(57)【要約】【課題】プラズマを用いて所望の特性を有する膜を短時間で形成可能な半導体製造装置および半導体装置の製造方法を提供する。【解決手段】一の実施形態によれば、半導体製造装置は、ウエハを収容する収容部と、前記収容部内の前記ウエハを支持する支持部とを備える。さらに、前記装置は、１本以上のプラズマ管を備えるプラズマ発生器であって、第１期間と前記第１期間の後の第２期間とに前記プラズマ管により前記収容部内にプラズマを発生させることにより、前記ウエハに膜を形成するプラズマ発生器を備える。さらに、前記装置は、前記第１期間に前記プラズマ管と前記ウエハとの距離を第１距離に設定し、前記第２期間に前記距離を前記第１距離よりも長い第２距離に設定する制御部を備える。【選択図】図１
2016039173.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ウエハを収容する収容部と、
前記収容部内の前記ウエハを支持する支持部と、
１本以上のプラズマ管を備え、第１期間と前記第１期間の後の第２期間とに前記プラズマ管により前記収容部内にプラズマを発生させることにより、前記ウエハに膜を形成するプラズマ発生器と、
前記第１期間に前記プラズマ管と前記ウエハとの距離を第１距離に設定し、前記第２期間に前記距離を前記第１距離よりも長い第２距離に設定する制御部と、
を備える半導体製造装置。
【請求項２】
ウエハを収容する収容部と、
前記収容部内の前記ウエハを支持する支持部と、
１本以上のプラズマ管を備え、第１期間と前記第１期間の後の第２期間とに前記プラズマ管により前記収容部内にプラズマを発生させることにより、前記ウエハに膜を形成するプラズマ発生器と、
前記第１期間に前記プラズマ管と前記ウエハとの距離を第１距離に設定し、前記第２期間に前記距離を前記第１距離よりも短い第２距離に設定する制御部と、
を備える半導体製造装置。
【請求項３】
前記プラズマ発生器は、前記プラズマ管内にマイクロ波を発生させることにより、前記プラズマを発生させる、請求項１または２に記載の半導体製造装置。
【請求項４】
前記制御部は、前記プラズマ管の位置を移動させることにより、前記距離を制御する、請求項１から３のいずれか１項に記載の半導体製造装置。
【請求項５】
収容部内のウエハを支持部により支持し、
第１期間において、１本以上のプラズマ管と前記ウエハとの距離を第１距離に設定し、かつ、前記プラズマ管により前記収容部内にプラズマを発生させることにより、前記ウエハに第１膜厚の膜を形成し、
前記第１期間の後の第２期間において、前記距離を前記第１距離よりも長い第２距離に設定し、かつ、前記プラズマ管により前記収容部内にプラズマを発生させることにより、前記膜の膜厚を前記第１膜厚から第２膜厚に増加させる、
ことを含む半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、半導体製造装置および半導体装置の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
プラズマを用いてウエハに膜を形成する場合、プラズマを発生させるプラズマ発生器とウエハとの距離が問題となる。この距離が短すぎると、プラズマによるダメージがウエハに加わり、形成される膜の膜質が悪くなる可能性がある。一方、この距離が長すぎると、形成される膜の成膜速度が遅くなり、膜の形成に長い時間が掛かってしまう。また、プラズマを用いてウエハに膜を形成する場合には、プラズマから発生するＸ線によりウエハ内に欠陥が発生する可能性がある。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００３】
【非特許文献１】W. Lerch et al. “Scaling Requires Continuous Innovation in Thermal Processing: Low-Temperature Plasma Oxidation”, Abstract #873, ECS Meeting (The Electrochemical Societ, Seattle, W. A. 2012)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
