WO2004084289A1 - 基板処理装置および基板処理方法 - Google Patents

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Kazuyoshi Yamazaki
Shintaro Aoyama
Masanobu Igeta
Hiroshi Shinriki
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Tokyo Electron Limited
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Definitions

  • the present invention relates to a substrate processing apparatus and a substrate processing method, and more particularly to a substrate processing apparatus and a substrate processing method for manufacturing an ultra-miniaturized high-speed semiconductor device having a high dielectric film.
  • gate lengths of less than 0.1 m are becoming possible with advances in miniaturization processes.
  • the operating speed of a semiconductor device improves with miniaturization.However, in such a very miniaturized semiconductor device, the thickness of the gate insulating film is reduced in accordance with the scaling law as the gate length is reduced by the miniaturization. It needs to be reduced.
  • the thickness of the gate insulating film must be set to l to 2 nm or less when a conventional thermal oxide film is used. With a thin gate insulating film, the tunnel current increases, and as a result, the problem of increasing the gate leakage current cannot be avoided.
  • the dielectric constant is much larger than that of the conventional thermal oxide film, S i 0 2 film T a 2 O5 Ya thickness is smaller when converted into even Therefore large practice of the a l 2_Rei_3 for Z r O2, H f 0 2 , more high-dielectric material (so-called high- K material) the gut insulating film such as Z r S i O4 or H f S I_rei_4 It is proposed to apply.
  • the gate length can be reduced to 0.1 m or less, which is very short, and even for ultra-high-speed semiconductor devices, a gate insulating film of physical Hff of about 10 nm can be used. It can be used to suppress gate leakage current due to tunnel effect.
  • T a 2 ⁇ 5 film has conventionally known to be formed by a C VD method using T a (O C2H5) 5 and O2 as gaseous phase material.
  • the C VD process It is carried out in a reduced pressure environment at a temperature of about 480 ° C or higher.
  • T a 2 ⁇ 5 film thus formed is further subjected to heat treatment in an oxygen atmosphere, As a result, the oxygen deficiency in the film is eliminated, also the film itself is crystallized. In this way, the crystallized T a 2_Rei 5 film shows a large specific dielectric constant.
  • an extremely thin base having a thickness of 1 nm or less, preferably 0.8 nm or less, is provided between the high dielectric gate oxide film and the silicon substrate. It is preferable to interpose an oxide film.
  • the base oxide film must be very thin, and a large thickness cancels the effect of using a high-k dielectric film as a gut insulating film.
  • a strong and very thin base oxide film must cover the surface of the silicon substrate uniformly and must not form defects such as interface states.
  • a thin gate oxide film is generally formed by rapid thermal oxidation (RTO) of a silicon substrate.
  • RTO rapid thermal oxidation
  • the thermal oxide film formed at such a low temperature tends to contain defects such as interface states, and is not suitable as a base oxide film of a high dielectric gate insulating film.
  • the oxide film has a thickness of 2 to 3 atomic layers and has no power.
  • forming the oxynitride film as a base oxide film of the high-k gate insulating film prevents the interdiffusion between the metal element or oxygen in the high-k gate insulating film and silicon constituting the silicon substrate. It is also considered to be effective in suppressing the diffusion of dopants from the electrodes.
  • FIG. 1 shows an example of a substrate processing apparatus 100 for forming an oxynitride film after forming an oxide film on a silicon substrate.
  • a substrate processing apparatus 100 having a processing container 101 whose inside is evacuated by an exhaust port 103 to which exhaust means 104 such as a dry pump is connected is covered with an inside thereof. It has a substrate holder for holding a wafer W0 as a processing substrate.
  • the wafer W0 placed on the substrate holder 102 is oxidized or nitrided by radicals supplied from a remote plasma radical source 105 provided on the side wall of the processing vessel 101, and the wafer W0 An oxide film or an oxynitride film is formed thereon.
  • the remote plasma radical source dissociates oxygen gas or nitrogen gas by high-frequency plasma and supplies oxygen radicals or nitrogen radicals to the ureo or W0.
  • FIG. 2 shows an example of a substrate processing apparatus 110 having two radical generating units.
  • the inside of the substrate is evacuated by an exhaust port 1 19 to which an exhaust means 120 such as a dry pump is connected, and a substrate processing apparatus having a processing container 1 11 provided with a substrate holding table 1 18 is provided.
  • the device 110 converts the ureo and W0 placed on the substrate holding table 118 into acid. It has a structure that can be oxidized by elemental radicals and then nitrided by nitrogen radicals.
  • the knitting processing container 1 1 1 is provided with an ultraviolet light source 1 13 on the upper wall and a transparent window 1 14 for passing ultraviolet light, and dissociates oxygen gas supplied from the nozzle 1 15 by the ultraviolet light. To generate oxygen radicals.
  • the oxygen radicals thus formed oxidize the surface of the silicon substrate to form an oxide film.
  • a remote plasma radical source 116 is provided on a side wall of the processing vessel 111, dissociates nitrogen gas by high-frequency plasma, supplies nitrogen radicals to the processing vessel 111, and supplies a wafer W0.
  • the upper oxide film is nitrided to form an oxynitride film.
  • a specific object of the present invention is to form an extremely thin oxide film on the surface of a silicon substrate, typically a thickness of 2 to 4 atomic layers or less, and further nitridate the oxide film.
  • An object of the present invention is to provide a substrate processing apparatus and a substrate processing method capable of forming an oxynitride film while suppressing an increase in the thickness of the oxide film and having good productivity.
  • the present invention provides a solution to the above i3 ⁇ 4 As stated in claim 1,
  • a processing vessel defining a processing space
  • a rotatable holding table for holding the substrate to be processed in the t & E processing space
  • a nitrogen radical is formed by high-frequency plasma provided on an end of the processing container on a first side with respect to the holding table, and the nitrogen radical is formed along the surface of the substrate to be processed on the first side.
  • a nitrogen radical forming unit that supplies the processing space so as to flow to a second side opposed to the processing target substrate with the substrate separated from the processing substrate;
  • the oxygen radicals are formed by high-frequency plasma provided at the end of the first side, and the oxygen radicals are transferred from the first side to the second side along the surface of the substrate to be processed.
  • An oxygen radical forming section that supplies the tin self-processing space in a flowing manner;
  • An exhaust path provided at an end on the second side, for exhausting the processing space, wherein the nitrogen radical and the oxygen radical are respectively transmitted from the nitrogen radical forming section and the oxygen radical forming section to the exhaust path.
  • a substrate processing apparatus characterized by forming a nitrogen radical flow path and an oxygen radical flow path along the surface of the substrate to be processed and flowing.
  • the present invention provides a substrate processing apparatus according to claim 1, further comprising:
  • the tiilB nitrogen radical forming unit is configured to form a first high-frequency plasma that is formed in a first gas passage and a part of the first gas passage and that excites a nitrogen gas that passes through the first gas passage.
  • a second gas passage and a second gas passage formed in a part of the second gas passage and plasma-exciting an oxygen gas passing through the second gas passage. It is preferable that the first gas passage and the second gas passage include a high-frequency plasma forming part, and the first gas passage and the second gas passage communicate with the it self-processing space.
  • the present invention provides a substrate processing apparatus according to Claim 1 or 2, further comprising:
  • the nitrogen radical flow path and the oxygen radical flow path are substantially parallel! / ,. Further, as described in claim 4, in the substrate processing apparatus according to any one of claims 1 to 3, If, it is desirable to install the nitrogen radical forming part such that the distance between the center of the nitrogen radical flow path and the center of the substrate to be processed is 4 Omm or less.
  • the present invention further provides a substrate processing device 3 described in any one of claims 1 to 4, which is further described as V.
  • the oxygen radical source is installed so that the distance between the center of the self oxygen radical flow path and the center of the substrate to be processed is 40 mm or less.
  • the present invention provides a substrate processing apparatus according to Claim 1 or 2, further comprising:
  • center of the nitrogen radical flow path and the center of the oxygen radical flow path intersect at substantially the center of the tft self-processed substrate.
  • the present invention provides a substrate processing apparatus according to any one of claims 1 to 6, further comprising:
  • a substrate processing unit 3 according to any one of claims 1 to 7, further comprising:
  • a processing vessel that defines a processing space and includes a holding table that holds a substrate to be processed in the processing space;
  • a first radical is supplied to the processing container so that the first radical flows from the first side of the processing container along the surface of the substrate to the second side opposite to the substrate with the substrate being separated.
  • a second radical forming section that supplies a second radical to the processing space so that the second radical flows from the first side to the second side along the surface of the substrate to be processed.
  • the first radical forming unit supplies the first radical to the tins processing space to perform processing of the substrate to be processed, while the second radical forming unit supplies the second radical.
  • a substrate processing method characterized by including a second step of introducing the second radical into the processing space from a SiifS second radical forming unit to process the substrate to be processed.
  • the substrate processing method according to claim 9 further includes:
  • the substrate to be processed is a silicon substrate, and in the first step, an oxide film is formed by oxidizing a surface of the silicon substrate with an oxygen radical as the first radical.
  • the present invention provides a substrate processing method according to claim 10, further comprising:
  • the second step it is preferable to form an oxynitride film by nitriding the oxide film surface with nitrogen radicals as the second radicals.
  • the present invention provides a substrate processing method according to any one of claims 9 to 11 as described in claim 12.
  • the first radical and the second radical can be supplied along the flow of gas flowing from the first side to the second side along the surface of the substrate to be processed, and the second side It is desirable to be exhausted at.
  • the present invention further provides a substrate processing method according to any one of claims 9 to 12, as described in claim 13.
  • the first radical forming unit forms oxygen radicals by high-frequency plasma.
  • the present invention further provides a substrate processing method according to any one of claims 9 to 12, as described in claim 14.
  • the first radical forming section includes an ultraviolet light source for forming oxygen radicals.
  • the present invention further provides the substrate processing method according to any one of claims 9 to 14, as described in claim 15.
  • the second radical forming unit forms nitrogen radicals by high-frequency plasma It is desirable.
  • the present invention further provides a substrate processing method according to claim 15 as described in claim 16.
  • the second radical forming unit includes a gas passage, and a high-frequency plasma forming unit formed in a part of the gas passage and plasma-exciting a nitrogen gas passing through the gas passage.
  • the present invention provides, as described in claim 17, a substrate processing method according to claim 16, further comprising:
  • the purge gas is supplied through the gas passage.
  • the present invention further provides a substrate processing method according to any one of claims 9 to 17, as described in claim 18.
  • the purge gas is an inert gas.
  • a fourth step of loading the substrate to be processed into the processing container
  • a substrate processing method comprising a fifth step of performing a second processing of the substrate to be processed.
  • the present invention further provides a substrate processing method according to claim 19, as described in claim 20.
  • the processing gas is plasma-excited and introduced into the processing container, and the processing gas is exhausted from the processing container.
  • the present invention further provides a substrate processing method according to Claim 20 as described in Claim 21.
  • the processing gas is an inert gas.
  • the present invention provides a substrate processing method according to any one of claims 19 to 21 as described in claim 22! / Petite
  • the substrate to be processed is a silicon substrate, and the first processing is It is desirable that the oxidation process be performed to oxidize the surface to form an oxide film.
  • the present invention provides, as described in claim 23, a substrate processing method according to claim 22, further comprising:
  • the second treatment is a nitridation treatment for nitriding the oxide film to form an oxynitride film.
  • the present invention further provides the substrate processing method according to claim 23, as described in claim 24.
  • the IB processing vessel is composed of oxygen radioactive component and nitrogen radioactive!
  • the oxygen radical formed by the oxygen radical forming unit, the oxygen irradiating treatment is performed, and the nitrogen radical formed by the ttiia nitrogen radical forming unit is subjected to a self-nitriding process. desirable.
  • the present invention further provides a substrate processing method according to claim 24, as described in claim 25.
  • ⁇ Plasma excitation is performed in the anaerobic nitrogen radical forming section, and the plasma-excited processing gas is desirably introduced into the processing vessel from the nitro nitrogen radical forming section.
  • the oxygen radical and the nitrogen radical flow along the substrate to be processed, and the oxygen radical forming portion and the ttilB nitrogen radical in the processing container in the radial direction of the substrate mounted in the processing container. It is desirable that the air be exhausted from an exhaust port provided on the side facing the formation portion.
  • the present invention further provides a substrate processing method according to any one of claims 19 to 26, as described in claim 27.
  • the processing container is connected to a cluster type substrate processing system in which a plurality of substrate processing apparatuses are connected to a substrate transfer chamber.
  • the present invention further provides a substrate processing method according to claim 27, as described in claim 28.
  • the substrate to be processed is placed in the substrate transfer chamber from the processing container. It is desirable to be conveyed to. Further, the present invention provides a substrate processing method according to Claims 27 or 28, further comprising:
  • the substrate to be processed tfflE be placed in the substrate transfer chamber.
  • the present invention further provides a method according to any one of claims 27 to 29, as described in claim 30.
  • the substrate to be processed is transferred from the transfer chamber to the substrate processing container.
  • the present invention having such a configuration, when a very thin base oxide film including an oxynitride film is formed on a silicon substrate in a processing vessel, oxygen and oxygen compounds used when forming the base oxide film are used.
  • the residue suppresses the phenomenon that the silicon substrate is oxidized during the formation of the oxynitride film and the base oxide film is increased, and the productivity is also improved.
  • FIG. 1 is a diagram (part 1) schematically showing a conventional substrate processing apparatus.
  • FIG. 2 is a diagram (part 2) schematically showing a conventional substrate processing apparatus.
  • FIG. 3 is a schematic diagram showing the configuration of the semiconductor device.
  • FIG. 4 is a diagram (part 1) schematically showing a substrate processing apparatus according to the present invention.
  • FIG. 5 is a diagram showing a configuration of a remote plasma source used in the substrate processing apparatus of FIG.
  • FIGS. 6A and 6B are a side view (part 1) and a plan view (part 1) showing the oxidation treatment of the substrate performed by using the substrate processing apparatus of FIG.
  • 7A and 7B are a side view and a plan view, respectively, showing a nitriding process of an oxide film performed using the substrate processing apparatus of FIG.
  • FIG. 8 is a diagram schematically showing a state of nitriding of the substrate to be processed.
  • FIG. 9 is a diagram showing the dispersion value of the oxynitride film of the substrate to be processed.
  • FIG. 10A, FIG. 10B, and FIG. 10C are diagrams showing a method of installing a remote plasma source.
  • FIG. 11 is a diagram showing the relationship between the film thickness and the nitrogen concentration in the case where the influence of the residual oxygen during the formation of the oxynitride film is large, the case is small and the case is small.
  • FIGS. 12A and 12B are a side view (part 2) and a plan view (part 2), respectively, showing a substrate oxidation treatment performed using the substrate processing apparatus of FIG.
  • FIG. 13 is a schematic diagram (part 2) showing the substrate processing apparatus according to the present invention.
  • FIGS. 14A and 14B are a side view (part 1) and a plan view (part 1) showing the oxidation treatment of the substrate performed by using the substrate processing apparatus of FIG.
  • FIGS. 15A and 15B are side views and plan views, respectively, showing an oxide film nitriding process performed using the substrate processing apparatus of FIG.
  • FIGS. 16A and 16B are a side view (part 2) and a plan view (part 2) showing a substrate oxidation treatment performed by using the substrate processing apparatus of FIG.
  • FIG. 17 is a view showing a flowchart of the substrate processing method according to the ninth embodiment of the present invention.
  • FIG. 18 is a schematic diagram showing a configuration of a cluster type substrate processing system 50 according to a tenth embodiment of the present invention.
  • FIG. 19 is a diagram showing the relationship between the film thickness and the nitrogen concentration when a base oxide film is formed by the substrate processing method of the ninth embodiment, and the base oxide film is nitrided to form an oxynitride film.
  • FIG. 20 shows a change in conditions when a base oxide film is formed on a silicon substrate using the substrate processing apparatus of FIG. 13, and then the base oxide film is nitrided to form an oxynitride film.
  • FIG. 6 is a diagram showing a relationship between SIff and nitrogen concentration when the temperature is changed.
  • FIG. 3 shows an example of a semiconductor device formed by the substrate processing apparatus and the substrate processing method according to the present invention.
  • the semiconductor device 2 0 0 is always formed on the silicon substrate 2 0 1, on the silicon substrate 2 0 1 via a thin base oxide film 2 0 2, T a 2 0 5 , A 1 2 ⁇ 3, Z r 0 2 , H f ⁇ 2 , ⁇ r S i ⁇ 4 , H f S i 0 4, etc., and a high dielectric gate insulating film 203 is formed.
  • a gate electrode 204 is formed on the insulating film 203.
  • the surface portion of the base oxide film 202 has an area where the flatness of the interface between the silicon substrate 201 and the base oxide film 202 is maintained. Is doped with nitrogen (N) to form an oxynitride film 202A.
  • N nitrogen
  • the oxynitride film 202 A having a larger relative dielectric constant than the silicon oxide film in the base oxide film 202, it is possible to further reduce the thermal oxide film equivalent of the base oxide film 202. Will be possible.
  • FIG. 4 shows a substrate processing according to the first embodiment of the present invention for forming a very thin base oxide film 202 including an oxynitride film 202 A on the silicon substrate 201 of FIG.
  • the schematic configuration of the device 20 is shown.
  • the substrate processing apparatus 20 houses a substrate holding table 22 provided with a heater 22A and provided so as to be vertically movable between a process position and a substrate loading / unloading position.
  • the substrate holder 22 is rotated by a driving mechanism 22C.
  • the inner wall surface of the processing vessel 21 is covered with an inner liner 21G made of quartz glass, whereby metal contamination of the substrate to be processed from the exposed metal surface is 1 ⁇ 10 10 atoms / cm 2 or less. It is suppressed to the level.
  • a magnetic seal 28 is formed at the joint between the Itft substrate holding table 22 and the drive mechanism 22C, and the magnetic seal 28 is a magnetic seal chamber 22B held in a vacuum environment and a drive formed in the air environment. Mechanism 22 C is separated. Since the magnetic seal 28 is a liquid, the substrate holder 22 is rotatably held.
  • the substrate holding table 22 is at the process position, and a loading / unloading chamber 21C for loading / unloading the substrate to be processed is formed below.
  • the processing vessel 21 is coupled to the substrate transport unit 27 via a gate valve 27A, and when the substrate holding table 22 is lowered during loading / unloading 21C, the substrate is transferred via the gate valve 27A.
  • the substrate W to be processed is transferred from the transfer unit 27 onto the substrate holder 22, and the processed substrate is transferred from the substrate holder 22 to the substrate transfer unit 27.
  • an exhaust port 21A is formed in a portion of the processing container 21 close to the gate valve 27A, and the exhaust port 21A has a valve 23A and an APC (automatic pressure control).
  • a turbo molecular pump 23B is connected via 23D.
  • the turbo molecular pump 23B is further connected to a pump 24 formed by connecting a dry pump and a mechanical booster pump via a valve 23C.
  • the exhaust port 21A is also directly connected to the pump 24 via the valve 24A and the APC 24B.
  • the valve 24A By opening the valve 24A, the process space is reduced by the pump 24.
  • the pressure is reduced to a pressure of 33 kPa (0.01 to 10 Torr).
  • the processing vessel 21 is provided with remote plasma sources 26 and 36 on the side opposite to the exhaust port 21A with respect to the processing target.
  • the remote plasma source 36 is supplied with oxygen gas together with an inert gas such as Ar, and by activating the oxygen gas with plasma, it is possible to form oxygen radicals.
  • the oxygen radicals thus formed flow along the surface of the substrate ttlB to be treated 3 ⁇ 4W and oxidize the rotating substrate surface.
  • a purge line 21 c for purging the carry-in / out chamber 21 C with nitrogen gas is further provided, and the magnetic seal chamber 22 B is further purged with nitrogen gas.
  • a purge line 22b and an exhaust line 22c thereof are provided.
  • a turbo molecular pump 29 B is connected to the exhaust line 22 c via pulp 29 A, and the turbo molecular pump 29 B is connected to a pump 24 via a valve 29 C.
  • the exhaust line 22c is directly connected to the pump 24 via the pulp 29D, so that the magnetic seal chamber 22B can be maintained at various pressures.
  • the loading / unloading chamber 21 C is evacuated by a pump 24 via a valve 24 C, or is exhausted by a turbo molecular pump 23 B via a valve 23 D.
  • the loading / unloading room 21C is maintained at a lower pressure than the processing space 21B, and the magnetic seal chamber 22B is a differential. By being evacuated, the pressure is maintained at a lower level than in the loading / unloading chamber 21C.
