JP3838397B2 - Semiconductor manufacturing method - Google Patents

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【0001】
【発明が属する技術分野】
本発明は、プラズマプロセスにおいて、基板に欠陥を導入せずに所望のプロセスを実現するための製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
半導体集積回路の集積度の増大、デバイス寸法の縮少に伴い、下地基板への欠陥の導入を抑えた高品質で、かつ、高速なプラズマプロセスが要求されている。しかし、例えばC48,CO,O2,Arを用いたシリコン酸化膜(SiO2)のエッチングにより、下地シリコン基板に炭素(C)、フッ素(F)、酸素(O)といった不純物が、図1に示すように深さ20〜50nmも導入される。その結果、エッチング直後に配線金属を成膜した場合、ソース・ドレイン層のコンタクト抵抗が増大し、デバイス速度が劣化してしまう。そのため、SiO2エッチング後にSi基板表面を数10nm除去し、その後に配線金属の成膜を行わなければならず、工程数の増大、すなわち製造コストの増大へと至る。また、MOSデバイスの微細化に伴い、短チャネル効果を抑制するためにソース・ドレイン層を数10nmに極浅化しなければならないが、現在の技術ではエッチング後に数10nmシリコン層を除去しなければならず、到底実現不可能である。
【0003】
また、LSIの高速化のためには、MOSデバイスのゲート電極のシート抵抗を1Ω/□以下にしなければならないが、現在の高濃度シリコンの表面をシリサイド化した構造では数Ω/□にするのが限界である。さらに、自己整合的にシリサイドを形成したサリサイド技術を用いた場合、ゲート幅が0.2μm以下になると細線効果により、シート抵抗が増大するという問題も起こっている。したがって、ゲート電極に純金属を用い、シート抵抗を減少させるために、基板に欠陥を導入しない金属成膜方法が求められている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記従来例の問題点を解決すべく、基板、あるいは、新たに基板上に堆積・形成する膜および基板の中に、イオン照射に起因して導入される欠陥を劇的に減少させるプラズマプロセス方法を提供することを目的とする。
【0005】
【課題を解決するための手段】
本発明の半導体製造方法は、プラズマプロセスの際、用いるガス種を変化させ、基板表面に入射するイオン種を変えることにより、プラズマプロセスに起因して基板内に導入される欠陥を劇的に減少させることを特徴とする。イオン照射により基板内に導入される欠陥量は、イオンの原子量、あるいは分子量が小さいほど多くなるため、原子量の大きい原子・分子をプロセスガスとして用いることを、また、プロセス中にガス流量・ガス種を変化させることにより、基板に導入される欠陥量を制御することを特徴とする。
【0006】
【実施例】
以下、図面を参照して本発明の実施例を示す。
【0007】
(実施例1)
本例は、本発明をマグネトロンプラズマエッチング装置に用いた場合の実施例を示すものである。
【0008】
図2は、本発明に係わるプラズマ装置の一例を示す模式図である。図2において、206は真空容器、207は電極I、208は基板、209はフォーカスリング、210はシャワープレート、211は電極II、212はガス導入口、213は磁場の印加手段、214は真空ポンプ、215は整合回路I、216は高周波電源I、217は整合回路II、218は高周波電源IIである。
【0009】
図2のプラズマ装置では、磁場の印加手段213として、複数の永久磁石を環状に並べたダイポールリングマグネットが用いられている。ダイポールリングマグネットを構成する永久磁石は、永久磁石の位置が半周する間に磁化方向が一回転するような向きで並べられており、真空容器内に基板に平行な磁場を生成し、プラズマ密度を上昇させる効果がある。
【0010】
ガス導入口212から導入されたガスは、シャワープレート210の多数の小孔からプロセス空間に放出される。この導入ガス、及び基板表面から放出された反応生成ガスは、基板側部の磁場の印加手段213a及び213bに挟まれた空間を通り、複数の真空ポンプ214から外部へ排気される。真空ポンプ214の上部には、ガスのコンダクタンスを低下させないよう比較的広い空間が設けてある。
【0011】
13.56MHzの高周波電源I216から出力された高周波電力は、整合回路I215を通して電極I217に印加され、プラズマを生成する。ダイポールリングマグネットの磁場により、効率よく高密度プラズマが実現される。しかし、電子のドリフトによりプラズマの均一性が損なわれるため、リング上の上部電極II211に別の周波数の高周波電力が供給されている。
【0012】
電極II211は、ここではリング状の金属板であり、基板208表面付近のプラズマの面内均一性を向上させるために設けられたものである。100MHzの高周波電源II218から出力された高周波電力は、整合回路II217を通して電極II211に印加される。電極II211に適切な高周波電力を印加することによって磁場印加によって生じる電極II211面上の電子のドリフトと基板208面上の電子のドリフトのバランスをとると、基板208表面付近のプラズマはほぼ完全に均一化される。
【0013】
この装置を用い、BPSG膜のエッチングの実験を行った。プラズマ処理する基板として、直径200mmのSiウェハ上に絶縁膜BPSGを1.5μm成膜し、その上にレジストと呼ばれるマスク材0.7μmを塗布し、露光、現像のプロセスを経て、前記マスク材に直径0.18μmのホールパターンを形成したものを準備した。
【0014】
エッチング条件は、電極Iに印加する高周波電力(13.56MHz)2000W、電極IIに印加する高周波電力(100MHz)400 W、プロセス圧力40mTorr、プロセスガス流量 C48:10sccm、CO:50sccm、Ar:200sccm、O2:5sccmである。均一なプラズマを実現したことにより、面内均一性2%以下で、850nm/minの高速エッチングが実現された。
【0015】
しかし、コンタクトホールを形成した後、ウェット洗浄を経て、配線金属(Al−Si(1%))を成膜・パターニング・エッチングし、配線金属と下地高濃度シリコン層とのコンタクト抵抗を測定したところ、ばらつきが多く、また、コンタクト抵抗率は平均で、2.5×10-5Ωcm2と従来得られていたものより1〜2桁も大きな値であった。
【0016】
エッチング後の下地シリコン基板を2次イオン質量分析装置(SIMS)により測定したところ、炭素(C)、フッ素(F)、酸素(O)といった不純物が、図1に示すように深さ20〜50nmも導入されていることが分かった。これら、不純物が導入されたため、表面付近のSi中のキャリア濃度が減少し、コンタクト抵抗の上昇へと至った。したがって、従来はエッチング後に下地シリコン層を数10nm除去し、低コンタクト抵抗を得てきた。
【0017】
上記エッチング条件でプロセスを行った際に、基板表面に入射するイオン種のほとんどは、Ar+であり、その入射エネルギはおよそ500eVである。一方、基板表面は常に薄いフロロカーボン(Cxy)のポリマー膜により覆われており、このポリマー膜に高エネルギのArイオンが照射されることにより、BPSGのエッチングが進行する。
【0018】
BPSGが全てエッチングされ、下地シリコン層が現れると、ポリマー膜の堆積速度が上昇し、高エネルギのArイオン照射によるエッチングとのバランスにより、下地Si層のエッチングが停止、あるいは、著しくエッチング速度が低下し、下地シリコン層をエッチングせずに残すことが可能となる。
【0019】
実際のプロセスの際は、確実に下地シリコン層までエッチングするために、一般に20〜40%程度のオーバーエッチングを行う。したがって、シリコン層の上に薄いCxyポリマー層がある状態で、高エネルギのArイオンが照射されることとなり、このときに、ポリマー層内に含まれる炭素(C)、フッ素(F)、酸素(O)といった不純物が基板内に導入される。
【0020】
本発明のプラズマエッチング方法は、Arの変わりに原子量の大きいXeを用いることにより、下地シリコン層に導入される不純物量を減少させることに特徴がある。図3にXeを希釈ガスとして用いた場合のSi中の不純物プロファイルを示す。導入される不純物量、および、その深さが大幅に減少していることが分かる。これは、Arの原子半径が1.88Åであるのに比べ、Xeの原子半径は2.17Åと大きく、ポリマーおよびSi基板中に打ち込まれづらく、基板表面にのみ効率よくエネルギを伝えることができるためである。また、ArおよびXeの原子量はそれぞれ39.95、131.3であり、XeはArにくらべ重く、基板表面へのエネルギおよび運動量の伝達効率が低く欠陥をつくりずらいという効果もあり、図3に示すような結果が得られた。
