JPH05217922A - プラズマによる気相からの層析出方法 - Google Patents
プラズマによる気相からの層析出方法Info
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- JPH05217922A JPH05217922A JP4285333A JP28533392A JPH05217922A JP H05217922 A JPH05217922 A JP H05217922A JP 4285333 A JP4285333 A JP 4285333A JP 28533392 A JP28533392 A JP 28533392A JP H05217922 A JPH05217922 A JP H05217922A
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Abstract
(57)【要約】
【目的】 集積半導体回路の製造の際に外部のマイクロ
波励起により気相から層をプラズマにより析出するため
の方法（ＰＥＣＶＤ）を、層の安定性を高めるように改
良する。 【構成】 析出反応から空間的に隔てられて、活性化さ
れた中性粒子への反応ガスの分解が入結合されたマイク
ロ波エネルギーにより励起され、また活性化された粒子
が続いて反応器に導かれ、そのなかで、励起されない反
応ガスの追加的導入のもとに、また小さい電力の高周波
（ＲＦ）エネルギーの入結合のもとにプラズマによる析
出反応が行われる。
波励起により気相から層をプラズマにより析出するため
の方法（ＰＥＣＶＤ）を、層の安定性を高めるように改
良する。 【構成】 析出反応から空間的に隔てられて、活性化さ
れた中性粒子への反応ガスの分解が入結合されたマイク
ロ波エネルギーにより励起され、また活性化された粒子
が続いて反応器に導かれ、そのなかで、励起されない反
応ガスの追加的導入のもとに、また小さい電力の高周波
（ＲＦ）エネルギーの入結合のもとにプラズマによる析
出反応が行われる。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、集積半導体回路の製造
の際に外部のマイクロ波励起により気相から層をプラズ
マにより析出するための方法（ＰＥＣＶＤ）に関する。
の際に外部のマイクロ波励起により気相から層をプラズ
マにより析出するための方法（ＰＥＣＶＤ）に関する。
【０００２】層技術の現状についてはウィトマン（D.Wi
dman）、マーダー( H.Mader)、およびフリードリッヒ
（H.Friedrich ）著「集積回路のテクノロジー」スプリ
ンガー出版、１０８８年、特に第３章を参照されたい。
その第３．１．１節にはＰＥＣＶＤ（プラズマ強化化学
蒸着）による層形成のための方法も記載されているが、
それはマイクロ波励起なしのものである。
dman）、マーダー( H.Mader)、およびフリードリッヒ
（H.Friedrich ）著「集積回路のテクノロジー」スプリ
ンガー出版、１０８８年、特に第３章を参照されたい。
その第３．１．１節にはＰＥＣＶＤ（プラズマ強化化学
蒸着）による層形成のための方法も記載されているが、
それはマイクロ波励起なしのものである。
【０００３】析出技術は、リトグラフィ、エッチングお
よびドーピング技術とならんで、シリコン基板から集積
回路を製造するためのプロセスシーケンスで常に繰り返
して使用される基本的なプロセスの１つである。同時に
温度負荷を低くして、マイクロメートル範囲の垂直寸法
およびサブマイクロメートル範囲の横方向間隔にしよう
というマイクロエレクトロニクスでのトポグラフィ要求
に対しては現在使用されているプロセスの能力は限界に
突き当たっている。
よびドーピング技術とならんで、シリコン基板から集積
回路を製造するためのプロセスシーケンスで常に繰り返
して使用される基本的なプロセスの１つである。同時に
温度負荷を低くして、マイクロメートル範囲の垂直寸法
およびサブマイクロメートル範囲の横方向間隔にしよう
というマイクロエレクトロニクスでのトポグラフィ要求
