(57)【要約】  本発明においては，ＤＲＡＭにおけるゲート絶縁膜を形成する場合，ゲート絶縁膜のベースとなる酸化膜に対してプラズマ窒化処理を施す。多数の透孔が形成されている平板アンテナを用いたマイクロ波プラズマによってプラズマ窒化処理する。プラズマ窒化処理によって形成されたゲート絶縁膜中の窒素濃度は，５〜２０％原子濃度である。その後アニール処理を行わなくとも，ＤＲＡＭにおいてボロンの突き抜け現象を効果的に防止することができ，しかもデバイスの駆動能力低下の原因となる膜中のトラップを抑制する。【特許請求の範囲】
【請求項１】
ゲート絶縁膜の形成方法であって，
前記絶縁膜を構成する酸化膜に対して，アルゴンガスと窒素ガスをプラズマ化してプラズマ窒化処理を施すにあたり，平板アンテナを用いたマイクロ波プラズマによってプラズマ窒化処理し，
さらに前記プラズマ窒化処理によってゲート絶縁膜中の窒素濃度を，５〜２０％原子濃度で酸化膜中に導入する。
【請求項２】
請求項１のゲート絶縁膜の形成方法において，
前記酸化膜の膜厚は１０〜４０オングストロームである。
【請求項３】
請求項１のゲート絶縁膜の形成方法において，
アルゴンガスと窒素ガスとの流量比が，２：１〜３０：１である。
【請求項４】
請求項１のゲート絶縁膜の形成方法において，
前記プラズマ窒化処理は，
基板を処理容器内に搬入する工程と，
その後処理容器内を真空引きして処理容器内の残留酸素を除去する工程と，
その後前記基板を加熱する工程と，
その後処理容器内に窒化処理に必要な処理ガスを導入する工程と，
その後処理容器内にプラズマを生成してプラズマ窒化処理する工程と，
を有する。
【請求項５】
請求項１のゲート絶縁膜の形成方法において，
プラズマ窒化処理の際に，処理圧力と処理時間を制御して，ゲート絶縁膜中の窒素濃度を所定の濃度に制御する。
【請求項６】
請求項１のゲート絶縁膜の形成方法において，
前記平板アンテナには，多数の透孔が形成されている。
【請求項７】
請求項１のゲート絶縁膜の形成方法において，
プラズマ窒化処理する際の圧力は，１〜６６．６５Ｐａである。
【請求項８】
請求項４のゲート絶縁膜の形成方法において，
処理容器内にプラズマを生成してプラズマ窒化処理する工程においては，
処理容器内の圧力を，窒化処理の際の圧力よりも高くすると共に，アルゴンガスの流量も窒化処理のときよりも多くして，プラズマを着火する工程を有する。
【請求項９】
基板上に酸窒化膜からなるゲート絶縁膜を介してゲート電極を備えた半導体装置において，
前記ゲート絶縁膜は，多数の透孔が形成されている平板アンテナを用いたマイクロ波プラズマによって酸化膜がプラズマ窒化処理された酸窒化膜であって，
かつゲート絶縁膜中の窒素濃度は，５〜２０％原子濃度である。
【請求項１０】
請求項９の半導体装置において，
前記半導体装置はＤＲＡＭであって，
前記窒素濃度が１０〜２０％原子濃度で，前記酸化膜の膜厚が２０〜４０オングストロームである。
【請求項１１】
請求項９の半導体装置において，
前記半導体装置はロジック系デバイスであって，
前記窒素濃度が５〜１０％原子濃度で，前記酸化膜の膜厚が１０〜２０オングストロームである。
【請求項１２】
ゲート絶縁膜の形成方法を，プラズマ処理装置において実行させるためのソフトウエアを含むコンピュータ記録媒体であって，
前記ゲート絶縁膜の形成方法は，
前記絶縁膜を構成する酸化膜に対して，アルゴンガスと窒素ガスをプラズマ化してプラズマ窒化処理を施すにあたり，平板アンテナを用いたマイクロ波プラズマによってプラズマ窒化処理し，
