JP2005057267A

JP2005057267A - 誘電膜の非攻撃的プラズマ強化化学気相成長法（ｐｅｃｖｄ）のための方法および装置

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Publication number: JP2005057267A
Application number: JP2004218509A
Authority: JP
Inventors: Christophe Jany; クリストフ・ジヤニー; Michel Puech; ミシエル・ピユーシユ
Original assignee: Alcatel CIT SA; Alcatel SA
Current assignee: Alcatel CIT SA; Alcatel Lucent SAS
Priority date: 2003-07-31
Filing date: 2004-07-27
Publication date: 2005-03-03
Also published as: US20060189165A1; EP1502969A1; US7056842B2; US20050026404A1; FR2858333B1; FR2858333A1

Abstract

【課題】半導体コンポーネントのエージング特性を改善すること。
【解決手段】プラズマ強化化学的気相成長のプラズマによって発生した粒子の流れに真空状態で基板１５を曝露させることによって、基板１５上に不活性化層を形成する際にプラズマと基板１５との間に格子１７が挿入され、これによって中性粒子の流れを保持しながら基板１５に向かう帯電した粒子の流れを低減する。又この格子１７は少なくとも堆積の開始時に使用されるとともに、プラズマのデバイ長λＤの２倍または３倍より小さいピッチで交差した金属線で形成される。これにより半導体コンポーネントのエージング特性が改善される。
【選択図】図２

Description

本発明は、プラズマによって発生した粒子の流れに半導体基板を真空状態で曝露し、この粒子は反応して誘電特性のある材料の不活性化層を基板上に形成することに存する少なくとも１つのプラズマ強化化学的気相成長法（ＰＥＣＶＤ）の工程が実行される、半導体コンポーネントを製造する方法に関する。

基板上に膜を堆積するために普及している従来の気相成長法は、基板が高温に加熱されることにつながる。このため、そのような方法は著しい劣化なしに高温に耐える基板のみに使用され得る。

比較的壊れ易い基板上に堆積を作るためには、プラズマ強化化学的気相成長（ＰＥＣＶＤ）を用いることが一般的な方法であり、この方法の間に基板が真空状態でプラズマによって発生されかつ反応して基板上に不活性化層を形成する粒子の流れに曝露される。このような堆積は約２５０度〜４００度のより低い温度で適用され得る。しかし、ほとんどのプラズマ源はある種の半導体基板にとってはなおも高過ぎる温度でこの方法を実行することにつながり、またこのように作られた半導体コンポーネントは、コンポーネントを急速に使用に不適当にする進行性のエージング欠陥を呈する。

また、プラズマ発生室の外部に設置されたループアンテナを用いて電磁的励起によってプラズマを発生することに存する誘電結合プラズマ（ＩＣＰ）源を使用することが提案されており、この室の壁は誘電材料で作られる。このようなＩＣＰ源によって、慎重に基板を加熱しなくてもより低い温度で操作を行うことができる。次いで、堆積の間にこの基板の温度は約５０度になる。これにより半導体コンポーネントのエージングは改善されることが認められる。

また、急速かつ容認できないエージングが、インジウムリン（ＩｎＰ）、ガリウムヒ素（ＧａＡｓ）などの壊れ易い半導体基板、あるいはさらにシリコンまたはゲルマニウムの基板を有するアイテム上に観察される。

半導体コンポーネントが長寿命でその特性を保存できるように、長期にわたって半導体コンポーネントの特性を改善する必要性が存在し続ける。

例えば、光を検出するＰＩＮ（Ｐｏｓｉｔｉｖｅ−Ｉｎｔｒｉｎｓｉｃ−Ｎｅｇａｔｉｖｅ）ダイオードの場合、基板はインジウムリンから製造される。時間の経過とともに、今日の方法で製造されたＰＩＮダイオードは光が存在しない状態下で絶縁性があるというその特性を失う。これはダイオードの全体的な検出能力およびその感度を低減する望ましくない漏れ電流につながる。

このダイオードのエージング特性を改善するために、堆積が特に湿気の影響に対抗するようにしながら、ＰＥＣＶＤ法を用いて窒化ケイ素を堆積することによって基板を不活性化する試みがなされてきた。

