JPH0820874A

JPH0820874A - プラズマｃｖｄ法による成膜方法

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Publication number: JPH0820874A
Application number: JP6180947A
Authority: JP
Inventors: Hiroyuki Shimada; 浩行島田; Takeshi Fukada; 武深田; Mitsunori Sakama; 光範坂間; Yasuhiko Takemura; 保彦竹村
Original assignee: Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd
Current assignee: Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd
Priority date: 1994-07-07
Filing date: 1994-07-07
Publication date: 1996-01-23
Anticipated expiration: 2016-01-22
Also published as: JP3126594B2

Abstract

(57)【要約】【目的】プラズマＣＶＤ装置において、成膜ダストを
削減することを目的とする。【構成】プラズマＣＶＤ装置において、プラズマを発
生させるための交流電源として、高周波（周波数、１０
〜１００ＭＨｚ）を低周波（周波数、１ｋ〜１ＭＨｚ）
で振幅変調し、これを極低周波（１〜２００Ｈｚ）の繰
り返し周波数でパルス発振させたものを用いることによ
って、成膜ダストを削減する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、プラズマＣＶＤ法によ
る成膜方法に関する。特に、本発明は、平行平板型プラ
ズマＣＶＤ装置を用いた、珪素を含有する被膜（例え
ば、珪素、酸化珪素、窒化珪素）の形成方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、プラズマによる気体の分解を利用
した気相成長方法（プラズマＣＶＤ法）が半導体集積回
路や薄膜トランジスタ等の半導体装置の製造に使用され
るようになった。一般的にプラズマＣＶＤ法は低温で成
膜をおこなうことができる。特に、薄膜トランジスタの
製造においては、基板等の制約から、従来の単結晶シリ
コン半導体プロセスで使用される熱酸化法や熱分解によ
る気相成長法（熱ＣＶＤ法）が使用できないので、膜質
の優れた珪素膜、酸化珪素膜および窒化珪素膜等をプラ
ズマＣＶＤ法によって製造することが強く要求されてい
る。この場合、ゲイト絶縁膜としての酸化珪素膜には、
緻密でピンホールがない膜質を、また、半導体層を形成
する珪素膜には、電気特性の劣化を防止するために成膜
ダスト等の不純物の混入がない膜質が要求される。

【０００３】さらに、層間絶縁膜において、成膜ダスト
が混入すると、その上に形成される配線が断線すること
があり、成膜ダストの低減が求められている。プラズマ
ＣＶＤ装置においては、形成される膜の膜質や成膜速度
の面内均一性を保つため、基板等の被成膜面に対してプ
ラズマの密度を均一にする必要がある。このような均一
なプラズマを発生させるには、通常は平行平板型の電極
が用いられている平行平板型プラズマＣＶＤ装置が利用
される。これは、チャンバー内に平行に配置された平板
状の一対の電極を設け、電極間に直流もしくは交流の電
力を加えることによって、容量結合（容量共振）を生じ
せしめ、電極間に均一なプラズマを発生させるものであ
る。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】従来の熱ＣＶＤ法では
気体の分解は基板表面かそのごく近傍で生じていた。し
たがって、比較的大きな粒子（クラスタ）が空間をただ
よい、それがどんどん大きくなって成膜ダストになると
いうことはほとんどなく、極めて均一な膜が得られるこ
とが特徴であった。一方、平行平板型プラズマＣＶＤ装
置をはじめとするプラズマＣＶＤ装置は、交流電源によ
る連続放電がおこなわれる。そのため、反応ガスが基板
に吸着する以前の成膜空間中において、プラズマによる
反応がすでに生じており、クラスタ状の粒子が次々と成
長しはじめている。そして、さらに反応が進んでクラス
タ同志が結合して、その多くがパーティクル（成膜ダス
ト）の要因となる。

