專(zhuān)利名稱(chēng)：基底絕緣膜的形成方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及具有良好界面特性的絕緣膜的形成方法。進(jìn)一步說(shuō)，本發(fā)明涉及對(duì)絕緣膜照射基于下述處理氣體的等離子體，從而提高該絕緣膜和基底材料之間的界面特性的方法，其中，所述處理氣體至少包括含有氧原子的氣體。本發(fā)明的改性方法尤其可適于使用在所謂的高介電常數(shù)材料中。
背景技術(shù)：
本發(fā)明一般可廣泛應(yīng)用于制造半導(dǎo)體或半導(dǎo)體裝置以及液晶器件等電子器件材料中，但這里為了便于說(shuō)明，以半導(dǎo)體裝置(器件)的背景技術(shù)為例進(jìn)行說(shuō)明。
在以硅為主的用于半導(dǎo)體或電子器件材料的基底材料上實(shí)施氧化膜的形成、通過(guò)CVD等的成膜以及蝕刻等各種處理。近年來(lái)，隨著半導(dǎo)體裝置的微型化以及對(duì)高性能的要求，(例如，在漏電電流這一點(diǎn)上)對(duì)更高性能的絕緣膜的使用顯著增加。這是由于即使在以往的集成度比較低的器件中實(shí)際上沒(méi)有問(wèn)題的漏電電流，在近年來(lái)的微型及/或高性能的設(shè)備中，也有可能產(chǎn)生嚴(yán)重的問(wèn)題。尤其是在始于近年的、稱(chēng)為ubiquitous社會(huì)(將無(wú)論何時(shí)何地都連接在網(wǎng)絡(luò)上的電子器件作為介質(zhì)的信息化社會(huì))中的便攜式電子設(shè)備的發(fā)展中，低耗電功率器件是必須的，所以，降低該漏電電流是非常重要的課題。
典型的是，例如，若在開(kāi)發(fā)第二代MOS晶體管的基礎(chǔ)上，追求高性能的硅LSI的微型化，則會(huì)產(chǎn)生漏電電流增大，耗電功率也增大的問(wèn)題。因此，為了在追求性能的同時(shí)減少耗電功率，需要不增加MOS晶體管的柵極漏電(柵漏)電流就能夠提高晶體管的特性。
為了滿足這樣的要求，提出了各種方案(例如硅氧化膜的改性、氮氧化硅膜SiON的使用)，但其有效方法之一是開(kāi)發(fā)使用了高介電常數(shù)材料的絕緣膜。因?yàn)橥ㄟ^(guò)使用這種高介電常數(shù)材料可以期望作為由SiO2電容量換算出來(lái)的膜厚的EOT(有效氧化物厚度)的薄膜化。
然而，當(dāng)實(shí)際上通過(guò)CVD(化學(xué)氣相沉積法)等來(lái)形成這種所期望的具有優(yōu)秀特性的絕緣膜時(shí)，尤其是在實(shí)用性極高(例如，相比較而言薄到12A(埃))的絕緣膜中，難以在該絕緣膜和作為其基底的電子器件用基底材料之間得到良好的界面特性。
用于解決該課題的一個(gè)有效方法是在基底材料上形成極薄(例如10A以下)的基底膜后，在該基底膜上形成絕緣膜。然而，采用以往的熱氧化技術(shù)或者等離子體氧化技術(shù)(通過(guò)這些技術(shù)是難以控制薄膜厚度的)，在控制成膜速度和面內(nèi)均勻性的同時(shí)直接在電子器件用基底材料上形成薄基底膜是極為困難的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種消除了上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)的基底膜的形成方法。
本發(fā)明的其他目的是提供一種在絕緣膜和電子器件用基底材料之間的界面上，形成應(yīng)該使晶體管特性提高的優(yōu)質(zhì)基底膜的方法。
本發(fā)明人的創(chuàng)新研究成果是，并不是如以往那樣在電子器件用基底材料上形成基底膜后，形成絕緣膜(例如，高介電常數(shù)材料膜)，而在電子器件用基底材料上一旦形成絕緣膜(例如，高介電常數(shù)材料膜)，就使基于處理氣體的等離子體透過(guò)該絕緣膜，并在該絕緣膜-基底材料界面上形成基底膜，其中所述的處理氣體至少含有包括氧原子的氣體，可以看出其用于達(dá)成上述目的是極其有效。
本發(fā)明的基底膜的形成方法是基于上述理論的，更詳細(xì)地說(shuō)，其特征在于，對(duì)配置于電子器件用基底材料上的絕緣膜的表面照射基于處理氣體的等離子體，從而在該絕緣膜和電子器件用基底材料的界面上形成基底膜，其中所述的處理氣體至少含有包括氧原子的氣體。
根據(jù)本發(fā)明中，還可以提供電子器件用材料，至少包括電子器件用基底材料、配置于該基底材料上的基底膜和配置于該基底膜上的絕緣膜，其特征在于，所述基底膜是通過(guò)來(lái)自所述絕緣膜一側(cè)的等離子體照射而形成的膜。
在具有上述結(jié)構(gòu)的本發(fā)明的基底膜的形成方法中，等離子體活性粒子(例如氧反應(yīng)粒子)從絕緣膜表面一側(cè)透過(guò)該絕緣膜，到達(dá)絕緣膜-基底材料界面，并在該界面附近形成基底膜。在本發(fā)明中，與在電子器件用基底材料上直接形成基底膜相比，因?yàn)橐子诳刂瞥赡に俣?即成膜時(shí)間的控制)，所以容易進(jìn)行該基底膜的膜厚控制，以及/或者提高基底膜的面內(nèi)的均勻性。