さらに前記プラズマ窒化処理によってゲート絶縁膜中の窒素濃度を，５〜２０％原子濃度で酸化膜に導入する方法である。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は，半導体装置のゲート絶縁膜の形成方法及び半導体装置，さらにはコンピュータ記録媒体に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
シリコン酸化膜をゲート絶縁膜とした半導体装置においては，いわゆるボロンの突き抜けと呼ばれる，ゲート電極中のボロンがシリコン酸化膜からなるゲート絶縁膜を突き抜けて基板まで到達する現象を防止するため，シリコン酸化膜に対して，プラズマによって窒化処理を行い，その後急速熱アニール処理することが行われている（特許文献１）。
【特許文献１】特開２００４−４８００１号公報
【０００３】
しかしながら，前記従来の技術は，ＭＯＳＦＥＴに関する技術であって，また後処理として別途アニール処理が必要である。しかしながらアニール処理を行うと，それによって膜厚が増大するおそれがある。そこで他の半導体装置，例えばＤＲＡＭ（Dynamic Random Access Memory）のゲート絶縁膜を構成する酸化膜に対してプラズマ窒化処理を行っても，ボロンの突き抜け防止を図りつつ，その後のアニール処理を不要とする技術が望まれている。さらにその際，デバイスの駆動能力低下の原因となる酸化膜中の窒素濃度にも留意する必要がある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり，ゲート絶縁膜においてボロンの突き抜け現象を防止しつつ，プラズマ窒化処理後のアニール処理を不要とし，しかもデバイスの駆動能力低下を抑制することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
前記目的を達成するため，本発明のゲート絶縁膜の形成方法は，前記絶縁膜を構成する酸化膜に対して，アルゴンガスと窒素ガスをプラズマ化してプラズマ窒化処理を施すにあたり，平板アンテナを用いたマイクロ波プラズマによってプラズマ窒化処理し，さらに前記プラズマ窒化処理によってゲート絶縁膜の酸化膜中の窒素濃度を，５〜２０％原子濃度とすることを特徴としている。【０００６】
前記平板アンテナを用いたマイクロ波プラズマ窒化処理においては，プラズマ処理の際に処理ガスとして使用されるアルゴンガスと窒素ガスとの流量比が，２：１〜３０：１，好ましくは２．５：１〜２５：１，より好ましくは２．５：１〜５：１が適当である。【０００７】
本発明によれば，平板アンテナを用いたマイクロ波プラズマによってプラズマ窒化処理することにより，低電子温度かつ高密度のプラズマ窒化処理を実現することができ，アニール処理を行わなくとも，例えばＤＲＡＭにおいてボロンの突き抜け現象を効果的に防止することができる。しかもデバイスの駆動能力低下の原因となる，膜中のトラップを抑制することが可能である。前記平板アンテナには多数の透孔が形成されていてもよい。【０００８】
また前記プラズマ窒化処理は，例えば基板を処理容器内に搬入する工程と，その後処理容器内を真空引きして処理容器内の残留酸素を除去する工程と，その後前記基板を加熱する工程と，その後処理容器内に窒化処理に必要な処理ガスを導入する工程と，その後処理容器内にプラズマを生成してプラズマ窒化処理する工程と，を備えていてもよい。【０００９】
さらに，本発明においては，例えばプラズマ窒化処理の際に，処理圧力と処理時間を制御して，ゲート絶縁膜中の窒素濃度を所定の濃度に制御することが可能である。【００１０】
これらの方法がプラズマ処理装置によって実行される場合，制御装置に制御させるためのソフトウエアの形式でコンピュータ記録媒体に格納することが可能である。【００１１】
