(57)【要約】【課題】ゲート絶縁膜であるＨｉｇｈ−ｋ膜の前処理、および後処理を行って処理工程が増えても、処理する半導体製造装置の製作コストを低減し、半導体の製造コストを低減する。【解決手段】第１の基板処理室に導入された酸素ガスを高周波プラズマ化し被処理基板表面を酸化することによって酸化膜を形成し、次に酸素ガスから窒素ガスに切替えて、第１の基板処理室に導入された窒素ガスを高周波プラズマ化し前記酸化膜表面を窒化することによって酸窒化膜を形成し、次に第２の基板処理室では熱気相成長反応によりＨｉｇｈ−ｋ膜を形成し、次に第１の基板処理室に導入された窒素ガスを高周波プラズマ化し基板表面を窒化することによって窒化膜を形成する、というこれらの工程を連続的に処理することを特徴とする半導体装置の製造方法。【選択図】図１
2005057163.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の基板処理室に導入された酸素ガスを高周波プラズマ化し被処理基板表面を酸化す
ることによって酸化膜を形成し、
次に酸素ガスから窒素ガスに切替えて、第１の基板処理室に導入された窒素ガスを高周
波プラズマ化し前記酸化膜表面を窒化することによって酸窒化膜を形成し、
次に被処理基板を真空搬送室を介して第２の基板処理室に搬送され、
第２の基板処理室では熱気相成長反応によりＨｉｇｈ−ｋ膜を形成し、
次に被処理基板を真空搬送室を介して第１の基板搬送室に搬送され、
第１の基板処理室に導入された窒素ガスを高周波プラズマ化し基板表面を窒化すること
によって窒化膜を形成する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、ゲート絶縁膜を形成する半導体装置の製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
DRAMにおけるキャパシタ構造では容量の増大のためにさまざまな工夫が行なわれている
。コンデンサの容量Cは、次式で表される。
(数１)
C = εε0 S / d 
（ε：真空の誘電率、ε0：誘電体の比誘電率、S：キャパシタの表面積、d：誘電体の膜
厚）
【０００３】
容量を増大させるには比誘電率ε0と表面積Sを大きくし、膜厚ｄを小さくすればよい。
表面積Ｓの増大に関してはさまざまな工夫が行なわれているもののほぼ限界に達している
。
膜厚ｄの減少に関しては、従来の技術では５０Åより薄いＳｉＯ2膜の形成は困難と言
われている。そこで、比誘電率ε0の高い誘電体（Ｈｉｇｈ−ｋ膜）が必要となっており
、Ｈｉｇｈ−ｋ膜にはＴａ2Ｏ5、Ａｌ2Ｏ3、ＴｉＯ2、ＺｒＯ2、ＨｆＯ2などが用いられ
ている。
【０００４】
ゲート絶縁膜としてＨｉｇｈ−ｋ膜単独の場合には、膜厚が減少するほどリーク電流値
が増大し、また安定性に欠けることが問題となっている。これを抑えるためにＨｉｇｈ−
ｋ膜作成の前には酸窒化膜からなる下地膜を設けることが有望視されている。また、Ｈｉ
ｇｈ−ｋ膜の形成後、上部電極の層にリンやホウ素をドープして高温アニ−ルを行うと、
Ｈｉｇｈ−ｋ膜が結晶化し、信頼性の低下につながる。これを防ぐ方法として、Ｈｉｇｈ
−ｋ膜の形成後に窒化処理を行い窒化膜（後処理膜）を形成することが効果的と考えられ
ている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
下地膜の形成や窒化処理に高温酸化・窒化プロセスなどを用いると、格子欠陥を生成さ
せたり、既に形成されているデバイス中に不純物の再拡散をし、更に、ウエハの大口径化
に伴って高温プロセスによるウエハの反りも問題となってくる。
また、酸化処理、窒化処理により形成される酸窒化膜の形成（下地膜）、Ｈｉｇｈ−ｋ
膜、窒化膜（後処理膜）を行うと、処理工程が増えることにより、少なくとも酸化処理室
、窒化処理室、Ｈｉｇｈ−ｋ膜の成膜室が必要となり、基板処理装置のコストアップとな
