JP2010238739A - プラズマ処理方法 - Google Patents

Abstract

【課題】被処理体の加熱をともなうプラズマ処理を行う際に、処理前のプリヒートを短時間で行うことができるプラズマ処理方法を提供すること。
【解決手段】チャンバー内にウエハを配置し、ウエハを加熱しながらウエハにプラズマ処理を施すにあたり、処理に先立ってウエハにプラズマを照射しつつウエハにプリヒート（予備加熱）を施し、プリヒート後にチャンバー内に処理ガスを供給してウエハに対してプラズマ処理を行う。
【選択図】図４

Description

本発明は、プラズマ、例えばマイクロ波プラズマを用いて被処理体に窒化処理や酸化処理等のプラズマ処理を施すプラズマ処理方法に関する。

各種半導体装置の製造においては、被処理体である半導体ウエハ（以下単にウエハと記す）に酸化処理、窒化処理、成膜処理等のウエハを加熱しながら行われるプラズマ処理が存在する。

例えば、窒化処理としては、近時のデバイスの微細化・高速化の要求にともなって、ＭＯＳ型やＭＩＳ型トランジスタのゲート酸化膜の電気的膜厚の低減を目的としたゲート酸化膜の窒化処理が注目されている（例えば特許文献１等）。また、ＭＩＳ型トランジスタのゲート絶縁膜をシリコン基板を直接窒化処理して形成するプロセスも知られている（特許文献２等）。

このような窒化処理を行うプラズマ装置としては、上記特許文献２に示されているような、複数のスロットを有するＲＬＳＡ（Radial Line Slot Antenna；ラジアルラインスロットアンテナ）にて処理室内にマイクロ波を導入してプラズマを発生させることによりマイクロ波プラズマを発生させ、チャンバー内の載置台に載置された状態の半導体基板にプラズマ処理を施すＲＬＳＡマイクロ波プラズマ処理装置が知られている。このＲＬＳＡマイクロ波プラズマ処理装置は、高密度で低電子温度のプラズマを生成することができ、低ダメージでかつ高効率の処理を行うことができる。

ところで、このような窒化処理は、サセプタを４００〜５００℃程度に加熱しておき、その上にウエハを載置して行うが、ウエハの温度を安定させて処理のウエハ間ばらつきを低減させる目的等で、窒化処理に先立ってサセプタからの熱によりまたはサセプタの熱に加えてチャンバー内にガスを導入してウエハを予備加熱（プリヒート）することが行われている。プリヒートを行うことで窒化レートの向上をも図ることができる。

米国特許第６６６０６５９号明細書 特開２０００−２９４５５０号公報

しかしながら、サセプタからの熱によりプリヒートを行う場合には、チャンバー内は減圧状態であるため、常温のウエハを昇温して所定の温度に安定させ、かつチャンバー内コンデションが安定するまでに長い時間がかかり、処理のスループットを低下させてしまう。チャンバー内にガスを導入してもその伝熱向上効果は限定的であり、やはりプリヒートの時間は長いものとなってしまう。

また、窒化処理に限らずゲート酸化膜形成等に用いられるプラズマ酸化処理の際にも３００〜８００℃という比較的高温が必要であり、プリヒートの適用が有効であるが、やはりスループット上の問題が生じる。

本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであって、被処理体の加熱をともなうプラズマ処理を行う際に、処理前の予備加熱を短時間で行うことができるプラズマ処理方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明の第１の観点では、処理容器内に被処理体を配置し、前記被処理体を加熱しながら被処理体にプラズマ処理を施すプラズマ処理方法であって、処理に先立って被処理体にプラズマを照射しつつ被処理体を予備加熱する工程と、予備加熱後に前記処理容器内に処理ガスを供給して被処理体に対してプラズマ処理を行う工程と
を有することを特徴とするプラズマ処理方法を提供する。

上記第１の観点において、前記プラズマ処理としてプラズマ窒化処理を用いることができる。また、前記プラズマ処理としてプラズマ酸化処理を用いることもできる。

また、前記プラズマ処理は、マイクロ波プラズマによって行うことができる。この場合に、前記マイクロ波プラズマは、複数のスロットを有する平面アンテナと、該平面アンテナを介して前記処理容器内にマイクロ波を導くマイクロ波導入手段とを有するマイクロ波生成機構により生成されたものを用いることができる。

上記第１の観点において、前記予備加熱する工程は、前記処理容器内の圧力を９９〜１０００Ｐａにする工程を含むことが好ましい。

また、前記予備加熱する工程に先立って、前記処理容器内の圧力を第１の圧力に向けて徐々に増加させてプラズマ着火条件に移行する工程と、前記第１の圧力に達したときに第１のマイクロ波出力にてプラズマを着火する工程と、着火した後前記第１の圧力から第２の圧力に圧力調整を行う工程とを行うことが好ましい。この場合に、前記予備加熱する工程は、前記第２の圧力によって行われることが好ましい。この場合に、前記プラズマ処理は、前記第１のマイクロ波出力から第３のマイクロ波出力に変更するとともに、前記処理容器内の圧力を前記第２の圧力から第３の圧力に変更して行われることが好ましい。

