特許 5953057 プラズマ処理方法及びプラズマ処理装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】5953057

(24)【登録日】2016年6月17日

(45)【発行日】2016年7月13日

(54)【発明の名称】プラズマ処理方法及びプラズマ処理装置

(51)【国際特許分類】

   H01L 21/316 20060101AFI20160630BHJP

   H01L 21/318 20060101ALI20160630BHJP

   H01L 21/31 20060101ALI20160630BHJP

   H05H 1/46 20060101ALI20160630BHJP

【ＦＩ】

   H01L21/316 A

   H01L21/318 A

   H01L21/31 C

   H05H1/46 B

【請求項の数】10

【全頁数】26

(21)【出願番号】特願2012-23038(P2012-23038)

(22)【出願日】2012年2月6日

(65)【公開番号】特開2013-161960(P2013-161960A)

(43)【公開日】2013年8月19日

【審査請求日】2014年12月22日

(73)【特許権者】

【識別番号】000219967

【氏名又は名称】東京エレクトロン株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100115118

【弁理士】

【氏名又は名称】渡邊 和浩

(74)【代理人】

【識別番号】100107559

【弁理士】

【氏名又は名称】星宮 勝美

(74)【代理人】

【識別番号】100166257

【弁理士】

【氏名又は名称】城澤 達哉

(72)【発明者】

【氏名】塩澤 俊彦

(72)【発明者】

【氏名】宮原 準弥

(72)【発明者】

【氏名】藤野 豊

【審査官】 正山 旭

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００９−３０１７８４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００９−２０５９２１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００７−２７３６３７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００７−０４８９８２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００４−１８６５３１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第２０１１／１２５４７０（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 国際公開第２０１１／１２５４７１（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 国際公開第２０１１／０８７０９４（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 国際公開第２０１１／００７７４５（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 国際公開第２００９／１５０９７１（ＷＯ，Ａ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｌ ２１／３１６

Ｈ０１Ｌ ２１／３１

Ｈ０１Ｌ ２１／３１８

Ｈ０５Ｈ １／４６

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

複数の経路に分配されたマイクロ波により処理容器内にプラズマを生成させて被処理体を処理するプラズマ処理装置を用い、前記被処理体の表面に薄膜を形成するプラズマ処理方法であって、
前記複数の経路に分配されたマイクロ波によりプラズマを着火するときのマイクロ波のパワーの合計が前記被処理体の面積当たり１Ｗ／ｃｍ^２以下であり、かつ、前記薄膜の膜厚が１ｎｍ以下であることを特徴とするプラズマ処理方法。

【請求項2】

複数の経路に分配されたマイクロ波により処理容器内にプラズマを生成させて被処理体を処理するプラズマ処理装置を用い、前記被処理体の表面に薄膜を形成するプラズマ処理方法であって、
前記被処理体の径が３００ｍｍ以上であり、
前記複数の経路に分配されたマイクロ波によりプラズマを着火するときのマイクロ波のパワーの合計が７００Ｗ以下であり、かつ、前記薄膜の膜厚が１ｎｍ以下であることを特徴とするプラズマ処理方法。

【請求項3】

前記プラズマにより被処理体を処理する処理温度が、１００℃以下である請求項１又は２に記載のプラズマ処理方法。

【請求項4】

前記薄膜が、前記被処理体の表面のシリコンが酸化されたシリコン酸化膜である請求項１から３のいずれか１項に記載のプラズマ処理方法。

【請求項5】

前記薄膜が、前記被処理体の表面のシリコンが窒化されたシリコン窒化膜である請求項１から３のいずれか１項に記載のプラズマ処理方法。

【請求項6】

前記プラズマ処理装置は、被処理体を収容する前記処理容器と、
前記処理容器の内部に配置され、前記被処理体を載置する載置面を有する載置台と、
前記処理容器内に処理ガスを供給するガス供給機構と、
前記マイクロ波を生成すると共に、該マイクロ波を複数の経路に分配して出力するマイクロ波出力部と、
前記マイクロ波出力部から出力されたマイクロ波を前記処理容器内に導入するアンテナ部と、
前記マイクロ波出力部と前記処理容器内との間のインピーダンスを整合させるチューナと、
前記処理容器の上部に配置され、複数の開口部を有する導電性部材と、
前記複数の開口部に嵌合し、前記処理容器内に前記マイクロ波を透過させて導入させる複数のマイクロ波透過窓と、
を備え、
前記複数のマイクロ波透過窓からそれぞれ前記処理容器内に導入した前記複数の経路に分配されたマイクロ波によって前記プラズマを生成するものである請求項１から５のいずれか１項に記載のプラズマ処理方法。

【請求項7】

前記複数の経路に分配されたマイクロ波により前記プラズマを着火するときの前記マイクロ波のパワーの合計は、前記プラズマにより被処理体を処理するときの前記マイクロ波のパワーの合計よりも大きく、
前記複数の経路に分配されたマイクロ波により前記プラズマを着火するときには前記インピーダンスの整合を行わず、前記プラズマにより被処理体を処理するときに前記インピーダンスの整合を行う請求項６に記載のプラズマ処理方法。

【請求項8】

前記マイクロ波出力部から、前記複数の経路に分配されたマイクロ波を、前記プラズマを着火させる第１のパワーで供給して前記プラズマを着火するステップと、
前記マイクロ波のパワーを前記第１のパワーよりも低い第２のパワーに変更するステップと、
前記第２のパワーの状態で前記インピーダンスの整合を行うステップと、
を含む請求項６に記載のプラズマ処理方法。

【請求項9】

前記複数のマイクロ波透過窓は、前記導電性部材における中央部分に配置された１つの中心マイクロ波透過窓と、前記中心マイクロ波透過窓を囲むように、前記中央部分よりも外側に配置された少なくとも６つの外側マイクロ波透過窓とを有している請求項６から８のいずれか１項に記載のプラズマ処理方法。

【請求項10】

複数の経路に分配されたマイクロ波により処理容器内にプラズマを生成させて被処理体の表面に薄膜を形成するプラズマ処理装置であって、
被処理体を収容する処理容器と、
前記処理容器の内部に配置され、前記被処理体を載置する載置面を有する載置台と、
前記処理容器内に処理ガスを供給するガス供給機構と、
前記マイクロ波を生成すると共に、該マイクロ波を複数の経路に分配して出力するマイクロ波出力部と、
前記マイクロ波出力部から出力されたマイクロ波を前記処理容器内に導入するアンテナ部と、
前記マイクロ波出力部と前記処理容器内との間のインピーダンスを整合させるチューナと、
前記処理容器の上部に配置され、複数の開口部を有する導電性部材と、
前記複数の開口部に嵌合し、前記処理容器内に前記マイクロ波を透過させて導入させる複数のマイクロ波透過窓と、
前記処理容器内で前記複数の経路に分配されたマイクロ波によりプラズマを着火するときのマイクロ波のパワーの合計が、前記被処理体の面積当たり１Ｗ／ｃｍ^２以下となるように、前記複数のマイクロ波透過窓から、それぞれ前記処理容器内にマイクロ波を導入することにより、前記薄膜の膜厚を１ｎｍ以下に制御する制御部と、
を備えたことを特徴とするプラズマ処理装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、プラズマを用いて被処理体にシリコン酸化膜（ＳｉＯ_２膜）、シリコン窒化膜（ＳｉＮ膜）などの薄膜を形成するプラズマ処理方法及びこれに用いるプラズマ処理装置に関する。

【背景技術】

【0002】

半導体デバイスの製造過程では、プラズマを用いて、被処理体に対して例えば酸化処理、窒化処理等の成膜処理が行われている。最近では、次世代以降のデバイス開発に向けて、微細化への対応が益々求められており、成膜処理においても、極薄膜を均一な厚みで形成する技術への要求が高まっている。

【0003】

半導体ウエハ上への薄膜形成に関する従来技術として、特許文献１では、複数のスロットを有する平面アンテナを用いて処理容器内にマイクロ波を導入してプラズマを生成させるスロットアンテナ方式のプラズマ処理装置を用いて、シリコン酸化膜を形成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】ＷＯ２００２／０５８１３０（図８など）

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

上記特許文献１に記載されたプラズマ処理方法では、概ね１．６ｎｍ程度の薄いシリコン酸化膜を形成できると考えられる。しかし、今後、次世代以降のデバイス開発においては、さらに薄い膜厚で薄膜を形成することが期待される。

【0006】

従って、本発明は、プラズマを利用して、被処理体の表面に、例えば厚さ１ｎｍ以下の薄膜を、膜厚をコントロールしながら形成する方法を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本発明のプラズマ処理方法は、複数のマイクロ波により処理容器内にプラズマを生成させて被処理体を処理するプラズマ処理装置を用い、前記被処理体の表面に薄膜を形成する方法である。

【0008】

本発明のプラズマ処理方法は、前記複数のマイクロ波によりプラズマを着火するときのマイクロ波のパワーの合計が前記被処理体の面積当たり１Ｗ／ｃｍ^２以下であり、かつ、前記薄膜の膜厚が１ｎｍ以下であってもよい。あるいは、本発明のプラズマ処理方法は、前記被処理体の径が３００ｍｍ以上であり、前記複数のマイクロ波によりプラズマを着火するときのマイクロ波のパワーの合計が７００Ｗ以下であり、かつ、前記薄膜の膜厚が１ｎｍ以下であってもよい。

【0009】

また、本発明のプラズマ処理方法は、前記プラズマにより被処理体を処理する処理温度が、１００℃以下である。

【0010】

また、本発明のプラズマ処理方法は、前記薄膜が、前記被処理体の表面のシリコンが酸化されたシリコン酸化膜であってもよいし、シリコン窒化膜であってもよい。

【0011】

また、本発明のプラズマ処理方法において、前記プラズマ処理装置は、被処理体を収容する前記処理容器と、前記処理容器の内部に配置され、前記被処理体を載置する載置面を有する載置台と、前記処理容器内に処理ガスを供給するガス供給機構と、前記マイクロ波を生成すると共に、該マイクロ波を複数の経路に分配して出力するマイクロ波出力部と、前記マイクロ波出力部から出力されたマイクロ波を前記処理容器内に導入するアンテナ部と、前記マイクロ波出力部と前記処理容器内との間のインピーダンスを整合させるチューナと、前記処理容器の上部に配置され、複数の開口部を有する導電性部材と、前記複数の開口部に嵌合し、前記処理容器内に前記マイクロ波を透過させて導入させる複数のマイクロ波透過窓と、を備えていてもよい。そして、本発明のプラズマ処理方法は、前記複数のマイクロ波透過窓からそれぞれ前記処理容器内に導入した前記複数のマイクロ波によって前記プラズマを生成するものであってもよい。

