JP4564310B2 - Manufacturing method of semiconductor device - Google Patents

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Description

本発明は、高誘電膜を用いた半導体装置の製造方法に関するものである。   The present invention relates to a method for manufacturing a semiconductor device using a high dielectric film.

大規模集積回路(ULSI)を構成する重要な要素はMOSFET(以下、単にトランジスタという)である。ULSIの集積度を上げるために、加工寸法を縮小していく試みがなされている。それに伴い、トランジスタのゲート絶縁膜容量を大きくする必要があるため、その膜厚を薄くする必要が出てきている。ゲート絶縁膜には、これまで、シリコン酸化膜が用いられてきたが、この膜厚を薄くするとトンネルリーク電流が多く流れるようになり、トランジスタが動作しなくなるという問題が起こる。そのため、物理的な膜厚を薄くしないで、絶縁容量を大きくしたいという要請があった。この要請に応えるために、絶縁容量がε/dで表されることから(ε:誘電率、d:膜厚)、誘電率の高い高誘電(以下、High−kという)膜材を使用する試みがなされてきた。   An important element constituting a large scale integrated circuit (ULSI) is a MOSFET (hereinafter simply referred to as a transistor). In order to increase the degree of integration of ULSI, attempts have been made to reduce processing dimensions. Accordingly, it is necessary to increase the gate insulating film capacitance of the transistor, and thus it is necessary to reduce the film thickness. Conventionally, a silicon oxide film has been used as the gate insulating film. However, when this film thickness is reduced, a large amount of tunnel leakage current flows, causing a problem that the transistor does not operate. For this reason, there has been a demand to increase the insulation capacity without reducing the physical film thickness. In order to meet this demand, since the insulation capacity is expressed by ε / d (ε: dielectric constant, d: film thickness), a high dielectric (hereinafter referred to as High-k) film material having a high dielectric constant is used. Attempts have been made.

一般にHigh−k膜材として使用されるのは、金属酸化物であるが、ULSIの基材であるシリコン基板上にこれを成膜すると、その界面は、種々の複雑な反応をおこす。   Generally, a metal oxide is used as a high-k film material. However, when this film is formed on a silicon substrate which is a base material of ULSI, the interface causes various complicated reactions.

例えば、金属酸化物の酸素がSiに奪われ、還元された金属とSiが合金反応を起こして(シリサイド化)絶縁容量膜の絶縁性を破壊してしまう場合がある。完全に金属酸化膜が還元されないまでも、金属酸化物とSiの界面には、未結合手が形成されやすく、それが、固定電荷を形成し、トランジスタ特性に悪影響を与える。そのため、ゲート絶縁膜とシリコン基板の間には、極薄の酸化膜などを挿入して用いることが検討されている。これと同様に、ゲート絶縁膜と上部電極であるポリシリコンの間にも、同じような問題が起こる可能性がある。そのため、ゲート絶縁膜と上部電極であるポリシリコンの間に、界面緩衝層としてシリコン窒化膜が挿入される場合もある。シリコン窒化膜が挿入されるのは、シリコン窒化膜が、金属酸化膜から酸素を奪うことなく、それと安定な界面を形成することが確認されているからである。また、シリコン酸化膜に比べて、誘電率が高いからである。   For example, oxygen in the metal oxide may be taken away by Si, and the reduced metal and Si may cause an alloy reaction (silicidation) to destroy the insulating property of the insulating capacitance film. Even if the metal oxide film is not completely reduced, dangling bonds are likely to be formed at the interface between the metal oxide and Si, which forms a fixed charge and adversely affects the transistor characteristics. Therefore, it has been studied to use an extremely thin oxide film or the like inserted between the gate insulating film and the silicon substrate. Similarly, the same problem may occur between the gate insulating film and the upper electrode polysilicon. For this reason, a silicon nitride film may be inserted as an interface buffer layer between the gate insulating film and the polysilicon as the upper electrode. The silicon nitride film is inserted because it is confirmed that the silicon nitride film forms a stable interface with the metal oxide film without depriving oxygen. This is because the dielectric constant is higher than that of the silicon oxide film.

また、High−k膜材を用いたトランジスタにおいて、ゲート電極をp+型にするために、ポリシリコンを成膜した後に、ボロンをポリシリコン中に拡散させる場合がある。この場合、ボロンは、High−k膜中を拡散しやすく、シリコン基板にまで達してしまう場合がある。これをボロンの突き抜けと呼ぶ。この、ボロンの突き抜けが起こると、High−k膜とシリコン基板界面にボロン原子が存在することになり、これが電子受容体になり、トランジスタの動作に異常を与える原因となる。High−k膜中に窒素を入れることにより、このボロンの突き抜けを防ぐことができる。窒素原子が、ボロン原子が膜中を拡散していく際のバリアになるからである。このため、High−k膜中に窒素を多く入れる試みがなされている。 In addition, in a transistor using a high-k film material, boron may be diffused into the polysilicon after the polysilicon is formed in order to make the gate electrode p + type. In this case, boron easily diffuses in the high-k film and may reach the silicon substrate. This is called boron penetration. When this boron penetration occurs, boron atoms exist at the interface between the High-k film and the silicon substrate, which becomes an electron acceptor and causes an abnormality in the operation of the transistor. By inserting nitrogen into the high-k film, this boron penetration can be prevented. This is because nitrogen atoms serve as a barrier when boron atoms diffuse through the film. For this reason, an attempt has been made to put a large amount of nitrogen in the High-k film.

High−k膜上にCVDでシリコン窒化膜を形成する場合、通常は、700℃以上の高温でSiH4とNH3を用いて成膜するため、金属酸化膜であるHigh−k膜は、還元雰囲気にさらされることにより、酸素が奪われる、つまり還元されることにより絶縁性が劣化することが問題である。そのため、シリコン窒化膜は、HCD(Hexa-chloro-Disilane:Si2Cl6)とアンモニア(NH3)を用いた低温CVDで形成されることが多い。しかし、低温で形成したシリコン窒化膜は、SiとNの結合状態が不安定なので、High−k膜などの酸化膜上に形成された場合、High−k膜中に存在する余剰酸素によりシリコン窒化膜形成中に酸素が取り込まれ、シリコン窒化膜とSiO2膜の混合膜となり誘電率が低下するという問題があった。 When a silicon nitride film is formed on a high-k film by CVD, it is usually formed using SiH 4 and NH 3 at a high temperature of 700 ° C. or higher. Therefore, the high-k film, which is a metal oxide film, is reduced. The problem is that oxygen is deprived by exposure to the atmosphere, that is, the insulation is deteriorated by reduction. For this reason, the silicon nitride film is often formed by low temperature CVD using HCD (Hexa-chloro-Disilane: Si 2 Cl 6 ) and ammonia (NH 3 ). However, since the silicon nitride film formed at a low temperature has an unstable bonding state between Si and N, when formed on an oxide film such as a high-k film, silicon nitride is formed by surplus oxygen present in the high-k film. There is a problem that oxygen is taken in during the film formation, resulting in a mixed film of a silicon nitride film and a SiO 2 film, and the dielectric constant is lowered.

また、High−k膜中に窒素を導入する場合、700〜900℃の高温でアンモニア雰囲気にHigh−k膜を保持することにより窒素を導入する方法がとられることがあるが、この場合、シリコン基板近くに窒素が到達するという問題があった。この問題を解決するために、ダイレクトプラズマを用いて、低温で窒素を導入するという方法が試みられている。この場合、High−k膜表面に窒素が多く導入されるのが理想的であるが、シリコン基板界面にまで窒素が到達していることが分かっている。この現象を図7で説明する。シリコン基板400上の下地膜であるSiO2層(以下、界面SiO2層という)421上にHigh−k膜422を形成し(図7(a))、そのHigh−k膜422を直接プラズマPで窒素導入処理すると、High−k膜422から界面SiO2層421を通って基板表面に至る緩勾配の窒素プロファイルを作るようになる(図7(b))。 In addition, when nitrogen is introduced into the high-k film, a method of introducing nitrogen by holding the high-k film in an ammonia atmosphere at a high temperature of 700 to 900 ° C. may be used. There was a problem that nitrogen reached near the substrate. In order to solve this problem, an attempt has been made to introduce nitrogen at a low temperature using direct plasma. In this case, it is ideal that a large amount of nitrogen is introduced into the surface of the High-k film, but it has been found that the nitrogen reaches the silicon substrate interface. This phenomenon will be described with reference to FIG. A High-k film 422 is formed on a SiO 2 layer (hereinafter referred to as an interface SiO 2 layer) 421 which is a base film on the silicon substrate 400 (FIG. 7A), and the High-k film 422 is directly applied to the plasma P When nitrogen is introduced into the substrate, a gentle gradient nitrogen profile is created from the High-k film 422 through the interface SiO 2 layer 421 to the substrate surface (FIG. 7B).

この場合、その窒素がシリコン基板界面で未結合手を形成し、固定電荷を形成し、トランジスタ特性に悪影響を与えることが分かっている。このことから、窒素は、シリコン基板界面から遠ざけることが検討されている。特にHigh−k膜は、窒素を拡散させやすく、我々が試みた範囲内では、膜中の窒素濃度を上げれば上げるほど、界面への窒素の拡散濃度は上がってしまう。例えば、図7(b)のように窒素濃度が20%程度となるように窒素を添加すると、シリコン基板界面では、5%近くの窒素濃度になってしまうが、これは、トランジスタを正しく動作させるには、許容できない濃度となる。
ここで、窒素濃度は一般に次式で求められる。
窒素濃度(%)
={(単位体積当りの窒素元素の総原子数(個/cm3)/
(単位体積当りの膜中に含まれる全元素の総原子数(個/cm3)}×100
(式1)
しかし、実際に膜中に含まれる全元素の総原子数は測定が困難なので、一般的には、窒素濃度は次式で近似的に求めている。
窒素濃度(%)
={(単位体積当りの窒素元素の総原子数(個/cm3)/
(単位体積当りのSi単結晶の総原子数(個/cm3)}×100
(式2)
単位体積当りのSi単結晶の総原子数(個/cm3)、即ちSi単結晶の密度は、5×1022個/cm3なので、図7(b)のように窒素濃度のピークにおいては、単位体積当りの窒素元素の総原子数(個/cm3)、即ち窒素密度が1×1022個/cm3であり、上記の式2から窒素濃度を求めると、この場合の窒素濃度は20%として近似的に求めることができる。以下の窒素濃度の説明においては、この近似して求められた窒素濃度について言及する。
In this case, it is known that the nitrogen forms a dangling bond at the silicon substrate interface, forms a fixed charge, and adversely affects the transistor characteristics. For this reason, it has been studied to keep nitrogen away from the silicon substrate interface. In particular, the High-k film easily diffuses nitrogen, and within the range we have tried, the higher the concentration of nitrogen in the film, the higher the diffusion concentration of nitrogen at the interface. For example, as shown in FIG. 7B, when nitrogen is added so that the nitrogen concentration is about 20%, the nitrogen concentration is close to 5% at the silicon substrate interface. This causes the transistor to operate correctly. Is an unacceptable concentration.
Here, the nitrogen concentration is generally obtained by the following equation.
Nitrogen concentration (%)
= {(Total number of atoms of nitrogen element per unit volume (pieces / cm 3 ) /
(Total number of atoms of all elements contained in the film per unit volume (pieces / cm 3 )} × 100
(Formula 1)
However, since it is difficult to actually measure the total number of atoms of all elements contained in the film, in general, the nitrogen concentration is approximately obtained by the following equation.
Nitrogen concentration (%)
= {(Total number of atoms of nitrogen element per unit volume (pieces / cm 3 ) /
(Total number of atoms of Si single crystal per unit volume (pieces / cm 3 )} × 100
(Formula 2)
The total number of atoms of Si single crystal per unit volume (pieces / cm 3 ), that is, the density of Si single crystals is 5 × 10 22 pieces / cm 3, so at the peak of nitrogen concentration as shown in FIG. The total number of nitrogen elements per unit volume (pieces / cm 3 ), that is, the nitrogen density is 1 × 10 22 pieces / cm 3 , and when the nitrogen concentration is obtained from the above equation 2, the nitrogen concentration in this case is It can be determined approximately as 20%. In the following description of the nitrogen concentration, reference is made to the nitrogen concentration obtained by this approximation.

本発明の課題は、上述した従来技術の問題点を解消して、基板とHigh−k膜との界面での窒素濃度を低減することが可能な半導体装置の製造方法を提供することにある。   An object of the present invention is to provide a method for manufacturing a semiconductor device capable of solving the above-described problems of the prior art and reducing the nitrogen concentration at the interface between the substrate and the high-k film.

第1の発明は、基板上にHigh−k膜を形成する工程と、前記High−k膜上にシリコン窒化膜を形成する工程と、前記シリコン窒化膜を、プラズマ活性化された窒素含有ガスにより窒化処理して、前記High−k膜の表面側(シリコン窒化膜側)を窒化する工程とを含むことを特徴とする半導体装置の製造方法である。
なお、High−k膜への窒素の導入によって、HfO2の様な金属酸化膜では、Hf−ONという形で窒素が存在し、Hf−Nの存在は無いことが好ましい。また、HfxSi(1-x)2のようなシリケート(珪酸塩のことで、二酸化珪素と金属酸化物からなる化合物の総称。水素を含むこともある。)膜においては、Si−Nという形で窒素が存在し、Hf−Nのような金属窒化物は無いことが好ましい。
The first invention includes a step of forming a high-k film on a substrate, a step of forming a silicon nitride film on the high-k film, and the silicon nitride film by a plasma-activated nitrogen-containing gas. And nitriding the surface side (silicon nitride film side) of the High-k film.
In addition, it is preferable that nitrogen is present in the form of Hf-ON and no Hf-N is present in a metal oxide film such as HfO 2 by introducing nitrogen into the High-k film. In addition, in a silicate film such as Hf x Si (1-x) O 2 (a silicate, which is a general term for a compound composed of silicon dioxide and a metal oxide, which may contain hydrogen), a Si—N film is used. It is preferable that nitrogen is present in the form, and that there is no metal nitride such as Hf—N.

