JPH03224222A

JPH03224222A - 成膜方法

Info

Publication number: JPH03224222A
Application number: JP17736889A
Authority: JP
Inventors: Yoshio Kumagai; 熊谷　佳夫; Katsuya Okumura; 勝弥奥村; Takahiko Moriya; 守屋　孝彦; Shinji Miyazaki; 伸治宮崎; Susumu Tanaka; 進田中
Original assignee: Toshiba Corp; Tokyo Electron Ltd; Tokyo Electron Sagami Ltd
Current assignee: Toshiba Corp; Tokyo Electron Ltd; Tokyo Electron Sagami Ltd
Priority date: 1988-10-31
Filing date: 1989-07-10
Publication date: 1991-10-03

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】【産業上の利用分野】

この発明は、熱ＣＶＤ処理により成膜を行う場合に適用
して好適な成膜方法に関する。

【従来の技術】

ポリシリコン（Ｐｏｌｙ−Ｓｉ）膜やタングステン（Ｗ
）膜等の配線用膜を熱ＣＶＤ処理により半導体ウェーハ
表面に成膜を行うとき、ウェーハ表面の５ｉ０２自然酸
化膜を除去することが、下地膜との良好な導電的なコン
タクトを得るために重要である。例えば、第７図に示すようにＰ形シリコン基板１の表面
に５ｉ０２絶縁膜２が成膜され、この５ｉ０２絶縁膜２
の所定位置がエツチングにより除去され、そのエツチン
グ除去された部分にＮ＋領域３が形成された半導体ウェ
ー八表面に、熱ＣＶＤにより例えばポリシリコンの配線
用膜４を生成する場合を考える。このときポリシリコン
膜４の成膜を行う前にウェーハを大気にさらすと、同図
において斜線を付して示すように、Ｎ＋領領域表面に５
ｉ０２自然酸化膜５が形成されてしまう。この５ｉ０２
自然酸化膜５は絶縁膜であるので、このままポリシリコ
ン配線用膜４の生成を行うと、配線用膜４と下地膜のＮ
１領域部分３とのコンタクト部分の導電性が悪化する。このコンタクト部分の導電性の悪化は、半導体装置の集
積度が高くなるほど配線用膜と下地膜とのコンタクト面
積が相対的に小さくなるため、より重大な問題となる。そこで、従来は洗浄溶液でウェット洗浄を行って、この
自然酸化膜を除去した後、配線用膜の成膜を行うように
していた。

【発明が解決しようとする課題】

しかしながら、ウェーハのウェット洗浄は非常に厄介で
あり、半導体装置の製造工程上、多大の時間と手間を必
要とするという問題がある。マタ、熱ＣＶＤ装置テハ、常時６００〜８００℃に加熱
されており、ウェーハを熱ＣＶＤ装置に入れるとき、輻
射熱と大気中の酸素によってつ工−ハの表面に自然酸化
膜が１０〜３０人程度形成されてしまう。このため、ウ
ェット洗浄して予め自然酸化膜を除去しても、ウェーハ
を熱ＣＶＤ装置の反応容器の中に挿入するとき、再びウ
ェーハ表面に自然酸化膜が形成されてしまうことになる
。この熱ＣＶＤ装置の反応容器の中にウェーハを挿すると
きに形成された自然酸化膜は、従来、除去することは不
可能であった。熱ＣＶＤ装置の温度を３００℃以下に下げてつ工−ハを
反応容器に挿入すれば、反応容器へのつ工−ハの挿入時
の自然酸化膜の形成を防止することができるが、熱ＣＶ
Ｄ装置の温度を上下に変化させるのに時間がかかり、製
造効率か大幅に低下するという欠点かあり、実現性に乏
しい。この発明は以上の問題点に対処してなされたもので、加
熱状態を変えることなく良好な膜を形成できる成膜方法
を提供しようとするものである。

