KR100800639B1 - 플라즈마 처리 방법, 반도체 기판 및 플라즈마 처리 장치 - Google Patents

플라즈마 처리 방법, 반도체 기판 및 플라즈마 처리 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 반도체 기판의 표면에 대하여 마이크로파를 이용한 플라즈마에 의해 플라즈마 산화 처리와 플라즈마 질화 처리를 동시에 실행하고 또한 필요에 따라 상술한 바와 같이 플라즈마 산질화 처리에 의한 절연막 형성 후, 당해 절연막에 대하여 플라즈마 질화 처리를 더 행한다. 이에 따라, 전기적 특성이 양호한 절연막(실리콘 산화막)을 형성할 수 있다.

Description

플라즈마 처리 방법, 반도체 기판 및 플라즈마 처리 장치{PLASMA PROCESSING METHOD, SEMICONDUCTOR SUBSTRATE AND PLASMA PROCESSING SYSTEM}
본 발명은 플라즈마를 이용하여 반도체 기판 표면에 절연막을 형성하는 플라즈마 처리 방법 및 그것에 의하여 제조되는 반도체 기판, 및 플라즈마 처리 방법을 실시하기 위한 플라즈마 처리 장치에 관한 것이다.
지금까지, 실리콘 기판 상에 형성되는 절연막은, 1000℃ 이상의 고온으로 산화 처리를 함으로써 형성되는 열 산화막을 이용하는 것이 많았다. 최근에는, 미세화 기술의 진전에 의해, Si와 O의 반응이 열에너지만으로 진행하는 이러한 종류의 산화막(절연막)의 두께도 감소시킬 필요가 발생하고 있다.
그런데, 고온에서의 열산화 처리에 의한 절연막의 형성 방법에 의하면, 두께가 얇아짐에 따라, 리크 전류 등이 증대하여 신뢰성이 높은 절연막을 얻기 어렵게 되어 왔다. 또한, 절연막을 통해서 전류를 흘려, 기입 판독을 하는 비휘발성 메모리에 대해서는, 절연막 중에 트랩되는 정공 또는 전자에 의해, 메모리 특성의 열화가 일어나 문제로 된다. 특히, 정공 트랩은 제품의 신뢰성에 영향을 부여한다고 생각되고 있다.
이 문제를 해결하기 위해, 열산화법이라는 반응 메커니즘이 다른, 플라즈마를 이용한 활성인 원자형상 산소(이하, 「산소 래디컬」이라고 함)에 의한 산화 처리가 현실화되어 있다. 이 방법에 의하면, 플라즈마의 전자 온도를 저온으로 유지한 상태에서 산화막을 형성할 수 있고, 그 결과, 피처리 기판이나 처리 장치의 내벽의 손상을 경감하는 것이 가능해졌다. 또한, 홀 트랩의 저감으로부터, 신뢰성을 손상하는 일없이 두께가 얇은 산화막의 형성을 할 수 있게 되어 왔다.
플라즈마를 이용한 산화막 형성 방법으로서는, 일본 특허 공개 공보의 특허 공개 평성 제 11-293470호 공보에 기재된 것이 있다. 이 방법에 의하면, 처리실 내에 실리콘 함유 가스 및 산소 함유 가스를 도입하여 이들 가스의 플라즈마를 생성하고, 기판에 실리콘 산화막을 퇴적하여 성막하는 실리콘 산화막의 성막 방법에 있어서, 상기 실리콘 함유 가스 및 산소 함유 가스 이외에, 수소 가스를 처리실 내에 도입하여, 처리실 내에 수소를 함유하는 플라즈마를 생성한다. 이에 따라, 열 산화막에 필적하는 양호한 막질을 얻을 수 있다고 되어 있다.
그러나, 플라즈마를 이용하여 기판 표면에 형성된 산화막(절연막)은, 고온 산화 처리에 의한 산화막에 비해 전자 트랩 특성이 나쁘고, 그 때문에 전기적인 스트레스에 약해져, 제품으로서의 특성이 열화한다고 생각된다.