また本発明の別な観点によれば，本発明は，基板上に酸窒化膜からなるゲート絶縁膜を介してゲート電極を備えた半導体装置において，前記ゲート絶縁膜は，多数の透孔が形成されている平板アンテナを用いたマイクロ波プラズマによって酸化膜がプラズマ窒化処理された酸窒化膜であって，かつゲート絶縁膜中の窒素濃度は，５〜２０％原子濃度であることを特徴としている。【００１２】
かかる構成の半導体装置によれば，ボロンの突き抜け現象が効果的に防止され，かつデバイスの駆動能力低下の原因となる，膜中のトラップが抑制される。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば，半導体装置においてボロンの突き抜け現象を防止しつつ，プラズマ窒化処理後のアニール処理を不要とし，しかもデバイスの駆動能力低下が抑制される。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】実施の形態にかかる方法を実施するためのプラズマ処理装置の縦断面の説明図である。
【図２】実施の形態にかかるプラズマ窒化処理のフローチャートである。
【図３】シリコン酸化膜に対してプラズマ窒化処理した際のシリコン酸化膜の様子を示す説明図である。
【図４】プラズマ窒化処理のレシピの一例を示す表である。
【図５】実施の形態にかかるＤＲＡＭの構造の概略を示す説明図である。
【図６】本発明にしたがって形成した絶縁膜の窒素の原子濃度（Atomic％）に対するデルタＤの関係を示すグラフである。
【図７】本発明にしたがって形成した絶縁膜中の深さ方向の窒素原子濃度を示すグラフである。
【図８】プラズマ窒化処理の際に処理圧力を変えたときの，処理時間とシリコン酸化膜中の窒素濃度との関係を示すグラフである。
【図９】シャワープレートの有無による圧力−プラズマ電位の関係を示すグラフである。
【図１０】シャワープレートがない場合の絶縁膜の深さ方向に対するＳｉＯとＳｉＮの比率を示すグラフである。
【図１１】シャワープレートがある場合の絶縁膜の深さ方向に対するＳｉＯとＳｉＮの比率を示すグラフである。
【符号の説明】
【００１５】
１    プラズマ処理装置
２    処理容器
３    サセプタ
２０    透過窓
３０    スロットアンテナ
３３    スリット
３６    マイクロ波供給装置
Ｗ    ウエハ
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下，本発明の実施の形態について説明する。図１は，本実施の形態にかかるゲート絶縁膜の形成方法を実施するためのプラズマ処理装置１の縦断面の様子を示しており，このプラズマ処理装置１は例えばアルミニウムからなる，上部が開口した有底円筒状の処理容器２を備えている。処理容器２は接地されている。この処理容器２の底部には，基板として例えば半導体ウエハ（以下ウエハという）Ｗを載置するための載置台としてのサセプタ３が設けられている。このサセプタ３は例えば窒化アルミニウムからなり，その内部には，ヒータ４ａが設けられている。ヒータ４ａは例えば抵抗体で構成することができ，処理容器２の外部に設けられた交流電源４からの電力の供給によって発熱し，サセプタ３上のウエハを所定温度に加熱することができる。【００１７】
処理容器２の底部には，真空ポンプなどの排気装置１１によって処理容器２内の雰囲気を排気するための排気管１２が設けられている。また処理容器２の側壁には，処理ガス供給源からの処理ガスを供給するためのガス導入部１３が設けられている。本実施の形態においては，処理ガス供給源として，アルゴンガス供給源１５，窒素ガス供給源１６が用意され，各々バルブ１５ａ，１６ａ，マスフローコントローラ１５ｂ，１６ｂ，そしてバルブ１５ｃ，１６ｃを介して，ガス導入部１３に接続されている。【００１８】
