(57)【要約】シリコン酸化膜との接面と、前記接面に対向する露出面と、を有するポリシリコン膜が形成されている基板を準備する工程と、水素原子と酸素原子を含有するガスをプラズマ励起することにより生成された反応種を前記ポリシリコン膜の露出面に供給する工程と、を行う技術を提供する。これにより、半導体デバイスの製造工程にて、下地のシリコン酸化膜へのダメージを抑制して、ポリシリコン膜の電気的特性を高める。
2017154245.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリコン酸化膜上に形成され、前記シリコン酸化膜との接面と、前記接面に対向する露出面と、を有するポリシリコン膜が形成されている基板を準備する工程と、
水素原子と酸素原子を含有するガスをプラズマ励起することにより生成された反応種を前記ポリシリコン膜の露出面に供給する工程と、
を有する半導体装置の製造方法。
【請求項２】
前記水素原子と酸素原子を含有するガスは、水素含有ガスと酸素含有ガスの混合ガスである、請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記水素原子と酸素原子を含有するガスは、水素ガスと酸素ガスの混合ガスである、請求項１記載の方法。
【請求項４】
前記シリコン酸化膜と前記ポリシリコン膜は、トレンチ構造又は筒状構造の内壁側面に、前記トレンチ構造又は筒状構造の外側から中心側に向かって、前記シリコン酸化膜、前記ポリシリコン膜の順番に積層されて形成されている、請求項１記載の方法。
【請求項５】
前記基板には、コントロールゲートと、第１絶縁膜と、トラップ層と、第２絶縁膜である前記シリコン酸化膜と、チャネル部である前記ポリシリコン膜とが積層された構造が形成されている、請求項１記載の方法。
【請求項６】
前記ポリシリコン膜の少なくとも一部の厚さは７ｎｍ以下である、請求項１記載の方法。
【請求項７】
前記反応種を前記ポリシリコン膜の露出面に供給する工程の後において、窒素原子を含有するガスをプラズマ励起することにより生成された反応種を前記ポリシリコン膜の露出面に供給する工程と、を更に有する、請求項１記載の方法。
【請求項８】
前記基板を準備する工程は、前記水素原子と酸素原子を含有するガスがプラズマ励起されるプラズマ生成空間を有する処理室へ前記基板を搬入し、前記プラズマ生成空間の外周に設けられている、高周波電力の波長の整数倍の電気長を有するコイルの下端より下の位置に、前記基板を載置する工程を備え、
前記反応種を前記ポリシリコン膜の露出面に供給する工程は、前記水素原子と酸素原子を含有するガスを前記プラズマ生成空間に供給する工程と、前記コイルに前記高周波電力を印加して、前記プラズマ生成空間において前記水素原子と酸素原子を含有するガスをプラズマ励起する工程と、前記水素原子と酸素原子を含有するガスのプラズマ励起を開始した後、前記コイルが共振状態を維持するように前記コイルに印加される前記高周波電力の周波数を制御する工程とを備える、
請求項１記載の方法。
【請求項９】
前記水素原子と酸素原子を含有するガスにおける水素原子と酸素原子の比率は５：９５〜９５：５の範囲である、請求項１記載の方法。
【請求項１０】
前記混合ガスにおける前記水素ガスと前記酸素ガスの体積比率は５：９５〜９５：５の範囲である、請求項３記載の方法。
【請求項１１】
シリコン酸化膜上に形成され、前記シリコン酸化膜との接面と、前記接面に対向する露出面と、を有するポリシリコン膜が形成されている基板を準備する手順と、
水素原子と酸素原子を含有するガスをプラズマ励起することにより生成された反応種を前記ポリシリコン膜の露出面に供給する手順と、
をコンピュータによって基板処理装置に実行させるプログラムを記録した、コンピュータにより読み取り可能な記録媒体。
【請求項１２】
供給された処理ガスがプラズマ励起されるプラズマ生成空間と、前記プラズマ生成空間に連通し基板が載置される基板処理空間と、を有する基板処理室と、
前記プラズマ生成空間の外周に設けられ、印加される高周波電力の波長の整数倍の電気長を有するコイルと、
前記コイルに高周波電力を印加する高周波電源と、
前記コイルに印加される高周波電力の周波数が前記コイルの共振周波数を維持するように、前記高周波電源を制御するよう構成される周波数制御部と、
前記プラズマ生成空間に、前記処理ガスとして水素原子と酸素原子を含有するガスを供給するガス供給部と、
シリコン酸化膜上に形成され、前記シリコン酸化膜との接面と、前記接面に対向する露出面と、を有するポリシリコン膜が形成されている前記基板が載置されるように構成された基板載置台と、
前記基板載置台を制御して前記基板を前記コイルの下端より下の位置に保持させた後、前記ガス供給部を制御して前記処理ガスを前記プラズマ生成空間に供給すると共に、前記高周波電源を制御して前記コイルに高周波電力を印加するよう構成された制御部と、
を備える基板処理装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体装置の製造方法、記録媒体及び基板処理装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、フラッシュメモリ等の半導体装置は高集積化の傾向にある。それに伴い、パターンサイズが著しく微細化されている。これらのパターンを形成する際、製造工程の一工程として、基板に酸化処理や窒化処理等の所定の処理を行う工程が実施される場合がある。【０００３】
特許文献１は、半導体製造装置の製法において、多結晶シリコンあるいは絶縁体上の単結晶シリコンの結晶粒界や結晶欠陥部に、水素プラズマ処理等により水素や弗素を含有させ、Ｓｉ−Ｈ結合またはＳｉ−Ｆ結合を形成する構成を開示している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開昭５９−１３６９２６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
半導体デバイスの製造工程において、シリコン酸化膜上にポリシリコン膜を形成し、水素プラズマ処理により電気的特性を向上させることが行われている。しかし、この水素プラズマ処理を行う場合に、ポリシリコン膜の下地となるシリコン酸化膜にダメージを与えてしまうという課題があった。【０００６】
本発明は、下地のシリコン酸化膜へのダメージを抑制しながら、ポリシリコン膜の電気的特性を高める技術を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の一態様によれば、シリコン酸化膜上に形成され、前記シリコン酸化膜との接面と、前記接面に対向する露出面と、を有するポリシリコン膜が形成されている基板を準備する工程と、水素原子と酸素原子を含有するガスをプラズマ励起することにより生成された反応種を前記ポリシリコン膜の露出面に供給する工程と、を有する半導体装置の製造方法が提供される。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、下地のシリコン酸化膜へのダメージを抑制しながら、ポリシリコン膜の電気的特性を高める技術が提供される。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の実施形態に係る基板処理装置の断面図である。
