JP2003124204A

JP2003124204A - プラズマ処理装置及びこれを用いた半導体装置の製造方法

Info

Publication number: JP2003124204A
Application number: JP2001320216A
Authority: JP
Inventors: Kazuaki Kurihara; 一彰栗原
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2001-10-18
Filing date: 2001-10-18
Publication date: 2003-04-25

Abstract

(57)【要約】【課題】プラズマ処理装置において、基板上にダメー
ジが少なく効率の高いプラズマ処理装置の提供及びこれ
を用いて製造した半導体装置の提供を目的とする。【解決手段】絶縁管１０１と第１の絶縁管１０１の側
面に設けられた開口部を介して連結された反応槽１０８
を有し、絶縁管１０１の軸方向に磁場を発生させること
によってラジカルのみを反応槽１０８へと導入する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はプラズマ処理装置及
びこれを用いた半導体装置の製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、酸化プロセスや窒化プロセスを行
うために酸素ラジカルや窒素ラジカルの形成には誘導結
合プラズマや電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ）プラズ
マやマイクロ波プラズマなどが使われていた。

【０００３】しかしながら、これらの方法では、電子温
度がそれほど高くないためにラジカルの生成が効率的で
はなかった。そのため処理時間がかかりスループットの
低下を招いていた。

【０００４】一方でヘリコン波プラズマによるラジカル
生成方法は、電子温度が高いために特に解離エネルギー
の高い窒素などにおいてもより多くの窒素ラジカルの形
成が可能である。しかしながら、ヘリコン波プラズマ源
（例えば販売されているＭＯＲＩｈｅｌｉｃｏｎｓ
ｏｕｒｃｅ，ＴｒｉｋｏｎＴｅｃｈｎｏｌｏｇｅｓ，
Ｉｎｃ. ＵＳＡ等）は主な用途として反応性エッチング
などに使われているためにプラズマ源からイオンやラジ
カルを直接基板上へ供給するような構造になっている。

【０００５】したがって、この状態で酸化や窒化などの
薄膜処理を行うとラジカルと共にイオンが照射されるた
め薄膜の膜質を劣化させてしまい、所望の特性を得るこ
とができないという問題がある。

【０００６】そこでイオンの影響を少なくするために被
処理基板の位置をプラズマ源から離して設置することも
行われるが、それではイオンの影響を完全には除去でき
ないこととラジカル密度が拡散により減少してしまい被
処理基板表面に十分にラジカルを到達させることができ
ないという問題がある。

【０００７】一方でイオンなどの荷電粒子が被処理基板
へ流入するのを防ぐために永久磁石などで作られたイオ
ントラップ装置を反応槽内のプラズマ源と基板との間に
設置する手法がある。

【０００８】しかしながら永久磁石を反応槽内に設置す
ると装置が複雑になりコストがかかる上、イオントラッ
プ装置から発生する汚染などの影響も生じ好ましくはな
い。また、このような製造装置では将来のＵＬＳＩ製造
に要求される高効率、高精度の加工や成膜を制御性よく
行うことは難しい。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】上述の如く、従来のプ
ラズマ処理装置や薄膜堆積装置ではラジカルの生成を高
くし、かつイオン照射を防ぐことが難しく、このためス
ループットの限界や、装置構成の複雑さによりコストを
削減することは難しかった。

【００１０】本発明は上記実情を考慮してなされたもの
で、簡易な装置構成でかつ高いスループットが可能なプ
ラズマ処理装置を提供することを目的とする。

【００１１】また、このプラズマ処理装置により低コス
トで生産される半導体装置の製造方法を提供することを
目的とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、本発明は、第１の絶縁管と、前記第１の絶縁管内
にガスを導入する配管と、前記第１の絶縁管内に電磁波
を導入するアンテナと、前記第１の絶縁管の軸方向に磁
力線をもつ磁場を形成する磁場発生装置と、前記第１の
絶縁管の側面に設けられた開口部を介して連結された反
応槽と、前記反応槽内に設置され、被処理物を保持する
保持手段とを具備することを特徴とするプラズマ処理装
置を提供する。

【００１３】このとき、前記第１の絶縁管及び前記反応
槽は第２の絶縁管により連結されていることが好まし
い。

【００１４】また、前記アンテナとして、ヘリカルアン
テナ、ナゴヤタイプスリーアンテナ、ワンターンアンテ
ナ及び多ターンアンテナのいずれかを備えていることが
好ましい。

【００１５】また、前記第１の絶縁管に電磁波を導入す
る前記アンテナが複数あることが好ましい。

【００１６】また、本発明は、前記第１の絶縁管内に窒
素ガスを導入する工程と、前記窒素ガスを前記アンテナ
によって導入された電磁波によって活性化する工程と、
前記活性化された窒素ガスを前記開口部から前記反応槽
内に導入する工程と、前記保持手段上に設置された半導
体基板表を窒化する工程とを具備することを特徴とする
プラズマ処理装置を用いた半導体装置の製造方法を提供
する。

