JP2000294550A

JP2000294550A - 半導体製造方法及び半導体製造装置

Info

Publication number: JP2000294550A
Application number: JP11097831A
Authority: JP
Inventors: Emi Murakawa; 惠美村川; Toshiaki Hongo; 俊明本郷; Satoshi Kawakami; 聡川上; Mitsuhiro Yuasa; 光博湯浅
Original assignee: Tokyo Electron Ltd
Current assignee: Tokyo Electron Ltd
Priority date: 1999-04-05
Filing date: 1999-04-05
Publication date: 2000-10-20
Anticipated expiration: 2019-04-05
Also published as: JP4255563B2

Abstract

(57)【要約】【課題】シリコン基板とＳｉＮ膜との界面での膜質制
御を首尾よく行うことができ、しかも、短時間で高品質
のＳｉＮ膜を形成することのできる半導体の製造方法及
び製造装置を提供する。【解決手段】処理ガス雰囲気下で、ケイ素を主成分と
するウエハＷに、複数のスリットを有する平面アンテナ
部材ＲＬＳＡ６０を介してマイクロ波を照射することに
より酸素、又は窒素、又は酸素と窒素とを含むプラズマ
を形成し、このプラズマを用いて前記ウエハＷ表面に直
接に酸化、窒化、又は酸窒化を施して酸化膜相当換算膜
厚で１ｎｍ以下の絶縁膜２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、半導体の製造方法
に係り、更に詳細には、ＭＩＳ型半導体装置におけるゲ
ート絶縁膜形成方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】最近、ＭＩＳ型半導体デバイスの微細化
に伴い、４ｎｍ程度以下の極めて薄いゲート絶縁膜が要
求されている。従来、ゲート絶縁膜材料としては、８５
０°Ｃ〜１０００°Ｃ程度の高温加熱炉を用いてシリコ
ン基板の直接酸化によって得られるシリコン酸化膜（Ｓ
ｉＯ₂膜）が工業的に使用されてきた。

【０００３】しかしながら、ＳｉＯ₂膜を４ｎｍ以下に
薄くすると、このゲート絶縁膜を流れる漏れ電流（ゲー
トリーク電流）が多くなり、消費電力の増大やデバイス
特性劣化の加速などの問題が生じる。

【０００４】また、ゲート電極形成時に当該ゲートに含
まれるホウ素がＳｉＯ₂膜を突き抜けてシリコン基板に
達し、半導体デバイス特性を劣化させるという問題も生
じる。このような問題点を解決する一つの方法とし
て、ゲート絶縁膜材料として窒化膜（ＳｉＮ膜）が検討
されている。

【０００５】このＳｉＮ膜をＣＶＤ法によって形成する
と、シリコン基板との界面に多数の不完全結合（ダング
リングボンド）が発生してデバイス特性が劣化してしま
う。そのため、当該ＳｉＮ膜形成では、プラズマを用い
たシリコン基板を直接窒化する方法が有望と考えられ
る。直接窒化を行う理由は、界面準位の少ない高品質の
ゲート絶縁膜を得るためである。

【０００６】また、プラズマを用いる理由は、低温でＳ
ｉＮ膜を形成するためである。ＳｉＮ膜を加熱によって
窒化すると１０００°Ｃ以上の高温が必要であり、この
熱工程によりシリコン基板に注入されたドーパントが差
異拡散することによってデバイス特性が劣化してしま
う。このような方法は特開昭５５−１３４９３７号公報
や特開昭５９−４０５９号公報などに開示されている。

【０００７】しかしながら、プラズマを用いてＳｉＮ膜
を形成する場合、プラズマ中のイオンがプラズマシース
電位により加速されて高エネルギーでシリコン基板に入
射されるため、いわゆるプラズマダメージがシリコン基
板界面或いはシリコン基板に発生し、デバイス特性が生
じるという問題が指摘されている。

【０００８】この問題に対し、電子温度が低く、プラズ
マダメージの小さい多数のスリットを有する平面アンテ
ナを備えたマイクロ波プラズマ装置が報告されている。

【０００９】（Ultra Clean technology Vol.10 Supple
ment 1,p.32,1998,Published byUltra Clean Societ
y)。

【００１０】このプラズマ装置を用いると、電子温度は
１ｅＶ程度以下であり、プラズマシース電圧も数Ｖ以下
になるため、プラズマシース電圧が５０Ｖ程度の従来の
プラズマに対して、プラズマダメージを大幅に低減でき
る。

