JP2004047948A - Manufacturing method of semiconductor device and semiconductor manufacturing device - Google Patents

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To suppress a leak current of an insulating film and to prevent an organic contaminant from being stuck on the surface of a substrate by introducing nitrogen atoms to an oxide film. <P>SOLUTION: A plasma treatment apparatus 24 having a treatment chamber 26, a substrate support 46 for supporting the substrate to be treated in the treatment chamber 26, a cylindrical electrode 50 and a magnetic force line forming means 58 located around the treatment chamber 26 are used. A first process for forming the oxide film on the substrate to be treated by switching the high frequency impedance of the substrate support 46 by a high frequency circuit 64, and a second process for forming a nitride oxide film by nitriding the oxide film formed by the first process with plasma-active nitrogen gases are successively performed. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、プラズマ処理を用いた半導体装置（半導体デバイス）の製造方法及び半導体製造装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
例えばシリコン半導体基板を基にしたＭＯＳ型半導体装置の製造においては、シリコン半導体基板表面上にシリコン酸化膜からなるゲート酸化膜を形成する必要がある。また、薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）の製造においても、同様に透明ガラス基板上に設けられたシリコン層の表面にゲート酸化膜を形成する必要があり、このゲート酸化膜は、半導体装置の信頼性を担っており、このシリコン酸化膜には高い絶縁破壊耐性と長期信頼性が要求されている。
【０００３】
近年、ＣＭＯＳトランジスタにおいては、低消費電力化のために低電圧化が図られており、そのためにＰＭＯＳ半導体素子とＮＭＯＳ半導体素子に対して十分低く、かつ対称な閾値電圧が要求される。この要求に対応するために、ＰＭＯＳ半導体素子においては、これまでのｎ形不純物を含むポリシリコン層から構成されたゲート電極に替わり、ｐ形不純物を含むポリシリコン層から構成されるゲート電極が用いられるようになっている。ところが通常用いられているｐ形不純物原子であるボロン原子（Ｂ）は、ゲート電極形成後の半導体製造工程における様々な熱処理工程によりゲート電極からゲート酸化膜を通過し、シリコン半導体基板まで到達し、ＰＭＯＳ半導体素子の閾値電圧を変化させることになる。
【０００４】
また、この現象は、半導体素子のデザインルールの微細化及び低消費電力化に伴う低電力化のためなどにより、ゲート酸化膜を薄くした場合には、より顕著に現われることになる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上述の不純物原子であるボロン原子（Ｂ）のシリコン半導体基板内への拡散を抑制するためには、ゲート酸化膜中に窒素原子を導入することが考えられる。熱窒化法を用い高温中にアンモニア雰囲気中でゲート絶縁膜中に窒素原子を導入することが可能である。しかしながら、この熱窒化法を用いた場合、窒素原子はゲート酸化膜を通過してシリコン半導体基板中にも進入し、半導体素子の電流駆動能力の低下を引き起こしてしまう。
【０００６】
また、ゲート酸化膜の形成と、ゲート酸化膜の窒化処理とを別々の処理室で行うと、ゲート酸化膜形成後、大気中あるいは真空度の低い搬送室の雰囲気にさらされるため、ゲート酸化膜表面へ有機汚染物質が付着し、デバイス特性を悪化させるおそれがある。
【０００７】
従って、本発明は、絶縁膜のリーク電流を抑制し、かつ基板表面への有機汚染物質の付着を防止できる半導体装置の製造方法及び半導体製造装置を提供することを主な目的としている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明の第１の態様によれば、
処理室と、該処理室内で被処理基板を支持する基板支持体と、前記処理室周囲に配置された筒状電極及び磁力線形成手段とを有するプラズマ処理装置を用い、前記基板支持体の高周波インピーダンスを切り替えることにより、前記被処理基板に酸化膜を形成する第１のプロセスと、この第１のプロセスにより形成された酸化膜をプラズマで活性化された窒素活性種により窒化処理して酸窒化膜を形成する第２のプロセスとを、連続して行うことを特徴とする半導体装置の製造方法が提供される。
【０００９】
本発明に第２の態様によれば、
処理室と、該処理室内で被処理基板を支持する基板支持体と、前記処理室周囲に配置された筒状電極及び磁力線形成手段とを有するプラズマ処理装置を用い、前記基板支持体の電位を切り替えることにより、前記被処理基板に酸化膜を形成する第１のプロセスと、この第１のプロセスより形成された酸化膜をプラズマで活性化された窒素活性種により窒化処理して酸窒化膜を形成する第２のプロセスとを、連続して行うことを特徴とする半導体装置の製造方法が提供される。
【００１０】
本発明の第３の態様によれば、
処置室と、該処理室内で被処理基板を支持する基板支持体と、前記処理室周囲に配置された筒状電極及び磁力線形成手段とを有し、前記処理室内のプラズマ生成領域にプラズマを生成して前記被処理基板へプラズマ処理するプラズマ処理装置を用い、前記基板支持体と前記プラズマ生成領域の空間電位との差を切り替えることにより、前記被処理基板に酸化膜を形成する第１のプロセスと、この第１のプロセスより形成された酸化膜をプラズマで活性化された窒素活性種により窒化処理して酸窒化膜を形成する第２のプロセスとを、連続して行うことを特徴とする半導体装置の製造方法が提供される。
上記３つの態様の半導体装置の製造方法において、好ましくは、処理室と、該処理室内で被処理基板を支持する基板支持体と、前記処理室周囲に配置された筒状電極及び磁力線形成手段とを有し、前記処理室内のプラズマ生成領域にプラズマを生成して前記被処理基板へプラズマ処理するプラズマ処理装置を用い、前記プラズマの電子温度を１ｅＶ以下とし、酸窒化膜と基板との界面の窒素濃度を１．５％以下とする。
上記３つの態様の半導体装置の製造方法において、好ましくは、第２プロセスでは窒素ガスをプラズマ活性化することにより窒素活性種を得て窒化処理する。この場合に好ましくは、第１プロセスで供給するガスはＫｒと酸素の混合ガスにより酸素活性種を得て酸化処理する。
【００１１】