に対しては現在使用されているプロセスの能力は限界に
突き当たっている。
【０００４】公知のように良好なエッジ被覆に通じる以
前からの気相析出（ＣＶＤ）では、分解および基板にお
ける反応ガスの化学反応のための活性化エネルギーは簡
単に４００〜９００°Ｃのオーダーの高められた温度に
より供給される。この比較的高いプロセス特有の温度負
荷はしばしばアルミニウム導体路、拡散領域および拡散
バリアのような半導体デバイスの敏感な要素の損傷に通
ずる。
前からの気相析出（ＣＶＤ）では、分解および基板にお
ける反応ガスの化学反応のための活性化エネルギーは簡
単に４００〜９００°Ｃのオーダーの高められた温度に
より供給される。この比較的高いプロセス特有の温度負
荷はしばしばアルミニウム導体路、拡散領域および拡散
バリアのような半導体デバイスの敏感な要素の損傷に通
ずる。
【０００５】温度に敏感なプロセス範囲のなかでも必要
な質を有する層の形成を可能にするため、シリコンウェ
ハの温度が層析出の際に３００°Ｃ以下に下げられ得る
ように、気相析出の活性化および解除がプラズマにより
助成されるＰＥＣＶＤ技術が開発された。プラズマ励起
周波数は通常はＲＦ範囲（数ｋＨｚないし１００ＭＨ
ｚ）内である。最近では、特に強力な励起に通じるマイ
クロ波周波数（数ＧＨｚ）も使用される。ＰＥＣＶＤ法
では現在一般に容量結合によりＲＦ電力を入結合される
平行板原理により構成されたプラズマ反応器が使用さ
れ、このことは結果として主に異方性の析出を伴う。そ
の結果生じる層は確かに高い密度および温度安定性のよ
うな良好な機械的および化学的特性を有するが、他方に
おいて、強い異方性の成分のゆえに、析出された層のエ
ッジ被覆が特に狭いスリットにおいて不十分である。基
板が析出中プラズマの影響範囲内に位置するＰＥＣＶＤ
法はさらに、荷電粒子による放射負荷を伴う。そのため
起こり得る結果として、たとえば厚膜酸化物トランジス
タの不安定な入力電圧があげられる。
な質を有する層の形成を可能にするため、シリコンウェ
ハの温度が層析出の際に３００°Ｃ以下に下げられ得る
ように、気相析出の活性化および解除がプラズマにより
助成されるＰＥＣＶＤ技術が開発された。プラズマ励起
周波数は通常はＲＦ範囲（数ｋＨｚないし１００ＭＨ
ｚ）内である。最近では、特に強力な励起に通じるマイ
クロ波周波数（数ＧＨｚ）も使用される。ＰＥＣＶＤ法
では現在一般に容量結合によりＲＦ電力を入結合される
平行板原理により構成されたプラズマ反応器が使用さ
れ、このことは結果として主に異方性の析出を伴う。そ
の結果生じる層は確かに高い密度および温度安定性のよ
うな良好な機械的および化学的特性を有するが、他方に
おいて、強い異方性の成分のゆえに、析出された層のエ
ッジ被覆が特に狭いスリットにおいて不十分である。基
板が析出中プラズマの影響範囲内に位置するＰＥＣＶＤ
法はさらに、荷電粒子による放射負荷を伴う。そのため
起こり得る結果として、たとえば厚膜酸化物トランジス
タの不安定な入力電圧があげられる。
【０００６】熱的ＣＶＤの場合のような狭いスリットに
おける類似の良好なエッジ被覆と低い析出温度での質的
に価値の高い層とを同時に達成し得る、暗放電による反
応ガスの外部励起を有する析出方法も知られている。通
常の外部ＲＦプラズマ源とならんで、オゾンにより活性
化されかつ磁場により助成される方法も知られている。
スガ（T.Sugano）著「 VＶＬＳＩテクノロジーへのプラ
ズマプロセスの応用」、ウィレイ‐インターサイエン
ス、ニューヨーク、１９８５年、第２．２．４節から、
マイクロ波エネルギーを供給されるプラズマ放電による
外部励起を有する方法であって、励起された粒子が輸送
管を介して析出チャンバに供給され、そこで直接に反応
のために利用される方法も知られている。
おける類似の良好なエッジ被覆と低い析出温度での質的
に価値の高い層とを同時に達成し得る、暗放電による反
応ガスの外部励起を有する析出方法も知られている。通
常の外部ＲＦプラズマ源とならんで、オゾンにより活性
化されかつ磁場により助成される方法も知られている。