한편, 열 산화막의 여러가지 특성을 개량할 목적으로, 열산화 후에 열질화가 행하여지는 일이 있다. 질화는, 열산화시에 발생하는 불완전한 SiO의 결합을 보충하기 때문에, 그 결과 여러 가지 특성이 개선된다고 생각되고 있다. 그러나, 열질 화법에서는, 질소의 깊이 방향 분포가 기판 계면부에 치우쳐, 마찬가지로 산화막의 개선으로서는 불충분하다. 그래서, 전기적인 스트레스에 약한 플라즈마 산화막의 특성 향상을 위해, 열산화·질화막과 마찬가지로 플라즈마 산화 처리 후에 질화 처리를 하는 방법이 검토되어 있다.
본 발명은 상기한 바와 같은 상황을 감안하여 행해진 것으로서, 전기적 특성이 양호한 절연막(실리콘 산질화막)을 형성하는 방법 및, 당해 방법에 의해 제조되는 반도체 기판, 및 플라즈마 처리 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기의 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 제 1 형태에 따른 플라즈마 처리 방법에 있어서는, 반도체 기판의 표면에 대하여 플라즈마 산화 처리와 플라즈마 질화 처리를 동시에 실행한다. 이에 따라, 형성되는 절연막의 트랩 특성이 개선된다. 또, 산화와 질화를 동시에 실행한다는 것은, 적어도 각각의 처리가 안정적으로 행하여지고 있는 주된 처리의 기간이 동 시기에 이루어지는 것을 말하고, 각각의 처리의 개시와 종료는 시간적으로 다르더라도 좋다.
플라즈마의 전자 밀도는 1.0×1012(1/cm3) 이상이고, 전자 온도는 1.0(eV) 이하인 것이 바람직하다. 또한 플라즈마 소스는, 마이크로파를 이용한 것은, 이들 값의 전자 밀도, 전자 온도를 갖는 플라즈마를 용이하게 생성하는 것이 가능하다. 또한 마이크로파를 이용한 플라즈마는, 평탄하고 플랫인 플라즈마 영역을 형성할 수 있어, 본 발명과 같은 산질화막을 형성하는 데 적합하다.
상술한 바와 같이 플라즈마 산질화 처리에 의한 절연막 형성 후, 당해 절연막에 대하여 플라즈마 질화 처리를 더 실시하더라도 좋다. 이에 따라, 열질화, 열산질화 처리에 의해서는 제어 곤란한, 질소의 깊이 방향의 분포 제어가 가능해진다. 또한, 산화·질화의 동시 처리에 있어서, 산소 가스 혼합비의 제어에 의해서도, 질소 분포의 제어가 가능하다.
산소와 질소 가스의 혼합비, 즉 유량 비율을 바꾸면, 절연막 중의 질소 농도의 피크를 변화시키는 것이 가능하다. 따라서 이 경우에는, 상기한 바와 같은, 절연막 형성 후에 플라즈마 질화 처리를 실시할 필요는 없다. 발명자의 지견에 의하면, 산소와 질소 가스의 유량 비율을, 1:4∼1:6으로 설정하면, 후술과 같이, 질소의 농도 피크를 기판과의 계면측과 절연막의 표면측에 각각 형성할 수 있다.
본 발명의 제 2 형태에 따른 반도체 기판은, 절연막의 표면으로부터 실리콘 기판과의 계면에 이르는 두께 방향으로 질소가 확산하고, 절연막의 표면보다도 계면에 가까운 곳에 질소 분포의 피크를 갖는다. 또는, 절연막의 표면 근방과 계면 근방의 2개소에 질소 분포의 피크를 갖는다. 이에 따라, 플라즈마 형성된 절연막의 트랩 특성이 개선된 절연막을 갖는 반도체 기판을 얻는 것이 가능해진다. 이러한 구조를 갖는 반도체 기판에 있어서는, 후속 공정에서의 불필요한 재산화를 방지하고, 또한 주입되는 불순물에 대하여 배리어를 갖는 것으로 된다. 그 때문에, 반도체 제조 공정의 조건에 영향을 받기 어렵고, 안정된 절연막을 구비한 반도체 기판을 얻을 수 있다.
