【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はプラズマ窒化処理装置及びその処理方法に関し、特に半導体基板上に形成するシリコン酸窒化膜の形成技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
シリコンプロセスの微細化に伴って、ＭＯＳ（ｍｅｔａｌ ｏｘｉｄｅ ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）トランジスタの寸法が微細化している。最小寸法が０．１μｍ以下のＭＯＳトランジスタでは、実効膜厚が２ｎｍ以下のゲート絶縁膜が必要となる。ゲート絶縁膜にシリコン酸化膜を使う場合、膜厚を２ｎｍ以下に薄くすると、ダイレクト・トンネル電流が急激に増加してしまう。そこで、リーク電流を抑制するために、ゲート絶縁膜にシリコン酸化膜よりも誘電率の高いシリコン酸窒化膜が用いられている。
【０００３】
シリコン酸窒化膜の形成方法として半導体基板（以下、ウェハと称す）にシリコン酸化膜を形成した後にプラズマ窒化処理を行う方法が用いられている。この方法では、シリコン基板界面付近の窒素濃度を低く抑えることができるので、ＭＯＳトランジスタの移動度の劣化を防ぎ、高い駆動力を得ることができる。
【０００４】
従来、シリコン酸窒化膜のプラズマ窒化処理に対しては、シリコン酸化膜中の窒素分布を制御する処理方法（例えば、特許文献１参照）や、ウェハ表面を均一に窒化する処理方法（例えば、特許文献２参照）等が提案されている。しかし、ウェハ間の窒化量の均一性に関する提案は見られなかった。
【０００５】
【特許文献１】
特開２００２−１５１６８４号公報
【特許文献２】
特開２００１−３３８９１８号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
従来の処理方法によりシリコン酸化膜が形成されたウェハにプラズマ窒化処理を２５枚連続処理した時の酸化膜換算容量膜厚の推移図を図６に示す。処理順毎に酸化膜換算容量膜厚が増加し、窒化量が減少している。
【０００７】
この時、容量膜厚のウェハ間バラツキは０．０７ｎｍ程度にもなる。従って、連続処理において窒化量のウェハ間の均一性が劣化すると言う問題点がある。
【０００８】
本発明は上記課題を鑑みてなされたもので、その目的はプラズマ窒化処理においてウェハ間の窒化量を均一にする、優れた処理装置及び処理方法を提供することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
プラズマ窒化処理における窒化量に関係する因子としては、ウェハ温度、プラズマ窒化時間、プロセス圧力、プロセスガス流量及びマイクロ波照射強度がある。そこで、上記課題である連続処理において処理順に窒化量が減少する原因について発明者が検討した結果、上記因子の中でウェハ温度が処理順毎に低下することを見出した。なお、ウェハ温度以外の因子が処理順毎に単調に変動することは見られなかった。
【００１０】
そこで、上記課題を解決するために、本発明によるプラズマ窒化処理装置は、絶縁膜を有する基板を窒化するプラズマ窒化処理装置において、窒化処理を開始する前に基板温度をインプロセスで計測する手段と、該基板温度の計測値をフィードバックして窒化処理条件を制御する手段と、を備えたことを特徴とする。
【００１１】
この構成によれば、プラズマ窒化処理を開始する前にウェハ温度をインプロセスで計測し、該ウェハ温度の計測値をフィードバックして窒化処理条件を制御することにより、ウェハ間の窒化量の均一性を向上することができる。
【００１２】
上記のプラズマ窒化処理装置において、窒化処理条件は、窒化処理のプラズマ窒化時間であることが好ましい。
【００１３】
上記のプラズマ窒化処理装置において、窒化処理条件は、窒化処理のプロセス圧力であることが好ましい。
【００１４】
上記のプラズマ窒化処理装置において、絶縁膜はシリコン酸化膜であって、シリコン酸化膜を窒化してシリコン酸窒化膜を形成することが好ましい。
【００１５】
また、本発明によるプラズマ窒化処理方法は、絶縁膜を有する基板を窒化するプラズマ窒化処理方法において、窒化処理を開始する前に基板温度をインプロセスで計測し、該基板温度の計測値をフィードバックして窒化処理条件を制御することにより、所定の窒化量を得ることを特徴とする。
【００１６】
この構成によれば、プラズマ窒化処理を開始する前にウェハ温度をインプロセスで計測し、該ウェハ温度の計測値をフィードバックして窒化処理条件を制御することにより、ウェハ間の窒化量の均一性を向上することができる。
【００１７】
上記のプラズマ窒化処理方法において、窒化処理条件は、窒化処理のプラズマ窒化時間であることが好ましい。
【００１８】
上記のプラズマ窒化処理方法において、窒化処理条件は、窒化処理のプロセス圧力であることが好ましい。
【００１９】