圖1(a)(b)是表示可通過(guò)本發(fā)明的基底絕緣膜形成方法而制造的半導(dǎo)體裝置的一個(gè)例子的垂直剖面模式圖；圖2是表示用于實(shí)施本發(fā)明的基底絕緣膜形成方法的半導(dǎo)體裝置的一個(gè)例子的平面模式圖；圖3是表示可在本發(fā)明的基底絕緣膜的形成方法中使用的平面天線(RLSA；也稱(chēng)為隙縫平板天線或者SPA)等離子體處理單元的一個(gè)例子的垂直剖面模式圖；圖4是表示可在采用本發(fā)明基底絕緣膜形成方法的裝置中使用的RLSA的一個(gè)例子的平面模式圖；圖5是表示可在本發(fā)明的基底絕緣膜的形成方法中使用的加熱反應(yīng)爐單元的一個(gè)例子的垂直剖面模式圖；圖6是表示形成有柵極氧化膜和柵極絕緣膜的硅襯底表面的一個(gè)例子的剖面模式圖；圖7是表示向襯底表面上進(jìn)行等離子體處理的一個(gè)例子的剖面模式圖；圖8是表示高介電常數(shù)材料成膜的一個(gè)例子的剖面模式圖；圖9是表示向高介電常數(shù)材料表面進(jìn)行等離子體處理的一個(gè)例子的剖面模式圖；
圖10是表示向高介電常數(shù)材料膜上形成柵極電極的一個(gè)例子的剖面模式圖；圖11是表示形成MOS電容器的一個(gè)例子的剖面模式圖；圖12是表示通過(guò)離子射入(注入)形成源極、漏極的一個(gè)例子的剖面模式圖；圖13是表示根據(jù)本發(fā)明而得到的MOS晶體管結(jié)構(gòu)的一個(gè)例子的剖面模式圖；圖14是表示在通過(guò)RLSA氧化工序而形成的氧化膜和HfSiO膜上實(shí)施了氧化工序處理時(shí)的導(dǎo)電膜厚(Teq)隨氧化時(shí)間變化的圖表；圖15是表示在通過(guò)RLSA氧化工序而形成的氧化膜和HfSiO膜上實(shí)施了氧化工序處理時(shí)的導(dǎo)電膜厚(Teq)和導(dǎo)電膜厚均勻性隨氧化時(shí)間變化的圖表。
具體實(shí)施例方式
下面，根據(jù)需要在參照附圖的同時(shí)對(duì)本發(fā)明進(jìn)行更具體的說(shuō)明。在以下記載中，如果沒(méi)有特別的說(shuō)明，那么表示定量比值的“部”以及“％”都表示質(zhì)量基準(zhǔn)。
(基底膜的形成方法)在本發(fā)明中，向配置在電子器件用基底材料上所配置的絕緣膜的表面照射基于下述處理氣體的等離子體，從而在該絕緣膜和電子器件用基底材料的界面上形成基底膜，其中，所述處理氣體至少包括含有氧原子的氣體。
(絕緣膜)雖然對(duì)構(gòu)成在本發(fā)明中可使用的絕緣膜的材料沒(méi)有做特別的限制，但是從實(shí)用的MOS晶體管這一點(diǎn)來(lái)看，可優(yōu)選使用從下述組中所選擇的一種或兩種以上的物質(zhì)，其中，所述組由低介電常數(shù)的SiO2、SiON，高介電常數(shù)的SiN，以及后述的高介電常數(shù)的物質(zhì)構(gòu)成。
(高介電常數(shù)材料)雖然對(duì)可在本發(fā)明中使用的高介電常數(shù)材料沒(méi)有做特別的限制，但是從MOS晶體管的實(shí)用級(jí)別的趨向這一點(diǎn)來(lái)看，k(介電常數(shù))的值為8以上，10以上更好。
這種高介電常數(shù)材料，例如可優(yōu)選使用從Al2O3、ZrO2、HfO2、Ta2O5及ZrSiO、HfSiO等硅酸鹽、ZrAlO等鋁酸鹽所組成的組中所選擇出的一種或兩種以上。
(電子器件用基底材料)對(duì)可在本發(fā)明中使用的上述電子器件用基底材料沒(méi)有做特別的限制，從而可以從公知的電子器件用基底材料的一種或者兩種以上的組合中適當(dāng)?shù)剡M(jìn)行選擇使用。作為這種電子器件用基底材料的例子，如可列舉出半導(dǎo)體材料、液晶器件材料等。作為半導(dǎo)體材料的例子，如可列舉出以單結(jié)晶硅為主要成分的材料、高性能(high paformance)CMOS等。
(底層膜)只要可以使上述絕緣膜的界面特性提高，所以對(duì)基底膜的組成、膜厚以及積層的形態(tài)等就沒(méi)有特別的限制。從晶體管特性這一點(diǎn)來(lái)看，可優(yōu)選使用基底氧化膜作為基底膜。
這種基底氧化膜優(yōu)選具有6～12A的厚度，具有6～8A的厚度更好。
(處理氣體條件)在本發(fā)明的基底膜制造過(guò)程中，從所應(yīng)該形成的基底膜的特性這一點(diǎn)來(lái)看，可優(yōu)選使用下述條件。
稀有氣體(例如Kr、Ar、He或者Xe)300～2000sccm，1000～2000sccm更好；O21～500sccm，10～300sccm更好；溫度室溫(25℃)～500℃，250～500℃更好，250～400℃尤其好；壓力3～500Pa，7～260Pa更好；微波1～5W/cm2，2～4W/cm2更好，2～3W/cm2尤其好。
(熱處理(annealing))在本發(fā)明中，在進(jìn)行完上述的改性后，根據(jù)需要，還可以對(duì)絕緣膜進(jìn)行熱處理。雖然對(duì)該熱處理?xiàng)l件沒(méi)有做特別的限制，但是從晶體管特性這一點(diǎn)來(lái)看，可優(yōu)選使用含有O2氣體及/或N2氣體的處理氣體。下面表示的是可在本發(fā)明中優(yōu)選使用的條件的一例。