  • FIG. 5 shows the configuration of the remote plasma sources 26 and 36 used in the substrate processing apparatus 20 of FIG.
  • the processing vessel 21 is provided with a remote plasma source 26 and a remote plasma source 36 adjacent to each other.
  • the remote plasma source 36 has a substantially line-symmetric shape with respect to an adjacent surface with respect to the remote plasma source 26.
  • the remote plasma source 26 is provided with a gas circulation passage 2 inside. 6a and a block 26A, typically made of aluminum, formed with a gas inlet 26b and a gas outlet 26c communicating therewith, and a part of the block 26A is a ferrite core. 26 B is formed.
  • the inner surfaces of the gas circulation passage 26a, the gas inlet 26b, and the gas outlet 26c are provided with a fluororesin coating 26d, and the coil wound around the ferrite core 26B has a frequency of 40.
  • a high frequency (RF) power of 0 kHz, plasma 26 C is formed in the gas circulation passage 26 a.
  • nitrogen radicals and nitrogen ions are formed in the gas circulation passage 26 a, but nitrogen ions having strong linearity disappear when circulating in the circulation passage 26 a. Then, nitrogen radicals N2 * are mainly emitted from the gas outlet 26c. Further, in the configuration of FIG. 5, by providing an ion filter 26 e grounded to the gas outlet 26 c, charged particles including nitrogen ions are removed, and only nitrogen radicals are left in the processing space 21 B. Is supplied. Further, even when the ion filter 26 e is not grounded, the structure of the ion filter 26 e functions as a diffusion plate, so that charged particles such as nitrogen ions can be sufficiently removed. When performing a process that requires a large amount of N 2 radicals, the ion filter 26 e may be removed in order to prevent the N 2 radicals from disappearing due to collision with the ion filter 26 e.
  • the remote plasma source 36 has a gas circulation passage 36a and a gas inlet 36b and a gas outlet 36-c communicating with the gas circulation passage 36a.
  • 36A, and a ferrite core 36B is formed in a part of the block 36A.
  • the inner surfaces of the gas circulation passage 36a, the gas inlet 36b, and the gas outlet 36c are coated with a fluorine resin coating 36d, and the coil wound around the ferrite core 36B has a frequency of 40.
  • RF radio frequency
  • Oxygen radicals and oxygen ions are formed in the gas circulation path 36 a with the excitation of the plasma 36 C, but the oxygen ions having strong linearity disappear when circulating in the circulation path 36 a.
  • Oxygen radicals 0 2 * are mainly released from the gas outlet 36 c. Will be issued.
  • by providing an ion filter 36e grounded to the gas outlet 36c charged particles including oxygen ions are removed, and only oxygen radicals are left in the processing space 2IB. Supplied.
  • the structure of the ion filter 36e functions as a diffusion plate, so that charged particles including oxygen ions can be sufficiently removed. In the case of executing a process that requires a large amount of 0 2 radicals, to prevent extinction caused by collision of 0 2 radicals of the ion filter 3 6 e, in some cases to remove the ion filter 3 6 e.
  • the oxygen radical formation part that forms oxygen radicals and the nitrogen radical formation part that forms nitrogen radicals are separated, and the silicon substrate that is the substrate to be processed is oxidized to form a base oxide film. After that, the base oxide film is nitrided to form an oxynitride film, thereby reducing the influence of residual oxygen in the nitridation step.
  • the radical source contains the oxygen and oxygen used in the oxidation. The product remains, and in the nitridation process, oxidation due to the remaining oxygen proceeds, and there is a problem that an oxide film is increased.
  • the radical generation mechanism of the remote plasma source 26 that generates nitrogen radicals and the remote plasma source 36 that generates oxygen radicals are the same, the radical sources are separated.
  • the structure becomes simple, and the cost of the substrate processing apparatus can be reduced. Also, maintenance becomes easy, so that the productivity of the substrate processing apparatus can be improved.
  • 6A and 6B are a side view and a plan view, respectively, showing a case where the substrate W to be processed is subjected to radical oxidation using the substrate processing apparatus 20 of FIG.
  • Ar gas and oxygen gas are supplied to the remote plasma radio source 36, and oxygen radicals are formed by exciting the plasma at a high frequency of several hundred kHz. .
  • the formed oxygen radicals flow along the surface of the substrate W to be lifted, and are exhausted through the exhaust port 21A and the pump 24.
  • the processing space 21B is set to a process pressure in the range of 1.33 Pa to 1.33 kPa (0.01 to 10 Torr) suitable for radical oxidation of the substrate W.
  • the oxygen radicals thus formed oxidize the surface of the rotating processing target W when flowing along the surface of the processing target substrate, and the silicon substrate as the processing target W It is possible to form a very thin oxide film with a thickness of 1 nm or less on the surface, in particular, an oxide film with a thickness of about 0.4 nm corresponding to 2-3 atomic layers, stably and with good reproducibility. Become.
  • a purge step can be performed prior to the oxidation step.
  • the purging step is opened the valve 23 A and 23 C are, pressure in the processing space 21 B by Pal Bed 24 A is closed 1.
  • 33 X 10 "4p a The pressure is reduced to the pressure, and the moisture and the like remaining in the processing space 21B are purged.
  • valves 23A and 23C When valves 23A and 23C are closed, open valve 24A without using turbo molecular pump 23B and use only dry pump 24. In this case, there is an advantage that the area to which residual moisture or the like adheres during purging is reduced, and that the pumping speed of the pump is high to eliminate residual gas.
  • the pulp 23A and 23C are opened, the valve 24A is closed, and the turbo molecular pump 23B is used as an exhaust path. In this case, since the degree of vacuum in the processing vessel can be increased by using a turbo molecular pump, the residual gas partial pressure can be reduced.
  • a very thin oxide film is formed on the surface of the substrate to be processed W, and the oxide film surface is then described with reference to FIGS. 7A and 7B. Can be further nitrided.
  • FIGS. 7A and 7B are side views and plan views showing a third embodiment of the present invention, in which radical nitridation of a substrate to be treated; W is performed using the substrate processing apparatus 20 of FIG. It is.
  • Ar gas and nitrogen gas are supplied to the remote plasma radio source 26, and nitrogen radicals are formed by exciting the plasma at a high frequency of several hundred kHz.
  • the formed nitrogen radicals flow along the surface of the substrate W to be processed, and are exhausted through the exhaust port 21A and the pump 24.
  • the processing space 21B is set to a process pressure in a range of 1.33 Pa to 1.33 kPa (0.01 to: LOTorr) suitable for radical nitridation of the substrate W.
  • a purging process can be performed prior to the nitriding process.
  • the tff! B pulp 23 A and 23 C are opened and the valve 24 A is closed, so that the pressure in the processing space 21 B is 1.33 X 10 -1 to 1.33 X 1 CHP a. And the oxygen and moisture remaining in the processing space 21B are purged.
  • valves 23A and 23C When valves 23A and 23C are closed, open valve 24A without using turbo molecular pump 23B and use only dry pump 24. In this case par This has the advantage of reducing the area to which residual moisture and the like are attached when removing the gas, and eliminating the residual gas by increasing the pumping speed of the pump.
  • the pulp 23A and 23C are opened, the valve 24A is closed, and the turbo molecular pump 23B is used as an exhaust path.
  • the turbo molecular pump 23B is used as an exhaust path.
  • the nitrogen radicals generated by the remote plasma source 26 are generated by the gas outlet 26 c of the remote plasma source 26.
  • the nitrogen is supplied to the inside of the processing vessel 21 and the processing space 21 B, flows along the surface of the self-treated group 1 SW, and further forms a nitrogen radical flow path toward the exhaust port 21 A. .
  • FIG. 8 schematically shows a state in which the above-described nitrogen radical flow path is formed.
  • the same parts as those described above are denoted by the same reference numerals, and description thereof will be omitted.
  • FIG. 8 shows a positional relationship between the remote plasma source 26 and the substrate W to be processed, a nitrogen radical flow path R 1 formed by nitrogen radicals supplied from the gas outlet 26 c, and, as a result, the substrate to be processed. This is schematically shown together with the distribution of radicals formed on the base.
  • the nitrogen radicals supplied from the gas outlet 26c form a nitrogen radical flow path R1 extending from the gas outlet 26c to the outlet 21A.
  • the center of the substrate to be processed W is defined as a wafer center C
  • the X-axis and the y-axis orthogonal to the wafer center C are defined as the first and second processing vessels 21 in which the Iff!
  • S processing vessel 21 provided with the ⁇ exhaust port 21 2 is set as the X axis, and the axis that goes perpendicular to is set as the -y axis.
  • the nitrogen radical flow path R1 is used for nitriding the oxide film of the substrate to be treated W.
  • the area is indicated by the area SI.
  • the length XI of the region S1 in the X-axis direction is considered to substantially depend on the flow rate of nitrogen radicals, that is, the flow rate of nitrogen introduced into the remote plasma source 26.o
  • the processing It is considered that the variance ⁇ of the IU ⁇ of the oxynitride film on the processing target SW ⁇ W when the W is rotated depends on the distance X 1 and the distance ⁇ 1.
  • FIG. 9 shows the result of calculating the thickness dispersion value ⁇ of the oxynitride film when the distance XI and the distance Y1 are changed.
  • FIG. 9 shows a case where a silicon wafer of 30 O mm is used as the substrate W to be processed.
  • the horizontal axis indicates the distance XI
  • the vertical axis indicates the random dispersion value ⁇ of the oxynitride film.
  • the dispersion value is the most. And the thickness distribution of the oxynitride film is good.
  • an oxide film and an oxynitride film formed by the substrate processing apparatus 20 are used for the base oxide film 202 and the oxynitride film 202 of the semiconductor device 200.
  • the dispersion value is 1% or less, the film thickness distribution of the oxynitride film is good, and it can be used for forming a semiconductor device.
  • the distance Y1 is less than 40 mm and the distance ⁇ is less than 1%. It is considered that the value of the separation X1 exists, and it is possible to obtain a good thickness distribution of the oxynitride film.
  • the thickness distribution of the oxynitride film largely depends on the method of forming the nitrogen radical flow path R1, that is, the method of installing the remote plasma source 26 relating to the formation of the nitrogen radical flow path R1. I have. As described above, ideally, the remote plasma source 26 is preferably installed so that the nitrogen radical flow path R1 passes through the center of the substrate to be treated.
  • the remote plasma sources 26 and 36 are set so that the disgusting remote plasma sources 26 and 36 do not interfere with each other and the film thickness distribution of both the oxide film and the oxynitride film formed by force is good. Installation is required.
  • FIGS. 10A, 10 ⁇ / b> B, and IOC show a fifth embodiment of the present invention showing a method of installing the remote plasma sources 26 and 36 in the processing vessel 21.
  • the parts described above are denoted by the same reference numerals, and description thereof will be omitted.
  • the processing vessel 21 is arranged such that the remote plasma sources 26 and 36 are adjacent to each other, and the nitrogen radical flow path R1 and the oxygen radical flow path R2 are parallel to each other. is set up.
  • the film thickness distribution of the oxide film becomes better, so that the value of Y2, that is, on the X axis
  • the remote plasma source 36 is provided on the X axis, and the center of the oxygen radical flow path R 2 is located at the center. It is installed so that it passes through the center C of C.
  • the remote plasma source 26 is located away from the remote plasma source 36, and the center of the nitrogen radical flow path R1 passes through the wafer center C as shown below. ing.
  • a gas rectifying plate 26 f is provided near the gas outlet 26 c of the remote plasma source 26 to change the direction of the nitrogen radical flow path R 1.
  • R nitrogen radical flow path R 1 supplied from the gas outlet 26 c collides with the gas rectifier plate 26 f, and the nitrogen radical flow path R 1 is further connected to the gas rectifier plate 26 f
  • a flow forming an angle of ⁇ 1 with respect to the X-axis, the center of the nitrogen radical flow path R1 after the direction has been changed is aligned with the wafer center C. It is going to pass.
  • both the oxide film and the oxynitride film formed on the processing target w Has good film thickness distribution.
  • the remote plasma sources 26 and 36 can be set apart from each other, the degree of freedom in design and layout is increased, and furthermore, by using a rectifying plate in which the angle 01 is changed, various positions can be obtained.
  • the remote plasma source 26 can be provided.
  • the remote plasma source 26 on the X-axis and install a rectifier plate near the gas outlet 36 c of the remote plasma source 36, and in this case as well, Both the nitrogen radical flow path R1 and the oxygen radical flow path R2 Of the oxide film and the oxynitride film formed on the substrate to be processed can be improved in both directions. It is. In addition, it is also possible to arrange the remote plasma sources 26 and 36 both away from the X axis and to install rectifying plates near the respective gas outlets 26 C and 36 C. In this case, similarly, both the centers of the nitrogen radical flow path R1 and the oxygen radical flow path R2 pass through the wafer center C, and the oxide film and the acid formed on the substrate W to be processed are formed. It is possible to improve the distribution of both of the nitride films.
  • FIG. 1 As an example of a method of changing the direction of the nitrogen radical flow path R1, FIG.
  • the remote plasma source 36 is installed on the X axis, and the center of the oxygen radical flow path R 2 is It is installed to pass through the wafer center C.
  • the remote plasma source 26 is installed at a position distant from the remote plasma source 36, with the center of the nitrogen radical flow path R1 passing through the wafer center C as shown below. I have.
  • the nitrogen radical flow path R 1 supplied from the gas outlet 26 c of the remote plasma source 26 forms an angle of, for example, 0 2 with respect to the X axis. Is installed at an angle to the X axis, and the center of the nitrogen radical flow path R1 passes through the return wafer center C.
  • the remote plasma sources 26 and 36 can be set apart from each other, the degree of freedom of the installation I 3 layout is increased, and by further changing the angle of 0 2, the remote plasma source 26
  • the installation location can be changed in various ways.
  • the remote plasma source 26 on the X-axis and install the remote plasma source 36 at an angle to the X-axis.
  • the centers of both the nitrogen radical flow path R1 and the oxygen radical flow path R2 pass through the wafer center C, and both the oxide film and the oxynitride film formed on the substrate to be processed W Can be improved.
  • both the remote plasma sources 26 and 36 may be arranged at a position away from the X axis, and may be installed at an angle with respect to the X axis, respectively.
  • the center of both the flow path R1 and the oxygen radical flow path R2 is the center of the wafer.
  • the distribution of both the oxide film and the oxynitride film formed on the processing target W can be improved. In this way, the degree of freedom in the design layout is further increased, and the installation location of the remote plasma sources 26 and 36 can be changed in various ways by changing the angle of the ftlf 2 itself. is there.
  • the above-described R1 or R1 after changing the direction is changed.
  • the best thickness distribution of the oxynitride film and oxide film is obtained when R 2 passes through the wafer center C, but if the distance between the R 1 or R 2 and the wafer center C is 40 mm or less, However, it is considered that the thickness dispersion value of the oxynitride film or the oxide film can be maintained at 1% or less.
  • FIG. 11 shows an example of a model in which the influence of residual oxygen on the formation of such an oxynitride film is large and small.
  • the abscissa indicates the sum of the thicknesses of the oxide film and the oxynitride film formed on the silicon substrate, and the ordinate indicates the nitrogen concentration of the oxynitride film formed. Is shown.
  • F 0 when the effect of residual oxygen is large, the case of F 0 shown in the figure is as follows. At a point on F 0, let a be the time when the base oxide film is formed on the silicon substrate, let Jgj? Be T 1, and let the nitrogen concentration be C 1 at a. In this case, before the nitridation process, the nitrogen concentration is below the measurement limit.
  • FIG. llff is T 2
  • the nitrogen concentration is C 2 (in b,).
  • the state where nitriding is further advanced from the state of b and c is c, and the film thickness is T 3 ′ and the nitrogen concentration is C 3 ′.
  • nitriding the oxide film increases the nitrogen concentration, but increases the film thickness, for example, it is expected that the values of T3 and T1 will be larger than in the case where the residual oxygen described below is small. Is done. In addition, it is considered that the rise in the nitrogen concentration is smaller than in the case where the effect of residual oxygen described below is small.
  • the time when the base oxide film is formed on the silicon substrate is denoted by a
  • the nitrided state is denoted by b
  • the state of the progress of nitriding is indicated by c.
  • F1 the increase in film thickness in the state of b is small
  • T3-T1 the increase in film thickness when the state is advanced to the state of c, T3-T1 is smaller than that in the case of F0. is expected.
  • the nitrogen concentrations C 2 and C 3 are higher than the above-mentioned C 2, C 3 ′.
  • the influence of residual oxygen in the processing vessel or the like is small, the oxidation of the silicon substrate by the residual oxygen is not promoted in the nitridation process, and the nitridation is apt to proceed. Therefore, it is possible to form an oxynitride film having a high nitrogen concentration.
  • the base thickness of the high dielectric gate insulating film which is preferable as the pace oxide film of the gut oxide film, for example, about 0.4 nm or less, can be secured. It is considered that an oxynitride film having a desired value can be formed on the oxide film.
  • the radical source for forming oxygen radicals used for oxidation and the radical source for forming nitrogen radicals used for nitriding are separated. ⁇ The effects of oxygen-containing residues cannot be completely eliminated.
  • FIGS. 12A and 12B show a seventh embodiment of the present invention using the substrate processing apparatus 20 of FIG. 7A and 7B are a side view and a plan view showing a method for performing radical oxidation of a substrate W to be processed.
  • This embodiment is characterized in that the effect of residual oxygen is small and the thickness of the base oxide film is small in the nitridation step after the oxidation step shown in FIG.
  • the force of oxidizing the silicon substrate to form a base oxide film as in the case shown in FIGS. 6A and 6B is different from the case shown in FIGS. 6A and 6B.
  • a purge gas such as Ar is simultaneously supplied from the remote plasma source 26 to the processing space 21 B. Is to be done. 6A and 6B, except that the above-described purge gas is supplied.
  • oxygen radicals are used in the step of oxidizing the silicon substrate to form the base oxide film
  • oxygen radicals are introduced from the remote plasma source 36 into the processing space 21B as described above. You. At this time, oxygen radicals and oxygen such as H 2 O are supplied from the gas outlet 26 c of the remote plasma source 26. Containing by-products may flow back.
  • a purge gas is introduced into the processing space 21 B from the remote plasma source 26 to prevent oxygen or a product containing oxygen from flowing back to the remote radical source 26. .
  • the processing space is evacuated to a low pressure (high vacuum) state to generate oxygen and oxygen containing oxygen remaining in the processing space 21B and the remote plasma source 26. It is a method of removing an object.
  • Gas purging is a method of removing oxygen remaining in the processing space 21B and the remote plasma source 26 by introducing an inert gas into the processing space 21B after the above-described oxidation step is completed. . .
  • the vacuum purging and the gas purging are performed several times in combination.
  • a processing time is required, so that there is a problem that the throughput of the substrate processing apparatus 20 is reduced and productivity is reduced.
  • performing vacuum purging requires an expensive evacuation means such as a turbo-molecular pump with a high evacuation rate, which leads to an increase in the cost of the apparatus.
  • a nitridation process is performed as shown in Figs. 7A and 7B, and the base oxide film is nitrided to form an oxynitride film. I do.
  • the oxidation proceeds due to the residual oxygen and products containing oxygen, and the base oxide film is formed.
  • the phenomenon of increasing the film thickness is suppressed, and the nitridation proceeds to form an oxynitride film having a desired nitrogen concentration.
  • a very thin base oxide film 202 suitable for use in the semiconductor device 200 for example, about 0.4 nm, and an acid having an appropriate concentration on the base oxide film. It is possible to form a nitride film 202A.
  • the purge gas used in this embodiment may be an inert gas, and nitrogen, helium, or the like can be used in addition to the above-described Ar gas.
  • the method for reducing the influence of residual oxygen by using a purge gas in the oxidation step for forming the base oxide film can be implemented in another apparatus.
  • the present invention can also be implemented in a substrate processing apparatus 20A described below in which an ultraviolet light source is mounted on a radioactive ray source for generating an oxygen radical force / ray.
  • FIG. 13 shows an eighth embodiment of the present invention for forming a very thin base oxide film 202 including an oxynitride film 202 A on a silicon substrate 201 of FIG.
  • the schematic configuration of a substrate processing apparatus 2 OA is shown. However, in the figure, the same reference numerals are given to the parts described above, and the description is omitted.
  • a processing gas supply nozzle 21D for supplying oxygen gas is provided on a side opposite to the exhaust port 21A across the substrate to be processed, and is supplied to the processing gas supply nozzle 21D.
  • the oxygen gas flows in the process space 21B along the surface of the substrate W to be processed, and is configured to be exhausted from the exhaust port 21A.