【００１１】しかし、このプラズマ装置を用いてシリコ
ン窒化処理を行う場合でも、直接窒化によってＳｉＮ膜
を形成する場合には、シリコン基板界面にのみ酸素を偏
在させることにより結合欠陥の少ない良質な界面を得る
ためには、シリコン基板との界面での膜質制御が難しい
という問題がある。

【００１２】更に、このプラズマ装置を用いた場合、窒
素原子がシリコン基板内に拡散することにより窒化が進
むため、窒化速度が遅く、被処理体に所定の処理を施す
時間が長く、単位時間あたりの被処理体の処理枚数が少
なく、工業的に利用することができないという問題があ
る。例えば４ｎｍのＳｉＮ膜を形成する場合、圧力やマ
イクロ波パワーなどのプラズマ条件を種々調整しても５
分程度以上かかり、量産製造の点から要求されるスルー
プット、例えば被処理体一枚当たり１分程度という処理
時間の目標値を大幅に下回る。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】本発明は上記従来の問
題点を解決するためになされたものである。即ち、本発
明は、シリコン基板とＳｉＮ膜との界面での膜質制御を
首尾よく行うことのできる半導体の製造方法及び製造装
置を提供することを目的とする。

【００１４】また、本発明は、短時間で高品質のＳｉＮ
膜を形成することのできる半導体の製造方法及び製造装
置を提供することを目的とする。

【００１５】

【課題を解決するための手段】上記目的達成のため、本
発明の半導体製造方法は、処理ガス雰囲気下で、ケイ素
を主成分とする被処理基体に、複数のスリットを有する
平面アンテナ部材を介してマイクロ波を照射することに
より酸素、又は窒素、又は酸素と窒素とを含むプラズマ
を形成し、このプラズマを用いて前記被処理基体表面に
直接に酸化、窒化、又は酸窒化を施して１ｎｍ以下の膜
厚（シリコン酸化膜換算）の絶縁膜を形成することを特
徴とする。

【００１６】本発明の半導体製造方法では、絶縁膜厚が
１ｎｍ以下であるため、シリコン基板の窒化は拡散では
なくプラズマにより生成された窒素原子又は酸素原子又
は窒素原子と酸素原子がシリコン基板表面と反応する工
程が主な工程となり、窒化速度は３０秒程度の短時間で
行うことができる。

【００１７】この直接窒化又は酸化又は酸窒化した薄膜
絶縁膜上にＣＶＤ法により残りの絶縁膜を形成する場
合、３ｎｍ／ｍｉｎ以上の製膜速度が比較的容易に達成
できるため、トータル４ｎｍの膜厚の絶縁膜でも２分以
内で形成できる。

【００１８】更に本発明の半導体製造方法では、直接窒
化又は酸化又は酸窒化によりシリコン基板との界面に良
質な絶縁膜を形成する工程とその上にＣＶＤ法により残
りの絶縁膜を形成する工程とを独立に行うことができる
ため、全て、直接窒化又はＣＶＤ法によって絶縁膜を形
成する方法に比べてシリコン基板界面での膜質制御性が
向上し、より良質な絶縁膜を形成することができる。

【００１９】この半導体製造方法において、前記処理ガ
スは、例えば、Ｎ₂又はＮ₂Ｏ又はＮＯ又はＮＨ₃を含
むガスが挙げられる。この処理ガスはアルゴンなどの希
ガスを含んでいても良い。

【００２０】また、本発明の他の半導体製造方法は、処
理ガス雰囲気下で、ケイ素を主成分とする被処理基体
に、複数のスリットを有する平面アンテナ部材を介して
マイクロ波を照射することにより酸素、又は窒素、又は
酸素と窒素とを含むプラズマを形成し、このプラズマを
用いて前記被処理基体表面に直接に酸化、窒化、又は酸
窒化を施して第１の絶縁膜を形成する工程と、前記第１
の絶縁膜上に第２の絶縁膜を形成する工程と、を具備す
ることを特徴とする。

【００２１】上記半導体製造方法において、前記第２の
絶縁膜は、例えば、窒化ケイ素からなる絶縁膜が挙げら
れる。

【００２２】この第２の絶縁膜を形成する工程は、ＣＶ
Ｄ法により行ってもよく、プラズマ照射により行っても
よい。

【００２３】この第２の絶縁膜の形成は、例えば、Ｎ₂
又はＮＨ₃及びモノシラン又はジクロルシラン又はトリ
クロルシランを含むプラズマを供給することにより形成
する方法が挙げられる。

