JP4522916B2 - Plasma nitriding method, control program, computer storage medium, and plasma processing apparatus - Google Patents

Description

本発明は、プラズマを用いてシリコンの窒化を行うプラズマ窒化処理方法、このプラズマ窒化処理方法が行われるようにプラズマ処理装置を制御する制御プログラム、コンピュータ記憶媒体、およびプラズマ処理装置に関する。
The present invention relates to a plasma nitriding method for nitriding silicon using plasma, a control program for controlling the plasma processing apparatus so that the plasma nitriding method is performed, a computer storage medium, and a plasma processing apparatus .

各種半導体装置の製造においては、電極として機能するポリシリコンを窒化処理するシリコン窒化工程が行なわれる。例えばＤＲＡＭ（ダイナミックランダムアクセスメモリ）に組込まれるＭＩＳ(Metal Insulator Silicon)型のキャパシタでは、Ｈｉｇｈ−ｋ膜（高誘電率膜）を形成する前に、耐酸化性を向上させる目的で下部電極であるポリシリコンを窒化し、シリコン窒化膜を形成する工程が設けられている。これは、Ｈｉｇｈ−ｋ膜の改質や結晶化のためのアニールの際に下地のポリシリコン電極表面が酸化されるとキャパシタンスが低下するため、事前にポリシリコン表面を窒化しておくことが目的である。   In the manufacture of various semiconductor devices, a silicon nitriding process is performed in which polysilicon functioning as an electrode is nitrided. For example, a MIS (Metal Insulator Silicon) type capacitor incorporated in a DRAM (Dynamic Random Access Memory) is a lower electrode for the purpose of improving oxidation resistance before forming a High-k film (high dielectric constant film). A step of nitriding polysilicon to form a silicon nitride film is provided. The purpose of this is to nitride the polysilicon surface in advance because the capacitance decreases when the surface of the underlying polysilicon electrode is oxidized during annealing for reforming or crystallizing the High-k film. It is.

上記ＭＩＳ型キャパシタなどを製造する際のシリコン窒化膜の形成には、従来、ＲＴＮ（Rapid Thermal Nitridation）などの熱窒化法が採用されてきた（例えば、特許文献１）。しかし、熱窒化法は、ＮＨ_３ガス雰囲気中で、８００℃〜１１００℃の高温で処理するため、ポリシリコンの窒化量を制御することが難しく、また、ゲート絶縁膜の劣化など膜への熱ダメージを伴う。そのため、近年では、熱負荷を軽減すべく低温成膜の要請が高まっており、熱窒化法に換えて、低温での処理が可能なプラズマを用いたプラズマ窒化方法が提案されている（例えば、特許文献２）。
特開平７−２２１２０１号公報（段落００１３など） 特開２００４−２１４６５５号公報（請求項７など） Conventionally, thermal nitridation methods such as RTN (Rapid Thermal Nitridation) have been employed for forming a silicon nitride film when manufacturing the MIS type capacitor or the like (for example, Patent Document 1). However, since the thermal nitriding method is performed at a high temperature of 800 ° C. to 1100 ° C. in an NH ₃ gas atmosphere, it is difficult to control the amount of nitridation of polysilicon, and the heat to the film such as deterioration of the gate insulating film With damage. Therefore, in recent years, there is an increasing demand for low-temperature film formation to reduce the thermal load, and a plasma nitriding method using plasma that can be processed at a low temperature is proposed instead of the thermal nitriding method (for example, Patent Document 2).
JP-A-7-221201 (paragraph 0013, etc.) JP 2004-214655 A (Claim 7 etc.)

上記特許文献２などのプラズマを用いた窒化処理の場合、低温（例えば４００℃〜５００℃程度）で処理が可能であるため、熱窒化法の問題の多くが解決される。また、前記特許文献２のプラズマ処理の場合に特有の課題として、被処理体表面のシリコンの形状によっては、一様な窒化膜を形成することが難しいという問題がある。例えば、ＤＲＡＭにおいては、キャパシタの蓄積電荷を増やすために電極面積を拡大しようとする要請と、集積度を高め大記憶容量化を図るためにメモリセルを小型化しようとする要請と、を両立させるため、キャパシタを例えばトレンチ構造にして電極面積を増大させている場合がある。このようなトレンチ構造のキャパシタでは、十分な蓄積電荷を確保するために、非常に深く、縦横のアスペクト比が大きなトレンチが必要になる。   In the case of the nitriding treatment using plasma as described in Patent Document 2 and the like, since the treatment can be performed at a low temperature (for example, about 400 ° C. to 500 ° C.), many problems of the thermal nitriding method are solved. Further, as a problem peculiar to the case of the plasma processing of Patent Document 2, there is a problem that it is difficult to form a uniform nitride film depending on the shape of silicon on the surface of the object to be processed. For example, in a DRAM, both a request to increase the electrode area in order to increase the accumulated charge of the capacitor and a request to reduce the size of the memory cell in order to increase the degree of integration and increase the storage capacity are compatible. Therefore, there are cases where the capacitor has a trench structure, for example, to increase the electrode area. In such a capacitor having a trench structure, in order to secure a sufficient accumulated charge, a very deep trench having a large aspect ratio is required.

ところが、トレンチ構造のＭＩＳ型キャパシタの製造過程でポリシリコン電極をプラズマ窒化すると、トレンチが高アスペクト比であればあるほど、トレンチの部位、例えば上部と下部（溝の底付近）とで窒化の程度に差が生じてしまうという課題があった。この原因は活性種である窒素ラジカルや窒素イオンが、高アスペクト比の溝の底部に到達する前に失活してしまうためであると考えられる。   However, when the polysilicon electrode is plasma-nitrided during the manufacturing process of the MIS type capacitor having the trench structure, the higher the aspect ratio of the trench, the higher the aspect ratio of nitriding at the trench part, for example, the upper part and the lower part (near the bottom of the groove). There was a problem that a difference would occur. This is considered to be because nitrogen radicals and nitrogen ions, which are active species, are deactivated before reaching the bottom of the high aspect ratio groove.

本発明の目的は、高アスペクト比のトレンチ構造を有するポリシリコンに対し、プラズマを用いて均一な窒化処理を行なうことが可能なプラズマ窒化処理方法を提供することにある。   An object of the present invention is to provide a plasma nitriding method capable of performing uniform nitriding treatment using plasma on polysilicon having a trench structure with a high aspect ratio.

上記課題を解決するため、本発明は以下の（１）〜（５）に存する。
（１） 被処理体表面に露出したポリシリコン膜を窒素含有プラズマにより窒化するプラズマ窒化処理方法であって、
前記窒素含有プラズマは少なくとも５％以上の窒素を含む、前記窒素ガスと希ガスとを含むガスにより生成されるプラズマであり、
複数のスロットを有する平面アンテナにて処理室内にマイクロ波を導入してプラズマを発生させるプラズマ処理装置により、１３３．３Ｐａ〜６６６．５Ｐａの処理圧力、前記窒素ガスの流量を１０〜５００ｍｌ／ｍｉｎ、前記希ガスの流量を１〜５０００ｍｌ／ｍｉｎ、処理温度を２５０℃〜８００℃として、深さと開口幅との比（深さ／開口幅）が１０〜５０である凹部を有する形状の前記ポリシリコン膜をプラズマ窒化処理し、前記ポリシリコン膜に、膜厚が０．５〜３ｎｍである窒化膜を形成することを特徴とする、プラズマ窒化処理方法。
In order to solve the above problems, the present invention resides in the following (1) to (5) .
(1) A plasma nitriding method for nitriding a polysilicon film exposed on a surface of an object to be processed with nitrogen-containing plasma,
The nitrogen-containing plasma is a plasma generated by a gas containing at least 5% nitrogen and containing the nitrogen gas and a rare gas,
A plasma processing apparatus for generating a plasma by introducing microwaves into a processing chamber with a planar antenna having a plurality of slots, a processing pressure of 133.3 Pa to 666.5 Pa, and a flow rate of the nitrogen gas of 10 to 500 ml / min, the flow rate of the rare gas is 1 to 5000 ml / min , the processing temperature is 250 ° C. to 800 ° C. , and the ratio of the depth to the opening width (depth / opening width) is 10-50. A plasma nitriding method , comprising: performing a plasma nitriding process on a polysilicon film, and forming a nitride film having a thickness of 0.5 to 3 nm on the polysilicon film .

（２） 前記ポリシリコン膜が、ＭＩＳキャパシタの下部電極であることを特徴とする、上記（１）に記載のプラズマ窒化処理方法。
(2) The plasma nitriding method according to (1) , wherein the polysilicon film is a lower electrode of a MIS capacitor.