  • the processing gas supply nozzle 21 D and the processing gas supply nozzle 21 D are disposed on the processing container 21.
  • An ultraviolet light source 25 having a quartz window 25A is provided corresponding to an area between the base and the ISW.
  • the knitting ultraviolet light source 25 the oxygen gas introduced into the process space 21B from the disgusting gas supply nozzle 21D is activated, and the oxygen radicals formed as a result are treated with the oxygen radical. Group; flows along a few surfaces.
  • a remote plasma source 26 is formed on the side of the IS substrate W facing the exhaust port 21 A. Therefore, by supplying a nitrogen gas together with an inert gas such as Ar to the remote plasma source 26 and activating it with plasma, it is possible to form nitrogen radicals.
  • the nitrogen radicals formed in this way flow along the surface of the substrate to be processed W, and nitrify the surface of the rotating substrate to be processed.
  • the remote plasma source 36 is not provided unlike the substrate processing apparatus 20.
  • FIGS. 14A and 14B are a side view and a plan view, respectively, showing a case where radical oxidation of a substrate to be processed is performed by a normal method using the substrate processing apparatus 20A of FIG.
  • an oxygen gas is supplied into the process space 21 B from a processing gas supply nozzle 21 D, flows along the surface of the substrate to be processed W, and is exhausted.
  • valves 23 A and 23 C When valves 23 A and 23 C are closed, open the knob 24 A without using the turbo molecular pump 23 B and use only the dry pump 24. In this case, there is an advantage that a region to which residual moisture or the like adheres is reduced, and gas is eliminated by a high pumping speed of the pump.
  • valves 23 A and 23 C are opened, the valve 24 A is closed, and the turbo molecular pump 23 B is used as an exhaust path.
  • the degree of vacuum in the processing vessel can be increased by using a turbo molecular pump, the residual gas partial pressure can be reduced.
  • oxygen radicals are formed in the oxygen gas stream thus formed by driving an ultraviolet light source 25 that preferably generates ultraviolet light having a wavelength of 17 nm.
  • the formed oxygen radicals oxidize the rotating substrate surface when flowing along the surface of the substrate W to be processed.
  • Oxidation of ⁇ W by UV-excited oxygen radicals (hereinafter UV-O 2 treatment) of ⁇ W to be treated results in the formation of a very thin oxide film with a thickness of 1 nm or less, especially 2 to 3 atomic layers, on the silicon substrate surface.
  • UV-O 2 treatment UV-excited oxygen radicals
  • An oxide film having a thickness of m can be formed stably with good reproducibility.
  • FIG. 14B shows a plan view of the configuration of FIG. 14A.
  • an ultraviolet light source 25 is a tubular light source extending in a direction intersecting the direction of the oxygen gas flow, and a turbo molecular pump 23B connects the process space 21B through an exhaust port 21A. You can see the exhaust. On the other hand, the exhaust path indicated by a dotted line in FIG. 14B and directly reaching the pump 24 from the exhaust port 21A is achieved by closing the valves 23A and 23C.
  • FIGS. 15A and 15B are a side view and a plan view, respectively, showing the case where the substrate to be processed W is subjected to radical nitriding (RF-N2 processing) using the substrate processing apparatus 20A of FIG. is there.
  • RF-N2 processing radical nitriding
  • Ar gas and nitrogen gas are supplied to the remote plasma radical source 26, and nitrogen radicals are formed by exciting the plasma at a high frequency of several hundred kHz.
  • the formed nitrogen radicals flow along the surface of the processing target W, and are exhausted through the exhaust port 21A and the pump 24.
  • the process space 21B is set to a process pressure in the range of 1.33Pa to: L. 33 kPa (0.01 to: LOTorr) suitable for radical nitridation of the base.
  • a purge process may be performed before the nitridation process.
  • the valve 23 A and 23 C are opened, the pressure of the knitted himself processing space 21 B by Bal-flop 24 A is closed 1.
  • 33X 1 CHP a The pressure is reduced to the pressure, and the oxygen and water remaining in the processing space 21B are purged.
  • the substrate processing apparatus 20A of FIG. 13 it is possible to form an extremely thin oxide film on the surface of the substrate to be treated; 3 ⁇ 4W, and to further nitride the oxide film surface.
  • FIGS. 16A and 16B are a side view and a side view showing a method for performing radical oxidation of a substrate W to be processed according to the eighth embodiment of the present invention using the substrate processing apparatus 20A of FIG. FIG.
  • the same parts as those described above are denoted by the same reference numerals, and description thereof will be omitted.
  • the present embodiment is a method in which the influence of residual oxygen is small and the thickness of the oxide film is small in the nitridation step after the oxidation step shown in FIG.
  • the surface of the substrate W to be processed is oxidized as in the case shown in FIG. 14A and FIG. 14B.
  • the processing gas for generating oxygen radicals such as oxygen is supplied from the processing gas supply nozzle 21D to the processing space 21B. That is, a purge gas such as Ar is supplied from the remote plasma source 26 to the processing space 21 B. Except for the supply of the purge gas described above, the operation is the same as that in FIGS. 14A and 14B.
  • oxygen radicals are used in the step of oxidizing the silicon substrate
  • the processing gas supplied from the gas supply nozzle 21D is activated in the processing space 21B to form oxygen radicals. Is done. At that time, oxygen radicals or products containing oxygen may flow backward from the gas outlet 26 c of the remote plasma source 26 and enter.
  • a purge gas is introduced into the processing space 21 B from the remote plasma source 26 to prevent oxygen or a product containing oxygen from flowing back to the remote radical source 26. .
  • vacuum purging is a method of evacuating the processing space to a low pressure (high vacuum) state after completion of the oxidation step to remove oxygen remaining in the processing space 21 B and the remote plasma source 26. .
  • Gas purging is a method of removing oxygen remaining in the processing space 21B and the remote plasma source 26 by introducing an inert gas into the processing space 21B after the above-described oxidation step is completed. .
  • the vacuum purging and the gas purging are performed several times in combination.
  • a processing time is required, and thus there is a problem that the throughput of the substrate processing apparatus 2OA decreases and productivity decreases.
  • an expensive evacuation unit having a high evacuation speed such as a turbo-molecular pump is required, which leads to an increase in the cost of the apparatus.
  • the nitridation step described above with reference to FIGS. 15A and 15B is performed to nitride the base oxide film to form an oxynitride film. I do.
  • the oxidation proceeds due to the residual oxygen and products containing oxygen, and the base oxide film increases. The phenomenon of film formation is suppressed, and nitriding proceeds to form an oxynitride film having a desired nitrogen concentration.
  • the film 202A can be formed.
  • the purge gas used in this embodiment may be an inert gas.
  • Ar gas nitrogen, helium, and the like can be used.
  • step 1 (indicated as S1 in the figure, the same applies hereinafter), a substrate to be processed is loaded into the substrate processing vessel 21 and the knitting substrate is held. Place on table 22.
  • step 2 the surface of the silicon substrate to be treated OT is oxidized to form a non-metal layer having a thickness of 1 nm or less on the silicon substrate surface.
  • a stable thin oxide film especially a base oxide film with a thickness of about 0.4 nm, equivalent to a few atomic layers, is formed stably with good reproducibility.
  • step 3 the target substrate W is carried out of the processing container 21.
  • the residual oxygen in the substrate processing container 21 is removed in the substrate processing container 21 from which the substrate to be processed has been carried out.
  • oxygen is supplied to the ⁇ processing space 21 ⁇ inside the processing container 21 and oxygen radicals are generated. Therefore, oxygen and, for example ⁇ such products containing oxygen, such as 2 0, remaining in the space that through communication with the processing space 2 1 beta and the treatment space 2 1 beta.
  • a r Gasuoyo ⁇ Activated Ar gas and nitrogen gas containing Ar radicals and nitrogen radicals generated by dissociating nitrogen gas by the remote plasma source 26 are supplied to the processing space 21 B.
  • the processing space 21 B and Oxygen remaining in a space communicating with the processing space 21 B, for example, inside the remote plasma source 26, or a product containing oxygen such as H 20 , for example, is exhausted from the exhaust port 21 A.
  • step 5 the substrate W to be processed is again carried into the processing container 21 and placed on the substrate holding table 22 in step V.
  • Step 6 the surface of the substrate W on which the base oxide film is formed in Step 2 is oxynitrided by nitriding with a nitrogen radical. Form a film.
  • the oxygen removing treatment is performed in the step 4, it is possible to perform the nitriding treatment while suppressing the influence of the increase of the oxide film. That is, it remains in the inside of the processing container 21, the processing space 21 B and the space communicating with the processing space 21 B, for example, the inside of the remote plasma source 26.
  • the oxide film is increased by the oxygen and the residue containing oxygen used in step 2, and In this case, it is possible to suppress the problem that the nitrogen concentration becomes low. Therefore, nitriding proceeds, and an oxynitride film having a desired nitrogen concentration can be formed.
  • a very thin base oxide film 202 of, for example, about 0.4 nm suitable for use in the semiconductor device 200 obtained in FIG. 3 and a suitable concentration on the base oxide film are used.
  • An oxynitride film 202 A can be formed.
  • step 7 the substrate to be treated; KW is unloaded from the processing vessel 21 to complete the processing.
  • step 2 the inside of the processing vessel 21 as described above, the processing space 21B and a space communicating with the processing space 21B, for example, the inside of the remote plasma source 26, etc.
  • Vacuum purging or gas purging with an inert gas can be used to eliminate the oxygen and other products containing oxygen used in the oxidizing process.
  • the processing space is evacuated to a low pressure (high vacuum) state, and oxygen remaining in the processing space 21B and the space communicating with the processing space 21B is removed.
  • This is a method for removing products containing oxygen.
  • an inert gas is introduced into the processing space 21B to remove the oxygen remaining in the processing space 21B and the space communicating with the processing space 21B. This is a method for removing products containing oxygen.
  • the effect is often exerted by performing the vacuum purge and the gas purge repeatedly in combination several times.
  • processing time is required, so that there is a problem that the throughput of the substrate processing apparatus 2OA decreases and productivity decreases.
  • the substrate processing method described in the present embodiment can be performed, for example, by a cluster-type substrate processing system described below.
  • FIG. 18 shows the configuration of a cluster type substrate processing system 50 according to a tenth embodiment of the present invention.
  • the cluster-type substrate processing system 50 includes a load lock chamber 51 for loading and unloading the substrate, and a pretreatment chamber for removing a natural oxide film and carbon contamination on the substrate surface. 5 2, and the processing chamber 3 made of a substrate processing apparatus 2 OA in Figure 1 3, T a 2 0 5 on a substrate, a 1 2_Rei_3, Z r 0 2, H f 0 2, ⁇ r S i It has a configuration in which a CVD processing chamber 54 for depositing a high dielectric film such as 0 4 , ⁇ f S i ⁇ 4 and a cooling chamber 55 for cooling the substrate are connected by a vacuum transfer chamber 56. A transfer arm (not shown) is provided in the vacuum transfer chamber 56.
  • the substrate to be processed W introduced into the load lock chamber 51 is introduced into the pretreatment chamber 52 along a path 50a, and the natural oxide film is formed. And coal-Qin pollution is removed.
  • the substrate W from which the natural oxide film has been removed in the pre-processing chamber 52 is guided to the processing chamber 53 in the step 1 along the path 50b.
  • the base oxide film is formed in a uniform SD ⁇ of 2 to 3 atomic layers by the substrate processing apparatus 2 OA in FIG.
  • the substrate W on which the base oxide film is formed in the processing chamber 53 is transferred to the vacuum transfer chamber 56 along the path 50c in the step 3, and the key processing substrate K is formed.
  • the substrate processing apparatus 2OA performs the oxygen removal processing described in the ninth embodiment.
  • the substrate W to be processed again is transferred from the transfer chamber 56 to the processing chamber 53 along the path 50d, and in Step 6, the substrate processing apparatus 20A is transferred.
  • the base oxide film is nitrided to form an oxynitride film.
  • the S3 ⁇ 4W to be processed is carried out from the processing chamber 53 along the path 50e and introduced into the CVD processing chamber 54, and a high dielectric substance gut insulating film is formed on the base oxide film. It is formed.
  • the substrate to be processed is transferred from the CVD processing chamber 54 along a path 50 f to a cooling chamber 55, where it is cooled in the cooling chamber 55, and then a load lock chamber along a path 50 g. 5 Returned to 1 and carried out.
  • a pretreatment chamber for performing a high-temperature heat treatment in an Ar atmosphere for further flattening the silicon substrate may be separately provided.
  • the above-described cluster-type substrate processing system 50 enables the substrate processing method described in the ninth embodiment to be performed by the oxygen-containing product or the product containing oxygen remaining in the processing container 21 in the nitriding step.
  • the phenomenon that the base oxide film is increased due to the progress of oxidation is suppressed, and the nitriding proceeds to form an oxynitride film having a desired nitrogen concentration.
  • An oxynitride film 202 A can be formed. It is possible to suppress the increase in the thickness of the base oxide film and promote the nitridation to form an oxynitride film having a desired nitrogen concentration.
  • the place where the substrate to be treated is placed is not limited to the vacuum transfer chamber 56. For example, knitting pre-processing room 5 2 ⁇
  • FIG. 19 shows the relationship between the film thickness and the nitrogen concentration when an oxide film is formed and the base oxide film is nitrided to form an oxynitride film.
  • FIG. 1 shows an example in which the oxygen removal treatment described in the ninth embodiment was not performed, and the nitriding of the base oxide film was continuously performed from the formation of the base oxide film.
  • Figures 4A and 14B also show the results of the intermittent nitridation steps of Figures 15A and 15B from the base oxide film formation step described above.
  • FIG. 19 shows the results of experiments D1 to D3 in which the substrate processing method described in the ninth embodiment was used, and from the formation of the base oxide film, the nitriding of the base oxide film was continuously performed.
  • the results are described in Experiments I1 to I3.
  • the conditions for the substrate processing in Experiments D1 to D3 and the conditions for the substrate processing in Experiments 11 to 13 are shown in the following (Table 1).
  • the oxygen removal treatment described in the ninth embodiment was performed using the Ar flow rate, the nitrogen flow rate, and the treatment time described above in the table, and then under the conditions described in the table.
  • a nitriding treatment was performed.
  • the base oxide film was compared with the experiments 11 to 13 in which the oxygen removal treatment was performed. It can be seen that the J ⁇ ⁇ addition when nitriding is small. Also, it can be seen that the nitrogen concentration is high and nitridation is sufficiently promoted.
  • FIG. 20 shows the relationship between HJ ⁇ and the nitrogen concentration when the conditions were changed in the case of formation, for experiments X1 to X5 described later.
  • the base oxide film forming method described above with reference to FIGS. 16A and 16B that is, the method of introducing a purge gas from the remote plasma source 26 to prevent a backflow of oxygen, is used in the table.
  • a base oxide film was formed at the Ar flow rate, the oxygen flow rate, the pressure, the substrate holding table temperature, and the processing time as the purge gas.
  • an oxynitride film was formed by the method described above with reference to FIGS. 15A and 15B at the Ar flow rate, the nitrogen flow rate, the pressure, the substrate holding table temperature, and the processing time in the above table.
  • the oxygen flow rate, pressure, substrate holding table temperature, and processing time under the conditions described above were determined by the method of forming the base oxide film ilB in Figs. 14 and 14B.
  • a base oxide film is formed, and the oxynitride film is formed by the nitriding method described above with reference to FIGS. The formation was performed.
  • the oxygen removal treatment was performed at the Ar flow rate, the nitrogen flow rate, and the treatment time under the conditions in the table according to the substrate treatment method described in the ninth embodiment.
  • the substrate W to be processed is not carried out after the formation of the base oxide film, and the nitriding step is performed as it is.
  • the substrate to be processed was carried out after the formation of the base oxide film, and the substrate was processed in the substrate processing apparatus 2OA. Then, oxygen radical treatment is performed by introducing oxygen under the above-mentioned conditions, and then the substrate to be processed W is re-introduced to form an oxynitride film.
  • the remote plasma which is a radical for nitriding
  • the remote plasma which is a radical for nitriding
  • Products containing oxygen or oxygen radicals to source 26 To prevent backflow.
  • the effects of residual oxygen and products containing oxygen are eliminated, the increase in the base oxide film is suppressed, and the high nitrogen concentration that promotes nitridation is eliminated. Can be formed.
  • the activated space gas and nitrogen gas containing Ar radicals and nitrogen radicals by the oxygen removal treatment described above activate the treated space 21B and the treated space 21 Oxygen remaining in a space communicating with B, for example, inside the remote plasma source 26, or a product containing oxygen, such as H 2 O, is removed. It is possible to form an oxynitride film with a high nitrogen concentration that promotes nitriding by suppressing the increase in the thickness of the base oxide film by eliminating the influence of products containing oxygen and oxygen.
  • experiments X3 and X4 show almost the same tendency in relation to the force and the nitrogen concentration. From this, simply knitting the substrate to be treated into the self-processing container 21 and unloading and re-introducing it does not have the effect of removing the residual oxygen as described above, and requires the oxygen removal treatment as described above. Conceivable.
  • the substrate processing method described in the ninth to tenth embodiments can be performed using the substrate processing apparatus 20.Also, the backflow of oxygen can be reduced by using the purge gas described in the eighth embodiment. It is also possible to carry out the method of prevention and the oxygen removal treatment described in the ninth to tenth embodiments in combination.In that case, similarly, in the oxynitride film forming step, the product containing oxygen or oxygen is removed. Accordingly, the phenomenon that the base oxide film is increased due to the progress of oxidation is suppressed, and the nitriding proceeds to form an oxynitride film having a desired nitrogen concentration.

