JPH04110470A - 薄膜形成方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、薄膜形成方法に関し、更に詳しくは、薄１１
１ｉ　１−ランジスタ（ＴＰＴ）やＬＳＩ等の半導体素
子に好適に用いることのできる絶縁膜等の薄膜形成方法
、特にシリコン酸化膜によるゲー）・絶縁膜や、眉間絶
縁膜等の薄膜形成法に関する。

［従来技術の説明］ 従来、ＴＰＴなどに用いられるゲート絶縁膜は、加熱さ
れた基板に減圧した反応ガスを供給し、反応を起こさせ
ることによって成膜な行う減圧ＣＶＤ　（ＬＰ−ＣＶＤ
）法などで形成されている。また、ＩｎＰ　　ＧａＡｓ
などのＭＩＳ型ＦＥＴなどに用いられるゲート絶縁膜は
一般にシリコン基板を９００度〜］１００度程度の温度
に加熱し熱酸化することにより作られていた。しかし最
近半導体の素子の多層化が進むにつれてより低温での成
膜か要求されこの低温での成膜方法とし−ＣプラズマＣ
ＶＤ　（以下、Ｐ−ＣＶＤと称する）法による成膜が成
されている。Ｐ−ＣＶＤ法による３ｉ０２の形成は例え
ば次のように行なわれる。

モノシランと酸素との混合ガスを、低圧５下でコンデン
ザ型の平行平板電極間に導入し、この電極間に高周波電
圧を印加してプラズマを発生させる。

そしてガスを励起し、（ここでの励起とは、分解、イオ
ン化等を含む６）反応さセで反応中間体を生成し、この
中間体を３００°Ｃ〜５００℃に加熱した基体上に堆積
することにより、５ｉＯ＝膜が形成される。

一方層間絶縁膜は、常圧ＣＶＤ法（以下ＡＰ−ＣＶＤ法
と称する）により例えば次のように形成されている。

反応容器内に配置されたシリコン基板を５００度程度に
過熱し、シランやジクロルシランと酸素との混合ガスを
導入して、はぼ１気圧の圧力に保つ。そして熱分解法に
よって基板」二にＳ　１、　Ｏｘ膜が形成される。

［発明が解決しようとする課題］ しかしながら、Ｐ−ＣＶＤ法による酸化けい素のゲート
絶縁膜の形成では、緻密な膜を低温で形成することはで
きる。しかし、基体表面と接触しているプラズマのプラ
ズマ密度が通常５Ｘ１０９／　ｃ　ｍ　３以上と高い為
に、基体や膜に高速イオンが多量に入射してしまい、基
体を構成している原子同士の結合を切断してしまう。こ
のために、界面準位密度が増大し、ＴＰＴのΦ力作速度
を十分に高速化できない問題点がある。また、Ａ　Ｐ　
−ＣＶＤ法で得られた層間絶縁膜は、素子の微細化を行
っていく」二で重要となる平坦性か悪く、しがも４５０
度以下の低温では反応が不十分で膜が多孔質になり易い
という問題がある。近年、膜の平坦性の向上を目指して
シラン系のガスよりも基体表面でマイグレートシやすい
テ１−ラエ１ヘギシシラン（ＴＥＯＳ　；　　（Ｃ２Ｈ
＝　Ｏ）＝　５ｊｌ）等の有機オキシシランを用いたＡ
　Ｐ−ＣＶ　Ｄ法が行われ、平坦性の良好な膜が得られ
てはいるが、やはり４００度以下の低温で形成された膜
は膜質が悪いと言う問題がある。また、プラズマＣＶ　
Ｄ法で有機オキシシランを用いた場合に３００度程度の
低温で実用的な膜質な持つ絶縁膜が得られているが、こ
の方法では基体表面でのマイグレーション性が悪いため
、絶縁膜の平坦性が悪（、また炭素コンタミが生じゃず
いと言う改善ずべぎ課題があった。

