(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
低圧環境下に供給された水素を含有する原料ガスであるＳｉＨ4と窒化ガスであるＮ2又はＮＨ3とに高周波パワーを印加し、これにより発生したプラズマによる化学的な反応を利用して、基板上に形成された強誘電体を覆うように窒化膜を形成するプラズマＣＶＤ成膜方法において、
前記原料ガスに対する前記窒化ガスのガス質量流量比率を０．５倍〜２倍とし、前記原料ガスの質量流量１ｓｃｃｍ当たりに４０Ｗ以上の高周波パワーを印加し、成膜温度範囲を１００℃〜３００℃とし、前記高周波パワーの周波数を４００ｋＨｚ〜３ＧＨｚの範囲として、前記窒化膜を形成することを特徴とするプラズマＣＶＤ成膜方法。
【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成膜方法に関し、特に、強誘電体を用いた半導体素子の製造に適用して有用なものである。
【０００２】
【従来の技術】
現在、半導体素子の製造においてはプラズマＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition ）装置を用いた成膜が知られている。プラズマＣＶＤ装置は、膜の原料となるガスを容器内の成膜室に導入してプラズマ状態にし、このプラズマ中の活性粒子（励起原子又は分子）よって基板（ウエハ）表面の化学的な反応を促進して成膜を行う装置である。前記容器には電磁波透過窓が備えられ、前記容器の外側に配置された給電アンテナに高周波電源から電力を供給して、前記電磁波透過窓から成膜室内に電磁波を入射させることにより、この電磁波のエネルギー（高周波パワー）によって成膜室内のガスをプラズマ状態にする。
【０００３】
かかるプラズマＣＶＤ装置において、素子間や配線間などを絶縁するため、或いは、素子を保護するために窒化膜（絶縁膜）であるＳｉx Ｎy 膜を形成する際には、原料ガスとしてＳｉＨ4 を供給し、窒化ガスとしてＮ2 又はＮＨ3 を供給する。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、強誘電体を用いた半導体素子の製造に際しては、上記従来のプラズマＣＶＤ成膜装置によってＳｉx Ｎy 膜を形成する場合、原料ガスのＳｉＨ4 や窒化ガスのＮＨ3 には水素が多く含まれるため、強誘電体の水素還元反応劣化が生じてしまう。
【０００５】
詳述すると、現在、強誘電体を用いた半導体素子として強誘電体メモリが注目され、実用化もされている。この強誘電体メモリは、強誘電体であるＰＺＴ：Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ3 やＳＢＴ：ＳｒＢｉ2 Ｔａ2 Ｏ9 などの金属酸化物をＰｔ電極やＩｒ電極で挟んだ構成の強誘電体キャパシタを、ＬＳＩ（Large Scale Integration ）メモリに組み込んだものであり、この強誘電体キャパシタの残留分極特性を利用することにより、電源供給を切っても情報を保持することができる不揮発性メモリとして動作することができるものである。
【０００６】
このような強誘電体メモリの製造に際して、上記従来のプラズマＣＶＤ装置によってＳｉx Ｎy 膜を形成する場合、原料ガスのＳｉＨ4 や窒化ガスのＮＨ3 には水素が多く含まれるため、このれらのガスが分解されることによって生成される水素ガス（水素イオン）により、金属酸化膜（ＰＺＴ膜、ＳＢＴ膜）が還元され、金属酸化膜中の酸素がＯＨとして除去されてしまう（抜け出てしまう）。このため、強誘電体キャパシタの特性が劣化（残留分極が減少）してしまう。
【０００７】
このことは金属酸化膜の上に形成された電極の材料がＰｔ等、還元反応を促進する触媒作用を有する材料である場合に更に顕著になる。例えば金属酸化膜（ＰＺＴ膜、ＳＢＴ膜）の上に形成された電極がＰｔ電極である場合には、このＰｔ電極にＨ2 分子やＨ2 イオンが触れるとＰｔの表面反応により、Ｈ2 分子やＨ2 イオンが水素原子へと分解され、Ｐｔ内部へ拡散していく。そして、このＰｔ内部へ拡散した水素原子が金属酸化膜まで到達し、金属酸化膜を還元してしまう。
【０００８】
