、遅波板としての誘電体板２１で圧縮されて短波化された後、アンテナ２０から円偏波状のマイクロ波が誘電体窓１７を透過して処理容器１２内に向けて導入される。
【００２６】
処理容器１２の上部の内周面には、プラズマ生成用のガスを供給ためのガス供給口３０が形成されている。ガス供給口３０は、例えば処理容器１２の内周面に沿って複数箇所に形成されている。ガス供給口３０には、例えば処理容器１２の外部に設置されたガス供給部３１に連通するガス供給管３２が接続されている。本実施の形態におけるガス供給部３１は、希ガス供給部３３と酸素ガス供給部３４を有し、各々バルブ３３ａ、３４ａ、マスフローコントローラ３３ｂ、３４ｂを介して，ガス供給口３１に接続されている。ガス供給口３１から供給されるガスの流量は，マスフローコントローラ３３ｂ、３４ｂによって制御される。なお、本実施の形態において、ガス供給部３１には、処理ガスとして、アルゴンより原子量が小さい希ガスであるヘリウム（Ｈｅ）ガス、ネオン（Ｎｅ）ガスや、ウェハＷのプラズマ酸化処理に用いる酸素ガスが貯留されている。
【００２７】
処理容器１２内のサセプタ１１の周囲には、例えば石英からなるガスバッフル板４０が配置されている。石英製のガスバッフル板４０の下面は、アルミニウムなどの金属製の支持部材４１で支持されている。
【００２８】
以上のプラズマ処理装置１には、制御部５０が設けられている。制御部５０は、例えばコンピュータであり、プログラム格納部（図示せず）を有している。プログラム格納部には、マイクロ波発生装置２６やインピーダンス整合器２７、マスフローコントローラ３３といった機器を制御して、プラズマ処理装置１を動作させるためのプログラムが格納されている。なお、前記プログラムは、例えばコンピュータ読み取り可能なハードディスク（ＨＤ）、フレキシブルディスク（ＦＤ）、コンパクトディスク（ＣＤ）、マグネットオプティカルデスク（ＭＯ）、メモリーカードなどのコンピュータに読み取り可能な記憶媒体Ｈに記録されていたものであって、その記憶媒体Ｈから制御部５０にインストールされたものであってもよい。
【００２９】
本実施の形態にかかるプラズマ処理装置１は以上のように構成されており、次に、プラズマ処理装置１で行われるプラズマ処理の方法について説明する。
【００３０】
プラズマ処理を行うにあたっては、先ず、図２（ａ）に示されるような、表面に予め熱酸化膜６０を成膜した後にトレンチ６１が形成されたウェハＷが準備される。次いで、当該ウェハＷはサセプタ１１上に載置される。プラズマ処理中は、サセプタ１１によってウェハＷの表面温度が、例えば４６５℃に加熱されると共に、交流電源１１ｃからウェハＷにイオン引き込み用の高周波電圧が６００Ｗの電力で印加される。その後、排気装置１４により処理容器１２内の排気が行われ、処理容器１２の内部が所定の圧力、例えば４０Ｐａの圧力に制御される。なお、ウェハＷの温度は、常温〜６００℃が好ましく、より好ましくは、２００℃〜６００℃である。
【００３１】
次いで、ガス供給口３０からヘリウムガスと酸素ガスが処理容器１２内に導入される。このとき、ヘリウムガスの流量は、例えば１２４ｓｃｃｍ、酸素ガスの流量は、例えば６０．８ｓｃｃｍである。
【００３２】
その後、マイクロ波発生装置２６から同軸導波管２３を通ってマイクロ波が処理容器１２内に供給される。マイクロ波は、例えば周波数が２．４５ＧＨｚ、出力が１０００〜４０００Ｗ、本実施の形態においては４０００Ｗのマイクロ波が、誘電体板２１、アンテナ２０、誘電体窓１７を介して処理容器１２中に導入される。処理容器１２内のヘリウムガス及び酸素ガスは高密度マイクロ波プラズマにより励起され、ヘリウムガスの励起により原子状酸素（Ｏ（１Ｄ）酸素ラジカル）およびＯ２＋が形成される。かかる原子状酸素は、図２（ｂ）に示すように、ウェハＷのトレンチ６１の表面に達する。これにより、図２（ｃ）に示すように、当該トレンチ６１の表面に酸化膜６２が形成される。
【００３３】
以上説明したプラズマ処理方法においては、イオン引き込み用の高周波電圧をウェハＷに印加しながらウェハＷをプラズマ酸化処理する際に、処理ガスとして従来用いられるアルゴンよりも原子量の小さい希ガスであるヘリウムガスを用い、処理容器１２のような減圧容器内において４０Ｐａの低圧力条件下でプラズマ酸化処理が行われる。これにより、酸素イオンをトレンチ６１内に引き込みトレンチ６１底部の酸化を進行させつつ、トレンチ６１側面の酸化を抑制して側面への酸化膜６２を薄膜化する。さらに、アルゴンより原子量が小さい希ガスであるヘリウムのイオンは、トレンチ６１上部に形成された熱酸化膜６０の角をエッチングすることを抑制する。
【００３４】
以上の実施の形態では、処理容器１２内の圧力を４０Ｐａとしてプラズマ処理を行ったが、処理容器１２内の圧力は６．７〜１３３Ｐａの範囲が好ましく、より好ましくは６．７〜９３Ｐａが好ましい。よって、その範囲内で任意に設定が可能である。
【００３５】
また、以上の実施の形態においては、処理容器１２内にヘリウムガスと酸素ガスの混合ガスを供給してプラズマ処理を行ったが、ヘリウムガスと酸素ガスにさらに水素ガスを添加してもよい。かかる場合、添加された水素ガスによりウェハＷ表面の未結合手を終端させ、ウェハＷのトレンチ６１表面と当該トレンチ６１表面に形成されるシリコン酸化膜６２との界面を安定的なものとすることができる。なお、水素ガスの流量としては、１〜１００ｍｌ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）が好ましい。より好ましくは１〜５０ｍｌ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）、さらに好ましくは１５．２ｓｃｃｍである。
【実施例】
【００３６】
