絶縁膜の改質方法
【課題】 プラズマ窒化処理によって形成した酸化窒化珪素膜からのN抜けによる膜中窒素濃度の低下を抑制し、被処理体間・ロット間での窒素濃度のばらつきを最小限にする。
【解決手段】 絶縁膜の改質方法は、被処理体の表面に露出した酸化珪素膜をプラズマ窒化処理し、酸化窒化珪素膜を形成する窒化処理工程と、前記酸化窒化珪素膜の表面を酸化処理する改質工程とを行い、窒化処理工程の終了から前記改質工程の開始までの間、真空雰囲気を維持する。また、プラズマ窒化処理は、窒化処理工程直後の酸化窒化珪素膜の膜中窒素濃度をNC0とし、改質工程後の酸化窒化珪素膜の膜中窒素濃度の目標値をNCTとしたとき、NC0>NCTとなるように行う。
【解決手段】 絶縁膜の改質方法は、被処理体の表面に露出した酸化珪素膜をプラズマ窒化処理し、酸化窒化珪素膜を形成する窒化処理工程と、前記酸化窒化珪素膜の表面を酸化処理する改質工程とを行い、窒化処理工程の終了から前記改質工程の開始までの間、真空雰囲気を維持する。また、プラズマ窒化処理は、窒化処理工程直後の酸化窒化珪素膜の膜中窒素濃度をNC0とし、改質工程後の酸化窒化珪素膜の膜中窒素濃度の目標値をNCTとしたとき、NC0>NCTとなるように行う。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、例えばMOS構造のデバイスの製造に利用可能な絶縁膜の改質方法に関する。
【背景技術】
【0002】
MOSFETに代表される半導体デバイスにおいて、いわゆるボロンの突き抜け現象を防止するため、ゲート絶縁膜として酸化窒化珪素(SiON)膜が使用されている。また、近年の半導体装置の微細化・高性能化の要請に伴い、ゲート絶縁膜の薄膜化が限界に近づいてきている。酸化珪素(SiO2)膜を薄膜化した場合、ダイレクトトンネリングによりリーク電流が指数関数的に増加し、消費電力が増大してしまう。そこで、リーク電流を低減する目的でも、ゲート絶縁膜として酸化窒化珪素膜が使用されている。
【0003】
酸化窒化珪素膜は、例えば熱酸化等の方法で形成されたSiO2膜に対して、窒素ガスのプラズマを作用させることにより形成できる。そして、このようにプラズマ窒化処理によって形成した酸化窒化珪素膜に対して、膜質の劣化を防止するため、さらに、熱アニール等の改質処理をすることも提案されている(特許文献1〜3)。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【特許文献1】特開2004−25377
【特許文献2】特開2006−156995
【特許文献3】国際公開WO2008/081724
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
SiO2膜をプラズマ窒化処理して形成される酸化窒化珪素膜は、窒化処理後時間の経過とともに窒素原子が膜中から外部へ放出される(いわゆる「N抜け現象」)。N抜け現象が生じると、同じ条件でプラズマ窒化処理を行っても、次工程までの待ち時間の相違によって、半導体ウエハ間・ロット間で酸化窒化珪素膜中の窒素濃度にばらつきが生じる結果となり、最終製品の品質管理が困難になる。例えば、酸化窒化珪素膜を、MOSFET等トランジスタのゲート絶縁膜として利用する場合、窒素濃度のばらつきによって、ボロンの突き抜けやリーク電流を抑制する効果が変動し、デバイスの信頼性の低下や歩留まりの低下につながるおそれがある。
【0006】
従って、本発明は、プラズマ窒化処理によって形成した酸化窒化珪素膜からのN抜けによる膜中窒素濃度の低下を抑制し、被処理体間・ロット間での窒素濃度のばらつきを最小限にして、膜中の窒素濃度を一定に安定させた酸化窒化珪素膜を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0007】
本発明の絶縁膜の改質方法は、被処理体の表面に露出した酸化珪素膜をプラズマ窒化処理し、酸化窒化珪素膜を形成する窒化処理工程と、前記酸化窒化珪素膜の表面を酸化処理する改質工程と、を備え、前記窒化処理工程の終了後、真空雰囲気を維持したまま、引き続き前記改質工程を開始する。
【0008】
本発明の絶縁膜の改質方法は、窒化処理工程直後の酸化窒化珪素膜の膜中窒素濃度をNC0とし、前記改質工程後の酸化窒化珪素膜の膜中窒素濃度の目標値をNCTとしたとき、NC0>NCTとなるように前記プラズマ窒化処理を行うことが好ましい。
【0009】
本発明の絶縁膜の改質方法において、前記改質工程は、複数の孔を有する平面アンテナにより処理容器内にマイクロ波を導入して処理ガスのプラズマを生成させるプラズマ処理装置によるプラズマ酸化処理を含むことが好ましい。この場合、一つの被処理体に対して、前記プラズマ窒化処理及び前記プラズマ酸化処理を、前記プラズマ処理装置の同一の処理容器内で連続して行うことが好ましい。この場合、前記プラズマ窒化処理の後、前記プラズマ酸化処理の前に、前記処理容器内に残留する窒素を真空引き又はパージ処理で除去することが好ましい。また、前記プラズマ酸化処理の後で、前記改質工程の一部として、酸化雰囲気において被処理体を800℃以上1100℃以下の範囲内の温度でアニール処理する工程をさらに含むことが好ましい。
【0010】
また、本発明の絶縁膜の改質方法は、前記プラズマ酸化処理の処理圧力が、67Pa以上1333Pa以下の範囲内であることが好ましい。
【0011】
また、本発明の絶縁膜の改質方法において、前記プラズマ酸化処理は、全処理ガスに対する酸素ガスの体積流量比率を0.1%以上20%以下の範囲内で行うことが好ましい。
【0012】
また、本発明の絶縁膜の改質方法は、前記プラズマ酸化処理の処理温度が、200℃以上600℃以下の範囲内であることが好ましい。
【0013】
また、本発明の絶縁膜の改質方法は、前記プラズマ酸化処理の処理時間が、1秒以上90秒以下の範囲内であることが好ましい。
【0014】
また、本発明の絶縁膜の改質方法は、前記窒化処理工程を、複数の孔を有する平面アンテナにより処理容器内にマイクロ波を導入して処理ガスのプラズマを生成させるプラズマ処理装置により行い、前記改質工程を、酸化雰囲気において被処理体を800℃以上1100℃以下の範囲内の温度でアニール処理するアニール装置により行うことが好ましい。この場合、前記アニール処理の処理時間が、10秒以上50秒以下の範囲内であることが好ましい。また、前記プラズマ処理装置から前記アニール装置への被処理体の移送を、真空状態で行うことが好ましい。
【0015】
また、本発明の絶縁膜の改質方法は、前記酸化窒化珪素膜が、MOS構造デバイスのゲート絶縁膜であることが好ましい。
【発明の効果】
【0016】
本発明によれば、プラズマ窒化処理後に真空雰囲気を維持したまま、引き続き改質工程を開始することによって、酸化窒化珪素膜の膜質を改善し、酸化窒化珪素膜の経時的な窒素濃度の減少(N抜け)を抑制できる。従って、本発明の絶縁膜の改質方法を、例えばMOSFETなどのMOS構造デバイスのゲート絶縁膜の改質に利用することによって、リーク電流の増加やボロンの突き抜けを効果的に抑制しながら、ウエハ間・ロット間でのゲート絶縁膜の窒素濃度のばらつきを抑制し、半導体装置の信頼性と歩留まりを改善できる。
【図面の簡単な説明】
【0017】
【図1】本発明の第1の実施の形態で使用可能なプラズマ処理装置の一例を示す概略断面図である。
【図2】平面アンテナの構造を示す図面である。
【図3】制御部の構成例を示す説明図である。
【図4】本発明の第1の実施の形態に係る絶縁膜の改質方法の手順の概略を示すフローチャートである。
【図5】第1の実施の形態におけるプラズマ窒化処理工程の説明図である。
【図6】第1の実施の形態におけるプラズマ酸化処理工程の説明図である。
【図7】第1の実施の形態における改質処理後の酸化窒化珪素膜の説明図である。
【図8】本発明の第2の実施の形態で使用可能なアニール処理装置の一例を示す概略断面図である。
【図9】本発明の第2の実施の形態で使用可能な基板処理システムの概略構成を示す平面図である。
【図10】本発明の第2の実施の形態に係る絶縁膜の改質方法の手順の概略を示すフローチャートである。
【図11】第2の実施の形態におけるプラズマ窒化処理工程の説明図である。
【図12】第2の実施の形態における酸化アニール工程の説明図である。
【図13】第2の実施の形態における改質処理後の酸化窒化珪素膜の説明図である。
【図14】本発明の第3の実施の形態に係る絶縁膜の改質方法の手順の概略を示すフローチャートである。
【図15】第3の実施の形態におけるプラズマ窒化処理工程の説明図である。
【図16】第3の実施の形態におけるプラズマ酸化処理工程の説明図である。
【図17】第3の実施の形態における酸化アニール工程の説明図である。
【図18】第3の実施の形態における改質処理後の酸化窒化珪素膜の説明図である
【図19】試験例1において、プラズマ窒化処理後のSiON膜中の窒素濃度と経過時間との関係を示すグラフである。
【図20】試験例1において、プラズマ窒化処理工程終了から1時間経過後のSiON膜中の窒素濃度の減少率と窒素濃度との関係を示すグラフである。
【図21】プラズマ窒化処理後16時間経過後のSiON膜のN濃度と、1時間経過後のSiON膜のN濃度の差分(縦軸)を、処理条件別に示したグラフである。
【図22】プラズマ酸化処理の前後におけるSiON膜中の窒素原子及び酸素原子のXPS分析のチャートを示す図面である。
【図23】プラズマ窒化処理直後のSiON膜の窒素濃度に対する100時間経過後の窒素濃度の減少率(縦軸)とアニール処理の条件との関係を示したグラフである。
【発明を実施するための形態】
【0018】
[第1の実施の形態]
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。本実施の形態の絶縁膜の改質方法は、酸化珪素膜に対して、プラズマ窒化処理を行い、酸化窒化珪素膜を形成する工程と、この酸化窒化珪素膜に対してプラズマ酸化処理を行う改質工程とを含むことができる。
【0019】
図1は、第1の実施の形態に係る絶縁膜の改質方法に用いるプラズマ処理装置100の概略構成を模式的に示す断面図である。図2は、図1のプラズマ処理装置100の平面アンテナを示す平面図である。図3は、図1のプラズマ処理装置100を制御する制御部の構成例を示す図面である。
【0020】
プラズマ処理装置100は、複数のスロット状の孔を有する平面アンテナ、特にRLSA(Radial Line Slot Antenna;ラジアルラインスロットアンテナ)にて処理容器内にマイクロ波を導入することにより、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得るRLSAマイクロ波プラズマ処理装置として構成されている。プラズマ処理装置100では、1×1010〜5×1012/cm3のプラズマ密度で、かつ0.7〜2eVの低電子温度を有するプラズマによる処理が可能である。従って、プラズマ処理装置100は、各種半導体装置の製造過程において、プラズマ窒化処理、プラズマ酸化処理を行う目的で好適に利用できる。
【0021】
プラズマ処理装置100は、主要な構成として、気密に構成された処理容器1と、処理容器1内にガスを供給するガス供給装置18と、処理容器1内を減圧排気するための、真空ポンプ24を備えた排気装置と、処理容器1の上部に設けられ、処理容器1内にマイクロ波を導入するマイクロ波導入機構27と、これらプラズマ処理装置100の各構成部を制御する制御部50と、を備えている。
【0022】
処理容器1は、接地された略円筒状の容器により形成されている。なお、処理容器1は角筒形状の容器により形成してもよい。処理容器1は、アルミニウム等の金属またはその合金からなる底壁1aと側壁1bとを有している。
【0023】
処理容器1の内部には、被処理体である半導体ウエハ(以下、単に「ウエハ」と記す)Wを水平に支持するための載置台2が設けられている。載置台2は、熱伝導性の高い材質例えばAlN等のセラミックスにより構成されている。この載置台2は、排気室11の底部中央から上方に延びる円筒状の支持部材3により支持されている。支持部材3は、例えばAlN等のセラミックスにより構成されている。
【0024】
また、載置台2には、その外縁部をカバーし、ウエハWをガイドするためのカバーリング4が設けられている。このカバーリング4は、例えば石英、AlN、Al2O3、SiN等の材質で構成された環状部材である。カバーリング4は、載置台2の表面と側面を覆うようにすることが好ましい。これにより、金属汚染など防止できる。
【0025】
また、載置台2には、温度調節機構としての抵抗加熱型のヒータ5が埋め込まれている。このヒータ5は、ヒータ電源5aから給電されることにより載置台2を加熱して、その熱で被処理基板であるウエハWを均一に加熱する。
【0026】
また、載置台2には、熱電対(TC)6が配備されている。この熱電対6によって載置台2の温度計測を行うことにより、ウエハWの加熱温度を例えば室温から900℃までの範囲で制御可能となっている。
【0027】
また、載置台2には、ウエハWを支持して昇降させるためのウエハ支持ピン(図示せず)が設けられている。各ウエハ支持ピンは、載置台2の表面に対して突没可能に設けられている。
【0028】
処理容器1の内周には、石英からなる円筒状のライナー7が設けられている。また、載置台2の外周側には、処理容器1内を均一排気するため、多数の排気孔8aを有する石英製のバッフルプレート8が環状に設けられている。このバッフルプレート8は、複数の支柱9により支持されている。
【0029】
処理容器1の底壁1aの略中央部には、円形の開口部10が形成されている。底壁1aにはこの開口部10と連通し、下方に向けて突出する排気室11が設けられている。この排気室11には、排気管12が接続されており、この排気管12を介して真空ポンプ24に接続されている。
【0030】
処理容器1の上部には、中央部が開口した環状の蓋部材13が配備されている。開口の内周は、内側(処理容器内空間)へ向けて突出し、環状の支持部13aを形成している。
【0031】
処理容器1の側壁1bには、環状をなすガス導入部15が設けられている。このガス導入部15は、窒素含有ガス、酸素含有ガスやプラズマ励起用ガスを供給するガス供給装置18に接続されている。なお、ガス導入部15はノズル状またはシャワー状に設けてもよい。
【0032】
また、処理容器1の側壁1bには、プラズマ処理装置100と、これに隣接する真空側搬送室103との間で、ウエハWの搬入出を行うための搬入出口16と、この搬入出口16を開閉するゲートバルブG1とが設けられている。
【0033】
ガス供給装置18は、ガス供給源(例えば、不活性ガス供給源19a、窒素含有ガス供給源19b、酸素含有ガス供給源19c)と、配管(例えば、ガスライン20a、20b、20c)と、流量制御装置(例えば、マスフローコントローラ21a、21b、21c)と、バルブ(例えば、開閉バルブ22a,22b、22c)とを有している。なお、ガス供給装置18は、上記以外の図示しないガス供給源として、例えば処理容器1内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。
【0034】
不活性ガスとしては、例えばN2ガスや希ガスなどを用いることができる。希ガスとしては、例えばArガス、Krガス、Xeガス、Heガスなどを用いることができる。これらの中でも、経済性に優れている点でArガスを用いることが特に好ましい。プラズマ窒化処理に用いる窒素含有ガスとしては、例えばN2、NO、NO2、NH3等を用いることができる。また、プラズマ酸化処理に用いる酸素含有ガスとしては、例えば酸素ガス(O2)、水蒸気(H2O)、一酸化窒素(NO)、一酸化二窒素(N2O)などを用いることができる。
【0035】
不活性ガス、窒素含有ガスおよび酸素含有ガスは、ガス供給装置18の不活性ガス供給源19a、窒素含有ガス供給源19bおよび酸素含有ガス供給源19cから、それぞれガスライン20a、20b、20cを介してガス導入部15に至り、ガス導入部15から処理容器1内に導入される。各ガス供給源に接続する各々のガスライン20a、20b、20cには、マスフローコントローラ21a、21b、21cおよびその前後の1組の開閉バルブ22a,22b、22cが設けられている。このようなガス供給装置18の構成により、供給されるガスの切替えや流量等の制御が出来るようになっている。
【0036】
排気装置は、真空ポンプ24を備えている。真空ポンプ24は、例えばターボ分子ポンプなどの高速真空ポンプなどにより構成される。真空ポンプ24は、排気管12を介して処理容器1の排気室11に接続されている。処理容器1内のガスは、排気室11の空間11a内へ均一に流れ、さらに空間11aから真空ポンプ24を作動させることにより、排気管12を介して外部へ排気される。これにより、処理容器1内を所定の真空度、例えば0.133Paまで高速に減圧することが可能となっている。
【0037】
次に、マイクロ波導入機構27の構成について説明する。マイクロ波導入機構27は、主要な構成として、透過板28、平面アンテナ31、遅波材33、カバー部材34、導波管37、マッチング回路38およびマイクロ波発生装置39を備えている。
【0038】
マイクロ波を透過させる透過板28は、蓋部材13において内周側に張り出した支持部13a上に配備されている。透過板28は、誘電体、例えば石英やAl2O3、AlN等のセラミックスから構成されている。この透過板28と支持部13aとの間は、シール部材29を介して気密にシールされている。したがって、処理容器1内は気密に保持される。
【0039】
平面アンテナ31は、透過板28の上方において、載置台2と対向するように設けられている。平面アンテナ31は、円板状をなしている。なお、平面アンテナ31の形状は、円板状に限らず、例えば四角板状でもよい。この平面アンテナ31は、蓋部材13の上端に係止されている。
【0040】
平面アンテナ31は、例えば表面が金または銀メッキされた銅板またはアルミニウム板から構成されている。平面アンテナ31は、マイクロ波を放射する多数のスロット状のマイクロ波放射孔32を有している。マイクロ波放射孔32は、所定のパターンで平面アンテナ31を貫通して形成されている。
【0041】
個々のマイクロ波放射孔32は、例えば図2に示すように、細長い長方形状(スロット状)をなしている。そして、典型的には隣接するマイクロ波放射孔32が「T」字状に配置されている。また、このように所定の形状(例えばT字状)に組み合わせて配置されたマイクロ波放射孔32は、さらに全体として同心円状に配置されている。
【0042】
マイクロ波放射孔32の長さや配列間隔は、マイクロ波の波長(λg)に応じて決定される。例えば、マイクロ波放射孔32の間隔は、λg/4〜λgとなるように配置される。なお、図2においては、同心円状に形成された隣接するマイクロ波放射孔32どうしの間隔をΔrで示している。なお、マイクロ波放射孔32の形状は、円形状、円弧状等の他の形状であってもよい。さらに、マイクロ波放射孔32の配置形態は特に限定されず、同心円状のほか、例えば、螺旋状、放射状等に配置することもできる。
【0043】
