JP2005045028A - Method for manufacturing semiconductor device - Google Patents

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method for manufacturing a semiconductor device capable of increasing an oxygen atomic percentage at a phase boundary between a nitrided and oxidized silicon film and a silicon substrate, and capable of forming a gate insulating film with its nitrogen atomic percentage decreased. <P>SOLUTION: A plasma processing device 24 having a processing chamber 26, a substrate supporting body 46, a cyclindrical electrode 50 arranged arround the processing chamber, and a magnetic-field-line forming means 58 forms a nitrided silicon film by plasma nitriding the silicon substrate W. In the next place, adjusting an impedance of a high frequency circuit 64, an electric potential difference between the substrate supporting body 46 and a plasma generating region is increased larger than that of the plasma nitriding to plasma oxidize to form the nitrided and oxidized silicon film, which makes the nitrogen concentration of the nitrided and oxidized silicon film not more than 3.5% at the phase boundary between the nitrided and oxidized silicon film and the silicon substrate. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

本発明は、半導体装置の製造方法に関するものである。   The present invention relates to a method for manufacturing a semiconductor device.

半導体を用いて製造されるメモリやシステムＬＳＩ等の半導体装置は、半導体製造装置で半導体基板上に様々な薄膜を成膜することによって製造されている。薄膜の代表的なものとしては、例えばＣＭＯＳ ＬＳＩのゲート絶縁膜に用いる酸化シリコン膜（ＳｉＯ_２）がある。 Semiconductor devices such as memories and system LSIs manufactured using semiconductors are manufactured by forming various thin films on a semiconductor substrate using a semiconductor manufacturing apparatus. As a typical thin film, for example, there is a silicon oxide film (SiO ₂ ) used for a gate insulating film of a CMOS LSI.

近年までゲート絶縁膜の膜種は、絶縁特性が優れているシリコン酸化膜が主流であったが、最近はサブミクロンのゲート絶縁膜に要求される膜厚が薄くなってきたため、シリコン酸化膜では膜容量を確保し、かつリーク電流を押さえることが次第に困難になってきている。   Until recently, silicon oxide films with excellent insulating properties were the mainstream film type for gate insulating films, but recently, the required film thickness for sub-micron gate insulating films has become thinner. It is becoming increasingly difficult to secure film capacity and suppress leakage current.

そこで薄膜化に耐える膜種として窒化酸化シリコン膜が利用されるようになっている。その窒化酸化シリコン膜の製造方法として様々な方法が試みられている。   Therefore, a silicon nitride oxide film is used as a film type that can withstand thinning. Various methods have been attempted as a method for manufacturing the silicon nitride oxide film.

例えば、ＭＯＳトランジスタのゲート絶縁膜形成方法として、まず半導体基板上に酸化シリコン膜層を形成し、その酸化シリコン膜層を窒化処理して窒素を酸化シリコン膜層に組み込んで窒化酸化シリコン膜を形成し、その窒化酸化シリコン膜をＮ_２Ｏアニール処理する方法があり、この方法が一般的なゲート絶縁膜形成方法の代表例である。この形成方法では、３つの過程を経てゲート絶縁膜を完成させているが、この３つの過程はそれぞれ異なる半導体製造装置で形成されるため、最低３種類の基板処理室が必要である。 For example, as a method for forming a gate insulating film of a MOS transistor, a silicon oxide film layer is first formed on a semiconductor substrate, and the silicon oxide film layer is nitrided to incorporate nitrogen into the silicon oxide film layer to form a silicon nitride oxide film. However, there is a method in which the silicon nitride oxide film is subjected to N ₂ O annealing treatment, and this method is a typical example of a general gate insulating film forming method. In this forming method, the gate insulating film is completed through three processes. Since these three processes are formed by different semiconductor manufacturing apparatuses, at least three kinds of substrate processing chambers are required.

本発明の主な目的は、窒化酸化シリコン膜形成過程におけるそれぞれの工程で異なる要素をもつ半導体製造装置が必要であり、その結果、装置規模が大きくなり、導入コストやメンテナンス等の点で経済的でないという従来技術の問題点を解決し、同一の反応室内で異なる要素の工程を処理可能な半導体装置の製造方法であって、Ｎ_２Ｏアニール処理を行わないでも、窒化酸化シリコン膜とシリコン層との界面の酸素原子濃度を増加させ、窒素原子濃度を減少させることができる半導体装置の製造方法を提供することにある。 The main object of the present invention is to require a semiconductor manufacturing apparatus having different elements in each process of forming a silicon nitride oxide film. As a result, the scale of the apparatus becomes large, and economical in terms of introduction cost and maintenance. A method of manufacturing a semiconductor device that solves the problems of the prior art and that can process the processes of different elements in the same reaction chamber, and without performing an N ₂ O annealing process, a silicon nitride oxide film and a silicon layer An object of the present invention is to provide a method of manufacturing a semiconductor device that can increase the oxygen atom concentration at the interface with the substrate and decrease the nitrogen atom concentration.

