(57)【要約】【課題】  薄膜化しても、半導体装置に優れた電気的特性を付与できる良質なゲート絶縁膜を製造する。【解決手段】  プラズマ処理装置の処理室内で、被処理体表面のシリコンに酸素含有プラズマを作用させてシリコン酸化膜を形成する酸化処理工程を含むゲート絶縁膜の製造方法であって、前記酸化処理工程における処理温度は６００℃超１０００℃以下であり、前記酸素含有プラズマは、少なくとも希ガスと酸素ガスとを含む酸素含有処理ガスを前記処理室内に導入するとともに、アンテナを介して該処理室内に高周波またはマイクロ波を導入することによって形成される前記酸素含有処理ガスのプラズマであることを特徴とする、ゲート絶縁膜の製造方法。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
プラズマ処理装置の処理室内で、被処理体表面のシリコンに酸素含有プラズマを作用させてシリコン酸化膜を形成する酸化処理工程を含むゲート絶縁膜の製造方法であって、
前記酸化処理工程における処理温度は６００℃超１０００℃以下であり、
前記酸素含有プラズマは、少なくとも希ガスと酸素ガスとを含む酸素含有処理ガスを前記処理室内に導入するとともに、アンテナを介して該処理室内に高周波またはマイクロ波を導入することによって形成される前記酸素含有処理ガスのプラズマであることを特徴とする、ゲート絶縁膜の製造方法。
【請求項２】
プラズマ処理装置の処理室内で、被処理体表面のシリコンに酸素含有プラズマを作用させてシリコン酸化膜を形成する酸化処理工程と、
前記酸化処理工程で形成された前記シリコン酸化膜に窒素含有プラズマを作用させてシリコン酸窒化膜を形成する窒化処理工程と、
を含むゲート絶縁膜の製造方法であって、
前記酸化処理工程における処理温度は６００℃超１０００℃以下であり、
前記酸素含有プラズマは、少なくとも希ガスと酸素ガスとを含む酸素含有処理ガスを前記処理室内に導入するとともに、アンテナを介して該処理室内に高周波またはマイクロ波を導入することによって形成される前記酸素含有処理ガスのプラズマであることを特徴とする、ゲート絶縁膜の製造方法。
【請求項３】
前記窒素含有プラズマは、少なくとも希ガスと窒素ガスとを含む窒素含有処理ガスを処理室内に導入するとともに、アンテナを介して該処理室内に高周波またはマイクロ波を導入することによって形成される前記窒素含有処理ガスのプラズマであることを特徴とする、請求項２に記載のゲート絶縁膜の製造方法。
【請求項４】
前記酸化処理工程と前記窒化処理工程を同一の処理室内で行うことを特徴とする、請求項２または請求項３に記載のゲート絶縁膜の製造方法。
【請求項５】
前記酸化処理工程と前記窒化処理工程を、真空状態で連結された別々の処理室内で行うことを特徴とする、請求項２または請求項３に記載のゲート絶縁膜の製造方法。
【請求項６】
前記酸化処理工程では、前記処理室内のプラズマ発生領域と前記被処理体との間に、複数の貫通開口を有する誘電体プレートを介在させて処理を行なうことを特徴とする、請求項１から請求項５のいずれか１項に記載のゲート絶縁膜の製造方法。
【請求項７】
前記貫通開口の孔径が２．５〜１２ｍｍであり、前記誘電体プレート上の前記基板に対応する領域内で、前記基板の面積に対する前記貫通開口の合計の開口面積比率が１０〜５０％であることを特徴とする、請求項６に記載のゲート絶縁膜の製造方法。
【請求項８】
前記酸化処理工程における処理圧力が、１．３３Ｐａ〜１３３３Ｐａであることを特徴とする、請求項１から請求項７のいずれか１項に記載のゲート絶縁膜の製造方法。
【請求項９】
前記シリコン酸化膜の膜厚が、０．２〜１０ｎｍであることを特徴とする、請求項１から請求項８のいずれか１項に記載のゲート絶縁膜の製造方法。
【請求項１０】
コンピュータ上で動作し、実行時に、請求項１から請求項９のいずれか１項に記載された前記酸化処理工程が行なわれるように前記プラズマ処理装置を制御することを特徴とする、制御プログラム。
【請求項１１】
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記憶媒体であって、前記制御プログラムは、実行時に、請求項１から請求項９のいずれか１項に記載された前記酸化処理工程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ことを特徴とする、コンピュータ記憶媒体。
【請求項１２】
プラズマを発生させるプラズマ供給源と、
前記プラズマにより、被処理体を処理するための真空排気可能な処理容器と、
前記処理容器内で前記被処理体を載置する基板支持台と、
請求項１から請求項９のいずれか１項に記載された前記酸化処理工程が行なわれるように制御する制御部と、
を備えたことを特徴とする、プラズマ処理装置。
【請求項１３】
請求項１から請求項９のいずれか１項に記載のゲート絶縁膜の製造方法により製造されたゲート絶縁膜上に、ゲート電極を形成する工程を含むことを特徴とする、半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、プラズマを用いて半導体基板等の被処理体を処理し、ゲート絶縁膜を形成するゲート絶縁膜の製造方法、およびこのゲート絶縁膜を使用した、例えばトランジスタに代表される半導体装置の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
各種半導体装置の製造過程では、例えばトランジスタのゲート絶縁膜としてＳｉＯ２などのシリコン酸化膜の形成が行なわれている。また、Ｐ型不純物であるボロン（Ｂ）のつき抜けや、トンネル電流の増加を抑制するという観点から、シリコン酸化膜を窒化処理してシリコン窒化膜（ＳｉＯＮ）とし、これをゲート絶縁膜とすることも多い。
【０００３】
シリコン酸化膜を形成する方法としては、酸化炉やＲＴＰ（Rapid Thermal Process）装置を用いる熱酸化処理と、プラズマ処理装置を用いるプラズマ酸化処理に大別される。例えば、熱酸化処理の一つである酸化炉によるウエット酸化処理では、８００℃以上の温度にシリコン基板を加熱し、ＷＶＧ（Water Vapor Generator）装置を用いて酸化雰囲気に曝すことによりシリコン表面を酸化させて酸化膜を形成する。
【０００４】
一方、プラズマ酸化処理としては、ラジアルラインスロットアンテナにより処理室内にマイクロ波を導入してプラズマを生成させるプラズマ処理装置を用い、５５０℃以下の低温でプラズマ酸化処理を行なうことによりシリコン酸化膜を形成する方法が提案されている（例えば、特許文献１）。
【特許文献１】特開２００１−１６０５５５号公報（例えば、段落００１５など）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従来は、熱酸化処理を行なうことにより、良質なシリコン酸化膜を形成できると考えられてきた。しかし、熱酸化の場合、膜厚が極薄くなると量子力学的効果によって酸化膜（絶縁膜）を電子が通り抜けるトンネル現象や膜質の低下が起こりリーク電流が増大するなど、シリコン酸化膜やそれを窒化処理して得られるシリコン酸窒化膜をゲート絶縁膜として用いる半導体装置の電気的特性に悪影響を与えるという課題があった。
【０００６】
また、近年では半導体装置の微細化に伴い、ゲート絶縁膜の薄膜化が進んでおり、特に６５ｎｍノード以降では、膜厚が数ｎｍ以下の薄いゲート絶縁膜が要求されるため、従来の熱酸化処理やプラズマ酸化処理では満足できる膜質のシリコン酸化膜を得ることは困難になっている。
【０００７】
従って本発明の目的は、薄膜化しても、半導体装置に優れた電気的特性を付与できる良質なゲート絶縁膜を形成可能なゲート絶縁膜の製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するため、本発明の第１の観点によれば、プラズマ処理装置の処理室内で、被処理体表面のシリコンに酸素含有プラズマを作用させてシリコン酸化膜を形成する酸化処理工程を含むゲート絶縁膜の製造方法であって、