【００２４】本発明の半導体製造方法によれば、処理ガ
ス雰囲気下で、ケイ素を主成分とする被処理基体に、複
数のスリットを有する平面アンテナ部材を介してマイク
ロ波を照射する、いわゆるＲＬＳＡ（Radial Line Slot
Antenna）アンテナを用いる方法でシリコン基板上に直
接プラズマを供給してＳｉＮ絶縁膜を形成するので、シ
リコン基板とその表面に形成されるＳｉＮ絶縁膜との界
面の膜質制御を首尾よく行うことができる。

【００２５】更に、本発明の他の半導体製造方法によれ
ば、いわゆるＲＬＳＡアンテナを用いた方法で第１の絶
縁膜を形成した上に第２の絶縁膜を全て低ダメージプラ
ズマ照射により形成するので高品質のＳｉＮ膜を形成す
ることができる。特に第２の絶縁膜をＣＶＤ法により形
成する場合には短時間での製膜が可能となり、短時間で
高品質のＳｉＮ膜を形成することができる。

【００２６】

【発明の実施の形態】以下に本発明の一つの実施の形態
について説明する。

【００２７】まず本発明の半導体製造方法によって製造
される半導体装置の構造の一例について、絶縁膜として
ゲー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。

【００２８】図中１はシリコン基板、１１はフィールド
酸化膜、２はゲート絶縁膜であり、１３はゲート電極で
ある。本発明はゲート絶縁膜２に特徴があり、このグー
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た、品質の高い絶縁膜よりなる例
えば１ｎｍ程度の厚さの第１の絶縁膜２１と、第１の絶
縁膜２１の上面に形成され、例えば３ｎｍ程度の厚さの
第２の膜２２とにより構成されている。

【００２９】この例では品質の高い第１の膜２１は、処
理ガス雰囲気下で、ケイ素を主成分とする被処理基体
に、複数のスリットを有する平面アンテナ部材を介して
マイクロ波を照射することにより酸素、又は窒素、又は
酸素と窒素とを含むプラズマを形成し、このプラズマを
用いて前記被処理基体表面に直接に酸化、窒化、又は酸
窒化を施して形成された、第１のシリコン酸窒化膜（以
下「ＳｉＯＮ膜」という）よりなる。

【００３０】また第１の膜２１よりも成膜速度の大きい
第２の膜２２は、前記第１の絶縁膜上に第２の絶縁膜を
形成する工程により形成されている。

【００３１】次に、このようなゲート絶縁膜２の形成方
法について説明する。

【００３２】図２は本発明の半導体製造方法を実施する
ための半導体製造装置３０の全体構成を示す概略図であ
る。

【００３３】図２に示すように半導体製造装置３０のほ
ぼ中央には搬送室３１が配設されており、この搬送室３
１の周囲を取り囲むようにプラズマ処理ユニット３２、
ＣＶＤ処理ユニット３３、二機のロードロックユニット
３４及び３５、加熱ユニット３６が配設されている。

【００３４】ロードロックユニット３４，３５の横には
予備冷却ユニット４５、冷却ユニット４６がそれぞれ配
設されている。

【００３５】搬送室３１の内部には搬送アーム３７及び
３８が配設されており、前記各ユニット３２〜３６との
間でウエハＷを搬送する。

【００３６】ロードロックユニット３４及び３５の図中
手前側にはローダーアーム４１及び４２が配設されてい
る。これらのローダーアーム４１及び４２は、更にその
手前側に配設されたカセットステージ４３上にセットさ
れた４台のカセット４４との間でウエハＷを出し入れす
る。

【００３７】なお、図２中のＣＶＤ処理ユニット３３は
プラズマ処理ユニット３２と同型のプラズマ処理ユニッ
トと交換可能であり、プラズマ処理ユニットを二基セッ
トしてもよい。

【００３８】更に、これらプラズマ処理ユニット３２及
びＣＶＤ処理ユニット３３は、ともにシングルチャンバ
型プラズマ／ＣＶＤ処理ユニットと交換可能であり、プ
ラズマ処理ユニット３２やＣＶＤ処理ユニット３３の位
置に一基又は二基のシングルチャンバ型プラズマ／ＣＶ
Ｄ処理ユニットをセットすることも可能である。プラズ
マ処理が二基の場合、処理ユニット３２で直接ＳｉＯＮ
膜を形成した後、処理ユニット３３でプラズマＳｉＮ膜
をＣＶＤする方法と、処理ユニット３２及び３３で並列
に直接ＳｉＯＮ膜形成とＳｉＮＣＶＤ膜形成を行って
も良い。或いは処理ユニット３２及び３３で並列に直接
ＳｉＯＮ膜形成を行った後、別の装置でＳｉＮＣＶＤ
膜形成を行うこともできる。

