(57)【要約】本発明の実施形態は、一般に、窒化物ゲート誘電体層を形成する方法を提供する。この方法は、窒素含有処理ガスを処理チャンバーへ導入して、該処理ガスにイオン化エネルギーを印加することにより、処理チャンバー内に窒素含有プラズマを発生するステップと、イオン化エネルギーをパルス化して、窒素含有プラズマ内の電子の平均温度を約０．７ｅＶ未満に維持するステップとを備えている。
2005530341.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板を処理する方法において、
イオン密度が少なくとも１０１０ｃｍ−３で、プラズマ電位が２０Ｖ未満である窒素含有プラズマをチャンバー内に生成するステップと、
上記基板上の層を上記プラズマに露出して、上記プラズマの窒素を上記基板上の上記層内に導入させるステップと、
を備えた方法。
【請求項２】
上記プラズマは電子温度が２ｅＶ未満である、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
上記層は二酸化シリコンである、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
上記チャンバーの誘電体壁に隣接して外部に配置されたコイルにＲＦ電流を供給するステップであって、上記コイルが上記チャンバー内にＲＦフィールドを生成し、該ＲＦフィールドが上記プラズマを生成するステップを更に備えた、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
上記コイルと上記誘電体壁との間に電極を配置し、該電極を接地するステップを更に備えた、請求項４に記載の方法。
【請求項６】
上記電極は上記プラズマ電位を１０Ｖ未満に減少する、請求項５に記載の方法。
【請求項７】
上記壁はドーム形状であり、上記コイルは上記壁を通過する軸の周りで螺旋状に巻かれ、更に、上記電極は開口を有する、請求項６に記載の方法。
【請求項８】
上記開口は上記コイルにより描かれた周囲内にある、請求項７に記載の方法。
【請求項９】
上記ＲＦ電流の振幅を高状態と低状態との間で変化させるステップを更に備えた、請求項４に記載の方法。
【請求項１０】
上記コイルに印加される有効ＲＦ電力は１００から３０００Ｗである、請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
上記チャンバー内の圧力は少なくとも５ｍＴであり、ＲＦ電力は少なくとも１０００Ｗであり、イオン密度は少なくとも５ｘ１０１０ｃｍ−３である、請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
上記圧力は少なくとも４０ｍＴであり、上記プラズマ電圧は１０Ｖ未満である、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
上記ＲＦ電流を１０から９０％のデューティサイクルでパルス化するステップを更に備えた、請求項９に記載の方法。
【請求項１４】
上記ＲＦ電流を１ｋＨｚから１００ｋＨｚの周波数でパルス化するステップを更に備えた、請求項９に記載の方法。
【請求項１５】
基板を処理する方法において、
プラズマ処理チャンバー内に上記基板を配置するステップと、
窒素含有ガスを上記チャンバーに流し込むステップと、
ＲＦ電流をコイルに供給して上記チャンバーにＲＦフィールドを発生するステップであって、該ＲＦフィールドが上記ガスから窒素含有ＲＦプラズマを生成し、上記ＲＦ電流の振幅を高状態と低状態との間で変化させるステップと、
上記基板に形成された層内に上記プラズマからの窒素を導入させるステップと、
を備えた方法。
【請求項１６】
上記窒素含有プラズマの組成を、上記ＲＦ電流をパルス化することで変化させるステップを更に備えた、請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
基板を処理する方法において、
プラズマ処理チャンバー内に上記基板を配置するステップと、
窒素含有ガスを上記チャンバーに流し込むステップと、
上記チャンバーの誘電体壁に隣接して外部に配置されたコイルにＲＦ電流を供給するステップであって、上記コイルと誘電体壁との間に電極プレートを配置して、２０Ｖより低い電圧にし、ＲＦフィールドが上記ガスからＲＦプラズマを生成するようなステップと、
上記基板上の層内に上記プラズマの窒素イオンを導入させるステップと、
を備えた方法。
【請求項１８】
上記電極プレートを接地するステップを更に備えた、請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
上記チャンバー内の圧力は少なくとも５ｍＴであり、上記コイルに印加されるＲＦ電力は少なくとも１０００Ｗであり、上記プラズマの電位は２０Ｖ未満であり、更に、イオン密度は少なくとも５ｘ１０１０ｃｍ−３である、請求項１７に記載の方法。
【請求項２０】
上記圧力は少なくとも４０ｍＴであり、上記プラズマの電位は１０Ｖ未満である、請求項１９に記載の方法。
【請求項２１】
チャンバーの内容積部へ基板を移送するための開口を有したチャンバーと、
上記チャンバー内にあって上記基板を保持するための基板ホルダーと、
上記チャンバーの非導電性壁に隣接してその外部あるＲＦコイルと、
上記壁と上記ＲＦコイルとの間の電極プレートであって、上記ＲＦコイルにＲＦ電流が供給されるときに２０Ｖより低い電圧にある電極プレートと、
を備えたプラズマリアクタ。
【請求項２２】
上記電極プレートは接地される、請求項２１に記載のプラズマリアクタ。
【請求項２３】
