JP2004266040A - 半導体装置の製造方法及び半導体製造装置 - Google Patents

Abstract

【課題】酸化膜に窒素原子を適切に導入することにより、絶縁膜のリーク電流を抑制し、半導体素子のモビリティを高く維持することができる。
【解決手段】筒状電極及び磁力線形成手段を有する形式のプラズマ処理装置が用いられる。半導体基板１０はサセプタ４６に載置され、このサセプタのインピーダンスを変化させながら前記半導体基板１０に形成された酸化膜１４を窒素プラズマ１８により窒化し、酸窒化膜２０が形成される。この酸窒化膜２０中の窒素濃度ピークは、表面からの深さ位置が制御される。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、プラズマ処理を用いた半導体装置（半導体デバイス）の製造方法及び半導体装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
例えばシリコン半導体基板を基にしたＭＯＳ型半導体装置の製造においては、シリコン半導体基板表面上にシリコン酸化膜からなるゲート酸化膜を形成する必要がある。また、薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）の製造においても、同様に透明ガラス基板上に設けられたシリコン層の表面にゲート酸化膜を形成する必要があり、このゲート酸化膜は、半導体装置の信頼性を担っており、このシリコン酸化膜には高い絶縁破壊耐性と長期信頼性が要求されている。
【０００３】近年、ＣＭＯＳトランジスタにおいては、低消費電力化のために低電圧化が図られており、そのためにＰＭＯＳ半導体素子とＮＭＯＳ半導体素子に対して十分低く、かつ対称な閾値電圧が要求される。この要求に対応するために、ＰＭＯＳ半導体素子においては、これまでのｎ形不純物を含むポリシリコン層から構成されたゲート電極に替わり、ｐ形不純物を含むポリシリコン層から構成されるゲート電極が用いられるようになっている。ところが通常用いられているｐ形不純物原子であるボロン原子（Ｂ）は、ゲート電極形成後の半導体製造工程における様々な熱処理工程によりゲート電極からゲート酸化膜を通過し、シリコン半導体基板まで到達し、ＰＭＯＳ半導体素子の閾値電圧を変化させることになる。
【０００４】また、この現象は、半導体素子のデザインルールの微細化及び低消費電力化に伴う低電力化のためなどにより、ゲート酸化膜を薄くした場合には、より顕著に現れることになる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上述の不純物原子であるボロン原子（Ｂ）のシリコン半導体基板内への拡散を抑制するためには、ゲート酸化膜中に窒素原子を導入することが考えられる。熱窒化法を用い高温中にアンモニア雰囲気中でゲート絶縁膜中に窒素原子を導入することが可能である。しかしながら、この熱窒化法を用いた場合、窒素原子はゲート酸化膜を通過してシリコン半導体基板中にも進入し、半導体素子の電流駆動能力の低下を引き起してしまう。
そこで、本発明は、酸化膜に窒素原子を適切に導入することにより、絶縁膜のリーク電流を抑制することを目的としている。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明の第１の特徴とするところは、被処理基板に形成された酸化膜をプラズマ活性化された窒素活性種で窒化処理して酸窒化膜を形成するに際し、前記酸窒化膜中の窒素濃度ピークにおける酸窒化膜表面からの深さ位置を制御する半導体装置の製造方法にある。ここで窒素濃度とは、酸窒化膜中の単位体積当りの窒素原子数を酸窒化膜の単位体積当りの総原子数（シリコン、酸素、窒素全ての原子数のことであり、約６．６＊１０^２２）で割った値であり、窒素濃度ピークとは前記窒素濃度の最大値のことである。このようにすると、絶縁膜としてのリーク電流防止効果を高めつつ、界面の窒素濃度を低く維持して、半導体素子のモビリティ（移動度、即ち、半導体素子の電流駆動能力）高く維持することができる。