【課題を解決するための手段】

この発明による成膜方法は、反応容器内にエツチングガスを供給すると共に、上記反
応容器外に設けられた少なくとも１対の電極に高周波信
号を供給し、加熱状態で、この反応容器内に配置される
被処理物の表面の自然酸化膜をプラズマエツチングによ
り除去する第１の工程と、上記加熱状態で、上記電極への高周波信号の供給を停止
し、上記エツチングガスを排気した後、上記反応容器を
大気に開放することなくこの反応容器内に膜生成ガスを
供給し、上記第１の工程に続いて上記被処理物に成膜す
る第２の工程とからなる。

【作用】

例えばシリコンと５ｉｎ＝膜とのプラズマエツチング速
度の温度依存性は第２図に示すようになったいる。周知
のように、通常のプラズマエツチングで用いられる比較
的低温の３０℃近傍では、シリコンのエツチング速度が
、５ｉ０２膜のそれよりも約２０倍速い。しかし、熱Ｃ
ＶＤ装置で用いられる７００℃という高温では、第２図
から明らかなように、両者のエツチング速度はほぼ同程
度になる。したがって、例えば、ウェーハ表面のポリシリコン膜上
に自然酸化膜が発生した半導体装置に対し、第１の工程
で、例えば７００℃の高温状態で、プラズマエツチング
が行われると、膜厚の厚い５ｉ０２膜は、その膜厚に対
し殆どエツチングされないが、１０〜２０人と膜厚の薄
い５ｉ０２自然酸化膜はエツチングされて除去される。自然酸化膜が除去された後、Ｎ＋領領域オバーエツチン
グされるが、５ｉ０２とＳｉとのエツチング速度がほぼ
同じであるため、Ｎ＋領領域エツチングされ過ぎたり、
５ｉ０２膜の下にエツチングが拡がることはない。７００℃の高温では、そのまま続けて熱ＣＶＤ処理がで
きる。したがって、続いて第２の工程で、エツチングガ
スを排気した後、膜生成ガスを反応容器に供給すること
により、例えばポリシリコンの配線用膜を熱ＣＶＤ処理
により生成することができる。

