JP2006128380A - 半導体装置の製造方法および製造装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 プラズマ表面改質や不純物導入工程において、半導体ウェーハ間やロット間で膜厚や不純物量のばらつきが抑制され、安定した素子特性が得られる半導体装置の製造方法および製造装置を提供する。
【解決手段】 複数枚の半導体基板の表面に、プラズマを用いて窒化処理、酸化処理、又は不純物導入のいずれかを行う際に、プラズマから発せられる発光中の少なくとも１種類の波長の発光強度、あるいは発光強度に加えて入射電力及び反射電力を測定する工程と、測定して得られた発光強度、あるいは発光強度と入射電力及び反射電力に基づいて、各々の半導体基板毎にプラズマに暴露する暴露時間を算出する工程と、算出した暴露時間に基づいて各々の半導体基板をプラズマに暴露して、窒化処理、酸化処理、又は不純物導入のいずれかを行う工程とを備える。
【選択図】 図１

Description

本発明は半導体装置の製造方法および製造装置に係わり、特にプラズマを用いた窒化処理や酸化処理、あるいは不純物導入に好適なものに関する。

プラズマを用いた表面改質のための窒化処理や酸化処理工程、あるいは不純物を導入する工程では、表面に形成された薄膜の膜厚や導入する不純物量の制御を、半導体基板をプラズマに暴露する時間を一定に維持することで行っている。

しかし、外乱的な要因、例えばチャンバや高周波印加回路の温度の変化、ガス流量制御装置の流量の変化、圧力制御装置の圧力の変化等により、プラズマ状態が微妙にでも変動すると、プラズマ中における反応に寄与する主な活性種の密度が変化する。

このような場合にも、従来は一定時間で処理を行っていた。その結果、半導体ウェーハ間やロット間で、表面に形成された薄膜の膜厚や不純物量が揺らいでしまい、最終的に形成されるトランジスタの特性がばらついていた。

以下に、従来の表面改質処理や不純物導入に関する技術を開示した文献名を記載する。
特開２００２−９３７８１号公報 特開２００２−２３１６９５号公報 特開平９−２０５０７６号公報 特開２００２−２９９３２２号公報

本発明は上記事情に鑑み、窒化処理、酸化処理や不純物導入工程において、半導体基板間での膜厚や不純物量のばらつきが抑制され、安定した素子特性が得られる半導体装置の製造方法および製造装置を提供することを目的とする。

本発明の一態様による半導体装置の製造方法は、
処理容器内の半導体基板の表面に、プラズマを用いて窒化処理、酸化処理、又は不純物導入のいずれかを行う際に、前記プラズマから発せられる発光中の少なくとも１種類の波長の発光強度、あるいは前記発光強度に加えて、前記プラズマ発生のために前記処理容器内に入射する入射電力及び前記処理容器から反射される反射電力を測定する工程と、
測定して得られた前記発光強度、あるいは前記発光強度と前記入射電力及び反射電力に基づいて、各々の前記半導体基板毎に、前記プラズマに暴露する暴露時間を算出する工程と、
算出した前記暴露時間に基づいて、各々の前記半導体基板を前記プラズマに暴露して、前記窒化処理、酸化処理、又は不純物導入のいずれかを行う工程と、
を備えることを特徴とする。

本発明の一態様による半導体装置の製造装置は、
半導体基板を収納する処理容器と、
前記処理容器の内部にプラズマを発生させるプラズマ発生装置と、
前記処理容器の内部に発生した前記プラズマから発せられる発光中の少なくとも１種類の波長の発光強度を測定する発光強度検知器と、
測定された前記発光強度に基づいて、各々の前記半導体基板に処理を行う毎に、前記プラズマに暴露する暴露時間を算出する演算装置と、
算出された前記暴露時間に基づいて、各々の前記半導体基板を前記プラズマに暴露して、窒化処理、酸化処理又は不純物導入処理を行うためのガスを前記処理容器内に導入するガス供給部と、
を備えることを特徴とする。

