JP2008192975A

JP2008192975A - 基板処理方法

Info

Publication number: JP2008192975A
Application number: JP2007028080A
Authority: JP
Inventors: Masanori Nakayama; 雅則中山
Original assignee: Hitachi Kokusai Electric Inc
Current assignee: Hitachi Kokusai Electric Inc
Priority date: 2007-02-07
Filing date: 2007-02-07
Publication date: 2008-08-21

Abstract

【課題】同じ品質ないし特性の酸窒化膜を安定して形成する。
【解決手段】処理容器１１の処理室１４に設置されてウエハ１を保持するサセプタ２１と、ガスをウエハ１に向けて供給するシャワーヘッド２６と、ガスを励起させる筒状電極１５と、磁界を形成する筒状磁石１９とを備えたＭＭＴ装置を使用してウエハ１に酸窒化膜を形成する方法において、酸素ガスＧｏを単独で処理室１４に供給した雰囲気で、高周波電力を印加してプラズマを着火させ、プラズマが安定する期間Ｔの経過後に、窒素ガスＧｎを供給してプラズマを維持しつつ、ウエハ１に酸窒化膜をプラズマ処理する。着火が毎回安定して起こる酸素ガス単独雰囲気によってプラズマを生成させた後に、窒素ガスを供給することにより、酸素ガスと窒素ガスとの混合雰囲気であっても、毎回、安定したプラズマを生成できるので、同じ品質ないし特性の酸窒化膜を安定して形成できる。
【選択図】図２

Description

本発明は、基板処理方法に関し、例えば、半導体素子を含む半導体集積回路装置（以下、ＩＣという。）の製造方法において、ＩＣが作り込まれる半導体ウエハ（以下、ウエハという。）にゲート絶縁膜を形成するのに利用して有効な技術に関する。

ＩＣの一例であるＤＲＡＭ（Dynamic Random Access Memory）やフラッシュメモリーのゲート絶縁膜としては、酸化膜を使用するのが主流であったが、最近では、酸化膜を窒化する技術が広く使用されるようになった。
しかし、酸化膜を窒化することによって誘電率を向上させる方法には限界があるため、様々な方法によってゲート絶縁膜を形成する方法が試みられている。
その一つの方法として、酸素（Ｏ₂ ）と窒素（Ｎ₂ ）の混合ガスを使用したプラズマによって酸窒化膜（ＳｉＯＮ）を形成する方法が有力な候補として考えられる。

しかしながら、酸素と窒素の混合ガスによる放電はプラズマ種の発生を制御することが難しく、酸窒化膜の形成の都度に、同じ状態のプラズマを安定して生成することが困難であるために、同じ品質ないし特性の酸窒化膜を形成することができないという問題点がある。

本発明の目的は、同じ品質ないし特性の酸窒化膜を安定して形成することができる基板処理方法を提供することにある。

前記した課題を解決するための手段のうち代表的なものは、次の通りである。
酸素含有ガスまたは窒素含有ガスの一方を供給し、プラズマ生成部によりプラズマを生成する第一ステップと、
前記第一ステップにおいて供給されなかった他方のガスを供給し、前記プラズマを維持しつつ酸素含有ガスおよび窒素含有ガスによってプラズマ処理する第二ステップと、
を備えている基板処理方法。

前記した手段によれば、酸素含有ガスまたは窒素含有ガスの一方を供給し、高周波電力を印加してプラズマを生成させ、そのプラズマが安定した後に、他方のガスを供給することにより、毎回、安定したプラズマを生成することができるので、同じ品質ないし特性の酸窒化膜を安定して形成することができる。

以下、本発明の一実施の形態を図面に即して説明する。

本実施の形態において、本発明に係る基板処理方法は、図１に示されたＭＭＴ装置によって実施される。
ＭＭＴ装置は、電界と磁界とによって高密度プラズマを生成可能な変形マグネトロン型プラズマ源（Modified Magnetron Typed Plasma Source）を用いてウエハをプラズマ処理するプラズマ処理装置である。

まず、図１に示されたＭＭＴ装置について説明する。
図１に示されたＭＭＴ装置１０は処理容器１１を備えている。処理容器１１は下側容器１２と上側容器１３とによって形成されており、処理室１４を形成している。
下側容器１２はアルミニウムが使用されて碗形状に形成されており、上側容器１３は石英や酸化アルミニウム等の非金属材料が使用されてドーム形状に形成されている。上側容器１３は下側容器１２の上に被せられている。