【０００５】このようにして発生した成膜ダストが、膜
内に混入したり、膜表面に存在している珪素膜、酸化珪
素膜および窒化珪素膜等を用いて、半導体集積回路およ
び薄膜トランジスタ等を作製した場合、上記のような、
ゲイト絶縁膜のピンホール、半導体層の電気特性の劣
化、断線といった不良が生じる大きな原因となる。従っ
て、成膜の際には、成膜ダストは極力発生しない成膜方
法が望まれていた。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明は、プラズマを発
生させるために電極に投入する交流として、基本的には
高周波電力を用い、これを低周波で振幅変調し、さら
に、これを極低周波の繰り返し周波数でパルス変調した
ものを電極に供給することによって、成膜ダストの発生
を抑えるものである。ここで用いられる極低周波として
は、周波数が１〜２００Ｈｚ、好ましくは、２０〜１０
０Ｈｚのもの、低周波としては、同じく１ｋ〜１ＭＨ
ｚ、好ましくは、１００ｋ〜５００ｋＨｚのもの、高周
波としては、１０〜１００ＭＨｚ、好ましくは、１０〜
５０ＭＨｚのものを用いる。

【０００７】これらの周波数のうち、低周波は、反応分
子の会合（分子間の弱い結合）を分断するのに寄与し、
チャンバー内の気体分子の濃度差の均一性を向上させる
上で効果がある。また、高周波は、分子間結合を分断す
るのに寄与する。また、極低周波によってパルス変調す
ると、成膜の均一性が向上する。パルスがオン状態のと
きは通常のプラズマＣＶＤの成膜反応と同じく、プラズ
マの発生している空間において支配的であるが、パルス
がオフ状態であれば成膜反応は基板当、加熱されている
部分が支配的であり、このため、チャンバーの空間にお
ける粒子の異常成長が抑制され、結果として成膜ダスト
が低減できる。

【０００８】このパルス放電の周期を表すものとしてｄ
ｕｔｙ比が用いられる。このｄｕｔｙ比とは、（放電時
間／（放電時間＋休止時間））を示すものである。例え
ば、パルス周波数１００Ｈｚでｄｕｔｙ比を１０％とし
たパルス放電の場合は、１ｍｓｅｃの放電と９ｍｓｅｃ
の休止とを繰り返す放電形態となる。

【０００９】放電が休止している状態のときパルス周波
数によるプラズマの発生がおこなわれていないので、こ
のときのｄｕｔｙ比によって成膜の状態が制御される。
つまり、このｄｕｔｙ比を最適化することによって、反
応ガスが基板に吸着する以前の成膜空間中における反応
を制御することができる。このｄｕｔｙ比は１０〜７０
％が好ましい。最適のｄｕｔｙ比は、反応ガスの種類、
反応ガスの流量や、電極間の距離に応じて決定すればよ
い。

【００１０】図４に本発明に用いる高周波の発生装置お
よび高周波の強度の様子を示す。図４に示すの本発明で
用いるのに適した高周波電力の発生装置に関するもので
あるが、図４に示された構成以外の装置によっても同様
な高周波を発生できることは言うまでもない。図４
（Ａ）は高周波発生装置であり、図４（Ｂ）は各段階に
おける高周波の様子を示す。高周波発振器１によって発
生した正弦高周波（例えば、周波数１３．５６ＭＨｚ）
は、図４（Ｂ）のａのような波形である。このような高
周波は次段の振幅変調器（ＡＭ変調器）４におくられ
る。振幅変調器４としては、増幅率を外部からの信号に
よって変化できる高周波増幅器を用いればよい。

【００１１】一方、低周波発振器２からは正弦低周波
（例えば、２００ｋＨｚ）が発生し、これは振幅変調器
４に送られる。そして、振幅変調器４では低周波信号に
応じて、高周波が強度変調される。振幅変調器４からの
出力波形は図４（Ｂ）のｂのようになる。上記の変調の
過程での変調率としては５０％以上あることが好ましか
った。しかしながら、高調波発生を抑制する必要から１
００％以上の変調率である過変調となることは避けた方
がよい。さらに、パルス発振器３からは極低周波（例え
ば、５０Ｈｚ）のパルスが発生し、パルス変調器５にお
いて、高周波電力のオン／オフがおこなわれる。このよ
うにして発生した高周波電力は図４（Ｂ）のｃに示した
ような網形である。パルスのオン／オフの境界部分を拡
大したものは同図ｃ’のようになる。