上記電極プレートは上記チャンバーを通して接地される、請求項２２に記載のプラズマリアクタ。
【請求項２４】
上記壁は石英で形成される、請求項２３に記載のプラズマリアクタ。
【請求項２５】
上記電極プレートはその周囲が接地される、請求項２２に記載のプラズマリアクタ。
【請求項２６】
上記壁はドーム形状を有し、上記電極プレートは、上記壁のドーム形状の上に配置されるドーム形状を有する、請求項２５に記載のプラズマリアクタ。
【請求項２７】
上記電極プレートは、上記チャンバーの導電性部分に各々接触する複数のフィンガーを有する、請求項２６に記載のプラズマリアクタ。
【請求項２８】
チャンバーの内容積部へ基板を移送するための開口を有したチャンバーと、
上記チャンバー内にあって上記基板を保持するための基板ホルダーと、
上記チャンバーの非導電性壁に隣接してその外部あるＲＦコイルと、
上記ＲＦコイルに接続されたＲＦソースであって、上記ＲＦコイルに供給されるＲＦ電流の振幅を自動的に変化させることのできるＲＦソースと、
を備えたプラズマリアクタ。
【請求項２９】
チャンバーの内容積部へ基板を移送するための開口を有したチャンバーと、
上記チャンバー内にあって上記基板を保持するための基板ホルダーと、
上記チャンバーの壁に隣接し、その外部にあるＲＦコイルと、
上記壁と上記ＲＦコイルとの間の接地された電極プレートと、
を備えたプラズマリアクタ。
【請求項３０】
窒化物ゲート誘電体層を形成する方法において、
窒素含有処理ガス又はガス混合物を処理チャンバー内に導入して、該処理ガスにイオン化エネルギーを印加することにより、上記処理チャンバー内に窒素含有プラズマを発生するステップと、
上記イオン化エネルギーをパルス化して、上記窒素含有プラズマ内の電子の平均温度を約０．７ｅＶ未満に維持するステップと、
を備えた方法。
【請求項３１】
上記イオン化エネルギーをパルス化するステップは、パルスのデューティサイクルを約５％と約５０％との間で変化させる段階、及びイオン化電力を約５％と約１００％との間で変化させる段階の少なくとも一方を含む、請求項３０に記載の方法。
【請求項３２】
上記イオン化エネルギーをパルス化するステップは、誘導性コイルイオン化ソース、ラジアルラインスロット付きアンテナイオン化ソース、変形マグネトロン形式のソース、及び電子サイクロトロン共振イオン化ソースの少なくとも１つを使用することを含む、請求項３０に記載の方法。
【請求項３３】
ゲート誘電体層を窒素処理するのに使用される窒素含有プラズマの成分の平均エネルギーを制御する方法において、
上記窒素含有プラズマを維持するのに使用されるイオン化ソースを、上記窒素含有プラズマを付勢するに充分な第１期間中にパルス作動し、次いで、上記イオン化ソースをオフに切り換えるステップと、
上記窒素含有プラズマの成分を第２期間中に消散するのを許すステップであって、該第２期間は、約０．７ｅＶ未満の上記窒素含有プラズマの電子温度を発生するように計算されたものであるステップと、
を備えた方法。
【請求項３４】
上記イオン化エネルギーをパルス化するステップは、パルスのデューティサイクルを約５％と約５０％との間で変化させる段階、及びイオン化電力を約５％と約１００％との間で変化させる段階の少なくとも一方を含む、請求項３３に記載の方法。
【請求項３５】
上記イオン化エネルギーをパルス化するステップは、誘導性コイルイオン化ソース、ラジアルラインスロット付きアンテナイオン化ソース、変形マグネトロン形式のソース、及び電子サイクロトロン共振イオン化ソースの少なくとも１つを使用することを含む、請求項３３に記載の方法。
【請求項３６】
基板を処理する方法において、
処理チャンバーに上記基板を挿入するステップと、
窒素含有処理ガス又はガス混合物を上記処理チャンバー内に導入して、該処理ガスにイオン化エネルギーを印加することにより、上記処理チャンバー内に窒素含有プラズマを発生するステップと、
上記イオン化エネルギーをパルス化して、上記窒素含有プラズマ内の電子の平均温度を約０．７ｅＶ未満に維持するステップであって、上記プラズマの窒素が上記基板上のゲート誘電体層に導入されるようにするステップと、
上記基板を上記処理チャンバーから取り出すステップと、
を備えた方法。
【発明の詳細な説明】
【発明の背景】
【０００１】
１）．発明の分野
[0001]本発明は、一般に、プラズマリアクタ、及び該リアクタで発生されたプラズマで基板を処理するための方法に関する。より詳細には、本発明は、従来のプラズマ処理リアクタより低い温度のプラズマを発生するように構成されたパルス作動のプラズマ処理装置及び方法の利用に関する。
【０００２】
２）．関連技術の説明
[0002]集積回路の製造は、シリコン又は他の半導体基板内及び基板上に電界効果トランジスタを製造することを伴う。電界効果トランジスタの製造は、ゲート誘電体層の形成を含む。この誘電体層は、通常、基板のシリコンを酸素に露出して二酸化シリコンゲート誘電体層を形成することにより成長される。
【０００３】
[0003]論理装置が小型になるにつれて、二酸化シリコンゲート誘電体層に窒素を含ませることが好都合になっている。窒素は、チャンバー内に窒素イオンのプラズマを生成してその窒素イオンをゲート誘電体層へインプランテーションすることでしばしば導入される。プラズマは、通常、高周波（ＲＦ）ソースを、電極プレート（容量性結合）又はコイル（誘導性結合）と共に使用して生成される。ＲＦソースは、チャンバーのガス内にＲＦフィールドを生成し、この結合がプラズマを生成する。
【０００４】
