WO2006132262A1 - プラズマ窒化処理方法、半導体装置の製造方法およびプラズマ処理装置 - Google Patents

プラズマ窒化処理方法、半導体装置の製造方法およびプラズマ処理装置 Download PDF

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silicon
nitriding
silicon nitride
nitride film
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Tadahiro Ohmi
Akinobu Teramoto
Minoru Honda
Toshio Nakanishi
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Tohoku University
Tokyo Electron Limited
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    • H01L21/318—Inorganic layers composed of nitrides
    • H01L21/3185—Inorganic layers composed of nitrides of siliconnitrides

Definitions

  • Plasma nitriding method, semiconductor device manufacturing method, and plasma processing apparatus Plasma nitriding method, semiconductor device manufacturing method, and plasma processing apparatus
  • the present invention uses a plasma to treat a surface of an object to be processed such as a polycrystalline silicon layer or an amorphous silicon layer in silicon of a semiconductor substrate or a flat panel display substrate, and nitrides silicon to form silicon.
  • the present invention relates to a plasma nitriding method for forming a nitride film, a method for manufacturing a semiconductor device, and a plasma processing apparatus.
  • a silicon nitride film is formed as a gate insulating film of a transistor.
  • a method of forming a silicon nitride film in addition to a method of depositing a silicon nitride film by CVD (Chemical Vapor Deposition), for example, in JP-A-2001-274148, nitrogen is applied to a silicon oxide film by plasma treatment.
  • CVD Chemical Vapor Deposition
  • a method of forming a silicon oxynitride film by introducing it has been proposed.
  • the thickness of the gate insulating film has been increasing. For example, it is required to form a gate insulating film as thin as several nm. In gate insulating films that progress in such thin films, it is important to keep leakage current low and maintain high reliability.
  • a silicon oxynitride film SiON
  • high-k high dielectric constant
  • a silicon nitride film having a higher dielectric constant (7.5) and lower interface state density than a silicon oxide film can be obtained.
  • a gate insulating film is formed by directly nitriding silicon by a conventional plasma processing method, if the plasma nitriding process is performed under a temperature condition of room temperature to 400 ° C or less, as shown below, a good result is obtained. It is difficult to obtain insulating film characteristics, which causes a problem.
  • a gate insulating film is formed by low-temperature plasma processing, and then processing at a high temperature exceeding 500 ° C. (for example, film formation of a polysilicon electrode) is performed. There is a problem that the insulating film characteristics of the gate insulating film fluctuate due to the heat applied during the process.
  • An object of the present invention is to provide a method capable of directly nitriding silicon using plasma to form a high-quality thin silicon nitride film.
  • a first aspect of the present invention is to perform a nitriding process by causing a plasma of a nitrogen-containing gas to act on silicon on the surface of an object to be processed in a processing container of a plasma processing apparatus, A plasma nitriding method for forming a silicon nitride film,
  • the plasma is a microwave-excited high density plasma
  • nitriding temperature is 500 ° C or higher.
  • the microwave-excited high-density plasma is preferably formed by introducing microwaves into the processing vessel with a planar antenna having a plurality of slots.
  • the nitriding treatment temperature is 600 ° C. or higher and 800 ° C. or lower.
  • the processing pressure of the nitriding treatment is preferably 6.7 Pa or more. The processing pressure is more preferably 20 Pa or more.
  • the film thickness force of the silicon nitride film is preferably 0.5 nm to 3 nm.
  • the silicon nitride film is preferably a gate insulating film.
  • the silicon is preferably single crystal silicon, polycrystalline silicon, or amorphous silicon.
  • the silicon is preferably single crystal silicon having a substantially (110) surface.
  • the plasma nitriding method forms the silicon nitride film when forming a composite material having a dielectric constant higher than that of the silicon nitride film and a high dielectric constant material and the silicon nitride film. May be.
  • a second aspect of the present invention is to perform a nitriding process by applying a plasma of a nitrogen-containing gas to silicon on the surface of an object to be processed in a processing container of a plasma processing apparatus, and a gate containing silicon nitride. Including a step of forming an insulating film,
  • the plasma is a microwave-excited high density plasma
  • nitriding temperature 500 ° C. or higher.
  • the second aspect may further include a step of performing a heat treatment at a temperature of 500 ° C or higher after the formation of the gate insulating film.
  • a third aspect of the present invention is that a microwave-excited high-density plasma of a nitrogen-containing gas acts on silicon on an object to be processed in a processing container of a plasma processing apparatus when operating on a computer.
  • a control program for controlling the plasma processing apparatus so that a plasma nitriding method for forming a silicon nitride film by performing nitriding at a processing temperature of 500 ° C. or higher is performed.
  • a fourth aspect of the present invention is a computer-readable storage medium storing a control program that operates on a computer
  • the control program performs nitriding treatment at a processing temperature of 500 ° C. or more by causing microwave-excited high-density plasma of nitrogen-containing gas to act on silicon on the object to be processed in the processing container of the plasma processing apparatus at the time of execution.
  • a computer-readable storage medium is provided for controlling the plasma processing apparatus such that a plasma nitriding method for forming a silicon nitride film is performed.
  • a processing container capable of being evacuated and provided with a support base on which an object to be processed is placed;
  • a plasma processing apparatus comprising: a control unit that performs control so as to be performed.
  • a high-quality, thin silicon with less damage and defects can be obtained by performing plasma nitriding at a high temperature of 500 ° C or higher using microwave-excited high-density plasma.
  • a nitride film can be formed.
  • the silicon nitride film obtained by the method of the present invention has a quantitative variation in the intermediate nitriding state (subnitride) at the Si N ZSi interface even if it is processed at a high temperature such as annealing after film formation with high heat resistance. Less interface
  • the method of the present invention capable of forming a stable nitride film in this manner is, for example, about 0.5 to 3 nm (preferably about 0.5 to 3 nm) after the 65 nm process node in the process of manufacturing a semiconductor device that is increasingly miniaturized. It can be advantageously used for the purpose of forming a thin gate insulating film of 2 nm).
  • FIG. 1 is a schematic sectional view showing an example of a plasma processing apparatus that can be used in the present invention.
  • FIG. 2 is a drawing for explaining a planar antenna member.
  • FIG. 3A is a diagram illustrating a state in which an element isolation layer is formed in a transistor manufacturing process.
  • FIG. 3B is a diagram for explaining a state where plasma nitriding is performed in the process of manufacturing a transistor.
  • FIG. 3C is a diagram illustrating a state in which a transistor is formed.
  • FIG. 5 A drawing showing the CV curve of an MIS capacitor using a silicon nitride film deposited at 400 ° C.
  • FIG. 6 is a drawing showing the Si 2p spectrum of a silicon nitride film formed at 600 ° C.
  • FIG. 7 shows a Si 2p spectrum of a silicon nitride film formed at 400 ° C.
  • FIG. 8 is a graph plotting the rate of change of N concentration in the film by film thickness.
  • FIG. 9 is a graph plotting the half-width of the Nls spectrum of a silicon nitride film by thickness.
  • FIG. 10 is a graph showing the relationship between the half width of the Nls spectrum of a silicon nitride film and the film formation conditions.
  • FIG. 11 is a graph showing the film formation temperature and the refractive index of the silicon nitride film before and after annealing.
  • FIG. 12A is a graph showing the V—I characteristics of the evaluation MISFET.
  • FIG. 12B is a graph showing the V—I characteristics of the evaluation MISFET.
  • FIG. 13 is a graph showing the V–I characteristics of the evaluation MISFET.
  • FIG. 14 is a graph comparing the lZf noise characteristics of the evaluation MOSFET and the evaluation MISFET.
  • FIG. 15B The silicon nitride film formed on the Si (110) surface is processed by XPS analysis of Si 2p.
  • FIG. 16 is a schematic diagram for explaining the difference in stress (film stress) between the silicon nitride film formed on the Si (110) surface and the silicon nitride film formed on the Si (100) surface.
  • FIG. 17 Comparison of gate current characteristics by OT for an evaluation transistor using a silicon nitride film or a silicon oxide film.
  • FIG. 18A This is a graph showing the CV measurement results of a silicon nitride film with an EOT of 1.7 nm by the LC resonance method.
  • FIG. 18B This is a graph showing the CV measurement results of the silicon nitride film with an EOT of 1.2 nm by the LC resonance method.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing an example of a plasma processing apparatus that can be suitably used in the present invention.
  • the plasma processing apparatus 100 has a high density and high density by generating plasma by introducing microwaves into a processing chamber using a planar antenna having a plurality of slots, particularly RLSA (Radial Line Slot Antenna). My low electron temperature It is configured as an RLSA microwave plasma processing device that can generate chromowave-excited plasma.
  • This plasma processing apparatus 100 is capable of processing with plasma having a plasma density of 1 ⁇ 10 1 C) to 5 ⁇ 10 12 Zcm 3 and an electron temperature of 0.7 to 2 eV, for example. Accordingly, the plasma processing apparatus 100 can be suitably used for the purpose of forming a gate insulating film in the manufacturing process of various semiconductor devices such as MOS transistors and MOSFETs (field effect transistors).
  • the plasma processing apparatus 100 includes a substantially cylindrical chamber 11 that is airtight and grounded.
  • a circular opening 10 is formed at a substantially central portion of the bottom wall la of the chamber 11. Further, an exhaust chamber 11 that communicates with the opening 10 and protrudes downward is provided.
  • a mounting table 2 made of ceramics such as A1N for horizontally supporting a silicon wafer (hereinafter simply referred to as “wafer”) W as a substrate to be processed.
  • the mounting table 2 is supported by a support member 3 having a ceramic force such as a cylindrical A1N extending upward from the bottom center force of the exhaust chamber 11.
  • a guide ring 4 for guiding the wafer W is provided on the outer edge of the mounting table 2.
  • a resistance heating type heater 5 is embedded in the mounting table 2, and the heater 5 is heated by the heater power supply 5 a to heat the mounting table 2, and the heat is a substrate to be processed. Heat wafer W.
  • the mounting table 2 is provided with a thermocouple 6 so that the heating temperature of the wafer W can be controlled in a range from room temperature to 900 ° C., for example.
  • wafer support pins (not shown) for supporting the wafer W to be moved up and down are provided so as to protrude and retract with respect to the surface of the mounting table 2.
  • a cylindrical liner 7 having a quartz force is provided on the inner periphery of the chamber 11 to prevent metal contamination due to the material constituting the chamber. Further, in order to uniformly exhaust the inside of the chamber 11 on the outer peripheral side of the mounting table 2, a noble plate 8 having a large number of exhaust holes 8a is provided in an annular shape, and this baffle plate 8 is supported by a plurality of support columns 9. ing.
  • An annular gas introduction member 15 is provided on the side wall of the chamber 11.
  • a gas supply system 16 is connected to the gas introduction member 15.
  • the gas introduction member may be arranged in a nozzle shape or a shower shape.
  • the gas supply system 16 includes, for example, a rare gas supply source 17 and a nitrogen-containing source.
