JP2003297830A - 半導体装置の製造方法 - Google Patents
半導体装置の製造方法Info
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 基板上に形成する薄膜の膜応力を容易かつ広
範囲に制御できるようにする。 【解決手段】 薄膜を形成する装置として、プラズマ生
成とは独立に基板に入射するイオンのエネルギーを制御
することができる変形マグネトロン型プラズマ処理装置
を用いる。この変形マグネトロン型プラズマ処理装置
は、基板を載置するサセプタを可変インピーダンスを介
して接地するように構成する。基板上に薄膜を形成する
際、可変インピーダンスを調整してサセプタ電位を所定
値に設定する。これにより基板に入射されるイオンのエ
ネルギーが制御されて、基板上に形成される薄膜の膜応
力は、サセプタ電位に対応する所望値をもつようにな
る。
範囲に制御できるようにする。 【解決手段】 薄膜を形成する装置として、プラズマ生
成とは独立に基板に入射するイオンのエネルギーを制御
することができる変形マグネトロン型プラズマ処理装置
を用いる。この変形マグネトロン型プラズマ処理装置
は、基板を載置するサセプタを可変インピーダンスを介
して接地するように構成する。基板上に薄膜を形成する
際、可変インピーダンスを調整してサセプタ電位を所定
値に設定する。これにより基板に入射されるイオンのエ
ネルギーが制御されて、基板上に形成される薄膜の膜応
力は、サセプタ電位に対応する所望値をもつようにな
る。
Description
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、変形マグネトロン
型プラズマ処理装置を用いて基板上に薄膜を形成する半
導体装置の製造方法に関するものである。 【０００２】 【従来の技術】半導体メモリやシステムＬＳＩは、半導
体製造装置により半導体基板上に様々な膜種の薄膜を形
成することによって製造されている。薄膜の代表的なも
のとしては、例えばＣＭＯＳＬＳＩのゲート電極に用い
るシリコン酸化膜（Ｓｉ０2）や多結晶シリコン膜（Ｐ
ｏｌｙ−Ｓｉ）、あるいは各電極を分離するシリコン窒
化膜（Ｓｉ3Ｎ4）などがある。 【０００３】これらの膜種の薄膜を形成する半導体デバ
イスの製造方法としては、減圧ＣＶＤ法、常圧ＣＶＤ
法、プラズマＣＶＤ法等が存在する。減圧ＣＶＤ法や常
圧ＣＶＤ法は、高温長時間の処理を必要とするが、ヒー
タやランプなどを使用して基板を加熱した後、成膜用ガ
スを導入することで、基板上に所定の膜種の薄膜を容易
に形成する方法である。またプラズマＣＶＤ法は低温処
理が可能であり、ガス雰囲気に高周波電力を供給するこ
とで雰囲気が気体からプラズマに変化し、これにより成
膜用ガスが気相中で反応し、反応した物質が基板上に付
着、化学結合することで基板上に所定の膜種の薄膜を形
成する方法である。 【０００４】ところで、これらの方法を用いて形成する
薄膜には必ず膜応力が存在している。この膜応力は半導
体デバイス製造過程で無視できないもので、例えば応力
が異常に大きいと膜剥がれが起き、デバイス製造不良と
なる。このため膜応力の不必要な半導体デバイス製造工
程では、なるべく膜応力が小さくなるよう成膜条件を最
適化している。しかし、膜応力が小さく無視できる成膜
条件がその他の膜種の膜特性の最良の成膜条件とは限ら
ず、却って大きな応力の膜を成膜せざるを得ない状況も
ある。 【０００５】従来の技術、例えば特開平０６−０８９８
９３号公報（公知例１）では、プラズマＣＶＤ法により
層間絶縁膜をシリコン窒化膜で形成する際、シリコン窒
化膜だけだと圧縮の膜応力となり、厚膜を形成すると膜
に亀裂が生じる。このため膜応力が引っ張りであるシリ
コン酸化膜やＰＳＧ膜等を、シリコン窒化膜の上部に堆
積させるような形をとって膜応力の偏りを避けている。
同様に特開平１１−１３１２４０号公報（公知例２）で
は、プラズマ生成に必要な高周波電力の出力値をパラメ
ータとして膜応力に引っ張り又は圧縮を与え、薄膜を形
成する際、引っ張りと圧縮の応力を有する膜を交互に堆
積して、結果的に応力の小さい薄膜を形成するやり方を
取り入れている。さらに、特開平０７−０４５６１０号
公報（公知例３）でも、プラズマ生成に必要な高周波電
力の出力値をパラメータとして膜応力に引っ張り又は圧
縮を与え、応力の相反する膜を２層重ねて成膜すること
で、全体の膜応力値を低くなるよう制御している。ま
た、特開平０５−３１５２６８号公報（公知例４）で
は、プラズマ生成に必要な高周波電力の出力値は変え
ず、サセプタに低周波電源を接続し、サセプタ上の基板
にバイアス電力を供給し、イオン衝撃による膜密度の増
加で膜応力をコントロールしている。 【０００６】なお、ＮＭＯＳトランジスタの性能（キャ
リア移動度）は、これに使用されるシリコン窒化膜エッ
チングストッパ膜の膜応力により変化し、引っ張り応力
膜ほど性能が向上し、数値的には１５００Ｍｐａ以上必
要であるされている（公知例５：応用物理学会シリコン
テクノロジー分科会第２５回研究集会「０．１３μｍＣ
ＭＯＳトランジスタ性能に対するエッチストップ窒化膜
の応力の影響」ＮＥＣ）。 【０００７】 【発明が解決しようとする課題】公知例１〜公知例３で
