WO2005048337A1 - プラズマ着火方法および基板処理方法 - Google Patents

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plasma
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Masanobu Igeta
Kazuyoshi Yamazaki
Shintaro Aoyama
Hiroshi Shinriki
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Tokyo Electron Limited
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    • H01L21/3165—Inorganic layers composed of oxides or glassy oxides or oxide based glass formed by oxidation
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    • H01L21/31658—Inorganic layers composed of oxides or glassy oxides or oxide based glass formed by oxidation of semiconductor materials, e.g. the body itself by thermal oxidation, e.g. of SiGe
    • H01L21/31662—Inorganic layers composed of oxides or glassy oxides or oxide based glass formed by oxidation of semiconductor materials, e.g. the body itself by thermal oxidation, e.g. of SiGe of silicon in uncombined form

Definitions

  • the present invention relates to the manufacture of semiconductor devices, and more particularly to a substrate processing apparatus that uses oxygen radicals and nitrogen radicals.
  • the thickness of the gate insulating film must be set to 112 nm or less when a conventional thermal oxide film is used. With a very thin gate insulating film, the problem of increased tunnel current and consequent increase of gate leakage current cannot be avoided.
  • the relative dielectric constant is much larger than that of the thermally oxidized film, so that even if the actual film thickness is large, the film thickness in terms of SiO film is small.
  • a very thin base oxide having a thickness of 1 nm or less, preferably 0.8 nm or less is provided between the high-dielectric gate oxide film and the silicon substrate. It is preferable to interpose a dani film.
  • the base oxide film needs to be very thin. If the thickness is large, the effect of using the high dielectric film as the gate insulating film is offset. On the other hand, such a very thin base oxide film needs to cover the silicon substrate surface uniformly, It is required that defects such as position are not formed.
  • a thin gate oxide film is generally formed by rapid thermal oxidation (RTO) treatment of a silicon substrate, but the thermal oxide film is formed to a desired thickness of 1 nm or less.
  • RTO rapid thermal oxidation
  • the thermal oxidation film formed at such a low temperature contains defects such as interface states and is not suitable as a base oxidation film for a high dielectric gate oxidation film immediately.
  • UV-excited oxygen radical UV-O radical
  • FIG. 1 is a schematic configuration of the conventional UV-O radical substrate processing apparatus 20 proposed.
  • the substrate processing apparatus 20 houses a substrate holding table 22 provided with a heater (not shown) and provided so as to be vertically movable between a process position and a substrate loading / unloading position. Further, a processing container 21 that defines a process space 21B together with the substrate holder 22 is provided, and the substrate holder 22 is rotated by a driving mechanism 22C. The inner wall surface of the processing container 21 is covered with an inner liner (not shown) made of quartz glass, thereby suppressing metal contamination of the substrate to be processed from the exposed metal surface.
  • the processing container 21 is coupled to the substrate transport unit 27 via a gate valve 27A.
  • the substrate holding table 22 is lowered to the loading / unloading position, the substrate is transported through the gate valve 27A.
  • the substrate W to be processed is transported from the transport unit 27 onto the substrate holder 22, and the processed substrate W is transported from the substrate holder 22 to the substrate transport unit 27.
  • an exhaust port 21A is formed in a portion of the processing container 21 near the gate valve 27A, and the exhaust port 21A has a valve 23A and an APC (automatic pressure control device, FIG. (Not shown) and a turbo molecular pump (TMP) 23B coupled thereto.
  • a dry pump (DP) 24 is further connected to the turbo molecular pump 23B via a valve 23C to drive the turbo molecular pump 23B and the dry pump 24. Accordingly, the pressure of the process space 21B 1.
  • 33 X 10- 1 - it is possible to reduced to - (10- 6 Torr 10- 3) 1.
  • the exhaust port 218 is another rivet 24?
  • the process space 21B is connected directly to the pump 24 through a slot (not shown), and by opening the valve 24A, the process space 21B is moved to 1.33 Pa—1.33 kPa (0.01 — LOTorr).
  • the processing vessel 21 is provided with a processing gas supply nozzle 21D to which an oxygen gas is supplied on a side opposite to the exhaust port 21A with the substrate W to be separated, and the processing gas supply nozzle is provided.
  • the oxygen gas supplied to 21D flows in the process space 21B along the surface of the substrate W to be processed, and is exhausted from the exhaust port 21A.
  • a radical oxidation film having a film thickness of 1 nm or less, in particular, a film thickness of about 0.4 nm corresponding to a thickness of 2-3 atomic layers is uniformly formed on the surface of the substrate W to be processed. It can be formed.
  • the process space 21B is suitable for oxidizing the substrate with oxygen radicals.
  • 33 X 10- 1 - is pressed reduced to a pressure range of - (10- 6 Torr 10- 3) 1.
  • a remote plasma source 26 is formed on the side of the processing target substrate W facing the exhaust port 21A. Therefore, by supplying a nitrogen gas together with an inert gas such as Ar to the remote plasma source 26 and activating the nitrogen gas with plasma, it is possible to form nitrogen radicals.
  • the nitrogen radicals thus formed flow along the surface of the substrate W to be processed, as shown in FIG. 2, and nitride the substrate surface. This In the case of the plasma nitriding treatment shown in FIG. Reduced to pressure.
  • By performing such a plasma nitridation process it is possible to perform a nitridation process on the very thin oxide film having a thickness of about 0.4 nm previously formed in the step of FIG.
  • Patent document 1 WO03Z04913A1
  • Patent Document 2 JP-T-2002-517914
  • Patent Document 3 JP-A-11-71680
  • Patent Document 4 JP-A-5-198515
  • a more specific object of the present invention is to provide a plasma ignition method capable of efficiently realizing plasma ignition and a substrate processing method using a powerful plasma ignition method.
  • Another object of the present invention is to provide
  • a gas containing the oxygen is exhausted while exhausting the inside of the processing container. Irradiating the substrate with ultraviolet light;
  • An object of the present invention is to provide a plasma ignition method, which comprises a step of driving the plasma source after the step of irradiating the ultraviolet light.
  • Another object of the present invention is to provide
  • a substrate processing method including a plasma ignition step of igniting plasma in a plasma source provided in a processing container,
  • the step of igniting the plasma by driving the plasma source After the step of irradiating the ultraviolet light, the step of igniting the plasma by driving the plasma source,
  • An object of the present invention is to provide a substrate processing method including a step of processing a surface of a substrate to be processed by the radical.
  • Another object of the present invention is to provide
  • the method includes a step of removing the processing gas from a pipe for supplying the processing gas to the plasma source, and further including the step of supplying the processing gas.
  • the step includes a step of gradually increasing the flow rate of the processing gas to a predetermined flow rate
  • the step of increasing the flow rate of the processing gas is to provide a substrate processing method that is executed so that the substrate to be processed rotates at least one time until the nitrogen gas flow rate reaches the predetermined flow rate.
  • a substrate processing method that further includes a step of introducing nitrogen radicals into the inside of the processing container and a step of exhausting the inside of the processing container after repeating the step of processing the surface of the substrate to be processed a predetermined number of times. It is in.
  • a plasma ignition method for igniting plasma by a plasma source provided on a processing container and a substrate processing method using a powerful ignition method are provided in a processing container.
  • a gas containing oxygen is allowed to flow, and in the processing container, the gas containing oxygen is irradiated with ultraviolet light while exhausting the inside of the processing container, and the plasma source is driven to adhere to the inner wall of the processing container.
  • the water that has been removed is desorbed and plasma ignition becomes easier.
  • a step of supplying a rare gas to a plasma source to form plasma, and a step of supplying a processing gas to the plasma source after the plasma is formed
  • a substrate processing method comprising: forming an active species of the processing gas; and flowing the active species along a surface of the substrate to be processed, and treating a surface of the substrate to be processed with the active species.
  • the target substrate is performed such that at least one rotation to eliminate overshoot problems of the process gas flow amount at the start processing gas supply, also it is possible to form a uniform film on the substrate front surface
  • a gas containing oxygen is excited by ultraviolet light inside the processing container.
  • the step of forming a radical and forming a radical and the step of processing the surface of the substrate with the radical inside the processing container are performed in a predetermined manner.
  • the step of introducing nitrogen radicals into the processing vessel and the step of evacuating the processing vessel are performed, whereby the accumulation of residual HO in the processing vessel is suppressed. And formed on the substrate to be processed
  • the thickness of the film to be formed is suppressed.
  • FIG. 1 is a view showing a conventional substrate processing apparatus.
  • FIG. 2 is a view showing another state of the substrate processing apparatus of FIG. 1.
  • FIG. 3 is a diagram showing a configuration of a remote plasma source used in the substrate processing apparatus of FIG. 1.
  • FIG. 4 is a diagram illustrating a first embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is another diagram for explaining the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 6A is a flowchart illustrating a first embodiment of the present invention.
  • FIG. 6B is a flowchart illustrating a modification of the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is a diagram illustrating a second embodiment of the present invention.
  • FIG. 8 is a diagram illustrating a second embodiment of the present invention.
  • FIG. 9 is a diagram showing a plasma ignition sequence according to a second embodiment of the present invention.
  • FIG. 10 is a diagram illustrating a third embodiment of the present invention.
  • FIG. 11 is another diagram illustrating a third embodiment of the present invention.
  • FIG. 12 is yet another view for explaining the third embodiment of the present invention.