[0004]ＲＦソースの形式（プレート又はコイル）に関わらず、ソースからプラズマへ著しい容量性結合が生じて、数十ボルト程度の比較的大きなプラズマ電位を発生することになる。このような大きなプラズマ電位は、二酸化シリコン層への窒素イオンの過剰な衝撃を引き起こすことがあり、これは、二酸化シリコン層にダメージを生じさせると共に、その下のシリコンに窒素が導入されることにもなり得る。二酸化シリコン層へのダメージや、その下のシリコンに窒素が導入されることで、窒素導入の効果が損なわれる。
【発明の概要】
【０００５】
[0005]本発明の１つの態様によれば、基板を処理する方法において、基板を処理チャンバーに配置するステップと、イオン密度が少なくとも１０１０ｃｍ−３で、電位が２０Ｖ未満である窒素プラズマをチャンバー内に生成するステップと、基板上の層をプラズマに露出して、プラズマからの窒素を層に導入させるステップと、を備えた方法が提供される。
【０００６】
[0006]本発明の別の態様によれば、基板を処理する方法において、基板をプラズマ処理チャンバーに配置するステップと、窒素含有ガスをチャンバーに流し込むステップと、ＲＦ電流をコイルに供給してチャンバー内にＲＦフィールドを発生するステップであって、このＲＦフィールドがガスから窒素含有ＲＦプラズマを生成し、ＲＦ電流はパルス化されているステップと、プラズマからの窒素イオン及び励起された中性物を、基板上に形成されたゲート誘電体層に導入させるステップと、を備えた方法が提供される。
【０００７】
[0007]本発明の更に別の態様によれば、チャンバーの内容積部へ基板を移送するための開口を有するチャンバーと、チャンバー内にあって基板を保持するための基板ホルダーと、チャンバーの壁に隣接してその外部にあるＲＦコイルと、チャンバーの壁とＲＦコイルとの間にある接地された電極プレートとを備えたプラズマリアクタが提供される。
【０００８】
[0008]本発明の実施形態は、更に、窒化物ゲート誘電体層を形成する方法も提供する。この方法は、窒素含有処理ガスを処理チャンバーへ導入してその処理ガスにイオン化エネルギーを印加することにより処理チャンバー内に窒素含有プラズマを発生するステップと、イオン化エネルギーをパルス化して、窒素含有プラズマにおける電子の平均温度を約０．７ｅＶ未満に維持するステップとを備えている。
【０００９】
[0009]本発明の実施形態は、更に、ゲート誘電体層を窒素処理するのに使用される窒素含有プラズマの成分の平均エネルギーを制御する方法において、窒素含有プラズマを維持するのに使用されるイオン化ソースを、窒素含有プラズマを付勢するに充分な第１期間中にパルス作動し、次いで、イオン化ソースをオフに切り換えるステップと、窒素含有プラズマの成分を、第１期間より長い第２期間中に消散させるステップであって、この第２期間は、約０．７ｅＶ未満の窒素含有プラズマの成分の平均エネルギーを発生するように計算されたものであるステップと、を備えた方法を提供する。
【００１０】
[0010]本発明は、添付図面を参照して一例として更に詳細に説明する。
【発明の詳細な説明】
【００１１】
[0034]図１及び図２は、チャンバー１２と、基板ホルダー１４と、ＲＦコイル１６と、電極プレート１８とを含む本発明の実施形態によるプラズマリアクタ１０を示す。電極プレート１８は、チャンバー１２の本体を経て接地点２０に接続される。電極プレート１８を接地することにより、ＲＦコイル１６と、チャンバー１２の内容積部２４のプラズマ２２との間の容量性結合が排除される。容量性結合が排除されたことで、イオン密度や電子密度のようなプラズマ２２の他の特性を甚だしく変更せずにプラズマ２２の電位が減少される。ＲＦコイル１６からの誘導性結合は排除されず、この結合は、プラズマ２２を生成して維持する。
【００１２】
[0035]図１を特に参照すれば、プラズマリアクタ１０は、更に、下部移送チャンバー２６及び移送メカニズム２８を備えている。チャンバー１２は、移送チャンバー２６の上部に配置される。移送チャンバー２６の内容積部３０は、チャンバー１２の基部の円形開口３２を経てチャンバー１２の内容積部２４と連通状態に配置される。基板ホルダー１４は、移送メカニズム２８の上部に固定され、移送メカニズム２８を使用して基板ホルダー１４を昇降することができる。
【００１３】
[0036]使用中に、移送メカニズム２８は、基板ホルダー１４を移送チャンバー２６の内容積部３０へと下降するように動作される。ロボットアームに取り付けられたブレードに配置されたウェハ基板が、次いで、移送チャンバー２６の壁のスリットバルブ開口を経て内容積部３０へ移送される。次いで、移送メカニズム２８が基板ホルダー１４を上昇するように動作され、基板ホルダー１４がウェハ基板の下面に接触して、ウェハ基板をブレードから離して上昇させる。次いで、ブレードは、移送チャンバー２６から取り出され、その後、移送メカニズム２８が再び動作されて、基板ホルダー１４を開口３２へ上昇させる。基板ホルダー１４に配置されたウェハ基板は、次いで、その上面がチャンバー１２の内容積部２４へ露出される。
【００１４】
[0037]チャンバー１２は、主として、導電性本体３６と、誘電体石英上壁３８とを備えている。導電性本体３６は、チャンバー１２の下部を形成し、上壁３８は、チャンバー１２の上部を形成する。導電性本体３６及び上壁３８は、一緒に、内容積部２４を画成する。
【００１５】
[0038]４つのガスノズルポート４０が導電性本体３６を通して内容積部２４へと形成される。このガスノズルポート４０は、基板ホルダー１４の周りに９０°の間隔で配置される。また、導電性本体３６は、その片側に真空ポンピングチャンネル４２も画成する。ガスノズルポート４０は、バルブを通してガスマニホールドに接続されると共に、真空ポンピングチャンネル４２は、ポンプに接続される。ポンプが運転されると、内容積部２４から真空ポンピングチャンネル４２を通してガスが抽出され、内容積部２４内の圧力を下げる。バルブは、マニホールドからバルブ及びガスノズルポート４０を通して内容積部２４へガスの流入を許すように動作することができる。