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Abstract

非常に薄い、膜厚が０．４ｎｍあるいはそれ以下の酸化膜、酸窒化膜を増膜を最小限に抑制して効率よく窒化するため、酸素ラジカル形成機構によって酸素ラジカルを形成し、形成された酸素ラジカルで、シリコン基板を酸化してシリコン基板上に酸化膜を形成し、さらに窒素ラジカル形成機構で窒素ラジカルを形成して、前記酸化膜膜表面を窒化して酸窒化膜を形成する。

Description

明細書 基板処理装置およぴ基板処理方法 技術分野
本発明は基板処理装置おょぴ基板処理方法に係り、 特に高誘電体膜を有する、 超微細化高速半導体装置を製造するための基板処理装置および基板処理方法に関 する。 背景技術
今日の超高速半導体装置では、 微細化プロセスの進歩とともに、 0 · 1 m以 下のゲート長が可能になりつつある。 一般に微細化とともに半導体装置の動作速 度は向上するが、 このように非常に微細化された半導体装置では、 ゲート絶縁膜 の膜厚を、 微細化によるゲート長の短縮に伴って、 スケーリング則に従って減少 させる必要がある。
しかしゲート長が 0. Ι μ πι以下になると、 ゲート絶縁膜の厚さも、 従来の熱 酸化膜を使った場合、 l〜2 n m、 あるいはそれ以下に設定する必要があるが、 このように非常に薄いゲート絶縁膜ではトンネル電流が増大し、 その結果ゲート リーク電流が増大する問題を回避することができなレ、。
このような事情で、 比誘電率が従来の熱酸化膜のものよりもはるかに大きく、 このため実際の が大きくても S i 02膜に換算した場合の膜厚が小さい T a 2 O5や A l 2〇3， Z r O2, H f 02、 さらには Z r S i O4あるいは H f S i〇4の ような高誘電体材料 （いわゆる h i g h— K材料） をグート絶縁膜に対して適用 することが提案されている。 このような高誘電 ί«ί料を使うことにより、 ゲート 長が 0. 1 m以下と、 非常に短 、超高速半導体装置にぉ 、ても 1 0 n m程度の 物理的 Hffのゲート絶緣膜を使うことができ、 トンネル効果によるゲートリーク 電流を抑制することができる。
例えば従来より T a 2〇5膜は T a (O C2H5) 5および O2を気相原料とした C VD法により形成できることが知られている。 典型的な場合、 C VDプロセスは 減圧環境下、 約 4 8 0° C、 あるいはそれ以上の温度で実行される。 このように して形成された T a 2〇5膜は、 さらに酸素雰囲気中において熱処理され、 その結 果、 膜中の酸素欠損が解消され、 また膜自体が結晶化する。 このようにして結晶 化された T a 2〇5膜は大きな比誘電率を示す。
チヤネ A^g域中のキャリアモビリティーを向上させる観点からは、 高誘電体ゲ ート酸化膜とシリコン基板との間に、 1 n m以下、 好ましくは 0 . 8 n m以下の 厚さのきわめて薄いベース酸化膜を介在させるのが好ましい。 ベース酸化膜は非 常に薄い必要があり、 厚さが厚いと高誘電体膜をグート絶縁膜に使った効果が相 殺される。 一方、 力かる非常に薄いベース酸化膜は、 シリコン基板表面を一様に 覆う必要があり、 また界面準位等の欠陥を形成しないことが要求される。
従来より、 薄いゲート酸化膜はシリコン基板の急速熱酸化 （R T O) 処理によ り形成されるのが一般的である力 熱酸化膜を所望の 1 n m以下の厚さに形成し ようとすると、 膜形成時の処理温度を低下させる必要がある。 し力し、 このよう に低温で形成された熱酸化膜は界面準位等の欠陥を含みやすく、 高誘電体ゲート 絶縁膜のベース酸化膜としては不適当である。
尚、 関連する非特許文献として、 Bruce E. Deal, J.Electrochem. Soc. 121.198C(1974)がある。 発明の要約
しかし、 ベース酸化膜を 1 11 m以下、 例えば 0 . 8 n m以下、 さらには 0 . 3 〜0 . 4 n m前後の厚さで一様に、 かつ安定に形成するのは、 従来より非常に困 難であった。 例えば醇が 0 . 3〜 0 . 4 n mの場合、 酸化膜は 2〜 3原子層分 の膜厚し力有さないことになる。
また、 従来より、 原子間結合価数が大きく、 いわば 「剛性の高い」 シリコン単 結晶基板表面に直接に、 原子間結合価数の小さい、 いわば 「剛性の低い」 金属酸 化膜を形成すると、 シリコン基板と金属酸化膜の界面が力学的に不安定になり欠 陥を発生させる可能性が指摘されており（例えば G. Lucovisky, et al., Appl. Phys. Lett. 74, pp.2005, 1999)、 この問題を回避するために、 シリコン基板と金属酸化 膜との界面に窒素を 1原子層分導入した酸窒化層を遷移層として形成することが 提案されている。 また、 高誘電体ゲート絶縁膜のベース酸化膜として、 このよう に酸窒化膜を形成することは、 高誘電体ゲート絶縁膜中の金属元素あるいは酸素 とシリコン基板を構成するシリコンとの相互拡散を抑制したり、 電極からのドー パントの拡散を抑制するのにも有効であると考えられる。
図 1には、 シリコン基板に酸化膜を形成した後、 酸窒化膜を形成する基板処理 装置 1 0 0の例を示す。
図 1を参照するに、 ドライポンプなどの排気手段 1 0 4が接続された排気口 1 0 3によって内部を排気される処理容器 1 0 1を有する基板処理装置 1 0 0は、 その内部に被処理基板であるウェハ W0を保持する基板保持台を有している。 基板保持台 1 0 2に载置されたウェハ W 0は、 処理容器 1 0 1側壁面上に設け られたリモートプラズマラジカル源 1 0 5から供給されるラジカルにより、 酸化 もしくは窒化されて、 ウェハ W0上に酸化膜もしくは酸窒化膜を形成する。 前記リモートプラズマラジカル源は、 高周波プラズマにより、 酸素ガスもしく は窒素ガスを解離して酸素ラジカルもしくは窒素ラジカルをウエノ、 W0上に供給 する。
このような酸窒化膜を形成するにあたり、 処理容器でシリコン基板を酸化した 後に、 当該処理容器で窒化処理を行う場合には、 前記処理容器中などに残存する 酸素や水分などの微量の不純物の影響が無視できなくなり、 窒化処理の際に酸化 反応を生じ、 酸化膜を増膜させてしまうおそれがある。 このように酸窒化処理の 際に酸化膜が増膜してしまうと、 高誘電体ゲート絶縁膜を使う効果は相殺されて しまう。
従来より、 このように非常に薄い酸窒化膜を安定に、 再現性良く、 しかも酸化 による増膜を伴うことなく窒化するのは、 非常に困難であった。
また、 酸素ラジカルを生成する酸素ラジカル生成部と窒素ラジカルを生成する 窒素ラジカル生成部を分離した基板処理装置も提案されている。
図 2には、 ラジカル生成部を 2つ有する基板処理装置 1 1 0の例を示す。 図 2を参照するに、 ドライポンプなどの排気手段 1 2 0が接続された排気口 1 1 9によって内部を排気され、 基板保持台 1 1 8が設けられた処理容器 1 1 1を 有する基板処理装置 1 1 0は、 基板保持台 1 1 8に載置されたウエノ、 W0を、 酸 素ラジカルによって酸化し、 その後窒素ラジカルによって窒化することが可能な 構造となっている。
編己処理容器 1 1 1には、 上壁部に紫外光源 1 1 3および紫外光を Siiする透 過窓 1 1 4が設けられ、 ノズル 1 1 5から供給される酸素ガスを紫外光によって 解離して酸素ラジカルを生成する構造となっている。
このようにして形成された酸素ラジカルによって、 シリコン基板表面が酸化さ れて酸化膜を形成する。
さらに、 前記処理容器 1 1 1の側壁にはリモートプラズマラジカル源 1 1 6が 設置され、 高周波プラズマによって窒素ガスを解離して、 窒素ラジカルを前記処 理容器 1 1 1に供給して、ウェハ W0上の酸化膜を窒化して酸窒化膜を形成する。 このように、 酸素ラジカル生成部と、 窒素ラジカル生成部を分離した基板処理 装置が提案されている。 このような基板処理装置を使うことにより、 シリコン基 板上に、 IU¥が 0 . 4 n m前後の酸化膜を形成し、 これをさらに窒ィ匕して酸窒化 膜を形成することが可能となっている。
—方、 このようなシリコン基板の酸化処理と窒化処理を連続して行う基板処理 装置において、 酸化処理と窒化処理とをリモートプラズマラジカル源を使って行 いたいとの要望がある。
また、 図 2の基板処理装置を使った場合でも、 前記した残留酸素の影響を抑え て酸化による増膜の影響を極力排除するには、 酸化処理の後、 例えば処理容器内 を真空排気して、 不活性ガスで満たし、 さらに真空排気と不活性ガスを満たす作 業を繰り返すパージ作業など、 残留酸素の低減のための処理が必要となり、 スル 一プットが低下してしまい、 生産性が低下してしまうという問題があった。
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装置およぴ基板 処理方法を徵することを概括的課題とする。
本発明の具体的な課題は、 シリコン基板表面に非常に薄い、 典型的には 2〜4 原子層分以下の厚さの酸化膜を形成し、 さらにこれを窒化して、 当該窒化の際に 前記酸化膜の増膜量を抑制して酸窒化膜を形成することのできる、 生産性の良好 である、 基板処理装置および基板処理方法を提供することにある。
本発明は、 上記の i¾ を解決するために、 請求の範囲 1に記載したように、
処理空間を画成する処理容器と、
t&E処理空間中の被処理基板を保持する回動自在の保持台と、
前記保持台の回動機構と、
前記処理容器上、 前記保持台に対して第 1の側の端部に設けられた、 高周波プ ラズマにより窒素ラジカルを形成して前記窒素ラジカルが前記被処理基板表面に 沿って前記第 1の側から前記被処理基板を隔て対向する第 2の側に流れるように 前記処理空間に供給する窒素ラジカル形成部と、
t!ll己第 1の側の端部に設けられた、 高周波ブラズマにより酸素ラジカルを形成 して前記酸素ラジカルが ri己被処理基板表面に沿って前記第 1の側から前記第 2 の側に流れるように tin己処理空間に供給する酸素ラジカル形成部と、
前記第 2の側の端部に設けられ、 前記処理空間を排気する排気経路とを有し、 前記窒素ラジカルおよび酸素ラジカルは、 それぞれ前記窒素ラジカル形成部お よび酸素ラジカル形成部より前記排気経路に向かって前記被処理基板表面に沿つ た窒素ラジカル流路および酸素ラジカル流路を形成して流れることを特徴とする 基板処理装置である。
また、 本発明は、 請求の範囲 2に記載したように、 請求の範囲 1に記載の基板 処理装置において更に、
tiilB窒素ラジカル形成部は、 第 1のガス通路と前記第 1のガス通路の一部に形 成されて前記第 1のガス通路を通過する窒素ガスをプラズマ励起する第 1の高周 波プラズマ形成部とを含み、 ΙΐΠΗ酸素ラジカル形成部は、 第 2のガス通路と前記 第 2のガス通路の一部に形成されて前記第 2のガス通路を通過する酸素ガスをプ ラズマ励起する第 2の高周波プラズマ形成部とを含み、 前記第 1のガス通路と前 記第 2のガス通路が it己処理空間に連通していることが望ましい。
又、 本発明は、 請求の範囲 3に記載したように、 請求の範囲 1または 2に記載 の基板処理装置において更に、
前記窒素ラジカル流路と前記酸素ラジカル流路が略平行であることが望まし！/、。 また請求の範囲 4に記載したように、 請求の範囲 1〜 3のうちのいずれかに記 载の基板処理装置において更に、 if己窒素ラジカル流路の中心と、 前記被処理基板の中心の距離が、 4 O mm以 下となるように ΙίίΙΕ窒素ラジカル形成部を設置することが望ましい。
また、 本発明は、 請求の範囲 5に記载したように、 請求の範囲 1〜4のうちの Vヽずれかに記载の基板処3¾置にぉ 、て更に、
Ιίίΐ己酸素ラジカル流路の中心と、 前記被処理基板の中心の距離が、 4 0 mm以 下となるように前記酸素ラジカル源を設置することが望ましい。
また、 本発明は、 請求の範囲 6に記載したように、 請求の範囲 1または 2に記 載の基板処理装置において更に、
前記窒素ラジカル流路の中心と、 前記酸素ラジカル流路の中心が、 tf t己被処理 基板の略中心で交差することが望ましい。
また、 本発明は、 請求の範囲 7に記載したように、 請求の範囲 1〜6のうちの レ、ずれかに記載の基板処理装置において更に、
前記窒素ラジカル流路を衝突させて tin己窒素ラジカル流路の向きを変更する整 流板を設けることが望ましい。
また、 本発明は、 請求の範囲 8に記載したように、 請求の範囲 1〜7のうちの レヽずれかに記載の基板処3¾置にぉレ、て更に、
前記酸素ラジカル流路を衝突させて Mt己酸素ラジカル流路の向きを変更する整 流板を設けることが望ましい。
また、 本発明は、 請求の範囲 9に記載したように、
処理空間を画成し、 前記処理空間中に被処理基板を保持する保持台を備えた処 理容器と、
前記処理容器に第 1のラジカルを、 前記第 1のラジカルが前記被処理基板表面 に沿って前記処理容器の第 1の側から前記被処理基板を隔てて対向する第 2の側 に流れるように供給する第 1のラジカル形成部と、
前記処理空間に第 2のラジカルを、 前記第 2のラジカルが前記被処理基板表面 に沿つて前記第 1の側から前記第 2の側に流れるように供給する第 2のラジカル 形成部とを有する基板処理装置による基板処理方法であって、
前記第 1のラジカル形成部より tins処理空間に第 1のラジカルを供給して ΙίίΙΒ 被処理基板の処理を行レ、ながら、 前記第 2のラジカル形成部より前記第 2のラジ カ^^成部をパージするパージガスを前記処理空間に導入する第 1の工程と、
SiifS第 2のラジカル形成部より前記処理空間に前記第 2のラジカルを導入して 前記被処理基板の処理を行う第 2の工程を有することを特徵とする基板処理方法 である。
また。、本発明は、請求の範囲 1 0に記载したように、請求の範囲 9に記載の基 板処理方法において更に、
前記被処理基板はシリコン基板であり、 前記第 1の工程では前記第 1のラジカ ルである酸素ラジカノレで前記シリコン基板表面を酸化して酸化膜を形成すること が望ましい。
また、 本発明は、 請求の範囲 1 1に記載したように、 請求の範囲 1 0に記載の 基板処理方法において更に、
前記第 2の工程では前記第 2のラジカルである窒素ラジカルで前記酸化膜表面 を窒化して酸窒化膜を形成することが望ましい。
また、 本発明は、 請求の範囲 1 2に記載したように、 請求の範囲 9〜1 1のう ちの 、ずれかに記載の基板処理方法にぉ 、て更に、
前記第 1のラジカルおょぴ第 2のラジカノレは、 前記被処理基板の表面にそつて 前記第 1の側から前記第 2の側へ流れるガスの流れに乗って供給され、 前記第 2 の側で排気されることが望ましい。
また、 本発明は、 請求の範囲 1 3に記載したように、 請求の範囲 9 ~ 1 2のう ちのいずれかに記載の基板処理方法において更に、
前記第 1のラジカル形成部は、 高周波プラズマにより酸素ラジカルを形成する ことが望ましい。
また、 本発明は、 請求の範囲 1 4に記載したように、 請求の範囲 9〜 1 2のう ちのいずれかに記載の基板処理方法において更に、
爾己第 1のラジカル形成部は、 酸素ラジカルを形成する紫外光源を含むことが 望ましい。
また、 本発明は、 請求の範囲 1 5に記载したように、 請求の範囲 9〜 1 4のう ちのいずれかに記载の基板処理方法において更に、
前記第 2のラジカル形成部は、 高周波プラズマにより窒素ラジカルを形成する ことが望ましい。
また、 本発明は、 請求の範囲 1 6に記載したように、 請求の範囲 1 5に記載の 基板処理方法において更に、
前記第 2のラジカル形成部は、 ガス通路と、 前記ガス通路の一部に形成されて 前記ガス通路を通過する窒素ガスをプラズマ励起する高周波プラズマ形成部とを 含むことが望ましい。
また、 本発明は、 請求の範囲 1 7に記載したように、 請求の範囲 1 6に記載の 基板処理方法において更に、
前記パージガスは、 前記ガス通路を介して供給されることが望ましい。
また、 本発明は、 請求の範囲 1 8に記載したように、 請求の範囲 9〜 1 7のう ちのレヽずれかに記載の基板処理方法において更に、
編己パージガスは、 不活性ガスであることが望まし 、。
また、 本発明は、 請求の範囲 1 9に記載したように、
処理容器で被処理基板の第 1の処理をする第 1の工程と、
iilB被処理基板を編己処理容器より搬出する第 2の工程と、
Iff!己処理容器の酸素除去処理を行う第 3の工程と、
ΙίίΙ己被処理基板を前記処理容器に搬入する第 4の工程と、
前記被処理基板の第 2の処理をする第 5の工程を有することを特徴とする基板 処理方法である。
また、 本発明は、 請求の範囲 2 0に記載したように、 請求の範囲 1 9に記載の 基板処理方法において更に、
前記酸素除去処理では、 処理ガスをブラズマ励起して前記処理容器に導入し、 当該処理ガスを前記処理容器より排気することが望ましい。
また、 本発明は、 請求の範囲 2 1に記載したように、 請求の範囲 2 0に記載の 基板処理方法において更に、
前記処理ガスは、 不活性ガスであることが望ましレ、。
また、 本発明は、 請求の範囲 2 2に記載したように、 請求の範囲 1 9〜 2 1の うちのいずれかに記載の基板処理方法にお！/ヽて更に、
ΙΐίΐΒ被処理基板はシリコン基板であり、 前記第 1の処理は前記シリコン基板表 面を酸化して酸化膜を形成する酸化処理であることが望ましい。
また、 本発明は、 請求の範囲 2 3に記載したように、 請求の範囲 2 2に記載の 基板処理方法において更に、
前記第2の処理は、 前記酸化膜を窒化して酸窒化膜を形成する窒化処理である ことが望ましい。
また、 本発明は、 請求の範囲 2 4に記載したように、 請求の範囲 2 3に記载の 基板処理方法において更に、
IB処理容器は酸素ラジカノ 成部と窒素ラジカノ！^成部を有し、 前記酸素ラ ジカル形成部により形成された酸素ラジカノレにより前記酸ィ匕処理を行 、、 ttiia窒 素ラジカル形成部により形成された窒素ラジカルにより廳己窒化処理を行うこと が望ましい。
また、 本発明は、 請求の範囲 2 5に記載したように、 請求の範囲 2 4に記載の 基板処理方法において更に、
ΙίίΙΕプラズマ励起は、 嫌己窒素ラジカル形成部で行われ、 プラズマ励起された 処理ガスは Ιίίϊ己窒素ラジカル形成部より前記処理容器に導入されることが望まし い。
また、 本発明は、 請求の範囲 2 6に記載したように、 請求の範囲 2 4または 2 5に記載の基板処理方法において更に、
嫌己酸素ラジカルおよび前記窒素ラジカルは前記被処理基板に沿うように流れ、 前記処理容器の、 前記処理容器内に載置される被処理基板の径方向上前記酸素ラ ジカル形成部および ttilB窒素ラジカル形成部に対向する側に設けられた、 排気口 より排気されることが望ましい。
また、 本発明は、 請求の範囲 2 7に記载したように、 請求の範囲 1 9〜 2 6の うちのいずれかに記載の基板処理方法において更に、
前記処理容器は、 複数の基板処理装置が基板搬送室に接続されたクラスタ型基 板処理システムに接続されることが望ましい。
また、 本発明は、 請求の範囲 2 8に記載したように、 請求の範囲 2 7記載の基 板処理方法において更に、
前記第 2の工程において、 I5被処理基板は前記処理容器より前記基板搬送室 に搬送されることが望ましい。 また、 本発明は、 請求の範囲 2 9に記載したよ うに、 請求の範囲 2 7または 2 8記載の基板処理方法において更に、
前記第 3の工程にお!/、て、 tfflE被処理基板は前記基板搬送室に载置されること が望ましい。
また、 本発明は、 請求の範囲 3 0に記載したように、 請求の範囲 2 7〜 2 9の うちのいずれかに記載の方法において更に、
前記第 4の工程にお 、て、 前記被処理基板は廳己搬送室より前記基板処理容器 に搬送されることが望ましい。
このような構成を有する本発明によれば、 処理容器でシリコン基板上に非常に 薄いベース酸化膜を、 酸窒化膜を含めて形成する際に、 ベース酸化膜形成時に用 いた酸素や酸素化合物などの残留物が、 酸窒化膜形成時にシリコン基板の酸化を 進行させてベース酸化膜が増膜してしまう現象を抑制し、 さらに生産性も良好と なる。
