專利名稱：在基板上形成絕緣膜的方法、半導(dǎo)體裝置的制造方法和基板處理裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明廣泛地涉及半導(dǎo)體裝置的制造，特別是涉及將高電介質(zhì)膜用于柵極絕緣膜的超微細(xì)化半導(dǎo)體裝置的基板處理技術(shù)。
背景技術(shù)：
在今日的超高速半導(dǎo)體裝置中，隨著微細(xì)化工藝的進(jìn)步，制造0.1微米以下的柵極長度正在成為可能。一般地隨著微細(xì)化，半導(dǎo)體裝置的工作速度提高，但是在這種非常微細(xì)化的半導(dǎo)體裝置中，隨著由微細(xì)化產(chǎn)生的柵極長度的縮短，按照定標(biāo)規(guī)則必須減少柵極絕緣膜的膜厚。
可是，當(dāng)柵極長度為0.1微米以下時(shí)，也需要將柵極絕緣膜的厚度，在已有的使用熱氧化膜的情形中，設(shè)定在1～2nm或以下，但是在這種非常薄的柵極絕緣膜中，隧道電流增大，結(jié)果不能避免柵極漏電流增大那樣的問題。
從這種事實(shí)出發(fā)，提出了將比介電常數(shù)遠(yuǎn)比熱氧化膜大的高電介質(zhì)材料用作柵極絕緣膜的方案。特別是，正在進(jìn)行用即便實(shí)際的膜厚大但是換算成SiO2膜時(shí)的膜厚小的Ta2O5、Al2O3、ZrO2、HfO2、ZrSiO4、HfSiO4等的試驗(yàn)。通過使用這種高電介質(zhì)材料，即便在柵極長度為0.1微米以下，非常短的超高速半導(dǎo)體裝置中，也能夠使用約10nm的物理膜厚的柵極絕緣膜，能夠抑制由隧道效應(yīng)產(chǎn)生的柵極漏電流。
我們知道Ta2O5膜能夠用將Ta(OC2H5)5和O2作為氣相原料的CVD法形成。在典型的情形中，CVD工藝是在減壓環(huán)境下，在約480℃或以上的溫度中實(shí)施的。進(jìn)一步在氧氣氛中對(duì)這樣形成的Ta2O5膜進(jìn)行熱處理。結(jié)果能夠消除膜中的氧缺損，又使膜自身結(jié)晶化。結(jié)晶化了的Ta2O5膜表示出大的比介電常數(shù)。
從提高溝道區(qū)域中的載流子遷移率的觀點(diǎn)來看，在高電介質(zhì)柵極氧化膜和硅基板之間，插入1nm以下，優(yōu)選0.8nm以下厚度的極薄的基底氧化膜是令人滿意的。當(dāng)基底氧化膜的膜厚變厚時(shí)，因?yàn)榕c將高電介質(zhì)膜用作柵極絕緣膜的效果相互抵消，所以必須使基底氧化膜非常薄。要求將非常薄的基底氧化膜均勻地覆蓋在硅基板表面上，并且在基底氧化膜中不形成界面能級(jí)等的缺陷。
圖1表示具有高電介質(zhì)柵極絕緣膜的高速半導(dǎo)體裝置10的概略構(gòu)成。
參照?qǐng)D1，在硅基板11上形成半導(dǎo)體裝置10，在硅基板11上經(jīng)過薄的基底氧化膜12，形成Ta2O5、Al2O3、ZrO2、HfO2、ZrSiO4、HfSiO4等的高電介質(zhì)柵極絕緣膜13。在高電介質(zhì)柵極絕緣膜13上形成柵極14。
但是，在半導(dǎo)體裝置10中，為了實(shí)現(xiàn)在基底氧化膜12上形成的高電介質(zhì)柵極絕緣膜13的功能，需要通過對(duì)堆積的高電介質(zhì)膜13進(jìn)行熱處理使它結(jié)晶化，并補(bǔ)償氧缺損。存在著當(dāng)對(duì)高電介質(zhì)膜13進(jìn)行這種熱處理時(shí)，使基底氧化膜12的膜厚增大那樣的問題。
作為一個(gè)伴隨著熱處理使基底氧化膜12的膜厚增大的原因，我們推測是當(dāng)進(jìn)行熱處理時(shí)，基底氧化膜層12的硅和上述高電介質(zhì)膜13的金屬相互擴(kuò)散形成硅酸鹽層的緣故。特別是在必須將基底氧化膜12的膜厚減少到作為基底氧化膜所希望的數(shù)原子層以下的膜厚的情形中，伴隨著基底氧化膜12的熱處理使膜厚增大的問題成為一個(gè)非常深刻的問題。
作為抑制基底氧化膜的膜厚增大的對(duì)策，已經(jīng)提出了使基底氧化膜層的表面氮化形成氧氮化膜的方案。圖2表示對(duì)基底氧化膜的表面進(jìn)行氮化的半導(dǎo)體裝置20的概略構(gòu)成。在圖中，與圖1的半導(dǎo)體裝置10相同的部分上附加相同的參照標(biāo)號(hào)，并省略對(duì)它們的說明。
在圖2中，在基底氧化膜12的表面部分上，在能夠保持硅基板11和基底氧化膜12之間的界面的平坦性的范圍內(nèi)摻雜氮(N)，形成氧氮化膜12A。由于該氧氮化膜12A，能夠防止生成硅酸鹽層，從而防止增大基底氧化膜12的膜厚。
