(57)【要約】【課題】  シリコン酸化物を含む絶縁膜をアニールする等の熱処理において、ＳｉＯの昇華を最適に抑制することにより、膜やられを抑制し、高信頼性の極薄膜の成膜を行う。【解決手段】  処理室６上に成膜されたシリコン酸化膜（ＳｉＯ２）や酸窒化膜(ＳｉＯＮ)などの絶縁膜を、第１のマスフローコントローラ３からガス導入口７を通じて導入される不活性ガス２雰囲気中でアニールするプロセスにおいて、処理室６において絶縁膜の表面から昇華するＳｉＯを、質量分析計１０により計測し、ＳｉＯの濃度が一定のレベル以上にならないように、コントローラ１から第２のマスフローコントローラ５を通じて、処理室６内に導入される酸素ガス４の量を制御して、ＳｉＯの昇華を効果的に制御することにより、ＳｉＯ昇華による膜やられを防止しながら、なお高信頼性で、かつ良好な特性の絶縁膜を制御性よく形成する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体ウェハを熱処理するための、酸化剤が供給可能とされた、処理室と、
前記処理室からの排気に含まれる一酸化シリコン濃度を又は前記処理室の雰囲気に含まれる一酸化シリコン濃度をモニターするモニターと、
前記モニターでモニターした一酸化シリコン濃度に基づいて、前記処理室への酸化剤の供給量を制御するコントローラと、
を備えることを特徴とする半導体製造装置。
【請求項２】
前記処理室への酸化剤の供給は、供給ラインを介して行われる、ことを特徴とする請求項１に記載の半導体製造装置。
【請求項３】
前記コントローラは、前記モニターでモニターした一酸化シリコン濃度とその時間変化量とに基づいて、この一酸化シリコン濃度を下げるように、前記処理室への酸化剤の流量、前記処理室内の圧力、及び前記処理室内の処理温度のうちの１つ以上を制御する機能を有するものとして構成されている、ことを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体製造装置。
【請求項４】
処理室に、半導体ウェハを熱処理するための、酸化剤を供給し、
前記処理室からの排気に含まれる一酸化シリコン濃度を又は前記処理室の雰囲気に含まれる一酸化シリコン濃度をモニターでモニターし、
前記モニターでモニターした一酸化シリコン濃度に基づいて、前記処理室への酸化剤の供給量をコントローラで制御する、
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項５】
前記モニターでモニターした一酸化シリコン濃度とその時間変化量とに基づいて、この一酸化シリコン濃度を下げるように、前記処理室への酸化剤の流量、前記処理室内の圧力、及び前記処理室内の処理温度のうちの１つ以上を、前記コントローラで制御することを特徴とする請求項４に記載の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、半導体製造装置及び半導体装置の製造方法に係り、特にシリコン酸化物を含む絶縁膜を、窒素アニールや酸素アニールするプロセスにおいて、絶縁膜からのシリコン酸化物の昇華を抑制可能な装置及び半導体装置の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、トランジスタのゲート絶縁膜としては、ＳｉＯ２膜（シリコン酸化膜）やＳｉＯＮ膜（シリコン酸窒化膜）が用いられている。このゲート絶縁膜は、ＬＳＩの高集積化、微細化に伴い、膜厚も数ｎｍ−１ｎｍ以下の厚さまで薄膜化が進んでいる。このような半導体装置を製造するための技術として例えば、（例えば、特許文献１がある。
【０００３】
しかし、このようなシリコン酸化物から成る極薄膜を、Ｓｉ基板（シリコン基板）上に成膜した後に、窒素アニールや酸素アニールするプロセスを通す場合、薄膜からのＳｉＯ（一酸化シリコン）の昇華を確実に抑制する必要がある。
【０００４】
ＳｉＯの昇華は、ある熱処理温度に対して、雰囲気中のＯ２またはＨ２Ｏの分圧が、一定以下になると生じる。
【０００５】