その結果、半導体装置において用いる に適切な非常に薄いベース酸化膜と、 当該ベース酸化膜上の適切な窒素濃度の酸窒化膜を、 良好な生産性で形成するこ とが可能となる。
このように、 本発明によれば、 処理容器でシリコン基板上に非常に薄いベース 酸化膜を、 酸窒化膜を含めて形成する際に、 ベース酸化膜形成時に用いた酸素や 酸素化合物などの残留物が、 酸窒化膜形成時にシリコン基板の酸化を進行させて ベース酸化膜が増膜してしまう現象を抑制し、 さらに生産性も良好となった。 その結果、半導体装置において用いる場合に適切な非常に薄いベース酸化膜と、 当該ベース酸化膜上の適切な濃度の酸窒化膜を、 良好な生産性で形成することが '可能となった。 図面の簡単な説明
図 1は従来の基板処理装置の概略を示す図 (その 1 ) である。
図 2は従来の基板処理装置の概略を示す図 （その 2 ) である。
図 3は半導体装置の構成を示す概略図である。
図 4は本発明による基板処理装置の概略を示す図 （その 1 ) である。 図 5は図 4の基板処理装置において使われるリモートブラズマ源の構成を示す 図である。
図 6 A、 図 6 Bは、 図 4の基板処理装置を使って行われる基板の酸化処理を示 すそれぞれ側面図 (その 1) および平面図 (その 1) である。
図 7 A、 図 7 Bは、 図 4の基板処理装置を使って行われる酸化膜の窒化処理を 示すそれぞれ側面図およぴ平面図である。
図 8は被処理基板の窒化の状態を模擬的に示した図である。
図 9は被処理基板の酸窒化膜の,分散値を示した図である。
図 10A、 図 10B、 図 10Cは、 リモートプラズマ源の設置方法を示した図 である。
図 11は酸窒化膜形成時の残留酸素の影響が多レ、場合と少な 、場合の膜厚と窒 素濃度の関係を示す図である。
図 12 A、 図 12 Bは、 図 4の基板処理装置を使って行われる基板の酸化処理 を示すそれぞれ側面図 （その 2) および平面図 （その 2) である。
図 13は本発明による基板処理装置を示す概略図 （その 2) である。
図 14A、 図 14Bは、 図 13の基板処理装置を使って行われる基板の酸化処 理を示すそれぞれ側面図 （その 1) および平面図 （その 1) である。
図 15A、 図 15Bは、 図 13の基板処理装置を使って行われる酸化膜の窒化 処理を示すそれぞれ側面図おょぴ平面図である。
図 16 A、 図 16 Bは、 図 13の基板処理装置を使って行われる基板の酸化処 理を示すそれぞれ側面図 （その 2) および平面図 （その 2) である。
. 図 17は本発明の第 9実施例による基板処理方法のフローチヤ一トを示す図で める。
図 18は本発明の第 10実施例によるクラスタ型基板処理システム 50の構成 を示す概略図である。
図 19は第 9実施例の基板処理方法でベース酸化膜を形成し、 さらにベース酸 化膜を窒化して酸窒化膜を形成した場合の膜厚と窒素濃度の関係を示す図である。 図 20は図 13の基板処理装置を用いてシリコン基板上にベース酸化膜を形成 して、 さらにベース酸化膜を窒化して酸窒化膜を形成する場合に、 条件を変化さ せた場合の SIffと窒素濃度の関係を示す図である。 発明を実施するための最良の形態
次に、 本発明の実施の形態を図面に基づき、 説明する。
まず、 本発明による基板処理装置おょぴ基板処理方法によって形成される半導 体装置の例を図 3に示す。
図 3を参照するに、 半導体装置 2 0 0はシリコン基板 2 0 1上に形成されてお り、 シリコン基板 2 0 1上には薄いベース酸化膜 2 0 2を介して、 T a 205, A 1 2〇3， Z r 02, H f Ο2， Ζ r S i θ4， H f S i 04等の高誘電体ゲート絶縁膜 2 0 3が形成され、 さらに前記高誘電体ゲート絶縁膜 2 0 3上にはゲート電極 2 0 4が形成されている。
図 3の半導体装置 2 0 0では、 前記ベース酸化膜 2 0 2の表面部分に、 シリコ ン基板 2 0 1とベース酸化膜 2 0 2との間の界面の平坦性が保たれるような範囲 で窒素 （N) がドープされ、 酸窒化膜 2 0 2 Aが形成されている。 シリコン酸化 膜よりも比誘電率の大きい酸窒ィ匕膜 2 0 2 Aをベース酸化膜 2 0 2中に形成する ことにより、 ベース酸化膜 2 0 2の熱酸化膜換算 をさらに減少させることが 可能になる。
以下に、 処理容器で前記ベース酸化膜 2 0 2形成後に、 当該処理容器で当該酸 窒化膜 2 0 2 Aを形成する際に、 前記処理容器中などに残存する酸素や水分など の微量の不純物の影響を排除することにより、 窒化処理の際に酸化反応による酸 化膜の増膜を抑制でき、 かつ効率的な基板処理が可能な、 本発明による基板処理 装置および基板処理方法の各実施例に関して説明する。
[第 1実施例]
図 4は、 図 3のシリコン基板 2 0 1上に非常に薄いベース酸化膜 2 0 2を、 酸 窒化膜 2 0 2 Aを含めて形成するための、 本発明の第 1実施例による基板処理装 置 2 0の概略的構成を示す。
図 4を参照するに、 基板処理装置 2 0は、 ヒータ 2 2 Aを備えプロセス位置と 基板搬入 -搬出位置との間を上下動自在に設けられた基板保持台 2 2を収納し、 前記基板保持台 2 2と共に処理空間 2 1 Bを画成する処理容器 2 1を備えており、 前記基板保持台 22は駆動機構 22 Cにより回動される。 なお、 前記処理容器 2 1の内壁面は石英ガラスよりなる内部ライナ 21Gにより覆われており、 これに より、露出金属面からの被処理基板の金属汚染を 1 X 1010原子/ c m2以下のレ ベルに抑制している。
また Itft己基板保持台 22と駆動機構 22 Cとの結合部には磁気シール 28が形 成され、 磁気シール 28は真空環境に保持される磁気シール室 22 Bと大気環境 中に形成される駆動機構 22 Cとを分離している。 磁気シール 28は液体である ため、 前記基板保持台 22は回動自在に保持される。
図示の状態では、 前記基板保持台 22はプロセス位置にあり、 下側に被処理基 板の搬入 ·搬出のための搬入 ·搬出室 21 Cが形成されている。 前記処理容器 2 1はゲートバルブ 27 Aを介して基板搬送ュニット 27に結合されており、 前記 基板保持台 22が搬入 '搬出 21 C中に下降した状態において、 前記ゲートバル プ 27 Aを介して基板搬送ュニット 27から被処理基板 Wが基板保持台 22上に 搬送され、 また処理済みの基; が基板保持台 22から基板搬送ュニット 27に 搬送される。
図 4の基板処理装置 20では、 前記処理容器 21のゲートバルブ 27 Aに近い 部分に排気口 21 Aが形成されており、 前記 気口 21 Aにはバルブ 23 Aおよ び A P C (自動圧力制御装置） 23 Dを介してターボ分子ポンプ 23 Bが結合さ れている。 前記ターボ分子ポンプ 23 Bには、 さらにドライポンプおょぴメカ二 カルブースターポンプを結合して構成したポンプ 24がバルブ 23 Cを介して結 合されており、 前記ターボ分子ポンプ 23 Bおよびドライポンプ 24を駆動する ことにより、 前記処理空間 21 Bの圧力を 1. 33X 10一1〜 1. 33X 10一 4P a (10— 3〜10一6 To r r) まで減圧することが可能になる
一方、 前記排気口 21 Aはバルブ 24 Aおよび APC 24 Bを介して直接にも ポンプ 24に結合されており、 前記バルブ 24 Aを開放することにより、 前記プ ロセス空間は、 前記ポンプ 24により 1. 33Pa〜l. 33kPa (0. 01 〜 10 T o r r ) の圧力まで減圧される。
前記処理容器 21には前記被処理 £¾Wに対して排気口 21 Aと対向する側に リモートプラズマ源 26および 36が設置されている。 前記リモートプラズマ源 3 6は、 A rなどの不活性ガスと共に酸素ガスが供給 され、 これをプラズマにより活性化することにより、 酸素ラジカルを形成するこ とが可能である。 このようにして形成された酸素ラジカルは ttlB被処理基 ¾Wの 表面に沿って流れ、 回動している基板表面を酸化する。
これにより、 前記被処理基板 Wの表面に、 1 n m以下の膜厚の、 特に 2〜 3原 子層分の厚さに相当する約 0 · 4 n mの膜厚のラジカル酸化膜を形成することが 可能になる。
図 4の基板処理装置 2 0では、 さらに前記搬入 ·搬出室 2 1 Cを窒素ガスによ りパージするパージライン 2 1 cが設けられ、 さらに前記磁気シール室 2 2 Bを 窒素ガスによりパージするパージライン 2 2 bおよびその排気ライン 2 2 cが設 けられている。
より詳細に説明すると、 前記排気ライン 2 2 cにはパルプ 2 9 Aを介してター ポ分子ポンプ 2 9 Bが結合され、 前記ターボ分子ポンプ 2 9 Bはバルブ 2 9 Cを 介してポンプ 2 4に結合されている。 また、'前記排気ライン 2 2 cはポンプ 2 4 とパルプ 2 9 Dを介しても直接に結合されており、 これにより磁気シール室 2 2 Bを様々な圧力に保持することが可能になる。
前記搬入 ·搬出室 2 1 Cはポンプ 2 4によりバルブ 2 4 Cを介して排気され、 あるいはターボ分子ポンプ 2 3 Bによりバルブ 2 3 Dを介して排気される。 前記 処理空間 2 1 B中において汚染が生じるのを回避するために、 前記搬入 ·搬出室 2 1 Cは処理空間 2 1 Bよりも低圧に維持され、 また前記磁気シール室 2 2 Bは 差動排気されることで前記搬入 ·搬出室 2 1 Cよりもさらに低圧に維持される。 次に、 本基板処理装置で用いるリモートプラズマ源 2 6および 3 6の詳細に関 して以下に説明する。
図 5は、 図 4の基板処理装置 2 0において使われるリモートブラズマ源 2 6お よび 3 6の構成を示す。 前記処理容器 2 1には、 リモートプラズマ源 2 6とリモ ートプラズマ源 3 6が隣接して設置されている。 例えば、 前記リモートプラズマ 源 3 6は、 前記リモートブラズマ源 2 6に対して、 隣接した面に対して略線対称 の形状をしている。
図 5を参照するに、 まず、 リモートプラズマ源 2 6は、 内部にガス循環通路 2 6 aとこれに連通したガス入り口 2 6 bおよびガス出口 2 6 cを形成された、 典 型的にはアルミニウムよりなるプロック 2 6 Aを含み、 前記プロック 2 6 Aの一 部にはフェライトコア 2 6 Bが形成されている。
前記ガス循環通路 2 6 aおよびガス入り口 2 6 b、 ガス出口 2 6 cの内面には フッ素樹脂コーティング 2 6 dが施され、 前記フェライトコア 2 6 Bに卷回され たコィルに周波数が 4 0 0 k H zの高周波（R F )パワーを供給することにより、 前記ガス循環通路 2 6 a内にプラズマ 2 6 Cが形成される。
プラズマ 2 6 Cの励起に伴って、 前記ガス循環通路 2 6 a中には窒素ラジカル および窒素イオンが形成されるが、 直進性の強い窒素イオンは前記循環通路 2 6 aを循環する際に消滅し、 前記ガス出口 2 6 cからは主に窒素ラジカル N2*が放 出される。 さらに図 5の構成では前記ガス出口 2 6 cに接地されたイオンフィル タ 2 6 eを設けることにより、 窒素イオンをはじめとする荷電粒子が除去され、 前記処理空間 2 1 Bには窒素ラジカルのみが供給される。 また、 前記イオンフィ ルタ 2 6 eを接地させない場合においても、 前記イオンフィルタ 2 6 eの構造は 拡散板として作用するため、 十分に窒素イオンをはじめとする荷電粒子を除去す ることができる。 なお、 大量の N2ラジカルを必要とするプロセスを実行する場 合においては、 イオンフィルタ 2 6 eでの N2ラジカルの衝突による消滅を防ぐ ため、 イオンフィルタ 2 6 eを取り外す場合もある。
同様に、 前記リモートプラズマ源 3 6は、 内部にガス循環通路 3 6 aとこれに 連通したガス入り口 3 6 bおよびガス出口 3 6— cを形成された、 典型的にはアル ミニゥムよりなるプロック 3 6 Aを含み、 前記ブロック 3 6 Aの一部にはフェラ イトコア 3 6 Bが形成されている。
前記ガス循環通路 3 6 aおよびガス入り口 3 6 b、 ガス出口 3 6 cの内面には フッ素樹脂コーティング 3 6 dが施され、 前記フェライトコア 3 6 Bに卷回され たコイルに周波数が 4 0 0 k H zの高周波（R F )パワーを供給することにより、 前記ガス循環通路 3 6 a内にプラズマ 3 6 Cが形成される。
プラズマ 3 6 Cの励起に伴って、 前記ガス循環通路 3 6 a中には酸素ラジカル および酸素イオンが形成されるが、 直進性の強い酸素イオンは前記循環通路 3 6 aを循環する際に消滅し、 前記ガス出口 3 6 cからは主に酸素ラジカル 02*が放 出される。 さらに図 5の構成では前記ガス出口 3 6 cに接地されたイオンフィル タ 3 6 eを設けることにより、 酸素イオンをはじめとする荷電粒子が除去され、 前記処理空間 2 I Bには酸素ラジカルのみが供給される。 また、 前記イオンフィ ルタ 3 6 eを接地させない場合においても、 前記イオンフィルタ 3 6 eの構造は 拡散板として作用するため、 十分に酸素イオンをはじめとする荷電粒子を除去す ることができる。 なお、 大量の 02ラジカルを必要とするプロセスを実行する場 合においては、 イオンフィルタ 3 6 eでの 02ラジカルの衝突による消滅を防ぐ ため、 イオンフィルタ 3 6 eを取り外す場合もある。
Ιίίϊ己したように、 酸素ラジカルを形成する酸素ラジカル形成部と、 窒素ラジカ ルを形成する窒素ラジカノ 成部を分離したことにより、 被処理基板 であるシ リコン基板を酸化してベース酸化膜を形成した後、 当該ベース酸化膜を窒ィ匕して 酸窒化膜を形成する 、 窒ィ匕工程における残留酸素の影響が少なくなる。 例えば、同一のラジカル源で、まず酸素ラジカルでシリコン基板の酸化を行レ、、 連続的に窒素ラジカルを用いた窒化をおこなうと、 当該ラジカル源に、 酸化の際 に用いた酸素や酸素を含む生成物が残留し、 窒化工程において、 残留した酸素に よる酸化が進行してしまい、 酸化膜の増膜が起こる問題がある。
本実施例の場合は、 前記したようなラジカル形成部の残留酸素によって窒化工 程においてシリコン基板の酸ィ匕が進んでしまう酸化膜の増 象の影響を抑える ことが可能となり、その結果、図 3中の前記ベース酸化膜 2 0 2の増膜が少ない、 理想的なベース酸化膜およぴ酸窒化膜を形成することができる。
また、 前記したような残留酸素の影響があった場合、 酸化が促進されて増膜が 生じる一方で、 前記酸窒化膜 2 0 2 Aの窒素濃度が低くなってしまう場合がある 力 前記基板処理装置 2 0の 、 残留酸素の影響が少なくなるため、 窒化が進 行し、 所望の窒素濃度に調整することが可能となる。
また、 本発明による基板処理装置 2 0の場合、 窒素ラジカルを生成するリモー トブラズマ源 2 6と、 酸素ラジカルを生成するリモートプラズマ源 3 6のラジカ ル発生機構が同一であるため、 ラジカル源を分離しながらも構造が単純となり、 基板処理装置のコストを低減させることができる。 また、 メンテナンスも容易と なるため、 基板処理装置の生産性を向上させることが可能となる。 次に、 本発明の第 2実施例として、 前記基板処理装置 20により、 図 3のシリ コン基板 202上に非常に薄いベース酸化膜 202を、 酸窒化膜 202 Aを含め て形成する方法について、 図面に基づき、 説明する。
[第 2実施例]
図 6 A、 図 6 Bは、 それぞれ図 4の基板処理装置 20を使って被処理基板 Wの ラジカル酸化を行う場合を示す側面図および平面図である。
図 6 A、 図 6 Bを参照するに、 リモートプラズマラジカノレ源 36には A rガス と酸素ガスが供給され、 プラズマを数 100 kHzの周波数で高周波励起するこ とにより酸素ラジカルが形成される。 形成された酸素ラジカルは lift己被処理基板 Wの表面に沿って流れ、前記排気口 21 Aおよびポンプ 24を介して排気される。 その結果前記処理空間 21 Bは、 基 ¾Wのラジカル酸化に適当な、 1. 33 P a 〜1. 33kPa (0. 01~10To r r)の範囲のプロセス圧に設定される。 特に 6. 65Pa〜133P a (0. 05〜： L. OTo r r) の圧力範囲を使う のが好ましい。 このようにして形成された酸素ラジカルは、 ΙΐίΐΒ被処理基¾¥の 表面に沿って流れる際に、 回動している被処理 ¾¾Wの表面を酸化して、 前記被 処理基板 Wであるシリコン基板表面に 1 nm以下の膜厚の非常に薄い酸化膜、 特 に 2〜3原子層に相当する約 0. 4 nmの膜厚の酸化膜を、 安定に再現性良く形 成することが可能になる。
図 6A、 図 6 Bの酸化工程では、 酸化工程に先立ちパージ工程を行うことも可 能である。 前記パージ工程では前記バルブ 23 Aおよび 23 Cが開放され、 パル ブ 24 Aが閉鎖されることで前記処理空間 21 Bの圧力が 1. 33 X 10 -1〜 1. 33 X 10"4p aの圧力まで減圧され、 処理空間 21 B中に残留している水分な どがパージされる。
なお、 酸化処理においては、 排気経路として、 ターボ分子ポンプ 23 Bを経由 する場合と、 しない場合との計 2通りが考えられる。
バルブ 23 Aおよび 23 Cが閉鎖される場合はターボ分子ポンプ 23Bを使用 せずにバルブ 24 Aを開き、 ドライポンプ 24のみを利用する。 この場合はパー ジする際に残留水分などが付着する領域が小さくなること、 またポンプの排気速 度が大きいことで残留ガスを排除しゃすレ、利点がある。 また、 パルプ 23 Aおよび 23 Cを開放してバルブ 24 Aを閉鎖してターボ分 子ポンプ 23 Bを排気経路として使用する場合もある。 この場合はターボ分子ポ ンプを用いることによって処理容器内の真空度を上げることができるため、 残留 ガス分圧を低くすることができる。
このように、 図 4の基板処理装置 20を使うことにより、 被処理基 ¾Wの表面 に非常に薄い酸化膜を形成し、 当該酸化膜表面を次に図 7 A， 図 7 Bで後述する ようにさらに窒化することが可能になる。
[第 3実施例]
図 7 A、 図 7 Bは、 本発明の第 3実施例として、 それぞれ図 4の基板処¾¾置 20を使って被処理基； ¾Wのラジカル窒化を行う場合を示す側面図おょぴ平面図 である。
図 7A、 図 7 Bを参照するに、 リモートプラズマラジカノレ源 26には A rガス と窒素ガスが供給され、 プラズマを数 100 kHzの周波数で高周波励起するこ とにより窒素ラジカルが形成される。 形成された窒素ラジカルは前記被処理基板 Wの表面に沿って流れ、前記排気口 21 Aおよびポンプ 24を介して排気される。 その結果前記処理空間 21 Bは、 基板 Wのラジカル窒化に適当な、 1. 33 P a 〜1. 33kPa (0. 01〜： L OTo r r)の範囲のプロセス圧に設定される。 特に 6. 65〜133Pa (0. 05〜1. OTo r r) の圧力範囲を使うのが 好ましい。 このようにして形成された窒素ラジカルは、 ΙίίΙ己被処理 ¾¾ の表面 に沿って流れる際に、 回動している被処理基板 Wの表面を窒化する。
図 7A、 図 7 Bの窒ィ匕工程では、 窒化工程に先立ち、 パージ工程を行うことも 可能である。 前記パージ工程では tff!Bパルプ 23 Aおよび 23 Cが開放され、 パ ルブ 24 Aが閉鎖されることで前記処理空間 21 Bの圧力が 1. 33 X 10 -1〜 1. 33 X 1 CHP aの圧力まで減圧され、 処理空間 21 B中に残留している酸 素や水分がパージされる。
窒化処理においても、 排気経路としてターボ分子ポンプ 23 Bを経由する ^ と、 しない^との計 2通りが考えられる。
バルブ 23 Aおよび 23 Cが閉鎖される場合はターボ分子ポンプ 23 Bを使用 せずにバルブ 24 Aを開き、 ドライポンプ 24のみを利用する。 この場合はパー ジする際に残留水分などが付着する領域が小さくなること、 またポンプの排気速 度が大きレヽことで残留ガスを排除しゃすレ、利点がある。
