JPH04216628A - Ｅｃｒプラズマ堆積方法 - Google Patents

Ｅｃｒプラズマ堆積方法

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JPH04216628A
JPH04216628A JP3047330A JP4733091A JPH04216628A JP H04216628 A JPH04216628 A JP H04216628A JP 3047330 A JP3047330 A JP 3047330A JP 4733091 A JP4733091 A JP 4733091A JP H04216628 A JPH04216628 A JP H04216628A
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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】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明はプラズマ堆積による集積
回路のための誘電性層の形成方法に係り、特に高いアス
ペクト比を持つサブミクロンの相互接続を平面化するた
めのＶＬＳＩ加工における電子サイクロトロン共鳴（ｅ
ｌｅｃｔｒｏｎｃｙｃｌｏｔｒｏｎ　ｒｅｓｏｎａｎｃ
ｅ、ＥＣＲ　）プラズマ堆積方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】半導体素子の製造において、基板上に形
成される金属接点間を誘電性するために、しばしば二酸
化ケイ素またはチッ化ケイ素薄膜のような誘電性の層を
堆積することが重要となる。このような誘電性は一般に
、誘電性性材料によって接点間の空間を埋めることと接
点の上面を被覆することの両方を含む。
【０００３】さらに、層の上面の個々の部分が金属接点
上にあるか、このような接点間の空間上にあるかにかか
わらず、層がその上面が施された領域上に平面をなすよ
うに形成されることがしばしば望ましい。このような平
面状の上面を持つ誘電性層の形成は平面化と呼ばれる。
【０００４】誘電性層を形成するために種々の方法が有
効である。しかし、比較的低い温度を伴う方法のみが、
金属接点を平面化するために役立つ。即ち金属接点は、
一般にアルミニウムで作られる。アルミニウム接点は約
４００℃以上の処理温度には耐えられない。なぜならこ
ような温度においては、アルミニウム薄膜内に小丘が形
成される傾向があるからである。
【０００５】従って、例えばスピン−オン酸化物形成は
、良質のスピン−オン酸化物薄膜は約９００℃において
焼付けられる必要があるため、不都合である。低温で焼
付けられたスピン−オン酸化物が使用される場合におい
てアルミニウムを保護し、許容できる素子動作を確実に
するために多層サンドイッチ構造が必要とされる。しか
し、この方法は経費がかさみ、生産量を減少させる。
【０００６】プラズマ堆積方法は、例えば二酸化ケイ素
やチッ化ケイ素の誘電性層を比較的低温において形成す
るためこのことに関して興味深い。特に電子サイクロト
ロン共鳴（ＥＣＲ）プラズマ反応器は、約１５０℃以上
で基板を加熱することなく、高品質の二酸化ケイ素及び
チッ化ケイ素の層を作ることが発見された。
【０００７】図１は、例えばジャパニーズ　　ジャーナ
ル　　オブ　　アプライド　　フィジックスレターズ（
Ｊａｐａｎｅｓｅ　Ｊ．Ａｐｐｌｅ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔ
ｔ）、２２巻、Ｌ２１０〜２１２頁（１９８３年）のＳ
．マツオ及びＭ．キウチによる“電子サイクロトロン共
鳴プラズマを利用した低温化学堆積法”に述べられてい
るようなＥＣＲプラズマ反応器の構成を示している。