［発明の目的］ 本発明の目的は、薄膜）・ランジスタ（Ｔ　Ｐ　Ｔ　）
やＬ　Ｓ　丁等の半導体素子に好適に用いることのでき
る界面準位密度が低く、平坦で、且つ高品質な絶縁膜を
形成する方法を提案することにある。

特にプラズマと光を用いる堆積膜形成法において、基体
と接触しているプラズマ密度を低（することによって、
界面準位密度が低く平坦で、且つ高品位な酸化けい緊締
縁膜を形成する方法を提案することを目的としている。

［課題を解決するための手段］ 本発明は、従来技術の持つ課題を解決すべく鋭意研究を
重ねた結果発明するに至ったものであり、本発明の薄膜
形成方法は、プラズマと光を用いる成膜方法において、
プラズマ励起しても単独では堆積しない酸素を主体とす
る第１のガスを基体の配された反応容器内に導入する工
程と、前記反応容器内に導入された前記第１のガノ、を
プラズマ励起する工程と、りい素を含む第２のガスを前
記反応容器内に導入し、前記励起された第１のガスと反
応を行わせ、反応により生成した反応生成物を基体上に
（７１着せしめ、前記反応生成物が（７１着する基体に
光を照射する工程とを有し、前記反応容器内の基体表面
と接触しているプラズマ密度が１ｘｌＯ７／ｃｍ以上１
、ｘｌＯ’／ｃｍ３未満であることを特徴とするもので
ある。

［作用１ 以下、本発明の詳細な説明する。

本発明によれば、半導体素子に使用される絶縁膜の形成
方法において制御されたプラズマと光による薄膜形成法
を用いることにより低温下で、緻密で、しかも界面準位
密度の低い絶縁膜を形成することができる。

従来のプラズマを用いた成膜方法では基体界面付近のプ
ラズマ密度が５×１０９／Ｃｍ３以」二と高い。このよ
うにプラズマ密度が高いと、基体の極近傍のイオンシー
ス厚が薄（なり、イオンの平均自由行程よりもこのイオ
ンシース厚が薄い状態どなる。このため入射するイオン
はイオンシース内のイオンと衝突する回数が減少し、入
射するイオンは、数］○ｅＶというプラズマ電位にほぼ
対応した高いエネルギーを持ったまま基体に入射するこ
ととなる。この為に、半導体や基体上に堆積した膜中の
原子同志の結合が切れるといった損傷が生じると考えら
れる。また電極付近のプラズマ密度が高過ぎると気相反
応が進みすぎ膜表面でのマイグレート性が悪くなるため
、平坦性が悪くなってしまう。さらに、有機系のガスを
用いた場合には、高いエネルギーを持ったイオンの入射
により基体表面」二でのＣ−１−１結合の解離が起こり
、炭素ｄコンタミを生じる原因となると考えられる。

一方、プラズマ密度が低過ぎると反応が不完全になり膜
が多孔質になったり、膜の組成が化学１論組成からずれ
たりしてしまうことが分かった。

このように基板近傍でのプラズマ密度は、基体に入射す
るイオンの数とエネルギーを制御する上で、極めて重要
なパラメータであるとの知見を得た。

そこでプラズマと光による成膜性を用い、更に基体界面
付近のプラズマ密度を好ましい値とすることによって、
低温で膜質良く界面性の優れた絶縁膜を得ることができ
る。

［実施例］ 本発明は、プラズマ励起された第１のガスと第２のガス
を反応させ、生じた反応生成物が付着した基体表面に光
を照射して成膜を行う薄膜形成方法において、成膜時の
基体表面でのプラズマ密度を好ましい値どすることによ
゛って、基体に入射するイオンの数およびエネルギーを
調節し、良好な絶縁膜を形成するものである。