本発明の第４の態様によれば、
処理室と、該処理室内で被処理基板を支持する基板支持体と、前記処理室周囲に配置された筒状電極及び磁力線形成手段と、前記基板支持体の高周波インピーダンスを切り替える切替手段とを有し、この切替手段による前記基板支持体の高周波インピーダンスを切り替えることにより、前記被処理基板に酸化膜を形成する第１のプロセスと、この第１のプロセスにより形成された酸化膜をプラズマで活性化された窒素活性種により窒化処理して酸窒化膜を形成する第２のプロセスとを、連続して行うようにしたことを特徴とする半導体製造装置が提供される。
【００１２】
本発明の第５の態様によれば、
処理室と、該処理室内で被処理基板を支持する基板支持体と、前記処理室周囲に配置された筒状電極及び磁力線形成手段とを有するプラズマ処理装置を用い、前記基板支持体の高周波インピーダンスを切替えることにより、前記被処理基板に窒化膜を形成する第１のプロセスと、この第１のプロセスにより形成された窒化膜をプラズマで活性化された酸素活性種により酸化処理して酸窒化膜を形成する第２のプロセスとを、連続して行うことを特徴とする半導体装置の製造方法が提供される。
【発明の実施の形態】
次に本発明の実施形態を図面を参照して説明する。
【００１３】
図２には、この実施形態に用いられる変形マグネロトン型プラズマ処理装置（Ｍｏｄｉｆｉｅｄ　Ｍａｇｎｅｔｒｏｎ　Ｔｙｐｅｄ　Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ　Ｓｙｓｔｅｍ　以下、ＭＭＴ装置という。）２４が示されている。ＭＭＴ装置２４は、処理室２６を構成する真空容器２８を有する。この真空容器２８は、上部容器３０と下部容器３２とが上下に接合されて構成されている。上部容器３０は、アルミナ、石英等のセラミックからなる。下部容器３２は金属製である。上部容器３０の周囲はカバー３４に覆われている。また、上部容器３０はドーム状の天井部を有する円筒形であり、この天井部には、上蓋部３６とシャワー板部３８とが形成され、この上蓋部３６とシャワー板部３８との間に拡散室４０が構成されている。上蓋部３６には処理ガスを導入する導入口４２が形成され、シャワー板部３８には、多数のノズル４４が形成されており、導入口４２から導入された例えば２種の処理ガスは、拡散室４０で混合・拡散され、シャワー板部３８のノズル４４から処理室２６に供給されるようになっている。
【００１４】
処理室２６には、被処理基板を支持する基板支持体であるサセプタ４６が配置されている。このサセプタ４６には、被処理基板を加熱するためのヒータが設けられている。また、下部容器３２には、排気口４８が設けられ、この排気口４８から処理室２６内の処理ガスが排気されるようになっている。
【００１５】
筒状電極５０は、処理室２６の周囲、即ち、上部容器３０の外周に１〜３ｍｍ離して配置されている。この筒状電極５０は、整合器５２を介して高周波電源５４に接続されている。この高周波電源５４は、例えば１３．５６ＭＨｚの周波数を持つ高周波電力を発生し、制御装置５６からの制御信号に応じて電力の大きさが調整される。また、磁力線形成手段５８は、例えばリング状に形成された２つの永久磁石６０，６２から構成され、処理室２６の周囲に配置されている。この２つの永久磁石６０，６２は、径方向で互いに逆向きに着磁されており、処理室２６内には一方の永久磁石６０から中心方向に延び、他方の永久磁石６２に戻る磁力線が形成される。
【００１６】
前述したサセプタ４６には、高周波回路（インピーダンス可変回路）６４が接続されている。この高周波回路６４は、前述した制御装置５６からの制御信号に応じてサセプタインピーダンスを調整できるようにしてある。
【００１７】
高周波回路６４は、コイルや可変コンデンサから構成され、コイルのパターン数や可変コンデンサの容量値を制御することによって、サセプタ４６を介して基板Ｗの電位を制御できるようになっている。
【００１８】
図３に、上述した高周波回路６４の内部回路を示す。回路は、電源を含まず、受動素子のみから構成されている。具体的には、コイル１２１とコンデンサ１２３が直列接続してある。コイル１２１にはインダクタンスを可変できるようにターミナル１２２を数箇所設けてある。目的のインダクタンスの値が得られるように、ターミナル１２２を任意に短絡してコイルのパターン数を制御する。コンデンサ１２３には自己の静電容量をリニアに可変可能な可変コンデンサを使用している。このコイル１２１とコンデンサ１２３のうち少なくとも一方を調整し、高周波回路６４を希望のインピーダンス値に調整して、基板Ｗの電位を制御できるようになっている。なお、このように、可変コイルまたは可変コンデンサの少なくとも一方を調整することにより高周波回路６４のインピーダンスを変更することができるが、固定のコイルと固定コンデンサを使用する場合であってもインピーダンスの異なる２つ以上の回路を切替えてもよいことは勿論である。
【００１９】
本発明の実施の形態のＭＭＴ装置２４では、永久磁石６０、６２の磁界の影響を受けてマグネトロン放電が発生し、基板Ｗの上方空間に電荷をトラップして高密度プラズマが生成される。そして、生成された高密度プラズマにより、サセプタ４６上の基板Ｗの表面にプラズマ酸化処理又はプラズマ窒化処理が施される。なお、表面処理の開始および終了は高周波電力の印加および停止によって行なわれる。
【００２０】
基板Ｗの表面又は下地膜表面を酸化処理又は窒化処理する際に、サセプタ４６と接地間に介設した高周波回路６４を、予め所望のインピーダンス値に制御しておく。高周波回路６４を所望のインピーダンス値に調整すると、それにより基板Ｗの電位が制御されて、所望の膜厚及び面内膜厚均一性をもつ酸化処理膜又は窒化処理膜が形成できる。
【００２１】
高周波電力の出力値制御やバイアス電力供給制御を行う平行平板電極型プラズマ装置では、上述したようなＭＭＴ装置によるインピーダンス制御による膜厚制御はできない。原理的には、平行平板電極型プラズマ装置でも、サセプタ電圧を上げていけば、３ｎｍ以上の酸化膜もしくは窒化膜を形成することは可能である。しかし、平行平板電極型プラズマ装置では、放電用電圧とサセプタ電圧とは独立に制御できないので、サセプタ電圧を上げると強い電界が基板にかかるので、プラズマダメージにより膜質が悪く、膜厚均一性も悪くなる。本実施の形態のＭＭＴ装置では、放電用電極により電界をかけ、更に磁力線による電荷のトラップを行うことにより、平行平板電極型プラズマ装置に比べて、プラズマ密度を上げている。さらに、プラズマ処理効率を上げるために、プラズマを生成する放電用電極の電圧ではなく、プラズマ生成とは独立に制御することができるサセプタ電位を制御しているので、基板にプラズマダメージがなく、成膜される膜質も良好に維持できる。
【００２２】
次にＭＭＴ装置２４の操作について説明する。まず被処理基板をサセプタ４６に載置し、真空容器２８内のガスを排気口４８から排気して真空容器２８内を真空状態にする。次にサセプタ４６を加熱し、半導体基板の温度を例えば４００°Ｃまで加熱する。次に処理ガスを導入口４２から導入する。この導入口４２から導入された処理ガスは、拡散室４０で拡散され、シャワー板部３８のノズル４４から処理室２６に供給される。同時に高周波電源５４から高周波電力を筒状電極５０に供給する。処理室２６においては、磁力線形成手段５８により磁力線が形成され、筒状電極５０により高周波電界が形成されるので、プラズマが生成され、サセプタ４６上の半導体基板が処理される。所定時間経過後、高周波電源５４からの高周波電力の供給を停止し、真空容器２８内のガスを排気口４８から排気し、サセプタ４６上の被処理基板を処理室２６から取り出して処理を終了する。
【００２３】