（３） コンピュータ上で動作し、実行時に、上記（１）または（２）に記載されたプラズマ窒化処理方法が行なわれるようにプラズマ処理装置を制御するものであることを特徴とする、制御プログラム。
(3) A control program that operates on a computer and controls the plasma processing apparatus so that the plasma nitriding method described in (1) or (2) is performed at the time of execution. .

（４） コンピュータ上で動作する制御プログラムが記憶されたコンピュータ記憶媒体であって、
前記制御プログラムは、実行時に、上記（１）または（２）に記載されたプラズマ窒化処理方法が行なわれるように、プラズマ処理装置を制御するものであることを特徴とする、コンピュータ記憶媒体。
(4) A computer storage medium storing a control program that runs on a computer,
A computer storage medium characterized in that the control program controls a plasma processing apparatus so that the plasma nitriding method described in (1) or (2) is performed at the time of execution.

（５） 複数のスロットを有する平面アンテナにて真空排気可能な処理室内にマイクロ波を導入してプラズマを発生させるプラズマ処理装置であって、
前記処理室内で、上記（１）または（２）に記載されたプラズマ窒化処理方法が行なわれるように制御する制御部を備えたことを特徴とする、プラズマ処理装置。
(5) A plasma processing apparatus for generating a plasma by introducing a microwave into the vacuum evacuable processing chamber through a planar antenna having a plurality of slots,
A plasma processing apparatus comprising a control unit that controls the plasma nitriding method described in (1) or (2) to be performed in the processing chamber.

本発明によれば、ポリシリコン膜の窒化において、高密度プラズマで、かつ低電子温度での処理が可能なＲＬＳＡ方式のプラズマ処理装置を使用することにより、かつ、６６．７Ｐａ〜１３３３Ｐａの処理圧力でプラズマ窒化処理を行なうことにより、特に高アスペクト比の凹部を有する形状である場合においても、形成される窒化膜厚のばらつきを解消し、半導体ウエハ面内の窒化膜厚の均一性を向上させることができる。   According to the present invention, in the nitridation of a polysilicon film, a processing pressure of 66.7 Pa to 1333 Pa is obtained by using an RLSA type plasma processing apparatus capable of processing with a high density plasma and a low electron temperature. By performing the plasma nitriding process in step 1, the variation in the formed nitride film thickness is eliminated and the uniformity of the nitride film thickness in the semiconductor wafer surface is improved even in the case of a shape having a recess having a high aspect ratio. be able to.

ＲＬＳＡ方式のプラズマ処理装置で処理圧力を制御することより、プラズマ中の活性種、例えば、ラジカルとイオンの比率を制御することができる。例えば、高圧側ではイオン比率が小さく、ラジカルの比率が高くなる。つまり、高圧側では高密度のラジカルが生成されるため、凹部の底部まで活性種であるラジカルが到達でき、凹部全体を均一に窒化できるものと考えられる。ラジカルの場合は、一旦トレンチ孔などの凹部内の壁へ衝突して窒化膜が形成されると、後から供給されるラジカルの当該窒化膜表面部位での窒化の反応確率が小さくなり、高圧と、大量のラジカルの供給によって、凹部の底部までラジカルを到達させることができるようになる。このように、高圧側では、プラズマのイオンエネルギーが減衰されるので、マイルドに作用するため、膜および基板へのダメージを低減しつつ、高アスペクト比の凹部でも均一な窒化膜を形成することができる。   By controlling the processing pressure with an RLSA type plasma processing apparatus, the ratio of active species in the plasma, for example, radicals and ions, can be controlled. For example, on the high-pressure side, the ion ratio is small and the radical ratio is high. That is, since high-density radicals are generated on the high-pressure side, radicals that are active species can reach the bottom of the recess, and the entire recess can be uniformly nitrided. In the case of radicals, once a nitride film is formed by colliding with a wall in a recess such as a trench hole, the reaction probability of nitridation at the surface of the nitride film of radicals supplied later is reduced, and high pressure and By supplying a large amount of radicals, the radicals can reach the bottom of the recess. In this way, since the ion energy of the plasma is attenuated on the high pressure side, it acts mildly, so that it is possible to form a uniform nitride film even in a high aspect ratio recess while reducing damage to the film and the substrate. it can.

そして、プラズマ窒化処理の対象が、トレンチ構造のＭＩＳ型キャパシタの下部電極としてのポリシリコン膜である場合には、予め表面を窒化処理しておくことによって、高誘電率膜（Ｈｉｇｈ−ｋ膜）の改質や結晶化のためのアニールの際にポリシリコン電極表面の酸化が抑制され、耐酸化性が向上する。従って、キャパシタンスの低下を確実に防止できるので、優れた電気的特性を有するＤＲＡＭなどの半導体装置を提供することができる。   When the object of plasma nitriding is a polysilicon film as a lower electrode of a MIS type capacitor having a trench structure, a high dielectric constant film (High-k film) is obtained by nitriding the surface in advance. Oxidation on the surface of the polysilicon electrode is suppressed during annealing for reforming and crystallization, and oxidation resistance is improved. Accordingly, since a decrease in capacitance can be reliably prevented, a semiconductor device such as a DRAM having excellent electrical characteristics can be provided.

以下、図面を参照しながら、本発明の好ましい形態について説明する。
図１は、本発明のプラズマ窒化処理方法の実施に適したプラズマ処理装置の一例を模式的に示す断面図である。このプラズマ処理装置は、複数のスロットを有する平面アンテナ、特にＲＬＳＡ（Radial Line Slot Antenna；ラジアルラインスロットアンテナ）にて処理室内にマイクロ波を導入してプラズマを発生させることにより、高密度かつ低電子温度のマイクロ波プラズマを発生させ得るＲＬＳＡマイクロ波プラズマ処理装置として構成されており、例えば、ＭＩＳ型キャパシタの製造過程で下部電極であるポリシリコン膜を窒化処理する目的で好適に用いられる。 Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing an example of a plasma processing apparatus suitable for carrying out the plasma nitriding method of the present invention. This plasma processing apparatus introduces microwaves into a processing chamber using a planar antenna having a plurality of slots, particularly an RLSA (Radial Line Slot Antenna) to generate plasma, thereby achieving high density and low electron density. It is configured as an RLSA microwave plasma processing apparatus that can generate microwave plasma at a temperature, and is suitably used for the purpose of nitriding a polysilicon film that is a lower electrode in the manufacturing process of an MIS type capacitor, for example.

このプラズマ処理装置１００は、気密に構成され、接地された略円筒状のチャンバー１を有している。チャンバー１の底壁１ａの略中央部には円形の開口部１０が形成されており、底壁１ａにはこの開口部１０と連通し、下方に向けて突出する排気室１１が設けられている。   The plasma processing apparatus 100 has a substantially cylindrical chamber 1 that is airtight and grounded. A circular opening 10 is formed at a substantially central portion of the bottom wall 1a of the chamber 1, and an exhaust chamber 11 that communicates with the opening 10 and protrudes downward is provided on the bottom wall 1a. .

チャンバー１内には被処理基板であるウエハＷを水平に支持するためのＡｌＮ等のセラミックスからなるサセプタ２が設けられている。このサセプタ２は、排気室１１の底部中央から上方に延びる円筒状のＡｌＮ等のセラミックスからなる支持部材３により支持されている。サセプタ２の外縁部にはウエハＷをガイドするためのガイドリング４が設けられている。また、サセプタ２には抵抗加熱型のヒータ５が埋め込まれており、このヒータ５はヒータ電源５ａから給電されることによりサセプタ２を加熱して、その熱で被処理体であるウエハＷを加熱する。また、載置台２には、熱電対６が配備されており、ウエハＷの加熱温度を、例えば室温から９００℃までの範囲で温度制御可能となっている。チャンバー１の内周には、石英からなる円筒状のライナー７が設けられ、チャンバー構成材料による金属汚染を防止している。また、載置台２の外周側には、チャンバー１内を均一排気するためのバッフルプレート８が環状に設けられ、このバッフルプレート８は、複数の支柱９により支持されている。   A susceptor 2 made of a ceramic such as AlN is provided in the chamber 1 for horizontally supporting a wafer W as a substrate to be processed. The susceptor 2 is supported by a support member 3 made of ceramic such as cylindrical AlN that extends upward from the center of the bottom of the exhaust chamber 11. A guide ring 4 for guiding the wafer W is provided on the outer edge of the susceptor 2. Further, a resistance heating type heater 5 is embedded in the susceptor 2, and the heater 5 is supplied with power from a heater power source 5 a to heat the susceptor 2, and the wafer W as an object to be processed is heated by the heat. To do. Further, the mounting table 2 is provided with a thermocouple 6 so that the heating temperature of the wafer W can be controlled in a range from room temperature to 900 ° C., for example. A cylindrical liner 7 made of quartz is provided on the inner periphery of the chamber 1 to prevent metal contamination by the chamber constituent material. A baffle plate 8 for uniformly exhausting the inside of the chamber 1 is provided in an annular shape on the outer peripheral side of the mounting table 2, and the baffle plate 8 is supported by a plurality of support columns 9.