(優(yōu)選的熱處理?xiàng)l件)稀有氣體(例如Kr、Ar、He或Xe)0～5000sccm，0～1000sccm更好；O210～1000sccm，10～100sccm更好；N21000～5000sccm，1000～3000sccm更好；溫度室溫(25℃)～1050℃，600～1050℃更好；壓力100～101k Pa，1k～101k Pa更好；雖然對(duì)可在本發(fā)明中使用的等離子體沒(méi)有做特別限制，但是從可容易得到均勻的薄膜這一點(diǎn)來(lái)看，優(yōu)選使用電子溫度比較低且高密度的等離子體。
(優(yōu)選的等離子體)可在本發(fā)明中優(yōu)選使用的等離子體的特性如下。
電子溫度0.5-2.0eV密度1E10～5E12/cm3等離子體密度的均勻性±10％(平面天線部件)在本發(fā)明的電子器件材料的制造方法中，通過(guò)具有多個(gè)隙縫的平面天線部件照射微波，從而形成電子溫度低且密度高的等離子體。在本發(fā)明中，因?yàn)槭褂镁哂羞@種優(yōu)秀特性的等離子體來(lái)形成基底膜，所以可以減小等離子體損傷，且可以在低溫下完成高反應(yīng)率的工序。而且，在本發(fā)明中，(與使用以往的等離子體的情況相比)通過(guò)平面天線部件照射微波，可以得到易于形成優(yōu)質(zhì)基底膜的優(yōu)點(diǎn)。
根據(jù)本發(fā)明可以形成優(yōu)質(zhì)基底膜。因此，通過(guò)在該基底膜上形成其他層(例如電極層)，易于形成特性優(yōu)良的半導(dǎo)體裝置的結(jié)構(gòu)。
(基底膜的優(yōu)選特性)根據(jù)本發(fā)明可以如下述那樣易于形成具有優(yōu)選特性的基底膜。
(半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的優(yōu)選特性)雖然對(duì)本發(fā)明的方法應(yīng)適用的范圍沒(méi)有做特別限制，但是可通過(guò)本發(fā)明而形成的優(yōu)質(zhì)基底膜，可尤其優(yōu)選作為MOS結(jié)構(gòu)的柵極絕緣膜來(lái)利用。
(MOS半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的優(yōu)選特性)可通過(guò)本發(fā)明而形成的極薄且優(yōu)質(zhì)的基底膜，可尤其優(yōu)選作為半導(dǎo)體裝置的絕緣膜(尤其是MOS半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的柵極絕緣膜)來(lái)使用。
根據(jù)本發(fā)明，可以如下述那樣容易地制造具有優(yōu)選特性的MOS半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)。此外，當(dāng)評(píng)價(jià)通過(guò)本發(fā)明而形成的基底膜的特性時(shí)，例如，形成文獻(xiàn)(VLSI器件物理岸野正剛、小柳光正著丸善P62～63)中所記載的那樣的標(biāo)準(zhǔn)的MOS半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，從而可以通過(guò)評(píng)價(jià)其MOS的特性來(lái)代替評(píng)價(jià)上述基底膜的特性。這是因?yàn)樵谶@種標(biāo)準(zhǔn)的MOS結(jié)構(gòu)中，構(gòu)成該結(jié)構(gòu)的基底膜的特性給MOS特性以強(qiáng)烈的影響。
(制造裝置的一種方式)下面，對(duì)本發(fā)明制造方法的優(yōu)選的一種方式進(jìn)行說(shuō)明。
首先，關(guān)于可通過(guò)本發(fā)明的電子器件材料的制造方法而制造的半導(dǎo)體裝置的結(jié)構(gòu)的一例，一邊參照?qǐng)D1(a)(b)，一邊說(shuō)明具有將柵極絕緣膜用作絕緣膜的MOS結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體裝置。
參照?qǐng)D1(a)，在該圖1(a)中，參照標(biāo)號(hào)1是硅襯底，11是場(chǎng)氧化膜，2是柵極絕緣膜，13是柵極電極。參照?qǐng)D1(b)，柵極絕緣膜2由基底氧化膜21和高介電常數(shù)物質(zhì)22構(gòu)成。如上所述，根據(jù)本發(fā)明的制造方法可以形成極薄的優(yōu)質(zhì)基底氧化膜21。
在該例中，該高質(zhì)量的基底氧化膜21最好由硅氧化膜(以下稱(chēng)“SiO2膜”)構(gòu)成，其中，所述硅氧化膜的形成為在將高介電常數(shù)物質(zhì)成膜之后，在包括O2及稀有氣體的處理氣體存在的條件下，經(jīng)由具有多個(gè)隙縫的平面天線部件向以Si為主要成分的被處理基底材料上照射微波，從而形成等離子體，并利用該等離子體在所述高介電常數(shù)物質(zhì)和襯底的界面間形成所述硅氧化膜。在使用這樣的基底SiO2膜時(shí)，如后所述，具有以下特征Si/柵極絕緣膜界面特性(例如，界面能級(jí))良好，且易于得到良好的柵極漏電特性。