前記酸化処理工程における処理温度は６００℃超１０００℃以下であり、
前記酸素含有プラズマは、少なくとも希ガスと酸素ガスとを含む酸素含有処理ガスを前記処理室内に導入するとともに、アンテナを介して該処理室内に高周波またはマイクロ波を導入することによって形成される前記酸素含有処理ガスのプラズマであることを特徴とする、ゲート絶縁膜の製造方法が提供される。
【０００９】
本発明の第２の観点によれば、プラズマ処理装置の処理室内で、被処理体表面のシリコンに酸素含有プラズマを作用させてシリコン酸化膜を形成する酸化処理工程と、
前記酸化処理工程で形成された前記シリコン酸化膜に窒素含有プラズマを作用させてシリコン酸窒化膜を形成する窒化処理工程と、
を含むゲート絶縁膜の製造方法であって、
前記酸化処理工程における処理温度は６００℃超１０００℃以下であり、
前記酸素含有プラズマは、少なくとも希ガスと酸素ガスとを含む酸素含有処理ガスを前記処理室内に導入するとともに、アンテナを介して該処理室内に高周波またはマイクロ波を導入することによって形成される前記酸素含有処理ガスのプラズマであることを特徴とする、ゲート絶縁膜の製造方法が提供される。
【００１０】
上記第２の観点において、前記窒素含有プラズマは、少なくとも希ガスと窒素ガスとを含む窒素含有処理ガスを処理室内に導入するとともに、アンテナを介して該処理室内に高周波またはマイクロ波を導入することによって形成される前記窒素含有処理ガスのプラズマであることが好ましい。また、前記酸化処理工程と前記窒化処理工程を同一の処理室内で行ってもよく、あるいは前記酸化処理工程と前記窒化処理工程を、真空状態で連結された別々の処理室内で行ってもよい。
【００１１】
また、上記第１の観点および第２の観点において、前記酸化処理工程では、前記処理室内のプラズマ発生領域と前記被処理体との間に、複数の貫通開口を有する誘電体プレートを介在させて処理を行なうことが好ましい。この場合、前記貫通開口の孔径が２．５〜１２ｍｍであり、前記誘電体プレート上の前記基板に対応する領域内で、前記基板の面積に対する前記貫通開口の合計の開口面積比率が１０〜５０％であることが好ましい。
【００１２】
また、前記酸化処理工程における処理圧力が、１．３３Ｐａ〜１３３３Ｐａであることが好ましい。
また、前記シリコン酸化膜の膜厚が、０．２〜１０ｎｍであることが好ましい。
【００１３】
本発明の第３の観点によれば、コンピュータ上で動作し、実行時に、上記第１の観点または第２の観点のゲート絶縁膜の製造方法における前記酸化処理工程が行なわれるように前記プラズマ処理装置を制御することを特徴とする、制御プログラムが提供される。
【００１４】
本発明の第４の観点によれば、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記憶媒体であって、前記制御プログラムは、実行時に、上記第１の観点または第２の観点のゲート絶縁膜の製造方法における前記酸化処理工程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ことを特徴とする、コンピュータ記憶媒体が提供される。
【００１５】
本発明の第５の観点によれば、プラズマを発生させるプラズマ供給源と、
前記プラズマにより、被処理体を処理するための真空排気可能な処理容器と、
前記処理容器内で前記被処理体を載置する基板支持台と、
上記第１の観点または第２の観点のゲート絶縁膜の製造方法における前記酸化処理工程が行なわれるように制御する制御部と、
を備えたことを特徴とする、プラズマ処理装置が提供される。
【００１６】
本発明の第６の観点によれば、上記第１の観点または第２の観点のゲート絶縁膜の製造方法により製造されたゲート絶縁膜上に、ゲート電極を形成する工程を含むことを特徴とする、半導体装置の製造方法が提供される。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、アンテナにより処理室内に導入されるマイクロ波と、少なくとも希ガスと酸素ガスとを含む処理ガスと、によって形成される酸素含有プラズマを用い、６００℃超１０００℃以下の高温で酸化処理を行なうことによって、プラズマダメージを極力防ぎつつ、良質なシリコン酸化膜を形成することが可能となる。さらに、このシリコン酸化膜を、必要に応じて窒化処理して得られるシリコン酸窒化膜をゲート絶縁膜として用いることにより、トランジスタなどの半導体装置の電気的特性を向上させることができる。
すなわち、本発明方法により製造されるゲート絶縁膜を用いることにより、電流駆動特性に優れた半導体装置を得ることができる。特にゲート絶縁膜が１ｎｍ以下の薄膜である場合には、緻密でトラップが少ない理想的な酸化膜を形成できるため、トンネル電流の増加を抑制しつつ、熱酸化膜を使用した場合に比べて駆動電流を大幅に増加させ得るので、半導体装置の性能向上を図ることが可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
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は本発明のゲート絶縁膜の製造方法を実施するための半導体製造装置２００の概略構成を示す模式図である。この半導体製造装置２００のほぼ中央には、半導体ウエハ（以下、単に「ウエハ」と記す）Ｗを搬送するための搬送室１３１が配設されており、この搬送室１３１の周囲を取り囲むように、ウエハＷに種々の処理を行なうプラズマ処理ユニットとしてのプラズマ処理装置１００および１０１、各処理室間の連通／遮断の操作を行なうゲートバルブ（図示を省略）、搬送室１３１と大気搬送室１４０との間でウエハＷの受渡しを行う二基のロードロックユニット１３４および１３５、ウエハＷに加熱操作（アニール）を行なうための加熱ユニット１３６が配設されている。
【００１９】
ロードロックユニット１３４、１３５の横には、種々の予備冷却ないし冷却操作を行なうための予備冷却ユニット１４５、冷却ユニット１４６がそれぞれ配設されている。なお、ロードロックユニット１３４、１３５を冷却ユニットとして使用する場合には、予備冷却ユニット１４５、冷却ユニット１４６は設けなくてもよい。
【００２０】
搬送室１３１の内部には、搬送アーム１３７および１３８が配設されており、前記各ユニットとの間でウエハＷを搬送することができる。
【００２１】
ロードロックユニット１３４および１３５に接続して、搬送手段１４１および１４２が配備された大気搬送室１４０が設けられている。この大気搬送室１４０はダウンフローのクリーンなエアーによりクリーンな環境が維持された状態にある。大気搬送室１４０には、カセットユニット１４３が接続されており、搬送手段１４１および１４２により、カセットユニット１４３上にセットされた４台のカセット１４４との間でウエハＷの出し入れをすることができる。また、大気搬送室１４０に隣接してアライメントチャンバー１４７が設けられており、ここでウエハＷのアライメントが行なわれる。また、半導体製造装置２００の各構成部は、ＣＰＵを備えたプロセスコントローラ５０により制御される構成となっている。
【００２２】
なお、図１の半導体製造装置２００では、例えば、プラズマ処理装置１００でＳｉＯ２膜を形成した後、真空状態で連結されたプラズマ処理装置１０１へ搬送し、そこでＳｉＯ２膜を表面窒化することが可能であり、またプラズマ処理装置１００およびプラズマ処理装置１０１でそれぞれ別々にＳｉＯ２膜形成と該ＳｉＯ２膜への窒化処理までを同一装置内で連続して行ってもよい。
【００２３】