【図２】本発明の実施形態に係る基板処理装置のプラズマ生成原理を説明する説明図である。
【図３】本発明の実施形態に係る制御装置を説明する図である。
【図４】本発明の実施形態に係る基板処理工程を示すフロー図である。
【図５】本発明の実施形態に係る基板処理工程で処理される基板の一例を示す図である。
【図６】本発明の実施形態に係る基板処理工程と比較例に係る基板処理工程とで処理された基板の水素濃度分布を比較した説明図である。
【図７】本発明の実施形態に係る基板処理工程と比較例に係る基板処理工程とで処理された基板の酸素濃度分布を比較した説明図である。
【図８】本発明の実施形態に係る基板処理工程前と処理工程後の基板の膜中の欠陥密度評価結果を示す図である。
【図９】本実験に用いた電気特性評価サンプルを示す図である。
【図１０】図９の電気特性評価サンプルを用いて得られた電気特性評価結果を示す図である。
【図１１】図９の電気特性評価サンプルを用いて得られた電気特性評価結果を示す図である。
【図１２】本発明の実施形態に係る基板処理工程で処理される基板の他の例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
（１）基板処理装置の構成
本発明の一実施形態に係る基板処理装置について、図１から図５を用いて以下に説明する。
【００１１】
（処理室）
処理装置１００は、ウエハ２００をプラズマ処理する処理炉２０２を備えている。処理炉２０２は、処理室２０１を構成する処理容器２０３を備えている。処理容器２０３は、第１の容器であるドーム型の上側容器２１０と、第２の容器である碗型の下側容器２１１とを備えている。上側容器２１０が下側容器２１１の上に被さることにより、処理室２０１が形成される。上側容器２１０は、例えば酸化アルミニウム（Ａｌ2Ｏ3）または石英（ＳｉＯ2）等の非金属材料で形成されており、下側容器２１１は、例えばアルミニウム（Ａｌ）で形成されている。
【００１２】
また、下側容器２１１の下部側壁には、ゲートバルブ２４４が設けられている。ゲートバルブ２４４は、開いているとき、搬送機構（図示せず）を用いて、搬入出口２４５を介して、処理室２０１内へウエハ２００を搬入できる。または、搬送機構（図示せず）を用いて、搬入出口２４５を介して、処理室２０１外へとウエハ２００を搬出することができる。ゲートバルブ２４４は、閉まっているときには、処理室２０１内の気密性を保持する仕切弁となる。
【００１３】
処理室２０１は、後述するように周囲にコイル２１２が設けられているプラズマ生成空間２０１ａと、プラズマ生成空間２０１ａに連通し、ウエハ２００が処理される基板処理空間２０１ｂを有する。プラズマ生成空間２０１ａはプラズマが生成される空間であって、処理室の内、例えばコイル２１２の下端（図１における一点鎖線）より上方の空間を言う。一方、基板処理空間２０１ｂは基板がプラズマで処理される空間であって、コイル２１２の下端より下方の空間を言う。
【００１４】
（サセプタ）
処理室２０１の底側中央には、ウエハ２００を載置する基板載置部としてのサセプタ２１７が配置されている。サセプタ２１７は例えば窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、セラミックス、石英等の非金属材料から形成されている。
【００１５】
サセプタ２１７の内部には、加熱機構としてのヒータ２１７ｂが一体的に埋め込まれている。ヒータ２１７ｂは、ヒータ電力調整機構２７６を介して電力が供給されると、ウエハ２００表面を例えば２５℃から７００℃程度まで加熱することができるように構成されている。
【００１６】
サセプタ２１７は、下側容器２１１とは電気的に絶縁されている。サセプタ２１７内部にはインピーダンス調整電極２１７ｃが装備されている。インピーダンス調整電極２１７ｃは、インピーダンス調整部としてのインピーダンス可変機構２７５を介して接地されている。インピーダンス可変機構２７５はコイルや可変コンデンサから構成されており、コイルのインダクタンス及び抵抗並びに可変コンデンサの容量値を制御することにより、インピーダンスを約０Ωから処理室２０１の寄生インピーダンス値の範囲内で変化させることができるように構成されている。これによって、インピーダンス調整電極２１７ｃ及びサセプタ２１７を介して、ウエハ２００の電位（バイアス電圧）を制御できる。
【００１７】
サセプタ２１７には、サセプタを昇降させるサセプタ昇降機構２６８が設けられている。そしてサセプタ２１７には貫通孔２１７ａが設けられ、一方、下側容器２１１の底面にはウエハ突上げピン２６６が設けられている。貫通孔２１７ａとウエハ突上げピン２６６とは互いに対向する位置に、少なくとも各３箇所ずつ設けられている。サセプタ昇降機構２６８によりサセプタ２１７が下降させられたときには、ウエハ突上げピン２６６がサセプタ２１７とは非接触な状態で、貫通孔２１７ａを突き抜けるようになっている。
【００１８】
主に、サセプタ２１７及びヒータ２１７ｂ、インピーダンス調整電極２１７ｃにより、本実施形態に係る基板載置部が構成されている。ウエハ２００に対する処理が行われる際、後述する共振コイル２１２の下端よりも下の位置にウエハ２００が位置するように、サセプタ２１７はサセプタ昇降機構２６８により上昇させられる。
【００１９】
（ガス供給部）
処理室２０１の上方、つまり上側容器２１０の上部には、ガス供給ヘッド２３６が設けられている。ガス供給ヘッド２３６は、キャップ状の蓋体２３３と、ガス導入口２３４と、バッファ室２３７と、開口２３８と、遮蔽プレート２４０と、ガス吹出口２３９とを備え、反応ガスを処理室２０１内へ供給できるように構成されている。バッファ室２３７は、ガス導入口２３４より導入される反応ガスを分散する分散空間としての機能を持つ。
【００２０】