  • FIG. 13 is a diagram illustrating a fourth embodiment of the present invention.
  • FIG. 14 is a diagram showing a configuration of a computer used in FIG.
  • FIG. 3 shows a configuration of a high-frequency plasma source used as the remote plasma source 26 in the substrate processing apparatus 20 of FIG.
  • the remote plasma source 26 includes a block 26A, typically made of aluminum, in which a gas circulation passage 26a and a gas inlet 26b and a gas outlet 26c communicating with the gas circulation passage 26a are formed.
  • a ferrite core 26B is formed on a part of the block 26A. Yes.
  • An insulating member 26dc for blocking direct current is formed in a part of the block 26A.
  • An alumite treatment film 26d is formed on the inner surfaces of the gas circulation passage 26a, the gas inlet 26b, and the gas outlet 26c, and the alumite treatment film 26d is further impregnated with fluorine resin.
  • a high frequency (RF) power having a frequency force of 00 kHz to the coil wound around the ferrite core 26B, a plasma 26C is formed in the gas circulation passage 26a.
  • the inventor of the present invention introduced a gas containing oxygen into the process space 21 B of the processing vessel 21 before the plasma ignition by the plasma source 26, and further introduced the ultraviolet light source 2. It was found that when UV light with a wavelength of 172 nm was applied to the inside of the processing vessel by driving Step 5, the plasma was immediately ignited. This is considered to be because active species are formed in the process space 21B by the ultraviolet light irradiation, and the active species flow into the remote plasma source 26 to cause ignition.
  • FIG. 4 shows the results of a small experiment. However, in FIG. 4, “UVO” is inside the processing vessel 21
  • “RFN” depressurizes the inside of the processing vessel 21 to a pressure of 6.65 Pa (50 mTorr) at the exhaust port 21A, and separates Ar gas and nitrogen gas from the remote radical source 26, respectively.
  • a flow rate of 1280 SCCM and 75 SCCM and further driving the remote radical source 26 with a high frequency power of 00 kHz at a frequency of 00 kHz while sandwiching a vacuum evacuation step by a turbo molecular pump 23 for 60 seconds for 60 times every 60 seconds.
  • the results of analyzing the chemical species remaining in the processing vessel 21 by evacuating the interior of the processing vessel 21 by the turbo-molecular pump 23 are shown.
  • the substrate holding table 22 when the temperature of the substrate holding table 22 is raised to 550 ° C. immediately after the start of the operation of the substrate processing apparatus 20, the substrate holding table 22 is released into the processing container 21, that is, detached from the wall surface.
  • the amount of HO molecules present in separated state was about 1 X 10- 8 Alpha and the ion current value
  • the concentration of H +,-, OH-, O, N, and the like can be similarly controlled by driving the ultraviolet light source 25.
  • the magnitude of the force is less than that of HO except for OH related to H0 formation.
  • Activated species (HO, ⁇ -, H +, etc.) generated in the space 21B enter the plasma source 26.
  • this UVO step may be performed before plasma ignition in the RFN step.
  • the RFN process when the RFN process is performed after the UVO process, the RFN process remains in the processing container 21.
  • H +, ⁇ -, OH-, O, N, etc. are released simultaneously with the release of H 2 O molecules.
  • FIG. 5 shows the release in the processing vessel 21 when the time of the UVO treatment was changed.
  • FIG. 6A is a flowchart illustrating an example of a substrate processing step according to the first embodiment of the present invention.
  • Step 2 the operation of the substrate processing apparatus 20 that has been left for a long time in Step 1 or the inside of the processing container and the plasma source 26 have been opened to the atmosphere due to maintenance. Is restarted, and in step 2, the pressure inside the processing vessel 21 and the plasma source 26 is reduced to a pressure of 6.65 Pa, and the ultraviolet light source 25 is driven for 5 minutes or more while passing oxygen gas. Processing is executed.
  • a silicon substrate is introduced into the processing container 21 as the substrate to be processed W, and further in step 4.
  • the thickness of the silicon substrate surface is reduced.
  • step 4 the inside of the processing vessel 21 and the plasma source 26 are purged with Ar gas or nitrogen gas, and in step 5, the Ar gas is introduced into the processing vessel 21 through the plasma source 26.
  • the pressure is set to, for example, 133 Pa (lTorr), plasma is ignited in the plasma source 26, and nitrogen gas is further supplied to the plasma source 26 to form active nitrogen. Is performed to nitride the surface of the oxide film.
  • FIG. 6B is a flowchart showing an example of a substrate processing step in the case where a silicon oxide film has already been formed on the substrate.
  • step 2 the operation of the substrate processing apparatus 20 that has been left for a long time in step 11 or the inside of the processing container and the plasma source 26 have been opened to the atmosphere due to maintenance is restarted. UVO processing corresponding to step 2 is executed.
  • Step 13 the silicon substrate on which the silicon oxide film has already been formed in Step 13 is introduced into the processing container 21 as the substrate to be processed W, and in Step 14 corresponding to Step 5, the silicon A nitridation process of the film is performed.
  • the UVO step of step 2 or step 12 is performed prior to the actual substrate processing step after step 3 or step 13 to activate the inner wall of the plasma source 26.
  • the UVO treatment step of step 2, 12 or step 4 is performed.
  • Definitive treatment pressure is the 6.1 at an oxygen partial pressure Nag limited to 65Pa (50mTorr) 33 X 10- 3 - can be used a pressure ranging from 133 Pa.
  • the Ar gas and the processing gas that is, the nitrogen gas are simultaneously supplied to supply the plasma. If you try to ignite, the ignition conditions are very limited and the ignition is not easy.
  • FIG. 7 is a diagram showing a gas supply sequence in such a remote plasma source 26.
  • Ar gas is supplied to the remote plasma source 26 at timing t.
  • the plasma is ignited by supplying high-frequency power at timing t.
  • the flow rate of the nitrogen gas is gradually increased so that the vona is stably maintained.
  • the substrate processing apparatus 20 configured to supply nitrogen radicals N * from the side of the rotating substrate to be processed as shown in FIG. It is no longer effective, and as shown in Fig. 8, the thickness of the formed nitride film is locally increased in the region close to the remote plasma source 26 at the moment when the overshoot occurs. Becomes uneven. In such a case, especially the film thickness is 0.4 nm. When a silicon oxide film having a very small thickness is etched, a serious problem occurs.
  • Such an overshoot at the start of the supply of nitrogen gas is caused by the fact that the nitrogen gas remaining in the pipe for supplying the nitrogen gas to the remote plasma source 26 is released at once at the start of the supply of the nitrogen gas. It is considered.
  • FIG. 1 is referred to again.
  • FIG. 1 shows a configuration of a gas supply system for supplying nitrogen gas to the remote plasma source 26.
  • Ar gas is supplied to the remote plasma source 26 from an Ar gas source 101 via a valve 101A, a mass flow controller 101B, a valve 101C, and a pipe 101a.
  • nitrogen gas is supplied via a valve 102A, a mass flow controller 102B, a valve 102C, a pipe 102a, and a pipe 101a.
  • oxygen gas is supplied to the gas nozzle 21D from an oxygen gas source 103 via a valve 103A, a mass flow controller 103B, a valve 103C, and a pipe 103a.
  • the pipes 101a, 102a, and 103a are connected by a pipe 104a, and therefore, by operating the valves 101A, 101B, 102A, 102B, 103A, and 103B, the Ar gas and the nitrogen gas source in the Ar gas source 101 are Any gas of the nitrogen gas in 102 and the oxygen gas in the oxygen gas source 103 can be supplied to the remote plasma source 26 or the gas nozzle 21D together with another gas as required.
  • the pipes 101a and 103a are provided with valves 101D and 103D, respectively.
  • valves 101A-101D, 102A-102C, 103A-103D are all closed forces.
  • the pipe 101a is upstream of the valve 101D.
  • the side portion, that is, the pipe section of the pipes 102a, 104a and 101a separated by the valve 102A and the valve 101D is filled with nitrogen gas, and the valve 101D is opened at the start of the RFN process. Then, it is considered that the trapped nitrogen gas flows into the remote radical source 26 to cause the overshoot. Therefore, when igniting the plasma in the remote plasma source 26, first, only the Ar gas with a low ionization energy is supplied to ignite the plasma. Then, a sequence is used in which nitrogen gas is gradually added so that the plasma does not disappear.
  • valve 101D before driving the remote plasma source 26 at a high frequency to ignite the plasma, the valve 101D is opened, and the sealed nitrogen gas is discharged through the processing vessel 21. And exhaust by the turbo molecular pump 23B.
  • valve 102A opening the valve 102A and further driving the mass flow controller 102B, it is possible to supply nitrogen gas to the remote plasma source 26 without causing overshoot as shown in FIG. Will be possible.
  • the mass flow controller 102B controls the rate of increase in the flow rate of the nitrogen gas so that the target substrate W is rotated one or more times during a period T during which the flow rate of the nitrogen gas increases to a predetermined flow rate.
  • the moisture adhering to the inner wall of the vessel 21 is desorbed, and as a result, the concentration of H 2 O remaining in the process space 21B increases. Similar desorption of water is performed in the substrate processing apparatus 20 shown in FIG.
  • Nozzle 21D Cara NO gas is introduced and excited by the ultraviolet light source 25 to form nitrogen radical N * and oxygen radical O *, and the formed nitrogen radical N * and oxygen radical O * are used. Also occurs during UVNO processing to form a SiON film on the silicon substrate surface
  • the 22 o concentration was almost constant regardless of the number of substrate treatments.