は、目的とする応力をもつ薄膜を１回の成膜工程で堆積
することができず、生産効率がきわめて悪い。また、そ
れぞれの応力値を有する膜の成膜条件も、少なくとも２
条件は見い出す必要がある。また、公知例２及び公知例
３では、応力の制御方法として、プラズマ生成に必要な
高周波電力の出力値をパラメータとして利用している
が、これでは応力特性以外の膜特性も変化してしまう等
欠点がある。また、基板バイアス供給方式をとる公知例
４では、新たに低周波電源を必要とするため、装置コス
トの増加原因となる。また、この基板バイアス供給方式
では、応力は圧縮のみ制御可能で、引っ張り方向には制
御不可能である。 【０００８】また、公知例５で要求されている１５００
Ｍｐａ以上の引っ張り応力を得るためには減圧ＣＶＤ法
が有効であるが、減圧ＣＶＤ法では高温長時間の処理が
必要なため、高精細なゲート電極周辺の工程には使用で
きない。かといって低温短時間の処理が可能なプラズマ
ＣＶＤ法では、圧縮応力の制御は比較的容易に行える
が、引っ張り応力１５００ＭＰａまでの広範囲な制御は
実現できない。 【０００９】本発明の課題は、上述した従来技術の問題
点を解消して、基板上に形成する薄膜の膜応力を容易か
つ広範囲に制御可能な半導体装置の製造方法を提供する
ことにある。 【００１０】 【課題を解決するための手段】本発明は、低温プラズマ
ＣＶＤ装置の一種である変形マグネトロン型プラズマ処
理装置を用いてサセプタに載置した基板上に薄膜を形成
する半導体装置の製造方法であって、前記サセプタをイ
ンピーダンスを介して接地し、前記インピーダンスを可
変調整することにより、基板上に形成する薄膜の膜応力
を制御することを特徴とする半導体装置の製造方法であ
る。ここで、変形マグネトロン型プラズマ処理装置と
は、高周波電界と磁界とを形成することによりマグネト
ロン放電を発生させて高密度プラズマを生成するもので
あり、プラズマ生成とは独立に基板に入射するイオンの
エネルギーを制御することができるものである。このよ
うな変形マグネトロン型プラズマ処理装置を用いたか
ら、サセプタと接地間に介在させたインピーダンスを可
変して、プラズマ生成とは独立に基板に入射するイオン
のエネルギーを制御するという簡単な方法によって、基
板上に形成する薄膜の膜応力を広範囲に制御することが
できる。したがって、膜応力緩和のために相反する応力
を持つ薄膜を交互に成膜するという無駄なプロセスを排
除できる。また、必要とする構成は電源を含まないイン
ピーダンスだけの簡単な回路であり、サセプタに新たな
電源等の高価な機構を必要としない。また、基板を載置
するサセプタへのインピーダンスを可変することで、プ
ラズマ生成とは独立に基板に入射するイオンのエネルギ
ーを制御するので、他の膜特性を極力変えることなく、
１度の成膜で応力の小さな薄膜も、大きな薄膜も形成す
ることができる。 【００１１】上記発明において、インピーダンスをコイ
ル及びコンデンサで構成し、コイルのインダクタンス、
又はコンデンサの静電容量の少なくとも一方を可変し
て、膜応力を連続的に制御できるようにすることが好ま
しい。インダクタンス又は静電容量を可変するという簡
単な方法によって、広範囲にわたって膜応力を制御する
ことができる。 【００１２】また、上記発明を実施するための半導体製
造装置は、変形マグネトロン型プラズマ処理装置で構成
され、内部にプラズマ処理領域が形成されて基板を処理
する真空容器と、真空容器内に成膜用ガスを導入するガ
ス導入系と、前記真空容器の外周に配置されプラズマ処
理領域内に電界を形成して、真空容器内に導入される成
膜用ガスを放電させる放電用電極と、放電用電極に電界
を形成するための高周波電力を印加する高周波電力印加
手段と、真空容器の外周に配置され、プラズマ処理領域
内に磁力線を形成して磁力線に放電で生じた電荷を捕捉
させる磁力線形成手段と、真空容器を排気して真空容器
内の圧力を制御する真空排気系と、真空容器内のサセプ
タを加熱する加熱手段と、サセプタに接続されて基板と
接地間のインピーダンスを調整することが可能なインピ
ーダンス可変機構とを備える。 【００１３】この場合、前記インピーダンス可変機構は
コイルとコンデンサとで構成し、機構内のコイルのイン
ダクタンスと、コンデンサの静電容量の少なくとも一つ
の定数を可変することで、膜応力を連続的に制御できる
ことが好ましい。 【００１４】 【発明の実施の形態】以下に本発明の実施の形態を説明
する。本発明の半導体装置の製造方法を実施するための
プラズマＣＶＤ処理装置として、電界と磁界により高密
度プラズマを生成できる変形マグネトロン型プラズマ処
理装置（以下、ＭＭＴ装置という）を用いる。このＭＭ
Ｔ装置は、気密性を確保した反応室内に基板を設置し、
ガスシャワー板を介して基板処理ガスを反応室に導入
し、反応室内をある一定の圧力に保ち、放電用電極に高
周波電力を供給して電界を形成するとともに磁界をかけ
てマグネトロン放電を起こす。放電用電極から放出され
た電子がドリフトしながらサイクロイド運動を続けて周
回することにより長寿命となって電離生成率を高めるの
で、高密度プラズマを生成できる。このプラズマにより
成膜用ガスを励起分解させて化学的反応を起こし、基板
表面に薄膜を形成するものである。従来から多く使用さ