図２は、プラズマ処理装置１００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おり、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。
【００２４】
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ー１を有している。チャンバー１の底壁１ａの略中央部には円形の開口部１０が形成されており、底壁１ａにはこの開口部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。
【００２５】
チャンバー１内には被処理体であるウエハＷを水平に支持するためのＡｌＮ等のセラミックスからなるサセプタ２が設けられている。このサセプタ２は、排気室１１の底部中央から上方に延びる円筒状のＡｌＮ等のセラミックスからなる支持部材３により支持されている。サセプタ２の外縁部にはウエハＷをガイドするためのガイドリング４が設けられている。また、サセプタ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６から給電されることによりサセプタ２を加熱して、その熱で被処理体であるウエハＷを加熱する。このとき、例えば室温から１０００℃までの範囲で温度制御可能となっている。なお、チャンバー１の内周には、石英からなる円筒状のライナー７が設けられている。
【００２６】
サセプタ２には、ウエハＷを支持して昇降させるためのウエハ支持ピン（図示せず）がサセプタ２の表面に対して突没可能に設けられている。
【００２７】
サセプタ２の上方には、プラズマ中の活性種（イオン、ラジカルなど）のエネルギーを減衰させて通過させるための複数の貫通孔を有するプレート６０が配備されている。このプレート６０は、例えば石英や、サファイヤ、ＳｉＮ、ＳｉＣ、Ａｌ２Ｏ３、ＡｌＮ等のセラミックスの誘電体や、シリコン単結晶、ポリシリコン、アモルファスシリコン等により構成されている。なお、本実施形態では石英を使用している。そして、プレート６０は、その外周部が、チャンバー１内のライナー７から内側に向けて全周にわたって突起した支持部７０と係合することにより支持されている。なお、このプレート６０は、プラズマ中の活性種のエネルギーを減衰させるように作用するものであるが、形成する酸化膜の膜厚が５ｎｍを超える場合などには配備しなくてもよい。
【００２８】
プレート６０の取付け位置は、ウエハＷに近接した位置が好ましく、プレート６０の下端とウエハＷとの距離は、例えば３〜２０ｍｍが好ましく、１０ｍｍ程度とすることがより好ましい。この場合、プレート６０の上端と透過板２８（後述）の下端との距離は、例えば２０〜５０ｍｍが好ましい。
【００２９】
プレート６０には、複数の貫通孔６０ａが形成されている。図３は、プレート６０の詳細を示す図面であり、（ａ）は、プレート６０を上から見た状態を示しており、（ｂ）は、プレート６０の要部断面を示している。
【００３０】
プレート６０の貫通孔６０ａは、図３（ａ）中、破線で示すウエハＷの載置領域に対して貫通孔６０ａの配設領域が若干大きくなるように略均等に配置されている。具体的には、例えば図３（ａ）では、３００ｍｍ径のウエハＷに対して貫通孔６０ａの配置領域の外延を結ぶ円の直径に相当する長さＬが、ウエハＷの周縁より、略５〜３０ｍｍ外側に拡大して貫通孔６０ａが配設されている。なお、貫通孔６０ａをプレート６０の全面に配設することもできる。
【００３１】
貫通孔６０ａの径Ｄ１は、任意に設定することが可能であり、例えば、２．５ｍｍ、５ｍｍまたは１０ｍｍ程度に設定されている。プレート６０内で貫通孔６０ａの位置により孔の大きさを変化させてもよく、また、貫通孔６０ａの配置も、例えば同心円状、放射状、螺旋状等の任意の配列を選択できる。なお、プレート６０の厚さ（Ｔ１）は、例えば２〜２０ｍｍ程度が好ましく、３〜８ｍｍ程度に設定することがより好ましい。
【００３２】
このプレート６０は、プラズマ中のイオンなどの活性種のエネルギーを減衰させるエネルギー減衰手段として作用するものである。
すなわち、誘電体のプレート６０を配備することにより、主にプラズマ中のラジカルを通過させ、イオンのエネルギーを減衰させることが可能になる。この目的の為には、後述するように、プレート６０の貫通孔６０ａの開口面積、貫通孔６０ａの径Ｄ１、さらには貫通孔６０ａの形状や配置、プレート６０の厚さＴ１（つまり、壁６０ｂの高さ）、プレート６０の設置位置（ウエハＷからの距離）などを総合的に考慮することが好ましい。その一例として、貫通孔６０ａの孔径を２．５〜１２ｍｍとした場合、プレート６０上のウエハＷに対応する領域内で、ウエハＷの面積に対する貫通孔６０ａの合計の開口面積比率が１０〜５０％となるようにすることが好ましい。
【００３３】
チャンバー１の側壁には環状をなすガス導入部材１５が設けられており、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、ガス導入部材はシャワー状に配置してもよい。このガス供給系１６は、例えばＡｒガス供給源１７、Ｏ２ガス供給源１８を有しており、これらガスが、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からチャンバー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。なお、前記Ａｒガスに代えて、Ｋｒ、Ｘｅ、Ｈｅなどの希ガスを用いることもできる。
【００３４】
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が接続されている。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ー１内のガスが、排気室１１の空間１１ａ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ー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。
【００３５】
チャンバー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）との間でウエハＷの搬入出を行なうための搬入出口２５と、この搬入出口２５を開閉するゲートバルブ２６とが設けられている。
【００３６】
チャンバー１の上部は開口部となっており、この開口部の周縁部に沿ってリング状の支持部２７が設けられており、この支持部２７に誘電体、例えば石英やＡｌ２Ｏ３、ＡｌＮ等のセラミックスからなり、マイクロ波を透過する透過板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、チャンバー１内は気密に保持される。
【００３７】
透過板２８の上方には、サセプタ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はチャンバー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ッキされた銅板またはアルミニウム板などの導電性材料からなり、マイクロ波を放射するための多数のスロット孔３２が所定のパターンで貫通して形成された構成となっている。スロット孔３２は、例えば図４に示すように長溝状をなし、典型的には隣接するスロット孔３２同士が「Ｔ」字状に配置され、これら複数のスロット孔３２が同心円状に配置されている。スロット孔３２の長さや配列間隔は、マイクロ波の波長（λｇ）に応じて決定され、例えばスロット孔３２の間隔は、１／２λｇまたはλｇとなるように配置される。なお、図４において、同心円状に形成された隣接するスロット孔３２同士の間隔をΔｒで示している。また、スロット孔３２は、円形状、円弧状等の他の形状であってもよい。さらに、スロット孔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もできる。
