JP5231232B2 - プラズマ酸化処理方法、プラズマ処理装置、及び、記憶媒体 - Google Patents

Description

本発明は、プラズマ酸化処理方法に関し、詳細には、例えば、各種半導体装置の製造過程で絶縁膜としてのシリコン酸化膜を形成する場合などに適用可能なプラズマ酸化処理方法に関する。

各種半導体装置の製造過程では、例えばトランジスタのゲート絶縁膜等の絶縁膜としてＳｉＯ_２などのシリコン酸化膜の形成が行なわれている。このようなシリコン酸化膜を形成する方法としては、酸化炉やＲＴＰ（Rapid Thermal Process）装置を用いる熱酸化処理が用いられている。例えば、熱酸化処理の一つである酸化炉によるウエット酸化処理では、８００℃超の温度にシリコン基板を加熱し、酸素と水素を燃焼させて水蒸気（Ｈ_２Ｏ）を生成するＷＶＧ（Water Vapor Generator）装置を用いて水蒸気（Ｈ_２Ｏ）の酸化雰囲気に曝すことによりシリコン表面を酸化させてシリコン酸化膜を形成する。

熱酸化処理は、良質なシリコン酸化膜を形成できる方法であると考えられている。しかし、８００℃超の高温による処理が必要であることから、サーマルバジェットが増大し、熱応力によってシリコン基板に歪みなどを生じさせてしまうという問題がある。

これに対し、処理温度が４００℃前後であるため、熱酸化処理におけるサーマルバジェットの増大や基板の歪みなどの問題を回避することができる技術として、アルゴンガスと酸素ガスを含み、酸素の流量比率が約１％の処理ガスを用い、１３３．３Ｐａのチャンバー内圧力で形成されたマイクロ波励起プラズマを用いて、シリコンを主成分とする電子デバイスの表面に作用させて酸化処理を行なうことにより、膜厚のコントロールが容易で良質なシリコン酸化膜を形成できる酸化膜形成方法が提案されている（例えば、ＷＯ２００１／６９６７３号）。

処理圧力１３３．３Ｐａ程度、処理ガス中のＯ_２流量１％の条件（説明の便宜上、「低圧力、低酸素濃度条件」という）でプラズマ処理を行なった場合、例えば、被処理体表面に形成された溝、ライン＆スペースなどのパターンに疎密がある場合には、パターンが疎の部位と密の部位とでシリコン酸化膜の形成速度に差が生じてしまい、均一な膜厚でシリコン酸化膜を形成することができないことがある。シリコン酸化膜の膜厚が部位により異なると、これを絶縁膜として用いる半導体装置の信頼性を低下させる一因になる。

これを避けるために、処理圧力６６７Ｐａ程度、処理ガス中のＯ_２流量２５％程度の条件（説明の便宜上、「高圧力、高酸素濃度条件」という）でプラズマ酸化処理を行なった場合、凹凸の表面にシリコン酸化膜を形成すると、密の部分の酸化レートが低下するだけでなく、凸部上端のコーナー部に丸み形状が十分に導入されず、その部位からの電界集中によるリーク電流の発生や、シリコン酸化膜の応力によるクラックの発生が懸念される。

つまり、プラズマ酸化処理によってシリコン酸化膜を形成する場合に、パターンの疎密に関係なく均一な膜厚を得るとともに、凸部上端のコーナー部への丸み形状の導入を両立させることが望まれている。

また、酸化膜に要求される電気特性として、ＴＺＤＢ（瞬時絶縁破壊）特性と、ＴＤＤＢ（経時絶縁破壊）特性の２つがあるが、これら２つの絶縁特性の両方について良好なことが望まれている。

本発明の目的は、パターンの疎密による膜厚差を生じさせることなく、パターンの凸部の上端部のコーナー部に丸み形状を導入し、均一な膜厚でシリコン酸化膜を形成することが可能なプラズマ酸化処理方法を提供することにある。
また、本発明の他の目的は、ＴＺＤＢ（瞬時絶縁破壊）特性と、ＴＤＤＢ（経時絶縁破壊）特性がともに優れたシリコン酸化膜を形成することが可能なプラズマ酸化処理方法を提供することにある。

本発明の第１の観点によれば、プラズマ処理装置の処理容器内に配置された載置台に表面にシリコンを有する被処理体を載置することと、前記処理容器内に酸素を含む処理ガスのプラズマを形成することと、前記プラズマの形成の際に、前記載置台に高周波電力を供給して、被処理体に高周波バイアスを印加することと、前記プラズマにより、被処理体表面のシリコンを酸化してシリコン酸化膜を形成することとを含み、前記処理ガス中の酸素の割合が１０％以上で、かつ処理圧力が２６６Ｐａ以上１３３３Ｐａ以下の条件でプラズマを形成し、前記高周波電力の出力は、被処理体の面積当り０．０１５〜５Ｗ／ｃｍ ^２ であり、前記プラズマは、前記処理ガスが、複数のスロットを有する平面アンテナにより前記処理容器内に導入されるマイクロ波によって励起されて形成されるマイクロ波励起プラズマである、プラズマ酸化処理方法が提供される。

前記高周波電力の周波数は、３００ｋＨｚ〜６０ＭＨｚとすることができる。

上記第１の観点において、被処理体の表面に凹凸パターンを有する場合に好適である。また、前記処理ガス中の酸素の割合が１０〜５０％であることが好ましい。さらに、前記処理ガスは、水素を０．１〜１０％の割合で含むことが好ましい。さらにまた、処理温度が２００〜８００℃であることが好ましい。

また、被処理体の表面に、前記凹凸パターンが疎な領域と、該凹凸パターンが密な領域とが形成されている場合に有効である。
また、前記凹凸パターンの凸部上端のコーナーに形成されるシリコン酸化膜の膜厚ｔ_ｃと、前記凸部の側面に形成されるシリコン酸化膜の膜厚ｔ_ｓとの比（ｔ_ｃ／ｔ_ｓ）が、０．９以上となるようにシリコン酸化膜を形成することが好ましい。

本発明の第２の観点によれば、被処理体が収容される処理容器と、前記処理容器内に酸素を含む処理ガスを供給する処理ガス供給機構と、前記処理容器内を真空排気する排気機構と、前記処理容器に前記処理ガスのプラズマを生成させるプラズマ生成機構と、前記処理容器内に配置された載置台に表面にシリコンを有する被処理体を載置した状態で、上記第１の観点のプラズマ酸化処理方法に規定する条件により被処理体表面のシリコンを酸化してシリコン酸化膜を形成するように制御する制御部とを具備する、プラズマ処理装置が提供される。

本発明の第３の観点によれば、コンピュータ上で動作し、プラズマ処理装置を制御するプログラムが記憶された記憶媒体であって、前記プログラムは、実行時に、上記第１の観点のプラズマ酸化処理方法が行われるように、コンピュータに前記プラズマ処理装置を制御させる、記憶媒体が提供される。

