JP2000260767A - 半導体装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 電気的特性が良好で、成膜速度の大きい絶縁
膜を備えた半導体装置を製造すること。 【解決手段】 電気的特性の良い第１のＳｉＮ膜２１
と、第１のＳｉＮ膜２１よりも成膜速度の大きい第２の
ＳｉＮ膜２２とを積層してゲ−ト絶縁膜２を形成する。
つまり先ず希ガスとＮとＨとを含み、Ｓｉを含まないガ
スであって、希ガスの含有量が５０％以上９９％以下の
第１のガスを高周波プラズマ化し、このプラズマにより
シリコン基板１の表面を窒化して第１のＳｉＮ膜２１を
形成する。次いで希ガスとＮとＳｉを含み、希ガスの含
有量が５０％以上９９％以下の第２のガスを高周波プラ
ズマ化し、このプラズマにより第１のＳｉＮ膜２１の表
面に第２のＳｉＮ膜２２を形成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、シリコン基板の表
面に絶縁膜例えばゲ−ト絶縁膜を備えた半導体装置の製
造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】シリコン半導体装置において、従来ゲ−
ト絶縁膜としてはシリコン酸化膜（ＳｉＯ2 膜）が用い
られている。しかしながらＳｉＯ2 膜を現在用いられて
いる膜厚である６０オングストロ−ムよりも薄くしよう
とすると、４０オングストロ−ムが限界であり、これ以
上薄膜化するとリ−ク電流が大きくなり消費電力が大き
くなって実用に適さない。

【０００３】そこで４０オングストロ−ム程度に薄膜化
してもリ−ク電流が大きくならないシリコン窒化膜（Ｓ
ｉＮ膜）をゲ−ト絶縁膜に使用することが検討されてい
る。例えば特開平５−３６８９９号及び特開平９−５０
９９６号には、熱窒化による窒化シリコン膜と気相成長
法による窒化シリコン膜とを積層して用いる例が提案さ
れており、特開平５−３６８９９号の例では、多結晶シ
リコンを所定形状にパタ−ニングして電極を形成し、次
いでアニ−ル装置を用いて８５０℃、６０秒の急速熱窒
化を行い、電極の表面に膜厚数ｎｍ程度の熱窒化による
窒化シリコン膜を形成し、この窒化シリコン膜の表面に
減圧気相成長法による窒化シリコン膜を４ｎｍ程度堆積
している。

【０００４】また特開平６−６１４７０号には、シリコ
ン酸窒化膜を用いる例が提案されており、この例ではシ
リコン酸化膜をＮＨ3 雰囲気中で９００〜１０００℃で
１０分〜１時間程度アニ−ルすることによりシリコン酸
窒化膜を形成している。

【０００５】さらに特開平１０−１７８１５９号には、
シリコン酸窒化膜、シリコン窒化膜、シリコン酸窒化膜
からなる三層膜を用いる例が提案されている。この例で
はシリコン酸窒化膜は減圧ＣＶＤ装置にてモノシランと
亜酸化窒素により、約５０Ｐａ、７００〜８５０℃の成
膜条件で高温シリコン酸化膜を形成し、次いで７００〜
８５０℃で亜酸化窒素を導入して、高温シリコン酸化膜
をシリコン酸窒化膜に変化させ、シリコン窒化膜は減圧
ＣＶＤ装置にてジクロルシラン、アンモニアにより７０
０〜８５０℃で形成されている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら熱窒化に
よる窒化シリコン膜は、ダングリングボンド（未結合
種）が多く、電気特性が悪いという問題がある。また減
圧気相成長法による窒化シリコン膜（シリコン窒化膜）
も電気特性が悪いという問題があり、さらにシリコン酸
窒化膜は形成に時間がかかるという問題がある。

【０００７】そこで本発明者らは高密度プラズマを使用
し、アルゴンガスと窒素ガスと水素ガスとの混合ガスを
プラズマ化し、このプラズマでシリコン基板表面を窒化
してＳｉＮ膜を形成することを検討しているが、この手
法は電気的特性が優れたＳｉＮ膜が得られるものの、Ｓ
ｉＮ膜の成膜速度が小さいという欠点がある。

