JPH11168090A

JPH11168090A - 半導体製造方法

Info

Publication number: JPH11168090A
Application number: JP34866297A
Authority: JP
Inventors: Tadahiro Omi; 忠弘大見; Takehisa Nitta; 雄久新田
Original assignee: ULTLA CLEAN TECHNOLOGY KAIHATSU KENKYUSHO KK
Current assignee: ULTLA CLEAN TECHNOLOGY KAIHATSU KENKYUSHO KK
Priority date: 1997-12-02
Filing date: 1997-12-02
Publication date: 1999-06-22
Anticipated expiration: 2017-12-02
Also published as: JP3838397B2

Abstract

(57)【要約】【解決手段】本発明は、成膜、エッチング、あるい
は、表面変質等のプラズマを用いたプロセスの際、Ｘｅ
を含むガスを用いて行うことを特徴とする。【課題】本発明は、基板、あるいは、新たに基板上に
堆積・形成する膜および基板の中に、イオン照射に起因
して導入される欠陥を劇的に減少させるプラズマプロセ
ス方法を提供することを目的とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明が属する技術分野】本発明は、プラズマプロセス
において、基板に欠陥を導入せずに所望のプロセスを実
現するための製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体集積回路の集積度の増大、デバイ
ス寸法の縮少に伴い、下地基板への欠陥の導入を抑えた
高品質で、かつ、高速なプラズマプロセスが要求されて
いる。しかし、例えばＣ₄Ｆ₈，ＣＯ，Ｏ₂，Ａｒを用い
たシリコン酸化膜（ＳｉＯ₂）のエッチングにより、下
地シリコン基板に炭素（Ｃ）、フッ素（Ｆ）、酸素
（Ｏ）といった不純物が、図１に示すように深さ２０〜
５０ｎｍも導入される。その結果、エッチング直後に配
線金属を成膜した場合、ソース・ドレイン層のコンタク
ト抵抗が増大し、デバイス速度が劣化してしまう。その
ため、ＳｉＯ₂エッチング後にＳｉ基板表面を数１０ｎ
ｍ除去し、その後に配線金属の成膜を行わなければなら
ず、工程数の増大、すなわち製造コストの増大へと至
る。また、ＭＯＳデバイスの微細化に伴い、短チャネル
効果を抑制するためにソース・ドレイン層を数１０ｎｍ
に極浅化しなければならないが、現在の技術ではエッチ
ング後に数１０ｎｍシリコン層を除去しなければなら
ず、到底実現不可能である。

【０００３】また、ＬＳＩの高速化のためには、ＭＯＳ
デバイスのゲート電極のシート抵抗を１Ω／□以下にし
なければならないが、現在の高濃度シリコンの表面をシ
リサイド化した構造では数Ω／□にするのが限界であ
る。さらに、自己整合的にシリサイドを形成したサリサ
イド技術を用いた場合、ゲート幅が０．２μｍ以下にな
ると細線効果により、シート抵抗が増大するという問題
も起こっている。したがって、ゲート電極に純金属を用
い、シート抵抗を減少させるために、基板に欠陥を導入
しない金属成膜方法が求められている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、上記従来例
の問題点を解決すべく、基板、あるいは、新たに基板上
に堆積・形成する膜および基板の中に、イオン照射に起
因して導入される欠陥を劇的に減少させるプラズマプロ
セス方法を提供することを目的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明の半導体製造方法
は、プラズマプロセスの際、用いるガス種を変化させ、
基板表面に入射するイオン種を変えることにより、プラ
ズマプロセスに起因して基板内に導入される欠陥を劇的
に減少させることを特徴とする。イオン照射により基板
内に導入される欠陥量は、イオンの原子量、あるいは分
子量が小さいほど多くなるため、原子量の大きい原子・
分子をプロセスガスとして用いることを、また、プロセ
ス中にガス流量・ガス種を変化させることにより、基板
に導入される欠陥量を制御することを特徴とする。

【０００６】

【実施例】以下、図面を参照して本発明の実施例を示
す。

【０００７】（実施例１）本例は、本発明をマグネトロ
ンプラズマエッチング装置に用いた場合の実施例を示す
ものである。

【０００８】図２は、本発明に係わるプラズマ装置の一
例を示す模式図である。図２において、２０６は真空容
器、２０７は電極Ｉ、２０８は基板、２０９はフォーカ
スリング、２１０はシャワープレート、２１１は電極Ｉ
Ｉ、２１２はガス導入口、２１３は磁場の印加手段、２
１４は真空ポンプ、２１５は整合回路Ｉ、２１６は高周
波電源Ｉ、２１７は整合回路ＩＩ、２１８は高周波電源
ＩＩである。

【０００９】図２のプラズマ装置では、磁場の印加手段
２１３として、複数の永久磁石を環状に並べたダイポー
ルリングマグネットが用いられている。ダイポールリン
グマグネットを構成する永久磁石は、永久磁石の位置が
半周する間に磁化方向が一回転するような向きで並べら
れており、真空容器内に基板に平行な磁場を生成し、プ
ラズマ密度を上昇させる効果がある。

