JP4361078B2 - Insulating film formation method - Google Patents
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Description
本発明は、様々な特性(例えば、極薄膜厚の制御や、高い清浄度等)に優れた絶縁膜を効率よく(例えば、一つの反応室で様々な工程を行うことによる小さいフットプリントや、同一の動作原理の反応室で様々な工程を行うことによる操作性の簡略化、装置間のクロスコンタミネーションの抑制等)製造する方法に関する。本発明の電子デバイス材料の製造方法は、例えば半導体ないし半導体デバイス(例えば、特性に優れたゲート絶縁膜を有するMOS型半導体構造を有するもの)用の材料を形成するために好適に使用することが可能である。 The present invention can efficiently produce an insulating film excellent in various characteristics (for example, control of ultrathin film thickness, high cleanliness, etc.) (for example, a small footprint by performing various processes in one reaction chamber, The present invention relates to a manufacturing method (simplification of operability by performing various processes in reaction chambers having the same operation principle, suppression of cross-contamination between apparatuses, etc.). The method for producing an electronic device material of the present invention can be suitably used for forming a material for, for example, a semiconductor or a semiconductor device (for example, a material having a MOS type semiconductor structure having a gate insulating film having excellent characteristics). Is possible.
本発明は半導体ないし半導体装置、液晶デバイス等の電子デバイス材料の製造に一般的に広く適用可能であるが、ここでは説明の便宜のために、半導体装置(devices)の背景技術を例にとって説明する。 The present invention is generally widely applicable to the manufacture of electronic device materials such as semiconductors, semiconductor devices, and liquid crystal devices. Here, for convenience of explanation, the background technology of semiconductor devices will be described as an example. .
シリコンを始めとする半導体ないし電子デバイス材料用基材には、酸化膜を始めとする絶縁膜の形成、CVD等による成膜、エッチング等の種々の処理が施される。 Various treatments such as formation of an insulating film including an oxide film, film formation by CVD, etching, and the like are performed on a base material for a semiconductor or electronic device material including silicon.
近年の半導体デバイスの高性能化は、トランジスタを始めとする該デバイスの微細化技術の上に発展してきたといっても過言ではない。現在も更なる高性能化を目指してトランジスタの微細化技術の改善がなされている。近年の半導体装置の微細化、および高性能化の要請に伴い、(例えば、リーク電流の点で)より高性能な絶縁膜に対するニーズが著しく高まって来ている。これは、従来の比較的に集積度が低いデバイスにおいては事実上問題とならなかったような程度のリーク電流であっても、近年の微細化・高集積化および/又は高性能化したデバイスにおいては、シビアな問題を生ずる可能性があるためである。特に、近年始まった、いわゆるユビキタス社会(何時でもどこでもネットワークに繋がる電子デバイスを媒体にした情報化社会)における携帯型電子機器の発達には低消費電力デバイスが必須であり、このリーク電流の低減が極めて重要な課題となる。 It is no exaggeration to say that the recent high performance of semiconductor devices has developed on the miniaturization technology of the devices including transistors. At present, transistor miniaturization technology is being improved with the aim of achieving higher performance. With the recent demand for miniaturization and higher performance of semiconductor devices, the need for higher performance insulating films (for example, in terms of leakage current) has increased remarkably. Even in the case of a leakage current of a level that is not practically a problem in a conventional device having a relatively low degree of integration, in a device that has been miniaturized, highly integrated, and / or improved in performance in recent years. This may cause severe problems. In particular, low power consumption devices are essential for the development of portable electronic devices in the so-called ubiquitous society that has started in recent years (information society using electronic devices connected to networks anytime and anywhere). This is a very important issue.
典型的には、例えば、次世代MOSトランジスタを開発する上で、上述したような微細化技術が進むにつれてゲート絶縁膜の薄膜化が限界に近づいてきており、克服すべき大きな課題が現れてきた。すなわち、プロセス技術としては現在ゲート絶縁膜として用いられているシリコン酸化膜(SiO2)を極限(1〜2原子層レベル)まで薄膜化することは可能であるものの、2nm以下の膜厚まで薄膜化を行った場合、量子効果によるダイレクトトンネルによるリーク電流の指数関数的な増加が生じ、消費電力が増大してしまうという問題点である。 Typically, for example, in developing a next-generation MOS transistor, as the miniaturization technology as described above progresses, the thinning of the gate insulating film is approaching the limit, and a big problem to be overcome has appeared. . That is, as a process technology, it is possible to reduce the silicon oxide film (SiO 2 ) currently used as a gate insulating film to the limit (1 to 2 atomic layer level), but the film thickness is 2 nm or less. In the case of the conversion, the leakage current due to the direct tunnel due to the quantum effect increases exponentially, and the power consumption increases.
現在、IT(情報技術)市場はデスクトップ型パーソナルコンピュータや家庭電話等に代表される固定式電子デバイス(コンセントから電力を供給するデバイス)から、インターネット等にいつでもどこでもアクセスできる「ユビキタス・ネットワーク社会」への変貌を遂げようとしている。従って、ごく近い将来に、携帯電話やカーナビゲーションゲーションシステムなどの携帯端末が主流となると考えられる。このような携帯端末は、それ自体が高性能デバイスであることが要求されるが、これと同時に、上記の固定式デバイスではそれほど必要とされない小型、軽量かつ長時間使用に耐えうる機能を備えていることが前提となる。よって、携帯端末においては、これらの高性能化を図りつつ、しかも消費電力の低減化が極めて重要な課題となっている。 Currently, the IT (information technology) market is moving from fixed electronic devices (devices that supply power from outlets) represented by desktop personal computers and home phones to a “ubiquitous network society” that allows access to the Internet, etc. anytime and anywhere. Is trying to achieve the transformation. Accordingly, in the very near future, mobile terminals such as mobile phones and car navigation systems will become mainstream. Such a portable terminal is required to be a high-performance device itself, but at the same time, it has a small size, a light weight, and a function that can withstand long-term use that are not so necessary for the above-mentioned fixed device. It is assumed that Therefore, in mobile terminals, it is extremely important to reduce power consumption while achieving higher performance.
典型的には、例えば、次世代MOSトランジスタを開発する上で、高性能のシリコンLSIの微細化を追求していくとリーク電流が増大して、消費電力も増大するという問題が生じている。そこで性能を追求しつつ消費電力を少なくするためには、MOSトランジスタのゲートリーク電流を増加させずにトランジスタの特性を向上させることが必要となる。 Typically, for example, when developing a next-generation MOS transistor, if the miniaturization of a high-performance silicon LSI is pursued, there is a problem that leakage current increases and power consumption also increases. Therefore, in order to reduce power consumption while pursuing performance, it is necessary to improve the transistor characteristics without increasing the gate leakage current of the MOS transistor.
このような微細化および特性の向上を両立させるためには、良質で且つ薄い(例えば、膜厚が15A;オングストロ−ム以下程度)絶縁膜の形成が不可欠である。 In order to achieve both such miniaturization and improvement in characteristics, it is indispensable to form a high-quality and thin insulating film (for example, a film thickness of 15 A; about angstrom or less).
しかしながら、良質で且つ薄い絶縁膜の形成は極めて困難である。例えば、従来の熱酸化法またはCVD(化学気相堆積法)により、このような絶縁膜を成膜した場合には、膜質または膜厚のいずれか一方の特性が不充分であった。 However, it is very difficult to form a high-quality and thin insulating film. For example, when such an insulating film is formed by a conventional thermal oxidation method or CVD (Chemical Vapor Deposition) method, either the film quality or the film thickness is insufficient.
本発明の目的は、上記した従来技術の欠点を解消した電子デバイス用基材上の薄い絶縁膜の形成方法を提供することにある。 An object of the present invention is to provide a method for forming a thin insulating film on a substrate for electronic devices, which has solved the above-mentioned drawbacks of the prior art.
本発明の他の目的は、その後の処理(CVD等による成膜、エッチング等)を好適に行うことが可能な、膜質または膜厚のいずれも優れた絶縁膜を与えることができる、電子デバイス用基材表面の薄い絶縁膜の形成方法を提供することにある。 Another object of the present invention is for an electronic device capable of providing an insulating film excellent in both film quality and film thickness, which can be suitably subjected to subsequent processing (film formation by CVD, etching, etc.). An object of the present invention is to provide a method for forming a thin insulating film on a substrate surface.
本発明の更に他の目的は、同一の動作原理を用いて上記絶縁膜の形成に関する様々な工程を行うことで、装置形体の簡略化を実現し、特性の優れた絶縁膜を効率よく形成することにある。 Still another object of the present invention is to perform various processes related to the formation of the insulating film using the same operating principle, thereby simplifying the device shape and efficiently forming an insulating film having excellent characteristics. There is.
本発明者は鋭意研究の結果、従来のような一つの装置で一つの工程を行うだけではなく、一つの装置で様々な工程を行うことが可能な方法を用いて絶縁膜を形成することが上記目的達成の為に極めて効果的であることを見出した。 As a result of earnest research, the present inventor can form an insulating film by using a method capable of performing not only one process with a conventional apparatus but also various processes with one apparatus. It has been found that it is extremely effective for achieving the above objective.
本発明による電子デバイス用基材表面の絶縁膜の形成方法は上記知見に基づくものであり、より詳しくは、電子デバイス用基材上に絶縁膜を形成するプロセスにおいて、該工程に含まれる絶縁膜特性を制御する2以上の工程が、同一の動作原理下で行われることを特徴とするものである。 The method for forming an insulating film on the surface of an electronic device substrate according to the present invention is based on the above knowledge, and more specifically, in the process of forming an insulating film on the substrate for electronic device, the insulating film included in the step Two or more steps for controlling the characteristics are performed under the same operation principle.
本発明においては、例えば、電子デバイス用基材に少なくとも希ガスを含む処理ガスを用いたプラズマを照射することでクリーニング効果を得るものや、同様のプラズマに酸素や窒素を含むことで酸化や窒化を行うもの、酸化膜を始めとする酸素原子を含む絶縁膜に同様のプラズマに少なくとも水素を含むことで絶縁膜の厚さを低減させることができる。 In the present invention, for example, a substrate for an electronic device is irradiated with plasma using a processing gas containing at least a rare gas, or a similar plasma is oxidized or nitrided by containing oxygen or nitrogen. The thickness of the insulating film can be reduced by including at least hydrogen in the same plasma in the insulating film containing oxygen atoms including the oxide film.
上記構成を有する本発明の絶縁膜の形成方法によれば、例えば、膜質に重点を置いて任意の厚さの膜を形成した後に、特定のプラズマ処理により薄膜化することにより、任意の膜厚の絶縁膜を容易に得ることができる。 According to the method for forming an insulating film of the present invention having the above-described configuration, for example, after forming a film having an arbitrary thickness with emphasis on film quality, the film is thinned by a specific plasma treatment to thereby form an arbitrary film thickness. This insulating film can be easily obtained.
本発明は、例えば、以下の態様をも包含する。 The present invention includes, for example, the following aspects.
[1] 電子デバイス用基材上に絶縁膜を形成するプロセスにおいて、該工程に含まれる絶縁膜特性を制御する2以上の工程が、同一の動作原理下で行われることを特徴とする基材表面の絶縁膜の形成方法。 [1] In a process for forming an insulating film on a substrate for electronic devices, two or more steps for controlling insulating film characteristics included in the step are performed under the same operating principle. A method for forming a surface insulating film.
[2] 前記同一の動作原理下で行われる工程が、前記基材表面および/又は絶縁膜の洗浄、酸化、窒化、およびエッチングからなる群から選ばれる2以上の工程である[1]に記載の絶縁膜の形成方法。 [2] The process performed under the same operating principle is two or more processes selected from the group consisting of cleaning, oxidation, nitriding, and etching of the substrate surface and / or the insulating film. Of forming an insulating film.