また、本発明の一態様による半導体装置の製造装置は、
半導体基板を収納する処理容器と、
前記処理容器の内部にプラズマを発生させるプラズマ発生装置と、
前記処理容器の内部に発生した前記プラズマから発せられる発光中の少なくとも１種類の波長の発光強度を測定する発光強度検知器と、
前記プラズマ発生装置が前記処理容器の内部に入射する入射電力、前記処理容器から反射された反射電力を測定する測定部と、
測定して得られた前記発光強度と前記入射電力及び反射電力に基づいて、各々の前記半導体基板に処理を行う毎に、前記プラズマに暴露する暴露時間を算出する演算装置と、
算出された前記暴露時間に基づいて、各々の前記半導体基板を前記プラズマに暴露して、窒化処理、酸化処理又は不純物導入処理を行うためのガスを前記処理容器内に導入するガス供給部と、
を備えることを特徴とする。

本発明の半導体装置の製造方法および製造装置によれば、窒化処理、酸化処理や不純物導入工程において、半導体基板間で膜厚や不純物量のばらつきを抑制することが可能である。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。

（１）実施の形態１
図１に、本発明の実施の形態１〜３による半導体装置の製造方法においてそれぞれ用いる半導体装置の製造装置の構成を示す。

プラズマ処理を行う処理容器の一例としての真空容器１０１の内部底面に、ウェーハ支持電極１０２が設けられ、側面にはガス導入口１０５と発光強度分析用検知器１０７とが設けられている。

ウェーハ支持電極１０２は、高周波バイアス用電源１０３に接続されており、バイアス電圧を供給される。

ここで、窒化処理、酸化処理の際にはこのようなバイアス電圧は不要であり、不純物導入処理では、イオン注入の際に加速電圧を高めるためにバイアス電圧が必要となる。

ガス導入口１０５にはガス供給系１０６が接続されており、窒化処理、酸化処理あるいは不純物導入に必要なガスが供給される。

発光強度分析用検知器１０７には発光分光器１０８が接続されており、真空容器１０１内のプラズマ中における所定の波長を有する反応に寄与する反応種（活性種）の発光強度が測定される。

また真空容器１０１には、プラズマ濃度を調整するためのチューナ１０９が取り付けられており、このチューナ１０９は、入射電力、反射電力の測定部としての入射波・反射波モニタ１１０に接続され、さらに高周波電源１０４に接続されている。高周波電源１０４によって、真空容器１０１内にプラズマの発生に必要な高周波電圧が供給される。

ここで、高周波電源１０４からＡ（Ｗ）の電力が入射波として真空容器１０１に供給され、真空容器１０１内部の上面に導体としてのプラズマが発生して電力を反射し、Ｂ（Ｗ）の電力が反射波として高周波電源１０４へ反射されると、プラズマ発生に寄与する電力は、Ａ−Ｂ（Ｗ）となる。

入射波・反射波モニタ１１０は、このような入射波の入射電力と反射波の反射電力とを計測・監視する。

チューナ１０９は、反射波の発生を抑制するために、高周波電源１０４から真空容器１０１内のプラズマ発生箇所に至る電力経路のインピーダンスの調整を行うものである。このインピーダンスの値を示すチューナポジションは、真空容器１０１の内部のプラズマ状態、例えばプラズマの密度を反映しており、同一のプラズマ状態のときはチューナポジションは同一となる。従って、複数の半導体基板の処理を行う際に、チューナポジションが同一である場合は同一の処理時間でよく、基板毎に異なっている場合はプラズマ状態に対応させて処理時間を調節する必要がある。

高周波バイアス用電源１０３、高周波電源１０４、チューナ１０９、入射波・反射波モニタ１１０、ガス供給系１０６、発光分光器１０８は、それぞれＣＰＵ１１１に接続されて動作を制御される。

真空容器１０１内のウェーハ支持電極１０２上に、図示されていない半導体ウェーハが搭載される。不純物導入工程では、高周波バイアス用電源１０３からウェーハ支持電極１０２を介して、高周波バイアス電圧が印加される。