  • a gas supply source 18 is provided, and a rare gas and a nitrogen-containing gas reach the gas introduction member 15 through the gas lines 20 and are introduced into the chamber 11 from the gas introduction member 15.
  • Each of the gas lines 20 is provided with a mass flow controller 21 and front and rear opening / closing valves 22.
  • Examples of the nitrogen-containing gas include N gas, NH gas, a mixed gas of N and H, and hydra.
  • Gin etc. can be used.
  • the rare gas for example, Ar gas, Kr gas, Xe gas, He gas or the like can be used.
  • An exhaust pipe 23 is connected to a side surface of the exhaust chamber 11, and an exhaust device 24 including a high-speed vacuum pump is connected to the exhaust pipe 23.
  • an exhaust device 24 including a high-speed vacuum pump is connected to the exhaust pipe 23.
  • the exhaust device 24 is uniformly discharged into the space 1 la of the exhaust chamber 11 through the gas force baffle plate 8 in the chamber 11 and exhausted through the exhaust pipe 23.
  • the inside of the chamber 11 can be depressurized at a high speed to a predetermined degree of vacuum, for example, 0.133 Pa.
  • a loading / unloading port 25 for loading / unloading the wafer W to / from a transfer chamber (not shown) adjacent to the plasma processing apparatus 100, and the loading / unloading port 25 are opened and closed.
  • a gate valve 26 is provided!
  • the upper portion of the chamber 11 has an opening, and an annular upper plate 27 is joined to the opening by force.
  • the lower part of the inner periphery of the upper plate 27 protrudes toward the inner space of the chamber and forms an annular support part 27a.
  • a dielectric material such as quartz, Al 2 O, or A1N ceramics is used to transmit microwaves.
  • the overplate 28 is provided in an airtight manner via the seal member 29. Therefore, the inside of the chamber 1 is kept airtight.
  • a disc-shaped planar antenna member 31 is provided above the transmission plate 28 so as to face the mounting table 2.
  • the planar antenna member 31 is locked to the upper end of the side wall of the chamber 11.
  • the planar antenna member 31 is constituted by, for example, a copper plate or a aluminum plate cover whose surface is plated with gold or silver.
  • the planar antenna member 31 is formed with a plurality of slot-like microwave radiation holes 32 that radiate microwaves in a predetermined pattern.
  • the microwave radiation hole 32 has a long groove shape, for example, as shown in FIG.
  • the microwave radiation holes 32 are arranged in a “T” shape, and the plurality of microwave radiation holes 32 are arranged concentrically.
  • the length and arrangement interval of the microwave radiation holes 32 are determined in accordance with the wavelength ( ⁇ g) of the microwave mouth wave.
  • the distance between the microwave radiation holes 32 is ⁇ g Z2 or g.
  • the In FIG. 2, the interval between adjacent microwave radiation holes 32 formed concentrically is indicated by Ar.
  • the microwave radiation hole 32 may have another shape such as a circular shape or an arc shape.
  • the arrangement form of the microwave radiation holes 32 is not particularly limited, and may be arranged in a concentric shape, for example, in a spiral shape or a radial shape.
  • a slow wave material 33 having a dielectric constant larger than that of a vacuum is provided on the upper surface of the planar antenna member 31.
  • the slow wave material 33 has a function of adjusting the plasma by shortening the wavelength of the microwave because the wavelength of the microwave becomes longer in vacuum.
  • the planar antenna member 31 and the transmission plate 28, and the slow wave member 33 and the planar antenna member 31 may be in close contact with each other or separated from each other.
  • a shield lid 34 made of a metal material such as aluminum or stainless steel is provided on the upper surface of the chamber 11 so as to cover the planar antenna member 31 and the slow wave material 33.
  • the upper surface of the chamber 11 and the shield cover 34 are sealed by a seal member 35.
  • a cooling water flow path 34a is formed in the shield lid 34, and cooling water is allowed to flow therethrough to cool the shield lid 34, the slow wave material 33, the planar antenna member 31, and the transmission plate 28. It has become.
  • the shield lid 34 is grounded.
  • An opening 36 is formed at the center of the upper wall of the shield lid 34, and a waveguide 37 is connected to the opening.
  • a microwave generator 39 for generating microwaves is connected to the end of the waveguide 37 via a matching circuit 38. Thereby, for example, a microwave having a frequency of 2.45 GHz generated by the microwave generator 39 is propagated to the planar antenna member 31 through the waveguide 37.
  • the microwave frequency 8.35 GHz, 1.98 GHz, or the like can be used.
  • the waveguide 37 includes a coaxial waveguide 37a having a circular cross section extending upward from the opening 36 of the shield lid 34, and a mode converter 40 at the upper end of the coaxial waveguide 37a. And a rectangular waveguide 37b extending in the horizontal direction. Coaxial with rectangular waveguide 37b The mode conversion 40 between the wave tube 37a and the wave guide 37a has a function of converting the microphone mouth wave propagating in the TE mode in the rectangular waveguide 37b into the TEM mode.
  • An inner conductor 41 extends in the center of the coaxial waveguide 37a, and the inner conductor 41 is connected and fixed to the center of the planar antenna member 31 at the lower end thereof. Thereby, the microwave is efficiently and uniformly propagated radially and uniformly to the planar antenna member 31 through the inner conductor 41 of the coaxial waveguide 37a.
  • Each component of the plasma processing apparatus 100 is connected to and controlled by a process controller 50 having a CPU.
  • the process controller 50 includes a keyboard that allows the process manager to input commands to manage the plasma processing apparatus 100, a display that displays and displays the operating status of the plasma processing apparatus 100, and the like.
  • One interface 51 is connected!
  • the process controller 50 stores a control program (software) for realizing various processes executed by the plasma processing apparatus 100 under the control of the process controller 50, and recipes in which processing condition data is recorded.
  • the stored storage unit 52 is connected.
  • recipes such as the control program and processing condition data may be stored in a computer-readable storage medium such as a CD-ROM, a hard disk, a flexible disk, or a flash memory. For example, it is possible to transmit the data from time to time through a dedicated line and use it online.
  • the silicon nitride film can be formed by directly nitriding silicon (polycrystalline silicon or single crystal silicon) on the wafer W.
  • directly nitriding silicon polycrystalline silicon or single crystal silicon
  • the gate valve 26 is opened, and a wafer W having a silicon surface is loaded into the chamber 11 from the loading / unloading port 25 and mounted on the mounting table 2. Then, for example, Ar gas or N gas is supplied from the rare gas supply source 17 and the nitrogen-containing gas supply source 18 of the gas supply system 16 to a predetermined flow rate.
  • the gas is introduced into the chamber 11 through the gas introduction member 15.
  • the flow rate of rare gas such as Ar or Xe is 250 to 2000 mLZmin (sccm)
  • the inside of the channel is adjusted to a processing pressure of 6.7 to 1333 Pa (50 mTon: to lOTorr), preferably 20 to 400 Pa (l 50 mTorr to 3 Torr). Further, the temperature of the wafer W is heated to 500 to 900 ° C., preferably 600 to 900 ° C., more preferably about 600 to 800 ° C. At this time, if the processing temperature is less than 500 ° C., it becomes difficult to form a dense and high-quality silicon nitride film, as shown in examples described later. On the other hand, even if nitriding is performed at a processing temperature exceeding 900 ° C, the effect of improving the film quality cannot be expected.
  • the microwave from the microwave generator 39 is guided to the waveguide 37 through the matching circuit 38, and sequentially passes through the rectangular waveguide 37b, the mode converter 40, and the coaxial waveguide 37a. And supplied to the planar antenna member 31 via the inner conductor 41. Then, the microwave is radiated from the microwave radiation hole 32 of the planar antenna member 31 to the space above the wafer W in the chamber 11 through the transmission plate 28. The microwave propagates in the rectangular waveguide 37b in the TE mode, and the TE mode microwave is converted to the TEM mode by the mode change ⁇ 40, and the inside of the coaxial waveguide 37a becomes the planar antenna member 31. It is propagated towards.
  • the microphone mouth wave power at this time can be set to 1000 to 5000 W, for example.
  • the microwave plasma has a high density of about 1 X 10 1 (> ⁇ 5 X 10 12 Zcm 3 and near the wafer W, because microwaves are also radiated by a number of microwave radiation holes 32 of the planar antenna member 31. In the vicinity, the plasma becomes a low electron temperature plasma of about 1.5 eV or less, and the microwave-excited plasma formed in this way has little plasma damage caused by ions, etc.
  • the active species in the plasma mainly Radicals (eg N * for N gas, NH gas field
  • N * is directly introduced into the silicon by the action of NH *), and a Si N film is uniformly formed on the silicon surface.
  • plasma nitriding treatment is used to form a silicon nitride film by directly nitriding silicon (polycrystalline silicon, amorphous silicon, or single crystal silicon) with plasma using the plasma processing apparatus 100.
  • the processing temperature (wafer W temperature) is set to 500 ° C or higher, preferably 600 ° C or higher. Because of this, after that, for example at temperatures above 500 ° C Even when the heating process is performed, the intermediate nitridation state at the interface between Si N and Si (
  • Si N film silicon nitride film that has a stable Si—N bond and can maintain a stable nitrogen concentration.
  • a high-quality silicon nitride film can be formed on the surface of single crystal silicon or polycrystalline silicon. Therefore, the plasma nitriding method of the present invention can be used when a silicon nitride film is formed as a gate insulating film, for example, in the manufacture of various semiconductor devices such as transistors.
  • the preferred embodiment is particularly useful for forming a thin film in a next-generation device, for example, a gate insulating film having a thickness of 3 nm or less, preferably 0.5 to 2 nm.
  • 3A to 3C are diagrams illustrating an example in which the plasma nitriding method of the present invention is applied in the process of manufacturing a transistor.
  • a well (not shown) is formed on a P-type or N-type Si substrate 101, and an element isolation layer 102 is further formed by, for example, the LOCOS method.
  • the element isolation layer 102 may be formed by STI (Shallow Trench Isolation).
  • a gate insulating film 103 (SiN film) is formed on the surface of the Si substrate 101 by performing a plasma nitriding process with the above-described contents.
  • This gate insulating film 103 SiN film
  • the film thickness can be set to a force that varies depending on the target device, for example, about 0.5 to 3 nm, preferably about 0.5 to 2 nm.
  • a post-nitridation annealing process in which heat treatment is performed at a temperature of, for example, 800 ° C. to 1100 ° C. for about 10 to 60 minutes in an inert gas atmosphere may be performed.
  • a polysilicon layer 104 is formed on the formed gate insulating film 103 by CVD under a temperature condition exceeding 400 ° C., for example, and then etched by a photolithography technique to form a gate electrode.
  • the gate electrode structure is not limited to a single layer of the polysilicon layer 104, and for example, tungsten, molybdenum, tantalum, titanium, cobalt, nickel, their silicides, A laminated structure including a ride, an alloy or the like can also be used.
  • ion implantation and activation treatment are performed to form a source / drain (not shown), and a sidewall 105 made of an insulating film is formed, as shown in FIG. 3C.
  • MOS transistor 200 Can be manufactured.
