JP3836032B2 - プラズマcvd装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、アモルファスシリコン太陽電池、薄膜トランジスタ、光センサ等の各種半導体デバイスの膜形成に用いられるプラズマCVD(Chemical Vapor Deposition)装置に関するものであり、成膜時の水素還元劣化を抑制することができるプラズマCVD装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
従来より、半導体デバイスの製造工程では、プラズマ気相励起を利用して半導体ウェーハに絶縁膜等の薄膜を形成するためのプラズマCVD装置が用いられている。このプラズマCVD装置は、薄膜を構成する元素からなる原料ガスを半導体ウェーハ上に供給し、気相または半導体ウェーハ表面での化学反応により所望の薄膜を形成させる装置である。ガス分子を励起させるには、プラズマ放電が用いられる。
【0003】
図4は、従来のプラズマCVD装置の構成を示す図である。この図において、反応容器10は、内部を真空状態として、12インチ径の半導体ウェーハ19に絶縁膜を成膜するための容器である。反応容器10の内側面には、Arガスを放出するためのノズル11、O2ガスを放出するためのノズル12、上述した原料ガスとしてのSiH4ガスを放出するためのノズル13がそれぞれ設けられている。
【0004】
RF電極14は、反応容器10の上部に設けられており、高周波電源15に接続されている。このRF電極14は、SiOxを半導体ウェーハ19に蒸着させるための高周波の電界を発生させるためのものである。図5(a)に示したように、上記蒸着時には、半導体ウェーハ19に形成された配線19aを覆うように絶縁膜19bが成膜される。ただし、この時点では、配線19aの隙間には、絶縁膜19bが完全に至らない。図5(a)において、RF入力は、RF電極14による高周波入力である。また、RF電極14のRFパワーは、例えば、3kWとされている。
【0005】
支持台16は、反応容器10の内部に配設されており、静電気力により、半導体ウェーハ19を支持するものである。バイアス電極17は、RF電極14と対向するように支持台16に埋設されており、高周波電源18に接続されている。
【0006】
上記バイアス電極17は、イオン化されたAr+ を半導体ウェーハ19に引き込むためのバイアスを印加するものである。上記イオン化されたAr+ は、配線19aの上部コーナ部に堆積した絶縁膜19bをエッチングする。従って、この場合には、常に配線19aの隙間上部が開口されるため、配線19a間の隙間への絶縁膜19bの蒸着が隙間無く可能とされている。図5(b)において、LF入力は、バイアス電極17によるバイアス入力である。バイアス電極17のバイアスパワーは、例えば、1kWである。
【0007】
上記構成において、図6に示した「B」、「C」および「E」からわかるように、ノズル11、ノズル12およびノズル13からは、常にArガス、O2ガスおよびSiH4ガスが反応容器10内に放出されている。同様にして、RF電極14およびバイアス電極17には、高周波電源15および高周波電源18が常に接続されている。すなわち、図6に示した「A」および「D」からわかるように、RF入力(高周波入力)およびLF入力(バイアス入力)の状態とされている。従って、反応容器10内では、RF入力による蒸着と、LF入力によるスパッタとが同時に行われている。
【0008】
すなわち、図5(b)に示したようにSiH4 からなる絶縁膜19bが半導体ウェーハ19の表面に蒸着されるとともに、半導体ウェーハ19側にAr+が引き込まれるというスパッタが行われている。このスパッタにより、余分な絶縁膜19bが削られるとともに、配線19aの隙間に絶縁膜19bがゆきわたる。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、前述したように、従来のプラズマCVD装置では、図4に示したバイアス電極17のバイアス印加により、Ar+を半導体ウェーハ19に引き込んでいる。しかしながら、バイアス印加時には、反応容器10内に存在する水素も半導体ウェーハ19に引き込んでしまう。図7(a)は、バイアスOFF時の元素質量数と電流値(引き込み量)との関係を表す図であり、図7(b)は、バイアスON時の元素質量数と電流値(引き込み量)との関係を表す図である。元素質量数=2は、水素分子(H2)に対応している。
【0010】
これらの図からわかるように、バイアスOFF時とバイアスON時とでは、半導体ウェーハ19に引き込まれる水素量が急増する。この場合、半導体ウェーハ19では、水素還元劣化が生じ、デバイス特性に悪影響が出る。特に、半導体ウェーハ19が強誘電体材料である場合には、図8に示したように半導体ウェーハ19(半導体デバイス)におけるP(分極)−V(印加電圧)特性が悪化する。すなわち、成膜前では、きれいな成膜前ヒステリシスループ30を描くのに対して、成膜後では、くずれた成膜後ヒステリシスループ31を描く。
【0011】
本発明は、上記に鑑みてなされたもので、半導体ウェーハにおける成膜時の水素還元劣化を抑制することができるプラズマCVD装置を提供することを目的とする。