本発明によるプラズマ処理の効果を測定するために、図２（ａ）に示すような熱酸化膜６０及びトレンチ６１が形成されたウェハＷを、ヘリウムと酸素の混合ガスを用いてプラズマ酸化処理した場合と、アルゴンと酸素の混合ガスを用いてプラズマ酸化処理した場合についての比較試験を行った。ヘリウムと酸素の混合ガスを用いる場合においては、処理容器１２内にヘリウムガス、酸素ガス及び水素ガスをそれぞれ１２４ｍｌ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）、６０．８ｍｌ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）及び１５．２ｍｌ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）の流量で供給し、処理容器１２内の圧力を４０Ｐａとして低圧のプラズマ酸化処理を１３０秒行った場合（実施例１）と、ヘリウムガス、酸素ガス及び水素ガスをそれぞれ１５０ｍｌ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）、４０ｍｌ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）及び１０ｍｌ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）の流量で供給し、処理容器１２内の圧力を５３３Ｐａとして高圧のプラズマ酸化処理を２７０秒行った場合（実施例２）の２通りについて実施した。なお、実施例１及び実施例２においては、トレンチのＴｏｐ上での酸化膜６２の目標膜厚を１１ｎｍとした。マイクロ波の供給電力及びバイアス用の高周波電圧の電力については、いずれの場合もそれぞれ４０００Ｗ及び６００Ｗとし、ウェハＷの温度は４６５℃とした。
【００３７】
また、比較例として、アルゴンと酸素の混合ガスを用いる場合においては、処理容器１２内にアルゴンガス、酸素ガス及び水素ガスをそれぞれ１５０ｍｌ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）、４０ｍｌ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）及び１０ｍｌ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）の流量で供給し、処理容器１２内の圧力を４０Ｐａとした低圧状態でマイクロ波を１２００Ｗの電力で供給してプラズマ酸化処理を２１５秒行った場合（比較例１）と、比較例１と同一の条件で各種ガスの供給を行い、処理容器１２内の圧力を５３３Ｐａとした高圧状態でマイクロ波を４０００Ｗの電力で供給してプラズマ酸化処理を３６０秒行った場合（比較例２）の２通りについて実施した。比較例１及び比較例２においては、トレンチのＴｏｐ上での酸化膜６２の目標膜厚を８ｎｍとした。また、いずれの場合も、バイアス用の高周波電圧の電力については６００Ｗ、ウェハＷの温度は４６５℃とした。
【００３８】
また、トレンチ６１が形成されていないウェハＷに実施例１及び実施例２、並びに比較例１及び比較例２のそれぞれの条件でプラズマ酸化処理を施した場合の酸化膜の成膜レートを求めた。その結果を図３に示す。図３において縦軸は酸化膜の膜厚［オングストローム（Å）］、横軸は処理時間を示す。図３の結果から、処理容器１２内の圧力を低くすることで、成膜レートが向上することが確認された。従って、低圧の条件のプロセスで、アルゴンの原子量より小さい希ガスであるヘリウムガスを用いることで、高酸化レート処理できるのでプロセス時間を短く出来る。
【００３９】
上述の実施例１及び実施例２、並びに比較例１及び比較例２においては、図３の成膜レートに基づいて処理時間を決定している。具体的には、目標膜厚が１１ｎｍである実施例１及び実施例２の処理時間を、図３からそれぞれ１３０秒、２７０秒と求めた。同様に、目標膜厚が８ｎｍである比較例１及び比較例２の処理時間を、図３からそれぞれ２１５秒、３６０秒と求めた。
【００４０】
確認試験の結果を図４及び図５に示す。図４（ａ）は実施例１及び実施例２によるプラズマ酸化処理後の、トレンチ６１上部の熱酸化膜６０近傍の状態を示したものである。図４（ｂ）は比較例１及び比較例２によるプラズマ酸化処理後の、トレンチ６１上部の熱酸化膜６０の断面形状を示したものである。
【００４１】
図４（ａ）及び図４（ｂ）からわかるように、アルゴンガスを用いた比較例１では熱酸化膜６０の角がスパッタによりエッチングされて丸くなり、熱酸化膜６０の角が変形している。その一方、実施例１及び実施例２ではアルゴンガスより原子量が小さい希ガスであるヘリウムガスを用いているので、角がスパッタによるエッチングが抑制され熱酸化膜６０の角の変形が抑制されている。なお、比較例２でも熱酸化膜６０に変形が生じていないが、これは高圧条件によりイオン量が減少し、スパッタ効果が低減したからであると考えられる。
【００４２】
図５（ａ）は、実施例１及び実施例２のプラズマ酸化処理によってトレンチ６１に形成された酸化膜６２の状態を示したものである。図５（ｂ）は、比較例１及び比較例２のプラズマ酸化処理によってトレンチ６１に形成された酸化膜６２の形状を示したものである。
【００４３】
図５（ａ）に示されるように、実施例１ではトレンチ６１底部における酸化膜６２の膜厚は目標値の１１ｎｍに対して１０．４ｎｍとなっており、概ね図３の結果と同じ成膜レートが達成できていることが確認できた。また、トレンチ６１側面の酸化膜６２の膜厚は３．３ｎｍ〜３．７ｎｍとなっており、トレンチ６１側面の酸化膜６２が良好に薄膜化されていることが確認された。その一方、実施例２では、膜厚が目標値より低い８．５ｎｍであった。これは、側面側の酸化膜厚が高さで異なることからもわかるように、高圧条件下においてもマイクロローディング効果が発生したからであると考えられる。また実施例２では、トレンチ６１側面の酸化膜６２の膜厚は７．１ｎｍ〜１０．５ｎｍとなっていた。これは、実施例２の圧力条件が５３３Ｐａと比較的高いことにより、イオン量が減少したため、トレンチ６１側面の酸化膜６２を薄膜化することができなかったためと推察される。
【００４４】
次に、比較例１では、図５（ｂ）に示されるようにトレンチ６１底部における酸化膜６２の膜厚が、目標値の８ｎｍを大幅に超過する１５．５ｎｍとなった。これは、既述のようにスパッタによりエッチングされたウェハＷ上の熱酸化膜６０のフラックス（飛翔物）が、トレンチ６１の底部に堆積することにより、酸化膜６２の見かけ上の膜厚が増加しているためと考えられる。なお、トレンチ６１の側面については、実施例１と同様に薄膜化が達成されている。また、比較例２では、トレンチ６１底部における酸化膜６２の膜厚が、目標値の８ｎｍに対して７．５ｎｍとなり、概ね所望の膜厚が得られている。しかしながら、処理時の圧力が５３３Ｐａと比較的高いために、トレンチ６１側面の膜厚が７．５ｎｍ〜７．７ｎｍと大きくなっており、実施例２と同様に、トレンチ６１側面の酸化膜６２を薄膜化することができていない。