High−k膜上にシリコン窒化膜を低温形成し、それをプラズマ活性化された窒素で処理すると(プラズマ窒化)、シリコン窒化膜形成中に取り込まれたHigh−k膜の酸素により、酸化されたシリコン窒化膜の部分を再窒化することができる。これにより、シリコン窒化膜中の酸素濃度が上がることによる低誘電率化を抑制し、ゲート絶縁膜全体としての容量の低下を招くことを抑制することができる。さらに、プラズマ活性化された窒素が前記シリコン窒化膜中を拡散する間にエネルギーを失ない、シリコン窒化膜とHigh−k膜の界面付近に高濃度で窒素が導入されるとともに、High−k膜とシリコン基板界面には窒素の拡散が抑制され、前記シリコン窒化膜とHigh−k膜の界面からHigh−k膜と基板の界面にかけて、急勾配ないしは急峻な窒素濃度プロファイルが形成でき、High−k膜と基板との界面での窒素濃度を大幅に低減できる。High−k膜上の前記シリコン窒化膜及びHigh−k膜の前記シリコン窒化膜側に高濃度の窒素が導入されたことにより、ポリシリコン電極とHigh−k膜の界面を安定化させることができるとともに、ボロンの拡散を防止する効果もある。   When a silicon nitride film was formed at a low temperature on the High-k film and treated with plasma activated nitrogen (plasma nitridation), it was oxidized by the oxygen of the High-k film taken in during the silicon nitride film formation. A portion of the silicon nitride film can be renitrided. As a result, a reduction in dielectric constant due to an increase in the oxygen concentration in the silicon nitride film can be suppressed, and a reduction in the capacity of the entire gate insulating film can be suppressed. Further, the plasma-activated nitrogen loses energy while diffusing in the silicon nitride film, nitrogen is introduced at a high concentration near the interface between the silicon nitride film and the high-k film, and the high-k film Nitrogen diffusion is suppressed at the interface between the silicon nitride film and the high-k film, and a steep or steep nitrogen concentration profile can be formed from the interface between the silicon nitride film and the high-k film to the interface between the high-k film and the substrate. The nitrogen concentration at the interface between the film and the substrate can be greatly reduced. By introducing high-concentration nitrogen into the silicon nitride film side of the silicon nitride film and the high-k film on the high-k film, the interface between the polysilicon electrode and the high-k film can be stabilized. At the same time, it has the effect of preventing the diffusion of boron.

基板としてはシリコンウェハが挙げられる。High−k膜は、金属酸化物及びシリケートから構成される。金属酸化物としてはZrO2、HfO2、Al23、TiO2、Ta23が挙げられる。シリケートとしては、ZrSiO4、HfSiO4が挙げられる。High−k膜を形成する方法としては、MOCVD、ALD(Atomic Layer Deposition)、数ÅのMOCVD成膜とリモートプラズマガスによる膜質改質処理の繰り返し成膜法が挙げられる。窒化膜としては、シリコン窒化膜(SiN、Si34、Sixy)が挙げられる。窒化膜を形成する方法としては、熱CVD法、ALD法が挙げられる。プラズマ処理を行うプラズマ源としては、リモートプラズマ源や変形マグネトロン型(MMT:Modified-Magnetron Type)プラズマ源が挙げられる。その内容は、特開2001−196354号公報に示されている。
プラズマ活性化された窒素含有ガスとしては、N2 *、NH3 *、NH2 *、NH*が挙げられる(*はプラズマを意味する)。
An example of the substrate is a silicon wafer. The High-k film is composed of a metal oxide and silicate. Examples of the metal oxide include ZrO 2 , HfO 2 , Al 2 O 3 , TiO 2 , and Ta 2 O 3 . Examples of the silicate include ZrSiO 4 and HfSiO 4 . Examples of a method for forming a high-k film include MOCVD, ALD (Atomic Layer Deposition), and a method of repeatedly forming several MOCVD films and a film quality modification process using a remote plasma gas. Examples of the nitride film include silicon nitride films (SiN, Si 3 N 4 , Si x N y ). Examples of a method for forming the nitride film include a thermal CVD method and an ALD method. Examples of the plasma source for performing the plasma treatment include a remote plasma source and a modified magnetron type (MMT: Modified-Magnetron Type) plasma source. The contents are disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 2001-196354.
Examples of the plasma-activated nitrogen-containing gas include N 2 * , NH 3 * , NH 2 * , and NH * ( * means plasma).

第2の発明は、第1の発明において、基板上へのHigh−k膜の形成と5Å以下のシリコン窒化膜の形成を複数回繰り返し、最後に窒素ガス或いは窒素を含んだ化合物ガスのプラズマを用いて窒化処理を施すことを特徴とする半導体装置の製造方法である。
High−k膜の形成とシリコン窒化膜又はシリコン酸窒化膜とを交互に繰り返し、最後にプラズマ窒化をすると、最下層を除く各High−k膜に窒素を導入して、この各High−k膜を高窒素濃度にすることができる。前記各High−k膜の窒素濃度を高めると、ボロンの突き抜けを防止する効果だけでなく、後工程の高温熱処理に伴うHigh−k膜の結晶化によるリーク電流の増加を防ぐことができ、有効である。
但し、この場合、最下層のHigh−k膜を高窒素濃度とすると、シリコン基板界面への窒素拡散が起こり、トランジスタチャネル部のキャリア移動度の低下が懸念されるため、最下層のHigh−k膜は厚めにしたり、或いは、最下層のHigh−k膜の下に極薄のSiO2膜を敷いたり等することが好ましい。
According to a second invention, in the first invention, formation of a high-k film on a substrate and formation of a silicon nitride film of 5 mm or less are repeated a plurality of times, and finally nitrogen gas or a compound gas plasma containing nitrogen is used. A method for manufacturing a semiconductor device, characterized in that nitriding is performed.
When the formation of the high-k film and the silicon nitride film or the silicon oxynitride film are alternately repeated, and finally plasma nitridation is performed, nitrogen is introduced into each high-k film except the lowermost layer, and each of the high-k films Can be made to have a high nitrogen concentration. Increasing the nitrogen concentration in each of the High-k films not only has an effect of preventing boron penetration, but also prevents an increase in leakage current due to crystallization of the High-k film due to high-temperature heat treatment in the subsequent process. It is.
However, in this case, if the lowermost High-k film has a high nitrogen concentration, nitrogen diffusion to the interface of the silicon substrate occurs, and there is a concern that the carrier mobility in the transistor channel portion may be lowered. It is preferable to make the film thicker or to lay an extremely thin SiO 2 film under the lowermost High-k film.

第3の発明は、第1、第2の発明において、基板上へのHigh−k膜形成の前にも、5Å以下のシリコン窒化膜を形成することを特徴とする半導体装置の製造方法である。
High−k膜の形成前にも、シリコン窒化膜を形成すると、High−k膜がシリコン窒化膜に挟まれたサンドイッチ構造になるので、High−k膜の形成と、シリコン窒化膜の形成の繰り返しが1回であっても、High−k膜全体の窒素濃度を高めることができる。High−k膜全体の窒素濃度を高める目的は、先に述べた通りである。但し、第3の発明では、シリコン基板界面への窒素拡散を防ぐため、最下層のシリコン窒化膜の下に極薄のSiO2膜を敷く必要がある。
A third invention is a method of manufacturing a semiconductor device according to the first or second invention, wherein a silicon nitride film having a thickness of 5 mm or less is formed even before the high-k film is formed on the substrate. .
If the silicon nitride film is formed before the high-k film is formed, the sandwich structure in which the high-k film is sandwiched between the silicon nitride films is formed. Therefore, the formation of the high-k film and the formation of the silicon nitride film are repeated. Can increase the nitrogen concentration of the entire High-k film. The purpose of increasing the nitrogen concentration of the entire High-k film is as described above. However, in the third invention, in order to prevent nitrogen diffusion to the silicon substrate interface, it is necessary to lay an extremely thin SiO 2 film under the lowermost silicon nitride film.

第4の発明は、第1の発明において、High−k膜上にシリコン窒化膜を形成した後、或いは、第2の発明及び第3の発明において、High−k膜とシリコン窒化膜の積層膜を形成した後、窒素ガス或いは窒素を含んだ化合物ガスのプラズマを用いて窒化処理を行った後に、酸素ガス、或いは、酸素を含んだガスのプラズマを用いて酸化処理をすることを特徴とした半導体装置の製造方法である。
High−k膜のプラズマ窒化処理とは、例えば、HfO2のような金属酸化膜の場合は、HfO2膜中のHf原子を窒化することが目的ではなく、Hf−ON結合を作ること、或いは、Hf膜中に窒素原子を導入することである。また、HfxSi(1-x)2のようなシリケート膜の場合は、同じく、Hf原子を窒化することが目的ではなく、Si−N結合を作ることを目的としている。もし、プラズマ窒化処理によりHigh−k膜中の金属が窒化され導電体である金属窒化膜が形成された場合は、形成したトランジスタのリーク電流が高くなる可能性がある。これを防ぐために、プラズマ窒化後にプラズマ酸化を行うと、シリコン窒化膜と比べて比較的不安定な金属窒化膜は選択的に酸化され、不導体の金属酸化膜となるので、プラズマ窒化に伴うリーク電流の増加を防ぐことができる。
窒素ガス或いは窒素が含まれている化合物ガスとしては、N2、NH3、N2O、NO、NO2などが挙げられる。酸素ガス或いは酸素が含まれている化合物のガスとしては、O2、O3、O*、H2Oなどが挙げられる。
According to a fourth invention, in the first invention, a silicon nitride film is formed on the High-k film, or in the second and third inventions, a stacked film of the High-k film and the silicon nitride film. After performing the nitriding treatment using the plasma of the nitrogen gas or the compound gas containing nitrogen, the oxidation treatment is performed using the plasma of the oxygen gas or the gas containing oxygen. A method for manufacturing a semiconductor device.
For example, in the case of a metal oxide film such as HfO 2 , the plasma nitriding treatment of the High-k film is not aimed at nitriding Hf atoms in the HfO 2 film, but creating an Hf-ON bond, or Introducing nitrogen atoms into the Hf film. In the case of a silicate film such as Hf x Si (1-x) O 2 , the purpose is not to nitride Hf atoms but to create Si—N bonds. If the metal in the High-k film is nitrided by plasma nitriding to form a metal nitride film that is a conductor, the leakage current of the formed transistor may increase. In order to prevent this, if plasma oxidation is performed after plasma nitridation, a relatively unstable metal nitride film is selectively oxidized as compared with a silicon nitride film, resulting in a non-conductive metal oxide film. An increase in current can be prevented.
Nitrogen gas or a compound gas containing nitrogen includes N 2 , NH 3 , N 2 O, NO, NO 2 and the like. Examples of oxygen gas or a compound gas containing oxygen include O 2 , O 3 , O * , and H 2 O.

第5の発明は、第1の発明においてHigh−k膜にシリコン窒化膜を形成した後、或いは、第2の発明及び第3の発明においてHigh−k膜とシリコン窒化膜の積層膜を形成した後、窒化処理を行わずに、酸素ガス或いは酸素が含まれている化合物のガスのプラズマを用いて酸化処理を行い、その後に、窒素ガス或いは窒素が含まれている化合物ガスのプラズマを用いて窒化処理をすることを特徴とした半導体装置の製造方法である。
プラズマ酸化を先に行うのは、シリコン窒化膜、及びHigh−k膜中に不純物が多く含まれると思われる場合である。先に、プラズマ酸素により膜中のHやCを取り除いた方が、その後の窒化の効果が現れやすいからである。
In the fifth invention, after the silicon nitride film is formed on the High-k film in the first invention, or the stacked film of the High-k film and the silicon nitride film is formed in the second and third inventions. After that, without performing nitriding treatment, an oxidation treatment is performed using a plasma of oxygen gas or a compound gas containing oxygen, and then using a plasma of nitrogen gas or a compound gas containing nitrogen. A semiconductor device manufacturing method characterized by performing nitriding treatment.
The plasma oxidation is performed first when the silicon nitride film and the high-k film are considered to contain many impurities. This is because the effect of the subsequent nitriding tends to appear when the H or C in the film is removed first by plasma oxygen.

第6の発明は、第1〜第5の発明においてシリコン窒化膜は、シリコン元素を含むガス(SiH2C12(DCS)、HSi[N(CH323(TrDMASi)、或いは、Si[N(CH324(TDMASi))と、窒素或いは、窒素が含まれている化合物ガス、又は、窒素或いは、窒素が含まれている化合物ガスのプラズマを交互に供給することにより成膜する、ALD法で成膜することを特徴とした半導体装置の製造方法である。 According to a sixth invention, in the first to fifth inventions, the silicon nitride film is a gas containing silicon element (SiH 2 C1 2 (DCS), HSi [N (CH 3 ) 2 ] 3 (TrDMASi), or Si [N (CH 3 ) 2 ] 4 (TDMASi)) and nitrogen or a compound gas containing nitrogen, or plasma of nitrogen or a compound gas containing nitrogen is alternately supplied. A method for manufacturing a semiconductor device is characterized by forming a film by an ALD method.

第7の発明は、第4〜第6の発明において、プラズマを用いた窒化及び酸化処理を、同一反応室を用いて連続で処理ができることを特徴とした半導体装置の製造方法である。
プラズマを用いた窒化及び酸化処理を、同一反応室を用いて連続で処理ができるので、基板表面の処理に多くの時間やエネルギーをかけたり、基板搬送中に再汚染することがない。
A seventh invention is a method for manufacturing a semiconductor device according to the fourth to sixth inventions, wherein the nitridation and oxidation treatment using plasma can be continuously carried out in the same reaction chamber.
Since nitridation and oxidation treatment using plasma can be carried out continuously using the same reaction chamber, it does not take much time and energy to treat the substrate surface, and does not re-contamination during substrate transfer.