【0012】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項1にかかる発明は、半導体ウェーハに薄膜を成膜するための反応容器と、前記反応容器内に高周波の電界を発生させるためのRF入力手段と、前記高周波の出力を一定に制御するRF制御手段と、前記半導体ウェーハに対して、スパッタ用の高周波バイアスを印加する高周波バイアス手段と、前記高周波バイアスのオン/オフを制御する高周波バイアス制御手段と、Arガスを前記反応容器内へ常に供給するArガスのガス供給手段と、O 2 ガスを前記反応容器内へ供給するO 2 ガスのガス供給手段と、前記Arガス及びO 2 ガスを前記反応容器内へ常に供給するArガス及びO 2 ガスのガス供給制御手段と、水素を含むガスを前記反応容器内へ供給する水素を含むガスのガス供給手段と、前記高周波バイアス制御手段の制御論理と逆の制御論理で前記ガスの供給のオン/オフを制御する水素を含むガスのガス供給制御手段と、を備えてなると共に、前記水素を含むガスの供給を停止している間に前記スパッタ用の高周波バイアスを半導体ウェーハに印加することを特徴とする。
【0013】
この発明によれば、水素を含むガスの供給が停止されている間に、高周波バイアスによるスパッタが行われるため、本来不要な水素を半導体ウェーハに引き込む割合が激減し、半導体ウェーハにおける成膜時の水素還元劣化を抑制することができる。
【0014】
また、請求項2にかかる発明は、請求項1に記載のプラズマCVD装置において、前記高周波バイアス制御手段は、所定時間間隔をおいてオン状態とオフ状態とが繰り返される高周波バイアス制御信号に基づいて制御を行い、前記ガス供給制御手段は、前記高周波バイアス制御信号に対して反転関係にあるガス供給制御信号に基づいて制御を行うことを特徴とする。
【0015】
この発明によれば、水素を含むガスの供給が停止されている間に、高周波バイアスによるスパッタが行われるため、本来不要な水素を半導体ウェーハに引き込む割合が激減し、半導体ウェーハにおける成膜時の水素還元劣化を抑制することができる。
【0016】
また、請求項3にかかる発明は、請求項2に記載のプラズマCVD装置において、前記高周波バイアス制御信号および前記ガス供給制御信号のスイッチング周期、デューティー比を調整する調整手段を備えたことを特徴とする。
【0017】
この発明によれば、高周波バイアス制御信号およびガス供給制御信号のスイッチング周期、デューティー比を調整するようにしたので、半導体ウェーハの状態に応じて、蒸着時間、スパッタ時間をきめ細かく制御することができる。
【0018】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明にかかるプラズマCVD装置の一実施の形態について詳細に説明する。
【0019】
図1は、本発明にかかる一実施の形態の構成を示す図である。この図において、図4の各部に対応する部分には同一の符号を付ける。図1では、流量制御器100、流量制御器101、スイッチング素子102、制御回路103が新たに設けられている。
【0020】
流量制御器100は、制御回路103からのO2ガス流量制御信号S1(図2(b)参照)に基づいて、ノズル12から放出されるO2ガスの流量をオン/オフするものである。図2(b)に示したO2ガス流量制御信号S1は、所定時間をおいてオン/オフとが繰り返される信号である。
【0021】
流量制御器101は、制御回路103からのSiH4ガス流量制御信号S2(図2(c)参照)に基づいて、ノズル13から放出されるSiH4ガスの流量をオン/オフするものである。図2(c)に示したSiH4ガス流量制御信号S2は、O2ガス流量制御信号S1に同期しており、所定時間をおいてオン/オフとが繰り返される信号である。
【0022】
スイッチング素子102は、バイアス電極17と高周波電源18との間に介挿されており、制御回路103からのバイアス制御信号S3(図2(d)参照)に基づいて、オン/オフ制御される。図2(d)に示したバイアス制御信号S3は、O2ガス流量制御信号S1(図2(b)参照)およびSiH4ガス流量制御信号S2(図2(c)参照)に対して反転関係にある信号である。制御回路103は、上述したO2ガス流量制御信号S1、SiH4ガス流量制御信号S2およびバイアス制御信号S3を出力し、流量制御およびバイアス制御を行う。
【0023】
上記構成において、図2(a)に示した「B」からわかるように、ノズル11からは、常にArガスが反応容器10内に放出されている。同様にして、RF電極14には、図2(a)に示した「A」からわかるように、高周波電源15が常に接続されている。
【0024】
図2(b)〜図2(c)に示した時刻t0 〜t1 (例えば、20sec)までの間では、O2ガス流量制御信号S1およびSiH4ガス流量制御信号S2がONとされる。従って、この場合は、ノズル12およびノズル13からは、O2ガスおよびSiH4ガスが反応容器10内に放出される。これにより、SiH4 からなる絶縁膜が半導体ウェーハ19の表面に蒸着される。
【0025】
一方、図2(d)に示した時刻t0 〜t1 までの間では、バイアス制御信号S3がOFFとされる。従って、この場合、バイアス電極17によるバイアスがOFFにされるため、スパッタが行われない。
【0026】
