JP2005235792A - 基板処理方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】酸化膜をラジカル窒化して酸窒化膜に変換する際に、酸窒化膜とシリコン基板との界面領域近傍に形成されるダングリングボンドを終端し、フラットバンド特性を回復させる。
【解決手段】酸化膜をマイクロ波ラジカル窒化して酸窒化膜に変換する工程に引き続き、マイクロ波ラジカル酸化処理を行い、原子状酸素を酸窒化膜に脅威球し、シリコン基板と酸窒化膜界面領域近傍のダングリングボンドを終端する。
【選択図】 図6
【解決手段】酸化膜をマイクロ波ラジカル窒化して酸窒化膜に変換する工程に引き続き、マイクロ波ラジカル酸化処理を行い、原子状酸素を酸窒化膜に脅威球し、シリコン基板と酸窒化膜界面領域近傍のダングリングボンドを終端する。
【選択図】 図6
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は一般に基板処理技術に係り、特に基板上に誘電体膜を形成する基板処理方法に関する。
【0002】
微細化技術の進展により、今日では0.1μmを切るゲート長の超微細化半導体装置の製造が可能になりつつある。
【0003】
かかる超微細化半導体装置において、ゲート長の短縮に伴って半導体装置の動作速度を向上させようとすると、ゲート絶縁膜の厚さをスケーリング則に従って減少させる必要がある。例えばゲート絶縁膜として従来の熱酸化膜を使った場合、ゲート絶縁膜の厚さを従来の1.7nm以下に減少させる必要がある。しかし、酸化膜の厚さをこのように減少させると、トンネル効果により酸化膜を通って流れるゲートリーク電流が増大してしまう。
【0004】
このため、従来より、ゲート絶縁膜として従来のシリコン酸化膜の代わりにTa2O5あるいはZrO2などの高誘電体膜を使うことが検討されている。しかし、これらの高誘電体膜は半導体技術において従来から使われてきているシリコン酸化膜とは性質が大きく異なっており、これらの高誘電体膜をゲート絶縁膜として使うためには、解決しなければならない課題が数多く残っている。
【0005】
これに対し、シリコン窒化膜は従来の半導体プロセスで使われてきた材料であり、しかもシリコン酸化膜の2倍の比誘電率を有するため、次世代の高速半導体装置のゲート絶縁膜として有望な材料である。
【0006】
【従来の技術】
従来より、シリコン窒化膜は層間絶縁膜上にプラズマCVD法により形成されるのが一般的であった。しかし、このようなCVD窒化膜は一般にリーク電流が大きく、ゲート絶縁膜としては不適当であった。このため、従来より窒化膜をゲート電極に使う試みはなされていない。
【0007】
これに対し、最近ではマイクロ波励起されたArあるいはKrのような希ガスプラズマ中に窒素あるいは窒素と水素、あるいはNH3ガスのような窒素を含んだガスを導入し、NラジカルあるいはNHラジカルを発生させ、シリコン酸化膜表面を窒化処理により酸窒化膜に変換する技術が提案されている。このようにして形成された窒化膜は、熱酸化膜に匹敵する、あるいはそれを凌ぐリーク電流特性を有し、次世代高速半導体装置のゲート絶縁膜として有望であると考えられている。また、シリコン基板表面をかかるマイクロ波プラズマにより直接に窒化する技術も提案されている。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、このようにシリコン基板上に形成されたシリコン酸化膜表面をマイクロ波励起された窒化水素ラジカルNH*あるいは窒素ラジカルN*により改質する場合、初めはシリコン酸化膜表面がシリコン窒化膜に変換されるのに伴い、膜全体の換算膜厚が減少し、またリーク電流値も、同じ換算膜厚のシリコン酸化膜に比べて減少するが、ある時点を越えると逆に膜全体の換算膜厚が増加するターンアラウンドと呼ばれる現象が発生する。
【0009】
このようなターンアラウンド現象が発生すると、MOSトランジスタのフラットバンド電圧、従ってしきい値電圧が変化してしまい、所望のトランジスタ特性は得られない。
【0010】
そこで、本発明は上記の課題を解決した、新規で有用な基板処理方法を提供することを概括的課題とする。
【0011】
本発明のより具体的な課題は、シリコン基板表面に、あるいはシリコン基板上の酸化膜表面にプラズマ窒化処理により酸窒化膜を形成する際に、ターンアラウンド後に生じる電気特性の劣化を回復することのできる基板処理方法を提供することにある。
【0012】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記の課題を、
請求項1に記載したように、
シリコン基板上の酸化膜表面を、窒素ラジカルを供給することにより窒化し、酸窒化膜を形成する工程と、