ガス導入口２３４には、水素含有ガスとしての水素（Ｈ2）ガスを供給するガス供給管２３２ａの下流端と、酸素含有ガスとしての酸素（Ｏ2）ガスを供給するガス供給管２３２ｂの下流端と、不活性ガスや窒素含有ガスとしての窒素（Ｎ2）ガスを供給するガス供給管２３２ｃと、が合流するように接続されている。ガス供給管２３２ａには、上流側から順に、Ｈ2ガス供給源２５０ａ、流量制御装置としてのマスフローコントローラ（ＭＦＣ）２５２ａ、開閉弁としてのバルブ２５３ａが設けられている。ガス供給管２３２ｂには、上流側から順に、Ｏ2ガス供給源２５０ｂ、流量制御装置としてのＭＦＣ２５２ｂ、開閉弁としてのバルブ２５３ｂが設けられている。ガス供給管２３２ｃには、上流側から順に、Ｎ2ガス供給源２５０ｃ、流量制御装置としてのＭＦＣ２５２ｃ、開閉弁としてのバルブ２５３ｃが設けられている。ガス供給管２３２ａとガス供給管２３２ｂとガス供給管２３２ｃとが合流した下流側には、バルブ２４３ａが設けられ、ガス導入口２３４の上流端に接続されている。バルブ２５３ａ、２５３ｂ、２５３ｃ、２４３ａを開閉させることによって、ＭＦＣ２５２ａ、２５２ｂ、２５２ｃによりそれぞれのガスの流量を調整しつつ、ガス供給管２３２ａ、２３２ｂ、２３２ｃを介して、水素含有ガス、酸素含有ガス、窒素含有ガス等の処理ガスをそれぞれ処理室２０１内へ供給することができる。
【００２１】
主に、ガス供給ヘッド２３６（蓋体２３３、ガス導入口２３４、バッファ室２３７、開口２３８、遮蔽プレート２４０、ガス吹出口２３９）、ガス供給管２３２ａ，２３２ｂ，２３２ｃ、ＭＦＣ２５２ａ，２５２ｂ，２５２ｃ、バルブ２５３ａ，２５３ｂ，２５３ｃ，２４３ａにより、本実施形態に係るガス供給部が構成されている。
【００２２】
また、ガス供給ヘッド２３６（蓋体２３３、ガス導入口２３４、バッファ室２３７、開口２３８、遮蔽プレート２４０、ガス吹出口２３９）、ガス供給管２３２ａ、ＭＦＣ２５２ａ、バルブ２５３ａ，２４３ａにより、本実施形態に係る水素含有ガス供給系が構成されている。
【００２３】
さらに、ガス供給ヘッド２３６（蓋体２３３、ガス導入口２３４、バッファ室２３７、開口２３８、遮蔽プレート２４０、ガス吹出口２３９）、ガス供給管２３２ｂ、ＭＦＣ２５２ｂ、バルブ２５３ｂ，２４３ａにより、本実施形態に係る酸素含有ガス供給系が構成されている。
【００２４】
さらに、ガス供給ヘッド２３６（蓋体２３３、ガス導入口２３４、バッファ室２３７、開口２３８、遮蔽プレート２４０、ガス吹出口２３９）、ガス供給管２３２ｃ、ＭＦＣ２５２ｃ、バルブ２５３ｃ，２４３ａにより、本実施形態に係る窒素含有ガス供給系が構成されている。
【００２５】
（排気部）
下側容器２１１の側壁には、処理室２０１内から反応ガスを排気するガス排気口２３５が設けられている。ガス排気口２３５には、ガス排気管２３１の上流端が接続されている。ガス排気管２３１には、上流側から順に圧力調整器（圧力調整部）としてのＡＰＣ（Ａｕｔｏ  Ｐｒｅｓｓｕｒｅ  Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ）バルブ２４２、開閉弁としてのバルブ２４３ｂ、真空排気装置としての真空ポンプ２４６が設けられている。
【００２６】
主に、ガス排気口２３５、ガス排気管２３１、ＡＰＣバルブ２４２、バルブ２４３ｂにより、本実施形態に係る排気部が構成されている。尚、真空ポンプ２４６を排気部に含めても良い。
【００２７】
（プラズマ生成部）
処理室２０１の外周部、すなわち上側容器２１０の側壁の外側には、処理室２０１を囲うように、第１の電極としての、螺旋状の共振コイル２１２が設けられている。共振コイル２１２には、ＲＦセンサ２７２、高周波電源２７３と周波数整合器２７４が接続される。
【００２８】
高周波電源２７３は、共振コイル２１２に高周波電力を供給するものである。ＲＦセンサ２７２は高周波電源２７３の出力側に設けられている。ＲＦセンサ２７２は、供給される高周波の進行波や反射波の情報をモニタするものである。周波数整合器（周波数制御部）２７４は、ＲＦセンサ２７２でモニタされた反射波の情報に基づいて、反射波が最小となるよう、高周波電源２７３を制御し、周波数の整合を行うものである。
【００２９】
共振コイル２１２の両端は電気的に接地されるが、共振コイル２１２の少なくとも一端は、装置の最初の設置の際又は処理条件の変更の際に当該共振コイルの電気的長さを微調整するため、可動タップ２１３を介して接地される。図１中の符号２１４は他方の固定グランドを示す。さらに、装置の最初の設置の際又は処理条件の変更の際に共振コイル２１２のインピーダンスを微調整するため、共振コイル２１２の接地された両端の間には、可動タップ２１５によって給電部が構成されている。
【００３０】
遮蔽板２２３は、共振コイル２１２の外側への電磁波の漏れを遮蔽するとともに、共振回路を構成するのに必要な容量成分を共振コイル２１２との間に形成するために設けられる。
【００３１】
主に、共振コイル２１２、ＲＦセンサ２７２、周波数整合器２７４により、本実施形態に係るプラズマ生成部が構成されている。尚、プラズマ生成部として高周波電源２７３を含めても良い。
【００３２】
ここで、本実施形態に係る装置のプラズマ生成原理および生成されるプラズマの性質について図２を用いて説明する。
【００３３】
共振コイル２１２は、所定の波長の定在波を形成するため、全波長モードで共振する様に巻径、巻回ピッチ、巻数が設定される。すなわち、共振コイル２１２の電気的長さは、高周波電源２７３から与えられる電力の所定周波数における１波長の整数倍（１倍，２倍，…）に設定される。例えば、１３．５６ＭＨｚの場合１波長の長さは約２２メートル、２７．１２ＭＨｚの場合１波長の長さは約１１メートル、５４．２４ＭＨｚの場合１波長の長さは約５．５メートルになる。
【００３４】
具体的には、印加する電力や発生させる磁界強度または適用する装置の外形などを勘案し、共振コイル２１２は、例えば、周波数は８００ｋＨｚから５０ＭＨｚ、電力は０．５ＫＷ以上５ＫＷ以下、より好ましくは１．０ＫＷ以上４．０ＫＷ以下の高周波電力によって、０．０１ガウス以上１０ガウス以下程度の磁場を発生し得る様に、５０mm2から３００mm2の有効断面積であって且つ２００mmから５００mmのコイル直径とされ、プラズマ生成空間２０１ａを形成する部屋の外周側に２から６０回程度巻回される。
【００３５】
また、共振コイル２１２の一端または両端は、当該共振コイルの電気的長さを設置の際に微調整し、共振特性を高周波電源２７３と略等しくするため、通常は可動タップを介して接地される。更に、位相及び逆位相電流が共振コイル２１２の電気的中点に関して対称に流れる様に、共振コイル２１２の一端（若しくは他端または両端）には、コイル及びシールドから成る波形調整回路が挿入される。波形調整回路は、共振コイル２１２の端部を電気的に非接続状態とするか又は電気的に等価の状態に設定することにより開路に構成する。また、共振コイル２１２の端部は、チョーク直列抵抗によって非接地とし、固定基準電位に直流接続されてもよい。
【００３６】
高周波電源２７３は、発振周波数および出力を規定するための高周波発振回路およびプリアンプを含む電源制御手段（コントロール回路）と、所定の出力に増幅するための増幅器（出力回路）とを備えている。電源制御手段は、操作パネルを通じて予め設定された周波数および電力に関する出力条件に基づいて増幅器を制御し、増幅器は、上記の共振コイル２１２に伝送線路を介して一定の高周波電力を供給する。
【００３７】