  • the concentration of HO remaining in the process space 21B depends on the substrate processing. It increases with the number of times. On the other hand, the concentration of HO remaining in the process space 21B is
  • the thickness of the formed SiON film may increase.
  • FIG. 10 shows the relationship between the thickness of the obtained SiON film and the number of times of substrate processing when such UVNO processing is repeatedly performed in the substrate processing apparatus 20 of FIG.
  • the film thickness is determined by a method using spectroscopic ellipsometry.
  • the UVNO treatment was performed under a pressure of 13.3 Pa and a substrate temperature of 700 ° C.
  • the thickness of the SiON film formed on the silicon substrate by the UVNO process tends to increase with the number of times of the substrate processing (wafer #), particularly when the number of the processing exceeds 150 times. It can be seen that a clear film increase has occurred.
  • the RFN process is performed for 60 seconds after the 250 substrates are processed, and the processing container 21 is evacuated five times for 60 seconds each with the pump TMP23B. It can be seen that the thickness of the SiON film sharply decreases.
  • the RFN process and the exhaust process are periodically performed every time the number of processed substrates reaches 150, thereby suppressing an increase in the SiON film formed on the silicon substrate. That's all.
  • FIG. 11 shows the thickness and uniformity of the SiON film in the case where the RFN process described in the previous embodiment and the subsequent exhaust process are performed for every 25 substrates to be processed. However, the RFN processing and the exhaust processing are performed in a state where the substrate W to be processed is taken out of the processing container 21.
  • FIG. 12 shows that the chemical species remaining in the processing vessel 21 when the conditions for performing the RFN treatment and the exhaust treatment are changed are ⁇ +, H, ⁇ -, OH-, HO, N, NO
  • the lowest residual H 0 concentration is obtained when RFN treatment 60 seconds and evacuation treatment 60 seconds are repeated 6 times.
  • the moisture released from the side wall surface of the processing container 21 can be prevented from being accumulated in the processing space 21B, and the increase in the film to be formed can be suppressed.
  • the processing container 21 is open to the atmosphere or in an idle state for a long time, the UVO processing inside the plasma source is performed.
  • FIG. 13 is a diagram showing the configuration of the substrate processing apparatus 20 used in each of the above embodiments, including its control system. However, in FIG. 13, the parts described above are denoted by the same reference numerals, and description thereof will be omitted.
  • the substrate processing apparatus 20 cooperates with a control apparatus 100 including a computer on which a control program is installed, and the control apparatus 100 operates according to the control program.
  • Exhaust system including molecular pump 23B, dry pump 24, valves 23A, 23C, 24A, substrate transport unit 27, processing container including substrate holder 22 and drive mechanism 22C, radicals including ultraviolet light source 25 and remote plasma source 27 around processing vessel
  • the gas supply system including the forming section, the gas source 101-103 and the valve's mass flow controller 101A-101D, 102A-102C, 103A-103D is controlled.
  • These controls include the control shown in the flowcharts of FIGS. 6A and 6B, the control shown in FIGS. 7 and 9, and the control shown in FIGS.
  • the computer constituting control device 100 in FIG. 13 has the configuration shown in FIG. 14, and may be a general-purpose computer.
  • a computer 100 includes a processor (CPU) 151, a memory (RAM) 152, a program storage device (HDD) 153, and a disk such as a floppy drive or an optical disk drive, which are connected via a bus 150.
  • the computer 100 controls the substrate processing apparatus 20 via the interface 158, including a drive 154, an input device 155 such as a keyboard and a mouse, a display device 156, a network interface 157, and an interface 158.
  • the disk drive is mounted with a computer such as a floppy disk or an optical disk or a read storage medium 159, reads a control program code of the substrate processing apparatus 20 recorded on the storage medium 159, and reads the control program code in the HDD 153.
  • a computer such as a floppy disk or an optical disk or a read storage medium 159
  • reads a control program code of the substrate processing apparatus 20 recorded on the storage medium 159 reads the control program code in the HDD 153.
  • the control program code can be supplied from a network via a network interface 157.
