JPH0697661B2 - 高品質二酸化シリコン層の付着方法 - Google Patents
高品質二酸化シリコン層の付着方法Info
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- JPH0697661B2 JPH0697661B2 JP2309019A JP30901990A JPH0697661B2 JP H0697661 B2 JPH0697661 B2 JP H0697661B2 JP 2309019 A JP2309019 A JP 2309019A JP 30901990 A JP30901990 A JP 30901990A JP H0697661 B2 JPH0697661 B2 JP H0697661B2
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Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
- C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
- C23C16/00—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes
- C23C16/22—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes characterised by the deposition of inorganic material, other than metallic material
- C23C16/30—Deposition of compounds, mixtures or solid solutions, e.g. borides, carbides, nitrides
- C23C16/40—Oxides
- C23C16/401—Oxides containing silicon
- C23C16/402—Silicon dioxide
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Description
【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、プラズマ強化化学気相付着（PECVD）による
二酸化シリコン膜の付着、具体的には、速い付着速度に
おいて高品質なSiO2膜を付着する方法に関するものであ
る。
二酸化シリコン膜の付着、具体的には、速い付着速度に
おいて高品質なSiO2膜を付着する方法に関するものであ
る。
［従来の技術］ 現在、金属酸化物半導体（MOS）技術において、チツプ
の実装の高密度化、プロセス・レベルの増加を伴うデバ
イスの複雑化、及び大面積化の傾向にある。これらの進
歩に適応させるために、MOSデバイスの寸法を縮小化
し、高温プロセスの工程を最小に抑えなければならな
い。次世代のMOSデバイスにおいて非常に高い品質の二
酸化シリコン（SiO2）ゲート誘電体及び低温プロセスが
要求されている。低温における誘電体又は絶縁体の付着
は、多くの他の半導体デバイス技術へも応用される。例
えば、２次的なパツシベーシヨン層、中間層の分離、及
び集積回路におけるリソグラフイ・マスク、並びに薄膜
トランジスタ（TFT）用の１次的なゲート誘電体等であ
る。
の実装の高密度化、プロセス・レベルの増加を伴うデバ
イスの複雑化、及び大面積化の傾向にある。これらの進
歩に適応させるために、MOSデバイスの寸法を縮小化
し、高温プロセスの工程を最小に抑えなければならな
い。次世代のMOSデバイスにおいて非常に高い品質の二
酸化シリコン（SiO2）ゲート誘電体及び低温プロセスが
要求されている。低温における誘電体又は絶縁体の付着
は、多くの他の半導体デバイス技術へも応用される。例
えば、２次的なパツシベーシヨン層、中間層の分離、及
び集積回路におけるリソグラフイ・マスク、並びに薄膜
トランジスタ（TFT）用の１次的なゲート誘電体等であ
る。
さらに近年では、単一ウエーハ付着手段を使用する傾向
にあり、商業的見地からこの手段が発展するためには非
常に速い付着速度（少なくとも600〜1000Å/min）を必
要とする。
にあり、商業的見地からこの手段が発展するためには非
常に速い付着速度（少なくとも600〜1000Å/min）を必
要とする。
SiO2ゲート誘電体を形成するための従来の方法では、約
800℃ないし約1000℃の温度において酸化膜を熱的に成
長させている。熱酸化膜は優れた電子工学的特性及び機
械的特性を有するので、このプロセスが従来の半導体ト
ランジスタの応用に最も広く用いられてきたのである。
しかしながら、前述のような製造における新しい傾向を
考慮すると、熱酸化膜と同等の電子工学的特性及び機械
的特性を有するSiO2膜を低温において付着する方法が必
要とされる。
800℃ないし約1000℃の温度において酸化膜を熱的に成
長させている。熱酸化膜は優れた電子工学的特性及び機
械的特性を有するので、このプロセスが従来の半導体ト
ランジスタの応用に最も広く用いられてきたのである。
しかしながら、前述のような製造における新しい傾向を
考慮すると、熱酸化膜と同等の電子工学的特性及び機械
的特性を有するSiO2膜を低温において付着する方法が必
要とされる。
プラズマ強化化学気相付着（PECVD）は、高速でかつ低
温又はそのいずれかの条件で電子物質を付着するために
用いる技術である。しかしながら、歴史上、低温で付着
された酸化物は電子グレードには程遠く、PECVD酸化物
の様々な特性が文献（例えば固体技術（Solid State Te
chnology）、26、135（1983年）のAdams、及び電子化学
学会誌（J.Electro Chemical Society）、126、933（19
79年）のHollahanによる文献）で報告されてきたが、従
来の高温で付着した酸化物の電子工学的特性に近づくも
のはなかつた。従つて、従来のPECVDによつて付着したS
iO2膜の電子工学的特性及び物理的特性が比較的劣つて
いるので、その応用は膜の品質を比較的重視しない分野
に限られていた。
温又はそのいずれかの条件で電子物質を付着するために
用いる技術である。しかしながら、歴史上、低温で付着
された酸化物は電子グレードには程遠く、PECVD酸化物
の様々な特性が文献（例えば固体技術（Solid State Te
chnology）、26、135（1983年）のAdams、及び電子化学
学会誌（J.Electro Chemical Society）、126、933（19
79年）のHollahanによる文献）で報告されてきたが、従
来の高温で付着した酸化物の電子工学的特性に近づくも
のはなかつた。従つて、従来のPECVDによつて付着したS
iO2膜の電子工学的特性及び物理的特性が比較的劣つて
いるので、その応用は膜の品質を比較的重視しない分野
に限られていた。
近年、PECVD技術の改良によつて、非常に高い品質のSiO
2薄膜を非常に低い基板温度において（350℃又はそれ以
下）付着できることが示された。BateyらによるJ.Appl.