プラズマを用いて所望の特性を有する膜を短時間で形成可能な半導体製造装置および半導体装置の製造方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
一の実施形態によれば、半導体製造装置は、ウエハを収容する収容部と、前記収容部内の前記ウエハを支持する支持部とを備える。さらに、前記装置は、１本以上のプラズマ管を備えるプラズマ発生器であって、第１期間と前記第１期間の後の第２期間とに前記プラズマ管により前記収容部内にプラズマを発生させることにより、前記ウエハに膜を形成するプラズマ発生器を備える。さらに、前記装置は、前記第１期間に前記プラズマ管と前記ウエハとの距離を第１距離に設定し、前記第２期間に前記距離を前記第１距離よりも長い第２距離に設定する制御部を備える。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
【図１】第１実施形態の半導体製造装置の構造を概略的に示す断面図である。
【図２】第１実施形態のウエハの酸化処理について説明するための断面図である。
【図３】第１実施形態のウエハの酸化速度と距離Ｄとの関係を示したグラフである。
【図４】第１実施形態の酸化膜を含むトランジスタの特性を示したグラフである。
【図５】第１実施形態の酸化膜を含むトランジスタのフラットバンド電圧ＶFBのシフト量ΔＶFBを示したグラフである。
【図６】第１実施形態のウエハの酸化膜厚と距離Ｄとの関係を示したグラフである。
【図７】第２実施形態の半導体製造装置の構造を概略的に示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００７】
以下、本発明の実施形態を、図面を参照して説明する。
【０００８】
（第１実施形態）
図１は、第１実施形態の半導体製造装置の構造を概略的に示す断面図である。
【０００９】
図１の半導体製造装置は、収容部の例であるチャンバ１１と、支持部１２と、プラズマ発生器１３と、予備加熱器１４と、ガス供給装置１５と、温度測定部１６と、制御部１７とを備えている。
【００１０】
［チャンバ１１と支持部１２］
チャンバ１１は、ウエハ１を収容するために使用される。支持部１２は、チャンバ１１内のウエハ１を支持するために使用される。
【００１１】
支持部１２は、石英サセプタ１２ａと、複数の支持ピン１２ｂと、回転シャフト１２ｃとを備えている。石英サセプタ１２ａは、透明部材である石英で形成されており、チャンバ１１内に配置されている。支持ピン１２ｂは、石英サセプタ１２ａの表面から突出しており、矢印Ａ1のようにウエハ１を上下方向に昇降させることができる。回転シャフト１２ｃは、石英サセプタ１２ａの裏面に取り付けられており、矢印Ａ2のようにウエハ１を水平面内で回転させることができる。
【００１２】
ウエハ１は、半導体基板１ａと、半導体基板１ａの表面に形成された酸化膜１ｂとを備えている。半導体基板１ａの例は、シリコン基板である。酸化膜１ｂの例は、シリコン酸化膜である。酸化膜１ｂは、ウェハ１に形成された膜の例である。本実施形態の半導体製造装置は、プラズマを用いて半導体基板１ａの表面に酸化膜１ｂを形成するために使用される。
【００１３】
本実施形態の半導体製造装置は、プラズマを用いて半導体基板１ａの表面に酸化膜１ｂ以外の膜を形成することも可能である。このような膜の例は、シリコン窒化膜などの窒化膜や、金属絶縁膜などの金属膜である。
【００１４】
図１は、ウエハ１の表面に平行で、互いに垂直なＸ方向およびＹ方向と、ウエハ１の表面に垂直なＺ方向とを示している。本明細書においては、＋Ｚ方向を上方向として取り扱い、−Ｚ方向を下方向として取り扱う。例えば、ウエハ１と支持部１２との位置関係は、支持部１２がウエハ１の下方に位置していると表現される。図１の−Ｚ方向は、重力方向と一致していてもよいし、重力方向と一致していなくてもよい。
【００１５】
［プラズマ発生器１３］
プラズマ発生器１３は、１本以上のプラズマ管１３ａを備えており、支持部１２の上方に配置されている。プラズマ発生器１３は、プラズマ管１３ａによりチャンバ１１内にプラズマを発生させることにより、半導体基板１ａの表面に酸化膜１ｂを形成する。
【００１６】