第8の発明は、第1〜第7の発明において、プラズマ処理をMMTプラズマ源を用いて行うことを特徴とした半導体装置の製造方法である。
基板に入射するエネルギーを調整できるMMTプラズマ源を用いてプラズマ処理を行うので、High−k膜中の窒素濃度プロファイルの制御性が良くなる。
An eighth invention is a method of manufacturing a semiconductor device according to any one of the first to seventh inventions, wherein the plasma treatment is performed using an MMT plasma source.
Since the plasma processing is performed using the MMT plasma source capable of adjusting the energy incident on the substrate, the controllability of the nitrogen concentration profile in the High-k film is improved.

第9の発明は、第1〜第8の発明において、シリコン窒化膜とHigh−k膜の形成を同一反応室を用いて連続で処理ができることを特徴とした半導体装置の製造方法である。
シリコン窒化膜とHigh−k膜の形成を、同一反応室を用いて連続で処理ができるので、基板表面の処理に多くの時間やエネルギーをかけたり、基板搬送中に再汚染することがない。
A ninth invention is a method of manufacturing a semiconductor device according to any one of the first to eighth inventions, wherein the formation of the silicon nitride film and the high-k film can be continuously performed using the same reaction chamber.
Since the formation of the silicon nitride film and the high-k film can be continuously performed using the same reaction chamber, the processing of the substrate surface does not take much time and energy, and is not recontaminated during the transfer of the substrate.

第10の発明は、第4〜第6の発明において、シリコン窒化膜とHigh−k膜の成膜とプラズマを用いた酸化及び窒化処理を、同一反応室を用いて連続で処理ができることを特徴とした半導体装置の製造方法である。
シリコン窒化膜とHigh−k膜の成膜とプラズマを用いた酸化及び窒化処理を、同一反応室を用いて連続で処理ができるので、基板表面の処理に多くの時間やエネルギーをかけたり、基板搬送中に再汚染することがない。
A tenth invention is characterized in that, in the fourth to sixth inventions, the silicon nitride film and the high-k film and the oxidation and nitridation treatment using plasma can be continuously performed in the same reaction chamber. This is a method for manufacturing a semiconductor device.
Since silicon nitride film and high-k film formation and plasma oxidation and nitridation treatment can be performed continuously in the same reaction chamber, a lot of time and energy is applied to the treatment of the substrate surface. No recontamination during transport.

第11の発明は、基板上にHigh−k膜を形成する工程と、High−k膜を形成した後に、酸素を含むガス、活性な酸素を含むガス、或いは酸素を含むガス及び活性な酸素を含むガスを用いてシリコン酸化膜を形成する工程と、シリコン酸化膜を形成した後に、窒素ガス或いは窒素が含まれている化合物ガスのプラズマを用いて窒化処理をする工程とを含むことを特徴とした半導体装置の製造方法である。
High−k膜上にシリコン窒化膜を形成する場合、High−k膜は、還元雰囲気にさらされることになり、High−k膜中に酸素欠損が生じる可能性がある。しかし、High−k膜上にシリコン酸化膜を形成した後に、窒化するようにした場合、High−k膜表面は、還元雰囲気に直接さらされることがなくなり、上記の問題を避けることができる。
また、High−k膜を形成した後に、シリコン酸化膜を形成すると、シリコン窒化膜を形成するよりも、後で成膜するポリシリコン電極との界面、先に成膜したHigh−k膜との界面の未結合種の低減により、固定電荷の低減が期待できる。但し、シリコン窒化膜を形成する場合よりも、シリコン酸化膜を窒化する場合の方が窒素濃度が低いため、ゲート絶縁膜容量としては、少なくなるが、許容範囲内で実施すると良い。
According to an eleventh aspect of the invention, there is provided a step of forming a high-k film on a substrate, and a gas containing oxygen, a gas containing active oxygen, or a gas containing oxygen and active oxygen after the formation of the high-k film. A step of forming a silicon oxide film using a gas containing the gas, and a step of performing a nitriding process using a plasma of a nitrogen gas or a compound gas containing nitrogen after the silicon oxide film is formed. This is a method for manufacturing a semiconductor device.
When a silicon nitride film is formed on the High-k film, the High-k film is exposed to a reducing atmosphere, and oxygen vacancies may be generated in the High-k film. However, when the silicon oxide film is formed on the high-k film and then nitrided, the surface of the high-k film is not directly exposed to the reducing atmosphere, and the above problem can be avoided.
Further, when the silicon oxide film is formed after the high-k film is formed, the interface with the polysilicon electrode formed later and the high-k film formed earlier are formed rather than the silicon nitride film. Reduction of fixed charge can be expected by reducing the number of unbound species at the interface. However, since the nitrogen concentration is lower in the case of nitriding the silicon oxide film than in the case of forming the silicon nitride film, the gate insulating film capacitance is reduced, but it is preferable to implement it within an allowable range.

シリコン酸化膜を形成する工程では、Si元素を含むガス、Si元素を含むガスと酸素を含むガス、活性な酸素を含むガス、或いは酸素を含むガス及び活性な酸素を含むガスを用いることもできる。シリコン元素を含むガスとしては、DCS、SiH4、TDMASi(Si[N(CH324)、TEOS(Si(OC254)などが挙げられる。酸素を含むガスとしては、O2、O3、H2Oなどが挙げられる。活性な酸素を含むガスとしてはO-(イオン)、O+(イオン)、O*(ラジカル)が挙げられる。 In the step of forming the silicon oxide film, a gas containing Si element, a gas containing Si element and a gas containing oxygen, a gas containing active oxygen, or a gas containing oxygen and a gas containing active oxygen can be used. . Examples of the gas containing silicon element include DCS, SiH 4 , TDMASi (Si [N (CH 3 ) 2 ] 4 ), and TEOS (Si (OC 2 H 5 ) 4 ). Examples of the gas containing oxygen include O 2 , O 3 , and H 2 O. Examples of the gas containing active oxygen include O (ion), O + (ion), and O * (radical).

第12の発明は、第11の発明において、High−k膜にシリコン酸化膜を形成した後に、酸化ガス或いは酸素が含まれている化合物ガスのプラズマを用いて酸化処理を行った後、窒素ガス或いは窒素が含まれている化合物ガスのプラズマを用いて窒化処理をすることを特徴とした半導体デバイス製造方法である。
High−k膜上に極薄のシリコン酸化膜を形成し、さらにシリコン酸化膜を酸化処理し、さらに窒化処理することにより、窒化処理した後に酸化処理する場合と同じ効果が期待できる。
酸化ガス或いは酸素が含まれている化合物ガスとしては、O2、O3、H2Oが挙げられる。
According to a twelfth aspect, in the eleventh aspect, after a silicon oxide film is formed on the high-k film, an oxidation treatment is performed using plasma of an oxidizing gas or a compound gas containing oxygen, and then a nitrogen gas Alternatively, the semiconductor device manufacturing method is characterized in that nitriding is performed using plasma of a compound gas containing nitrogen.
By forming an extremely thin silicon oxide film on the high-k film, further oxidizing the silicon oxide film, and further nitriding, the same effect as in the case of oxidizing after nitriding can be expected.
Examples of the compound gas containing an oxidizing gas or oxygen include O 2 , O 3 , and H 2 O.

第13の発明は、第11、12の発明において、シリコン酸化膜とHigh−k膜とを同一反応室を用いて連続で処理ができることを特徴とした半導体装置の製造方法である。
シリコン酸化膜とHigh−k膜とを同一反応室を用いて連続で処理ができるので、基板表面の処理に多くの時間やエネルギーをかけたり、基板搬送中に再汚染することがない。
A thirteenth invention is a method for manufacturing a semiconductor device according to the eleventh and twelfth inventions, wherein the silicon oxide film and the high-k film can be continuously processed in the same reaction chamber.
Since the silicon oxide film and the high-k film can be continuously processed using the same reaction chamber, the processing of the substrate surface does not take much time and energy, and is not recontaminated during the transfer of the substrate.

第14の発明は、第11の発明において、シリコン酸化膜とHigh−k膜の成膜とプラズマを用いた窒化処理を、同一反応室を用いて連続で処理ができることを特徴とした半導体装置の製造方法である。
シリコン酸化膜とHigh−k膜の成膜とプラズマを用いた処理を、同一反応室を用いて連続で処理ができるので、基板表面の処理に多くの時間やエネルギーをかけたり、基板搬送中に再汚染することがない。
According to a fourteenth aspect of the invention, there is provided the semiconductor device according to the eleventh aspect, wherein the silicon oxide film and the high-k film and the nitriding treatment using plasma can be continuously performed in the same reaction chamber. It is a manufacturing method.
Since the silicon oxide film and high-k film formation and plasma processing can be performed continuously in the same reaction chamber, a lot of time and energy is applied to the processing of the substrate surface. There is no recontamination.

第15の発明は、第11〜第14の発明において、プラズマ処理はMMTプラズマ源を用いて行うことを特徴とした半導体装置の製造方法である。
基板に入射するエネルギーを調整できるMMTプラズマ源を用いてプラズマ処理を行うので、濃度プロファイルの制御性が良くなる。
A fifteenth aspect of the invention is a method for manufacturing a semiconductor device according to any of the first to fourteenth aspects of the invention, wherein the plasma treatment is performed using an MMT plasma source.
Since plasma processing is performed using an MMT plasma source capable of adjusting energy incident on the substrate, the controllability of the concentration profile is improved.

本発明によれば、基板とHigh−k膜との界面での窒素濃度を低減することができ、半導体装置の特性を向上できる。   According to the present invention, the nitrogen concentration at the interface between the substrate and the High-k film can be reduced, and the characteristics of the semiconductor device can be improved.

以下に本発明の実施の形態を説明する。
図3にHigh−k膜及びシリコン窒化膜を形成する処理室を示す。図4にはプラズマ窒化処理を施す処理室を示す。また、図5に基板を大気に触れさすことなく連続で処理するための枚葉クラスタシステムを示す。
Embodiments of the present invention will be described below.
FIG. 3 shows a processing chamber in which a High-k film and a silicon nitride film are formed. FIG. 4 shows a processing chamber for performing plasma nitriding. FIG. 5 shows a single wafer cluster system for processing substrates continuously without exposing them to the atmosphere.

図5に示すように、真空搬送室300の外周に、シリコン基板としてのウェハを処理する複数のチャンバを気密に配置する。複数のチャンバは、第1及び第2の基板冷却室311、312、リモートプラズマ源を有する処理室(以下、第1の処理室)313、MMTプラズマ源を有する処理室(以下、第2の処理室)314、第1及び第2のロードロック室315、316である。真空搬送室300に設けた真空搬送ロボット301はアームを有し、上述した複数のチャンバ311〜316の任意のチャンバに対してウェハを搬送又は搬出できるようになっている。また、ウェハカセット(又はフープ)341,342を搬入又は搬出する第1及び第2のカセットスタンド331、332が設けられる。カセットスタンド331、332とロードロック室315、316との間に、大気搬送ロボット(図示せず)を備えた大気搬送室320が設けられる。大気搬送ロボットはアームを有し、カセットスタンド331、332と、ロードロック室315、316との間でウェハの授受を行うようになっている。   As shown in FIG. 5, a plurality of chambers for processing a wafer as a silicon substrate are airtightly arranged on the outer periphery of the vacuum transfer chamber 300. The plurality of chambers include first and second substrate cooling chambers 311 and 312, a processing chamber (hereinafter referred to as a first processing chamber) 313 having a remote plasma source, and a processing chamber (hereinafter referred to as a second processing chamber) having an MMT plasma source. Chamber) 314, and first and second load lock chambers 315 and 316. The vacuum transfer robot 301 provided in the vacuum transfer chamber 300 has an arm so that the wafer can be transferred to or taken out from any of the plurality of chambers 311 to 316 described above. In addition, first and second cassette stands 331 and 332 for carrying in or carrying out wafer cassettes (or hoops) 341 and 342 are provided. An atmospheric transfer chamber 320 including an atmospheric transfer robot (not shown) is provided between the cassette stands 331 and 332 and the load lock chambers 315 and 316. The atmospheric transfer robot has an arm, and exchanges wafers between the cassette stands 331 and 332 and the load lock chambers 315 and 316.

大気搬送ロボットにより第1のカセットスタンド331のカセット341から第1のロードロック室315へウェハを搬入する。真空搬送室300内の真空搬送ロボット301により、第1のロードロック室315からウェハを受け取り、第1の処理室313、又は第2の処理室314に搬入してウェハの処理を行う。ウェハの処理が完了すると、真空搬送ロボット301によりウェハを受け取り、第2の処理室314又は第1の処理室313に搬入して連続でウェハの処理を行う。ウェハの処理が完了すると、真空搬送ロボット301によりウェハを受け取り、基板冷却室311又は312に搬入する。冷却後真空搬送ロボット301でウェハを基板冷却室311又は312から取り出し、第2のロードロック室316に移載する。大気搬送ロボットにより第2のロードロック室316からウェハを取り出し、第2のカセットスタンド332のカセット342に払い出す。   A wafer is carried into the first load lock chamber 315 from the cassette 341 of the first cassette stand 331 by the atmospheric transfer robot. A wafer is received from the first load lock chamber 315 by the vacuum transfer robot 301 in the vacuum transfer chamber 300 and is loaded into the first processing chamber 313 or the second processing chamber 314 to process the wafer. When the processing of the wafer is completed, the wafer is received by the vacuum transfer robot 301 and is loaded into the second processing chamber 314 or the first processing chamber 313 to continuously process the wafer. When the wafer processing is completed, the wafer is received by the vacuum transfer robot 301 and carried into the substrate cooling chamber 311 or 312. After cooling, the wafer is taken out of the substrate cooling chamber 311 or 312 by the vacuum transfer robot 301 and transferred to the second load lock chamber 316. The wafer is taken out from the second load lock chamber 316 by the atmospheric transfer robot, and is discharged to the cassette 342 of the second cassette stand 332.