Phys.、60、3136（1986年）及びBateyらによるIEEE Ele
ctron Dev.Lett.EDL-8、148（1987年）を参照。Bateyら
の方法では、低い高周波（RF）出力密度並び多量のヘリ
ウム希釈ガスを伴う非常に少ない流量の反応性ガスを用
いている。その結果、付着速度はかなり削減され、膜の
品質もかなり向上した。Bateyらの方法に対する代表的
なプロセス・パラメータは、流量約20sccmのHe中の２％
SiH4、流量約50sccmのN2O、流量約2000sccm又はそれ以
上のHe、約1Torrの圧力、約0.02W/cm2のRF出力密度であ
る。多量のHe希釈ガスが、均質でかつ高品質な膜にして
いる。しかしながら、膜の特性が付着速度に強く依存す
るということが確認され、付着速度を約80Å/minの臨界
値又はそれ以下に保たなければならなかつた。良い品質
の膜が得られる一方、付着速度は多くの応用にとつて非
常に遅く、単一ウエーハ処理へ要求される速度には全く
及ばない。
2薄膜を非常に低い基板温度において（350℃又はそれ以
下）付着できることが示された。BateyらによるJ.Appl.
Phys.、60、3136（1986年）及びBateyらによるIEEE Ele
ctron Dev.Lett.EDL-8、148（1987年）を参照。Bateyら
の方法では、低い高周波（RF）出力密度並び多量のヘリ
ウム希釈ガスを伴う非常に少ない流量の反応性ガスを用
いている。その結果、付着速度はかなり削減され、膜の
品質もかなり向上した。Bateyらの方法に対する代表的
なプロセス・パラメータは、流量約20sccmのHe中の２％
SiH4、流量約50sccmのN2O、流量約2000sccm又はそれ以
上のHe、約1Torrの圧力、約0.02W/cm2のRF出力密度であ
る。多量のHe希釈ガスが、均質でかつ高品質な膜にして
いる。しかしながら、膜の特性が付着速度に強く依存す
るということが確認され、付着速度を約80Å/minの臨界
値又はそれ以下に保たなければならなかつた。良い品質
の膜が得られる一方、付着速度は多くの応用にとつて非
常に遅く、単一ウエーハ処理へ要求される速度には全く
及ばない。
RECVDシステムにおいてSiO2膜を付着する別の従来技術
の方法は、米国特許第4223048号に開示されている。こ
の特許は、膜の均一性を改善するために介在する電極及
び垂直の位置調整を利用するシステムをバツチ処理する
ことに関するものであり、非常に速い流量のN2O（1000l
/min）、流量約50sccmのSiH4及び流量約10〜20sccmのO2
を教示している。プラズマ放電を低いRF出力（20W）に
よつて行ない、約500Å/minの付着速度を達成してい
る。膜の電子工学的特性について言及していないが、こ
のような速い付着速度による膜の電子工学的特性は劣つ
ていると思われる。しかしそれでもなお、付着速度は単
一ウエーハ処理に必要な速度よりも遅い。
の方法は、米国特許第4223048号に開示されている。こ
の特許は、膜の均一性を改善するために介在する電極及
び垂直の位置調整を利用するシステムをバツチ処理する
ことに関するものであり、非常に速い流量のN2O（1000l
/min）、流量約50sccmのSiH4及び流量約10〜20sccmのO2
を教示している。プラズマ放電を低いRF出力（20W）に
よつて行ない、約500Å/minの付着速度を達成してい
る。膜の電子工学的特性について言及していないが、こ
のような速い付着速度による膜の電子工学的特性は劣つ
ていると思われる。しかしそれでもなお、付着速度は単
一ウエーハ処理に必要な速度よりも遅い。
［発明が解決しようとする課題］ 本発明の目的は、PECVDにより速い付着速度で高品質なS
iO2を付着する方法を提供することである。
iO2を付着する方法を提供することである。
［課題を解決するための手段］ 本発明は、前述した従来のPECVD法に比べて桁違いに多
量のシリコン水素化物の希釈反応性ガス、多量の酸化物
の反応性ガスおよび非常に高い電力密度のPFプラズマ出
力を利用することにより、桁違いに速い付着速度で、か
つ、高品質の二酸化シリコン層をPECVD法により基板上
に付着できることを見い出したものである。
量のシリコン水素化物の希釈反応性ガス、多量の酸化物
の反応性ガスおよび非常に高い電力密度のPFプラズマ出
力を利用することにより、桁違いに速い付着速度で、か
つ、高品質の二酸化シリコン層をPECVD法により基板上
に付着できることを見い出したものである。
本発明の構成は次の通りである。
1.半導体材料、金属材料またはガラス材料から成る基板
を支持し加熱しながら、前記基板の表面上に高品質の二
酸化シリコン層をプラズマ強化化学気相付着雰囲気の下
に付着できる付着室を準備する工程と、 不活性なキヤリアガスに２％以下に希釈された流量200
ないし400SCCMのシリコン水素化物反応性ガス、流量280
ないし560SCCMの酸素含有の反応性ガスおよび流量1000S
CCM以下の不活性なガスを前記付着室に導入する工程
と、 １ないし4W/cm2の電力密度のRF出力を前記付着室に印加
することによりプラズマ放電を前記付着室に発生させる
工程と、 より成り、毎分数百オングストロム以上の付着速度で前
記基板上に高品質の二酸化シリコン層を付着する方法。
を支持し加熱しながら、前記基板の表面上に高品質の二