プラズマ発生器１３は、プロセスガスを構成する分子を電離させることにより、プラズマイオン３１と電子３２とを含むプラズマを発生させる。プロセスガスの例は、酸素ガスである。プラズマイオン３１の例は、酸素イオンである。プラズマは、プラズマ管１３ａの周囲に発生する。図１は、１本のプラズマ管１３ａの周囲に発生したプラズマを示しているが、他のプラズマ管１３ａの周囲にも同様にプラズマが発生する。
【００１７】
プラズマ管１３ａの周囲にプラズマが発生すると、まず電子３２がウエハ１付近に引き寄せられる。理由は、電子３２がプラズマイオン３１よりも軽いからである。電子３２がウエハ１付近に引き寄せられると、プラズマイオン３１と電子３２との間に作用する電磁気力により、プラズマイオン３１もウエハ１付近に引き寄せられる。その結果、プラズマイオン（酸素イオン）３１が半導体基板１ａ内のシリコンイオン３３と反応して、半導体基板１ａの表面に酸化膜（シリコン酸化膜）１ｂが形成される。
【００１８】
本実施形態のプラズマ発生器１３は、プラズマ管１３ａ内にマイクロ波を発生させることにより、チャンバ１１内にプラズマを発生させる。マイクロ波を使用する理由は、マイクロ波は、他の電磁波と比べ、金属部品の放電を誘発しにくく、プラズマ管１３ａの周囲のガスを効率よくプラズマ化できるからである。
【００１９】
プラズマ発生器１３が発生させるマイクロ波の周波数は、どのような値でもよい。ただし、プラズマ管１３ａの周囲のガスを効率よくプラズマ化するためには、マイクロ波発生器１３は、２．０ＧＨｚ以上のマイクロ波、例えば、２．０〜３０．０ＧＨｚのマイクロ波を発生させることが望ましい。例えば、プラズマ発生器１３の製造コストや信頼性の観点から、マイクロ波の周波数は、ＩＳＭ（Industry-Science-Medical）バンド（産業科学医療用バンド）である２．４５ＧＨｚ帯、５．８０ＧＨｚ帯、２４．１２５ＧＨｚ帯とすることが望ましい。
【００２０】
本実施形態において、各プラズマ管１３ａは、Ｙ方向に延びる形状を有しており、プラズマ管１３ａ同士は、Ｘ方向に互いに隣接している。プラズマ管１３ａ同士の距離は、等間隔に設定されている。
【００２１】
本実施形態の各プラズマ管１３ａは、石英管２１と、内側電極２２と、外側電極２３とを備えている。石英管２１は、透明部材である石英で形成されており、Ｙ方向に延びる棒状の形状を有している。石英管２１の断面形状は環状であり、石英管２１の長さはウエハ１の直径よりも大きく設定されている。石英管２１の内部は、真空である。内側電極２２と外側電極２３は、石英管２１内に配置されており、Ｙ方向に延びる棒状の形状を有している。内側電極２２は、円形の断面形状を有し、石英管２１の中心部に配置されている。外側電極２３は、扇形の断面形状を有し、石英管２１の外周部に内側電極２２を取り囲むように配置されている。この扇形の中心角は、例えば１２０〜１８０度である。内側電極２２と外側電極２３は、同じ長さを有している。
【００２２】
プラズマ発生器１３は例えば、各プラズマ管１３ａ内の内側電極２２と外側電極２３との間に２．４５〜５．８０ＧＨｚで５００〜２０００Ｗのマイクロ波を印加することにより、各プラズマ管１３ａの外部のガスをプラズマ化する。
【００２３】
符号Ｄは、プラズマ管１３ａとウエハ１との距離を示す。具体的には、符号Ｄは、プラズマ管１３ａの下端とウエハ１の上面との距離を示している。本実施形態の半導体製造装置は、矢印Ａ3のようにプラズマ管１３ａの位置を上下方向に移動させることにより、距離Ｄを変更することができる。また、本実施形態の半導体製造装置は、矢印Ａ1のように支持ピン１２ｂを駆動してウエハ１の位置を上下方向に移動させることにより、距離Ｄを変更することができる。距離Ｄの制御は、制御部１７により行われる。距離Ｄの制御の詳細については、後述する。
【００２４】
［予備加熱器１４］
予備加熱器１４は、１本以上の予備加熱管１４ａを備えており、支持部１２の下方に配置されている。予備加熱器１４は、予備加熱管１４ａによりウエハ１の裏面からウエハ１を加熱する。
【００２５】
本実施形態の予備加熱器１４は、予備加熱管１４ａから発生したマイクロ波をウエハ１に照射することにより、ウエハ１を加熱する。このマイクロ波の周波数は、どのような値でもよい。ただし、このマイクロ波の望ましい周波数は、プラズマ発生器１３ａが発生させるマイクロ波の望ましい周波数と同様である。