ガス供給系１０６からガス導入口１０５を経て、真空容器１０１内にガスが導入される。

窒化処理を行う場合には、例えばＡｒ／Ｎ_２混合ガス等、窒素を含むガスが導入される。ＮＨ_３等、窒素以外に水素を含むガスを窒素源として用いてもよい。

酸化処理を行う場合は、例えばＡｒ／Ｏ_２混合ガス等、酸素を含むガスが導入される。

不純物導入工程において、ボロンの導入を行う場合を例にとると、Ａｒ／Ｂ_２Ｈ_６混合ガスが用いられる。

図示されていない圧力計により真空容器１０１の内部圧力を測定し、真空装置により５０ｍＴｏｒｒにする。さらに、例えば１３．５６ＭＨｚの高周波を、高周波電源１０４から真空容器１０１内に導入してプラズマ励起を行う。

発光強度分析用検知器１０７が、プラズマから発せられる発光中の所定波長を有する反応種の発光強度をモニタリングする。

例えば、窒化処理では、プラズマから発せられる発光中の例えば３９１ｎｍ付近の波長を有するＮ_２ ^＋イオンの発光強度を測定する。

酸化処理では、例えば７７７ｎｍ付近の波長を有する酸素ラジカルの発光強度をモニタする。

不純物導入工程では、例えばボロンの導入を行う際には５５０ｎｍ付近の波長を有するボロンの発光強度をモニタする。

本実施の形態１では、希ガスの発光によって検出レベルが劣化することを懸念して、３９１ｎｍ付近の波長の発光強度を測定しているが、窒素に起因する発光であればいずれの波長における発光強度を測定してもよい。

ＮＨ^３のような水素を含むガスを窒素源として用いる場合は、ＮＨに起因する発光強度を測定してもよい。

本実施の形態１では、このような装置を用いて、窒化処理の反応に寄与する反応種の発光強度を発光強度分析用検知器１０７によって測定し、得られた発光強度に従って処理時間を変更する。

以下、本実施の形態１による半導体装置の製造方法に従ってシリコン酸窒化膜を形成した場合と、比較例１に従ってシリコン酸窒化膜を作成した場合について述べる。

本実施の形態１では、希フッ酸洗浄後の半導体基板に熱酸化法により９００℃、Ｏ_２７６０Ｔorrで２．０ｎｍのシリコン酸化膜を成膜する。その後、図１に示された真空容器１０１内のウェーハ支持電極１０２上に搭載し、窒素を含むガスを導入して、窒素イオンの発光強度の測定結果に従って基板毎にプラズマ処理時間を変えて、シリコン酸窒化膜を形成した。

比較例１では、発光強度の測定を行わず、全ての基板に対し一定のプラズマ処理時間でシリコン酸窒化膜を形成した。

そして、本実施の形態１、比較例１にそれぞれ従って形成したシリコン酸窒化膜の窒素濃度を測定し、ロット内安定性を調べた。ここで、シリコン酸窒化膜の窒素濃度は、光電子分光法により測定した。

本実施の形態１に従う場合は、半導体基板毎の窒化時間の制御を、（３９１ｎｍの波長を有する窒素ラジカルの発光強度）×（（処理時間）^１／２）が一定となるように行った。

図２（ａ）に、ｘ（ｘは２以上の整数）個のロットＳｌｏｔ１、Ｓｌｏｔ２、Ｓｌｏｔ３、…、Ｓｌｏｔｘ毎に測定した発光強度Ｌｘ１、Ｌｘ２、Ｌｘ３、…、Ｌｘｘを示す。それぞれのロット毎に発光強度は異なり、以下のような関係が成立する。
Ｌｘ１≠Ｌｘ２≠Ｌｘ３≠、…、≠Ｌｘｘ （１）

ここで、ロット毎に発光強度が異なる理由は、初期ロットから徐々に高周波バイアス用電源１０３および真空容器１０１内部の温度が上昇していくことが原因の一つとして考えられる。

即ち、高周波バイアス用電源１０３や真空容器１０１自身が必要な温度まで上昇するために電力を消費してしまい、プラズマの生成に十分に電力が供給されない状態にあるため、初期ロットほど発光強度が低いと考えられる。

そして、以下の関係式が成立するような各ロット毎に異なる処理時間Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３、…、Ｔｘを算出する。
Ｓ１＝Ｓ２＝Ｓ３＝、…、＝Ｓｘ （２）
但し、Ｓｘ＝Ｌｘ＊Ｔｘ^０．５ （３）

ここで、Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、…、Ｓｘは、各ロット毎における、半導体基板の表面に供給された窒素ラジカル量に対応した物理量に相当する。