本発明の好ましい一態様によれば、
プラズマによって活性化された窒素原子を含むガスによりシリコン基板表面を窒化処理することにより、前記シリコン基板表面に窒化シリコン膜を形成し、
次に、プラズマによって活性化された酸素原子を含むガスにより酸化処理することにより窒化酸化シリコン膜を形成して、
前記窒化酸化シリコン膜の窒素濃度が、前記窒化酸化シリコン膜と前記シリコン基板との界面において、３．５％以下であるゲート絶縁膜を形成することを特徴とする半導体装置の製造方法が提供される。
なお、ここで、窒素濃度とは、窒化酸化シリコン膜の単位体積当たりの窒素原子数を、窒化酸化シリコン膜の単位体積当たりの総原子数（シリコン、酸素、窒素を合わせた全ての原子数のことであり、約６．６×１０^２２個である）で割った値のことをいう。 According to a preferred aspect of the present invention,
By nitriding the silicon substrate surface with a gas containing nitrogen atoms activated by plasma, a silicon nitride film is formed on the silicon substrate surface,
Next, a silicon nitride oxide film is formed by oxidizing with a gas containing oxygen atoms activated by plasma,
A method for manufacturing a semiconductor device is provided, wherein a gate insulating film having a nitrogen concentration of 3.5% or less at an interface between the silicon nitride oxide film and the silicon substrate is formed in the silicon nitride oxide film. The
Note that here, the nitrogen concentration means the number of nitrogen atoms per unit volume of the silicon nitride oxide film, the total number of atoms per unit volume of the silicon nitride oxide film (the total number of atoms including silicon, oxygen, and nitrogen). It is a value divided by about 6.6 × 10 ²² ).

また、本発明の好ましい他の態様によれば、
処理室と、該処理室内で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、
前記処理室内に窒素原子を含むガスを供給し、前記筒状電極に高周波電力を供給することにより得られる高周波電界と前記磁力線形成手段により得られる磁界とにより該窒素原子を含むガスをプラズマ放電させて、前記基板を窒化処理し、
次に、前記処理室内に酸素原子を含むガスを供給し、前記筒状電極に高周波電力を供給することにより得られる高周波電界と前記磁力線形成手段により得られる磁界とにより該酸素原子を含むガスをプラズマ放電させて、前記基板を酸化処理する半導体装置の製造方法において、
前記基板支持体の電位または、前記基板支持体とプラズマ生成領域との間の電位差を前記窒化処理よりも前記酸化処理で大きくすることを特徴とする半導体装置の製造方法が提供される。 According to another preferred aspect of the present invention,
Using a plasma processing apparatus having a processing chamber, a substrate support that supports a substrate in the processing chamber, and a cylindrical electrode and a magnetic force line forming unit disposed around the processing chamber,
A gas containing nitrogen atoms is supplied into the processing chamber, and the gas containing nitrogen atoms is plasma-discharged by a high-frequency electric field obtained by supplying high-frequency power to the cylindrical electrode and a magnetic field obtained by the magnetic force line forming means. And nitriding the substrate,
Next, a gas containing oxygen atoms is supplied into the processing chamber by a high-frequency electric field obtained by supplying high-frequency power to the cylindrical electrode and a magnetic field obtained by the magnetic force line forming means. In a manufacturing method of a semiconductor device in which plasma discharge is performed and the substrate is oxidized,
A method of manufacturing a semiconductor device is provided, wherein the potential of the substrate support or the potential difference between the substrate support and a plasma generation region is increased by the oxidation treatment rather than the nitridation treatment.

本発明によれば、窒化酸化シリコン膜形成過程における各工程で異なる要素をもつ半導体製造装置をそれぞれ使用することが不要となり、同一の基板処理室で異なる要素の工程を処理可能になるため、装置規模が小さくなり導入コストやメンテナンス等に関し経済的になり、また、膜質に関してもシリコン層界面の酸素原子濃度を増やし窒素原子濃度を減らすことでＭＯＳデバイスの特性を向上できる半導体装置の製造方法を提供できる。   According to the present invention, it is not necessary to use semiconductor manufacturing apparatuses having different elements in each process in the silicon nitride oxide film formation process, and processes of different elements can be processed in the same substrate processing chamber. Providing a semiconductor device manufacturing method that can improve the characteristics of MOS devices by reducing the scale and becoming economical in terms of introduction costs, maintenance, etc., and increasing the oxygen atom concentration at the silicon layer interface and reducing the nitrogen atom concentration in terms of film quality it can.

プラズマを利用した半導体製造装置は、プラズマの生成方式により数種類存在している。例えば誘導結合型、容量結合型、サイクロトロン型、マグネトロン型等存在するが、本発明の半導体装置の製造方法を実施するためのプラズマ処理装置の一例として、電界と磁界により高密度プラズマを生成できる変形マグネトロン型プラズマ処理装置(Modified Magnetron Typed Processing System 以下、ＭＭＴ装置という。）を用いて説明する。このＭＭＴ装置においては、気密性を確保した反応室内に基板を設置し、ガスシャワー板を介して基板処理ガスを反応室に導入し、反応室内をある一定の圧力に保ち、放電用電極に高周波電力を供給して電界を形成するとともに磁界をかけてマグネトロン放電を起こす。放電用電極から放出された電子がドリフトしながらサイクロイド運動を続けて周回することにより長寿命となって電離生成率を高めるので、従来から多用されている容量結合型プラズマ処理装置よりも高密度プラズマを生成できる。この高密度プラズマにより基板処理ガスを励起分解させて化学的反応を起こさせ基板表面に薄膜を形成する。   There are several types of semiconductor manufacturing apparatuses using plasma depending on the plasma generation method. For example, inductive coupling type, capacitive coupling type, cyclotron type, magnetron type, etc. exist, but as an example of a plasma processing apparatus for carrying out the semiconductor device manufacturing method of the present invention, a deformation capable of generating high density plasma by an electric field and a magnetic field A description will be given using a magnetron type plasma processing apparatus (hereinafter referred to as an MMT apparatus). In this MMT apparatus, a substrate is installed in a reaction chamber that ensures airtightness, a substrate processing gas is introduced into the reaction chamber via a gas shower plate, the reaction chamber is maintained at a certain pressure, and a high-frequency is applied to the discharge electrode. Electric power is supplied to form an electric field, and a magnetic field is applied to cause magnetron discharge. Since the electrons emitted from the discharge electrode continue to circulate around the cycloid while drifting, the life becomes longer and the ionization generation rate is increased, so that higher density plasma than conventional capacitively coupled plasma processing equipment is used. Can be generated. The substrate processing gas is excited and decomposed by the high-density plasma to cause a chemical reaction to form a thin film on the substrate surface.