本発明の実施の形態においては、基板支持体（サセプタ）４６の高周波インピーダンスを切り替えまたは調整することにより、被処理基板に酸化膜を形成する第１のプロセスと、この第１のプロセスにより形成された酸化膜をプラズマで活性化された窒素活性種により窒化処理して酸窒化膜を形成する第２のプロセスとを、連続して行うようにしている。
【００２４】
第１のプロセスは、酸素のみでも可能であるが、大量のクリプトンと少量の酸素を前記処理室に導入して行うことが好ましい。この第１のプロセスにおいては、良質な酸化膜を形成する必要があり、そのために酸素の単原子ラジカルのみを生成するように、酸素ラジカルと同等のエネルギバンドを第一励起に持つＫｒガスを少量の酸素と共に大量に入れてプラズマを発生させ、酸素ラジカルで例えばシリコンからなる基板を酸化する。そのためには、筒状電極及び磁力線形成手段により生成されるプラズマと基板支持体との電位の位相を合わせるように、基板支持体の高周波インピーダンスを調整する。これにより、基板支持体上の被処理基板へのイオンの進入を極力防止し、プラズマ中に多量にある酸素ラジカルで酸化することができる。
【００２５】
一方、第２のプロセスにおいては、窒化を行う場合、窒素の励起エネルギは低いものの、窒素原子を酸化膜中にＳｉＯＮとなるように取り込むには、Ｎ_２を完全に解離させなくてはならない。この解離のための活性化エネルギは非常に高いものである。そのため、第１のプロセスとは逆にプラズマと基板支持体との電位の位相を反転させてプラズマと基板支持体とが共鳴するように、基板支持体の高周波インピーダンスを調整し、酸化膜へのイオン入射を最大にするものである。
【００２６】
第２のプロセスにおいては、処理ガスに、更にＨｅガスを加えて処理することが好ましい。Ｈｅガスを入れると、Ｈｅの解離エネルギは非常に高く、窒素との混合ガスにすることで、Ｎ２の励起よりも高い状態に持っていき、窒素の単原子化をアシストすることができる。
【００２７】
なお、特開２００１−１６０５５５号公報においては、プラズマ処理装置を用いてシリコン基板に酸化膜と窒化膜とを連続して形成する半導体装置の製造方法について開示されているが、酸窒化膜を形成する点と、酸窒化膜の形成方法については開示されていない。この従来例においては、例えば２．４５ＧＨｚのマイクロ波をプラズマ源としており、このマイクロ波で励起されたプラズマは、電子温度Ｔｅｂが高くなり（Ｔｅｂ＞５ｅＶ）、本発明の実施の形態のように、酸窒化膜を形成しようとした場合は、酸窒化膜と基板との界面の窒素濃度を、低く抑えることは困難である。それに対し、本発明の実施の形態においては、上述した変形マグネロトン型プラズマ処理装置を用いているので、プラズマの電子温度Ｔｅａを低く（例えばＴｅａ＜１ｅＶ）することができ、酸窒化膜と基板との界面の窒素濃度を例えば１．５％以下となるよう低くすることができる。ここで窒素濃度とは、酸窒化膜中の単位体積当たりの窒素原子数を酸窒化膜の単位体積当たりの総電子数（シリコン、酸素、窒素全ての原子数のことであり、約６．６×１０^２２）で割った値のことである。また、上記従来例においては、基板表面を窒化する処理ガスとしてＮＨ_３（またはＮ_２とＨ_２の混合ガス）が用いられており、酸窒化膜にＨ原子が存在し、耐圧、リーク電流等のデバイス特性に悪影響を及ぼすのに対し、本発明においては、処理ガスとして窒素ガスを用いるので、半導体デバイスの特性が良好である。
【００２８】
図１には、本発明の実施形態における半導体装置の製造プロセスが示されている。まず図１（Ａ）に示すシリコン基板等の半導体基板１０上にＬＯＣＯＳ（Ｌｏｃａｌ　Ｏｘｉｄａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｓｉｌｌｉｃｏｎ）プロセスまたはＳＴＩ（Ｓｈａｌｌｏｗ　Ｔｒｅｎｃｈ　Ｉｓｏｌａｔｉｏｎ）プロセス等の周知方法により、図１（Ｂ）に示す素子分離領域１２を形成する。
【００２９】
次に周知の方法で、ウェルイオン注入、チャンネルストップイオン注入、閾値調整イオン注入等を行った後、ＭＭＴ装置を用いて、半導体基板１０上に熱酸化膜同等以上の酸化膜１４を形成する。ＭＭＴ装置の処理室には、大量のクリプトンＫｒと酸素とを導入し、Ｋｒ／Ｏ_２プラズマ１６を生成し、酸化膜１４を形成する。Ｋｒを用いるのは、Ｋｒの活性化するエネルギバンドが低く、Ｏ_２のラジカル励起エネルギとよくマッチングするためである。このときの酸化膜１４の膜厚は、２５Å以下にすることが好ましい。
【００３０】
次に、ＭＭＴ装置において、酸化膜１４が形成された半導体基板１０を同一処理室内で、Ｋｒ／Ｏ_２ガスを排気し、窒素ガスを導入してガス置換を行い、窒素雰囲気とし、図１（Ｄ）に示すように、窒素プラズマ１８を生成し、処理室内に配置された表面が酸化されている半導体基板１０を窒化処理することにより酸窒化膜２０を形成する。この酸窒化膜２０の膜厚は、好ましくは２５Å以下である。また、酸窒化膜２０の窒素濃度のピークが５〜１５％であり、酸窒化膜２０と半導体基板１０との界面の窒素濃度が１．５％以下であるよう調整することが好ましい。酸窒化膜２０の窒素濃度のピークは高い程絶縁膜としてのリーク電流防止効果があるが、酸窒化膜２０の窒素濃度のピークが１５％を越えるようにすると、酸窒化膜２０と半導体基板１０との界面の窒素濃度が１．５％を越える。酸窒化膜２０と半導体基板１０との界面の窒素濃度が１．５％を越えると、半導体素子のモビリティ（移動度、即ち、半導体素子の電流駆動能力）が悪化するため、１．５％以下にすることが好ましい。
【００３１】
なお、窒素ガスに加えてＨｅガスを入れると、前述したように、酸窒化膜２０と半導体基板１０との界面の窒素濃度をより低くすることができる。
【００３２】
そして、図１（Ｅ）に示すように、ＣＶＤ等の周知の方法により、ポリシリコン等からなるゲート電極２２を形成する。このゲート電極２２には、不純物としてボロン原子（Ｂ）が含まれる。その後、例えばワード線やキャパシタが形成され、例えばＤＲＡＭが構成される。このようにゲート電極２２を形成した後の種々の熱処理工程により、ボロン原子（Ｂ）が拡散して半導体基板１０まで到達しようとするが、酸窒化膜２０の存在により防止することができる。
【００３３】
次に上記ＭＭＴ装置を用いて前述した酸窒化膜を形成した実施例について説明する。
【００３４】
【実施例１】
第１のプロセスとして上記ＭＭＴ装置を用いてシリコン基板上に２．０ｎｍの酸化膜を形成した。プラズマ酸化条件は次の通りである。ここでは、サセプタ４６に接続された高周波回路６４を調整して、サセプタ電位をおおよそ０Ｖ〜−２０Ｖで振幅させるとプラズマ電位はおおよそ＋２０Ｖ前後であるので、サセプタとプラズマ生成領域との電位差がおおよそ２０Ｖ〜５０Ｖとなる。なお、この場合、サセプタ４６とプラズマ生成領域との電位の位相差は０°付近に調整されている。
ＲＦパワー：１５０Ｗ
Ｋｒ流量：　２５０ｓｃｃｍ
Ｏ２流量：　１０ｓｃｃｍ
圧力：　　　２０Ｐａ
基板温度：　４００°Ｃ
酸化時間：　２０ｓｅｃ
次に、第２のプロセスとして、同じＭＭＴ装置において、ガス置換を行い、連続してプラズマ窒化処理することによって２．０ｎｍの酸窒化膜を形成した。プラズマ窒化条件は次の通りである。ここでは、サセプタ４６に接続された高周波回路６４を調整して、サセプタ電位をおおよそ０Ｖ〜−３００Ｖで振幅させるとプラズマ電位はおおよそ＋２０Ｖ前後であるので、サセプタとプラズマ生成領域との電位差がおおよそ２０Ｖ〜３３０Ｖとなる。なお、この場合、サセプタ４６とプラズマ生成領域との電位の位相差は１８０°付近に調整されている。
ＲＦパワー：５００Ｗ
Ｎ２流量：　５００ｓｃｃｍ
圧力：　　　３０Ｐａ
基板温度：　４００°Ｃ
酸化時間：　２５ｓｅｃ
【００３５】