【０００８】マイクロ波電力は矩形の導波路２０及び融
着された石英の窓３０を通ってプラズマ室１０内へ流れ
込む。電磁コイル４０はプラズマ室周囲に配置されて、
マイクロ波周波数（一般的には約２．４５ＧＨｚ）にお
けるＥＣＲ動作に必要な磁界（一般的には約８７５ガウ
ス）を生じさせる。
【０００９】プラズマ室と磁石は入口５０から出口５５
へ通って流れる水によって冷却される。堆積ガスは入口
６０からプラズマ室内へ、そして入口６５から反応室９
０内へ別々に導入される。反応器は出口８０から減圧さ
れる。図１に示すようにプラズマ室１０の下方に反応室
９０があり、その内部に基板支持台１００及び基板１１
０がある。基板１１０は少なくとも１つの実質的にプラ
ズマ室１０に向かい合う（即ち図１における上方の）表
面を持つ。
【００１０】室１０及び９０の間には環状の仕切り１１
５がある。プラズマは発散磁界法（ｄｉｖｅｒｇｅｎｔ
　ｍａｇｎｅｔｉｃ　ｆｉｅｌｄ　ｍｅｔｈｏｄ）によ
って室１０から室９０内へ引き出される。即ち、室９０
内の磁界はプラズマ室１０から試験片台に向って徐々に
弱くなる。循環電子（ｃｉｒｃｕｌａｔｉｎｇ　ｅｌｅ
ｃｔｒｏｎ）は磁界の勾配によって基板に向って急速に
拡散され、結果として、プラズマ室からウェハへのプラ
ズマ流に沿ってイオンを加速させる静電界が生じる。プ
ラズマ流内のイオン及びラジカルは反応室内の堆積ガス
と反応し、基板表面へ付着する誘電性物を生成する。
【００１１】しばしば、特にＶＬＳＩの製造に関して、
ＶＬＳＩ製造において使用されるような、高いアスペク
ト比を持つサブミクロン相互接続を平面化することが必
要となる。「サブミクロン」とは、図２において、少な
くとも数対の隣り合う金属接点２００の間の距離が１ミ
クロン以下であることを意味する。「アスペクト比」と
は接点の高さを、関連する接点の間隔で割った数値を意
味する。
【００１２】材料２１０が堆積されると、堆積層の上表
面は、少なくとも最初は下のウェハのトポグラフィーを
再生する傾向がある。従って、上方の誘電性体表面のう
ち接点の上にある部分をここで「プラトー」と呼び、プ
ラトー間に横たわる部分をここで「ウェル」と呼ぶ。
【００１３】ウェルがその深さより狭い場合、それを均
一に充填することは困難である。即ち上部に堆積された
材料が蓄積する傾向にあり、結果的に底部が充填される
以前に閉じ得る肩が成長し、堆積された材料内の気孔の
形成を導く。ウェルを均一に充填する能力、従って気孔
の形成を避ける能力は、反応して誘電体を形成するイオ
ンの入射角に強く依存する。
【００１４】ウェルが狭くなるほどこれらの問題は重要
となってくる。従って、１．０及びそれ以上のアスペク
ト比は“高い”と見なされる。ＥＣＲプラズマ反応器内
ではイオンは垂直または垂直に近い角度で基板上に入射
するため、ＥＣＲプラズマ反応器は、高いアスペクト比
を持つ超小形相互接続の処理のために特に便利である。
【００１５】しかし、ＥＣＲプラズマ反応器内の垂直に
入射するイオンによっても、肩、即ちウェルの向い合う
側面の上部は結合する傾向にありウェルが充填される以
前に接近する。結果として、この方法によっても高品質
の平面層を成長させることは困難である。
【００１６】しかしスパッター、例えば酸素またはアル
ゴンスパッターが起こる場合、スパッター速度は角度に
依存している。従って入射イオン方向に対して４５°ま
たは４５°に近い角度に設置された平面上では比較的高
いスパッター収率が得られる。結果として酸化物側面（
ｐｒｏｆｉｌｅ）の肩は、僅かな堆積速度の損失だけを
代償に、除去され得る。
【００１７】さらに結果として、気孔が除去され下の基
板より小さいピーク対谷の関数を持つ上表面が生成され
、そこにおいて小丘の側面は切り立ってはおらずむしろ
傾斜している。結果としてこれらの小丘さえも除去する
