プラズマ窒化処理方法、プラズマ窒化処理装置および半導体装置の製造方法
【課題】選択的に窒化物膜を形成する。
【解決手段】処理容器２内に窒素含有ガスを供給し、処理容器２内の圧力を１３３Ｐａ以上１３３３Ｐａ以下の範囲内に設定して、処理容器２内に窒素含有プラズマを生成し、該窒素含有プラズマによって、シリコンを含有する第２の部分１００Ｂの表面１００Ｂａを窒化させずに、タングステンを含有する第１の部分１００Ａの表面１００Ａａを選択的に窒化して、第１の部分１００Ａの表面１００Ａａに窒化タングステン膜１０７を形成する。
【解決手段】処理容器２内に窒素含有ガスを供給し、処理容器２内の圧力を１３３Ｐａ以上１３３３Ｐａ以下の範囲内に設定して、処理容器２内に窒素含有プラズマを生成し、該窒素含有プラズマによって、シリコンを含有する第２の部分１００Ｂの表面１００Ｂａを窒化させずに、タングステンを含有する第１の部分１００Ａの表面１００Ａａを選択的に窒化して、第１の部分１００Ａの表面１００Ａａに窒化タングステン膜１０７を形成する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、構造体の表面に窒化物膜を形成するプラズマ窒化処理方法、プラズマ窒化処理装置および半導体装置の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＤＲＡＭ等の半導体装置の製造過程では、シリコン基板上にゲート絶縁膜を形成し、ゲート絶縁膜の上にゲート電極を形成し、ゲート電極を覆うように、ゲート絶縁膜およびゲート電極の周囲に絶縁層を形成することが行われている。ゲート電極の電極部分には、例えばポリシリコンとタングステンを含む積層体が用いられる。ゲート絶縁層は、所定の閾値電圧を有している。シリコン基板とゲート電極の電極との間における電子の移動は、ゲート絶縁層によって行われる。具体的には、上記の電子の移動は、シリコン基板とゲート電極の電極との間に、ゲート絶縁層の閾値電圧以上の電圧をかけることによって行われる。ゲート絶縁層は、例えばシリコン酸窒化物（ＳｉＯＮ）によって形成されている。ゲート電極の周囲を覆うように形成される絶縁層は、例えばシリコン酸化物（ＳｉＯ２）によって形成されている。この絶縁層は、例えば化学的気相成長法（ＣＶＤ法）によって形成される。
【０００３】
また、ゲート電極の形成は、例えば、シリコン基板上に、上記の積層体およびゲート絶縁層に対応する積層膜を形成した後に、この積層膜をエッチングすることによって行われる。この場合、例えば、エッチングによって生じたゲート絶縁層の損傷や欠陥を修復する目的で、ゲート電極を形成した後に、熱酸化法等によって酸化処理を施すことがある。また、ゲート電極の周囲に絶縁層を形成した後に、種々の目的で全体にアニール処理を施すことがある。
【０００４】
上記の酸化処理が行われる際には、ゲート電極の表面は酸化雰囲気に曝されるため、ゲート電極の電極部分を構成するタングステンの表面が酸化される。また、ＣＶＤ法によってゲート電極の周囲にシリコン酸化物よりなる絶縁層を形成すると、ＣＶＤ法に用いられる酸素ガスによって、タングステンの表面が酸化される。また、この絶縁層を形成した後にアニール処理を行った場合には、シリコン酸化物に含まれる酸素によって、タングステンの酸化が進行していく。このように、タングステンが酸化されると、例えば、酸化タングステン（ＷＯｘ）となってタングステンの表面から飛散し、酸化タングステンと絶縁層との界面にボイド等の空間が形成されて、その結果、ゲート電極としての電圧特性が変化して、所望の電気特性を得られないおそれがある。
【０００５】
そこで、上記の酸化処理等が行われる前に、タングステンの表面に酸化防止膜を形成することが考えられる。酸化防止膜としては、例えば、窒化物膜、具体的には窒化タングステン膜を用いることが考えられる。
【０００６】
特許文献１には、窒素を含むガスを用いたプラズマ処理を行い、多結晶シリコン膜、窒化タングステン膜およびタングステン膜によって構成されたゲート電極の側壁を窒化して、窒化物膜を形成する技術が記載されている。また、特許文献２には、シリコン基板上に形成されたタングステン膜の全体またはその表面層を、窒素ガスを含むガス中で処理して窒化させる技術が記載されている。また、特許文献３には、熱窒化やプラズマ窒化等の窒化処理によって、薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）の配線材料として用いられるタングステン膜の表面を窒化タングステンで覆う技術が記載されている。また、特許文献４には、ラピッド・サーマルアニール（ＲＴＡ）法によって、チタン・タングステン層よりなる半導体集積回路の局部相互接続体を窒化する技術が記載されている。また、特許文献５には、ＣＶＤ法によって、銅配線のバリア膜として、窒化タングステン薄膜を形成する技術が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００４−２００５５０号公報
【特許文献２】特開平１−１８９１３８号公報
【特許文献３】特開２０００−３３２２５９号公報
【特許文献４】特開平５−２４３１７８号公報
【特許文献５】特開２０００−２３５９６３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
特許文献１ないし５に記載された技術では、窒化物膜を形成する際には、シリコン基板およびゲート電極を含む構造体の表面全体が窒化雰囲気に曝される。そのため、窒化物膜は、ゲート電極の電極部分の一部を構成するタングステンの表面のみならず、ゲート電極の電極部分の他の一部を構成するポリシリコンや、ゲート絶縁層、シリコン基板等のシリコンを含有する部分の表面にも形成される。一般的に、窒化物膜はその膜中に欠陥が形成されやすい。窒化物膜は、シリコン基板と電極部分（ポリシリコンおよびタングステン）の表面に沿うように、連続的に形成されることから、窒化物膜中に欠陥が形成された場合には、窒化物膜中の欠陥を介して、シリコン基板とタングステンとの間でリークが発生するおそれがある。また、ゲート絶縁層がシリコン酸窒化物よりなる場合には、シリコン窒化物膜が更に窒化されて、シリコン酸窒化物の窒素濃度が変化して、ゲート絶縁層の閾値電圧が変動するおそれがある。また、シリコン基板の表面に形成される窒化物膜、具体的にはシリコン窒化物膜（ＳｉＮ）を除去するための工程が必要になる場合がある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、金属を含有する第１の部分とシリコンを含有する第２の部分とを含む構造体を備えた被処理体に対して、第１の部分の表面のみを覆う窒化物膜を形成することができるようにしたプラズマ窒化処理方法、プラズマ窒化処理装置および半導体装置の製造方法を提供することにある。
【００１０】
本発明のプラズマ窒化処理方法は、金属を含有する第１の部分と、シリコンを含有する第２の部分とを含み、第１および第２の部分の表面が露出するように形成された構造体を備えた被処理体を処理容器内に配置して、被処理体に対してプラズマ処理を施すことによって、第１の部分の表面を選択的に窒化して、第１の部分の表面に選択的に金属窒化物膜を形成するプラズマ窒化処理方法である。第１の部分は、タングステンを含有する。
本発明のプラズマ窒化処理方法は、処理容器内に窒素含有ガスを供給し、処理容器内の圧力を１３３Ｐａ以上１３３３Ｐａ以下の範囲内に設定して、処理容器内に窒素含有プラズマを生成し、該窒素含有プラズマによって、第２の部分の表面を窒化させずに、第１の部分の表面を選択的に窒化して、第１の部分の表面に窒化タングステン膜を形成する。
【００１１】
本発明のプラズマ窒化処理方法では、第２の部分の表面には、窒化物膜がほとんど形成されない。なお、本発明において、「窒化物膜がほとんど形成されない」場合というのは、「窒化物膜が全く形成されない」場合と、「窒化物膜がわずかに形成されるが、その影響がほとんどない」場合とを含む。
【００１２】
本発明のプラズマ窒化処理方法において、処理容器内の圧力を２６７Ｐａ以上１３３３Ｐａ以下の範囲内に設定してもよい。
【００１３】
また、本発明のプラズマ窒化処理方法において、第２の部分は、シリコンよりなるシリコン基板を含み、第１の部分は、シリコン基板の上面の一部の上に配置されていてもよい。
【００１４】
また、本発明のプラズマ窒化処理方法において、構造体は、シリコンよりなるシリコン基板と、シリコン基板の上面の一部の上に配置された積層体とを備えていてもよい。また、積層体は、シリコン酸窒化物よりなる絶縁層と、絶縁層の上に積層されたポリシリコンよりなる第１の電極層と、第１の電極層の上に積層された窒化タングステンよりなるバリア層と、バリア層の上に積層されたタングステンよりなる第２の電極層とを有していてもよい。この場合、第１の部分は、バリア層および第２の電極層を含み、第２の部分は、シリコン基板、絶縁層および第１の電極層を含んでいる。
【００１５】
また、本発明のプラズマ窒化処理方法において、窒素含有プラズマは、処理容器内に供給された窒素含有ガスを、複数のスロットを有する平面アンテナから処理容器内に導入されたマイクロ波によってプラズマ化したマイクロ波励起プラズマであってもよい。
【００１６】
本発明のプラズマ窒化処理装置は、金属を含有する第１の部分と、シリコンを含有する第２の部分とを含み、第１および第２の部分の表面が露出するように形成された構造体を備えた被処理体に対してプラズマ処理を施すことによって、第１の部分の表面を選択的に窒化して、第１の部分の表面に選択的に金属窒化物膜を形成するプラズマ窒化処理装置である。第１の部分は、タングステンを含有する。
本発明のプラズマ窒化処理装置は、
被処理体を搬入して所定の処理が行われる処理容器と、
処理容器内に処理ガスである窒素含有ガスを供給するガス供給手段と、
処理容器内を減圧排気する排気装置と、
処理容器内にプラズマを生成するプラズマ生成手段と、
ガス供給手段によって処理容器内に窒素含有ガスを供給し、排気装置によって処理容器内の圧力を１３３Ｐａ以上１３３３Ｐａ以下の範囲内に設定して、プラズマ生成手段によって処理容器内に窒素含有プラズマを生成し、該窒素含有プラズマによって、第２の部分の表面を窒化させずに、第１の部分の表面を選択的に窒化して、第１の部分の表面に窒化タングステン膜を形成するように制御する制御部と
を備えている。
【００１７】
本発明の半導体装置の製造方法は、金属を含有する第１の部分と、シリコンを含有する第２の部分とを含む構造体を備えた半導体装置を製造する方法である。第１の部分は、タングステンを含有する。
本発明の半導体装置の製造方法は、
半導体基板上に、後に第１および第２の部分の少なくとも一部となる初期積層膜を形成する工程と、
初期積層膜をエッチングして、第１および第２の部分の表面が露出するように構造体を形成する工程と、
上記構造体が形成された半導体基板を処理容器内に搬送する工程と、
処理容器内に窒素含有ガスを供給する工程と、
処理容器内の圧力を１３３Ｐａ以上１３３３Ｐａ以下の範囲内に設定する工程と、
処理容器内に窒素含有プラズマを生成する工程と、
窒素含有プラズマによって、第２の部分の表面を窒化させずに、第１の部分の表面を選択的に窒化して、第１の部分の表面に窒化タングステン膜を形成するプラズマ窒化処理工程と
を備えている。
【００１８】
本発明の半導体装置の製造方法は、更に、プラズマ窒化処理工程の後に、構造体を覆うように、シリコン酸化物よりなる絶縁層を形成する工程を備えていてもよい。
【発明の効果】
【００１９】
本発明のプラズマ窒化処理方法、プラズマ窒化処理方法および半導体装置の製造方法では、シリコンを含有する第２の部分の表面を窒化させずに、金属としてタングステンを含有する第１の部分の表面を選択的に窒化して、第１の部分の表面に窒化タングステン膜を形成する。前述のように、第２の部分の表面には、窒化物膜がほとんど形成されない。これにより、本発明によれば、第１の部分の表面のみを覆う窒化物膜を形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の一実施の形態に係るプラズマ窒化処理方法を示すフローチャートである。
【図２】本発明の一実施の形態に係るプラズマ窒化処理方法によって窒化タングステン膜を形成する前の構造体を示す断面図である。
【図３】本発明の一実施の形態に係るプラズマ窒化処理方法によって窒化タングステン膜を形成した後の構造体を示す断面図である。
【図４】本発明の一実施の形態に係るプラズマ窒化処理装置の概略の構成を示す断面図である。
【図５】図４に示したプラズマ窒化処理装置における平面アンテナを示す平面図である。
【図６】図４に示したプラズマ窒化処理装置における制御部を示す説明図である。
【図７】本発明の一実施の形態に係る半導体装置の製造方法を示すフローチャートである。
【図８】処理容器内の圧力と窒素ドーズ量の関係を示す特性図である。
【図９】処理容器内の圧力と窒素ドーズ量比の関係を示す特性図である。
【図１０】第１の比較例における構造体を示す断面図である。
【図１１】第２の比較例における構造体を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、本発明の一実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。始めに、図１を参照して、本発明の一実施の形態に係るプラズマ窒化処理方法について説明する。図１は、本実施の形態に係るプラズマ窒化処理方法を示すフローチャートである。
【００２２】
本実施の形態に係るプラズマ窒化処理方法は、金属を含有する第１の部分１００Ａと、シリコンを含有する第２の部分１００Ｂとを含み、第１の部分１００Ａの表面（以下、第１の表面部と言う。）１００Ａａと第２の部分１００Ｂの表面（以下、第２の表面部と言う。）１００Ｂａが露出するように形成された構造体１００を備えた被処理体を処理容器内に配置して、被処理体に対してプラズマ処理を施すことによって、第１の表面部１００Ａａを選択的に窒化して、第１の表面部１００Ａａに選択的に金属窒化物膜を形成するプラズマ窒化処理方法である。
【００２３】
第１の部分１００Ａは、金属を含有する層として、例えば、タングステン等の金属よりなる層や、窒化タングステン等の金属窒化物よりなる層を含んでいてもよい。第２の部分１００Ｂは、シリコンを含有する層として、例えば、シリコンよりなる層や、シリコン酸化物（ＳｉＯ２）よりなる層や、シリコン酸窒化物（ＳｉＯＮ）よりなる層を含んでいてもよい。
【００２４】
図１に示したように、本実施の形態に係るプラズマ窒化処理方法は、第１のステップＳ１、第２のステップＳ２、第３のステップＳ３および第４のステップＳ４を含んでいる。第１のステップＳ１では、被処理体が搬入された処理容器内に、窒素含有ガスを供給する。窒素含有ガスとしては、例えば、窒素ガス（Ｎ２）、アンモニアガス（ＮＨ３）、ＮＯ、Ｎ２Ｏ等が用いられる。
【００２５】
第２のステップＳ２では、処理容器内の圧力を処理容器内の圧力を所定の圧力に設定する。処理容器内の圧力は、１３３Ｐａ以上１３３３Ｐａ以下の範囲内であることが好ましく、２６７Ｐａ以上１３３３Ｐａ以下の範囲内であることがより好ましい。その理由については、後で詳しく説明する。
【００２６】
第３のステップＳ３では、処理容器内に窒素含有プラズマを生成する。具体的には、処理容器内にマイクロ波を放射し、処理容器内に電磁界を形成して、窒素含有ガスをプラズマ化する。なお、窒素含有プラズマは、処理容器内に供給された窒素含有ガスを、複数のスロットを有する平面アンテナから処理容器内に導入されたマイクロ波によってプラズマ化したマイクロ波励起プラズマであることが好ましい。
【００２７】
第４のステップＳ４では、窒素含有プラズマによって、第２の表面部１００Ｂａを窒化させずに、第１の表面部１００Ａａを選択的に窒化して、第１の表面部１００Ａａに窒化物膜（金属窒化物膜）を形成する。第１の部分１００Ａがタングステンを含有している場合、第１の表面部１００Ａａには、窒化タングステン膜が形成される。第４のステップＳ４では、第２の表面部１００Ｂａには、窒化物膜がほとんど形成されない。このように、第１ないし第４のステップＳ１〜Ｓ４によって、第１の表面部１００Ａａに選択的に窒化物膜（窒化タングステン膜）が形成される。
【００２８】
次に、図１ないし図３を参照して、本実施の形態に係るプラズマ窒化処理方法について具体的に説明する。図２は、本実施の形態に係るプラズマ窒化処理方法によって窒化タングステン膜を形成する前の構造体１００を示す断面図である。図３は、本実施の形態に係るプラズマ窒化処理方法によって窒化タングステン膜を形成した後の構造体１００を示す断面図である。
