マイクロ波プラズマ処理装置
【課題】 イオン分布を制御してイオンを含むマイクロプラズマにより面内均一性の高いプラズマ処理を実現することができるマイクロ波プラズマ処理装置を提供すること。
【解決手段】 誘電体からなるマイクロ波透過板２８で天壁が構成されたチャンバー１内に、被処理体Ｗを載置する載置台２を設け、マイクロ波透過板２８を透過したマイクロ波によってプラズマを形成し、該プラズマにより載置台２に載置された被処理体Ｗにプラズマ処理を施すマイクロ波プラズマ処理装置において、マイクロ波透過板２８は、載置台２と対向して設けられ、そのマイクロ波透過面の少なくとも載置台２に載置された被処理体Ｗの周縁部における被処理体Ｗのエッジまでの領域に対応する部分に凹凸状部４２を有し、被処理体Ｗの中央部に対応する部分は平坦部４３となっている。
【解決手段】 誘電体からなるマイクロ波透過板２８で天壁が構成されたチャンバー１内に、被処理体Ｗを載置する載置台２を設け、マイクロ波透過板２８を透過したマイクロ波によってプラズマを形成し、該プラズマにより載置台２に載置された被処理体Ｗにプラズマ処理を施すマイクロ波プラズマ処理装置において、マイクロ波透過板２８は、載置台２と対向して設けられ、そのマイクロ波透過面の少なくとも載置台２に載置された被処理体Ｗの周縁部における被処理体Ｗのエッジまでの領域に対応する部分に凹凸状部４２を有し、被処理体Ｗの中央部に対応する部分は平坦部４３となっている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、マイクロ波プラズマ処理装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
プラズマ処理は、半導体デバイスの製造に不可欠な技術であるが、近時、ＬＳＩの高集積化、高速化の要請からＬＳＩを構成する半導体素子のデザインルールが益々微細化され、また、半導体ウエハが大型化されており、それにともなって、プラズマ処理装置においてもこのような微細化および大型化に対応するものが求められている。
【０００３】
ところが、従来から多用されてきた平行平板型や誘導結合型のプラズマ処理装置では、電子温度が高いため微細素子にプラズマダメージを生じてしまい、また、プラズマ密度の高い領域が限定されるため、大型の半導体ウエハを均一かつ高速にプラズマ処理することは困難である。
【０００４】
そこで、高密度で低電子温度のプラズマを均一に形成することができるＲＬＳＡ（Radial Line Slot Antenna）マイクロ波プラズマ処理装置が注目されている（例えば特許文献１）。
【０００５】
ＲＬＳＡマイクロ波プラズマ処理装置は、チャンバーの上部に所定のパターンで多数のスロットが形成された平面アンテナ（Radial Line Slot Antenna）を設け、マイクロ波発生源から導かれたマイクロ波を、平面アンテナのスロットから放射させるとともに、その下に設けられた誘電体からなるマイクロ波透過板を介して真空に保持されたチャンバー内に放射し、このマイクロ波電界によりチャンバー内に導入されたガスをプラズマ化し、このように形成されたプラズマにより半導体ウエハ等の被処理体を処理するものである。
【０００６】
このＲＬＳＡマイクロ波プラズマ処理装置では、アンテナ直下の広い領域に亘って高いプラズマ密度を実現でき、短時間で均一なプラズマ処理を行うことが可能である。また、低電子温度プラズマが形成されるため、素子へのダメージが小さい。
【０００７】
このような低ダメージでかつ均一性の高い利点を利用して、酸化処理への適用が注目されており、ゲート酸化膜の形成等、シリコン基板を直接酸化する場合には、Ｓｉ−Ｓｉ結合エネルギーが２．３ｅＶ程度であるため、ラジカルが支配的な比較的高圧の領域で、比較的面内均一性の高い酸化処理を実現している。
【０００８】
一方、近年、不揮発性メモリ素子のフローティングゲートとコントロールゲートとの間の絶縁膜として、酸化膜の上に窒化膜を形成し、さらにその上に酸化膜を形成した３層構造（ＯＮＯ構造）のものが多用されており、窒化珪素（ＳｉＮ）膜上の最終酸化膜をＲＬＳＡマイクロ波プラズマ処理することが試みられているが、その場合には、ＳｉＮの結合エネルギーが３．５ｅＶであるため、ラジカルのみならず、よりエネルギーの高いイオンも必要となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】国際公開第２００４／００８５１９号パンフレット
【特許文献２】特開２００６―４０６３８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、プラズマ中のイオンが比較的多く存在する条件でプラズマを形成した場合には、イオン分布制御を十分に行うことができず、ＳｉＮ膜上に形成された酸化膜は凸型の不均一な分布となってしまう。
【００１１】
本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであって、イオン分布を制御してイオンを含むマイクロ波プラズマにより面内均一性の高いプラズマ処理を実現することができるマイクロ波プラズマ処理装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記課題を解決するため、本発明は、誘電体からなり、その下面がマイクロ波透過面となるマイクロ波透過板で天壁が構成されたチャンバー内に、被処理体を載置する載置台を設け、前記マイクロ波透過板を透過したマイクロ波によってプラズマを形成し、該プラズマにより前記載置台に載置された被処理体にプラズマ処理を施すマイクロ波プラズマ処理装置であって、前記マイクロ波透過板は、前記載置台と対向して設けられ、その前記マイクロ波透過面の少なくとも前記載置台に載置された被処理体の周縁部における被処理体のエッジまでの領域に対応する部分に凹凸状部を有し、被処理体の中央部に対応する部分は平坦部となっていることを特徴とするマイクロ波プラズマ処理装置を提供する。
【００１３】
上記構成において、前記凹凸状部により前記マイクロ波透過板内の半径方向の定在波を抑制して被処理体の周縁部に対応する部分のイオン密度を上昇させることができる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、マイクロ波透過板を、そのマイクロ波透過面の少なくとも載置台に載置された被処理体の周縁部における被処理体のエッジまでの領域に対応する部分に凹凸状部を有するものとし、被処理体の中央部に対応する部分は平坦部としたので、この周縁部の凹凸状部により半径方向の定在波を抑制して被処理体の周縁部に対応する部分のイオン密度を上昇させて、面内均一性の高いイオン分布を得ることができ、イオンを含むマイクロ波プラズマにより面内均一性の高いプラズマ処理を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の一実施形態に係るマイクロ波プラズマ処理装置を示す概略断面図。
【図２】図１のマイクロ波プラズマ処理装置の平面アンテナ部材の構造を示す図面。
【図３】図１のマイクロ波プラズマ処理装置のマイクロ波透過板の構造を示す側面図および底面図。
【図４】図１のマイクロ波プラズマ処理装置のマイクロ波透過板の平坦部径とウエハ径との間の好ましい範囲を説明するための図。
【図５】本発明の装置の適用例を説明するための断面図。