【0021】
しかしながら、Xeを用いた場合、そのエッチング速度は530nm/minとArを用いた場合の850nm/minにくらべ低い。これは、XeがArにくらべ、基板内に打ちこまれずらく、また、基板表面へのエネルギおよび運動量の伝達効率が低いためである。エッチング速度の低下は、スループットの減少、装置生産性の低下へと至る。そこで、コンタクトホールのエッチングを行う際、BPSGの膜厚の90%をエッチングするまではAr/C48/CO/O2で行い、その後ArをXeに切り替えてエッチングを行ったところ、Si基板内への不純物の導入を抑えつつ、プロセス時間の上昇を抑えることができた。また、これは高価なXeの使用量の削減にもつながり、コストの削減ができた。
【0022】
尚、本発明を異なるプラズマ源を使用したプラズマ装置、あるいは、他のプロセス条件に適用しても同様な効果が得られることは言うまでもない。
【0023】
(実施例2)
本例では、本発明をマグネトロンスパッタリング装置に応用した場合の実施例を示すものである。
【0024】
図4は、本例で作製した素子の断面図と、素子の絶縁耐圧の測定系とを合わせて示した模式図である。図4において、絶縁耐圧の測定をした素子は、n型Siウェハからなる前記基体4001、フィールド酸化膜4002、ゲート酸化膜4003、ゲート電極4004から構成される。また、4005は絶縁耐圧の測定に用いた探針、4006は電圧計、4007は電圧印加手段、4008は電流計である。
【0025】
図4に示す素子の形成および絶縁耐圧の測定は、次に示す手順で行った。
【0026】
(1)n型Siウェハ4001上に、SiO2からなるフィールド酸化膜4002(厚さ:500nm)を熱酸化法[(H2+O2)ガス、 H2=1l/min、O2=1l/min、被処理体の温度=1000℃]で形成後、フィールド酸化膜4002の一部をウェットエッチング処理し、n型Siウェハ4001の表面を露出させた。
【0027】
(2)n型Siウェハ4001の露出させた表面にのみ、熱酸化法[O2ガス、2l/min、被処理体の温度=900℃]でゲート酸化膜(SiO2)4003(面積=1.0×10-4cm2、厚さ=10.2nm)を形成した。
【0028】
(3) ゲート電極材料を4004(厚さ=200nm)を成膜し、リソグラフィ工程、エッチング工程によりゲート電極を形成した。尚、ゲート電極材料としてTa、および、燐を1020cm-3程度ドープした多結晶シリコンを用いた。膜厚はすべて200nmである。Taの成膜条件は別途示す。多結晶シリコン膜の成膜条件は、基板温度650℃、圧力100Torr、使用ガス種・流量はN2:SiH4:PH3=9950sccm:50sccm:0.5sccmであり、成膜後、ドーパントの活性化アニールを850℃で30分間、N2雰囲気中で行っている。
【0029】
(4)層間絶縁膜SiO2(厚さ400nm)を、常圧CVD法により、400℃で堆積させ、リソグラフィ工程、エッチング工程によりコンタクトホールを形成した。
【0030】
(5)Al電極を形成し、最後にシンタリングアニールを400℃で30分間、N2/H2=1.8slm:0.2slm雰囲気中で行った。
【0031】
(6)探針4005を電極4010に接触させ、ゲート電極4004を介して直流電圧をn型Siウェハからなる被処理体4001に印加し、ゲート酸化膜4003が絶縁破壊する電圧(すなわち絶縁耐圧)を電圧計4006で測定した。
【0032】
MOSダイオードのゲート電極としてTaをスパッタ成膜するさいに、用いたプラズマ装置の概略図を図5に示す。図5のプラズマ装置は真空容器401の中に、平行平板型の2つの電極I402と電極II403を備え、前記電極IIの上にはTaターゲット404が、前記電極Iの上には膜を堆積させるシリコンウェハ405とが、載置してあり、前記容器中に原料ガスを導入し、前記電極I、前記電極IIに高周波を印加する目的で整合回路I406、整合回路II412、高周波電源I408、高周波電源II413が接続されている。成膜速度を制御するために電極IIには、ローパスフィルタ416を介し直流電源417が接続されている。
【0033】
ターゲット表面に対して磁場を印加するために複数の永久磁石を環状に並べたダイポールリングマグネット414が、前記容器外に設けてあり、ターゲットの外周端より外側の領域に、ターゲット表面付近に生成するプラズマの密度の均一化を図る目的で前記電極IIと電気的接合する部分に設けた接合インピーダンスを調整する手段を付設した補助電極A410を設け、ターゲットの外周端より外側の領域で、前記基体及び前記電極IIとは離間した位置に、これもまたターゲット表面付近に生成するプラズマの密度の均一化を図る目的で電極I、IIに印加される高周波とは別に独立した高周波電力が印加される補助電極B411を設けている。
【0034】
前記容器内に導入されたガスは、基体側部の磁場の印加手段414a及び414bに挟まれた空間を通り、複数の真空ポンプ415から外部へ排気される。真空ポンプの上部には、ガスのコンダクタンスを低下させないよう比較的広い空間が設けてある。
【0035】
前記電極Iに印加する高周波電力の周波数13.56MHz、前記電極IIに印加する周波数42.4MHzとし、補助電極Bに印加する周波数を100MHzとした。それぞれの電極に印加する高周波の周波数は、上記値に限定されるものではないが補助電極Bに印加される高周波の周波数は、補助電極Bにかかるセルフバイアス電位を低くし、それ自身のスパッタを避けるようになるべく高く設定することが好ましい。
【0036】
以下にbcc構造のタンタルを形成する際のスパッタ成膜条件を示す。一般にTaをスパッタ成膜した場合、b−Taと呼ばれる比抵抗が160μΩcmと大きな値を示すバルクと異なる結晶構造の薄膜が形成される。
【0037】
本例では、イオン照射条件、すなわち、イオン照射量、イオン照射エネルギを、それぞれ、高周波電源II413の供給電力、高周波電源II408の供給電力により、独立かつ精密に制御し、比抵抗が14μΩcmと一桁以上小さなbcc構造のTaを成膜した。尚、Ta成膜はArプラズマ、および、Xeプラズマを用いた2通りの場合について行った。
【0038】
(1)Arプラズマ
ガス圧力:7mTorr
ガス流量:250sccm
高周波電力I(ターゲット):1000W
高周波電力II(基板):0W
高周波電力B(補助電極B):200W
ターゲット電圧:−70V
基板に入射するイオンのエネルギ:20eV
【0039】
(2)Xeプラズマ
ガス圧力:7 mTorr
ガス流量:250sccm
高周波電力I(ターゲット):1000W
高周波電力II(基板):250W
高周波電力B(補助電極B):100W
ターゲット電圧:−95V
基板に入射するイオンのエネルギ:45eV
【0040】
図6はゲート電極としてTaを用いた場合の絶縁耐圧の測定結果を示すグラフである。Arを用いた場合と比べ、Xeを用いて成膜した場合は、耐圧分布が高い値を示している。これは、Arの原子半径が1.88Åであるのに比べ、Xeの原子半径は2.17Åと大きく、基板中に打ち込まれづらく、基板表面にのみ効率よくエネルギを伝えることができるためである。また、ArおよびXeの原子量はそれぞれ39.95、131.3であり、XeはArにくらべ重く、基板表面へのエネルギおよび運動量の伝達効率が低くゲート絶縁膜中に欠陥をつくりずらいという効果もあり、図6に示すような結果が得られた。
【0041】
図7は、本例で作成した素子の断面図と、素子の絶縁破壊注入電荷量の測定系とを合わせて示した模式図である。図7において、絶縁破壊注入電荷量の測定をした素子は、図4で示した素子と同じものである。絶縁破壊注入電荷量の測定は、次に示す手順で行った。
【0042】
(1) 探針5005をAl電極5010に接触させ、ゲート電極5004を介して定電流源5007より、電流密度が100mA/cm2となるように、一定電流をn型Siウェハからなる前記基体5001に印加し、ゲート酸化膜5003が絶縁破壊する時間を測定した。電流密度値にこの時間をかけたものが絶縁破壊注入電荷量である。
【0043】
図8は絶縁破壊注入電荷量の測定結果を示すグラフである。図8において、横軸は注入電荷量、縦軸は各注入電荷量が得られた素子の累積頻度を示す。ゲート電極材料としてArプラズマ、およびXeプラズマを用いてスパッタ成膜したTa薄膜、および、燐を1020cm-3程度ドープした多結晶シリコンを用いた。膜厚はすべて200nmである。図8から以下に示す点が明らかとなった。
【0044】
(1) ArプラズマでTaゲート電極を作製した素子は、注入電荷量の分布が広く(すなわちゲート酸化膜の膜質の均一性が悪くなっている)かつ平均電荷注入量はC/cm2と、低かった。
