(57)【要約】【課題】未反応のシランガスによるごみの発生を抑制すると共に、プラズマチャージを低減する。【解決手段】少なくともシランガス、アンモニアガス及び窒素ガスを使用したプラズマＣＶＤ装置により、半導体基板上に所望の膜を成膜する成膜工程と、成膜工程の終了後に、シランガスを止め、アンモニアガスと窒素ガスとでプラズマパージを行うプラズマパージ工程とを有する半導体装置の製造方法。【選択図】図２
2013229459.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくともシランガス、アンモニアガス及び窒素ガスを使用したプラズマＣＶＤ装置により、半導体基板上に所望の膜を成膜する成膜工程と、
前記成膜工程の終了後に、前記シランガスを止め、前記アンモニアガスと前記窒素ガスとでプラズマパージを行うプラズマパージ工程と、
を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項２】
前記プラズマＣＶＤ装置は、
前記半導体基板が設置された真空チャンバーと、
前記真空チャンバーに配置され、前記半導体基板を熱するためのヒーターと、
前記ヒーターに対向して配置されたシャワーヘッドと、
前記シャワーヘッドに接続され、前記シランガス、アンモニアガス及び窒素ガスを流すための反応ガスラインと、
前記シャワーヘッドに接続されたＲＦ電源を有し、
前記半導体基板に向けて、前記シランガス、アンモニアガス及び窒素ガスを吹き出しながら、前記ヒーターと前記シャワーヘッドの間に高周波電力を印加することによりプラズマを発生させて、前記半導体基板上に前記所望の膜を成膜し、
前記所望の膜の成膜は、ガス流量、前記ＲＦ電源のＲＦパワー、前記真空チャンバー内の圧力、前記シャワーヘッドと前記ヒーターとの間のヒータースペースを変化させることにより行われることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項３】
前記プラズマパージは、未反応の前記シランガスを前記アンモニアガスと反応させるために行われることを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項４】
前記プラズマパージは、前記圧力が６Ｔｏｏｒ、前記ヒータースペースが１．１ｉｎ、前記ＲＦパワーが３００ｗ、前記アンモニアガスの流量が６０ｓｃｃｍ、前記窒素ガスの流量が１８０００ｓｃｃｍの条件下で行われることを特徴とする請求項２に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項５】
前記プラズマパージは、前記圧力が６Ｔｏｏｒ、前記ヒータースペースが１．１ｉｎ、前記ＲＦパワーが７６０ｗ、前記アンモニアガスの流量が６０ｓｃｃｍ、前記窒素ガスの流量が１８０００ｓｃｃｍの条件下で行われることを特徴とする請求項２に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項６】
前記プラズマパージは、プラズマが不均一となり界面準位密度の値及びばらつきを増大させるプラズマチャージを低減するために行われ、
前記プラズマパージの条件を、前記アンモニアガスの流量を１００ｓｃｃｍ以下、前記ＲＦパワーを７００Ｗ以上に設定することを特徴とする請求項２に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項７】
前記プラズマパージの条件を設定することにより、前記アンモニアガスが分解されて前記窒素ガスの分解の触媒として働き、前記プラズマを均一にすることを特徴とする請求項６に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項８】
前記プラズマを均一にするために、前記ヒータースペースを０．４８ｉｎ〜１．２ｉｎの間に設定することを特徴とする請求項７に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項９】
前記成膜工程と前記プラズマパージ工程との間に移行工程を設け、
前記プラズマパージは、前記圧力が６Ｔｏｏｒ、前記ヒータースペースが１．１ｉｎ、前記ＲＦパワーが７６０ｗ、前記アルゴンガスの流量が１８０００ｓｃｃｍの条件下で行われ、