[3] 前記電子デバイス用基材が、半導体材料である[1]または[2]に記載の絶縁膜の形成方法。 [3] The method for forming an insulating film according to [1] or [2], wherein the electronic device substrate is a semiconductor material.
[4] 前記電子デバイス用基材が、単結晶シリコンを主成分とする基板である[1]〜[3]のいずれかに記載の絶縁膜の形成方法。 [4] The method for forming an insulating film according to any one of [1] to [3], wherein the base material for an electronic device is a substrate mainly composed of single crystal silicon.
[5] 前記動作原理が、少なくとも希ガスを含む処理ガスに基づくプラズマを含む[1]〜[4]のいずれかに記載の絶縁膜の形成方法。 [5] The method for forming an insulating film according to any one of [1] to [4], wherein the operation principle includes plasma based on a processing gas including at least a rare gas.
[6] 前記プラズマが、平面アンテナ部材(スロットプレインアンテナ)を介するマイクロ波照射に基づくプラズマである[5]に記載の絶縁膜の形成方法。 [6] The insulating film forming method according to [5], wherein the plasma is plasma based on microwave irradiation via a planar antenna member (slot plane antenna).
[7] 前記プロセスが洗浄工程を含み、且つ、該洗浄工程が、少なくとも希ガスを含む処理ガスに基づくプラズマに基づく処理を含む[1]〜[6]のいずれかに記載の絶縁膜の形成方法。 [7] Formation of the insulating film according to any one of [1] to [6], wherein the process includes a cleaning step, and the cleaning step includes a plasma-based process based on a processing gas including at least a rare gas. Method.
[8] 前記洗浄工程が、少なくとも希ガスと水素ガスを含む処理ガスに基づくプラズマ処理を含む[7]に記載の絶縁膜の形成方法。 [8] The method for forming an insulating film according to [7], wherein the cleaning step includes a plasma treatment based on a treatment gas containing at least a rare gas and a hydrogen gas.
[9] 前記プロセスが酸化工程を含み、且つ、該酸化工程が、少なくとも希ガスと酸素とを含む処理ガスに基づくプラズマ処理を含む[1]〜[8]のいずれかに記載の絶縁膜の形成方法。 [9] The insulating film according to any one of [1] to [8], wherein the process includes an oxidation step, and the oxidation step includes a plasma treatment based on a processing gas containing at least a rare gas and oxygen. Forming method.
[10] 前記プロセスが窒化工程を含み、且つ、該窒化工程が、少なくとも希ガスと窒素とを含む処理ガスに基づくプラズマ処理を含む[1]〜[9]のいずれかに記載の絶縁膜の形成方法。 [10] The insulating film according to any one of [1] to [9], wherein the process includes a nitriding step, and the nitriding step includes plasma processing based on a processing gas containing at least a rare gas and nitrogen. Forming method.
[11] 前記プロセスがエッチング工程を含み、且つ、該エッチング工程が、少なくとも希ガスと水素とを含む処理ガスに基づくプラズマ処理を含む[1]〜[9]のいずれかに記載の絶縁膜の形成方法。 [11] The insulating film according to any one of [1] to [9], wherein the process includes an etching step, and the etching step includes a plasma treatment based on a processing gas containing at least a rare gas and hydrogen. Forming method.
[12] 前記基材表面および/又は絶縁膜の洗浄、酸化、窒化、およびエッチングからなる群から選ばれる2以上の工程が、同一容器内で行われる[2]に記載の絶縁膜の形成方法。 [12] The method for forming an insulating film according to [2], wherein two or more steps selected from the group consisting of cleaning, oxidation, nitriding, and etching of the substrate surface and / or the insulating film are performed in the same container. .
[13] 前記プロセスにより形成された絶縁膜が、CVD(化学気相堆積)絶縁膜の下地絶縁膜として用いられる[1]〜[12]のいずれかに記載の絶縁膜の形成方法。 [13] The method for forming an insulating film according to any one of [1] to [12], wherein the insulating film formed by the process is used as a base insulating film of a CVD (chemical vapor deposition) insulating film.
[14] 前記絶縁膜が、High−k(高誘電率)材料を含む絶縁膜である[1]〜[13]のいずれかに記載の絶縁膜の形成方法。 [14] The method for forming an insulating film according to any one of [1] to [13], wherein the insulating film is an insulating film containing a High-k (high dielectric constant) material.
[15] 前記基材表面および/又は絶縁膜の洗浄、酸化、窒化、およびエッチングからなる群から選ばれる2以上の工程が、該基材表面および/又は絶縁膜の大気への暴露(大気解放)を避けて行われる[2]に記載の絶縁膜の形成方法。 [15] Two or more steps selected from the group consisting of cleaning, oxidation, nitriding, and etching of the substrate surface and / or the insulating film are performed by exposing the substrate surface and / or the insulating film to the atmosphere (atmospheric release). The method for forming an insulating film according to [2], which is performed while avoiding the above.
上述したように本発明に依れば、様々な特性(例えば、極薄膜厚の制御や、高い清浄度等)に優れた絶縁膜を効率よく(例えば、一つの反応室で様々な工程を行うことによる小さいフットプリントや、同一の動作原理の反応室で様々な工程を行うことによる操作性の簡略化、装置間のクロスコンタミネーションの抑制等)製造することが可能となる。 As described above, according to the present invention, an insulating film excellent in various characteristics (for example, control of the thickness of an ultrathin film, high cleanliness, etc.) can be efficiently performed (for example, various processes are performed in one reaction chamber). Small footprint, simplified operability by performing various processes in a reaction chamber of the same operating principle, and suppression of cross-contamination between devices).
以下、必要に応じて図面を参照しつつ本発明を更に具体的に説明する。以下の記載において量比を表す「部」および「%」は、特に断らない限り質量基準とする。 Hereinafter, the present invention will be described more specifically with reference to the drawings as necessary. In the following description, “parts” and “%” representing the quantity ratio are based on mass unless otherwise specified.
(絶縁膜の形成方法)
本発明においては、電子デバイス用基材に少なくとも希ガスを含む処理ガスを用いたプラズマを照射することでクリーニング効果を得るものや、同様のプラズマに酸素や窒素を含むことで酸化や窒化を行うもの、酸化膜を始めとする酸素原子を含む絶縁膜に同様のプラズマに少なくとも水素を含むことで絶縁膜の厚さを低減させるなどの2以上の工程を任意に組み合わせることで、極めて薄い(15A以下)絶縁膜を形成することができる。本発明の絶縁膜の形成方法の適用の対象は特に制限されないが、本発明は、例えば、成膜条件等に敏感な高誘電率(High−k)材料の成膜に特に適した表面を有する、薄い絶縁膜を与える。
(Method of forming insulating film)
In the present invention, the substrate for an electronic device is irradiated with plasma using a processing gas containing at least a rare gas, or the same plasma is oxidized or nitrided by containing oxygen or nitrogen. In addition, an insulating film containing oxygen atoms such as an oxide film is extremely thin by arbitrarily combining two or more processes such as reducing the thickness of the insulating film by including at least hydrogen in the same plasma (15A In the following, an insulating film can be formed. The target of application of the method for forming an insulating film of the present invention is not particularly limited, but the present invention has a surface particularly suitable for film formation of a high dielectric constant (High-k) material that is sensitive to film formation conditions, for example. Give a thin insulating film.
(形成される絶縁膜)
本発明により形成可能な絶縁膜の組成、厚さ、形成法、特性は以下の通りである。
組成:酸化膜、酸窒化膜、窒化膜
形成法:少なくとも希ガスを含むプラズマを用いた単一の容器内において、電子基材上に洗浄、酸化、窒化、薄膜化の1または2以上の工程が施されたもの。もしくは、同一の動作原理により形成される少なくとも希ガスを含むプラズマを複数の容器内に発生させ、電子基材上に洗浄、酸化、窒化、薄膜化の工程が施されたもの。
厚さ:物理的薄膜 5A〜20A
(Insulating film to be formed)
The composition, thickness, formation method, and characteristics of the insulating film that can be formed by the present invention are as follows.
Composition: oxide film, oxynitride film, nitride film Formation method: one or more processes of cleaning, oxidation, nitriding, and thinning on an electronic substrate in a single container using plasma containing at least a rare gas Is given. Alternatively, plasma including at least a rare gas formed by the same operation principle is generated in a plurality of containers, and cleaning, oxidation, nitriding, and thinning processes are performed on the electronic substrate.
Thickness: Physical thin film 5A-20A
(膜質および膜厚の評価)
本発明により得られた薄い絶縁膜の膜質および膜厚の程度は、例えば、該表面上に実際にHigh−k材料を成膜することにより、好適に評価することができる。この際に良質なHigh−k材料膜が得られたか否かは、例えば、例えば、文献(VLSIデバイスの物理 岸野正剛、小柳光正著 丸善P62〜P63)に記載されたような標準的なMOS半導体構造を形成して、そのMOSの特性を評価することにより、上記絶縁膜自体の特性評価に代えることができる。このような標準的なMOS構造においては、該構造を構成する絶縁膜の特性が、MOS特性に強い影響を与えるからである。
(Evaluation of film quality and film thickness)
The film quality and the degree of film thickness of the thin insulating film obtained by the present invention can be suitably evaluated by, for example, actually forming a high-k material on the surface. Whether or not a high-quality high-k material film is obtained at this time is determined by, for example, a standard MOS semiconductor as described in the literature (physics of VLSI devices, Masayoshi Kishino, Mitsasa Koyanagi, Maruzen P62 to P63). By forming the structure and evaluating the characteristics of the MOS, the characteristics of the insulating film itself can be evaluated. This is because in such a standard MOS structure, the characteristics of the insulating film constituting the structure have a strong influence on the MOS characteristics.
このようなMOS構造の形成としては、例えば、後述する実施例1の条件で、そのHigh−k材料膜を含むMOSキャパシタを形成することができる。このように実施例1の条件で、High−k材料膜を含むMOSキャパシタを形成した場合に、本発明においては、下記のような(1)フラットバンド特性または(2)リーク特性(より好ましくは、これらの両方)が得られることが好ましい。 As the formation of such a MOS structure, for example, a MOS capacitor including the High-k material film can be formed under the conditions of Example 1 described later. As described above, when a MOS capacitor including a high-k material film is formed under the conditions of Example 1, in the present invention, the following (1) flat band characteristics or (2) leakage characteristics (more preferably , Both of these are preferably obtained.
(1)好ましいフラットバンド特性:熱酸化膜と比較して±50mV以内
(2)リーク特性:熱酸化膜と比較して1桁以下の低減
(1) Preferred flat band characteristics: within ± 50 mV compared to thermal oxide film (2) Leakage characteristics: 1 digit or less reduction compared to thermal oxide film
(後の処理との組合せ)
本発明の絶縁膜の形成方法により得られる薄い絶縁膜は、種々の続く処理に適したものとなる。このような「後の処理」は、特に制限されず、酸化膜の形成、CVD等による成膜、エッチング等の種々の処理であってよい。本発明の絶縁膜の形成方法は、低温で行うことが可能であるため、その後の処理も比較的低温(好ましくは600℃以下、更には500℃以下)の温度条件下の処理と組み合わせた場合に、特に効果的である。その理由は、本発明を用いることで、デバイス作製工程においてもっとも高温を必要とする工程の一つである酸化膜の形成を低温で行うことが可能となっているため、高い熱履歴を避けたデバイス作製が可能となっているからである。
(Combination with later processing)
The thin insulating film obtained by the insulating film forming method of the present invention is suitable for various subsequent processes. Such “post-treatment” is not particularly limited, and may be various treatments such as formation of an oxide film, film formation by CVD, etching, and the like. Since the method for forming an insulating film of the present invention can be performed at a low temperature, the subsequent treatment is also combined with a treatment under a temperature condition of a relatively low temperature (preferably 600 ° C. or less, more preferably 500 ° C. or less). It is particularly effective. The reason is that by using the present invention, it is possible to form an oxide film, which is one of the processes that require the highest temperature in the device manufacturing process, at a low temperature, so a high thermal history is avoided. This is because device fabrication is possible.
