專利名稱：基板處理方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一般的基板處理技術(shù)，特別涉及在硅基板上形成絕緣膜的基板處理方法。
在半導體制造技術(shù)中，在硅基板上形成絕緣膜的技術(shù)是最為基本且重要的技術(shù)。特別是對于MOS晶體管的門絕緣膜等，需要非常高質(zhì)量的絕緣膜。在近階段的超微細化半導體裝置中，隨著微細化的發(fā)展，門絕緣膜的膜厚減少到1nm左右，需要能夠高質(zhì)量地形成這種薄絕緣膜的技術(shù)。
背景技術(shù)：
目前，如MOS晶體管的門絕緣膜所使用的高質(zhì)量的氧化硅膜是通過對硅基板表面進行熱氧化處理來形成的。在通過這樣形成的熱氧化硅膜中所含有的懸掛鍵數(shù)量少，即使應用在如門絕緣膜這種施加覆蓋信道區(qū)域而設置的高電場的絕緣膜的情況下，載體的陷阱很少，能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定的界限值特性。
另一方面，通過微細化技術(shù)的發(fā)展，今天，逐漸可以制造出切成1μm門長的超微細化半導體裝置。
在這種超微細化半導體裝置中，如果要通過縮短門長度來提高半導體裝置的動作速度，則需要按照表皮氧化規(guī)則減少門絕緣膜的厚度。例如，當門長度為0.1μm的MOS晶體管時，需要將門絕緣膜的厚度減少到2nm以下，但是，在現(xiàn)有熱氧化膜中，如果這樣減少膜的厚度，則隧道電流產(chǎn)生的門漏電流增大。由此，認為2nm的膜厚是熱氧化膜的門絕緣膜的界限。在膜厚為2nm的熱氧化膜中，實現(xiàn)了1×10-2A/cm2左右的門漏電流。
與此相對，提出了通過對硅基板進行微波等離子體的氧化處理來形成更高質(zhì)量的氧化硅膜的技術(shù)。
在通過這種硅基板的微波等離子體氧化而形成的氧化硅膜中，甚至在膜厚為1.5nm的情況下，能夠確認以1V的施加電壓實現(xiàn)了1×10-2A/cm2左右的漏電流。這樣，可以認為采用微波等離子體而形成的氧化硅膜，能夠突破使用現(xiàn)有熱氧化膜的半導體裝置中的微細化的界限。另外，通過采用了微波等離子體的基板處理，能夠超出熱氧化膜的膜質(zhì)在硅基板上形成電容率大的氮氧化膜或者氮化膜。在用于氮氧化膜或者門絕緣膜的情況下，在換算成氧化硅膜的膜厚為1nm的情況下，當以相同的1V的施加電壓進行測定時，實現(xiàn)了1×10-2A/cm2以下的漏電流。
對于通過微波等離子體進行的基板處理來說，典型地，能夠以500℃以下的低溫來實行，這樣，能夠縮短升溫以及降溫基板所需要的時間，從而能夠以較高的生產(chǎn)效率來生產(chǎn)半導體裝置。此外，在進行這種低溫處理時，即使在基板上已經(jīng)形成擴散區(qū)域，在擴散區(qū)域中的雜質(zhì)濃度曲線也不會發(fā)生變化，從而能夠可靠地實現(xiàn)期望的元件特性。
不過，這樣的門絕緣膜需要如下要求，即，第一，漏電流?。坏诙?，高度信賴性。
圖1表示的是，關(guān)于通過本發(fā)明的發(fā)明人進行的微波等離子體氧化處理在硅基板表面形成10nm厚度的氧化硅膜(圖中以“等離子體氧化膜”表示)，將累積不良率F和達到破壞的積分電荷量(Qbd)之間關(guān)系(TDDB特性)，與同樣厚度的熱氧化膜的情況相比較的情況。其中，縱軸表示的是累積不良率F，橫軸表示的是達到絕緣破壞的積分電荷量Qbd。等離子體氧化膜是通過使用后面圖2所述的微波等離子體基板處理裝置，在氬氣和氧氣的混合氣體等離子體中、以400℃的基板溫度來等離子體氧化進行過自然氧化膜除去工序的硅基板表面而形成的。
參照圖1，在熱氧化膜的情況下，表示累積不良率F的線對于積分電荷量Qbd具有急劇的坡度，從而可知在積分電荷量Qbd達到限定值的情況下產(chǎn)生絕緣破壞。即，這種絕緣膜具有以可預測的壽命為特征的優(yōu)異的信賴性。
