(57)【要約】      （修正有）【課題】窒素がシリコン酸化膜の内部にまで大量に導入せずまた、ダングリングボンドが発生するのを防止するプラズマ処理方法を提供する。【解決手段】シリコン酸化膜が形成された前記シリコン基板を準備する工程と、前記シリコン酸化膜上に窒素ガスを導入してプラズマを生成して該プラズマ処理する工程と、前記シリコン酸化膜の上部を前記プラズマにより窒化して、該シリコン酸化膜の上部をシリコン窒化膜に変化させる工程とを有する。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリコン基板上に形成されたシリコン酸化膜を窒化してシリコン窒化膜を形成するプラズマ処理方法であって、
前記シリコン酸化膜が形成された前記シリコン基板を準備する工程と、
前記シリコン酸化膜上に窒素ガスを導入してプラズマを生成して該プラズマ処理する工程と、
前記シリコン酸化膜の上部を前記プラズマにより窒化して、該シリコン酸化膜の上部をシリコン窒化膜に変化させる工程とを有することを特徴とするプラズマ処理方法。
【請求項２】
前記シリコン酸化膜の上部よりも、前記シリコン酸化膜と前記シリコン窒化膜の界面側の窒素濃度が低い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】
前記シリコン基板の温度を２５０〜３５０℃にして、前記プラズマ処理を行うことを特徴とする請求項１又は２に記載のプラズマ処理方法。
【請求項４】
前記プラズマは、マイクロ波を複数のスリットを有する平面アンテナを介して照射することで生成されることを特徴とする請求項１乃至３のうちいずれか一項に記載のプラズマ処理方法。
【請求項５】
シリコン基板上にシリコン窒化膜を形成するプラズマ処理方法であって、
前記シリコン基板を準備する工程と、
前記シリコン基板上に窒素ガスを導入してプラズマを生成して該プラズマ処理する工程と、
前記シリコン基板の上部を直接前記プラズマにより窒化処理してシリコン窒化膜を形成する工程とを有し、
前記シリコン基板の上部に前記シリコン窒化膜を形成する工程は、前記基板の温度を４５０℃以上にして前記プラズマの処理を行うことを特徴とするプラズマ処理方法。
【請求項６】
前記プラズマは、マイクロ波を複数のスリットを有する平面アンテナを介して照射することで生成されることを特徴とする請求項５に記載のプラズマ処理方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、プラズマ処理方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、半導体製品の高密度化及び高微細化に伴い、半導体製品の製造工程において、成膜、エッチング、アッシング等の処理のためにプラズマ処理装置が使用される場合がある。例えば、典型的なマイクロ波プラズマ処理装置においては、２．４５ＧＨｚ程度のマイクロ波がスロット電極を通過し、半導体ウェハやＬＣＤ基板などの被処理体が配置され、真空ポンプで減圧環境下に維持された処理室内に導入される。一方、反応ガスも処理室に導入され、マイクロ波によってプラズマ化され、活性の強いラジカルとイオンとなり、これが被処理体と反応して成膜処理やエッチング処理などが行われる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかし、従来のプラズマ装置においては、シリコン基板上にシリコン酸化膜（ＳｉＯ２）を形成してからシリコン窒化膜を形成する積層構造を作る場合に、シリコン酸化膜上に窒素を導入し、プラズマ処理をしてシリコン酸化膜の上部をシリコン窒化膜に変化させるが、従来このシリコン酸化膜上に導入する窒素は、シリコン酸化膜の表面（上面）だけではなくシリコン酸化膜の内部にまで大量に導入されていた。窒素がシリコン酸化膜の内部にまで大量に導入されると、シリコン基板とシリコン酸化膜との境界にまで窒素が到達し、シリコン、酸素及び窒素の化合物がシリコン基板とシリコン酸化膜との境界まで形成される。このようなシリコン、酸素及び窒素の化合物がシリコン基板とシリコン酸化膜との境界にまで形成されると半導体の性能が低下してしまうので（例えば、増幅率が低下するなど）好ましくない。
【０００４】
また、従来のプラズマ装置においては、シリコン基板上にシリコン窒化膜（Ｓｉ３Ｎ４）を直接形成する場合に、シリコン窒化膜の欠陥（ダングリングボンド）が発生していた。このようなダングリングボンドが発生すると、ゲート電圧の閾値電圧（半導体がオンする電圧とオフする電圧）が変化するので好ましくない。
【０００５】
そこで、このような課題を解決する新規かつ有用なプラズマ処理方法を提供することを本発明の概括的目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の一側面としてのプラズマ処理方法は、シリコン基板上に形成されたシリコン酸化膜を窒化してシリコン窒化膜を形成するプラズマ処理方法であって、前記シリコン酸化膜が形成された前記シリコン基板を準備する工程と、前記シリコン酸化膜上に窒素ガスを導入してプラズマを生成して該プラズマ処理する工程と、前記シリコン酸化膜の上部を前記プラズマにより窒化して、該シリコン酸化膜の上部をシリコン窒化膜に変化させる工程とを有することを特徴とする。
【０００７】
本発明の別の側面としてのプラズマ処理方法は、シリコン基板上にシリコン窒化膜を形成するプラズマ処理方法であって、前記シリコン基板を準備する工程と、前記シリコン基板上に窒素ガスを導入してプラズマを生成して該プラズマ処理する工程と、前記シリコン基板の上部を直接前記プラズマにより窒化処理してシリコン窒化膜を形成する工程とを有し、前記シリコン基板の上部に前記シリコン窒化膜を形成する工程は、前記基板の温度を４５０℃以上にして前記プラズマの処理を行うことを特徴とする。
【０００８】
本発明の他の目的及び更なる特徴は以下添付図面を参照して説明される好ましい実施例によって明らかにされるであろう。
【発明の効果】
【０００９】
本発明のプラズマ処理方法によれば、シリコン基板上にシリコン酸化膜を形成してからシリコン窒化膜を形成する場合に、窒素がシリコン酸化膜の内部にまで大量に導入されないので、半導体の性能が低下してしまう（例えば、増幅率が低下するなど）問題を解消することができる。また、シリコン基板上にシリコン窒化膜を直接形成する場合に、シリコン窒化膜の欠陥であるダングリングボンドが発生するのを防止するので、ダングリングボンドによるゲート電圧の閾値電圧（半導体がオンする電圧とオフする電圧）が変化する問題を解消することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、添付図面を参照して、本発明の例示的なマイクロ波プラズマ処理装置１００について説明する。なお、各図において同一の参照符号は同一部材を表している。ここで、図１は、マイクロ波プラズマ処理装置１００の概略ブロック図である。本実施例のマイクロ波プラズマ処理装置１００は、クラスターツール３００に連通されたゲートバルブ１０１と、半導体ウェハ基板やＬＣＤ基板などの被処理体Ｗを載置しているサセプタ１０４を収納可能な処理室１０２と、処理室１０２に接続されている高真空ポンプ１０６と、マイクロ波源１１０と、アンテナ部材１２０と、ガス供給系１３０及び１６０とを有している。なお、プラズマ処理装置１００の制御系については図示が省略されている。