れている容量結合型プラズマ処理装置はもちろん、プラ
ズマＣＶＤ処理装置よりも高密度のプラズマが得られ
る。 【００１５】図４に、このようなＭＭＴ装置の概略構成
を示す。反応室７を構成する円筒状の真空容器４の上部
にはガス導入管２が設けられ、真空容器４の円筒外周中
央部には、円筒状の放電用電極８が設けられている。ま
た、真空容器４の円筒外周上下部に、放電用電極８を挟
むように、リング状の永久磁石９、９（磁力線形成手
段）が設けられている。真空容器４内の底部中央には、
基板５を載置するサセプタ６が配置されている。そし
て、サセプタ６の周囲から真空容器４の底部方向へ処理
後のガスが流れるように真空容器４の底部にガス排気管
１６が設けられている。 【００１６】放電用電極８にはインピーダンス整合器１
１を介して高周波電力印加手段１０が接続されている。
また、サセプタ６は、真空容器４と絶縁されており、イ
ンピーダンス可変機構１２を介して接地されている。な
お、いずれも図示を省略してあるが、真空容器４は接地
され、ガス導入管２にはガス供給手段が接続され、ガス
排気管１６には排気ポンプなどの排気手段が接続されて
いる。ガス供給手段が接続されたガス導入管２からガス
導入系が構成され、排気手段が接続されたガス排気管１
６から真空排気系が構成される。 【００１７】放電用電極８は、反応室７の中央のプラズ
マ生成領域としての空間を囲んでいる。また、上下の永
久磁石９、９は、真空容器４の半径方向に沿った両端
（内周端と外周端）に磁極を持ち、上下の磁石９、９の
磁極の向きが逆向きに設定されている。従って、内周部
の磁極同士と外周部の磁極同士が異極となっており、こ
れにより、放電用電極８の内周面に沿って円筒軸方向に
磁力線を形成するようになっている。 【００１８】図５に、サセプタ６と接地間に介設された
インピーダンス可変機構１２の内部回路を示す。コイル
１４とコンデンサ１３とが直列接続してある。コイル１
４にはインダクタンスを可変できるようにターミナル１
５を数箇所設けてある。目的のインダクタンス値が得ら
れるように、ターミナル１５を短絡して使用する。コン
デンサ１３は自己の静電容量をリニアに可変可能な可変
コンデンサを使用してある。このコイル１４とコンデン
サ１３のうち少なくとも一方を調整し、希望のインピー
ダンス値に調整できるようになっている。 【００１９】図示略の基板搬送手段によって、真空容器
４内のサセプタ６上に基板５を搬送し、図示略の排気ポ
ンプを用いて真空容器４内を真空に保持する。次に、そ
の基板５をその処理に適した所定温度に加熱する。基板
５の加熱には、例えば抵抗加熱ヒータを埋め込んだサセ
プタ６を使用する。前記ヒータが加熱手段を構成する。 【００２０】基板５を所定温度に加熱したら、ガス導入
管２からガスシャワー板１のガス分散孔３を介して、成
膜用ガスを真空容器４内の基板５の表面に向けてシャワ
ー状に供給する。同時に円筒状の放電用電極８に高周波
電力印加手段１０からインピーダンス整合器１１を介し
て高周波電力を印加する。そうすると、永久磁石９、９
の磁界の影響を受けてマグネトロン放電が発生し、基板
５の上方空間に放電で生じた電荷を補足して高密度プラ
ズマが生成される。生成されたプラズマにより、サセプ
タ６上の基板５の表面にプラズマ薄膜が形成される。成
膜が終わった基板５は、搬送手段を用いて真空容器４外
へ搬送される。 【００２１】ここで、シリコン窒化膜（Ｓｉ3Ｎ4）を成
膜するプロセス条件を示せば次の通りである。 ガス：ＳｉＨ4＝１００〜２００ｓｃｃｍＭ ガス：ＮＨ3＝１０〜１００ｓｃｃｍＭ 圧力：５〜３０Ｐａ 基板温度：２００〜６００℃ 高周波電力：２００〜６００Ｗ 【００２２】なお、真空容器４内のガス圧力は、ガス導
入管２より導入される成膜用ガスの流量と、ガス排気管
１６に接続されているポンプ（図示略）の能力と、ポン
プまでの排気コンダクタンスにより決まる。 【００２３】さて、基板５の表面に成膜する際に、イン
ピーダンス可変機構１２を希望のインピーダンス値に調
整して成膜を行うことで、希望する応力値の薄膜を形成
できる。これを次に説明する。 【００２４】図１にインピーダンス可変機構１２のイン
ピーダンス可変時の膜応力の変化を示す。横軸は可変コ
ンデンサ等の可変位置に対応するインピーダンス（任意
単位）、左縦軸は応力（ＭＰａ）、右縦軸はサセプタ電
位（Ｖ）である。インピーダンスを変化させると、基板
に入射されるイオンのエネルギーが制御されて、基板上
に形成される薄膜の膜応力は、インピーダンスに対応す
る所望値をもつようになる。また変化の傾向が比較的リ
ニアなので応力を制御しやすい。しかも、インピーダン
スを３７０〜１０００の範囲で変化させると、約−1４
００Ｍｐａの圧縮応力から、約＋１８００Ｍｐａの引っ
張り応力までの幅広い範囲にわたって膜応力制御が可能
である。 【００２５】また、上記インピーダンスの変化時に対応
したサセプタ電位は、４０Ｖ〜４１０Ｖの範囲で変化す
る。したがって、サセプタ電位を４０〜４１０Ｖの範囲
で変化させることで、膜応力を−１３９２〜＋１７７３
ＭＰａまで制御可能となる。なお、サセプタ電位を４０
Ｖ以下にすれば膜応力は＋１７７３ＭＰａ以上、４１０
Ｖ以上にすれば−１３９２ＭＰａ以下とすることも可能
である。ただし、サセプタ電位は、受動素子によって構