본 발명의 제 3 형태는, 반도체 기판에 대하여 플라즈마 처리를 실시하는 플라즈마 처리 장치에 있어서, 상기 반도체 기판을 수용하는 처리 용기와, 상기 처리 용기에 마이크로파를 도입하는 마이크로파 도입부와, 상기 처리 용기에 처리 가스를 공급하는 가스 공급부를 구비하되, 상기 가스 공급부는, 상기 처리 용기에 대하여 동 시기에 산소와 질소를 공급하고, 상기 반도체 기판의 표면에 대하여 산화 처리와 질화 처리를 동시에 실행함으로써, 절연막을 형성하는 것이다.
이러한 경우, 상기 가스 공급부는, 상기 반도체 기판의 산화·질화 처리의 후에, 상기 처리 용기에 질소를 공급하여, 상기 절연막에 대하여 질화 처리를 더 실시하는 것이 가능하게 구성되어 있더라도 좋다.
이러한 플라즈마 처리 장치에 의하면, 상기한 플라즈마 처리 방법을 적절하게 실시할 수 있고, 또한 상기한 반도체 기판을 적절하게 제조하는 것이 가능하다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 플라즈마 처리 장치의 구성의 일례를 도시한 개략도(단면도),
도 2(a), (b)는 실시예 1의 플라즈마 처리 공정의 일부를 도시한 개략도,
도 3(a)는 트랩 특성을 설명하는 도면이며, (b)는 일례로서 트랩 특성을 측정하는 개략을 나타낸 도면,
도 4는 각종 절연막의 트랩 특성을 나타내는 그래프,
도 5는 절연 파괴에 이르기까지의 시간 경과 변화 특성을 나타낸 표,
도 6(a), (b)는 실시예 2의 플라즈마 처리 공정의 일부를 도시한 개략도,
도 7은 본 발명의 실시예 1에 따른 절연막 중의 질소 분포를 나타내는 그래프,
도 8은 본 발명의 실시예 2에 따른 절연막 중의 질소 분포를 나타내는 그래프이다.
도 1은 본 발명에서 이용되는 플라즈마 기판 처리 장치(10)의 개략적 구성의 일례를 나타낸다. 본 발명에서 사용되는 플라즈마 처리 장치(10)는, 피처리 기판으로서의 실리콘 웨이퍼 W를 유지하는 기판 유지대(12)가 구비된 처리 용기(11)를 갖고, 처리 용기(11) 내의 기체(가스)는 배기 포트(11A, 11B)로부터, 도시되지 않는 배기 펌프를 거쳐 배기된다. 또, 기판 유지대(12)는 실리콘 웨이퍼 W를 가열하는 히터 기능을 갖고 있다.
처리 용기(11)의 장치 윗쪽에는, 기판 유지대(12) 상의 실리콘 웨이퍼 W에 대응하여 개구부가 마련되어 있다. 이 개구부는, 석영이나 알루미나로 이루어지는 유전체판(13)에 의해 막혀 있다. 유전체판(13)의 상부(외측)에는, 안테나로서 기능하는 슬롯판(14)이 배치되어 있다. 슬롯판(14)의 더 상부(외측)에는, 석영, 알루미나, 질화 알루미늄 등으로 이루어지는 유전체판(15)이 배치되어 있다. 이 유전체판(15)은, 지파판(遲波板) 또는 파장 단축판이라고 불리기도 한다. 유전체판(15)의 상부(외측)에는, 냉각 플레이트(16)가 배치되어 있다. 냉각 플레이트(16) 의 내부에는, 냉매가 흐르는 냉매로(16a)가 마련되어 있다. 또한, 처리 용기(11)의 상단 중앙에는, 마이크로파를 도입하는 동축 도파관(18)이 마련되어 있다.
