JP2579166B2 - プラズマcvd装置および成膜方法 - Google Patents

プラズマcvd装置および成膜方法

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勇人 野崎
博 相川
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史朗 長島
勝己 高見
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Description

【発明の詳細な説明】 [産業上の利用分野] 本発明はプラズマCVD装置に関する。更に詳細には、
本発明は窒化シリコン膜の形成において酸化シリコンの
空デポ、続いて窒化シリコンの空デポを2段階連続的に
実施することのできるプラズマCVD装置に関する。
[従来の技術] 薄膜の形成方法として半導体工業において一般に広く
用いられているものの一つに化学的気相成長法(CVD:Ch
emical Vapour Deposition)がある。CVDとは、ガス状
物質を化学反応で個体物質にし、基板上に堆積すること
をいう。
CVDの特徴は、成長しようとする薄膜の融点よりかな
り低い堆積温度で種々の薄膜が得られること、および、
成長した薄膜の純度が高く、SiやSi上の熱酸化膜上に成
長した場合も電気的特性が安定であることで、広く半導
体表面のパッシベーション膜として利用されている。
CVD法は大別すると、(1)常圧,(2)減圧および
(3)プラズマの3種類がある。
最近の超LSI技術の急速な進歩により、“超々LSI"と
いう言葉も聞かれはじめた。これに伴い、Siデバイスは
ますます高集積化,高速度化が進み、6インチから8イ
ンチ、更には12インチ大口径基板が使用されるようにな
った。
半導体デバイスの高集積化が進むに伴い、高品質、高
精度な絶縁膜が求められ、常圧CVD法では対応が困難に
なってきた。そこで、プラズマ化学を利用したプラズマ
CVD法が注目を浴びている。
例えば、常圧CVDシリコン酸化膜(成長温度〜450℃)
は、ナトリウム(Na)などによる汚染に対して阻止効果
はなく、耐湿性に関しても難点がある。これに対して、
プラズマCVD窒化シリコン膜はナトリウムに対する阻止
効果が高く、しかも耐湿性に優れている。また、反応ガ
スの熱分解反応を利用したCVD窒化シリコン膜が750〜80
0℃程度の高温で形成されるのに対して、プラズマCVD窒
化シリコン膜は、遥に低い300℃前後で形成することが
できるので、〜1μm程度の厚い膜を形成してもクラッ
クが発生することもない。
[発明が解決しようとする問題点] 従来のプラズマCVD装置により窒化シリコン(Si3N4
膜を形成する場合、ウエハにいきなり窒化シリコン膜を
形成させることはできない。反応炉内へウエハを搬入し
ない空の状態で、炉内へSiH4およびNH3などの反応ガス
を送入し、プラズマ放電させて装置を安定状態にしてか
ら、ウエハを用いた実際の成膜処理を開始しなければな
らない。この操作は一般的に「空デポ」といわれてい
る。
しかし、従来の装置でプラズマ窒化シリコン(以下
「P-SiN」と略す)の空デポを行っても装置はなかなか
安定化せず、シャワー電極の部分に異常放電が発生し、
窒化シリコンの膜質が悪化したり、シャワー電極がスパ
ッタされて異物の多発を招いていた。このため、半導体
素子の製造歩留りが低下するばかりか、製造工程全体の
スループットも低下する。
従って、本発明の目的はシャワー電極に発生する異常
放電を抑制し、P-SiNの膜質悪化および異物多発を防止
することのできるプラズマCVD装置を提供することであ
る。
[問題点を解決するための手段] 本発明者らが長年にわたり広範な実験と研究を続けた
結果、最初にプラズマ酸化シリコン(以下「P-SiO」と
略す)の空デポを行い、次にP-SiNの空デポを行う2段
階連続式にすることにより、シャワー電極に発生する異
常放電を効果的に防止できることが発見された。本発明
は斯かる知見に基づき完成された。
要するに、本発明のプラズマCVD装置は、最初にP-SiO
の空デポ、次にP-SiNの空デポといった、2段階の空デ
ポを連続して行うことができるガスシーケンスおよびP-
SiOの空デポを行えるガスラインを有することを特徴と