【００１１】
処理室１０２は側壁や底部がアルミニウムなどの導体により構成される。本実施例では処理室１０２は例示的に円筒形状を有するが、その形状は断面的に矩形上に限定されずに凸状などに成形されることができる。処理室１０２内には、サセプタ１０４とその上に被処理体Ｗが支持されている。なお、図１においては、被処理体Ｗを固定する静電チャックやクランプ機構などは便宜上省略されている。
【００１２】
サセプタ１０４は、処理室１０２内で被処理体Ｗの温度制御を行う。サセプタ１０４の温度は、所定の温度範囲に温度調節装置１９０によって調節される。
【００１３】
温度制御装置１９０は、図２に示すように、制御装置１９１と、冷却ジャケット１９２と、封止部材１９４と、温度センサ１９６とヒータ装置１９８とを有し、水道などの水源１９９から冷却水を供給される。ここで、図２は図１に示す温度調節装置１９０のより詳細な構造を示すブロック図である。制御装置１９１は、サセプタ１０４及び被処理体Ｗの温度が所定の温度範囲になるように制御する。制御の容易性から、水源１９９から供給される冷却水の温度は恒温であることが好ましい。
【００１４】
例えば、被処理体Ｗの処理として、シリコン基板上にシリコン窒化膜（Ｓｉ３Ｎ４）を直接形成する場合（単層窒化膜の場合）、制御装置１９１は、サセプタ１０４及び被処理体Ｗの温度が約４５０℃乃至約５００℃になるようにヒータ装置１９８を制御する。被処理体Ｗは約４５０℃以上に維持されないとダングリングボンドが生じてしまう。ダングリングボンドを生じると後述するように閾値電圧が変化するので好ましくない。
【００１５】
次に、被処理体Ｗの処理として、シリコン基板上にシリコン酸化膜（ＳｉＯ２）を形成してからシリコン窒化膜を形成する積層構造を作る場合について考えてみる。この場合、シリコン酸化膜上に窒素を導入してプラズマ処理をしてシリコン酸化膜の上部をシリコン窒化膜に変化させる。かかる処理においては、制御装置１９１は、サセプタ１０４及び被処理体Ｗの温度を約２５０℃乃至約３５０℃になるようにヒータ装置１９８を制御する。
【００１６】
まず、制御装置１９１が約３５０℃以下に温度を設定する理由は以下の通りである。即ち、図３に示すように、ヒータ装置１９８の温度を約３５０℃以上に設定すると窒素分布がシリコン酸化膜の表面（上部）だけでなくシリコン酸化膜の内部にも多量導入される。ここで、図３は、高温（例えば、５００℃程度）で被処理体Ｗに積層構造を形成する場合の深さ方向の窒素分布を示すグラフであり、窒素がシリコン酸化膜の表面から２０Åまで到達していることが理解されるであろう。
【００１７】
この場合、窒素がシリコン基板とシリコン酸化膜との境界に到達してシリコン、酸素及び窒素の化合物を形成し、これが半導体の性能が低下させる（例えば、増幅率が低下させるなど）ので好ましくない。窒素がシリコン基板とシリコン酸化膜との境界に到達する割合は素子の大きさにも依存する。従来のように、ゲート長が０．１８μｍ乃至０．３μｍ程度であればその影響も無視できるであろうが、近年の素子の小型化に伴うゲート長の短縮化（例えば、０．１３μｍ、０．１０μｍなど）に伴い、その影響は今後ますます無視できなくなるであろうと本発明者らは予想している。
【００１８】
一方、図４に示すように、ヒータ装置１９８の温度を約３５０℃以下に設定すると窒素分布がシリコン酸化膜の表面（上部）だけでなくシリコン酸化膜の内部への浸透量は許容範囲内（１０Å以下）になる。ここで、図４は、適温（例えば、３５０℃程度）で被処理体Ｗに積層構造を形成する場合の深さ方向の窒素分布を示すグラフである。この結果、設定温度を約３５０℃以下にすれば上述の問題は回避できることが理解されるであろう。
【００１９】
次に、制御装置１９１が約２５０℃以上に温度を設定する理由は以下の通りである。被処理体Ｗ（半導体）の動作特性を表すものとして、ゲート電圧Ｖと容量Ｃとの関係を示すＣＶ特性がしばしば使用される。かかるＣＶ特性においてはヒステリシスがゲート電圧Ｖの印加時と解除時に発生する。ヒステリシスが高いとゲート電圧の閾値電圧（半導体がオンする電圧とオフする電圧）が変わることになり信頼性が低下するため、ヒステリシスを所定電圧以内（例えば、０．０２Ｖ以内）に抑えることが好ましい。これは積層構造にも当てはまるが、ヒステリシスはシリコン窒化膜の欠陥（ダングリングボンド）に起因して大きくなり、０．０２Ｖ以内に抑えるためには図５の点線で示すようなシリコン窒化膜の欠陥密度を維持しなければならず、その欠陥密度は約２５０℃以上に対応することを本発明者らは発見した。ここで、図５は、シリコン窒化膜中の欠陥濃度の温度分布であり、点線は許容される欠陥密度を示している。
【００２０】
制御装置１９１は、その他のＣＶＤプロセスであれば約４５０℃に、エッチングプロセスであれば少なくとも８０℃以下に温度を制御する。いずれの場合にしろ、被処理体Ｗには不純物としての水分が付着しないような温度に設定される。
【００２１】
冷却ジャケット１９２はプラズマ処理時の被処理体Ｗを冷却するための冷却水を流す。冷却ジャケット１９２は、例えば、ステンレスなど熱伝導率がよく、流路１９３を加工しやすい材料が選択される。流路１９３は、例えば、矩形状の冷却ジャケット１９２を縦横に貫通し、ねじなどの封止部材１９４を貫通孔にねじ込むことによって形成することができる。もちろん、図２に拘らず、冷却ジャケット１９２と流路１９３それぞれは任意の形状を有することができる。冷却水の代わりに他の種類の冷媒（アルコール、ガルデン、フロン等）を使用することができるのはもちろんである。温度センサ１９６は、ＰＴＣサーミスタ、赤外線センサ、熱電対など周知のセンサを使用することができる。温度センサ１９６は流路１９３に接続してもよいし、接続していなくてもよい。
【００２２】
ヒータ装置１９８は、例えば、冷却ジャケット１９２の流路１９３に接続された水道管の周りに巻かれたヒータ線などとしてから構成される。ヒータ線に流れる電流の大きさを制御することによって冷却ジャケット１９２の流路１９３を流れる水温を調節することができる。冷却ジャケット１９２は熱伝導率が高いので流路１９３を流れる水の水温と略同じ温度に制御されることができる。
【００２３】
サセプタ１０４は処理室１０２内で昇降可能に構成されている。サセプタ１０４の昇降系は、昇降部材、ベローズ、昇降装置などから構成され、当業界で周知のいかなる構造も適用することができる。サセプタ１０４は、昇降装置により、例えば、ホームポジションとプロセスポジションの間を昇降する。サセプタ１０４はプラズマ処理装置１００のオフ時や待機時にホームポジションに配置され、また、ホームポジションにおいて、サセプタ１０４はクラスターツール３００からゲートバルブ１０１を介して被処理体Ｗの受け渡しを行うが、選択的に、サセプタ１０４にはゲートバルブ１７０と連絡するために、受け渡しポジションが設定されてもよい。サセプタ１０４の昇降距離は図示しない昇降装置の制御装置又はプラズマ処理装置１００の制御装置によって制御することができ、図示しないビューポートから目視することができる。
【００２４】
