(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
塩素を含むガスを用いてプラズマＣＶＤ法により反応容器内の基板上に窒化珪素膜を成膜する半導体装置の製造方法において、
前記基板に対して成膜を行った後、次の基板に対して成膜を行うまでの間、反応容器内でプラズマを生成しておき、該プラズマにより反応容器内壁を加熱して、反応容器内壁温度を６０℃以上に維持することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項２】
請求項１記載の半導体装置の製造方法であって、
前記基板に対して成膜を行う際に、反応容器内壁温度を前記６０℃以上に維持すると共に、反応容器内圧力を５０Ｐａ以下に保持することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項３】
請求項１または２記載の半導体装置の製造方法であって、
前記塩素を含むガスが、ジクロルシランもしくは四塩化珪素であることを特徴とする半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、反応容器内に設置された基板上に、６００℃以下の低温で良好なステップカバレッジの窒化珪素薄膜を形成することのできる半導体装置の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＬＳＩなどの半導体装置は、素子の微細化によって性能の向上を果たしてきたが、素子の特性を決定する不純物の拡散層が浅くなったために、その後の製造工程における熱履歴によって不純物が再分布し、素子の特性変化を引き起こすという問題を生じている。
【０００３】
例えば、従来の窒化珪素膜（Ｓｉ3Ｎ4）の形成方法では、バッチ式装置において、複数枚の半導体装置の基板を６５０℃以上の反応容器に導入し、熱ＣＶＤ法により薄膜の形成を行っていた。このとき、半導体装置は６５０℃以上の高温下に１０分以上の長時間さらされることとなり、このような熱処理の積み重ねによって不純物が再分布し、素子の特性が変化している。
【０００４】
一方、プラズマＣＶＤ法は、６００℃以下の低い温度で、１００nm/min以上の高い成膜速度の薄膜形成が可能であることから、半導体装置の製造工程の低融点金属配線形成後の絶縁膜形成方法として利用されてきた。この方法では、反応ガスとして、モノシラン、アンモニア、窒素の混合ガスが使用されるが、熱ＣＶＤ法で形成した窒化珪素膜と比較して、不純物が多く含まれる、膜の密度が疎である、ステップカバレッジが劣っている、等の理由により、半導体装置の特性に悪影響を与えることがあるため、適用工程が制限されていた。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上述したように、従来では、窒化珪素膜を形成する方法として主に熱ＣＶＤ法を用いていたが、素子の微細化に伴って不純物の拡散層が浅くなるに従い、６５０℃以上の熱履歴のために素子の特性が変化するという問題があった。また、熱履歴の問題を回避するために、プラズマＣＶＤ法を用いて窒化珪素膜を形成する方法も考えられるが、現状のプラズマＣＶＤ法を実行するだけでは、熱ＣＶＤ法を用いて形成した窒化珪素膜と比較して膜特性が劣るという問題があった。
【０００６】
本発明は、上記事情を考慮し、半導体装置の基板上に低熱履歴で良好な膜特性を持つ窒化珪素膜を形成することができ、それにより、半導体装置の特性変化を抑制し、且つ、製造上のマージン向上を可能にした半導体装置の製造方法を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明は、塩素を含むガスを用いてプラズマＣＶＤ法により反応容器内の基板上に窒化珪素膜を成膜する半導体装置の製造方法において、前記基板に対して成膜を行った後、次の基板に対して成膜を行うまでの間、反応容器内壁温度を、所定の温度以上に維持することを特徴とする。
【０００８】
この発明では、プラズマＣＶＤ法により反応容器内の基板上に窒化珪素膜を形成するので、低熱履歴で薄膜を形成することができる。また、反応容器内に被処理基板が無い状態でも、反応容器内壁温度を、反応容器内副生成物の付着を抑制し得る所定の温度以上に維持しているので、副生成物の付着による膜特性の低下を回避することができる。また、反応容器内壁を所定の温度以上に維持するので、温度変化による内壁の膜剥離を防止することができる。また、基板の連続処理時に内壁の温度変化によって膜特性が変化するのを防止することができる。なお、反応容器内壁を所定の温度以上の一定温度に維持するようにすると更に好ましい。
【０００９】