【0012】

また、本発明のプラズマ処理方法において、前記複数のマイクロ波により前記プラズマを着火するときの前記マイクロ波のパワーの合計は、前記プラズマにより被処理体を処理するときの前記マイクロ波のパワーの合計よりも大きくてもよい。この場合、前記複数のマイクロ波により前記プラズマを着火するときには前記インピーダンスの整合を行わず、前記プラズマにより被処理体を処理するときに前記インピーダンスの整合を行ってもよい。

【0013】

また、本発明のプラズマ処理方法は、前記マイクロ波出力部から、前記複数のマイクロ波を、前記プラズマを着火させる第１のパワーで供給して前記プラズマを着火するステップと、前記マイクロ波のパワーを前記第１のパワーよりも低い第２のパワーに変更するステップと、前記第２のパワーの状態で前記インピーダンスの整合を行うステップと、を含んでいてもよい。

【0014】

また、本発明のプラズマ処理方法において、前記複数のマイクロ波透過窓は、前記導電性部材における中央部分に配置された１つの中心マイクロ波透過窓と、前記中心マイクロ波透過窓を囲むように、前記中央部分よりも外側に配置された少なくとも６つの外側マイクロ波透過窓とを有していてもよい。

【0015】

本発明のプラズマ処理装置は、複数のマイクロ波により処理容器内にプラズマを生成させて被処理体の表面に薄膜を形成するプラズマ処理装置である。このプラズマ処理装置は、被処理体を収容する処理容器と、前記処理容器の内部に配置され、前記被処理体を載置する載置面を有する載置台と、前記処理容器内に処理ガスを供給するガス供給機構と、前記マイクロ波を生成すると共に、該マイクロ波を複数の経路に分配して出力するマイクロ波出力部と、前記マイクロ波出力部から出力されたマイクロ波を前記処理容器内に導入するアンテナ部と、前記マイクロ波出力部と前記処理容器内との間のインピーダンスを整合させるチューナと、前記処理容器の上部に配置され、複数の開口部を有する導電性部材と、前記複数の開口部に嵌合し、前記処理容器内に前記マイクロ波を透過させて導入させる複数のマイクロ波透過窓と、前記処理容器内で前記複数のマイクロ波によりプラズマを着火するときのマイクロ波のパワーの合計が、前記被処理体の面積当たり１Ｗ／ｃｍ^２以下となるように、前記複数のマイクロ波透過窓から、それぞれ前記処理容器内にマイクロ波を導入することにより、前記薄膜の膜厚を１ｎｍ以下に制御する制御部と、を備えている。

【発明の効果】

【0016】

本発明のプラズマ処理方法によれば、被処理体の表面に、例えば１ｎｍ以下の膜厚の薄膜を制御性よく形成することができる。

【図面の簡単な説明】

【0017】

【図1】本発明の実施の形態で用いるプラズマ処理装置の概略の構成を示す断面図である。

【図2】図１に示した制御部の構成を示す説明図である。

【図3】図１に示したマイクロ波導入装置の構成を示す説明図である。

【図4】図３に示したマイクロ波導入機構を示す断面図である。

【図5】図４に示したマイクロ波導入機構のアンテナ部を示す斜視図である。

【図6】図４に示したマイクロ波導入機構の平面アンテナを示す平面図である。

【図7】図１に示した処理容器の天井部の底面図である。

【図8】図１に示したマイクロ波導入装置における複数のマイクロ波透過板の配置を示す説明図である

【図9】比較例のプラズマ処理装置の構成を模式的に示す断面図である。

【図10】図１に示したプラズマ処理装置における圧力と着火時パワーの関係を表すパッシェン（Paschen）カーブである。

【図11】異なる処理温度でプラズマ酸化処理をした場合のシリコン酸化膜の膜厚と処理時間との関係を示す特性図である。

【図12A】図１に示したプラズマ処理装置で酸素プラズマを着火させる際のインピーダンス整合の手順とプラズマ発光との関係を示す特性図である。

【図12B】図１に示したプラズマ処理装置で酸素プラズマを着火させる際のインピーダンス整合の別の手順とプラズマ発光との関係を示す特性図である。

【図13A】図１に示したプラズマ処理装置で酸素プラズマを着火させる際のインピーダンス整合の手順を示すタイミングチャートである。

【図13B】図１に示したプラズマ処理装置で酸素プラズマを着火させる際のインピーダンス整合の別の手順を示すタイミングチャートである。

【図14】プラズマ処理によって形成されたシリコン酸化膜の膜厚とプロセス時間との関係を示す特性図である。

【図15】プラズマ処理によって形成されたシリコン窒化膜の膜厚とプロセス時間との関係を示す特性図である。

【発明を実施するための形態】

【0018】

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。始めに、図１および図２を参照して、本発明の実施の形態のプラズマ処理方法に用いるプラズマ処理装置の構成例について説明する。図１は、本実施の形態で用いるプラズマ処理装置の概略の構成を示す断面図である。図２は、図１に示した制御部の構成を示す説明図である。本実施の形態で用いるプラズマ処理装置１は、連続する複数の動作を伴って、例えば半導体デバイス製造用の半導体ウエハ（以下、単に「ウエハ」と記す。）Ｗに対して、プラズマ酸化処理、プラズマ窒化処理などの成膜処理を施す装置である。

【0019】

プラズマ処理装置１は、被処理体であるウエハＷを収容する処理容器２と、処理容器２の内部に配置され、ウエハＷを載置する載置面２１ａを有する載置台２１と、処理容器２内にガスを供給するガス供給機構３と、処理容器２内を減圧排気する排気装置４と、処理容器２内にプラズマを生成させるためのマイクロ波を発生させると共に、処理容器２内にマイクロ波を導入するマイクロ波導入装置５と、これらプラズマ処理装置１の各構成部を制御する制御部８とを備えている。なお、処理容器２内にガスを供給する手段としては、ガス供給機構３の代りに、プラズマ処理装置１の構成には含まれない外部のガス供給機構を使用してもよい。

【0020】

処理容器２は、例えば略円筒形状をなしている。処理容器２は、例えばアルミニウムおよびその合金等の金属材料によって形成されている。マイクロ波導入装置５は、処理容器２の上部に設けられ、処理容器２内に電磁波（マイクロ波）を導入してプラズマを生成するプラズマ生成手段として機能する。マイクロ波導入装置５の構成については、後で詳しく説明する。

【0021】

処理容器２は、板状の天井部１１および底部１３と、天井部１１と底部１３とを連結する側壁部１２とを有している。天井部１１は、複数の開口部を有している。側壁部１２は、処理容器２に隣接する図示しない搬送室との間でウエハＷの搬入出を行うための搬入出口１２ａを有している。処理容器２と図示しない搬送室との間には、ゲートバルブＧが配置されている。ゲートバルブＧは、搬入出口１２ａを開閉する機能を有している。ゲートバルブＧは、閉状態で処理容器２を気密にシールすると共に、開状態で処理容器２と図示しない搬送室との間でウエハＷの移送を可能にする。

【0022】

底部１３は、複数（図１では２つ）の排気口１３ａを有している。プラズマ処理装置１は、更に、排気口１３ａと排気装置４とを接続する排気管１４を備えている。排気装置４は、ＡＰＣバルブと、処理容器２の内部空間を所定の真空度まで高速に減圧することが可能な高速真空ポンプとを有している。このような高速真空ポンプとしては、例えばターボ分子ポンプ等がある。排気装置４の高速真空ポンプを作動させることによって、処理容器２は、その内部空間が所定の真空度、例えば０．１３３Ｐａまで減圧される。

【0023】

プラズマ処理装置１は、更に、処理容器２内において載置台２１を支持する支持部材２２と、支持部材２２と処理容器２の底部１３との間に設けられた絶縁材料よりなる絶縁部材２３とを備えている。載置台２１は、被処理体であるウエハＷを水平に載置するためのものである。支持部材２２は、底部１３の中央から処理容器２の内部空間に向かって延びる円筒状の形状を有している。載置台２１および支持部材２２は、例えばＡｌＮ等によって形成されている。

【0024】

プラズマ処理装置１は、更に、載置台２１に高周波電力を供給する高周波バイアス電源２５と、載置台２１と高周波バイアス電源２５との間に設けられた整合器２４とを備えている。高周波バイアス電源２５は、ウエハＷにイオンを引き込むために、載置台２１に高周波電力を供給する。

【0025】

図示しないが、プラズマ処理装置１は、更に、載置台２１を加熱または冷却する温度制御機構を備えている。温度制御機構は、例えば、ウエハＷの温度を、２５℃（室温）〜９００℃の範囲内で制御する。また、載置台２１は、載置面２１ａに対して突没可能に設けられた複数の支持ピンを有している。複数の支持ピンは、任意の昇降機構により上下に変位し、上昇位置において、図示しない搬送室との間でウエハＷの受け渡しを行うことができるように構成されている。

【0026】

プラズマ処理装置１は、更に、処理容器２の天井部１１に設けられたガス導入部１５を備えている。ガス導入部１５は、円筒形状をなす複数のノズル１６を有している。ノズル１６は、その下面に形成されたガス孔１６ａを有している。ノズル１６の配置については、後で説明する。

【0027】

ガス供給機構３は、ガス供給源３１を含むガス供給装置３ａと、ガス供給源３１とガス導入部１５とを接続する配管３２とを有している。なお、図１では、１つのガス供給源３１を図示しているが、ガス供給装置３ａは、使用されるガスの種類に応じて複数のガス供給源を含んでいてもよい。

【0028】

ガス供給源３１は、例えば、プラズマ生成用の希ガスや、酸化処理や窒化処理に使用される処理ガス等のガス供給源として用いられる。なお、プラズマ生成用の希ガスとしては、例えば、Ａｒ、Ｋｒ、Ｘｅ、Ｈｅ等が使用される。酸化処理に使用される処理ガスとしては、例えば、酸素ガス、オゾンガス等の酸化性ガスが使用される。窒化処理に使用される処理ガスとしては、例えば、窒素ガス、ＮＨ_３ガス等が使用される。なお、希ガスは酸化処理用の処理ガスや、窒化処理用の処理ガスと共に使用される場合もある。

【0029】

図示しないが、ガス供給装置３ａは、更に、配管３２の途中に設けられたマスフローコントローラおよび開閉バルブを含んでいる。処理容器２内に供給されるガスの種類や、これらのガスの流量等は、マスフローコントローラおよび開閉バルブによって制御される。