【０００７】
本発明の第２の特徴とするところは、前記酸窒化膜の形成においては、処理室と、該処理室内で被処理基板を支持する基板支持体と、前記処理室周囲に配置された筒状電極及び磁力線形成手段とを有するプラズマ処理装置を用い、前記基板支持体の高周波インピーダンスを変化させて、前記酸窒化膜中の窒素濃度ピークにおける酸窒化膜表面からの深さ位置を制御する請求項１の半導体装置の製造方法にある。ここで、処理室と、該処理室周囲に筒状電極及び磁力線形成手段を配置したプラズマ処理装置を用いるのは、プラズマの電子温度を低く抑え、酸窒化膜と基板との界面の窒素濃度を低くするためである。また、前記基板支持体の高周波インピーダンスを変化させることにより、形成される酸窒化膜中の窒素濃度ピークの酸窒化膜表面からの深さ位置を制御することが可能となる。また、前記窒素濃度ピークは酸窒化膜表面から深さ１０Å以内に位置するようにすれば効率よく絶縁膜としてのリーク電流防止が図れ、半導体素子のデザインルールに適合することができる。また、前記被処理基板と酸窒化膜との界面の窒素濃度が１％以下になるように前記高周波インピーダンスを変化すれば、半導体素子のモビリティを高く維持することができる。
【０００８】
本発明の第３の特徴とするところは、処理室と、該処理室内で表面が酸化された被処理基板を支持する基板支持体と、前記処理室周囲に配置された筒状電極と、該筒状電極に高周波電力を供給する高周波電源と、処理室内に磁力線を形成する磁力線形成手段と、窒素元素を含むガスを前記処理室内へ供給するガス供給部と、前記処理室内を排気する排気部とを有し、前記窒素元素を含むガスを前記ガス供給部から前記処理室へ供給、および前記排気部から処理室内雰囲気を排気しつつ、前記筒状電極に高周波電力を供給して得られる電界と磁力線形成手段により得られる磁界とにより前記処理室内にプラズマを発生させることにより窒素活性種を得て、該窒素活性種により前記被処理基板を窒化処理して酸窒化膜を形成する半導体製造装置であって、前記基板支持体の高周波インピーダンスを制御して、前記酸窒化膜中の窒素濃度ピークにおける酸窒化膜表面からの深さ位置を制御するインピーダンス制御部を具備した半導体製造装置にある。このように、前記基板支持体の高周波インピーダンスを制御して、形成される酸窒化膜中の窒素濃度ピークの酸窒化膜表面からの深さ位置を制御しているので、絶縁膜としてのリーク電流防止効果を高めつつ、界面の窒素濃度を低く維持して、半導体素子のモビリティを高く維持することができる。
【０００９】なお、従来例においては、例えば２．４５ＧＨｚのマイクロ波をプラズマ源としておりこのマイクロ波で励起されたプラズマは、電子温度Ｔｅｂが高くなり（Ｔｅｂ＞５ｅＶ）、本発明のように、酸窒化膜を形成しようとした場合は、酸窒化膜と基板との界面の窒素濃度を１％以下にすることは困難である。それに対し、本発明においては、上述した変形マグネトロン型プラズマ処理装置を用いているので、プラズマの電子温度Ｔｅａを低く（例えばＴｅａ＜１ｅＶ）することができ、酸窒化膜と基板との界面の窒素濃度を１％以下にすることができる。また、上記従来例においては、基板表面を窒化する処理ガスとしてＮＨ３（またはＮ２とＨ２の混合ガス）が用いられており、窒化膜にＨ原子が存在し、耐圧、リーク電流等のデバイス特性に悪影響を及ぼすのに対し、本発明においては、処理ガスとして窒素ガスを用いているので、半導体デバイスの特性が良好である。