上述した操作を繰り返すことにより、第1のカセットスタンド331のカセット341から未処理基板を逐次取り出し、上記処理を行って、処理済みの基板として第2のカセットスタンド332のカセット342に収納していく。   By repeating the above-described operation, unprocessed substrates are sequentially taken out from the cassette 341 of the first cassette stand 331, processed as described above, and stored in the cassette 342 of the second cassette stand 332 as processed substrates. .

図3に示す第1の処理室は、化学反応を利用してウェハの表面にHigh−k膜又はシリコン窒化膜を形成する枚葉の基板処理室(以下、CVD処理室という)である。   The first processing chamber shown in FIG. 3 is a single-wafer substrate processing chamber (hereinafter referred to as a CVD processing chamber) in which a high-k film or a silicon nitride film is formed on the surface of a wafer using a chemical reaction.

CVD処理室は、偏平な円筒状のチャンバ102と、ガス導入部136と、ガス排気管135と、基板搬入出口(図示せず)と、基板搬入出口を経由してウェハ200が搬出される際に、ウェハ200が位置する基板搬入出位置とウェハ200を処理する基板処理位置との間のチャンバ102内でウェハ200を移動するヒータユニット117と、基板搬入出位置に移動したヒータユニット117から突出するピン120とを備えている。ヒータユニット117は、内部にヒータを有して、ヒータユニット117上のウェハ200を加熱する。チャンバ102内の基板処理位置に、ヒータユニット117が基板処理位置に移動したとき、ヒータユニット117の下方に形成される空間105にガスが流れるのを規制して、ガスを排気管135に導くコンダクタンスプレート110が設けられている。   When the wafer 200 is unloaded via the flat cylindrical chamber 102, the gas introduction part 136, the gas exhaust pipe 135, the substrate loading / unloading port (not shown), and the substrate loading / unloading chamber. Further, the heater unit 117 moves the wafer 200 in the chamber 102 between the substrate loading / unloading position where the wafer 200 is located and the substrate processing position where the wafer 200 is processed, and the heater unit 117 moved to the substrate loading / unloading position. And a pin 120 to be used. The heater unit 117 has a heater inside, and heats the wafer 200 on the heater unit 117. When the heater unit 117 moves to the substrate processing position in the chamber 102, the conductance for guiding the gas to the exhaust pipe 135 is regulated by restricting the flow of the gas into the space 105 formed below the heater unit 117. A plate 110 is provided.

CVD処理室の基板搬入出口は、図5に示す枚葉クラスタシステムの真空搬送室300に接続される側に配置され、ここからウェハ200を真空搬送ロボット301のアームにより、チャンバ102内に搬送する。その際、ヒータユニット117が、下方の基板搬入出位置に移動すると、ヒータユニット117に設けられた挿通穴から支持ピン120が現れ、真空搬送ロボット301は支持ピン120上にウェハ200を載せる。搬送ロボット301がチャンバ102から退避した後、ヒータユニット117が上方の基板処理位置に移動し、ウェハ200をヒータユニット117上にすくい上げる。ウェハ200はヒータユニット117により成膜に適した温度まで加熱される。ウェハ温度が所定の温度にまで達した後、ガス導入部136からウェハ200上に処理のための原料が導入されてガス排気管135から排気される。   The substrate loading / unloading port of the CVD processing chamber is arranged on the side connected to the vacuum transfer chamber 300 of the single wafer cluster system shown in FIG. 5, from which the wafer 200 is transferred into the chamber 102 by the arm of the vacuum transfer robot 301. . At this time, when the heater unit 117 moves to the lower substrate loading / unloading position, the support pins 120 appear from the insertion holes provided in the heater unit 117, and the vacuum transfer robot 301 places the wafer 200 on the support pins 120. After the transfer robot 301 is retracted from the chamber 102, the heater unit 117 moves to the upper substrate processing position and scoops the wafer 200 onto the heater unit 117. The wafer 200 is heated to a temperature suitable for film formation by the heater unit 117. After the wafer temperature reaches a predetermined temperature, a raw material for processing is introduced from the gas introduction unit 136 onto the wafer 200 and is exhausted from the gas exhaust pipe 135.

ガス導入部136は、図3に示すように、チャンバ102の上部に隣接配設された複数の導入口より構成される。図示例では、High−k膜原料ガス等を供給するHigh−k原料導入口137、プラズマ発生器130で発生したプラズマガス等を導入するプラズマ導入口138、Si原料ガス等を供給するSi原料導入口139の3つから構成される。プラズマ導入口138からは、例えば窒素プラズマが供給されるようになっている。High−k膜原料ガスの供給によりウェハ200にHigh−k膜が形成され、またSi原料ガスと窒素プラズマの供給によりウェハ200上にシリコン窒化膜が形成される。   As shown in FIG. 3, the gas introduction unit 136 includes a plurality of introduction ports disposed adjacent to the upper portion of the chamber 102. In the illustrated example, a High-k source introduction port 137 for supplying a High-k film source gas, a plasma introduction port 138 for introducing a plasma gas generated by the plasma generator 130, a Si source introduction for supplying a Si source gas, etc. It consists of three ports 139. For example, nitrogen plasma is supplied from the plasma inlet 138. A High-k film is formed on the wafer 200 by supplying the High-k film source gas, and a silicon nitride film is formed on the wafer 200 by supplying the Si source gas and nitrogen plasma.

図4に示す第2の処理室は、電界と磁界により生成した高密度プラズマを用いて基板表面に形成した薄膜に窒化処理又は酸化処理を施す枚葉の基板処理室(以下、MMT処理室という)である。   The second processing chamber shown in FIG. 4 is a single-wafer substrate processing chamber (hereinafter referred to as an MMT processing chamber) in which a thin film formed on a substrate surface is subjected to nitriding treatment or oxidation treatment using high-density plasma generated by an electric field and a magnetic field. ).

MMT処理室は、下側容器211と上側容器210とから構成されたチャンバ202と、シャワープレート240を有するガス導入部236と、ガス排気管235と、基板搬入出口(図示せず)と、基板搬入出口を経由してウェハ200が搬出される際にウェハ200が位置する基板搬入出位置とウェハ200を処理する基板処理位置との間のチャンバ202内でウェハ200を移動するサセプタ217と、基板処理位置に移動したサセプタ217から突出するピン(図示せず)とを備えている。サセプタ217は、コンデンサとコイルを直列接続したインピーダンス調整回路274を介して接地され、サセプタ217を介してウェハ200の電位を制御して、ウェハ200に入射するエネルギーを調整できるようになっている。また、サセプタ217は、内部にヒータを有して、サセプタ217上のウェハ200を加熱する。ガス導入部236は複数の反応ガス導入口を有する。これらは、例えばN2ガス導入口231、O2ガス導入口232等である。 The MMT processing chamber includes a chamber 202 composed of a lower container 211 and an upper container 210, a gas introduction part 236 having a shower plate 240, a gas exhaust pipe 235, a substrate loading / unloading port (not shown), a substrate A susceptor 217 that moves the wafer 200 in a chamber 202 between a substrate loading / unloading position where the wafer 200 is positioned and a substrate processing position where the wafer 200 is processed when the wafer 200 is unloaded via the loading / unloading port; And a pin (not shown) protruding from the susceptor 217 moved to the processing position. The susceptor 217 is grounded via an impedance adjustment circuit 274 in which a capacitor and a coil are connected in series, and the energy incident on the wafer 200 can be adjusted by controlling the potential of the wafer 200 via the susceptor 217. The susceptor 217 has a heater inside and heats the wafer 200 on the susceptor 217. The gas introduction part 236 has a plurality of reaction gas introduction ports. These are, for example, the N 2 gas inlet 231 and the O 2 gas inlet 232.

チャンバ202の外周に、放電用の筒状電極215が設置され、高周波電源273からの高周波電力が整合器272を介して筒状電極215に印加されて、処理室201内にプラズマ224を生成するようになっている。   A discharge cylindrical electrode 215 is installed on the outer periphery of the chamber 202, and high-frequency power from the high-frequency power source 273 is applied to the cylindrical electrode 215 via the matching unit 272 to generate plasma 224 in the processing chamber 201. It is like that.

また、チャンバ202の外周に、磁界形成用の磁界形成手段216が設置されて、筒状電極215の内周面に沿って円筒軸方向に磁界を形成するようになっている。   A magnetic field forming means 216 for forming a magnetic field is installed on the outer periphery of the chamber 202 so as to form a magnetic field in the cylindrical axis direction along the inner peripheral surface of the cylindrical electrode 215.

MMT処理室の基板搬入出口は、図5に示すクラスタシステムの真空搬送室300に接続される側に配置され、ここからウェハ200を真空搬送ロボット301のアームにより、チャンバ202内に搬送する。その際、サセプタ217は、下方の基板搬入出位置に移動し、サセプタ217に設けられた挿通穴から支持ピンが現れ、真空搬送ロボットは支持ピン上にウェハ200を載せる。搬送ロボットがチャンバ202から退避した後、サセプタ217が上方の基板処理位置に移動し、ウェハ200をサセプタ217上にすくい上げる。ウェハ200はサセプタ217により成膜に適した温度まで加熱される。ウェハ温度が所定の温度にまで達した後、筒状電極215に高周波電力を印加して、ガス導入部236からウェハ200上にガスを導入すると、磁界形成手段216の磁界の影響を受けてマグネトロン放電が発生する。これによりウェハ200の上方の空間に電荷がトラップされて高密度プラズマが生成され、生成されるプラズマガスがウェハ200を処理する。例えば、ガスが窒素N2の場合には窒素プラズマがウェハ200を窒化処理し、ガスが酸素O2の場合には、O3(オゾン)、O-(イオン)、O+(イオン)、O*(ラジカル)がウェハを酸化処理する。このときチャンバ202内の排ガスはガス排気管235から排気される。なお、MMT処理室で生成された高密度プラズマをMMTプラズマという。 The substrate loading / unloading port of the MMT processing chamber is disposed on the side connected to the vacuum transfer chamber 300 of the cluster system shown in FIG. 5, and the wafer 200 is transferred from here to the chamber 202 by the arm of the vacuum transfer robot 301. At that time, the susceptor 217 moves to the lower substrate loading / unloading position, the support pins appear from the insertion holes provided in the susceptor 217, and the vacuum transfer robot places the wafer 200 on the support pins. After the transfer robot retreats from the chamber 202, the susceptor 217 moves to the upper substrate processing position and scoops up the wafer 200 onto the susceptor 217. The wafer 200 is heated to a temperature suitable for film formation by the susceptor 217. After the wafer temperature reaches a predetermined temperature, when high-frequency power is applied to the cylindrical electrode 215 and gas is introduced onto the wafer 200 from the gas introduction unit 236, the magnetron is affected by the magnetic field of the magnetic field forming means 216. Discharge occurs. As a result, charges are trapped in the space above the wafer 200 to generate high-density plasma, and the generated plasma gas processes the wafer 200. For example, when the gas is nitrogen N 2 , nitrogen plasma nitrides the wafer 200, and when the gas is oxygen O 2 , O 3 (ozone), O (ion), O + (ion), O * (Radical) oxidizes the wafer. At this time, the exhaust gas in the chamber 202 is exhausted from the gas exhaust pipe 235. Note that high-density plasma generated in the MMT processing chamber is referred to as MMT plasma.

次に上述したCVD処理室及びMMT処理室を用いた半導体装置の製造方法の一工程を説明する。   Next, a process of a semiconductor device manufacturing method using the above-described CVD processing chamber and MMT processing chamber will be described.

ここでは、図3に示すCVD処理室を用いてウェハ200上にシリコン酸化膜を形成し、その上にHigh−k膜を、例えば20〜30Å成膜し、同じCVD処理室を用いて、このHigh−k膜上に、シリコン元素を含むガスと窒素が含まれている化合物ガスを用いて5Å程度のシリコン窒化膜を形成し、さらに図4に示すMMT処理室を用いて窒素ガス或いは窒素が含まれている化合物ガスのプラズマを用いてシリコン窒化膜を窒化処理して、High−k膜のシリコン窒化膜側を窒化する工程を説明する。なお、High−k膜上に、シリコン窒化膜に代えてシリコン酸窒化膜を形成してもよい。
ここで、High−k膜のシリコン窒化膜側とは、シリコン窒化膜との界面から5〜10Å(物理膜厚)くらいまでの深さをいう。
Here, a silicon oxide film is formed on the wafer 200 using the CVD processing chamber shown in FIG. 3, and a high-k film is formed thereon, for example, 20 to 30 mm, and the same CVD processing chamber is used. A silicon nitride film of about 5 mm is formed on the high-k film using a gas containing silicon element and a compound gas containing nitrogen, and nitrogen gas or nitrogen is added using the MMT treatment chamber shown in FIG. The process of nitriding the silicon nitride film using the plasma of the contained compound gas and nitriding the silicon nitride film side of the high-k film will be described. Note that a silicon oxynitride film may be formed on the high-k film instead of the silicon nitride film.
Here, the silicon nitride film side of the high-k film means a depth of about 5 to 10 mm (physical film thickness) from the interface with the silicon nitride film.

