(57)【要約】半導体デバイスを製造する方法は、半導体基板を準備し、その基板上に、酸化物層を形成し、その酸化物層の露出面の上部に窒素原子を添加して拡散障壁を形成することを備える。
2004507107.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体デバイスを製造する方法であって、前記方法は、
半導体基板を準備し、
前記基板上に、露出面と前記基板での境界面とを備える酸化物膜を形成し、
前記露出面の上部に窒素原子を添加して拡散障壁を形成することを備え、前記酸化物膜に窒素原子が浸透しない、前記半導体デバイスを製造する方法。
【請求項２】
前記添加は、前記基板を、シランガスの存在下で窒素ガスを含むプラズマ中に晒すことを備え、
窒素ガスとシランガスが前記酸化物膜上に窒化シリコン膜を形成する請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記晒すことが、前記基板を、シランガスの存在下で窒素ガスを含むガスプラズマ中に約５０ｍＴｏｒｒ乃至７５０ｍＴｏｒｒの範囲の圧力で晒すことを備える請求項２記載の方法。
【請求項４】
前記晒すことが、前記基板を、シランガスの存在下で窒素ガスを含むガスプラズマ中に約２５０ｍＴｏｒｒの圧力で晒すことを備える請求項３記載の方法。
【請求項５】
前記添加は、前記基板を、窒素ガスを含むプラズマ中に晒すことを備える請求項２記載の方法。
【請求項６】
前記添加は、前記基板を、前記プラズマ中に、２５℃乃至８００℃の範囲の温度で晒すことを備える請求項５記載の方法。
【請求項７】
前記添加は、前記基板を、前記プラズマ中に、約２５℃の温度で晒すことを備える請求項６記載の方法。
【請求項８】
前記晒すことが、前記基板を、ヘリウムガスに晒すことをさらに備える請求項５記載の方法。
【請求項９】
前記晒すことが、前記基板を、窒素ガスおよびヘリウムガスを含むプラズマに晒すことを備える請求項８記載の方法。
【請求項１０】
前記晒すことが、前記基板を、窒素プラズマ中に１０ｍＴｏｒｒ乃至１０００ｍＴｏｒｒの範囲の圧力で晒すことを備える請求項５記載の方法。
【請求項１１】
前記晒すことが、前記基板を、窒素プラズマ中に約１５０ｍＴｏｒｒの圧力で晒すことを備える請求項１０記載の方法。
【請求項１２】
前記半導体基板を準備することが、シリコンウエハを準備することを備える請求項１記載の方法。
【請求項１３】
半導体デバイスを製造する方法であって、前記方法は、
半導体基板を準備し、
前記基板に、露出面と前記基板での境界面とを備える酸化物膜を形成し、
前記露出面をシランガスに晒し、前記露出面の上部にシラン分子を形成し、
前記酸化物膜の前記露出面の上部に窒素原子を添加することを備え、
前記窒素原子は前記シラン分子と反応して拡散障壁を形成する、前記半導体デバイスを製造する方法。
【請求項１４】
前記添加は、前記基板を、窒素ガスを含むプラズマ中に晒すことを備える請求項１３記載の方法。
【請求項１５】
前記添加は、前記基板を、窒素ガスを含むプラズマ中に、２５℃乃至８００℃の範囲の温度で晒すことを備える請求項１４記載の方法。
【請求項１６】
前記添加は、前記基板を、窒素ガスを含むプラズマ中に、約２５℃の温度で晒すことを備える請求項１３記載の方法。
【請求項１７】
前記晒すことが、ヘリウムガスを窒素ガスに添加することを備える請求項１６記載の方法。
【請求項１８】
前記晒すことが、前記基板を、窒素ガスおよびヘリウムガスを含むプラズマに晒すことを備える請求項１７記載の方法。
【請求項１９】
前記添加は、前記基板を、窒素ガスを含むプラズマ中に１０ｍＴｏｒｒ乃至１０００ｍＴｏｒｒの範囲の圧力で晒すことを備える請求項１３記載の方法。
【請求項２０】
前記添加は、前記基板を、窒素ガスを含むプラズマ中に約１５０ｍＴｏｒｒの圧力で晒すことを備える請求項１９記載の方法。
【請求項２１】
前記半導体基板を準備することが、シリコンウエハを準備することを備える請求項１３記載の方法。
【請求項２２】
半導体デバイスを製造する方法であって、前記方法は、
処理チャンバを有する処理装置を準備し、
前記処理チャンバ内に半導体基板を供給し、
前記基板に、露出面と前記基板との境界面とを備える酸化物膜を形成し、
シランガスの存在下で前記処理チャンバに窒素ガスを含むプラズマを注入して前記酸化物膜の上部に拡散障壁を形成することを備え、それによって、前記酸化物膜に窒素原子が浸透しない、前記半導体デバイスを製造する方法。
【請求項２３】
前記注入は、５０ｍＴｏｒｒ乃至７５０ｍＴｏｒｒの範囲の圧力で、窒素ガスを含むプラズマを前記処理チャンバに注入することを備える請求項２２記載の方法。
【請求項２４】
前記注入は、約２５０ｍＴｏｒｒの圧力で、窒素ガスを含むプラズマを前記処理チャンバに注入することを備える請求項２３記載の方法。
【請求項２５】
５乃至５０ｃｍ３／ｍｉｎの範囲のガス流で前記処理チャンバ内にシランガスを注入することをさらに備える請求項２２記載の方法。
【請求項２６】
約２５ｃｍ３／ｍｉｎの範囲のガス流で前記処理チャンバ内にシランガスを注入することをさらに備える請求項２５記載の方法。
【請求項２７】
前記注入は、約２５℃の温度で、前記プラズマを注入することを備える請求項２２記載の方法。
【請求項２８】
約５乃至５０ＭＨｚの範囲の無線周波数を有するプラズマ発生器で前記プラズマを発生させることをさらに備える請求項２２記載の方法。
【請求項２９】
約１３．５６ＭＨｚの無線周波数を有するプラズマ発生器で前記プラズマを発生させることをさらに備える請求項２８記載の方法。
【請求項３０】
約５０乃至１０００ワットの範囲の電力入力を有するプラズマ発生器で前記プラズマを発生させることをさらに備える請求項２２記載の方法。
【請求項３１】
約４００ワットの電力入力を有するプラズマ発生器で前記プラズマを発生させることをさらに備える請求項３０記載の方法。
【請求項３２】
半導体デバイスを製造する方法であって、前記方法は、
表面を有する半導体基板を準備し、