酸化シリコン層をプラズマ強化化学気相付着雰囲気の下
に付着できる付着室を準備する工程と、 不活性なキヤリアガスに２％以下に希釈された流量200
ないし400SCCMのシリコン水素化物反応性ガス、流量280
ないし560SCCMの酸素含有の反応性ガスおよび流量1000S
CCM以下の不活性なガスを前記付着室に導入する工程
と、 １ないし4W/cm2の電力密度のRF出力を前記付着室に印加
することによりプラズマ放電を前記付着室に発生させる
工程と、 より成り、毎分数百オングストロム以上の付着速度で前
記基板上に高品質の二酸化シリコン層を付着する方法。
2.前記シリコン水素化物反応性ガスがSiH4であり前記酸
素含有の反応性ガスがN2Oであることを特徴とする請求
項１記載の二酸化シリコン層付着方法。
素含有の反応性ガスがN2Oであることを特徴とする請求
項１記載の二酸化シリコン層付着方法。
3.前記シリコン水素化物反応性ガスと前記酸素含有反応
性ガスの流量比が実質的に5:7に等しいことを特徴とす
る請求項１または請求項２に記載の二酸化シリコン層付
着方法。
性ガスの流量比が実質的に5:7に等しいことを特徴とす
る請求項１または請求項２に記載の二酸化シリコン層付
着方法。
4.前記付着室の圧力が１ないし5Torrであり、基板温度
が250℃ないし600℃であることを特徴とする請求項１記
載の二酸化シリコン層付着方法。
が250℃ないし600℃であることを特徴とする請求項１記
載の二酸化シリコン層付着方法。
5.He中のSiH4ガス及びN2Oガスを流量比N2O/He中のSiH4
が約280/200sccmないし560/400sccmの範囲でプラズマ強
化化学気相付着室に導入する工程と、 気体Heを約2000sccmの流量で前記付着室に導入する工程
と、 圧力が5Torr以下で温度が約250℃ないし約600℃の範囲
の前記付着室において約1W/cm2ないし約4W/cm2の範囲の
RF出力密度をかけることによってプラズマ放電させる工
程と、 より成るプラズマ強化化学気相付着室による基板への高
品質二酸化シリコン層付着方法。
が約280/200sccmないし560/400sccmの範囲でプラズマ強
化化学気相付着室に導入する工程と、 気体Heを約2000sccmの流量で前記付着室に導入する工程
と、 圧力が5Torr以下で温度が約250℃ないし約600℃の範囲
の前記付着室において約1W/cm2ないし約4W/cm2の範囲の
RF出力密度をかけることによってプラズマ放電させる工
程と、 より成るプラズマ強化化学気相付着室による基板への高
品質二酸化シリコン層付着方法。
6.前記二酸化シリコン層が約600Å/minないし約1500Å/
minの範囲の速度で付着する請求項５記載の二酸化シリ
コン層付着方法。
minの範囲の速度で付着する請求項５記載の二酸化シリ
コン層付着方法。
7.前記基板が半導体材料、金属材料またはガラス材料か
ら構成されていることを特徴とする請求項５記載の二酸
化シリコン層付着方法。
ら構成されていることを特徴とする請求項５記載の二酸
化シリコン層付着方法。
本発明の方法によつて付着したゲート絶縁体を用いて形
成したMOSコンデンサ構造体は、漏れ電流がゼロであ
り、界面準位密度が非常に低く、早期電流注入はなく、
熱酸化物構造体において得られるものと同等の絶縁破壊
の電界の強さとなつた。機械的特性にも優れており、熱
酸化物の２倍未満のエツチング速度で、ピンホール密度
は低く、均一性及び密度に優れ、化学量論的にほとんど
化学的不純物を含まないSiO2に非常に近かつた。
成したMOSコンデンサ構造体は、漏れ電流がゼロであ
り、界面準位密度が非常に低く、早期電流注入はなく、
熱酸化物構造体において得られるものと同等の絶縁破壊
の電界の強さとなつた。機械的特性にも優れており、熱
酸化物の２倍未満のエツチング速度で、ピンホール密度
は低く、均一性及び密度に優れ、化学量論的にほとんど
化学的不純物を含まないSiO2に非常に近かつた。
［実施例］ 本発明は、PECVD付着手段において基板に高品質の二酸
化シリコン膜を付着する方法を提供する。まず第一工程
において、酸素及びシリコンを含む反応性ガスの流れ、
並びに多量の不活性なキヤリアガスの流れをこの手段の
反応チヤンバに導入する。代表的には、1.4％ないし２
％のシリコンを含む反応性ガスを不活性のキヤリアガス
に希釈する。シリコンを含む反応性ガスの流量は、５イ
ンチ（12.7cm）単一ウエーハ手段に対して150sccm以上
にしなければならない。好ましくは、200sccmないし400
sccmの範囲である。酸素を含む反応性ガスの流量は、５
インチ単一ウエーハ手段に対して200sccm以上にしなけ
ればならない。好ましくは、280sccmないし560sccmの範
囲である。さらに、希釈したシリコンを含む反応性ガス
に対する酸素を含む反応性ガスの比は、SiO2の化学量論
的に近い膜を確実に付着させるために十分に大きくなけ
ればならない。具体的にはこの比は１より大きい。従
来、反応性ガスはN2O及びSiH4を用いる。しかしなが
ら、適切な酸素を含む反応性ガス及びシリコンを含む反
応性ガスはいずれも使用できる。さらに、より大きな単
一ウエーハ手段及び複数ウエーハ手段において本発明を
使用することもでき、反応チヤンバのサイズに基づいて
流量を調整するということはあきらかであろう。
化シリコン膜を付着する方法を提供する。まず第一工程