(電子デバイス用基材)
本発明において使用可能な上記の電子デバイス用基材は特に制限されず、公知の電子デバイス用基材の1種または2種以上の組合せから適宜選択して使用することが可能である。このような電子デバイス用基材の例としては、例えば、半導体材料、液晶デバイス材料等が挙げられる。半導体材料の例としては、例えば、単結晶シリコンを主成分とする材料、シリコンゲルマニウムを主成分とする材料等が挙げられる。
(Electronic device substrate)
The substrate for electronic devices that can be used in the present invention is not particularly limited, and can be appropriately selected from one or a combination of two or more known substrates for electronic devices. Examples of such electronic device base materials include semiconductor materials and liquid crystal device materials. Examples of the semiconductor material include a material mainly composed of single crystal silicon and a material mainly composed of silicon germanium.
(処理ガス)
本発明において使用可能な処理ガスは、少なくとも希ガスを含む限り特に制限されず、電子デバイス製造に使用可能な公知の処理ガスの1種または2種以上の組合せから適宜選択して使用することが可能である。このような処理ガス(希ガス)の例としては、例えば、Ar、He、Kr、Xe、O2、N2、H2、NH3が挙げられる。
(Processing gas)
The processing gas that can be used in the present invention is not particularly limited as long as it contains at least a rare gas, and may be appropriately selected from one or a combination of two or more known processing gases that can be used for electronic device manufacturing. Is possible. Examples of such processing gas (rare gas) include Ar, He, Kr, Xe, O 2 , N 2 , H 2 , and NH 3 .
(処理ガス条件)
本発明の絶縁膜の形成においては、得られるべき薄い絶縁膜の特性の点からは、下記の条件が好適に使用できる。
(Processing gas conditions)
In forming the insulating film of the present invention, the following conditions can be preferably used from the viewpoint of the characteristics of the thin insulating film to be obtained.
希ガス(例えば、Kr、Ar、HeまたはXe):500〜3000sccm、より好ましくは1000〜2000sccm、 Noble gas (for example, Kr, Ar, He or Xe): 500 to 3000 sccm, more preferably 1000 to 2000 sccm,
洗浄工程では、少なくとも希ガスを含む処理ガスで、さらに水素ガスを添加することができる。水素ガスの流量はH2:0〜100sccm、より好ましくは0〜50sccmである。 In the cleaning step, hydrogen gas can be further added with a processing gas containing at least a rare gas. The flow rate of hydrogen gas is H 2 : 0 to 100 sccm, more preferably 0 to 50 sccm.
酸化工程では、少なくとも希ガスと酸素を含む処理ガスで、酸素ガス流量はO2:10〜500sccm、より好ましくは10〜200sccmである。 In the oxidation step, a processing gas containing at least a rare gas and oxygen, and an oxygen gas flow rate is O 2 : 10 to 500 sccm, more preferably 10 to 200 sccm.
窒化工程では、少なくとも希ガスと窒素を含む処理ガスで、窒素ガス流量はN2:3〜300sccm、より好ましくは20〜200sccmである。 In the nitriding step, the processing gas contains at least a rare gas and nitrogen, and the nitrogen gas flow rate is N 2 : 3 to 300 sccm, more preferably 20 to 200 sccm.
エッチング工程では少なくとも希ガスと水素を含む処理ガスで、水素ガス流量はH2:0〜100sccm、より好ましくは0〜50sccmである。
温度:室温25℃〜500℃、より好ましくは250〜500℃、特に好ましくは250〜400℃
圧力:3〜500Pa、より好ましくは7〜260Pa、
マイクロ波:1〜5W/cm2、より好ましくは2〜4W/cm2、特に好ましくは2〜3W/cm2
In the etching step, the processing gas contains at least a rare gas and hydrogen, and the hydrogen gas flow rate is H 2 : 0 to 100 sccm, more preferably 0 to 50 sccm.
Temperature: Room temperature 25 ° C to 500 ° C, more preferably 250 to 500 ° C, particularly preferably 250 to 400 ° C
Pressure: 3 to 500 Pa, more preferably 7 to 260 Pa,
Microwave: 1 to 5 W / cm 2 , more preferably 2 to 4 W / cm 2 , particularly preferably 2 to 3 W / cm 2
本発明において使用可能なプラズマは特に制限されないが、均一な薄膜化が容易に得られる点からは、電子温度が比較的に低くかつ高密度なプラズマを用いることが好ましい。 The plasma that can be used in the present invention is not particularly limited, but it is preferable to use a plasma having a relatively low electron temperature and a high density from the viewpoint that a uniform thin film can be easily obtained.
(好適なプラズマ)
本発明において好適に使用可能なプラズマの特性は、以下の通りである。
電子温度:0.5〜2.0eV
密度:1E10〜5E12/cm3
プラズマ密度の均一性:±10%
(Preferred plasma)
The characteristics of plasma that can be suitably used in the present invention are as follows.
Electron temperature: 0.5 to 2.0 eV
Density: 1E10-5E12 / cm 3
Plasma density uniformity: ± 10%
(平面アンテナ部材)
本発明の絶縁膜の形成方法においては、複数のスロ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電子温度が低くかつ高密度なプラズマを形成することが好ましい。本発明においては、このような優れた特性を有するプラズマを用いて酸窒化膜の形成を行うため、プラズマダメージが小さく、かつ低温で反応性の高いプロセスが可能となる。本発明においては、更に、(従来のプラズマを用いた場合に比べ)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、より好適に薄膜化された絶縁膜の形成が容易であるという利点が得られる。
(Flat antenna member)
In the method for forming an insulating film of the present invention, it is preferable to form a plasma having a low electron temperature and a high density by irradiating microwaves through a planar antenna member having a plurality of slots. In the present invention, since an oxynitride film is formed using plasma having such excellent characteristics, a process with low plasma damage and high reactivity at low temperatures becomes possible. In the present invention, there is an advantage that it is easy to form a thin insulating film more suitably by irradiating microwaves through a planar antenna member (compared to the case of using conventional plasma). can get.
本発明によれば、薄膜化された絶縁膜を形成することができる。したがって、この薄膜化された絶縁膜上に他の層(例えば、他の絶縁層)を形成することにより、特性に優れた半導体装置の構造を形成することが容易となる。本発明により薄膜化された絶縁膜は、該薄膜化絶縁膜の表面上へのHigh−k材料膜の成膜に特に適している。 According to the present invention, a thin insulating film can be formed. Therefore, by forming another layer (for example, another insulating layer) on the thinned insulating film, it becomes easy to form a structure of a semiconductor device having excellent characteristics. The insulating film thinned according to the present invention is particularly suitable for forming a high-k material film on the surface of the thinned insulating film.
(Hi−k材料)
本発明において使用可能なHigh−k材料は特に制限されないが、物理的膜厚を増加させる点からは、k(比誘電率)の値が7以上、更には10以上のものが好ましい。
(Hi-k material)
The high-k material that can be used in the present invention is not particularly limited, but from the viewpoint of increasing the physical film thickness, a k (relative dielectric constant) value of 7 or more, more preferably 10 or more is preferable.
このようなHigh−k材料の例としては、Al2O3、ZrO2、HfO2、Ta2O5、およびZrSiO、HfSiO等のシリケート;ZrAlO等のアルミネートからなる群から選択される1又は2以上のものが好適に使用可能である。 Examples of such high-k materials include Al 2 O 3 , ZrO 2 , HfO 2 , Ta 2 O 5 , and silicates such as ZrSiO and HfSiO; 1 selected from the group consisting of aluminates such as ZrAlO Two or more can be suitably used.
(同一容器内における処理)
以下に述べる「同一の容器内」とは、ある工程の後に、被処理基材を、該容器の壁を通過させることなく、続く処理に供することをいう。複数の容器を組み合わせてなる、いわゆる「クラスタ」構造を用いた場合、該クラスタを構成する異なる容器間の移動があった場合は、本発明にいう「同一の容器内」ではないものとする。
(Processing in the same container)
“In the same container” described below means that after a certain process, the substrate to be processed is subjected to subsequent processing without passing through the wall of the container. When a so-called “cluster” structure formed by combining a plurality of containers is used, if there is movement between different containers constituting the cluster, it is not “in the same container” according to the present invention.
本発明において、このように「同一の容器内」で、処理すべき基材(シリコン基板等)を大気へ暴露することなく、連続的に複数の工程を同一の原理を持った反応室内で行うことが可能となり、例えば一つの反応室ですべての工程を行うことでフットプリントの低減が実現できる。また、各工程を別の反応室で処理する場合も、動作原理が同じ反応室を並べるため、ガス配管や操作パネルを同一のものにすることも可能であり、優れたメンテナンス、操作性を実現できる。更に、同一の装置であるために装置間の持ち込み汚染の可能性は低く、複数の反応室を持つクラスター構成とした場合でも、処理順番を様々に変えることが可能である。この方法を用いると様々な特性を持つゲート絶縁膜の作製が可能となる。 In the present invention, a plurality of processes are continuously performed in a reaction chamber having the same principle without exposing the base material (silicon substrate or the like) to be processed to the atmosphere in the “same container”. For example, the footprint can be reduced by performing all the steps in one reaction chamber. Even when processing each process in a separate reaction chamber, the reaction chambers with the same operating principle are arranged, so the gas piping and operation panel can be made the same, realizing excellent maintenance and operability. it can. Furthermore, since the same apparatus is used, there is a low possibility of contamination between apparatuses, and even in a cluster configuration having a plurality of reaction chambers, the processing order can be changed variously. When this method is used, a gate insulating film having various characteristics can be manufactured.
本発明を用いて作製された酸化膜または酸窒化膜をそのままゲート絶縁膜として使用することも可能であるが、本発明を用いて極薄(〜10A;オングストロ−ム)の酸化膜または酸窒化膜を形成し、その上にHigh−kなどの高誘電率を持つ物質を成膜することで、High−k物質単独でゲート絶縁膜を形成した場合よりも界面特性、例えばトランジスタのキャリア移動度の高い積層ゲート絶縁膜構造(ゲートスタック構造)を作ることも可能となる。 Although an oxide film or oxynitride film manufactured using the present invention can be used as a gate insulating film as it is, an ultra-thin (-10 A; angstrom) oxide film or oxynitride is used according to the present invention. By forming a film and forming a material having a high dielectric constant such as High-k on the film, the interface characteristics, for example, the carrier mobility of the transistor, are higher than when a gate insulating film is formed using the High-k material alone. It is also possible to produce a stacked gate insulating film structure (gate stack structure) having a high height.
(半導体構造の好適な特性)
本発明の絶縁膜の形成方法を適用すべき範囲は特に制限されないが、本発明により形成可能な清浄化された表面は、その上にMOS構造のゲート絶縁膜(例えばHigh−k材料を含むゲート絶縁膜)を形成する際に、特に好適に利用することができる。
(Suitable characteristics of semiconductor structure)
The range to which the method for forming an insulating film of the present invention should be applied is not particularly limited, but the cleaned surface that can be formed according to the present invention is a gate insulating film having a MOS structure thereon (for example, a gate containing a High-k material). When forming the insulating film, it can be used particularly suitably.
(MOS半導体構造の好適な特性)
本発明により清浄化された基材上に形成可能な極めて薄く、しかも良質な絶縁膜は、半導体装置の絶縁膜(特にMOS半導体構造のゲート絶縁膜)として特に好適に利用することができる。
(Suitable characteristics of MOS semiconductor structure)
An extremely thin and high-quality insulating film that can be formed on a substrate cleaned by the present invention can be particularly suitably used as an insulating film of a semiconductor device (particularly a gate insulating film of a MOS semiconductor structure).
