(57)【要約】  半導体装置の製造方法は、シリコン基板表面を薬液によりエッチングした後に形成される酸化珪素膜を加熱して薄膜化させる薄膜化工程と、薄膜化した酸化珪素膜を加熱して、少なくとも酸素を含有するガスにより酸化する熱酸化工程、または薄膜化した酸化珪素膜を、プラズマ放電された少なくとも酸素を含有するガスにより酸化する工程とを有する。【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリコン基板表面を薬液によりエッチングした後に形成される酸化珪素膜を加熱して薄膜化させる酸化珪素膜の薄膜化工程と、
前記薄膜化した酸化珪素膜を加熱して、少なくとも酸素を含有するガスにより酸化する熱酸化工程、または前記薄膜化した酸化珪素膜を、プラズマ放電された少なくとも酸素を含有するガスにより酸化するプラズマ酸化工程と、
を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項２】
前記薄膜化工程では、前記エッチングした後に形成される酸化珪素膜を温度８００℃以上で処理することを特徴とする請求項１の半導体装置の製造方法。
【請求項３】
前記薄膜化工程では、前記エッチングした後に形成される酸化珪素膜を温度８００℃〜１０００℃で処理することを特徴とする請求項２の半導体装置の製造方法。
【請求項４】
前記薄膜化工程では、前記エッチングした後に形成される酸化珪素膜を減圧下で処理することを特徴とする請求項１乃至３の半導体装置の製造方法。
【請求項５】
前記減圧下での圧力が２６６Ｐａ〜２６６０Ｐａであることを特徴とする請求項４の半導体装置の製造方法。
【請求項６】
前記薄膜化工程では、前記エッチングした後に形成される酸化珪素膜を窒素で処理することを特徴とする請求項４の半導体装置の製造方法。
【請求項７】
前記薄膜化工程では、前記エッチングした後に形成される酸化珪素膜を５秒〜６０秒処理することを特徴とする請求項６の半導体装置の製造方法。
【請求項８】
前記酸化珪素膜をプラズマ放電された少なくとも窒素を含有するガスにより窒化して酸窒化珪素膜を形成するプラズマ窒化工程をさらに有し、該プラズマ窒化工程により前記酸窒化珪素膜の窒素のドーズ量を１×１０１５ ［ａｔｏｍｓ／ｃｍ２］以上にすることを特徴とする請求項１乃至３の半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は半導体装置の製造方法に関し、特に、ゲート絶縁膜用酸化珪素膜を形成する工程を備える半導体装置の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、ゲート絶縁膜用酸化珪素膜を形成する場合、まずは前洗浄としてＲＣＡ洗浄を行い、その後に酸化珪素膜を形成していた。【０００３】
ＲＣＡ洗浄とは、ＳＣ−１（ＮＨ４ＯＨ、Ｈ２Ｏ２、Ｈ２Ｏ混合液）やＳＣ−２（ＨＣｌ、Ｈ２Ｏ２、Ｈ２Ｏ混合液）や希フッ酸やＳＰＭ（Ｈ２ＳＯ４、Ｈ２Ｏ２）洗浄シーケンスを組み合わせ、異物や有機物や金属汚染を除去する洗浄法であるが、Ｈ２Ｏ２によって酸化珪素膜が形成されるために処理終了後には１０Å程度の化学的酸化膜が形成されている。ゲート絶縁膜の薄膜化に伴い、トランジスタ特性を向上するためにはこの１０Å程度の化学的酸化膜の存在が無視できなくなっているが、この化学的酸化珪素膜の膜質は高温の熱処理によって形成された酸化膜に比べて膜質が悪く、その結果、その後に酸化珪素膜を形成したゲート絶縁膜も品質が優れず、トランジスタの特性向上を阻害している。【０００４】
従って、本発明の主な目的は、高品質な絶縁膜をシリコン基板表面に形成可能な半導体装置の製造方法を提供することにある。
【発明の開示】
【０００５】
本発明の一態様によれば、