(制造方法的一種方式)
接下來(lái)，對(duì)配置有這種柵極絕緣膜2、柵極電極13的電子器件材料的制造方法進(jìn)行說(shuō)明。
圖2是表示用于實(shí)施本發(fā)明電子器件材料的制造方法的半導(dǎo)體制造裝置30整體結(jié)構(gòu)的一例的簡(jiǎn)圖(平面模式圖)。
如圖2所示，大約在該半導(dǎo)體制造裝置30的中央配置有用于搬運(yùn)晶片W(圖2)的搬運(yùn)室31，此外，圍繞著該搬運(yùn)室31的周?chē)?，還設(shè)有用于對(duì)晶片進(jìn)行各種處理的等離子體處理單元32、33；用于進(jìn)行各處理室間連通/切斷操作的兩個(gè)負(fù)載鎖定(load lock)單元34及35；用于進(jìn)行各種加熱操作的加熱單元36；以及用于對(duì)晶片進(jìn)行各種加熱處理的加熱反應(yīng)爐47。此外，加熱反應(yīng)爐47也可以與上述半導(dǎo)體制造裝置30分開(kāi)而獨(dú)立設(shè)置。
在負(fù)載鎖定單元34、35的橫向上還分別設(shè)有用于進(jìn)行各種預(yù)冷和冷卻操作的預(yù)冷單元45、冷卻單元46。
在搬運(yùn)室31的內(nèi)部設(shè)有搬運(yùn)臂37及38，從而可以在所述各單元32～36之間搬運(yùn)晶片W(圖3)。
在負(fù)載鎖定單元34及35的圖中前面一側(cè)設(shè)有裝載臂(loader arm)41及42。這些裝載臂41及42，進(jìn)而，可以在其前面一側(cè)所設(shè)的盒式臺(tái)43上所設(shè)置的四個(gè)盒子44之間將晶片W取出放入。
此外，作為圖2的等離子體處理單元32、33，兩個(gè)同型的等離子體處理單元被并列設(shè)置。
而且，這些等離子體處理單元32及單元33可以一起更換為單室型CVD處理單元，也可以在等離子體處理單元32或者33的位置上設(shè)置一個(gè)或者兩個(gè)單室型CVD處理單元。
當(dāng)?shù)入x子體處理是兩個(gè)時(shí)，例如，可以在處理單元32中進(jìn)行了氧化處理之后，再在處理單元33中進(jìn)行氮化處理的方法；也可以在處理單元32及33中并列進(jìn)行氧化處理和氮化處理。
(等離子體處理裝置的一種方式)圖3是可在柵極絕緣膜2的成膜過(guò)程中使用的等離子體處理單元32(33)的垂直方向的剖面模式圖。
參照?qǐng)D3，參照標(biāo)號(hào)50是例如由鋁形成的真空容器。在該真空容器50的上面形成有比襯底(例如晶片W)大的開(kāi)口部分51，而且為了堵住該開(kāi)口部分51，還設(shè)有例如由石英或氮化鋁等電介質(zhì)構(gòu)成的扁平圓柱狀的蓋板54。在作為該蓋板54下表面的真空容器50的上部側(cè)壁上，例如在沿其圓周方向均勻配置的16處位置上設(shè)有氣體供給管72，并從該氣體供給管72將處理氣體均勻地供給到真空容器50的等離子體區(qū)域P附近，其中所述處理氣體包括O2和從稀有氣體、N2以及H2等中所選擇的一種以上的氣體。
在蓋板54的外側(cè)，經(jīng)由具有多個(gè)隙縫的平面天線部件，如由銅板形成的平面天線(RLSA)60，形成高頻率電源部分，并設(shè)有連接在微波電源部分61上的波導(dǎo)路徑63，其中所述微波電源部分61產(chǎn)生例如2.45GHz的微波。該波導(dǎo)路徑63由下述部件組合而成下邊緣被連接在RLSA 60上的扁平圓形波導(dǎo)管63A；一端被連接在所述圓形波導(dǎo)管63A的上表面的圓柱形波導(dǎo)管63B；該圓柱形波導(dǎo)管63B的上表面所連接的同軸波導(dǎo)轉(zhuǎn)換器63C；以及一端被成直角地連接在所述同軸波導(dǎo)轉(zhuǎn)換器63C的側(cè)面，而另一端被連接在微波電源部分61上的矩形波導(dǎo)管63D。
在所述圓柱形波導(dǎo)管63B的內(nèi)部，將由導(dǎo)電性材料構(gòu)成的軸部分62同軸設(shè)置，即，使其一端連接在RLSA 60上表面的大約中央部分，另一端連接在圓柱形波導(dǎo)管63B的上表面，因此，該波導(dǎo)管63B構(gòu)成了同軸波導(dǎo)管。
此外，在真空容器50內(nèi)，相對(duì)蓋板54設(shè)有晶片W的載物臺(tái)52。在該載物臺(tái)52內(nèi)，內(nèi)置有未圖示的調(diào)溫部分，由此，該載物臺(tái)52具有作為加熱板的功能。此外，真空容器50的底部與排氣管53的一端連接，且該排氣管53的另一端連接在真空泵55上。
(RLSA的一種方式)圖4是表示可在本發(fā)明的電子器件材料的制造裝置中使用的RLSA 60的一例的平面模式圖。
如該圖4所示，對(duì)于該RLSA 60，在其表面上形成有多個(gè)隙縫60a、60a、……呈同心圓狀。各隙縫60a是長(zhǎng)方形的通槽，且如下設(shè)置鄰接的縫隙之間彼此垂直相交，大致呈字母“T”字形。隙縫60a的長(zhǎng)度和排列間隔根據(jù)由微波電源部分61所產(chǎn)生的微波的波長(zhǎng)來(lái)確定。
(加熱反應(yīng)爐的一種方式)圖5是表示可在本發(fā)明的電子器件材料的制造裝置中使用的加熱反應(yīng)爐47的一例的垂直方向的剖面模式圖。
