JP4052476B2 - ＳｉＮ薄膜の製造方法 - Google Patents

Description

本発明はＳｉＮ薄膜の製造方法に関する。

プラズマＣＶＤ装置は、図４に示すように、真空引きした密閉容器であるチャンバ１内にノズル２を介して原料ガスを供給するとともに、プラズマアンテナ３を介してＲＦ周波数の電磁波を入射し、原料ガスのプラズマ４を形成することにより基板であるウェハー５上に所定の薄膜６を形成する装置である。ここで、チャンバ１は、円筒状の筒部１ａと、この筒部１ａの上端部を閉塞してプラズマアンテナ３を載置している絶縁部である天井板１ｂとを有している。筒部１ａは通常Ａｌで形成してあり、天井板１ｂは通常Ａｌ₂Ｏ₃で形成してある。

一方、最近新たに開発された半導体素子としてＭＲＡＭ素子がある。このＭＲＡＭ（Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｒａｎｄｏｍ Ｍｅｍｏｒｙ）素子は強磁性スピネル接合のトンネル磁気抵抗効果を利用した高速不揮発メモリである。このＭＲＡＭ素子は、不揮発メモリ部に磁性材料を用いるとともに、制御部にトランジスタを形成しているので、熱、応力、水素により素子特性が大きな影響を受ける。また、ＭＲＡＭ素子の製造に際しては、前記不揮発性メモリ部分の磁性材料の特性を良好に維持するとともに形成したトランジスタに熱的な損傷を与えないようにするため、ウェハーの温度は３００°Ｃ以下で成膜するのが望ましい。

このため、一定の性能を有するＭＲＡＭ素子を安定に供給するには、低温、低水素で且つ適正にストレス制御された絶縁膜等の製造方法を確立することが肝要である。

なお、この種のプラズマＣＶＤ技術に関する公知技術として下記の特許文献１が存在する。

特開平９−４１１４７号公報

ＣＶＤ装置をＭＲＡＭ素子の製造に適用する場合、低温化を実現するには原料ガスとしてＳｉＨ₄ガスとＮＨ₃ガスを用いる必要がある（特開平５−６８９０号公報参照。）。この場合には、ＮＨ₃ガスが水素を含むため、Ｎ₂ガスを用いる場合に較べて低水素化に課題を残す。一方、Ｎ₂ガスを用いる場合は、成膜温度３００°Ｃ程度が必要になり、３００°以下の低温化が困難になる（特開平２０００−２０８５０９号公報参照。）。

したがって、従来技術においては、低温、低水素、適正なストレス制御を同時に実現し得るＳｉＮ薄膜を製造することができず、信頼性が高いＭＲＡＭ素子を量産することができなかった。

本発明は、上記従来技術に鑑み、高信頼性のＭＲＡＭ素子の製造に資することができ、低温、低水素、適正なストレス制御を同時に実現したＳｉＮ薄膜の製造方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成する本発明の構成は次の点を特徴とする。

１） チャンバの上端部を閉塞する絶縁部である平板状の天井板と、天井板の上部にプラズマアンテナとを設け、チャンバ側方の相対的なプラズマの近傍位置に設けられたＮ ₂ ガスを導入するノズルと、チャンバ側方の相対的なウェハーの近傍位置に設けられたＳｉＨ ₄ ガスを導入するノズルとを用いて原料ガスをチャンバ内に供給し、プラズマアンテナを用いＲＦ周波数の電磁波を密閉空間を形成するチャンバ内に入射することにより前記チャンバ内に供給された原料ガスをプラズマ化して前記チャンバ内に配設したウェハー上にＳｉＮ薄膜を形成するＳｉＮ薄膜の製造方法において、
原料ガスの総流量に対する前記電磁波を発生するＲＦパワーに対して形成されるＳｉＮ薄膜のストレスがリニアに変化する領域で所定のストレスになるように、原料ガスの総流量に対する前記電磁波を発生するＲＦパワーを１Ｗ／ｓｃｃｍ以上７Ｗ／ｓｃｃｍ以下に制御するとともに、ウェハー温度を５０°Ｃ〜３００°Ｃとしたこと。