平面アンテナ31の上面には、真空よりも大きい誘電率を有する遅波材33が設けられている。この遅波材33は、真空中ではマイクロ波の波長が長くなることから、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。遅波材33の材質としては、例えば石英、ポリテトラフルオロエチレン樹脂、ポリイミド樹脂などを用いることができる。
【0044】
なお、平面アンテナ31と透過板28との間、また、遅波材33と平面アンテナ31との間は、それぞれ接触させても離間させてもよいが、接触させることが好ましい。
【0045】
処理容器1の上部には、これら平面アンテナ31および遅波材33を覆うように、カバー部材34が設けられている。カバー部材34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。このカバー部材34と平面アンテナ31とで偏平導波路が形成されている。蓋部材13の上端とカバー部材34とは、シール部材35によりシールされている。また、カバー部材34の内部には、冷却水流路34aが形成されている。この冷却水流路34aに冷却水を通流させることにより、カバー部材34、遅波材33、平面アンテナ31および透過板28を冷却できるようになっている。なお、カバー部材34は接地されている。
【0046】
カバー部材34の上壁(天井部)の中央には、開口部36が形成されており、この開口部36には導波管37が接続されている。導波管37の他端側には、マッチング回路38を介してマイクロ波を発生するマイクロ波発生装置39が接続されている。
【0047】
導波管37は、上記カバー部材34の開口部36から上方へ延出する断面円形状の同軸導波管37aと、この同軸導波管37aの上端部にモード変換器40を介して接続された水平方向に延びる矩形導波管37bとを有している。モード変換器40は、矩形導波管37b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。
【0048】
同軸導波管37aの中心には内導体41が延在している。この内導体41は、その下端部において平面アンテナ31の中心に接続固定されている。このような構造により、マイクロ波は、同軸導波管37aの内導体41を介してカバー部材34と平面アンテナ31とで形成される偏平導波路へ放射状に効率よく均一に伝播され、平面アンテナ31のマイクロ波放射孔(スロット)32より処理容器内に導入されて、プラズマが生成される。
【0049】
以上のような構成のマイクロ波導入機構27により、マイクロ波発生装置39で発生したマイクロ波が導波管37を介して平面アンテナ31へ伝搬され、さらに透過板28を介して処理容器1内に導入されるようになっている。なお、マイクロ波の周波数としては、例えば2.45GHzが好ましく用いられ、他に8.35GHz、1.98GHz等を用いることもできる。
【0050】
プラズマ処理装置100の各構成部は、制御部50に接続されて制御される構成となっている。制御部50は、コンピュータを有しており、例えば図3に示したように、CPUを備えたプロセスコントローラ51と、このプロセスコントローラ51に接続されたユーザーインターフェース52および記憶部53を備えている。プロセスコントローラ51は、プラズマ処理装置100において、例えば温度、圧力、ガス流量、マイクロ波出力などのプロセス条件に関係する各構成部(例えば、ヒータ電源5a、ガス供給装置18、真空ポンプ24、マイクロ波発生装置39など)を統括して制御する制御手段である。
【0051】
ユーザーインターフェース52は、工程管理者がプラズマ処理装置100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、プラズマ処理装置100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。また、記憶部53には、プラズマ処理装置100で実行される各種処理をプロセスコントローラ51の制御に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が保存されている。
【0052】
そして、必要に応じて、ユーザーインターフェース52からの指示等にて任意のレシピを記憶部53から呼び出してプロセスコントローラ51に実行させることで、プロセスコントローラ51の制御下、プラズマ処理装置100の処理容器1内で所望の処理が行われる。また、前記制御プログラムや処理条件データ等のレシピは、コンピュータ読み取り可能な記憶媒体、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などに格納された状態のものを利用したり、あるいは、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したりすることも可能である。
【0053】
このように構成されたプラズマ処理装置100では、600℃以下の低温で下地層等へのダメージフリーなプラズマ処理を行うことができる。また、プラズマ処理装置100は、プラズマの均一性に優れていることから、例えば300mm径以上の大型のウエハWに対してもウエハWの面内で処理の均一性を実現できる。
【0054】
次に、プラズマ処理装置100において行われる、絶縁膜の改質方法について図4〜図7を参照しながら説明する。図4は、絶縁膜としての酸化珪素膜の改質手順の流れを示すフロー図であり、図4〜図7は、その主要な工程を説明する工程図である。
【0055】
本実施の形態の絶縁膜の改質方法は、例えば図4に示したステップS1からステップS4の手順により実施される。まず、図4のステップS1では、処理対象のウエハWをプラズマ処理装置100に搬入する。
【0056】
ここで、ウエハWの表面付近には、シリコン層301と、その上に酸化珪素(SiO2)膜303とが形成されている。そして、ステップS2では、図5に示したように、プラズマ処理装置100を用いてウエハWの酸化珪素膜303に対してプラズマ窒化処理を行う。プラズマ窒化処理によって、酸化珪素膜303は窒化されて酸化窒化珪素(SiON)膜305に改質される。このプラズマ窒化処理では、後のプラズマ酸化処理工程(ステップS3)での窒素濃度の減少を見込んで、最終的な目標窒素濃度NCTよりも例えば、1〜3%程度高い窒素濃度NC0となるように窒化処理を行う。ステップS2のプラズマ窒化処理の条件は、窒素濃度NC0が実現できれば特に限定されるものではなく、任意の条件で行うことができる。
【0057】
次に、ステップS3では、図6に示したように、プラズマ処理装置100を用いて酸化窒化珪素膜305の表面をプラズマ酸化処理する。ステップS3のプラズマ酸化処理は、酸化窒化珪素膜305の酸化とN抜けを抑制する観点から、ステップS2のプラズマ窒化処理の終了後、引き続き処理容器1内で雰囲気を真空に維持したまま、プラズマ窒化処理の終了から180秒以内、好ましくは60秒以内に実施する。この工程では、酸化窒化珪素膜305の表層の例えば深さ方向に0.5〜1.0nm程度の範囲をプラズマ酸化し、酸素濃度の高い酸化窒化珪素膜305Bに改質する。これにより、図7に示したように、シリコン層301の上に、酸化窒化珪素膜305として、酸化窒化珪素膜305Aと、その上に改質された酸素リッチな酸化窒化珪素膜305Bが形成される。
【0058】
[プラズマ酸化処理の手順]
ステップS3のプラズマ酸化処理の手順と条件は、以下のとおりである。まず、プラズマ処理装置100の処理容器1内を減圧排気しながら、ガス供給装置18の不活性ガス供給源19a、酸素含有ガス供給源19cから、例えばArガス、O2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1内に導入する。このようにして、処理容器1内を所定の圧力に調節する。
【0059】
次に、マイクロ波発生装置39で発生させた所定周波数が例えば2.45GHzのマイクロ波を、マッチング回路38を介して導波管37に導く。導波管37に導かれたマイクロ波は、矩形導波管37bおよび同軸導波管37aを順次通過し、内導体41を介して平面アンテナ31に供給される。つまり、マイクロ波は、矩形導波管37b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40でTEMモードに変換されて、同軸導波管37aを介してカバー部材34と平面アンテナ31とにより構成される偏平導波路を伝搬していく。そして、マイクロ波は、平面アンテナ31に貫通形成されたスロット状のマイクロ波放射孔32から透過板28を介して処理容器1内におけるウエハWの上方空間に放射される。この際のマイクロ波出力は、例えば200mm径以上のウエハWを処理する場合には、1000W以上5000W以下の範囲内から目的に応じて選択することができる。
【0060】
平面アンテナ31から透過板28を経て処理容器1に放射されたマイクロ波により、処理容器1内で電磁界が形成され、ArガスおよびO2ガスがそれぞれプラズマ化する。この励起されたプラズマは、マイクロ波が平面アンテナ31の多数のマイクロ波放射孔32から放射されることにより、略1×1010〜5×1012/cm3の高密度で、かつウエハW近傍では、略1.2eV以下の低電子温度を有する。このようにして形成されるプラズマは、下地膜へのイオン等によるプラズマダメージが少ない。そして、プラズマ中の活性種O2+イオンやO(1D2)ラジカルの作用によりウエハWにプラズマ酸化処理が行われる。すなわち、ウエハWの酸化窒化珪素膜305の表面が極薄く酸化されることにより、膜の最表面の不安定な状態のSi−N結合や遊離したNの代わりに、Si−O結合が形成されて酸素リッチな酸化窒化珪素膜305Bが形成される。これにより、酸化窒化珪素膜中の窒素が抜けないようにキャップされた状態になり、窒素濃度を一定に且つ安定した状態に維持できる。
【0061】
[プラズマ酸化処理条件]
プラズマ酸化処理の処理ガスとしては、希ガスと酸素含有ガスとを含むガスを用いることが好ましい。希ガスとしてはArガスを、酸素含有ガスとしてはO2ガスを、それぞれ使用することが好ましい。このとき、全処理ガスに対するO2ガスの体積流量比率(O2ガス流量/全処理ガス流量の百分率)は、酸化窒化珪素膜305中の窒素濃度の時間的な減少効果的に抑制する観点から、0.1%以上20%以下の範囲内とすることが好ましく、1%以上15%以下の範囲内とすることがより好ましく、10%以上15%以下の範囲内とすることが望ましい。プラズマ酸化処理では、例えばArガスの流量は500mL/min(sccm)以上5000mL/min(sccm)以下の範囲内、O2ガスの流量は5mL/min(sccm)以上1000mL/min(sccm)以下の範囲内から上記流量比になるように設定することが好ましい。
【0062】
また、処理圧力は、酸化窒化珪素膜305中の窒素濃度の時間的な減少を効果的に抑制する観点から、例えば、67Pa以上1333Pa以下の範囲内が好ましく、133.3Pa以上1333Pa以下の範囲内がより好ましく、333Pa以上1333Paの範囲内が望ましい。プラズマ酸化処理における処理圧力が67Pa未満になると、プラズマ中の酸化活性種としてイオン成分が支配的になるため、酸化レートが高くなり、酸化珪素膜303を窒化して得られた酸化窒化珪素膜305の表面の窒素濃度が低下してしまう。
【0063】
また、マイクロ波のパワー密度は、プラズマ中で活性種のO2+イオンやO(1D2)ラジカルを効率よく生成させる観点から、0.51W/cm2以上2.56W/cm2以下の範囲内とすることが好ましく、酸化窒化珪素膜305の表面を極薄い厚みで酸化するにはプラズマエネルギーが小さい方がよいので、0.51W/cm2以上1.54W/cm2の範囲内がより好ましい。なお、マイクロ波のパワー密度は、透過板28の面積1cm2あたりに供給されるマイクロ波パワーを意味する(以下、同様である)。例えば200mm径以上のウエハWを処理する場合には、マイクロ波パワーを1000W以上5000W以下の範囲内とすることが好ましい。
【0064】
また、ウエハWの加熱温度は、載置台2の温度として、例えば200℃以上600℃以下の範囲内とすることが好ましく、400℃以上600℃以下の範囲内に設定することがより好ましい。
【0065】
また、プラズマ酸化処理の処理時間は、酸化窒化珪素膜305中の表層のみを酸化する観点から、例えば1秒以上90秒以下の範囲内とすることが好ましく、1秒以上60秒以下の範囲内とすることがより好ましい。このように、短い時間でプラズマ処理することで酸化窒化珪素膜305の表面を極薄い厚みで酸化出来る。また、プラズマ酸化処理をプラズマ窒化処理と同一の処理容器1内で行う場合は、酸化珪素膜をプラズマ窒化処理した後、処理容器1内の残留窒素を真空引きして排気するか、真空引きしつつArガス等を供給して排気を迅速に行うことが好ましい。
【0066】
以上の条件は、制御部50の記憶部53にレシピとして保存されている。そして、プロセスコントローラ51がそのレシピを読み出してプラズマ処理装置100の各構成部例えばガス供給装置18、真空ポンプ24、マイクロ波発生装置39、ヒータ電源5aなどへ制御信号を送出することにより、所望の条件でプラズマ酸化処理が行われる。
【0067】
以上のように酸化窒化珪素膜305を改質した後、ステップS4では、ウエハWをプラズマ処理装置100から搬出することにより、1枚のウエハWに対す処理が終了する。
【0068】
本実施の形態において、改質された酸化窒化珪素膜305Bでは、プラズマ酸化によって、酸化窒化珪素膜305中の不安定な窒素原子が酸素原子に置換され、膜外へ放出される。そのため、酸化窒化珪素膜305B中の窒素濃度NC1は、プラズマ窒化処理直後の酸化窒化珪素膜305の窒素濃度NC0よりも低くなっている(NC0>NC1)。また、プラズマ酸化処理によって改質されていない深部の酸化窒化珪素膜305Aの窒素濃度NC2は、ほぼプラズマ窒化処理直後の窒素濃度NC0に等しい値となる。従って、最終的に形成された酸化窒化珪素膜305Aの窒素濃度NC2と酸化窒化珪素膜305Bの窒素濃度NC1の平均が、目標窒素濃度NCTに近づくようにステップS2のプラズマ窒化処理及びステップS3のプラズマ酸化処理を行うことが好ましい。
【0069】
本実施の形態では、ステップS2のプラズマ窒化処理と、ステップS3のプラズマ酸化処理を、プラズマ処理装置100の同一の処理容器内で連続して行うことができる。したがって、プラズマ窒化処理後、酸化窒化珪素膜305中の窒素濃度の経時変化(自然減少)が生じない間に、プラズマ酸化処理を行って酸化窒化珪素膜305中の窒素濃度の安定化を図ることができる。なお、本実施の形態では、後述する基板処理システム200(図9)と同様のマルチチャンバ構造のクラスタツールを用いて、ステップS2のプラズマ窒化処理と、ステップS3のプラズマ酸化処理を異なる処理容器内で行うようにしてもよい。
【0070】
[第2の実施の形態]
次に、図8から図13を参照しながら、本発明の第2の実施の形態に係る絶縁膜の改質方法について説明する。本実施の形態の絶縁膜の改質方法は、酸化珪素膜に対して、プラズマ窒化処理を行い、酸化窒化珪素膜を形成する工程と、この酸化窒化珪素膜に対して酸化アニール処理を行う改質工程とを含むことができる。ここで、本実施の形態におけるプラズマ窒化処理は、第1の実施の形態で使用したものと同様のプラズマ処理装置100(図1〜図3)を用いて実施できる。
【0071】
酸化アニール処理は、例えば図8に示すアニール処理装置101により行うことができる。このアニール処理装置101は、制御性がよい短時間加熱が可能な装置であり、例えばウエハWに形成した薄膜等を、酸化性ガス雰囲気下で800〜1100℃程度の高温領域で、短時間で酸化アニール処理可能がRTP(Rapid Thermal Process)装置として用いることができる。
【0072】
図8において、符号71は、円筒状の処理容器であり、この処理容器71の下方には下部発熱ユニット72が着脱可能に設けられ、また、処理容器71の上方には、下部発熱ユニット72と対向するように上部発熱ユニット74が着脱可能に設けられている。下部発熱ユニット72は、水冷ジャケット73の上面に複数配列された加熱手段としてのタングステンランプ76を有している。同様に、上部発熱ユニット74は、水冷ジャケット75と、その下面に複数配列された加熱手段としてのタングステンランプ76とを有している。なお、ランプとしては、タングステンランプ76に限らず、例えば、ハロゲンランプ、Xeランプ、水銀ランプ、フラッシュランプ等でもよい。このように、処理容器71内において互いに対向して配備された各タングステンランプ76は、図示しない電源に接続されており、そこからの電力供給量を制御部50により調節することで、発熱量を制御できるようになっている。なお、制御部50の構成は、第1の実施の形態と同様である(図3参照)。
【0073】
下部発熱ユニット72と上部発熱ユニット74との間には、ウエハWを支持するための支持部77が設けられている。この支持部77は、ウエハWを処理容器71内の処理空間に保持した状態で支持するためのウエハ支持ピン77aと、処理中にウエハWの温度を計測するためのホットライナー78を支持するライナー設置部77bを有している。また、支持部77は、図示しない回転機構と連結されており、支持部77を全体として鉛直軸廻りに回転させる。これにより、処理中にウエハWが所定速度で回転し、熱処理の均一化が図られる。
【0074】
処理容器71の下方には、パイロメーター81が配置されており、熱処理中にホットライナー78からの熱線を、ポート81aおよび光ファイバー81bを介してパイロメーター81で計測することにより、間接的にウエハWの温度を把握できるようになっている。なお、直接ウエハWの温度を計測するようにしてもよい。
【0075】
また、ホットライナー78の下方には、下部発熱ユニット72のタングステンランプ76との間に石英部材79が介在配備されており、図示のように前記ポート81aは、この石英部材79に設けられている。なお、ポート81aを複数配備することも可能である。さらに、ウエハWの上方にも、上部発熱ユニット74のタングステンランプ76との間に石英部材80aが介在配備されている。また、ウエハWを囲繞するように、処理容器71の内周面にも石英部材80bが配設されている。なお、ウエハWを支持して昇降させるためのリフターピン(図示せず)が、ホットライナー78を貫通して設けられており、ウエハWの搬入出に使用される。
【0076】
下部発熱ユニット72と処理容器71との間、および上部発熱ユニット74と処理容器71との間には、それぞれシール部材(図示せず)が介在されており、処理容器71内は気密状態となる。また、処理容器71の側部には、ガス導入管82に接続されたガス供給装置83が配備されており、図示しない流量制御装置によって、処理容器71の処理空間内に、例えばO2ガス、NO、N2O、H2O(O2とH2から水蒸気ジェネレータで生成させる)などの酸化性ガスや、必要に応じてさらに希ガスなどの不活性ガス等を導入できるようになっている。また、処理容器71の下部には、排気管84が設けられており、図示しない真空ポンプ等の排気装置により、処理容器71内を減圧できるように構成されている。
【0077】