処理容器２の上部開口には，気密性を確保するためのＯリングなどのシール材１４を介して，たとえば石英ガラスの誘電体からなる透過窓２０が設けられている。石英ガラスに代えて，他の誘電体材料，たとえばＡｌＮ，Ａｌ２Ｏ３，サファイア，ＳｉＮ，セラミックスを使用してもよい。この透過窓２０によって，処理容器２内に，処理空間Ｓが形成される。透過窓２０は，平面形態が円形である。【００１９】
透過窓２０の上方には，アンテナ部材，例えば円板状の平面スロットアンテナ３０が設けられており，さらにこのスロットアンテナ３０の上面には誘電体の遅波板３１，遅波板３１を覆うアルミニウムなどの金属製のアンテナカバー３２が設けられている。アンテナカバー３２には，透過窓２０，スロットアンテナ３０等を冷却する冷却部が設けられている。スロットアンテナ３０は，導電性を有する材質，たとえば銅，アルミニウム等の金属の導電体の薄い円板又は多角形板からなり，表面に，例えば金または銀メッキされている。さらにスロットアンテナ３０には，透孔としての多数のスリット３３が，例えば渦巻状や同心円状に整列して形成されている。透孔の形状自体は，そのようなスリット状に限らず種々の形態の孔を適用することが可能である。【００２０】
スロットアンテナ３０の中心には，導電性を有する材質，たとえば金属等の導電体によって構成された内側導体３５ａが接続されている。内側導体３５ａの端部のスロットアンテナ３０側は円錐形（ラッパ状）３４に形成され，効率よくマイクロ波をスロットアンテナ３０に伝播させるようになっている。この内側導体３５ａとその外側に位置する外管３５ｂとによって同軸導波管３５が構成される。そしてマイクロ波供給装置３６で発生させた，たとえば２．４５ＧＨｚのマイクロ波は，矩形導波管３８，負荷整合器３７，同軸導波管３５，遅波板３１を介して，スロットアンテナ３０に伝播され，スリット３３，透過窓２０を介して処理容器２内に供給される。そしてそのエネルギーによって処理容器２内の透過窓２０の下面に電磁界が形成され，ガス導入部１３によって処理容器２内に供給された処理ガスを均一にプラズマ化し，サセプタ３上のウエハＷに対して，均一なプラズマ処理，たとえばプラズマ窒化処理が行われる。【００２１】
また処理容器２の側壁５の上方であって，前記ガス導入部１３の下方には，シャワープレート５１が水平に配置されている。このシャワープレート５１は，誘電体，例えば石英材によって構成され，多数の透孔５２が面内均一に形成されている。このシャワープレート５１によって，処理容器２内の処理空間は，上方処理空間Ｓ１，下方処理空間Ｓ２に仕切られている。そしてこのシャワープレート５１によって，上方処理空間Ｓ１で発生したイオンをトラップしてラジカルのみを通過させることができる。これによりイオンダメージを抑制することができる。【００２２】
処理容器２の内壁表面には，石英ライナー３９が設けられており，処理容器２内にプラズマが発生した際にイオン等のスパッタリングによって処理容器２内壁表面からメタルコンタミネーションが発生するのが防止されて，処理容器２内はクリーンな環境が形成される。これにより，デバイスに不純物が混入されずに，基板を窒化処理することができる。【００２３】
上記構成を有するプラズマ処理装置１は，制御装置７１によって制御されている。制御装置７１は，中央処理装置７２，支持回路７３，及び関連した制御ソフトウエアを含む記憶媒体７４を有している。この制御装置７１は，例えばノズル１３からのガスの供給，停止，流量調整，ヒータ４ａの温度調節，排気装置１１による排気，さらにはマイクロ波供給装置３６などを制御し，プラズマ処理装置１においてプラズマ処理が実施される各プロセスにおける必要な制御を行っている。【００２４】