前記移行工程では、前記ＲＦパワーを７６０Ｗに保ったままで前記アンモニアガス及び前記シランガスを切り、前記窒素ガスからアルゴンガスに段階的に切り替えることを特徴とする請求項２に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１０】
前記所望の膜は、シリコン窒化膜であることを特徴とする請求項１から９のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体装置の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年の半導体装置では、プラズマＣＶＤ装置を使用して、絶縁膜を形成することが行われている（特開２００６−１４７６５５号公報（特許文献１）参照）。
【０００３】
また、絶縁膜として、ＣＶＤ工程により形成されたシリコン窒化膜が広く利用されている。例えば、このシリコン窒化膜はトランジスタのゲート電極のスペーサー等に使用されている。通常、ＣＶＤ工程により形成されるシリコン窒化膜は、シランガスとアンモニアガスの反応によって形成される（特開２００６−２０３２０２号公報（特許文献２）参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−１４７６５５号公報
【特許文献２】特開２００６−２０３２０２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、特許文献１、２では、未反応のシランガスによるごみの発生の問題及びプラズマの不均一によるプラズマチャージの発生の問題については認識されていない。
【０００６】
本発明は、未反応のシランガスによるごみの発生を抑制すると共に、プラズマチャージを低減することが可能な半導体装置の製造方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の一態様に係る半導体装置の製造方法は、
少なくともシランガス、アンモニアガス及び窒素ガスを使用したプラズマＣＶＤ装置により、半導体基板上に所望の膜を成膜する成膜工程と、
前記成膜工程の終了後に、前記シランガスを止め、前記アンモニアガスと前記窒素ガスとでプラズマパージを行うプラズマパージ工程と、
を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、未反応のシランガスによるごみの発生を抑制すると共に、プラズマチャージを低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の第１の実施の形態によるプラズマＣＶＤ装置の構造を模式的に表した断面図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態による成膜シーケンスを示す図である。
【図３】本発明の第２の実施の形態による成膜シーケンスを示す図である。
【図４】本発明の第３の実施の形態による成膜シーケンスを示す図である。
【図５】関連技術による成膜シーケンスを示す図である。
【図６】界面順位密度のプラズマパージ条件依存性を示したグラフである。
【図７】各実施形態１〜３及び関連技術のごみ増加数を示したグラフである。
【図８】ＣＴ（Ｃｈａｒｇｅ  Ｔｒａｐ）型ＮＡＮＤフラッシュメモリ（Ｆｌａｓｈ  Ｍｅｍｏｒｙ）のメタル配線を形成した後の断面図である。
【図９】本発明の実施形態を適用するゲート周りを拡大した断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
最初に、本発明の特徴がより明確になるように、関連技術に係る半導体装置の製造方法について説明する。
【００１１】
（関連技術）
図５は、関連技術による半導体装置の製造方法（成膜シーケンス）を示す図である。具体的には、図５は、関連技術によるプラズマＣＶＤによる製造条件を示す図であり、成膜シーケンスを示している。
【００１２】
ここで、ステップ３の成膜ステップの条件は下記のとおりである。  
圧力：６Ｔｏｏｒ
ヒータースペース：０．４８ｉｎ
ＲＦパワー：７６０ｗ