本発明によれば、被処理体を載置する載置台に高周波電力を供給し、被処理体にバイアス電圧を印加しながらプラズマを形成して、例えば凹凸パターンを有する被処理体表面のシリコンを酸化することにより、パターンの疎密による膜厚差の抑制と凸部上端のコーナー部への丸み形状の導入とを両立させ、チャージアップダメージを抑制しつつ、高い酸化レートで凹凸パターンを有するシリコン表面に均一な膜厚のシリコン酸化膜を形成することができる。

また、本発明によれば、載置台に高周波バイアスを供給しながら、複数のスロットを有する平面アンテナから前記処理室内にマイクロ波を放射するとともに、前記処理室内に酸素を含む処理ガスを導入して、処理ガス中の酸素の割合が１０％以上で、かつ処理圧力が２６６Ｐａ以上１３３３Ｐａ以下の条件でプラズマを形成し、そのプラズマにより、被処理体表面のシリコンを酸化してシリコン酸化膜を形成することにより、ＴＺＤＢ（瞬時絶縁破壊）特性と、ＴＤＤＢ（経時絶縁破壊）特性をともに両立させることができ、電気的信頼性の高いシリコン酸化膜を形成することができる。

したがって、本発明の方法により得られたシリコン酸化膜を絶縁膜として使用する半導体装置に良好な電気的特性を付与できるとともに、半導体装置の信頼性を向上させることができる。

本発明方法の実施に適したプラズマ処理装置の一例を示す概略断面図。 平面アンテナ板の構造を示す図面。 プラズマにラングミュアプローブを挿入して印加電圧を掃引した場合の一般的な電流−電圧特性を示す図。 バイアスパワーを変化させた場合の電流―電圧特性を示す図。 バイアスパワー密度とプラズマの電子温度との関係を示す図。 本発明をＳＴＩによる素子分離への適用した場合の工程を示す図。 パターンが形成されたウエハ表面付近の縦断面を示す模式図。 シリコン酸化膜の膜厚比と高周波パワー密度との関係を示すグラフ。 シリコン酸化膜の膜厚比と高周波パワー密度との関係を示すグラフである。 バイアスの周波数が４００ｋＨ、１３．５６Ｈｚの場合の疎部における高周波バイアスパワーとコーナー膜厚比との関係を示す図。 バイアスの周波数が４００ｋＨ、１３．５６Ｈｚの場合の密部における高周波バイアスパワーとコーナー膜厚比との関係を示す図。 バイアスの周波数が４００ｋＨｚの場合の疎部と密部における高周波バイアスパワーとコーナー膜厚比との関係を示す図。 バイアスの周波数が１３．５６ＭＨｚの場合の４００ｋＨｚの場合の疎部と密部における高周波バイアスパワーとコーナー膜厚比との関係を示す図。 ＴＺＤＢ試験の結果を示す図。 高周波バイアスのパワーとＱｂｄの値の関係を周波数毎に示す図。 高周波バイアスのパワーとΔＥｇｅの値の関係を周波数毎に示す図。

以下、図面を参照しながら、本発明の好ましい形態について説明する。図１は、本発明のシリコン酸化膜の形成方法の実施に適したプラズマ処理装置の一例を模式的に示す断面図である。このプラズマ処理装置は、複数のスロットを有する平面アンテナ、特にＲＬＳＡ（Radial Line Slot Antenna；ラジアルラインスロットアンテナ）にて処理室内にマイクロ波を導入してプラズマを発生させることにより、高密度かつ低電子温度のマイクロ波プラズマを発生させ得るＲＬＳＡマイクロ波プラズマ処理装置として構成されており、例えば、トランジスタのゲート絶縁膜をはじめとする各種半導体装置における絶縁膜の形成に好適に用いられる。

このプラズマ処理装置１００は、気密に構成され、接地された略円筒状のチャンバー１を有している。チャンバー１の底壁１ａの略中央部には円形の開口部１０が形成されており、底壁１ａにはこの開口部１０と連通し、下方に向けて突出する排気室１１が設けられている。

チャンバー１内には被処理基板である半導体ウエハ（以下、「ウエハ」と記す）Ｗを水平に支持するためのＡｌＮ等のセラミックスからなるサセプタ２（載置台）が設けられている。このサセプタ２は、排気室１１の底部中央から上方に延びる円筒状のＡｌＮ等のセラミックスからなる支持部材３により支持されている。サセプタ２の外縁部にはウエハＷをガイドするためのガイドリング４が設けられている。また、サセプタ２には抵抗加熱型のヒータ５が埋め込まれており、このヒータ５はヒータ電源６から給電されることによりサセプタ２を加熱して、その熱で被処理体であるウエハＷを加熱する。このとき、例えば室温から８００℃までの範囲で処理温度が制御可能となっている。

また、サセプタ２には、マッチング回路６０を介してバイアス用の高周波電源６１が接続されている。具体的には、サセプタ２に電極６２が埋設されており、この電極６２に高周波電源６１が接続されて高周波電力が供給することができるように構成されている。この電極６２は、ＡｌＮセラミックス材の熱膨張係数と同等またはそれに近い値を有する導電体、例えばモリブデン、タングステンなどの導電性材料により、例えば網目状、格子状、渦巻き状等に形成されている。

この高周波電源６１から所定の周波数、例えば３００ｋＨｚ〜６０ＭＨｚ、好ましくは４００〜２７ＭＨｚ、ウエハの面積当たり、例えば０．０１５〜１１．５Ｗ／ｃｍ^２、好ましくは０．０１５〜５Ｗ／ｃｍ^２のパワー密度、５〜３６００Ｗのパワーの高周波電力が印加される。

サセプタ２には、ウエハＷを支持して昇降させるためのウエハ支持ピン（図示せず）がサセプタ２の表面に対して突没可能に設けられている。

チャンバー１の内周には、石英からなる円筒状のライナー７が設けられている。また、サセプタ２の外周側には、チャンバー１内を均一排気するため、多数の排気孔８ａを有する石英製のバッフルプレート８が環状に設けられ、このバッフルプレート８は、複数の支柱９により支持されている。

チャンバー１の側壁には環状をなすガス導入部材１５が設けられており、均等にガス放射孔が形成されている。このガス導入部材１５にはガス供給系１６が接続されている。ガス導入部材はシャワー状に配置してもよい。このガス供給系１６は、例えばＡｒガス供給源１７、Ｏ_２ガス供給源１８、Ｈ_２ガス供給源１９を有しており、これらのガスが、それぞれガスライン２０を介してガス導入部材１５に至り、ガス導入部材１５のガス放射孔からチャンバー１内に均一に導入される。ガスライン２０の各々には、マスフローコントローラ２１およびその前後の開閉バルブ２２が設けられている。なお、Ａｒガスに代えて他の希ガス、例えばＫｒ、Ｈｅ、Ｎｅ、Ｘｅなどのガスを用いてもよく、また、後述するように酸化ガス１００％の場合には希ガスは含まなくてもよい。

上記排気室１１の側面には排気管２３が接続されており、この排気管２３には高速真空ポンプを含む排気装置２４が接続されている。そしてこの排気装置２４を作動させることによりチャンバー１内のガスが、排気室１１の空間１１ａ内へ均一に排出され、排気管２３を介して排気される。これによりチャンバー１内を例えば０．１３３Ｐａまで高速に減圧することが可能となっている。