アニール処理装置101の各構成部も、プラズマ処理装置100と同様に、制御部50に接続されて制御される構成となっている。そして、ユーザーインターフェース52からの指示等にて任意のレシピを記憶部53から呼び出してプロセスコントローラ51に実行させることで、プロセスコントローラ51の制御下で、アニール処理装置101での酸化アニール処理が行われる。例えば、プロセスコントローラ51によって下部発熱ユニット72と上部発熱ユニット74に設けられた各タングステンランプ76への電力供給量を制御することにより、ウエハWの加熱速度や加熱温度を調節できる。また、ガス供給装置83から処理容器71内へ供給される酸化性ガスの流量や比率を調節できる。
【0078】
図9は、ウエハWに対し、例えばプラズマ窒化処理および酸化アニール処理を真空条件で連続的に行なうように構成された基板処理システム200を示す概略構成図である。この基板処理システム200は、マルチチャンバ構造のクラスタツールとして構成されている。
【0079】
基板処理システム200は、主要な構成として、ウエハWに対して各種の処理を行う4つのプロセスモジュール100a,100b,101a,101bと、これらのプロセスモジュール100a,100b,101a,101bに対してゲートバルブG1を介して接続された真空側搬送室103と、この真空側搬送室103にゲートバルブG2を介して接続された2つのロードロック室105a,105bと、これら2つのロードロック室105a,105bに対してゲートバルブG3を介して接続されたローダーユニット107とを備えている。
【0080】
4つのプロセスモジュール100a,100b,101a,101bは、ウエハWに対して同じ内容の処理を行うものであってもよいし、あるいはそれぞれ異なる内容の処理を行うものであってもよい。本実施の形態では、プロセスモジュール100a,100bでは、ウエハWのシリコンをプラズマ窒化処理して酸化窒化珪素膜を形成し、プロセスモジュール101a,101bでは、プラズマ窒化処理により形成された酸化窒化珪素膜をさらに酸化アニール処理できるように構成されている。
【0081】
真空引き可能に構成された真空側搬送室103には、プロセスモジュール100a,100b,101a,101bやロードロック室105a,105bに対してウエハWの受け渡しを行う第1の基板搬送装置としての搬送装置109が設けられている。この搬送装置109は、互いに対向するように配置された一対の搬送アーム部111a,111bを有している。各搬送アーム部111a,111bは同一の回転軸を中心として、屈伸及び旋回可能に構成されている。また、各搬送アーム部111a,111bの先端には、それぞれウエハWを載置して保持するためのフォーク113a,113bが設けられている。搬送装置109は、これらのフォーク113a,113b上にウエハWを載置した状態で、プロセスモジュール100a,100b,101a,101b間、あるいはプロセスモジュール100a,100b,101a,101bとロードロック室105a,105bとの間でウエハWの搬送を行う。
【0082】
ロードロック室105a,105b内には、それぞれウエハWを載置する載置台106a,106bが設けられている。ロードロック室105a,105bは、真空状態と大気開放状態を切り替えられるように構成されている。このロードロック室105a,105bの載置台106a,106bを介して、真空側搬送室103と大気側搬送室119(後述)との間でウエハWの受け渡しが行われる。
【0083】
ローダーユニット107は、ウエハWの搬送を行う第2の基板搬送装置としての搬送装置117が設けられた大気側搬送室119と、この大気側搬送室119に隣接配備された3つのロードポートLPと、大気側搬送室119の他の側面に隣接配備され、ウエハWの位置測定を行なう位置測定装置としてのオリエンタ121とを有している。
【0084】
大気側搬送室119は、例えば窒素ガスや清浄空気をダウンフローさせる循環設備(図示省略)を備え、クリーンな環境が維持されている。大気側搬送室119は、平面視矩形形状をなしており、その長手方向に沿ってガイドレール123が設けられている。このガイドレール123に搬送装置117がスライド移動可能に支持されている。つまり、搬送装置117は図示しない駆動機構により、ガイドレール123に沿ってX方向へ移動可能に構成されている。この搬送装置117は、上下2段に配置された一対の搬送アーム部125a,125bを有している。各搬送アーム部125a,125bは屈伸及び旋回可能に構成されている。各搬送アーム部125a,125bの先端には、それぞれウエハWを載置して保持する保持部材としてのフォーク127a,127bが設けられている。搬送装置117は、これらのフォーク127a,127b上にウエハWを載置した状態で、ロードポートLPのウエハカセットCRと、ロードロック室105a,105bと、オリエンタ121との間でウエハWの搬送を行う。
【0085】
ロードポートLPは、ウエハカセットCRを載置できるようになっている。ウエハカセットCRは、複数枚のウエハWを同じ間隔で多段に載置して収容できるように構成されている。
【0086】
オリエンタ121は、図示しない駆動モータによって回転される回転板133と、この回転板133の外周位置に設けられ、ウエハWの周縁部を検出するための光学センサ135とを備えている。
【0087】
[ウエハ処理の手順]
基板処理システム200においては、以下の手順でウエハWに対するプラズマ窒化処理、および酸化アニール処理が行われる。まず、大気側搬送室119の搬送装置117のフォーク127a,127bのいずれかを用い、ロードポートLPのウエハカセットCRより1枚のウエハWが取り出され、オリエンタ121で位置合わせした後、ロードロック室105a(または105b)に搬入される。ウエハWが載置台106a(または106b)に載置された状態のロードロック室105a(または105b)では、ゲートバルブG3が閉じられ、内部が真空状態に減圧排気される。その後、ゲートバルブG2が開放され、真空側搬送室103内の搬送装置109のフォーク113a,113bによってウエハWがロードロック室105a(または105b)から運び出される。
【0088】
搬送装置109によりロードロック室105a(または105b)から運び出されたウエハWは、まず、プロセスモジュール100a,100bのいずれかに搬入され、ゲートバルブG1を閉じた後でウエハWに対してプラズマ窒化処理が行われる。
【0089】
次いで、前記ゲートバルブG1が開放され、酸化窒化珪素膜305が形成されたウエハWが搬送装置109によりプロセスモジュール100a(または100b)から真空状態のままプロセスモジュール101a,101bのいずれか片方に搬入される。そして、ゲートバルブG1を閉じた後でウエハWに対して酸化アニール処理が行われる。
【0090】
次いで、前記ゲートバルブG1が開放され、改質された酸化窒化珪素膜305が形成されたウエハWが搬送装置109によりプロセスモジュール101a(または101b)から真空状態のまま搬出され、ロードロック室105a(または105b)に搬入される。そして、前記とは逆の手順でロードポートLPのウエハカセットCRに処理済みのウエハWが収納され、基板処理システム200における1枚のウエハWに対する処理が完了する。なお、基板処理システム200における各処理装置の配置は、効率的に処理を行うことができる配置であれば、いかなる配置構成でもよい。さらに、基板処理システム200におけるプロセスモジュールの数は4つに限らず、5つ以上であってもよい。
【0091】
図10は、絶縁膜としての酸化珪素膜の改質手順の流れを示すフロー図であり、図11〜図13は、その主要な工程を説明する工程図である。
【0092】
本実施の形態の絶縁膜の改質方法は、例えば図10に示したステップS11からステップS15の手順により実施される。ここで、ステップS11、S12までの工程は、第1の実施の形態のステップS1、S2と同様に実施できる。まず、図10のステップS11では、真空側搬送室103内の搬送装置109により、処理対象のウエハWをプラズマ処理装置100(プロセスモジュール100aまたは100b)に搬入する。ここで、ウエハWの表面付近には、シリコン層301と、その上に酸化珪素(SiO2)膜303とが形成されている。そして、ステップS12では、図11に示したように、ウエハWの酸化珪素膜303に対してプラズマ窒化処理を行う。プラズマ窒化処理によって、酸化珪素膜303は窒化されて酸化窒化珪素(SiON)膜305が形成される。このプラズマ窒化処理では、後の酸化アニール処理工程(ステップS14)での窒素濃度の減少を見込んで、最終的な目標窒素濃度NCTよりも例えば、1〜3%程度高い窒素濃度NC0となるように窒化処理を行う。ステップS12のプラズマ窒化処理の条件は、窒素濃度NC0が実現できれば特に限定されるものではなく、任意の条件で行うことができる。
【0093】
次に、ステップS13では、ウエハWをプラズマ処理装置100(プロセスモジュール100aまたは100b)からアニール処理装置101(プロセスモジュール101aまたは101b)に移送する。この移送は、真空側搬送室103内の搬送装置109によって真空状態のまま実施される。
【0094】
次に、ステップS14では、図12に示したように、アニール処理装置101を用いて、酸化窒化珪素膜305の表面を酸化アニール処理する。酸化アニール処理は、酸化窒化珪素膜305の表面酸化とN抜けを抑制する観点から、ステップS12のプラズマ窒化処理の終了後、真空を維持したままウエハWをアニール処理装置101へ搬入し、プラズマ窒化処理の終了から180秒以内、好ましくは60秒以内に実施する。この工程では、酸化窒化珪素膜303の表層の例えば深さ方向に0.5〜1.0nm程度の範囲を酸化し、酸素濃度の高い酸化窒化珪素膜305Bに改質する。これにより、図13に示したように、シリコン層301の上に、酸化窒化珪素膜305として、酸化窒化珪素膜305Aとその上に改質された酸素リッチな酸化窒化珪素膜305Bが形成される。
【0095】
[酸化アニール処理の手順]
まず、アニール処理装置101において、処理容器71内の支持部77にウエハWをセットした後、気密な空間を形成する。次いで、プロセスコントローラ51の制御の下、図示しない電源から所定の電力を下部発熱ユニット72および上部発熱ユニット74の各タングステンランプ76の発熱体(図示省略)に供給してオン(入)にすると、各発熱体が発熱し、発生した熱線が石英部材79および石英部材80aを通過してウエハWに至り、レシピに基づく条件(昇温レート、加熱温度、ガス流量など)でウエハWが上下から急速に加熱される。ウエハWを加熱しながら、ガス供給装置83から所定の流量でO2ガス等の酸素含有ガスを導入するとともに、図示しない排気装置を作動させて排気管84から排気を行うことにより、処理容器71内を減圧状態の酸化雰囲気とする。
【0096】
酸化アニール処理の間は、図示しない回転機構により支持部77を全体として鉛直軸廻り、つまり水平方向に例えば80rpmの回転速度で回転させることにより、ウエハWを回転させる。その結果、ウエハWへの供給熱量の均一性が確保される。また、熱処理中にはホットライナー78の温度をパイロメーター81により計測し、間接的にウエハWの温度を計測できる。パイロメーター81により計測された温度データは、プロセスコントローラ51にフィードバックされ、レシピにおける設定温度との間に差がある場合には、タングステンランプ76への電力供給が調節される。
【0097】
熱処理が終了した後は、下部発熱ユニット72および上部発熱ユニット74のタングステンランプ76をオフ(切)にするとともに、処理容器71内に、図示しないパージポートより窒素等のパージガスを流し込みつつ排気管84から排気してウエハWを冷却した後、搬出する。
【0098】
また、酸化アニール処理は、以下に例示するように昇温工程を複数段階(例えば3段階)に分けて実施することが好ましい。
【0099】
まず、第1の昇温段階では、ウエハWの放射率が最大になる第1の温度までウエハWを昇温する。ここでウエハWの放射率は、ウエハWに形成された酸化窒化珪素膜に応じて設定される。
【0100】
次に、第2の昇温段階では、ウエハWの放射率が最大になる温度(第1の温度)から、処理温度よりも低い第2の温度に達するまでウエハWを昇温する。ここで、第2の温度Xは、次の関係式 3≦(T−X)/Y≦7
[ただし、T;処理温度、Y;第3の昇温レートにおける1秒当りの昇温温度幅、を示す]
を満たすように規定される温度である。
【0101】
上記関係式において、(T−X)/Yが3未満である場合には、第3の昇温段階がその昇温レートとの関係で短すぎ、オーバーシュートが生じ、ウエハWに反りやスリップが発生する可能性が高まるので好ましくない。逆に、上記関係式において、(T−X)/Yが7を超える場合には、第3の昇温段階がその昇温レートとの関係で長すぎるため、処理のスループットを低下させるので好ましくない。第2の温度Xは、例えば、処理温度Tに対して85%〜95%の温度とすることが好ましい。
【0102】
第3の昇温段階では、第2の温度から、処理温度に達するまで被処理基板を昇温する。そして、処理温度(例えば800℃〜1100℃)において、定温での酸化アニール処理を実施し、所定時間の処理が終了したら所定の降温レートでウエハWの温度を降下させることにより、熱処理が終了する。
【0103】
第1の昇温段階から第3の昇温段階において、第2の昇温段階の昇温レートは、第3の昇温段階の昇温レートよりも高くする。第2の昇温段階では、主としてスループットを向上させる観点から、昇温レートを出来るだけ高くすることが好ましいからである。しかし、高い昇温レートで処理温度まで昇温することは、オーバーシュートを発生させることや、急激な温度変化により被処理基板の面内で加熱速度が不均一になり、被処理基板に熱応力(歪み)が加わり、反りや結晶欠陥であるスリップを発生させる。このため、第2の昇温段階の後に、これよりも昇温レートの低い第3の昇温段階を設けることにより、オーバーシュートや被処理基板の面内での加熱速度を均一にし、被処理基板の反りやスリップの発生を防止している。
【0104】
また、第3の昇温段階の昇温レートは、第1の昇温段階の昇温レート以上であることが好ましい。第1の昇温段階では、ウエハWの放射率が最大になる温度(第1の温度)まで昇温するが、この第1の温度に到達するまでは被処理基板に反りが発生しやすい。従って、第1の昇温段階での昇温レートが高すぎると、被処理基板の面内での加熱速度が不均一になって被処理基板に反りが生じたり、スリップなどを発生させることがある。従って、第1の昇温段階での昇温レートは、第3の昇温段階の昇温レート以下、3ステップの昇温段階中、最も低く設定することが好ましい。
【0105】
酸化アニール処理によって、ウエハWの酸化窒化珪素膜305の表面が極薄く酸化されることにより、膜の最表面の不安定な状態のSi−N結合や遊離したNの代わりに、Si−O結合が形成されて酸素リッチな酸化窒化珪素膜305Bが形成される。これにより、酸化窒化珪素膜中の窒素が抜けないようにキャップされた状態になり、窒素濃度を一定に且つ安定した状態に維持できる。
【0106】
[酸化アニール処理の条件]
酸化アニール処理の酸素含有ガスとしては、処理容器71内で酸化雰囲気を形成できるガスであれば特に制約はないが、例えばO2ガス、NOガス、N2Oガス、H2O(水蒸気)などが好ましく、これらに不活性ガスとしてのAr等の希ガスやN2等を混入してもよい。O2ガスとN2ガスの混合ガスを用いる場合は、改質効果を高めるため、O2ガス流量:N2ガス流量の体積比率が例えば10:1〜1:2の範囲内となるように混合することが好ましい。本発明方法では、酸化窒化珪素膜中の窒素濃度の時間的な減少効果的に抑制する観点から、特にO2ガスを用いる酸化アニール処理が望ましい。このとき、酸素含有ガスの流量は0.5mL/min(sccm)以上2000mL/min(sccm)以下の範囲内で設定することができる。
【0107】
また、処理圧力は、酸化窒化珪素膜中の窒素濃度の時間的な減少効果的に抑制する観点から、10Pa以上15000Pa以下の範囲内が好ましく、133Pa以上10000Pa以下の範囲内がより好ましい。
【0108】
また、ウエハWの加熱温度は、パイロメーター81の計測温度として、例えば800℃以上1100℃以下の範囲内とすることが好ましく、900℃以上1100℃以下の範囲内に設定することがより好ましい。
【0109】
また、酸化アニール処理の処理時間は、酸化窒化珪素膜305中の表層のみを酸化する観点から、例えば10秒以上50秒以下の範囲内とすることが好ましく、10秒以上30秒以下の範囲内とすることがより好ましい。このように短時間で酸化アニールを行うことで酸化窒化珪素膜305の表面を極薄い厚みで酸化出来る。また、酸化窒化珪素膜305の増膜(電気的膜厚(EOT)の増大)を抑制出来る。
【0110】
以上の条件は、制御部50の記憶部53にレシピとして保存されている。そして、プロセスコントローラ51がそのレシピを読み出してアニール処理装置101の各構成部例えばガス供給装置83、排気装置(図示せず)、下部発熱ユニット72および上部発熱ユニット74(タングステンランプ76)などへ制御信号を送出することにより、所望の条件で酸化アニール処理が行われる。
【0111】
以上のように酸化窒化珪素膜305を改質した後、ステップS15では、真空搬送室103内の搬送装置109により処理済のウエハWをアニール処理装置101(プロセスモジュール101aまたは101b)から搬出し、前記手順でロードポートLPのウエハカセットCRに収納する。
【0112】
本実施の形態において、改質された酸化窒化珪素膜305Bでは、酸化アニール処理によって、酸化窒化珪素膜305中の不安定な窒素原子が酸素原子に置換され、膜外へ放出される。そのため、酸化窒化珪素膜305B中の窒素濃度NC1は、プラズマ窒化処理直後の酸化窒化珪素膜305の窒素濃度NC0よりも低くなっている(NC0>NC1)。また、酸化アニール処理によって改質されていない深部の酸化窒化珪素膜305Aの窒素濃度NC2は、ほぼプラズマ窒化処理直後の窒素濃度NC0に等しい値となる。従って、最終的に形成された酸化窒化珪素膜305Aの窒素濃度NC2と酸化窒化珪素膜305Bの窒素濃度NC1の平均が、目標窒素濃度NCTに近づくようにステップS12のプラズマ窒化処理及びステップS14の酸化アニール処理を行うことが好ましい。
【0113】
本実施の形態では、ステップS12のプラズマ窒化処理と、ステップS14の酸化アニール処理を、基板処理システム200において真空条件のまま連続して行うことができる。したがって、プラズマ窒化処理後、酸化窒化珪素膜305中の窒素濃度の経時変化(自然減少)が生じない間に、プラズマ酸化処理を行って酸化窒化珪素膜305中の窒素濃度の安定化を図ることができる。
【0114】
本実施の形態における他の構成及び効果は、第1の実施の形態と同様である。
【0115】
[第3の実施の形態]
次に、図14〜図18を参照しながら、本発明の第3の実施の形態に係る絶縁膜の改質方法について説明する。本実施の形態の絶縁膜の改質方法は、酸化珪素膜に対して、プラズマ窒化処理を行い、酸化窒化珪素膜を形成する工程と、この酸化窒化珪素膜に対してプラズマ窒化処理を行う第1の改質工程と、さらに、酸化窒化珪素膜に対して酸化アニール処理を行う第2の改質工程とを含むことができる。ここで、本実施の形態におけるプラズマ窒化処理及びプラズマ酸化処理は、第1の実施の形態で使用したものと同様のプラズマ処理装置100(図1〜図3)を用いて実施できる。酸化アニール処理は、例えば図8に示すアニール処理装置101により行うことができる。また、以上の処理は、図9に示した基板処理システム200と同様に構成されたマルチチャンバ構造のクラスタツールにおいて行うことができる。