  • the Si (100) surface was directly nitrided to form a silicon nitride film having an optical thickness of 1.5 nm.
  • the theoretical pressure was 6.7 Pa (50 mTorr).
  • the processing temperature was a wafer temperature of 400 ° C or 600 ° C, the microwave frequency was 2.45 GHz, and the microwave power was 5 W / cm 2 .
  • annealing was further performed at 600 ° C for 30 minutes in an N atmosphere.
  • Si 2p spectrum of the obtained silicon nitride film was analyzed with high sensitivity and high resolution by A1 ⁇ ⁇ -ray excitation.
  • Si 2p spectrum uses the Tougard method from the Si 2p photoelectron spectrum.
  • the intermediate nitriding state does not follow the suboxide defined by Hollinger et al. [G. Hollinger et al., Appl. Phys. Lett. 44 (1984) 93.] It is assumed that only Si 1+ , Si 2+ , and Si 3+ also have force.
  • Table 1 shows the binding energy, half width, and amount (ML) of the intermediate nitriding state (Sf +) when the film was formed at 600 ° C.
  • each intermediate nitrided state after obtaining the spectral intensity (NSi n + ) of each intermediate nitrided state after spin separation, the spectral intensity of each intermediate nitrided state normalized to the spectral intensity (NS) of the Si substrate is obtained.
  • the total amount of subnitride is 1.29ML, and at the Si N ZSi interface,
  • an MIS capacitor using a silicon nitride film formed under the above conditions as a gate insulating film was prepared.
  • the C–V curve was measured for this MIS capacitor, and the electrical characteristics of the gate insulating film were evaluated.
  • the capacitor was produced according to the following procedure.
  • a field oxide film was formed by wet oxidation (1100 ° C.) for element isolation.
  • Organic contamination is removed by washing with ozone-dissolved ultrapure water. Can also remove some metal contamination.
  • megasonic irradiation is performed to remove fine particles, metals, and oxides.
  • FPM cleaning is performed to remove acid and promote hydrogen termination.
  • the microroughness (Ra) of the silicon surface is about 0.08 nm.
  • a silicon nitride film was formed under the above conditions using the plasma processing apparatus 100, and subsequently an A1 electrode was formed as a gate electrode by vapor deposition, and patterned to obtain a MIS Canon.
  • Fig. 4 shows the CV curve for the sample deposited at 600 ° C when annealing was performed under the above conditions and when the force was not applied.
  • Figure 5 shows the C–V curves for the sample deposited at 400 ° C when annealing was performed in the same way and when the force was applied.
  • the vertical axes in FIGS. 4 and 5 are obtained by dividing the measured electric capacity by the maximum value and standardizing it.
  • FIG. 6 and FIG. 7 show Si 2p spectra measured by the above method.
  • Figure 6 shows 60
  • spectra (escape angle 52 °) when the film was formed at 0 ° C. (nitriding treatment) and when annealed at 600 ° C. after the film formation are shown together.
  • Fig. 7 shows both spectra (escape angle 52 °) when the film was formed at 400 ° C and when annealed at 600 ° C after the film formation.
  • a silicon substrate is directly nitrided to form a silicon nitride film, and the N concentration in the film is measured by X-ray photoelectron spectroscopy (XPS analysis). It was measured.
  • Figure 8 plots the rate of change in N concentration ( ⁇ N) for each film thickness from 3 to 24 hours after plasma nitriding.
  • ArZN gas is flowed as the treatment gas
  • the wafer temperature was 400 ° C or 800 ° C.
  • the pressure was 6.7 Pa or 266.6 Pa (50 mTorr or 2000 mTorr)
  • the power supplied to the plasma was 1.5 kW
  • the treatment time was 10 to 60 seconds.
  • the wafer W used was cleaned with a 1% dilute hydrofluoric acid (DHF) solution.
  • DHF dilute hydrofluoric acid
  • the Nis spectrum of the formed silicon nitride film was measured by X-ray photoelectron spectroscopy (XPS analysis), and the half width was obtained.
  • XPS analysis X-ray photoelectron spectroscopy
  • a silicon nitride film was formed by directly nitriding the Si substrate using the plasma processing apparatus 100 based on the following film forming conditions 1 to 3. Thereafter, each silicon nitride film was heated in the following oxidizing atmosphere. For each silicon nitride film, the peak of the Nls spectrum was measured by X-ray photoelectron spectroscopy (XPS analysis), and the half width was obtained. The results are shown in FIG.
  • ArZN gas 1000Z200mLZmin (sccm)
  • Wafer temperature 400 ° C
  • ArZN gas 1000Z200mLZmin (sccm)
  • Wafer temperature 800 ° C
  • ArZN gas 1000Z200mLZmin (sccm)
  • Wafer temperature 800 ° C
  • the pressure is 9999.8 Pa (75 Torr) and the O flow rate is 2LZmi.
  • Heat treatment was performed for 15 seconds in a high-temperature oxidizing atmosphere at n (slm) and a heating temperature of 1000 ° C.
  • the half-value width of the peak of the Nls spectrum is higher than the low temperature nitridation treatment at 400 ° C at 12 Pa (deposition condition 1) (high temperature nitridation at 800 ° C at 12 Pa (deposition) Condition 2) is smaller and further reduced by high-temperature nitridation at 800 ° C (film formation condition 3) at a pressure of 200 Pa.
  • FIG. 11 shows the refractive index fluctuation before and after annealing of the silicon nitride film formed at 250 ° C., 400 ° C., and 600 ° C. using the plasma processing apparatus 100 of FIG.
  • Xe and NH are used as the processing gas
  • the flow ratio XeZNH 1000/1 OOmL / min (s
  • the pressure was 6.7 Pa (50 mTorr)
  • the microwave power was 700 W.
  • the silicon nitride film deposited at each temperature is annealed at 600 ° C in N atmosphere for 30 minutes.
  • FIG. 11 shows that a high-density silicon nitride film having a high refractive index can be obtained by increasing the film formation temperature.
  • the refractive index variation was small in the sample formed at 600 ° C. Compared to this, it was inferred that the samples deposited at 250 ° C and 400 ° C could form a dense silicon nitride film before annealing, where the refractive index fluctuation range was large.
  • the plasma nitriding treatment is performed by nitriding at a high temperature of 500 ° C. or higher, thereby producing a dense, thin film that is less prone to oxidation and less susceptible to oxidation. It was shown that a stable nitride film with little variation in characteristics was formed.
  • a silicon nitride film was formed on a silicon substrate under the following nitriding conditions, an evaluation MISFET using this as a gate insulating film was fabricated, and its electrical characteristics were measured.
  • This evaluation MISFET has a gate structure in which a silicon nitride film as a gate insulating film is formed on a silicon substrate and a polysilicon electrode is formed on the silicon nitride film.
  • the gate width (W) is 20 ⁇ m and the gate length is 0.8 ⁇ m.
  • the Si (100) plane and the Si (llO) plane were directly nitrided to form silicon nitride films, respectively.
  • the processing pressure was 20 Pa (150 mTorr).
  • the processing temperature was a wafer temperature of 600 ° C, the microwave frequency was 2.45 GHz, and the microwave power was 5 WZcm 2 .
  • EOT SiO equivalent film thickness; Equivalent
  • Oxide Thickness was 2.06 nm for the silicon nitride film on the Si (100) plane and 1.70 nm for the silicon nitride film on the Si (lO) plane.
  • FIGS. 12A and 12B show an evaluation MISFET (referred to as “MISFET—100”) using a silicon nitride film on the Si (100) surface as a gate insulating film and a silicon nitride film on the Si (110) surface.
  • MISFET—100 evaluation MISFET
  • MISFET-110 gate drain of evaluation MISFET
  • the drain voltage (V) is 0.05 V and
  • MISFET-110 has less drain current (I) and less leakage current than MISFET-100. Also, Figure 12B shows V-
  • V-I characteristics when V is 0.4V, 0.6V, 0.8V and 1.OV are shown.
  • the MISFET-110 has a larger drain current (I) than MISFET-100.
  • MISFET-110 has better electrical characteristics than MISFET-100.
  • Figure 13 shows the V-I characteristics when the drain current (I) is specified by the thickness of the insulating film.
  • MISFET-110 has a large drain current (I) on the high voltage side.
  • Figure 14 compares the lZf noise characteristics of an evaluation MOS FET (referred to as “MOSFET-100”) using a silicon oxide film on the Si (100) surface as the gate insulating film and MISFET-110. Results are shown. In general, silicon nitride film has more defects in the film than silicon oxide film and is known to be inferior in noise characteristics. From Fig. 14, MISFET-110 has lZf noise compared to MOSFE T-100. Is about one-tenth, indicating good noise characteristics.
  • MOSFET-100 evaluation MOS FET
  • Figure 15A shows the XPS analysis of Si 2p on a silicon nitride film formed on a Si (100) surface.
  • Figure 15B shows the Si 2p of the silicon nitride film formed on the Si (l lO) surface.
  • Si ° +, Si 1+ , Si 2+ , Si 3+ and si 4+ all indicate Si subnitrides .
  • the total amount of Si 1+ , Si 2+ and Si 3+ is 1.293 monolayer (ML) for silicon nitride film formed on Si (100) surface, while Si (110)
  • the silicon nitride film formed on the surface was as small as 0.781 monolayer (ML). Therefore, by performing the plasma nitriding process on the Si (110) surface under the above conditions, it is possible to form a silicon nitride film with a smaller amount of subnitride than when a silicon nitride film is formed on the Si (100) surface. found.
  • FIG. 16 is a schematic diagram for explaining the difference in stress (film stress) between the silicon nitride film formed on the Si (l lO) plane and the silicon nitride film formed on the Si (100) plane. . Since the silicon nitride film formed on the Si (100) surface has high compressive stress, the surface density of Si is high. On the other hand, the silicon nitride film formed on the Si (110) plane has a relatively low compressive stress compared to the silicon nitride film formed on the Si (100) plane. The surface density of the film is low, and the value is about 9.6 ⁇ 10 14 [atoms / cm 2 ]. This difference in areal density is thought to affect the difference in the amount of subnitride shown in FIGS.
  • the difference in surface density between the silicon nitride film formed on the Si (110) surface and the silicon nitride film formed on the Si (100) surface is due to the excellent electrical characteristics described above in MISFET-110. It is thought that
  • a silicon nitride film is formed by performing plasma nitriding on the substantial (110) surface of Si rather than the Si (100) surface of silicon. It is preferable.
  • substantially (110) plane of Si means that it includes not only the (110) plane but also a slight inclination from the (110) plane, and also includes the (551) plane.
  • FIG. 17 compares the gate current characteristics by EOT for an evaluation transistor using a silicon nitride film formed by the method of the present invention and an evaluation transistor using a silicon oxide film. The results are shown.
  • FIG. 18A and 18B show the results of CV measurement by the LC resonance method for an evaluation transistor using a silicon nitride film formed by the method of the present invention.
  • Fig. 18A shows the result when EOT is 1.7 nm
  • Fig. 18B shows the result when EOT is 1.2 nm. From the above results, it was confirmed that the silicon nitride film formed by the method of the present invention exhibits excellent gate current characteristics.