【0030】

プラズマ処理装置１の各構成部は、それぞれ制御部８に接続されて、制御部８によって制御される。制御部８は、典型的にはコンピュータである。図２に示した例では、制御部８は、ＣＰＵを備えたプロセスコントローラ８１と、このプロセスコントローラ８１に接続されたユーザーインターフェース８２および記憶部８３とを備えている。

【0031】

プロセスコントローラ８１は、プラズマ処理装置１において、例えば温度、圧力、ガス流量、バイアス印加用の高周波電力、マイクロ波出力等のプロセス条件に関係する各構成部（例えば、高周波バイアス電源２５、ガス供給装置３ａ、排気装置４、マイクロ波導入装置５等）を統括して制御する制御手段である。

【0032】

ユーザーインターフェース８２は、工程管理者がプラズマ処理装置１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タッチパネル、プラズマ処理装置１の稼働状況を可視化して表示するディスプレイ等を有している。

【0033】

記憶部８３には、プラズマ処理装置１で実行される各種処理をプロセスコントローラ８１の制御によっ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等が保存されている。プロセスコントローラ８１は、ユーザーインターフェース８２からの指示等、必要に応じて、任意の制御プログラムやレシピを記憶部８３から呼び出して実行する。これにより、プロセスコントローラ８１による制御下で、プラズマ処理装置１の処理容器２内において所望の処理が行われる。

【0034】

上記の制御プログラムおよびレシピは、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、ＤＶＤ、ブルーレイディスク等のコンピュータ読み取り可能な記憶媒体に格納された状態のものを利用することができる。また、上記のレシピは、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することも可能である。

【0035】

次に、図１、図３ないし図６を参照して、マイクロ波導入装置５の構成について詳しく説明する。図３は、マイクロ波導入装置５の構成を示す説明図である。図４は、図３に示したマイクロ波導入機構を示す断面図である。図５は、図４に示したマイクロ波導入機構のアンテナ部を示す斜視図である。図６は、図４に示したマイクロ波導入機構の平面アンテナを示す平面図である。

【0036】

前述のように、マイクロ波導入装置５は、処理容器２の上部に設けられ、処理容器２内に電磁波（マイクロ波）を導入してプラズマを生成するプラズマ生成手段として機能する。図１および図３に示したように、マイクロ波導入装置５は、処理容器２の上部に配置され、複数の開口部を有する導電性部材である天井部１１と、マイクロ波を生成すると共に、マイクロ波を複数の経路に分配して出力するマイクロ波出力部５０と、マイクロ波出力部５０から出力されたマイクロ波を処理容器２に導入するアンテナユニット６０とを有している。本実施の形態では、処理容器２の天井部１１は、マイクロ波導入装置５の導電性部材を兼ねている。

【0037】

マイクロ波出力部５０は、電源部５１と、マイクロ波発振器５２と、マイクロ波発振器５２によって発振されたマイクロ波を増幅するアンプ５３と、アンプ５３によって増幅されたマイクロ波を複数の経路に分配する分配器５４とを有している。マイクロ波発振器５２は、所定の周波数（例えば、８６０ＭＨｚ）でマイクロ波を発振（例えば、ＰＬＬ発振）させる。なお、マイクロ波の周波数は、８６０ＭＨｚに限らず、２．４５ＧＨｚ、８．３５ＧＨｚ、５．８ＧＨｚ、１．９８ＧＨｚ等であってもよい。分配器５４は、入力側と出力側のインピーダンスを整合させながらマイクロ波を分配する。

【0038】

アンテナユニット６０は、複数のアンテナモジュール６１を含んでいる。複数のアンテナモジュール６１は、それぞれ、分配器５４によって分配されたマイクロ波を処理容器２内に導入する。本実施の形態では、複数のアンテナモジュール６１の構成は全て同一である。各アンテナモジュール６１は、分配されたマイクロ波を主に増幅して出力するアンプ部６２と、アンプ部６２から出力されたマイクロ波を処理容器２内に導入するマイクロ波導入機構６３とを有している。

【0039】

アンプ部６２は、マイクロ波の位相を変化させる位相器６２Ａと、メインアンプ６２Ｃに入力されるマイクロ波の電力レベルを調整する可変ゲインアンプ６２Ｂと、ソリッドステートアンプとして構成されたメインアンプ６２Ｃと、後述するマイクロ波導入機構６３のアンテナ部で反射されてメインアンプ６２Ｃに向かう反射マイクロ波を分離するアイソレータ６２Ｄとを含んでいる。

【0040】

位相器６２Ａは、マイクロ波の位相を変化させて、マイクロ波の放射特性を変化させることができるように構成されている。位相器６２Ａは、例えば、アンテナモジュール６１毎にマイクロ波の位相を調整することによって、マイクロ波の指向性を制御してプラズマの分布を変化させることに用いられる。なお、このような放射特性の調整を行わない場合には、位相器６２Ａを設けなくてもよい。

【0041】

可変ゲインアンプ６２Ｂは、個々のアンテナモジュール６１のばらつきの調整や、プラズマ強度の調整のために用いられる。例えば、可変ゲインアンプ６２Ｂをアンテナモジュール６１毎に変化させることによって、処理容器２内全体のプラズマの分布を調整することができる。

【0042】

図示しないが、メインアンプ６２Ｃは、例えば、入力整合回路、半導体増幅素子、出力整合回路および高Ｑ共振回路を含んでいる。半導体増幅素子としては、例えば、Ｅ級動作が可能なＧａＡｓＨＥＭＴ、ＧａＮＨＥＭＴ、ＬＤ（Laterally Diffused）−ＭＯＳが用いられる。

【0043】

アイソレータ６２Ｄは、サーキュレータとダミーロード（同軸終端器）とを有している。サーキュレータは、後述するマイクロ波導入機構６３のアンテナ部で反射された反射マイクロ波をダミーロードへ導くものである。ダミーロードは、サーキュレータによって導かれた反射マイクロ波を熱に変換するものである。なお、前述のように、本実施の形態では、複数のアンテナモジュール６１が設けられており、複数のアンテナモジュール６１の各々のマイクロ波導入機構６３によって処理容器２内に複数のマイクロ波を導入できる。そのため、個々のアイソレータ６２Ｄは小型のものでもよく、アイソレータ６２Ｄをメインアンプ６２Ｃに隣接して設けることができる。

【0044】

図１に示したように、複数のマイクロ波導入機構６３は、天井部１１に設けられている。図４に示したように、マイクロ波導入機構６３は、インピーダンスを整合させるチューナ６４と、増幅されたマイクロ波を処理容器２内に放射するアンテナ部６５と、金属材料よりなり、図４における上下方向に延びる円筒状の形状を有する本体容器６６と、本体容器６６内において本体容器６６が延びる方向と同じ方向に延びる内側導体６７とを有している。本体容器６６および内側導体６７は、同軸管を構成している。本体容器６６は、この同軸管の外側導体を構成している。内側導体６７は、棒状または筒状の形状を有している。本体容器６６の内周面と内側導体６７の外周面との間の空間は、マイクロ波伝送路６８を形成する。

【0045】

図示しないが、アンテナモジュール６１は、更に、本体容器６６の基端側（上端側）に設けられた給電変換部を有している。給電変換部は、同軸ケーブルを介してメインアンプ６２Ｃに接続されている。アイソレータ６２Ｄは、同軸ケーブルの途中に設けられている。

【0046】

アンテナ部６５は、本体容器６６における給電変換部とは反対側に設けられている。後で説明するように、本体容器６６におけるアンテナ部６５よりも基端側の部分は、チューナ６４によるインピーダンス調整範囲となっている。

【0047】

図４および図５に示したように、アンテナ部６５は、内側導体６７の下端部に接続された平面アンテナ７１と、平面アンテナ７１の上面側に配置されたマイクロ波遅波材７２と、平面アンテナ７１の下面側に配置されたマイクロ波透過板７３とを有している。マイクロ波透過板７３の下面は、処理容器２の内部空間に露出している。マイクロ波透過板７３は、本体容器６６を介して、マイクロ波導入装置５の導電性部材である天井部１１の開口部に嵌合している。マイクロ波透過板７３は、本発明におけるマイクロ波透過窓に対応する。

【0048】

平面アンテナ７１は、円板形状を有している。また、平面アンテナ７１は、平面アンテナ７１を貫通するように形成されたスロット７１ａを有している。図５および図６に示した例では、４つのスロット７１ａが設けられており、各スロット７１ａは、４つに均等に分割された円弧形状を有している。なお、スロット７１ａの数は、４つに限らず、５つ以上であってもよいし、１つ以上３つ以下であってもよい。

【0049】

マイクロ波遅波材７２は、真空よりも大きい誘電率を有する材料によって形成されている。マイクロ波遅波材７２を形成する材料としては、例えば、石英、セラミックス、ポリテトラフルオロエチレン樹脂等のフッ素系樹脂、ポリイミド樹脂等を用いることができる。マイクロ波は、真空中ではその波長が長くなる。マイクロ波遅波材７２は、マイクロ波の波長を短くしてプラズマを調整する機能を有している。また、マイクロ波の位相は、マイクロ波遅波材７２の厚みによって変化する。そのため、マイクロ波遅波材７２の厚みによってマイクロ波の位相を調整することにより、平面アンテナ７１が定在波の腹の位置になるように調整することができる。これにより、平面アンテナ７１における反射波を抑制することができると共に、平面アンテナ７１から放射されるマイクロ波の放射エネルギーを大きくすることができる。つまり、これにより、マイクロ波のパワーを効率よく処理容器２内に導入することができる。

【0050】

マイクロ波透過板７３は、誘電体材料によって形成されている。マイクロ波透過板７３を形成する誘電体材料としては、例えば石英やセラミックス等が用いられる。マイクロ波透過板７３は、マイクロ波をＴＥモードで効率的に放射することができるような形状をなしている。図５に示した例では、マイクロ波透過板７３は、直方体形状を有している。なお、マイクロ波透過板７３の形状は、直方体形状に限らず、例えば円柱形状、五角形柱形状、六角形柱形状、八角形柱形状であってもよい。

【0051】

上記のように構成されたマイクロ波導入機構６３では、メインアンプ６２Ｃで増幅されたマイクロ波は、本体容器６６の内周面と内側導体６７の外周面との間（マイクロ波伝送路６８）を通って平面アンテナ７１に達し、平面アンテナ７１のスロット７１ａからマイクロ波透過板７３を透過して処理容器２の内部空間に放射される。

【0052】

チューナ６４は、スラグチューナを構成している。具体的には、図４に示したように、チューナ６４は、本体容器６６のアンテナ部６５よりも基端部側（上端部側）の部分に配置された２つのスラグ７４Ａ，７４Ｂと、２つのスラグ７４Ａ，７４Ｂを動作させるアクチュエータ７５と、このアクチュエータ７５を制御するチューナコントローラ７６とを有している。