  • the program code supplied in this manner is developed in the RAM 152, and the CPU 151 controls the substrate processing apparatus 20 via the interface 158 according to the program code in the RAM 152. Thereby, the substrate processing apparatus 20 performs the operation described in the previous embodiment.
  • the control program code can be directly expanded from the disk drive 154 or the network interface 157 into the RAM 152 without being stored in the HDD 153.
  • the present invention is not limited to the substrate processing apparatus of the type described in FIGS. 1 and 2, but may be applied to any substrate processing apparatus provided with a plasma source and an ultraviolet light source. Is possible. Further, in the present invention, the plasma source is not limited to the remote plasma source described in FIG.
  • a plasma ignition method for igniting plasma by a plasma source provided on a processing container and a substrate processing method using a powerful ignition method are provided in a processing container.
  • a gas containing oxygen is allowed to flow, and in the processing vessel, By irradiating the gas containing oxygen with ultraviolet light while evacuating the part and driving the plasma source, moisture adhering to the inner wall of the processing container is desorbed, and the ignition of the plasma is facilitated.
  • a step of supplying a rare gas to a plasma source to form plasma, and a step of supplying a processing gas to the plasma source after the plasma is formed
  • a substrate processing method comprising: forming an active species of the processing gas; and flowing the active species along a surface of the substrate to be processed, and treating a surface of the substrate to be processed with the active species.
  • the target substrate is performed such that at least one rotation to eliminate overshoot problems of the process gas flow amount at the start processing gas supply, also it is possible to form a uniform film on the substrate front surface
  • a step of exciting oxygen-containing gas with ultraviolet light to form radicals inside the processing vessel and treating the surface of the substrate to be processed with the radicals inside the processing vessel In the substrate processing method, the step of processing the surface of the substrate to be processed is repeated a predetermined number of times, and thereafter, a step of introducing nitrogen radicals into the inside of the processing container, and a step of exhausting the inside of the processing container.
  • the thickness of the film to be formed is suppressed.

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Description

明 細 書
プラズマ着火方法および基板処理方法
技術分野
[0001] 本発明は半導体装置の製造に係り、特に酸素ラジカルと窒素ラジカルを使う基板 処理装置に関する。
背景技術
[0002] 今日の超高速半導体装置では、微細化プロセスの進歩とともに、 0. 1 m以下の ゲート長が可能になりつつある。一般に微細化とともに半導体装置の動作速度は向 上するが、このように非常に微細化された半導体装置では、ゲート絶縁膜の膜厚を、 微細化によるゲート長の短縮に伴って、スケーリング則に従って減少させる必要があ る。
[0003] しかしゲート長が 0. 1 μ m以下になると、ゲート絶縁膜の厚さも、従来の熱酸化膜を 使った場合、 1一 2nm、あるいはそれ以下に設定する必要がある力 このように非常 に薄いゲート絶縁膜ではトンネル電流が増大し、その結果ゲートリーク電流が増大す る問題を回避することができない。
[0004] このような事情で従来より、比誘電率が熱酸ィ匕膜のものよりもはるかに大きぐこのた め実際の膜厚が大きくても SiO膜に換算した場合の膜厚が小さい Ta Oや Al O , Z
2 2 5 2 3 rO， HfO、さらには ZrSiOあるいは Hf SiOのような高誘電体材料（いわゆる high—
2 2 4 4
κ材料)をゲート絶縁膜に対して適用することが提案されている。このような高誘電体 材料を使うことにより、ゲート長が 0. l /z m以下と、非常に短い超高速半導体装置に おいても 10nm程度の物理的膜厚のゲート絶縁膜を使うことができ、トンネル効果に よるゲートリーク電流を抑制することができる。
[0005] チャネル領域中のキャリアモビリティーを向上させる観点からは、高誘電体ゲート酸 化膜とシリコン基板との間に、 lnm以下、好ましくは 0. 8nm以下の厚さのきわめて薄 いベース酸ィ匕膜を介在させるのが好ましい。ベース酸ィ匕膜は非常に薄い必要があり 、厚さが厚いと高誘電体膜をゲート絶縁膜に使った効果が相殺される。一方、かかる 非常に薄いベース酸ィ匕膜は、シリコン基板表面を一様に覆う必要があり、また界面準 位等の欠陥を形成しな 、ことが要求される。
[0006] 従来より、薄 ヽゲート酸ィ匕膜はシリコン基板の急速熱酸ィ匕 (RTO)処理により形成さ れるのが一般的であるが、熱酸ィ匕膜を所望の lnm以下の厚さに形成しょうとすると、 膜形成時の処理温度を低下させる必要がある。しかし、このように低温で形成された 熱酸ィ匕膜は界面準位等の欠陥を含みやすぐ高誘電体ゲート酸ィ匕膜のベース酸ィ匕 膜としては不適当である。
[0007] このような事情から、本発明の発明者は、 WO03/04913A1号公報において、ベース 酸化膜の形成に、低 、ラジカル密度のもとで高品質の酸ィ匕膜が低 、成膜速度で形 成できる紫外光励起酸素ラジカル (UV - Oラジカル)基板処理装置を使うことを提案
2
した。
[0008] 図 1は、前記従来の提案になる UV— Oラジカル基板処理装置 20の概略的な構成
2
を示す。
[0009] 図 1を参照するに、基板処理装置 20は、ヒータ（図示せず)を備えプロセス位置と基 板搬入'搬出位置との間を上下動自在に設けられた基板保持台 22を収納し、前記 基板保持台 22と共にプロセス空間 21Bを画成する処理容器 21を備えており、前記 基板保持台 22は駆動機構 22Cにより回動される。なお、前記処理容器 21の内壁面 は石英ガラスよりなる内部ライナ（図示せず）により覆われており、これにより、露出金 属面からの被処理基板の金属汚染を抑制して 1、る。
[0010] 前記処理容器 21はゲートバルブ 27Aを介して基板搬送ユニット 27に結合されてお り、前記基板保持台 22が前記搬入 ·搬出位置に下降した状態において、前記ゲート バルブ 27Aを介して基板搬送ユニット 27から被処理基板 Wが基板保持台 22上に搬 送され、また処理済みの基板 Wが基板保持台 22から基板搬送ユニット 27に搬送さ れる。
[0011] 図 1の基板処理装置 20では、前記処理容器 21のゲートバルブ 27Aに近い部分に 排気口 21Aが形成されており、前記排気口 21Aにはバルブ 23Aおよび APC (自動 圧力制御装置、図示せず)を介してターボ分子ポンプ (TMP) 23Bが結合されて 、る 。前記ターボ分子ポンプ 23Bには、さらにドライポンプ（DP) 24がバルブ 23Cを介し て結合されており、前記ターボ分子ポンプ 23Bおよびドライポンプ 24を駆動すること により、前記プロセス空間 21Bの圧力を 1. 33 X 10— 1— 1. 33 X 10— 4Pa (10— 3— 10— 6 Torr)まで減圧することが可能になる
一方、前記排気口 21八はノ レブ24八ぉょび別の八？じ（図示せず）を介して直接に ポンプ 24に結合されており、前記バルブ 24Aを開放することにより、前記プロセス空 間 21Bは、前記ポンプ 24により 1. 33Pa— 1. 33kPa (0. 01— lOTorr)の圧力まで 減圧される。
[0012] 前記処理容器 21には、被処理基板 Wを隔てて前記排気口 21Aと対向する側に酸 素ガスを供給される処理ガス供給ノズル 21Dが設けられており、前記処理ガス供給ノ ズル 21Dに供給された酸素ガスは、前記プロセス空間 21B中を前記被処理基板 W の表面に沿って流れ、前記排気口 21Aから排気される。