本実施形態においては、上記の周波数整合器２７４は、プラズマが発生した際の前記の共振コイル２１２からの反射波電力を検出し、反射波電力が最小となる様に前記の予め設定された周波数に対して発振周波数を増加または減少させる。具体的には、周波数整合器２７４は、予め設定された発振周波数を補正する周波数制御回路を備え、かつ、高周波電源２７３の増幅器の出力側には、伝送線路における反射波電力を検出し、その電圧信号を周波数制御回路にフィードバックするＲＦセンサ２７２（反射波パワーメータ）が介装される。
【００３８】
周波数制御回路は、プラズマ点灯前は共振コイル２１２の無負荷共振周波数で発振し、プラズマ点灯後は反射電力が最小となる様に前記の予め設定された周波数を増加または減少させた周波数を発振し、結果的には、伝送線路における反射波がゼロとなる様に周波数信号を高周波電源２７３に与える。
【００３９】
つまり、高周波電源２７３に付設された周波数整合器２７４は、発生したプラズマの容量結合や誘導結合の変動による共振コイル２１２における共振点のずれを高周波電源２７３側で補償する。
【００４０】
本発明の共振装置においては、プラズマ発生時およびプラズマ生成条件の変動時の共振コイル２１２の共振点のずれに応じて、正確に共振する周波数の高周波を出力するため、共振コイル２１２で一層正確に定在波を形成できる。すなわち、図２に示す様に、共振コイル２１２においては、プラズマを含む当該共振器の実際の共振周波数の送電により、位相電圧と逆位相電圧が常に相殺される状態の定在波が形成され、コイルの電気的中点（電圧がゼロのノード）に最も高い位相電流が生起される。従って、上記の電気的中点において励起された誘導プラズマは、処理室壁や基板載置台との容量結合が殆どなく、プラズマ生成空間２０１ａ中には、電気的ポテンシャルの極めて低いドーナツ状のプラズマを生成できる。
【００４１】
本実施形態においては、プラズマ生成空間２０１ａの内部を例えば１０Ｐａ以上２００Ｐａ以下の範囲（本実施形態では１５０Ｐａ）に減圧した後、前記の真空度を維持しつつプラズマ生成空間２０１ａにプラズマ用ガス（本実施形態においてはＨ2ガスとＯ2ガスの混合ガス）を供給する。そして、高周波電源２７３から共振コイル２１２に例えば２７．１２ＭＨｚ、２．５ＫＷの高周波電力を印加すると、プラズマ生成空間２０１ａの内部に誘導電界が生じ、その結果、供給されたガスがプラズマ生成空間２０１ａにおいてプラズマ励起されプラズマ状態となる。
【００４２】
（制御部）
図３に示すように、制御部としてのコントローラ２２１は、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ  Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ  Ｕｎｉｔ）２２１ａ、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ  Ａｃｃｅｓｓ  Ｍｅｍｏｒｙ）２２１ｂ、記憶装置２２１ｃ、Ｉ／Ｏポート２２１ｄを備えたコンピュータとして構成されている。ＲＡＭ２２１ｂ、記憶装置２２１ｃ、Ｉ／Ｏポート２２１ｄは、内部バス２２１ｅを介して、ＣＰＵ２２１ａとデータ交換可能なように構成されている。コントローラ２２１には、入出力装置２２５として、例えばタッチパネル、マウス、キーボード、操作端末等が接続されていてもよい。また、コントローラ２２１には、表示部として、例えばディスプレイ等が接続されていてもよい。
【００４３】
記憶装置２２１ｃは、例えばフラッシュメモリ、ＨＤＤ（Ｈａｒｄ  Ｄｉｓｋ  Ｄｒｉｖｅ）、ＣＤ−ＲＯＭ等で構成されている。記憶装置２２１ｃ内には、基板処理装置１００の動作を制御する制御プログラムや、基板処理の手順や条件などが記載されたプロセスレシピ等が、読み出し可能に格納されている。なお、プロセスレシピは、後述する基板処理工程における各手順をコントローラ２２１に実行させ、所定の結果を得ることが出来るように組み合わされたものであり、プログラムとして機能する。ＲＡＭ２２１ｂは、ＣＰＵ２２１ａによって読み出されたプログラムやデータ等が一時的に保持されるメモリ領域（ワークエリア）として構成されている。
【００４４】
Ｉ／Ｏポート２２１ｄは、上述のＭＦＣ２５２ａ〜２５２ｃ、バルブ２５３ａ〜２５３ｃ、２４３ａ、２４３ｂ、ゲートバルブ２４４、ＡＰＣバルブ２４２、真空ポンプ２４６、ヒータ２１７ｂ、ＲＦセンサ２７２、高周波電源２７３、周波数整合器２７４、サセプタ昇降機構２６８、インピーダンス可変機構２７５等に接続されている。
【００４５】
ＣＰＵ２２１ａは、記憶装置２２１ｃから制御プログラムを読み出して実行すると共に、入出力装置２２５からの操作コマンドの入力等に応じて記憶装置２２１ｃからプロセスレシピを読み出すように構成されている。そして、図1に示すように、ＣＰＵ２２１ａは、読み出したプロセスレシピの内容に沿うように、Ｉ／Ｏポート２２１ｄ及び信号線Ａを通じてＡＰＣバルブ２４２の開度調整動作、バルブ２４３ｂの開閉動作、及び真空ポンプ２４６の起動・停止を、信号線Ｂを通じてサセプタ昇降機構２６８の昇降動作を、信号線Ｃを通じてヒータ電力調整機構２７６による温度センサに基づくヒータ２１７ｂへの供給電力量調整動作（温度調整動作）やインピーダンス可変機構２７５によるインピーダンス値調整動作を、信号線Ｄを通じてゲートバルブ２４４の開閉動作を、信号線Ｅを通じてＲＦセンサ２７２、周波数整合器２７４及び高周波電源２７３の動作を、信号線Ｆを通じてＭＦＣ２５２ａ〜２５２ｃによる各種ガスの流量調整動作、及びバルブ２５３ａ〜２５３ｃ、２４３ａの開閉動作を、それぞれ制御するように構成されている。
【００４６】
（２）基板処理工程
次に、本実施形態に係る基板処理工程について、主に図４及び図５を用いて説明する。図５は、本発明の実施形態に係る基板処理工程で処理される基板の一例を示す図であって（ａ）は全体図を示し、（ｂ）は一部拡大図を示す。本実施形態に係る基板処理工程は、例えばフラッシュメモリ等の半導体デバイスの製造工程の一工程として、上述の処理装置１００により実施される。なお以下の説明において、処理装置１００を構成する各部の動作は、コントローラ２２１により制御される。
【００４７】
本実施形態に係る基板処理工程で処理されるウエハ２００上には、例えば図５（ａ）に示すような３Ｄ構造（３次元構造）を有するパターンが形成されている。具体的には、当該構造は例えば筒状の３Ｄ−ＮＡＮＤ構造であり、以下の手順で形成される。
最初に、基板等の上にシリコン酸化膜３００ａとポリシリコン膜３０２ａが連続的に積層される。その積層膜の上から下までホール（孔）状にエッチングする。そしてホール３０４の中の筒状構造の内壁側面に、壁面側から順番に（すなわち筒状構造の外側から中心側に向かって順番に）、シリコン酸化膜３００ｂ、シリコン窒化膜３０６、シリコン酸化膜３００ｃ、ポリシリコン膜３０２ｂが順番に積層されて形成されている。このポリシリコン膜３０２ｂがチャネル部として用いられる。なお、本実施形態におけるポリシリコン膜３０２ｂは、アモルファスシリコンとの混晶シリコン膜であってもよい。また、本実施形態におけるシリコン酸化膜３００ｂは、窒素（Ｎ）や炭素（Ｃ）を含有する膜（すなわちＳｉＯＮやＳｉＯＣ、等）であってもよい。