但是，在這種方法中，需要新追加用于對(duì)基底氧化膜12進(jìn)行氮化生成氧氮化膜12A的氮化步驟，使生產(chǎn)性降低。進(jìn)一步，在基底氧化膜12的深度方向中的氮濃度控制是非常困難的。特別是在硅基板11和基底氧化膜12的界面近旁發(fā)生氮的聚集形成界面能級(jí)，產(chǎn)生捕獲載流子或形成漏電流路徑等的問題，這是眾所周知的。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明提供解決上述課題的新的有用的半導(dǎo)體裝置的基板處理技術(shù)。
更具體地說，本發(fā)明的目的是提供能夠用單一的步驟在硅基板表面上形成非常薄的、典型地1～3原子層的氧氮化膜的基板處理技術(shù)。
又，本發(fā)明的目的是提供能夠在深度方向適當(dāng)?shù)乜刂乒杌灞砻娴姆浅１〉?、典型?～3原子層的氧氮化膜的氮濃度的基板處理技術(shù)。
為了達(dá)到上述目的，在本發(fā)明的第一側(cè)面中，提供在基板上形成絕緣膜的方法。該方法包含由高頻等離子體形成氮自由基和氧自由基的步驟、和通過將上述氮自由基和上述氧自由基供給被處理基板表面在上述被處理基板表面上形成絕緣膜的步驟。
作為更具體的樣態(tài)，在基板上形成絕緣膜的方法包含(a)將氮?dú)饣虻餁怏w和氧氣或氧化物氣體混合起來生成混合氣體的步驟、(b)通過由高頻等離子體激勵(lì)上述混合氣體，形成氮自由基和氧自由基的步驟、(c)將上述氮自由基和上述氧自由基供給包含硅的被處理基板表面的步驟、和(d)由上述氮自由基和上述氧自由基，在上述被處理基板表面上形成包含氮的絕緣膜的步驟。
被處理基板例如是硅基板，絕緣膜例如是氧氮化膜。
生成混合氣體的步驟包含隨著時(shí)間改變混合氣體中氧氣或氧化物氣體對(duì)氮?dú)饣虻餁怏w的比例的步驟。
使氮自由基和氧自由基附著以沿被處理基板的表面流動(dòng)的方式形成的氣體流，供給被處理基板。
希望上述氣體流從被處理基板的第一側(cè)流動(dòng)到在直徑方向上對(duì)置的第二側(cè)。
高頻等離子體是通過以400～500kHz的頻率激勵(lì)氮?dú)夂脱鯕庑纬傻摹?br> 在本發(fā)明的第二側(cè)面中，提供使用了上述基板處理的半導(dǎo)體裝置的制造方法。半導(dǎo)體裝置的制造方法包含由高頻等離子體形成氮自由基和氧自由基的步驟；將上述氮自由基和上述氧自由基供給半導(dǎo)體表面對(duì)基板表面進(jìn)行處理的步驟；和在上述經(jīng)過表面處理的基板上形成活性元件的步驟。
在更具體的方式中，半導(dǎo)體裝置的制造方法包含(a)將氮?dú)饣虻餁怏w和氧氣或氧化物氣體混合起來形成混合氣體的步驟、(b)通過由高頻等離子體激勵(lì)上述混合氣體，形成氮自由基和氧自由基的步驟、(c)將上述氮自由基和上述氧自由基供給包含硅的被處理基板表面的步驟、(d)由上述氮自由基和上述氧自由基，在上述被處理基板表面上形成包含氮的絕緣膜的步驟、和(e)在具有上述絕緣膜的被處理基板上形成半導(dǎo)體元件的步驟。
本發(fā)明的第三側(cè)面中，提供能夠進(jìn)行上述基板處理的基板處理裝置。該基板處理裝置備有由高頻等離子體形成氮自由基和氧自由基的自由基形成部、和保持被處理基板的處理容器，上述自由基形成部具有將形成的氮自由基和氧自由基供給上述處理容器的供給通道，通過將上述氮自由基和上述氧自由基供給保持在上述處理容器內(nèi)的被處理基板表面，在上述被處理基板表面上形成絕緣膜。
基板處理裝置進(jìn)一步備有控制包含氮的第一原料氣體和包含氧的第二原料氣體的混合比，將所要混合比的混合氣體供給上述自由基形成部的氣體供給部，通過控制上述第一原料氣體和上述第二原料氣體的混合比，對(duì)在上述自由基形成部中生成的、供給上述處理容器的上述氮自由基和上述氧自由基的供給比進(jìn)行控制。
自由基形成部，位于處理容器的側(cè)面，形成沿上述被處理基板的表面流動(dòng)的氣體流，使上述氮自由基和上述氧自由基附隨著沿上述被處理基板表面的氣體流供給上述被處理基板的表面。
處理容器在與自由基形成部的供給通道的相反一側(cè)具有排出氮自由基和氧自由基的排氣口。因此，在處理容器內(nèi)，形成從自由基形成部一側(cè)沿被處理基板流到相反一側(cè)的氣體流。
自由基形成部進(jìn)一步具有在混合氣體上加上400kHz～500kHz的頻率進(jìn)行激勵(lì)的頻率施加部件。
如果用根據(jù)上述基板處理技術(shù)的絕緣膜形成方法、半導(dǎo)體裝置的制造方法和基板處理裝置，則可以使用由高頻等離子體激勵(lì)的氮自由基和氧自由基，用單一步驟形成非常薄的氧氮化膜。與對(duì)氧化膜進(jìn)行氮化形成氧氮化膜的情形比較可以減少步驟數(shù)，提高生產(chǎn)性。
又，在氧氮化膜形成步驟中，可以在形成氧氮化膜的過程中對(duì)添加在供給的氮自由基中的氧自由基的量進(jìn)行控制。結(jié)果，可以在膜厚方向?qū)⑿纬傻难醯ぶ械牡獫舛瓤刂瞥伤姆植肌?br> 又，這時(shí)，因?yàn)檠醯さ慕殡姵?shù)比至今正在使用的硅氧化膜大，所以可以減少熱氧化膜換算膜厚。