【００１７】本発明は、プラズマ源である第１の絶縁管
の側面に開口部を設け、この開口部を介してラジカルを
反応槽に導入しプラズマ処理するものである。このとき
第１の絶縁管の軸方向に対して磁場を発生させることで
第１の絶縁管内に発生されるイオンをこの磁場により第
１の絶縁管内に閉じ込めることが可能となり、反応槽に
導入されることがない。こうすることによってラジカル
のみを効率的に基板へ供給することが可能となり、生産
コストの削減が可能となる。

【００１８】

【発明の実施の形態】以下、本発明の半導体装置の製造
装置及びこれを用いた半導体装置の製造方法に付いて図
面を参照しつつ詳細に説明する。

【００１９】（実施形態１）図１は、本発明の実施形態
１にかかる半導体装置の製造装置の概略構成図である。
本実施形態では、窒素ラジカル処理装置を説明する。

【００２０】図１に示すように、石英からなるプラズマ
を発生するための円筒形絶縁管（第１の絶縁管）１０１
にナゴヤタイプスリーアンテナ１０２が設置されてい
る。このアンテナ１０２には整合回路１０５を通して高
周波電源１０６が接続されている。ここで高周波周波数
は１３．５６ＭＨｚを使用した。

【００２１】第１の絶縁管１０２には、電磁石コイル１
０３が形成されている。この電磁石コイル１０３によっ
て、第１の絶縁管１０２の軸方向に沿った磁力線を有す
る磁場強度１０００ガウスの磁場を発生できるようにな
っている。

【００２２】また、第１の絶縁管１０１の側面に設けら
れた開口部に石英管（第２の絶縁管）１０７が２本接続
されている。このとき第２の絶縁管１０７の軸方向は、
第1の絶縁管１０１の軸方向に対して非平行に設置され
ている。また、第２の絶縁管１０７は、電磁石コイル１
０３の間を通して設置している。

【００２３】また、第２の絶縁管１０７の他方は反応槽
１０８と接続されている。反応槽１０８にはターボ分子
ポンプやドライポンプなどの排気装置１１０が接続さ
れ、排気されるようになっている。

【００２４】また、反応槽１０９内には温度制御可能な
サセプタ１０９が設けられて、この上に被処理基板１１
１が載置されるようになっている。第１の絶縁管には真
空計１１２が接続されている。

【００２５】次に、このプラズマ処理装置を用いて半導
体基板表面を窒化処理した例を示す。

【００２６】先ず、ガス導入配管１０４から第１の絶縁
管１０１内に、窒素ガス５００ＳＣＣＭ流し、排気速度
を調整しながら圧力計１１２により圧力を１．３パスカ
ルに設定する。

【００２７】次に、高周波電力を１ｋＷ入力して、第１
の絶縁管１０１内にプラズマを生成する。このときアン
テナ１０２によりヘリコン波が励起され１×１０
^１２（１／ｃｃ）の高密度プラズマ１１３が第１の絶縁
管１０１内に渡って形成される。

【００２８】このプラズマ１１３により生成された窒素
ラジカルは、第２の絶縁管１０７を通って反応槽１０８
に導入され、内部に設置された被処理基板１１１表面へ
供給される。

【００２９】本実験では被処理基板１１１として、シリ
コン上に厚さ２ｎｍの熱酸化膜が形成されているウエハ
ーを用いた。この窒素ラジカルによるラジカル処理時間
は１分間で１ｎｍの酸窒化膜が形成された。基板温度は
７５０℃に設定した。

【００３０】このようにして形成された酸窒化膜上にポ
リシリコン電極を形成しコンデンサーを作成して電気的
特性の計測を行った。その結果、酸化膜換算の実効的膜
厚１．８ｎｍにおいて熱酸化膜と比較してリーク電流が
２桁ほど低減していることが分かった。

【００３１】また、本実施形態では、高密度の窒素ラジ
カルで窒化が行われたために酸化膜は緻密な酸窒化膜と
なり上部電極からのボロンの突き抜けも防いでいること
が分かった。

【００３２】これらの性能は次世代のロジックＬＳＩに
用いるゲート絶縁膜の性能として十分な値である。以上
からプラズマ１１３に存在するイオンや電子などの荷電
粒子は磁場によって、第１の絶縁管１０１内に閉じ込め
られ、第２の絶縁管１０７を通過することができないこ
とが分かる。