において、酸素及びシリコンを含む反応性ガスの流れ、
並びに多量の不活性なキヤリアガスの流れをこの手段の
反応チヤンバに導入する。代表的には、1.4％ないし２
％のシリコンを含む反応性ガスを不活性のキヤリアガス
に希釈する。シリコンを含む反応性ガスの流量は、５イ
ンチ（12.7cm）単一ウエーハ手段に対して150sccm以上
にしなければならない。好ましくは、200sccmないし400
sccmの範囲である。酸素を含む反応性ガスの流量は、５
インチ単一ウエーハ手段に対して200sccm以上にしなけ
ればならない。好ましくは、280sccmないし560sccmの範
囲である。さらに、希釈したシリコンを含む反応性ガス
に対する酸素を含む反応性ガスの比は、SiO2の化学量論
的に近い膜を確実に付着させるために十分に大きくなけ
ればならない。具体的にはこの比は１より大きい。従
来、反応性ガスはN2O及びSiH4を用いる。しかしなが
ら、適切な酸素を含む反応性ガス及びシリコンを含む反
応性ガスはいずれも使用できる。さらに、より大きな単
一ウエーハ手段及び複数ウエーハ手段において本発明を
使用することもでき、反応チヤンバのサイズに基づいて
流量を調整するということはあきらかであろう。
前述のように、酸素及びシリコンを含むガスの流れに加
えて、不活性なキヤリアガスをも多量に反応チヤンバに
導入する。不活性なキヤリアガスの流量、は単一ウエー
ハ手段に対して1000sccm以上にしなければならない。好
ましくは約2000sccm以上の流量である。好ましいキヤリ
アガスはヘリウムである。なぜならそれは軽いからであ
る。しかしながら、他のキヤリアガス、例えばアルゴ
ン、ネオン及びキセノンも使用することができる。
えて、不活性なキヤリアガスをも多量に反応チヤンバに
導入する。不活性なキヤリアガスの流量、は単一ウエー
ハ手段に対して1000sccm以上にしなければならない。好
ましくは約2000sccm以上の流量である。好ましいキヤリ
アガスはヘリウムである。なぜならそれは軽いからであ
る。しかしながら、他のキヤリアガス、例えばアルゴ
ン、ネオン及びキセノンも使用することができる。
PECVDシステムは低温のシステムであり、具体的には約2
50℃ないし約600℃の範囲の温度で操作される。システ
ム内の圧力は、一定の膜特性を得るために用いられ、具
体的には5Torr以下である。
50℃ないし約600℃の範囲の温度で操作される。システ
ム内の圧力は、一定の膜特性を得るために用いられ、具
体的には5Torr以下である。
本発明に従う方法の第二工程において、RF出力を十分に
かけることによつてこの手段の反応チヤンバー内にプラ
ズマ放電を発生させ、約1W/cm2以上の、好ましくは１な
いし4W/cm2の範囲の出力密度を得る。その結果、本発明
の方法に従うと、約600Å/minないし1500Å/minの付着
速度で高品質の二酸化シリコン膜を付着できる。
かけることによつてこの手段の反応チヤンバー内にプラ
ズマ放電を発生させ、約1W/cm2以上の、好ましくは１な
いし4W/cm2の範囲の出力密度を得る。その結果、本発明
の方法に従うと、約600Å/minないし1500Å/minの付着
速度で高品質の二酸化シリコン膜を付着できる。
本発明の１つの好ましい具体例に従つてPECVD単一ウエ
ーハ手段を、He中のSiO4に対するN2Oの流量比が560/400
sccm、RF出力密度が1W/cm2ないし4W/cm2の範囲という条
件で使用した結果、約1100Å/minないし約1500Å/minの
付着速度で高品質のSiO2膜が付着した。従つて、デバイ
スレベルの品質の二酸化シリコン膜が、商業的にも許容
できる付着速度で単一ウエーハPECVD手段において付着
できる。
ーハ手段を、He中のSiO4に対するN2Oの流量比が560/400
sccm、RF出力密度が1W/cm2ないし4W/cm2の範囲という条
件で使用した結果、約1100Å/minないし約1500Å/minの
付着速度で高品質のSiO2膜が付着した。従つて、デバイ
スレベルの品質の二酸化シリコン膜が、商業的にも許容
できる付着速度で単一ウエーハPECVD手段において付着
できる。
さて第１図を参照すると、第１図はガス入口４及びガス
出口６を有する反応チヤンバ２を含む単一ウエーハPECV
D手段を単純化した図である。チヤンバ２には、ヒータ
８及びRF出力源（図示せず）にケーブル12によつて接続
される出力電極10が与えられる。４つの流量制御器14、
16、18、20が必要なガスを導入するために与えられる。
制御器14は多量の不活性なキヤリアガス（He）を、制御
器16は酸素を含む反応性ガス（N2O）を、制御器18はシ
リコンを含む反応性ガス（He中のSiH4）を、そして制御
器20はパージ用ガスとして用いるN2をそれぞれ導入す
る。基板22がヒータ８の上に置かれると、このシステム
はその基板22の上にSiO2層を付着するばかりとなる。こ
の基板22は、金属酸化物半導体（MOS）を形成するため
には半導体であり、金属酸化物金属（MOM）を形成する
ためには金属である。好ましい基板はシリコンである
が、本発明はシリコン基板のみに限定されず、例えば金
属、シリコンではない半導体、ガラス及び他の物質のよ
うに様々な種類の基板に高品質SiO2が付着できる。
出口６を有する反応チヤンバ２を含む単一ウエーハPECV
D手段を単純化した図である。チヤンバ２には、ヒータ