【００１６】
[0039]図２を詳細に参照すれば、上壁３８はドーム形状を有し、電極プレート１８は、上壁３８の外面に合致するドーム形状を有する。電極プレート１７は、実際上、上壁３８の真上に配置されている。電極プレート１８は、上壁３８の中央部の上に円形開口４４を画成する。上壁３８及び電極プレート１８は、垂直軸４６に周りで対称的である。
【００１７】
[0040]コイル１６は、垂直軸４６及び開口４４の周りに螺旋配置されている。コイル１６は、電極プレート１８のドーム形状に合致し、そこに配置される。コイル１６の一端は、ＲＦソース５０に接続され、コイル１６の反対端は、接地点５２に接続される。
【００１８】
[0041]図２及び図３を一緒に参照する。基板ホルダー１４の上面に配置されたプラズマリアクタ１０へウェハ基板が挿入される前に、ウェハ基板の上面にエピタキシャルシリコン層５４が形成される。また、プラズマリアクタ１０へウェハ基板が挿入される前に、このシリコン層５４上に薄い二酸化シリコン層５８が成長される。この二酸化シリコン層５８は、数オングストローム（例えば、４０Å）程度の厚みであり、最終的に製造されるトランジスタにおけるゲート誘電体層として後で使用される。プラズマリアクタ１０にウェハ基板を挿入する目的は、窒素（Ｎ）を二酸化シリコン層５８に導入させて、その誘電体特性を変更又は改善するためである。窒素イオン（Ｎ２＋）のプラズマ２２が内容積部２４内に生成される。窒素イオンは、二酸化シリコン層５８への導入を導くプラズマの特性により定義されたエネルギーを有する。
【００１９】
[0042]プラズマは、最初、内容積部２４内の圧力を所定レベルへ減少することにより生成される。次いで、窒素含有ガスが内容積部２４へ導入される。窒素含有ガスは、例えば、純粋な窒素（Ｎ２）、窒素及びヘリウムガスの混合物（Ｎ２／Ｈｅ）、窒素及びネオンガスの混合物（Ｎ２／Ｎｅ）、又は窒素及びアルゴンガスの混合物（Ｎ２／Ａｒ）でよい。これ以降の説明上、ガスが純粋な窒素ガスである場合の実施例について述べる。
【００２０】
[0043]次いで、ＲＦソース５０が動作され、１３．５６ＭＨｚの周波数でＲＦ電流をコイル１６に供給する。ＲＦコイル１６は、ＲＦフィールドを発生し、これは、電極プレート１８により上壁３８にわたって分散される。円形開口４４は、ＲＦフィールドが上壁３８を通して内容積部２４へ入るのを許容する。次いで、ＲＦフィールドは、内容積部２４の窒素ガスと結合する。ＲＦフィールドは、最初、少数の自由電子を励起する。これら自由電子は、次いで、他の原子に衝突してそれら原子からより多くの電子を解放する。このプロセスは、定常状態に到達するまで続けられ、そこで、プラズマ２２は、定常量の自由電子及び自由イオン、定常電子温度、及び接地に対する一定の電圧を有する。従って、イオンの「貯留部」が内容積部２４内に生成され、プラズマ２２の電圧電位が、この貯留部からのイオンを二酸化シリコン層５８へ導入する上で助けとなる。基板及び基板ホルダー１４の電位は、全プロセス中に自由に浮動するが、プラズマ２２の電圧と、基板ホルダー１４の電圧には差があり、この差がイオンの導入を推進させる。この差は、瞬時電子温度に比例し、窒素の導入は、時間平均化された電子温度により駆動される。ここで「電子温度」とは、多数（例えば、数千）のパルスサイクルにわたる「時間平均化された電子温度」を意味するものと理解されたい。
【００２１】
[0044]電極プレート１８を接地しないと、ＲＦコイル１６は、プラズマ２２に容量性結合する。ＲＦコイル１６とプラズマ２２との間のこのような容量性結合は、プラズマ２２の電圧を増加させる。逆に、電極プレート１８を接地することにより、容量性結合が実質的に減少され、プラズマ２２の電圧が減少される。プラズマ電位及び電子温度が減少されるが、イオン密度は比較的高く保たれる。ＳｉＯ２を通してシリコン基板へ窒素が過剰に導入するのを防止するために、プラズマ電位は、１０Ｖ未満であるのが好ましい。電子温度は、約２ｅＶ又はそれ未満であるのが好ましい。イオン密度は、少なくとも１０１０ｃｍ−３であるのが好ましい。
【００２２】
[0045]図４は、電極プレートを使用しない場合、通常の非接地電極プレートを使用した場合、及び接地電極プレートを使用した場合の実験結果を各々示している。各々の場合に、実験結果は、３００Ｗ、５００Ｗ及び９００Ｗの電力をＲＦコイル１６に印加したときに得られたものである。ブロック又は三角形が大きいほど、電力の大きさが大きいことを示す。ＲＦコイル１６に与えられる所与の電力において、プラズマ電圧（Ｖｐ）は、接地電極プレートの場合に最も小さく、非接地電極プレートの場合に高く、電極プレートがない場合に更に高い。他の例では、ＲＦコイル１６に供給される有効ＲＦ電力は、１６０Ｗから３０００Ｗでよい。１０Ｖより低い電位は、接地電極プレートなしに得ることはできない。また、電位は、ＲＦコイルに供給される電力の増加と共に実質的に増加するのでないことにも注意されたい。１０００Ｗより大きさが非常に大きい電力（例えば、１４００Ｗ）は、約５ミリトール（ｍＴ）の圧力において２０Ｖより低いプラズマ電圧を形成し、約４０ｍＴの圧力において１０Ｖより低いプラズマ電圧を形成する。
【００２３】
[0046]図５は、図４の条件に対するプラズマの浮動電圧を示す。ウェハが存在する電位は、Ｖｆ又はその付近である。この場合も、基板電圧（Ｖｓ）は、接地電極プレートの場合に最も小さく、非接地電極プレートの場合に高く、電極プレートがないときには更に高い。