【0045】
(2) 本発明のXeプラズマでTaゲート電極を作製した素子は、注入電荷量の分布が狭く(すなわち膜質の均一性が良く)かつ C/cm2の高い平均電荷注入量が得られ、多結晶シリコンをゲート電極に用いたものと同等の結果である。さらに、Taをゲート電極に用いた場合、ゲートのシート抵抗を0.7Ω/□と目標である1Ω/□以下にすることが可能となり、デバイスの高速化が可能となった。
【0046】
以上示したゲート絶縁膜の絶縁破壊特性および絶縁破壊注入電荷量特性の結果より、金属ゲート電極をスパッタ成膜で形成する場合、ArプラズマでなくXeプラズマを用いることにより、下地ゲート酸化膜に与えるダメージをほとんどなくすことが可能となる。これは、XeイオンがArイオンに比べ基板内に入り込みずらく、基板表面に効果的にエネルギを供給しやすいという特性と、XeイオンはArイオンに比べ基板表面へのエネルギおよび運動量の伝達効率が低くゲート絶縁膜内に欠陥をつくりづらいという効果もあり、図6、8に示すような結果が得られた。
【0047】
以上のメカニズムの解明は、Ar、Xe以外にHe、Ne、Krプラズマを用いたスパッタ成膜の結果よりさらに明らかとなり、放射性元素のRnを除くと希ガスの中で最も原子番号の大きなXeが最適である。しかし、Xeは大気中の含量が0.087体積ppmであり、Arの9340体積ppmに比べ非常に少なく、Xeガスの価格はArガスに比べ100倍以上である。したがって、プロセス中にガスを切り替えることが、コスト削減の観点から適している。
【0048】
ゲート電極形成工程においては、ゲート酸化膜上にゲート電極を堆積し始める初期工程が、最もゲート絶縁膜にダメージを与えやすく、重要であるため、初めの20nmをXeプラズマで成膜し、その後はガスを切り替え、Arプラズマで残りの180nmを成膜したところ、すべてXeプラズマで成膜したものと、同等の結果が得られた。
【0049】
したがって、ゲート電極をゲート絶縁膜上に成膜する際は、初期過程をXeプラズマで行ない、その後は、Xeと異なる希ガスを用いる方法がコスト削減の観点から適している。スパッタレート・bcc構造のTaを形成するための条件・ガスの価格といった観点から、Xeの後にArを用いる方法が最も適している。あるいは、プロセスに用いた希ガスをポンプ後段より回収・再利用する手段を設けることにより、コストの削減を図れば、プロセス中すべて、Xeを用いて行なっても同様なランニングコストを実現できる。
【0050】
尚、本発明を異なるプラズマ源を使用したプラズマ装置、あるいは、異なる材質のプラズマ成膜に適用しても同様な効果が得られることは言うまでもない。
【0051】
(実施例3)
本例では、本発明をラジアルラインスロットアンテナプラズマ装置を用い、シリコン基板表面を低温で酸化するプラズマ酸化プロセスに応用した場合を示す。
【0052】
まず、シリコンの直接酸化実験に用いたプラズマ装置の概略図を図9に示す。このプラズマ装置は、真空容器901と前記容器内でプラズマを生成させるために必要な原料ガスの導入口902、前記容器内に導入された原料ガスを排気する真空ポンプ903を有し、前記容器を構成する壁部の一部はマイクロ波を略略損失なく透過できる材料からなる誘電体板904であり、その誘電体板をはさんで前記容器の外側にはマイクロ波を放射するアンテナ905が設置されている。
【0053】
前記容器の内側には、処理される基板908を載置するための電極906が設けられており、前記アンテナのマイクロ波の放射面と基体のプラズマ処理を行う面とを略々平行に対向して配置されている。電極906には加熱機構が設けられており、プロセス中、基板温度を上昇させることが可能となっている。
【0054】
アンテナより放射されたマイクロ波を排気口側へ伝搬するのを防ぎ、前記基板上だけに均一にプラズマを生成させる目的で反射板909が設けられている。また、原料ガス導入の均一化のため、本装置の原料ガスは、シャワープレート907をとうして多数の小孔からプロセス空間に導入される。この原料ガスは複数の真空ポンプ903より外部へ排気される。各真空ポンプの上部には、ガスのコンダクタンスを低下させないよう比較的広い空間が設けてある。
【0055】
このように前記基体側部に略々等間隔に並べられた複数の真空ポンプから排気すると、ガスのコンダクタンスをほとんど低下させることなく回転方向に均一な基体上のガス流を実現することができる。
【0056】
本例では、マイクロ波アンテナとしてラジアルラインスロットアンテナを用い、シリコン基板表面を低温で酸化するプラズマ酸化プロセスに適用した。
【0057】
ここでは前記基板としてSiウェハを用い、Siウェハ表面をO2を含むガスプラズマで直接酸化し、ゲート酸化膜を形成した場合について説明する。図10は、本例で作製した素子の断面図と、素子の絶縁耐圧の測定系とを合わせて示した模式図である。図10において、絶縁耐圧の測定をした素子は、n型Siウェハからなる前記基体6001、フィールド酸化膜6002、ゲート酸化膜6003、ゲート電極6004から構成される。また、6005は絶縁耐圧の測定に用いた探針、6006は電圧計、6007は電圧印加手段、6008は電流計である。
【0058】
図10に示す素子の形成および絶縁耐圧の測定は、次に示す手順で行った。
【0059】
(1)n型Siウェハ6001上に、SiO2からなるフィールド酸化膜6002(厚さ:800nm)を熱酸化法[(H2+O2)ガス、 H2=1l/min、O2=1l/min、被処理体の温度=1000℃]で形成後、フィールド酸化膜6002の一部をウェットエッチング処理し、n型Siウェハ6001の表面を露出させた。
【0060】
(2) n型Siウェハ6001の露出させた表面のみ、本発明に係るプラズマプロセス用装置を用いて直接酸化させ、SiO2からなるゲート酸化膜6003(面積=1.0×10-4cm2、厚さ=7.6nm)を形成した。その際の成膜条件は、成膜ガスはAr/He/O2、ガス圧は30mTorr、分圧比はAr:He:O2=68%:30%:2%、マイクロ波電力は700W、酸化処理時間は20分、前記基板は電気的にフローティング状態に保持、被処理体の温度は430℃とした。但し、成膜条件はこれに限定されるものではない。
【0061】
(3) フィールド酸化膜6002およびゲート酸化膜6003の上に、Alからなるゲート電極6004(厚さ=1000nm)を蒸着法で形成した。
【0062】
(4) 探針6005をゲート電極6004に接触させ、ゲート電極6004を介して直流電圧をn型Siウェハからなる被処理体6001に印加し、ゲート酸化膜6003が絶縁破壊する電圧(すなわち絶縁耐圧)を電圧計6006で測定した。
【0063】
尚、(2)のプラズマ酸化を行なう前に、非酸化雰囲気下で低エネルギのイオンを基板表面に照射し基板表面に吸着している不純物の脱離を行なった。また、プラズマ酸化後にも同様な条件で低エネルギイオン照射を行ない、膜の緻密性の向上を図った。その時の圧力は300mTorr、マイクロ波電力150W、イオン照射エネルギー4eVである。この表面クリーニングおよびポスト照射をHe、Ar、Xeプラズマを用いて行なった。その際、ガス種の切り替えはプラズマを消すことなく行なった。プラズマ酸化の条件は、全ての場合で同じである。
【0064】
図11は絶縁耐圧の測定結果を示すグラフである。図11(a),(b),(c)はそれぞれHe、Ar、Xeプラズマを用いて低エネルギイオン照射による表面クリーニングを5分間行なった後に、ゲート絶縁膜を作製し、その後に更に、He、Ar、Xeプラズマを用いて低エネルギイオン照射によるポスト照射を5分間行なったサンプルである。図11において、横軸は絶縁耐圧、縦軸は各絶縁耐圧が得られた素子の頻度を示す。例えば、横軸10MV/cmの棒グラフは、絶縁耐圧が9.5〜10.4 MV/cmの範囲にある素子の発生頻度である。
【0065】
図よりXeプラズマを用いた場合が最も分布のばらつきが小さく、かつ、その絶縁耐圧が大きいことが分かる。これは、Xeイオンが、基板内部に欠陥を作らず、表面にのみ効率よくエネルギを供給できるため、酸化前の基板表面を欠陥を導入することなく最も清浄にでき、かつ、ポスト照射によりダメージを導入することなくゲート酸化膜を緻密にできたからである。
【0066】
尚、本発明を異なるプラズマ源を使用したプラズマ装置、あるいは、異なるプラズマ酸化条件に適用しても同様な効果が得られることは言うまでもない。
【0067】
(実施例4)
本例では、ラジアルラインスロットアンテナプラズマプロセス用装置を用いて、前記基板の表面を低温で酸窒化するプラズマプロセスに応用した場合を示す。
【0068】
本例に使用したラジアルラインスロットアンテナを用いたプラズマプロセス用装置については、実施例3と同様であるため省略する。実施例3と同様にここでは前記基板としてSiウェハを用い、Siウェハ表面をO2、N2で直接酸窒化し、ゲート酸窒化膜を形成した場合について説明する。
