等離子體處理裝置和等離子體處理方法
2023-06-06 14:02:56 2
專利名稱：等離子體處理裝置和等離子體處理方法
技術領域：
本發明涉及使用等離子體氮化處理或者氧化處理矽基板的等離子 體處理裝置和等離子體處理方法。
背景技術：
在使用了等離子體的矽基板的氮化處理時，例如，向微波激勵後 的氬氣或氪氣等的稀有氣體等離子體中導入氮氣或氮氣和氫氣、或 NH3氣體等的包含氮元素的氣體。由此，產生N自由基(radical)或 NH自由基，而將矽氧化膜表面轉換為氮化膜。另外，還存在通過微波 等離子體來直接氮化矽基板表面的方法。
若根據現有的裝置和方法，則因入射到矽氧化模(矽基板)上的 離子，有基底膜(Si、 Si02)或成膜的膜(SiN)受到損害的問題。因 膜的損害，存在產生了基板劣化、漏電流增大、因界面特性的劣化造 成的電晶體特性的劣化等問題的情況。
另外，作為其他問題，有因向矽氧化膜和矽氮化膜的界面的氧元 素的擴散，矽氮化膜的膜厚增加到必要以上的問題。
發明內容
本發明鑑於上述情況而作出，第一目的是提供一種可以有效抑制 矽基板(矽氧化膜)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矽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。
為了實現上述目的，本發明的第一方式的等離子體處理裝置在等 離子體產生部和矽基板之間配置具有開口部的隔板。這樣，通過在處理容器內配置隔板，緩和了到達矽基板上的離子 能量，可以有效抑制對矽基板和氮化膜自身的損害。另外，透過隔板 的開口部而到達矽基板的氣體在基板上的流速增加，矽基板表面的氧 元素分壓降低，從氮化膜向矽基板的表面側跑的氧元素數量增加。結 果，可以有效抑制氮化膜的厚度增大。
作為隔板，優選使用在對應於矽基板的形狀的區域內配置的具有
多個開口部的隔板。這時，各開口部的開口面積優選是例如13mm2 450mm2，優選，隔板的厚度優選是3mm 7mm，隔板的位置優選位於 距所述矽基板的表面20 40mm的上方。
對於開口部的大小，可以是各開口部全部是相同大小，也可以設 定為所述隔板的中央部的開口部的直徑比位於該中央部的外側的開口 部的直徑小。由此，相比於其外側可以進一步抑制矽基板的中央部的 氮化膜的厚度增加。例如，中央部的開口部的直徑可以是9.5mm，位 於該中央部的外側的開口部的直徑可以是10mm。在設定為所述隔板的 中央部的開口部的直徑比位於該中央部的外側的開口部的直徑大的情 況下，相比於其外側可以促進矽基板的中央部的氮化膜的厚度增加。
本發明還可以適用於使用等離子體進行氧化處理的裝置。S卩，可 以提出在對在處理容器內配置的矽基板，使用等離子體進行氧化處理 的等離子體處理裝置中，在等離子體產生部和所述矽基板之間配置了 具有開口部的隔板的裝置。該情況下，也可設定為隔板的中央部的開 口部的直徑比位於該中央部的外側的開口部的直徑小。例如，中央部 的開口部的直徑可以是2mm，位於該中央部的外側的開口部的直徑可 以是2.5mm。進一步相反，也可設定為隔板的中央部的開口部的直徑 比位於該中央部的外側的開口部的直徑大。
本發明的另一方式的等離子體處理方法中，將所述矽基板表面的 電子密度控制為le+7(個 cm—3) le+9 (個 cm-3)。如上所述，通過減 弱矽基板上的離子能量和離子密度，可以有效抑制對矽基板和氮化膜 的損害。
本發明的另一方式的等離子體處理方法中，將所述矽基板表面的 氣體流速控制為le^mwec-Vle+Km'sec-1^如上所述，若矽基板上 的氣體流速增加，則矽基板表面的氧元素分壓降低，從氮化膜向矽基板的表面側跑的氧元素的量增加。結果，可以有效抑制氮化膜的厚度 增大。
圖1是表示本發明的實施例的等離子體處理裝置的結構的示意圖2是實施例所用的等離子體緩衝(baffle)板的平面圖； 圖3 (A) (C)是表示實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間經過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是開口部的大小在中央部及其外圍不同的等離子體緩衝板的 平面圖。
具體實施例方式