【図６】比較装置と本発明装置におけるイオン密度分布を説明するための図。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、図面を参照しながら、本発明の好ましい形態について説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係るマイクロ波プラズマ処理装置を模式的に示す断面図である。このプラズマ処理装置は、複数のスロットを有する平面アンテナ、特にＲＬＳＡ（Radial Line Slot Antenna；ラジアルラインスロットアンテナ）にて処理室内にマイクロ波を導入してプラズマを発生させることにより、高密度かつ低電子温度のマイクロ波プラズマを発生させ得るＲＬＳＡマイクロ波プラズマ処理装置として構成されており、例えば、プラズマ酸化処理に好適に用いられ、本実施形態では、窒化膜の酸化処理へ適用した例について示す。
【００１７】
このプラズマ処理装置１００は、気密に構成され、接地された略円筒状のチャンバー１を有している。チャンバー１の底壁１ａの略中央部には円形の開口部１０が形成されており、底壁１ａにはこの開口部１０と連通し、下方に向けて突出する排気室１１が設けられている。
【００１８】
チャンバー１内には被処理基板である半導体ウエハ（以下、「ウエハ」と記す）Ｗを水平に支持するためのＡｌＮ等のセラミックスからなるサセプタ２が設けられている。このサセプタ２は、排気室１１の底部中央から上方に延びる円筒状のＡｌＮ等のセラミックスからなる支持部材３により支持されている。サセプタ２の外縁部にはウエハＷをガイドするためのガイドリング４が設けられている。また、サセプタ２には抵抗加熱型のヒータ５が埋め込まれており、このヒータ５はヒータ電源６から給電されることによりサセプタ２を加熱して、その熱で被処理体であるウエハＷを加熱する。このとき、例えば室温から８００℃までの範囲で処理温度が制御可能となっている。なお、チャンバー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。このライナー７により金属などのコンタミを防止し、クリーンな環境を形成することができる。また、サセプタ２の外周側には、チャンバー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、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。
【００１９】
サセプタ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）がサセプタ２の表面に対して突没可能に設けられている。
【００２０】
チャンバー１の側壁には環状をなすガス導入部材１５が設けられており、均等にガス放射孔が形成されている。このガス導入部材１５にはガス供給系１６が接続されている。ガス導入部材はシャワー状に配置してもよい。このガス供給系１６は、例えばＡｒガス供給源１７、Ｏ２ガス供給源１８、Ｈ２ガス供給源１９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のガス放射孔からチャンバー１内に均一に導入される。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、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く、また、後述するように希ガスは含まなくてもよい。
【００２１】
上記排気室１１の側面には排気管２３が接続されており、この排気管２３には高速真空ポンプを含む排気装置２４が接続されている。そしてこの排気装置２４を作動させることによりチャンバー１内のガスが、排気室１１の空間１１ａ内へ均一に排出され、排気管２３を介して排気される。これによりチャンバー１内を所定の真空度、例えば０．１３３Ｐａまで高速に減圧することが可能となっている。
【００２２】
チャンバー１の側壁には、プラズマ処理装置１００に隣接する搬送室（図示せず）との間でウエハＷの搬入出を行うための搬入出口２５と、この搬入出口２５を開閉するゲートバルブ２６とが設けられている。
【００２３】
チャンバー１の上部は開口部となっており、この開口部の周縁部に沿ってリング状の支持部２７が設けられている。この支持部２７に誘電体、例えば石英やＡｌ２Ｏ３等のセラミックスからなり、マイクロ波を透過するマイクロ波透過板２８がシール部材２９を介して気密に設けられている。したがって、チャンバー１内は気密に保持される。マイクロ波透過板２８は、その下面すなわちマイクロ波透過面のウエハＷ（サセプタ２上のウエハＷ）の周縁部に対応する部分に凹凸が形成された凹凸状部４２を有し、ウエハＷの中央部に対応する部分は平坦部４３となっている。なお、このマイクロ波透過板２８については詳細を後述する。
【００２４】
マイクロ波透過板２８の上方には、サセプタ２と対向するように、円板状の平面アンテナ部材３１が設けられている。この平面アンテナ部材３１はチャンバー１の側壁上端に係止されている。平面アンテナ部材３１は、例えば８インチサイズのウエハＷに対応する場合には、直径が３００〜４００ｍｍ、厚みが０．１〜数ｍｍ（例えば１ｍｍ）の導電性材料からなる円板である。具体的には、例えば表面が銀または金メッキされた銅板またはアルミニウム板からなり、多数のマイクロ波放射孔３２（スロット）が対をなして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。マイクロ波放射孔３２の長さや配列間隔は、マイクロ波の波長（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／２または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同士の間隔をΔｒで示している。
【００２５】
また、マイクロ波放射孔３２は、円形状、円弧状等の他の形状であってもよい。さらに、マイクロ波放射孔３２の配置形態は特に限定されず、同心円状のほか、例えば、螺旋状、放射状に配置することもできる。
【００２６】
この平面アンテナ部材３１の上面には、真空よりも大きい誘電率を有する例えば石英、ポリテトラフルオロエチレン、ポリイミドなどの樹脂からなる遅波材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。なお、平面アンテナ部材３１とマイクロ波透過板２８との間、また、遅波材３３と平面アンテナ部材３１との間は、それぞれ密着して配置されているが、離間して配置されていてもよい。
【００２７】
チャンバー１の上面には、これら平面アンテナ部材３１および遅波材３３を覆うように、例えばアルミニウムやステンレス鋼、銅等の金属材からなるシールド蓋体３４が設けられている。チャンバー１の上面とシールド蓋体３４とはシール部材３５によりシールされている。シールド蓋体３４には、冷却水流路３４ａが形成されており、そこに冷却水を通流させることにより、シールド蓋体３４、遅波材３３、平面アンテナ部材３１、マイクロ波透過板２８を冷却するようになっている。なお、シールド蓋体３４は接地されている。
【００２８】
シールド蓋体３４の上壁の中央には開口部３６が形成されており、この開口部には導波管３７が接続されている。この導波管３７の端部には、マッチング回路３８を介してマイクロ波発生装置３９が接続されている。これにより、マイクロ波発生装置３９で発生した例えば周波数２．４５ＧＨｚのマイクロ波が導波管３７を介して上記平面アンテナ部材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。
【００２９】
