(57)【要約】【課題】プラズマ窒化処理においてウェハ間の窒化量を均一にする、優れた処理装置及び処理方法を提供することを目的とする。【解決手段】絶縁膜を有する基板を窒化するプラズマ窒化処理装置において、プラズマ窒化処理を開始する前にウェハ温度をインプロセスで計測し、該ウェハ温度の計測値をＣＰＵにフィードバックしてプラズマ窒化時間またはプロセス圧力を制御することにより、ウェハ間の窒化量の均一性を向上することができる。【選択図】  図１
2004289081.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
絶縁膜を有する基板を窒化するプラズマ窒化処理装置において、
窒化処理を開始する前に基板温度をインプロセスで計測する手段と、該基板温度の計測値をフィードバックして窒化処理条件を制御する手段と、を備えたことを特徴とするプラズマ窒化処理装置。
【請求項２】
前記窒化処理条件は、前記窒化処理のプラズマ窒化時間であることを特徴とする請求項１に記載のプラズマ窒化処理装置。
【請求項３】
前記窒化処理条件は、前記窒化処理のプロセス圧力であることを特徴とする請求項１に記載のプラズマ窒化処理装置。
【請求項４】
前記絶縁膜はシリコン酸化膜であって、前記シリコン酸化膜を窒化してシリコン酸窒化膜を形成することを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載のプラズマ窒化処理装置。
【請求項５】
絶縁膜を有する基板を窒化するプラズマ窒化処理方法において、
窒化処理を開始する前に基板温度をインプロセスで計測し、該基板温度の計測値をフィードバックして窒化処理条件を制御することを特徴とするプラズマ窒化処理方法。
【請求項６】
前記窒化処理条件は、前記窒化処理のプラズマ窒化時間であることを特徴とする請求項５に記載のプラズマ窒化処理方法。
【請求項７】
前記窒化処理条件は、前記窒化処理のプロセス圧力であることを特徴とする請求項５に記載のプラズマ窒化処理方法。
【請求項８】
前記絶縁膜はシリコン酸化膜であって、前記シリコン酸化膜を窒化してシリコン酸窒化膜を形成することを特徴とする請求項５〜７の何れか１項に記載のプラズマ窒化処理方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はプラズマ窒化処理装置及びその処理方法に関し、特に半導体基板上に形成するシリコン酸窒化膜の形成技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
シリコンプロセスの微細化に伴って、ＭＯＳ（ｍｅｔａｌ  ｏｘｉｄｅ  ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）トランジスタの寸法が微細化している。最小寸法が０．１μｍ以下のＭＯＳトランジスタでは、実効膜厚が２ｎｍ以下のゲート絶縁膜が必要となる。ゲート絶縁膜にシリコン酸化膜を使う場合、膜厚を２ｎｍ以下に薄くすると、ダイレクト・トンネル電流が急激に増加してしまう。そこで、リーク電流を抑制するために、ゲート絶縁膜にシリコン酸化膜よりも誘電率の高いシリコン酸窒化膜が用いられている。
【０００３】
シリコン酸窒化膜の形成方法として半導体基板（以下、ウェハと称す）にシリコン酸化膜を形成した後にプラズマ窒化処理を行う方法が用いられている。この方法では、シリコン基板界面付近の窒素濃度を低く抑えることができるので、ＭＯＳトランジスタの移動度の劣化を防ぎ、高い駆動力を得ることができる。
【０００４】
従来、シリコン酸窒化膜のプラズマ窒化処理に対しては、シリコン酸化膜中の窒素分布を制御する処理方法（例えば、特許文献１参照）や、ウェハ表面を均一に窒化する処理方法（例えば、特許文献２参照）等が提案されている。しかし、ウェハ間の窒化量の均一性に関する提案は見られなかった。
【０００５】
【特許文献１】
特開２００２−１５１６８４号公報
【特許文献２】
特開２００１−３３８９１８号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
従来の処理方法によりシリコン酸化膜が形成されたウェハにプラズマ窒化処理を２５枚連続処理した時の酸化膜換算容量膜厚の推移図を図６に示す。処理順毎に酸化膜換算容量膜厚が増加し、窒化量が減少している。
【０００７】
この時、容量膜厚のウェハ間バラツキは０．０７ｎｍ程度にもなる。従って、連続処理において窒化量のウェハ間の均一性が劣化すると言う問題点がある。