サセプタ２には、ウエハＷを支持して昇降させるためのウエハ支持ピン（図示せず）がサセプタ２の表面に対して突没可能に設けられている。   The susceptor 2 is provided with wafer support pins (not shown) for supporting the wafer W and moving it up and down so as to protrude and retract with respect to the surface of the susceptor 2.

チャンバー１の側壁には環状をなすガス導入部材１５が設けられており、このガス導入部材１５にはガス供給系１６が接続されている。ガス導入部材はシャワー状に配置してもよい。このガス供給系１６は、例えばＡｒガス供給源１７およびＮ_２ガス供給源１８を有しており、これらのガスが、それぞれガスライン２０を介してガス導入部材１５に至り、ガス導入部材１５からチャンバー１内に導入される。ガスライン２０の各々には、マスフローコントローラ２１およびその前後の開閉バルブ２２が設けられている。なお、前記Ｎ_２ガスに代えて、例えばＮＨ_３ガス、Ｎ_２とＨ_２との混合ガスなどを用いることもできる。また、後述するようにＡｒガスに代えて他の希ガス、例えばＫｒ、Ｈｅ、Ｎｅ、Ｘｅなどのガスを用いてもよく、また希ガスは含まなくてもよい。 An annular gas introduction member 15 is provided on the side wall of the chamber 1, and a gas supply system 16 is connected to the gas introduction member 15. The gas introduction member may be arranged in a shower shape. The gas supply system 16 includes, for example, an Ar gas supply source 17 and an N ₂ gas supply source 18, and these gases reach the gas introduction member 15 through the gas lines 20, respectively. It is introduced into the chamber 1. Each of the gas lines 20 is provided with a mass flow controller 21 and front and rear opening / closing valves 22. In place of the N ₂ gas, for example, NH ₃ gas or a mixed gas of N ₂ and H ₂ can be used. Further, as will be described later, other rare gases such as Kr, He, Ne, and Xe may be used instead of the Ar gas, or the rare gas may not be contained.

上記排気室１１の側面には排気管２３が接続されており、この排気管２３には高速真空ポンプを含む排気装置２４が接続されている。そしてこの排気装置２４を作動させることによりチャンバー１内のガスが、排気室１１の空間１１ａ内へ均一に排出され、排気管２３を介して排気される。これによりチャンバー１内を所定の真空度、例えば０．１３３Ｐａまで高速に減圧することが可能となっている。   An exhaust pipe 23 is connected to the side surface of the exhaust chamber 11, and an exhaust device 24 including a high-speed vacuum pump is connected to the exhaust pipe 23. Then, by operating the exhaust device 24, the gas in the chamber 1 is uniformly discharged into the space 11 a of the exhaust chamber 11 and exhausted through the exhaust pipe 23. Thereby, the inside of the chamber 1 can be depressurized at a high speed to a predetermined degree of vacuum, for example, 0.133 Pa.

チャンバー１の側壁には、プラズマ処理装置１００に隣接する搬送室（図示せず）との間でウエハＷの搬入出を行うための搬入出口２５と、この搬入出口２５を開閉するゲートバルブ２６とが設けられている。   On the side wall of the chamber 1, there are a loading / unloading port 25 for loading / unloading the wafer W to / from a transfer chamber (not shown) adjacent to the plasma processing apparatus 100, and a gate valve 26 for opening / closing the loading / unloading port 25. Is provided.

チャンバー１の上部は開口部となっており、この開口部の周縁部に沿ってリング状の支持部２７が設けられている。この支持部２７に誘電体、例えば石英やＡｌ_２Ｏ_３、ＡｌＮ等のセラミックスからなり、マイクロ波を透過するマイクロ波透過板２８がシール部材２９を介して気密に設けられている。したがって、チャンバー１内は気密に保持される。 The upper portion of the chamber 1 is an opening, and a ring-shaped support portion 27 is provided along the peripheral edge of the opening. The support portion 27 is made of a dielectric material, for example, ceramics such as quartz, Al ₂ O ₃ , and AlN, and a microwave transmission plate 28 that transmits microwaves is airtightly provided through a seal member 29. Therefore, the inside of the chamber 1 is kept airtight.

マイクロ波透過板２８の上方には、サセプタ２と対向するように、円板状の平面アンテナ部材３１が設けられている。この平面アンテナ部材３１はチャンバー１の側壁上端に係止されている。平面アンテナ部材３１は、例えば表面が銀または金メッキされた銅板またはアルミニウム板からなり、多数のマイクロ波放射孔３２（スロット）が所定のパターンで貫通して形成された構成となっている。このマイクロ波放射孔３２は、例えば図２に示すように長溝状をなし、典型的には隣接するマイクロ波放射孔３２同士が「Ｔ」字状に配置され、これら複数のマイクロ波放射孔３２が同心円状に配置されている。マイクロ波放射孔３２の長さや配列間隔は、マイクロ波の波長（λｇ）に応じて決定され、例えばマイクロ波放射孔３２の間隔は、１／２λｇまたはλｇとなるように配置される。なお、図２においては、同心円状に形成された隣接するマイクロ波放射孔３２同士の間隔をΔｒで示している。また、マイクロ波放射孔３２は、円形状、円弧状等の他の形状であってもよい。さらに、マイクロ波放射孔３２の配置形態は特に限定されず、同心円状のほか、例えば、螺旋状、放射状に配置することもできる。   A disk-shaped planar antenna member 31 is provided above the microwave transmission plate 28 so as to face the susceptor 2. The planar antenna member 31 is locked to the upper end of the side wall of the chamber 1. The planar antenna member 31 is made of, for example, a copper plate or an aluminum plate whose surface is plated with silver or gold, and has a configuration in which a large number of microwave radiation holes 32 (slots) are formed in a predetermined pattern. The microwave radiation holes 32 have, for example, a long groove shape as shown in FIG. 2, and the adjacent microwave radiation holes 32 are typically arranged in a “T” shape, and the plurality of microwave radiation holes 32. Are arranged concentrically. The length and arrangement interval of the microwave radiation holes 32 are determined according to the wavelength (λg) of the microwaves. For example, the distance between the microwave radiation holes 32 is ½λg or λg. In FIG. 2, the interval between adjacent microwave radiation holes 32 formed concentrically is indicated by Δr. Further, the microwave radiation hole 32 may have another shape such as a circular shape or an arc shape. Furthermore, the arrangement | positioning form of the microwave radiation hole 32 is not specifically limited, For example, it can also arrange | position in spiral shape and radial form other than concentric form.

この平面アンテナ部材３１の上面には、真空よりも大きい誘電率を有する遅波材３３が設けられている。遅波材３３は、例えば石英、セラミックス、フッ素系樹脂などの材質で形成することができる。この遅波材３３は、真空中ではマイクロ波の波長が長くなることから、マイクロ波の波長を短くしてプラズマを調整する機能を有している。なお、平面アンテナ部材３１とマイクロ波透過板２８との間、また、遅波材３３と平面アンテナ部材３１との間は、それぞれ密着または離間させて配置することができる。   A slow wave member 33 having a dielectric constant larger than that of a vacuum is provided on the upper surface of the planar antenna member 31. The slow wave material 33 can be formed of a material such as quartz, ceramics, or fluorine resin. The slow wave material 33 has a function of adjusting the plasma by shortening the wavelength of the microwave because the wavelength of the microwave becomes longer in vacuum. It should be noted that the planar antenna member 31 and the microwave transmission plate 28 and the slow wave member 33 and the planar antenna member 31 can be disposed in close contact with or spaced apart from each other.

チャンバー１の上面には、これら平面アンテナ部材３１および遅波材３３を覆うように、例えばアルミニウムやステンレス鋼、銅等の金属材からなるシールド蓋体３４が設けられている。チャンバー１の上面とシールド蓋体３４とはシール部材３５によりシールされている。シールド蓋体３４には、冷却水流路３４ａが形成されており、そこに冷却水を通流させることにより、シールド蓋体３４、遅波材３３、平面アンテナ３１、マイクロ波透過板２８を冷却するようになっている。なお、シールド蓋体３４は接地されている。   A shield lid 34 made of a metal material such as aluminum, stainless steel, or copper is provided on the upper surface of the chamber 1 so as to cover the planar antenna member 31 and the slow wave material 33. The upper surface of the chamber 1 and the shield lid 34 are sealed by a seal member 35. A cooling water flow path 34a is formed in the shield lid 34, and the cooling lid 34, the slow wave material 33, the planar antenna 31, and the microwave transmission plate 28 are cooled by allowing cooling water to flow therethrough. It is like that. The shield lid 34 is grounded.