図１には、本発明の実施例に用いられる変形マグネロトン型プラズマ処理装置（ＭＭＴ装置）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、導入口４２にはガス供給手段（図示せず）が接続され、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。   FIG. 1 shows a modified magnetron type plasma processing apparatus (MMT apparatus) 24 used in the embodiment of the present invention. The MMT apparatus 24 includes a vacuum container 28 that constitutes 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 a ceramic such as alumina or 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, and an upper lid portion 36 and a shower plate portion 38 are formed on the ceiling portion, and between the upper lid portion 36 and the shower plate portion 38. A diffusion chamber 40 is configured. An inlet 42 for introducing a processing gas is formed in the upper lid portion 36, a gas supply means (not shown) is connected to the inlet 42, and a number of nozzles 44 are formed in the shower plate 38. For example, two kinds of processing gases introduced from the introduction port 42 are mixed and diffused in the diffusion chamber 40 and supplied to the processing chamber 26 from the nozzles 44 of the shower plate 38.

処理室２６の下方中央部には、被処理基板Ｗ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Ｗを加熱するための抵抗加熱ヒータ（図示せず）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、排気口４８には排気ポンプ等の排気手段（図示せず）が接続され、サセプタ４６の周囲から下部容器４の底部方向へ処理後のガスが流れ、その後この排気口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。   A susceptor 46, which is a substrate support that supports the substrate W to be processed, is disposed in the lower central portion of the processing chamber 26. The susceptor 46 is provided with a resistance heater (not shown) for heating the substrate W to be processed. Further, the lower container 32 is provided with an exhaust port 48, and an exhaust means (not shown) such as an exhaust pump is connected to the exhaust port 48, so that after processing from the periphery of the susceptor 46 toward the bottom of the lower container 4. The gas flows, and then the processing gas in the processing chamber 26 is exhausted from the exhaust port 48.

放電用の筒状電極５０が、処理室２６の周囲、即ち、上部容器３０の外周に上部容器３０から１〜３ｍｍ離して配置されている。この筒状電極５０は、インピーダンス整合器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その電力の大きさが調整される。また、磁力線形成手段５８が処理室２６の周囲に配置されている。磁力線形成手段５８は、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、処理室２６の中央のプラズマ生成領域としての空間を囲んでいる。永久磁石６０,６２は筒状電極５０のほぼ上端および下端の位置に配置されている。上下の永久磁石６０、６２は、真空容器２８の半径方向に沿った両端（内周端と外周端）に磁極を持ち、上下の磁石６０、６２の磁極の向きが互いに逆向きに設定されている。従って、内周部の磁極同士と外周部の磁極同士が異極となっており、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。   A discharge cylindrical electrode 50 is disposed around the processing chamber 26, that is, on the outer periphery of the upper container 30, with a distance of 1 to 3 mm from the upper container 30. The cylindrical electrode 50 is connected to a high frequency power source 54 via an impedance matching unit 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 in accordance with a control signal from the control device 56. A magnetic force line forming means 58 is arranged around the processing chamber 26. The magnetic force line forming means 58 includes two permanent magnets 60 and 62 formed in a ring shape, is disposed around the processing chamber 26, and surrounds a space as a plasma generation region in the center of the processing chamber 26. The permanent magnets 60 and 62 are disposed at substantially upper and lower positions of the cylindrical electrode 50. The upper and lower permanent magnets 60 and 62 have magnetic poles at both ends (inner peripheral end and outer peripheral end) along the radial direction of the vacuum vessel 28, and the magnetic poles of the upper and lower magnets 60 and 62 are set in opposite directions. Yes. Therefore, the magnetic poles in the inner peripheral portion and the magnetic poles in the outer peripheral portion are different from each other, and magnetic lines of force extending in the center direction from one permanent magnet 60 and returning to the other permanent magnet 62 are formed in the processing chamber 26. The

前述したサセプタ４６は、下容器３２と絶縁されており、サセプタ４６は、高周波回路（インピーダンス可変回路）６４を介して接地されている。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。   The susceptor 46 described above is insulated from the lower container 32, and the susceptor 46 is grounded via a high frequency circuit (impedance variable circuit) 64. The high frequency circuit 64 can adjust the susceptor impedance in accordance with the control signal from the control device 56 described above.

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。   The high-frequency circuit 64 includes a coil and a variable capacitor, and the potential of the substrate W can be controlled via the susceptor 46 by controlling the number of coil patterns and the capacitance value of the variable capacitor.