制御装置７１の中央処理装置７２は，汎用コンピュータのプロセッサを用いることができる。記憶媒体７４は，例えばＲＡＭ，ＲＯＭ，フレキシブルディスク，ハードディスク，ＭＯ，ＤＶＤをはじめとした各種の形式の記憶媒体を用いることができる。また支持回路７３は，各種の方法でプロセッサを支持するために中央処理装置７２と接続されている。【００２５】
プラズマ処理装置１は以上の構成を有しており，他の酸化処理装置によって表面にシリコン酸化膜が形成されたウエハＷに対して，プラズマ窒化処理する際には，処理容器２内のサセプタ３上にウエハＷを載置し，ガス導入部１３から所定の処理ガス，例えばアルゴンガス／窒素ガスの混合ガスを処理容器２内に供給しつつ，排気管１２から排気して処理空間Ｓ内を所定の圧力に設定する。そしてヒータ４ａによってウエハＷを所定の温度に加熱して，マイクロ波供給装置３６によってマイクロ波を発生させて，透過窓２０の下面の処理空間Ｓ内に電磁界を発生させ，前記処理ガスをプラズマ化することにより，ウエハＷ上のシリコン酸化膜に対して，プラズマ窒化処理が行われる。しかもスロットアンテナ３０を介したマイクロ波のエネルギーによって生成した処理ガスのプラズマは，低電子温度で高密度プラズマであり，このプラズマの下で，ウエハＷ全体に均一なプラズマ窒化処理が行え，ウエハへのプラズマダメージが無く，有効である。【００２６】
前記したプラズマ窒化処理のプロセスを図２，図３に基づいて詳述すると，処理容器２内にウエハＷを搬入し，サセプタ３上に載置する（ステップＳ１）。ついで排気装置１１の作動によって処理容器２内を真空引きし，処理容器２内の残留酸素を除去する（ステップＳ２）。その後ヒータ４ａによってウエハＷを所定の温度にまで加熱する（ステップＳ３）。そして処理容器２内にガス導入部１３から処理ガス，すなわちアルゴンガスと窒素ガスを導入する（ステップＳ４）。マイクロ波供給装置３６を作動させて，処理容器２内の処理ガスをプラズマ化し（ステップＳ５），所定のプラズマ窒化処理を行う（ステップＳ６）。【００２７】
プラズマ窒化処理されると，図３（Ａ）に示した基板８１上に形成されているシリコン酸化膜８２は，図３（Ｂ）に示したようにプラズマによって発生した窒素ラジカルによって窒化され，その結果図３（Ｃ）に示したように，例えばシリコン酸化膜８２の表面側に窒素濃度が高い窒化処理を行うことができる。また圧力と時間の制御によって窒素濃度を正確に制御することが可能である。【００２８】
そして所定の処理時間経過後，マイクロ波の供給を止めてプラズマを停止する（ステップＳ７）。ついで処理ガスの供給を停止する（ステップＳ８）。処理容器２内を排気装置１１によって真空引きして，残留ガス等を排気する（ステップＳ９），その後ウエハＷを処理容器２から搬出する（ステップＳ１０）。【００２９】
かかるプラズマの好ましい範囲は，プラズマの電子温度が，２ｅＶ以下で，より好ましくは０．７ｅＶ〜１．５ｅＶに制御される。またプラズマ密度は１０１１〜１０１３ｃｍ−３に制御される。
処理空間Ｓ内の圧力については，１〜６６．６５Ｐａ，好ましくは７〜１２Ｐａ，ウエハＷの温度については，１００〜６００℃，好ましくは２００℃〜４００℃，マイクロ波供給装置３６のパワーの出力については，５００〜５０００Ｗ，好ましくは１０００〜２０００Ｗがよい。【００３０】