前記基板の前記表面の上部に窒素原子を添加し、
前記窒素原子を覆って前記基板に酸化物膜を形成することを備え、前記窒素原子が前記酸化物膜に取り入れられて拡散障壁を形成する、前記半導体デバイスを製造する方法。
【請求項３３】
前記形成は、６００℃乃至１１００℃の範囲の温度で前記基板を酸化することを含む請求項３２記載の方法。
【請求項３４】
前記添加は、窒素ガスを含むプラズマ中に、前記基板を晒すことを備える請求項３２記載の方法。
【請求項３５】
前記晒すことが、５乃至６０秒の範囲の間、前記基板を晒すことを備える請求項３４記載の方法。
【請求項３６】
前記晒すことが、３０秒間、前記基板を晒すことを含む請求項３５記載の方法。
【請求項３７】
前記晒すことが、前記基板を、窒素ガスおよびヘリウムガスを含むプラズマに晒すことを含む請求項３４記載の方法。
【請求項３８】
前記晒すことが、前記基板を、前記プラズマ中に１０ｍＴｏｒｒ乃至１０００ｍＴｏｒｒの範囲の圧力で晒すことを備える請求項３４記載の方法。
【請求項３９】
前記晒すことが、前記基板を、前記プラズマ中に約１５０ｍＴｏｒｒの圧力で晒すことを備える請求項３３記載の方法。
【請求項４０】
前記半導体基板を準備することが、シリコンウエハを準備することを備える請求項３２記載の方法。
【請求項４１】
半導体デバイスを製造する方法であって、前記方法は、
処理チャンバを有する処理装置を準備し、
前記処理チャンバ内に半導体基板を供給し、
前記基板に、露出面と境界面とを備える酸化物膜を形成し、
シランガスの存在下で前記露出面上に窒素原子を添加して前記露出面上に拡散障壁を形成することを備える、前記半導体デバイスを製造する方法。
【請求項４２】
前記添加は、窒素ガスを含むプラズマを前記処理チャンバに注入することを備える請求項４１記載の方法。
【請求項４３】
前記注入は、１０ｍＴｏｒｒ乃至１０００ｍＴｏｒｒの範囲の圧力で、窒素ガスを含むプラズマを前記処理チャンバに注入することを備える請求項４２記載の方法。
【請求項４４】
前記注入は、１５０ｍＴｏｒｒの圧力で、窒素ガスを含むプラズマを前記処理チャンバに注入することを備える請求項４３記載の方法。
【請求項４５】
前記注入は、２５℃乃至８００℃の温度範囲で、前記プラズマを前記処理チャンバに注入することを備える請求項４２記載の方法。
【請求項４６】
前記注入は、約２５℃の温度で、前記プラズマを前記処理チャンバに注入することを備える請求項４５記載の方法。
【請求項４７】
前記添加は、窒素ガスおよびヘリウムガスを含むプラズマを前記処理チャンバに注入することを備える請求項４１記載の方法。
【請求項４８】
請求項１の方法で形成された半導体デバイス。
【請求項４９】
請求項６の方法で形成された半導体デバイス。
【請求項５０】
請求項１０の方法で形成された半導体デバイス。
【請求項５１】
請求項２２の方法で形成された半導体デバイス。
【請求項５２】
請求項３２の方法で形成された半導体デバイス。
【請求項５３】
半導体基板と、
前記基板に形成された酸化物膜であって、境界面と露出面とを有する前記酸化物膜と、
前記露出面の上部に形成された拡散障壁とを備え、前記拡散障壁を形成する分子は前記酸化物膜内に浸透しない半導体デバイス。
【請求項５４】
前記半導体基板はシリコンウエハを備える請求項５３記載の半導体デバイス。
【請求項５５】
前記拡散障壁は、窒素原子を含む請求項５４記載の半導体デバイス。
【請求項５６】
前記酸化物膜は、１０乃至５０オングストロームの範囲の厚さを有している請求項５３記載の半導体デバイス。
【請求項５７】
前記酸化物膜は、２０オングストロームより小さい厚さを有している請求項５３記載の半導体デバイス。
【請求項５８】
前記拡散障壁は、５乃至３０オングストロームの範囲の厚さを有している請求項５６記載の半導体デバイス。
【請求項５９】
前記拡散障壁は、１５乃至２０オングストロームの範囲の厚さを有している請求項５８記載の半導体デバイス。
【請求項６０】
前記酸化物層がトランジスタのゲート酸化物層を形成している請求項５３記載の半導体デバイス。
【請求項６１】
前記拡散障壁は、窒素原子とシラン原子とを含んでいる請求項５３記載の半導体デバイス。
【請求項６２】
前記拡散障壁は、５乃至３０オングストロームの範囲の厚さを有している請求項６１記載の半導体デバイス。
【請求項６３】
前記拡散障壁は、１５乃至２０オングストロームの範囲の厚さを有している請求項６１記載の半導体デバイス。
【請求項６４】
半導体基板と、
前記基板に形成された膜であって、高誘電率材料を備え、前記基板との境界面と露出面とを有する前記膜と、
前記露出面の上部に形成された拡散障壁とを備え、前記拡散障壁を形成する分子は前記膜内に浸透しない半導体デバイス。
【請求項６５】
前記半導体基板はシリコンウエハを備える請求項６４記載の半導体デバイス。
【請求項６６】
前記膜は、酸化ジルコニウムと酸化ハフニウムとの群からの少なくとも一つの材料を備える請求項６４記載の半導体デバイス。
【請求項６７】
前記拡散障壁は、窒素原子を含んでいる請求項６６記載の半導体デバイス。
【請求項６８】
前記拡散障壁は、窒素原子とシラン原子とを含んでいる請求項６７記載の半導体デバイス。
【請求項６９】
前記拡散障壁は、窒化シリコン膜を備えている請求項６８記載の半導体デバイス。
【請求項７０】
前記拡散障壁は、５乃至３０オングストロームの範囲の厚さを有している請求項６９記載の半導体デバイス。
【請求項７１】
前記拡散障壁は、１５乃至２０オングストロームの範囲の厚さを有している請求項７０記載の半導体デバイス。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
本出願は、イマッド　マハウィリ、ピーエイッチディーによって、ホウ素拡散障壁層の新規な化学および半導体デバイス製造への適用方法という表題で、２０００年８月１８日に出願された出願番号６０／２２６、１６７の米国予備出願からの優先権を主張するものである。
【０００２】
（技術分野および発明の背景）
