TWI482220B - Method and device for forming silicon oxide film - Google Patents

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Yoshiro Kabe
Hideo Nakamura
Junichi Kitagawa
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Tokyo Electron Ltd
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Description

矽氧化膜的形成方法及裝置
本發明是有關矽氧化膜的形成方法及裝置，其係形成例如可適用於閘極絕緣膜等的用途之良質的矽氧化膜(SiO2 )膜。
將矽表面氧化而形成矽氧化膜的方法，大致區分成：使用氧化爐或RTP(Rapid Thermal Process)裝置的熱氧化處理、及使用電漿處理裝置的電漿氧化處理。
例如，熱氧化處理之一利用氧化爐的溼氧化處理，是在超過800℃的溫度加熱矽基板，利用WVG(Water Vapor Generator；水蒸汽產生器)來暴露於氧化環境，藉此氧化矽表面而形成矽氧化膜。可想像熱氧化處理能夠形成良質的矽氧化膜之方法。但，由於熱氧化處理需要超過800℃的高溫之處理，因此會有熱積存(Thermal Budget)増大，熱應力造成在矽基板產生應變等的問題。
另一方面，關於電漿氧化處理，提案有一使用含氬氣體及氧氣體，氧的流量比率約為1%的處理氣體，使在133.3Pa的處理壓力下所形成的微波激發電漿作用於矽表面來進行電漿氧化處理，藉此形成矽氧化膜之方法(例如WO2004/008519號(專利文獻1))。此專利文獻1的方法，因為可在處理溫度為400℃前後較低溫下進行電漿氧化處理，所以可迴避熱氧化處理的熱積存的増大或基板的變形等的問題。
上述專利文獻1是在氧的流量比率約為1%，處理壓力為133.3Pa之低壓力‧低氧濃度的條件下形成電漿。藉由在如此的低壓力‧低氧濃度的條件下對矽表面進行電漿氧化，可取得高的氧化速率。但，藉由低壓力‧低氧濃度的電漿氧化處理所取得的矽氧化膜是在膜中Si-O結合的缺陷多，初期引起耐壓不良，而有造成裝置的良品率降低的原因之問題。如此的問題點雖可藉由相對性更高的處理壓力(例如400Pa)、更高的氧濃度(例如20%)進行處理來改善，但若提高處理壓力與氧濃度，則氧化速率會下降，總處理能力會降低。且，一旦提高處理壓力與氧濃度，則會有矽氧化膜的表面或Si/SiO2 界面的平坦性惡化而使得作為絕緣膜的耐久性降低的問題。
於是，為了不損害低壓力‧低氧濃度條件下之電漿氧化處理的優點，形成絕緣特性佳的矽氧化膜，而提案一種包含第1氧化處理工程及第2氧化處理工程之矽氧化膜的形成方法，該第1氧化處理工程是以處理氣體中的氧的比例為1%以下，且壓力為0.133～133Pa的第1處理條件來形成電漿而形成矽氧化膜，該第2氧化處理工程是以處理氣體中的氧的比例為20%以上，且壓力為400～1333Pa的第2處理條件來形成電漿而形成矽氧化膜(特開2008-91409號(專利文獻2))。
隨著近年來半導體裝置的微細化，例如電晶體或快閃記憶體元件等的閘極絕緣膜會被要求高絕緣耐久性的膜質，而使其絕緣特性即使被重複施壓也不會降低，可極力抑制洩漏電流的發生。並且，近年來，由增多半導體晶圓的處理片數，使總處理能力提升的觀點來看，會被要求氧化速率的提升，而使能夠短時間形成預定膜厚的矽氧化膜。對於如此方向性相異的二個要求，就以往的電漿氧化處理的手法而言，難以使該雙方同時滿足。
上述專利文獻2是藉由低壓力‧低氧濃度條件、及相對性較高的壓力‧高的氧濃度條件之2個步驟的電漿氧化處理，來一邊維持低壓力‧低氧濃度條件下的優點之高的氧化速率、及矽氧化膜的表面及Si/SiO2 界面的平坦性，一邊抑制其缺點之膜中的缺陷，藉此取得緻密且缺陷少的矽氧化膜。但，因為專利文獻2的技術是以2個步驟的處理為前提，所以就提升總處理能力的一面而言尚留有改善的餘地。
本發明的目的是在於提供一種短時間形成適於閘極絕緣膜等用途之具有良好的絕緣特性的矽氧化膜之方法及裝置。
