(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上にマイクロ波プラズマＣＶＤにより成膜された窒化珪素膜の処理方法であって、
前記窒化珪素膜に、水素ガス、または水素ガスおよび不活性ガスをマイクロ波により励起することにより生成された、イオンエネルギーが前記窒化珪素膜のＳｉ−Ｎ結合エネルギーより小さいマイクロ波水素プラズマを照射して、前記マイクロ波水素プラズマ中の原子状水素により前記窒化珪素膜の表面部分のＳｉ−Ｈ結合からＳｉ−Ｎ結合を破壊することなく水素をＨ２として除去し、該表面部分を水素含有量の少ない状態に改質することを特徴とする窒化珪素膜の処理方法。
【請求項２】
前記マイクロ波水素プラズマを照射する際の処理温度は、２００〜５００℃であることを特徴とする請求項１に記載の窒化珪素膜の処理方法。
【請求項３】
前記マイクロ波水素プラズマを照射する際の処理圧力は、１０〜１００Ｐａであることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の窒化珪素膜の処理方法。
【請求項４】
前記窒化珪素膜の表面部分の改質部分の深さが、１０ｎｍ以上であ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項に記載の窒化珪素膜の処理方法。
【請求項５】
前記マイクロ波水素プラズマの照射は、ＲＬＳＡ（登録商標）マイクロ波プラズマ処理装置により行われることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の窒化珪素膜の処理方法。
【請求項６】
基板上にマイクロ波プラズマＣＶＤにより窒化珪素膜を成膜する第１工程と、
成膜された前記窒化珪素膜に請求項１から請求項４のいずれか１項に記載された処理を施す第２工程と
を有することを特徴とする窒化珪素膜の形成方法。
【請求項７】
前記第１工程と前記第２工程は、同一のマイクロ波プラズマ処理装置内で連続して行われることを特徴とする請求項６に記載の窒化珪素膜の形成方法。
【請求項８】
前記マイクロ波プラズマ処理装置は、ＲＬＳＡ（登録商標）マイクロ波プラズマ処理装置であることを特徴とする請求項７に記載の窒化珪素膜の形成方法。
【請求項９】
前記第１工程と前記第２工程とを同じ処理温度で行うことを特徴とする請求項７または請求項８に記載の窒化珪素膜の形成方法。
【請求項１０】
前記第１工程の処理温度は、２００〜５００℃であることを特徴とする請求項６から請求項９のいずれか１項に記載の窒化珪素膜の形成方法。
【請求項１１】
前記第１工程の処理圧力は、１０〜１００Ｐａであることを特徴とする請求項６から請求項１０のいずれか１項に記載の窒化珪素膜の形成方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、窒化珪素膜の処理方法および窒化珪素膜の形成方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体集積回路装置においては、絶縁膜や保護膜等として窒化珪素膜が多用されている。このような窒化珪素膜の製造方法として、モノシラン（ＳｉＨ４）、ジシラン（Ｓｉ２Ｈ６）などのシリコン原料ガスと、窒素ガスやアンモニア等の窒素含有ガスとを使用したプラズマＣＶＤ法が知られている。
【０００３】
ところで、プラズマＣＶＤにより成膜された窒化珪素膜は、膜中に水素が含まれていることが知られており（例えば非特許文献１）、膜中に含まれる水素により、熱により形成されたＳｉＮ膜よりも膜特性が低いものとなる。このため、特許文献１には、マイクロ波励起プラズマを用い、処理温度、処理ガスの組成比、マイクロ波パワー、処理圧力を特定範囲に規定したプラズマＣＶＤにより窒化珪素膜を成膜することにより、膜中の水素量を低減する技術が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００９−２４６１２９号公報
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】富士電機技報  Ｖｏｌ．７８  Ｎｏ．４（２００５）  ６４〜６７ページ