チャンバー１の側壁には、プラズマ処理装置１００に隣接する搬送室（図示せず）との間でウエハＷの搬入出を行うための搬入出口２５と、この搬入出口２５を開閉するゲートバルブ２６とが設けられている。

チャンバー１の上部は開口部となっており、この開口部の周縁部に沿ってリング状の支持部２７が設けられている。この支持部２７に誘電体、例えば石英やＡｌ_２Ｏ_３等のセラミックスからなり、マイクロ波を透過するマイクロ波透過板２８がシール部材２９を介して気密に設けられている。したがって、チャンバー１内は気密に保持される。

マイクロ波透過板２８の上方には、サセプタ２と対向するように、円板状の平面アンテナ板３１が設けられている。この平面アンテナ板３１はチャンバー１の側壁上端に係止されている。平面アンテナ板３１は、例えば８インチサイズのウエハＷに対応する場合には、直径が３００〜４００ｍｍ、厚みが０．１〜数ｍｍ（例えば１ｍｍ）の導電性材料からなる円板である。具体的には、例えば表面が銀または金メッキされた銅板またはアルミニウム板からなり、多数のマイクロ波放射孔３２（スロット）が所定のパターンで貫通して形成された構成となっている。ニッケル板やステンレス鋼板であってもよい。マイクロ波放射孔３２は、例えば図２に示すように長い形状をなすものが対をなし、典型的には対をなすマイクロ波放射孔３２同士が「Ｔ」字状に配置され、これらの対が複数、同心円状に配置されている。マイクロ波放射孔３２の長さや配列間隔は、マイクロ波の波長（λg）に応じて決定され、例えばマイクロ波放射孔３２の間隔は、λg／４、λg／２またはλgとなるように配置される。なお、図２においては、同心円状に形成された隣接するマイクロ波放射孔３２同士の間隔をΔｒで示している。また、マイクロ波放射孔３２は、円形状、円弧状等の他の形状であってもよい。さらに、マイクロ波放射孔３２の配置形態は特に限定されず、同心円状のほか、例えば、螺旋状、放射状に配置することもできる。

この平面アンテナ板３１の上面には、真空よりも大きい１以上の誘電率を有する誘電体材料、例えば石英からなる遅波材３３が設けられている。遅波材３３は、ポリテトラフルオロエチレン、ポリイミドなどの樹脂で構成されていてもよい。この遅波材３３は、真空中ではマイクロ波の波長が長くなることから、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。なお、平面アンテナ板３１とマイクロ波透過板２８との間、また、遅波材３３と平面アンテナ板３１との間は、それぞれ密着させて配置することができるが、離間させて配置してもよい。

チャンバー１の上面には、これら平面アンテナ板３１および遅波材３３を覆うように、例えばアルミニウムやステンレス鋼、銅等の金属材からなるシールド蓋体３４が設けられている。シールド蓋体３４は導波路の一部として機能し、マイクロ波を放射状に均一に伝播させる。チャンバー１の上面とシールド蓋体３４とはシール部材３５によりシールされている。シールド蓋体３４には、冷却水流路３４ａが形成されており、そこに冷却水を通流させることにより、シールド蓋体３４、遅波材３３、平面アンテナ板３１、マイクロ波透過板２８を冷却して、変形や破損を防止してプラズマを安定して生成することができるようになっている。なお、シールド蓋体３４は接地されている。

シールド蓋体３４の上壁の中央には開口部３６が形成されており、この開口部には導波管３７が接続されている。この導波管３７の端部には、マッチング回路３８を介してマイクロ波発生装置３９が接続されている。これにより、マイクロ波発生装置３９で発生した例えば周波数２．４５ＧＨｚのマイクロ波が導波管３７を介して上記平面アンテナ板３１へ伝播されるようになっている。なお、マイクロ波の周波数としては、８．３５ＧＨｚ、１．９８ＧＨｚ等を用いることもできる。

導波管３７は、上記シールド蓋体３４の開口部３６から上方へ延出する断面円形状の同軸導波管３７ａと、この同軸導波管３７ａの上端部にモード変換器４０を介して接続された水平方向に延びる矩形導波管３７ｂとを有している。矩形導波管３７ｂと同軸導波管３７ａとの間のモード変換器４０は、矩形導波管３７ｂ内をＴＥモードで伝播するマイクロ波をＴＥＭモードに変換する機能を有している。同軸導波管３７ａの中心には内導体４１が延在しており、この内導体４１の下端部は、平面アンテナ板３１の中心に接続固定されている。これにより、マイクロ波は、同軸導波管３７ａの内導体４１を介して平面アンテナ板３１へ均一に効率よく伝播される。

プラズマ処理装置１００の各構成部は、マイクロプロセッサ（コンピュータ）を備えたプロセスコントローラ５０に接続されて制御される構成となっている。プロセスコントローラ５０には、工程管理者がプラズマ処理装置１００を管理するためにコマンドの入力操作等を行うキーボードや、プラズマ処理装置１００の稼働状況を可視化して表示するディスプレイ等からなるユーザーインターフェース５１が接続されている。

また、プロセスコントローラ５０には、プラズマ処理装置１０で実行される各種処理をプロセスコントローラ７０の制御にて実現するための制御プログラムや、処理条件に応じてプラズマ処理装置１０の各構成部に処理を実行させるためのプログラムすなわちレシピが格納された記憶部７２が接続されている。レシピは記憶部７２の中の記憶媒体に記憶されている。記憶媒体は、ハードディスクや半導体メモリであってもよいし、ＣＤＲＯＭ、ＤＶＤ、フラッシュメモリ等の可搬性のものであってもよい。また、他の装置から、例えば専用回線を介してレシピを適宜伝送させるようにしてもよい。

そして、必要に応じて、ユーザーインターフェース５１からの指示等にて任意のレシピを記憶部５２から呼び出してプロセスコントローラ５０に実行させることで、プロセスコントローラ５０の制御下で、プラズマ処理装置１０での所望の処理が行われる。

このように構成されたプラズマ処理装置１００は、８００℃以下好ましくは５００℃以下の低い温度でもダメージフリーなプラズマ処理により、良質な膜を形成できるとともに、プラズマ均一性に優れており、プロセスの均一性を実現できる。

このプラズマ処理装置１００は、例えば、トランジスタのゲート絶縁膜としてのシリコン酸化膜を形成する場合や、半導体装置の製造過程で素子分離技術として利用されているシャロートレンチアイソレーション（Shallow Trench Isolation；ＳＴＩ）においてトレンチ内に酸化膜を形成する場合（ライナー酸化）などに、好適に利用可能なものである。

プラズマ処理装置１００によるトレンチ（凹部）の酸化処理について説明する。まず、ゲートバルブ２６を開にして搬入出口２５からトレンチ（凹部）が形成されたウエハＷをチャンバー１内に搬入し、サセプタ２上に載置する。