【００３９】図３はゲート絶緑膜２の成膜に用いられる
プラズマ処理ユニット３２の垂直断面図である。

【００４０】５０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５０の上面には、基板
例えばウエハＷよりも大きい開口部５１が形成されてお
り、この開口部５１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５
４が設けられている。このガス供給室５４の下面には多
数のガス供給孔５５が形成されており、ガス供給室５４
に導入されたガスが当該ガス供給孔５５を介して真空容
器５０内にシャワー状に供給されるようになっている。

【００４１】ガス供給室５４の外側には、例えば銅板に
より形成されたラジアルラインスロットアンテナ（以
下、「ＲＬＳＡ」と略記する。）６０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６１に接続された導波路６３が
設けられている。この導波路６３はＲＬＳＡ６０に下縁
が接続された偏平な円形導波管６３Ａと、この円形導波
管６３Ａの上面に一端側が接続された円筒形導波管６３
Ｂと、この円筒形導波管６３Ｂの上面に接統された同軸
導波変換器６３Ｃと、この同軸導波変換器６３Ｃ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
６１に接続された矩形導波管６３Ｄとを組み合わせて構
成されている。

【００４２】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と呼ぶものとする。前
記前記円筒形導波瞥６３Ｂの内部には、導電性材料より
なる軸部６２の、一端側がＲＬＳＡ６０の上面のほぼ中
央に接続し、他端側が円筒形導波管６３Ｂ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６３Ｂは同軸導波管として構成されている。

【００４３】真空容器５０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７２が設けられており、このガス供給管７２から
希ガス及びＮを含むガスが真空容器５０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。

【００４４】また真空容器５０内には、ガス供給室５４
と対向するようにウエハＷの載置台５２が設けられてい
る。この載置台５２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５２は熱板として機能する
ようになっている。さらに真空容器５０の底部には排気
管５３の一端側が接続されており、この排気管５３の他
端側は真空ポンプ５５に接続されている。

【００４５】図４は本発明の半導体製造装置に用いられ
るＲＬＳＡ６０の平面図である。

【００４６】図４に示したように、このＲＬＳＡ６０で
は、表面に複数のスロット６０ａ，６０ａ，…が同心円
状に形成されている。各スロット６０ａは略方形の貫通
した溝であり、隣接するスロットどうしは互いに直交し
て略アルファベットの「Ｔ」の文字を形成するように配
設されている。スロット６０ａの長さや配列間隔は、マ
イクロ波電源部６１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。図５は本発明の半導体製造装置に
用いられるＣＶＤ処理ユニット３３を模式的に示した垂
直断面図である。

【００４７】図５に示すように、ＣＶＤ処理ユニット３
３の処理室８２は例えばアルミニウム等により気密可能
な構造に形成されている。図５では省略したが、処理室
８２内には加熱機構や冷却機構を備えている。

【００４８】処理室８２には上部中央にガスを導入する
ガス導入管８３が接続され、処理室８２内とガス導入管
８３内とが連通されている。また、ガス導入管８３はガ
ス供給源８４に接続されている。そして、ガス供給源８
４からガス導入管８３にガスが供給され、ガス導入管８
３を介して処理室８２内にガスが導入されている。この
ガスには、薄膜形成の原料となる各種のガスが用いら
れ、必要な場合には不活性ガスがキャリアガスとして用
いられている。

【００４９】処理室８２の下部には、処理室８２内のガ
スを排気するガス排気管８５が接続され、ガス排気管８
５は真空ポンプ等からなる図示しない排気手段に接続さ
れている。そして、この排気手段により処理室８２内の
ガスがガス排気管８５から排気され、処理室８２内が所
望の圧力に設定されている。

【００５０】また、処理室８２の下部には、ウエハＷを
載置する載置台８７が配置されている。

【００５１】本実施の形態では、ウエハＷと略同径大の
図示しない静電チャックによりウエハＷが載置台８７上
に載置されている。この載置台８７には図示しない熱源
手段が内設されており、載置台８７上に載置されたウエ
ハＷの処理面を所望の温度に調整できる構造に形成され
ている。

【００５２】この載置台８７の大きさは、３００ｍｍの
大径ウエハＷを載置できる大きさとなっており、必要に
応じて載置したウエハＷを回転できるような機構になっ
ている。

【００５３】このように大型の載置台８７を内蔵するこ
とにより、３００ｍｍの大径ウエハＷを処理することが
でき、高い歩留まりと、その結果もたらされる、廉価な
製造コストを実現することができる。