り、延いては半導体装置の製造に関わるコストも上昇させてしまう。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、第１の基板処理室に導入された酸素ガスを高周波プラズマ化し被処理基板表
面を酸化することによって酸化膜を形成し、次に酸素ガスから窒素ガスに切替えて、第１
の基板処理室に導入された窒素ガスを高周波プラズマ化し前記酸化膜表面を窒化すること
によって酸窒化膜を形成し、次に被処理基板を真空搬送室を介して第２の基板処理室に搬
送され、第２の基板処理室では熱気相成長反応によりＨｉｇｈ−ｋ膜を形成し、次に被処
理基板を真空搬送室を介して第１の基板搬送室に搬送され、第１の基板処理室に導入され
た窒素ガスを高周波プラズマ化し基板表面を窒化することによって窒化膜を形成すること
を特徴とする半導体装置の製造方法にある。
【発明の効果】
【０００７】
被処理基板をプラズマ処理により酸化および窒化することができたので、低温処理が可
能となり、製造される半導体装置の熱履歴が改善される。
また、高周波プラズマによりプラズマ酸化およびプラズマ窒化しているので、酸素ガス
と窒素ガスを切替えるだけで処理が連続して行えるので、酸化と窒化の処理室を共用とす
ることができるので、半導体製造装置の製造コストを低減できる。また、半導体装置の製
造コストの低減にもなる。
また、真空搬送室を介して第１の基板処理室と第２の基板処理室が設けられているので
、
プラズマ酸化、プラズマ窒化、Ｈｉｇｈ−ｋ膜の形成が効率的に行えるようになる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
図１により、本発明の半導体製造装置の全体を説明する。
大気側カセット（図略）から大気搬送装置（図略）により被処理基板を搬入するか、大
気側カセット（図略）へ被処理基板を搬出する搬入出部４と、搬入出部は真空下で基板搬
送が行える基板搬送装置を備えた搬送室１に連設し、この搬送室１へはさらにＭＭＴ処理
室２、およびＨｉｇｈ−ｋ処理室３が連設されている。
【０００９】
本発明のＭＭＴ処理室２は、電界と磁界により高密度プラズマを生成できる変形マグネ
トロン型プラズマ源（Modified Magnetron Typed Plasma Source）を用いてウエハ等の基
板をプラズマ処理する基板処理炉である。このＭＭＴ処理室２は、気密性を確保した処理
室に基板を設置し、シャワープレートを介して反応ガスを処理室に導入し、処理室をある
一定の圧力に保ち、放電用電極に高周波電力を供給して電界を形成するとともに磁界をか
けてマグネトロン放電を起こす。放電用電極から放出された電子がドリフトしながらサイ
クロイド運動を続けて周回することにより長寿命となって電離生成率を高めるので高密度
プラズマを生成できる。このように反応ガスを励起分解させて基板表面を酸化または窒化
等の拡散処理、または基板表面に薄膜を形成する、または基板表面をエッチングする等、
基板へ各種のプラズマ処理を施すことができる。
【００１０】
図１に、このようなＭＭＴ処理室２の概略構成図を示す。ＭＭＴ処理室２は、第２の容
器である下側容器２１１と、該下側容器２１１の上に被せられる第１の容器である上側容
器２１０とから処理室２０１が形成されている。上側容器２１０はドーム型の酸化アルミ
ニウム又は石英で形成されており、下側容器２１１はアルミニウムで形成されている。ま
た後述するヒータ一体型の基板保持手段であるサセプタ２１７を窒化アルミニウムや、セ
ラミックス又は石英で構成することによって、処理の際に膜中に取り込まれる金属汚染を
低減している。
【００１１】
上側容器２１０の上部にはガス分散空間であるバッファ室２３７を形成するシャワーヘ
ッド２３６が設けられ、シャワーヘッド上壁にはガス導入用の導入口であるガス導入口２
３４が設けられ、下壁はガスを噴出する噴出孔であるガス噴出孔２３４aを有するシャワ
ープレート２４０からなっており、前記ガス導入口２３４は、ガスを供給する供給管であ
るガス供給管２３２により開閉弁であるバルブ２４３a流量制御手段であるマスフローコ
