(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
平行平板型の一対の電極を有するチャンバーと光源室とを有するプラズマＣＶＤ装置を用いて作製した絶縁膜を有する半導体装置の作製方法であって、
基体上にシリコンを主成分とする半導体領域を形成し、
前記半導体領域を、酸素と、塩化水素又は塩素を含む炭化水素とを含むプラズマ雰囲気中にさらし、
前記電極の一方に前記半導体領域が形成された基体を配置し、
前記チャンバー内にエトキシ基を有する有機シランと酸素とを含む混合ガスを導入し、
前記一対の電極に電磁エネルギーを供給し、且つ前記光源室からの紫外線を前記チャンバー内へ照射することにより、前記混合ガスのプラズマを生じさせ、前記基体上に酸化珪素を主成分とする膜を形成し、
前記光源室からの紫外線を前記チャンバー内へ照射しながら前記酸化珪素を主成分とする膜を加熱することを特徴とする半導体装置の作製方法。
【請求項２】
請求項１において、
前記基体を２００〜６５０℃に加熱しながら、前記基体上に前記酸化珪素を主成分とする膜を形成することを特徴とする半導体装置の作製方法。
【請求項３】
請求項１又は２において、
前記基体を２００〜６５０℃に加熱しながら前記酸化珪素を主成分とする膜を加熱することを特徴とする半導体装置の作製方法。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれか一において、
前記前記酸化珪素を主成分とする膜を加熱する雰囲気はアルゴン雰囲気であることを特徴とする半導体装置の作製方法。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれか一において、
前記チャンバー内に前記混合ガスを導入し、前記一対の電極に電磁エネルギーを供給する前に、前記光源室からの紫外線を前記チャンバーへ照射することを特徴とする半導体装置の作製方法。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれか一において、
前記エトキシ基を有する有機シランとは、化学式Ｓｉ（ＯＣ２Ｈ５）４、Ｓｉ２Ｏ（ＯＣ２Ｈ５）６、Ｓｉ３Ｏ２（ＯＣ２Ｈ５）８、Ｓｉ４Ｏ３（ＯＣ２Ｈ５）１０、Ｓｉ５Ｏ４（ＯＣ２Ｈ５）１２で表現される物質のいずれかであることを特徴とする半導体装置の作製方法。
【請求項７】
請求項１乃至６のいずれか一において、
前記一対の電極の間隔は１５ｍｍ以下であることを特徴とする半導体装置の作製方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、絶縁膜、特に絶縁ゲイト型電界効果トランジスタ等の薄膜デバイスに用いられるゲイト絶縁膜や、ＩＣの層間絶縁膜やパッシベーション膜を６５０℃以下の低温で得る方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、薄膜型の絶縁ゲイト型電界効果トランジスタ（ＴＦＴ）等の薄膜デバイスにおいては、結晶シリコンを形成した後、この表面を９００〜１１００℃の高温で熱酸化することによって、特性の良好な酸化珪素を作製し、これをゲイト絶縁膜として用いることがなされてきた。
【０００３】
このような熱酸化膜の特徴は、界面準位密度が極めて低いことと結晶シリコンの表面に一様な厚さで形成できることに集約される。すなわち、前者は良好なオン／オフ特性やバイアス／温度に対する長期の信頼性をもたらし、また、後者は島状の半導体領域のエッヂ部分でのゲイト電極と半導体領域（活性層）の短絡を少なくすることによって歩留りを向上させた。
【０００４】
【発明が解決しようする課題】
しかしながら、このような熱酸化膜を用いる場合には基板材料として高温に耐える材料を選択しなければならなかった。この点に関しては、安価なガラス材料（コーニング７０５９等の無アルカリガラス）を用いることができず、したがって、特に大面積基板を用いる場合にコストが増大する点で不利であった。近年、無アルカリガラス基板上にＴＦＴを形成する技術が開発途上にあるが、このような技術においては熱酸化膜を使用することができず、スパッタ法やプラズマＣＶＤ法、減圧ＣＶＤ法等の物理的あるいは化学的気相成長法によってゲイト絶縁膜を形成していた。
【０００５】