固体トランジスタ等の半導体デバイスの製造においては、いくつかの薄膜プロセスが関与する。簡単に言えば、そして例を挙げれば、シリコンウエハは、最初、ウェット洗浄され、その後、高温で、酸素雰囲気でウエハを加熱することによって、酸化シリコン膜を形成する。酸化シリコン膜が形成された後、酸化膜上に窒化シリコン膜が形成される。この窒化シリコン膜の形成は、減圧化学気相成長システム中でアンモニアとシランとを使用して行われる。その後、フィールド酸化物が、種々の装置セットにおける、堆積したレジストのドライエッチングによる除去や、ウエット洗浄、酸化および最終的な平坦化のいくつかの一連のステップの後に形成される。回路パターンが、使用されることを意図したトランジスタ設計のいくつかのリソグラフィー工程で形作られる。その後、トランジスタのソースとドレインを形成するＮウエルとＰウエルが、イオン注入、レジストアッシングおよびウェット洗浄ステップで形成される。
【０００３】
その後、いくつかの濃度のフッ化水素酸等の無機酸を使用した厳密なウエハウエット予備洗浄が行われる。その後、ウエハは、６００℃乃至１０５０℃の範囲の高温で、酸素雰囲気、ジクロロシランおよび水蒸気の酸素雰囲気、または酸素と水素の雰囲気で酸化される。トランジスタゲート酸化物と呼ばれるこの酸化物は、その後、典型的には、約１０００℃の高温で、アンモニアまたは亜酸化窒素の窒素雰囲気でアニールされる。この最後のアニールステップで、通常はゲート酸化物内部にある量の窒素を取り入れさせる窒化シリコン層を形成する。窒化シリコンは、良伝導体であると共に、良好な拡散障壁でもある。典型的にはホウ素または燐を含有しているポリシリコン層が付加されると、ホウ素原子または燐原子は、ゲート酸化物中に移動し得る。しかしながら、窒化シリコン層は、ホウ素または燐がゲート中に移動する障壁として働く。しかしながら、ゲートが２０オングストロームのオーダーの薄さになると、酸化物層に存在する窒素原子が、ゲートの性能に影響を与える。従って、窒素の移動が、多くのデバイスの速度を増加させる障害となってきた。デバイス製造の形状が小さくなるにつれて、そして、０．１３ミクロンのライン幅に近づくと、拡散障壁としてのゲート酸化物中への窒素取り込みがこれらのデバイスの速度の更なる改善を制限してきている。
【０００４】
その結果、ゲート酸化物の厚さを最小化できる一方、ゲート酸化物中への移動のためにポリシリコン層中に位置する燐原子またはホウ素原子の方法が必要とされている。
【０００５】
（発明の概要）
本発明によれば、半導体デバイスを形成する方法は、デバイスの酸化物膜−ポリシリコン層境界に窒素原子を取り入れることを含んでいる。本発明は、窒素原子を、全てではないとしても、ほとんどのその原子を酸化物膜の上に存在させ、その内部には存在させない態様で取り入れる方法を提供する。これによって、ポリシリコン層からのホウ素原子の拡散を最大限に防止し、それによって、酸化物膜が８乃至１５オングストローム近くの非常に小さい厚さで最も望ましい電気的方法で機能するようにし、それによってデバイスの速度を増大させる。
【０００６】
本発明の一形態では、半導体基板に酸化物膜を形成し、半導体基板の露出面の上部に窒素原子を添加して拡散障壁を形成して半導体デバイスを製造し、前記酸化物膜には窒素原子が浸透しない。
【０００７】
一態様においては、窒素原子は、基板を窒素ガスを含むプラズマ中に晒すことで添加される。例えば、基板は、前記プラズマ中に、２５℃乃至８００℃の範囲の温度で、または約２５℃の温度で晒すことができる。さらなる態様では、基板を、窒素プラズマ中に１０ｍＴｏｒｒ乃至１０００ｍＴｏｒｒの範囲の圧力で、または、より好ましくは、約１５０ｍＴｏｒｒの圧力で晒す。
【０００８】
他の態様においては、基板を、ヘリウムガスにも晒す。好ましくは、基板を、窒素ガスおよびヘリウムガスを含むプラズマに晒す。
【０００９】
さらに他の態様においては、基板を、シランガスの存在下で窒素ガスを含むプラズマ中に晒し、そこでは、窒素とシランが酸化物膜の上部に窒化シリコン膜を形成する。例えば、基板を、シランガスの存在下で窒素ガスを含むガスプラズマ中に約５０ｍＴｏｒｒ乃至７５０ｍＴｏｒｒの範囲の圧力で、または約２５０ｍＴｏｒｒの圧力で晒す。
【００１０】
本発明の他の形態では、基板に、露出面と前記基板との境界面とを備える酸化物膜を形成することによって半導体デバイスを製造する。露出面は、シランガスに晒され、露出面上にシラン分子を形成する。酸化物膜の露出面の上部に窒素原子を添加する。窒素原子は記シラン分子と反応して拡散障壁を形成する。
【００１１】
一態様においては、基板を、窒素ガスを含むプラズマ中に晒すことによって窒素原子が添加される。例えば、基板を、窒素ガスを含むプラズマ中に、２５℃乃至８００℃の範囲の温度で、または約２５℃の温度で晒すことができる。
【００１２】
本発明のさらに他の形態では、処理装置の処理チャンバ内で半導体基板に酸化物膜を形成することによって半導体デバイスを形成する。シランガスの存在下で処理チャンバに窒素ガスを含むプラズマを注入して酸化物膜の上部に拡散障壁を形成する。
【００１３】
一態様においては、５０ｍＴｏｒｒ乃至７５０ｍＴｏｒｒの範囲の圧力で、より好ましくは、約２５０ｍＴｏｒｒの圧力で、前記プラズマを処理チャンバに注入する。
【００１４】
他の態様においては、５乃至５０ｃｍ３／ｍｉｎの範囲のガス流で処理チャンバ内にシランガスを注入する。好ましくは、約２５ｃｍ３／ｍｉｎの範囲のガス流で処理チャンバ内にシランガスを注入する。
【００１５】
他の態様によれば、約５乃至５０ＭＨｚの範囲の無線周波数、さらに好ましくは、約１３．５６ＭＨｚの無線周波数を有するプラズマ発生器でプラズマを発生させる。さらに、プラズマ発生器の電力入力は、約５０乃至１０００ワットの範囲、より好ましくは約４００ワットである。
【００１６】
本発明の他の形態によれば、半導体基板の表面上に窒素原子を添加することによって半導体デバイスを製造する。その後、窒素原子を覆って基板に酸化物膜を形成し、窒素原子が酸化物膜に取り入れられて拡散障壁を形成する。