本發明的第1觀點是在於提供一種矽氧化膜形成方法，係於被處理體的表面露出的矽上形成矽氧化膜之矽氧化膜形成方法，其特徵為具備：在處理容器內的載置台上載置前述被處理體之工程；對前述處理容器內供給含氧的處理氣體，而產生前述處理氣體的電漿之工程；對前述載置台供給高頻電力，而於前述被處理體施加偏壓之工程；及使前述電漿作用於施加前述偏壓後的前述被處理體，而氧化前述矽來形成前述矽氧化膜之工程，前述處理氣體中的氧的比例係設定於0.1%以上10%以下的範圍內，在形成前述矽氧化膜的工程中，前述處理容器內的壓力係被設定於1.3Pa以上266.6Pa以下的範圍內，前述高頻電力係被設定成前述被處理體的每單位面積0.14W/cm2 以上2.13W/cm2 以下的範圍內的輸出。
本發明的第2觀點是在於提供一種矽氧化膜形成裝置，其特徵為具備：處理容器，其係利用電漿來處理被處理體，上部為開口；電介體構件，其係阻塞前述處理容器的前述開口；天線，其係設於前述電介體構件的外側，用以對前述處理容器內導入電磁波；氣體導入部，其係被連接至對前述處理容器內供給含氧的處理氣體的氣體供給機構；排氣管，其係被連接至用以將前述處理容器內減壓排氣的真空泵；載置台，其係於前述處理容器內載置前述被處理體；高頻電源，其係被連接至前述載置台；及控制部，其係控制前述矽氧化膜形成裝置的動作；又，前述控制部係預先設定成可實行在被處理體的表面所露出的矽上形成矽氧化膜的矽氧化膜形成方法，前述矽氧化膜形成方法係具備：在處理容器內的載置台上載置前述被處理體之工程；對前述處理容器內供給含氧的處理氣體，而產生前述處理氣體的電漿之工程；對前述載置台供給高頻電力，而於前述被處理體施加偏壓之工程；及使前述電漿作用於施加前述偏壓後的前述被處理體，而氧化前述矽來形成前述矽氧化膜之工程，前述處理氣體中的氧的比例係設定於0.1%以上10%以下的範圍內，在形成前述矽氧化膜的工程中，前述處理容器內的壓力係被設定於1.3Pa以上266.6Pa以下的範圍內，前述高頻電力係被設定成前述被處理體的每單位面積0.14W/cm2 以上2.13W/cm2 以下的範圍內的輸出。
以下，參照圖面詳細說明有關本發明的實施形態。圖1是表示可利用於本發明的實施形態的矽氧化膜的形成方法之電漿氧化處理裝置100的概略構成的模式剖面圖。又，圖2是表示圖1的電漿氧化處理裝置100的平面天線的平面圖。
電漿氧化處理裝置100是以具有複數個細縫狀的孔的平面天線、特別是以RLSA(Radial Line Slot Antenna；徑向縫天線)來直接對處理容器內導入微波，而使電漿產生於處理容器內，藉此構成可產生高密度且低電子溫度的微波激發電漿之RLSA微波電漿處理裝置。在電漿氧化處理裝置100是可進行具有1×1010 ～5×1012 /cm3 的電漿密度，且0.7～2eV的低電子溫度之電漿的處理。因此，電漿氧化處理裝置100是在各種半導體裝置的製造過程中，可適宜利用於形成矽氧化膜(例如SiO2 膜)的目的。
電漿氧化處理裝置100的主要構成是具備：構成氣密的處理容器1、及連接至對處理容器1內供給氣體的氣體供給機構18之氣體導入部15、及作為用以將處理容器1內減壓排氣的排氣機構之排氣裝置24、及設於處理容器1的上部，對處理容器1內導入微波之微波導入機構27、及控制該等電漿氧化處理裝置100的各構成部之控制部50。
處理容器1是藉由被接地的大略圓筒狀的容器所形成。另外，處理容器1亦可藉由角筒形狀的容器所形成。處理容器1是具有由鋁等的材質所構成的底壁1a及側壁1b。
在處理容器1的內部設有用以將被處理體的晶圓W載置於水平的載置台2。載置台2是例如藉由AlN、Al2 O3 等的陶瓷所構成，其中特別是以熱傳導性高的材質例如AlN等為理想。此載置台2是藉由從排氣室11的底部中央延伸至上方的圓筒狀的支撐構件3所支撐。支撐構件3是例如藉由AlN等的陶瓷所構成。
並且，在載置台2設有罩住其外緣部或全面，且用以引導晶圓W的罩構件4。此罩構件4是形成環狀，罩住載置台2的載置面及/或側面。在罩住載置台2的全面時是在罩構件4之上載置晶圓W。可藉由罩構件4來遮斷載置台2與電漿的接觸，防止濺射，而謀求防止雜質往晶圓W混入。罩構件4是例如以石英、單晶矽、多晶矽、非晶形矽、SiN等的材質所構成，該等之中以性質適合電漿之石英最理想。而且，構成罩構件4的上述材質較理想是鹼金屬、金屬等的雜質的含量少的高純度者。
並且，在載置台2埋入有電阻加熱型的加熱器5。此加熱器5是由加熱器電源5a來給電，藉此加熱載置台2，以該熱來均一地加熱被處理基板的晶圓W。
並且，在載置台2配備有熱電耦(TC)6。藉由此熱電耦6來進行溫度計測，藉此可例如在室溫～900℃的範圍控制晶圓W的加熱溫度。