サセプタ１０４は、一般に、図示しないリフタピン昇降系に接続される。リフタピン昇降系は、昇降部材、ベローズ、昇降装置などから構成され、当業界で周知のいかなる構造も適用することができる。昇降部材は、例えばアルミニウムから構成され、例えば正三角形の頂点に配置された垂直に延びる３本のリフタピンに接続されている。リフタピンは、サセプタ１０４内部を貫通して被処理体Ｗを支持してサセプタ１０４上で昇降させることができる。被処理体Ｗの昇降は、被処理体Ｗをクラスターツール３００から処理室１０２に導入する際に、及び、プロセス後の被処理体Ｗをクラスターツール３００に導出する際に行われる。昇降装置は、サセプタ１０４が所定位置（例えば、ホームポジション）にあるときにのみリフタピンの昇降を許容するよう構成されてもよい。また、リフタピンの昇降距離は図示しない昇降装置の制御装置又はプラズマ処理装置１００の制御装置によって制御することができるし、図示しないビューポートからも目視することができる。
【００２５】
サセプタ１０４は、必要があれば、バッフル板（又は整流板）を有してもよい。バッフル板はサセプタ１０４と共に昇降してもよいし、プロセスポジションに移動したサセプタ１０４と係合するように構成されてもよい。バッフル板は被処理体Ｗが存在する処理空間とその下の排気空間を分離して、主として、処理空間の電位を確保（即ち、マイクロ波を処理空間に確保）すると共に真空度（例えば、５０ｍＴｏｒｒ）を維持する機能を有する。バッフル板は、例えば、純アルミニウム製で中空のディスク形状を有する。バッフル板は、例えば、厚さ２ｍｍを有し、径２ｍｍ程度の孔をランダムに多数（例えば、開口率５０％以上）有する。なお、選択的に、バッフル板はメッシュ構造を有していてもよい。必要があれば、バッフル板は排気空間から処理空間への逆流を防止したり、処理空間と排気空間の差圧をとったりする機能を有していてもよい。
【００２６】
サセプタ１０４には、バイアス用高周波電源２８２とマッチングボックス（整合回路）２８４が接続されて、アンテナ部材１２０と共にイオンプレーティングを構成している。バイアス用高周波電源２８２は被処理体Ｗに負の直流バイアス（例えば、１３．５６ＭＨｚの高周波）を印加している。マッチングボックス２８４は、処理室１０２内の電極浮遊容量、ストレーインダクタンスなどの影響を防止する。マッチングボックス２８４は、例えば、負荷に対して並列及び直列に配置されたバリコンを利用してマッチングをとることができる。この結果、被処理体Ｗに向かってイオンがそのバイアス電圧によって加速されてイオンによる処理が促進される。イオンエネルギーはバイアス電圧によって定まり、バイアス電圧は高周波電力によって制御することができる。電源２８３が印加する周波数はスロット電極２００のスリット２１０に応じて調節することができる。
【００２７】
処理室１０２の内部は高真空ポンプ１０６により所定の減圧又は真空密閉空間に維持されることができる。高真空ポンプ１０６は処理室１０２を均一に排気して、プラズマ密度を均一に保ち、部分的にプラズマ密度が集中して部分的に被処理体Ｗの処理深さが変化することを防止する。高真空ポンプ１０６は、図１においては、一つのみ処理室１０２の端部に設けられているが、その位置や数は例示的である。高真空ポンプ１０６は、例えば、ターボ分子ポンプ（ＴＭＰ）により構成され、図示しない圧力調整バルブを介して処理室１０２に接続されている。圧力調整バルブはコンダクタンスバルブ、ゲートバルブ又は高真空バルブなどの名称で当業界では周知である。圧力調整バルブは不使用時に閉口され、使用時に処理室１０２の圧力を高真空ポンプ１０６によって真空引きされた所定の圧力（例えば、０．１乃至数１０ｍＴｏｒｒ）に保つように開口される。
【００２８】
なお、図１に示すように、本実施例によれば、高真空ポンプ１０６は処理室１０２に直接接続されている。ここで、「直接接続」とは、配管を介さないで、という意味であり、圧力調整バルブが介在することは問わない。
【００２９】
処理室１０２の側壁には、（反応）ガス供給系１３０に接続された石英パイプ製ガス供給リング１４０と、（放電）ガス供給系１６０に接続された石英パイプ製ガス供給リング１７０とが取り付けられている。ガス供給系１３０及び１６０は、ガス源１３１及び１６１と、バルブ１３２及び１６２と、マスフローコントローラ１３４及び１６４と、これらを接続するガス供給路１３６及び１６６とを有している。ガス供給路１３６及び１６６はガス供給リング１４０及び１７０に接続されている。
【００３０】
例えば、窒化シリコン膜を堆積する場合には、ガス源１３１はＮＨ３やＳｉＨ４ガスなどの反応ガス（又は材料ガス）を供給し、ガス源１６１はネオン、キセノン、アルゴン、ヘリウム、ラドン、クリプトンのいずれかにＮ２とＨ２を加えたもの等の放電ガスを供給する。但し、ガスはこれらに限定されず、Ｃｌ２、ＨＣｌ、ＨＦ、ＢＦ３、ＳｉＦ３、ＧｅＨ３、ＡｓＨ３、ＰＨ３、Ｃ２Ｈ２、Ｃ３Ｈ８、ＳＦ６、Ｃｌ２、ＣＣｌ２Ｆ２、ＣＦ４、Ｈ２Ｓ、ＣＣｌ４、ＢＣｌ３、ＰＣｌ３、ＳｉＣｌ４ＣＯなど広く適用することができる。
【００３１】
ガス供給系１６０は、ガス源１３１をガス源１３１及び１６１のそれぞれのガスを混合したガスを供給する一のガス源に置換することにより省略することができる。バルブ１３２及び１６２は、被処理体Ｗのプラズマ処理時に開口され、プラズマ処理以外の期間に閉口されるように制御される。
【００３２】
マスフローコントローラ１３４及び１６４はガスの流量を制御し、例えば、ブリッジ回路、増幅回路、コンパレータ制御回路、流量調節バルブ等を有し、ガスの流れに伴う上流から下流への熱移動を検出することによって流量測定して流量調節バルブを制御する。但し、マスフローコントローラ１３４及び１６４には、これ以外に当業界で周知のいかなる構造をも適用することができる。
【００３３】
ガス供給路１３６及び１６６は、例えば、シームレスパイプを使用したり、接続部に食い込み継ぎ手やメタルガスケット継ぎ手を使用したりして供給ガスへの配管からの不純物の混入が防止している。また、配管内部の汚れや腐食に起因するダストパーティクルを防止するために配管は耐食性材料から構成されるか、配管内部がＰＴＦＥ（テフロン）、ＰＦＡ、ポリイミド、ＰＢＩその他の絶縁材料により絶縁加工されたり、電解研磨処理がなされたり、更には、ダストパーティクル捕捉フィルタを備えたりしている。
【００３４】
図６に示すように、ガス供給リング１４０は石英からなるリング形状の筐体又は本体部を有し、ガス供給路１３６に接続された導入口１４１と、導入口１４１に接続された流路１４２と、流路１４２に接続された複数のガス供給ノズル１４３と、流路１４２及びガス排出路１３８に接続された排出口１４４と、処理室１０２への取付部１４５とを有する。ここで、図６はガス供給リング１４０の平面図である。
【００３５】
均一に配置された複数のガス供給ノズル１４３は処理室１０２内にガスの均一な流れを作るのに寄与している。もちろん、本発明のガス導入手段はこれに限定されず、中心から周辺へガスを流すラジアルフロー方式や被処理体Ｗの対向面に多数の小孔を設けてガスを導入する後述のシャワーヘッド方式も適用することができる。
【００３６】
後述するように、本実施例のガス供給リング１４０（の流路１４２及びガス供給ノズル１４３）はガス排出路１３８に接続された排出口１４４から排気可能である。ガス供給ノズル１４３は０.１ｍｍ程度の口径しか有しないためにガス供給ノズル１４３を介してガス供給リング１４０を高真空ポンプ１０６により排気してもその内部に残留し得る水分を効果的に除去できない。このため、本実施例のガス供給リング１４０はノズル１４３よりも口径の大きな排出口１４４を介して流路１４２及びガス供給ノズル１４３内の水分などの残留物を効果的に除去することを可能にしている。
【００３７】