기판 유지대(12)의 주위에는, 알루미늄으로 이루어지는 가스 배플판(구분판)(26)이 배치되어 있다. 가스 배플판(26)의 하면에는 석영 커버(28)가 마련되어 있다.
처리 용기(11)의 내벽에는, 플라즈마 처리에 사용되는 가스를 도입하기 위한 가스 노즐(22)이 마련되어 있다. 마찬가지로, 처리 용기(11)의 내벽의 내측에는, 용기 전체를 둘러싸도록 온도 조정 매체 유로(24)가 형성되어 있다.
이 플라즈마 처리 장치(10)를 이용하여 본 발명을 실시하는 일례를 다음에 나타낸다. 우선, 반도체 기판으로 되는 실리콘 웨이퍼 W를 플라즈마 처리 장치(10)의 처리 용기(11) 중에 세트한 후, 배기 포트(11A, 11B)를 거쳐 처리 용기(11) 내부의 공기의 배기가 행해지고, 처리 용기(11)의 내부가 소정의 처리압으로 설정된다. 그 후, 실리콘 웨이퍼 W가 세트된 처리 용기(11)중에, 가스 노즐(22)로부터, 비활성 가스와 산소 가스와 질소 가스가 미리 혼합되어 도입된다. 이들 가스는, 가스 노즐(22)을 복수개 구비하여, 각각의 노즐로부터 따로따로 처리 용기(11)에 도입되더라도 좋다. 또는, 각각의 가스를 통과시키는 복수의 배관이 가스 노즐(22) 부근에서 하나로 통합되고, 노즐 부근에서 그들의 가스가 혼합되면서 도입되더라도 좋다. 어떻든, 동일한 플라즈마 처리 기회에 이들 가스가 동시에 존재하도록 공급된다면, 어떠한 방법으로 공급되더라도 상관없다.
한편, 동축 도파관(18)을 통해 공급되는 수 GHz의 주파수의 마이크로파가, 유전체판(15), 슬롯판(14), 유전체판(13)을 거쳐서 처리 용기(11) 중에 도입된다. 이 마이크로파에 의해 플라즈마가 여기되어, 비활성 가스와 산소와 질소의 혼합 가스로부터, 산소 래디컬과 질소 래디컬이 생성된다.
이 때의 플라즈마의 전자 밀도는 1.0×1012(1/cm3) 이상이고, 전자 온도는 1.0(eV) 이하인 것이 바람직하다. 이에 따라, 형성되는 산질화막에 대한 손상을 억제할 수 있다.
이 점, 예컨대 다른 고밀도 생성용의 플라즈마 소스, 예컨대 ECR 플라즈마에서는, 기판에 대하여 플라즈마 손상을 부여할 가능성이 높다. 즉, 기판에 대하여 불필요한 전하를 축적시키거나, 또는 형성한 Si-N-O의 연쇄를 끊을 우려가 있어, 양질의 산질화막을 형성할 수 없게 된다.
따라서, 실시예와 같이 마이크로파를 이용한 고밀도, 저전자 온도의 플라즈마로 처리하면, 그와 같은 불필요한 전하를 축적시키거나, 형성한 Si-N-O의 연쇄를 끊을 우려는 없기 때문에, 양질의 산질화막을 형성할 수 있다.
또한 그와 같은 고밀도, 저전자 온도의 플라즈마이기 때문에, 플라즈마에 대하여 실리콘 웨이퍼 W를 접근하여 배치할 수 있어, 성막 속도의 저하를 억제할 수 있다.
즉 종래의 플라즈마 소스, 예컨대 ECR 플라즈마에서는, 고에너지이기 때문에, 실리콘 웨이퍼 W는 플라즈마 영역으로부터 비교적 떨어져 배치해야 했지만, 그렇게 하면, 발생한 산소 래디컬이 실리콘 웨이퍼 W에 도달하기 전에 그 수명이 일 찍 끝날 확률이 높고, 그것에 의하여 성막 속도의 저하를 가져오고 있었다.