【0069】
図12は、本例で作成した素子の断面図と、素子の絶縁破壊注入電荷量の測定系とを合わせて示した模式図である。図12において、絶縁破壊注入電荷量の測定をした素子は、n型Siウェハからなる被処理体7001、フィールド酸化膜7002、ゲート酸窒化膜7003、ゲート電極7004から構成される。また、7005は絶縁破壊注入電荷量の測定に用いた探針、7006は電圧計、7007は定電流源、7008は電流計である。図12に示す素子の形成および絶縁破壊注入電荷量の測定は、次に示す手順で行った。
【0070】
(1)n型Siウェハ7001上に、SiO2からなるフィールド酸化膜7002(厚さ:800nm)を熱酸化法[(H2+O2)ガス、H2=1l/min、O2=1l/min、被処理体の温度=1000℃]で形成後、フィールド酸化膜7002の一部をウェットエッチング処理し、n型Siウェハ7001の表面を露出させた。
【0071】
(2)n型Siウェハ7001の露出させた表面のみ、本発明に係るプラズマプロセス用装置を用いて直接酸窒化させ、SiOxyからなるゲート絶縁膜7003(面積=1.0×10-4cm2、厚さ=5.6nm)を形成した。その際の成膜条件は、初め15分間は、ガス種Ar/He/O2、ガス圧30mTorr,分圧比Ar:He:O2=68%:30%:2%、マイクロ波電力700Wで行ない、残り5分間は、ガス種Ar/He/N2、分圧比Ar:He:N2=68%:30%:2%、マイクロ波パワー700Wである。被処理体は電気的にフローティング状態に保持、被処理体の温度は430℃、とした。
【0072】
(3) フィールド酸化膜7002およびゲート窒化膜7003の上に、Alからなるゲート電極7004(厚さ=1000nm)を蒸着法で形成した。
【0073】
(4) 探針7005をゲート電極7004に接触させ、ゲート電極7004を介して定電流源7007より、電流密度が100mA/cm2となるように、一定電流をn型Siウェハからなる前記基体7001に印加し、ゲート酸窒化膜7003が絶縁破壊する時間を測定した。電流密度値にこの時間をかけたものが絶縁破壊注入電荷量である。
【0074】
図13は絶縁破壊注入電荷量の測定結果を示すグラフである。図13において、横軸は注入電荷量、縦軸は各注入電荷量が得られた素子の累積頻度を示す。実施例3で示したプラズマ酸化膜と本例のプラズマ酸窒化膜を比較している。プラズマ酸窒化膜を用いることにより、高い平均電荷注入量が得られることが分かる。これは、酸化膜形成後に窒化を行なうことにより、ゲート絶縁膜に微量の窒素が混入し特性の改善がなされたためである。
【0075】
【発明の効果】
本発明によれば、基板、あるいは、新たに基板上に堆積・形成する膜および基板の中に、イオン照射に起因して導入される欠陥を劇的に減少させるプラズマプロセス方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】二次イオン強度に対するエッチング深さを示すグラフである。
【図2】本発明に係わるプラズマ装置の一例を示す模式図である。
【図3】Xeを希釈ガスとして用いた場合のSi中の不純物プロファイルを示す。
【図4】本例で作製した素子の断面図と、素子の絶縁耐圧の測定系とを合わせて示した模式図である。
【図5】プラズマ装置の概略図である。
【図6】ゲート電極としてTaを用いた場合の絶縁耐圧の測定結果を示すグラフである。
【図7】実施例2で作成した素子の断面図と、素子の絶縁破壊注入電荷量の測定系とを合わせて示した模式図である。
【図8】絶縁破壊注入電荷量の測定結果を示すグラフである。
【図9】シリコンの直接酸化実験に用いたプラズマ装置の概略図である。
【図10】実施例3で作製した素子の断面図と、素子の絶縁耐圧の測定系とを合わせて示した模式図である。
【図11】絶縁耐圧の測定結果を示すグラフである。
【図12】実施例4で作成した素子の断面図と、素子の絶縁破壊注入電荷量の測定系とを合わせて示した模式図である。
【図13】絶縁破壊注入電荷量の測定結果を示すグラフである。
【符号の説明】
206 真空容器、
207 電極I、
208 基板、
209 フォーカスリング、
210 シャワープレート、
211 電極II、
212 ガス導入口、
213 磁場の印加手段、
214 真空ポンプ、
215 整合回路I、
216 高周波電源I、
217 整合回路II、
218 高周波電源II、
4001 基体、
4002 フィールド酸化膜、
4003 ゲート酸化膜、
4004 ゲート電極、
4005 絶縁耐圧の測定に用いた探針、
4006 電圧計、
4007 電圧印加手段、
4008 電流計、
401 真空容器、
402 電極I、
403 電極II、
404 Taターゲット、
405 シリコンウェハ、
406 整合回路I、
412 整合回路II、
408 高周波電源I、
413 高周波電源II、
5004 ゲート電極、
5005 探針、
5007 定電流源、
5010 Al電極、
901 真空容器、
902 原料ガスの導入口、
903 真空ポンプ、
904 誘電体板、
905 アンテナ、
908 基板、
909 反射板、
6001 基体、
6002 フィールド酸化膜、
6003 ゲート酸化膜、
6004 ゲート電極、
6005 探針、
6006 電圧計、
6007 電圧印加手段、
6008 電流計。
[0001]
[Technical field to which the invention belongs]
The present invention relates to a manufacturing method for realizing a desired process in a plasma process without introducing defects into a substrate.
[0002]
[Prior art]
With the increase in the degree of integration of semiconductor integrated circuits and the reduction in device dimensions, there is a demand for a high-quality and high-speed plasma process that suppresses the introduction of defects into a base substrate. However, for example, by etching the silicon oxide film (SiO 2 ) using C 4 F 8 , CO, O 2 , Ar, impurities such as carbon (C), fluorine (F), and oxygen (O) are formed on the underlying silicon substrate. A depth of 20-50 nm is also introduced as shown in FIG. As a result, when a wiring metal film is formed immediately after etching, the contact resistance of the source / drain layer increases, and the device speed deteriorates. For this reason, the surface of the Si substrate must be removed by several tens of nm after the SiO 2 etching, and then a wiring metal film must be formed, leading to an increase in the number of processes, that is, an increase in manufacturing cost. In addition, with the miniaturization of MOS devices, the source / drain layer must be made extremely shallow to several tens of nm in order to suppress the short channel effect. However, with the current technology, the silicon layer of several tens of nm must be removed after etching. It is impossible to realize.