前記酸窒化膜を形成する工程の後、前記酸窒化膜表面に酸素ラジカルを供給する工程とよりなることを特徴とする基板処理方法により、または
請求項2に記載したように、
前記窒素ラジカルは、不活性ガスと窒素ガスの混合ガス中にプラズマを励起することにより形成されることを特徴とする請求項1記載の基板処理方法により、または
請求項3に記載したように、
前記プラズマはマイクロ波により励起されることを特徴とする請求項2記載の基板処理方法により、または
請求項4に記載したように、
前記水素ラジカルは、不活性ガスと酸素ガスの混合ガス中にプラズマを励起することにより形成されることを特徴とする請求項2または3記載の基板処理方法により、または
請求項5に記載したように、
前記酸窒化膜形成工程の後、前記プラズマの励起はいったん中断され、前記酸素ラジカルは、不活性ガスと酸素ガスの混合ガス中にマイクロ波プラズマを再び励起することにより形成されることを特徴とする請求項2記載の基板処理方法により、または
請求項6に記載したように、
前記酸化膜は、前記シリコン基板表面上の自然酸化膜であることを特徴とする請求項1〜5のうち、いずれか一項記載の基板処理方法により、または
請求項7に記載したように、
前記酸化膜は、前記シリコン基板表面に形成された化学酸化膜であることを特徴とする請求項1〜5のうち、いずれか一項記載の基板処理方法により、解決する。
[作用]
本発明によれば、酸化膜を窒素ラジカルにより窒化処理した結果、先に説明したターンアラウンド現象が生じSi基板表面と酸窒化膜との間の界面が劣化した場合でも、酸素ラジカル処理を行うことにより、フラットバンド電圧等の電気特性が回復する。これは、酸素ラジカルがシリコン基板/酸窒化膜界面にまで到達し、シリコン基板と酸窒化膜との界面領域のダングリングボンド等の欠陥を終端することによるものと考えられる。このような酸素ラジカル処理により、形成された酸窒化膜には増膜が生じるが、窒化処理当初の酸化膜としてシリコン基板表面に存在する自然酸化膜あるいは化学酸化膜を使うことにより、形成された酸窒化膜の膜厚を最小限に止めることが可能である。
【0013】
【発明の実施の形態】
[第1実施例]
図1は、本発明で使われるプラズマ基板処理装置10の概略的構成を示す。
【0014】
図1を参照するに、プラズマ基板処理装置10は被処理基板Wを保持する基板保持台12が形成された処理容器11を有し、処理容器11は排気ポート11Aにおいて排気される。
【0015】
前記処理容器11上には前記基板保持台12上の被処理基板Wに対応して開口部が形成されており、前記開口部は、石英等の低損失セラミックよりなるカバープレート13により塞がれている。
【0016】
前記カバープレート13はマイクロ波窓を形成し、前記カバープレート13の外側には、ラジアルラインスロットアンテナあるいはホーンアンテナ等のマイクロ波アンテナ15が形成されている。
【0017】
動作時には、前記処理容器11内部の処理空間は前記排気ポート11Aを介して排気することにより所定の処理圧に設定され、前記シャワープレート14からArやKr等の不活性ガスと共に酸化ガスや窒化ガスが導入される。
【0018】
さらに前記アンテナ15から周波数が数GHzのマイクロ波を導入することにより、前記処理容器11中において被処理基板Wの表面に高密度マイクロ波プラズマを励起する。プラズマをマイクロ波により励起することにより、図1の基板処理装置ではプラズマの電子温度が低く、被処理基板Wや処理容器11内壁の損傷が回避できる。また、形成されたラジカルは被処理基板Wの表面に沿って径方向に流れ、速やかに排気されるため、ラジカルの再結合が抑制され、効率的で非常に一様な基板処理が、550°C以下の低温において可能になる。
【0019】
図2(A)〜(C)は、図1の基板処理装置10を使った本発明の第1実施例による基板処理プロセスを示す。
【0020】
図2(A)を参照するに、シリコン基板21を前記被処理基板Wとして前記基板処理装置10の処理容器11中に導入し、ガスリングからKrあるいはAr,あるいはHeと酸素の混合ガスを導入し、これをマイクロ波プラズマ励起することにより原子状酸素O*を形成する。かかる原子状酸素O*により前記シリコン基板21の表面を処理することにより、図2(B)に示すように、シリコン基板21の表面にシリコン酸化膜22を形成する。このようにして形成されたシリコン酸化膜22は、400℃程度の非常に低い基板温度で形成されたにもかかわらず、1000℃以上の高温で形成された熱酸化膜に匹敵するリーク電流特性を有する。あるいは、前記シリコン酸化膜22は熱酸化膜あるいは化学酸化膜あるいは自然酸化膜であってもよい。
【0021】
