(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体ウェーハに薄膜を成膜するための反応容器と、
前記反応容器内に高周波の電界を発生させるためのＲＦ入力手段と、
前記高周波の出力を一定に制御するＲＦ制御手段と、
前記半導体ウェーハに対して、スパッタ用の高周波バイアスを印加する高周波バイアス手段と、
前記高周波バイアスのオン／オフを制御する高周波バイアス制御手段と、
Ａｒガスを前記反応容器内へ常に供給するＡｒガスのガス供給手段と、
Ｏ2ガスを前記反応容器内へ供給するＯ2ガスのガス供給手段と、
前記Ａｒガス及びＯ2ガスを前記反応容器内へ常に供給するＡｒガス及びＯ2ガスのガス供給制御手段と、
水素を含むガスを前記反応容器内へ供給する水素を含むガスのガス供給手段と、
前記高周波バイアス制御手段の制御論理と逆の制御論理で前記ガスの供給のオン／オフを制御する水素を含むガスのガス供給制御手段と、
を備えてなると共に、
前記水素を含むガスの供給を停止している間に前記スパッタ用の高周波バイアスを半導体ウェーハに印加することを特徴とするプラズマＣＶＤ装置。
【請求項２】
前記高周波バイアス制御手段は、所定時間間隔をおいてオン状態とオフ状態とが繰り返される高周波バイアス制御信号に基づいて制御を行い、前記ガス供給制御手段は、前記高周波バイアス制御信号に対して反転関係にあるガス供給制御信号に基づいて制御を行うことを特徴とする請求項１に記載のプラズマＣＶＤ装置。
【請求項３】
前記高周波バイアス制御信号および前記ガス供給制御信号のスイッチング周期、デューティー比を調整する調整手段を備えたことを特徴とする請求項２に記載のプラズマＣＶＤ装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、アモルファスシリコン太陽電池、薄膜トランジスタ、光センサ等の各種半導体デバイスの膜形成に用いられるプラズマＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）装置に関するものであり、成膜時の水素還元劣化を抑制することができるプラズマＣＶＤ装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、半導体デバイスの製造工程では、プラズマ気相励起を利用して半導体ウェーハに絶縁膜等の薄膜を形成するためのプラズマＣＶＤ装置が用いられている。このプラズマＣＶＤ装置は、薄膜を構成する元素からなる原料ガスを半導体ウェーハ上に供給し、気相または半導体ウェーハ表面での化学反応により所望の薄膜を形成させる装置である。ガス分子を励起させるには、プラズマ放電が用いられる。
【０００３】
図４は、従来のプラズマＣＶＤ装置の構成を示す図である。この図において、反応容器１０は、内部を真空状態として、１２インチ径の半導体ウェーハ１９に絶縁膜を成膜するための容器である。反応容器１０の内側面には、Ａｒガスを放出するためのノズル１１、Ｏ2ガスを放出するためのノズル１２、上述した原料ガスとしてのＳｉＨ4ガスを放出するためのノズル１３がそれぞれ設けられている。
【０００４】
ＲＦ電極１４は、反応容器１０の上部に設けられており、高周波電源１５に接続されている。このＲＦ電極１４は、ＳｉＯｘを半導体ウェーハ１９に蒸着させるための高周波の電界を発生させるためのものである。図５（ａ）に示したように、上記蒸着時には、半導体ウェーハ１９に形成された配線１９ａを覆うように絶縁膜１９ｂが成膜される。ただし、この時点では、配線１９ａの隙間には、絶縁膜１９ｂが完全に至らない。図５（ａ）において、ＲＦ入力は、ＲＦ電極１４による高周波入力である。また、ＲＦ電極１４のＲＦパワーは、例えば、３ｋＷとされている。
【０００５】
支持台１６は、反応容器１０の内部に配設されており、静電気力により、半導体ウェーハ１９を支持するものである。バイアス電極１７は、ＲＦ電極１４と対向するように支持台１６に埋設されており、高周波電源１８に接続されている。
【０００６】