【００３８】
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、例えばポリテトラフルオロエチレン等のフッ素系樹脂やポリイミド系樹脂により構成されており、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、平面アンテナ部材３１と透過板２８との間、また、遅波材３３と平面アンテナ３１との間は、それぞれ密着させても離間させてもよい。
【００３９】
チャンバー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からなるシールド蓋体３４が設けられている。また、シールド蓋体３４は、導波路の一部として機能し、マイクロ波を均一に伝搬させる。チャンバー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。
【００４０】
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。
【００４１】
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との間のモード変換器４０は、矩形導波管３７ｂ内をＴＥモードで伝播するマイクロ波を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。
【００４２】
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なうキーボードや、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からなるユーザーインターフェース５１が接続されている。
【００４３】
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（ソフトウエア）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。
【００４４】
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。
【００４５】
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、例えば図５の（ａ）〜（ｂ）に示す手順でウエハＷのシリコン層１１１を酸化してシリコン酸化膜１１３を形成する処理を行なうことができる。また、さらに、図５の（ｃ）〜（ｄ）に示すように、形成されたシリコン酸化膜１１３の表面をさらに窒化処理して、シリコン酸窒化膜を有するゲート絶縁膜１１４を形成することもできる。
【００４６】
まず、シリコン酸化膜の形成では、ゲートバルブ２６を開にして搬入出口２５からシリコン層を有するウエハＷをチャンバー１内に搬入し、サセプタ２上に載置する。そして、ガス供給系１６のＡｒガス供給源１７およびＯ２ガス供給源１８から、Ａｒガス、Ｏ２ガスを所定の流量でガス導入部材１５を介してチャンバー１内に導入する。
【００４７】
具体的には、例えばＡｒなどの希ガス流量を２００〜３０００ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）、Ｏ２ガス流量を１〜６００ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）に設定し、チャンバー内を１．３３〜１３３３Ｐａ（１０ｍＴｏｒｒ〜１０Ｔｏｒｒ）、好ましくは２６．６〜４００Ｐａ（２００ｍＴｏｒｒ〜３Ｔｏｒｒ）の処理圧力に調整し、ウエハＷの温度を６００℃超１０００℃以下、好ましくは７００℃超１０００℃以下、より好ましくは７００℃超９００℃以下に加熱する。この際、ＡｒとＯ２との流量比は２０００：１〜５：１程度とすることが好ましい。
【００４８】
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を順次伝搬させて平面アンテナ部材３１に供給し、平面アンテナ部材３１のスロットから透過板２８を介してチャンバー１内に放射させる。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換器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。平面アンテナ部材３１から透過板２８を経てチャンバー１に放射されたマイクロ波によりチャンバー１内で電磁界が形成され、ＡｒガスとＯ２ガスがプラズマ化する。この酸素含有プラズマにより、図５（ａ）に示すようにウエハＷのシリコン層１１１を処理する。この際、マイクロ波発生装置３９のパワーは、０．５〜５ｋＷとすることが好ましく、１〜３ｋＷとすることがより好ましい。
【００４９】
このマイクロ波プラズマは、マイクロ波が平面アンテナ部材３１の多数のスロット孔３２から放射されることにより、略１×１０１０〜５×１０１２／ｃｍ３の高密度で、かつウエハ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が、プレート６０を設けたことにより、プレート６０の上に形成されるプラズマがウエハＷ側へ通過する際に、プラズマ中の活性種（イオン等）のエネルギーを減衰せしめ、プレート６０の下方側では電子温度が１ｅＶ以下、ウエハＷの近傍では０．７ｅＶ以下のマイルドなプラズマが生成されることとなり、プラズマダメージをよりいっそう低減することができる。そして、プラズマ中の活性種、主として酸素ラジカル（Ｏ＊）などの作用によってシリコン中に酸素が導入されてＳｉ−Ｏ結合が形成され、図５（ｂ）に示すように良質なシリコン酸化膜１１３が成膜される。このように、プラズマ処理装置１００を用い、６００℃超の温度でプラズマ処理を行なうことにより、０．２〜１０ｎｍの膜厚範囲で緻密で良質なシリコン酸化膜（ゲート絶縁膜）を形成することが可能であり、好ましくは、０．５〜２．０ｎｍ、より好ましくは０．８〜１．２ｎｍの薄い膜厚での形成が可能である。
【００５０】
ここで、プラズマ処理装置１００で行われるプラズマ酸化処理のより具体的な手順について説明する。まず、ウエハＷをチャンバー１内に搬入した後、第１のステップとして、ウエハ支持ピン（不図示）を上昇させ、サセプタ２から突出させた状態でウエハＷを支持しながら、プレヒートを実施する。このプレヒートは、チャンバー１内の圧力を例えば２６６．６Ｐａ（２Ｔｏｒｒ）とし、Ａｒガス供給源１７からＡｒガスを２０００ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）の流量で導入しながら約２０秒程度実施する。
【００５１】
次に、第２ステップでは、ウエハ支持ピン（不図示）を下降させてウエハＷをサセプタ２に載置し、Ａｒガスを２０００ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）の流量で導入しながらチャンバー１内を引き切り状態とし、約７０秒間かけて、さらにプレヒートを続ける。以上の第１ステップおよび第２ステップのプレヒート処理を行うことにより、例えば８００℃の高温でウエハＷを処理する際に、急激な昇温によってウエハＷに歪みが生じることを防止できる。プレヒート処理は、処理温度と同じ温度に達するまで行なうことが好ましい。
【００５２】
第３ステップでは、Ａｒガスの流量を維持したままＯ２ガス供給源１８よりＯ２ガスを１０ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）の流量で導入し、チャンバー１内の圧力を６７．７Ｐａ（５００ｍＴｏｒｒ）に調節する。この状態で約２０秒間維持することにより、ガス流量を安定化させる。
【００５３】