【００１０】ガス導入口２１２から導入されたガスは、
シャワープレート２１０の多数の小孔からプロセス空間
に放出される。この導入ガス、及び基板表面から放出さ
れた反応生成ガスは、基板側部の磁場の印加手段２１３
ａ及び２１３ｂに挟まれた空間を通り、複数の真空ポン
プ２１４から外部へ排気される。真空ポンプ２１４の上
部には、ガスのコンダクタンスを低下させないよう比較
的広い空間が設けてある。

【００１１】１３．５６ＭＨｚの高周波電源Ｉ２１６か
ら出力された高周波電力は、整合回路Ｉ２１５を通して
電極Ｉ２１７に印加され、プラズマを生成する。ダイポ
ールリングマグネットの磁場により、効率よく高密度プ
ラズマが実現される。しかし、電子のドリフトによりプ
ラズマの均一性が損なわれるため、リング上の上部電極
ＩＩ２１１に別の周波数の高周波電力が供給されてい
る。

【００１２】電極ＩＩ２１１は、ここではリング状の金
属板であり、基板２０８表面付近のプラズマの面内均一
性を向上させるために設けられたものである。１００Ｍ
Ｈｚの高周波電源ＩＩ２１８から出力された高周波電力
は、整合回路ＩＩ２１７を通して電極ＩＩ２１１に印加
される。電極ＩＩ２１１に適切な高周波電力を印加する
ことによって磁場印加によって生じる電極ＩＩ２１１面
上の電子のドリフトと基板２０８面上の電子のドリフト
のバランスをとると、基板２０８表面付近のプラズマは
ほぼ完全に均一化される。

【００１３】この装置を用い、ＢＰＳＧ膜のエッチング
の実験を行った。プラズマ処理する基板として、直径２
００ｍｍのＳｉウェハ上に絶縁膜ＢＰＳＧを１．５μｍ
成膜し、その上にレジストと呼ばれるマスク材０．７μ
ｍを塗布し、露光、現像のプロセスを経て、前記マスク
材に直径０．１８μｍのホールパターンを形成したもの
を準備した。

【００１４】エッチング条件は、電極Ｉに印加する高周
波電力（１３．５６ＭＨｚ）２０００Ｗ、電極ＩＩに印
加する高周波電力（１００ＭＨｚ）４００Ｗ、プロセ
ス圧力４０ｍＴｏｒｒ、プロセスガス流量Ｃ₄Ｆ₈：１
０ｓｃｃｍ、ＣＯ：５０ｓｃｃｍ、Ａｒ：２００ｓｃｃ
ｍ、Ｏ₂：５ｓｃｃｍである。均一なプラズマを実現し
たことにより、面内均一性２％以下で、８５０ｎｍ／ｍ
ｉｎの高速エッチングが実現された。

【００１５】しかし、コンタクトホールを形成した後、
ウェット洗浄を経て、配線金属（Ａｌ−Ｓｉ（１％））
を成膜・パターニング・エッチングし、配線金属と下地
高濃度シリコン層とのコンタクト抵抗を測定したとこ
ろ、ばらつきが多く、また、コンタクト抵抗率は平均
で、２．５×１０^-5Ωｃｍ²と従来得られていたものよ
り１〜２桁も大きな値であった。

【００１６】エッチング後の下地シリコン基板を２次イ
オン質量分析装置（ＳＩＭＳ）により測定したところ、
炭素（Ｃ）、フッ素（Ｆ）、酸素（Ｏ）といった不純物
が、図１に示すように深さ２０〜５０ｎｍも導入されて
いることが分かった。これら、不純物が導入されたた
め、表面付近のＳｉ中のキャリア濃度が減少し、コンタ
クト抵抗の上昇へと至った。したがって、従来はエッチ
ング後に下地シリコン層を数１０ｎｍ除去し、低コンタ
クト抵抗を得てきた。

【００１７】上記エッチング条件でプロセスを行った際
に、基板表面に入射するイオン種のほとんどは、Ａｒ⁺
であり、その入射エネルギはおよそ５００ｅＶである。
一方、基板表面は常に薄いフロロカーボン（Ｃ_xＦ_y）の
ポリマー膜により覆われており、このポリマー膜に高エ
ネルギのＡｒイオンが照射されることにより、ＢＰＳＧ
のエッチングが進行する。

【００１８】ＢＰＳＧが全てエッチングされ、下地シリ
コン層が現れると、ポリマー膜の堆積速度が上昇し、高
エネルギのＡｒイオン照射によるエッチングとのバラン
スにより、下地Ｓｉ層のエッチングが停止、あるいは、
著しくエッチング速度が低下し、下地シリコン層をエッ
チングせずに残すことが可能となる。

【００１９】実際のプロセスの際は、確実に下地シリコ
ン層までエッチングするために、一般に２０〜４０％程
度のオーバーエッチングを行う。したがって、シリコン
層の上に薄いＣ_xＦ_yポリマー層がある状態で、高エネル
ギのＡｒイオンが照射されることとなり、このときに、
ポリマー層内に含まれる炭素（Ｃ）、フッ素（Ｆ）、酸
素（Ｏ）といった不純物が基板内に導入される。