成された可変インピーダンス機構１２で制御され、放電
用電極８に印加される電圧に支配されるため、無制限に
は動かせない。その理由は、高周波電力の出力値が例え
ば４００Ｗ程度だと、放電用電極８に加わるピークツウ
ピーク値ＶPPは５００〜６００Ｖくらいになる。サセプ
タ６は、放電用電極８の印加電力により生じた電界空間
に挿入されたアンテナとなる。アンテナが受信できる電
磁波の強度は、発信元より大きくなることはないからで
ある。したがって、サセプタ電位の上限は、上述したプ
ロセス条件下では、せいぜい５００〜６００Ｖ程度であ
る。 【００２６】上述したように本実施の形態によれば、サ
セプタ６に介設したインピーダンス可変機構１２のイン
ピーダンスを可変調整することにより、基板５上に形成
する薄膜の膜応力を圧縮応力から引っ張り応力にわたっ
て広範囲に制御することができる。低温プラズマＣＶＤ
法で、減圧ＣＶＤ法と同等な引っ張り応力膜の形成が可
能であり、非常に汎用性が高い製造方法を実現できる。
特に、平行平板電極型プラズマ装置では不可能であっ
た、ＮＭＯＳトランジスタのキャリア移動度の向上で必
要とされる、１５００Ｍｐａ以上の引っ張り応力をもつ
薄膜の形成も可能である。また、低温短時間で処理で実
現できるので、高精細なゲート電極周辺の工程にも使用
できる。 【００２７】また、目的とする応力をもつ薄膜を１回の
成膜工程で堆積することができるから、生産効率がきわ
めて良好となる。また、応力の制御方法として、プラズ
マ生成に必要な高周波電力の出力値を可変するのではな
く、サセプタと接地間のインピーダンスを可変すること
で制御しているので、応力特性以外の膜特性が変化して
しまうこともない。また、必要とされるインピーダンス
可変機構は、電源を有さない受動素子で構成することが
できるので、装置コストも増加しない。 【００２８】上述したように、本実施の形態により圧縮
応力から引っ張り応力までの広い範囲を制御できるよう
になったが、このような広い応力範囲をカバーできる
と、膜厚・面内膜厚均一性、及び屈折率・屈折率均一性
の応力依存が懸念される。しかし、本実施の形態では、
図２及び図３に示すように、そのような懸念の必要はな
い。 【００２９】図２は膜厚・面内膜厚均一性の応力依存特
性を示す。横軸は応力（ＭＰａ）、左縦軸は膜厚（オン
グストローム）、右縦軸は面内膜厚均一性（±％）であ
る。応力が−１５００ＭＰａ〜１８００ＭＰａの範囲で
変化しても、膜厚はほぼ９５０オングストロームで一定
である。また応力が−１５００ＭＰａ〜１８００ＭＰａ
の範囲で変化しても、面内膜厚均一性は１．５％前後で
ほぼ一定である。 【００３０】図３は屈折率・屈折率均一性の応力依存特
性を示す。横軸は応力（ＭＰａ）、左縦軸は屈折率、右
縦軸は屈折率均一性（±％）である。応力が−１５００
ＭＰａ〜１８００ＭＰａの範囲で変化しても、屈折率は
ほぼ１．９７で一定である。また応力が−１５００ＭＰ
ａ〜１８００ＭＰａの範囲で変化しても、屈折率均一性
も±０．１６〜０．２％の範囲を取り、ほぼ一定であ
る。 【００３１】したがって、本実施の形態によれば、目的
とする膜応力をもちながら、膜厚・面内膜厚均一性、及
び屈折率・屈折率均一性の応力依存の少ない薄膜を容易
に得ることができる。 【００３２】 【発明の効果】本発明によれば、変形マグネトロン型プ
ラズマ処理装置を用いて、サセプタのインピーダンスを
可変調整するようにしたので、基板上に形成する薄膜の
膜応力を容易かつ広範囲に制御することができる。
型プラズマ処理装置を用いて基板上に薄膜を形成する半
導体装置の製造方法に関するものである。 【０００２】 【従来の技術】半導体メモリやシステムＬＳＩは、半導
体製造装置により半導体基板上に様々な膜種の薄膜を形
成することによって製造されている。薄膜の代表的なも
のとしては、例えばＣＭＯＳＬＳＩのゲート電極に用い
るシリコン酸化膜（Ｓｉ０2）や多結晶シリコン膜（Ｐ
ｏｌｙ−Ｓｉ）、あるいは各電極を分離するシリコン窒
化膜（Ｓｉ3Ｎ4）などがある。 【０００３】これらの膜種の薄膜を形成する半導体デバ
イスの製造方法としては、減圧ＣＶＤ法、常圧ＣＶＤ
法、プラズマＣＶＤ法等が存在する。減圧ＣＶＤ法や常
圧ＣＶＤ法は、高温長時間の処理を必要とするが、ヒー
タやランプなどを使用して基板を加熱した後、成膜用ガ
スを導入することで、基板上に所定の膜種の薄膜を容易
に形成する方法である。またプラズマＣＶＤ法は低温処
理が可能であり、ガス雰囲気に高周波電力を供給するこ
とで雰囲気が気体からプラズマに変化し、これにより成
膜用ガスが気相中で反応し、反応した物質が基板上に付
着、化学結合することで基板上に所定の膜種の薄膜を形
成する方法である。 【０００４】ところで、これらの方法を用いて形成する
薄膜には必ず膜応力が存在している。この膜応力は半導
体デバイス製造過程で無視できないもので、例えば応力
が異常に大きいと膜剥がれが起き、デバイス製造不良と
なる。このため膜応力の不必要な半導体デバイス製造工
程では、なるべく膜応力が小さくなるよう成膜条件を最
適化している。しかし、膜応力が小さく無視できる成膜
条件がその他の膜種の膜特性の最良の成膜条件とは限ら
ず、却って大きな応力の膜を成膜せざるを得ない状況も
ある。 【０００５】従来の技術、例えば特開平０６−０８９８