ントローラ２４１を介して図中省略の反応ガス２３０のガスボンベに繋がっている。シャ
ワーヘッド２３６から反応ガス２３０が処理室２０１に供給され、また、サセプタ２１７
の周囲から処理室２０１の底方向へ基板処理後のガスが流れるように下側容器２１１の側
壁にガスを排気する排気口であるガス排気口２３５が設けられている。ガス排気口２３５
はガスを排気する排気管であるガス排気管２３１により圧力調整器であるＡＰＣ２４２、
開閉弁であるバルブ２４３ｂを介して排気装置である真空ポンプ２４６に接続されている
。
【００１２】
供給される反応ガス２３０を励起させる放電手段として断面が筒状であり、好適には円
筒状の第１の電極である筒状電極２１５が設けられる。筒状電極２１５は処理室２０１の
外周に設置されて処理室２０１内のプラズマ生成領域２２４を囲んでいる。筒状電極２１
５にはインピーダンスの整合を行う整合器２７２を介して高周波電力印加する高周波電源
２７３が接続されている。
【００１３】
また、断面が筒状であり、好適には円筒状の磁界形成手段である筒状磁石２１６は筒状
の永久磁石となっている。筒状磁石２１６は、筒状電極２１５の外表面の上下端近傍に配
置される。上下の筒状磁石２１６、２１６は、処理室２０１の半径方向に沿った両端（内
周端と外周端）に磁極を持ち、上下の筒状磁石２１６、２１６の磁極の向きが逆向きに設
定されている。従って、内周部の磁極同士が異極となっており、これにより、筒状電極２
１５の内周面に沿って円筒軸方向に磁力線を形成するようになっている。
【００１４】
処理室２０１の底側中央には、基板であるウエハ２００を保持するための基板保持手段
としてサセプタ２１７が配置されている。サセプタ２１７はウエハ２００を加熱できるよ
うになっている。サセプタ２１７は、例えば窒化アルミニウムで構成され、内部に加熱手
段としてのヒータ（図中省略）が一体的に埋め込まれている。ヒータは高周波電力が印加
されてウエハ２００を５００℃程度にまで加熱できるようになっている。
【００１５】
また、サセプタ２１７の内部には、さらにインピーダンスを可変するための電極である
第２の電極も装備されており、この第２の電極がインピーダンス可変機構２７４を介して
接地されている。インピーダンス可変機構２７４は、コイルや可変コンデンサから構成さ
れ、コイルのパターン数や可変コンデンサの容量値を制御することによって、上記電極及
びサセプタ２１７を介してウエハ２００の電位を制御できるようになっている。
【００１６】
ウエハ２００をマグネトロン型プラズマ源でのマグネトロン放電により処理するための
処理炉２０２は、少なくとも前記処理室２０１、サセプタ２１７、筒状電極２１５、筒状
磁石２１６、シャワーヘッド２３６、及び排気口２３５から構成されており、処理室２０
１でウエハ２００をプラズマ処理することが可能となっている。
【００１７】
筒状電極２１５及び筒状磁石２１６の周囲には、この筒状電極２１５及び筒状磁石２１
６で形成される電界や磁界を外部環境や他処理炉等の装置に悪影響を及ぼさないように、
電界や磁界を有効に遮蔽する遮蔽板２２３が設けられている。
【００１８】
サセプタ２１７は下側容器２１１と絶縁され、サセプタ２１７を昇降させる昇降手段で
あるサセプタ昇降機構２６８が設けられている。またサセプタ２１７には貫通孔２１７ａ
を有し、下側容器２１１底面にはウエハ２００を突上げるための基板突上手段であるウエ
ハ突上げピン２６６が少なくとも３箇所に設けられている。そして、サセプタ昇降機構２
６８によりサセプタ２１７が下降させられた時にはウエハ突上げピン２６６がサセプタ２
１７と非接触な状態で貫通孔２１７ａを突き抜けるような位置関係となるよう、貫通孔２
１７ａ及びウエハ突上げピン２６６が設けられる。
【００１９】
また、下側容器２１１の側壁には仕切弁となるゲートバルブ２４４が設けられ、開いて
いる時には図中省略の搬送手段により処理室２０１へウエハ２００が搬入、または搬出さ
れ、閉まっている時には処理室２０１を気密に閉じることができる。
【００２０】