シールド蓋体３４の上壁の中央には開口部３６が形成されており、この開口部３６には導波管３７が接続されている。この導波管３７の端部には、マッチング回路３８を介してマイクロ波発生装置３９が接続されている。これにより、マイクロ波発生装置３９で発生した例えば周波数２．４５ＧＨｚのマイクロ波が導波管３７を介して上記平面アンテナ部材３１へ伝搬されるようになっている。なお、マイクロ波の周波数としては、８．３５ＧＨｚ、１．９８ＧＨｚ等を用いることもできる。   An opening 36 is formed at the center of the upper wall of the shield lid 34, and a waveguide 37 is connected to the opening 36. A microwave generator 39 is connected to the end of the waveguide 37 via a matching circuit 38. Thereby, for example, a microwave having a frequency of 2.45 GHz generated by the microwave generator 39 is propagated to the planar antenna member 31 through the waveguide 37. Note that the microwave frequency may be 8.35 GHz, 1.98 GHz, or the like.

導波管３７は、上記シールド蓋体３４の開口部３６から上方へ延出する断面円形状の同軸導波管３７ａと、この同軸導波管３７ａの上端部にモード変換器４０を介して接続された水平方向に延びる矩形導波管３７ｂとを有している。矩形導波管３７ｂと同軸導波管３７ａとの間のモード変換器４０は、矩形導波管３７ｂ内をＴＥモードで伝播するマイクロ波をＴＥＭモードに変換する機能を有している。同軸導波管３７ａの中心には内導体４１が延在しており、この内導体４１の下端部は、平面アンテナ部材３１の中心に接続固定されている。これにより、マイクロ波は、同軸導波管３７ａの内導体４１を介して平面アンテナ部材３１へ均一に効率よく伝播される。   The waveguide 37 is connected to a coaxial waveguide 37a having a circular cross section extending upward from the opening 36 of the shield lid 34, and a mode converter 40 to the upper end of the coaxial waveguide 37a. And a rectangular waveguide 37b extending in the horizontal direction. The mode converter 40 between the rectangular waveguide 37b and the coaxial waveguide 37a has a function of converting the microwave propagating in the TE mode in the rectangular waveguide 37b into the TEM mode. An inner conductor 41 extends in the center of the coaxial waveguide 37 a, and a lower end portion of the inner conductor 41 is connected and fixed to the center of the planar antenna member 31. Thereby, the microwave is uniformly and efficiently propagated to the planar antenna member 31 through the inner conductor 41 of the coaxial waveguide 37a.

プラズマ処理装置１００の各構成部は、ＣＰＵを備えたプロセスコントローラ５０に接続されて制御される構成となっている。プロセスコントローラ５０には、工程管理者がプラズマ処理装置１００を管理するためにコマンドの入力操作等を行うキーボードや、プラズマ処理装置１００の稼働状況を可視化して表示するディスプレイ等からなるユーザーインターフェース５１が接続されている。   Each component of the plasma processing apparatus 100 is connected to and controlled by a process controller 50 having a CPU. The process controller 50 includes a user interface 51 including a keyboard that allows a process manager to input commands to manage the plasma processing apparatus 100, a display that visualizes and displays the operating status of the plasma processing apparatus 100, and the like. It is connected.

また、プロセスコントローラ５０には、プラズマ処理装置１００で実行される各種処理をプロセスコントローラ５０の制御にて実現するための制御プログラム（ソフトウエア）や処理条件データ等が記録されたレシピが格納された記憶部５２が接続されている。   Further, the process controller 50 stores a recipe in which a control program (software) for realizing various processes executed by the plasma processing apparatus 100 under the control of the process controller 50 and processing condition data are recorded. A storage unit 52 is connected.

そして、必要に応じて、ユーザーインターフェース５１からの指示等にて任意のレシピを記憶部５２から呼び出してプロセスコントローラ５０に実行させることで、プロセスコントローラ５０の制御下で、プラズマ処理装置１００での所望の処理が行われる。また、前記制御プログラムや処理条件データ等のレシピは、コンピュータ読み取り可能な記憶媒体、例えばＣＤ−ＲＯＭ、ハードディスク、フレキシブルディスク、フラッシュメモリなどに格納された状態のものを利用したり、あるいは、他の装置から、例えば専用回線を介して随時伝送させてオンラインで利用したりすることも可能である。   Then, if necessary, an arbitrary recipe is called from the storage unit 52 by an instruction from the user interface 51 and is executed by the process controller 50, so that a desired process in the plasma processing apparatus 100 can be performed under the control of the process controller 50. Is performed. In addition, recipes such as the control program and processing condition data may be stored in a computer-readable storage medium such as a CD-ROM, a hard disk, a flexible disk, a flash memory, or other recipes. It is also possible to transmit the data from the device at any time via, for example, a dedicated line and use it online.

このように構成されたプラズマ処理装置１００は、８００℃以下の低温で下地膜等へのダメージフリーなプラズマ処理を進めることができるとともに、プラズマ均一性に優れており、プロセスの均一性を実現できる。そして、プラズマ処理装置１００で所定の圧力に制御してプラズマ窒化処理を行なうことによって、後述するように凹部が高アスペクト比で形成されている場合であっても、均等に窒化膜を形成できる。   The plasma processing apparatus 100 configured in this way can proceed with damage-free plasma processing to the underlying film or the like at a low temperature of 800 ° C. or lower, and has excellent plasma uniformity, and can realize process uniformity. . Then, by performing plasma nitriding with the plasma processing apparatus 100 controlled to a predetermined pressure, a nitride film can be uniformly formed even when the recesses are formed with a high aspect ratio as will be described later.

このように構成されたＲＬＳＡ方式のプラズマ処理装置１００においては、以下のような手順でウエハＷの表面に露出したポリシリコン膜を直接窒化してシリコン窒化膜を形成する等の処理を行うことができる。
まず、ゲートバルブ２６を開にして搬入出口２５からポリシリコン膜が形成されたウエハＷをチャンバー１内に搬入し、サセプタ２上に載置する。そして、ガス供給系１６のＡｒガス供給源１７およびＮ_２ガス供給源１８から、Ａｒガス、Ｎ_２ガスを所定の流量でガス導入部材１５を介してチャンバー１内に導入する。 In the RLSA type plasma processing apparatus 100 configured as described above, processing such as forming a silicon nitride film by directly nitriding the polysilicon film exposed on the surface of the wafer W by the following procedure is performed. it can.
First, the gate valve 26 is opened, the wafer W on which the polysilicon film is formed from the loading / unloading port 25 is loaded into the chamber 1 and placed on the susceptor 2. Then, introduced from the Ar gas supply source 17 and the _{N 2} gas supply source 18 of the gas supply system 16, Ar gas, via a gas introduction member 15 _{N 2} gas at a predetermined flow rate into the chamber 1.

具体的には、例えばＡｒなどの希ガス流量を１〜５０００ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）、Ｎ_２ガス流量を１０〜５００ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）に設定し、チャンバー内を６６．７〜１３３３Ｐａ（５００ｍＴｏｒｒ〜１０Ｔｏｒｒ）の処理圧力に調整し、ウエハＷの温度を２５０〜８００℃、好ましくは４００〜８００℃程度に加熱する。 Specifically, for example, a rare gas flow rate such as Ar is set to 1 to 5000 mL / min (sccm), an N ₂ gas flow rate is set to 10 to 500 mL / min (sccm), and the inside of the chamber is set to 66.7 to 1333 Pa (500 mTorr to The processing pressure is adjusted to 10 Torr), and the temperature of the wafer W is heated to 250 to 800 ° C., preferably about 400 to 800 ° C.