  • the apparatus of the present invention can be similarly implemented as long as it is an apparatus capable of generating high-frequency microwave-excited high-density plasma, taking the RLSA plasma processing apparatus 100 as an example.
  • the plasma nitriding method of the present invention is not limited to the case of directly nitriding silicon to form a gate insulating film.
  • the silicon oxynitride film for example, heat generated by WVG (Water Vapor Generation) Oxidized SiO film, plasma oxidized SiO film, etc.
  • k materials eg HfO, RuO, ReO, ZrO, AlO, HfSiO, ZrSiO, and this
  • the nitriding treatment is performed according to the plasma of the present invention. It can also be performed by a nitriding method.
  • It can also be used for nitriding tunnel oxide films in flash memory and for forming ONO films between floating gates and control gates.
  • the present invention can also be applied when the object to be processed is a polycrystalline silicon layer provided on a flat panel display (FPD) substrate typified by a liquid crystal display (LCD).
  • FPD flat panel display
  • LCD liquid crystal display
  • plasma is applied to a polycrystalline silicon layer or an amorphous silicon layer provided on an FPD substrate such as a glass substrate via an insulator layer or an electrode layer by the above method.
  • a gate insulating film including a silicon nitride film can be formed.
  • the present invention can also be applied when the object to be processed is a compound semiconductor or the like.
  • the present invention can be suitably used in the manufacturing process of various semiconductor devices including a step of forming a silicon nitride film by nitriding silicon.

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Abstract

　プラズマ処理装置の処理容器内で被処理体表面のシリコンに対して、複数のスロットを有する平面アンテナにて処理容器内にマイクロ波を導入して形成される窒素含有ガスのマイクロ波励起高密度プラズマを作用させて、５００°C以上の処理温度で窒化処理を行う。  

Description

明 細 書
プラズマ窒化処理方法、半導体装置の製造方法およびプラズマ処理装 置
技術分野
[0001] 本発明は、プラズマを用いて半導体基板のシリコンやフラットパネルディスプレイ基 板等における多結晶シリコン層や非晶質シリコン層等の被処理体表面を処理し、シリ コンを窒化してシリコン窒化膜を形成させるプラズマ窒化処理方法、半導体装置の製 造方法およびプラズマ処理装置に関する。
背景技術
[0002] 各種半導体装置やフラットパネルディスプレイの TFT (薄膜トランジスタ)の製造過 程では、例えばトランジスタのゲート絶縁膜等として、シリコン窒化膜の形成が行なわ れる。シリコン窒化膜を形成する方法としては、 CVD (Chemical Vapor Deposition)に よりシリコン窒化膜を堆積させる方法のほか、例えば、特開 2001— 274148号公報 では、シリコン酸ィ匕膜にプラズマ処理によって窒素を導入してシリコン酸窒化膜を形 成する方法が提案されて ヽる。
[0003] 一方、近年では半導体装置の微細化に伴 、、ゲート絶縁膜の薄膜ィ匕が進んで 、る 。例えば、膜厚が数 nmと薄いゲート絶縁膜を形成することが要求されている。このよ うに薄膜ィ匕が進むゲート絶縁膜においては、リーク電流を低く保つことと、高い信頼 性を保つことが重要になっている。現在、ゲート絶縁膜の材質としてシリコン酸窒化膜 (SiON)が使用されているが、さらにリーク電流を下げる方法として、ゲート絶縁膜に 高誘電率 (high— k)材料を用いることが検討されている。また、窒素含有ガスのブラ ズマを用いてシリコンを直接窒化処理すると、シリコン酸ィ匕膜に比べ高 、誘電率（7. 5)と低い界面準位密度を有するシリコン窒化膜が得られることから、プラズマを用い てシリコンを直接窒化処理してシリコン窒化膜を形成することも検討されつつある。
[0004] 従来のプラズマ処理方法によりシリコンを直接窒化処理し、ゲート絶縁膜を形成す る場合、室温〜 400°C以下の温度条件でプラズマ窒化処理を行なうと、以下に示す ように、良好な絶縁膜特性を得ることが難し 、と 、う問題が生じる。 すなわち、実際のトランジスタの製造過程では、低温のプラズマ処理でゲート絶縁 膜を形成した後、 500°Cを超える高温での処理 (例えば、ポリシリコン電極の成膜など )が行なわれるため、この処理の際に加えられる熱によりゲート絶縁膜の絶縁膜特性 に変動が生じるという問題がある。本発明者らが得た知見では、例えば 400°C以下の 処理温度でプラズマ窒化処理を行った場合、その後の熱処理過程でシリコン窒化膜 とシリコンとの界面（Si N ZSi界面）に存在する中間窒化状態 (サブナイトライド)の
3 4
量が増加し、前記ゲート絶縁膜の特性変動を引き起こすことが判明した。このようなゲ ート絶縁膜の特性変動は、例えばトランジスタなどのデバイスの特性に悪影響を与え 、その性能を低下させてしまう。
[0005] また、 400°C以下の処理温度でシリコンを直接プラズマ窒化処理して形成したシリ コン窒化膜の場合、経時的な N濃度の減少 (N抜け)や酸化などの膜質低下が起こり やすいという課題があり、特に膜厚が薄くなるほど膜質が低下しやすぐ安定なシリコ ン窒化膜の形成が難 U、と 、う問題もあった。
発明の開示
[0006] 本発明の目的は、プラズマを利用してシリコンを直接窒化し、良質で薄いシリコン窒 化膜を形成できる方法を提供することにある。
[0007] 上記課題を解決するため、本発明の第 1の観点は、プラズマ処理装置の処理容器 内で被処理体表面のシリコンに対して窒素含有ガスのプラズマを作用させて窒化処 理し、シリコン窒化膜を形成するプラズマ窒化処理方法であって、
前記プラズマは、マイクロ波励起高密度プラズマであり、
前記窒化処理の処理温度が 500°C以上である、プラズマ窒化処理方法を提供する
[0008] 第 1の観点において、前記マイクロ波励起高密度プラズマは、複数のスロットを有す る平面アンテナにて前記処理容器内にマイクロ波を導入して形成されるものであるこ とが好ましい。また、前記窒化処理の処理温度が、 600°C以上 800°C以下であること が好ましい。さらに、前記窒化処理の処理圧力が、 6. 7Pa以上であることが好ましぐ 処理圧力が、 20Pa以上であることがより好ましい。
[0009] また、前記シリコン窒化膜の膜厚力 0. 5nm〜3nmであることが好ましい。この場 合、前記シリコン窒化膜は、ゲート絶縁膜であることが好ましい。また、前記シリコンは 、単結晶シリコン、多結晶シリコンまたは非晶質シリコンであることが好ましい。また、 前記シリコンは、実質的に（110)表面を有する単結晶シリコンであることが好ましい。
[0010] また、前記プラズマ窒化処理方法は、シリコン窒化膜よりも誘電率の高 、高誘電率 材料とシリコン窒化膜との複合材料を形成する場合において、前記シリコン窒化膜の 形成を行うものであってもよ 、。
[0011] 本発明の第 2の観点は、プラズマ処理装置の処理容器内で被処理体表面のシリコ ンに対して、窒素含有ガスのプラズマを作用させて窒化処理し、窒化珪素を含むゲ ート絶縁膜を形成する工程を含み、
前記プラズマは、マイクロ波励起高密度プラズマであり、
前記窒化処理の処理温度が 500°C以上である、半導体装置の製造方法を提供す る。
[0012] 上記第 2の観点では、ゲート絶縁膜の形成後に、 500°C以上の温度で加熱処理す る工程をさらに含むことができる。
[0013] 本発明の第 3の観点は、コンピュータ上で動作し、実行時に、プラズマ処理装置の 処理容器内で被処理体上のシリコンに対して窒素含有ガスのマイクロ波励起高密度 プラズマを作用させて 500°C以上の処理温度で窒化処理し、シリコン窒化膜を形成 するプラズマ窒化処理方法が行なわれるように前記プラズマ処理装置を制御する、 制御プログラムを提供する。
[0014] 本発明の第 4の観点は、コンピュータ上で動作する制御プログラムが記憶されたコ ンピュータ読取り可能な記憶媒体であって、
前記制御プログラムは、実行時に、プラズマ処理装置の処理容器内で被処理体上 のシリコンに対して窒素含有ガスのマイクロ波励起高密度プラズマを作用させて 500 °C以上の処理温度で窒化処理し、シリコン窒化膜を形成するプラズマ窒化処理方法 が行なわれるように前記プラズマ処理装置を制御するものである、コンピュータ読取り 可能な記憶媒体を提供する。
[0015] 本発明の第 5の観点は、被処理体を載置する支持台を備えた真空排気可能な処 理容器と、 前記処理容器内で被処理体上のシリコンに対して窒素含有ガスのマイクロ波励起 高密度プラズマを作用させて 500°C以上の処理温度で窒化処理し、シリコン窒化膜 を形成するプラズマ窒化処理方法が行なわれるように制御する制御部と、 を備えた、プラズマ処理装置を提供する。
[0016] 本発明のプラズマ窒化処理方法によれば、マイクロ波励起高密度プラズマを用い、 500°C以上の高温でプラズマ窒化処理を行うことにより、ダメージや欠陥が少なく良 質で、かつ薄いシリコン窒化膜を形成することができる。本発明方法により得られるシ リコン窒化膜は、耐熱性が高ぐ成膜後にァニールなどの高温での処理を行っても、 Si N ZSi界面における中間窒化状態 (サブナイトライド)の量的変動が少なぐ界面
