(57)【要約】    【課題】  ゲート絶縁膜における良好な窒素濃度プロファイルにより、電気的特性（書込み・消去特性）に優れた半導体記憶装置及び、その製造方法を提供すること。    【解決手段】  本発明の第１の態様に係る半導体装置の製造方法は、半導体基板とゲート電極との間に形成されるゲート絶縁膜を介して電荷の受け渡しを行うことで動作する半導体記憶装置の製造方法において、予めプラズマ励起用ガスを用いて希釈した酸窒化種をプラズマ処理装置内に導入し、前記半導体基板上に前記ゲート絶縁膜として酸窒化膜を形成する工程を含み、前記酸窒化種は、前記プラズマ処理装置内に導入される全ガス量に対して０．００００１〜０．０１％のＮＯガスを含有する構成を採用している。  【選択図】  図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板とゲート電極との間に形成されるゲート絶縁膜を介して電荷の受け渡しを行うことで動作する半導体記憶装置の製造方法において、
予めプラズマ励起用ガスを用いて希釈した酸窒化種をプラズマ処理装置内に導入し、前記半導体基板上に前記ゲート絶縁膜として酸窒化膜を形成する工程を含み；
前記酸窒化種は、前記プラズマ処理装置内に導入される全ガス量に対して０．００００１〜０．０１％のＮＯガスを含有することを特徴とする半導体記憶装置の製造方法。
【請求項２】
前記ゲート絶縁膜は、前記半導体基板との第１界面及び、前記ゲート電極との第２界面に、０．０２〜０．５ atomic％ の窒素ピークを有することを特徴とする請求項１に記載の製造方法。
【請求項３】
前記酸窒化種は、前記プラズマ処理装置内に導入される全ガス量に対して０．００００１〜０．０００１％のＮＯガスを含有することを特徴とする請求項１又は２に記載の製造方法。
【請求項４】
前記酸窒化膜を形成する前に、前記半導体基板上に酸化膜を形成する工程を更に含むことを特徴とする請求項１，２又は３に記載の製造方法。
【請求項５】
前記酸窒化膜を形成した後に、前記ゲート絶縁膜に対してプラズマ窒化処理を施す工程を更に含むことを特徴とする請求項１，２，３又は４に記載の製造方法。
【請求項６】
半導体基板とゲート電極との間に形成されるゲート絶縁膜を介して電荷の受け渡しを行うことで動作する半導体記憶装置の製造方法において、
予めプラズマ励起用ガスを用いて希釈した酸窒化種をプラズマ処理装置内に導入し、前記半導体基板上に前記ゲート絶縁膜として酸窒化膜を形成する工程を含み；
前記酸窒化種に含まれる酸素ガス量とＮＯガス量との比（Ｏ：ＮＯ）が、１：０．０００００３〜１：０．００３であることを特徴とする半導体記憶装置の製造方法。
【請求項７】
前記ゲート絶縁膜は、前記半導体基板との第１界面及び、前記ゲート電極との第２界面に、０．０２〜０．５ atomic％ の窒素ピークを有することを特徴とする請求項６に記載の製造方法。
【請求項８】
前記酸窒化膜を形成する前に、前記半導体基板上に酸化膜を形成する工程を更に含むことを特徴とする請求項６又は７に記載の製造方法。
【請求項９】
前記酸窒化膜を形成した後に、前記ゲート絶縁膜に対してプラズマ窒化処理を施す工程を更に含むことを特徴とする請求項６，７又は８に記載の製造方法。
【請求項１０】
半導体基板とゲート電極との間に形成されるゲート絶縁膜を介して電荷の受け渡しを行うことで動作する半導体記憶装置の製造方法において、
予めプラズマ励起用ガスを用いて希釈した酸窒化種をプラズマ処理装置内に導入し、前記半導体基板上に前記ゲート絶縁膜として酸窒化膜を形成する工程を含み；
前記酸窒化種に含有されるＮＯガスの絶対値流量が、０．０００１〜０．０１（ｓｃｃｍ）であることを特徴とする半導体記憶装置の製造方法。
【請求項１１】
前記ゲート絶縁膜は、前記半導体基板との第１界面及び、前記ゲート電極との第２界面に、０．０２〜０．５ atomic％ の窒素ピークを有することを特徴とする請求項１０に記載の製造方法。
【請求項１２】
前記酸窒化膜を形成する前に、前記半導体基板上に酸化膜を形成する工程を更に含むことを特徴とする請求項１０又は１１に記載の製造方法。
【請求項１３】
前記酸窒化膜を形成した後に、前記ゲート絶縁膜に対してプラズマ窒化処理を施す工程を更に含むことを特徴とする請求項１０，１１又は１２に記載の製造方法。