【００５４】図５中、載置台８７の右側の処理室８２壁
面にはウエハＷを出し入れするための開口部８２ａが設
けられており、この開口部８２ａの開閉はゲートバルブ
９８を図中上下方向に移動することにより行われる。図
５中、ゲートバルブ９８の更に右側にはウエハＷを搬送
する搬送アーム（図示省略）が隣設されており、搬送ア
ームが開口部８２ａを介して処理室８２内に出入りして
載置台８７上にウエハＷを載置したり、処理後のウエハ
Ｗを処理室８２から搬出するようになっている。載置
台８７の上方にはシャワー部材としてのシャワーヘッド
８８が配設されている。このシャワーヘッド８８は載置
台８７とガス導入管８３との間の空間を区画するように
形成されており、例えばアルミニウム等から作られてい
る。

【００５５】シャワーヘッド８８は、その上部中央にガ
ス導入管８３のガス出口８３ａが位置するように形成さ
れ、処理室８２内に導入されたガスがそのまま処理室８
２内に配設されたシャワーヘッド８８内に導入されてい
る。

【００５６】次に上述の装置を用いてウエハＷ上にゲー
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。

【００５７】図６は本発明の方法の各工程の流れを示し
たフローチャートである。

【００５８】まず、前段の工程でウエハＷ表面にフィー
ルド酸化膜１１を形成する。

【００５９】次いで真空容器５０の側壁に設けたゲート
バルブ（図示省略）を開いて搬送アーム３７，３８によ
り、前記シリコン基板１表面にフィールド酸化膜１１が
形成されたウエハＷを載置台５２上に載置する。

【００６０】続いてゲートバルブを閉じて内部を密閉し
た後、真空ポンプ５５により排気管５３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５６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51こより案内してＲＬＳＡ６０及び
ガス供給室５４を介して真空容器５０内に導入し、これ
により真空容器５０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。

【００６１】ここでマイクロ波は矩形導波管６３Ｄ内を
矩形モードで伝送し、同軸導波変換器６３Ｃにて矩形モ
ードから円形モードに変換され、円形モードで円筒形同
軸導波管６３Ｂを伝送し、さらに円形導波管６３Ａにて
拡げられた状態で伝送していき、ＲＬＳＡ６０のスロッ
ト６０ａより放射され、ガス供給室５４を透過して真空
容器５０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ＲＬ
ＳＡ６０の多数のスロット６０ａから放射しているので
プラズマが高密度なものとなる。

【００６２】そして載置台５２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７２よ
り第１のガスであるＸｅガスと、Ｎ₂ガスと、Ｈ₂ガス
及びＯ₂ガスとを、夫々５００ｓｃｃｍ、２５ｓｃｃ
ｍ、１５ｓｃｃｍ、１．０ｓｃｃｍの流量で導入して第
１の工程を実施する。

【００６３】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７（ａ）に示すように、シ
リコン基板１の表面が酸窒化されて第１の絶縁膜（Ｓｉ
ＯＮ膜）２１が形成される。こうしてこの窒化処理を例
えば３０秒間行い、１ｎｍの厚さの第１の絶縁膜（Ｓｉ
ＯＮ膜）２１を形成する。

【００６４】次に、ゲートバルブを開き、真空容器５０
内に搬送アーム３７，３８を進入させ、載置台５２上の
ウエハＷを受け取る。搬送アーム３７，３８はウエハＷ
をプラズマ処理ユニット３２から取り出した後、隣接す
るＣＶＤ処理ユニット３３内の載置台８７にセットす
る。

【００６５】次いでこのＣＶＤ処理ユニット３３内でウ
エハＷ上にＣＶＤ処理が施され、先に形成された第１の
絶縁膜上に第２の絶縁膜が形成される。

【００６６】即ち、真空容器３内にて、ウエハ温度が例
えば４００℃、プロセス圧力が例えば５０ｍＴｏｒｒ〜
１Ｔｏｒｒの状態で、容器８２内に第２のガスを導入し
て第２の工程を実施する．つまりガス供給源８４よりＳ
ｉを含むガス例えばＳｉＨ₄ガスを例えば１５ｓｃｃｍ
の流量で導入すると共に、ガス導入管８３よりＸｅガス
と、Ｎ₂ガスとを、夫々５００ｓｃｃｍ、２０ｓｃｃｍ
の流量で導入する。