上記バイアス電極１７は、イオン化されたＡｒ+ を半導体ウェーハ１９に引き込むためのバイアスを印加するものである。上記イオン化されたＡｒ+ は、配線１９ａの上部コーナ部に堆積した絶縁膜１９ｂをエッチングする。従って、この場合には、常に配線１９ａの隙間上部が開口されるため、配線１９ａ間の隙間への絶縁膜１９ｂの蒸着が隙間無く可能とされている。図５（ｂ）において、ＬＦ入力は、バイアス電極１７によるバイアス入力である。バイアス電極１７のバイアスパワーは、例えば、１ｋＷである。
【０００７】
上記構成において、図６に示した「Ｂ」、「Ｃ」および「Ｅ」からわかるように、ノズル１１、ノズル１２およびノズル１３からは、常にＡｒガス、Ｏ2ガスおよびＳｉＨ4ガスが反応容器１０内に放出されている。同様にして、ＲＦ電極１４およびバイアス電極１７には、高周波電源１５および高周波電源１８が常に接続されている。すなわち、図６に示した「Ａ」および「Ｄ」からわかるように、ＲＦ入力（高周波入力）およびＬＦ入力（バイアス入力）の状態とされている。従って、反応容器１０内では、ＲＦ入力による蒸着と、ＬＦ入力によるスパッタとが同時に行われている。
【０００８】
すなわち、図５（ｂ）に示したようにＳｉＨ4 からなる絶縁膜１９ｂが半導体ウェーハ１９の表面に蒸着されるとともに、半導体ウェーハ１９側にＡｒ+が引き込まれるというスパッタが行われている。このスパッタにより、余分な絶縁膜１９ｂが削られるとともに、配線１９ａの隙間に絶縁膜１９ｂがゆきわたる。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、前述したように、従来のプラズマＣＶＤ装置では、図４に示したバイアス電極１７のバイアス印加により、Ａｒ+を半導体ウェーハ１９に引き込んでいる。しかしながら、バイアス印加時には、反応容器１０内に存在する水素も半導体ウェーハ１９に引き込んでしまう。図７（ａ）は、バイアスＯＦＦ時の元素質量数と電流値（引き込み量）との関係を表す図であり、図７（ｂ）は、バイアスＯＮ時の元素質量数と電流値（引き込み量）との関係を表す図である。元素質量数＝２は、水素分子（Ｈ2）に対応している。
【００１０】
これらの図からわかるように、バイアスＯＦＦ時とバイアスＯＮ時とでは、半導体ウェーハ１９に引き込まれる水素量が急増する。この場合、半導体ウェーハ１９では、水素還元劣化が生じ、デバイス特性に悪影響が出る。特に、半導体ウェーハ１９が強誘電体材料である場合には、図８に示したように半導体ウェーハ１９（半導体デバイス）におけるＰ（分極）−Ｖ（印加電圧）特性が悪化する。すなわち、成膜前では、きれいな成膜前ヒステリシスループ３０を描くのに対して、成膜後では、くずれた成膜後ヒステリシスループ３１を描く。
【００１１】
本発明は、上記に鑑みてなされたもので、半導体ウェーハにおける成膜時の水素還元劣化を抑制することができるプラズマＣＶＤ装置を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１にかかる発明は、半導体ウェーハに薄膜を成膜するための反応容器と、前記反応容器内に高周波の電界を発生させるためのＲＦ入力手段と、前記高周波の出力を一定に制御するＲＦ制御手段と、前記半導体ウェーハに対して、スパッタ用の高周波バイアスを印加する高周波バイアス手段と、前記高周波バイアスのオン／オフを制御する高周波バイアス制御手段と、Ａｒガスを前記反応容器内へ常に供給するＡｒガスのガス供給手段と、Ｏ2ガスを前記反応容器内へ供給するＯ2ガスのガス供給手段と、前記Ａｒガス及びＯ2ガスを前記反応容器内へ常に供給するＡｒガス及びＯ2ガスのガス供給制御手段と、水素を含むガスを前記反応容器内へ供給する水素を含むガスのガス供給手段と、前記高周波バイアス制御手段の制御論理と逆の制御論理で前記ガスの供給のオン／オフを制御する水素を含むガスのガス供給制御手段と、を備えてなると共に、前記水素を含むガスの供給を停止している間に前記スパッタ用の高周波バイアスを半導体ウェーハに印加することを特徴とする。
【００１３】
