(57)【要約】  プラズマ酸化処理装置１００において、サセプタ２の上方には、二重プレート６０が配備されている。上側のプレート６１および下側のプレート６２は、それぞれ石英等の誘電体で構成され、所定間隔、例えば５ｍｍの間隔を以て互いに離間して平行に配置されており、複数の貫通孔６１ａ，６２ａを有している。二枚のプレートを重ねた状態で、下側のプレート６２の貫通孔６２ａと上側のプレート６１の貫通孔６１ａが重ならないように、位置をずらして配備されている。【特許請求の範囲】
【請求項１】
被処理基板を収容する処理チャンバーと、
前記処理チャンバー内で被処理基板を載置する基板保持台と、
前記処理チャンバーの上部から前記基板保持台に載置された被処理基板に向けて供給される処理ガスのプラズマの流れを屈曲させるプラズマ屈曲手段と、
を備えた、プラズマ処理装置。
【請求項２】
請求項１において、前記プラズマ屈曲手段は、複数の貫通開口部が形成された２枚以上のプレートを、該貫通開口部の位置が重ならないように配置したものである、プラズマ処理装置。
【請求項３】
請求項２において、前記プレートが誘電体により構成されるものである、プラズマ処理装置。
【請求項４】
請求項２において、前記２枚以上のプレートの間に、プレートとプレートとの間隔を調整するギャップ調整部材を配備した、プラズマ処理装置。
【請求項５】
請求項４において、前記ギャップ調整部材が、リング状をした部材である、プラズマ処理装置。
【請求項６】
請求項１において、前記プラズマ屈曲手段は、多孔質誘電体により構成されるプレートである、プラズマ処理装置。
【請求項７】
請求項６において、前記多孔質誘電体の気孔率が、７０〜８０％である、プラズマ処理装置。
【請求項８】
請求項１において、前記処理チャンバー内にマイクロ波を導入するための複数のスロットを有する平面アンテナを備えている、プラズマ処理装置。
【請求項９】
プラズマ酸化処理装置の処理チャンバー内で被処理基板表面のシリコンに対して酸素含有プラズマを作用させて酸化処理し、シリコン酸化膜を形成するプラズマ処理方法であって、
前記処理チャンバー内のプラズマ発生領域と前記被処理基板との間に、前記プラズマの流れを屈曲させるプラズマ屈曲手段を介在させて処理を行なう、プラズマ処理方法。
【請求項１０】
請求項９において、前記プラズマ屈曲手段は、複数の貫通開口部が形成された２枚以上のプレートを、該貫通開口部の位置が重ならないように配置したものである、プラズマ処理方法。
【請求項１１】
請求項１０において、前記プレートが誘電体により構成されるものである、プラズマ処理方法。
【請求項１２】
請求項１１において、前記プラズマ屈曲手段は、多孔質誘電体により構成されるプレートである、プラズマ処理方法。
【請求項１３】
請求項１２において、前記多孔質誘電体の気孔率が、７０〜８０％である、プラズマ処理方法。
【請求項１４】
請求項９において、形成される酸化膜の膜厚が、１ｎｍ以下である、プラズマ処理方法。
【請求項１５】
請求項９において、前記酸素含有プラズマは、複数のスロットを有する平面アンテナにて前記処理チャンバー内にマイクロ波を導入して形成されるものである、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、プラズマを用いて半導体基板等の被処理基板を処理し、被処理基板表面に酸化膜、窒化膜、酸窒化膜等を形成する処理を行なうプラズマ処理装置、およびプラズマ処理方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
各種半導体装置の製造過程では、絶縁膜形成などの目的で、シリコンなどの酸化処理が行なわれる。シリコン酸化膜は、極めて安定であり、外部からの保護膜としての機能も有することから、その成膜技術は半導体装置製造において欠くことができない。近年では、半導体装置の微細化に伴い、１ｎｍ以下の薄い膜厚で、かつ良質なシリコン酸化膜を形成する技術が必要になっている。【０００３】
これまで、シリコン表面に酸化膜を形成するには、多くの場合、熱酸化法が用いられてきた。しかし、１０００℃程度の高温で行なわれる熱酸化では、ドーピングされた不純物の再拡散など、熱によるダメージが発生するという問題があった。また、ＬＰ−ＣＶＤやＲＴＯ（Rapid Thermal Oxidation）等の熱酸化では数ｎｍの薄膜を形成する場合に膜厚の制御が難しいという問題もあった。【０００４】
一方、プラズマ処理によってシリコン酸化膜を形成する技術として、Ｏ２および希ガスを少なくとも含む処理ガスの存在下で、開口部を有する仕切り板を配備したプラズマ処理装置を用いて、シリコン基板の表面を酸化処理する方法が提案されている（例えば、特許文献１）。
【特許文献１】国際公開ＷＯ２００４／０４７１５７号
【発明の開示】
【０００５】
一般に、プラズマ酸化処理により酸化膜を形成する場合の課題として、プラズマ中のイオンなどの作用で、形成される酸化膜や下地膜などにプラズマダメージを与えることが挙げられる。このため、上記特許文献１では、開口部を有する仕切り板を介在させることによって、プラズマのイオンエネルギーとイオン密度を減少させ、プラズマダメージを緩和している。しかし、特に１ｎｍ以下の薄い膜厚で酸化膜を形成しようとする場合には、酸化が進み過ぎて膜厚が厚くなるなど、膜厚の制御が難しく、部位によって膜厚差が生じることがある。特に、３００ｍｍ以上の大型化した基板では膜厚の均一性が損なわれるという懸念があった。前記特許文献１の方法は、開口部を有する仕切り板によりプラズマダメージを低減できる優れた方法であるが、１．５ｎｍ以下（特に１ｎｍ以下）の薄い膜厚で酸化膜を形成する場合にも適用可能であるか否かは検討されていない。
【０００６】
従って、本発明の目的は、プラズマを利用してシリコン酸化膜等を形成する際に、薄膜形成においても膜厚の制御が可能なプラズマ処理装置およびプラズマ処理方法を提供することにある。
【０００７】
上記課題を解決するため、本発明の第１の観点によれば、被処理基板を収容する処理チャンバーと、
前記処理チャンバー内で被処理基板を載置する基板保持台と、
前記処理チャンバーの上部から前記基板保持台に載置された被処理基板に向けて供給される処理ガスのプラズマの流れを屈曲させるプラズマ屈曲手段と、を備えた、プラズマ処理装置が提供される。
【０００８】
前記プラズマ屈曲手段は、複数の貫通開口部が形成された２枚以上のプレートを、該貫通開口部の位置が重ならないように配置したものとすることができる。この場合、前記プレートが誘電体により構成されるものであることが好ましい。また、前記２枚以上のプレートの間に、プレートとプレートとの間隔を調整するギャップ調整部材を配備することが好ましい。この場合、前記ギャップ調整部材が、リング状をした部材であることが好ましい。
【０００９】
また、  前記プラズマ屈曲手段は、多孔質誘電体により構成されるプレートとすることができる。この場合、前記多孔質誘電体の気孔率が、７０〜８０％であることが好ましい。
【００１０】
また、プラズマ処理装置は、前記処理チャンバー内にマイクロ波を導入するための複数のスロットを有する平面アンテナを備えていることが好ましい。
【００１１】
本発明の第２の観点によれば、プラズマ酸化処理装置の処理チャンバー内で被処理基板表面のシリコンに対して酸素含有プラズマを作用させて酸化処理し、シリコン酸化膜を形成するプラズマ処理方法であって、
前記処理チャンバー内のプラズマ発生領域と前記被処理基板との間に、プラズマの流れを屈曲させるプラズマ屈曲手段を介在させて処理を行なう、プラズマ処理方法が提供される。
【００１２】
前記プラズマ屈曲手段は、複数の貫通開口部が形成された２枚以上のプレートを、該貫通開口部の位置が重ならないように配置したものとすることができる。この場合、前記プレートが誘電体により構成されるものであることが好ましい。
【００１３】
前記プラズマ屈曲手段は、多孔質誘電体により構成されるプレートとすることができる。この場合、前記多孔質誘電体の気孔率が、７０〜８０％であることが好ましい。
【００１４】