シリコン基板表面を薬液によりエッチングした後に形成される酸化珪素膜を加熱して薄膜化させる酸化珪素膜の薄膜化工程と、
前記薄膜化した酸化珪素膜を加熱して、少なくとも酸素を含有するガスにより酸化する熱酸化工程、または前記薄膜化した酸化珪素膜を、プラズマ放電された少なくとも酸素を含有するガスにより酸化するプラズマ酸化工程と、
を有することを特徴とする半導体装置の製造方法が提供される。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
【図１】本発明の好ましい実施例の処理フローを示す図である。
【図２】本発明の好ましい実施例による薄膜酸化膜の生成を説明するための図であり、高温アニール後の酸化膜形成の処理時間依存性を示している。
【図３】ゲート絶縁膜中の窒素ドーズ量とゲート絶縁膜のリーク電流の関係を示す図である。
【図４】本発明の好ましい実施例における薄膜高品質酸化膜によるＭＯＳトランジスタのＯｎ電流特性向上結果を示す図である。
【図５】本発明の好ましい実施例で好適に使用される処理装置の概略縦断面図である。
【発明を実施するための好ましい形態】
【０００７】
本発明の好ましい形態によれば、
シリコン基板表面を薬液によりエッチングした後に形成される酸化珪素膜を加熱して薄膜化させる酸化珪素膜の薄膜化工程と、
前記薄膜化した酸化珪素膜を加熱して、少なくとも酸素を含有するガスにより酸化する熱酸化工程、または前記薄膜化した酸化珪素膜を、プラズマ放電された少なくとも酸素を含有するガスにより酸化するプラズマ酸化工程と、
を有することを特徴とする半導体装置の製造方法が提供される。
【０００８】
薬液により形成された酸化珪素膜は膜質が悪いが、熱処理により膜質改善が図られ、電気特性を向上させることができる。
【０００９】
また、酸化珪素膜を熱酸化、またはプラズマ酸化することにより、ラフネス（表面粗さ）が緩和され、表面の平坦度が向上する。
【００１０】
すなわち、薬液により形成された酸化珪素膜（例えば１１Å）は、熱処理すれば膜の緻密化や昇華が起きるので、薄膜化する（例えば４Åになる）。そして、その後、熱酸化またはプラズマ酸化して酸化珪素膜の膜厚を厚くして所定の膜厚（たとえば、８Å）にする。薬液洗浄による酸化珪素膜形成処理や熱処理による酸化珪素膜の薄膜化での膜厚制御が難しく、一旦所定膜厚よりも薄膜化してから、酸化膜を足すことにより膜厚を制御する。これにより、極めて薄い酸化珪素膜の膜厚制御が可能となる。
【００１１】
また、熱処理により薄膜化した後の酸化珪素膜を熱酸化またはプラズマ酸化することによって、より酸化膜表面のラフネスを緩和することができる。すなわち、酸化膜の凹部の方が凸部より下地の基板までの距離が近いので、より熱酸化、またはプラズマ酸化されやすく、凸部に比べて凹部の膜厚が厚くなりやすく、その結果、ラフネスが緩和される。
【００１２】
６５ｎｍ以降のデザインルールではゲート絶縁膜をより薄膜化する必要があり、膜質を改善し、ラフネスを緩和できるようにした本発明がより一層有効になってくる。
【００１３】
好ましくは、前記薄膜化工程では、前記エッチングした後に形成される酸化珪素膜を温度８００℃以上で処理する。
【００１４】
熱処理による薄膜化の好ましい条件は、温度：８００℃〜１０００℃、圧力：２６６−２６６０Ｐａ、ガス流量：Ｎ２：５００−５０００ｓｃｃｍ、時間：５−６０秒である。
【００１５】
熱処理後の熱酸化処理の好ましい条件は、温度：７００−８００℃、圧力：２６６−２６６０Ｐａ、ガス流量：０２：１−２ｓｌｍ、Ｈ２：１００−５００ｓｃｃｍ、Ｎ２：０−２０ｓｌｍ、時間：１−３０分である。
【００１６】
熱処理後のプラズマ酸化処理の好ましい条件は、温度：４００−９００℃、圧力：１０−２００Ｐａ、高周波電力：５０−３００Ｗ、ガス流量：０２：３００−１０００ｓｃｃｍ、時間：３−２４０秒である。
