JPH03120822A - 半導体装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［概要］ μ波プラズマＣＶＤによる薄膜成長工程を有する半導体
装置の製造方法に関し、 低温μ波プロセスの問題点である薄膜剥離の開閉を解決
し高信頼プロセスおよび高生産性を確立することを目的
とし、 μ波プラズマＣＶＤ成長装置内にて、Ｎ２゜ＮｚＯ，Ｎ
Ｈｉ、　Ａｒ、　ｏ２．　ＰＨ３，）ＩｅおよびＢ２Ｈ
−の１種以上のμ波プラズマによるドライ前処理を行な
い、その後薄膜成長を行なうように構成する。

［産業上の利用分野Ｊ 本発明は半導体装置の製造方法に関するものであり、さ
らに詳しく述べるならば、μ波プラズマＣＶＤによる成
膜工程を有する半導体装置の製造方法に関するものであ
る。

［従来の技術］ 古くから、半導体デバイスの配線層の絶縁膜や保護膜の
成膜に高周波放電プラズマを利用したＣＶＤが使用され
てきた。

プラズマＣＶＤでは、低温プラズマ中で活性な化学種（
励起状態の原子および分子）、イオン、ラジカルを作り
、その反応性を利用して薄膜を形成する。最も一般的な
プラズマＣＶＤ装置は、平行平板の電極間に高周波電圧
を印加する方式である。周波数は５０ｋＨｚから１３．
５６　Ｍ　Ｈｚまで各種ある。

しかしデバイスの微細化にともない、ＣＶＤプロセスが
配線に与える熱ストレスやプラズマの損傷が問題視され
るようになってくると、損傷を抑止する技術として、マ
イクロ波プラズマやＥＣＲ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ　Ｃｙｃ
ｌｏｔｒｏｎ　Ｒｅ５ｏｎａｎｃｅ；電子サイクロトロ
ン共鳴）プラズマを利用したＣＶＤ技術が注目され始め
た。

マイクロ波プラズマＣＶＤとＥＣＲプラズマＣＶＤ装置
の間には、構成上の大きな違いはない。第２図はＥＣＲ
プラズマＣＶＤ装置の概略図である。

図中、ｌはＮ２などのプラズマ原料ガス導入管、２は冷
却水導入管、３は矩形導波管、４はマグネットコイル、
５は５ＩＨ４などの原料ガス導入管、６はプラズマ取出
し窓、７は真空に吸引されているプラズマ反応室、８は
プラズマチャンバー　９はプラズマ流、１０はウェハー
である。

基本的な装置構成はマイクロ波（２，４５ＧＨｚ）を輸
送するための矩形導波管３とプラズマを形成するための
プラズマチャンバー８（プラズマ生成室）、Ｎプラズマ
と５ＩＨ４を反応させて基板上で成膜させるためのプラ
ズマ反応室７である。

ＥＣＲプラズマＣＶＤ装置の場合はプラズマチャンバー
８は空洞共振器となり、その周囲にはＥＣＲ条件を満た
すためのマグネットコイル４が配置されている。

具体的な装置構成要素の関連を示すと次の（イ）〜（へ
）の如くなる。

（イ）μ波発生手段 （ロ）該μ波の伝達手段３ （ハ）該μ波の伝達手段（ロ）と結合されて前記μ波が
導入されるとともに、下記励起用ソレノイド（ニ）を供
えまたは供えることなく共鳴効果をおよぼす共振器を構
成するプラズマチャンバー（ニ）ガス供給手段１を介入
して導入されたガスを前記μ波との共鳴効果により、プ
ラズマ化して活性な原子・分子またはイオンを生せしめ
るための磁力線を発生する励起用ソレノイド４（但し、
プラズマチャンバー８の軸線が該ソレノイドが生じる磁
力線束の中心軸と一致する） （ホ）プラズマチャンバー（ハ）のプラズマ取出窓６（
但し、その中心軸は前記プラズマチャンバー８の軸線と
一致する）を介してプラズマチャンバー（ハ）と連通さ
れ取出窓６から磁力線にそって流出するもしくは、セル
フバイアスによりてエネルギ制御された活性種、 （へ）原子・分子・イオン等により表面に成膜が施され
るウェハーが配置されるプラズマ反応室（ト）前記バイ
アスを印加することが必要な場合はＲＦ発生手段 以下、ＥＣＲ条件につき説明する。