さらに、上記第２の観点では、形成される酸化膜の膜厚が、１ｎｍ以下とすることができる。また、前記酸素含有プラズマは、複数のスロットを有する平面アンテナにて前記処理チャンバー内にマイクロ波を導入して形成されるものであることが好ましい。
【００１５】
本発明のプラズマ処理装置は、プラズマが通過する際にプラズマの流れを屈曲させるプラズマ屈曲手段を備えている。従って、プラズマ中のイオンの作用を抑え、酸化反応や窒化反応の進行を調節することができる。例えば、１．５ｎｍ、特に１ｎｍ以下の薄いシリコン酸化膜についても、膜厚を高精度に制御しながら形成することができる。また、形成された酸化膜の均一性も良好であるため、微細化が進む半導体装置の製造過程において利用価値が高いものである。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の第１実施形態に係るプラズマ酸化処理装置の一例を示す概略断面図である。
【図２Ａ】二重プレートの説明に供する平面図である。
【図２Ｂ】二重プレートの説明に供する要部断面図である。
【図３】アンテナ部材の説明に供する図面である。
【図４】二重プレートの作用を説明するための原理図である。
【図５Ａ】トランジスタの製造過程において、素子分離されたウエハの断面構造を示す模式図。
【図５Ｂ】トランジスタの製造過程において、ゲート絶縁膜形成の目的でプラズマ酸化処理をしている状態を示す模式図である。
【図５Ｃ】トランジスタを形成した状態を示す模式図である。
【図６】本発明の第２実施形態に係るプラズマ酸化処理装置の一例を示す概略断面図である。
【図７】本発明の第３実施形態に係るプラズマ酸化処理装置の一例を示す概略断面図である。
【図８】本発明の第４実施形態に係るプラズマ酸化処理装置の一例を示す概略断面図である。
【図９】本発明の第５実施形態に係るプラズマ酸化処理装置の一例を示す概略断面図である。
【図１０】本発明の第６実施形態に係るプラズマ酸化処理装置の一例を示す概略断面図である。
【図１１】実施例１等におけるプラズマ酸化処理の処理時間と酸化膜の膜厚の関係を示すグラフ図面である。
【図１２】実施例２等におけるプラズマ酸化処理の処理時間と酸化膜の膜厚の関係を示すグラフ図面である。
【図１３】実施例２等におけるプラズマ酸化処理の処理時間と酸化膜の均一性の関係を示すグラフ図面である。
【図１４】実施例３のプラズマ酸化処理の処理時間と酸化膜の膜厚および均一性の関係を示すグラフ図面である。
【図１５】実施例４〜６等におけるプラズマ酸化処理の酸化膜の膜厚と均一性との関係を示すグラフ図面である。
【図１６】実施例４〜６等におけるプラズマ酸化処理の処理時間と酸化膜の膜厚との関係を示すグラフ図面である。
【図１７】ギャップリングの説明に供する図面である。
【図１８】二重プレートの別の実施形態を説明する図面である。
【図１９】二重プレートのさらに別の実施形態を説明する図面である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、適宜添付図面を参照して本発明の実施の形態について具体的に説明する。図１は、本発明の第１実施形態に係るプラズマ酸化処理装置の一例を模式的に示す断面図である。このプラズマ酸化処理装置は、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）にて処理チャンバー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酸化処理装置として構成されており、例えば、ＭＯＳトランジスタ、ＭＯＳＦＥＴ（電界効果型トランジスタ）などの各種半導体装置の製造過程において、シリコン酸化膜を形成する目的で好適に利用可能なものである。なお、供給する処理ガスを窒素含有ガスに換えることにより、シリコン窒化膜を形成する目的で、プラズマ窒化処理装置としても利用できる。【００１８】
上記プラズマ酸化処理装置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。【００１９】
チャンバー１内には被処理体であるシリコンウエハ（以下、単に「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℃までの範囲で温度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、チャンバー構成材料による金属汚染を防止し、チャンバー１内をクリーンな雰囲気に維持している。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、図示しない多数の貫通孔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。バッフルプレート８は、例えば石英、セラミックス等の材質により構成することができる。【００２０】
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。【００２１】
サセプタ２の上方には、プラズマの流れを屈曲させるプラズマ屈曲手段として、二重プレート６０が設けられている。この二重プレート６０により、ラビリンス構造の流路が形成される。そして二重プレート６０の上方には第１の空間Ｓ１が形成され、二重プレート６０の下方には第２の空間Ｓ２が形成されている。この二重プレート６０は、図１に示すように、貫通孔６１ａを有する上側のプレート６１および貫通孔６２ａを有する下側のプレート６２により構成される。これら上下のプレート６１，６２は、そこを通過するプラズマの流れを屈曲させ、プラズマ中のイオンがウエハＷへ向けて直線的に供給させることを制限してイオンをトラップし、イオンエネルギーを低減させるように作用する。上下のプレート６１および６２は、例えば石英、サファイヤ、ＳｉＮ、ＳｉＣ、Ａｌ２Ｏ３、ＡｌＮなどの誘電体や、単結晶シリコンまたは多結晶シリコン等のシリコンなどの材料で構成されている。
本実施形態では、上下のプレート６１および６２の材質として、金属やアルカリ金属等の不純物が非常に少ない高純度の石英を用いている。例えば石英部材中の不純物の合計量は５０ｐｐｍ以下であることが好ましい。【００２２】
上側のプレート６１および下側のプレート６２は、周縁部近傍に設けられた連結部材７１によって複数箇所で連結され、所定間隔（後述）を以て互いに離間して平行に配置されている。この連結部材７１は、上下のプレート６１，６２の間隔を調節するスペーサーとしても機能する。そして、下側のプレート６２は、その外周部が、チャンバー１内のライナー７から内側に向けて全周にわたって突起した支持部７０と係合することにより支持されている。【００２３】
プレート６１および６２の取付け位置は、ウエハＷに近接した位置が好ましく、下側のプレート６２の下端とウエハＷとの距離は、例えば３〜２０ｍｍが好ましく、１０ｍｍ程度とすることがより好ましい。この場合、上側のプレート６１の上端とマイクロ波透過板２８（後述）の下端との距離は、例えば２０〜５０ｍｍが好ましく、３５ｍｍ程度とすることがより好ましい。【００２４】
二重プレート６０の上側のプレート６１には、複数の貫通孔６１ａが形成されており、また下側のプレート６２にも同様に複数の貫通孔６２ａが形成されている。図２Ａおよび図２Ｂは、上下のプレート６１，６２の詳細を示す図面である。図２Ａは、上下のプレート６１，６２を重ねて上から見た状態を示しており、図２Ｂは、上下のプレート６１，６２を重ねた状態における要部断面を示している。【００２５】
上側のプレート６１の厚さ（Ｔ１）および下側のプレート６２の厚さ（Ｔ２）は、ともに、例えば２〜１０ｍｍ程度が好ましく、それぞれ５ｍｍ程度に設定することがより好ましい。なお、上下のプレート６１，６２の厚さＴ１およびＴ２は同じである必要はない。
また、２枚のプレート６１，６２の間隔（Ｌ１）は、例えば３〜１０ｍｍ程度とすることが好ましく、５ｍｍに設定することがより好ましい。【００２６】
上側のプレート６１の貫通孔６１ａおよび下側のプレート６２の貫通孔６２ａは、図２Ａ中、破線で示すウエハＷの載置領域を覆うように略均等に配置されている。そして、図２Ａおよび図２Ｂに示すように、二枚のプレート６１，６２を重ねた状態で、下側のプレート６２の貫通孔６２ａと上側のプレート６１の貫通孔６１ａが重ならないように、互いに位置をずらして形成されている。つまり、上側のプレート６１より上方から直線的にウエハ面までを結ぶ開口が形成されないラビリンス構造となるように貫通孔６１ａと貫通孔６２ａが配置されている。【００２７】