しかし、このような手段によって形成された酸化珪素膜は、熱酸化膜に比べると特性の見劣りは否めなかった。すなわち、一般に界面準位密度は大きく、また、ナトリウム等のアルカリイオンが成膜中に侵入する危険が常に付きまとっていた。また、ステップカバレージ（段差被覆性）がそれほど良好でないので、島状の半導体領域のエッヂ部分でのゲイト電極と活性層との短絡が頻発した。このため、特性、信頼性、歩留りの全てを満足させるものを得ることは極めて難しかった。
【０００６】
本発明はこのような諸問題の少なくとも１つを解決せんとしてなされたものである。すなわち、本発明においては、ステップカバレージが良好で、しかも成膜速度の大きな酸化珪素膜を作製する方法を提供せんとするものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、
平行平板型の一対の電極の一方の電極に配置された基体上に酸化珪素膜を成膜する方法であって、
成膜雰囲気として、エトキシ基を有する有機シランと酸素とを含む雰囲気を用い、
前記雰囲気には、電磁エネルギーと紫外線のエネルギーとが供給されること、
成膜後に加熱しつつ紫外線を照射することによってアニールすること、
を要旨とする絶縁膜の作製方法である。
【０００８】
ここで、エトキシ基を有する有機シランとしては、化学式Ｓｉ（ＯＣ２  Ｈ５  ）４  （テトラ・エトキシ・シラン、以下、ＴＥＯＳという）、Ｓｉ２  Ｏ（ＯＣ２  Ｈ５  ）６  、Ｓｉ３  Ｏ２  （ＯＣ２  Ｈ５  ）８  、Ｓｉ４  Ｏ３  （ＯＣ２  Ｈ５  ）１０、Ｓｉ５  Ｏ４  （ＯＣ２  Ｈ５  ）１２で表現される物質が好ましい。このような有機シラン材料は、基板表面を泳動する時間が長く、表面での分解によって酸化珪素膜を形成するので、凹部への回り込みが良好でステップカバレージの優れた被膜が得られる。
【０００９】
電磁エネルギーとしては、１３．５６ＭＨｚの高周波エネルギーを加えることが一般的であるが、この周波数に限られるものではない。紫外線のエネルギーとしては、公知のＵＶランプ（水銀ランプが一般的に用いられる）を使用することが一般的である。
【００１０】
上記発明は、絶縁ゲイト型電界効果半導体装置のゲイト絶縁膜の作製、半導体装置（ＩＣ等の集積回路も含む）の下地酸化珪素膜や層間絶縁膜やパッシベーション膜の作製に利用できる。従って、本発明における基体としては、絶縁ゲイト型電界効果半導体装置のチャネル形成領域、ＩＣの電極配線、絶縁性基板、半導体基板、半導体層、等々の絶縁膜を必要とする部分が全て含まれる。
【００１１】
また、本発明は、成膜が行われる際の基体の温度を、６５０度以下、特に４５０度以下の温度とすることができる。この成膜の際の温度の下限は、２００度程度であるが、成膜速度の点を考慮すると、３５０度程度で行うことが好ましい。
【００１２】
また本発明においては、電極間隔を１５ｍｍ以下とすることによって、成膜速度を向上させたことを特徴とするものである。この電極間隔は、基体の厚さや成膜条件、さらには反応性気体の導入方法等によって制限されるものであるが、できる限り狭くした方が大きな成膜速度を得ることができる。
【００１３】
また、本発明において、予め有機シランと酸素とを含む混合気体を紫外線のエネルギーによって、予備励起させることは有用である。この予備励起によって、効果的に有機シランを分解活性化せしめ、しかも酸素との反応を促進させることができる。
【００１４】
また本発明において、下地に半導体を用いる場合、事前に下地の半導体（シリコンを主成分とするものが好ましい）膜を酸素を含むプラズマ雰囲気中にさらしておくとよい。この結果、界面準位密度が低下し信頼性が向上する。また、この際には、酸素以外に塩化水素もしくはトリクロロエチレン、トリクロロエタン、ジクロールメタン等の塩素を有する材料を混入させてもより一層の効果を得ることができる。
【００１５】
なお、成膜に用いられる成膜装置のチャンバー（真空室）内は十分にクリーニングして、ナトリウム等のアルカリ元素を減らしておくことが要求される。チャンバーのクリーニングには、チャンバー内に塩素、塩化水素、もしくは塩素を含む炭化水素と、酸素を導入した上で、プラズマを発生させればよい。また、その際にはチャンバー内を１５０℃以上、好ましくは３００℃以上に加熱しておくと一層の効果が得られる。