なお、ガス供給ノズル１７３も、ガス供給ノズル１４３と同様に、ガス供給リング１７０に設けられており、ガス供給リング１７０はガス供給リング１４０と同様の構成を有している。従って、ガス供給リング１７０は、図示しない導入口１７１と、流路１７２と、複数のガス供給ノズル１７３と、排出口１７４と、取付部１７５とを有する。ガス供給リング１４０と同様に、本実施例のガス供給リング１７０（の流路１７２及びガス供給ノズル１７３）はガス排出路１６８に接続された排出口１７４から排気可能である。ガス供給ノズル１７３も０.１ｍｍ程度の口径しか有しないためにガス供給ノズル１７３を介してガス供給リング１７０を高真空ポンプ１０６により排気してもその内部に残留し得る水分を効果的に除去できない。このため、本実施例のガス供給リング１７０はノズル１７３よりも口径の大きな排出口１７４を介して流路１７２及びガス供給ノズル１７３内の水分などの残留物を効果的に除去することを可能にしている。
【００３８】
ガス供給リング１４０の排出口１４４に接続されているガス排出路１３８の多端には真空ポンプ１５２が圧力調整バルブ１５１を介して接続されている。また、ガス供給リング１７０の排出口１７４に接続されているガス排出路１６８の多端には真空ポンプ１５４が圧力調整バルブ１５３を介して接続されている。真空ポンプ１５２及び１５４には、例えば、ターボ分子ポンプ、スパッターイオンポンプ、ゲッターポンプ、ソープションポンプ、クライオポンプなどを使用することができる。
【００３９】
圧力調整バルブ１５１と１５３は、バルブ１３２及び１６２の開口時に閉口され、バルブ１３２及び１６２の閉口時に開口されるように開閉時期が制御される。この結果、バルブ１３２及び１６２が開口されるプラズマ処理時には真空ポンプ１５２及び１５４は閉口されて、ガスがプラズマ処理に使用されることを確保する。一方、プラズマ処理の終了後、被処理体Ｗを処理室１０２に導入排出期間、サセプタ１０４の昇降期間など、バルブ１３２及び１６２が閉口されるプラズマ処理以外の期間においては真空ポンプ１５２及び１５４は開口される。これにより、真空ポンプ１５２及び１５４は、ガス供給リング１４０及び１７０をそれぞれ残留ガスの影響を受けない真空度まで排気する。この結果、真空ポンプ１５２及び１５４は、その後のプラズマ処理においてガス供給ノズル１４３及び１７３が詰まることによるガスの不均一な導入や水分などの不純物が被処理体Ｗに混入することを防止することができ、高品質なプラズマ処理が被処理体Ｗに施されることを可能にする。
【００４０】
代替的に、図７に示すように、ガス供給リング１４０の排出口１４４を高真空ポンプ１０６に接続するバイパスライン１８２や、ガス供給リング１７０の排出口１７４を高真空ポンプ１０６に接続するバイパスライン１８４を設けてもよい。ここで、図７は、ガス供給リング１４０及び１７０にガス排出路１３８及び１６８を接続する代わりにバイパスライン１８２及び１８４を接続した構造を示す概略断面図である。バイパスライン１８２及び１８４は周知の真空保持用のフランジやガスケット及びバルブ１８１を介してガス供給リング１４０に接続可能である。また、これらのバイパスライン１８２及び１８４は接続されてもよい。
【００４１】
バイパスライン１８２及び１８４は、本実施例では、ガス供給ノズル１４３及び１７３よりも大きい口径２５ｍｍ乃至４０ｍｍを有するため、高真空ポンプ１０６は、ガス供給ノズル１４３及び１７３を利用するよりも効率的に、バイパスライン１８２及び１８４を利用してガス供給リング１４０及び１７０を排気することができる。なお、本実施例では、バイパスライン１８２及び１８４は高真空ポンプ１０６に接続されているが、本発明は、図示しない処理室１０２の粗引き用ポンプやその他の排気用ポンプに接続されることを妨げるものではない。
【００４２】
マイクロ波源１１０は、例えば、マグネトロンからなり、通常２．４５ＧＨｚのマイクロ波（例えば、５ｋＷ）を発生することができる。マイクロ波は、その後、モード変換器１１２により伝送形態がＴＭ、ＴＥ又はＴＥＭモードなどに変換される。なお、図１では、発生したマイクロ波がマグネトロンへ戻る反射波を吸収するアイソレータや、負荷側とのマッチングをとるためのＥＨチューナ又はスタブチューナは省略されている。
【００４３】
アンテナ部材１２０は、温調板１２２と、収納部材１２３と、誘電板２３０とを有している。温調板１２２は、温度制御装置１２１に接続され、収納部材１２３は、遅波材１２４と遅波材１２４に接触するスロット電極２００とを収納している。また、スロット電極２００の下部には誘電板２３０が配置されている。収納部材１２３には熱伝導率が高い材料（例えば、ステンレス）が使用されており、その温度は温調板１２２の温度とほぼ同じ温度に設定される。
【００４４】
遅波材１２４には、マイクロ波の波長を短くするために所定の誘電率を有すると共に熱伝導率が高い所定の材料が選ばれる。処理室１０２に導入されるプラズマ密度を均一にするには、スロット電極２００に多くのスリット２１０を形成する必要があり、遅波材１２４は、スロット電極２００に多くのスリット２１０を形成することを可能にする機能を有する。遅波材１２４としては、例えば、アルミナ系セラミック、ＳｉＮ、ＡｌＮを使用することができる。例えば、ＡｌＮは比誘電率εｔが約９であり、波長短縮率ｎ＝１／（εｔ）１／２＝０．３３である。これにより、遅波材１２４を通過したマイクロ波の速度は０．３３倍となり波長も０．３３倍となり、スロット電極２００のスリット２１０間隔を短くすることができ、より多くのスリットが形成されることを可能にしている。
【００４５】
スロット電極２００は、遅波材１２４にねじ止めされており、例えば、直径５０ｃｍ、厚さ１ｍｍ以下の円筒状銅板から構成される。スロット電極２００は、当業界ではラジアルラインスロットアンテナ（ＲＬＳＡ）（又は超高能率平面アンテナ）と呼ばれる場合もある。但し、本発明はその他の形式のアンテナ（一層構造導波管平面アンテナ、誘電体基板平行平板スロットアレーなど）の適用を排除するものではない。スロット電極２００には、図８に示すスロット電極２００ａ、図９に示すスロット電極２００ｂ、図１０に示すスロット電極２００ｃ、図１１に示すスロット電極２００ｄを適用することができる。ここで、図８乃至図１１は、図１に適用可能なスロット電極の例示的な構造を示す平面図である。また、特に断らない限り、以下の説明ではアルファベットのない参照番号はアルファベットを付した参照番号を総括するものとする。
【００４６】
スロット電極２００は、円盤を均等な面積を持つ複数の（仮想）領域に分割して各領域に略Ｔ字状にわずかに離間されたスリット２１２ａ及び２１４ａ、２１２ｂ及び２１４ｂの組を配置している。図８に示すスリット電極２００ａにおいては各領域は６角形を有し、図９乃至図１１に示すスリット電極２００ｂ乃至２００ｄにおいては各領域は４角形を有する。スリット電極２００ｂ及び２００ｃは共にＴ字形のスリット２１０を有するが、スリット２１０の寸法と配置において相違する。また、スリット電極２００ｄはスリット２１０がＶ字形を有する。
【００４７】