【実施例】第１図は、この発明の成膜方法に用いる熱ＣｖＤ装置の
一例を示すものである。この例は、縦型反応炉の場合で、この例の場合、反応容
器１０は、石英からなる筒状の反応管で構成されており
、また、石英外管１１と石英内管１２との２重管の構造
となっている。反応容器１０の石英内管１２内には、被処理物である半
導体ウェーハをバッチ処理できるように、予め定められ
た間隔で垂直方向に例えば１００〜１５０枚程度配列し
たウェーハボート１３が設けられる。このウェーハボート１３を支持するボート支持台１４の
中心位置には、このボート支持台Ｉ４に対して垂直の方
向に回転軸１５が取り付けられる。この回転軸１５は、
図示しないモータにより回転され、この回転によりボー
ト支持台１４全体も図中矢印方向に回転する。この回転
により各半導体ウェーハがそれぞれ水平面内で回転し、
半導体ウェーハ表面でのエツチング及び成膜が均一に行
われるように構成されている。上記反応容器１０の底部側壁には反応ガスの供給口１６
が設けられ、この供給口１６から供給された反応ガスは
、石英管からなる垂直方向に多穴された導入管（インジ
ェクタ）　１７に導かれて、図中矢印で示すように、こ
の導入管１７に穿かれた穴より、縦方向に多数積み重ね
られた半導体ウェーハ表面に平行な方向に射出され、反
応容器ＩＯ内すべてのウェーハの被処理面に均一に反応
ガスが導入接触するように構成されている。導入された
ガスは、石英内管１２と石英外管１１との隙間を通って
上記反応容器ＩＯの底部側壁に設けられた排気口Ｉ８か
ら外部に排気される。この反応容器ｌＯの外周には、中空円筒状にコイル状に
巻回されたヒータ１９が、外管１１と所定の間隔を開け
て配置されている。この間隔には、対向して電極が設けられる。この例では
、１対の電極２０．２１が対向して設けられる。第３図
は、この電極２０．２１の配列状態を判り易く示したも
ので、第１図の装置を反応容器ｌＯの上部から見た図で
ある。電極２０及び２１は、それぞれ反応容器ｌＯの外
形形状に適応した曲面を有し、反応容器ｌＯの外周の所
定角間隔分に渡る幅を有する導電体からなる。そして、
反応容器１０を介して互いに対向するように配される。この電極２０．２１は、反応容器ＩＯの内部の均熱効果
も有し、インコネル等の重金属やＮａ、に、Ｍｇ、Ｆｅ
、Ｃｕ。Ｎｉなどを透過しない導電性を有する非金属材質、例え
ばシリコンカーバイト、導電性セラミック、グラファイ
トなどで構成される。そして、この対の電極２０及び２
１間に、高周波信号発生器２２から例えば５００ｋｌｌ
ｚの高周波信号電圧を供給することにより、反応容器ｌ
Ｏ内の反応ガスであるエツチングガスＮＦ３をプラズマ
化する。この発生したプラズマにより各半導体ウェーへ
の自然酸化膜に対するプラズマエツチングを行う。なお、図の例のように反応容器の外部に１対の電極を設
ける場合、電極が石英外管１１と接触する角度によって
反応容器ＩＯの円周方向の電界の均一性が変わるが、１
対の電極２０及び２１の角度幅が、それぞれ１２０度か
ら１４０度の範囲、特に１３０度のときエツチング均一
性が良いことが確認された。次に、この装置を用いて、例えば第７図に示したように
、ウェーハ表面のポリシリコン膜上に発生した自然酸化
膜５ｉ０２を除去した後、ポリシリコン等の配線用膜を
成膜する工程を以下説明する。［第１の工程］第１の実施例ボート１３に配線用膜を形成する前の半導体つ工−ハを
１００〜１５０枚、載置する。このとき、ヒータ１９に
より炉内の温度は、７００℃とされている。この炉内の温度は以下の全ての工程中、この７００℃に
保たれる。この状態で、真空ポンプで反応容器１０内を排気した後
、エツチングガスとして、ＮＦ３を、ガス供給口１６か
ら、その流量が１１００５ＣＣとなるように調整しなが
ら反応容器１０内に供給する。また、エツチングガスＮ
Ｆ３に加えて、水素Ｈ２を流量１１００５ｃｃとなるよ
うに制御しながら反応容器ｌＯ内に供給する。このとき
インジェクタ１７を用いてガスを多数のウェーハにほぼ
均一に供給することができる。なお、このとき、反応管
ＩＯの内部は、圧力が０．５Ｔｏｒｒとなるように制御
されている。水素Ｈ２ガスを加えたのは、自然酸化膜５ｉ０２の厚さ
が２０〜３０人と薄いためＦラジカルをＨ２と反応させ
、ＨＦとして消費してＦラジカルを減らし、エツチング
速度をｌＯ〜３０人／ｓｉｎと遅くするためである。エ
ツチング速度が遅くなることにより、制御時間がコント
ロールし易くなると共に、ウェーハ面内及び面間のエツ