次に、マイクロ波発生装置３９からのマイクロ波を、マッチング回路３８を経て導波管３７に導き、矩形導波管３７ｂ、モード変換器４０、および同軸導波管３７ａを順次通過させて内導体４１を介して平面アンテナ部材３１に供給し、平面アンテナ部材３１のマイクロ波放射孔３２からマイクロ波透過板２８を介してチャンバー１内におけるウエハＷの上方空間に放射させる。マイクロ波は、矩形導波管３７ｂ内ではＴＥモードで伝搬し、このＴＥモードのマイクロ波はモード変換器４０でＴＥＭモードに変換されて、同軸導波管３７ａ内を平面アンテナ部材３１に向けて伝搬されていく。平面アンテナ部材３１からマイクロ波透過板２８を経てチャンバー１に放射されたマイクロ波によりチャンバー１内で電磁界が形成され、ＡｒガスおよびＮ_２ガスのプラズマが生成される。この際、マイクロ波発生装置３９のパワーは、１〜５ｋＷが好ましく、２〜４ｋＷとすることがより好ましい。 Next, the microwave from the microwave generator 39 is guided to the waveguide 37 through the matching circuit 38, and is sequentially passed through the rectangular waveguide 37b, the mode converter 40, and the coaxial waveguide 37a. It is supplied to the planar antenna member 31 via 41 and radiated from the microwave radiation hole 32 of the planar antenna member 31 to the space above the wafer W in the chamber 1 via the microwave transmitting plate 28. The microwave propagates in the rectangular waveguide 37b in the TE mode, and the TE mode microwave is converted into the TEM mode by the mode converter 40, and the coaxial waveguide 37a is directed toward the planar antenna member 31. Propagated. Electromagnetic field is formed in the chamber 1 by the microwave radiated into the chamber 1 from the planar antenna member 31 through the microwave transmission plate 28, a plasma of Ar gas and N ₂ gas is produced. At this time, the power of the microwave generator 39 is preferably 1 to 5 kW, and more preferably 2 to 4 kW.

このマイクロ波プラズマは、マイクロ波が平面アンテナ部材３１の多数のマイクロ波放射孔３２から放射されることにより、略１×１０^１０〜５×１０^１２／ｃｍ^３の高密度で、かつウエハＷ近傍では略１．５ｅＶ以下、好ましくは略１．０ｅＶ以下の低電子温度プラズマとなる。なお、処理室内のプラズマ通過空間に多数の開口を有するシャワープレートを介在配備して処理を行ってもよい。これにより、プラズマの電子温度をより低減し、０．７ｅＶ以下にできる。このようにして形成されるマイクロ波プラズマは、下地膜へのイオン等によるプラズマダメージが少ないものである。そして、プラズマ中の活性種、主として窒素ラジカル（Ｎ^＊）、などの作用によって、直接シリコン中にＮが導入され、Ｓｉ_３Ｎ_４膜を形成してもよい。 The microwave plasma has a high density of about 1 × 10 ^{10 to} 5 × 10 ¹² / cm ³ and a vicinity of the wafer W when the microwave is radiated from a large number of microwave radiation holes 32 of the planar antenna member 31. Then, the low electron temperature plasma is about 1.5 eV or less, preferably about 1.0 eV or less. Note that the treatment may be performed by arranging a shower plate having a large number of openings in the plasma passage space in the treatment chamber. As a result, the electron temperature of the plasma can be further reduced to 0.7 eV or less. The microwave plasma formed in this way has little plasma damage due to ions or the like on the underlying film. Then, N may be directly introduced into silicon by the action of active species in plasma, mainly nitrogen radicals (N ^* ), to form a Si ₃ N ₄ film.

このようにして、露出するポリシリコン膜上に、窒化膜厚の差が少ない良好な窒化処理を行なうことができる。また、特にＭＩＳ型キャパシタのトレンチ構造のようにポリシリコン膜が高アスペクト比の凹部形状である場合には、好ましくは１３３．３〜６６６．５Ｐａ（１Ｔｏｒｒ〜５Ｔｏｒｒ）、望ましくは４００〜５３３Ｐａ（３Ｔｏｒｒ〜４Ｔｏｒｒ）の処理圧力に設定することにより、後述するように、凹部の底までほぼ一様な窒化処理が実現する。   In this manner, a good nitriding process with a small difference in nitride film thickness can be performed on the exposed polysilicon film. In particular, when the polysilicon film has a high aspect ratio concave shape like the trench structure of the MIS capacitor, it is preferably 133.3 to 666.5 Pa (1 Torr to 5 Torr), and preferably 400 to 533 Pa (3 Torr). By setting the processing pressure to ˜4 Torr), as will be described later, a substantially uniform nitriding process is realized up to the bottom of the recess.

次に、本発明方法による半導体装置を、トレンチ構造のＭＩＳ型キャパシタを例にとって説明する。図３は、ＤＲＡＭ等の半導体装置のメモリセルの断面構造を模式的に示すものである。なお、図３では、それぞれ一つのトランジスタ１２０と一つのキャパシタ１１０とから構成されるメモリセル２つを図示している。   Next, a semiconductor device according to the method of the present invention will be described by taking a MIS type capacitor having a trench structure as an example. FIG. 3 schematically shows a cross-sectional structure of a memory cell of a semiconductor device such as a DRAM. In FIG. 3, two memory cells each including one transistor 120 and one capacitor 110 are illustrated.

Ｓｉ基板１１１には、Ｐウエル領域およびｎウエル領域（いずれも図示せず）が形成されており、さらに素子分離膜１１６により絶縁分離された領域（アクティブ領域）には、ソース１２１ｂ、ドレイン１２１ａが形成されている。そして、Ｓｉ基板１１１上には、符号１２２で示すゲート絶縁膜を介して、ポリシリコンや、タングステンなどの高融点金属もしくはそのシリサイドからなるゲート電極１２５が形成され、トランジスタ１２０を構成している。この例ではトランジスタ１２０は一対形成されている。これらのトランジスタ１２０，１２０のゲート電極１２２，１２２は、ワード線を兼ねている。   In the Si substrate 111, a P-well region and an n-well region (both not shown) are formed, and a source 121b and a drain 121a are formed in a region (active region) that is insulated and separated by the element isolation film 116. Is formed. A gate electrode 125 made of polysilicon, a refractory metal such as tungsten, or a silicide thereof is formed on the Si substrate 111 through a gate insulating film denoted by reference numeral 122 to constitute the transistor 120. In this example, a pair of transistors 120 are formed. The gate electrodes 122 and 122 of these transistors 120 and 120 also serve as word lines.

また、トランジスタ１２０，１２０は、層間絶縁膜１０１で被覆されており、この層間絶縁膜１０１には、トランジスタ１２０，１２０に共通のビット線１２６が配設されている。このビット線１２６は、ドレイン１２１ａに接続されている。   The transistors 120 and 120 are covered with an interlayer insulating film 101, and a bit line 126 common to the transistors 120 and 120 is disposed on the interlayer insulating film 101. The bit line 126 is connected to the drain 121a.

キャパシタ１１０は、層間絶縁膜１０１に形成されており、下部電極としてのポリシリコン膜１０２と、そのポリシリコン膜１０２の凹部の表面が窒化されたシリコン窒化膜１０３と、さらにその上の誘電体層としてのＴａ_２Ｏ_５膜１０４と、このＴａ_２Ｏ_５膜１０４を覆うように、さらにその上に形成された上部電極であるＴｉＮ膜１０５と、によって構成されている。なお、キャパシタ１１０のポリシリコン膜１０２は、コンタクト孔を介して下方まで延在しており、ソース１２１ｂ，１２１ｂに接続されている。 The capacitor 110 is formed on the interlayer insulating film 101, and includes a polysilicon film 102 as a lower electrode, a silicon nitride film 103 in which the surface of the recess of the polysilicon film 102 is nitrided, and a dielectric layer thereon and _{the Ta} 2 _{O 5} film 104 as a, this _{the Ta} 2 _{O 5} film 104 so as to cover, TiN film 105 as an upper electrode is further formed thereon, are constituted by. Note that the polysilicon film 102 of the capacitor 110 extends downward through the contact hole and is connected to the sources 121b and 121b.

このような構成のメモリセルの一部をなすキャパシタの製造工程について、図４を参照しつ説明する。
まず、層間絶縁膜１０１の表面に、図４（ａ）に示すように凹部１３０を有するポリシリコン膜１０２を形成する。このポリシリコン膜１０２は、例えばＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）により形成することができる。ポリシリコン膜１０２に形成されている凹部１３０の深さＬと幅Ｄとの比（Ｌ／Ｄ；アスペクト比）は、例えば１０〜４０程度である。 A manufacturing process of a capacitor forming a part of the memory cell having such a configuration will be described with reference to FIG.
First, a polysilicon film 102 having a recess 130 is formed on the surface of the interlayer insulating film 101 as shown in FIG. The polysilicon film 102 can be formed by, for example, CVD (Chemical Vapor Deposition). The ratio (L / D; aspect ratio) between the depth L and the width D of the recess 130 formed in the polysilicon film 102 is, for example, about 10 to 40.