貫通孔６１ａの径Ｄ１および貫通孔６２ａの径Ｄ２は、任意に設定することが可能であり、例えば、本実施形態の場合は５ｍｍ程度に設定されている。なお、同一プレート内で貫通孔６１ａまたは６２ａの位置により孔の大きさを変化させてもよく、上側のプレート６１の貫通孔６１ａと下側のプレート６２の貫通孔６２ａとを異なる大きさに形成することもできる。また、貫通孔６１ａ，６２ａの配置も、上下のプレート６１，６２で孔の位置がずれていれば、同心円状、放射状、螺旋状、格子状、千鳥状等の任意の配列を選択できる。また、貫通孔６１ａ，６２ａは、三角形、四角形等の角形状、楕円状、スリット状などでもよい。【００２８】
また、貫通孔６１ａと貫通孔６２ａとの位置のずれ、つまり上側のプレート６１の貫通孔６１ａを構成する壁６１ｂと、下側のプレート６２の貫通孔６２ａを構成する壁６２ｂとの距離Ｌ２は、上下のプレート６１，６２の間隔Ｌ１との関係で最適な条件を決定することができる。
すなわち、プラズマ中のイオンの通過を制限する観点から、上下のプレート６１，６２の間隔Ｌ１が大きい場合には、Ｌ２も相対的に大きくする必要がある。逆にＬ１が小さい場合には、Ｌ２を相対的に小さくしても、プラズマのイオンをトラップする作用を発揮させることが可能である。また、Ｌ１とＬ２の関係に加え、上下のプレート６１，６２の厚さＴ１，Ｔ２（つまり、壁６１ｂ，６２ｂの高さ）、貫通孔６１ａ，６２ａの径Ｄ１，Ｄ２、さらには貫通孔６１ａ，６２ａの形状や配置、上下のプレート６１，６２の設置位置（ウエハＷからの距離）などを総合的に考慮することにより、イオンの通過を制限する作用を最大限に引き出すことが可能になる。【００２９】
再び図１を参照するに、二重プレート６０より上方のチャンバー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。なお、ガス導入部材はノズル状また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を有しており、これらガスが、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Ａｒガスに代えて、Ｈｅ、Ｋｒ、Ｘｅなどの希ガスを用いることもできる。【００３０】
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、バッフルプレート８を介して排気室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内は所定の真空度、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。【００３１】
チャンバー１の側壁には、プラズマ酸化処理装置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。【００３２】
チャンバー１の上部は開口部となっており、この開口部に環状のアッパープレート２７が接合される。アッパープレート２７の内周下部は、内側のチャンバー内空間へ向けて突出し、環状の支持部２７ａを形成している。支持部２７ａに誘電体、例えば石英やＡｌ２Ｏ３、ＡｌＮ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。【００３３】
マイクロ波透過板２８の上方には、サセプタ２と対向して、アンテナ部材３１が設けられている。このアンテナ部材３１は、例えば円板状の平面アンテナとして構成され、チャンバー１の側壁上端に係止されている。アンテナ部材３１は、表面が金または銀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（スロット）３２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３に示すように長溝状をなし、典型的には隣接するマイクロ波放射孔３２同士が「Ｔ」字状に配置され、これら複数のマイクロ波放射孔３２が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３において、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。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。なお、アンテナ部材３１の形状は四角板状でもよく、その場合、マイクロ波放射孔３２を直列状に複数列配設し、隣接するマイクロ波放射孔３２の列どうしが平行をなすように形成してもよい。【００３４】
このアンテナ部材３１の上面には、真空の誘電率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の材質としては、例えば石英、ポリテトラフルオロエチレン等のフッ素系樹脂、ポリイミド樹脂等が好ましい。この遅波材３３は、マイクロ波の波長を短く調整する機能を有している。真空中ではマイクロ波の波長が長くなることから、遅波材３３を配備することにより、マイクロ波の波長を短くし、マイクロ波を効率良くマイクロ波放射孔３２へ供給できるようにしている。なお、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とアンテナ部材３１との間は、それぞれ接触させても離間させてもよいが、接触させることが好ましい。【００３５】
チャンバー１の上面には、これらアンテナ部材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等の金属材からなるシールド蓋体３４が設けられている。シールド蓋体３４は、マイクロ波を平面方向に伝播させる導波管の機能も有している。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、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。これらの部材を冷却することにより、熱によって遅波材３３、アンテナ部材３１およびマイクロ波透過板２８の変形、破損を防止し、安定したプラズマを形成できる。なお、シールド蓋体３４は接地されている。【００３６】
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を介して上記アンテナ部材３１へ伝播されるようになっている。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。【００３７】
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、内導体４１は、その下端部においてアンテナ部材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を介してアンテナ部材３１へ放射状に効率よく均一に伝播される。【００３８】
プラズマ酸化処理装置１００の各構成部は、ＣＰＵ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、工程管理者がプラズマ酸化処理装置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、プラズマ酸化処理装置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が接続されている。【００３９】
また、プロセスコントローラ５０には、プラズマ酸化処理装置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（ソフトウエア）や処理条件データ等が記録されたレシピが格納された記憶部５２が接続されている。【００４０】