【０００８】
本発明は上記課題を鑑みてなされたもので、その目的はプラズマ窒化処理においてウェハ間の窒化量を均一にする、優れた処理装置及び処理方法を提供することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
プラズマ窒化処理における窒化量に関係する因子としては、ウェハ温度、プラズマ窒化時間、プロセス圧力、プロセスガス流量及びマイクロ波照射強度がある。そこで、上記課題である連続処理において処理順に窒化量が減少する原因について発明者が検討した結果、上記因子の中でウェハ温度が処理順毎に低下することを見出した。なお、ウェハ温度以外の因子が処理順毎に単調に変動することは見られなかった。
【００１０】
そこで、上記課題を解決するために、本発明によるプラズマ窒化処理装置は、絶縁膜を有する基板を窒化するプラズマ窒化処理装置において、窒化処理を開始する前に基板温度をインプロセスで計測する手段と、該基板温度の計測値をフィードバックして窒化処理条件を制御する手段と、を備えたことを特徴とする。
【００１１】
この構成によれば、プラズマ窒化処理を開始する前にウェハ温度をインプロセスで計測し、該ウェハ温度の計測値をフィードバックして窒化処理条件を制御することにより、ウェハ間の窒化量の均一性を向上することができる。
【００１２】
上記のプラズマ窒化処理装置において、窒化処理条件は、窒化処理のプラズマ窒化時間であることが好ましい。
【００１３】
上記のプラズマ窒化処理装置において、窒化処理条件は、窒化処理のプロセス圧力であることが好ましい。
【００１４】
上記のプラズマ窒化処理装置において、絶縁膜はシリコン酸化膜であって、シリコン酸化膜を窒化してシリコン酸窒化膜を形成することが好ましい。
【００１５】
また、本発明によるプラズマ窒化処理方法は、絶縁膜を有する基板を窒化するプラズマ窒化処理方法において、窒化処理を開始する前に基板温度をインプロセスで計測し、該基板温度の計測値をフィードバックして窒化処理条件を制御することにより、所定の窒化量を得ることを特徴とする。
【００１６】
この構成によれば、プラズマ窒化処理を開始する前にウェハ温度をインプロセスで計測し、該ウェハ温度の計測値をフィードバックして窒化処理条件を制御することにより、ウェハ間の窒化量の均一性を向上することができる。
【００１７】
上記のプラズマ窒化処理方法において、窒化処理条件は、窒化処理のプラズマ窒化時間であることが好ましい。
【００１８】
上記のプラズマ窒化処理方法において、窒化処理条件は、窒化処理のプロセス圧力であることが好ましい。
【００１９】
上記のプラズマ窒化処理方法において、絶縁膜はシリコン酸化膜であって、シリコン酸化膜を窒化してシリコン酸窒化膜を形成することが好ましい。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について図面を用いて説明する。図１は本発明のプラズマ窒化処理装置の断面模式図であり、図２は本発明のプラズマ窒化処理方法のレシピ内容を示す表である。
【００２１】
まず、本発明のプラズマ窒化処理装置は、図１に示すように減圧可能なチャンバ２０１を有し、チャンバ２０１内にはマイクロ波を放射するためのアンテナ２０２と、ウェハ２０３を支持する抵抗ヒーター付ステージ２０４と、ウェハ温度を計測するための抵抗ヒーター付ステージ２０４内に内蔵した放射温度計２０５と、チャンバ上部にあるマイクロ波導入口２０６と、チャンバ横部にあるプラズマを励起し、窒素ラジカルを形成するために必要なアルゴン（Ａｒ）と窒素（Ｎ２）のプロセスガス供給口２０７と、チャンバ下部にある供給されたガスを排気すると共に減圧にするための排気口２０８とが設けられており、放射温度計２０５は本装置のレシピ、ガス流量、チャンバ圧力などを制御している中央演算処理装置（ＣＰＵ）に通信する機能を有する。
【００２２】
上記のプラズマ窒化処理装置を用いて、本発明のプラズマ窒化処理方法によりウェハ２０３を窒化処理する場合には、ウェハ２０３をチャンバ２０１内へ搬入し、４００℃に設定された抵抗ヒーター付ステージ２０４上に載せる。なお、従来と同様に、ウェハ２０３にはシリコン酸化膜（図示せず）が形成されている。
【００２３】
次いで、図２に示すように、ステップ１としてプロセスガス供給口２０７からＡｒガスを２０００ｓｃｃｍ供給し、チャンバ圧力を１２７Ｐａに制御して、８０秒間ウェハ２０３のプリヒートを行う。
【００２４】
