JP3482199B2 - プラズマ成膜方法及びプラズマcvd装置 - Google Patents
プラズマ成膜方法及びプラズマcvd装置Info
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Description
びプラズマCVD装置に関し、特に、強誘電体を用いた
半導体素子の製造に適用して有用なものである。
ラズマCVD(Chemical Vapor Deposition)装置を用い
た成膜が知られている。プラズマCVD装置は、膜の原
料となる原料ガスを容器内の成膜室に導入してプラズマ
状態にし、このプラズマ中の活性粒子(励起原子又は分
子)によって基板(ウエハ)表面の化学的な反応を促進
して成膜を行う装置である。容器には電磁波透過窓が備
えられ、容器の外側に配置された給電アンテナに高周波
電源から電力を供給して、電磁波透過窓から成膜室内に
電磁波を入射させることにより、この電磁波のエネルギ
ー(高周波パワー)によって成膜室内のガスをプラズマ
状態にする。
間や配線間などの絶縁をするための酸化膜(絶縁膜)で
あるSiOX 膜(SiO2 膜等)を形成する際には、原
料ガスとしてSiH4 又はSi(OC2 H5 )4 (TE
OS:テトラエトキシシラン)を供給し、酸化ガスとし
てO2 又はN2 Oを供給する。
用いた半導体素子の製造に際しては、上記従来のプラズ
マCVD装置によってSiOX 膜を形成する場合、原料
ガスのSiH4 やSi(OC2 H5 )4 には水素が多く
含まれるため、強誘電体の水素還元劣化が生じてしま
う。
体素子として強誘電体メモリが注目され、実用化もされ
ている。この強誘電体メモリは、強誘電体であるPZT
(鉛、亜鉛、タンタル)やSBT(ストロンチウム、ビ
スマス、タンタル)などの金属酸化物の膜をPt電極や
Ir電極で挟んだ構成の強誘電体キャパシタを、LSI
(Large Scale Integration )メモリに組み込んだもの
であり、この強誘電体キャパシタの残留分極特性を利用
することにより、電源供給を切っても情報を保持するこ
とができる不揮発性メモリとして動作させることができ
るものである。
て、上記従来のプラズマCVD装置によってSiOX 膜
を形成する場合、原料ガスのSiH4 やSi(OC2 H
5 )4には水素が多く含まれるため、これらの原料ガス
が分解されることによって生成される水素ガス(水素イ
オン)により金属酸化膜(PZT膜、SBT膜)が還元
されて金属酸化膜中の酸素がOHとして除去される(抜
け出てしまう)。このため、強誘電体キャパシタの特性
が劣化(残留分極が減少)してしまう。
アスを印加した場合に更に顕著である。つまり、基板上
にSiOX 膜を形成する際には基板上の素子間や配線間
などの隙間へのSiOX の埋め込みも行うが、このと
き、前記隙間が例えば0.35μm〜0.25μmと非
常に狭い場合には、バイアス電源によって基板側にバイ
アスを印加することにより、Arなどのスパッタエッチ
ング用イオンを基板側に引き込んで前記素子や配線の角
部に堆積した酸化膜をスパッタエッチングして、隙間全
体にSiOX 膜が埋め込まれる前に隙間の入口がSiO
X 膜によって塞がれてしまうのを防止する必要がある。
極102で挟んだ構造の強誘電体キャパシタ(PZTキ
ャパシタ)103が基板(Siウエハ)100の上に形
成されているが、この強誘電体キャパシタ103間の隙
間104が非常に狭い場合、バイアスを印加せずに(ス
パッタエッチングを行わずに)SiOX 膜を形成しよう
とすると、図12中に一点鎖線で示すように強誘電体キ
ャパシタ103の角部にSiOX 膜が堆積して隙間10
4の入口が塞がれてしまい、隙間104全体にSiOX
膜を埋め込むことできなくなってしまう。そこで、原料
ガスや酸化ガスの他に不活性ガスであるAr等を供給
し、且つ、基板側にバイアスを印加して、Arイオンを
引き込むことにより、強誘電体キャパシタ103の角部
に堆積したSiOX 膜をスパッタエッチングして隙間1
04の入口を広げる。
に引き込まれるため、図12に示すように強誘電体キャ
パシタ103に対して水素イオンアタックが発生し、ま
た、ウエハ近傍の水素イオン濃度も上昇することから、
強誘電体キャパシタ103の水素還元劣化が更に顕著と
なる。
強誘電体素子の還元劣化を招くことなく酸化膜を形成す
ることができるプラズマ成膜方法及びプラズマCVD装
置を提供することを課題とする。
成膜方法は、低圧環境下に供給された原料ガスと酸化ガ
スとに高周波パワーを印加し、これにより発生したプラ
ズマによる化学的な反応を利用して、基板上の強誘電体
素子の上に酸化膜を形成するプラズマ成膜方法におい
て、成膜に必要な高周波パワー以上に、原料ガス中の還
元ガスを十分に分離、分解する目的で1500W以上の
高い高周波パワーを印加し、更に原料ガスに対する酸化
ガスの質量流量比を3倍以上とすることにより原料ガス
に対する酸化ガスの量を前記酸化膜の形成に要する量よ
りも多くして、この酸化ガスと、原料ガスの分解により
生じる還元ガスとを反応させることにより、基板上の強
誘電体素子に対する前記還元ガスによる還元反応劣化を
抑制することを特徴とする。
第1発明のプラズマ成膜方法において、原料ガスと酸化
ガスの総質量流量100SCCM当たりに500W以上
の高周波パワーを印加し、更に成膜温度範囲を100℃
〜300℃として、前記酸化膜を形成することを特徴と