導波管３７は、上記シールド蓋体３４の開口部３６から上方へ延出する断面円形状の同軸導波管３７ａと、この同軸導波管３７ａの上端部にモード変換器４０を介して接続された水平方向に延びる矩形導波管３７ｂとを有している。矩形導波管３７ｂと同軸導波管３７ａとの間のモード変換器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、平面アンテナ部材３１の中心に接続固定されている。これにより、マイクロ波は、同軸導波管３７ａの内導体４１を介して平面アンテナ部材３１へ均一に効率よく伝播される。
【００３０】
マイクロ波プラズマ処理装置１００の各構成部は、マイクロプロセッサ（コンピュータ）を備えたプロセスコントローラ５０に接続されて制御される構成となっている。プロセスコントローラ５０には、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からなるユーザーインターフェース５１と、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５０の制御にて実現するための制御プログラムや、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レシピが格納された記憶部５２が接続されている。レシピは記憶部５２の中の記憶媒体に記憶されている。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、他の装置から、例えば専用回線を介してレシピを適宜伝送させるようにしてもよい。
【００３１】
そして、必要に応じて、ユーザーインターフェース５１からの指示等にて任意のレシピを記憶部５２から呼び出してプロセスコントローラ５０に実行させることで、プロセスコントローラ５０の制御下で、プラズマ処理装置１００での所望の処理が行われる。
【００３２】
次に、マイクロ波透過板２８について詳細に説明する。
マイクロ波透過板２８は、図３（ａ）に示すように、そのマイクロ波透過面のウエハＷの周縁部に対応する部分を含む領域に凸部４２ａおよび凹部４２ｂが交互に形成された凹凸状部４２を有し、ウエハＷの中央部に対応する部分は平坦部４３となっている。そして、凹凸状部４２の凸部４２ａおよび凹部４２ｂは、図３（ｂ）に示すように同心円状をなしている。この凹凸状部４２は、マイクロ波透過板２８内の半径方向に形成される定在波の形成を抑制し、プラズマ密度を上昇させるとともに、プラズマ分布を均一にする作用を有する。したがって、平坦部４３に比べてこの凹凸状部４２が形成されているウエハＷの周縁部に対応する部分のプラズマ密度（イオン密度）が上昇するようになっている。
【００３３】
この凹凸状部４２は、少なくともウエハＷ周縁部におけるイオン分布がウエハＷの中央部に比べて低くなり始めた部分からウエハＷのエッジまでの領域を含む部分に設ければよい。すなわち、イオン分布が凸状となる傾向を周縁部のイオン密度を持ち上げることにより均一化するのであり、ウエハＷのイオン密度を上昇させる必要のない部分は平坦部４３に対応させる。このような観点から、図４に示すように、ウエハＷの直径をａとし、平坦部４３の直径をｂとすると、ｂ／ａが５０〜８０％となるようにすることが好ましい。換言すると、周縁部の凹凸状部４２の幅がウエハＷの半径の２０〜５０％となるようにすることにより、効果的にイオン分布を均一にすることができる。また、定在波を効率よく解消する観点からは、凸部４２ａの幅が４〜２３ｍｍ、凹部４２ｂの幅は３〜２２ｍｍ、凸部４２ａの高さは１〜１０ｍｍが好ましい。より好ましくは、凸部４２ａの幅が６〜１４ｍｍ、凹部４２ｂの幅が５〜１３ｍｍ、凸部４２ａの高さが３〜８ｍｍが好ましい。また、マイクロ波透過板２８の凹凸状部４２は、マイクロ波２８の取り付けマージンを除いてマイクロ波透過面の端部まで形成されていることが好ましく、凹凸状部４２の面積を１００％とした場合、平坦部４３の面積が２０〜４０％であることが好ましい。
【００３４】
このマイクロ波プラズマ処理装置１００は、プラズマ酸化処理に好適であり、特にラジカルに加えてイオンアシストにより比較的高エネルギーのプラズマ処理が必要な窒化珪素（ＳｉＮ）膜の酸化処理に適している。このような窒化珪素膜の酸化処理の好ましい例としては、図５に示すような不揮発性メモリ素子のフローティングゲートとコントロールゲートの間の窒化膜の酸化処理を挙げることができる。すなわち、このメモリ素子は、Ｓｉ基板１０１の主面上に、トンネル酸化膜１０２が形成され、その上にポリシリコンからなるフローティングゲート１０４が形成され、このフローティングゲート１０４の上に、例えば酸化膜１０５、窒化膜１０６、酸化膜１０７からなるＯＮＯ構造の絶縁膜１０８が形成され、さらにこの絶縁膜１０８の上にポリシリコン、またはポリシリコンとタングステンシリサイド等との積層膜からなるコントロールゲート１０９が形成され、コントロールゲート１０９の上にはＳｉＮやＳｉＯ２等の絶縁層１１０が形成され、フローティングゲート１０４とコントロールゲート１０９の側壁には酸化処理により側壁酸化膜１１１が形成された構造を有している。このような不揮発性メモリ素子の酸化膜１０５は熱ＣＶＤ、プラズマＣＶＤ、プラズマ酸化処理等で形成され、窒化膜１０６は、熱ＣＶＤやプラズマＣＶＤで形成される。そして、窒化膜１０６の上の酸化膜１０７を形成する際に、本実施形態のマイクロ波プラズマ処理装置１００を好適に用いることができる。
【００３５】
このような窒化珪素（ＳｉＮ）膜をプラズマ酸化処理して酸化膜を形成するに際しては、まず、ゲートバルブ２６を開にして搬入出口２５から酸化処理すべき窒化膜が形成されたウエハＷをチャンバー１内に搬入し、サセプタ２上に載置する。
【００３６】
そして、ガス供給系１６のＡｒガス供給源１７およびＯ２ガス供給源１８から、ＡｒガスおよびＯ２ガスを所定の流量でガス導入部材１５を介してチャンバー１内に導入し、所定の処理圧力に維持する。この際に、ＳｉＮの結合エネルギーが３．５ｅＶであり、Ｓｉ−Ｓｉ結合の２．３ｅＶと比較して高いため、Ｓｉ基板の直酸化プロセスのようなラジカルが支配的な比較的高圧領域でのプロセスでは酸化が進行し難い。そのため、イオンエネルギーを利用すべく、処理圧力を比較的低圧力にし、Ｏ２ガス濃度を低くした、低圧力・低酸素濃度条件で酸化処理を行うことが好ましい。
【００３７】
具体的には、チャンバー内の処理圧力は、１．３〜６６５Ｐａが好ましく、１．３〜２６６．６Ｐａがより好ましく、１．３〜１３３．３Ｐａが望ましい。また、処理ガス中の酸素の割合（流量比すなわち体積比）が０．５％以上２０％未満が好ましく、０．５〜５％がより好ましく、０．５〜２．５％が望ましい。 処理ガスの流量は、Ａｒガス：０〜５０００ｍＬ／ｍｉｎ、好ましくは０〜１５００ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）、Ｏ２ガス：１〜５００ｍＬ／ｍｉｎ、好ましくは１〜５０ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）の範囲から、全ガス流量に対する酸素の割合が上記値となるように選択することができる。
【００３８】
また、Ａｒガス供給源１７およびＯ２ガス供給源１８からのＡｒガスおよびＯ２ガスに加え、Ｈ２ガス供給源１９からＨ２ガスを所定比率で導入することもできる。Ｈ２ガスを供給することにより、プラズマ酸化処理における酸化レートを向上させることができる。これは、Ｈ２ガスを供給することでＯＨラジカルが生成され、これが酸化レート向上に寄与するためである。この場合、Ｈ２の割合は、処理ガス全体の量に対して０．１〜１０％となるようにすることが好ましく、０．１〜５％がより好ましく、０．１〜２％が望ましい。Ｈ２ガスの流量は０．５〜６５０ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）が好ましく、より好ましくは０．５〜２０ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）である。