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
近時、ＬＳＩの高集積化、高性能化にともない、プラズマＣＶＤにより窒化珪素膜を成膜する際に、より低温でのプロセスが求められている。しかし、低温で成膜を行うと、成膜条件を調整しただけでは、膜中の水素を十分に低減することができず、所望の特性を満たすことが困難となる。例えば、ハードマスクとして用いられる窒化珪素膜を低温プロセスで成膜することが要求されているが、低温で成膜すると、ハードマスクに求められる、ウエットエッチングやドライエッチングの際の高い耐性（エッチング選択性）を得ることが困難となる。
【０００７】
したがって、本発明は、低温でのＣＶＤにより成膜された窒化珪素膜であっても所望の特性となるように改質することができる窒化珪素膜の処理方法、および窒化珪素膜の形成方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するため、本発明の第１の観点は、基板上にマイクロ波プラズマＣＶＤにより成膜された窒化珪素膜の処理方法であって、前記窒化珪素膜に、水素ガス、または水素ガスおよび不活性ガスをマイクロ波により励起することにより生成された、イオンエネルギーが前記窒化珪素膜のＳｉ−Ｎ結合エネルギーより小さいマイクロ波水素プラズマを照射して、前記マイクロ波水素プラズマ中の原子状水素により前記窒化珪素膜の表面部分のＳｉ−Ｈ結合からＳｉ−Ｎ結合を破壊することなく水素をＨ２として除去し、該表面部分を水素含有量の少ない状態に改質することを特徴とする窒化珪素膜の処理方法を提供する。
【００１０】
上記第１の観点において、前記マイクロ波水素プラズマを照射する際の処理温度は、２００〜５００℃であることが好ましい。前記マイクロ波水素プラズマを照射する際の処理圧力は、１０〜１００Ｐａであることが好ましい。前記窒化珪素膜の表面部分の改質部分の深さが、１０ｎｍ以上であることが好ましい。
【００１１】
前記マイクロ波水素プラズマの照射は、ＲＬＳＡ（登録商標）マイクロ波プラズマ処理装置により行われることが好ましい。
【００１２】
本発明の第２の観点は、基板上にマイクロ波プラズマＣＶＤにより窒化珪素膜を成膜する第１工程と、成膜された前記窒化珪素膜に上記第１の観点の窒化珪素膜の処理方法に記載された処理を施す第２工程とを有することを特徴とする窒化珪素膜の形成方法を提供する。
【００１３】
上記第２の観点において、前記第１工程と前記第２工程は、同一のマイクロ波プラズマ処理装置内で連続して行われることが好ましい。この場合に、前記マイクロ波プラズマ処理装置は、ＲＬＳＡ（登録商標）マイクロ波プラズマ処理装置を好適に用いることができる。前記第１工程と前記第２工程とを同じ処理温度で行うことが好ましい。
【００１４】
前記第１工程の処理温度は、２００〜５００℃であることが好ましい。また、前記第１工程の処理圧力は、１０〜１００Ｐａであることが好ましい。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、窒化珪素膜にマイクロ波水素プラズマを照射して、マイクロ波プラズマ中の原子状水素により窒化珪素膜の表面部分の水素を除去し、該表面部分を改質するので、所望の特性、例えばウエットエッチングおよびドライエッチングに対する高い選択性を有する窒化珪素膜を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の原理を説明するための図である。
【図２】マイクロ波プラズマのイオンエネルギーを誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）と比較して示す図である。
【図３】窒化珪素の形成方法の一実施形態を示すフローチャートである。
【図４】本発明に適用可能なマイクロ波プラズマ処理装置の一例を示す図である。
【図５】実験例におけるサンプルＡおよびサンプルＢの深さ方向の各元素の濃度および密度を示す図である。
【図６】サンプルＡおよびサンプルＢのウエットエッチング深さとエッチングレートを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、添付図面を参照して本発明の実施の形態について詳細に説明する。