通過參照附圖進(jìn)行的下述詳細(xì)說明可以更清楚地了解到本發(fā)明的其它目的、特征和優(yōu)點(diǎn)。
圖1是表示具有高電介質(zhì)柵極絕緣膜和基底氧化膜的半導(dǎo)體裝置的構(gòu)成的圖。
圖2是表示在高電介質(zhì)柵極絕緣膜和基底氧化膜之間具有氧氮化膜的半導(dǎo)體裝置的構(gòu)成的圖。
圖3是表示與本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式有關(guān)的基板處理裝置的構(gòu)成的圖。
圖4是表示在圖3的基板處理裝置中使用的遠(yuǎn)距離等離子體源的構(gòu)成的圖。
圖5是比較由圖4的遠(yuǎn)距離等離子體源生成的RF遠(yuǎn)距離等離子體的特性和微波等離子體的特性的圖。
圖6是比較關(guān)于RF遠(yuǎn)距離等離子體和微波等離子體的放電的特性的圖。
圖7是比較由微波激勵(lì)起等離子體的情形和由高頻波激勵(lì)起等離子體的情形的圖。
圖8(A)和8(B)是表示用圖3的基板處理裝置形成氧氮化膜時(shí)的自由基的流動(dòng)的側(cè)面圖和上面圖。
圖9(A)和9(B)是表示圖8(A)和8(B)所示的基板處理裝置的變形例的側(cè)面圖和上面圖。
圖10是表示在基板處理裝置中使用的氣體供給裝置的構(gòu)成的圖。
圖11是表示本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式中的氮和氧的混合比控制的第一例的圖。
圖12是表示氮和氧的混合比控制的第二例的圖。
圖13是表示氮和氧的混合比控制的第三例的圖。
圖14是表示氮和氧的混合比控制的第四例的圖。
圖15是表示氮和氧的混合比控制的第五例的圖。
具體實(shí)施例方式
下面，我們根據(jù)

本發(fā)明的實(shí)施例。
圖3是與本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式有關(guān)的基板處理裝置100的概略構(gòu)成圖。用基板處理裝置100，在圖2所示的硅基板11上形成氧氮化膜。
基板處理裝置100包含處理容器21、由高頻等離子體形成氮自由基和氧自由基的遠(yuǎn)距離等離子體源26和向遠(yuǎn)距離等離子體源26供給原料氣體的供給裝置30。
處理容器21收容附有可以上下自由移動(dòng)地設(shè)置在處理位置和基板送入·取出位置之間的加熱器22A的基板保持臺(tái)22。在處理容器21和基板保持臺(tái)22之間形成處理空間21B。由驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)22C使基板保持臺(tái)22轉(zhuǎn)動(dòng)。處理容器21的內(nèi)壁面被石英玻璃制的內(nèi)部襯墊21G所覆蓋，因此，能夠?qū)碜月冻鼋饘倜娴谋惶幚砘錡的金屬污染抑制到1×1010原子/cm2以下的水平。
在基板保持臺(tái)22與驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)22C的結(jié)合部配置磁密封體28。磁密封體28分離保持在真空環(huán)境中的磁密封室22B和在大氣環(huán)境中形成的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)22C。因?yàn)榇琶芊怏w28是液體，所以可以自由轉(zhuǎn)動(dòng)地保持基板保持臺(tái)22。
在圖3的狀態(tài)中，基板保持臺(tái)22處于處理位置，在處理位置的下方，形成用于運(yùn)入·運(yùn)出被處理基板W的運(yùn)入·運(yùn)出室21C。處理容器21通過閘門閥27A與基板運(yùn)送單元27結(jié)合。在基板保持臺(tái)22下降到運(yùn)入·運(yùn)出室21C內(nèi)的運(yùn)入·運(yùn)出位置的狀態(tài)中，通過閘門閥27A，從基板運(yùn)送單元27將被處理基板W運(yùn)送到基板保持臺(tái)22上。又，將完成處理的基板W從基板保持臺(tái)22運(yùn)送到基板運(yùn)送單元27。
在圖3的基板處理裝置100中，在處理容器21的接近閘門閥27A的部分形成排氣口21A，通過閥門23A渦輪分子泵23B與排氣口21A結(jié)合。進(jìn)一步經(jīng)過閥門23C將通過干燥泵和機(jī)械升壓泵結(jié)合起來構(gòu)成的泵24與渦輪分子泵23B結(jié)合起來。通過驅(qū)動(dòng)渦輪分子泵23B和干燥泵，可以使處理空間21B的壓力降低到1.33×10-1～1.33×10-4Pa(10-3～10-6Torr)。