−Ｍに静磁場中を運動する電子はローレンツ力を受は回
転運動を行う。この運動の周波数とマイクロ波の周波数
２．４５Ｇ　Ｈｚを一致させたとき、共鳴吸収が起こり
マイクロ波エネルギーが電子の運動に効率よく吸収され
る。このＥＣＲ現象を利用して共振器内のＮ、、　５Ｉ
８４などのガスを効率よくイオン化させることで比較的
高真空でも高密度のプラズマを発生させることができる
。］ｌ、ＣＲ条件は次のように表すことができる。

ω＝ω。・・・・・（１１ ω：マイクロ波の角周波数 ω。：電子サイクロトロン角周波数 ω。＝　ｅ　Ｂ　／　ｍ・・・・・・（２）ｅ：電子の
電荷量 ｍ：電子の質量 Ｂ：共鳴条件の磁束密度 ＥＣＲプラズマ中で回転運動する共鳴電子は反磁性的効
果を示し、発散磁界と相互作用しながら、その磁力線に
沿って加速される。プラズマが準中性であるため、電子
およびイオンは磁界中で等しい加速度をもち、電子とと
もにイオンも磁界の外に加速されて、基板にプラズマ流
として入射する。

イオンの平均運動エネルギーが１Ｏ−３０ｅＶと低いこ
と、プラズマ密度が高いことがＥＣＲプラズマの特長で
ある。

μ波プラズマＣＶＤにおいては、原料ガス導入管５から
プラズマ反応室７にシラン系のガス（ｓｔＨ４，ｓｉ！
Ｌ等）を導入し、Ｎ２．　ＮＨ，あるいは０２のＥＣＲ
プラズマ流９をウェハー１０にあてると、ウェハー１０
上にＳｉＮ膜あるいは５ｉｆｔ膜が、特別な加熱なしで
成長する。その際マイクロ波は連続発振またはパルス発
振される。

［発明が解決しようとする課題］ μ波ＣＶＤにより低温での成膜が可能になった。一方、
デバイスの高集積化にともないウェハー表面および前工
程における水分等のコンタミなどの影響が太き（なり、
ＣＶＤ膜の剥離現象等が発生する割合が多くなっており
、特に低温Ｃ■Ｄプロセスでは下記理由により剥離現象
が極めて起こり易（なった。更に、界面状態の制御をす
る必要がある。

ＣＶＤ成膜においては、ＣＶＤ膜の下地に存在すること
が多い５ｉＯｚ、　ＰＳＧ　、ＢＰＳＧ、ＳＯＧはいず
れも吸湿性の物質であるため多量の水を含んでいる。低
温ＣＶＤプロセスでは下地膜からの水の蒸発が少ないた
め、吸湿性の下地物質とＣＶＤ膜との界面における密着
性が悪くなる。またＣＶＤ後のアニール工程で下地膜か
らの水の蒸発が起こるために、ＣＶＤ膜は容易に剥離に
至る。それ故、ＣＶＤ膜が剥離し易いことは低温プロセ
ス故の根本的問題点である。

従来、ＭＯ３ＬＳＩのＳｉＮ保護膜（成長温度３００〜
４００℃）やＰＳＧ　（成長温度３００〜４００℃）な
どについてプラズマＣＶＤの製造技術が確立されてきた
が、半導体デバイス製造工程において出来つるだけ低温
プロセス（２５０°Ｃ以下、特に２００℃以下）が将来
必須になって（る中で上記問題点を避けて通ることはで
きない。

従来のμ被プラズマプロセスにおいては上記のような低
温ＣＶＤプロセスにおいて、膜剥離をもたらす水分等の
外気性図（コンタミと称する）等による紮ダメージがな
い低温で行う技術的考案が成されていなかった。すなわ
ち、２５０℃以上の高温μ波ＣＶＤプロセスではコンタ
ミの除去は可能であるが、ＡＩ配線等にダメージが生じ
、また高エネルギイオンビームによりコンタミを除去す
ることは可能であるが、デバイスにダメージが生じる。

本発明は、低温μ波プロセスの問題点である薄膜剥離の
問題を解決し高信頼プロセスおよび高生産性を確立する
ことを目的とする。

［課題を解決するための手段］ 本発明は、μ被プラズマＣＶＤ成長装置内において、Ｎ
２．　Ｎ２０．　ＮＨ３，Ａｒ、　０２．　ＰＨ３，Ｈ
ｅ、　Ｂ２ＨＩｌの１種以上のμ被プラズマによるドラ
イ前処理を１ｎ−ｓｉｔｕで行なうことを特徴とする。