[0003]
Also, in order to increase the speed of LSI, the sheet resistance of the gate electrode of the MOS device must be 1 Ω / □ or less, but the current high-concentration silicon surface is silicided to several Ω / □. Is the limit. Furthermore, when the salicide technique in which silicide is formed in a self-aligning manner is used, there is a problem that the sheet resistance increases due to the fine line effect when the gate width is 0.2 μm or less. Therefore, in order to reduce the sheet resistance by using pure metal for the gate electrode, there is a demand for a metal film forming method that does not introduce defects into the substrate.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
In order to solve the problems of the conventional example, the present invention dramatically reduces defects introduced due to ion irradiation in a substrate or a film and a substrate newly deposited / formed on the substrate. An object of the present invention is to provide a plasma processing method.
[0005]
[Means for Solving the Problems]
The semiconductor manufacturing method of the present invention dramatically reduces defects introduced into the substrate due to the plasma process by changing the gas species used during the plasma process and changing the ion species incident on the substrate surface. It is characterized by making it. Since the amount of defects introduced into the substrate by ion irradiation increases as the atomic weight or molecular weight of ions increases, the use of atoms / molecules with large atomic weight as the process gas, and the gas flow rate and gas type during the process The amount of defects introduced into the substrate is controlled by changing the above.
[0006]
【Example】
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
[0007]
Example 1
This example shows an example in which the present invention is used in a magnetron plasma etching apparatus.
[0008]
FIG. 2 is a schematic view showing an example of a plasma apparatus according to the present invention. In FIG. 2, 206 is a vacuum vessel, 207 is an electrode I, 208 is a substrate, 209 is a focus ring, 210 is a shower plate, 211 is an electrode II, 212 is a gas inlet, 213 is a magnetic field applying means, and 214 is a vacuum pump. Reference numeral 215 denotes a matching circuit I, 216 denotes a high-frequency power source I, 217 denotes a matching circuit II, and 218 denotes a high-frequency power source II.
[0009]
In the plasma apparatus of FIG. 2, a dipole ring magnet in which a plurality of permanent magnets are arranged in an annular shape is used as the magnetic field applying means 213. The permanent magnets that make up the dipole ring magnet are arranged in such a way that the magnetization direction rotates once while the position of the permanent magnet is half-circular, and generates a magnetic field parallel to the substrate in the vacuum vessel, thereby reducing the plasma density. There is an effect to raise.
[0010]
The gas introduced from the gas inlet 212 is discharged into the process space from a large number of small holes in the shower plate 210. The introduced gas and the reaction product gas released from the substrate surface pass through a space sandwiched between magnetic field applying means 213a and 213b on the side of the substrate, and are exhausted from the plurality of vacuum pumps 214 to the outside. A relatively wide space is provided above the vacuum pump 214 so as not to lower the gas conductance.
[0011]
The high frequency power output from the 13.56 MHz high frequency power source I216 is applied to the electrode I217 through the matching circuit I215 to generate plasma. High-density plasma is efficiently realized by the magnetic field of the dipole ring magnet. However, since the uniformity of the plasma is lost due to electron drift, high frequency power of another frequency is supplied to the upper electrode II211 on the ring.
[0012]
The electrode II211 is a ring-shaped metal plate here, and is provided to improve the in-plane uniformity of the plasma near the surface of the substrate 208. The high frequency power output from the 100 MHz high frequency power supply II 218 is applied to the electrode II 211 through the matching circuit II 217. By balancing the drift of electrons on the surface of the electrode II211 and the drift of electrons on the surface of the substrate 208 caused by applying a magnetic field by applying an appropriate high frequency power to the electrode II211, the plasma near the surface of the substrate 208 is almost completely uniform. It becomes.
[0013]
Using this apparatus, an experiment for etching a BPSG film was conducted. As a substrate to be plasma-treated, an insulating film BPSG is formed to a thickness of 1.5 μm on a Si wafer having a diameter of 200 mm, and a mask material 0.7 μm called a resist is applied thereon, followed by exposure and development processes. A hole pattern having a diameter of 0.18 μm was prepared.
[0014]
Etching conditions are: high frequency power (13.56 MHz) 2000 W applied to electrode I, high frequency power (100 MHz) 400 W applied to electrode II, process pressure 40 mTorr, process gas flow rate C 4 F 8 : 10 sccm, CO: 50 sccm, Ar : 200 sccm, O 2 : 5 sccm. By realizing uniform plasma, high-speed etching at 850 nm / min was achieved with in-plane uniformity of 2% or less.
[0015]
However, after forming the contact hole, after wet cleaning, the wiring metal (Al-Si (1%)) was formed, patterned and etched, and the contact resistance between the wiring metal and the underlying high-concentration silicon layer was measured. The contact resistivity was, on average, 2.5 × 10 −5 Ωcm 2 , which was 1 to 2 digits larger than that obtained conventionally.
[0016]
When the base silicon substrate after etching was measured by a secondary ion mass spectrometer (SIMS), impurities such as carbon (C), fluorine (F), and oxygen (O) had a depth of 20 to 50 nm as shown in FIG. It was found that was also introduced. Since these impurities were introduced, the carrier concentration in Si near the surface decreased, leading to an increase in contact resistance. Therefore, conventionally, several tens of nm of the underlying silicon layer has been removed after etching to obtain a low contact resistance.
[0017]
When the process is performed under the above etching conditions, most of the ion species incident on the substrate surface is Ar + and the incident energy is about 500 eV. On the other hand, the substrate surface is always covered with a thin fluorocarbon (C x F y ) polymer film, and BPSG etching proceeds by irradiating the polymer film with high-energy Ar ions.
[0018]
When all of the BPSG is etched and the underlying silicon layer appears, the deposition rate of the polymer film increases, and the etching of the underlying Si layer stops or the etching rate decreases significantly due to the balance with the etching by high energy Ar ion irradiation. As a result, the underlying silicon layer can be left without being etched.
[0019]
In the actual process, overetching of about 20 to 40% is generally performed in order to surely etch the underlying silicon layer. Therefore, high energy Ar ions are irradiated in a state where a thin C x F y polymer layer is present on the silicon layer. At this time, carbon (C) and fluorine (F) contained in the polymer layer are irradiated. Impurities such as oxygen (O) are introduced into the substrate.
[0020]
The plasma etching method of the present invention is characterized in that the amount of impurities introduced into the underlying silicon layer is reduced by using Xe having a large atomic weight instead of Ar. FIG. 3 shows an impurity profile in Si when Xe is used as a dilution gas. It can be seen that the amount of impurities introduced and their depth are greatly reduced. This is because the atomic radius of Xe is as large as 2.17 Å compared to the atomic radius of Ar being 1.88 、, and it is difficult to be implanted into the polymer and Si substrate, and energy can be efficiently transferred only to the substrate surface. Because. Further, the atomic weights of Ar and Xe are 39.95 and 131.3, respectively, and Xe is heavier than Ar, and has the effect that the transmission efficiency of energy and momentum to the substrate surface is low, making it difficult to create defects. The results as shown in Fig. 1 were obtained.
[0021]
However, when Xe is used, the etching rate is 530 nm / min, which is lower than 850 nm / min when Ar is used. This is because Xe is harder to be driven into the substrate than Ar, and energy and momentum transmission efficiency to the substrate surface is low. A decrease in the etching rate leads to a decrease in throughput and a decrease in apparatus productivity. Therefore, when etching the contact hole, Ar / C 4 F 8 / CO / O 2 is used until 90% of the BPSG film thickness is etched, and then Ar is switched to Xe to perform etching. While suppressing the introduction of impurities into the substrate, the increase in process time could be suppressed. This also led to a reduction in the amount of expensive Xe used, thereby reducing costs.
[0022]
Needless to say, the same effect can be obtained when the present invention is applied to a plasma apparatus using a different plasma source or other process conditions.