スガ（T.Sugano）著「 VＶＬＳＩテクノロジーへのプラ
ズマプロセスの応用」、ウィレイ‐インターサイエン
ス、ニューヨーク、１９８５年、第２．２．４節から、
マイクロ波エネルギーを供給されるプラズマ放電による
外部励起を有する方法であって、励起された粒子が輸送
管を介して析出チャンバに供給され、そこで直接に反応
のために利用される方法も知られている。
【０００７】外部励起を有する前記の方法では、中性の
粒子（ただしそれらのうち約１／１０００は活性化され
ている）は荷電粒子にくらべて著しく長い寿命の結果と
して適当な供給管を介して反応器に到達する。荷電粒子
および／または放射による基板の損傷はそれによりほぼ
回避され得る。しかし、析出の間の基板へのイオン照射
が行われないことは、他方において、析出される層の、
現在の技術的要求から見てもはや許容可能ではないと思
われる機械的および化学的安定性の低下に相当する。さ
らに、外部励起を有する方法の量産設備での使用にあた
って問題となるのは、析出レートが非常に小さく、一般
に１００ｎｍ／ｍｉｎ前後であることである。オゾンに
より行われるＣＶＤ被着の際には析出レートは、酸素中
の小さい可能なオゾン濃度のゆえに、安定な層を形成す
るために、この値に制限されている。ＲＦ法ではこの制
限は主として、励起される粒子の小さい密度に起因して
いる。外部のマイクロ波励起を有するこれまでの方法に
おいても、励起される種の０．１ないし数１００Ｐａの
所望の圧力範囲内の不変の高い割合は可能でない。
粒子（ただしそれらのうち約１／１０００は活性化され
ている）は荷電粒子にくらべて著しく長い寿命の結果と
して適当な供給管を介して反応器に到達する。荷電粒子
および／または放射による基板の損傷はそれによりほぼ
回避され得る。しかし、析出の間の基板へのイオン照射
が行われないことは、他方において、析出される層の、
現在の技術的要求から見てもはや許容可能ではないと思
われる機械的および化学的安定性の低下に相当する。さ
らに、外部励起を有する方法の量産設備での使用にあた
って問題となるのは、析出レートが非常に小さく、一般
に１００ｎｍ／ｍｉｎ前後であることである。オゾンに
より行われるＣＶＤ被着の際には析出レートは、酸素中
の小さい可能なオゾン濃度のゆえに、安定な層を形成す
るために、この値に制限されている。ＲＦ法ではこの制
限は主として、励起される粒子の小さい密度に起因して
いる。外部のマイクロ波励起を有するこれまでの方法に
おいても、励起される種の０．１ないし数１００Ｐａの
所望の圧力範囲内の不変の高い割合は可能でない。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】本発明の課題は、冒頭
に記載した方法を前記の欠点に関して改良することにあ
る。
に記載した方法を前記の欠点に関して改良することにあ
る。
【０００９】
【課題を解決するための手段】この課題は、本発明によ
れば、冒頭に記載した種類の方法において、析出反応か
ら空間的に隔てられて、活性化された中性粒子への反応
ガスの分解が入結合されたマイクロ波エネルギーにより
励起され、また活性化された粒子が続いて反応器に導か
れ、そのなかで、励起されない反応ガスの追加的導入の
もとに、また小さい電力の高周波（ＲＦ）エネルギーの
入結合のもとにプラズマによる析出反応が行われること
により解決される。
れば、冒頭に記載した種類の方法において、析出反応か
ら空間的に隔てられて、活性化された中性粒子への反応
ガスの分解が入結合されたマイクロ波エネルギーにより
励起され、また活性化された粒子が続いて反応器に導か
れ、そのなかで、励起されない反応ガスの追加的導入の
もとに、また小さい電力の高周波（ＲＦ）エネルギーの
入結合のもとにプラズマによる析出反応が行われること
により解決される。
【００１０】本発明の実施態様は請求項２以下にあげら
れている。
れている。
【００１１】本発明による方法では、１つまたはそれ以
上の外部マイクロ波源が非常に小さい電力のＲＦプラズ
マと結び付けて使用される。励起された粒子は続いて適
