專利名稱：等離子體處理裝置和等離子體處理方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及使用等離子體氮化處理或者氧化處理硅基板的等離子 體處理裝置和等離子體處理方法。
背景技術(shù)：
在使用了等離子體的硅基板的氮化處理時(shí)，例如，向微波激勵(lì)后 的氬氣或氪氣等的稀有氣體等離子體中導(dǎo)入氮?dú)饣虻獨(dú)夂蜌錃?、?NH3氣體等的包含氮元素的氣體。由此，產(chǎn)生N自由基(radical)或 NH自由基，而將硅氧化膜表面轉(zhuǎn)換為氮化膜。另外，還存在通過(guò)微波 等離子體來(lái)直接氮化硅基板表面的方法。
若根據(jù)現(xiàn)有的裝置和方法，則因入射到硅氧化模(硅基板)上的 離子，有基底膜(Si、 Si02)或成膜的膜(SiN)受到損害的問(wèn)題。因 膜的損害，存在產(chǎn)生了基板劣化、漏電流增大、因界面特性的劣化造 成的晶體管特性的劣化等問(wèn)題的情況。
另外，作為其他問(wèn)題，有因向硅氧化膜和硅氮化膜的界面的氧元 素的擴(kuò)散，硅氮化膜的膜厚增加到必要以上的問(wèn)題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明鑒于上述情況而作出，第一目的是提供一種可以有效抑制 硅基板(硅氧化膜)和氮化膜的劣化的等離子體處理裝置和等離子體 處理方法。
第二目的是提供一種可以有效抑制硅氮化膜的膜厚增大的等離子 體處理裝置和等離子體處理方法。
為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的第一方式的等離子體處理裝置在等 離子體產(chǎn)生部和硅基板之間配置具有開(kāi)口部的隔板。這樣，通過(guò)在處理容器內(nèi)配置隔板，緩和了到達(dá)硅基板上的離子 能量，可以有效抑制對(duì)硅基板和氮化膜自身的損害。另外，透過(guò)隔板 的開(kāi)口部而到達(dá)硅基板的氣體在基板上的流速增加，硅基板表面的氧 元素分壓降低，從氮化膜向硅基板的表面?zhèn)扰艿难踉財(cái)?shù)量增加。結(jié) 果，可以有效抑制氮化膜的厚度增大。
作為隔板，優(yōu)選使用在對(duì)應(yīng)于硅基板的形狀的區(qū)域內(nèi)配置的具有
多個(gè)開(kāi)口部的隔板。這時(shí)，各開(kāi)口部的開(kāi)口面積優(yōu)選是例如13mm2 450mm2，優(yōu)選，隔板的厚度優(yōu)選是3mm 7mm，隔板的位置優(yōu)選位于 距所述硅基板的表面20 40mm的上方。
對(duì)于開(kāi)口部的大小，可以是各開(kāi)口部全部是相同大小，也可以設(shè) 定為所述隔板的中央部的開(kāi)口部的直徑比位于該中央部的外側(cè)的開(kāi)口 部的直徑小。由此，相比于其外側(cè)可以進(jìn)一步抑制硅基板的中央部的 氮化膜的厚度增加。例如，中央部的開(kāi)口部的直徑可以是9.5mm，位 于該中央部的外側(cè)的開(kāi)口部的直徑可以是10mm。在設(shè)定為所述隔板的 中央部的開(kāi)口部的直徑比位于該中央部的外側(cè)的開(kāi)口部的直徑大的情 況下，相比于其外側(cè)可以促進(jìn)硅基板的中央部的氮化膜的厚度增加。