【００４８】
本実施形態においては、この筒状構造の内側に露出されているポリシリコン膜３０２ｂに対して、水素原子を含有するガスのプラズマを用いてプラズマ処理（改質処理）を行い、ポリシリコン膜３０２ｂの電気特性を改善する。しかしながら、後述するように、このような水素原子を含有するガスのプラズマを用いて露出したポリシリコン膜３０２ｂを改質処理する場合、ポリシリコン膜３０２ｂに隣接する下地膜であるシリコン酸化膜３００ｃがダメージを受け、絶縁膜としての機能を低下させてしまうという課題がある。
【００４９】
このような課題を回避するためには、例えば、ポリシリコン膜をプラズマ処理した後に、ポリシリコン膜上にシリコン酸化膜を形成するという手順をとることもできる。（すなわち、膜形成の順番を変える。）しかしながら、例えば上述の様な筒状の３Ｄ−ＮＡＮＤ構造のように、下地となるシリコン酸化膜が形成された後に、その上にポリシリコン膜を形成することが必要となる場合がある。本実施形態では、下地膜であるシリコン酸化膜上にポリシリコン膜が形成された構造であっても、シリコン酸化膜のダメージを抑制しながら、プラズマ処理を行うものである。
【００５０】
ここでポリシリコン膜３０２ｂの少なくとも一部の厚さは７ｎｍ以下である。ポリシリコン膜３０２ｂが７ｎｍ以下のような非常に薄い膜である場合には、ポリシリコン膜３０２ｂの接面側のシリコン酸化膜３００ｃのダメージが特に顕著となるため、本発明の適用が更に好適である。
以下に詳述する。
【００５１】
（基板搬入工程Ｓ１１０）
まず、上記の筒状構造が面上に形成されたウエハ２００を処理室２０１内に搬入する。具体的には、サセプタ昇降機構２６８がウエハ２００の搬送位置までサセプタ２１７を下降させて、サセプタ２１７の貫通孔２１７ａにウエハ突上げピン２６６を貫通させる。その結果、ウエハ突き上げピン２６６が、サセプタ２１７表面よりも所定の高さ分だけ突出した状態となる。
【００５２】
続いて、ゲートバルブ２４４を開き、図中省略の搬送機構を用いて処理室２０１に隣接する真空搬送室（図示せず）から処理室２０１内にウエハ２００を搬入する。その結果、ウエハ２００は、サセプタ２１７の表面から突出したウエハ突上げピン２６６上に水平姿勢で支持される。処理室２０１内にウエハ２００を搬入したら、搬送機構を処理室２０１外へ退避させ、ゲートバルブ２４４を閉じて処理室２０１内を密閉する。そして、サセプタ昇降機構２６８が、共振コイル２１２の下端２０３ａと搬入出口２４５の上端２４５ａの間の所定の位置となるよう、サセプタ２１７を上昇させる。その結果、ウエハ２００はサセプタ２１７の上面に支持される。なお、基板搬入工程Ｓ１１０は、処理室２０１内を不活性ガスとしてのＮ2ガス等でパージしながら行ってもよい。
【００５３】
（昇温・真空排気工程Ｓ１２０）
続いて、処理室２０１内に搬入されたウエハ２００の昇温を行う。ヒータ２１７ｂは予め加熱されており、ヒータ２１７ｂが埋め込まれたサセプタ２１７上に、搬入されたウエハ２００を保持することで、例えば１００℃以上５００℃以下の範囲内の所定の温度にウエハ２００を加熱する。ここでは、ウエハ２００の温度が３００℃となるよう加熱する。また、ウエハ２００の昇温を行う間、真空ポンプ２４６によりガス排気管２３１を介して処理室２０１内を真空排気し、処理室２０１内の圧力を３０Ｐａ以上４００Ｐａ以下の範囲内の所定値とする。例えば２００Ｐａに調整される。真空ポンプ２４６は、少なくとも後述の基板搬出工程Ｓ１６０が終了するまで作動させておく。
【００５４】
（処理ガス供給およびプラズマ処理工程Ｓ１３０）
次に、処理ガスとして水素原子と酸素原子を含有するガスを処理室２０１内に供給し、当該ガスをプラズマ励起することによりポリシリコン膜３０２ｂに対するプラズマ処理を実施する。本実施形態では、水素含有ガスであるＨ2ガスと酸素含有ガスであるＯ2ガスの混合ガスを供給する。具体的には次の通りである。
【００５５】
（混合ガス流量制御工程）
バルブ２４３ａ，２５３ａ，２５３ｂを開け、Ｈ2ガスとＯ2ガスとの混合ガスを、バッファ室２３７を介して処理室２０１内に導入（供給）する。具体的には、バルブ２５３ａを開け、ＭＦＣ２５２ａにて流量制御しながら、バッファ室２３７を介して処理室２０１内へのＨ2ガスの供給を開始する。同時に、バルブ２５３ｂを開け、ＭＦＣ２５２ｂにて流量制御しながら、バッファ室２３７を介して処理室２０１内へのＯ2ガスの供給を開始する。このとき、Ｈ2ガスの導入量は、例えば５０ｓｃｃｍ以上２０００ｓｃｃｍ以下の範囲内、Ｏ2ガスの導入量は、例えば５０ｓｃｃｍ以上２０００ｓｃｃｍ以下の範囲である。混合ガス中のＨ2ガスとＯ2ガスの体積比率が５：９５〜９５：５であるように制御して、ＭＦＣ２５２ａ，２５２ｂそれぞれの開度を調整する。本実施形態では、Ｈ2ガスの導入量は４００ｓｃｃｍ、Ｏ2ガスの導入量は６００ｓｃｃｍとしている。混合ガス中のＨ2ガスの体積比率が５：９５より小さい場合、後述するような、ポリシリコン膜の電気的特性を改善する効果が十分に得られない可能性がある。また、混合ガス中のＨ2ガスの体積比率が９５：５より大きい場合、後述するような、下地のシリコン酸化膜へのダメージを低減する等の効果が得られない可能性がある。
【００５６】
また、処理室２０１内の圧力が、例えば１０Ｐａ以上４００Ｐａ以下の範囲内、より好ましくは５０Ｐａ以上３００Ｐａ以下（本実施形態では１５０Ｐａ）の所定圧力となるように、ＡＰＣバルブ２４２の開度を調整して処理室２０１内を排気する。このように、処理室２０１内を適度に排気しつつ、後述のプラズマ処理工程の終了時までＨ2ガスとＯ2ガスの混合ガスの供給を継続する。
【００５７】
なお、上記混合ガスの供給前に、Ｈ2ガスを処理室２０１内に導入して、処理室２０１内が所定の圧力となるように調整してもよい。こうすることにより、混合ガス供給開始時、処理室２０１内の圧力を保持した状態で、コントロール電極６０２に対する急激な酸化を抑制することができる。
【００５８】
（プラズマ励起開始工程）
Ｈ2ガスとＯ2ガスの混合ガスの導入を開始して所定時間経過後（例えば数秒経過後）、共振コイル２１２に対して高周波電源２７３からＲＦセンサ２７２を介して、高周波電力の印加を開始する。このとき、例えば２７．１２ＭＨｚの高周波電力を、０．５ＫＷ以上３．５ＫＷ以下の範囲内の電力で印加する。ここでは２．５ＫＷの電力を印加する。これにより、プラズマ生成空間２０１ａ内に誘導磁界が形成され、かかる誘導磁界で、プラズマ生成空間の共振コイル２１２の電気的中点に相当する高さ位置にドーナツ状の誘導プラズマが励起される。励起されたプラズマによりＨ2ガス、Ｏ2ガスは活性化されて解離し、水素原子（Ｈ）と酸素原子（Ｏ）を含む活性種、水素原子を含む活性種、水素イオン、酸素原子を含む活性種、酸素イオン、等の反応種（例えばＯＨ及びＨ等）が生成される。生成された１又は複数の反応種の群の中には水素原子と酸素原子が含まれている。