本発明によれば、下記のように好適な特性を有するMOS半導体構造を容易に製造することができる。なお、本発明により形成した酸窒化膜の特性を評価する際には、例えば、文献(VLSIデバイスの物理 岸野正剛、小柳光正著 丸善P62〜P63)に記載されたような標準的なMOS半導体構造を形成して、そのMOSの特性を評価することにより、上記酸窒化膜の自体の特性評価に代えることができる。このような標準的なMOS構造においては、該構造を構成する酸窒化膜の特性が、MOS特性に強い影響を与えるからである。 According to the present invention, a MOS semiconductor structure having suitable characteristics as described below can be easily manufactured. In evaluating the characteristics of the oxynitride film formed according to the present invention, for example, a standard MOS semiconductor structure as described in the literature (Physics of VLSI devices, Masayoshi Kishino, Mitsumasa Koyanagi, Maruzen P62-P63) And evaluating the characteristics of the MOS can replace the characteristics evaluation of the oxynitride film itself. This is because in such a standard MOS structure, the characteristics of the oxynitride film constituting the structure strongly influence the MOS characteristics.
(製造装置の一態様)
以下、本発明の形成方法の好適な一態様について説明する。
(One aspect of manufacturing apparatus)
Hereinafter, a preferred embodiment of the forming method of the present invention will be described.
まず本発明の電子デバイス材料の製造方法によって製造可能な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MOS構造を有する半導体装置を図1を参照しつつ説明する。 First, as an example of the structure of a semiconductor device that can be manufactured by the method for manufacturing an electronic device material of the present invention, a semiconductor device having a MOS structure having a gate insulating film as an insulating film will be described with reference to FIG.
図1(a)を参照して、この図1(a)において参照番号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。上述したように、本発明の形成方法によれば極めて薄く且つ良質なゲート絶縁膜2を形成することができる。このゲート絶縁膜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、品質の高い絶縁膜からなる。例えば2.5nm程度の厚さの酸化膜2により構成されている。
Referring to FIG. 1A, in FIG. 1A,
この例では、この品質の高い酸化膜2は、O2および希ガスを含む処理ガスの存在下で、Siを主成分とする被処理基体に、複数のスロ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形成されたシリコン酸化膜(以下「SiO2膜」という)からなることが好ましい。このようなSiO2膜を用いた際には、後述するように、相間の界面特性(例えば、界面準位)が良好で、且つMOS構造とした際に良好なゲートリーク特性を得ることが容易という特徴がある。
In this example, the high-
図1に示す態様においては、このシリコン酸化膜2の窒化処理された表面の上には、更にシリコン(ポリシリコンまたはアモルファスシリコン)を主成分とするゲート電極13が形成されている。
In the embodiment shown in FIG. 1, a
(製造方法の一態様)
次に、このようなシリコン酸化膜2、更にその上にゲート電極13が配設された電子デバイス材料の製造方法について説明する。
(One aspect of manufacturing method)
Next, a method for manufacturing such an electronic device material in which the
図2は本発明の電子デバイス材料の製造方法を実施するための半導体製造装置30の全体構成の一例を示す概略図(模式平面図)である。
FIG. 2 is a schematic view (schematic plan view) showing an example of the entire configuration of a
図2に示すように、この半導体製造装置30のほぼ中央には、ウエハW(図2)を搬送するための搬送室31が配設されており、この搬送室31の周囲を取り囲むように、ウエハに種々の処理を行うためのプラズマ処理ユニット32、33、各処理室間の連通/遮断の操作を行うための二機のロードロックユニット34および35、種々の加熱操作を行うための加熱ユニット36、およびウエハに種々の加熱処理を行うための加熱反応炉47が配設されている。なお、加熱反応炉47は、上記半導体製造装置30とは別個に独立して設けてもよい。
As shown in FIG. 2, a
ロードロックユニット34、35の横には、種々の予備冷却ないし冷却操作を行うための予備冷却ユニット45、冷却ユニット46がそれぞれ配設されている。
Next to the
搬送室31の内部には、搬送アーム37および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(図2)を搬送することができる。
Inside the
ロードロックユニット34および35の図中手前側には、ローダーアーム41および42が配設されている。これらのローダーアーム41および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を出し入れすることができる。
なお、図2中のプラズマ処理ユニット32、33としては、同型のプラズマ処理ユニットが二基並列してセットされている。
Note that two plasma processing units of the same type are set in parallel as the
更に、これらプラズマ処理ユニット32およびユニット33は、ともにシングルチャンバ型CVD処理ユニットと交換することが可能であり、プラズマ処理ユニット32や33の位置に一基または二基のシングルチャンバ型CVD処理ユニットをセットすることも可能である。
Further, both the
プラズマ処理が二基の場合、例えば、処理ユニット32でSiO2膜を形成した後、処理ユニット33でSiO2膜を表面窒化する方法を行っても良く、また処理ユニット32および33で並列にSiO2膜形成とSiO2膜の表面窒化を行っても良い。或いは別の装置でSiO2膜形成を行った後、処理ユニット32および33で並列に表面窒化を行うこともできる。
In the case of two plasma treatments, for example, after the SiO 2 film is formed in the
(ゲート絶緑膜成膜の一態様)
図3はゲート絶緑膜2の成膜に使用可能なプラズマ処理ユニット32(33)の垂直方向の模式断面図である。
(One aspect of gate green film deposition)
FIG. 3 is a schematic sectional view in the vertical direction of a plasma processing unit 32 (33) that can be used for forming the gate
図3を参照して、参照番号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、例えば石英や酸化アルミニウム等の誘電体により構成された偏平な円筒形状の天板54が設けられている。この天板54の下面である真空容器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箇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O2 や希ガス、N2およびH2等から選ばれた1種以上を含む処理ガスが、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。
Referring to FIG. 3,
天板54の外側には、複数のスロットを有する平面アンテナ部材、例えば銅板により形成されたスロットプレインアンテナ(Slot Plane Antenna;SPA)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、SPA60に下縁が接続された偏平な平板状導波路63Aと、この平板状導波路63Aの上面に一端側が接続された円筒形導波管63B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。
On the outside of the
ここで、本発明においては、UHFとマイクロ波とを含めて高周波領域と呼ぶものとする。すなわち、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1GHz以上のマイクロ波を含む、300MHz以上2500MHz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。 Here, in the present invention, UHF and microwaves are referred to as a high frequency region. That is, the high-frequency power supplied from the high-frequency power supply unit is 300 MHz to 2500 MHz including UHF of 300 MHz or higher and microwaves of 1 GHz or higher, and the plasma generated by these high-frequency power is called high-frequency plasma. .
前記円筒形導波管63Bの内部には、導電性材料からなる軸部62の、一端側がSPA60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。
Inside the
また真空容器50内には、天板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。更に真空容器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。
A mounting table 52 for the wafer W is provided in the
(SPAの一態様)
図4は本発明の電子デバイス材料の製造装置に使用可能なSPA60の一例を示す模式平面図である。
(One aspect of SPA)
FIG. 4 is a schematic plan view showing an example of
この図4に示したように、このSPA60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。
As shown in FIG. 4, in the
(加熱反応炉の一態様)
図5は本発明の電子デバイス材料の製造装置に使用可能な加熱反応炉47の一例を示す垂直方向の模式断面図である。
(One aspect of heating reactor)
FIG. 5 is a schematic cross-sectional view in the vertical direction showing an example of a heating reactor 47 that can be used in the electronic device material manufacturing apparatus of the present invention.
図5に示すように、加熱反応炉47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。この図5では省略されているが、処理室82内には加熱機構や冷却機構を備えている。
As shown in FIG. 5, the
図5に示したように、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84からガス導入管83にガスが供給され、ガス導入管83を介して処理室82内にガスが導入されている。このガスとしては、ゲート電極形成の原料となる、例えばシラン等の各種のガス(電極形成ガス)を用いることができ、必要に応じて、不活性ガスをキャリアガスとして用いることもできる。
As shown in FIG. 5, the
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85は真空ポンプ等からなる排気手段(図示せず)に接続されている。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。
A
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。
In addition, a mounting table 87 on which the wafer W is mounted is disposed below the
この図5に示した態様においては、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。 In the embodiment shown in FIG. 5, the wafer W is mounted on the mounting table 87 by an electrostatic chuck (not shown) having the same diameter as that of the wafer W. The mounting table 87 is provided with a heat source means (not shown), and has a structure capable of adjusting the processing surface of the wafer W mounted on the mounting table 87 to a desired temperature.
この載置台87は、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。 The mounting table 87 has a mechanism capable of rotating the mounted wafer W as necessary.
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(図示せず)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。
In FIG. 5, an
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形成されている。
A
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、シャワーヘッド88下部に設置されたガス供給孔89を通し、処理室82内にガスが導入されている。
The
(絶縁膜形成の態様)
次に、上述した装置を用いて、ウエハW上にゲート絶縁膜2からなる絶縁膜を形成する方法の好適な一例について説明する。
(Insulation film formation mode)
Next, a preferred example of a method for forming an insulating film made of the
図7は本発明の方法における(クリーニング処理後の)各工程の流れの一例を示すフローチャートである。 FIG. 7 is a flowchart showing an example of the flow of each step (after the cleaning process) in the method of the present invention.
図7を参照して、まず、前段の工程でウエハW表面にフィールド酸化膜11(図1(a))を形成する。この酸化膜11は、(例えば、上述したSPA等を用いて)プラズマ処理により形成することもできる。
Referring to FIG. 7, first, field oxide film 11 (FIG. 1A) is formed on the surface of wafer W in the preceding step. The
次いでプラズマ処理ユニット32(図2)内の真空容器50の側壁に設けたゲートバルブ(図示せず)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(図3)上に載置する。
Next, a gate valve (not shown) provided on the side wall of the
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61より例えば1.80GHz(2200W)のマイクロ波を発生させ、このマイクロ波を導波路により案内してSPA60および天板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。
Subsequently, after closing the gate valve and sealing the inside, the internal atmosphere is evacuated by the
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、更に平板状導波路63Aを径方向に伝送していき、SPA60のスロット60aより放射され、天板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ため高密度・低電子程度のプラズマが発生し、またマイクロ波をSPA60の多数のスロット60aから放射しているため、このプラズマが均一な分布なものとなる。
Here, the microwave is transmitted through the rectangular waveguide 63D in the rectangular mode, converted from the rectangular mode to the circular mode by the
次いで、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より酸化膜形成用の処理ガスであるクリプトンやアルゴン等の希ガスと、O2 ガスとを、それぞれ2000sccm、200sccmの流量で導入して第1の工程(酸化膜の形成)を実施する。
Next, while adjusting the temperature of the mounting table 52 and heating the wafer W to, for example, 400 ° C., a rare gas such as krypton or argon, which is a processing gas for forming an oxide film, and O 2 gas are supplied from the
この工程では、導入された処理ガスはプラズマ処理ユニット32内にて発生したプラズマ流により活性化(ラジカル化)され、このプラズマにより図8(a)の模式断面図に示すように、シリコン基板1の表面が酸化されて酸化膜(SiO2膜)2が形成される。こうしてこの酸化処理を例えば40秒間行い、2.5nmの厚さのゲート酸化膜またはゲート酸窒化膜用下地酸化膜(下地SiO2膜)2を形成することができる。
In this step, the introduced processing gas is activated (radicalized) by the plasma flow generated in the
次に、ゲートバルブ(図示せず)を開き、真空容器50内に搬送アーム37、38(図2)を進入させ、載置台52上のウエハWを受け取る。この搬送アーム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、隣接するプラズマ処理ユニット33内の載置台にセットする(ステップ2)。また、用途により、ゲート酸化膜を窒化せずに熱反応炉47に移動する場合もある。
Next, the gate valve (not shown) is opened, the
(窒化含有層形成の態様)
次いで、必要に応じて、このプラズマ処理ユニット33内でウエハW上に表面窒化処理が施され、先に形成された下地酸化膜(下地SiO2)2の表面上に窒化含有層21(図7(b))が形成される。
(Aspect of formation of nitride-containing layer)
Next, if necessary, surface nitridation is performed on the wafer W in the
この表面窒化処理の際には、例えば、真空容器50内にて、ウエハ温度が例えば400℃、プロセス圧力が例えば66.7Pa(500mTorr)の状態で、容器50内にガス導入管よりアルゴンガスと、N2 ガスとを、それぞれ1000sccm、40sccmの流量で導入する。
In this surface nitriding treatment, for example, in the
その一方で、マイクロ波電源部61より例えば2W/cm2のマイクロ波を発生させ、このマイクロ波を導波路により案内してSPA60bおよび天板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。
On the other hand, for example, a microwave of 2 W / cm 2 is generated from the microwave power source 61, and the microwave is guided by the waveguide and introduced into the
この工程(表面窒化)では、導入されたガスはプラズマ化し、窒素ラジカルが形成される。この窒素ラジカルがウエハW上面上のSiO2膜上で反応し、比較的短時間でSiO2膜表面を窒化する。このようにして図7(b)に示すように、ウエハW上の下地酸化膜(下地SiO2膜)2の表面に窒素含有層21が形成される。
In this step (surface nitridation), the introduced gas is turned into plasma and nitrogen radicals are formed. The nitrogen radicals react on the SiO 2 film on the upper surface of the wafer W, and nitride the SiO 2 film surface in a relatively short time. In this way, as shown in FIG. 7B, the nitrogen-containing
この窒化処理を例えば20秒行うことで、換算膜厚2nm程度の厚さのゲート酸窒化膜(酸窒化膜)を形成することができる。 By performing this nitriding treatment for 20 seconds, for example, a gate oxynitride film (oxynitride film) having a converted film thickness of about 2 nm can be formed.