이 점 실시예에서는, 마이크로파를 이용한 플라즈마에 의해서 처리하고 있기 때문에, 플라즈마에 대하여 실리콘 웨이퍼 W를 접근하여 배치할 수 있고, 그 결과, 산소 래디컬의 수명이 다하기 전에, 많은 산소 래디컬을 실리콘 웨이퍼 W에 대하여 도달시킬 수 있다. 따라서, 성막 속도가 저하하지 않고, 바람직한 산화막, 산질화막을 형성하는 것이 가능하게 되고 있다.
실리콘 기판(21)의 표면에 달한 산소 래디컬과 질소 래디컬은, 도 2(b)에 표시되는 바와 같이 실리콘 기판(21)의 표면을 산화질화 처리하여, 소망의 두께(예컨대, ∼10nm)의 실리콘 산질화막(22)을 형성한다.
이렇게 하여, 산화와 질화가 동시에 행하여져 형성된 절연막을 갖는 반도체 기판(실시예 1)을 얻을 수 있다.
한편, 비교를 위해, 열 산화막을 갖는 반도체 기판(종래예)과, 플라즈마 산화한 후에 플라즈마 질화한 절연막을 갖는 반도체 기판(비교예 1)과, 플라즈마 산화막만을 갖는 반도체 기판(비교예 2)을 준비했다.
그리고, 전술의 실시예 1과 더불어 트랩(TRAP) 특성을 측정하여 비교 평가했다. 그 결과를 도 4(a), (b)에 나타낸다.
전자의 트랩의 구조는 도 3(a)에 예시되어 있다. 예컨대, 플래시 메모리(30)의 재기입시에는, 반도체 기판(31)으로부터 절연막(산화막)(32)을 통해서 부유 게이트(33)에 전자가 밀어넣어진다. 이 때, 절연막(32)의 막질이 나쁘면, 이 절연막 중에 전자(35)가 대부분 멈추고, 점차 전자(-)가 통하지 않게 된다. 이러한 현 상을 트랩이라고 하고, 이 예에서는, 플래시 메모리(30)가 재기입된 후, 이 트랩된 전자(35)에 의해 메모리의 기입 특성이 열화한다.
트랩 특성의 측정은, 예컨대 도 3(b)와 같이 반도체 기판을 MOS 캐패시터(36)로 하여 측정한다. 이 MOS 캐패시터는, 상술한 바와 같이 형성한 실리콘 기판(21)에 절연막(산화막)(22)을 마련하고, 그 위에 일정 전류를 흘릴 수 있도록 전극(37)을 마련하는 것에 의해 성형된다. 이 전극(37)과 반도체 기판(21) 사이의 전위차를 측정하는 것으로 트랩 특성을 측정한다.
N-MOS 캐패시터를 이용한 경우, 전극(37)에 부 전압을 인가하여, 전압의 시간 경과 변화를 측정한다. 일반적으로, 측정하는 데이터는 도 4(a), (b)로 대별되고, 측정 초기(도 4(b))에는, 홀 트랩이 관측되고, 이후의 측정(도 4(a))부터는 전자 트랩이 관측된다. 반도체 기판과 전극 사이에 인가된 초기의 전압값은, 시간의 경과와 동시에 서서히 마이너스측으로 시프트한다. 시프트한 전압값이 클수록 트랩된 전자가 많아진 것을 나타내고, 전자가 절연막을 통과하기 어렵게 되어 간다. 이것이 전술한 바와 같은 플래시 메모리라고 하면, 기입시에, 트랩이 클수록 전자가 통과하기 어렵게 되기 때문에, 기입하기 어렵게 되어, 결과적으로 기입 특성이 열화한 것같이 보인다.
도 4는 이렇게 하여 측정한 전자의 트랩 특성을, 초기의 전압값부터의 편차의 관계를 나타내는 것으로 나타낸 것이다. 가로축은 규격화된 시간을 나타내고, 세로축은 초기의 전압값으로부터의 편차(Vg-shift)를 나타내고 있다. 이 편차는, 인가된 초기의 전압값과, 시간의 경과와 함께 변화되는 절연막의 양단간의 측정 전 압의 차다. 따라서, 전자 트랩이 증가하면 마이너스측으로 시프트하는 것을 나타내고 있다.