【００２９】
図２に示した例では、構造体１００は、シリコンよりなるシリコン基板１０１と、シリコン基板１０１の上面の一部の上に配置された２つの積層体１０２とを備えている。この構造体１００は、例えば半導体デバイス製造用の半導体ウエハ（以下、単に「ウエハ」と記す。）Ｗの一部である。この例では、積層体１０２は、シリコン酸窒化物（ＳｉＯＮ）よりなるゲート絶縁層１０３と、ゲート絶縁層１０３の上に積層されたポリシリコンよりなる第１の電極層１０４と、第１の電極層１０４の上に積層された窒化タングステンよりなるバリア層１０５と、バリア層１０５の上に積層されたタングステンよりなる第２の電極層１０６とを有している。この積層体１０２は、例えばＤＲＡＭのゲート電極に対応するものである。ゲート電極の電極部分は、第１の電極層１０４、バリア層１０５および第２の電極層１０６によって構成される。積層体１０２は、例えば、リソグラフィー、ドライエッチング等を用いて、積層膜をエッチングすることによって形成される。
【００３０】
また、構造体１００は、金属を含有する第１の部分１００Ａと、シリコンを含有する第２の部分１００Ｂとを含んでいる。本実施の形態では、第１の部分１００Ａは、金属としてタングステンを含有する。図２に示した例では、第１の部分１００Ａは、バリア層１０５および第２の電極層１０６を含んでいる。また、第２の部分１００Ｂは、シリコン基板１０１、ゲート絶縁層１０３および第１の電極層１０４を含んでいる。
【００３１】
また、図２に示した例では、第１の部分１００Ａの表面である第１の表面部１００Ａａは、タングステンを含有するバリア層１０５の表面１０５ａおよび第２の電極層１０６の表面１０６ａによって構成されている。また、第２の部分１００Ｂの表面である第２の表面部１００Ｂａは、シリコンを含有するシリコン基板１０１の表面１０１ａ、ゲート絶縁層１０３の表面１０３ａおよび第１の電極層１０４の表面１０４ａによって構成されている。
【００３２】
前述のように、本実施の形態に係るプラズマ窒化処理方法は、第１の表面部１００Ａａを選択的に窒化して、第１の表面部１００Ａａに金属窒化物膜を形成する方法である。第１の部分１００Ａがタングステンを含有している場合、第１の表面部１００Ａａには、窒化タングステン膜が形成される。本実施の形態では、処理容器内に構造体１００が形成されたウエハＷを配置し、前述の第１ないし第４のステップＳ１〜Ｓ４によって、ウエハＷに対してプラズマ窒化処理が行われる。第４のステップＳ４では、窒素含有プラズマによるプラズマ窒化処理によって、シリコンを含有する層の表面によって構成された第２の表面部１００Ｂａには、窒化物膜がほとんど形成されずに、タングステンを含有する層の表面によって構成された第１の表面部１００Ａａに、選択的に窒化タングステン膜１０７が形成される。この窒化タングステン膜１０７は、第１の部分１００Ａ（バリア層１０５および第２の電極層１０６）の表面のタングステンが窒化されることによって形成される。なお、後で、第２の表面部１００Ｂａに窒化物膜がほとんど形成されないことを示す実験の結果について詳しく説明する。
【００３３】
図３は、シリコン基板１０１の上に、ゲート絶縁層１０３、第１の電極層１０４、バリア層１０５および第２の電極層１０６からなる積層体１０２を形成し、第１の部分１００Ａ（バリア層１０５および第２の電極層１０６）の表面である第１の表面部１００Ａａに選択的に窒化タングステン膜１０７を形成し、積層体１０２を覆うように、積層体１０２の周囲に、例えば化学的気相成長法（ＣＶＤ法）によって、シリコン酸化物（ＳｉＯ２）よりなる絶縁層１０８を形成した例を示している。
【００３４】
次に、図４を参照して、本実施の形態に係るプラズマ窒化処理装置について説明する。図４は、本実施の形態に係るプラズマ窒化処理装置の概略の構成を示す断面図である。本実施の形態に係るプラズマ窒化処理装置１は、複数のスロット状の孔を有する平面アンテナ、特に、ラジアルラインスロットアンテナ（Radial Line Slot Antenna；ＲＬＳＡ）を含んでいる。ＲＬＳＡを含むプラズマ処理装置は、ＲＬＳＡマイクロ波プラズマ処理装置とも呼ばれる。ＲＬＳＡマイクロ波プラズマ処理装置では、ＲＬＳＡによって、マイクロ波を処理容器内に直接導入して、高密度かつ低電子温度のマイクロ波励起プラズマを発生させることができる。
【００３５】
プラズマ窒化処理装置１は、被処理体であるウエハＷを収容する処理容器２と、処理容器２の内部に配置され、ウエハＷを載置する載置台２１と、処理容器２に連結された排気室３と、処理容器２内にガスを供給するガス供給部４と、処理容器２内を減圧排気する排気装置５と、処理容器２内にマイクロ波を導入してプラズマを生成するマイクロ波導入装置６と、これらプラズマ窒化処理装置１の各構成部を制御する制御部７とを備えている。なお、処理容器２内にガスを供給する手段としては、ガス供給部４の代りに、プラズマ窒化処理装置１の構成には含まれない外部のガス供給部を使用してもよい。
【００３６】
処理容器２は、上部で開口する筒状の形状を有し、例えば略円筒形状または略角筒形状をなしている。処理容器２は、例えばアルミニウム等の金属材料によって形成されている。なお、処理容器２は接地されている。マイクロ波導入装置６は、処理容器２の上部に設けられ、処理容器２内に電磁波（マイクロ波）を導入してプラズマを生成するプラズマ生成手段として機能する。マイクロ波導入装置６の構成については、後で詳しく説明する。
【００３７】
処理容器２は、板状の底部１１と、底部１１に連結された側壁部１２とを有している。側壁部１２は、処理容器２に隣接する図示しない搬送室との間でウエハＷの搬入出を行うための搬入出口１２ａを有している。処理容器２と図示しない搬送室との間には、ゲートバルブＧが配置されている。ゲートバルブＧは、搬入出口１２ａを開閉する機能を有している。ゲートバルブＧは、閉状態で処理容器２を気密にシールすると共に、開状態で処理容器２と図示しない搬送室との間でウエハＷの移送を可能にする。
【００３８】
底部１１は、その中央部分に形成された開口部１１ａを有している。排気室３は、開口部１１ａと連通する内部空間３ａを有し、底部１１から下方に向けて突出するように、底部１１に連結されている。
【００３９】
プラズマ窒化処理装置１は、更に、排気室３の内部空間３ａに連通する排気管１３を備えている。排気管１３は、排気装置５に接続されている。排気装置５は、排気管１３を介して排気室３に接続されている。排気装置５は、処理容器２および排気室３の内部空間を所定の真空度まで高速に減圧することが可能な高速真空ポンプを有している。このような高速真空ポンプとしては、例えばターボ分子ポンプ等がある。処理容器２および排気室３は、排気装置５の高速真空ポンプを作動させることによって、その内部空間が所定の真空度まで減圧される。すなわち、ガス供給部４によって処理容器２内に供給されたガスは、排気室３の内部空間３ａに均一に流れていく。このガスは、排気装置５を作動させることによって、排気管１３を介して外部に排気される。これにより、処理容器２および排気室３の内部空間は、所定の真空度まで減圧される。
【００４０】
プラズマ窒化処理装置１は、更に、処理容器２内および排気室３内において載置台２１を支持する支持部材２２を備えている。載置台２１は、被処理体であるウエハＷを水平に載置するためのものである。載置台２１は、例えばＡｌＮ、Ａｌ２Ｏ３等のセラミックスによって形成されている。なお、載置台２１は、熱伝導性の高い材料によって形成されることが好ましい。このような材料としては、例えばＡｌＮがある。支持部材２２は、排気室３の底部から処理容器２の内部空間に向かって延びる円筒状の形状を有している。支持部材２２は、例えばＡｌＮ等のセラミックスによって形成されている。
【００４１】
プラズマ窒化処理装置１は、更に、載置台２１を保護する保護部材２３を備えている。保護部材２３は、環状の形状を有し、載置台２１の上面（ウエハ載置面）および側面の一方または両方を保護すると共に、ウエハＷをガイドする機能を有している。保護部材２３は、載置台２１とプラズマとの接触を遮断して、載置台２１がスパッタリングされることを防止することによって、ウエハＷに不純物が混入することを防止する。保護部材２３は、例えば、石英、単結晶シリコン、ポリシリコン、アモルファスシリコン、ＳｉＮ等によって形成されている。特に、石英よりなる保護部材２３は、上記の保護部材としての特性に優れるため好ましい。なお、保護部材２３を形成する材料としては、アルカリ金属やその他の金属等の不純物の含有量が少ない高純度材料であることが好ましい。
【００４２】
プラズマ窒化処理装置１は、更に、ヒータ２４と、ヒータ電源２５と、熱電対（図４ではＴＣと記す。）２６とを備えている。ヒータ２４と熱電対２６の測温部分２６ａは、載置台２１に埋設されている。ヒータ２４は、例えば、支持部材２２の内部を通る配線を介して、処理容器２および排気室３の外部に設置されたヒータ電源２５に接続されている。ヒータ電源２５は、ヒータ２４に対して、載置台２１を加熱するための電気的出力を供給する。ヒータ２４は、載置台２１を加熱することによって、被処理体であるウエハＷを均一に加熱する。載置台２１の温度は、熱電対２６によって計測される。これにより、ウエハＷの温度を、例えば室温から９００℃の範囲内で制御することができる。
【００４３】
図示しないが、載置台２１は、載置台２１の上面（ウエハ載置面）に対して突没可能に設けられた複数の支持ピンを有している。複数の支持ピンは、任意の昇降機構により上下に変位し、上昇位置において、図示しない搬送室との間でウエハＷの受け渡しを行うことができるように構成されている。
【００４４】
プラズマ窒化処理装置１は、更に、処理容器２の内部空間において載置台２１の外周部よりも外側に配置されたライナー２７およびバッフルプレート２８と、バッフルプレート２８を支持する複数の支柱２９とを備えている。ライナー２７は、上部および下部で開口する円筒状の形状を有している。バッフルプレート２８は、処理容器２の内部空間において均一な排気を実現するためのものであり、環状の形状を有すると共に、多数の排気孔２８ａを有している。また、バッフルプレート２８は、ライナー２７の下端部に連結されている。ライナー２７およびバッフルプレート２８は、例えば石英によって形成されている。
【００４５】
プラズマ窒化処理装置１は、更に、処理容器２の側壁部１２に設けられたガス導入部１５を備えている。ガス導入部１５は、窒素含有ガスやプラズマ励起用ガスを供給するガス供給部４に接続されている。なお、図４に示した例では、ガス導入部１５は、環状の形状を有している。しかし、ガス導入部１５は、ノズル状に構成してもよいし、シャワー状に構成してもよい。
【００４６】
ガス供給部４は、ガス供給源（例えば、不活性ガス供給源４１Ａおよび窒素含有ガス供給源４１Ｂ）と、配管（例えば、ガスライン４２ａ，４２ｂ，４２ｃ）と、流量制御装置（例えば、ＭＦＣ（マスフローコントローラ）４３Ａ，４３Ｂ）と、バルブ（例えば、開閉バルブ４４Ａ，４４Ｂ）とを有している。なお、ガス供給部４は、更に、処理容器２内の雰囲気を置換する際に用いるパージガス供給源等を有していてもよい。
【００４７】
不活性ガス供給源４１Ａおよび窒素含有ガス供給源４１Ｂは、ガスライン４２ａ，４２ｂ，４２ｃによって、ガス導入部１５に接続されている。すなわち、不活性ガス供給源４１Ａは、ガスライン４２ａの一端部に接続されている。窒素含有ガス供給源４１Ｂは、ガスライン４２ｂの一端部に接続されている。ガスライン４２ａ，４２ｂの各他端部は、いずれもガスライン４２ｃの一端部に接続されている。ガスライン４２ｃの他端部は、ガス導入部１５に接続されている。ＭＦＣ４３Ａは、不活性ガス供給源４１Ａとガス導入部１５との間に設けられている。ＭＦＣ４３Ｂは、窒素含有ガス供給源４１Ｂとガス導入部１５との間に設けられている。開閉バルブ４４Ａは、ＭＦＣ４３Ａの前後に設けられている。開閉バルブ４４Ｂは、ＭＦＣ４３Ｂの前後に設けられている。
【００４８】
処理容器２内に供給される不活性ガスとしては、例えば、Ａｒガス、Ｋｒガス、Ｘｅガス、Ｈｅガス等の希ガスが用いられる。これらのガスの中でも、特に、経済性に優れている点で、Ａｒガスを用いることが好ましい。また、窒素含有ガスは窒素原子を含有するガスであり、処理容器２内に供給される窒素含有ガスとしては、例えば、窒素ガス（Ｎ２）、アンモニアガス（ＮＨ３）、ＮＯ、Ｎ２Ｏ等が用いられる。
【００４９】
不活性ガスは、不活性ガス供給源４１Ａからガスライン４２ａ，４２ｃを通ってガス導入部１５に到達し、ガス導入部１５から処理容器２内に導入される。窒素含有ガスは、窒素含有ガス供給源４１Ｂからガスライン４２ｂ，４２ｃを通ってガス導入部１５に到達し、ガス導入部１５から処理容器２内に導入される。処理容器２内に供給されるガスの種類や、これらのガスの流量等は、ＭＦＣ４３Ａ，４３Ｂおよび開閉バルブ４４Ａ，４４Ｂによって制御される。
【００５０】
プラズマ窒化処理装置１は、更に、側壁部１２の上端部に連結された環状のプレート１６と、処理容器２（側壁部１２）とプレート１６との間を気密にシールするシール部材１７とを備えている。プレート１６は、処理容器２の内部空間に突出するように形成された支持部１６ａを有している。支持部１６ａは、環状の形状を有している。
【００５１】
ここで、図４および図５を参照して、マイクロ波導入装置６の構成について詳しく説明する。図５は、プラズマ窒化処理装置１における平面アンテナを示す平面図である。前述のように、マイクロ波導入装置６は、処理容器２の上部に設けられ、処理容器２内に電磁波（マイクロ波）を導入してプラズマを生成するプラズマ生成手段として機能する。マイクロ波導入装置６は、マイクロ波を透過させる透過板６１と、載置台２１と対向するように配置された平面アンテナ６２と、マイクロ波の波長を短くしてプラズマを調整する遅波材６３と、平面アンテナ６２および遅波材６３を覆うカバー部材６４と、マイクロ波を平面アンテナ６２に伝搬する導波管６５と、導波管６５を伝搬するマイクロ波のモードを変換するモード変換器６６と、マイクロ波を発生するマイクロ波発生装置６８と、導波管６５とマイクロ波発生装置６８との間に設けられたマッチング回路６７とを有している。
【００５２】
透過板６１は、プレート１６の支持部１６ａの上に配置されている。透過板６１は、誘電体材料によって形成されている。透過板６１を形成する誘電体材料としては、例えば、石英、Ａｌ２Ｏ３、ＡｌＮ等のセラミックス等が用いられる。プラズマ窒化処理装置１は、更に、透過板６１と支持部１６ａとの間を気密にシールするシール部材１８を備えている。これにより、処理容器２内の気密性が維持される。
【００５３】
平面アンテナ６２は、透過板６１の上方（透過板６１における処理容器２とは反対側）において、載置台２１と対向するように配置されている。平面アンテナ６２は、円板形状を有している。なお、平面アンテナ６２は、円板形状に限らず、例えば四角板形状を有していてもよい。また、図４に示した例では、平面アンテナ６２は、透過板６１よりも大きな平面形状（上方から見た形状）を有している。この例では、平面アンテナ６２の外周部は、プレート１６の上端に係止されている。平面アンテナ６２は、導電性材料によって形成されている。平面アンテナ６２を形成する導電性材料としては、例えば、表面が金または銀メッキされた銅板、アルミニウム板、ニッケル板およびそれらの合金等が用いられる。
【００５４】
図５に示したように、平面アンテナ６２は、マイクロ波を放射する多数のマイクロ波放射孔６２ａを有している。マイクロ波放射孔６２ａは、所定の形状を有すると共に、平面アンテナ６２を貫通するように形成されている。図６に示した例では、個々のマイクロ波放射孔６２ａは、細長い長方形状（スロット状）を有している。そして、典型的には、マイクロ波放射孔６２ａは、隣接する他のマイクロ波放射孔６２ａと共に「Ｔ」字状になるように配置されている。また、このように、所定の形状（例えば、Ｔ字状）になるように組み合わされて配置された複数のマイクロ波放射孔６２ａの対は、全体として同心円状になるように配列されている。
【００５５】
マイクロ波放射孔６２ａの長さや、マイクロ波放射孔６２ａの対の配列間隔は、マイクロ波の波長λｇに応じて決定される。具体的には、例えば、マイクロ波放射孔６２ａは、上記の配列間隔がλｇ／４〜λｇの範囲内となるように配置される。なお、図５では、全体として同心円状になるように複数のマイクロ波放射孔６２ａの対を配列したときの、半径方向についての配列間隔を記号Δｒで示している。
【００５６】