次に、第４ステップでは、圧力およびガス流量を維持したまま、マイクロ波発生装置３９により、例えば出力２ｋＷでマイクロ波を発生させ、前記のようにマッチング回路３８、導波管３７および平面アンテナ部材３１等を介してチャンバー１内に導入することによりプラズマを励起させ、例えば１０〜５０秒間程度の時間でウエハＷに対してプラズマ酸化処理を実施する。
【００５４】
第５ステップでは、マイクロ波を停止し、圧力およびガス流量を約３秒間程度維持した状態でプラズマの終了処理を行う。以上の第１〜第５のステップの処理を実施することにより、１枚のウエハＷに対して、プラズマ処理装置１００におけるプラズマ酸化処理が完了する。
【００５５】
本発明においては、以上のようにして形成された良質なシリコン酸化膜１１３を半導体素子のゲート絶縁膜として使用することが可能である。また、ゲート絶縁膜１１４として使用する場合に、シリコン酸化膜１１３を窒化処理してシリコン酸化膜１１３の表面側にシリコン窒化膜を形成することも可能である。窒化処理は、同一チャンバー内、つまり図２のプラズマ処理装置１００内に、引き続き窒素含有ガスを導入して実施することも可能であるが、チャンバー１内が酸化雰囲気にあると、窒化処理に影響を与えることがあるので、別チャンバーにウエハＷを移して行なうことが好ましい。別チャンバーでの窒化処理の際には、例えば図６に示すプラズマ処理装置１０１を用いることができる。このプラズマ処理装置１０１は、ＲＬＳＡ方式のプラズマ処理装置であり、ガス供給系を除けば基本的な構成は図２のプラズマ処理装置１００と同様であるため、同一の構成には同一の符号を付して説明を省略する。
【００５６】
図６のプラズマ処理装置１０１では、Ｎ２ガス供給源１９を備えており、ここからＮ２ガスを供給できるように構成されている。窒化処理における処理ガスとしては、Ｎ２ガスに代えて、例えばＮＨ３ガス、Ｎ２とＨ２との混合ガスなどを用いることもできる。また、Ａｒガスに代えて、Ｋｒ、Ｘｅ、Ｈｅなどの希ガスを用いることもできる。
【００５７】
プラズマ処理装置１０１を用いる窒化処理の条件は特に限定されるものではなく、例えばＡｒなどの希ガス流量を１００〜３０００ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）、Ｎ２ガス流量を１０〜１０００ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）に設定し、チャンバー内を１．３〜１３３３Ｐａ（１０ｍＴｏｒｒ〜１０Ｔｏｒｒ）の処理圧力に調整し、ウエハＷの温度を３００〜５００℃に加熱する。また、マイクロ波発生装置３９のパワーは、０．５〜５ｋＷとすることが好ましい。
【００５８】
以上のような条件で、図５（ｃ）に示すようにプラズマ窒化処理を行うことによって、シリコン酸化膜１１３の表面付近にシリコン窒化膜（ＳｉＯＮ膜）を形成することができる。
【００５９】
なお、図６のプラズマ処理装置１０１においても、プレート６０を配設せずに窒化処理を行なうことができるが、プラズマ中の窒素イオンのエネルギーを減衰させるため、貫通孔６０ａを有するプレート６０を用いることが好ましい。これにより、プラズマダメージを抑制することができる。
【００６０】
以上の窒化処理では、ゲート絶縁膜１１４を含むトランジスタにおいてリーク電流を抑制する観点から、形成されるＳｉＯＮ膜中のＮ濃度を１〜２５％にすることが好ましく、５〜１５％がより好ましく、８〜１２％が望ましい。さらに、本実施形態ではプラズマ窒化処理の際に、窒素濃度分布をゲート酸化膜の表面側に高濃度で均一に分布させ、シリコン基板との界面付近には窒素が分布しないＳｉＯＮ膜を形成する制御が可能である。
【００６１】
窒化処理の後は、必要によりアニール処理を行なうことができる。この窒化後アニール処理は、例えばＲＴＰ（Rapid Thermal Process）装置等を用い、低酸素分圧またはＮ２、Ａｒなどの不活性ガス雰囲気で、圧力１３３．３Ｐａ（１Ｔｏｒｒ）、ウエハＷ温度１０００℃以上で、１０〜３０秒間程度の短時間加熱をすることによって実施できる。これにより絶縁膜の膜質向上および窒素抜けを抑制して安定な絶縁膜が形成される。
以上のような各工程を実施することにより、ゲート絶縁膜１１４を製造できる［図５（ｄ）］。
【００６２】
本発明方法は、ＭＯＳトランジスタなどの半導体装置の製造過程で使用することができ、例えば図７（ａ）〜（ｃ）に示すようなゲート電極構造を有する半導体装置の製造に適用することができる。なお、図７においては、素子分離領域、ゲート電極側壁の酸化膜、サイドウォールなどは図示を省略している。
【００６３】
図７（ａ）および（ｂ）は、ポリメタルゲートを有する半導体装置の例である。図７（ａ）は、Ｓｉ基板１１１上に本発明方法により、シリコン酸化膜（ＳｉＯ２膜）またはシリコン酸窒化膜（ＳｉＯＮ膜）のゲート絶縁膜１１４が形成され、さらにゲート電極としてポリシリコン層１１５およびタングステンシリサイド（ＷＳｉ）層１１６を積層したタングステンポリサイド構造である。図７（ｂ）は、本発明方法によりＳｉ基板１１１上にＳｉＯ２膜またはＳｉＯＮ膜のゲート絶縁膜１１４が形成され、さらにゲート電極としてポリシリコン層１１５、タングステンナイトライド（ＷＮ）などのバリア層１１８およびタングステン層１１９を積層したタングステンポリメタル構造である。図７（ｃ）は、Ｓｉ基板１１１上にＳｉＯ２膜またはＳｉＯＮ膜のゲート絶縁膜１１４が形成され、その上にタングステンナイトライド（ＷＮ）などのバリア層１１８、タングステン層１１９を積層したタングステンメタルゲート構造である。
【００６４】
なお、図７（ａ）では、金属シリサイド層としてタングステンシリサイド層１１６、図７（ｂ）、（ｃ）では、金属層としてタングステン層１１９を挙げたが、金属シリサイド層や金属層の構成金属としては、例えば銅、白金、チタン、Ｍｏ、Ｎｉ、Ｃｏなどの他の金属であってもよい。
【００６５】
次に、図７（ｂ）に示すゲート電極構造を例に挙げ、その作製手順を示すと、まず、ＤＨＦ（希フッ酸）洗浄して清浄面を有するＳｉ基板１１１に、Ｐ＋またはＮ＋をドープしてウエル領域（拡散領域）を形成し、次いで図２に示すプラズマ処理装置１００を用いて、前述の条件に従い７００℃超の温度でプラズマ酸化処理してＳｉ基板表面にＳｉＯ２膜を形成し、好ましくはその後、図６に示すプラズマ処理装置１０１を用いて前記条件でＳｉＯ２膜表面をプラズマ窒化処理してＳｉＯＮ膜を形成し、必要に応じて窒素などの不活性雰囲気下、１０００℃程度の温度でアニールをしてゲート絶縁膜１１４を作製する。
【００６６】
次に、ゲート絶縁膜１１４上に、例えばＣＶＤによりポリシリコン層１１５を成膜し、その上にバリア層１１８を成膜し、さらに高融点電極材料であるタングステンによりタングステン層１１９を形成する。タングステン層１１９の形成には、例えばＣＶＤ法やスパッタ法が利用できる。なお、この例では、バリア層１１８としてタングステンナイトライドを用いている。
【００６７】
タングステン層１１９の上には、窒化シリコンなどのハードマスク層（図示せず）を形成し、さらにフォトレジスト膜（図示せず）を形成しておく。そして、フォトリソグラフィー技術によりフォトレジスト膜をマスクとしてハードマスク層をエッチングし、さらにフォトレジスト膜＋ハードマスク層、またはハードマスク層をマスクとしてタングステン層１１９、バリア層１１８、ポリシリコン層１１５を順次エッチングする。この間、必要なタイミングでアッシングや洗浄を行ない、最後にサイドウォール（不図示）を形成することによってゲート電極が形成される。このようにして形成されたゲート電極を用いることにより、リーク電流が小さく、駆動電流が大きな良質なトランジスタを製造することができる。
【００６８】
次に、本発明の効果を確認した試験結果について、図８および図９を参照しながら説明を行なう。