【００１８】
＜ＳｉＮ膜の処理方法＞
最初に、窒化珪素膜の処理方法の実施形態について説明する。
プラズマＣＶＤにより窒化珪素膜（以下ＳｉＮ膜と表記する）を成膜する場合、通常、シリコン原料ガスとしてＳｉＨ４ガス等のシラン系ガスが用いられ、原料中に水素が含まれている。また、窒素含有ガスとして、水素を含むＮＨ３ガスが用いられることもある。このため、プラズマＣＶＤにより成膜されたＳｉＮ膜は、膜中に不可避的に水素（Ｈ）が含まれる。
【００１９】
上述したように、近時、ＬＳＩの高集積化、高性能化にともない、ＳｉＮ膜をより低温で成膜することが指向されており、それにともなって膜中の水素含有量がより多くなって、膜特性が低下してしまう。特に、ハードマスクの用途では、ハードマスクに求められる、ウエットエッチングやドライエッチングの際の高い耐性（エッチング選択性）を得ることが困難となる。そして、低温成膜によりＳｉＮ膜中の水素含有量が多くなると、特許文献１のように成膜の際の条件を調整しただけでは、エッチング選択性等の所望の特性を得ることが困難となる。
【００２０】
そこで、本実施形態では、基板の表面にプラズマＣＶＤにより成膜されたＳｉＮ膜に対し、マイクロ波水素プラズマを照射して、プラズマ中の原子状水素（水素ラジカル）によりＳｉＮ膜表面部分の水素（Ｈ）を除去し、改質する。
【００２１】
なお、マイクロ波水素プラズマは、水素ガス（Ｈ２ガス）のみ、またはＨ２ガスを希ガス（例えばＡｒガス）で希釈した混合ガスを、マイクロ波により励起したプラズマである。
【００２２】
次に、その際のメカニズムを図１に示す。図１中、１０１は基板であり、１０２はプラズマＣＶＤにより成膜されたＳｉＮ膜である。ＳｉＮ膜１０２にマイクロ波水素プラズマを照射する場合、マイクロ波プラズマは、電子温度が低いが高電子密度のプラズマであるため、マイクロ波で励起された水素プラズマ中には、多量の原子状水素（水素ラジカル；Ｈ＊）を含み、プラズマのイオンエネルギーを低い状態とすることができ、その値をＳｉ−Ｎ結合よりも低くすることができる。したがって、マイクロ波水素プラズマをＳｉＮ膜に照射することにより、ＳｉＮ膜の表面部分において、Ｓｉ−Ｎ結合を破壊することなく、主にプラズマ中のＨ＊によって、膜中のＳｉ−Ｈ結合からＨをＨ２として除去することができる。これにより、ＳｉＮ膜の表面部分が水素含有量の少ない状態に改質され、密度も高くなる。このようにＳｉＮ膜の表面が改質されることにより、低温成膜で成膜されたＳｉＮ膜であっても、所望の特性（例えばウエットエッチングおよびドライエッチングに対する高い選択性）を有するものとすることができる。
【００２３】
このときの表面改質部分の厚さは、１０ｎｍ以上が好ましい。この範囲で、ウエットエッチングおよびドライエッチングに対する高い選択性を確保することが可能となる。また、特に上限はないが、３０ｎｍ程度までが現実的である。
【００２４】
高密度プラズマとして誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）が知られているが、ＩＣＰのイオンエネルギーはＳｉ−Ｎ結合よりも大きく、ＳｉＮ膜のＳｉ−Ｎ結合を破壊することなく膜中のＨを除去することは困難である。
【００２５】
この点について図２に示す。図２は、マイクロ波プラズマとＩＣＰのイオンエネルギーを比較したものである。なお、図２では、横軸は圧力を示し、縦軸はラングミュアープローブにより測定した電子温度から換算したイオンエネルギーを示している。
【００２６】
図２に示すように、ＩＣＰの場合はイオンエネルギーが約６ｅＶであり、Ｓｉ−Ｎ結合の３．５ｅＶよりも高いのに対し、マイクロ波プラズマの場合には、圧力を調整することにより、イオンエネルギーをＳｉ−Ｎ結合の３．５ｅＶよりも小さくできることがわかる。
【００２７】
従来は、水素プラズマは、主に還元処理に用いられていたが、本実施形態のマイクロ波水素プラズマ処理は、還元処理ではなく、プラズマ中のＨ＊を利用して、ＳｉＮ膜中に存在する結合Ｈをスカベンジして改質するものであり、従来にはない新しい発想に基づくものである。