つまり、ゲート絶縁膜のアニールプロセスにおいて、これを高温の不活性雰囲気中や、高温の低酸素分圧の酸素雰囲気中で熱処理すると、ＳｉＯの昇華が進み、いわゆる膜やられが生じる。 このような膜やられが生じると、製造されたトランジスタにおいて、リーク電流の原因になり、正常なトランジスタ動作を妨げると言う問題が生じる。
【０００６】
一方、たとえば雰囲気中にＯ２を添加し、このＯ２分圧を高くすると、ＳｉＯの昇華は抑制されるので、膜やられの問題を解消できる。
【０００７】
しかし、Ｏ２分圧が高過ぎると、ＳｉＯ昇華は十分に抑制されるものの、Si基板の酸化反応が進み、ＳｉＯ２膜やＳｉＯＮ膜が厚膜化してしまう。つまり、極薄膜の成膜後に、アニール等のプロセスを加える場合、ＳｉＯ昇華を抑えるために、Ｏ２分圧を高くし過ぎると、薄膜化が難しくなると言う問題が生じる。
【０００８】
以上述べたように、ＳｉＯ２膜や、ＳｉＯＮ膜を熱処理する場合、ＳｉＯ昇華による膜やられの問題と、酸化の進行による厚膜化の問題がトレードオフとなる。
【０００９】
つまり、シリコン酸化物を含む絶縁膜等の極薄膜に、アニール等の熱処理を加える場合においては、ＳｉＯ昇華が起こらない程度に必要最低限のＯ２分圧に制御するのが理想的とされてきた。
【００１０】
しかし、実際にはＳｉＯ２膜やＳｉＯＮ膜の厚さによって必要最低限のＯ２分圧は変わってくる。更に、ＳｉＯＮ膜の場合であれば膜中の窒素濃度によっても、必要最低限のＯ２分圧は変わってくる。
【００１１】
また、熱処理温度の揺らぎ、処理室内にもともと存在する残留酸素濃度の変動などによっても制御すべき必要最低限のＯ２分圧の値は変わる。
【００１２】
これらの変動に対して、常にＳｉＯ昇華が起こらないようにするためには、余裕をもって高いＯ２分圧を設定せざるをえず、場合によっては厚膜化の問題を犠牲にしなければならなかった。
【特許文献１】特開２００３−７７８４２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
以上述べたように、従来の半導体製造装置は、シリコン酸化物を含む絶縁膜をアニールする等の熱処理において、ＳｉＯ昇華を最適に抑制できなかったために、高信頼性の極薄膜の成膜が難しいと言う問題があった。
【００１４】
従って、本発明の目的は、上記のような従来技術の問題点を解消し、シリコン酸化膜（ＳｉＯ２）や酸窒化膜(ＳｉＯＮ)などの絶縁膜をアニールするプロセスにおいて、ＳｉＯの昇華を効果的に制御することにより、ＳｉＯ昇華による膜やられを防止しながら、なお高信頼性で、かつ良好な特性の絶縁膜を制御性よく形成することを可能とした半導体製造装置及び半導体装置の製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明は、半導体ウェハを熱処理するための、酸化剤が供給可能とされた、処理室と、前記処理室からの排気に含まれる一酸化シリコン濃度を又は前記処理室の雰囲気に含まれる一酸化シリコン濃度をモニターするモニターと、前記モニターでモニターした一酸化シリコン濃度に基づいて、前記処理室への酸化剤の供給量を制御するコントローラと、を備えることを特徴とする。
【００１６】
さらに本発明は、処理室に、半導体ウェハを熱処理するための、酸化剤を供給し、前記処理室からの排気に含まれる一酸化シリコン濃度を又は前記処理室の雰囲気に含まれる一酸化シリコン濃度をモニターでモニターし、前記モニターでモニターした一酸化シリコン濃度に基づいて、前記処理室への酸化剤の供給量をコントローラで制御する、ことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、高信頼性で良好な特性の絶縁膜を備えた半導体装置を製造することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、図面を参照しながら、発明を実施するための最良の形態を説明する。
【００１９】
（実施例１）