【０００８】本発明はこのような事情の下になされたも
のであり、その目的は、電気的特性に優れ、成膜速度の
大きい絶縁膜を備えた半導体装置を製造する方法を提供
することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】このため本発明の半導体
装置の製造方法は、希ガスと窒素と水素又は希ガスとア
ンモニアとを含み、シリコンを含まないガスであって、
希ガスの含有量が５０％以上９９％以下のガスをプラズ
マ化し、このプラズマによりシリコン基板の表面を窒化
して第１のシリコン窒化膜を形成する工程と、次いで希
ガスと窒素とシリコンとを含み、希ガスの含有量が５０
％以上９９％以下のガスをプラズマ化し、このプラズマ
により第１のシリコン窒化膜の表面に、第１のシリコン
窒化膜よりも成膜速度の大きい第２のシリコン窒化膜を
形成する工程と、を含むことを特徴とする。この際プラ
ズマは３００ＭＨｚ以上２５００ＭＨｚ以下の高周波電
力を用いて発生させることが望ましい。

【００１０】また本発明の半導体装置の製造方法では、
シリコン基板の界面に形成される絶縁膜をシリコン酸化
膜とし、このシリコン酸化膜を、希ガスと酸素とを含
み、シリコンを含まないガスであって、希ガスの含有量
が５０％以上９９％以下のガスをプラズマ化し、このプ
ラズマによりシリコン基板の表面を酸化して形成するよ
うにしてもよいし、シリコン基板の表面を酸化して形成
してもよい。さらにシリコン基板の界面に形成される絶
縁膜をシリコン酸窒化膜としてもよい。

【００１１】 〔発明の詳細な説明〕先ず本発明方法によって製造され
る半導体装置の構造の一例について、絶縁膜としてゲ−
ト絶縁膜を備えた半導体装置を例にして図１により説明
する。図中１はシリコン基板、１１はフィ−ルド酸化
膜、２はゲ−ト絶縁膜であって、１３はゲ−ト電極であ
る。本発明はゲ−ト絶縁膜２に特徴があり、このゲ−ト
絶縁膜２は、図１（ｂ）に示すように、シリコン基板１
との界面に形成され、電気的特性の良い絶縁膜よりなる
例えば２０オングストロ−ム程度の厚さの第１の膜２１
と、第１の層２１の上面に形成され、第１の膜２１より
成膜速度の大きい絶縁膜よりなる例えば２０オングスト
ロ−ム程度の厚さの第２の膜２２とにより構成されてい
る。

【００１２】この例では電気的特性の良い第１の膜２１
は、希ガスと窒素（Ｎ）と水素（Ｈ）とを含み、シリコ
ン（Ｓｉ）を含まないガスであって、希ガスの含有量が
５０％以上９９％以下の第１のガスをプラズマ化し、こ
のプラズマによりシリコン基板１の表面を窒化して形成
された第１のシリコン窒化膜（以下「ＳｉＮ膜」とい
う）よりなる。また第１の膜２１よりも成膜速度の大き
い第２の膜２２は、希ガスとＮとＳｉを含み、希ガスの
含有量が５０％以上９９％以下のガスをプラズマ化し、
このプラズマにより形成された第２のＳｉＮ膜よりな
る。

【００１３】続いてこのようなゲ−ト絶縁膜２の形成方
法について説明する。図２はゲ−ト絶縁膜２の成膜に用
いられるプラズマ成膜装置であり、３は例えばアルミニ
ウムにより形成された真空容器である。この真空容器３
の上面には、基板例えばウエハＷよりも大きい開口部３
０が形成されており、この開口部３０を塞ぐように例え
ば窒化アルミ等の誘電体により構成された偏平な円筒形
状のガス供給室４が設けられている。このガス供給室４
の下面には多数のガス供給孔４１が形成されており、ガ
ス供給室４１に導入されたガスが当該ガス供給孔４１を
介して真空容器３内にシャワ−状に供給されるようにな
っている。

【００１４】ガス供給室４の外側には、例えば銅により
形成された多孔スロット電極５０を介して、高周波電源
部をなし、例えば２．４５ＧＨｚのマイクロ波を発生す
るマイクロ波電源部５１に接続された導波路５が設けら
れている。この導波路５は多孔スロット電極５０に下縁
が接続された偏平な円形導波管５Ａと、この円形導波管
５Ａの上面に一端側が接続された円筒形導波管５Ｂと、
この円筒形導波管５Ｂの上面に接続された同軸導波変換
器５Ｃと、この同軸導波変換器５Ｃの側面に直角に一端
側が接続され、他端側がマイクロ波電源部５１に接続さ
れた矩形導波管５Ｄとを組み合わせて構成されている。

