JP2004265916A

JP2004265916A - 基板のプラズマ酸化処理方法

Info

Publication number: JP2004265916A
Application number: JP2003029529A
Authority: JP
Inventors: Junichi Kitagawa; 淳一北川
Original assignee: Tokyo Electron Ltd
Current assignee: Tokyo Electron Ltd
Priority date: 2003-02-06
Filing date: 2003-02-06
Publication date: 2004-09-24
Also published as: WO2004070815A1

Abstract

【課題】プラズマを用いて基板の酸化処理を行うプラズマ酸化処理方法において、生成する酸化膜の特性劣化を抑制すること。
【解決手段】プラズマを用いて基板の酸化処理を行うプラズマ酸化処理方法において、プラズマ発光波長が所望の範囲となるように、プラズマ生成に使用される不活性ガスを選択する。プラズマ発光波長としては、例えば、５００〜６００Åとする。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、基板の酸化処理技術に係り、特に（シリコン）基板上に低温で酸化膜を形成する基板処理技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
これまで、シリコン基板上に形成される絶縁膜は、１０００℃以上の高温で酸化処理を行うことによって形成される熱酸化膜を用いることが多かった。最近では、微細化技術の進展により、この酸化膜（絶縁膜）の厚さも減少させる必要が生じてきている。ところが、高温での熱酸化処理による絶縁膜の形成方法によると、厚さが薄くなるにつれて、リーク電流等が増大して信頼性の高い絶縁膜を得ることが困難になってきた。
【０００３】
この問題を解決するために、絶縁膜を低温で得ることができる手法が検討され、プラズマを用いて酸化処理を行う方法が現実化されている。この方法によると、プラズマの電子温度を低温に保った状態で酸化膜を形成することができる。その結果、被処理基板や処理装置の内壁の損傷を軽減することが可能となった。また、信頼性を損なうことなく厚みの薄い酸化膜の形成ができるようになってきた。
【０００４】
プラズマを用いた酸化膜形成方法としては、特開平１１−２９３４７０号公報に記載されたものがある。この方法によれば、処理室内にシリコン含有ガスおよび酸素含有ガスを導入してこれらガスのプラズマを生成し、基板にシリコン酸化膜を堆積して成膜するシリコン酸化膜の成膜方法において、前記シリコン含有ガスおよび酸素含有ガス以外に、水素ガスを処理室内に導入して、処理室内に水素を含有するプラズマを生成する。これにより、熱酸化膜に匹敵する良好な膜質を得ることができるとされている。
【０００５】
【特許文献１】特開平１１−２９３４７０号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
プラズマを用いた従来の酸化処理技術では、形成された酸化膜（絶縁膜）の絶縁性が損なわれ、製品としての信頼性が低下することがあった。
【０００７】
本発明の目的は、製品としての信頼性低下を抑制可能な半導体装置の絶縁膜（シリコン酸化膜）を得るプロセスを提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、この信頼性低下の原因を探るべく、鋭意検討を重ねた。プラズマを用いて酸化処理をさせる際、酸化種を励起させるために不活性ガスを導入するが、この不活性ガスによるプラズマ自身の発光により、形成される膜（絶縁膜＝シリコン酸化膜）にダメージを与えてしまうことを見出した。
【０００９】
より具体的には、絶縁膜に＋（プラス）の電荷が多く発生して、絶縁膜にその電荷が取り込まれたままとなる。このため、半導体装置として作動しながら電流ストレスを受け続けると、絶縁破壊を生ずるといった不具合を生じ、製品としての信頼性低下を引き起こすことを見出した。
【００１０】