本發(fā)明還可以適用于使用等離子體進(jìn)行氧化處理的裝置。S卩，可 以提出在對(duì)在處理容器內(nèi)配置的硅基板，使用等離子體進(jìn)行氧化處理 的等離子體處理裝置中，在等離子體產(chǎn)生部和所述硅基板之間配置了 具有開(kāi)口部的隔板的裝置。該情況下，也可設(shè)定為隔板的中央部的開(kāi) 口部的直徑比位于該中央部的外側(cè)的開(kāi)口部的直徑小。例如，中央部 的開(kāi)口部的直徑可以是2mm，位于該中央部的外側(cè)的開(kāi)口部的直徑可 以是2.5mm。進(jìn)一步相反，也可設(shè)定為隔板的中央部的開(kāi)口部的直徑 比位于該中央部的外側(cè)的開(kāi)口部的直徑大。
本發(fā)明的另一方式的等離子體處理方法中，將所述硅基板表面的 電子密度控制為le+7(個(gè) cm—3) le+9 (個(gè) cm-3)。如上所述，通過(guò)減 弱硅基板上的離子能量和離子密度，可以有效抑制對(duì)硅基板和氮化膜 的損害。
本發(fā)明的另一方式的等離子體處理方法中，將所述硅基板表面的 氣體流速控制為le^mwec-Vle+Km'sec-1^如上所述，若硅基板上 的氣體流速增加，則硅基板表面的氧元素分壓降低，從氮化膜向硅基板的表面?zhèn)扰艿难踉氐牧吭黾?。結(jié)果，可以有效抑制氮化膜的厚度 增大。


圖1是表示本發(fā)明的實(shí)施例的等離子體處理裝置的結(jié)構(gòu)的示意圖2是實(shí)施例所用的等離子體緩沖(baffle)板的平面圖； 圖3 (A) (C)是表示實(shí)施例的等離子體處理工序的一部分的 示意圖4是表示伴隨著氮化處理的時(shí)間經(jīng)過(guò)的膜中氮元素含有比例的 變化曲線；
圖5是表示伴隨處理壓力的變化的電子密度的變化曲線； 圖6是表示伴隨處理壓力的變化的電子溫度的變化曲線； 圖7是開(kāi)口部的大小在中央部及其外圍不同的等離子體緩沖板的 平面圖。
具體實(shí)施例方式
圖1表示本發(fā)明的實(shí)施例的等離子體處理裝置10的示意結(jié)構(gòu)。等
離子體處理裝置10具有形成了保持作為被處理基板的硅晶片w的基
板保持臺(tái)12的處理容器11，處理容器11內(nèi)的空氣(氣體)經(jīng)排氣孔 IIA、 IIB進(jìn)行排氣。另外，基板保持臺(tái)12具有加熱硅晶片W的加熱 器功能。
在處理容器11的上方對(duì)應(yīng)于基板保持臺(tái)12上的硅晶片W形成開(kāi) 口部。該開(kāi)口部通過(guò)由石英和Ah03構(gòu)成的電介質(zhì)板13來(lái)塞住。在電 介質(zhì)板13上(外側(cè))配置作用為天線的槽板14。該槽板14由具有導(dǎo) 電性的材質(zhì)、例如銅的薄圓板構(gòu)成，形成多個(gè)長(zhǎng)孔14a。這些長(zhǎng)孔14a 作為整體按同心圓狀，或大致螺旋狀排列。
在槽板14上(外側(cè))配置了由石英、氧化鋁、氮化鋁等構(gòu)成的電 介質(zhì)板15。該電介質(zhì)板15稱作滯波板或波長(zhǎng)縮短板。在電介質(zhì)板15 上(外側(cè))配置冷卻板16。在冷卻板16的內(nèi)部設(shè)置流過(guò)冷卻介質(zhì)的冷 卻介質(zhì)路徑16a。另外，在處理容器11的上端中央設(shè)置了導(dǎo)入由微波 供給裝置17產(chǎn)生的例如2.45GHz的微波的同軸導(dǎo)波管18。在處理容器11內(nèi)的硅晶片W的上方配置由石英、氧化鋁或金屬
構(gòu)成的作為隔板的等離子體緩沖板20。等離子體緩沖板20通過(guò)在處理 容器11的內(nèi)壁設(shè)置的石英制的襯套21來(lái)保持。后面描述等離子體緩 沖板20的細(xì)節(jié)。在基板保持臺(tái)12的周圍配置由鋁構(gòu)成的氣體緩沖板 26。在氣體緩沖板26的下面設(shè)置石英覆蓋板28。