処理容器１１の上側容器１３の外周には、反応ガスを励起させる放電手段としての筒状電極１５が設置されており、筒状電極１５は処理室１４内のプラズマ生成領域１６を囲んでいる。筒状電極１５は筒状、例えば円筒状に形成されている。
筒状電極１５には高周波電力を印加する高周波電源１７が、インピーダンスの整合を行う整合器１８を介して接続されている。筒状電極１５、高周波電源１７および整合器１８は、プラズマ生成部を構成している。

筒状電極１５の外側表面には磁界形成手段としての筒状磁石１９が上下で一対、筒状電極１５の上端部および下端部の近傍にそれぞれ設置されている。
筒状磁石１９は筒状、例えば円筒状の永久磁石によって構成されている。
上下の筒状磁石１９、１９は、処理室１４の半径方向に沿った両端（内周端と外周端）に磁極を持ち、上下の筒状磁石１９、１９の磁極の向きが逆向きに設定されている。
したがって、内周部の磁極同士が異極となっており、これにより、筒状電極１５の内周面に沿って円筒軸方向に磁力線を形成するようになっている。

筒状電極１５および筒状磁石１９の周囲には、筒状電極１５および筒状磁石１９によって形成された電界や磁界を遮蔽する遮蔽板２０が設けられている。
遮蔽板２０は筒状電極１５および筒状磁石１９によって形成された電界や磁界が外部環境や他の基板処理装置に影響を及ぼさないようになっている。

処理室１４の底側中央には、基板であるウエハ１を保持するための基板保持具（基板保持手段）としてのサセプタ２１が配置されており、サセプタ２１の内部には加熱機構（加熱手段）としてのヒータ（図示せず）が埋め込まれている。すなわち、サセプタ２１はウエハ１を保持するとともに、加熱することができるように構成されている。
ヒータは電力が印加されることにより、ウエハ１を７００℃程度にまで加熱することができるように構成されている。
サセプタ２１は例えば石英や窒化アルミニウムやセラミックス等の非金属材料によって形成されている。このような非金属材料によってサセプタ２１を形成することにより、処理の際に膜中に取り込まれる金属汚染を低減することができる。

さらに、サセプタ２１の内部には、インピーダンスを変化させるためのインピーダンス用電極（図示せず）が装備されており、インピーダンス用電極はインピーダンス可変機構２２を介して接地されている。
インピーダンス可変機構２２はコイルや可変コンデンサから構成されており、コイルのパターン数や可変コンデンサの容量値を制御することによって、インピーダンス用電極およびサセプタ２１を介してウエハ１の電位を制御することができるようになっている。

サセプタ２１は下側容器１２と絶縁されており、サセプタ２１を昇降させるサセプタ昇降機構（昇降手段）２３が設けられている。
サセプタ２１には貫通孔２１ａが設けられており、下側容器１２の底面上にはウエハ１を突上げるためのウエハ突上げピン２４が少なくとも３箇所に設けられている。
そして、貫通孔２１ａおよびウエハ突上げピン２４は、サセプタ昇降機構２３によってサセプタ２１が下降させられた時には、ウエハ突上げピン２４がサセプタ２１と非接触な状態で貫通孔２１ａを突き抜けるような位置関係となるように配置されている。

下側容器１２の側壁には仕切弁となるゲートバルブ２５が設けられている。
ゲートバルブ２５が開いている時には、図示しない搬送機構（搬送手段）により処理室１４に対してウエハ１を搬入または搬出することができ、また、ゲートバルブ２５が閉まっている時には、処理室１４を気密に閉じることができる。

処理室１４の上部にはシャワーヘッド２６が設けられている。シャワーヘッド２６はキャップ状の蓋体２７とガス導入口２８とバッファ室２９と開口３０と遮蔽プレート３１とガス吹出口３２とを備えている。バッファ室２９はガス導入口２８より導入されたガスを分散するための分散空間を構成している。

下側容器１２の側壁にはガスを排気するガス排気口３６が設けられており、ガス排気口３６にはガスを排気するガス排気管３７が接続されている。ガス排気管３７は圧力調整器であるＡＰＣ３８、開閉弁であるバルブ３９を介して排気装置である真空ポンプ４０に接続されている。
ガス排気口３６は、シャワーヘッド２６から処理室１４にシャワー状に供給されたガスがウエハ１に接触後にサセプタ２１の周囲から処理室１４の底方向へ流れるように、設定されている。