そこで本発明者らは、不活性ガスごとにプラズマ発光波長が異なることに着目し、検討の結果、その波長が長いと絶縁膜に与えるダメージが大きくなる傾向があることを見出した。また、波長が長過ぎると酸素が活性化せず、逆に短すぎると酸素が活性化しすぎることも見出した。
【００１１】
本発明は、こうした新たな知見に基づくものであり、具体的には、プラズマを用いて基板の酸化処理を行うプラズマ酸化処理方法において、プラズマ発光波長が所望の範囲となるように、プラズマ生成に使用される不活性ガスを選択する。好ましくは、プラズマ発光波長を５００〜６００Åとする。
【００１２】
本発明においては、不活性ガスは、複数種の混合ガスであってもよい。すなわち、所望の発光範囲が得られるならば、プラズマを発生させるためのガスはその種類を選ばない。本発明で用いられる不活性ガスは、好ましくはクリプトン（Ｋｒ）ガスであるが、前記の５００〜６００Å以外の発光波長が弱くなるように他の種類の不活性ガスを含んでもよく、またクリプトンガスを含まない他の一種類以上の不活性ガスで構成されていても良い。
【００１３】
本発明においては、前述のように基板のプラズマ酸化処理時の発光波長の範囲を、好ましくは５００〜６００Åとしている。プラズマの発光波長が６００Åより長くなると、酸化膜（絶縁膜）に与えるダメージ（損傷、欠陥など）が大きくなり且つ酸素が活性化しきれなくなる。逆に、プラズマの発光波長が５００Åより短いと、酸素が活性化しすぎてしまう。このような範囲の発光波長を選択すると、形成される絶縁膜に与えるダメージを抑制しつつ、酸化のために必要な活性酸素を得ることができる。その結果、高い信頼性を持った酸化膜（絶縁膜）を得ることが可能となる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明で用いられるプラズマ基板処理装置１０の概略的構成の一例を示す。本発明で使用されるプラズマ処理装置１０は、被処理基板としてのシリコンウエハＷを保持する基板保持台１２が備えられた処理容器１１を有する。処理容器１１内の気体（ガス）は、排気ポート１１Ａおよび１１Ｂから図示されない排気ポンプを介して排気される。なお、基板保持台１２は、シリコンウエハＷを加熱するヒータ機能を有している。
【００１５】処理容器１１の装置上方（上側）には、基板保持台１２上のシリコンウエハＷに対応して開口部が設けられている。この開口部は、石英やＡｌ_２Ｏ_３からなる誘電体板１３により塞がれている。誘電体板１３の上部（外側）には、アンテナとして機能するスロット板１４が配置されている。スロット板１４の更に上部（外側）には、石英、アルミナ、窒化アルミニウム等からなる誘電体板１５が配置されている。この誘電体板１５は、遅波板又は波長短縮板と呼ばれることがある。誘電体板１５の上部（外側）には、冷却プレート１６が配置されている。冷却プレート１６の内部には、冷媒が流れる冷媒路１６ａが設けられている。また、処理容器１１の上端中央には、マイクロ波を導入する同軸導波管１８が設けられている。
【００１６】処理容器１１の内壁には、ガスを導入するためのガスノズル２２が設けられている。また、同様に、処理容器１１の内壁の内側には、容器全体を囲むように冷媒流路２４が形成されている。
【００１７】
本発明においては、使用する不活性ガス毎にプラズマの発光波長が異なることに着目して、プラズマ基板処理装置１０に導入する不活性ガス種を変えることにより発光波長を積極的に制御する。図２および図３では、処理装置に導入される代表的な各種ガスにおける各々のプラズマ発光波長とその発光強度（インテンシティー）が示されている。
【００１８】
図２は、プラズマ発光波長（単位はオングストローム）と、相対的な発光強度（インテンシティー）との関係を示す。図３は、代表的なガスにおける各々の発光波長に対する具体的な発光強度（インテンシティー）の数値を示す。図２および図３より分かるように、例えば、本発明で用いることができるクリプトンガスは５５７Åと５８７Åとに発光波長を持ち、それぞれの発光強度は２０００と３０００であることが分かる。
【００１９】
以下、プラズマ処理装置１０を用いて本発明に基づく実施の一例を、基板処理プロセスに従って説明する。
