JPH03229875A - 電子サイクロトロン共鳴プラズマｃｖｄ法による絶縁膜の形成方法 - 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］ 本発明は電子サイクロトロン共鳴プラズマＣｖＤ法によ
る絶縁膜の形成方法に関し、特に、カスプ磁場型電子サ
イクロトロン共鳴プラズマＣＶＤ装置を用いて、基板周
辺の磁場分布を制御することにより所定品質の絶縁膜を
成膜する技術に関するものである。

〔従来の技術〕

通常、半導体集積回路に用いられる層間絶縁膜や保護膜
は、常圧又は減圧の熱ＣＶＤ法や、高周波プラズマＣＶ
Ｄ法により形成されている。しかし、これらの方法では
基板をある程度高温にしないと良質の絶縁膜が形成でき
ないという欠点があった。そこで、低温でも耐酸性、緻
密性のすくれた絶縁膜を形成できる電子サイクロトロン
共鳴プラズマＣＶＤ法（以下ＥＣＲ法という。）が開発
されている。

第９図を参照して、従来のＥＣＲ法を用いた絶縁膜の形
成方法を説明する。導波管１からマイクロ波導入窓２を
介してマイクロ波が導入されていると共に励磁コイル４
によりその内部に磁場が形成されているプラズマ生成室
５があり、このプラズマ生成室５内に第１ガス導入系３
からＮ２．０２等のガスを導入することにより、電子サ
イクロトロン共鳴を起こして、プラズマを発生させる。

このプラズマは、励磁コイル４が形成する発散磁場によ
ってプラズマ反応室６に引き出され、第２ガス導入系７
から導入されるＳｉＨ４ガス等と反応して、これらを分
解し、試料台ｌＯの上に設置された基板８上にＳｉＮ、
ＳｉＯ□等の絶縁膜を形成する。なお、排気孔９から排
気することによりプラズマ反応室６内の圧力は一定の圧
力に保たれている。

ここで、プラズマ反応室６の下部周囲に補助コイルを設
け、励磁コイル４の形成するプラズマ反応室６内の発散
磁場を変化させた状態で成膜するミラー磁場型又はカス
プ磁場型のＥＣＲプラズマＣＶＤ法も試みられている。

このＥＣＲ法は、低ガス圧下においても高活性かつ高密
度であって、反応性ガスに対しても安定したプラズマが
得られるという特性から、耐酸性、緻密性に優れた絶縁
膜を常温で形成することができるものである。

〔発明が解決しようとする課題〕

ＥＣＲ法は上記のような種々の好特性を備えているにも
拘わらず、成膜時において基板に到達するプラズマの密
度やエネルギー等に偏りが存在することから、この方法
で形成した絶縁膜には膜厚及び膜質の均一性が悪いとい
う欠点があり、半導体装置の高集積化に伴う微細構造へ
の適応性や絶縁特性の安定性に欠けるという問題点を有
している。

そこで、本発明はこの問題点を解決するものであり、そ
の課題は、カスプ磁場の磁束形状の特定位置に基板を設
置することによって、基板に到達するプラズマ流の特性
を変え、膜厚及び膜質の均一性の良好な絶縁膜の形成方
法を提供することにある。

〔課題を解決するための手段〕

上記課題を解決するために主コイルと補助コイルとを備
えたＥＣＲプラズマＣＶＤ装置を用いる絶縁膜の形成方
法において、本発明が講じた手段は、 主コイルにより発生する磁場及び補助コイルにより発生
する逆方向の磁場からなるカスプ磁場を形成し、このカ
スプ磁場の対称軸とカスプ面（主コイルと補助コイルの
間においてカスプ磁場の対称軸方向の強度がゼロとなる
平面若しくは曲面をいう。）との交点の近傍に、絶縁膜
を形成すべき基板を配置し、この基板の表面が該カスプ
面とほぼ平行になるように設置するものであり、この状
態において、基板上に絶縁膜を成膜するものである。

また、この形成方法において、絶縁膜としてＳｉＯ□膜
を形成する場合には、 成長温度は室温〜１５０℃、 成長ガス圧力は５Ｘ１０−”〜ＩＸＩ　Ｏ−’Ｔ。

　ｒｌ Ｓ　ｉ　Ｈ４の０２に対するガス流量、比は０．３〜０
．８、 入射マイクロ波の電源電力は３００〜１００Ｗ１ の範囲内に設定して成膜するものである。

〔作用〕

カスプ磁場の対称軸がカスプ面と交差する部分の近傍に
おいて、磁束は急速に発散又は収束する。

従って、基板をカスプ面の上記近傍に配置することによ
って、プラズマ流は急速に発散する、磁束に沿って拡散
しながら基板に到達すると考えられ、プラズマ流の密度
分布も拡散、均一化され、特に基板の半径方向のプラズ
マ密度の偏りが緩和されると考えられる。その上、プラ
ズマ流中のイオンと電子の質量差は大きいことから磁束
の急速な発散に対する追随性が異なるため、基板に到達
するイオン流と電子流の比が変化し、成膜状態が変わる
。これらにより、基板上に形成される絶縁膜の膜厚及び
膜質の面内均一性が向上する。