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、プラズマ酸化処理装置１００での所望の処理が行われる。また、前記制御プログラムや処理条件データ等のレシピは、コンピュータ読み取り可能な記憶媒体、例えばＣＤ−ＲＯＭ、ハードディスク、フレキシブルディスク、フラッシュメモリなどに格納された状態のものを利用したり、あるいは、他の装置から、例えば専用回線を介して随時伝送させてオンラインで利用したりすることも可能である。【００４１】
このように構成されたＲＬＳＡ方式のプラズマ酸化処理装置１００においては、以下のような手順でウエハＷのシリコン層を酸化してシリコン酸化膜を形成する処理を行うことができる。
まず、ゲートバルブ２６を開にして搬入出口２５からシリコン層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。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、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内に導入する。【００４２】
具体的には、例えばＡｒなどの希ガス流量を２００〜３０００ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）、Ｏ２ガス流量を１〜６００ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）に設定し、チャンバー内を６．７〜１３３３Ｐａ（５０ｍＴｏｒｒ〜１０Ｔｏｒｒ）、好ましくは２６．６〜４００Ｐａ（２００ｍＴｏｒｒ〜３Ｔｏｒｒ）の処理圧力に調整し、ウエハＷの温度を３００〜８００℃、好ましくは４００〜８００℃に加熱する。この際、１ｎｍ以下の薄膜でシリコン酸化膜（ＳｉＯ２膜）を形成し、かつ、その際の膜厚の制御性を優れたものにする観点から、ＡｒとＯ２の流量比（Ａｒ／Ｏ２）は、５〜５００程度とすることが好ましく、１０〜４００がより好ましい。【００４３】
次に、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を介してアンテナ部材３１に供給し、アンテナ部材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内をアンテナ部材３１に向けて伝搬されていく。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ガスとＯ２ガスがプラズマ化する。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。【００４４】
このマイクロ波プラズマは、マイクロ波がアンテナ部材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、プラズマ生成領域である第１の空間Ｓ１では、略１×１０１１〜５×１０１２／ｃｍ３の高密度で、電子温度が略１〜２ｅＶのプラズマとなる。また、二重プレート６０の下方の第２の空間Ｓ２では、プラズマが二重プレート６０を通過する際にエネルギーの高いイオンの通過が妨害され、主にラジカルが通過することにより、プラズマの電子温度とイオンエネルギーが大幅に低減される。これは、次のような機構によるものと考えられる。上下のプレート６１，６２は絶縁物で形成されているので、プラズマに対してフローティング電位を有している。このため、プレート６１，６２の表面（プレート壁面や貫通孔６１ａ，６２ａの内壁面）には、電位差を持つシースが形成される。その結果、高エネルギーのイオンはシースで加速されてプレート６１，６２に衝突して多くが失活する。これに対し、ラジカルは中性なので貫通孔６１ａ，６２ａを通過して二重プレート６０の下方の第２の空間Ｓ２へ供給される。【００４５】
以上のような機構により、例えば、二重プレート６０の下方の第２の空間Ｓ２（つまり、ウエハＷとプレート６２との間）では、プラズマ中のイオン密度を１×１０９〜１×１０１１／ｃｍ３未満に、また、電子温度を０．７ｅＶ以下に低下させることができるので、イオン等によるプラズマダメージをよりいっそう低減できる。そして、プラズマ中の活性種、主として酸素ラジカル（Ｏ＊）などの作用によってシリコン中に酸素が導入されてＳｉ−Ｏ結合が形成され、良質なシリコン酸化膜が成膜される。【００４６】
ここで、図４を参照しながら、本発明の作用について述べる。図４は、プラズマ酸化処理装置１００によるウエハＷのプラズマ酸化処理の模様を模式的に示す原理図である。プラズマ酸化処理装置１００のアンテナ部材３１から供給されるマイクロ波と、Ａｒ／Ｏ２ガスとが作用して発生したプラズマは、チャンバー１内の空間をサセプタ２に載置されたウエハＷの方向へ向けて降下してくる。その途中には、二重プレート６０（上側のプレート６１および下側のプレート６２）が配備されているため、ここを通過する際にイオンがトラップされプラズマのイオンエネルギーが弱められる。プラズマは、上側のプレート６１の貫通孔６１ａを通過する際に複数の流れに分岐する。そして、プラズマの流れは上側のプレート６１と下側のプレート６２との間で一旦合流した後、下側のプレート６２の貫通孔６２ａを通過する際に再び分岐し、下側のプレート６２の下方で再度合流する。このように、ラビリンス構造の流路を形成する二重プレート６０によって、プラズマ中のイオンなどが直線的にウエハＷに到達することが妨げられる。そして、図４に示すように、プラズマ中に含まれるアルゴンイオン（Ａｒ＋）や、酸素イオン（Ｏ２−）などのイオンや電子（ｅ−）は、荷電粒子であるため、石英等の絶縁物からなるプレート６１，６２の表面に形成されたプラズマシースにより加速されてプレート６１，６２に衝突する。その結果、貫通孔６１ａおよび６２ａを通過したプラズマ中では多くのイオンが失活し、イオンエネルギーが弱められる。また、プラズマのイオン密度は減少し、電子温度も低下する。一方、中性粒子である酸素ラジカル（Ｏ＊）は、貫通孔６１ａおよび６２ａをすり抜けて通過し、ウエハＷまで到達する。【００４７】
プラズマ中のイオンの通過を制御するためには、二枚のプレートを重ねた状態で、下側のプレート６２の貫通孔６２ａと上側のプレート６１の貫通孔６１ａが重ならないように、位置をずらして形成することが重要となる（図２Ａ，図２Ｂ参照）。このような貫通孔６１ａ，６２ａの配置（ラビリンス構造）により、プラズマ中のイオンの通過を遮りつつ、酸素ラジカルを選択的に通過させることが可能になる。上下のプレート６１，６２を通過した酸素ラジカルは、ウエハＷ上に露出したシリコンと反応してＳｉＯ２（酸化膜）を形成する。従って、イオンの通過を制御することでシリコンの過剰な酸化が抑制されるとともに、より低電子温度のプラズマ処理が可能になり、極薄い膜厚の制御が可能になるとともに、膜質を良質にすることができる。このようなプラズマ酸化処理装置１００の特徴は、１ｎｍ以下、例えば０．３〜０．８ｎｍ程度の非常に薄く、かつ緻密で良質なシリコン酸化膜（ＳｉＯ２膜）やシリコン窒化膜（ＳｉＮ膜）、シリコン酸窒化膜（ＳｉＯＮ膜）を形成する場合に特に有利に働く。【００４８】
本発明方法は、ＭＯＳトランジスタなどの各種半導体装置の製造過程に適用することができる。図５Ａ〜図５Ｃは、トランジスタの製造過程で本発明のプラズマ処理方法を適用した例を説明する図面である。
まず、図５Ａに示すとおり、Ｐ型もしくはＮ型のＳｉ基板１０１に、ウエル（図示せず）を形成し、さらに例えばＬＯＣＯＳ法により素子分離層１０２を形成する。このシリコン基板１０１は、予め１％希フッ酸（ＤＨＦ）溶液で洗浄し、酸化膜を除去しておくことが好ましい。なお、素子分離層１０２は、ＳＴＩ（Shallow Trench Isolation）により形成してもよい。【００４９】
次いで、図５Ｂに示すように、プラズマ酸化処理を行ない、シリコン基板１０１の表面にゲート酸化膜（ＳｉＯ２膜）１０３を形成する。このプラズマ酸化処理では、被処理体であるＳｉ基板１０１の上部に配備された二重プレート６０をプラズマが通過する際に、プラズマ中のＡｒイオンの大半がブロックされ、酸素ラジカルのみが選択的に通過する。これにより、ゲート酸化膜１０３は、主として酸素ラジカルの作用により形成されることになり、イオンによるダメージの少ない膜質の良質なゲート酸化膜１０３が得られる。このゲート酸化膜１０３の膜厚は、目的とするデバイスによっても異なるが、例えば１ｎｍ以下、好ましくは０．３〜０．８ｎｍ程度とすることができる。【００５０】