スロット電極２００は円盤状のスリット密度がほぼ一定になるようにスリット２１０を配置し、直下の誘電板２３０が遊離して反応ガスに不純物として混入することを防止する。従来技術は、同心円状又はスパイラル(渦巻状)などにスリットを配置したスロット電極２００を提案しているがスリット密度については考慮していなかった。このため、スロット電極直下の誘電板ではスリット部分に対応する部分がその他の部分に比較して高いイオンエネルギーを受けて元素脱離（遊離）が発生し、後述する問題を生じる。これに対して、本実施例のスロット電極は誘電板２３０に略均一なイオンエネルギーの分布をもたらすため誘電板２３０の遊離を防止して高品質なプラズマ処理を達成することができる。
【００４８】
各スリット２１２、２１４の長さＬ１はマイクロ波の管内波長λの略１／２から自由空間波長の略２．５倍の範囲内に設定されると共に幅は１ｍｍ程度に設定され、スリット外輪と内輪との間隔Ｌ２は僅かな調整はあるが管内波長λと略同一の長さに設定されている。スリットの長さＬ１は、次の式で示される範囲内に設定される。このように各スリット２１２、２１４を形成することにより、処理室１０２に均一なマイクロ波の分布を形成することが可能になる。
【００４９】
【数１】
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【００５０】
各スリット２１２ａ及び２１４ａ、２１２ｂ及び２１４ｂは中心から見て４５度傾斜しているが中心から離れるにつれて大きくその形状は大きく設定されている。例えば、中心からの距離が２倍になるとスリット２１２ａ及び２１４ａ、２１２ｂ及び２１４ｂの大きさは１.２倍乃至２倍に設定される。
【００５１】
なお、円盤上のスリット密度を略一定にできる限り、スリット２１０の形状や配置は問わない。また、分割された各領域の形状も問わない。従って、各領域は同一形状を有してもよいし、異なる形状を有してもよい。また、同一形状を有する場合でもその形状は６角形及び４角形に限定されず、３角形など任意の形状を採用することができる。但し、本発明は、スリット２１０がスリット密度の一定ではない同心円又は渦巻状に多数配列されることを妨げるものではない。
【００５２】
選択的に、スロット電極２００のアンテナ効率を上げるために、スロット電極２００の周縁部にはこれに沿って幅数ｍｍ程度のマイクロ波電力反射防止用放射素子が形成されてもよい。なお、本実施例のスロット電極２００のスリットの模様は単なる例示であり、任意のスリット形状を有する電極をスロット電極として利用することができることはいうまでもない。
【００５３】
温度制御装置１２１は、マイクロ熱による収納部材１２３及びこの近傍の構成要素の温度変化が所定の範囲になるように制御する機能を有する。温度制御装置１２１は、図示しない温度センサとヒーター装置とを温調板１２２に接続し、温調板１２２に冷却水や冷媒（アルコール、ガルデン、フロン等）を導入することにより温調板１２２の温度を所定の温度に制御する。温調板１２２は、例えば、ステンレスなど熱伝導率がよく、冷却水などが流れる流路を内部に加工しやすい材料が選択される。温調板１２２は収納部材１２３に接触しており、収納部材１２３と遅波材１２４は熱伝導率が高い。この結果、温調板１２２の温度を制御することによって遅波材１２４とスロット電極２００の温度を制御することができる。遅波材１２４とスロット電極２００は、温調板１２２などがなければ、マイクロ波源１１０の電力(例えば、５ｋＷ)を長時間加えることにより、遅波材１２４とスロット電極２００での電力ロスから電極自体の温度が上昇する。この結果、遅波材１２４とスロット電極２００が熱膨張して変形する。
【００５４】
例えば、スロット電極２００は、熱膨張により最適なスリット長さが変化して処理室１０２内の全体のプラズマ密度が低下したり部分的にプラズマ密度が集中したりする。全体のプラズマ密度が低下すれば被処理体Ｗの処理速度が変化する。その結果、プラズマ処理が時間的に管理して、所定時間（例えば、２分）経過すれば処理を停止して被処理体Ｗを処理室１０２から取り出すというように設定した場合、全体のプラズマ密度が低下すれば所望の処理深さ（エッチング深さや成膜厚さ）が被処理体Ｗに形成されていない場合がある。また、部分的にプラズマ密度が集中すれば、部分的に被処理体Ｗの処理深さが変化してしまう。このようにスロット電極２００が温度変化により変形すればプラズマ処理の品質が低下する。
【００５５】
更に、温調板１２２がなければ、遅波材１２４とスロット電極２００の材質が異なり、また、両者はねじ止めされているから、スロット電極２００が反ることになる。この場合も同様にプラズマ処理の品質が低下することが理解されるであろう。
【００５６】
誘電板２３０はスロット電極２００と処理室１０２との間に配置されている。スロット電極２００と誘電板２３０は、例えば、ロウにより強固にかつ機密に面接合される。代替的に、焼成されたセラミック又は窒化アルミニウム（ＡｌＮ）からなる誘電板２３０の裏面に、スクリーン印刷などの手段により銅薄膜を、スリットを含むスロット電極２００の形状にパターン形成して、これを焼き付けるように銅箔のスロット電極２００を形成してもよい。
【００５７】
なお、温調板１２２の機能を誘電板２３０に持たせてもよい。即ち、誘電板２３０の側部周辺に流路を有する温調板を誘電板２３０に一体的に取り付けることによって誘電板２３０の温度を制御し、これによって遅波材１２４とスロット電極２００とを制御することができる。誘電板２３０は例えばオーリングにより処理室１０２に固定されている。従って、代替的に、オーリングの温度を制御することにより誘電板２３０、そしてこの結果、遅波材１２４とスロット電極２００の温度を制御するように構成してもよい。
【００５８】
誘電板２３０は、減圧又は真空環境にある処理室１０２の圧力がスロット電極２００に印加されてスロット電極２００が変形したり、スロット電極２００が処理室１０２に剥き出しになってスパッタされたり銅汚染を発生したりすることを防止している。また、絶縁体である誘電板２３０はマイクロ波が処理室１０２に透過することを可能にしている。必要があれば、誘電板２３０を熱伝導率の低い材質で構成することによって、スロット電極２００が処理室１０２の温度により影響を受けるのを防止してもよい。
【００５９】
本実施例の誘電板２３０の厚みは誘電板２３０内のマイクロ波の波長の０.５倍よりも大きく０.７５倍よりも小さく、好ましくは、約０.６倍から約０.７倍の範囲に設定されている。２．４５ＧＨｚのマイクロ波は真空中で約１２２．５ｍｍの波長を有する。誘電板２３０がＡｌＮから構成されれば、上述したように、比誘電率εｔが約９であるから波長短縮率ｎ＝１／（εｔ）１／２＝０．３３となり、誘電板２３０内のマイクロ波の波長は約４０．８ｍｍとなる。従って、誘電板２３０がＡｌＮから構成されれば、誘電板２３０の厚さは約２０.４ｍｍよりも大きく約３０.６ｍｍよりも小さく、好ましくは、約２４.５ｍｍ乃至約２８.６ｍｍの範囲に設定される。より一般的には、誘電板２３０の厚さＨは、誘電板２３０内のマイクロ波の波長λを用いて、０.５λ＜Ｈ＜０.７５λを満足し、より好ましくは、０.６λ≦Ｈ≦０.７λを満足する。ここで、誘電板２３０内のマイクロ波の波長λは、真空中のマイクロ波の波長λ０と波長短縮率ｎ＝１／（εｔ）１／２とを用いて、λ＝λ０ｎを満足する。
【００６０】
誘電板２３０の厚みが誘電板２３０内のマイクロ波の波長の０.５倍の場合は定在波であるマイクロ波の誘電板２３０の表面への前進波と裏面から反射された後退波が合成され、反射が最大になり図１２に示すようにマイクロ波の処理室１０２への透過が最低になる。従って、この場合にはプラズマの生成が不十分になり、所望の処理速度が得られなくなる。ここで、図１２は、誘電板２３０の厚みとマイクロ波の透過電力との関係を示すグラフである。