また、処理時間ＴをＴ^０．５とした理由は、窒素や酸素等の原子が膜中拡散していく速度は、時間の（１／２）乗に比例することによる。

このようにして求めた処理時間Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３、…、Ｔｘで処理して得られたシリコン酸窒化膜に含まれる窒素の濃度を、各ロット毎に測定した結果を図２（ｂ）に示す。

いずれのロットＳｌｏｔ１、Ｓｌｏｔ２、Ｓｌｏｔ３、…、Ｓｌｏｔｘにおいても、窒素濃度はほぼ同一であった。これにより、本実施の形態１に従って窒化処理を行いシリコン酸窒化膜を形成することにより、ロット間で窒素濃度のばらつきを抑制することができることが確認された。

一方、比較例１に従う方法では、半導体基板毎の窒化処理時間を、窒素ラジカルの発光強度にかかわらず一定とした。

図３（ａ）に、各ロットＳｌｏｔ１、Ｓｌｏｔ２、Ｓｌｏｔ３、…、Ｓｌｏｔｘ毎の発光強度Ｌｘ１、Ｌｘ２、Ｌｘ３、…、Ｌｘｘと、処理時間Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３、…、Ｔｘに関係を示す。

それぞれのロット毎に発光強度は異なるので、上記（１）式が成立する。

発光強度が異なるにもかかわらず、各ロット毎の処理時間Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３、…、Ｔｘは全て同一であるため、以下の関係式が成立する。
Ｔ１＝Ｔ２＝Ｔ３＝、…、＝Ｔｘ （４）

上記（１）式と（４）式より、この場合の各ロット毎Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、…、Ｓｘの間には、以下の関係が成立する。
Ｓ１≠Ｓ２≠Ｓ３≠、…、≠Ｓｘ （５）

このような一定の処理時間Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３、…、Ｔｘで処理して得られたシリコン酸窒化膜に含まれる窒素の濃度を、各ロット毎に測定した結果を図３（ｂ）に示す。

この場合は、ロットＳｌｏｔ１、Ｓｌｏｔ２、Ｓｌｏｔ３、…、Ｓｌｏｔｘ毎に窒素濃度のばらつきが大きい。

図４に、半導体基板の処理枚数と、シリコン酸窒化膜中に含まれる窒素濃度との関係を、本実施の形態１に従って処理した場合について点線Ｌ１に示し、比較例１に従って処理した場合について実線Ｌ２に示す。

比較例１では、処理開始時には窒素濃度が低く、処理枚数が増加していくに従って濃度が上昇しており、処理枚数によって大幅に異なっている。これに対し、本実施の形態１では処理枚数にかかわらず窒素濃度はほぼ一定値を維持している。

このように、比較例１と比較して、本実施の形態１に従って発光強度を測定し、半導体基板毎に窒化処理の時間を調整した方が、ロット内の窒素濃度のばらつきを抑制し安定性を向上させることができることがわかる。

（２）実施の形態２
本発明の実施の形態２による半導体装置の製造方法について説明する。上記実施の形態１では半導体基板上のシリコン酸化膜に窒化処理を行ってシリコン酸窒化膜を形成するが、本実施の形態２では半導体基板にシリコン酸化膜の形成を行う。

図１に示されたガス導入口１０５からＡｒ／O_２混合ガスを真空容器１０１中に導入し、真空容器１０１内の圧力を１Ｔｏｒｒにした。その後、１３．５６ｍＨｚの高周波を高周波電源１０５から導入し、プラズマ励起を行った。

希フッ酸洗浄後の半導体基板を真空容器１０１内に導入し、プラズマ酸化により１．５ｎｍのシリコン酸化膜を形成した。

この時、７７７ｎｍの波長を有する酸素ラジカルの発光強度を発光強度分析用検知器１０７によって計測した。

本実施の形態２として、発光強度に基づいてプラズマ処理時間を半導体基板毎に調整した場合と、比較例２として、発光強度にかかわらず全ての半導体基板に対して一定のプラズマ処理時間で酸化処理を行った場合とで、形成されたシリコン酸化膜の膜厚のロット内安定性を測定した。