本発明の第２の観点では、コンピュータ上で動作し、プラズマ処理装置を制御するプログラムが記憶された記憶媒体であって、前記プログラムは、実行時に、上記第１の観点のプラズマ処理方法が行われるように、コンピュータに前記プラズマ処理装置を制御させることを特徴とする記憶媒体を提供する。

本発明によれば、処理に先立って被処理体にプラズマを照射しつつ被処理体を予備加熱するので、迅速に予備加熱を行うことができ、処理のスループットを高めることができる。

本発明の一実施形態に係るプラズマ処理方法を実施するためのプラズマ処理装置を示す断面図である。 図１のプラズマ処理装置の平面アンテナ部材の構造を示す図面である。 図１の装置の制御部の概略構成を示すブロック図である。 本発明の一実施形態に係るプラズマ処理方法を示すフローチャートである。 本発明の一実施形態に係るプラズマ処理方法の処理シーケンスを示すタイミングチャートである。 プリヒートの際にチャンバー内の圧力を変化させた場合のウエハ温度曲線を示す図である。 プリヒートの際にウエハにプラズマを照射した場合のウエハ温度曲線を示す図である。 標準条件、高圧条件、高圧＋プラズマ照射条件の３条件でそれぞれプリヒートを行った後、プラズマ窒化処理を行った場合の、プリヒート時間と窒素濃度との関係を示す図である。 標準条件および高圧＋プラズマ照射条件でそれぞれプリヒートを行った後、プラズマ窒化処理を行った場合の、１〜２５枚目のウエハにおける窒素濃度の平均値を示す図である。 標準条件および高圧＋プラズマ照射条件でそれぞれプリヒートを行った後、プラズマ窒化処理を行った場合の、１〜２５枚目のウエハにおける窒素濃度のばらつき（σ／Ａｖｇ．）を示す図である。 高圧＋プラズマ照射条件のプリヒート後に窒化処理を行う処理を複数のウエハに対して連続施した際のパーティクルの個数を示す図である。 プリヒートの際のＡｒプラズマパワーを２０００Ｗに固定した際の、圧力と窒素濃度との関係をプリヒート時間毎に示した図である。 プリヒートの際の圧力を１２６．７Ｐａ（０．９５Ｔｏｒｒ）に固定した際の、プラズマパワーと窒素濃度との関係をプリヒート時間毎に示した図である。 プリヒートの際のＡｒプラズマパワーを２０００Ｗに固定した際の、プリヒート時間と窒素濃度との関係を圧力毎に示した図である。

以下、添付図面を参照しながら、本発明の実施形態について説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係るプラズマ処理方法を実施するためのプラズマ処理装置を示す断面図である。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、プラズマ窒化処理を行うものである。

このプラズマ処理装置１００は、気密に構成され、接地された略円筒状のチャンバー１を有している。チャンバー１の底壁１ａの略中央部には円形の開口部１０が形成されており、底壁１ａにはこの開口部１０と連通し、下方に向けて突出する排気室１１が設けられている。

チャンバー１内には被処理基板であるウエハＷを水平に支持するためのＡｌＮ等のセラミックスからなるサセプタ（載置台）２が設けられている。このサセプタ２は、排気室１１の底部中央から上方に延びる円筒状のＡｌＮ等のセラミックスからなる支持部材３により支持されている。サセプタ２の外縁部にはウエハＷをガイドするためのガイドリング４が設けられている。また、サセプタ２には抵抗加熱型のヒータ５が埋め込まれており、このヒータ５はヒータ電源５ａから給電されることによりサセプタ２を加熱して、その熱で被処理体であるウエハＷを加熱する。また、載置台２には、熱電対６が挿入されており、ウエハＷの加熱温度を、例えば室温から９００℃までの範囲で温度制御可能となっている。チャンバー１の内周には、不純物の少ない石英からなる円筒状のライナー７が設けられ、チャンバー構成材料による金属汚染を防止している。また、載置台２の外周側には、チャンバー１内を均一排気するための複数の孔８ａが形成されたバッフルプレート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。

サセプタ２には、ウエハＷを支持して昇降させるための３本（２本のみ図示）のウエハ支持ピン４２がサセプタ２の表面に対して突没可能に設けられ、これらウエハ支持ピン４２は支持板４３に固定されている。そして、ウエハ支持ピン４２は、エアシリンダ等の駆動機構４４により支持板４３を介して昇降される。

チャンバー１の側壁には環状をなすガス導入部材１５が設けられており、このガス導入部材１５にはガス供給系１６が接続されている。ガス導入部材は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およびＮ_２ガス供給源１８を有しており、これらのガスが、それぞれガスライン２０を介してガス導入部材１５に至り、ガス導入部材１５からチャンバー１内に導入される。ガスライン２０の各々には、マスフローコントローラ２１およびその前後の開閉バルブ２２が設けられている。なお、前記Ｎ_２ガスに代えて、例えばＮＨ_３ガス、Ｎ_２とＨ_２との混合ガスなどを用いることもできる。また、後述するようにＡｒガスに代えて他の希ガス、例えばＫｒ、Ｈｅ、Ｎｅ、Ｘｅなどのガスを用いてもよく、また希ガスは含まなくてもよい。