與此相反，對于等離子體氧化膜來說，表示累積不良率F的線的坡度小，表示在各種積分電荷量中，產(chǎn)生絕緣膜的不良。在這樣的絕緣膜中，不能預測元件壽命，因此不能獲得信賴性。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明總的目的在于提供一種解決上述問題的新型且實用的基板處理方法。
本發(fā)明具體的目的在于提供一種基板處理方法，在通過等離子體中的氧化處理、氮化處理或者氮氧化處理而在硅基板表面上形成氧化膜、氮化膜或者氮氧化膜時，能夠提高形成的膜的信賴性，而對于使用這種絕緣膜的半導體裝置來說，能夠保證較長的元件壽命。
本發(fā)明的其他目的在于提供一種基板處理方法，其特征在于，包括將硅基板表面暴露于惰性氣體和氫氣的混合氣體等離子體中的第一處理過程；以及在所述第一處理過程之后，通過等離子體處理，對所述硅基板表面進行氧化處理、氮化處理以及氮氧化處理中的任何一種處理的第二處理過程。
根據(jù)本發(fā)明，在通過等離子體進行的基板處理之前，通過將硅基板表面暴露于惰性氣體和氫氣氣體的混合氣體等離子體中，能夠有效地除去殘留在基板表面上的有機物，并在新鮮的硅表面上形成較高質(zhì)量的絕緣膜。
本發(fā)明的其他目的以及特征會從以下參照附圖的同時所進行的本發(fā)明的詳細說明中得到明確。


圖1是表示現(xiàn)有的熱氧化膜以及等離子體氧化膜的TDDB特性圖。
圖2A、2B是表示本發(fā)明所使用的等離子體處理裝置的構(gòu)造圖。
圖3A、3B是表示根據(jù)本發(fā)明第一實施方式所進行的基板處理工序圖。
圖4是表示通過本發(fā)明第一實施方式所獲得的等離子體氧化膜的TDDB特性圖。
圖5是表示本發(fā)明的第一小時所獲得的等離子體氧化膜的漏電流特性圖。
圖6A、6B是表示根據(jù)本發(fā)明第二實施方式所進行的基板處理工序圖。
具體實施例方式
(第一實施方式)本發(fā)明的發(fā)明人對通過微波等離子體處理而進行的在硅基板上形成氧化膜、氮化膜、氮氧化膜的過程進行了試驗性研究，結(jié)果表明，殘留在硅基板表面上的有機物對在基板上形成的絕緣膜的信賴性帶來很大影響。
圖2A、2B是表示本發(fā)明的發(fā)明人所使用的微波等離子體基板處理裝置10的構(gòu)造圖。
參照圖2A，微波等離子體基板處理裝置10具有處理容器11，其形成有保持被處理基板W的基板保持臺12，處理容器11在排氣口11A、11B處而被排氣。
在上述處理容器11上，對應上述基板保持臺12上的被處理基板W而形成有開口部，上述開口部通過由石英或者鋁等低損失陶瓷制成的蓋板13而封住。而且，在蓋板13的下方，以與上述被處理基板W相對的方式而形成有噴淋板14，其形成有氣體導入路14A和與其連通的多個噴嘴開口部，由石英或者鋁等低損失陶瓷而制成。
上述噴淋板14以及蓋板13形成有微波窗，在上述蓋板13的外側(cè)形成有放射槽形天線(radial line slot antenna)或者喇叭形天線(hornantenna)等微波天線15。
工作時，上述處理容器11內(nèi)部的處理空間通過經(jīng)由上述排氣口11A、11B的排氣而被設定在特定的處理壓力，從所述噴淋板14與氬氣或者Kr等惰性氣體一起導入氧化氣體或者氮化氣體。
圖2B是表示上述放射槽形天線15的構(gòu)造圖。
參照圖2B，上述放射槽形天線15包括經(jīng)由同軸導波管等而連接在外部微波源的平坦的圓盤形的天線主體，在上述天線主體的開口部設置有放射板15A，如圖2B所示，其形成有多個縫隙15a以及與之垂直相交的多個縫隙15b。在上述天線主體和上述放射板15A之間，插入有由厚度一定的電介質(zhì)板制成的滯相板(未圖示)。
而且，通過從上述天線15導入頻率為數(shù)GHz的微波，而在上述處理容器11中對被處理基板W的表面激勵高密度微波等離子體。通過由微波激勵等離子體，而在圖1的基板處理裝置中，使等離子體的電子溫度降低，從而能夠避免被處理基板W或者處理容器11內(nèi)壁的損傷。此外，形成的原子團沿著被處理基板W的表面而徑向流動，因為迅速地被排氣，所以抑制原子團的再結(jié)合，從而能夠在550℃以下的低溫中進行高效率且非常平均的基板處理。