如圖5所示，加熱反應(yīng)爐47的處理室82形成了如由鋁等構(gòu)成的可氣密結(jié)構(gòu)。在處理室82內(nèi)設(shè)有加熱機(jī)構(gòu)和冷卻機(jī)構(gòu)，雖然它們?cè)谠搱D5中被省略了。
如圖5所示，在處理室82的上部中央連接有用于導(dǎo)入氣體的氣體導(dǎo)入管83，從而處理室82的內(nèi)部與氣體導(dǎo)入管83的內(nèi)部被連通。而且，氣體導(dǎo)入管83還連接在氣體供給源84上。并且，從氣體供給源84向氣體導(dǎo)入管83供給氣體，并經(jīng)由氣體導(dǎo)入管83將氣體導(dǎo)入到處理室82內(nèi)。該氣體是形成高介電常數(shù)絕緣膜的原料，例如可以使用HTB或者硅烷等各種氣體，而且根據(jù)需要還可以使用惰性氣體作為載體氣體。
處理室82的下部連接有用于將處理室82內(nèi)的氣體排出的排氣管85，且排氣管85連接在由真空泵等構(gòu)成的排氣裝置(未圖示)上。通過(guò)該排氣裝置，處理室82內(nèi)的氣體被從排氣管85排出，從而將處理室82內(nèi)設(shè)定為所需的壓力。
另外，在處理室82的下部配置有安放晶片W的載物臺(tái)87。
在圖5所示的狀態(tài)中，通過(guò)直徑與晶片W大致相同的靜電卡盤(pán)(未圖示)將晶片W安放在載物臺(tái)87上。在該載物臺(tái)87內(nèi)部設(shè)有未圖示的熱源裝置，從而形成可以將安放在載物臺(tái)87上的晶片W的處理表面調(diào)整到所需溫度的結(jié)構(gòu)。
該載物臺(tái)87根據(jù)需要形成可將安放的晶片W旋轉(zhuǎn)的結(jié)構(gòu)。
在圖5中，在載物臺(tái)87右側(cè)的處理室82的壁面上設(shè)有用于使晶片W出入的開(kāi)口部分82a，該開(kāi)口部分82a的開(kāi)閉是通過(guò)沿圖中的上下方向移動(dòng)閘門(mén)閥98來(lái)進(jìn)行的。在圖5中，在閘門(mén)閥98的右側(cè)還鄰近地設(shè)有用于搬運(yùn)晶片W的搬運(yùn)臂(未圖示)，且搬運(yùn)臂經(jīng)由開(kāi)口部分82a出入處理室82內(nèi)，從而將晶片W安放在載物臺(tái)87上，并將處理后的晶片W從處理室82搬運(yùn)出。
在載物臺(tái)87的上方設(shè)有作為淋浴部件的淋浴頭88。該淋浴頭88劃分了載物臺(tái)87和氣體導(dǎo)入管83之間的空間，例如由鋁等形成。
淋浴頭88的上部中央設(shè)有氣體導(dǎo)入管83的氣體出口83a，并通過(guò)設(shè)置在淋浴頭88下部的氣體供給孔89將氣體導(dǎo)入到處理室82內(nèi)。
(MOS晶體管形成的方式)、下面，對(duì)使用上述裝置在晶片W上形成具有絕緣膜2的MOS晶體管的方法的優(yōu)選的一例進(jìn)行說(shuō)明，其中，所述絕緣膜2由基底膜21及高介電常數(shù)絕緣膜22構(gòu)成。
圖6～13是表示本發(fā)明的方法中各工序的一例的模式圖。
參照?qǐng)D6，首先，在前面的工序中，在晶片W表面上形成元件分離的場(chǎng)氧化膜、溝道注入以及犧牲氧化膜。然后，除去該犧牲氧化膜。
接下來(lái)，打開(kāi)設(shè)置在等離子體處理單元32(圖3)內(nèi)的真空容器50側(cè)壁上的閘門(mén)閥(未圖示)，并通過(guò)搬運(yùn)臂37、38將圖8的除去了犧牲氧化膜的晶片W安放在載物臺(tái)52(圖3)上。
接著，當(dāng)關(guān)閉閘門(mén)閥將內(nèi)部密封后，利用真空泵55，經(jīng)由排氣管53將內(nèi)部氣體排出，直到將其抽成規(guī)定真空度的真空，并維持在規(guī)定壓力。另一方面，通過(guò)微波電源部分61產(chǎn)生例如2W/cm2的微波，并通過(guò)波導(dǎo)路徑引導(dǎo)該微波，從而經(jīng)由RLSA 60及蓋板54導(dǎo)入真空容器50內(nèi)，這樣，可以在真空容器50內(nèi)的上部一側(cè)的等離子體區(qū)域P內(nèi)產(chǎn)生高頻等離子體。
此處，微波在矩形波導(dǎo)管63D內(nèi)以矩形模式傳送，并通過(guò)同軸波導(dǎo)轉(zhuǎn)換器63C從矩形模式轉(zhuǎn)換為圓形模式，再以圓形模式傳過(guò)圓筒形同軸波導(dǎo)管63B，再進(jìn)一步在圓形波導(dǎo)管63A中以擴(kuò)散狀態(tài)傳送，然后通過(guò)RLSA60的隙縫60a輻射，并透過(guò)蓋板54導(dǎo)入到真空容器50內(nèi)。此時(shí)，由于使用微波來(lái)產(chǎn)生高密度等離子體，而且，由于從RLSA 60的多個(gè)隙縫60a輻射微波，所以該等離子體是高密度的。
在微波導(dǎo)入前，一邊調(diào)節(jié)載物臺(tái)52的溫度，將晶片W加熱到例如400℃，一邊通過(guò)氣體供給管72將作為氧化膜形成用處理氣體的氪或氬等稀有氣體和N2氣體分別以例如1000sccm、40sccm的流量導(dǎo)入，從而實(shí)施圖7的工序(高介電常數(shù)成膜前的氮化處理)。通過(guò)實(shí)施本處理，在高介電常數(shù)成膜時(shí)，高介電常數(shù)物質(zhì)和硅襯底反應(yīng)，從而可以抑制在界面上形成硅氧化膜。