しかし、そのような堆積は長期間にわたっては十分な効果を発揮せず、ダイオードは光が存在しないときには絶縁状態であるというその特性を徐々に失う。

本発明はこの観察から生まれたもので、ＰＩＮダイオードなどの半導体コンポーネントの進行性のエージングという欠陥は、不活性化層が堆積される間の基板と堆積された層との間の接合面の劣化によるものである。堆積工程の開始時には、基板はむき出しになっており、プラズマの影響によってそれ自身が劣化し得る。

この劣化は基板を攻撃してその表面層を劣化させるプラズマ内の帯電した粒子の影響によって生じると推定される。

例えば、基板を浮遊電位に置くことによって、基板の負バイアスが低減された場合、帯電した粒子の基板上への影響を妨げるのには十分ではない。
米国特許第５７９５４５２号明細書米国特許第５５１８５７２号明細書米国特許第５２７２４１７号明細書米国特許第４６５９４４９号明細書

本発明によって提起される問題は、プラズマ強化化学気相成長法を含む少なくとも１つの工程を用いることによって製造された半導体コンポーネントのエージング特性をさらに改善し、結果として得られる半導体コンポーネントがその特性を長期にわたって保たれるようにすることである。

処理温度を低減することは最大限利用されてきたので、本発明は基板上に誘電膜を堆積する工程の間のプラズマの基板に対する攻撃的な性質を低減するさらなる手段を提供しようと試みるものである。

同時に、本発明は基板上に堆積が行われる時の速度を著しく低減することなく、基板を保護しようとするものである。

これらの目的および他の目的を達成するために、本発明の第１の態様はＰＥＣＶＤ法を用いて誘電膜を堆積する特別な方法を提供するものであり、この方法では基板がプラズマによって発生した粒子の流れに真空状態で曝露され、この粒子は反応して基板上に不活性化層を形成する。選択的トラップがプラズマと基板との間に挿入され、これにより中性粒子の流れを保ちつつ基板に向かう帯電した粒子の流れは低減される。

帯電した粒子の流れを低減することによって、選択的トラップは少なくとも堆積の開始時に基板の表面層を劣化させるのを回避することが理解されよう。同様に、中性粒子の流れを保持することによって、選択的トラップは堆積速度を著しく低減するのを回避する。

本発明によれば、この堆積方法は以下の連続する２つの工程を含んでいる：
ａ）選択的トラップが帯電した粒子の流れを効果的に低減する、最初の非攻撃的堆積工程。
ｂ）選択的トラッピングの影響が少なくともかなりの程度まで阻止される、次の高速堆積工程。

この基板の表面相の劣化は基本的には堆積の開始時に起こることが認められており、この期間の間、プラズマの粒子による攻撃に対して基板は堆積された層によって保護されない。したがって、最初の堆積工程の間、堆積は基板の表面層を劣化させるのを回避するように「非攻撃的」方法で実行される。続いて、一端ある量の堆積が達成されると、堆積が行われる速度をさらに上昇させるように、選択的トラップの遅延効果を阻止することによって高速堆積工程が実行される。

実際、以下の２つの操作の１つまたは他を用いて選択的トラップの効果を特に阻止することが可能である。第１の操作は、例えば、トラップを移動させることによって、トラップを修正することに存する。第２の操作は、トラップに粒子を通過させながら、最初の非攻撃的堆積工程の間にプラズマ内に存在する帯電した粒子をトラップさせることによってプラズマの特性を修正することに存するが、第２の高速堆積工程間にはトラップを見ることはない。

第２の特徴では、本発明は上記のＰＥＣＶＤ法を用いて基板上に誘電膜を堆積する装置を提供する。この装置は以下のものを含んでいる：
・高密度イオンプラズマの発生源
・プラズマ粒子を基板上へ発射する手段
・反応して基板上に不活性化層を形成する中性粒子の流れを保持しつつ、基板に向かう帯電した粒子の流れを除去するか、あるいは著しく低減する選択的トラップ
・最初の非攻撃的堆積工程の間に粒子の流れの中にトラップが挿入されるように、かつ次の高速堆積工程の間に粒子の流れからトラップが引っ込められるように、トラップを選択的に引っ込める手段

実際、選択的トラップは有利にはプラズマと基板との間に挿入された金属格子を含んでよい。

選択的トラップ効果を持たせるために、少なくとも最初の非攻撃的堆積工程の間に帯電した粒子の流れを阻止するように、例えば、プラズマの特性の関数として決定されるピッチＰで交差した金属線によって金属格子が形成されてよい。