【００３３】また、被処理基板上にイオン照射は起こら
ず基板へのダメージの影響は観測されなかった。また、
この半導体装置の製造装置を用いてＭＯＳトランジスタ
を形成したところ、イオン損傷を生じさせずかつ高速に
良質な膜を形成することが可能となった。

【００３４】本実施形態では絶縁管の材質として石英を
使用したがボロンナイトライドやアルミナなどでもかま
わない。

【００３５】また、本実施形態では、アンテナ１０２と
してナゴヤタイプスリーアンテナを用いたがヘリカルア
ンテナ、ワンターンアンテナ及び多ターンアンテナのい
ずれかを用いてもよい。

【００３６】また、本実施形態では磁場を形成するため
に電磁石コイルを利用したが使用する磁場強度が固定さ
れている場合は永久磁石を利用してもかまわない。

【００３７】また、本実施形態では窒素ガスによる窒化
プロセスを示したがラジカルを必要とするプロセスに適
応でき、酸素ガスを用いた酸化プロセス、ＣＦ_４ガスや
ＳＦ _６ガスを用いた等方エッチングプロセスにも適応で
きる。

【００３８】また、解離エネルギーの低いガスを利用す
る場合は必ずしもヘリコン波を励起する必要もなく通常
の誘導結合方式によるプラズマ生成においてもイオン照
射によるダメージのないプロセスを提供することができ
る。

【００３９】（実施形態２）次に、図１に示す装置を用
いて、シリコン基板上にシリコン酸化膜を形成したプロ
セスに適応した例を示す。

【００４０】先ず、ガス導入配管１０４から第１の絶縁
管１０１内に、酸素ガスを流す。

【００４１】次に、高周波電力を入力して、第１の絶縁
管１０１内にプラズマを生成する。このときアンテナ１
０２によりヘリコン波が励起され高密度プラズマ１１３
が第１の絶縁管１０１内に渡って形成される。

【００４２】このプラズマ１１３により生成された酸素
ラジカルは、第２の絶縁管１０７を通って反応槽１０８
に導入され、内部に設置されたシリコン基板１１１表面
へ供給される。

【００４３】このようにしてシリコン基板１１１表面に
シリコン酸化膜が形成される。この実験では、シリコン
基板１１１上に厚さ５ｎｍのシリコン酸化膜が形成され
た。基板温度は８００℃であった。

【００４４】このシリコン酸化膜の界面準位密度を調べ
たところ３×１０^１０（ｃｍ^−２ｅＶ^−１）程度であっ
た。

【００４５】一方本実施形態と同じ温度で熱酸化により
シリコン基板上にシリコン酸化膜を形成した場合、この
シリコン酸化膜の界面順位密度は５×１０^１１（ｃｍ
^−２ｅＶ^−１）であった。このように本実施形態ではシ
リコン酸化膜の界面順位密度が一桁以上低減されたこと
が分かる。

【００４６】また、同じ反応槽の中で酸素プラズマを発
生させた通常のラジカル酸化を施して、シリコン基板上
にシリコン酸化膜を形成した場合、このシリコン酸化膜
の界面順位密度は７×１０^１０（ｃｍ^−２ｅＶ^−１）程
度であった。本実施形態の方が約半分以下の界面順位密
度を達成できていることがわかる。

【００４７】更に、基板温度５００℃の低温において、
図１に示す装置でラジカル酸化したものと、同一の反応
槽で酸素プラズマを発生させた通常のラジカル酸化をし
たものを比較すると、図１に示す装置でのラジカル酸化
したものが、従来のラジカル酸化したものよりも界面準
位密度は約半分ほどに減少することが分かった。

【００４８】（実施形態３）本実施形態では、図２に示
すように、より多くのラジカルを生成するために２個の
アンテナ１０２を、第１の絶縁管１０１の両端にそれぞ
れ設置した例を示す。

【００４９】それぞれのアンテナ１０２は、図１と同様
にそれぞれ整合回路１０５を通して高周波電源１０６が
接続されている。ここで高周波周波数は１３．５６ＭＨ
ｚを使用した。その他の構成は図１に示す装置と同様で
あるのでその説明を省略する。

【００５０】図２に示す装置では、電子密度は図１に示
すような１つのアンテナで生成した時に比べて１．５倍
に増加することができた。

【００５１】このような装置を用いて、シリコン基板表
面をラジカル酸化してシリコン酸化膜を形成すると、酸
素ガス圧１５パスカル、温度９００℃の条件下で６ｎｍ
の酸化膜を形成するのに７分程度で可能になった。一方
図１に示す装置では同条件で１０分程度かかった。

【００５２】（実施形態４）図１に示す装置では、イオ
ン照射による損傷は抑制されたがプラズマにより発生す
る光が、第２の絶縁管１０７を通して基板１１１の表面
に照射される場合がある。そこで本実施例では、プラズ
マにより発生する光が基板１１１の表面に直接照射され
ないようにするようにした。