然后，將晶片W設(shè)置在熱處理單元47內(nèi)。在該熱處理單元47內(nèi)，在晶片W的上部形成高介電常數(shù)物質(zhì)膜。例如，當(dāng)在上述硅襯底W上形成硅酸鉿(HfSiO)膜時(shí)，分別以每次1sccm、400sccm導(dǎo)入三次四乙氧基鉿(HTBHf(OC2H5)4)和硅烷氣體(SiH4)，并將壓力保持在50Pa。HTB的流量是液體質(zhì)量流量(mass flow)控制裝置的流量，硅烷氣體的流量是氣體質(zhì)量流量控制裝置的流量。在該氣氛中以350℃對(duì)所述硅襯底進(jìn)行加熱，從而通過(guò)在襯底上使Hf、Si和O的反應(yīng)粒子進(jìn)行反應(yīng)來(lái)形成HfSiO膜。通過(guò)控制包括處理時(shí)間的工序條件形成4nm的HfSiO膜(圖8)。
然后，打開(kāi)閘門(mén)閥(未圖示)，使搬運(yùn)臂37、38(圖2)進(jìn)入真空容器47內(nèi)獲取晶片W。當(dāng)該搬運(yùn)臂37、38將晶片W從熱處理單元47取出后，將其設(shè)置在等離子體處理單元33內(nèi)的載物臺(tái)上。
(含氮層(窒化含有層)形成的方式)下面，如圖11所示，在該等離子體處理單元33內(nèi)，在晶片W上實(shí)施氧化處理，從而在已經(jīng)形成的高介電常數(shù)絕緣膜2的下表面上形成基底氧化膜21(圖1(b))。
在該基底氧化膜形成之際，例如，在真空容器50內(nèi)，在晶片溫度例如為400℃、工序壓力例如為133Pa(1Torr)的狀態(tài)下，通過(guò)氣體導(dǎo)入管將氬氣和氧氣分別以例如2000sccm、200sccm的流量導(dǎo)入容器50內(nèi)。
另一方面，通過(guò)微波電源部分61產(chǎn)生例如2W/cm2的微波，并通過(guò)波導(dǎo)路徑引導(dǎo)該微波，從而經(jīng)由RLSA 60及蓋板54導(dǎo)入真空容器50內(nèi)，這樣，可以在真空容器50內(nèi)的上部一側(cè)的等離子體區(qū)域P內(nèi)產(chǎn)生高頻等離子體。
在該工序(底層氧化膜的形成)中，將導(dǎo)入的氣體等離子體化，從而形成氧基團(tuán)。該氧基團(tuán)透過(guò)高介電常數(shù)物質(zhì)與硅襯底反應(yīng)，并在高介電常數(shù)物質(zhì)和硅襯底界面上形成SiO2膜。這樣，如圖1(b)所示，在晶片W上的高介電常數(shù)物質(zhì)22和硅襯底1的界面上形成基底氧化膜21。
(柵極電極的形成方式)然后，在形成有高介電常數(shù)物質(zhì)和基底氧化膜的晶片W上形成柵極電極13(圖1(a)) (圖10)。該柵極電極的形成是在與圖5所示的相同的熱處理單元內(nèi)進(jìn)行的。該熱處理單元可以如圖2所示那樣與半導(dǎo)體制造裝置30一體設(shè)置，此外，也可以在其他裝置中進(jìn)行處理。
此時(shí)，可以根據(jù)形成的柵極電極13的種類(lèi)來(lái)選擇處理?xiàng)l件。
即，在形成由多晶硅組成的柵極電極13時(shí)，例如，可以使用SiH4作為處理氣體(電極形成氣體)，并在10～500Pa的壓力、580～680℃的溫度條件下進(jìn)行處理。
此外，在形成由非晶硅組成的柵極電極13時(shí)，例如，可以使用SiH4作為處理氣體(電極形成氣體)，并在10～500Pa的壓力、500～580℃的溫度條件下進(jìn)行處理。
(氧化膜的品質(zhì))在上述圖11的工序中，在形成柵極基底膜用的基底氧化膜之際，在處理氣體存在的條件下，經(jīng)由具有多個(gè)縫隙的平面天線部件(RLSA)向以Si為主要成分的晶片上照射微波，從而形成包括氧氣(O2)及稀有氣體的等離子體，并且由于使用該等離子體在所述被處理基底材料表面上形成氧化膜，所以，可以高質(zhì)量且自始至終地進(jìn)行膜質(zhì)控制。
然后，進(jìn)行柵極的圖案化、選擇蝕刻，并形成MOS電容器(圖11)，并通過(guò)實(shí)施離子射入(注入)來(lái)形成源極、漏極(圖12)。然后，通過(guò)熱處理來(lái)進(jìn)行摻雜劑(向溝道、源極、漏極所注入的磷(P)、砷(As)、硼(B)等)的活性化。然后，經(jīng)過(guò)作為后續(xù)工序的布線工序而得到本方式的MOS晶體管(圖13)，其中所述布線工序是層間絕緣膜的成膜、圖案化、選擇蝕刻、金屬成膜組合而成的。最終，在該晶體管上部以各種圖案實(shí)施布線工序，并通過(guò)制作電路來(lái)完成邏輯器件。
此外，在本方式中，雖然形成Hf硅酸鹽(HfSiO膜)作為絕緣膜，但是也可以形成由其它組份組成的絕緣膜。作為柵極絕緣膜，可以從下組列舉中選擇一種或者兩種以上，其中所述列舉包括以前所使用的低介電常數(shù)的SiO2、SiON，和介電常數(shù)比較高的SiN或稱(chēng)為高介電常數(shù)物質(zhì)的高介電常數(shù)的Al2O3、ZrO2、HfO2、Ta2O5，以及ZrSiO、HfSiO等硅酸鹽或ZrAlO等鋁酸鹽。