また、シリコン窒化膜を5Åとしたのは、次の理由による。
ターゲットとしている絶縁容量膜全体のシリコン酸化膜(SiO2)換算膜厚(EOTと称す)が15Å程度の場合を想定している。
即ち、通常シリコン基板上にはシリコン酸化膜(界面層)を形成し、その上にHigh−k膜を形成し、その上にシリコン窒化膜を形成しており、これらシリコン酸化膜(界面層)、High−k膜、シリコン窒化膜が絶縁容量膜全体であり、これらのEOTの合計が15Åである。
まず、シリコン酸化膜(界面層)は平均的には6Å形成され、これはシリコン酸化膜なので当然EOTの6Åと等価である。次に、シリコン窒化膜の比誘電率は、シリコン酸化膜の約1.7倍であることから、5Åのシリコン窒化膜のEOTとしては約3Åである。求め方は、
ε(SiO2)/EOT=ε(SiN)/d(SiN)
但し、ε(SiO2):シリコン酸化膜誘電率、
ε(SiN):シリコン窒化膜誘電率
(SiN):シリコン窒化膜の物理膜厚
の関係式より求めることができる。
すると、High−k膜のEOTは6Åとなる。
ここで、High−k膜の比誘電率はSiO2の約3.3倍のHfSiO2を使用したので、物理膜厚としては20Åとなる。求め方は、
ε(SiO2)/EOT=ε(High-k)/d(High-k)
但し、ε(SiO2):シリコン酸化膜誘電率、
ε(High-k):High−k膜誘電率
(High-k):High−k膜の物理膜厚
の関係式より求めることができる。
仮に、シリコン窒化膜の膜厚を5Åより厚くすると、High−k膜の物理膜厚が20Å以下となり、薄くなってしまうので、リーク電流が多くなってしまう。よって、High−k膜の物理膜厚を確保するという観点から、シリコン窒化膜を5Å以下とする必要があった。
The reason why the thickness of the silicon nitride film is 5 mm is as follows.
It is assumed that the silicon oxide film (SiO 2 ) equivalent film thickness (referred to as EOT) of the entire insulating capacitance film as a target is about 15 mm.
That is, a silicon oxide film (interface layer) is usually formed on a silicon substrate, a high-k film is formed thereon, and a silicon nitride film is formed thereon. These silicon oxide films (interface layer) The high-k film and the silicon nitride film are the entire insulating capacitance film, and the total of these EOTs is 15 mm.
First, on average, a silicon oxide film (interface layer) is formed with a thickness of 6 mm. Since this is a silicon oxide film, it is naturally equivalent to 6 mm of EOT. Next, since the relative dielectric constant of the silicon nitride film is about 1.7 times that of the silicon oxide film, the EOT of the 5 nm silicon nitride film is about 3%. How to find
ε (SiO2) / EOT = ε (SiN) / d (SiN)
Where ε (SiO2) : silicon oxide film dielectric constant,
ε (SiN) : Dielectric constant of silicon nitride film
d (SiN) : can be obtained from the relational expression of the physical film thickness of the silicon nitride film.
Then, the EOT of the High-k film is 6cm.
Since the dielectric constant of the High-k film using about 3.3 times the HfSiO 2 of SiO 2, a 20Å as physical thickness. How to find
ε (SiO2) / EOT = ε (High-k) / d (High-k)
Where ε (SiO2) : silicon oxide film dielectric constant,
ε (High-k) : High-k dielectric constant
d (High-k) : can be obtained from the relational expression of the physical film thickness of the High-k film.
If the thickness of the silicon nitride film is greater than 5 mm, the physical film thickness of the high-k film becomes 20 mm or less and becomes thin, so that the leakage current increases. Therefore, from the viewpoint of securing the physical film thickness of the High-k film, the silicon nitride film has to be 5 mm or less.

まず、CVD処理室を用いてウェハ上にシリコン酸化膜、その上にHigh−k膜の成膜を形成する。High−k膜を形成するには、High−k原料として、一般には、Zr,Hf,Ti,Bi,La,Pr,Alなどの金属を含む有機金属液体原料(以下、MO原料)を気化させたもの、或いは、金属ハロゲン化物を昇華により気化させたものが用いられる。気化したHigh−k原料がHigh−k原料導入口137からウェハ200上へ導入される。   First, a silicon oxide film is formed on a wafer and a high-k film is formed thereon using a CVD processing chamber. In order to form a high-k film, an organic metal liquid raw material (hereinafter referred to as MO raw material) containing a metal such as Zr, Hf, Ti, Bi, La, Pr, or Al is generally vaporized as a high-k raw material. Or a metal halide vaporized by sublimation is used. The vaporized High-k raw material is introduced onto the wafer 200 from the High-k raw material introduction port 137.

このときの成膜方法は、MOCVD法,ALD法,或いは、数ÅのMOCVD成膜とリモートプラズマガスによる膜質改質処理の繰り返し成膜法のいずれであっても良い。
例えば、MOCVD法の場合は、ウェハ温度500〜300℃(ヒータ温度は約600〜350℃)、炉内圧力10〜1000Pa、High−k原料0.001〜0.1g/minの流量で成膜している。
The film formation method at this time may be any of MOCVD method, ALD method, or repeated film formation method of several MOCVD film formation and film quality modification treatment with remote plasma gas.
For example, in the case of MOCVD, film formation is performed at a wafer temperature of 500 to 300 ° C. (heater temperature is about 600 to 350 ° C.), a furnace pressure of 10 to 1000 Pa, and a high-k raw material of 0.001 to 0.1 g / min. is doing.

また、ALD法の場合には、CVD処理室を用いて、High−k原料と酸化剤とを交互に供給する。High−k原料は、MOCVDの場合と同じくMO原料、或いは金属ハロゲン化物が用いられ、High−k原料導入口137よりウェハ200上へ導入される。また、酸化剤は、図のプラズマ導入口138からプラズマ発生器130で生成した酸素リモートプラズマ等を導入しても良いし、或いは別に設けた導入口(図示せず)から水やオゾン(O3)等を導入しても良い。 In the case of the ALD method, a high-k raw material and an oxidizing agent are alternately supplied using a CVD processing chamber. As the High-k raw material, the MO raw material or the metal halide is used as in the case of MOCVD, and is introduced onto the wafer 200 from the High-k raw material introduction port 137. As the oxidant, oxygen remote plasma generated by the plasma generator 130 may be introduced from the plasma inlet 138 shown in the figure, or water or ozone (O 3 ) may be introduced from a separately provided inlet (not shown). ) Etc. may be introduced.

MO原料を用いてALD法を実施する場合、そのときの条件は、ウェハ温度が100〜451℃(ヒータ温度は約150〜600℃)、炉内圧力が1〜100Paの環境下で、
(1)High−k原料ガスをHigh−k原料導入口137から0.01〜1.0秒間ウェハ200上に供給してウェハ表面に吸着させる。
(2)同じHigh−k原料導入口137から、Arガスを0.1〜1.0秒間ウェハ200上に供給して余剰のHigh−k原料ガスを排気管135を通じてパージする。
(3)O3をプラズマ導入口138から0.1〜1.0秒間ウェハ200上に供給してHigh−k原料と表面反応させ、High−k膜を形成する。
(4)同じプラズマ導入口138から、Arガスを0.1〜1.0秒間ウェハ上に供給して余剰のO3を排気管135を通じてパージする。
上述した4ステップからなる1サイクルを目標膜厚まで繰り返す方法で成膜する。
When the ALD method is performed using the MO raw material, the conditions at that time are as follows: the wafer temperature is 100 to 451 ° C. (heater temperature is about 150 to 600 ° C.), and the furnace pressure is 1 to 100 Pa.
(1) A High-k source gas is supplied from the High-k source inlet 137 onto the wafer 200 for 0.01 to 1.0 seconds and adsorbed on the wafer surface.
(2) Ar gas is supplied onto the wafer 200 from the same High-k raw material introduction port 137 for 0.1 to 1.0 seconds to purge excess High-k raw material gas through the exhaust pipe 135.
(3) O 3 is supplied from the plasma inlet 138 onto the wafer 200 for 0.1 to 1.0 seconds to cause a surface reaction with the High-k raw material to form a High-k film.
(4) Ar gas is supplied onto the wafer from the same plasma inlet 138 for 0.1 to 1.0 seconds to purge excess O 3 through the exhaust pipe 135.
The film is formed by a method in which one cycle including the four steps described above is repeated until the target film thickness is reached.

引続き、同じCVD処理室を用いてHigh−k膜上にシリコン窒化膜を形成する。シリコン窒化膜を形成するには、熱CVD法、或いは、ALD法が使われる。
熱CVD法を用いる場合は、ウェハ温度600〜800℃でSi原料導入口139よりSiH2Cl2(DCS)を流し、プラズマ導入口138からプラズマ処理したNH3(NH3プラズマという)を流し、ウェハ表面で反応させる。但し、熱CVD法では、膜厚の制御が難しいのと、高温還元雰囲気がHigh−k膜に与える影響が懸念されるので、ALD法が適している。なお、このHigh−k膜に与える影響とは、例えばHigh−k膜がHfO2の場合、高温に加熱されると、HfOとSiOとの層分離が起き、HfOは500℃以上で結晶化するので、結晶粒界を伝わったリーク電流が流れるようになることである。
Subsequently, a silicon nitride film is formed on the High-k film using the same CVD processing chamber. In order to form the silicon nitride film, a thermal CVD method or an ALD method is used.
In the case of using the thermal CVD method, SiH 2 Cl 2 (DCS) is caused to flow from the Si raw material inlet 139 at a wafer temperature of 600 to 800 ° C., and plasma-treated NH 3 (referred to as NH 3 plasma) is caused to flow from the plasma inlet 138. React on the wafer surface. However, since it is difficult to control the film thickness in the thermal CVD method and there is a concern about the influence of the high temperature reducing atmosphere on the high-k film, the ALD method is suitable. The effect on the High-k film is, for example, when the High-k film is HfO 2 , when heated to a high temperature, layer separation of HfO and SiO occurs, and HfO crystallizes at 500 ° C. or higher. Therefore, a leak current transmitted through the crystal grain boundary flows.

DCSとNH3を用いてALD法を実施する場合、そのときの条件は、ウェハ温度が300〜600℃(ヒータ温度は約400〜700℃)、炉内圧力が1〜100Paの環境下で、
(1)DCSをSi原料導入口139から0.01〜1.0秒間ウェハ200上に供給してウェハ表面に吸着させる。
(2)同じSi原料導入口139からArガスを0.1〜1.0秒間ウェハ200上に供給して余剰のDCSを排気管135を通じてパージする。
(3)NH3プラズマをプラズマ導入口138から0.1〜5.0秒間ウェハ200上に供給してDCSと表面反応させ、シリコン窒化膜を形成する。
(4)同じプラズマ導入口138からArガスを0.1〜1.0秒間ウェハ上に供給して余剰のNH3プラズマを排気管135を通じてパージする。
上述した4ステップからなる1サイクルを目標膜厚まで繰り返す方法で成膜する。
When the ALD method is performed using DCS and NH 3 , the conditions at that time are as follows: the wafer temperature is 300 to 600 ° C. (heater temperature is about 400 to 700 ° C.), and the furnace pressure is 1 to 100 Pa.
(1) DCS is supplied onto the wafer 200 from the Si raw material inlet 139 for 0.01 to 1.0 seconds and adsorbed on the wafer surface.
(2) Ar gas is supplied onto the wafer 200 from the same Si source inlet 139 for 0.1 to 1.0 seconds to purge excess DCS through the exhaust pipe 135.
(3) NH 3 plasma is supplied from the plasma inlet 138 onto the wafer 200 for 0.1 to 5.0 seconds to cause a surface reaction with DCS to form a silicon nitride film.
(4) Ar gas is supplied onto the wafer from the same plasma inlet 138 for 0.1 to 1.0 seconds to purge excess NH 3 plasma through the exhaust pipe 135.
The film is formed by a method in which one cycle including the four steps described above is repeated until the target film thickness is reached.

ここで成膜されるシリコン窒化膜としては、SiN、Si34、Sixyが挙げられ、一般的には、高温でのCVD膜や高温で熱窒化したシリコン窒化膜の組成は、Si34となる。しかし、ALD法やMOCVD法等の低温プロセスでは、組成は不安定と考えられる。また、プラズマ窒化した窒化膜も、組成はSi34にはなっていないと考えられる。さらに、シリコン窒化膜が10Å以下の極薄膜の場合や、High−k膜とで積層構造になっている場合は、熱処理により上下層との間の相互拡散が起こり、組成はSi34から外れていると考えられる。従って、ここでは単にシリコン窒化膜と表記する。 Examples of the silicon nitride film formed here include SiN, Si 3 N 4 , and Si x N y . In general, the composition of a CVD film at a high temperature or a silicon nitride film thermally nitrided at a high temperature is: Si 3 N 4 is obtained. However, the composition is considered unstable in a low temperature process such as ALD or MOCVD. In addition, the plasma nitrided nitride film is considered not to have a composition of Si 3 N 4 . Further, when the silicon nitride film is an ultra-thin film having a thickness of 10 mm or less, or when it has a laminated structure with a high-k film, mutual diffusion occurs between the upper and lower layers by heat treatment, and the composition is from Si 3 N 4. It is thought that it has come off. Therefore, it is simply expressed as a silicon nitride film here.

次に、High−k膜上に成膜したシリコン窒化膜を、MMT装置を使って窒化処理する。この窒化処理は、窒素ガス或は窒素が含まれている化合物ガスのプラズマを用いて、シリコン窒化膜を窒化処理することにより行う。High−k膜上に直接窒化プラズマを照射すると、活性化した窒素がHigh−k膜中深く拡散し、シリコン基板界面まで到達し、トランジスタのチャネル部分に欠陥を作ってしまう恐れがあるが、High−k膜上に成膜したシリコン窒化膜に窒素プラズマを照射することにより、シリコン窒化膜中で拡散エネルギーを弱めてHigh−k膜中へ導入することができるので、シリコン基板界面まで窒素原子が拡散することを防ぐことができるという利点がある。また、シリコン窒化膜に窒素プラズマを照射する第2の理由は、低温プロセスで成膜したシリコン窒化膜には、不純物が含まれている可能性があり、これを排除するためである。   Next, the silicon nitride film formed on the high-k film is nitrided using an MMT apparatus. This nitriding treatment is performed by nitriding the silicon nitride film using plasma of nitrogen gas or a compound gas containing nitrogen. When the high-k film is directly irradiated with nitriding plasma, the activated nitrogen diffuses deeply in the high-k film and reaches the silicon substrate interface, which may cause a defect in the channel portion of the transistor. By irradiating the silicon nitride film formed on the −k film with nitrogen plasma, the diffusion energy in the silicon nitride film can be weakened and introduced into the high-k film, so that nitrogen atoms can reach the silicon substrate interface. There is an advantage that diffusion can be prevented. The second reason for irradiating the silicon nitride film with nitrogen plasma is to eliminate impurities that may be contained in the silicon nitride film formed by the low temperature process.