図１は、本発明の実施例１の半導体製造装置の概略構成図である。図１において示すように、シリコン基板からなる処理ウェハ９は処理室６の中に配置される。処理室６にはガス導入口７からＮ２、Ａｒ、Ｈｅ等の不活性ガス２と、シリコンに対して酸化剤となる酸化剤ガスの１例としてのＯ２である酸素ガス４が導入される。なお、不活性ガス２は第１のマスフローコントローラ３によってその流れを制御され、酸素ガス４は第２のマスフローコントローラ５によってその流れを制御される。また、上記酸化剤ガスとしては、Ｏ２のほか、Ｈ２０，Ｎ２Ｏがある。ただし、Ｈ２０の場合は、流量制御はＨ２０を直接制御するのではなく、一般的には、Ｈ２ガスとＯ２ガスをそれぞれ別々にマスフローコントローラで流量制御し、それらを合流、燃焼されて、Ｈ２０を発生させるようにしている。処理室６内のガスはガス排出口８から排気される。ガス排出口８におけるガスの成分は質量分析計１０によって計測され、計測結果はコントローラ１に送られる。コントローラ１は、質量分析計１０の計測結果に基づき、第２のマスフローコントローラ５を制御して、ガス導入口７を経由して処理室６内に導入される酸素ガス４の流量を制御する。
【００２０】
以上のべたような構成において、次にその動作について詳述する。
【００２１】
処理ウェハ９は、シリコン基板から成り、その表面にはシリコン酸化物から成る絶縁膜、例えばＳｉＯ２膜やＳｉＯＮ膜が成膜されている。処理室６の中は、第１のマスフローコントローラ３を通じてガス導入口７から導入される不活性ガス２と、第２のマスフローコントローラ５を通じてガス導入口７から導入される酸素ガス４の高温雰囲気となっており、ＳｉＯ２膜やＳｉＯＮ膜に対してアニール処理が施される。
【００２２】
さて、アニール処理において、第２のマスフローコントローラ５によって制御される酸素ガス４の濃度が一定以下になると、アニール処理される絶縁膜からＳｉＯが昇華して、ガス排出口８から排出される。
【００２３】
このＳｉＯはガス排出口８に設けられた質量分析計１０により計測され、計測結果はコントローラ１に送られる。コントローラ１は、  計測されたＳｉＯの濃度が一定の値を超えると、第２のマスフローコントローラ５に指令を与え、酸素ガス４の流量を増やすように制御する。
【００２４】
その結果、処理室６における酸素ガス４の濃度が高まり、絶縁膜からのＳｉＯの昇華が抑制され、質量分析計１０によりガス排出口８で計測されるＳｉＯの濃度も低下して行く。
【００２５】
質量分析計１０により計測されるＳｉＯ濃度が一定の値より小さくなると、コントローラ１は、第２のマスフローコントローラ５に指令を与え、酸素ガス４の流量を減らすように制御する。
【００２６】
以上のような制御動作を通じて、処理室６内の酸素ガス４の濃度は、ガス排出口８で計測されるＳｉＯ濃度が常に一定の値以下になるように制御される。
【００２７】
今、処理室６の内部を１０５０℃のＮ２雰囲気として処理ウェハ９を熱処理した場合の、ガス排出口８のＳｉＯ濃度を、質量分析計１０で測定した結果を図２の測定図に示す。図２において、横軸は時間Ｔ、縦軸はガス排出口８におけるＳｉＯ濃度Ｄである。また、曲線Ａはコントローラ１により酸素ガス４の流量を制御しなかった場合、曲線Ｂは質量分析計１０によって計測されたＳｉＯ濃度が一定の値以下となるように、コントローラ１により第２のマスフローコントローラ５に指令を与え、酸素ガス４の流量を制御した場合をそれぞれ示している。
【００２８】
熱処理を開始した直後は、ＳｉＯ濃度はゼロであるが、時間の経過と共に、処理室６内の処理ウェハ９表面の絶縁膜からはＳｉＯが昇華し始め、ガス排出口８で検出されるＳｉＯ濃度は、時間の経過と共に、増加する。そして、時間Ｔａが経過したあたりから、絶縁膜の膜やられが無視できないレベルに達する。
【００２９】
このまま何もせずにおいた場合は、ＳｉＯ濃度は曲線Ａに示すように、どんどんと増加する。その結果、処理ウェハ９の上の絶縁膜は膜やられがどんどん進行してしまう。
【００３０】
これに対して、本実施例１の構成によれば、ガス排出口８に流れ出したＳｉＯ濃度を質量分析計１０で計測し、時間Ｔａが経過して、その濃度が一定のレベルを超えると、コントローラ１から第２のマスフローコントローラ５に指令を与え、酸素ガス４の供給を開始し、その流量を制御する。その結果、処理室６内における酸素ガス４の分圧が高まり、ＳｉＯの昇華が抑えられる。その結果、ガス排出口８におけるＳｉＯ濃度は、曲線Ｂに示すように、徐々に低下して、時間Ｔｂ時点では、一定のレベル以下に抑制される。