[0023]
(Example 2)
In this example, an example in which the present invention is applied to a magnetron sputtering apparatus is shown.
[0024]
FIG. 4 is a schematic diagram showing a cross-sectional view of the element manufactured in this example and a measurement system for the withstand voltage of the element. In FIG. 4, the element whose dielectric strength is measured is composed of the base body 4001 made of an n-type Si wafer, a field oxide film 4002, a gate oxide film 4003, and a gate electrode 4004. Reference numeral 4005 denotes a probe used for measuring the withstand voltage, 4006 denotes a voltmeter, 4007 denotes a voltage applying means, and 4008 denotes an ammeter.
[0025]
The formation of the element shown in FIG. 4 and the measurement of the withstand voltage were performed according to the following procedure.
[0026]
(1) A field oxide film 4002 (thickness: 500 nm) made of SiO 2 is deposited on an n-type Si wafer 4001 by a thermal oxidation method [(H 2 + O 2 ) gas, H 2 = 1 l / min, O 2 = 1 l / min, the temperature of the object to be processed = 1000 ° C.], a part of the field oxide film 4002 was wet-etched to expose the surface of the n-type Si wafer 4001.
[0027]
(2) Only on the exposed surface of the n-type Si wafer 4001, a gate oxide film (SiO 2 ) 4003 (area = 1) by a thermal oxidation method [O 2 gas, 2 l / min, temperature of the object to be processed = 900 ° C.] 0.0 × 10 −4 cm 2 , thickness = 10.2 nm).
[0028]
(3) A gate electrode material 4004 (thickness = 200 nm) was formed, and a gate electrode was formed by a lithography process and an etching process. Note that polycrystalline silicon doped with Ta and phosphorus by about 10 20 cm −3 was used as the gate electrode material. All film thicknesses are 200 nm. The Ta film forming conditions are shown separately. The conditions for forming the polycrystalline silicon film are as follows: the substrate temperature is 650 ° C., the pressure is 100 Torr, the type of gas used and the flow rate are N 2 : SiH 4 : PH 3 = 9950 sccm: 50 sccm: 0.5 sccm. Annealing is performed at 850 ° C. for 30 minutes in an N 2 atmosphere.
[0029]
(4) An interlayer insulating film SiO 2 (thickness: 400 nm) was deposited at 400 ° C. by an atmospheric pressure CVD method, and contact holes were formed by a lithography process and an etching process.
[0030]
(5) An Al electrode was formed, and finally sintering annealing was performed at 400 ° C. for 30 minutes in an N 2 / H 2 = 1.8 slm: 0.2 slm atmosphere.
[0031]
(6) A voltage at which the probe 4005 is brought into contact with the electrode 4010 and a DC voltage is applied to the object 4001 made of an n-type Si wafer via the gate electrode 4004, and the gate oxide film 4003 breaks down (ie, withstand voltage). Was measured with a voltmeter 4006.
[0032]
FIG. 5 shows a schematic diagram of the plasma apparatus used when sputtering Ta film as the gate electrode of the MOS diode. The plasma apparatus shown in FIG. 5 includes two parallel plate type electrodes I402 and II403 in a vacuum vessel 401, a Ta target 404 is deposited on the electrode II, and a film is deposited on the electrode I. A silicon wafer 405 is mounted, a matching circuit I406, a matching circuit II412, a high-frequency power source I408, a high-frequency power source for the purpose of introducing a source gas into the container and applying a high frequency to the electrode I and the electrode II II 413 is connected. In order to control the film forming speed, a DC power source 417 is connected to the electrode II via a low-pass filter 416.
[0033]
A dipole ring magnet 414 in which a plurality of permanent magnets are arranged in an annular shape to apply a magnetic field to the target surface is provided outside the container, and is generated near the target surface in a region outside the outer peripheral edge of the target. Auxiliary electrode A410 provided with a means for adjusting the junction impedance provided at the portion that is electrically joined to the electrode II for the purpose of making the plasma density uniform is provided, and in the region outside the outer peripheral edge of the target, Auxiliary to which high frequency power independent from the high frequency applied to the electrodes I and II is applied to a position separated from the electrode II for the purpose of equalizing the density of plasma generated near the target surface. An electrode B411 is provided.
[0034]
The gas introduced into the container passes through a space sandwiched between magnetic field applying means 414a and 414b on the side of the substrate, and is exhausted from the plurality of vacuum pumps 415 to the outside. A relatively wide space is provided above the vacuum pump so as not to lower the gas conductance.
[0035]
The frequency of the high frequency power applied to the electrode I was 13.56 MHz, the frequency applied to the electrode II was 42.4 MHz, and the frequency applied to the auxiliary electrode B was 100 MHz. The frequency of the high frequency applied to each electrode is not limited to the above value, but the frequency of the high frequency applied to the auxiliary electrode B lowers the self-bias potential applied to the auxiliary electrode B, and causes its own sputtering. It is preferable to set as high as possible to avoid.
[0036]
The sputter deposition conditions for forming bcc tantalum are shown below. In general, when Ta is formed by sputtering, a thin film having a crystal structure different from that of a bulk having a large specific resistance of 160 μΩcm called b-Ta is formed.
[0037]
In this example, the ion irradiation conditions, that is, the ion irradiation amount and the ion irradiation energy are independently and precisely controlled by the supply power of the high frequency power supply II 413 and the supply power of the high frequency power supply II 408, respectively, and the specific resistance is 14 μΩcm, one digit. As described above, a Ta film having a small bcc structure was formed. The Ta film was formed in two cases using Ar plasma and Xe plasma.
[0038]
(1) Ar plasma gas pressure: 7 mTorr
Gas flow rate: 250sccm
High frequency power I (target): 1000W
High frequency power II (substrate): 0W
High frequency power B (auxiliary electrode B): 200 W
Target voltage: -70V
Energy of ions incident on the substrate: 20 eV
[0039]
(2) Xe plasma gas pressure: 7 mTorr
Gas flow rate: 250sccm
High frequency power I (target): 1000W
High frequency power II (substrate): 250W
High frequency power B (auxiliary electrode B): 100 W
Target voltage: -95V
Energy of ions incident on the substrate: 45 eV
[0040]
FIG. 6 is a graph showing the measurement result of the withstand voltage when Ta is used as the gate electrode. Compared to the case of using Ar, when the film is formed using Xe, the breakdown voltage distribution has a higher value. This is because the atomic radius of Xe is as large as 2.17 Å compared to the atomic radius of Ar being 1.88 、, and it is difficult to be implanted into the substrate, and energy can be efficiently transmitted only to the substrate surface. . In addition, the atomic weights of Ar and Xe are 39.95 and 131.3, respectively, and Xe is heavier than Ar and has the effect of low energy and momentum transfer efficiency to the substrate surface, making it difficult to create defects in the gate insulating film. There was also a result as shown in FIG.
[0041]
FIG. 7 is a schematic view showing a cross-sectional view of the element prepared in this example and a measurement system for the dielectric breakdown injection charge amount of the element. In FIG. 7, the element whose dielectric breakdown injection charge was measured is the same as the element shown in FIG. The dielectric breakdown injection charge amount was measured according to the following procedure.
[0042]
(1) The probe 5005 is brought into contact with the Al electrode 5010, and a constant current is supplied from the constant current source 5007 through the gate electrode 5004 so that the current density is 100 mA / cm 2. And the time for the gate oxide film 5003 to break down was measured. The current density value multiplied by this time is the dielectric breakdown injection charge amount.
[0043]
FIG. 8 is a graph showing the measurement results of the dielectric breakdown injection charge amount. In FIG. 8, the horizontal axis represents the injected charge amount, and the vertical axis represents the cumulative frequency of the element from which each injected charge amount was obtained. As a gate electrode material, a Ta thin film formed by sputtering using Ar plasma and Xe plasma, and polycrystalline silicon doped with about 10 20 cm −3 of phosphorus were used. All film thicknesses are 200 nm. The following points became clear from FIG.
[0044]
(1) An element in which a Ta gate electrode is produced by Ar plasma has a wide distribution of injected charge amount (that is, the uniformity of the film quality of the gate oxide film is poor) and the average charge injection amount is C / cm 2 . It was low.