실선은 종래예의 열 산화막에 의한 것을 나타내고, 1점차선은, 본 발명의 실시예 1에 따른 플라즈마 산화와 플라즈마 질화를 동시에 실행하여 생성한 플라즈마 산질화막(절연막)을 갖는 반도체 기판을 나타내고 있다. 또한, 2점차선은, 플라즈마 산화한 후 플라즈마 질화하여 생성한 비교예 1의 절연막을 가지는 반도체 기판을 나타내고 있고, 점선(파선)은 플라즈마 산화막을 갖는 비교예 2의 반도체 기판을 각각 나타내고 있다. 도면으로부터 알 수 있듯이, 실시예 1은 종래의 열 산화막과 거의 동등한 양호한 특성을 갖고 있는 데 비하여, 어느 비교예도 전자 트랩량이 많아 절연막의 성능으로서는 불충분한 것을 알 수 있다.
한편, 일반적인 전기적 특성을 비교할 목적으로, 전하를 인가하거나 전류를 흘리거나 한 때에 절연 파괴에 이르기까지의 시간 경과 변화 특성(TDDB:Time Dependent Dielectric Breakdown) 및, 리크(LEAK) 전류에 대하여 상기 시료 각각에 대하여 구한 것을 도 5의 표에 나타낸다. 여기서는, 열 산화막에서의 값을 기준으로 하여 상대 평가하고 있다. 또, 이 표에는, 보다 종합적으로 절연막의 특성을 파악할 수 있도록, 도 4에 나타낸 트랩 특성도 정성적(定性的)인 표현으로 하여 부기했다.
이 결과로부터 알 수 있듯이, TDDB, 리크 전류 어느 것에 있어서도, 플라즈마에 의해서 얻어진 절연막은, 상대적으로 종래의 열 산화막과 동등하거나 그 이상의 특성을 나타내고 있다. TDDB에 대해서는 본 발명에 따른 실시예 1은 특히 양호 하며, 또한, 리크 전류에 대해서는, 플라즈마에 의해 형성된 절연막이 종래예를 능가하는 양호한 특성을 나타내고 있다. 또한, 절연막의 수명(TDDB)은, 홀 트랩이 지배적 요인이라고도 생각되고 있고, 전자 트랩과 더불어 적을수록, 양호한 절연막이라고 할 수 있다.
다음에, 이 플라즈마 처리 장치(10)를 이용하여 본 발명을 실시하는 별도의 일례를 이하에 나타낸다.
전술의 실시예 1에서 얻어진 반도체 기판을 처리 용기(11)로부터 취출하는 일없이, 계속해서 처리 용기(11) 중에 세트한 채로 하여 둔다. 실시예 1의 때에 사용한 가스 등을, 배기 포트(11A, 11B)를 거쳐 처리 용기(11)로부터 배기한다. 그 후, 처리 용기(11) 중에, 가스 노즐(22)로부터 비활성 가스와 질소 가스가 미리 혼합되어 도입된다.
한편, 동축 도파관(18)을 통해 공급되는 수 GHz의 주파수의 마이크로파가, 유전체판(15), 슬롯판(14), 유전체판(13)을 거쳐서 처리 용기(11) 중에 도입된다. 이 마이크로파에 의해 플라즈마가 여기되고, 이미 도입되어 있는 비활성 가스와 질소의 혼합 가스로부터, 질소 래디컬이 생성된다.
반도체 기판의 표면에 도달한 질소 래디컬은, 도 6(b)에 도시되는 바와 같이 반도체 기판의 표면에 있는 절연막(22)을 또한 질화 처리하여, 소망의 두께(예컨대, ∼10nm)의 실리콘 산질화막(22A)을 형성한다. 이렇게 하여, 산화와 질화가 동시에 행하여진 후, 또한 질화 처리가 행하여진 절연막(22A)을 갖는 반도체 기판(실시예 2)을 얻을 수 있다.
