[发明专利]基板处理方法和等离子体处理装置

说明书

本申请是申请日为2003年3月28日、申请号为03813333.4(PCT/JP03/04036)、发明名称为“基板处理方法”的专利申请的分案申请。

技术领域

本发明涉及一种基板处理方法，特别是涉及一种在硅基板表面形成的氧化膜的氮化方法。

背景技术

随着细微化技术的发展，在现在，能够制造达到0.1μm的栅极长的超细微化半导体装置。

在这样的超细微化半导体装置中，如果为了随着栅极长的缩短提高半导体装置的动作速度，需要根据比例规则减少栅极绝缘膜的厚度。例如，在使用现有的热氧化膜作为栅极绝缘膜的情况下，需要将栅极绝缘膜的厚度减少到现有的1.7nm以下。但是，如果这样减少氧化膜的厚度，就会由隧道效应导致通过氧化膜流动的栅极泄漏电流增大。

为此，一直以来，研究作为栅极绝缘膜，使用Ta₂O₅或者HfO₂，ZrO₂等高电介质膜(所谓的高K电介质膜)来代替现有的硅氧化膜。但是，这些高电介质膜与半导体技术中一直以来所使用的硅氧化膜的性质有很大的不同，为了将这些高电介质膜用作栅极绝缘膜，具有很多必须解决的问题。

与此相对，硅氮化膜或者硅氧氮化膜是现有的半导体工序中所使用的材料，而且具有硅氧化膜的1.5～2倍的介电常数，所以是作为下一代高速半导体装置的栅极绝缘膜的希望的材料。

一直以来，通常硅氮化膜是通过等离子体CVD法在层间绝缘膜上形成的。但是，这样的CVD氮化膜通常包含大量的缺陷，泄漏电流大，作为栅极绝缘膜是不适当的。为此，一直以来，不试图将氮化膜用于栅极电极。

与此相对，最近提出了一种技术，向微波激励的Ar或Kr这样的非活泼性气体等离子体中导入氮或者氮和氢、或者NH₃气体这样的包含氮的气体，产生N原子团或者NH原子团，氮化硅氧化膜表面，变换为氧氮化膜。考虑到，这样形成的氧氮化膜的热氧化膜换算膜厚小，而且具有优于热氧化膜的泄漏电流特性，有望作为下一代高速半导体装置的栅极绝缘膜。这样形成的氧氮化膜化学稳定，即使在氧氮化膜上形成高电介质膜的情况下，也能够抑制通过所述氧氮化膜中产生的高电介质膜中的金属元素的扩散，以及由这种扩散导致的高电介质膜和硅基板之间的反应。另外，也提出了通过这种微波等离子体直接氮化硅基板表面的技术。

但是，作为已有的向氧化膜中导入氮的方法，已经知道在氮气氛环境中热处理和注入氮离子的方法，但已经知道，在这样的方法中，导入的氮原子主要在硅基板和氧化膜的界面附近聚集。结果，在将这样已有的氧氮化膜用于MOS晶体管的栅极绝缘膜的情况下，就会产生由界面态形成导致的阈值电压的变动，和相互传导性恶化等问题。

由同样的理由，即使是在由N原子团或者NH原子团处理所形成的氧氮化膜的情况下，如果没有合适地控制膜中的氮原子的分布，不仅没有得到希望的半导体装置的特性提高，相反会引起特性的恶化。

另外在使用感应耦合等离子体(ICP)等高能量等离子体来氮化处理氧化膜、形成氧氮化膜这样的情况下，在氮化处理后，进行热处理，只要不使膜从因等离子体导致的损伤恢复，就不能得到希望特性的氧氮化膜。但是，这样的恢复热处理不仅是多余的，而且会引起氧氮化膜的进一步氧化，和随之导致的氧氮化膜的增膜问题。

发明内容

这里，本发明的总的目的在于，提供一种解决上述问题的新颖有用的基板处理方法。

本发明的更具体的目的在于，提供一种基板处理方法，其通过氧化膜的微波等离子体氮化处理来形成氧氮化膜，能够避免导入到膜中的氮原子在硅基板和氧氮化膜的界面上偏析，还能够抑制在所述界面中的氧化膜再成长，而且在氮化处理后不需要进行恢复热处理。

本发明的其它目的在于，提供一种基板处理方法，其氮化在硅基板表面上形成的氧化膜来形成氧氮化膜，该方法包括：氮化处理工序，其通过微波激励等离子体激励氮气，由形成的原子团或者离子来氮化所述氧化膜；

所述氮化处理工序是在下述情况下进行的：在不到500℃的基板温度，将所述微波激励等离子体的电子温度设定为2eV以下，将保持所述被处理基板的处理空间中的氧滞留时间设定为2秒以下。