【００１６】
【作用】
エトキシ基を有する有機シランと酸素とを含む雰囲気に電磁エネルギーと紫外線のエネルギーを加えることによって、効果的に有機シランの分解と活性化、さらには酸素との反応を促進させることができ、電磁エネルギーのみでは不十分であったステップカバレージ（段差被覆性）の問題と、成膜速度の向上を計ることができる。
【００１７】
また、エトキシ基を有する有機シランとして、ＴＥＯＳを用いた場合、炭素原子が紫外線の照射により活性化され、酸素原子と反応することによって、二酸化炭素として膜中から排除するこができるので、酸化珪素膜中に炭素原子が残存することを低減することができ、膜質の向上を図ることができる。また、成膜後に加熱しつつ紫外線の照射によってアニールすることによって、絶縁膜としての膜質の向上を図ることができる。
【００１８】
【実施例】
〔実施例１〕
図１に本実施例で用いた成膜装置を示す。図１において、チャンバー６１と、紫外光源室６９とチャンバー内６０とを仕切る石英窓６３と、紫外光源室内に配置された紫外光源（水銀ランプ）６２と、高周波（１３．５６ＭＨｚ）  電源６７に接続されたメッシュ電極６４と、基板または基体６６が設置された接地電極６５が示されている。また図１には、基板または基体を加熱する機構が示されていないが、ヒータや赤外線ランプによる加熱機構が備えられている。また、ガス供給系や排気系が備えられていることはいうまでもない。
【００１９】
本実施例は、電極間極６８を１５ｍｍ以下とすることが特徴である。これは、電極間隔を１５ｍｍ以下とすることによって、成膜速度の向上とステップカバレージの向上が実験的に確かめられたことによる。図１に示す成膜装置を用いた実験（電極間隔は１５ｍｍ）によれば、水銀ランプ６２からの紫外線の照射と同時に高周波エネルギーを印加して、ＴＥＯＳと酸素との混合ガスを用いて、酸化珪素を形成した場合、成膜速度として０．０７μｍ／ｍｉｎを得ることができ、しかも良好なステップカバレージが得られることが確認されている。なお、電極間距離が４０ｍｍの場合の成膜速度は、０．００１μｍ／ｍｉｎ以下であり、電極間距離を１５ｍｍとした場合でも紫外線の照射を行わないと、成膜速度は０．００３μｍ／ｍｉｎ以下である。
【００２０】
電極間距離は、狭い程良いと考えられるが、電極間に基板や基体を配置しなければならない問題や、基板の出し入れの時の基板と電極との接触の問題、上側の電極からのフレークの膜中への混入、といった問題があり限度がある。しかし、可能な限り電極間隔を狭くして成膜を行うことは、有用であると考えられる。
【００２１】
以下に実験の経緯を説明する。
まず、成膜条件を説明する。ここでは基板として高純度シリコンウェファーを用い、電極間隔６８を１５ｍｍとして成膜を行った。ここでは、基板温度は３００℃とした。また、チャンバー内６０には、酸素を３００ＳＣＣＭ、ＴＥＯＳを１５ＳＣＣＭ、トリクロロエチレン（以下、ＴＣＥという）を２ＳＣＣＭ導入した。ＲＦパワー（１３．５６ＭＨｚ）は７５Ｗ、全圧は５Ｐａである。また、成膜後に３５０℃、３５分の水素雰囲気で、紫外線を照射しながらのアニールをおこなった。このアニールは、大気や酸素雰囲気下で行なってもよい。
【００２２】
図３は、基板６６として高抵抗シリコンウェファーを用い、この上に成膜した厚さ１０００Åの酸化珪素膜の絶縁破壊試験の結果である。酸化珪素膜上には１ｍｍφのアルミニウム電極を形成して電圧−電流の関係をプロットした。図３（Ｃ）は基板に特別な処理をおこなわないで、成膜したもので絶縁耐圧が低い。しかしながら、基板をチャンバーにセットした後、基板温度３００℃、酸素を４００ＳＣＣＭ、ＴＣＥを０〜５ＳＣＣＭ流し、全圧５Ｐａの雰囲気、ＲＦパワー１５０Ｗで１０分間プラズマ雰囲気にさらした（この工程では気相反応では被膜は形成されない）後に、引き続いて酸化珪素膜を堆積すると図３（Ａ）に示すように良好な耐圧を示す酸化珪素膜が得られた。
【００２３】
しかしながら、酸化珪素成膜時のＴＣＥの流量を４ＳＣＣＭ以上、例えば、５ＳＣＣＭに増やすと図３（Ｂ）に示すように耐圧の劣る被膜になってしまった。この結果から、ＴＣＥの濃度には最適な値があることが明らかになった。
【００２４】