【００２０】本発明のプラズマエッチング方法は、Ａｒ
の変わりに原子量の大きいＸｅを用いることにより、下
地シリコン層に導入される不純物量を減少させることに
特徴がある。図３にＸｅを希釈ガスとして用いた場合の
Ｓｉ中の不純物プロファイルを示す。導入される不純物
量、および、その深さが大幅に減少していることが分か
る。これは、Ａｒの原子半径が１．８８Åであるのに比
べ、Ｘｅの原子半径は２．１７Åと大きく、ポリマーお
よびＳｉ基板中に打ち込まれづらく、基板表面にのみ効
率よくエネルギを伝えることができるためである。ま
た、ＡｒおよびＸｅの原子量はそれぞれ３９．９５、１
３１．３であり、ＸｅはＡｒにくらべ重く、基板表面へ
のエネルギおよび運動量の伝達効率が低く欠陥をつくり
ずらいという効果もあり、図３に示すような結果が得ら
れた。

【００２１】しかしながら、Ｘｅを用いた場合、そのエ
ッチング速度は５３０ｎｍ／ｍｉｎとＡｒを用いた場合
の８５０ｎｍ／ｍｉｎにくらべ低い。これは、ＸｅがＡ
ｒにくらべ、基板内に打ちこまれずらく、また、基板表
面へのエネルギおよび運動量の伝達効率が低いためであ
る。エッチング速度の低下は、スループットの減少、装
置生産性の低下へと至る。そこで、コンタクトホールの
エッチングを行う際、ＢＰＳＧの膜厚の９０％をエッチ
ングするまではＡｒ／Ｃ₄Ｆ₈／ＣＯ／Ｏ₂で行い、その
後ＡｒをＸｅに切り替えてエッチングを行ったところ、
Ｓｉ基板内への不純物の導入を抑えつつ、プロセス時間
の上昇を抑えることができた。また、これは高価なＸｅ
の使用量の削減にもつながり、コストの削減ができた。

【００２２】尚、本発明を異なるプラズマ源を使用した
プラズマ装置、あるいは、他のプロセス条件に適用して
も同様な効果が得られることは言うまでもない。

【００２３】（実施例２）本例では、本発明をマグネト
ロンスパッタリング装置に応用した場合の実施例を示す
ものである。

【００２４】図４は、本例で作製した素子の断面図と、
素子の絶縁耐圧の測定系とを合わせて示した模式図であ
る。図４において、絶縁耐圧の測定をした素子は、ｎ型
Ｓｉウェハからなる前記基体４００１、フィールド酸化
膜４００２、ゲート酸化膜４００３、ゲート電極４００
４から構成される。また、４００５は絶縁耐圧の測定に
用いた探針、４００６は電圧計、４００７は電圧印加手
段、４００８は電流計である。

【００２５】図４に示す素子の形成および絶縁耐圧の測
定は、次に示す手順で行った。

【００２６】（１）ｎ型Ｓｉウェハ４００１上に、Ｓｉ
Ｏ₂からなるフィールド酸化膜４００２（厚さ：５００
ｎｍ）を熱酸化法［（Ｈ₂＋Ｏ₂）ガス、Ｈ₂＝１ｌ／ｍ
ｉｎ、Ｏ₂＝１ｌ／ｍｉｎ、被処理体の温度＝１０００
℃］で形成後、フィールド酸化膜４００２の一部をウェ
ットエッチング処理し、ｎ型Ｓｉウェハ４００１の表面
を露出させた。

【００２７】（２）ｎ型Ｓｉウェハ４００１の露出させ
た表面にのみ、熱酸化法［Ｏ₂ガス、２ｌ／ｍｉｎ、被
処理体の温度＝９００℃］でゲート酸化膜（ＳｉＯ₂）
４００３（面積＝１．０×１０^-4ｃｍ²、厚さ＝１０．
２ｎｍ）を形成した。

【００２８】（３）ゲート電極材料を４００４（厚さ
＝２００ｎｍ）を成膜し、リソグラフィ工程、エッチン
グ工程によりゲート電極を形成した。尚、ゲート電極材
料としてＴａ、および、燐を１０²⁰ｃｍ^-3程度ドープし
た多結晶シリコンを用いた。膜厚はすべて２００ｎｍで
ある。Ｔａの成膜条件は別途示す。多結晶シリコン膜の
成膜条件は、基板温度６５０℃、圧力１００Ｔｏｒｒ、
使用ガス種・流量はＮ₂：ＳｉＨ₄：ＰＨ₃＝９９５０ｓ
ｃｃｍ：５０ｓｃｃｍ：０．５ｓｃｃｍであり、成膜
後、ドーパントの活性化アニールを８５０℃で３０分
間、Ｎ₂雰囲気中で行っている。

【００２９】（４）層間絶縁膜ＳｉＯ₂（厚さ４００ｎ
ｍ）を、常圧ＣＶＤ法により、４００℃で堆積させ、リ
ソグラフィ工程、エッチング工程によりコンタクトホー
ルを形成した。

【００３０】（５）Ａｌ電極を形成し、最後にシンタリ
ングアニールを４００℃で３０分間、Ｎ₂／Ｈ₂＝１．８
ｓｌｍ：０．２ｓｌｍ雰囲気中で行った。

【００３１】（６）探針４００５を電極４０１０に接触
させ、ゲート電極４００４を介して直流電圧をｎ型Ｓｉ
ウェハからなる被処理体４００１に印加し、ゲート酸化
膜４００３が絶縁破壊する電圧（すなわち絶縁耐圧）を
電圧計４００６で測定した。