チングの均一性が良くなる。この状態で、１対の電極２０及び２１間に、周波数５０
０ｋＨｚ、出力２００Ｗの高周波信号を、高周波信号発
生源２２からインピーダンス整合器（図示せず）を介し
て所定時間供給する。すると、エツチングガスＮＦ３が
プラズマ化され、第２図に示したように、Ｓｉ膜と５ｉ
０２膜とがほぼ同じエツチング速度でエツチングされる
ことになり、その結果、オーバエツチング時、Ｎ＋領領
域多くエツチングされることなく、２０〜３０人と薄い
自然酸化膜が、はぼ完全に除去される。エツチングガスＮＦ３のみとして他のガスを加えなくて
も自然酸化膜Ｓ　ｉ　０２の除去は行うことができる。ただし、この場合には、エツチング速度が数１００人／
１０であり、また、エツチングの均一性は上記の例より
も悪い。ガスの供給にインジェクタ１７を用い、また、回転軸１
５を回転させてウェーハを回転させれば、さらにウェー
ハ面内、面間で、エツチングの均一性が良くなる。すな
わち、インジェクタ■７により縦方向に多数配列された
ウェーハ間にほぼ均一にガスが射出されるので、ウェー
ハの縦方向の位置の違いによるガスの濃度の不均一がな
くなり、ウェーハ面間のエツチングの均一性が良くなる
。また、反応容器１０内で、プラズマは均一に発生する
ものではないが、ウェーハを回転させれば、ウェーハ面
上の点は容器内の一定の位置に固定されずに種々の位置
の雰囲気中にさらされることになるので、ウェーハ面内
でのエツチングの均一性が向上する。プラズマの発生は、電極の近傍の放電電界が強いことか
ら、この電極近傍のほうに偏ると考えられる。そこて、
ボート１３の反応容器１０内の位置を、第４図に示すよ
うに、反応容器１０の内管１２の中心位置よりずれた位
置にし、この反応容器１０内における偏心位置おいて、
回転軸１５を中心としてボートを回転させるようにする
。このようにすれば、プラズマ発生の強い場所の近傍で
ウェーハは回転するから、ウェーハ市内での均一性がよ
り向上する。電極２０及び２１間に高周波信号を供給することにより
反応容器内に発生する電界の不均一によるプラズマの不
均一は、次のようにすることにより軽減することができ
る。すなわち、これは電極２０．２１間に高周波信号を
、例えば０．１〜０．５秒周期で、バースト状に印加す
る方法である。つまり、つ工−ハ間にエツチングガスが
流れた後、例えば０．１秒間、電極２０．２１に高周波
信号を印加して、自然酸化膜の除去を行う。０．１秒経
ったら高周波信号の電極２０．２１への供給を停止し、
エツチングガスが十分流れる時間例えば０．１秒後、再
び０．１秒間高周波信号を電極２０．２１に印加する。以上を連続的に繰り返す。このようにすれば、電極２０
．２１に高周波信号が印加されない期間は、反応管内の
電界の不均一がないので、プラズマは反応管内に均一に
分布するようになり、ウェーハ面内でのエツチングが均
一化される。なお、エツチングガスはＮＦ３Ｊこ限らず、例えばＣＦ
４　＋ｏ：やその他のエツチングガスを用いることもで
きる。第２の実施例この例は、反応ガスを一定の流速で流している状態では
プラズマも一緒に流れてしまい、反応容器ｌＯ内で、プ
ラズマが均一に発生しないことを改善するようにした場
合の例である。この例では、炉の温度７００℃、反応容器内の圧力０．
５Ｔｏｒｒ　、エツチングガスＮＦ３を流量７００ＳＣ
Ｃ阿で反応容器内に供給することなどは、第１の実施例
の場合と同様である。また、希釈ガスとしてＡｒやＨｅ
を加えても良い。また、この例では、ガスの供給にイン
ジェクタ１７は使用しないと共に、回転軸１５によるウ
ェーハの回転は行わない。そして、この例では、エツチングガスを所定量反応容器
１０内に加えたら、排気バルブを閉じると共にガスの供
給も停止し、ガスの流れを止める。また、加圧バルブを閉じ、反応容器ｌＯ内の圧力を一定
にする。この状態で、対の電極２０．２１間に周波数５
００ｋＨｚ、出力２００Ｗの高周波信号を加え、エッチ
ングガスをプラズマ化する。すると、第１の実施例と同
様にして、Ｓｉｎ：膜はその厚みに比較してほとんどエ
ツチングされることなく、２０〜３０人と薄い自然酸化
膜５ｉ０２は、はぼ完全に除去される。なお、１回の上
記エツチング処理ではガスが不足のため、自然酸化膜５
ｉ０２の完全な除去ができないときは、以上の処理を複
数回行うことにより、自然酸化膜５ｉＯｚのより完全な
除去ができる。この例においては、反応容器１０内はガスの流れがなく
、圧力が一定であるから、反応容器１０内のいずれの位
置でもガスの濃度はほぼ均一になり、ガスの流れによる