【００６１】
一方、誘電板２３０の厚みが誘電板２３０内のマイクロ波波長の０.７５倍の場合は反射は最小となって透過電力が最大になるものの図１２に示すようにプラズマ中のイオンエネルギーも最大となる。本発明者らは、プラズマ中のイオンエネルギーに依存して誘電板２３０からは元素脱離（遊離）が図１３に示すように発生することを発見した。ここで、図１３は、誘電板２３０の厚みと誘電板２３０からの元素脱離量（スパッタ率）との関係を示すグラフである。誘電板２３０からの元素脱離は反応ガスへの不純物となり、高品質なプラズマ処理を阻害する。
【００６２】
そこで、本発明では、マイクロ波の処理室１０２への透過を所望の処理速度を得る程度に確保しつつ高品質なプラズマ処理を達成するために誘電板２３０からの遊離を防止するために、図１４に示すように、誘電板２３０の厚みＨを０.３λ乃至０.４λ、０.６λ乃至０.７λ、…０．３Ｎλ乃至０．３Ｎλ＋０．１に設定している（但し、Ｎは整数）。換言すれば、誘電板２３０の厚みＨは、一般式として、０.３λＮ≦Ｈ≦０.３λＮを満足する。なお、本実施例では、誘電板２３０の材料（例えば、アルミナ）に依存する機械的強度を考慮して０.３λ乃至０.４λの範囲を採用しなかったが機械的強度が維持できる限り（例えば、誘電板２３０が石英（比誘電率３.８）によって形成される場合など）かかる範囲を除外するものではない。また、上述の一般式はマイクロ波に限定されず、広くプラズマ生成に使用されるその他の波にも適用することができる。
【００６３】
ガス供給系１３０及び１６０は、上述したように、処理室１０２の側壁にノズル１４３及び１７３を設けて側部から反応ガスと放電ガスを供給する構造であるため、ガスが被処理体Ｗの上面を横切ったり、あるいは、ノズル１４３及び１７３をサセプタ１０４の中心に関する点対称の位置に設けたとしても、被処理体Ｗの上面でガスの密度が均一でなく均一なプラズマ密度を確保できなかったりするおそれがある。これを解決するためにサセプタ１０４の上方に電界を乱さないようなガラス管製のシャワーヘッド構造を設置することが考えられる。以下、かかる実施例について図１５乃至図１９を参照して説明する。ここで、図１５は、図１に示す給排気系の変形例を示す概略断面図である。
【００６４】
図１５に示すガス給排気系は、誘電板２４０とシャワー板２５０とを有している。なお、誘誘電板２４０とシャワー板２５０とを一の誘電体として観念してもよい。誘電板２４０は、例えば、厚さ３０ｍｍを有し、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）により構成される板形状を有する。シャワー板２５０は誘電板２５０の下部に取り付けられる。誘電板２４０は、導入口２４１と、流路２４２と、排出口２４４とを画定している。
【００６５】
導入口２４１には、ガス供給系１３０の供給路１３６が接続されている。排出口２４４にはガス排出路１３８が接続されている。図１５に示す誘電板２４０は、ガス供給系１３０のみに適用されているが、ガス源１３１及び１６１の混合ガスの供給路を図１５に示す供給路１３６に置換してもよい。代替的に、誘電板２４０は、好ましくは誘電板２４０の中心に関して対称に配置された図示しない一対のガス供給路１３６に接続される。一対としたのは、シャワー板２５０のノズル２５２に取り付けられた噴出部材２６０から均一な密度で反応ガスを処理室１０２に導入するためである。なお、誘電板２４０に設けられるガス導入口の位置及び数は限定されないことはいうまでもない。また、一対の導入口２４１を設けて一方をガス供給路１３６に他方をガス供給路１６６に接続してもよい。
【００６６】
代替的に、ガス供給系１６０は処理室１０２の側部に図１と同様に接続されてもよい。なぜなら、アルゴンなどの放電ガスはシランやメタンなどの反応ガスと比較して分解しにくいから処理室１０２の側部から処理室１０２に導入しても反応ガスほどの不均一なプラズマ密度をもたらさないからである。誘電板２４０に接続された真空ポンプ１５２の動作及び効果は上述と同様なので説明は省略する。真空ポンプ１５２の代わりにバイパスライン１８２及び１８４を接続してもよいことは図７を参照して説明された上述の実施例と同様である。
【００６７】
次に、図１５に示すシャワー板２５０の詳細を図１６乃至図１９を参照して説明する。ここで、図１６は、図１５に示すシャワー板２５０のノズル２５２の拡大断面図である。図１６に示すように、誘電板２４０はシャワー板２５０のノズル２５２の上部に円筒形の凹部２４６を有する。
【００６８】
シャワー板２５０は、例えば、厚さ６ｍｍの薄板形状を有して、ＡｌＮから構成される。シャワー板２５０は、所定の均一な配置で多数の（例えば、１０個以上、２０個、４０個などの）ノズル２５３を形成している。図１６に示すように、各ノズル２５３には噴射部材２６０が取り付けられている。噴射部材２６０は、ねじ（２６２及び２６４）とナット２６６から構成されている。
【００６９】
噴出部材２６０は、選択的に、シャワー部材２５０と全部又は部分的に一体的に構成されてもよいし、その形状は問わない。例えば、噴出部材２６０は、図１７乃至図１９に示すように、流路３５２ａ乃至３５２ｃと噴出口３５４ａ乃至３５４ｃを有する噴出部材３５０ａ乃至３５０ｃに置換されてもよい。ここで、図１７乃至図１９は、図１６に示す噴出部材２６０の変形例の構造を示す概略断面図である。
【００７０】
ねじは、ねじ頭部２６２とねじ胴部２６４から構成されている。ねじ頭部２６２は約２ｍｍの高さを有し、その内部には一対の噴射流路２６９がシャワー板２５０の下面２５６に対して±４５度の角度でそれぞれ形成されている。各噴射流路２６９は、後述する流路２６８から分岐しており、例えば、０．１ｍｍ径を有する。噴射流路２６９は反応ガスの均一な噴射を達成するためにこのように傾斜されており、この目的が達成される限り、その角度及び個数は問わない。
【００７１】
本発明者らの実験によれば、シャワー板２５０の下面２５６に対して９０度に（即ち、垂直に）設定された一の噴射流路２６９は処理室１０２内において均一な噴射を成功裡に達成しなかったので図１６に示すように傾斜していることが好ましい。流路２６８は、例えば、１ｍｍ径を有し、誘電板２４０の下面２４１とシャワー板２５０との間に形成された空隙部（流路）２４２に接続されている。ナット２６６は、ねじ胴部２６４の端部と係合し、誘電板２４０の凹部２４６に収納される。
【００７２】
流路２４２はプラズマが発生を抑制する薄い空間であることが好ましい。プラズマの発生を抑制するのに必要な厚さは、圧力によって変化し、例えば、圧力１０Ｔｏｒｒの下では厚さは約０．５ｍｍに設定される。また、この場合、シャワー板２５０下の処理室１０２の処理空間は約５０ｍＴｏｒｒに設定される。このように流路２４２と処理空間との間に圧力差を設けて反応ガスを所定の速度で導入している。
【００７３】
本実施例のシャワー板２５０によれば、反応ガスは流路２４２でプラズマを発生せずに処理空間に均一且つ流量制御良く導入される。流量制御は、空隙部２４２と処理空間との間に圧力差、噴射流路２６９の数、角度、大きさなどにより行うことができる。例えば、ノズル２５３に詰め物をしてその詰め物の表面を介して反応ガスを噴射することも考えられる。しかし、かかる構造では詰め物とノズルとの間隔を制御するのが困難で、詰め物が取れたり、詰め物が完全にノズルを塞いだりするため、正確な流量制御が難しい。従って、本実施例のシャワー板２５０は、このような構造に比べて優れている。