[0013] このように前記処理ガス供給ノズル 21Dカゝら供給された処理ガスを活性ィ匕し酸素ラ ジカルを生成させるため、図 1の基板処理装置 20では前記処理容器 21上，前記処 理ガス供給ノズル 21Dと被処理基板 Wとの間の領域に対応して石英窓 25Aを有す る、好ましくは波長が 172nmのエキシマランプよりなる紫外光源 25が設けられる。す なわち前記紫外光源 25を駆動することにより前記処理ガス供給ノズル 21D力もプロ セス空間 21Bに導入された酸素ガスが活性化され、その結果形成された酸素ラジカ ルが前記被処理基板 Wの表面に沿って流れる。これにより、前記被処理基板 Wの表 面に、 lnm以下の膜厚の、特に 2— 3原子層分の厚さに相当する約 0. 4nmの膜厚 のラジカル酸ィ匕膜を一様に形成することが可能になる。
[0014] この図 1に示すラジカル酸化膜の形成工程では、前記バルブ 24Aを閉じバルブ 23 Aを開放することにより、前記プロセス空間 21Bは、酸素ラジカルによる基板の酸ィ匕 処理に適した 1. 33 X 10— 1— 1. 33 X 10— 4Pa (10— 3— 10— 6Torr)の圧力範囲まで減 圧される。
[0015] また前記処理容器 21には前記被処理基板 Wに対して排気口 21Aと対向する側に リモートプラズマ源 26が形成されて 、る。そこで前記リモートプラズマ源 26に Arなど の不活性ガスと共に窒素ガスを供給し、これをプラズマにより活性ィ匕することにより、 窒素ラジカルを形成することが可能である。このようにして形成された窒素ラジカルは 図 2に示すように前記被処理基板 Wの表面に沿って流れ、基板表面を窒化する。こ の図 2に示したプラズマ窒化処理の場合には、前記バルブ 23Aを閉じ、バルブ 24A を開放することにより、前記プロセス空間 21Bは、前記 1. 33Pa— 1. 33kPa (0. 01 一 lOTorr)の圧力まで減圧される。このようなプラズマ窒化処理を行うことにより、先 に図 1の工程で形成されていた膜厚が 0. 4nm前後の非常に薄い酸ィ匕膜を窒化処 理することが可能になる。
発明の開示
発明が解決しょうとする課題
[0016] ところで、このような基板処理装置 20では、 2— 3日間あるいはそれ以上の期間、前 記処理容器 21内部を真空引きした状態で運転を停止して ヽた場合、あるいはメンテ ナンスなどのため前記処理容器 21を大気開放した場合などにおいて、運転を再開し ようとしても、プラズマが容易に着火しない現象が生じるのが見出された。
[0017] プラズマを着火させるためには、前記処理容器 21内部を 2— 3時間にわたり、繰り 返しパージする必要があった力 このような長時間にわたるパージ工程は、基板処理 効率を大きく低下させる。
特許文献 1： WO03Z04913A1号公報
特許文献 2：特表 2002— 517914号公報
特許文献 3：特開平 11—71680号公報
特許文献 4:特開平 5— 198515号公報
課題を解決するための手段
[0018] そこで本発明は上記の問題点を解決した、新規で有用なプラズマ着火方法および 基板処理方法を提供することを概括的課題とする。
[0019] 本発明のより具体的な課題は、プラズマ着火を効率的に実現できるプラズマ着火 方法、および力かるプラズマ着火方法を使った基板処理方法を提供することにある。
[0020] 本発明の他の課題は、
処理容器に設けられたプラズマ源においてプラズマを着火させるプラズマ着火方 法であって、
処理容器中に酸素を含むガスを流通させる工程と、
前記処理容器中にお!ヽて、前記処理容器内部を排気しながら前記酸素を含むガ スに紫外光を照射する工程と、
前記紫外光を照射する工程の後で、前記プラズマ源を駆動する工程とよりなるブラ ズマ着火方法を提供することにある。
[0021] 本発明の他の課題は、
処理容器に設けられたプラズマ源においてプラズマを着火させるプラズマ着火ェ 程を含む基板処理方法であって、
処理容器中に酸素を含むガスを流通させる工程と、
前記処理容器中にお!ヽて、前記処理容器内部を排気しながら前記酸素を含むガ スに紫外光を照射する工程と、
前記紫外光を照射する工程の後で、前記プラズマ源を駆動することにより、プラズ マを着火する工程と、
前記処理容器中にぉ 、て処理ガスを導入し、前記プラズマにより前記処理ガスを 励起し、ラジカルを形成する工程と、
前記ラジカルにより、被処理基板表面を処理する工程とよりなる基板処理方法を提 供することにある。
[0022] 本発明の他の課題は、
プラズマ源に希ガスを供給し、プラズマを形成する工程と、
前記プラズマが形成された後、前記プラズマ源に処理ガスを供給し、前記プラズマ により前記処理ガスの活性種を形成する工程と、
前記活性種を、前記被処理基板の表面に沿って流し、前記被処理基板の表面を 前記活性種により処理する工程とよりなる基板処理方法において、
前記プラズマを形成する工程の後、前記処理ガスを供給する工程の前に、前記プ ラズマ源に前記処理ガスを供給する配管より前記処理ガスを除去する工程を含み、 さらに前記処理ガスを供給する工程は、前記処理ガスの流量を所定流量まで徐々 に増大させる工程を含み、
前記処理ガスの流量を増大させる工程は、前記窒素ガス流量が前記所定流量に 達するまでの間に前記被処理基板が少なくとも 1回転するように実行される基板処理 方法を提供することにある。 [0023] 本発明の他の課題は、
処理容器内部において、酸素を含むガスを紫外光により励起し、ラジカルを形成す る工程と、
前記処理容器内部にぉ ヽて、前記ラジカルにより被処理基板表面を処理する工程 とよりなる基板処理方法において、
前記被処理基板表面を処理する工程を所定回数繰り返した後、前記処理容器内 部に窒素ラジカルを導入する工程と、前記処理容器内部を排気する工程とをさら〖こ 含む基板処理方法を提供することにある。
発明の効果
[0024] 本発明によれば、処理容器上に設けられたプラズマ源にぉ ヽてプラズマを着火さ せるプラズマ着火方法および力かる着火方法を使った基板処理方法にぉ 、て、処理 容器中に酸素を含むガスを流通させ、前記処理容器中において、前記処理容器内 部を排気しながら前記酸素を含むガスに紫外光を照射し、前記プラズマ源を駆動す ることにより、処理容器内壁に付着していた水分が脱離し、プラズマの着火が容易に なる。
[0025] また本発明によれば、プラズマ源に希ガスを供給し、プラズマを形成する工程と、前 記プラズマが形成された後、前記プラズマ源に処理ガスを供給し、前記プラズマによ り前記処理ガスの活性種を形成する工程と、前記活性種を、前記被処理基板の表面 に沿って流し、前記被処理基板の表面を前記活性種により処理する工程とよりなる基 板処理方法において、前記プラズマを形成する工程の後、前記処理ガスを供給する 工程の前に、前記プラズマ源に前記処理ガスを供給する配管より前記処理ガスを除 去する工程を設け、さらに前記処理ガスを供給する工程を、前記処理ガスの流量が 所定流量まで徐々に増大するように実行し、さらにその際、前記処理ガスを供給する 工程を、前記窒素ガス流量が前記所定流量に達するまでの間に、前記被処理基板 が少なくとも 1回転するように実行することにより、処理ガス供給開始時の処理ガス流 量のオーバーシュートの問題が解消し、また基板前面に均一な膜形成が可能となる
[0026] また本発明によれば、処理容器内部において、酸素を含むガスを紫外光により励 起し、ラジカルを形成する工程と、前記処理容器内部において、前記ラジカルにより 被処理基板表面を処理する工程とよりなる基板処理方法にお!ヽて、前記被処理基板 表面を処理する工程を所定回数繰り返した後、前記処理容器内部に窒素ラジカルを 導入する工程と、前記処理容器内部を排気する工程とを実行することにより、処理容 器内に残留 H Oが蓄積するのが抑制され、これに伴って前記被処理基板上に形成
2
される膜の増膜が抑制される。
図面の簡単な説明
[0027] [図 1]従来の基板処理装置を示す図である。
[図 2]図 1の基板処理装置の別の状態を示す図である。
[図 3]図 1の基板処理装置で使われるリモートプラズマ源の構成を示す図である。
[図 4]本発明の第 1実施例を説明する図である。
[図 5]本発明の第 1実施例を説明する別の図である。
[図 6A]は、本発明の第 1実施例を説明するフローチャートである。
[図 6B]は、本発明の第 1実施例の変形例を説明するフローチャートである。
[図 7]本発明の第 2実施例を説明する図である。
[図 8]本発明の第 2実施例を説明する図である。
[図 9]本発明の第 2実施例によるプラズマ着火シーケンスを示す図である。
[図 10]本発明の第 3実施例を説明する図である。
[図 11]本発明の第 3実施例を説明する別の図である。
[図 12]本発明の第 3実施例を説明するさらに別の図である。
[図 13]本発明の第 4実施例を説明する図である。
[図 14]図 13で使われるコンピュータの構成を示す図である。
符号の説明
[0028] 20 基板処理装置
21 処理容器
21A 排気ポート
21B プロセス空間
21D ガス導入ノズル 22 基板保持台
22C 回転機構
23A, 23C, 24A, ノ レブ
23B ターボ分子ポンプ
24 ドライポンプ
25 紫外光源
25A 光学窓
26 リモートプラズマ源
26A ブロック
26a ガス循環通路
26B コイル
26b ガス入口
26dc DCbreak
26C プラズマ
26c ガス出口
26d 陽極酸ィ匕膜 (アルマイト）
26e ィ才ンフイノレタ
27 基板搬送モジュール
27A ゲートバノレブ
101a— 104a 配管
101A— 101D, 102A— 102C, 103A— 103D バルブ
発明を実施するための最良の形態
[0029] [第 1実施例]
図 3は、図 1の基板処理装置 20において前記リモートプラズマ源 26として使われる 高周波プラズマ源の構成を示す。
[0030] 図 3を参照するに、リモートプラズマ源 26は、内部にガス循環通路 26aとこれに連通 したガス入り口 26bおよびガス出口 26cを形成された、典型的にはアルミニウムよりな るブロック 26Aを含み、前記ブロック 26Aの一部にはフェライトコア 26Bが形成されて いる。前記ブロック 26Aの一部は、直流遮断のための絶縁部材 26dcが形成されてい る。
[0031] 前記ガス循環通路 26aおよびガス入り口 26b、ガス出口 26cの内面にはアルマイト 処理膜 26dが形成されており、さらに前記アルマイト処理膜 26dにはフッ素榭脂が含 浸されて 、る。前記フェライトコア 26Bに卷回されたコイルに垂直に周波数力 00kH zの高周波 (RF)パワーを供給することにより、前記ガス循環通路 26a内にプラズマ 2 6Cが形成される。