此外，雖然只采用了以熱CVD法為高介電常數(shù)物質(zhì)的成膜方法的實(shí)施例，但是高介電常數(shù)物質(zhì)的形成方法可以是任意的，例如通過(guò)等離子體CVD法或PVD法來(lái)進(jìn)行成膜也可以。
此外，在本實(shí)施例中，雖然只注重于等離子體氧化處理所產(chǎn)生的效果，但是也可以應(yīng)用等離子體氮化處理或等離子體氧化處理和氮化處理組合而成的處理等來(lái)代替等離子體氧化處理。
以下，通過(guò)實(shí)施例來(lái)對(duì)本發(fā)明進(jìn)行更具體的說(shuō)明。
實(shí)施例實(shí)施例1圖14、圖15分別表示在通過(guò)RLSA氧化工序而形成的氧化膜和HfSiO膜上實(shí)施氧化等離子體處理時(shí)的導(dǎo)電膜厚(Teq)和導(dǎo)電膜厚的均勻性(范圍圖內(nèi)Teq的最大值和最小值的差)隨氧化時(shí)間的變化。橫軸表示氧化處理時(shí)間，縱軸表示Teq及范圍。圖14、圖15的采樣是通過(guò)以下方法來(lái)制作的。
(1)襯底在襯底中，使用P型的硅襯底，并使用比電阻是8～12Ωcm、面方位(100)的硅襯底。在硅襯底表面上，通過(guò)熱氧化法形成500A的犧牲氧化膜。
(2)形成HfSiO膜之前的處理通過(guò)組合APM(氨水、雙氧水、純水的混合液)和HPM(鹽酸、雙氧水、純水的混合液)以及DHF(氫氟酸和純水的混合液)而成的RCA洗劑來(lái)除去犧牲氧化膜和污染成分(金屬或有機(jī)物、微粒)。APM的藥液濃度比是NH4OH∶H2O2∶H2O＝1∶2∶10，溫度是60℃。此外，HPM濃度比是HCl∶H2O2∶H2O＝1∶1∶5，溫度是60℃，DHF濃度比是HF∶H2O＝1∶99，溫度是23℃。當(dāng)處理進(jìn)行了APM10分→純水沖洗5分→DHF 23分→純水沖洗5分→HPM10分→純水沖洗5分→最后純水沖洗10分后，進(jìn)行9分鐘IPA(異丙醇，220℃)干燥，從而使晶片上的水分干燥。將該襯底保持在700℃，并在以2000sccm導(dǎo)入了NH3的氣氛下(大氣壓)保持一分鐘，從而在襯底表面上形成了薄氮化層(SiN層)。通過(guò)形成該SiN層可以抑制硅襯底和HfSiO膜的熱反應(yīng)。
(3)HfSiO成膜在上述2的硅襯底上形成硅酸鉿(HfSiO)膜。分別以每次1sccm、400sccm導(dǎo)入三次四乙氧基鉿(HTBHf(OC2H5)4)和硅烷氣體(SiH4)，并將壓力保持在50Pa。HTB的流量是液體質(zhì)量流量控制裝置的流量，硅烷氣體的流量是氣體質(zhì)量流量控制裝置的流量。在該氣氛中以350℃加熱所述2的硅襯底，從而通過(guò)在襯底上使Hf、Si和O的反應(yīng)粒子反應(yīng)來(lái)形成HfSiO膜。通過(guò)控制包括處理時(shí)間的工序條件形成了4nm的HfSiO膜。
(4)RLSA氧化處理在實(shí)施了上述3的處理的硅襯底上實(shí)施RLSA等離子體氧化處理。在加熱到400℃的硅襯底上，每次分別流過(guò)2000sccm、20sccm的稀有氣體和氧氣，并將壓力保持在67Pa(500mTorr)。在該氣氛中，經(jīng)由具有多個(gè)隙縫的平面天線部件(RLSA)照射2.8W/cm2的微波，從而形成包括氧氣及稀有氣體的等離子體，并使用該等離子體在所述3的襯底上實(shí)施等離子體氧化處理。
(5)柵極電極用TiN成膜在通過(guò)上述(3)～(4)而形成的HfSiO膜上，以及在省略了作為參考的3的HfSiO成膜而只進(jìn)行4的氧化處理的氧化膜上，通過(guò)CVD法形成作為柵極電極的氮化鈦(TiN)膜。以550℃對(duì)實(shí)施了3～4的處理的硅襯底進(jìn)行加熱，并在200Pa的壓力下，以30sccm向襯底導(dǎo)入TiCl4氣體、以100sccm向襯底導(dǎo)入NH3氣體、以150sccm向襯底導(dǎo)入N2氣體，從而，在HfSiO膜上形成膜厚為800A的電極用TiN膜。
(6)圖案化、柵極蝕刻在通過(guò)上述(5)而制成的TiN電極上通過(guò)平版印刷術(shù)來(lái)實(shí)施圖案化，并通過(guò)在雙氧水(H2O2)藥液中浸泡硅襯底90分鐘來(lái)溶化沒(méi)有被圖案化部分的TiN，從而制成MOS電容器。
實(shí)施例2關(guān)于在實(shí)施例1中制作的MOS電容器，評(píng)價(jià)其CV特性行。通過(guò)下面示意的方法來(lái)進(jìn)行該測(cè)定。對(duì)柵極電極面積是10000μm2的電容器的CV、特性進(jìn)行評(píng)價(jià)。CV特性是通過(guò)評(píng)價(jià)在頻率1MHz、柵極電壓從1V到-2V掃描的各電壓時(shí)的電容所得。從CV特性來(lái)計(jì)算導(dǎo)電膜厚。
圖14表示在通過(guò)RLSA氧化工序而形成的氧化膜和HfSiO膜上實(shí)施氧化等離子體處理時(shí)的導(dǎo)電膜厚(Teq)。橫軸表示氧化處理時(shí)間，縱軸表示導(dǎo)電膜厚(Teq)。