在處理容器11的內(nèi)壁設(shè)置了導(dǎo)入氣體用的氣體噴嘴22。通過(guò)質(zhì)量 流量(mass flow)控制器23來(lái)控制從氣體噴嘴供給的氣體的流量。在 處理容器ll的內(nèi)壁的內(nèi)側(cè)形成冷卻介質(zhì)流路24，使其包圍容器整體。
圖2表示等離子體緩沖板20的構(gòu)造。等離子體緩沖板20通過(guò)在 厚度為3mm 7mm (例如，約5mm)的圓盤(pán)狀的板的中央附近形成多 個(gè)開(kāi)口部20a構(gòu)成。另外，模式表示了圖中的開(kāi)口部20a的大小、配 置等，當(dāng)然有時(shí)與實(shí)際使用的情況不同。
等離子體緩沖板20例如可以由石英、鋁、氧化鋁、硅、金屬等形 成。等離子體緩沖板20的位置為距硅晶片W的表面高H2 (20mm 50mm，例如30mm)，距澆淋板14的下面為距離Hl (40mm 110mm， 例如80mm)。若等離子體緩沖板20過(guò)于接近硅晶片W表面，則妨礙 了均勻的氧化、氮化處理。另一方面，若等離子體緩沖板20離硅晶片 W的表面過(guò)遠(yuǎn)，則等離子體密度降低，很難進(jìn)行氧化，氮化。
在處理直徑約200mm的硅晶片W的情況下，等離子體緩沖板20 的直徑D1可以為360mm、配置了開(kāi)口部20a的區(qū)域的直徑D2可以為 250mm。在處理直徑約300mm的硅晶片W的情況下，可以根據(jù)晶片 的大小，來(lái)適當(dāng)改變D1、 D2的大小。另外，為了實(shí)現(xiàn)硅晶片W表面 的均勻處理，優(yōu)選根據(jù)距等離子體緩沖板20的硅晶片W的距離H2來(lái) 設(shè)定D2的值，例如，優(yōu)選是150mm以上。
作為在等離子體緩沖板20上形成的開(kāi)口部20a的直徑，可以設(shè)定 為2.5mm 10mm。例如，在開(kāi)口部20a的直徑為2.5mm的情況下，其 數(shù)目可以為1000 3000左右。另外，在開(kāi)口部20a的直徑為5.0mm或 10.0mm的情況下，其數(shù)目可以為300 700左右。開(kāi)口部20a的成形 可以釆用激光加工法。另外，開(kāi)口部20a的形狀并不限于圓形，也可 以是窄縫狀。這時(shí)，各開(kāi)口部20a的開(kāi)口面積優(yōu)選為3im^ 450mm2。 若開(kāi)口部20a的開(kāi)口面積過(guò)大，則離子密度提高，不能減少損害。另一方面，若開(kāi)口面積過(guò)小，則等離子體密度降低，很難進(jìn)行氧化*氮
化。另外，開(kāi)口部20a的開(kāi)口面積優(yōu)選考慮等離子體緩沖板20的厚度
來(lái)設(shè)定。
在使用如上所述結(jié)構(gòu)的等離子體處理裝置IO來(lái)進(jìn)行等離子體處理 時(shí)，首先，經(jīng)排氣孔11A、 IIB進(jìn)行處理容器11內(nèi)部的排氣，將處理 容器11設(shè)定為預(yù)定的處理壓力。之后，從氣體噴嘴22中導(dǎo)入氬氣、 Kr等的惰性氣體和氧化氣體或氮化氣體。
另夕卜，將通過(guò)同軸導(dǎo)波管18供給的頻率為幾GHz、例如2.45GHz 的微波經(jīng)電介質(zhì)板15、槽板14、電介質(zhì)板13導(dǎo)入處理容器11中。通 過(guò)處理容器11內(nèi)的高密度微波等離子體激勵(lì)形成的自由基(radical) 經(jīng)等離子體緩沖板20到達(dá)硅晶片W的表面。到達(dá)了硅晶片W的自由 基(氣體)沿晶片表面向徑向(放射方向)流動(dòng)，進(jìn)行快速排氣。由 此，抑制了自由基的重新結(jié)合， 一樣的基板處理在低溫中也可高效地 進(jìn)行。