〔実施例〕

次に、添付図面を参照して、本発明の詳細な説明する。

第１図に示すＥＣＲプラズマＣＶＤ装置は、導波管Ｉに
マイクロ波導入窓２を介して接続され、第１ガス導入系
３を備え、更に、周囲に励磁コイル４を設置されている
プラズマ生成室５を有しており、このプラズマ生成室５
内でプラズマが形成される。また、第２ガス導入系７と
排気孔９が設けられ、内部に試料台１０が配置されてお
り、更に、下方に補助コイル１１を備えたプラズマ反応
室６を有しており、このプラズマ反応室６にプラズマ生
成室５内で形成されたプラズマ流が導入される。

試料台１０は、静電チャックにより基板８を吸着して固
定すると共に基板８の放熱台も兼ねており、上下方向に
その位置を変化させることができる。補助コイル１１は
、励磁コイル４と反対方向の磁場を発生し、励磁コイル
４による磁場及び補助コイル１１による磁場によって、
第２図（ａ）に示すようなカスプ磁場が形成され、プラ
ズマ反応室６内には、磁場の対称軸方向の磁束密度の成
分がゼロになるカスプ面が存在する。試料台１゜の位置
を調整することによって、基板８は、このカスプ面上に
、基板８の中心が磁場の対称軸を通過し、かつ、基板８
の表面がカスプ面と平行になるように配置される。カス
プ面は、励磁コイル４による磁場及び補助コイル１１に
よる磁場の強度や励磁コイル４と補助コイル１１との半
径によって、或いは、装置の構成材料が磁場に影響を与
えることにより、第２図（ｂ）又は第２図（Ｃ）に示す
ような曲面となる場合もある。

上記装置を用いて、基板８上にシリコン酸化膜を形成し
た。第１ガス導入系３から０２ガスを導入し、第２ガス
導入系７からはＳｉＨ，ガスを導入する。マイクロ波周
波数は２．４５ＧＨｚ、プラズマ生成室５内の磁界強度
は８７５ＧでＥＣＲ条件を達成し、プラズマを発生させ
ている。第１表に、この時の成膜条件を示す。

第　　　　１　　　　表 上記の条件で成長させることにより得られたシリコン酸
化膜の緒特性を以下に説明する。

膜厚分布を示す第３図に見られるように、従来の発散磁
場の下で形成されたシリコン酸化膜の膜厚は、基板の半
径方向外側に向かって薄くなっている。これは、プラズ
マ生成室３内で発生するプラズマ密度の偏りを反映して
いると考えられる。

しかし、本実施例により形成されたシリコン酸化膜にお
いては、基板外縁に到るまで均一な膜厚を有している。

基板８は、磁束が急速に発散するカスプ面上の近傍に位
置するため、プラズマも磁束に沿って拡散し、基板８の
表面に到達するプラズマ密度の偏りが従来よりも緩和さ
れているものと思われる。

第４図には、シリコン酸化膜をバッファーＨＦ（ＨＦ　
；　２８ｍｆ、水；　１７０　ｍ　ｌ−、Ｎ　Ｈ４Ｆ　
；１１３ｇ）にて、エツチングした場合のエツチング速
度の分布を示したものである。本実施例により形成され
たシリコン酸化膜のエツチング速度の面内均一性は、従
来の発散磁場の下で成長した場合に較べて極めて優れて
いる。その上、全面に亘り従来の膜よりもエツチング速
度が遅くなっており、全体としても膜質が向上している
。従来の膜質不均一性の原因の詳細は明らかではないが
、耐酸性等の膜質は、プラズマ密度や成長速度と共にプ
ラズマ流中の電子とイオンの照射比とも関連していると
思われる。本実施例の成膜条件では、カプス面近傍の急
速な磁束の発散により、基板表面上で荷電粒子の軌道も
基板周囲の方向へと曲げられるが、電子とその他のイオ
ンとでは質量に太きな相違があるため、質量の小さい電
子は磁束の発散と共に基板上から外れて周囲に進行する
割合が増加し、基板に到達するプラズマにおいては、電
子流の密度に対するイオン流の密度の比が従来の発散磁
場型の場合よりも極めて大きくなっていると考えられる
。

次に、成膜時のマイクロ波電源電力を８００Ｗ、ガス圧
力をＩ　Ｘ　１０−３Ｔ、ｏ　ｒ　ｒに固定して形成し
たシリコン酸化膜において、この膜の屈折率及び成膜速
度のガス流量比に対する依存性を第５図に、膜の内部応
力及びエツチング速度のガス流量比に対する依存性を第
６図に示す。屈折率はガス流量比にほとんど依存せず一
定値を採るが、成長速度はシランガスの増加と共に増加
している。但し、この成長速度は、ガス圧力に非常に敏
感に応答するので、ガス圧力の制御が重要である。膜内
の残留応力はガス流量比に依存せず、エツチング速度は
、シランガスの増加に伴って遅くなる傾向にある。エツ
チング速度の低下は、シリコン酸化膜がＳｔ−リッチと
なっているためであると考えられる。