図２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。   FIG. 2 shows an internal circuit of the high-frequency circuit 64 described above. The circuit does not include a power source and is composed only of passive elements. Specifically, a coil 121 and a 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 the desired inductance value can be 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 or the variable capacitor. However, even when a fixed coil and a fixed capacitor are used, the impedance is different. Of course, two or more circuits may be switched.

本発明の実施例の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。   In the MMT apparatus 24 according to the embodiment of the present invention, a 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 plasma oxidation treatment or plasma nitridation treatment by the generated high density plasma. The start and end of the surface treatment is performed by applying and stopping high frequency power.

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は、サセプタ４６と接地との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。   When oxidizing or nitriding the surface of the substrate W or the surface of the underlying 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 thereby controlled, and an oxidation treatment film or a nitridation treatment film having a desired film thickness and in-plane film thickness uniformity can be formed.

なお、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困難である。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、それに応じた膜厚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Ｗ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。本実施例の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、基板へのプラズマ入射量を制御しているので、基板へのプラズマダメージが少なく、成膜される膜質も良好に維持できる。   Note that in a parallel plate electrode type plasma apparatus that performs high-frequency power output value control and bias power supply control, it is difficult to perform film thickness control by impedance control using the MMT apparatus as described above. In principle, even in a parallel plate electrode type plasma apparatus, if the susceptor voltage is increased, it is possible to form an oxide film or a nitride film having a film thickness corresponding to the susceptor voltage. However, in the parallel plate electrode type plasma apparatus, since the discharge voltage and the susceptor voltage cannot be controlled independently, a strong electric field is applied to the substrate W when the susceptor voltage is increased. Deteriorate. In the MMT apparatus of the present embodiment, the plasma density is increased compared to the parallel plate electrode type plasma apparatus by applying an electric field by the discharge electrode and further trapping charges by the lines of magnetic force. Furthermore, in order to increase the plasma processing efficiency, the amount of plasma incident on the substrate is controlled by controlling the susceptor potential that can be controlled independently of plasma generation, not the voltage of the discharge electrode that generates plasma. Therefore, the plasma damage to the substrate is small, and the film quality can be maintained well.

次にＭＭＴ装置２４の操作について説明する。まず被処理基板Ｗ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を加熱して、半導体基板を加熱する。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。高周波回路６４を予め所望のインピーダンス値に調整しておく。処理室２６においては、筒状電極５０により高周波電界が形成され、磁力線形成手段５８により磁力線が形成されるので、マグネトロン放電が発生し、被処理基板Ｗの上方空間に放電で生じた電荷を補足して高密度プラズマが生成される。生成されたプラズマによってサセプタ４６上の被処理基板Ｗが処理され、被処理基板Ｗの表面にプラズマ薄膜が形成される。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Ｗを処理室２６から取り出して処理を終了する。
なお、真空容器２８内のガス圧力は、導入口４２より導入される処理ガスの流量と、排気口４８に接続されているポンプ（図示略）の能力と、ポンプまでの排気コンダクタンスにより決まる。 Next, the operation of the MMT device 24 will be described. First, the substrate W 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 vacuum container 28 in a vacuum state. Next, the susceptor 46 is heated to heat the semiconductor substrate. Next, the processing gas is introduced from the inlet 42. The processing gas introduced from the inlet 42 is diffused in the diffusion chamber 40 and 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 source 54 to the cylindrical electrode 50. The high frequency circuit 64 is adjusted in advance to a desired impedance value. In the processing chamber 26, a high-frequency electric field is formed by the cylindrical electrode 50 and magnetic lines are formed by the magnetic line forming means 58, so that a magnetron discharge is generated and the electric charge generated by the discharge is captured in the space above the substrate W to be processed. Thus, a high density plasma is generated. The processed substrate W on the susceptor 46 is processed by the generated plasma, and a plasma thin film is formed on the surface of the processed substrate W. After a predetermined time has elapsed, the supply of high-frequency power from the high-frequency power supply 54 is stopped, the gas in the vacuum container 28 is exhausted from the exhaust port 48, the substrate W on the susceptor 46 is taken out from the processing chamber 26, and the processing is completed. To do.
The gas pressure in the vacuum container 28 is determined by the flow rate of the processing gas introduced from the introduction port 42, the capability of a pump (not shown) connected to the exhaust port 48, and the exhaust conductance to the pump.