上記のプラズマ窒化処理方法において、絶縁膜はシリコン酸化膜であって、シリコン酸化膜を窒化してシリコン酸窒化膜を形成することが好ましい。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について図面を用いて説明する。図１は本発明のプラズマ窒化処理装置の断面模式図であり、図２は本発明のプラズマ窒化処理方法のレシピ内容を示す表である。
【００２１】
まず、本発明のプラズマ窒化処理装置は、図１に示すように減圧可能なチャンバ２０１を有し、チャンバ２０１内にはマイクロ波を放射するためのアンテナ２０２と、ウェハ２０３を支持する抵抗ヒーター付ステージ２０４と、ウェハ温度を計測するための抵抗ヒーター付ステージ２０４内に内蔵した放射温度計２０５と、チャンバ上部にあるマイクロ波導入口２０６と、チャンバ横部にあるプラズマを励起し、窒素ラジカルを形成するために必要なアルゴン（Ａｒ）と窒素（Ｎ２）のプロセスガス供給口２０７と、チャンバ下部にある供給されたガスを排気すると共に減圧にするための排気口２０８とが設けられており、放射温度計２０５は本装置のレシピ、ガス流量、チャンバ圧力などを制御している中央演算処理装置（ＣＰＵ）に通信する機能を有する。
【００２２】
上記のプラズマ窒化処理装置を用いて、本発明のプラズマ窒化処理方法によりウェハ２０３を窒化処理する場合には、ウェハ２０３をチャンバ２０１内へ搬入し、４００℃に設定された抵抗ヒーター付ステージ２０４上に載せる。なお、従来と同様に、ウェハ２０３にはシリコン酸化膜（図示せず）が形成されている。
【００２３】
次いで、図２に示すように、ステップ１としてプロセスガス供給口２０７からＡｒガスを２０００ｓｃｃｍ供給し、チャンバ圧力を１２７Ｐａに制御して、８０秒間ウェハ２０３のプリヒートを行う。
【００２４】
ステップ２としてプロセスガス供給口２０７からＡｒガスを２０００ｓｃｃｍ供給し、チャンバ圧力を１２７Ｐａに制御し、マイクロ波照射強度を２０００Ｗに制御し、５秒間でプラズマの着火を行う。
【００２５】
ステップ３としてプロセスガス供給口２０７からＡｒガスを２０００ｓｃｃｍ供給し、チャンバ圧力を１２７Ｐａに制御し、マイクロ波照射強度を１５００Ｗに制御し、２０秒間その状態で一定にする。ステップ３がスタートしてから１０秒後にウェハ２０３の温度を放射温度計２０５で計測し、ＣＰＵ（図示せず）に通信する。そして、プラズマ窒化時間またはプロセス圧力を決定する。
【００２６】
ステップ４としてプロセスガス供給口２０７からＡｒガスを２０００ｓｃｃｍ、Ｎ２ガスを１５０ｓｃｃｍ供給し、マイクロ波照射強度を１５００Ｗに制御し、プラズマ窒化時間を可変にして、前ステップ時に決定したプラズマ窒化時間を使用するときは、チャンバ圧力を１２７Ｐａに制御してプラズマ窒化処理を行う。プロセス圧力を可変にして、前ステップ時に決定したプロセス圧力を使用するときには、２０秒間プラズマ窒化処理を行う。
【００２７】
ステップ４の終了後、マイクロ波の照射を遮断して、ウェハ２０３をチャンバ２０１内から搬出し、窒化処理が終了する。
【００２８】
上記のプラズマ窒化処理方法における放射温度計２０５で計測したウェハ２０３の温度からプラズマ窒化時間またはプロセス圧力を決定する方法を説明する。
【００２９】
図３はＳＩＭＳ分析より求めたウェハ温度と窒化量の相関図であり、図４はＳＩＭＳ分析より求めたプラズマ窒化時間と窒化量の相関図であり、図５はＳＩＭＳ分析より求めたプロセス圧力と窒化量の相関図である。
【００３０】
図３よりウェハ温度による窒化量の変化量は＋０．０２０７ａｔｏｍｓ×ｃｍ−２／℃である。また、図４よりプラズマ窒化時間による窒化量の変化量は＋０．２５９３ａｔｏｍｓ×ｃｍ−２／ｓｅｃである。さらに、図５よりプロセス圧力による窒化量の変化量は−０．００９４ａｔｏｍｓ×ｃｍ−２／Ｐａである。
【００３１】
ここで、基準条件をウェハ温度４００℃、プラズマ窒化時間２０ｓｅｃ、プロセス圧力１２７Ｐａとする。ウェハ温度が４２０℃で基準条件より２０℃上昇した場合、プラズマ窒化時間を可変にすると、上記の変化量からプラズマ窒化時間は１８．４ｓｅｃに決定される。また、プロセス圧力を可変にすると、プロセス圧力は１７１Ｐａに決定される。
【００３２】
上記の構成によれば、シリコン酸化膜が形成されたウェハを連続してプラズマ窒化処理を行う場合に、たとえ処理順毎にウェハ温度が変化しても、プラズマ窒化処理を開始する前にウェハ温度をインプロセスで計測し、該ウェハ温度の計測値をＣＰＵにフィードバックしてプラズマ窒化時間またはプロセス圧力を制御する。つまり、ウェハ温度の変化による窒化量の変化を見積もり、その変化量に基づいてプラズマ窒化時間またはプロセス圧力を変更することによってウェハ間の窒化量を補正するので、どのウェハも所定の窒化量を得ることができ、そしてウェハ間の窒化量を均一にすることができる。