シリコン窒化膜を窒化処理する装置としては、CVD処理室、或いはMMT処理室が使われる。
CVD処理室を用いる場合は、High−k膜及びシリコン窒化膜を用いたのと同一の処理室を用いて連続で窒化処理ができる。但し、窒化処理の均一性という点からは、CVD処理室よりもMMT処理室が適している。
As a device for nitriding a silicon nitride film, a CVD processing chamber or an MMT processing chamber is used.
In the case of using a CVD processing chamber, nitriding can be continuously performed using the same processing chamber as that using the High-k film and the silicon nitride film. However, the MMT processing chamber is more suitable than the CVD processing chamber in terms of uniformity of nitriding processing.

図4に示すMMT処理室を用いた場合では、ウェハ温度は室温〜700℃で、N2ガス導入口231からシャワープレート240の噴出孔241よりN2をシャワー状に導入する。このときの圧力は1〜200Paとする。同時に筒状電極215に高周波電源273から整合器272を介して高周波電力を印加する。生成された高密度窒素プラズマにより、サセプタ217上のウェハ200上に形成されているシリコン窒化膜が窒化処理される。 In the case of using the MMT processing chamber shown in FIG. 4, the wafer temperature is room temperature to 700 ° C., is introduced from the N 2 gas inlet 231 and N 2 from the injection holes 241 of the shower plate 240 like a shower. The pressure at this time is 1 to 200 Pa. At the same time, high frequency power is applied to the cylindrical electrode 215 from the high frequency power supply 273 via the matching unit 272. The silicon nitride film formed on the wafer 200 on the susceptor 217 is nitrided by the generated high-density nitrogen plasma.

このようにして、ウェハ上にHigh−k膜を形成し、このHigh−k上にシリコン窒化膜を形成し、さらにこのシリコン窒化膜を窒化処理してHigh−k膜表面を窒化する。   In this way, a high-k film is formed on the wafer, a silicon nitride film is formed on the high-k, and the silicon nitride film is further nitrided to nitride the high-k film surface.

上述した実施例では、MMT処理室では、シリコン窒化膜を単に窒化処理するだけの処理を行うように説明したが、好ましくはMMT処理室で、High−k膜の前処理と後処理との2回の処理を行うようにする。即ち、前処理として、シリコン基板400を酸化処理して界面SiO2膜411(図1参照)形成し、後処理としてHigh−k膜上に形成したシリコン窒化膜を窒化処理する。
ここで、界面SiO2膜は、例えば、RTP(Rapid Thermal Process)やMMTプラズマにより、或いは化学溶液処理による酸化(ケミカルオキサイド)によって、High−k膜の形成前に形成する。膜厚は6〜8Å程度である。
In the above-described embodiments, it has been described that the silicon nitride film is simply subjected to the nitriding process in the MMT processing chamber. However, it is preferable that the high-k film pre-processing and post-processing are performed in the MMT processing chamber. Process once. That is, as the pretreatment, the silicon substrate 400 is oxidized to form the interface SiO 2 film 411 (see FIG. 1), and as the posttreatment, the silicon nitride film formed on the high-k film is nitrided.
Here, the interface SiO 2 film is formed before the high-k film is formed, for example, by RTP (Rapid Thermal Process), MMT plasma, or by oxidation (chemical oxide) by chemical solution treatment. The film thickness is about 6-8 mm.

前処理、後処理を含む上述した方法で作製した半導体デバイス構造を図6に示す。
基板400の表面に、素子分離領域401で区画されたゲート領域410が形成される。そのゲート領域410の上に、シリコン酸化膜411、High−k膜(例えば、HfO2)412、シリコン窒化膜413、及びポリシリコン電極415が順次形成され、ゲート部420を構成している。ゲート部420の外周は、層間絶縁膜405で覆われている。また、ゲート領域410の両脇の基板400の表面には、イオン注入などによりn+型ソース領域402及びp+型ドレイン領域403が配置されている。また、ゲート部420及び層間絶縁膜405含む基板400の表面全域にわたって保護膜406が形成されている。
実施例1の製造方法の一工程をまとめて示した図2のように、シリコン酸化膜411は、MMT処理室による前処理で酸化する(ステップ1)。その上のHigh−k膜412はCVD処理室でMOCVD又はALD法、MOCVDと改質処理の繰り返し法等によって成膜する(ステップ2)。High−k膜412上のシリコン窒化膜413は、CVD処理室でALD又は熱CVD法によって成膜する(ステップ3)。このシリコン窒化膜413はMMT処理室による後処理で窒化する(ステップ4)。
A semiconductor device structure manufactured by the above-described method including pre-processing and post-processing is shown in FIG.
A gate region 410 partitioned by an element isolation region 401 is formed on the surface of the substrate 400. On the gate region 410, a silicon oxide film 411, a high-k film (for example, HfO 2 ) 412, a silicon nitride film 413, and a polysilicon electrode 415 are sequentially formed to constitute a gate portion 420. The outer periphery of the gate portion 420 is covered with an interlayer insulating film 405. An n + type source region 402 and a p + type drain region 403 are arranged on the surface of the substrate 400 on both sides of the gate region 410 by ion implantation or the like. A protective film 406 is formed over the entire surface of the substrate 400 including the gate portion 420 and the interlayer insulating film 405.
As shown in FIG. 2 showing one process of the manufacturing method according to the first embodiment, the silicon oxide film 411 is oxidized by the pretreatment in the MMT processing chamber (step 1). The high-k film 412 thereon is formed in the CVD processing chamber by MOCVD or ALD, by repeating MOCVD and modification, etc. (step 2). The silicon nitride film 413 on the high-k film 412 is formed by ALD or thermal CVD in the CVD process chamber (step 3). The silicon nitride film 413 is nitrided by post-processing in the MMT processing chamber (step 4).

実施例1によれば、図1(a)に示すように、シリコン基板400上の下地膜であるSiO2層(界面SiO2層)411上にHigh−k膜412を形成し、そのHigh−k膜412の表面に極薄のシリコン窒化膜413を成膜した段階では、シリコン窒化膜413内のみに窒素N2がとどまっており、High−k膜412中には拡散していない。しかし、図1(b)に示すように、MMT処理室により、そのシリコン窒化膜413を窒素プラズマPnで窒化処理すると、シリコン窒化膜413からの窒素の溢れ出した分でHigh−k膜412の表面を窒化するため、High−k膜としては、シリコン窒化膜413とHigh−k膜412との界面が最も窒素濃度が高くなり、High−k膜の深さ方向で窒素濃度が減り、High−k膜412とSiO2411との界面で最も窒素濃度が低くなるようなプロファイルを作るようになっている。窒素濃度のピークでは窒素密度が約1×1022個/cm3であり、窒素濃度としては約20%である。 According to the first embodiment, as shown in FIG. 1A, the High-k film 412 is formed on the SiO 2 layer (interface SiO 2 layer) 411 which is the base film on the silicon substrate 400, and the High− At the stage where an ultra-thin silicon nitride film 413 is formed on the surface of the k film 412, nitrogen N 2 remains only in the silicon nitride film 413 and does not diffuse into the high-k film 412. However, as shown in FIG. 1B, when the silicon nitride film 413 is nitrided with nitrogen plasma Pn in the MMT processing chamber, the overflow of the nitrogen from the silicon nitride film 413 causes the high-k film 412 to flow. Since the surface is nitrided, as the High-k film, the interface between the silicon nitride film 413 and the High-k film 412 has the highest nitrogen concentration, and the nitrogen concentration decreases in the depth direction of the High-k film. A profile is formed so that the nitrogen concentration is the lowest at the interface between the k film 412 and the SiO 2 411. At the peak of the nitrogen concentration, the nitrogen density is about 1 × 10 22 pieces / cm 3 , and the nitrogen concentration is about 20%.

特に、窒化処理において、シリコン窒化膜413に入射するエネルギーを調整できるMMT処理室を使うことにより、その窒素濃度プロファイルの制御性をより良くすることができる。従って、High−k膜412のシリコン窒化膜側の窒素濃度を上げても、シリコン酸化膜界面への窒素の拡散濃度は上がらず、シリコン酸化膜界面の窒素濃度を効果的に下げることができる。その結果、トランジスタを正しく動作させることができる。   In particular, in the nitriding process, by using an MMT processing chamber capable of adjusting the energy incident on the silicon nitride film 413, the controllability of the nitrogen concentration profile can be improved. Therefore, even if the nitrogen concentration on the silicon nitride film side of the high-k film 412 is increased, the diffusion concentration of nitrogen to the silicon oxide film interface does not increase, and the nitrogen concentration at the silicon oxide film interface can be effectively lowered. As a result, the transistor can be operated correctly.

また、上述したHigh−k膜とシリコン窒化膜の成膜処理を同一のCVD処理室で行っているので、その途中で大気にさらした場合に比べて、ウェハ表面の再汚染を最小限度に抑えることができ、従来のように基板表面の改質処理に多くの時間やエネルギーをかけたり、基板搬送中に再汚染することがなく、高品質な界面層の形成が可能である。また、同一のCVD処理室で行うと、枚葉クラスタシステムに設けるチャンバの数を削減できることから、装置のフットプリント(設置面積)を減少することができ、また装置コストを低減することもできる。また、各処理を同一のCVD処理室で行うので、当該CVD処理室における従来のウェハ加熱時間を利用して前処理を行える。
なお、デバイス製造上の要請があれば、High−k膜とシリコン窒化膜とを異なる2台のCVD処理室を用いて不連続で処理するようにしても良い。
Further, since the high-k film and the silicon nitride film are formed in the same CVD processing chamber, recontamination of the wafer surface is minimized as compared with the case where the film is exposed to the air in the middle. Therefore, it is possible to form a high-quality interface layer without spending much time and energy on the modification process of the substrate surface as in the prior art and without re-contamination during substrate transport. Further, if the same CVD processing chamber is used, the number of chambers provided in the single wafer cluster system can be reduced, so that the footprint (installation area) of the apparatus can be reduced, and the apparatus cost can be reduced. Moreover, since each process is performed in the same CVD process chamber, the pre-process can be performed using the conventional wafer heating time in the CVD process chamber.
If there is a request for device manufacturing, the High-k film and the silicon nitride film may be processed discontinuously using two different CVD processing chambers.

また、実施例1では、High−k膜及びシリコン窒化膜の成膜処理と、プラズマを用いた窒化処理とを異なる処理室で行わせているが、High−k膜やシリコン窒化膜の成膜、及びプラズマを用いた窒化処理を同一の処理室で行わせることも可能である。一連の処理を同一の処理室で行わせるには、図4に示すMMT処理室を共通に用いて、その上方に設けたガス導入部236から原料ガスを導入することになる。この場合、MMT処理室の容積が、図3に示すHigh−k膜やシリコン窒化膜を形成するCVD処理室よりも大きく、ALD法の1サイクルに占めるパージステップを長くする必要があるので、生産性は良くない。しかし、大量生産向きではない半導体装置を製造する場合は、装置の導入コストを下げることができる。   In the first embodiment, the high-k film and the silicon nitride film and the nitriding process using plasma are performed in different processing chambers. However, the high-k film and the silicon nitride film are formed. It is also possible to perform nitriding using plasma in the same processing chamber. In order to perform a series of processing in the same processing chamber, the MMT processing chamber shown in FIG. 4 is commonly used, and the source gas is introduced from the gas introduction section 236 provided above the processing chamber. In this case, the volume of the MMT processing chamber is larger than that of the CVD processing chamber for forming the High-k film or silicon nitride film shown in FIG. 3, and it is necessary to lengthen the purge step in one cycle of the ALD method. Sex is not good. However, when manufacturing a semiconductor device that is not suitable for mass production, the introduction cost of the device can be reduced.

また、実施例1では、High−k膜やシリコン窒化膜、或いはシリコン酸窒化処理を枚葉の処理室を用いて成膜処理している。半導体メモリなどの一工程の成膜処理を高スループットで行う場合は、複数枚一括処理が可能な縦型処理室を用いる方が有利である。しかし、In−Situで、つまり、大気に触れさせないで、処理を連続で行いたい場合は、上述した枚葉クラスタシステムが有利であると考えられる。   Further, in Example 1, a high-k film, a silicon nitride film, or a silicon oxynitride process is performed using a single wafer processing chamber. In the case where film formation processing in one process such as a semiconductor memory is performed with high throughput, it is advantageous to use a vertical processing chamber capable of batch processing a plurality of sheets. However, in the case of in-situ, that is, when it is desired to perform processing continuously without exposure to the atmosphere, the single wafer cluster system described above is considered advantageous.

実施例1のウェハ上に形成されたシリコン酸化膜へのHigh−k膜の形成と、10Å以下のシリコン窒化膜の形成を複数回繰り返して、High−k膜とシリコン窒化膜との積層膜を多層構造とした点を除いて、実施例1と同じとした。
High−k膜412とシリコン窒化膜413の形成を複数回繰り返すと、図8(a)のような窒素濃度プロファイルとなるが、その後行うプラズマ窒化と熱処理で図8(b)のようになり、膜全体に窒素N2を入れて窒素濃度を上げることができる。
The formation of the high-k film on the silicon oxide film formed on the wafer of Example 1 and the formation of the silicon nitride film of 10 mm or less were repeated a plurality of times to form a stacked film of the high-k film and the silicon nitride film. The same as Example 1 except that a multilayer structure was adopted.
When the formation of the high-k film 412 and the silicon nitride film 413 is repeated a plurality of times, a nitrogen concentration profile as shown in FIG. 8A is obtained, but plasma nitridation and heat treatment performed thereafter result in FIG. 8B. Nitrogen N 2 can be introduced into the entire film to increase the nitrogen concentration.