【００１０】
【発明の実施の形態】次に本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
図１において、本発明の実施形態における半導体装置の製造プロセスが示されている。まず図１（Ａ）に示すシリコン基板等の半導体基板１０上にＬＯＣＯＳ（Ｌｏｃａｌ Ｏｘｉｄａｔｉｏｎ ｏｆ Ｓｉｌｉｃｏｎ）プロセスまたはＳＴＩ（Ｓｈａｌｌｏｗ Ｔｒｅｎｃｈ Ｉｓｏｌａｔｉｏｎ）プロセス等の周知方法により、図１（Ｂ）に示す素子分離領域１２を形成する。
【００１１】次に周知の方法で、ウェルイオン注入、チャンネルストップイオン注入、閾値調整イオン注入等を行った後、後述する変形マグネロトン型プラズマ処理装置（Ｍｏｄｉｆｉｅｄ Ｍａｇｎｅｔｒｏｎ Ｔｙｐｅｄ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ 以下、ＭＭＴ装置という。）を用いて、半導体基板１０上に熱酸化膜同等以上の酸化膜１４を形成する。ＭＭＴ装置の処理室には、大量のクリプトンＫｒと酸素とを導入し、Ｋｒ／Ｏ_２プラズマ１６を生成し、酸化膜１４を形成する。Ｋｒを用いるのは、Ｋｒの活性化するエネルギバンドが低く、Ｏ_２のラジカル励起エネルギとよくマッチングするためである。このときの酸化膜１４の膜厚は、２０Å以下にすることが好ましい。
【００１２】次に、ＭＭＴ装置において、酸化膜１４が形成された半導体基板１０を同一処理室内で、Ｋｒ／Ｏ_２ガスを排気し、窒素ガスを導入してガス置換を行い、窒素雰囲気とし、図１（Ｄ）に示すように、窒素プラズマ１８を生成し、処理室内に配置された表面が酸化されている半導体基板１０を窒化処理することにより酸窒化膜２０を形成する。この酸窒化膜２０の膜厚は、好ましくは２５Å以下である。また、酸窒化膜２０の窒素濃度のピークが５〜１５％であり、酸窒化膜２０と半導体基板１０との界面の窒素濃度が１％以下であるよう調整することが好ましい。酸窒化膜２０の窒素濃度のピークの値は大きい程絶縁膜としてのリーク電流防止効果があるが、酸窒化膜２０の窒素濃度のピークが１５％を越えるようにすると、酸窒化膜２０と半導体基板１０との界面の窒素濃度が１％を越える。酸窒化膜２０と半導体基板１０との界面の窒素濃度が１％を越えると、半導体素子のモビリティ（移動度、即ち、半導体素子の電流駆動能力）が悪化するため、１％以下にすることが好ましい。
【００１３】
前記リーク電流防止効果と、半導体素子モビリティー性能の維持とは、トレードオフの関係にある。即ち、酸窒化膜２０の窒素濃度ピークの値を大きくしてリーク電流防止効果を高めると、酸窒化膜と基板との界面での窒素濃度の値も大きくなって半導体素子モビリティー性能が低下してしまい、またそれとは逆に酸窒化膜と基板との界面での窒素濃度の値を小さくして半導体素子モビリティー性能を高めると、酸窒化膜２０の窒素濃度ピークの値も小さくなってリーク電流防止効果が低減する。しかし、窒素濃度ピークを酸窒化膜表面付近（好適には１０Å以内）に形成するよう位置を制御すると、窒素濃度ピークの値を下げずに界面での窒素濃度を１％以下に維持することができ、この傾向は、前記窒素濃度ピークをなるべく酸窒化膜表面付近に位置するように制御した方が、より窒素濃度も大きくした上で窒素濃度を１％以下に維持することができる。
【００１４】なお、窒素ガスに加えてＨｅガスを入れると、前述したように、酸窒化膜２０と半導体基板１０との界面の窒素濃度をより低くすることができる。