そして、ガス供給系１６のＡｒガス供給源１７およびＯ_２ガス供給源１８から、ＡｒガスおよびＯ_２ガスを所定の流量でガス導入部材１５を介してチャンバー１内に導入し、所定の処理圧力に維持する。この際の処理条件としては、処理ガス中の酸素の割合が１０％以上例えば１０〜５０％が好ましく、２０〜３０％がより好ましい。このように、処理ガス中の酸素の割合を調節することにより、プラズマ中の酸素イオンや酸素ラジカルの量を制御することができる。したがって、シリコン表面に例えば凹凸（パターン）が存在する場合でも、酸素ガスの分圧を調節することで、凹部の奥に到達する酸素イオンや酸素ラジカルの量を調節できるので、均一な膜厚でシリコン酸化膜を形成できる。

処理ガスの流量は、Ａｒガス：０〜５０００ｍＬ／ｍｉｎ、Ｏ_２ガス：１０〜１５００ｍＬ／ｍｉｎの範囲から、全ガス流量に対する酸素の割合が上記値となるように選択することができる。

また、Ａｒガス供給源１７およびＯ_２ガス供給源１８からのＡｒガスおよびＯ_２ガスに加え、Ｈ_２ガス供給源１９からＨ_２ガスを所定比率で導入することもできる。Ｈ_２ガスを供給することにより、プラズマ酸化処理における酸化レートを向上させることができる。これは、Ｈ_２ガスを供給することでＯＨラジカルが生成され、これが酸化レート向上に寄与するためである。この場合、Ｈ_２の割合は、処理ガス全体の量に対して０．１〜１０％となるようにすることが好ましく、０．１〜５％がより好ましく、０．１〜２％が望ましい。Ｈ_２ガスの流量は１〜６５０ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）が好ましい。

また、チャンバー内処理圧力は、例えば２６６〜１３３３Ｐａ以下が好ましく、５３３〜７３３Ｐａがより好ましい。
また、処理温度は２００〜８００℃の範囲とすることができ、４００〜５００℃が好ましい。

次いで、マイクロ波発生装置３９からのマイクロ波を、マッチング回路３８を経て導波管３７に導く。マイクロ波は、矩形導波管３７ｂ、モード変換器４０、および同軸導波管３７ａを順次通って平面アンテナ板３１に供給される。マイクロ波は、矩形導波管３７ｂ内ではＴＥモードで伝播し、このＴＥモードのマイクロ波はモード変換器４０でＴＥＭモードに変換されて、同軸導波管３７ａ内を平面アンテナ板３１に向けて伝播され、平面アンテナ板３１からマイクロ波透過板２８を経てチャンバー１内におけるウエハＷの上方空間に放射される。この際、マイクロ波発生装置３９のパワー密度は０．４１〜４．１９Ｗ／ｃｍ^２、パワーは０．５〜５ｋＷとすることが好ましい。

また、プラズマ酸化処理を行なっている間、サセプタ２に高周波電源６１から所定の周波数およびパワーで高周波バイアス（高周波電力）を供給する。この高周波電源６１から供給される高周波バイアスは、プラズマの低い電子温度（ウエハＷの近傍で１．２ｅＶ以下）を維持しつつ、チャージアップダメージを抑制するとともに、凹凸状のシリコン表面の凸部上端のコーナー部分のシリコン酸化膜に丸み形状を効果的に導入するために供給される。また、形成されたシリコン酸化膜の絶縁性の信頼性、具体的にはＴＺＤＢ（瞬時絶縁破壊）特性と、ＴＤＤＢ（経時絶縁破壊）特性を良好にするために供給される。

このような観点から、高周波電力の周波数として、例えば３００ｋＨｚ〜６０ＭＨｚを用いることができ、凸部のコーナー部分のシリコン酸化膜に丸みを形成する観点からは４５０ｋＨｚ〜１３．５６ＭＨｚがより好ましい。また、ＴＺＤＢ（瞬時絶縁破壊）特性と、ＴＤＤＢ（経時絶縁破壊）特性を良好にする観点からは、３００ｋＨｚ〜２７ＭＨｚが好ましい。高周波電力のパワーは、５〜３６００Ｗが好ましく、１０〜１０００Ｗがより好ましく、１０〜６００Ｗが望ましい。また、ウエハ面積当りのパワー密度としては、０．０１５〜５Ｗ／ｃｍ^２が好ましく、０．０３〜３．２Ｗ／ｃｍ^２がより好ましく、０．０３〜０．６５Ｗ／ｃｍ^２がより好ましい。

平面アンテナ板３１からマイクロ波透過板２８を経てチャンバー１に放射されたマイクロ波によりチャンバー１内で電磁界が形成され、Ａｒガス、Ｏ_２ガス等がプラズマ化し、このプラズマによりウエハＷに形成された凹部内に露出したシリコン表面を酸化する。このマイクロ波プラズマは、マイクロ波が平面アンテナ板３１の多数のマイクロ波放射孔３２から放射されることにより、略１×１０^１０〜５×１０^１２／ｃｍ^３あるいはそれ以上の高密度のプラズマとなり、その電子温度は、０．５〜２ｅＶ程度、プラズマ密度の均一性は、±５％以下である。そして、プラズマ処理装置１００は、サセプタ２に高周波電源６１から高周波電力を供給することによってウエハＷにバイアスを印加しても、プラズマの低電子温度を維持できるという特長を有している。

このことをデータに基づいて説明する。
プラズマの電子温度はプラズマにラングミュアプローブを挿入し、印加電圧を掃引することにより得られる図３に示す電圧−電流特性から求めた。具体的には、図３の指数関数領域の任意の位置において電流値Ｉ１をとり、その電流がｅ倍（約２．７倍）となる電圧の変化ΔＶが電子温度（Ｔｅ）となる。したがって、指数関数領域の傾きが同じであれば電子温度は同じである。

そこで、図１のプラズマ処理装置１００において、サセプタに印加する高周波バイアスを変化させてプラズマを生成した際の電圧−電流特性をラングミュアプローブにより測定した。ここでは、２００ｍｍウエハを用い、Ａｒガスを２５０ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）の流量で供給し、圧力：７．３Ｐａ、マイクロ波パワー：１０００Ｗとし、バイアスパワーを０、１０、３０、５０Ｗ（パワー密度は、それぞれ０．０、０．０１４、０．０４２、０．０７１Ｗ／ｃｍ^２）と変化させた。なお、サセプタに配置された電極の面積は７０６．５ｃｍ^２である。その結果を図４に示す。この図に示すように、指数関数領域の傾きはバイアスパワーにかかわらずほぼ一定であり、したがって電子温度も図５に示すようにバイアスパワー（図５はバイアスパワー密度で示している）に依存せずにほぼ一定の値となった。すなわち、ウエハＷに０．０１５〜１Ｗ／ｃｍ^２のパワー密度で高周波バイアスを印加してもプラズマの低電子温度特性を維持することができる。つまり、微少のバイアスを印加しても、プラズマの電子温度は上昇しない。