【００６７】この工程では、導入された第２のガスはウ
エハＷ上に堆積し、比較的短時間で膜厚が増大する。か
くして図７（ｂ）に示すように、第１の絶縁膜（ＳｉＯ
Ｎ膜）２１の表面に第２の絶縁膜（ＳｉＮ膜）２２が形
成される。このＳｉＮ膜２２は成膜速度が例えば４ｎｍ
／分であるので、この成膜処理を例えば３０秒行い、２
ｎｍの厚さの第２の絶縁膜（ＳｉＮ膜）２２を形成す
る。このようにしてトータル３０秒間で４ｎｍの厚さの
ゲート絶縁膜２を形成する。

【００６８】上述の第１の工程では、第１の絶縁膜を形
成するに際し、処理ガス雰囲気下で、ケイ素を主成分と
するウエハＷに、複数のスリットを有する平面アンテナ
部材（ＲＬＳＡ）を介してマイクロ波を照射することに
より酸素、又は窒素、又は酸素と窒素とを含むプラズマ
を形成し、このプラズマを用いて前記被処理基体表面に
直接に酸化、窒化、又は酸窒化を施して絶縁膜を形成し
ているので、品質が高く、かつ膜質制御を首尾よく行う
ことができる。

【００６９】即ち、第１の絶縁膜の品質は図８に示すよ
うに高いものである。

【００７０】図８に示すように、本発明の半導体製造方
法により、熱酸化膜と同レベルの低い界面準位を確保
し、かつ、ゲート絶縁膜の耐圧性とゲート電極中のボロ
ンの突き抜けを低減することが可能となった。

【００７１】これに対し、直接窒化及びＣＶＤ法による
ＳｉＮ膜では界面準位が熱酸化膜に比べて増大した。こ
の場合、界面でのキャリアの分散が大きくなり、トラン
ジスタの駆動電流が低下する。

【００７２】このように上述の方法により形成された第
１の絶縁膜の品質が高くなる理由は次のように考えられ
る。

【００７３】即ち、本発明の半導体製造方法では、シリ
コン基板界面に窒素原子と酸素原子との両方がシリコン
原子の結合を効率的に終端し、ダングリングボンドが少
なくなる。また、ゲート絶縁膜の耐圧性とボロンの突き
抜けに対してはＣＶＤ−ＳｉＮ膜が効果的に作用してい
る。この結果、本発明の半導体製造方法では、直接酸窒
化ＳｉＯＮ膜とＣＶＤ−ＳｉＮ膜の長所を首尾良く利用
することができる。

【００７４】これに対して界面をＳｉＮだけで形成する
場合、ダングリングボンドの終端が不完全で、このため
に界面準位が増大したと考えられる。

【００７５】また、上記第２の工程を行うことにより前
記第１の絶縁膜上に形成される第２の絶縁膜は短時間で
形成することができる。その結果、絶縁膜２全体を形成
するには下記に示すように短時間で済ませることができ
る。

【００７６】例えば、第一の絶縁膜ＳｉＯＮの形成につ
いて、ＲＬＳＡプラズマを用いて圧力１００ｍＴｏｒ
ｒ、Ｘｅ、Ｎ₂、Ｈ₂、Ｏ₂のガス流量を各々５００ｓ
ｃｃｍ、２５ｓｃｃｍ、１５ｓｃｃｍ、１ｓｃｃｍ温度
４００゜Ｃで成膜すると、図９に示したように、１ｎｍ
のＳｉＯＮ膜を３０秒程度で形成できる。

【００７７】しかし、同条件で３ｎｍのＳｉＯＮ膜を形
成するには２４５秒必要とした。この成膜速度でＯ₂流
量をゼロにしてもほとんど変化しなかった。一方、ＣＶ
ＤではＸｅ、ＳｉＨ₄、Ｎ₂ガス流量を各々５００ｓｃ
ｃｍ、１５ｓｃｃｍ、２０ｓｃｃｍ、温度４００゜Ｃに
おいて４．５ｎｍ／ｍｉｎ程度の成膜速度が達成され
た。従って、２ｎｍの膜厚では３０秒程度以内で形成さ
れた。この結果、本発明の半導体製造方法ではトータル
６０秒程度以内で３ｎｍの絶縁膜を形成できるため、直
接窒化法に比べて大幅に成膜速度を向上させることがで
きる。

【００７８】また、上記ＲＬＳＡプラズマによる直接酸
窒化の成膜による膜厚変化は図１−に示すように１ｎｍ
程度までは時間に比例しており、表面反応律速であるこ
とが分かる。しかし、これ以上になると、拡散律速とな
り、成膜速度が徐々に低下する。従って、本発明の半導
体製造方法では、直接酸窒化により１ｎｍのＳｉＯＮ膜
を形成し、この後ＣＶＤ法によりＳｉＮ膜を形成した。