不均一はなくなる。この例の場合も、ウェーハ面内及びウェーハ面間で、±
ｌＯ％以内と均一性の良いエツチングができる。なお、この例においても、高周波信号を電極２０．２１
間に０．１〜０，５秒周期でバースト状に印加すること
により、反応容器内の電界の不均一によるプラズマの発
生の場所による不均一を軽減することができる。また、この例においても、エツチングガスとしてはＮＦ
３に限らず、ＣＦ４＋ｏ、、などを用いても良いことは
いうまでもない。［第２の工程］真空ポンプで第１の工程で使用されたエツチングガスを
全て排気した後、膜生成用のガス、この例ではＳｉＨ４
を所定の流量に制御した状態で供給口１６から反応容器
１０内に供給する。このとき、反応管ｌＯ内の圧力は所
定の値に制御されている。以上により、ウェーハ表面にポリシリコンの配線用膜が
、熱ＣＶＤ処理によって所定の厚さで生成される。この第２の工程でも、処理ガスはインジェクタ１７によ
りボート１３に設置された多数のウェーハに均一に射出
するようにして、膜生成時のウェーハ間の不均一がなく
なるようすることができる。同様に、ボート１３を回転
軸１５を中心に回転させることにより、ウェーハ面内で
の膜生成の不均一を軽減することかできる。以上の第１及び第２の工程の結果得られた半導体ウェー
ハは、自然酸化膜が除去された後、大気にさらされるこ
となく真空中で連続してポリシリコン等の配線用膜の生
成が行われるので、配線用膜と下地膜とのコンタクト部
分に自然酸化膜は存在しないから、このコンタクト部分
の抵抗値を従来のものより小さくすることができ、また
、配線用膜と下地膜との密着性が良くなる。以上はポリシリコン成膜のプロセスにこの発明を適用し
た場合を例にとって説明したが、この発明は、シリコン
窒化膜ＳｉＮ４やタングステンＷ成膜、５ｉ０２成膜プ
ロセスにおいても有効である。自然酸化膜はピンホール
が多数あり、膜厚も一定でなく、絶縁膜としての特性は
ＣＶＤにより成膜した５ｉ０２膜に比べると大幅に劣っ
た特性であるからである。例えば、キャパシタ形成プロ
セスにおいて、ポリシリコン上にＳｉＮ４を成膜する前
に、ポリシリコン上の自然酸化膜を除去することにより
、良質のキャパシタを形成することができるものである
。なお、第１図に示したこの発明に用いる熱ＣｖＤ装置で
は、電極は１対のみ設けたが、複数対の電極を設けても
良い。この場合に、第５図に示すように、２対の電極３
１Ａ、３１Ｂ　、　８２Ａ、３２Ｂを互いに直交するよ
うに配し、これら２対の電極３１Ａ、３１Ｂ、３２Ａ、
３２Ｂに９０度の位相差のある高周波信号ＲＦＩＲＦ２
をそれぞれ供給することにより、反応容器内に互いに直
交する電界Ｅ１、Ｅ２か生じるので回転電界を生じさせ
ることかできる。このような、回転電界によれば、反応
容器の円周方向の電界分布の不均一を解消することかで
きる。また、高周波信号ＲＦＩとＲＦ２の周波数を変えること
により電界分布の不均一を解消することもできる。また、同様に第６図Ａに示すように、６０度角間隔の３
対の電極４１Ａ、４１Ｂ　、　４２＾、４２Ｂ　、　４
３Ａ、４３Ｂを反応容器１０の外周に配し、これら３対
の電極をスイッチ５０で一定周期毎に順次切換えて高周
波信号ＲＦを供給するようにする。このようにすれば、
電極４１Ａ、４１Ｂに高周波信号ＲＦが印加されるとき
は第６図Ｂに示すように電界Ｅは垂直方向に発生し、電
極４２Ａ、４２Ｂに高周波信号ＲＦが印加されるときは
第６図Ｃに示すように電界Ｅは垂直方向に対し６０度回
転した状態で発生し、電極４３＾、４３Ｂに高周波信号
ＲＦが印加されるときは第６図りに示すように電界Ｅは
垂直方向に対し１２０度回転した状態で発生する。した
がって、反応管内に回転電界を生じさせることかでき、
反応容器の円周方向の電界分布の不均一を解消すること
ができる。また、上述の実施例では、石英内筒１２を配置した成膜
装置により説明したが、成膜装置であれば何れの装置で
もよい。例えば第８図に示すような内筒１２を配置しな
いバッチ式ＣＶＤ装置でもよい。この装置の構成は、当業者において周知であるから詳細
な説明は省略する。第１図と同一部分は同一番号を付す
。この実施例では、排気口８１が石英外筒１１の頂部に
設けられている。勿論、排気口の位置は頂部に限定され
ない。このように内筒１２のない反応装置の場合、第１図の装
置に比較してより強いプラズマを生起てきる。さらに当然のことながら、内筒１２のない分、放電空間
を広くとることができ、プラズマ強度の空間均一性が向
上し、被処理物例えば半導体ウェーハのエツチングの均
一性が向上する。