【００３９】
なお、処理温度は２００〜８００℃の範囲とすることができ、４００〜６００℃が好ましい。
【００４０】
次いで、マイクロ波発生装置３９からのマイクロ波を、マッチング回路３８を経て導波管３７に導く。マイクロ波は、矩形導波管３７ｂ、モード変換器４０、および同軸導波管３７ａを順次通って平面アンテナ部材３１に供給される。マイクロ波は、矩形導波管３７ｂ内ではＴＥモードで伝搬し、このＴＥモードのマイクロ波はモード変換器４０でＴＥＭモードに変換されて、同軸導波管３７ａ内を平面アンテナ部材３１に向けて伝搬され、平面アンテナ部材３１からマイクロ波透過板２８を経てチャンバー１内におけるウエハＷの上方空間に放射される。この際、マイクロ波発生装置３９のパワーは、０．５〜５ｋＷとすることが好ましい。
【００４１】
このようなマイクロ波により、上述のようなイオンを含む高エネルギーのプラズマを形成する場合、従来の平坦なマイクロ波透過板を用いると、ウエハＷ中央部のイオン密度が高く、周縁部のイオン密度が低くなる傾向にある。一方、ラジカルが支配的なプラズマにおいては、マイクロ波透過板に同心円状の凹凸を形成して、マイクロ波透過板の面内方向に定在波が形成されるのを防止することにより、均一で高密度のプラズマを形成することができることが知られており、図６（ａ）に示すように、マイクロ波透過板２８の透過面のほぼ全面に凹凸状部４２を形成することが試みられているが、このようなマイクロ波透過板を用いたマイクロ波プラズマ処理装置を用いてイオンを含む高エネルギーのプラズマを形成した場合には、図６（ａ）に示すように、ラジカルの密度分布は均一であるが、イオンについてはやはり中央部でイオン密度が高く、周縁部でイオン密度が低い分布となりやすく、均一な酸化処理を行い難い。
【００４２】
これに対して、本実施形態のように、マイクロ波透過板２８におけるマイクロ波透過面のウエハＷの周縁部に対応する部分に凹凸状部４２を形成し、ウエハＷの中央部に対応する部分を平坦部４３とすることにより、図６（ｂ）に示すように、イオン密度を上昇させたいウエハＷの周縁部に対応する部分のみイオン密度を上昇させることができ、面内均一なイオン分布を形成して、窒化膜に均一な酸化処理を行うことができる。このため、形成される酸化膜の均一性を高くすることができる。
【００４３】
次に、実際に本発明のマイクロ波プラズマ処理装置を用いて酸化処理を行った結果について説明する。
まず、図１の装置を用いて、以下の条件によりＣＶＤにより形成したＳｉＮ膜にプラズマ酸化処理を施し、ＳｉＮ膜の表面を酸化させて酸化膜を形成した。
・処理圧力：８０Ｐａ
・ガス流量：Ａｒ／Ｏ２／Ｈ２＝５００／５／１．５（ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ））
・処理時間：１８０ｓｅｃ
・マイクロ波パワー：４０００Ｗ
・温度：６００℃
【００４４】
比較のため、マイクロ波透過板の透過面の実質的に全面に凹凸状部を設けた装置（比較装置）を用いて同様の条件でＳｉＮ膜の表面を酸化させて酸化膜を形成した。
【００４５】
その結果、以下のような結果となった。
＜本発明装置＞
・酸化膜の平均膜厚：８．７２ｎｍ
・膜厚変動のレンジ：１．３４ｎｍ
・膜厚のばらつき（レンジ／２×平均）：７．７％
＜比較装置＞
・酸化膜の平均膜厚：９．２６ｎｍ
・膜厚変動のレンジ：３．８８ｎｍ
・膜厚のばらつき（レンジ／２×平均）：２１．５％
【００４６】
次に、本発明の装置およびマイクロ波透過板の透過面全面に凹凸状部を形成した装置（比較装置）を用いて、同じ条件でベアＳｉウエハの表面に酸化膜を形成した結果、以下のようになった。
＜本発明装置＞
・酸化膜の平均膜厚：１１．２６ｎｍ
・膜厚変動のレンジ：０．８５ｎｍ
・膜厚のばらつき（レンジ／２×平均）：３．８％
＜比較装置＞
・酸化膜の平均膜厚：１２．４８ｎｍ
・膜厚変動のレンジ：１．１２ｎｍ
・膜厚のばらつき（レンジ／２×平均）：４．５％
【００４７】
以上の結果から、ベアＳｉウエハの表面を酸化処理して酸化膜を形成する場合には、比較装置を用いても十分な膜厚均一性が得られるのに対し、ＳｉＮ膜表面に酸化膜を形成する場合には、比較装置では酸化膜厚のばらつきが極めて大きくなるが、本発明の装置を用いることにより、膜厚均一性が著しく改善されることが確認された。
【００４８】
本発明の装置を用いてさらに条件を検討した結果、以下の条件が最もよいことが確認された。
・処理圧力：８０Ｐａ
・ガス流量：Ａｒ／Ｏ２／Ｈ２＝５００／５／０．７（ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ））
・処理時間：１８０ｓｅｃ
・マイクロ波パワー：３６００Ｗ
・温度：６００℃
【００４９】
この際の酸化膜は以下のようなものとなった。
・酸化膜の平均膜厚：７．１６ｎｍ
・膜厚変動のレンジ：０．９４ｎｍ
・膜厚のばらつき（レンジ／２×平均）：６．６％
【００５０】
同じ条件でベアＳｉウエハに酸化処理を施して酸化膜を形成したところ、以下のようになった。
・酸化膜の平均膜厚：９．３７ｎｍ
・膜厚変動のレンジ：０．７２ｎｍ
・膜厚のばらつき（レンジ／２×平均）：３．９％
【００５１】
なお、本発明は上記実施形態に限定されることなく、種々の変形が可能である。例えば上記実施形態では、窒化珪素（ＳｉＮ）膜の酸化処理として不揮発性メモリ素子のＯＮＯ絶縁膜を形成する際に本発明を適用する場合を例示したが、これに限るものではない。また、窒化膜の酸化処理に本発明の装置を適用した場合について示したが、ＲＬＳＡ方式のマイクロ波プラズマ処理装置を用いて酸化処理を行う場合であれば他の膜の酸化処理にも適用可能である。
【符号の説明】
【００５２】
１；チャンバー（処理室）
２；サセプタ
３；支持部材
５；ヒータ
１５；ガス導入部材
１６；ガス供給系
１７；Ａｒガス供給源
１８；Ｏ２ガス供給源
１９；Ｈ２ガス供給源
２３；排気管
２４；排気装置
２５；搬入出口
２６；ゲートバルブ
２８；マイクロ波透過板
２９；シール部材
３１；平面アンテナ部材
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
４０；モード変換器
４２；凹凸状部
４２ａ；凸部
４２ｂ；凹部
４３；平坦部
１０６；窒化膜
１０７；酸化膜
Ｗ…ウエハ（基板）
【技術分野】
【０００１】
本発明は、マイクロ波プラズマ処理装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
プラズマ処理は、半導体デバイスの製造に不可欠な技術であるが、近時、ＬＳＩの高集積化、高速化の要請からＬＳＩを構成する半導体素子のデザインルールが益々微細化され、また、半導体ウエハが大型化されており、それにともなって、プラズマ処理装置においてもこのような微細化および大型化に対応するものが求められている。
【０００３】
ところが、従来から多用されてきた平行平板型や誘導結合型のプラズマ処理装置では、電子温度が高いため微細素子にプラズマダメージを生じてしまい、また、プラズマ密度の高い領域が限定されるため、大型の半導体ウエハを均一かつ高速にプラズマ処理することは困難である。