[0045]
(2) An element in which a Ta gate electrode is produced with the Xe plasma of the present invention has a narrow distribution of injected charge amount (that is, good uniformity in film quality) and a high average charge injection amount of C / cm 2. The result is equivalent to that using crystalline silicon for the gate electrode. Furthermore, when Ta is used for the gate electrode, the sheet resistance of the gate can be reduced to 0.7Ω / □, which is a target of 1Ω / □ or less, and the speed of the device can be increased.
[0046]
From the results of the dielectric breakdown characteristics and dielectric breakdown injection charge amount characteristics of the gate insulating film described above, when the metal gate electrode is formed by sputtering film formation, it is applied to the base gate oxide film by using Xe plasma instead of Ar plasma. It is possible to eliminate almost no damage. This is because Xe ions are less likely to enter the substrate than Ar ions, and it is easy to effectively supply energy to the substrate surface, and Xe ions are more efficient in transferring energy and momentum to the substrate surface than Ar ions. This also has the effect of making it difficult to form defects in the gate insulating film, and the results shown in FIGS. 6 and 8 were obtained.
[0047]
The elucidation of the above mechanism is further clarified from the results of sputtering film formation using He, Ne, Kr plasma in addition to Ar and Xe, and Xe having the largest atomic number among the rare gases excluding the radioactive element Rn Is optimal. However, Xe has an atmospheric content of 0.087 ppm by volume, which is very small compared to 9340 ppm by volume of Ar, and the price of Xe gas is more than 100 times that of Ar gas. Therefore, switching the gas during the process is suitable from the viewpoint of cost reduction.
[0048]
In the gate electrode formation step, the initial step of starting to deposit the gate electrode on the gate oxide film is most likely to damage the gate insulating film and is important. Therefore, the first 20 nm is formed with Xe plasma, and thereafter When the gas was switched and the remaining 180 nm was deposited with Ar plasma, the same results as those obtained with the Xe plasma were obtained.
[0049]
Therefore, when the gate electrode is formed on the gate insulating film, an initial process is performed with Xe plasma, and thereafter, a method using a rare gas different from Xe is suitable from the viewpoint of cost reduction. From the viewpoints of sputtering rate, conditions for forming Ta of the bcc structure, and the price of gas, a method using Ar after Xe is most suitable. Alternatively, if the cost is reduced by providing means for collecting and reusing the rare gas used in the process from the latter stage of the pump, the same running cost can be realized even if the process is performed using Xe.
[0050]
Needless to say, the same effect can be obtained when the present invention is applied to a plasma apparatus using a different plasma source or a plasma film formation of a different material.
[0051]
Example 3
In this example, the present invention is applied to a plasma oxidation process in which a radial line slot antenna plasma apparatus is used and a silicon substrate surface is oxidized at a low temperature.
[0052]
First, FIG. 9 shows a schematic diagram of a plasma apparatus used in a silicon direct oxidation experiment. This plasma apparatus has a vacuum vessel 901, a source gas inlet 902 necessary for generating plasma in the vessel, and a vacuum pump 903 for exhausting the source gas introduced into the vessel. A part of the wall portion is a dielectric plate 904 made of a material that can transmit microwaves with substantially no loss, and an antenna 905 that radiates microwaves is installed outside the container across the dielectric plate. ing.
[0053]
An electrode 906 for placing a substrate 908 to be processed is provided inside the container, and the microwave radiation surface of the antenna and the surface on which the substrate is subjected to plasma processing are opposed substantially in parallel. Are arranged. The electrode 906 is provided with a heating mechanism so that the substrate temperature can be raised during the process.
[0054]
A reflector 909 is provided for the purpose of preventing the microwave radiated from the antenna from propagating to the exhaust port side and generating plasma uniformly only on the substrate. Further, in order to make the introduction of the source gas uniform, the source gas of this apparatus is introduced into the process space through a large number of small holes through the shower plate 907. This source gas is exhausted from the plurality of vacuum pumps 903 to the outside. A relatively wide space is provided above each vacuum pump so as not to lower the conductance of the gas.
[0055]
As described above, when a plurality of vacuum pumps arranged at substantially equal intervals on the side of the substrate are exhausted, a gas flow on the substrate that is uniform in the rotation direction can be realized with almost no decrease in gas conductance.
[0056]
In this example, a radial line slot antenna is used as a microwave antenna, and the present invention is applied to a plasma oxidation process in which a silicon substrate surface is oxidized at a low temperature.
[0057]
Here, a case will be described in which a Si wafer is used as the substrate, and the gate oxide film is formed by directly oxidizing the surface of the Si wafer with gas plasma containing O 2 . FIG. 10 is a schematic diagram showing a cross-sectional view of the element manufactured in this example and a measurement system for the withstand voltage of the element. In FIG. 10, the element whose dielectric strength is measured is composed of the base 6001 made of an n-type Si wafer, a field oxide film 6002, a gate oxide film 6003, and a gate electrode 6004. Reference numeral 6005 denotes a probe used for measuring the withstand voltage, 6006 denotes a voltmeter, 6007 denotes a voltage applying means, and 6008 denotes an ammeter.
[0058]
The formation of the element shown in FIG. 10 and the measurement of the withstand voltage were performed according to the following procedure.
[0059]
(1) A field oxide film 6002 (thickness: 800 nm) made of SiO 2 is deposited on an n-type Si wafer 6001 by a thermal oxidation method [(H 2 + O 2 ) gas, H 2 = 1 l / min, O 2 = 1 l / min, the temperature of the object to be processed = 1000 ° C.], a part of the field oxide film 6002 was wet-etched to expose the surface of the n-type Si wafer 6001.
[0060]
(2) Only the exposed surface of the n-type Si wafer 6001 is directly oxidized using the plasma processing apparatus according to the present invention, and a gate oxide film 6003 made of SiO 2 (area = 1.0 × 10 −4 cm 2). , Thickness = 7.6 nm). The film forming conditions at that time are as follows: the film forming gas is Ar / He / O 2 , the gas pressure is 30 mTorr, the partial pressure ratio is Ar: He: O 2 = 68%: 30%: 2%, the microwave power is 700 W, the oxidation The treatment time was 20 minutes, the substrate was kept in an electrically floating state, and the temperature of the object to be treated was 430 ° C. However, the film forming conditions are not limited to this.
[0061]
(3) A gate electrode 6004 (thickness = 1000 nm) made of Al was formed on the field oxide film 6002 and the gate oxide film 6003 by an evaporation method.
[0062]
(4) A probe 6005 is brought into contact with the gate electrode 6004, a DC voltage is applied to the object 6001 made of an n-type Si wafer via the gate electrode 6004, and a voltage at which the gate oxide film 6003 breaks down (that is, withstand voltage) ) Was measured with a voltmeter 6006.
[0063]
Prior to the plasma oxidation of (2), the substrate surface was irradiated with low energy ions in a non-oxidizing atmosphere to desorb impurities adsorbed on the substrate surface. Also, after plasma oxidation, low energy ion irradiation was performed under the same conditions to improve the denseness of the film. The pressure at that time is 300 mTorr, the microwave power is 150 W, and the ion irradiation energy is 4 eV. This surface cleaning and post irradiation were performed using He, Ar, and Xe plasmas. At that time, the gas type was switched without turning off the plasma. The plasma oxidation conditions are the same in all cases.
[0064]
FIG. 11 is a graph showing the measurement results of the withstand voltage. 11A, 11B, and 11C, respectively, after performing surface cleaning by low energy ion irradiation for 5 minutes using He, Ar, and Xe plasmas, a gate insulating film is formed, and then He is further added. This sample was subjected to post irradiation by low energy ion irradiation for 5 minutes using Ar, Xe plasma. In FIG. 11, the horizontal axis indicates the withstand voltage, and the vertical axis indicates the frequency of the element from which each withstand voltage is obtained. For example, a bar graph with a horizontal axis of 10 MV / cm is the frequency of occurrence of elements having a withstand voltage in the range of 9.5 to 10.4 MV / cm.