上記構成の本発明によれば、次の様な効果を得る。
請求項１に記載する発明は、上記１）の如き構成を有するので、
図２に示すように、原料ガスの総流量に対するＲＦパワーに対して直線的にストレスが変化する領域を用いることができ、しかもウェハー温度も３００°Ｃ以下とすることができる。
この結果、所定の適正なストレスになるよう良好なストレス制御を実現しつつ、低温で水素含有量の少ない良質なＳｉＮ薄膜を得ることができる。
又、プラズマ雰囲気により近接しているＮ ₂ ガスの解離効率を向上させることができる。この結果ＳｉＮ薄膜の製造効率も向上する。

図１は、本発明の実施の形態に係るプラズマＣＶＤ装置を概念的に示す説明図である。同図に示すように、当該プラズマＣＶＤ装置は、真空引きした密閉空間であるチャンバ１１内にノズル１２、１３を介して原料ガスであるＮ₂ガスとＳｉＨ₄ガスとを供給するとともに、プラズマアンテナ１５を介してＲＦ周波数の電磁波を入射し、前記Ｎ₂ガスとＳｉＨ₄ガスとのプラズマ１６を形成することにより基板であるウェハー１７上にＳｉＮ薄膜を形成する装置である。

ここで、チャンバ１１は、円筒状の筒部１１ａと、この筒部１１ａの上端部を閉塞してプラズマアンテナ１５を載置している絶縁部である天井板１１ｂとを有しており、その内部が成膜室１４となっている。筒部１１ａはＡｌで形成してあり、天井板１１ｂはＡｌ₂Ｏ₃で形成してある。

ノズル１２、１３は、チャンバ１１の筒部１１ａの上部に配設してあり、流量調整器１８、１９でそれぞれ流量を調整したＮ₂ガスとＳｉＨ₄ガスとをチャンバ１１内に供給するようになっている。ここで、ノズル１２は、ノズル１３よりも筒部１１ａのより上方位置、換言すればプラズマアンテナ１５により近接した位置に配設してある。すなわち、ノズル１２は相対的にプラズマ１６の密度が高いチャンバ１１の上部に開口している。したがって、このノズル１２を介してチャンバ１１内に供給されるＮ₂ガスは、ノズル１３を介してチャンバ１１内に供給されるＳｉＨ₄ガスよりも高密度のプラズマ雰囲気で高効率で解離される。

前記プラズマアンテナ１５にはインピーダンスマッチングを行うための整合器２０を介してプラズマ発生用高周波電源（ＲＦ電源）２１が接続されている。このプラズマ発生用高周波電源２１からプラズマアンテナ１５へ高周波電力を供給することにより、プラズマアンテナ１５から天井板１１ｂを透過して成膜室１４内に電磁波２２を入射し、この電磁波２２のエネルギー（高周波パワー）によって成膜室１４内に供給するＮ₂ガスとＳｉＨ₄ガスとをプラズマ状態にする。このプラズマを利用してウェハー１７上にＳｉＮ薄膜を形成する。

成膜室１４にはウェハー１７を載置する静電チャック２３が配設してある。この静電チャック２３はウェハー１７を直接載置するための円盤状の部材であるテーブル２３ａを有しており、支持台２６を介して支持軸２９に支持されている。ここで、テーブル２３ａは、通常Ａｌ₂ Ｏ₃ やＡｌＮなどのセラミック材料（絶縁材料）で形成してある。

静電チャック２３のテーブル２３ａの内部には、ウェハー１７を静電的に吸着保持する静電チャック用電極２３ｂが埋設してある。この静電チャック用電極２３ｂには、ローパスフィルタ２４を介して可変電圧直流電源２４の出力電圧である所定の直流電圧が印加され、このことにより発生するウェハー１７と静電チャック用電極２３ｂとの間の電位差に基づくクーロン力によりウェハー１７を静電チャック２３のテーブル２３ａの表面に吸着する。

また、静電チャック２３を一体的に支持している支持台２６の内部には、ウェハー１７を所定の温度に保持するための加熱手段であるヒータ２７を埋設するとともに、冷却手段として冷媒を流通させるための冷媒通路２８を形成してある。ここで、ヒータ２７による加熱は、当該プラズマＣＶＤ装置による成膜工程の立ち上げ時においてウェハー１７の温度を所定の温度迄加熱する際に主に利用され、冷媒通路２８に冷媒を流通させての冷却は、成膜中のプラズマにより加熱されるウェハー１７の温度を所定の温度に維持する際に主に利用される。