圖3 (A) (C)表示使用了圖1的等離子體處理裝置10的本實(shí) 施例的基板處理工序。
將硅基板31 (對(duì)應(yīng)于硅晶片W)導(dǎo)入到處理容器11中，而從氣 體噴嘴22中導(dǎo)入Kr和氧氣的混合氣體。通過(guò)由微波等離子體來(lái)激勵(lì) 該氣體，來(lái)形成原子狀氧(氧自由基)0*。這樣，如圖3 (A)所示， 該原子狀氧0*經(jīng)等離子體緩沖板20到達(dá)硅基板31的表面。
通過(guò)由原子狀氧來(lái)處理硅基板31的表面，如圖3 (B)所示，在 硅基板31的表面上形成了厚度為1.6nm的硅氧化膜32。這樣形成的硅 氧化膜32，盡管是在400。C左右的非常低的基板溫度上形成的硅氧化 膜，具有與在IOO(TC以上的高溫下形成的熱氧化膜匹敵的漏電流特性。
接著，在圖3 (C)所示的工序中，向處理容器11中供給氬氣和 氮?dú)獾幕旌蠚怏w，將基板溫度設(shè)定在40(TC后通過(guò)供給微波來(lái)激勵(lì)等離 子體。
在圖3 (C)的工序中，將處理容器ll的內(nèi)壓設(shè)定為0.7Pa，例如 在1000SCCM的流量下供給氬氣，在例如40SCCM的流量下供給氮?dú)狻?結(jié)果，硅氧化膜32的表面轉(zhuǎn)換為硅氮化膜32A。另外，硅氧化膜32 也可以是熱氧化膜。將圖3 (C)的工序持續(xù)20秒以上，例如40秒，結(jié)果，硅氮化膜 32A生長(zhǎng)，若超過(guò)拐點(diǎn)，則硅氮化膜32A下的硅氧化膜32中的氧元素 開(kāi)始侵入硅基板31中。
本實(shí)施例中，由于在處理容器ll內(nèi)配置了等離子體緩沖板20，所 以到達(dá)硅晶片W上的離子能量和等離子體密度減少。具體的，將硅晶 片W表面的電子密度控制為le + 7 (個(gè)，cm—3) le+9 (個(gè)'cm—3)。 由此，認(rèn)為對(duì)硅氧化膜32和氮化膜32A的造成了損害的離子密度減少， 而緩和了對(duì)硅氧化膜32和氮化膜32A的損害。
在控制硅晶片W的表面的電子密度的情況下，可以通過(guò)例如，(a) 減小等離子體緩沖板20的直徑，(b)增大等離子體緩沖板20和晶片 W表面的間隔，(c)增大等離子體緩沖板20的厚度，來(lái)降低電子密
另外，通過(guò)等離子體緩沖板20的開(kāi)口部20a到達(dá)硅晶片W的氣 體在晶片W上的流速增加。具體的，將硅晶片W表面的氣體流速控 制為le-2 (m'sec") ~le+l (m sec")。結(jié)果，硅晶片W表面的氧 元素分壓降低，從氮化膜32A向硅晶片W的表面?zhèn)扰艿难踉氐牧吭?加，所以緩和了氮化膜32A的膜厚增大。這種氣體流速的控制通過(guò)開(kāi) 口部20a的大小的調(diào)整來(lái)進(jìn)行，越小，流速越增加。
另外，等離子體處理裝置10由于使用槽板14來(lái)產(chǎn)生由微波產(chǎn)生 的等離子體，所以可在低功率下產(chǎn)生高密度的等離子體，從這點(diǎn)來(lái)看 也可實(shí)施對(duì)基板的損害極小的處理。
接著，圖4 圖6表示使用等離子體裝置10，對(duì)硅基板實(shí)際進(jìn)行 氮化處理的結(jié)果。為了明白本發(fā)明的效果，所以還兼表示了與不具有 等離子體緩沖板20的現(xiàn)有的等離子體處理裝置的比較。處理的條件如 下。
艮P，基板溫度是400°C，微波的功率是1500W，處理容器內(nèi)的壓 力是50 2000mTorr，氮?dú)獾牧髁渴?0 150sccm，氬氣的流量是 1000 2000sccm。