ことができ、平面状の上表面が達成される。
【００１８】例えば、Ｊ．Ｖａｃ．Ｓｃｉ．Ｔｅｃｈｎ
ｏｌ．Ｂ４．（４巻）８１８〜８２１頁（１９８６年）
のＫ．マチダ及びＨ．オイカワによる“バイアシング及
び電子サイクロトロン共鳴プラズマ堆積によるサブミク
ロン相互接続のためのＳｉＯ２　平面化技術”に記述さ
れているように、ＥＣＲプラズマ堆積装置は、堆積中に
基板にｒｆバイアスを印加するための合体手段によって
、堆積中に同時に行う誘電性層のスパッターエッチング
に応用され得る。図１においてｒｆ発生器１２０で発生
されたｒｆバイアスは試験体１１０に印加される。この
種類の装置によって行われるプラズマ堆積は、バイアス
ＥＣＲプラズマ堆積と呼ばれる。
【００１９】このように、例えばマチダらによる米国特
許第４，７３２，７６１号は、図１に示すような装置を
用いて、バイアスＥＣＲプラズマ堆積による二酸化ケイ
素誘電性層の形成に就いて論じている。反応体となる材
料はシランと酸素である。さらにアルゴンが反応器内に
注入される。
【００２０】
【発明が解決しようとする課題】バイアスＥＣＲ反応器
内でシランを反応させることによって、二酸化ケイ素誘
電層を形成する方法は便利であるがある不都合を持つ。 即ち、シランは危険物であるためケイ素を含有する反応
体としては比較的好ましくない。さらにこの方法による
と、比較的高いマイクロ波及びｒｆ電力レベル、一般に
は約２．８ｋＷのマイクロ波と１ｋＷのｒｆが平面化と
商業的に受容できる堆積速度を達成するために必要とさ
れる。
【００２１】比較的高い電力レベルでの動作は、それに
比例する量の電気が消費されることと装置の寿命が短く
なることの両方の理由により好ましくない。さらに商業
的に受容できる堆積速度、例えば５０００オングストロ
ーム／分を提供するために、この方法は速い吸排気速度
の減圧システムを必要とし、これは経費をかなり高くす
る。
【００２２】
【課題を解決するための手段及】ケイ素含有反応体ガス
として、シランに代わってＴＥＯＳまたはＴＭＣＴＳを
用いることによって、バイアスＥＣＲ反応器内で二酸化
ケイ素誘電性層が形成される時に、マイクロ波とｒｆ電
力レベルを減少させて受容できる高い堆積速度が維持で
きることが発見された。
【００２３】即ち、シランの代わりにＴＥＯＳ（テトラ
　　エチル　　オルト　　ケイ酸塩）またはＴＭＣＴＳ
（テトラ　　メチル　　シクロテトラ　　シロキサン）
が用いられる場合、マイクロ波電力は、一般に約６５０
Ｗまで下げられ、またｒｆ電力は一般に約４００Ｗまで
下げられる。 これらの条件下において５０００オングストローム／分
またはそれ以上の堆積速度が達成できる。
【００２４】この方法によって堆積できる層の高い品質
は、全く予期しないものである。スパッター　はスパッ
ターイオンとして酸素のみを用いて実行されるか、また
はスパッターイオン源としてアルゴンが反応器内に注入
され得る。アルゴンが用いられる場合、ｒｆ電力レベル
は尚、さらに下げられる。
【００２５】必要とされる電力レベルの減少に追加して
、ＴＥＯＳ及びＴＭＣＴＳはシランよりも危険性の少な
い材料であり、従って取扱いの困難は軽減される。さら
に特にＴＭＣＴＳが用いられる場合、比較的高い堆積速
度を達成するために必要な材料の量は減少され、結果と
して減圧システムの必要とされる吸排気速度が減少され
る。
【００２６】
【実施例】図１において、当業者間で周知の手順に従い
、基板１１０が最初に用意され、支持台１００上に取付
けられ、バイアスＥＣＲ反応器内に設置される。冷却水
を流し始め、反応器は最初に０．１ミリトル以下の圧力
まで減圧される。ガス流が開始された後、バイアスＥＣ
Ｒ過程のために要求されることとして周知のように反応
器は５０ミリトル以下の圧力に維持される。