並且，在載置台2設有在將晶圓W搬入處理容器1內時使用於晶圓W的交接之晶圓支撐銷(未圖示)。各晶圓支撐銷是設成可對載置台2的表面突没。
在處理容器1的內周設有由石英所構成的圓筒狀的襯墊7。並且，在載置台2的外周側，為了在處理容器1內實現均一的排氣，而環狀地設置具有多數個排氣孔8a的石英製的遮擋板(baffle plate)8。此遮擋板8是藉由複數的支柱9所支撐。
在處理容器1的底壁1a的大略中央部形成有圓形的開口部10。在底壁1a設有與該開口部10連通，以能夠覆蓋開口部10的方式朝下方突出的排氣室11。在此排氣室11連接排氣管12，經由此排氣管12來連接至排氣裝置24。如此一來，構成可將處理容器1內予以真空排氣。
在處理容器1的上部配置具有開口部的蓋框13。蓋框13的內周是朝內側(處理容器內空間)突出，形成環狀的支撐部13a。
在處理容器1的側壁1b設有成為環狀的氣體導入部15。此氣體導入部15是連接至供給含氧氣體或電漿激發用氣體的氣體供給機構18。另外，氣體導入部15可設成噴嘴狀或淋浴狀。
並且，在處理容器1的側壁1b設有：用以在電漿氧化處理裝置100與隣接的搬送室(未圖示)之間進行晶圓W的搬出入之搬出入口16、及開閉此搬出入口16的閘閥17。
氣體供給機構18是例如具有非活性氣體供給源19a及含氧氣體供給源19b及氫氣供給源19c。另外，氣體供給機構18亦可例如具有置換處理容器1內環境時使用的淨化氣體供給源、洗滌處理容器1內時使用的洗滌氣體供給源等，作為上述以外未圖示的氣體供給源。
非活性氣體例如可使用N2 氣體或稀有氣體等。稀有氣體例如可使用Ar氣體、Kr氣體、X e氣體、He氣體等。該等之中，在經濟性佳的點，使用Ar氣體特別理想。又，含氧氣體例如可使用氧氣體(O2 )、一氧化氮(NO)、一氧化二氮(N2 O)等。
非活性氣體、含氧氣體及氫氣，是從氣體供給機構18的非活性氣體供給源19a、含氧氣體供給源19b及氫氣供給源19c，經由氣體線路(配管)20來到達氣體導入部15，從氣體導入部15導入處理容器1內。在連接至各氣體供給源的各個氣體線路20設有質量流控制器21及其前後的開閉閥22。藉由如此的氣體供給機構18的構成，所被供給的氣體的轉換或流量等的控制可能。
作為排氣機構的排氣裝置24是例如具備渦輪分子泵等高速真空泵的真空泵。如上述般，排氣裝置24是經由排氣管12來連接至處理容器1的排氣室11。處理容器1內的氣體是均一地流至排氣室11的空間11a內，更從空間11a藉由使排氣裝置24作動來經由排氣管12排氣至外部。藉此，可將處理容器1內高速減壓至預定的真空度、例如0.133Pa。
其次，說明有關微波導入機構27的構成。微波導入機構27的主要構成是具備：透過板28、平面天線31、慢波材33、金屬罩34、導波管37、匹配電路38及微波產生裝置39。
作為電介體構件的透過板28是配備於蓋框13中突出至內周側的支撐部13a上。使微波透過的透過板28是以電介體，例如石英或Al2 O3 、AlN等陶瓷的構件所構成。在此透過板28與支撐部13a之間是隔著O型環等的密封構件29來氣密地密封。因此，處理容器1內是被保持於氣密。
作為天線的平面天線31是在透過板28的上方(處理容器1的外側)，設成與載置台2對向。平面天線31是成為圓板狀。另外，平面天線31的形狀並非限於圓板狀，例如亦可為四角板狀。此平面天線31是卡止於蓋框13的上端。
平面天線31是例如以表面被鍍金或鍍銀的銅板、鋁板、鎳板及該等的合金等的導電性構件所構成。平面天線31是具有放射微波的多數個細縫狀的微波放射孔32。微波放射孔32是以預定的圖案來貫通平面天線31而形成。
各個的微波放射孔32是例如圖2所示，形成細長的長方形狀(細縫狀)。而且，典型的是隣接的微波放射孔32配置成「T」字狀。而且，如此組合成預定形狀(例如T字狀)配置的微波放射孔32更全體配置成同心圓狀。
微波放射孔32的長度或配列間隔是按照微波的波長(λg)來決定。例如，微波放射孔32的間隔是配置成λg/4～λg。另外，在圖2中是以△r來表示形成同心圓狀之隣接的微波放射孔32彼此間的間隔。另外，微波放射孔32的形狀亦可為圓形狀、圓弧狀等其他的形狀。又，微波放射孔32的配置形態並無特別加以限定，除了同心圓狀以外，例如亦可配置成螺旋狀、放射狀等。