９３号公報（公知例１）では、プラズマＣＶＤ法により
層間絶縁膜をシリコン窒化膜で形成する際、シリコン窒
化膜だけだと圧縮の膜応力となり、厚膜を形成すると膜
に亀裂が生じる。このため膜応力が引っ張りであるシリ
コン酸化膜やＰＳＧ膜等を、シリコン窒化膜の上部に堆
積させるような形をとって膜応力の偏りを避けている。
同様に特開平１１−１３１２４０号公報（公知例２）で
は、プラズマ生成に必要な高周波電力の出力値をパラメ
ータとして膜応力に引っ張り又は圧縮を与え、薄膜を形
成する際、引っ張りと圧縮の応力を有する膜を交互に堆
積して、結果的に応力の小さい薄膜を形成するやり方を
取り入れている。さらに、特開平０７−０４５６１０号
公報（公知例３）でも、プラズマ生成に必要な高周波電
力の出力値をパラメータとして膜応力に引っ張り又は圧
縮を与え、応力の相反する膜を２層重ねて成膜すること
で、全体の膜応力値を低くなるよう制御している。ま
た、特開平０５−３１５２６８号公報（公知例４）で
は、プラズマ生成に必要な高周波電力の出力値は変え
ず、サセプタに低周波電源を接続し、サセプタ上の基板
にバイアス電力を供給し、イオン衝撃による膜密度の増
加で膜応力をコントロールしている。 【０００６】なお、ＮＭＯＳトランジスタの性能（キャ
リア移動度）は、これに使用されるシリコン窒化膜エッ
チングストッパ膜の膜応力により変化し、引っ張り応力
膜ほど性能が向上し、数値的には１５００Ｍｐａ以上必
要であるされている（公知例５：応用物理学会シリコン
テクノロジー分科会第２５回研究集会「０．１３μｍＣ
ＭＯＳトランジスタ性能に対するエッチストップ窒化膜
の応力の影響」ＮＥＣ）。 【０００７】 【発明が解決しようとする課題】公知例１〜公知例３で
は、目的とする応力をもつ薄膜を１回の成膜工程で堆積
することができず、生産効率がきわめて悪い。また、そ
れぞれの応力値を有する膜の成膜条件も、少なくとも２
条件は見い出す必要がある。また、公知例２及び公知例
３では、応力の制御方法として、プラズマ生成に必要な
高周波電力の出力値をパラメータとして利用している
が、これでは応力特性以外の膜特性も変化してしまう等
欠点がある。また、基板バイアス供給方式をとる公知例
４では、新たに低周波電源を必要とするため、装置コス
トの増加原因となる。また、この基板バイアス供給方式
では、応力は圧縮のみ制御可能で、引っ張り方向には制
御不可能である。 【０００８】また、公知例５で要求されている１５００
Ｍｐａ以上の引っ張り応力を得るためには減圧ＣＶＤ法
が有効であるが、減圧ＣＶＤ法では高温長時間の処理が
必要なため、高精細なゲート電極周辺の工程には使用で
きない。かといって低温短時間の処理が可能なプラズマ
ＣＶＤ法では、圧縮応力の制御は比較的容易に行える
が、引っ張り応力１５００ＭＰａまでの広範囲な制御は
実現できない。 【０００９】本発明の課題は、上述した従来技術の問題
点を解消して、基板上に形成する薄膜の膜応力を容易か
つ広範囲に制御可能な半導体装置の製造方法を提供する
ことにある。 【００１０】 【課題を解決するための手段】本発明は、低温プラズマ
ＣＶＤ装置の一種である変形マグネトロン型プラズマ処
理装置を用いてサセプタに載置した基板上に薄膜を形成
する半導体装置の製造方法であって、前記サセプタをイ
ンピーダンスを介して接地し、前記インピーダンスを可
変調整することにより、基板上に形成する薄膜の膜応力
を制御することを特徴とする半導体装置の製造方法であ
る。ここで、変形マグネトロン型プラズマ処理装置と
は、高周波電界と磁界とを形成することによりマグネト
ロン放電を発生させて高密度プラズマを生成するもので
あり、プラズマ生成とは独立に基板に入射するイオンの
エネルギーを制御することができるものである。このよ
うな変形マグネトロン型プラズマ処理装置を用いたか
ら、サセプタと接地間に介在させたインピーダンスを可
変して、プラズマ生成とは独立に基板に入射するイオン
のエネルギーを制御するという簡単な方法によって、基
板上に形成する薄膜の膜応力を広範囲に制御することが
できる。したがって、膜応力緩和のために相反する応力
を持つ薄膜を交互に成膜するという無駄なプロセスを排
除できる。また、必要とする構成は電源を含まないイン
ピーダンスだけの簡単な回路であり、サセプタに新たな
電源等の高価な機構を必要としない。また、基板を載置
するサセプタへのインピーダンスを可変することで、プ
ラズマ生成とは独立に基板に入射するイオンのエネルギ
ーを制御するので、他の膜特性を極力変えることなく、
１度の成膜で応力の小さな薄膜も、大きな薄膜も形成す
ることができる。 【００１１】上記発明において、インピーダンスをコイ
ル及びコンデンサで構成し、コイルのインダクタンス、
又はコンデンサの静電容量の少なくとも一方を可変し
て、膜応力を連続的に制御できるようにすることが好ま
しい。インダクタンス又は静電容量を可変するという簡
単な方法によって、広範囲にわたって膜応力を制御する
ことができる。 【００１２】また、上記発明を実施するための半導体製
造装置は、変形マグネトロン型プラズマ処理装置で構成
され、内部にプラズマ処理領域が形成されて基板を処理
する真空容器と、真空容器内に成膜用ガスを導入するガ
ス導入系と、前記真空容器の外周に配置されプラズマ処