【０００４】
そこで、高密度で低電子温度のプラズマを均一に形成することができるＲＬＳＡ（Radial Line Slot Antenna）マイクロ波プラズマ処理装置が注目されている（例えば特許文献１）。
【０００５】
ＲＬＳＡマイクロ波プラズマ処理装置は、チャンバーの上部に所定のパターンで多数のスロットが形成された平面アンテナ（Radial Line Slot Antenna）を設け、マイクロ波発生源から導かれたマイクロ波を、平面アンテナのスロットから放射させるとともに、その下に設けられた誘電体からなるマイクロ波透過板を介して真空に保持されたチャンバー内に放射し、このマイクロ波電界によりチャンバー内に導入されたガスをプラズマ化し、このように形成されたプラズマにより半導体ウエハ等の被処理体を処理するものである。
【０００６】
このＲＬＳＡマイクロ波プラズマ処理装置では、アンテナ直下の広い領域に亘って高いプラズマ密度を実現でき、短時間で均一なプラズマ処理を行うことが可能である。また、低電子温度プラズマが形成されるため、素子へのダメージが小さい。
【０００７】
このような低ダメージでかつ均一性の高い利点を利用して、酸化処理への適用が注目されており、ゲート酸化膜の形成等、シリコン基板を直接酸化する場合には、Ｓｉ−Ｓｉ結合エネルギーが２．３ｅＶ程度であるため、ラジカルが支配的な比較的高圧の領域で、比較的面内均一性の高い酸化処理を実現している。
【０００８】
一方、近年、不揮発性メモリ素子のフローティングゲートとコントロールゲートとの間の絶縁膜として、酸化膜の上に窒化膜を形成し、さらにその上に酸化膜を形成した３層構造（ＯＮＯ構造）のものが多用されており、窒化珪素（ＳｉＮ）膜上の最終酸化膜をＲＬＳＡマイクロ波プラズマ処理することが試みられているが、その場合には、ＳｉＮの結合エネルギーが３．５ｅＶであるため、ラジカルのみならず、よりエネルギーの高いイオンも必要となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】国際公開第２００４／００８５１９号パンフレット
【特許文献２】特開２００６―４０６３８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、プラズマ中のイオンが比較的多く存在する条件でプラズマを形成した場合には、イオン分布制御を十分に行うことができず、ＳｉＮ膜上に形成された酸化膜は凸型の不均一な分布となってしまう。
【００１１】
本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであって、イオン分布を制御してイオンを含むマイクロ波プラズマにより面内均一性の高いプラズマ処理を実現することができるマイクロ波プラズマ処理装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記課題を解決するため、本発明は、誘電体からなり、その下面がマイクロ波透過面となるマイクロ波透過板で天壁が構成されたチャンバー内に、被処理体を載置する載置台を設け、前記マイクロ波透過板を透過したマイクロ波によってプラズマを形成し、該プラズマにより前記載置台に載置された被処理体にプラズマ処理を施すマイクロ波プラズマ処理装置であって、前記マイクロ波透過板は、前記載置台と対向して設けられ、その前記マイクロ波透過面の少なくとも前記載置台に載置された被処理体の周縁部における被処理体のエッジまでの領域に対応する部分に凹凸状部を有し、被処理体の中央部に対応する部分は平坦部となっていることを特徴とするマイクロ波プラズマ処理装置を提供する。
【００１３】
上記構成において、前記凹凸状部により前記マイクロ波透過板内の半径方向の定在波を抑制して被処理体の周縁部に対応する部分のイオン密度を上昇させることができる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、マイクロ波透過板を、そのマイクロ波透過面の少なくとも載置台に載置された被処理体の周縁部における被処理体のエッジまでの領域に対応する部分に凹凸状部を有するものとし、被処理体の中央部に対応する部分は平坦部としたので、この周縁部の凹凸状部により半径方向の定在波を抑制して被処理体の周縁部に対応する部分のイオン密度を上昇させて、面内均一性の高いイオン分布を得ることができ、イオンを含むマイクロ波プラズマにより面内均一性の高いプラズマ処理を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の一実施形態に係るマイクロ波プラズマ処理装置を示す概略断面図。
【図２】図１のマイクロ波プラズマ処理装置の平面アンテナ部材の構造を示す図面。
【図３】図１のマイクロ波プラズマ処理装置のマイクロ波透過板の構造を示す側面図および底面図。
【図４】図１のマイクロ波プラズマ処理装置のマイクロ波透過板の平坦部径とウエハ径との間の好ましい範囲を説明するための図。
【図５】本発明の装置の適用例を説明するための断面図。
【図６】比較装置と本発明装置におけるイオン密度分布を説明するための図。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、図面を参照しながら、本発明の好ましい形態について説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係るマイクロ波プラズマ処理装置を模式的に示す断面図である。このプラズマ処理装置は、複数のスロットを有する平面アンテナ、特にＲＬＳＡ（Radial Line Slot Antenna；ラジアルラインスロットアンテナ）にて処理室内にマイクロ波を導入してプラズマを発生させることにより、高密度かつ低電子温度のマイクロ波プラズマを発生させ得るＲＬＳＡマイクロ波プラズマ処理装置として構成されており、例えば、プラズマ酸化処理に好適に用いられ、本実施形態では、窒化膜の酸化処理へ適用した例について示す。
【００１７】
このプラズマ処理装置１００は、気密に構成され、接地された略円筒状のチャンバー１を有している。チャンバー１の底壁１ａの略中央部には円形の開口部１０が形成されており、底壁１ａにはこの開口部１０と連通し、下方に向けて突出する排気室１１が設けられている。
【００１８】
チャンバー１内には被処理基板である半導体ウエハ（以下、「ウエハ」と記す）Ｗを水平に支持するためのＡｌＮ等のセラミックスからなるサセプタ２が設けられている。このサセプタ２は、排気室１１の底部中央から上方に延びる円筒状のＡｌＮ等のセラミックスからなる支持部材３により支持されている。サセプタ２の外縁部にはウエハＷをガイドするためのガイドリング４が設けられている。また、サセプタ２には抵抗加熱型のヒータ５が埋め込まれており、このヒータ５はヒータ電源６から給電されることによりサセプタ２を加熱して、その熱で被処理体であるウエハＷを加熱する。このとき、例えば室温から８００℃までの範囲で処理温度が制御可能となっている。なお、チャンバー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。このライナー７により金属などのコンタミを防止し、クリーンな環境を形成することができる。また、サセプタ２の外周側には、チャンバー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、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。
【００１９】