[0032] プラズマ 26Cの励起に伴って、前記ガス循環通路 26a中には窒素ラジカルおよび 窒素イオンが形成されるが、直進性の強 ヽ窒素イオンは前記循環通路 26aを循環す る際に消滅し、前記ガス出口 26cからは主に窒素ラジカル N*が放出される。さらに図 1の構成では前記ガス出口 26cに接地されたイオンフィルタ 26eを設けることにより、 窒素イオンをはじめとする荷電粒子が除去され、前記処理空間 21 Bには窒素ラジカ ルのみが供給される。また、前記イオンフィルタ 26eを接地させない場合においても、 前記イオンフィルタ 26eの構造は拡散板として作用するため、十分に窒素イオンをは じめとする荷電粒子を除去することができる。なお、大量の Nラジカルを必要とするプ 口セスを実行する場合においては、イオンフィルタ 26eでの Nラジカルの衝突による 消滅を防ぐ為、イオンフィルタ 26eを取り外す場合もある。
[0033] 先にも説明したように、このような基板処理装置において、処理容器 21を大気開放 した場合、あるいは処理容器 21を真空引きした状態で数日間あるいはそれ以上運転 を停止した場合、運転を再開しょうとしてもリモートプラズマ源 26においてプラズマが 容易に着火しない現象が見出された。このプラズマが着火困難性の問題は、前記リ モートプラズマ源 26に電離エネルギの低 ヽ Arガスのみを供給した場合にお!ヽても生 じる。この状態力もプラズマを着火させるためには、数時間にわたり、処理容器 21の 内部を繰り返しパージする必要があった。このプラズマ着火困難の要因は、前記ガス 循環通路 26aの内壁面に残留水分や酸素が吸着されていることによるものと考えら れる。
[0034] これに対し本発明の発明者は、プラズマ源 26でプラズマ着火する前に、前記処理 容器 21中のプロセス空間 21 B中に酸素を含むガスを導入し、さらに前記紫外光源 2 5を駆動して処理容器内部に波長が 172nmの紫外光を照射した場合、プラズマが 直ちに着火するようになることを見出した。これは、前記紫外光照射により前記プロセ ス空間 21B中に活性種が形成され、この活性種がリモートプラズマ源 26中に流入す ることにより着火要因となって ヽるものと考えられる。
[0035] そこで本発明の発明者は、本発明の基礎となる研究において、運転を長期間休止 した基板処理装置 20につ 、て、前記紫外光源 25およびリモートプラズマ源 26を駆 動して、前記処理容器 21中に発生する分子種、イオン種を、 Η+, Ο-, OH-, H O,
2
O , Nについて、四重極子質量分析計で分析する実験を行った。
2 2
[0036] 図 4は、カゝかる実験の結果を示す。ただし図 4中、「UVO」は前記処理容器 21内部
2
を前記排気ポート 21Aにおいて 6. 65Pa (50mTorr)の圧力まで減圧し、酸素ガスを 前記ノズル 21D力 450SCCMの流量で導入し、さらに前記紫外光源 25より波長が 172nmの紫外光を前記光学窓 25A直下において 27mWZcm2のパワーで 20分間 連続して照射した後、前記処理容器 21内部を前記ターボ分子ポンプ 23Bにより真空 排気し、処理容器 21内部に残存している化学種を分析した結果を示す。また図 4中 、「RFN」は、前記処理容器 21内部を前記排気ポート 21Aにおいて 6. 65Pa (50m Torr)の圧力まで減圧し、前記リモートラジカル源 26より Arガスおよび窒素ガスをそ れぞれ 1280SCCMおよび 75SCCMの流量で導入し、さらに前記リモートラジカル 源 26を 60秒ずつ 6回、間に 60秒間のターボ分子ポンプ 23による真空排気工程を挟 みながら周波数力 00kHzの高周波パワーにより繰り返し駆動した後、前記処理容 器 21内部を前記ターボ分子ポンプ 23により真空排気し、処理容器 21内部に残存し て!、る化学種を分析した結果を示す。
[0037] 図 4を参照するに、基板処理装置 20の運転開始直後に基板保持台 22を 550°Cま で昇温させた時点では、前記処理容器 21中に遊離状態で、すなわち壁面から脱離 した状態で存在する H O分子の量は、イオン電流値にして 1 X 10—8Α程度であった
2
のに対し、前記処理容器 21内部を 6. 65Pa (50mTorr)の圧力に減圧し紫外光源 2 5を 20分間駆動した場合、処理容器 21中に遊離して存在する H Oの量は、イオン電
2
流値にして 2. 5 X 10— 8Aまで増大するのがわかる。
[0038] また H+や Ο-, OH-, O , Nなどの濃度も、前記紫外光源 25を駆動することで同様 に増大している力 その程度は、 H 0形成に関係する OHを除くと H Oに比較してわ
2 2
ずかである。
[0039] この結果は、前記 UVO工程を実行した場合、図 1で説明したように前記プロセス
2
空間 21B内で生成した活性種 (H O, ΟΗ-, H+など）が前記プラズマ源 26内部へと
2
拡散により流れ、その際、プラズマ源 26の内壁に吸着していた H O分子あるいは水
2
素イオンが活性ィ匕され、前記循環ガス通路 26aの内壁面が活性ィ匕することによるもの と考えられる。
[0040] 先にも説明したように、前記 RFN工程でプラズマ着火前にこの UVO工程を行うこ
2
とにより、 RFN工程の際のプラズマ源 26の着火が促進され、 RFN処理を容易に効 率よく実行することが可能になる。。
[0041] 一方、前記 UVO工程の後、 RFN工程を実行した場合、処理容器 21中に残留し
2
ている H Oの量は 1. 50 X 10— 8A以下まで低減しているのがわかる力 これは前記残
2
留 H O分子が RFN工程に伴って処理容器 21内部カゝら排出されたことを示して ヽる。
2
[0042] さらに前記 RFN工程の後で、再び UVO工程を実行した場合には、前記処理容器
2
21中に残留する H O分子の量が再び増加するが、これは UVO工程を繰り返すこと
2 2
により、処理容器の内壁に吸着している H O分子の離脱が再び促進されるためと考
2
えられる。 H O分子の離脱と同時に、 H+や Ο-, OH-, O , Nなどの離脱も同様に生
2 2 2 じているが、その程度は、 OHを除くと、 H Oに比較してわずかである
2
図 5は、前記 UVO処理の時間を変化させた場合の、処理容器 21中における遊離
2
した H+， 0-， OH-, H O, O , Nの量の時間変化を示す。
2 2 2
[0043] 図 5よりわかるように、全ての化学種において遊離化学種の量は UVO処理時間と
2
ともに増大するが、特に H Oの増大が顕著であり、 UVO処理を被処理基板 21内部
2 2
において行うことにより、残留 H Oの量が低減でき、プラズマ着火が容易に生じるよう
2
になるのがわかる。このように、一度 UVO処理を行うことにより、プラズマ着火困難の
2
問題は解消する。
[0044] 図 6Aは、本発明第 1実施例による基板処理工程の例を示すフローチャートである。
[0045] 図 6Aを参照するに、ステップ 1において長期間放置された、あるいはメンテナンス により処理容器内部およびプラズマ源 26が大気開放された基板処理装置 20の運転 が再開され、ステップ 2において前記処理容器 21およびプラズマ源 26の内部が 6. 6 5Paの圧力まで減圧され、さらに酸素ガスを通しながら前記紫外光源 25を 5分間以 上駆動することにより、前記 UVO処理が実行される。
2
[0046] 次にステップ 3にお ヽて前記処理容器 21内部を真空排気した後、前記処理容器 2 1内部にシリコン基板を前記被処理基板 Wとして導入し、さらにステップ 4にお ヽて再 び前記 UVO工程を 1一 2分程度実行することにより、前記シリコン基板表面に膜厚
2
が例えば 0. 4nmの酸化膜を一様に形成する。
[0047] さらにステップ 4にお 、て前記処理容器 21およびプラズマ源 26内部を Arガスある いは窒素ガスによりパージし、ステップ 5において前記プラズマ源 26を介して前記処 理容器 21内部に Arガスを供給し、その圧力を例えば 133Pa (lTorr)に設定し、さら に前記プラズマ源 26内においてプラズマを着火し、さらに窒素ガスを前記プラズマ 源 26に供給し活性窒素を形成することにより前記 RFN工程を実行し、前記酸化膜の 表面を窒化する。
[0048] 図 6Bは基板上に既にシリコン酸化膜が形成されている場合の基板処理工程の例 を示すフローチャートである。
[0049] 図 6Bを参照するに、ステップ 11において長期間放置された、あるいはメンテナンス により処理容器内部およびプラズマ源 26が大気開放された基板処理装置 20の運転 が再開され、ステップ 12において図 6Aのステップ 2に相当する UVO処理が実行さ
2
れる。
[0050] 次にステップ 13において既にシリコン酸ィ匕膜が形成されたシリコン基板が前記処理 容器 21内に被処理基板 Wとして導入され、前記ステップ 5に対応いするステップ 14 において前記シリコン酸ィ匕膜の窒化処理が実行される。
[0051] 本発明ではステップ 3あるいはステップ 13以降の実際の基板処理工程に先立って ステップ 2あるいはステップ 12の UVO工程を実行し、プラズマ源 26内壁を活性化す
2
ることにより、ステップ 5あるいはステップ 14におけるプラズマ窒化処理の際にプラズ マ源 26が容易に着火するようになり、基板処理工程全体の効率を向上させることが できる。
[0052] なお本発明において、前記ステップ 2, 12あるいはステップ 4の UVO処理工程に おける処理圧は前記 6. 65Pa (50mTorr)に限定されるものではなぐ酸素分圧で 1 33 X 10— 3— 133Paの範囲の圧力を使うことができる。
[0053] また前記ステップ 2あるいは 12の UVO処理工程において、酸素ガスの代わりに、
2
酸素を含む他のガス、例えば NOガスを使うことも可能である。活性種が生成する因 子であれば、どのようなものであってもよい。例えば前記基板処理装置 20において前 記回転機構 22Cが前記被処理基板 Wを毎分 35回転させている場合、前記 Tが 1. 7
2 秒間以上になるように質量流量コントローラ 126bを制御することにより、一様な膜を 基板 W上に形成することが可能になる。
[第 2実施例]
ところで、先の実施例の例えばステップ 5あるいはステップ 14の工程において、リモ ートプラズマ源 26を駆動してプラズマを着火させる場合でも、 Arガスと処理ガス、す なわち窒素ガスとを同時に供給してプラズマを着火させようとすると、着火条件が非 常に限定され、着火は容易ではない。
[0054] 図 7は、このようなリモートプラズマ源 26におけるガス供給シーケンスを示す図であ る。
[0055] 図 7を参照するに、 Arガスがタイミング tにおいて前記リモートプラズマ源 26に供給
1
され、タイミング tにおいて高周波パワーを供給することによりプラズマが着火する。さ
2
らに図 7のシーケンスではタイミング tにおいて窒素ガスの供給が開始される力 ブラ
3
ズマが安定して維持されるように、窒素ガスの流量は徐々に増加される。
[0056] しかし実際には、タイミング tにお 、て窒素ガスの供給を開始した場合、瞬間的に
3