【００３２】ＭＯＳダイオードのゲート電極としてＴａ
をスパッタ成膜するさいに、用いたプラズマ装置の概略
図を図５に示す。図５のプラズマ装置は真空容器４０１
の中に、平行平板型の２つの電極Ｉ４０２と電極ＩＩ４
０３を備え、前記電極ＩＩの上にはＴａターゲット４０
４が、前記電極Ｉの上には膜を堆積させるシリコンウェ
ハ４０５とが、載置してあり、前記容器中に原料ガスを
導入し、前記電極Ｉ、前記電極ＩＩに高周波を印加する
目的で整合回路Ｉ４０６、整合回路ＩＩ４１２、高周波
電源Ｉ４０８、高周波電源ＩＩ４１３が接続されてい
る。成膜速度を制御するために電極ＩＩには、ローパス
フィルタ４１６を介し直流電源４１７が接続されてい
る。

【００３３】ターゲット表面に対して磁場を印加するた
めに複数の永久磁石を環状に並べたダイポールリングマ
グネット４１４が、前記容器外に設けてあり、ターゲッ
トの外周端より外側の領域に、ターゲット表面付近に生
成するプラズマの密度の均一化を図る目的で前記電極Ｉ
Ｉと電気的接合する部分に設けた接合インピーダンスを
調整する手段を付設した補助電極A４１０を設け、ター
ゲットの外周端より外側の領域で、前記基体及び前記電
極ＩＩとは離間した位置に、これもまたターゲット表面
付近に生成するプラズマの密度の均一化を図る目的で電
極Ｉ、ＩＩに印加される高周波とは別に独立した高周波
電力が印加される補助電極B４１１を設けている。

【００３４】前記容器内に導入されたガスは、基体側部
の磁場の印加手段４１４ａ及び４１４ｂに挟まれた空間
を通り、複数の真空ポンプ４１５から外部へ排気され
る。真空ポンプの上部には、ガスのコンダクタンスを低
下させないよう比較的広い空間が設けてある。

【００３５】前記電極Ｉに印加する高周波電力の周波数
１３．５６ＭＨｚ、前記電極ＩＩに印加する周波数４
２．４ＭＨｚとし、補助電極Ｂに印加する周波数を１０
０ＭＨｚとした。それぞれの電極に印加する高周波の周
波数は、上記値に限定されるものではないが補助電極Ｂ
に印加される高周波の周波数は、補助電極Ｂにかかるセ
ルフバイアス電位を低くし、それ自身のスパッタを避け
るようになるべく高く設定することが好ましい。

【００３６】以下にｂｃｃ構造のタンタルを形成する際
のスパッタ成膜条件を示す。一般にＴａをスパッタ成膜
した場合、ｂ−Ｔａと呼ばれる比抵抗が１６０μΩｃｍ
と大きな値を示すバルクと異なる結晶構造の薄膜が形成
される。

【００３７】本例では、イオン照射条件、すなわち、イ
オン照射量、イオン照射エネルギを、それぞれ、高周波
電源ＩＩ４１３の供給電力、高周波電源ＩＩ４０８の供
給電力により、独立かつ精密に制御し、比抵抗が１４μ
Ωｃｍと一桁以上小さなｂｃｃ構造のＴａを成膜した。
尚、Ｔａ成膜はＡｒプラズマ、および、Ｘｅプラズマを
用いた２通りの場合について行った。

【００３８】（１）Ａｒプラズマガス圧力：７ｍＴｏｒｒガス流量：２５０ｓｃｃｍ高周波電力Ｉ（ターゲット）：１０００Ｗ高周波電力ＩＩ（基板）：０Ｗ高周波電力Ｂ（補助電極Ｂ）：２００Ｗターゲット電圧：−７０Ｖ基板に入射するイオンのエネルギ：２０ｅＶ

【００３９】（２）Ｘｅプラズマガス圧力：７ｍＴｏｒｒガス流量：２５０ｓｃｃｍ高周波電力Ｉ（ターゲット）：１０００Ｗ高周波電力ＩＩ（基板）：２５０Ｗ高周波電力Ｂ（補助電極Ｂ）：１００Ｗターゲット電圧：−９５Ｖ基板に入射するイオンのエネルギ：４５ｅＶ

【００４０】図６はゲート電極としてＴａを用いた場合
の絶縁耐圧の測定結果を示すグラフである。Ａｒを用い
た場合と比べ、Ｘｅを用いて成膜した場合は、耐圧分布
が高い値を示している。これは、Ａｒの原子半径が１．
８８Åであるのに比べ、Ｘｅの原子半径は２．１７Åと
大きく、基板中に打ち込まれづらく、基板表面にのみ効
率よくエネルギを伝えることができるためである。ま
た、ＡｒおよびＸｅの原子量はそれぞれ３９．９５、１
３１．３であり、ＸｅはＡｒにくらべ重く、基板表面へ
のエネルギおよび運動量の伝達効率が低くゲート絶縁膜
中に欠陥をつくりずらいという効果もあり、図６に示す
ような結果が得られた。