なお、マイクロ波放射孔６２ａの形状は、スロット状の形状に限らず、他の形状、例えば、円形状、円弧状等であってもよい。また、マイクロ波放射孔６２ａの配置の形態は、同心円状に限らず、他の形態、例えば、螺旋状、放射状等であってもよい。
【００５７】
遅波材６３は、平面アンテナ６２の上面の上に配置されている。また、遅波材６３は、真空よりも大きい誘電率を有する材料によって形成されている。遅波材６３を形成する材料としては、例えば、石英、ポリテトラフルオロエチレン樹脂、ポリイミド樹脂等を用いることができる。マイクロ波は、真空中ではその波長が長くなる。遅波材６３は、マイクロ波の波長を短くしてプラズマを調整する機能を有している。
【００５８】
なお、平面アンテナ６２は、透過板６１に接触していなくてもよいが、接触していることが好ましい。また、遅波材６３は、平面アンテナ６２に接触していなくてもよいが、接触していることが好ましい。
【００５９】
カバー部材６４は、平面アンテナ６２および遅波材６３を覆うように、プレート１６の上端部に連結されている。プラズマ窒化処理装置１は、更に、カバー部材６４とプレート１６との間を気密にシールするシール部材１９を備えている。カバー部材６４は、例えばアルミニウムやステンレス鋼等の金属材料によって形成されている。図示しないが、カバー部材６４は接地されている。また、カバー部材６４は、その内部に形成された冷却水流路６４ａと、カバー部材６４の天井部の中央部分に形成された開口部６４ｂとを有している。透過板６１、平面アンテナ６２、遅波材６３およびカバー部材６４は、冷却水流路６４ａ内に冷却水を流すことによって冷却される。
【００６０】
カバー部材６４と平面アンテナ６２によって囲まれた空間は、偏平導波路を形成する。遅波材６３は、偏平導波路内に配置されている。マイクロ波は、偏平導波路によって、処理容器２内に均一に供給される。
【００６１】
導波管６５は、その延びる方向に垂直な断面の外形が円形である同軸導波管６５Ａと、その延びる方向に垂直な断面の外形が矩形である矩形導波管６５Ｂとを含んでいる。同軸導波管６５Ａは、図４における上下方向に延びている。矩形導波管６５Ｂは、図４における左右方向（水平方向）に延びている。同軸導波管６５Ａの一端部は、カバー部材６４の開口部６４ｂの上端部に連結されている。同軸導波管６５Ａの他端部は、モード変換器６６を介して、矩形導波管６５Ｂの一端部に接続されている。モード変換器６６は、矩形導波管６５Ｂ内をＴＥモードで伝播するマイクロ波をＴＥＭモードに変換する機能を有している。
【００６２】
同軸導波管６５Ａは、その内部空間に延びる内導体６５Ａ１を有している。内導体６５Ａ１の下端部は、平面アンテナ６２の中央部分に接続されている。これにより、マイクロ波は、内導体６５Ａ１を介して、カバー部材６４と平面アンテナ６２によって形成される偏平導波路に、効率よく均一に且つ放射状に伝播される。
【００６３】
マイクロ波発生装置６８は、マッチング回路６７を介して、矩形導波管６５Ｂの他端部に接続されている。マイクロ波発生装置６８において所定の周波数（例えば、２．４５ＧＨｚ）で発生されたマイクロ波は、導波管６５を介して平面アンテナ６２に伝搬され、マイクロ波放射孔６２ａから透過板６１を介して処理容器２内に導入される。なお、マイクロ波の周波数は、２．４５ＧＨｚに限らず、８．３５ＧＨｚ、１．９８ＧＨｚ等であってもよい。
【００６４】
次に、図６を参照して、制御部７について説明する。図６は、図４に示したプラズマ窒化処理装置１における制御部７を示す説明図である。プラズマ窒化処理装置１の各構成部は、それぞれ制御部７に接続されて、制御部７によって制御される。制御部７は、典型的にはコンピュータである。図６に示した例では、制御部７は、ＣＰＵを備えたプロセスコントローラ７１と、このプロセスコントローラ７１に接続されたユーザーインターフェース７２および記憶部７３とを備えている。
【００６５】
プロセスコントローラ７１は、プラズマ窒化処理装置１において、例えば温度、圧力、ガス流量、マイクロ波出力等のプロセス条件に関係する各構成部（例えば、ヒータ電源２５、ガス供給部４、排気装置５、マイクロ波発生装置６８等）を統括して制御する制御手段である。ユーザーインターフェース７２は、工程管理者がプラズマ窒化処理装置１を管理するためにコマンドの入力操作等を行うキーボードやタッチパネル、プラズマ窒化処理装置１の稼働状況を可視化して表示するディスプレイ等を有している。
【００６６】
記憶部７３には、プラズマ窒化処理装置１で実行される各種処理をプロセスコントローラ７１の制御によって実現するための制御プログラム（ソフトウエア）や、処理条件データ等が記録されたレシピなどが保存されている。プロセスコントローラ７１は、ユーザーインターフェース７２からの指示等、必要に応じて、任意の制御プログラムやレシピを記憶部７３から呼び出して実行する。これにより、プロセスコントローラ７１による制御下で、プラズマ窒化処理装置１の処理容器２内において所望の処理が行われる。
【００６７】
上記の制御プログラムおよびレシピは、例えば、ＣＤ−ＲＯＭ、ハードディスク、フレキシブルディスク、フラッシュメモリ、ＤＶＤ、ブルーレイディスク等のコンピュータ読み取り可能な記憶媒体に格納された状態のものを利用することができる。また、上記のレシピは、他の装置から、例えば専用回線を介して随時伝送させてオンラインで利用することも可能である。
【００６８】
本実施の形態では、制御部７は、本実施の形態に係るプラズ窒化処理方法が行われるように、プラズマ窒化処理装置１の各構成部を制御する。具体的には、制御部７は、ガス供給部４によって処理容器２内に窒素含有ガスを供給し、排気装置５によって処理容器２内の圧力を１３３Ｐａ以上１３３３Ｐａ以下の範囲内（より好ましくは２６７Ｐａ以上１３３３Ｐａ以下の範囲内）に設定して、マイクロ波導入装置６によって処理容器２内に窒素含有プラズマを生成し、該窒素含有プラズマによって、図２に示した第２の部分１００Ｂの表面である第２の表面部１００Ｂａを窒化させずに、第１の部分１００Ａの表面である第１の表面部１００Ａａを選択的に窒化して、第１の表面部１００Ａａに窒化物膜（窒化タングステン膜）を形成するプラズマ窒化処理方法が行われるように制御する。
【００６９】
以上説明したように、プラズマ窒化処理装置１は、主要な構成として、処理容器２と、載置台２１と、排気室３と、ガス供給部４と、排気装置５と、マイクロ波導入装置６と、制御部７とを備えている。このように構成されたプラズマ窒化処理装置１では、６００℃以下（例えば、室温（２５℃程度）〜６００℃の範囲内）の低温で、下地膜や基板（ウエハＷ）等への損傷が少ないプラズマ処理を行うことができる。また、プラズマ窒化処理装置１は、プラズマの均一性に優れていることから、大口径のウエハＷ（被処理体）に対してもプロセスの均一性を実現することができる。
【００７０】
次に、図７を参照して、本実施の形態に係る半導体装置の製造方法を説明しながら、ＲＬＳＡ方式のプラズマ窒化処理装置１を用いたプラズマ窒化処理の手順について説明する。図７は、本実施の形態に係る半導体装置の製造方法を示すフローチャートである。
【００７１】
本実施の形態に係る半導体装置の製造方法は、金属を含有する第１の部分と、シリコンを含有する第２の部分とを含む構造体を備えた半導体装置を製造する方法である。ここでは、図２に示した構造体１００を備えた半導体装置を製造する場合を例にとって説明する。構造体１００は、金属としてタングステンを含有する第１の部分１００Ａと、シリコンを含有する第２の部分１００Ｂとを含んでいる。また、構造体１００は、シリコン基板１０１と２つの積層体１０２とを有している。積層体１０２は、ゲート絶縁層１０３、第１の電極層１０４、バリア層１０５および第２の電極層１０６を有している。第１の部分１００Ａは、バリア層１０５および第２の電極層１０６を含んでいる。第２の部分１００Ｂは、シリコン基板１０１、ゲート絶縁層１０３および第１の電極層１０４を含んでいる。
【００７２】
図７に示したように、本実施の形態に係る半導体装置の製造方法は、初期積層膜を形成する工程（Ｓ１１）と、構造体を形成する工程（Ｓ１２）と、ウエハを処理容器内に搬送する工程（Ｓ１３）と、処理容器内に窒素含有ガスを供給する工程（Ｓ１４）と、処理容器内の圧力を所定の圧力に設定する工程（Ｓ１５）と、処理容器内に窒素含有プラズマを生成する工程（Ｓ１６）と、窒素含有プラズマによって選択的に窒化物膜を形成するプラズマ窒化処理工程（Ｓ１７）と、ウエハを処理容器から搬出する工程（Ｓ１８）とを備えている。
【００７３】
初期積層膜を形成する工程（Ｓ１１）では、ウエハＷ（シリコン基板１０１）上に、後に第１および第２の部分１００Ａ，１００Ｂの少なくとも一部となる初期積層膜を形成する。図２に示した例では、初期積層膜は、後にゲート絶縁層１０３となるシリコン酸窒化物（ＳｉＯＮ）よりなる層と、後に第１の電極層１０４となるポリシリコンよりなる層と、後にバリア層１０５となる窒化タングステンよりなる層と、後に第２の電極層１０６となるタングステンよりなる層とを含んでいる。
【００７４】
構造体１００を形成する工程（Ｓ１２）では、上記の初期積層膜をエッチングして、第１の部分１００Ａの表面である第１の表面部１００Ａａと第２の部分１００Ｂの表面である第２の表面部１００Ｂａが露出するように構造体１００を形成する。構造体１００は、例えば、フォトリソグラフィー、ドライエッチング等を用いて、初期積層膜をエッチングすることによって形成される。
【００７５】
ウエハＷを処理容器２内に搬送する工程（Ｓ１３）では、上記の構造体１００が形成されたウエハＷを処理容器２内に搬送する。具体的には、まず、ゲートバルブＧ（図４参照）を開状態にする。次に、構造体１００が形成されたウエハＷを、図示しない搬送装置によって、搬入出口１２ａから処理容器２内に搬入し、載置台２１の上面（ウエハ載置面）に載置する。次に、ゲートバルブＧを閉状態にする。
【００７６】
処理容器内に窒素含有ガスを供給する工程（Ｓ１４）は、図１に示した第１のステップＳ１に対応する。処理容器内の圧力を所定の圧力に設定する工程（Ｓ１５）は、図１に示した第２のステップＳ２に対応する。処理容器内に窒素含有プラズマを生成する工程（Ｓ１６）は、図１に示した第３のステップに対応する。窒素含有プラズマによって選択的に窒化物膜を形成する工程（Ｓ１７）は、図１に示した第４のステップＳ４に対応する。以下、これらの工程について説明する。
【００７７】
処理容器内に窒素含有ガスを供給する工程（Ｓ１４）では、排気装置５によって処理容器２内を減圧排気しながら、ガス供給部４の不活性ガス供給源４１Ａおよび窒素含有ガス供給源４１Ｂから、不活性ガスおよび窒素含有ガスを所定の流量でそれぞれガス導入部１５を介して処理容器２内に導入する。処理容器内の圧力を所定の圧力に設定する工程（Ｓ１５）では、不活性ガスおよび窒素含有ガスを導入しながら、排気装置５によって、処理容器２内の圧力が所定の圧力になるように制御する。図１に示した第２のステップＳ２と同様に、処理容器２内の圧力は、１３３Ｐａ以上１３３３Ｐａ以下の範囲内であることが好ましく、２６７Ｐａ以上１３３３Ｐａ以下の範囲内であることがより好ましい。
【００７８】
処理容器内に窒素含有プラズマを生成する工程（Ｓ１６）では、以下のようにして、処理容器２内に窒素含有プラズマを生成する。この工程では、マイクロ波発生装置６８において発生させた所定の周波数（例えば、２．４５ＧＨｚ）のマイクロ波を、マッチング回路６７を介して導波管６５に導く。導波管６５に導かれたマイクロ波は、矩形導波管６５Ｂ、モード変換器６６および同軸導波管６５Ａを順次通過し、内導体６５Ａ１を介して平面アンテナ６２に供給される。マイクロ波は、矩形導波管６５Ｂ内ではＴＥモードで伝搬し、このＴＥモードのマイクロ波はモード変換器６６でＴＥＭモードに変換されて、同軸導波管６５Ａ内を平面アンテナ６２に向けて伝搬されていく。そして、マイクロ波は、平面アンテナ６２を貫通するように形成されたスロット状のマイクロ波放射孔６２ａから、透過板６１を介して、処理容器２内におけるウエハＷの上方空間に放射される。
【００７９】
上記のように処理容器２内に放射されたマイクロ波により、処理容器２内で電磁界が形成され、不活性ガスおよび窒素含有ガス等の処理ガスをプラズマ化する。このようにして、窒素含有プラズマを生成する。
【００８０】
窒素含有プラズマによって選択的に窒化物膜を形成する工程（Ｓ１７）では、上記のように生成された窒素含有プラズマによって、第２の表面部１００Ｂａを窒化させずに、第１の表面部１００Ａａを選択的に窒化して、第１の表面部１００Ａａに窒化物膜を形成する。図２に示した例では、第１の部分１００Ａがタングステンを含有しているため、第１の表面部１００Ａａには、窒化タングステン膜が形成される。この工程では、第２の表面部１００Ｂａには、窒化物膜がほとんど形成されない。
【００８１】
なお、本実施の形態に係るプラズマ窒化処理（プラズマ窒化処理工程）は、上記のプラズマ処理条件以外の条件には、ほとんど影響されない。従って、プラズマ処理条件としては、上記以外に、例えば、処理ガスの種類および流量比率、マイクロ波パワー、処理温度等も重要であるが、これらの条件としては、一般的な条件を採用することができる。
【００８２】
ここで、他のプラズマ処理条件の一例について説明する。処理ガスとしては、希ガスとしてＡｒガスが使用され、窒素含有ガスとしてＮ２ガスが使用される。全処理ガス中に含まれるＮ２ガスの流量比率（体積比率）は、例えば、１０％〜７０％の範囲内である。マイクロ波のパワー密度は、例えば、０．２５５Ｗ／ｃｍ２〜２．５５Ｗ／ｃｍ２の範囲内である。なお、マイクロ波のパワー密度とは、透過板６１の面積１ｃｍ２あたりのマイクロ波パワーを意味する。載置台２１の温度は、例えば、室温（２５℃程度）〜６００℃の範囲内である。処理時間は、他のプラズマ処理条件にも依存するが、例えば、１０秒〜１８０秒の範囲内である。マイクロ波励起プラズマは、マイクロ波が平面アンテナ６２の多数のマイクロ波放射孔６２ａから放射されることにより、略１×１０１０〜５×１０１２／ｃｍ３の高密度で、且つウエハＷ近傍では、略１．２ｅＶ以下の低電子温度プラズマとなる。
【００８３】
以上の処理条件は、制御部７の記憶部７３にレシピとして保存しておくことができる。そして、プロセスコントローラ７１がそのレシピを読み出してプラズマ窒化処理装置１の各構成部（例えば、ガス供給部４、排気装置５、マイクロ波発生装置６８、ヒータ電源２５等）に対して制御信号を送出することにより、所望の条件によるプラズマ窒化処理が実現する。
【００８４】
ウエハを処理容器から搬出する工程（Ｓ１８）では、第１の表面部１００Ａａを選択的に窒化して窒化物膜を形成した後に、ウエハＷを処理容器２から搬出する。具体的には、まず、ゲートバルブＧを開状態にする。次に、載置台２１の上面（ウエハ載置面）に載置されたウエハＷを、図示しない搬送装置によって、搬入出口１２ａを通して処理容器２から搬出する。次に、ゲートバルブＧを閉状態にする。
【００８５】
なお、本実施の形態に係る半導体装置の製造方法は、更に、ウエハを処理容器から搬出する工程（Ｓ１８）の後に、構造体１００を覆うように絶縁層１０８（図３参照）を形成する工程を備えていてもよい。この工程では、まず、上記のように窒化物膜（窒化タングステン膜）が形成されたウエハＷを、絶縁層１０８を形成する処理が行われる他の装置（例えば、ＣＶＤ装置）の処理容器内に搬入する。次に、構造体１００を覆うように、例えばＣＶＤ法によって、シリコン酸化物よりなる絶縁層１０８を形成する。
【００８６】
また、本実施の形態に係る半導体装置の製造方法は、更に、絶縁層１０８を形成した後に、構造体１００全体にアニール処理を施す工程を備えていてもよい。また、本実施の形態に係る半導体装置の製造方法は、更に、プラズマ窒化処理工程（Ｓ１７）と絶縁層１０８を形成する工程との間において、例えばゲート絶縁層１０３の損傷や欠陥を修復する目的で、熱酸化法等によって酸化処理を施す工程を備えていてもよい。
【００８７】
以上説明したように、本実施の形態に係るプラズマ窒化処理方法、プラズマ窒化処理装置１および半導体装置の製造方法では、処理容器２内に窒素含有ガスを供給し、処理容器２内の圧力を１３３Ｐａ以上１３３３Ｐａ以下の範囲内に設定して、処理容器２内に窒素含有プラズマを生成し、該窒素含有プラズマによって、第２の表面部１００Ｂａを窒化させずに、第１の表面部１００Ａａを選択的に窒化して、第１の表面部１００Ａａに窒化タングステン膜を形成する。本実施の形態では、後で説明する実験の結果から明らかなように、シリコンを含有する第２の部分１００Ｂの表面である第２の表面部１００Ｂａには、窒化物膜がほとんど形成されない。これにより、本実施の形態によれば、第１の部分１００Ａの表面である第１の表面部１００Ａａのみを覆う窒化物膜（窒化タングステン膜１０７）を形成することができる。