また、制御手段であるコントローラ１２１は高周波電源２７３、整合器２７２、バルブ
２４３ａ、マスフローコントローラ２４１、ＡＰＣ２４２、バルブ２４３ｂ、真空ポンプ
２４６、サセプタ昇降機構２６８、ゲートバルブ２４４、サセプタに埋め込まれたヒータ
に高周波電力を印加する高周波電源と接続し、それぞれを制御している。
【００２１】
上記のような構成において、ウエハ２００表面を、又はウエハ２００上に形成された下
地膜の表面を所定のプラズマ処理を施す方法について説明する。
【００２２】
ウエハ２００は処理炉２０２を構成する処理室２０１の外部からウエハを搬送する図中
省略の搬送手段によって処理室２０１に搬入され、サセプタ２１７上に搬送される。この
搬送動作の詳細は、まずサセプタ２１７が下った状態になっており、ウエハ突上げピン２
６６の先端がサセプタ２１７の貫通孔２１７ａを通過してサセプタ２１７表面よりも所定
の高さ分だけ突き出された状態で、下側容器２１１に設けられたゲートバルブ２４４が開
き、図中省略の搬送手段によってウエハ２００をウエハ突上げピンの先端に載置し、搬送
手段は処理室２０１外へ退避すると、ゲートバルブ２４４が閉まり、サセプタ２１７がサ
セプタ昇降機構２６８により上昇すると、サセプタ２１７上面にウエハ２００を載置する
ことができ、更にウエハ２００を処理する位置まで上昇する。
【００２３】
サセプタ２１７に埋め込まれたヒータは予め加熱されており、搬入されたウエハ２００
を室温〜５００℃の範囲内でウエハ処理温度に加熱する。真空ポンプ２４６、及びＡＰＣ
２４２を用いて処理室２０１の圧力を０．１〜１００Ｐａの範囲内に維持する。
【００２４】
ウエハ２００を処理温度に加熱したら、ガス導入口２３４からシャワープレート２４０
のガス噴出孔２３４ａを介して、反応ガスを処理室２０１に配置されているウエハ２００
の上面（処理面）に向けてシャワー状に導入する。
酸化膜を形成するときには、９９．９９％以上の純度の酸素ガスを用い、高周波電力は
１００Ｗ、処理室圧力は１００Ｐａである。一般的なマイクロ波プラズマを用いるプラズ
マ処理装置ではプラズマの状態を安定させるのに、酸素ガスだけでは不可能であるので、
アルゴンガスやヘリウムガスと混合してプラズマ処理しているが、ＭＭＴ装置２において
は高周波プラズマ（１０ＭＨｚ〜３０ＭＨｚ）を用いており、酸素ガスのみで安定したプ
ラズマが生成される。このようにすると、５Å程度の極めて薄い酸化膜の形成することが
可能となる。
窒化膜を形成するときには９９．９９％以上の純度の窒素ガスを用い、高周波電力は２
００Ｗ、処理室圧力は１３０Ｐａである。一般的なマイクロ波プラズマを用いるプラズマ
処理装置ではプラズマの状態を安定させるのに、酸素ガスだけでは不可能であるので、ア
ルゴンガスやヘリウムガスと混合してプラズマ処理しているが、ＭＭＴ装置２においては
高周波プラズマ（１０ＭＨｚ〜３０ＭＨｚ）を用いており、窒素ガスのみで安定したプラ
ズマが生成される。このようにすると、５Åの酸化膜に対して、窒化させることができ、
酸化膜の下地まで窒化することはなく、処理することができる。また、ＨｆＯ２膜に対し
て５Å程度の極めて薄い窒化膜も形成することが可能となる。
また、このときインピーダンス可変機構２７４は予め所望のインピーダンス値に制御し
ておく。
プラズマ酸化、およびプラズマ窒化を同じ処理室内で連続して処理する場合には、酸素
ガスと窒素ガスを切替えるだけで可能である。必要に応じてインピーダンス可変機構２７
４は予め適切な値に切替えることも可能である。
【００２５】
筒状磁石２１６、２１６の磁界の影響を受けてマグネトロン放電が発生し、ウエハ２０
０の上方空間に電荷をトラップしてプラズマ生成領域２２４に高密度プラズマが生成され
る。そして、生成された高密度プラズマにより、サセプタ２１７上のウエハ２００の表面
にプラズマ処理が施される。表面処理が終わったウエハ２００は、図示略の搬送手段を用
いて、基板搬入と逆の手順で処理室２０１外へ搬送される。
【００２６】