次に図2(C)の工程において、図1の処理容器11中にArと窒素の混合ガスを供給し、基板温度を400℃に設定してマイクロ波を供給することによりプラズマを励起する。
【0022】
図2(C)の工程では、処理容器11の内圧を7Paに設定し、Arガスを例えば1000SCCMの流量で、また窒素ガスを例えば40SCCMの流量で供給し、さらに2.45GHzのマイクロ波を1500Wの電力で供給する。その際、前記シャワープレート14と被処理基板Wとの間隔は、例えば105mmに設定される。その結果、前記シリコン酸化膜22の表面が窒素ラジカルによる窒化処理を受け、シリコン酸窒化膜22Aに変換される。
【0023】
図2(C)の工程は20秒間以上、例えば40秒間継続され、その結果、前記シリコン窒化膜22Aは成長し、ターンアラウンド点を過ぎるとシリコン窒化膜22Aの下のシリコン酸化膜22中の酸素がシリコン基板21中に侵入を開始する。
【0024】
図3(A)〜(C)は、ターンアラウンド点の前後におけるシリコン酸化膜22およびシリコン窒化膜22Aの様子を概略的に示す。
【0025】
図3(A)〜(C)を参照するに、図3(A)は図2(B)の工程に対応しており、シリコン基板21上にシリコン酸化膜22が形成された状態を示しているが、図3(B)は図2(C)の工程の初期の状態に対応し、前記シリコン酸化膜22の表面が窒化され、薄いシリコン窒化膜22Aが形成されている。
【0026】
これに対し、図3(C)は、ターンアラウンド点を超えた図2(C)の工程の後期の状態に対応し、シリコン窒化膜22Aの成長に伴って、シリコン酸化膜22中の酸素がシリコン基板21中に侵入し、見かけ上、シリコン酸化膜22がシリコン基板21中にシフトしたような状態になっている。図3(B)および3(C)中、Aは当初のシリコン酸化膜22とシリコン基板21との境界面を示す。
【0027】
勿論、図3(C)の状態ではシリコン酸化膜22とシリコン基板21との間には図3(B)のような明確で平坦な境界面は形成されず、多数のシリコンダングリングボンドが形成されていると考えられる。このようなダングリングボンドが存在すると膜の電気的特性は変化し、従ってこのようなMOSトランジスタを形成した場合、トランジスタのしきい値電圧に変化が生じてしまう。
【0028】
そこで、本発明では図2(D)の工程において、図2(A)の工程と同様なArガスと酸素ガスの混合ガスプラズマを形成し、原子状酸素O*を励起する。
【0029】
このようにして励起された原子状酸素O*は、通常の酸素分子O2と異なり、シリコン酸窒化膜22A中を自由に通過することが可能で、容易にシリコン酸窒化膜22Aの下のシリコン酸化膜22、さらにシリコン酸化膜22とシリコン基板との界面近傍に到達し、ダングリングボンドを終端する。その結果、図2(D)のO2ラジカル処理を行った場合、シリコン酸化膜22にターンアラウンド点を超えたプラズマ窒化処理を行って生じた特性の劣化を回復させることが可能になる。
【0030】
図4は、このようにしてシリコン酸化膜に窒化処理およびO2ラジカル処理を行って得られた絶縁膜のリーク電流特性Jgと酸化膜換算膜厚Teqとの関係を示す。
【0031】
図4を参照するに、シリコン酸化膜22は当初(t1=0sec)1.85nmの膜厚を有しているが、前記窒化処理を10秒間行い(t2=10sec)、シリコン窒化膜22Aを形成することで酸化膜換算膜厚Teqが約1.65nmまで減少するのがわかる。またその際のリーク電流値Jgは、厚さが1.65nmのシリコン酸化に対して予期される値の半分程度に減少している。同様に、前記窒化処理を20秒間行った場合(t3=20sec)、シリコン酸化膜22とシリコン窒化膜22Aとを含む絶縁膜全体の酸化膜換算膜厚Teqはさらに減少し、しかもリーク電流Jgはほとんど増大しないことがわかる。一方、前記窒化処理を40秒間継続した場合には(t4=40sec)、酸化膜換算膜厚Teqはさらに減少し、1.5nmに近づくのがわかる。この状態ではシリコン酸化膜22中の酸素がSi基板21中に侵入し始めており、シリコン酸化膜22とシリコン窒化膜22Aの合計の物理膜厚が増大し始める。これに伴い、図4中に破線の矢印で示すように、膜22と22A全体の換算膜厚も増加に転じる。
【0032】
これに対し、フラットバンド電圧と酸化膜換算膜厚Teqとの関係を示す図5を参照するに、図2(C)の窒化処理時間が10秒(t2=10sec)までは、前記シリコン酸窒化膜22A上にポリシリコンゲート電極を形成したMOS構造のフラットバンド電圧は約−0.79Vでほとんど変化しないのに対し、窒化処理時間が20秒(t3=20sec)になるとやや変化し、さらに窒化を行い窒化処理時間が40秒(t4=40sec)に達すると、−0.807Vまで急変することがわかる。これは先の図3(C)に示したターンアラウンドの効果であり、シリコン基板21中にシリコン酸化膜22中の酸素が侵入をはじめたことを意味している。