【００１５】そして、図１（Ｅ）に示すように、ＣＶＤ等の周知の方法により、ポリシリコン等からなるゲート電極２２を形成する。このゲート電極２２には、不純物としてボロン原子（Ｂ）が含まれる。その後、例えばワード線やキャパシタが形成され、例えばＤＲＡＭが構成される。このようにゲート電極２２を形成した後の種々の熱処理工程により、ボロン原子（Ｂ）が拡散して半導体基板１０まで到達しようとするが、酸窒化膜２０の存在により防止することができる。
【００１６】図２において、この実施形態に用いられるＭＭＴ装置２４が示されている。ＭＭＴ装置２４は、処理室２６を構成する真空容器２８を有する。この真空容器２８は、上部容器３０と下部容器３２とが上下に接合されて構成されている。上部容器３０は、アルミナ、石英等のセラミックからなる。下部容器３２は金属製である。上部容器３０の周囲はカバー３４に覆われている。また、上部容器３０はドーム状の天井部を有する円筒形であり、この天井部には、上蓋部３６とシャワー板部３８とが形成され、この上蓋部３６とシャワー板部３８との間に拡散室４０が構成されている。上蓋部３６には処理ガスを導入する導入口４２が形成され、シャワー板部３８には、多数のノズル４４が形成されており、導入口４２から導入された例えば２種の処理ガスは、拡散室４０で混合・拡散され、シャワー板部３８のノズル４４から処理室２６に供給されるようになっている。
【００１７】処理室２６には、被処理基板を支持する基板支持体であるサセプタ４６が配置されている。このサセプタ４６には、被処理基板を加熱するためのヒータが設けられている。また、下部容器３２には、排気口４８が設けられ、この排気口４８から処理室２６内の処理ガスが排気されるようになっている。
【００１８】筒状電極５０は、処理室２６の周囲、即ち、上部容器３０の外周に密着するように配置されている。この筒状電極５０は、整合器５２を介して高周波電源５４に接続されている。この高周波電源５４は、例えば１３．５６ＭＨｚの周波数を持つ高周波電力を発生し、制御装置５６からの制御信号に応じて電力の大きさが調整される。また、磁力線形成手段５８は、例えばリング状に形成された２つの永久磁石６０，６２から構成され、処理室２６の周囲に配置されている。この２つの永久磁石６０，６２は、径方向で互いに逆向きに着磁されており、処理室２６内には一方の永久磁石６０から中心方向に延び、他方の永久磁石６２に戻る磁力線が形成される。
【００１９】前述したサセプタ４６には、高周波回路６４が接続されている。この高周波回路６４は、コイルとコンデンサが直列に接続されており、前述した制御装置５６からの制御信号により、少なくともコイルの巻き数かまたはコンデンサ容量を可変させて、サセプタインピーダンスを調整できるようにしてある。
【００２０】次にＭＭＴ装置２４の作用について説明すると、まず被処理基板をサセプタ４６に載置し、真空容器２８内のガスを排気口４８から排気して真空容器２８内を真空状態にする。次にサセプタ４６を加熱し、半導体基板の温度を例えば４００°Ｃまで加熱する。次に処理ガスを導入口４２から導入する。この導入口４２から導入された処理ガスは、拡散室４０で拡散され、シャワー板部３８のノズル４４から処理室２６に供給される。同時に高周波電源５４から高周波電力を筒状電極５０に供給する。処理室２６においては、磁力線形成手段５８により磁力線（磁界）が形成され、筒状電極５０により高周波電界が形成されるので、プラズマが生成され、サセプタ４６上の半導体基板が処理される。所定時間経過後、高周波電源５４からの高周波電力の供給を停止し、真空容器２８内のガスを排気口４８から排気し、サセプタ４６上の被処理基板を処理室２６から取り出して処理を終了する。