【００２４】
[0047]図６及び図７は、電子密度及びイオン密度を各々示す。ＲＦコイル１６に印加される電力の所与の大きさに対して、接地電極プレートを使用するとき及び非接地電極プレートを使用するときには、電子密度（又はイオン密度）間にほとんど差がない。図示されていないが、１０００Ｗより高いＲＦ電力がＲＦコイルに供給されるときには、約５０ｘ１０９ｃｍ−３のイオン密度を得ることができる。
【００２５】
[0048]図８は、電子温度を示す。低い圧力においては、接地電極を使用したとき、非接地電極を使用したとき又は電極プレートを使用しないときの電子温度の差は比較的僅かであることが明らかである。しかしながら、通常４０ｍＴより上の高い圧力では、非接地電極プレートを使用したとき又は電極プレートを使用しないときの方が、接地電極プレートを使用したときより、電子温度が相当に高いことが明らかであろう。
【００２６】
[0049]図９及び図１０を参照すれば、電極プレート１８は、２つの誘電体シート６０と６２との間に積層される。電極プレート１８と、誘電体シート６０及び６２は、ストリップ６４に形成され、これらストリップは互いに向って折り曲げられて集合的にドーム形状を画成する。誘電体シート６０は、頂部において電極プレート１８とＲＦコイル１６との間に配置される。誘電体シート６２は、電極プレート１８と上壁３８との間に配置される。電極プレートの端は、誘電体シート６２でカバーされず、ランド６６を露出したままにする。この露出されたランド６６は、導電性本体３６の導電性部分に接触し、電極プレート１８を導電性本体３６に接地する。ランド６６は、電極プレート１８の周囲に配置され、電極プレート１８はその周囲で接地される。電極プレート１８を周囲で接地することで、電極プレート１８全体ができるだけゼロボルトに近いものにされる。
【００２７】
[0050]また、ＲＦコイル１６に供給されるＲＦ電力をパルス化することで、プラズマ電圧を下げることもできる。ここに説明する実施例では、電極プレート１８が接地されないが、ＲＦコイル１６に供給されるＲＦ電力をパルス化するのに加えて電極プレート１８が接地されてもよいことを理解されたい。
【００２８】
[0051]図１１及び図１２に示すように、１３．５６ＭＨｚの周波数及び所定のピーク電力を有するＲＦ電力がＲＦコイル１６に供給される。ＲＦ電力は、自動的にスイッチ・オン及びオフされてもよく、即ち「パルス化」されてもよい。ここに示す実施例では、ＲＦ電力は、１０ｋＨｚの周波数で自動的にパルス化される。他の実施形態では、ＲＦ電力は、１ｋＨｚから１００ｋＨｚの周波数でパルス化されてもよい。窒素プラズマの組成は、ＲＦ電流を高状態と低状態との間で変えることにより連続的に変化される。図１１では、デューティサイクル、即ちＲＦ電力がオンである全時間量が３０％であり、図１２では、デューティサイクルが５０％である。ＲＦソース５０は、パルス作動可能であり、パルス周波数及びデューティサイクルの両方を手動で調整することができる。有効配電電力は、ピーク電力にデューティサイクルを乗算したものである。他の実施例では、デューティサイクルは、１０％から９０％でよい。ここに示す実施例では、ＲＦ電力の振幅が０％と１００％との間で連続的に変化されるが、別の実施例では、その振幅が、例えば、１０％と１００％との間で変化されてもよい。
【００２９】
[0052]窒素の導入量を測定する１つの方法は、窒素プラズマ処理の前後の厚み変化（「光学的デルタ」）を測定することによるものである。厚み変化が大きいほど、窒素導入量が多いことを指示する。図１３に示すように、連続電力を使用して導入された窒素の量は、パルス電力を使用して得ることもでき、導入された窒素の量は、有効配電電力と共に近似的にスケーリングされる。光学的厚みの変化は、パルス周波数に比較的不感である。
【００３０】
[0053]図１４は、連続ＲＦソース電力で作成されたサンプルに対する光学的デルタを示し、電力に伴う導入窒素の飽和が、パルス電力及び連続電力の両方に対して観察されている。
【００３１】
[0054]図１５及び図１６は、図１３と同じデータを示すもので、ソース電力及びデューティサイクルに対してプロットされ、図１３と同じ傾向を示している。
【００３２】
[0055]図１７及び図１８では、光学放射スペクトルが光学放射分光計で捕獲されている。図１７において明らかなように、固定のピークＲＦ電力（５００Ｗ）においてデューティサイクルを増加するにつれて、スペクトルは、５００Ｗの連続電力スペクトル（最も上の線）に接近する。パルス周波数は、観察される強度に僅かな影響しか与えない。図１８は、ピークＲＦ電力を増加することによりパルスＲＦ放射レベルを連続電力放射レベル（最も上の線）に復帰できることを示している。この場合も、放射は、パルス周波数に比較的不感である。
【００３３】
[0056]図１３から図１６は、連続ＲＦ電力の窒素導入と同様のウェハ上窒素導入がパルスＲＦプラズマでも可能であることを示している。図１７及び１８は、連続ＲＦ電力プラズマと同様のイオン密度のプラズマをパルスＲＦ電力で達成できることを示している。これらのデータは、連続電力に対して電子温度及びプラズマ電位を減少するパルスＲＦ電力の効果と結合されて、ＲＦ電力をパルス化することが、低いエネルギーレベルでゲート誘電体酸化物に窒素を導入させる方法を与えることを示す。酸化物に同じ量の窒素を導入するが、パルス状プラズマにおける窒素イオンは、パルス状プラズマのプラズマ電位が低いので、連続電力プラズマにおけるイオンよりウェハへの加速度が低い。この低い加速度のために、窒素は、酸化物及びその下のシリコンへあまり浸透しない。