【0116】
図14は、絶縁膜としての酸化珪素膜の改質手順の流れを示すフロー図であり、図15〜図18は、その主要な工程を説明する工程図である。
【0117】
本実施の形態の絶縁膜の改質方法は、例えば図14に示したステップS21からステップS26の手順により実施される。ここで、ステップS21〜S23までの工程は、第1の実施の形態のステップS1〜S3と同様に実施できる。まず、図14のステップS21では、真空側搬送室103内の搬送装置109により、処理対象のウエハWをプラズマ処理装置100(プロセスモジュール100aまたは100b)に搬入する。ここで、ウエハWの表面付近には、シリコン層301と、その上に酸化珪素(SiO2)膜303とが形成されている。そして、ステップS22では、図15に示したように、ウエハWの酸化珪素膜303に対してプラズマ窒化処理を行う。プラズマ窒化処理によって、酸化珪素膜303は窒化されて酸化窒化珪素(SiON)膜305が形成される。このプラズマ窒化処理では、後のプラズマ酸化処理工程(ステップS23)及び酸化アニール処理(ステップS25)での窒素濃度の減少を見込んで、最終的な目標窒素濃度NCTよりも例えば、1〜3%程度高い窒素濃度NC0となるように窒化処理を行う。ステップS22のプラズマ窒化処理の条件は、窒素濃度NC0が実現できれば特に限定されるものではなく、任意の条件で行うことができる。
【0118】
次に、ステップS23では、図16に示したように、プラズマ処理装置100を用いて酸化窒化珪素膜305の表面をプラズマ酸化処理する。プラズマ酸化処理は、酸化窒化珪素膜305の酸化とN抜けを抑制する観点から、ステップS22のプラズマ窒化処理の終了後、引き続き処理容器1内で雰囲気を真空に維持したまま、プラズマ窒化処理の終了から180秒以内、好ましくは60秒以内に実施する。この工程では、酸化窒化珪素膜305の表層の例えば深さ方向に0.5〜1.0nm程度の範囲をプラズマ酸化し、酸素濃度の高い酸化窒化珪素膜305Bに改質する。これにより、図17に示したように、シリコン層301の上に、酸化窒化珪素膜305Aと、その上に改質された酸素リッチな酸化窒化珪素膜305Bが形成される。プラズマ酸化処理の条件は、第1の実施の形態のステップS13と同様である。
【0119】
次に、ステップS24では、ウエハWをプラズマ処理装置100(プロセスモジュール100aまたは100b)からアニール処理装置101(プロセスモジュール101aまたは101b)に移送する。この移送は、真空側搬送室103内の搬送装置109によって真空状態のまま実施される。
【0120】
次に、ステップS25では、図17に示したように、アニール処理装置101を用いて、酸化窒化珪素膜305の表面を酸化アニール処理する。この工程では、酸化窒化珪素膜305の表層の例えば深さ方向に0.5〜1.0nm程度の範囲を酸化し、酸素濃度の高い酸化窒化珪素膜305Bに改質する。これにより、図18に示したように、シリコン層301の上に、酸化窒化珪素膜305として、酸化窒化珪素膜305Aと、その上に改質された酸素リッチな酸化窒化珪素膜305Bが形成される。酸化アニール処理の条件は、第2の実施の形態のステップS14と同様である。
【0121】
以上のように酸化窒化珪素膜305を改質した後、ステップS26では、真空搬送室103内の搬送装置109により処理済のウエハWをアニール処理装置101(プロセスモジュール101aまたは101b)から搬出し、前記手順でロードポートLPのウエハカセットCRに収納する。
【0122】
本実施の形態では、プラズマ酸化処理と酸化アニール処理の組み合わせによって、ウエハWの酸化窒化珪素膜305の表面が極薄く酸化されることにより、膜の最表面の不安定な状態のSi−N結合や遊離したNの代わりに、Si−O結合が形成されて酸素リッチな酸化窒化珪素膜305Bが形成される。これにより、酸化窒化珪素膜中の窒素が抜けないようにキャップされた状態になり、窒素濃度を一定に且つ安定した状態に維持できる。
【0123】
本実施の形態において、改質された酸化窒化珪素膜305Bでは、プラズマ酸化処理と酸化アニール処理との組み合わせによって、酸化窒化珪素膜305中の不安定な窒素原子が酸素原子に置換され、膜外へ放出される。そのため、酸化窒化珪素膜305B中の窒素濃度NC1は、プラズマ窒化処理直後の酸化窒化珪素膜305の窒素濃度NC0よりも低くなっている(NC0>NC1)。また、プラズマ酸化処理及び酸化アニール処理によって改質されていない深部の酸化窒化珪素膜305Aの窒素濃度NC2は、ほぼプラズマ窒化処理直後の窒素濃度NC0に等しい値となる。従って、最終的に形成された酸化窒化珪素膜305Aの窒素濃度NC2と酸化窒化珪素膜305Bの窒素濃度NC1の平均が、目標窒素濃度NCTに近づくようにステップS22のプラズマ窒化処理、並びに、ステップS23のプラズマ酸化処理及びステップS25の酸化アニール処理を行うことが好ましい。
【0124】
本実施の形態では、ステップS22のプラズマ窒化処理と、ステップS23のプラズマ酸化処理及びステップS25の酸化アニール処理を、基板処理システム200において真空条件のまま連続して行うことができる。したがって、プラズマ窒化処理後、酸化窒化珪素膜305中の窒素濃度の経時変化(自然減少)が生じない間に、プラズマ酸化処理及び酸化アニール処理を行って酸化窒化珪素膜305中の窒素濃度の安定化を図ることができる。
【0125】
なお、本実施の形態では、図14に示したように、ステップS22のプラズマ窒化処理の後に、ステップS23のプラズマ酸化処理を行い、その後、ステップS25の酸化アニール処理を行ったが、ステップS22のプラズマ窒化処理の後に、まず、酸化アニール処理を行い、次にプラズマ酸化処理を行うようにしてもよい。また、ステップS22のプラズマ窒化処理と、ステップS23のプラズマ酸化処理は、処理容器を変えて行うこともできる。例えば、ステップS22のプラズマ窒化処理は、プロセスモジュール100aで行い、ステップS23のプラズマ酸化処理はプロセスモジュール100bで行うようにしてもよい。
【0126】
本実施の形態における他の構成及び効果は、第1及び第2の実施の形態と同様である。
【0127】
[作用]
酸化珪素膜をプラズマ窒化処理した直後の酸化窒化珪素膜中には、不安定な状態のSi−N結合や窒素原子が含まれている。これらの窒素原子は、時間の経過とともに徐々に酸化窒化珪素膜中から外部に放出される(N抜け現象)。本発明者らは、プラズマ窒化処理後に、経時的に酸化窒化珪素膜中の窒素濃度が低下するN抜け現象が生じるのは、Si−N結合が切断されやすく、代わりに雰囲気中の酸素原子が膜中に取り込まれ、Si−O結合に置き換わるためであると考えた。そこで、発想を逆転させ、プラズマ窒化処理の直後(例えば180秒以内)に、真空雰囲気を維持したまま、酸化窒化珪素膜の表層に短時間のプラズマ酸化処理及び/又は酸化アニール処理を含む改質処理を施すことにより、該表層部分のSi−N結合をSi−O結合へ強制的に転換させるとともに、遊離状態の窒素原子の膜外放出を促進させることにした。改質処理によって、酸化窒化珪素膜の表層付近に、薄い酸素リッチな(S−O結合が密な)改質層が形成される。この改質層は、一種のバリア機能を果たし、酸化窒化珪素膜中の改質層より深部からの窒素原子の放出を抑制するように作用する。従って、改質処理により、長時間の持続的な窒素濃度の低下(N抜け現象)を防止することができる。また、改質処理は、酸化窒化珪素膜の表面付近である程度の窒素濃度の減少を伴うが、予め減少幅を見込んでプラズマ窒化処理工程において多めに窒素をドーズしておくことにより、改質工程後の酸化窒化珪素膜を目標窒素濃度にコントロールすることが可能になる。
【0128】
次に、本発明の基礎となった実験データについて説明する。
試験例1:
ドライ酸化法により成膜した厚さ3.2nmのSiO2膜に対し、図1に示したプラズマ処理装置100と同様の構成のプラズマ処理装置を用い、下記の条件でプラズマ窒化処理を行うことにより、4段階の異なる窒素濃度(窒素濃度;高、中―高、中―低、低)のSiON膜を形成した。
【0129】
[プラズマ窒化処理条件]
Arガス流量;500又は1000mL/min(sccm)
N2ガス流量;200mL/min(sccm)
処理圧力;35Pa(260mTorr)
載置台の温度;400℃
マイクロ波パワー;1900W
処理時間;5秒、30秒、115秒又は300秒
【0130】
各SiON膜を27℃雰囲気で放置し、経時的に膜中窒素濃度を測定した。その結果を図19に示した。図19の縦軸は、SiON膜中の窒素濃度を示しており、横軸は経過時間を示している。この結果より、膜中窒素濃度の減少傾向は、初期の窒素濃度が低いほど小さく、高いほど大きくなっていた。このことは、SiON膜表面にSi―N結合が多い場合、外部の酸素によって酸化されやすくなるため、Si−N結合がSi−O結合に変化し、遊離窒素が膜外へ放出された結果であると考えられた。
【0131】
次に、図19中の窒素濃度が「中―高」であるSiON膜に対して、図1に示したプラズマ処理装置100と同様の構成のプラズマ処理装置を用い、下記の2種類の条件でプラズマ酸化処理を実施し、プラズマ窒化処理後の初期の窒素濃度に対する窒素濃度の経時的な減少率を評価した。ここで、プラズマ酸化処理は、プラズマ窒化処理に引き続き180秒以内に同一の処理容器内で実施した。その結果を図20に示した。図20の縦軸は、プラズマ窒化処理終了からの窒素濃度の減少率(%)を示しており、横軸はプラズマ窒化処理工程終了から1時間経過後の窒素濃度(%)を示している。また、図21は、プラズマ窒化処理後16時間経過後のSiON膜のN濃度と、1時間経過後のSiON膜のN濃度の差分(縦軸)を、処理条件別に示している。なお、図20及び図21中の「標準」は、プラズマ酸化処理を行わずプラズマ窒化処理のまま放置した場合を意味する。
【0132】
[条件1;高酸化レート]
Arガス流量;2000mL/min(sccm)
O2ガス流量;20mL/min(sccm)
流量百分率(O2/Ar+O2);約1%
処理圧力;127Pa(950mTorr)
載置台の温度;400℃
マイクロ波パワー;2750W
マイクロ波パワー密度;0.97W/cm2(透過板の面積1cm2あたり)
処理時間;3秒
【0133】
[条件2;低酸化レート]
Arガス流量;2000mL/min(sccm)
O2ガス流量;300mL/min(sccm)
流量百分率(O2/Ar+O2);約13%
処理圧力;333Pa(2500mTorr)
載置台の温度;400℃
マイクロ波パワー;2750W
マイクロ波パワー密度;0.97W/cm2(透過板の面積1cm2あたり)
処理時間;3秒
【0134】
図20及び図21から、SiON膜に対し、高酸化レートの条件1、及び低酸化レートの条件2のどちらでプラズマ酸化を行った場合でも、プラズマ酸化処理をしなかった場合に比べて、窒素濃度の減少が抑えられていることが確認できた。つまり、SiON膜に対してプラズマ酸化処理を行うことによって、窒素濃度の経時的な減少が抑制されていた。特に、処理圧力が333Pa、酸素ガスの体積流量比率が13%である条件2では、同じ経過時間でもプロットの位置が図20中の上方に大幅な変化をみせていた。従って、SiON膜を改質処理するためのプラズマ酸化処理では、処理圧力は127Pa以上が好ましく、333Pa以上がより好ましく、全処理ガス中の酸素流量比は、1%以上とすることが好ましく、13%以上とすることがより好ましいことが確認された。
【0135】
また、図22は、プラズマ酸化処理の前後におけるSiON膜中のXPS(X線光電子分光)分析の結果を示している。図22の縦軸は膜中の窒素濃度及び酸素濃度と相関のある強度を示しており、横軸は膜中の深さを示している。この図22から、プラズマ酸化処理によって、膜の表面から極浅い0.5nm以下の深さで酸素濃度が増加し、反対に窒素濃度が減少していることがわかる。
【0136】
試験例2
ドライ酸化法により成膜した厚さ6nmのSiO2膜に対し、図1に示したプラズマ処理装置100と同様の構成のプラズマ処理装置を用い、下記の条件でプラズマ窒化処理を行い、SiON膜を形成した。
【0137】
[プラズマ窒化処理条件]
Arガス流量;1000mL/min(sccm)
N2ガス流量;200mL/min(sccm)
処理圧力;35Pa(260mTorr)
載置台の温度;400℃
マイクロ波パワー;1900W
処理時間;115秒
【0138】
このSiON膜に対して、以下に示す条件でアニール処理を行った。ここで、アニール処理は、プラズマ窒化処理に引き続き、真空を維持したまま図8に示したアニール処理装置101と同様の構成の装置にSiON膜が形成されたウエハWを搬入して、180秒以内に実施した。
【0139】
[アニール条件1;O2アニール]
O2ガス流量;2L/min(slm)
【0140】
[アニール条件2;O2・N2アニール]
O2ガス流量:N2ガス流量比;1:1
O2ガス流量;1L/min(slm)
N2ガス流量;1mL/min(sccm)
【0141】
[アニール条件3;N2アニール]
N2ガス流量;2mL/min(sccm)
【0142】
[共通条件]
処理圧力;133Pa(1Torr)、667Pa(5Torr)又は9998Pa(75Torr)
処理温度;900℃、1050℃、又は1100℃
処理時間15秒
【0143】
図23は、プラズマ窒化処理直後のSiON膜の窒素濃度に対する100時間経過後の窒素濃度の減少率(縦軸)とアニール処理の条件との関係を示している。また、図23中の「標準」は、アニール処理を行わずプラズマ窒化処理のまま放置した場合を意味する。窒素濃度の減少率を目標値である1%以下に抑制するためには、アニール条件3のN2アニールよりも、アニール条件1のO2アニール又はアニール条件2のO2・N2アニールが好ましいことがわかった。また、アニール条件1のO2アニールの中では、処理圧力及び処理温度が高いほど窒素濃度の減少を抑制する効果が大きいことが確認された。
【0144】
以上のように、プラズマ窒化処理後のSiON膜に対して、プラズマ酸化処理又は酸化アニール処理を行うことによって、酸化窒化珪素膜の膜質を改善し、N抜けを抑制できることが確認できた。また、上記結果から、プラズマ窒化処理後のSiON膜に対して、プラズマ酸化処理と酸化アニール処理の両方を行ってもよいことが理解される。
【0145】
本発明の絶縁膜の改質方法は、例えばMOSFETなどのMOS構造デバイスのゲート絶縁膜の改質に利用することによって、リーク電流の増加やボロンの突き抜けを効果的に抑制できるとともに、ウエハ間・ロット間でのゲート絶縁膜の窒素濃度のばらつきを抑制し、半導体装置の信頼性と歩留まりを改善できる。
【0146】
以上、本発明の実施の形態を述べたが、本発明は上記実施の形態に制約されることはなく、種々の変形が可能である。例えば、上記実施の形態では、プラズマ酸化処理にRLSA方式のマイクロ波プラズマ処理装置を用いたが、例えばICPプラズマ方式、ECRプラズマ方式、表面反射波プラズマ方式、マグネトロンプラズマ方式等の他の方式のプラズマ処理装置を用いることができる。また、酸化アニール処理についても、枚葉方式のアニール処理装置に限らず、他の方式のアニール処理装置例えばバッチ式の熱酸化炉等を用いることが可能である。
【符号の説明】
【0147】
1…処理容器、2…載置台、3…支持部材、5…ヒータ、12…排気管、15…ガス導入部、16…搬入出口、18…ガス供給装置、19a…不活性ガス供給源、19b…窒素含有ガス供給源、19c…酸素含有ガス供給源、24…真空ポンプ、28…透過板、29…シール部材、31…平面アンテナ、32…マイクロ波放射孔、37…導波管、37a…同軸導波管、37b…矩形導波管、39…マイクロ波発生装置、50…制御部、51…プロセスコントローラ、52…ユーザーインターフェース、53…記憶部、100…プラズマ処理装置、101…アニール処理装置、200…基板処理システム、301…シリコン層、303,305…酸化珪素膜、W…半導体ウエハ(基板)
【技術分野】
【0001】
本発明は、例えばMOS構造のデバイスの製造に利用可能な絶縁膜の改質方法に関する。
【背景技術】
【0002】
MOSFETに代表される半導体デバイスにおいて、いわゆるボロンの突き抜け現象を防止するため、ゲート絶縁膜として酸化窒化珪素(SiON)膜が使用されている。また、近年の半導体装置の微細化・高性能化の要請に伴い、ゲート絶縁膜の薄膜化が限界に近づいてきている。酸化珪素(SiO2)膜を薄膜化した場合、ダイレクトトンネリングによりリーク電流が指数関数的に増加し、消費電力が増大してしまう。そこで、リーク電流を低減する目的でも、ゲート絶縁膜として酸化窒化珪素膜が使用されている。
【0003】
酸化窒化珪素膜は、例えば熱酸化等の方法で形成されたSiO2膜に対して、窒素ガスのプラズマを作用させることにより形成できる。そして、このようにプラズマ窒化処理によって形成した酸化窒化珪素膜に対して、膜質の劣化を防止するため、さらに、熱アニール等の改質処理をすることも提案されている(特許文献1〜3)。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【特許文献1】特開2004−25377
【特許文献2】特開2006−156995
【特許文献3】国際公開WO2008/081724
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
SiO2膜をプラズマ窒化処理して形成される酸化窒化珪素膜は、窒化処理後時間の経過とともに窒素原子が膜中から外部へ放出される(いわゆる「N抜け現象」)。N抜け現象が生じると、同じ条件でプラズマ窒化処理を行っても、次工程までの待ち時間の相違によって、半導体ウエハ間・ロット間で酸化窒化珪素膜中の窒素濃度にばらつきが生じる結果となり、最終製品の品質管理が困難になる。例えば、酸化窒化珪素膜を、MOSFET等トランジスタのゲート絶縁膜として利用する場合、窒素濃度のばらつきによって、ボロンの突き抜けやリーク電流を抑制する効果が変動し、デバイスの信頼性の低下や歩留まりの低下につながるおそれがある。
【0006】
従って、本発明は、プラズマ窒化処理によって形成した酸化窒化珪素膜からのN抜けによる膜中窒素濃度の低下を抑制し、被処理体間・ロット間での窒素濃度のばらつきを最小限にして、膜中の窒素濃度を一定に安定させた酸化窒化珪素膜を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0007】
本発明の絶縁膜の改質方法は、被処理体の表面に露出した酸化珪素膜をプラズマ窒化処理し、酸化窒化珪素膜を形成する窒化処理工程と、前記酸化窒化珪素膜の表面を酸化処理する改質工程と、を備え、前記窒化処理工程の終了後、真空雰囲気を維持したまま、引き続き前記改質工程を開始する。
【0008】
本発明の絶縁膜の改質方法は、窒化処理工程直後の酸化窒化珪素膜の膜中窒素濃度をNC0とし、前記改質工程後の酸化窒化珪素膜の膜中窒素濃度の目標値をNCTとしたとき、NC0>NCTとなるように前記プラズマ窒化処理を行うことが好ましい。