アンモニアガス流量：６０ｓｃｃｍ
シランガス流量：１８５ｓｃｃｍ
窒素ガス流量：１８０００ｓｃｃｍ
【００１３】
関連技術では、成膜終了とともに、シランガス、アンモニアガスを止め、それと同時にプラズマをオフする。この時、窒素ガスは流したままなので、アンモニアガスの窒素ガス分解に寄与する触媒作用がなくなり、窒素ガスの分解に必要なＲＦパワーが足りず、プラズマが不均一となり、プラズマチャージを悪化させるという問題がある。
【００１４】
また、図７に示すように、ごみ増加数は８００個／ウェハー以上と非常に多い。ここで、図７は、後述の本発明の各実施形態１〜３及び関連技術のごみ増加数を示したグラフである。これも、成膜終了と共にシランガス、アンモニアガスを止め、プラズマをオフするので、残留した未反応のシランガスがごみとなり、ごみの増加数が多くなるからである。
【００１５】
本発明は、上記関連技術の問題を解決するものであり、未反応のシランガスによるごみの発生を抑制すると共に、プラズマチャージを低減することが可能な半導体装置の製造方法を提供する。
【００１６】
（本発明の実施の形態）
以下、図面を参照しながら、本発明の好ましい実施の形態について詳細に説明する。
【００１７】
（第１の実施の形態）
図１、図２は、本発明の第１の実施の形態によるプラズマＣＶＤによる製造条件を示す図である。図１は、本発明の第１の実施の形態に適用されるプラズマＣＶＤ装置の構造を模式的に表した断面図であり、図２は、本発明の第１の実施の形態による成膜シーケンスを示す図である。
【００１８】
最初に、図１を参照して、本発明の第１の実施の形態によるプラズマＣＶＤ装置について説明する。
【００１９】
プラズマＣＶＤ装置１００は、スロットルバルブ３、アイソレーションバルブ４を介して、排気システム（図示せず）に連結された真空チャンバー１１を複数備えている。ここでは、便宜上、２つの真空チャンバー１１ａ、１１ｂのみを示す（以下に示す他の構成要素についても同じ）。
【００２０】
真空チャンバー１１ａ、１１ｂ内には、プラズマＣＶＤによって成膜されるべき半導体基板を熱し、支持するための直径４００ｍｍφの下部ヒーター５ａ、５ｂが配置されている。
【００２１】
同じく、真空チャンバー１１ａ、１１ｂ内で下部ヒーター５ａ、５ｂに対向して、直径４００ｍｍφのシャワーヘッド６ａ、６ｂが配置されている。
【００２２】
シャワーヘッド６ａ、６ｂには、例えば、シランガス、アンモニアガス、窒素ガス等の反応ガスが流れる反応ガスライン８、例えば、ＮＦ３ガス等のクリーニングガスが流れるクリーニングガスライン１０及びＲＦ電源２ａ、２ｂがつながっている。このような構成の下、半導体基板に向けて、反応ガスを吹き出しながら、下部ヒーター５ａ、５ｂとガス吹き出し用のシャワーヘッド６ａ、６ｂの間に高周波電力が印加されて反応ガスのプラズマが発生する。
【００２３】
こうして、下部ヒーター５とガス吹き出し用のシャワーヘッド６ａ、６ｂの間において励起されたプラズマ反応ガスから、半導体基板上にシリコン窒化膜等の所望の膜が成膜する。
【００２４】
真空チャンバー１１ａ、１１ｂ内の圧力は、バラトロン真空計７で測定され、スロットルバルブ３の開閉で制御される。
【００２５】
また、下部ヒーター５ａ、５ｂをヒーター昇降機９ａ、９ｂで上下させることで、シャワーヘッド６ａ、６ｂと下部ヒーター５ａ、５ｂとの距離であるヒータースペース１ａ、１ｂを変化させることができる。
【００２６】
シリコン窒化膜等の成膜は、ガス流量、ＲＦパワー、圧力、ヒータースペースの各パラメーターを変化させて、膜の特性及び埋設性を調整することにより行われる。
【００２７】
次に、図２を参照して、本発明の第１の実施の形態による成膜シーケンスについて説明する。
【００２８】
ステップ３の成膜ステップの条件は下記のとおりである。  
圧力：６Ｔｏｏｒ
ヒータースペース：０．４８ｉｎ
ＲＦパワー：７６０ｗ
アンモニアガス流量：６０ｓｃｃｍ
シランガス流量：１８５ｓｃｃｍ
窒素ガス流量：１８０００ｓｃｃｍ
【００２９】
成膜ステップの各条件は、膜の特性及び埋設性に影響を与えないように、関連技術（図５参照）と同じ条件に設定されている。
【００３０】