する。
1又は第2発明のプラズマ成膜方法において、前記高周
波パワーの周波数を、400kHZ 〜3GHZ の範囲と
することを特徴とする。
1,第2又は第3発明のプラズマ成膜方法において、原
料ガスはSiH4 、酸化ガスはO2 、酸化膜はSiOX
であることを特徴とする。
1,第2又は第3発明のプラズマ成膜方法において、原
料ガスはSiH4 、酸化ガスはN2 O、酸化膜はSiO
X Ny であることを特徴とする。
低圧環境下に供給された原料ガスと酸化ガスとに150
0W以上の高周波パワーを印加し、これにより発生した
プラズマによる化学的な反応を利用して、基板上の強誘
電体素子の上に酸化膜を形成するプラズマ成膜方法であ
って、基板側に+イオンを引き込む為の目的でバイアス
を印加することはせずに、基板上の強誘電体素子を覆う
酸化膜を形成して、この酸化膜を水素イオンアタックに
対する保護膜とする第1成膜工程と、この第1成膜工程
で保護膜を形成した後、基板側にスパッタエッチング用
の+イオンを引き込む為の目的でバイアスを印加して、
素子間や配線間などの微小な隙間に酸化膜を埋め込む第
2成膜工程とを有することを特徴とする。
第6発明のプラズマ成膜方法において、前記第2成膜工
程で酸化膜の埋め込みを行った後、基板側に+イオンを
引き込む為の目的でバイアスを印加することはせずに、
酸化膜を更に形成する第3成膜工程を有することを特徴
とする。
6又は第7発明のプラズマ成膜方法において、前記保護
膜の膜厚は500オングストローム以上とすることを特
徴とする。
6,第7又は第8発明のプラズマ成膜方法において、第
1,第2又は第3発明の成膜条件に基づいて、前記酸化
膜を形成することを特徴とする。
第6,第7,第8又は第9発明のプラズマ成膜方法にお
いて、原料ガスはSiH4 、酸化ガスはO2 、酸化膜は
SiOX であることを特徴とする。
第6,第7,第8又は第9発明のプラズマ成膜方法にお
いて、原料ガスはSiH4 、酸化ガスはN2 O、酸化膜
はSiOX Ny であることを特徴とする。
は、第1,第2,第3,第4,第5,第6,第7,第
8,第9,第10又は第11発明のプラズマ成膜方法に
おいて、給電アンテナにより成膜室上部から成膜室内に
1500W以上の高周波パワーを供給し、複数の原料ガ
ス供給ノズルと複数の酸化ガス供給ノズルとを、酸化ガ
ス供給ノズルが上になり原料ガス供給ノズルが下になる
ように配置し、且つ、平面視において原料ガス供給ノズ
ルと酸化ガス供給ノズルとが成膜室の周方向に交互に位
置するように配置して、原料ガスは前記原料ガス供給ノ
ズルによって成膜室内に供給し、酸化ガスは前記酸化ガ
ス供給ノズルによって成膜室内に供給することを特徴と
する。
は、低圧環境下に供給された原料ガスと酸化ガスとに高
周波パワーを印加し、これにより発生したプラズマによ
る化学的な反応を利用して、基板上の強誘電体素子の上
に酸化膜を形成するプラズマCDV装置であり、成膜室
と、成膜室上部から成膜室内に1500W以上の高周波
パワーを供給する給電アンテナと、成膜室内に原料ガス
を供給するための複数の原料ガス供給ノズルと、成膜室
内に酸化ガスを供給するための複数の酸化ガス供給ノズ
ルとを備えたプラズマCVD装置であって、原料ガス供
給ノズルと酸化ガス供給ノズルとを、酸化ガス供給ノズ
ルが上になり原料ガス供給ノズルが下になるように配置
し、且つ、平面視において原料ガス供給ノズルと酸化ガ
ス供給ノズルとが成膜室の周方向に交互に位置するよう
に配置したことを特徴とする。
に基づき詳細に説明する。
マCVD装置の構成を示す。同図に示すように、基部1
上に円筒状のアルミニウム製の容器2が設けられ、この
容器2の内部が成膜室3となっている。容器2の上部に
は電磁波透過窓である円形の天井板4が設けられ、容器
2の内部(成膜室内)には基板支持台5が備えられてい
る。基板支持台5は半導体素子の基板100を静電的に
吸着保持する円盤状の基板載置部7を有し、この基板載
置部7は支持軸8に支持されている。
周知のようにφ150mm(6インチ)のものやφ20
0mm(8インチ)のものなど種々の大きさのものがあ
る。基板載置部7にはインピーダンスマッチングを行う
ための整合器10及びコンデンサ11を介してバイアス
電源12が接続されている。即ち、基板載置部7はバイ
アス電極としても機能している。また、基板載置部7に
は静電電源13も接続されている。バイアス電源12か
ら高周波(例えば2MHZ )の電圧が供給されることに
より、基板載置部7(基板100)にはバイアスが印加
される。静電電源13からは直流電力が供給され、これ
によって基板載置部7に発生する静電気力により、基板
100を基板載置部7に吸着する。また、基板支持台5
は全体を昇降自在もしくは支持軸8を伸縮自在とするこ
とにより、基板100の上下方向の高さを最適な高さに
調整できるようになっている。
としてヒータ25が設けられている。ヒータ25にはヒ
ータ電源26が接続されており、このヒータ電源26か
らヒータ25に供給する電力を適宜調整することによっ
て、基板100の温度(成膜温度)を適宜調整すること
ができるようになっている。なお、成膜温度設定手段と
しては、必ずしもヒータに限定するものではなく、例え
ば基板載置部7にガス等の流体を供給するようにし、こ
のガス等の流体温度を調整することによって成膜温度を
適宜調整するようにしてもよい。成膜温度設定手段では