3 4
準位密度の変動も殆どない。また、例えば 3nm以下の薄膜であっても、 N抜けや酸 化が起こりにくぐ安定して高い N濃度を維持することが可能である。従って、本発明 方法により得られるシリコン窒化膜を用いることにより、半導体デバイスの電気的特性 の変動を抑制できる。
[0017] このように安定な窒化膜を形成できる本発明方法は、微細化が進む半導体装置の 製造過程で、 65nmプロセスノード以降の、例えば 0. 5〜3nm程度 (好ましくは、 0. 5〜2nm)の薄いゲート絶縁膜等を形成する目的で有利に利用できる。
図面の簡単な説明
[0018] [図 1]本発明に利用可能なプラズマ処理装置の一例を示す概略断面図である。
[図 2]平面アンテナ部材の説明に供する図面である。
[図 3A]トランジスタの製造過程で素子分離層を形成した状態を説明する図面である。
[図 3B]トランジスタの製造過程でプラズマ窒化処理をしている状態を説明する図面で ある。
[図 3C]トランジスタを形成した状態を説明する図面である。
[図 4]600°Cで成膜したシリコン窒化膜を用いた MISキャパシタの C Vカーブを示 す図面。
[図 5]400°Cで成膜したシリコン窒化膜を用いた MISキャパシタの C Vカーブを示 す図面。
[図 6]600°Cで成膜したシリコン窒化膜の Si 2p スペクトルを示す図面。 [図 7]400°Cで成膜したシリコン窒化膜の Si 2p スペクトルを示す図面。
3/2
[図 8]膜中の N濃度の変化率を膜厚別にプロットしたグラフである。
[図 9]シリコン窒化膜の Nlsスペクトルの半値幅を膜厚別にプロットしたグラフである。
[図 10]シリコン窒化膜の Nlsスペクトルの半値幅と成膜条件との関係を示すグラフで ある。
[図 11]成膜温度とァニール前後のシリコン窒化膜の屈折率を示すグラフである。
[図 12A]評価用 MISFETの V — I特性を示すグラフ図。
G D
[図 12B]評価用 MISFETの V — I特性を示すグラフ図。
D D
[図 13]評価用 MISFETの V — I特性を示すグラフ図。
G D
[図 14]評価用 MOSFETと、評価用 MISFETの lZfノイズ特性を比較したグラフ図。
[図 15A]Si (100)面上に形成したシリコン窒化膜の Si 2p の XPS分析によるプロ
3/2
ファイルを示す図面。
[図 15B]Si (110)面上に形成したシリコン窒化膜の Si 2p の XPS分析によるプロ
3/2
ファイルを示す図面。
[図 16]Si (110)面に形成されたシリコン窒化膜と、 Si(100)面に形成されたシリコン 窒化膜のストレス (膜応力）の違 、を説明する模式図である。
[図 17]シリコン窒化膜またはシリコン酸ィ匕膜を用いた評価用トランジスタについて、 E OT別のゲート電流特性を比較した図面。
[図 18A]EOTが 1. 7nmのシリコン窒化膜の LC共振法による CV測定結果を示すグ ラフである。
[図 18B]EOTが 1. 2nmのシリコン窒化膜の LC共振法による CV測定結果を示すダラ フである。
発明を実施するための最良の形態
以下、適宜添付図面を参照して本発明の実施の形態について具体的に説明する 。図 1は、本発明に好適に利用可能なプラズマ処理装置の一例を模式的に示す断 面図である。このプラズマ処理装置 100は、複数のスロットを有する平面アンテナ、特 に RLSA (Radial Line Slot Antenna;ラジアルラインスロットアンテナ）にて処理室内に マイクロ波を導入してプラズマを発生させることにより、高密度かつ低電子温度のマイ クロ波励起プラズマを発生させ得る RLSAマイクロ波プラズマ処理装置として構成さ れている。このプラズマ処理装置 100は、例えば 1 X 101C)〜5 X 1012Zcm3のプラズ マ密度で、かつ 0. 7〜2eVの電子温度を有するプラズマによる処理が可能である。 従って、プラズマ処理装置 100は、例えば MOSトランジスタ、 MOSFET (電界効 果型トランジスタ)などの各種半導体装置の製造過程におけるゲート絶縁膜の形成な どの目的で好適に利用可能なものである。
[0020] 上記プラズマ処理装置 100は、気密に構成され、接地された略円筒状のチャンバ 一 1を有している。チャンバ一 1の底壁 laの略中央部には円形の開口部 10が形成さ れている。また、この開口部 10と連通し、下方に向けて突出する排気室 11が設けら れている。
[0021] チャンバ一 1内には被処理基板であるシリコンウェハ（以下、単に「ウェハ」と記す） Wを水平に支持するための A1N等のセラミックス力 なる載置台 2が設けられている。 この載置台 2は、排気室 11の底部中央力 上方に延びる円筒状の A1N等のセラミツ タス力 なる支持部材 3により支持されている。載置台 2の外縁部にはウェハ Wをガイ ドするためのガイドリング 4が設けられて 、る。
[0022] 載置台 2には抵抗加熱型のヒータ 5が埋め込まれており、このヒータ 5はヒータ電源 5 aから給電されることにより載置台 2を加熱して、その熱で被処理基板であるウェハ W を加熱する。また、載置台 2には、熱電対 6が配備されており、ウェハ Wの加熱温度を 、例えば室温から 900°Cまでの範囲で温度制御可能となっている。載置台 2には、ゥ ェハ Wを支持して昇降させるためのウェハ支持ピン（図示せず）が載置台 2の表面に 対して突没可能に設けられている。
[0023] チャンバ一 1の内周には、石英力 なる円筒状のライナー 7が設けられ、チャンバ一 構成材料による金属汚染を防止している。また、載置台 2の外周側には、チャンバ一 1内を均一排気するため、多数の排気孔 8aを有するノ ッフルプレート 8が環状に設け られ、このバッフルプレート 8は、複数の支柱 9により支持されている。
[0024] チャンバ一 1の側壁には環状をなすガス導入部材 15が設けられている。このガス導 入部材 15にはガス供給系 16が接続されている。なお、ガス導入部材はノズル状また はシャワー状に配置してもよい。ガス供給系 16は、例えば希ガス供給源 17、窒素含 有ガス供給源 18を有しており、希ガスや窒素含有ガスが、それぞれガスライン 20を 介してガス導入部材 15に至り、ガス導入部材 15からチャンバ一 1内に導入される。ガ スライン 20の各々には、マスフローコントローラ 21およびその前後の開閉バルブ 22 が設けられている。
[0025] 前記窒素含有ガスとしては、例えば Nガス、 NHガス、 Nと Hとの混合ガス、ヒドラ
2 3 2 2
ジンなどを用いることができる。また、前記希ガスとしては、例えば Arガス、 Krガス、 X eガス、 Heガスなどを用いることができる。
[0026] 上記排気室 11の側面には排気管 23が接続されており、この排気管 23には高速真 空ポンプを含む排気装置 24が接続されて 、る。そしてこの排気装置 24を作動させる ことによりチャンバ一 1内のガス力 バッフルプレート 8を介して排気室 11の空間 1 la 内へ均一に排出され、排気管 23を介して排気される。これによりチャンバ一 1内は所 定の真空度、例えば 0. 133Paまで高速に減圧することが可能となっている。
[0027] チャンバ一 1の側壁には、プラズマ処理装置 100に隣接する搬送室（図示せず）と の間でウェハ Wの搬入出を行うための搬入出口 25と、この搬入出口 25を開閉するゲ ートバルブ 26とが設けられて!/、る。
[0028] チャンバ一 1の上部は開口部となっており、この開口部には環状のアッパープレー ト 27力接合される。アッパープレート 27の内周下部は、内側のチャンバ一内空間へ 向けて突出し、環状の支持部 27aを形成している。この支持部 27a上に、誘電体、例 えば石英や Al O、 A1N等のセラミックスカゝらなり、マイクロ波を透過するマイクロ波透
2 3
過板 28がシール部材 29を介して気密に設けられている。したがって、チャンバ一 1 内は気密に保持される。
[0029] 透過板 28の上方には、載置台 2と対向するように、円板状の平面アンテナ部材 31 が設けられている。この平面アンテナ部材 31はチャンバ一 1の側壁上端に係止され ている。平面アンテナ部材 31は、例えば表面が金または銀メツキされた銅板またはァ ルミ-ゥム板カゝら構成されている。平面アンテナ部材 31には、マイクロ波を放射する 多数のスロット状のマイクロ波放射孔 32が所定のパターンで貫通して形成されている
[0030] マイクロ波放射孔 32は、例えば図 2に示すように長溝状をなし、典型的には隣接す るマイクロ波放射孔 32同士が「T」字状に配置され、さらにこれら複数のマイクロ波放 射孔 32が同心円状に配置されている。マイクロ波放射孔 32の長さや配列間隔は、マ イク口波の波長（ λ g)に応じて決定され、例えばマイクロ波放射孔 32の間隔は、 λ g Z2またはえ gとなるように配置される。なお、図 2において、同心円状に形成された 隣接するマイクロ波放射孔 32同士の間隔を Arで示している。また、マイクロ波放射 孔 32は、円形状、円弧状等の他の形状であってもよい。さらに、マイクロ波放射孔 32 の配置形態は特に限定されず、同心円状のほか、例えば、螺旋状、放射状に配置す ることちでさる。
[0031] この平面アンテナ部材 31の上面には、真空よりも大きい誘電率を有する遅波材 33 が設けられている。この遅波材 33は、真空中ではマイクロ波の波長が長くなることか ら、マイクロ波の波長を短くしてプラズマを調整する機能を有している。なお、平面ァ ンテナ部材 31と透過板 28との間、また、遅波材 33と平面アンテナ部材 31との間は、 それぞれ密着させても離間させてもょ ヽ。
[0032] チャンバ一 1の上面には、これら平面アンテナ部材 31および遅波材 33を覆うように 、例えばアルミニウムやステンレス鋼等の金属材カ なるシールド蓋体 34が設けられ ている。チャンバ一 1の上面とシールド蓋体 34とはシール部材 35によりシールされて いる。シールド蓋体 34には、冷却水流路 34aが形成されており、そこに冷却水を通 流させることにより、シールド蓋体 34、遅波材 33、平面アンテナ部材 31、透過板 28 を冷却するようになっている。なお、シールド蓋体 34は接地されている。
[0033] シールド蓋体 34の上壁の中央には、開口部 36が形成されており、この開口部には 導波管 37が接続されている。この導波管 37の端部には、マッチング回路 38を介して マイクロ波を発生するマイクロ波発生装置 39が接続されている。これにより、マイクロ 波発生装置 39で発生した、例えば周波数 2. 45GHzのマイクロ波が導波管 37を介 して上記平面アンテナ部材 31へ伝搬されるようになっている。マイクロ波の周波数と しては、 8. 35GHz, 1. 98GHz等を用いることもできる。