窒素ガスが多量に供給され、窒素流量にオーバーシュートが生じてしまう。このような オーバーシュートの持続時間 τは極めて短いため、プラズマの安定性には重大な影
1
響は生じないものの、図 2に示したような、回転している被処理基板の側方から窒素 ラジカル N*を供給する構成の基板処理装置 20では、回転の効果による基板処理の 平均化が有効でなくなり、図 8に示すように、形成される窒化膜の膜厚が、オーバー シュートが生じた瞬間にリモートプラズマ源 26に近接していた領域において局所的 に増大するなど、得られた膜が不均一になる。このような場合、特に膜厚が 0. 4nm 程度の非常に薄いシリコン酸ィ匕膜を酸ィ匕するような場合、深刻な問題となる。
[0057] このような窒素ガス供給開始時のオーバーシュートは、リモートプラズマ源 26に窒 素ガスを供給する配管中に残留していた窒素ガスが、供給開始とともに一気に放出 されること〖こより引き起こされるものと考えられる。
[0058] 再び図 1を参照する。
[0059] 図 1には、前記リモートプラズマ源 26に窒素ガスを供給するためのガス供給系の構 成が示されている。
[0060] 図 1を参照するに、前記リモートプラズマ源 26には Arガス源 101より Arガスがバル ブ 101A、質量流量コントローラ 101B、バルブ 101Cおよび配管 101aを介して供給 され、さらに前記窒素ガス源 102より窒素ガスがバルブ 102A、質量流量コントローラ 102B、バルブ 102C、配管 102aおよび配管 101aを介して供給される。さらに前記 ガスノズル 21Dには酸素ガス源 103より酸素ガスがバルブ 103A,質量流量コント口 ーラ 103B、バルブ 103Cおよび配管 103aを介して供給される。前記配管 101a, 10 2a, 103aは配管 104aで接続されており、従って前記バルブ 101A, 101B, 102A , 102B, 103A, 103Bを操作することにより、前記 Arガス源 101中の Arガス、窒素 ガス源 102中の窒素ガスおよび酸素ガス源 103中の酸素ガスの任意のガスを、必要 に応じて他のガスと共に、前記リモートプラズマ源 26あるいはガスノズル 21Dに供給 することが可能になる。また前記配管 101aおよび 103aにはそれぞれバルブ 101D および 103Dが設けられて!/、る。
[0061] そこで前記 RFN工程も UVO工程も行わない場合には、すなわち前記リモートブラ
2
ズマ源 26も紫外光源 25も駆動されない場合には、前記バルブ 101A— 101D, 102 A— 102C, 103A— 103Dは全て閉鎖されている力 この状態においては前記配管 101aのうち前記バルブ 101Dよりの上流側の部分、すなわち配管 102a, 104aおよ び 101aのうち、バルブ 102Aとバルブ 101Dとで区切られた配管部分には窒素ガス が封じ込められており、 RFN工程の開始に伴ってバルブ 101Dが開放されると、この 封じ込められた窒素ガスがリモートラジカル源 26に流入して前記オーバーシュートを 生じるものと考えられる。従って、前記リモートプラズマ源 26においてプラズマを着火 する場合には、最初に電離エネルギの低 、Arガスのみを供給してプラズマを着火し 、その後で窒素ガスを、プラズマが消えないように徐々に添加するようなシーケンスが 使われている。
[0062] また、本実施例においては前記リモートプラズマ源 26を高周波で駆動してプラズマ を着火させる前に、前記バルブ 101Dを開放し、前記封じ込められた窒素ガスを、前 記処理容器 21を介してターボ分子ポンプ 23Bにより排気する。
[0063] その後で前記バルブ 102Aを開放し、さらに質量流量コントローラ 102Bを駆動する ことにより、図 9に示すようにオーバーシュートを生じることなぐ窒素ガスを前記リモー トプラズマ源 26へと供給することが可能になる。
[0064] その際、前記質量流量コントローラ 102Bにより窒素ガスの流量増加率を、前記窒 素ガス流量が所定流量まで増加する期間 Tの間に前記被処理基板 Wが 1回以上回
2
転するように設定することにより、先に図 8で説明したような周方向への不均質な膜形 成の問題を回避することができる。
[第 3実施例]
先にも説明したように、図 1の基板処理装置 20において UVO処理を行うと処理容
2
器 21内壁に付着していた水分が脱離し、その結果、プロセス空間 21B中残留する H Oの濃度が増大する。同様な水分の離脱は、図 1の基板処理装置 20において前記
2
ノズル 21Dカゝら NOガスを導入し、これを前記紫外光源 25により励起して窒素ラジカ ル N*および酸素ラジカル O*を形成し、形成された窒素ラジカル N*および酸素ラジ カル O*を使ってシリコン基板表面に SiON膜を形成する UVNO処理の際にも生じる
[0065] 先の UVO処理の場合には、 UVO処理により形成されたシリコン酸ィ匕膜を、前記
2 2
プラズマ源 26により ArZNプラズマを生成することにより RFN処理で窒化する際に
2
、前記プロセス空間 21B中に残留する H Oの濃度が図 4に見られるように急減し、従
2
つて UVO処理と RFN処理を交互に行う限り、プロセス空間 21B中において残留 H
2 2 o濃度は基板処理回数に係らず、ほぼ一定であった。
[0066] これに対しシリコン基板表面に UVNO処理により SiON膜を形成する場合には、 R FN処理は必要ないため、プロセス空間 21B中に残留する H Oの濃度は、基板処理 回数と共に増大する。一方、このようにプロセス空間 21B中に残留する H Oの濃度が
2 増大すると、形成される SiON膜の膜厚が増大してしまう恐れがある。
[0067] 図 10は、図 1の基板処理装置 20においてこのような UVNO処理を繰り返し行った 場合の、得られた SiON膜の膜厚と基板処理回数との関係を示す。ただし図 10にお いて膜厚は、分光エリプソメトリーを使った方法により求めている。また図 10において 前記 UVNO処理は、 13. 3Paの圧力下、基板温度を 700°Cに設定して行っている。
[0068] 図 10を参照するに、シリコン基板上に UVNO処理により形成された SiON膜の膜 厚は基板処理回数 (wafer#)と共に増大する傾向にあり、特に処理回数が 150回を超 えると明確な増膜が生じているのがわかる。
[0069] 一方、図 10において、 250枚の基板を処理した後で RFN処理を 60秒間行い、さら にポンプ TMP23Bにより 60秒間ずつ 5回にわたり前記処理容器 21を排気した場合 には、形成される SiON膜の膜厚が急減するのがわかる。
[0070] 図 10の関係からは基板処理枚数が 150枚に達する毎に、 RFN処理および排気処 理を定期的に行うことにより、シリコン基板上に形成される SiON膜の増膜が抑制され ることがゎカゝる。
[0071] さらに図 11は被処理基板 25枚処理毎に、先の実施例で説明した RFN処理および これに引き続く排気処理を行った場合の SiON膜の膜厚および均一性を示す。ただ しこの RFN処理および排気処理は、処理容器 21から被処理基板 Wを取り出した状 態で行っている。
[0072] 図 11の関係からは基板処理枚数を 25枚以内として RFN処理すれば、 SiON膜の 増膜は実質的に生じないことがわかる。また同様に SiON膜の均一性の劣化も、この ように RFN処理を定期的に行うことにより、抑制できる。
[0073] 図 12は、前記 RFN処理および排気処理を行う際の条件を変化させた場合におけ る、前記処理容器 21中に残留する化学種を、 Η+, H , Ο-, OH-, H O, N , NOお
2 2 2 よび Oについて、四重極子質量分析計により求めた結果を示す。ただし図 12の実験
2
では、前記 UVNO処理によるシリコン基板 25枚分の処理に対応して、 UVO処理を
2
60分間行っている。
[0074] 図 12を参照するに、実験では (A)RFN処理 60秒と真空排気処理 60秒を 6回繰り 返した場合、（B)RFN処理 10秒と真空排気処理 60秒を 6回繰り返した場合、（C)R FN処理 60秒と真空排気処理 10秒を 6回繰り返した場合、（D)RFN処理 10秒と真 空排気処理 10秒を 12回繰り返した場合について残留 H 0濃度を求めたが、（A)の
2
RFN処理 60秒と真空排気処理 60秒を 6回繰り返した場合に残留 H 0濃度が最も低
2
くなることが確認された。
[0075] このように、本実施例にお!、ては基板処理工程にぉ 、て RFN処理が必要でな 、場 合でも、 UVO処理あるいは UVNO処理を所定回数繰り返すたびに RFN処理およ
2
び排気処理を行うことにより、処理容器 21の側壁面から離脱した水分が処理空間 21 Bに蓄積されるのが抑制でき、形成される膜の増膜が抑制される。また、前記処理容 器 21が大気開放や長期間アイドル状態にある場合、プラズマ源内部の UVO処理を
2 行うことで、 RFN処理の際のプラズマ着火が容易になり、同時に処理容器内の水分 除去することができる。
[第 4実施例]
図 13は、上記各実施例において使われる基板処理装置 20の構成を、その制御系 まで含めて示す図である。ただし図 13中、先に説明した部分には同一の参照符号を 付し、説明を省略する。
[0076] 図 13を参照するに、前記基板処理装置 20には、制御プログラムを搭載したコンビ ユータよりなる制御装置 100が協働しており、前記制御装置 100は、前記制御プログ ラムに従って、ターボ分子ポンプ 23B,ドライポンプ 24、バルブ 23A, 23C, 24Aを 含む排気系、基板搬送ユニット 27,基板保持台 22および駆動機構 22Cを含む処理 容器周辺部、紫外光源 25およびリモートプラズマ源 27を含むラジカル形成部、ガス 源 101— 103およびバルブ'質量流量コントローラ 101A— 101D, 102A— 102C, 103A— 103Dを含むガス供給系を制御する。これらの制御には、図 6A, 6Bのフロ 一チャートで示した制御、図 7, 9で示した制御、さらに図 11, 12で示した制御が含ま れる。
[0077] 図 13の制御装置 100を構成するコンピュータは、図 14に示す構成を有するもので 、汎用コンピュータであってもよい。 [0078] 図 14を参照するに、コンピュータ 100は、バス 150を介して結合されたプロセッサ（ CPU) 151、メモリ（RAM) 152、プログラム格納装置（HDD) 153、フロッピドライブ あるいは光ディスクドライブなどのディスクドライブ 154、キーボードやマウスなどの入 力デバイス 155、表示装置 156、ネットワークインターフェース 157、およびインターフ エース 158を含み、前記コンピュータ 100は、前記インターフェース 158を介して前記 基板処理装置 20を制御する。
[0079] 前記ディスクドライブはフロッピディスクや光ディスクなどのコンピュータか読記憶媒 体 159を装着され、前記記憶媒体 159上に記録された基板処理装置 20の制御プロ グラムコードを読み取り、これを HDD 153中に格納する。あるいは前記制御プロダラ ムコードはネットワークからネットワークインターフェース 157を介して供給することも可 能である。