なお、コントローラ１２１により高周波電源２７３の電力ＯＮ・ＯＦＦ、整合器２７２
の調整、バルブ２４３ａの開閉、マスフローコントローラ２４１の流量、ＡＰＣ２４２の
弁開度、バルブ２４３ｂの開閉、真空ポンプ２４６の起動・停止、サセプタ昇降機構２６
８の昇降動作、ゲートバルブ２４４の開閉、サセプタに埋め込まれたヒータに高周波電力
を印加する高周波電源への電力ＯＮ・ＯＦＦをそれぞれ制御している。
【００２７】
図１および図２を用いて、処理フローを説明する。
搬入出部４へ被処理基板を搬入し、搬入出部が真空引きされると、搬送室に設けられた
搬送装置（図略）により被処理基板がＭＭＴ処理室２に搬送される。すると、被処理基板
は前記した方法でプラズマ酸化、プラズマ窒化を連絡的に処理が行われ、被処理基板上に
酸窒化膜が形成される。ＭＭＴ処理室２での処理が終了すると、搬送装置により搬送室１
を介してＨｉｇｈ−ｋ膜処理室３へ搬送される。Ｈｉｇｈ−ｋ膜処理室３では被処理基板
を加熱して、気相成長反応により成膜を行い、前記酸窒化膜上にＨｉｇｈ−ｋ膜を形成す
る。Ｈｉｇｈ−ｋ膜処理室３で処理が終了すると、搬送装置により搬送室１を介して再び
ＭＭＴ処理室２に搬送される。被処理基板は前記した方法でプラズマ窒化処理が行われ、
被処理基板上に形成されているＨｉｇｈ−ｋ膜をさらに窒化する。ＭＭＴ処理室２で処理
が終了すると搬入出部４へ戻される。
【００２８】
サセプタ２１７のインピーダンス（Ｖｐｐ）を制御することで、成膜速度や膜厚の面内
均一性、窒化プロセスにおける窒素原子の膜中への侵入深さなどを制御することができる
。
また、格子欠陥やウエハの反りを起こさない低温で、基板に対するプラズマダメージを
抑え、良好なデバイス特性を持った膜を形成することができる。
さらに、Ｈｉｇｈ−ｋ膜をＭＭＴ窒素プラズマで窒化する場合、サセプタ２１７の高周
波インピーダンスを制御することで、Ｈｉｇｈ−ｋ膜表面を高濃度に窒化するだけでなく
、窒素の深さ方向のプロファイルを制御することで、酸化膜とシリコン界面の窒素を低減
し、デバイストランジスタ特性を劣化させることなく窒化処理を行なうことができる。
また、ＭＭＴ処理室２では同じ処理でプラズマ酸化処理、およびプラズマ窒化処理を行
なうことが可能であるため、Ｈｉｇｈ−ｋ膜の前処理としてプラズマ酸化処理、およびプ
ラズマ窒化処理を連続で行なうことで、界面層の汚染を極力抑制することができ、モビリ
ティの向上、リーク電流の低減、膜の信頼性向上などの効果がある。
また、後処理としてプラズマで窒化しておくことで、上部電極層にリンやホウ素をドー
ピングした後の高温アニ−ル時にＨｉｇｈ−ｋ膜の結晶化を防ぐことができ、上部電極と
の整合性が向上し、やはり膜の信頼性向上につながる。
【００２９】
図３は、本発明の半導体装置の製造方法で製造される半導体装置の部分的概略図である
。
ｐ形シリコン基板１３上にはＨｉｇｈ−ｋ膜１０の前処理として形成された酸窒化膜１
１、Ｈｉｇｈ−ｋ膜１０、Ｈｉｇｈ−ｋ膜１０の後処理膜として形成された窒化膜１２、
ＳｉＯ２膜１８の順に形成される。
なお、１５、１６はシリコン基板内に形成されたＮ+形のシリコンであり、１４、１７
はＳｉＯ２であり、１９はＳｉ３Ｎ４である。
Ｈｉｇｈ−ｋ膜としてはＨｆＯ２膜が最適である。理由は○○○だからである。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明の半導体装置の製造方法で使用するＭＭＴ処理室の概略図。
【図２】本発明の半導体装置の製造方法で使用する半導体製造装置全体を概略図。
【図３】本発明の半導体装置の製造方法で製造される半導体装置の部分的概略図。
【符号の説明】
【００３１】
１    搬送室
２    ＭＭＴ処理室
３    Ｈｉｇｈ−ｋ膜処理室
１０    Ｈｉｇｈ−ｋ膜
１１    酸窒化膜
１２    窒化膜
１３    ｐ形シリコン基板
【図１】
2005057163.tif 000003
【図２】
2005057163.tif 000004
【図３】
2005057163.tif 000005