【００８８】
また、本実施の形態よれば、上述のように、第２の表面部１００Ｂａに窒化物膜がほとんど形成されないことから、シリコン基板１０１と積層体１０２の第１および第２の電極層１０４，１０６との間でリークが発生することを防止することができる。また、本実施の形態よれば、積層体１０２のゲート絶縁層１０３を構成するシリコン酸窒化物の窒素濃度が変化して、ゲート絶縁層１０３の閾値電圧が変動することを防止することができる。
【００８９】
また、本実施の形態では、窒化タングステン膜１０７は、第１の部分１００Ａの酸化防止膜として機能する。従って、本実施の形態によれば、窒化タングステン膜１０７を形成した後に、例えばＣＶＤ法によって、構造体１００を覆うように、シリコン酸化物よりなる絶縁層１０８が形成される場合であっても、第１の部分１００Ａが酸化されることを防止することが可能になる。同様に、本実施の形態によれば、絶縁層１０８を形成した後に、構造体１００全体にアニール処理を施す場合や、プラズマ窒化処理工程と絶縁層１０８を形成する工程との間において、例えばゲート絶縁層１０３の損傷や欠陥を修復する目的で、熱酸化法等によって酸化処理を施す場合であっても、第１の部分１００Ａが酸化されることを防止することが可能になる。
【００９０】
次に、シリコンを含有する第２の部分１００Ｂの表面である第２の表面部１００Ｂａに窒化物膜がほとんど形成されないことを示す実験の結果について詳しく説明する。始めに、この実験の内容について説明する。実験では、以下の第１ないし第３の試料を用いた。第１の試料は、シリコンよりなるシリコン基板である。なお、シリコン基板の表面には、ケミカル酸化物膜が形成されている。第２の試料は、シリコン基板の表面を高温で熱酸化することにより、シリコン酸化物膜を形成したものである。第２の試料におけるシリコン酸化物膜の厚みは６ｎｍである。第３の試料は、シリコン基板の表面にタングステン膜を形成したものである。第３の試料におけるタングステン膜の厚みは５０ｎｍである。
【００９１】
第１の試料は、シリコン基板に窒化物膜が形成されるか否かを調べるためのものであり、本実施の形態におけるシリコン基板１０１に対応する。第２の試料は、シリコン酸化物膜に窒化物膜が形成されるか否かを調べるためのものであり、シリコン酸窒化物ではないが、本実施の形態におけるゲート絶縁層１０３に対応する。第３の試料は、タングステン膜に窒化物膜が形成されるか否かを調べるためのものであり、本実施の形態における第２の電極層１０６に対応する。
【００９２】
実験では、プラズマ窒化処理装置１によって、第１ないし第３の試料に対してプラズマ窒化処理を施した。実験におけるプラズマ処理条件は、以下の通りである。処理ガスとしては、希ガスとしてＡｒガスを使用し、窒素含有ガスとしてＮ２ガスを使用した。Ａｒガスの流量は１０００ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）とし、Ｎ２ガスの流量は２００ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）とした。マイクロ波のパワー密度は０．７７Ｗ／ｃｍ２とした。載置台２１の温度は５００℃とした。処理時間は９０秒とした。実験では、処理容器２内の圧力を６．６〜１０００Ｐａの範囲内で変化させた。
【００９３】
また、実験では、窒化物膜が形成されるか否かの指標として、単位面積当たりの窒素注入量を示す窒素ドーズ量を用いた。窒素ドーズ量の測定には、Ｘ線電子分光（X-ray Photoelectron Spectroscopy；ＸＰＳ）を用いた。
【００９４】
次に、図８および図９を参照して、実験の結果について説明する。図８は、処理容器２内の圧力と窒素ドーズ量の関係を示す特性図である。図９は、処理容器２内の圧力と窒素ドーズ量比の関係を示す特性図である。なお、窒素ドーズ量比とは、２つの試料の窒素ドーズ量の比である。図８において、横軸は処理容器２内の圧力を示し、縦軸は窒素ドーズ量を示している。また、図８において、三角印、丸印、四角印は、それぞれ、第１の試料（シリコン基板）、第２の試料（シリコン酸化物膜）、第３の試料（タングステン膜）の窒素ドーズ量を示している。図９において、横軸は処理容器２内の圧力を示し、縦軸は窒素ドーズ量比を示している。また、図９において、三角印、丸印、四角印は、それぞれ、第１の試料の窒素ドーズ量に対する第３の試料の窒素ドーズ量の比、第２の試料の窒素ドーズ量に対する第１の試料の窒素ドーズ量の比、第２の試料の窒素ドーズ量に対する第３の試料の窒素ドーズ量の比を示している。
【００９５】
図８から、第１および第２の試料（シリコン基板およびシリコン酸化物膜）では、圧力を大きくすると窒素ドーズ量が減少するのに対し、第３の試料（タングステン膜）では、圧力を大きくしても窒素ドーズ量はあまり変化しないことが分かる。特に、圧力が１３３Ｐａ以上になると、第１および第２の試料の窒素ドーズ量が著しく減少する。この実験結果は、圧力が１３３Ｐａ以上になると、第３の試料に比べて、第１および第２の試料には窒化物膜がほとんど形成されないことを示している。すなわち、この実験結果は、本実施の形態において、処理容器２内の圧力が１３３Ｐａ以上になると、シリコンを含有する第２の部分１００Ｂの表面である第２の表面部１００Ｂａには窒化物膜がほとんど形成されないことを示すと共に、タングステンを含有する第１の部分１００Ａの表面である第１の表面部１００Ａａに、選択的に窒化タングステン膜１０７が形成されることを示している。
【００９６】
なお、実験では、処理容器２内の圧力の上限を１０００Ｐａとしたが、図８から理解されるように、１０００Ｐａ以上であっても、第１および第２の試料には窒化物膜がほとんど形成されずに、第３の試料に選択的に窒化物膜が形成されるという傾向を示すものと考えられる。ただし、処理容器２内の圧力は、プラズマ窒化処理装置１の一般的な圧力の上限である１３３３Ｐａ以下であることが好ましい。
【００９７】
なお、図９に示したように、圧力が２６７Ｐａ以上になると、第１の試料（シリコン基板）の窒素ドーズ量に対する第３の試料（タングステン膜）の窒素ドーズ量の比と、第２の試料（シリコン酸化物膜）の窒素ドーズ量に対する第３の試料の窒素ドーズ量の比が、いずれも３以上になり、十分に大きくなると言える。従って、処理容器２内の圧力を２６７Ｐａ以上１３３３Ｐａ以下の範囲内にすることがより好ましい。
【００９８】
また、図８に示したように、圧力が２６７Ｐａ以上になると、第２の試料（シリコン酸化物膜）の窒素ドーズ量はほとんど０になり、第１の試料（シリコン基板）の窒素ドーズ量に比べて小さくなる。従って、本実施の形態によれば、処理容器２内の圧力を２６７Ｐａ以上にすると共に、プラズマ窒化処理を継続することによって、シリコン酸化物またはシリコン酸窒化物よりなる任意の層の表面に窒化物膜が形成されることを防止しながら、第１の部分１００Ａとシリコン基板１０１の表面を覆う窒化物膜を形成することもできる。
【００９９】
次に、第１および第２の比較例と比較しながら、本実施の形態の効果について更に詳しく説明する。始めに、図１０を参照して、第１の比較例について説明する。図１０は、第１の比較例における構造体１００を示す断面図である。第１の比較例では、本実施の形態に係るプラズマ窒化処理を行わずに、ＣＶＤ法によって、構造体１００を覆うように、シリコン酸化物よりなる絶縁層１０８を形成している。図１０において、符号１０９は、絶縁層１０８を形成する際に、タングステンよりなる第２の電極層１０６が酸化することによって形成された酸化タングステン膜を示している。このように酸化タングステン膜が形成されると、ゲート電極としての所望の電気特性を得られなくなるおそれがある。また、図示しないが、このように形成された酸化タングステンが第２の電極層１０６の表面から飛散し、酸化タングステンと絶縁層１０８との界面にボイド等の空間が形成されて、その結果、ゲート電極としての電圧特性が変化して、所望の電気特性を得られないおそれがある。
【０１００】
これに対し、本実施の形態では、前述のように、第２の電極層１０６を含む構造体１００の第１の部分１００Ａの表面である第１の表面部１００Ａａには、酸化防止膜として機能する窒化タングステン膜１０７が形成されているため、第２の電極層１０６が酸化することによって、ゲート電極としての特性が変化することを防止することができる。
【０１０１】
次に、図１１を参照して、第２の比較例について説明する。図１１は、第２の比較例における構造体１００を示す断面図である。第２の比較例では、第１の表面部１００Ａａと第２の表面部１００Ｂａの両方に窒化膜が形成される条件（例えば、処理容器２内の圧力が１３３Ｐａ以下）にして、プラズマ窒化処理を行っている。この場合、シリコンを含有する第２の部分１００Ｂの表面である第２の表面部１００Ｂａにも窒化物膜が形成される。図１１において、符号１１０は窒化物膜を示している。窒化物膜１１０は、第１の表面部１００Ａａに形成された部分１１０Ａと、第２の表面部１００Ｂａに形成された部分１１０Ｂとを含んでいる。部分１１０Ａは窒化タングステン膜よりなり、部分１１０Ｂはシリコン窒化物よりなる。
【０１０２】
第２の比較例では、窒化物膜１１０が、シリコン基板１０１と積層体１０２の表面に沿って連続的に形成されていることから、シリコン基板１０１と積層体１０２の第１および第２の電極層１０４，１０６との間でリークが発生するおそれがある。また、積層体１０２のゲート絶縁層１０３の表面１０３ａにも窒化物膜１１０（部分１１０Ｂ）が形成されていることから、ゲート絶縁層１０３を構成するシリコン酸窒化物の窒素濃度が変化して、ゲート絶縁層１０３の閾値電圧が変動するおそれがある。また、シリコン基板１０１の表面１０１ａに形成される窒化物膜１１０の部分１１０Ｂを除去するための工程が必要になる場合がある。
【０１０３】
これに対し、本実施の形態では、前述のように、第２の表面部１００Ｂａにはほとんど窒化物膜が形成されないため、上記の問題は生じない。
【０１０４】
なお、本発明は、上記実施の形態に限定されず、種々の変更が可能である。例えば、実施の形態では、ＲＬＳＡ方式のプラズマ窒化処理装置１を使用したが、他の方式のプラズマ処理装置を用いてもよく、例えば電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ）プラズマ、マグネトロンプラズマ、表面波プラズマ（ＳＷＰ）等の方式のプラズマ処理装置を利用してもよい。
【０１０５】
また、実施の形態では、構造体１００の積層体１０２として、ＤＲＡＭに用いられるゲート電極について説明したが、積層体１０２は、半導体装置においてタングステンを含み同様の構造を有する他の構造体であってもよい。
【符号の説明】
【０１０６】
１…プラズマ窒化処理装置、２…処理容器、３…排気室、４…ガス供給部、５…排気装置、６…マイクロ波導入装置、７…制御部、１３…排気管、１５…ガス導入部、２１…載置台、２４…ヒータ、２５…ヒータ電源、２６…熱電対、６１…透過板、６２…平面アンテナ、６２ａ…マイクロ波放射孔、６３…遅波材、６４…カバー部材、６５…導波管、６６…モード変換器、６７…マッチング回路、６８…マイクロ波発生装置、７１…プロセスコントローラ、７２…ユーザーインターフェース、７３…記憶部、１００…構造体、１００Ａ…第１の部分、１００Ｂ…第２の部分、１００Ａａ…第１の表面部、１００Ｂａ…第２の表面部、１０１…シリコン基板、１０２…積層体、１０３…ゲート絶縁層、１０４…第１の電極層、１０５…バリア層、１０６…第２の電極層、１０７…窒化タングステン膜、１０８…絶縁層、Ｗ…ウエハ。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、構造体の表面に窒化物膜を形成するプラズマ窒化処理方法、プラズマ窒化処理装置および半導体装置の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＤＲＡＭ等の半導体装置の製造過程では、シリコン基板上にゲート絶縁膜を形成し、ゲート絶縁膜の上にゲート電極を形成し、ゲート電極を覆うように、ゲート絶縁膜およびゲート電極の周囲に絶縁層を形成することが行われている。ゲート電極の電極部分には、例えばポリシリコンとタングステンを含む積層体が用いられる。ゲート絶縁層は、所定の閾値電圧を有している。シリコン基板とゲート電極の電極との間における電子の移動は、ゲート絶縁層によって行われる。具体的には、上記の電子の移動は、シリコン基板とゲート電極の電極との間に、ゲート絶縁層の閾値電圧以上の電圧をかけることによって行われる。ゲート絶縁層は、例えばシリコン酸窒化物（ＳｉＯＮ）によって形成されている。ゲート電極の周囲を覆うように形成される絶縁層は、例えばシリコン酸化物（ＳｉＯ２）によって形成されている。この絶縁層は、例えば化学的気相成長法（ＣＶＤ法）によって形成される。
【０００３】
また、ゲート電極の形成は、例えば、シリコン基板上に、上記の積層体およびゲート絶縁層に対応する積層膜を形成した後に、この積層膜をエッチングすることによって行われる。この場合、例えば、エッチングによって生じたゲート絶縁層の損傷や欠陥を修復する目的で、ゲート電極を形成した後に、熱酸化法等によって酸化処理を施すことがある。また、ゲート電極の周囲に絶縁層を形成した後に、種々の目的で全体にアニール処理を施すことがある。
【０００４】
上記の酸化処理が行われる際には、ゲート電極の表面は酸化雰囲気に曝されるため、ゲート電極の電極部分を構成するタングステンの表面が酸化される。また、ＣＶＤ法によってゲート電極の周囲にシリコン酸化物よりなる絶縁層を形成すると、ＣＶＤ法に用いられる酸素ガスによって、タングステンの表面が酸化される。また、この絶縁層を形成した後にアニール処理を行った場合には、シリコン酸化物に含まれる酸素によって、タングステンの酸化が進行していく。このように、タングステンが酸化されると、例えば、酸化タングステン（ＷＯｘ）となってタングステンの表面から飛散し、酸化タングステンと絶縁層との界面にボイド等の空間が形成されて、その結果、ゲート電極としての電圧特性が変化して、所望の電気特性を得られないおそれがある。
【０００５】
そこで、上記の酸化処理等が行われる前に、タングステンの表面に酸化防止膜を形成することが考えられる。酸化防止膜としては、例えば、窒化物膜、具体的には窒化タングステン膜を用いることが考えられる。
【０００６】
特許文献１には、窒素を含むガスを用いたプラズマ処理を行い、多結晶シリコン膜、窒化タングステン膜およびタングステン膜によって構成されたゲート電極の側壁を窒化して、窒化物膜を形成する技術が記載されている。また、特許文献２には、シリコン基板上に形成されたタングステン膜の全体またはその表面層を、窒素ガスを含むガス中で処理して窒化させる技術が記載されている。また、特許文献３には、熱窒化やプラズマ窒化等の窒化処理によって、薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）の配線材料として用いられるタングステン膜の表面を窒化タングステンで覆う技術が記載されている。また、特許文献４には、ラピッド・サーマルアニール（ＲＴＡ）法によって、チタン・タングステン層よりなる半導体集積回路の局部相互接続体を窒化する技術が記載されている。また、特許文献５には、ＣＶＤ法によって、銅配線のバリア膜として、窒化タングステン薄膜を形成する技術が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００４−２００５５０号公報
【特許文献２】特開平１−１８９１３８号公報
【特許文献３】特開２０００−３３２２５９号公報
【特許文献４】特開平５−２４３１７８号公報
【特許文献５】特開２０００−２３５９６３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