そして、形成したゲート酸化膜１０３上に、例えばＣＶＤによりポリシリコン層１０４を成膜した後、フォトリソグラフィー技術によりパターン形成されたマスクを用いてエッチングしてゲート電極を形成する。なお、ゲート電極構造は、ポリシリコン層１０４の単層に限らず、ゲート電極の比抵抗を下げ、高速化する目的で、例えばタングステン、モリブデン、タンタル、チタン、それらのシリサイド、ナイトライド、合金等を含む積層構造にすることもできる。そして、このように形成されたゲート電極に対し、イオン注入および活性化処理を行なってソース／ドレイン（図示を省略）を形成し、絶縁膜によるサイドウォール１０５を形成することによって、図５Ｃに示すように、ＭＯＳ構造のトランジスタ１１０を製造できる。【００５１】
図６は、本発明の第２実施形態に係るプラズマ酸化処理装置の一例を模式的に示す断面図である。本実施形態のプラズマ酸化処理装置２００では、図１のプラズマ酸化処理装置１００の二重プレート６０に換え、石英製の多孔質プレート６３を配備した。この多孔質プレート６３は、気孔率が約７５％であり、この気孔内を酸素含有プラズマが通過する際にプラズマ中のイオンが多孔質プレート６３に衝突することによって減衰される。従って、第１実施形態（図１）における二重プレート６０と同様にプラズマ屈曲手段として機能するものである。この目的のため、多孔質プレート６３の気孔率は６５〜８５％とすることが好ましく、７０〜８０％がより好ましい。多孔質プレート６３の材質としては、多孔質の誘電体であれば石英以外ものを用いることができる。なお、図６に示す第２実施形態に係るプラズマ酸化処理装置２００の他の構成は、図１のプラズマ酸化処理装置１００と同様であるため、同一の符号を付して説明を省略する。【００５２】
以上のように、プラズマ屈曲手段としては、図１に示す二重プレート６０や、図６に示す多孔質プレート６３の如く、プラズマを通過させる流路を有し、かつ、当該流路が直線的に形成されておらず折曲したラビリンス構造を持つものであれば、その形態は問わない。【００５３】
図７は、本発明の第３実施形態に係るプラズマ酸化処理装置の一例を模式的に示す断面図である。本実施形態のプラズマ酸化処理装置３００では、二重プレート６０を間に挟んでその上下にガス導入部材１５ａとガス導入部材１５ｂが設けられている。これらのガス導入部材１５ａおよび１５ｂは、それぞれチャンバー１の側壁に環状に設けられており、ガス供給系１６に接続されている。すなわち、ガス導入部材１５ａは、例えばＡｒガス供給源１７に、また、ガス導入部材１５ｂは、例えばＯ２ガス供給源１８に、それぞれ接続されている。ＡｒガスおよびＯ２ガスは、それぞれガスライン２０を介して、それぞれガス導入部材１５ａおよび１５ｂに至り、チャンバー１内に導入される。【００５４】
このように、ガス導入部位を、Ａｒなどの希ガスを導入するガス導入部材１５ａと、Ｏ２などの反応系ガスを導入するガス導入部材１５ｂとにより区別し、かつ、それらの間に二重プレート６０を介在させることにより、二重プレート６０よりも上側の領域に導入される希ガスのみによってプラズマを生成させることが可能になる。そして、希ガスのみにより生成したプラズマは、二重プレート６０を通過させることによってそのイオンエネルギーと電子温度が低減するので、二重プレート６０よりも下側の領域にＯ２などの反応系ガスを別途導入し、低エネルギーのイオンによって反応系ガスの解離を抑制した状態で酸化処理を行なうことが可能になる。なお、前記と同様に、Ａｒガスに代えて、Ｈｅ、Ｋｒ、Ｘｅなどの希ガスを用いることもできる。図７に示す第３実施形態に係るプラズマ酸化処理装置３００の他の構成は、図１のプラズマ酸化処理装置１００と同様であるため、同一の符号を付して説明を省略する。【００５５】
図８は、本発明の第４実施形態に係るプラズマ酸化処理装置４００の概略構成を示す断面図である。このプラズマ酸化処理装置４００は、ＥＣＲ（Electron Cyclotron Resonance；電子サイクロトン共鳴）方式のマイクロ波プラズマ処理装置として構成されている。符号４０１はマグネトロンであり、マイクロ波の発振源である。マグネトロン４０１は、矩形導波管４０２、円形導波管４０３、テーパ導波管４０４を介して放電室４０５に接続されている。この放電室４０５は、純度の高いアルミニウム等の材質で形成されている。放電室４０５の下方には、真空室４０６が設けられている。また、テーパ導波管４０４と放電室４０５の間には放電室４０５にマイクロ波を供給するための石英板４０７が設けられている。放電室４０５の周囲には、ソレノイドコイル４０８，４０９が設けられており、放電室４０５内に磁場を与えることができるように構成されている。【００５６】
放電室４０５の下方には、ウエハＷを載置するための載置台（サセプタ４１０）が設けられている。このサセプタ４１０には、図示しない抵抗加熱ヒータ等の加熱手段を備えている。また、サセプタ４１０には、バイアス用のＲＦ電源４１１が接続されている。また、サセプタ４１０の上方、つまり石英板４０７とサセプタ４１０の間には、そこを通過する際にプラズマの流れを屈曲させるプラズマ屈曲手段として、二重プレート４３０が設けられている。この二重プレート４３０により、ラビリンス構造の流路が形成される。二重プレート４３０の上方には第１の空間Ｓ１が形成され、二重プレート４３０の下方には第２の空間Ｓ２が形成されている。この二重プレート４３０は、貫通孔４３１ａを有する上側のプレート４３１および貫通孔４３２ａを有する下側のプレート４３２により構成されており、その構造と機能は図１のプラズマ処理装置１００における二重プレート６０と同様であるので、ここでは説明を省略する。なお、符号４３３，４３４は、プレート４３１，４３２をそれぞれ支持する支持部材である。【００５７】
放電室４０５において二重プレート４３０より上方の側壁には、ガス導入部４１２が設けられており、このガス導入部４１２にはガス供給系４１３が接続されている。このガス供給系４１３は、例えばＡｒガス供給源４１４、Ｏ２ガス供給源４１５を有しており、これらガスが、それぞれガスライン４１６を介してガス導入部４１２に至り、ガス導入部４１２から放電室４０５内に導入される。ガスライン４１６の各々には、マスフローコントローラ４１７およびその前後の開閉バルブ４１８が設けられている。【００５８】
真空室４０６は、排気管４１９を介して、真空室４０６内を減圧排気するための真空ポンプを備えた排気装置４２０に接続されており、真空室４０６内を高真空状態まで減圧できるように構成されている。また、真空室４０６の側部にはウエハを搬入出するための開口部４０６ａが形成されており、その外側にはゲートバルブ４２１が配備されている。
マグネトロン４０１は、矩形導波管４０２に取り付けられており、例えば、２.４５ＧＨｚのマイクロ波を発振する。一方、放電室４０５内にはソレノイドコイル４０８，４０９により所定の磁場分布が形成されるように設定されている。そして、処理ガスは、ガス供給系４１３からガスライン４１６を通り、ガス導入部４１２を介して放電室４０５内に導入される。処理ガスは、放電室４０５内の第１の空間Ｓ１でプラズマ化し、二重プレート４３０を通過したラジカル主体のプラズマによりウエハＷが酸化処理される。【００５９】
このように、ＥＣＲ方式のプラズマ酸化処理装置４００においても、二重プレート４３０を配備することにより、低プラズマダメージで、かつ薄膜においても膜厚を高精度に制御可能なプラズマ酸化処理等を行なうことができる。【００６０】