このポリシリコン膜１０２を、プラズマ処理装置１００を用いてプラズマ処理し、図４（ｂ）に示すようにシリコン窒化膜１０３を形成する。プラズマ処理装置１００により、ＡｒガスとＮ_２ガスとを所定の流量比となるように制御しながらプラズマ窒化処理を行なう。本発明では、図１のプラズマ処理装置１００を用い、前記処理圧力で窒化処理を行なうことにより、凹部１３０のアスペクト比が１以上、例えば１〜５０であっても、また、好ましくは１０以上の高アスペクト比の場合でも、凹部１３０を一様に窒化することが可能である。 The polysilicon film 102 is subjected to plasma processing using the plasma processing apparatus 100 to form a silicon nitride film 103 as shown in FIG. Plasma nitriding is performed by the plasma processing apparatus 100 while controlling Ar gas and N ₂ gas so as to have a predetermined flow ratio. In the present invention, by performing the nitriding process at the processing pressure using the plasma processing apparatus 100 of FIG. 1, even if the aspect ratio of the recess 130 is 1 or more, for example 1 to 50, preferably 10 or more. Even in the case of a high aspect ratio, it is possible to nitride the recess 130 uniformly.

プラズマ窒化処理条件としては、シリコン窒化膜１０３のウエハＷの面上における均一性、特に高アスペクトのトレンチ構造の部位（例えば、溝のトップ、ミドル、ボトム）によるポリシリコン膜１０２の窒化度合いの差を解消するために、高圧で処理することが好ましい。例えば６．７Ｐａ程度の低圧条件では、イオン主体の活性種が生成されプラズマ中のイオンポテンシャルエネルギーが高く、窒化反応が供給律速となるのに対し、例えば、４００Ｐａ以上の比較的高圧条件では、窒素ラジカルを主体とする活性種が生成され、反応律速の窒化反応となることにより、ポリシリコン膜１０２の凹部形状に沿って均等に窒化反応を進行させて、窒化膜厚の均一性を確保できるものと考えられる。特に、０．５〜３ｎｍ程度の窒化膜厚でシリコン窒化膜１０３を形成する場合には、プラズマ処理装置１００を用いて高圧側に制御することによる効果が大きく、均一な成膜が可能になる。   As the plasma nitriding treatment conditions, the uniformity of the silicon nitride film 103 on the surface of the wafer W, particularly the difference in the degree of nitridation of the polysilicon film 102 due to the portion of the trench structure with a high aspect (for example, the top, middle, and bottom of the groove). In order to eliminate this, it is preferable to perform the treatment at a high pressure. For example, under low pressure conditions of about 6.7 Pa, active species mainly composed of ions are generated and the ion potential energy in the plasma is high and the nitriding reaction is rate-controlled. On the other hand, under relatively high pressure conditions of 400 Pa or higher, for example, Active species mainly composed of radicals are generated and a reaction-controlled nitriding reaction is performed, so that the nitriding reaction can proceed uniformly along the recess shape of the polysilicon film 102 and the uniformity of the nitride film thickness can be ensured. it is conceivable that. In particular, when the silicon nitride film 103 is formed with a nitride film thickness of about 0.5 to 3 nm, the effect of controlling the high-pressure side using the plasma processing apparatus 100 is large, and uniform film formation is possible. .

従って、例えばチャンバー内処理圧力は６６．７〜１３３３Ｐａ（５００ｍＴｏｒｒ〜１０Ｔｏｒｒ）、好ましくは１３３．３〜６６６．５Ｐａ（１Ｔｏｒｒ〜５Ｔｏｒｒ）、望ましくは４００〜５３３Ｐａ（３Ｔｏｒｒ〜４Ｔｏｒｒ）に設定することができる。処理ガスとしては、Ｎ_２ガスを５％以上、好ましくは１０％以上含むガスを用いることが好ましく、Ａｒ、Ｈｅ、Ｘｅ、Ｋｒ等から選ばれる希ガスを含むことが好ましい。処理ガス流量は、例えば、Ａｒ等の希ガス：１〜５０００ｍＬ／ｍｉｎ、Ｎ_２ガス：１０〜５００ｍＬ／ｍｉｎが好ましく、具体的には、例えば希ガス：１０００ｍＬ／ｍｉｎ、Ｎ_２ガス：１００ｍＬ／ｍｉｎで用いることができる。
また、処理温度は、２５０〜８００℃とすることが可能であり、４００〜８００℃がより好ましい。 Therefore, for example, the processing pressure in the chamber can be set to 66.7 to 1333 Pa (500 mTorr to 10 Torr), preferably 133.3 to 666.5 Pa (1 Torr to 5 Torr), and desirably 400 to 533 Pa (3 Torr to 4 Torr). . As the processing gas, a gas containing 5% or more, preferably 10% or more of N ₂ gas is preferably used, and a rare gas selected from Ar, He, Xe, Kr and the like is preferably contained. The processing gas flow rate is preferably, for example, rare gas such as Ar: 1 to 5000 mL / min, N ₂ gas: 10 to 500 mL / min, and specifically, for example, rare gas: 1000 mL / min, N ₂ gas: 100 mL / min. It can be used in min.
The processing temperature can be 250 to 800 ° C, and more preferably 400 to 800 ° C.

このような条件でプラズマ窒化処理を行なうことにより、シリコン窒化膜（Ｓｉ_３Ｎ_４）１０３がポリシリコン膜１０２の表面に均一に形成される。このシリコン窒化膜１０３の上には、後の工程でＴａ_２Ｏ_５膜１０４が形成されるが、シリコン窒化膜１０３がない場合、このＴａ_２Ｏ_５膜１０４の形成に熱処理を伴うことから、熱処理過程でポリシリコン膜１０２の表面が酸化されてＳｉＯ_２が生じ、キャパシタ全体の膜厚が増える。ポリシリコン膜１０２にＳｉＯ_２膜が形成されるとリーク電流を低減できるというメリットがあるが、一方でキャパシタの容量低下を招くという側面がある。そのため、Ｔａ_２Ｏ_５膜１０４の形成前に、予めポリシリコン膜１０２表面を窒化しておくことにより、全体の容量の低下を防ぎながらリーク電流抑制を図ることができるので有利である。 By performing plasma nitridation under such conditions, a silicon nitride film (Si ₃ N ₄ ) 103 is uniformly formed on the surface of the polysilicon film 102. On the silicon nitride film 103, a Ta ₂ O ₅ film 104 is formed in a later step. However, when the silicon nitride film 103 is not present, the formation of the Ta ₂ O ₅ film 104 involves a heat treatment. During the heat treatment, the surface of the polysilicon film 102 is oxidized to generate SiO ₂ , and the film thickness of the entire capacitor increases. When the SiO ₂ film is formed on the polysilicon film 102, there is a merit that the leakage current can be reduced, but there is an aspect that the capacity of the capacitor is reduced. Therefore, nitriding the surface of the polysilicon film 102 in advance before forming the Ta ₂ O ₅ film 104 is advantageous because leakage current can be suppressed while preventing a decrease in the overall capacity.

ポリシリコン膜１０２の表面を窒化処理してシリコン窒化膜１０３を成膜した後は、図４（ｃ）に示すように、Ｔａ_２Ｏ_５を例えばエトキシタンタルＴａ（ＯＣ_２Ｈ_５）_５を原料としてＣＶＤにより成膜し、酸化雰囲気でＲＴＰ（Rapid Thermal Processing）によるアニール（６００〜１０００℃）を行ってＴａ_２Ｏ_５を結晶化し、高誘電体層であるＴａ_２Ｏ_５膜１０４を形成する。さらに、Ｔａ_２Ｏ_５膜１０４の上に、上部電極としての窒化チタン膜（ＴｉＮ膜）１０５を堆積させることによってキャパシタを形成することができる。 After nitriding the surface of the polysilicon film 102 to form the silicon nitride film 103, as shown in FIG. 4C, Ta ₂ O _5, for example, ethoxytantalum Ta (OC ₂ H ₅ ) ₅ is used as a raw material. by CVD deposited as a _Ta 2 _{O 5} crystallized performing RTP (Rapid Thermal Processing) by annealing (600 to 1000 ° C.) in an oxidizing atmosphere to form _{the Ta} 2 _{O 5} film 104 is a high dielectric layer . Furthermore, a capacitor can be formed by depositing a titanium nitride film (TiN film) 105 as an upper electrode on the Ta ₂ O ₅ film 104.