【0033】
図5はまた、前記窒化処理を40秒間行ったターンアラウンド点を超えた試料に対して図2(D)の酸素ラジカル処理を10秒間行った場合のフラットバンド電圧を▲で示す。ただしこの酸素ラジカル処理は、130Paの処理圧力下、基板温度を400℃に設定し、Arガスおよび酸素ガスをそれぞれ2000SCCMおよび200SCCMの流量で供給し、2.45GHzのマイクロ波を2000Wの電力で供給することにより実行している。またシャワープレート14と被処理基板Wの間隔は105mmに設定している。
【0034】
図5を参照するに、ターンアラウンド点を超えた試料に対してこのような酸素ラジカル処理を行うことにより、フラットバンド電圧が、当初の−0.79Vに近い−0.793V程度まで回復するのがわかる。
【0035】
このようにして図2(D)の酸素ラジカル処理を行った酸窒化膜では、図4よりわかるように熱酸化膜換算膜厚が当初の場合よりも多少増大するが、膜中に窒素を導入した効果として、リーク電流の値が当初の酸化膜のものよりも改善されている。
[第2実施例]
図6(A)〜(C)は、本発明の第2実施例による基板処理プロセスを示す。ただし図中、先に説明した部分には同一の参照符号を付し、説明を省略する。
【0036】
図6(A)を参照するに、Si基板21の表面には自然酸化膜32が形成されており、図6(B)の工程においてArガスと窒素ガスの混合ガス中にプラズマを励起し、プラズマ励起に伴って形成された窒素ラジカルN*により、前記自然酸化膜32の表面を窒化処理する。その結果、前記自然酸化膜32は酸窒化膜32Aに変換される。
【0037】
本実施例では、さらに図6(C)の工程において処理容器11中にさらに酸素ガスを導入し、励起された原子状酸素O*により、酸窒化膜32Aを処理する。
【0038】
このようにして形成された原子状酸素O*は、酸素分子と異なり、酸窒化膜32A中に容易に侵入でき、Si基板21と酸窒化膜32Aとの界面に到達してSiのダングリングボンドを効果的に終端する。
【0039】
本実施例では、図6(A)の段階でシリコン基板21表面の酸化膜32として非常に薄い自然酸化膜を使うことにより、リーク電流Jgが図7中曲線2で示すように変化し、図6(C)の酸素ラジカル処理を行った終状態(図中▲で示す)における熱酸化膜換算膜厚Eot2が、図4に対応する曲線1の場合の熱酸化膜換算膜厚Eot1よりも実質的に小さくなる。
【0040】
なお、本実施例においては図6(A)の段階での酸化膜32の膜厚が小さいことが肝要で、前記酸化膜32としては自然酸化膜のみならず、化学酸化膜や、膜厚が1nm以下、好ましくは0.8nm以下、さらに好ましくは0.6nm以下の酸化膜であってもよい。
【0041】
以上、本発明を好ましい実施例について説明したが、本発明は上記の課題に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した要旨内において様々な変形・変更が可能である。
【0042】
【発明の効果】
本発明によれば、酸化膜の窒化処理に引き続いて形成された酸窒化膜に対して酸素ラジカル処理を行うことにより、酸窒化膜とシリコン基板の界面におけるダングリングボンド等の欠陥を解消することが可能になる。特に、酸窒化膜をターンアラウンドポイントを超えて形成した場合でも、かかる酸素ラジカル処理を行うことにより、かかる窒化膜の使用に伴うMOSトランジスタのフラットバンド電圧およびしきい値電圧の変動が回復される。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明で使われる基板処理装置の構成を示す図である。
【図2】(A)〜(D)は、本発明第1実施例による基板処理工程を示す図である。
【図3】(A)〜(D)は、本発明第1実施例の基板処理工程の一部を拡大して示す概略図である。
【図4】本発明第1実施例の効果を説明する図である。
【図5】本発明第1実施例の効果を説明する図である。
【図6】(A)〜(C)は、本発明の第2実施例による基板処理工程を示す図である。
【図7】本発明第2実施例の効果を説明する図である。
【符号の説明】
10 基板処理装置
11 処理室
12 基板保持台
13 カバープレート
15 アンテナ
21 シリコン基板
22,32 酸化膜
22A,32A 酸窒化膜
【発明の属する技術分野】
本発明は一般に基板処理技術に係り、特に基板上に誘電体膜を形成する基板処理方法に関する。
【0002】
微細化技術の進展により、今日では0.1μmを切るゲート長の超微細化半導体装置の製造が可能になりつつある。