特許文献１ないし５に記載された技術では、窒化物膜を形成する際には、シリコン基板およびゲート電極を含む構造体の表面全体が窒化雰囲気に曝される。そのため、窒化物膜は、ゲート電極の電極部分の一部を構成するタングステンの表面のみならず、ゲート電極の電極部分の他の一部を構成するポリシリコンや、ゲート絶縁層、シリコン基板等のシリコンを含有する部分の表面にも形成される。一般的に、窒化物膜はその膜中に欠陥が形成されやすい。窒化物膜は、シリコン基板と電極部分（ポリシリコンおよびタングステン）の表面に沿うように、連続的に形成されることから、窒化物膜中に欠陥が形成された場合には、窒化物膜中の欠陥を介して、シリコン基板とタングステンとの間でリークが発生するおそれがある。また、ゲート絶縁層がシリコン酸窒化物よりなる場合には、シリコン窒化物膜が更に窒化されて、シリコン酸窒化物の窒素濃度が変化して、ゲート絶縁層の閾値電圧が変動するおそれがある。また、シリコン基板の表面に形成される窒化物膜、具体的にはシリコン窒化物膜（ＳｉＮ）を除去するための工程が必要になる場合がある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、金属を含有する第１の部分とシリコンを含有する第２の部分とを含む構造体を備えた被処理体に対して、第１の部分の表面のみを覆う窒化物膜を形成することができるようにしたプラズマ窒化処理方法、プラズマ窒化処理装置および半導体装置の製造方法を提供することにある。
【００１０】
本発明のプラズマ窒化処理方法は、金属を含有する第１の部分と、シリコンを含有する第２の部分とを含み、第１および第２の部分の表面が露出するように形成された構造体を備えた被処理体を処理容器内に配置して、被処理体に対してプラズマ処理を施すことによって、第１の部分の表面を選択的に窒化して、第１の部分の表面に選択的に金属窒化物膜を形成するプラズマ窒化処理方法である。第１の部分は、タングステンを含有する。
本発明のプラズマ窒化処理方法は、処理容器内に窒素含有ガスを供給し、処理容器内の圧力を１３３Ｐａ以上１３３３Ｐａ以下の範囲内に設定して、処理容器内に窒素含有プラズマを生成し、該窒素含有プラズマによって、第２の部分の表面を窒化させずに、第１の部分の表面を選択的に窒化して、第１の部分の表面に窒化タングステン膜を形成する。
【００１１】
本発明のプラズマ窒化処理方法では、第２の部分の表面には、窒化物膜がほとんど形成されない。なお、本発明において、「窒化物膜がほとんど形成されない」場合というのは、「窒化物膜が全く形成されない」場合と、「窒化物膜がわずかに形成されるが、その影響がほとんどない」場合とを含む。
【００１２】
本発明のプラズマ窒化処理方法において、処理容器内の圧力を２６７Ｐａ以上１３３３Ｐａ以下の範囲内に設定してもよい。
【００１３】
また、本発明のプラズマ窒化処理方法において、第２の部分は、シリコンよりなるシリコン基板を含み、第１の部分は、シリコン基板の上面の一部の上に配置されていてもよい。
【００１４】
また、本発明のプラズマ窒化処理方法において、構造体は、シリコンよりなるシリコン基板と、シリコン基板の上面の一部の上に配置された積層体とを備えていてもよい。また、積層体は、シリコン酸窒化物よりなる絶縁層と、絶縁層の上に積層されたポリシリコンよりなる第１の電極層と、第１の電極層の上に積層された窒化タングステンよりなるバリア層と、バリア層の上に積層されたタングステンよりなる第２の電極層とを有していてもよい。この場合、第１の部分は、バリア層および第２の電極層を含み、第２の部分は、シリコン基板、絶縁層および第１の電極層を含んでいる。
【００１５】
また、本発明のプラズマ窒化処理方法において、窒素含有プラズマは、処理容器内に供給された窒素含有ガスを、複数のスロットを有する平面アンテナから処理容器内に導入されたマイクロ波によってプラズマ化したマイクロ波励起プラズマであってもよい。
【００１６】
本発明のプラズマ窒化処理装置は、金属を含有する第１の部分と、シリコンを含有する第２の部分とを含み、第１および第２の部分の表面が露出するように形成された構造体を備えた被処理体に対してプラズマ処理を施すことによって、第１の部分の表面を選択的に窒化して、第１の部分の表面に選択的に金属窒化物膜を形成するプラズマ窒化処理装置である。第１の部分は、タングステンを含有する。
本発明のプラズマ窒化処理装置は、
被処理体を搬入して所定の処理が行われる処理容器と、
処理容器内に処理ガスである窒素含有ガスを供給するガス供給手段と、
処理容器内を減圧排気する排気装置と、
処理容器内にプラズマを生成するプラズマ生成手段と、
ガス供給手段によって処理容器内に窒素含有ガスを供給し、排気装置によって処理容器内の圧力を１３３Ｐａ以上１３３３Ｐａ以下の範囲内に設定して、プラズマ生成手段によって処理容器内に窒素含有プラズマを生成し、該窒素含有プラズマによって、第２の部分の表面を窒化させずに、第１の部分の表面を選択的に窒化して、第１の部分の表面に窒化タングステン膜を形成するように制御する制御部と
を備えている。
【００１７】
本発明の半導体装置の製造方法は、金属を含有する第１の部分と、シリコンを含有する第２の部分とを含む構造体を備えた半導体装置を製造する方法である。第１の部分は、タングステンを含有する。
本発明の半導体装置の製造方法は、
半導体基板上に、後に第１および第２の部分の少なくとも一部となる初期積層膜を形成する工程と、
初期積層膜をエッチングして、第１および第２の部分の表面が露出するように構造体を形成する工程と、
上記構造体が形成された半導体基板を処理容器内に搬送する工程と、
処理容器内に窒素含有ガスを供給する工程と、
処理容器内の圧力を１３３Ｐａ以上１３３３Ｐａ以下の範囲内に設定する工程と、
処理容器内に窒素含有プラズマを生成する工程と、
窒素含有プラズマによって、第２の部分の表面を窒化させずに、第１の部分の表面を選択的に窒化して、第１の部分の表面に窒化タングステン膜を形成するプラズマ窒化処理工程と
を備えている。
【００１８】
本発明の半導体装置の製造方法は、更に、プラズマ窒化処理工程の後に、構造体を覆うように、シリコン酸化物よりなる絶縁層を形成する工程を備えていてもよい。
【発明の効果】
【００１９】
本発明のプラズマ窒化処理方法、プラズマ窒化処理方法および半導体装置の製造方法では、シリコンを含有する第２の部分の表面を窒化させずに、金属としてタングステンを含有する第１の部分の表面を選択的に窒化して、第１の部分の表面に窒化タングステン膜を形成する。前述のように、第２の部分の表面には、窒化物膜がほとんど形成されない。これにより、本発明によれば、第１の部分の表面のみを覆う窒化物膜を形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の一実施の形態に係るプラズマ窒化処理方法を示すフローチャートである。
【図２】本発明の一実施の形態に係るプラズマ窒化処理方法によって窒化タングステン膜を形成する前の構造体を示す断面図である。
【図３】本発明の一実施の形態に係るプラズマ窒化処理方法によって窒化タングステン膜を形成した後の構造体を示す断面図である。
【図４】本発明の一実施の形態に係るプラズマ窒化処理装置の概略の構成を示す断面図である。
【図５】図４に示したプラズマ窒化処理装置における平面アンテナを示す平面図である。
【図６】図４に示したプラズマ窒化処理装置における制御部を示す説明図である。
【図７】本発明の一実施の形態に係る半導体装置の製造方法を示すフローチャートである。
【図８】処理容器内の圧力と窒素ドーズ量の関係を示す特性図である。
【図９】処理容器内の圧力と窒素ドーズ量比の関係を示す特性図である。
【図１０】第１の比較例における構造体を示す断面図である。
【図１１】第２の比較例における構造体を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、本発明の一実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。始めに、図１を参照して、本発明の一実施の形態に係るプラズマ窒化処理方法について説明する。図１は、本実施の形態に係るプラズマ窒化処理方法を示すフローチャートである。
【００２２】
本実施の形態に係るプラズマ窒化処理方法は、金属を含有する第１の部分１００Ａと、シリコンを含有する第２の部分１００Ｂとを含み、第１の部分１００Ａの表面（以下、第１の表面部と言う。）１００Ａａと第２の部分１００Ｂの表面（以下、第２の表面部と言う。）１００Ｂａが露出するように形成された構造体１００を備えた被処理体を処理容器内に配置して、被処理体に対してプラズマ処理を施すことによって、第１の表面部１００Ａａを選択的に窒化して、第１の表面部１００Ａａに選択的に金属窒化物膜を形成するプラズマ窒化処理方法である。
【００２３】
第１の部分１００Ａは、金属を含有する層として、例えば、タングステン等の金属よりなる層や、窒化タングステン等の金属窒化物よりなる層を含んでいてもよい。第２の部分１００Ｂは、シリコンを含有する層として、例えば、シリコンよりなる層や、シリコン酸化物（ＳｉＯ２）よりなる層や、シリコン酸窒化物（ＳｉＯＮ）よりなる層を含んでいてもよい。
【００２４】
図１に示したように、本実施の形態に係るプラズマ窒化処理方法は、第１のステップＳ１、第２のステップＳ２、第３のステップＳ３および第４のステップＳ４を含んでいる。第１のステップＳ１では、被処理体が搬入された処理容器内に、窒素含有ガスを供給する。窒素含有ガスとしては、例えば、窒素ガス（Ｎ２）、アンモニアガス（ＮＨ３）、ＮＯ、Ｎ２Ｏ等が用いられる。
【００２５】
第２のステップＳ２では、処理容器内の圧力を処理容器内の圧力を所定の圧力に設定する。処理容器内の圧力は、１３３Ｐａ以上１３３３Ｐａ以下の範囲内であることが好ましく、２６７Ｐａ以上１３３３Ｐａ以下の範囲内であることがより好ましい。その理由については、後で詳しく説明する。
【００２６】
第３のステップＳ３では、処理容器内に窒素含有プラズマを生成する。具体的には、処理容器内にマイクロ波を放射し、処理容器内に電磁界を形成して、窒素含有ガスをプラズマ化する。なお、窒素含有プラズマは、処理容器内に供給された窒素含有ガスを、複数のスロットを有する平面アンテナから処理容器内に導入されたマイクロ波によってプラズマ化したマイクロ波励起プラズマであることが好ましい。
【００２７】
第４のステップＳ４では、窒素含有プラズマによって、第２の表面部１００Ｂａを窒化させずに、第１の表面部１００Ａａを選択的に窒化して、第１の表面部１００Ａａに窒化物膜（金属窒化物膜）を形成する。第１の部分１００Ａがタングステンを含有している場合、第１の表面部１００Ａａには、窒化タングステン膜が形成される。第４のステップＳ４では、第２の表面部１００Ｂａには、窒化物膜がほとんど形成されない。このように、第１ないし第４のステップＳ１〜Ｓ４によって、第１の表面部１００Ａａに選択的に窒化物膜（窒化タングステン膜）が形成される。
【００２８】
次に、図１ないし図３を参照して、本実施の形態に係るプラズマ窒化処理方法について具体的に説明する。図２は、本実施の形態に係るプラズマ窒化処理方法によって窒化タングステン膜を形成する前の構造体１００を示す断面図である。図３は、本実施の形態に係るプラズマ窒化処理方法によって窒化タングステン膜を形成した後の構造体１００を示す断面図である。
【００２９】
図２に示した例では、構造体１００は、シリコンよりなるシリコン基板１０１と、シリコン基板１０１の上面の一部の上に配置された２つの積層体１０２とを備えている。この構造体１００は、例えば半導体デバイス製造用の半導体ウエハ（以下、単に「ウエハ」と記す。）Ｗの一部である。この例では、積層体１０２は、シリコン酸窒化物（ＳｉＯＮ）よりなるゲート絶縁層１０３と、ゲート絶縁層１０３の上に積層されたポリシリコンよりなる第１の電極層１０４と、第１の電極層１０４の上に積層された窒化タングステンよりなるバリア層１０５と、バリア層１０５の上に積層されたタングステンよりなる第２の電極層１０６とを有している。この積層体１０２は、例えばＤＲＡＭのゲート電極に対応するものである。ゲート電極の電極部分は、第１の電極層１０４、バリア層１０５および第２の電極層１０６によって構成される。積層体１０２は、例えば、リソグラフィー、ドライエッチング等を用いて、積層膜をエッチングすることによって形成される。
【００３０】
また、構造体１００は、金属を含有する第１の部分１００Ａと、シリコンを含有する第２の部分１００Ｂとを含んでいる。本実施の形態では、第１の部分１００Ａは、金属としてタングステンを含有する。図２に示した例では、第１の部分１００Ａは、バリア層１０５および第２の電極層１０６を含んでいる。また、第２の部分１００Ｂは、シリコン基板１０１、ゲート絶縁層１０３および第１の電極層１０４を含んでいる。
【００３１】
また、図２に示した例では、第１の部分１００Ａの表面である第１の表面部１００Ａａは、タングステンを含有するバリア層１０５の表面１０５ａおよび第２の電極層１０６の表面１０６ａによって構成されている。また、第２の部分１００Ｂの表面である第２の表面部１００Ｂａは、シリコンを含有するシリコン基板１０１の表面１０１ａ、ゲート絶縁層１０３の表面１０３ａおよび第１の電極層１０４の表面１０４ａによって構成されている。
【００３２】
前述のように、本実施の形態に係るプラズマ窒化処理方法は、第１の表面部１００Ａａを選択的に窒化して、第１の表面部１００Ａａに金属窒化物膜を形成する方法である。第１の部分１００Ａがタングステンを含有している場合、第１の表面部１００Ａａには、窒化タングステン膜が形成される。本実施の形態では、処理容器内に構造体１００が形成されたウエハＷを配置し、前述の第１ないし第４のステップＳ１〜Ｓ４によって、ウエハＷに対してプラズマ窒化処理が行われる。第４のステップＳ４では、窒素含有プラズマによるプラズマ窒化処理によって、シリコンを含有する層の表面によって構成された第２の表面部１００Ｂａには、窒化物膜がほとんど形成されずに、タングステンを含有する層の表面によって構成された第１の表面部１００Ａａに、選択的に窒化タングステン膜１０７が形成される。この窒化タングステン膜１０７は、第１の部分１００Ａ（バリア層１０５および第２の電極層１０６）の表面のタングステンが窒化されることによって形成される。なお、後で、第２の表面部１００Ｂａに窒化物膜がほとんど形成されないことを示す実験の結果について詳しく説明する。
【００３３】
図３は、シリコン基板１０１の上に、ゲート絶縁層１０３、第１の電極層１０４、バリア層１０５および第２の電極層１０６からなる積層体１０２を形成し、第１の部分１００Ａ（バリア層１０５および第２の電極層１０６）の表面である第１の表面部１００Ａａに選択的に窒化タングステン膜１０７を形成し、積層体１０２を覆うように、積層体１０２の周囲に、例えば化学的気相成長法（ＣＶＤ法）によって、シリコン酸化物（ＳｉＯ２）よりなる絶縁層１０８を形成した例を示している。
【００３４】
次に、図４を参照して、本実施の形態に係るプラズマ窒化処理装置について説明する。図４は、本実施の形態に係るプラズマ窒化処理装置の概略の構成を示す断面図である。本実施の形態に係るプラズマ窒化処理装置１は、複数のスロット状の孔を有する平面アンテナ、特に、ラジアルラインスロットアンテナ（Radial Line Slot Antenna；ＲＬＳＡ）を含んでいる。ＲＬＳＡを含むプラズマ処理装置は、ＲＬＳＡマイクロ波プラズマ処理装置とも呼ばれる。ＲＬＳＡマイクロ波プラズマ処理装置では、ＲＬＳＡによって、マイクロ波を処理容器内に直接導入して、高密度かつ低電子温度のマイクロ波励起プラズマを発生させることができる。
【００３５】
プラズマ窒化処理装置１は、被処理体であるウエハＷを収容する処理容器２と、処理容器２の内部に配置され、ウエハＷを載置する載置台２１と、処理容器２に連結された排気室３と、処理容器２内にガスを供給するガス供給部４と、処理容器２内を減圧排気する排気装置５と、処理容器２内にマイクロ波を導入してプラズマを生成するマイクロ波導入装置６と、これらプラズマ窒化処理装置１の各構成部を制御する制御部７とを備えている。なお、処理容器２内にガスを供給する手段としては、ガス供給部４の代りに、プラズマ窒化処理装置１の構成には含まれない外部のガス供給部を使用してもよい。
【００３６】
処理容器２は、上部で開口する筒状の形状を有し、例えば略円筒形状または略角筒形状をなしている。処理容器２は、例えばアルミニウム等の金属材料によって形成されている。なお、処理容器２は接地されている。マイクロ波導入装置６は、処理容器２の上部に設けられ、処理容器２内に電磁波（マイクロ波）を導入してプラズマを生成するプラズマ生成手段として機能する。マイクロ波導入装置６の構成については、後で詳しく説明する。
【００３７】
処理容器２は、板状の底部１１と、底部１１に連結された側壁部１２とを有している。側壁部１２は、処理容器２に隣接する図示しない搬送室との間でウエハＷの搬入出を行うための搬入出口１２ａを有している。処理容器２と図示しない搬送室との間には、ゲートバルブＧが配置されている。ゲートバルブＧは、搬入出口１２ａを開閉する機能を有している。ゲートバルブＧは、閉状態で処理容器２を気密にシールすると共に、開状態で処理容器２と図示しない搬送室との間でウエハＷの移送を可能にする。