理領域内に電界を形成して、真空容器内に導入される成
膜用ガスを放電させる放電用電極と、放電用電極に電界
を形成するための高周波電力を印加する高周波電力印加
手段と、真空容器の外周に配置され、プラズマ処理領域
内に磁力線を形成して磁力線に放電で生じた電荷を捕捉
させる磁力線形成手段と、真空容器を排気して真空容器
内の圧力を制御する真空排気系と、真空容器内のサセプ
タを加熱する加熱手段と、サセプタに接続されて基板と
接地間のインピーダンスを調整することが可能なインピ
ーダンス可変機構とを備える。 【００１３】この場合、前記インピーダンス可変機構は
コイルとコンデンサとで構成し、機構内のコイルのイン
ダクタンスと、コンデンサの静電容量の少なくとも一つ
の定数を可変することで、膜応力を連続的に制御できる
ことが好ましい。 【００１４】 【発明の実施の形態】以下に本発明の実施の形態を説明
する。本発明の半導体装置の製造方法を実施するための
プラズマＣＶＤ処理装置として、電界と磁界により高密
度プラズマを生成できる変形マグネトロン型プラズマ処
理装置（以下、ＭＭＴ装置という）を用いる。このＭＭ
Ｔ装置は、気密性を確保した反応室内に基板を設置し、
ガスシャワー板を介して基板処理ガスを反応室に導入
し、反応室内をある一定の圧力に保ち、放電用電極に高
周波電力を供給して電界を形成するとともに磁界をかけ
てマグネトロン放電を起こす。放電用電極から放出され
た電子がドリフトしながらサイクロイド運動を続けて周
回することにより長寿命となって電離生成率を高めるの
で、高密度プラズマを生成できる。このプラズマにより
成膜用ガスを励起分解させて化学的反応を起こし、基板
表面に薄膜を形成するものである。従来から多く使用さ
れている容量結合型プラズマ処理装置はもちろん、プラ
ズマＣＶＤ処理装置よりも高密度のプラズマが得られ
る。 【００１５】図４に、このようなＭＭＴ装置の概略構成
を示す。反応室７を構成する円筒状の真空容器４の上部
にはガス導入管２が設けられ、真空容器４の円筒外周中
央部には、円筒状の放電用電極８が設けられている。ま
た、真空容器４の円筒外周上下部に、放電用電極８を挟
むように、リング状の永久磁石９、９（磁力線形成手
段）が設けられている。真空容器４内の底部中央には、
基板５を載置するサセプタ６が配置されている。そし
て、サセプタ６の周囲から真空容器４の底部方向へ処理
後のガスが流れるように真空容器４の底部にガス排気管
１６が設けられている。 【００１６】放電用電極８にはインピーダンス整合器１
１を介して高周波電力印加手段１０が接続されている。
また、サセプタ６は、真空容器４と絶縁されており、イ
ンピーダンス可変機構１２を介して接地されている。な
お、いずれも図示を省略してあるが、真空容器４は接地
され、ガス導入管２にはガス供給手段が接続され、ガス
排気管１６には排気ポンプなどの排気手段が接続されて
いる。ガス供給手段が接続されたガス導入管２からガス
導入系が構成され、排気手段が接続されたガス排気管１
６から真空排気系が構成される。 【００１７】放電用電極８は、反応室７の中央のプラズ
マ生成領域としての空間を囲んでいる。また、上下の永
久磁石９、９は、真空容器４の半径方向に沿った両端
（内周端と外周端）に磁極を持ち、上下の磁石９、９の
磁極の向きが逆向きに設定されている。従って、内周部
の磁極同士と外周部の磁極同士が異極となっており、こ
れにより、放電用電極８の内周面に沿って円筒軸方向に
磁力線を形成するようになっている。 【００１８】図５に、サセプタ６と接地間に介設された
インピーダンス可変機構１２の内部回路を示す。コイル
１４とコンデンサ１３とが直列接続してある。コイル１
４にはインダクタンスを可変できるようにターミナル１
５を数箇所設けてある。目的のインダクタンス値が得ら
れるように、ターミナル１５を短絡して使用する。コン
デンサ１３は自己の静電容量をリニアに可変可能な可変
コンデンサを使用してある。このコイル１４とコンデン
サ１３のうち少なくとも一方を調整し、希望のインピー
ダンス値に調整できるようになっている。 【００１９】図示略の基板搬送手段によって、真空容器
４内のサセプタ６上に基板５を搬送し、図示略の排気ポ
ンプを用いて真空容器４内を真空に保持する。次に、そ
の基板５をその処理に適した所定温度に加熱する。基板
５の加熱には、例えば抵抗加熱ヒータを埋め込んだサセ
プタ６を使用する。前記ヒータが加熱手段を構成する。 【００２０】基板５を所定温度に加熱したら、ガス導入
管２からガスシャワー板１のガス分散孔３を介して、成
膜用ガスを真空容器４内の基板５の表面に向けてシャワ
ー状に供給する。同時に円筒状の放電用電極８に高周波
電力印加手段１０からインピーダンス整合器１１を介し
て高周波電力を印加する。そうすると、永久磁石９、９
の磁界の影響を受けてマグネトロン放電が発生し、基板
５の上方空間に放電で生じた電荷を補足して高密度プラ
ズマが生成される。生成されたプラズマにより、サセプ
タ６上の基板５の表面にプラズマ薄膜が形成される。成
膜が終わった基板５は、搬送手段を用いて真空容器４外
へ搬送される。 【００２１】ここで、シリコン窒化膜（Ｓｉ3Ｎ4）を成