【００３４】
[0057]薄い酸化物層を通して種々のイオンエネルギー（１０ｅＶから３０ｅＶ）でシリコン、特に、Ｓｉ（１００）へのイオンインプランテーションをシミュレーションしたところ、容易に予想できるように、低いエネルギーに対してあまり浸透しないことが示された。パルス状窒素プラズマによるこのような低いエネルギー形態で窒素の導入を達成すると、トランジスタ性能の改善を直接的に導く改善された誘電体を形成することができる。
【００３５】
[0058]本発明の別の実施形態では、窒素含有プラズマが、処理チャンバーにおいて、処理チャンバーと連通するイオン化ソースを介して発生されてもよい。窒素含有プラズマは、トランジスタゲート窒素処理プロセスに使用されてもよく、即ち窒素含有プラズマは、トランジスタゲート誘電体層を窒素処理するのに使用されてもよい。イオン化ソースは、例えば、一般的に上述したような誘導性コイル形式のアンテナ構成や、ラジアルラインアンテナソースとしても一般的に知られているスロット付きラインマイクロ波形式のイオン化ソースや、電子サイクロトロン共振ソース（ＥＣＲソース）や、マグネトロン又は変形マグネトロン形式のソースや、或いは処理チャンバーにおいてプラズマの発生を容易にするために一般に使用できる他のイオン化ソースを含んでもよい。更に、この実施形態では、窒素含有プラズマは、従来のプラズマ処理チャンバーにより与えられるものより低い電子温度を発生するようにプラズマパルス化シーケンスにより制御されてもよい。より詳細には、本発明のここに示す実施形態により与えられるパルス状プラズマ制御は、ここでは電子温度と一般に称されるプラズマの構成要素の平均エネルギーを特に制御するのに使用されてもよい。プラズマに対する制御は、例えば、ゲート窒素処理プロセスにおいてデバイスの特性を改善するのに使用できる低い電子温度を与え、即ちゲート誘電体形式のデバイスにおいてトランスコンダクタンスの低下を少なくすると共にチャンネル移動度の改善を与えるように構成される。
【００３６】
[0059]本発明のプラズマパルス化シーケンスは、一般に、窒素含有プラズマを短い時間周期中に付勢し、次いで、プラズマがある時間周期中に弛緩又は消散するのを許容するように動作する。この消散時間周期は、窒素含有プラズマを維持しながら電子温度の減少を許容する。従って、本発明の実施形態は、一般に、近付きつつあるオフ又は弛緩時間を通してプラズマを維持するに充分な量だけイオン化ソースエネルギーをパルス作動するように動作し、即ちパルスオン時間は、プラズマにエネルギーが与えられない近付きつつあるオフ又は弛緩時間を通してプラズマを維持するに充分なエネルギーをプラズマに与えるように計算される。イオン化ソースパルスのオフ又は弛緩部分中に、プラズマの電子は、自由に拡散する。しかしながら、電子の拡散がいかに迅速に電子エネルギーに直接関係するか分かっている。それ故、よりエネルギーの高い電子、即ちよりホットな電子は、よりエネルギーの低い電子よりもプラズマからより迅速に拡散し、その結果、プラズマの構成要素の平均エネルギーを低くし、即ち低い電子温度及び低温度プラズマを生じさせる。
【００３７】
[0060]それ故、イオン化ソースにより与えられるパルスのデューティサイクルは、プラズマの構成要素の平均温度にも作用する。より詳細には、より長いパルスオン時間に対応するより大きなデューティサイクルは、プラズマ内の電子がパルスオン時間中により長い時間周期にわたり励起されるので、よりホットなプラズマを発生する。それ故、本発明の実施形態は、一般に、プラズマイオン化パルスのデューティサイクルが約５％から約９０％でよいことを意図する。より詳細には、デューティサイクルは、プラズマの構成要素の希望の平均温度を発生するには、例えば、約１０％から約８０％でよく、約２５％から約６０％でよく、更に、約３０％から約５０％でよい。更に、本発明の実施形態は、イオン化プラズマソースを擬似パルス式に使用して電子温度を制御してもよいことをも意図している。例えば、パルス化とは別に、イオン化ソースの出力を約５％と約１００％との間で変化させて、プラズマ温度を制御してもよい。一般に、本発明の実施形態は、パルスのオン及びオフ時間を最適化して電子温度を制御することを意図している。
【００３８】
[0061]本発明の実施形態の一例として、図２１は、イオン化ソースを使用してプラズマを発生するプラズマ処理チャンバーに対する電子温度対パルスＲＦ周波数のプロットを示す。このデータは、整合されたイオン密度、電力印加、チャンバー圧力及び処理ガス流を用いる上述した誘導性コイル構成のイオン化ソースを使用して得られたものである。第１データポイント１９０１は、一般に、パルス作動を伴わないプラズマ開始時間における電子温度を表わす。この第１データポイント１９０１において、イオン化ソースに供給される電力は一定であり、変化もパルス作動もせず、それ故、プラズマが安定化すると、電子温度は２ｅＶと測定された。第２データポイント１９０２は、イオン化ソースへの電力が５００ｋＨｚの周波数でパルス作動されたときのプラズマの電子温度を示す。この周波数では、電子温度は、約０．６ｅＶであると測定された。第３データポイント１９０３は、イオン化ソースへの電力が５ｋＨｚの周波数でパルス作動されたときのプラズマの電子温度を示す。この周波数では、電子温度は、約０．５５ｅＶであると測定された。第４データポイント１９０４は、イオン化ソースへの電力が１０ｋＨｚの周波数でパルス作動されたときのプラズマの電子温度を示す。この周波数では、電子温度は、約０．５５ｅＶであると測定された。第４データポイント１９０４は、イオン化ソースへの電力が１０ｋＨｚの周波数でパルス作動されたときのプラズマの電子温度を示す。この周波数では、電子温度は、約０．５５ｅＶであると測定された。第５データポイント１９０５は、イオン化ソースへの電力が３０ｋＨｚの周波数でパルス作動されたときのプラズマの電子温度を示す。この周波数では、電子温度は、約０．５５ｅＶであると測定された。第６データポイント１９０６は、イオン化ソースへの電力が５０ｋＨｚの周波数でパルス作動されたときのプラズマの電子温度を示す。この周波数では、電子温度は、約１．２５ｅＶであると測定された。