【００２８】
マイクロ波水素プラズマは、基板を収容するチャンバー（処理容器）の上方に、スロットを有する平面アンテナを設け、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およびチャンバーの天壁を構成する誘電体窓を介してチャンバーに導入し、誘電体窓の直下に表面波プラズマを生成する方式のＲＬＳＡ（登録商標）マイクロ波プラズマ処理装置により生成することが好適である。
【００２９】
ＲＬＳＡ（登録商標）マイクロ波プラズマ処理装置により生成される表面波プラズマにおいては、マイクロ波が表面波として誘電体窓直下にのみ広がり、その領域でプラズマ中の電子が加速されるが、基板を表面波が存在する領域よりも下方に位置することにより、基板位置では電子の加速は行われず低電子温度のプラズマを実現することができる。また、基板を表面波領域の近くに配置することができるので、高プラズマ密度での処理が可能である。
【００３０】
本実施形態において、水素プラズマを生成するために導入するガスは、上述したように、１００％Ｈ２ガスであってもよいが、Ａｒガス等の希ガスを混合してもよく、その場合の希ガスの割合は９０％（ｍｏｌ％）以下であることが好ましい。希ガスとしては、Ａｒの他、Ｋｒ、Ｈｅ、Ｎｅ、Ｘｅを用いることができる。
【００３１】
マイクロ波水素プラズマ処理を行う際の基板の温度は２００〜５００℃が好ましい。また、処理圧力は、１０〜１００Ｐａ（７５〜７５０ｍＴｏｒｒ）であることが好ましい。これは、イオンエネルギーを対象膜の結合エネルギーよりも小さくする観点から処理圧力が低いほうが好ましく、また、ＳｉＮ膜の成膜処理に引き続いて同じ条件でマイクロ波水素プラズマ処理を行うことを考慮した場合に、処理圧力が１００Ｐａ程度になると成膜に適したプラズマを生成することが困難になるためである。さらに、マイクロ波のパワー密度は、０．０１〜０．０４Ｗ／ｃｍ２の範囲が好ましい。さらにまた、処理時間は、パワー密度にもよるが、１５〜３００ｓｅｃ程度が好ましい。
【００３２】
＜ＳｉＮ膜の形成方法＞
次に、ＳｉＮ膜の形成方法の実施形態について説明する。
上記ＳｉＮ膜の処理方法は、プラズマＣＶＤにより成膜した後のＳｉＮ膜をマイクロ波水素プラズマにより処理して膜中の水素を除去するものであるが、マイクロ波プラズマは、低電子温度で高密度のプラズマであり、ラジカル反応により低温でＳｉＮ膜を成膜することができる。
【００３３】
このため、本実施形態では、図３に示すように、マイクロ波プラズマによるプラズマＣＶＤにより基板上にＳｉＮ膜を成膜し（ステップ１）、次いで、このように成膜したＳｉＮ膜に、上述したようにマイクロ波水素プラズマを照射してＳｉＮ膜の表面改質を行い（ステップ２）、所望の特性のＳｉＮ膜を形成する。
【００３４】
ＳｉＮ膜の成膜は、マイクロ波プラズマにより、モノシラン（ＳｉＨ４）、ジシラン（Ｓｉ２Ｈ６）等のシリコン原料ガス、および窒素ガスやアンモニアガス等の窒素含有ガスを励起させ、これらを基板上で反応させることにより行われる。プラズマ生成ガスとして、Ａｒガス等の希ガスを用いてもよい。希ガスとしては、Ａｒの他、Ｋｒ、Ｈｅ、Ｎｅ、Ｘｅを用いることができる。
【００３５】
マイクロ波プラズマは、上述したように、低電子温度で高電子密度のプラズマであるから、ステップ１のＳｉＮ膜の成膜をマイクロ波プラズマによるプラズマＣＶＤで行うことにより、低温で良好な膜質のＳｉＮ膜を成膜することができる。しかし、マイクロ波プラズマによるプラズマＣＶＤによる成膜でも、低温での成膜ではＳｉＮ膜中のＨ含有量が多くなり、エッチング選択性等の特性が低下してしまう。このため、ステップ１のＳｉＮ成膜の後、ステップ２として、上述したマイクロ波水素プラズマの照射による表面改質を行う。
【００３６】
このように、ステップ１のＳｉＮ膜の成膜およびステップ２の表面改質を、いずれもマイクロ波プラズマを用いて行うことにより、これらを同じ装置で連続して行うことができる。特に、これらの工程を上述したＲＬＳＡ（登録商標）マイクロ波プラズマ処理装置で行うことが好ましい。
【００３７】