【００１７】
本発明の他の形態では、半導体デバイスは、半導体基板と、基板に形成された酸化物膜と、酸化物膜の露出面の上部に形成された拡散障壁とを備え、拡散障壁を形成する分子は酸化物膜内に浸透しない。
【００１８】
一態様では、拡散障壁は、窒素原子を含む。
【００１９】
他の態様では、酸化物膜は、１０乃至５０オングストロームの範囲の厚さを有している。
【００２０】
他の態様によれば、前記酸化物層がトランジスタのゲート酸化物層を形成している。
【００２１】
さらに他の態様においては、拡散障壁は、窒素原子とシラン原子とを含んでいる。さらに、拡散障壁は、５乃至３０オングストロームの範囲の、より好ましくは、１５乃至２０オングストロームの範囲の厚さを有している。
【００２２】
本発明のさらに他の形態では、半導体デバイスは、半導体基板と、基板に形成された膜であって高誘電率材料を備える膜と、当該膜の露出面の上部に形成された拡散障壁とを備え、拡散障壁を形成する分子は前記膜内に浸透しない。
【００２３】
例えば、前記半導体基板は好ましくはシリコンウエハを備え、前記膜は、酸化ジルコニウムと酸化ハフニウムとの群からの少なくとも一つの材料を備える。
【００２４】
また、前記拡散障壁は、窒素原子を含んでいるが、窒素原子とシラン原子とを含んでもよい。
【００２５】
さらなる態様においては、前記拡散障壁は、５乃至３０オングストロームの範囲の、さらに好ましくは、１５乃至２０オングストロームの範囲の厚さを有している。
【００２６】
これらのおよび他の目的、特徴および利点は、図面と次の説明を検討することで明らかになるであろう。
【００２７】
（好ましい実施の形態の説明）
図１を参照すれば、符号１０は、半導体基板を処理する本発明の処理装置を一般的に示している。装置１０は、半導体デバイスの製造における、半導体ウェーハ等の半導体基板１２の、例えば、熱アニール、ボロフォスファラス（ｂｏｒｏ−ｐｈｏｓｐｈｏｒｏｕｓ）ガスの熱リフロー等の熱プロセス、さらには、酸化膜、窒化膜、ドープト、アンドープトポリシリコン膜、シリコンエピタキシャル膜、金属タングステン膜、タングステンシリサイド膜等の化学気相成長による薄膜形成を含む種々の製造プロセスおよび処理プロセスを行うのに適している。後により詳細に説明するが、装置１０は、それによってデバイスの速度を増加させるように、デバイスそのものへの窒素原子の拡散をなくさないとしても制限する態様で窒素原子が添加されてホウ素原子または燐原子の拡散障壁を形成する半導体デバイスを製造するのに使用される。
【００２８】
図２を参照すれば、装置１０は、基板１２を処理する処理チャンバ１８内に１または２以上のガスを注入するガス注入システム１６を備えている。ガス注入システム１６は、好ましくは処理チャンバ内に注入する前に、ガスのエネルギーレベルを上げるプラズマ発生器１４を備えている。プラズマ発生器１４は、好ましくは、処理チャンバ（１８）内に注入されるガスをイオン化し、さらに好ましくは、ガスをイオン化してプラズマにし、それによって、電子温度を緩和する。さらに、ガスをイオン化してプラズマにすることによって、ほとんどの化学気相成長プロセスに付随する加熱を減じ、場合によっては、加熱をなくする。さらに、ガスをイオン化することによって、既に形成されている膜の安定性が増す。さらに、発生器１４は、処理チャンバ１８の外側に設けられているので、発生器は、ガスを処理チャンバに注入する前にイオン化して、基板、典型的には半導体基板、をプラズマ場の高い電子エネルギーから隔離し、それによって、基板が高い電子エネルギーにさらされたときに典型的に起こるデバイスの損傷および／または不良等の基板の変化を防止する。
【００２９】
再び図２を参照すれば、装置１０は、基板に熱を、好ましくは均一な状態で、供給するヒータアセンブリ２０と、放射率測定装置２２とを備えている。適切なヒータのさらなる詳細は、ミシガン州のグランド　ラピッズ（Ｇｒａｎｄ Ｒａｐｉｄｓ）のマイクロ　シー　テクノロジーズ、インク（Ｍｉｃｒｏ Ｃ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ， Ｉｎｃ．）に譲渡された米国特許第５，９５１，８９６号を参照のこと。適切な、放射率測定アセンブリのさらなる詳細は、ミシガン州のグランド　ラピッズ（Ｇｒａｎｄ Ｒａｐｉｄｓ）のマイクロ　シー　テクノロジーズ、インク（Ｍｉｃｒｏ Ｃ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ， Ｉｎｃ．）に譲渡された米国特許第５，８１４，３６５号を参照のこと。
【００３０】
装置１０は、処理チャンバ１８を形成するハウジング２４を備えている。基板１２は、処理チャンバ１８内で、シリコンカーバイドをコーティングしたグラファイト、石英、純シリコンカーバイド、アルミナ、ジルコニア、アルミニウム、スチール等の適切な材料からなるプラットフォーム２６上に支持されている。基板１２は、そのデバイス側１２ａがハウジング２４の上壁、すなわちカバー２８に向かって上向きに配置される。プラットフォームの適切な例については、ミシガン州のグランド　ラピッズ（Ｇｒａｎｄ Ｒａｐｉｄｓ）のマイクロ　シー　テクノロジーズ、インク（Ｍｉｃｒｏ Ｃ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ， Ｉｎｃ．）に譲渡された出願中の米国特許第６，０９０，２１２号および第６，００７，６３５号を参照のこと。なお、これらの米国特許は、ここに組み込まれる。
【００３１】
プラットフォーム２６は、好ましくは、第２の回転ハウジング３２の上壁３０に設けられた窪んだ中央の開口３０ａ内に置かれ支持される。ハウジング３２は、好ましくは、ベース３４上のハウジング２４内に回転可能に支持される。ベース３４と第２のハウジング３２は、ハウジング２４のベース壁３６上に回転可能に支持され、好ましくは、従来型のマグネットカップリング駆動機構３８または真空シールを介してベース３４への回転を切り離すことができる他の適切な駆動装置を使用して回転される。このようにして基板１２はハウジング２４内に、回転可能に支持される。さらに、基板１２を回転することによって、装置１０は、基板の全面にわたって熱および反応ガスを均一に与えられることができる。例えば、ベース３４およびハウジング３２の１分当たりの回転数（ｒｐｍ）は、予めセットされていてもよく、例えば、具体的なプロセスに応じて５乃至６０ｒｐｍの範囲のものとする。