【００３３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明のプラズマ窒化処理方法及びその処理装置によれば、プラズマ窒化処理を開始する前にウェハ温度をインプロセス計測し、該ウェハ温度の計測値をＣＰＵにフィードバックしてプラズマ窒化時間またはプロセス圧力を制御することにより、ウェハ間の窒化量の均一性を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のプラズマ窒化処理装置の断面模式図
【図２】本発明のプラズマ窒化処理方法のレシピ内容を示す表図
【図３】ウェハ温度と窒化量の相関図
【図４】プラズ窒化時間と窒化量の相関図
【図５】プロセス圧力と窒化量の相関図
【図６】従来のプラズマ窒化処理方法による容量膜厚の推移図（２５枚連続処理）
【符号の説明】
２０１ 減圧可能なチャンバ
２０２ マイクロ波を放射するためのアンテナ
２０３ ウェハ（シリコン酸化膜を有する基板）
２０４ 抵抗ヒーター付ステージ
２０５ 放射温度計
２０６ マイクロ波導入口
２０７ プロセスガス供給口
２０８ 排気口[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a plasma nitriding apparatus and a plasma nitriding method, and more particularly to a technique for forming a silicon oxynitride film formed on a semiconductor substrate.
[0002]
[Prior art]
With the miniaturization of the silicon process, the dimensions of MOS (metal oxide semiconductor) transistors have been miniaturized. For a MOS transistor having a minimum dimension of 0.1 μm or less, a gate insulating film having an effective thickness of 2 nm or less is required. When a silicon oxide film is used for the gate insulating film, if the film thickness is reduced to 2 nm or less, the direct tunnel current increases sharply. Therefore, a silicon oxynitride film having a higher dielectric constant than a silicon oxide film is used for the gate insulating film in order to suppress the leakage current.
[0003]
As a method of forming a silicon oxynitride film, a method of forming a silicon oxide film on a semiconductor substrate (hereinafter, referred to as a wafer) and then performing a plasma nitridation process is used. According to this method, the nitrogen concentration near the silicon substrate interface can be kept low, so that the mobility of the MOS transistor is prevented from deteriorating and a high driving force can be obtained.
[0004]
Conventionally, for a plasma nitridation process of a silicon oxynitride film, a treatment method for controlling a nitrogen distribution in a silicon oxide film (for example, see Patent Document 1) and a treatment method for uniformly nitriding the wafer surface (for example, see Patent Reference 2) has been proposed. However, no proposal was made regarding the uniformity of the amount of nitriding between wafers.