【００１２】

【実施例】

〔実施例１〕図１に本実施例の概略を示す。本実施例
は、本発明による平行平板型プラズマＣＶＤ装置によっ
て酸化珪素膜を形成した例である。図１において、真空
容器１０１（チャンバー）内に対向する一対の電極を有
している。その一対の電極は、交流電極１０２と基板電
極１０３から構成されており、ガス導入系１０４より導
入される反応性気体をこの一対の電極間においておこな
われる交流放電によってプラズマ気相反応させ、成膜を
おこなうものである。

【００１４】成膜がおこなわれる基板１０５は、基板電
極上１０３の基板ホルダーに保持されている。また、ガ
スの導入は基板電極１０３中央に設けられたガス導入系
１０４よりおこなわれる。そして、膜の均一化を計るた
めに基板電極１０３に設けられた、回転機構１０６によ
り基板電極１０３が回転する構成になっている。また、
基板１０５は、基板電極の下部に設けられたヒーター１
０７によって加熱することができる。なお、ガス導入系
１０４よりガスが径方向に均一に流れるように、チャン
バーの外周下部に、排気系１０８が備わっている。排気
系１０８には真空ポンプが設けられている。

【００１５】ここで使用される交流電極には、低周波に
よって振幅変調された高周波の極低周波によるパルス電
力を印加する。これらの周波数の交流を発生させるため
に高周波電源１０９、低周波電源１１０、極低周波パル
ス電源１１１が設けられ、振幅変調器１１２、１１３に
よって、高周波電力の変調がおこなわれる。

【００１６】本実施例においては、上記の極低周波とし
て５０Ｈｚ、低周波として２００ｋＨｚ、高周波として
１３．５６ＭＨｚを使用した。また、ここで極低周波の
パルスはｄｕｔｙ比が５０％となるようにおこなった。
以上のような構成を有した、平行平板型プラズマＣＶＤ
を用いて、ガラス基板１０５上に酸化珪素膜を形成し
た。原料ガスには、ＳｉＨ₄／Ｏ₂ガスを用いた。

【００１７】以上の条件で酸化珪素膜の成膜をおこなっ
た場合、成膜速度は２００Å／分であり、酸化珪素膜を
３０００Å堆積した時点では、１００ｍｍ角の基板にお
いて、成膜ダストは１００個程度発生した。一方、同じ
成膜装置を用いて比較のために、５０Ｈｚのパルス放電
（ｄｕｔｙ比：５０％）、２００ｋＨｚの放電、１３．
５６ＭＨｚの放電のみをおこなった。

【００１８】この場合の成膜ダストは、酸化珪素膜を３
０００Å堆積した時点では、１００ｍｍ角の基板におい
て、それぞれ、１３００個、１０００個、１５００個で
あった。また、５０Ｈｚの周波数のパルス放電による効
果を調べるため、１３．５６ＭＨｚの高周波を２００ｋ
Ｈｚの低周波で振幅変調した高周波電力を投入して成膜
をおこなった。

【００１９】成膜速度は２００Å／分とほぼ同じであっ
たが、発生した成膜ダストは、酸化珪素膜を３０００Å
堆積した時点では、１００ｍｍ角の基板において、１２
００個程度であった。以上のように、本発明のように低
周波によって振幅変調し、極低周波の繰り返し周波数で
パルス発振させたた高周波電力を用いて、成膜をおこな
うことによって、成膜ダストを効果的に低減できること
が明らかになった。また、その際、プラズマ空間中での
ダストの異常成長を防止するうえで、５０Ｈｚの繰り返
し周波数でパルス放電させることが、成膜ダストの削減
に効果的であった。

【００２０】〔実施例２〕図２に本実施例の概略を示
す。本実施例は、本発明による平行平板型プラズマＣＶ
Ｄ装置によって窒化珪素膜を形成した例である。図２に
おいて、チャンバー２０１内に対向する一対の電極を有
している。その一対の電極は、交流電極２０２と基板電
極２０３から構成されており、ガス導入系２０４より導
入される反応性気体をこの一対の電極間においておこな
われる交流放電によってプラズマ気相反応させ、成膜を
おこなうものである。