【００７４】
次に、本実施例のクラスターツール３００について、図２０を参照して説明する。ここで、図２０は、図１に示すプラズマ処理装置１００に接続可能なクラスターツール３００の構造を示す概略平面図である。上述したように、被処理体Ｗの温度制御はサセプタ１０４によって行うことができる（なお、以下、サセプタ１０４は特に断らない限りサセプタのその他の変形例を総括しているものとする）。しかし、積層成膜処理において、例えば、被処理体Ｗを常温からサセプタ１０４により約２５０℃乃至約３５０℃まで加熱するには時間がかかり、不便且つ不経済である。そこで、本実施例のクラスターツール３００は、被処理体Ｗを処理室１０２に導入する前に被処理体Ｗを加熱しておき、プロセスの迅速な開始を達成しようとするものである。同様に、プロセス終了後に約２５０℃乃至約３５０℃から常温に戻すには時間がかかるため、本実施例のクラスターツール３００は、被処理体Ｗを処理室１０２から導出した後に被処理体Ｗを冷却し、次段のプロセス（イオン注入やエッチングなど）の迅速な開始を達成しようとするものである。
【００７５】
図２０に簡略的に示すように、本発明のクラスターツール３００は、搬送部３２０と、予備加熱部３４０と、予備冷却部３６０と、その他のロードロック（Ｌ/Ｌ）室３８０とを有している。なお、図２０では、処理室１０２と同様の２つの処理室１０２Ａ、１０２Ｂを示しているが、その数は所望の数に変更することができる。予備加熱部３４０や予備冷却部３６０は、ロードロック室（処理室を待機中に開放しないで被処理体の取り入れと取り出しを可能にする真空室）内に形成されている。
【００７６】
搬送部３２０は、被処理体Ｗを支持する搬送アームと、搬送アームを回転する回転機構とを含んでいる。予備加熱部３４０は、ランプなどのヒータを有して被処理体Ｗがいずれかの処理室１０２Ａ又は１０２Ｂに導入される前に、処理温度付近までこれを加熱する。また、予備冷却部３４０は、冷媒により冷却されている冷却室を有して処理室１０２Ａ又は１０２Ｂから導入された被処理体Ｗを次段の装置（イオン注入装置やエッチャーなど）に搬送する前に常温まで冷却する。なお、好ましくは、クラスターツール３００は、図示しない回転角検出センサと、温度センサと、一又は複数の制御部と、制御プログラムを格納しているメモリとを更に有して搬送部３２０の回転制御、予備加熱部３４０及び予備冷却部３６０の温度制御を行う。かかるセンサ、制御方法及び制御プログラムは当業界で周知のいかなるものをも適用することができるので、ここでは詳しい説明は省略する。また、制御部は、プラズマ処理装置１００の図示しない制御部が兼ねてもよい。搬送部３２０の搬送アームは被処理体Ｗを図１に示すゲートバルブ１０１を介して処理室１０２に導入する。
【００７７】
次に、以上のように構成された本実施例のマイクロ波プラズマ処理装置１００の動作について説明する。まず、図２０に示す搬送部３２０の搬送アームが被処理体Ｗを処理室１０２に導入する。ここで、処理室１０２（図２０においてはいずれかの処理室１０２Ａ又は１０２Ｂ。以下、単に「処理室１０２」という。）では被処理体にプラズマＣＶＤ処理を施すとすると、クラスターツール３００の図示しない制御部が、被処理体Ｗを処理室１０２に導入する前に、被処理体Ｗを例えば、３００℃付近まで加熱するために、搬送部３２０に被処理体Ｗを予備加熱部３４０に搬送するように命令する。
【００７８】
例えば、クラスターツール３００は処理室１０２Ａでシリコン基板にシリコン酸化膜をプラズマ処理により形成し、処理室１０２Ｂでシリコン酸化膜の形成されたシリコン基板上に窒素を導入してシリコン酸化膜の表面をプラズマ処理してシリコン窒化膜を形成することができる。処理室１０２Ａにおけるプラズマシリコン酸化膜用の反応ガス系は、典型的には、ＳｉＨ４−Ｎ２Ｏ系であるがＳｉＨ４の代わりにＴＥＯＳ（ｔｅｔｒａｅｔｈｙｌｏｒｔｈｏｓｉｌｉｃａｔｅ）、ＴＭＣＴＳ（ｔｅｔｒａｍｅｔｈｙｌｃｙｃｌｏｔｅｔｒａｓｉｌｏｘａｎｅ）、ＤＡＤＢＳ（ｄｉａｃｅｔｏｘｙｄｉｔｅｒｔｉａｒｙｂｕｔｏｘｙｓｉｌａｎｅ）等を利用してもよい。処理室１０２Ｂにおけるプラズマ表面窒化用の反応ガス系は、典型的には、ＳｉＨ４−ＮＨ３系であるが、ＳｉＨ４の代わりにＳｉ２Ｆ６、ＮＦ３、ＳｉＦ４なども使用することができる。
【００７９】
これに応答して、搬送部３２０は予備加熱部３４０に被処理体Ｗを導入して加熱する。クラスターツール３００の図示しない温度センサが被処理体Ｗの温度が３００℃付近まで過熱されたことを検出すると、かかる検出結果に応答してクラスターツール３００の図示しない制御部は搬送部１７２に被処理体Ｗを予備加熱部３４０から導出してゲートバルブ１０１から処理室１０２に導入する。被処理体Ｗを支持した搬送部３２０の搬送アームがサセプタ１０４の上部に到着すると、リフタピン昇降系がサセプタ１０４から（例えば、３本の）図示しないリフタピンを突出させて被処理体Ｗを支持する。この結果、被処理体Ｗの支持は、搬送アームからリフタピンに移行するので、搬送部３２０は搬送アームをゲートバルブ１０１より帰還させる。その後、ゲートバルブ１０１は閉口される。搬送部３２０は搬送アームをその後図示しないホームポジションに移動させてもよい。
【００８０】
一方、リフタピン昇降系は、その後、図示しないリフタピンをサセプタ１０４の中に戻し、これによって被処理体Ｗをサセプタ１０４の所定の位置に配置する。図示しないベローズは昇降動作中処理室１０２の減圧環境を維持すると共に処理室１０２内の雰囲気が外部に流出するのを防止する。サセプタ１０４はその後、被処理体Ｗを３００℃まで加熱するが、既に被処理体Ｗは予熱されているのでプロセス準備が完了するまでの時間は短くて済む。より詳細には、図２に示す制御装置１９１がヒータ装置１９８を制御してサセプタ１０４の温度が３００℃にする。
【００８１】
次に、高真空ポンプ１０６が図示しない圧力調整バルブを介して処理室１０２の圧力を、例えば、５０ｍＴｏｒｒに維持する。また、図１においては、バルブ１５１及び１５３が開口されて真空ポンプ１５２及び１５４がガス供給リング１４０及び１７０を排気する。代替的に、図７に示すバルブ１８１が開口されて高真空ポンプ１０６がバイアスライン１８２及び１８４を介してガス供給リング１４０及び１７０を排気する。この結果、ガス供給リング１４０及び１７０に残留する水分など十分に排気可能となる。
【００８２】
また、サセプタ昇降系が予め設定されたプロセスポジションにサセプタ１０４と被処理体Ｗをホームポジションから移動させる。図示しないベローズは昇降動作中処理室１０２の減圧環境を維持すると共に処理室１０２内の雰囲気が外部に流出するのを防止する。その後、図１に示すバルブ１５１及び１５３又は図７に示すバルブ１８１は閉口される。
【００８３】
次いで、バルブ１３２及び１６２が開口され、マスフローコントローラ１３４及び１６４を介してガス供給リング１４０及び１７０からＮＨ３とヘリウム、窒素及び水素の混合ガスとをそれぞれ処理室１０２に導入する。図１に示すバルブ１５１及び１５３又は図７に示すバルブ１８１は閉口されるので、真空ポンプ１５２及び１５４又は１０６がガス供給系１３０及び１６０からのガスが処理室１０２に導入されることを妨げることはない。
【００８４】