したがって、本実施形態のようにウエハＷへの高周波バイアスを印加しても、低温かつ短時間で酸化処理を行って薄く均一な酸化膜を形成することができ、しかもウエハおよび酸化膜へのプラズマ中のイオン等によるダメージが実質的に存在せず、良質なシリコン酸化膜を形成できるというメリットがある。

また、２６６Ｐａ以上１３３３Ｐａ以下の処理圧力、処理ガス中の酸素の割合が１０％以上例えば１０〜５０％の条件でプラズマ酸化処理を行うことにより、被処理体表面に形成されたパターンの疎密に影響されることなく、均一な膜厚でシリコン酸化膜を形成できる。
さらに、プラズマ酸化処理を行なう間、サセプタ２に高周波電源６１から高周波バイアス（高周波電力）を印加して、ウエハＷに向けてプラズマ中のイオンを引き込むことにより、凹凸なシリコン表面にシリコン酸化膜を均一な膜厚で形成することができ、かつ凸部上端のコーナー部を丸み形状に形成することができる。

このように本発明においては、サセプタ２に高周波電力を供給しながらプラズマ酸化処理を行うことにより、後述するように、トレンチなど凹凸を有するシリコンの凸部上端のコーナー部に丸み形状を導入できるとともに、被処理体表面に形成されたパターンの疎密に影響されることなく、凹凸表面に均一な膜厚でシリコン酸化膜を形成できる。

上記「低圧力、低酸素濃度条件」の場合、プラズマ中の活性種としてイオン成分が支配的となり、酸化の成長しにくいコーナー部（角部）にプラズマによる電界が集中し、活性種が引き込まれ積極的なラジカル酸化が促進されるので、パターンの疎密差により酸化レートに差が出て均一な酸化膜が形成され難い。

一方、上述したように、上記「高圧力、高酸素濃度条件」の場合、粗密差は小さく良好であるものの、活性種のラジカルが主に酸化に寄与するのでイオンアシストが不十分となりコーナー部分に十分な丸みを形成することができない。そこで、本発明では、上記「高圧力、高酸素濃度条件」に加えてサセプタ２に高周波バイアスを印加することにより、コーナー部分へ活性種を効果的に引き込んで、酸化反応を促進させ、コーナー部分に十分な丸みを形成する。したがって、粗密差にかかわらず均一な酸化膜を形成することとコーナー部分に十分に丸みを形成することの両方を達成することができる。

また、このように「高圧力、高酸素濃度条件」において、適切な高周波バイアスを基板に印加して形成された酸化膜は、バイアスを印加してもプラズマの電子温度が低く維持されるので、酸化膜および基板にダメージが生じ難い。また、シリコンと酸化膜との界面の平坦性が向上して、酸化膜に局所的に弱い箇所がなくなる。その結果、ＴＺＤＢ（瞬時絶縁破壊）特性と、ＴＤＤＢ（経時絶縁破壊）特性の両方を良好なものとすることができる。すなわち、絶縁性の良好なシリコン酸化膜を得ることができる。

以上のように、本実施形態では、パターンの疎密に影響されることなく、均一な膜厚でシリコン酸化膜を形成できるとともに、コーナー部分に十分な丸みを形成することができ、しかもＴＺＤＢ（瞬時絶縁破壊）特性と、ＴＤＤＢ（経時絶縁破壊）特性の両方を良好なものとすることができるので、シリコン酸化膜の信頼性を高めることができる。そして、このようにして得られたシリコン酸化膜を絶縁膜として使用することで、良好な電気特性を有する半導体装置を製造することができる。

次に、図６を参照しながら、本発明のシリコン酸化膜の形成方法をＳＴＩにおけるトレンチ内部の酸化膜形成へ適用した例について説明する。図６は、ＳＴＩにおけるトレンチの形成とその後で行なわれる酸化膜形成までの工程を図示している。

まず、図６の（ａ）および（ｂ）において、シリコン基板１０１に例えば熱酸化などの方法によりＳｉＯ_２などのシリコン酸化膜１０２を形成する。次に、（ｃ）では、シリコン酸化膜１０２上に、例えばＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ
Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）によりＳｉ_３Ｎ_４などのシリコン窒化膜１０３を形成する。さらに、（ｄ）では、シリコン窒化膜１０３の上に、フォトレジストを塗布した後、フォトリソグラフィー技術によりパターニングしてレジスト層１０４を形成する。

次に、（ｅ）に示すようにレジスト層１０４をエッチングマスクとし、例えばフロロカーボン系のエッチングガスを用いてシリコン窒化膜１０３とシリコン酸化膜１０２を選択的にエッチングすることにより、レジスト層１０４のパターンに対応してシリコン基板１０１を露出させる。つまり、シリコン窒化膜１０３により、トレンチのためのマスクパターンが形成される。（ｆ）は、例えば酸素などを含む処理ガスを用いた酸素含有プラズマにより、いわゆるアッシング処理を実施し、レジスト層１０４を除去した状態を示す。

（ｇ）では、シリコン窒化膜１０３およびシリコン酸化膜１０２をマスクとして、シリコン基板１０１に対し選択的にエッチングを実施することにより、トレンチ１０５を形成する。このエッチングは、例えばＣｌ_２、ＨＢｒ、ＳＦ_６、ＣＦ_４などのハロゲンまたはハロゲン化合物や、Ｏ_２などを含むエッチングガスを使用して行なうことができる。

（ｈ）は、ＳＴＩにおけるエッチング後のウエハＷのトレンチ１０５の内表面に対し、シリコン酸化膜を形成する工程を示している。ここでは、サセプタ２に所定の周波数および出力で高周波電力を供給しながら、処理ガス中の酸素の割合が１０％以上１００％以下、より好ましくは２０〜５０％で、かつ処理圧力が２６６〜１３３３Ｐａ、好ましくは２６６〜６６７Ｐａの条件でトレンチ１０５内表面を酸化するプラズマ酸化処理が行なわれる。このような条件で（ｉ）に示すようにプラズマ酸化処理を行なうことにより、トレンチ１０５のライン＆スペースのパターンに疎密がある場合でも、疎な部位と密な部位の表面に形成される絶縁膜との膜厚差を生じさせずに均一なシリコン酸化膜を形成できる。さらに、トレンチ１０５の肩部１０５ａに対応するシリコンの肩部１０１ａおよびトレンチ１０５の底部コーナー部１０５ｂに対応するシリコンのコーナー部１０１ｂに十分に丸みを形成することができる。これにより、この部位が鋭角に形成されている場合に比べて、リーク電流の発生を抑制することができる。

なお、本発明のプラズマ酸化処理方法によってシリコン酸化膜１１１を形成した後は、図示はしないが、以下のような手順によって所定の半導体装置が製造される。まず、ＳＴＩによる素子分離領域形成の手順に従い、例えばＣＶＤ法によりトレンチ１０５内にＳｉＯ_２などの絶縁膜を埋込んだ後、シリコン窒化膜１０３をストッパー層としてＣＭＰ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）によって研磨を行ない平坦化する。平坦化した後は、エッチングまたはＣＭＰによってシリコン窒化膜１０３および埋込み絶縁膜の上部を除去することにより、素子分離構造が形成される。そして、その後に常法に従って他の工程を実施することにより、所定の半導体装置が製造される。