【００３８】
底部１１は、その中央部分に形成された開口部１１ａを有している。排気室３は、開口部１１ａと連通する内部空間３ａを有し、底部１１から下方に向けて突出するように、底部１１に連結されている。
【００３９】
プラズマ窒化処理装置１は、更に、排気室３の内部空間３ａに連通する排気管１３を備えている。排気管１３は、排気装置５に接続されている。排気装置５は、排気管１３を介して排気室３に接続されている。排気装置５は、処理容器２および排気室３の内部空間を所定の真空度まで高速に減圧することが可能な高速真空ポンプを有している。このような高速真空ポンプとしては、例えばターボ分子ポンプ等がある。処理容器２および排気室３は、排気装置５の高速真空ポンプを作動させることによって、その内部空間が所定の真空度まで減圧される。すなわち、ガス供給部４によって処理容器２内に供給されたガスは、排気室３の内部空間３ａに均一に流れていく。このガスは、排気装置５を作動させることによって、排気管１３を介して外部に排気される。これにより、処理容器２および排気室３の内部空間は、所定の真空度まで減圧される。
【００４０】
プラズマ窒化処理装置１は、更に、処理容器２内および排気室３内において載置台２１を支持する支持部材２２を備えている。載置台２１は、被処理体であるウエハＷを水平に載置するためのものである。載置台２１は、例えばＡｌＮ、Ａｌ２Ｏ３等のセラミックスによって形成されている。なお、載置台２１は、熱伝導性の高い材料によって形成されることが好ましい。このような材料としては、例えばＡｌＮがある。支持部材２２は、排気室３の底部から処理容器２の内部空間に向かって延びる円筒状の形状を有している。支持部材２２は、例えばＡｌＮ等のセラミックスによって形成されている。
【００４１】
プラズマ窒化処理装置１は、更に、載置台２１を保護する保護部材２３を備えている。保護部材２３は、環状の形状を有し、載置台２１の上面（ウエハ載置面）および側面の一方または両方を保護すると共に、ウエハＷをガイドする機能を有している。保護部材２３は、載置台２１とプラズマとの接触を遮断して、載置台２１がスパッタリングされることを防止することによって、ウエハＷに不純物が混入することを防止する。保護部材２３は、例えば、石英、単結晶シリコン、ポリシリコン、アモルファスシリコン、ＳｉＮ等によって形成されている。特に、石英よりなる保護部材２３は、上記の保護部材としての特性に優れるため好ましい。なお、保護部材２３を形成する材料としては、アルカリ金属やその他の金属等の不純物の含有量が少ない高純度材料であることが好ましい。
【００４２】
プラズマ窒化処理装置１は、更に、ヒータ２４と、ヒータ電源２５と、熱電対（図４ではＴＣと記す。）２６とを備えている。ヒータ２４と熱電対２６の測温部分２６ａは、載置台２１に埋設されている。ヒータ２４は、例えば、支持部材２２の内部を通る配線を介して、処理容器２および排気室３の外部に設置されたヒータ電源２５に接続されている。ヒータ電源２５は、ヒータ２４に対して、載置台２１を加熱するための電気的出力を供給する。ヒータ２４は、載置台２１を加熱することによって、被処理体であるウエハＷを均一に加熱する。載置台２１の温度は、熱電対２６によって計測される。これにより、ウエハＷの温度を、例えば室温から９００℃の範囲内で制御することができる。
【００４３】
図示しないが、載置台２１は、載置台２１の上面（ウエハ載置面）に対して突没可能に設けられた複数の支持ピンを有している。複数の支持ピンは、任意の昇降機構により上下に変位し、上昇位置において、図示しない搬送室との間でウエハＷの受け渡しを行うことができるように構成されている。
【００４４】
プラズマ窒化処理装置１は、更に、処理容器２の内部空間において載置台２１の外周部よりも外側に配置されたライナー２７およびバッフルプレート２８と、バッフルプレート２８を支持する複数の支柱２９とを備えている。ライナー２７は、上部および下部で開口する円筒状の形状を有している。バッフルプレート２８は、処理容器２の内部空間において均一な排気を実現するためのものであり、環状の形状を有すると共に、多数の排気孔２８ａを有している。また、バッフルプレート２８は、ライナー２７の下端部に連結されている。ライナー２７およびバッフルプレート２８は、例えば石英によって形成されている。
【００４５】
プラズマ窒化処理装置１は、更に、処理容器２の側壁部１２に設けられたガス導入部１５を備えている。ガス導入部１５は、窒素含有ガスやプラズマ励起用ガスを供給するガス供給部４に接続されている。なお、図４に示した例では、ガス導入部１５は、環状の形状を有している。しかし、ガス導入部１５は、ノズル状に構成してもよいし、シャワー状に構成してもよい。
【００４６】
ガス供給部４は、ガス供給源（例えば、不活性ガス供給源４１Ａおよび窒素含有ガス供給源４１Ｂ）と、配管（例えば、ガスライン４２ａ，４２ｂ，４２ｃ）と、流量制御装置（例えば、ＭＦＣ（マスフローコントローラ）４３Ａ，４３Ｂ）と、バルブ（例えば、開閉バルブ４４Ａ，４４Ｂ）とを有している。なお、ガス供給部４は、更に、処理容器２内の雰囲気を置換する際に用いるパージガス供給源等を有していてもよい。
【００４７】
不活性ガス供給源４１Ａおよび窒素含有ガス供給源４１Ｂは、ガスライン４２ａ，４２ｂ，４２ｃによって、ガス導入部１５に接続されている。すなわち、不活性ガス供給源４１Ａは、ガスライン４２ａの一端部に接続されている。窒素含有ガス供給源４１Ｂは、ガスライン４２ｂの一端部に接続されている。ガスライン４２ａ，４２ｂの各他端部は、いずれもガスライン４２ｃの一端部に接続されている。ガスライン４２ｃの他端部は、ガス導入部１５に接続されている。ＭＦＣ４３Ａは、不活性ガス供給源４１Ａとガス導入部１５との間に設けられている。ＭＦＣ４３Ｂは、窒素含有ガス供給源４１Ｂとガス導入部１５との間に設けられている。開閉バルブ４４Ａは、ＭＦＣ４３Ａの前後に設けられている。開閉バルブ４４Ｂは、ＭＦＣ４３Ｂの前後に設けられている。
【００４８】
処理容器２内に供給される不活性ガスとしては、例えば、Ａｒガス、Ｋｒガス、Ｘｅガス、Ｈｅガス等の希ガスが用いられる。これらのガスの中でも、特に、経済性に優れている点で、Ａｒガスを用いることが好ましい。また、窒素含有ガスは窒素原子を含有するガスであり、処理容器２内に供給される窒素含有ガスとしては、例えば、窒素ガス（Ｎ２）、アンモニアガス（ＮＨ３）、ＮＯ、Ｎ２Ｏ等が用いられる。
【００４９】
不活性ガスは、不活性ガス供給源４１Ａからガスライン４２ａ，４２ｃを通ってガス導入部１５に到達し、ガス導入部１５から処理容器２内に導入される。窒素含有ガスは、窒素含有ガス供給源４１Ｂからガスライン４２ｂ，４２ｃを通ってガス導入部１５に到達し、ガス導入部１５から処理容器２内に導入される。処理容器２内に供給されるガスの種類や、これらのガスの流量等は、ＭＦＣ４３Ａ，４３Ｂおよび開閉バルブ４４Ａ，４４Ｂによって制御される。
【００５０】
プラズマ窒化処理装置１は、更に、側壁部１２の上端部に連結された環状のプレート１６と、処理容器２（側壁部１２）とプレート１６との間を気密にシールするシール部材１７とを備えている。プレート１６は、処理容器２の内部空間に突出するように形成された支持部１６ａを有している。支持部１６ａは、環状の形状を有している。
【００５１】
ここで、図４および図５を参照して、マイクロ波導入装置６の構成について詳しく説明する。図５は、プラズマ窒化処理装置１における平面アンテナを示す平面図である。前述のように、マイクロ波導入装置６は、処理容器２の上部に設けられ、処理容器２内に電磁波（マイクロ波）を導入してプラズマを生成するプラズマ生成手段として機能する。マイクロ波導入装置６は、マイクロ波を透過させる透過板６１と、載置台２１と対向するように配置された平面アンテナ６２と、マイクロ波の波長を短くしてプラズマを調整する遅波材６３と、平面アンテナ６２および遅波材６３を覆うカバー部材６４と、マイクロ波を平面アンテナ６２に伝搬する導波管６５と、導波管６５を伝搬するマイクロ波のモードを変換するモード変換器６６と、マイクロ波を発生するマイクロ波発生装置６８と、導波管６５とマイクロ波発生装置６８との間に設けられたマッチング回路６７とを有している。
【００５２】
透過板６１は、プレート１６の支持部１６ａの上に配置されている。透過板６１は、誘電体材料によって形成されている。透過板６１を形成する誘電体材料としては、例えば、石英、Ａｌ２Ｏ３、ＡｌＮ等のセラミックス等が用いられる。プラズマ窒化処理装置１は、更に、透過板６１と支持部１６ａとの間を気密にシールするシール部材１８を備えている。これにより、処理容器２内の気密性が維持される。
【００５３】
平面アンテナ６２は、透過板６１の上方（透過板６１における処理容器２とは反対側）において、載置台２１と対向するように配置されている。平面アンテナ６２は、円板形状を有している。なお、平面アンテナ６２は、円板形状に限らず、例えば四角板形状を有していてもよい。また、図４に示した例では、平面アンテナ６２は、透過板６１よりも大きな平面形状（上方から見た形状）を有している。この例では、平面アンテナ６２の外周部は、プレート１６の上端に係止されている。平面アンテナ６２は、導電性材料によって形成されている。平面アンテナ６２を形成する導電性材料としては、例えば、表面が金または銀メッキされた銅板、アルミニウム板、ニッケル板およびそれらの合金等が用いられる。
【００５４】
図５に示したように、平面アンテナ６２は、マイクロ波を放射する多数のマイクロ波放射孔６２ａを有している。マイクロ波放射孔６２ａは、所定の形状を有すると共に、平面アンテナ６２を貫通するように形成されている。図６に示した例では、個々のマイクロ波放射孔６２ａは、細長い長方形状（スロット状）を有している。そして、典型的には、マイクロ波放射孔６２ａは、隣接する他のマイクロ波放射孔６２ａと共に「Ｔ」字状になるように配置されている。また、このように、所定の形状（例えば、Ｔ字状）になるように組み合わされて配置された複数のマイクロ波放射孔６２ａの対は、全体として同心円状になるように配列されている。
【００５５】
マイクロ波放射孔６２ａの長さや、マイクロ波放射孔６２ａの対の配列間隔は、マイクロ波の波長λｇに応じて決定される。具体的には、例えば、マイクロ波放射孔６２ａは、上記の配列間隔がλｇ／４〜λｇの範囲内となるように配置される。なお、図５では、全体として同心円状になるように複数のマイクロ波放射孔６２ａの対を配列したときの、半径方向についての配列間隔を記号Δｒで示している。
【００５６】
なお、マイクロ波放射孔６２ａの形状は、スロット状の形状に限らず、他の形状、例えば、円形状、円弧状等であってもよい。また、マイクロ波放射孔６２ａの配置の形態は、同心円状に限らず、他の形態、例えば、螺旋状、放射状等であってもよい。
【００５７】
遅波材６３は、平面アンテナ６２の上面の上に配置されている。また、遅波材６３は、真空よりも大きい誘電率を有する材料によって形成されている。遅波材６３を形成する材料としては、例えば、石英、ポリテトラフルオロエチレン樹脂、ポリイミド樹脂等を用いることができる。マイクロ波は、真空中ではその波長が長くなる。遅波材６３は、マイクロ波の波長を短くしてプラズマを調整する機能を有している。
【００５８】
なお、平面アンテナ６２は、透過板６１に接触していなくてもよいが、接触していることが好ましい。また、遅波材６３は、平面アンテナ６２に接触していなくてもよいが、接触していることが好ましい。
【００５９】
カバー部材６４は、平面アンテナ６２および遅波材６３を覆うように、プレート１６の上端部に連結されている。プラズマ窒化処理装置１は、更に、カバー部材６４とプレート１６との間を気密にシールするシール部材１９を備えている。カバー部材６４は、例えばアルミニウムやステンレス鋼等の金属材料によって形成されている。図示しないが、カバー部材６４は接地されている。また、カバー部材６４は、その内部に形成された冷却水流路６４ａと、カバー部材６４の天井部の中央部分に形成された開口部６４ｂとを有している。透過板６１、平面アンテナ６２、遅波材６３およびカバー部材６４は、冷却水流路６４ａ内に冷却水を流すことによって冷却される。
【００６０】
カバー部材６４と平面アンテナ６２によって囲まれた空間は、偏平導波路を形成する。遅波材６３は、偏平導波路内に配置されている。マイクロ波は、偏平導波路によって、処理容器２内に均一に供給される。
【００６１】
導波管６５は、その延びる方向に垂直な断面の外形が円形である同軸導波管６５Ａと、その延びる方向に垂直な断面の外形が矩形である矩形導波管６５Ｂとを含んでいる。同軸導波管６５Ａは、図４における上下方向に延びている。矩形導波管６５Ｂは、図４における左右方向（水平方向）に延びている。同軸導波管６５Ａの一端部は、カバー部材６４の開口部６４ｂの上端部に連結されている。同軸導波管６５Ａの他端部は、モード変換器６６を介して、矩形導波管６５Ｂの一端部に接続されている。モード変換器６６は、矩形導波管６５Ｂ内をＴＥモードで伝播するマイクロ波をＴＥＭモードに変換する機能を有している。
【００６２】
同軸導波管６５Ａは、その内部空間に延びる内導体６５Ａ１を有している。内導体６５Ａ１の下端部は、平面アンテナ６２の中央部分に接続されている。これにより、マイクロ波は、内導体６５Ａ１を介して、カバー部材６４と平面アンテナ６２によって形成される偏平導波路に、効率よく均一に且つ放射状に伝播される。
【００６３】
マイクロ波発生装置６８は、マッチング回路６７を介して、矩形導波管６５Ｂの他端部に接続されている。マイクロ波発生装置６８において所定の周波数（例えば、２．４５ＧＨｚ）で発生されたマイクロ波は、導波管６５を介して平面アンテナ６２に伝搬され、マイクロ波放射孔６２ａから透過板６１を介して処理容器２内に導入される。なお、マイクロ波の周波数は、２．４５ＧＨｚに限らず、８．３５ＧＨｚ、１．９８ＧＨｚ等であってもよい。
【００６４】
次に、図６を参照して、制御部７について説明する。図６は、図４に示したプラズマ窒化処理装置１における制御部７を示す説明図である。プラズマ窒化処理装置１の各構成部は、それぞれ制御部７に接続されて、制御部７によって制御される。制御部７は、典型的にはコンピュータである。図６に示した例では、制御部７は、ＣＰＵを備えたプロセスコントローラ７１と、このプロセスコントローラ７１に接続されたユーザーインターフェース７２および記憶部７３とを備えている。
【００６５】
プロセスコントローラ７１は、プラズマ窒化処理装置１において、例えば温度、圧力、ガス流量、マイクロ波出力等のプロセス条件に関係する各構成部（例えば、ヒータ電源２５、ガス供給部４、排気装置５、マイクロ波発生装置６８等）を統括して制御する制御手段である。ユーザーインターフェース７２は、工程管理者がプラズマ窒化処理装置１を管理するためにコマンドの入力操作等を行うキーボードやタッチパネル、プラズマ窒化処理装置１の稼働状況を可視化して表示するディスプレイ等を有している。
【００６６】
記憶部７３には、プラズマ窒化処理装置１で実行される各種処理をプロセスコントローラ７１の制御によって実現するための制御プログラム（ソフトウエア）や、処理条件データ等が記録されたレシピなどが保存されている。プロセスコントローラ７１は、ユーザーインターフェース７２からの指示等、必要に応じて、任意の制御プログラムやレシピを記憶部７３から呼び出して実行する。これにより、プロセスコントローラ７１による制御下で、プラズマ窒化処理装置１の処理容器２内において所望の処理が行われる。
【００６７】
上記の制御プログラムおよびレシピは、例えば、ＣＤ−ＲＯＭ、ハードディスク、フレキシブルディスク、フラッシュメモリ、ＤＶＤ、ブルーレイディスク等のコンピュータ読み取り可能な記憶媒体に格納された状態のものを利用することができる。また、上記のレシピは、他の装置から、例えば専用回線を介して随時伝送させてオンラインで利用することも可能である。
【００６８】
本実施の形態では、制御部７は、本実施の形態に係るプラズ窒化処理方法が行われるように、プラズマ窒化処理装置１の各構成部を制御する。具体的には、制御部７は、ガス供給部４によって処理容器２内に窒素含有ガスを供給し、排気装置５によって処理容器２内の圧力を１３３Ｐａ以上１３３３Ｐａ以下の範囲内（より好ましくは２６７Ｐａ以上１３３３Ｐａ以下の範囲内）に設定して、マイクロ波導入装置６によって処理容器２内に窒素含有プラズマを生成し、該窒素含有プラズマによって、図２に示した第２の部分１００Ｂの表面である第２の表面部１００Ｂａを窒化させずに、第１の部分１００Ａの表面である第１の表面部１００Ａａを選択的に窒化して、第１の表面部１００Ａａに窒化物膜（窒化タングステン膜）を形成するプラズマ窒化処理方法が行われるように制御する。