(ゲート電極形成の態様)
次に、ウエハW上のSiO2膜上または下地SiO2膜を窒化処理した酸窒化膜上にゲート電極13(図1(a))を形成する。このゲート電極13を形成するためには、ゲート酸化膜またはゲート酸窒化膜が形成されたウエハWをそれぞれプラズマ処理ユニット32または33内から取り出し、搬送室31(図2)側に一旦取り出し、しかる後に加熱反応炉47内に収容する(ステップ4)。加熱反応炉47内では所定の処理条件下でウエハWを加熱し、ゲート酸化膜またはゲート酸窒化膜上に所定のゲート電極13を形成する。
(Mode of gate electrode formation)
Next, the gate electrode 13 (FIG. 1A) is formed on the SiO 2 film on the wafer W or the oxynitride film obtained by nitriding the base SiO 2 film. In order to form the
このとき、形成するゲート電極13の種類に応じて処理条件を選択することができる。
At this time, processing conditions can be selected according to the type of
即ち、ポリシリコンからなるゲート電極13を形成する場合には、例えば処理ガス(電極形成ガス)として、SiH4を使用し、20〜33Pa(150〜250mTorr)の圧力、570〜690℃の温度条件下で処理する。
That is, when forming the
また、アモルファスシリコンからなるゲート電極13を形成する場合には、例えば処理ガス(電極形成ガス)として、SiH4を使用し、20〜67Pa(150〜500mTorr)の圧力、520〜570℃の温度条件下で処理する。
When the
更に、SiGeからなるゲート電極13を形成する場合には、例えばGeH4/SiH4=10/90〜60/40%の混合ガスを使用し、20〜60Paの圧力、460〜560℃の温度条件下で処理する。
Further, when the
(酸化膜の品質)
上述した第1の工程では、ゲート酸化膜またはゲート酸窒化膜用下地酸化膜を形成するに際し、処理ガスの存在下で、Siを主成分とするウエハWに、複数のスロットを有する平面アンテナ部材(SPA)を介してマイクロ波を照射することにより酸素(O2)および希ガス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酸化膜を形成しているため、品質が高く、且つ膜質制御を首尾よく行うことができる。
(Quality of oxide film)
In the first step described above, when forming the gate oxide film or the base oxide film for the gate oxynitride film, the planar antenna member having a plurality of slots in the wafer W containing Si as a main component in the presence of a processing gas. A plasma containing oxygen (O 2 ) and a rare gas is formed by irradiating microwaves through (SPA), and an oxide film is formed on the surface of the substrate to be processed using this plasma. And the film quality can be controlled successfully.
更には、図2に示すようなクラスター化を行うことで、ゲート酸化膜およびゲート酸窒化膜形成と、ゲート電極形成との間における大気への暴露を避けることが可能となり、界面特性の更なる向上が可能となる。 Further, by performing clustering as shown in FIG. 2, it becomes possible to avoid exposure to the atmosphere between the formation of the gate oxide film and the gate oxynitride film and the formation of the gate electrode, thereby further improving the interface characteristics. Improvement is possible.
以下、実施例により本発明を更に具体的に説明する。 Hereinafter, the present invention will be described more specifically with reference to examples.
実施例1
以下の方法により、種々の評価を行うためのデバイスを形成した。
Example 1
Devices for performing various evaluations were formed by the following methods.
(1):基板
基板にはP型のシリコン基板を用い、比抵抗が8〜12Ωcm、面方位(100)のものを用いた。シリコン基板表面には熱酸化法により500A(オングストロ−ム)犠牲酸化膜が成膜されている。
(1): Substrate A P-type silicon substrate was used as the substrate, and one with a specific resistance of 8-12 Ωcm and a plane orientation (100) was used. A 500 A (angstrom) sacrificial oxide film is formed on the silicon substrate surface by thermal oxidation.
(2):ゲート酸化前洗浄
APM(アンモニア、過酸化水素水、純水の混合液)とHPM(塩酸、過酸化水素水、純水の混合液)およびDHF(フッ酸と純水の混合液)を組み合わせたRCA洗浄によって犠牲酸化膜と汚染要素(金属や有機物、パーティクル)を除去した。
(2): Cleaning before gate oxidation APM (mixture of ammonia, hydrogen peroxide, and pure water), HPM (mixture of hydrochloric acid, hydrogen peroxide, and pure water) and DHF (mixture of hydrofluoric acid and pure water) The sacrificial oxide film and the contaminating elements (metal, organic matter, particles) were removed by RCA cleaning combined with the above.
(3):酸化前プラズマ処理
上記の(2)の処理後に、基板上にSPAプラズマ処理を施した。処理条件は以下である。ウェハを真空(背圧1×10-4Pa以下)の反応処理室に搬送したのち、基板温度400℃、希ガス(例えばArガス)1000sccm、圧力を7Pa〜133Pa(50mTorr〜1Torr)に保持した。その雰囲気中に複数のスロットを有する平面アンテナ部材(SPA)を介して2〜3W/cm2のマイクロ波を照射することにより希ガスプラズマを発生させ、基板表面上にプラズマ処理を施した。また、場合により希ガスに水素5〜30sccmを含ませることにより、水素プラズマによる酸化前処理を施す場合がある。
(3): Plasma treatment before oxidation After the treatment (2) above, SPA plasma treatment was performed on the substrate. The processing conditions are as follows. After the wafer was transferred to a vacuum (back
(4):プラズマ酸化プロセス
上記(3)の処理が施されたシリコン基板上に次に示すような方法で酸化膜を形成した。(3)の処理が施されたシリコン基板に大気への暴露を行わないまま次のようなプロセスを行う(例えば同じ反応室内で処理を行う、真空搬送系を用い、大気への暴露を防いで他の反応室内で処理を行う等)ことで、(3)の処理で得られた有機物汚染除去や自然酸化膜除去効果を最適に維持したまま、酸化処理を施すことが出来る。400℃に加熱されたシリコン基板上に希ガスと酸素とをそれぞれ1000〜2000sccm、50〜500sccmずつ流し、圧力を13Pa〜133Pa(100mTorr〜1000mTorr)に保持した。その雰囲気中に複数のスロットを有する平面アンテナ部材(SPA)を介して2〜3W/cm2のマイクロ波を照射することにより酸素および希ガスとを含むプラズマを形成し、このプラズマを用いて3の基板上にSiO2膜を成膜した。また、処理時間を含む処理条件を変えることで膜厚を制御した。
(4): Plasma oxidation process An oxide film was formed on the silicon substrate that had been subjected to the treatment (3) by the following method. Perform the following process without exposing the silicon substrate treated in (3) to the atmosphere (for example, use a vacuum transfer system that performs processing in the same reaction chamber to prevent exposure to the atmosphere. By performing the treatment in another reaction chamber, etc., the oxidation treatment can be performed while maintaining the organic matter contamination removal and natural oxide film removal effects obtained by the treatment (3) optimally. A rare gas and oxygen were allowed to flow at 1000 to 2000 sccm and 50 to 500 sccm, respectively, on a silicon substrate heated to 400 ° C., and the pressure was maintained at 13 Pa to 133 Pa (100 mTorr to 1000 mTorr). A plasma containing oxygen and a rare gas is formed by irradiating a microwave of 2 to 3 W / cm 2 through a planar antenna member (SPA) having a plurality of slots in the atmosphere. An SiO 2 film was formed on the substrate. Further, the film thickness was controlled by changing the processing conditions including the processing time.
(5):プラズマ窒化プロセス
上記(4)の処理が施された酸化膜上に次に示すような方法で窒化を施した。(4)の処理が施された酸化膜上に大気への暴露を行わないまま次のようなプロセスを行う(例えば同じ反応室内で処理を行う、真空搬送系を用い、大気への暴露を防いで他の反応室内で処理を行う等)ことで、(4)の処理で得られた酸化膜上部への有機物汚染や自然酸化膜増加を抑制したまま、窒化処理を施すことが出来る。400℃に加熱されたシリコン基板上に希ガスと窒素とをそれぞれ500〜2000sccm、4〜500sccmずつ流し、圧力を3Pa〜133Pa(20mTorr〜1000mTorr)に保持した。その雰囲気中に複数のスロットを有する平面アンテナ部材(SPA)を介して3W/cm2のマイクロ波を照射することにより窒素および希ガスとを含むプラズマを形成し、このプラズマを用いて基板上に酸窒化膜(SiON膜)を成膜した。
(5): Plasma nitriding process Nitriding was performed on the oxide film subjected to the above processing (4) by the following method. The following process is performed on the oxide film subjected to the treatment (4) without exposing it to the atmosphere (for example, using a vacuum transfer system that performs processing in the same reaction chamber to prevent exposure to the atmosphere). Thus, the nitriding treatment can be performed while suppressing the organic matter contamination on the upper portion of the oxide film obtained by the treatment (4) and the increase in the natural oxide film. A rare gas and nitrogen were allowed to flow at 500 to 2000 sccm and 4 to 500 sccm, respectively, on a silicon substrate heated to 400 ° C., and the pressure was maintained at 3 Pa to 133 Pa (20 mTorr to 1000 mTorr). A plasma containing nitrogen and a rare gas is formed by irradiating a microwave of 3 W / cm 2 through a planar antenna member (SPA) having a plurality of slots in the atmosphere, and this plasma is used to form a plasma on the substrate. An oxynitride film (SiON film) was formed.