図１５のシャワー板２５０が使用される場合には、処理室１０２内を所定の処理圧力、例えば、５０ｍＴｏｒｒに維持してガス供給路１３６から導入口２４１を介して、例えば、ヘリウム、窒素及び水素の混合ガスにＮＨ３を更に混合した一以上の反応ガスを誘電板２４０に導入する。その後、ガスは、図１６に示す空隙部２４２を通って凹部２４６から噴出部材２６０の流路２６８及び２６９を介して処理室１０２に導入される。ガスは空隙部２４２ではプラズマ化せずに流量制御良く安定かつ均一な密度で処理室１０２に導入される。
【００８５】
処理室１０２の処理空間の温度は３００℃程度になるようにより調整される。一方、マイクロ波源１１０からのマイクロ波を図示しない矩形導波管や同軸導波管などを介してアンテナ部材１２０の遅波材１２４に、例えば、ＴＥＭモードなどで導入する。遅波材１２４を通過したマイクロ波はその波長が短縮されてスロット電極２００に入射し、スリット２１０から処理室１０２に誘電板２３０を介して導入される。遅波材１２４とスロット電極２００は温度制御されているので、熱膨張などによる変形はなく、スロット電極２００は最適なスリット長さを維持することができる。これによってマイクロ波は、均一に（即ち、部分的集中なしに）かつ全体として所望の密度で（即ち、密度の低下なしに）処理室１０２に導入される。
【００８６】
その後、マイクロ波は、反応ガスをプラズマ化して積層成膜処理を行う。バッフル板が使用される場合には、バッフル板は処理空間の電位及び真空度を維持して処理空間からマイクロ波が逃げるのを防止する。これにより、所望のプロセス速度を維持することができる。
【００８７】
継続的使用により、サセプタ１０４の温度が所望の設定温度よりも高くなれば制御装置１９１はサセプタ１０４を冷却する。同様に、処理開始時や過冷却によりサセプタ１０４の温度が設定温度よりも低くなれば制御装置１９１はサセプタ１０４を加熱する。
【００８８】
成膜処理は、予め設定された所定時間（例えば、約２分）だけ行われてその後、被処理体Ｗは上述したのと逆の手順によりゲートバルブ１０１から処理室１０２の外へクラスターツール３００の搬送部３２０により導出される。導出時に図示しない昇降装置は、サセプタ１０４と被処理体Ｗを搬送部３２０との接続位置に戻す。ここで、「約２分」としたのは積層窒化膜の形成に一般的な必要なプラズマＣＶＤ処理時間だからである。たとえ、温度調節装置１９０が温度を約２５０℃乃至約３５０℃に設定しても長時間成膜処理は温度を３５０℃以上に設定したのと同様の問題を引き起こす場合があるからである。また、短時間であれば被処理体Ｗから生成された半導体はリーク電流を効果的に防止できない場合があるからである。
【００８９】
処理室１０２には所望の密度のマイクロ波が均一に供給されるので被処理体Ｗにはシリコン酸化膜とシリコン窒化膜が所定の厚さで形成される。また、処理室１０２の温度は水分などがウェハＷに混入することのない温度に維持されるので所望の成膜品質を維持することができる。処理室１０２から導出された被処理体Ｗはまず予備冷却部３６０は導入されて常温まで短時間で冷却される。次いで、必要があれば、搬送部３２０は、被処理体Ｗを次段のイオン注入装置などに搬送する。
【００９０】
以上、本発明の好ましい実施例を説明したが、本発明はその要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。例えば、本発明のマイクロ波プラズマ処理装置１００は電子サイクロトロン共鳴の利用を妨げるものではないため、所定の磁場を発生させるコイルなどを有してもよい。また、本実施例のマイクロ波プラズマ処理装置１００はプラズマＣＶＤ装置として説明されているが、マイクロ波プラズマ処理装置１００は被処理体Ｗをエッチングしたりクリーニングしたりする場合にも使用することができることはいうまでもない。また、本発明は、ＲＬＳＡ方式のプラズマ装置だけでなくグロー放電を利用した平行平板型プラズマ装置への適用を妨げるものではない。
【図面の簡単な説明】
【００９１】
【図１】本実施例の例示的一態様としてのマイクロ波プラズマ処理装置の構造を示す概略ブロック図である。
【図２】図１に示すプラズマ処理装置の温度調節装置のより詳細な構造を示すブロック図である。
【図３】図１に示すプラズマ処理装置により高温で被処理体Ｗに積層構造を形成する場合の深さ方向の窒素分布を示すグラフである。
【図４】図１に示すプラズマ処理装置により適温で被処理体Ｗに積層構造を形成する場合の深さ方向の窒素分布を示すグラフである。
【図５】シリコン窒化膜中の欠陥濃度の温度分布である。
【図６】図１に示すプラズマ処理装置に適用可能なガス供給リングの平面図である。
【図７】図１の変形例を示す概略断面図である。
【図８】図１に示すプラズマ処理装置のスロット電極に適用可能な例示的な構造を示す平面図である。
【図９】図１に示すプラズマ処理装置のスロット電極に適用可能な例示的な別の構造を示す平面図である。
【図１０】図１に示すプラズマ処理装置のスロット電極に適用可能な例示的な更に別の構造を示す平面図である。
【図１１】図１に示すプラズマ処理装置のスロット電極に適用可能な例示的な更に別の構造を示す平面図である。
【図１２】図１に示すプラズマ処理装置の誘電板の厚みとマイクロ波の透過電力との関係を示すグラフである。
【図１３】図１に示すプラズマ処理装置の誘電板の厚みと誘電板からの元素脱離量（スパッタ率）との関係を示すグラフである。
【図１４】図７に示すシャワー板のノズル付近の拡大断面図である。
【図１５】図１に示す給排気系の変形例を示す概略断面図である。
【図１６】図１５に示す給排気系のシャワー板のノズル付近の拡大断面図である。
【図１７】図１６に示すシャワー板に取り付けられる噴出部材の変形例の構造を示す概略断面図である。
【図１８】図１６に示すシャワー板に取り付けられる噴出部材の別の変形例の構造を示す概略断面図である。
【図１９】図１６に示すシャワー板に取り付けられる噴出部材の別の変形例の構造を示す概略断面図である。
【図２０】図１に示すプラズマ処理装置に接続可能なクラスターツールの構造を示す概略平面図である。
【符号の説明】
【００９２】
１００          プラズマ処理装置
１０２          処理室
１０２Ａ        処理室
１０２Ｂ        処理室
１０４          サセプタ
１０６          高真空ポンプ
１１０          マイクロ波源
１２０          アンテナ部材
１３０          （反応）ガス供給系
１４０          ガス供給リング
１５１          バルブ
１５２          真空ポンプ
１５３          バルブ
１５４          真空ポンプ
１６０          （放電）ガス供給系
１７０          ガス供給リング
１８２          バイパスライン
１８４          バイパスライン
１９０          温度制御装置
１９１          制御装置
１９２          冷却ジャケット
１９８          ヒータ装置
２００          スロット電極
２３０          誘電板
３００          クラスターツール
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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