【0009】
本発明の絶縁膜の改質方法において、前記改質工程は、複数の孔を有する平面アンテナにより処理容器内にマイクロ波を導入して処理ガスのプラズマを生成させるプラズマ処理装置によるプラズマ酸化処理を含むことが好ましい。この場合、一つの被処理体に対して、前記プラズマ窒化処理及び前記プラズマ酸化処理を、前記プラズマ処理装置の同一の処理容器内で連続して行うことが好ましい。この場合、前記プラズマ窒化処理の後、前記プラズマ酸化処理の前に、前記処理容器内に残留する窒素を真空引き又はパージ処理で除去することが好ましい。また、前記プラズマ酸化処理の後で、前記改質工程の一部として、酸化雰囲気において被処理体を800℃以上1100℃以下の範囲内の温度でアニール処理する工程をさらに含むことが好ましい。
【0010】
また、本発明の絶縁膜の改質方法は、前記プラズマ酸化処理の処理圧力が、67Pa以上1333Pa以下の範囲内であることが好ましい。
【0011】
また、本発明の絶縁膜の改質方法において、前記プラズマ酸化処理は、全処理ガスに対する酸素ガスの体積流量比率を0.1%以上20%以下の範囲内で行うことが好ましい。
【0012】
また、本発明の絶縁膜の改質方法は、前記プラズマ酸化処理の処理温度が、200℃以上600℃以下の範囲内であることが好ましい。
【0013】
また、本発明の絶縁膜の改質方法は、前記プラズマ酸化処理の処理時間が、1秒以上90秒以下の範囲内であることが好ましい。
【0014】
また、本発明の絶縁膜の改質方法は、前記窒化処理工程を、複数の孔を有する平面アンテナにより処理容器内にマイクロ波を導入して処理ガスのプラズマを生成させるプラズマ処理装置により行い、前記改質工程を、酸化雰囲気において被処理体を800℃以上1100℃以下の範囲内の温度でアニール処理するアニール装置により行うことが好ましい。この場合、前記アニール処理の処理時間が、10秒以上50秒以下の範囲内であることが好ましい。また、前記プラズマ処理装置から前記アニール装置への被処理体の移送を、真空状態で行うことが好ましい。
【0015】
また、本発明の絶縁膜の改質方法は、前記酸化窒化珪素膜が、MOS構造デバイスのゲート絶縁膜であることが好ましい。
【発明の効果】
【0016】
本発明によれば、プラズマ窒化処理後に真空雰囲気を維持したまま、引き続き改質工程を開始することによって、酸化窒化珪素膜の膜質を改善し、酸化窒化珪素膜の経時的な窒素濃度の減少(N抜け)を抑制できる。従って、本発明の絶縁膜の改質方法を、例えばMOSFETなどのMOS構造デバイスのゲート絶縁膜の改質に利用することによって、リーク電流の増加やボロンの突き抜けを効果的に抑制しながら、ウエハ間・ロット間でのゲート絶縁膜の窒素濃度のばらつきを抑制し、半導体装置の信頼性と歩留まりを改善できる。
【図面の簡単な説明】
【0017】
【図1】本発明の第1の実施の形態で使用可能なプラズマ処理装置の一例を示す概略断面図である。
【図2】平面アンテナの構造を示す図面である。
【図3】制御部の構成例を示す説明図である。
【図4】本発明の第1の実施の形態に係る絶縁膜の改質方法の手順の概略を示すフローチャートである。
【図5】第1の実施の形態におけるプラズマ窒化処理工程の説明図である。
【図6】第1の実施の形態におけるプラズマ酸化処理工程の説明図である。
【図7】第1の実施の形態における改質処理後の酸化窒化珪素膜の説明図である。
【図8】本発明の第2の実施の形態で使用可能なアニール処理装置の一例を示す概略断面図である。
【図9】本発明の第2の実施の形態で使用可能な基板処理システムの概略構成を示す平面図である。
【図10】本発明の第2の実施の形態に係る絶縁膜の改質方法の手順の概略を示すフローチャートである。
【図11】第2の実施の形態におけるプラズマ窒化処理工程の説明図である。
【図12】第2の実施の形態における酸化アニール工程の説明図である。
【図13】第2の実施の形態における改質処理後の酸化窒化珪素膜の説明図である。
【図14】本発明の第3の実施の形態に係る絶縁膜の改質方法の手順の概略を示すフローチャートである。
【図15】第3の実施の形態におけるプラズマ窒化処理工程の説明図である。
【図16】第3の実施の形態におけるプラズマ酸化処理工程の説明図である。
【図17】第3の実施の形態における酸化アニール工程の説明図である。
【図18】第3の実施の形態における改質処理後の酸化窒化珪素膜の説明図である
【図19】試験例1において、プラズマ窒化処理後のSiON膜中の窒素濃度と経過時間との関係を示すグラフである。
【図20】試験例1において、プラズマ窒化処理工程終了から1時間経過後のSiON膜中の窒素濃度の減少率と窒素濃度との関係を示すグラフである。
【図21】プラズマ窒化処理後16時間経過後のSiON膜のN濃度と、1時間経過後のSiON膜のN濃度の差分(縦軸)を、処理条件別に示したグラフである。
【図22】プラズマ酸化処理の前後におけるSiON膜中の窒素原子及び酸素原子のXPS分析のチャートを示す図面である。
【図23】プラズマ窒化処理直後のSiON膜の窒素濃度に対する100時間経過後の窒素濃度の減少率(縦軸)とアニール処理の条件との関係を示したグラフである。
【発明を実施するための形態】
【0018】
[第1の実施の形態]
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。本実施の形態の絶縁膜の改質方法は、酸化珪素膜に対して、プラズマ窒化処理を行い、酸化窒化珪素膜を形成する工程と、この酸化窒化珪素膜に対してプラズマ酸化処理を行う改質工程とを含むことができる。
【0019】
図1は、第1の実施の形態に係る絶縁膜の改質方法に用いるプラズマ処理装置100の概略構成を模式的に示す断面図である。図2は、図1のプラズマ処理装置100の平面アンテナを示す平面図である。図3は、図1のプラズマ処理装置100を制御する制御部の構成例を示す図面である。
【0020】
プラズマ処理装置100は、複数のスロット状の孔を有する平面アンテナ、特にRLSA(Radial Line Slot Antenna;ラジアルラインスロットアンテナ)にて処理容器内にマイクロ波を導入することにより、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得るRLSAマイクロ波プラズマ処理装置として構成されている。プラズマ処理装置100では、1×1010〜5×1012/cm3のプラズマ密度で、かつ0.7〜2eVの低電子温度を有するプラズマによる処理が可能である。従って、プラズマ処理装置100は、各種半導体装置の製造過程において、プラズマ窒化処理、プラズマ酸化処理を行う目的で好適に利用できる。
【0021】
プラズマ処理装置100は、主要な構成として、気密に構成された処理容器1と、処理容器1内にガスを供給するガス供給装置18と、処理容器1内を減圧排気するための、真空ポンプ24を備えた排気装置と、処理容器1の上部に設けられ、処理容器1内にマイクロ波を導入するマイクロ波導入機構27と、これらプラズマ処理装置100の各構成部を制御する制御部50と、を備えている。
【0022】
処理容器1は、接地された略円筒状の容器により形成されている。なお、処理容器1は角筒形状の容器により形成してもよい。処理容器1は、アルミニウム等の金属またはその合金からなる底壁1aと側壁1bとを有している。
【0023】
処理容器1の内部には、被処理体である半導体ウエハ(以下、単に「ウエハ」と記す)Wを水平に支持するための載置台2が設けられている。載置台2は、熱伝導性の高い材質例えばAlN等のセラミックスにより構成されている。この載置台2は、排気室11の底部中央から上方に延びる円筒状の支持部材3により支持されている。支持部材3は、例えばAlN等のセラミックスにより構成されている。
【0024】
また、載置台2には、その外縁部をカバーし、ウエハWをガイドするためのカバーリング4が設けられている。このカバーリング4は、例えば石英、AlN、Al2O3、SiN等の材質で構成された環状部材である。カバーリング4は、載置台2の表面と側面を覆うようにすることが好ましい。これにより、金属汚染など防止できる。
【0025】
また、載置台2には、温度調節機構としての抵抗加熱型のヒータ5が埋め込まれている。このヒータ5は、ヒータ電源5aから給電されることにより載置台2を加熱して、その熱で被処理基板であるウエハWを均一に加熱する。
【0026】
また、載置台2には、熱電対(TC)6が配備されている。この熱電対6によって載置台2の温度計測を行うことにより、ウエハWの加熱温度を例えば室温から900℃までの範囲で制御可能となっている。
【0027】
また、載置台2には、ウエハWを支持して昇降させるためのウエハ支持ピン(図示せず)が設けられている。各ウエハ支持ピンは、載置台2の表面に対して突没可能に設けられている。
【0028】
処理容器1の内周には、石英からなる円筒状のライナー7が設けられている。また、載置台2の外周側には、処理容器1内を均一排気するため、多数の排気孔8aを有する石英製のバッフルプレート8が環状に設けられている。このバッフルプレート8は、複数の支柱9により支持されている。
【0029】
処理容器1の底壁1aの略中央部には、円形の開口部10が形成されている。底壁1aにはこの開口部10と連通し、下方に向けて突出する排気室11が設けられている。この排気室11には、排気管12が接続されており、この排気管12を介して真空ポンプ24に接続されている。
【0030】
処理容器1の上部には、中央部が開口した環状の蓋部材13が配備されている。開口の内周は、内側(処理容器内空間)へ向けて突出し、環状の支持部13aを形成している。
【0031】
処理容器1の側壁1bには、環状をなすガス導入部15が設けられている。このガス導入部15は、窒素含有ガス、酸素含有ガスやプラズマ励起用ガスを供給するガス供給装置18に接続されている。なお、ガス導入部15はノズル状またはシャワー状に設けてもよい。
【0032】
また、処理容器1の側壁1bには、プラズマ処理装置100と、これに隣接する真空側搬送室103との間で、ウエハWの搬入出を行うための搬入出口16と、この搬入出口16を開閉するゲートバルブG1とが設けられている。
【0033】
ガス供給装置18は、ガス供給源(例えば、不活性ガス供給源19a、窒素含有ガス供給源19b、酸素含有ガス供給源19c)と、配管(例えば、ガスライン20a、20b、20c)と、流量制御装置(例えば、マスフローコントローラ21a、21b、21c)と、バルブ(例えば、開閉バルブ22a,22b、22c)とを有している。なお、ガス供給装置18は、上記以外の図示しないガス供給源として、例えば処理容器1内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。
【0034】
不活性ガスとしては、例えばN2ガスや希ガスなどを用いることができる。希ガスとしては、例えばArガス、Krガス、Xeガス、Heガスなどを用いることができる。これらの中でも、経済性に優れている点でArガスを用いることが特に好ましい。プラズマ窒化処理に用いる窒素含有ガスとしては、例えばN2、NO、NO2、NH3等を用いることができる。また、プラズマ酸化処理に用いる酸素含有ガスとしては、例えば酸素ガス(O2)、水蒸気(H2O)、一酸化窒素(NO)、一酸化二窒素(N2O)などを用いることができる。
【0035】
不活性ガス、窒素含有ガスおよび酸素含有ガスは、ガス供給装置18の不活性ガス供給源19a、窒素含有ガス供給源19bおよび酸素含有ガス供給源19cから、それぞれガスライン20a、20b、20cを介してガス導入部15に至り、ガス導入部15から処理容器1内に導入される。各ガス供給源に接続する各々のガスライン20a、20b、20cには、マスフローコントローラ21a、21b、21cおよびその前後の1組の開閉バルブ22a,22b、22cが設けられている。このようなガス供給装置18の構成により、供給されるガスの切替えや流量等の制御が出来るようになっている。
【0036】
排気装置は、真空ポンプ24を備えている。真空ポンプ24は、例えばターボ分子ポンプなどの高速真空ポンプなどにより構成される。真空ポンプ24は、排気管12を介して処理容器1の排気室11に接続されている。処理容器1内のガスは、排気室11の空間11a内へ均一に流れ、さらに空間11aから真空ポンプ24を作動させることにより、排気管12を介して外部へ排気される。これにより、処理容器1内を所定の真空度、例えば0.133Paまで高速に減圧することが可能となっている。
【0037】
次に、マイクロ波導入機構27の構成について説明する。マイクロ波導入機構27は、主要な構成として、透過板28、平面アンテナ31、遅波材33、カバー部材34、導波管37、マッチング回路38およびマイクロ波発生装置39を備えている。
【0038】
マイクロ波を透過させる透過板28は、蓋部材13において内周側に張り出した支持部13a上に配備されている。透過板28は、誘電体、例えば石英やAl2O3、AlN等のセラミックスから構成されている。この透過板28と支持部13aとの間は、シール部材29を介して気密にシールされている。したがって、処理容器1内は気密に保持される。
【0039】
平面アンテナ31は、透過板28の上方において、載置台2と対向するように設けられている。平面アンテナ31は、円板状をなしている。なお、平面アンテナ31の形状は、円板状に限らず、例えば四角板状でもよい。この平面アンテナ31は、蓋部材13の上端に係止されている。
【0040】
平面アンテナ31は、例えば表面が金または銀メッキされた銅板またはアルミニウム板から構成されている。平面アンテナ31は、マイクロ波を放射する多数のスロット状のマイクロ波放射孔32を有している。マイクロ波放射孔32は、所定のパターンで平面アンテナ31を貫通して形成されている。
【0041】
個々のマイクロ波放射孔32は、例えば図2に示すように、細長い長方形状(スロット状)をなしている。そして、典型的には隣接するマイクロ波放射孔32が「T」字状に配置されている。また、このように所定の形状(例えばT字状)に組み合わせて配置されたマイクロ波放射孔32は、さらに全体として同心円状に配置されている。
【0042】
マイクロ波放射孔32の長さや配列間隔は、マイクロ波の波長(λg)に応じて決定される。例えば、マイクロ波放射孔32の間隔は、λg/4〜λgとなるように配置される。なお、図2においては、同心円状に形成された隣接するマイクロ波放射孔32どうしの間隔をΔrで示している。なお、マイクロ波放射孔32の形状は、円形状、円弧状等の他の形状であってもよい。さらに、マイクロ波放射孔32の配置形態は特に限定されず、同心円状のほか、例えば、螺旋状、放射状等に配置することもできる。
【0043】
平面アンテナ31の上面には、真空よりも大きい誘電率を有する遅波材33が設けられている。この遅波材33は、真空中ではマイクロ波の波長が長くなることから、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。遅波材33の材質としては、例えば石英、ポリテトラフルオロエチレン樹脂、ポリイミド樹脂などを用いることができる。
【0044】
なお、平面アンテナ31と透過板28との間、また、遅波材33と平面アンテナ31との間は、それぞれ接触させても離間させてもよいが、接触させることが好ましい。
【0045】
処理容器1の上部には、これら平面アンテナ31および遅波材33を覆うように、カバー部材34が設けられている。カバー部材34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。このカバー部材34と平面アンテナ31とで偏平導波路が形成されている。蓋部材13の上端とカバー部材34とは、シール部材35によりシールされている。また、カバー部材34の内部には、冷却水流路34aが形成されている。この冷却水流路34aに冷却水を通流させることにより、カバー部材34、遅波材33、平面アンテナ31および透過板28を冷却できるようになっている。なお、カバー部材34は接地されている。
【0046】
カバー部材34の上壁(天井部)の中央には、開口部36が形成されており、この開口部36には導波管37が接続されている。導波管37の他端側には、マッチング回路38を介してマイクロ波を発生するマイクロ波発生装置39が接続されている。
【0047】
導波管37は、上記カバー部材34の開口部36から上方へ延出する断面円形状の同軸導波管37aと、この同軸導波管37aの上端部にモード変換器40を介して接続された水平方向に延びる矩形導波管37bとを有している。モード変換器40は、矩形導波管37b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。
【0048】
同軸導波管37aの中心には内導体41が延在している。この内導体41は、その下端部において平面アンテナ31の中心に接続固定されている。このような構造により、マイクロ波は、同軸導波管37aの内導体41を介してカバー部材34と平面アンテナ31とで形成される偏平導波路へ放射状に効率よく均一に伝播され、平面アンテナ31のマイクロ波放射孔(スロット)32より処理容器内に導入されて、プラズマが生成される。
【0049】
以上のような構成のマイクロ波導入機構27により、マイクロ波発生装置39で発生したマイクロ波が導波管37を介して平面アンテナ31へ伝搬され、さらに透過板28を介して処理容器1内に導入されるようになっている。なお、マイクロ波の周波数としては、例えば2.45GHzが好ましく用いられ、他に8.35GHz、1.98GHz等を用いることもできる。
【0050】
プラズマ処理装置100の各構成部は、制御部50に接続されて制御される構成となっている。制御部50は、コンピュータを有しており、例えば図3に示したように、CPUを備えたプロセスコントローラ51と、このプロセスコントローラ51に接続されたユーザーインターフェース52および記憶部53を備えている。プロセスコントローラ51は、プラズマ処理装置100において、例えば温度、圧力、ガス流量、マイクロ波出力などのプロセス条件に関係する各構成部(例えば、ヒータ電源5a、ガス供給装置18、真空ポンプ24、マイクロ波発生装置39など)を統括して制御する制御手段である。
【0051】
ユーザーインターフェース52は、工程管理者がプラズマ処理装置100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、プラズマ処理装置100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。また、記憶部53には、プラズマ処理装置100で実行される各種処理をプロセスコントローラ51の制御に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が保存されている。
【0052】