図３は、本発明の実施例の半導体装置の製造方法で製造されるＭＯＳ構造の半導体装置の一例を説明するための概略縦断面図である。
このＭＯＳ電界効果トランジスタ１０は、シリコン基板１１上に形成されたゲート絶縁膜１４と、ゲート絶縁膜１４上に形成されたゲート電極１５と、ゲート電極１５に側面に形成されたサイドウォール１６と、ソース・ドレイン領域１２、１３とを備えている。
このＭＯＳ電界効果トランジスタ１０は、まず、シリコン基板１１の上面に素子形成領域を画定するフィールド酸化膜（ＬＯＣＯＳ酸化膜）（図示せず）を形成する。次に、この素子形成領域のシリコン基板１１の表面に、表面濃度調整用の不純物をイオン注入する（図４（ａ）参照）。次に、シリコン基板１１の表面をプラズマ窒化し窒化膜１４１を形成し、その後プラズマ酸化して窒化酸化シリコン膜からなるゲート絶縁膜１４を形成する（図４（ｂ）参照）。次に、ゲート絶縁膜１４上に、ゲート電極膜１５１を全面に形成する（図４（ｃ）参照）。次に、ゲート電極１５１を選択的にエッチング除去してゲート電極１５を形成し、ゲート電極１５をマスクにしてイオン注入を行い、ソース・ドレイン領域１３を形成する（図４（ｄ）参照）。次に、サイドウォールスペーサ膜を全面に成膜し、その後、エッチバックしてゲート電極１５の側面にサイドウォール１６を形成し、ゲート電極１５とサイドウォール１６とをマスクにしてイオン注入を行い、ソース・ドレイン領域１２を形成して、図３に示したＭＯＳ電界効果トランジスタ１０を形成する。 FIG. 3 is a schematic longitudinal sectional view for explaining an example of a MOS structure semiconductor device manufactured by the method of manufacturing a semiconductor device according to the embodiment of the present invention.
The MOS field effect transistor 10 includes a gate insulating film 14 formed on a silicon substrate 11, a gate electrode 15 formed on the gate insulating film 14, a sidewall 16 formed on a side surface of the gate electrode 15, Source / drain regions 12 and 13 are provided.
In the MOS field effect transistor 10, first, a field oxide film (LOCOS oxide film) (not shown) that defines an element formation region is formed on the upper surface of the silicon substrate 11. Next, impurities for adjusting the surface concentration are ion-implanted into the surface of the silicon substrate 11 in the element formation region (see FIG. 4A). Next, the surface of the silicon substrate 11 is plasma nitrided to form a nitride film 141, and then plasma oxidized to form a gate insulating film 14 made of a silicon nitride oxide film (see FIG. 4B). Next, a gate electrode film 151 is formed on the entire surface of the gate insulating film 14 (see FIG. 4C). Next, the gate electrode 151 is selectively removed by etching to form the gate electrode 15, and ion implantation is performed using the gate electrode 15 as a mask to form the source / drain regions 13 (see FIG. 4D). Next, a sidewall spacer film is formed on the entire surface, and then etched back to form a sidewall 16 on the side surface of the gate electrode 15, and ion implantation is performed using the gate electrode 15 and the sidewall 16 as a mask, The source / drain regions 12 are formed to form the MOS field effect transistor 10 shown in FIG.

次に、本発明の実施例の半導体装置の製造方法におけるゲート絶縁膜１４の形成方法について説明する。もちろん本発明の範囲から逸脱しない限りは、他プラズマ源方式のプラズマ装置でも適用可能である。   Next, a method for forming the gate insulating film 14 in the method for manufacturing a semiconductor device according to the embodiment of the present invention will be described. Of course, other plasma source type plasma apparatuses can be used without departing from the scope of the present invention.

上述のとおり、ゲート絶縁膜１４を形成するには、まず、ＭＭＴ装置２４を使用して、シリコン基板１１の表面をプラズマ窒化して、窒化シリコン膜１４１を形成するが、例えば、Ｎ_２を使用した場合のプラズマ窒化処理の条件は次の通りである。
ガス：Ｎ_２＝１０００ｓｃｃｍ
圧力：１００Ｐａ
基板温度：４００℃
高周波電力：３００Ｗ As described above, in order to form the gate insulating film 14, first, the surface of the silicon substrate 11 is plasma-nitrided by using the MMT apparatus 24 to form the silicon nitride film 141. For example, N ₂ is used. The conditions of the plasma nitriding process in this case are as follows.
Gas: N ₂ = 1000 sccm
Pressure: 100Pa
Substrate temperature: 400 ° C
High frequency power: 300W

次に、その窒化シリコン膜１４１を処理条件を変更しプラズマ酸化して窒化酸化シリコン物からなるゲート絶縁膜１４を形成する。
例えば、Ｏ_２を使用したときのプラズマ酸化処理の条件は次の通りである。
ガス：Ｏ_２＝５０ｓｃｃｍ
ガス：Ｋｒ＝１００ｓｃｃｍ
圧力：１００Ｐａ
基板温度：４００℃
高周波電力：３００Ｗ Next, the silicon nitride film 141 is subjected to plasma oxidation by changing the processing conditions to form the gate insulating film 14 made of silicon nitride oxide.
For example, the conditions for the plasma oxidation process when O ₂ is used are as follows.
Gas: O ₂ = 50 sccm
Gas: Kr = 100sccm
Pressure: 100Pa
Substrate temperature: 400 ° C
High frequency power: 300W

これらのプラズマ窒化処理およびプラズマ酸化処理を同一の処理室２６で連続して行う。つまりこの連続処理の間は基板Ｗが処理室２６の外部へ搬出されることはない。   These plasma nitriding treatment and plasma oxidation treatment are continuously performed in the same processing chamber 26. That is, the substrate W is not carried out of the processing chamber 26 during this continuous processing.

なお、酸化処理時に希ガス雰囲気を使用する理由は、Ｏ_２のみのプラズマ雰囲気よりも酸素ラジカルが多く発生するからである。希ガスの中でも特に第一励起エネルギーの低いＫｒ（クリプトン）ガス雰囲気は、Ｏ_２分子から励起活性する酸素ラジカルを生成しやすい特性がある。このラジカル酸素での酸化処理は原子間結合が良い膜を形成することができる。 The reason why a rare gas atmosphere is used during the oxidation treatment is that more oxygen radicals are generated than in a plasma atmosphere containing only O ₂ . Among rare gases, a Kr (krypton) gas atmosphere having a particularly low first excitation energy has a characteristic of easily generating oxygen radicals that are excited and activated from O ₂ molecules. This oxidation treatment with radical oxygen can form a film with a good interatomic bond.