従って、本発明は上記の問題点に鑑み、素子の還元反応劣化を招くことなく窒化膜を形成することができるプラズマＣＶＤ成膜方法を提供することを課題とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決する本発明のプラズマＣＶＤ成膜方法は、低圧環境下に供給された水素を含有する原料ガスであるＳｉＨ4と窒化ガスであるＮ2又はＮＨ3とに高周波パワーを印加し、これにより発生したプラズマによる化学的な反応を利用して、基板上に形成された強誘電体を覆うように窒化膜を形成するプラズマＣＶＤ成膜方法において、
前記原料ガスに対する前記窒化ガスのガス質量流量比率を０．５倍〜２倍とし、前記原料ガスの質量流量１ｓｃｃｍ当たりに４０Ｗ以上の高周波パワーを印加し、成膜温度範囲を１００℃〜３００℃とし、前記高周波パワーの周波数を４００ｋＨｚ〜３ＧＨｚの範囲として、前記窒化膜を形成することを特徴とする。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づき詳細に説明する。
【００１５】
図１は本発明の実施の形態に係るプラズマＣＶＤ成膜方法を実施するプラズマＣＶＤ装置の構成図、図２はＳｉx Ｎy 膜の成膜状態を示す説明図、図３は高周波パワーを変えたときのイオン電流値の変化を示すグラフ、図４はＳｉx Ｎy 膜の成膜時に印加する高周波パワーと強誘電体キャパシタの残留分極の関係を示すグラフである。
【００１６】
図１に示すように、基部１上にはアルミニウム製で円筒状の真空チャンバ容器２が設けられており、この容器２の内部が成膜室３となっている。成膜室３の上部には電磁波透過窓である円形の天井板４が設けられ、成膜室３内には基板支持台５が備えられている。基板支持台５は半導体素子の基板６を載置するための円盤状の基板載置部７を有し、この基板載置部７は支持軸８に支持されている。基板載置部７はＡｌ2 Ｏ3 やＡｌＮなどのセラミック材料からなり、基板載置部７上に載置した基板６を静電的に吸着保持する静電チャックである。
【００１７】
基板６は円盤状のＳｉウエハであり、周知のようにφ１５０ｍｍ（６インチ）のものやφ２００ｍｍ（８インチ）のものなど種々のウエハサイズのものがある。基板載置部７にはインピーダンスマッチングを行うための整合器１０及びコンデンサ９を介してバイアス電源１１が接続されている。即ち、基板載置部７はバイアス電極としても機能している。また、基板載置部７にはＬＰＦ１２を介して静電電源１３も接続されている。
【００１８】
従って、バイアス電源１１から高周波電力が供給されることにより、基板載置部７や基板６に高周波のバイアスが印加される。このときのバイアス電力はバイアス電源１１によって適宜調整される。また、静電電源１３からは直流電力が供給され、これによって基板載置部７に発生する静電気力により、基板６を基板載置部７に吸着する。なお、基板支持台５は全体を昇降自在もしくは支持軸８を伸縮自在とすることにより、基板６の上下方向の高さを最適な高さに調整できるようになっている。
【００１９】
また、基板載置部７には加熱手段としてヒータ１３が設けられている。ヒータ１３にはヒータ電源１４が接続されており、このヒータ電源１４からヒータ１３へ供給する電力を調整することによって、基板載置部７（基板６）の成膜温度を適宜調節するようになっている。この成膜温度に関する成膜条件ついては後述する。なお、加熱手段としては、必ずしもヒータ１３に限定するものではなく、例えば基板載置部７にガス等の流体を供給するようにし、このガス等の流体の温度を調整することによって基板載置部７や基板６の成膜温度を適宜調整するようにしてもよい。
【００２０】
基部１には排気口１５が設けられ、この排気口１５を介して図示しない真空排気系へ成膜室３内のガスを排気することにより、成膜室３内を低圧環境とし、この低圧環境下に成膜を行うための各種のガスが供給される（詳細後述）。また、容器２（成膜室３）には基板６の搬入・搬出口（図示省略）が設けられ、図示しない搬送室との間で基板６の搬入及び搬出が行われるようになっている。
【００２１】
天井板４の上にはスパイラル状の給電アンテナ１６が設置され、この給電アンテナ１６にはインピーダンスマッチングを行うための整合器１７を介して高周波電源１８が接続されている。従って、この高周波電源１８から給電アンテナ１６へ高周波電力を供給することにより、給電アンテナ１６から天井板４を透過して成膜室３内に電磁波１９が入射され、この電磁波１９のエネルギー（高周波パワー）によって成膜室３内に供給される各種のガスをプラズマ状態にする。なお、この高周波パワーに関する成膜条件ついては後述する。