【００３９】
[0062]それ故、図２１は、一般に、パルス状プラズマの実施がプラズマの電子温度を制御するよう動作することを示している。更に、図２１は、一般に、イオン化ソースに印加される電力の周波数を、０．６ｅＶ未満の電子温度を維持しながらも、約５００Ｈｚと約５０ｋＨｚとの間で変化してもよいことを示している（約１００ｋＨｚにおいて「ブロードキャスティング問題」が発生する）。更に、周波数が約５０ｋＨｚまで増加されても、電子温度は、依然、約１．２５ｅＶ未満である。従って、本発明の実施形態は、一般に、イオン化ソースを使用して、プラズマをパルス作動し、プラズマの電子温度を制御すると共に、より詳細には、プラズマの電子温度を約０．７ｅＶ未満に維持する。特に、本発明の実施形態は、処理チャンバー内のプラズマを約１ｋＨｚから約３０ｋＨｚの周波数でパルス作動する一方、約０．６ｅＶ未満の電子温度を維持するように構成される。しかしながら、図２１のデータポイントは、特定のパラメータ、即ちＲＦ電力、圧力、ガス流等を使用して得られたものであるが、連続波プラズマを使用する電子温度と、パルス状プラズマを使用する電子温度との間の関係は、付属的パラメータに関わらず、パルス状プラズマに対する電子温度が、連続波プラズマに対する電子温度より常に低いものであることに注意されたい。
【００４０】
[0063]図２２は、最大チャンネルトランスコンダクタンス（ｇｍｍａｘ）の変化を膜内の窒素のパーセンテージの関数として表わすデータを示している。トランジスタの製造においては、トランスコンダクタンスの考えられる変化又はシフトが最低であるのが望ましいが、良く知られているように、トランジスタのゲート漏洩を減少し、ポリシリコンゲート電極からの硼素の拡散を防止し、且つ電気的厚みを減少して、オフ状態制御の改善を与えるために、トランジスタ製造プロセスに窒素が一般的に導入されることに注意されたい。それ故、最大チャンネルトランスコンダクタンスシフトは、窒素を排除することで減少できるが、窒素を排除すると、ゲート漏洩、拡散及びオフ状態制御に著しい悪影響を及ぼすことになる。従って、本発明は、窒素、及び窒素含有量により与えられる利益を維持しながら、最大チャンネルトランスコンダクタンスシフトを減少するように動作する。
【００４１】
[0064]より詳細には、図２２は、連続波構成により発生された窒素含有プラズマと、窒素含有プラズマをパルス作動するように構成されたイオン化ソースとに対して最大チャンネルトランスコンダクタンスの差を示している。連続波構成と、プラズマをパルス作動するように構成されたイオン化ソースとに対するデータポイントの各々は、グラフの説明文により指示されたように、整合圧力、電力、期間及びデューティサイクル（５０％）を使用して収集される。例えば、データポイント２００１は、連続波構成に対する最大チャンネルトランスコンダクタンスシフトと窒素のパーセンテージとの間の関係を示す。データポイント２００１は、約１２．８％の窒素含有量に対して約１８．５から約１９．５の最大チャンネルトランスコンダクタンスシフトを示す。約５ｋＨｚの周波数において窒素含有プラズマをパルス作動するのに使用されるイオン化ソースを一般に表わすデータポイント２００２は、一般に、約１７．５から約１８．２５の最大チャンネルトランスコンダクタンスシフト値と約１３．２％の窒素含有量とを示す。約１０ｋＨｚの周波数において窒素含有プラズマをパルス作動するのに使用されるイオン化ソースを一般に表わすデータポイント２００３は、一般に、約１８．０から約１８．２５の最大チャンネルトランスコンダクタンスシフト値と約１３．９％の窒素含有量とを示す。約２０ｋＨｚの周波数において窒素含有プラズマをパルス作動するのに使用されるイオン化ソースを一般に表わすデータポイント２００４は、一般に、約１７．２５から約１７．７５の最大チャンネルトランスコンダクタンスシフト値と約１３．８％の窒素含有量とを示す。約１００ｋＨｚの周波数において窒素含有プラズマをパルス作動するのに使用されるイオン化ソースを一般に表わすデータポイント２００５は、一般に、約１６．２５から約１７．０の最大チャンネルトランスコンダクタンスシフト値と約１３．３％の窒素含有量とを示す。一般に、窒素含有プラズマをパルス作動するように構成されたイオン化ソースを使用するデータポイント、即ちデータポイント２００２、２００３、２００４及び２００５は、連続波形式の構成により発生される窒素含有プラズマに勝る改善された最大チャンネルトランスコンダクタンス特性を与える。
【００４２】
[0065]図２２に示されたｇｍｍａｘの変化の改善と同様の改善が、スレッシュホールド電圧シフト及び飽和ドレイン電流に対しても得られる。図２２は、ＮＭＯＳトランジスタに対する結果を示している。図２３に示すように、ＰＭＯＳトランジスタに対しても同様の改善を得ることができる。
【００４３】
[0066]薄いゲートに酸化シリコンへの窒素の導入を説明したが、ここに述べたプロセスは、他のゲート誘電体材料、特に、ＨｆＯ２、Ｈｆ１−ｘ、又はＳｉｘＯ２のような高ｋの誘電体材料に窒素を導入させるのにも適用できることに注意されたい。
【００４４】