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。

チャンバー１の側壁には、プラズマ処理装置１００に隣接する搬送室（図示せず）との間でウエハＷの搬入出を行うための搬入出口２５と、この搬入出口２５を開閉するゲートバルブ２６とが設けられている。

チャンバー１の上部は開口部となっており、この開口部の周縁部に沿ってリング状のリッド２７が設けられている。このリッド２７に、例えば石英やＡｌ_２Ｏ_３、ＡｌＮ等のセラミックスのような絶縁体からなり、マイクロ波を透過するマイクロ波透過板２８がシール部材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の上方には、サセプタ２と対向するように、円板状の平面アンテナ３１が設けられている。この平面アンテナ３１はチャンバー１の側壁上端に係止されている。平面アンテナ３１は、マイクロ波透過板よりも少し大きな径を有し、例えば表面が銀または金メッキされた銅またはアルミニウムまたはＮｉからなる円板であり、多数のマイクロ波放射孔３２（スロット）が所定のパターンで貫通して形成された構成となっている。

このマイクロ波放射孔３２は、例えば図２に示すように長い形状をなすものが対をなし、典型的には対をなすマイクロ波放射孔３２同士が「Ｔ」字状に配置され、これらの対が複数、同心円状に配置されている。スロット３２の長さや配列間隔は、マイクロ波の波長（λｇ）に応じて決定され、例えばマイクロ波放射孔３２の間隔は、λg／４〜λgとなるように配置される。なお、図２においては、同心円状に形成された隣接するスロット３２同士の間隔をΔｒで示している。また、スロット３２は、円形状、円弧状等の他の形状であってもよい。さらに、スロット３２の配置形態は特に限定されず、同心円状のほか、例えば、螺旋状、放射状に配置することもできる。

この平面アンテナ３１の上面には、真空よりも大きい誘電率を有する遅波材３３が設けられている。遅波材３３は、例えば石英、セラミックス、フッ素系樹脂やポリイミドのような樹脂等で形成することができる。この遅波材３３は、真空中ではマイクロ波の波長が長くなることから、マイクロ波の波長を短くしてプラズマを調整する機能を有している。なお、平面アンテナ３１とマイクロ波透過板２８との間、および、遅波材３３と平面アンテナ３１との間は、密着して配置されているが、離間していてもよい。

チャンバー１の上面には、これら平面アンテナ３１および遅波材３３を覆うように、例えばアルミニウムやステンレス鋼、銅等の金属材からなる導波管機能を有するカバー部材３４が設けられている。チャンバー１の上面とカバー部材３４とはシール部材３５によりシールされている。カバー部材３４には、冷却水流路３４ａが形成されており、そこに冷却水を通流させることにより、カバー部材３４、遅波材３３、平面アンテナ３１、マイクロ波透過板２８を冷却して、これらの破損、変形を防止するようになっている。なお、カバー部材３４は接地されている。

カバー部材３４の上壁の中央には開口部３６が形成されており、この開口部３６には導波管３７が接続されている。この導波管３７の端部には、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３１へ伝搬されるようになっている。なお、マイクロ波の周波数としては、８．３５ＧＨｚ、１．９８ＧＨｚ等を用いることもできる。

導波管３７は、上記カバー部材３４の開口部３６から上方へ延出する断面円形状の同軸導波管３７ａと、この同軸導波管３７ａの上端部にモード変換器４０を介して接続された水平方向に延びる矩形導波管３７ｂとを有している。矩形導波管３７ｂと同軸導波管３７ａとの間のモード変換器４０は、矩形導波管３７ｂ内をＴＥモードで伝播するマイクロ波をＴＥＭモードに変換する機能を有している。同軸導波管３７ａの中心には内導体４１が延在しており、この内導体４１の下端部は、平面アンテナ３１の中心に接続固定されている。これにより、マイクロ波は、同軸導波管３７ａの内導体４１を介して平面アンテナ３１へ均一に効率よく伝播される。

マイクロ波プラズマ処理装置１００の各構成部は、制御部５０に接続されて制御されるようになっている。制御部５０はコンピュータで構成されており、図３に示すように、マイクロプロセッサを備えたプロセスコントローラ５１と、このプロセスコントローラに接続されたユーザーインターフェース５２および記憶部５３とを備えている。

プロセスコントローラ５１は、プラズマ処理装置１００において、温度、圧力、ガス流量、マイクロ波出力、バイアス印加用の高周波電力等のプロセス条件が所望のものとなるように、各構成部、例えばヒータ電源５ａ、ガス供給系１６、排気装置２４、マイクロ波発生装置３９などを制御するようになっている。