【００２２】
容器２には図示しないガス供給系から送給されてきた各種のガスを成膜室３内へ導入するためのノズル２１，２２が設けられている。ノズル２１からは窒化ガスとしてＮ2 又はＮＨ3 が供給される。この窒化ガスの供給量はＭＦＣ（Mass Flow Controller）２３によって調整される。ノズル２１からはＭＦＣ２４によって流量調整されたＡｒガスも供給される。ノズル２２からは原料ガスとしてＳｉＨ4 が供給される。この原料ガスの供給量はＭＦＣ２５によって調整される。
【００２３】
ＳｉＨ4 とＮ2 又はＮＨ3 はＳｉx Ｎy 膜の原料となり、これらのガスを成膜室３内に導入して高周波電源１８からの高周波パワーによりプラズマ状態にし、このプラズマ中の活性粒子（励起原子又は分子）によって基板６の表面の化学的な反応を促進することにより、窒化膜であるＳｉx Ｎy 膜を基板６上に形成する。このＳｉx Ｎy 膜は素子間や配線間などを絶縁するための絶縁膜、或いは、素子を保護するための保護膜となり、例えば図２に示すような成膜状態となる。図２では基板６上にＰＺＴ膜３３をＰｔ電極３２ａ，３２ｂで挟んだ構成の強誘電体キャパシタ３１が複数形成され、これらの強誘電体キャパシタ３１を覆うようにしてＳｉx Ｎy 膜３４が形成されている。なお、原料ガスと窒化ガスのガス質量流量比率に関する成膜条件ついては後述する。
【００２４】
マイクロコンピュータを備えたコントローラ２６では、所定の制御シーケンスに基づき、ＭＦＣ２３，２４，２５のＯＮ・ＯＦＦ制御を行うことにより、各種のガスの供給タイミングを制御し、また、高周波電源１８、バイアス電源１１、ヒータ電源１４及び静電電源１３をＯＮ・ＯＦＦ制御して、これらの電源の給電タイミングも制御する。
【００２５】
＜成膜条件＞
ここで、上記プラズマＣＶＤ装置によって基板６上に窒化膜を形成するときの成膜条件について説明する。
【００２６】
成膜室３内に供給された原料ガスと窒化ガスとを十分に分解し、成膜室３内における気相中（プラズマ中）の水素を、基板６上の強誘電体キャパシタなどの素子の還元への寄与の小さい原子状態にまで分解することにより、水素還元反応を抑制するため、本実施の形態では窒化膜の成膜条件として次の３条件（ガス質量流量比率、高周波パワー、成膜温度）を下記のとおり所定の範囲に設定する。
【００２７】
（１）ガス質量流量比率
ガス質量流量比率とは、成膜室３内に供給する原料ガスのＳｉＨ4 の質量流量（ｓｃｃｍ）に対する窒化ガスのＮ2 又はＮＨ3 の質量流量（ｓｃｃｍ）の比率である。このガス質量流量比率は、窒化膜の膜質の観点から、０．５倍〜２倍とすることが必要である。
【００２８】
（２）高周波パワー
図３には高周波電源から原料ガスと窒化ガスとに印加する高周波パワーを変えたときのイオン電流値の変化を示す。この図３から、高周波パワーを増加させるにしたがってＨ2 イオン電流値が低下することがわかる。つまり、高周波パワーを増加することにより、還元ガスである水素ガスの分解が促進されて、より多くの水素ガスが素子の還元への寄与の小さい原子状態にまで分解されることがわかる。従って、原料ガスと窒化ガスとに印加する高周波パワーの量を窒化膜の形成に要する量よりも多くすれば、原料ガス（ＳｉＨ4 ）、或いは、原料ガス（ＳｉＨ4 ）及び窒化ガス（ＮＨ3 ）の分解により生じる水素ガスを、基板６上の強誘電体キャパシタ３１の還元への寄与の小さい原子状態にまで分解することができて、この強誘電体キャパシタ３１に対する水素還元反応劣化を抑制することができることがわかる。
【００２９】
そして、水素の取り込みを抑えて強誘電体キャパシタ３１の水素還元反応劣化を抑制するための高周波パワーは、強誘電体キャパシタ３１の特性劣化（残留分極の減少）から、その必要パワーが求められた。即ち、図４に示すように、原料ガスの質量流量１ｓｃｃｍ当たりに４０Ｗ以上の高周波パワーを印加することにより、強誘電体キャパシタ３１の特性劣化を抑制することができる。
【００３０】