サセプタ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）がサセプタ２の表面に対して突没可能に設けられている。
【００２０】
チャンバー１の側壁には環状をなすガス導入部材１５が設けられており、均等にガス放射孔が形成されている。このガス導入部材１５にはガス供給系１６が接続されている。ガス導入部材はシャワー状に配置してもよい。このガス供給系１６は、例えばＡｒガス供給源１７、Ｏ２ガス供給源１８、Ｈ２ガス供給源１９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のガス放射孔からチャンバー１内に均一に導入される。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、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く、また、後述するように希ガスは含まなくてもよい。
【００２１】
上記排気室１１の側面には排気管２３が接続されており、この排気管２３には高速真空ポンプを含む排気装置２４が接続されている。そしてこの排気装置２４を作動させることによりチャンバー１内のガスが、排気室１１の空間１１ａ内へ均一に排出され、排気管２３を介して排気される。これによりチャンバー１内を所定の真空度、例えば０．１３３Ｐａまで高速に減圧することが可能となっている。
【００２２】
チャンバー１の側壁には、プラズマ処理装置１００に隣接する搬送室（図示せず）との間でウエハＷの搬入出を行うための搬入出口２５と、この搬入出口２５を開閉するゲートバルブ２６とが設けられている。
【００２３】
チャンバー１の上部は開口部となっており、この開口部の周縁部に沿ってリング状の支持部２７が設けられている。この支持部２７に誘電体、例えば石英やＡｌ２Ｏ３等のセラミックスからなり、マイクロ波を透過するマイクロ波透過板２８がシール部材２９を介して気密に設けられている。したがって、チャンバー１内は気密に保持される。マイクロ波透過板２８は、その下面すなわちマイクロ波透過面のウエハＷ（サセプタ２上のウエハＷ）の周縁部に対応する部分に凹凸が形成された凹凸状部４２を有し、ウエハＷの中央部に対応する部分は平坦部４３となっている。なお、このマイクロ波透過板２８については詳細を後述する。
【００２４】
マイクロ波透過板２８の上方には、サセプタ２と対向するように、円板状の平面アンテナ部材３１が設けられている。この平面アンテナ部材３１はチャンバー１の側壁上端に係止されている。平面アンテナ部材３１は、例えば８インチサイズのウエハＷに対応する場合には、直径が３００〜４００ｍｍ、厚みが０．１〜数ｍｍ（例えば１ｍｍ）の導電性材料からなる円板である。具体的には、例えば表面が銀または金メッキされた銅板またはアルミニウム板からなり、多数のマイクロ波放射孔３２（スロット）が対をなして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。マイクロ波放射孔３２の長さや配列間隔は、マイクロ波の波長（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／２または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同士の間隔をΔｒで示している。
【００２５】
また、マイクロ波放射孔３２は、円形状、円弧状等の他の形状であってもよい。さらに、マイクロ波放射孔３２の配置形態は特に限定されず、同心円状のほか、例えば、螺旋状、放射状に配置することもできる。
【００２６】
この平面アンテナ部材３１の上面には、真空よりも大きい誘電率を有する例えば石英、ポリテトラフルオロエチレン、ポリイミドなどの樹脂からなる遅波材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。なお、平面アンテナ部材３１とマイクロ波透過板２８との間、また、遅波材３３と平面アンテナ部材３１との間は、それぞれ密着して配置されているが、離間して配置されていてもよい。
【００２７】
チャンバー１の上面には、これら平面アンテナ部材３１および遅波材３３を覆うように、例えばアルミニウムやステンレス鋼、銅等の金属材からなるシールド蓋体３４が設けられている。チャンバー１の上面とシールド蓋体３４とはシール部材３５によりシールされている。シールド蓋体３４には、冷却水流路３４ａが形成されており、そこに冷却水を通流させることにより、シールド蓋体３４、遅波材３３、平面アンテナ部材３１、マイクロ波透過板２８を冷却するようになっている。なお、シールド蓋体３４は接地されている。
【００２８】
シールド蓋体３４の上壁の中央には開口部３６が形成されており、この開口部には導波管３７が接続されている。この導波管３７の端部には、マッチング回路３８を介してマイクロ波発生装置３９が接続されている。これにより、マイクロ波発生装置３９で発生した例えば周波数２．４５ＧＨｚのマイクロ波が導波管３７を介して上記平面アンテナ部材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。
【００２９】
導波管３７は、上記シールド蓋体３４の開口部３６から上方へ延出する断面円形状の同軸導波管３７ａと、この同軸導波管３７ａの上端部にモード変換器４０を介して接続された水平方向に延びる矩形導波管３７ｂとを有している。矩形導波管３７ｂと同軸導波管３７ａとの間のモード変換器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、平面アンテナ部材３１の中心に接続固定されている。これにより、マイクロ波は、同軸導波管３７ａの内導体４１を介して平面アンテナ部材３１へ均一に効率よく伝播される。
【００３０】
マイクロ波プラズマ処理装置１００の各構成部は、マイクロプロセッサ（コンピュータ）を備えたプロセスコントローラ５０に接続されて制御される構成となっている。プロセスコントローラ５０には、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からなるユーザーインターフェース５１と、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５０の制御にて実現するための制御プログラムや、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レシピが格納された記憶部５２が接続されている。レシピは記憶部５２の中の記憶媒体に記憶されている。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、他の装置から、例えば専用回線を介してレシピを適宜伝送させるようにしてもよい。
【００３１】
そして、必要に応じて、ユーザーインターフェース５１からの指示等にて任意のレシピを記憶部５２から呼び出してプロセスコントローラ５０に実行させることで、プロセスコントローラ５０の制御下で、プラズマ処理装置１００での所望の処理が行われる。
【００３２】
次に、マイクロ波透過板２８について詳細に説明する。
マイクロ波透過板２８は、図３（ａ）に示すように、そのマイクロ波透過面のウエハＷの周縁部に対応する部分を含む領域に凸部４２ａおよび凹部４２ｂが交互に形成された凹凸状部４２を有し、ウエハＷの中央部に対応する部分は平坦部４３となっている。そして、凹凸状部４２の凸部４２ａおよび凹部４２ｂは、図３（ｂ）に示すように同心円状をなしている。この凹凸状部４２は、マイクロ波透過板２８内の半径方向に形成される定在波の形成を抑制し、プラズマ密度を上昇させるとともに、プラズマ分布を均一にする作用を有する。したがって、平坦部４３に比べてこの凹凸状部４２が形成されているウエハＷの周縁部に対応する部分のプラズマ密度（イオン密度）が上昇するようになっている。