実際、格子のピッチＰは少なくとも堆積開始時には使用されるプラズマのデバイ長λＤの２倍または３倍未満であることが必要である。

代替的には、本発明は上記のＰＥＣＶＤ法を用いて基板上に誘電膜を堆積する装置を提供する。この装置は以下のものを備えている：
・高密度イオンプラズマの発生源
・プラズマ粒子を基板上へ発射する手段
・反応して基板上に不活性化層を形成する中性粒子の流れを保持しつつ、基板に向かう帯電した粒子の流れを除去するか、あるいは著しく低減する選択的トラップ
この装置では、選択的トラップはプラズマと基板との間に挿入された金属格子を含み、この格子は帯電した粒子の流れを阻止するためにプラズマの特性の関数として決定されたピッチＰで交差した金属線によって形成される。

本発明によれば、本発明の装置はプラズマの粒子のデバイ長λＤを修正する適合手段を備えており、堆積の間格子は粒子の流れの中に恒久的に挿入されたままであり、これによって、この適合手段は最初の非攻撃的堆積工程の間、格子のピッチの１／３あるいは１／２より大きいデバイ長λＤを有するプラズマを提供し、またこの適合手段は次の高速堆積工程の間、格子のピッチの１／３あるいは１／２より著しく小さいデバイ長λＤを有するプラズマを提供する。

この装置は基板をその支持体上に締め付ける（ｃｌａｍｐｉｎｇ）リングを備えてよく、格子は有利には基板をその支持体上に締め付けるリングから絶縁され、かつその締め付けリングの電位とは異なる電位にバイアスされてよい。

本発明のその他の目的、特徴、および利点は、添付図面に関してなされた以下の特定の実施形態の解説から明白となる。

最初に図１を参照する。誘電膜のＰＥＣＶＤ装置は、より低い動作温度で適切に動作することができるようにプラズマ源１、好適には高密度イオン源を備え、次に位置３ａに示したように、処理のために基板を支持するように、かつ拡散室２内に拘束されるように構成された基板支持体３を有する拡散室２を備えている。

プラズマ源１はエンクロージャによって構成され、その壁４は誘電材料で作られ、このプラズマ発生源１は有利には円筒形であり、高周波（ＲＦ）発電機６によって給電されるループアンテナ５と結合している。ガス注入口７がプラズマ源１の近位端に、すなわち、拡散室２から離れたプラズマ源１の端部に設けられている。

プラズマ源１は拡散室２に通じており、この拡散室２自身が位置３ａの基板支持体上に保持された基板に向けてプラズマを導くように構成されている。

拡散室２はまた、プラズマ発生領域から下方にガスを導くことのできるポストディスチャージガス注入口８を備えており、他方ではガス注入口７はプラズマ発生領域から上方にガスを導くように働く。

ＰＥＣＶＤ法を実行するために、基板は拡散室の位置３ａに取り付けられた基板支持体３上に設置される。プラズマ源１および拡散室２内に適切な真空状態が確立され、窒素は気体窒素（Ｎ_２）またはアンモニア（ＮＨ_３）の形態でガス注入口７を介して上方端に導かれ、シリコンはシラン（ＳｉＨ_４）の形態でポストディスチャージガス注入口８を介してポストディスチャージ内の拡散室に運ばれ、ＲＦ発生器６に給電することによってプラズマが発生される。このプラズマは基板支持体３によって基板が支持されている限り拡散室２に伝搬する。このようにして窒化シリコン（Ｓｉ_３Ｎ_４）の堆積層が基板上に形成される。

同様に、かつ他の適切なガスを用いることにより、異なる層を堆積することが可能である。

この堆積層は基板を不活性化する。しかし、工程の開始時点では基板はまだどの堆積層によっても保護されていないため、プラズマの粒子による攻撃を受け易いことが理解されよう。

本発明はプラズマと基板支持体３によって支持された基板との間に選択的トラップを挿入することによって、プラズマに存在する帯電した粒子の攻撃の悪影響を低減しようとするものである。

ここで本発明の実施形態の基板支持体３を拡大して示す図２および３を参照する。

一般に、基板支持板９、該基板支持板９に固定されかつ自身に従来の様式でＲＦ電極１２を含んだ基板支持ブロック１１を支持する軸方向の支持柱１０、ヒータ手段１３、および基板１５、例えば半導体ウエハを保持するように構成された締め付け（ｃｌａｍｐｉｎｇ）リング１４が存在している。