するプラズマCVD装置である。
[作用] シャワー電極に発生する異常放電が抑制されるため
に、P-SiNの膜質の悪化および異物の多発は効果的に防
止される。
正確なメカニズムは未だ解明されていないので仮説の
域を出ないが、P-SiOの空デポを先行させることにより
シャワー電極の異常放電が抑制される原因は、P-SiN膜
はストレスが大きいため、付着する材質によっては膜剥
離が起こし易く、その膜剥離の部分に電界が集中し異常
放電を発生していたものと思われるが、P-SiO膜はP-SiN
膜とシャワー電極とのストレスを緩和し、P-SiN膜の膜
剥離を抑制するために異常放電の発生が防止されるもの
と思われる。
[実施例] 以下、図面を参照しながら本発明の実施例について更
に詳細に説明する。
第1図は本発明のプラズマCVD装置の概要図である。
第1図において、符号1はプラズマCVD装置の反応炉
を示す。反応炉の内部にはウエハを載置するためのサセ
プタ2が配設されている。サセプタの下部にはウエハを
加熱するためのヒータユニット3が設けられている。サ
セプタは接地されている。反応炉の上部にはこのサセプ
タと対峙してシャワー電極4が配設されている。シャワ
ー電極は多数の微小貫通孔を有する金属製の円盤であ
る。このシャワー電極は高周波発振器5に接続されてい
る。反応炉1の下部には排気ダクト6が設けられてい
る。排気ダクトの途中には自動圧力コントローラー(AP
C)7が設けられている。
シャワー電極の上部には反応ガス送入パイプ10が接続
されている。このメインパイプには空デポおよび成膜反
応処理に必要な各ガスを給送するためのサブパイプが接
続されている。モノシランSiH4ガスはパイプ20から給送
され、亜酸化窒素N2Oはパイプ30から給送され、アンモ
ニアNH3ガスはパイプ40から給送され、パージ用N2ガス
はパイプ50から給送される。各給送パイプにはエアーバ
ルブとマスフローコントローラが設けられている。
次に、本発明のプラズマCVD装置におけるガスシーケ
ンスの具体的動作について説明する。
エアーバルブ22,32および42を閉じた状態で給送パイ
プ50のエアーバルブ52を開いてパージ用N2ガスを反応炉
内に送入し炉内のガス置換を行う。パージ用N2ガスの流
量はマスフローコントローラ54により調節する。この
際、排気ダクト6から炉内の残留ガスを強制的に排気す
ることが好ましい。
次に、P-SiOの空デポを行うために、エアーバルブ22
および32を開き、給送パイプ20および30からSiH4および
N2Oガスをそれぞれ炉内に送入する。空デポに必要なガ
ス流量および炉内圧力調整はマスフローコントローラ24
および34とAPC7により行う。
ガス流量および炉内圧力が安定したところで高周波発
振器5により高周波を印加し、P-SiOの空デポを開始す
る。
任意の時間P-SiOの空デポを行った後、高周波の印加
を停止し、P-SiNの空デポを行うために、エアーバルブ3
2を閉じてN2Oの供給を止め、エアーバルブ42を開いてNH
3ガスを炉内に送入する。P-SiNの空デポに必要なガス流
量および炉内圧力調整もマスフローコントローラ24およ
び44とAPC7により行う。
P-SiNの空デポの為のガス流量および炉内圧力が安定
したら高周波発振器5により高周波を印加し、P-SiNの
空デポを開始する。P-SiOの空デポ時間およびP-SiNの空
デポ時間は制御系のキーボード端末を操作することによ
り容易に変更できる。
空デポ終了後、全てのエアーバルブを閉じてから炉内
の真空引きを行い、炉内に残留している反応ガスを排出
する。
その後、エアーバルブ52を開いてパージ用N2ガスを炉
内に送入しガス置換を行う。
SiH4ガスに代えて、SiF4ガスも使用できる。同様に、
N2Oに代えて、CO2ガスを使用できる。P-SiNの空デポに
はNH3ガスの代わりにN2ガスを使用することもできる。
この場合、ガス置換および空デポ中もエアーバルブ42を
閉じる必要はない。
なお、本発明の装置は、従来の装置と同様に全てマイ
クロコンピュータにより制御される。また、ここに上げ
た空デポの工程は連続でも、単独でも行うことができ
る。
本発明の装置の効果を確認するため、P-SiNだけの空
デポを行った場合の経時変化と、本発明によるP-SiOの