次に、本発明の効果を確認した試験結果について説明する。
本発明のプラズマ酸化処理方法を、疎密を持つライン＆スペースの凹凸パターンが形成されたシリコン表面の酸化膜形成に適用した。図７は、凹凸パターン１１０を有するシリコン基板１０１の表面を本発明のプラズマ酸化処理方法で酸化してシリコン酸化膜１１１を形成した後のウエハＷの要部の断面構造を模式的に示したものである。

本試験では、図１のプラズマ処理装置１００を用い、凹凸パターンに対して下記の条件Ａ〜Ｃで凹凸のシリコン表面をプラズマ酸化処理により酸化してシリコン酸化膜を形成し、そのパターン１１０の断面を作成して、パターン１１０の凸部の頂部膜厚ａ、パターン１１０が疎な部分（疎部）における側部膜厚ｂ、底部膜厚ｃおよび肩部１１２のコーナー膜厚ｄ、並びにパターンが密な部分（密部）における側部膜厚ｂ’、底部膜厚ｃ’および肩部１１２のコーナー膜厚ｄ’について、それぞれ測定を行なった。なお、この凹凸パターン１１０において、パターンが疎な領域の凹部の開口幅Ｌ_１と、密な領域の凹部の開口幅Ｌ_２との比（Ｌ_１／Ｌ_２）は、５０である。また、パターン１１０の凹部の深さと開口幅との比（アスペクト比）は疎部が０．００５であり、密部が２である。

表１および図８、図９に、形成されたシリコン酸化膜について、パターン１１０の凸部のコーナー膜厚比（膜厚ｄ’／膜厚ｂ’）、パターン１１０（凹凸）の底部と頂部との膜厚比（膜厚ｃ’／膜厚ａ）、およびパターン１１０の疎密による膜厚比［（膜厚ｃ’／膜厚ｃ）×１００］を測定した結果を示す。

コーナー膜厚比（膜厚ｄ’／膜厚ｂ’）は、パターンの肩部１１２の丸み形成の度合いを示しており、０．９以上、好ましくは１〜１．３であれば肩部１１２のシリコン酸化膜１１１が薄膜化しておらず、シリコン１０１の角が丸く形成されている。逆に、このコーナー膜厚比が０．９未満では、コーナー部分のシリコン１０１の角が鋭角のままの形状になる。このときの、バイアスの電力密度は、０．０１５Ｗ／ｃｍ^２以上が好ましく、０．０３Ｗ／ｃｍ^２以上がより好ましい。
また、底部と頂部との膜厚比（膜厚ｃ’／膜厚ａ）は、１に近いほど良好である。
さらに、疎密による膜厚比［（膜厚ｃ’／膜厚ｃ）×１００］は、パターン１１０の疎部と密部との膜厚差の指標であり、９０％以上が好ましく、９５％以上が望ましい。このときのバイアスの電力密度は、０．０３Ｗ／ｃｍ^２以上が好ましく、０．１５Ｗ／ｃｍ^２以上がより好ましい。

＜条件Ａ；比較例１＞
Ａｒ流量：１２００ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）
Ｏ_２流量：３７０ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）
Ｈ_２流量：３０ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）
Ｏ_２ガス比率：約２３％
処理圧力：６６７Ｐａ（５Ｔｏｒｒ）
マイクロ波パワー密度：１．８７Ｗ／ｃｍ^２
高周波パワー：０Ｗ
処理温度：５００℃
処理時間：７１０秒
形成膜厚：６．３ｎｍ
ウエハ径：２００ｍｍ

＜条件Ｂ；本発明＞
Ａｒ流量：１２００ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）
Ｏ_２流量：３７０ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）
Ｈ_２流量：３０ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）
Ｏ_２ガス比率：約２３％
処理圧力：６６７Ｐａ（５Ｔｏｒｒ）
マイクロ波パワー密度：１．８７Ｗ／ｃｍ^２
高周波バイアスパワー（１３．５６ＭＨｚ）：５０Ｗ（パワー密度０．１５Ｗ／ｃｍ^２）
処理温度：５００℃
処理時間：１０５秒
形成膜厚：６．０ｎｍ
ウエハ径：２００ｍｍ

＜条件Ｃ；本発明＞
Ａｒ流量：１２００ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）
Ｏ_２流量：３７０ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）
Ｈ_２流量：３０ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）
Ｏ_２ガス比率：約２３％
処理圧力：６６７Ｐａ（５Ｔｏｒｒ）
マイクロ波パワー密度：１．８７Ｗ／ｃｍ^２
高周波バイアスパワー（１３．５６ＭＨｚ）：２００Ｗ（パワー密度０．６３７Ｗ／ｃｍ^２）
処理温度：５００℃
処理時間：４５秒
形成膜厚：６．０ｎｍ
ウエハ径：２００ｍｍ

表１および図８、図９より、条件Ｂおよび条件Ｃ（本発明）によりシリコン酸化膜を形成した場合のコーナー膜厚比はともに１．２以上であり、厚膜化されている。つまり、サセプタ２に高周波バイアスを印加することによって、肩部１１２のシリコンに丸み形状が導入されていることがわかる。しかし、サセプタ２に高周波バイアスを印加しない条件Ａ（比較例１）では、コーナー膜厚比が０．８１であり、肩部１１２のシリコンへの丸み形状の導入が不十分であった。
また、底部と頂部との膜厚比は、サセプタ２に高周波バイアスを印加した条件Ｂおよび条件Ｃ（本発明）ではともに０．９以上で優れているが、サセプタ２に高周波バイアスを印加しない条件Ａ（比較例１）では劣っていた。

さらに、疎密による膜厚比は、サセプタ２に高周波バイアスを印加した条件Ｂおよび条件Ｃ（本発明）が９５％以上の優れた値を示しており、サセプタ２に高周波バイアスを印加しない条件Ａ（比較例１）に比べて、より優れていた。

上記試験結果から、処理圧力やガス流量などの条件が同じでも、サセプタ２に高周波バイアスを印加することによって、コーナー膜厚比と疎密による膜厚比、さらにはカバレッジ性能を制御できることが示された。より具体的には、サセプタ２に高周波バイアスを印加することにより、コーナー膜厚比を１以上にすること、および、疎密による膜厚比を９０％以上と疎密差が小さく膜厚の均一性を良好にすることの両方が実現でき、さらに疎密間で均一で良好なカバレッジ性能が得られることが確認された。これらの効果は、図７において、凹凸パターン１１０の疎な領域の凹部の開口幅Ｌ_１と、密な領域の凹部の開口幅Ｌ_２との比（Ｌ_１／Ｌ_２）が２〜１００であっても十分に得られ、また、パターン１１０の凹部の深さと開口幅との比（アスペクト比）が疎部で０．０２以上１以下、密部で２以上１０以下好ましくは５以上１０以下である凹凸パターンに対しても上述した各効果が得られる。