ステップ１のＳｉＮ膜の成膜の際の基板の温度および処理圧力は、マイクロ波水素プラズマによる表面改質と同様、２００〜５００℃、１０〜１００Ｐａ（７５〜７５０ｍＴｏｒｒ）であることが好ましい。ステップ１のＳｉＮ膜の成膜およびステップ２の表面改質は同じ温度で行うことが好ましい。
【００３８】
＜マイクロ波プラズマ処理装置＞
次に、以上のＳｉＮ膜の処理方法またはＳｉＮ膜の形成方法に好適なマイクロ波プラズマ処理装置の一例について説明する。
図４は、本発明の実施形態に係るＳｉＮ膜の処理方法またはＳｉＮ膜の形成方法に好適なマイクロ波プラズマ処理装置を示す断面図である。図４のマイクロ波プラズマ処理装置は、ＲＬＳＡ（登録商標）マイクロ波プラズマ処理装置として構成されている。
【００３９】
図４に示すように、マイクロ波プラズマ処理装置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。
【００４０】
チャンバー１内には基板、例えば半導体ウエハ（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ー５が埋め込まれており、このヒーター５はヒーター電源６から給電されることによりサセプタ２を加熱しウエハＷを加熱する。また、サセプタ２は電極７が埋め込まれており、電極７には整合器８を介してバイアス印加用の高周波電源９が接続されている。
【００４１】
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。
【００４２】
チャンバー１の側壁には環状をなすガス導入部１５が設けられており、このガス導入部１５には均等にガス放射孔１５ａが形成されている。このガス導入部１５にはガス供給機構１６が接続されている。
【００４３】
ガス供給機構１６は、プラズマ生成ガスとして用いられるＡｒガス等の希ガスを供給する希ガス供給源、Ｈ２ガスを供給するＨ２ガス供給源、モノシラン（ＳｉＨ４）、ジシラン（Ｓｉ２Ｈ６）等のシリコン原料ガスを供給するシリコン原料ガス供給源、および窒素ガスやアンモニア等の窒素含有ガスを供給する窒素含有ガス供給源を有する。これらのガスは、別個の配管によりマスフローコントローラ等の流量制御器により独立に流量制御され、ガス導入部１５へ供給される。なお、プラズマ処理装置１００での処理がＳｉＮ膜の表面改質処理だけの場合は、ガス供給機構１６は、Ｈ２ガス供給源および希ガス供給源を有していればよい。
【００４４】
なお、ガス導入部１５よりも下方に、例えばシャワープレート等の別のガス導入部を設け、シリコン原料ガス等のプラズマにより完全に解離されないほうが好ましいガスを別のガス導入部から、よりウエハＷに近い電子温度がより低い領域に供給してもよい。
【００４５】
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には真空ポンプや自動圧力制御バルブ等を含む排気機構２４が接続されている。排気機構２４の真空ポンプ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、自動圧力制御バルブによりチャンバー１内を所定の真空度に制御可能となっている。
【００４６】
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。
【００４７】
チャンバー１の上部は開口部となっており、その開口部の周縁部がリング状の支持部２７となっている。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る円板状のマイクロ波透過板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。
【００４８】
マイクロ波透過板２８の上方には、マイクロ波透過板２８に対応する円板状をなす平面アンテナ３１がマイクロ波透過板２８に密着するように設けられている。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は導電性材料からなる円板で構成されている。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。パターンの例としては、Ｔ字状に配置された２つのマイクロ波放射孔３２を一対として複数対のマイクロ波放射孔３２が同心円状に配置されているものを挙げることができる。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は、それらの間隔がλg／４、λg／２またはλgとなるように配置される。なお、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。
