JPH0425128A - 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〕 この発明は、ＥＣＲプラズマＣＶＤ装置を用いて基板表
面のＭ配線等による凹凸表面を被覆するとともに凹部を
埋めて平坦な層間絶縁膜あるいは表面保護膜を形成する
際の絶縁膜の形成方法に関する。

〔従来の技術〕

通常、半導体集積回路における層間絶縁膜や表面保護膜
は、膜成分を含む原料ガスの熱分解反応を利用した熱Ｃ
ＶＤ法や、減圧下で原料ガスの高周波グロー放電を生じ
させてガスを分解させて基板上に薄膜を形成させる高周
波プラズマＣＶＤ法により形成されていたが、近年、集
積回路の微細化、高密度化が進み、配線間隔や配線幅が
ミクロンからサブミクロンへと移行し、ＣＶＤ法による
絶縁膜形成にも、これに対応できる装置としてＥＣＲプ
ラズマＣＶＤ装置の開発が進んでいる。ＥＣＲプラズマ
ＣＶＤ装置は、マイクロ波が導入されるとともに励磁ソ
レノイドによりほぼ同軸に包囲され、導入されたガスを
マイクロ波と励磁ソレノイドが作る磁界との共鳴効果に
よりプラズマ化するプラズマ生成室と、該プラズマ生成
室と連通し内部に基板が載置される試料台を備えた反応
室とを備えてなるものであり、近年では、以下に説明す
る膜質の向上、平坦な絶縁膜形成などのために、さらに
、試料台にＲＦパワー　（ＲＦは数十ｋ　ｔｌ　ｚない
し数十旧Ｉｚの周波数を意味し、通常１３．５６ＭＨｚ
が用いられる）を供給するＲＦ電源を備えたものが用い
られるようになり、試料台にＲＦパワーを供給しつつ反
応室に導入された反応性ガスを前記プラズマ室から励磁
ソレノイドが作る磁力線に沿って反応室へ移動するプラ
ズマで活性化して、基板表面への薄膜形成が行われてい
る。さらに、前記励磁ソレノイドと同軸にかつ基板を挟
む軸方向の位置に第２の励磁ソレノイド　（以下サブソ
レノイドと記す）を配置し、このサブソレノイドに前記
励磁ソレノイドと逆方向の磁界を生じさせるように電流
を流して基板近傍で双方の磁界が急激に外方へ広がる。

いわゆるカスプ磁界を形成させ、基板に形成する薄膜の
膜厚分布を均一にするカスプ磁界型ＥＣＲプラズマＣＶ
Ｄ装置の使用がさかんになりつつある。

このように、ＥＣＲプラズマＣＶＤ装置では、プラズマ
生成部と反応部とが分離され、高温のプラズマ生成室か
ら低温の反応室へ移動したプラズマで反応室内に導入さ
れた反応性ガスを活性化して基板表面に薄膜が形成され
るから、低温成膜が可能であり、かつ低ガス圧で高活性
、高密度のプラズマが得られるとともに、低ガス圧に基
づく緻密性、耐酸性にすぐれた膜の形成が可能である。

また、試料台１従って基板にＲＦパワーを供給すると、
基板表面に生じたＲＦプラズマ中の電子とイオンとの移
動度の差により基板表面に負の電位が生じ、この負電位
による基板表面へのイオン衝撃により膜がさらに緻密化
され、また配線等による凹凸表面に例えば絶縁膜として
シリコン酸化膜を形成する場合、凹凸表面の凸部頂面の
横方向に張り出した膜を０□ガスイオンでエツチング除
去しつつ凹部を開放状態として成膜して、凹凸表面に膜
厚、膜質の均一な段差被膜を得ることができる。

さらに、プラズマ生成室に計ガスを追加供給し、生成さ
れた行ガスイオンの強いエツチング作用を利用して、表
面電界の高い凸部頂面の膜の成長速度を凹部より小さく
しながら平坦な絶縁膜を形成することができる。前述の
カスプ磁界型プラズマＣＶＤ装置の場合には、カスプ磁
界を形成する磁力線の形状から、基板に到達する電子量
が減り（イオンは電子と比べて質量が大きく、その慣性
で基板に到達する）、基板の表面電位が小さくなるため
、供給するＲＦパワーを増して所望の負電位が維持され
る。

（発明が解決しようとするＲ題〕 しかしながら、配線等による凹凸表面に形成する絶縁膜
が例えばシリコン窒化膜である場合には、凸部頂面の横
方向に張り出した膜に対するＮ２ガスイオンのエツチン
グ効果が、シリコン酸化膜における０２ガスイオンはど
大きくなく、凸部頂面の横ζ 方向の張り出しが除去されないまま成膜が行われる結果
、凸部側壁の膜が緻密性に欠け、１４図ｔａ＋に示すよ
うに、側壁の膜２３と凹部底面の膜との間に不連続線２
４が発生し、同図（ｂｌのような平坦化への途上で空洞
が発生してしまい、エツチング時に配線２２までも侵さ
れてしまうという問題があった。