以下、本発明の構成を詳しく説明する。

本発明の第一の特徴は１ｒｒｓｉｔｕ　　（成膜を行う
μ波ＣＶＤ装置の中で）ドライ前処理を行なうことによ
り、μ波プロセスの特長である低温で活性なプラズマを
利用してコンタミを及び界面状態の制御を行うものであ
る。本発明者はμ波ＣＶＤ中にＳｉＯ□等の下地膜から
放出されるＨｉＯのそれぞれ第１回、第２回ピークを測
定したところ、約１３０℃〜１５０°Ｃ１２００℃〜２
５０℃にてＮ２０のピークが認められ、コンタミの低温
除去がＵ被プラズマにより可能であることを確認した。

本発明の第二の特徴は、プラズマ化されるガスとして、
Ｎ２．　Ｎｚ０．　ＮＬ、　Ａｒ、　０．　ＰＨ３，Ｈ
ｅ。

ＢＪａなどを使用するところにある。これらのガスは、
専らコンタミの除去に有効であるが、■２などｐように
残存ガスがＣＶＤ膜中に多量取込まれることや、５ｉＨ
４（成長ソースガス）などのように嘆形成を招く、ある
いはハロゲン、ＣＯ２のように汚染物質によるなどの不
所望の結果を招かないために、本発明においては上記し
た特定のガスを用いることにした。

以下、ＳｉＮ、　ＳｉＯ□、　ＰＳＧ膜成長プロセスに
おけるドライ前処理を説明する。

５ｉＮｌｌｉＣＶＤにおいて用いるソースガスは主に５
ｉＨ４−Ｎｚである。まず、試料をプラズマ反応室に配
置し、Ａｒ、０２．ＮＨ，ＮｚＯ，Ｎｚ、好ましくはＮ
２もしくはＮＨ，のμ被プラズマで前処理を行う。ここ
で表面処理を行うμ波パワー等の設定は成長時の設定と
同じにするのが適切である。

更に前処理時間については６０　ｓｅｃ、以上は必要で
ある。これはμ波パワー１ｎ−ｐｕｔから基板温度上昇
に要する時間が６０ｓｅｃ以上費やされることによる。

ＳｉＨの成長においては、Ｎ２又はＮＨｓのプラズマと
反応するようにＳｉＨ４を導入することにより、前処理
から中断なく連続して薄膜成長プロセスに移行すること
が可能となる。酸化膜ＳｉＯ□成長に際しては殊に０２
又はＮＪが望ましい。

ス印加型とすることが好ましい。

酸化膜（ＳｉＯ□）成長の場合は、Ａｒ、　０□。

Ｎ２０．好ましくは０２にて前処理を行なう。窒素酸化
膜（，５ｉＯＮ）成長の場合はＮ２．ＮＨ，にて前処理
を行なう。

ＰＳＧ膜成長の場合は、Ａｒ、　ｏ２　、　ＰＨ３、Ｎ
２０、好ましくはＰＨ，または０２で前処理を行なう。

ＢＰＳＧ膜成長の場合は、Ａｒ、Ｏｘ、ＢＨｉ、Ｎｚ０
１好ましくはＢＨ３または０２で前処理を行なう。

［作用］ 上記した特定ガスのμ被プラズマによるドライ前処理を
行なうことによって、前工程における水分等のコンタミ
を洗浄し、ダメージレスで除去することが可能になり、
更に界面状態を制御する結果となり、安定な低温プロセ
スを可能とする。

従来のＲＦプラズマＣＶＤではダメージが生じウェハー
表面を著しく損傷してしまうが、μ波の場合入力パワー
のパルス制御により適正な値にイオンの入射エネルギを
制御することが可能なことから従来のようなダメージを
生ぜずに、ウェハー表面を活性化することができ、より
密着性の向上につながり、プロセスの安定化が保証され
る。　　以下、ＳｉＮ形成の実施例によりさらに詳しく
本発明を説明する。