そして、必要に応じて、ユーザーインターフェース52からの指示等にて任意のレシピを記憶部53から呼び出してプロセスコントローラ51に実行させることで、プロセスコントローラ51の制御下、プラズマ処理装置100の処理容器1内で所望の処理が行われる。また、前記制御プログラムや処理条件データ等のレシピは、コンピュータ読み取り可能な記憶媒体、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などに格納された状態のものを利用したり、あるいは、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したりすることも可能である。
【0053】
このように構成されたプラズマ処理装置100では、600℃以下の低温で下地層等へのダメージフリーなプラズマ処理を行うことができる。また、プラズマ処理装置100は、プラズマの均一性に優れていることから、例えば300mm径以上の大型のウエハWに対してもウエハWの面内で処理の均一性を実現できる。
【0054】
次に、プラズマ処理装置100において行われる、絶縁膜の改質方法について図4〜図7を参照しながら説明する。図4は、絶縁膜としての酸化珪素膜の改質手順の流れを示すフロー図であり、図4〜図7は、その主要な工程を説明する工程図である。
【0055】
本実施の形態の絶縁膜の改質方法は、例えば図4に示したステップS1からステップS4の手順により実施される。まず、図4のステップS1では、処理対象のウエハWをプラズマ処理装置100に搬入する。
【0056】
ここで、ウエハWの表面付近には、シリコン層301と、その上に酸化珪素(SiO2)膜303とが形成されている。そして、ステップS2では、図5に示したように、プラズマ処理装置100を用いてウエハWの酸化珪素膜303に対してプラズマ窒化処理を行う。プラズマ窒化処理によって、酸化珪素膜303は窒化されて酸化窒化珪素(SiON)膜305に改質される。このプラズマ窒化処理では、後のプラズマ酸化処理工程(ステップS3)での窒素濃度の減少を見込んで、最終的な目標窒素濃度NCTよりも例えば、1〜3%程度高い窒素濃度NC0となるように窒化処理を行う。ステップS2のプラズマ窒化処理の条件は、窒素濃度NC0が実現できれば特に限定されるものではなく、任意の条件で行うことができる。
【0057】
次に、ステップS3では、図6に示したように、プラズマ処理装置100を用いて酸化窒化珪素膜305の表面をプラズマ酸化処理する。ステップS3のプラズマ酸化処理は、酸化窒化珪素膜305の酸化とN抜けを抑制する観点から、ステップS2のプラズマ窒化処理の終了後、引き続き処理容器1内で雰囲気を真空に維持したまま、プラズマ窒化処理の終了から180秒以内、好ましくは60秒以内に実施する。この工程では、酸化窒化珪素膜305の表層の例えば深さ方向に0.5〜1.0nm程度の範囲をプラズマ酸化し、酸素濃度の高い酸化窒化珪素膜305Bに改質する。これにより、図7に示したように、シリコン層301の上に、酸化窒化珪素膜305として、酸化窒化珪素膜305Aと、その上に改質された酸素リッチな酸化窒化珪素膜305Bが形成される。
【0058】
[プラズマ酸化処理の手順]
ステップS3のプラズマ酸化処理の手順と条件は、以下のとおりである。まず、プラズマ処理装置100の処理容器1内を減圧排気しながら、ガス供給装置18の不活性ガス供給源19a、酸素含有ガス供給源19cから、例えばArガス、O2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1内に導入する。このようにして、処理容器1内を所定の圧力に調節する。
【0059】
次に、マイクロ波発生装置39で発生させた所定周波数が例えば2.45GHzのマイクロ波を、マッチング回路38を介して導波管37に導く。導波管37に導かれたマイクロ波は、矩形導波管37bおよび同軸導波管37aを順次通過し、内導体41を介して平面アンテナ31に供給される。つまり、マイクロ波は、矩形導波管37b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40でTEMモードに変換されて、同軸導波管37aを介してカバー部材34と平面アンテナ31とにより構成される偏平導波路を伝搬していく。そして、マイクロ波は、平面アンテナ31に貫通形成されたスロット状のマイクロ波放射孔32から透過板28を介して処理容器1内におけるウエハWの上方空間に放射される。この際のマイクロ波出力は、例えば200mm径以上のウエハWを処理する場合には、1000W以上5000W以下の範囲内から目的に応じて選択することができる。
【0060】
平面アンテナ31から透過板28を経て処理容器1に放射されたマイクロ波により、処理容器1内で電磁界が形成され、ArガスおよびO2ガスがそれぞれプラズマ化する。この励起されたプラズマは、マイクロ波が平面アンテナ31の多数のマイクロ波放射孔32から放射されることにより、略1×1010〜5×1012/cm3の高密度で、かつウエハW近傍では、略1.2eV以下の低電子温度を有する。このようにして形成されるプラズマは、下地膜へのイオン等によるプラズマダメージが少ない。そして、プラズマ中の活性種O2+イオンやO(1D2)ラジカルの作用によりウエハWにプラズマ酸化処理が行われる。すなわち、ウエハWの酸化窒化珪素膜305の表面が極薄く酸化されることにより、膜の最表面の不安定な状態のSi−N結合や遊離したNの代わりに、Si−O結合が形成されて酸素リッチな酸化窒化珪素膜305Bが形成される。これにより、酸化窒化珪素膜中の窒素が抜けないようにキャップされた状態になり、窒素濃度を一定に且つ安定した状態に維持できる。
【0061】
[プラズマ酸化処理条件]
プラズマ酸化処理の処理ガスとしては、希ガスと酸素含有ガスとを含むガスを用いることが好ましい。希ガスとしてはArガスを、酸素含有ガスとしてはO2ガスを、それぞれ使用することが好ましい。このとき、全処理ガスに対するO2ガスの体積流量比率(O2ガス流量/全処理ガス流量の百分率)は、酸化窒化珪素膜305中の窒素濃度の時間的な減少効果的に抑制する観点から、0.1%以上20%以下の範囲内とすることが好ましく、1%以上15%以下の範囲内とすることがより好ましく、10%以上15%以下の範囲内とすることが望ましい。プラズマ酸化処理では、例えばArガスの流量は500mL/min(sccm)以上5000mL/min(sccm)以下の範囲内、O2ガスの流量は5mL/min(sccm)以上1000mL/min(sccm)以下の範囲内から上記流量比になるように設定することが好ましい。
【0062】
また、処理圧力は、酸化窒化珪素膜305中の窒素濃度の時間的な減少を効果的に抑制する観点から、例えば、67Pa以上1333Pa以下の範囲内が好ましく、133.3Pa以上1333Pa以下の範囲内がより好ましく、333Pa以上1333Paの範囲内が望ましい。プラズマ酸化処理における処理圧力が67Pa未満になると、プラズマ中の酸化活性種としてイオン成分が支配的になるため、酸化レートが高くなり、酸化珪素膜303を窒化して得られた酸化窒化珪素膜305の表面の窒素濃度が低下してしまう。
【0063】
また、マイクロ波のパワー密度は、プラズマ中で活性種のO2+イオンやO(1D2)ラジカルを効率よく生成させる観点から、0.51W/cm2以上2.56W/cm2以下の範囲内とすることが好ましく、酸化窒化珪素膜305の表面を極薄い厚みで酸化するにはプラズマエネルギーが小さい方がよいので、0.51W/cm2以上1.54W/cm2の範囲内がより好ましい。なお、マイクロ波のパワー密度は、透過板28の面積1cm2あたりに供給されるマイクロ波パワーを意味する(以下、同様である)。例えば200mm径以上のウエハWを処理する場合には、マイクロ波パワーを1000W以上5000W以下の範囲内とすることが好ましい。
【0064】
また、ウエハWの加熱温度は、載置台2の温度として、例えば200℃以上600℃以下の範囲内とすることが好ましく、400℃以上600℃以下の範囲内に設定することがより好ましい。
【0065】
また、プラズマ酸化処理の処理時間は、酸化窒化珪素膜305中の表層のみを酸化する観点から、例えば1秒以上90秒以下の範囲内とすることが好ましく、1秒以上60秒以下の範囲内とすることがより好ましい。このように、短い時間でプラズマ処理することで酸化窒化珪素膜305の表面を極薄い厚みで酸化出来る。また、プラズマ酸化処理をプラズマ窒化処理と同一の処理容器1内で行う場合は、酸化珪素膜をプラズマ窒化処理した後、処理容器1内の残留窒素を真空引きして排気するか、真空引きしつつArガス等を供給して排気を迅速に行うことが好ましい。
【0066】
以上の条件は、制御部50の記憶部53にレシピとして保存されている。そして、プロセスコントローラ51がそのレシピを読み出してプラズマ処理装置100の各構成部例えばガス供給装置18、真空ポンプ24、マイクロ波発生装置39、ヒータ電源5aなどへ制御信号を送出することにより、所望の条件でプラズマ酸化処理が行われる。
【0067】
以上のように酸化窒化珪素膜305を改質した後、ステップS4では、ウエハWをプラズマ処理装置100から搬出することにより、1枚のウエハWに対す処理が終了する。
【0068】
本実施の形態において、改質された酸化窒化珪素膜305Bでは、プラズマ酸化によって、酸化窒化珪素膜305中の不安定な窒素原子が酸素原子に置換され、膜外へ放出される。そのため、酸化窒化珪素膜305B中の窒素濃度NC1は、プラズマ窒化処理直後の酸化窒化珪素膜305の窒素濃度NC0よりも低くなっている(NC0>NC1)。また、プラズマ酸化処理によって改質されていない深部の酸化窒化珪素膜305Aの窒素濃度NC2は、ほぼプラズマ窒化処理直後の窒素濃度NC0に等しい値となる。従って、最終的に形成された酸化窒化珪素膜305Aの窒素濃度NC2と酸化窒化珪素膜305Bの窒素濃度NC1の平均が、目標窒素濃度NCTに近づくようにステップS2のプラズマ窒化処理及びステップS3のプラズマ酸化処理を行うことが好ましい。
【0069】
本実施の形態では、ステップS2のプラズマ窒化処理と、ステップS3のプラズマ酸化処理を、プラズマ処理装置100の同一の処理容器内で連続して行うことができる。したがって、プラズマ窒化処理後、酸化窒化珪素膜305中の窒素濃度の経時変化(自然減少)が生じない間に、プラズマ酸化処理を行って酸化窒化珪素膜305中の窒素濃度の安定化を図ることができる。なお、本実施の形態では、後述する基板処理システム200(図9)と同様のマルチチャンバ構造のクラスタツールを用いて、ステップS2のプラズマ窒化処理と、ステップS3のプラズマ酸化処理を異なる処理容器内で行うようにしてもよい。
【0070】
[第2の実施の形態]
次に、図8から図13を参照しながら、本発明の第2の実施の形態に係る絶縁膜の改質方法について説明する。本実施の形態の絶縁膜の改質方法は、酸化珪素膜に対して、プラズマ窒化処理を行い、酸化窒化珪素膜を形成する工程と、この酸化窒化珪素膜に対して酸化アニール処理を行う改質工程とを含むことができる。ここで、本実施の形態におけるプラズマ窒化処理は、第1の実施の形態で使用したものと同様のプラズマ処理装置100(図1〜図3)を用いて実施できる。
【0071】
酸化アニール処理は、例えば図8に示すアニール処理装置101により行うことができる。このアニール処理装置101は、制御性がよい短時間加熱が可能な装置であり、例えばウエハWに形成した薄膜等を、酸化性ガス雰囲気下で800〜1100℃程度の高温領域で、短時間で酸化アニール処理可能がRTP(Rapid Thermal Process)装置として用いることができる。
【0072】
図8において、符号71は、円筒状の処理容器であり、この処理容器71の下方には下部発熱ユニット72が着脱可能に設けられ、また、処理容器71の上方には、下部発熱ユニット72と対向するように上部発熱ユニット74が着脱可能に設けられている。下部発熱ユニット72は、水冷ジャケット73の上面に複数配列された加熱手段としてのタングステンランプ76を有している。同様に、上部発熱ユニット74は、水冷ジャケット75と、その下面に複数配列された加熱手段としてのタングステンランプ76とを有している。なお、ランプとしては、タングステンランプ76に限らず、例えば、ハロゲンランプ、Xeランプ、水銀ランプ、フラッシュランプ等でもよい。このように、処理容器71内において互いに対向して配備された各タングステンランプ76は、図示しない電源に接続されており、そこからの電力供給量を制御部50により調節することで、発熱量を制御できるようになっている。なお、制御部50の構成は、第1の実施の形態と同様である(図3参照)。
【0073】
下部発熱ユニット72と上部発熱ユニット74との間には、ウエハWを支持するための支持部77が設けられている。この支持部77は、ウエハWを処理容器71内の処理空間に保持した状態で支持するためのウエハ支持ピン77aと、処理中にウエハWの温度を計測するためのホットライナー78を支持するライナー設置部77bを有している。また、支持部77は、図示しない回転機構と連結されており、支持部77を全体として鉛直軸廻りに回転させる。これにより、処理中にウエハWが所定速度で回転し、熱処理の均一化が図られる。
【0074】
処理容器71の下方には、パイロメーター81が配置されており、熱処理中にホットライナー78からの熱線を、ポート81aおよび光ファイバー81bを介してパイロメーター81で計測することにより、間接的にウエハWの温度を把握できるようになっている。なお、直接ウエハWの温度を計測するようにしてもよい。
【0075】
また、ホットライナー78の下方には、下部発熱ユニット72のタングステンランプ76との間に石英部材79が介在配備されており、図示のように前記ポート81aは、この石英部材79に設けられている。なお、ポート81aを複数配備することも可能である。さらに、ウエハWの上方にも、上部発熱ユニット74のタングステンランプ76との間に石英部材80aが介在配備されている。また、ウエハWを囲繞するように、処理容器71の内周面にも石英部材80bが配設されている。なお、ウエハWを支持して昇降させるためのリフターピン(図示せず)が、ホットライナー78を貫通して設けられており、ウエハWの搬入出に使用される。
【0076】
下部発熱ユニット72と処理容器71との間、および上部発熱ユニット74と処理容器71との間には、それぞれシール部材(図示せず)が介在されており、処理容器71内は気密状態となる。また、処理容器71の側部には、ガス導入管82に接続されたガス供給装置83が配備されており、図示しない流量制御装置によって、処理容器71の処理空間内に、例えばO2ガス、NO、N2O、H2O(O2とH2から水蒸気ジェネレータで生成させる)などの酸化性ガスや、必要に応じてさらに希ガスなどの不活性ガス等を導入できるようになっている。また、処理容器71の下部には、排気管84が設けられており、図示しない真空ポンプ等の排気装置により、処理容器71内を減圧できるように構成されている。
【0077】
アニール処理装置101の各構成部も、プラズマ処理装置100と同様に、制御部50に接続されて制御される構成となっている。そして、ユーザーインターフェース52からの指示等にて任意のレシピを記憶部53から呼び出してプロセスコントローラ51に実行させることで、プロセスコントローラ51の制御下で、アニール処理装置101での酸化アニール処理が行われる。例えば、プロセスコントローラ51によって下部発熱ユニット72と上部発熱ユニット74に設けられた各タングステンランプ76への電力供給量を制御することにより、ウエハWの加熱速度や加熱温度を調節できる。また、ガス供給装置83から処理容器71内へ供給される酸化性ガスの流量や比率を調節できる。
【0078】
図9は、ウエハWに対し、例えばプラズマ窒化処理および酸化アニール処理を真空条件で連続的に行なうように構成された基板処理システム200を示す概略構成図である。この基板処理システム200は、マルチチャンバ構造のクラスタツールとして構成されている。
【0079】
基板処理システム200は、主要な構成として、ウエハWに対して各種の処理を行う4つのプロセスモジュール100a,100b,101a,101bと、これらのプロセスモジュール100a,100b,101a,101bに対してゲートバルブG1を介して接続された真空側搬送室103と、この真空側搬送室103にゲートバルブG2を介して接続された2つのロードロック室105a,105bと、これら2つのロードロック室105a,105bに対してゲートバルブG3を介して接続されたローダーユニット107とを備えている。
【0080】
4つのプロセスモジュール100a,100b,101a,101bは、ウエハWに対して同じ内容の処理を行うものであってもよいし、あるいはそれぞれ異なる内容の処理を行うものであってもよい。本実施の形態では、プロセスモジュール100a,100bでは、ウエハWのシリコンをプラズマ窒化処理して酸化窒化珪素膜を形成し、プロセスモジュール101a,101bでは、プラズマ窒化処理により形成された酸化窒化珪素膜をさらに酸化アニール処理できるように構成されている。
【0081】
真空引き可能に構成された真空側搬送室103には、プロセスモジュール100a,100b,101a,101bやロードロック室105a,105bに対してウエハWの受け渡しを行う第1の基板搬送装置としての搬送装置109が設けられている。この搬送装置109は、互いに対向するように配置された一対の搬送アーム部111a,111bを有している。各搬送アーム部111a,111bは同一の回転軸を中心として、屈伸及び旋回可能に構成されている。また、各搬送アーム部111a,111bの先端には、それぞれウエハWを載置して保持するためのフォーク113a,113bが設けられている。搬送装置109は、これらのフォーク113a,113b上にウエハWを載置した状態で、プロセスモジュール100a,100b,101a,101b間、あるいはプロセスモジュール100a,100b,101a,101bとロードロック室105a,105bとの間でウエハWの搬送を行う。
【0082】
ロードロック室105a,105b内には、それぞれウエハWを載置する載置台106a,106bが設けられている。ロードロック室105a,105bは、真空状態と大気開放状態を切り替えられるように構成されている。このロードロック室105a,105bの載置台106a,106bを介して、真空側搬送室103と大気側搬送室119(後述)との間でウエハWの受け渡しが行われる。
【0083】
ローダーユニット107は、ウエハWの搬送を行う第2の基板搬送装置としての搬送装置117が設けられた大気側搬送室119と、この大気側搬送室119に隣接配備された3つのロードポートLPと、大気側搬送室119の他の側面に隣接配備され、ウエハWの位置測定を行なう位置測定装置としてのオリエンタ121とを有している。
【0084】
大気側搬送室119は、例えば窒素ガスや清浄空気をダウンフローさせる循環設備(図示省略)を備え、クリーンな環境が維持されている。大気側搬送室119は、平面視矩形形状をなしており、その長手方向に沿ってガイドレール123が設けられている。このガイドレール123に搬送装置117がスライド移動可能に支持されている。つまり、搬送装置117は図示しない駆動機構により、ガイドレール123に沿ってX方向へ移動可能に構成されている。この搬送装置117は、上下2段に配置された一対の搬送アーム部125a,125bを有している。各搬送アーム部125a,125bは屈伸及び旋回可能に構成されている。各搬送アーム部125a,125bの先端には、それぞれウエハWを載置して保持する保持部材としてのフォーク127a,127bが設けられている。搬送装置117は、これらのフォーク127a,127b上にウエハWを載置した状態で、ロードポートLPのウエハカセットCRと、ロードロック室105a,105bと、オリエンタ121との間でウエハWの搬送を行う。