【0003】
かかる超微細化半導体装置において、ゲート長の短縮に伴って半導体装置の動作速度を向上させようとすると、ゲート絶縁膜の厚さをスケーリング則に従って減少させる必要がある。例えばゲート絶縁膜として従来の熱酸化膜を使った場合、ゲート絶縁膜の厚さを従来の1.7nm以下に減少させる必要がある。しかし、酸化膜の厚さをこのように減少させると、トンネル効果により酸化膜を通って流れるゲートリーク電流が増大してしまう。
【0004】
このため、従来より、ゲート絶縁膜として従来のシリコン酸化膜の代わりにTa2O5あるいはZrO2などの高誘電体膜を使うことが検討されている。しかし、これらの高誘電体膜は半導体技術において従来から使われてきているシリコン酸化膜とは性質が大きく異なっており、これらの高誘電体膜をゲート絶縁膜として使うためには、解決しなければならない課題が数多く残っている。
【0005】
これに対し、シリコン窒化膜は従来の半導体プロセスで使われてきた材料であり、しかもシリコン酸化膜の2倍の比誘電率を有するため、次世代の高速半導体装置のゲート絶縁膜として有望な材料である。
【0006】
【従来の技術】
従来より、シリコン窒化膜は層間絶縁膜上にプラズマCVD法により形成されるのが一般的であった。しかし、このようなCVD窒化膜は一般にリーク電流が大きく、ゲート絶縁膜としては不適当であった。このため、従来より窒化膜をゲート電極に使う試みはなされていない。
【0007】
これに対し、最近ではマイクロ波励起されたArあるいはKrのような希ガスプラズマ中に窒素あるいは窒素と水素、あるいはNH3ガスのような窒素を含んだガスを導入し、NラジカルあるいはNHラジカルを発生させ、シリコン酸化膜表面を窒化処理により酸窒化膜に変換する技術が提案されている。このようにして形成された窒化膜は、熱酸化膜に匹敵する、あるいはそれを凌ぐリーク電流特性を有し、次世代高速半導体装置のゲート絶縁膜として有望であると考えられている。また、シリコン基板表面をかかるマイクロ波プラズマにより直接に窒化する技術も提案されている。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、このようにシリコン基板上に形成されたシリコン酸化膜表面をマイクロ波励起された窒化水素ラジカルNH*あるいは窒素ラジカルN*により改質する場合、初めはシリコン酸化膜表面がシリコン窒化膜に変換されるのに伴い、膜全体の換算膜厚が減少し、またリーク電流値も、同じ換算膜厚のシリコン酸化膜に比べて減少するが、ある時点を越えると逆に膜全体の換算膜厚が増加するターンアラウンドと呼ばれる現象が発生する。
【0009】
このようなターンアラウンド現象が発生すると、MOSトランジスタのフラットバンド電圧、従ってしきい値電圧が変化してしまい、所望のトランジスタ特性は得られない。
【0010】
そこで、本発明は上記の課題を解決した、新規で有用な基板処理方法を提供することを概括的課題とする。
【0011】
本発明のより具体的な課題は、シリコン基板表面に、あるいはシリコン基板上の酸化膜表面にプラズマ窒化処理により酸窒化膜を形成する際に、ターンアラウンド後に生じる電気特性の劣化を回復することのできる基板処理方法を提供することにある。
【0012】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記の課題を、
請求項1に記載したように、
シリコン基板上の酸化膜表面を、窒素ラジカルを供給することにより窒化し、酸窒化膜を形成する工程と、
前記酸窒化膜を形成する工程の後、前記酸窒化膜表面に酸素ラジカルを供給する工程とよりなることを特徴とする基板処理方法により、または
請求項2に記載したように、
前記窒素ラジカルは、不活性ガスと窒素ガスの混合ガス中にプラズマを励起することにより形成されることを特徴とする請求項1記載の基板処理方法により、または
請求項3に記載したように、
前記プラズマはマイクロ波により励起されることを特徴とする請求項2記載の基板処理方法により、または
請求項4に記載したように、
前記水素ラジカルは、不活性ガスと酸素ガスの混合ガス中にプラズマを励起することにより形成されることを特徴とする請求項2または3記載の基板処理方法により、または
請求項5に記載したように、
前記酸窒化膜形成工程の後、前記プラズマの励起はいったん中断され、前記酸素ラジカルは、不活性ガスと酸素ガスの混合ガス中にマイクロ波プラズマを再び励起することにより形成されることを特徴とする請求項2記載の基板処理方法により、または
請求項6に記載したように、
前記酸化膜は、前記シリコン基板表面上の自然酸化膜であることを特徴とする請求項1〜5のうち、いずれか一項記載の基板処理方法により、または