図４（Ａ）は、信頼性試験の１つとして、バイアス／温度印加試験によるフラットバンド電圧（ＶＦＢ）の変動（ΔＶＦＢ）と基板前処理の関係を示したものである。バイアス／温度試験では、１５０℃で試料に＋１７Ｖの電圧を１時間印加した後、室温でそのＣ−Ｖ特性を測定し、さらに、１５０℃で−１７Ｖの電圧を１時間印加した後、室温でそのＣ−Ｖ特性を測定し、この２回の測定でのＶＦＢの差をΔＶＦＢとして評価した。
【００２５】
前処理を行わなかった試料（図４（Ａ）において、（ａ）と表示）では、ΔＶＦＢは５Ｖ前後で比較的大きな値を示した。しかし、前処理をおこなうことによってそれは改善された。図４（Ａ）の（ｂ）、（ｃ）の前処理条件を以下に示す。
試料                （ｂ）          （ｃ）
基板温度            ３００℃        ３００℃
ＴＣＥ／酸素        ０／４００          ０．５／４００
ＲＦパワー          １５０Ｗ        １５０Ｗ
処理時間            １０分          １０分
図４から、ＴＣＥを用いて基板の前処理をおこなうことによって、より一層の改善が見られることが確かめられた。
【００２６】
同様な改善は成膜後にアニールをおこなうことによって得られる。アニールは１気圧のアルゴン雰囲気で３００〜５７０℃で、１時間おこなった。アニール温度とΔＶＦＢの関係を図４（Ｂ）に示す。特に４５０℃以下の温度でΔＶＦＢの低減が観測され、６００℃に近づくにつれて一定の値に漸近する傾向がうかがえる。このことから、成膜後のアニールは信頼性向上に寄与することが明らかにされた。
【００２７】
以上の実験から得られた結果を用いて、ＴＦＴを作製した。その工程を図２に示す。まず、基板（コーニング７０５９）２０１上に厚さ２０００Åの下地の酸化珪素膜２０２をＴＥＯＳ、酸素、ＴＣＥを原料とする紫外線の照射を併用したプラズマＣＶＤ法によって形成した。用いた装置は図１に示したものと同じである。主な条件は以下の通りである。
0003576539.tif 000002
【００２８】
その後、プラズマＣＶＤ法によって、厚さ５００ｎｍのアモルファスシリコン膜を堆積し、これをパターニングして、島状シリコン領域２０３を形成した。さらに、窒素雰囲気に４００℃、３０分放置することによって、水素出しをおこなった。そして、図２（Ａ）に示すようにレーザーアニールをおこなって、結晶化させた。レーザーにはＫｒＦエキシマーレーザー（波長２４８ｎｍ、パルス幅２０ｎｓｅｃ）を用いた。エネルギー密度は２００〜３５０ｍＪ／ｃｍ２  とした。また、レーザー照射時には基板温度を３００〜５００℃、例えば４５０℃に保った。
【００２９】
その後、図２（Ｂ）に示すように、この島状シリコン領域２０３を覆って、ゲイト絶縁膜として厚さ１０００Åの酸化珪素膜２０４をＴＥＯＳ、酸素、ＴＣＥを原料とするプラズマＣＶＤ法によって形成した。成膜に先立って、基板の前処理をおこなった。前処理と成膜は、図１に示す装置を用い、電極間距離１５ｍｍで紫外線を照射しながら行った。前処理の主な条件を以下に示す。
基板温度  ：３００℃          全圧  ：５Ｐａ
ガス  酸素：４００ＳＣＣＭ    ＴＣＥ：０．５ＳＣＣＭ
ＲＦパワー          １５０Ｗ  処理時間            １０分
続いて、成膜をおこなった。主な成膜条件は以下の通りである。また、成膜後に紫外線を照射しながら、アルゴン雰囲気、５５０℃で１時間のアニールをおこなった。
0003576539.tif 000003
【００３０】
次に、シリコンを２％ドープしたアルミニウム膜を６０００Å堆積し、これをパターニングしてゲイト電極２０５を形成した。そして、図２（Ｃ）に示すように不純物イオン（燐やホウ素）をプラズマドーピング法によって、ゲイト電極２０５をマスクとして自己整合的に導入し、不純物領域２０６、２０７を形成した。不純物が形成されなかった領域はチャネル形成領域２０８となる。ドーピングはゲイト絶縁膜を通しておこなわれるので、燐の場合は８０ｋＶの、また、ホウ素の場合は６５ｋＶの加速電圧が必要であった。また、ドーズ量は１×１０１５〜４×１０１５ｃｍ−２が適当であった。
【００３１】