【００６９】
以上説明したように、プラズマ窒化処理装置１は、主要な構成として、処理容器２と、載置台２１と、排気室３と、ガス供給部４と、排気装置５と、マイクロ波導入装置６と、制御部７とを備えている。このように構成されたプラズマ窒化処理装置１では、６００℃以下（例えば、室温（２５℃程度）〜６００℃の範囲内）の低温で、下地膜や基板（ウエハＷ）等への損傷が少ないプラズマ処理を行うことができる。また、プラズマ窒化処理装置１は、プラズマの均一性に優れていることから、大口径のウエハＷ（被処理体）に対してもプロセスの均一性を実現することができる。
【００７０】
次に、図７を参照して、本実施の形態に係る半導体装置の製造方法を説明しながら、ＲＬＳＡ方式のプラズマ窒化処理装置１を用いたプラズマ窒化処理の手順について説明する。図７は、本実施の形態に係る半導体装置の製造方法を示すフローチャートである。
【００７１】
本実施の形態に係る半導体装置の製造方法は、金属を含有する第１の部分と、シリコンを含有する第２の部分とを含む構造体を備えた半導体装置を製造する方法である。ここでは、図２に示した構造体１００を備えた半導体装置を製造する場合を例にとって説明する。構造体１００は、金属としてタングステンを含有する第１の部分１００Ａと、シリコンを含有する第２の部分１００Ｂとを含んでいる。また、構造体１００は、シリコン基板１０１と２つの積層体１０２とを有している。積層体１０２は、ゲート絶縁層１０３、第１の電極層１０４、バリア層１０５および第２の電極層１０６を有している。第１の部分１００Ａは、バリア層１０５および第２の電極層１０６を含んでいる。第２の部分１００Ｂは、シリコン基板１０１、ゲート絶縁層１０３および第１の電極層１０４を含んでいる。
【００７２】
図７に示したように、本実施の形態に係る半導体装置の製造方法は、初期積層膜を形成する工程（Ｓ１１）と、構造体を形成する工程（Ｓ１２）と、ウエハを処理容器内に搬送する工程（Ｓ１３）と、処理容器内に窒素含有ガスを供給する工程（Ｓ１４）と、処理容器内の圧力を所定の圧力に設定する工程（Ｓ１５）と、処理容器内に窒素含有プラズマを生成する工程（Ｓ１６）と、窒素含有プラズマによって選択的に窒化物膜を形成するプラズマ窒化処理工程（Ｓ１７）と、ウエハを処理容器から搬出する工程（Ｓ１８）とを備えている。
【００７３】
初期積層膜を形成する工程（Ｓ１１）では、ウエハＷ（シリコン基板１０１）上に、後に第１および第２の部分１００Ａ，１００Ｂの少なくとも一部となる初期積層膜を形成する。図２に示した例では、初期積層膜は、後にゲート絶縁層１０３となるシリコン酸窒化物（ＳｉＯＮ）よりなる層と、後に第１の電極層１０４となるポリシリコンよりなる層と、後にバリア層１０５となる窒化タングステンよりなる層と、後に第２の電極層１０６となるタングステンよりなる層とを含んでいる。
【００７４】
構造体１００を形成する工程（Ｓ１２）では、上記の初期積層膜をエッチングして、第１の部分１００Ａの表面である第１の表面部１００Ａａと第２の部分１００Ｂの表面である第２の表面部１００Ｂａが露出するように構造体１００を形成する。構造体１００は、例えば、フォトリソグラフィー、ドライエッチング等を用いて、初期積層膜をエッチングすることによって形成される。
【００７５】
ウエハＷを処理容器２内に搬送する工程（Ｓ１３）では、上記の構造体１００が形成されたウエハＷを処理容器２内に搬送する。具体的には、まず、ゲートバルブＧ（図４参照）を開状態にする。次に、構造体１００が形成されたウエハＷを、図示しない搬送装置によって、搬入出口１２ａから処理容器２内に搬入し、載置台２１の上面（ウエハ載置面）に載置する。次に、ゲートバルブＧを閉状態にする。
【００７６】
処理容器内に窒素含有ガスを供給する工程（Ｓ１４）は、図１に示した第１のステップＳ１に対応する。処理容器内の圧力を所定の圧力に設定する工程（Ｓ１５）は、図１に示した第２のステップＳ２に対応する。処理容器内に窒素含有プラズマを生成する工程（Ｓ１６）は、図１に示した第３のステップに対応する。窒素含有プラズマによって選択的に窒化物膜を形成する工程（Ｓ１７）は、図１に示した第４のステップＳ４に対応する。以下、これらの工程について説明する。
【００７７】
処理容器内に窒素含有ガスを供給する工程（Ｓ１４）では、排気装置５によって処理容器２内を減圧排気しながら、ガス供給部４の不活性ガス供給源４１Ａおよび窒素含有ガス供給源４１Ｂから、不活性ガスおよび窒素含有ガスを所定の流量でそれぞれガス導入部１５を介して処理容器２内に導入する。処理容器内の圧力を所定の圧力に設定する工程（Ｓ１５）では、不活性ガスおよび窒素含有ガスを導入しながら、排気装置５によって、処理容器２内の圧力が所定の圧力になるように制御する。図１に示した第２のステップＳ２と同様に、処理容器２内の圧力は、１３３Ｐａ以上１３３３Ｐａ以下の範囲内であることが好ましく、２６７Ｐａ以上１３３３Ｐａ以下の範囲内であることがより好ましい。
【００７８】
処理容器内に窒素含有プラズマを生成する工程（Ｓ１６）では、以下のようにして、処理容器２内に窒素含有プラズマを生成する。この工程では、マイクロ波発生装置６８において発生させた所定の周波数（例えば、２．４５ＧＨｚ）のマイクロ波を、マッチング回路６７を介して導波管６５に導く。導波管６５に導かれたマイクロ波は、矩形導波管６５Ｂ、モード変換器６６および同軸導波管６５Ａを順次通過し、内導体６５Ａ１を介して平面アンテナ６２に供給される。マイクロ波は、矩形導波管６５Ｂ内ではＴＥモードで伝搬し、このＴＥモードのマイクロ波はモード変換器６６でＴＥＭモードに変換されて、同軸導波管６５Ａ内を平面アンテナ６２に向けて伝搬されていく。そして、マイクロ波は、平面アンテナ６２を貫通するように形成されたスロット状のマイクロ波放射孔６２ａから、透過板６１を介して、処理容器２内におけるウエハＷの上方空間に放射される。
【００７９】
上記のように処理容器２内に放射されたマイクロ波により、処理容器２内で電磁界が形成され、不活性ガスおよび窒素含有ガス等の処理ガスをプラズマ化する。このようにして、窒素含有プラズマを生成する。
【００８０】
窒素含有プラズマによって選択的に窒化物膜を形成する工程（Ｓ１７）では、上記のように生成された窒素含有プラズマによって、第２の表面部１００Ｂａを窒化させずに、第１の表面部１００Ａａを選択的に窒化して、第１の表面部１００Ａａに窒化物膜を形成する。図２に示した例では、第１の部分１００Ａがタングステンを含有しているため、第１の表面部１００Ａａには、窒化タングステン膜が形成される。この工程では、第２の表面部１００Ｂａには、窒化物膜がほとんど形成されない。
【００８１】
なお、本実施の形態に係るプラズマ窒化処理（プラズマ窒化処理工程）は、上記のプラズマ処理条件以外の条件には、ほとんど影響されない。従って、プラズマ処理条件としては、上記以外に、例えば、処理ガスの種類および流量比率、マイクロ波パワー、処理温度等も重要であるが、これらの条件としては、一般的な条件を採用することができる。
【００８２】
ここで、他のプラズマ処理条件の一例について説明する。処理ガスとしては、希ガスとしてＡｒガスが使用され、窒素含有ガスとしてＮ２ガスが使用される。全処理ガス中に含まれるＮ２ガスの流量比率（体積比率）は、例えば、１０％〜７０％の範囲内である。マイクロ波のパワー密度は、例えば、０．２５５Ｗ／ｃｍ２〜２．５５Ｗ／ｃｍ２の範囲内である。なお、マイクロ波のパワー密度とは、透過板６１の面積１ｃｍ２あたりのマイクロ波パワーを意味する。載置台２１の温度は、例えば、室温（２５℃程度）〜６００℃の範囲内である。処理時間は、他のプラズマ処理条件にも依存するが、例えば、１０秒〜１８０秒の範囲内である。マイクロ波励起プラズマは、マイクロ波が平面アンテナ６２の多数のマイクロ波放射孔６２ａから放射されることにより、略１×１０１０〜５×１０１２／ｃｍ３の高密度で、且つウエハＷ近傍では、略１．２ｅＶ以下の低電子温度プラズマとなる。
【００８３】
以上の処理条件は、制御部７の記憶部７３にレシピとして保存しておくことができる。そして、プロセスコントローラ７１がそのレシピを読み出してプラズマ窒化処理装置１の各構成部（例えば、ガス供給部４、排気装置５、マイクロ波発生装置６８、ヒータ電源２５等）に対して制御信号を送出することにより、所望の条件によるプラズマ窒化処理が実現する。
【００８４】
ウエハを処理容器から搬出する工程（Ｓ１８）では、第１の表面部１００Ａａを選択的に窒化して窒化物膜を形成した後に、ウエハＷを処理容器２から搬出する。具体的には、まず、ゲートバルブＧを開状態にする。次に、載置台２１の上面（ウエハ載置面）に載置されたウエハＷを、図示しない搬送装置によって、搬入出口１２ａを通して処理容器２から搬出する。次に、ゲートバルブＧを閉状態にする。
【００８５】
なお、本実施の形態に係る半導体装置の製造方法は、更に、ウエハを処理容器から搬出する工程（Ｓ１８）の後に、構造体１００を覆うように絶縁層１０８（図３参照）を形成する工程を備えていてもよい。この工程では、まず、上記のように窒化物膜（窒化タングステン膜）が形成されたウエハＷを、絶縁層１０８を形成する処理が行われる他の装置（例えば、ＣＶＤ装置）の処理容器内に搬入する。次に、構造体１００を覆うように、例えばＣＶＤ法によって、シリコン酸化物よりなる絶縁層１０８を形成する。
【００８６】
また、本実施の形態に係る半導体装置の製造方法は、更に、絶縁層１０８を形成した後に、構造体１００全体にアニール処理を施す工程を備えていてもよい。また、本実施の形態に係る半導体装置の製造方法は、更に、プラズマ窒化処理工程（Ｓ１７）と絶縁層１０８を形成する工程との間において、例えばゲート絶縁層１０３の損傷や欠陥を修復する目的で、熱酸化法等によって酸化処理を施す工程を備えていてもよい。
【００８７】
以上説明したように、本実施の形態に係るプラズマ窒化処理方法、プラズマ窒化処理装置１および半導体装置の製造方法では、処理容器２内に窒素含有ガスを供給し、処理容器２内の圧力を１３３Ｐａ以上１３３３Ｐａ以下の範囲内に設定して、処理容器２内に窒素含有プラズマを生成し、該窒素含有プラズマによって、第２の表面部１００Ｂａを窒化させずに、第１の表面部１００Ａａを選択的に窒化して、第１の表面部１００Ａａに窒化タングステン膜を形成する。本実施の形態では、後で説明する実験の結果から明らかなように、シリコンを含有する第２の部分１００Ｂの表面である第２の表面部１００Ｂａには、窒化物膜がほとんど形成されない。これにより、本実施の形態によれば、第１の部分１００Ａの表面である第１の表面部１００Ａａのみを覆う窒化物膜（窒化タングステン膜１０７）を形成することができる。
【００８８】
また、本実施の形態よれば、上述のように、第２の表面部１００Ｂａに窒化物膜がほとんど形成されないことから、シリコン基板１０１と積層体１０２の第１および第２の電極層１０４，１０６との間でリークが発生することを防止することができる。また、本実施の形態よれば、積層体１０２のゲート絶縁層１０３を構成するシリコン酸窒化物の窒素濃度が変化して、ゲート絶縁層１０３の閾値電圧が変動することを防止することができる。
【００８９】
また、本実施の形態では、窒化タングステン膜１０７は、第１の部分１００Ａの酸化防止膜として機能する。従って、本実施の形態によれば、窒化タングステン膜１０７を形成した後に、例えばＣＶＤ法によって、構造体１００を覆うように、シリコン酸化物よりなる絶縁層１０８が形成される場合であっても、第１の部分１００Ａが酸化されることを防止することが可能になる。同様に、本実施の形態によれば、絶縁層１０８を形成した後に、構造体１００全体にアニール処理を施す場合や、プラズマ窒化処理工程と絶縁層１０８を形成する工程との間において、例えばゲート絶縁層１０３の損傷や欠陥を修復する目的で、熱酸化法等によって酸化処理を施す場合であっても、第１の部分１００Ａが酸化されることを防止することが可能になる。
【００９０】
次に、シリコンを含有する第２の部分１００Ｂの表面である第２の表面部１００Ｂａに窒化物膜がほとんど形成されないことを示す実験の結果について詳しく説明する。始めに、この実験の内容について説明する。実験では、以下の第１ないし第３の試料を用いた。第１の試料は、シリコンよりなるシリコン基板である。なお、シリコン基板の表面には、ケミカル酸化物膜が形成されている。第２の試料は、シリコン基板の表面を高温で熱酸化することにより、シリコン酸化物膜を形成したものである。第２の試料におけるシリコン酸化物膜の厚みは６ｎｍである。第３の試料は、シリコン基板の表面にタングステン膜を形成したものである。第３の試料におけるタングステン膜の厚みは５０ｎｍである。
【００９１】
第１の試料は、シリコン基板に窒化物膜が形成されるか否かを調べるためのものであり、本実施の形態におけるシリコン基板１０１に対応する。第２の試料は、シリコン酸化物膜に窒化物膜が形成されるか否かを調べるためのものであり、シリコン酸窒化物ではないが、本実施の形態におけるゲート絶縁層１０３に対応する。第３の試料は、タングステン膜に窒化物膜が形成されるか否かを調べるためのものであり、本実施の形態における第２の電極層１０６に対応する。
【００９２】
実験では、プラズマ窒化処理装置１によって、第１ないし第３の試料に対してプラズマ窒化処理を施した。実験におけるプラズマ処理条件は、以下の通りである。処理ガスとしては、希ガスとしてＡｒガスを使用し、窒素含有ガスとしてＮ２ガスを使用した。Ａｒガスの流量は１０００ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）とし、Ｎ２ガスの流量は２００ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）とした。マイクロ波のパワー密度は０．７７Ｗ／ｃｍ２とした。載置台２１の温度は５００℃とした。処理時間は９０秒とした。実験では、処理容器２内の圧力を６．６〜１０００Ｐａの範囲内で変化させた。
【００９３】
また、実験では、窒化物膜が形成されるか否かの指標として、単位面積当たりの窒素注入量を示す窒素ドーズ量を用いた。窒素ドーズ量の測定には、Ｘ線電子分光（X-ray Photoelectron Spectroscopy；ＸＰＳ）を用いた。
【００９４】
次に、図８および図９を参照して、実験の結果について説明する。図８は、処理容器２内の圧力と窒素ドーズ量の関係を示す特性図である。図９は、処理容器２内の圧力と窒素ドーズ量比の関係を示す特性図である。なお、窒素ドーズ量比とは、２つの試料の窒素ドーズ量の比である。図８において、横軸は処理容器２内の圧力を示し、縦軸は窒素ドーズ量を示している。また、図８において、三角印、丸印、四角印は、それぞれ、第１の試料（シリコン基板）、第２の試料（シリコン酸化物膜）、第３の試料（タングステン膜）の窒素ドーズ量を示している。図９において、横軸は処理容器２内の圧力を示し、縦軸は窒素ドーズ量比を示している。また、図９において、三角印、丸印、四角印は、それぞれ、第１の試料の窒素ドーズ量に対する第３の試料の窒素ドーズ量の比、第２の試料の窒素ドーズ量に対する第１の試料の窒素ドーズ量の比、第２の試料の窒素ドーズ量に対する第３の試料の窒素ドーズ量の比を示している。
【００９５】
図８から、第１および第２の試料（シリコン基板およびシリコン酸化物膜）では、圧力を大きくすると窒素ドーズ量が減少するのに対し、第３の試料（タングステン膜）では、圧力を大きくしても窒素ドーズ量はあまり変化しないことが分かる。特に、圧力が１３３Ｐａ以上になると、第１および第２の試料の窒素ドーズ量が著しく減少する。この実験結果は、圧力が１３３Ｐａ以上になると、第３の試料に比べて、第１および第２の試料には窒化物膜がほとんど形成されないことを示している。すなわち、この実験結果は、本実施の形態において、処理容器２内の圧力が１３３Ｐａ以上になると、シリコンを含有する第２の部分１００Ｂの表面である第２の表面部１００Ｂａには窒化物膜がほとんど形成されないことを示すと共に、タングステンを含有する第１の部分１００Ａの表面である第１の表面部１００Ａａに、選択的に窒化タングステン膜１０７が形成されることを示している。
【００９６】