請求項7に記載したように、
前記酸化膜は、前記シリコン基板表面に形成された化学酸化膜であることを特徴とする請求項1〜5のうち、いずれか一項記載の基板処理方法により、解決する。
[作用]
本発明によれば、酸化膜を窒素ラジカルにより窒化処理した結果、先に説明したターンアラウンド現象が生じSi基板表面と酸窒化膜との間の界面が劣化した場合でも、酸素ラジカル処理を行うことにより、フラットバンド電圧等の電気特性が回復する。これは、酸素ラジカルがシリコン基板/酸窒化膜界面にまで到達し、シリコン基板と酸窒化膜との界面領域のダングリングボンド等の欠陥を終端することによるものと考えられる。このような酸素ラジカル処理により、形成された酸窒化膜には増膜が生じるが、窒化処理当初の酸化膜としてシリコン基板表面に存在する自然酸化膜あるいは化学酸化膜を使うことにより、形成された酸窒化膜の膜厚を最小限に止めることが可能である。
【0013】
【発明の実施の形態】
[第1実施例]
図1は、本発明で使われるプラズマ基板処理装置10の概略的構成を示す。
【0014】
図1を参照するに、プラズマ基板処理装置10は被処理基板Wを保持する基板保持台12が形成された処理容器11を有し、処理容器11は排気ポート11Aにおいて排気される。
【0015】
前記処理容器11上には前記基板保持台12上の被処理基板Wに対応して開口部が形成されており、前記開口部は、石英等の低損失セラミックよりなるカバープレート13により塞がれている。
【0016】
前記カバープレート13はマイクロ波窓を形成し、前記カバープレート13の外側には、ラジアルラインスロットアンテナあるいはホーンアンテナ等のマイクロ波アンテナ15が形成されている。
【0017】
動作時には、前記処理容器11内部の処理空間は前記排気ポート11Aを介して排気することにより所定の処理圧に設定され、前記シャワープレート14からArやKr等の不活性ガスと共に酸化ガスや窒化ガスが導入される。
【0018】
さらに前記アンテナ15から周波数が数GHzのマイクロ波を導入することにより、前記処理容器11中において被処理基板Wの表面に高密度マイクロ波プラズマを励起する。プラズマをマイクロ波により励起することにより、図1の基板処理装置ではプラズマの電子温度が低く、被処理基板Wや処理容器11内壁の損傷が回避できる。また、形成されたラジカルは被処理基板Wの表面に沿って径方向に流れ、速やかに排気されるため、ラジカルの再結合が抑制され、効率的で非常に一様な基板処理が、550°C以下の低温において可能になる。
【0019】
図2(A)〜(C)は、図1の基板処理装置10を使った本発明の第1実施例による基板処理プロセスを示す。
【0020】
図2(A)を参照するに、シリコン基板21を前記被処理基板Wとして前記基板処理装置10の処理容器11中に導入し、ガスリングからKrあるいはAr,あるいはHeと酸素の混合ガスを導入し、これをマイクロ波プラズマ励起することにより原子状酸素O*を形成する。かかる原子状酸素O*により前記シリコン基板21の表面を処理することにより、図2(B)に示すように、シリコン基板21の表面にシリコン酸化膜22を形成する。このようにして形成されたシリコン酸化膜22は、400℃程度の非常に低い基板温度で形成されたにもかかわらず、1000℃以上の高温で形成された熱酸化膜に匹敵するリーク電流特性を有する。あるいは、前記シリコン酸化膜22は熱酸化膜あるいは化学酸化膜あるいは自然酸化膜であってもよい。
【0021】
次に図2(C)の工程において、図1の処理容器11中にArと窒素の混合ガスを供給し、基板温度を400℃に設定してマイクロ波を供給することによりプラズマを励起する。
【0022】
図2(C)の工程では、処理容器11の内圧を7Paに設定し、Arガスを例えば1000SCCMの流量で、また窒素ガスを例えば40SCCMの流量で供給し、さらに2.45GHzのマイクロ波を1500Wの電力で供給する。その際、前記シャワープレート14と被処理基板Wとの間隔は、例えば105mmに設定される。その結果、前記シリコン酸化膜22の表面が窒素ラジカルによる窒化処理を受け、シリコン酸窒化膜22Aに変換される。
【0023】
図2(C)の工程は20秒間以上、例えば40秒間継続され、その結果、前記シリコン窒化膜22Aは成長し、ターンアラウンド点を過ぎるとシリコン窒化膜22Aの下のシリコン酸化膜22中の酸素がシリコン基板21中に侵入を開始する。
【0024】
図3(A)〜(C)は、ターンアラウンド点の前後におけるシリコン酸化膜22およびシリコン窒化膜22Aの様子を概略的に示す。
【0025】