【請求項１４】
半導体基板と；前記半導体基板上に形成されたゲート電極と；前記半導体基板とゲート電極との間に形成されたゲート絶縁膜とを備え、
前記ゲート絶縁膜は、前記半導体基板との第１界面及び、前記ゲート電極との第２界面に、０．０２〜０．５ atomic％ の窒素ピークを有することを特徴とする半導体記憶装置。
【請求項１５】
半導体基板とゲート電極との間に形成されるゲート絶縁膜を介して電荷の受け渡しを行うことで動作する半導体記憶装置の製造システムにおいて、
前記半導体記憶装置が形成される半導体ウェハに対してプラズマ処理を施すプラズマ処理装置と；
プラズマ処理に使用されるガスを前記プラズマ処理装置内に導入するガス供給手段と；
少なくとも前記ガス供給手段におけるガス混合比を制御するコントローラとを備え、
前記コントローラによる制御の下、前記ガス供給手段により、予めプラズマ励起用ガスを用いて希釈した酸窒化種を前記プラズマ処理装置内に導入し；前記半導体基板上に前記ゲート絶縁膜として酸窒化膜を形成する構成であり、
前記コントローラによる制御の下、前記ガス供給手段は、前記酸窒化種が前記プラズマ処理装置内に導入される全ガス量に対して０．００００１〜０．０１％のＮＯガスを含有するように動作することを特徴とする半導体記憶装置の製造システム。
【請求項１６】
前記コントローラは、前記ゲート絶縁膜が、前記半導体基板との第１界面及び、前記ゲート電極との第２界面に、０．０２〜０．５ atomic％ の窒素ピークを有するような制御を行うことを特徴とする請求項１５に記載のシステム。
【請求項１７】
前記コントローラは、前記酸窒化種が、前記プラズマ処理装置内に導入される全ガス量に対して０．００００１〜０．０００１％のＮＯガスを含有するような制御を行うことを特徴とする請求項１５又は１６に記載のシステム。
【請求項１８】
前記コントローラは、前記酸窒化膜を形成する前に、前記半導体基板上に酸化膜を形成する制御を行うことを特徴とする請求項１５，１６又は１７に記載のシステム。
【請求項１９】
前記コントローラは、前記酸窒化膜を形成した後に、前記ゲート絶縁膜に対してプラズマ窒化処理を施す制御を行うことを特徴とする請求項１５，１６，１７又は１８に記載のシステム。
【請求項２０】
半導体基板とゲート電極との間に形成されるゲート絶縁膜を介して電荷の受け渡しを行うことで動作する半導体記憶装置の製造に使用される方法を記録した記録媒体において、
予めプラズマ励起用ガスを用いて希釈した酸窒化種を前記プラズマ処理装置内に導入し、前記半導体基板上に前記ゲート絶縁膜として酸窒化膜を形成させる設定と；
前記酸窒化種が、前記プラズマ処理装置内に導入される全ガス量に対して０．００００１〜０．０１％のＮＯガスを含有させる条件設定とを記録したことを特徴とする記録媒体。
【請求項２１】
前記ゲート絶縁膜が、前記半導体基板との第１界面及び、前記ゲート電極との第２界面に、０．０２〜０．５ atomic％ の窒素ピークを有するような条件設定を記録したことを特徴とする請求項２０に記載の記録媒体。
【請求項２２】
前記酸窒化種が、前記プラズマ処理装置内に導入される全ガス量に対して０．００００１〜０．０００１％のＮＯガスを含有するような条件設定を記録したことを特徴とする請求項２０又は２１に記載の記録媒体。
【請求項２３】
前記酸窒化膜を形成する前に、前記半導体基板上に酸化膜を形成する設定を記録したことを特徴とする請求項２０，２１又は２２に記載の記録媒体。
【請求項２４】
前記酸窒化膜を形成した後に、前記ゲート絶縁膜に対してプラズマ窒化処理を施す設定を記録したことを特徴とする請求項２０，２１，２２又は２３に記載の記録媒体。
【請求項２５】
半導体基板とゲート電極との間に形成されるゲート絶縁膜を介して電荷の受け渡しを行うことで動作する半導体記憶装置の製造システムにおいて、
前記半導体記憶装置が形成される半導体ウェハに対してプラズマ処理を施すプラズマ処理装置と；
プラズマ処理に使用されるガスを前記プラズマ処理装置内に導入するガス供給手段と；
少なくとも前記ガス供給手段におけるガス混合比を制御するコントローラとを備え、
前記コントローラによる制御の下、前記ガス供給手段により、予めプラズマ励起用ガスを用いて希釈した酸窒化種を前記プラズマ処理装置内に導入し、前記半導体基板上に前記ゲート絶縁膜として酸窒化膜を形成する構成であり、
