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特集論

半導体製造用高密度プラズマ CVD
装置 MAPLE

文

Equipment of High Density Plasma CVD "MAPLE"
for Semiconductor Device Manufacturing
松

1．はじめ

田竜

一＊ 1

井上

雅

彦＊ 2

0.11μmに携帯電話やパソコンを始めありとあらゆる電化製品にはIC や LSI と呼ばれる半導体デバイスが用いられている．近年の半導体デバイスは極めて小さなトランジスタやコンデンサが髪の毛の 1 000 分の１程度の太さで配線されている．これらを製造する工程ではプラズマを用いた処理が行われ，中でも高密度プラズマ CVD 装置は，微細な配線間の絶縁処理だけでなく，ここで紹介する新しい材料を用いたデバイスの製造用として応用が期待されている．

2．高密度プラズマ CVD による成膜技術
高密度プラズマ装置の歴史は比較的浅く，1990 年台初頭に開発されたコイル状アンテナをチャンバ上部に配置した誘導結合プラズマ装置にさかのぼる．この構造が大面積プラズマの形成に適していたことにより，その後の直径 200 mm，300 mm ウェハ用エッチング装置や CVD 装置の原型となっ

図１

微細埋め込み例た．
プラズマ CVD（Chemical Vapor Deposition）とは薄膜成長技術の一つで，原料ガスをプラズマの働きで化合して基板い，層間絶縁膜に対しても埋め込み性能に加えて新材料用プの上に堆積させる技術のことである．

ロセスへの対応も要求されるようになってきている．

半導体製造プロセスに用いられる高密度プラズマ CVD 装置は，１ Pa 程度の低真空中で，電子密度 約 10 の 11 乗個/cm

3

次世代不揮発性メモリの候補として FeRAM（Ferroelectric
Random Access Memory）や MRAM（Magnetoresistiveのプラズマをコイル状アンテナからの誘導電磁波によって生Random Access Memory）等の開発が盛んに行われているが，成することができる．これにより，容量結合型の平行平板式

これら次世代メモリは DRAM などの従来プロセスにて使用

プラズマ CVD 装置では扱えないガス種の組み合わせでの成経験の無い材料を採用しており，新材料採用に伴う問題が，膜や，イオンの異方性制御を実現することが可能となった．

量産化，微細化への大きなハードルとなっている．

よく知られたプロセス技術としてはバイアススパッタ法があFeRAM では分極特性を信号の記憶に利用するため，PZTる．これは，高周波電界によりウェハに生じる自己バイアスに代表される強誘電体材料が使用される．強誘電体材料は酸によってウェハにイオンが垂直に衝突してスパッタするよう化金属であり，プラズマ CVD のような比較的温度の低いプに，成膜と同時に進行させながら狭く深い溝への埋め込みをロセスであっても，水素を含む SiH 4 原料を使用することに実現する方法であり，幅 0.25 μｍ 以下の配線層間絶縁膜やトより容易に還元され分極特性が劣化する．また，CVD 膜にランジスタ素子同士を絶縁分離する膜（STI ： Shallow

含まれる水素，水分が記憶素子の長期信頼性に与える影響もTrench Isolation，図１）などに幅広く適用されている．

懸念されている．

3．半導体製造プロセスの動向
昨今，半導体デバイスや半導体製造プロセスの多様化に伴高砂研究所応用物理研究室＊2
神戸造船所新製品・宇宙部半導体製造装置開発グループ長＊1

同様に MRAM では，磁性材料を記憶素子に採用している
ため，全体的に既存プロセスよりも低温での処理が求められている．またトンネル磁気抵抗素子（TMR）構造では数十612.5