【００７９】（実施例）以下に実施例を示す。

【００８０】本発明の半導体製造方法により、素子分離
形成を行ったｎ型シリコン基板上に図２に示したような
装置を用いてＲＬＳＡプラズマを用いて図２中３２の処
理ユニットで２ｎｍのＳｉＯＮ膜を形成した。合計の絶
縁膜の膜厚は３ｎｍ（酸化膜換算膜厚）である。ＳｉＯ
Ｎ成膜条件については、Ｘｅ／Ｎ₂／Ｈ₂／Ｏ₂流量＝
５００ｓｃｃｍ／２５ｓｃｃｍ／１５ｓｃｃｍ／１ｓｃ
ｃｍで圧力は１００ｍＴｏｒｒ、マイクロ波パワーは
２．０ＫＷで、温度は４００゜Ｃであった。

【００８１】ＣＶＤ−ＳｉＮ膜の形成条件については、
Ｘｅ／ＳｉＨ₄／Ｎ₂流量＝５００ｓｃｃｍ／１５ｓｃ
ｃｍ／２０ｓｃｃｍで圧力は１００ｍＴｏｒｒ、マイク
ロ波は２５ＫＷで温度は４００゜Ｃであった。成膜時間
は６２秒で、スループットは４０枚／ｈを達成し、工業
的に十分適用できるレベルである事を確認できた。

【００８２】膜厚の均一性も３シグマで３％と良好な結
果が得られた。

【００８３】ゲート絶縁膜形成に引き続いて、ｐ型ｐｏ
ｌｙ‐Ｓｉ‐ゲートを形成してゲートリーク電流と界面
準位を測定した。この結果、７５ｍＶ／ｃｍの印加電界
に対してゲートリークは１．３×１０^-6Ａ／ｃｍ²、界
面準位は６．５×１０¹⁰／ｃｍ²／ｅＶと良好な結果を
得た。更にｐ−ＭＯＳＦＥＴ（Ｌ／Ｗ＝０．２５／１０
μｍ）を形成してオン電流を計測したところ、酸化膜と
同程度以上の値（５．５×１０^-4Ａ／μｍ）が得られ
た。

【００８４】以上示したように、本発明の半導体製造方
法により３ｎｍ程度の良質なゲート絶縁膜を工業的に十
分な成膜速度で形成することができた。

【００８５】

【発明の効果】本発明によれば、処理ガス雰囲気下で、
ケイ素を主成分とする被処理基体に、複数のスリットを
有する平面アンテナ部材を介してマイクロ波を照射す
る、いわゆるＲＬＳＡアンテナを用いる方法でシリコン
基板上に直接プラズマを供給してＳｉＮ絶縁膜を形成す
るので、シリコン基板とその表面に形成されるＳｉＮ絶
縁膜との界面の膜質制御を首尾よく行うことができる。

【００８６】更に、本発明の他の半導体製造方法によれ
ば、いわゆるＲＬＳＡアンテナを用いた方法で第１の絶
縁膜を形成した上に第２の絶縁膜を形成するので高品質
のＳｉＮ膜を形成することができる。特に第２の絶縁膜
をＣＶＤ法により形成する場合には短時間での製膜が可
能となり、短時間で高品質のＳｉＮ膜を形成することが
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の半導体製造方法により製造される半導
体装置の垂直断面図である。

【図２】本発明の半導体製造方法を実施するための半導
体製造装置の概略図である。

【図３】本発明の半導体製造方法に用いるＲＬＳＡプラ
ズマ処理ユニットの垂直断面図である。

【図４】本発明の半導体製造装置に用いるＲＬＳＡの平
面図である。

【図５】本発明の半導体製造方法に用いるＣＶＤ処理ユ
ニットの模式的垂直断面図である。

【図６】本発明の方法におけるゲート絶縁膜形成工程の
フローチャートである。

【図７】本発明の方法によるゲート絶縁膜形成の詳細図
である。

【図８】各種成膜条件とその成膜条件で得られるゲート
絶縁膜の品質特性を比較した図である。

【図９】各種成膜方法における、成膜時間と膜厚との関
係を示した図である。

【図１０】本発明の半導体製造方法における成膜時間と
膜厚との関係を示したグラフである。

【符号の説明】

Ｗ…ウエハ（被処理基体）６０…ＲＬＳＡ（平面アンテナ部材）２１…第一の絶縁膜２２…第二の絶縁膜３２…プラズマ処理ユニット（プロセスチャンバ）３３…ＣＶＤ処理ユニット（プロセスチャンバ）