後述する成膜条件(成膜温度範囲)に基づいて成膜温度
を調節する。
この排気口22は図示しない真空排気系に接続されてい
る。従って、成膜室3内のガスは排気口22を介して真
空排気系へと排気される。また、容器2には基板100
の搬入・搬出口(図示省略)が設けられ、図示しない搬
送室との間で基板100の搬入及び搬出が行われるよう
になっている。
電アンテナ14が設置されており、この給電アンテナ1
4にはインピーダンスマッチングを行うための整合器1
5を介して高周波電源16が接続されている。従って、
高周波電源16から給電アンテナ14へ高周波(例えば
13.56MHz)の電力を印加することにより、給電
アンテナ14から天井板14を介して成膜室3内に電磁
波24を入射させる。即ち、給電アンテナ14により、
成膜室3の上部から成膜室3内に電磁波のエネルギー
(高周波パワー)が供給される。高周波電源16では後
述する成膜条件(高周波パワー)に基づいて高周波パワ
ーを調節する。
数の原料ガス供給ノズル17と、複数の酸化ガス供給ノ
ズル18とが設けられている。原料ガス供給ノズル17
はMFC(Mass Flow Controller)21を介して図示し
ない原料ガス供給系に接続されている。従って、原料ガ
ス供給系から送給されてきた原料ガスは、MFC21及
び原料ガス供給ノズル17を介して成膜室3内に供給さ
れる。このとき、成膜室3に供給される原料ガスの質量
流量はMFC21によって所定の質量流量に制御され
る。SiOX 膜の原料ガスとしてはSiH4 が用いられ
る。
して図示しない酸素ガス供給系に接続され、また、MF
C20を介してスパッタエッチングガス供給系にも接続
されている。従って、酸化ガス供給系から送給されてき
た酸化ガスは、MFC19及び酸化ガス供給ノズル18
を介して成膜室3内に供給される。このとき、成膜室3
内に供給される酸化ガスの質量流量はMFC19によっ
て所定の質量流量に制御される。酸化ガスとしてはO2
が用いられる。MFC19,21では後述する成膜条件
(ガス質量流量比率)に基づいて酸化ガスの質量流量と
原料ガスの質量流量とをそれぞれ制御する。
れてきたスパッタエッチングガスは、MFC20及び酸
化ガス供給ノズル18を介して成膜室3内に供給され
る。このとき、成膜室3内に供給されるスパッタエッチ
ングガスの質量流量はMFC20によって所定の質量流
量に制御される。スパッタエッチングガスとしてはAr
が用いられる。なお、酸化ガス供給ノズル18からはク
リーニング用のNF3 などの補助ガスも成膜室3内に供
給される。即ち、図示例の酸化ガス供給ノズル18は各
種の補助ガスを供給する共用の補助ガスノズルとなって
いる。
ス供給ノズル18は、図1に示すように酸化ガス供給ノ
ズル18が上になり原料ガス供給ノズル17が下になる
ように配置され、且つ、図2に示すように平面視におい
て原料ガス供給ノズル17と酸化ガス供給ノズル18と
が成膜室3の周方向に交互に位置するように配置されて
いる。
ス供給ノズル17を下にするのは、周知のように効率よ
く酸化膜(SiOX 膜)を形成するためである。つま
り、酸化ガス供給ノズル18を上して給電アンテナ14
の近くにO2 を供給することにより、まず、このO2 を
プラズマ状態にして、ここで生成されたO2 のラジカル
(活性粒子)をSiH4 に衝突させることによりSiH
4 を分解してSiとO2とを反応させるようにしたほう
が、効率よくSiO2 膜を形成することができるためで
ある。
視において原料ガス供給ノズル17と酸化ガス供給ノズ
ル18とが成膜室3の周方向に交互に位置するように配
置している。このことにより、原料ガス供給ノズル17
から供給された原料ガスと、酸化ガス供給ノズル18か
ら供給された酸化ガスとが、成膜室3の中央部で効率よ
く混合される。つまり、均質な酸化膜を形成するために
は、酸化ガス供給ノズル18から成膜室3内に供給され
た酸化ガスと、原料ガス供給ノズル17から成膜室3内
に供給された原料ガスとができるだけ成膜室3の中央部
で混合するようにしたほうがよいが、単に、酸化ガス供
給ノズル18を上に配置し原料ガス供給ノズル17を下
に配置するだけでは、酸化ガスと原料ガスは成膜室3に
入って直ぐに混合されてしまう。
酸化ガス供給ノズル18とを成膜室3の周方向に交互に
配置した場合には、上記のように原料ガスと酸化ガスと
が成膜室3の中央部で効率よく混合されることになる。
このことは、均質な酸化膜の形成に有効であるととも
に、気相中の水素と酸素との反応を効率よく行わせるこ
とができることから、水素還元劣化の抑制にも有効であ
る。
置では、強誘電体素子の水素還元劣化を抑制しつつ酸化
膜の形成を行うために、詳細は後述するが、最適な成膜
条件と成膜工程(制御シーケンス)とが設定されてい
る。成膜条件はガス質量流量比率と高周波パワーと成膜
温度範囲の3条件である。成膜工程は、マイクロコンピ
ュータを備えたコントローラ30により、所定の制御シ
ーケンスに基づいてMFC19,20,21のON・O
FF制御、高周波電源16のON・OFF制御、バイア
ス電源12のON・OFF制御などを行って、原料ガ
ス、酸化ガス及びスパッタエッチングガスの供給開始及
び停止のタイミング、高周波パワーの供給開始及び停止
のタイミング、バイアスパワーの印加開始及び停止のタ
イミングなどを制御することにより、実行される。な
お、コントローラ30では、静電電源13の給電タイミ