[0080] このようにして供給されたプログラムコードは RAM152中に展開され、 CPU151が 前記基板処理装置 20を、前記 RAM152中のプログラムコードに従って、インターフ エース 158を介して制御する。これにより、前記基板処理装置 20は、先の実施例で 説明した動作を行う。なお、前記制御プログラムコードを前記ディスクドライブ 154ある いはネットワークインターフェース 157から前記 RAM152中に、 HDD153中に格納 することなく直接に展開することも可能である。
[0081] なお本発明は図 1,図 2に説明した形式の基板処理装置に限定されるものではなく 、プラズマ源と紫外光源とを備えた基板処理装置であれば、どのようなものでも適用 が可能である。さらに本発明にお 、てプラズマ源は図 3で説明したリモートプラズマ源 に限定されるものではない。
[0082] 以上、本発明を好ましい実施例について説明したが、本発明はカゝかる特定の実施 例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した要旨内にお 、て様々な変 形 ·変更が可能である。
産業上の利用可能性
[0083] 本発明によれば、処理容器上に設けられたプラズマ源にぉ ヽてプラズマを着火さ せるプラズマ着火方法および力かる着火方法を使った基板処理方法にぉ 、て、処理 容器中に酸素を含むガスを流通させ、前記処理容器中において、前記処理容器内 部を排気しながら前記酸素を含むガスに紫外光を照射し、前記プラズマ源を駆動す ることにより、処理容器内壁に付着していた水分が脱離し、プラズマの着火が容易に なる。
[0084] また本発明によれば、プラズマ源に希ガスを供給し、プラズマを形成する工程と、前 記プラズマが形成された後、前記プラズマ源に処理ガスを供給し、前記プラズマによ り前記処理ガスの活性種を形成する工程と、前記活性種を、前記被処理基板の表面 に沿って流し、前記被処理基板の表面を前記活性種により処理する工程とよりなる基 板処理方法において、前記プラズマを形成する工程の後、前記処理ガスを供給する 工程の前に、前記プラズマ源に前記処理ガスを供給する配管より前記処理ガスを除 去する工程を設け、さらに前記処理ガスを供給する工程を、前記処理ガスの流量が 所定流量まで徐々に増大するように実行し、さらにその際、前記処理ガスを供給する 工程を、前記窒素ガス流量が前記所定流量に達するまでの間に、前記被処理基板 が少なくとも 1回転するように実行することにより、処理ガス供給開始時の処理ガス流 量のオーバーシュートの問題が解消し、また基板前面に均一な膜形成が可能となる
[0085] また本発明によれば、処理容器内部において、酸素を含むガスを紫外光により励 起し、ラジカルを形成する工程と、前記処理容器内部において、前記ラジカルにより 被処理基板表面を処理する工程とよりなる基板処理方法にお!ヽて、前記被処理基板 表面を処理する工程を所定回数繰り返した後、前記処理容器内部に窒素ラジカルを 導入する工程と、前記処理容器内部を排気する工程とを実行することにより、処理容 器内に残留 H Oが蓄積するのが抑制され、これに伴って前記被処理基板上に形成
2
される膜の増膜が抑制される。

Claims

請求の範囲
[1] 処理容器に設けられたプラズマ源においてプラズマを着火させるプラズマ着火方 法であって、
処理容器中に酸素を含むガスを流通させる工程と、
前記処理容器中にお!ヽて、前記処理容器内部を排気しながら前記酸素を含むガ スに紫外光を照射する工程と、
前記紫外光を照射する工程の後で、前記プラズマ源を駆動する工程とよりなるブラ ズマ着火方法。
[2] 前記酸素を含むガスは酸素ガスまたは NOガスである請求項 1記載のプラズマ着火 方法。
[3] 前記紫外光は、約 172nmの波長を有する請求項 1記載のプラズマ着火方法。
[4] 前記紫外光を照射する工程は、 133 X 10— 3— 133Paの酸素分圧範囲において実 行される請求項 1記載のプラズマ着火方法。
[5] 前記プラズマ源は、前記処理容器外部に、前記処理容器に結合して設けられたリ モートプラズマ源である請求項 1記載のプラズマ着火方法。
[6] 処理容器に設けられたプラズマ源にぉ ヽてプラズマを着火させるプラズマ着火ェ 程を含む基板処理方法であって、
処理容器中に酸素を含むガスを流通させる工程と、
前記処理容器中にお!ヽて、前記処理容器内部を排気しながら前記酸素を含むガ スに紫外光を照射する工程と、
前記紫外光を照射する工程の後で、前記プラズマ源を駆動することによりプラズマ を着火する工程と、
前記処理容器中にぉ 、て処理ガスを導入し、前記プラズマにより前記処理ガスを 励起し、ラジカルを形成する工程と、
前記ラジカルにより、被処理基板表面を処理する工程とよりなる基板処理方法。
[7] プラズマ源に希ガスを供給し、プラズマを形成する工程と、
前記プラズマが形成された後、前記プラズマ源に処理ガスを供給し、前記プラズマ により前記処理ガスの活性種を形成する工程と、 前記活性種を、前記被処理基板の表面に沿って流し、前記被処理基板の表面を 前記活性種により処理する工程とよりなる基板処理方法において、
前記プラズマを形成する工程の後、前記処理ガスを供給する工程の前に、前記プ ラズマ源に前記処理ガスを供給する配管より前記処理ガスを除去する工程を含み、 さらに前記処理ガスを供給する工程は、前記処理ガスの流量を所定流量まで徐々 に増大させる工程を含み、
前記処理ガスの流量を増大させる工程は、前記窒素ガス流量が前記所定流量に 達するまでの間に前記被処理基板が少なくとも 1回転するように実行される基板処理 方法。
[8] 前記活性種を流す工程は、前記活性種が、前記回転する被処理基板の第 1の側 から、前記第 1の側に対向する第 2の側に流れるように実行される請求項 7記載の基 板処理方法。
[9] 処理容器内部において、酸素を含むガスを紫外光により励起し、ラジカルを形成す る工程と、
前記処理容器内部にぉ ヽて、前記ラジカルにより被処理基板表面を処理する工程 とよりなる基板処理方法において、
前記被処理基板表面を処理する工程を所定回数繰り返した後、前記処理容器内 部に窒素ラジカルを導入する工程と、前記処理容器内部を排気する工程とをさら〖こ 含む基板処理方法。
[10] 前記酸素を含むガスは酸素ガスまたは NOガスよりなり、前記窒素ラジカルはリモー トプラズマにより形成される請求項 9記載の基板処理方法。
[11] 前記処理容器内部に窒素ラジカルを導入する工程と前記処理容器内部を排気す る工程とは、前記処理容器内部カゝら前記被処理基板を排出した状態で実行される請 求項 9記載の基板処理方法。
[12] 前記所定回数は、 150回以下である請求項 9記載の基板処理方法。
[13] 前記所定回数は、 25回以下である請求項 9記載の基板処理方法。
[14] 実行されるとき、コンピュータに基板処理装置を、
前記基板処理装置が、 処理容器中に酸素を含むガスを流通させる工程と、
前記処理容器中にお!ヽて、前記処理容器内部を排気しながら前記酸素を含むガ スに紫外光を照射する工程と、
前記紫外光を照射する工程の後で、前記処理容器に設けられたプラズマ源を駆動 し、プラズマを着火させる工程と
を実行するように、制御するプログラムコードを含むコンピュータ可読記録媒体。
[15] 前記酸素を含むガスは酸素ガスまたは NOガスである請求項 14記載のコンビユー タ可読記録媒体。
[16] 前記紫外光は、約 172nmの波長を有する請求項 14記載のコンピュータ可読記録 媒体。
[17] 前記紫外光を照射する工程は、 133 X 10— 3— 133Paの酸素分圧範囲において実 行される請求項 14記載のコンピュータ可読記録媒体。
[18] 前記プラズマ源は、前記処理容器外部に、前記処理容器に結合して設けられたリ モートプラズマ源である請求項 14記載のコンピュータ可読記録媒体。
[19] 実行されたとき、コンピュータに基板処理装置を、
前記基板処理装置が、
処理容器中に酸素を含むガスを流通させる工程と、
前記処理容器中にお!ヽて、前記処理容器内部を排気しながら前記酸素を含むガ スに紫外光を照射する工程と、
前記紫外光を照射する工程の後で、前記処理容器の設けられたプラズマ源を駆動 することによりプラズマを着火する工程と、
前記処理容器中にぉ 、て処理ガスを導入し、前記プラズマにより前記処理ガスを 励起し、ラジカルを形成する工程と、
前記ラジカルにより、被処理基板表面を処理する工程と
を含む基板処理を実行するように、制御するプログラムコードを含むコンピュータ可 読記録媒体。
[20] 実行されたとき、コンピュータに基板処理装置を、
前記基板処理装置が、 プラズマ源に希ガスを供給し、プラズマを形成する工程と、
前記プラズマが形成された後、前記プラズマ源に処理ガスを供給し、前記プラズマ により前記処理ガスの活性種を形成する工程と、
前記活性種を、前記被処理基板の表面に沿って流し、前記被処理基板の表面を 前記活性種により処理する工程とよりなる基板処理であって、前記基板処理が、 前記プラズマを形成する工程の後、前記処理ガスを供給する工程の前に、前記プ ラズマ源に前記処理ガスを供給する配管より前記処理ガスを除去する工程を含み、 さらに前記処理ガスを供給する工程は、前記処理ガスの流量を所定流量まで徐々 に増大させる工程を含み、
前記処理ガスの流量を増大させる工程は、前記窒素ガス流量が前記所定流量に 達するまでの間に前記被処理基板が少なくとも 1回転するように実行される基板処理 を実行するように、制御するプログラムコードを含むコンピュータ可読記録媒体。
[21] 前記活性種を流す工程は、前記活性種が、前記回転する被処理基板の第 1の側 から、前記第 1の側に対向する第 2の側に流れるように実行される請求項 20記載のコ ンピュータ可読記録媒体。
[22] 実行されたとき基板処理装置を、
前記基板処理装置が、
処理容器内部において、酸素を含むガスを紫外光により励起し、ラジカルを形成す る工程と、
前記処理容器内部にぉ ヽて、前記ラジカルにより被処理基板表面を処理する工程 とよりなり、
前記被処理基板表面を処理する工程を所定回数繰り返した後、前記処理容器内 部に窒素ラジカルを導入する工程と、前記処理容器内部を排気する工程とをさら〖こ 含む基板処理を実行するように、制御するプログラムコードを含む、コンピュータ可読 記録媒体。
[23] 前記酸素を含むガスは酸素ガスまたは NOガスよりなり、前記窒素ラジカルはリモー トプラズマにより形成される請求項 22記載のコンピュータ可読記録媒体。
[24] 前記処理容器内部に窒素ラジカルを導入する工程と前記処理容器内部を排気す る工程とは、前記処理容器内部カゝら前記被処理基板を排出した状態で実行される請 求項 22記載のコンピュータ可読記録媒体。
[25] 前記所定回数は、 150回以下である請求項 22記載のコンピュータ可読記録媒体。
[26] 前記所定回数は、 25回以下である請求項 22記載のコンピュータ可読記録媒体。
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