圖4表示處理時(shí)間一膜中氮元素的比例，在不具有等離子體緩沖 板的現(xiàn)有裝置中，看到10秒期間增加了約30%的氮元素的比例，但是 如本發(fā)明那樣，根據(jù)具有等離子體緩沖板的裝置，隨著時(shí)間的經(jīng)過(guò)膜中氮元素的比例增加變緩。因此，本發(fā)明的方法容易控制氮化速率。
圖5表示處理壓力變化時(shí)的電子密度的變化，可以確認(rèn)如本發(fā)明 那樣，具有等離子體緩沖板的裝置在所有的壓力值下，與現(xiàn)有技術(shù)相 比電子密度低。因此，根據(jù)本發(fā)明，可以確認(rèn)抑制了對(duì)氮化膜的損害。
圖6是表示處理壓力變化時(shí)的電子溫度的變化，可以確認(rèn)如本發(fā)
明那樣，具有等離子體緩沖板的裝置在所有壓力值下，與現(xiàn)有技術(shù)相 比電子溫度低。因此，根據(jù)本發(fā)明，與現(xiàn)有技術(shù)相比可以抑制因充電 而產(chǎn)生的對(duì)基板的損害。
在所述的實(shí)施例中使用的等離子體緩沖板20雖然使用開(kāi)口部20a 的大小完全相同的板，但是如圖7所示，也可設(shè)定為由直徑D3所示的 圓形的中央部區(qū)域的開(kāi)口部20b的大小比由直徑D2所示的其外側(cè)區(qū)域 的開(kāi)口部20b小。例如，在開(kāi)口部20a的直徑為10mm的情況下，中 央部的開(kāi)口部20b的直徑比其小，可設(shè)定為例如9.5mm。
這樣，通過(guò)使中央部的開(kāi)口部20b的大小比位于其外側(cè)的區(qū)域的 開(kāi)口部20a小，可以減小通過(guò)該中央部的氮自由基的量，由此，可以 抑制基板中央部的氮化。因此，在有具有例如中央部的膜厚增大的傾 向的裝置特性、處理特性的情況下，通過(guò)使用圖7所示的中央部的開(kāi) 口部20b的直徑小的等離子體緩沖板20，抑制了中央部的膜厚的生長(zhǎng)， 結(jié)果，作為基板整體進(jìn)行了均勻的氮化處理，可以實(shí)現(xiàn)均勻的膜厚。
相反，若中央部的開(kāi)口部20b的大小比位于其外側(cè)的開(kāi)口部20a 大，則通過(guò)該中央部的氮自由基量比其他增加，而可以促進(jìn)基板中央 部的氮化。因此，在有具有例如中央部的膜厚比其他小的傾向的裝置 特性、處理特性的情況下，這樣，通過(guò)使用中央部的開(kāi)口部20b的大 小比位于其外側(cè)的區(qū)域的開(kāi)口部20a大的等離子體緩沖板20，可以實(shí) 現(xiàn)均勻的膜厚。
另外，通過(guò)變化等離子體緩沖板20本身的厚度，可以進(jìn)行氮化率 的控制。S卩，若增大等離子體緩沖板20的厚度，則可以更加抑制氮化率。
進(jìn)一步，所述實(shí)施方式的等離子體處理裝置雖然作為進(jìn)行氮化處 理的裝置構(gòu)成，但是裝置結(jié)構(gòu)本身可以原樣作為氧化處理基板的裝置 使用。與己經(jīng)說(shuō)明的氮化處理的情況相同，通過(guò)采用等離子體緩沖板， 可以減少離子能量和離子密度，可以緩和對(duì)硅氧化膜的損害。 產(chǎn)業(yè)上的可用性
本發(fā)明對(duì)半導(dǎo)體設(shè)備的制造工序中的氮化膜、氧化膜的形成非常
權(quán)利要求
1、一種等離子體處理裝置，對(duì)配置在處理容器內(nèi)的基板，使用等離子體進(jìn)行氮化處理、氧化處理，其特征在于在等離子體產(chǎn)生部和所述基板之間配置具有開(kāi)口部的隔板，所述開(kāi)口部以使所述基板表面的氣體流速為1e-2(m·sec-1)～1e+1(m·sec-1)的方式形成。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的等離子體處理裝置，其特征在于 所述隔板的各開(kāi)口部的直徑完全相同。