【００２１】成膜がおこなわれる基板２０５は、基板電
極２０３上の基板ホルダーに保持されている。また、膜
の均一化を計るために基板電極２０３に設けられた、回
転機構２０６により基板電極２０３が回転する構成にな
っている。また、基板２０５は、基板電極の下部に設け
られたヒーター２０７によって加熱することができる。

【００２２】また、ガスの導入は交流電極２０２中央に
設けられたガス導入系２０４より導入されるる。なお、
ガス導入系２０４よりガスが基板２０５に対して均一に
行き渡るように、交流電極２０２を覆うように構成され
たシャワーメッシュ２０８を通して導入されるような構
成をとる。このシャワーメッシュ２０８は、石英等の絶
縁物によってできている。また、チャンバーの外周下部
に、排気系２０９が備わっている。排気系２０９には真
空ポンプが設けられている。

【００２３】ここで使用される交流電極には、低周波に
よって振幅変調された高周波の極低周波によるパルス電
力を印加する。これらの周波数の交流を発生させるため
に高周波電源２１０、低周波電源２１１、極低周波パル
ス電源２１２が設けられ、振幅変調器２１３、２１４に
よって、高周波電力の変調がおこなわれる。本実施例に
おいては、上記の極低周波として１００Ｈｚ、低周波と
して３００ｋＨｚ、高周波として１３．５６ＭＨｚを使
用した。また、極長波のパルス放電はｄｕｔｙ比が２０
％となるようにおこなった。

【００２４】以上のような構成を有した、平行平板型プ
ラズマＣＶＤを用いて、ガラス基板２０５上に窒化珪素
膜を形成した。原料ガスには、ＳｉＨ₄／ＮＨ₃ガスを
用いた。このようにして形成された窒化珪素膜は、実施
例１の成膜ダストの量の結果とほぼ同様の傾向が見ら
れ、従来の平行平板型プラズマＣＶＤ装置によって形成
された窒化珪素膜と比べて、一桁程度成膜ダストが少な
い窒化珪素膜が得られた。

【００２５】〔実施例３〕図３に本実施例の作製工程を
示す。本実施例は、実施例１におけるプラズマＣＶＤ装
置を用いて酸化珪素膜を成膜して、薄膜トランジスタ
（ＴＦＴ）を作製したものである。まず、基板３０１
（コーニング７０５９、１００ｍｍ×１００ｍｍ）上に
下地の酸化珪素膜３０２を、プラズマＣＶＤ法によって
３０００Åに成膜した。

【００２６】そして、非晶質珪素膜をプラズマＣＶＤ法
によって５００Åに成膜した。成膜材料ガスとしては、
シラン（ＳＨ₄）と水素を用い、図１に示した装置によ
って成膜した。このとき、極低周波パルスの繰り返し周
波数は５０Ｈｚ、低周波として２００ｋＨｚ、高周波と
して１３．５６ＭＨｚを使用した。また、極低周波パル
スはｄｕｔｙ比が５０％となるようにして成膜をおこな
った。その後、熱アニールを施して、非晶質珪素膜を結
晶化せしめた。このとき、非晶質珪素膜の結晶化を促進
させるために、ニッケル元素等を微量添加してもかまわ
ない。また、結晶性を向上させるために、レーザーアニ
ールを施してもよい。（図３（Ａ））

【００２７】次に、結晶化した珪素膜３０３をパターニ
ングして、島状領域３０４を形成した。この島状領域３
０４はＴＦＴの活性層を構成する。そして、ゲイト絶縁
膜３０５として、１０００Åの酸化珪素膜をプラズマＣ
ＶＤ法によって形成した。用いた装置は図１に示したも
のである。このとき、極低周波パルスの繰り返し周波数
は５０Ｈｚ、低周波として２００ｋＨｚ、高周波として
１３．５６ＭＨｚを使用し、ｄｕｔｙ比が５０％となる
ように成膜をおこなった。（図３（Ｂ））