圖3A～圖3B表示的是本發(fā)明的發(fā)明人使用圖1的基板處理裝置10而進行的作為本發(fā)明的基礎(chǔ)研究的、與本發(fā)明第一實施方式對應的基板處理過程。
參照圖3A，將通過HF處理而除去了自然氧化膜的硅基板21作為上述被處理基板W而放入上述基板處理裝置10的處理容器11中，從上述噴淋板14導入氬氣和氫氣的混合氣體，通過微波對其進行激勵來產(chǎn)生等離子體。
對于一個例子來說，將處理容器11內(nèi)的處理壓力設定為7Pa，分別以1000SCCM及40SCCM的流量供給氬氣和氫氣，在400℃的基板溫度中，通過以1500W的功率向上述微波天線15供給頻率為2.4GHz的微波，而在上述被處理基板W的表面附近產(chǎn)生高密度等離子體。
在圖3A的處理過程中，通過將上述硅基板21的表面暴露于所述等離子體中，殘留在基板表面的有機物即使在400℃的較低的基板溫度中也會以碳氫化合物的形式而被有效地除去，在基板表面露出新鮮的硅表面。
然后，在圖3B的處理過程中，在實施過圖3A所示處理的硅基板21上，通過實施下述處理將氧化硅膜22形成為10～1nm的厚度，即，典型地，將所述處理用區(qū)域11內(nèi)的處理壓力設定為7Pa，分別以1000SCCM以及40SCCM的流量供給氬氣和氧氣，在400℃的基板溫度時，以1500W的功率向微波天線15供給頻率為2.4GHz的微波。
圖4表示的是將這樣獲得的氧化硅膜中的累積不良率F和破壞電荷量Qdb之間關(guān)系(TDDB)與圖1的結(jié)果進行的比較。此外，在圖4中還一并表示在圖3A的處理過程中將硅基板21暴露于氬等離子體時的結(jié)果。其中，在圖4中，將上述氧化硅膜形成為10nm的厚度。
參照圖4，省略圖3A的前處理過程，對在硅基板21上直接將氧化硅膜22形成為10nm的厚度時與圖1中說明的等離子體氧化膜對應，但是，在此情況下，如上述圖2中所說明的，破壞電荷量Qdb會產(chǎn)生特別大的不均勻。
與此相反，在圖3A的前處理過程中，在進行氬等離子體處理的情況下，破壞電荷量Qdb的不均勻會減少，特別是如圖3A所示，當在氬氣和氫氣的混合等離子體中進行上述前處理工程的情況下，破壞電荷量Qbd的不均勻會進一步減少，可獲得與熱氧化膜的情況相當?shù)慕Y(jié)果。即，通過在氬氣和氫氣的混合氣體等離子體中進行圖3A的前處理過程，可獲得具有與熱氧化膜相當?shù)男刨囆缘牡入x子體氧化膜。
而且，從圖4中可知，本實施例中的等離子體氧化膜的破壞電荷量Qdb的絕對值與熱氧化膜的情況相比進一步地增大，表示出獲得的等離子體氧化膜的壽命增大。
在圖1或者圖4中，在氧化氣體中、在以高溫而形成的熱氧化膜中，破壞電荷量Qdb的不均勻減小，在氬氣和氧氣的混合氣體等離子體中，以400℃左右的低溫形成的等離子體氧化膜的破壞電荷量Qdb的不均勻增大，該事實表明殘留在硅基板21表面上的有機物與該現(xiàn)象有關(guān)。在本實施例中，在圖3A的處理過程中，通過在氬氣和氫氣的混合氣體等離子體中處理硅基板21的表面，使殘留在硅基板表面上的有機物以炭化氫的形式而從硅基板表面除去，在圖3B的處理開始時，在硅基板表面能夠露出新鮮的硅表面。
圖5表示的是這樣形成的膜厚為10nm的氧化硅膜22的漏電流特性。其中，圖5的測定是在12V的施加電壓下進行的，與上述說明的以1V的施加電壓測定時的漏電流相比，其數(shù)值有所不同。
參照圖5，在圖1所示的省略圖3A的前處理過程的等離子體氧化膜中，可以獲得與現(xiàn)有熱氧化膜大致相同的漏電流密度，但是，在圖3A的處理過程中，當進行由氬氣進行的等離子體前處理時，漏電流值減少，特別是在圖3(A)的處理過程中，在氬氣和氫氣的混合氣體等離子體中進行前處理時進一步減少。
其中，在本實施例中，在圖3B的處理過程中，通過氬氣和氫氣的混合氣體等離子體而在硅基板21的表面形成氧化硅膜22，但是，通過使用氬氣和氮氣、或者氬氣和氨氣、或者氬氣和氮氣和氫氣的混合氣體等離子體，也可以形成氮化硅膜23。而且，通過使用氬氣和氮氣、氧氣、或者氬氣和氨、氧氣、或者氬氣和氮氣、氫氣、氧氣的混合氣體等離子體，也可以形成氮氧化硅膜24。