【００１７】
好ましくは、前記熱酸化またはプラズマ酸化により形成された酸化珪素膜を窒素を含むプラズマにより窒化して酸窒化珪素膜を形成する酸窒化珪素膜形成工程をさらに有する。
【００１８】
プラズマ窒化処理の好ましい条件は、温度：４００−８００℃、圧力：１０−１５０Ｐａ、高周波電力：１５０−３００Ｗ、ガス流量：Ｎ２  ３００−１０００ｓｃｃｍ、時間：６０−２４０秒である。
【００１９】
好ましくは、前記薄膜化した酸化珪素膜および前記熱酸化またはプラズマ酸化により形成された酸化珪素膜によりゲート絶縁膜の一部または全部を構成する。
【００２０】
好ましくは、前記酸窒化珪素膜も前記ゲート絶縁膜の一部を構成する。
【００２１】
また、好ましくは、前記酸化珪素膜を加熱して薄膜化させる処理室内の処理雰囲気が減圧状態である。減圧状態にすることにより、酸化が進まないようにすることができる。
【００２２】
また、好ましくは、前記酸化珪素膜を加熱して薄膜化させる工程では、Ｎ２、Ｈｅ、Ｎｅ、Ａｒ、Ｋｒ、Ｘｅのうち少なくとも一つを供給する。
【００２３】
また、好ましくは、前記薬液が過酸化水素水混合液である。
【００２４】
また、好ましくは、前記酸窒化珪素膜の窒素のドーズ量が１Ｅ１５（１×１０１５）［ａｔｏｍ／ｃｍ２］以上である。
ここで、ドーズ量とは、単位面積当たりのイオン注入量のことであり、（前記酸窒化珪素膜の密度）×（窒素濃度）×（膜厚）で求まる量のことである。
そして、ここでの酸窒化珪素膜の密度とは、単位体積当たりの酸素、窒素、および珪素の全原子数のことである。
また、窒素濃度とは、
｛（単位体積当たりの窒素原子数）／（単位体積当たりの酸素、窒素、および珪素の全原子数）｝で求まる値である。
また、膜厚とは、酸窒化珪素膜全体のことであり、下地シリコン基板表面から、前記シリコン基板上に形成される前記酸窒化珪素膜表面までの厚さのことである。
【００２５】
なお、薬液により形成された酸化珪素膜を、熱処理して除去してしまうことも考えられるが、そのためには、１×１０−９Ｔｏｒｒという程度にまで高真空引きしなければならない。また、自然酸化膜を除去した後の基板表面のラフネスが増加してしまうという問題がある。
【００２６】
これに対して、本発明の方法によれば、圧力が２２６〜２６６０Ｐａに調整できれば良いので、到達圧力が１×１０−４Ｔｏｒｒ程度まで真空引きできる真空ポンプを用いればよく、これよりも高真空するために真空ポンプの性能を向上させる等、装置の製作コストがかからない。また、より酸化珪素膜表面のラフネスを緩和することができる。
【００２７】
本発明の好ましい実施の形態においては、半導体デバイスの酸窒化珪素膜を含むゲート絶縁膜形成において、７〜１２Åの薄膜の酸化膜に減圧ガス雰囲気にて８００℃以上のアニール処理を行い、その後にプラズマ生成装置によって窒化処理後の酸窒化珪素膜中の窒素ドーズ量が１Ｅ１５（１×１０１５）［ａｔｏｍｓ／ｃｍ２］以上となるように窒化処理を行う。
【００２８】
また、上記アニール処理後に再び酸化膜を形成し、その後にプラズマ生成装置によって窒化処理を行う。
【００２９】
また、上記７〜１２Åの薄膜の酸化膜が過酸化水素水混合液にて形成された化学的酸化膜である。
【００３０】
また、アニール処理の温度が８００℃以上であり、雰囲気ガスは、Ｎ２、Ｈｅ、Ｎｅ、Ａｒ、Ｋｒ、Ｘｅのいずれか、又はいずれか複数の組合せが主成分である。
【００３１】
次に、図面を参照して本発明の好ましい実施例について説明する。
【００３２】