ステップ２としてプロセスガス供給口２０７からＡｒガスを２０００ｓｃｃｍ供給し、チャンバ圧力を１２７Ｐａに制御し、マイクロ波照射強度を２０００Ｗに制御し、５秒間でプラズマの着火を行う。
【００２５】
ステップ３としてプロセスガス供給口２０７からＡｒガスを２０００ｓｃｃｍ供給し、チャンバ圧力を１２７Ｐａに制御し、マイクロ波照射強度を１５００Ｗに制御し、２０秒間その状態で一定にする。ステップ３がスタートしてから１０秒後にウェハ２０３の温度を放射温度計２０５で計測し、ＣＰＵ（図示せず）に通信する。そして、プラズマ窒化時間またはプロセス圧力を決定する。
【００２６】
ステップ４としてプロセスガス供給口２０７からＡｒガスを２０００ｓｃｃｍ、Ｎ２ガスを１５０ｓｃｃｍ供給し、マイクロ波照射強度を１５００Ｗに制御し、プラズマ窒化時間を可変にして、前ステップ時に決定したプラズマ窒化時間を使用するときは、チャンバ圧力を１２７Ｐａに制御してプラズマ窒化処理を行う。プロセス圧力を可変にして、前ステップ時に決定したプロセス圧力を使用するときには、２０秒間プラズマ窒化処理を行う。
【００２７】
ステップ４の終了後、マイクロ波の照射を遮断して、ウェハ２０３をチャンバ２０１内から搬出し、窒化処理が終了する。
【００２８】
上記のプラズマ窒化処理方法における放射温度計２０５で計測したウェハ２０３の温度からプラズマ窒化時間またはプロセス圧力を決定する方法を説明する。
【００２９】
図３はＳＩＭＳ分析より求めたウェハ温度と窒化量の相関図であり、図４はＳＩＭＳ分析より求めたプラズマ窒化時間と窒化量の相関図であり、図５はＳＩＭＳ分析より求めたプロセス圧力と窒化量の相関図である。
【００３０】
図３よりウェハ温度による窒化量の変化量は＋０．０２０７ａｔｏｍｓ×ｃｍ−２／℃である。また、図４よりプラズマ窒化時間による窒化量の変化量は＋０．２５９３ａｔｏｍｓ×ｃｍ−２／ｓｅｃである。さらに、図５よりプロセス圧力による窒化量の変化量は−０．００９４ａｔｏｍｓ×ｃｍ−２／Ｐａである。
【００３１】
ここで、基準条件をウェハ温度４００℃、プラズマ窒化時間２０ｓｅｃ、プロセス圧力１２７Ｐａとする。ウェハ温度が４２０℃で基準条件より２０℃上昇した場合、プラズマ窒化時間を可変にすると、上記の変化量からプラズマ窒化時間は１８．４ｓｅｃに決定される。また、プロセス圧力を可変にすると、プロセス圧力は１７１Ｐａに決定される。
【００３２】
上記の構成によれば、シリコン酸化膜が形成されたウェハを連続してプラズマ窒化処理を行う場合に、たとえ処理順毎にウェハ温度が変化しても、プラズマ窒化処理を開始する前にウェハ温度をインプロセスで計測し、該ウェハ温度の計測値をＣＰＵにフィードバックしてプラズマ窒化時間またはプロセス圧力を制御する。つまり、ウェハ温度の変化による窒化量の変化を見積もり、その変化量に基づいてプラズマ窒化時間またはプロセス圧力を変更することによってウェハ間の窒化量を補正するので、どのウェハも所定の窒化量を得ることができ、そしてウェハ間の窒化量を均一にすることができる。
【００３３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明のプラズマ窒化処理方法及びその処理装置によれば、プラズマ窒化処理を開始する前にウェハ温度をインプロセス計測し、該ウェハ温度の計測値をＣＰＵにフィードバックしてプラズマ窒化時間またはプロセス圧力を制御することにより、ウェハ間の窒化量の均一性を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のプラズマ窒化処理装置の断面模式図
【図２】本発明のプラズマ窒化処理方法のレシピ内容を示す表図
【図３】ウェハ温度と窒化量の相関図
【図４】プラズ窒化時間と窒化量の相関図
【図５】プロセス圧力と窒化量の相関図
【図６】従来のプラズマ窒化処理方法による容量膜厚の推移図（２５枚連続処理）
【符号の説明】
２０１  減圧可能なチャンバ
２０２  マイクロ波を放射するためのアンテナ
２０３  ウェハ（シリコン酸化膜を有する基板）
２０４  抵抗ヒーター付ステージ
２０５  放射温度計
２０６  マイクロ波導入口
２０７  プロセスガス供給口
２０８  排気口
【図１】
2004289081.tif 000003
【図２】
2004289081.tif 000004
【図３】
2004289081.tif 000005
【図４】
2004289081.tif 000006
【図５】
2004289081.tif 000007
【図６】
2004289081.tif 000008