[0005]
[Patent Document 1]
Japanese Patent Application Laid-Open No. 2002-151684 [Patent Document 2]
JP 2001-338918 A
[Problems to be solved by the invention]
FIG. 6 shows a transition diagram of an equivalent oxide film thickness when a plasma nitriding process is continuously performed on 25 wafers on which a silicon oxide film is formed by a conventional processing method. The oxide film equivalent capacitance film thickness increases and the nitriding amount decreases in each processing order.
[0007]
At this time, the variation in the capacitance film thickness between wafers is as large as about 0.07 nm. Therefore, there is a problem that the uniformity of the amount of nitriding between wafers deteriorates in the continuous processing.
[0008]
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide an excellent processing apparatus and an excellent processing method for uniformizing a nitriding amount between wafers in a plasma nitriding process.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
Factors related to the amount of nitriding in the plasma nitriding include a wafer temperature, a plasma nitriding time, a process pressure, a process gas flow rate, and a microwave irradiation intensity. Then, as a result of the present inventors examining the cause of the decrease in the amount of nitriding in the order of processing in the continuous processing, which is the above problem, it was found that among the above factors, the wafer temperature decreased in each processing order. Note that factors other than the wafer temperature did not monotonously change in each processing order.
[0010]
Therefore, in order to solve the above problems, a plasma nitriding apparatus according to the present invention is a plasma nitriding apparatus for nitriding a substrate having an insulating film, comprising means for measuring a substrate temperature in-process before starting a nitriding process. Means for controlling the nitriding conditions by feeding back the measured value of the substrate temperature.
[0011]
According to this configuration, the wafer temperature is measured in-process before the plasma nitridation process is started, and the measurement value of the wafer temperature is fed back to control the nitridation conditions, so that the uniformity of the amount of nitriding between wafers is improved. Can be improved.
[0012]
In the plasma nitriding apparatus described above, the nitriding condition is preferably a plasma nitriding time of the nitriding process.
[0013]
In the above plasma nitriding apparatus, the nitriding condition is preferably a process pressure of the nitriding process.
[0014]
In the above plasma nitriding apparatus, the insulating film is a silicon oxide film, and the silicon oxide film is preferably nitrided to form a silicon oxynitride film.
[0015]
Further, in the plasma nitriding method according to the present invention, in the plasma nitriding method for nitriding a substrate having an insulating film, the substrate temperature is measured in-process before the nitriding process is started, and the measured value of the substrate temperature is fed back. By controlling the conditions of the nitriding treatment, a predetermined amount of nitriding is obtained.
[0016]
According to this configuration, the wafer temperature is measured in-process before the plasma nitridation process is started, and the measurement value of the wafer temperature is fed back to control the nitridation conditions, so that the uniformity of the amount of nitriding between wafers is improved. Can be improved.
[0017]
In the above plasma nitriding method, the nitriding condition is preferably a plasma nitriding time of the nitriding process.
[0018]
In the above plasma nitriding method, the nitriding condition is preferably a process pressure of the nitriding process.
[0019]
In the above-described plasma nitriding method, it is preferable that the insulating film is a silicon oxide film, and the silicon oxide film is nitrided to form a silicon oxynitride film.
[0020]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of the plasma nitriding apparatus of the present invention, and FIG. 2 is a table showing the recipe contents of the plasma nitriding method of the present invention.
[0021]
First, as shown in FIG. 1, the plasma nitriding apparatus of the present invention has a chamber 201 which can be decompressed, and has an antenna 202 for radiating microwaves and a resistance heater for supporting a wafer 203 in the chamber 201. A stage 204, a radiation thermometer 205 built in the stage 204 with a resistance heater for measuring a wafer temperature, a microwave inlet 206 at the top of the chamber, and a plasma at the side of the chamber are excited to form nitrogen radicals. A process gas supply port 207 for supplying argon (Ar) and nitrogen (N 2 ) necessary for performing the process, and an exhaust port 208 for exhausting and reducing the pressure of the supplied gas in the lower part of the chamber. The radiation thermometer 205 communicates with a central processing unit (CPU) that controls the recipe, gas flow rate, chamber pressure, etc. of the apparatus. It has a function of.
[0022]
When nitriding the wafer 203 by the plasma nitriding method of the present invention using the above-described plasma nitriding apparatus, the wafer 203 is loaded into the chamber 201 and placed on the stage 204 with a resistance heater set at 400 ° C. Put on. Note that a silicon oxide film (not shown) is formed on the wafer 203 as in the conventional case.