【００１５】ここで本発明ではＵＨＦとマイクロ波とを
含めて高周波領域と呼んでおり、高周波電源部より供給
される高周波電力は３００ＭＨｚ以上のＵＨＦや１ＧＨ
ｚ以上のマイクロ波を含む、３００ＭＨｚ以上２５００
ＭＨｚ以下のものとし、これらの高周波電力により発生
されるプラズマを高周波プラズマ呼ぶものとする。

【００１６】前記前記円筒形導波管５Ｂの内部には、導
電性材料よりなる軸部５２が、一端側が多孔スロット電
極５０の上面のほぼ中央に接続し、他端側が円筒形導波
管５Ｂの上面に接続するように同軸状に設けられてお
り、これにより当該導波管５Ｂは同軸導波管として構成
されている。

【００１７】前記多孔スロット電極５０は、前記開口部
３０よりも大きい円板に、マイクロ波を透過するのため
の多数のスロット５０ａを同心円上に形成して構成され
ており、スロット５０ａの長さや配列間隔は、マイクロ
波電源部５１より発生したマイクロ波の波長に応じて決
定されている。

【００１８】真空容器３の上部側の側壁には例えばその
周方向に沿って均等に配置した１６か所の位置にガス供
給管４２が設けられており、このガス供給管４２から希
ガス及びＮを含むガスが真空容器３のプラズマ領域Ｐ近
傍にムラなく均等に供給されるようになっている。

【００１９】また真空容器３内には、ガス供給室４と対
向するようにウエハＷの載置台３１が設けられている。
この載置台３１には図示しない温調部が内蔵されてお
り、これにより当該載置台３１は熱板として作用するよ
うに構成されている。さらに真空容器３の底部には排気
管３２の一端側が接続されており、この排気管３２の他
端側は真空ポンプ３３に接続されている。

【００２０】次に上述の装置を用いてウエハＷ上にゲ−
ト絶縁膜２よりなる絶縁膜を形成する方法について説明
する。先ず真空容器３の側壁に設けた図示しないゲ−ト
バルブを開いて図示しない搬送ア−ムにより、例えばシ
リコン基板１表面にフィ−ルド酸化膜１１が形成された
ウエハＷを載置台３１上に載置する。

【００２１】続いてゲ−トバルブを閉じて内部を密閉し
た後、真空ポンプ３３により排気管３２を介して内部雰
囲気を排気して所定の真空度まで真空引きし、所定の圧
力に維持する。一方マイクロ波電源部５１より例えば
２．４５ＧＨｚ、３ｋＷのマイクロ波を発生させ、この
マイクロ波を導波路５により案内して多孔スロット電極
５０及びガス供給室４を介して真空容器３内に導入し、
これにより真空容器３内の上部側のプラズマ領域Ｐにて
高周波プラズマを発生させる。

【００２２】ここでマイクロ波は矩形導波管５Ｄ内を矩
形モ−ドで伝送し、同軸導波変換器５Ｃにて矩形モ−ド
から円形モ−ドに変換され、円形モ−ドで円筒形同軸導
波管５Ｂを伝送し、さらに円形導波管５Ａにて拡げられ
た状態で伝送していき、多孔スロット電極５０のスロッ
ト５０ａより放射され、ガス供給室４を透過して真空容
器３に導入される。この際マイクロ波を用いているので
高密度のプラズマが発生し、またマイクロ波を多孔スロ
ット電極５０の多数のスロット５０ａから放射している
のでプラズマが高密度なものとなる。

【００２３】そして載置台３１の温度を調節してウエハ
Ｗを例えば４００℃に加熱しながら、ガス供給管４２よ
り第１のガスであるＸｅガスと、Ｎ2 ガスと、Ｈ2 ガス
とを、夫々５００ｓｃｃｍ、２５ｓｃｃｍ、１５ｓｃｃ
ｍの流量で導入して第１の工程を実施する。この工程で
は、導入されたガスは真空容器３にて発生したプラズマ
流により活性化（プラズマ化）され、このプラズマによ
り図３（ａ）に示すように、シリコン基板１の表面が窒
化されて第１のＳｉＮ膜２１が形成される。こうしてこ
の窒化処理を例えば２分行い、２０オングストロ−ムの
厚さの第１のＳｉＮ膜２１を形成する。