ガス導入口２８にはガスを供給するガス供給管４１の下流側端が接続されている。
ガス供給管４１の上流側端には、酸素含有ガスとしての酸素ガスを供給する酸素ガス供給管４２が接続されており、酸素ガス供給管４２は開閉弁であるバルブ４３および流量制御器（流量制御手段）であるマスフローコントローラ４４を介して酸素ガス供給装置４５に接続されている。
また、ガス供給管４１の上流側端には、窒素含有ガスとしての窒素ガスを供給する窒素ガス供給管４６が接続されており、窒素ガス供給管４６は開閉弁であるバルブ４７および流量制御器（流量制御手段）であるマスフローコントローラ４８を介して窒素ガス供給装置４９に接続されている。

ＭＭＴ装置１０は制御部（制御手段）としてのコントローラ５０を備えている。
コントローラ５０はＡＰＣ３８、バルブ３９、真空ポンプ４０を信号線Ａを通じて制御するように構成されている。
コントローラ５０はサセプタ昇降機構２３を信号線Ｂを通じて制御するように構成されている。
コントローラ５０はゲートバルブ２５を信号線Ｃを通じて制御するように構成されている。
コントローラ５０は整合器１８、高周波電源１７を信号線Ｄを通じて制御するように構成されている。
コントローラ５０は、バルブ４３および４７、マスフローコントローラ４４および４８を信号線Ｅを通じて制御するように構成されている。
さらに、コントローラ５０はサセプタに埋め込まれたヒータやインピーダンス可変機構２２を、図示しない信号線を通じて制御するように構成されている。

図２は本発明の一実施の形態である酸窒化膜形成方法における酸素ガスおよび窒素ガスの供給シーケンスを示すタイムチャートである。
以下、本発明の一実施の形態である酸窒化膜形成方法を図２に即して、前記構成に係るＭＭＴ装置によって実施した場合について説明する。

ウエハ１は処理室１４の外部からウエハを搬送する図中省略の搬送機構によって処理室１４に搬入され、サセプタ２１の上に移載される。
この搬送動作の詳細は、次の通りである。
サセプタ２１がウエハ搬送位置まで下降すると、ウエハ突上げピン２４の先端がサセプタ２１の貫通孔２１ａを通過する。これにより、サセプタ２１の表面よりも所定の高さ分だけ、ウエハ突き上げピン２４が突き出された状態となる。
次に、下側容器１２に設けられたゲートバルブ２５が開かれ、図中省略の搬送機構によってウエハ１をウエハ突上げピン２４の先端に移載する。
搬送機構が処理室１４の外へ退避すると、ゲートバルブ２５が閉じられる。
サセプタ２１がサセプタ昇降機構２３によって上昇されると、サセプタ２１の上面にウエハ１が移載される。
その後に、サセプタ２１はサセプタ昇降機構２３によって、ウエハ１を処理する位置まで上昇される。

サセプタ２１に内蔵されたヒータは予め加熱されており、サセプタ２１に移載されたウエハ１を室温〜７００℃の範囲内の所定の温度に加熱する。
処理室１４内の圧力は０．１〜２００Ｐａの範囲内の所定の圧力に、真空ポンプ４０およびＡＰＣ３８によって維持される。

ウエハ１の温度が所定の処理温度（例えば、４００℃）に達して安定すると、図２に示されているように、まず、酸素ガス供給管４２のバルブ４３が開かれて、酸素ガスＧｏ（図１の実線矢印参照）がガス導入口２８から遮蔽プレート３１のガス吹出口３２を介して処理室１４に配置されたウエハ１の上面（処理面）に向けて導入される。
この際、処理室１４内の圧力は０．１〜２００Ｐａの範囲内のプラズマ放電可能な所定の圧力に、真空ポンプ４０およびＡＰＣ３８によって調整される。

次いで、図２に示されているように、高周波電力が筒状電極１５に高周波電源１７から整合器１８を介して印加される。印加する電力は１００〜５００Ｗの範囲内の所定の出力値を投入する。このとき、インピーダンス可変機構２２は予め所望のインピーダンス値となるように制御しておく。
高周波電力の電界は筒状磁石１９、１９の磁界の影響を受けてマグネトロン放電を発生（所謂着火）し、ウエハ１の上方空間に酸素ガスによる電荷をトラップしてプラズマ生成領域１６に高密度プラズマを生成する。

ここで、酸素ガスと窒素ガスの混合ガスが処理室１４内に一緒に供給されている場合には、プラズマ種の発生を制御することが困難であるために、プラズマの生成（所謂着火）が安定しない。
しかし、本実施の形態においては、処理室１４内には酸素ガスだけが供給された状態になっているので、図２に示されているように、高周波電力の印加と略同時にプラズマを生成（着火）させることができる。