次に、本発明の効果を確認した試験結果について説明する。図１に示すプラズマ処理装置１００を用い、単結晶シリコンのＳｉ基板に形成したトレンチに対して処理圧力を変えて模擬的に窒化処理を行ない、Ｓｉ_３Ｎ_４膜を成膜した。その後、ＭＩＳ型キャパシタの製造過程と同様に、ＣＶＤによりＴａ_２Ｏ_５を成膜し、さらに４２５℃の条件でオゾンアニールを実施した。このサンプルに対し、トレンチの部位による窒化の程度を比較した。本試験に供したＳｉ基板上のトレンチの形状を図５に示す。図５（ａ）はトレンチが形成されたＳｉ基板の断面を示す。図５（ｂ）はその表面の要部拡大図であり、Ｓｉ_３Ｎ_４膜が酸化され、ＳｉＯＮ膜に改質されている状態を示している。なお、このトレンチの幅Ｄは０．２５μｍであり、アスペクト比（Ｌ／Ｄ）は、約３０であった。 Next, test results for confirming the effects of the present invention will be described. Using the plasma processing apparatus 100 shown in FIG. 1, a nitriding treatment was performed on the trench formed on the single crystal silicon Si substrate while changing the processing pressure to form a Si ₃ N ₄ film. Thereafter, similarly to the manufacturing process of the MIS type capacitor, a Ta ₂ O ₅ film was formed by CVD, and ozone annealing was further performed at 425 ° C. For this sample, the degree of nitridation by the trench site was compared. The shape of the trench on the Si substrate subjected to this test is shown in FIG. FIG. 5A shows a cross section of the Si substrate in which the trench is formed. FIG. 5B is an enlarged view of a main part of the surface, and shows a state in which the Si ₃ N ₄ film is oxidized and modified into a SiON film. The width D of this trench was 0.25 μm, and the aspect ratio (L / D) was about 30.

処理圧力は、６．７Ｐａ（５０ｍＴｏｒｒ）の低圧処理と、４００Ｐａ（３Ｔｏｒｒ）の高圧処理の二通りで実施した。プラズマ窒化処理における他の条件は以下のとおりである。   The treatment pressure was carried out in two ways: a low pressure treatment of 6.7 Pa (50 mTorr) and a high pressure treatment of 400 Pa (3 Torr). Other conditions in the plasma nitriding process are as follows.

＜低圧条件（６．７Ｐａ）＞
処理ガスの流量；Ａｒ／Ｎ_２＝１０００／４０ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）
処理温度；４００℃
プラズマへの供給パワー；１．０ｋＷ
形成膜厚；１．５ｎｍまたは２．０ｎｍ <Low pressure condition (6.7 Pa)>
Process gas flow rate; Ar / N ₂ = 1000/40 mL / min (sccm)
Processing temperature: 400 ° C
Supply power to plasma: 1.0kW
Formed film thickness: 1.5 nm or 2.0 nm

＜高圧条件（４００Ｐａ）＞
処理ガスの流量；Ａｒ／Ｎ_２＝１０００／１００ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）
処理温度；４００℃
プラズマへの供給パワー；２．０ｋＷ
形成膜厚；１．５ｎｍ <High pressure condition (400 Pa)>
Process gas flow rate; Ar / N ₂ = 1000/100 mL / min (sccm)
Processing temperature: 400 ° C
Supply power to plasma; 2.0kW
Formed film thickness: 1.5 nm

図５（ａ）に示すように、トレンチのトップＴ（この位置でアスペクト比を求めるとその値が略２となる深さ）、ミドルＭ（同略１５となる深さ）、ボトムＢ（同略３０となる深さ）の３カ所について、電子エネルギー損失分光法(Electron Energy-Loss Spectroscopy:ＥＥＬＳ)により界面領域のＮの存在を分析した。界面領域は、図５（ｂ）に示すように、Ｓｉ層とＳｉＯＮ膜との界面（Ｓｉ／ＳｉＯＮ界面）およびＳｉＯＮとＴａ_２Ｏ_５層との界面（ＳｉＯＮ／ＴａＯ界面）とした。 As shown in FIG. 5A, the top T of the trench (the depth at which the aspect ratio is obtained at this position is a depth at which the value is approximately 2), the middle M (the depth at which the value is approximately 15), and the bottom B (the same as the above). The presence of N in the interface region was analyzed by electron energy loss spectroscopy (EELS) at three locations at a depth of approximately 30). As shown in FIG. 5B, the interface region was an interface between the Si layer and the SiON film (Si / SiON interface) and an interface between the SiON and Ta ₂ O ₅ layers (SiON / TaO interface).

低圧処理（６．７Ｐａ）により１．５ｎｍの膜厚で窒化処理をしたサンプルのトップＴにおける界面の分析結果を図６に、ミドルＭにおける分析結果を図７に、ボトムにおける分析結果を図８に示した。
さらに、高圧処理（４００Ｐａ）により１．５ｎｍの膜厚で窒化処理をしたサンプルのトップＴにおける界面の分析結果を図９に、ミドルＭにおける分析結果を図１０に、ボトムにおける分析結果を図１１に示した。 FIG. 6 shows the analysis result of the interface at the top T of the sample nitrided with a film thickness of 1.5 nm by the low pressure treatment (6.7 Pa), FIG. 7 shows the analysis result at the middle M, and FIG. 8 shows the analysis result at the bottom. It was shown to.
Further, FIG. 9 shows the analysis result of the interface at the top T of the sample nitrided with a film thickness of 1.5 nm by high pressure treatment (400 Pa), FIG. 10 shows the analysis result at the middle M, and FIG. 11 shows the analysis result at the bottom. It was shown to.

図６〜図８に示す結果から、低圧条件（６．７Ｐａ）の場合は、Ｓｉ／ＳｉＯＮ界面においてＮの存在は検出されなかった。Ｓｉ／ＳｉＯＮ界面は、本来ならば窒化膜厚に相当する深さであるから、均等に窒化が行なわれていればトップＴ、ミドルＭ、ボトムＢのいずれにおいてもＮの存在が検出されるはずである。このことから、プラズマ処理装置１００を用いても、低圧条件（６．７Ｐａ）では、窒化膜を均等に成膜することは困難であると考えられた。   From the results shown in FIGS. 6 to 8, the presence of N was not detected at the Si / SiON interface under the low pressure condition (6.7 Pa). Since the Si / SiON interface is originally a depth corresponding to the nitride film thickness, the presence of N should be detected in any of the top T, middle M, and bottom B if nitridation is performed uniformly. It is. From this, it was considered that even if the plasma processing apparatus 100 is used, it is difficult to uniformly form a nitride film under a low pressure condition (6.7 Pa).

一方、高圧処理の場合は、図９〜図１１に示すように、測定部位とした３カ所（トップＴ、ミドルＭ、ボトムＢ）において、Ｓｉ／ＳｉＯＮ界面でＮが検出され、十分な膜厚で窒化が進行したことが確認された。なお、ＳｉＯＮ／ＴａＯ界面でＮが殆ど検出されていないのは、Ｓｉの窒化後、Ｔａ_２Ｏ_５の成膜およびＯ_３アニールにより、Ｔａ_２Ｏ_５側から酸化が進み、Ｎ濃度が検出限界以下になったものと考えられる。 On the other hand, in the case of high pressure processing, as shown in FIGS. 9 to 11, N is detected at the Si / SiON interface at three locations (top T, middle M, and bottom B) as measurement sites, and sufficient film thickness is obtained. It was confirmed that nitriding progressed at Incidentally, N is not detected almost SiON / TaO interface, after nitriding of Si, by a deposition and _{O 3} anneal _Ta 2 _{O 5,} proceeds oxidation of _Ta 2 _{O 5} side, N concentration detection limit It is thought that it became the following.

図１２は、図１のプラズマ処理装置１００を用いて上記高圧条件でＳｉ基板に形成されたシリコン窒化膜（Ｓｉ_３Ｎ_４）のＸ線光電子分光分析法（ＸＰＳ分析）によるＮ（１Ｓ）のプロファイルを示すものである。この図１２より、サブ・ピークが検出されていないことから、高純度の良質なシリコン窒化膜を形成できることが確認された。 FIG. 12 is a graph of N (1S) by X-ray photoelectron spectroscopy (XPS analysis) of a silicon nitride film (Si ₃ N ₄ ) formed on a Si substrate using the plasma processing apparatus 100 of FIG. Indicates a profile. From FIG. 12, since no sub-peak was detected, it was confirmed that a high-quality silicon nitride film with high purity could be formed.

また、図３と同様の構成のＭＩＳ構造のキャパシタを有する半導体装置を製造し、Ｃ−Ｖ特性を測定した結果、図１のプラズマ処理装置１００を用いて上記高圧条件でシリコン窒化膜を成膜することにより、シリコン窒化膜を形成しなかった場合に比べて、キャパシタンスが２２．７［ｐＦ］から２７［ｐＦ］に向上したことが確認された。   Further, as a result of manufacturing a semiconductor device having a MIS structure capacitor having the same configuration as that of FIG. 3 and measuring CV characteristics, a silicon nitride film is formed under the above-described high pressure condition using the plasma processing apparatus 100 of FIG. As a result, it was confirmed that the capacitance was improved from 22.7 [pF] to 27 [pF] as compared with the case where the silicon nitride film was not formed.