請求項２の発明は、請求項１記載の半導体装置の製造方法であって、前記基板に対して成膜を行った後、次の基板に対して成膜を行うまでの間、反応容器内でプラズマを生成しておき、該プラズマにより反応容器内壁を加熱して、反応容器内壁温度を前記所定の温度以上に維持することを特徴とする。
【００１０】
このように反応容器内に基板が無いときでも、反応容器内にプラズマを生成しておくことで、簡単に反応容器内壁を所定の温度以上に維持しておくことができる。
【００１１】
請求項３の発明は、請求項１または２記載の半導体装置の製造方法であって、前記基板に対して成膜を行う際に、反応容器内壁温度を前記所定の温度以上に維持すると共に、反応容器内圧力を所定圧力以下に保持することを特徴とする。具体的には、反応容器の内壁温度と反応容器内の圧力とを、副生成物の昇華曲線の気相領域に保つようにする。
【００１２】
このように反応容器内壁温度を所定の温度以上に維持すると共に、反応容器内圧力を所定以下に保持することにより、副生成物の付着を抑制しながら、基板に対して薄膜を形成することができる。
【００１３】
請求項４の発明は、請求項１〜３のいずれかに記載の半導体装置の製造方法であって、前記塩素を含むガスが、ジクロルシランもしくは四塩化珪素であることを特徴とする。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
図１は本発明の半導体装置の製造方法を実施するためのプラズマＣＶＤ装置の断面図である。この図において、１は反応容器、２は反応容器の底板である。反応容器１は、プラズマに接する部分がセラミックで作られており、内部に、基板Ｗを支持するためのサセプタ１０が備わっている。このサセプタ１０は、窒化アルミニウムで作られており、内蔵した抵抗加熱ヒータ（図示略）により、サセプタ温度を７００℃程度まで加熱する能力を有している。また、このサセプタ１０は、図示しない導電性電極を備えており、この電極に高周波電源９によって高周波電力を印加することができるようになっている。
【００１５】
反応容器１内には、さらに垂直に昇降して外部の搬送ロボットとの間で基板Ｗの受け渡しを行う基板移載装置１２が設けられている。また、反応容器１の基板Ｗと対面する天井壁３には、プロセスガス及びパージガスを反応容器１内に導入するための複数のガス噴出孔４が設けられている。また、反応容器１の周壁底部には、反応容器１内のガスを排出するための排気口６が設けられている。
【００１６】
また、反応容器１の周壁の外部には、反応容器１内に導入されたガスを電離させる放電手段として、プラズマ生成領域を囲むように円筒形放電用電極７と、該円筒形放電用電極７の表面に円筒形放電用電極７の軸方向にほぼ平行な成分の磁界を生成する磁力線形成手段８とが設けられている。円筒形放電用電極７には高周波電力を印加できるように高周波電源９が接続されている。
【００１７】
次に上記構成の装置を用いた窒化珪素膜の形成方法について説明する。
反応容器１内には、内部に基板Ｗが無い状態のときでも、ガス噴出孔４より不活性ガス（たとえば窒素ガス）を導入している。しかも、円筒形放電電極７に高周波電力を印加することによって、反応容器１内に常時プラズマを生成させている。
【００１８】
反応容器１内に常時プラズマを生成させておく目的は、反応容器１の内壁温度を所定の温度以上、例えば６０℃以上に保って、内壁への副生成物の付着を抑制するため、また、温度変化による内壁の膜剥離を抑制するため、さらに、基板Ｗの連続処理時に内壁の温度変化によって膜特性が変化することを抑制するためである。たとえば、窒素ガスを１ｓｌｍ導入し、円筒形放電電極７に１ｋＷの高周波電力を印加してプラズマを生成する。なお、反応容器１の内壁温度は所定の温度以上の一定温度に保つようにすると更に好ましい。
【００１９】
処理すべき基板Ｗは、反応容器１の外部から搬送ロボットによって反応容器１内に搬入し、基板移載装置１２の垂直移動によってサセプタ１０上に移載する。サセプタ１０は事前に加熱しておき、基板Ｗを２００℃〜６００℃の薄膜形成に適当な温度、たとえば６００℃程度に加熱する。
【００２０】
その後、円筒形放電電極７に対して、薄膜形成に適当な高周波電力、たとえば１．５ＫＷを印加し、薄膜形成するために、反応容器１内を不活性ガス（窒素ガス）からプロセスガスにガス置換する。この時、アンモニア、ジクロルシランの順にガスを反応容器１内に導入し、反応容器１内の圧力を、副生成物である塩化アンモニウムの付着を抑制するために例えば５０Ｐａ以下、好適には１Ｐａ程度に維持して薄膜形成を行う。
【００２１】
薄膜形成を行っている際に、サセプタ１０内の導電性電極に高周波電力を印加してもよい。サセプタ内の電極（以下、簡単に「サセプタ電極」という）に高周波電力を印加する目的は、基板の微細な段差パターンに形成する薄膜のステップカバレッジを改善するためである。