此外，在本實施方式中，也可以使用氦、氪、氙等其他稀有氣體或者惰性氣體來代替氬氣。
此外，在本實施方式中，也可以使用NO、N2O、H2O等其他氧化氣體或者氮化氣體來代替氧氣、氮氣、氨氣。
(第二實施方式)圖6A、6B表示是由本發(fā)明的第二實施方式進行的基板處理方法。
參照圖6A，在硅基板21上形成有在前面的圖3A、3B的處理或者其他處理過程中形成的氧化硅膜22，在圖6A的處理過程中，通過氬氣和氫氣的混合氣體等離子體以與圖3A的處理同樣的條件來處理上述氧化硅膜22的表面，除去殘留在氧化硅膜22表面上的有機物。
然后，在圖6B的處理過程中，以與圖3B相同的條件使氬氣和氧氣的混合氣體等離子體對這樣處理的氧化硅膜22上進行作用，進一步使氧化膜成長而形成氧化膜25。
這樣形成的氧化膜25具有與上述實施方式中說明的等離子體氧化膜同樣優(yōu)異的信賴性和漏電流密度。
其中，在圖6B的處理過程中，通過使用氬氣和氮氣、或者氬氣和氨、或者氬氣和氮氣、氫氣的混合氣體等離子體來氮化上述氧化硅膜22，也能夠形成氮氧化硅膜26。
以上，使用圖2A、2B的放射槽形天線15的微波等離子體基板處理裝置對本實施例進行了說明，但是，在圖2A的構(gòu)造中，也可以這樣構(gòu)成，即，省略噴淋板14，直接從氣體導入部14A將氣體導入處理容器11中。此外，本發(fā)明并不局限于這種特定的基板處理裝置，在平行平板型等離子體處理裝置、ICP型等離子體處理裝置、ECR型等離子體處理裝置中也是有效的。
以上，對本發(fā)明的優(yōu)選實施例進行了說明，但是，本發(fā)明并不限于這種特定的實施例，在記載于權(quán)利要求書的宗旨內(nèi)，可以進行各種變形以及變更。
權(quán)利要求
1.一種基板處理方法，其特征在于，包括將硅基板表面暴露于惰性氣體和氫氣的混合氣體等離子體中的第一處理過程；和在所述第一處理過程之后，通過等離子體處理，對所述硅基板表面進行氧化處理、氮化處理以及氮氧化處理的任何一種處理的第二處理過程。
2.如權(quán)利要求1所述的基板處理方法，其特征在于所述惰性氣體為稀有氣體。
3.如權(quán)利要求1所述的基板處理方法，其特征在于所述惰性氣體為氬氣或者氪氣或者氙氣。
4.如權(quán)利要求1所述的基板處理方法，其特征在于所述第一處理過程和所述第二處理過程在同一等離子體處理裝置中連續(xù)地進行。
5.如權(quán)利要求1所述的基板處理方法，其特征在于在所述第一處理過程中，所述惰性氣體和氫氣的混合氣體等離子體通過微波而被激勵。
6.如權(quán)利要求1所述的基板處理方法，其特征在于在所述第二處理過程中，所述等離子體處理是通過微波激勵等離子體來進行的。
7.如權(quán)利要求1所述的基板處理方法，其特征在于所述等離子體通過從放射槽形天線放射的微波而被激勵。
8.如權(quán)利要求1所述的基板處理方法，其特征在于在所述第一處理過程中，硅表面在所述硅基板的表面露出。
9.如權(quán)利要求1所述的基板處理方法，其特征在于在所述第一處理過程中，在所述硅基板的表面形成有絕緣膜。
10.如權(quán)利要求9所述的基板處理方法，其特征在于所述絕緣膜由氧化硅膜構(gòu)成。
全文摘要
本發(fā)明提供一種基板處理方法，由下述過程構(gòu)成，即，將硅基板表面暴露于惰性氣體和氫氣的混合氣體等離子體中的第一處理過程；以及在所述第一處理過程之后，通過等離子體處理，對所述硅基板表面進行氧化處理、氮化處理以及氮氧化處理的任一處理的第二處理過程，其中，在第一處理過程中，除去殘留在基板表面的有機物。
文檔編號H01L21/302GK1757101SQ20048000549
公開日2006年4月5日 申請日期2004年2月20日 優(yōu)先權(quán)日2003年2月28日
發(fā)明者中西敏雄, 尾崎成則, 佐佐木勝 申請人:東京毅力科創(chuàng)株式會社