在平面天線31的上面(在平面天線31與金屬罩34之間所形成的偏平導波管)設置具有比真空大的介電常數的慢波材33。此慢波材33是因為在真空中微波的波長會變長，所以具有縮短微波的波長來調整電漿的機能。慢波材的材質，例如可使用石英、聚四氟乙烯(polytetrafluoroethylene)樹脂、聚醯亞胺樹脂等。
另外，在平面天線31與透過板28之間，又，在慢波材33與平面天線31之間，分別可使接觸或離間，但較理想是使接觸。
在處理容器1的上部是以能夠覆蓋該等平面天線31及慢波材33的方式設有金屬罩34。金屬罩34是例如藉由鋁或不鏽鋼等的金屬材料所形成。藉由金屬罩34及平面天線31來形成偏平導波路，可將微波均一地供給於處理容器1內。蓋框13的上端與金屬罩34是藉由密封構件35來密封。並且，在金屬罩34的壁體的內部形成有冷卻水流路34a。此冷卻水流路34a可藉由流通冷卻水來冷卻金屬罩34、遅波材33、平面天線31及透過板28。另外，金屬罩34是被接地。
在金屬罩34的上壁(頂部)的中央形成有開口部36，在此開口部36連接導波管37。在導波管37的他端側是經由匹配電路38來連接產生微波的微波產生裝置39。
導波管37是具有：從上述金屬罩34的開口部36延伸至上方的剖面圓形狀的同軸導波管37a、及經由模式變換器40來連接至該同軸導波管37a的上端部之延伸於水平方向的矩形導波管37b。模式變換器40是具有將以TE模式來傳播於矩形導波管37b內的微波變換成TEM模式的機能。
在同軸導波管37a的中心延伸著內導體41。此內導體41是其下端部連接固定於平面天線31的中心。藉由如此的構造，微波會經由同軸導波管37a的內導體41來往藉由平面天線31所形成的偏平導波路放射狀地效率佳地均一傳播。
藉由以上那樣構成的微波導入機構27，在微波產生裝置39所產生的微波會經由導波管37來傳播至平面天線31，更可從微波放射孔32(縫隙)經由透過板28來導入處理容器1內。另外，微波的頻率，較理想是例如使用2.45GHz，其他亦可使用8.35GHz、1.98GHz等。
並且，在載置台2的表面側埋設有電極42。在此電極42是利用給電線42a經由匹配箱(M. B.)43來連接偏壓施加用的高頻電源44。亦即，形成可藉由對電極42供給高頻電力來對基板的晶圓W施加偏壓的構成。電極42的材質是例如可使用鉬、鎢等的導電性材料。電極42是例如形成網目狀、格子狀、渦巻狀等的形狀。
電漿氧化處理裝置100的各構成部是形成連接至控制部50來控制的構成。控制部50典型的是電腦，例如圖3所示，具備：具有CPU的製程控制器51、及連接至此製程控制器51的使用者介面52及記憶部53。製程控制器51是統括控制電漿氧化處理裝置100中，例如有關溫度、壓力、氣體流量、微波輸出、偏壓施加用的高頻輸出等的製程條件的各構成部(例如加熱器電源5a、氣體供給機構18、排氣裝置24、微波產生裝置39、高頻電源44等)之控制手段。
使用者介面52是具有鍵盤及顯示器等。該鍵盤是工程管理者為了管理電漿氧化處理裝置100而進行指令的輸入操作等。該顯示器是使電漿氧化處理裝置100的操業狀況可視化顯示。並且，在記憶部53中保存處方等，其係記錄有用以在製程控制器51的控制下實現在電漿氧化處理裝置100所被實行的各種處理之控制程式(軟體)或處理條件資料等。
然後，因應所需，以來自使用者介面52的指示等，從記憶部53叫出任意的處方，而使實行於製程控制器51，在製程控制器51的控制下，在電漿氧化處理裝置100的處理容器1內進行所望的處理。又，上述控制程式或處理條件資料等的處方，可利用被儲存於電腦可讀取的記憶媒體，例如CD-ROM、硬碟、軟體、快閃記憶體、DVD、藍光碟(Blu-ray Disc)等的狀態者，或從其他的裝置例如經由專用線路來使前記處方傳送利用。
如此構成的電漿氧化處理裝置100是在600℃以下例如室溫(25℃程度)以上600℃以下的低溫進行對底層膜或基板(晶圓W)等無損傷的電漿處理。又，由於電漿氧化處理裝置100是電漿的均一性佳，所以對大口徑的晶圓W(被處理體)也可實現製程的均一性。
其次，一邊適當參照圖4一邊說明有關利用RLSA方式的電漿氧化處理裝置100的電漿氧化處理。首先，開啓閘閥17，從搬出入口16搬入晶圓W至處理容器1內，載置於載置台2上。
其次，一邊對處理容器1內進行減壓排氣，一邊從氣體供給機構18的非活性氣體供給源19a、含氧氣體供給源19b及氫氣供給源19c，以預定的流量來分別經由氣體導入部15導入非活性氣體、含氧氣體及因應所需導入氫氣至處理容器1內。如此一來，將處理容器1內調節至預定的壓力。
