(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
高周波を使ったプラズマＣＶＤ法において使用するプラズマ発生方法において、前記高周波の電力を、低周波を使った変調器によって振幅変調（パルス変調を除く）させ、かつ、極低周波パルスを使った変調器によってパルス変調させることを特徴とするプラズマ発生方法。
【請求項２】
前記極低周波は周波数が１〜２００Ｈｚ、前記低周波信号は周波数が１ｋ〜１ＭＨｚ及び前記高周波は周波数が１０〜１００ＭＨｚであることを特徴とする請求項１に記載のプラズマ発生方法。
【請求項３】
前記プラズマはチャンバー内で発生されることを特徴とする請求項１または２に記載のプラズマ発生方法。
【請求項４】
前記プラズマはｄｕｔｙ比が１０から７０％であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一に記載のプラズマ発生方法。
【請求項５】
半導体集積回路及び薄膜トランジスタの作製に用いることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一に記載のプラズマ発生方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
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、２０〜１００Ｈｚのもの、低周波としては、同じく１ｋ〜１ＭＨｚ、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ｄｕｔｙ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１００％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。
【００１３】
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１０７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。
【００１４】
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。
【００１５】
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。
【００１６】
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。
【００１７】
この場合の成膜ダストは、酸化珪素膜を３０００Å堆積した時点では、１００ｍｍ角の基板において、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２００ｋＨｚ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。
【００１８】
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、１２００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。
【００１９】
〔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ＣＶＤ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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
〔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。
【００２５】
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））
【００２６】
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３０４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ＣＶＤ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））
【００２７】
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２２０Ｖ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。
【００２８】
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１０〜９０ｋＶ、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））
【００２９】
さらに、ＫｒＦエキシマレーザー（波長２４８ｎｍ、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／ｃｍ２  、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。
【００３０】
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））
【００３１】
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。
【００３２】
〔実施例４〕  図５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。
【００３３】
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４０８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。
【００３４】
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。
【００３５】
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°、１８０°、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））
【００３６】
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。
【００３７】
【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。
【００３８】
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
【図１】
0003583358.tif 000002
【図２】
0003583358.tif 000003
【図３】
0003583358.tif 000004
【図４】
0003583358.tif 000005
【図５】
0003583358.tif 000006