【００４１】図７は、本例で作成した素子の断面図と、
素子の絶縁破壊注入電荷量の測定系とを合わせて示した
模式図である。図７において、絶縁破壊注入電荷量の測
定をした素子は、図４で示した素子と同じものである。
絶縁破壊注入電荷量の測定は、次に示す手順で行った。

【００４２】（１）探針５００５をＡｌ電極５０１０
に接触させ、ゲート電極５００４を介して定電流源５０
０７より、電流密度が１００ｍＡ／ｃｍ²となるよう
に、一定電流をｎ型Ｓｉウェハからなる前記基体５００
１に印加し、ゲート酸化膜５００３が絶縁破壊する時間
を測定した。電流密度値にこの時間をかけたものが絶縁
破壊注入電荷量である。

【００４３】図８は絶縁破壊注入電荷量の測定結果を示
すグラフである。図８において、横軸は注入電荷量、縦
軸は各注入電荷量が得られた素子の累積頻度を示す。ゲ
ート電極材料としてＡｒプラズマ、およびＸｅプラズマ
を用いてスパッタ成膜したＴａ薄膜、および、燐を１０
²⁰ｃｍ^-3程度ドープした多結晶シリコンを用いた。膜厚
はすべて２００ｎｍである。図８から以下に示す点が明
らかとなった。

【００４４】（１）ＡｒプラズマでＴａゲート電極を
作製した素子は、注入電荷量の分布が広く（すなわちゲ
ート酸化膜の膜質の均一性が悪くなっている）かつ平均
電荷注入量はＣ／ｃｍ²と、低かった。

【００４５】（２）本発明のＸｅプラズマでＴａゲー
ト電極を作製した素子は、注入電荷量の分布が狭く（す
なわち膜質の均一性が良く）かつＣ／ｃｍ²の高い平均
電荷注入量が得られ、多結晶シリコンをゲート電極に用
いたものと同等の結果である。さらに、Ｔａをゲート電
極に用いた場合、ゲートのシート抵抗を０．７Ω／□と
目標である１Ω／□以下にすることが可能となり、デバ
イスの高速化が可能となった。

【００４６】以上示したゲート絶縁膜の絶縁破壊特性お
よび絶縁破壊注入電荷量特性の結果より、金属ゲート電
極をスパッタ成膜で形成する場合、Ａｒプラズマでなく
Ｘｅプラズマを用いることにより、下地ゲート酸化膜に
与えるダメージをほとんどなくすことが可能となる。こ
れは、ＸｅイオンがＡｒイオンに比べ基板内に入り込み
ずらく、基板表面に効果的にエネルギを供給しやすいと
いう特性と、ＸｅイオンはＡｒイオンに比べ基板表面へ
のエネルギおよび運動量の伝達効率が低くゲート絶縁膜
内に欠陥をつくりづらいという効果もあり、図６、８に
示すような結果が得られた。

【００４７】以上のメカニズムの解明は、Ａｒ、Ｘｅ以
外にＨｅ、Ｎｅ、Ｋｒプラズマを用いたスパッタ成膜の
結果よりさらに明らかとなり、放射性元素のＲｎを除く
と希ガスの中で最も原子番号の大きなＸｅが最適であ
る。しかし、Ｘｅは大気中の含量が０．０８７体積ｐｐ
ｍであり、Ａｒの９３４０体積ｐｐｍに比べ非常に少な
く、Ｘｅガスの価格はＡｒガスに比べ１００倍以上であ
る。したがって、プロセス中にガスを切り替えること
が、コスト削減の観点から適している。

【００４８】ゲート電極形成工程においては、ゲート酸
化膜上にゲート電極を堆積し始める初期工程が、最もゲ
ート絶縁膜にダメージを与えやすく、重要であるため、
初めの２０ｎｍをＸｅプラズマで成膜し、その後はガス
を切り替え、Ａｒプラズマで残りの１８０ｎｍを成膜し
たところ、すべてＸｅプラズマで成膜したものと、同等
の結果が得られた。

【００４９】したがって、ゲート電極をゲート絶縁膜上
に成膜する際は、初期過程をＸｅプラズマで行ない、そ
の後は、Ｘｅと異なる希ガスを用いる方法がコスト削減
の観点から適している。スパッタレート・ｂｃｃ構造の
Ｔａを形成するための条件・ガスの価格といった観点か
ら、Ｘｅの後にＡｒを用いる方法が最も適している。あ
るいは、プロセスに用いた希ガスをポンプ後段より回収
・再利用する手段を設けることにより、コストの削減を
図れば、プロセス中すべて、Ｘｅを用いて行なっても同
様なランニングコストを実現できる。

【００５０】尚、本発明を異なるプラズマ源を使用した
プラズマ装置、あるいは、異なる材質のプラズマ成膜に
適用しても同様な効果が得られることは言うまでもな
い。

【００５１】（実施例３）本例では、本発明をラジアル
ラインスロットアンテナプラズマ装置を用い、シリコン
基板表面を低温で酸化するプラズマ酸化プロセスに応用
した場合を示す。