【００２１】次に上記ＭＭＴ装置を用いて前述した酸窒化膜を形成した実施例について説明する。
【００２２】
【実施例１】第１のプロセスとして上記ＭＭＴ装置を用いてシリコン基板上に２．０ｎｍの酸化膜を形成した。プラズマ酸化条件は次の通りである。ここでは、サセプタ４６に接続された高周波回路６４を調整して、サセプタ４６のインピーダンスを変え、サセプタ電位を変えることができる。また電位的に揺れるサセプタ４６とプラズマとの位相差を調整もでき、前記サセプタ４６とプラズマとの位相差が０°に近くし、より電位差の絶対値を小さくして酸化速度を落とした方が良好な膜質の酸化膜形成が可能であった。
ＲＦパワー：１５０Ｗ
Ｋｒ流量： ２５０ｓｃｃｍ
Ｏ_２流量： １０ｓｃｃｍ
圧力： ２０Ｐａ
基板温度： ４００°Ｃ
酸化時間： ２０ｓｅｃ
次に、第２のプロセスとして、同じＭＭＴ装置において、ガス置換を行い、連続してプラズマ窒化処理することによって２．０ｎｍの酸窒化膜を形成した。プラズマ窒化条件は次の通りである。ここでも、サセプタ４６に接続された高周波回路６４を調整して、サセプタ４６のインピーダンスを変え、サセプタ電位を変えることができる。また電位的に揺れるサセプタ４６とプラズマとの位相差を調整できる。但し、窒化処理の場合には、前記サセプタ４６とプラズマとの位相差が１８０°（反転）に近くなるようにし、より電位差の絶対値を大きくしてサセプタ４６のインピーダンスを大きくし（電圧のピークトゥーピークであるＶｐｐ値を大きくする）、サセプタ４６とプラズマとの電位差の絶対値が大きくなるよう制御した方が、窒化処理速度が向上し、窒化膜を厚膜化できるが、前記位相差を０°と１８０°の中間の値に設定して、窒素濃度ピークにおける酸窒化膜表面からの深さ位置（例えば１０Å以内）、前記被処理基板と酸窒化膜との界面の窒素濃度（例えば１％以下）、窒素濃度のピーク（例えば５〜１５％）それぞれが半導体装置の要求に応じるように制御することができる。
ＲＦパワー：５００Ｗ
Ｎ_２流量： ５００ｓｃｃｍ
圧力： ３０Ｐａ
基板温度： ４００°Ｃ
酸化時間： ２５ｓｅｃ
【００２３】
【実施例２】上記実施例１と同じプラズマ酸化条件に基づいて酸化膜を形成し、その後ガス置換を行い、連続してプラズマ窒化処理することによって２．０ｎｍの酸窒化膜を形成した。窒素ガスにＨｅガスを加え、次のプラズマ窒化条件で行った。実施例１と同様に、サセプタインピーダンスを調整する。
ＲＦパワー：５００Ｗ
Ｎ_２流量： ２５０ｓｃｃｍ
Ｈｅ流量： ２５０ｓｃｃｍ
圧力： ３０Ｐａ
基板温度： ４００°Ｃ
酸化時間： ２５ｓｅｃ
【００２４】なお、酸化膜の厚さは、Ｋｒ／Ｏ_２プラズマ生成条件等を変えることにより５〜１００Åの範囲内で自由にコントロールすることができる。また、酸窒化膜の表面窒素濃度は、窒素プラズマ生成条件等を変えることにより０〜４０％の範囲で自由にコントロールすることができる。また、第１のプロセスにおける圧力は１５０Ｐａ以下にすることができ、第２のプロセスにおける圧力は１０〜１００Ｐａにすることができる。また、基板温度は第１のプロセスと第２のプロセス共に室温〜４００℃以下で処理可能なことが確認されており、ガス流量は処理室の容積と処理室を真空排気している図中略の真空ポンプの排気能力との関係によって適宜選択されればよく、ＲＦパワーは酸化、又は窒化の処理速度や膜質などの関係を勘案して設定される。