ユーザーインターフェース５２は、オペレータがプラズマ処理装置１００を管理するためにコマンドの入力操作等を行うキーボードや、プラズマ処理装置１００の稼働状況を可視化して表示するディスプレイ等を有している。また、記憶部５３は、プラズマ処理装置１００で実行される各種処理をプロセスコントローラ５１の制御にて実現するための制御プログラムや、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処理レシピが格納されている。

制御プログラムや処理レシピは記憶部５３の中の記憶媒体（図示せず）に記憶されている。記憶媒体は、ハードディスクや半導体メモリであってもよいし、ＣＤＲＯＭ、ＤＶＤ、フラッシュメモリ等の可搬性のものであってもよい。また、記憶媒体に記憶しておく代わりに、処理レシピ等を他の装置から、例えば専用回線を介して適宜伝送させるようにしてもよい。

そして、必要に応じて、ユーザーインターフェース５２からの指示等にて任意の処理レシピを記憶部５３から呼び出してプロセスコントローラ５１に実行させることで、プロセスコントローラ５１の制御下で、プラズマ処理装置１００での所望の処理が行われる。

このように構成されたＲＬＳＡ方式のプラズマ処理装置１００においては、以下の手順でウエハＷに対して窒化処理を行う。このときの手順を図４のフローチャートおよび図５のタイミングチャートに示す。

まず、ヒータ５によりサセプタ２の温度を例えば２５０〜８００℃で加熱した状態で、ゲートバルブ２６を開いて搬入出口２５からウエハＷをチャンバー１内に搬入し、サセプタ２上に載置する（工程１）。

そして、Ａｒガスを１００〜５０００ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）の流量で導入し（工程２）、チャンバー１内の圧力を、９９〜２００Ｐａ（０．７５〜１．５０Ｔｏｒｒ）、例えば１２６．７Ｐａ（０．９５Ｔｏｒｒ）に調整して着火条件に移行し（工程３）、その後、マイクロ波を導入してプラズマ着火し（工程４）、引き続きチャンバー１内の圧力を９９〜１０００Ｐａ（０．７５〜７．５Ｔｏｒｒ）、好ましくは１２６．７Ｐａ超４００Ｐａ以下（０．９５Ｔｏｒｒ超３Ｔｏｒｒ以下）、例えば１８６．７Ｐａ（１．４Ｔｏｒｒ）に上昇させて（工程５）、ウエハＷに対してプラズマによるプリヒート（予備加熱）を行う（プラズマプリヒート；工程６）。このプラズマプリヒートは、ウエハ温度が安定するまで所定時間行う。工程６のプラズマプリヒートにおけるマイクロ波のパワーは１０００〜３０００Ｗが好ましく、パワー密度は０．５〜２．０Ｗ／ｃｍ^２が好ましい。なお、工程５の圧力上昇の間もプラズマプリヒートの期間に含まれる。また、Ａｒガスを導入して着火条件に移行する工程３の間にもウエハＷはプリヒートされる。

工程６のプラズマプリヒート終了後、チャンバー１内の圧力を６．６５〜３００Ｐａ（０．０５〜２．２５Ｔｏｒｒ）に低下させる圧力調整を行い（工程７）、かつマイクロ波出力を調整し、チャンバー１内にＮ_２ガスを導入し（工程８）、ウエハＷに対してプラズマ窒化処理を行う（工程９）。

窒化処理が終了した後、プラズマをオフにし、その後窒素ガスを停止し、図示しないパージガス供給系からチャンバー１内にパージガスを供給してチャンバー１内のパージを行い（工程１０）、次いで、ゲートバルブ２６を開いて搬入出口２５からウエハＷを搬出する（工程１１）。パージは、Ａｒガス供給源１７からのＡｒガスを用いて行ってもよい。

なお、上記プロセスにおいては、工程４のプラズマ着火を行ってからプリヒート圧力へ上昇させたが、プリヒート圧力でプラズマ着火を行うことにより、工程５の圧力上昇を省略することができる。

従来は、チャンバー１内の圧力を９９〜２００Ｐａ（０．７５〜１．５０Ｔｏｒｒ）、例えば１２６．７Ｐａ（０．９５Ｔｏｒｒ）にした状態でプリヒートを行い、その圧力のままプラズマ着火を行って窒化処理に移行していた。しかしながら、このような条件のプリヒートでは、温度が安定するまでに時間がかかり、例えば１２６．７Ｐａ（０．９５Ｔｏｒｒ）の場合には７０ｓｅｃ程度であり、窒化処理のスループットが十分なものではなかった。

そこで、本実施形態では、プラズマを生成した状態でプリヒートを行う。これにより、プラズマによる加熱効果の効果によって加熱効率を高め、プリヒート時間を短縮することができる。

この場合に、チャンバー１内の圧力を装置や処理に影響が出ない程度に極力高めることが好ましい。これにより、プラズマによる加熱効果と、チャンバー１内の圧力を高めて伝熱が良好になる効果の両方の効果によって、加熱効率を高め、プリヒート時間をより短縮することができる。