另一方面，排氣口21A通過閥門24A和APC24B直接與泵24結(jié)合，通過打開閥門24A，由泵24使處理空間的壓力降低到1.33Pa～13.3kPa(0.01～100Torr)。
將遠(yuǎn)距離等離子體源26設(shè)置在處理容器21的與排氣口21A對(duì)置的一側(cè)，使用于供給氮和氧的氣體供給裝置30與遠(yuǎn)距離等離子體源26連接。在氣體供給裝置30中，在供給的氮中混合微量的氧，生成規(guī)定混合比(氧濃度約為10ppm～600ppm)的混合氣體。我們將在后面參照?qǐng)D9～圖13述說混合比的控制方法。將生成的氮/氧混合氣體，與氬(Ar)等的非活性氣體一起供給遠(yuǎn)距離等離子體源26。通過由等離子體激活氮/氧混合氣體，能夠以規(guī)定的混合比生成氮自由基和氧自由基。換句話說，通過調(diào)整供給遠(yuǎn)距離等離子體源26的氮與氧的混合比，能夠調(diào)整由遠(yuǎn)距離等離子體源26生成的氮自由基與氧自由基的比。結(jié)果，可以在被處理基板W上形成調(diào)整到所要氮濃度的氧氮化膜。
在圖3的基板處理裝置100中，設(shè)置用氮?dú)馇逑催\(yùn)入·運(yùn)出室21C的清洗通道21c、用氮?dú)馇逑创琶芊馐?2B的清洗通道22b及其排氣通道22c。更詳細(xì)地說，通過閥門29A使渦輪分子泵29B與排氣通道22c結(jié)合，渦輪分子泵29B通過閥門29C與泵24結(jié)合。又排氣通道22c也通過閥門29D與泵24直接結(jié)合，因此可以將磁密封室22B保持在各種不同的壓力上。
由泵24經(jīng)過閥門24C對(duì)運(yùn)入·運(yùn)出室21C內(nèi)的氣體進(jìn)行排氣。或者，由渦輪分子泵23B經(jīng)過閥門23D進(jìn)行排氣。為了避免在處理空間21B中產(chǎn)生污染，使運(yùn)入·運(yùn)出室21C維持在比處理空間21B低的壓力上。進(jìn)一步通過差動(dòng)排氣使磁密封室22B維持在比運(yùn)入·運(yùn)出室21C低的壓力上。
圖4表示在圖3的基板處理裝置100中使用的遠(yuǎn)距離等離子體源26的構(gòu)成。遠(yuǎn)距離等離子體源26，一般包含由鋁構(gòu)成的塊26A，在塊26A的一部分中形成鐵氧體磁心26B。在塊26A的內(nèi)部，形成氣體循環(huán)通路26a和與其連通的氣體入口26b和氣體出口26c。
在氣體循環(huán)通路26a、氣體入口26b和氣體出口26c的內(nèi)面施加氟樹脂涂層26d。通過向卷繞在鐵氧體磁心26B上的線圈供給頻率為400kHz的高頻波，在上述氣體循環(huán)通路26a內(nèi)形成等離子體26C。
伴隨著等離子體26C的激勵(lì)，在上述氣體循環(huán)通路26a中形成氮自由基、氧自由基和氮離子、氧離子。當(dāng)在循環(huán)通路26a中循環(huán)時(shí)氮離子和氧離子被消滅，從氣體出口26c主要釋放出氮自由基N2*和氧自由基O2*。進(jìn)一步在圖4的構(gòu)成中，在氣體出口26c上設(shè)置接地的離子過濾器26e。因此，除去以氮離子為首的帶電粒子，只將氮自由基和氧自由基供給處理空間21B。即便當(dāng)離子過濾器26e不接地時(shí)，因?yàn)殡x子過濾器26e起著擴(kuò)散板的作用，所以也能夠充分除去以氮離子為首的帶電粒子。
圖5是由圖4的遠(yuǎn)距離等離子體源26形成的離子數(shù)量和電子能量的關(guān)系，并與微波離子體源的情形比較的曲線圖。當(dāng)由微波激勵(lì)起等離子體時(shí)，促進(jìn)氮分子和氧分子的離子化，形成大量的氮離子和氧離子。與此相對(duì)，由500kHz以下的高頻波激勵(lì)起等離子體時(shí)，形成的氮離子和氧離子的數(shù)量大幅度地減少。當(dāng)由微波進(jìn)行等離子體處理時(shí)，如圖6所示，需要1.33×10-3～1.33×10-6Pa(10-1～10-4Torr)的高真空，但是高頻波等離子體處理可以在13.3～13.3kPa(0.1～100Torr)的比較高的壓力下進(jìn)行。
圖7表示由微波激勵(lì)起等離子體的情形和由高頻波激勵(lì)起等離子體的情形之間的離子化能量變換效率、可放電壓力范圍、等離子體消耗電力、和處理氣體流量的比較。我們看到離子化能量變換效率，相對(duì)于微波激勵(lì)情形中的約1×10-2，在RF激勵(lì)的情形中，減少到約1×10-7，另外，可放電壓力，相對(duì)于微波激勵(lì)情形中的約0.1mTorr～0.1Torr(133mPa～13.3Pa)左右，在RF激勵(lì)的情形中，約為0.1～100Torr(13.3Pa～13.3kPa)左右。與此相伴，等離子體消耗電力是RF激勵(lì)的情形比微波激勵(lì)情形大，處理氣體流量是RF激勵(lì)的情形遠(yuǎn)比微波激勵(lì)情形大。