それに基づいたプラズマ窒化処理の際のレシピの一例を図４に示す。まずウエハＷを加熱するステップでは，処理容器２内にアルゴンガスを流量２０００ＳＣＣＭで供給し，処理容器２内の圧力を１２６．６６Ｐａに調整して，７０秒間ウエハＷを加熱する。
次のプラズマ着火（生成）ステップでは，処理容器２内の圧力を例えば１２６．６６Ｐａ，好ましくは窒化処理圧力以上にし，プラズマ着火用のガス，例えばアルゴンガスの流量を２０００ＳＣＣＭ，好ましくは窒化処理時の流量以上にし，スロットアンテナ３０にマイクロ波のパワーを２０００Ｗで供給する。このようにこのステップで窒化処理の際の圧力よりも高く，アルゴンガスの流量も多くすることで，プラズマの着火を容易にするとともに，プラズマを安定して生成することが可能になる。このプロセスは例えば５秒間行われ，好ましくは１〜１０秒間がよい。プラズマ着火用ガスは，その他にＫｒ，Ｘｅ，Ｈｅ等の希ガスも使用できる。
次いで処理容器２内の圧力を６．７Ｐａに下げ，アルゴンガスの流量を１０００ＳＣＣＭと少なくして，プラズマ用のパワーを下げて１５００Ｗとする。この段階で窒化処理条件に調整し，安定化させる。このプロセスは５秒間行われる。
そして処理容器２内の圧力を６．７Ｐａ，プラズマ用のパワーを１５００Ｗ，アルゴンガスの流量を１０００ＳＣＣＭに各々維持したまま，窒素ガスを４０ＳＣＣＭ流してプラズマ窒化処理を所定時間行う。そして窒化処理後マイクロ波のパワーをＯＦＦにして，アルゴンガス，窒素ガスの供給を停止し，処理容器２内を真空排気する。窒化処理工程におけるガス流量は，アルゴンガスは５００〜３０００ＳＣＣＭ，窒素ガスは５〜１０００ＳＣＣＭが好ましい。また窒素ガス／アルゴンガスの流量比は，０．００１６〜２が好ましく，全ガス流量に対する窒素ガスの比は，全ガス流量を１としたとき，０．００１６〜０．６７が好ましい。【００３１】
次に図５に示したＤＲＡＭ４０のゲート絶縁膜４１を形成するにあたりゲート絶縁膜４１を構成するシリコン酸化膜に対して，本発明の方法に従って，プラズマ窒化処理した際のデバイス特性等について説明する。なお図５中，４２はゲート電極であり，４３はシリコン基板，４４はキャパシタ部である。【００３２】
図６は，本発明に従ってプラズマ窒化処理して得たゲート絶縁膜４１中の窒素の原子濃度（Atomic％）と，デルタＤ（膜中のＶｔしきい値がシフトし始める際のトラップ数／ｃｍ２）の関係を示しており，処理ガスとして使用されるアルゴンガスと窒素ガスの流量と，処理空間Ｓの圧力を変えて実施した場合のデータを示している。窒化処理条件は，アルゴンガス／窒素ガスの流量が５００〜３０００／５〜１０００（ＳＣＣＭ），圧力が１〜６６．６５Ｐａであり，ウエハＷの温度は全て４００℃，マイクロは供給装置３６のパワーは,２０００Ｗである。【００３３】
これによれば，窒素の原子濃度（Atomic％）が１２．５〜２０％に調整されたときには，デルタＤを１．０Ｅ＋１２以下に抑えることができ，膜中の電子トラップの増加を抑えるのが，当該範囲で最大であることが確認できた。なおこのときのシリコン酸化膜の膜厚は,２１〜４０オングストロームである。【００３４】
なおそのときの窒素原子濃度の膜の深さ方向に対する濃度分布を図７に示す。図７は，前記ゲート絶縁膜４１中の深さ方向についての窒素原子濃度（Atomic％）を示したＳＩＭＳデータである。このデータからゲート絶縁膜の表面側（電極側）に高濃度の窒素のピークがあることがわかる。これは，低温度でかつ表面側に窒素分布を制御可能なプラズマ処理によるものである。また界面に窒素をほとんど拡散させずに界面制御がされる窒化処理ができる。これによって，リーク電流の防止効果が高く，ボロンの突き抜けに対しても高い効果があることが確認できた。【００３５】