【００４５】
これは、アルゴンの原子量３９．９５に対してヘリウムの原子量は４．０と約１／１０であるからである。つまり、プラズマを生成した場合、ヘリウムイオンが軽いので熱酸化膜６０の角、即ち側壁へのスパッタリングが弱く、原子状酸素で側壁を酸化するので薄く形成される。底部は、酸素イオンがトレンチの中へ引き込まれるので酸化が促進され、トレンチのＴｏｐ上と同等の膜厚が形成される。これに対して、アルゴンを用いた場合、アルゴンイオンは重いため、側壁へのスパッタリングが高く、形成された酸化膜がスパッタされ、底部に堆積してトレンチのＴｏｐ上の膜厚の倍の膜厚が形成される。従って、アルゴンより原子量の小さい希ガスであるヘリウム、ネオンを用いることが好ましい。
【００４６】
以上の各結果からもわかるように，本発明に従ってヘリウムと酸素の混合ガスにより低圧力条件下でプラズマ処理を行うことで、ウェハＷに形成されたトレンチ６１側面の酸化膜６２を薄膜化し、且つトレンチ６１の上部に形成された熱酸化膜６０等のパターンが、スパッタによりエッチングされることを抑制することができる。
【００４７】
なお、上記したようにプラズマ処理時の処理容器１２内の圧力は６．７〜１３３Ｐａがよく、６．７〜９３Ｐａが好ましく、より好ましくは２０〜６７Ｐａである。また、ヘリウムガスの流量及び酸素ガスの流量は、それぞれ５０〜１０００ｍｌ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）が好ましく、１００〜５００ｍｌ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）がより好ましく、１００〜１９０ｍｌ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）が望ましい。酸素流量は、５〜５００ｍｌ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）が好ましく、１０〜３００ｍｌ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）がより好ましく、１０〜１００ｍｌ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）が望ましい。これにより、アルゴンを用いた場合よりも高い成膜レートを得ることができるので、スループットの向上も同時に達成することができる。
【００４８】
以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明はかかる例に限定されず、ＩＣＰプラズマ、マグネトロンプラズマ、表面波プラズマに適用可能である。また、当業者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到しうることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
【符号の説明】
【００４９】
１ プラズマ処理装置
１１ サセプタ
１１ｃ 交流電源
１２ 処理容器
１３ 排気室
１６ シール材
１７ 誘電体窓
２０ アンテナ
２１ 誘電体板
２２ カバープレート
２３ 同軸導波管
２６ マイクロ波発生装置
２７ インピーダンス整合器
３０ ガス供給口
３１ ガス供給部
４０ ガスバッフル板
４１ 石英カバー
５０ 制御部
６０ 熱酸化膜
６１ トレンチ
６２ 酸化膜
Ｗ ウェハ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、被処理体をプラズマ処理するプラズマ処理方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、半導体デバイスの微細化、高集積化に伴い、基板上に形成される素子間の分離には、従来用いられているフィールド酸化膜によるＬＯＣＯＳ（Ｌｏｃａｌ Ｏｘｉｄａｔｉｏｎ ｏｆ Ｓｉｌｉｃｏｎ）に代えて、素子間にトレンチを形成し、当該トレンチに酸化膜を形成することにより素子の分離を行う、いわゆるＳＴＩ（Ｓｈａｌｌｏｗ Ｔｒａｎｃｈ Ｉｓｏｌａｔｉｏｎ）が広く用いられている。
【０００３】
ＳＴＩ技術に用いられるトレンチに酸化膜を形成する方法としては、シリコン基板を加熱して行う熱酸化処理や、プラズマによりシリコン基板の表面をプラズマ酸化処理する方法が知られている（例えば、特許文献１）。
【０００４】
プラズマ処理により酸化膜を形成する場合、通常、マイクロ波などを用いてプラズマを発生させるプラズマ処理装置において行われる。プラズマ処理装置では、マイクロ波発振器で発生したマイクロ波を、導波管、アンテナ、誘電体窓を介して処理容器に導入して、処理容器内に供給されたアルゴン（Ａｒ）ガスと酸素ガスのプラズマを生成する。そして、当該酸素ガスのプラズマによって、基板載置台に載置されたシリコン基板の表面をプラズマ酸化処理して、シリコン基板の表面にシリコン酸化膜を形成する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００４−３４９５４６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、上述のトレンチに酸化膜を形成する場合、トレンチの側面の酸化を抑制し、トレンチ側面に形成される酸化膜の膜厚を薄くする方法が検討されている。酸化膜の膜厚は通常数ｎｍ〜十数ｎｍであるが、デバイスの微細化に伴い、シリコン基板の面積に占めるトレンチ（素子形成の際のチャンネル長(巾)）及びトレンチに形成される酸化膜の割合（膜厚）が大きく問題となってきたためである。
【０００７】
プラズマ処理によりトレンチに酸化膜を形成する場合、トレンチ側面の酸化膜を薄膜化するためには、低圧力条件下でプラズマ処理を行うことが有効である。しかしながら、微細化に伴うマイクロローディング効果により、トレンチ底部で酸化が進行しにくく、そのため、トレンチ底部に所望の膜厚の酸化膜を形成するためには処理に時間を要するという問題がある。その結果、トレンチ側面の酸化膜の膜厚も厚くなってしまう。また、トレンチ側面の酸化膜の膜厚も、高さ方向で異なってしまうという問題もある。