昇降機構３０は、支持軸２９を介して静電チャック２３とともに支持台２６を成膜室１４内で昇降させるものである。このことによりプラズマ1６に対するウェハー１７の位置を任意に調整することができる。

制御部３１は、Ｎ₂ガスの流量、ＳｉＨ₄ガスの流量、ウェハー１７の温度及びチャンバ１１内に入射させるＲＦパワーを制御する。

さらに詳言すると、流量調整器１８、１９をそれぞれ制御することでＮ₂ガスの流量、ＳｉＨ₄ガスの流量をそれぞれ調整する。

ヒータ２７に供給する電流、冷媒通路２８に流通させる冷媒の流量及び可変電圧直流電源２５の出力電圧を調整することでウェハー１７の温度を制御する。ここで、可変電圧直流電源２５の出力電圧を変えた場合、この出力電圧に応じて静電チャック２３の静電チャック用電極２３ｂに印加される直流電圧が変化し、この結果静電チャック２３を介してウェハー１７をテーブル２３ａに吸引する吸引力が変化する。この吸引力を制御することによりテーブル２３ａを介してヒータ２７乃至冷媒通路２８を流通する冷媒からウェハー１７に伝達される熱量を制御することができ、このことによりウェハー１７の温度を制御することができる。したがって、製膜中は、一般に、静電チャック用電極２３ｂに対する印加電圧を高くして吸引力を強くし、冷媒通路２８を流通する冷媒の冷却効果により所定の低温に維持する。

また、プラズマ発生用高周波電源２１の出力電力を調整することでチャンバ１１内に入射させるＲＦパワーを制御する。

ここで制御部３１は、原料ガスであるＳｉＨ₄ガスとＮ₂ガスの総流量に対する電磁波を発生するＲＦパワー又はＳｉＨ₄ガスとＮ₂ガスとの流量比に対して形成されるＳｉＮ薄膜のストレスがリニアに変化する領域で、この場合の生成薄膜であるＳｉＮ薄膜に要求されるストレスになるように前記ＲＦパワー又は流量比を制御するとともに、ウェハー１７の温度が５０°Ｃ〜３００°Ｃとなるように前記プラズマ発生用高周波電源（ＲＦ電源）２１又は前記流量調整器１８、１９を制御する。

かかる本形態のプラズマＣＶＤ装置においては、まず、制御部３１で駆動機構３０を制御して支持台２６を昇降させ、ウェハー１７の成膜室１４内での位置を調整する。このときの適正位置は、生成するＳｉＮのサイズ、電気的特性、成膜速度等を考慮して予め定めておく。すなわち、生成薄膜であるＳｉＮ薄膜に対する悪影響を及ぼさない範囲で、プラズマの拡散による成膜効率の悪化を最小限度に抑えるべく、可及的にプラズマ１６の雰囲気に近接させる。ちなみに、プラズマからの距離が離れれば離れるほど、プラズマが拡散してしまい、その分成膜効率は悪化する。これに対し、ウェハー１７がプラズマに近づきすぎるとその荷電粒子により、この場合の生成薄膜であるＳｉＮ薄膜がチャージアップダメージと呼ばれる損傷を受け、ＳｉＮ薄膜の絶縁劣化等の特性の変化を生起してしまう。

次に、制御部３１でプラズマ発生用高周波電源２１又は流量調整器１８、１９を制御してＲＦパワー又はＳｉＨ₄ガスとＮ₂ガスとの流量比に対して生成膜であるＳｉＮ薄膜のストレスが直線的に変化する領域で、所定の適正なストレスになるように成膜条件を調整する。同時に、ヒータ２７、冷媒通路２８を流通する冷媒量及び静電チャック用電極２３ｂに印加する直流電圧を調整してウェハー１７が５０°Ｃ〜３００°Ｃとなるように制御する。

この結果、所定の適正なストレスになるよう良好なストレス制御を実現しつつ、低温で水素含有量の少ない良質なＳｉＮ薄膜を得ることができる。

また、上記プラズマＣＶＤ装置では、Ｎ₂ガスを供給するノズル１８が相対的にプラズマ密度が高いチャンバ１１の上部に開口しているので、Ｎ₂ガスの解離が良好に促進され、良好な製膜速度の維持も図ることができる。