また、高周波回路（インピーダンス可変回路）６４のインピーダンスを調整して、このプラズマ酸化処理時におけるサセプタ４６の電位を上述のプラズマ窒化時のサセプタ４６の電位よりも大きくしておく。
プラズマ窒化により窒化シリコン膜を形成した後に、プラズマ酸化すると、酸素イオンが窒化シリコン膜を突き抜けてシリコン基板との界面に達し、シリコンと結合する。窒化シリコン膜に引き込まれる酸素原子は正に帯電した酸素イオンである。この酸素イオンが窒化シリコン膜に衝突するエネルギーは、サセプタ電位（Ｖｐｐ）の大きさに比例する。高エネルギーの酸素原子ほど窒化シリコン膜を突き抜ける確率が高くなる。そして、窒化シリコン膜を突き抜けてシリコン基板に到達した酸素原子がシリコン基板のシリコンと結合して酸化物を形成する。ここで、プラズマ酸化処理時におけるサセプタ電位がプラズマ窒化時のサセプタ電位よりも小さいと、窒化膜を突き抜けることができないので、プラズマ酸化処理時におけるサセプタ電位をプラズマ窒化時のサセプタ電位よりも大きくする。 Further, the impedance of the high-frequency circuit (impedance variable circuit) 64 is adjusted so that the potential of the susceptor 46 during the plasma oxidation process is made larger than the potential of the susceptor 46 during the plasma nitriding described above.
When a silicon nitride film is formed by plasma nitriding and then plasma oxidation is performed, oxygen ions penetrate through the silicon nitride film, reach the interface with the silicon substrate, and are bonded to silicon. The oxygen atoms drawn into the silicon nitride film are positively charged oxygen ions. The energy with which the oxygen ions collide with the silicon nitride film is proportional to the magnitude of the susceptor potential (Vpp). The higher the energy of oxygen atoms, the higher the probability of penetrating the silicon nitride film. Then, oxygen atoms that have penetrated the silicon nitride film and reached the silicon substrate are combined with silicon of the silicon substrate to form an oxide. Here, if the susceptor potential at the time of plasma oxidation is smaller than the susceptor potential at the time of plasma nitriding, the nitride film cannot be penetrated. Therefore, the susceptor potential at the time of plasma oxidation is made larger than the susceptor potential at the time of plasma nitriding.

次に、高周波回路６４のインピーダンス、サセプタ４６の電位とおよび形成された窒化酸化シリコン膜の関係について説明する。
図７は、高周波回路６４のコンデンサ１２３の容量を変化させたときにサセプタ６にかかる電位を示す。このように、本実施例では、高周波回路６４のコンデンサ１２３の容量を変化させて、プラズマ酸化処理時におけるサセプタ４６の電位をプラズマ窒化時のサセプタ４６の電位よりも大きくした。なお、ここで、サセプタ電位とは、サセプタ４６の電圧をピークツウピーク電圧（Ｖｐｐ）をいう。例えば、サセプタ４６の電圧の振幅が０Ｖ〜−２５０Ｖの場合には、ピークツウピーク電圧（Ｖｐｐ）は２５０Ｖとなる。本実施例では、プラズマ酸化処理時におけるサセプタ４６の電位（Ｖｐｐ）は２５０Ｖであり、プラズマ窒化処理時におけるサセプタ４６の電位（Ｖｐｐ）は１４０Ｖであった。なお、プラズマ酸化処理時におけるサセプタ４６の電位（Ｖｐｐ）を２５０±５０Ｖ、プラズマ窒化処理時におけるサセプタ４６の電位（Ｖｐｐ）を１４０Ｖ±５０Ｖとすることが好ましい。 Next, the relationship between the impedance of the high-frequency circuit 64, the potential of the susceptor 46, and the formed silicon nitride oxide film will be described.
FIG. 7 shows the potential applied to the susceptor 6 when the capacitance of the capacitor 123 of the high-frequency circuit 64 is changed. As described above, in this embodiment, the capacitance of the capacitor 123 of the high-frequency circuit 64 is changed so that the potential of the susceptor 46 at the time of plasma oxidation is larger than the potential of the susceptor 46 at the time of plasma nitriding. Here, the susceptor potential refers to the peak-to-peak voltage (Vpp) of the voltage of the susceptor 46. For example, when the amplitude of the voltage of the susceptor 46 is 0V to −250V, the peak-to-peak voltage (Vpp) is 250V. In this example, the potential (Vpp) of the susceptor 46 during the plasma oxidation process was 250V, and the potential (Vpp) of the susceptor 46 during the plasma nitridation process was 140V. Note that it is preferable that the potential (Vpp) of the susceptor 46 during plasma oxidation is 250 ± 50 V, and the potential (Vpp) of the susceptor 46 during plasma nitridation is 140 V ± 50 V.

ここで、窒化酸化シリコン膜内のシリコン原子（Ｓｉ）、酸素原子（Ｏ）、窒素原子（Ｎ）のそれぞれの濃度状態はＳＩＭＳ（２次イオン質量分析法）により定量的に測定することができる。   Here, the concentration states of silicon atoms (Si), oxygen atoms (O), and nitrogen atoms (N) in the silicon nitride oxide film can be quantitatively measured by SIMS (secondary ion mass spectrometry). .