【００５９】
前述したように、位相電圧と逆位相電圧が常に相殺される状態の定在波が形成され、コイルの電気的中点（電圧がゼロのノード）に最も高い位相電流が生起される。従って、上記の電気的中点において励起された誘導プラズマは、処理室壁や基板載置台との容量結合が殆どなく、プラズマ生成空間２０１ａ中には、電気的ポテンシャルの極めて低いドーナツ状のプラズマを形成できる。
【００６０】
さらに、上述の様に、高周波電源２７３に付設された電源制御手段がプラズマの容量結合や誘導結合の変動による共振コイル２１２における共振点のずれを補償し、一層正確に定在波を形成するため、容量結合が殆どなく、より確実に電気的ポテンシャルの極めて低いプラズマをプラズマ生成空間中に形成できる。
【００６１】
Ｈ2ガスとＯ2ガスを含む混合ガスがプラズマにより活性化されることにより生成された１又は複数の反応種を含むガスはポリシリコン膜３０２ｂの表面（露出面）に供給され、ポリシリコン膜３０２ｂを改質する。すなわち、１又は複数の反応種の群の中に含まれる水素原子がポリシリコン膜３０２ｂと反応して、膜中に水素原子が添加される。また、後述するように、供給された反応種はポリシリコン膜３０２ｂの下地であるシリコン酸化膜３００ｃとも反応することがあるが、本実施形態では、供給される反応種が酸素原子を含むことにより、当該改質処理におけるシリコン酸化膜３００ｃへのダメージを抑制することができる。
【００６２】
なお、本実施形態においては、水素原子と酸素原子を含有するガスとして、水素含有ガスであるＨ2ガスと酸素含有ガスであるＯ2ガスの混合ガスを用いる構成について説明したが、これに限らず、Ｈ2ガス以外の水素含有ガスとＯ2ガス以外の酸素含有ガスの混合ガスを用いてもよい。例えば、酸素含有ガスとしてＯ3（オゾン）ガスを用いてもよい。さらに、水素原子と酸素原子を含有するガスとして、水素原子と酸素原子の両方を含む分子のガスを供給して、プラズマ励起するようにしてもよい。例えば、Ｈ2ＯガスやＨ2Ｏ2ガスを用いてもよい。また、水素含有ガスとして重水素Ｄを含むガスを用いてもよい。また、必要に応じてＡｒ等の希ガスを添加してもよい。このとき、水素原子と酸素原子を含有するガスにおける水素原子と酸素原子の比率を５：９５〜９５：５となるようにする。水素原子と酸素原子を含有するガス中の水素原子の比率が５：９５より小さい場合、後述するような、ポリシリコン膜の電気的特性を改善する効果が十分に得られない可能性がある。また、水素原子と酸素原子を含有するガス中の水素原子の比率が９５：５より大きい場合、後述するような、下地のシリコン酸化膜へのダメージを低減する等の効果が得られない可能性がある。
【００６３】
また、本実施形態では、水素原子と酸素原子を含有するガスを処理室２０１内に供給してプラズマ励起することにより活性種等の反応種を生成するが、他の例として、処理室２０１の外でガスをプラズマ励起し、生成された活性種等の反応種を処理室２０１内に導入することもできる。さらに他の例として、水素含有ガスと酸素含有ガスを別々にプラズマ励起し、それぞれで生成された活性種等の反応種を混合してポリシリコン膜３０２ｂに供給することもできる。
【００６４】
高周波電力の印加を開始してから所定の処理時間経過後、例えば１０秒から１２００秒が経過したら、高周波電源２７３からの電力の出力を停止して、処理室２０１内におけるプラズマ放電を停止する。本実施形態では１２０秒としている。また、バルブ２５３ａ，２５３ｂを閉めて、Ｈ2ガス、Ｏ2ガスの処理室２０１内への供給を停止する。
【００６５】
ここで、ポリシリコン膜３０２ｂに供給された水素は、その後の例えば３００℃〜６００℃の熱処理工程により抜けてしまうことが知られている。その対策として、次の窒化ガス供給およびプラズマ処理工程を行う。
【００６６】
（窒化ガス供給およびプラズマ処理工程Ｓ１４０）
次に、窒化ガスとしての窒素原子を含有するガス（窒素含有ガス）の供給を開始する。本実施形態では、窒素含有ガスとしてＮ2ガスを用いる。具体的には次の通りである。
【００６７】
（窒化ガス流量制御工程）
バルブ２４３ａ，２５３ｃを開け、Ｎ2ガスを、バッファ室２３７を介して処理室２０１内に導入（供給）する。具体的には、バルブ２５３ｃを開け、ＭＦＣ２５２ｃにて流量制御しながら、バッファ室２３７を介して処理室２０１内へのＮ2ガスの供給を開始する。このとき、Ｎ2ガスの導入量は、例えば５０ｓｃｃｍ以上３０００ｓｃｃｍ以下の範囲内である。本実施形態では、Ｎ2ガスの導入量は０．２ｓｌｍとしている。
【００６８】
また、処理室２０１内の圧力が、例えば０．１Ｐａ以上５０Ｐａ以下の範囲内、より好ましくは１Ｐａ以上１０Ｐａ以下（本実施形態では５Ｐａ）の所定圧力となるように、ＡＰＣバルブ２４２の開度を調整して処理室２０１内を排気する。このように、処理室２０１内を適度に排気しつつ、後述のプラズマ処理工程の終了時までＮ2ガスの供給を継続する。
【００６９】
（プラズマ励起開始工程）
Ｎ2ガスの導入を開始して所定時間経過後（例えば数秒経過後）、共振コイル２１２に対して高周波電源２７３からＲＦセンサ２７２を介して、高周波電力の印加を開始する。このとき、例えば高周波電力を１５００Ｗ印加する。その後、所定の処理時間、例えば１０秒から１２００秒が経過したら、高周波電源２７３からの電力の出力を停止して、処理室２０１内におけるプラズマ放電を停止する。本実施形態では１２０秒としている。また、バルブ２５３ｃを閉めて、Ｎ2ガスの処理室２０１内への供給を停止する。
【００７０】
以上により、誘導プラズマが励起され、励起されたプラズマによりＮ2ガスは活性化されて、窒素（Ｎ）原子を含む窒素活性種（反応種）が生成される。窒素活性種は改質されたポリシリコン膜３０２ｂの表面と反応し、表面には約２ｎｍの窒化膜（ＳｉＮ）が成膜される。すなわち、Ｎ2ガスが、プラズマにより活性化されることで、ポリシリコン膜３０２ｂの露出面に緻密なＳｉＮ膜を形成され、このＳｉＮ膜がバリアとなり、ポリシリコン膜３０２ｂの表面からの水素抜けを抑制する。
【００７１】
（真空排気工程Ｓ１５０）
所定の処理時間が経過してＮ2ガスの供給を停止したら、ガス排気管２３１を用いて処理室２０１内を真空排気する。これにより、処理室２０１内のＨ2ガス、Ｏ2ガスや、その他の残留物が含まれる排ガス等を処理室２０１外へと排気する。その後、ＡＰＣバルブ２４２の開度を調整し、処理室２０１内の圧力を処理室２０１に隣接する真空搬送室（ウエハ２００の搬出先。図示せず）と同じ圧力に調整する。