次に、図９は、本発明の第５実施形態に係るプラズマ酸化処理装置５００の概略構成を示す断面図である。このプラズマ酸化処理装置５００は誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）装置として構成されている。図９に示すように、プラズマ酸化処理装置５００は、上部の開口した有底円筒状のチャンバー５２１と、チャンバー５２１の上方に、ガス供給部５４５およびガスケット５４６を介して連続的に設けられた有蓋円筒状のベルジャー５２２とからなる処理容器５２０を有している。チャンバー５２１内には、その上部で被処理体であるウエハＷを水平に支持するためのサセプタ（基板載置台）５２３が、円筒状の支持部材５３２に支持された状態で配置されている。サセプタ本体５２７の上面にはウエハＷと略同型に凹部５２４が形成されており、この凹部５２４にウエハＷが載置されるようになっている。この凹部５２４の下方にメッシュ状に形成された円盤状の下部電極５２５が埋設され、さらにこの下部電極５２５の下方に発熱体５２６が埋設されている。すなわち、サセプタ５２３は、ＡｌＮ、Ａｌ２Ｏ３等のセラミックスのような絶縁体からなるサセプタ本体（絶縁体部材）５２７中に、バイアス電圧を印加する下部電極５２５と、タングステン、モリブデン等からなる発熱体５２６とが埋設されて構成されており、サセプタ本体５２７と発熱体５２６とでセラミックヒーターを構成している。発熱体５２６には直流の電源５４１が接続されており、電源５４１から給電することにより発熱体５２６を加熱状態として、ウエハＷを所定の温度に加熱することができる。【００６１】
また、サセプタ５２３の上方には、凹部５２４に載置されたウエハＷのエッジを覆うように、石英、ＡｌＮ、Ａｌ２Ｏ３等の誘電体からなる環状のシャドウリング５３０が設けられている。このシャドウリング５３０は、その下面に接続された支持柱５３３を介して環状部材５３４に連結されており、環状部材５３４には棒状部材５３６を介して昇降機構５３７が接続されている。この昇降機構５３７によって棒状部材５３６を昇降させることにより、環状部材５３４、支持柱５３３およびシャドウリング５３０を一体的に昇降させることが可能である。また、棒状部材５３６の周囲はベローズ５３５により囲繞されており、処理容器５２０内の雰囲気が棒状部材５３６の近傍から外部に漏れることが防止されている。【００６２】
また、サセプタ５２３の上方には、そこを通過する際にプラズマの流れを屈曲させるプラズマ屈曲手段として、二重プレート５８０が設けられている。この二重プレート５８０により、ラビリンス構造の流路が形成される。二重プレート５８０の上方には第１の空間Ｓ１が形成され、二重プレート５８０の下方には第２の空間Ｓ２が形成されている。この二重プレート５８０は、貫通孔５８１ａを有する上側のプレート５８１および貫通孔５８２ａを有する下側のプレート５８２により構成されており、その構造と機能は図１のプラズマ処理装置１００における二重プレート６０と同様であるので、ここでは説明を省略する。なお、符号５８３，５８４は、プレート５８１，５８２をそれぞれ支持する支持部材である。【００６３】
上記の下部電極５２５には、例えば１３．５６ＭＨｚの周波数を有する高周波電源５３９が整合器５３８を介して接続されており、この高周波電源５３９から下部電極５２５に給電することにより、所定のバイアス電圧を印加可能に構成されている。【００６４】
また、チャンバー５２１とベルジャー５２２の間には、環状のガス供給部５４５およびガスケット５４６が設けられており、このガス供給部５４５内側の全周にわたって形成されたガス吐出孔より、後述するガス供給機構５６０から供給されるガスが処理容器５２０内に供給される。さらに、チャンバー５２１の側壁は開口５４７を有しており、チャンバー５２１の外側の開口５４７と対応する位置にはゲートバルブ５４８が設けられ、このゲートバルブ５４８を開にした状態でウエハＷが隣接するロードロック室（図示せず）とチャンバー５２１内との間で搬送されるようになっている。【００６５】
ベルジャー５２２は、例えば石英やセラミックス材料等の電気絶縁材料で形成されており、その外側にはプラズマ発生手段であるアンテナとしてのコイル５４２が巻回されている。コイル５４２には、例えば４５０ｋＨｚの周波数を有する高周波電源５４４が整合器５４３を介して接続され、この高周波電源５４４から整合器５４３を介してコイル５４２に高周波電力を供給することにより、ベルジャー５２２内に誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）が発生するようになっている。【００６６】
ガス供給機構５６０は、Ａｒガスを供給するＡｒガス供給源５６１およびＯ２ガスを供給するＯ２ガス供給源５６２を有している。Ａｒガス供給源５６１には、ガスライン５６３が接続され、このガスライン５６３上にマスフローコントローラ５６７とその前後の開閉バルブ５６５，５６９とが設けられている。また、Ｏ２ガス供給源５６２にはガスライン５６４が接続され、このガスライン５６４上にマスフローコントローラ５６８とその前後の開閉バルブ５６６，５７０とが設けられている。これらガスライン５６３，５６４はガスライン５７１に接続され、このガスライン５７１がガス供給部５４５と接続されている。【００６７】
また、チャンバー５２１の底壁には、排気管５５０が接続されており、この排気管５５０には真空ポンプを含む排気装置５５１が接続されている。この排気装置５５１を作動させることにより、処理容器５２０内は所定の真空度に維持可能になっている。【００６８】
次に、このように構成されるプラズマ酸化処理装置５００によりウエハＷ上のシリコンを酸化処理してシリコン酸化膜を形成する際の動作について説明する。
まず、ゲートバルブ５４８を開にして、図示しない搬送装置によりチャンバー５２１内にウエハＷを装入し、シャドウリング５３０を上昇させた状態でサセプタ５２３から突出させたウエハ支持ピン（図示せず）上にウエハＷを受け渡す。次いで、前記ウエハ支持ピンおよびシャドウリング５３０を下降させ、ウエハＷをサセプタ５２３上に載置し、シャドウリング５３０でウエハＷの外周縁部をマスクする。その後、ゲートバルブ５４８を閉にして、排気装置５５１により処理容器５２０内を排気して所定の減圧状態にする。この減圧状態でＡｒガス供給源５６１およびＯ２ガス供給源５６２から処理容器５２０内に所定流量でＡｒガスおよびＯ２ガスを導入しつつ、高周波電源５４４からコイル５４２への高周波電力の供給を開始する。これにより、ベルジャー５２２内に誘導結合プラズマを生成してＡｒ、Ｏ２等の活性種を形成させる。また、高周波電源５３９からサセプタ５２３に高周波電力を供給してウエハＷに自己バイアス電圧を印加することにより、活性種をウエハＷに引き込みやすくなる。【００６９】
このような状態で、電源５４１より給電して発熱体５２６を加熱状態としてウエハＷを所定温度に加熱しながら、酸化処理を行う。この際、ベルジャー５２２内では、二重プレート５８０を通過したラジカル主体のプラズマによりウエハＷが酸化処理される。その後、排気装置５５１の排気量ならびにＡｒガス供給源５６１およびＯ２ガス供給源５６２からのガス供給量を調節して処理容器５２０内の圧力を調整するとともに、前記支持ピンをサセプタ５２３から突出させてウエハＷを持ち上げ、ゲートバルブ５４８を開にして図示しない搬送装置によりウエハＷを取り出すことにより、プラズマ酸化処理装置５００における工程が終了する。【００７０】
このように、ＩＣＰ方式のプラズマ酸化処理装置５００においても、二重プレート５８０を配備することにより、低プラズマダメージで、かつ薄膜においても膜厚を高精度に制御可能なプラズマ酸化処理等を行なうことができる。なお、図９ではベルジャー５２２として頂部が平坦な形状のものを使用したが、例えば半球形状のベルジャーを備えたＩＣＰ方式のプラズマ処理装置についても、同様に二重プレート５８０を配備することができる。【００７１】
図１０は、本発明の第６実施形態に係るプラズマ酸化処理装置６００の概略構成を示す断面図である。このプラズマ酸化処理装置６００は、マグネロトン方式として構成されている。プラズマ酸化処理装置６００は、処理室を構成する真空容器６０１を有している。この真空容器６０１は、上部容器６０２と下部容器６０３とが上下に接合されて構成されている。上部容器６０２は、例えばアルミナ、石英等のセラミックスにより構成されている。下部容器６０３は金属により形成されている。【００７２】