【００６９】
実施例１
（本発明の高温プラズマ酸化処理による酸化膜；８００℃）
プラズマ処理装置１００を用い、Ｓｉ基板１１１に酸化膜を形成して膜厚１．０ｎｍのゲート絶縁膜１１４を形成した（窒化処理は行なっていない）。この本発明方法により形成したゲート絶縁膜１１４を用い、図７（ａ）と同様の構造のゲート電極を形成してトランジスタを製造した。
【００７０】
酸化処理工程におけるプラズマ処理の条件は、プレート６０として、貫通孔６０ａの直径が２．５ｍｍのものを用い、処理ガスとしてＡｒ／Ｏ２を用い、流量２０００／１０［ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）］とし、ウエハ温度は８００℃、圧力は６６．７Ｐａ（５００ｍＴｏｒｒ）とし、プラズマへの供給パワーは２．０ｋＷ、処理時間７秒で行なった。
【００７１】
比較例１
（低温プラズマ酸化処理による酸化膜；４００℃）
酸化処理工程の温度を４００℃とした以外は、実施例１と同様にして成膜した膜厚１．０ｎｍの酸化膜をゲート絶縁膜１１４として用い、実施例１と同様にしてゲート電極を形成し、トランジスタを製造した。
【００７２】
比較例２
（ＷＶＧ熱酸化処理による酸化膜；８００℃）
ＷＶＧ（Water Vapor Generator）を配備した酸化炉を用いて８００℃で成膜した膜厚１．０ｎｍの熱酸化膜をゲート絶縁膜１１４として用いた以外は、実施例１と同様にしてゲート電極を形成し、トランジスタを製造した。
【００７３】
これらのトランジスタのＧｍ（伝達コンダクタンス）を測定した結果を図８に示した。なお、図８の縦軸は、酸化膜の電気容量Ｃｏｘに対するＧｍ（Ｇｍ／Ｃｏｘ）であり、横軸は、有効電界を示す。
【００７４】
図８より、プラズマ処理装置１００を用い、本発明の高温（８００℃）で酸化処理して得られたゲート絶縁膜１１４を用いた実施例１のトランジスタは、４００℃でのプラズマ酸化処理（比較例１）や、熱酸化処理（比較例２）により得られたゲート絶縁膜１１４を用いたトランジスタに比較して、高電界側でＧｍの値が高く、良好な電気的特性を示すことが確認された。すなわち、高電界側でのＧｍ値が高い実施例１のトランジスタは、電子の移動度（モビリティ）が大きく、電流利得が向上しているため、高速・安定な性質を有するトランジスタである。
【００７５】
実施例１のトランジスタが高電界側で高いＧｍ値を示す理由は、プラズマ処理装置１００を用いて６００℃超の高温でシリコンを酸化処理することによって形成されたゲート絶縁膜１１４は、ＳｉＯ２／Ｓｉ界面のラフネスが小さいために、界面ラフネス散乱が抑制されているためであると推測される。
【００７６】
実施例２
（高温プラズマ酸化処理による酸化膜；８００℃）
プラズマ処理装置１００を用い、１％ＤＨＦ溶液で洗浄したＳｉ基板１１１表面に酸化膜を形成し、さらにこの酸化膜を図６に示すプラズマ処理装置１０１を用いて窒化処理し、さらに窒化後アニール処理を行なってゲート絶縁膜１１４を形成した。このゲート絶縁膜１１４を用い、図７（ａ）に示す構造のゲート電極を形成し、トランジスタを製造した。ゲート絶縁膜１１４の膜厚は約１ｎｍとした。
【００７７】
酸化処理工程におけるプラズマ処理の条件は、プレート６０として、貫通孔６０ａの直径が２．５ｍｍのものを用い、処理ガスとしてＡｒ／Ｏ２を用い、流量２０００／１０［ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）］とし、ウエハ温度８００℃、圧力は６６．７Ｐａ（５００ｍＴｏｒｒ）とし、プラズマへの供給パワーは２．０ｋＷ、処理時間７秒で行なった。
【００７８】
また、窒化処理工程におけるプラズマ処理の条件は、プレート６０として、貫通孔６０ａの直径が１０ｍｍのものを用い、処理ガスとしてＡｒ／Ｎ２を用い、流量を２０００／４０［ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）］とし、ウエハ温度４００℃、圧力は６．７Ｐａ（５０ｍＴｏｒｒ）とし、プラズマへの供給パワーは１．５ｋＷとした。窒化処理は、ＳｉＯＮ膜中の窒素濃度が６％、１１％または１３％となるように処理時間８秒、１７.５秒または２４秒に制御して行なった。
【００７９】
窒化後アニール処理における条件は、ＲＴＰ（Rapid Thermal Process）装置を用いてＯ２／Ｎ２＝１／１［Ｌ／ｍｉｎ（ｓｌｍ）］、圧力１３３．３Ｐａ（１Ｔｏｒｒ）、ウエハＷ温度１０００℃で２０秒間かけて実施した。
【００８０】
また、比較のため、以下の方法で製造したトランジスタについても試験を行なった。
比較例３
（低温プラズマ酸化処理による酸化膜；４００℃）
プラズマ酸化処理の処理温度を４００℃にした以外は実施例２と同様にしてゲート絶縁膜１１４を形成し、トランジスタを製造した。
【００８１】
比較例４：
（ＷＶＧ熱酸化処理による酸化膜；８００℃）
ＷＶＧ（Water Vapor Generator）を配備した酸化炉を用い、８００℃で成膜した熱酸化膜に対し、実施例２と同様に、プラズマ処理装置１０１を用いて窒化処理し、さらに窒化後アニール処理を行なってゲート絶縁膜１１４を形成し、トランジスタを製造した。
【００８２】
比較例５：
（ＲＴＰ熱酸化処理による酸化膜；１０００℃）
ＲＴＰ（Rapid Thermal Process）装置で、Ｏ２／Ｎ２＝１／１［Ｌ／ｍｉｎ（ｓｌｍ）］を用いて圧力１３３．３Ｐａ（１Ｔｏｒｒ）、温度１０００℃で５秒間、熱酸化処理して成膜した熱酸化膜に対し、プラズマ処理装置１０１を用いて上記実施例２と同様の条件で窒化処理した後、さらに窒化後アニール処理を行なってゲート絶縁膜１１４を形成し、トランジスタを製造した。
【００８３】
これらのトランジスタについて、Ｉｏｎ−Ｊｇプロットを作成した。その結果を図９に示した。図９の縦軸は、しきい値電圧＋０．７ＶにおけるＩｏｎであり、この値は比較例４（ＷＶＧ熱酸化処理；８００℃）のゲート絶縁膜１１４のＩｏｎで規格化した。横軸は、閾値電圧＋０．７ＶにおけるＪｇであり、同様に比較例４のＪｇで規格化した値を示している。なお、Ｉｏｎは、オン電流（＝駆動電流）を意味し、Ｊｇは、ゲート絶縁膜１１４を介して流れる単位面積当りのリーク電流を意味する。従って、図９のグラフの左上にいくほどリーク電流が少なく、駆動電流が大きくなるので、トランジスタの電流駆動能力が優れていることを示している。
なお、図９中、「６％」、「１１％」、「１３％」の文字は、ゲート絶縁膜１１４中のＮ濃度を示す。
【００８４】
図９の結果から、プラズマ処理装置１００を用いて８００℃の高温でプラズマ酸化処理した酸化膜（ＳｉＯ２）をベースにした酸窒化膜（ＳｉＯＮ）のゲート絶縁膜１１４を有する実施例２のトランジスタは、プラズマ処理装置１００を用いて４００℃の低温でプラズマ酸化処理して得た酸化膜や、ＷＶＧ熱酸化処理およびＲＴＰ熱酸化処理による熱酸化膜をベースにしたゲート絶縁膜１１４を使用した場合（比較例３〜５）に比べ、優れた電流駆動能力を有することが示された。これはベースとなった酸化膜の膜質の差がこのような電流駆動能力の差となって現れたものと考えられる。本実施例では、８００℃でプラズマ酸化処理を行ったが、本発明方法により６００℃超の処理温度で酸化処理して形成された酸化膜をベースにして形成されたゲート絶縁膜１１４を備えたトランジスタは、モビリティ性能に優れ、応答速度が高く、省電力化が可能なものであることが示された。なお、酸窒化膜中のＮ濃度は１〜２５％の範囲とすることが好ましい。
【００８５】
また、プラズマ処理装置１００を用い８００℃で酸化処理して得た酸化膜をベースとしたゲート絶縁膜１１４は、１ｎｍ程度の薄膜であっても、これを用いたトランジスタにおいて、リーク電流を抑制しつつ、熱酸化膜に比べて高い電流駆動能力を示したことから、トランジスタの性能が向上に寄与できることが確認された。従って、本発明方法により、０．２〜１０ｎｍの膜厚（好ましくは、０．５〜２．０ｎｍ、より好ましくは０．８〜１．２ｎｍの薄い膜厚）で良質なゲート絶縁膜１１４を形成できることが示された。