このように最下層のHigh−k膜を除くHigh−k膜中に高濃度の窒素が入ることにより、ゲート電極をp+型にするためにポリシリコン層に拡散するボロンの突き抜けを有効に防ぐことができる。
また、High−k膜412がHf原子やHfO2分子で構成されている場合、これらのHf原子やHfO2分子が凝集すると、結晶化によるグレインバウンダリを伝うリーク電流の原因となり、デバイス特性を悪化させてしまう。しかし、実施例2のようにHigh−k膜とシリコン窒化膜とを複数回繰り返して成膜することにより、High−k膜全体に窒素N2が入るようにすると、High−k膜412に熱処理が行われる場合、例えば、イオンプランテーション後の活性化アニールなどで1000℃以上の熱が加わる場合に、Hf原子、HfO2分子の凝集を有効に防ぐことができる。
By thus high concentrations of nitrogen enters the High-k film except for the lowermost layer of High-k film, effectively prevents the penetration of boron to diffuse into the polysilicon layer to the gate electrode to the p + -type be able to.
Further, when the High-k film 412 is composed of Hf atoms and HfO 2 molecules, if these Hf atoms and HfO 2 molecules are aggregated, it causes a leakage current that propagates through the grain boundary due to crystallization and deteriorates the device characteristics. I will let you. However, when the high-k film and the silicon nitride film are repeatedly formed as in the second embodiment so that nitrogen N 2 enters the entire high-k film, the high-k film 412 is heat treated. When, for example, heat of 1000 ° C. or higher is applied in activation annealing after ion plantation, for example, aggregation of Hf atoms and HfO 2 molecules can be effectively prevented.

実施例2のウェハ上に形成されたシリコン酸化膜へのHigh−k膜の形成の前にも10Å以下のシリコン窒化膜を形成した点を除いて、実施例2と同じとした。
本実施例では、シリコン窒化膜413、High−k膜412、シリコン窒化膜413の3ステップしか使わないような薄膜の場合においても、High−k膜が窒化膜に挟まれたサンドイッチ構造になるので、図9に示すような窒素プロファイルが期待できる。
Example 2 was the same as Example 2 except that a silicon nitride film of 10 mm or less was formed before the formation of the High-k film on the silicon oxide film formed on the wafer of Example 2.
In this embodiment, even in the case of a thin film that uses only three steps of the silicon nitride film 413, the high-k film 412, and the silicon nitride film 413, a sandwich structure in which the high-k film is sandwiched between the nitride films is formed. A nitrogen profile as shown in FIG. 9 can be expected.

実施例1、2、3の窒素ガス或いは窒素が含まれている化合物ガスのプラズマを用いて窒化処理を行った後に、酸素ガス或いは酸素が含まれている化合物のガスのプラズマを用いて酸化処理をする点を除いて、実施例1、2、3と同じとした。
このときのMMT処理室での窒化処理条件は圧力1〜200Pa、導入ガスN2、ウェハ温度は室温〜700℃である。また、酸化処理条件は圧力1〜200Pa、導入ガスO2、又はKrとO2の混合ガス、ウェハ温度は室温〜700℃である。
本実施例のように窒化処理、酸化処理の順で処理を行った場合、High−k膜等を構成している遷移金属の酸化膜は、窒化すると導電体になり、リーク電流の元になる。しかし、この導電体は比較的不安定なので、導電体を後から弱く酸化してやると、金属酸化膜に戻り、リーク電流の発生原因をなくすことができる。例えば、High−k膜がHfO2の場合、窒化処理によってHfNとなってしまうことがあるが、HfNになると結晶化して結晶粒界を伝わってリーク電流が起きるが、プラズマ酸化処理をすれば、HfO2に戻り、リーク電流が起きなくなる。
After performing nitriding treatment using the nitrogen gas or the compound gas plasma containing nitrogen in Examples 1, 2, and 3, the oxidation treatment is performed using the oxygen gas or the plasma of the compound gas containing oxygen. Except for this point, it was the same as Examples 1, 2, and 3.
The nitriding conditions in the MMT processing chamber at this time are a pressure of 1 to 200 Pa, an introduced gas N 2 , and a wafer temperature of room temperature to 700 ° C. Further, the oxidation treatment conditions are a pressure 1~200Pa, mixed gas, the wafer temperature of the introduced gas O 2, or K r and O 2 is room temperature to 700 ° C..
When the nitriding treatment and the oxidation treatment are performed in this order as in this embodiment, the transition metal oxide film constituting the High-k film or the like becomes a conductor when nitriding, and becomes a source of leakage current. . However, since this conductor is relatively unstable, if the conductor is later weakly oxidized, it returns to the metal oxide film, and the cause of the leakage current can be eliminated. For example, when the High-k film is HfO 2 , it may become HfN by nitriding treatment, but when it becomes HfN, it crystallizes and propagates through the grain boundary, but if plasma oxidation treatment is performed, Returning to HfO 2 , no leakage current occurs.

実施例1のHigh−k膜にシリコン窒化膜を形成した後、或いは、実施例2及び実施例3のHigh−k膜とシリコン窒化膜の積層膜を形成した後に、窒化処理を行うことなく、MMT処理室で酸素ガス或いは酸素が含まれている化合物のガスのプラズマを用いて酸化処理を行い、その後に、同一のMMT処理室で、窒素ガス或いは窒素が含まれている化合物ガスのプラズマを用いて窒化処理をする点を除いて、実施例1、2、3と同じとした。
このときのMMT処理室でのプラズマ酸化処理条件は圧力1〜200Pa、導入ガスO2、又はKrとO2の混合ガス、ウェハ温度は室温〜700℃である。また、窒化処理条件は圧力1〜200Pa、導入ガスN2、ウェハ温度は室温〜700℃である。
シリコン窒化膜を酸化処理すると、シリコン窒化膜中のSi−H、N−H結合を減らし、さらに深く拡散した酸素O2でHigh−k膜を酸化する働きがある。
この酸化処理は、酸素ガス或は酸素が含まれている化合物ガスのプラズマを用いて、シリコン窒化膜を酸化処理することにより行う。High−k膜上に直接酸素プラズマを照射すると、活性化した酸素がHigh−k膜及びシリコン酸化膜中を拡散して、シリコン基板界面まで到達してシリコン基板を酸化するので、シリコン酸化膜の膜厚を増やすことになり、EOTも増加させ、所望するEOTが得られない。High−k膜上に成膜したシリコン窒化膜に酸素プラズマを照射することにより、シリコン窒化膜中で拡散エネルギーを弱めてHigh−k膜中へ導入することができるので、シリコン基板界面まで酸素原子が拡散することを防ぐことができるという利点がある。
After forming the silicon nitride film on the High-k film of Example 1, or after forming the stacked film of the High-k film and the silicon nitride film of Example 2 and Example 3, without performing nitriding treatment, Oxidation treatment is performed using plasma of oxygen gas or a compound gas containing oxygen in the MMT treatment chamber, and thereafter, plasma of nitrogen gas or compound gas containing nitrogen is used in the same MMT treatment chamber. The same as Examples 1, 2, and 3 except that the nitriding treatment was used.
Plasma oxidation process conditions in MMT treatment chamber at this time pressure 1~200Pa, mixed gas, the wafer temperature of the introduced gas O 2, or K r and O 2 is room temperature to 700 ° C.. The nitriding conditions are a pressure of 1 to 200 Pa, an introduced gas N 2 , and a wafer temperature of room temperature to 700 ° C.
When the silicon nitride film is oxidized, the Si—H and N—H bonds in the silicon nitride film are reduced, and the High-k film is oxidized with oxygen O 2 diffused deeply.
This oxidation treatment is performed by oxidizing the silicon nitride film using plasma of oxygen gas or a compound gas containing oxygen. When the high-k film is directly irradiated with oxygen plasma, the activated oxygen diffuses in the high-k film and the silicon oxide film, reaches the silicon substrate interface, and oxidizes the silicon substrate. The film thickness is increased, the EOT is also increased, and the desired EOT cannot be obtained. By irradiating the silicon nitride film formed on the high-k film with oxygen plasma, the diffusion energy in the silicon nitride film can be weakened and introduced into the high-k film. Has the advantage that it can be prevented from spreading.

図3に示すCVD処理室を用いてウェハ上にシリコン酸化膜を形成し、その上にHigh−k膜を形成し、同じCVD処理室を用いて、このHigh−k膜上に、シリコン元素を含むガス、シリコン元素を含むガスと酸素を含むガス、酸素ガス、活性な酸素を含むガス、或いは酸素を含むガス及び活性な酸素を含むガスを用いて、シリコン酸化膜を形成し、さらに図4に示すMMT処理室を用いて窒素ガス或いは窒素が含まれている化合物ガスのプラズマを用いてシリコン酸化膜を窒化処理して、High−k膜表面を窒化する工程を説明する。   A silicon oxide film is formed on the wafer using the CVD processing chamber shown in FIG. 3, a high-k film is formed on the silicon oxide film, and a silicon element is formed on the high-k film using the same CVD processing chamber. A silicon oxide film is formed using a gas containing, a gas containing silicon element and a gas containing oxygen, an oxygen gas, a gas containing active oxygen, or a gas containing oxygen and a gas containing active oxygen, and FIG. A process of nitriding a high-k film surface by nitriding a silicon oxide film using a plasma of nitrogen gas or a compound gas containing nitrogen using the MMT processing chamber shown in FIG.

実施例1と同一の方法でウェハ上にHigh−k膜を形成する。その後、このHigh−k膜上にシリコン酸化膜を形成する。シリコン酸化膜を形成するには、ALD法、或いは、熱CVD法が使われる。
例えば、Si[N(CH324(以下、TDMASiと略す)とO3の交互供給によるALD成膜とか、Si(OC254とO2の同時供給によるCVD成膜がある。
TDMASiとO3又はリモートプラズマO2の交互供給によるALD成膜の場合、
(1)図3のSi原料導入口139より0.01秒〜10秒程度TDMASiを流す。このとき、処理室内は1〜100Pa程度の真空度に保つ。
(2)次に同じSi原料導入口139から0.01〜10秒程度N2、Ar、He、Ne、Krなどの不活性ガスを流す。
(3)次にプラズマ導入口138より、リモートプラズマO2或いはO3を、0.01〜10秒程度流す。
(4)次に同じプラズマ導入口138より、0.01〜10秒程度N2、Ar、He、Ne、Krなどの不活性ガスを流す。このとき、シリコン基板の温度は、150℃程度から500℃程度である。
上述した4ステップからなる1サイクルを目標膜厚まで繰り返す方法で成膜する。
この成膜で、温度が150℃〜300℃と低ければALD成膜になり、300℃以上の高温ではCVD成膜になる。
A High-k film is formed on the wafer by the same method as in the first embodiment. Thereafter, a silicon oxide film is formed on the high-k film. In order to form the silicon oxide film, an ALD method or a thermal CVD method is used.
For example, ALD film formation by alternately supplying Si [N (CH 3 ) 2 ] 4 (hereinafter abbreviated as TDMASi) and O 3 , or CVD film formation by simultaneously supplying Si (OC 2 H 5 ) 4 and O 2 is performed. is there.
In the case of ALD film formation by alternately supplying TDMASi and O 3 or remote plasma O 2 ,
(1) TDMASi is allowed to flow from the Si source inlet 139 of FIG. 3 for about 0.01 seconds to 10 seconds. At this time, the inside of the processing chamber is kept at a vacuum degree of about 1 to 100 Pa.
(2) Next, an inert gas such as N 2 , Ar, He, Ne, Kr or the like is supplied from the same Si raw material inlet 139 for about 0.01 to 10 seconds.
(3) Next, remote plasma O 2 or O 3 is allowed to flow from the plasma inlet 138 for about 0.01 to 10 seconds.
(4) Then from the same plasma introduction port 138, it flows approximately 0.01 to 10 seconds N 2, Ar, He, Ne , an inert gas such as K r. At this time, the temperature of the silicon substrate is about 150 ° C. to about 500 ° C.
The film is formed by a method in which one cycle including the four steps described above is repeated until the target film thickness is reached.
In this film formation, the ALD film is formed if the temperature is as low as 150 ° C. to 300 ° C., and the CVD film is formed at a high temperature of 300 ° C. or higher.

なお、シリコン元素を含むガスがSi(OC254(TEOS)の場合は、シリコン基板(Siウェハ)温度を600℃〜800℃程度の高温に保っておき、TEOSをSi原料導入口139から、O2をプラズマ導入口138から同時に導入することによって成膜する。 When the gas containing silicon element is Si (OC 2 H 5 ) 4 (TEOS), the silicon substrate (Si wafer) temperature is kept at a high temperature of about 600 ° C. to 800 ° C., and TEOS is introduced into the Si raw material inlet. A film is formed by simultaneously introducing O 2 from the plasma inlet 138 from 139.

次に、窒素ガス或いは窒素が含まれている化合物ガスのプラズマを用いて、シリコン酸化膜を窒化処理する。シリコン酸化膜の窒化処理は、実施例1のシリコン窒化膜の窒化処理と同一である。   Next, the silicon oxide film is nitrided using plasma of nitrogen gas or a compound gas containing nitrogen. The nitriding treatment of the silicon oxide film is the same as the nitriding treatment of the silicon nitride film of the first embodiment.

このようにして、ウェハ上にシリコン酸化膜を形成し、さらにその上にHigh−k膜を形成し、このHigh−k膜上に極薄のシリコン酸化膜を形成し、さらにシリコン酸化膜を窒素プラズマで窒化処理することにより、実施例1と同じ効果が期待できる。特に、シリコン酸化膜を用いた場合は、シリコン窒化膜を用いた場合よりも、後に成膜するポリシリコン電極との界面、High−k膜との界面の未結合手などにより固定電荷の低減が期待できる。   In this way, a silicon oxide film is formed on the wafer, a high-k film is further formed thereon, an ultrathin silicon oxide film is formed on the high-k film, and the silicon oxide film is further converted to nitrogen. By nitriding with plasma, the same effect as in Example 1 can be expected. In particular, when a silicon oxide film is used, the fixed charge can be reduced by a dangling bond at the interface with a polysilicon electrode to be formed later and the interface with a high-k film, as compared with the case where a silicon nitride film is used. I can expect.