【０００８】
この問題を解決するために、通常は基板載置台の下部にイオン引き込み用として、バイアスの高周波電圧を印加する方法が用いられる。このバイアス電圧によりプラズマ中のイオンを基板側に引き込み、それによりトレンチ底部の酸化を進行させ、且つトレンチ側面の酸化膜の薄膜化を図ることができる。
【０００９】
ところが、例えば図６（ａ）に示すような、表面に予め熱酸化膜１００を形成した後にトレンチ１０１を形成したシリコン基板Ｗに、イオン引き込み用の電圧を印加してアルゴンガスと酸素ガスによるプラズマ処理を行うと、図６（ｂ）のようにトレンチ１０１上部の熱酸化膜１００のパターンの角がスパッタによりエッチングされ、シリコン基板Ｗ表面に形成されていた熱酸化膜１００が変形してしまうことが確認された。また、スパッタされた熱酸化膜１００のフラックス（飛翔物）１０２がトレンチ１０１の底部に堆積し、プラズマ処理により形成された酸化膜１０３のトレンチ１０１底部における見かけ上の膜厚が、実際に形成された酸化膜１０３の膜厚よりも厚くなってしまうことも確認された。この場合、フラックス（飛翔物）１０２によりトレンチ１０１底部の酸化膜１０３の膜厚を正確に測定することが困難となるため、プラズマ処理が適正に行われているか否かを評価することができなくなるという問題が生じる。
【００１０】
本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、トレンチを有する基板にプラズマ処理により酸化膜を形成するにあたり、トレンチ側面に形成される酸化膜を薄膜化し、且つトレンチ上に形成されたパターンの角がエッチングされることを抑制することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記目的を達成するため、本発明は、被処理体をマイクロ波プラズマにより処理するプラズマ処理装置において、酸化膜形成後にトレンチが形成された基板をプラズマによって酸化処理するプラズマ処理方法であって、前記基板はイオン引き込み用の高周波電圧が印加される載置台に載置され、前記プラズマによる酸化処理は、イオン引き込み用の高周波電圧を基板に印加しながら行い、前記プラズマ酸化処理における処理ガスは、アルゴンより原子量の小さい希ガスと酸素を含む混合ガスであり、前記プラズマ処理は、減圧容器内において６．７〜１３３Ｐａの圧力で行われることを特徴としている。
【００１２】
本発明によれば、イオン引き込み用の高周波電圧を基板に印加しながら当該基板をプラズマ酸化処理するにあたり、処理ガスとしてアルゴンより原子量の小さい希ガスであるヘリウムのガスを用い、減圧容器内において６．７〜１３３Ｐａの低圧条件下でプラズマ処理が行われるので、トレンチ側面の酸化膜を薄膜化するにあたり、トレンチ上のパターン上部の角がエッチングされることを抑制することができる。
【００１３】
前記アルゴンより原子量の小さい希ガスは、ヘリウムガスまたはネオンガスであってもよい。
【００１４】
前記アルゴンより原子量の小さい希ガスはヘリウムガスであり、当該ヘリウムガスの流量は１００〜５００ｍｌ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）、前記酸素ガスの流量は１０〜３００ｍｌ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）であってもよい。
【００１５】
前記プラズマ処理時の基板温度は、２００〜６００℃であってもよい。
【００１６】
前記プラズマ酸化処理における処理ガスには水素が含まれており、前記水素ガスの流量は１〜１００ｍｌ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）であってもよい。
【００１７】
前記マイクロ波のパワーは１０００〜４０００Ｗであってもよい。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、アルゴンより原子量の小さい希ガスと酸素ガスのプラズマで酸化処理することにより、基板に形成されたトレンチ側面の酸化膜を薄膜化し、且つトレンチ上のパターン上部の角がエッチングされることを抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の実施の形態にかかるプラズマ処理方法を実施するプラズマ処理装置の構成の一例を示す概略縦断面図である。
【図２】本発明の実施の形態にかかるプラズマ処理方法によりトレンチに酸化膜を形成する工程を説明するための概略縦断面図であり、図２（ａ）はトレンチが形成されたウェハを、図２（ｂ）は酸素ラジカルによりトレンチを酸化処理する様子を、図２（ｃ）はトレンチに酸化膜が形成された状態をそれぞれ示している。
【図３】処理容器内の圧力と酸化膜の成膜レートとの関係を表したグラフである。
【図４】プラズマ酸化処理後の熱酸化膜近傍の状態を示す縦断面図である。
【図５】プラズマ酸化処理によりトレンチに形成された酸化膜の状態を示す縦断面図である。
【図６】従来のプラズマ処理方法による酸化膜の形成工程を示す概略縦断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明の実施の形態の一例について、図を参照して説明する。図１は、本発明の実施の形態に係るプラズマ処理装置１の概略構成を示す縦断面図である。プラズマ処理装置１は、いわゆるラジアルラインスロットアンテナ方式であり、マイクロ波を発生させて装置内に電界を生じさせ、装置内に供給された処理ガスをプラズマ化させ、ウェハＷに対してエッチング処理等を行うものである。なお、ウェハＷとしては、シリコン基板が用いられる。
【００２１】