その後、図２（Ｄ）に示すように、再びレーザーアニール法によって、不純物の活性化をおこなった。レーザーにはＫｒＦエキシマーレーザー（波長２４８ｎｍ、パルス幅２０ｎｓｅｃ）を用いた。エネルギー密度は２００〜３５０ｍＪ／ｃｍ２  とした。また、レーザー照射時には基板温度を３００〜５００℃に保ってもよい。レーザー照射終了後、０．１〜１気圧の分圧の水素雰囲気、３５０℃で３５分間のアニールをおこなった。
【００３２】
次に、層間絶縁物として厚さ５０００Åの酸化珪素膜２０９を堆積した。酸化珪素膜２０９はＴＥＯＳ、酸素、ＴＣＥを原料とするプラズマＣＶＤ法によって形成した。用いた装置は図１に示したものと同じである。主な成膜条件は以下の通りである。
基板温度：３００℃                全圧：５Ｐａ
ガス  ＴＥＯＳ：  ３０ＳＣＣＭ    酸素：３００ＳＣＣＭ
ＲＦパワー：１００Ｗ
【００３３】
そして、層間絶縁物にコンタクトホール２１０、２１１を形成し、アルミニウムによってＴＦＴのソース、ドレインに電極２１２、２１３を形成した。アルミニウムの代わりにチタン、窒化チタンを用いてもよい。以上によってＴＦＴを完成することができた。得られたＴＦＴの歩留りはゲイト絶縁膜のステップカバレージが改善されたことと、ゲイト絶縁膜の信頼性が向上したために歩留りが著しく改善された。
【００３４】
上記ＴＦＴの作製において、特に、紫外線を照射することによって、ステップカバレージを改善できたこと、さらには膜中に炭素が残留することを抑制できたこと、がＴＦＴの信頼性の向上に寄与したものと考えられる。
【００３５】
〔実施例２〕
本実施例は、ＩＣの層間絶縁膜として本発明を利用した例である。
【００３６】
図５にＩＣ（ＤＲＡＭ）の断面図を示す。図面において、５１が素子部分であり、ここにＭＯＳ型トランジスタやキャパシタが作り込まれている。また５２は層間絶縁膜であり、ＰＰＳＧ等で構成される。５３はアルミ配線であり、該アルミ配線５３上に層間絶縁膜である酸化珪素膜５４が示されている。本実施例は、この層間絶縁膜５４を形成する例である。
【００３７】
層間絶縁膜５４の作製条件の一例を以下に示す。用いる装置は図１に示したものと同じである。主な条件は以下の通りである。
基板温度：３００℃                全圧：５Ｐａ
ガス  ＴＥＯＳ：  １５ＳＣＣＭ    酸素：３００ＳＣＣＭ
ＲＦパワー：７５Ｗ
そして成膜後、紫外線を照射しながら３００度、１時間のアニールを行なった。
【００３８】
本実施例のように、高いステップカバレージを必要とされる絶縁膜を形成するには、本発明を利用することが有用である。また、以上の実施例においては、層間絶縁膜としての酸化珪素膜を形成するのみの例であるが、成膜ガスとして、ＰＨ３  を添加すれば、絶縁膜中にＰを添加するこができ、Ｂ２  Ｈ６  を用いれば、Ｂを膜に添加できる。また、膜中に塩素やハロゲン元素を含ませることもできる。
【００３９】
【効果】
本発明によって、得られる酸化珪素膜がゲイト絶縁膜として十分に信頼性に優れていることは以上に述べたとおりである。しかも、信頼性だけでなく、歩留りの向上にも寄与することが明らかになった。また、ステップカバレージと成膜速度の向上を得ることができ、量産性を向上させることができた。このように本発明は産業上、有益な発明である。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例に用いられた成膜装置の概念図を示す。
【図２】実施例におけるＴＦＴの作製工程図を示す。
【図３】実施例において得られた絶縁被膜の耐圧特性を示す。
【図４】実施例において得られた絶縁被膜のΔＶＦＢ特性を示す。
【図５】実施例で用いたＩＣの断面図を示す。
【符号の説明】
６１          ・・・チャンバー
６７          ・・・高周波電源
６５、６４    ・・・電極
６８          ・・・電極間隔
６２          ・・・紫外光源
６３          ・・・石英窓
６６          ・・・基板
【図１】
0003576539.tif 000004
【図２】
0003576539.tif 000005
【図３】
0003576539.tif 000006
【図４】
0003576539.tif 000007
【図５】
0003576539.tif 000008