【００２６】
本実施形態において、各予備加熱管１４ａは、Ｙ方向に延びる形状を有しており、予備加熱管１４ａ同士は、Ｘ方向に互いに隣接している。予備加熱管１４ａ同士の距離は、等間隔に設定されている。予備加熱管１４ａ同士の距離は、ウエハ１の予備加熱温度の面内均一性を良くするために、プラズマ管１３ａ同士の距離よりも短く設定されている。予備加熱管１４ａ同士の距離の例は、２０ｍｍ以下である。
【００２７】
なお、予備加熱管１４ａは、マイクロ波加熱用の管とする代わりに、ランプ加熱用の管としてもよい。ただし、予備加熱管１４ａをマイクロ波加熱用の管とすることには、例えば、ウエハ１の加熱対象領域が電子分極を有する材料で形成されている場合に、加熱対象領域を効率的に加熱できるという利点がある。
【００２８】
［ガス供給装置１５］
ガス供給装置１５は、ガス供給器１５ａと、ガスシャワーヘッド１５ｂと、ガス導入配管１５ｃとを備えている。
【００２９】
ガス供給器１５ａは、ウエハ１を加工するためのプロセスガスや、ウエハ１を冷却するための冷却ガスを供給する。プロセスガスの例は、酸化膜を形成するための酸素ガスや、窒化膜を形成するための窒素ガスである。冷却ガスの例は、アルゴンガス、ネオンガス、キセノンガス、ヘリウムガスなどの不活性ガスである。
【００３０】
ガスシャワーヘッド１５ｂは、チャンバ１１内において支持部１２の上方に配置されており、これらのガスをチャンバ１１内に導入するための複数の開口を有している。ガス導入配管１５ｃは、ガス供給器１５ａとガスシャワーヘッド１５ｂとを接続している。ガス供給器１５ａからのガスは、ガス導入配管１５ｃとガスシャワーヘッド１５ｂとを介してチャンバ１１内に導入される。
【００３１】
［温度測定部１６］
温度測定部１６は、複数の温度計１６ａを備えており、チャンバ１１の外部に配置されている。温度測定部１６は、これらの温度計１６ａによりウエハ１の複数箇所の温度を測定し、温度の測定結果を制御部１７に出力する。
【００３２】
本実施形態の各温度計１６ａは、パイロメータであり、チャンバ１１の下面に設けられた窓部付近に配置されている。窓部は、石英やサファイアなどの透明部材で形成されている。よって、各温度計１６ａは、ウエハ１の裏面から放射された電磁波を窓部を介して測定することにより、ウエハ１の温度を測定することができる。
【００３３】
本実施形態の温度測定部１６は、３つの温度計１６ａにより、ウエハ１の中心部の温度と、ウエハ１の外周部の温度と、ウエハ１の中心部および外周部の中間部の温度とを測定する。本実施形態の半導体製造装置は、これらの３つの温度を同じ温度に制御することにより、ウエハ１の温度の面内均一性を実現することができる。
【００３４】
［制御部１７］
制御部１７は、本実施形態の半導体製造装置の種々の動作を制御する。例えば、制御部１７は、支持部１２、プラズマ発生器１３、予備加熱器１４、およびガス供給装置１５の動作を制御する。
【００３５】
本実施形態の制御部１７は、プラズマ発生器１３がウエハ１に酸化膜１ｂを形成している期間中に、プラズマ管１３ａとウエハ１との距離Ｄを変化させる。具体的には、制御部１７は、第１期間において、距離Ｄを第１距離Ｄ1に設定し、第１期間の後の第２期間において、距離Ｄを第１距離Ｄ1よりも長い第２距離Ｄ2に設定する（Ｄ2＞Ｄ1）。すなわち、制御部１７は、プラズマ発生器１３がウエハ１に酸化膜１ｂを形成している期間中に、距離Ｄを第１距離Ｄ1から第２距離Ｄ2に増加させる。このようなウエハ１の酸化処理の詳細を、図２を参照して説明する。
【００３６】
（１）第１実施形態の酸化処理
図２は、第１実施形態のウエハ１の酸化処理について説明するための断面図である。
【００３７】
まず、第１期間において、距離Ｄが第１距離Ｄ1に設定された状態で、チャンバ１１内にプラズマを発生させる。その結果、半導体基板１ａの表面に、第１膜厚Ｔ1の酸化膜１ｂが形成される（図２(ａ)）。符号Ｐ1は、第１期間に形成された酸化膜１ｂの第１部分を示す。
【００３８】