プラズマ処理装置１は、ウェハＷを保持する保持台としてのサセプタ１１が設けられた処理容器１２を有している。サセプタ１１は、例えば断熱性のセラミックスにより形成されている。サセプタ１１には、ウェハＷの表面温度の管理を行うヒータ１１ａと、プラズマ引き込み用の高周波電圧を印加するためのバイアス用電極１１ｂが内蔵されている。バイアス用電極１１ｂには、サセプタ１１のセラミックスと同程度の熱膨張係数の材料が用いられ、例えばタングステン（Ｗ）やモリブデン（Ｍｏ）などにより構成されている。バイアス用電極１１ｂは、プラズマ引き込み用の高周波電圧発生させる交流電源１１ｃに接続されている。また、ヒータ１１ａは、ヒータ用電源１１ｄに接続されている。処理容器１２の底部には、処理容器１２の内部を排気する排気部としての排気室１３が設けられている。排気室１３には、真空ポンプなどの排気装置１４に通じる排気管１５が接続されている。
【００２２】
処理容器１２の上方は、サセプタ１１上のウェハＷに対応して開口する開口部を有している。この開口部には、当該開口部を塞ぎ、処理容器内にマイクロ波を供給するマイクロ波供給部２を配置している。気密性を確保するためのＯリングなどのシール材１６を介して、石英やＡｌ２Ｏ３からなる誘電体窓１７を支持し、処理容器１２を開閉する機能を有する蓋部材（Ｌｉｄ）１８によって気密に塞がれている。蓋部材１８の上面には、断面形状が略Ｌ字型をした円環状の固定部材１８ａが設けられ、蓋部材１８と固定部材１８ａとは、例えばボルトなどの接合部材（図示せず）により固定されている。また、固定部材１８ａの上面には、断面形状がＬ字を９０度左に回転させた略Ｌ字型の円環状の押え部材１８ｂが設けられ、図示しない接合部材により、当該押え部材１８ｂ、固定部材１８ａ及びカバープレート２２が固定されている。
【００２３】
誘電体窓１７の上（外側）には、アンテナ２０が配置されている。このアンテナ２０は、導電性を有する材質、たとえば銅、アルミニウム、ニッケル等の金属製の薄い円板からなり、表面に複数のスロット２０ａが同心円状に形成されている、いわゆるラジアルラインスロットアンテナである。各スロット２０ａは略方形の貫通した溝であり、隣接するスロット同士は互いに直交して略アルファベットの「Ｔ」の文字を形成するように配設されている。スロット２０ａの長さや配列間隔は、供給されるマイクロ波の波長に応じて決定されている。
【００２４】
アンテナ２０の上面には、石英、アルミナ、窒化アルミニウム等からなる誘電体板２１が配置されている。この誘電体板２１は、遅波板として機能する。誘電体板２１の上方には、アルミニウム等の導電性のカバープレート２２が誘電体板２１を覆うように配置されている。また、アンテナ２０は、その外周部をカバープレート２２に系止されて設置されている。カバープレート２２の内部には、冷媒が流れる冷媒路２２ａが設けられており、アンテナ２０、誘電体板２１、誘電体窓１７を冷却するようになっている。また、カバープレート２２の中央には、同軸導波管２３が接続されている。同軸導波管２３の上端部には、矩形導波管２４及びモード変換器２５を介して、マイクロ波発生装置２６が接続されている。
【００２５】
マイクロ波発生装置２６は、処理容器１２の外部に設置されており、例えば２．４５ＧＨｚのマイクロ波を発生させることができる。また、マイクロ波発生装置２３には、モード変換器２５を介してインピーダンス整合器２７が設けられており、マイクロ波のインピーダンスのマッチングが行われる。同軸導波管２３は、側導体２３ａと内側導体２３ｂとからなり、内側導体２３ｂはアンテナ２０に接続する内導体が配置すされている。かかる構成により、マイクロ波発生装置２６から発生したマイクロ波は、インピーダンス整合器２７、矩形導波管２４、モード変換機２５及び同軸導波管２４内を伝播し、遅波板としての誘電体板２１で圧縮されて短波化された後、アンテナ２０から円偏波状のマイクロ波が誘電体窓１７を透過して処理容器１２内に向けて導入される。
【００２６】
処理容器１２の上部の内周面には、プラズマ生成用のガスを供給ためのガス供給口３０が形成されている。ガス供給口３０は、例えば処理容器１２の内周面に沿って複数箇所に形成されている。ガス供給口３０には、例えば処理容器１２の外部に設置されたガス供給部３１に連通するガス供給管３２が接続されている。本実施の形態におけるガス供給部３１は、希ガス供給部３３と酸素ガス供給部３４を有し、各々バルブ３３ａ、３４ａ、マスフローコントローラ３３ｂ、３４ｂを介して，ガス供給口３１に接続されている。ガス供給口３１から供給されるガスの流量は，マスフローコントローラ３３ｂ、３４ｂによって制御される。なお、本実施の形態において、ガス供給部３１には、処理ガスとして、アルゴンより原子量が小さい希ガスであるヘリウム（Ｈｅ）ガス、ネオン（Ｎｅ）ガスや、ウェハＷのプラズマ酸化処理に用いる酸素ガスが貯留されている。
【００２７】
処理容器１２内のサセプタ１１の周囲には、例えば石英からなるガスバッフル板４０が配置されている。石英製のガスバッフル板４０の下面は、アルミニウムなどの金属製の支持部材４１で支持されている。
【００２８】
以上のプラズマ処理装置１には、制御部５０が設けられている。制御部５０は、例えばコンピュータであり、プログラム格納部（図示せず）を有している。プログラム格納部には、マイクロ波発生装置２６やインピーダンス整合器２７、マスフローコントローラ３３といった機器を制御して、プラズマ処理装置１を動作させるためのプログラムが格納されている。なお、前記プログラムは、例えばコンピュータ読み取り可能なハードディスク（ＨＤ）、フレキシブルディスク（ＦＤ）、コンパクトディスク（ＣＤ）、マグネットオプティカルデスク（ＭＯ）、メモリーカードなどのコンピュータに読み取り可能な記憶媒体Ｈに記録されていたものであって、その記憶媒体Ｈから制御部５０にインストールされたものであってもよい。
【００２９】
本実施の形態にかかるプラズマ処理装置１は以上のように構成されており、次に、プラズマ処理装置１で行われるプラズマ処理の方法について説明する。
【００３０】
プラズマ処理を行うにあたっては、先ず、図２（ａ）に示されるような、表面に予め熱酸化膜６０を成膜した後にトレンチ６１が形成されたウェハＷが準備される。次いで、当該ウェハＷはサセプタ１１上に載置される。プラズマ処理中は、サセプタ１１によってウェハＷの表面温度が、例えば４６５℃に加熱されると共に、交流電源１１ｃからウェハＷにイオン引き込み用の高周波電圧が６００Ｗの電力で印加される。その後、排気装置１４により処理容器１２内の排気が行われ、処理容器１２の内部が所定の圧力、例えば４０Ｐａの圧力に制御される。なお、ウェハＷの温度は、常温〜６００℃が好ましく、より好ましくは、２００℃〜６００℃である。