前記コントローラによる制御の下、前記ガス供給手段は、前記酸窒化種に含まれる酸素ガス量とＮＯガス量との比（Ｏ：ＮＯ）が、１：０．０００００３〜１：０．００３となるように動作することを特徴とする半導体記憶装置の製造システム。
【請求項２６】
前記コントローラは、前記ゲート絶縁膜が、前記半導体基板との第１界面及び、前記ゲート電極との第２界面に、０．０２〜０．５ atomic％ の窒素ピークを有するような制御を行うことを特徴とする請求項２５に記載のシステム。
【請求項２７】
前記コントローラは、前記酸窒化膜を形成する前に、前記半導体基板上に酸化膜を形成する制御を行うことを特徴とする請求項２５又は２６に記載のシステム。
【請求項２８】
前記コントローラは、前記酸窒化膜を形成した後に、前記ゲート絶縁膜に対してプラズマ窒化処理を施す制御を行うことを特徴とする請求項２５，２６又は２７に記載のシステム。
【請求項２９】
半導体基板とゲート電極との間に形成されるゲート絶縁膜を介して電荷の受け渡しを行うことで動作する半導体記憶装置の製造に使用される方法を記録した記録媒体において、
予めプラズマ励起用ガスを用いて希釈した酸窒化種を前記プラズマ処理装置内に導入し、前記半導体基板上に前記ゲート絶縁膜として酸窒化膜を形成させる設定と；
前記酸窒化種に含まれる酸素ガス量とＮＯガス量との比（Ｏ：ＮＯ）を、１：０．０００００３〜１：０．００３とする条件設定とを記録したことを特徴とする記録媒体。
【請求項３０】
前記ゲート絶縁膜が、前記半導体基板との第１界面及び、前記ゲート電極との第２界面に、０．０２〜０．５ atomic％ の窒素ピークを有するような条件設定を記録したことを特徴とする請求項２９に記載の記録媒体。
【請求項３１】
前記酸窒化膜を形成する前に、前記半導体基板上に酸化膜を形成する設定を記録したことを特徴とする請求項２９又は３０に記載の記録媒体。
【請求項３２】
前記酸窒化膜を形成した後に、前記ゲート絶縁膜に対してプラズマ窒化処理を施す設定を記録したことを特徴とする請求項２９，３０又は３１に記載の記録媒体。
【請求項３３】
半導体基板とゲート電極との間に形成されるゲート絶縁膜を介して電荷の受け渡しを行うことで動作する半導体記憶装置の製造システムにおいて、
前記半導体記憶装置が形成される半導体ウェハに対してプラズマ処理を施すプラズマ処理装置と；
プラズマ処理に使用されるガスを前記プラズマ処理装置内に導入するガス供給手段と；
少なくとも前記ガス供給手段におけるガス混合比を制御するコントローラとを備え、
前記コントローラによる制御の下、前記ガス供給手段により、予めプラズマ励起用ガスを用いて希釈した酸窒化種を前記プラズマ処理装置内に導入し、前記半導体基板上に前記ゲート絶縁膜として酸窒化膜を形成する構成であり、
前記コントローラによる制御の下、前記ガス供給手段は、前記酸窒化種に含有されるＮＯガスの絶対値流量が、０．０００１〜０．０１（ｓｃｃｍ）となるように動作することを特徴とする半導体記憶装置の製造システム。
【請求項３４】
前記コントローラは、前記ゲート絶縁膜が、前記半導体基板との第１界面及び、前記ゲート電極との第２界面に、０．０２〜０．５ atomic％ の窒素ピークを有するような制御を行うことを特徴とする請求項３３に記載のシステム。
【請求項３５】
前記コントローラは、前記酸窒化膜を形成する前に、前記半導体基板上に酸化膜を形成する制御を行うことを特徴とする請求項３３又は３４に記載のシステム。
【請求項３６】
前記コントローラは、前記酸窒化膜を形成した後に、前記ゲート絶縁膜に対してプラズマ窒化処理を施す制御を行うことを特徴とする請求項３３，３４又は３５に記載のシステム。
【請求項３７】
半導体基板とゲート電極との間に形成されるゲート絶縁膜を介して電荷の受け渡しを行うことで動作する半導体記憶装置の製造に使用される方法を記録した記録媒体において、
予めプラズマ励起用ガスを用いて希釈した酸窒化種を前記プラズマ処理装置内に導入し、前記半導体基板上に前記ゲート絶縁膜として酸窒化膜を形成させる設定と；
前記酸窒化種に含有されるＮＯガスの絶対値流量を、０．０００１〜０．０１（ｓｃｃｍ）とする条件設定とを記録したことを特徴とする記録媒体。
【請求項３８】