【００３３】
この凹凸状部４２は、少なくともウエハＷ周縁部におけるイオン分布がウエハＷの中央部に比べて低くなり始めた部分からウエハＷのエッジまでの領域を含む部分に設ければよい。すなわち、イオン分布が凸状となる傾向を周縁部のイオン密度を持ち上げることにより均一化するのであり、ウエハＷのイオン密度を上昇させる必要のない部分は平坦部４３に対応させる。このような観点から、図４に示すように、ウエハＷの直径をａとし、平坦部４３の直径をｂとすると、ｂ／ａが５０〜８０％となるようにすることが好ましい。換言すると、周縁部の凹凸状部４２の幅がウエハＷの半径の２０〜５０％となるようにすることにより、効果的にイオン分布を均一にすることができる。また、定在波を効率よく解消する観点からは、凸部４２ａの幅が４〜２３ｍｍ、凹部４２ｂの幅は３〜２２ｍｍ、凸部４２ａの高さは１〜１０ｍｍが好ましい。より好ましくは、凸部４２ａの幅が６〜１４ｍｍ、凹部４２ｂの幅が５〜１３ｍｍ、凸部４２ａの高さが３〜８ｍｍが好ましい。また、マイクロ波透過板２８の凹凸状部４２は、マイクロ波２８の取り付けマージンを除いてマイクロ波透過面の端部まで形成されていることが好ましく、凹凸状部４２の面積を１００％とした場合、平坦部４３の面積が２０〜４０％であることが好ましい。
【００３４】
このマイクロ波プラズマ処理装置１００は、プラズマ酸化処理に好適であり、特にラジカルに加えてイオンアシストにより比較的高エネルギーのプラズマ処理が必要な窒化珪素（ＳｉＮ）膜の酸化処理に適している。このような窒化珪素膜の酸化処理の好ましい例としては、図５に示すような不揮発性メモリ素子のフローティングゲートとコントロールゲートの間の窒化膜の酸化処理を挙げることができる。すなわち、このメモリ素子は、Ｓｉ基板１０１の主面上に、トンネル酸化膜１０２が形成され、その上にポリシリコンからなるフローティングゲート１０４が形成され、このフローティングゲート１０４の上に、例えば酸化膜１０５、窒化膜１０６、酸化膜１０７からなるＯＮＯ構造の絶縁膜１０８が形成され、さらにこの絶縁膜１０８の上にポリシリコン、またはポリシリコンとタングステンシリサイド等との積層膜からなるコントロールゲート１０９が形成され、コントロールゲート１０９の上にはＳｉＮやＳｉＯ２等の絶縁層１１０が形成され、フローティングゲート１０４とコントロールゲート１０９の側壁には酸化処理により側壁酸化膜１１１が形成された構造を有している。このような不揮発性メモリ素子の酸化膜１０５は熱ＣＶＤ、プラズマＣＶＤ、プラズマ酸化処理等で形成され、窒化膜１０６は、熱ＣＶＤやプラズマＣＶＤで形成される。そして、窒化膜１０６の上の酸化膜１０７を形成する際に、本実施形態のマイクロ波プラズマ処理装置１００を好適に用いることができる。
【００３５】
このような窒化珪素（ＳｉＮ）膜をプラズマ酸化処理して酸化膜を形成するに際しては、まず、ゲートバルブ２６を開にして搬入出口２５から酸化処理すべき窒化膜が形成されたウエハＷをチャンバー１内に搬入し、サセプタ２上に載置する。
【００３６】
そして、ガス供給系１６のＡｒガス供給源１７およびＯ２ガス供給源１８から、ＡｒガスおよびＯ２ガスを所定の流量でガス導入部材１５を介してチャンバー１内に導入し、所定の処理圧力に維持する。この際に、ＳｉＮの結合エネルギーが３．５ｅＶであり、Ｓｉ−Ｓｉ結合の２．３ｅＶと比較して高いため、Ｓｉ基板の直酸化プロセスのようなラジカルが支配的な比較的高圧領域でのプロセスでは酸化が進行し難い。そのため、イオンエネルギーを利用すべく、処理圧力を比較的低圧力にし、Ｏ２ガス濃度を低くした、低圧力・低酸素濃度条件で酸化処理を行うことが好ましい。
【００３７】
具体的には、チャンバー内の処理圧力は、１．３〜６６５Ｐａが好ましく、１．３〜２６６．６Ｐａがより好ましく、１．３〜１３３．３Ｐａが望ましい。また、処理ガス中の酸素の割合（流量比すなわち体積比）が０．５％以上２０％未満が好ましく、０．５〜５％がより好ましく、０．５〜２．５％が望ましい。 処理ガスの流量は、Ａｒガス：０〜５０００ｍＬ／ｍｉｎ、好ましくは０〜１５００ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）、Ｏ２ガス：１〜５００ｍＬ／ｍｉｎ、好ましくは１〜５０ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）の範囲から、全ガス流量に対する酸素の割合が上記値となるように選択することができる。
【００３８】
また、Ａｒガス供給源１７およびＯ２ガス供給源１８からのＡｒガスおよびＯ２ガスに加え、Ｈ２ガス供給源１９からＨ２ガスを所定比率で導入することもできる。Ｈ２ガスを供給することにより、プラズマ酸化処理における酸化レートを向上させることができる。これは、Ｈ２ガスを供給することでＯＨラジカルが生成され、これが酸化レート向上に寄与するためである。この場合、Ｈ２の割合は、処理ガス全体の量に対して０．１〜１０％となるようにすることが好ましく、０．１〜５％がより好ましく、０．１〜２％が望ましい。Ｈ２ガスの流量は０．５〜６５０ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）が好ましく、より好ましくは０．５〜２０ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）である。
【００３９】
なお、処理温度は２００〜８００℃の範囲とすることができ、４００〜６００℃が好ましい。
【００４０】
次いで、マイクロ波発生装置３９からのマイクロ波を、マッチング回路３８を経て導波管３７に導く。マイクロ波は、矩形導波管３７ｂ、モード変換器４０、および同軸導波管３７ａを順次通って平面アンテナ部材３１に供給される。マイクロ波は、矩形導波管３７ｂ内ではＴＥモードで伝搬し、このＴＥモードのマイクロ波はモード変換器４０でＴＥＭモードに変換されて、同軸導波管３７ａ内を平面アンテナ部材３１に向けて伝搬され、平面アンテナ部材３１からマイクロ波透過板２８を経てチャンバー１内におけるウエハＷの上方空間に放射される。この際、マイクロ波発生装置３９のパワーは、０．５〜５ｋＷとすることが好ましい。
【００４１】
このようなマイクロ波により、上述のようなイオンを含む高エネルギーのプラズマを形成する場合、従来の平坦なマイクロ波透過板を用いると、ウエハＷ中央部のイオン密度が高く、周縁部のイオン密度が低くなる傾向にある。一方、ラジカルが支配的なプラズマにおいては、マイクロ波透過板に同心円状の凹凸を形成して、マイクロ波透過板の面内方向に定在波が形成されるのを防止することにより、均一で高密度のプラズマを形成することができることが知られており、図６（ａ）に示すように、マイクロ波透過板２８の透過面のほぼ全面に凹凸状部４２を形成することが試みられているが、このようなマイクロ波透過板を用いたマイクロ波プラズマ処理装置を用いてイオンを含む高エネルギーのプラズマを形成した場合には、図６（ａ）に示すように、ラジカルの密度分布は均一であるが、イオンについてはやはり中央部でイオン密度が高く、周縁部でイオン密度が低い分布となりやすく、均一な酸化処理を行い難い。
【００４２】