其次，使在微波產生裝置39所產生之預定頻率例如2.45GHz的微波經由匹配電路38來引導於導波管37。被導波管37引導的微波是依序通過矩形導波管37b及同軸導波管37a，經由內導體41來供給至平面天線31。亦即，微波是在矩形導波管37b內以TE模式傳播，此TE模式的微波是在模式變換器40被變換成TEM模式，在同軸導波管37a內朝平面天線31傳播而去。然後，微波會從貫通形成於平面天線31的細縫狀的微波放射孔32經由透過板28來放射至處理容器1內晶圓W的上方空間。此時的微波輸出是例如功率密度可由0.255～2.55W/cm2 的範圍內選擇。
藉由從平面天線31經過透過板28來放射至處理容器1內的微波，在處理容器1內形成電磁場，使非活性氣體及含氧氣體等的處理氣體電漿化。藉由將被處理體的晶圓W暴露於此電漿，含氧(O)電漿中的自由基及離子會如圖4A所示般，作用於晶圓W的矽層60，如圖4B所示般，矽層60的表面會被氧化，形成矽氧化膜70。另外，矽層60可舉單晶矽、多結晶矽或非晶形矽。
並且，在進行電漿氧化處理的期間，從高頻電源44供給預定的頻率及功率的高頻電力至載置台2的電極42。藉由從此高頻電源44供給的高頻電力來往晶圓W施加RF偏壓，一面維持電漿的0.7～2eV的低電子溫度，一面促進電漿氧化處理。亦即，RF偏壓是作用成可將電漿中的氧離子引入至晶圓W，所以作用成可使矽的氧化速率増大。因此，可藉由RF偏壓來將氧化活性種的離子引入至晶圓W，形成矽氧化膜70。
使用於本發明的實施形態的微波激發電漿是藉由微波從平面天線31的多數個微波放射孔32放射來形成大略1×1010 ～5×1012 /cm3 的高密度，且在晶圓W附近大略1.2eV以下的低電子溫度電漿。如此形成的電漿是往基板(晶圓W)之離子等所造成的電漿損傷少。其結果，可藉由電漿中的活性種例如自由基或離子的作用來對形成於晶圓W表面的矽層60進行電漿氧化處理，形成無損傷的矽氧化膜70。
<電漿氧化處理條件>
在此，針對在電漿氧化處理裝置100中所進行的電漿氧化處理的理想條件來進行說明。處理氣體較理想是使用Ar氣體及O2 氣體來分別作為稀有氣體及含氧氣體。此時，在處理氣體中所含的O2 氣體的流量比率(體積比率)，由產生高密度的離子來使矽氧化膜的表面及Si/SiO2 界面平坦化的觀點來看，較理想是0.1%以上10%以下的範圍內，更理想是0.5%以上2%以下的範圍內。
並且，由產生高密度的離子而使矽氧化膜的表面及Si/SiO2 界面平坦化的觀點來看，處理壓力較理想是設定於1.3Pa以上266.6Pa以下的範圍內，更理想是6.7Pa以上133Pa以下的範圍內。
本實施形態是在進行電漿氧化處理的期間，從高頻電源44將預定的頻率及高頻電力供給至載置台2的電極。從高頻電源44供給的高頻電力的頻率，例如較理想是100kHz以上60MHz以下的範圍內，更理想是400kHz以上13.5MHz以下的範圍內。高頻電力是晶圓W的每單位面積的功率密度，例如0.14W/cm2 以上2.13W/cm2 以下的範圍內供給為理想，在0.23W/cm2 以上1.2W/cm2 以下的範圍內供給更為理想。
又，高頻的功率是100W以上1500W以下的範圍內為理想，300W以上1000W以下的範圍內更理想。被供給至載置台2的電極42之高頻電力是具有一面維持電漿的低電子溫度，一面將電漿中的離子種往晶圓W引入的作用。因此，藉由在載置台2的電極42供給高頻電力來對晶圓W施加偏壓，可使電漿氧化的速度提升。並且，在本實施形態即使往晶圓W施加偏壓，照樣為低電子溫度的電漿，因此不會有電漿中的離子等對矽氧化膜造成損傷的情形，可低溫且短時間形成良質的矽氧化膜。
又，電漿氧化處理的微波的功率密度，由使安定且均一地產生電漿的觀點來看，較理想設為0.255W/cm2 以上2.55W/cm2 以下的範圍內。另外，在本發明的實施形態中微波的功率密度是意指晶圓W的每單位面積1cm2 的微波功率。例如在處理直徑300mm以上的晶圓W時，較理想是將微波功率設為500W以上5000W未滿的範圍內，更理想是設為1000W以上4000W以下。
又，晶圓W的加熱溫度，是作為載置台2的溫度，較理想是例如設為室溫(25℃程度)以上600℃以下的範圍內，更理想是設為200℃以上500℃以下的範圍內，最好是設為400℃以上500℃以下的範圍內。