【００２５】図３は、ＭＭＴ装置の基板支持体であるサセプタの高周波インピーダンスを変化させてゲート酸化膜をプラズマ窒化して酸窒化膜を形成するプロセスに関して、前記酸窒化膜中の窒素濃度プロファイルの深さ方向ピーク位置とサセプタ電位振幅との相関を示す。ここでは、サセプタ電位振幅以外のプロセス条件を固定しておいて、サセプタとアースの間の高周波インピーダンスだけを変化させることにより、酸化膜中の窒素濃度プロファイルのピーク位置を酸窒化膜の深さ方向に対して１ｎｍ（１０Å）以下で制御することができることが分かる。この様にすると、前記被処理基板と酸窒化膜との界面の窒素濃度が１％以下にすることができ、より高い絶縁膜としてのリーク電流防止効果を保ちながら、半導体素子のモビリティを高く維持することができる。
【００２６】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、形成される酸窒化膜中の窒素濃度ピークの酸窒化膜表面からの深さ位置を制御することができたので、前記被処理基板と酸窒化膜との界面の窒素濃度が１％以下にすることができ、より高い絶縁膜としてのリーク電流防止効果を保ちながら、半導体素子のモビリティを高く維持することができるのである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す側面図である。
【図２】本発明の実施形態に係る半導体装置の製造方法に用いたＭＭＴ装置を示す
断面図である。
【図３】本発明の酸窒化膜中の窒素濃度プロファイルの深さ方向ピーク位置とサセプタ電位振幅との相関図である。
１０ 半導体基板
１４ 酸化膜
２０ 酸窒化膜
２４ ＭＭＴ装置
２６ 処理室
２８ 真空容器
４６ 基板支持体（サセプタ）
５０ 筒状電極
５８ 磁力線形成手段
６４ 高周波回路

Claims (6)

1. 被処理基板に形成された酸化膜をプラズマ活性化された窒素活性種で窒化処理して酸窒化膜を形成するに際し、前記酸窒化膜中の窒素濃度ピークにおける酸窒化膜表面からの深さ位置を制御する半導体装置の製造方法。
2. 前記酸窒化膜の形成においては、処理室と、該処理室内で被処理基板を支持する基板支持体と、前記処理室周囲に配置された筒状電極及び磁力線形成手段とを有するプラズマ処理装置を用い、前記基板支持体の高周波インピーダンスを変化させて、前記酸窒化膜中の窒素濃度ピークにおける酸窒化膜表面からの深さ位置を制御する請求項１の半導体装置の製造方法。
3. 前記窒素濃度ピークは酸窒化膜表面から深さ１０Å以内に位置するようにする請求項１または２の半導体装置の製造方法。
4. 前記被処理基板と酸窒化膜との界面の窒素濃度が１％以下になるように前記高周波インピーダンスを変化する請求項１乃至３いずれかの半導体装置の製造方法。
5. 窒素濃度のピークを５〜１５％とした請求項１乃至４いずれかの半導体装置の製造方法。
6. 処理室と、該処理室内で表面が酸化された被処理基板を支持する基板支持体と、前記処理室周囲に配置された筒状電極と、該筒状電極に高周波電力を供給する高周波電源と、処理室内に磁力線を形成する磁力線形成手段と、窒素元素を含むガスを前記処理室内へ供給するガス供給部と、前記処理室内を排気する排気部とを有し、
   前記窒素元素を含むガスを前記ガス供給部から前記処理室へ供給、および前記排気部から処理室内雰囲気を排気しつつ、前記筒状電極に高周波電力を供給して得られる電界と磁力線形成手段により得られる磁界とにより前記処理室内にプラズマを発生させることにより窒素活性種を得て、該窒素活性種により前記被処理基板を窒化処理して酸窒化膜を形成する半導体製造装置であって、
   前記基板支持体の高周波インピーダンスを制御して、前記酸窒化膜中の窒素濃度ピークにおける酸窒化膜表面からの深さ位置を制御するインピーダンス制御部を具備した半導体製造装置。

Images