上述の如く、制御部３１は、原料ガスであるＳｉＨ₄ガスとＮ₂ガスの総流量に対する電磁波を発生するＲＦパワー又はＳｉＨ₄ガスとＮ₂ガスとの流量比に対して形成されるＳｉＮ薄膜のストレスがリニアに変化する領域で、この場合の生成薄膜であるＳｉＮ薄膜に要求されるストレスになるように前記ＲＦパワー又は流量比を制御するが、これらの好適な数値範囲に関して実施例１、２に基づき説明しておく。

制御部３１は、原料ガスの総流量に対するＲＦパワーが７Ｗ／ｓｃｃｍ以下になるようにＮプラズマ発生用高周波電源２１を制御する。

本実施例によれば、図２に示すように、ＲＦパワーにより直線的にＳｉＮ薄膜のストレスが変化する領域を用いることができる。この結果、良好なストレス制御を実現することができる。

制御部３１は、ＳｉＨ₄／（ＳｉＨ₄＋Ｎ₂）である各原料ガスの流量比が０．３３〜０．０３６となるように各流量調整器１８、１９を制御する。

本実施例によれば、図３に示すように、流量比を調整することで直線的にストレスが変化する領域を用いることができる。この結果、良好なストレス制御を実現することができる。

なお、上記実施の形態では、ノズル１８、１９はチャンバ１１の上下に偏位させて配設したが必ずしてもこのような配置とする必要はない。ただ、当該実施の形態のような位置関係とすることによりＮ₂ガスのプラズマ１６による解離を促進し、その分製膜速度が速くなるという効果はある。また、支持台２６を昇降させる昇降機構３０も必ずしも必要なものではない。ただ、昇降機構３０を備えることで成膜条件が変化した場合等にも、迅速且つ適切にウェハー１７を最適位置に占位させることができるという効果はある。

本発明はＭＲＡＭ素子に適用するＳｉＮ薄膜を製造する産業分野で利用可能性を有するものである。

本発明の実施の形態に係る半導体薄膜の製造装置を概念的に示す説明図である。 図１に示す製造装置においてＳｉＮを薄膜を形成する場合のＲＦパワーとストレスとの関係を示すグラフである。 図１に示す製造装置においてＳｉＮを薄膜を形成する場合のガス流量とストレスとの関係を示すグラフである。 従来技術に係るプラズマ処理装置の主要部を抽出して概念的に示す説明図である。

符号の説明

１１ チャンバ
１２、１３ ノズル
１５ プラズマアンテナ
１６ プラズマ
１７ ウェハー
１８、１９ 流量調整器
２１ 高周波電源
２２ 電磁波
２３ 静電チャック
２３ａ テーブル
２３ｂ 静電チャック用電極
２５ 可変電圧直流電源
２６ 支持台
２７ ヒータ
２８ 冷媒通路
２９ 支持軸
３０ 昇降機構
３１ 制御部

Claims (1)

1. チャンバの上端部を閉塞する絶縁部である平板状の天井板と、天井板の上部にプラズマアンテナとを設け、チャンバ側方の相対的なプラズマの近傍位置に設けられたＮ ₂ ガスを導入するノズルと、チャンバ側方の相対的なウェハーの近傍位置に設けられたＳｉＨ ₄ ガスを導入するノズルとを用いて原料ガスをチャンバ内に供給し、プラズマアンテナを用いＲＦ周波数の電磁波を密閉空間を形成するチャンバ内に入射することにより前記チャンバ内に供給された原料ガスをプラズマ化して前記チャンバ内に配設したウェハー上にＳｉＮ薄膜を形成するＳｉＮ薄膜の製造方法において、
   原料ガスの総流量に対する前記電磁波を発生するＲＦパワーに対して形成されるＳｉＮ薄膜のストレスがリニアに変化する領域で所定のストレスになるように、原料ガスの総流量に対する前記電磁波を発生するＲＦパワーを１Ｗ／ｓｃｃｍ以上７Ｗ／ｓｃｃｍ以下に制御するとともに、ウェハー温度を５０°Ｃ〜３００°Ｃとしたことを特徴とするＳｉＮ薄膜の製造方法。

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