以上、本発明の実施形態を述べたが、本発明は上記実施形態に制約されることはなく、種々の変形が可能である。
例えば、図３および図４のポリシリコン膜１０２に換えて、下部電極として、ＨＳＧ（Hemispherical Grained）層が形成されたポリシリコン膜を対象としてもよい。また、本発明方法は、ＤＲＡＭなどの半導体装置のメモリセルの製造過程のほか、例えば、フラッシュメモリのＦＧ−ｐｏｌｙ（フローティングゲートのポリシリコン層）の表面を窒化する場合など、シリコンを窒化させる必要のある液晶デバイス等や、化合物半導体などの種々の半導体装置の製造にも適用可能である。 As mentioned above, although embodiment of this invention was described, this invention is not restrict | limited to the said embodiment, A various deformation | transformation is possible.
For example, instead of the polysilicon film 102 of FIGS. 3 and 4, a polysilicon film in which an HSG (Hemispherical Grained) layer is formed may be used as the lower electrode. In addition to the process of manufacturing a memory cell of a semiconductor device such as a DRAM, the method of the present invention needs to nitride silicon, for example, when nitriding the surface of FG-poly (floating gate polysilicon layer) of a flash memory. It can also be applied to the manufacture of various semiconductor devices such as liquid crystal devices and compound semiconductors.

本発明方法の実施に適したプラズマ処理装置の一例を示す概略断面図。The schematic sectional drawing which shows an example of the plasma processing apparatus suitable for implementation of the method of this invention. 平面アンテナ部材の構造を示す図面。The figure which shows the structure of a planar antenna member. 半導体装置の概略構造を説明するためのウエハ断面の模式図。The schematic diagram of the wafer cross section for demonstrating schematic structure of a semiconductor device. キャパシタの製造工程を説明するためのウエハ断面の模式図。The schematic diagram of the wafer cross section for demonstrating the manufacturing process of a capacitor. 測定部位を説明するためのウエハ断面の模式図。The schematic diagram of the wafer cross section for demonstrating a measurement site | part. 窒化膜厚１．５ｎｍ、低圧処理後のＥＥＬＳによるトップの界面のＮの検出結果のチャートを示す図面。The figure which shows the chart of the detection result of N of the interface of the top by EELS after nitride film thickness 1.5nm and low-pressure processing. 窒化膜厚１．５ｎｍ、低圧処理後のＥＥＬＳによるミドルの界面のＮの検出結果のチャートを示す図面。The figure which shows the chart of the detection result of N of the interface of the middle by EELS after nitride film thickness 1.5nm and low-pressure processing. 窒化膜厚１．５ｎｍ、低圧処理後のＥＥＬＳによるボトムの界面のＮの検出結果のチャートを示す図面。The figure which shows the chart of the detection result of N of the interface of the bottom by EELS after nitride film thickness 1.5nm and low-pressure processing. 窒化膜厚１．５ｎｍ、高圧処理後のＥＥＬＳによるトップの界面のＮの検出結果のチャートを示す図面。The figure which shows the chart of the detection result of N of the interface of the top by EELS after nitride film thickness 1.5nm and high pressure processing. 窒化膜厚１．５ｎｍ、高圧処理後のＥＥＬＳによるミドルの界面のＮの検出結果のチャートを示す図面。The figure which shows the chart of the detection result of N of the interface of the middle by EELS after nitride film thickness 1.5nm and high pressure processing. 窒化膜厚１．５ｎｍ、高圧処理後のＥＥＬＳによるボトムの界面のＮの検出結果のチャートを示す図面。The figure which shows the chart of the detection result of N of the interface of the bottom by EELS after nitride film thickness 1.5nm and high pressure processing. ＸＰＳ分析によるＳｉ_３Ｎ_４膜の分析チャートを示す図面。It illustrates an analysis chart of _{the Si} 3 _{N 4} film by XPS analysis.

符号の説明Explanation of symbols

１；チャンバー（処理室）
２；サセプタ
３；支持部材
５；ヒータ
１５；ガス導入部材
１６；ガス供給系
１７；Ａｒガス供給源
１８；Ｎ_２ガス供給源
２３；排気管
２４；排気装置
２５；搬入出口
２６；ゲートバルブ
２８；マイクロ波透過板
２９；シール部材
３１；平面アンテナ部材
３２；マイクロ波放射孔
３７；導波管
３７ａ；同軸導波管
３７ｂ；矩形導波管
３９；マイクロ波発生装置
４０；モード変換器
５０；プロセスコントローラ
１００；プラズマ処理装置
１０１；層間絶縁膜
１０２；ポリシリコン膜
１０３；シリコン窒化膜
１０４；Ｔａ_２Ｏ_５膜
１０５；ＴｉＮ膜
１１０；キャパシタ
Ｗ；ウエハ（基板） 1; chamber (processing room)
2; Susceptor 3; Support member 5; Heater 15; Gas introduction member 16; Gas supply system 17; Ar gas supply source 18; N ₂ gas supply source 23; Exhaust pipe 24; Exhaust device 25; Microwave transmission plate 29; seal member 31; planar antenna member 32; microwave radiation hole 37; waveguide 37a; coaxial waveguide 37b; rectangular waveguide 39; microwave generator 40; The process controller 100; the plasma processing apparatus 101; interlayer insulating film 102; the polysilicon film 103, the silicon nitride film 104; _Ta 2 _{O 5} film 105; TiN film 110; capacitor W; wafer (substrate)

Claims (5)

被処理体表面に露出したポリシリコン膜を窒素含有プラズマにより窒化するプラズマ窒化処理方法であって、
前記窒素含有プラズマは少なくとも５％以上の窒素を含む、前記窒素ガスと希ガスとを含むガスにより生成されるプラズマであり、
複数のスロットを有する平面アンテナにて処理室内にマイクロ波を導入してプラズマを発生させるプラズマ処理装置により、１３３．３Ｐａ〜６６６．５Ｐａの処理圧力、前記窒素ガスの流量を１０〜５００ｍｌ／ｍｉｎ、前記希ガスの流量を１〜５０００ｍｌ／ｍｉｎ、処理温度を２５０℃〜８００℃として、深さと開口幅との比（深さ／開口幅）が１０〜５０である凹部を有する形状の前記ポリシリコン膜をプラズマ窒化処理し、前記ポリシリコン膜に、膜厚が０．５〜３ｎｍである窒化膜を形成することを特徴とする、プラズマ窒化処理方法。 A plasma nitriding method for nitriding a polysilicon film exposed on a surface of an object with nitrogen-containing plasma,
The nitrogen-containing plasma is a plasma generated by a gas containing at least 5% nitrogen and containing the nitrogen gas and a rare gas,
A plasma processing apparatus for generating a plasma by introducing microwaves into a processing chamber with a planar antenna having a plurality of slots, a processing pressure of 133.3 Pa to 666.5 Pa, and a flow rate of the nitrogen gas of 10 to 500 ml / min, the flow rate of the rare gas is 1 to 5000 ml / min , the processing temperature is 250 ° C. to 800 ° C. , and the ratio of the depth to the opening width (depth / opening width) is 10-50. A plasma nitriding method , comprising: performing a plasma nitriding process on a polysilicon film, and forming a nitride film having a thickness of 0.5 to 3 nm on the polysilicon film . 前記ポリシリコン膜が、ＭＩＳキャパシタの下部電極であることを特徴とする、請求項１に記載のプラズマ窒化処理方法。 2. The plasma nitriding method according to claim 1 , wherein the polysilicon film is a lower electrode of a MIS capacitor. コンピュータ上で動作し、実行時に、請求項１または請求項２に記載されたプラズマ窒化処理方法が行なわれるようにプラズマ処理装置を制御するものであることを特徴とする、制御プログラム。 A control program that operates on a computer and controls a plasma processing apparatus so that the plasma nitriding method according to claim 1 or 2 is performed at the time of execution. コンピュータ上で動作する制御プログラムが記憶されたコンピュータ記憶媒体であって、
前記制御プログラムは、実行時に、請求項１または請求項２に記載されたプラズマ窒化処理方法が行なわれるように、プラズマ処理装置を制御するものであることを特徴とする、コンピュータ記憶媒体。 A computer storage medium storing a control program that runs on a computer,
A computer storage medium characterized in that, when executed, the control program controls a plasma processing apparatus so that the plasma nitriding method according to claim 1 or 2 is performed. 複数のスロットを有する平面アンテナにて真空排気可能な処理室内にマイクロ波を導入してプラズマを発生させるプラズマ処理装置であって、
前記処理室内で、請求項１または請求項２に記載されたプラズマ窒化処理方法が行なわれるように制御する制御部を備えたことを特徴とする、プラズマ処理装置。
A plasma processing apparatus for generating plasma by introducing microwaves into a processing chamber that can be evacuated by a planar antenna having a plurality of slots,
A plasma processing apparatus, comprising: a control unit that controls the plasma nitriding method according to claim 1 or 2 to be performed in the processing chamber.

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