【００３２】
ヒータアセンブリ２０は、ハウジング３２とハウジング３２の上部に置かれてハウジング３２内のヒータアセンブリ２０を包囲するものを完成するプラットフォーム２６とによって包囲される。プラットフォーム２６がカバー２８の下面２８ａから離間して基板１２を支持するが、それらの間の空間が処理チャンバ１８となる。処理チャンバ１８は、好ましくは、真空排気ポートを介して排気される。真空排気ポートは、後に詳細に説明するが、ガス注入アセンブリ１６に設けることができる。基板（１２）は、自動移載ロボットのような従来型のウェーハ移載装置によって、チャンバ１８内にチャンババルブ３９を介して位置せしめられ、プラットフォーム２６上に位置せしめられる。
【００３３】
図５、６を参照すれば、ガス注入アセンブリ１６は、マニホールド４０を備え、マニホールド４０を介して処理チャンバ１８内基板１２上に１種以上のガスが注入される。マニホールド４０は、基板１２にわたって延在するように離間して配置されカバー２８内に支持されている複数のガス注入チューブ４６から構成される。好ましくは、チューブ４６は、例えば、石英、アルミナチューブ等の非反応性ガスチューブから構成されている。各ガス注入チューブ４６は、隣接する注入チューブから離間し、マニホールド４０が薄膜成長が行われる基板１２の限定されたまたは分離した領域上にガスを注入するように配置されている。さらに、各チューブ４６は、１以上のチューブ４６が洗浄や交換のために取り外せるように、カバー２８内に、好ましくは取り外し可能に支持されている。
【００３４】
マニホールド４０は、また、チューブ４６の周囲と、内側ガス注入リング４１の半径方向内側のチューブ４６の周囲に同様に延在する排気マニホールド４４の周囲とに延在するガス注入リング４１を備えている。注入リング４１は、典型的には、窒素等の不活性ガスを処理チャンバ１８内に注入し、基板の周囲に不活性ガスを向けてガスバリアを形成し、それによって、反応ガスがガス注入チューブ４６を介して注入されたときに、ガス排気マニホールド４４がガス注入チューブ４６の近傍に配設されているので、反応ガスは各チューブの直下の基板の領域に閉じ込められる。排気マニホールド４４は、ガス注入チューブ４６に沿ってその近傍に設けられているので、排気マニホールド４４の下の領域近傍を移動している何れの迷ガス分子も処理チャンバ１８から排気される。従って、ガス注入チューブ４６によって注入されたガスは、処理チャンバ１８の分離されたある体積内に制限され、さらに、基板の分離されたある領域に制限される。
【００３５】
図３、４を参照すれば、各チューブ４６は、レーザドリル等の、例えばドリルよって形成することができる、複数のオリフィスまたは穴４８を備えている。穴４８は、チューブ内のガスを基板１２上に向けまたは分散させる。各オリフィスまたは穴の大きさ、位置およびピッチは、ガスの流れを変えるために記載されているように変えることができ、さらに、注入されたガスのプロファイルを調整して基板１２上でのガス分布を最適化するためにチューブ４６の長手方向に沿って変えることもできる。再び図３を参照すれば、マニホールド４０は、好ましくは、３つのチューブ、すなわち、１つの中央チューブ４６ａおよび２つの外側チューブ４６ｂ、４６ｃを備える。任意的に、各チューブ４６ａ、４６ｂ、４６ｃは、関連づけられ、基板１２上に、それぞれのガスを注入してもよい。例えば、中央チューブ４６ａは第１の反応ガスを注入するのに使用され、チューブ４６ｂおよび４６ｃは第２のガスを注入するのに使用されてもよい。また、各チューブを介しての流れは個々に制御され、それによって、それらが全て一緒にオンになることもでき、一つずつ次から次へとなるようにすることもでき、各オン／オフサイクル間に種々のタイムインターバルを持ったランダムなシーケンスとすることもできる。さらに、一つのチューブからガスの供給を止めた時に、ウェーハ表面の反応条件を制御し、ガスの逆流汚染を防止するために、他のガスをそのチューブに注入してもよい。さらに、各チューブ４６ａ、４６ｂ、４６ｃの各々を、特定のガスの注入と関連付けてもよい。なお、例えば、基板１２を処理するために、水素、アルゴン、六フッ化タングステン、窒素、ヘリウム等の広い種類のガスが採用されて選択的にオリフィス４８を介して導入され得る。
【００３６】
図４を参照すれば、各チューブ４６ａ、４６ｂ、４６ｃは、チューブ４６ａ、４６ｂ、４６ｃからカバー２８を介して延在する配送チューブ５０ａ、５０ｂ、５０ｃをそれぞれ備えるか、またはこれらとそれぞれ連通している。各配送チューブ５０ａ、５０ｂ、５０ｃは、好ましくは、チャンバ１８の外側であってカバー２８上に位置する、より大きい直径の供給チューブ５２ａ、５２ｂ、５２ｃとそれぞれ直列に結合する。例えば、チューブ５０ａ、５０ｂ、５０ｃ、４６ａ、４６ｂ、４６ｃは、それぞれ約０．２５インチの直径を有し、チューブ４６ａ、４６ｂ、４６ｃは、直径約０．２０インチのオリフィス穴を備えている。供給チューブ５２ａ、５２ｂ、５２ｃは、それぞれ、０．５インチ〜１インチの範囲またはそれより大きい直径を有している。減圧されたチャンバの圧力、例えば、１Ｔｏｒｒより低く、典型的には、０．１〜０．３Ｔｏｒｒの範囲において、この中央ガス注入チューブを介してあるガスが供給され、同時にプラズマ発生器が作動すると、そのガスは、より大きい石英チューブのより大きい領域（ｃｏｎｆｉｎｅ）内で解離し、イオン化される。供給チューブ５２ａ、５２ｂ、５２ｃも、後にさらに充分に説明するように、好ましくは、石英またはアルミナ等の非反応性材料から成り、イオン化したガスをチューブ５０ａ、５０ｂ、５０ｃを経由してチューブ４６ａ、４６ｂ、４６ｃに届け、好ましくは、イオン化されてプラズマとなったガスを届ける。