ここで、形成されたシリコン酸化膜の膜厚は、エリプソメトリ法を用いて測定した。

本実施の形態１に従って、半導体基板毎に酸化処理時間を調整する場合は、（７７７ｎｍの波長の酸素ラジカルの発光強度）×（（処理時間）^１／２）が一定となるように、行った。

図５に、本実施の形態２に従ってシリコン酸化膜を形成した場合の処理枚数に対するシリコン酸化膜厚の関係を点線Ｌ１１に示し、比較例２に従ってシリコン酸化膜を形成したときの処理枚数に対する酸化膜厚の関係を実線Ｌ１２に示す。

図５より明らかに、本実施の形態２により、発光強度に基づいて半導体基板毎に酸化処理時間を調整した方が、形成されたシリコン酸化膜の膜厚のロット内安定性が改善することがわかる。

尚、本実施の形態２では、７７７ｎｍ付近の波長を有する酸素ラジカルの発光強度を測定し、これに基づいて処理時間を調整しているが、この波長に限らず酸素に起因する発光であれば他の波長の発光を測定してもよい。

（３）実施の形態３
本発明の実施の形態３による半導体装置の製造方法について、説明する。本実施の形態３では、半導体基板の表面に不純物導入を行う。

図１に示されたガス導入口１０５からＡｒ／Ｂ_２Ｈ_６混合ガスを真空容器１０１内に導入し、真空容器１０１内の圧力を５ｍＴｏｒｒにした。この後、１３．５６ｍＨｚの高周波を、高周波電源１０５から真空容器１０１内に導入し、プラズマ励起を行った。

高周波バイアス用電源１０３に４００ｋＨｚの高周波を印加し、イオン照射エネルギを１ｋｅＶに調整した。

希フッ酸洗浄後の半導体基板を真空容器１０１内に導入し、半導体基板中のボロン濃度がピークで１０^２１（atoms／ｃｍ^３）になるようにボロンをプラズマにより導入した。

このとき、本実施の形態３に従って、プラズマから発せられる発光中の５５０ｎｍの波長の発光強度を測定し、プラズマ処理時間を半導体基板毎に調整した場合と、比較例３として発光強度にかかわらずプラズマ処理時間を一定で処理した場合の２種類の方法でボロンのイオン注入を行った。そして、１０５０℃のスパイクアニール後のシート抵抗のロット内安定性を、四短針法により測定した。

ここで、本実施の形態３に従って半導体基板毎に注入時間を制御する際には、（５５０ｎｍの波長の発光強度）×（（処理時間）^１／２）が一定となるように行った。

図６に、本実施の形態３に従ってボロンをイオン注入した場合の処理枚数に対するシート抵抗の関係を点線Ｌ２１に示し、比較例３に従ってボロンをイオン注入した場合の処理枚数に対するシート抵抗の関係を実線Ｌ２２に示す。

図６から明らかなように、本実施の形態３に従って発光強度に基づいて半導体基板毎に注入時間を調整した方が、ボロンを注入された高濃度層のシート抵抗のロット内安定性が改善することがわかる。

上記実施の形態はいずれも一例であって、本発明を限定するものではなく、本発明の技術的範囲内で様々に変形することが可能である。

例えば、上記実施の形態１では、３９１ｎｍの波長を有する窒素イオンの発光強度を測定して処理時間を調整した場合について述べたが、これに限らず他の波長を有する反応種の発光強度を測定してもよく、反応に起因した発光であればいずれを測定の対象としてもよい。

また、上記実施の形態１〜３では、いずれもプラズマから発せられる発光中の所定波長を有する反応種の発光強度を測定し、測定値に基づいてプラズマに半導体基板を暴露する処理時間を調整している。

しかし、発光強度の測定に加えてさらに、高周波電源から真空容器内へ供給される入射電力と反射される反射電力、あるいはプラズマ状態を調整するためのチューナポジションを測定し、得られた測定結果に基づいて、各々の半導体基板毎のプラズマ暴露時間を算出してもよい。