次に、屈折率及び成膜速度のマイクロ波電源電圧に対す
る依存性を第７図に、膜の内部応力及びエツチング速度
のマイクロ波電源電圧に対する依存性を第８図に示す。

屈折率はマイクロ波電源電圧に対しても一定であるが、
成膜速度はマイクロ波電源電圧の増大に伴って大きくな
っており、マイクロ波のエネルギーの増加によりプラズ
マ密度が高まっていると考えられる。電源電圧の増加と
伴って、内部応力は逆に減少し、エツチング速度は増加
するが、共に高パワー側で飽和する傾向にある。

以上説明したように、上記の第１表の成膜条件の範囲内
で形成したシリコン酸化膜の内部応力、屈折率、耐酸性
等の緒特性を低下させることなく、膜厚と膜質双方の面
内均一性を向上させることができ、全体的に見ても膜質
を従来よりも向上させることができた。

なお、基板の位置はカスプ面上に配置されることが望ま
しいが、磁束が急速に発散又は収束している領域内に設
置されていれば、本実施例と同様の効果が得られる。本
実施例の成膜条件においては、カスプ面の上下３０ｍｍ
以内の範囲に基板を設置することが望ましい。

〔発明の効果〕

以上のように、本発明は、ＥＣＲプラズマＣｖＤ法によ
る絶縁膜の形成方法において、主コイル及び補助コイル
により形成したカスプ磁場の対称軸上のカスプ面の近傍
に、該カスプ面と平行に基板を設置して成膜することに
特徴を有するので、以下の効果を奏する。

カスプ面近傍の急速な磁束の発散又は収束がプラズマ流
に影響を与えることによって、そのカスプ面近傍に平行
配置された基板上に到達するプラズマの分布が均一化し
、基板上に形成される絶縁膜の膜厚及び膜質の面内均一
性が向上する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例に係るシリコン酸化膜の形成方
法において使用したＥＣＲプラズマＣｖＤ装置の構造を
示す概略図である。 第２図（ａ）は平面状のカスプ面が形成されている場合
において、基板付近の磁束の様子を示す縦断面図、第２
図（ｂ）は基板表面側が凸状となったカスプ面が形成さ
れている場合において、基板付近の磁束の様子を示す縦
断面図、第２図（Ｃ）は基板表面側が凹状となったカス
プ面が形成されている場合において、基板付近の磁束の
様子を示す縦断面図である。 第３図は本発明の実施例により形成したシリコン酸化膜
の膜厚分布を従来の発散磁場の下で形成したシリコン酸
゛化膜の膜厚分布と比較して示すグラフ図である。 第４図は本発明の実施例により形成したシリコン酸化膜
のエツチング速度の面内分布を従来の発散磁場下で形成
した膜のエツチング速度の面内分布と比較して示すグラ
フ図である。 第５図は同実施例により形成したシリコン酸化膜におい
て屈折率及び成膜速度のガス流量比に対する依存性を示
すグラフ図である。 第６図は同実施例により形成したシリコン酸化膜におい
て内部応力及びエツチング速度のガス流量比に対する依
存性を示すグラフ図である。 第７図は同実施例により形成したシリコン酸化膜におい
て屈折率及び成膜速度のマイクロ波電源電力に対する依
存性を示すグラフ図である。 第８図は同実施例により形成したシリコン酸化膜におい
て内部応力及びエツチング速度のマイクロ波電源電力に
対する依存性を示すグラフ図である。 第９図は従来の発散磁場型のＥＣＲプラズマＣＶＤ装置
の構造を示す概略図である。 〔符号の説明〕 １・・・導波管 ２・・・マイクロ波導入窓 ３・・・第１ガス導入系 ４・・・励磁コイル ５・・・プラズマ生成室 ６・・・プラズマ反応室 ７・・・第２ガス導入系 ８・・・基板 ９・・・排気孔 ■ ０・・・試料台 １・・・補助コイル。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）主コイルと補助コイルとを備えた電子サイクロト
   ロン共鳴プラズマＣＶＤ装置を用いる絶縁膜の形成方法
   において、 前記主コイルにより発生する磁場及び前記補助コイルに
   より発生する逆方向の磁場からなるカスプ磁場を形成し
   、該カスプ磁場の対称軸とカスプ面との交点の近傍に絶
   縁膜を形成すべき基板を配置し、該基板を、この表面が
   該カスプ面とほぼ平行になるように設置することを特徴
   とする電子サイクロトロン共鳴プラズマＣＶＤ法による
   絶縁膜の形成方法。
2. （２）前記絶縁膜はＳｉＯ＿２膜であって、成長温度を
   室温〜１５０℃、 成長ガス圧力を５×１０＾−＾３〜１×１０＾−＾４Ｔ
   ｏｒｒ、 ＳｉＨ＿４のＯ＿２に対するガス流量比を０．３〜０．
   ８、 入射マイクロ波の電源電力を３００〜１０００Ｗ、 の範囲内に設定して成膜することを特徴とする請求項第
   １項に記載の電子サイクロトロン共鳴プラズマＣＶＤ法
   による絶縁膜の形成方法。