【００２８】その後、厚さ１０００Å〜３μｍ、例え
ば、５０００Åのアルミニウム（１ｗｔ％のＳｉ、もし
くは０．１〜０．３ｗｔ％のＳｃを含む）膜をスパッタ
リング法によって形成して、これをパターニングし、ゲ
イト電極３０６を形成した。次に基板をｐＨ≒７、１〜
３％の酒石酸のエチレングリコール溶液に浸し、白金を
陰極、このアルミニウムのゲイト電極を陽極として、陽
極酸化を行なった。陽極酸化は、最初一定電流で２２０
Ｖまで電圧を上げ、その状態で１時間保持して終了させ
た。このようにして、厚さ１５００〜３５００Å、例え
ば、２０００Åの陽極酸化物を形成した。

【００２９】その後、イオンドーピング法によって、島
状珪素膜３０４に、ゲイト電極３０６をマスクとして自
己整合的に不純物（燐）を注入した。ドーピングガスと
してはフォスフィン（ＰＨ₃）を用いた。この場合のド
ーズ量は１×１０¹⁴〜５×１０¹⁷ｃｍ^-2、加速電圧は１
０〜９０ｋＶ、例えば、ドーズ量を２×１０¹⁵ｃｍ^-2、
加速電圧を８０ｋＶとした。この結果、Ｎ型不純物領域
３０７が形成された。（図３（Ｃ））

【００３０】さらに、ＫｒＦエキシマレーザー（波長２
４８ｎｍ、パルス幅２０ｎｓｅｃ）を照射して、ドーピ
ングされた不純物領域３０７の活性化をおこなった。レ
ーザーのエネルギー密度は２００〜４００ｍＪ／ｃ
ｍ²、好ましくは２５０〜３００ｍＪ／ｃｍ²が適当で
あった。この工程は熱アニールによっておこなってもよ
い。

【００３１】次に、層間絶縁膜３０８として、プラズマ
ＣＶＤ法によって酸化珪素膜を厚さ３０００Åに成膜し
た。成膜は実施例１と同様におこなった。（図３
（Ｄ））そして、層間絶縁膜３０８、ゲイト絶縁膜３０５のエッ
チングをおこない、ソース／ドレインにコンタクトホー
ルを形成した。その後、アルミニウム膜をスパッタリン
グ法によって形成し、パターニングしてソース／ドレイ
ン電極３０９を形成し、ＴＦＴを作製した。（図３
（Ｅ））

【００３２】従来のプラズマＣＶＤを用いてゲイト絶縁
膜および非晶質珪素膜を形成した場合、成膜ダストの影
響で、ゲイト絶縁膜のピンホールや、半導体層の電気特
性の劣化といった不良が生じたりして製品の歩留りを下
げる要因となっていた。しかし、本発明によるプラズマ
ＣＶＤ装置を用いて酸化珪素膜を作成することにより、
成膜ダスト数が従来のプラズマＣＶＤ装置に比べて一桁
程度少なくなったため、それに伴って歩留りも向上し
た。

【００３３】〔実施例４〕図５にに本実施例の概略を
示す。本実施例は、通常の平行平板型プラズマＣＶＤ装
置よりも電極間の距離を拡げて、プラズマ空間を立体的
にした形状のものであり、この特徴をいかして、電極を
２組、互いに直角に配置したＣＶＤ装置である。図５
（Ａ）は本実施例の装置の横方向から見た断面図であ
り、同図（Ｂ）は、装置を上方から見た断面図である。

【００３４】図５において、チャンバー４０１内には対
向する二対の電極、すなわち、電極４０２、４０３より
なる第１の電極対と電極４０４、４０５よりなる第２の
電極対を有している。第１の電極対と第２の電極対は概
略直行するように配置されている。（図５（Ｂ））これらの電極には高周波電力が投入され、ガス導入口４
０８より導入される反応性気体をこの電極で囲まれた空
間においてプラズマ気相反応させ、該空間内に配置され
た基板ホルダー４０６上の基板４０７に成膜をおこなう
ものである。反応しなかったガスは排気口４０９より排
気される。