【0053】

スラグ７４Ａ，７４Ｂは、板状且つ環状の形状を有し、本体容器６６の内周面と内側導体６７の外周面との間に配置されている。また、スラグ７４Ａ，７４Ｂは、誘電体材料によって形成されている。スラグ７４Ａ，７４Ｂを形成する誘電体材料としては、例えば、比誘電率が１０の高純度アルミナを用いることができる。高純度アルミナは、通常、スラグを形成する材料として用いられている石英（比誘電率３．８８）やテフロン（登録商標）（比誘電率２．０３）よりも比誘電率が大きいため、スラグ７４Ａ，７４Ｂの厚みを小さくすることができる。また、高純度アルミナは、石英やテフロン（登録商標）に比べて、誘電正接（ｔａｎδ）が小さく、マイクロ波の損失を小さくすることができるという特徴を有している。高純度アルミナは、更に、歪みが小さいという特徴と、熱に強いという特徴も有している。高純度アルミナとしては、純度９９．９％以上のアルミナ焼結体であることが好ましい。また、高純度アルミナとして、単結晶アルミナ（サファイア）を用いてもよい。

【0054】

チューナ６４は、チューナコントローラ７６からの指令に基づいて、アクチュエータ７５によって、スラグ７４Ａ，７４Ｂを上下方向に移動させる。これにより、チューナ６４は、インピーダンスを調整する。例えば、チューナコントローラ７６は、終端部のインピーダンスが５０Ωになるように、スラグ７４Ａ，７４Ｂの位置を調整する。

【0055】

本実施の形態では、メインアンプ６２Ｃ、チューナ６４および平面アンテナ７１は、互いに近接して配置されている。特に、チューナ６４および平面アンテナ７１は、集中定数回路を構成し、且つ共振器として機能する。平面アンテナ７１の取り付け部分には、インピーダンス不整合が存在する。本実施の形態では、チューナ６４によって、プラズマを含めて高精度でチューニングすることができ、平面アンテナ７１における反射の影響を解消することができる。また、チューナ６４によって、平面アンテナ７１に至るまでのインピーダンス不整合を高精度で解消することができ、実質的に不整合部分をプラズマ空間とすることができる。これにより、チューナ６４によって、高精度のプラズマ制御が可能になる。

【0056】

次に、図７および図８を参照して、マイクロ波透過板７３の配置について説明する。図７は、図１に示した処理容器２の天井部１１の底面図である。図８は、本実施の形態における複数のマイクロ波透過板７３の配置を示す説明図である。なお、図７では、本体容器６６の図示を省略している。また、以下の説明では、マイクロ波透過板７３は、円柱形状を有するものとする。

【0057】

マイクロ波導入装置５は、複数のマイクロ波透過板７３を含んでいる。前述のように、マイクロ波透過板７３は、本発明におけるマイクロ波透過窓に対応する。複数のマイクロ波透過板７３は、マイクロ波導入装置５の導電性部材である天井部１１の複数の開口部に嵌合した状態で、載置台２１の載置面２１ａに平行な１つの仮想の平面上に配置されている。また、複数のマイクロ波透過板７３は、上記仮想の平面において、その中心点間の距離が互いに等しいか、ほぼ等しい３つのマイクロ波透過板７３を含んでいる。なお、中心点間の距離がほぼ等しいというのは、マイクロ波透過板７３の形状精度やアンテナモジュール６１（マイクロ波導入機構６３）の組み立て精度等の観点から、マイクロ波透過板７３の位置は、所望の位置からわずかにずれていてもよいことを意味する。

【0058】

本実施の形態では、複数のマイクロ波透過板７３は、六方最密配置になるように配置された７つのマイクロ波透過板７３からなるものである。具体的には、複数のマイクロ波透過板７３は、その中心点がそれぞれ正六角形の頂点に一致またはほぼ一致するように配置された６つのマイクロ波透過板７３Ａ〜７３Ｆと、その中心点が正六角形の中心に一致またはほぼ一致するように配置された１つのマイクロ波透過板７３Ｇからなるものである。図８において、符号Ｐ_Ａ〜Ｐ_Ｇは、それぞれ、マイクロ波透過板７３Ａ〜７３Ｇの中心点を示している。なお、頂点または中心点にほぼ一致するというのは、マイクロ波透過板７３の形状精度やアンテナモジュール６１（マイクロ波導入機構６３）の組み立て精度等の観点から、マイクロ波透過板７３の中心点は、上記の頂点または中心からわずかにずれていてもよいことを意味する。

【0059】

図７に示したように、マイクロ波透過板７３Ｇは、天井部１１における中央部分に配置されている。６つのマイクロ波透過板７３Ａ〜７３Ｆは、マイクロ波透過板７３Ｇを囲むように、天井部１１の中央部分よりも外側に配置されている。従って、マイクロ波透過板７３Ｇは、本発明における中心マイクロ波透過窓に対応し、マイクロ波透過板７３Ａ〜７３Ｆは、本発明における外側マイクロ波透過窓に対応する。なお、本実施の形態において、「天井部１１における中央部分」というのは、「天井部１１の平面形状における中央部分」を意味する。

【0060】

マイクロ波透過板７３Ａ〜７３Ｇは、以下の第１および第２の条件を満たしながら配置されている。第１の条件は、マイクロ波透過板７３Ａ〜７３Ｇの中心点Ｐ_Ａ〜Ｐ_Ｇのうち、互いに隣接する３つの中心点を結ぶことによって平面状に６個の正三角形が形成されるというものである。第２の条件は、これら６個の正三角形によって仮想の正六角形が形成されるというものである。図８に示したように、マイクロ波透過板７３Ａ〜７３Ｆの中心点Ｐ_Ａ〜Ｐ_Ｆを、マイクロ波透過板７３Ｇを囲むように結ぶと、上記の仮想の正六角形が形成される。

【0061】

なお、図８において、符号Ｗは、ウエハＷの平面形状を、複数のマイクロ波透過板７３が配置された仮想の平面に投影して形成された図形（以下、単にウエハＷの平面形状と記す。）を示している。図８に示した例では、ウエハＷの平面形状は円形である。本実施の形態では、マイクロ波透過板７３Ａ〜７３Ｆの中心点Ｐ_Ａ〜Ｐ_Ｆの基準となる正六角形の外縁は、ウエハＷの平面形状を包含している。マイクロ波透過板７３Ｇの中心点Ｐ_Ｇは、ウエハＷの平面形状（円）の中心点に一致またはほぼ一致している。マイクロ波透過板７３Ａ〜７３Ｆの中心点Ｐ_Ａ〜Ｐ_Ｆは、ウエハＷの平面形状に対する同心円の円周上において、均等またはほぼ均等の間隔で配置されている。

【0062】

本実施の形態では、全てのマイクロ波透過板７３において、互いに隣接する任意の３つのマイクロ波透過板７３の中心点間の距離は、互いに等しいか、ほぼ等しくなる。以下、これについて、マイクロ波透過板７３Ａ，７３Ｂ，７３Ｇを例にとって説明する。図８に示したように、マイクロ波透過板７３Ａ，７３Ｂの中心点Ｐ_Ａ，Ｐ_Ｂは、正六角形の隣接する２つの頂点に一致している。また、マイクロ波透過板７３Ｇの中心点Ｐ_Ｇは、正六角形の中心点に一致している。図８に示したように、中心点Ｐ_Ａ，Ｐ_Ｂ，Ｐ_Ｇを結んで描いた図形は、正三角形になる。従って、中心点Ｐ_Ａ，Ｐ_Ｂ，Ｐ_Ｇ間の距離は互いに等しくなる。

【0063】

上記のマイクロ波透過板７３Ａ，７３Ｂ，７３Ｇについての説明は、互いに隣接する３つのマイクロ波透過板７３の組み合わせのいずれについても当てはまる。従って、本実施の形態では、全てのマイクロ波透過板７３において、互いに隣接する任意の３つのマイクロ波透過板７３の中心点間の距離は、互いに等しいか、ほぼ等しくなる。

【0064】

図４に示したように、マイクロ波導入機構６３は、マイクロ波透過板７３を含んだ一体構造をなしている。本実施の形態では、複数のマイクロ波導入機構６３は、７つのマイクロ波導入機構６３からなるものである。各マイクロ波導入機構６３は、図７および図８に示したマイクロ波透過板７３が配置された位置に対応して配置されている。また、図７に示したように、ガス導入部１５の複数のノズル１６は、マイクロ波透過板７３Ａ〜７３Ｆとマイクロ波透過板７３Ｇとの間において、マイクロ波透過板７３Ｇの周囲を囲むように配置されている。

【0065】

次に、プラズマ処理装置１におけるプラズマ処理の手順の一例について説明する。ここでは、処理ガスとして酸素を含有するガスを使用して、ウエハＷの表面に対してプラズマ酸化処理を施す場合を例に挙げて、プラズマ処理の手順について説明する。まず、例えばユーザーインターフェース８２から、プラズマ処理装置１においてプラズマ酸化処理を行うように、プロセスコントローラ８１に指令が入力される。次に、プロセスコントローラ８１は、この指令を受けて、記憶部８３またはコンピュータ読み取り可能な記憶媒体に保存されたレシピを読み出す。次に、レシピに基づく条件によってプラズマ酸化処理が実行されるように、プロセスコントローラ８１からプラズマ処理装置１の各エンドデバイス（例えば、高周波バイアス電源２５、ガス供給装置３ａ、排気装置４、マイクロ波導入装置５等）に制御信号が送出される。

【0066】

次に、ゲートバルブＧが開状態にされて、図示しない搬送装置によって、ウエハＷが、ゲートバルブＧおよび搬入出口１２ａを通って処理容器２内に搬入される。ウエハＷは、載置台２１の載置面２１ａに載置される。次に、ゲートバルブＧが閉状態にされて、排気装置４によって、処理容器２内が減圧排気される。次に、ガス供給機構３によって、所定の流量の希ガスおよび酸素含有ガスが、ガス導入部１５を介して処理容器２内に導入される。処理容器２の内部空間は、排気量およびガス供給量を調整することによって、所定の圧力に調整される。

【0067】

次に、マイクロ波出力部５０において、処理容器２内に導入するマイクロ波を発生させる。マイクロ波出力部５０の分配器５４から出力された複数のマイクロ波は、アンテナユニット６０の複数のアンテナモジュール６１に入力され、各アンテナモジュール６１によって、処理容器２内に導入される。各アンテナモジュール６１では、マイクロ波は、アンプ部６２およびマイクロ波導入機構６３を伝搬する。マイクロ波導入機構６３のアンテナ部６５に到達したマイクロ波は、平面アンテナ７１のスロット７１ａから、マイクロ波透過板７３を透過して、処理容器２内におけるウエハＷの上方の空間に放射される。このようにして、各アンテナモジュール６１から、それぞれ別々にマイクロ波が処理容器２内に導入される。