また、図４において、比較例と比較したＣ−Ｖ特性が示されている。比較例１は、熱酸化処理により１．７ｎｍのシリコン酸化膜を形成し、窒化処理を行わなかったものである。比較例２は、熱酸化処理により実施例１と同等な酸化膜を形成し、酸窒化膜の窒素濃度のピークが約７％となるよう酸化膜を窒化処理し、酸窒化膜としたものである。実施例１においては、比較例１と比較して、ゲート電圧が−３Ｖでの容量比の落ち込みがないので、ゲート耐圧が向上している。また、ゲート電圧が−１Ｖでの立ち上がりが略同等であり、フラットバンド電圧については変化がない。さらに、実施例１においては、比較例１と比較すると、容量比が小さいことから、実効膜厚（実効絶縁膜厚Ｔｅｆｆ又は等価酸化膜厚Ｅｏｔ）が小さくなる。したがって、実施例１により形成された絶縁膜が比較例１と比較してデバイス特性が優れていることがわかる。
【００３６】
【実施例２】
上記実施例１と同じプラズマ酸化条件に基づいて酸化膜を形成し、その後ガス置換を行い、連続してプラズマ窒化処理することによって２．０ｎｍの酸窒化膜を形成した。窒素ガスにＨｅガスを加え、次のプラズマ窒化条件で行った。実施例１と同様に、高周波回路６４を調整する。
ＲＦパワー：５００Ｗ
Ｎ２流量：　２５０ｓｃｃｍ
Ｈｅ流量：　２５０ｓｃｃｍ
圧力：　　　３０Ｐａ
基板温度：　４００°Ｃ
酸化時間：　２５ｓｅｃ
【００３７】
この結果、図５に示す酸窒化膜を有するシリコン基板を得た。図５は、ＳＩＭＳ（二次イオン質量分析装置　Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ　Ｉｏｎ　Ｍａｓｓ　Ｓｐｅｃｔｏｍｅｔｒｙ）分析チャートであり、分析装置の一次加速イオン種にはＣＳ＋を用い、一次加速電圧は０．７５ＫＶとし、スパッタレートは０．０１ｎｍ／ｓｅｃとし、＋イオンの定量を行った。酸窒化膜の窒素濃度のピークは、約１２％であり、酸窒化膜とシリコン基板との界面の窒素濃度は約１．２％であった。Ｈｅを入れると、Ｈｅの質量が軽いので、１３．５６ＭＨｚの高周波電界に退避することができ、基板表面に形成されるシース電圧が小さくなり、基板表面に入射する窒素のイオンエネルギーも小さくなるので、同じ窒素濃度のピークを持たせる場合は、酸窒化膜と基板との界面の窒素濃度をより低くすることができるものである。
【００３８】
酸化膜の厚さは、Ｋｒ／Ｏ_２プラズマ生成条件等を変えることにより５〜１００Åの範囲内で自由にコントロールすることができる。また、酸窒化膜の表面窒素濃度は、窒素プラズマ生成条件等を変えることにより０〜１２０％の範囲で自由にコントロールすることができる。また、第１のプロセスにおける圧力は１５０Ｐａ以下にすることができ、第２のプロセスにおける圧力は１０〜１００Ｐａにすることができる。
【００３９】
なお、プラズマ発生領域では電子よりもプラスイオンの数の方が多く、空間電位は３０〜５０Ｖとなっており、一方サセプタ電位はマイナス数百ボルトになるように調整している。プラズマ発生領域の酸素または窒素のプラスイオンは、サセプタのマイナス電位に引き寄せられ、基板中に入っていく。プラズマ空間電位とサセプタ電位との差を大きくすれば厚い膜をつけることができる。また、酸化膜をプラズマ窒化する場合にもプラズマ空間電位とサセプタ電位との差を大きくしなけらばならない傾向にある。
【００４０】
そこで、上記実施例においては、プラズマ酸化ではサセプタとプラズマ生成領域との電位差が最大であり、プラズマ窒化ではサセプタとプラズマ生成領域との電位差が最小である。
但し、プラズマ酸化およびプラズマ窒化では、目標膜厚に応じて最大値〜最小値の間で制御することができる。
【００４１】
なお、上記実施例では、まず、プラズマ酸化により酸化膜を形成し、その後、基板支持体の高周波インピーダンスを変更または切替えることにより、この酸化膜をプラズマで活性化された窒素活性種により窒化処理して酸窒化膜を形成したが、基板支持体の高周波インピーダンスを変更または切替えることにより、プラズマ窒化により窒化膜を形成する第１のプロセスと、この第１のプロセスにより形成された窒化膜をプラズマで活性化された酸素活性種により酸化処理して酸窒化膜を形成する第２のプロセスとを、連続して行うことも、同様に実施できる。この場合には、プラズマ窒化とプラズマ酸化両方とも目標膜厚によりサセプタ電位を最大値〜最小値の間で制御することになる。但し、この場合にも窒化膜をプラズマ酸化するのは、実施例１のように直接基板をプラズマ酸化する場合よりも、サセプタ電位を下げなければならない傾向が見られる。
【００４２】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、酸化膜に窒素原子を導入するようにしたので、この酸窒化膜を絶縁膜とした場合にリーク電流を抑制することができる。また、基板を酸化する第１のプロセスと、酸化膜を窒化する第２のプロセスとを、基板支持体の高周波インピーダンスを切り替えることにより、一つのプラズマ処理装置で連続して行うようにしたので、第１のプロセスと第２のプロセスとの間に基板表面への有機汚染物質の付着を防止することができ、また半導体製造におけるスループットを向上させ、コストパフォーマンスも向上させることができるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態に係る半導体装置の製造方法を説明するための概略縦断面図である。
【図２】本発明の実施の形態に係る半導体装置の製造方法に用いたＭＭＴ装置を説明するための概略縦断面図である。
【図３】本発明の実施の形態に係る半導体装置の製造方法に用いたＭＭＴ装置の高周波回路を説明するための回路図である。
【図４】本発明の実施例１の結果を示すＣ−Ｖ特性図である。
【図５】本発明の実施例２の結果を示すＳＩＭＳ分析チャートである。
【符号の説明】
１０…半導体基板
１４…酸化膜
２０…酸窒化膜
２４…ＭＭＴ装置
２６…処理室
２８…真空容器
４６…基板支持体（サセプタ）
５０…筒状電極
５８…磁力線形成手段
６４…高周波回路[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a method for manufacturing a semiconductor device (semiconductor device) using plasma processing and a semiconductor manufacturing apparatus.
[0002]
[Prior art]
For example, in manufacturing a MOS semiconductor device based on a silicon semiconductor substrate, it is necessary to form a gate oxide film made of a silicon oxide film on the surface of the silicon semiconductor substrate. Also, in the manufacture of a thin film transistor (TFT), it is necessary to similarly form a gate oxide film on the surface of a silicon layer provided on a transparent glass substrate, and this gate oxide film is responsible for the reliability of the semiconductor device. Therefore, this silicon oxide film is required to have high dielectric breakdown resistance and long-term reliability.