(6):水素プラズマによる薄膜化とVfbシフトの回復
(5)の処理が施された酸窒化膜上に次に示すような方法で水素プラズマによるアニール処理を施した。(5)の処理が施された酸窒化膜上に大気への暴露を行わないまま次のようなプロセスを行う(例えば同じ反応室内で処理を行う、真空搬送系を用い、大気への暴露を防いで他の反応室内で処理を行う等)ことで、(5)の処理で得られた酸窒化膜上部への有機物汚染や自然酸化膜増加を抑制したまま、水素プラズマアニール処理を施すことが出来る。400℃に加熱されたシリコン基板上に希ガスと水素とをそれぞれ500〜2000sccm、4〜500sccmずつ流し、圧力を3Pa〜133Pa(20mTorr〜1000mTorr)に保持した。その雰囲気中に複数のスロットを有する平面アンテナ部材(SPA)を介して2〜3W/cm2のマイクロ波を照射することにより水素および希ガスとを含むプラズマを形成し、このプラズマを用いて酸窒化膜上に水素プラズマアニール処理を施した。図11におけるSIMS分析サンプルは本工程で処理を止め、分析を行ったものである。
(6): Thinning with hydrogen plasma and recovery of Vfb shift An annealing treatment with hydrogen plasma was performed on the oxynitride film subjected to the treatment of (5) by the following method. The following process is performed on the oxynitride film that has been subjected to the treatment of (5) without performing exposure to the atmosphere (for example, processing is performed in the same reaction chamber using a vacuum transfer system, and exposure to the atmosphere is performed). In other reaction chambers, the hydrogen plasma annealing treatment can be performed while suppressing organic contamination and an increase in natural oxide film on the oxynitride film obtained by the treatment (5). I can do it. A rare gas and hydrogen were allowed to flow at 500 to 2000 sccm and 4 to 500 sccm, respectively, on a silicon substrate heated to 400 ° C., and the pressure was maintained at 3 Pa to 133 Pa (20 mTorr to 1000 mTorr). A plasma containing hydrogen and a rare gas is formed by irradiating a microwave of 2 to 3 W / cm 2 through a planar antenna member (SPA) having a plurality of slots in the atmosphere. A hydrogen plasma annealing process was performed on the nitride film. The SIMS analysis sample in FIG. 11 is obtained by stopping the processing in this step and performing the analysis.
(7):ゲート電極用ポリシリコン成膜
上記した処理(3)〜(6)で形成した酸窒化膜上にゲート電極としてポリシリコンをCVD法にて成膜した。酸窒化膜の成膜されたシリコン基板を630℃で加熱し、基板上にシランガス250sccmを33Paの圧力下で導入し30分保持することでSiO2膜上に膜厚3000Aの電極用ポリシリコンを成膜した。
(7): Polysilicon film formation for gate electrode Polysilicon film was formed by CVD as a gate electrode on the oxynitride film formed in the above treatments (3) to (6). The silicon substrate on which the oxynitride film is formed is heated at 630 ° C., and 250 sccm of silane gas is introduced onto the substrate under a pressure of 33 Pa and held for 30 minutes, whereby the polysilicon film for an electrode having a thickness of 3000 A is formed on the SiO 2 film. A film was formed.
(8):ポリシリコンへのP(リン)ドープ
上記(7)で作製されたシリコン基板を875℃に加熱し、基板上にPOCl3ガスと酸素および窒素をそれぞれ350sccm、200sccm、20000sccmずつ常圧下で導入し24分間保持することでポリシリコン中にリンをドープした。
(8): P (phosphorus) doping into polysilicon The silicon substrate fabricated in (7) above is heated to 875 ° C., and POCl 3 gas, oxygen, and nitrogen are respectively applied to the substrate under normal pressure at 350 sccm, 200 sccm, and 20000 sccm. The polysilicon was doped with phosphorous by introducing and holding for 24 minutes.
(9):パターニング、ゲートエッチ
上記(8)で作製したシリコン基板上にリソグラフィによりパターニングを施し、HF:HNO3:H2O=1:60:60の比の薬液中にシリコン基板を3分間浸すことでパターニングされていない部分のポリシリコンを溶かし、MOSキャパシタを作製した。
(9): Patterning and gate etching Patterning is performed by lithography on the silicon substrate produced in (8) above, and the silicon substrate is placed in a chemical solution in a ratio of HF: HNO 3 : H 2 O = 1: 60: 60 for 3 minutes. By immersing, the unpatterned portion of the polysilicon was melted to fabricate a MOS capacitor.
実施例2
実施例1で得たMOSキャパシタに対する測定は、次に示すような方法で行った。ゲート電極面積が10000μm2のキャパシタのCV、IV特性を評価した。CV特性は周波数100KHz、ゲート電圧を0Vから−3V程度まで掃引し各電圧におけるキャパシタンスを評価することで求めた。CV特性から電気的膜厚とVfb(フラットバンド電圧)を計算した。また、IV特性はゲート電圧を0Vから−5V程度まで掃引し、各電圧において流れる電流値(リーク電流値)を評価することで求めた。CV測定から求めたVfbから−0.4Vを差し引いたゲート電極電圧におけるリーク電流値をIV特性から計算した。
Example 2
The measurement for the MOS capacitor obtained in Example 1 was performed by the following method. The CV and IV characteristics of a capacitor having a gate electrode area of 10,000 μm 2 were evaluated. The CV characteristics were obtained by sweeping the gate voltage from about 0 V to -3 V and evaluating the capacitance at each voltage at a frequency of 100 KHz. The electrical film thickness and Vfb (flat band voltage) were calculated from the CV characteristics. Further, the IV characteristic was obtained by sweeping the gate voltage from 0 V to -5 V and evaluating the current value (leakage current value) flowing at each voltage. The leakage current value at the gate electrode voltage obtained by subtracting −0.4 V from Vfb obtained from CV measurement was calculated from the IV characteristics.
図8は前プラズマ処理を施した場合と施さなかった場合の酸化膜のリーク特性を比較したものである。前プラズマ処理の効果のみを示すため、ここで用いられている酸化膜には窒化および後水素処理は施されていない。横軸にCV特性から求めた電気的膜厚、縦軸はゲート電圧Vfb−0.4V(Vfbが−0.8V程度のため、約−1.2V)におけるリーク電流値を示した。図8から分るように前プラズマ処理を施すことで酸化膜のリーク電流値を低減することに成功している。 FIG. 8 compares the leakage characteristics of the oxide film with and without the pre-plasma treatment. In order to show only the effect of the pre-plasma treatment, the oxide film used here is not subjected to nitridation and post-hydrogen treatment. The horizontal axis shows the electrical film thickness obtained from the CV characteristics, and the vertical axis shows the leakage current value at the gate voltage Vfb-0.4V (about -1.2V because Vfb is about -0.8V). As can be seen from FIG. 8, the leakage current value of the oxide film has been successfully reduced by performing the pre-plasma treatment.
図9は前プラズマ処理を施したSPAプラズマ酸化膜と、現在一般にデバイスに用いられている熱酸化膜のフラットバンド特性を比較したものである。横軸にCV特性から求めた電気的膜厚、縦軸にCV特性から求めたフラットバンド電圧を示した。膜や界面にキャリアのトラップとなる欠陥等が存在すると、フラットバンド電圧は大きく負方向にシフトすることが知られているが、前プラズマ処理を施した膜は熱酸化膜と同等の値(約−0.8V)を示しており、本工程におけるフラットバンド特性の劣化は見られなかった。 FIG. 9 is a comparison of the flat band characteristics of a SPA plasma oxide film that has been subjected to pre-plasma treatment and a thermal oxide film that is currently generally used in devices. The horizontal axis represents the electrical film thickness obtained from the CV characteristics, and the vertical axis represents the flat band voltage obtained from the CV characteristics. It is known that the flat band voltage greatly shifts in the negative direction when defects such as carrier traps exist at the film or interface. However, the pre-plasma-treated film is equivalent to the thermal oxide film (about -0.8V), and no deterioration of the flat band characteristics in this step was observed.
図10aは本発明における複数工程(マルチプロセス)を用いたゲート酸窒化膜の電気的膜厚の経時変化(各工程ごとにおける電気的膜厚の変化)を示す。横軸は処理時刻、縦軸は電気的膜厚である。窒化処理を施すことで電気的膜厚を0.8〜1.5A低減することに成功している。また、後水素処理を施すことで更なる薄膜化にも成功している。 FIG. 10a shows the change over time in the electrical thickness of the gate oxynitride film using a plurality of steps (multi-process) according to the present invention (change in electrical thickness for each step). The horizontal axis represents the processing time, and the vertical axis represents the electrical film thickness. It has succeeded in reducing the electrical film thickness by 0.8 to 1.5 A by performing nitriding treatment. Moreover, it has succeeded in further thinning by post-hydrogen treatment.
図10bは図9と同様の膜のフラットバンド電圧の経時変化(各工程ごとにおけるフラットバンド電圧の変化)を示す。横軸は処理時刻、縦軸はフラットバンド電圧である。膜や界面にキャリアのトラップとなる欠陥等が存在すると、フラットバンド電圧は大きく負方向にシフトすることが知られているが、後プラズマ水素処理を施した膜はフラットバンドシフトの回復を示しており、窒化によって劣化した膜特性の回復が生じていることが示される。 FIG. 10b shows the change over time of the flat band voltage of the film similar to FIG. 9 (change of the flat band voltage in each step). The horizontal axis is the processing time, and the vertical axis is the flat band voltage. It is known that the flat band voltage is greatly shifted in the negative direction when defects such as carrier traps exist in the film or interface, but the film after the plasma hydrogen treatment shows the recovery of the flat band shift. This indicates that the film characteristics deteriorated by nitriding are recovered.
図11から分るように水素処理を施すことで膜厚(酸素の含まれている層の厚さ)が減少していることが分る。これは水素反応種による還元作用によるものと考えられる。この工程を有効に利用することで制御が困難な領域(〜10A)薄膜化の制御(エッチング)も可能となる。 It can be seen from FIG. 11 that the film thickness (thickness of the layer containing oxygen) is reduced by performing the hydrogen treatment. This is considered to be due to the reduction action by the hydrogen reactive species. By effectively using this process, it is possible to control (etching) the thinning of the region (-10A) that is difficult to control.
図10a、bから分るように、本発明を用いると、シリコン基板を大気へ暴露することなく、連続的に複数の工程を同一の原理を持った反応室内で行うことが可能となり、例えば一つの反応室ですべての工程を行うことでフットプリントの低減が実現できる。また、各工程を別の反応室で処理する場合も、動作原理が同じ反応室を並べるため、ガス配管や操作パネルを同一のものにすることも可能であり、優れたメンテ、操作性を実現できる。更に、同一の装置であるために装置間の持ち込み汚染の可能性は低く、複数の反応室を持つクラスター構成とした場合でも、処理順番を様々に変えることが可能である。この方法を用いると様々な特性を持つゲート絶縁膜の作製が可能となる。 As can be seen from FIGS. 10a and 10b, when the present invention is used, a plurality of steps can be continuously performed in a reaction chamber having the same principle without exposing the silicon substrate to the atmosphere. The footprint can be reduced by performing all processes in one reaction chamber. Even when processing each process in a separate reaction chamber, the reaction chambers with the same operating principle are arranged, so the gas piping and operation panel can be made the same, achieving excellent maintenance and operability. it can. Furthermore, since the same apparatus is used, there is a low possibility of contamination between apparatuses, and even in a cluster configuration having a plurality of reaction chambers, the processing order can be changed variously. When this method is used, a gate insulating film having various characteristics can be manufactured.
また、上記の例では本発明を用いて作製された酸窒化膜をそのままゲート絶縁膜として使用しているが、本発明を用いて極薄(〜10A;オングストロ−ム)の酸窒化膜を形成し、その上にHigh−kなどの高誘電率を持つ物質を成膜することで、High−k物質単独でゲート絶縁膜を形成した場合よりも界面特性、例えばトランジスタのキャリア移動度の高い積層ゲート絶縁膜構造(ゲートスタック構造)を作ることも可能となる。 In the above example, the oxynitride film manufactured using the present invention is used as a gate insulating film as it is, but an ultrathin (-10 A; angstrom) oxynitride film is formed using the present invention. Further, by depositing a material having a high dielectric constant such as High-k thereon, a layer having higher interface characteristics, for example, carrier mobility of the transistor than when a high-k material alone is used to form a gate insulating film. It is also possible to make a gate insulating film structure (gate stack structure).