【００５２】まず、シリコンの直接酸化実験に用いたプ
ラズマ装置の概略図を図９に示す。このプラズマ装置
は、真空容器９０１と前記容器内でプラズマを生成させ
るために必要な原料ガスの導入口９０２、前記容器内に
導入された原料ガスを排気する真空ポンプ９０３を有
し、前記容器を構成する壁部の一部はマイクロ波を略略
損失なく透過できる材料からなる誘電体板９０４であ
り、その誘電体板をはさんで前記容器の外側にはマイク
ロ波を放射するアンテナ９０５が設置されている。

【００５３】前記容器の内側には、処理される基板９０
８を載置するための電極９０６が設けられており、前記
アンテナのマイクロ波の放射面と基体のプラズマ処理を
行う面とを略々平行に対向して配置されている。電極９
０６には加熱機構が設けられており、プロセス中、基板
温度を上昇させることが可能となっている。

【００５４】アンテナより放射されたマイクロ波を排気
口側へ伝搬するのを防ぎ、前記基板上だけに均一にプラ
ズマを生成させる目的で反射板９０９が設けられてい
る。また、原料ガス導入の均一化のため、本装置の原料
ガスは、シャワープレート９０７をとうして多数の小孔
からプロセス空間に導入される。この原料ガスは複数の
真空ポンプ９０３より外部へ排気される。各真空ポンプ
の上部には、ガスのコンダクタンスを低下させないよう
比較的広い空間が設けてある。

【００５５】このように前記基体側部に略々等間隔に並
べられた複数の真空ポンプから排気すると、ガスのコン
ダクタンスをほとんど低下させることなく回転方向に均
一な基体上のガス流を実現することができる。

【００５６】本例では、マイクロ波アンテナとしてラジ
アルラインスロットアンテナを用い、シリコン基板表面
を低温で酸化するプラズマ酸化プロセスに適用した。

【００５７】ここでは前記基板としてＳｉウェハを用
い、Ｓｉウェハ表面をＯ₂を含むガスプラズマで直接酸
化し、ゲート酸化膜を形成した場合について説明する。
図１０は、本例で作製した素子の断面図と、素子の絶縁
耐圧の測定系とを合わせて示した模式図である。図１０
において、絶縁耐圧の測定をした素子は、ｎ型Ｓｉウェ
ハからなる前記基体６００１、フィールド酸化膜６００
２、ゲート酸化膜６００３、ゲート電極６００４から構
成される。また、６００５は絶縁耐圧の測定に用いた探
針、６００６は電圧計、６００７は電圧印加手段、６０
０８は電流計である。

【００５８】図１０に示す素子の形成および絶縁耐圧の
測定は、次に示す手順で行った。

【００５９】（１）ｎ型Ｓｉウェハ６００１上に、Ｓｉ
Ｏ₂からなるフィールド酸化膜６００２（厚さ：８００
ｎｍ）を熱酸化法［（Ｈ₂＋Ｏ₂）ガス、Ｈ₂＝１ｌ／ｍ
ｉｎ、Ｏ₂＝１ｌ／ｍｉｎ、被処理体の温度＝１０００
℃］で形成後、フィールド酸化膜６００２の一部をウェ
ットエッチング処理し、ｎ型Ｓｉウェハ６００１の表面
を露出させた。

【００６０】（２）ｎ型Ｓｉウェハ６００１の露出さ
せた表面のみ、本発明に係るプラズマプロセス用装置を
用いて直接酸化させ、ＳｉＯ₂からなるゲート酸化膜６
００３（面積＝１．０×１０^-4ｃｍ²、厚さ＝７．６ｎ
ｍ）を形成した。その際の成膜条件は、成膜ガスはＡｒ
／Ｈｅ／Ｏ₂、ガス圧は３０ｍＴｏｒｒ、分圧比はＡ
ｒ：Ｈｅ：Ｏ₂＝６８％：３０％：２％、マイクロ波電
力は７００Ｗ、酸化処理時間は２０分、前記基板は電気
的にフローティング状態に保持、被処理体の温度は４３
０℃とした。但し、成膜条件はこれに限定されるもので
はない。

【００６１】（３）フィールド酸化膜６００２および
ゲート酸化膜６００３の上に、Ａｌからなるゲート電極
６００４（厚さ＝１０００ｎｍ）を蒸着法で形成した。

【００６２】（４）探針６００５をゲート電極６００
４に接触させ、ゲート電極６００４を介して直流電圧を
ｎ型Ｓｉウェハからなる被処理体６００１に印加し、ゲ
ート酸化膜６００３が絶縁破壊する電圧（すなわち絶縁
耐圧）を電圧計６００６で測定した。

【００６３】尚、（２）のプラズマ酸化を行なう前に、
非酸化雰囲気下で低エネルギのイオンを基板表面に照射
し基板表面に吸着している不純物の脱離を行なった。ま
た、プラズマ酸化後にも同様な条件で低エネルギイオン
照射を行ない、膜の緻密性の向上を図った。その時の圧
力は３００ｍＴｏｒｒ、マイクロ波電力１５０Ｗ、イオ
ン照射エネルギー４ｅＶである。この表面クリーニング
およびポスト照射をＨｅ、Ａｒ、Ｘｅプラズマを用いて
行なった。その際、ガス種の切り替えはプラズマを消す
ことなく行なった。プラズマ酸化の条件は、全ての場合
で同じである。