この発明によれば、水素を含むガスの供給が停止されている間に、高周波バイアスによるスパッタが行われるため、本来不要な水素を半導体ウェーハに引き込む割合が激減し、半導体ウェーハにおける成膜時の水素還元劣化を抑制することができる。
【００１４】
また、請求項２にかかる発明は、請求項１に記載のプラズマＣＶＤ装置において、前記高周波バイアス制御手段は、所定時間間隔をおいてオン状態とオフ状態とが繰り返される高周波バイアス制御信号に基づいて制御を行い、前記ガス供給制御手段は、前記高周波バイアス制御信号に対して反転関係にあるガス供給制御信号に基づいて制御を行うことを特徴とする。
【００１５】
この発明によれば、水素を含むガスの供給が停止されている間に、高周波バイアスによるスパッタが行われるため、本来不要な水素を半導体ウェーハに引き込む割合が激減し、半導体ウェーハにおける成膜時の水素還元劣化を抑制することができる。
【００１６】
また、請求項３にかかる発明は、請求項２に記載のプラズマＣＶＤ装置において、前記高周波バイアス制御信号および前記ガス供給制御信号のスイッチング周期、デューティー比を調整する調整手段を備えたことを特徴とする。
【００１７】
この発明によれば、高周波バイアス制御信号およびガス供給制御信号のスイッチング周期、デューティー比を調整するようにしたので、半導体ウェーハの状態に応じて、蒸着時間、スパッタ時間をきめ細かく制御することができる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明にかかるプラズマＣＶＤ装置の一実施の形態について詳細に説明する。
【００１９】
図１は、本発明にかかる一実施の形態の構成を示す図である。この図において、図４の各部に対応する部分には同一の符号を付ける。図１では、流量制御器１００、流量制御器１０１、スイッチング素子１０２、制御回路１０３が新たに設けられている。
【００２０】
流量制御器１００は、制御回路１０３からのＯ2ガス流量制御信号Ｓ１（図２（ｂ）参照）に基づいて、ノズル１２から放出されるＯ2ガスの流量をオン／オフするものである。図２（ｂ）に示したＯ2ガス流量制御信号Ｓ１は、所定時間をおいてオン／オフとが繰り返される信号である。
【００２１】
流量制御器１０１は、制御回路１０３からのＳｉＨ4ガス流量制御信号Ｓ２（図２（ｃ）参照）に基づいて、ノズル１３から放出されるＳｉＨ4ガスの流量をオン／オフするものである。図２（ｃ）に示したＳｉＨ4ガス流量制御信号Ｓ２は、Ｏ2ガス流量制御信号Ｓ１に同期しており、所定時間をおいてオン／オフとが繰り返される信号である。
【００２２】
スイッチング素子１０２は、バイアス電極１７と高周波電源１８との間に介挿されており、制御回路１０３からのバイアス制御信号Ｓ３（図２（ｄ）参照）に基づいて、オン／オフ制御される。図２（ｄ）に示したバイアス制御信号Ｓ３は、Ｏ2ガス流量制御信号Ｓ１（図２（ｂ）参照）およびＳｉＨ4ガス流量制御信号Ｓ２（図２（ｃ）参照）に対して反転関係にある信号である。制御回路１０３は、上述したＯ2ガス流量制御信号Ｓ１、ＳｉＨ4ガス流量制御信号Ｓ２およびバイアス制御信号Ｓ３を出力し、流量制御およびバイアス制御を行う。
【００２３】
上記構成において、図２（ａ）に示した「Ｂ」からわかるように、ノズル１１からは、常にＡｒガスが反応容器１０内に放出されている。同様にして、ＲＦ電極１４には、図２（ａ）に示した「Ａ」からわかるように、高周波電源１５が常に接続されている。
【００２４】
図２（ｂ）〜図２（ｃ）に示した時刻ｔ0 〜ｔ1 （例えば、２０ｓｅｃ）までの間では、Ｏ2ガス流量制御信号Ｓ１およびＳｉＨ4ガス流量制御信号Ｓ２がＯＮとされる。従って、この場合は、ノズル１２およびノズル１３からは、Ｏ2ガスおよびＳｉＨ4ガスが反応容器１０内に放出される。これにより、ＳｉＨ4 からなる絶縁膜が半導体ウェーハ１９の表面に蒸着される。
【００２５】
一方、図２（ｄ）に示した時刻ｔ0 〜ｔ1 までの間では、バイアス制御信号Ｓ３がＯＦＦとされる。従って、この場合、バイアス電極１７によるバイアスがＯＦＦにされるため、スパッタが行われない。
【００２６】