［実施例］ 第１図、第４図に示すような条件でドライ前処理を行な
い、続いてＳｉＨ，とＮ２ガスを用いＳｉＮ膜１膜上５
成する。

第１図の横軸はプロセス時間であり、縦軸はプラズマ密
度あるいはこれを決定するソレノイドのパワーおよび／
またはガス流量（前処理プロセスではＮ２ガス、ＳｉＮ
成長プロセスではＳｉＨ４＋Ｎ＊ガスのそれぞれの流量
）である。図中、０から１＋の時間ではＮ２ガスが基準
（最大）流量に達し゛かつパワーも最大になる（すなわ
ち、プラズマＯＮの状態になる）。１．からｔ２ではＮ
２ガスのプラズマにより、ウェハーの前処理が行なわれ
かつウェハーの温度Ｔｗ（第４図）は最高値（一定値）
を維持する。

ウェハーの温度はｔｌまでの期間中上昇し、安定したウ
ェハー温度Ｔｗは、水冷の流量などにより制御される。

Ｔｗは１５０〜２５０℃が好ましい。Ｔｗ＜１５０℃で
あると、Ｔｗが水の離脱温度（１３０〜１５０℃）との
差がな（なり、好ましくない。一方、Ｔｗ＞２５０℃で
は低温プロセスのメリットを期待し難い。ｔｌ−ｔａは
（ドライ前処理時間）約６０秒以上が必要である。ｔ２
〜ｔ、の時間は前処理と成長の中間の期間であり、必ず
しも必要ではない（すなわち、ｔ２＝ｔ３でもよい）が
、設けることがＣＶＤ条件を安定させるうえで便利であ
る。この期間ではプラズマはＯＮでもＯＦＦでも何れも
よい。ｔ３において５ＩＨ４を導入し、プラズマＮと反
応させ、ＳｉＮの成長を行なう。

第３図に示すように、通常のＣＶＤ法で、Ｓｉ基板１２
上にＡ℃配線１３、ＰＳＧ膜１４を形成した。その後下
記条件でＳｉＮ　ｌｌｉ　１５を形成した。

ｔ１〜　ｔｌ　：　６０５ｅｃ ｔ２〜　ｔ、：任意時間 ｔ３〜　ｔ４　：任意時間 ガス　　　　：　Ｎｚ、３０　ｃｃ／ｍ１ｎＳｉＨ＜、
　３０　ｃｃ／ｆｆｌ１ｎ μ波パワー　：　８００ｗ 圧力　　　　：　Ｉ　Ｘ　１０−’Ｔｏｒｒ続いて、４
５０℃、３０分、Ｎ２−８２雰囲気の条件でアニールを
行ない、ＳｉＮ膜の剥離を調べた。

一方、比較のためにドライ前処理なしで、同様のプロセ
スを行ない剥離を調べた。結果を次表に示す。

第１表 ［発明の効果コ プラズマプロセス中において上記した特定ガスの！１波
プラズマ前処理を施すことにより再現性良く密着性良く
成膜することが可能になり低温プロセスの工程適用マー
ジンの拡大化の効果が確認された。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明実施例のプロセスシーケンスを示すグラ
フ、 第２図はプラズマＣＶＤの概略図、 第３図は半導体ウェハーの断面図、 第４図はμ波発生時間とウェハー表面温度の関係を示す
グラフである。 １−プラズマ原料ガス導入管、２−冷却水導入管、３−
矩形導波管、４−マグネットコイル。 ５−原料ガス導入管、６−プラズマ取出し窓、７−プラ
ズマ反応室、８−プラズマチャンバー　９−プラズマ流
、１０−ウェハーである。 （［ｌ　ｐ−２番） ５・、：３ Ｐ５文 ２．４５ＧＨｚ １ ２　　ｔ３ ７Ｄｔ７肘間 ４ Ｘ扁Ｂ月のフ゛口でスンーケノス 第１図 ５ ｔｌ　　　　　　　　　　　ｔ２ Ｐ涙フ゛ブスマノし生がテ開 Ｐバット生は開とワエ／１呵艮面ｆすｖｎ＝ｔａ多０閏
傍第４図 フ゛フス゛？ＣＶＤ 第２図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、μ波プラズマＣＶＤによる薄膜成長工程を有する半
   導体装置の製造方法において、 μ波プラズマＣＶＤ成長装置内にて、Ｎ＿２、Ｎ＿２Ｏ
   、ＮＨ＿３、Ａｒ、Ｏ＿２、ＰＨ＿３、ＨｅおよびＢ＿
   ２Ｈ＿６の１種以上のμ波プラズマによるドライ前処理
   を行ない、その後薄膜成長を行なうことを特徴とする半
   導体装置の製造方法。