【００６４】図１１は絶縁耐圧の測定結果を示すグラフ
である。図１１（ａ），（ｂ），（ｃ）はそれぞれＨ
ｅ、Ａｒ、Ｘｅプラズマを用いて低エネルギイオン照射
による表面クリーニングを５分間行なった後に、ゲート
絶縁膜を作製し、その後に更に、Ｈｅ、Ａｒ、Ｘｅプラ
ズマを用いて低エネルギイオン照射によるポスト照射を
５分間行なったサンプルである。図１１において、横軸
は絶縁耐圧、縦軸は各絶縁耐圧が得られた素子の頻度を
示す。例えば、横軸１０ＭＶ／ｃｍの棒グラフは、絶縁
耐圧が９．５〜１０．４ＭＶ／ｃｍの範囲にある素子
の発生頻度である。

【００６５】図よりＸｅプラズマを用いた場合が最も分
布のばらつきが小さく、かつ、その絶縁耐圧が大きいこ
とが分かる。これは、Ｘｅイオンが、基板内部に欠陥を
作らず、表面にのみ効率よくエネルギを供給できるた
め、酸化前の基板表面を欠陥を導入することなく最も清
浄にでき、かつ、ポスト照射によりダメージを導入する
ことなくゲート酸化膜を緻密にできたからである。

【００６６】尚、本発明を異なるプラズマ源を使用した
プラズマ装置、あるいは、異なるプラズマ酸化条件に適
用しても同様な効果が得られることは言うまでもない。

【００６７】（実施例４）本例では、ラジアルラインス
ロットアンテナプラズマプロセス用装置を用いて、前記
基板の表面を低温で酸窒化するプラズマプロセスに応用
した場合を示す。

【００６８】本例に使用したラジアルラインスロットア
ンテナを用いたプラズマプロセス用装置については、実
施例３と同様であるため省略する。実施例３と同様にこ
こでは前記基板としてＳｉウェハを用い、Ｓｉウェハ表
面をＯ₂、Ｎ₂で直接酸窒化し、ゲート酸窒化膜を形成し
た場合について説明する。

【００６９】図１２は、本例で作成した素子の断面図
と、素子の絶縁破壊注入電荷量の測定系とを合わせて示
した模式図である。図１２において、絶縁破壊注入電荷
量の測定をした素子は、ｎ型Ｓｉウェハからなる被処理
体７００１、フィールド酸化膜７００２、ゲート酸窒化
膜７００３、ゲート電極７００４から構成される。ま
た、７００５は絶縁破壊注入電荷量の測定に用いた探
針、７００６は電圧計、７００７は定電流源、７００８
は電流計である。図１２に示す素子の形成および絶縁破
壊注入電荷量の測定は、次に示す手順で行った。

【００７０】（１）ｎ型Ｓｉウェハ７００１上に、Ｓｉ
Ｏ₂からなるフィールド酸化膜７００２（厚さ：８００
ｎｍ）を熱酸化法［（Ｈ₂＋Ｏ₂）ガス、Ｈ₂＝１ｌ／ｍ
ｉｎ、Ｏ₂＝１ｌ／ｍｉｎ、被処理体の温度＝１０００
℃］で形成後、フィールド酸化膜７００２の一部をウェ
ットエッチング処理し、ｎ型Ｓｉウェハ７００１の表面
を露出させた。

【００７１】（２）ｎ型Ｓｉウェハ７００１の露出させ
た表面のみ、本発明に係るプラズマプロセス用装置を用
いて直接酸窒化させ、ＳｉＯ_xＮ_yからなるゲート絶縁膜
７００３（面積＝１．０×１０^-4ｃｍ²、厚さ＝５．６
ｎｍ）を形成した。その際の成膜条件は、初め１５分間
は、ガス種Ａｒ／Ｈｅ／Ｏ₂、ガス圧３０ｍＴｏｒｒ，
分圧比Ａｒ：Ｈｅ：Ｏ₂＝６８％：３０％：２％、マイ
クロ波電力７００Ｗで行ない、残り５分間は、ガス種Ａ
ｒ／Ｈｅ／Ｎ₂、分圧比Ａｒ：Ｈｅ：Ｎ₂＝６８％：３０
％：２％、マイクロ波パワー７００Ｗである。被処理体
は電気的にフローティング状態に保持、被処理体の温度
は４３０℃、とした。

【００７２】（３）フィールド酸化膜７００２および
ゲート窒化膜７００３の上に、Ａｌからなるゲート電極
７００４（厚さ＝１０００ｎｍ）を蒸着法で形成した。

【００７３】（４）探針７００５をゲート電極７００
４に接触させ、ゲート電極７００４を介して定電流源７
００７より、電流密度が１００ｍＡ／ｃｍ²となるよう
に、一定電流をｎ型Ｓｉウェハからなる前記基体７００
１に印加し、ゲート酸窒化膜７００３が絶縁破壊する時
間を測定した。電流密度値にこの時間をかけたものが絶
縁破壊注入電荷量である。