図3(A)〜(C)を参照するに、図3(A)は図2(B)の工程に対応しており、シリコン基板21上にシリコン酸化膜22が形成された状態を示しているが、図3(B)は図2(C)の工程の初期の状態に対応し、前記シリコン酸化膜22の表面が窒化され、薄いシリコン窒化膜22Aが形成されている。
【0026】
これに対し、図3(C)は、ターンアラウンド点を超えた図2(C)の工程の後期の状態に対応し、シリコン窒化膜22Aの成長に伴って、シリコン酸化膜22中の酸素がシリコン基板21中に侵入し、見かけ上、シリコン酸化膜22がシリコン基板21中にシフトしたような状態になっている。図3(B)および3(C)中、Aは当初のシリコン酸化膜22とシリコン基板21との境界面を示す。
【0027】
勿論、図3(C)の状態ではシリコン酸化膜22とシリコン基板21との間には図3(B)のような明確で平坦な境界面は形成されず、多数のシリコンダングリングボンドが形成されていると考えられる。このようなダングリングボンドが存在すると膜の電気的特性は変化し、従ってこのようなMOSトランジスタを形成した場合、トランジスタのしきい値電圧に変化が生じてしまう。
【0028】
そこで、本発明では図2(D)の工程において、図2(A)の工程と同様なArガスと酸素ガスの混合ガスプラズマを形成し、原子状酸素O*を励起する。
【0029】
このようにして励起された原子状酸素O*は、通常の酸素分子O2と異なり、シリコン酸窒化膜22A中を自由に通過することが可能で、容易にシリコン酸窒化膜22Aの下のシリコン酸化膜22、さらにシリコン酸化膜22とシリコン基板との界面近傍に到達し、ダングリングボンドを終端する。その結果、図2(D)のO2ラジカル処理を行った場合、シリコン酸化膜22にターンアラウンド点を超えたプラズマ窒化処理を行って生じた特性の劣化を回復させることが可能になる。
【0030】
図4は、このようにしてシリコン酸化膜に窒化処理およびO2ラジカル処理を行って得られた絶縁膜のリーク電流特性Jgと酸化膜換算膜厚Teqとの関係を示す。
【0031】
図4を参照するに、シリコン酸化膜22は当初(t1=0sec)1.85nmの膜厚を有しているが、前記窒化処理を10秒間行い(t2=10sec)、シリコン窒化膜22Aを形成することで酸化膜換算膜厚Teqが約1.65nmまで減少するのがわかる。またその際のリーク電流値Jgは、厚さが1.65nmのシリコン酸化に対して予期される値の半分程度に減少している。同様に、前記窒化処理を20秒間行った場合(t3=20sec)、シリコン酸化膜22とシリコン窒化膜22Aとを含む絶縁膜全体の酸化膜換算膜厚Teqはさらに減少し、しかもリーク電流Jgはほとんど増大しないことがわかる。一方、前記窒化処理を40秒間継続した場合には(t4=40sec)、酸化膜換算膜厚Teqはさらに減少し、1.5nmに近づくのがわかる。この状態ではシリコン酸化膜22中の酸素がSi基板21中に侵入し始めており、シリコン酸化膜22とシリコン窒化膜22Aの合計の物理膜厚が増大し始める。これに伴い、図4中に破線の矢印で示すように、膜22と22A全体の換算膜厚も増加に転じる。
【0032】
これに対し、フラットバンド電圧と酸化膜換算膜厚Teqとの関係を示す図5を参照するに、図2(C)の窒化処理時間が10秒(t2=10sec)までは、前記シリコン酸窒化膜22A上にポリシリコンゲート電極を形成したMOS構造のフラットバンド電圧は約−0.79Vでほとんど変化しないのに対し、窒化処理時間が20秒(t3=20sec)になるとやや変化し、さらに窒化を行い窒化処理時間が40秒(t4=40sec)に達すると、−0.807Vまで急変することがわかる。これは先の図3(C)に示したターンアラウンドの効果であり、シリコン基板21中にシリコン酸化膜22中の酸素が侵入をはじめたことを意味している。
【0033】
図5はまた、前記窒化処理を40秒間行ったターンアラウンド点を超えた試料に対して図2(D)の酸素ラジカル処理を10秒間行った場合のフラットバンド電圧を▲で示す。ただしこの酸素ラジカル処理は、130Paの処理圧力下、基板温度を400℃に設定し、Arガスおよび酸素ガスをそれぞれ2000SCCMおよび200SCCMの流量で供給し、2.45GHzのマイクロ波を2000Wの電力で供給することにより実行している。またシャワープレート14と被処理基板Wの間隔は105mmに設定している。
【0034】
図5を参照するに、ターンアラウンド点を超えた試料に対してこのような酸素ラジカル処理を行うことにより、フラットバンド電圧が、当初の−0.79Vに近い−0.793V程度まで回復するのがわかる。
【0035】
このようにして図2(D)の酸素ラジカル処理を行った酸窒化膜では、図4よりわかるように熱酸化膜換算膜厚が当初の場合よりも多少増大するが、膜中に窒素を導入した効果として、リーク電流の値が当初の酸化膜のものよりも改善されている。