ング制御やヒータ電源26の給電タイミング制御なども
行うようになっている。
相中(プラズマ中)の水素を酸化ガスと反応させること
によって水として排気することにより、水素還元反応を
抑制するためには、次の3条件(ガス質量流量比率、高
周波パワー、成膜温度)を所定の範囲に設定して成膜を
行う必要がある。
SiH4 の質量流量(SCCM)に対する酸化ガスO2
の質量流量(SCCM)の比率である。従来、SiH4
に対するO2 のガス質量流量比率は1.5倍付近が膜質
と埋め込み性からベストで有ると示されていたが、素子
ダメッジへの影響から、3倍以上とすることが必要であ
る。
を、SiOX 膜の形成に要する量よりも多くして、即
ち、酸化ガスの比率を高くして多量の酸素イオンを発生
させることにより、この酸素イオンと原料ガスの分解に
より生じる気相中の水素ガス(還元ガス)とを反応させ
ることにより、この気相中の水素をH2 Oとして除去す
る。因みに、従来の通常のプラズマ成膜プロセスでは特
にSiH4 を原料ガスに、酸素を酸化ガスとして用いる
場合、2倍以下のガス質量流量比率である。なお、ガス
質量流量比率の上限については、水素還元劣化の観点か
らではなく、酸化膜の膜質の観点や装置性能など観点か
ら適宜設定すればよい(例えば6倍とする)。
(O2 /SiH4 )を変えて水素イオン電流値を測定し
た結果を示し、図4にはガス質量流量比率(O2 /Si
H4 )を変えて膜中の水素含有量を測定した結果を示
す。図3からは、ガス質量流量比率を増やすにしたがっ
て水素イオン電流値が低減することがわかる。即ち、気
相中の水素ガスが低減することがわかる。図4からは、
ガス質量流量比率を増やすにしたがって水素含有量が低
減することがわかる。膜中の水素含有量が少ないという
ことは水素還元劣化が少ないということを意味してい
る。
/SiH4 )を変えて強誘電体キャパシタの残留分極を
測定した結果を示す。残留分極とは強誘電体キャパシタ
(PZTキャパシタ等)に印加される電圧が0(V)に
なったときの残留分極(残留電荷量に相当する)であ
る。図5では強誘電体キャパシタが劣化していないとき
(酸化膜形成前)の残留分極を100(%)とし、これ
に対する酸化膜形成後の強誘電体キャパシタの残留分極
の割合(%)を表している。同図から、ガス質量流量比
率は3倍以上とする必要があることがわかる。
2 /SiH4 )を5倍にして酸化膜を形成する前と後の
強誘電体キャパシタの印加電圧に対する分極を測定した
結果を示す。同図から、ガス質量流量比率を5倍にする
と、酸化膜形成後でも酸化膜形成前に比べて強誘電体キ
ャパシタの特性劣化がほとんどないことがわかる。
タが水素還元劣化した場合には、印加電圧0(V)にお
ける正負の分極の間隔が非常に狭くなってしまうためビ
ットの1,0の判定(所定値以上の正電荷で1、所定値
以上の負電荷で0と判定)することなどができなくなっ
てしまう。また、水素還元劣化した強誘電体キャパシタ
は飽和点での分極(電荷)も低下する。即ち、強誘電体
キャパシタとして機能しなくなってしまう。
化を示す。この図7から、高周波パワーを増加させるに
したがって水素イオン電流値が低下することがわかる。
周波パワーは、強誘電体キャパシタの特性劣化から、そ
の必要パワーが求められた。原料ガスと酸化ガスの総質
量流量100SCCM当たりに500W以上の高周波パ
ワーを印加することにより、強誘電体キャパシタの特性
劣化を抑制することができる。例えばSiH4 ガス50
SCCMと酸素ガス250SCCMの場合、1500W
以上の高周波パワーを供給すればよいことになる。高周
波のハイパワーを成膜室3内に入射することにより、下
記のような原料ガスの分解が促進される。なお、高周波
パワーの上限については、水素還元劣化の観点からでは
なく、絶縁性等の装置性能の観点などから適宜設定すれ
ばよい。 SiH4 → Si,H
であっても、300℃以下でなければ強誘電体に水素還
元劣化を与えてしまう。即ち、成膜温度が高いと、気相
中に僅かな水素があるだけでも、水素還元劣化が生じて
しまう。一方、強誘電体の水素還元劣化抑制の観点から
はできる限り低温成膜とすることが望ましいが、絶縁膜
としての酸化膜の絶縁特性等の観点から、成膜温度の下
限は100℃とした。
ワーを上記の設定範囲にすれば、成膜温度を300℃以
下の低温にしても良質な膜質を得ることができる。
を形成する際の制御シーケンスについて説明する。以下
では、保護膜を形成しない場合の制御シーケンスと、保
護膜を形成する場合の制御シーケンスとについて説明す
る。
8には保護膜を形成しない場合の制御シーケンスを示
し、図9には前記制御シーケンスに基づく成膜状態を示
す。両図に示すように、保護膜を形成しない場合には、
埋め込み成膜と高速成膜の2工程によって酸化膜(Si
OX 膜)を形成する。
部7に載せて静電的に吸着させる。そして、図8に示す
ように、時刻T1 において原料ガス供給ノズル17から
の原料ガス(SiH4 )の供給を開始し、また、酸化ガ
ス供給ノズル18からの酸化ガス(O2 )及びスパッタ
エッチングガス(Ar)の供給も開始する。続いて、時
刻T2 において高周波電源16(給電アンテナ14)か
らの高周波パワーの供給を開始し、その後、時刻T3 に
おいてバイアス電源12により基板側へのバイアスの印
加を開始する。かくして、埋め込み成膜が開始され、そ
の後、時刻T4になった時点、即ち、所定の埋め込み成