【００３１】
次いで、ガス供給口３０からヘリウムガスと酸素ガスが処理容器１２内に導入される。このとき、ヘリウムガスの流量は、例えば１２４ｓｃｃｍ、酸素ガスの流量は、例えば６０．８ｓｃｃｍである。
【００３２】
その後、マイクロ波発生装置２６から同軸導波管２３を通ってマイクロ波が処理容器１２内に供給される。マイクロ波は、例えば周波数が２．４５ＧＨｚ、出力が１０００〜４０００Ｗ、本実施の形態においては４０００Ｗのマイクロ波が、誘電体板２１、アンテナ２０、誘電体窓１７を介して処理容器１２中に導入される。処理容器１２内のヘリウムガス及び酸素ガスは高密度マイクロ波プラズマにより励起され、ヘリウムガスの励起により原子状酸素（Ｏ（１Ｄ）酸素ラジカル）およびＯ２＋が形成される。かかる原子状酸素は、図２（ｂ）に示すように、ウェハＷのトレンチ６１の表面に達する。これにより、図２（ｃ）に示すように、当該トレンチ６１の表面に酸化膜６２が形成される。
【００３３】
以上説明したプラズマ処理方法においては、イオン引き込み用の高周波電圧をウェハＷに印加しながらウェハＷをプラズマ酸化処理する際に、処理ガスとして従来用いられるアルゴンよりも原子量の小さい希ガスであるヘリウムガスを用い、処理容器１２のような減圧容器内において４０Ｐａの低圧力条件下でプラズマ酸化処理が行われる。これにより、酸素イオンをトレンチ６１内に引き込みトレンチ６１底部の酸化を進行させつつ、トレンチ６１側面の酸化を抑制して側面への酸化膜６２を薄膜化する。さらに、アルゴンより原子量が小さい希ガスであるヘリウムのイオンは、トレンチ６１上部に形成された熱酸化膜６０の角をエッチングすることを抑制する。
【００３４】
以上の実施の形態では、処理容器１２内の圧力を４０Ｐａとしてプラズマ処理を行ったが、処理容器１２内の圧力は６．７〜１３３Ｐａの範囲が好ましく、より好ましくは６．７〜９３Ｐａが好ましい。よって、その範囲内で任意に設定が可能である。
【００３５】
また、以上の実施の形態においては、処理容器１２内にヘリウムガスと酸素ガスの混合ガスを供給してプラズマ処理を行ったが、ヘリウムガスと酸素ガスにさらに水素ガスを添加してもよい。かかる場合、添加された水素ガスによりウェハＷ表面の未結合手を終端させ、ウェハＷのトレンチ６１表面と当該トレンチ６１表面に形成されるシリコン酸化膜６２との界面を安定的なものとすることができる。なお、水素ガスの流量としては、１〜１００ｍｌ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）が好ましい。より好ましくは１〜５０ｍｌ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）、さらに好ましくは１５．２ｓｃｃｍである。
【実施例】
【００３６】
本発明によるプラズマ処理の効果を測定するために、図２（ａ）に示すような熱酸化膜６０及びトレンチ６１が形成されたウェハＷを、ヘリウムと酸素の混合ガスを用いてプラズマ酸化処理した場合と、アルゴンと酸素の混合ガスを用いてプラズマ酸化処理した場合についての比較試験を行った。ヘリウムと酸素の混合ガスを用いる場合においては、処理容器１２内にヘリウムガス、酸素ガス及び水素ガスをそれぞれ１２４ｍｌ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）、６０．８ｍｌ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）及び１５．２ｍｌ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）の流量で供給し、処理容器１２内の圧力を４０Ｐａとして低圧のプラズマ酸化処理を１３０秒行った場合（実施例１）と、ヘリウムガス、酸素ガス及び水素ガスをそれぞれ１５０ｍｌ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）、４０ｍｌ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）及び１０ｍｌ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）の流量で供給し、処理容器１２内の圧力を５３３Ｐａとして高圧のプラズマ酸化処理を２７０秒行った場合（実施例２）の２通りについて実施した。なお、実施例１及び実施例２においては、トレンチのＴｏｐ上での酸化膜６２の目標膜厚を１１ｎｍとした。マイクロ波の供給電力及びバイアス用の高周波電圧の電力については、いずれの場合もそれぞれ４０００Ｗ及び６００Ｗとし、ウェハＷの温度は４６５℃とした。
【００３７】
また、比較例として、アルゴンと酸素の混合ガスを用いる場合においては、処理容器１２内にアルゴンガス、酸素ガス及び水素ガスをそれぞれ１５０ｍｌ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）、４０ｍｌ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）及び１０ｍｌ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）の流量で供給し、処理容器１２内の圧力を４０Ｐａとした低圧状態でマイクロ波を１２００Ｗの電力で供給してプラズマ酸化処理を２１５秒行った場合（比較例１）と、比較例１と同一の条件で各種ガスの供給を行い、処理容器１２内の圧力を５３３Ｐａとした高圧状態でマイクロ波を４０００Ｗの電力で供給してプラズマ酸化処理を３６０秒行った場合（比較例２）の２通りについて実施した。比較例１及び比較例２においては、トレンチのＴｏｐ上での酸化膜６２の目標膜厚を８ｎｍとした。また、いずれの場合も、バイアス用の高周波電圧の電力については６００Ｗ、ウェハＷの温度は４６５℃とした。
【００３８】