【００３７】
図６において最もよく見られるように、ガス注入マニホールド４０は、排気マニホールド４４を備えている。上述したように、排気マニホールド４４は、チューブ４６ａ、４６ｂ、４６ｃの周りに延在し、チューブ４６ａ、４６ｂ、４６ｃによって注入されたガスがそれを越えられない追加の境界を提供する。処理チャンバ１８から未反応ガスを除去するのに加えて、排気マニホールド４４は、ガスの逆流による汚染を防止するのを助ける。注入リング４１との組み合わせにより、排気マニホールド４４は、限定された領域に成膜されるように、さらに、後に述べるように、放射率測定システムも使用できるように、基板１２上への成膜を制御する。
【００３８】
チャンバ１８内に注入されるガスは、チャンバ１８内に注入される前にガスのエネルギーレベルが高くなるように、注入前にイオン化される。上述したように、反応器内で処理される基板に届かないようにプラズマ場からの高い電子エネルギーを隔離するために、反応器の外部にプラズマ発生器１４を設ける。プラズマ場を隔離することにより、このシステムは、デバイスの衰退や故障の原因となり得る高い電子エネルギーのために基板に変化が起こることを防止する。プラズマ発生器１４は電磁場を生成する。そして、反応ガスが供給チューブ５２ａ、５２ｂ、５２ｃに入る前に、その電磁場を通って流れる。また、１つのまたは全てのガスが、チャンバ１８に注入される前にイオン化されても良い。発生器１４は、マイクロ波キャビティのような、同調キャビティを備え、この同調キャビティは、各供給チューブ５２ａ、５２ｂ、５２ｃに挿入されたチューブ１４ａを取り巻いている。適切な電気マッチングネットワークを備えたマイクロ波発生器を使用してプラズマの発生が行われる。好ましくは石英またはアルミニウム材料から成っており、その中を励起されるガスが流れるチューブ１４ａを取り囲む同調キャビティに高周波の交流電力が供給される。ある電力で、流れているガスの原子が励起され、入力電力に応じて、イオン化さえ起こる。励起されイオン化されたガス原子は、その後、石英またはアルミナのチューブ分配器を使用して速やかにウェーハ上に導かれる。後に十分に説明するように、励起されたガス種が一旦チャンバに入ると、そのガス種は、チャンバ内の他のガスおよび／またはシリコンウェーハの表面それ自体と反応する。ガスがプラズマ発生器１４を通過し、好ましくは拡大された通路を提供する供給チューブ５２ａ、５２ｂ、５２ｃに入ると、反応ガスはイオン化および解離し、最も好ましくは、イオン化してガスプラズマとなる。その結果、チャンバ１８内に注入されるガスは、シリコン、ゲルマニウム、砒化ガリウム等の半導体基板とさらに反応しやすくなり、さらに、薄膜成長に要求されるプロセス温度も低くなる。
【００３９】
上述したように、反応器１０は、好ましくは、放射率を測定して基板１２の温度を種々の製造プロセスのうちの一つに計算する非接触の放射率測定システム２２を備えている。放射率測定システム２２は、好ましくはチャンバ１８内に位置する参照用光源からの放射と、基板１２による放射とを比較して基板１２の温度を決定する。参照用光源は、好ましくは、米国特許第５，９５１，８９６号に記載されているヒータアセンブリ２０に使用されているランプの構造に類似する少なくとも一つのランプを備えている。
【００４０】
反応器１０は、カバー２８に固定され、すべてのプロセス条件の間、基板デバイス１２のデバイス側１２ａから放射される光子エネルギーデータを絶えず集める複数の光ファイバ温度測定プローブ５４をさらに備える。プローブ５４によって測定された温度は、メインコンピュータ制御装置に送られ、セット温度と比較され、その差が計算され、制御電流に変えられて標準仕様のＳＣＲ電流リレーを制御し、比例した電力がランプゾーンの各々に供給され、その後ヒータアセンブリ２０に供給される。好ましくは、反応器１０は、ウェーハの異なる部分の温度を測定するように位置せしめられた３つのプローブ５４を備え、それによってプロセスサイクル中の温度均一性を確実にする。
【００４１】
処理ユニット５６によって計算された基板１２の温度の読みは、好ましくは、ヒータアセンブリ２０の出力をモニタし制御する制御システム（図示せず）への入力として使用される。制御システムは、反応器ハウジング２４のベース壁３６を介して延在する電気供給スルー（ｔｈｒｏｕｇｈ）５８を介してヒータアセンブリ２０と結合している。反応器１０の真空を維持するため、供給スルー５８は、Ｏ−リングまたは他の従来型の密閉デバイスや方法によって密閉されている。適切な放射率測定システムの詳細については、米国特許第５，８１４，３６５号を参照のこと。
【００４２】
半導体基板１２が処理された後、基板１２は、装置１０内で基板１２の自動ローディングおよびアンローディングのために、プラットフォーム２６を通って突き出てプラットフォーム２６から基板１２を持ち上げる複数のリフトピン６０によってプラットフォーム２６から持ち上げられる。リフトピン６０は、従来から当業界で知られているマグネットカップリングのウェーハ昇降機６２によって昇降される。ピン５６は、ハウジング２４の中央に位置し、ヒータアセンブリ２０の中央部とプラットフォーム２６の中央部を通って突き出ている。同様に、チャンバ１８内の真空を維持するために、リフトピン５４は、ハウジング２４のベース壁３６に設けられたＯリングシールを介して延在している。
【００４３】
プラズマ発生器１４は、好ましくは、電磁場プラズマ発生器１１４（図７）を備え、発生器チューブ１１６と、発生器チューブ１１６の周りに延在するスリーブ１１８と、スリーブ１１８の周りに延在するコイル１２０とを備えている。スリーブ１１８は、好ましくは、コイル１２０を冷却するための水冷スリーブを備えている。コイル１２０は、一端が接地されると共に、駆動回路１２１に電気的に結合されている。駆動回路１２１は、高周波（ＲＦ）電源またはマイクロ波電源等の電源１２２と、インピーダンスマッチング回路１２４とを備えている。例えば、電源１２２がＲＦ電源を備える場合には、電源１２２は、１３．５６ＭＨｚの周波数を持ち、好ましくは、約８００乃至１２００ワット、さらに好ましくは、約１０００ワットの電力を供給する。コイル１２０は、好ましくは、直径が、例えば約０．１５インチの銅のコイルであり、スリーブ１２０の周りに約２乃至２０回、より好ましくは、約７回巻かれる。