膜時間が経過した時点でバイアスの印加が停止される。
膜室3内の酸化ガス及び原料ガスがプラズマ状態とな
り、このプラズマ中の活性粒子(励起原子又は分子)が
効率よく化学反応を起こして、SiO2 膜などの酸化膜
(SiOX 膜)が素子間や配線間などに形成される(埋
め込まれる)。例えば、図9ではPZT101をPt電
極102で挟んだ構造の強誘電体キャパシタ(PZTキ
ャパシタ)103が基板100上に複数形成されている
が、埋め込み成膜工程では図9(a)に示すように、こ
の強誘電体キャパシタ103の隙間104にSiOX 膜
105が埋め込まれる。
rイオンを引き込むことにより、図9(a)に示すよう
に強誘電体キャパシタ103の角部に堆積した酸化膜を
スパッタエッチングすることによって、隙間104の入
口が塞がってしまうのを防止している。因みに、Arイ
オンによるエッチングは酸化膜全体に対して行われる
が、Arイオンの当たる角度の関係から(斜めに当たる
ほうがエッチングレートが高い)、特に強誘電体キャパ
シタ103の角部における酸化膜のエッチングレートが
高くなる。
て、Arイオンによるエッチングを行わなくても隙間1
04の入口が塞がってしまうおそれがない場合には、バ
イアスを印加しなくてもよい。一方、バイアスのパワー
(電力)が比較的小さい場合にはあまり問題は生じない
が、スパッタエッチングガスによるエッチングレート
(エッチング速度)を上げるためにバイアスパワーを高
くする必要がある場合には、詳細は後述するが、水素イ
オンアタックなどの問題が生じるため、埋め込み成膜を
行う前に保護成膜を行う必要がある。
うに高速成膜が開始される。つまり、埋め込み成膜が完
了してバイアスの印加が停止されると、Arイオンによ
るスパッタエッチングが生じなくなるため、原料ガスの
質量流量や酸化ガスの質量流量などが同じであっても、
上記と同様の化学反応によって形成される酸化膜の成膜
レート(成膜速度)が高くなる。この高速成膜は、時刻
T4 から開始され、その後、時刻T5 になった時点、即
ち、所定の高速成膜時間が経過した時点で原料ガス(S
iH4 )、酸化ガス(O2 )及びスパッタエッチングガ
ス(Ar)の供給が停止されるまで継続される。時刻T
5 において高周波パワーの供給も停止する。かくして、
図9(b)に示すように埋め込み成膜工程で形成した酸
化膜105と、高速成膜工程で形成した酸化膜106と
を合わせた目標の厚さの酸化膜(SiOX 膜)が絶縁膜
として形成される。
行わないため、Arは必ずしも必要ではないが、Arは
プラズマ状態になり易い(イオン化し易い)ガスである
ことから、このArイオンによって原料ガスの分解を促
進させることが期待できるため、ここでは高速成膜にお
いてもArを供給している。
で原料ガス、酸化ガス及びスパッタエッチングガスの質
量流量が同じになっているが、絶縁性の観点などから供
給可能なバイアスパワー(エッチングレート)が十分に
得られない場合などには、図示は省略するが、バイアス
を印加する埋め込み成膜工程では前記ガス質量流量を少
なくし、バイアスを印加しない高速成膜工程において前
記ガス質量流量を高くしてもよい。この場合には、当
然、高速成膜における成膜レートの高速化がさらに顕著
になる。
記の3条件(成膜条件)を満足していれば、水素還元劣
化の影響を受けやすい強誘電体キャパシタ(PZTキャ
パシタ)103が基板100に形成されていても、この
基板100に酸化膜(SiOX 膜)を形成する際に強誘
電体キャパシタ103に対して水素還元劣化を与えな
い。
込み成膜において基板側にバイアスを印加してArイオ
ンの引き込み(スパッタエッチング)を行う場合には、
図12に示すように強誘電体キャパシタ103に対して
水素イオンアタックが発生し、また、ウエハ近傍の水素
イオン濃度も上昇することから、強誘電体キャパシタ1
03に水素還元劣化が生じやすくなる。そこで、バイア
スを印加して埋め込み成膜を行う際の水素イオンアタッ
クなどを防止するため、埋め込み成膜を行う前にバイア
スを印加せずに保護膜を形成する。
ス)を図10及び図11に基づいて説明する。なお、図
10には保護膜を形成する場合の制御シーケンスを示
し、図11には前記制御シーケンスに基づく成膜状態を
示す。両図に示すように、保護膜を形成する場合には、
保護成膜と埋め込み成膜と高速成膜の3工程によって酸
化膜(SiOX 膜)を形成する。
部7に載せて静電的に吸着させる。そして、図10に示
すように、時刻T11において原料ガス供給ノズル17か
らの原料ガス(SiH4 )の供給を開始し、また、酸化
ガス供給ノズル18からの酸化ガス(O2 )及びスパッ
タエッチングガス(Ar)の供給も開始する。続いて、
時刻T2 において高周波電源16(給電アンテナ14)
からの高周波パワーの供給を開始する。かくして、保護
成膜が開始され、その後、時刻T13になった時点、即
ち、所定の保護成膜時間が経過した時点でバイアスが印
加されるまで保護成膜が継続される。
膜室3内の酸化ガス及び原料ガスがプラズマ状態とな
り、このプラズマ中の活性粒子(励起原子又は分子)が
効率よく化学反応を起こして、SiO2 膜などの酸化膜
(SiOX 膜)が素子間や配線間やこれらの表面などに
形成される。そして、この酸化膜が水素イオンアタック
から素子を保護するための保護膜として利用される。例
えば、図11ではPZT101をPt電極102で挟ん