つぎの時刻ｔ1 〜ｔ2 までの間では、Ｏ2ガス流量制御信号Ｓ１およびＳｉＨ4ガス流量制御信号Ｓ２がＯＮからＯＦＦにされるため、ノズル１２およびノズル１３からのＯ2ガスおよびＳｉＨ4ガスの放出が停止される。従って、この場合には、半導体ウェーハ１９には、絶縁膜が蒸着がされない。
【００２７】
一方、時刻ｔ1 〜ｔ2 までの間では、バイアス制御信号Ｓ３がＯＦＦからＯＮとされる。従って、この場合、バイアス電極１７によるバイアスがＯＮにされるため、Ａｒ+ を半導体ウェーハ１９に引き込むというスパッタが行われる。なお、この場合には、水素を含むＳｉＨ4 等が反応容器１０に供給されないため、半導体ウェーハ１９に不要な水素の引き込みが抑制される。以後、上述した蒸着とスパッタとが所定時間間隔をおいて交互に繰り返される。
【００２８】
図３は、一実施の形態における半導体ウェーハ１９のＰ−Ｖ特性を示す図である。この図からわかるように、成膜前と成膜後とでは、いずれも、きれいな成膜前ヒステリシスループ２００および成膜後ヒステリシスループ２０１を描く。これは、一実施の形態において半導体ウェーハ１９に引き込まれる水素の量が激減していることを表している。
【００２９】
以上説明したように、一実施の形態によれば、水素を含むＳｉＨ4ガスの供給が停止されている間に、バイアスによるスパッタが行われるため、本来不要な水素を半導体ウェーハ１９に引き込む割合が激減し、半導体ウェーハ１９における成膜時の水素還元劣化を抑制することができる。
【００３０】
なお、一実施の形態では、制御回路１０３により、Ｏ2ガス流量制御信号Ｓ１、ＳｉＨ4ガス流量制御信号Ｓ２およびバイアス制御信号Ｓ３のスイッチング周波数、デューティー比を調整できるようにしてもよい。この場合には、半導体ウェーハの状態に応じて、蒸着時間、スパッタ時間をきめ細かく制御することができる。また、一実施の形態では、Ｏ2ガスの放出をオン／オフ制御する例について説明したが、理想的にはＯ2ガス自体に水素が含まれていないため連続的に放出するようにしてもよい。
【００３１】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１、２にかかる発明によれば、水素を含むガスの供給が停止されている間に、高周波バイアスによるスパッタが行われるため、本来不要な水素を半導体ウェーハに引き込む割合が激減し、半導体ウェーハにおける成膜時の水素還元劣化を抑制することができるという効果を奏する。
【００３２】
また、請求項３にかかる発明によれば、高周波バイアス制御信号およびガス供給制御信号のスイッチング周期、デューティー比を調整するようにしたので、半導体ウェーハの状態に応じて、蒸着時間、スパッタ時間をきめ細かく制御することができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明にかかる一実施の形態の構成を示す図である。
【図２】同一実施の形態における各種ガス出力、ＲＦ入力、ＬＦ入力を説明するタイミング図である。
【図３】同一実施の形態におけるＰ−Ｖ特性を示す図である。
【図４】従来のプラズマＣＶＤ装置の構成を示す図である。
【図５】従来のプラズマＣＶＤ装置における成膜を説明する図である。
【図６】従来のプラズマＣＶＤ装置における各種ガス出力、ＲＦ入力、ＬＦ入力を説明するタイミング図である。
【図７】従来のプラズマＣＶＤ装置における問題点を説明する図である。
【図８】従来のプラズマＣＶＤ装置におけるＰ−Ｖ特性を示す図である。
【符号の説明】
１７  バイアス電極
１８  高周波電源
１９  半導体ウェーハ
１００  流量制御器
１０１  流量制御器
１０２  スイッチング素子
１０３  制御回路
【図１】
0003836032.tif 000002
【図２】
0003836032.tif 000003
【図３】
0003836032.tif 000004
【図４】
0003836032.tif 000005
【図５】
0003836032.tif 000006
【図６】
0003836032.tif 000007
【図７】
0003836032.tif 000008
【図８】
0003836032.tif 000009