図１に本発明の好ましい実施例の処理のフローを示す。ゲート絶縁膜を形成する際はその前工程として薬液によるシリコン基板表面の清浄化が行われる。通常ＲＣＡ洗浄と呼ばれる洗浄法によって異物、有機物、金属汚染を除去し、その最終工程において表面に１０Å程度の薄い酸化膜を形成して表面の終端処理を行い表面や膜中に不純物が混入することを抑制している。しかしこの化学的に形成された酸化膜は高温熱処理によって形成された酸化膜に対して膜質が劣っており、ゲート絶縁膜の薄膜化に伴い、特性を向上するためにはこの１０Å程度の化学的酸化膜の存在が無視できなくなっている。
【００３３】
そこで、本実施例では高品質で薄い酸化膜を形成するために、この１０Å程度の化学的酸化膜に対してアニール処理を行い、膜の緻密化による高品質化、昇華による薄膜化を図る。アニールとしては、例えば１３３０Ｐａ、１０００℃、窒素雰囲気にて１０秒程度の処理を行う。上記アニール条件では１０Å程度の化学的酸化膜は４Å程度にまで薄膜化する。
【００３４】
現在のゲート酸窒化珪素膜としては４Åの下地酸化膜は薄すぎるので処理後に８〜１２Åとなるように高品質な酸化膜を形成する。
【００３５】
この酸化膜を形成するには、高温熱処理装置にて例えば１３３０Ｐａ、８５０℃、窒素希釈された酸素雰囲気にて１０秒程度の処理を行う（熱酸化処理）。また、プラズマ生成装置にて例えば酸素を活性化し、４００℃、１００Ｐａ、ＲＦパワー１５０Ｗで、３０秒程度の処理を行い酸化膜を形成する方法もある（プラズマ酸化処理）。
【００３６】
次に、この酸化膜に対してプラズマ生成装置にて窒化処理を行い、酸窒化膜を形成する。
【００３７】
窒化処理条件は、例えば窒素１５００ｓｃｃｍ、５Ｐａ、４００℃、ＲＦパワー１５０Ｗで、１５秒程度の処理を行う。
【００３８】
このとき、ＰＭＯＳトランジスタにおけるＢ（ボロン）拡散によるＶｔｈ（閾値電圧）のシフトを抑制しかつリーク電流を低減するために、酸窒化膜中の窒素のドーズ量が１Ｅ１５（１×１０１５）［ａｔｏｍｓ／ｃｍ２］以上となるように窒化処理を行う。なお、窒素のドーズ量は、１Ｅ１６（１×１０１６）［ａｔｏｍｓ／ｃｍ２］以下であることが好ましい。
【００３９】
図２に本発明の好ましい実施例による薄膜酸化膜の生成例を示す。図２は高温アニール後の酸化膜形成（プラズマ酸化処理）の処理時間依存性を示したものである。高温アニールを行うことによって酸化膜の膜厚が薄くなる。これはケミカル酸化膜が緻密化した効果や昇華したためと考えられるが、この後に高温熱処理やプラズマ処理によって高品質な薄膜の酸化膜を形成することができる。
【００４０】
酸化膜に窒素を入れる目的としてＰＭＯＳトランジスタの閾値電圧シフトの抑制とリーク電流の抑制があるが、図３にゲート絶縁膜中の窒素ドーズ量とゲート絶縁膜のリーク電流の関係を示す。図３は、横軸がゲート絶縁膜のリーク電流密度（Ｊｇ（Ａ／ｃｍ２））であり、縦軸が膜中の窒素のドーズ量（ａｔｏｍｓ／ｃｍ２）である。これは酸化膜が１２Åの例だが、今後の薄膜化の要求に対しては上記目的を達成するためには、ますます窒素濃度を向上する必要性が高まることがわかる。
【００４１】
本実施例の酸窒化膜をＭＯＳトランジスタに適用し特性を比較評価した例として、図４に本実施例による薄膜高品質酸化膜によるＭＯＳトランジスタのＯｎ電流特性向上結果を示す。図４は、横軸がゲート絶縁膜のリーク電流密度（Ｊｇ（Ａ／ｃｍ２））であり、縦軸が、Ｏｎ電流（ｎＡ）である。本実施例で薄膜でリーク電流の少ない酸化膜が形成されることによってＯｎ電流を向上することができることがわかる。
【００４２】
以上説明したように、本発明の好ましい実施例のゲート酸窒化珪素膜を形成することによって、リーク電流の少ない薄膜の酸窒化膜を形成できＭＯＳトランジスタの特性を向上することができる。
【００４３】
次に、本発明の好ましい実施例で好適に使用されるプラズマ処理装置について図５を参照して説明する。
【００４４】