[0034] 導波管 37は、上記シールド蓋体 34の開口部 36から上方へ延出する断面円形状 の同軸導波管 37aと、この同軸導波管 37aの上端部にモード変換器 40を介して接続 された水平方向に延びる矩形導波管 37bとを有している。矩形導波管 37bと同軸導 波管 37aとの間のモード変翻 40は、矩形導波管 37b内を TEモードで伝播するマ イク口波を TEMモードに変換する機能を有している。同軸導波管 37aの中心には内 導体 41が延在しており、内導体 41は、その下端部において平面アンテナ部材 31の 中心に接続固定されている。これにより、マイクロ波は、同軸導波管 37aの内導体 41 を介して平面アンテナ部材 31へ放射状に効率よく均一に伝播される。
[0035] プラズマ処理装置 100の各構成部は、 CPUを備えたプロセスコントローラ 50に接 続されて制御される構成となっている。プロセスコントローラ 50には、工程管理者がプ ラズマ処理装置 100を管理するためにコマンドの入力操作等を行うキーボードや、プ ラズマ処理装置 100の稼働状況を可視化して表示するディスプレイ等力もなるユー ザ一インターフェース 51が接続されて!、る。
[0036] また、プロセスコントローラ 50には、プラズマ処理装置 100で実行される各種処理を プロセスコントローラ 50の制御にて実現するための制御プログラム（ソフトウェア）や 処理条件データ等が記録されたレシピが格納された記憶部 52が接続されている。
[0037] そして、必要に応じて、ユーザーインターフェース 51からの指示等にて任意のレシ ピを記憶部 52から呼び出してプロセスコントローラ 50に実行させることで、プロセスコ ントローラ 50の制御下で、プラズマ処理装置 100での所望の処理が行われる。また、 前記制御プログラムや処理条件データ等のレシピは、コンピュータ読み取り可能な記 憶媒体、例えば CD— ROM、ハードディスク、フレキシブルディスク、フラッシュメモリ などに格納された状態のものを利用したり、あるいは、他の装置から、例えば専用回 線を介して随時伝送させてオンラインで利用したりすることも可能である。
[0038] このように構成された RLSA方式のプラズマ処理装置 100においては、ウェハ Wの シリコン (多結晶シリコンまたは単結晶シリコン）を直接窒化してシリコン窒化膜を形成 する処理を行うことができる。以下、その手順について説明する。
[0039] まず、ゲートバルブ 26を開にして搬入出口 25からシリコン表面を有するウェハ Wを チャンバ一 1内に搬入し、載置台 2上に載置する。そして、ガス供給系 16の希ガス供 給源 17および窒素含有ガス供給源 18から、例えば、 Arガス、 Nガスを所定の流量
2
でガス導入部材 15を介してチャンバ一 1内に導入する。
[0040] 具体的には、例えば Arや Xeなどの希ガス流量を 250〜2000mLZmin (sccm)、 Nや NHなどの窒素含有ガス流量を 10〜500mLZmin (sccm)に設定する。また
2 3
、チャンノ ー内を 6. 7〜1333Pa (50mTon：〜 lOTorr)、好ましくは 20〜400Pa (l 50mTorr〜3Torr)の処理圧力に調整する。また、ウェハ Wの温度を 500〜900°C 、好ましくは 600〜900°C、より好ましくは 600〜800°C程度に加熱する。この際、処 理温度が 500°C未満では、後記実施例に示すように、緻密で良質なシリコン窒化膜 の形成が困難となる。一方、 900°Cを超える処理温度で窒化処理を行っても、膜質の 向上効果はあまり期待出来ない。
[0041] 次に、マイクロ波発生装置 39からのマイクロ波を、マッチング回路 38を経て導波管 37に導き、矩形導波管 37b、モード変換器 40、および同軸導波管 37aを順次通過さ せて内導体 41を介して平面アンテナ部材 31に供給する。そして、マイクロ波を平面 アンテナ部材 31のマイクロ波放射孔 32から透過板 28を介してチャンバ一 1内におけ るウェハ Wの上方空間に放射させる。マイクロ波は、矩形導波管 37b内では TEモー ドで伝搬し、この TEモードのマイクロ波はモード変^ ^40で TEMモードに変換され て、同軸導波管 37a内を平面アンテナ部材 31に向けて伝搬されていく。この際のマ イク口波パワーは、例えば 1000〜5000Wとすることができる。
[0042] 平面アンテナ部材 31から透過板 28を経てチャンバ一 1に放射されたマイクロ波に よりチャンバ一 1内で電磁界が形成され、 Arガス、 Nガスがプラズマ化する。このマイ
2
クロ波プラズマは、マイクロ波が平面アンテナ部材 31の多数のマイクロ波放射孔 32 力も放射されることにより、略 1 X 101(>〜5 X 1012Zcm3の高密度で、かつウェハ W近 傍では、略 1. 5eV以下の低電子温度プラズマとなる。このようにして形成されるマイ クロ波励起プラズマは、イオン等によるプラズマダメージが少ないものである。そして、 プラズマ中の活性種、主としてラジカル（例えば、 Nガスの場合は N*、 NHガスの場
2 3 合は NH*)の作用によって、直接シリコン中に Nが導入され、シリコン表面に均一に S i N膜が形成される。
3 4
[0043] 本実施形態では、プラズマ処理装置 100を用い、シリコン (多結晶シリコン、非晶質 シリコンまたは単結晶シリコン)を直接プラズマにより窒化処理してシリコン窒化膜の 形成を行なうプラズマ窒化処理にぉ 、て、処理温度（ウェハ Wの温度）を 500°C以上 、好ましくは 600°C以上とする。これによつて、その後に例えば 500°C以上の温度で 行われる加熱工程を実施した場合でも、 Si Nと Siとの界面における中間窒化状態（
3 4
サブナイトライド)の増加や界面準位密度の増加が抑制される。従って、安定な Si— N結合を有し、窒素濃度を安定的に維持することが可能なシリコン窒化膜 (Si N膜）
3 4 を形成できる。
[0044] 以上のようにして、単結晶シリコンや多結晶シリコンの表面に、良質なシリコン窒化 膜を形成できる。従って、本発明のプラズマ窒化処理方法は、例えばトランジスタなど の各種半導体装置の製造にぉ 、て、ゲート絶縁膜としてシリコン窒化膜を形成する 場合に利用可能である。その好適な態様として、次世代デバイスにおける薄膜、例え ば膜厚が 3nm以下、好ましくは 0. 5〜2nmのゲート絶縁膜の形成に特に有用である 。図 3A〜図 3Cは、トランジスタの製造過程で本発明のプラズマ窒化処理方法を適 用した例を説明する図面である。
[0045] 図 3Aに示すとおり、 P型もしくは N型の Si基板 101に、ゥエル（図示せず）を形成し 、さらに例えば LOCOS法により素子分離層 102を形成する。なお、素子分離層 102 は、 STI (Shallow Trench Isolation)により开成してもよい。
[0046] 次いで、図 3Bに示すように、上述の内容でプラズマ窒化処理を行うことにより、 Si基 板 101の表面に、ゲート絶縁膜 103 (Si N膜)を形成する。このゲート絶縁膜 103の
3 4
膜厚は、目的とするデバイスによっても異なる力 例えば 0. 5〜3nm、好ましくは 0. 5 〜2nm程度とすることができる。なお、ゲート絶縁膜 103の形成後に、不活性ガス雰 囲気中で、例えば 800°C〜1100°Cの温度で 10〜60分程度加熱処理する窒化後ァ ニール処理を実施することもできる。
[0047] そして、形成したゲート絶縁膜 103上に、例えば 400°Cを超える温度条件で CVD によりポリシリコン層 104を成膜した後、フォトリソグラフィー技術によりエッチングして ゲート電極を形成する。なお、ゲート電極構造は、ポリシリコン層 104の単層に限らず 、ゲート電極の比抵抗を下げ、高速化する目的で、例えばタングステン、モリブデン、 タンタル、チタン、コバルト、ニッケル、それらのシリサイド、ナイトライド、合金等を含む 積層構造にすることもできる。このようにゲート電極を形成した後、イオン注入および 活性ィ匕処理を行なってソース/ドレイン（図示を省略)を形成し、絶縁膜によるサイド ウォール 105を形成することにより、図 3Cに示すように MOS構造のトランジスタ 200 を製造できる。
[0048] 次に、本発明の基礎となった試験結果について説明を行なう。
図 1と同様の構成のプラズマ処理装置 100を用い、 Si (100)面を直接的に窒化処 理して光学膜厚 1. 5nmのシリコン窒化膜を形成した。プラズマ窒化処理は、処理ガ スとして Xeと NHを流量比 XeZNH = lOOOZlOOmLZmin(sccm)で使用し、処
3 3
理圧力は 6. 7Pa (50mTorr)とした。処理温度は、ウェハ温度 400°Cまたは 600°Cと し、マイクロ波の周波数は 2. 45GHz,マイクロ波パワーは 5W/cm2とした。
[0049] また、上記条件で成膜後、さらに N雰囲気で 600°C、 30分間のァニールを実施し
2
たサンプルも準備した。
[0050] 得られたシリコン窒化膜の Si 2p スペクトルを、 A1 Κ α線励起高感度、高分解
3/2
能 X線光電子分光装置 (ESCA— 300)を用いて測定した。この X線光電子分光測 定は、 SPring8の軟 X線ビームライン BU27SUにおいて 1050eVのフオトンで励起 した Si 2p光電子スペクトルを用い、エネルギー分解能 lOOmeVで測定を行なった
[0051] なお、 Si 2p スペクトルは、 Si 2p光電子スペクトルから、 Tougardの方法を用
3/2
いて背景信号を除去した後、スペクトルを Si 2p と Si 2p に分離した [K. Ohishi
1/2 3/2
ら， Jpn. J. Appl. Phys. 33(1994) L675.]。このスペクトル分離において、スピン軌道相 互作用による Si 2p内殻準位の分裂エネルギーを 0. 608eV、 Si 2p スペクトル
1/2
強度を Si 2p スペクトルの 1Z2と仮定した [F.J.Himpselら， Phys. Rev. B38(1988)
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6084.]。また、中間窒化状態 (サブナイトライド）は、シリコン酸ィ匕膜において、 Holling erらが定義したサブオキサイド [G. Hollingerら， Appl. Phys. Lett. 44(1984) 93.]になら い、 Si1+、 Si2+、 Si3+のみ力もなると仮定した。
[0052] 表 1に、 600°Cで成膜した場合の中間窒化状態（Sf+)の結合エネルギー、半値幅 および量（ML)を示した。
各中間窒化状態 Sin+ (n= 1〜3)の量 (ML)は、窒化膜の膜厚による影響を無視 できる方法として、以下の方法で求めた。
すなわち、スピン分離後に、各中間窒化状態のスペクトル強度 (NSin+)を求めた後 、 Si基板のスペクトル強度 (NS)に対して規格ィ匕した各中間窒化状態のスペクトル強 度 (NSf+ZNS=Nt'tZNs As' sinO)から、各中間窒化状態の量を求めた。なお 、シリコンの原子密度（Ns) = 5 X 1022cm_2、シリコンの電子の脱出深さ（As) = 1. 5 9nm、脱出角度は 52° で行なった。また、 1MLをシリコンの表面原子密度 6. 8 X 1 014cm_2として求めた [M. Shiojiら，
Appl. Phys. Lett. 89, 3756(2004)]。
[表 1]
Figure imgf000015_0001
[0054] 表 1から、サブナイトライドの総量は、 1. 29MLであり、 Si N ZSi界面において、