[0003]
2. Description of the Related Art In recent years, the voltage of CMOS transistors has been reduced in order to reduce power consumption. Therefore, sufficiently low and symmetric threshold voltages are required for PMOS semiconductor devices and NMOS semiconductor devices. In order to respond to this demand, in a PMOS semiconductor device, a gate electrode composed of a polysilicon layer containing a p-type impurity is used instead of a gate electrode composed of a polysilicon layer containing an n-type impurity. It is supposed to be. However, boron atoms (B), which are commonly used p-type impurity atoms, pass through the gate oxide film from the gate electrode and reach the silicon semiconductor substrate by various heat treatment steps in the semiconductor manufacturing process after the formation of the gate electrode. This will change the threshold voltage of the PMOS semiconductor device.
[0004]
This phenomenon becomes more conspicuous when the thickness of the gate oxide film is reduced due to miniaturization of design rules of the semiconductor element and reduction of power consumption due to reduction of power consumption.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
In order to suppress the diffusion of boron atoms (B), which are the above-described impurity atoms, into the silicon semiconductor substrate, it is conceivable to introduce nitrogen atoms into the gate oxide film. It is possible to introduce nitrogen atoms into the gate insulating film at a high temperature in an ammonia atmosphere using a thermal nitridation method. However, when this thermal nitriding method is used, nitrogen atoms pass through the gate oxide film and enter the silicon semiconductor substrate, causing a reduction in the current driving capability of the semiconductor element.
[0006]
In addition, when the formation of the gate oxide film and the nitriding treatment of the gate oxide film are performed in different processing chambers, the gate oxide film is exposed to the atmosphere or the atmosphere of the transfer chamber with a low degree of vacuum after the formation of the gate oxide film. Organic contaminants may adhere to the surface and degrade device characteristics.
[0007]
Accordingly, an object of the present invention is to provide a semiconductor device manufacturing method and a semiconductor manufacturing apparatus capable of suppressing leakage current of an insulating film and preventing organic contaminants from adhering to a substrate surface.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
According to a first aspect of the present invention,
A high-frequency impedance of the substrate support using a plasma processing apparatus having a processing chamber, a substrate support for supporting a substrate to be processed in the processing chamber, and a cylindrical electrode and magnetic field line forming means disposed around the processing chamber; A first process of forming an oxide film on the substrate to be processed, and an oxynitride film formed by nitriding the oxide film formed by the first process with nitrogen activated species activated by plasma. And a second process of forming the semiconductor device is continuously performed.
[0009]
According to a second aspect of the present invention,
A plasma processing apparatus having a processing chamber, a substrate support for supporting a substrate to be processed in the processing chamber, and a cylindrical electrode and a magnetic field line forming unit disposed around the processing chamber; By switching, the first process of forming an oxide film on the substrate to be processed and the oxide film formed by the first process are nitrided by nitrogen activated species activated by plasma to form an oxynitride film. A method for manufacturing a semiconductor device is provided, wherein the forming and the second process are continuously performed.
[0010]
According to a third aspect of the present invention,
A treatment room, a substrate support for supporting a substrate to be processed in the treatment chamber, and a cylindrical electrode and a magnetic field line forming means disposed around the treatment room; and generating plasma in a plasma generation region in the treatment room. A first process of forming an oxide film on the substrate by using a plasma processing apparatus for performing a plasma process on the substrate to be processed and switching a difference between a spatial potential of the substrate support and a spatial potential of the plasma generation region. And a second process of forming an oxynitride film by nitriding the oxide film formed by the first process with a nitrogen activated species activated by plasma. A method for manufacturing a semiconductor device is provided.
In the method of manufacturing a semiconductor device according to the above three aspects, preferably, a processing chamber, a substrate support for supporting a substrate to be processed in the processing chamber, and a cylindrical electrode and magnetic field line forming means disposed around the processing chamber A plasma processing apparatus that generates plasma in a plasma generation region in the processing chamber and performs plasma processing on the substrate to be processed, the electron temperature of the plasma is 1 eV or less, and the interface between the oxynitride film and the substrate is The nitrogen concentration is set to 1.5% or less.
In the semiconductor device manufacturing method according to the above three aspects, preferably, in the second process, nitrogen gas is plasma-activated to obtain nitrogen active species and is subjected to nitriding treatment. In this case, the gas supplied in the first process is preferably oxidized by obtaining an oxygen active species from a mixed gas of Kr and oxygen.
[0011]
According to a fourth aspect of the present invention,
A processing chamber; a substrate support for supporting a substrate to be processed in the processing chamber; a cylindrical electrode and magnetic field lines forming means disposed around the processing chamber; and switching means for switching high-frequency impedance of the substrate support. By switching the high-frequency impedance of the substrate support by the switching means, a first process for forming an oxide film on the substrate to be processed and an oxide film formed by the first process are activated by plasma. And a second process of forming an oxynitride film by performing a nitridation process using the activated nitrogen species.
[0012]
According to a fifth aspect of the present invention,
A high-frequency impedance of the substrate support using a plasma processing apparatus having a processing chamber, a substrate support for supporting a substrate to be processed in the processing chamber, and a cylindrical electrode and magnetic field line forming means disposed around the processing chamber; A first process of forming a nitride film on the substrate to be processed, and an oxynitride film obtained by oxidizing the nitride film formed by the first process with oxygen activated species activated by plasma. And a second process of forming the semiconductor device is continuously performed.
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Next, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
[0013]
FIG. 2 shows a modified magnetron type plasma processing apparatus (hereinafter, referred to as an MMT apparatus) 24 used in this embodiment. The MMT device 24 has a vacuum container 28 forming a processing chamber 26. The vacuum container 28 is configured by vertically joining an upper container 30 and a lower container 32. The upper container 30 is made of ceramics such as alumina and quartz. The lower container 32 is made of metal. The periphery of the upper container 30 is covered with a cover 34. The upper container 30 has a cylindrical shape having a dome-shaped ceiling portion. An upper lid portion 36 and a shower plate portion 38 are formed on the ceiling portion, and a space between the upper lid portion 36 and the shower plate portion 38 is provided. A diffusion chamber 40 is configured. An inlet 42 for introducing a processing gas is formed in the upper cover 36, and a number of nozzles 44 are formed in the shower plate 38. For example, two types of processing gas introduced from the inlet 42 are diffused. The liquid is mixed and diffused in the chamber 40 and supplied to the processing chamber 26 from the nozzle 44 of the shower plate section 38.
[0014]
In the processing chamber 26, a susceptor 46, which is a substrate support for supporting a substrate to be processed, is disposed. The susceptor 46 is provided with a heater for heating the substrate to be processed. In addition, an exhaust port 48 is provided in the lower container 32, and the processing gas in the processing chamber 26 is exhausted from the exhaust port 48.
[0015]
The cylindrical electrode 50 is arranged around the processing chamber 26, that is, on the outer periphery of the upper container 30 with a distance of 1 to 3 mm. This cylindrical electrode 50 is connected to a high-frequency power supply 54 via a matching device 52. The high-frequency power supply 54 generates high-frequency power having a frequency of, for example, 13.56 MHz, and the magnitude of the power is adjusted according to a control signal from the control device 56. The line of magnetic force forming means 58 is composed of, for example, two permanent magnets 60 and 62 formed in a ring shape, and is arranged around the processing chamber 26. The two permanent magnets 60 and 62 are magnetized in opposite directions in the radial direction, and magnetic field lines extending from one permanent magnet 60 toward the center and returning to the other permanent magnet 62 are formed in the processing chamber 26. Is done.
[0016]
A high frequency circuit (variable impedance circuit) 64 is connected to the susceptor 46 described above. The high-frequency circuit 64 can adjust the susceptor impedance according to the control signal from the control device 56 described above.
[0017]
The high-frequency circuit 64 includes a coil and a variable capacitor, and can control the potential of the substrate W via the susceptor 46 by controlling the number of coil patterns and the capacitance value of the variable capacitor.