膜するプロセス条件を示せば次の通りである。 ガス：ＳｉＨ4＝１００〜２００ｓｃｃｍＭ ガス：ＮＨ3＝１０〜１００ｓｃｃｍＭ 圧力：５〜３０Ｐａ 基板温度：２００〜６００℃ 高周波電力：２００〜６００Ｗ 【００２２】なお、真空容器４内のガス圧力は、ガス導
入管２より導入される成膜用ガスの流量と、ガス排気管
１６に接続されているポンプ（図示略）の能力と、ポン
プまでの排気コンダクタンスにより決まる。 【００２３】さて、基板５の表面に成膜する際に、イン
ピーダンス可変機構１２を希望のインピーダンス値に調
整して成膜を行うことで、希望する応力値の薄膜を形成
できる。これを次に説明する。 【００２４】図１にインピーダンス可変機構１２のイン
ピーダンス可変時の膜応力の変化を示す。横軸は可変コ
ンデンサ等の可変位置に対応するインピーダンス（任意
単位）、左縦軸は応力（ＭＰａ）、右縦軸はサセプタ電
位（Ｖ）である。インピーダンスを変化させると、基板
に入射されるイオンのエネルギーが制御されて、基板上
に形成される薄膜の膜応力は、インピーダンスに対応す
る所望値をもつようになる。また変化の傾向が比較的リ
ニアなので応力を制御しやすい。しかも、インピーダン
スを３７０〜１０００の範囲で変化させると、約−1４
００Ｍｐａの圧縮応力から、約＋１８００Ｍｐａの引っ
張り応力までの幅広い範囲にわたって膜応力制御が可能
である。 【００２５】また、上記インピーダンスの変化時に対応
したサセプタ電位は、４０Ｖ〜４１０Ｖの範囲で変化す
る。したがって、サセプタ電位を４０〜４１０Ｖの範囲
で変化させることで、膜応力を−１３９２〜＋１７７３
ＭＰａまで制御可能となる。なお、サセプタ電位を４０
Ｖ以下にすれば膜応力は＋１７７３ＭＰａ以上、４１０
Ｖ以上にすれば−１３９２ＭＰａ以下とすることも可能
である。ただし、サセプタ電位は、受動素子によって構
成された可変インピーダンス機構１２で制御され、放電
用電極８に印加される電圧に支配されるため、無制限に
は動かせない。その理由は、高周波電力の出力値が例え
ば４００Ｗ程度だと、放電用電極８に加わるピークツウ
ピーク値ＶPPは５００〜６００Ｖくらいになる。サセプ
タ６は、放電用電極８の印加電力により生じた電界空間
に挿入されたアンテナとなる。アンテナが受信できる電
磁波の強度は、発信元より大きくなることはないからで
ある。したがって、サセプタ電位の上限は、上述したプ
ロセス条件下では、せいぜい５００〜６００Ｖ程度であ
る。 【００２６】上述したように本実施の形態によれば、サ
セプタ６に介設したインピーダンス可変機構１２のイン
ピーダンスを可変調整することにより、基板５上に形成
する薄膜の膜応力を圧縮応力から引っ張り応力にわたっ
て広範囲に制御することができる。低温プラズマＣＶＤ
法で、減圧ＣＶＤ法と同等な引っ張り応力膜の形成が可
能であり、非常に汎用性が高い製造方法を実現できる。
特に、平行平板電極型プラズマ装置では不可能であっ
た、ＮＭＯＳトランジスタのキャリア移動度の向上で必
要とされる、１５００Ｍｐａ以上の引っ張り応力をもつ
薄膜の形成も可能である。また、低温短時間で処理で実
現できるので、高精細なゲート電極周辺の工程にも使用
できる。 【００２７】また、目的とする応力をもつ薄膜を１回の
成膜工程で堆積することができるから、生産効率がきわ
めて良好となる。また、応力の制御方法として、プラズ
マ生成に必要な高周波電力の出力値を可変するのではな
く、サセプタと接地間のインピーダンスを可変すること
で制御しているので、応力特性以外の膜特性が変化して
しまうこともない。また、必要とされるインピーダンス
可変機構は、電源を有さない受動素子で構成することが
できるので、装置コストも増加しない。 【００２８】上述したように、本実施の形態により圧縮
応力から引っ張り応力までの広い範囲を制御できるよう
になったが、このような広い応力範囲をカバーできる
と、膜厚・面内膜厚均一性、及び屈折率・屈折率均一性
の応力依存が懸念される。しかし、本実施の形態では、
図２及び図３に示すように、そのような懸念の必要はな
い。 【００２９】図２は膜厚・面内膜厚均一性の応力依存特
性を示す。横軸は応力（ＭＰａ）、左縦軸は膜厚（オン
グストローム）、右縦軸は面内膜厚均一性（±％）であ
る。応力が−１５００ＭＰａ〜１８００ＭＰａの範囲で
変化しても、膜厚はほぼ９５０オングストロームで一定
である。また応力が−１５００ＭＰａ〜１８００ＭＰａ
の範囲で変化しても、面内膜厚均一性は１．５％前後で
ほぼ一定である。 【００３０】図３は屈折率・屈折率均一性の応力依存特
性を示す。横軸は応力（ＭＰａ）、左縦軸は屈折率、右
縦軸は屈折率均一性（±％）である。応力が−１５００
ＭＰａ〜１８００ＭＰａの範囲で変化しても、屈折率は
ほぼ１．９７で一定である。また応力が−１５００ＭＰ
ａ〜１８００ＭＰａの範囲で変化しても、屈折率均一性
も±０．１６〜０．２％の範囲を取り、ほぼ一定であ
る。 【００３１】したがって、本実施の形態によれば、目的
とする膜応力をもちながら、膜厚・面内膜厚均一性、及
び屈折率・屈折率均一性の応力依存の少ない薄膜を容易
に得ることができる。 【００３２】 【発明の効果】本発明によれば、変形マグネトロン型プ
ラズマ処理装置を用いて、サセプタのインピーダンスを
可変調整するようにしたので、基板上に形成する薄膜の