そこで、Ｎ２ガスイオンのエツチング効果を高めるため
にＲＦパワーを大きくすると、イオン衝撃によりヒロッ
クが発生したり、あるいはこのイオン衝撃により凹凸表
面の温度が上昇し、配線と絶縁膜との熱膨張係数の差に
基づく断線が生じる。また、凹凸表面の電界分布の不均
一に基づく膜厚分布や膜質分布の不均一が大きくなり、
この不均一に基づく膜のストレスが配線に伝わり、いわ
ゆるストレスマイグレーションによる断線が生じてしま
う。

この発明の目的は、試料台にＲＦパワーを供給しながら
凹凸表面に成膜しても膜厚分布、膜質分布の均一性が得
られ、かつ配線のダメージが起こりにくい１段差被膜性
や平坦化のすぐれた絶縁膜＝６ の形成方法を提供することである。

〔課題を解決するための手段〕

上記課題を解決するために、この発明においては、絶縁
膜を、各層が絶縁膜からなる多層構造の絶縁膜とすると
ともに、その第１層は試料台に供給するＲＦパワーを小
さく、第２層以降はＲＦパワーをより大きくして形成し
かつ最終層はプラズマ生成室にΔｒガスを追加供給して
形成する絶縁膜形成方法をとるものとする。

〔作用〕

このように、絶縁膜を多層構造とし、その第１層の形成
を比較的低いＦＩＦパワーを用いて行うことにより、膜
質が比較的柔らかな、配線に伝わろうとするストレスを
緩和する作用をもつ薄膜が形成されるとともに、膜厚が
薄いことから、第１層がシリコン窒化膜であっても、配
線頂面での膜の横方向張り出しが小さく、配線側壁の膜
質に頂面や溝の底面の膜と比べてさほど差異が生ぜず、
側壁の膜と底面の膜との間に不連続線が生しにくくなる
。また、ＲＦパワーが小さいから、イオン衝撃によるヒ
ロックの発生が困難になる。そして、第２層以降をより
高いＲＦパワーを用いて形成することにより、緻密性が
第２層以降の層のそれぞれ全面にわたって高い多層絶縁
膜が形成される。

また、各層の絶縁膜は、Ｓ１０膜、　ＳＩＮ膜あるいは
５ｉＯＮ１９のいずれかを任意に選択して形成すること
ができるから、これらを適宜に組み合わせることにより
所望の特性を有する多層絶縁膜を得ることができる。そ
して、最終層形成時には、プラズマ生成室内に＾ｒガス
が追加供給されるから、計ガスイオンの強いエツチング
作用により、最終層の直前までに形成された多層膜の１
電界強度の高い凸部のエツチング速度と成膜速度の割合
と、電界強度の低い凹部のエツチング速度と成膜速度の
割合との間には差が生じ、凸部より膜成長の速い凹部が
さきに埋められながら平坦な膜が形成される。

このように、絶縁膜を、各層形成時のＲＦパワーを変え
た多層絶縁膜として形成し、かつ最終層の形成時に什ガ
スをプラズマ生成室内に追加供給する絶縁膜形成方法と
することにより、ヒロックの発生や配線の熱的９機械的
断線を防止しながら全体として緻密な膜を形成すること
ができる。そして、段差被膜では、第１Ｎが熱的５ｍ械
的に配線を遮蔽していることから、第２層以降のＲＦパ
ワーを大きくして均一な膜厚、膜質を得ることができ、
つづく平坦化では、Ａｒガスの追加供給作業を必要とす
るのみであり、全体としてプラズマ生成室に供給するガ
スの種類を変えるのみの簡単な作業により、配線のダメ
ージを生じさせない良質の絶縁膜を簡易に形成すること
ができる。