3 4
急峻な組成変化が生じて 、ることが理解される。
[0055] 次に、上記条件で成膜されたシリコン窒化膜をゲート絶縁膜として利用した MISキ ャパシタを作成した。この MISキャパシタについて C—Vカーブを測定し、ゲート絶縁 膜の電気的特性を評価した。この際、キャパシタの作成は、以下の手順で行なった。
[0056] まず、素子分離のためのウエット酸化（1100°C)にてフィールド酸ィ匕膜を形成した。
パター-ング後、 HC1と HFとの混合液（HClZHF= 19Zl)によりアクティブ領域を 分離した。その後、表面ラフネスの増加を防止することを考慮して 5工程洗浄を実施 した。この 5工程洗浄は、室温で行われる以下の第 1工程〜第 5工程力 なるもので ある。
第 1工程：
オゾン溶解超純水による洗浄で有機汚染の除去を行う。一部金属汚染も除去でき る。
第 2工程：
FPM (フッ酸過酸化水素水溶液; HFZH 0 )に界面活性剤と Hを溶解した洗浄
2 2 2
液を用い、メガソニック照射を行って微粒子、金属、酸化物を除去する。
第 3工程：
オゾン溶解超純水による洗浄とメガソ-ック照射を行って有機物やィ匕合物残渣を除 去する。
第 4工程：
FPMによる洗浄を行って酸ィ匕物の除去と水素終端ィ匕の促進を行う。
第 5工程：
水素溶解純水とメガソニック照射で、リンスを行う。
[0057] 以上の工程により、シリコン表面のマイクロラフネス (Ra)は略 0. 08nm程度となる。
その後、直ちにプラズマ処理装置 100を用いて前記の条件によりシリコン窒化膜を形 成し、続いてゲート電極として蒸着法により A1電極を成膜し、パターユングして MIS キヤノ シタを得た。
[0058] 600°Cで成膜したサンプルについて、上記条件でァニールを行なった場合と行わ な力つた場合の C—Vカーブを図 4に示した。また、 400°Cで成膜したサンプルにつ いても、同様にァニールを行なった場合と行わな力つた場合の C—Vカーブを図 5に 示した。なお、図 4および図 5の縦軸は、測定した電気的容量をその最大値で除して 規格ィ匕したものである。
[0059] 図 4および図 5より、成膜温度にかかわらず、ァニールを行わない場合には、ヒステ リシスは観測されなカゝつた。ところが、ァニールを行った場合には、 600°Cで成膜した サンプルでは、ヒステリシスが観測されなかったのに対し、 400°Cで成膜したサンプル ではヒステリシスが生じた。このことから、 400°Cで成膜を行ったサンプルの場合、ァ ニールによって界面準位密度が増加していることが示された。一方、 600°Cで成膜し たサンプルでは、界面準位密度の増加はほとんどな ヽことが確認された。
[0060] 以上の結果から、プラズマ処理装置 100でシリコンを直接窒化処理する際に、成膜 時の処理温度を高温（500°C以上、好ましくは 600°C以上）とすることによって、成膜 後の熱処理に対して電気的に安定なシリコン窒化膜を形成できることが示された。
[0061] また、図 6および図 7に、前記方法で測定した Si 2p スペクトルを示す。図 6は 60
3/2
0°Cで成膜 (窒化処理)した場合と、成膜後にさらに 600°Cでァニールをした場合の 両方のスペクトル (脱出角 52° )を併記したものである。また、図 7は 400°Cで成膜し た場合と、成膜後にさらに 600°Cでァニールをした場合の両方のスペクトル (脱出角 52° )を併記したものである。
[0062] 図 6から、 600°Cで成膜したシリコン窒化膜の中間窒化状態であるサブナイトライド（ 同図中、楕円で示す部分)の量は、その後に 600°Cでァニールを行なっても変化が ないことがわかる。ところが、図 7に示すように、 400°Cで成膜したシリコン窒化膜の場 合には、その後に 600°Cでァニールを行なうことによりサブナイトライド（同図中、楕円 で示す部分）の量が増加して 、ることがわ力る。
[0063] 次に、プラズマ処理装置 100を用いて、 Si基板を直接的に窒化処理してシリコン窒 化膜を形成し、その膜中の N濃度を X線光電子分光分析法 (XPS分析）により測定し た。図 8は、プラズマ窒化処理後、 3時間目から 24時間後までの N濃度の変化率（Δ N)を、膜厚別にプロットしたものである。
[0064] 窒化処理のプラズマ条件としては、処理ガスとして ArZNガスを流量
2 1000Z40m
LZmin(sccm)で用い、ウェハ温度は、 400°Cまたは 800°Cとした。また、圧力は 6. 7Paまたは 266. 6Pa (50mTorrまたは 2000mTorr)とし、プラズマへの供給パワー は 1. 5kW、処理時間 10〜60秒で行なった。なお、ウェハ Wは、 1%希フッ酸（DHF )溶液で洗浄したものを用いた。
[0065] 図 8より、 400°Cの低温処理の場合、処理圧力や膜厚にかかわらず、 800°Cの高温 処理に比べて明らかに N抜けが大きくなつていることがわかる。この結果から、プラズ マ処理装置 100を用い、 800°Cの高温で処理することによって、 N抜けが少なぐ安 定で緻密な窒化膜を形成できることが確認された。
[0066] また、形成されたシリコン窒化膜の N Isスペクトルを X線光電子分光分析法 (XPS 分析）により測定し、その半値幅を求めた。その結果を図 9に示した。図 9より、 400°C の低温処理の場合、処理圧力や膜厚にかかわらず、 800°Cの高温処理に比べて明 らかに半値幅が大きくなつている。つまり、処理温度の違いで半値幅に相違がみられ 、 800°Cの高温処理ほど半値幅が小さぐ Nlsスペクトルのピークが急峻であることが 確認された。
[0067] 次に、プラズマ処理装置 100を用いて、下記の成膜条件 1〜成膜条件 3に基づき、 Si基板を直接的に窒化処理してシリコン窒化膜を形成した。さらにその後、各シリコ ン窒化膜を下記の酸化雰囲気で加熱した。そして、各シリコン窒化膜について、 Nls スペクトルのピークを X線光電子分光分析法 (XPS分析）により測定し、その半値幅を 求めた。その結果を図 10に示した。
[0068] (成膜条件 1)
処理ガス流量; ArZNガス = 1000Z200mLZmin (sccm)
2
圧力； 12Pa (90mTorr)
マイクロ波パワー； 1. 5kW
ウェハ温度； 400°C
処理時間； 200秒
[0069] (成膜条件 2)
処理ガス流量; ArZNガス = 1000Z200mLZmin (sccm)
2
圧力； 12Pa (90mTorr)
マイクロ波パワー； 1. 5kW
ウェハ温度； 800°C
処理時間； 30秒
[0070] (成膜条件 3)
処理ガス流量; ArZNガス = 1000Z200mLZmin (sccm)
2
圧力； 200Pa ( 1500mTorr)
マイクロ波パワー； 1. 5kW
ウェハ温度； 800°C
処理時間； 180秒
[0071] なお、ウェハ Wは、 1%希フッ酸 (DHF)溶液で洗浄したものを用いた。
また、各成膜条件での処理の後、圧力 999. 8Pa (75Torr)で、 O流量が 2LZmi
2
n (slm)、加熱温度 1000°Cの高温酸化雰囲気で 15秒間熱処理を行った。 [0072] 図 10より、 Nlsスペクトルのピークの半値幅は、圧力 12Paで 400°Cの低温窒化処 理 (成膜条件 1)に比べて、圧力 12Paで 800°Cの高温窒化処理 (成膜条件 2)の方が 小さぐさらに圧力 200Paで 800°Cの高温窒化処理 (成膜条件 3)ではより小さくなつ た。このことから、低温窒化処理によるシリコン窒化膜に比べ、高温窒化処理によるシ リコン窒化膜の方力 Nlsスペクトルのピークが急峻であることが示された。この傾向 は、プラズマ窒化処理の後で高温酸ィヒ雰囲気での加熱処理を行なった場合にぉ ヽ て拡大している。つまり、 400°Cの低温でのプラズマ窒化処理の場合 (成膜条件 1)、 その後の酸化雰囲気での加熱処理によって、半値幅に大きな変化が生じているが、 800°Cの高温でのプラズマ窒化処理の場合 (成膜条件 2、 3)には、半値幅の変化量 力 S400°Cの低温処理に比べて小さいものであった。
[0073] 図 11は、図 1のプラズマ処理装置 100を用い、 250°C、 400°C、および 600°Cで成 膜したシリコン窒化膜のァニール前後の屈折率の変動を示すものである。成膜条件 として、処理ガスは、 Xeと NHを用い、流量比 XeZNH = 1000/1 OOmL/min ( s
3 3
ccm)とし、圧力は 6. 7Pa (50mTorr)、マイクロ波パワーは 700Wで実施した。また 、各温度で成膜されたシリコン窒化膜について、 600°C、 N雰囲気で 30分間ァニー
2
ルを実施した。
[0074] 図 11より、成膜温度を上げることにより高い屈折率を持つ高密度なシリコン窒化膜 が得られることがわかる。また、成膜後にァニールを行った場合、 600°Cで成膜した サンプルでは屈折率の変動が小さ力つた。これに比較して、 250°Cや 400°Cで成膜 したサンプルでは、屈折率の変動幅が大きぐァニール前には緻密なシリコン窒化膜 が形成できて 、な 、ことが推察された。
[0075] 以上の図 8〜図 11の結果から、プラズマ窒化処理する場合に、 500°C以上の高温 度で窒化処理を行なうことにより、 N抜けが少なぐかつ酸化されにくぐ緻密で、膜特 性の変動が少ない安定な窒化膜が形成されることが示された。
[0076] 次に、下記の窒化処理条件でシリコン基板上にシリコン窒化膜を形成し、これをゲ ート絶縁膜として用いた評価用 MISFETを作製し、その電気的特性を測定した。こ の評価用 MISFETは、シリコン基板上にゲート絶縁膜としてのシリコン窒化膜が形成 され、その上にポリシリコン電極を形成したゲート構造を有するものであり、チャンネ ル幅（W)は 20 μ m、ゲート長は 0. 8 μ mである。
<窒化処理条件 >
図 1と同様の構成のプラズマ処理装置 100を用い、 Si (100)面および Si(l lO)面 を直接的に窒化処理し、それぞれシリコン窒化膜を形成した。プラズマ窒化処理は、 処理ガスとして Xeと NHを流量比 XeZNH = lOOOZlOOmLZmin(sccm)で使
3 3
用し、処理圧力は 20Pa (150mTorr)とした。処理温度は、ウェハ温度 600°Cとし、 マイクロ波の周波数は 2. 45GHz,マイクロ波パワーは 5WZcm2とした。電気的膜厚 である EOT(SiO膜換算膜厚； Equivalent
2
Oxide Thickness)は、 Si (100)面のシリコン窒化膜が 2. 06nm、 Si (l lO)面のシリ コン窒化膜が 1. 70nmであった。
[0077] 図 12Aおよび図 12Bは、 Si (100)面のシリコン窒化膜をゲート絶縁膜として使用し た評価用 MISFET (「MISFET— 100」と記す）および Si (110)面のシリコン窒化膜 をゲート絶縁膜として使用した評価用 MISFET(「MISFET— 110」と記す）のゲート ドレイン
G )および 電流 (I )
Dを測定し、 V -I
G D特性および V -I
D D特性をそれ ぞれグラフ化したものである。なお、これらの MISFETの Sファクター（S— factor)は 、共に 66. OmV/dec.であった。
[0078] 図 12Aより、 0. 2〜0. 3V以下の低電圧側で、ドレイン電圧（V )が 0. 05Vおよび