図５と図６にプラズマ酸化条件が異なる２種類のＳＩＭＳ測定値グラフをそれぞれ示す。
図５、図６において共通したプラズマ酸化処理の条件は次の通りである。
ガス：Ｏ_２＝５０ｓｃｃｍ
ガス：Ｋｒ＝１００ｓｃｃｍ
圧力：１０Ｐａ
基板温度：５００℃
高周波電力：５００Ｗ
そして、コンデンサ１２３の設定値を、図５においては８００とし、図６においては４００とした。 FIG. 5 and FIG. 6 show two types of SIMS measurement value graphs with different plasma oxidation conditions.
The conditions for the plasma oxidation treatment common to FIGS. 5 and 6 are as follows.
Gas: O ₂ = 50 sccm
Gas: Kr = 100sccm
Pressure: 10Pa
Substrate temperature: 500 ° C
High frequency power: 500W
The set value of the capacitor 123 is 800 in FIG. 5 and 400 in FIG.

コンデンサの設定値を大きくして、サセプタ電位（Ｖｐｐ）を大きくした図５の方が、コンデンサの設定値が小さく、サセプタ電位（Ｖｐｐ）が小さい図６よりも、Ｓｉ基板１１との界面における酸素濃度が高く、窒素濃度が低くなっていることがわかる。Ｓｉ基板との界面における窒素濃度は、図５で１％以下、図６では１．５％以下である。サセプタ電位が大きい方がシリコン基板との界面により多くの酸素原子を送り込むことができるからである。酸素濃度が増加すれば相対的に窒素の濃度が減少する。このためにシリコン基板との界面の酸素原子濃度や窒素原子濃度を調整することができる。
シリコン基板との界面の酸素濃度を上げると相対的に窒素濃度が下がり、その結果、より、酸化シリコン膜に近くなり、Ｐ型ＭＯＳＦＥＴデバイスのモビリティが向上する。 5 in which the set value of the capacitor is increased and the susceptor potential (Vpp) is increased, the oxygen at the interface with the Si substrate 11 is smaller than that in FIG. 6 where the set value of the capacitor is small and the susceptor potential (Vpp) is small. It can be seen that the concentration is high and the nitrogen concentration is low. The nitrogen concentration at the interface with the Si substrate is 1% or less in FIG. 5 and 1.5% or less in FIG. This is because a larger susceptor potential can send more oxygen atoms to the interface with the silicon substrate. If the oxygen concentration increases, the nitrogen concentration relatively decreases. Therefore, the oxygen atom concentration and nitrogen atom concentration at the interface with the silicon substrate can be adjusted.
When the oxygen concentration at the interface with the silicon substrate is increased, the nitrogen concentration is relatively lowered, and as a result, it becomes closer to a silicon oxide film and the mobility of the P-type MOSFET device is improved.

また、シリコン基板をプラズマ酸化してできた酸化シリコン膜をプラズマ窒化処理して形成した窒化酸化シリコン膜よりも、シリコン基板をプラズマ窒化してできた窒化シリコン膜をプラズマ酸化処理して形成した窒化酸化シリコン膜の方が、そのシリコン基板との界面における膜組成がより酸化シリコン膜に近く、Ｐ型ＭＯＳＦＥＴデバイスのモビリティが優れている。   In addition, a silicon nitride film formed by plasma nitriding a silicon substrate rather than a silicon nitride oxide film formed by plasma nitriding a silicon oxide film formed by plasma oxidizing a silicon substrate is formed by plasma oxidation. The silicon oxide film has a film composition closer to the silicon oxide film at the interface with the silicon substrate, and the mobility of the P-type MOSFET device is superior.

なお、サセプタ電位（Ｖｐｐ）を大きくしなくとも、形成した窒化酸化シリコン膜をＲＴＡ（Ｒａｐｉｄ Ｔｈｅｒｍａｌ Ａｎｎｅａｌｉｎｇ）処理することによって、シリコン基板との界面の酸素原子濃度を大きくし窒素原子濃度を小さくすることができる。   Even if the susceptor potential (Vpp) is not increased, the formed silicon nitride oxide film is subjected to RTA (Rapid Thermal Annealing) treatment to increase the oxygen atom concentration at the interface with the silicon substrate and decrease the nitrogen atom concentration. Can do.

次に、これについて具体的に説明する。プラズマ窒化時の処理条件は上述したのと同じである。またプラズマ酸化の条件は、上述した図６の場合と同じである。次に、そのようにして窒化酸化シリコン膜を形成したシリコン基板のＲＴＡ処理を行う。この時の条件は例えば次の通りである。
ガス：Ｎ_２Ｏ＝０．５〜３ｓｌｍ
ガス：Ｎ_２＝１〜１０ｓｌｍ
圧力：１０〜２００Ｔｏｒｒ
基板温度：６００〜１１００℃
このようにすると、図６に示したのと同様の結果が得られ、シリコン基板との界面で、酸素原子濃度が増え、窒素原子濃度が減少した。 Next, this will be specifically described. The processing conditions during plasma nitriding are the same as described above. The plasma oxidation conditions are the same as in the case of FIG. Next, the RTA process is performed on the silicon substrate on which the silicon nitride oxide film is thus formed. The conditions at this time are as follows, for example.
Gas: N ₂ O = 0.5-3 slm
Gas: N ₂ = 1-10 slm
Pressure: 10-200 Torr
Substrate temperature: 600-1100 ° C
In this way, the same result as shown in FIG. 6 was obtained, and the oxygen atom concentration increased and the nitrogen atom concentration decreased at the interface with the silicon substrate.