本実施例6の場合にも、実施例1の場合と同様に、High−k膜とシリコン酸化膜とを同一CVD処理室を用いて連続で処理ができる。さらに、High−k膜の成膜とシリコン酸化膜とプラズマを用いた窒化処理とを、同一のCVD処理室又はMMT処理室を用いて連続で処理ができる。   Also in the case of the sixth embodiment, as in the case of the first embodiment, the high-k film and the silicon oxide film can be continuously processed using the same CVD processing chamber. Further, the high-k film formation and the nitridation process using the silicon oxide film and plasma can be continuously performed using the same CVD process chamber or MMT process chamber.

実施例6のHigh−k膜にシリコン酸化膜を形成した後に、窒化処理を行うことなく、酸化ガス或いは酸素が含まれている化合物ガスのプラズマを用いて酸化処理を行い、その後、窒素ガス或いは窒素が含まれている化合物ガスのプラズマを用いて窒化処理をする点を除いて、実施例6と同一とする。なお、酸化処理、窒化処理の内容は、実施例1と同一であり、これによっても実施例5と同様な効果を期待できる。   After a silicon oxide film is formed on the high-k film of Example 6, an oxidation treatment is performed using a plasma of an oxidation gas or a compound gas containing oxygen without performing a nitridation treatment, and then a nitrogen gas or Example 6 is the same as Example 6 except that nitriding is performed using a plasma of a compound gas containing nitrogen. The contents of the oxidation treatment and nitriding treatment are the same as those in the first embodiment, and the same effects as those in the fifth embodiment can be expected.

実施例1のシリコン窒化膜、又は実施例6のシリコン酸化膜を、シリコン酸窒化膜に代えた点を除いて、実施例1又は実施例6と同じとした。即ち、High−k膜を形成する工程と、High−k膜上に、シリコン酸窒化膜を形成する工程と、シリコン酸窒化膜をプラズマ窒化処理する。又は、High−k膜とシリコン酸窒化膜とを交互に複数回形成する工程と、この工程で形成した最後の膜上からプラズマ窒化処理するようにした。
本実施例8の場合にも、実施例1、実施例6の場合と同様に、High−k膜とシリコン酸窒化膜とを同一CVD処理室を用いて連続で処理ができる。さらに、High−k膜の成膜と、シリコン酸窒化膜と、プラズマを用いた窒化処理とを、同一のCVD処理室又はMMT処理室を用いて連続で処理ができる。
Example 1 or Example 6 was the same as Example 1 except that the silicon nitride film of Example 1 or the silicon oxide film of Example 6 was replaced with a silicon oxynitride film. That is, a step of forming a high-k film, a step of forming a silicon oxynitride film on the high-k film, and a plasma nitridation treatment of the silicon oxynitride film. Alternatively, plasma nitriding treatment is performed from the step of alternately forming the high-k film and the silicon oxynitride film a plurality of times and from the last film formed in this step.
Also in the case of the eighth embodiment, as in the first and sixth embodiments, the High-k film and the silicon oxynitride film can be continuously processed using the same CVD processing chamber. Further, the high-k film formation, the silicon oxynitride film, and the nitridation treatment using plasma can be continuously performed using the same CVD processing chamber or MMT processing chamber.

実施例1と実施例2では、シリコン基板400上にシリコン酸化膜411を形成し、その上にHigh−k膜412を形成しているが、この実施例1と実施例2において、シリコン基板400とシリコン酸化膜の界面において、窒素濃度が1%以下となるようにした。
なお、実施例1と実施例2におけるシリコン酸化膜411の役割は、High−k膜からシリコン基板400へ金属が拡散していかないようにするためのものであり、また、固定電荷も生じなくするためのものである。
また、この実施例1と実施例2の場合、シリコン酸化膜411を用いなくても実施可能であり、この場合には、シリコン基板400上に直接High−k膜412が形成される。この場合では、シリコン基板400とHigh−k膜412の界面において、窒素濃度が1%以下となるようにした。
但し、シリコン基板400上にシリコン酸化膜(界面)411は補助的な役割であり、High−k膜上にシリコン窒化膜、シリコン酸化膜、又はシリコン酸窒化膜を形成せずにプラズマ窒化することができる訳ではない。即ち、仮にシリコン基板400上にシリコン酸化膜411を形成し、その上にHigh−k膜を形成し、その上にシリコン窒化膜、シリコン酸化膜、又はシリコン酸窒化膜を形成せずに、プラズマ窒化を行ったとすると、窒素元素は前記シリコン酸化膜(界面)411を通過して、シリコン基板400にまで達してしまい、シリコン基板400とシリコン酸化膜(界面)411との界面での窒素濃度が上がってしまい、よってシリコン基板400上のシリコン酸化膜(界面)411はあくまでも補助的な役割である。
なお、実施例3の場合には、実施例1と2とは異なり、High−k膜412の形成前にシリコン窒化膜413を形成するので、シリコン基板400とHigh−k膜との間にはシリコン酸化膜を設けることが必須である。もし設けなければ、当然、シリコン基板400とシリコン窒化膜が接してしまい、界面の窒素濃度が高くなり、キャリア移動度が低下する等、所望のデバイス特性が得られない。
実施例6について、シリコン基板400上にシリコン酸化膜411を設け、その上にHigh−k膜412を形成しているが、実施例6においては、このシリコン酸化膜411を設けることは必須ではない。
In the first and second embodiments, the silicon oxide film 411 is formed on the silicon substrate 400 and the high-k film 412 is formed thereon. In the first and second embodiments, the silicon substrate 400 is used. The nitrogen concentration was adjusted to 1% or less at the interface between the silicon oxide film and the silicon oxide film.
Note that the role of the silicon oxide film 411 in the first and second embodiments is to prevent the metal from diffusing from the high-k film to the silicon substrate 400, and no fixed charge is generated. Is for.
The first and second embodiments can be performed without using the silicon oxide film 411. In this case, the High-k film 412 is formed directly on the silicon substrate 400. In this case, the nitrogen concentration is set to 1% or less at the interface between the silicon substrate 400 and the High-k film 412.
However, the silicon oxide film (interface) 411 is an auxiliary role on the silicon substrate 400, and plasma nitridation is performed without forming a silicon nitride film, a silicon oxide film, or a silicon oxynitride film on the high-k film. Is not possible. That is, if a silicon oxide film 411 is formed on a silicon substrate 400, a high-k film is formed thereon, a silicon nitride film, a silicon oxide film, or a silicon oxynitride film is not formed thereon, and a plasma is formed. When nitriding is performed, the nitrogen element passes through the silicon oxide film (interface) 411 and reaches the silicon substrate 400, and the nitrogen concentration at the interface between the silicon substrate 400 and the silicon oxide film (interface) 411 is reduced. Therefore, the silicon oxide film (interface) 411 on the silicon substrate 400 is only an auxiliary role.
In the case of the third embodiment, unlike the first and second embodiments, since the silicon nitride film 413 is formed before the high-k film 412 is formed, there is no gap between the silicon substrate 400 and the high-k film. It is essential to provide a silicon oxide film. If not provided, naturally, the silicon substrate 400 and the silicon nitride film are in contact with each other, the nitrogen concentration at the interface becomes high, and the carrier mobility is lowered, so that desired device characteristics cannot be obtained.
In the sixth embodiment, the silicon oxide film 411 is provided on the silicon substrate 400 and the high-k film 412 is formed thereon. However, in the sixth embodiment, it is not essential to provide the silicon oxide film 411. .

実施の形態によるウェハ構造及び窒素濃度プロファイルの説明図であり、(a)は窒化前、(b)は窒化後の図である。It is explanatory drawing of the wafer structure and nitrogen concentration profile by embodiment, (a) is before nitriding, (b) is the figure after nitriding. 実施の形態による半導体装置の製造方法の工程図である。It is process drawing of the manufacturing method of the semiconductor device by embodiment. 本発明の半導体装置の製造方法を実施するための第1の処理室を説明する図であり、(a)は断面図、(b)は平面図である。It is a figure explaining the 1st processing chamber for enforcing the manufacturing method of the semiconductor device of the present invention, (a) is a sectional view and (b) is a top view. 実施の形態による第2の処理室を説明する断面図である。It is sectional drawing explaining the 2nd process chamber by embodiment. 本発明の半導体装置の製造方法を実施するための枚葉クラスタシステムの平面図である。It is a top view of the single wafer cluster system for enforcing the manufacturing method of the semiconductor device of the present invention. 実施の形態による製造方法により製作されたトランジスタの断面図である。It is sectional drawing of the transistor manufactured by the manufacturing method by embodiment. 従来例によるウェハ構造及び窒素濃度プロファイルの説明図であり、(a)はダイレクトプラズマ窒化前、(b)は窒化後の図である。It is explanatory drawing of the wafer structure and nitrogen concentration profile by a prior art example, (a) is before direct plasma nitridation, (b) is a figure after nitriding. 実施の形態によるウェハ構造及び窒素濃度プロファイルの説明図であり、(a)は窒化前、(b)は窒化後の図である。It is explanatory drawing of the wafer structure and nitrogen concentration profile by embodiment, (a) is before nitriding, (b) is the figure after nitriding. 実施の形態によるウェハ構造及び窒素濃度プロファイルの窒化後の説明図である。It is explanatory drawing after nitriding of the wafer structure and nitrogen concentration profile by embodiment.

符号の説明Explanation of symbols

400 ウェハ(基板)
411 界面SiO2
412 High−k膜(高誘電膜、即ち金属酸化膜)
413 窒化膜
Pn 窒素プラズマ
400 wafers (substrate)
411 Interface SiO 2 film 412 High-k film (high dielectric film, ie, metal oxide film)
413 Nitride film Pn Nitrogen plasma

Claims (6)

基板上に金属酸化膜またはシリケート膜を形成する工程と、
前記金属酸化膜または前記シリケート膜上に、シリコン窒化膜、シリコン酸化膜、又はシリコン酸窒化膜のいずれかのシリコン絶縁膜を形成する工程と、
前記シリコン絶縁膜をプラズマ窒化処理する工程と、を含み、
前記プラズマ窒化処理では、前記プラズマ窒化の前にプラズマ酸化処理を行うことを特徴とする半導体装置の製造方法。
Forming a metal oxide film or silicate film on the substrate;
On the metal oxide film or the silicate film, and forming one of a silicon insulating film of silicon nitride film, a silicon oxide film, or a silicon oxynitride film,
Plasma nitriding the silicon insulating film , and
In the plasma nitridation process, a plasma oxidation process is performed before the plasma nitridation process.
基板上に金属酸化膜またはシリケート膜と、シリコン窒化膜又はシリコン酸窒化膜とを交互に複数回形成する工程と、
前記工程で最後に形成した膜上からプラズマ窒化処理する工程と、を含み、
前記プラズマ窒化処理では、前記プラズマ窒化の前にプラズマ酸化処理を行うことを特徴とする半導体装置の製造方法。
And a metal oxide film or a silicate film on a substrate, forming a plurality of times and a silicon nitride film or a silicon oxynitride film alternately,
Plasma nitriding from the last film formed in the step ,
In the plasma nitridation process, a plasma oxidation process is performed before the plasma nitridation process.
前記金属酸化膜または前記シリケート膜は前記基板上に直接形成されるか、又はシリコン酸化膜を介して前記基板上に形成されることを特徴とする請求項1又は2に記載の半導体装置の製造方法。 The semiconductor device according to claim 1 or 2, wherein the metal oxide film or the silicate layer is either formed directly on the substrate or via the silicon oxide film formed on the substrate, wherein the Turkey Production method. 前記基板と前記金属酸化膜または前記シリケート膜との界面、又は前記基板と前記シリコン酸化膜との界面の窒素濃度を1%以下としたことを特徴とする請求項3に記載の半導体装置の製造方法。The semiconductor device according to claim 3, wherein a nitrogen concentration at an interface between the substrate and the metal oxide film or the silicate film, or an interface between the substrate and the silicon oxide film is 1% or less. Method. 基板上に金属酸化膜またはシリケート膜を形成する工程と、Forming a metal oxide film or silicate film on the substrate;
前記金属酸化膜または前記シリケート膜上に、シリコン窒化膜、シリコン酸化膜、又はシリコン酸窒化膜のいずれかのシリコン絶縁膜を形成する工程と、Forming a silicon insulating film of any one of a silicon nitride film, a silicon oxide film, and a silicon oxynitride film on the metal oxide film or the silicate film;
前記シリコン絶縁膜に対し、プラズマ酸化処理を行った後にプラズマ窒化処理を行うか、プラズマ窒化処理を行った後にプラズマ酸化処理を行う工程と、Performing a plasma nitridation process after performing a plasma oxidation process on the silicon insulating film, or performing a plasma oxidation process after performing a plasma nitridation process;
を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。A method for manufacturing a semiconductor device, comprising:
基板上に金属酸化膜またはシリケート膜と、シリコン窒化膜又はシリコン酸窒化膜とをA metal oxide film or silicate film and a silicon nitride film or silicon oxynitride film are formed on the substrate.
交互に複数回形成することで、これらの積層膜を形成する工程と、The step of forming these laminated films by alternately forming a plurality of times,
前記積層膜に対し、プラズマ酸化処理を行った後にプラズマ窒化処理を行うか、プラズマ窒化処理を行った後にプラズマ酸化処理を行う工程と、A step of performing plasma nitriding treatment after performing plasma oxidation treatment on the laminated film, or performing plasma oxidation treatment after performing plasma nitriding treatment;
を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。A method for manufacturing a semiconductor device, comprising:
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