【0068】

上記のように複数の部位から処理容器２内に導入されたマイクロ波は、それぞれ処理容器２内に電磁界を形成する。これにより、処理容器２内に導入された希ガスや酸素含有ガス等の処理ガスをプラズマ化する。そして、プラズマ中の活性種、例えばラジカルやイオンの作用によって、ウエハＷのシリコン表面が酸化されてシリコン酸化膜ＳｉＯ_２の薄膜が形成される。

【0069】

プロセスコントローラ８１からプラズマ処理装置１の各エンドデバイスにプラズマ処理を終了させる制御信号が送出されると、マイクロ波の発生が停止されると共に、希ガスおよび酸素含有ガスの供給が停止されて、ウエハＷに対するプラズマ処理が終了する。次に、ゲートバルブＧが開状態にされて、図示しない搬送装置によって、ウエハＷが搬出される。

【0070】

なお、酸素含有ガスの代りに窒素含有ガスを使用することにより、ウエハＷに対して窒化処理を施し、シリコン窒化膜ＳｉＮの薄膜を形成することができる。

【0071】

プラズマ処理装置１では、互いに隣接するマイクロ波透過板７３の中心点間距離が、互いに等しいかほぼ等しくなるように設定される。隣接する複数のマイクロ波透過板７３の中心点間距離が異なるように配置されていると、各マイクロ波透過板７３に基づくマイクロ波プラズマの密度分布が全て同一の場合、プラズマ密度に偏りが生じ、ウエハＷの面内での処理の均一性を保つことが困難になる。これに対し、プラズマ処理装置１では、互いに隣接するマイクロ波透過板７３の中心点間距離が、互いに等しいかほぼ等しくなるように設定されることから、マイクロ波プラズマの密度分布を均一化することが容易になる。このように、プラズマ処理装置１では、簡単な構成で、マイクロ波プラズマの密度分布を均一化することが可能になり、ウエハＷの面内での処理の均一性が得られる。

【0072】

また、プラズマ処理装置１では、マイクロ波透過板７３Ｇは、天井部１１における中央部分に配置され、６つのマイクロ波透過板７３Ａ〜７３Ｆは、マイクロ波透過板７３Ｇを囲むように、天井部１１の中央部分よりも外側に配置されている。これにより、プラズマ処理装置１では、広い領域にわたって、マイクロ波プラズマの密度分布を均一化することが可能になる。また、プラズマ処理装置１では、複数のアンテナモジュール６１の構成は全て同一である。これにより、プラズマ処理装置１では、各アンテナモジュール６１において同様のプラズマ発生条件を用いることができ、マイクロ波プラズマの密度分布の調整が容易になる。なお、正六角形の内側に対応する領域の下方におけるプラズマ密度は、正六角形の外側に対応する領域の下方におけるプラズマ密度よりも大きくなる。本実施の形態では、図８を参照して説明したように、マイクロ波透過板７３Ａ〜７３Ｆの中心点の基準となる正六角形の外縁は、ウエハＷの平面形状を包含している。これにより、プラズマ処理装置１では、プラズマ密度が大きい領域にウエハＷを配置することができる。

【0073】

［第１の実施の形態］
次に、プラズマ処理装置１を用いて行われる本発明の第１の実施の形態に係るプラズマ処理方法について説明する。本実施の形態のプラズマ処理方法は、プラズマ処理装置１の処理容器２内で複数のマイクロ波によりプラズマを生成させて被処理体であるウエハＷを処理し、例えばウエハＷの表面のシリコンを酸化してシリコン酸化膜を形成する。なお、本明細書において、複数のマイクロ波によりプラズマを着火させるときの複数のマイクロ波パワーの合計を「着火時総パワー」、前記プラズマでウエハＷを処理するときの複数のマイクロ波パワーの合計を「プロセス時総パワー」とする。また、１つのマイクロ波からプラズマを着火させるときのマイクロ波パワーを「着火時パワー」、１つのマイクロ波から生成したプラズマでウエハＷを処理するときのマイクロ波パワーを「プロセス時パワー」とする。

【0074】

本実施の形態では、処理容器２内に複数のマイクロ波によりプラズマを生成させる複数マイクロ波方式のプラズマ処理装置１を用い、厚さ１ｎｍ（１０オングストローム）以下、好ましくは０．５〜１ｎｍの範囲内の極薄膜を形成するために、低いマイクロ波パワーでプラズマ酸化処理を行う。具体的には、本実施の形態のプラズマ処理方法では、着火時総パワーを、ウエハＷの面積当たり１Ｗ／ｃｍ^２以下、好ましくは０．８Ｗ／ｃｍ^２以下、より好ましくは０．６Ｗ／ｃｍ^２以下とする。例えば、３００ｍｍ径のウエハＷを被処理体とする場合、着火時総パワーを７００Ｗ以下、好ましくは５６０Ｗ以下、より好ましくは４２０Ｗ以下とする。

【0075】

本実施の形態のプラズマ処理方法で、着火時総パワーを上記のように規定する理由は以下のとおりである。一般に、マイクロ波透過板７３が小径であるプラズマ処理装置１において、着火時総パワーは、プロセス時総パワーに比べて、２〜３倍程度大きい値となる。従って、着火時総パワーがウエハＷの面積当たり１Ｗ／ｃｍ^２以下であれば、プロセス時総パワーは概ねウエハＷの面積当たり１Ｗ／ｃｍ^２以下となり、低パワーでのプラズマ処理が可能になる。

【0076】

これに対し、大径のマイクロ波透過板を用いる単一マイクロ波方式のプラズマ処理装置では、着火時パワーが１Ｗ／ｃｍ^２以下では、プラズマの着火が困難であり、また、極力低いパワーで着火させる場合には、安定したプラズマを維持する観点からも、概してプロセス時パワーと着火時パワーがほぼ等しい値になる場合が多い。

【0077】

ここで、本実施の形態のプラズマ処理方法の特徴をより明確にするため、比較例のプラズマ処理方法に用いるプラズマ処理装置について説明する。図９は、処理容器内で一つのマイクロ波からプラズマを生成させる単一マイクロ波方式のプラズマ処理装置５０１の構成を模式的に示す断面図である。プラズマ処理装置５０１は、処理容器５０２、載置台５２１および支持部材５２２を備えている。処理容器５０２、載置台５２１および支持部材５２２の構成は、図１に示した処理容器２、載置台２１および支持部材２２の構成と同じである。

【0078】

プラズマ処理装置５０１は、図１および図３に示したマイクロ波導入装置５の代りに、マイクロ波導入装置５０５を備えている。マイクロ波導入装置５０５は、処理容器５０２の上部に設けられる。マイクロ波導入装置５０５としては、マイクロ波透過板５７３を１個だけ含む既知の構成のマイクロ波導入装置を用いることができる。マイクロ波透過板５７３は、例えば円板形状を有している。マイクロ波透過板５７３の平面形状の直径は、ウエハＷの直径よりも大きく、例えば４６０ｍｍである。

【0079】

プラズマ処理装置５０１におけるその他の構成は、プラズマ処理装置１と同じである。

【0080】

プラズマ処理装置５０１では、マイクロ波透過板５７３の数が１個であることから、マイクロ波透過板５７３の平面形状をウエハＷの平面形状よりも大きくする必要がある。マイクロ波透過板５７３の面積が大きくなると、プラズマを安定的に着火および放電させるために必要なマイクロ波のパワーも大きくなる。例えば、マイクロ波透過板５７３が円板形状を有し、マイクロ波透過板５７３の平面形状の直径が約５００ｍｍの場合、プラズマを安定的に着火および放電させるために必要なマイクロ波のパワー（着火時パワー及びプロセス時パワー）の最小値は１０００Ｗである。

【0081】

一方、プラズマ処理装置１では、複数のマイクロ波透過板７３が設けられることから、プラズマ処理装置５０１のマイクロ波透過板５７３に比べて、マイクロ波透過板７３の面積を小さくすることができる。なお、プラズマ処理装置１のマイクロ波透過板７３が円柱形状を有している場合、マイクロ波透過板７３の平面形状の直径は、例えば９０〜２００ｍｍの範囲内、好ましくは９０〜１５０ｍｍの範囲内とすることができる。その結果、プラズマ処理装置１では、プラズマ処理装置５０１を用いる場合に比べて、プラズマを安定的に着火および放電維持させるために必要なマイクロ波のパワーを小さくすることができる。これにより、プラズマ処理装置１では、低パワーのマイクロ波によるプラズマ着火及び放電維持が可能になり、厚さ１ｎｍ以下の薄膜を、膜厚を制御しながら形成するプラズマ処理に適している。

【0082】

＜プラズマ酸化処理の条件＞
次に、プラズマ処理装置１を用いて、１ｎｍ以下の膜厚のシリコン酸化膜を形成するための主要な条件として、処理ガスの種類と流量、処理圧力、マイクロ波パワー、処理温度、酸化レート、処理時間、インピーダンス整合手順を挙げて詳細に説明する。なお、これらの条件は、制御部８の記憶部８３にレシピとして保存されている。そして、プロセスコントローラ８１がそのレシピを読み出してプラズマ処理装置１の各構成部へ制御信号を送出することにより、所望の条件でプラズマ酸化処理が行われる。

【0083】

＜処理ガスの種類と流量＞
プラズマ酸化処理の処理ガスとしては、プラズマ生成用の希ガスと酸素含有ガスを用いることが好ましい。希ガスとしては、例えば、Ａｒ、Ｋｒ、Ｘｅ、Ｈｅ等を使用することができる。酸素含有ガスとしては、例えば、Ｏ_２ガス、オゾンガス等を使用することができる。これらの中でも、希ガスとしてはＡｒガスが、酸素含有ガスとしてはＯ_２ガスが、それぞれ好ましい。処理容器２内における全処理ガスに対する酸素含有ガスの体積流量比率（酸素含有ガス流量／全処理ガス流量の百分率）は、酸化力を適度に調節して厚さ１ｎｍ以下の薄膜の形成を容易にする観点から、例えば０．１〜５％の範囲内とすることが好ましく、０．５〜３％の範囲内とすることがより好ましい。プラズマ酸化処理では、希ガスの流量は、例えば１００〜１００００ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）の範囲内から、上記流量比になるように設定することが好ましい。酸素含有ガスの流量は、例えば０．１〜５００ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）の範囲内から、上記流量比になるように設定することが好ましい。