圖1表示本發明的實施例的等離子體處理裝置10的示意結構。等
離子體處理裝置10具有形成了保持作為被處理基板的矽晶片w的基
板保持臺12的處理容器11，處理容器11內的空氣(氣體)經排氣孔 IIA、 IIB進行排氣。另外，基板保持臺12具有加熱矽晶片W的加熱 器功能。
在處理容器11的上方對應於基板保持臺12上的矽晶片W形成開 口部。該開口部通過由石英和Ah03構成的電介質板13來塞住。在電 介質板13上(外側)配置作用為天線的槽板14。該槽板14由具有導 電性的材質、例如銅的薄圓板構成，形成多個長孔14a。這些長孔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)配置了由石英、氧化鋁、氮化鋁等構成的電 介質板15。該電介質板15稱作滯波板或波長縮短板。在電介質板15 上(外側)配置冷卻板16。在冷卻板16的內部設置流過冷卻介質的冷 卻介質路徑16a。另外，在處理容器11的上端中央設置了導入由微波 供給裝置17產生的例如2.45GHz的微波的同軸導波管18。在處理容器11內的矽晶片W的上方配置由石英、氧化鋁或金屬
構成的作為隔板的等離子體緩衝板20。等離子體緩衝板20通過在處理 容器11的內壁設置的石英制的襯套21來保持。後面描述等離子體緩 衝板20的細節。在基板保持臺12的周圍配置由鋁構成的氣體緩衝板 26。在氣體緩衝板26的下面設置石英覆蓋板28。
在處理容器11的內壁設置了導入氣體用的氣體噴嘴22。通過質量 流量(mass flow)控制器23來控制從氣體噴嘴供給的氣體的流量。在 處理容器ll的內壁的內側形成冷卻介質流路24，使其包圍容器整體。
圖2表示等離子體緩衝板20的構造。等離子體緩衝板20通過在 厚度為3mm 7mm (例如，約5mm)的圓盤狀的板的中央附近形成多 個開口部20a構成。另外，模式表示了圖中的開口部20a的大小、配 置等，當然有時與實際使用的情況不同。
等離子體緩衝板20例如可以由石英、鋁、氧化鋁、矽、金屬等形 成。等離子體緩衝板20的位置為距矽晶片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)。若等離子體緩衝板20過於接近矽晶片W表面，則妨礙 了均勻的氧化、氮化處理。另一方面，若等離子體緩衝板20離矽晶片 W的表面過遠，則等離子體密度降低，很難進行氧化，氮化。
在處理直徑約200mm的矽晶片W的情況下，等離子體緩衝板20 的直徑D1可以為360mm、配置了開口部20a的區域的直徑D2可以為 250mm。在處理直徑約300mm的矽晶片W的情況下，可以根據晶片 的大小，來適當改變D1、 D2的大小。另外，為了實現矽晶片W表面 的均勻處理，優選根據距等離子體緩衝板20的矽晶片W的距離H2來 設定D2的值，例如，優選是150mm以上。
作為在等離子體緩衝板20上形成的開口部20a的直徑，可以設定 為2.5mm 10mm。例如，在開口部20a的直徑為2.5mm的情況下，其 數目可以為1000 3000左右。另外，在開口部20a的直徑為5.0mm或 10.0mm的情況下，其數目可以為300 700左右。開口部20a的成形 可以釆用雷射加工法。另外，開口部20a的形狀並不限於圓形，也可 以是窄縫狀。這時，各開口部20a的開口面積優選為3im^ 450mm2。 若開口部20a的開口面積過大，則離子密度提高，不能減少損害。另一方面，若開口面積過小，則等離子體密度降低，很難進行氧化*氮
化。另外，開口部20a的開口面積優選考慮等離子體緩衝板20的厚度
來設定。
在使用如上所述結構的等離子體處理裝置IO來進行等離子體處理 時，首先，經排氣孔11A、 IIB進行處理容器11內部的排氣，將處理 容器11設定為預定的處理壓力。之後，從氣體噴嘴22中導入氬氣、 Kr等的惰性氣體和氧化氣體或氮化氣體。
另夕卜，將通過同軸導波管18供給的頻率為幾GHz、例如2.45GHz 的微波經電介質板15、槽板14、電介質板13導入處理容器11中。通 過處理容器11內的高密度微波等離子體激勵形成的自由基(radical) 經等離子體緩衝板20到達矽晶片W的表面。到達了矽晶片W的自由 基(氣體)沿晶片表面向徑向(放射方向)流動，進行快速排氣。由 此，抑制了自由基的重新結合， 一樣的基板處理在低溫中也可高效地 進行。