ウェハ温度制御性

RF Window
プラズマ Gap600
ウェハ温度（℃）

電子温度 Te（eV）

Wafer■プラズマ電子温度■

5.0
4.0
3.0
2.0

膜中水素量（E21 atoms/cc）

700

低ダメージ
プロセスモード

500
400
300
200
100

1.00.0小

図２ プロセスチャンバ中心位置
ギャッでの電子温度分布

図４

分 極（μC/cm2）

1.0
0.5
0.0

0.5

1.0
1.5
時 間（min）

2.0

2.5

安定した

プロセス中のウェハ温度変化

通常プロセスモード

低水素プロセスモード

通常に比べ水素量が１桁以下となっている．

図５ 絶縁膜中の水素量とである．開発されたプロセスで成膜した酸化膜中の水素量■分極特性グラフ（成膜前後）■50は図５のようになっている．

：Before：After

第三の特長は，高生産性，低 CoO である．成膜と同時にプロセスチャンバ内壁に堆積する膜は定期的にクリーニング

100−10する必要がある．クリーニングで用いる NF3 使用量や頻度は
SiO2−30PZT

上部電極 （Pt）

生産性，CoO に大きく影響するとともに，環境への配慮も下部電極 （Pt）必要である．クリーニング時間や周期は，チャンバ内壁などからの微粒子数によって定められる．したがって NF3 利用効

Si−50−61.5

温度で成膜できる．

プを調整することによりデバイスにやさしい成膜が可能．

302.01.2 E20 atoms/cc

00.0

大Gap

TDS 計測2.0 E21atoms/cc−4−20246ーニング分布の制御とクリーニング時間の管理が重要とな印加電圧（V）

図３ 酸化膜成膜前後の誘電特性の比較率向上には，チャンバ内壁に堆積した膜の分布に応じたクリ成膜前後で素子のる．MAPLE ではチャンバ内の２種類のノズルによってクリーニング分布を最適調整することができる．またプラズマ発分極特性に変化が少ない．

光分光分析法により酸化物やフッ化物起源の発光強度変化をÅ程度の極薄絶縁膜を使用するため，チャージアップについ１時間に 15 枚／チャンバ（膜厚 0.8 μm ／標準プロセス）とても抑制を考慮する必要性がある．

4． MAPLEいう従来より２〜３割高い生産性を実現している．さらにチの特長

当社の高密度プラズマ CVD 装置計測してクリーニング条件の最適化を行っている．この結果，

ャンバ構成，消耗部品を可能な限り単純化することでメンテMAPLE （MultiApplicable Plasma Equipment）では，高い生産性，低 CoO（ウェハ１枚当たりの処理コスト），プロセス拡張性をコンセプトに開発され，前章で述べたプロセス課題に対して様々な対策が施されている．

ナンス性の向上とランニングコストの低減化を図り，低CoO を実現している．

5．まとめ

MAPLE は高生産性，低 CoO であるとともに FeRAM，第一の特長は低温，低ダメージ成膜の実現のため，高密度MRAM で求められている絶縁膜プロセス技術に適応していプラズマ領域とウェハ間距離を自在に設定できる機能を有しることが分かる．現在その実証試験をデバイスメーカと共同ていることである．両者間距離をプロセス条件に対して調整で進めている状況である．

することができ，電子温度１ eV 以下のプラズマにて低ダメ

デバイスにやさしく高生産性である MAPLE は，新しージ成膜を可能としている（図２）．同時に温度制御されたい世代の高密度プラズマ CVD 装置として各方面への展開が静電チャックにより，従来 400 ℃以上であった成膜温度を期待される．

200 ℃以下の低温から 700 ℃以上の広い範囲で制御することができる．特に 200 ℃付近の温度制御を実現することにより，デバイスに与える化学的劣化が極めて少ない処理を可能としている（図３）．成膜中のウェハ温度は常時監視されるためプロセス安定性が確保できる（図４）．
第二の特長は，低温条件においても膜中水素量を低減できる独自プロセス技術を開発し，低水素成膜を実現しているこ

松田竜一

井上雅彦

三菱重工技報 Vol.41 No.1（2004_1）