本発明では、絶縁リング１６が締め付けリング１４に取り付けられており、絶縁リング１６自身が、基板１５上にそこから適度な距離を置いて上を覆いかつ基板１５と平行であり、かつ基板１５とプラズマとの間で延びる格子１７を保持している。

平面図である図３に見られるように、格子１７の形状は円形であり、半導体ウエハあるいは半導体基板１５と形状が似ており、適度なピッチＰで交差する直行する金属線によって形成されている。

このピッチＰは、プラズマの中性粒子を通過させつつプラズマからの帯電した粒子の流れを阻止するように、かつ帯電した粒子が基板１５に到達しないように、プラズマの特性の関数として決定される。

格子１７のピッチＰが使用されているプラズマのデバイ長λＤの２倍あるいは３倍より小さい場合、プラズマの帯電した粒子上には良好な選択的トラッピング効果が観察される。

デバイ長は知られた方法で図４に示したようにプラズマの特性の関数として変動する。

特に、このデバイ長はプラズマ内のイオンの密度の増加とともに減少し、プラズマの電子温度の上昇とともに増大する。図４にプロットした曲線は、１．５電子ボルト（ｅＶ）〜３．５ｅＶの範囲で徐々に変動する５つの値のプラズマの電子温度に対してデバイ長がイオン密度の関数としてどのように変動するかを示している。

したがって、格子のピッチＰは図４の曲線により示された特性に応じてプラズマの特性の関数として選択される。

デバイ長として以下の公式を考慮することによってもピッチＰを選択することができる。

ここで、Ｎはイオン密度であり、Ｔｅはプラズマの電子温度である。

実際は、格子が容易に作成され得るように約１００ミクロン（μｍ）の値のピッチが選択される。

イオン密度は約１．００Ｅ＋１０ｃｍ^−３〜５．００Ｅ＋１０ｃｍ^−３であってよい。

このような格子１７が存在しているために、プラズマの化学成分のみが格子を通過し、基板１５に到達するが、他方では、電気的に帯電した粒子によって形成された電気的成分は格子１７によってトラップされるため、この成分は基板１５には到達しない。

絶縁リング１６を介して締め付けリング１４から絶縁された格子１７は、締め付けリング１４の電位とは異なる電位にバイアスされる。

有利には、格子１７を選択的に引っ込める手段が提供される。その結果、格子を通過する帯電した粒子を避けるように、最初の非攻撃的堆積の工程の間に格子１７が粒子の流れの中に挿入され、この後次の高速堆積の工程の間に格子がその粒子の流れから引っ込められるので、プラズマが基板１５上で完全に反応できるようになる。

さらに有利な方法では、図４に示したようにプラズマのパラメータの関数としてデバイ長の変動を考慮することによって、堆積工程の間にプラズマの特性を修正することにより格子１７によって構成されたトラップの選択的性質を修正することができる。

したがって、本発明の装置は有利にはプラズマの粒子のデバイ長λＤを修正する適合手段を含んでよく、堆積の間格子１７は粒子の流れの中に恒久的に挿入されたままになる。このような状況では、この適合手段は、例えば、ＲＦ発生器６の出力を修正することによって、プラズマのイオン密度を修正する手段、あるいは、より有利にはプラズマの電子温度Ｔｅを修正する手段であってよい。したがって、この適合手段は最初の非攻撃的堆積工程の間、格子１７のピッチＰの１／３あるいは１／２より大きいデバイ長λＤを有するプラズマを発生し、次の高速堆積工程の間この同じ適合手段は、格子１７のピッチＰの１／３あるいは１／２より著しく小さいデバイ長λＤを有するプラズマを発生する。

格子を移動させること、あるいはプラズマを修正することによって次の高速堆積工程の間に選択的トラッピングが阻止されるかどうかに関係なく、基板１５上に堆積を生成するために、プラズマが最大限の効果を発揮できることが理解されよう。

本発明は特に、誘電膜タイプの不活性化層を用いて、シリコン（Ｓｉ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、インジウムリン（ＩｎＰ）、ガリウムヒ素（ＧａＡｓ）あるいは元素の周期表のＩＩ〜ＶＩ族を主成分とする半導体基板を不活性化する上記のような装置の使用において有利な適用があってよい。