本発明の第１の実施の形態は、ごみ低減のために、成膜終了後のステップ４にプラズマパージを追加している。
【００３１】
ステップ４のプラズマパージステップの条件は下記のとおりである。  
圧力：６Ｔｏｏｒ
ヒータースペース：１．１ｉｎ
ＲＦパワー：３００ｗ
アンモニアガス流量：６０ｓｃｃｍ
窒素ガス流量：１８０００ｓｃｃｍ
【００３２】
この条件でプラズマパージを追加することで、図７に示すように、ごみ増加数が、関連技術の８００個／ウェハー以上から１００個／ウェハー前後に減少している。ここで、図７は、各実施形態１〜３及び関連技術のごみ増加数を示したグラフである。
【００３３】
そして、ステップ３の成膜ステップから、シランガスを止め、アンモニアガスと窒素ガスでプラズマパージすることにより、未反応のシランガスをアンモニアガスで反応させることができ、ごみの発生を抑制することができる。
【００３４】
ただし、図６に示すように、関連技術よりも界面準位密度の値もばらつきも大きくなり、プラズマチャージの問題が発生してしまう。ここで、図６は、界面順位密度のプラズマパージ条件依存性を示したグラフである。この問題は、以下に示す本発明の第２、第３の実施の形態により解消される。
【００３５】
（第２の実施の形態）
図３は、本発明の第２の実施の形態によるプラズマＣＶＤの製造条件を示す図であり、成膜シーケンスを示している。
【００３６】
ステップ３の成膜ステップの条件は下記のとおりである。  
圧力：６Ｔｏｏｒ
ヒータースペース：０．４８ｉｎ
ＲＦパワー：７６０ｗ
アンモニアガス流量：６０ｓｃｃｍ
シランガス流量：１８５ｓｃｃｍ
窒素ガス流量：１８０００ｓｃｃｍ
【００３７】
成膜ステップの各条件は、膜の特性、埋設性に影響を与えないように、関連技術（図５参照）と同じ条件に設定されている。
【００３８】
本発明の第２の実施の形態では、ごみ低減及びプラズマチャージ低減のために、成膜終了後のステップ４にプラズマパージを追加している。
【００３９】
ステップ４のプラズマパージステップの条件は下記のとおりである。  
圧力：６Ｔｏｏｒ
ヒータースペース：１．１ｉｎ
ＲＦパワー：７６０ｗ
アンモニアガス流量：６０ｓｃｃｍ
窒素ガス流量：１８０００ｓｃｃｍ
【００４０】
この条件でプラズマパージを追加することで、図７に示すように、ごみ増加数が関連技術の８００個／ウェハー以上から１００個／ウェハー以下に減少する。ここで、図７は、各実施形態１〜３及び関連技術のごみ増加数を示したグラフである。
【００４１】
また、図６に示したように、界面準位密度の値もばらつきも非常に小さくプラズマチャージの問題も解消される。ここで、図６は、界面順位密度のプラズマパージ条件依存性を示したグラフである。
【００４２】
プラズマチャージを低減するためには、ステップ４のプラズマパージステップの条件を下記の条件に設定しなくてはならない。
【００４３】
つまり、アンモニア／窒素プラズマにおいて、アンモニア流量は１００ｓｃｃｍ以下、ＲＦパワーは７００Ｗ以上に設定する。このような条件に設定することにより、アンモニアガスが十分分解され、窒素ガス分解の触媒として働き、プラズマ状態を均一にすることができる。
【００４４】
さらに、プラズマを広がりやすく、均一にするようにヒータースペース１を０．４８ｉｎ〜１．２ｉｎの間に設定する。
【００４５】
このアンモニア／窒素プラズマにおいて、アンモニアガスの代わりに反応性の高い水素ガスを用いてもよい。
【００４６】
（第３の実施の形態）
図４は、本発明の第３の実施の形態によるプラズマＣＶＤの製造条件を示す図であり、成膜シーケンスを示している。
【００４７】
ステップ３の成膜ステップの条件は下記のとおりである。  
圧力：６Ｔｏｏｒ
ヒータースペース：０．４８ｉｎ
ＲＦパワー：７６０ｗ
アンモニアガス流量：６０ｓｃｃｍ
シランガス流量：１８５ｓｃｃｍ
窒素ガス流量：１８０００ｓｃｃｍ
【００４８】
成膜ステップの各条件は、膜の特性、埋設性に影響を与えないように関連技術（図５参照）と同じ条件に設定されている。
【００４９】
本発明の第３の実施の形態では、ごみ低減及びプラズマチャージ低減のために、成膜終了後のステップ５にプラズマパージを追加している。
【００５０】
ステップ５のプラズマパージステップの条件は下記のとおりである。  