〔実施例〕

第３図に本発明による絶縁膜形成方法が適用されるＥＣ
ＲプラズマＣＶＤ装置の構成例を示す。

この装置は、図示されないマイクロ波源と、マイクロ波
源で発振されたマイクロ波う伝達する導波管１と、導波
管１を通ったマイクロ波が導入されるプラズマ生成室５
と、導波管１側の大気圧とプラズマ生成室５側の真空と
を隔離する。誘電体からなるマイク１フ波導入窓２と、
プラズマ生成室５をほぼ同軸に囲む励磁ソレノイド４と
、プラズマ生成室５の下端部の開口５ａを介してプラズ
マ生成室５と連通ずる。内部に被成膜基板９が載置され
る試料台１０を備えた反応室６と、試料台１０の背面側
に前記励磁ソレノイド４と同軸に配されたサブソレノイ
ド１工と、試料台１０にＲＦパワーを供給するＲＦ電源
１２と、試料台１０に供給されるＲＦパワーを調整する
可変コンデンサ１３とを主要構成部材として形成されて
いる。プラズマ生成室５はマイクロ波の所望共振モード
を形成させる空洞共振器として形成され、第１ガス導入
系３から０□＋　ＮＺ等、膜成分を有するガスを導入し
つつマイクロ波源からマイクロ波を導入するとともに、
励磁ソレノイド４に流す電流を調整して、プラズマ生成
室５内にマイクロ波と共鳴する磁束密度（マイクロ波の
周波数を工業的に用いられる標準周波数２．４５ＧＨｚ
とした場合には８７５ガウス）を有する磁場領域を形成
し、プラズマ生成室５内に高密度のプラズマを形成する
。

このプラズマは、開口５ａから、励磁ソレノイド４が形
成する磁力線に沿い、第２ガス導入系７か】０ ら反応室６内に導入された。膜成分を有する反応性ガス
Ｓ　ｉ　Ｈ４（シラン）をプラズマエネルギーで分解し
ながら試料台方向へ向かい、励磁ソレノイド４とサブソ
レノイド１１とにより基板９の近傍に形成されたカスブ
磁界領域でプラズマ中の電子の多くカベカスプ磁界を形
成する磁力線に沿って反応室の周壁方向へ向かい、イオ
ンの多くが電子とともにその方向を曲げながら、その大
きい慣性で基板９に到達する。カスプ磁界の形状から、
イオンの移動方向の曲がりは基板の軸線近傍はど大きく
周縁側で小さいから、基板に到達するイオン密度の面内
分布は、ザブソレノイド１１のない、励磁ソレノイド４
のみによる発散磁界に沿うプラズマ移動時と比べて大き
く平均化され、基板上に均一な膜厚分布を得ることがで
きる。以下、このように構成されたＥＣＲプラズマＣＶ
Ｄ装置を用い、配線による基板上の凹凸表面に平坦な絶
縁膜を本発明の絶縁膜形成方法により形成する際の、こ
の方法の一実施例を説明する。なお、本発明による多層
絶縁膜は、各層がそれぞれＳｉＯ膜、　ＳｉＮ膜あるい
は５ｉＮＯ膜のいずれかの絶縁膜として形成されるとと
もに、互いに接する２層は異なる組成であることを要し
ないものとしている。

第１図は本発明の第１の実施例として、本発明の絶縁膜
形成方法による絶縁膜形成の工程を、絶縁膜を構成する
各層の絶縁膜が異なる組成を有する場合に°ついて示す
ものである。絶縁膜は３層構造とし、成膜条件を次の通
りとした。

（１）第１層膜１５形成時のＲＦパワーを０〜２００Ｗ
とし、膜厚を１０００人〜２０００人とする。

（２）第２層膜１６形成時のＲＦパワーを４００〜７５
０Ｗとする。

（３）第３層膜１７形成時のＲＦパワーを４００〜７５
０Ｗとするとともに、プラズマ生成室にＡｒガスを１０
〜１１００５ＣＣ（標準状態に換算したときのｃｃ／ｍ
１ｎ）の流量で追加供給する。

上記各項共通に、 （ａ）マイクロ波パワーを３００〜１４００Ｗとする。

Ｔｂ）装置内ガス圧力を５　Ｘ　１０−３〜Ｉ　Ｘ　１
０−’Ｔｏｒｒとする。

（Ｃ）ガス流量比を　５ｉｔｌｔ１０□−０，３〜０．
８ＳｉＨｔ／ＮＺ　＝　０．５　〜１．２ＳｉＨ，１０
□＋Ｎ２＝０．３　〜１．０とする。

上記成膜条件で絶縁膜を形成すると、第１層を構成する
絶縁膜ばＯ〜２００Ｗの低ＲＦパワーを用いて形成され
るから、０□プラズマやＮ２プラズマの有する配線パタ
ーン表面の活性化とクリーニング効果とを維持しつつ、
プラズマ中のイオンによるイオン衝撃に基づく配線パタ
ーン表面のヒロック形成や配線の熱的断線が防止され、
また膜質が柔らかで、ストレスマイグレーションを緩和
する作用を有し、第２層以降に形成される緻密な膜から
のストレス伝達が生じた場合にも、配線を機械的断線か
ら守ることができる。また、膜厚が薄いから、配線頂面
に堆積した膜の横方向張り出しが小さく、配線側壁の膜
は溝底面の膜とさほど差異のない膜質を有し、両者の間
には不連続線が発生しにくくなり、以後のエツチング時
の配線侵蝕が起こりにくくなる。