本発明者らが鋭意検討を重ねたところ、基体表面と接触
しているプラズマの密度を１、　Ｘ　１０　″／ｃｍ３
未渦にすることにより、絶縁膜を形成する」二で損傷や
炭素コンタミが問題にならない程度に基体に入射するイ
オンの数とエネルギーを低減できることが明らかにでき
た。一方、逆にプラズマ密度が１．ｘ　１０７／ｃｍ３
未満になると、不完全な反応により膜が多孔質になると
ともに、絶縁膜の組成が化学１論組成からずれてしまう
ことがわかった。よって、このプラズマ密度は１、　Ｘ
　１０　’／　ｃ　ｍ　”以上１×］○’／ｃｍ３未満
とすることがが好ましく、５ｘ　１、０７／ｃｍ”以」
二２×１０８／ｃｍ’未満とすることがより好ましい。

基板表面と接触しているプラズマ密度を上記の範囲に低
下させるには、次のような方法を用いることが有効であ
る。

（ｉ〕高周波電極の面積を小さくする。

容量結合型放電の場合、面積の狭い方の電極の電流密度
が上昇する為、プラズマは狭い方に偏る。したがって、
高周波陰極の面積を縮小することにより、陽極である基
板支持体近傍のプラズマ密度は低下する。

（１１）圧力を上昇させる 主放電領域から基体が離れている場合においては、基体
近傍のプラズマ密度は主放電領域からのイオンの拡散に
より決定される。

従って、ガス圧力を上昇させることにより、中性分子と
イオンとの衝突を増加させることができ、イオンの拡散
が抑えられるので基体近傍の電子密度は低下する。

（ｉｉｉ）　ＲＦパワーの低下させる。

電離度が低く、圧力が一定の場合、ＲＦパワーを減少さ
せると、プラズマ密度をほぼ比例して減少させることが
できる。主放電領域から基体が離れている場合も同様に
、ＲＦパワーを下げることにより、はぼ比例してプラズ
マ密度を低下させることができる。

これらの条件を組み合わせることにより基体近傍のプラ
ズマ密度を調整すると良い。

以下、本発明の薄膜形成方法を行うために好適に用いる
ことができる成膜装置の一例を、第１図を用いて説明す
る。

第１図において、１は電極であり、その面積を２００　
ｃｍ”とした。２は反応容器であり、この反応容器は接
地されており、反応容器の内面積を５０００ｃｍ２とし
た。基１反近傍のプラズマ密度を減少させるためには、
プラズマ源の電極面Ｔ、ｉｔｆを反応容器の内面積の］
／１０以下とすることが望ましい。

第１図に示した成膜装置の例では、電極と反応容器との
面積比を０．０４どした。

３は基体であり、本例では６インチのシリコン基体を用
いた。

４ａ、４ｂはガス導入口であり、４ａのガス導入口は反
応容器２の上部で、電極１の近傍に設けである。ガス導
入口４ａから酸素を主体とした第１のガス１０ａを導入
し、ガス導入口４ｂから第２のガス１０ｂを導入する。

第２のガスとしてはＳｉを含むＳ　ｉＨ４、Ｓ　１．２
　Ｈ６などのガスや、ＴＥ０１などの有機オキシシラン
を用いるのが望ましい。

５は、反応容器２と電極１との間に電圧を印加し、プラ
ズマを発生させるための手段である。本実施例では一方
の電極を反応容器としている。

６は基体表面に光照射を行う光源である。本発明では、
基体表面に緻密な膜を形成するため、また有機系の原料
ガスと酸素を原ねガスとする酸化シリコン膜の形成に於
いて、炭素コンタミの原因となるエチル基を効率よく脱
離するために、導入された原料ガスに吸収されにくく、
基体に付着した反応生成物に吸収されやすい光を照射し
ている。光としては、紫外光、可視光又は赤外光から選
ばれる光を基体表面に照射している。例えば、Ｓｉ　Ｈ
４ど０２から５ｉ０２膜を形成する場合には、２００〜
４００ｎｍの紫外光、２５〜４．５μｍの赤外光が有効
である。またＴＥ０１と酸素からＳ　ｉ　Ｏ２１１ｉを
形成する場合には２００〜５００ｎｍの紫外可視光およ
び２５〜４５μｍの赤外光が有効である。かかる光の光
源としては、例えば、Ｈｇランプ、Ｘｅランプ　Ｘ、　
ｅ−Ｈｇランプ、Ｗランプ、ハロゲンランプ等のランプ
、あるいはＮ２レーザ　Ａｒレーザ　ＹＡＧレザ、Ｃ○
２レーザ、エキシマレーザなどのレーザがあげられる。