８及びRF出力源（図示せず）にケーブル12によつて接続
される出力電極10が与えられる。４つの流量制御器14、
16、18、20が必要なガスを導入するために与えられる。
制御器14は多量の不活性なキヤリアガス（He）を、制御
器16は酸素を含む反応性ガス（N2O）を、制御器18はシ
リコンを含む反応性ガス（He中のSiH4）を、そして制御
器20はパージ用ガスとして用いるN2をそれぞれ導入す
る。基板22がヒータ８の上に置かれると、このシステム
はその基板22の上にSiO2層を付着するばかりとなる。こ
の基板22は、金属酸化物半導体（MOS）を形成するため
には半導体であり、金属酸化物金属（MOM）を形成する
ためには金属である。好ましい基板はシリコンである
が、本発明はシリコン基板のみに限定されず、例えば金
属、シリコンではない半導体、ガラス及び他の物質のよ
うに様々な種類の基板に高品質SiO2が付着できる。
操作の際、ガス流量制御器14、16及び18を動作させ、必
要な流量でN2O、SiH4及びHeをチヤンバー２に導入する。
そしてRF出力電極10を動作させ必要な出力密度を与え
る。これによつてチヤンバ２内にプラズマ放電24を発生
させ、基板22に二酸化シリコン層26を付着する。本発明
を、非常に薄い膜から厚い膜までの広い範囲で、しかも
全てデバイスレベルの品質で酸化膜を付着するために用
いることができる。
要な流量でN2O、SiH4及びHeをチヤンバー２に導入する。
そしてRF出力電極10を動作させ必要な出力密度を与え
る。これによつてチヤンバ２内にプラズマ放電24を発生
させ、基板22に二酸化シリコン層26を付着する。本発明
を、非常に薄い膜から厚い膜までの広い範囲で、しかも
全てデバイスレベルの品質で酸化膜を付着するために用
いることができる。
例１ この例において次の条件は一定に保持された。
N2O＝16sccm 1.4％のHe中のSiH4＝12sccm He＝2000sccm 圧力＝5Torr 反応温度＝350℃ そしてRF出力密度は0.1、0.2、0.5、１、２及び3.25W/c
m2について膜を付着した。例１の結果は表１に示されて
いる。
m2について膜を付着した。例１の結果は表１に示されて
いる。
例２ この例において圧力、温度及びヘリウムの流量は例１と
同一であつた。しかしながら、この例においては、RF出
力密度を2W/cm2に一定に保持し、反応性ガスの流量比N2
O/1.4％のHe中のSiH4を16/12、35/25、70/50、140/10
0、280/200及び560/400sccmと変化させた。例２の結果
は表２に示されている。
同一であつた。しかしながら、この例においては、RF出
力密度を2W/cm2に一定に保持し、反応性ガスの流量比N2
O/1.4％のHe中のSiH4を16/12、35/25、70/50、140/10
0、280/200及び560/400sccmと変化させた。例２の結果
は表２に示されている。
例３ この例において圧力、温度及びヘリウムの流量は例１と
同一であつた。しかしながらこの例においては、流量比
N2O/1.4％のHe中のSiH4を560/400sccmに一定に保持し
た。そして再びRF出力密度を0.1、0.2、0.5、１、２及
び3.25W/cm2と変化させた。例３の結果は表３に示され
ている。
同一であつた。しかしながらこの例においては、流量比
N2O/1.4％のHe中のSiH4を560/400sccmに一定に保持し
た。そして再びRF出力密度を0.1、0.2、0.5、１、２及
び3.25W/cm2と変化させた。例３の結果は表３に示され
ている。
前述の例それぞれにおいて用いた装置は、アプライド・
マテリアル・プレシジヨン5000（Applied Material Pre
cision 5000）PECVD手段であつた。反応チヤンバ及び流
量制御器は簡単に第１図に示される。
マテリアル・プレシジヨン5000（Applied Material Pre
cision 5000）PECVD手段であつた。反応チヤンバ及び流
量制御器は簡単に第１図に示される。
例１において、反応性ガスの流量比が低いと、RF出力密
度の増加と共に付着速度は遅くなり、SiO2を連続して付
着するにはシランの量が不十分であることを示した。例
２において、反応性ガス流量比の増加と共に付着速度も
増したことがわかる。各膜の比較的一定なエツチング速
度によつて示されるように、結果として良質な層が得ら
れたことは明らかである。得られた膜は化学量論的特性
に近い。エツチング速度は物理的特性についての基準値
であり、良質の膜は熱酸化物のエツチング速度の２倍よ
りも小さいエツチング速度を示すことは周知である。
度の増加と共に付着速度は遅くなり、SiO2を連続して付
着するにはシランの量が不十分であることを示した。例
２において、反応性ガス流量比の増加と共に付着速度も
増したことがわかる。各膜の比較的一定なエツチング速
度によつて示されるように、結果として良質な層が得ら
れたことは明らかである。得られた膜は化学量論的特性
に近い。エツチング速度は物理的特性についての基準値
であり、良質の膜は熱酸化物のエツチング速度の２倍よ
りも小さいエツチング速度を示すことは周知である。
例３は、反応性ガスの流量比が高いとRF出力密度に関係
なく付着速度は速いということを示している。しかしな
がら、実際には出力密度の増加と共に品質が向上すると
いう結果が得られた。出力密度が0.5W/cm2より低い時に