【００２７】マイクロ波信号がプラズマ室１０内へ導か
れる。マイクロ波の周波数は約２．４５ＧＨｚであるこ
とが望ましく、これは商業上で用いられる標準的な周波
数であるためである。プラズマ室内の磁界は、サイクロ
トロン領域がプラズマ室１０内、望ましくは（図１に示
すように）室の上部内であるように調節される。マイク
ロ波電力は、望まれる堆積速度に依存する。１０００〜
５０００オングストローム／分の堆積速度のためには、
マイクロ波電力は一般に約６５０Ｗである。
【００２８】ｒｆバイアスが基板に加えられる。ｒｆ周
波数は約１３．５６ＭＨｚであることが望ましく、これ
は商業上用いられる標準的な周波数であるためである。 ガスが反応器内に導入され、プラズマが形成された後、
空間電荷がプラズマ内に発現し、ｄｃバイアスを基板上
に発現させる。ｒｆバイアス電圧は適切なバイアススパ
ッターを提供するように調節される。一般にｒｆバイア
ス電圧は、１００から５００ボルトの負のｄｃバイアス
を生じるように調節される。１００Ｖ以下ではスパッタ
ーが不十分である。５００Ｖ以上では基板に放射線損傷
を与える危険がある。
【００２９】次にガスが反応器内に導入される。酸素は
、例えば入口６０を通ってプラズマ室内に導入される。 放電が開始された後、ＴＥＯＳまたはＴＭＣＴＳは、例
えば入口６５を通って、例えば反応室内に導入される。 さらにアルゴンは、例えば酸素流と共に、入口６０を通
ってプラズマ室内に容易に導入される。
【００３０】ＴＥＯＳが用いられるならば、良質の二酸
化ケイ素を生成するために酸素流量は、ＴＥＯＳ流量の
約２倍であるべきである。ＴＭＣＴＳが用いられるなら
ば酸素流量はＴＭＣＴＳ流量の約３倍であるべきである
。ＴＥＯＳまたはＴＭＣＴＳの流量は堆積速度を決定す
る。従って、例えばＴＥＯＳの流量が２ｓｃｃｍ（標準
立方センチメートル／分）から２０ｓｃｃｍへ増加する
場合、酸化物の堆積速度は１０４オングストローム／分
から１０８３オングストローム／分へ増加する。
【００３１】同様に、ＴＭＣＴＳの流量が４ｓｃｃｍか
ら１６ｓｃｃｍへ増加する場合、酸化物の堆積速度は８
００オングストローム／分から３２００オングストロー
ム／分へ増加する。ＥＣＲ条件が存続するためにはプラ
ズマ室内の圧力を５０ミリトル以下に維持することが一
般に必要であるため、許容できる最大流量は減圧システ
ムの吸排気速度によって制限される。
【００３２】与えられるいかなる流量においても、最適
の堆積速度を得るように、マイクロ波電力及びｒｆバイ
アス電圧（またはバイアス電力）を調節することが必要
である。一般に、マイクロ波電力の増加は堆積速度を上
げ、ｒｆバイアスの増加は堆積速度を下げる。
【００３３】前述したように、二酸化ケイ素層の形成は
堆積に加えてスパッターを持つ。スパッターは反応室内
に酸素が存在する時にいつでも（ｒｆバイアスがかかっ
ており、スパッターする材料が存在するという条件で）
起こり、従って、特にスパッターは堆積と同時に起こる
。さらに、少なくとも幾つかの場合において、少なくと
も１つのスパッター段階を堆積と交互に（即ち堆積され
る追加の材料を反応させずに）行うことが望ましい。
【００３４】これは単にＴＥＯＳまたはＴＭＣＴＳの流
れを遮断することによって容易に行われる。例えば５０
０Ｖの負のｄｃバイアスにおいて、１つの段階でスパッ
ターと共に堆積することにより、ウェルは気孔のない酸
化物で充填され得る。これと対照的に３００Ｖのみのｄ
ｃバイアスにおいては少なくとも１つの（堆積を伴わな
い）スパッター段階が同様の結果を得るために必要とさ
れる。
【００３５】このように例えば図２は、３００Ｖのバイ
アスにおける堆積後の基板の概略を示している。図３は
酸素によるスパッター後の同じ基板を示す。図４はスパ
ッター段階に続くもう１個の堆積段階後の同じ基板を示
す。