[第2実施例]
図6(A)〜(C)は、本発明の第2実施例による基板処理プロセスを示す。ただし図中、先に説明した部分には同一の参照符号を付し、説明を省略する。
【0036】
図6(A)を参照するに、Si基板21の表面には自然酸化膜32が形成されており、図6(B)の工程においてArガスと窒素ガスの混合ガス中にプラズマを励起し、プラズマ励起に伴って形成された窒素ラジカルN*により、前記自然酸化膜32の表面を窒化処理する。その結果、前記自然酸化膜32は酸窒化膜32Aに変換される。
【0037】
本実施例では、さらに図6(C)の工程において処理容器11中にさらに酸素ガスを導入し、励起された原子状酸素O*により、酸窒化膜32Aを処理する。
【0038】
このようにして形成された原子状酸素O*は、酸素分子と異なり、酸窒化膜32A中に容易に侵入でき、Si基板21と酸窒化膜32Aとの界面に到達してSiのダングリングボンドを効果的に終端する。
【0039】
本実施例では、図6(A)の段階でシリコン基板21表面の酸化膜32として非常に薄い自然酸化膜を使うことにより、リーク電流Jgが図7中曲線2で示すように変化し、図6(C)の酸素ラジカル処理を行った終状態(図中▲で示す)における熱酸化膜換算膜厚Eot2が、図4に対応する曲線1の場合の熱酸化膜換算膜厚Eot1よりも実質的に小さくなる。
【0040】
なお、本実施例においては図6(A)の段階での酸化膜32の膜厚が小さいことが肝要で、前記酸化膜32としては自然酸化膜のみならず、化学酸化膜や、膜厚が1nm以下、好ましくは0.8nm以下、さらに好ましくは0.6nm以下の酸化膜であってもよい。
【0041】
以上、本発明を好ましい実施例について説明したが、本発明は上記の課題に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した要旨内において様々な変形・変更が可能である。
【0042】
【発明の効果】
本発明によれば、酸化膜の窒化処理に引き続いて形成された酸窒化膜に対して酸素ラジカル処理を行うことにより、酸窒化膜とシリコン基板の界面におけるダングリングボンド等の欠陥を解消することが可能になる。特に、酸窒化膜をターンアラウンドポイントを超えて形成した場合でも、かかる酸素ラジカル処理を行うことにより、かかる窒化膜の使用に伴うMOSトランジスタのフラットバンド電圧およびしきい値電圧の変動が回復される。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明で使われる基板処理装置の構成を示す図である。
【図2】(A)〜(D)は、本発明第1実施例による基板処理工程を示す図である。
【図3】(A)〜(D)は、本発明第1実施例の基板処理工程の一部を拡大して示す概略図である。
【図4】本発明第1実施例の効果を説明する図である。
【図5】本発明第1実施例の効果を説明する図である。
【図6】(A)〜(C)は、本発明の第2実施例による基板処理工程を示す図である。
【図7】本発明第2実施例の効果を説明する図である。
【符号の説明】
10 基板処理装置
11 処理室
12 基板保持台
13 カバープレート
15 アンテナ
21 シリコン基板
22,32 酸化膜
22A,32A 酸窒化膜
Claims (7)
- シリコン基板上の酸化膜表面を、窒素ラジカルを供給することにより窒化し、酸窒化膜を形成する工程と、
前記酸窒化膜を形成する工程の後、前記酸窒化膜表面に酸素ラジカルを供給する工程とよりなることを特徴とする基板処理方法。 - 前記窒素ラジカルは、不活性ガスと窒素ガスの混合ガス中にプラズマを励起することにより形成されることを特徴とする請求項1記載の基板処理方法。
- 前記プラズマはマイクロ波により励起されることを特徴とする請求項2記載の基板処理方法。
- 前記酸素ラジカルは、前記不活性ガスと酸素ガスの混合ガス中にプラズマを励起することにより形成されることを特徴とする請求項2または3記載の基板処理方法。
- 前記酸窒化膜形成工程の後、前記プラズマの励起はいったん中断され、前記酸素ラジカルは、不活性ガスと酸素ガスの混合ガス中にマイクロ波プラズマを再び励起することにより形成されることを特徴とする請求項2記載の基板処理方法。
- 前記酸化膜は、前記シリコン基板表面上の自然酸化膜であることを特徴とする請求項1〜5のうち、いずれか一項記載の基板処理方法。
- 前記酸化膜は、前記シリコン基板表面に形成された化学酸化膜であることを特徴とする請求項1〜5のうち、いずれか一項記載の基板処理方法。
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