以上的條件是作為處方來保存於控制部50的記憶部53。然後，製程控制器51會讀出該處方來往電漿氧化處理裝置100的各構成部例如氣體供給機構18、排氣裝置24、微波產生裝置39、加熱器電源5a、高頻電源44等送出控制信號，藉此實現在所望的條件下的電漿氧化處理。
本實施形態的矽氧化膜的形成方法是在載置台2的電極42供給高頻電力，而將電漿中的離子引入至晶圓W，藉此極端地提高氧化速度的同時，將處理壓力設定於266.6Pa以下，且將處理氣體中的O2 比率設定於10%以下。藉由如此的條件設定，作為氧化活性種，進行離子主體的氧化。
如以上那樣，利用電漿氧化處理裝置100來進行矽的電漿氧化處理，藉此可以所望的膜厚例如2nm以上15nm以下，較理想是4nm以上10nm以下來形成矽氧化膜的表面及Si/SiO2 界面為平坦，且作為絕緣膜之耐久性佳的良質矽氧化膜70。如此形成的矽氧化膜70較理想是例如可適用於電晶體或半導體記憶裝置的閘極絕緣膜。
另外，為了使所取得的矽氧化膜的膜質更為提升，較理想是例如在NO、N2 O氣體等的氣體環境中，以800℃以上1100℃以下，較理想是850℃以上950℃以下的溫度，進行短時間(例如5～60秒，較理想是10～30秒)的熱處理。藉由追加熱處理工程，可取得修復矽氧化膜中的Si-O結合等的缺陷之效果，可更改善膜質。
其次，說明有關確認本發明的實施形態的效果之試驗結果。使用電漿氧化處理裝置100，以下記的兩種條件(條件1、條件2)來對矽基板進行電漿氧化處理，形成矽氧化膜。條件1是以低壓力‧低氧濃度來對基板(晶圓W)施加RF偏壓的情形，條件2是以比條件1高的壓力‧高的氧濃度來對基板施加RF偏壓的情形。在此方便起見，將條件1記於「低壓‧低氧偏壓施加」，將條件2記為「高壓‧高氧偏壓施加」。使用以條件1、2所形成的矽氧化膜(膜厚8nm)作為MOS電容器的閘極絕緣膜，在120℃施加0.1A/cm2 的壓力下進行定電流TDDB(絕緣膜歷時破壞)試驗，測定至絕緣破壞為止的膜通過總電子量(Qbd)。分別將TDDB試驗的結果顯示於圖5，將Qbd的測定結果顯示於圖6。另外，圖6的縱軸的F是表示MOS電容器的累積不良率。又，為了比較，有關藉由800℃的溼熱氧化處理所形成的矽氧化膜也裝入裝置來同様地進行電氣特性的評價。
<條件1>
處理壓力：133.3Pa、
Ar氣體流量：990mL/min(sccm)、
O2 氣體流量：10mL/min(sccm)、
高頻電力的頻率：13.56MHz、
高頻電力的功率：600W(功率密度0.849W/cm2 )、
微波的頻率：2.45GHz、
微波功率：4000W(功率密度2.05W/cm2 )、
處理溫度：465℃、
目標膜厚：8nm(456秒)、
晶圓徑：300mm。
<條件2>
處理壓力：667Pa、
Ar氣體流量：1200mL/min(sccm)、
O2 氣體流量：388mL/min(sccm)、
H2 氣體流量：12mL/min(sccm)、
高頻電力的頻率：13.56MHz、
高頻電力的功率：600W(功率密度0.849W/cm2 )、
微波的頻率：2.45GHz、
微波功率：4000W(功率密度2.05W/cm2 )、
處理溫度：465℃、
目標膜厚：8nm(405秒)、
晶圓徑：300mm。
由圖5，低壓‧低氧偏壓施加的條件1相較於高壓‧高氧偏壓施加的條件2，TDDB特性佳，即使與熱氧化比較，也具有同等以上的耐久性。低壓‧低氧偏壓施加，因為電漿中的離子性強，所以離子會集中於粗糙的Si表面的凸部，選擇性地進行氧化的結果，矽氧化膜的表面與Si/SiO2 界面會平坦化，可取得使TDDB特性改善的效果。又，由圖6，Qbd值是熱氧化與高壓‧高氧偏壓施加的條件2幾乎顯示同様的輪廓，相對的，低壓‧低氧偏壓施加的條件1相較於熱氧化或條件2，Qbd值高，顯示可靠度高的矽氧化膜。
由上述結果可確認，低壓‧低氧偏壓施加的條件1是可以所望的膜厚來形成作為絕緣膜之耐久性佳的可靠度高的良質矽氧化膜。
藉由本發明的實施形態的方法所形成的矽氧化膜是可作為使用於快閃記憶體元件等之比較厚膜的隧道氧化膜利用。例如可適宜作為圖7所示那樣的SONOS構造的半導體記憶裝置201的閘極絕緣膜(隧道氧化膜)利用。此半導體記憶裝置201是具備：作為半導體層的p型的矽基板101、被積層形成於此p型的矽基板101上的閘極絕緣膜111、第1氮化矽膜112、第2氮化矽膜113、第3氮化矽膜114、區塊氧化矽膜115、及更被積層於其上的控制閘極電極116。其中，第1氮化矽膜112、第2氮化矽膜113、第3氮化矽膜114是主要形成作為積蓄電荷的區域之氮化矽膜積層體102a。並且，在矽基板101中，以能夠位於閘極電極116的兩側之方式，離表面預定的深度，形成有n型擴散層的第1源極‧汲極104及第2源極‧汲極105，兩者之間是形成通道形成區域106。而且，作為閘極絕緣膜111的矽氧化膜的形成，藉由適用本發明的實施形態的方法，可賦予半導體記憶裝置201高的可靠度。