【００４９】
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誘電体、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が密着して設けられている。遅波材３３はマイクロ波の波長を真空中より短くして平面アンテナ３１を小さくする機能を有している。遅波材３３は、その厚さによりマイクロ波の位相を調整することができ、平面アンテナ３１の接合部が定在波の「はら」になるように厚さを調整することにより、マイクロ波の放射エネルギーが最大となるようにすることができる。
【００５０】
なお、平面アンテナ３１とマイクロ波透過板２８との間、また、遅波材３３と平面アンテナ３１との間は、それぞれ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。
【００５１】
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。
【００５２】
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、８６０ＭＨｚ、９１５ＭＨｚ等、種々の周波数を用いることができる。
【００５３】
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。
【００５４】
マイクロ波プラズマ処理装置１００は制御部５０を有している。制御部５０は、マイクロ波プラズマ処理装置１００の各構成部、例えばマイクロ波発生装置３９、ヒーター電源６、高周波電源９、排気機構２４、ガス供給機構１６のバルブや流量制御器等を制御するＣＰＵ（コンピュータ）を有する主制御部と、入力装置（キーボード、マウス等）、出力装置（プリンタ等）、表示装置（ディスプレイ等）、記憶装置（記憶媒体）を有している。制御部５０の主制御部は、例えば、記憶装置に内蔵された記憶媒体、または記憶装置にセットされた記憶媒体に記憶された処理レシピに基づいて、マイクロ波プラズマ処理装置１００に、所定の動作を実行させる。
【００５５】
次に、このように構成されるマイクロ波プラズマ処理装置１００において、ＳｉＮ膜の成膜とＳｉＮ膜の表面改質処理を連続的に行う場合の動作について説明する。
【００５６】
まず、ゲートバルブ２６を開にして搬入出口２５から窒化処理すべきウエハＷをチャンバー１内に搬入し、サセプタ２上に載置する。
【００５７】
そして、ガス供給機構１６からガス導入部１５を介してチャンバー１内にプラズマ生成ガスである希ガス、例えばＡｒガスを導入し、マイクロ波発生装置３９からの所定のパワーのマイクロ波を、マッチング回路３８を経て導波管３７に導く。マイクロ波は、導波管３７に導かれたマイクロ波は、矩形導波管３７ｂをＴＥモードで伝播される。ＴＥモードのマイクロ波はモード変換器４０でＴＥＭモードにモード変換され、ＴＥＭモードのマイクロ波が同軸導波管３７ａをＴＥＭモードで伝播される。そして、ＴＥＭモードのマイクロ波は、遅波材３３、平面アンテナ３１のスロット３２、およびマイクロ波透過板２８を透過し、チャンバー１内に放射される。マイクロ波は表面波としてマイクロ波透過板２８の直下領域にのみ広がり、表面波プラズマが生成される。そして、プラズマは下方に拡散し、ウエハＷの配置領域では、高電子密度かつ低電子温度のプラズマとなる。
【００５８】
一方、高周波電源９からイオン引き込み用の高周波バイアスをサセプタ２に印加するとともに、さらにガス供給機構１６からガス導入部１５を介して、処理ガスとして、モノシラン（ＳｉＨ４）、ジシラン（Ｓｉ２Ｈ６）等のシリコン原料ガス、および窒素ガスやアンモニアガス等の窒素含有ガスをチャンバー１内に供給する。これら処理ガスは、チャンバー１内のプラズマにより励起され、例えばＳｉＨやＮＨ等の活性種に解離され、これらがウエハＷ上で反応してＳｉＮ膜が成膜される。