なお、実験では、処理容器２内の圧力の上限を１０００Ｐａとしたが、図８から理解されるように、１０００Ｐａ以上であっても、第１および第２の試料には窒化物膜がほとんど形成されずに、第３の試料に選択的に窒化物膜が形成されるという傾向を示すものと考えられる。ただし、処理容器２内の圧力は、プラズマ窒化処理装置１の一般的な圧力の上限である１３３３Ｐａ以下であることが好ましい。
【００９７】
なお、図９に示したように、圧力が２６７Ｐａ以上になると、第１の試料（シリコン基板）の窒素ドーズ量に対する第３の試料（タングステン膜）の窒素ドーズ量の比と、第２の試料（シリコン酸化物膜）の窒素ドーズ量に対する第３の試料の窒素ドーズ量の比が、いずれも３以上になり、十分に大きくなると言える。従って、処理容器２内の圧力を２６７Ｐａ以上１３３３Ｐａ以下の範囲内にすることがより好ましい。
【００９８】
また、図８に示したように、圧力が２６７Ｐａ以上になると、第２の試料（シリコン酸化物膜）の窒素ドーズ量はほとんど０になり、第１の試料（シリコン基板）の窒素ドーズ量に比べて小さくなる。従って、本実施の形態によれば、処理容器２内の圧力を２６７Ｐａ以上にすると共に、プラズマ窒化処理を継続することによって、シリコン酸化物またはシリコン酸窒化物よりなる任意の層の表面に窒化物膜が形成されることを防止しながら、第１の部分１００Ａとシリコン基板１０１の表面を覆う窒化物膜を形成することもできる。
【００９９】
次に、第１および第２の比較例と比較しながら、本実施の形態の効果について更に詳しく説明する。始めに、図１０を参照して、第１の比較例について説明する。図１０は、第１の比較例における構造体１００を示す断面図である。第１の比較例では、本実施の形態に係るプラズマ窒化処理を行わずに、ＣＶＤ法によって、構造体１００を覆うように、シリコン酸化物よりなる絶縁層１０８を形成している。図１０において、符号１０９は、絶縁層１０８を形成する際に、タングステンよりなる第２の電極層１０６が酸化することによって形成された酸化タングステン膜を示している。このように酸化タングステン膜が形成されると、ゲート電極としての所望の電気特性を得られなくなるおそれがある。また、図示しないが、このように形成された酸化タングステンが第２の電極層１０６の表面から飛散し、酸化タングステンと絶縁層１０８との界面にボイド等の空間が形成されて、その結果、ゲート電極としての電圧特性が変化して、所望の電気特性を得られないおそれがある。
【０１００】
これに対し、本実施の形態では、前述のように、第２の電極層１０６を含む構造体１００の第１の部分１００Ａの表面である第１の表面部１００Ａａには、酸化防止膜として機能する窒化タングステン膜１０７が形成されているため、第２の電極層１０６が酸化することによって、ゲート電極としての特性が変化することを防止することができる。
【０１０１】
次に、図１１を参照して、第２の比較例について説明する。図１１は、第２の比較例における構造体１００を示す断面図である。第２の比較例では、第１の表面部１００Ａａと第２の表面部１００Ｂａの両方に窒化膜が形成される条件（例えば、処理容器２内の圧力が１３３Ｐａ以下）にして、プラズマ窒化処理を行っている。この場合、シリコンを含有する第２の部分１００Ｂの表面である第２の表面部１００Ｂａにも窒化物膜が形成される。図１１において、符号１１０は窒化物膜を示している。窒化物膜１１０は、第１の表面部１００Ａａに形成された部分１１０Ａと、第２の表面部１００Ｂａに形成された部分１１０Ｂとを含んでいる。部分１１０Ａは窒化タングステン膜よりなり、部分１１０Ｂはシリコン窒化物よりなる。
【０１０２】
第２の比較例では、窒化物膜１１０が、シリコン基板１０１と積層体１０２の表面に沿って連続的に形成されていることから、シリコン基板１０１と積層体１０２の第１および第２の電極層１０４，１０６との間でリークが発生するおそれがある。また、積層体１０２のゲート絶縁層１０３の表面１０３ａにも窒化物膜１１０（部分１１０Ｂ）が形成されていることから、ゲート絶縁層１０３を構成するシリコン酸窒化物の窒素濃度が変化して、ゲート絶縁層１０３の閾値電圧が変動するおそれがある。また、シリコン基板１０１の表面１０１ａに形成される窒化物膜１１０の部分１１０Ｂを除去するための工程が必要になる場合がある。
【０１０３】
これに対し、本実施の形態では、前述のように、第２の表面部１００Ｂａにはほとんど窒化物膜が形成されないため、上記の問題は生じない。
【０１０４】
なお、本発明は、上記実施の形態に限定されず、種々の変更が可能である。例えば、実施の形態では、ＲＬＳＡ方式のプラズマ窒化処理装置１を使用したが、他の方式のプラズマ処理装置を用いてもよく、例えば電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ）プラズマ、マグネトロンプラズマ、表面波プラズマ（ＳＷＰ）等の方式のプラズマ処理装置を利用してもよい。
【０１０５】
また、実施の形態では、構造体１００の積層体１０２として、ＤＲＡＭに用いられるゲート電極について説明したが、積層体１０２は、半導体装置においてタングステンを含み同様の構造を有する他の構造体であってもよい。
【符号の説明】
【０１０６】
１…プラズマ窒化処理装置、２…処理容器、３…排気室、４…ガス供給部、５…排気装置、６…マイクロ波導入装置、７…制御部、１３…排気管、１５…ガス導入部、２１…載置台、２４…ヒータ、２５…ヒータ電源、２６…熱電対、６１…透過板、６２…平面アンテナ、６２ａ…マイクロ波放射孔、６３…遅波材、６４…カバー部材、６５…導波管、６６…モード変換器、６７…マッチング回路、６８…マイクロ波発生装置、７１…プロセスコントローラ、７２…ユーザーインターフェース、７３…記憶部、１００…構造体、１００Ａ…第１の部分、１００Ｂ…第２の部分、１００Ａａ…第１の表面部、１００Ｂａ…第２の表面部、１０１…シリコン基板、１０２…積層体、１０３…ゲート絶縁層、１０４…第１の電極層、１０５…バリア層、１０６…第２の電極層、１０７…窒化タングステン膜、１０８…絶縁層、Ｗ…ウエハ。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属を含有する第１の部分と、シリコンを含有する第２の部分とを含み、前記第１および第２の部分の表面が露出するように形成された構造体である被処理体を処理容器内に配置して、前記被処理体に対してプラズマ処理を施すことによって、前記第１の部分の表面を選択的に窒化して、前記第１の部分の表面に選択的に金属窒化物膜を形成するプラズマ窒化処理方法であって、
前記第１の部分は、タングステンを含有し、
前記処理容器内に窒素含有ガスを供給し、前記処理容器内の圧力を１３３Ｐａ以上１３３３Ｐａ以下の範囲内に設定して、前記処理容器内に窒素含有プラズマを生成し、該窒素含有プラズマによって、前記第２の部分の表面を窒化させずに、前記第１の部分の表面を選択的に窒化して、前記第１の部分の表面に窒化タングステン膜を形成することを特徴とするプラズマ窒化処理方法。
【請求項２】
前記処理容器内の圧力を２６７Ｐａ以上１３３３Ｐａ以下の範囲内に設定することを特徴とする請求項１に記載のプラズマ窒化処理方法。
【請求項３】
前記第２の部分は、シリコンよりなるシリコン基板を含み、
前記第１の部分は、前記シリコン基板の上面の一部の上に配置されていることを特徴とする請求項１または２に記載のプラズマ窒化方法。
【請求項４】
前記構造体は、シリコンよりなるシリコン基板と、前記シリコン基板の上面の一部の上に配置された積層体とを備え、
前記積層体は、シリコン酸窒化物よりなる絶縁層と、前記絶縁層の上に積層されたポリシリコンよりなる第１の電極層と、前記第１の電極層の上に積層された窒化タングステンよりなるバリア層と、前記バリア層の上に積層されたタングステンよりなる第２の電極層とを有し、
前記第１の部分は、前記バリア層および前記第２の電極層を含み、
前記第２の部分は、前記シリコン基板、前記絶縁層および前記第１の電極層を含むことを特徴とする請求項１または２に記載のプラズマ窒化処理方法。
【請求項５】
前記窒素含有プラズマは、前記処理容器内に供給された窒素含有ガスを、複数のスロットを有する平面アンテナから前記処理容器内に導入されたマイクロ波によってプラズマ化したマイクロ波励起プラズマであることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載のプラズマ窒化処理方法。
【請求項６】
金属を含有する第１の部分と、シリコンを含有する第２の部分とを含み、前記第１および第２の部分の表面が露出するように形成された構造体である被処理体に対してプラズマ処理を施すことによって、前記第１の部分の表面を選択的に窒化して、前記第１の部分の表面に選択的に金属窒化物膜を形成するプラズマ窒化処理装置であって、
前記第１の部分は、タングステンを含有し、
前記被処理体を搬入して所定の処理が行われる処理容器と、
前記処理容器内に処理ガスである窒素含有ガスを供給するガス供給手段と、
前記処理容器内を減圧排気する排気装置と、
前記処理容器内にプラズマを生成するプラズマ生成手段と、
前記ガス供給手段によって前記処理容器内に窒素含有ガスを供給し、前記排気装置によって前記処理容器内の圧力を１３３Ｐａ以上１３３３Ｐａ以下の範囲内に設定して、前記プラズマ生成手段によって前記処理容器内に窒素含有プラズマを生成し、該窒素含有プラズマによって、前記第２の部分の表面を窒化させずに、前記第１の部分の表面を選択的に窒化して、前記第１の部分の表面に窒化タングステン膜を形成するように制御する制御部と
を備えたことを特徴とするプラズマ窒化処理装置。
【請求項７】
金属を含有する第１の部分と、シリコンを含有する第２の部分とを含む構造体を備えた半導体装置を製造する方法であって、
前記第１の部分は、タングステンを含有し、
半導体基板上に、後に前記第１および第２の部分の少なくとも一部となる初期積層膜を形成する工程と、
前記初期積層膜をエッチングして、前記第１および第２の部分の表面が露出するように前記構造体を形成する工程と、
前記構造体が形成された前記半導体基板を処理容器内に搬送する工程と、
前記処理容器内に窒素含有ガスを供給する工程と、
前記処理容器内の圧力を１３３Ｐａ以上１３３３Ｐａ以下の範囲内に設定する工程と、
前記処理容器内に窒素含有プラズマを生成する工程と、
前記窒素含有プラズマによって、前記第２の部分の表面を窒化させずに、前記第１の部分の表面を選択的に窒化して、前記第１の部分の表面に窒化タングステン膜を形成するプラズマ窒化処理工程と
を備えたことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項８】
更に、前記プラズマ窒化処理工程の後に、前記構造体を覆うように、シリコン酸化物よりなる絶縁層を形成する工程を備えたことを特徴とする請求項７に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１】
金属を含有する第１の部分と、シリコンを含有する第２の部分とを含み、前記第１および第２の部分の表面が露出するように形成された構造体である被処理体を処理容器内に配置して、前記被処理体に対してプラズマ処理を施すことによって、前記第１の部分の表面を選択的に窒化して、前記第１の部分の表面に選択的に金属窒化物膜を形成するプラズマ窒化処理方法であって、
前記第１の部分は、タングステンを含有し、
前記処理容器内に窒素含有ガスを供給し、前記処理容器内の圧力を１３３Ｐａ以上１３３３Ｐａ以下の範囲内に設定して、前記処理容器内に窒素含有プラズマを生成し、該窒素含有プラズマによって、前記第２の部分の表面を窒化させずに、前記第１の部分の表面を選択的に窒化して、前記第１の部分の表面に窒化タングステン膜を形成することを特徴とするプラズマ窒化処理方法。
【請求項２】
前記処理容器内の圧力を２６７Ｐａ以上１３３３Ｐａ以下の範囲内に設定することを特徴とする請求項１に記載のプラズマ窒化処理方法。
【請求項３】
前記第２の部分は、シリコンよりなるシリコン基板を含み、
前記第１の部分は、前記シリコン基板の上面の一部の上に配置されていることを特徴とする請求項１または２に記載のプラズマ窒化方法。
【請求項４】
前記構造体は、シリコンよりなるシリコン基板と、前記シリコン基板の上面の一部の上に配置された積層体とを備え、
前記積層体は、シリコン酸窒化物よりなる絶縁層と、前記絶縁層の上に積層されたポリシリコンよりなる第１の電極層と、前記第１の電極層の上に積層された窒化タングステンよりなるバリア層と、前記バリア層の上に積層されたタングステンよりなる第２の電極層とを有し、
前記第１の部分は、前記バリア層および前記第２の電極層を含み、
前記第２の部分は、前記シリコン基板、前記絶縁層および前記第１の電極層を含むことを特徴とする請求項１または２に記載のプラズマ窒化処理方法。
【請求項５】
前記窒素含有プラズマは、前記処理容器内に供給された窒素含有ガスを、複数のスロットを有する平面アンテナから前記処理容器内に導入されたマイクロ波によってプラズマ化したマイクロ波励起プラズマであることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載のプラズマ窒化処理方法。
【請求項６】
金属を含有する第１の部分と、シリコンを含有する第２の部分とを含み、前記第１および第２の部分の表面が露出するように形成された構造体である被処理体に対してプラズマ処理を施すことによって、前記第１の部分の表面を選択的に窒化して、前記第１の部分の表面に選択的に金属窒化物膜を形成するプラズマ窒化処理装置であって、
前記第１の部分は、タングステンを含有し、
前記被処理体を搬入して所定の処理が行われる処理容器と、
前記処理容器内に処理ガスである窒素含有ガスを供給するガス供給手段と、
前記処理容器内を減圧排気する排気装置と、
前記処理容器内にプラズマを生成するプラズマ生成手段と、
前記ガス供給手段によって前記処理容器内に窒素含有ガスを供給し、前記排気装置によって前記処理容器内の圧力を１３３Ｐａ以上１３３３Ｐａ以下の範囲内に設定して、前記プラズマ生成手段によって前記処理容器内に窒素含有プラズマを生成し、該窒素含有プラズマによって、前記第２の部分の表面を窒化させずに、前記第１の部分の表面を選択的に窒化して、前記第１の部分の表面に窒化タングステン膜を形成するように制御する制御部と
を備えたことを特徴とするプラズマ窒化処理装置。
【請求項７】
金属を含有する第１の部分と、シリコンを含有する第２の部分とを含む構造体を備えた半導体装置を製造する方法であって、
前記第１の部分は、タングステンを含有し、
半導体基板上に、後に前記第１および第２の部分の少なくとも一部となる初期積層膜を形成する工程と、
前記初期積層膜をエッチングして、前記第１および第２の部分の表面が露出するように前記構造体を形成する工程と、
前記構造体が形成された前記半導体基板を処理容器内に搬送する工程と、
前記処理容器内に窒素含有ガスを供給する工程と、
前記処理容器内の圧力を１３３Ｐａ以上１３３３Ｐａ以下の範囲内に設定する工程と、
前記処理容器内に窒素含有プラズマを生成する工程と、
前記窒素含有プラズマによって、前記第２の部分の表面を窒化させずに、前記第１の部分の表面を選択的に窒化して、前記第１の部分の表面に窒化タングステン膜を形成するプラズマ窒化処理工程と
を備えたことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項８】
更に、前記プラズマ窒化処理工程の後に、前記構造体を覆うように、シリコン酸化物よりなる絶縁層を形成する工程を備えたことを特徴とする請求項７に記載の半導体装置の製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２０１２−２１６６３３（Ｐ２０１２−２１６６３３Ａ）
【公開日】平成２４年１１月８日（２０１２．１１．８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−８００７７（Ｐ２０１１−８００７７）
【出願日】平成２３年３月３１日（２０１１．３．３１）
【出願人】（０００２１９９６７）東京エレクトロン株式会社 (5,184)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１１月８日（２０１２．１１．８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年３月３１日（２０１１．３．３１）
【出願人】（０００２１９９６７）東京エレクトロン株式会社 (5,184)
【Ｆターム（参考）】
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