又，藉由本發明的實施形態的方法所形成的矽氧化膜，例如可適宜作為圖8所示那樣的浮動閘構造的半導體記憶裝置301的閘極絕緣膜(隧道氧化膜)利用。此半導體記憶裝置301是具備：作為半導體層的p型的矽基板101、及被積層形成於此p型的矽基板101上的閘極絕緣膜121、浮動閘極電極122、成為ONO構造的氧化矽膜123、氮化矽膜124及氧化矽膜125、以及更被積層於其上的控制閘極電極126。並且，在矽基板101中，離表面預定的深度，形成有n型擴散層的第1源極‧汲極104及第2源極‧汲極105，兩者之間是形成通道形成區域106。而且，作為閘極絕緣膜121的矽氧化膜的形成，藉由適用本發明的實施形態的方法，可賦予半導體記憶裝置301高的可靠度。
本發明的實施形態的矽氧化膜的形成方法是在載置被處理體的載置台以被處理體的每單位面積0.14W/cm2 以上2.13W/cm2 以下的範圍內的輸出來供給高頻電力，一邊對被處理體施加偏壓，一邊將處理氣體中的氧的比例設為0.1%以上10%以下的範圍內，且將處理壓力設為1.3Pa以上266.6Pa以下的範圍內來進行電漿氧化處理，藉此可以高的氧化速率來形成作為絕緣膜之耐久性佳的矽氧化膜。此矽氧化膜是例如適宜作為電晶體的閘極絕緣膜、快閃記憶體元件的隧道氧化膜等的閘極絕緣材料。
以上，舉本發明的實施形態來進行說明，但本發明並非限於上述實施形態，亦可實施各種的變形。例如，也有接續於上述的電漿氧化處理，追加進行在基板上供給氮化氣體，而更進一步氮化矽氧化膜的表面之處理。為了進行此變更例之對矽表面的成膜處理(藉由氧化及氮化來形成膜的處理)，亦可將實施形態所示的電漿氧化處理裝置100改良成電漿氮化處理或熱氮化處理也可進行。此情況，可在同處理容器1內連續地進行矽表面的氧化處理及接著的氮化處理。取而代之，進行此變更例之對矽表面的成膜處理的方法，可設定成能使用電漿氧化處理裝置100以外別的電漿氮化處理裝置或熱氮化處理裝置來進行追加性的氮化處理。
另外，在上述實施形態是舉最適的RLSA方式的電漿處理裝置為例來說明進行本發明的實施形態的矽氧化膜的形成方法之裝置。但，亦可例如使用ICP電漿方式、ECR電漿方式、表面反射波電漿方式、磁控管電漿方式等的其他方式的電漿處理裝置。
1．．．處理容器
1a．．．底壁
1b．．．側壁
2．．．載置台
3．．．支撐構件
4．．．罩構件
5．．．加熱器
5a．．．加熱器電源
6．．．熱電耦
7．．．襯墊
8．．．遮擋板
8a．．．排氣孔
9．．．支柱
10．．．開口部
11．．．排氣室
11a．．．空間
12．．．排氣管
13．．．蓋框
13a．．．支撐部
15．．．氣體導入部
16．．．搬出入口
17．．．閘閥
18．．．氣體供給機構
19a．．．非活性氣體供給源
19b．．．含氧氣體供給源
19c．．．氫氣供給源
20．．．氣體線路(配管)
21．．．質量流控制器
22．．．開閉閥
24．．．排氣裝置
27．．．微波導入機構
28．．．透過板
29．．．密封構件
31．．．平面天線
32．．．微波放射孔
33．．．慢波材
34．．．金屬罩
34a．．．冷卻水流路
35．．．密封構件
36．．．開口部
37．．．導波管
37a．．．同軸導波管
37b．．．矩形導波管
38．．．匹配電路
39．．．微波產生裝置
40．．．模式變換器
41．．．内導體
42．．．電極
42a．．．給電線
44．．．高頻電源
50．．．控制部
51．．．製程控制器
52．．．使用者介面
53．．．記憶部
60．．．矽層
70．．．矽氧化膜
100．．．電漿氧化處理裝置
101．．．p型的矽基板
102a．．．氮化矽膜積層體
104．．．第1源極‧汲極
105．．．第2源極‧汲極
106．．．通道形成區域
111．．．閘極絕緣膜
112．．．第1氮化矽膜
113．．．第2氮化矽膜
114．．．第3氮化矽膜
115．．．區塊氧化矽膜
116．．．控制閘極電極
121．．．閘極絕緣膜
122．．．浮動閘極電極
123．．．氧化矽膜
124．．．氮化矽膜
125．．．氧化矽膜
126．．．控制閘極電極