이렇게 하여 얻어진 본 발명에 의한 반도체 기판에 대하여, 절연막의 두께 방향의 질소의 분포 상황을 조사한 것을 도 7에 나타낸다. 도 7에 있어서, 가로축은 에칭 시간을 나타내고 있다. 절연막의 두께 방향 거리에 대응하여, 시간이 많을수록 많이 에칭되고, 절연막의 표면으로부터 멀어져 깊어지는 것이 나타나 있다. 세로축은 질소의 상대적인 스펙트럼 강도를 나타내고, 강도가 강할수록, 질소가 많이 분포하여 존재하고 있는 것을 나타내고 있다.
도 7은 실시예 1에 대한 질소 분포를 나타내고, 적어도 절연막의 표면으로부터 반도체 기판의 계면에 이르는 두께 방향으로 질소가 확산하고 있어, 표면보다도 계면에 가까운 곳에 질소 분포의 피크가 있다. 이에 따라, 트랩 특성이 양호한 절연막을 구비한 반도체 기판을 얻을 수 있다.
도 8은 실시예 2에 대한 질소 분포를 나타내고, 절연막 중의 질소의 분포 피크가, 표면 근방과 계면 근방의 2개소에 생겨 있는 것을 확인할 수 있다. 이에 따라, 플라즈마 형성된 절연막의 트랩 특성이 개선되는 것 외에, 후속 공정에서의 재산화를 방지하여, 주입되는 불순물에 대하여 배리어로 된다. 이 때문에, 반도체 제조 공정의 조건에 영향을 받기 어려워, 안정된 절연막을 구비한 반도체 기판을 얻을 수 있다.
그리고, 이 실시예 2에 있어서는, 적절히 처리 조건을 설정함으로써, 질소 분포의 피크 위치를 바꿀 수 있다. 이에 따라, 종래의 고온 산질화 처리에서는 제어 곤란하던 질소 분포의 절연막 두께 방향에 대한 제어도 가능해진다.
실시예 2와 같이 산화와 질화가 동시에 행하여진 후에, 또한 질화 처리가 실 행하지 않더라도, 도 8에 나타낸 바와 같은, 절연막 중의 질소의 분포 피크가 표면 근방과 계면 근방의 2개소에 생겨 있는 절연막을 형성하는 것이 가능하다.
즉, 우선 처리 용기(11) 내에서 산소와 비활성 가스를 플라즈마화하여, 실리콘 웨이퍼 W에 대하여 산화막을 형성한다. 이어서, 비활성 가스와, 산소와 질소 가스의 혼합 가스를 처리 용기(11) 내에 도입하고, 플라즈마화하여, 실리콘 웨이퍼 W에 대하여 산질화 처리해서 산질화막을 형성한다. 예컨대 8nm의 절연막을 형성하는 경우, 산화막의 두께는 6nm, 산질화막의 두께를 2nm으로 한다. 이 때, 산소와 질소 가스의 혼합 가스의 유량비는 1:4∼1:6 정도로 설정한다.
그렇게 하면, 절연막 중의 질소의 분포 피크가 표면 근방과 계면 근방의 2개소에 생겨 있는 절연막을 형성하는 것이 가능하다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 의하면, 반도체 기판의 표면에 대하여 플라즈마 산화 처리와 플라즈마 질화 처리를 동시에 실행하기 때문에, 형성되는 절연막의 트랩 특성이 개선된다. 또한, TDDB나 리크 전류로 보면 종래보다도 훨씬 양호한 절연막을 얻을 수 있다.
또한, 상기한 바와 같은 플라즈마 산화·질화 처리의 후에, 또한 플라즈마 질화 처리를 한 경우에는, 고온의 산질화 처리에서는 제어 곤란한 질소의 깊이 방향의 분포의 제어가 가능해진다. 그 결과, 용도에 따라 적절한 특성의 산질화막을 얻을 수 있는 것으로 된다.