【００７４】図１３は絶縁破壊注入電荷量の測定結果を
示すグラフである。図１３において、横軸は注入電荷
量、縦軸は各注入電荷量が得られた素子の累積頻度を示
す。実施例３で示したプラズマ酸化膜と本例のプラズマ
酸窒化膜を比較している。プラズマ酸窒化膜を用いるこ
とにより、高い平均電荷注入量が得られることが分か
る。これは、酸化膜形成後に窒化を行なうことにより、
ゲート絶縁膜に微量の窒素が混入し特性の改善がなされ
たためである。

【００７５】

【発明の効果】本発明によれば、基板、あるいは、新た
に基板上に堆積・形成する膜および基板の中に、イオン
照射に起因して導入される欠陥を劇的に減少させるプラ
ズマプロセス方法を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】二次イオン強度に対するエッチング深さを示す
グラフである。

【図２】本発明に係わるプラズマ装置の一例を示す模式
図である。

【図３】Ｘｅを希釈ガスとして用いた場合のＳｉ中の不
純物プロファイルを示す。

【図４】本例で作製した素子の断面図と、素子の絶縁耐
圧の測定系とを合わせて示した模式図である。

【図５】プラズマ装置の概略図である。

【図６】ゲート電極としてＴａを用いた場合の絶縁耐圧
の測定結果を示すグラフである。

【図７】実施例２で作成した素子の断面図と、素子の絶
縁破壊注入電荷量の測定系とを合わせて示した模式図で
ある。

【図８】絶縁破壊注入電荷量の測定結果を示すグラフで
ある。

【図９】シリコンの直接酸化実験に用いたプラズマ装置
の概略図である。

【図１０】実施例３で作製した素子の断面図と、素子の
絶縁耐圧の測定系とを合わせて示した模式図である。

【図１１】絶縁耐圧の測定結果を示すグラフである。

【図１２】実施例４で作成した素子の断面図と、素子の
絶縁破壊注入電荷量の測定系とを合わせて示した模式図
である。

【図１３】絶縁破壊注入電荷量の測定結果を示すグラフ
である。

【符号の説明】

２０６真空容器、２０７電極Ｉ、２０８基板、２０９フォーカスリング、２１０シャワープレート、２１１電極ＩＩ、２１２ガス導入口、２１３磁場の印加手段、２１４真空ポンプ、２１５整合回路Ｉ、２１６高周波電源Ｉ、２１７整合回路ＩＩ、２１８高周波電源ＩＩ、４００１基体、４００２フィールド酸化膜、４００３ゲート酸化膜、４００４ゲート電極、４００５絶縁耐圧の測定に用いた探針、４００６電圧計、４００７電圧印加手段、４００８電流計、４０１真空容器、４０２電極Ｉ、４０３電極ＩＩ、４０４Ｔａターゲット、４０５シリコンウェハ、４０６整合回路Ｉ、４１２整合回路ＩＩ、４０８高周波電源Ｉ、４１３高周波電源ＩＩ、５００４ゲート電極、５００５探針、５００７定電流源、５０１０Ａｌ電極、９０１真空容器、９０２原料ガスの導入口、９０３真空ポンプ、９０４誘電体板、９０５アンテナ、９０８基板、９０９反射板、６００１基体、６００２フィールド酸化膜、６００３ゲート酸化膜、６００４ゲート電極、６００５探針、６００６電圧計、６００７電圧印加手段、６００８電流計。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者新田雄久東京都文京区本郷４丁目１番４号株式会社ウルトラクリーンテクノロジー開発研究所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】成膜、エッチング、あるいは、表面変質
等のプラズマを用いたプロセスの際、Ｘｅを含むガスを
用いて行う半導体製造方法。
【請求項２】成膜、エッチング、あるいは、表面変質等
のプラズマを用いたプロセスを行っている最中に、導入
ガスの種類あるいは流量の少なくとも一部を変化させる
半導体製造方法。
【請求項３】成膜、エッチング、あるいは、表面変質
等のプラズマを用いたプロセスを行っている最中に、導
入ガスに含まれている希ガスの種類を変化させる半導体
製造方法。
【請求項４】成膜、エッチング、あるいは、表面変質
等のプラズマを用いたプロセスを行っている最中に、導
入ガス種に含まれているＡｒをＸｅに、あるいはＸｅを
Ａｒに変化させる半導体製造方法。
【請求項５】層間絶縁膜のエッチングをプラズマを用
いて行なう際、プロセスを行っている最中に、導入ガス
種に含まれているＡｒをＸｅに変化させる半導体製造方
法。
【請求項６】ゲート絶縁膜上に金属を含むゲート電極
をプラズマを用いて成膜する際、Ｘｅを用いて行なう半
導体製造方法。
【請求項７】ゲート絶縁膜上に金属を含むゲート電極
をプラズマを用いてスパッタ成膜する際、プロセスを行
っている最中に、導入ガスをＸｅからＡｒに変化させる
半導体製造方法。
【請求項８】成膜、エッチング、あるいは、表面変質
等のプラズマを用いたプロセスを行っている最中に、導
入ガス種に含まれているＯ₂をＮ₂に、あるいはＮ₂をＯ₂
に変化させる半導体製造方法。