はエツチング速度は２以上となり、出力密度は約1W/cm2
又はそれ以上の時にはエツチング速度は２以下となるこ
とから品質がわかる。このように３つの例、特に例２の
膜No.5及びNo.6、例３の膜No.4、No.5及びNo.6から明ら
かなように、約１〜4W/cm2の出力密度及び約280/200〜5
60/400sccmの範囲内にある反応性ガスの流量比を用い
て、約600Å/minないし約1500Å/minの速度で高品質の
膜が付着した。
なく付着速度は速いということを示している。しかしな
がら、実際には出力密度の増加と共に品質が向上すると
いう結果が得られた。出力密度が0.5W/cm2より低い時に
はエツチング速度は２以上となり、出力密度は約1W/cm2
又はそれ以上の時にはエツチング速度は２以下となるこ
とから品質がわかる。このように３つの例、特に例２の
膜No.5及びNo.6、例３の膜No.4、No.5及びNo.6から明ら
かなように、約１〜4W/cm2の出力密度及び約280/200〜5
60/400sccmの範囲内にある反応性ガスの流量比を用い
て、約600Å/minないし約1500Å/minの速度で高品質の
膜が付着した。
ゲート絶縁体のような１次的な分離の目的で用いられる
絶縁体に最も重要となる特性は、電気的保持状態であ
る。界面領域はあきらかに重要であるが、バルク特性、
即ち固定絶縁体の電荷、過渡電荷、漏れ電流及び安定性
も同等に重要である。これらの特性の多くがMOS又はMOM
構造体のI-V又はC-V特性から評価することができる。
絶縁体に最も重要となる特性は、電気的保持状態であ
る。界面領域はあきらかに重要であるが、バルク特性、
即ち固定絶縁体の電荷、過渡電荷、漏れ電流及び安定性
も同等に重要である。これらの特性の多くがMOS又はMOM
構造体のI-V又はC-V特性から評価することができる。
電気特性を評価するために、具体的には500ないし1000
Åの厚さで約5.2×10-3cm2の面積のアルミニウム対向電
極をPECVDで付着させたSiO2の上にシヤドウ・マスクを
通して蒸着させた。そして良好な接触を確保するため
に、ウエーハの背面をエツチングした。第２図及び第３
図は、前述のように形成したMOS構造体のI-V及びC-V特
性曲線を示す。比較するために、第２図及び第３図にお
ける曲線Ａは例３の膜No.1に相当し、曲線Ｂは例３の膜
No.5に相当する。
Åの厚さで約5.2×10-3cm2の面積のアルミニウム対向電
極をPECVDで付着させたSiO2の上にシヤドウ・マスクを
通して蒸着させた。そして良好な接触を確保するため
に、ウエーハの背面をエツチングした。第２図及び第３
図は、前述のように形成したMOS構造体のI-V及びC-V特
性曲線を示す。比較するために、第２図及び第３図にお
ける曲線Ａは例３の膜No.1に相当し、曲線Ｂは例３の膜
No.5に相当する。
第２図は動的ランプI-V曲線を示しており、これからSiO
2膜の電気特性に関する多くの情報を得ることができ
る。曲線Ｂでは、Si-SiO2伝導帯の不連続に相当する3.2
eV障壁を通つて、６〜7MV/cmにおいてフアウラー・ノル
ドハイム（Fowler-Nordheim）電流であるシリコン基板
からの電流注入が開始される。曲線Ｂにおける明らかな
段は、膜のバルクにおけるトラツプに関係がある。これ
は、捕獲断面積及び捕獲確率等のトラツプ・パラメータ
を決定できる強力な方法である。この捕獲確率は、段の
観察される電流レベル、傾斜度及び電荷の分布の中心に
関係がある。曲線Ｂは、比較的低い捕獲確率である約10
-8Aにおいてトラツプ・レベルが生じることを示す。こ
のように、高い電流注入、高い降伏電界、及び低い捕獲
確率となり、熱的に成長したSiO2に似ている特徴を示
す。
2膜の電気特性に関する多くの情報を得ることができ
る。曲線Ｂでは、Si-SiO2伝導帯の不連続に相当する3.2
eV障壁を通つて、６〜7MV/cmにおいてフアウラー・ノル
ドハイム（Fowler-Nordheim）電流であるシリコン基板
からの電流注入が開始される。曲線Ｂにおける明らかな
段は、膜のバルクにおけるトラツプに関係がある。これ
は、捕獲断面積及び捕獲確率等のトラツプ・パラメータ
を決定できる強力な方法である。この捕獲確率は、段の
観察される電流レベル、傾斜度及び電荷の分布の中心に
関係がある。曲線Ｂは、比較的低い捕獲確率である約10
-8Aにおいてトラツプ・レベルが生じることを示す。こ
のように、高い電流注入、高い降伏電界、及び低い捕獲
確率となり、熱的に成長したSiO2に似ている特徴を示
す。
これとは対照的に、第２図の曲線Ａは、PECVDで0.1W/cm
2で付着した膜、即ち例３の膜No.1のランプI-V特性を示
す。この膜の電気的保持状態は非常に劣る。早期の電流
注入（premature current injection）は非常に低い電
界の強さ、即ち1MV/cm未満で生じ、はつきりとしたトラ
ツプの段はない。さらに、早期電流注入が大きく変化す
るので、特性に再現性がない。
2で付着した膜、即ち例３の膜No.1のランプI-V特性を示
す。この膜の電気的保持状態は非常に劣る。早期の電流
注入（premature current injection）は非常に低い電
界の強さ、即ち1MV/cm未満で生じ、はつきりとしたトラ
ツプの段はない。さらに、早期電流注入が大きく変化す
るので、特性に再現性がない。