【0084】

＜マイクロ波パワー＞
プラズマ処理装置１を用いるプラズマ処理において、マイクロ波としては８６０ＭＨｚのマイクロ波を用いることが好ましい。また、着火時総パワーは、厚さ１ｎｍ以下の薄膜の形成を容易にする観点から、ウエハＷの面積当たり１Ｗ／ｃｍ^２以下、好ましくは０．５〜１Ｗ／ｃｍ^２の範囲内とする。例えば、３００ｍｍ径のウエハＷを被処理体とする場合、着火時総パワーを７００Ｗ以下、好ましくは３５０〜７００Ｗの範囲内とすることができる。着火時総パワーが１Ｗ／ｃｍ^２もしくは７００Ｗを超えると、プラズマ着火直後の酸化レートが高くなり、厚さ１ｎｍ以下の薄膜の形成が困難になるか、あるいは、膜厚の制御性が著しく悪化する。着火時総パワーの下限は、安定したプラズマを生成させる観点から、ウエハＷの面積当たり０．５Ｗ／ｃｍ^２以上とすることが好ましい。なお、プラズマ処理装置１では、７つのマイクロ波透過板７３からマイクロ波を導入するため、１つのマイクロ波透過板７３から導入されるマイクロ波の着火時パワーは、１００Ｗ以下とすることができる。

【0085】

また、プラズマ処理装置１を用いるプラズマ処理において、プロセス時総パワーは、着火時総パワーよりも小さくすることが可能であり、例えば着火時総パワーの１／３〜１／２程度とすることができる。例えば、プラズマ処理装置１で、３００ｍｍ径のウエハＷを処理する場合、着火時総パワーを４２０〜７００Ｗ（ウエハＷの面積あたり０．６〜１Ｗ／ｃｍ^２）の範囲内とすると、プロセス時総パワーを１４０〜３５０Ｗ（ウエハＷの面積あたり０．２〜０．５Ｗ／ｃｍ^２）の範囲内とすることができる。なお、プラズマ処理装置１では、７つのマイクロ波透過板７３からマイクロ波を導入するため、１つのマイクロ波透過板７３から導入されるマイクロ波のプロセス時パワーは、５０Ｗ以下とすることができる。また、条件によっては、着火時総パワーをそのままプロセス時総パワーとすることや、着火時総パワーよりも高いプロセス時総パワーを設定することも可能である。

【0086】

これに対し、比較例のプラズマ処理装置５０１の場合は、上述のとおり、３００ｍｍ径のウエハＷを処理する場合、着火時パワー及びプロセス時パワーの最小値は１０００Ｗ（１．４２Ｗ／ｃｍ^２）であり、この値以下では安定したプラズマの着火及び放電維持は困難である。従って、プラズマ処理装置５０１では、プラズマ処理装置１に比べると、プラズマ酸化処理における酸化レートが高くなり、厚さ１ｎｍ以下の薄膜の形成は困難である。

【0087】

＜処理圧力＞
処理圧力は、着火時総パワーを下げて厚さ１ｎｍ以下の薄膜の形成を容易にする観点から、例えば３０〜６００Ｐａの範囲内が好ましく、８０〜３００Ｐａ以下の範囲内がより好ましい。ここで、図１０は、プラズマ処理装置１の１つのマイクロ波透過板７３を用いてＡｒガス１００％のプラズマを着火させる場合における圧力と着火時パワーの関係を表すパッシェン（Paschen）カーブである。ここでは、マイクロ波透過板７３の径が９０ｍｍである場合と、１５０ｍｍである場合とを比較している。このパッシェンカーブから、マイクロ波透過板７３が小径である９０ｍｍ径の方が１５０ｍｍ径に比べて着火時パワーが小さくてよいことが理解される。なお、比較例の単一マイクロ波方式のプラズマ処理装置５０１では、上記のとおり大型のマイクロ波透過板５７３を用いるため、さらに大きな着火時パワーが必要になる。

【0088】

また、同じ大きさのマイクロ波透過板７３を用いる場合でも、着火時パワーを小さくできる圧力範囲が存在することがわかる。図１０の例では、マイクロ波透過板７３が９０ｍｍ径である場合、例えば３０〜６００Ｐａの範囲内で着火時パワーがほぼ１００Ｗを下回っている。また、マイクロ波透過板７３が１５０ｍｍ径である場合、例えば８０〜３００Ｐａの範囲内で着火時パワーがほぼ１００Ｗを下回っている。

【0089】

＜処理温度＞
ウエハＷの処理温度は、酸化レートを下げて厚さ１ｎｍ以下の薄膜の形成を容易にする観点から、例えば室温（３０℃）〜２００℃の範囲内とすることが好ましく、１００℃以下に設定することがより好ましい。なお、処理温度は載置台２１の温度を意味し、室温（３０℃）は加熱しないことを意味する。

【0090】

ここで、図１１は、異なる処理温度でウエハＷ表面のシリコンに対してプラズマ酸化処理をした場合のシリコン酸化膜の膜厚と処理時間との関係を示す特性図である。図１１の縦軸は、プラズマ処理によって形成されたシリコン酸化膜の膜厚を示し、横軸はプロセス時間を示している。なお、図１１の縦軸は、エリプソメーターによって測定した膜厚である。本明細書においては、特に注記しない限り、膜厚はエリプソメーターにより測定された値を意味する。

【0091】

実験は、条件ａ〜ｃで実施した。条件ａ，ｂは、７個のマイクロ波透過板７３を含むプラズマ処理装置１を使用し、条件ａでは処理温度を室温（３０℃）、条件ｂでは処理温度を５００℃とした。条件ｃは、比較のため、単一マイクロ波方式のプラズマ処理装置５０１を使用し、処理温度を３００℃とした。

【0092】

プラズマ処理装置１を用いるプラズマ酸化処理の温度以外の条件は以下の通りである。マイクロ波透過板７３とウエハＷとの間の間隔（ギャップ）を８５ｍｍに固定した。１つのマイクロ波透過板７３から導入されるマイクロ波のパワーを着火時パワー６０Ｗ、プロセス時パワー２０Ｗとした。処理容器２内の圧力は１３３Ｐａとした。プラズマ生成用の希ガスとして９９０ｓｃｃｍ（ｍＬ／ｍｉｎ）のＡｒを用い、酸素含有ガスとして１０ｓｃｃｍ（ｍＬ／ｍｉｎ）のＯ_２を用いた。

【0093】

プラズマ処理装置５０１を用いるプラズマ酸化処理の条件ｃは以下の通りである。まず、処理温度（載置台５２１の設定温度）を３００℃とした。マイクロ波透過板５７３とウエハＷとの間の間隔（ギャップ）を８５ｍｍとし、マイクロ波の着火時パワーを１０００Ｗ、プロセス時パワーを１０００Ｗとした。処理容器５０２内の圧力は１３３Ｐａとした。プラズマ生成用の希ガスとして１９８０ｓｃｃｍ（ｍＬ／ｍｉｎ）のＡｒを用い、酸素含有ガスとして２０ｓｃｃｍ（ｍＬ／ｍｉｎ）のＯ_２を用いた。

【0094】

図１１より、複数のマイクロ波でプラズマを生成させるプラズマ処理装置１を用いた条件ａでは、単一マイクロ波方式のプラズマ処理装置５０１を用いた条件ｃに比べ、同じプロセス時間でも形成されるシリコン酸化膜を大幅に薄膜化できている。なお、同じプラズマ処理装置１を用いた条件ｂでは、条件ａに比べると、酸化レートが大きく、厚さ１ｎｍ以下の薄膜形成における制御性が条件ａでの処理に比べ低下している。これは処理温度が５００℃の高温であるためと考えられる。しかし、図１１より、処理温度が１００℃以下であれば、膜厚の制御性よく厚さ１ｎｍ以下のシリコン酸化膜を形成することが十分に可能であると考えられる。

【0095】

＜酸化レート＞
本実施の形態のプラズマ処理方法は、厚さ１ｎｍ以下の薄膜の形成を容易にする観点から、例えば、プラズマ着火のためのマイクロ波の供給を開始（パワーＯＮ）してから３０秒間における平均酸化レートを０．０３ｎｍ／秒以下とすることが好ましく、０．００５〜０．０３ｎｍ／秒とすることがより好ましい。マイクロ波の供給開始から３０秒間における平均酸化レートを０．０３ｎｍ／ｓｅｃ以下にすることによって、短い処理時間でも膜厚の制御性が高まり、１ｎｍ以下、好ましくは０．５〜１ｎｍ以下の任意の厚みで薄膜を形成できる。

【0096】

＜処理時間＞
本実施の形態のプラズマ処理方法において、処理時間は、１ｎｍ以下の所望の厚みでシリコン酸化膜の形成が可能であれば特に制限はないが、上記酸化レートを考慮すると、プラズマ着火のためのマイクロ波パワーの供給を開始（パワーＯＮ）する時点を基準に、例えば１０〜１００秒の範囲内とすることが好ましい。

【0097】

＜インピーダンス整合手順＞
次に、本実施の形態のプラズマ処理方法におけるインピーダンス整合手順について、図１２Ａ，１２Ｂ及び図１３Ａ及び図１３Ｂを参照しながら説明する。本実施の形態のプラズマ処理方法では、複数のマイクロ波によりプラズマを着火するときにはインピーダンス整合を行わず、複数のマイクロ波により生成したプラズマによりウエハＷを処理するときにインピーダンス整合を行うことが好ましい。なお、プラズマ処理装置１において、インピーダンス整合は、チューナ６４の２つのスラグ７４Ａ，７４Ｂを上下に変位させることにより行われる（図４参照）。

【0098】

図１２Ａ及び図１２Ｂは、それぞれ、プラズマ処理装置１の一つのマイクロ波透過板７３からマイクロ波を導入し、酸素プラズマを着火させる際のインピーダンス整合の手順とプラズマ発光との関係を示している。図１２Ａ，図１２Ｂの縦軸は、発光分光分析（ＯＥＳ）による波長７７７ｎｍにおける酸素ラジカルの発光強度比を示し、横軸は、マイクロ波の設定パワーを示している。図１２Ａ及び図１２Ｂ中の四角のプロット（マッチングあり）は、圧力１３３Ｐａで処理ガスとしてＯ_２ガスを１体積％含有するＡｒガスとＯ_２ガスとの混合ガスを用い、インピーダンス整合を行ってプラズマを生成させた場合の設定パワーと発光強度との関係を示している。図１２Ａ及び図１２Ｂ中のひし形のプロット（マッチングなし）は、圧力１３３Ｐａで処理ガスとしてＯ_２ガスを１体積％含有するＡｒガスとＯ_２ガスとの混合ガスを用い、インピーダンス整合を行わずプラズマを生成させた場合の設定パワーと発光強度との関係を示している。