次に、第１期間と第２期間との間において、距離Ｄを第１距離Ｄ1から第２距離Ｄ2に増加させる。次に、第２期間において、距離Ｄが第２距離Ｄ2に設定された状態で、チャンバ１１内にプラズマを発生させる。その結果、酸化膜１ｂの膜厚が第１膜厚Ｔ1から第２膜厚Ｔ2に増加する（図２(ｂ)）。符号Ｐ2は、第２期間に形成された酸化膜１ｂの第２部分を示す。第２部分Ｐ2は、第１部分Ｐ1の下方に形成される。
【００３９】
なお、プラズマ発生器１３は、第１期間と第２期間との間にプラズマの発生を一旦停止してもよいし、第１期間と第２期間との間にプラズマを発生し続けてもよい。
【００４０】
酸化膜１ｂは例えば、ＭＯＳＦＥＴなどのトランジスタＴｒのゲート絶縁膜として使用される（図２(ｃ)）。図２(ｃ)の半導体装置は、トランジスタＴｒの構成要素として、半導体基板１ａと、半導体基板１ａ上の酸化膜１ｂと、酸化膜１ｂ上のゲート電極１ｃと、ゲート電極１ｃの側面に形成された側壁絶縁膜１ｄと、半導体基板１ａ内にゲート電極１ｃを挟むように形成されたソース／ドレイン領域１ｅとを備えている。トランジスタＴｒは層間絶縁膜１ｆで覆われている。
【００４１】
次に、第１および第２距離Ｄ1、Ｄ2について説明する。
【００４２】
本実施形態においては、酸化膜１ｂの膜質を改善するために、第１および第２期間の後にウエハ１をアニールする。この際、アニール後の酸化膜１ｂの膜質は、アニール前の半導体基板１ａと酸化膜１ｂとの界面における酸化膜１ｂの膜質の影響を受ける。よって、第２期間の酸化処理は、第２部分Ｐ2の膜質が良くなるように行うことが望ましい。そのため、本実施形態の第２期間においては、距離Ｄを長い距離（第２距離Ｄ2）に設定する。
【００４３】
一方、アニール後の酸化膜１ｂの膜質は、アニール前の酸化膜１ｂのその他の部分の膜質の影響はあまり受けない。よって、第１期間の酸化処理は、第１部分Ｐ1の膜質を良くするよりも、第１部分Ｐ1を短時間で形成するように行うことが望ましい。そのため、本実施形態の第１期間においては、距離Ｄを短い距離（第１距離Ｄ1）に設定する。
【００４４】
よって、本実施形態によれば、第１期間において距離Ｄを第１距離Ｄ1に設定し、第２期間において距離Ｄを第２距離Ｄ2に設定することにより、膜質の良い酸化膜１ｂを短時間で形成することが可能となる。
【００４５】
なお、酸化膜１ｂの膜質は例えば、酸化膜１ｂの界面準位密度により評価できる。本実施形態によれば、第２部分Ｐ2の界面準位密度を、第１部分Ｐ1の界面準位密度よりも低くすることができる。
【００４６】
第１膜厚Ｔ1は、第１部分Ｐ1の膜厚を示す。第２膜厚Ｔ2と第１膜厚Ｔ1との差は、第２部分Ｐ2の膜厚を示す。本実施形態においては、第２部分Ｐ2の膜厚を第１部分Ｐ1の膜厚よりも薄くすることが望ましい。すなわち、第２膜厚Ｔ2と第１膜厚Ｔ1との差を、第１膜厚Ｔ1よりも小さくすることが望ましい（Ｔ2−Ｔ1＜Ｔ1）。理由は、第２部分Ｐ2の膜厚が薄いほど酸化膜１ｂを短時間で形成でき、かつ、第２部分Ｐ2の膜厚が薄くてもアニール後の酸化膜１ｂの膜質は良くなるからである。式「Ｔ2−Ｔ1＜Ｔ1」を変形すると、第２膜厚Ｔ2は第１膜厚Ｔ1の２倍より小さいことが望ましいことが分かる（Ｔ2＜２Ｔ1）。本実施形態の第１、第２膜厚Ｔ1、Ｔ2の例はそれぞれ、４ｎｍと５ｎｍである。
【００４７】
また、本実施形態の第１、第２距離Ｄ1、Ｄ2の例はそれぞれ、５０ｍｍ以下と６０ｍｍ以上である。本実施形態においては、矢印Ａ3のようにプラズマ管１３ａの位置を上下方向に移動させることにより、距離Ｄを変更することができる。また、本実施形態においては、矢印Ａ1のように支持ピン１２ｂを駆動してウエハ１の位置を上下方向に移動させることにより、距離Ｄを変更することができる。
【００４８】
ただし、本実施形態における距離Ｄの変更は、数１０ｍｍ程度の微小な距離の変更となるため、距離Ｄを支持ピン１２ｂにより変更することは難しい可能性がある。よって、距離Ｄを支持ピン１２ｂにより変更する場合には、支持ピン１２ｂを例えばゴニオメータとパルスモータ制御により駆動することが望ましい。
【００４９】
次に、ウエハ１の温度とプロセスガスの圧力について説明する。
【００５０】