図２に示されているように、プラズマが着火して予め設定された時間が経過した後に、酸素ガスＧｏの供給が維持されたままの状態で、窒素ガス供給管４６のバルブ４７が開かれて、窒素ガスＧｎ（図１の破線矢印参照）がガス導入口２８から遮蔽プレート３１のガス吹出口３２を介して処理室１４に配置されたウエハ１の上面（処理面）に向けて導入される。
この際、処理室１４内の圧力は０．１〜２００Ｐａの範囲内のプラズマの生成を維持可能な所定の圧力に、真空ポンプ４０およびＡＰＣ３８によって調整される。

ここで、プラズマの着火から窒素ガス供給までの期間Ｔ（図２参照）は、１０秒以内に設定する。
プラズマの着火から窒素ガス供給までの期間Ｔが１０秒を超えると、酸素ガスＧｏだけによる酸化反応が進んでしまうために、厚い酸化膜が形成されてしまうことになる。
厚い酸化膜が形成されてしまうのを防止するためには、プラズマの着火から窒素ガス供給までの期間Ｔを可及的に短く設定すればよい訳であるが、酸素ガスによるプラズマの生成が安定化しないうちに窒素ガスを供給すると、酸素ガスによるプラズマの生成が窒素ガスの供給によって吹き消されてしまう現象が起こる。
酸素ガスによるプラズマの生成が窒素ガスの供給によって吹き消されてしまう現象の発生は、プラズマの生成の諸条件によって相違するので、プラズマの着火から窒素ガス供給までの期間Ｔの最小値は、実機による実験やコンピュータによるシミュレーション等の経験的手法によって具体的に設定することが望ましい。

以上のようにして処理室１４内へ導入された酸素ガスＧｏと窒素ガスＧｎとは、プラズマ生成領域１６において乖離し、活性化粒子を生成し、ウエハ１に所定のプラズマ処理を施し、酸窒化膜を形成する。

予め設定された処理時間が経過すると、図２に示されているように、酸素ガスＧｏおよび窒素ガスＧｎの供給が停止されるとともに、高周波電力の印加が停止される。

次いで、処理室１４内の圧力が搬送機構の設置室である真空搬送室（図示せず）と同圧化された後に、処理済みのウエハ１は前述したウエハ搬入時と逆の手順で処理室１４外へ搬送される。

前記実施の形態によれば、次の効果が得られる。

1) 着火が毎回安定して起こる酸素ガス単独雰囲気によってプラズマを生成させた後に、窒素ガスを供給することにより、酸素ガスと窒素ガスとの混合雰囲気であっても、毎回、安定したプラズマを生成することができるので、同じ品質ないし特性の酸窒化膜を安定して形成することができる。

2) プラズマの着火から窒素ガス供給までの期間Ｔを１０秒以内に設定することにより、酸素ガスだけによる酸化反応が進んでしまうのを防止することができるので、厚い酸化膜が形成されてしまうのを防止することができる。

なお、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々に変更が可能であることはいうまでもない。

例えば、酸素ガスを先に供給するに限らず、窒素ガスを先に供給してもよい。

酸素含有ガスは酸素ガスに限らず、水蒸気（Ｈ₂ Ｏ）等であってもよい。

窒素含有ガスは窒素ガスに限らず、アンモニア（ＮＨ₃）等であってもよい。

図３は本発明の第二実施形態に係る基板処理方法に使用されるＩＣＰ（ＩｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙＣｏｕｐｌｅｄＰｌａｓｍａ）方式プラズマ処理装置を示している。
本実施の形態に係るＩＣＰ方式プラズマ処理装置の構成の詳細な説明は、前記実施形態と同様の機能を有する構成要素に同一の符号を付して代える。
本実施形態に係るＩＣＰ方式プラズマ処理装置１０Ａは、電力を供給してプラズマを生成するプラズマ生成部としての誘導コイル１５Ａを備えており、誘導コイル１５Ａは処理容器１１の天井壁の外側に敷設されている。
本実施の形態においても、酸素含有ガスおよび窒素含有ガスの一方をマスフローコントローラ３５、バルブ３４およびガス供給管３３から、ガス吹出口３２を経由して処理室１４へ供給する。
また、ガス供給と前後して、プラズマ生成部である誘導コイル１５Ａへ高周波電力を流すと、電磁誘導により電界が生じる。この電界をエネルギーとして、供給されたガスはプラズマ化（プラズマ生成）される。
次に、供給されなかった他方のガスを供給する。
つまり、第一のステップとして酸素含有ガスを供給した場合には、第二のステップとして窒素含有ガスを供給する。また、第一のステップとして窒素含有ガスを供給した場合には、第二のステップとして窒素含有ガスを供給する。
誘導コイル１５Ａは第二のステップとして供給された他方のガスをプラズマ化（プラズマ生成）する。
以上のようにして、ウエハ１に酸窒化膜を形成する。