さらにまた，プラズマ窒化処理の際の圧力と処理時間を制御することによって，絶縁膜中の窒素濃度を制御することが可能である。図８に発明者らが検証した結果を示す。【００３６】
対象とした絶縁膜は，水蒸気雰囲気での熱処理によって形成した厚さ３ｎｍのシリコン酸化膜（ＷＶＧ：Ｗａｔｅｒ  Ｖａｐｏｒ  Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ法によって形成した熱酸化膜）である。またプラズマ窒化処理の際の条件は，
（１）処理容器２内の圧力が１２Ｐａのとき
Ａｒ／Ｎ２＝１０００／２００ｃｃ
マイクロ波のパワー：１２００Ｗ
ウエハの温度：４００℃
（２）処理容器２内の圧力が４５Ｐａのとき
Ａｒ／Ｎ２＝１０００／２００ｃｃ
マイクロ波のパワー：１８００Ｗ
ウエハの温度：４００℃【００３７】
上記の条件でウエハに対してプラズマ窒化処理し，処理時間と窒化処理したシリコン酸化膜中の窒素濃度との関係を図８のグラフに示した。これによれば，処理圧力が１２Ｐａのときには，処理時間が５秒，１５秒，４０秒のとき，窒素濃度は各々８．８５，１４．６７，１９．９５（原子％）となった。また処理圧力が４５Ｐａのときには，処理時間が１５秒，３５秒，１１０秒，２５０秒のとき，窒素濃度は各々７．７４，１０．９０，１５．７７，２０．０２（原子％）となった。【００３８】
これによれば，処理圧力が１２Ｐａの場合には短時間で窒素濃度が高くなり，４５Ｐａの場合には，それより時間を要する。例えば約２０（原子％）の窒素濃度に達するまで，４５Ｐａの場合には１２Ｐａの場合の約６倍もの時間を要する。これは，低圧の場合のほうがイオン密度が高く，電子の移動速度が速いので，窒素イオンがラジカルより加速されて酸化膜中により多く導入されるのに対し，高圧の場合にはそれよりもイオン密度が低く，また電子の移動速度が遅いので，窒素イオンの酸化膜中への導入量が低圧のときよりも少なくなるからと考えられる。【００３９】
したがって，プラズマ窒化処理する際の処理時間，処理圧力を適宜調整することによって，窒化処理された酸化膜中の窒素濃度を正確に制御することが可能になる。すなわち処理時間については，１〜２８０秒，処理圧力については，１〜６６．６５Ｐａの間で調整することが好ましく，これによって窒素濃度を１〜３０原子％濃度の範囲で制御することができる。
そして絶縁膜中の窒素濃度を最適に制御することで，基板からのドーパントの突き抜けが防止され，デバイス特性を向上することができる。
また半導体デバイスのゲート絶縁膜を窒化する場合，ＤＲＡＭやロジックデバイスのゲート絶縁膜が薄膜化してきているが，薄膜化してくると，従来技術では窒化した際にＳｉ／ＳｉＯＮ界面にまで窒素が拡散してきて，界面ラフネス等の制御ができず，リーク電流が高くなるという問題がある。この点本発明によれば，既述したように界面まで窒素を拡散させることなく，表面側に高濃度の窒素を導入することができる。したがって，かかる点からもデバイスの能力が低下させる事を抑えることができる。【００４０】
さらに前記したプラズマ処理装置１においては，シャワープレート５１を採用して，イオンをトラップしてラジカルのみを通過させるようにしているが，発明者らの知見によれば，このようなシャワープレート５１を採用することが，表面側に高濃度の窒素を導入させることに寄与していることがわかった。【００４１】