【００７２】
（基板搬出工程Ｓ１６０）
処理室２０１内が所定の圧力となったら、サセプタ２１７をウエハ２００の搬送位置まで下降させ、ウエハ突上げピン２６６上にウエハ２００を支持させる。そして、ゲートバルブ２４４を開き、図中省略の搬送機構を用いてウエハ２００を処理室２０１外へ搬出する。このとき、処理室２０１内を不活性ガスであるＮ2ガス等でパージしながらウエハ２００の搬出を行ってもよい。以上により、本実施形態に係る基板処理工程を終了する。
【００７３】
このように、水素原子を含有するガスのプラズマを用いて改質処理を行うことにより、ポリシリコン膜３０２ｂの膜中には水素が添加されるため、ポリシリコン膜３０２ｂの電気的特性（例えば電子移動度等）を改善することができる。さらに、水素原子と共に酸素原子を含有するガスのプラズマを用いて改質処理を行うことにより、ポリシリコン膜との接面側のシリコン酸化膜３００ｃへのダメージ（例えば酸素成分の減少）を抑制できる。したがって、シリコン酸化膜、ポリシリコン膜の順に成膜した後に、表面側のポリシリコン膜に対してこのような改質処理を行っても、下地膜であるシリコン酸化膜へのダメージを抑制できるので、デバイス形成工程の自由度を向上させることができる。さらに、窒素含有ガスのプラズマを用いて水素プラズマ処理後のポリシリコン膜３０２ｂの表面に窒化処理を行うことにより、水素プラズマ改質によりポリシリコン膜３０２ｂ中に添加された水素が、更に後の熱処理工程等において抜けてしまうことを抑制することができる。
【００７４】
＜実験例＞
図６及び図７は、本実施形態に係る基板処理工程で処理されたウエハと、比較例に係る基板処理工程で処理されたウエハの、ポリシリコン膜とシリコン酸化膜中の成分濃度をＳＩＭＳ（Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ  Ｉｏｎ  Ｍａｓｓ  Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ）で分析し、比較して示した図である。図６は、水素濃度を分析し、比較して示した図であって、図７は、酸素濃度を分析し、比較して示した図である。図６の縦軸は水素濃度を、図７の縦軸は酸素濃度を示している。また、図６と図７の横軸はそれぞれポリシリコン膜表面からの深さを示しており、「Ｐｏｌｙ−Ｓｉ」と表記された領域がポリシリコン膜が形成された領域（深さ）を、「ＳｉＯ」と表記された領域がシリコン酸化膜が形成された領域（深さ）を示している。
【００７５】
図６及び図７の各３本のグラフはそれぞれ、「■」は比較例１としてポリシリコン膜に対してプラズマ処理を行わなかった場合を示し、「●」は比較例２としてポリシリコン膜に対してＨ2ガスのみを用いてプラズマ処理を行った場合を示し、「○」は本実施形態に係る例（本実施例）としてポリシリコン膜に対してＨ2ガスとＯ2ガスの混合ガスを用いてプラズマ処理を行った場合を示している。上述した基板処理工程を用いて、比較例２ではＨ2ガス流量１０００ｓｃｃｍで、本実施例ではＨ2ガス流量４００ｓｃｃｍ、Ｏ2ガス流量６００ｓｃｃｍで実験を行なった。
【００７６】
図６に示されているように、ポリシリコン膜に対して、比較例２と本実施例のプラズマ処理を行った場合、比較例１のプラズマ処理を行わない場合と比較して、ポリシリコン膜中の水素濃度が高くなっていることが分かる。すなわち、水素原子を含むガスを用いたプラズマ処理を行うことによりポリシリコン膜中に水素原子が添加されている。従って、添加された水素原子によりポリシリコン膜中の欠陥密度を低減し、またポリシリコンの粒子サイズを大きくすることができるので、膜中の電子移動度を向上させ、デバイスの電気特性を改善することができる。
【００７７】
また、本実施例のプラズマ処理を行った場合には、シリコン酸化膜中の水素濃度が、比較例１や比較例２と比較して低くなっていることが分かる。すなわち、Ｈ2ガスとＯ2ガスの混合ガスを用いてプラズマ処理を行うことにより、ポリシリコン膜中に水素原子を添加する一方、下地膜であるシリコン酸化膜中まで水素原子が添加されるのを抑制できることが分かる。これは、本実施例における混合ガスから生成された反応種に含まれる酸素原子がシリコン酸化膜と優先的に反応し、水素原子がシリコン酸化膜中に添加されるのを抑制するためであると推測される。
【００７８】
また、図７に示されているように、ポリシリコン膜に対して、比較例２のＨ2ガスのみを用いてプラズマ処理を行った場合には、ポリシリコン膜中の酸素濃度が比較例１及び本実施例と比較して大きく上昇し、シリコン酸化膜中の酸素濃度が、比較例１や本実施例と比較して大きく低下している。この結果から、シリコン酸化膜中に含有されていた酸素原子が、比較例２のプラズマ処理を行ったことによりポリシリコン膜へ浸透（拡散）してしまっていることが推測される。すなわち、比較例２のようにＨ2ガスのみを用いたプラズマ処理では、シリコン酸化膜を構成する酸素原子が膜中から大きく失われてしまい（すなわち、シリコン酸化膜にダメージが加わってしまい）、下地絶縁膜としての絶縁特性が大幅に劣化している。
【００７９】
一方、本実施例では、シリコン酸化膜中の酸素濃度は若干低下しているものの、比較例２の場合と比較して酸素濃度の低下が抑制されている。また、ポリシリコン膜中の酸素濃度は若干上昇しているものの、比較例２と比較して酸素濃度の上昇が抑制されていることが分かる。この結果から、本実施例では、プラズマ処理を行ったとしても、シリコン酸化膜中の酸素がポリシリコン膜へ浸透（拡散）することを抑制していることが分かる。これは、本実施例における混合ガスから生成された反応種に含まれる酸素原子がシリコン酸化膜と優先的に反応し、反応種に含まれる水素原子がシリコン酸化膜中の酸素原子と反応して酸素原子を脱離させることを抑制するためであると推測される。
【００８０】
従って、本実施例では、シリコン酸化膜を構成する酸素原子が膜中から大きく失われて（すなわち、シリコン酸化膜にダメージが加わってしまい）、ポリシリコン膜中に酸素原子が拡散することを抑制できるので、ポリシリコン膜を水素原子を含むガスを用いてプラズマ処理する場合であっても、シリコン酸化膜の下地絶縁膜としての絶縁特性を維持することができる。
【００８１】
図８は、本実施形態に係る基板処理工程で処理されたウエハと、比較例に係る基板処理工程を用いて処理されたウエハの膜中の欠陥密度をＥＳＲ（Ｅｌｅｃｔｒｉｃ  Ｓｐｉｎ   Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ）で分析し、比較して示した図である。ＥＳＲは、電子スピンの磁気共鳴を測定することで、膜中の欠陥密度を評価することが可能である。図８の縦軸は吸収の大きさを示し、横軸は磁場の強さを示している。図８において、実線は、本実施形態に係る基板処理工程後のウエハに形成されたポリシリコン膜に対して分析を行った結果であり、実施例として示している。図８において、破線は、本実施形態に係る基板処理工程前のウエハに形成されたポリシリコン膜に対して分析を行った結果であり、比較例として示している。