【００２４】次いでマイクロ波電源部５１よりの例えば
２．４５ＧＨｚ、２００Ｗのマイクロ波を導入し、真空
容器３内にてプラズマを発生させると共に、ウエハ温度
が例えば４００℃、プロセス圧力が例えば５０ｍＴｏｒ
ｒ〜１Ｔｏｒｒの状態で、真空容器３内に第２のガスを
導入して第２の工程を実施する。つまりガス供給室４よ
りＳｉを含むガス例えばＳｉＨ4 ガスを例えば１５ｓｃ
ｃｍの流量で導入すると共に、ガス供給管４２よりＸｅ
ガスと、Ｎ2 ガスとを、夫々５００ｓｃｃｍ、２０ｓｃ
ｃｍの流量で導入する。

【００２５】この工程では、導入された第２のガスは真
空容器３にて発生したプラズマ流によりプラズマ化さ
れ、このプラズマにより図３（ｂ）に示すように、第１
のＳｉＮ膜２１の表面に第２のＳｉＮ膜２２が形成され
る。このＳｉＮ膜２２は成膜速度が例えば２０オングス
トロ−ム／分であるので、この成膜処理を例えば１分行
い、２０オングストロ−ムの厚さの第２のＳｉＮ膜２２
を形成する。このようにしてト−タル３分間で４０オン
グストロ−ムの厚さのゲ−ト絶縁膜２を形成する。 上
述の第１の工程では、上述のプロセス成膜装置にて高密
度のプラズマを発生させ、このプラズマにより希ガスと
ＮとＨとを含み、Ｓｉを含まないガスであって、希ガス
の含有量が５０％以上９９％以下である第１のガスをプ
ラズマ化し、これにより例えば３００〜４００℃の温度
に加熱されたシリコン基板１の表面を窒化して第１のＳ
ｉＮ膜２１を形成しているので、電気的特性の良好な第
１のＳｉＮ膜２１を得ることができる。

【００２６】ここで絶縁膜の電気的特性は欠陥の数で決
定され、欠陥数が少ない程電気的特性は良好であるが、
上述の方法にて形成される第１のＳｉＮ膜２１の欠陥の
数は７×１０10個／ｃｍ2 程度であって、１×１０12個
／ｃｍ2 程度の数の欠陥がある熱窒化膜に比べて少ない
ので、電気的特性は良好であるといえる。

【００２７】このように上述の方法により形成された第
１のＳｉＮ膜２１の電気的特性が良好である理由は次の
ように考えられる。先ず第１のガスは、希ガスとＮとＨ
とを含み、Ｓｉを含まないガスであるが、希ガスを導入
することにより、界面順位密度などの欠陥の発生が抑え
られるためと推察される。この際後述の実験で明らかな
ように、希ガスの含有量が５０％よりも少ないと欠陥数
が多くなる。また１００％とすると成膜ができなくなる
が、９９％以下であれば成膜速度は小さくなるものの膜
質を悪化させることなく成膜を行うことができるので、
５０％以上９９％以下とすることが望ましい。またＨを
含むガスを導入することにより、ダングリングボンドを
減少させることができ、これにより欠陥の発生が抑えら
れるので、より電気的特性が良好になると考えられる。

【００２８】さらに例えばＩＣＰ（Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅ
Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｐｌａｓｍａ）などと呼ばれてい
る、ド−ム状の容器に巻かれたコイルにより電界及び磁
界を与えてプラズマを生成させる方法により発生された
プラズマに第１のガスをプラズマ化した場合には、得ら
れるＳｉＮ膜の欠陥数が多くなったことから、上述のプ
ラズマ成膜装置にて、既述のように高密度のプラズマを
発生させ、このプラズマにより第１のガスをプラズマ化
することにより、電気的特性を向上させることができる
と考えられる。

【００２９】上述の第２の工程では、上述のプロセス成
膜装置にて高密度のプラズマを発生させ、このプラズマ
により希ガスとＮとＳｉを含む第２のガスのプラズマに
より第２のＳｉＮ膜２２を形成しているので、第１のＳ
ｉＮ膜２１よりも成膜速度の大きい第２のＳｉＮ膜２２
を得ることができる。