【0085】
ロードポートLPは、ウエハカセットCRを載置できるようになっている。ウエハカセットCRは、複数枚のウエハWを同じ間隔で多段に載置して収容できるように構成されている。
【0086】
オリエンタ121は、図示しない駆動モータによって回転される回転板133と、この回転板133の外周位置に設けられ、ウエハWの周縁部を検出するための光学センサ135とを備えている。
【0087】
[ウエハ処理の手順]
基板処理システム200においては、以下の手順でウエハWに対するプラズマ窒化処理、および酸化アニール処理が行われる。まず、大気側搬送室119の搬送装置117のフォーク127a,127bのいずれかを用い、ロードポートLPのウエハカセットCRより1枚のウエハWが取り出され、オリエンタ121で位置合わせした後、ロードロック室105a(または105b)に搬入される。ウエハWが載置台106a(または106b)に載置された状態のロードロック室105a(または105b)では、ゲートバルブG3が閉じられ、内部が真空状態に減圧排気される。その後、ゲートバルブG2が開放され、真空側搬送室103内の搬送装置109のフォーク113a,113bによってウエハWがロードロック室105a(または105b)から運び出される。
【0088】
搬送装置109によりロードロック室105a(または105b)から運び出されたウエハWは、まず、プロセスモジュール100a,100bのいずれかに搬入され、ゲートバルブG1を閉じた後でウエハWに対してプラズマ窒化処理が行われる。
【0089】
次いで、前記ゲートバルブG1が開放され、酸化窒化珪素膜305が形成されたウエハWが搬送装置109によりプロセスモジュール100a(または100b)から真空状態のままプロセスモジュール101a,101bのいずれか片方に搬入される。そして、ゲートバルブG1を閉じた後でウエハWに対して酸化アニール処理が行われる。
【0090】
次いで、前記ゲートバルブG1が開放され、改質された酸化窒化珪素膜305が形成されたウエハWが搬送装置109によりプロセスモジュール101a(または101b)から真空状態のまま搬出され、ロードロック室105a(または105b)に搬入される。そして、前記とは逆の手順でロードポートLPのウエハカセットCRに処理済みのウエハWが収納され、基板処理システム200における1枚のウエハWに対する処理が完了する。なお、基板処理システム200における各処理装置の配置は、効率的に処理を行うことができる配置であれば、いかなる配置構成でもよい。さらに、基板処理システム200におけるプロセスモジュールの数は4つに限らず、5つ以上であってもよい。
【0091】
図10は、絶縁膜としての酸化珪素膜の改質手順の流れを示すフロー図であり、図11〜図13は、その主要な工程を説明する工程図である。
【0092】
本実施の形態の絶縁膜の改質方法は、例えば図10に示したステップS11からステップS15の手順により実施される。ここで、ステップS11、S12までの工程は、第1の実施の形態のステップS1、S2と同様に実施できる。まず、図10のステップS11では、真空側搬送室103内の搬送装置109により、処理対象のウエハWをプラズマ処理装置100(プロセスモジュール100aまたは100b)に搬入する。ここで、ウエハWの表面付近には、シリコン層301と、その上に酸化珪素(SiO2)膜303とが形成されている。そして、ステップS12では、図11に示したように、ウエハWの酸化珪素膜303に対してプラズマ窒化処理を行う。プラズマ窒化処理によって、酸化珪素膜303は窒化されて酸化窒化珪素(SiON)膜305が形成される。このプラズマ窒化処理では、後の酸化アニール処理工程(ステップS14)での窒素濃度の減少を見込んで、最終的な目標窒素濃度NCTよりも例えば、1〜3%程度高い窒素濃度NC0となるように窒化処理を行う。ステップS12のプラズマ窒化処理の条件は、窒素濃度NC0が実現できれば特に限定されるものではなく、任意の条件で行うことができる。
【0093】
次に、ステップS13では、ウエハWをプラズマ処理装置100(プロセスモジュール100aまたは100b)からアニール処理装置101(プロセスモジュール101aまたは101b)に移送する。この移送は、真空側搬送室103内の搬送装置109によって真空状態のまま実施される。
【0094】
次に、ステップS14では、図12に示したように、アニール処理装置101を用いて、酸化窒化珪素膜305の表面を酸化アニール処理する。酸化アニール処理は、酸化窒化珪素膜305の表面酸化とN抜けを抑制する観点から、ステップS12のプラズマ窒化処理の終了後、真空を維持したままウエハWをアニール処理装置101へ搬入し、プラズマ窒化処理の終了から180秒以内、好ましくは60秒以内に実施する。この工程では、酸化窒化珪素膜303の表層の例えば深さ方向に0.5〜1.0nm程度の範囲を酸化し、酸素濃度の高い酸化窒化珪素膜305Bに改質する。これにより、図13に示したように、シリコン層301の上に、酸化窒化珪素膜305として、酸化窒化珪素膜305Aとその上に改質された酸素リッチな酸化窒化珪素膜305Bが形成される。
【0095】
[酸化アニール処理の手順]
まず、アニール処理装置101において、処理容器71内の支持部77にウエハWをセットした後、気密な空間を形成する。次いで、プロセスコントローラ51の制御の下、図示しない電源から所定の電力を下部発熱ユニット72および上部発熱ユニット74の各タングステンランプ76の発熱体(図示省略)に供給してオン(入)にすると、各発熱体が発熱し、発生した熱線が石英部材79および石英部材80aを通過してウエハWに至り、レシピに基づく条件(昇温レート、加熱温度、ガス流量など)でウエハWが上下から急速に加熱される。ウエハWを加熱しながら、ガス供給装置83から所定の流量でO2ガス等の酸素含有ガスを導入するとともに、図示しない排気装置を作動させて排気管84から排気を行うことにより、処理容器71内を減圧状態の酸化雰囲気とする。
【0096】
酸化アニール処理の間は、図示しない回転機構により支持部77を全体として鉛直軸廻り、つまり水平方向に例えば80rpmの回転速度で回転させることにより、ウエハWを回転させる。その結果、ウエハWへの供給熱量の均一性が確保される。また、熱処理中にはホットライナー78の温度をパイロメーター81により計測し、間接的にウエハWの温度を計測できる。パイロメーター81により計測された温度データは、プロセスコントローラ51にフィードバックされ、レシピにおける設定温度との間に差がある場合には、タングステンランプ76への電力供給が調節される。
【0097】
熱処理が終了した後は、下部発熱ユニット72および上部発熱ユニット74のタングステンランプ76をオフ(切)にするとともに、処理容器71内に、図示しないパージポートより窒素等のパージガスを流し込みつつ排気管84から排気してウエハWを冷却した後、搬出する。
【0098】
また、酸化アニール処理は、以下に例示するように昇温工程を複数段階(例えば3段階)に分けて実施することが好ましい。
【0099】
まず、第1の昇温段階では、ウエハWの放射率が最大になる第1の温度までウエハWを昇温する。ここでウエハWの放射率は、ウエハWに形成された酸化窒化珪素膜に応じて設定される。
【0100】
次に、第2の昇温段階では、ウエハWの放射率が最大になる温度(第1の温度)から、処理温度よりも低い第2の温度に達するまでウエハWを昇温する。ここで、第2の温度Xは、次の関係式 3≦(T−X)/Y≦7
[ただし、T;処理温度、Y;第3の昇温レートにおける1秒当りの昇温温度幅、を示す]
を満たすように規定される温度である。
【0101】
上記関係式において、(T−X)/Yが3未満である場合には、第3の昇温段階がその昇温レートとの関係で短すぎ、オーバーシュートが生じ、ウエハWに反りやスリップが発生する可能性が高まるので好ましくない。逆に、上記関係式において、(T−X)/Yが7を超える場合には、第3の昇温段階がその昇温レートとの関係で長すぎるため、処理のスループットを低下させるので好ましくない。第2の温度Xは、例えば、処理温度Tに対して85%〜95%の温度とすることが好ましい。
【0102】
第3の昇温段階では、第2の温度から、処理温度に達するまで被処理基板を昇温する。そして、処理温度(例えば800℃〜1100℃)において、定温での酸化アニール処理を実施し、所定時間の処理が終了したら所定の降温レートでウエハWの温度を降下させることにより、熱処理が終了する。
【0103】
第1の昇温段階から第3の昇温段階において、第2の昇温段階の昇温レートは、第3の昇温段階の昇温レートよりも高くする。第2の昇温段階では、主としてスループットを向上させる観点から、昇温レートを出来るだけ高くすることが好ましいからである。しかし、高い昇温レートで処理温度まで昇温することは、オーバーシュートを発生させることや、急激な温度変化により被処理基板の面内で加熱速度が不均一になり、被処理基板に熱応力(歪み)が加わり、反りや結晶欠陥であるスリップを発生させる。このため、第2の昇温段階の後に、これよりも昇温レートの低い第3の昇温段階を設けることにより、オーバーシュートや被処理基板の面内での加熱速度を均一にし、被処理基板の反りやスリップの発生を防止している。
【0104】
また、第3の昇温段階の昇温レートは、第1の昇温段階の昇温レート以上であることが好ましい。第1の昇温段階では、ウエハWの放射率が最大になる温度(第1の温度)まで昇温するが、この第1の温度に到達するまでは被処理基板に反りが発生しやすい。従って、第1の昇温段階での昇温レートが高すぎると、被処理基板の面内での加熱速度が不均一になって被処理基板に反りが生じたり、スリップなどを発生させることがある。従って、第1の昇温段階での昇温レートは、第3の昇温段階の昇温レート以下、3ステップの昇温段階中、最も低く設定することが好ましい。
【0105】
酸化アニール処理によって、ウエハWの酸化窒化珪素膜305の表面が極薄く酸化されることにより、膜の最表面の不安定な状態のSi−N結合や遊離したNの代わりに、Si−O結合が形成されて酸素リッチな酸化窒化珪素膜305Bが形成される。これにより、酸化窒化珪素膜中の窒素が抜けないようにキャップされた状態になり、窒素濃度を一定に且つ安定した状態に維持できる。
【0106】
[酸化アニール処理の条件]
酸化アニール処理の酸素含有ガスとしては、処理容器71内で酸化雰囲気を形成できるガスであれば特に制約はないが、例えばO2ガス、NOガス、N2Oガス、H2O(水蒸気)などが好ましく、これらに不活性ガスとしてのAr等の希ガスやN2等を混入してもよい。O2ガスとN2ガスの混合ガスを用いる場合は、改質効果を高めるため、O2ガス流量:N2ガス流量の体積比率が例えば10:1〜1:2の範囲内となるように混合することが好ましい。本発明方法では、酸化窒化珪素膜中の窒素濃度の時間的な減少効果的に抑制する観点から、特にO2ガスを用いる酸化アニール処理が望ましい。このとき、酸素含有ガスの流量は0.5mL/min(sccm)以上2000mL/min(sccm)以下の範囲内で設定することができる。
【0107】
また、処理圧力は、酸化窒化珪素膜中の窒素濃度の時間的な減少効果的に抑制する観点から、10Pa以上15000Pa以下の範囲内が好ましく、133Pa以上10000Pa以下の範囲内がより好ましい。
【0108】
また、ウエハWの加熱温度は、パイロメーター81の計測温度として、例えば800℃以上1100℃以下の範囲内とすることが好ましく、900℃以上1100℃以下の範囲内に設定することがより好ましい。
【0109】
また、酸化アニール処理の処理時間は、酸化窒化珪素膜305中の表層のみを酸化する観点から、例えば10秒以上50秒以下の範囲内とすることが好ましく、10秒以上30秒以下の範囲内とすることがより好ましい。このように短時間で酸化アニールを行うことで酸化窒化珪素膜305の表面を極薄い厚みで酸化出来る。また、酸化窒化珪素膜305の増膜(電気的膜厚(EOT)の増大)を抑制出来る。
【0110】
以上の条件は、制御部50の記憶部53にレシピとして保存されている。そして、プロセスコントローラ51がそのレシピを読み出してアニール処理装置101の各構成部例えばガス供給装置83、排気装置(図示せず)、下部発熱ユニット72および上部発熱ユニット74(タングステンランプ76)などへ制御信号を送出することにより、所望の条件で酸化アニール処理が行われる。
【0111】
以上のように酸化窒化珪素膜305を改質した後、ステップS15では、真空搬送室103内の搬送装置109により処理済のウエハWをアニール処理装置101(プロセスモジュール101aまたは101b)から搬出し、前記手順でロードポートLPのウエハカセットCRに収納する。
【0112】
本実施の形態において、改質された酸化窒化珪素膜305Bでは、酸化アニール処理によって、酸化窒化珪素膜305中の不安定な窒素原子が酸素原子に置換され、膜外へ放出される。そのため、酸化窒化珪素膜305B中の窒素濃度NC1は、プラズマ窒化処理直後の酸化窒化珪素膜305の窒素濃度NC0よりも低くなっている(NC0>NC1)。また、酸化アニール処理によって改質されていない深部の酸化窒化珪素膜305Aの窒素濃度NC2は、ほぼプラズマ窒化処理直後の窒素濃度NC0に等しい値となる。従って、最終的に形成された酸化窒化珪素膜305Aの窒素濃度NC2と酸化窒化珪素膜305Bの窒素濃度NC1の平均が、目標窒素濃度NCTに近づくようにステップS12のプラズマ窒化処理及びステップS14の酸化アニール処理を行うことが好ましい。
【0113】
本実施の形態では、ステップS12のプラズマ窒化処理と、ステップS14の酸化アニール処理を、基板処理システム200において真空条件のまま連続して行うことができる。したがって、プラズマ窒化処理後、酸化窒化珪素膜305中の窒素濃度の経時変化(自然減少)が生じない間に、プラズマ酸化処理を行って酸化窒化珪素膜305中の窒素濃度の安定化を図ることができる。
【0114】
本実施の形態における他の構成及び効果は、第1の実施の形態と同様である。
【0115】
[第3の実施の形態]
次に、図14〜図18を参照しながら、本発明の第3の実施の形態に係る絶縁膜の改質方法について説明する。本実施の形態の絶縁膜の改質方法は、酸化珪素膜に対して、プラズマ窒化処理を行い、酸化窒化珪素膜を形成する工程と、この酸化窒化珪素膜に対してプラズマ窒化処理を行う第1の改質工程と、さらに、酸化窒化珪素膜に対して酸化アニール処理を行う第2の改質工程とを含むことができる。ここで、本実施の形態におけるプラズマ窒化処理及びプラズマ酸化処理は、第1の実施の形態で使用したものと同様のプラズマ処理装置100(図1〜図3)を用いて実施できる。酸化アニール処理は、例えば図8に示すアニール処理装置101により行うことができる。また、以上の処理は、図9に示した基板処理システム200と同様に構成されたマルチチャンバ構造のクラスタツールにおいて行うことができる。
【0116】
図14は、絶縁膜としての酸化珪素膜の改質手順の流れを示すフロー図であり、図15〜図18は、その主要な工程を説明する工程図である。
【0117】
本実施の形態の絶縁膜の改質方法は、例えば図14に示したステップS21からステップS26の手順により実施される。ここで、ステップS21〜S23までの工程は、第1の実施の形態のステップS1〜S3と同様に実施できる。まず、図14のステップS21では、真空側搬送室103内の搬送装置109により、処理対象のウエハWをプラズマ処理装置100(プロセスモジュール100aまたは100b)に搬入する。ここで、ウエハWの表面付近には、シリコン層301と、その上に酸化珪素(SiO2)膜303とが形成されている。そして、ステップS22では、図15に示したように、ウエハWの酸化珪素膜303に対してプラズマ窒化処理を行う。プラズマ窒化処理によって、酸化珪素膜303は窒化されて酸化窒化珪素(SiON)膜305が形成される。このプラズマ窒化処理では、後のプラズマ酸化処理工程(ステップS23)及び酸化アニール処理(ステップS25)での窒素濃度の減少を見込んで、最終的な目標窒素濃度NCTよりも例えば、1〜3%程度高い窒素濃度NC0となるように窒化処理を行う。ステップS22のプラズマ窒化処理の条件は、窒素濃度NC0が実現できれば特に限定されるものではなく、任意の条件で行うことができる。
【0118】
次に、ステップS23では、図16に示したように、プラズマ処理装置100を用いて酸化窒化珪素膜305の表面をプラズマ酸化処理する。プラズマ酸化処理は、酸化窒化珪素膜305の酸化とN抜けを抑制する観点から、ステップS22のプラズマ窒化処理の終了後、引き続き処理容器1内で雰囲気を真空に維持したまま、プラズマ窒化処理の終了から180秒以内、好ましくは60秒以内に実施する。この工程では、酸化窒化珪素膜305の表層の例えば深さ方向に0.5〜1.0nm程度の範囲をプラズマ酸化し、酸素濃度の高い酸化窒化珪素膜305Bに改質する。これにより、図17に示したように、シリコン層301の上に、酸化窒化珪素膜305Aと、その上に改質された酸素リッチな酸化窒化珪素膜305Bが形成される。プラズマ酸化処理の条件は、第1の実施の形態のステップS13と同様である。
【0119】
次に、ステップS24では、ウエハWをプラズマ処理装置100(プロセスモジュール100aまたは100b)からアニール処理装置101(プロセスモジュール101aまたは101b)に移送する。この移送は、真空側搬送室103内の搬送装置109によって真空状態のまま実施される。
【0120】
次に、ステップS25では、図17に示したように、アニール処理装置101を用いて、酸化窒化珪素膜305の表面を酸化アニール処理する。この工程では、酸化窒化珪素膜305の表層の例えば深さ方向に0.5〜1.0nm程度の範囲を酸化し、酸素濃度の高い酸化窒化珪素膜305Bに改質する。これにより、図18に示したように、シリコン層301の上に、酸化窒化珪素膜305として、酸化窒化珪素膜305Aと、その上に改質された酸素リッチな酸化窒化珪素膜305Bが形成される。酸化アニール処理の条件は、第2の実施の形態のステップS14と同様である。
【0121】
以上のように酸化窒化珪素膜305を改質した後、ステップS26では、真空搬送室103内の搬送装置109により処理済のウエハWをアニール処理装置101(プロセスモジュール101aまたは101b)から搬出し、前記手順でロードポートLPのウエハカセットCRに収納する。
【0122】
本実施の形態では、プラズマ酸化処理と酸化アニール処理の組み合わせによって、ウエハWの酸化窒化珪素膜305の表面が極薄く酸化されることにより、膜の最表面の不安定な状態のSi−N結合や遊離したNの代わりに、Si−O結合が形成されて酸素リッチな酸化窒化珪素膜305Bが形成される。これにより、酸化窒化珪素膜中の窒素が抜けないようにキャップされた状態になり、窒素濃度を一定に且つ安定した状態に維持できる。