この不活性化層は例えば、二酸化シリコン（ＳｉＯ_２）または窒化ケイ素（Ｓｉ_３Ｎ_４）で作られてよい。

本発明は明示的に記載した実施形態に限定されるものではなく、当業者の能力の範囲にある変形および一般化を含むものである。

ＩＣＰ型のプラズマ発生源を用いたＰＥＣＶＤ装置を示す全体略図である。本発明の一実施形態を構成する格子を含んだ基板支持体を示す直径断面部分の側面略図である。格子を示す平面図である。基板イオン密度の関数として、かつプラズマの電子温度の関数としてデバイ長がどのように変動するかを示すグラフである。

符号の説明

１プラズマ源
２拡散室
３、９基板支持体
３ａ位置
４壁
５ループアンテナ
６発電機
７ガス注入口
８ポストディスチャージガス注入口
１０支持注
１１基板支持ブロック
１２ＲＦ電極
１３ヒータ手段
１４締め付けリング
１５基板
１６絶縁リング
１７格子
Ｐピッチ
λＤデバイ長（マイクロメートル）

Claims

プラズマ強化化学的気相成長法（ＰＥＣＶＤ）を用いて誘電膜を堆積する方法であって、プラズマによって発生した粒子の流れに基板が真空状態で曝露され、この粒子は反応して基板上に不活性化層を形成し、選択的トラップがプラズマと基板との間に挿入され、これにより中性粒子の流れを保持しながら基板に向かう帯電した粒子の流れを低減し、該方法が、
ａ）選択的トラップが帯電した粒子の流れを効果的に低減する最初の非攻撃的堆積工程、および、
ｂ）選択的トラッピング効果が少なくとも大幅に阻止される次の高速堆積工程
という２つの連続する工程を含んだことを特徴とする方法。
選択的トラッピング効果が、高速堆積工程の間トラップを修正すること、例えば、トラップを移動させることによって阻止される請求項１に記載の方法。
選択的トラッピング効果が、高速堆積工程の間にプラズマの特性を修正することによって阻止される請求項１に記載の方法。
プラズマ強化化学的気相成長法を用いて基板上に誘電膜を堆積する装置であって、この装置は、
高密度イオンプラズマ発生源と、
プラズマ粒子を基板上へ発射する手段と、
反応して基板上に不活性化層を形成する中性粒子の流れを保持しながら基板に向かう帯電した粒子の流れを除去するか、あるいは著しく低減する選択的トラップとを備え、該装置がさらに、最初の非攻撃的堆積工程の間にトラップが粒子の流れの中に挿入されるように、かつ次の高速堆積工程の間にトラップが粒子の流れから引っ込められるように、トラップを選択的に引っ込める手段を備えた装置。
選択的トラップがプラズマと基板との間に挿入された金属格子を含んだ請求項４に記載の装置。
金属格子が帯電した粒子の流れを阻止するようにプラズマの特性の関数として決定されるピッチで交差した金属線によって形成される請求項５に記載の装置。
格子のピッチが少なくとも堆積の開始時には使用されるプラズマのデバイ長λＤの２倍または３倍未満である請求項６に記載の装置。
プラズマ強化化学的気相成長法を用いて基板上に誘電膜を堆積する装置であって、この装置は、
高密度イオンプラズマ発生源と、
プラズマ粒子を基板上へ発射する手段と、
反応して基板上に不活性化層を形成する中性粒子の流れを保持しながら基板に向かう帯電した粒子の流れを除去するか、あるいは著しく低減する選択的トラップとを備え、選択的トラップはプラズマと基板との間に挿入された金属格子を含み、金属格子は帯電した粒子の流れを阻止するようにプラズマの特性の関数として決定されるピッチで交差した金属線によって形成され、かつこの装置は、堆積の間格子は恒久的に粒子の流れの中に挿入されたまま、プラズマの粒子のデバイ長λＤを修正する適合手段を備え、これにより適合手段は、最初の非攻撃的堆積工程の間に格子のピッチの１／３または１／２より大きいデバイ長λＤを有するプラズマを提供し、かつ次の高速堆積工程の間に格子のピッチの１／３または１／２より著しく小さいデバイ長λＤを有するプラズマを提供する装置。
締め付けリングを含み、格子が締め付けリングから絶縁され、かつ締め付けリングの電位と異なる電位にバイアスされる請求項４または請求項８に記載の装置。
誘電膜型の不活性化層を用いて、シリコン、ゲルマニウム、インジウムリン、ガリウムヒ素、またはＩＩ〜ＶＩ族の化合物を主成分とする半導体基板を不活性化する請求項４または請求項８に記載の装置の使用方法。