【００３０】このように成膜速度が大きくなるのは、Ｓ
ｉを含むガス例えばＳｉＨ4 などのシラン系のガスを導
入しているためであるが、同時に希ガスを導入している
のは、成膜速度が速くなり過ぎると膜厚の制御が困難に
なるので、シラン系ガスの濃度を低くするためである。
ここで不活性ガスの量は、多過ぎると成膜速度が小さく
なり、少な過ぎると膜の欠陥数が多くなるので５０％以
上９９％以下とすることが望ましい。

【００３１】また上述のプロセスでは第２のＳｉＮ膜２
２の成膜の際に、マイクロ波の電力を２００Ｗと第１の
ＳｉＮ膜２１を形成する場合（３ｋＷ）よりも小さくし
ているが、このようにするのはＳｉＨ4 の分解により生
成したＨ2 が外側に広がっていき、このＨ2 により外側
の領域では中央領域よりもＳｉの濃度が低くなって、こ
の結果ＳｉＮ膜２２の膜質の均一性が悪くなってしまう
ので、これを防止するためにマイクロ波の電力を小さく
してＳｉＨ4 の過度の分解を抑えているからである。

【００３２】さらに上述のプロセスでは、第１の工程と
第２の工程とを同じプラズマ成膜装置を用いて行ってい
るので、第１の工程と第２の工程とを連続して行うこと
ができてト−タルの成膜時間を短縮することができ、こ
れによりスル−プットを向上させることができる。また
上述のプラズマ成膜装置は電子温度が低いので、この装
置を用いて第１のＳｉＮ膜２１や第２のＳｉＮ膜２２を
形成することにより、シリコン基板１に与えるダメ−ジ
を小さくすることができる。

【００３３】ところで上述の方法で形成される第２のＳ
ｉＮ膜２２は１×１０11個／ｃｍ2程度の欠陥があり、
第１のＳｉＮ膜２１よりも電気的特性が悪いが、電気的
に良好な特性が必要な部分はＳｉＮ膜がシリコン基板に
接している部分であって、必ずしも膜全体に亘って電気
的に良好であることが必要ではないので、このような第
２のＳｉＮ膜２２をシリコン基板１との界面より上層に
形成する場合には、ゲ−ト絶縁膜２の電気的特性に悪影
響は与えない。

【００３４】このように上述のプロセスでは、ゲ−ト絶
縁膜２を、電気的特性の良い第１のＳｉＮ膜２１と、第
１のＳｉＮ膜２１よりも成膜速度の大きい第２のＳｉＮ
膜２２とを積層して形成したので、電気的特性の良好な
絶縁膜を短い成膜時間で形成することができる。

【００３５】具体的には、例えば上述の第１の工程のプ
ロセスのように、Ｘｅガス／Ｎ2 ガス／Ｈ2 ガス＝５０
０ｓｃｃｍ／２５ｓｃｃｍ／１５ｓｃｃｍの第１のガス
によるシリコン基板１の窒化処理を行うと、図４に示す
ように、最初の２分間で２ｎｍ（２０オングストロ−
ム）のＳｉＮ膜が形成でき、処理の初期には大きな速度
で形成できるものの、膜厚が２ｎｍを越えると形成速度
が小さくなっていき、４ｎｍの窒化膜が必要な場合、処
理時間に約２０分かかってしまう。一方第２の工程のプ
ロセスのように、ＳｉＨ4 ガス／Ｎ2 ガス／Ｘｅガス＝
１５ｓｃｃｍ／２０ｓｃｃｍ／５００ｓｃｃｍの第２の
ガスをプラズマ化してＳｉＮ膜を形成すると、毎分２ｎ
ｍの速度で成膜を行うことができる。

【００３６】従って４ｎｍの膜厚のシリコン窒化膜が必
要な場合には、図５に示すように、第１のガスによる窒
化処理を２分間行って、シリコン基板１との界面に第１
のＳｉＮ膜２１を２ｎｍ形成し、次いで第２のガスによ
る成膜処理を１分間行って、第１のＳｉＮ膜２２の上面
へ２ｎｍの厚さの第２のＳｉＮ膜２２を形成することに
より、結果として膜厚４ｎｍのＳｉＮ膜を３分間で形成
することができる。