【００８２】
図８に示されているように、本実施例によるポリシリコン膜と比較例によるポリシリコン膜とを比較すると、本実施例の基板処理工程後のポリシリコン膜の方が検出される欠陥に起因するシグナルが小さく、膜中の欠陥密度が低下していることが分かる。すなわち、本実施例のプラズマ処理によりポリシリコン膜が改質されている。これは、添加された水素によってポリシリコン膜の欠陥が埋められたことにより改善されたと考えられる。
【００８３】
次に、本実施形態に係る基板処理工程を用いて製造されたトランジスタの電気特性評価を行った。図９は、本実験に用いた電気特性評価サンプルを示している。本サンプルの構造は３Ｄ−ＮＡＮＤ構造に近く、ゲート絶縁膜を成膜後にチャネル部であるポリシリコン膜を成膜し、このポリシリコン膜に対して、本実施形態の基板処理工程に係るＨ2ガスとＯ2ガスの混合ガスによるプラズマ処理を行っている。図１０及び図１１は、図９のサンプルを用いて得られた電気特性評価結果を示す図であって、実線は、本実施形態に係る基板処理工程後の電気特性であって、実施例として示している。破線は、本実施形態に係る基板処理工程前の電気特性であって、比較例として示している。図１０は、図９のサンプルのＩｄ−Ｖｇ特性を示す図であって、縦軸Ｉｄはドレインからソースに流れる電流（ドレイン電流）を示し、横軸Ｖｇはゲート−ソース間の電圧（ゲート電圧）を示している。図１１は、縦軸Ｇｍにゲート電圧の変化に対するドレイン電流の割合を示し、横軸Ｖｇにゲート−ソース間の電圧（ゲート電圧）を示している。
【００８４】
図１０（ａ）に示されているように、比較例による電気特性評価結果と比較すると、本実施例に係る基板処理工程後にはＩｄ−Ｖｇの傾きが急になっていることが分かる。これはゲート電圧の変化に対してドレイン電流の変化量が増大していることを示しており、より速く動作するトランジスタが期待される。また、図１０（ｂ）に示されているように、比較例による電気特性評価結果と比較すると、本実施例に係る基板処理工程後には電流値（Ｉｄの値）が高くなっていることが分かる。
【００８５】
また、図１１に示されているように、比較例による電気特性評価結果と比較すると、本実施例に係る基板処理工程後には、Ｇｍ値の最大値が大きくなっており、最大に動作できる電流値が大きいことが分かる。
【００８６】
（３）本実施形態に係る効果
本実施形態によれば、以下に示す１つまたは複数の効果を奏する。
【００８７】
（ａ）本実施形態によれば、ポリシリコン膜に対して、水素原子を含むプラズマ処理を行うことにより、ポリシリコン膜の電気的特性を改善することができる。すなわち、膜中に水素を添加することで、膜の欠陥密度が低減され、また、ポリシリコンの粒子サイズを大きくすることができるので、ポリシリコン膜中の電子移動度が向上し、デバイス特性を向上させることができる。
【００８８】
（ｂ）さらに、本実施形態によれば、ポリシリコン膜に対して、水素原子と酸素原子を含むガスを用いたプラズマ処理を行うことにより、下地のシリコン酸化膜へのダメージ（例えば酸素成分の減少）やポリシリコン膜への酸素成分の浸透（拡散）を抑制できる。また、下地のシリコン酸化膜への水素の過剰な添加を抑制することができる。したがって、シリコン酸化膜、ポリシリコン膜の順に成膜した後にプラズマ処理を行っても、シリコン酸化膜やポリシリコン膜の不要な改質を抑制しながら、ポリシリコン膜中へ水素を添加することができるので、デバイス形成の自由度を向上させることができる。
【００８９】
（ｃ）また、本実施形態によれば、水素原子と酸素原子を含むプラズマ処理を行った後に、さらに、窒素含有ガスを用いてプラズマ処理を行ってポリシリコン膜の表面を窒化処理を行うことにより、水素プラズマ改質後の水素抜けが抑制される。
【００９０】
（ｄ）また、本実施形態によれば、ＮＡＮＤ構造に適用され、各膜を成膜した後に最後にポリシリコン膜を改質することができるのでデバイス形成の自由度が向上する。また、チャネルであるポリシリコン膜は、膜厚が小さいことが望ましく、この場合に下地面のシリコン酸化膜へのダメージが顕著となるため、本発明の適用が更に好適である。
【００９１】
図１２は、本発明の実施形態に係る基板処理工程が適用される基板の他の構造例を示す図である。図１２に示すように、ウエハ２００上に、ウエハ２００との接面側からシリコン酸化膜３００とシリコン窒化膜３０６とシリコン酸化膜３００とポリシリコン膜３０２の順番に積層されて、トレンチ４００が複数形成されている。図１２に示すようなトレンチ４００の上部にポリシリコン膜３０２で形成されるフローティング電極が形成されている構造に対しても本実施形態に係る基板処理工程を適用することができる。このように、アスペクト比の高い（例えばアスペクト比２０程度から１００以上）凹凸部を有するトレンチ４００が形成された構成においても、シリコン酸化膜３００をフローティング電極の下地に形成することもでき、ポリシリコン膜３０２の下地のシリコン酸化膜３００へのダメージを抑制して、ポリシリコン膜３０２の電気的特性を高めることができる。すなわち、高アスペクト構造においても、チャネル部であるポリシリコン膜を均等に（等方的に）プラズマ処理することができるので、高アスペクト構造を有するデバイスの特性向上のために好適である。
【００９２】
また、本発明は、ウエハ２００上にコントロールゲートと、第１絶縁膜と、トラップ層（フローティングゲート）と、第２絶縁膜であるシリコン酸化膜と、チャネル部であるポリシリコン膜とが積層されたＮＡＮＤ構造にも適用される。各膜を成膜した後に最後にポリシリコン膜を改質することができるのでデバイス形成の自由度が向上する。また、チャネル部であるポリシリコン膜は、膜厚が小さいことが望ましく、この場合に下地面の酸化シリコン膜へのダメージが顕著となるため、本発明の適用が更に好適である。
【００９３】
以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は上述の一実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能である。
【産業上の利用可能性】
【００９４】
本発明によれば、下地のシリコン酸化膜へのダメージを抑制しながら、ポリシリコン膜の電気的特性を高める技術が提供される。
【符号の説明】
【００９５】
１００・・・処理装置、  ２００・・・ウエハ、  ２０１・・・処理室、  ２０２・・・処理炉
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【国際調査報告】
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