だ構造の強誘電体キャパシタ(PZTキャパシタ)10
3が基板100上に複数形成されているが、保護成膜工
程では図11(a)に示すように、この強誘電体キャパ
シタ103の隙間104や強誘電体キャパシタ103の
表面に保護膜(SiOX 膜)107が形成される。
トローム以上とする。[表1]には保護膜厚依存性、即
ち、Pt電極式のPZTキャパシタやIr電極式のPZ
Tキャパシタに対し、保護膜の厚さを変えて、埋め込み
成膜後(詳細後述)の電極の剥離や強誘電体キャパシタ
の特性劣化について評価した結果を示す。この[表1]
の結果から、保護膜の厚さは500オングストローム以
上とすることが望ましいことがわかる。
が例えば0.35μm〜0.25μmと非常に狭い場合
でも、500オングストローム程度の成膜であれば、バ
イアスを印加しなくても(スパッタエッチングを行わな
くても)、隙間104の入口が酸化膜で塞がってしまう
ことはなく、隙間104の中まで確実に保護膜107を
形成することができる。
に埋め込み成膜を開始する。即ち、時刻T13においてバ
イアス電源12により基板側へのバイアスの印加を開始
することにより、埋め込み成膜が開始される。この埋め
込み成膜は時刻T14になるまで、即ち、所定の埋め込み
成膜時間が経過するまで継続される。このことによっ
て、上記と同様の化学反応により酸化膜(SiOX 膜)
が素子間や配線間などに形成される(埋め込まれる)。
例えば、図11(b)に示すように強誘電体キャパシタ
103の隙間104にSiOX 膜105が埋め込まれ
る。
を引き込むことにより、図11(b)に示すように強誘
電体キャパシタ103の角部に堆積した酸化膜をスパッ
タエッチングすることによって、隙間104の入口が塞
がってしまうのを防止する。なお、先にも述べたように
Arイオンによる酸化膜のエッチングレートは、強誘電
体キャパシタ103の角部において特に高くなる。
11(a)に示すように水素イオンも引き込まれて水素
イオンアタックが生じ、また、ウエハ近傍の水素イオン
濃度も上昇するが、この水素イオンを保護膜107がト
ラップするため、強誘電体キャパシタ103の水素還元
劣化を抑制することができる。このため、バイアスを印
加してスパッタエッチングを行わなければならないよう
な非常に狭い素子間や配線間にも、素子に還元劣化を生
じさせることなく、埋め込み成膜を行うことができる。
ように高速成膜が開始される。つまり、埋め込み成膜が
完了してバイアスの印加が停止されると、Arイオンに
よるスパッタエッチングが生じなくなるため、原料ガス
の質量流量や酸化ガスの質量流量などが同じであって
も、上記と同様の化学反応によって形成される酸化膜の
成膜レート(成膜速度)が高くなる。
その後、時刻T15になった時点、即ち、所定の高速成膜
時間が経過した時点で原料ガス(SiH4 )、酸化ガス
(O 2 )及びスパッタエッチングガス(Ar)の供給が
停止されるまで継続される。時刻T15において高周波パ
ワーの供給も停止する。かくして、図11(c)に示す
ように保護成膜工程で形成した保護膜(酸化膜)107
と、埋め込み成膜工程で形成した酸化膜105と、高速
成膜工程で形成した酸化膜106とを合わせた目標の厚
さの酸化膜(SiOX 膜)が絶縁膜として形成される。
行わないため、Arは必ずしも必要ではないが、Arは
プラズマ状態になり易い(イオン化し易い)ガスである
ことから、このArイオンによって原料ガスの分解を促
進させることが期待できるため、ここでは高速成膜にお
いてもArを供給している。
高速成膜とで原料ガス、酸化ガス及びスパッタエッチン
グガスの質量流量が同じになっているが、絶縁性の観点
などから供給可能なバイアスパワー(エッチングレー
ト)が十分に得られない場合などには、図示は省略する
が、バイアスを印加する埋め込み成膜工程では前記ガス
流量を少なくし、バイアスを印加しない保護成膜工程や
高速成膜工程において前記ガス質量流量を高くしてもよ
い。この場合には、当然、高速成膜における成膜レート
の高速化がさらに顕著になる。
た場合について説明したが、必ずしもこれに限定するも
のではなく、N2 Oを酸化ガスとして用いてもよい。N
2 Oを用いた場合には酸化膜としてSiOX Ny 膜が形
成されるが、この場合にも、上記と同様の成膜条件(ガ
ス質量流量比率、高周波パワー、成膜温度範囲)や成膜
工程(制御シーケンス)を適用することができる。
に説明したように、第1発明のプラズマ成膜方法は、低
圧環境下に供給された原料ガスと酸化ガスとに高周波パ
ワーを印加し、これにより発生したプラズマによる化学
的な反応を利用して、基板上の強誘電体素子の上に酸化
膜を形成するプラズマ成膜方法において、成膜に必要な
高周波パワー以上に、原料ガス中の還元ガスを十分に分
離、分解する目的で1500W以上の高い高周波パワー
を印加し、更に原料ガスに対する酸化ガスの質量流量比
を3倍以上とすることにより原料ガスに対する酸化ガス
の量を前記酸化膜の形成に要する量よりも多くして、こ
の酸化ガスと、原料ガスの分解により生じる還元ガスと
を反応させることにより、基板上の強誘電体素子に対す
る前記還元ガスによる還元反応劣化を抑制することを特
徴とする。
第1発明のプラズマ成膜方法において、原料ガスと酸化
ガスの総質量流量100SCCM当たりに500W以上
の高周波パワーを印加し、更に成膜温度範囲を100℃
〜300℃として、前記酸化膜を形成することを特徴と
する。