【００３６】１に近づき、１以上にアスペクト比が大き
くなるに従い、気孔のない酸化物を形成することはさら
に困難となる。この問題についての１つの解決手段はｄ
ｃバイアスの大きさを増加させることである。もう１つ
の解決手段は少なくとも１つのスパッター段階を用いる
ことである。
【００３７】一段階による過程が、比較的高い処理量を
提供するため有利であるが、許容できるｄｃバイアスの
大きさは放射線損傷の可能性によって例えば、５００Ｖ
以上に制限されている。従って、ｄｃバイアス電圧の制
限に加えて、比較的高いアスペクト比が存在する場合に
は、複数の段階の過程を用いるのが有利である。
【００３８】さらにアルゴンがスパッターの速度を増す
ために反応室に容易に導入される。しかし、与えられた
吸排気速度に関しては、加えられたアルゴンは反応器に
加えることのできる反応体の量を減少させ、従って堆積
速度を減少させる。結果として、スパッターの速度の増
加が、結果として起こる堆積速度の減少より重要である
場合に限りアルゴンを加えることが望ましい。
【００３９】基板支持台内の電熱器は、一般にプラズマ
内での暴露に先立って約３００℃まで基板を加熱するた
めに用いられる。表面温度は例えば１０分間の暴露中に
約３４０℃まで上昇する。このような暴露中においてア
ルミニウムの小丘の形成は観察されない。例え電熱器が
切れている場合でも酸化物層は、電熱器がついている場
合と実質的に同様の堆積速度と、実質的に同様の品質で
得ることが可能である。
【００４０】以下に、実際に行った酸化物層の形成につ
いて説明する。上表面に形成されたアルミニウム接点を
持つケイ素ウェハが用意された接点の間の間隔は０．７
μｍの広さであり、１．４のアスペクト比を持つ。ウェ
ハはバイアスＥＣＲ反応器内に設置され、ＴＭＣＴＳを
用いて二酸化ケイ素を堆積した。マイクロ波周波数は２
．４５ＧＨｚであり、ｒｆ周波数は１３．５６ＭＨｚで
ある。マイクロ波電力は６５０Ｗである。酸素流量は４
８ｓｃｃｍでありＴＭＣＴＳ流量は１６ｓｃｃｍである
。アルゴンは使用しない。
【００４１】特定の反応器の形状が用いられる場合、ｒ
ｆ電力はｄｃ（自己）バイアスについて概略直線的であ
ることがわかり、１００Ｖのバイアスにおける約１００
Ｗから５００Ｖのバイアスにおける約５５０Ｗに上昇す
る。
【００４２】３００Ｖのｄｃバイアスにおける三段階過
程において、堆積が２分間行われ、続いてスパッターが
４分間、さらに続いて堆積が６分間以上行われる。５０
０Ｖのｄｃバイアスにおける一段階過程において２１５
０オングストローム／分の堆積速度が得られる。
【００４３】両方の過程によって、ＩＲ検出限界より小
さいＳｉ−ＯＨ吸光度１％ＨＦにおける約６０オングス
トローム／分のエッチ速度、２×１０９　ダイン／ｃｍ
２　以下の圧縮応力、優秀なＴＶＳ痕跡、及びオーガー
（Ａｕｇｅｒ）の検出限界より低い不純物レベルを持つ
気孔のない酸化物層が提供される。
【００４４】
【発明の効果】本発明によれば、ケイ素含有反応体ガス
として、ＴＥＯＳまたはＴＭＣＴＳを用いることによっ
て、バイアスＥＣＲプラズマ堆積による良質の二酸化ケ
イ素層の高い堆積速度が達成される。さらにＴＥＯＳ、
ＴＭＣＴＳは比較的危険性の少ない材料であるために取
扱いも容易となる。また高い堆積速度のため必要な材料
の量が減少し、減圧システムの吸排気速度が下げられ、
従ってシステムの経費が軽減される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明で使用されるバイアスＥＣＲ反応器の概
略を示す断面図である。
【図２】高いアスペクト比の金属化パターンが形成され
ている基板の誘電層の堆積における第１の堆積段階後の
概略を示す断面図である。
【図３】高いアスペクト比の金属化パターンが形成され