第２層はＲＦパワーを大きくして形成されるから、緻密
な、所望の特性を有する。膜厚、膜質の均一な絶縁膜と
して形成される。

第３層はＲＦパワーを大きくするとともに、プラズマ生
成室に計ガスを追加供給して形成されるから、Ａｒプラ
ズマの強いエツチング作用により、第１図ｆｃ）のよう
に、電界強度の強い配線頂面端部に面してテーパ状に第
２層をエツチングしながら成膜が進行する。このとき溝
底面の電界強度は配線頂面より小さいから膜の成長速度
が頂面より速く、ＲＦパワーを適宜の大きさに制御する
ことより、溝を埋めながら平坦な膜を形成することがで
きる。

第２図は、第１図の場合と同一成膜条件とし、各層を同
一組成の膜とした場合の絶縁膜の構造を示すものであり
、同図（ａｌは２層形成後の絶縁膜２０の段差被膜の断
面を、また同図（Ｃ）は段差被膜の頂面端部をエツチン
グしながら段差被膜の溝を埋めて平坦化した絶縁膜２１
の断面を示す。

〔発明の効果〕

以上に述べたように、本発明においては、基板上の配線
による凹凸表面に形成する平坦な絶縁膜を、各層が絶縁
膜からなる多層構造の絶縁膜とするとともに、その第１
層は試料台に供給するＲＦパワーを小さく、第２層以降
はＲＦパワーをより大きくして形成しかつ最終層はプラ
ズマ生成室に竹ガスを追加供給して形成する絶縁膜形成
方法で形成することとしたので、配線表面のヒロック形
成、配線の熱的１機械的な断線を防止しながら緻密な膜
を、プラズマ生成室に導入するガスの種類を順に変える
のみの単純な作業で形成させることができる。また、第
２層以降の高ＲＦパワーにより膜厚１膜質の均一な段差
被膜が可能になるとともに、段差被膜につづく平坦化を
、プラズマ生成室にＡｒガスを追加供給し、＾ｒガスイ
オンの強いエツチング作用と、凹凸表面の電界の差によ
るエツチング速度の差とを利用して行うようにしたので
、能になった。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の絶縁膜形成方法による絶縁膜形成の工
程を、絶縁膜を構成する各層絶縁膜が異なる組成を有す
る場合について示す説明図、第２図は本発明の絶縁膜形
成方法による絶縁膜形成の工程を、絶縁膜を構成する各
層絶縁膜が同一組成を有する場合につき、段差被膜完了
の段階（同図（ａ））と平坦化完了の段階（同図（ｂ）
）とで示す説明図、第３図は本発明の絶縁膜形成方法が
適用されるＥＣＲプラズマＣＶＤ装置の構成例を示す縦
断面図、第４図は従来の絶縁膜形成方法を、絶縁膜をＳ
ｉＮ膜とした場合の段差被膜完了の段階（同図（ａ））
と平坦化途上の段階（同図（ｂ））とで示す説明図であ
る。 ４；励磁ソレノイド、５：プラズマ生成室、６：反応室
、９：基板、１０：試料台、１２：ＲＦ電源、１５；第
１層膜（第１層）、１６：第２層膜（第２層）、１７：
第３層膜（最終層）、２１：絶縁膜、第１ 側 第２図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １）マイクロ波が導入されるとともに励磁ソレノイドに
   よりほぼ同軸に包囲され、導入されたガスをマイクロ波
   と励磁ソレノイドが作る磁界との共鳴効果によりプラズ
   マ化するプラズマ生成室と、該プラズマ生成室と連通し
   内部に基板が載置される試料台を備えた反応室と、該試
   料台にＲＦパワーを供給するＲＦ電源とを備えたＥＣＲ
   プラズマＣＶＤ装置を用い、試料台にＲＦパワーを供給
   しつつ反応室に導入された反応性ガスを前記プラズマ室
   から励磁ソレノイドが作る磁力線に沿って反応室へ移動
   するプラズマで活性化して、基板表面の配線等による凹
   凸表面に平坦な絶縁膜を形成する際の該絶縁膜の形成方
   法であって、該絶縁膜を、各層が絶縁膜からなる多層構
   造の絶縁膜とするとともに、その第１層は試料台に供給
   するＲＦパワーを小さく、第２層以降はＲＦパワーをよ
   り大きくして形成しかつ最終層はプラズマ生成室にＡｒ
   ガスを追加供給して形成することを特徴とする絶縁膜の
   形成方法。