【００４４】
図７において最もよく見られるように、発生器チューブ１１６は、インプット端１１６ａとアウトプット端１１６ｂとを備え、アウトプット端１１６ｂは、各供給チューブ５２ａ、５２ｂ、５２ｃ内に挿入されている。ガスが発生器チューブ１１６のインプット端１１６ａに注入されると、電源１２２が作動させられ、コイル１２０によって発生器チューブ１１６内に電磁場が発生させられる。ある所定の電力において、ガスは、より大きい供給チューブ５２ａ、５２ｂ、５２ｃの閉じ込め領域（ｃｏｎｆｉｎｅ）内で、解離しイオン化する。これらの励起したガス種は、その後チャンバ１８内に供給され、基板１２上に当たる。中央チューブ４６ａと外側チューブ４６ｂ、４６ｃとを介してチャンバ１８内に供給されたガスの化学的性質に応じて、上述の例で説明したように、非常に多くのプロセスが達成できる。
【００４５】
上述したように、装置１０は、デバイスを形成する酸化物層の厚さを減少させ、それによってデバイスの速度を増加させるように、デバイスそのものへの窒素原子の拡散をなくさないとしても制限する態様で窒素原子が添加されてホウ素または燐の拡散障壁等の拡散障壁を形成するトランジスタ等の半導体デバイスを製造するために基板１２を処理するのに使用される。
【００４６】
基板を備えるシリコンウエハは、種々の濃度のフッ酸等の無機酸を使用して、最初にウエット前洗浄される。シリコンウエハは、処理チャンバ（１８）内に置かれ、そこでは、例えば、ゲートを形成する酸化膜が、酸素、水素と酸素、または水蒸気と酸素の雰囲気中で６００℃乃至１１００℃の範囲の温度でウエハを熱酸化することによって形成される。その後、例えば５乃至６０ｒｐｍの範囲の速度で、基板を回転させながら、ガス注入アセンブリ１６を使用して処理チャンバ１８内に窒素ガスを供給する。窒素ガスは、好ましくは、窒素ガスを励起するためにプラズマ発生器１４を介してチャンバ１８内に供給される。プラズマ窒化の圧力は、典型的には、１０ｍＴｏｒｒ乃至１０００ｍＴｏｒｒの範囲であるが、好ましくは、約１５０ｍＴｏｒｒである。また、処理チャンバ１８内の温度範囲は、２５℃乃至約８００℃の間であるが、最も好ましくは、室温である。従って、ヒータアセンブリ２０は、処理のこの部分にとっては、必要かもしれないし、必要でないかもしれない。
【００４７】
窒素に加えて、ヘリウムガスが、窒素ガスと共にガス注入アセンブリ１６を介して処理チャンバ１８内に注入される。好ましくは、ヘリウムガスと窒素ガスが、プラズマ発生器１４を介して処理チャナンバ１８内に注入され、それによって、窒素ガスとヘリウムガスの両方を含むプラズマを形成する。上述したように、注入チューブ４６ａ、４６ｂおよび４６ｃは、基板１２上にガスプラズマを良好に分布させるための複数の穴を有している。窒素ガスへのヘリウムガスの添加は、ヘリウムのより持続する励起、従って、第３体衝突を介して窒素イオンマトリックス中に誘起されるより長い励起のために、添加される窒素の量を増加させる。二次イオン顕微鏡（ＳＩＭＳ）によって、窒素原子が、ゲート酸化膜の上表面にのみ添加され、酸化物層全体にわたって分布していないことが示される。従って、より安定であってデバイスの速度を増加させる１０乃至５０オングストロームの範囲の厚さの酸化物層が形成できる。好ましくは、酸化物層の厚さを、２０オングストロームよりも小さくして、約１０オングストロームのオーダーにすることができる。
【００４８】
また、窒素ガスは、上述した方法によって、シリコンウエハが酸化される前に、処理チャンバ１８内に注入される。このようにして、窒素原子は、基板の表面に添加される。窒素が添加された後に、シリコンウエハは、上述したように、酸素雰囲気中、高温で酸化される。その結果、窒素は、表面で高く酸化物の厚さを通してサンプリングするに従って減少するプロファイルの下で、酸化物層に取り入れられる。その結果、酸化物層の厚さは、１０乃至５０オングストロームの範囲に減少することができ、より好ましくは、２０オングストローム以下にすることができる。二次イオン顕微鏡（ＳＩＭＳ）によって、窒素の濃度は、酸化物の表面では高く、その後、酸化物の厚さを通して減少する。この方法で、ゲート酸化物膜でピークとなる窒素の特別なプロファイルを達成する。
【００４９】
むき出しのシリコン表面の、すなわち酸化されていないもの、上述の、窒化は、酸化されたシリコン、すなわちゲート酸化物、の窒化よりも、より速いプロセスであることが知られている。例えば、シリコン表面は、上記ガスプラズマに、５乃至６０秒の範囲のある時間、さらに好ましくは、約３０秒間、さらされる。
【００５０】
さらに、他の方法では、窒素とヘリウムは、ガス注入アセンブリ１６のプラズマチューブ内に注入され、そして、ウエハ上の処理チャンバ１８内に、ゲート酸化物形成後、注入チューブ４６ｂを介して、ガスプラズマとして、上述したように、注入される。加えて、シランガスが処理チャンバ１８内に供給される。励起された窒素原子は、ウエハ表面で、吸着したシラン分子と反応する。そして、これによって、より多くの窒素を取り入れるための容易に反応するサイトが造られ、ゲート酸化物の上部に新しいＮ−（Ｓｉ）３膜が成長する。このプロセスは、好ましくは、室温で、約１０００ｍＴｏｒｒ近傍で達成される。
【００５１】