【００８６】
次に、プラズマ処理装置１００を用いたプラズマ酸化処理において、プレート６０の貫通孔６０ａの孔径が酸化膜厚に与える影響について試験した結果を、図１０〜図１２を参照しつつ説明する。ここでは、プレート６０として、貫通孔６０ａの孔径１０ｍｍのプレート（孔の数６２６個）、貫通孔６０ａの孔径５ｍｍのプレート（孔の数６２９個）、貫通孔６０ａの孔径２．５ｍｍのプレート（孔の数２７０１個）の三種類を準備した。また、プレート６０を使用しない場合についてもプラズマ酸化処理を実施した。
【００８７】
プラズマ酸化処理における条件は、処理ガスとしてＡｒ／Ｏ２を流量比１０００／５［ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）］とし、ウエハ温度８００℃、圧力は６６．７Ｐａ（５００ｍＴｏｒｒ）とし、プラズマへの供給パワーは２．０ｋＷ、処理時間５〜６０秒で変化させて実施し、そのときの酸化膜厚を測定した。
【００８８】
図１０から、プレート不使用の場合には、酸化レートが高く、短時間で酸化膜が形成されている。なお、この酸化膜は、良質で均一な酸化膜であった。
一方、プレート６０を使用することによって、プレート６０を使用しない場合に比較して酸化膜の成長が抑制されていることが理解される。また、プレート６０を使用した場合には、孔径が小さくなるに従い酸化膜の成長速度（酸化レート）が抑制されている。図１１は、図１０のグラフを酸化膜厚０．５ｎｍ〜２．０ｎｍの範囲に絞って拡大したものである。この図１１から、プレート６０の孔径を５ｍｍおよび２．５ｍｍとすることが目的の０．５ｎｍ〜１．５ｎｍ以下の薄膜形成において有効であることがわかる。また、特に孔径が５ｍｍのプレート６０を用いることにより、８００℃の高温処理においても、処理時間を１０秒〜３５秒の間で変化させるだけでほぼ０．８ｎｍ〜１．２ｎｍの範囲で酸化膜厚を高速で制御でき、短時間に均一かつ緻密で高品質の酸化膜を形成できることが示された。
【００８９】
図１２に、孔径５ｍｍのプレート６０を配備したプラズマ処理装置１００を用い、５０００枚のウエハＷに対してプラズマ酸化処理のランニング試験を実施した場合のウエハＷの面間の膜厚変化を示す。本試験では、処理ガスとしてＡｒ／Ｏ２を流量比１０００／５［ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）］とし、ウエハ温度８００℃、圧力は６６．７Ｐａ（５００ｍＴｏｒｒ）とし、プラズマへの供給パワーは２．０ｋＷ、処理時間１０秒で実施した。目標とする酸化膜厚は、０．８ｎｍ〜１．２ｎｍの薄膜に設定した。図１２から、０．５ｎｍ〜２．０ｎｍの薄膜形成において、８００℃の高温処理でも再現性よく酸化膜を形成できることが示された。このランニング試験における平均膜厚は、０．８３０９ｎｍ、膜厚の面間均一性は０．６２１％Ｓｉｇｍａであった。これは、プレート６０を配備してイオンの量を制御することによって、ウエハＷの表面付近でプラズマ中の活性種が均一化されたためであると推測される。
【００９０】
表１は、配備したプラズマ処理装置１００を用い、ウエハＷに対してプラズマ酸化処理を実施した場合のウエハＷ面内の膜厚均一性を、単波長エリプソメーターを用いて測定した結果を示している。プラズマ酸化処理の条件は、上記ランニング試験と同様とした。表１中、区分Ａは孔径２．５ｍｍのプレート６０を使用し、目標膜厚を１．０ｎｍに設定した場合の面内均一性を示しており、区分Ｂは同様に孔径２．５ｍｍのプレート６０を使用し、目標膜厚を１．２ｎｍに設定した場合の面内均一性を示している。また、区分Ｃは、孔径１０ｍｍのプレート６０を使用し、目標膜厚を１．７ｎｍに設定した場合の面内均一性を示している。また、図中σは膜厚の標準偏差を意味しており、σ／平均膜厚は標準偏差を平均膜厚（ｎｍ）で規格化した値を示すものである。
【００９１】
【表１】
2006310736.tif 000003
【００９２】
表１から、プレート６０を使用することにより、ウエハＷの面内においても酸化膜厚の均一性が十分に得られることが確認された。
【００９３】
次に、プラズマ処理装置１００を用い、下記の方法で成膜したシリコン酸化膜に対し、エッチング耐性、界面ラフネス、アルゴン濃度、膜密度の測定を行った。
＜シリコン酸化膜形成方法＞
ＷＶＧ熱酸化処理：  ９００℃で行った。
プラズマ酸化処理：  処理ガスとしてＡｒとＯ２を流量比Ａｒ／Ｏ２＝１０００／１０［ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）］で用い、マイクロ波出力２０００Ｗ、処理圧力２６．６Ｐａ、６６．７Ｐａまたは５３３．３Ｐａ、処理温度４００℃、６００℃、７００℃または８００℃で実施した。
【００９４】
＜エッチング耐性＞
エッチング耐性は、各シリコン酸化膜に対して、０．５％濃度（純水／５０％ＨＦ＝１００／１）の希フッ酸（ＨＦ）を用いて３０秒間のウエットエッチング処理を行い、エッチング前後の膜厚をエリプソメーターによって測定し、エッチングレートを算出することにより評価した。
【００９５】
エッチング耐性の測定結果を図１３に示した。なお、図１３の縦軸はエッチングレートを規格化して示している。この図１３より、ＷＶＧ熱酸化処理によって形成したシリコン酸化膜や４００℃のプラズマ酸化処理によって形成したシリコン酸化膜に比べて、８００℃のプラズマ酸化処理によって形成したシリコン酸化膜は、エッチング耐性に優れていることが示された。よって、８００℃の高温プラズマ酸化処理によって形成されたシリコン酸化膜は、緻密で良好な膜質であることが確認された。
【００９６】
＜界面ラフネス＞
界面ラフネス（Ｒａ）は、シリコン酸化膜が形成されたウエハＷを０．５％希フッ酸溶液に浸漬し、シリコン酸化膜（ＳｉＯ２）を除去した後、表面粗さ計を用いて露出したシリコン界面のラフネスを計測した。その結果を図１４に示した。この図１４より、８００℃の高温プラズマ酸化処理（処理圧力２６．６Ｐａ）によって形成したシリコン酸化膜とシリコンとの界面は、４００℃の低温プラズマ酸化処理（処理圧力２６．６Ｐａ）やＷＶＧ熱酸化処理（９００℃）で形成したシリコン酸化膜とシリコンとの界面に比較して、界面ラフネスが小さく良好であることが確認された。このように小さな界面ラフネスは、リーク電流の抑制に寄与する。
【００９７】
＜アルゴン濃度＞
各シリコン酸化膜のアルゴン濃度は、全反射Ｘ線蛍光分析（Ｔｒｅｘ）を用いて測定した。その結果、４００℃の処理温度（圧力２６．６Ｐａ）でプラズマ酸化処理を行うことにより形成したシリコン酸化膜中のアルゴン濃度は、７×１０１０［atoms/cm2］を超えていたのに対し、６００℃、７００℃および８００℃の処理温度（圧力はいずれも２６．６Ｐａ）でプラズマ酸化処理を行うことにより形成したシリコン酸化膜中のアルゴン濃度はいずれも１×１０１０［atoms/cm2］以下であり、ＷＶＧ熱酸化により形成したシリコン酸化膜と同レベル以下のアルゴン濃度であり、良好な膜質であることが確認された（結果は図示を省略）。
【００９８】
＜膜密度＞
膜密度の測定は、入射Ｘ線反射率測定法（ＧＩＸＲ）により行った。その結果を図１５に示す。この図１５より、４００℃の処理温度（圧力２６．６Ｐａ）でプラズマ酸化処理を行うことにより形成したシリコン酸化膜の膜密度に比べて、６００℃、７００℃および８００℃の処理温度（圧力はいずれも２６．６Ｐａ）でプラズマ酸化処理を行うことにより形成したシリコン酸化膜は明らかに高く、ＷＶＧ熱酸化処理により形成したシリコン酸化膜と同様の膜密度プロファイルであることが示された。
【００９９】