このように、プラズマ生成と圧力上昇との両方により加熱効率を高めるのは、以下のような理由による。すなわち、チャンバー１内の圧力は装置や処理の制約等によりその条件には自ずと上限があり、チャンバー１内の圧力のみで、要求されるスループットを満たすほどの効果を得ることが困難な場合がある。一方、プラズマのみで要求されるスループットを満たそうとすると、マイクロ波出力の上昇にともなってウエハＷにダメージを与えるおそれがある。これに対して、これらを併用することにより、このような不都合を防止しつつプリヒートの効率を高めて、プリヒート時間の短縮によるスループットの向上を実現することができる。

本実施形態において、プリヒートの際のプラズマ着火は、マイクロ波発生装置３９をオンにして、そこで発生したマイクロ波を、マッチング回路３８を経て導波管３７に導き、矩形導波管３７ｂ、モード変換器４０、および同軸導波管３７ａを順次通過させて内導体４１を介して平面アンテナ３１に供給し、平面アンテナ３１のマイクロ波放射孔３２からマイクロ波透過板２８を介してチャンバー１内におけるウエハＷの上方空間に放射させ、チャンバー１内に供給されたＡｒガスを励起することにより行う。このとき、マイクロ波は、矩形導波管３７ｂ内ではＴＥモードで伝搬し、このＴＥモードのマイクロ波はモード変換器４０でＴＥＭモードに変換されて、同軸導波管３７ａ内を平面アンテナ３１に向けて伝搬されていく。平面アンテナ３１からマイクロ波透過板２８を経てチャンバー１に放射されたマイクロ波によりチャンバー１内で電磁界が形成され、Ａｒガスが励起されてプラズマ化する。この際に、ウエハにダメージを与えない観点から、上述したようにマイクロ波のパワーは １０００〜３０００Ｗが好ましく、パワー密度は０．５〜２．０Ｗ／ｃｍ^２が好ましい。

窒化処理の際の条件としては、Ａｒガス流量を１００〜５０００ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）、Ｎ_２ガス流量を１０〜５００ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）に設定し、チャンバー内の圧力を６．６５〜３００Ｐａ（０．０５〜２．２５Ｔｏｒｒ）に調整し、ウエハＷの温度を室温〜９００℃程度とする。

また、窒化処理の際には、プリヒートの際に生成したプラズマを維持するが、そのとき窒化処理に適した条件になるように、マイクロ波パワーを調整する。好適には、マイクロ波のパワーを１０００〜３０００Ｗ、パワー密度を０．５〜２．０Ｗ／ｃｍ^２程度に調整する。

マイクロ波プラズマは、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１×１０^１０〜５×１０^１２／ｃｍ^３の高密度で、かつウエハＷ近傍では略１．５ｅＶ以下、さらには略１．０ｅＶ以下の低電子温度プラズマとなり、ラジカルを主体とした下地へのダメージの少ない処理を実現することができる。

このような特性のマイクロ波プラズマを用いることにより、プリヒートの際、および窒化処理の際に、ウエハに対するダメージを極めて少ないものとすることができる。

本実施形態のプラズマ窒化処理は、シリコン酸化膜や強誘電体酸化膜の表面を窒化するプロセスや、シリコン基板の直接窒化プロセスに適用することができる。前者はＭＯＳ型やＭＩＳ型トランジスタのゲート絶縁膜の窒化処理が代表例として挙げられ、後者はＭＩＳ型トランジスタの窒化珪素からなるゲート絶縁膜の形成のための窒化処理が代表例として挙げられる。また、ＤＲＡＭのキャパシタ等に用いられるポリシリコン膜の表面窒化処理にも適用可能である。

次に、本発明の効果を確認した試験結果について説明する。
最初に、プリヒートの際の圧力の影響を確認した。サセプタの設定温度を４００℃とし、チャンバー内にＴＣウエハ（熱電対を貼り付けた温度測定用のウエハ）を搬入してサセプタ上にセットし、チャンバー内にＡｒガスを２０００ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）の流量で流すとともに、チャンバー内圧力を従来条件である１２６．７Ｐａ（０．９５Ｔｏｒｒ）と、それよりも圧力を上昇させた１８６．７Ｐａ（１．４Ｔｏｒｒ）および３３３．２Ｐａ（２．５Ｔｏｒｒ）の３種類の圧力に調圧し、ウエハの昇温プロファイルを比較した。ＴＣウエハは、最初にピンアップすることでサセプタに接触しない状態とし、ウエハのスタート温度を２７０℃に揃え、その後にピンダウンしてＴＣウエハをサセプタに載せ、その直後の昇温プロファイルを比較した。