上部容器６０２はほぼ平坦な天井部を有しており、この天井部には、シャワーヘッド６０４が設けられている。シャワーヘッド６０４の内部には拡散室６０５が形成されている。シャワーヘッド６０４の上部中央には、処理ガスを導入するガス導入口６０６が形成されており、前記拡散室６０５に連通している。また、シャワーヘッド６０４の下端には、多数の開口６０７が形成されており、ガス導入口６０６から導入された複数種の処理ガスは、拡散室６０５で混合・拡散され、シャワーヘッド６０４の開口６０７から真空容器６０１内の処理空間に供給されるようになっている。【００７３】
真空容器６０１内には、被処理基板であるウエハＷを支持する載置台であるサセプタ６０８が配置されている。このサセプタ６０８には、ウエハＷを所定温度まで加熱するためのヒータ（図示せず）が設けられている。また、下部容器６０３には、排気口６０９が設けられ、この排気口６０９は、真空ポンプ等を備えた排気装置６１０に接続されている。【００７４】
上部容器６０２の外側には、筒状電極６１１が上部容器６０２の外周面から所定間隔で離間した状態で配置されている。この筒状電極６１１は、整合器６１２を介して高周波電源６１３に接続されている。この高周波電源６１３は、例えば１３．５６ＭＨｚの周波数を持つ高周波電力を筒状電極６１１へ供給出来るように構成されている。【００７５】
また、リング状に形成された２つの永久磁石６１４，６１５が上部容器６０２の周囲に配置されている。これら２つの永久磁石６１４，６１５は、径方向で互いに逆向きに着磁されており、真空容器６０１の内部には上側の永久磁石６１４から中心方向に向かった後で反転して下側の永久磁石６１５に戻る磁力線が形成される。【００７６】
ガス供給機構６１６は、Ａｒガスを供給するＡｒガス供給源６１７およびＯ２ガスを供給するＯ２ガス供給源６１８を有している。Ａｒガス供給源６１７には、ガスライン６１９ａが接続され、このガスライン６１９ａ上にマスフローコントローラ６２０とその前後の開閉バルブ６２１，６２１とが設けられている。
また、Ｏ２ガス供給源６１８にはガスライン６１９ｂが接続され、このガスライン６１９ｂ上にマスフローコントローラ６２０とその前後の開閉バルブ６２１，６２１とが設けられている。これらガスライン６１９ａ，６１９ｂはガスライン６２２に接続され、このガスライン６２２がガス導入口６０６に接続されている。【００７７】
また、サセプタ６０８の上方には、そこを通過する際にプラズマの流れを屈曲させるプラズマ屈曲手段として、二重プレート６３０が設けられている。この二重プレート６３０により、ラビリンス構造の流路が形成される。二重プレート６３０の上方には第１の空間Ｓ１が形成され、二重プレート６３０の下方には第２の空間Ｓ２が形成されている。この二重プレート６３０は、貫通孔６３１ａを有する上側のプレート６３１および貫通孔６３２ａを有する下側のプレート６３２により構成されており、その構造と機能は図１のプラズマ処理装置１００における二重プレート６０と同様であるので、ここでは説明を省略する。なお、符号６３３，６３４は、プレート６３１，６３２をそれぞれ支持する支持部材である。【００７８】
次にプラズマ酸化処理装置６００における処理手順について説明する。まず、図示しない搬送装置によりウエハＷをサセプタ６０８に載置する。そして、排気装置６１０を作動させることにより、真空容器６０１内のガスを、排気口６０９を介して排気して真空容器６０１内を真空状態にする。次に、サセプタ６０８を加熱し、ウエハＷの温度を所定温度まで加熱する。
次にガス供給機構６１６からの処理ガスをガス導入口６０６から導入する。このガス導入口６０６から導入された処理ガスは、拡散室６０５内で拡散され、シャワーヘッド６０４の開口６０７から真空容器６０１内の第１の空間Ｓ１に供給される。そして高周波電源６１３から所定の高周波電力を筒状電極６１１に供給する。真空容器６０１内では、永久磁石６１４，６１５により磁力線が形成され、かつ筒状電極６１１により高周波電界が形成されることによりプラズマが生成される。このプラズマにより、サセプタ６０８上のウエハＷが処理され、例えばシリコン酸化膜が形成される。この際、真空容器６０１内では、二重プレート６３０を通過したラジカル主体のプラズマによりウエハＷが酸化処理される。所定時間経過後、高周波電源６１３からの高周波電力の供給を停止し、真空容器６０１内のガスを排気口６０９から排気する。そして、サセプタ６０８上のウエハＷを図示しない搬送装置を用いて真空容器６０１内から搬出し、処理を終了する。【００７９】
以上のように、プラズマ酸化処理装置６００では、永久磁石６１４、６１５の磁界により真空容器６０１内でマグネトロン放電が発生し、ウエハＷの上方空間に高密度プラズマが生成される。そして、生成された高密度プラズマにより、サセプタ６０８上のウエハＷの表面にプラズマ酸化処理が施される。このように、マグネトロンＩＣＰ方式のプラズマ酸化処理装置６００においても、二重プレート６３０を配備することにより、低プラズマダメージで、かつ薄膜においても膜厚を高精度に制御可能なプラズマ酸化処理等を行なうことができる。【００８０】
次に、本発明の効果を確認した試験結果について、図１１〜図１６を参照しながら説明を行なう。
実施例１
図１と同様の構成のプラズマ酸化処理装置１００を用い、Ｓｉ基板を酸化処理してシリコン酸化膜を形成した。二重プレート６０の上側のプレート６１として貫通孔６１ａの直径が５ｍｍのものを用い、下側のプレート６２として貫通孔６２ａの直径が５ｍｍのものを用いた。上側のプレート６１および下側のプレート６２の材質は、いずれも不純物の少ない石英を用いた。上下のプレート６１，６２の間隔は、５ｍｍとした。【００８１】
酸化処理工程におけるプラズマ処理の条件は、処理ガスとしてＡｒ／Ｏ２を流量２０００／２００［ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）］で用い、ウエハ温度は４００℃、圧力は２６６．６Ｐａ（２Ｔｏｒｒ）とし、プラズマへの供給パワーは２．０ｋＷ、処理時間は１０秒、２０秒、４０秒または６０秒で行なった。【００８２】
比較例１
二重プレート６０を配備しない以外は、図１のプラズマ酸化処理装置１００と同様の構成を備えたプラズマ酸化処理装置により、実施例１と同様の条件でＳｉ基板を酸化処理してシリコン酸化膜を形成した。【００８３】
上記実施例１、比較例１で得たシリコン酸化膜の膜厚をエリプソメーターで測定した。処理時間と膜厚との関係を図１１に示した。
図１１より、二重プレート６０を配備しない比較例１では、１０秒のプラズマ酸化処理でほぼ１ｎｍの膜厚のシリコン酸化膜が形成され、その後処理時間が長くなるに伴い膜厚が増加した。これに対し、二重プレート６０を配備した図１のプラズマ酸化処理装置１００を用いて酸化膜形成を行なった場合には４０秒の処理でも膜厚は１ｎｍを超えておらず、薄膜の場合の膜厚の制御性が高いことが示された。【００８４】
実施例２
実施例１と同様の構成の二重プレート６０を備えたプラズマ酸化処理装置１００を用い、Ｓｉ基板を酸化処理してシリコン酸化膜を形成した。
酸化処理工程におけるプラズマ処理の条件は、処理ガスとしてＡｒ／Ｏ２を流量２０００／２０［ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）］で用い、ウエハ温度は４００℃、圧力は６６．７Ｐａ（５００ｍＴｏｒｒ）とし、プラズマへの供給パワーは２．０ｋＷ、処理時間は１０秒、２０秒、４０秒または６０秒で行なった。【００８５】
比較例２
二重プレート６０を配備しない以外は、図１のプラズマ酸化処理装置１００と同様の構成を備えたプラズマ酸化処理装置により、実施例２と同様の条件でＳｉ基板を酸化処理してシリコン酸化膜を形成した。【００８６】
上記実施例２、比較例２で得たシリコン酸化膜の膜厚をエリプソメーターで測定した。処理時間と膜厚との関係を図１２に、処理時間と均一性との関係を図１３に示した。
図１２より、二重プレート６０を配備しない比較例２では、１０秒のプラズマ酸化処理でほぼ１．８ｎｍの膜厚でシリコン酸化膜が形成された。一方、二重プレート６０を配備した図１のプラズマ酸化処理装置１００を用いて酸化膜形成を行なった実施例２では、４０秒の処理でも膜厚は０．８ｎｍ程度であり、二重プレート６０が薄膜形成における膜厚の制御に効果的であることが示された。【００８７】