図４は本発明の第三実施形態に係る基板処理方法に使用されるＥＣＲ（ＥｌｅｃｔｒｏｎＣｙｃｌｏｔｒｏｎＲｅｓｏｎａｎｃｅ）方式プラズマ処理装置を示している。
本実施の形態に係るＥＣＲ方式プラズマ処理装置の構成の詳細な説明は、前記実施形態と同様の機能を有する構成要素に同一の符号を付して代える。
本実施形態に係るＥＣＲ方式プラズマ処理装置１０Ｂは、マイクロ波１８Ｂを供給してプラズマを生成するプラズマ生成部としてのマイクロ波導入管１７Ｂを備えている。
本実施の形態においても、酸素含有ガスまたは窒素含有ガスの一方をマスフローコントローラ３５、バルブ３４およびガス供給管３３から、ガス吹出口３２を経由して処理室１４へ供給する。
また、ガス供給と前後して、プラズマ生成部であるマイクロ波導入管１７Ｂへマイクロ波１８Ｂを導入し、その後マイクロ波を処理室１４内へ放射させる。供給されたガスは、このマイクロ波１８Ｂによりプラズマ化（プラズマ生成）される。
次に、供給されなかった他方のガスを供給する。
つまり、第一のステップとして酸素含有ガスを供給した場合には、第二のステップとして窒素含有ガスを供給する。また、第一のステップとして窒素含有ガスを供給した場合には、第二のステップとして窒素含有ガスを供給する。
供給された他方のガスは、マイクロ波によりプラズマ化される。
以上のようにして、ウエハ１に酸窒化膜を形成する。

本発明の一実施の形態である酸窒化膜形成方法に使用されるＭＭＴ装置を示す概略構成図である。本発明の一実施の形態である酸窒化膜形成方法における酸素ガスおよび窒素ガスの供給シーケンスを示すタイムチャートである。本発明の第二実施形態に使用されるＩＣＰ方式プラズマ処理装置を示す概略構成図である。本発明の第三実施形態に使用されるＥＣＲ方式プラズマ処理装置を示す概略構成図である。

符号の説明

１…ウエハ、１０…ＭＭＴ装置（基板処理装置）、１０Ａ…ＩＣＰ方式プラズマ処理装置、１０Ｂ…ＥＣＲ方式プラズマ処理装置、１１…処理容器、１２…下側容器、１３…上側容器、１４…処理室、１５…筒状電極（放電手段）、１５Ａ…誘導コイル、１６…プラズマ生成領域、１７…高周波電源、１７Ｂ…マイクロ波導入管、１８…整合器、１８Ｂ…マイクロ波、１９…筒状磁石（磁界形成手段）、２０…遮蔽板、２１…サセプタ、２１ａ…貫通孔、２２…インピーダンス可変機構、２３…サセプタ昇降機構、２４…ウエハ突き上げピン、２５…ゲートバルブ、２６…シャワーヘッド、２７…キャップ状の蓋体、２８…ガス導入口、２９…バッファ室、３０…開口、３１…遮蔽プレート、３２…ガス吹出口、３３…ガス供給管、３４…バルブ、３５…マスフローコントローラ、３６…ガス排気口、３７…ガス排気管、３８…ＡＰＣ、３９…バルブ、４０…真空ポンプ、４１…ガス供給管、４２…酸素ガス供給管、４３…バルブ、４４…マスフローコントローラ、４５…酸素ガス供給装置、４６…窒素ガス供給管、４７…バルブ、４８…マスフローコントローラ、４９…窒素ガス供給装置、５０…コントローラ、Ｇｏ…酸素ガス（酸素含有ガス）、Ｇｎ…窒素ガス（窒素含有ガス）。

Claims

酸素含有ガスまたは窒素含有ガスの一方を供給し、プラズマ生成部によりプラズマを生成する第一ステップと、
前記第一ステップにおいて供給されなかった他方のガスを供給し、前記プラズマを維持しつつ酸素含有ガスおよび窒素含有ガスによってプラズマ処理する第二ステップと、
を備えている基板処理方法。