201．．．半導體記憶裝置
301．．．半導體記憶裝置
W．．．晶圓
圖1是表示適於本發明的實施形態的矽氧化膜的形成方法的實施之電漿氧化處理裝置的一例概略剖面圖。
圖2是表示圖1的裝置的平面天線的構造的圖面。
圖3是表示圖1的裝置的控制部的構成說明圖。
圖4A是表示電漿氧化處理的工程例的圖面。
圖4B是表示電漿氧化處理的工程例的圖面。
圖5是表示TDDB試驗的結果的圖表。
圖6是表示Qbd的測定結果的圖表。
圖7是表示可適用本發明的實施形態的方法之半導體記憶裝置的一例說明圖。
圖8是表示可適用本發明的實施形態的方法之半導體記憶裝置的別例的說明圖。
60．．．矽層
70．．．矽氧化膜

Claims (11)

  1. 一種矽氧化膜形成方法，係於被處理體的表面露出的矽上形成矽氧化膜之矽氧化膜形成方法，其特徵為具備：在處理容器內的載置台上載置前述被處理體之工程；對前述處理容器內供給含氧的處理氣體，而產生前述處理氣體的電漿之工程；對前述載置台供給高頻電力，而於前述被處理體施加偏壓之工程；及使前述電漿作用於施加前述偏壓後的前述被處理體，而氧化前述矽來形成前述矽氧化膜之工程，前述處理氣體中的氧的比例係設定於0.1%以上10%以下的範圍內，在形成前述矽氧化膜的工程中，前述處理容器內的壓力係被設定於1.3Pa以上266.6Pa以下的範圍內，前述高頻電力係被設定成前述被處理體的每單位面積0.14W/cm2 以上2.13W/cm2 以下的範圍內的輸出，且根據離子主體的氧化。
  2. 如申請專利範圍第1項之矽氧化膜形成方法，其中，前述高頻電力的頻率為100kHz以上60MHz以下的範圍內。
  3. 如申請專利範圍第1項之矽氧化膜形成方法，其中，在形成前述矽氧化膜的工程中，處理溫度為室溫以上600℃以下的範圍內。
  4. 如申請專利範圍第1項之矽氧化膜形成方法，其中，前述電漿係藉由利用具有複數的縫隙的平面天線來導入至前述處理容器內的微波來激發前述處理氣體而生成的微波激發電漿。
  5. 如申請專利範圍第4項之矽氧化膜形成方法，其中，前述微波的功率密度為前述被處理體的每單位面積0.255W/cm2 以上2.55W/cm2 以下的範圍內。
  6. 如申請專利範圍第1項之矽氧化膜形成方法，其中，前述處理氣體為Ar氣體與O2 氣體的混合氣體。
  7. 如申請專利範圍第1項之矽氧化膜形成方法，其中，前述處理氣體中的氧的比例為0.5%以上2%以下的範圍內。
  8. 如申請專利範圍第1項之矽氧化膜形成方法，其中，在形成前述矽氧化膜的工程中，前述處理容器內的壓力為6.7Pa以上133Pa以下的範圍內。
  9. 如申請專利範圍第1項之矽氧化膜形成方法，其中，前述高頻電力係設定成前述被處理體的每單位面積0.23W/cm2 以上1.2W/cm2 以下的範圍內的輸出。
  10. 如申請專利範圍第1項之矽氧化膜形成方法，其中，在形成前述矽氧化膜的工程中，處理溫度為200℃以上500℃以下的範圍內。
  11. 一種矽氧化膜形成裝置，其特徵為具備：處理容器，其係利用電漿來處理被處理體，上部為開口； 電介體構件，其係阻塞前述處理容器的前述開口；天線，其係設於前述電介體構件的外側，用以對前述處理容器內導入電磁波；氣體導入部，其係被連接至對前述處理容器內供給含氧的處理氣體的氣體供給機構；排氣管，其係被連接至用以將前述處理容器內減壓排氣的真空泵；載置台，其係於前述處理容器內載置前述被處理體；高頻電源，其係被連接至前述載置台；及控制部，其係控制前述矽氧化膜形成裝置的動作；又，前述控制部係預先設定成可實行在被處理體的表面所露出的矽上形成矽氧化膜的矽氧化膜形成方法，前述矽氧化膜形成方法係具備：在處理容器內的載置台上載置前述被處理體之工程；對前述處理容器內供給含氧的處理氣體，而產生前述處理氣體的電漿之工程；對前述載置台供給高頻電力，而於前述被處理體施加偏壓之工程；及使前述電漿作用於施加前述偏壓後的前述被處理體，而氧化前述矽來形成前述矽氧化膜之工程，前述處理氣體中的氧的比例係設定於0.1%以上10%以下的範圍內，在形成前述矽氧化膜的工程中，前述處理容器內的壓力係被設定於1.3Pa以上266.6Pa以下的範圍內，前述高頻電力係被設定成前述被處理體的每單位面積 0.14W/cm2 以上2.13W/cm2 以下的範圍內的輸出，且根據離子主體的氧化。
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