1又は第2発明のプラズマ成膜方法において、前記高周
波パワーの周波数を、400kHZ 〜3GHZ の範囲と
することを特徴とする。
1,第2又は第3発明のプラズマ成膜方法において、原
料ガスはSiH4 、酸化ガスはO2 、酸化膜はSiOX
であることを特徴とする。
1,第2又は第3発明のプラズマ成膜方法において、原
料ガスはSiH4 、酸化ガスはN2 O、酸化膜はSiO
X Ny であることを特徴とする。
第5発明のプラズマ成膜方法によれば、原料ガス中に含
まれていた還元ガスが効率良く酸化ガスと反応して除去
されるため、素子の還元劣化を招くことなく酸化膜を形
成することができる。また、300℃以下の低温成膜を
行うことにより、成膜速度の向上などを図ることができ
るとともに、装置構成を簡単にすることもできる。
低圧環境下に供給された原料ガスと酸化ガスとに150
0W以上の高周波パワーを印加し、これにより発生した
プラズマによる化学的な反応を利用して、基板上の強誘
電体素子の上に酸化膜を形成するプラズマ成膜方法であ
って、基板側に+イオンを引き込む為の目的でバイアス
を印加することはせずに、基板上の強誘電体素子を覆う
酸化膜を形成して、この酸化膜を水素イオンアタックに
対する保護膜とする第1成膜工程と、この第1成膜工程
で保護膜を形成した後、基板側にスパッタエッチング用
の+イオンを引き込む為の目的でバイアスを印加して、
素子間や配線間などの微小な隙間に酸化膜を埋め込む第
2成膜工程とを有することを特徴とする。
第6発明のプラズマ成膜方法において、前記第2成膜工
程で酸化膜の埋め込みを行った後、基板側に+イオンを
引き込む為の目的でバイアスを印加することはせずに、
酸化膜を更に形成する第3成膜工程を有することを特徴
とする。
6又は第7発明のプラズマ成膜方法において、前記保護
膜の膜厚は500オングストローム以上とすることを特
徴とする。
6,第7又は第8発明のプラズマ成膜方法において、第
1,第2又は第3発明の成膜条件に基づいて、前記酸化
膜を形成することを特徴とする。
第6,第7,第8又は第9発明のプラズマ成膜方法にお
いて、原料ガスはSiH4 、酸化ガスはO2 、酸化膜は
SiOX であることを特徴とする。
第6,第7,第8又は第9発明のプラズマ成膜方法にお
いて、原料ガスはSiH4 、酸化ガスはN2 O、酸化膜
はSiOX Ny であることを特徴とする。
10又は第11発明のプラズマ成膜方法によれば、保護
膜によって素子に対する水素イオンアタックなどを防止
することができるため、バイアスを印加する場合にも、
素子の還元劣化を招くことなく酸化膜を形成することが
できる。即ち、バイアスを印加してスパッタエッチング
を行わなければならないような非常に狭い素子間や配線
間にも、素子に還元劣化を生じさせることなく、埋め込
み成膜を行うことができる。
は、第1,第2,第3,第4,第5,第6,第7,第
8,第9,第10又は第11発明のプラズマ成膜方法に
おいて、給電アンテナにより成膜室上部から成膜室内に
1500W以上の高周波パワーを供給し、複数の原料ガ
ス供給ノズルと複数の酸化ガス供給ノズルとを、酸化ガ
ス供給ノズルが上になり原料ガス供給ノズルが下になる
ように配置し、且つ、平面視において原料ガス供給ノズ
ルと酸化ガス供給ノズルとが成膜室の周方向に交互に位
置するように配置して、原料ガスは前記原料ガス供給ノ
ズルによって成膜室内に供給し、酸化ガスは前記酸化ガ
ス供給ノズルによって成膜室内に供給することを特徴と
する。
は、低圧環境下に供給された原料ガスと酸化ガスとに高
周波パワーを印加し、これにより発生したプラズマによ
る化学的な反応を利用して、基板上の強誘電体素子の上
に酸化膜を形成するプラズマCDV装置であり、成膜室
と、成膜室上部から成膜室内に1500W以上の高周波
パワーを供給する給電アンテナと、成膜室内に原料ガス
を供給するための複数の原料ガス供給ノズルと、成膜室
内に酸化ガスを供給するための複数の酸化ガス供給ノズ
ルとを備えたプラズマCVD装置であって、原料ガス供
給ノズルと酸化ガス供給ノズルとを、酸化ガス供給ノズ
ルが上になり原料ガス供給ノズルが下になるように配置
し、且つ、平面視において原料ガス供給ノズルと酸化ガ
ス供給ノズルとが成膜室の周方向に交互に位置するよう
に配置したことを特徴とする。
ズマ成膜方法又はプラズマCVD装置によれば、原料ガ
スと酸化ガスとが成膜室の中央部で効率よく混合される
ことになる。このことは、均質な酸化膜の形成に有効で
あるとともに、気相中の水素と酸素との反応を効率よく
行わせることができることから、水素還元劣化の抑制に
も有効である。
の構成図である。
測定した結果を示すグラフである。
測定した結果を示すグラフである。
の残留分極を測定した結果を示すグラフである。
る前と後の強誘電体キャパシタの印加電圧に対する分極
を測定した結果を示すグラフである。
化を示すグラフである。
ある。
明図である。
ある。
説明図である。
ックの様子を示す説明図である。
Claims (13)
- 【請求項1】低圧環境下に供給された原料ガスと酸化ガ
スとに高周波パワーを印加し、これにより発生したプラ
ズマによる化学的な反応を利用して、基板上の強誘電体
素子の上に酸化膜を形成するプラズマ成膜方法におい
て、 成膜に必要な高周波パワー以上に、原料ガス中の還元ガ
スを十分に分離、分解する目的で1500W以上の高い
高周波パワーを印加し、更に原料ガスに対する酸化ガス