【００２２】
図２（ａ）、（ｂ）に基板の段差パターンに薄膜Ｍａを形成した例を示す。（ａ）はサセプタ電極に高周波電力を印加しない場合の薄膜形成例であり、（ｂ）はサセプタ電極に高周波電力を印加した場合の薄膜形成例である。
【００２３】
サセプタ電極に高周波（ＲＦ）電力を印加すると、プラズマ中のイオンが基板に引き込まれるために、薄膜形成と同時にイオンのスパッタリングが生じ、形成した膜が削られる。スパッタリング効率はスパッタリング面の角度に対して依存性があり、４５度の角度が一番効率が良く、形成された膜は段差の開口部が４５度に削られるためにオーバーハングが生じにくい。
【００２４】
薄膜形成の終了は、ジクロルシランの供給を停止することによってなされる。その後、導入ガスを窒素に置換し、印加する高周波電力も基板搬送時の電力値に戻す。そして、薄膜形成の終了した基板は、外部の搬送ロボットによって搬出して、次の基板を受け入れ、その基板に対して前の基板と同様の薄膜形成処理を行う。
【００２５】
従来のプラズマＣＶＤ装置では窒化珪素膜の薄膜形成ガスとしては、モノシランとアンモニアの混合ガスを使用していたが、本発明の実施形態では、上述したように、ステップカバレッジの向上のために、モノシランに代わってジクロルシランを用いており、それにより次の違いが得られる。
【００２６】
すなわち、モノシラン（ＳｉＨ4）は、反応容器１内のプラズマ中でＳｉＨ2とＨ2に分解されるが、ＳｉＨ2は付着係数が大きいため、基板の溝内濃度分布は図３（ａ）のように、溝の入口近傍では濃度が高いが、溝の深いところでは濃度が低い状態となる。それにより、基板の表面上のＳｉＨ2とＮＨ3が反応して窒化珪素膜が形成されるが、上記濃度分布の結果により、溝内の窒化珪素膜の膜厚分布が図３（ｂ）のように均一でなくなる。
【００２７】
一方、ジクロルシランは、反応容器１内のプラズマ中でＳｉＣｌ2とＨ2に分解されるが、ＳｉＣｌ2は付着係数が小さいため、基板の溝内の濃度分布は図４（ａ）のようになり、溝の入り口近傍と溝の深い所では濃度差がほとんどない状態となる。それにより、基板の表面上でのＳｉＣｌ2とＮＨ3が反応して窒化珪素膜が形成されるが、上記濃度分布の結果により、溝内の窒化珪素膜の膜厚分布が図４（ｂ）のように均一になる。
【００２８】
ジクロルシランはその分解物質の一部として、存在確率が低いがＳｉＨ2が生成される。しかし、ジクロルシランの代替ガスとして四塩化珪素（ＳｉＣｌ4）を用いれば、ＳｉＨ2を生成せずにＳｉＣｌ2を生成できるので、さらにステップカバレッジの向上が期待できる。
【００２９】
ジクロルシランまたは四塩化珪素とアンモニアを反応させると、塩化アンモニウム（ＮＨ4Ｃｌ）が生成される。この塩化アンモニウムは高圧下で温度の低いところに付着しやすいため、異物の原因となる可能性がある。図５に塩化アンモニウムの昇華曲線を示す。塩化アンモニウムを反応容器１内に付着させないためには、上述したように、反応容器１内の圧力及び内壁温度を昇華曲線の気相領域に保つようにすればよい。
【００３０】
なお、反応容器１の材質を上述のようにセラミックまたは石英にすることで、変質を抑制することができるようになる。
【００３１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の製造方法によれば、半導体装置の基板上に低熱履歴で良好な膜特性を持つ窒化珪素膜を形成することができ、半導体装置の特性変化を抑制し、且つ、製造上のマージン向上が可能になる。また、反応容器内壁の温度を所定の温度以上に保つことによって副生成物の付着を抑制し、長期間安定した膜形成処理が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態の製造方法を実施するためのプラズマＣＶＤ装置の断面図である。
【図２】（ａ）はサセプタ電極に高周波電力を印加しない場合の薄膜形成例、（ｂ）はサセプタ電極に高周波電力を印加した場合の薄膜形成例を示す断面図である。
【図３】（ａ）は従来のモノシランを用いた場合のＳｉＨ2の溝内濃度分布、（ｂ）はそのときの窒化珪素膜の溝内膜厚分布をそれぞれ示す断面図である。
【図４】（ａ）はジクロルシランを用いた場合のＳｉＣｌ2の溝内濃度分布、（ｂ）はそのときの窒化珪素膜の溝内膜厚分布をそれぞれ示す断面図である。
【図５】塩化アンモニウムの昇華曲線を示す図である。
【符号の説明】
１  反応容器
４  ガス噴射孔
７  円筒形放電電極
９  高周波電源
【図１】
0004093336.tif 000002
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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