圖3 (A) (C)表示使用了圖1的等離子體處理裝置10的本實 施例的基板處理工序。
將矽基板31 (對應於矽晶片W)導入到處理容器11中，而從氣 體噴嘴22中導入Kr和氧氣的混合氣體。通過由微波等離子體來激勵 該氣體，來形成原子狀氧(氧自由基)0*。這樣，如圖3 (A)所示， 該原子狀氧0*經等離子體緩衝板20到達矽基板31的表面。
通過由原子狀氧來處理矽基板31的表面，如圖3 (B)所示，在 矽基板31的表面上形成了厚度為1.6nm的矽氧化膜32。這樣形成的矽 氧化膜32，儘管是在400。C左右的非常低的基板溫度上形成的矽氧化 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 氮氣的混合氣體，將基板溫度設定在40(TC後通過供給微波來激勵等離 子體。
在圖3 (C)的工序中，將處理容器ll的內壓設定為0.7Pa，例如 在1000SCCM的流量下供給氬氣，在例如40SCCM的流量下供給氮氣。 結果，矽氧化膜32的表面轉換為矽氮化膜32A。另外，矽氧化膜32 也可以是熱氧化膜。將圖3 (C)的工序持續20秒以上，例如40秒，結果，矽氮化膜 32A生長，若超過拐點，則矽氮化膜32A下的矽氧化膜32中的氧元素 開始侵入矽基板31中。
本實施例中，由於在處理容器ll內配置了等離子體緩衝板20，所 以到達矽晶片W上的離子能量和等離子體密度減少。具體的，將矽晶 片W表面的電子密度控制為le + 7 (個，cm—3) le+9 (個'cm—3)。 由此，認為對矽氧化膜32和氮化膜32A的造成了損害的離子密度減少， 而緩和了對矽氧化膜32和氮化膜32A的損害。
在控制矽晶片W的表面的電子密度的情況下，可以通過例如，(a) 減小等離子體緩衝板20的直徑，(b)增大等離子體緩衝板20和晶片 W表面的間隔，(c)增大等離子體緩衝板20的厚度，來降低電子密
另外，通過等離子體緩衝板20的開口部20a到達矽晶片W的氣 體在晶片W上的流速增加。具體的，將矽晶片W表面的氣體流速控 制為le-2 (m'sec") ~le+l (m sec")。結果，矽晶片W表面的氧 元素分壓降低，從氮化膜32A向矽晶片W的表面側跑的氧元素的量增 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開 口部20a的大小的調整來進行，越小，流速越增加。
另外，等離子體處理裝置10由於使用槽板14來產生由微波產生 的等離子體，所以可在低功率下產生高密度的等離子體，從這點來看 也可實施對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，對矽基板實際進行 氮化處理的結果。為了明白本發明的效果，所以還兼表示了與不具有 等離子體緩衝板20的現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，處理容器內的壓 力是50 2000mTorr，氮氣的流量是40 150sccm，氬氣的流量是 1000 2000sccm。
圖4表示處理時間一膜中氮元素的比例，在不具有等離子體緩衝 板的現有裝置中，看到10秒期間增加了約30%的氮元素的比例，但是 如本發明那樣，根據具有等離子體緩衝板的裝置，隨著時間的經過膜中氮元素的比例增加變緩。因此，本發明的方法容易控制氮化速率。
圖5表示處理壓力變化時的電子密度的變化，可以確認如本發明 那樣，具有等離子體緩衝板的裝置在所有的壓力值下，與現有技術相 比電子密度低。因此，根據本發明，可以確認抑制了對氮化膜的損害。
圖6是表示處理壓力變化時的電子溫度的變化，可以確認如本發
明那樣，具有等離子體緩衝板的裝置在所有壓力值下，與現有技術相 比電子溫度低。因此，根據本發明，與現有技術相比可以抑制因充電 而產生的對基板的損害。
在所述的實施例中使用的等離子體緩衝板20雖然使用開口部20a 的大小完全相同的板，但是如圖7所示，也可設定為由直徑D3所示的 圓形的中央部區域的開口部20b的大小比由直徑D2所示的其外側區域 的開口部20b小。例如，在開口部20a的直徑為10mm的情況下，中 央部的開口部20b的直徑比其小，可設定為例如9.5mm。