実施例3
本態様に関わるロジックデバイスの製造方法は、大別して「素子分離→MOSトランジスタ作製→容量作製→層間絶縁膜成膜および配線」のような流れで行われる。
Example 3
The manufacturing method of the logic device according to this aspect is roughly performed according to a flow such as “element isolation → MOS transistor fabrication → capacitance fabrication → interlayer insulating film formation and wiring”.
以下に本発明工程が含まれるMOSトランジスタ作製前工程の中でも、特に本発明と関連の深いMOS構造の作製について、一般的な例を挙げて解説を行う。 In the following, the MOS transistor fabrication process including the process of the present invention will be described with reference to general examples of the fabrication of a MOS structure particularly deeply related to the present invention.
(1):基板
基板にはP型もしくはN型のシリコン基板を用い、比抵抗が1〜30Ωcm、面方位(100)のものを用いる。以下にはP型のシリコン基板を用いたNHOSトランジスタの作製方法について解説を行う。
(1): Substrate A P-type or N-type silicon substrate is used as the substrate, and one having a specific resistance of 1 to 30 Ωcm and a plane orientation (100) is used. A method for manufacturing an NHOS transistor using a P-type silicon substrate will be described below.
シリコン基板上には目的に応じ、STIやLOCOS等の素子分離工程やチャネルインプラが施されており、ゲート酸化膜やゲート絶縁膜が成膜されるシリコン基板表面には犠牲酸化膜が成膜されている(図12)。 Depending on the purpose, element isolation processes such as STI and LOCOS and channel implantation are performed on the silicon substrate, and a sacrificial oxide film is formed on the surface of the silicon substrate on which the gate oxide film and gate insulating film are formed. (FIG. 12).
(2):ゲート酸化膜(ゲート絶縁膜)成膜前の洗浄
一般にAPM(アンモニア、過酸化水素水、純水の混合液)とHPM(塩酸、過酸化水素水、純水の混合液)およびDHF(フッ酸と純水の混合液)を組み合わせたRCA洗浄によって犠牲酸化膜と汚染要素(金属や有機物、パーティクル)を除去する。必要に応じ、SPM(硫酸と過酸化水素水の混合液)、オゾン水、FPM(フッ酸、過酸化水素水、純水の混合液)、塩酸水(塩酸と純水の混合液)、有機アルカリなどを用いる時もある。
(2): Cleaning before forming gate oxide film (gate insulating film) Generally, APM (a mixture of ammonia, hydrogen peroxide, and pure water) and HPM (a mixture of hydrochloric acid, hydrogen peroxide, and pure water), and The sacrificial oxide film and the contaminating elements (metal, organic matter, particles) are removed by RCA cleaning combined with DHF (mixed solution of hydrofluoric acid and pure water). SPM (mixed solution of sulfuric acid and hydrogen peroxide solution), ozone water, FPM (mixed solution of hydrofluoric acid, hydrogen peroxide solution and pure water), hydrochloric acid solution (mixed solution of hydrochloric acid and pure water), organic as required Sometimes alkali or the like is used.
(3):下地酸化前プラズマ処理
(2)の処理後に、下地酸化膜形成の前工程として基板上にSPAプラズマ処理を施す。処理条件は例えば以下のようなものが考えられる。ウェハを真空(背圧1×10-4Pa以下)の反応処理室に搬送したのち、基板温度400℃、希ガス(例えばArガス)1000sccm、圧力を7Pa〜133Pa(50mTorr〜1000mTorr)に保持する。その雰囲気中に複数のスロットを有する平面アンテナ部材(SPA)を介して2〜3W/cm2のマイクロ波を照射することにより希ガスプラズマを発生させ、基板表面上にプラズマ処理を施す。また、場合により混合ガスに水素5〜30sccm含ませることにより、水素プラズマによる酸化前処理を施す場合がある(図13)。
(3): Plasma treatment before base oxidation After the processing of (2), SPA plasma processing is performed on the substrate as a pre-process for forming the base oxide film. For example, the following processing conditions can be considered. After the wafer is transferred to a vacuum (back
(4):下地酸化膜の形成
(3)の処理が施されたシリコン基板上に次に示すような方法で酸化膜を形成する。(3)の処理が施されたシリコン基板に大気への暴露を行わないまま次のようなプロセスを行う(例えば同じ反応室内で処理を行う)ことで、(3)の処理で得られた有機物汚染除去や自然酸化膜除去効果を最適に維持したまま、酸化処理を施すことが出来る。400℃に加熱されたシリコン基板上に希ガスと酸素とをそれぞれ1000〜2000sccm、50〜500sccmずつ流し、圧力を13Pa〜133Pa(100mTorr〜1000mTorr)に保持する。その雰囲気中に複数のスロットを有する平面アンテナ部材(SPA)を介して2〜3W/cm2のマイクロ波を照射することにより酸素および希ガスとを含むプラズマを形成し、このプラズマを用いて3の基板上にSiO2膜を成膜する。また、処理時間を含む処理条件を変えることで膜厚を制御することが可能である(図14)。
(4): Formation of base oxide film An oxide film is formed on the silicon substrate subjected to the processing of (3) by the following method. By performing the following process (for example, processing in the same reaction chamber) without exposing the silicon substrate subjected to the process (3) to the atmosphere, the organic substance obtained by the process (3) The oxidation treatment can be performed while maintaining the contamination removal effect and the natural oxide film removal effect optimally. A rare gas and oxygen are allowed to flow at 1000 to 2000 sccm and 50 to 500 sccm, respectively, on the silicon substrate heated to 400 ° C., and the pressure is maintained at 13 Pa to 133 Pa (100 mTorr to 1000 mTorr). A plasma containing oxygen and a rare gas is formed by irradiating a microwave of 2 to 3 W / cm 2 through a planar antenna member (SPA) having a plurality of slots in the atmosphere. A SiO 2 film is formed on the substrate. Further, the film thickness can be controlled by changing the processing conditions including the processing time (FIG. 14).
(5):プラズマ窒化プロセス
上記(4)の処理が施された酸化膜上に次に示すような方法で窒化を施す。(4)の処理が施された酸化膜上に大気への暴露を行わないまま次のようなプロセスを行う(例えば同じ反応室内で処理を行う、真空搬送系を用い、大気への暴露を防いで他の反応室内で処理を行う等)ことで、(4)の処理で得られた酸化膜上部への有機物汚染や自然酸化膜増加を抑制したまま、窒化処理を施すことが出来る。400℃に加熱されたシリコン基板上に希ガスと窒素とをそれぞれ500〜2000sccm、4〜500sccmずつ流し、圧力を3Pa〜133Pa(20mTorr〜1000mTorr)に保持する。その雰囲気中に複数のスロットを有する平面アンテナ部材(SPA)を介して2〜3W/cm2のマイクロ波を照射することにより窒素および希ガスとを含むプラズマを形成し、このプラズマを用いて基板上に酸窒化膜(SiON膜)を成膜する(図14)。
(5): Plasma nitriding process Nitriding is performed on the oxide film that has been subjected to the processing of (4) above by the following method. The following process is performed on the oxide film subjected to the treatment (4) without exposing it to the atmosphere (for example, using a vacuum transfer system that performs processing in the same reaction chamber to prevent exposure to the atmosphere). Thus, the nitriding treatment can be performed while suppressing the organic matter contamination on the upper portion of the oxide film obtained by the treatment (4) and the increase in the natural oxide film. A rare gas and nitrogen are allowed to flow at 500 to 2000 sccm and 4 to 500 sccm, respectively, on a silicon substrate heated to 400 ° C., and the pressure is maintained at 3 Pa to 133 Pa (20 mTorr to 1000 mTorr). A plasma containing nitrogen and a rare gas is formed by irradiating a microwave of 2 to 3 W / cm 2 through a planar antenna member (SPA) having a plurality of slots in the atmosphere, and using this plasma, a substrate is formed. An oxynitride film (SiON film) is formed thereon (FIG. 14).
(6):水素プラズマによる薄膜化とVfbシフトの回復
上記(5)の処理が施された酸窒化膜上に次に示すような方法で水素プラズマによるアニール処理を施す。(5)の処理が施された酸窒化膜上に大気への暴露を行わないまま次のようなプロセスを行う(例えば同じ反応室内で処理を行う、真空搬送系を用い、大気への暴露を防いで他の反応室内で処理を行う等)ことで、(5)の処理で得られた酸窒化膜上部への有機物汚染や自然酸化膜増加を抑制したまま、水素プラズマアニール処理処理を施すことが出来る。400℃に加熱されたシリコン基板上に希ガスと水素とをそれぞれ500〜2000sccm、4〜500sccmずつ流し、圧力を3Pa〜133Pa(20mTorr〜1000mTorr)に保持する。その雰囲気中に複数のスロットを有する平面アンテナ部材(SPA)を介して2〜3W/cm2のマイクロ波を照射することにより水素および希ガスとを含むプラズマを形成し、このプラズマを用いて酸窒化膜上に水素プラズマアニール処理を施す(図14)。
(6): Thinning with hydrogen plasma and recovery of Vfb shift An annealing process with hydrogen plasma is performed on the oxynitride film subjected to the process (5) with the following method. The following process is performed on the oxynitride film that has been subjected to the treatment of (5) without performing exposure to the atmosphere (for example, processing is performed in the same reaction chamber using a vacuum transfer system, and exposure to the atmosphere is performed). By performing a hydrogen plasma annealing treatment while suppressing organic contamination and an increase in natural oxide film on the upper part of the oxynitride film obtained by the treatment (5) I can do it. A rare gas and hydrogen are allowed to flow at 500 to 2000 sccm and 4 to 500 sccm, respectively, on a silicon substrate heated to 400 ° C., and the pressure is maintained at 3 Pa to 133 Pa (20 mTorr to 1000 mTorr). A plasma containing hydrogen and a rare gas is formed by irradiating a microwave of 2 to 3 W / cm 2 through a planar antenna member (SPA) having a plurality of slots in the atmosphere. A hydrogen plasma annealing process is performed on the nitride film (FIG. 14).
(7):Hi−kゲート絶縁膜の形成
上記(6)で形成された下地酸窒化膜上にHigh−k物質を成膜する。High−kゲート絶縁膜形成方法にはCVDを用いるプロセスとPVDを用いるプロセスとに大別される。ここでは主にCVDによるゲート絶縁膜の形成について述べる。CVDによるゲート絶縁膜の形成は、原料ガス(例えばHTB:Hf(OC2H5)4とSiH4)を200℃から1000℃の範囲内で加熱した前述のシリコン基板上に供給し、熱によって形成された反応種(例えばHfラジカルとSiラジカル、Oラジカル)を膜表面にて反応させることで成膜(例えばHfSiO)を行う。反応種はプラズマにより生成されることもある。一般にゲート絶縁膜の物理的な膜厚としては1nmから10nmの膜厚が用いられる(図15)。
(7): Formation of Hi-k gate insulating film A High-k material is formed on the base oxynitride film formed in (6) above. High-k gate insulating film forming methods are roughly classified into processes using CVD and processes using PVD. Here, the formation of the gate insulating film by CVD is mainly described. The gate insulating film is formed by CVD by supplying a source gas (for example, HTB: Hf (OC 2 H 5 ) 4 and SiH 4 ) onto the aforementioned silicon substrate heated in the range of 200 ° C. to 1000 ° C. Film formation (for example, HfSiO) is performed by reacting the formed reactive species (for example, Hf radical, Si radical, and O radical) on the film surface. The reactive species may be generated by plasma. Generally, the physical film thickness of the gate insulating film is 1 nm to 10 nm (FIG. 15).