また、 パルプ 2 3 Aおよび 2 3 Cを開放してバルブ 2 4 Aを閉鎖してターボ分 子ポンプ 2 3 Bを排気経路として使用する もある。 この はターボ分子ポ ンプを用いることによって処理容器内の真空度を上げることができるため、 残留 ガス分圧を低くすることができる。
このように、 図 4の基板処理装置 2 0を使うことにより、 被処理基ネ の表面 に非常に薄い酸化膜を形成し、 その酸化膜表面をさらに窒化することが可能にな る。
[第 4実施例]
ところで、 前記した被処理基板 W上の酸化膜の窒ィ匕工程にぉ、て、 リモートプ ラズマ源 2 6によつて生成された窒素ラジカルは、 前記リモートブラズマ源 2 6 の前記ガス出口 2 6 cより前記処理容器 2 1内部、 前記処理空間 2 1 Bに供給さ れて、 ΙΐίΙ己被処理基; 1SWの表面に沿って流れ、 さらに前記排気口 2 1 Aに向かう 窒素ラジカル流路を形成する。
本発明の第 4実施例として、 前記したような窒素ラジカル流路が形成される様 子を模式的に示したものを図 8に示す。 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。
図 8は、 前記リモートブラズマ源 2 6および前記被処理基板 Wの位置関係を、 前記ガス出口 2 6 cより供給される窒素ラジカルが形成する窒素ラジカル流路 R 1、 およびその結果として前記被処理基ネ 上に形成されるラジカル分布と共に 概略的に示す。
図 8を参照するに、 前記ガス出口 2 6 cから供給された窒素ラジカルは、 当該 ガス出口 2 6 cから前記排出口 2 1 Aに向かう窒素ラジカル流路 R 1を形成する。 ここで前記被処理基 ¾Wの中心をウェハ中心 Cとし、 前記ウェハ中心 Cを通って 直行する X軸と y軸を、 Iff!己リモートプラズマ源 2 6が設置される前記処理容器 2 1の第 1の側から ΙΐίΐΒ排気口 2 1 Αの設けられた ¾|S処理容器 2 1の第 2の側 に向かう軸を X軸とし、 直行する軸を- y軸と設定する。
また、 前記窒素ラジカル流路 R 1が、 前記被処理基 «Wの酸化膜を窒化する範 囲を領域 S Iで示す。 この場合、 被処理基 は回動していないものとする。 この場合、 前記領域 S 1の X軸方向の長さ X Iは、 窒素ラジカルの流量、 すな わち前記リモートプラズマ源 2 6に導入される窒素の流量にほぼ依存すると考え りれ o
また、 前記窒素ラジ力/レ流路 R 1が、 前記被処理基板 W上を通過する際の前記 窒素ラジカル流路 R 1の中心と前記ウェハ中心 Cの距離を Y 1とすると、 前記被 処 ®¾«Wを回動させた場合の前記被処理 S¾W上の酸窒化膜の IU¥の分散値 σ は、 前記距離 X 1と距離 Υ 1に依存すると考えられる。
次に、 前記距離 X Iおよび距離 Y 1を変化させた場合の、 酸窒化膜の膜厚分散 値 σを算定した結果を図 9に示す。 なお、 図 9は被処理基板 Wに 3 0 O mmのシ リコンウェハを用いた場合である。
図 9を参照するに、 横軸は前記距離 X Iを示し、 縦軸は酸窒化膜の隨分散値 σを示す。 系列 1は f!ilB距離 Υ 1が 0 mmの場合、 同様に系列 2は距離 Y 1が 2 0 mm, 系列 3は距離 Y 1が 4 0 mm、 系列 4は距離 Y 1が 6 0 mm、 系列 5は 距離 Y 1が 1 0 0 mm、 系列 6は距離 Y 1カ 1 5 0 mmの場合を示す。
まず、 距離 Y 1が 0の場合、 すなわち前記窒素ラジカル流路 R 1の中心が前記 ウェハ中心 Cを通過する場合であって、 かつ前記距離 X 1力 1 0 0 mmの場合に 最も前記分散値びが小さく、 酸窒化膜の膜厚分布が良好である。
次に、 それぞれの距離 Y 1の値に対して距離 X 1を変化させた場合に、 最も分 散値 σが小さくなる点をつないだ曲線を図中 Uで示すが、 前記距離 Υ 1の値が大 きくなるにしたがい、 前記分散値 σが最も小さくなる距離 X 1の値が大きくなる 傾向にある。 また、 距離 Υ 1力 S 1 0 0 mm、 1 5 0 mmの場合は前記ラジカル流 路 R 1の中心が前記ウェハ中心 Cより大きく離れてしまうためこの傾向はあては まらず、 前記分散値 σの値が極端に大きくなつている。
例えば、 前記基板処理装置 2 0によって形成される酸化膜およぴ酸窒化膜を、 前記半導体装置 2 0 0の前記ベース酸化膜 2 0 2およぴ酸窒化膜 2 0 2 Αに用い ることを考えた場合、 前記分散値ひが 1 %以下である場合に酸窒化膜の膜厚分布 が良好であり、 半導体装置の形成に用いることが可能である。
そこで図 9をみると、 距離 Y 1が 4 0 mm以下の ^に σが 1 %以下となる距 離 X 1の値が存在し、 良好な酸窒化膜の膜厚分布を得ることが可能であると考え られる。
このように、 酸窒化膜の膜厚分布は、 前記窒素ラジカル流路 R 1の形成方法、 すなわち前記窒素ラジカル流路 R 1の形成に関わる前記リモートプラズマ源 2 6 の設置方法に大きく依存している。 前記したように、 理想的には、 前記窒素ラジ カル流路 R 1が前記被処理基ネ の中心を通過するように前記リモートプラズマ 源 2 6を設置するのがよい。
但し、 リモートプラズマ源 3 6を用いた前記被処理基 SWの酸化工程を考える と、 以下の理由で、 リモートプラズマ源 3 6と設置場所が干渉してしまうことが 考えられる。
酸素ラジカルが前記リモートプラズマ、源 3 6のガス出口 3 6 cから ΙΐίΙΒ排気口 2 1 Αに向かって形成する、 被処理基板 Wに沿った酸素ラジカル流路 R 2によつ て酸化される領域は、 前記領域 S 1と同様の傾向を示す。 このため、 形成される 酸化膜の膜厚分布が最も良好となる前記リモートプラズマ源 3 6の設置場所は、 前記した X軸上になり、 ItilBリモートブラズマ源 2 6を X軸上に設置しょうとす ると、 前記.リモートブラズマ源 3 6と干渉してしまう。
そこで、 嫌己リモートブラズマ源 2 6および 3 6が干渉せず、 力つ形成される 酸化膜と酸窒化膜の双方の膜厚分布が良好となるよう、 前記リモートプラズマ源 2 6および 3 6を設置することが必要となる。
[第 5実施例]
図 1 0 Α、 図 1 0 Β、 図 I O Cは、 本発明の第 5実施例として、 前記リモート プラズマ源 2 6および 3 6を前記処理容器 2 1に設置する設置方法を示した図で ある。 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。
まず、 図 1 O Aを参照するに、 前記リモートプラズマ源 2 6および 3 6が隣接 し、 前記窒素ラジカル流路 R 1と前記酸素ラジカル流路 R 2が平行となるように 前記処理容器 2 1に設置されている。
この 、 前記したように、 前記 Y 1が小さいほど酸窒化膜の膜厚分布が良好 となるので、 前記 Y l、 すなわち X軸上からの前記リモートプラズマ源 2 6のォ フセット量をできるだけ小さくし、 4 0 mm以下とすることで酸窒化膜の^ の 分散値 σ 1力 S 1 %以下となることを達成することが可倉 となる。
また、 同様に、 前記酸素ラジカル流路 R 2の中心と前記ウェハ中心 Cの距離 X 2をできるだけ小さくするほど酸化膜の膜厚分布が良好となるため、 Y 2の値す なわち X軸上からの前記リモートプラズマ源、 3 6のオフセット量をできるだけ小 さくし、 4 0 mm以下とすることで酸化膜の膜厚の分散値 σ 2力 S 1 %以下となる ことを達成することが可能となると予想される。
次に図 1 0 Βを参照するに、 図 1 0 Βの場合には、 例えば前記リモートプラズ マ源 3 6が前記 X軸上に設置され、 前記酸素ラジカル流路 R 2の中心が前記ゥェ ハ中心 Cを通過するよう設置されている。 廳己リモートプラズマ源 2 6は、 前記 リモートプラズマ源 3 6より離れたところに設置されるが、 以下に示すように前 記窒素ラジカル流路 R 1の中心が前記ウェハ中心 Cを通過するようにしている。 前記リモートプラズマ源 2 6のガス出口 2 6 c付近に、 ガス整流板 2 6 f を設 置して窒素ラジカル流路 R 1の向きを変更している。 すなわち、 前記ガス出口 2 6 cから供給される Ιϋ|Β窒素ラジカル流路 R 1を前記ガス整流板 2 6 f に衝突さ せ、 さらに前記窒素ラジカル流路 R 1を当該ガス整流板 2 6 f に沿った流れ、 例 えば図中に示すように X軸に対して θ 1の角度を形成する流れとして、 向きが変 更された後の窒素ラジカル流路 R 1の中心が前記ウェハ中心 Cを通過するように している。
この 、 前記窒素ラジカル流路 R 1と前記酸素ラジカル流路 R 2の双方の中 心がともに前記ウェハ中心 Cを通過するため、 前記被処理 ¾¾w上に形成される 酸化膜および酸窒化膜の双方の膜厚分布が良好となる。
また、前記リモートプラズマ源 2 6と 3 6を離れたところに設置できるために、 設計やレイアウトの自由度が上がり、 さらに前記 0 1の角度を変更した整流板を 用いることで、 様々な位置に前記リモートプラズマ源 2 6を設置することが可能 となる。
さらに前記リモートブラズマ源 2 6を前記 X軸上に配して、 前記リモートブラ ズマ源 3 6のガス出口 3 6 c付近に整流板を設置することも可能であり、 この場 合も同様にして、 前記窒素ラジカル流路 R 1と前記酸素ラジカル流路 R 2の双方 の中心がともに嫌己ウェハ中心 Cを通過し、 前記被処理基¾\¥上に形成される酸 化膜およぴ酸窒化膜の双方の^?分布が良好となるようにすることが可能である。 その上、 前記リモートブラズマ源 2 6， 3 6を共に X軸から離れたところに配 して、 それぞれのガス出口 2 6 C、 3 6 C付近に整流板を設置することも可能で あり、 この場合も同様にして前記窒素ラジカル流路 R 1と前記酸素ラジカル流路 R 2の双方の中心が共に前記ウェハ中心 Cを通過し、 前記被処理基板 W上に形成 される酸化膜およぴ酸窒化膜の双方の 分布が良好となるようにすることが可 能である。
このようにすれば、 設計やレイアウトの自由度がさらに上がり、 前記 θ 1の角 度を変更した 2つの整流板を用いることで様々な位置にリモートブラズマ源 2 6、 3 6を設置することが可能となる。
また、 整流板をリモートプラズマ源の内部、 すなわちガス出口の内側に設置す ることも可能である。 この場合処理容器 2 1の内部に整流板の設置場所を確保す ることが不要となる。
さらに、 前記窒素ラジカル流路 R 1の向きを変更する方法の例として、 図 1 0
Cに示す方法をとることも可能である。
図 1 0 Cを参照するに、 本図においては図 1 Ο Βの場合と同様に、 例えば前記 リモートプラズマ源 3 6が前記 X軸上に設置され、 前記酸素ラジカル流路 R 2の 中心が前記ウェハ中心 Cを通過するよう設置されている。 前記リモートプラズマ 源 2 6は、 前記リモートプラズマ源 3 6より離れたところに設置されるが、 以下 に示すように前記窒素ラジカル流路 R 1の中心が前記ウェハ中心 Cを通過するよ うにしている。
この場合、 前記リモートプラズマ源 2 6のガス出口 2 6 cから供給される前記 窒素ラジカル流路 R 1が、 前記 X軸に対して例えば 0 2の角度を形成するよう前 記リモートプラズマ源 2 6が X軸に対して傾けて設置され、 前記窒素ラジカル流 路 R 1の中心が歸己ウェハ中心 Cを通過する構造となっている。
そのため、 前記窒素ラジカル流路 R 1と前記酸素ラジカル流路 R 2の双方の中 心がともに編己ウェハ中心 Cを通過するため、 f&f己被処理基 »上に形成される 酸化膜および酸窒化膜の双方の膜厚分布が良好となる。 また、前記リモートプラズマ源 2 6と 3 6を離れたところに設置できるために、 設 I 3レイアウトの自由度が上がり、 さらに前記 0 2の角度を変更することで前 記リモートプラズマ源 2 6の設置場所を様々に変更することが可能となる。
さらに前記リモートブラズマ源 2 6を前記 X軸上に配して、 前記リモートブラ ズマ源 3 6を前記 X軸に対して傾けて設置することも可能であり、 この場合も同 様にして、 編己窒素ラジカル流路 R 1と前記酸素ラジカル流路 R 2の双方の中心 がともに前記ウェハ中心 Cを通過し、 前記被処理基 «W上に形成される酸化膜お よぴ酸窒化膜の双方の mi¥分布が良好となるようにすることが可能である。
その上、 前記リモートブラズマ源 2 6、 3 6をともに X軸から離れたところに 配して、 それぞれ前記 X軸に対して傾けて設置することも可能であり、 この も同様にして前記窒素ラジカル流路 R 1と前記酸素ラジカル流路 R 2の双方の中 心がともに前記ウェハ中心。を通過し、 前記被処理 ¾¾W上に形成される酸化膜 およぴ酸窒化膜の双方の 分布が良好となるようにすることが可能である。 このようにすれば設計レイァゥトゃ自由度がさらに上がり ftlf己 ø 2の角度をそ れぞれ変更することで前記リモートプラズマ源 2 6， 3 6の設置場所を様々に変 更することが可能である。
また、 図 1 O Bおよぴ図 1 0 Cに前記した方法により、 前記窒素ラジカル流路 R 1または酸素ラジカル流路 R 2の向きを変更した場合、 向きを変更した後の前 記 R 1または R 2が ΙΐίΙΒウェハ中心 Cを通過するのが最も酸窒化膜および酸化膜 の膜厚分布が良好であるが、 前記 R 1または R 2と前記ウェハ中心 Cの距離が 4 0 mm以下であれば、 酸窒化膜または酸化膜の膜厚分散値びは 1 %以下を確保す ることができると考えられる。
また、 図 1 O Bに示したような整流板と、 図 1 0 Cに示したリモートプラズマ 源を X軸に対して傾けて設蘆する方法を組み合わせて実施することも可能であり、 その場合さらに様々な場所に前記リモートプラズマ源 2 6および 3 6を設置して さらに前記被処理基 ¾W上に形成される酸化膜およぴ酸窒化膜の双方の膜厚分布 が良好とすることができる。
[第 6実施例〕
次に、 本発明の第 6実施例について説明する。 前記したように、 処理容器にお レ、て、 シリコン基板を酸化して酸化膜を形成し、 当該処理容器で当該酸化膜を窒 化して酸窒化膜を形成する場合、 酸化の工程において用いた酸素および酸素を含 む残留物の影響で窒化処理の際に酸化反応を生じ、 酸化膜を増膜させてしまうお それがある。 このように酸窒化処理の際に酸化膜が増膜してしまうと、 前記図 3 に示した高誘電体ゲート絶縁膜を使う効果は相殺されてしまう。
そこで、 高誘電体グート絶縁膜のベース酸化膜および当該酸化膜上の酸窒化膜 を形成する際は、ベース酸化膜の増膜の影響を排して窒化を行う事が重要である。 このような酸窒化膜形成の、 残留酸素の影響が多 、 と少なレヽ場合のモデルの 例を図 1 1に示す。 図 1 1のグラフは、 横軸がシリコン基板上に形成される酸化 膜と酸窒化膜の厚さを加えた、 形成される合計の を示し、 縦軸が形成される 酸窒化膜の窒素濃度を示している。
まず、 残留酸素の影響が大きい場合、 図中に示した F 0の場合は以下のように なる。 F 0上の点で、 シリコン基板上にベース酸化膜を形成した時点を aとし、 aにおける Jgj?を T 1、 窒素濃度を C 1とする。 この場合は窒ィ匕工程前であるの で窒素濃度は測定限界下の値である。
次に、 前記ベース酸化膜を窒ィ匕して当該ベース酸化膜上に酸窒化膜を形成した 状態が b， である。 b， における) llffは T 2，、窒素濃度は C 2， である。 さらに b， の状態から窒化を進めた状態が c， であり、 膜厚は T 3 '、 窒素濃度が C 3 ' となる。
このように、 F Oのケースでは酸化膜を窒化することで窒素濃度が上昇するが 膜厚の増加、 例えば T 3， 一T 1の値が後述の残留酸素が少ない場合に比べて大 きくなると予想される。 また、 窒素濃度の上昇も後述する残留酸素の影響が少な い場合に比べて小さくなると考えられる。
次に、 残留酸素の影響が少ない場合、 図中に示した F 1の場合も同様にして、 シリコン基板上にベース酸化膜を形成した時点を aとし、窒化した状態を bとし、 bよりさらに窒化を進めた状態を cで示す。 前記 F 1の場合は、 bの状態での膜 厚増加が少なく、 さらに cの状態まで進めた場合の膜厚増加 T 3 - T 1の値が、 前記 F 0の場合に比べて少なレヽと予想される。
また、窒素濃度 C 2および C 3も、前記した C 2，、 C 3 ' に比べて高い。 これ は、 前記 F lの場合は、 処理容器中などの残留酸素の影響が少ないため、 窒化工 程において、 残留酸素によるシリコン基板の酸化が促進されることが無く、 また そのために窒化が進行しやすい為に窒素濃度が高い酸窒化膜を形成することが可 能である。
すなわち、 処理容器中の残量酸素の影響を排することで、 高誘電体ゲート絶縁 膜のグート酸化膜のペース酸化膜として好ましい厚さ、 例えば約 0. 4 n m以下 を確保しながら、 当該ベース酸化膜上に所望の値の酸窒化膜を形成することが可 能となると考えられる。
例えば前記基板処理装置 2 0の 、 酸化に用いる酸素ラジカルを形成するラ ジカル源と、 窒化に用いる窒素ラジカルを形成するラジカル源は分離されている 力 それでも酸素ラジカルを形成する際に用いる酸素おょぴ酸素を含む残留物の 影響が完全に排除できるわけではない。
次に、 具体的に、 残留酸素の影響を抑える方法に関して以下に説明する。
[第 7実施例]
図 1 2 A， 図 1 2 Bは、 本発明の第 7実施例として、 それぞれ図 4の基板処理 装置 2 0を使！/、、 被処理基板 Wのラジカル酸化を行う方法を示す側面図および平 面図である。 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。 本実施例の場合は、 本図に示す酸化工程の後の窒化工程の際に、 残留 酸素の影響が少なく、 ベース酸化膜の增膜が少な 、という特徴をもっている。 本図においては、 tflB図 6 A、 図 6 Bに示した場合と同様に、 シリコン基板を 酸化してベース酸化膜を形成する力 前記図 6 A、 図 6 Bに示した場合と異なる 点は、 前記リモートブラズマラジカル源 3 6より酸素ラジカルが tiff己処理空間 2 1 Bに供給される際に、 同時に前記リモートプラズマ源 2 6より、 例えば A rな どのパージガスが前記処理空間 2 1 Bに供給されることである。 前記したパージ ガスが供給される以外は、 図 6 A、 図 6 Bの場合と同一である。
前記したように、 シリコン基板を酸化してベース酸化膜を形成する工程では、 酸素ラジカルを用いるため、 前記したように前記処理空間 2 1 Bには前記リモー トブラズマ源 3 6より酸素ラジカルが導入される。 その際に、 前記リモートブラ ズマ源 2 6の前記ガス出口 2 6 cより酸素ラジカルや、例えば H2Oなどの酸素を 含む副生成物が逆流してしまう場合がある。
このように、 酸素ラジカルや酸素を含む副生成物が逆流してしまうと、 例えば 図 7 A、 図 7 Bに示す窒化工程において、 ベース酸化膜の増膜や、 窒素濃度の低 下といった問題を引き起こす場合がある。
そのため、 本実施例では前記リモートブラズマ源 2 6より前記処理空間 2 1 B にパージガスを導入して、 酸素や、 酸素を含む生成物が前記リモートラジカル源 2 6に逆流するのを防止している。
また、 前記したようなリモートブラズマ源 2 6へ逆流した酸素や酸素を含む生 成物を排除するために、 例えば真空パージや不活性ガスによるガスパージを行う 方法がある。
例えば真空パージは、 前記した酸化工程終了後に、 前記処理空間を低圧 （高真 空） 状態に排気して、 前記処理空間 2 1 Bや前記リモートブラズマ源 2 6に残留 した酸素や酸素を含む生成物を除去する方法である。
ガスパージは、 同様に前記した酸化工程終了後に、 前記処理空間 2 1 Bに不活 性ガスを導入して前記処理空間 2 1 Bや前記リモートブラズマ源 2 6に残留した 酸素を除去する方法である。 .