【００３７】またこうして上述のプロセスにて得られた
ゲ−ト絶縁膜２についてキャパシタンスとゲ−ト電圧と
の関係を測定したところ、図６に示す電気的特性が得ら
れ、膜厚が４ｎｍと薄い場合であっても、従来用いられ
ていたＳｉＯ2 膜と電気的に同等であることが認められ
た。

【００３８】さらに上述のプラズマ成膜装置にて、第１
のガスとして、ＡｒガスとＮ2 ガスとＨ2 ガスとを９
０：７：３の割合で混合したガス（Ａｒ／Ｎ2 ／Ｈ2 ＝
４５０ｓｃｃｍ／３５ｓｃｃｍ／１５ｓｃｃｍ）を用い
て、ウエハ温度４００℃、プロセス圧力５０ｍＴｏｒｒ
〜１Ｔｏｒｒの下、マイクロ波電源部５１から２．４５
ＧＨｚ，３ｋＷのマイクロ波電力を導入して上述と同様
に第１の工程を行って、２０オングストロ−ムの厚さの
第１のＳｉＮ膜２１を形成し、次いで第２のガスとし
て、ＳｉＨ4 ガスとＮ2 ガスとＡｒガスとを３：４：９
０の割合で混合したガス（ＳｉＨ4 ／Ｎ2 ／Ａｒ＝１５
ｓｃｃｍ／２０ｓｃｃｍ／４５０ｓｃｃｍ）を用いて、
ウエハ温度４００℃、プロセス圧力５０ｍＴｏｒｒの
下、マイクロ波電源部から２．４５ＧＨｚ，２００Ｗの
マイクロ波電力を導入して第２の工程を行い、２０オン
グストロ−ムの厚さの第２のＳｉＮ膜２３を形成したと
ころ、ト−タルの成膜時間は４分であった。また得られ
た絶縁膜について電気的特性を測定したところ、膜厚が
４０オングストロ−ムと薄い場合であっても電気的に良
好であり、ゲ−ト絶縁膜に適していることが認められ
た。

【００３９】続いて第１のガスの不活性ガスの割合の最
適化を図るために行った実験例について説明する。第１
のガスとしてＸｅガスとＮ2 ガスとＨ2 ガスとを用い、
上述のプラズマ成膜装置にて、ウエハ温度４００℃、プ
ロセス圧力５０ｍＴｏｒｒ〜１Ｔｏｒｒの下、マイクロ
波電源部５１から２．４５ＧＨｚ，３ｋＷのマイクロ波
電力を導入して２０オングストロ−ムの厚さの第１のＳ
ｉＮ膜２１を形成した。この際Ｎ2 ガスとＨ2 ガスの流
量を５：２の割合として、Ｘｅガスの量を３０％〜９９
％の範囲で変えて第１のＳｉＮ膜２１を形成し、その欠
陥の数をＣＶ測定法により測定し、その数に応じて電気
的特性を評価した。この結果を図７に示すが、電気的特
性は○、△、×の三段階で評価した。

【００４０】この結果Ｘｅガスが５０％〜９９％の場合
には、欠陥数は７×１０10個／ｃｍ2 程度であって電気
的特性が良好であるが、４０％以下の場合には欠陥数が
多くなり、電気的特性が悪化することが確認された。

【００４１】以上において第１のガスに含まれる希ガス
としては、Ｘｅ以外にヘリウム（Ｈｅ），ネオン（Ｎ
ｅ），アルゴン（Ａｒ），クリプトン（Ｋｒ）等を用い
ることができ、第１のガスとして希ガスとＮＨ3 とを含
むガスを用いてもよい。また第２のガスとしては、希ガ
スとＮとＳｉを含むガスが用いられるが、Ｓｉを含むガ
スとしてはＳｉＨ4 以外にＳｉ2 Ｈ6 を用いてもよい。

【００４２】また上述のプラズマ成膜装置では、２．４
５ＧＨｚのマイクロ波を使用する例について説明した
が、本発明では例えば５００ＭＨｚのＵＨＦを用いてプ
ラズマを発生させるようにしてもよく、この場合には周
波数に合せて多孔スロット電極のスロットを長穴に設定
する。