このプラズマ処理装置は、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を用いて、ウエハ等の基板をプラズマ処理する基板処理装置（以下、ＭＭＴ装置と称する）である。このＭＭＴ装置では、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。放電用電極近傍の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し、磁界に捕捉されるため電離生成率が高くなり高密度プラズマ生成が可能となる。この高密度プラズマによって反応ガスを励起分解させる。励起分解させた反応ガスにより、基板表面を酸化または窒化等の拡散処理をしたり、または基板表面に薄膜を形成したり、または基板表面をエッチングしたりする等、基板へ各種のプラズマ処理を施すことができる。
また、光源からの光により処理室内の基板を加熱できるようになっている。
【００４５】
このＭＭＴ装置は、上側容器２１０と下側容器２１１とから構成された処理容器２０３を備える。下側容器２１１と、下側容器２１１の上に被せられる上側容器２１０とから内部にウェハ２００を処理する処理室２０１が形成されている。上側容器２１０は窒化アルミニウムや酸化アルミニウム又は石英の誘電体でドーム型をして形成されており、下側容器２１１はアルミニウムで形成されている。
【００４６】
上側容器２１０の上部には、シャワーヘッド２３６が設けられる。シャワーヘッド２３６には反応ガス導入用のガス導入口（図示せず）が連通して設けられている。シャワーヘッドの下部には処理室２０１内へガスを吹出す噴出孔であるガス吹出口２３９が設けられる。
【００４７】
シャワーヘッド２３６は、側壁部材３１３と、蓋体２３３と、遮蔽プレート２４０と、バッファ室２３７と、開口２３８と、ガス吹出口２３９とを備えている。
【００４８】
バッファ室２３７は、処理室２０１の上部にガスが導入されるガス分散空間として設けられる。バッファ室２３７は、側壁部材３１３と、蓋体２３３と、開口周辺部２２９と、開口２３８を覆う遮蔽プレート２４０とから構成される。バッファ室２３７内には、遮蔽プレート２４０が設けられるので、実質的にガス分散空間は、蓋体２３３と遮蔽プレート２４０との間に形成される空間となる。蓋体２３３と遮蔽プレート２４０は石英で構成されている。
【００４９】
開口２３８は、ウェハ２００の主面と対向する処理室２０１の天井に設けられ、バッファ室２３７と処理室２０１とを連通するように構成される。
【００５０】
遮蔽プレート２４０は、開口２３８をバッファ室２３７内側から覆って、バッファ室２３７内に導入されるガスを開口周辺部２２９に流すように構成される。
【００５１】
ガス吹出口２３９は、遮蔽プレート２４０の下面外周部と開口２３８の周辺部との間に形成された隙間に設けられる。ガス吹出口２３９は、プラズマにさらされる処理室２０１に露出しないように、開口２３８の開口面よりも奥まったバッファ室２３７の内側に配置される。ガス吹出口２３９は、開口２３８の周方向に沿って複数個等間隔に形成され、遮蔽プレート２４０によって開口周辺部２２９に流れるガスを処理室２０１内にシャワー状に噴出するように構成される。
【００５２】
上述したシャワーヘッド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、ガス排気口２３５はガス排気管２３１に接続されている。
【００５３】
処理室２０１内にプラズマ生成領域を形成するプラズマ生成手段２８０は、供給される反応ガスを励起させる放電手段と、電子をトラップする磁界形成手段とから構成される。
放電手段は、筒状電極２１５、整合器（図示せず）、高周波電源（図示せず）から構成される。磁界形成手段は、筒状磁石２１６から構成される。