当な別々の導管、たとえば十分な断面を有するセラミッ
ク管を通じて反応器に供給される。基板における析出の
ために達成可能な励起される種の非常に高い密度は熱的
活性化による効果に匹敵する。
上の外部マイクロ波源が非常に小さい電力のＲＦプラズ
マと結び付けて使用される。励起された粒子は続いて適
当な別々の導管、たとえば十分な断面を有するセラミッ
ク管を通じて反応器に供給される。基板における析出の
ために達成可能な励起される種の非常に高い密度は熱的
活性化による効果に匹敵する。
【００１２】
【実施例】以下、２つの実施例および図面により本発明
を一層詳細に説明する。
を一層詳細に説明する。
【００１３】図面にはプロセスチャンバ５を有する反応
器が示されており、そのなかで被層すべき基板２が、同
時に基板電極１を形成する保持体の上に載っている。金
属製の基板保持体はセラミック部分３に配置され、かつ
取付けられていてよい。基板２の被層すべき上面側にシ
ャワーヘッド電極４が示されている。それと基板電極１
との間に高周波電圧が印加され、またプラズマが点弧さ
れる。少なくとも２種類の反応ガスまたは反応ガス混合
物の別々の、かつ空間的に隔てられた分解および励起が
予定されているならば、これらは別々の供給管７および
別々のマイクロ波プラズマ源６により行われる。供給管
７は好ましくはセラミック管から形成される。別々に励
起される反応ガスは先ず反応器のなかに一緒に導かれ
る。プロセスガスのほかに場合によっては不活性ガスも
励起され得る。これらのガス、たとえばアルゴンおよび
／またはヘリウムは本来のプロセスガス、たとえば窒素
と同じく供給管９により供給管７に導かれる。励起のた
めに予定されていないガス、たとえばシランの供給管８
への供給は供給管１１を介して行われる。反応生成物と
して所望のガス以外のガスも生じ、その吸い出しはポン
プ１０により行われる。
器が示されており、そのなかで被層すべき基板２が、同
時に基板電極１を形成する保持体の上に載っている。金
属製の基板保持体はセラミック部分３に配置され、かつ
取付けられていてよい。基板２の被層すべき上面側にシ
ャワーヘッド電極４が示されている。それと基板電極１
との間に高周波電圧が印加され、またプラズマが点弧さ
れる。少なくとも２種類の反応ガスまたは反応ガス混合
物の別々の、かつ空間的に隔てられた分解および励起が
予定されているならば、これらは別々の供給管７および
別々のマイクロ波プラズマ源６により行われる。供給管
７は好ましくはセラミック管から形成される。別々に励
起される反応ガスは先ず反応器のなかに一緒に導かれ
る。プロセスガスのほかに場合によっては不活性ガスも
励起され得る。これらのガス、たとえばアルゴンおよび
／またはヘリウムは本来のプロセスガス、たとえば窒素
と同じく供給管９により供給管７に導かれる。励起のた
めに予定されていないガス、たとえばシランの供給管８
への供給は供給管１１を介して行われる。反応生成物と
して所望のガス以外のガスも生じ、その吸い出しはポン
プ１０により行われる。
【００１４】本発明による方法により、種々のプロセス
ガスまたは混合ガスおよび場合によっては不活性ガスを
別々に最も望ましい条件のもとに励起することが可能と
なり、その際に個々のマイクロ波源の電力はそのつど励
起すべきガスに適合するように別々に最適化され得る。
ガスまたは混合ガスおよび場合によっては不活性ガスを
別々に最も望ましい条件のもとに励起することが可能と
なり、その際に個々のマイクロ波源の電力はそのつど励
起すべきガスに適合するように別々に最適化され得る。
【００１５】マイクロ波エネルギーにより特定の準安定
状態に移され得る不活性ガスの使用により、ガス形式に
応じて特定の値のエネルギーを基板の表面上に吸着され
た反応ガスの分子に伝達し、またそれによって特定の反
応をひき起こすことが可能になる。これと対照的に、こ
れまでは平行板反応器のなかで導入されたガスの分子が
完全に不定に励起され、また分解もされ、それによって
特定の化学反応がもはや可能でない。それに対して本発