【００５３】図３に示すように、反応槽１０８における
サセプタ１０９の設置方向をプラズマ１１３からの光が
照射されないように反応槽１０８に対して縦に設置す
る。その他の構造は図１で示した装置と同様であるので
詳しい説明は省略する。 (実施形態５)実施形態４と同様の理由で、光の照射を抑
制するために、図４に示すように、第２の絶縁管１０７
に曲がり部分を持たせた。

【００５４】実施形態４及び実施形態５に示す装置が必
要な理由を以下に説明する。

【００５５】光(特に紫外線)が成膜中に膜に照射される
と原子同士の結合が切られて欠陥が発生する。この影響
を避ける為に実施形態４の図３に示すように試料の位置
を変えたり、実施形態５の図４に示すようにラジカル輸
送管（第２の絶縁管）１０７を曲げたりすることが有効
である。

【００５６】その例として図３に示した装置によって、
ＣＶＤ酸窒化膜を形成した場合について説明する。

【００５７】先ず、プラズマ生成室（第１の絶縁管）１
０１に窒素ガスを導入し窒素ラジカルを生成する。同時
にシリコン基板１１１を設置した反応槽１０８内にはシ
ランと酸素を導入する。このとき酸素の量を高精度に制
御することで堆積する酸窒化膜中に含まれる酸素濃度
(元素組成)を決定することができる。

【００５８】今回は酸素濃度が１０％になるような酸窒
化膜を形成した。この成膜時に光の照射が生じる場合は
ＣＶ測定から得られた波形のヒステリシスの大きさが６
０ｍＶ程度存在する。このヒステリシスの大きさは膜中
の欠陥の量に相当しており低いほど良い膜である。そこ
で、光の照射が起きないように改善することでこのヒス
テリシスを４５ｍＶまで低減することが可能になった。

【００５９】

【発明の効果】本発明によれば、簡易な装置構成により
高性能かつ高いスループットを得ることができるため、
生産コストを抑えた加工が可能となる半導体製造装置と
なる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施形態１にかかるプラズマ処理装
置の概略構成図。

【図２】本発明の実施形態２にかかるプラズマ処理装
置の概略構成図。

【図３】本発明の実施形態４にかかるプラズマ処理装
置の概略構成図。

【図４】本発明の実施形態５にかかるプラズマ処理装
置の概略構成図。

【符号の説明】

１０１・・・第１の絶縁管１０２・・・アンテナ１０３・・・電磁石コイル１０４・・・ガス導入配管１０５・・・整合回路１０６・・・高周波電源１０７・・・第２の絶縁管１０８・・・反応槽１０９・・・サセプタ 1１０・・・真空排気装置１１１・・・基板１１２・・・真空計１１３・・・プラズマ

フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考）Ｈ０５Ｈ 1/46 Ｈ０１Ｌ 21/302 ＢＦターム(参考） 5F004 AA06 BA20 BB07 BB13 BD04 DA01 DA18 5F045 AA08 AB32 AB34 AC11 AC15 AD11 AD13 AE15 AE19 AF03 BB08 BB16 DC66 EH02 EH03 EH04 EH16 EH19 5F058 BA20 BC11 BF37 BF38 BF73 BF74 BJ01 BJ10

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】第１の絶縁管と、前記第１の絶縁管内にガスを導入する配管と、前記第１の絶縁管内に電磁波を導入するアンテナと、前記第１の絶縁管の軸方向に磁力線をもつ磁場を形成す
る磁場発生装置と、前記第１の絶縁管の側面に設けられた開口部を介して連
結された反応槽と、前記反応槽内に設置され、被処理物を保持する保持手段
とを具備することを特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項２】前記第１の絶縁管及び前記反応槽は第２の
絶縁管により連結されていることを特徴とする請求項１
記載のプラズマ処理装置。
【請求項３】前記アンテナとして、ヘリカルアンテナ、
ナゴヤタイプスリーアンテナ、ワンターンアンテナ及び
多ターンアンテナのいずれかを備えていることを特徴と
する請求項１記載のプラズマ処理装置。
【請求項４】前記第１の絶縁管に電磁波を導入する前記
アンテナが複数あることを特徴とする請求項１記載のプ
ラズマ処理装置。
【請求項５】前記第１の絶縁管内に窒素ガスを導入する
工程と、前記窒素ガスを前記アンテナによって導入された電磁波
によって活性化する工程と、前記活性化された窒素ガスを前記開口部から前記反応槽
内に導入する工程と、前記保持手段上に設置された半導体基板表を窒化する工
程とを具備することを特徴とする請求項１乃至請求項３
のいずれかに記載されたプラズマ処理装置を用いた半導
体装置の製造方法。