前記ゲート絶縁膜が、前記半導体基板との第１界面及び、前記ゲート電極との第２界面に、０．０２〜０．５ atomic％ の窒素ピークを有するような条件設定を記録したことを特徴とする請求項３７に記載の記録媒体。
【請求項３９】
前記酸窒化膜を形成する前に、前記半導体基板上に酸化膜を形成する設定を記録したことを特徴とする請求項３７又は３８に記載の記録媒体。
【請求項４０】
前記酸窒化膜を形成した後に、前記ゲート絶縁膜に対してプラズマ窒化処理を施す設定を記録したことを特徴とする請求項３７，３８又は３９に記載の記録媒体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、絶縁膜を介して電荷の受け渡しを行うことで動作する半導体記憶素子（フラッシュメモリ、ＥＥＰＲＯＭ等）に関する。特に、半導体基板とゲート電極との間に配置されるゲート絶縁膜の形成方法の改良に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体記憶装置の電気的特性（書込み・消去特性）に関し、ゲート絶縁膜の窒素濃度プロファイルが重要な意義を有する。従来では酸化膜に対して熱酸窒化処理を行なうことがあった。しかしながら、トランジスタ特性が劣化したり、酸化膜と基板界面にのみ窒素ピークが形成され、適切な窒素濃度プロファイルを形成するのが困難であった。すなわち、熱酸窒化処理の場合には、一定の位置に、一定の濃度の窒素ピークが形成され、これを制御するのが困難であった。
【０００３】
特開２００３−６０１９８には、窒素濃度プロファイルが改善されたゲート絶縁膜を有する半導体装置が示されている。
【０００４】
【特許文献１】特開２００３−６０１９８
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特開２００３−６０１９８に開示された発明は、半導体装置におけるゲートリークを抑制するものであり、フラッシュメモリ等の書込み・消去特性の改善は期待できない。
【０００６】
従って、本発明の目的は、ゲート絶縁膜における良好な窒素濃度プロファイルにより、電気的特性（書込み・消去特性）に優れた半導体記憶装置の製造方法を提供することにある。
【０００７】
また、ゲート絶縁膜における良好な窒素濃度プロファイルにより、電気的特性（書込み・消去特性）に優れた半導体記憶装置を提供することを他の目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するために、本発明の第１の態様に係る半導体装置の製造方法は、半導体基板とゲート電極との間に形成されるゲート絶縁膜を介して電荷の受け渡しを行うことで動作する半導体記憶装置の製造方法において、予めプラズマ励起用ガスを用いて希釈した酸窒化種をプラズマ処理装置内に導入し、前記半導体基板上に前記ゲート絶縁膜として酸窒化膜を形成する工程を含み、前記酸窒化種は、前記プラズマ処理装置内に導入される全ガス量に対して０．００００１〜０．０１％のＮＯガスを含有する構成を採用している。
【０００９】
本発明の第２の態様に係る半導体装置の製造方法は、半導体基板とゲート電極との間に形成されるゲート絶縁膜を介して電荷の受け渡しを行うことで動作する半導体記憶装置の製造方法において、予めプラズマ励起用ガスを用いて希釈した酸窒化種をプラズマ処理装置内に導入し、前記半導体基板上に前記ゲート絶縁膜として酸窒化膜を形成する工程を含み、前記酸窒化種に含まれる酸素ガス量とＮＯガス量との比（Ｏ：ＮＯ）を、１：０．０００００３〜１：０．００３としている。
【００１０】
本発明の第３の態様に係る半導体装置の製造方法は、半導体基板とゲート電極との間に形成されるゲート絶縁膜を介して電荷の受け渡しを行うことで動作する半導体記憶装置の製造方法において、予めプラズマ励起用ガスを用いて希釈した酸窒化種をプラズマ処理装置内に導入し、前記半導体基板上に前記ゲート絶縁膜として酸窒化膜を形成する工程を含み、前記酸窒化種に含有されるＮＯガスの絶対値流量を、０．０００１〜０．０１（ｓｃｃｍ）としている。
【００１１】
上記のような本発明の第１〜第３の態様に係る半導体記憶装置の製造方法において、好ましくは、前記ゲート絶縁膜の前記半導体基板との第１界面及び、前記ゲート電極との第２界面に、０．０２〜０．５ atomic％ の窒素ピークを形成する。