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考）Ｈ０１Ｌ 29/78 Ｈ０１Ｌ 29/78 ３０１Ｇ (72)発明者川上聡山梨県韮崎市穂坂町三ッ沢650 東京エレクトロン株式会社総合研究所内 (72)発明者湯浅光博東京都港区赤坂５丁目３番６号東京エレクトロン株式会社内Ｆターム(参考） 4G077 AA03 BB03 BE14 BE19 DB09 DB19 5F040 DC01 ED01 ED03 ED04 FC00 5F045 AA06 AA09 AB32 AB33 AB34 AC01 AC05 AC11 AC12 AD08 AE17 AE19 AE21 AF03 AF12 BB09 BB16 CA05 DC51 DP03 DQ17 EB08 EF05 EF08 EH02 EH03 EH04 EM05 EN04 HA25 5F058 BA01 BA20 BD01 BD10 BD15 BF04 BF08 BF23 BF29 BF30 BG01 BG04 BJ01 BJ10

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】処理ガス雰囲気下で、ケイ素を主成分と
する被処理基体に、複数のスリットを有する平面アンテ
ナ部材を介してマイクロ波を照射することにより酸素、
又は窒素、又は酸素と窒素とを含むプラズマを形成し、
このプラズマを用いて前記被処理基体表面に直接に酸
化、窒化、又は酸窒化を施して酸化膜相当換算膜厚で１
ｎｍ以下の絶縁膜を形成することを特徴とする半導体製
造方法。
【請求項２】請求項１記載の半導体製造方法であっ
て、前記処理ガスが、Ｎ₂又はＮ₂Ｏ又はＮＯ又はＮＨ
₃を含むことを特徴とする半導体製造方法。
【請求項３】処理ガス雰囲気下で、ケイ素を主成分と
する被処理基体に、複数のスリットを有する平面アンテ
ナ部材を介してマイクロ波を照射することにより酸素、
又は窒素、又は酸素と窒素とを含むプラズマを形成し、
このプラズマを用いて前記被処理基体表面に直接に酸
化、窒化、又は酸窒化を施して第１の絶縁膜を形成する
工程と、前記第１の絶縁膜上に第２の絶縁膜を形成する工程と、を具備することを特徴とする半導体製造方法。
【請求項４】請求項３記載の半導体製造方法であっ
て、前記第２の絶縁膜を形成する工程が、窒化ケイ素か
らなる絶縁層を形成する工程であることを特徴とする半
導体製造方法。
【請求項５】請求項３又は４記載の半導体製造方法で
あって、前記第２の絶縁膜を形成する工程が、ＣＶＤ法
により行われる工程であることを特徴とする半導体製造
方法。
【請求項６】請求項３又は４記載の半導体製造方法で
あって、前記第２の絶縁膜を形成する工程が、プラズマ
照射により行われる工程であることを特徴とする半導体
製造方法。
【請求項７】請求項６記載の半導体製造方法であっ
て、前記第２の絶縁膜を形成する工程が、Ｎ₂又はＮＨ
₃及びモノシラン又はジクロルシラン又はトリクロルシ
ランを含むプラズマを供給する工程であることを特徴と
する半導体製造方法。
【請求項８】請求項６記載の半導体製造方法であっ
て、前記プラズマ照射が、複数のスリットを有する平面
アンテナ部材を介して行われることを特徴とする半導体
製造方法。
【請求項９】請求項１記載の半導体製造方法を実施す
るための半導体製造装置であって、マイクロ波電源と、当該マイクロ波を導く装置と複数の
スリットを有する平面アンテナ部材と、被処理基体の温
度を４００゜Ｃ以上に保持する昇温機構と、処理ガスを
反応室に導くガス供給機構と、反応室を１Ｔｏｒｒ以下
に減圧する真空排気機構を有する一つ又はそれ以上のプ
ロセスチャンバと、被処理基体を真空搬送する搬送系
と、を具備する事を特徴とする半導体製造装置。
【請求項１０】請求項９記載の半導体製造装置であっ
て、ゲート絶縁膜を並列的に形成できるように、前記プ
ロセスチャンバが、二つ又はそれ以上配設されているこ
とを特徴とする半導体製造装置。
【請求項１１】請求項９記載の半導体製造装置であっ
て、前記プロセスチャンバとは異なるＣＶＤチャンバ
と、真空搬送系とを具備し、直接酸窒化に引き続いてＣ
ＶＤによりＳｉＮを形成することを特徴とする半導体製
造装置。