D
IVの!、ずれの場合にお!、ても、 MISFET— 110の方が MISFET— 100に比べて ドレイン電流 (I )が少なぐリーク電流が少ないことがわかる。また、図 12Bは、 V -
D GS
V が 0. 4V、 0. 6V、 0. 8Vおよび 1. OVのときの V —I特性を示しており、いずれ
TH D D
も MISFET— 110の方力 MISFET— 100に比べてドレイン電流（I )が大きいこと
D
がわかる。以上の結果より、 MISFET— 110は、 MISFET— 100に比べ、良好な電 気的特性を有することが確認された。
[0079] 図 13は、ドレイン電流 (I )を絶縁膜の膜厚で規格ィ匕した場合の V -I特性を示し
D G D
ている。この図 13より、 MISFET— 110は、高電圧側でドレイン電流（I )が大きぐ
D
低電圧側でのリークが少な 、ことが確認された。
[0080] 図 14は、 Si(100)面のシリコン酸ィ匕膜をゲート絶縁膜として使用した評価用 MOS FET(「MOSFET— 100」と記す）と、 MISFET— 110の lZfノイズ特性を比較した 結果を示している。一般にシリコン窒化膜はシリコン酸ィ匕膜に比べて膜中の欠陥が多 く、ノイズ特性に劣ることが知られている力 図 14より、 MISFET— 110は、 MOSFE T- 100に比べて lZfノイズが約 10分の 1であり、ノイズ特性が良好であることが示さ れた。
[0081] 次に、シリコン窒化膜の界面構造を XPS分析により調べた結果について説明する。
図 15Aは、 Si(100)面上に形成したシリコン窒化膜の Si 2p の XPS分析によるプ
3/2
口ファイルを示し、図 15Bは、 Si (l lO)面上に形成したシリコン窒化膜の Si 2p の
3/2
XPS分析によるプロファイルを示す。各図において、 Si°+、 Si1+、 Si2+、 Si3+および s i4+は、いずれも Siのサブナイトライドを示している。また、 Si1+、 Si2+および Si3+の合 計量は、 Si (100)面上に形成したシリコン窒化膜で 1. 293モノレイヤー（ML)であつ たのに対し、 Si (110)面上に形成したシリコン窒化膜では 0. 781モノレーヤー（ML )と小さ力つた。従って、 Si (110)面に上記条件でプラズマ窒化処理を行なうことによ り、 Si (100)面にシリコン窒化膜を形成する場合に比べ、サブナイトライド量が少ない シリコン窒化膜を形成できることが判明した。
[0082] 図 16は、 Si(l lO)面に形成されたシリコン窒化膜と、 Si (100)面に形成されたシリ コン窒化膜のストレス (膜応力）の違いを説明する模式図である。 Si(100)面に形成 されたシリコン窒化膜は、高い圧縮ストレス（Compressive Stress)を有するため、 Siの面密度が高い。これに対して、 Si (110)面に形成されたシリコン窒化膜は、 Si (l 00)面に形成されたシリコン窒化膜に比べ相対的に低い圧縮ストレス（Compressiv e Stress)を有するため、 Siの面密度が低ぐその値は約 9. 6 X 1014 [atoms/cm2 ]程度である。この面密度の違いが、図 15Aと図 15Bに示したサブナイトライド量の相 違に影響しているものと考えられる。また、 Si (110)面に形成されたシリコン窒化膜と 、 Si (100)面に形成されたシリコン窒化膜における面密度の違いが、 MISFET- 11 0に、上記のような優れた電気的特性を付与しているものと考えられる。
[0083] 以上のように、本発明のプラズマ窒化処理方法では、シリコンの Si (100)面よりも、 Siの実質的（110)面に対してプラズマ窒化処理を行なってシリコン窒化膜を形成す ることが好ましい。なお、「Siの実質的（110)面」とは、（110)面だけでなぐそれから 若干傾 、た (551)面等をも含むことを意味する。 [0084] 次に、図 17に、本発明方法により形成したシリコン窒化膜を用いた評価用トランジ スタと、シリコン酸ィ匕膜を用いた評価用トランジスタについて、 EOT別のゲート電流特 性を比較した結果を示す。また、図 18Aおよび図 18Bに、本発明方法により形成した シリコン窒化膜を用いた評価用トランジスタについて LC共振法による CV測定を行な つた結果を示す。図 18Aは、 EOTが 1. 7nm、図 18Bは EOTが 1. 2nmの結果であ る。以上の結果から、本発明方法により形成したシリコン窒化膜は、優れたゲート電 流特性を示すことが確認された。
[0085] 以上、本発明の実施形態を述べたが、本発明は上記実施形態に制約されることは なぐ種々の変形が可能である。
たとえば、図 1では、 RLSA方式のプラズマ処理装置 100を例に挙げた力 マイクロ 波励起高密度プラズマを生成出来る装置であれば、 RLSA方式に限らず、同様に本 発明方法を実施できる。
[0086] また、本発明のプラズマ窒化処理方法は、シリコンを直接窒化処理してゲート絶縁 膜を形成する場合に限らず、例えば、シリコン酸ィ匕膜 [例えば、 WVG (Water Vapor Generation)により熱酸化した SiO膜や、プラズマ酸化した SiO膜など]や、 High—
2 2
k材料（例えば、 HfO、 RuO、 ReO、 ZrO、 Al O、 HfSiO、 ZrSiO、およびこれ
2 2 2 2 2 3 2 2 らの積層体など）に対して窒化処理を行う場合にも応用可能である。
[0087] また、シリコン窒化膜よりも誘電率の高 、材料 (前記 High— k材料など）とシリコン窒 化膜との複合材料を形成する場合にお!ヽて、窒化処理を本発明のプラズマ窒化処 理方法によって行うことも可能である。
さらに、フラッシュメモリにおけるトンネル酸ィ匕膜の窒化処理や、フローティングゲー トとコントロールゲートの間の ONO膜の形成などにも利用できる。
[0088] また、上記実施形態では被処理体として半導体ウェハに対して窒化処理を行う例 を挙げたが、これに限るものではない。例えば被処理体が液晶表示ディスプレイ (LC D)に代表されるフラットパネルディスプレイ (FPD)用基板に設けられた多結晶シリコ ン層である場合にも本発明を適用可能である。例えば、薄膜トランジスタ (TFT)の製 造過程で、ガラス基板等の FPD用基板に、絶縁物層や電極層などを介して設けられ た多結晶シリコン層または非晶質シリコン層に、上記方法でプラズマ窒化処理を行な い、シリコン窒化膜を含むゲート絶縁膜を形成することができる。さらに、被処理体が 化合物半導体などである場合にも本発明を適用できる。
産業上の利用可能性
本発明は、シリコンを窒化処理してシリコン窒化膜を形成する工程を含む各種半導 体装置の製造過程において好適に利用可能である。

Claims

請求の範囲
[I] プラズマ処理装置の処理容器内で被処理体表面のシリコンに対して窒素含有ガス のプラズマを作用させて窒化処理し、シリコン窒化膜を形成するプラズマ窒化処理方 法であって、
前記プラズマは、マイクロ波励起高密度プラズマであり、
前記窒化処理の処理温度が 500°C以上である、プラズマ窒化処理方法。
[2] 請求項 1にお 、て、前記マイクロ波励起高密度プラズマは、複数のスロットを有する 平面アンテナにて前記処理容器内にマイクロ波を導入して形成されるものである、プ ラズマ窒化処理方法。
[3] 請求項 1にお 、て、前記窒化処理の処理温度が、 600°C以上 800°C以下である、 プラズマ窒化処理方法。
[4] 請求項 1において、前記窒化処理の処理圧力が、 6. 7Pa以上である、プラズマ窒 化処理方法。
[5] 請求項 1において、前記窒化処理の処理圧力が、 20Pa以上である、プラズマ窒ィ匕 処理方法。
[6] 請求項 1にお 、て、前記シリコン窒化膜の膜厚力 0. 5nm〜3nmである、プラズマ 窒化処理方法。
[7] 請求項 6において、前記シリコン窒化膜は、ゲート絶縁膜である、プラズマ窒化処理 方法。
[8] 請求項 7において、前記シリコンは、単結晶シリコン、多結晶シリコンまたは非晶質 シリコンである、プラズマ窒化処理方法。
[9] 請求項 7において、前記シリコンは、実質的に（110)表面を有する単結晶シリコン である、プラズマ窒化処理方法。
[10] 請求項 1にお 、て、シリコン窒化膜よりも誘電率の高 、高誘電率材料とシリコン窒化 膜との複合材料を形成する場合にぉ ヽて、前記シリコン窒化膜の形成を行うものであ る、プラズマ窒化処理方法。
[II] プラズマ処理装置の処理容器内で被処理体表面のシリコンに対して、窒素含有ガ スのプラズマを作用させて窒化処理し、窒化珪素を含むゲート絶縁膜を形成するェ 程を含み、
前記プラズマは、マイクロ波励起高密度プラズマであり、
前記窒化処理の処理温度が 500°C以上である、半導体装置の製造方法。
[12] 請求項 11において、ゲート絶縁膜の形成後に、 500°C以上の温度で加熱処理す る工程をさらに含む、半導体装置の製造方法。
[13] 請求項 12において、前記マイクロ波励起高密度プラズマは、複数のスロットを有す る平面アンテナにて前記処理容器内にマイクロ波を導入して形成されるものである、 半導体装置の製造方法。
[14] 請求項 12において、前記窒化処理の処理温度が、 600°C以上 800°C以下である、 半導体装置の製造方法。
[15] 請求項 12において、前記窒化処理の処理圧力が、 6. 7Pa以上である、半導体装 置の製造方法。
[16] 請求項 12において、前記窒化処理の処理圧力が、 20Pa以上である、半導体装置 の製造方法。
[17] 請求項 12において、前記シリコンは、単結晶シリコン、多結晶シリコンまたは非晶質 シリコンである、半導体装置の製造方法。
[18] 請求項 12において、前記シリコンは、実質的に（110)表面を有する単結晶シリコン である、半導体装置の製造方法。
[19] 請求項 12において、前記ゲート絶縁膜の膜厚力 0. 5ηπ！〜 3nmである、半導体 装置の製造方法。
[20] コンピュータ上で動作し、実行時に、プラズマ処理装置の処理容器内で被処理体 上のシリコンに対して窒素含有ガスのマイクロ波励起高密度プラズマを作用させて 5 00°C以上の処理温度で窒化処理し、シリコン窒化膜を形成するプラズマ窒化処理方 法が行なわれるように前記プラズマ処理装置を制御する、制御プログラム。
[21] コンピュータ上で動作する制御プログラムが記憶されたコンピュータ読取り可能な記 憶媒体であって、
前記制御プログラムは、実行時に、プラズマ処理装置の処理容器内で被処理体上 のシリコンに対して窒素含有ガスのマイクロ波励起高密度プラズマを作用させて 500 °c以上の処理温度で窒化処理し、シリコン窒化膜を形成するプラズマ窒化処理方法 が行なわれるように前記プラズマ処理装置を制御するものである、コンピュータ読取り 可能な記憶媒体。
被処理体を載置する支持台を備えた真空排気可能な処理容器と、
前記処理容器内で被処理体上のシリコンに対して窒素含有ガスのマイクロ波励起 高密度プラズマを作用させて 500°C以上の処理温度で窒化処理し、シリコン窒化膜 を形成するプラズマ窒化処理方法が行なわれるように制御する制御部と、 を備えた、プラズマ処理装置。
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