制御部１７は、温度測定部１６から受信したウエハ１の温度に基づいて、プラズマ発生器１３と予備加熱器１４の動作を制御する。これにより、制御部１７は、ウエハ１の温度を所定温度に制御することができる。制御部１７は、１つの温度計１６ａから受信した温度に基づいて、ウエハ１の所定箇所の温度を所定温度に制御してもよいし、複数の温度計１６ａから受信した温度に基づいて、ウエハ１の複数箇所の温度を所定温度に制御してもよい。
【００５１】
本実施形態の制御部１７は、第１および第２期間におけるウエハ１の温度を、２５０℃以下に制御する。よって、本実施形態によれば、低ダメージで不純物の少ない酸化膜１ｂを形成することが可能となる。また、ウエハ１が有機膜を含む場合、第１および第２期間におけるウエハ１の温度を３００℃以上に設定すると、有機膜がダメージを受ける可能性がある。本実施形態によれば、第１および第２期間におけるウエハ１の温度を２５０℃以下に設定することにより、有機膜へのダメージを抑制することが可能となる。
【００５２】
また、制御部１７は、ガス供給装置１５の動作を制御することにより、チャンバ１１内のプロセスガスの圧力を制御する。本実施形態のプロセスガスは、酸素ガスである。
【００５３】
本実施形態の制御部１７は、第１および第２期間における酸素ガスの圧力を、０．１〜２．０Ｔｏｒｒに制御する。理由は、酸素ガスの圧力が高すぎると、チャンバ１１内の状態がイオンリッチではなくラジカルリッチになるからである。また、酸素ガスの圧力が低すぎると、チャンバ１１内で放電が起こりやすくなるからである。
【００５４】
（２）第１実施形態の酸化処理の詳細
次に、図３から図６を参照し、第１実施形態のウエハ１の酸化処理の詳細について説明する。
【００５５】
図３は、第１実施形態のウエハ１の酸化速度と距離Ｄとの関係を示したグラフである。
【００５６】
図３は、距離Ｄが大きくなるほど、ウエハ１の酸化速度が遅くなることを示している。よって、距離Ｄが大きくなるほど、酸化膜１ｂの形成に長い時間が掛かる。距離Ｄが大きくなるほど酸化速度が遅くなる理由は、電子３２の密度がプラズマ管１３ａから遠くなるほど低下するからである。
【００５７】
図４は、第１実施形態の酸化膜１ｂを含むトランジスタＴｒの特性を示したグラフである。
【００５８】
図４の横軸は、トランジスタＴｒの半導体基板１ａとゲート電極１ｃとの間に印加される電圧、すなわち、トランジスタＴｒのゲート電圧を示す。図４の縦軸は、トランジスタＴｒの半導体基板１ａとゲート電極１ｃとの間の静電容量Ｃを示す。
【００５９】
曲線Ｃ1は、設計上のトランジスタＴｒのＣ−Ｖ特性を示す。曲線Ｃ2は、実際に製造されたトランジスタＴｒのＣ−Ｖ特性を示す。符号ΔＶFBは、トランジスタＴｒのフラットバンド電圧ＶFBのシフト量を示す。トランジスタＴｒの酸化膜１ｂの膜質が悪いと、図４に示すように、フラットバンド電圧ＶFBが大きくシフトしてしまう。
【００６０】
図５は、第１実施形態の酸化膜１ｂを含むトランジスタＴｒのフラットバンド電圧ＶFBのシフト量ΔＶFBを示したグラフである。
【００６１】
曲線Ｃ3は、第１および第２期間における距離Ｄを同じ距離に設定した場合のトランジスタＴｒの特性を示す。曲線Ｃ3において、図５の横軸は距離Ｄを示す。曲線Ｃ4は、第１および第２期間における距離Ｄをそれぞれ第１および第２距離Ｄ1、Ｄ2に設定した場合のトランジスタＴｒの特性を示す。曲線Ｃ4において、図５の横軸は第１距離Ｄ1を示す。なお、曲線Ｃ4の場合の第２距離Ｄ2は、１００ｍｍよりも大きい値である。
【００６２】
曲線Ｃ3から、第１および第２期間における距離Ｄを１００ｍｍ以下にすると、シフト量ΔＶFBが大きくなることが分かる。また、曲線Ｃ4から、第１距離Ｄ1を１００ｎｍ以下にしても、第２距離Ｄ２を１００ｎｍよりも大きくすることにより、シフト量ΔＶFBが小さくなることが分かる。
【００６３】
このように、本実施形態によれば、第１期間において距離Ｄを第１距離Ｄ1に設定し、第２期間において距離Ｄを第２距離Ｄ2に設定することにより、フラットバンド電圧ＶFBのシフト量ΔＶFBを低減することができる。
【００６４】
図６は、第１実施形態のウエハ１の酸化膜厚と距離Ｄとの関係を示したグラフである。
【００６５】