【0099】

また、図１３Ａ及び図１３Ｂは、それぞれ、プラズマ処理装置１の一つのマイクロ波透過板７３からマイクロ波を導入し、酸素プラズマを着火させる際のインピーダンス整合の手順を示すタイミングチャートである。図１３Ａ及び図１３Ｂにおいて、横軸は時間を示し、ｔ１は処理ガス導入開始、ｔ２はマイクロ波導入によるプラズマ着火、ｔ３はプロセス時パワーへの切り替え、ｔ４はプロセス終了（マイクロ波停止）、ｔ５は処理ガス供給停止、のタイミングを示している。なお、図１３Ａ及び図１３Ｂに示すタイミングチャートでは、処理ガスとしてＡｒガスとＯ_２ガスを同時に処理容器２内に導入してプラズマを着火しているが、例えばＡｒガスを先に処理容器２内に導入してプラズマを着火し、後からＯ_２ガスの導入を行うようにしてもよい。

【0100】

図１２Ａ及び図１３Ａは、プラズマ着火と同時に、インピーダンス整合を開始させる方法（以下、方法Ａと記す）を示している。この場合の発光強度の変化を図１２Ａ中に太い矢印で示している。具体的には、方法Ａの場合は、着火時パワー１００Ｗでプラズマを着火させ（時点ｔ２）、同時に着火時パワーでインピーダンス整合を開始し、インピーダンス整合をしながら、プロセス時パワー５０Ｗに移行する（時点ｔ３）。

【0101】

一方、図１２Ｂ及び図１３Ｂは、プラズマ着火と同時には、インピーダンス整合を開始せず、プロセスに移行するときに、インピーダンス整合を開始する方法（以下、方法Ｂと記す）を示している。この場合の発光強度の変化を図１２Ｂ中に太い矢印で示している。方法Ｂでは、着火時パワー１００Ｗでプラズマを着火させ（時点ｔ２）、着火後、インピーダンス整合を行うことなくプロセス時パワー５０Ｗに移行し（時点ｔ３）、プロセス時パワーでインピーダンス整合を開始する。

【0102】

図１２Ａと図１２Ｂから、インピーダンス整合を行うタイミングの違いによって、着火時パワー及びプロセス時パワーが同じでも、方法Ｂでは方法Ａに比べ、酸素ラジカルの発光を大幅に抑制できていることが理解される。すなわち、方法Ｂでは、着火時パワーでインピーダンス整合を行わないことによって、プラズマ着火時において、プラズマ中の酸化活性種である酸素ラジカルの生成量を方法Ａよりも大幅に抑制できている。

【0103】

図１２Ａ及び図１２Ｂは、一つのマイクロ波によりプラズマを生成させた場合について示したものであるが、プラズマ処理装置１によって複数のマイクロ波でプラズマを生成させた場合も、同様に、方法Ｂでは方法Ａよりも、プラズマ着火時においてプラズマ中の酸化活性種である酸素ラジカルの生成量を大幅に抑制できる。従って、方法Ｂの手順を採用することによって、方法Ａの手順に比べ、プラズマ処理装置１を用いる薄膜（シリコン酸化膜）の形成において、プラズマ着火時の酸化を抑制することができ、膜厚の制御性が良好になり、一層の薄膜化が可能になる。このことを確認した実験結果について、図１４を参照しながら説明する。

【0104】

図１４は、プラズマ処理によって形成されたシリコン酸化膜の膜厚とプロセス時間との関係を示す特性図である。図１４の縦軸は、プラズマ処理によって形成されたシリコン酸化膜の膜厚を示し、横軸はプロセス時間を示している。実験は、下記の条件１〜４で実施した。条件１〜３は、７個のマイクロ波透過板７３を備えたプラズマ処理装置１を使用し、条件４は、比較のため、単一マイクロ波方式のプラズマ処理装置５０１を使用した。なお、シリコン酸化膜の膜厚の測定には、エリプソメーターを使用した。

【0105】

＜条件１＞
プラズマ生成方式：複数マイクロ波
着火時総パワー：４２０Ｗ
プロセス時総パワー：１４０Ｗ
着火時パワー：６０Ｗ
プロセス時パワー：２０Ｗ
インピーダンス整合：方法Ｂ
＜条件２＞
プラズマ生成方式：複数マイクロ波
着火時総パワー：７００Ｗ
プロセス時総パワー：３５０Ｗ
着火時パワー：１００Ｗ
プロセス時パワー：５０Ｗ
インピーダンス整合：方法Ｂ
＜条件３＞
プラズマ生成方式：複数マイクロ波
着火時総パワー：７００Ｗ
プロセス時総パワー：３５０Ｗ
着火時パワー：１００Ｗ
プロセス時パワー：５０Ｗ
インピーダンス整合：方法Ａ
＜条件４＞
プラズマ生成方式：単一マイクロ波
着火時パワー：１０００Ｗ
プロセス時パワー：１０００Ｗ
インピーダンス整合：方法Ａ

【0106】

プラズマ処理装置１を用いるプラズマ酸化処理の他の条件は以下の通りである。マイクロ波透過板７３とウエハＷとの間の間隔（ギャップ）を８５ｍｍに固定した。処理容器２内の圧力は１３３Ｐａとした。プラズマ生成用の希ガスとして９９０ｓｃｃｍ（ｍＬ／ｍｉｎ）のＡｒを用い、酸素含有ガスとして１０ｓｃｃｍ（ｍＬ／ｍｉｎ）のＯ_２を用いた。また、処理温度を３０℃とした。

【0107】

プラズマ処理装置５０１を用いるプラズマ酸化処理の他の条件は以下の通りである。マイクロ波透過板５７３とウエハＷとの間の間隔（ギャップ）を８５ｍｍとした。プラズマ生成用の希ガスとして１９８０ｓｃｃｍ（ｍＬ／ｍｉｎ）のＡｒを用い、酸素含有ガスとして２０ｓｃｃｍ（ｍＬ／ｍｉｎ）のＯ_２を用いた。また、処理温度を３００℃とした。

【0108】

図１４より、複数のマイクロ波でプラズマを生成させるプラズマ処理装置１を用いた条件１〜３では、単一マイクロ波方式のプラズマ処理装置５０１を用いた条件４に比べ、着火時総パワー及びプロセス時総パワーの両方が小さいため、同じプロセス時間でも形成されるシリコン酸化膜を大幅に薄膜化できている。特に、インピーダンス整合を方法Ｂで行った条件１及び条件２では、プロセス開始（プロセス時間０）から２０秒経過後でもシリコン酸化膜の膜厚は１ｎｍ以下であり、インピーダンス整合を方法Ａで行った条件３に比べても良好な結果が得られた。一方、条件４では、酸化レートが大きすぎるため、シリコン酸化膜の膜厚を１ｎｍ以下に制御することは現実的に不可能である。

【0109】

図１４において、プロセス時間０は、方法Ａ、方法Ｂともに、マイクロ波パワーをオン（ＯＮ）してプラズマを着火してから、５秒間かけて安定化させた後、プロセス時パワーに切り替え（図１３Ａ，１３Ｂの時点ｔ３）、さらにプロセス時パワーで５秒間かけて安定化させた時点を意味する。従って、図１４において、プロセス時間０は、方法Ａ，方法Ｂともに、マイクロ波パワーのオン（ＯＮ）から約１０秒程度経過している。このため、図１４の条件１〜３では、プロセス時間０であっても、すでに０．９ｎｍ程度のシリコン酸化膜の膜厚が計測されている。このように、プロセス時間０までに形成される膜厚を考慮すると、条件１〜３では、プロセス時間０から２０秒経過後までの平均酸化レートは、明らかに０．００５ｎｍ／ｓｅｃ程度である。条件１〜３では、このような低酸化レートのプラズマ処理が可能であり、特に、インピーダンス整合を方法Ｂで行った条件１及び条件２では、プロセス時間０に至るまでの着火直後のプラズマによる酸化を効果的に抑制できるため、シリコン酸化膜の膜厚を１ｎｍ以下の任意の膜厚で制御性良く形成できる。

【0110】

以上、本実施の形態のプラズマ処理方法によれば、被処理体であるウエハＷの表面に、１ｎｍ以下の膜厚のシリコン酸化膜を、膜厚の制御性よく形成することができる。

【0111】

［第２の実施の形態］
次に、プラズマ処理装置１を用いて行われる本発明の第２の実施の形態に係るプラズマ処理方法について説明する。本実施の形態のプラズマ処理方法は、プラズマ処理装置１の処理容器２内に複数のマイクロ波によりプラズマを生成させて被処理体であるウエハＷを処理し、例えばウエハＷの表面のシリコンを窒化してシリコン窒化膜を形成する。

【0112】

本実施の形態では、処理容器２内に複数のマイクロ波によりプラズマを生成させる方式のプラズマ処理装置１を用い、厚さ１ｎｍ（１０オングストローム）以下、好ましくは０．５〜１ｎｍの範囲内の極薄膜を形成するために、低いマイクロ波パワーでプラズマ窒化処理を行う。具体的には、本実施の形態のプラズマ処理方法では、着火時総パワーを、ウエハＷの面積当たり１Ｗ／ｃｍ^２以下、好ましくは０．８Ｗ／ｃｍ^２以下、より好ましくは０．６Ｗ／ｃｍ^２以下とする。例えば、３００ｍｍ径のウエハＷを被処理体とする場合、着火時総パワーを７００Ｗ以下、好ましくは５６０Ｗ以下、より好ましくは４２０Ｗ以下とする。

【0113】

本実施の形態のプラズマ処理方法で、着火時総パワーを上記のように規定する理由は、第１の実施の形態と同様である。

【0114】

＜プラズマ窒化処理の条件＞
次に、プラズマ処理装置１を用いて、１ｎｍ以下の膜厚のシリコン窒化膜を形成するための主要な条件として、処理ガスの種類と流量、処理圧力、マイクロ波パワー、処理温度、窒化レート、処理時間、インピーダンス整合手順を挙げて詳細に説明する。なお、これらの条件は、制御部８の記憶部８３にレシピとして保存されている。そして、プロセスコントローラ８１がそのレシピを読み出してプラズマ処理装置１の各構成部へ制御信号を送出することにより、所望の条件でプラズマ窒化処理が行われる。