【００１２】
本発明の第４の態様に係る半導体記憶装置は、半導体基板と；前記半導体基板上に形成されたゲート電極と；前記半導体基板とゲート電極との間に形成されたゲート絶縁膜とを備え、前記ゲート絶縁膜は、前記半導体基板との第１界面及び、前記ゲート電極との第２界面に、０．０２〜０．５ atomic％ の窒素ピークを有する構成としている。
【００１３】
本発明の第５の態様に係るシステムは、半導体基板とゲート電極との間に形成されるゲート絶縁膜を介して電荷の受け渡しを行うことで動作する半導体記憶装置の製造システムにおいて、前記半導体記憶装置が形成される半導体ウェハに対してプラズマ処理を施すプラズマ処理装置と；プラズマ処理に使用されるガスを前記プラズマ処理装置内に導入するガス供給手段と；少なくとも前記ガス供給手段におけるガス混合比を制御するコントローラとを備える。そして、前記コントローラによる制御の下、前記ガス供給手段により、予めプラズマ励起用ガスを用いて希釈した酸窒化種を前記プラズマ処理装置内に導入し；前記半導体基板上に前記ゲート絶縁膜として酸窒化膜を形成する。また、前記コントローラによる制御の下、前記ガス供給手段は、前記酸窒化種が前記プラズマ処理装置内に導入される全ガス量に対して０．００００１〜０．０１％のＮＯガスを含有するように動作する。
【００１４】
本発明の第６の態様に係る記録媒体は、半導体基板とゲート電極との間に形成されるゲート絶縁膜を介して電荷の受け渡しを行うことで動作する半導体記憶装置の製造に使用される方法を記録した記録媒体において、予めプラズマ励起用ガスを用いて希釈した酸窒化種を前記プラズマ処理装置内に導入し、前記半導体基板上に前記ゲート絶縁膜として酸窒化膜を形成させる設定と；前記酸窒化種が、前記プラズマ処理装置内に導入される全ガス量に対して０．００００１〜０．０１％のＮＯガスを含有させる条件設定とを記憶している。
【００１５】
本発明の第７の態様に係るシステムは、半導体基板とゲート電極との間に形成されるゲート絶縁膜を介して電荷の受け渡しを行うことで動作する半導体記憶装置の製造システムにおいて、前記半導体記憶装置が形成される半導体ウェハに対してプラズマ処理を施すプラズマ処理装置と；プラズマ処理に使用されるガスを前記プラズマ処理装置内に導入するガス供給手段と；少なくとも前記ガス供給手段におけるガス混合比を制御するコントローラとを備える。そして、前記コントローラによる制御の下、前記ガス供給手段により、予めプラズマ励起用ガスを用いて希釈した酸窒化種を前記プラズマ処理装置内に導入し、前記半導体基板上に前記ゲート絶縁膜として酸窒化膜を形成する構成である。また、前記コントローラによる制御の下、前記ガス供給手段は、前記酸窒化種に含まれる酸素ガス量とＮＯガス量との比（Ｏ：ＮＯ）が、１：０．０００００３〜１：０．００３となるように動作する。
【００１６】
本発明の第８の態様に係る記録媒体は、半導体基板とゲート電極との間に形成されるゲート絶縁膜を介して電荷の受け渡しを行うことで動作する半導体記憶装置の製造に使用される方法を記録した記録媒体において、予めプラズマ励起用ガスを用いて希釈した酸窒化種を前記プラズマ処理装置内に導入し、前記半導体基板上に前記ゲート絶縁膜として酸窒化膜を形成させる設定と；前記酸窒化種に含まれる酸素ガス量とＮＯガス量との比（Ｏ：ＮＯ）を、１：０．０００００３〜１：０．００３とする条件設定とを記憶している。
【００１７】
本発明の第９の態様に係るシステムは、半導体基板とゲート電極との間に形成されるゲート絶縁膜を介して電荷の受け渡しを行うことで動作する半導体記憶装置の製造システムにおいて、前記半導体記憶装置が形成される半導体ウェハに対してプラズマ処理を施すプラズマ処理装置と；プラズマ処理に使用されるガスを前記プラズマ処理装置内に導入するガス供給手段と；少なくとも前記ガス供給手段におけるガス混合比を制御するコントローラとを備えている。そして、前記コントローラによる制御の下、前記ガス供給手段により、予めプラズマ励起用ガスを用いて希釈した酸窒化種を前記プラズマ処理装置内に導入し、前記半導体基板上に前記ゲート絶縁膜として酸窒化膜を形成する構成である。また、前記コントローラによる制御の下、前記ガス供給手段は、前記酸窒化種に含有されるＮＯガスの絶対値流量が、０．０００１〜０．０１（ｓｃｃｍ）となるように動作する。