[0067]更に、イオンエネルギーのパルス化を、誘導性コイルイオン化ソースに関して説明したが、別の実施形態では、例えば、ラジアルラインスロット付きアンテナイオン化ソース、マグネトロン形式のソース、又は電子サイクロトロン共振イオン化ソースを使用してもよい。
【００４５】
[0068]幾つかの実施形態を添付図面に示して説明したが、このような実施形態は、単なる例示で、本発明をこれに限定するものではなく、且つ本発明は、当業者にとって種々の変更がなされ得るので、図示して説明した特定の構造及び構成に限定されないことを理解されたい。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】本発明の実施形態によるプラズマリアクタの斜視図である。
【図２】プラズマリアクタの上部コンポーネントの断面側面図である。
【図３】二酸化シリコンゲート誘電体層への窒素イオンの導入を示す断面側面図である。
【図４】ラングミュアプローブで測定されたプラズマ電位を、種々のＲＦソース電力及び電極プレート構成に対して圧力の関数として示すグラフである。
【図５】ラングミュアプローブで測定されたフローティング電圧を、電極プレート構成に対して圧力の関数として示すグラフである。
【図６】ラングミュアプローブで測定された電子密度を、電極プレート構成に対して圧力の関数として示すグラフである。
【図７】ラングミュアプローブで測定されたイオン密度を、電極プレート構成に対して圧力の関数として示すグラフである。
【図８】ラングミュアプローブで測定された電子の温度を、電極プレート構成に対して圧力の関数として示すグラフである。
【図９】本発明の実施形態による電極プレートを含む積層体の底面図である。
【図１０】積層体を設置位置で示す横断面側面図である。
【図１１】ＲＦコイルへのＲＦ電力を３０％デューティサイクルでパルス化するところを示すグラフである。
【図１２】図１１と同様であるが、５０％デューティサイクルの場合を示したグラフである。
【図１３】パルスＲＦ電力で窒素プラズマ処理を行なう前後の厚み変化を示すと共に、導入された窒素の尺度を与えるグラフである。
【図１４】異なる連続ＲＦ電力設定で処理される異なるサンプルに対する厚み変化を示すグラフである。
【図１５】２つのパルス周波数に対しＲＦソースピーク電力の関数として厚み変化を示すグラフである。
【図１６】２つのパルス周波数に対しデューティサイクルの関数として厚み変化を示すグラフである。
【図１７】種々のパルス周波数及びデューティサイクルにおいて５００Ｗピーク電力に対する光学放射スペクトルを示すグラフである。
【図１８】種々のパルス周波数及びピーク電力において５０％デューティサイクルに対する光学放射スペクトルを示すグラフである。
【図１９】有効電力対ピーク強度のグラフである。
【図２０】有効電力対ピーク強度の別のグラフである。
【図２１】電子の温度対イオン化ソースに供給される電力の周波数を示すグラフである。
【図２２】ＮＭＯＳデバイスに対するゲートトランスコンダクタンス対窒素含有量を示すグラフである。
【図２３】ＰＭＯＳデバイスに対するゲートトランスコンダクタンス対窒素含有量を示すグラフである。
【符号の説明】
【００４７】
１０・・・プラズマリアクタ、１２・・・チャンバー、１４・・・基板ホルダー、１６・・・ＲＦコイル、１８・・・電極プレート、２０・・・接地点、２２・・・プラズマ、２４・・・チャンバーの内容積部、２６・・・下部移送チャンバー、２８・・・移送メカニズム、３０・・・移送チャンバーの内容積部、３２・・・円形開口、３６・・・導電性本体、３８・・・上壁、４０・・・ガスノズルポート、４２・・・真空ポンピングチャンネル、４４・・・円形開口、４６・・・垂直軸、５０・・・ＲＦソース、５４・・・シリコン層、５８・・・二酸化シリコン層、６０、６２・・・誘電体シート、６４・・・ストリップ、６６・・・ランド
【図１】
2005530341.tif 000003
【図２】
2005530341.tif 000004
【図３】
2005530341.tif 000005
【図４】
2005530341.tif 000006
【図５】
2005530341.tif 000007
【図６】
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【図７】
2005530341.tif 000009
【図８】
2005530341.tif 000010
【図９】
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【図１０】
2005530341.tif 000012
【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
2005530341.tif 000015
【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
2005530341.tif 000018
【図１７】
2005530341.tif 000019
【図１８】
2005530341.tif 000020
【図１９】
2005530341.tif 000021
【図２０】
2005530341.tif 000022
【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【国際調査報告】
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2005530341.tif 000027
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