【００３１】
その結果、処理ウェハ９の上の絶縁膜の膜やられを防止することができる。
【００３２】
一方、時間Ｔｂ時点で、ＳｉＯの濃度が一定のレベル以下となった時点で、第２のマスフローコントローラ５により酸素ガス４の流量は再び、低減する。この時、酸素ガス４の供給は完全にカットするのではなく、ガス排出口８におけるＳｉＯの濃度がある一定の範囲内に抑制される程度に制御する。
【００３３】
その結果、酸素ガス４の流量が極端に増加して、絶縁膜の膜厚を増大させると言う不都合を生じることが抑制できる。
【００３４】
なお、ガス排出口８においてＳｉＯが検出された時点で、既に、絶縁膜の膜やられは始まっていることになるが、質量分析計１０によりＳｉＯ濃度の検出感度が十分に高く、コントローラ１により酸素ガス４の流量へのフィードバックの応答速度が高ければ、絶縁膜の膜やられを最低限に抑制でき、致命的な問題になるのを未然に防止することができる。
【００３５】
（実施例２）
図３は本発明の実施例２の半導体製造装置の概略構成図である。図において示すように、質量分析計１０はプローブ１１により処理室６内のＳｉＯ濃度を測定するように構成される。
【００３６】
つまり、実施例１では、処理ウェハ９表面の絶縁膜から昇華するＳｉＯをガス排出口８における濃度で計測していたのに対して、本実施例では、処理室６内のＳｉＯ濃度を直接計測するようにしているところが異なる。
【００３７】
実施例２は、ＳｉＯ濃度を処理室６内で直接測定するため、ＳｉＯ濃度の検出速度が高まり、酸素ガス４の流量制御のためのフィードバック速度を高めることができる。その結果、ＳｉＯ濃度の上昇抑制の応答速度が高まり、絶縁膜の膜やられをより効果的に抑制することが可能となる。
【００３８】
（実施例３）
図４は本発明の実施例３の半導体製造装置の概略構成図である。図において示すように、処理室６の外部にもヒーター１４が設けられ、その温度をコントローラ１からの指令に基づき制御可能に構成される。また、処理室６のガス排出口８側には圧力制御バルブ１５を介してポンプ１６が設けられ、コントローラ１からの指令により処理室６内の圧力が調整可能に構成される。加えて、コントローラ１は、第１のマスフローコントローラ３と第２のマスフローコントローラ５に指令を与えることにより、ガス導入口７から処理室６内に導入される不活性ガス２と酸素ガス４の量を個別に制御することができるように構成される。
【００３９】
図において示すように、コントローラ１は、質量分析計１０で計測したＳｉＯ濃度を一定のレベルの範囲に制御するために、第２のマスフローコントローラ５により酸素ガス４の流量を制御するのに加えて、圧力計１２により検出される処理室６内の圧力を、所定のレベルに保つために、ポンプ１６に接続される圧力制御バルブ１５を制御し、温度計１３により検出される処理室６内の温度を、所定のレベルに保つために、ヒーター１４を制御している。
【００４０】
更に、コントローラ１は第１のマスフローコントローラ３を通じて不活性ガス２の流量も制御しており、処理室６内の雰囲気をＳｉＯ濃度に応じて、自在に調整できるため、より自由度が高く、きめ細かなプロセスの制御が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】本発明の実施例１の半導体製造装置の概略構成図である。
【図２】図１の構成の動作を説明するための測定図である。
【図３】本発明の実施例２の半導体製造装置の概略構成図である。
【図４】本発明の実施例３の半導体製造装置の概略構成図である。
【符号の説明】
【００４２】
１  コントローラ
２  不活性ガス
３  第１のマスフローコントローラ
４  酸素ガス
５  第２のマスフローコントローラ
６  処理室
７  ガス導入口
８  ガス排出口
９  処理ウェハ
１０  質量分析計
１１  プローブ
１２  圧力計
１３  温度計
１４  ヒーター
１５  圧力制御バルブ
１６  ポンプ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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