[0018]
FIG. 3 shows an internal circuit of the high-frequency circuit 64 described above. The circuit does not include a power supply and is composed of only passive elements. Specifically, the coil 121 and the capacitor 123 are connected in series. The coil 121 is provided with several terminals 122 so that the inductance can be varied. The terminal 122 is arbitrarily short-circuited to control the number of coil patterns so that a desired inductance value is obtained. As the capacitor 123, a variable capacitor capable of linearly changing its own capacitance is used. The potential of the substrate W can be controlled by adjusting at least one of the coil 121 and the capacitor 123 and adjusting the high-frequency circuit 64 to a desired impedance value. As described above, the impedance of the high frequency circuit 64 can be changed by adjusting at least one of the variable coil and the variable capacitor. However, even when a fixed coil and a fixed capacitor are used, the impedance of the high frequency circuit 64 is different. Of course, more than one circuit may be switched.
[0019]
In the MMT device 24 according to the embodiment of the present invention, magnetron discharge is generated under the influence of the magnetic field of the permanent magnets 60 and 62, and charges are trapped in the space above the substrate W to generate high-density plasma. Then, the surface of the substrate W on the susceptor 46 is subjected to a plasma oxidation process or a plasma nitridation process by the generated high-density plasma. The start and end of the surface treatment are performed by applying and stopping high-frequency power.
[0020]
When oxidizing or nitriding the surface of the substrate W or the surface of the base film, the high-frequency circuit 64 interposed between the susceptor 46 and the ground is controlled in advance to a desired impedance value. When the high-frequency circuit 64 is adjusted to a desired impedance value, the potential of the substrate W is controlled, whereby an oxidized film or a nitrided film having a desired film thickness and in-plane film thickness uniformity can be formed.
[0021]
In a parallel plate electrode type plasma apparatus which performs output value control of high frequency power and control of supply of bias power, film thickness control by impedance control by the MMT apparatus as described above cannot be performed. In principle, even with a parallel plate electrode type plasma apparatus, it is possible to form an oxide film or a nitride film of 3 nm or more if the susceptor voltage is increased. However, in the parallel plate electrode type plasma device, the discharge voltage and the susceptor voltage cannot be controlled independently. Therefore, when the susceptor voltage is increased, a strong electric field is applied to the substrate, so that the film quality is poor due to plasma damage and the film thickness uniformity is poor. Become. In the MMT device according to the present embodiment, an electric field is applied by the discharge electrode, and charges are trapped by lines of magnetic force, thereby increasing the plasma density as compared with the parallel plate electrode type plasma device. Furthermore, in order to increase the plasma processing efficiency, the voltage of the susceptor, which can be controlled independently of the plasma generation, is controlled instead of the voltage of the discharge electrode for generating the plasma. The quality of the film to be formed can be maintained well.
[0022]
Next, the operation of the MMT device 24 will be described. First, the substrate to be processed is placed on the susceptor 46, and the gas in the vacuum container 28 is exhausted from the exhaust port 48 to make the inside of the vacuum container 28 vacuum. Next, the susceptor 46 is heated, and the temperature of the semiconductor substrate is heated to, for example, 400 ° C. Next, a processing gas is introduced from the inlet 42. The processing gas introduced from the inlet 42 is diffused in the diffusion chamber 40 and is supplied to the processing chamber 26 from the nozzle 44 of the shower plate 38. At the same time, high-frequency power is supplied from the high-frequency power supply 54 to the cylindrical electrode 50. In the processing chamber 26, magnetic lines of force are formed by the magnetic line forming means 58, and a high-frequency electric field is formed by the cylindrical electrode 50, so that plasma is generated and the semiconductor substrate on the susceptor 46 is processed. After a lapse of a predetermined time, the supply of the high-frequency power from the high-frequency power supply 54 is stopped, the gas in the vacuum vessel 28 is exhausted from the exhaust port 48, the substrate to be processed on the susceptor 46 is taken out of the processing chamber 26, and the process is terminated. .
[0023]
In the embodiment of the present invention, the first process of forming an oxide film on the substrate to be processed by switching or adjusting the high-frequency impedance of the substrate support (susceptor) 46, and the first process formed by the first process. The second process of forming an oxynitride film by nitriding the resulting oxide film with nitrogen activated species activated by plasma is performed continuously.
[0024]
Although the first process can be performed using only oxygen, it is preferable to perform the first process by introducing a large amount of krypton and a small amount of oxygen into the treatment chamber. In the first process, it is necessary to form a high-quality oxide film. Therefore, a small amount of Kr gas having the same energy band as oxygen radicals in the first excitation is generated so as to generate only oxygen monoatomic radicals. A large amount of oxygen is added together with oxygen to generate plasma, and oxygen radicals oxidize a substrate made of, for example, silicon. For this purpose, the high-frequency impedance of the substrate support is adjusted so that the potential of the plasma generated by the cylindrical electrode and the magnetic field line forming means and the potential of the substrate support are matched. Thus, the penetration of ions into the substrate to be processed on the substrate support can be prevented as much as possible, and the substrate can be oxidized by a large amount of oxygen radicals in plasma.
[0025]
On the other hand, in the second process, when nitriding is performed, although the excitation energy of nitrogen is low, in order to incorporate nitrogen atoms into the oxide film to become SiON, N ₂ Must be completely dissociated. The activation energy for this dissociation is very high. Therefore, contrary to the first process, the high-frequency impedance of the substrate support is adjusted so that the plasma and the substrate support resonate by inverting the phase of the potential between the plasma and the substrate support, and the oxide film is removed. This is to maximize ion incidence.
[0026]
In the second process, it is preferable that He gas is further added to the processing gas for processing. When He gas is introduced, the dissociation energy of He is extremely high, and by using a mixed gas with He, it is possible to bring the state higher than that of N2 excitation and to assist in the atomization of nitrogen.
[0027]
JP-A-2001-160555 discloses a method for manufacturing a semiconductor device in which an oxide film and a nitride film are continuously formed on a silicon substrate using a plasma processing apparatus. And the method of forming the oxynitride film are not disclosed. In this conventional example, for example, a microwave of 2.45 GHz is used as a plasma source, and the plasma excited by this microwave has a high electron temperature Teb (Teb> 5 eV), as in the embodiment of the present invention. When an oxynitride film is to be formed, it is difficult to keep the nitrogen concentration at the interface between the oxynitride film and the substrate low. On the other hand, in the embodiment of the present invention, since the above-described modified magnetroton-type plasma processing apparatus is used, the electron temperature Tea of the plasma can be lowered (for example, Tea <1 eV), and the oxynitride film and the substrate can be used. Can be reduced to, for example, 1.5% or less. Here, the nitrogen concentration refers to the number of nitrogen atoms per unit volume in the oxynitride film as the total number of electrons per unit volume of the oxynitride film (the number of all silicon, oxygen, and nitrogen atoms, and is about 6.6. × 10 ²² ). Further, in the above conventional example, NH 3 is used as a processing gas for nitriding the substrate surface. ₃ (Or N ₂ And H ₂ Gas mixture) is used, and H atoms are present in the oxynitride film, which adversely affects device characteristics such as withstand voltage and leak current. On the other hand, in the present invention, nitrogen gas is used as a processing gas. Good semiconductor device characteristics.