圖14所示，參考氧化膜在20秒以上的氧化時(shí)間內(nèi)形成25A以上的膜厚。由于處理時(shí)間越短則工序的再現(xiàn)性就越低，對(duì)膜厚的控制也就越困難，所以并不適用于20秒以下的短時(shí)間的工序。因此，在圖16的參考中所示的通常的氧化方法中，作為高介電常數(shù)氧氮化膜是難以得到所要求的膜厚(10A以下)的。與其相反，當(dāng)在圖14所示的HfSiO膜上實(shí)施RLSA氧化處理時(shí)，相對(duì)于初期的膜厚(約16A)，即使在實(shí)施了35秒以上的長(zhǎng)時(shí)間的處理時(shí)，導(dǎo)電膜厚的增加也會(huì)被抑制在10A范圍之內(nèi)。因?yàn)樵谘趸ば蛑兄皇褂孟∮袣怏w和氧氣，所以認(rèn)為引起該膜的增厚的原因是氧氣。膜的增厚被認(rèn)為是從界面開(kāi)始的膜的增厚和膜本身(體積)的增厚。現(xiàn)在，包括了HfSiO膜的高介電常數(shù)物質(zhì)的問(wèn)題是存在由高溫?zé)崽幚韺?dǎo)致的結(jié)晶。這是由于膜中的Si原子的絕對(duì)量少而引起的。所以，通過(guò)將氧氣混入到膜中的膜增厚是由于在Si-Si結(jié)合內(nèi)進(jìn)入O而產(chǎn)生的膜增厚的可能性較低。此外，大量含有Hf-O的結(jié)合也是眾所周知的。綜上所述，對(duì)膜的增厚最有幫助的部分是從襯底開(kāi)始的膜的增厚，也就是在界面上形成氧化膜的可能性較高。因此，認(rèn)為根據(jù)本發(fā)明可以在界面上形成極薄的氧化膜。
圖15分別表示在通過(guò)RLSA氧化工序而形成的氧化膜和HfSiO膜上實(shí)施氧化等離子體處理時(shí)的導(dǎo)電膜厚的均勻性(范圍面內(nèi)的Teq的最大值與最小值之差)隨氧化時(shí)間的變化。橫軸表示氧化處理時(shí)間，縱軸表示范圍。
如圖15所示，參考RLSA氧化膜相對(duì)處理時(shí)間，范圍的值沒(méi)有變化，但是當(dāng)對(duì)HfSiO膜實(shí)施RLSA氧化處理時(shí)，范圍隨著處理時(shí)間的增加而減小，即觀察到了均勻性提高。該機(jī)構(gòu)被認(rèn)為如下所述。如前所述，膜的增厚的主要原因是界面氧化膜的增厚，膜薄的部分會(huì)產(chǎn)生很強(qiáng)的增厚效果，膜厚的部分會(huì)產(chǎn)生較弱的增厚效果。因此，可以認(rèn)為膜厚的不均勻性是通過(guò)實(shí)施RLSA氧化來(lái)改善的，從而導(dǎo)電膜厚變得均勻。因此，圖15的結(jié)果支持前面所述的圖14的膜的增厚機(jī)構(gòu)。
如上所述，通過(guò)在形成HfSiO膜以后實(shí)施等離子體處理，可以實(shí)現(xiàn)在單體氧化工序中難以實(shí)現(xiàn)的、極薄的、10A以下的基底膜的形成，且可以形成具有良好均勻性的HfSiO。
此外，雖然在上述例子中只提及了利用本發(fā)明制造的HfSiO膜，但是，對(duì)其它的高介電常數(shù)物質(zhì)實(shí)施同樣的處理也可以實(shí)現(xiàn)同樣的效果。
工業(yè)上的可利用性根據(jù)上述本發(fā)明，可以提供一種在絕緣膜和電子器件用基底材料之間的界面上形成使該絕緣膜特性提高的優(yōu)質(zhì)基底膜的方法。
權(quán)利要求
1.一種基底膜的形成方法，其特征在于，對(duì)配置于電子器件用基底材料上的絕緣膜的表面照射基于處理氣體的等離子體，從而在該絕緣膜和電子器件用基底材料的界面上形成基底膜，其中所述的處理氣體至少含有包括氧原子的氣體。
2.如權(quán)利要求1所述的基底膜的形成方法，其中，所述絕緣膜是含有高介電常數(shù)材料的膜。
3.如權(quán)利要求1或2所述的基底膜的形成方法，其中，所述等離子體是含有氧基團(tuán)的等離子體。
4.如權(quán)利要求1～3中任一項(xiàng)所述的基底膜的形成方法，其中，所述基底膜是氧化膜。
5.如權(quán)利要求1～4中任一項(xiàng)所述的基底膜的形成方法，其中，所述等離子體是基于平面天線部件(RLSA)的等離子體。
6.一種電子器件用材料，至少包括電子器件用基底材料、配置于該基底材料上的基底膜和配置于該基底膜上的絕緣膜，其特征在于，所述基底膜是通過(guò)來(lái)自所述絕緣膜一側(cè)的等離子體照射而形成的膜。
7.如權(quán)利要求6所述的電子器件用材料，其中，所述絕緣膜是含有高介電常數(shù)材料的膜。
全文摘要
對(duì)配置于電子器件用基底材料上的絕緣膜的表面照射基于處理氣體的等離子體，從而在該絕緣膜和電子器件用基底材料的界面上形成基底膜，其中所述處理氣體含有至少包括氧原子的氣體。在絕緣膜和電子器件用基底材料之間的界面上，可以得到使該絕緣膜特性提高的優(yōu)質(zhì)底層膜。
文檔編號(hào)H01L21/316GK1620720SQ0380259
公開(kāi)日2005年5月25日 申請(qǐng)日期2003年3月31日 優(yōu)先權(quán)日2002年3月29日
發(fā)明者菅原卓也, 多田吉秀, 中村源志, 尾﨑成則, 中西敏雄, 佐佐木勝, 松山征嗣, 長(zhǎng)谷部一秀, 中島滋, 藤原友紀(jì) 申請(qǐng)人:東京毅力科創(chuàng)株式會(huì)社