他に上記条件を満たず発光をもつ光源ならば使用するこ
とができる。

［実験例１１ 前述した第１図の成膜装置を用いて、形成しｌ：：酸化
シリコン膜の界面準位密度、炭素コンタミや化学量論組
成からの組成比のずれと基板近傍のプラズマ密度どの関
係を明らかにするために行った実験結果を示す。

実験においては、第１のガス］○ａとして酸素ガスを用
い、第２のガス１０１）どしてモノシランガスを用いた
。第１のガスｌＯａをガス導入口４ａから反応容器２の
内部に１５０ｓｅｃｍの割合で流し、この第１のガスを
プラズマにより励起した。第２のガス１０ｂはガス導入
口４ｂから反応容器２の内部に５ｓｅｃｍの割合で導入
した。

このとき基体表面近傍のプラズマ密度をプローブ法によ
り測定しプラズマ密度が８Ｘ１０’ｃｍ−ｑとなるよう
にガス圧を０．ＩＴｏｒｒとし、プラズマ発生のために
、１３．５６ＭＨｚの高周波電圧を容量結合型電極１と
反応容器２どの間に印加し１．　ＯＯＷのＲＦパワーを
与えた。一方、光源６からは、０．６Ｗ／ｃｍ２のＸ、
　ｅランプ光を基体］に照射し、この照射により基体表
面温度を３００℃に保った。

以上の条件下で５分間堆積を行い、約７００人厚の５ｉ
Ｏ９膿を形成した。形成した膜の評価を行ったところ界
面準位密度は２．０Ｘ１０１０であり、組成比（Ｓｉ／
○）は０５であるザンプルを得た。

同様に第１図で示された成膜装置を用い、同様の成膜方
法でガス圧、ＲＦパワーによりプラズマ密度を調整し、
それぞれのプラズマ密度の条件の下で成膜を行った。そ
れぞれの膜の評価を行った結果を第１表、および第２図
、第３図に示した。

［実験例２］ 第１図で示された成膜装置のガス導入口４１）の上流に
液体の有機オキシシランを気化させる気化装置（不図示
）を取り付けた成膜装置を用いＴＥＯＳガスを原料とし
て酸化けい素膜の形成を行った。

第１のガス１０ａとして酸素ガスを用い２００ｓｅｃｍ
流し第２のガス１、　ＯｂとしてＴＥ０１を気化したガ
スを３０ｓｅｃｍ流して実験を行った。実験の手順は実
験１と同様に行いプラズマ密度が８Ｘ１０７となるよう
にガス圧を０．　　ＩＴｏｒｒとしＲＦパワーを１００
　Ｗに調整し光源から０．６Ｗ／ｃｍ”のＸｅランプか
らの光りを基体に照射し基体の温度を３００　’Ｃとし
た。

以」二の条件で７分間堆積を行い、約６００入庫のＳｉ
ｎ、膜を形成した。形成した膜の評価を行ったところ界
面準位密度は２０×１０１０であり、組成比（Ｓｉ１０
）は０．５であるザンブルを得た。

また、第１図で示された成膜装置を用い同様の成膜手順
でガス圧、ＲＦパワーによりプラズマ密度を調整し、そ
れぞれのプラズマ密度の条件の下で成膜を行った。それ
ぞれのザンプルの界面準位密度と炭素コンタミ量の評価
を行い、その結果を第１表および第４図に示した。