また、トレンチ６１が形成されていないウェハＷに実施例１及び実施例２、並びに比較例１及び比較例２のそれぞれの条件でプラズマ酸化処理を施した場合の酸化膜の成膜レートを求めた。その結果を図３に示す。図３において縦軸は酸化膜の膜厚［オングストローム（Å）］、横軸は処理時間を示す。図３の結果から、処理容器１２内の圧力を低くすることで、成膜レートが向上することが確認された。従って、低圧の条件のプロセスで、アルゴンの原子量より小さい希ガスであるヘリウムガスを用いることで、高酸化レート処理できるのでプロセス時間を短く出来る。
【００３９】
上述の実施例１及び実施例２、並びに比較例１及び比較例２においては、図３の成膜レートに基づいて処理時間を決定している。具体的には、目標膜厚が１１ｎｍである実施例１及び実施例２の処理時間を、図３からそれぞれ１３０秒、２７０秒と求めた。同様に、目標膜厚が８ｎｍである比較例１及び比較例２の処理時間を、図３からそれぞれ２１５秒、３６０秒と求めた。
【００４０】
確認試験の結果を図４及び図５に示す。図４（ａ）は実施例１及び実施例２によるプラズマ酸化処理後の、トレンチ６１上部の熱酸化膜６０近傍の状態を示したものである。図４（ｂ）は比較例１及び比較例２によるプラズマ酸化処理後の、トレンチ６１上部の熱酸化膜６０の断面形状を示したものである。
【００４１】
図４（ａ）及び図４（ｂ）からわかるように、アルゴンガスを用いた比較例１では熱酸化膜６０の角がスパッタによりエッチングされて丸くなり、熱酸化膜６０の角が変形している。その一方、実施例１及び実施例２ではアルゴンガスより原子量が小さい希ガスであるヘリウムガスを用いているので、角がスパッタによるエッチングが抑制され熱酸化膜６０の角の変形が抑制されている。なお、比較例２でも熱酸化膜６０に変形が生じていないが、これは高圧条件によりイオン量が減少し、スパッタ効果が低減したからであると考えられる。
【００４２】
図５（ａ）は、実施例１及び実施例２のプラズマ酸化処理によってトレンチ６１に形成された酸化膜６２の状態を示したものである。図５（ｂ）は、比較例１及び比較例２のプラズマ酸化処理によってトレンチ６１に形成された酸化膜６２の形状を示したものである。
【００４３】
図５（ａ）に示されるように、実施例１ではトレンチ６１底部における酸化膜６２の膜厚は目標値の１１ｎｍに対して１０．４ｎｍとなっており、概ね図３の結果と同じ成膜レートが達成できていることが確認できた。また、トレンチ６１側面の酸化膜６２の膜厚は３．３ｎｍ〜３．７ｎｍとなっており、トレンチ６１側面の酸化膜６２が良好に薄膜化されていることが確認された。その一方、実施例２では、膜厚が目標値より低い８．５ｎｍであった。これは、側面側の酸化膜厚が高さで異なることからもわかるように、高圧条件下においてもマイクロローディング効果が発生したからであると考えられる。また実施例２では、トレンチ６１側面の酸化膜６２の膜厚は７．１ｎｍ〜１０．５ｎｍとなっていた。これは、実施例２の圧力条件が５３３Ｐａと比較的高いことにより、イオン量が減少したため、トレンチ６１側面の酸化膜６２を薄膜化することができなかったためと推察される。
【００４４】
次に、比較例１では、図５（ｂ）に示されるようにトレンチ６１底部における酸化膜６２の膜厚が、目標値の８ｎｍを大幅に超過する１５．５ｎｍとなった。これは、既述のようにスパッタによりエッチングされたウェハＷ上の熱酸化膜６０のフラックス（飛翔物）が、トレンチ６１の底部に堆積することにより、酸化膜６２の見かけ上の膜厚が増加しているためと考えられる。なお、トレンチ６１の側面については、実施例１と同様に薄膜化が達成されている。また、比較例２では、トレンチ６１底部における酸化膜６２の膜厚が、目標値の８ｎｍに対して７．５ｎｍとなり、概ね所望の膜厚が得られている。しかしながら、処理時の圧力が５３３Ｐａと比較的高いために、トレンチ６１側面の膜厚が７．５ｎｍ〜７．７ｎｍと大きくなっており、実施例２と同様に、トレンチ６１側面の酸化膜６２を薄膜化することができていない。
【００４５】
これは、アルゴンの原子量３９．９５に対してヘリウムの原子量は４．０と約１／１０であるからである。つまり、プラズマを生成した場合、ヘリウムイオンが軽いので熱酸化膜６０の角、即ち側壁へのスパッタリングが弱く、原子状酸素で側壁を酸化するので薄く形成される。底部は、酸素イオンがトレンチの中へ引き込まれるので酸化が促進され、トレンチのＴｏｐ上と同等の膜厚が形成される。これに対して、アルゴンを用いた場合、アルゴンイオンは重いため、側壁へのスパッタリングが高く、形成された酸化膜がスパッタされ、底部に堆積してトレンチのＴｏｐ上の膜厚の倍の膜厚が形成される。従って、アルゴンより原子量の小さい希ガスであるヘリウム、ネオンを用いることが好ましい。
【００４６】
以上の各結果からもわかるように，本発明に従ってヘリウムと酸素の混合ガスにより低圧力条件下でプラズマ処理を行うことで、ウェハＷに形成されたトレンチ６１側面の酸化膜６２を薄膜化し、且つトレンチ６１の上部に形成された熱酸化膜６０等のパターンが、スパッタによりエッチングされることを抑制することができる。
【００４７】
なお、上記したようにプラズマ処理時の処理容器１２内の圧力は６．７〜１３３Ｐａがよく、６．７〜９３Ｐａが好ましく、より好ましくは２０〜６７Ｐａである。また、ヘリウムガスの流量及び酸素ガスの流量は、それぞれ５０〜１０００ｍｌ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）が好ましく、１００〜５００ｍｌ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）がより好ましく、１００〜１９０ｍｌ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）が望ましい。酸素流量は、５〜５００ｍｌ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）が好ましく、１０〜３００ｍｌ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）がより好ましく、１０〜１００ｍｌ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）が望ましい。これにより、アルゴンを用いた場合よりも高い成膜レートを得ることができるので、スループットの向上も同時に達成することができる。
【００４８】