【００１８】
本発明の第１０の態様に係る記録媒体は、半導体基板とゲート電極との間に形成されるゲート絶縁膜を介して電荷の受け渡しを行うことで動作する半導体記憶装置の製造に使用される方法を記録した記録媒体において、予めプラズマ励起用ガスを用いて希釈した酸窒化種を前記プラズマ処理装置内に導入し、前記半導体基板上に前記ゲート絶縁膜として酸窒化膜を形成させる設定と；前記酸窒化種に含有されるＮＯガスの絶対値流量を、０．０００１〜０．０１（ｓｃｃｍ）とする条件設定とを記憶している。
【００１９】
酸化膜界面は一般的にＳｉ−Ｏ結合不良が存在し、この不良が電気特性を劣化させる要因となる。窒素はこの結合を補修する働きをすると考えられる。しかしながら、窒素濃度ピークが０．０２ atomic ％以下であると、上記のような補修が十分に行われない。一方、窒素濃度ピークが０．５ atomic ％以上であると、過度に窒素が入り、Ｓｉ−Ｏ結合不良を生成すると考えられる。
【００２０】
フラッシュメモリやＥＥＰＲＯＭのように、絶縁膜を介して電荷の受け渡しを行うことで動作する半導体記憶装置においては、電荷受け渡しによる電気的ストレスは絶縁膜の基板側・表面側（ゲート電極側）双方向からかかる。このため、両界面に窒素ピークを有する絶縁膜によりＳＩＬＣ発生が抑制され（図８、図９参照）、半導体記憶素子の特性が改善される。本発明によれば、半導体記憶装置（フラッシュメモリ）のゲート絶縁膜の表面及び界面側に同時に窒素ピークを形成可能となる（図４参照）。ゲート絶縁膜の両界面に形成される窒素ピーク濃度を、０．５ atomic ％以下とすることにより、良好な電気的特性が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
本発明は、絶縁膜を介して電荷の受け渡しを行うことで動作する半導体記憶装置（フラッシュメモリ、ＥＥＰＲＯＭ等）に適用可能なものである。
【００２２】
図１は、本発明の適用例としてのフラッシュメモリの書込み及び消去動作の１例を示す説明図である。書込動作時には、シリコン基板から電荷がトンネル絶縁膜を介してゲート電極（ＦＧ）側に流れる。一方、消去動作時には、ゲート電極（ＦＧ）側からトンネル絶縁膜を介してシリコン基板に電荷が流れる。本発明の特徴は、トンネル絶縁膜（ゲート絶縁膜）の構造（窒素濃度プロファイル）にある。
【００２３】
ゲート絶縁膜のプラズマ処理には、ダメージを与えてはいけないという観点から、高密度だが低電子温度のプラズマが精製できるＲＬＳＡ（Radial Line Slot Antenna）マイクロ波プラズマ処理装置が用いられている。両界面（Ｓｉ基板側、ゲート電極側）に窒素ピーク０．０２〜０．５ａｔｏｍｉｃ％を有するゲート絶縁膜の形成方法として、マイク波を用いたＲＬＳＡ（ラジアル・ライン・スロット・アンテナ）プラズマ処理装置を用い、プラズマ処理装置に導入する位置でプラズマ励起用ガスによって（酸）窒化種を希釈する。
８インチ基板（ウエハ）に対して下記条件で処理を行う。
マイクロ波パワー：３５００Ｗまたは、２０００−４０００Ｗ
処理圧力：１Ｔｏｒｒまたは、５０ｍＴｏｒｒ−１０Ｔｏｒｒ
処理温度：４００℃または、常温〜５００℃
酸窒化種：ＮＯまたは、Ｈを含まないガス（Ｎ２Ｏ，ＮＯ２，Ｎ２等）
ガス流量：Ｋｒ：Ｏ２＝１０００：３０ｓｃｃｍ
【００２４】
ここで、ＮＯガスの量を以下の何れかとすることが重要である。
（１）処理装置に導入される全ガス量に対するＮＯガス混合率：
０．００００１〜０．０１％
更に好ましくは、ＮＯガス混合率を０．００１％以下とする。
（２）酸素ガスに対するＮＯガス混合比：
１：０．０００００３〜１：０．００３
（３）ＮＯガスの絶対値流量、０．０００１〜０．１ｓｃｃｍ
【００２５】
実際のプラズマ酸窒化処理に際しては、酸窒化種を予めプラズマ励起用ガスまたは希ガスで希釈し、装置に導入する。半導体基板を一気にプラズマ酸窒化処理して絶縁膜を形成する。低窒素ピーク制御性を高めるため、半導体基板を予め酸化しておき、次にプラズマ酸窒化処理して絶縁膜を形成する（２ステップ処理）ことも可能である。薄膜化手段としては、酸窒化種を希ガスのみで希釈して処理することもできる。
【００２６】