空デポを最初に行い、次いでP-SiNの空デポを続けて行
った場合の経時変化を測定した。P-SiNの空デポ条件は
何れも同一とした。測定結果を添付の第2図(a)およ
び第2図(b)に示す。図中、実線はデポレートを、一
点鎖線は屈折率を、点線は膜厚均一性をそれぞれ示す。
第2図(a)から明らかなように、P-SiNだけの空デ
ポを行った場合は異常放電が多発しデポレート,膜厚均
一性および屈折率は何れも極めて不安定であり、これら
が安定するまでにウエハ約80枚分の処理時間が必要であ
る。これに対して、第2図(b)に示されるように、最
初にP-SiOの空デポを行い、次いでP-SiNの空デポを続け
て行った場合、異常放電は殆ど発生せず、膜厚の均一性
はほぼ一定である。デポレートおよび屈折率が安定する
のにウエハ約20枚弱分の処理時間が必要なだけである。
この値は従来の約1/4強である。
[発明の効果] 以上説明したように、本発明のプラズマCVD装置は、
最初にP-SiOの空デポ、次にP-SiNの空デポといった、2
段階の空デポを連続して行うことができるガスシーケン
スおよびP-SiOの空デポを行えるガスラインを有するの
で、電極部分で異常放電が殆ど発生しない。その結果、
P-SiNの膜質悪化を防止でき、異物の発生も著しく抑制
される。装置は短時間内に安定化されるので半導体素子
の製造工程全体のスループットが向上される。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明のプラズマCVD装置の概要図であり、第
2図(a)はP-SiNだけの空デポの場合の経時変化を示
す特性図であり、第2図(b)は最初にP-SiOの空デポ
を行い、次にP-SiNの空デポを行った場合の経時変化を
示す特性図である。 1……反応炉,2……サセプタ,3……ヒータユニット,4…
…シャワー電極,5……高周波発振器,6……排気ダクト,7
……自動圧力コントローラ,10……反応ガス送入パイプ,
20……SiH4ガス給送パイプ,22,32,42,52……エアーバル
ブ,24,34,44,54……マスフローコントローラ,30……N2O
ガス給送パイプ,40……NH3ガス給送パイプ,50……パー
ジ用N2ガス給送パイプ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 野崎 勇人 東京都千代田区大手町2丁目6番2号 日立電子エンジニアリング株式会社内 (72)発明者 相川 博 東京都千代田区大手町2丁目6番2号 日立電子エンジニアリング株式会社内 (72)発明者 長崎 恵一 東京都千代田区大手町2丁目6番2号 日立電子エンジニアリング株式会社内 (72)発明者 蜂谷 昌幸 東京都千代田区大手町2丁目6番2号 日立電子エンジニアリング株式会社内 (72)発明者 長島 史朗 東京都千代田区大手町2丁目6番2号 日立電子エンジニアリング株式会社内 (72)発明者 高見 勝己 東京都千代田区大手町2丁目6番2号 日立電子エンジニアリング株式会社内 (56)参考文献 特開 昭58−213433(JP,A) 特開 昭60−10620(JP,A)

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】反応炉の内部にサセプタと、これに対峙す
    るシャワー電極とを有する、窒化シリコン膜を作製する
    ためのプラズマCVD装置において、前記シャワー電極に
    は反応ガス送入手段が接続されており、該反応ガス送入
    手段には酸化シリコン膜の空デポ用ガス給送パイプが更
    に接続されていることを特徴とするプラズマCVD装置。
  2. 【請求項2】前記酸化シリコン膜の空デポ用ガス給送パ
    イプはN2OまたはCO2ガスを給送することを特徴とする特
    許請求の範囲第1項に記載のプラズマCVD装置。
  3. 【請求項3】プラズマCVD法により窒化シリコン膜を形
    成する方法において、反応炉内で最初に酸化シリコンの
    空デポを行い、続いて窒化シリコンの空デポを行ってか
    らウエハの表面に窒化シリコン膜を形成させることから
    なるプラズマCVD法による窒化シリコン膜形成方法。
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