[0065]
From the figure, it can be seen that the distribution variation is the smallest and the withstand voltage is large when Xe plasma is used. This is because Xe ions do not create defects inside the substrate and can efficiently supply energy only to the surface, so that the substrate surface before oxidation can be cleaned most without introducing defects, and damage can be caused by post irradiation. This is because the gate oxide film can be made dense without introduction.
[0066]
It goes without saying that the same effect can be obtained even if the present invention is applied to a plasma apparatus using different plasma sources or different plasma oxidation conditions.
[0067]
Example 4
In this example, a case where the present invention is applied to a plasma process in which the surface of the substrate is oxynitrided at a low temperature using a radial line slot antenna plasma process apparatus is shown.
[0068]
Since the plasma processing apparatus using the radial line slot antenna used in this example is the same as that of the third embodiment, a description thereof will be omitted. In the same manner as in Example 3, a case will be described in which a Si wafer is used as the substrate, and the surface of the Si wafer is directly oxynitrided with O 2 and N 2 to form a gate oxynitride film.
[0069]
FIG. 12 is a schematic view showing a cross-sectional view of the element prepared in this example and a measurement system for the dielectric breakdown injection charge amount of the element. In FIG. 12, the element whose dielectric breakdown injection charge is measured is composed of an object 7001 made of an n-type Si wafer, a field oxide film 7002, a gate oxynitride film 7003, and a gate electrode 7004. Reference numeral 7005 is a probe used for measuring the dielectric breakdown injection charge amount, 7006 is a voltmeter, 7007 is a constant current source, and 7008 is an ammeter. The formation of the element shown in FIG. 12 and the measurement of the dielectric breakdown injection charge amount were performed according to the following procedure.
[0070]
(1) A field oxide film 7002 (thickness: 800 nm) made of SiO 2 is deposited on an n-type Si wafer 7001 by a thermal oxidation method [(H 2 + O 2 ) gas, H 2 = 1 l / min, O 2 = 1 l / min, the temperature of the object to be processed = 1000 ° C.], a part of the field oxide film 7002 was wet-etched to expose the surface of the n-type Si wafer 7001.
[0071]
(2) Only the exposed surface of the n-type Si wafer 7001 is directly oxynitrided using the plasma processing apparatus according to the present invention, and the gate insulating film 7003 made of SiO x N y (area = 1.0 × 10 −). 4 cm 2 , thickness = 5.6 nm). The film formation conditions at that time are initially performed for 15 minutes at a gas species of Ar / He / O 2 , a gas pressure of 30 mTorr, a partial pressure ratio of Ar: He: O 2 = 68%: 30%: 2%, and a microwave power of 700 W. The remaining 5 minutes are the gas species Ar / He / N 2 , the partial pressure ratio Ar: He: N 2 = 68%: 30%: 2%, and the microwave power 700 W. The object to be processed was kept in an electrically floating state, and the temperature of the object to be processed was 430 ° C.
[0072]
(3) A gate electrode 7004 (thickness = 1000 nm) made of Al was formed on the field oxide film 7002 and the gate nitride film 7003 by vapor deposition.
[0073]
(4) The probe 7005 is brought into contact with the gate electrode 7004, and a constant current is supplied from the constant current source 7007 through the gate electrode 7004 so that the current density is 100 mA / cm 2. And the time for the dielectric breakdown of the gate oxynitride film 7003 was measured. The current density value multiplied by this time is the dielectric breakdown injection charge amount.
[0074]
FIG. 13 is a graph showing the measurement results of the dielectric breakdown injection charge amount. In FIG. 13, the horizontal axis represents the injected charge amount, and the vertical axis represents the cumulative frequency of the element from which each injected charge amount was obtained. The plasma oxide film shown in Example 3 is compared with the plasma oxynitride film of this example. It can be seen that a high average charge injection amount can be obtained by using the plasma oxynitride film. This is because by performing nitridation after the oxide film is formed, a small amount of nitrogen is mixed into the gate insulating film, thereby improving the characteristics.
[0075]
【The invention's effect】
According to the present invention, it is possible to provide a plasma processing method capable of dramatically reducing defects introduced due to ion irradiation in a substrate, or a film and a substrate newly deposited / formed on the substrate. it can.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a graph showing etching depth with respect to secondary ion intensity.
FIG. 2 is a schematic view showing an example of a plasma apparatus according to the present invention.
FIG. 3 shows an impurity profile in Si when Xe is used as a dilution gas.
FIG. 4 is a schematic view showing a cross-sectional view of an element manufactured in this example together with a measurement system for the withstand voltage of the element.
FIG. 5 is a schematic view of a plasma apparatus.
FIG. 6 is a graph showing measurement results of dielectric strength voltage when Ta is used as a gate electrode.
FIG. 7 is a schematic view showing a cross-sectional view of the device prepared in Example 2 together with a measurement system for the dielectric breakdown injection charge amount of the device.
FIG. 8 is a graph showing measurement results of dielectric breakdown injection charge amount.
FIG. 9 is a schematic view of a plasma apparatus used in a silicon direct oxidation experiment.
10 is a schematic view showing a cross-sectional view of the element manufactured in Example 3 together with a measurement system for the withstand voltage of the element. FIG.
FIG. 11 is a graph showing measurement results of dielectric strength voltage.
12 is a schematic view showing a cross-sectional view of an element prepared in Example 4 together with a measurement system for a dielectric breakdown injection charge amount of the element. FIG.
FIG. 13 is a graph showing measurement results of dielectric breakdown injection charge amount.
[Explanation of symbols]
206 vacuum vessel,
207 Electrode I,
208 substrates,
209 Focus ring,
210 shower plate,
211 electrode II,
212 gas inlet,
213 means for applying a magnetic field,
214 vacuum pump,
215 matching circuit I,
216 high frequency power supply I,
217 matching circuit II,
218 High-frequency power supply II,
4001 substrate,
4002 Field oxide film,
4003 Gate oxide film,
4004 Gate electrode,
4005 The probe used to measure the withstand voltage,
4006 Voltmeter,
4007 voltage applying means,
4008 ammeter,
401 vacuum vessel,
402 electrode I,
403 Electrode II,
404 Ta target,
405 silicon wafer,
406 matching circuit I,
412 matching circuit II,
408 high frequency power supply I,
413 high frequency power supply II,
5004 Gate electrode,
5005 probe,
5007 constant current source,
5010 Al electrode,
901 vacuum vessel,
902 Source gas inlet,
903 vacuum pump,
904 dielectric plate,
905 antenna,
908 substrate,
909 reflector,
6001 substrate,
6002 Field oxide film,
6003 Gate oxide film,
6004 gate electrode,
6005 probe,
6006 Voltmeter,
6007 voltage applying means,
6008 Ammeter.

Claims (6)

エッチングをプラズマを用いて行う際、プロセスを行っている最中に、Arを含むガスからXeを含むガスに切り替えることを特徴とする半導体製造方法。  A semiconductor manufacturing method characterized in that, when etching is performed using plasma, a gas containing Ar is switched to a gas containing Xe during the process. 前記エッチングは層間絶縁膜のエッチングであることを特徴とする請求項1記載の半導体製造方法。  2. The semiconductor manufacturing method according to claim 1, wherein the etching is etching of an interlayer insulating film. プラズマを用いて成膜する際、プロセスを行っている最中に、Xeを含むガスからArを含むガスに切り替えることを特徴とする半導体製造方法。  A semiconductor manufacturing method characterized in that, when a film is formed using plasma, a gas containing Xe is switched to a gas containing Ar during the process. 前記成膜は絶縁膜上への電極の成膜であることを特徴とする請求項3記載の半導体製造方法。  4. The semiconductor manufacturing method according to claim 3, wherein the film formation is an electrode film formation on an insulating film. 前記成膜はゲート絶縁膜上へのゲート電極の成膜であることを特徴とする請求項4記載の半導体製造方法。  The semiconductor manufacturing method according to claim 4, wherein the film formation is film formation of a gate electrode on a gate insulating film. 前記成膜はスパッタ成膜であることを特徴とする請求項3ないし5のいずれか1項記載の半導体製造方法。  6. The semiconductor manufacturing method according to claim 3, wherein the film formation is sputter film formation.
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