↓１０４７０　（６） 前記実験によって、プラズマ密度をＩ　Ｘ　１．０９ｃ
ｍ−′未ＩＮｊ１．　Ｘ　１０７ｃｍ”以上とした場合
には、界面準位密度か低く、化学量論組成に近いＳ　１
、　０２膜を得ることができ、また有機オキシシランを
原料ガスに用いた場合には、炭素含有量の低い良好なＳ
　ｊ　Ｏ２膜を形成することができた。

［実力（セ（タレ 酸素を主体とする第１のガス１、　Ｏａとして酸素を３
００ｓｅｃｍ、第２のガス１．　Ｏｂとしてモノシラン
を１０１０５ｅ流し、ガス圧は０．ＩＴ　ｏ　ｒ　ｒに
保って実験例で示したのと同様の方法を用い成膜を行っ
た。

尚、ＲＦパワーは１００　Ｗどした。

このときのプラズマ密度は濃いプラズマ中（電極近傍に
存在していた）で６Ｘ］０９／ｃｍ′基体３近傍で８Ｘ
］Ｏ’／ｃｍ２であった。

一方、光ａ、６からは０．６Ｗ／ｃｒｎ２のＸｅランプ
光を基体ユに照ロマ］シた。な」３、この照ηマ］によ
り基体表面調度を３００°Ｃに保った。

以」二の条件下で５分間堆積を行ったところ、１１００
人のＳｉＯ２膜が形成された。以上のようにして形成さ
れた膜の評価を行なったところ、絶縁耐圧　１０　Ｍ　
Ｖ　／　ｃ　ｍ、界面準位密度、２×１０１０／ｃｍ２
の良好な特性が得られた。

［比較例］ 従来の平行平板型プラズマＣＶＤ法を用い、以下に示す
条件で成膜を行った。

成膜条件 ＳｉＨ，＋　　　＋６ｓｅｃｍ 操作圧　　＋０．５Ｔｏｒｒ ＲＦパワー：１００Ｗ ■電気的特性 絶縁耐圧：６膜辺Ｖ　／　ｃ　ｍ 界面準位密度　５　ｘ　１、　Ｏ”／　ｃｒｎ２本発明
の薄膜に比較して比較例の薄膜は明らかに膜質は良くな
かった。

［発明の効果］ 上述したように、本発明によねば、基板近傍のプラズマ
密度を調整することにより基体に入射するイオンの数と
エネルギーを低減させることができ、また成膜時に基体
に光を照射することによって、表面反応が促進されるの
で低温で界面準位密度が低（ｌａ密な絶縁膜を形成でき
、また有機オキシシラン原料を用いた場合に、ｌ−３い
ては、炭素コンタミが少ない良好な絶縁膜形成を形成す
ることが可能になった。

］　８

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例に係る装置を示す概念構成図、
第２図はプラズマ密度と界面準位密度どの関係を示した
図、第３図はプラズマ密度と組成比どの関係を示した図
、第４図はプラズマ密度と炭素含有量を示した図である
。 ］・・・電極、２・・・反応容器、３・・・基体、４ａ
４ｂ・・・ガス導入］１、５・・プラズマ発生手段、６
・・光源、１０ａ・・・第１のガス、１０ｂ・・第２の
ガス。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、プラズマと光を用いる成膜方法において、プラズマ
   励起しても単独では堆積しない酸素を主体とする第１の
   ガスを基体の配された反応容器内に導入する工程と、 前記反応容器内に導入された前記第１のガスをプラズマ
   励起する工程と、 けい素を含む第２のガスを前記反応容器内に導入し、前
   記励起された第１のガスと反応を行わせ反応により生成
   した反応生成物を基体上に付着せしめ、前記反応生成物
   が付着する基体に光を照射する工程とを有し、 前記反応容器内の基体表面と接触しているプラズマ密度
   が１×１０＾７／ｃｍ＾３以上１×１０＾９／ｃｍ＾３
   未満であることを特徴とする薄膜形成方法。