【００４３】次に本発明の他の例について説明する。こ
の例は絶縁膜の第１の膜２１をＳｉＯ2 膜により形成し
たものであり、このＳｉＯ2 膜は例えば上述のプラズマ
成膜装置にて、希ガスと酸素（Ｏ）とを含み、Ｓｉを含
まないガスであって、希ガスの含有量が５０％以上９９
％以下のガスのプラズマにより、シリコン基板１の表面
をプラズマ酸化することにより形成される。

【００４４】具体的には希ガスとＯとを含み、Ｓｉを含
まないガスであって、希ガスの含有量が５０％以上９９
％以下のガスとして、ＡｒガスとＯ2 ガスの混合ガスを
用い、これらのガスをＡｒガス／Ｏ2 ガス＝５００ｓｃ
ｃｍ／１５ｓｃｃｍの流量で導入して、ウエハ温度４３
０℃、プロセス圧力５０ｍＴｏｒｒ〜１Ｔｏｒｒの下、
マイクロ波電源部から２．４５ＧＨｚ，３ｋＷのマイク
ロ波電力を導入して、ＡｒガスとＯ2 ガスをプラズマ化
し、このプラズマによりシリコン基板１の表面を２分間
酸化処理して例えば２０オングストロ−ムの厚さのＳｉ
Ｏ2 膜を形成する。そして得られたＳｉＯ2 膜の上に上
述と同様のプロセスで第２のＳｉＮ膜２２を例えば２０
オングストロ−ム形成することにより絶縁膜を形成す
る。

【００４５】このプロセスでは例えばト−タル３分間で
４０オングストロ−ムの絶縁膜を成膜することができ、
またシリコンのプラズマ酸化により形成されたＳｉＯ2
膜は、欠陥の数が７×１０10個／ｃｍ2 と少ないので電
気的特性が良好である。ここで不活性ガスの含有量は５
０％以上９９％以下であることが望ましいが、これは５
０％よりも少なくなると界面順位密度が増加するからで
ある。

【００４６】実際に上述のプロセスで絶縁膜を形成し、
キャパシタンスとゲ−ト電圧との関係を測定したところ
良好な結果が得られ、ゲ−ト絶縁膜として適しているこ
とが認められた。これにより第１の膜２１としてＳｉＯ
2 膜を用いてト−タルの膜厚が４０オングストロ−ムと
薄い絶縁膜を形成する場合であっても、ＳｉＯ2 膜の上
に第２の膜２２を積層することによってリ−ク電流が小
さくなることが理解される。

【００４７】また希ガスとＯとを含み、Ｓｉを含まない
ガスとしては、希ガスとオゾン（Ｏ3 ）との組み合わせ
や、希ガスと水蒸気（Ｈ2 Ｏ）との組み合わせを用いる
ようにしてもよい。

【００４８】次に本発明のさらに他の例について説明す
る。この例は絶縁膜の第１の膜２１をシリコンの熱酸化
により形成されたＳｉＯ2 膜により形成したものであ
り、このＳｉＯ2 膜は例えば急速熱酸化プロセスによ
り、シリコンウエハを８５０℃程度に加熱し、水蒸気雰
囲気に晒すことにより形成される。

【００４９】このような第１の膜２１を例えば５分間で
２０オングストロ−ム形成し、この上に上述と同様のプ
ロセスで第２のＳｉＮ膜２２を例えば２０オングストロ
−ム形成することにより絶縁膜を形成すると、例えばト
−タル６分間で４０オングストロ−ムの絶縁膜を成膜す
ることができる。またシリコンの熱酸化により形成され
たＳｉＯ2 膜は、欠陥の数が５×１０10個／ｃｍ2 と少
ないので電気的特性が非常に良好である。実際に上述の
プロセスで絶縁膜を形成し、キャパシタンスとゲ−ト電
圧との関係を測定したところ良好な結果が得られ、ゲ−
ト絶縁膜として適していることが認められた。

【００５０】次に本発明のさらにまた他の例について説
明する。この例は絶縁膜の第１の膜２１をシリコン酸窒
化膜により形成したものであり、このシリコン酸窒化膜
は例えばＳｉＯ2 膜をＮＯ雰囲気中でアニ−ルすること
により形成される。具体的には、２０オングストロ−ム
の厚みのシリコン酸化膜を持つシリコンウエハを８５０
℃に加熱し、ＮＯガスに晒すことにより熱窒化膜を形成
する。