ている基板の誘電層の堆積におけるスパッター段階後の
概略を示す断面図である。
【図４】高いアスペクト比の金属化パターンが形成され
ている基板の誘電層の堆積における第２の堆積段階後の
概略を示す断面図である。
【符号の説明】
１０　　プラズマ室２０　　矩形導波路３０　　石英窓
４０　　電磁コイル５０　　冷却水入口５５　　冷却水
出口６０　　堆積ガス入口６５　　堆積ガス入口８０　
　減圧時の排気口９０　　反応室１００　　基板支持台
１１０　　基板１１５　　仕切り１２０　　ｒｆ生成器
１４０　　ｒｆ伝送線路２００　　金属接点２１０　　
堆積材料

Claims (8)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】　　プラズマ室及びプラズマ室と連通する
    反応室からなるプラズマ反応器を用意するステップと、
    反応器内の圧力が５０ミリトル以下に維持されるように
    反応器を減圧するステップと、反応室内に少なくとも１
    つの表面が実質的にプラズマ室に面するよう基板を設置
    するステップと、酸素からなる第１のガスを第１流量で
    反応器内に導入するステップと、プラズマが生成される
    ように反応器内にマイクロ波電力を供給するステップと
    、　　ケイ素の化合物からなり酸素と反応して二酸化ケ
    イ素を生成することが可能な、第２のガスを第２流量で
    反応器内に導入するステップと、ＥＣＲ条件が作られて
    、プラズマがプラズマ室から反応室内へ流出し、第２の
    ガスと反応して、基板表面に付着する二酸化ケイ素を形
    成するようプラズマに磁界を加えるステップとからなる
    ＥＣＲプラズマ堆積方法において、第２のガスがＴＥＯ
    ＳまたはＴＭＣＴＳからなることを特徴とするＥＣＲプ
    ラズマ堆積方法。
  2. 【請求項２】　　基板表面が第１のガスのイオンによっ
    てスパッターされるように、基板にｒｆバイアスを加え
    るステップを有することを特徴とする請求項１記載の方
    法。
  3. 【請求項３】　　第１のガスは本質的に酸素からなり、
    第２のガスは本質的にＴＥＯＳからなり、第１流量は第
    ２流量の約２倍であることを特徴とする請求項１記載の
    方法。
  4. 【請求項４】　　第１のガスは本質的に酸素からなり、
    第２のガスは本質的にＴＭＣＴＳからなり、第１流量は
    第２流量の約３倍であることを特徴とする請求項１の記
    載の方法。
  5. 【請求項５】　　第１のガスを導入するステップの間に
    、基板の表面がアルゴンイオンによってスパッターされ
    るように、プラズマ室内にアルゴンを導入するステップ
    を有することを特徴とする請求項２記載の方法。
  6. 【請求項６】　　第１及び第２のガス導入ステップの後
    に、少なくとも第１のガスが流れている時間の一部の間
    に、第１のガスが反応して二酸化ケイ素を生成すること
    なく、基板表面においてスパッターを受けるように、第
    １のガスが流れている一方で第２のガスの流れを止める
    ステップを有することを特徴とする請求項２の方法。
  7. 【請求項７】　　符号は負であり、約１００Ｖ以上５０
    ０Ｖ以下のｄｃバイアスを基板上に生じるために適合す
    る電力レベルの、ｒｆバイアスを供給することを特徴と
    する請求項２記載の方法。
  8. 【請求項８】　　符号は負であり、約１００Ｖ以上５０
    ０Ｖ以下のｄｃバイアスを基板上に生じるために適合す
    る電力レベルの、ｒｆバイアスを供給することを特徴と
    する請求項６記載の方法。
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