明による方法は技術的尺度で基板表面上での“分子エン
ジニアリング”を許す。
状態に移され得る不活性ガスの使用により、ガス形式に
応じて特定の値のエネルギーを基板の表面上に吸着され
た反応ガスの分子に伝達し、またそれによって特定の反
応をひき起こすことが可能になる。これと対照的に、こ
れまでは平行板反応器のなかで導入されたガスの分子が
完全に不定に励起され、また分解もされ、それによって
特定の化学反応がもはや可能でない。それに対して本発
明による方法は技術的尺度で基板表面上での“分子エン
ジニアリング”を許す。
【００１６】外部マイクロ波源のなかでのガスの主励起
により中性の粒子のみが反応器のなかに到達する。非常
に小さいＲＦ電力による後励起は、他方において、形成
される層に対して損傷には通じないごくわずかな放射負
荷のみを呈する。容量結合により平行板反応器のなかに
入結合される高周波エネルギーによる後励起のためには
約０．０２ないし０．１Ｗ／ｃｍ の範囲内のわずか
な電力しか必要とされず、この電力で、弱いイオン衝突
により内部の組織を強化するため、従ってまた層の安定
性を高めるために完全に十分であるので、さもなければ
イオンにより生ずる損傷なしに、層の材料特性が顕著に
改善される。与えられるＲＦ電力はたかだか、通常の場
合に板反応器に必要なＲＦ電力の５％である。従ってＲ
Ｆ電力は、基板の損傷または基板陥凹に通じるであろう
臨界的エネルギーには到達しない範囲内にあると好適で
ある。
により中性の粒子のみが反応器のなかに到達する。非常
に小さいＲＦ電力による後励起は、他方において、形成
される層に対して損傷には通じないごくわずかな放射負
荷のみを呈する。容量結合により平行板反応器のなかに
入結合される高周波エネルギーによる後励起のためには
約０．０２ないし０．１Ｗ／ｃｍ の範囲内のわずか
な電力しか必要とされず、この電力で、弱いイオン衝突
により内部の組織を強化するため、従ってまた層の安定
性を高めるために完全に十分であるので、さもなければ
イオンにより生ずる損傷なしに、層の材料特性が顕著に
改善される。与えられるＲＦ電力はたかだか、通常の場
合に板反応器に必要なＲＦ電力の５％である。従ってＲ
Ｆ電力は、基板の損傷または基板陥凹に通じるであろう
臨界的エネルギーには到達しない範囲内にあると好適で
ある。
【００１７】実施例として以下にシリコン窒化物および
チタン窒化物のそれ自体は既に公知の析出に対するいく
つかの重要な方法パラメータを示す。
チタン窒化物のそれ自体は既に公知の析出に対するいく
つかの重要な方法パラメータを示す。
【００１８】
【表１】シリコン窒化物 マイクロ波電力： ７００〜８５０Ｗ 窒素流： ２００〜４００ｓｃｃｍ アルゴン、ヘリウム流： ２０〜１５０ｓｃｃｍ シラン両： ８０〜２５０ｓｃｃｍ 圧力： １０-2 〜１，５・１０-2 Ｐａ 温度： ２００〜４００°Ｃ ＲＦ電力： ０．０２〜０．１Ｗ／ｃｍ2 析出レート： ４００〜８００ｎｍ／ｍｉｎチタン窒化物 マイクロ波電力： ７００〜８５０Ｗ 窒素流： ２００〜４００ｓｃｃｍ アルゴン、ヘリウム流： ２００〜５００ｓｃｃｍ チタンテトラジメチルアミン流： １００〜３００ｓｃｃｍ 圧力： １０-2 〜２，５・１０-2 Ｐａ 温度： ２００〜５００°Ｃ ＲＦ電力： ０．０２〜０．１Ｗ／ｃｍ2 析出レート： ３００〜６００ｎｍ／ｍｉｎ
【００１９】シランまたはチタンテトラメチルアミンの
ほかにすべてのガスが外部のマイクロ波源６により励起
され、またセラミック管７を介して反応器のなかに導入
される。シランまたはチタンテトラメチルアミンはシャ
ワーヘッド電極４の前で他のガスと混合される。
ほかにすべてのガスが外部のマイクロ波源６により励起
され、またセラミック管７を介して反応器のなかに導入
される。シランまたはチタンテトラメチルアミンはシャ
ワーヘッド電極４の前で他のガスと混合される。
【００２０】実施例で説明されたＮ2 およびＳｉＨ4 か
らのシリコン窒化物の析出およびＮ2 およびＴｉ（Ｎ
（ＣＨ3 ）2 ）4 からのチタン窒化物の析出では、公知