【００５１】このプロセスにより、シリコン基板１の表
面に１０分間で例えば２０オングストロ−ムの厚さのシ
リコン酸窒化膜を形成し、この上に上述と同様のプロセ
スで第２のＳｉＮ膜２２を例えば２０オングストロ−ム
形成することにより４０オングストロ−ムの絶縁膜を形
成する。

【００５２】このプロセスでは例えばト−タル１１分間
で絶縁膜を形成することができ、また上述のプロセスで
形成されたシリコン酸窒化膜は、欠陥の数が５×１０10
個／ｃｍ2 程度であって電気的特性が良好である。実際
に上述のプロセスで絶縁膜を形成し、キャパシタンスと
ゲ−ト電圧との関係を測定したところ良好な結果が得ら
れ、この絶縁膜がゲ−ト絶縁膜として適していることが
認められた。

【００５３】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、電気的特
性の良い第１の膜と成膜速度の大きい第２の膜とを積層
して絶縁膜を形成しているので、電気的特性のよい絶縁
膜を短時間で形成することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明方法によって製造される半導体装置の構
造の一例を示す断面図である。

【図２】本発明方法を実施するためのプラズマ成膜装置
の一例を示す断面図である。

【図３】本発明方法を用いて半導体装置を製造する場合
の工程図を説明する。

【図４】処理時間と膜厚との関係を示す特性図である。

【図５】処理時間と膜厚との関係を示す特性図である。

【図６】キャパシタンスとゲ−ト電圧との関係を示す特
性図である。

【図７】Ｘｅガスの量と電気的特性との関係を示す特性
図である。

【符号の説明】

１ シリコン基板 ２ ゲ−ト絶縁膜 ２１ 第１の膜 ２２ 第２の膜 ４ ガス供給室 ４２ ガス供給管 ５ 導波路 ５１ マイクロ波電源部 ５０ 多孔スロットアンテナ Ｗ 半導体ウエハ Ｐ プラズマ領域

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 希ガスと窒素と水素又は希ガスとアンモ
   ニアとを含み、シリコンを含まないガスであって、希ガ
   スの含有量が５０％以上９９％以下のガスをプラズマ化
   し、このプラズマによりシリコン基板の表面を窒化して
   第１のシリコン窒化膜を形成する工程と、 次いで希ガスと窒素とシリコンとを含み、希ガスの含有
   量が５０％以上９９％以下のガスをプラズマ化し、この
   プラズマにより第１のシリコン窒化膜の表面に、第１の
   シリコン窒化膜よりも成膜速度の大きい第２のシリコン
   窒化膜を形成する工程と、を含むことを特徴とする半導
   体装置の製造方法。
2. 【請求項２】 希ガスと酸素とを含み、シリコンを含ま
   ないガスであって、 希ガスの含有量が５０％以上９９％以下のガスをプラズ
   マ化し、このプラズマによりシリコン基板の表面を酸化
   してシリコン酸化膜を形成する工程と、 次いで希ガスと窒素とシリコンとを含み、希ガスの含有
   量が５０％以上９９％以下のガスをプラズマ化し、この
   プラズマにより前記シリコン酸化膜の表面にシリコン窒
   化膜を形成する工程と、を含むことを特徴とする半導体
   装置の製造方法。
3. 【請求項３】 シリコン基板の表面を酸化してシリコン
   酸化膜を形成する工程と、 次いで希ガスと窒素とシリコンとを含み、希ガスの含有
   量が５０％以上９９％以下のガスをプラズマ化して、こ
   のプラズマにより前記シリコン酸化膜の表面にシリコン
   窒化膜を形成する工程と、を含むことを特徴とする半導
   体装置の製造方法。
4. 【請求項４】 シリコン基板の表面にシリコン酸窒化膜
   を形成する工程と、 次いで希ガスと窒素とシリコンとを含み、希ガスの含有
   量が５０％以上９９％以下のガスをプラズマ化し、この
   プラズマにより前記シリコン酸窒化膜の表面にシリコン
   窒化膜を形成する工程と、を含むことを特徴とする半導
   体装置の製造方法。
5. 【請求項５】 ３００ＭＨｚ以上２５００ＭＨｚ以下の
   高周波電力を用いてプラズマを発生させ、このプラズマ
   によりガスをプラズマ化する工程を含むことを特徴とす
   る請求項１，２，３または４記載の半導体装置の製造方
   法。