その結果を図６に示す。この図から、従来の標準条件である１２６．７Ｐａ（０．９５Ｔｏｒｒ）で７０ｓｅｃと同等の温度になる時間を比較した結果、１８６．７Ｐａ（１．４Ｔｏｒｒ）では４５ｓｅｃ、３３３．２Ｐａ（２．５Ｔｏｒｒ）では３０ｓｅｃとなって、高圧にすることによる昇温レート上昇の効果が確認された。ただし、３３３．２Ｐａ（２．５Ｔｏｒｒ）は、装置によっては達成できないものもあり、処理の安定性が懸念されることもあるため、チャンバー内の圧力は１８６．７Ｐａ（１．４Ｔｏｒｒ）程度が好適である。

次に、プリヒートの際のプラズマ照射の影響を確認した。ここでは、上記試験と同様、サセプタの設定温度を４００℃とし、チャンバー内にＴＣウエハを搬入してサセプタ上にセットし、チャンバー内にＡｒガスを２０００ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）の流量で流すとともに、最初の５ｓｅｃで圧力を１２６．７Ｐａ（０．９５Ｔｏｒｒ）に調圧し、次の５ｓｅｃでマイクロ波を入射してプラズマを着火し、その後、プラズマを維持したまま１８６．７Ｐａ（１．４Ｔｏｒｒ）に調圧し（プラズマプリヒート）、昇温試験を行った。なお、マイクロ波の出力は１３００Ｗおよび２０００Ｗとした。比較のため、プラズマを照射せずに１８６．７Ｐａ（１．４Ｔｏｒｒ）に調圧したものについても同様に昇温試験を行った。この試験でも、ＴＣウエハは、最初にピンアップすることでサセプタに接触しない状態とし、ウエハのスタート温度を２７０℃に揃え、その後にピンダウンしてＴＣウエハをサセプタに載せ、その直後の昇温プロファイルを比較した。

その結果を図７に示す。この図に示すように、プラズマ照射を加えた場合には、プラズマなしで４５ｓｅｃの場合と同等の温度になるのに１５〜１７ｓｅｃ程度であり、プラズマ照射による昇温レート上昇の効果が確認された。なお、プラズマ照射ありの場合のプリヒート時間は、プラズマ着火前の調圧段階の時間と、プラズマプリヒート時間を加えたものである。

次に、酸化膜を形成したウエハに対して、３種類のプリヒート条件でプリヒートを施した後、窒化処理を施し、窒素濃度のプリヒート条件依存を確認した。ここでは、プリヒート条件として、（１）圧力：１２６．７Ｐａ（０．９５Ｔｏｒｒ）、プラズマ照射なし（基準条件）、（２）圧力：１８６．７Ｐａ（１．４Ｔｏｒｒ）、プラズマ照射なし（高圧力条件）、（３）圧力：１８６．７Ｐａ（１．４Ｔｏｒｒ）、マイクロ波２０００Ｗでプラズマ照射（高圧力＋プラズマ照射条件）を用いた。

具体的には、（１）の標準条件では、サセプタ温度を４００℃とし、Ａｒガスを２０００ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）流しつつ、圧力を１２６．７Ｐａ（０．９５Ｔｏｒｒ）に調整しておき、ウエハをサセプタに載置してプリヒートを３０ｓｅｃ、５０ｓｅｃ、７０ｓｅｃ行った後、圧力を維持したまま５ｓｅｃで２０００Ｗのマイクロ波を入射してプラズマを着火し、５ｓｅｃで窒化処理の圧力である４０Ｐａ（０．３Ｔｏｒｒ）に低下させ、その後マイクロ波パワーを１８００Ｗにしてプラズマを維持した状態でＡｒガスを１０００ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）、Ｎ_２ガスを２００ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）の流量で流して６０ｓｅｃの窒化処理を行った。

また、（２）の高圧条件では、サセプタ温度を４００℃とし、Ａｒガスを２０００ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）流しつつ、圧力を１８６．７Ｐａ（１．４Ｔｏｒｒ）に調整しておき、ウエハをサセプタに載置してプリヒートを２５ｓｅｃ、４５ｓｅｃ、６５ｓｅｃ行った後、５ｓｅｃで圧力を１２６．７Ｐａ（０．９５Ｔｏｒｒ）まで下げ、合計のプリヒート時間を３０ｓｅｃ、５０ｓｅｃ、７０ｓｅｃとした後、５ｓｅｃで２０００Ｗのマイクロ波を入射してプラズマを着火し、引き続き５ｓｅｃで窒化処理の圧力である４０Ｐａ（０．３Ｔｏｒｒ）に低下させ、その後マイクロ波パワーを１８００Ｗにしてプラズマを維持した状態でＡｒガスを１０００ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）、Ｎ_２ガスを２００ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）の流量で流して６０ｓｅｃの窒化処理を行った。