図９を参照すれば、図示されたグラフは、追加された膜厚が処理時間と高い相関関係があることを示している。さらに、膜が厚くなるにつれて、より多くの窒素がゲート酸化物の上部に取り入れられることを示している。窒素とシリコンのマトリックスを備えるこの新しい膜は、ゲート酸化物と、おおよそ８００乃至１５００オングストロームの範囲の厚さで、より好ましくは、約１２００オングストロームで後に形成されるポリシリコン膜との間の良好な橋渡し材料を提供する。従って、ゲート酸化物の電気的性能には影響を与えない。この材料について、詳細なＸ線光電子分光法（ＸＰＳ）の分析を行い、３９８．０ｅＶのシリコンと窒素の結合エネルギーは、Ｎ−（Ｓｉ）３の結合エネルギーと一致することが確認された。これは、選択可能な窒素濃度でもって、そして、もし窒化シリコンまたは酸化窒化シリコンが膜に付加されたならば遭遇したであろう付加的な酸化物誘電体厚さなしに、ゲート酸化物上にこの膜を付加する方法として、この新規な膜構成を生じさせる非常に新規な方法である。
【００５２】
これは、ゲート酸化物の表面上の高濃度の窒素原子を達成する。１０％までのまたはより高い濃度の、窒素原子がゲート酸化物の表面上に添加され得る。しかしながら、現処理装置および加熱システム内では、この窒素添加は実施可能であるが、チャンバ内の雰囲気がシランガスの時には、ゲート酸化物の上部に窒素濃度の高いシリコン原子マトリックス（Ｎ−（Ｓｉ）３）が成長する。この膜は、図９に示されている所望の窒素濃度を与えるための厚さになるように付加され制御されることができる。
【００５３】
典型的な処理条件は、ゲート酸化物を形成した後、５乃至５００ｃｍ３／ｍｉｎの範囲で、より好ましくは、約２５ｃｍ３／ｍｉｎシランの流れで、５０乃至７５０ｍＴｏｒｒの範囲の、より好ましくは、約２５０ｍＴｏｒｒのチャンバ圧力で、処理チャンバ１８内にシランガスを注入することから成る。チャンバ１８内の処理温度は、典型的には室温であるが、例えば、１００℃乃至７００℃の範囲のより高温も使用することができる。プラズマ発生器１４の周波数は、５乃至５０ＭＨｚの範囲であり、より好ましくは、１３．５６ＭＨｚであり、５０乃至１０００ワット、より好ましくは、約４００ワットの電源で駆動される。処理時間と圧力で最終的に成長する膜厚が決定される。薄いゲート酸化物で良好なホウ素侵入障壁のためには、Ｎ−（Ｓｉ）３膜の厚さは、約５乃至３０オングストロームの範囲であり、１５乃至２０オングストロームが好ましい。
【００５４】
図８を参照すれば、半導体デバイスを製造する際に、いったんゲート酸化物を形成すれば、８００乃至１５００オングストロームの範囲の厚さ、より好ましくは、１２００オングストロームの厚さを有するポリシリコン膜がゲート酸化物と拡散障壁との上部に形成される。ここで説明した拡散障壁は、このポリシリコン膜の前に、典型的には、最初の１５乃至２５オングストロームを使用して、ゲート酸化物とポリシリコン膜との間に形成される。しかしながら、拡散障壁の厚さは、上述したように、好ましくは、５乃至３０オングストロームの範囲であり、より好ましくは、１５乃至２０オングストロームである。
【００５５】
このＮ−（Ｓｉ）３膜は、新たに台頭しつつある、酸化ジルコニウムおよび酸化ハフニウム等の高誘電率材料等の他の材料から形成された膜の上部にも付加することができ、これらの膜へのホウ素侵入の障壁層として作用することができる。これらの材料中にホウ素が存在すると、それらの安定性や電気的性能を大きく減少させ得るということが、現在ますます理解されてきているところである。
【００５６】
以下の記述のために、「上」または「下」およびこれらの派生語や同義語は、図１乃至９で方向づけられている発明に関連づけられなければならない。また、「上」および「上部に」という語句は、互いに交換可能に用いられており、何かが他の物の上部にあるということを意味する。一方、「に」という用語は、それがある物の一部であるか、その物の「中」にあるということを意味している。本発明は、明示的にそうでないと明記しない限り、種々の代替の方向や配置をとることは理解されよう。添付の図面に図示され、上述の明細書に記載された特定の寸法、配置、装置および方法は、後記された請求の範囲に規定された発明概念の単なる例示的な実施の形態であるということも理解されよう。従って、ここで開示された実施の形態に関連する特定の寸法や他の物理的な特性は、請求の範囲がそうでないと明示的に表現していない限りは、限定するものであるとみなされるべきではない。
【００５７】
本発明のいくつかの形態が示され記載されているが、当業者にとっては、今や他の形態も明らかである。例えば、他の処理装置を使用することができる。さらに、本発明のリモートプラズマシステムは、他の反応装置においても使用できる。従って、図面に示され、上記において説明した実施の形態は単に例示的な目的のためのみであり、次にに続く請求の範囲で定義される本発明の範囲を限定する意図でないことは理解されよう。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、処理装置の斜視図である。
【図２】図２は、図１のＩＩ−ＩＩ線断面図である。
【図３】図３は、図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線拡大断面図である。
【図４】図４は、図１、２の装置のガス注入チューブの拡大図である。
【図５】図５は、図１の装置のカバーの拡大上面図である。
【図６】図６は、図５のカバーの拡大底面図である。
【図７】図７は、図１乃至６の装置のリモートプラズマ発生器の拡大図である。
【図８】図８は、本発明の方法を使用して形成したデバイスの断面図の概略拡大図である。
【図９】図９は、時間の関数としての拡散障壁膜の厚さを示すグラフである。
【図４】
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【図７】
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【図８】
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【国際公開パンフレット】
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【国際調査報告】
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