在圖3所示的基板處理裝置100中，不是用氮離子和氧離子而是用氮自由基和氧自由基形成氧氮化膜，為此優(yōu)選激勵(lì)起的氮離子和氧離子的數(shù)量要少。又從使加在被處理基板上的損傷最小化的觀點(diǎn)出發(fā)，也要使激勵(lì)起的氮離子和氧離子的數(shù)量少。進(jìn)一步，在圖3所示的基板處理裝置100中，激勵(lì)起的氮自由基和氧自由基的數(shù)量也少，適合于在高電介質(zhì)柵極絕緣膜下形成非常薄的氧氮化膜。
圖8(A)和8(B)是分別表示使用圖3的基板處理裝置100在被處理基板W上形成氧氮化膜時(shí)的自由基的流動(dòng)的側(cè)面圖和平面圖。在圖8中，在與前面說明的構(gòu)成要素相同的部分上附加相同的參照標(biāo)號(hào)，并省略對(duì)它們的說明。
實(shí)際上在上述被處理基板W上形成氧氮化膜的順序如下所示。首先，將氬(Ar)氣和從氣體供給裝置30送過來的調(diào)整到規(guī)定混合比的氮?dú)夂脱鯕夤┙o遠(yuǎn)距離等離子體源26。通過在數(shù)百kHz的頻率高頻波激勵(lì)起等離子體，形成規(guī)定混合比的氮自由基和氧自由基。形成的氮自由基和氧自由基沿被處理基板W的表面流動(dòng)，經(jīng)過排氣口21A和泵24排出。結(jié)果，將上述處理空間21B設(shè)定在對(duì)于基板W的自由基氧氮化適當(dāng)?shù)?.65Pa～1.33kPa(0.05～10Torr)范圍的處理壓力中。這樣一來，當(dāng)?shù)杂苫脱踝杂苫乇惶幚砘錡的表面流動(dòng)時(shí)，在旋轉(zhuǎn)的被處理基板W的表面上形成非常薄的典型的1～3原子層的氧氮化膜。
在圖8(A)、8(B)所示的氧氮化膜形成中，在形成氧氮化膜前，也可以進(jìn)行下面所示的清洗步驟。在清洗步驟中，打開閥門23A和23C，關(guān)閉閥門24A，使處理空間21B的壓力降低到1.33×10-1～1.33×10-4Pa。在此后的氧氮化膜形成步驟中，關(guān)閉閥門23A和23C。渦輪分子泵23B不包含在處理空間21B的排氣路徑中。
通過附加上述的清洗步驟，可以清除殘留在處理空間21B中的氧和水分。
又，如從圖8(B)的平面圖可以看到的那樣，渦輪分子泵23B避開基板運(yùn)送單元27，以向處理容器21的橫側(cè)突出的形式進(jìn)行配置。
圖9(A)、9(B)是表示圖8(A)、8(B)所示的基板處理裝置的變形例40的配置構(gòu)成的側(cè)面圖和平面圖。在與變形例有關(guān)的基板處理裝置40中，變更渦輪分子泵23B的配置。圖9中，在與前面說明的構(gòu)成要素相同的部分上附加相同的參照標(biāo)號(hào)，并省略對(duì)它們的說明。
如圖9(A)和9(B)所示，在基板處理裝置40中，將渦輪分子泵23B在與基板運(yùn)送單元27相反一側(cè)配置在處理容器21的外側(cè)。通過這樣做，在處理容器21上，在與基板運(yùn)送單元27相反一側(cè)形成與渦輪分子泵23B協(xié)同工作的排氣口21E。
在與處理容器21的下部垂直的方向，即在上下配列吸氣口和排氣口的方向上，通過閥門23A與渦輪分子泵23B結(jié)合。渦輪分子泵23B的排氣口，在閥門24A的下游側(cè)與從處理容器21的排氣口21A經(jīng)過閥門24A到泵24的排氣通道結(jié)合。
因?yàn)樵诨逄幚硌b置40中，將渦輪分子泵23B配置在處理容器21的下側(cè)，所以與圖8(A)、8(B)所示的基板處理裝置100的配置構(gòu)成比較，能夠減少基板處理裝置的占有空間。
在圖9(A)、9(B)的配置構(gòu)成的基板處理裝置40中，實(shí)際上在被處理基板W上形成氧氮化膜的順序如下所示。
首先，將氬(Ar)氣和從氣體供給裝置30送過來的調(diào)整到規(guī)定混合比的氮?dú)夂脱鯕夤┙o遠(yuǎn)距離等離子體源26。通過在數(shù)百kHz的頻率高頻波激勵(lì)起等離子體，形成規(guī)定混合比的氮自由基和氧自由基。形成的氮自由基和氧自由基沿被處理基板W的表面流動(dòng)，經(jīng)過排氣口21A和泵24排出。結(jié)果，將處理空間21B設(shè)定在對(duì)于基板W的自由基氧氮化適當(dāng)?shù)?.65Pa～1.33kPa(0.05～10Torr)范圍的處理壓力中。當(dāng)?shù)杂苫脱踝杂苫厣鲜霰惶幚砘錡的表面流動(dòng)時(shí)，在旋轉(zhuǎn)的被處理基板W的表面上形成非常薄的典型的1～3原子層的氧氮化膜。
在圖9(A)、圖9(B)所示的氧氮化膜形成中，在形成氧氮化膜前，也可以進(jìn)行上述的清洗步驟。即，打開閥門23A和23C，關(guān)閉閥門24A，使處理空間21B的壓力降低到1.33×10-1～1.33×10-4Pa。在此后的氧氮化處理中，關(guān)閉閥門23A和23C。渦輪分子泵23B不包含在處理空間21B的排氣路徑中。通過附加這樣的清洗步驟，能夠清除殘留在處理空間21B中的氧和水分。