3、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的等離子體處理裝置，其特征在于所述隔板的中央部的開(kāi)口部的直徑比位于該中央部的外側(cè)的開(kāi)口 部的直徑小。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的等離子體處理裝置，其特征在于所述隔板的中央部的開(kāi)口部的直徑比位于該中央部的外側(cè)的開(kāi)口 部的直徑大。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1 4之一所述的等離子體處理裝置，其特征在于所述隔板具有在對(duì)應(yīng)于所述基板的形狀的區(qū)域內(nèi)配置的多個(gè)開(kāi)口部；各開(kāi)口部的開(kāi)口面積是13mm2 450mm2。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1 4之一所述的等離子體處理裝置，其特征在于所述隔板的厚度是3mm 7mm。
7、 一種等離子體處理方法，對(duì)配置在處理容器內(nèi)的硅基板，隔著 隔板使用等離子體進(jìn)行氮化處理或者氧化處理，其特征在于將所述基板表面的所述等離子體的電子密度控制為<formula>formula see original document page 3</formula>
8、 一種等離子體處理方法，對(duì)配置在處理容器內(nèi)的基板，隔著隔板使用等離子體進(jìn)行氮化處理或者氧化處理，其特征在于將所述基板表面的氣體流速控制為le-2(m 'sec") le+l (m "ec")。
9、 一種等離子體處理裝置，對(duì)配置在處理容器內(nèi)的基板，使用等 離子體進(jìn)行氮化處理或者氧化處理，其特征在于在等離子體產(chǎn)生部和所述基板之間配置了具有開(kāi)口部的隔板， 所述隔板由石英、氧化鋁或者硅形成，所述開(kāi)口部以使所述基板表面的氣體流速為le-2(m sec") le+l(m sec")的方式形成。
10、 一種等離子體處理裝置，對(duì)配置在處理容器內(nèi)的基板，使用等離子體進(jìn)行氮化處理或者氧化處理，其特征在于，該裝置包括在等離子體產(chǎn)生部和所述基板之間配置的、具有開(kāi)口部的隔板；和形成多個(gè)孔作為天線發(fā)揮作用的槽板， 所述等離子體通過(guò)微波的供給而生成，所述開(kāi)口部以使所述基板表面的氣體流速為le-2(m sec力 le+l(m sec—"的方式形成。
全文摘要
本發(fā)明涉及等離子體處理裝置和等離子體處理方法。根據(jù)本發(fā)明，當(dāng)?shù)幚砘灞砻鏁r(shí)，在等離子體產(chǎn)生部和基板之間配置具有開(kāi)口部的隔板，將基板表面的氣體流速控制為1e-2(m·sec^-1)～1e+1(m·sec^-1)，并將基板表面的等離子體的電子密度控制為1e+7(個(gè)·cm^-3)～1e+9(個(gè)·cm^-3)。根據(jù)本發(fā)明，有效地抑制了基板和氮化膜的劣化。
文檔編號(hào)H01L21/00GK101414560SQ20081021398
公開(kāi)日2009年4月22日 申請(qǐng)日期2003年11月20日 優(yōu)先權(quán)日2002年11月20日
發(fā)明者中西敏雄, 尾崎成則, 西田辰夫 申請(qǐng)人:東京毅力科創(chuàng)株式會(huì)社