【００５９】
なお、シリコン原料ガス等のプラズマにより完全に解離されないほうが好ましいガスを、ガス導入部１５よりも下方に設けられたシャワープレート等の別のガス導入部から、よりウエハＷに近い電子温度の低い領域に導入して解離を抑制するようにしてもよい。
【００６０】
このようにして高電子密度でかつ低電子温度のマイクロ波プラズマによるプラズマＣＶＤによりＳｉＮ膜を成膜することにより、低温でダメージの少ない良質な膜が形成される。
【００６１】
プラズマ生成ガスとしてＡｒガスを用い、Ｓｉ原料ガスとしてＳｉＨ４ガスを用い、窒素含有ガスとしてＮ２ガスを用いたときの好ましい条件は、以下のとおりである。
処理温度（サセプタ２表面の温度）：２００〜５００℃
処理圧力：１０〜１００Ｐａ（７５〜７５０ｍＴｏｒｒ）
Ａｒガス流量：０〜１０００ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）
ＳｉＨ４ガス流量：１０〜２００ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）
Ｎ２ガス流量：１０〜２００ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）
マイクロ波パワー密度：０．０１〜０．０４Ｗ／ｃｍ２
【００６２】
このようにしてＳｉＮ膜を成膜した後、マイクロ波の給電およびガスの供給を停止し、ＳｉＮ膜が形成されたウエハＷをサセプタ２に保持した状態で、チャンバー１内を排気しつつパージガスを供給してチャンバー１内をパージする。
【００６３】
次いで、好ましくは、サセプタ２の温度を同じ温度に維持した状態で、ガス供給機構１６からガス導入部１５を介してチャンバー１内にＨ２ガス、またはＨ２ガスおよびＡｒガス等の希ガスを導入し、マイクロ波発生装置３９からの所定のパワーのマイクロ波を、マッチング回路３８を経て導波管３７に導く。導波管３７に導かれたマイクロ波は、矩形導波管３７ｂをＴＥモードで伝播され、モード変換器４０でＴＥＭモードにモード変換されて、同軸導波管３７ａを伝播される。そして、ＴＥＭモードのマイクロ波は、遅波材３３、平面アンテナ３１のスロット３２、およびマイクロ波透過板２８を透過し、マイクロ波透過板２８の直下領域に表面波プラズマが生成され、そのプラズマがウエハ配置領域に拡散されてウエハにマイクロ波水素プラズマが照射される。
【００６４】
上述したように、マイクロ波プラズマは、電子温度が低いが高電子密度のプラズマであるため、Ｈ２ガスをマイクロ波で励起したマイクロ波水素プラズマは、多量のＨ＊を含む、イオンエネルギーの低いプラズマとして存在する。このため、イオンエネルギーがＳｉ−Ｎ結合よりも低い状態でマイクロ波水素プラズマをＳｉＮ膜に照射することができ、ＳｉＮ膜の表面部分において、Ｓｉ−Ｎ結合を破壊することなく、主にプラズマ中のＨ＊によって、膜中のＳｉ−Ｈ結合からＨがＨ２として除去され、ＳｉＮ膜の表面部分が水素含有量の少ない状態に改質される。これにより、低温成膜で成膜されたＳｉＮ膜であっても、所望の特性（例えばウエットエッチングおよびドライエッチングに対する高い選択性）を有するものとすることができる。
【００６５】
マイクロ波水素プラズマ照射による表面改質処理の好ましい条件は、以下のとおりである。
処理温度（サセプタ２表面の温度）：２００〜５００℃
処理圧力：１０〜１００Ｐａ（７５〜７５０ｍＴｏｒｒ）
Ａｒガス流量：０〜１０００ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）
Ｈ２ガス流量：１００〜１０００ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）
Ａｒガス流量／Ｈ２ガス流量＝０〜０．９
マイクロ波のパワー密度：０．０１〜０．０４Ｗ／ｃｍ２
処理時間：３０〜６００ｓｅｃ
表面改質部分の厚さ：１０ｎｍ以上
【００６６】