まず図９は例えば，マイクロ波のパワーを２ｋＷ，アルゴンガス／窒素ガスの流量を１０００／４０ｓｃｃｍ，ウエハＷの温度を４００℃にして，酸化膜中の窒素濃度が１１％（原子％）となるように，１０秒間〜２０秒間プラズマ窒化処理したときの，処理容器２内の圧力とプラズマ電位−フローティング電位（Ｖｐ−Ｖｆ）との関係を，シャワープレート５１がない場合と，ある場合とで各々示している。そして例えばプラズマシース電位を３．０〜３．５（Ｖ）の範囲になるように設定すると，シャワープレート５１がない場合には，処理容器２内の圧力を約９５０ｍＴｏｒｒ，シャワープレート５１がある場合には，同じく約５０ｍＴｏｒｒの処理容器２内の圧力に設定される。この場合，プラズマシース電位は，ＳｉＯ２膜を窒化してＳｉＮに生成した際，Ｓｉ−Ｎ結合のエネルギーが３．５ｅＶであるから，これ以上高いエネルギーであると，生成したＳｉＮが再び切られてしまうので，Ｓｉ−Ｎ結合エネルギーの３．５ｅＶより低いシース電圧が好ましい。【００４２】
そこで，シャワープレート５１がない場合とある場合とで両者のプラズマポテンシャルの条件を同一とするため，シャワープレート５１がない場合には，処理容器２内の圧力を約９５０ｍＴｏｒｒに設定し，シャワープレート５１がある場合には，処理容器２内の圧力を約５０ｍＴｏｒｒに設定し，各々下記の共通したプラズマ条件でウエハＷの酸化膜に対してプラズマ窒化処理を行ない，各々の場合の絶縁膜中のＳｉＯとＳｉＮの比率を絶縁膜の深さ方向に渡って調べた。
アルゴンガス／窒素ガスの流量：１０００／４０ｓｃｃｍ
マイクロ波のパワー：１５００Ｗ
ウエハの温度：４００℃【００４３】
その結果，シャワープレート５１がない場合には，図１０に示したような結果になった。図１０は，プラズマ窒化処理によって形成されたゲート絶縁膜の深さ方向におけるＳｉＯとＳｉＮの比率を示している。したがって両者を合わせると１００％になる。これによれば，絶縁膜の表面から約０．９ｎｍまではＳｉＮの比率がＳｉＯの約半分の３５％前後となっている。【００４４】
これに対しシャワープレート５１がある場合には，図１１に示したような結果になった。これによれば，絶縁膜の表面から約０．２〜０．４ｎｍまではＳｉＮの比率は約４０％となっており，シャワープレート５１がない場合よりも，より表面側にＳｉＮの比率が高い特性が得られている。すなわちシャワープレート５１がない場合よりもより表面側に窒素濃度を高く導入することが可能になっている。【００４５】
なお本発明は，スッタク型セルの構造の半導体デバイス，フラッシュメモリ等のロジック系デバイスの絶縁膜に対しても適用可能である。そしてＤＲＡＭの場合には，窒素濃度が１０〜２０％原子濃度，酸化膜の膜厚が２０〜４０オングストロームが好ましく，ロジック系デバイスの場合には，窒素濃度が５〜１５％原子濃度で酸化膜の膜厚が１０〜２０オングストロームであることが好ましい。なお以上の例では，絶縁膜として熱酸化膜を使用したが，既述のプラズマ処理装置１を用いてＡｒガスと酸素ガスとの混合ガスのプラズマを生成してＳｉ基板をプラズマ酸化して形成された酸化膜，又はその他のプラズマ，例えばＥＣＲプラズマ，マグネトロンプラズマ，ＩＣＰプラズマ，平行平板型プラズマ，表面反射波プラズマ等のプラズマ装置でプラズマ酸化して形成された酸化膜を用いてプラズマ窒化処理することも可能である。またプラズマ窒化処理の際のプラズマ源についても，既述した実施の形態におけるマイクロ波プラズマの他，例えばＥＣＲプラズマ，マグネトロンプラズマ，ＩＣＰプラズマ，平行平板型プラズマ，表面反射波プラズマ等の各種プラズマを用いることができる。
【産業上の利用可能性】
【００４６】
本発明は，半導体装置のゲート絶縁膜を窒化処理する際に有用である。
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【国際調査報告】
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