図２は、ゲート絶縁膜におけるＮＯガス混合比と酸窒化膜界面の窒素濃度との関係を示すグラフである。グラフより分かるように、２ステップ処理又はＮＯガス混合比（希釈率）が０．０００１％以下の時に、界面の窒素濃度が良好な値（０．５ atomic ％以下）を採る。
【００２７】
図３は、プラズマ処理装置に導入される全ガス量に対するＮＯ混合率毎の、窒素濃度の変化を示すグラフである。グラフより分かるように、２ステップ処理又はＮＯガス混合比（希釈率）が０．０００１％以下の時に、界面の窒素濃度が最も良好な値（０．５ atomic ％以下）を採る。
【００２８】
［表面側窒素ピーク０．５ atomic ％以下の補正］
上述した工程で形成した酸窒化膜に対し、再びＲＬＳＡプラズマ処理装置を用い、下記の条件で窒化処理を行う。
８インチ基板（ウエハ）を用いる。
マイクロ波パワー：１６００Ｗまたは、１０００−４０００Ｗ
処理圧力：９５０ｍＴｏｒｒまたは、５０ｍＴｏｒｒ−１０Ｔｏｒｒ
処理温度：４００℃または、常温〜５００℃
窒化種：Ｎ２または、Ｏ２を含まないガス（ＮＨ３等）
ガス流量：Ｘｅ：Ｎ２＝１０００：４０ｓｃｃｍ
【００２９】
図４は、本発明の作用を説明するための図であり、窒素濃度ピークの形成方法を段階的に示す。図において、ゲート絶縁膜に対してプラズマ酸窒化のみを行った場合（１）、半導体基板側に大きなピーク、ゲート電極側に小さなピークが形成される。ゲート絶縁膜に対して、プラズマ処理によってベース酸化膜を形成し、その後、プラズマ酸窒化を行った場合（２）にも、半導体基板側に大きなピーク、ゲート電極側に小さなピークが形成される。一方、（２）のケースに加え、更にプラズマ窒化処理を施した場合（３）には、ゲート電極側の窒素ピークを制御することが可能となる。
【００３０】
図５（Ａ），（Ｂ）は、各々基板注入ストレス（書込動作）とゲート注入ストレス（消去動作）を模式的に示す図である。図６は、書込動作時（基板注入ストレス）における注入電荷量とゲート電圧変動量との関係（トラップ特性）を示すグラフである。図７は、書込動作時（基板注入ストレス）における注入電荷量とリーク電流量との関係（ＳＩＬＣ特性）を示すグラフである。図８は、消去動作時（ゲート注入ストレス）における注入電荷量とリーク電流量との関係（ＳＩＬＣ特性）を示すグラフである。
【００３１】
［キャパシタ（ＭＯＳ−ＣＡＰ)による電気特性評価］（図６−図８参照）
（１）トラップ特性：図６に示すように、Ｈを含む酸窒化種（ＮＨ３）では電子トラップが増加し不適切であることが分かる。電子トラップは、フラッシュメモリの書込消去特性を劣化させる。一方、ＮＯガスの導入により電子トラップは低減し、ＮＯガスを希釈することで更に改善することがわかった。
【００３２】
（２）ＳＩＬＣ特性：ＳＩＬＣ（Stress Introduced Leakage Current）特性は、フラッシュメモリのデータ保持特性を表す電気的特性である。リーク電流が大きいと、蓄積電荷の漏洩が大きくなり、メモリ特性が劣化する。ＮＯガスの導入により、リーク電流は小さくなるが、図７及び図８に示すように、ＮＯガスを希釈することで双方向ストレスに対してリーク電流にさらなる改善が見られた。なお、Ｈを含む酸窒化処理では硝酸（ＨＮＯ３）が生成され、装置腐食を引き起こす可能性がある。
【００３３】
フラッシュメモリやＥＥＰＲＯＭのように、絶縁膜を介して電荷の受け渡しを行うことで動作する半導体記憶装置においては、電荷受け渡しによる電気的ストレスは絶縁膜の基板側・表面側双方向からかかる。このため、両界面に窒素ピークを有する絶縁膜によりＳＩＬＣ発生が抑制され（図７、図８参照）、半導体記憶素子の特性が改善される。
【００３４】
本発明によれば、半導体記憶装置（フラッシュメモリ）のゲート絶縁膜の表面及び界面側に同時に窒素ピークを形成可能となる（図４参照）。この場合、予めプラズマ励起用ガスで希釈された酸窒化種を用いることが好ましい。ゲート絶縁膜の両界面に形成される窒素ピーク濃度を、０．５ atomic ％以下とすることにより、良好な電気的特性が得られる。また、Ｈを含まない系で処理することにより、電子捕獲特性が改善され、フラッシュメモリの書込消去特性が改善することも確認された。
【００３５】
図９は、本発明を実施するためのプラズマ処理システムの構成例を示す。プラズマ処理システム１０は、被処理基板としてのシリコンウエハＷを保持する基板保持台１２が備えられた処理容器１１を有する。処理容器１１内の気体（ガス）は排気ポート１１Ｂから図示されない排気ポンプを介して排気される。