(8):ゲート電極用ポリシリコン成膜
上記(7)で形成したHigh−kゲート絶縁膜(下地ゲート酸化膜を含む)上にMOSトランジスタのゲート電極としてポリシリコン(アモルファスシリコンを含む)をCVD法にて成膜する。ゲート絶縁膜の成膜されたシリコン基板を500℃から650℃の範囲内で加熱し、基板上にシリコンを含むガス(シラン、ジシラン等)を10から100Paの圧力下で導入することでゲート絶縁膜上に膜厚50nmから500nmの電極用ポリシリコンを成膜する。ゲート電極としてはポリシリコンの代替として、シリコンゲルマニウムやメタル(W、Ru、TiN、Ta、Moなど)が用いられることがある(図16)。
(8): Polysilicon film formation for gate electrode On the High-k gate insulating film (including the base gate oxide film) formed in the above (7), polysilicon (including amorphous silicon) is CVD as the gate electrode of the MOS transistor. The film is formed by the method. Gate insulation is achieved by heating a silicon substrate on which a gate insulating film is formed within a range of 500 ° C. to 650 ° C. and introducing a gas containing silicon (such as silane or disilane) onto the substrate under a pressure of 10 to 100 Pa. A polysilicon film for an electrode having a thickness of 50 nm to 500 nm is formed on the film. As the gate electrode, silicon germanium or metal (W, Ru, TiN, Ta, Mo, etc.) may be used instead of polysilicon (FIG. 16).
その後、ゲートのパターンニング、選択エッチングを行い、MOSキャパシタを形成し(図17)、イオン打ち込み(インプラ)を施してソース、ドレインを形成する(図18)。その後アニールによりドーパント(チャネル、ソース、ドレインへインプラされたリン(P)、ヒ素(As)、ホウ素(B)等)の活性化を行う。続いて後工程となる層間絶縁膜の成膜、パターンニング、選択エッチング、メタルの成膜を組み合わせた配線工程を経て本様態に関わるMOSトランジスタが得られる(図19)。最終的にこのトランジスタ上部に様々なパターンで配線工程を施し、回路を作ることでロジックデバイスが完成する。 Thereafter, gate patterning and selective etching are performed to form a MOS capacitor (FIG. 17), and ion implantation (implantation) is performed to form a source and a drain (FIG. 18). Thereafter, the dopant (phosphorus (P), arsenic (As), boron (B), etc. implanted into the channel, source, and drain) is activated by annealing. Subsequently, a MOS transistor according to this embodiment is obtained through a wiring process that combines film formation of an interlayer insulating film, patterning, selective etching, and metal film formation, which are subsequent processes (FIG. 19). Finally, a logic device is completed by performing a wiring process on the transistor in various patterns and making a circuit.
なお、本様態では絶縁膜としてHfシリケイト(HfSiO膜)を形成したが、それ以外の組成からなる絶縁膜を形成することも可能である。ゲート絶縁膜としては、従来より使われている低誘電率のSiO2、SiON、また誘電率が比較的高いSiNやHi−k物質と呼ばれる誘電率が高いAl2O3、ZrO2、HfO2、Ta2O5、およびZrSiO、HfSiO等のシリケートやZrAlO等のアルミネートからなる群から選択される1又は2以上のものが挙げられる。 In this embodiment, Hf silicate (HfSiO film) is formed as the insulating film, but it is also possible to form an insulating film having a composition other than that. As the gate insulating film, SiO 2 and SiON having a low dielectric constant, which are conventionally used, and Al 2 O 3 , ZrO 2 , and HfO 2 having a high dielectric constant called SiN or Hi-k material having a relatively high dielectric constant are used. , Ta2O5, and silicates such as ZrSiO and HfSiO, and one or more selected from the group consisting of aluminates such as ZrAlO.
また、本実施例では、下地のゲート酸窒化膜形成を目的としているが、High−k物質の成膜を行わず、下地ゲート酸窒化膜をそのままゲート絶縁膜として用いることも下地酸化膜の膜厚を制御することで可能である。 In this embodiment, the purpose is to form a base gate oxynitride film, but it is also possible to use the base gate oxynitride film as it is as a gate insulating film without forming a high-k material. This is possible by controlling the thickness.
また、窒化処理を行わない酸化膜を下地に用いたり、酸化膜そのものをゲート絶縁膜として用いることも可能である。 In addition, an oxide film that is not subjected to nitriding treatment can be used as a base, or the oxide film itself can be used as a gate insulating film.
さらに、必要に応じて酸化前処理や後水素処理を省いたり、処理順序を変えることも可能である。 Furthermore, if necessary, the pre-oxidation treatment and post-hydrogen treatment can be omitted, and the treatment order can be changed.
以下に目的に応じた処理順序の例を示す。 An example of the processing order according to the purpose is shown below.
1:ゲート酸化膜の形成酸化前処理→酸化処理→Poly成膜 1: Formation of gate oxide film Pre-oxidation treatment → Oxidation treatment → Poly film formation
2:ゲート酸窒化膜の形成−1酸化前処理→酸化処理→窒化処理→後水素処理→Poly成膜 2: Formation of gate oxynitride film-1 oxidation pretreatment-> oxidation treatment-> nitridation treatment-> post-hydrogen treatment-> Poly film formation
3:ゲート酸窒化膜の形成−2酸化前処理→窒化処理→酸化処理→後水素処理→Poly成膜 3: Formation of gate oxynitride film-2 oxidation pretreatment → nitridation treatment → oxidation treatment → post-hydrogen treatment → Poly film formation
4:Hi−k下地酸化膜の形成酸化前処理→酸化処理→後水素処理による薄膜化→Hi−k成膜→Poly成膜 4: Formation of Hi-k underlayer oxide film Pre-oxidation treatment → Oxidation treatment → Thinning by post-hydrogen treatment → Hi-k film formation → Poly film formation
5:Hi−k下地窒化膜の形成窒化前処理(酸化前処理と同様)→窒化処理→後水素処理→Hi−k成膜→Poly成膜 5: Formation of Hi-k base nitride film Pre-nitridation treatment (similar to pre-oxidation treatment) → nitriding treatment → post-hydrogen treatment → Hi-k film formation → Poly film formation
上記に述べたのは本発明の態様の一例であり、それ以外にも様々な処理方法が同一の装置構成で可能である。 What has been described above is an example of an aspect of the present invention, and various other processing methods are possible with the same apparatus configuration.
これまで述べたように、本発明を用いると、シリコン基板を大気へ暴露することなく、連続的に複数の工程を同一の原理を持った反応室内で行うことが可能となり、例えば一つの反応室ですべての工程を行うことでフットプリントの低減が実現できる。また、各工程を別の反応室で処理する場合も、動作原理が同じ反応室を並べるため、ガス配管や操作パネルを同一のものにすることも可能であり、優れたメンテナンス、操作性を実現できる。更に、同一の装置であるために装置間の持ち込み汚染の可能性は低く、複数の反応室を持つクラスター構成とした場合でも、処理順番を様々に変えることが可能である。この方法を用いると様々な特性を持つゲート絶縁膜の作製が可能となる。 As described above, when the present invention is used, it becomes possible to perform a plurality of processes continuously in a reaction chamber having the same principle without exposing the silicon substrate to the atmosphere, for example, one reaction chamber. The footprint can be reduced by performing all the steps. Even when processing each process in a separate reaction chamber, the reaction chambers with the same operating principle are arranged, so the gas piping and operation panel can be made the same, realizing excellent maintenance and operability. it can. Furthermore, since the same apparatus is used, there is a low possibility of contamination between apparatuses, and even in a cluster configuration having a plurality of reaction chambers, the processing order can be changed variously. When this method is used, a gate insulating film having various characteristics can be manufactured.
Claims (13)
希ガスを含むガスのプラズマにより、前記基板を洗浄する第1の工程と、
前記基板を希ガスと酸素を含むガスのプラズマで酸化して酸化膜を形成する第2の工程と、
希ガスと窒素を含むガスのプラズマで、前記酸化膜を窒化する第3の工程と、
水素を含むプラズマで、前記窒化された酸化膜を水素プラズマ処理する第4の工程と、
前記第4の工程の処理した前記基板上にHigh−k膜を形成する工程とを含み;且つ、
前記第1から第4の工程が、同一の動作原理下で行われることを特徴とする方法。 A method of forming an insulating film on a substrate for an electronic device;
A first step of cleaning the substrate with a plasma of a gas containing a rare gas;
A second step of oxidizing the substrate with a plasma of a gas containing a rare gas and oxygen to form an oxide film;
A third step of nitriding the oxide film with a plasma of a gas containing a rare gas and nitrogen;
A fourth step of performing a hydrogen plasma treatment on the nitrided oxide film with a plasma containing hydrogen;
Forming a high-k film on the processed substrate of the fourth step; and
A method characterized in that the first to fourth steps are performed under the same operating principle.
希ガスを含むガスのプラズマにより、前記基板を洗浄する第1の工程と、
前記基板を希ガスと酸素を含むガスのプラズマで酸化して酸化膜を形成する第2の工程と、
水素を含むガスのプラズマで、前記酸化膜を水素プラズマ処理する第3の工程と、
前記第3の工程の処理した前記基板上にHigh−k膜を形成する工程とを含み;且つ、
前記第1から第3の工程が、同一の動作原理下で行われることを特徴とする方法。 A method of forming an insulating film on a substrate for an electronic device;
A first step of cleaning the substrate with a plasma of a gas containing a rare gas;
A second step of oxidizing the substrate with a plasma of a gas containing a rare gas and oxygen to form an oxide film;
A third step of performing hydrogen plasma treatment of the oxide film with plasma of a gas containing hydrogen;
Forming a High-k film on the processed substrate of the third step; and
The method according to claim 1, wherein the first to third steps are performed under the same operating principle.
希ガスを含むガスのプラズマにより、前記基板を洗浄する第1の工程と、
前記基板を希ガスと窒素を含むガスのプラズマで窒化して窒化膜を形成する第2の工程と、
水素を含むガスのプラズマで前記窒化膜を水素プラズマ処理する第3の工程と、
前記第3の工程の処理した前記基板上にHigh−k膜を形成する工程とを含み;且つ、
前記第1から第3の工程が、同一の動作原理下で行われることを特徴とする方法。 A method of forming an insulating film on a substrate for an electronic device;
A first step of cleaning the substrate with a plasma of a gas containing a rare gas;
A second step of nitriding the substrate with a plasma of a gas containing a rare gas and nitrogen to form a nitride film;
A third step of performing a hydrogen plasma treatment on the nitride film with a plasma of a gas containing hydrogen;
Forming a High-k film on the processed substrate of the third step; and
The method according to claim 1, wherein the first to third steps are performed under the same operating principle.
前記第2の工程が、前記希ガス流量が500〜3000sccm、前記酸素ガス流量が10〜500sccm、圧力が3〜500Pa、温度25〜500℃の条件で行われる請求項2に記載の方法。 The first step, the noble gas flow rate 500~3000Sccm, hydrogen gas flow rate is carried out under conditions of 0~100Sccm,
The method according to claim 2, wherein the second step is performed under the conditions of the rare gas flow rate of 500 to 3000 sccm, the oxygen gas flow rate of 10 to 500 sccm, the pressure of 3 to 500 Pa, and the temperature of 25 to 500 ° C.
前記第2の工程が、前記希ガス流量が500〜3000sccm、前記窒素ガス流量が3〜300sccm、圧力が3〜500Pa、温度25〜500℃の条件で行われる請求項3に記載の方法。 The first step, the noble gas flow rate 500~3000Sccm, hydrogen gas flow rate is carried out under conditions of 0~100Sccm,
The method according to claim 3, wherein the second step is performed under the conditions of the rare gas flow rate of 500 to 3000 sccm, the nitrogen gas flow rate of 3 to 300 sccm, the pressure of 3 to 500 Pa, and the temperature of 25 to 500 ° C.
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