圖10表示在遠(yuǎn)距離等離子體源26中供給氮?dú)夂脱鯕獾臍怏w供給裝置30的構(gòu)成。氣體供給裝置30由包含氮導(dǎo)入閥門31A的氮導(dǎo)入通道31、包含氧導(dǎo)入閥門32A的氧導(dǎo)入通道32、混合箱30A、和包含混合氣體供給閥門33A的混合氣體供給通道33構(gòu)成。通過打開在氮導(dǎo)入通道31上的氮導(dǎo)入閥門31A，將氮導(dǎo)入混合箱30A。在混合箱30A中混合氧時(shí)，在供給氮期間，只短時(shí)間地打開氧導(dǎo)入閥門32A，從氧導(dǎo)入通道32將微量的氧導(dǎo)入混合箱內(nèi)?？梢酝ㄟ^氧導(dǎo)入閥門32A的打開時(shí)間調(diào)整混合的氧濃度。通過打開混合氣體供給閥門33A從混合氣體供給通道33向遠(yuǎn)距離等離子體源26供給在混合箱30A中混合的氮和氧。
通過調(diào)整在供給等離子體源26的混合氣體中的氧對(duì)氮的濃度，能夠調(diào)整形成的氮自由基和氧自由基的比。所以，可以在處理容器21內(nèi)以所要的氮濃度，形成非常薄的、典型地1～3原子層的氧氮化膜。
又，與在形成氧化膜后使表面氮化形成氧氮化膜的情形比較，可以在一個(gè)連續(xù)的步驟中形成氧氮化膜，能夠減少步驟數(shù)。結(jié)果，能夠提高生產(chǎn)性。
下面，我們具體地說明控制形成的氧氮化膜的氮濃度的方法。
圖11是取橫軸為時(shí)間經(jīng)過，表示上述氮供給閥門31A和氧供給閥門32A的開關(guān)定時(shí)的第一例的時(shí)序圖。在供給氮和氧的混合氣體期間打開氮供給閥門31A。氧供給閥門32A重復(fù)進(jìn)行短時(shí)間打開關(guān)閉，經(jīng)過一定時(shí)間后再次短時(shí)間打開關(guān)閉的動(dòng)作，在氮中混入規(guī)定量的氧，調(diào)整到所要的氧濃度。當(dāng)令這時(shí)的氧供給閥門32A的打開時(shí)間為t1，在打開氧供給閥門32A后到再打開的時(shí)間為S1時(shí)，通過調(diào)整t1和S1的值，能夠調(diào)整混合在氮中的氧濃度。結(jié)果，能夠調(diào)整在遠(yuǎn)距離等離子體源26中生成的氮自由基和氧自由基的比，可以將在被處理基板W上形成的氧氮化膜的氮濃度調(diào)整到所要的值。
這時(shí)，為了與氮化比較加速氧化的反應(yīng)速度，能夠?qū)⑻砑釉诘械难鯘舛瓤刂圃诩s10ppm～600ppm，將氧氮化膜的氮濃度控制在10～40％。
氧氮化膜的形成條件，例如，當(dāng)處理容器21的壓力為6.65Pa～1.33kPa(0.05～10Torr)、Ar氣流量為0.7～2slm、氮流量為0.05～0.9slm、氧流量為0～0.1slm、氮和氧的混合氣體中的氧濃度為10ppm～600ppm、或氮、Ar和氧的混合氣體中的氧濃度為10ppm～300ppm、被處理基板的溫度為400～700℃時(shí)，形成的氧氮化膜中的氮濃度約為10～40％。
下面，在圖12中，表示控制氮和氧的混合比的第二例。圖12也表示取橫軸為氮供給閥門31A和氧供給閥門32A的時(shí)間經(jīng)過的時(shí)序圖。
在圖12的例子中，與圖11的第一例比較，S1(在打開氧供給閥門32A后到再打開的時(shí)間)是相同的，但是打開氧供給閥門32A的時(shí)間t2比第一例中的時(shí)間t1短。因此混合的氧量減少。結(jié)果，在遠(yuǎn)距離等離子體源26中生成的氧自由基的量減少，能夠抑制在被處理基板W上形成氧氮化膜時(shí)氧化反應(yīng)。換句話說，在氧氮化膜形成步驟中，與第一例比較成為促進(jìn)氮化的狀態(tài)，能夠增加形成的氧氮化膜中的氮濃度。
下面，在圖13中，表示控制氮和氧的混合比的第3例，圖13表示取橫軸為氮供給閥門31A和氧供給閥門32A的時(shí)間經(jīng)過的時(shí)序圖。在圖13的例子中，與圖11所示的第一例比較，氧供給閥門32A的打開時(shí)間t1是相同的，但是在打開氧供給閥門32A后到再打開的時(shí)間S2比第一例中的S1長。因此混合的氧量減少。結(jié)果，在遠(yuǎn)距離等離子體源26中生成的氧自由基的量減少，能夠抑制在被處理基板W上形成氧氮化膜時(shí)的氧化反應(yīng)。換句話說，在氧氮化膜形成步驟中，與第一例比較成為促進(jìn)氮化的狀態(tài)，可以增加形成的氧氮化膜中的氮濃度。