【0123】
本実施の形態において、改質された酸化窒化珪素膜305Bでは、プラズマ酸化処理と酸化アニール処理との組み合わせによって、酸化窒化珪素膜305中の不安定な窒素原子が酸素原子に置換され、膜外へ放出される。そのため、酸化窒化珪素膜305B中の窒素濃度NC1は、プラズマ窒化処理直後の酸化窒化珪素膜305の窒素濃度NC0よりも低くなっている(NC0>NC1)。また、プラズマ酸化処理及び酸化アニール処理によって改質されていない深部の酸化窒化珪素膜305Aの窒素濃度NC2は、ほぼプラズマ窒化処理直後の窒素濃度NC0に等しい値となる。従って、最終的に形成された酸化窒化珪素膜305Aの窒素濃度NC2と酸化窒化珪素膜305Bの窒素濃度NC1の平均が、目標窒素濃度NCTに近づくようにステップS22のプラズマ窒化処理、並びに、ステップS23のプラズマ酸化処理及びステップS25の酸化アニール処理を行うことが好ましい。
【0124】
本実施の形態では、ステップS22のプラズマ窒化処理と、ステップS23のプラズマ酸化処理及びステップS25の酸化アニール処理を、基板処理システム200において真空条件のまま連続して行うことができる。したがって、プラズマ窒化処理後、酸化窒化珪素膜305中の窒素濃度の経時変化(自然減少)が生じない間に、プラズマ酸化処理及び酸化アニール処理を行って酸化窒化珪素膜305中の窒素濃度の安定化を図ることができる。
【0125】
なお、本実施の形態では、図14に示したように、ステップS22のプラズマ窒化処理の後に、ステップS23のプラズマ酸化処理を行い、その後、ステップS25の酸化アニール処理を行ったが、ステップS22のプラズマ窒化処理の後に、まず、酸化アニール処理を行い、次にプラズマ酸化処理を行うようにしてもよい。また、ステップS22のプラズマ窒化処理と、ステップS23のプラズマ酸化処理は、処理容器を変えて行うこともできる。例えば、ステップS22のプラズマ窒化処理は、プロセスモジュール100aで行い、ステップS23のプラズマ酸化処理はプロセスモジュール100bで行うようにしてもよい。
【0126】
本実施の形態における他の構成及び効果は、第1及び第2の実施の形態と同様である。
【0127】
[作用]
酸化珪素膜をプラズマ窒化処理した直後の酸化窒化珪素膜中には、不安定な状態のSi−N結合や窒素原子が含まれている。これらの窒素原子は、時間の経過とともに徐々に酸化窒化珪素膜中から外部に放出される(N抜け現象)。本発明者らは、プラズマ窒化処理後に、経時的に酸化窒化珪素膜中の窒素濃度が低下するN抜け現象が生じるのは、Si−N結合が切断されやすく、代わりに雰囲気中の酸素原子が膜中に取り込まれ、Si−O結合に置き換わるためであると考えた。そこで、発想を逆転させ、プラズマ窒化処理の直後(例えば180秒以内)に、真空雰囲気を維持したまま、酸化窒化珪素膜の表層に短時間のプラズマ酸化処理及び/又は酸化アニール処理を含む改質処理を施すことにより、該表層部分のSi−N結合をSi−O結合へ強制的に転換させるとともに、遊離状態の窒素原子の膜外放出を促進させることにした。改質処理によって、酸化窒化珪素膜の表層付近に、薄い酸素リッチな(S−O結合が密な)改質層が形成される。この改質層は、一種のバリア機能を果たし、酸化窒化珪素膜中の改質層より深部からの窒素原子の放出を抑制するように作用する。従って、改質処理により、長時間の持続的な窒素濃度の低下(N抜け現象)を防止することができる。また、改質処理は、酸化窒化珪素膜の表面付近である程度の窒素濃度の減少を伴うが、予め減少幅を見込んでプラズマ窒化処理工程において多めに窒素をドーズしておくことにより、改質工程後の酸化窒化珪素膜を目標窒素濃度にコントロールすることが可能になる。
【0128】
次に、本発明の基礎となった実験データについて説明する。
試験例1:
ドライ酸化法により成膜した厚さ3.2nmのSiO2膜に対し、図1に示したプラズマ処理装置100と同様の構成のプラズマ処理装置を用い、下記の条件でプラズマ窒化処理を行うことにより、4段階の異なる窒素濃度(窒素濃度;高、中―高、中―低、低)のSiON膜を形成した。
【0129】
[プラズマ窒化処理条件]
Arガス流量;500又は1000mL/min(sccm)
N2ガス流量;200mL/min(sccm)
処理圧力;35Pa(260mTorr)
載置台の温度;400℃
マイクロ波パワー;1900W
処理時間;5秒、30秒、115秒又は300秒
【0130】
各SiON膜を27℃雰囲気で放置し、経時的に膜中窒素濃度を測定した。その結果を図19に示した。図19の縦軸は、SiON膜中の窒素濃度を示しており、横軸は経過時間を示している。この結果より、膜中窒素濃度の減少傾向は、初期の窒素濃度が低いほど小さく、高いほど大きくなっていた。このことは、SiON膜表面にSi―N結合が多い場合、外部の酸素によって酸化されやすくなるため、Si−N結合がSi−O結合に変化し、遊離窒素が膜外へ放出された結果であると考えられた。
【0131】
次に、図19中の窒素濃度が「中―高」であるSiON膜に対して、図1に示したプラズマ処理装置100と同様の構成のプラズマ処理装置を用い、下記の2種類の条件でプラズマ酸化処理を実施し、プラズマ窒化処理後の初期の窒素濃度に対する窒素濃度の経時的な減少率を評価した。ここで、プラズマ酸化処理は、プラズマ窒化処理に引き続き180秒以内に同一の処理容器内で実施した。その結果を図20に示した。図20の縦軸は、プラズマ窒化処理終了からの窒素濃度の減少率(%)を示しており、横軸はプラズマ窒化処理工程終了から1時間経過後の窒素濃度(%)を示している。また、図21は、プラズマ窒化処理後16時間経過後のSiON膜のN濃度と、1時間経過後のSiON膜のN濃度の差分(縦軸)を、処理条件別に示している。なお、図20及び図21中の「標準」は、プラズマ酸化処理を行わずプラズマ窒化処理のまま放置した場合を意味する。
【0132】
[条件1;高酸化レート]
Arガス流量;2000mL/min(sccm)
O2ガス流量;20mL/min(sccm)
流量百分率(O2/Ar+O2);約1%
処理圧力;127Pa(950mTorr)
載置台の温度;400℃
マイクロ波パワー;2750W
マイクロ波パワー密度;0.97W/cm2(透過板の面積1cm2あたり)
処理時間;3秒
【0133】
[条件2;低酸化レート]
Arガス流量;2000mL/min(sccm)
O2ガス流量;300mL/min(sccm)
流量百分率(O2/Ar+O2);約13%
処理圧力;333Pa(2500mTorr)
載置台の温度;400℃
マイクロ波パワー;2750W
マイクロ波パワー密度;0.97W/cm2(透過板の面積1cm2あたり)
処理時間;3秒
【0134】
図20及び図21から、SiON膜に対し、高酸化レートの条件1、及び低酸化レートの条件2のどちらでプラズマ酸化を行った場合でも、プラズマ酸化処理をしなかった場合に比べて、窒素濃度の減少が抑えられていることが確認できた。つまり、SiON膜に対してプラズマ酸化処理を行うことによって、窒素濃度の経時的な減少が抑制されていた。特に、処理圧力が333Pa、酸素ガスの体積流量比率が13%である条件2では、同じ経過時間でもプロットの位置が図20中の上方に大幅な変化をみせていた。従って、SiON膜を改質処理するためのプラズマ酸化処理では、処理圧力は127Pa以上が好ましく、333Pa以上がより好ましく、全処理ガス中の酸素流量比は、1%以上とすることが好ましく、13%以上とすることがより好ましいことが確認された。
【0135】
また、図22は、プラズマ酸化処理の前後におけるSiON膜中のXPS(X線光電子分光)分析の結果を示している。図22の縦軸は膜中の窒素濃度及び酸素濃度と相関のある強度を示しており、横軸は膜中の深さを示している。この図22から、プラズマ酸化処理によって、膜の表面から極浅い0.5nm以下の深さで酸素濃度が増加し、反対に窒素濃度が減少していることがわかる。
【0136】
試験例2
ドライ酸化法により成膜した厚さ6nmのSiO2膜に対し、図1に示したプラズマ処理装置100と同様の構成のプラズマ処理装置を用い、下記の条件でプラズマ窒化処理を行い、SiON膜を形成した。
【0137】
[プラズマ窒化処理条件]
Arガス流量;1000mL/min(sccm)
N2ガス流量;200mL/min(sccm)
処理圧力;35Pa(260mTorr)
載置台の温度;400℃
マイクロ波パワー;1900W
処理時間;115秒
【0138】
このSiON膜に対して、以下に示す条件でアニール処理を行った。ここで、アニール処理は、プラズマ窒化処理に引き続き、真空を維持したまま図8に示したアニール処理装置101と同様の構成の装置にSiON膜が形成されたウエハWを搬入して、180秒以内に実施した。
【0139】
[アニール条件1;O2アニール]
O2ガス流量;2L/min(slm)
【0140】
[アニール条件2;O2・N2アニール]
O2ガス流量:N2ガス流量比;1:1
O2ガス流量;1L/min(slm)
N2ガス流量;1mL/min(sccm)
【0141】
[アニール条件3;N2アニール]
N2ガス流量;2mL/min(sccm)
【0142】
[共通条件]
処理圧力;133Pa(1Torr)、667Pa(5Torr)又は9998Pa(75Torr)
処理温度;900℃、1050℃、又は1100℃
処理時間15秒
【0143】
図23は、プラズマ窒化処理直後のSiON膜の窒素濃度に対する100時間経過後の窒素濃度の減少率(縦軸)とアニール処理の条件との関係を示している。また、図23中の「標準」は、アニール処理を行わずプラズマ窒化処理のまま放置した場合を意味する。窒素濃度の減少率を目標値である1%以下に抑制するためには、アニール条件3のN2アニールよりも、アニール条件1のO2アニール又はアニール条件2のO2・N2アニールが好ましいことがわかった。また、アニール条件1のO2アニールの中では、処理圧力及び処理温度が高いほど窒素濃度の減少を抑制する効果が大きいことが確認された。
【0144】
以上のように、プラズマ窒化処理後のSiON膜に対して、プラズマ酸化処理又は酸化アニール処理を行うことによって、酸化窒化珪素膜の膜質を改善し、N抜けを抑制できることが確認できた。また、上記結果から、プラズマ窒化処理後のSiON膜に対して、プラズマ酸化処理と酸化アニール処理の両方を行ってもよいことが理解される。
【0145】
本発明の絶縁膜の改質方法は、例えばMOSFETなどのMOS構造デバイスのゲート絶縁膜の改質に利用することによって、リーク電流の増加やボロンの突き抜けを効果的に抑制できるとともに、ウエハ間・ロット間でのゲート絶縁膜の窒素濃度のばらつきを抑制し、半導体装置の信頼性と歩留まりを改善できる。
【0146】
以上、本発明の実施の形態を述べたが、本発明は上記実施の形態に制約されることはなく、種々の変形が可能である。例えば、上記実施の形態では、プラズマ酸化処理にRLSA方式のマイクロ波プラズマ処理装置を用いたが、例えばICPプラズマ方式、ECRプラズマ方式、表面反射波プラズマ方式、マグネトロンプラズマ方式等の他の方式のプラズマ処理装置を用いることができる。また、酸化アニール処理についても、枚葉方式のアニール処理装置に限らず、他の方式のアニール処理装置例えばバッチ式の熱酸化炉等を用いることが可能である。
【符号の説明】
【0147】
1…処理容器、2…載置台、3…支持部材、5…ヒータ、12…排気管、15…ガス導入部、16…搬入出口、18…ガス供給装置、19a…不活性ガス供給源、19b…窒素含有ガス供給源、19c…酸素含有ガス供給源、24…真空ポンプ、28…透過板、29…シール部材、31…平面アンテナ、32…マイクロ波放射孔、37…導波管、37a…同軸導波管、37b…矩形導波管、39…マイクロ波発生装置、50…制御部、51…プロセスコントローラ、52…ユーザーインターフェース、53…記憶部、100…プラズマ処理装置、101…アニール処理装置、200…基板処理システム、301…シリコン層、303,305…酸化珪素膜、W…半導体ウエハ(基板)
【特許請求の範囲】
【請求項1】
被処理体の表面に露出した酸化珪素膜をプラズマ窒化処理し、酸化窒化珪素膜を形成する窒化処理工程と、
前記酸化窒化珪素膜の表面を酸化処理する改質工程と、
を備え、
前記窒化処理工程の終了後、真空雰囲気を維持したまま、引き続き前記改質工程を開始する絶縁膜の改質方法。
【請求項2】
前記窒化処理工程直後の酸化窒化珪素膜の膜中窒素濃度をNC0とし、前記改質工程後の酸化窒化珪素膜の膜中窒素濃度の目標値をNCTとしたとき、
NC0>NCT
となるように前記プラズマ窒化処理を行う請求項1に記載の絶縁膜の改質方法。
【請求項3】
前記改質工程は、複数の孔を有する平面アンテナにより処理容器内にマイクロ波を導入して処理ガスのプラズマを生成させるプラズマ処理装置によるプラズマ酸化処理を含む請求項1又は2に記載の絶縁膜の改質方法。
【請求項4】
一つの被処理体に対して、前記プラズマ窒化処理及び前記プラズマ酸化処理を、前記プラズマ処理装置の同一の処理容器内で連続して行う請求項3に記載の絶縁膜の改質方法。
【請求項5】
前記プラズマ窒化処理の後、前記プラズマ酸化処理の前に、前記処理容器内に残留する窒素を真空引き又はパージ処理で除去する請求項4に記載の絶縁膜の改質方法。
【請求項6】
前記プラズマ酸化処理の後で、前記改質工程の一部として、酸化雰囲気において被処理体を800℃以上1100℃以下の範囲内の温度でアニール処理する工程をさらに含む請求項4又は5に記載の絶縁膜の改質方法。
【請求項7】
前記プラズマ酸化処理の処理圧力が、67Pa以上1333Pa以下の範囲内である請求項3から6のいずれか1項に記載の絶縁膜の改質方法。
【請求項8】
前記プラズマ酸化処理は、全処理ガスに対する酸素ガスの体積流量比率を0.1%以上20%以下の範囲内で行う請求項3から7のいずれか1項に記載の絶縁膜の改質方法。
【請求項9】
前記プラズマ酸化処理の処理温度が、200℃以上600℃以下の範囲内である請求項3から8のいずれか1項に記載の絶縁膜の改質方法。
【請求項10】
前記プラズマ酸化処理の処理時間が、1秒以上90秒以下の範囲内である請求項3から9のいずれか1項に記載の絶縁膜の改質方法。
【請求項11】
前記窒化処理工程を、複数の孔を有する平面アンテナにより処理容器内にマイクロ波を導入して処理ガスのプラズマを生成させるプラズマ処理装置により行い、
前記改質工程を、酸化雰囲気において被処理体を800℃以上1100℃以下の範囲内の温度でアニール処理するアニール装置により行う請求項1又は2に記載の絶縁膜の改質方法。
【請求項12】
前記アニール処理の処理時間が、10秒以上50秒以下の範囲内である請求項11に記載の絶縁膜の改質方法。
【請求項13】
前記プラズマ処理装置から前記アニール装置への被処理体の移送を、真空状態で行う請求項12に記載の絶縁膜の改質方法。
【請求項14】
前記酸化窒化珪素膜が、MOS構造デバイスのゲート絶縁膜である請求項1から13のいずれか1項に記載の絶縁膜の改質方法。
【請求項1】
被処理体の表面に露出した酸化珪素膜をプラズマ窒化処理し、酸化窒化珪素膜を形成する窒化処理工程と、
前記酸化窒化珪素膜の表面を酸化処理する改質工程と、
を備え、
前記窒化処理工程の終了後、真空雰囲気を維持したまま、引き続き前記改質工程を開始する絶縁膜の改質方法。
【請求項2】
前記窒化処理工程直後の酸化窒化珪素膜の膜中窒素濃度をNC0とし、前記改質工程後の酸化窒化珪素膜の膜中窒素濃度の目標値をNCTとしたとき、
NC0>NCT
となるように前記プラズマ窒化処理を行う請求項1に記載の絶縁膜の改質方法。
【請求項3】
前記改質工程は、複数の孔を有する平面アンテナにより処理容器内にマイクロ波を導入して処理ガスのプラズマを生成させるプラズマ処理装置によるプラズマ酸化処理を含む請求項1又は2に記載の絶縁膜の改質方法。
【請求項4】
一つの被処理体に対して、前記プラズマ窒化処理及び前記プラズマ酸化処理を、前記プラズマ処理装置の同一の処理容器内で連続して行う請求項3に記載の絶縁膜の改質方法。
【請求項5】
前記プラズマ窒化処理の後、前記プラズマ酸化処理の前に、前記処理容器内に残留する窒素を真空引き又はパージ処理で除去する請求項4に記載の絶縁膜の改質方法。
【請求項6】
前記プラズマ酸化処理の後で、前記改質工程の一部として、酸化雰囲気において被処理体を800℃以上1100℃以下の範囲内の温度でアニール処理する工程をさらに含む請求項4又は5に記載の絶縁膜の改質方法。
【請求項7】
前記プラズマ酸化処理の処理圧力が、67Pa以上1333Pa以下の範囲内である請求項3から6のいずれか1項に記載の絶縁膜の改質方法。
【請求項8】
前記プラズマ酸化処理は、全処理ガスに対する酸素ガスの体積流量比率を0.1%以上20%以下の範囲内で行う請求項3から7のいずれか1項に記載の絶縁膜の改質方法。
【請求項9】
前記プラズマ酸化処理の処理温度が、200℃以上600℃以下の範囲内である請求項3から8のいずれか1項に記載の絶縁膜の改質方法。
【請求項10】
前記プラズマ酸化処理の処理時間が、1秒以上90秒以下の範囲内である請求項3から9のいずれか1項に記載の絶縁膜の改質方法。
【請求項11】
前記窒化処理工程を、複数の孔を有する平面アンテナにより処理容器内にマイクロ波を導入して処理ガスのプラズマを生成させるプラズマ処理装置により行い、
前記改質工程を、酸化雰囲気において被処理体を800℃以上1100℃以下の範囲内の温度でアニール処理するアニール装置により行う請求項1又は2に記載の絶縁膜の改質方法。
【請求項12】
前記アニール処理の処理時間が、10秒以上50秒以下の範囲内である請求項11に記載の絶縁膜の改質方法。
【請求項13】
前記プラズマ処理装置から前記アニール装置への被処理体の移送を、真空状態で行う請求項12に記載の絶縁膜の改質方法。
【請求項14】
前記酸化窒化珪素膜が、MOS構造デバイスのゲート絶縁膜である請求項1から13のいずれか1項に記載の絶縁膜の改質方法。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】
【図16】
【図17】
【図18】
【図19】
【図20】
【図21】
【図22】
【図23】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】
【図16】
【図17】
【図18】
【図19】
【図20】
【図21】
【図22】
【図23】
【公開番号】特開2012−79785(P2012−79785A)
【公開日】平成24年4月19日(2012.4.19)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2010−221269(P2010−221269)
【出願日】平成22年9月30日(2010.9.30)
【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4月19日(2012.4.19)
【国際特許分類】
【出願日】平成22年9月30日(2010.9.30)
【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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