例えば、入射電力及び反射電力を測定する場合は、入射電力から反射電力を差し引いた値が相対的に大きくなるに従って暴露時間を短くしていく。

チューナポジションを測定する場合は、そのポジションがプラズマの濃度が相対的に低いことを示す場合は、より暴露時間を長くするように調節する。

本発明の実施の形態１〜３において用いる半導体装置の製造装置の構成を示したブロック図。 同実施の形態１に従って窒化処理を行ったときの発光強度を測定した結果、および窒素濃度を測定した結果を示すグラフ。 比較例１に従って窒化処理を行ったときの発光強度を測定した結果、および窒素濃度を測定した結果を示すグラフ。 上記実施の形態１、比較例１にそれぞれ従って窒化処理を行ったときの処理枚数と膜中の窒素濃度との関係を示すグラフ。 本発明の実施の形態２、比較例２にそれぞれ従って酸化処理を行ったときの処理枚数と膜中の酸素濃度との関係を示すグラフ。 本発明の実施の形態３、比較例３にそれぞれ従って不純物導入を行ったときの処理枚数とシート抵抗との関係を示すグラフ。

符号の説明

１０１ 真空容器
１０２ ウェーハ支持電極
１０３ 高周波バイアス用電源
１０４ 高周波電源
１０５ ガス導入口
１０６ ガス供給系
１０７ 発光強度分析用ディテクタ
１０８ 発光分光器
１０９ チューナ
１１０ 入射波・反射波モニタ
１１１ ＣＰＵ

Claims (5)

1. 処理容器内の半導体基板の表面に、プラズマを用いて窒化処理、酸化処理、又は不純物導入のいずれかを行う際に、前記プラズマから発せられる発光中の少なくとも１種類の波長の発光強度、あるいは前記発光強度に加えて、前記プラズマ発生のために前記処理容器内に入射する入射電力及び前記処理容器から反射される反射電力を測定する工程と、
   測定して得られた前記発光強度、あるいは前記発光強度と前記入射電力及び反射電力に基づいて、各々の前記半導体基板毎に、前記プラズマに暴露する暴露時間を算出する工程と、
   算出した前記暴露時間に基づいて、各々の前記半導体基板を前記プラズマに暴露して、前記窒化処理、酸化処理、又は不純物導入のいずれかを行う工程と、
   を備えることを特徴とする半導体装置の製造方法。
2. 前記発光強度に基づいて前記暴露時間を算出する場合、前記暴露時間を算出する工程において、
   測定した前記発光強度と、前記暴露時間の平方根との積が、各々の前記半導体基板において一定となるように、前記暴露時間を算出することを特徴とする請求項１の半導体装置の製造方法。
3. 半導体基板を収納する処理容器と、
   前記処理容器の内部にプラズマを発生させるプラズマ発生装置と、
   前記処理容器の内部に発生した前記プラズマから発せられる発光中の少なくとも１種類の波長の発光強度を測定する発光強度検知器と、
   測定された前記発光強度に基づいて、各々の前記半導体基板に処理を行う毎に、前記プラズマに暴露する暴露時間を算出する演算装置と、
   算出された前記暴露時間に基づいて、各々の前記半導体基板を前記プラズマに暴露して、窒化処理、酸化処理又は不純物導入処理を行うためのガスを前記処理容器内に導入するガス供給部と、
   を備えることを特徴とする半導体装置の製造装置。
4. 前記演算装置は、測定された前記発光強度と、前記暴露時間の平方根との積が一定となるように、各々の前記半導体基板毎に前記暴露時間を算出することを特徴とする請求項３の半導体装置の製造装置。
5. 半導体基板を収納する処理容器と、
   前記処理容器の内部にプラズマを発生させるプラズマ発生装置と、
   前記処理容器の内部に発生した前記プラズマから発せられる発光中の少なくとも１種類の波長の発光強度を測定する発光強度検知器と、
   前記プラズマ発生装置が前記処理容器の内部に入射する入射電力、前記処理容器から反射された反射電力を測定する測定部と、
   測定して得られた前記発光強度と前記入射電力及び反射電力に基づいて、各々の前記半導体基板に処理を行う毎に、前記プラズマに暴露する暴露時間を算出する演算装置と、
   算出された前記暴露時間に基づいて、各々の前記半導体基板を前記プラズマに暴露して、窒化処理、酸化処理又は不純物導入処理を行うためのガスを前記処理容器内に導入するガス供給部と、
   を備えることを特徴とする半導体装置の製造装置。

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