[0023]
Next, as shown in FIG. 2, as step 1, Ar gas is supplied at 2000 sccm from the process gas supply port 207, the chamber pressure is controlled to 127 Pa, and the wafer 203 is preheated for 80 seconds.
[0024]
In step 2, Ar gas is supplied at 2000 sccm from the process gas supply port 207, the chamber pressure is controlled at 127 Pa, the microwave irradiation intensity is controlled at 2000 W, and plasma ignition is performed for 5 seconds.
[0025]
In Step 3, Ar gas is supplied at 2000 sccm from the process gas supply port 207, the chamber pressure is controlled at 127 Pa, the microwave irradiation intensity is controlled at 1500 W, and the state is kept constant for 20 seconds. Ten seconds after the start of Step 3, the temperature of the wafer 203 is measured by the radiation thermometer 205 and communicated to a CPU (not shown). Then, the plasma nitriding time or the process pressure is determined.
[0026]
In step 4, supply 2000 sccm of Ar gas and 150 sccm of N 2 gas from the process gas supply port 207, control the microwave irradiation intensity to 1500 W, change the plasma nitriding time, and use the plasma nitriding time determined in the previous step. When performing the plasma nitriding process, the chamber pressure is controlled to 127 Pa. When the process pressure is varied and the process pressure determined in the previous step is used, a plasma nitriding process is performed for 20 seconds.
[0027]
After the end of step 4, the irradiation of the microwave is shut off, the wafer 203 is unloaded from the chamber 201, and the nitriding process ends.
[0028]
A method for determining the plasma nitriding time or the process pressure from the temperature of the wafer 203 measured by the radiation thermometer 205 in the above-described plasma nitriding method will be described.
[0029]
FIG. 3 is a correlation diagram between the wafer temperature and the nitriding amount obtained from the SIMS analysis, FIG. 4 is a correlation diagram between the plasma nitriding time and the nitriding amount obtained from the SIMS analysis, and FIG. It is a correlation diagram of the amount of nitriding.
[0030]
FIG. 3 shows that the amount of change in the amount of nitridation depending on the wafer temperature is +0.0207 atoms × cm −2 / ° C. FIG. 4 shows that the amount of change in the nitriding amount due to the plasma nitriding time is +0.2593 atoms × cm −2 / sec. Further, from FIG. 5, the amount of change in the amount of nitriding due to the process pressure is −0.0094 atoms × cm −2 / Pa.
[0031]
Here, the reference conditions are a wafer temperature of 400 ° C., a plasma nitriding time of 20 sec, and a process pressure of 127 Pa. If the wafer temperature rises by 20 ° C. from the reference condition at 420 ° C. and the plasma nitriding time is made variable, the plasma nitriding time is determined to be 18.4 sec from the above variation. When the process pressure is made variable, the process pressure is determined to be 171 Pa.
[0032]
According to the above configuration, when the plasma nitridation process is continuously performed on the wafer on which the silicon oxide film is formed, even if the wafer temperature changes in each processing order, the wafer temperature is changed before the plasma nitridation process is started. Is measured in-process, and the measured value of the wafer temperature is fed back to the CPU to control the plasma nitriding time or the process pressure. In other words, the change in the amount of nitriding due to the change in the wafer temperature is estimated, and the amount of nitriding between the wafers is corrected by changing the plasma nitriding time or the process pressure based on the amount of change. And the amount of nitriding between wafers can be made uniform.
[0033]
【The invention's effect】
As described above, according to the plasma nitriding method and the processing apparatus of the present invention, the wafer temperature is measured in-process before the plasma nitriding process is started, and the measured value of the wafer temperature is fed back to the CPU to perform the plasma nitriding process. By controlling the nitriding time or the process pressure, the uniformity of the amount of nitriding between wafers can be improved.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of a plasma nitriding apparatus of the present invention. FIG. 2 is a table showing the contents of recipes of a plasma nitriding method of the present invention. FIG. 3 is a correlation diagram between a wafer temperature and a nitriding amount. Fig. 5 Correlation diagram between nitriding time and nitriding amount. Fig. 5 Correlation diagram between process pressure and nitriding amount.
[Explanation of symbols]
201 Decompressible chamber 202 Antenna for radiating microwave 203 Wafer (substrate having silicon oxide film)
204 Stage with resistance heater 205 Radiation thermometer 206 Microwave introduction port 207 Process gas supply port 208 Exhaust port