【００５４】
筒状電極２１５は、断面が筒状であり、好適には円筒状の電極で構成される。筒状電極２１５は処理室２０１の外周に設置されて処理室２０１内の筒状電極２１５近傍のプラズマ生成領域を囲んでいる。筒状電極２１５にはインピーダンスの整合を行う整合器（図示せず）を介して高周波電力を印加する高周波電源（図示せず）が接続されている。
【００５５】
また、筒状磁石２１６は、断面が筒状であり、筒状の永久磁石で構成される。永久磁石の材質は、例えばネオジム系希土類コバルト磁石である。筒状磁石２１６は、筒状電極２１５の外表面の筒軸方向の上下端近傍２段に配置される。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２１５の内周面に沿って筒軸方向に磁力線を形成するようになっている。
【００５６】
処理室２０１の底側中央には、基板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はウェハ２００を加熱できるようになっている。サセプタ２１７は、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。
【００５７】
シャワーヘッド２３６の上部には光源３１６が設けられている。光源３１６は、中央に開口３１７を有する光源周辺部材３１５により、側壁部材３１３上に取り付けられている。側壁部材には冷却水通路３１４が設けられている。冷却水を流して熱を光源周辺部材３１５に加えない構造となっている。光源３１６と接触する光源周辺部材３１５の材質としては、熱伝導率の高い材質例えば、アルミニウムを用いる。熱・光が集中する部分は光源の周囲であるため、その局所的な部分に冷却水を流すことで、光源周辺部材３１５の温度上昇を低減させることができる。
【００５８】
光源からの光３０１は、開口３１７、石英製の蓋体２３３、石英製の反応ガス遮蔽プレート２４０、開口２３８を介して基板２００に照射され、基板２００を加熱処理することができる。
【００５９】
この装置で、加熱処理（アニール）工程、熱酸化工程またはプラズマ酸化工程、プラズマ窒化工程を連続処理することができる。
【００６０】
また、ランプだけを用いたランプ加熱装置で、加熱処理（アニール）工程、熱酸化工程を行い、ランプが設けられていない放電用電極だけのＭＭＴ装置でプラズマ酸化工程、プラズマ窒化工程を行うようにしてもよい。
【００６１】
明細書、特許請求の範囲、図面および要約書を含む２００４年８月３１日提出の日本国特許出願２００４−２５２１３８および２００５年４月５日提出の日本国特許出願２００５−１０８６４５号の開示内容全体は、そのまま引用してここに組み込まれる。
【００６２】
種々の典型的な実施の形態を示しかつ説明してきたが、本発明はそれらの実施の形態に限定されない。従って、本発明の範囲は、次の請求の範囲によってのみ限定されるものである。
【産業上の利用可能性】
【００６３】
以上説明したように、本発明の一形態によれば、高品質な絶縁膜をシリコン基板表面に形成可能な半導体装置の製造方法が提供され、半導体装置の特性向上を図ることができる。
その結果、本発明は、半導体シリコンウエハを用いて半導体装置を製造する方法に特に好適に利用できる。
【図１】
2006025164.tif 000002
【図２】
2006025164.tif 000003
【図３】
2006025164.tif 000004
【図４】
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【図５】
2006025164.tif 000006
【国際調査報告】
2006025164.tif 000007
2006025164.tif 000008