図６の横軸は、チャンバ１１内のプロセスガス（酸素ガス）の分圧を示す。図６の縦軸は、酸化膜１ｂの膜厚を示す。曲線Ｃ5は、マイクロ波を使用する予備加熱器１４によりウエハ１を６０℃に予備加熱した場合の酸化膜厚を示す。曲線Ｃ6は、マイクロ波を使用する予備加熱器１４によりウエハ１を２５０℃に予備加熱した場合の酸化膜厚を示す。曲線Ｃ5、Ｃ6の場合の酸化時間は、５分である。曲線Ｃ5、Ｃ6は、第１期間における酸化処理を示している。よって、距離Ｄは第１距離Ｄ1に設定されている。
【００６６】
符号Ｒは、酸素ガスの分圧が６０Ｐａ以下の領域を示している。図６から、酸素ガスの分圧を６０Ｐａ以下に設定すれば、第１期間における酸化速度が速くなることが分かる。
【００６７】
以上のように、本実施形態においては、第１期間にプラズマ管１３ａとウエハ１との距離Ｄを第１距離Ｄ1に設定し、第１期間の後の第２期間に距離Ｄを第１距離Ｄ1よりも長い第２距離Ｄ2に設定する。よって、本実施形態によれば、プラズマを用いて膜質の良い酸化膜１ｂを短時間で形成することが可能となる。
【００６８】
なお、本実施形態においては、ウエハ１に酸化膜１ｂを形成する期間を、距離Ｄが第１から第Ｎ距離Ｄ1〜ＤNに設定される第１から第Ｎ期間に分割してもよい（Ｎは２以上の整数）。この場合、膜質の良い酸化膜１ｂを短時間で形成するために、第Ｎ距離ＤNは、第１から第Ｎ−１距離Ｄ1〜ＤN-1の少なくともいずれか（例えば第Ｋ距離）よりも長く設定することが望ましい。この場合、第Ｋ距離ＤKと第Ｎ距離ＤNはそれぞれ、本開示の第１距離と第２距離の例に相当する。
【００６９】
（第２実施形態）
図７は、第２実施形態の半導体製造装置の構造を概略的に示す断面図である。図７の半導体製造装置の例は、グラインダ装置やＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing）装置である。
【００７０】
図７の半導体製造装置は、収容部の例である筐体４１と、支持部４２と、１本以上のプラズマ管４３ａを備えるプラズマ発生器４３と、平坦化部４４とを備えている。
【００７１】
筐体４１は、ウエハ１を収容するために使用される。支持部４２は、筐体４１内のウエハ１を支持するために使用される。プラズマ発生器４３とプラズマ管４３ａはそれぞれ、図１のプラズマ発生器１３とプラズマ管１３ａと同様の構造を有している。平坦化部４４は、筐体４１内のウエハ１の表面を平坦化するために使用される。平坦化部４４の例は、グラインダやＣＭＰパッドである。
【００７２】
図７の半導体製造装置はさらに、図１の半導体製造装置と同様に、不図示の予備加熱器１４、ガス供給装置１５、温度測定部１６、および制御部１７を備えている。
【００７３】
ウエハ１は、半導体基板１ａと、半導体基板１ａの表面に形成された酸化膜１ｂとを備えている。半導体基板１ａの例は、ＳｉＣ（シリコンカーバイド）基板である。本実施形態の半導体製造装置は、半導体基板１ａの表面を平坦化する前に、半導体基板１ａの表面に酸化膜１ｂを形成する。酸化膜１ｂの形成方法は、第１実施形態の場合と同様である。その後、本実施形態の半導体製造装置は、平坦化部４４により酸化膜１ｂを研削（または研磨）することにより、ウエハ１の表面を平坦化する。
【００７４】
本実施形態によれば、ウエハ１の表面に酸化膜１ｂを形成してからウエハ１の表面を平坦化することにより、ウエハ１の研削速度（研磨速度）を速くすることができる。実験によれば、酸化膜１ｂを形成した場合の研削速度は、酸化膜１ｂを形成しない場合の研削速度の１０倍以上速くなった。
【００７５】
なお、本実施形態の平坦化部４４がＣＭＰパッドの場合、平坦化部４４の使用後に平坦化部４４の表面が傷むことがある。この場合、傷んだ平坦化部４４の表面を酸により処理して、平坦化部４４の表面に凹凸を形成してもよい。
【００７６】
また、本実施形態のウエハ１の平坦化方法は、第１実施形態の半導体製造装置と、通常のグラインダ装置またはＣＭＰ装置とを用いて実行してもよい。この場合、酸化膜１ｂは第１実施形態の半導体製造装置により形成し、ウエハ１の平坦化は通常のグラインダ装置またはＣＭＰ装置により実行する。
【００７７】
（第１および第２実施形態の変形例）
以下、第１および第２実施形態の変形例を説明する。
【００７８】