通常は前記真空パージとガスパージを組み合わせて数回行われる。 しかし前記 した真空パージとガスパージを行うと、 処理時間を要するために、 基板処理装置 2 0のスループットが低下して生産性が低下する問題がある。 また、 真空パージ を行うためには、 例えばターボ分子ポンプなどの排気速度の大きい高価な排気手 段を要するために、 装置のコストアップにつながるという問題がある。
本実施例では、 装置のスループットを低下させることなく、 前記したような残 留酸素の影響を排除することが可能となる。
また、 図 1 2 A， 図 1 2 Bに示した酸化工程の後は、 図 7 A、 図 7 Bで肓 iff己し た窒化工程を行い、 ベース酸化膜を窒化して酸窒化膜を形成する。 その際に、 前 記したように前記リモートプラズマ源 2 6への酸素の逆流の影響を排除している ため、 残留した酸素や酸素を含む生成物によつて酸化が進行してベース酸化膜が 増膜してしまう現象を抑制し、 またそのために窒化が進行して所望の窒素濃度の 酸窒化膜を形成することが可能となる。 その結果、 図 3で前記した、 前記半導体装置 2 0 0において用いる^に適切 な非常に薄い、 例えば 0 . 4 nm程度のベース酸化膜 2 0 2と、 ベース酸化膜上 の適切な濃度の酸窒化膜 2 0 2 Aを形成することが可能となる。
なお、 本実施例において用いるパージガスは、 不活性ガスであれば良く、 前記 した A rガスの他に、 窒素、 ヘリウムなど用いることが可能である。
また、 前記したベース酸化膜の形成の際の酸化工程においてパージガスを用い て残留酸素の影響を減じる方法を、他の装置において実施することも可能である。 例えば、 酸素ラジ力/レを生成するためのラジカノレ源に、 紫外光源を搭載した以下 に示す基板処理装置 2 0 Aにおいても実施することが可能である。
[第 8実施例]
図 1 3は、 本発明の第 8実施例として、 図 3のシリコン基板 2 0 1上に非常に 薄いベース酸化膜 2 0 2を、 酸窒化膜 2 0 2 Aを含めて形成するための、 基板処 理装置 2 O Aの概略的構成を示す。 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。
図 1 3を参照するに、 本図に示す基板処理装置 2 0 Aの場合は、 図 4に示した 前記基板処理装置 2 0の に比べて異なる点は、 まず編己処理容器 2 1に、 被 処理基ネ を隔てて前記排気口 2 1 Aと対向する側に酸素ガスを供給する処理ガ ス供給ノズル 2 1 Dが設けられており、 前記処理ガス供給ノズル 2 1 Dに供給さ れた酸素ガスは、 前記プロセス空間 2 1 B中を前記被処理基板 Wの表面に沿って 流れ、 前記排気口 2 1 Aから排気される構造となっていることである。
また、 このように前記処理ガス供給ノズル 2 1 Dから供給された処理ガスを活 性ィ匕し酸素ラジカルを生成させるため、 前記処理容器 2 1上， 前記処理ガス供給 ノズル 2 1 Dと被処理基; ISWとの間の領域に対応して石英窓 2 5 Aを有する紫外 光源 2 5が設けられる。 すなわち編己紫外光源 2 5を駆動することにより嫌己処 理ガス供給ノズル 2 1 Dからプロセス空間 2 1 Bに導入された酸素ガスが活性化 され、 その結果形成された酸素ラジカルが前記被処理基; fewの表面に沿って流れ る。これにより、回動している前記被処理基板 Wの表面に、 1 n m以下の膜厚の、 特に 2〜 3原子層分の厚さに相当する約 0 · 4 n mの膜厚のラジカル酸化膜を形 成することが可能になる。 また前記処理 2 1には IS被処理基 ¾Wに対して排気口 2 1 Aと対向する 側にリモートプラズマ源 2 6が形成されている。 そこで前記リモートブラズマ源 2 6に A rなどの不活性ガスと共に窒素ガスを供給し、 これをプラズマにより活 性化することにより、 窒素ラジカルを形成することが可能である。 このようにし て形成された窒素ラジカルは前記被処理基板 Wの表面に沿つて流れ、 回動してい る被処理基板表面を窒化する。
なお、 前記基板処理装置 2 O Aでは、 酸素ラジカルの生成に前記紫外光源 2 5 を用いているため、 前記基板処理装置 2 0のように前記リモートプラズマ源 3 6 は設置されていない。
図 1 4 A、 図 1 4 Bは、 それぞれ図 1 3の基板処理装置 2 0 Aを使つて通常の 方法で被処理基ネ のラジカル酸化を行う場合を示す側面図および平面図である。 図 1 4 Aを参照するに、 前記プロセス空間 2 1 B中には処理ガス供給ノズル 2 1 Dから酸素ガスが供給され、 被処理基 ¾Wの表面に沿って流れた後、 排気され る。 排気経路としてはターボ分子ポンプ 2 3 Bを経由する場合、 しない場合の 2 通りが考えられる。
バルブ 2 3 Aおよび 2 3 Cが閉鎖される場合はターボ分子ポンプ 2 3 Bを使用 せずにノ レブ 2 4 Aを開き、 ドライポンプ 2 4のみを利用する。 この場合は残留 水分などが付着する領域が小さくなること、 またポンプの排気速度が大きいこと でガスを排除しゃす 、利点がある。
また、 バルブ 2 3 Aおよび 2 3 Cを開放してバルブ 2 4 Aを閉鎖してターボ分 子ポンプ 2 3 Bを排気経路として使用する場合もある。 この場合はターボ分子ポ ンプを用いることによって処理容器内の真空度を上げることができるため、 残留 ガス分圧を低くすることができる。
これと同時に、 好ましくは 1 7 2 nmの波長の紫外光を発生する紫外光源 2 5 を駆動することにより、 このようにして形成された酸素ガス流中に酸素ラジカル が形成される。 形成された酸素ラジカルは前記被処理基板 Wの表面に沿つて流れ る際に、 回動している基板表面を酸化する。 このような被処理 ®¾Wの紫外光励 起酸素ラジカルによる酸化 (以下 UV— O2処理) により、 シリコン基板表面に 1 n m以下の膜厚の非常に薄い酸化膜、 特に 2 ~ 3原子層に相当する約 0 . 4 n mの膜厚の酸化膜を、 安定に再現性良く形成することが可能になる。
図 14 Bは図 14 Aの構成の平面図を示す。
図 14 Bを参照するに、 紫外光源 25は酸素ガス流の方向に交差する方向に延 在する管状の光源であり、 ターボ分子ポンプ 23 Bが排気口 21 Aを介してプロ セス空間 21 Bを排気するのがわかる。 一方、 前記排気口 21 Aから直接にボン プ 24に至る、 図 14B中に点線で示した排気経路は、 バルブ 23A, 23 Cを 閉鎖することにより、 達成される。
次に、 図 15 A， 図 15 Bは、 それぞれ図 13の基板処理装置 20 Aを使って 被処理基板 Wのラジカル窒化 (RF-N2処理) を行う場合を示す側面図およぴ 平面図である。
図 15A， 図 15Bを参照するに、 リモートプラズマラジカル源 26には A r ガスと窒素ガスが供給され、 プラズマを数 100 kHzの周波数で高周波励起す ることにより窒素ラジカルが形成される。 形成された窒素ラジカルは前記被処理 ¾¾Wの表面に沿って流れ、 前記排気口 21 Aおよぴポンプ 24を介して排気さ れる。その結果前記プロセス空間 21 Bは、基ネ のラジカル窒化に適当な、 1 · 33Pa〜： L. 33 kPa (0. 01〜： L OTo r r) の範囲のプロセス圧に設 定される。 特に 6. 65〜133Pa (0. 05〜1. OTo r r) の圧力範囲 を使うのが好ましい。 このようにして形成された窒素ラジカルは、 前記被処理基 板 Wの表面に沿って流れる際に、 回動している被処理基ネ Wの表面を窒化する。 図 15A， 図 15 Bの窒化工程では、 窒化工程に先立ち、 パージ工程を行って も良い。 前記パージ工程では、 前記バルブ 23 Aおよび 23 Cが開放され、 バル プ 24 Aが閉鎖されることで編己処理空間 21 Bの圧力が 1. 33 X 10 -1〜 1. 33X 1 CHP aの圧力まで減圧され、 処理空間 21 B中に残留している酸素や 水分がパージされる力 窒化処理においても、 排気経路としてターボ分子ポンプ 23Bを経由する場合、 しなレ、場合の 2通りが考えられる。
パルプ 23 Aおよび 23 Cが閉鎖される場合はターボ分子ポンプ 23 Bを使用 せずにバルブ 24 Aを開き、 ドライポンプ 24のみを利用する。 この場合はパー ジする際に残留水分などが付着する領域が小さくなること、 またポンプの排気速 度が大きいことで残留ガスを排除しゃすレ、利点がある。 また、 バルブ 2 3 Aおよび 2 3 Cを開放してバルブ 2 4 Aを閉鎖してターボ分 子ポンプ 2 3 Bを排気経路として使用する ¾ ^もある。 この はターボ分子ポ ンプを用いることによって処理容器内の真空度を上げることができるため、 残留 ガス分圧を低くすることができる。 '
このように、 図 1 3の基板処理装置 2 0 Aを使うことにより、 被処理基； ¾Wの 表面に非常に薄い酸化膜を形成し、 その酸化膜表面をさらに窒化することが可能 になる。
前記した基板処理装置 2 0 Aを用いて、 先の実施例で前記したパージガスを用 いて残留酸素の影響を抑える方法を以下に示す。
図 1 6 A、 図 1 6 Bは、 それぞれ図 1 3の基板処理装置 2 0 Aを使い、 本発明 の第 8実施例による、 被処理基板 Wのラジカル酸化を行う方法を示す側面図およ ぴ平面図である。 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。 本実施例は、 本図に示す酸化工程の後の窒化工程において、 残留 酸素の影響が少なく酸化膜の増膜が少なレ、方法である。
図 1 6 A、 図 1 6 Bを参照するに、 本実施例の場合は前記図 1 4 A, 図 1 4 B に示した場合と同様に被処理基板 Wの表面の酸化を行うが、 前記図 1 4 A, 図 1 4 Bの場合と異なる点は、 前記処理ガス供給ノズル 2 1 Dから前記処理空間 2 1 Bに、 酸素などの酸素ラジカノ 成のための処理ガスが供給される際に、 前記リ モートプラズマ源 2 6より、 例えば A rなどのパージガスが前記処理空間 2 1 B に供給されることである。 前記したパージガスが供給される以外は、 図 1 4 A， 図 1 4 Bの場合と同一である。
前記したように、 シリコン基板を酸化する工程では、 酸素ラジカルを用いるた め、 前記処理空間 2 1 Bでは前記ガス供給ノズル 2 1 Dから供給された処理ガス が活性化されて、 酸素ラジカルが形成される。 その際に、 前記リモートプラズマ 源 2 6の前記ガス出口 2 6 cより酸素ラジカルや、 酸素を含む生成物が逆流して 進入しまう場合がある。
このように、 酸素ラジカルや酸素を含む生成物が逆流してしまうと、 例えば図 1 5 A, 図 1 5 Bに示す窒化工程において、 ベース酸化膜の増膜や、 窒素濃度の 低下といった問題を引き起こす場合がある。 そのため、 本実施例では前記リモートプラズマ源 2 6より前記処理空間 2 1 B にパージガスを導入して、 酸素や、 酸素を含む生成物が前記リモートラジカル源 2 6に逆流するのを防止している。
また、 前記したようなリモートプラズマ源 2 6へ逆流した酸素や酸素を含む生 成物を排除するために、 例えば真空パージや不活性ガスによるガスパージを行う 方法がある。
例えば真空パージは、 した酸化工程終了後に、 前記処理空間を低圧 （高真 空） 状態に排気して、 前記処理空間 2 1 Bや前記リモートブラズマ源 2 6に残留 した酸素を除去する方法である。
ガスパージは、 同様に前記した酸化工程終了後に、 前記処理空間 2 1 Bに不活 性ガスを導入して前記処理空間 2 1 Bや前記リモートプラズマ源 2 6に残留した 酸素を除去する方法である。
通常は前記真空パージとガスパージを組み合わせて数回行われる。 しかし前記 した真空パージとガスパージを行うと、 処理時間を要するために、 基板処理装置 2 O Aのスループットが低下して生産性が低下する問題がある。 また、 真空パー ジを行うためには、 例えばターボ分子ポンプなどの排気速度の大きい高価な排気 手段を要するために、 装置のコストアップにつながるという問題がある。
本実施例では、 装置のスループットを低下させることなく生産性良く、 觸己し たような残留酸素の影響を排除することが可能となる。
また、 図 1 6 A、 図 1 6 Bに示した酸化工程の後は、 図 1 5 A， 図 1 5 Bで前 記した窒化工程を行い、ベース酸化膜を窒化して酸窒化膜を形成する。その際に、 前記したように前記リモートブラズマ源 2 6への酸素の逆流の影響を排除してい るため、 残留した酸素や酸素を含む生成物によつて酸化が進行してベース酸化膜 が増膜してしまう現象を抑制し、 またそのために窒化が進行して所望の窒素濃度 の酸窒化膜を形成することが可能となる。
その結果、 図 3で前記した、 前記半導体装置 2 0 0において用いる こ適切 な非常に薄い、 例えば 0. 4 n m程度のベース酸化膜 2 0 2と、 ベース酸化膜上 の適切な濃度の酸窒化膜 2 0 2 Aを形成することが可能となる。
なお、 本実施例において用いるパージガスは、 不活性ガスであれば良く、 前記 した A rガスの他に、 窒素、 ヘリウムなど用いることが可能である。
[第 9実施例]
次に、 本発明の第 9実施例として、 図 3のシリコン基板 2 0 1上に非常に薄い ベース酸化膜 2 0 2を、 酸窒化膜 2 0 2 Aを含めて形成する際に、 酸窒化膜の形 成工程でベース酸化膜 2 0 2の増膜を抑制する別の方法を図 1 7のフローチヤ一 トに示す。 以下の説明では、 基板処理の例として、 前記基板処理装置 2 O Aを用 いた場合を示す。
図 1 7を参照するに、 まずステップ 1 (図中 S 1と表記する、 以下同様) にお いて、 被処理基板である被処理基 を前記基板処理容器 2 1に搬入し、 編己基 板保持台 2 2に載置する。
次に、 ステップ 2で、 図 1 4 A， 図 1 4 Bで前記したように、 シリコン基板で ある被処理基ネ OTの表面を酸化して、 シリコン基板表面に 1 n m以下の膜厚の非 常に薄い酸化膜、 特に 2〜3原子層に相当する約 0 . 4 n mの膜厚のベース酸化 膜を、 安定に再現性良く形成する。
次に、 ステップ 3において、 被処理基板 Wを前記処理容器 2 1より外に搬出す る。
次のステップ 4において、 前記被処理基ネ が搬出された基板処理容器 2 1に おいて、 当該基板処理容器 2 1内の、 残留酸素の除去を行う。 前記ステップ 2の 酸ィ匕工程において、 ΙΐίΐΕ処理容器 2 1の内部である処理空間 2 1 Βには酸素が供 給され、 また酸素ラジカルが生成される。 そのため、 酸素や、 例えば Η20など の酸素を含む生成物などが、 前記処理空間 2 1 Βや当該処理空間 2 1 Βに連通す る空間に残留している。
そのため、 本ステップにおいて前記した酸素や酸素を含む生成物の除去処理を 行う。
具体的には、 ΙΐίΐΒ処理容器 2 1内から前記被処理基ネ を搬出した状態で、 図 1 5 Α, 図 1 5 Βで前記した窒ィ匕工程と同様の方法で、 A rガスおょぴ窒素ガス を前記リモートプラズマ源 2 6によつて解離することで生成される A rラジカル と窒素ラジカルを含む、 活性化された A rガスと窒素ガスを前記処理空間 2 1 B に供給して、 前記排気口 2 1 Aより排気することにより、 前記処理空間 2 1 Bや 当該処理空間 2 1 Bに連通する空間、 例えば前記リモートプラズマ源 2 6の内部 などに残留する酸素や、 例えば H20などの酸素を含む生成物などを前記排気口 2 1 Aより排出する。
次に、ステップ 5にお V、て、再び被処理基板 Wが前記処理容器 2 1に搬入され、 前記基板保持台 2 2に載置される。
続いて、 ステップ 6において、 図 1 5 A, 図 1 5 Bで前記したように、 ステツ プ 2においてベース酸化膜が形成された被処理基板 Wの表面を、 窒素ラジカノレに よって窒化して酸窒化膜を形成する。 この場合、 前記ステップ 4において酸素除 去処理が行われるため、酸化膜の増膜の影響を抑えた窒ィ匕を行う事が可能となる。 すなわち、 觸己処理容器 2 1内部、 前記処理空間 2 1 Bおよび当該処理空間 2 1 Bに連通する空間、例えば前記リモートプラズマ源 2 6の内部などに残留する、 ステップ 2にお ヽて酸化に用いた酸素おょぴ酸素を含む生成物などが除去される ため、 本ステップの窒化工程において、 ステップ 2で用いた酸素および酸素を含 む残留物によって酸化膜が増膜する、 また窒ィ匕の際に窒素濃度が低くなってしま うという問題を抑制することが可能となる。 そのために窒化が進行して所望の窒 素濃度の酸窒化膜を形成することが可能となる。
その結果、 図 3で it己した、 前記半導体装置 2 0 0において用いる場合に適切 な非常に薄い、 例えば 0 . 4 n m程度のベース酸化膜 2 0 2と、 ベース酸化膜上 の適切な濃度の酸窒化膜 2 0 2 Aを形成することが可能となる。
次に、 ステップ 7にて被処理基； KWを前記処理容器 2 1より搬出して処理を終 了する。
一般に、 前記したような前記処理容器 2 1内部、 前記処理空間 2 1 Bおよび当 該処理空間 2 1 Bに連通する空間、 例えば前記リモートプラズマ源 2 6の内部な どに残留する、 ステップ 2において酸ィ匕に用いた酸素おょぴ酸素を含む生成物な どを排除するために、 真空パージや不活性ガスによるガスパージを行うことが可
Is "ある。
例えば真空パージは、 前記した酸化工程終了後に、 前記処理空間を低圧 （高真 空） 状態に排気して、 前記処理空間 2 1 Bや当該処理空間 2 1 Bに連通する空間 に残留した酸素および酸素を含む生成物を除去する方法である。 ガスパージは、 同様に前記した酸化工程終了後に、 前記処理空間 2 1 Bに不活 性ガスを導入して前記処理空間 2 1 Bや当該処理空間 2 1 B こ連通する空間残留 した酸素およぴ酸素を含む生成物を除去する方法である。
通常は前記真空パージとガスパージを組み合わせて数回繰り返して行われるこ とでその効果を奏することが多い。 しかし前記した真空パージとガスパージを繰 り返し行うと、 処理時間を要するために、 基板処理装置 2 O Aのスループットが 低下して生産性が低下する問題がある。
また、 真空パージを行うためには、 真空パージに有効な、 排気速度の大きい高 価な排気手段を必要とするために、 装置のコストアップにつながるという問題が ある。
本実施例では、 装置のスループットを低下させることなく生産性良く、 前記し たような残留酸素の影響を排除することが可能となる。
また、 本実施例において前記した基板処理方法は、 例えば以下に示すクラスタ 型基板処理システムで行う事ができる。
[第 1 0実施例]
図 1 8は、 本発明の第 1 0実施例による、 クラスタ型基板処理システム 5 0の 構成を示す。
図 1 8を参照するに、 前記クラスタ型基板処理システム 5 0は、 基板搬入 Z搬 出のためのロードロック室 5 1と、 基板表面の自然酸化膜おょぴ炭素汚染を除去 する前処理室 5 2と、 図 1 3の基板処理装置 2 O Aよりなる処理室 5 3と、 基板 上に T a 205、 A 1 2〇3， Z r 02、 H f 02， Ζ r S i 04, Η f S i θ4等の高誘 電体膜を堆積する CVD処理室 5 4と、 基板を冷却する冷却室 5 5とを真空搬送 室 5 6で連結した構成を有し、 嫌己真空搬送室 5 6中には搬送アーム （図示せず ) が設けられている。
本実施例の基板処理方法を行う場合には、 まず前記ロードロック室 5 1に導入 された被処理基 ¾Wは経路 5 0 aに沿って前記前処理室 5 2に導入され、 自然酸 化膜およぴ炭秦汚染が除去される。 前記前処理室 5 2で自然酸化膜を除去された 被処理基板 Wは経路 5 0 bに沿って前記ステップ 1において前記処理室 5 3に導 入され、 前記ステップ 2において、 図 1 3の基板処¾¾置 2 O Aにより、 ベース 酸化膜が、 2〜 3原子層の一様な SD¥に形成される。