下面，在圖14中，表示控制氮和氧的混合比的第四例，圖14表示取橫軸為氮供給閥門31A和氧供給閥門32A的時(shí)間經(jīng)過的時(shí)序圖。在圖14的例子中，在同一個(gè)氧氮化步驟內(nèi)，將圖11所示的第一例和圖12所示的第二例組合起來。
立即接在供給開始后的期間A是氧氮化步驟的前半部分，與第一例相同，氧閥門打開時(shí)間和氧供給周期分別設(shè)定為t1、S1。此后，在是氧氮化步驟的后半部分的期間B中，在將氧供給周期維持在S1的狀態(tài)中，使氧閥門打開時(shí)間從t1變更到t2(t1＞t2)。在氧氮化步驟的后半部分，通過縮短氧供給閥門32A的打開時(shí)間，減少氧的混合量。所以，在氧氮化膜形成步驟中，與前半部分(期間A)比較成為促進(jìn)氮化的狀態(tài)，可以在氧氮化膜形成步驟的后半部分增加形成的氧氮化膜中的氮濃度。即，能夠以在氧氮化膜的厚度方向提高氮濃度的方式調(diào)整氮濃度。
在實(shí)際的半導(dǎo)體裝置中，當(dāng)考慮器件特性時(shí)，在接近硅(Si)基板的部分，即氧氮化步驟的前半部分中，為了容易平坦地形成硅和氧氮化膜的界面，要求氮濃度低。又，在氧氮化膜上形成的高電介質(zhì)膜附近的部分，即在氧氮化步驟的后半部分中形成的部分中，為了防止金屬與硅相互擴(kuò)散，氮濃度要高。在本實(shí)施例中，在氧氮化膜的厚度方向，可以形成滿足調(diào)整到上述那樣的器件特性要求的氮濃度的氧氮化膜。
下面，在圖15中，表示控制氮和氧的混合比的第五例，圖15表示取橫軸為氮供給閥門31A和氧供給閥門32A的時(shí)間經(jīng)過的時(shí)序圖。在圖15的例子中，在同一個(gè)氧氮化步驟內(nèi)，將圖11所示的第一例和圖13所示的第三例組合起來。
在緊接在供給開始后的期間A中表示的氧氮化步驟的前半部分中，與第一例相同，氧閥門打開時(shí)間和氧供給周期S1分別設(shè)定為t1、S1。此后，在期間B表示的氧氮化步驟的后半部分中，使氧閥門打開時(shí)間維持t1不變，將氧供給周期S1變更到S2(S1＜S2)。所以，相對(duì)于氮供給的氧的混合量減少，在形成氧氮化膜的后半部分，與前半部分比較成為促進(jìn)氮化的狀態(tài)，可以在膜厚方向增加氧氮化膜中的氮濃度。
這樣，通過調(diào)整氧供給閥門32A的打開時(shí)間t和氧供給周期(氧供給閥門32A的打開周期)S中的至少一方，可以一面適當(dāng)?shù)乜刂圃谘醯さ暮穸确较蛏系牡獫舛?，一面能夠用單一的步驟形成非常薄的基底氧化膜和氧氮化膜。
又，作為在氮自由基中添加氧自由基的方法，不限定于在氮?dú)庵刑砑友鯕獾姆椒?，包含氮和氧的任意氣體組合都是可以的。例如，在氮?dú)庵刑砑覰O氣，在NO氣中添加氧氣等的方法都是可以的。
根據(jù)本發(fā)明，能夠用單一的步驟在硅基板表面上形成非常薄的、典型地1～3原子層的氧氮化膜。
又，可以在形成上述氧氮化膜的深度方向上將上述氧氮化膜控制成所要的氮濃度。
以上，我們用優(yōu)選實(shí)施例說明了本發(fā)明，但是本發(fā)明不限定于上述的特定實(shí)施例，在權(quán)利要求書所述的要旨內(nèi)可以進(jìn)行種種變形·變更。
權(quán)利要求
1.一種在基板上形成絕緣膜的方法，其特征在于該方法包含，由高頻等離子體形成氮自由基和氧自由基的步驟；和通過將所述氮自由基和所述氧自由基供給被處理基板表面在所述被處理基板表面上形成絕緣膜的步驟。
2.一種在基板上形成絕緣膜的方法，其特征在于，該方法包含將氮?dú)饣虻餁怏w和氧氣或氧化物氣體混合起來生成混合氣體的步驟；通過由高頻等離子體激勵(lì)所述混合氣體，形成氮自由基和氧自由基的步驟；將所述氮自由基和所述氧自由基供給包含硅的被處理基板表面的步驟；和由所述氮自由基和所述氧自由基，在所述被處理基板表面上形成包含氮的絕緣膜的步驟。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于所述被處理基板是硅基板，所述包含氮的絕緣膜是氧氮化膜。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于所述生成混合氣體的步驟包含隨著時(shí)間改變?cè)谒龌旌蠚怏w中包含的所述氧氣或氧化物氣體對(duì)所述氮?dú)饣虻餁怏w的比例的步驟。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于向所述被處理基板供給自由基的步驟使所述氮自由基和氧自由基附隨著以沿被處理基板的表面流動(dòng)的方式形成的氣體流，供給所述被處理基板。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于所述氣體流是以從所述被處理基板的第一側(cè)流動(dòng)到在直徑方向上對(duì)置的第二側(cè)的方式形成的。