これに対して、本実施形態のように、マイクロ波透過板２８におけるマイクロ波透過面のウエハＷの周縁部に対応する部分に凹凸状部４２を形成し、ウエハＷの中央部に対応する部分を平坦部４３とすることにより、図６（ｂ）に示すように、イオン密度を上昇させたいウエハＷの周縁部に対応する部分のみイオン密度を上昇させることができ、面内均一なイオン分布を形成して、窒化膜に均一な酸化処理を行うことができる。このため、形成される酸化膜の均一性を高くすることができる。
【００４３】
次に、実際に本発明のマイクロ波プラズマ処理装置を用いて酸化処理を行った結果について説明する。
まず、図１の装置を用いて、以下の条件によりＣＶＤにより形成したＳｉＮ膜にプラズマ酸化処理を施し、ＳｉＮ膜の表面を酸化させて酸化膜を形成した。
・処理圧力：８０Ｐａ
・ガス流量：Ａｒ／Ｏ２／Ｈ２＝５００／５／１．５（ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ））
・処理時間：１８０ｓｅｃ
・マイクロ波パワー：４０００Ｗ
・温度：６００℃
【００４４】
比較のため、マイクロ波透過板の透過面の実質的に全面に凹凸状部を設けた装置（比較装置）を用いて同様の条件でＳｉＮ膜の表面を酸化させて酸化膜を形成した。
【００４５】
その結果、以下のような結果となった。
＜本発明装置＞
・酸化膜の平均膜厚：８．７２ｎｍ
・膜厚変動のレンジ：１．３４ｎｍ
・膜厚のばらつき（レンジ／２×平均）：７．７％
＜比較装置＞
・酸化膜の平均膜厚：９．２６ｎｍ
・膜厚変動のレンジ：３．８８ｎｍ
・膜厚のばらつき（レンジ／２×平均）：２１．５％
【００４６】
次に、本発明の装置およびマイクロ波透過板の透過面全面に凹凸状部を形成した装置（比較装置）を用いて、同じ条件でベアＳｉウエハの表面に酸化膜を形成した結果、以下のようになった。
＜本発明装置＞
・酸化膜の平均膜厚：１１．２６ｎｍ
・膜厚変動のレンジ：０．８５ｎｍ
・膜厚のばらつき（レンジ／２×平均）：３．８％
＜比較装置＞
・酸化膜の平均膜厚：１２．４８ｎｍ
・膜厚変動のレンジ：１．１２ｎｍ
・膜厚のばらつき（レンジ／２×平均）：４．５％
【００４７】
以上の結果から、ベアＳｉウエハの表面を酸化処理して酸化膜を形成する場合には、比較装置を用いても十分な膜厚均一性が得られるのに対し、ＳｉＮ膜表面に酸化膜を形成する場合には、比較装置では酸化膜厚のばらつきが極めて大きくなるが、本発明の装置を用いることにより、膜厚均一性が著しく改善されることが確認された。
【００４８】
本発明の装置を用いてさらに条件を検討した結果、以下の条件が最もよいことが確認された。
・処理圧力：８０Ｐａ
・ガス流量：Ａｒ／Ｏ２／Ｈ２＝５００／５／０．７（ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ））
・処理時間：１８０ｓｅｃ
・マイクロ波パワー：３６００Ｗ
・温度：６００℃
【００４９】
この際の酸化膜は以下のようなものとなった。
・酸化膜の平均膜厚：７．１６ｎｍ
・膜厚変動のレンジ：０．９４ｎｍ
・膜厚のばらつき（レンジ／２×平均）：６．６％
【００５０】
同じ条件でベアＳｉウエハに酸化処理を施して酸化膜を形成したところ、以下のようになった。
・酸化膜の平均膜厚：９．３７ｎｍ
・膜厚変動のレンジ：０．７２ｎｍ
・膜厚のばらつき（レンジ／２×平均）：３．９％
【００５１】
なお、本発明は上記実施形態に限定されることなく、種々の変形が可能である。例えば上記実施形態では、窒化珪素（ＳｉＮ）膜の酸化処理として不揮発性メモリ素子のＯＮＯ絶縁膜を形成する際に本発明を適用する場合を例示したが、これに限るものではない。また、窒化膜の酸化処理に本発明の装置を適用した場合について示したが、ＲＬＳＡ方式のマイクロ波プラズマ処理装置を用いて酸化処理を行う場合であれば他の膜の酸化処理にも適用可能である。
【符号の説明】
【００５２】
１；チャンバー（処理室）
２；サセプタ
３；支持部材
５；ヒータ
１５；ガス導入部材
１６；ガス供給系
１７；Ａｒガス供給源
１８；Ｏ２ガス供給源
１９；Ｈ２ガス供給源
２３；排気管
２４；排気装置
２５；搬入出口
２６；ゲートバルブ
２８；マイクロ波透過板
２９；シール部材
３１；平面アンテナ部材
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
４０；モード変換器
４２；凹凸状部
４２ａ；凸部
４２ｂ；凹部
４３；平坦部
１０６；窒化膜
１０７；酸化膜
Ｗ…ウエハ（基板）
【特許請求の範囲】
【請求項１】
誘電体からなり、その下面がマイクロ波透過面となるマイクロ波透過板で天壁が構成されたチャンバー内に、被処理体を載置する載置台を設け、前記マイクロ波透過板を透過したマイクロ波によってプラズマを形成し、該プラズマにより前記載置台に載置された被処理体にプラズマ処理を施すマイクロ波プラズマ処理装置であって、
前記マイクロ波透過板は、前記載置台と対向して設けられ、その前記マイクロ波透過面の少なくとも前記載置台に載置された被処理体の周縁部における被処理体のエッジまでの領域に対応する部分に凹凸状部を有し、被処理体の中央部に対応する部分は平坦部となっていることを特徴とするマイクロ波プラズマ処理装置。
【請求項２】
前記凹凸状部により前記マイクロ波透過板内の半径方向の定在波を抑制して被処理体の周縁部に対応する部分のイオン密度を上昇させることを特徴とする請求項１に記載のマイクロ波プラズマ処理装置。
【請求項１】
誘電体からなり、その下面がマイクロ波透過面となるマイクロ波透過板で天壁が構成されたチャンバー内に、被処理体を載置する載置台を設け、前記マイクロ波透過板を透過したマイクロ波によってプラズマを形成し、該プラズマにより前記載置台に載置された被処理体にプラズマ処理を施すマイクロ波プラズマ処理装置であって、
前記マイクロ波透過板は、前記載置台と対向して設けられ、その前記マイクロ波透過面の少なくとも前記載置台に載置された被処理体の周縁部における被処理体のエッジまでの領域に対応する部分に凹凸状部を有し、被処理体の中央部に対応する部分は平坦部となっていることを特徴とするマイクロ波プラズマ処理装置。
【請求項２】
前記凹凸状部により前記マイクロ波透過板内の半径方向の定在波を抑制して被処理体の周縁部に対応する部分のイオン密度を上昇させることを特徴とする請求項１に記載のマイクロ波プラズマ処理装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２０１３−３３９７９（Ｐ２０１３−３３９７９Ａ）
【公開日】平成２５年２月１４日（２０１３．２．１４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１２−２０６５８５（Ｐ２０１２−２０６５８５）
【出願日】平成２４年９月２０日（２０１２．９．２０）
【分割の表示】特願２００７−１５７９８５（Ｐ２００７−１５７９８５）の分割
【原出願日】平成１９年６月１４日（２００７．６．１４）
【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２５年２月１４日（２０１３．２．１４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２４年９月２０日（２０１２．９．２０）
【分割の表示】特願２００７−１５７９８５（Ｐ２００７−１５７９８５）の分割
【原出願日】平成１９年６月１４日（２００７．６．１４）
【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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