の質量流量比を3倍以上とすることにより原料ガスに対
する酸化ガスの量を前記酸化膜の形成に要する量よりも
多くして、この酸化ガスと、原料ガスの分解により生じ
る還元ガスとを反応させることにより、基板上の強誘電
体素子に対する前記還元ガスによる還元反応劣化を抑制
することを特徴とするプラズマ成膜方法。 - 【請求項2】請求項1に記載するプラズマ成膜方法にお
いて、 原料ガスと酸化ガスの総質量流量100SCCM当たり
に500W以上の高周波パワーを印加し、更に成膜温度
範囲を100℃〜300℃として、前記酸化膜を形成す
ることを特徴とするプラズマ成膜方法。 - 【請求項3】請求項1又は2に記載するプラズマ成膜方
法において、 前記高周波パワーの周波数を、400kHZ〜3GHZ
の範囲とすることを特徴とするプラズマ成膜方法。 - 【請求項4】請求項1,2又は3に記載するプラズマ成
膜方法において、 原料ガスはSiH4、酸化ガスはO2、酸化膜はSiO
Xであることを特徴とするプラズマ成膜方法。 - 【請求項5】請求項1,2又は3に記載するプラズマ成
膜方法において、 原料ガスはSiH4、酸化ガスはN2O、酸化膜はSi
OXNyであることを特徴とするプラズマ成膜方法。 - 【請求項6】低圧環境下に供給された原料ガスと酸化ガ
スとに1500W以上の高周波パワーを印加し、これに
より発生したプラズマによる化学的な反応を利用して、
基板上の強誘電体素子の上に酸化膜を形成するプラズマ
成膜方法であって、 基板側に+イオンを引き込む為の目的でバイアスを印加
することはせずに、基板上の強誘電体素子を覆う酸化膜
を形成して、この酸化膜を水素イオンアタックに対する
保護膜とする第1成膜工程と、この第1成膜工程で保護
膜を形成した後、基板側にスパッタエッチング用の+イ
オンを引き込む為の目的でバイアスを印加して、素子間
や配線間などの微小な隙間に酸化膜を埋め込む第2成膜
工程とを有することを特徴とするプラズマ成膜方法。 - 【請求項7】請求項6に記載するプラズマ成膜方法にお
いて、 前記第2成膜工程で酸化膜の埋め込みを行った後、基板
側に+イオンを引き込む為の目的でバイアスを印加する
ことはせずに、酸化膜を更に形成する第3成膜工程を有
することを特徴とするプラズマ成膜方法。 - 【請求項8】請求項6又は7に記載するプラズマ成膜方
法において、 前記保護膜の膜厚は500オングストローム以上とする
ことを特徴とするプラズマ成膜方法。 - 【請求項9】請求項6,7又は8に記載するプラズマ成
膜方法において、 請求項1,2又は3に記載する成膜条件に基づいて、前
記酸化膜を形成することを特徴とするプラズマ成膜方
法。 - 【請求項10】請求項6,7,8又は9に記載するプラ
ズマ成膜方法において、 原料ガスはSiH4、酸化ガスはO2、酸化膜はSiO
Xであることを特徴とするプラズマ成膜方法。 - 【請求項11】請求項6,7,8又は9に記載するプラ
ズマ成膜方法において、 原料ガスはSiH4、酸化ガスはN2O、酸化膜はSi
OXNyであることを特徴とするプラズマ成膜方法。 - 【請求項12】請求項1,2,3,4,5,6,7,
8,9,10又は11に記載するプラズマ成膜方法にお
いて、 給電アンテナにより成膜室上部から成膜室内に1500
W以上の高周波パワーを供給し、複数の原料ガス供給ノ
ズルと複数の酸化ガス供給ノズルとを、酸化ガス供給ノ
ズルが上になり原料ガス供給ノズルが下になるように配
置し、且つ、平面視において原料ガス供給ノズルと酸化
ガス供給ノズルとが成膜室の周方向に交互に位置するよ
うに配置して、原料ガスは前記原料ガス供給ノズルによ
って成膜室内に供給し、酸化ガスは前記酸化ガス供給ノ
ズルによって成膜室内に供給することを特徴とするプラ
ズマ成膜方法。 - 【請求項13】低圧環境下に供給された原料ガスと酸化
ガスとに高周波パワーを印加し、これにより発生したプ
ラズマによる化学的な反応を利用して、基板上の強誘電
体素子の上に酸化膜を形成するプラズマCDV装置であ
り、成膜室と、成膜室上部から成膜室内に1500W以
上の高周波パワーを供給する給電アンテナと、成膜室内
に原料ガスを供給するための複数の原料ガス供給ノズル
と、成膜室内に酸化ガスを供給するための複数の酸化ガ
ス供給ノズルとを備えたプラズマCVD装置であって、 原料ガス供給ノズルと酸化ガス供給ノズルとを、酸化ガ
ス供給ノズルが上になり原料ガス供給ノズルが下になる
ように配置し、且つ、平面視において原料ガス供給ノズ
ルと酸化ガス供給ノズルとが成膜室の周方向に交互に位
置するように配置したことを特徴とするプラズマCVD
装置。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2001105591A JP3482199B2 (ja) | 2001-04-04 | 2001-04-04 | プラズマ成膜方法及びプラズマcvd装置 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2001105591A JP3482199B2 (ja) | 2001-04-04 | 2001-04-04 | プラズマ成膜方法及びプラズマcvd装置 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
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