以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明はかかる例に限定されず、ＩＣＰプラズマ、マグネトロンプラズマ、表面波プラズマに適用可能である。また、当業者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到しうることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
【符号の説明】
【００４９】
１ プラズマ処理装置
１１ サセプタ
１１ｃ 交流電源
１２ 処理容器
１３ 排気室
１６ シール材
１７ 誘電体窓
２０ アンテナ
２１ 誘電体板
２２ カバープレート
２３ 同軸導波管
２６ マイクロ波発生装置
２７ インピーダンス整合器
３０ ガス供給口
３１ ガス供給部
４０ ガスバッフル板
４１ 石英カバー
５０ 制御部
６０ 熱酸化膜
６１ トレンチ
６２ 酸化膜
Ｗ ウェハ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被処理体をマイクロ波プラズマにより処理するプラズマ処理装置において、酸化膜形成後にトレンチが形成された基板をプラズマによって酸化処理するプラズマ処理方法であって、
前記基板はイオン引き込み用の高周波電圧が印加される載置台に載置され、
前記プラズマによる酸化処理は、イオン引き込み用の高周波電圧を基板に印加しながら行い、
前記プラズマ酸化処理における処理ガスは、アルゴンより原子量の小さい希ガスと酸素を含む混合ガスであり、
前記プラズマ処理は、減圧容器内において６．７〜１３３Ｐａの圧力で行われることを特徴とする、プラズマ処理方法。
【請求項２】
前記アルゴンより原子量の小さい希ガスは、ヘリウムガスまたはネオンガスであることを特徴とする請求項１に記載のプラズマ処理方法。
【請求項３】
前記アルゴンより原子量の小さい希ガスはヘリウムガスであり、当該ヘリウムガスの流量は１００〜５００ｍｌ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）、前記酸素ガスの流量は１０〜３００ｍｌ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）であることを特徴とする請求項１に記載のプラズマ処理方法。
【請求項４】
前記プラズマ処理時の基板温度は、２００〜６００℃であることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載のプラズマ処理方法。
【請求項５】
前記プラズマ酸化処理における処理ガスには水素が含まれており、
前記水素ガスの流量は１〜１００ｍｌ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）であることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載のプラズマ処理方法。
【請求項６】
前記マイクロ波のパワーは１０００〜４０００Ｗであることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか１項に記載のプラズマ処理方法。
【請求項１】
被処理体をマイクロ波プラズマにより処理するプラズマ処理装置において、酸化膜形成後にトレンチが形成された基板をプラズマによって酸化処理するプラズマ処理方法であって、
前記基板はイオン引き込み用の高周波電圧が印加される載置台に載置され、
前記プラズマによる酸化処理は、イオン引き込み用の高周波電圧を基板に印加しながら行い、
前記プラズマ酸化処理における処理ガスは、アルゴンより原子量の小さい希ガスと酸素を含む混合ガスであり、
前記プラズマ処理は、減圧容器内において６．７〜１３３Ｐａの圧力で行われることを特徴とする、プラズマ処理方法。
【請求項２】
前記アルゴンより原子量の小さい希ガスは、ヘリウムガスまたはネオンガスであることを特徴とする請求項１に記載のプラズマ処理方法。
【請求項３】
前記アルゴンより原子量の小さい希ガスはヘリウムガスであり、当該ヘリウムガスの流量は１００〜５００ｍｌ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）、前記酸素ガスの流量は１０〜３００ｍｌ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）であることを特徴とする請求項１に記載のプラズマ処理方法。
【請求項４】
前記プラズマ処理時の基板温度は、２００〜６００℃であることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載のプラズマ処理方法。
【請求項５】
前記プラズマ酸化処理における処理ガスには水素が含まれており、
前記水素ガスの流量は１〜１００ｍｌ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）であることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載のプラズマ処理方法。
【請求項６】
前記マイクロ波のパワーは１０００〜４０００Ｗであることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか１項に記載のプラズマ処理方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図６】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図６】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２０１２−２１６６６７（Ｐ２０１２−２１６６６７Ａ）
【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２０１１−８０６２０（Ｐ２０１１−８０６２０）
【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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