第２図のデータは、RF出力密度の増加と共に、SiO2膜の
電気的保持状態が向上することを示している。2W/cm2の
出力密度の場合、早期電流注入がなくなり、降伏電界が
上がる。例３の膜No.4及びNo.6、並びに例２の膜No.5及
びNo.6は第２図の曲線Ｂと似ていることが確定した。前
述の特性は、再現性があることが示された。
電気的保持状態が向上することを示している。2W/cm2の
出力密度の場合、早期電流注入がなくなり、降伏電界が
上がる。例３の膜No.4及びNo.6、並びに例２の膜No.5及
びNo.6は第２図の曲線Ｂと似ていることが確定した。前
述の特性は、再現性があることが示された。
曲線Ｂの漏れ電流は5MV/cm未満の電界の強さではゼロで
あることが第２図から明らかである。低い電界の降伏が
ないということは、ピンホール及び成長の欠陥が問題に
ならないことを意味する。曲線Ａは漏れやすい酸化物で
ある。ゲートの漏れを最小にするために数千Åの物質が
必要であり、酸化物のゆるやかな充電は、長期間の安定
性の問題であるので、良好な電気的保持状態を必要とす
る応用に膜を使用させる。
あることが第２図から明らかである。低い電界の降伏が
ないということは、ピンホール及び成長の欠陥が問題に
ならないことを意味する。曲線Ａは漏れやすい酸化物で
ある。ゲートの漏れを最小にするために数千Åの物質が
必要であり、酸化物のゆるやかな充電は、長期間の安定
性の問題であるので、良好な電気的保持状態を必要とす
る応用に膜を使用させる。
第３図は、第２図の曲線Ａ及びＢと同一の膜に対して２
Ω−cmシリコン基板上に製造したMOSコンデンサのC-Vデ
ータを示す。曲線Ａ′は例３の膜No.5についての高周波
数特性を示している。これらのデータは、400℃で30分
間成形ガス（10％のN2中のH2）中でメタライゼーシヨン
後硬化の後に測定された。曲線Ａ及びＢは低周波数（準
静的の）特性であり、界面準位密度を測定するために分
析される。界面準位密度は、高周波数曲線からの準静的
曲線の外れを生み、その大きさが界面準位密度を決定す
るために用いられる。約−1Vにおける曲線Ａ及びＡ′の
差は、３×1011cm-2eV-1の界面準位密度によつて生じ、
それは非常に大きい。約−1Vにおける曲線Ｂ及びＡ′の
差は、４×1010cm-2eV-1の界面準位密度によつて生じ、
それは非常に小さい。
Ω−cmシリコン基板上に製造したMOSコンデンサのC-Vデ
ータを示す。曲線Ａ′は例３の膜No.5についての高周波
数特性を示している。これらのデータは、400℃で30分
間成形ガス（10％のN2中のH2）中でメタライゼーシヨン
後硬化の後に測定された。曲線Ａ及びＢは低周波数（準
静的の）特性であり、界面準位密度を測定するために分
析される。界面準位密度は、高周波数曲線からの準静的
曲線の外れを生み、その大きさが界面準位密度を決定す
るために用いられる。約−1Vにおける曲線Ａ及びＡ′の
差は、３×1011cm-2eV-1の界面準位密度によつて生じ、
それは非常に大きい。約−1Vにおける曲線Ｂ及びＡ′の
差は、４×1010cm-2eV-1の界面準位密度によつて生じ、
それは非常に小さい。
偏光解析法によつて測定された屈折率は、良質な酸化物
の化学量論からの外れを検出するために用いることがで
きる。PECVDを用いて付着した化学量論的SiO2について
の周知の屈折率の範囲は、1.46ないし1.52である。表
１、表２及び表３からわかるように、すべての膜の屈折
率は熱酸化膜の屈折率である1.465に近い。さらに、前
述のように酸化膜のエツチング速度が利点を示す基準値
となる。表１、表２及び表３におけるエツチング速度と
は、サンプルのエツチング速度が23℃において7:1のフ
ツ化水素酸緩衝液（BHF）での熱酸化物のエツチング速
度よりも速いフアクタである。２未満のエツチング速度
フアクタが優良なエツチング速度である。
の化学量論からの外れを検出するために用いることがで
きる。PECVDを用いて付着した化学量論的SiO2について
の周知の屈折率の範囲は、1.46ないし1.52である。表
１、表２及び表３からわかるように、すべての膜の屈折
率は熱酸化膜の屈折率である1.465に近い。さらに、前
述のように酸化膜のエツチング速度が利点を示す基準値
となる。表１、表２及び表３におけるエツチング速度と
は、サンプルのエツチング速度が23℃において7:1のフ
ツ化水素酸緩衝液（BHF）での熱酸化物のエツチング速
度よりも速いフアクタである。２未満のエツチング速度
フアクタが優良なエツチング速度である。
さらに不純物の存在を確認するために例３の膜No.1及び
No.4について試験を行なつた。膜No.1には窒素及び水素
等の相当な量の不純物がある。しかしながら、膜No.4に
は少量の水素のみであつた。
No.4について試験を行なつた。膜No.1には窒素及び水素
等の相当な量の不純物がある。しかしながら、膜No.4に
は少量の水素のみであつた。
従来のPECVDプロセスの結果は（例えばHe希釈は低い
か、又はなし）、第２図の曲線Ａに匹敵し、第３図の曲
線Ａよりは悪い。一般的な従来のPECVDプロセスの条件
は、２％のHe中のSiH4＝200sccm、N2O＝400sccm、出力
密度＝0.1W/cm2、圧力は１〜10Torr、温度は350℃であ
り、付着速度は約1000Å/minである。界面準位密度は約