【００３５】本実施例では実施例１および２と同様に、
低周波によって振幅変調された高周波の極低周波による
パルス電力を用いた。このような高周波電力を発生させ
るための電源４１０、４１１は実施例１および２と同様
であり、本実施例では、電源４１０、４１１とも上記の
極低周波として５０Ｈｚ、低周波として２００ｋＨｚ、
高周波として１３．５６ＭＨｚを使用した。また、極長
波のパルス放電はｄｕｔｙ比が２０％となるようにおこ
なった。

【００３６】ただし、電源４１０と４１１とでは、高周
波の位相を変化させた。位相差は、例えば、９０°、１
８０°、２７０°とした。その他の値の位相差を採用し
てもよい。位相差によって、電極間のプラズマ状態が変
化し、最適な成膜条件が得られる。電極対の位相差を安
定させるためには位相制御器４１５を用いる。位相制御
器は、各高周波電源４１０、４１１の高周波発振器に信
号を与え、発振を制御する。このようにして発振器の段
階で設定された位相差は、その後の振幅変調の段階でも
ほとんど影響を受けず、初期と同じ値に保たれる。（図
５（Ａ））

【００３７】従来、このようなプラズマ空間の大きなプ
ラズマＣＶＤ装置においては、成膜ダストが発生しやす
く、その低減が大きな課題であったが、本発明のごと
き、パルス高周波によって、成膜ダストは十分に低減さ
れ、典型的には１〜２桁減少した。

【００３８】

【効果】本発明のように、パルス変調、低周波振幅変調
させた高周波電力を用いてプラズマを発生させることに
より、成膜ダストの削減に効果があった。本発明による
プラズマＣＶＤ装置の成膜ダストの量は、従来のプラズ
マＣＶＤ装置における成膜ダストに比べて、一桁程度の
削減することができた。

【００３９】このように、本発明によるプラズマＣＶＤ
装置によって、成膜ダストが軽減された珪素膜、酸化珪
素膜、窒化珪素膜を、微細工程をともなう半導体集積回
路および薄膜トランジスタ等の作製に用いることは有効
である。特に、薄膜トランジスタにおける半導体層であ
る非晶質珪素膜、ゲイト絶縁膜、および、層間絶縁膜と
して、本発明による酸化珪素膜を使用することによっ
て、電気特性、歩留りが向上し、層間絶縁膜上の配線の
断線の防止に効果的である。このように、本発明は工業
上、有益な発明である。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例１の装置構成を示す。

【図２】実施例２の装置構成を示す。

【図３】実施例３の工程を示す。

【図４】本発明の高周波発生装置および発生した高周
波波形の例を示す。

【図５】実施例４の装置構成を示す。

【符号の説明】

１０１・・・チャンバー１０２・・・交流電極１０３・・・基板電極１０４・・・ガス導入系１０５・・・基板１０６・・・基板電極回転機構１０７・・・ヒーター１０８・・・排気系１０９・・・高周波交流電源１１０・・・低周波交流電源１１１・・・極低周波パルス電源１１２・・・振幅変調器１１３・・・パルス変調器

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者竹村保彦神奈川県厚木市長谷398番地株式会社半導体エネルギー研究所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】チャンバー内に設置されたプラズマ放電
を発生する少なくとも一対の電極を有し、前記電極対から極低周波の繰り返し周波数でパルス的に
高周波電力を前記電極に作用させることによってプラズ
マを発生させることを特徴とするプラズマＣＶＤ装置に
おいて、前記高周波電力は低周波の振幅変調がかけられているこ
とを特徴とするプラズマＣＶＤ法による成膜方法。
【請求項２】請求項１において、極低周波は周波数が１〜２００Ｈｚ、低周波は周波数が
１ｋ〜１ＭＨｚ、高周波は周波数が１０〜１００ＭＨｚ
であることを特徴とするプラズマＣＶＤ法による成膜方
法。
【請求項３】請求項１において、珪素膜、酸化珪素膜、窒化珪素膜を成膜することを特徴
とするプラズマＣＶＤ法による成膜方法。