の板反応器析出方法と異なり、放射負荷が非常にわずか
であり、厚膜酸化物トランジスタのカットオフ電圧ドリ
フトを生ぜず、化学量論的にほぼ理想的であり、水素含
有量が非常にわずかであり、また層内の機械的歪みが非
常に小さい。
らのシリコン窒化物の析出およびＮ2 およびＴｉ（Ｎ
（ＣＨ3 ）2 ）4 からのチタン窒化物の析出では、公知
の板反応器析出方法と異なり、放射負荷が非常にわずか
であり、厚膜酸化物トランジスタのカットオフ電圧ドリ
フトを生ぜず、化学量論的にほぼ理想的であり、水素含
有量が非常にわずかであり、また層内の機械的歪みが非
常に小さい。
【図１】本発明による析出を実施するための装置の概要
断面図。
断面図。
１ 基板電極 ２ 基板 ３ セラミック部分 ４ シャワーヘッド電極 ６ マイクロ波プラズマ源 ７〜９ 供給管 １０ ポンプ １１ 供給管
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ツフオニミール ガブリーク ドイツ連邦共和国 8011 ツオルネデイン グ ヘルツオーク‐ルードルフ‐ヴエーク 25 (72)発明者 ライナー ブラウン ドイツ連邦共和国 8000 ミユンヘン 90 クラインフエルトシユトラーセ ２ (72)発明者 ヘルムート トライヒエル ドイツ連邦共和国 8902 ノイゼス ロー ワルトシユトラーセ 57 (72)発明者 オスワルト シユピンドラー ドイツ連邦共和国 8011 フアーターシユ テツテン ロルチングシユトラーセ 16 (72)発明者 アレクサンダー ゲシユワントナー ドイツ連邦共和国 8000 ミユンヘン 21 エルゼンハイマー シユトラーセ 18
Claims (5)
- 【請求項１】 集積半導体回路の製造の際に外部のマイ
クロ波励起により気相から層をプラズマにより析出する
ための方法において、析出反応から空間的に隔てられ
て、活性化された中性粒子への反応ガスの分解が入結合
されたマイクロ波エネルギーにより励起され、また活性
化された粒子が続いて反応器に導かれ、そのなかで、励
起されない反応ガスの追加的導入のもとに、また小さい
電力の高周波（ＲＦ）エネルギーの入結合のもとにプラ
ズマによる析出反応が行われることを特徴とするプラズ
マによる気相からの層析出方法。 - 【請求項２】 少なくとも２種類の反応ガスの別々の励
起が空間的に隔てられて少なくとも２つのマイクロ波源
の使用のもとに行われ、また励起された反応ガスが最初
に反応器のなかに所望の層を発生するために一緒に導か
れることを特徴とする請求項１記載の方法。 - 【請求項３】 個々のマイクロ波源の電力がそのつど励
起すべき反応ガスに適合するように別々に最適化される
ことを特徴とする請求項２記載の方法。 - 【請求項４】 高周波（ＲＦ）エネルギーが容量結合に
より平行板反応器のなかに入結合され、その際にＲＦ電
力が約０．０２〜０．１Ｗ／ｃｍ2 の範囲内に選定され
ることを特徴とする請求項１ないし３の１つに記載の方
法。 - 【請求項５】 層の安定性を高めるために析出の間に材
料が高周波（ＲＦ）エネルギーの入結合により圧縮され
ることを特徴とする請求項１ないし４の１つに記載の方
法。
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|---|---|---|---|
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Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH05217922A true JPH05217922A (ja) | 1993-08-27 |
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1992
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|---|---|
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