なお、ＲＴＡ処理により、Ｓｉ基板との界面にできたＳｉとＯの結合をより確実にすることができる。Ｏ_２だけのプラズマ酸化処理はＫｒ等の希ガスを添加して行うＯ_２によるプラズマ酸化処理に比べて酸化がいわゆる雑になる傾向があり、欠陥が多く存在するが、ＲＴＡ処理には、これを回復させることができる効果がある。 Note that the RTA treatment can further ensure the bond between Si and O formed at the interface with the Si substrate. The plasma oxidation treatment using only O ₂ has a tendency to be more complicated than the plasma oxidation treatment using O ₂ which is performed by adding a rare gas such as Kr, and there are many defects. There is an effect that can be recovered.

本発明の実施例の半導体装置の製造方法に用いるＭＭＴ装置を説明するための概略縦断面図である。It is a schematic longitudinal cross-sectional view for demonstrating the MMT apparatus used for the manufacturing method of the semiconductor device of the Example of this invention. 本発明の実施例の半導体装置の製造方法に用いるＭＭＴ装置のインピーダンス可変回路を説明するための回路図である。It is a circuit diagram for demonstrating the impedance variable circuit of the MMT apparatus used for the manufacturing method of the semiconductor device of the Example of this invention. 本発明の実施例の半導体装置の製造方法で製造される半導体装置の一例を説明するための概略縦断面図である。It is a schematic longitudinal cross-sectional view for demonstrating an example of the semiconductor device manufactured with the manufacturing method of the semiconductor device of the Example of this invention. 本発明の実施例の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。It is a schematic longitudinal cross-sectional view for demonstrating the manufacturing method of the semiconductor device of the Example of this invention. 本発明の実施例を説明するためのＳＩＭＳ分析チャートである。It is a SIMS analysis chart for demonstrating the Example of this invention. 本発明の実施例を説明するためのＳＩＭＳ分析チャートである。It is a SIMS analysis chart for demonstrating the Example of this invention. 本発明の実施例の半導体装置の製造方法で使用されるＭＭＴ装置のコンデンサ設定値とサセプタ電位との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the capacitor | condenser setting value and susceptor electric potential of the MMT apparatus used with the manufacturing method of the semiconductor device of the Example of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

１１ 半導体シリコン基板
２０ 酸窒化膜（ゲート絶縁膜）
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
１４１ 窒化膜
11 Semiconductor silicon substrate 20 Oxynitride film (gate insulating film)
24 MMT device 26 Processing chamber 28 Vacuum vessel 46 Substrate support (susceptor)
50 cylindrical electrode 58 magnetic force line forming means 64 high frequency circuit 141 nitride film

Claims (2)

プラズマによって活性化された窒素原子を含むガスによりシリコン基板表面を窒化処理することにより、前記シリコン基板表面に窒化シリコン膜を形成し、
次に、プラズマによって活性化された酸素原子を含むガスにより酸化処理することにより窒化酸化シリコン膜を形成して、
前記窒化酸化シリコン膜の窒素濃度が、前記窒化酸化シリコン膜と前記シリコン基板との界面において、３．５％以下であるゲート絶縁膜を形成することを特徴とする半導体装置の製造方法。 By nitriding the silicon substrate surface with a gas containing nitrogen atoms activated by plasma, a silicon nitride film is formed on the silicon substrate surface,
Next, a silicon nitride oxide film is formed by oxidizing with a gas containing oxygen atoms activated by plasma,
A method of manufacturing a semiconductor device, comprising forming a gate insulating film having a nitrogen concentration of 3.5% or less at an interface between the silicon nitride oxide film and the silicon substrate in the silicon nitride oxide film. 処理室と、該処理室内で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、
前記処理室内に窒素原子を含むガスを供給し、前記筒状電極に高周波電力を供給することにより得られる高周波電界と前記磁力線形成手段により得られる磁界とにより該窒素原子を含むガスをプラズマ放電させて、前記基板を窒化処理し、
次に、前記処理室内に酸素原子を含むガスを供給し、前記筒状電極に高周波電力を供給することにより得られる高周波電界と前記磁力線形成手段により得られる磁界とにより該酸素原子を含むガスをプラズマ放電させて、前記基板を酸化処理する半導体装置の製造方法において、
前記基板支持体の電位または、前記基板支持体とプラズマ生成領域との間の電位差を前記窒化処理よりも前記酸化処理で大きくすることを特徴とする半導体装置の製造方法。
Using a plasma processing apparatus having a processing chamber, a substrate support that supports a substrate in the processing chamber, and a cylindrical electrode and a magnetic force line forming unit disposed around the processing chamber,
A gas containing nitrogen atoms is supplied into the processing chamber, and the gas containing nitrogen atoms is plasma-discharged by a high-frequency electric field obtained by supplying high-frequency power to the cylindrical electrode and a magnetic field obtained by the magnetic force line forming means. And nitriding the substrate,
Next, a gas containing oxygen atoms is supplied into the processing chamber by a high-frequency electric field obtained by supplying high-frequency power to the cylindrical electrode and a magnetic field obtained by the magnetic force line forming means. In a manufacturing method of a semiconductor device in which plasma discharge is performed and the substrate is oxidized,
A method of manufacturing a semiconductor device, wherein a potential of the substrate support or a potential difference between the substrate support and a plasma generation region is increased by the oxidation treatment rather than the nitridation treatment.

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