廳己処理室 5 3においてベース酸化膜を形成された被処理基板 Wは、 前記ステ ップ 3において経路 5 0 cに沿って前記真空搬送室 5 6に搬送され、 鍵己被処理 基 K が前記真空搬送室 5 6に保持されている間に、 前記ステップ 4において、 基板処理装置 2 O Aにより第 9実施例で前記した酸素除去処理が実施される。 その後、 前記ステップ 5において、 経路 5 0 dに沿って再ぴ被処理基板 Wが前 記搬送室 5 6より前記処理室 5 3に搬送され、 ΙίίΙΒステップ 6において、 前記基 板処理装置 2 0 Aによりベース酸化膜の窒ィ匕が行われて酸窒化膜が形成される。 その後、 前記ステップ 7において経路 5 0 eに沿って被処理 S¾Wが前記処理 室 5 3より搬出されて、 前記 CVD処理室 5 4に導入され、 前記ベース酸化膜上 に高誘電体グート絶縁膜が形成される。
さらに前記被処理基板は前記 C VD処理室 5 4から経路 5 0 f に沿って冷却室 5 5に移され、 前記冷却室 5 5で冷却された後、 経路 5 0 gに沿ってロードロッ ク室 5 1に戻され、 外部に搬出される。
なお、 図 1 8の基板処理システム 5 0におレ、て、 さらにシリコン基板の平坦化 処理を、 A r雰囲気中、 高温熱処理により行う前処理室を別に設けてもよい。 このように、 前記したクラスタ型基板処理システム 5 0によって、 第 9実施例 に前記した基板処理方法が可能となり、 窒化工程において前記処理容器 2 1に残 留した酸素や酸素を含む生成物によつて酸化が進行してベース酸化膜が増膜して しまう現象を抑制し、 またそのために窒化が進行して所望の窒素濃度の酸窒化膜 を形成することが可能となる。
その結果、 図 3で前記した、 前記半導体装置 2 0 0において用いる:^に適切 な非常に薄い、 例えば 0 . 4 n m程度のベース酸化膜 2 0 2と、 ベース酸化膜上 の適切な濃度の酸窒化膜 2 0 2 Aを形成することが可能となる。 ベース酸化膜の 増膜を押さえ、 窒化を促進して所望の窒素濃度の酸窒化膜を形成することが可能 となる。 また、 前記ステップ 4における酸素除去処理の際に、 前記被処理基 を载置 する場所は、 前記真空搬送室 5 6に限らない。 例えば、 編己前処理室 5 2ゃ觸己
7合却室 5 5および前記ロードロック室 5 1など、 外気と遮断されて前記被処理基 板 Wが汚染されたり、 酸化されたりすることを防止することが可能でかつ搬送 · 搬出が可能な空間であればよい。
[第 1 1実施例]
次に、 本発明の第 1 1実施例として、 先の第 1 0実施例に記載したクラスタ型 基板処理システム 5 0を用いて、 第 9実施例に前記した基板処理方法を行つてべ ース酸化膜を形成し、 さらに当該ベース酸化膜を窒化して酸窒化膜を形成した場 合の膜厚と窒素濃度の関係を図 1 9に示す。
また、比較のために、図中には、第 9実施例で前記した酸素除去処理を行わず、 ベース酸化膜の形成から当該ベース酸化膜の窒化を連続的に行った例、すなわち、 図 1 4 A， 図 1 4 Bに前記したベース酸化膜形成工程から図 1 5 A， 図 1 5 Bの 窒化工程を違続的に行つた場合の結果も併記した。
図 1 9には、 前記第 9実施例記載の基板処理方法を用いた場合を実験 D 1〜D 3で、 またベース酸化膜の形成から、 当該ベース酸化膜の窒ィ匕を連続的に行った 場合を実験 I 1〜 1 3で記載する。 また、 前記実験 D 1〜D 3の基板処理の条件 および実験 1 1 - 1 3の基板処理の条件を下記 （表 1 ) に示す。
oasQQ\. OoOOS 丄 180Ό 山 lSS OO ^QZ'l U!UJOI'山 |ss 0Ό:ΖΝ'ΩΙ38ε·Ρν Ndy O3S00S O。00S 丄 20'0 "J|seO εα OQ00S 丄 180Ό "J|ss .oO U!UJQ ui|sg 0O:ZN'm|s8S'pv NdH oasooe oo005 丄 20Ό ω|β Ό ζα OoOOS 丄 10丄180で ui|sS.o"0 ^ ζ'Ι U!UJ0 UJ|SSん 0O:zN'uiis8s'〖： JV jvj-jy ossoos Oo009 丄 ΖΟΌ ^\Β 'Ό ια oesQQi Qo00S 。丄 180Ό 山 Ι¾Ζ Ό '， - ossooE OoOOS JJOj.20'0 uj|sg-o ει oo00S 。丄 180Ό ωΙ¾ 0Ό ^|sge-|. ossooe 0。OOS 。丄 ZOO uJ|se-Q 21 o&sgz OoOOS 。丄 180Ό Ι / Ό ^sge'L ， ossooe OoOOS 丄 20Ό ω|30Ό n
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漏己実験 D 1〜D 3および I 1〜： [ 3のいずれの場合もベース酸化膜を形成す る条件は同一であり、 図 1 4 A， 図 1 4 Bで前記した方法により、 表中に前記し た酸素流量、 圧力、 基板保持台の温度、 処理時間で処理を行った。
さらに実験 1 1 - 1 3の場合、 表中に前記した条件の A r流量、 窒素流量、 圧 力、 基板保持台温度、 処理時間により、 窒化処理を行った。 なお、 実験 I 1〜1 3の場合は、 酸素除去処理は行わなかった。
|&|己実験 D 1〜D 3の場合、 表中に前記した A r流量、 窒素流量、 処理時間で 第 9実施例に記載した酸素除去処理を行 ヽ、 その後表中に前記した条件で窒化処 理を行った。
図 1 9を参照するに、 酸素除去処理を行 ない実験 1 1 - 1 3と比べて、 第 9 実施例に前記した酸素除去処理を行った実験 D 1〜D 3の場合は、 ベース酸化膜 を窒化する際の J©¥增加が少ないことがわかる。 また、 窒素濃度が高く、 窒化が 十分に促進されていることがわかる。
これは前記したように、 酸素除去処理を行うことにより、 窒ィ匕工程において残 留酸素によるベース酸化膜の増膜現象を抑制し、 窒化を促進して所望の窒素濃度 の酸窒化膜を形成することが可能となることを示していると考えられる。
[第 1 2実施例]
次に、 本発明の第 1 2実施例として、 前記基板処理装置 2 O Aを用いて、 シリ コン基板上にベース酸化膜を形成して、 当該ベース酸ィ匕膜を窒化して酸窒化膜を 形成する場合に、 条件を変化させた場合の HJ¥と窒素濃度の関係を、 後述する実 験 X 1〜X 5について図 2 0に示す。
また、 実験 X 1〜X 5の場合の基板処理条件を下記 （表 2 ) に示す。
"JdJQg:さ回
Figure imgf000041_0001
前記実験 X 1の場合、 図 1 6 A、 図 1 6 Bで前記したベース酸化膜形成方法、 すなわち前記リモートプラズマ源 2 6よりパージガスを導入して酸素の逆流を防 止する方法により、 表中に前記した条件で、 パージガスである A r流量、 酸素流 量、 圧力、 基板保持台温度、 処理時間でベース酸化膜を形成した。 その後、 図 1 5 A, 図 1 5 Bで前記した方法で、 前記の表中の A r流量、 窒素流量、 圧力、 基 板保持台温度、 処理時間にて酸窒化膜を形成した。
ΪΠ己実験 X 2〜Χ 5の場合は、 図 1 4 Α， 図 1 4 Bで ilBしたベース酸化膜形 成方法によって、 前記した条件の、 酸素流量、 圧力、 基板保持台温度、 処理時間 でベース酸化膜を形成し、 図 1 5 A, 図 1 5 Bで前記した窒化方法により、 前記 した条件の、 A r流量、 窒素流量、 圧力、 基板保持台温度、 理時間にて酸窒化 膜の形成を行った。
但し、 前記実験 X 2の場合は第 9実施例に記載の基板処理方法に従い、 酸素除 去処理を、 前記表中の条件の A r流量、 窒素流量、 処理時間にて行った。
また、 前記実験 X 3の場合は、 ベース酸化膜の形成終了後に一旦ウェハを前記 処理容器 2 1より搬出し、 そのまま処理容器 2 1に再搬入のみ行って、 その後酸 窒化膜形成工程に移行した。
前記実験 X 4の場合は、 ベース酸化膜形成終了後に被処理基板 Wを搬出せず、 そのまま窒化工程に している。
前記実験 X 5の場合は、 酸窒化膜形成時の、 残留酸素の影響をしらべるため、 ベース酸化膜の形成後にー且被処理基 ¾Wを搬出して、 前記基板処理装置 2 O A において、 表中に前記した条件で酸素を導入して酸素ラジカル処理を行い、 その 後被処理基板 Wを再数入して酸窒化膜形成を行っている。
図 2 0を参照するに、 の増加に対する窒素濃度の傾向を見た場合、 前記実 験 X 1の場合と、 前記実験 X 2の場合がほぼ同様の傾向を示しており、 後述する 実験 X 3〜X 5の場合に比べて、 窒化工程におけるベース酸化膜の増膜が抑えら れ、 また窒化が促進して窒素濃度が高くなつていると考えられる。
tfrf己実験 X 1の場合、 図 1 6 A、 図 1 6 Bに前記したベース酸化膜の形成方法 を行うことにより、 シリコン基板を酸化する際に、 窒化のためのラジカル であ る前記リモートブラズマ源 2 6への酸素や酸素ラジカルぉよぴ酸素を含む生成物 の逆流を防止している。 その結果、 ベース酸化膜形成後の窒ィ匕工程において、 残 留酸素や酸素を含む生成物の影響を排除して、 ベース酸化膜の増加を抑えて、 か つ窒化を促進させた高い窒素濃度の酸窒化膜を形成することが可能となる。 また、 前記実験 X 2の場合は、 前記した酸素除去処理により、 A rラジカルと 窒素ラジカルを含む、 活性化された A rガスと窒素ガスにより、 前記処理空間 2 1 Bや当該処理空間 2 1 Bに連通する空間、 例えば前記リモートプラズマ源 2 6 の内部などに残留する酸素や、 例えば H 2 Oなどの酸素を含む生成物などを除去 し、 ベース酸化膜形成後の窒化工程において、 残留酸素や酸素を含む生成物の影 響を排除して、 ベース酸化膜の増カ卩を抑えて、 力ゝっ窒化を促進させた高い窒素濃 度の酸窒化膜を形成することが可能となる。
なお、 前記実験 X 3と X 4力 と窒素濃度の関係で、 ほぼ同様の傾向を示 している。 このことから、 単に被処理基ネ を編己処理容器 2 1力 搬出 '再搬 入するだけでは前記したような残留酸素を除去する効果はなく、 前記したような 酸素除去処理が必要であると考えられる。
また、 残留酸素が窒化の際に及ぼす影響を確認するため、 実験 X 5の場合には ベース酸化膜形成終了後に、 前記処理容器 2 1に酸素ラジカルを供給している。 実験 X 5の場合には、 ベース酸化膜の増膜が大きく、 また窒素濃度が低いことか ら前記処理空間 2 1 Bおよび前記処理空間 2 1 Bに連通する空間に残留した酸素 および酸素を含む生成物が、 窒化工程の際にシリコン基板を酸化してベース酸化 膜の増膜の原因となり、 そのために窒化が促進せず、 窒素濃度が低いものと考え られる。
また、 例 ば第 9〜 1 0実施例記載の基板処理方法.を前記基板処理装置 2 0を 用いて行うことも可能であり、 また、 第 8実施例記載のパージガスを用いて酸素 の逆流を防止する方法と、 第 9〜1 0実施例記載の酸素除去処理を組み合わせて 実施することも可能であり、 その場合も同様に、 酸窒化膜形成工程において、 酸 素や酸素を含む生成物によつて酸化が進行してベース酸化膜が増膜してしまう現 象を抑制し、 またそのために窒化が進行して所望の窒素濃度の酸窒化膜を形成す ることが可能となる。
その結果、 図 3で前記した、 前記半導体装置 2 0 0において用いる場合に適切 な非常に薄い、 例えば 0 · 4 n m程度のベース酸化膜 2 0 2と、 ベース酸化膜上 の適切な濃度の酸窒化膜 2 0 2 Aを形成することが可能となる。
以上、 本発明を好ましい実施例について説明したが、 本発明は上記の特定の実 施例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。
尚、 本願は基礎出願である、 平成 1 5年 3月 1 7日出願の特願 2 0 0 3 - 7 2 6 5 0号に基づいており、ここに引用することでその内容を組み込むものとする。

Claims

請求の範囲
1 . 処理空間を画成する処理容器と、
ttiiB処理空間中の被処理基板を保持する回動自在の保持台と、
tins保持台の回動機構と、
前記処理容器上、 前記保持台に対して第 1の側の端部に設けられた、 高周波プ ラズマにより窒素ラジカルを形成して前記窒素ラジカルが前記'被処理基板表面に 沿って前記第 1の側から前記被処理基板を隔て対向する第 2の側に流れるように 前記処理空間に供給する窒素ラジカル形成部と、
前記第 1の側の端部に設けられた、 高周波プラズマにより酸素ラジカルを形成 して前記酸素ラジカルが前記被処理基板表面に沿つて前記第 1の側から前記第 2 の側に流れるように lift己処理空間に供給する酸素ラジカル形成部と、
前記第 2の側の端部に設けられ、 前記処理空間を排気する排気経路とを有し、 前記窒素ラジカルぉよぴ酸素ラジカルは、 それぞれ前記窒素ラジカル形成部お よび酸素ラジカル形成部より前記排気経路に向かって前記被処理基板表面に沿つ た窒素ラジカル流路および酸素ラジカル流路を形成して流れることを特徴とする 基板処理装置。
2. 前記窒素ラジカル形成部は、 第 1のガス通路と前記第 1のガス通路の一部 に形成されて前記第 1のガス通路を通過する窒素ガスをプラズマ励起する第 1の 高周波プラズマ形成部とを含み、 前記酸素ラジカル形成部は、 第 2のガス通路と 前記第 2のガス通路の一部に形成されて前記第 2のガス通路を通過する酸素ガス をプラズマ励起する第 2の高周波プラズマ形成部とを含み、 Ιίίΐ己第 1のガス通路 と前記第 2のガス通路とが前記処理空間に連通していることを特徴とする請求の 範囲 1記載の基板処理装置。
3. 前記窒素ラジカル流路と前記酸素ラジカル流路とが略 TOであることを特 徵とする請求の範囲 1記載の基板処理装置。
4. frf己窒素ラジカル流路の中心と、 前記被処理基板の中心との間の距離が、
4 O mm以下となるように前記窒素ラジカル形成部を設置したことを特徴とする 請求の範囲 1記載の基板処理装置。
5 . 編己酸素ラジカル流路の中心と、 前記被処理基板の中心との間の距離が、 4 0 mm以下となるように前記酸素ラジカル源を設置したことを特徴とする請求 の範囲 1記載の基板処理装置。
6 . 前記窒素ラジカル流路の中心と、 前記酸素ラジカル流路の中心とが、 前記 被処理基板の略中心で交差することを特徴とする請求の範囲 1記載の基板処理装 置。
7. 前記窒素ラジカル流路を衝突させて前記窒素ラジカル流路の向きを変更す る整流板を設けたことを特徴とする請求の範囲 1記載の基板処理装置。
8 . 前記酸素ラジカル流路を衝突させて前記酸素ラジカル流路の向きを変更す る整流板を設けたことを特徴とする請求の範囲 1記載の基板処理装置。
9 . 処理空間を画成し、 前記処理空間中に被処理基板を保持する保持台を備え た処理容器と、
前記処理容器に第 1のラジカルを、 前記第 1のラジカルが前記被処理基板表面 に沿って前記処理容器の第 1の側から前記被処理基板を隔てて対向する第 2の側 に流れるように供給する第 1のラジカル形成部と、
前記処理空間に第 2のラジ力/レを、 前記第 2のラジカルが前記被処理基板表面 に沿って前記第 1の側から前記第 2の側に流れるように供給する第 2のラジカル 形成部とを有する基板処理装置による基板処理方法であって、
前記第 1のラジカル形成部より前記処理空間に第 1のラジカルを供給して前記 被処理基板の処理を行いながら、 前記第 2のラジカル形成部より前記第 2のラジ カル形成部をパージするパージガスを前記処理空間に導入する第 1の工程と、 tiHB第 2のラジカル形成部より觸己処理空間に前記第 2のラジカルを導入して 前記被処理基板の処理を行う第 2の工程とを有することを特徴とする基板処理方 法。
1 0. 前記被処理基板はシリコン基板であり、 前記第 1の工程では前記第 1の ラジカルである酸素ラジカルで前記シリコン基板表面を酸化して酸化膜を形成す ることを特徴とする請求の範囲 9記載の基板処理方法。
1 1 . 前記第 2の工程では前記第 2のラジカルである窒素ラジカルで前記酸化 膜表面を窒ィ匕して酸窒化膜を形成することを特徴とする請求の範囲 1 0記載の基 板処理方法。
1 2. 前記第 1のラジカノレおよび第 2のラジカルは、 前記被処理基板の表面に 沿つて前記第 1の側から前記第 2の側へ流れるガスの流れに乗つて供給され、 前 記第 2の側で排気されることを特徴とする請求の範囲 9記載の基板処理方法。
1 3. 前記第 1のラジカル形成部は、 高周波プラズマにより酸素ラジカルを形 成することを特徴とする請求の範囲 9記載の基板処理方法。
1 4. 前記第 1のラジカル形成部は、 酸素ラジカルを形成する紫外光源を含む +ことを特徴とする請求の範囲 9記載の基板処理方法。
1 5. 前記第 2のラジカル形成部は、 高周波ブラズマにより窒素ラジカルを形 成することを特徴とする請求の範囲 9記載の基板処理方法。
1 6 . 前記第 2のラジカル形成部は、 ガス通路と、 前記ガス通路の一部に形成 されて前記ガス通路を通過する窒素ガスをブラズマ励起する高周波プラズマ形成 部とを含むことを特徴とする請求の範囲 1 5記載の基板処理方法。
1 7 . 前記パージガスは、 前記ガス通路を介して供給されることを特徴とする 請求の範囲 1 6記載の基板処理方法。
1 3 . 前記パージガスは、 不活性ガスであることを特徴とする請求の範囲 9記 載の基板処理方法。
1 9 . 処理容器で被処理基板の第 1の処理をする第 1の工程と、
前記被処理基板を前記処理容器より搬出する第 2の工程と、
前記処理容器の酸素除去処理を行う第 3の工程と、
嫌己被処理基板を前記処理容器に搬入する第 4の工程と、
前記被処理基板の第 2の処理をする第 5の工程を有することを特徴とする基板 処理方法。
2 0 . .前記酸素除去処理では、 処理ガスをプラズマ励起して前記処理容器に導 入し、 当該処理ガスを前記処理容器より排気することを特徴とする請求の範囲 1 9記載の基板処理方法。
2 1 . 前記処理ガスは、 不活性ガスであることを特徴とする請求の範囲 2 0記 載の基板処理方法。
2 2. 前記被処理基板はシリコン基板であり、 前記第 1の処理は前記シリコン 基板表面を酸化して酸化膜を形成する酸化処理であることを特徴とする請求の範 囲 1 9記載の基板処理方法。 2 3 . 前記第 2の処理は、 前記酸化膜を窒化して酸窒化膜を形成する窒化処理 であることを特徴とする請求の範囲 2 2記載の基板処理方法。
2 4. 前記処理容器は酸素ラジカル形成部と窒素ラジカル形成部とを有し、 前 記酸素ラジカル形成部により形成された酸素ラジカルにより前記酸化処理を行レ \ 前記窒素ラジカル形成部により形成された窒素ラジカルにより前記窒化処理を行 うことを特徴とする請求の範囲 2 3記載の基板処理方法。
2 5 . 前記プラズマ励起は、 前記窒素ラジカル形成部で行われ、 プラズマ励起 された処理ガスは前記窒素ラジカル形成部より前記処理容器に導入されることを 特徴とする請求の範囲 2 4記載の基板処理方法。
2 6 . 前記酸素ラジカルおよび前記窒素ラジカルは前記被処理基板に沿うよう に流れ、 前記処理容器の、 前記処理容器内に载置される被処理基板の径方向上前 記酸素ラジカル形成部および藤己窒素ラジカル形成部に対向する側に設けられた、 排気口より排気されることを特徴とする請求の範囲 2 4記載の基板処理方法。
2 7 . 前記処理容器は、 複数の基板処理装置が基板搬送室に接続されたクラス タ型基板処理システムに接続されることを特徴とする請求の範囲 1 9記載の基板 処理方法。
2 8 . 前記第 2の工程において、 前記被処理基板は前記処理容器より前記基板 搬送室に搬送されることを特徴とする請求の範囲 2 7記載の基板処理方法。 2 9 . 前記第 3の工程において、 前記被処理基板は前記基板搬送室に載置され ることを特徴とする請求の範囲 2 7記載の基板処理方法。
3 0 . 前記第 4の工程において、 前記被処理基板は前記搬送室より前記基板処 理容器に搬送されることを特徴とする請求の範囲 2 7記載の基板処理方法。
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