つぎの時刻t1 〜t2 までの間では、O2ガス流量制御信号S1およびSiH4ガス流量制御信号S2がONからOFFにされるため、ノズル12およびノズル13からのO2ガスおよびSiH4ガスの放出が停止される。従って、この場合には、半導体ウェーハ19には、絶縁膜が蒸着がされない。
【0027】
一方、時刻t1 〜t2 までの間では、バイアス制御信号S3がOFFからONとされる。従って、この場合、バイアス電極17によるバイアスがONにされるため、Ar+ を半導体ウェーハ19に引き込むというスパッタが行われる。なお、この場合には、水素を含むSiH4 等が反応容器10に供給されないため、半導体ウェーハ19に不要な水素の引き込みが抑制される。以後、上述した蒸着とスパッタとが所定時間間隔をおいて交互に繰り返される。
【0028】
図3は、一実施の形態における半導体ウェーハ19のP−V特性を示す図である。この図からわかるように、成膜前と成膜後とでは、いずれも、きれいな成膜前ヒステリシスループ200および成膜後ヒステリシスループ201を描く。これは、一実施の形態において半導体ウェーハ19に引き込まれる水素の量が激減していることを表している。
【0029】
以上説明したように、一実施の形態によれば、水素を含むSiH4ガスの供給が停止されている間に、バイアスによるスパッタが行われるため、本来不要な水素を半導体ウェーハ19に引き込む割合が激減し、半導体ウェーハ19における成膜時の水素還元劣化を抑制することができる。
【0030】
なお、一実施の形態では、制御回路103により、O2ガス流量制御信号S1、SiH4ガス流量制御信号S2およびバイアス制御信号S3のスイッチング周波数、デューティー比を調整できるようにしてもよい。この場合には、半導体ウェーハの状態に応じて、蒸着時間、スパッタ時間をきめ細かく制御することができる。また、一実施の形態では、O2ガスの放出をオン/オフ制御する例について説明したが、理想的にはO2ガス自体に水素が含まれていないため連続的に放出するようにしてもよい。
【0031】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項1、2にかかる発明によれば、水素を含むガスの供給が停止されている間に、高周波バイアスによるスパッタが行われるため、本来不要な水素を半導体ウェーハに引き込む割合が激減し、半導体ウェーハにおける成膜時の水素還元劣化を抑制することができるという効果を奏する。
【0032】
また、請求項3にかかる発明によれば、高周波バイアス制御信号およびガス供給制御信号のスイッチング周期、デューティー比を調整するようにしたので、半導体ウェーハの状態に応じて、蒸着時間、スパッタ時間をきめ細かく制御することができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明にかかる一実施の形態の構成を示す図である。
【図2】同一実施の形態における各種ガス出力、RF入力、LF入力を説明するタイミング図である。
【図3】同一実施の形態におけるP−V特性を示す図である。
【図4】従来のプラズマCVD装置の構成を示す図である。
【図5】従来のプラズマCVD装置における成膜を説明する図である。
【図6】従来のプラズマCVD装置における各種ガス出力、RF入力、LF入力を説明するタイミング図である。
【図7】従来のプラズマCVD装置における問題点を説明する図である。
【図8】従来のプラズマCVD装置におけるP−V特性を示す図である。
【符号の説明】
17 バイアス電極
18 高周波電源
19 半導体ウェーハ
100 流量制御器
101 流量制御器
102 スイッチング素子
103 制御回路
Claims (3)
- 半導体ウェーハに薄膜を成膜するための反応容器と、
前記反応容器内に高周波の電界を発生させるためのRF入力手段と、
前記高周波の出力を一定に制御するRF制御手段と、
前記半導体ウェーハに対して、スパッタ用の高周波バイアスを印加する高周波バイアス手段と、
前記高周波バイアスのオン/オフを制御する高周波バイアス制御手段と、
Arガスを前記反応容器内へ常に供給するArガスのガス供給手段と、
O 2 ガスを前記反応容器内へ供給するO 2 ガスのガス供給手段と、
前記Arガス及びO 2 ガスを前記反応容器内へ常に供給するArガス及びO 2 ガスのガス供給制御手段と、
水素を含むガスを前記反応容器内へ供給する水素を含むガスのガス供給手段と、
前記高周波バイアス制御手段の制御論理と逆の制御論理で前記ガスの供給のオン/オフを制御する水素を含むガスのガス供給制御手段と、
を備えてなると共に、
前記水素を含むガスの供給を停止している間に前記スパッタ用の高周波バイアスを半導体ウェーハに印加することを特徴とするプラズマCVD装置。 - 前記高周波バイアス制御手段は、所定時間間隔をおいてオン状態とオフ状態とが繰り返される高周波バイアス制御信号に基づいて制御を行い、前記ガス供給制御手段は、前記高周波バイアス制御信号に対して反転関係にあるガス供給制御信号に基づいて制御を行うことを特徴とする請求項1に記載のプラズマCVD装置。
- 前記高周波バイアス制御信号および前記ガス供給制御信号のスイッチング周期、デューティー比を調整する調整手段を備えたことを特徴とする請求項2に記載のプラズマCVD装置。
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