次に、高周波バイアスの周波数とパワーを変化させた場合の疎部と密部におけるコーナー膜厚比を測定した結果について説明する。
ここでは、２００ｍｍウエハを用い、基本条件を以下のようにし、高周波バイアスの周波数を４００ｋＨｚおよび１３．５６ＭＨｚとし、バイアスパワーを０、１０、５０、１００、２００Ｗ（それぞれのパワー密度は０、０．０３１、０．０９５、０．１５９、０．３１８、０．６３９Ｗ／ｃｍ^２）と変化させ、図７の凹凸パターンの表面に酸化膜を形成し、密部のコーナー膜厚比（膜厚ｄ’／膜厚ｂ’）および疎部のコーナー膜厚比（膜厚ｄ／膜厚ｂ）を測定した。これらの結果を図１０〜１３に示す。図１０〜１３は、いずれも横軸に高周波バイアスのパワー密度をとり、縦軸にコーナー部膜厚比をとったものであり、図１０はバイアスの周波数が４００ｋＨｚ、１３．５６ＭＨｚの場合の疎部のコーナー膜厚比を示すもの、図１１はバイアスの周波数が４００ｋＨｚ、１３．５６ＭＨｚの場合の密部のコーナー膜厚比を示すもの、図１２はバイアスの周波数が４００ｋＨｚの場合の疎部と密部のコーナー膜厚比を示すもの、図１３はバイアスの周波数が１３．５６ＭＨｚの場合の疎部と密部のコーナー膜厚比を示すものである。これら図からわかるように、４００ｋＨｚも１３．５６ＭＨｚもパワーが上昇するにつれてコーナー膜厚比が上昇し、バイアス印加による角丸め効果が見られ、その効果は４００ｋＨｚと１３．５６ＭＨｚで大きな差は見られないことが分かった。また、バイアスパワー密度が上昇するに従い、疎密による膜厚比が上昇している（つまり疎密差が小さくなる）ことが分かった。バイアスの周波数が高いほうがイオン性が低く、プロセスマージンが広くなることが知られており、このような観点からは４００ｋＨｚよりも１３．５６ＭＨｚのほうが好ましい。また、高周波バイアスは微少パワーであっても効果が得られるが、バイアスパワー密度は０．０１５Ｗ／ｃｍ^２以上４．７８Ｗ／ｃｍ^２以下が好ましく、０．１５９Ｗ／ｃｍ^２以上３．１８Ｗ／ｃｍ^２以下がより好ましい。

次に、シリコン酸化膜の電気特性（絶縁特性）について試験した結果について説明する。
ここでは、基板として２００ｍｍシリコンウエハを用い、本発明に従って、「高圧力、高酸素条件」で、シリコンウエハに４００ｋＨｚまたは１３．５６ＭＨｚの周波数でパワーを０〜２００Ｗ（パワー密度：０〜０．６４Ｗ／ｃｍ^２）に変化させて高周波バイアスを印加して、基板（シリコンウエハ）上にシリコン酸化膜からなるゲート酸化膜を形成し、ＭＯＳ−Ｃａｐａｃｉｔｏｒを作製した。

具体的には、シリコン基板（Ｐ−ＥＰＩ）上に厚さ６ｎｍのシリコン酸化膜からなるゲート酸化膜を形成し、その上にゲート電極となる厚さ３００ｎｍのポリシリコン膜を形成し、常法に従ってＮＭＯＳからなるＭＯＳ−Ｃａｐａｃｉｔｏｒを作製した。
この際の基本的なシリコン酸化膜形成条件は、以下の通りとした。
Ａｒ流量：１２００ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）
Ｏ_２流量：３７０ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）
Ｈ_２流量：３０ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）
全ガスに対するＯ_２ガス比率：約２３％
全ガスに対するＨ_２ガス比率：約１．９％
処理圧力：６６７Ｐａ（５Ｔｏｒｒ）
マイクロ波パワー密度：２．０５Ｗ／ｃｍ^２
サセプタ温度：４６５℃

なお、比較のため、「低圧力、低酸素濃度」条件でバイアスを印加せずに同様にゲート酸化膜を形成したＭＯＳ−Ｃａｐ、および熱酸化によりゲート酸化膜を形成したＭＯＳ−Ｃａｐも作製した。「低圧力、低酸素濃度」条件および熱酸化の際の条件は、以下の通りとした。
（ａ）低圧力、低酸素条件
Ａｒ流量：９９０ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）
Ｏ_２流量：１０ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）
全ガスに対するＯ_２ガス比率：１％
処理圧力：１３３Ｐａ（１Ｔｏｒｒ）
マイクロ波パワー密度：２．０５Ｗ／ｃｍ^２
サセプタ温度：４６５℃
（ｂ）熱酸化条件（ＷＶＧ：Ｗａｔｏｒ Ｖａｐｏｒ Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ法による）
Ｏ_２流量：９００ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）
Ｈ_２流量：４５０ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）
処理圧力：１５０００Ｐａ（１１２．５Ｔｏｒｒ）
処理温度：９５０℃

以上のように作製したＭＯＳ−Ｃａｐａｃｉｔｏｒについて、ＴＺＤＢ（瞬時絶縁破壊）試験と、ＴＤＤＢ（経時絶縁破壊）試験を行った。ＴＺＤＢ試験は、セルサイズＳ＝２５ｍｍ^２、セル数Ｎ＝１１２ｐｔｓとして、電圧を印加し、１５ＭＶ／ｃｍ^２以上をＯＫとし、１５ＭＶ／ｃｍ^２以上のものが９５％以上を合格とした。また、ＴＤＤＢ試験は、Ｓ＝０．０１ｍｍ^２、ＣＣＳ＝−０．１Ａ／ｃｍ^２、温度＝１２０℃とし、Ｑｂｄ特性およびΔＥｇｅを測定した。Ｑｂｄ特性は信頼性の指標であり、酸化膜がハードブレークするまでに酸化膜を通過する総電荷量を示すものである。また、ΔＥｇｅは電子トラップの指標であり、定電流印加５０ｓｅｃ後の電界シフト量を示すものである。なお、ＴＤＤＢ試験は、ＴＺＤＢ試験で合格したものについて実施した。

図１４はＴＺＤＢ試験の結果を示す図である。この図に示すように、高圧力、高酸素濃度（「高圧・高酸素」と表記）条件では、高周波バイアス印加に依存せずに、９５％以上と合格ラインを超えており、熱酸化の場合と同等な良好な結果となった。なお、低圧力、低酸素濃度（「低圧・低酸素」と表記）条件では９５％以下で合格ラインには到達しなかった。高圧・高酸素条件では、高周波バイアスのパワー密度は０．０１５ｗ／ｃｍ^２以上が好ましい。

図１５は横軸に高周波バイアスのパワーをとり、縦軸にＱｂｄの値をとって、これらの関係を周波数毎に示す図である。この図に示すように、４００ｋＨｚ、１３．５６ＭＨｚともＱｂｄの値はバイアスパワーの印加によりバイアスを印加していない場合よりもＱｂｄの値が向上し、信頼性が向上している。また、Ｑｂｄの値は高周波バイアスのパワーが増加するに従って上昇する傾向が見られた。そして、高周波バイアスのパワーを適切に選ぶことにより、Ｑｂｄが良好な「低圧力、低酸素濃度」条件と同等以上まで向上させることが確認された。また、高周波バイアスの周波数については、Ｑｂｄに関しては４００ｋＨｚのほうが１３．５６ＭＨｚよりも効果的であるが、どちらも十分に使用することができる範囲である。高周波バイアスのパワー密度は０．０１５ｗ／ｃｍ^２以上が好ましく、０．３ｗ／ｃｍ^２以上がより好ましく、０．６ｗ／ｃｍ^２以上が望ましい。