這樣，通過使中央部的開口部20b的大小比位於其外側的區域的 開口部20a小，可以減小通過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，通過使用圖7所示的中央部的開 口部20b的直徑小的等離子體緩衝板20，抑制了中央部的膜厚的生長， 結果，作為基板整體進行了均勻的氮化處理，可以實現均勻的膜厚。
相反，若中央部的開口部20b的大小比位於其外側的開口部20a 大，則通過該中央部的氮自由基量比其他增加，而可以促進基板中央 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，通過使用中央部的開口部20b的大 小比位於其外側的區域的開口部20a大的等離子體緩衝板20，可以實 現均勻的膜厚。
另外，通過變化等離子體緩衝板20本身的厚度，可以進行氮化率 的控制。S卩，若增大等離子體緩衝板20的厚度，則可以更加抑制氮化率。
進一步，所述實施方式的等離子體處理裝置雖然作為進行氮化處 理的裝置構成，但是裝置結構本身可以原樣作為氧化處理基板的裝置 使用。與己經說明的氮化處理的情況相同，通過採用等離子體緩衝板， 可以減少離子能量和離子密度，可以緩和對矽氧化膜的損害。 產業上的可用性
本發明對半導體設備的製造工序中的氮化膜、氧化膜的形成非常
權利要求
1、一種等離子體處理裝置，對配置在處理容器內的基板，使用等離子體進行氮化處理、氧化處理，其特徵在於在等離子體產生部和所述基板之間配置具有開口部的隔板，所述開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、 根據權利要求1所述的等離子體處理裝置，其特徵在於 所述隔板的各開口部的直徑完全相同。
3、 根據權利要求l所述的等離子體處理裝置，其特徵在於所述隔板的中央部的開口部的直徑比位於該中央部的外側的開口 部的直徑小。
4、 根據權利要求1所述的等離子體處理裝置，其特徵在於所述隔板的中央部的開口部的直徑比位於該中央部的外側的開口 部的直徑大。
5、 根據權利要求1 4之一所述的等離子體處理裝置，其特徵在於所述隔板具有在對應於所述基板的形狀的區域內配置的多個開口部；各開口部的開口面積是13mm2 450mm2。
6、 根據權利要求1 4之一所述的等離子體處理裝置，其特徵在於所述隔板的厚度是3mm 7mm。
7、 一種等離子體處理方法，對配置在處理容器內的矽基板，隔著 隔板使用等離子體進行氮化處理或者氧化處理，其特徵在於將所述基板表面的所述等離子體的電子密度控制為formula see original document page 3
8、 一種等離子體處理方法，對配置在處理容器內的基板，隔著隔板使用等離子體進行氮化處理或者氧化處理，其特徵在於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，對配置在處理容器內的基板，使用等 離子體進行氮化處理或者氧化處理，其特徵在於在等離子體產生部和所述基板之間配置了具有開口部的隔板， 所述隔板由石英、氧化鋁或者矽形成，所述開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，對配置在處理容器內的基板，使用等離子體進行氮化處理或者氧化處理，其特徵在於，該裝置包括在等離子體產生部和所述基板之間配置的、具有開口部的隔板；和形成多個孔作為天線發揮作用的槽板， 所述等離子體通過微波的供給而生成，所述開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
本發明涉及等離子體處理裝置和等離子體處理方法。根據本發明，當氮化處理基板表面時，在等離子體產生部和基板之間配置具有開口部的隔板，將基板表面的氣體流速控制為1e-2(m·sec-1)～1e+1(m·sec-1)，並將基板表面的等離子體的電子密度控制為1e+7(個·cm-3)～1e+9(個·cm-3)。根據本發明，有效地抑制了基板和氮化膜的劣化。
文檔編號H01L21/00GK101414560SQ20081021398
公開日2009年4月22日 申請日期2003年11月20日 優先權日2002年11月20日
發明者中西敏雄, 尾崎成則, 西田辰夫 申請人:東京毅力科創株式會社