圧力：６Ｔｏｏｒ
ヒータースペース：１．１ｉｎ
ＲＦパワー：７６０ｗ
アルゴンガス流量：１８０００ｓｃｃｍ
【００５１】
さらに、本発明の第３の実施の形態では、ステップ３の成膜ステップからステップ５のプラズマパージステップに移行するために、ステップ３とステップ５の間にステップ４の移行ステップが挿入されている。
【００５２】
この移行ステップ４では、ＲＦパワーを７６０Ｗに保ったままでアンモニアガス、シランガスを切り、窒素ガスからアルゴンガスにガス種を段階的に切り替えている。
【００５３】
ガス条件をアンモニア／シランからアルゴンに変更しても、図７に示すように、ごみ増加数が関連技術の８００個／ウェハー以上から１００個／ウェハー以下に減少している。ここで、図７は、各実施形態１〜３及び関連技術のごみ増加数を示したグラフである。
【００５４】
また、プラズマチャージに対してもさらなる改善効果が認められる。
【００５５】
このガスはアルゴンに限らず、ネオンやキセノン等の不活性ガスでも同様の効果が得られる。
【００５６】
次に、図８、図９を参照して、本発明の半導体装置の製造方法を適用した半導体装置について説明する。
【００５７】
図８、図９は、本発明を適用して製造されたＣＴ（Ｃｈａｒｇｅ  Ｔｒａｐ）型ＮＡＮＤフラッシュメモリ（Ｆｌａｓｈ  Ｍｅｍｏｒｙ）の構造を示す。ここで、図８は、ＣＴ型ＮＡＮＤフラッシュメモリのメタル配線を形成した後の断面図を示し、図９は、本発明を適用するゲート周りを拡大した断面図を示す。
【００５８】
図８の点線部８１０が、ＣＴ型ＮＡＮＤフラッシュメモリ８００のゲート周りを示している。
【００５９】
図９を参照すると、シリコン酸化膜、シリコン窒化膜、シリコン酸化膜の積層構造をしたゲート絶縁膜２１上にゲート電極２２の一部となるポリシリコン２２ａが配置されている。ゲート電極２２の一部のポリシリコン２２ａを覆うように酸化膜を堆積し、それをエッチバックしたスペーサー２３が配置されている。ポリシリコン２２ａ上にニッケル等でシリサイド２２ｂを設け、ゲート電極２２を構成する。
【００６０】
ゲート電極２２及びスペーサー２３を覆うように、ＥＳＬシリコン窒化膜２４を堆積する。この時の、図１に示したプラズマＣＶＤ装置１００を使用するが、関連技術のように、プラズマチャージがあると、ゲート絶縁膜２１のシリコン酸化膜がダメージを受け、保持特性が劣化してしまう。
【００６１】
一方、本発明の実施形態によるプラズマチャージの少ない条件で、ＥＳＬシリコン窒化膜２４を堆積すると、ゲート絶縁膜２１のシリコン酸化膜にダメージがなく、保持特性が劣化してしまう問題も発生しない。
【００６２】
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は、上記の実施形態に限定されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能であり、それらも本発明の範囲内に包含されるものであることはいうまでもない。
【符号の説明】
【００６３】
１ａ、１ｂ  ヒータースペース
２ａ、２ｂ  ＲＦ電源
３  スロットルバルブ
４  アイソレーションバルブ
５ａ、５ｂ  下部ヒーター
６ａ、６ｂ  シャワーヘッド
７  バラトロン真空計
８  反応ガスライン
９ａ、９ｂ  ヒーター昇降機
１０  クリーニングガスライン
１１ａ、１１ｂ  真空チャンバー
２１  ゲート絶縁膜
２２  ゲート電極
２２ａ  ポリシリコン
２２ｂ  シリサイド
２３  スペーサー
２４  ＥＳＬシリコン窒化膜
１００  プラズマＣＶＤ装置
８００  ＣＴ型ＮＡＮＤフラッシュメモリ
【図１】
2013229459.tif 000003
【図２】
2013229459.tif 000004
【図３】
2013229459.tif 000005
【図４】
2013229459.tif 000006
【図５】
2013229459.tif 000007
【図６】
2013229459.tif 000008
【図７】
2013229459.tif 000009
【図８】
2013229459.tif 000010
【図９】
2013229459.tif 000011