[0028]
FIG. 1 shows a manufacturing process of a semiconductor device according to an embodiment of the present invention. First, a device isolation region 12 shown in FIG. 1B is formed on a semiconductor substrate 10 such as a silicon substrate shown in FIG. 1A by a well-known method such as a LOCOS (Local Oxidation of Silicon) process or an STI (Shallow Trench Isolation) process. To form
[0029]
Next, after performing well ion implantation, channel stop ion implantation, threshold adjustment ion implantation, and the like by a known method, an oxide film 14 equal to or more than a thermal oxide film is formed on the semiconductor substrate 10 using an MMT apparatus. A large amount of krypton Kr and oxygen are introduced into the processing chamber of the MMT apparatus, and Kr / O ₂ Plasma 16 is generated to form oxide film 14. Kr is used because the energy band for activating Kr is low and Or ₂ This is because the radical excitation energy matches well. At this time, the thickness of oxide film 14 is preferably set to 25 ° or less.
[0030]
Next, in the MMT apparatus, the semiconductor substrate 10 having the oxide film 14 formed thereon is subjected to Kr / O ₂ Gas is exhausted, nitrogen gas is introduced to perform gas replacement, a nitrogen atmosphere is generated, and a nitrogen plasma 18 is generated as shown in FIG. 1D, and a semiconductor placed in a processing chamber is oxidized. An oxynitride film 20 is formed by subjecting the substrate 10 to nitriding treatment. The thickness of this oxynitride film 20 is preferably 25 ° or less. Further, it is preferable that the peak of the nitrogen concentration of the oxynitride film 20 is adjusted to 5 to 15% and the nitrogen concentration at the interface between the oxynitride film 20 and the semiconductor substrate 10 is adjusted to 1.5% or less. The higher the nitrogen concentration peak of the oxynitride film 20 is, the more effective the leakage current is as an insulating film. However, if the nitrogen concentration peak of the oxynitride film 20 exceeds 15%, the oxynitride film 20 and the semiconductor substrate 10 The nitrogen concentration at the interface with the substrate exceeds 1.5%. When the nitrogen concentration at the interface between the oxynitride film 20 and the semiconductor substrate 10 exceeds 1.5%, the mobility (mobility, that is, the current driving capability of the semiconductor element) of the semiconductor element is deteriorated, so that 1.5% or less. Is preferable.
[0031]
Note that when He gas is added in addition to nitrogen gas, as described above, the nitrogen concentration at the interface between the oxynitride film 20 and the semiconductor substrate 10 can be further reduced.
[0032]
Then, as shown in FIG. 1E, a gate electrode 22 made of polysilicon or the like is formed by a known method such as CVD. This gate electrode 22 contains boron atoms (B) as impurities. Thereafter, for example, word lines and capacitors are formed, and, for example, a DRAM is formed. As described above, boron atoms (B) diffuse and try to reach the semiconductor substrate 10 by various heat treatment steps after the formation of the gate electrode 22, but this can be prevented by the presence of the oxynitride film 20.
[0033]
Next, an embodiment in which the above-described oxynitride film is formed using the above-mentioned MMT apparatus will be described.
[0034]
Embodiment 1
As a first process, a 2.0 nm oxide film was formed on a silicon substrate by using the above-mentioned MMT apparatus. The plasma oxidation conditions are as follows. Here, when the high-frequency circuit 64 connected to the susceptor 46 is adjusted so that the susceptor potential is made to swing from about 0 V to −20 V, the plasma potential is about +20 V, so that the potential difference between the susceptor and the plasma generation region is about 20 V. ５０50V. In this case, the phase difference of the potential between the susceptor 46 and the plasma generation region is adjusted to around 0 °.
RF power: 150W
Kr flow rate: 250sccm
O2 flow rate: 10 sccm
Pressure: 20Pa
Substrate temperature: 400 ° C
Oxidation time: 20 sec
Next, as a second process, in the same MMT apparatus, gas replacement was performed, and plasma nitriding was performed continuously to form a 2.0 nm oxynitride film. The plasma nitriding conditions are as follows. Here, when the high-frequency circuit 64 connected to the susceptor 46 is adjusted so that the susceptor potential is made to swing from about 0 V to −300 V, the plasma potential is about +20 V, so that the potential difference between the susceptor and the plasma generation region is about 20 V. It becomes -330V. In this case, the phase difference of the potential between the susceptor 46 and the plasma generation region is adjusted to around 180 °.
RF power: 500W
N2 flow rate: 500 sccm
Pressure: 30Pa
Substrate temperature: 400 ° C
Oxidation time: 25 sec
[0035]
FIG. 4 shows CV characteristics as compared with the comparative example. In Comparative Example 1, a silicon oxide film having a thickness of 1.7 nm was formed by a thermal oxidation process, and no nitriding process was performed. In Comparative Example 2, an oxide film equivalent to that of Example 1 was formed by thermal oxidation treatment, and the oxynitride film was nitrided so that the peak of the nitrogen concentration of the oxynitride film became about 7% to form an oxynitride film. is there. In the first embodiment, as compared with the first comparative example, there is no drop in the capacitance ratio when the gate voltage is -3 V, so that the gate breakdown voltage is improved. The rise at a gate voltage of -1 V is substantially the same, and there is no change in the flat band voltage. Furthermore, in Example 1, the effective film thickness (effective insulating film thickness Teff or equivalent oxide film thickness Eot) becomes smaller because the capacitance ratio is smaller than in Comparative Example 1. Therefore, it is understood that the insulating film formed in Example 1 has better device characteristics than Comparative Example 1.
[0036]
Embodiment 2
An oxide film was formed under the same plasma oxidation conditions as in Example 1 described above, followed by gas replacement, and continuous plasma nitriding to form a 2.0 nm oxynitride film. He gas was added to nitrogen gas, and plasma nitriding was performed under the following conditions. The high-frequency circuit 64 is adjusted as in the first embodiment.
RF power: 500W
N2 flow rate: 250 sccm
He flow rate: 250sccm
Pressure: 30Pa
Substrate temperature: 400 ° C
Oxidation time: 25 sec
[0037]
As a result, a silicon substrate having an oxynitride film shown in FIG. 5 was obtained. FIG. 5 is a SIMS (Secondary Ion Mass Spectrometry) analysis chart. The primary accelerating ion species of the analyzer is CS +, the primary accelerating voltage is 0.75 KV, and the sputtering rate is 0.01 nm. / Sec, and + ions were quantified. The peak of the nitrogen concentration of the oxynitride film was about 12%, and the nitrogen concentration at the interface between the oxynitride film and the silicon substrate was about 1.2%. When He is added, since the mass of He is light, it is possible to retreat to a high frequency electric field of 13.56 MHz, the sheath voltage formed on the substrate surface is reduced, and the ion energy of nitrogen incident on the substrate surface is also reduced. When the same nitrogen concentration peak is provided, the nitrogen concentration at the interface between the oxynitride film and the substrate can be further reduced.
[0038]
The thickness of the oxide film is Kr / O ₂ By changing the plasma generation conditions and the like, it can be freely controlled within the range of 5 to 100 °. The surface nitrogen concentration of the oxynitride film can be freely controlled in the range of 0 to 120% by changing the conditions for generating nitrogen plasma and the like. Further, the pressure in the first process can be set to 150 Pa or less, and the pressure in the second process can be set to 10 to 100 Pa.
[0039]
In the plasma generation region, the number of positive ions is larger than that of electrons, and the space potential is 30 to 50 V, while the susceptor potential is adjusted to be minus several hundred volts. Positive ions of oxygen or nitrogen in the plasma generation region are attracted to the negative potential of the susceptor and enter the substrate. If the difference between the plasma space potential and the susceptor potential is increased, a thick film can be formed. Also, when the oxide film is plasma-nitrided, the difference between the plasma space potential and the susceptor potential tends to be increased.