【発明の効果】

この発明によれば、第１の工程において、半導体ウェー
ハの下地導電膜上に形成された自然酸化膜を反応容器外
に設けた対向電極によりプラズマエツチングされるので
、従来のようなウェット洗浄を必要としない。そして、第１の工程で自然酸化膜を除去した後、大気中
に半導体ウェーハを取り出すことなく、真空中で連続し
て第２の工程で成膜をすることができる。したがって、
従来、ウェット洗浄して自然酸化膜を除去しても半導体
ウェーハを成膜装置の反応容器にいれるときに不可避的
に発生してしまう自然酸化膜は、この発明の場合には全
く発生しない。したがって、この発明による方法により成膜された半導
体ウェーハは、配線用膜と下地膜とのコンタクト部分に
自然酸化膜は存在しないから、このコンタクト部分の抵
抗値を従来のものより小さくすることができ、また、配
線用膜と下地膜との密着性が良くなる。この発明による方法は、集積度がより高くなり、配線用
膜と下地膜とのコンタクト面積が小さくなる半導体ウェ
ーハに成膜を行うとき、その効果が著しい。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明方法の一実施例を説明するための成膜
装置を示す図、第２図はこの発明による自然酸化膜の除
去の原理の説明のための図、第３図は第１図の装置を上
から見た図、第４図はこの発明に使用する成膜装置の一
部の変形例を示す図、第５図及び第６図はこの発明に使
用する成膜装置の他の一部の変形例を示す図、第７図は
この発明が適用される半導体ウェーハの成膜の一例を説
明するための図、第８図は第１図装置の他の装置例の説
明図である。ｌＯ：反応容器１３；ボート１６；ガス供給口１８；ガス排気口１９；ヒータ２０．２１；電極２３；高周波信号発生源

Claims

【特許請求の範囲】反応容器内にエッチングガスを供給すると共に、上記反
応容器外に設けられた少なくとも１対の電極に高周波信
号を供給し、加熱状態で、この反応容器内に配置される
被処理物の表面の自然酸化膜をプラズマエッチングによ
り除去する第１の工程と、上記加熱状態で、上記電極への高周波信号の供給を停止
し、上記エッチングガスを排気した後、上記反応容器を
大気に開放することなくこの反応容器内に膜生成ガスを
供給し、上記第１の工程に続いて上記被処理物に成膜す
る第２の工程とからなる成膜方法。