さらに、（３）の高圧＋プラズマ照射条件では、サセプタ温度を４００℃とし、Ａｒガスを２０００ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）流しつつ、５ｓｅｃで圧力を１２６．７Ｐａ（０．９５Ｔｏｒｒ）に調整した後、５ｓｅｃで２０００Ｗのマイクロ波を入射してプラズマを着火し、その後圧力を１８６．７Ｐａ（１．４Ｔｏｒｒ）まで上げてプラズマ照射下でプリヒート（プラズマプリヒート）を２５ｓｅｃ、４５ｓｅｃ、６５ｓｅｃ行い、合計のプリヒート時間を３０ｓｅｃ、５０ｓｅｃ、７０ｓｅｃとし、引き続き５ｓｅｃで窒化処理の圧力である４０Ｐａ（０．３Ｔｏｒｒ）に低下させ、その後マイクロ波パワーを１８００Ｗにしてプラズマを維持した状態でＡｒガスを１０００ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）、Ｎ_２ガスを２００ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）の流量で流して６０ｓｅｃの窒化処理を行った。

その結果を図８に示す。図８は、横軸にプリヒート時間をとり、縦軸に標準条件で７０ｓｅｃでプリヒートを行った場合の膜厚を１として規格化した窒素濃度をとってこれらの関係を示す図である。この図から、基準のプリヒート条件を１２６．７Ｐａ（０．９５Ｔｏｒｒ）、７０ｓｅｃとした場合、（２）の高圧条件では、５０ｓｅｃ程度のプリヒートで同等の窒素濃度が得られることが確認され、また、（３）の高圧＋プラズマ照射条件では、３０ｓｅｃ以下のプリヒートで同等の窒素濃度が得られることが確認された。このことから、高圧＋プラズマ照射条件で、大きなプリヒート時間短縮を図ることができ、スループットが２５％程度上昇することが確認された。

次に、上記（１）の標準条件で７０ｓｅｃプリヒートを行った後に窒化処理を行った場合と、上記（３）の高圧＋プラズマ照射条件で３０ｓｅｃプリヒートを行った場合とで窒素濃度のウエハ面内およびウエハ面間の窒素濃度のばらつきを把握した。その際の各ウエハにおける窒素濃度の平均値（Ａｖｇ．；任意スケール）を図９に、窒素濃度の面内のばらつき（σ／Ａｖｇ．）を図１０に示す。

窒化条件は、窒化温度：４００℃、圧力：４０Ｐａ（０．３Ｔｏｒｒ）、Ａｒガス流量：１０００ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）、Ｎ_２ガス流量：２００ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）、マイクロ波パワー：１８００Ｗ、窒化処理時間：６０ｓｅｃとした。

ウエハ面内の窒素濃度のばらつきに関して、図９に示すように、（３）の高圧＋プラズマ照射条件は（１）の標準条件と同等であった。また、ウエハ面間については、（１）の標準条件では、σ／Ａｖｇ．が０．５０、レンジ（Ｒ）が０．２５、Ｒ／２Ａｖｇ．が１．０８であり、（３）の高圧＋プラズマ照射条件では、σ／Ａｖｇ．が０．７２、レンジ（Ｒ）が０．３２、Ｒ／２Ａｖｇ．が１．３８であり、（３）の高圧＋プラズマ照射条件は（１）の標準条件と同等であった。

次に、（３）の高圧＋プラズマ照射条件のプリヒートのパーティクルの影響を把握した。ここでは、（３）の条件のプリヒート後、上記条件の窒化処理を行う処理を複数のウエハに対して連続施し、＞０．１６μｍのパーティクル個数を把握した。その結果を図１１に示す。この図に示すように、ロットＡ、ロットＢともに１２０００枚までパーティクル個数はスペック以下であった。

次に、酸化膜を形成したウエハに対して、圧力、Ａｒプラズマパワー、時間を変化させてプリヒートを施した後、窒化処理を施し、窒素濃度のプリヒート条件依存を確認した。ここでは、サセプタ温度を４００℃とし、プリヒートにおいて、圧力を４５Ｐａ（０．３４Ｔｏｒｒ）、１２６．７Ｐａ（０．９５Ｔｏｒｒ）、１８６．７Ｐａ（１．４Ｔｏｒｒ）の３水準とし、Ａｒプラズマパワーを１５００Ｗ、２０００Ｗ、２５００Ｗの３水準とし、プリヒート時間（着火条件への移行時間＋プラズマプリヒート時間）を３０ｓｅｃ、５０ｓｅｃ、７０ｓｅｃの３水準とした。また、窒化処理は、Ａｒ流量を２０００ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）、Ｎ_２ガス流量を４０ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）、サセプタ温度を４００℃とし、プラズマパワーを１５００Ｗとした。

図１２は、プリヒートの際のＡｒプラズマパワーを２０００Ｗに固定した際の、圧力と窒素濃度との関係をプリヒート時間毎に示したものである。なお、窒素濃度は、上記標準条件で７０ｓｅｃでプリヒートを行った場合の膜厚を１として規格化した窒素濃度である。この図から、いずれのプリヒート時間においても、プリヒートの際の圧力が高くなるほど窒素濃度が高くなることが確認された。

図１３は、プリヒートの際の圧力を１２６．７Ｐａ（０．９５Ｔｏｒｒ）に固定した際の、プラズマパワーと窒素濃度との関係をプリヒート時間毎に示したものである。なお、この図においても、窒素濃度は、上記標準条件で７０ｓｅｃでプリヒートを行った場合の膜厚を１として規格化した窒素濃度である。この図から、プラズマパワーの増加により窒素濃度が上昇する傾向は見られるものの、大きな変化は見られないことが確認された。