이상과 같이, 본 발명에 의하면, 저온으로 절연막을 형성했음에도 불구하고, 열 산화막에 필적하거나 그 이상의 전기 특성과 신뢰성을 갖는 반도체 기판을 얻을 수 있다.
본 발명은 반도체 장치, 특히 비휘발성 메모리의 절연막의 형성에 유용하다.

Claims (16)

  1. 처리 용기 내의 반도체 기판에 대하여, 플라즈마를 이용하여 절연막을 형성하는 플라즈마 처리 방법에 있어서,
    비활성 가스와, 산소 가스와, 질소 가스를 동일 처리시에 공급하고,
    상기 가스를 마이크로파에 의해 플라즈마 여기하여,
    상기 기판 표면을 상기 플라즈마에 의해 산질화 처리함으로써 상기 기판상에 산질화막을 형성하는
    플라즈마 처리 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 플라즈마 여기 후, 또한 비활성 가스와 질소 가스를 공급하고, 그 가스를 마이크로파에 의해 플라즈마 여기하여, 상기 산질화막을 질화하는 플라즈마 처리 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 절연막의 표면보다, 상기 절연막과 상기 기판 사이의 계면에 가까운 곳에 질소 분포의 피크를 갖는 플라즈마 처리 방법.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 절연막의 표면 근방과, 상기 절연막과 상기 기판 사이의 계면 근방의 두 곳에서 질소 분포의 피크를 갖는 플라즈마 처리 방법.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 플라즈마의 전자 밀도는 1.0×1012(1/cm3) 이상이고, 상기 플라즈마의 전자 온도는 1.0(eV) 이하인 플라즈마 처리 방법.
  6. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    산소 가스 보다 질소 가스의 유량이 많은 플라즈마 처리 방법.
  7. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    산소 가스와 질소 가스의 유량 비율은 1:4∼1:6인 플라즈마 처리 방법.
  8. 반도체 장치에 사용되는 반도체 기판으로서,
    비활성 가스와 산소 가스와 질소 가스를 동일 처리시에 공급하고, 그 가스를 마이크로파에 의해 플라즈마 여기하여, 상기 기판상에 산질화막이 형성된 절연막을 갖는 반도체 기판.
  9. 제 8 항에 있어서,
    산소와 질소 가스의 유량 비율이 1:4∼1:6인 반도체 기판.
  10. 제 8 항에 있어서,
    산소 가스 보다 질소 가스의 유량이 많은 반도체 기판.
  11. 삭제
  12. 기판에 대하여 플라즈마 처리를 실시하는 플라즈마 처리 장치에 있어서,
    상기 기판을 수용하는 처리 용기와,
    상기 처리 용기에 마이크로파를 도입하는 마이크로파 도입부와,
    상기 처리 용기에 처리 가스를 공급하는 가스 공급부
    를 구비하되,
    상기 가스 공급부로부터 상기 처리 용기에 대하여 동시에 비활성 가스와 산소 가스와 질소 가스를 공급하고, 상기 마이크로파에 의해 상기 가스의 플라즈마를 생성하여 상기 기판의 표면을 산화 처리와 질화 처리를 동시에 실행함으로써 산질화막의 절연막을 형성하는 플라즈마 처리 장치.
  13. 삭제
  14. 제 8 항에 있어서,
    상기 플라즈마 여기 후, 또한 비활성 가스와 질소 가스를 공급하고, 그 가스를 마이크로파에 의해 플라즈마 여기하여, 상기 산질화막을 질화하는 반도체 기판.
  15. 제 8 항에 있어서,
    상기 절연막의 표면보다, 상기 절연막과 상기 기판 사이의 계면에 가까운 곳에 질소 분포의 피크를 갖는 반도체 기판.
  16. 제 8 항에 있어서,
    상기 절연막의 표면 근방과, 상기 절연막과 상기 기판 사이의 계면 근방의 두 곳에서 질소 분포의 피크를 갖는 반도체 기판.
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