[0040]
Therefore, in the above embodiment, the potential difference between the susceptor and the plasma generation region is maximum in plasma oxidation, and the potential difference between the susceptor and the plasma generation region is minimum in plasma nitridation.
However, in plasma oxidation and plasma nitridation, control can be performed between the maximum value and the minimum value according to the target film thickness.
[0041]
In the above embodiment, first, an oxide film is formed by plasma oxidation, and thereafter, by changing or switching the high-frequency impedance of the substrate support, the oxide film is subjected to nitriding treatment with nitrogen activated species activated by plasma. An oxynitride film was formed by changing the high-frequency impedance of the substrate support, or by changing or switching the high-frequency impedance of the substrate support. The second process of forming an oxynitride film by performing an oxidation treatment with the activated oxygen active species can be similarly performed continuously. In this case, the susceptor potential is controlled between the maximum value and the minimum value depending on the target film thickness in both plasma nitridation and plasma oxidation. However, also in this case, there is a tendency that the plasma oxidation of the nitride film requires a lower susceptor potential than the plasma oxidation of the substrate directly as in the first embodiment.
[0042]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, nitrogen atoms are introduced into the oxide film, so that when this oxynitride film is used as an insulating film, a leak current can be suppressed. Further, the first process of oxidizing the substrate and the second process of nitriding the oxide film are continuously performed by one plasma processing apparatus by switching the high-frequency impedance of the substrate support. An organic contaminant can be prevented from adhering to the substrate surface between the first process and the second process, and a throughput and a cost performance in semiconductor manufacturing can be improved.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic longitudinal sectional view for explaining a method for manufacturing a semiconductor device according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a schematic vertical sectional view for explaining an MMT device used in a method for manufacturing a semiconductor device according to an embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a circuit diagram for explaining a high-frequency circuit of the MMT device used in the method for manufacturing a semiconductor device according to the embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a CV characteristic diagram showing the results of Example 1 of the present invention.
FIG. 5 is a SIMS analysis chart showing the results of Example 2 of the present invention.
[Explanation of symbols]
10 ... Semiconductor substrate
14 ... Oxide film
20 ... oxynitride film
24 ... MMT device
26… Processing room
28 ... Vacuum container
46 ... Substrate support (susceptor)
50 ... cylindrical electrode
58 ... Magnetic field line forming means
64 ... High frequency circuit

Claims (5)

処理室と、該処理室内で被処理基板を支持する基板支持体と、前記処理室周囲に配置された筒状電極及び磁力線形成手段とを有するプラズマ処理装置を用い、前記基板支持体の高周波インピーダンスを切り替えることにより、前記被処理基板に酸化膜を形成する第１のプロセスと、この第１のプロセスにより形成された酸化膜をプラズマで活性化された窒素活性種により窒化処理して酸窒化膜を形成する第２のプロセスとを、連続して行うことを特徴とする半導体装置の製造方法。A high-frequency impedance of the substrate support using a plasma processing apparatus having a processing chamber, a substrate support for supporting a substrate to be processed in the processing chamber, and a cylindrical electrode and magnetic field line forming means disposed around the processing chamber; A first process of forming an oxide film on the substrate to be processed, and an oxynitride film formed by nitriding the oxide film formed by the first process with nitrogen activated species activated by plasma. And a second process for forming a semiconductor device. 処理室と、該処理室内で被処理基板を支持する基板支持体と、前記処理室周囲に配置された筒状電極及び磁力線形成手段とを有するプラズマ処理装置を用い、前記基板支持体の電位を切り替えることにより、前記被処理基板に酸化膜を形成する第１のプロセスと、この第１のプロセスより形成された酸化膜をプラズマで活性化された窒素活性種により窒化処理して酸窒化膜を形成する第２のプロセスとを、連続して行うことを特徴とする半導体装置の製造方法。A plasma processing apparatus having a processing chamber, a substrate support for supporting a substrate to be processed in the processing chamber, and a cylindrical electrode and a magnetic field line forming unit disposed around the processing chamber; By switching, the first process of forming an oxide film on the substrate to be processed and the oxide film formed by the first process are nitrided by nitrogen activated species activated by plasma to form an oxynitride film. A method for manufacturing a semiconductor device, comprising: performing a second process to be formed continuously. 処置室と、該処理室内で被処理基板を支持する基板支持体と、前記処理室周囲に配置された筒状電極及び磁力線形成手段とを有し、前記処理室内のプラズマ生成領域にプラズマを生成して前記被処理基板へプラズマ処理するプラズマ処理装置を用い、前記基板支持体と前記プラズマ生成領域の空間電位との差を切り替えることにより、前記被処理基板に酸化膜を形成する第１のプロセスと、この第１のプロセスより形成された酸化膜をプラズマで活性化された窒素活性種により窒化処理して酸窒化膜を形成する第２のプロセスとを、連続して行うことを特徴とする半導体装置の製造方法。A treatment room, a substrate support for supporting a substrate to be processed in the treatment chamber, and a cylindrical electrode and a magnetic field line forming means disposed around the treatment room; and generating plasma in a plasma generation region in the treatment room. A first process of forming an oxide film on the substrate by using a plasma processing apparatus for performing a plasma process on the substrate to be processed and switching a difference between a spatial potential of the substrate support and a spatial potential of the plasma generation region. And a second process of forming an oxynitride film by nitriding the oxide film formed by the first process with a nitrogen activated species activated by plasma. A method for manufacturing a semiconductor device. 処理室と、該処理室内で被処理基板を支持する基板支持体と、前記処理室周囲に配置された筒状電極及び磁力線形成手段とを有し、前記処理室内のプラズマ生成領域にプラズマを生成して前記被処理基板へプラズマ処理するプラズマ処理装置を用い、前記プラズマの電子温度を１ｅＶ以下とし、酸窒化膜と基板との界面の窒素濃度を１．５％以下とした前記請求項１〜３記載の半導体装置の製造方法。A processing chamber, a substrate support for supporting a substrate to be processed in the processing chamber, and a cylindrical electrode and magnetic field line forming means disposed around the processing chamber; and generating plasma in a plasma generation region in the processing chamber. The plasma processing apparatus for performing plasma processing on the substrate to be processed, wherein the electron temperature of the plasma is 1 eV or less, and the nitrogen concentration at the interface between the oxynitride film and the substrate is 1.5% or less. 4. The method for manufacturing a semiconductor device according to item 3. 処理室と、該処理室内で被処理基板を支持する基板支持体と、前記処理室周囲に配置された筒状電極及び磁力線形成手段と、前記基板支持体の高周波インピーダンスを切り替える切替手段とを有し、この切替手段による前記基板支持体の高周波インピーダンスを切り替えることにより、前記被処理基板に酸化膜を形成する第１のプロセスと、この第１のプロセスにより形成された酸化膜をプラズマで活性化された窒素活性種により窒化処理して酸窒化膜を形成する第２のプロセスとを、連続して行うようにしたことを特徴とする半導体製造装置。A processing chamber; a substrate support for supporting a substrate to be processed in the processing chamber; a cylindrical electrode and magnetic field lines forming means disposed around the processing chamber; and switching means for switching high-frequency impedance of the substrate support. By switching the high-frequency impedance of the substrate support by the switching means, a first process for forming an oxide film on the substrate to be processed and an oxide film formed by the first process are activated by plasma. A second process of forming an oxynitride film by performing a nitridation process using the activated nitrogen active species, in a continuous manner.

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