以上のように、同一のマイクロ波プラズマ処理装置１００により、ＳｉＮ膜の成膜および表面改質処理を連続して行えるので、高スループットの処理を行うことができる。特に、これらを同じ温度で行うことにより、スループットをより高めることができる。
【００６７】
なお、マイクロ波プラズマ処理装置１００において、予め他の装置でＳｉＮ膜を成膜したウエハＷに、マイクロ波水素プラズマによる表面改質処理のみを行ってもよい。
【００６８】
＜実験例＞
次に、実験例について説明する。
ここでは、シリコンウエハ上にプラズマＣＶＤでＳｉＮ膜を成膜したままのサンプルＡ（Ｈ２プラズマ処理なし）と、ＳｉＮ膜にマイクロ波水素プラズマを照射して表面改質処理を行った後のサンプルＢ（Ｈ２プラズマ処理あり）について、ＳｉＮ膜の深さ方向の各元素の濃度と密度をＲＢＳにより測定した。その結果を図５に示す。
【００６９】
なお、ＳｉＮ膜の成膜条件および表面改質処理の条件は、以下のとおりとした。
（ｉ）ＳｉＮ膜成膜
Ａｒガス流量：６００ｓｃｃｍ
ＳｉＨ４ガス流量：５０ｓｃｃｍ
Ｎ２ガス流量：５０ｓｃｃｍ
マイクロ波パワー密度：０．０２Ｗ／ｃｍ２
処理時間：６０ｓｅｃ
（ii）表面改質処理
処理温度：３２０℃
処理圧力：２０Ｐａ
Ｈ２ガス流量：４００ｓｃｃｍ
時間：３００ｓｅｃ
【００７０】
図５に示すように、成膜したままのサンプルＡ（図５（ａ））に比べて、マイクロ波水素プラズマを照射して表面改質処理を行った後のサンプルＢ（図５（ｂ））のほうが、表面の１０ｎｍ程度の範囲において、Ｈ濃度が低く、Ｓｉ３Ｎ４（Ｎ／Ｓｉ〜１．３）組成に近づいており、かつ密度も高いことがわかる。このことから、マイクロ波水素プラズマ照射により、ＳｉＮ膜の表面の１０ｎｍ程度の範囲において、水素含有量が低く、密度が高い改質層が形成されていることが確認された。
【００７１】
次に、サンプルＡおよびサンプルＢについて、０．５％希フッ酸（ＤＨＦ）にてウエットエッチングを行った。図６に、その際のウエットエッチング深さとウエットエッチングレートとの関係を示す。ここでは、サンプルＢについてウエハの各位置でのエッチングレートを求め、サンプルＡについてはウエハの一箇所のエッチングレートを求めた。この図に示すように、サンプルＢでは、改質層よりも深い、深さ１０ｎｍ以上の部分では、ウエットエッチングレートが０．３〜０．５ｎｍ／ｍｉｎであったが、改質層に対応する深さ１０ｎｍ程度までの部分において、ウエットエッチングレートがほとんど０．１〜０．２ｎｍ／ｍｉｎと急激に低下していることがわかる。これに対して、ＳｉＮ膜を成膜したままのサンプルＡは、全ての深さ部分においてウエットエッチングレートが０．５ｎｍ／ｍｉｎ以上であった。このことから、マイクロ波水素プラズマ照射による表面改質処理により、良好なエッチング選択性が得られることが確認された。
【００７２】
＜他の適用＞
以上、添付図面を参照して本発明の実施形態について説明したが、本発明は、上記の実施の形態に限定されることなく、本発明の思想の範囲内において種々変形可能である。例えば、上記実施形態では、マイクロ波プラズマによるプラズマＣＶＤにより成膜したＳｉＮ膜に表面改質処理を施した場合について示したが、ＳｉＮ膜はＩＣＰ等、他のプラズマを用いたＣＶＤで成膜したものであってもよい。
【００７３】
また、上記実施形態では、マイクロ波プラズマ処理装置として、ＲＬＳＡ（登録商標）マイクロ波プラズマ処理装置を例示したが、これに限るものではない。
【００７４】
さらに、ＳｉＮ膜が成膜される基板としては、半導体ウエハに限定されず、ＦＰＤ（フラットパネルディスプレイ）基板や、セラミックス基板等の他の基板であってもよい。
【符号の説明】
【００７５】
１；チャンバー
２；サセプタ
５；ヒーター
１５；ガス導入部
１６；ガス供給機構
２４；排気機構
２８；マイクロ波透過板
３１；平面アンテナ
３２；スロット
３３；遅波材
３７；導波管
３８；マッチング回路
３９；マイクロ波発生装置
４０；モード変換器
５０；制御部
１００；マイクロ波プラズマ処理装置
Ｗ；半導体ウエハ（基板）
【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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