図１４は、プリヒートの際のＡｒプラズマパワーを２０００Ｗに固定した際の、プリヒート時間と窒素濃度との関係を圧力毎に示したものである。なお、窒素濃度は、図１２と同様、上記標準条件で７０ｓｅｃでプリヒートを行った場合の膜厚を１として規格化した窒素濃度である。この図から、各圧力において、プリヒート時間が長くなるほど窒素濃度が高くなることが確認された。

また、図１２および図１４から、圧力が標準条件以下の場合には、プラズマ照射を行ってもプリヒート時間が３０ｓｅｃでは標準条件で７０ｓｅｃの場合よりも窒素濃度が低いが、プリヒートの際の圧力を１８６．７Ｐａ（１．４Ｔｏｒｒ）と高圧にしてプラズマ照射を行うことにより、プリヒート時間が３０ｓｅｃでも標準条件で７０ｓｅｃの場合よりも窒素濃度が高くなることが確認された。

なお、本発明は上記実施形態に限定されることなく、本発明の思想の範囲内で種々の変形が可能である。
例えば、上記実施形態ではマイクロ波プラズマ窒化処理を例にとって説明したが、プラズマ処理はマイクロ波プラズマに限らず、他のプラズマであってもよく、特に、マイクロ波プラズマと同様に自己生成的なプラズマである、上述した誘導結合プラズマ、表面波プラズマ、表面反射波プラズマ、マグネトロンプラズマ等を例示することができる。

また、窒化処理に限らず、他の基板を加熱しつつ行うプラズマ処理、例えば酸化処理にも適用することができる。酸化処理は、例えば、シリコン基板を酸化してゲート酸化膜を形成する処理等に用いることができ、３００〜８００℃という比較的高温に加熱する処理であり、窒化処理と同様、安定した処理を行うためにプリヒートが有効である。このため本発明を適用することによりプリヒートを短縮することができ、処理のスループットを上げることができる。さらに、基板を加熱しつつ行うプラズマ処理として、ＣＶＤ成膜処理等、他の処理にも適用することができる。

さらに、上記実施形態では被処理体として半導体ウエハを処理する場合について示したが、これに限らず、ＦＰＤ用のガラス基板等、他の被処理体にも適用可能であることは言うまでもない。

１；チャンバー
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
２４；排気装置
２８；マイクロ波透過板
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
４０；モード変換器
５０；制御部
５１；プロセスコントローラ
５３；記憶部
１００；プラズマ処理装置
Ｗ；ウエハ（被処理体）

Claims (10)

1. 処理容器内に被処理体を配置し、前記被処理体を加熱しながら被処理体にプラズマ処理を施すプラズマ処理方法であって、
   処理に先立って被処理体にプラズマを照射しつつ被処理体を予備加熱する工程と、
   予備加熱後に前記処理容器内に処理ガスを供給して被処理体に対してプラズマ処理を行う工程と
   を有することを特徴とするプラズマ処理方法。
2. 前記プラズマ処理はプラズマ窒化処理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。
3. 前記プラズマ処理はプラズマ酸化処理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。
4. 前記プラズマ処理は、マイクロ波プラズマによって行われることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のプラズマ処理方法。
5. 前記マイクロ波プラズマは、複数のスロットを有する平面アンテナと、該平面アンテナを介して前記処理容器内にマイクロ波を導くマイクロ波導入手段とを有するマイクロ波生成機構により生成されることを特徴とする請求項４に記載のプラズマ処理方法。
6. 前記予備加熱する工程は、前記処理容器内の圧力を９９〜１０００Ｐａにする工程を含むことを特徴とする請求項１に記載のプラズマ処理方法。
7. 前記予備加熱する工程に先立って、
   前記処理容器内の圧力を第１の圧力に向けて徐々に増加させてプラズマ着火条件に移行する工程と、
   前記第１の圧力に達したときに第１のマイクロ波出力にてプラズマを着火する工程と、
   着火した後前記第１の圧力から第２の圧力に圧力調整を行う工程と
   を行うことを特徴とする請求項１に記載のプラズマ処理方法。
8. 前記予備加熱する工程は、前記第２の圧力によって行われることを特徴とする請求項７に記載のプラズマ処理方法。
9. 前記プラズマ処理は、前記第１のマイクロ波出力から第３のマイクロ波出力に変更するとともに、前記処理容器内の圧力を前記第２の圧力から第３の圧力に変更して行われることを特徴とする請求項８に記載のプラズマ処理方法。
10. コンピュータ上で動作し、プラズマ処理装置を制御するためのプログラムが記憶された記憶媒体であって、前記プログラムは、実行時に、請求項１から請求項９のいずれかのプラズマ処理方法が行われるように、コンピュータに前記プラズマ処理装置を制御させることを特徴とする記憶媒体。

Images