【００２０】まず、シリコンウエハＷを処理容器１１中にセットした後、排気ポート１１Ａ，１１Ｂを介して処理容器１１内部の排気を行い、処理容器１１の内部を所定の処理圧に設定する。その後、シリコンウエハＷのセットされた処理容器１１中に、ガスノズル２２から不活性ガスとして、例えば、発光波長が５５７Åと５８７Åのクリプトン（Ｋｒ）ガスと共に、発光波長が７７７Åの酸素ガスとを導入する。ここで、波長５８７Å（クリプトン）の発光強度が約３０００であり、酸素の波長領域（７７７Å）の最大発光強度は、約１０００となっている。
【００２１】同軸導波管１８を通って供給される数ＧＨｚの周波数のマイクロ波を、誘電体板１５，スロット板１４，誘電体板１３を介して処理容器１１中に導入する。これにより、導入されたクリプトン（Ｋｒ）と酸素の混合ガスをマイクロ波プラズマで励起することにより原子状酸素Ｏ＊（ラジカル）を形成する。
【００２２】処理容器１１内での高密度マイクロ波プラズマ励起によって形成された原子状酸素Ｏ＊（ラジカル）は、プラズマバッフルプレート２０を介して、図４（Ａ）に示すようにシリコン基板２１（シリコンウエハＷ）の表面に達する。
【００２３】シリコン基板２１の表面に達した原子状酸素（ラジカル）は、図４（Ｂ）に示すようにシリコン基板２１の表面を酸化し、厚さが約１．６ｎｍのシリコン酸化膜２２を形成する。このようにして形成されたシリコン酸化膜２２は、４００℃程度の非常に低い基板温度で形成されたにもかかわらず、１０００℃以上の高温で形成された熱酸化膜に匹敵するリーク電流特性を有する。
【００２４】
図５は、シリコン酸化膜２２（絶縁膜）に電荷を印加したり電流を流したりしたときに絶縁破壊に至るまでの経時変化特性（ＴＤＤＢ：ＴｉｍｅＤｅｐｅｎｄｅｎｔＤｉｅｌｅｃｔｒｉｃＢｒｅａｋｄｏｗｎ）を示す。図５において、横軸はＱｄｂ（ＣｈａｒｇｅｔｏＢｒｅａｋｄｏｗｎ）で、絶縁膜に電流ストレスを流し続け、破壊に至るまでの電荷量を示し、縦軸は発生頻度を示す。ここで、比較のために不活性ガスとして発光波長が８１２Åにあるアルゴン（Ａｒ）と酸素の混合ガスを導入して、上記と同様なプロセスにより酸化膜を形成したシリコン基板の経時変化特性も図５中に示した。
【００２５】
図５から明らかなように、発光波長が８１２Åのアルゴンガスを用いたものは、ＴＤＤＢの結果が５００Å台の発光波長を持つクリプトンガスの結果より劣り、信頼性が低い。
【００２６】本実施例では、クリプトンガスを不活性ガスとして用いたが、本発明では、これに限定されるものでもなく、適宜適切な発光波長を持つように不活性ガスを選択するか、組み合わせて用いても良い。
【００２７】
【発明の効果】
本発明によれば、発光波長が所望の範囲となるように選択された不活性ガスを用いて酸化膜を形成したので、他の発光波長を持つ不活性ガスを用いて形成した酸化膜によるものよりも信頼性が向上する。すなわち、生成された酸化膜の絶縁性が損なわれることがなく、より信頼性の高い良質なシリコン酸化膜（絶縁膜）を形成できる。
【００２８】
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明の実施例に係るプラズマ処理装置の構成の一例を示す概略図である。
【図２】図２は、プラズマ発光における発光波長と発光強度の関係を示す棒グラフである。
【図３】図３は、プラズマ発光における発光波長と発光強度の関係を示す表である。
【図４】図４（Ａ）、（Ｂ）は、実施例のプラズマ処理工程の一部を示す概略図である。
【図５】図５は、絶縁膜の絶縁破壊に至るまでの経時変化特性（ＴＤＤＢ）を示すグラフである。
【符号の説明】
１０プラズマ処理装置１１プラズマ処理容器２１シリコン基板２２シリコン酸化膜

Claims

プラズマを用いて基板の酸化処理を行うプラズマ酸化処理方法において、
プラズマ発光波長が所望の範囲となるように、プラズマ生成に使用される不活性ガスを選択することを特徴とする基板のプラズマ酸化処理方法。
前記所望の発光波長は、５００〜６００Åであることを特徴とする請求項１記載の基板の酸化処理方法。
前記不活性ガスは、アルゴン及びクリプトンの少なくとも一方を含むことを特徴とする請求項１又は２に記載の基板の酸化処理方法。
前記不活性ガスは、異なる複数種類の混合ガスであることを特徴とする請求項１，２又は３に記載の基板の酸化処理方法。
前記基板は、シリコンウェハであることを特徴とする請求項１，２，３又は４に記載の基板の酸化処理方法。
前記請求項１，２，３，４又は５に記載の方法を用いて製造される半導体基板。