【００３６】
処理容器１１の装置上方には、基板保持台１２上のシリコンウエハＷに対応して開口部が設けられている。この開口部は、石英やＡｌ２Ｏ３、ＡｌＮ，Ｓｉ３Ｎ４からなる誘電体板１３により塞がれている。誘電体板１３の上部（処理容器１１の外側）には、ＲＬＳＡ（ラジアル・ライン・スロット・アンテナ）１６が配置されている。このアンテナ１６には、導波管から供給された電磁波が透過するための複数のスロットが形成されている。アンテナ１６の更に上部（外側）には、導波管が配置されている。
【００３７】
処理容器１１の内部側壁には、プラズマ処理の際にガスを導入するためのガス供給口１１Ａが設けられている。このガス供給口１１Ａからは、ガス供給源２４において予め混合されたガスが導入される。図示しないが、導入されるガスの流量調整は、混合段階に流量調整弁などを用いて行うことができる。
【００３８】
本発明に用いられるプラズマ基板処理システム１０には、プラズマを励起するための数ギガヘルツの電磁波を発生するマイクロ波供給源２０（電磁波発生器）が備えられている。このマイクロ波供給源２０で発生したマイクロ波が、導波管を伝播し、アンテナ１６を介して処理容器１１に導入される。
【００３９】
マイクロ波供給源２０とガス供給源２４とは、コントローラ２７によって制御される。特に、ガス供給源２４においては、少なくとも、酸窒化種に含まれるＮＯガスの混合比又は絶対流量を上述した設定に従って調整している。例えば、ガス供給源２４は、酸素ガス量とＮＯガス量との比（Ｏ：ＮＯ）が、１：０．０００００３〜１：０．００３となるように動作する。又は、酸窒化種に含有されるＮＯガスの絶対値流量が、０．０００１〜０．０１（ｓｃｃｍ）となるように動作する。あるいは、プラズマ処理装容器１１内に導入される全ガス量に対して０．００００１〜０．０１％のＮＯガスを含有させるように動作する。
【００４０】
ガス供給源２４におけるＮＯガスの混合比又は絶対流量の制御は、コントローラ２２に記憶されたプログラム（設定）に従って実行することができる。なお、ガス流量、混合比等に関する制御プログラムについては、コントローラ２２の外部記憶装置に格納することもできる。例えば、当該プログラム（設定）を予めＣＤ−ＲＯＭ等の記録媒体に格納しておき、そこからプログラムをインストールし、あるいは、直接読み出すこともできる。プログラムの記録方式については、限定されず。光、磁気、光＋磁気等のあらゆる方式を採用することができる。
【００４１】
以上、本発明の実施例（実施形態、実施態様）について説明したが、本発明はこれらの実施例に何ら限定されるものではなく、特許請求の範囲に示された技術的思想の範疇において変更可能なものである。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】図１は、本発明が適用される半導体記憶装置（フラッシュメモリ）の書込み及び消去動作を示す説明図である。
【図２】図２は、ゲート絶縁膜におけるＮＯガス混合比と酸窒化膜界面の窒素濃度との関係を示すグラフである。
【図３】図３は、全ガス量に対するＮＯ混合率毎の、窒素濃度の変化を示すグラフである。
【図４】図４は、本発明の作用を説明するための図であり、窒素濃度ピークの形成方法を段階的に示す。
【図５】図５（Ａ），（Ｂ）は、各々基板注入ストレス（書込動作）とゲート注入ストレス（消去動作）を模式的に示す図である。
【図６】図６は、電子注入時における注入電荷量とゲート電圧変動量との関係（トラップ特性）を示すグラフである。
【図７】図７は、書込動作時（基板注入ストレス）における注入電荷量とリーク電流量との関係（ＳＩＬＣ特性）を示すグラフである。
【図８】図８は、消去動作時（ゲート注入ストレス）における注入電荷量とリーク電流量との関係（ＳＩＬＣ特性）を示すグラフである。
【図９】図９は、本発明を実施するためのプラズマ処理システムの構成を示す説明図（断面＋ブロック）である。
【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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