例えば、ＳｉＨ4 ガス５０ｓｃｃｍと窒化ガス（Ｎ2 又はＮＨ3 ）３０ｓｃｃｍの場合、２０００Ｗ以上の高周波パワーを供給すればよいことになる。高周波のハイパワーを成膜室３内に入射して原料ガス（ＳｉＨ4 ）及び窒化ガス（ＮＨ3 ）に印加することにより、下記のような原料ガス及び窒化ガスの分解が促進される。なお、高周波パワーの上限については、水素還元反応劣化の観点からではなく、絶縁性等、膜質の観点や装置性能の観点などから適宜設定すればよい。
ＳｉＨ4       →  Ｓｉ  ，Ｈ
ＮＨ3         →  Ｎ  ，Ｈ
【００３１】
また、高周波パワーの周波数は、４００ｋＨｚ〜３ＧＨｚの範囲とした。
【００３２】
（３）成膜温度範囲
成膜温度についても、ガス質量流量比率と高周波パワーとが上記の設定範囲内であっても、成膜温度が３００℃以下でなければ強誘電体（ＰＺＴ膜）に水素還元反応劣化を与えてしまう。即ち、成膜温度が高いと、気相中に僅かな水素があるだけでも、強誘電体の水素還元反応劣化が生じてしまう。更には、成膜温度が高いと、成膜速度も低下してしまう。一方、強誘電体の水素還元反応劣化抑制の観点からはできる限り低温成膜とすることが望ましいが、絶縁膜としての窒化膜の絶縁特性等の観点から、成膜温度の下限は１００℃とした。即ち、成膜温度範囲は１００℃〜３００℃とした。
【００３４】
なお、Ａｒガスは必ずしも必要ではないが、Ａｒガスはプラズマ状態になり易い（イオン化し易い）ガスであることから、このＡｒイオンによって原料ガスの分解を促進させることが期待できるため、ここではＳｉx Ｎy 膜の成膜時にＡｒガスも成膜室３内に供給して高周波電源１８からの高周波パワーによりプラズマ状態にしている。
【００３５】
また、低温で良質なＳｉx Ｎy 膜を形成するために、ここではバイアス電源１１により、ウエハサイズ１インチ当たり５０Ｗ以上のバイアスを印加している。例えば８インチのウエハであれば、４００Ｗ以上のバイアスを印加している。
【００３６】
【発明の効果】
以上、発明の実施の形態とともに具体的に説明したように、本発明のプラズマＣＶＤ成膜方法は、低圧環境下に供給された水素を含有する原料ガスであるＳｉＨ4と窒化ガスであるＮ2又はＮＨ3とに高周波パワーを印加し、これにより発生したプラズマによる化学的な反応を利用して、基板上に形成された強誘電体を覆うように窒化膜を形成するプラズマＣＶＤ成膜方法において、前記原料ガスに対する前記窒化ガスのガス質量流量比率を０．５倍〜２倍とし、前記原料ガスの質量流量１ｓｃｃｍ当たりに４０Ｗ以上の高周波パワーを印加し、成膜温度範囲を１００℃〜３００℃とし、前記高周波パワーの周波数を４００ｋＨｚ〜３ＧＨｚの範囲として、前記窒化膜を形成することを特徴とする。
【００４１】
従って、本発明のプラズマＣＶＤ成膜方法によれば、強誘電体の還元反応劣化を招くことなく窒化膜を形成することができる。また、３００℃以下の低温成膜を行うことにより、成膜速度の向上などを図ることができるとともに、装置構成を簡単にすることもできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態に係るプラズマＣＶＤ成膜方法を実施するプラズマＣＶＤ装置の構成図である。
【図２】Ｓｉx Ｎy 膜の成膜状態を示す説明図である。
【図３】高周波パワーを変えたときのイオン電流値の変化を示すグラフである。
【図４】Ｓｉx Ｎy 膜の成膜時に印加する高周波パワーと強誘電体キャパシタの残留分極の関係を示すグラフである。
【符号の説明】
１  基部
２  容器
３  成膜室
４  天井板
５  基板支持台
６  基板（ウエハ）
７  基板載置部
８  支持軸
９  コンデンサ
１０  整合器
１１  バイアス電源
１２  ＬＰＦ
１３  静電電源
１４  ヒータ電源
１５  排気口
１６  給電アンテナ
１７  整合器
１８  高周波電源
１９  電磁波
２１，２２  ノズル
２３，２４，２５  ＭＦＣ
２６  コントローラ
３１  強誘電体キャパシタ
３２ａ，３２ｂ  Ｐｔ電極
３３  ＰＺＴ膜
３４  Ｓｉx Ｎy 膜
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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