第１および第２実施形態の半導体基板１ａは、Ｓｉ基板やＳｉＣ基板でもよい。また、第１および第２実施形態の半導体基板１ａは、ＧａＮ（窒化ガリウム）層またはＡｌＧａＮ（窒化アルミニウムガリウム）層が表面に形成された基板でもよい。これらの場合、チャンバ１１または筐体４１内を減圧水素雰囲気に設定し、チャンバ１１または筐体４１内にプラズマ発生器１３、４３により水素ラジカルを発生させることにより、半導体基板１ａの表面を平坦化してもよい。
【００７９】
また、第１および第２実施形態の半導体製造装置は、ウエハ１内の窒化膜の表面を酸化したり、ウエハ１内の酸化膜の表面を窒化するために使用してもよい。後者の場合、チャンバ１１または筐体４１内を減圧窒素雰囲気に設定し、チャンバ１１または筐体４１内にプラズマ発生器１３、４３により窒素ラジカルを発生させることにより、酸化膜の表面を窒化してもよい。酸化膜の表面に形成される窒化膜の膜厚の例は、０．５〜２．０ｎｍである。
【００８０】
また、第１実施形態においては、第１期間にプラズマ管１３ａとウエハ１との距離Ｄを第１距離Ｄ1に設定し、第１期間の後の第２期間に距離Ｄを第１距離Ｄ1よりも短い第２距離Ｄ2に設定する酸化方法を実行してもよい（Ｄ2＜Ｄ1）。この酸化方法は例えば、第１期間に膜質の良い酸化膜１ｂを形成し、この酸化膜１ｂを、プラズマから発生する軟Ｘ線の半導体基板１ａへの侵入を防ぐためのバリア膜として利用する場合に使用可能である。その後、この酸化方法においては、距離Ｄを第１距離Ｄ1から第２距離Ｄ2に減少させることにより、軟Ｘ線による半導体基板１ａ内での欠陥発生を抑制しつつ、酸化膜１ｂの膜厚を短時間で増加させることができる。この酸化方法は、第２実施形態にも適用可能である。
【００８１】
なお、この酸化方法においては、ウエハ１に酸化膜１ｂを形成する期間を、距離Ｄが第１から第Ｎ距離Ｄ1〜ＤNに設定される第１から第Ｎ期間に分割してもよい。例えば、この期間を第１から第３期間に分割し、第２距離Ｄ2を第１距離Ｄ1と第３距離Ｄ3よりも短く設定してもよい（Ｄ2＜Ｄ1、Ｄ3）。この場合、設定Ｄ2＜Ｄ1により酸化膜１ｂをバリア膜として利用することが可能となり、設定Ｄ2＜Ｄ3により膜質の良い酸化膜１ｂを短時間で形成することが可能となる。この場合、第１距離Ｄ1と第２距離Ｄ2はそれぞれ、本開示の第１距離と第２距離の例に相当し、かつ、第２距離Ｄ2と第３距離Ｄ3はそれぞれ、本開示の第１距離と第２距離の例に相当する。
【００８２】
以上のように、第１および第２実施形態によれば、第１期間において距離Ｄを第１距離Ｄ1に設定し、第２期間において距離Ｄを第１距離Ｄ1と異なる第２距離Ｄ2に設定することにより、プラズマを用いて所望の特性を有する酸化膜１ｂを短時間で形成することが可能となる。
【００８３】
以上、いくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例としてのみ提示したものであり、発明の範囲を限定することを意図したものではない。本明細書で説明した新規な装置および方法は、その他の様々な形態で実施することができる。また、本明細書で説明した装置および方法の形態に対し、発明の要旨を逸脱しない範囲内で、種々の省略、置換、変更を行うことができる。添付の特許請求の範囲およびこれに均等な範囲は、発明の範囲や要旨に含まれるこのような形態や変形例を含むように意図されている。
【符号の説明】
【００８４】
１：ウエハ、１ａ：半導体基板、１ｂ：酸化膜、１ｃ：ゲート電極、
１ｄ：側壁絶縁膜、１ｅ：ソース／ドレイン領域、１ｆ：層間絶縁膜、
１１：チャンバ、１２：支持部、
１２ａ：石英サセプタ、１２ｂ：支持ピン、１２ｃ：回転シャフト、
１３：プラズマ発生器、１３ａ：プラズマ管、
１４：予備加熱器、１４ａ：予備加熱管、
１５：ガス供給装置、１５ａ：ガス供給器、１５ｂ：ガスシャワーヘッド、
１５ｃ：ガス導入配管、１６：温度測定部、１６ａ：温度計、１７：制御部、
２１：石英管、２２：内側電極、２３：外側電極、
３１：プラズマイオン、３２：電子、３３：シリコンイオン、
４１：筐体、４２：支持部、
４３：プラズマ発生器、４３ａ：プラズマ管、４４：平坦化部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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