7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于所述高頻等離子體是通過以400～500kHz的頻率激勵(lì)氮?dú)夂脱鯕庑纬傻摹?br> 8.一種半導(dǎo)體裝置的制造方法，其特征在于，它包含由高頻等離子體形成氮自由基和氧自由基的步驟；將所述氮自由基和氧自由基供給半導(dǎo)體基板表面對(duì)基板表面進(jìn)行處理的步驟；和在所述經(jīng)過表面處理的基板上形成活性元件的步驟。
9.一種半導(dǎo)體裝置的制造方法，其特征在于，它包含將氮?dú)饣虻餁怏w和氧氣或氧化物氣體混合起來形成混合氣體的步驟；通過由高頻等離子體激勵(lì)所述混合氣體，形成氮自由基和氧自由基的步驟；將所述氮自由基和所述氧自由基供給包含硅的被處理基板表面的步驟；由所述氮自由基和所述氧自由基，在所述被處理基板表面上形成包含氮的絕緣膜的步驟；和在具有所述絕緣膜的被處理基板上形成半導(dǎo)體元件的步驟。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于所述被處理基板是硅基板，所述包含氮的絕緣膜是氧氮化膜。
11.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于所述生成混合氣體的步驟包含隨著時(shí)間改變?cè)谒龌旌蠚怏w中包含的所述氧氣或氧化物氣體對(duì)所述氮?dú)饣虻餁怏w的比例的步驟。
12.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于向所述被處理基板供給自由基的步驟使所述氮自由基和氧自由基附隨著以沿被處理基板的表面流動(dòng)的方式形成的氣體流，供給所述被處理基板。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其特征在于所述氣體流是以從所述被處理基板的第一側(cè)流動(dòng)到在直徑方向上對(duì)置的第二側(cè)的方式形成的。
14.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于所述高頻等離子體是通過以400～500kHz的頻率激勵(lì)氮?dú)夂脱鯕庑纬傻摹?br> 15.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于它進(jìn)一步包含在所述絕緣膜上形成高電介質(zhì)材料的柵極絕緣膜的步驟。
16.一種基板處理裝置，其特征在于，它備有由高頻等離子體形成氮自由基和氧自由基的自由基形成部；和保持被處理基板的處理容器，所述自由基形成部具有將形成的氮自由基和氧自由基供給所述處理容器的供給通道，通過將所述氮自由基和所述氧自由基供給保持在所述處理容器內(nèi)的被處理基板表面，在所述被處理基板表面上形成絕緣膜。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的基板處理裝置，其特征在于，它進(jìn)一步備有與所述自由基形成部連接的、控制包含氮的第一原料氣體和包含氧的第二原料氣體的混合比，將所要混合比的混合氣體供給所述自由基形成部的氣體供給部；通過在所述氣體供給部中控制所述第一原料氣體和所述第二原料氣體的混合比，對(duì)在所述自由基形成部中生成的、供給所述處理容器的所述氮自由基和所述氧自由基的供給比進(jìn)行控制。
18.根據(jù)權(quán)利要求16所述的基板處理裝置，其特征在于所述自由基形成部，位于處理容器的側(cè)面，形成沿所述被處理基板的表面流動(dòng)的氣體流，使所述氮自由基和所述氧自由基附隨著沿所述被處理基板表面的氣體流供給所述被處理基板的表面。
19.根據(jù)權(quán)利要求16或18所述的基板處理裝置，其特征在于所述處理容器在與自由基形成部的供給通道的相反一側(cè)具有排出所述氮自由基和氧自由基的排氣口。
20.根據(jù)權(quán)利要求16所述的基板處理裝置，其特征在于所述自由基形成部進(jìn)一步具有在所述混合氣體上加上400kHz～500kHz的頻率進(jìn)行激勵(lì)的頻率施加部件。
全文摘要
基板處理裝置(100、40)備有由高頻等離子體形成氮自由基和氧自由基的自由基形成部(26)、保持被處理基板(W)的處理容器(21)、和與自由基形成部連接并控制包含氮的第一原料氣體和包含氧的第二原料氣體的混合比，將所要混合比的混合氣體供給自由基形成部的氣體供給部(30)。通過向被處理基板表面供給混合比受到控制的氮自由基和氧自由基，在被處理基板表面上形成具有所要氮濃度的絕緣膜。
文檔編號(hào)H01L21/00GK1666324SQ03816208
公開日2005年9月7日 申請(qǐng)日期2003年9月19日 優(yōu)先權(quán)日2002年9月19日
發(fā)明者井下田真信, 青山真太郎, 神力博 申請(qǐng)人:東京毅力科創(chuàng)株式會(huì)社