膜応力を容易かつ広範囲に制御することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施の形態による膜応力及びサセプタ電位のイ
ンピーダンス依存特性図である。 【図２】実施の形態による膜厚及び面内膜厚均一性の膜
応力依存特性図である。 【図３】実施の形態による屈折率および屈折率均一性の
膜応力依存特性図である。 【図４】本発明の半導体装置の製造方法を実施するため
の変形マグネトロンプラズマ型プラズマ処理装置の構成
図である。 【図５】実施の形態によるインピーダンス可変機構の内
部回路図である。 【符号の説明】 ２ ガス導入配管 ４ 反応管 ５ 基板 ６ 加熱手段を有するサセプタ ７ 反応室 ８ 放電用電極 ９ 永久磁石（磁力線形成手段） １０ 高周波電力印加手段 １２ インピーダンス可変機構 １６ ガス排気管
ンピーダンス依存特性図である。 【図２】実施の形態による膜厚及び面内膜厚均一性の膜
応力依存特性図である。 【図３】実施の形態による屈折率および屈折率均一性の
膜応力依存特性図である。 【図４】本発明の半導体装置の製造方法を実施するため
の変形マグネトロンプラズマ型プラズマ処理装置の構成
図である。 【図５】実施の形態によるインピーダンス可変機構の内
部回路図である。 【符号の説明】 ２ ガス導入配管 ４ 反応管 ５ 基板 ６ 加熱手段を有するサセプタ ７ 反応室 ８ 放電用電極 ９ 永久磁石（磁力線形成手段） １０ 高周波電力印加手段 １２ インピーダンス可変機構 １６ ガス排気管
─────────────────────────────────────────────────────
フロントページの続き
Ｆターム(参考） 4K030 AA06 AA13 BA40 CA04 CA12
FA01 GA02 HA14 JA05 JA09
JA10 JA16 KA41
5F045 AA08 AB03 AB32 AB33 AC01
AC12 AD06 AD07 AD08 AD09
AE17 AE19 BB11
5F058 BA10 BA20 BC02 BC08 BF07
BF23 BF30
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 【請求項１】変形マグネトロン型プラズマ処理装置を用
いてサセプタに載置した基板上に薄膜を形成する半導体
装置の製造方法であって、 前記サセプタをインピーダンスを介して接地し、 前記インピーダンスを可変調整することにより、基板上
に形成する薄膜の膜応力を制御することを特徴とする半
導体装置の製造方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2002101111A JP2003297830A (ja) | 2002-04-03 | 2002-04-03 | 半導体装置の製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2002101111A JP2003297830A (ja) | 2002-04-03 | 2002-04-03 | 半導体装置の製造方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2003297830A true JP2003297830A (ja) | 2003-10-17 |
Family
ID=29388589
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2002101111A Pending JP2003297830A (ja) | 2002-04-03 | 2002-04-03 | 半導体装置の製造方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2003297830A (ja) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2006120992A (ja) * | 2004-10-25 | 2006-05-11 | C Bui Res:Kk | シリコン窒化膜の製造方法及びその製造装置 |
| WO2009096259A1 (ja) * | 2008-01-28 | 2009-08-06 | Mitsubishi Heavy Industries, Ltd. | プラズマ処理方法及びプラズマ処理装置 |
| JP2011204971A (ja) * | 2010-03-26 | 2011-10-13 | Hitachi Kokusai Electric Inc | 基板処理装置及び半導体装置の製造方法 |
| WO2012115043A1 (ja) * | 2011-02-22 | 2012-08-30 | 東京エレクトロン株式会社 | パターン形成方法及び半導体装置の製造方法 |
-
2002
- 2002-04-03 JP JP2002101111A patent/JP2003297830A/ja active Pending
Cited By (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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