1012cm-2eV-1、そしてI-V曲線は膜が漏れやすいことを
示す。エツチング速度は熱酸化膜の２倍ないし４倍で、
不純物はＣ、Ｎ及びＨである。
か、又はなし）、第２図の曲線Ａに匹敵し、第３図の曲
線Ａよりは悪い。一般的な従来のPECVDプロセスの条件
は、２％のHe中のSiH4＝200sccm、N2O＝400sccm、出力
密度＝0.1W/cm2、圧力は１〜10Torr、温度は350℃であ
り、付着速度は約1000Å/minである。界面準位密度は約
1012cm-2eV-1、そしてI-V曲線は膜が漏れやすいことを
示す。エツチング速度は熱酸化膜の２倍ないし４倍で、
不純物はＣ、Ｎ及びＨである。
これらのデータから、従来のPECVDプロセスは単一ウエ
ーハ手段の許容できる付着速度で高品質な二酸化シリコ
ン膜を製造しない。本発明に従う多量のHe希釈ガス及び
高いRF出力密度を用いるPECVDシステムは非常に速い付
着速度で高品質な二酸化シリコン膜を製造する。従つ
て、デバイス・レベルの品質を有するSiO2膜の付着にお
いて、低温PCVDシステムの商業的使用が可能となる。
ーハ手段の許容できる付着速度で高品質な二酸化シリコ
ン膜を製造しない。本発明に従う多量のHe希釈ガス及び
高いRF出力密度を用いるPECVDシステムは非常に速い付
着速度で高品質な二酸化シリコン膜を製造する。従つ
て、デバイス・レベルの品質を有するSiO2膜の付着にお
いて、低温PCVDシステムの商業的使用が可能となる。
［発明の効果］ 本発明は、PECVDシステムを用いて速い付着速度で高品
質なSiO2膜を付着する方法を提供する。
質なSiO2膜を付着する方法を提供する。
第１図は、本発明の方法で用いる単一ウエーハPECVDシ
ステムを示す図である。 第２図は、２種類の膜のI-V特性を示す図である。 第３図は、２種類の膜のC-V特性を示す図である。 ２……反応チヤンバ、４……ガス入口、６……ガス出
口、８……ヒータ、10……出力電極、12……ケーブル、
14、16、18、20……流量制御器、22……基板、26……二
酸化シリコン膜。
ステムを示す図である。 第２図は、２種類の膜のI-V特性を示す図である。 第３図は、２種類の膜のC-V特性を示す図である。 ２……反応チヤンバ、４……ガス入口、６……ガス出
口、８……ヒータ、10……出力電極、12……ケーブル、
14、16、18、20……流量制御器、22……基板、26……二
酸化シリコン膜。
フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭63−79974（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−107547（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−212442（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−217927（ＪＰ，Ａ)
Claims (7)
- 【請求項１】半導体材料、金属材料またはガラス材料か
ら成る基板を支持し加熱しながら、前記基板の表面上に
高品質の二酸化シリコン層をプラズマ強化化学気相付着
雰囲気の下に付着できる付着室を準備する工程と、 不活性なキヤリアガスに２％以下に希釈された流量200
ないし400SCCMのシリコン水素化物反応性ガス、流量280
ないし560SCCMの酸素含有の反応性ガスおよび流量1000S
CCM以下の不活性なガスを前記付着室に導入する工程
と、 １ないし4W/cm2の電力密度のRF出力を前記付着室に印加
することによりプラズマ放電を前記付着室に発生させる
工程と、 より成り、毎分数百オングストロム以上の付着速度で前
記基板上に高品質の二酸化シリコン層を付着する方法。 - 【請求項２】前記シリコン水素化物反応性ガスがSiH4で
あり前記酸素含有の反応性ガスがN2Oであることを特徴
とする請求項１記載の二酸化シリコン層付着方法。 - 【請求項３】前記シリコン水素化物反応性ガスと前記酸
素含有反応性ガスの流量比が実質的に5:7に等しいこと
を特徴とする請求項１または請求項２に記載の二酸化シ
リコン層付着方法。 - 【請求項４】前記付着室の圧力が１ないし5Torrであ
り、基板温度が250℃ないし600℃であることを特徴とす
る請求項１記載の二酸化シリコン層付着方法。 - 【請求項５】He中のSiH4ガス及びN2Oガスを流量比N2O/H
e中のSiH4が約280/200sccmないし560/400sccmの範囲で
プラズマ強化化学気相付着室に導入する工程と、 気体Heを約2000sccmの流量で前記付着室に導入する工程
と、 圧力が5Torr以下で温度が約250℃ないし約600℃の範囲
の前記付着室において約1W/cm2ないし約4W/cm2の範囲の
RF出力密度をかけることによってプラズマ放電させる工
程と、 より成るプラズマ強化化学気相付着室による基板への高
品質二酸化シリコン層付着方法。 - 【請求項６】前記二酸化シリコン層が約600Å/minない
し約1500Å/minの範囲の速度で付着する請求項５記載の
二酸化シリコン層付着方法。 - 【請求項７】前記基板が半導体材料、金属材料またはガ
ラス材料から構成されていることを特徴とする請求項５
記載の二酸化シリコン層付着方法。
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