図１６は、横軸に高周波バイアスのパワーをとり、縦軸にΔＥｇｅの値をとって、これらの関係を周波数毎に示す図である。この図に示すように、４００ｋＨｚ、１３．５６ＭＨｚの高周波バイアスを印加することによって電子トラップが小さくなることが確認された。どちらの周波数も十分使用することができる範囲であるが、１３．５６ＭＨｚのほうがバイアスパワー密度が大きくなるに従ってΔＥｇｅの絶対値が小さくなるので好ましい。

これらの結果をまとめて表２に示す。この表に示すように、高圧力、高酸素濃度＋高周波バイアスの条件で、従来両立の難しかった、ＴＺＤＢ（瞬時絶縁破壊）特性およびＴＤＤＢ（経時絶縁破壊）特性の両方が良好となり、電気特性に優れた酸化膜を形成できることが確認された。

以上のことから、本発明の方法により形成された酸化膜は、高酸化レートが得られ、角丸め効果大きく、面方位差、疎密差が小さく、ＴＺＤＢ（瞬時絶縁破壊）特性およびＴＤＤＢ（経時絶縁破壊）特性に優れ、しかも緻密な膜質および良好な表面状態が得られ、本発明のプラズマ酸化処理方法が極めて優れたものであることが確認された。

なお、本発明は上記実施形態に限定されることなく、種々の変形が可能である。例えば上記実施形態では、本発明の方法を実施する装置としてＲＬＳＡ方式のプラズマ処理装置を例に挙げたが、例えばリモートプラズマ方式、ＩＣＰプラズマ方式、ＥＣＲプラズマ方式、表面反射波プラズマ方式、マグネトロンプラズマ方式等の他のプラズマ処理装置であってもよい。

また、上記実施形態では図７に例示されるような単結晶シリコンであるシリコン基板の凹凸パターンの表面に高品質な酸化膜形成をする必要性が高いＳＴＩにおけるトレンチ内部の酸化膜形成を例示したが、トランジスタのポリシリコンゲート電極側壁の酸化膜形成などその他の凹凸パターンの表面に高品質な酸化膜形成の必要性の高いアプリケーションにも適用できるし、また、凹凸が形成されて部位により結晶面方位が相違するシリコン表面例えばフィン構造や溝ゲート構造の３次元トランジスタの製造過程でゲート絶縁膜等としてのシリコン酸化膜を形成する場合にも適用可能である。さらに、このような凹凸パターンに沿った酸化膜に限らず、ゲート電極のゲート酸化膜やフラッシュメモリのトンネル酸化膜の形成等にも適用可能である。

さらに、上記実施形態では、絶縁膜としてシリコン酸化膜を形成する方法に関して述べたが、本発明方法により形成されたシリコン酸化膜をさらに窒化処理してシリコン酸窒化膜（ＳｉＯＮ膜）を形成することもできる。この場合、窒化処理の方法は問わないが、例えばＡｒガスとＮ_２ガスを含む混合ガスを用いてプラズマ窒化処理をすることが好ましい。

さらにまた、上記実施形態では被処理体として半導体基板であるシリコン基板を用いた例について示したが、化合物半導体基板のような他の半導体基板であってもよく、また、ＬＣＤ基板、有機ＥＬ基板等のＦＰＤ用の基板であってもよい。

本発明は、各種半導体装置の製造において、シリコン酸化膜を形成する場合に好適に利用することができる。

Claims (10)

1. プラズマ処理装置の処理容器内に配置された載置台に表面にシリコンを有する被処理体を載置することと、
   前記処理容器内に酸素を含む処理ガスのプラズマを形成することと、
   前記プラズマの形成の際に、前記載置台に高周波電力を供給して、被処理体に高周波バイアスを印加することと、
   前記プラズマにより、被処理体表面のシリコンを酸化してシリコン酸化膜を形成することと
   を含み、
   前記処理ガス中の酸素の割合が１０％以上で、かつ処理圧力が２６６Ｐａ以上１３３３Ｐａ以下の条件でプラズマを形成し、
   前記高周波電力の出力は、被処理体の面積当り０．０１５〜５Ｗ／ｃｍ ^２ であり、
   前記プラズマは、前記処理ガスが、複数のスロットを有する平面アンテナにより前記処理容器内に導入されるマイクロ波によって励起されて形成されるマイクロ波励起プラズマである、プラズマ酸化処理方法。
2. 前記高周波電力の周波数は、３００ｋＨｚ〜６０ＭＨｚである、請求項１に記載のプラズマ酸化処理方法。
3. 被処理体表面に凹凸パターンを有する、請求項１または請求項２に記載のプラズマ酸化処理方法。
4. 前記処理ガス中の酸素の割合が１０〜５０％である、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のプラズマ酸化処理方法。
5. 前記処理ガスは、水素を０．１〜１０％の割合で含む、請求項１から請求項４のいずれか１項に記載のプラズマ酸化処理方法。
6. 処理温度が２００〜８００℃である、請求項１から請求項５のいずれか１項に記載のプラズマ酸化処理方法。
7. 被処理体の表面には、前記凹凸パターンが疎な領域と、該凹凸パターンが密な領域とが形成されている、請求項１から請求項６のいずれか１項に記載のプラズマ酸化処理方法。
8. 前記凹凸パターンの凸部上端のコーナーに形成されるシリコン酸化膜の膜厚ｔ_ｃと、前記凸部の側面に形成されるシリコン酸化膜の膜厚ｔ_ｓとの比（ｔ_ｃ／ｔ_ｓ）が、０．９以上となるようにシリコン酸化膜を形成する、請求項１から請求項７のいずれか１項に記載のプラズマ酸化処理方法。
9. 被処理体が収容される処理容器と、
   前記処理容器内に酸素を含む処理ガスを供給する処理ガス供給機構と、
   前記処理容器内を真空排気する排気機構と、
   前記処理容器に前記処理ガスのプラズマを生成させるプラズマ生成機構と、
   前記処理容器内に配置された載置台に表面にシリコンを有する被処理体を載置した状態で、請求項１から請求項８のいずれかのプラズマ酸化処理方法に規定する条件により被処理体表面のシリコンを酸化してシリコン酸化膜を形成するように制御する制御部と
   を具備する、プラズマ処理装置。
10. コンピュータ上で動作し、プラズマ処理装置を制御するプログラムが記憶された記憶媒体であって、前記プログラムは、実行時に、請求項１から請求項８のいずれかのプラズマ酸化処理方法が行われるように、コンピュータに前記プラズマ処理装置を制御させる、記憶媒体。

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