また、膜厚の均一性については、図１３より、二重プレート６０を配備しない比較例２に比べて実施例２の方が格段に均一性に優れていた。【００８８】
実施例３
実施例１と同様の構成の二重プレート６０を備えたプラズマ酸化処理装置１００を用い、Ｓｉ基板を酸化処理してシリコン酸化膜を形成した。酸化処理工程におけるプラズマ処理の条件は、処理ガスとしてＡｒ／Ｏ２を流量２０００／５［ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）］で用い、ウエハ温度は４００℃、圧力は６６．７Ｐａ（５００ｍＴｏｒｒ）とし、プラズマへの供給パワーは２．０ｋＷ、処理時間は５秒、１０秒、２０秒、４０秒で行なった。得られたシリコン酸化膜の膜厚をエリプソメーターで測定した。処理時間と酸化膜厚および均一性の関係を図１４に示した。【００８９】
図１４から、処理ガス中のＯ２比率（Ｏ２／Ａｒ比）を１／４００にすることにより、５〜１０秒間の処理でほぼ０．７ｎｍ以下の薄膜を形成できることが示された。さらに、この条件では、４０秒間の処理でも膜厚を０．８ｎｍ以下に制御できた。また、酸化膜厚の均一性も良好であった。【００９０】
実施例４〜６、比較例３、４
実施例１と同様の構成の二重プレート６０を備えたプラズマ酸化処理装置１００を用い、Ｓｉ基板を酸化処理してシリコン酸化膜を形成した。酸化処理工程におけるプラズマ処理の条件は、処理ガスとしてＡｒとＯ２を用い、流量比と処理圧力は下記のとおりとした。また、比較のため、二重プレート６０を配備しない以外は、図１のプラズマ酸化処理装置１００と同様の構成を備えたプラズマ酸化処理装置により下記の条件で実施した。  なお、実施例、比較例ともに、ウエハ温度は４００℃、プラズマへの供給パワーは２．０ｋＷ、処理時間は５〜６０秒で行なった。得られたシリコン酸化膜の膜厚をエリプソメーターで測定した。【００９１】
実施例４；二重プレート使用
Ａｒ／Ｏ２比＝４００、圧力６６．７Ｐａ（５００ｍＴｏｒｒ）
実施例５；二重プレート使用
Ａｒ／Ｏ２比＝１００、圧力６６．７Ｐａ（５００ｍＴｏｒｒ）
実施例６；二重プレート使用
Ａｒ／Ｏ２比＝１０、圧力２６６．６Ｐａ（２Ｔｏｒｒ）
比較例３；二重プレート不使用
Ａｒ／Ｏ２比＝１０、圧力２６６．６Ｐａ（２Ｔｏｒｒ）
比較例４；二重プレート不使用
Ａｒ／Ｏ２比＝１００、圧力６６．７Ｐａ（５００ｍＴｏｒｒ）【００９２】
シリコン酸化膜の膜厚と均一性の関係を図１５に、また、処理時間と膜厚との関係を図１６に、それぞれ示した。図１５から、二重プレート６０を備えたプラズマ酸化処理装置１００を用いた実施例４〜６では、膜厚０．５〜１．０ｎｍ程度の極く薄いシリコン酸化膜を形成した場合でも、ウエハ面内の膜厚の均一性が略１．５％以下であり、ガス流量比や処理圧力による変動は少なかった。また、図１６から、処理時間が４０秒でも膜厚は１ｎｍを超えておらず、薄膜の場合でも膜厚の制御が容易であることが示された。一方、二重プレート６０を使用しなかった比較例３では、比較的良好な面内均一性が得られたものの膜厚は１ｎｍを超えてしまい、薄膜の場合には膜厚の制御が困難であった。また、二重プレート６０を使用しなかった比較例４では、短時間で膜厚が１．５ｎｍを超えてしまい、均一性も制御できなかった。以上の結果から、二重プレート６０を介在させることによって、膜厚０．５〜１．０ｎｍ程度の極く薄いシリコン酸化膜を膜厚と面内均一性を高精度に制御して形成できることが示された。【００９３】
以上、本発明の実施形態を述べたが、本発明は上記実施形態に制約されることはなく、種々の変形が可能である。
たとえば、図１では、ＲＬＳＡ方式のプラズマ酸化処理装置１００を例に挙げたが、被処理基板に対してプラズマが一定方向から供給される装置であれば、そこにラビリンス構造を有する部材（二重プレート６０など）を配備することにより同様の効果が得られるので、例えばリモートプラズマ方式、ＩＣＰ方式、ＥＣＲ方式、マグネトロン方式、表面反射波方式等のプラズマ酸化処理装置であってもよい。【００９４】
また、上記第１から第４の実施形態では、周波数３００ＭＨｚ〜３００ＧＨｚのマイクロ波によりプラズマを励起させるマイクロ波プラズマ処理装置を用いたが、例えば上記第５、第６の実施形態のように周波数３０ｋＨｚ〜３００ＭＨｚの高周波を用いてプラズマを励起させる高周波プラズマ処理装置を用いることもできる。【００９５】
さらに、上記実施形態では、プラズマ酸化処理装置を例に挙げたが、二重プレート６０や多孔質プレート６３を配備してプラズマ中のイオンを減少させることによるプラズマダメージの低減効果や薄膜形成における膜厚制御効果は、酸化処理に限らず、例えば処理ガスとして窒素含有ガスを用いるシリコンの窒化処理においても、同様に得ることができる。従って、本発明のプラズマ処理装置は、二重プレート６０や多孔質プレート６３を配備したプラズマ窒化処理装置として構成することも可能である。【００９６】
また、二重プレート６０に換え、必要に応じてプレートを三枚以上重ねて配備することもできる。【００９７】
また、図１のプラズマ酸化処理装置１００では、上下のプレート６１，６２を所定の間隔に離間した状態で支持するため、連結部材７１を配備する構成を採用したが、連結部材７１に換えて、例えば図１７に示すように円環状のギャップリング７２を介在させて上下のプレート６１，６２の間隔を調整するようにしてもよい。ギャップリング７２の直径は、上下のプレート６１，６２の貫通孔６１ａ，６２ａの配設領域を囲む程度の長さであればよい。ギャップリング７２を用いることにより、上下のプレート６１，６２の間の空間においてプラズマの横方向への拡散を防止できるので、プラズマによる処理効率を維持しつつ二重プレート６０によるイオントラップの制御性を高めることができる。【００９８】
また、二重プレート６０の貫通孔６１ａ，６２ａの形状は、円形に限らず任意であり、例えば四角等の形状や細長のスリットでもよく、例えば、図１８に示すように上側のプレート６４と下側のプレート６５に、それぞれ形成されたスリット６４ａ，６５ａを互いに位置がずれるように配備したものを用いることもできる。
さらに、例えば、図１９に示すように、矩形の貫通孔６６ａを複数備えた上側のプレート６６と、矩形の貫通孔６７ａを複数備えた下側のプレート６７と、を上から透視した状態で貫通孔６６ａと貫通孔６７ａとが位置をずらしてＨ字型に配列されるように配備してもよい。【００９９】
また、貫通孔６１ａ，６２ａ等、スリット６４ａ，６５ａ等の開口面積やその比率などは、プラズマ酸化処理条件等に応じて適宜調整することができる。【０１００】
さらに、図５Ａ〜図５Ｃでは、本発明のプラズマ酸化処理装置１００を用いるプラズマ処理の適用例として、ＭＯＳトランジスタなどのゲート電極におけるゲート絶縁膜の形成を挙げたが、これに限定されるものではない。例えば、ゲート絶縁膜形成のための窒化処理や、キャパシタの下部電極のポリシリコンの酸化処理、Ｈｉｇｈ−ｋ（高誘電率）ゲート絶縁膜形成前の酸化処理、フラッシュメモリのポリシリコン側壁の選択酸化処理などにおける酸化膜の形成などにも適用できる。
【産業上の利用可能性】
【０１０１】
本発明のプラズマ処理装置およびプラズマ処理方法は、各種半導体装置の製造過程において好適に利用可能である。
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３】
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【図４】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図５Ｃ】
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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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【国際調査報告】
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