【0115】

＜処理ガスの種類と流量＞
プラズマ窒化処理の処理ガスとしては、プラズマ生成用の希ガスと窒素含有ガスを用いることが好ましい。希ガスとしては、例えば、Ａｒ、Ｋｒ、Ｘｅ、Ｈｅ等を使用することができる。窒素含有ガスとしては、例えば、窒素ガス、ＮＨ_３ガス等が使用される。これらの中でも、希ガスとしてはＡｒガスが、窒素含有ガスとしてはＮ_２ガスが、それぞれ好ましい。処理容器２内における全処理ガスに対する窒素含有ガスの体積流量比率（窒素含有ガス流量／全処理ガス流量の百分率）は、窒化力を適度に調節して厚さ１ｎｍ以下の薄膜の形成を容易にする観点から、５〜２５％の範囲内とすることが好ましく、１０〜２０％の範囲内とすることがより好ましい。プラズマ窒化処理では、例えば希ガスの流量は、１００〜１００００ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）の範囲内から、上記流量比になるように設定することが好ましい。窒素含有ガスの流量は５〜２５００ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）の範囲内から、上記流量比になるように設定することが好ましい。

【0116】

＜マイクロ波パワー＞
プラズマ処理装置１を用いるプラズマ処理において、着火時総パワーは、厚さ１ｎｍ以下の薄膜の形成を容易にする観点から、ウエハＷの面積当たり１Ｗ／ｃｍ^２以下、好ましくは０．５〜１Ｗ／ｃｍ^２の範囲内とする。例えば、３００ｍｍ径のウエハＷを被処理体とする場合、着火時総パワーを７００Ｗ以下、好ましくは３５０〜７００Ｗの範囲内とすることができる。着火時総パワーが１Ｗ／ｃｍ^２もしくは７００Ｗを超えると、プラズマ着火直後の窒化レートが高くなり、厚さ１ｎｍ以下の薄膜の形成が困難になるか、あるいは、膜厚の制御性が著しく悪化する。着火時総パワーの下限は、安定したプラズマを生成させる観点から、ウエハＷの面積当たり０．５Ｗ／ｃｍ^２以上とすることが好ましい。なお、プラズマ処理装置１では、７つのマイクロ波透過板７３からマイクロ波を導入するため、１つのマイクロ波透過板７３から導入されるマイクロ波の着火時パワーは、１００Ｗ以下とすることができる。

【0117】

また、プラズマ処理装置１を用いるプラズマ処理において、プロセス時総パワーは、着火時総パワーよりも小さくすることが可能であり、例えば着火時総パワーの１／３〜１／２程度とすることができる。例えば、プラズマ処理装置１で、３００ｍｍ径のウエハＷを処理する場合、着火時総パワーを４２０〜７００Ｗ（ウエハＷの面積あたり０．６〜１Ｗ／ｃｍ^２）の範囲内とすると、プロセス時総パワーを１４０〜３５０Ｗ（ウエハＷの面積あたり０．２〜０．５Ｗ／ｃｍ^２）の範囲内とすることができる。なお、プラズマ処理装置１では、７つのマイクロ波透過板７３からマイクロ波を導入するため、１つのマイクロ波透過板７３から導入されるマイクロ波のプロセス時パワーは、５０Ｗ以下とすることができる。また、条件によっては、着火時総パワーをそのままプロセス時総パワーとすることや、着火時総パワーよりも高いプロセス時総パワーを設定することも可能である。

【0118】

これに対し、第１の実施の形態で説明した比較例のプラズマ処理装置５０１の場合は、上述のとおり、３００ｍｍ径のウエハＷを処理する場合、着火時パワー及びプロセス時パワーの最小値は１０００Ｗ（１．４２Ｗ／ｃｍ^２）であり、この値以下では安定したプラズマの着火及び放電維持は困難である。従って、プラズマ処理装置５０１では、プラズマ処理装置１に比べると、プラズマ窒化処理における窒化レートが高くなり、厚さ１ｎｍ以下の薄膜の形成は困難である。

【0119】

＜処理圧力＞
処理圧力は、着火時総パワーを下げて厚さ１ｎｍ以下の薄膜の形成を容易にする観点から、例えば１０〜６００Ｐａの範囲内が好ましく、２０〜３００Ｐａ以下の範囲内がより好ましい。

【0120】

＜処理温度＞
ウエハＷの処理温度は、窒化レートを下げて厚さ１ｎｍ以下の薄膜の形成を容易にする観点から、例えば室温（３０℃）〜２００℃の範囲内とすることが好ましく、１００℃以下に設定することがより好ましい。なお、処理温度は載置台２１の温度を意味し、室温（３０℃）は加熱しないことを意味する。

【0121】

＜窒化レート＞
本実施の形態のプラズマ処理方法は、厚さ１ｎｍ以下の薄膜の形成を容易にする観点から、例えばプラズマ着火のためのマイクロ波の供給を開始（パワーＯＮ）してから３０秒間における平均窒化レートが０．０５ｎｍ／秒以下であることが好ましく、０．００５〜０．０５ｎｍ／秒であることがより好ましい。マイクロ波の供給開始から３０秒間における平均窒化レートを０．０５ｎｍ／ｓｅｃ以下にすることによって、短い処理時間でも膜厚の制御性が高まり、１ｎｍ以下、好ましくは０．５〜１ｎｍ以下の任意の厚みで薄膜を形成できる。

【0122】

＜処理時間＞
本実施の形態のプラズマ処理方法において、処理時間は、１ｎｍ以下の所望の厚みでシリコン窒化膜の形成が可能であれば特に制限はないが、上記窒化レートを考慮すると、プラズマ着火のためのマイクロ波パワーの供給を開始（パワーＯＮ）する時点を基準に、例えば１０〜１００秒の範囲内とすることが好ましい。

【0123】

＜インピーダンス整合手順＞
本実施の形態のプラズマ処理方法におけるインピーダンス整合手順は、第１の実施の形態におけるインピーダンス整合手順と同様である。本実施の形態においても、方法Ｂを採用することによって、方法Ａに比べ、プラズマ処理装置１を用いる薄膜（シリコン窒化膜）の形成において、プラズマ着火時の窒化を抑制することができ、膜厚の制御性が良好になり、一層の薄膜化が可能になる。

【0124】

次に、本実施の形態のプラズマ処理方法の効果を示す実験結果について、図１５を参照して説明する。図１５は、プラズマ処理によって形成されたシリコン窒化膜の膜厚とプロセス時間との関係を示す特性図である。図１５の縦軸は、プラズマ処理によって形成されたシリコン窒化膜の膜厚を示し、横軸はプロセス時間を示している。実験は、７個のマイクロ波透過板７３を備えたプラズマ処理装置１を使用して以下の条件で実施した。マイクロ波透過板７３とウエハＷとの間の間隔（ギャップ）は８５ｍｍに固定した。着火時総パワーは７００Ｗ、プロセス時総パワーは３５０Ｗ、着火時パワーは１００Ｗ、プロセス時パワーは５０Ｗに設定した。処理容器２内の圧力は２０Ｐａとした。プラズマ生成用の希ガスとして１０００ｓｃｃｍ（ｍＬ／ｍｉｎ）のＡｒを用い、窒素含有ガスとして２０ｓｃｃｍ（ｍＬ／ｍｉｎ）のＮ_２を用いた。また、処理温度を３０℃とした。インピーダンス整合は、プラズマ着火と同時には、インピーダンス整合を開始せず、プロセスに移行するときに、インピーダンス整合を開始する方法Ｂ（第１の実施の形態を参照）により実施した。シリコン窒化膜の膜厚の測定には、エリプソメーターを使用した。

【0125】

図１５より、複数のマイクロ波でプラズマを生成させるプラズマ処理装置１を用い、着火時総パワー及びプロセス時総パワーの両方を小さく抑えてプラズマ処理を行うことにより、プロセス開始（プロセス時間０）から１０秒経過後でもシリコン窒化膜の膜厚を１ｎｍ以下にコントロールできることが確認できた。

【0126】

また、図１５において、プロセス時間０は、マイクロ波パワーをオン（ＯＮ）してプラズマを着火してから、５秒間かけて安定化させた後、プロセス時パワーに切り替え、さらにプロセス時パワーで５秒間かけて安定化させた時点を意味する。従って、図１５において、プロセス時間０は、マイクロ波パワーのオン（ＯＮ）から約１０秒程度経過している。このため、図１５では、プロセス時間０であっても、すでに０．５ｎｍ程度のシリコン窒化膜の膜厚が計測されている。このように、プロセス時間０までに形成される膜厚を考慮すると、プロセス時間０から１０秒経過後までの平均窒化レートは、明らかに０．０５ｎｍ／ｓｅｃ程度である。また、インピーダンス整合を方法Ｂで行うことによって、プロセス時間０に至るまでの着火直後のプラズマによる窒化を効果的に抑制できている。

【0127】

以上、本実施の形態のプラズマ処理方法によれば、被処理体であるウエハＷの表面に、１ｎｍ以下の膜厚のシリコン窒化膜を、膜厚の制御性よく形成することができる。

【0128】

なお、本発明は、上記各実施の形態に限定されず、種々の変更が可能である。例えば、本発明のプラズマ処理方法は、半導体ウエハを被処理体とする場合に限らず、例えば太陽電池パネルの基板やフラットパネルディスプレイ用基板を被処理体とする場合にも適用できる。

【0129】

また、上記実施の形態では、ウエハＷの表面のシリコンをプラズマ酸化処理又はプラズマ窒化処理する場合を例に挙げたが、処理対象はシリコンに限るものではない。例えば、プラズマ酸化処理の対象は、シリコン窒化膜（ＳｉＮ膜）でもよいし、プラズマ窒化処理の対象は、シリコン酸化膜（ＳｉＯ_２膜）でもよく、さらに別の種類の膜でもよい。

【符号の説明】

【0130】

１…プラズマ処理装置、２…処理容器、３…ガス供給機構、４…排気装置、５…マイクロ波導入装置、８…制御部、１４…排気管、１５…ガス導入部、１６…ノズル、２１…載置台、２１ａ…載置面、２４…整合器、２５…高周波バイアス電源、５０…マイクロ波出力部、５１…電源部、５２…マイクロ波発振器、５３…アンプ、５４…分配器、６０…アンテナユニット、６１…アンテナモジュール、６２…アンプ部、６３…マイクロ波導入機構、６４…チューナ、６５…アンテナ部、６６…本体容器、６７…内側導体、７１…平面アンテナ、７１ａ…スロット、７２…マイクロ波遅波材、７３…マイクロ波透過板、８１…プロセスコントローラ、８２…ユーザーインターフェース、８３…記憶部、Ｗ…半導体ウエハ。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12A】

【図12B】

【図13A】

【図13B】

【図14】

【図15】