次に、種々の条件で形成したシリコン酸化膜およびシリコン窒化膜をゲート絶縁膜として使用してＮＭＯＳトランジスタを作成し、電気的特性を評価した。図１６は、ゲート絶縁膜の電気的膜厚（ＥＯＴ）と、しきい値電圧＋０．７ＶにおけるＩｏｎの関係を示し、図１７は、ゲート絶縁膜の電気的膜厚（ＥＯＴ）と伝達コンダクタンスの最大値（Ｇｍｍａｘ）との関係を示している。
【０１００】
図１６および図１７中の符号Ａ〜Ｎは、以下の試験区分を示している。
Ａ；ＷＶＧ熱酸化９００℃
Ｂ；ＷＶＧ熱酸化９００℃＋プラズマ窒化処理
Ｃ；プラズマ酸化４００℃，１０６．６Ｐａ（孔径１０ｍｍプレート使用）＋プラズマ窒化処理
Ｄ；プラズマ酸化８００℃，６６．７Ｐａ＋プラズマ窒化処理
Ｅ；プラズマ酸化４００℃，６６．７Ｐａ＋プラズマ窒化処理
Ｆ；プラズマ酸化８００℃，１０６．６Ｐａ（孔径１０ｍｍプレート使用）＋プラズマ窒化処理
Ｇ；プラズマ酸化６５０℃，１０６．６Ｐａ（孔径１０ｍｍプレート使用）＋プラズマ窒化処理
Ｈ；ＷＶＧ熱酸化９００℃
Ｉ；ＷＶＧ熱酸化９００℃＋プラズマ窒化処理
Ｊ；プラズマ酸化４００℃，１０６．６Ｐａ（孔径１０ｍｍプレート使用）＋プラズマ窒化処理
Ｋ；プラズマ酸化８００℃，６６．７Ｐａ＋プラズマ窒化処理
Ｌ；プラズマ酸化８００℃，１０６．６Ｐａ（孔径１０ｍｍプレート使用）＋プラズマ窒化処理
Ｍ；プラズマ酸化８００℃，１０６．６Ｐａ（孔径２．５ｍｍプレート使用）＋プラズマ窒化処理
Ｎ；プラズマ酸化６５０℃，１０６．６Ｐａ（孔径１０ｍｍプレート使用）＋プラズマ窒化処理
プラズマ酸化処理は、処理ガスとしてＡｒとＯ２を流量比Ａｒ／Ｏ２＝１０００／５［ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）］で用い、マイクロ波出力９００Ｗ、処理圧力６６．７Ｐａ（５００ｍＴｏｒｒ）または１０６．６Ｐａ（８００ｍＴｏｒｒ）、処理温度４００℃、６５０℃または８００℃で実施した。また、プラズマ窒化処理は、処理ガスとしてＡｒとＮ２を流量比Ａｒ／Ｎ２＝１０００／４０［ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）］で用い、マイクロ波出力１５００Ｗ、処理圧力６．７Ｐａ（５０ｍＴｏｒｒ）、処理温度４００℃で実施した。なお、プラズマ酸化処理後のプラズマ窒化処理は、図１のプラズマ処理装置内で引き続き実施した。
【０１０１】
図１６および図１７から、８００℃の高温でプラズマ酸化処理を行い、さらにプラズマ窒化処理を行って形成した酸窒化膜（ＳｉＯＮ膜）をゲート絶縁膜として用いた場合には、同じＥＯＴで比較した場合にＩｏｎおよびＧｍmaxともに、ＷＶＧ熱酸化処理によって形成したシリコン酸化膜（ＳｉＯ２）や、４００℃のプラズマ酸化処理後にプラズマ窒化処理を行って形成した酸窒化膜（ＳｉＯＮ膜）をゲート絶縁膜として用いた場合に比べて有意に高い値を示しており、電気的特性に優れていることが確認された。このことから、６００℃以上の高温プラズマ酸化処理によって形成したシリコン酸化膜やこれを窒化処理して形成したシリコン酸窒化膜は各種半導体装置に好適に利用できることが明らかとなった。
【０１０２】
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く、種々の変形が可能である。
たとえば、図２および図６では、周波数３００ＭＨｚ〜３００ＧＨｚのマイクロ波によりプラズマを励起させるマイクロ波プラズマ処理装置１００，１０１を用いたが、周波数３０ｋＨｚ〜３００ＭＨｚの高周波を用いてプラズマを励起させる高周波プラズマ処理装置を用いることもできる。
また、図２では、ＲＬＳＡ方式のプラズマ処理装置１００を例に挙げたが、例えばリモートプラズマ方式、ＩＣＰプラズマ方式、ＥＣＲプラズマ方式、表面反射波プラズマ方式、マグネトロンプラズマ方式等のプラズマ処理装置であってもよい。
【０１０３】
また、図２および図６では、プレート６０を１枚配備したが、必要に応じてプレートを二枚以上重ねて配備することもできる。貫通孔６０ａの開口面積やその比率などは、プラズマ処理の対象や処理条件等に応じて適宜調整することができる。
【０１０４】
また、図２のプラズマ処理装置１００において、ガス供給系１６として、Ａｒガス供給源１７およびＯ２ガス供給源１８に加え、Ｈ２ガス供給源（不図示）を設け、ＡｒガスとＯ２ガスに所定の流量比率でＨ２ガスを混合してプラズマ酸化処理を行うことも可能である。Ｈ２ガスを適量混合することによって、Ｓｉ基板１１１上の自然酸化膜を除去することが可能となり、良質なシリコン酸化膜１１３を形成できる。
【０１０５】
さらに、上記実施形態では、ＲＬＳＡ方式のプラズマ処理装置１０１を用いて窒化処理を行なったが、窒化処理に用いる装置や条件は限定されるものではなく、他の方式のプラズマ処理装置、例えばリモートプラズマ方式、ＩＣＰプラズマ方式、ＥＣＲプラズマ方式、表面反射波プラズマ方式、マグネトロンプラズマ方式等のプラズマ処理装置を用い、適宜の条件で実施できる。
【図面の簡単な説明】
【０１０６】
【図１】本発明の実施に好適に使用可能な半導体製造装置の一例を示す概略図である。
【図２】プラズマ酸化処理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３】プレートの説明に供する図面であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は要部断面図である。
【図４】平面アンテナ部材の説明に供する図面である。
【図５】ゲート絶縁膜の形成過程を示すウエハＷの断面構造の模式図である。
【図６】プラズマ窒化処理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７】トランジスタのゲート電極構造を示す模式図である。
【図８】トランジスタのＧｍ曲線を示すグラフである。
【図９】トランジスタのＩｏｎ−Ｊｇプロットを示すグラフである。
【図１０】酸化処理時間と膜厚との関係を示すグラフである。
【図１１】図１０を部分的に拡大した図面である。
【図１２】ランニング試験の結果を示すグラフである。
【図１３】エッチング耐性試験の結果を示すグラフである。
【図１４】界面ラフネスの測定結果を示すグラフである。
【図１５】膜密度の測定結果を示すグラフである。
【図１６】ＮＭＯＳトランジスタにおける電気的膜厚（ＥＯＴ）とＩｏｎとの関係を示すグラフである。
【図１７】ＮＭＯＳトランジスタにおける電気的膜厚（ＥＯＴ）とＧｍの最大値との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
【０１０７】
１；チャンバー
２；サセプタ
３；支持部材
５；ヒータ
１５；ガス導入部材
１６；ガス供給系
１７；Ａｒガス供給源
１８；Ｏ２ガス供給源
１９；Ｎ２ガス供給源
２３；排気管
２４；排気装置
２５；搬入出口
２６；ゲートバルブ
２７；支持部
２８；透過板
２９；シール部材
３１；平面アンテナ部材
３２；スロット孔
３７；導波管
３７ａ；同軸導波管
３７ｂ；矩形導波管
３９；マイクロ波発生装置
４０；モード変換器
５０；プロセスコントローラ
６０；プレート
６０ａ；貫通孔
６０ｂ；壁
１００；プラズマ処理装置
１０１；プラズマ処理装置
２００；半導体製造装置
Ｗ…ウエハ（基板）
【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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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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