JPH04257224A - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、絶縁膜を備えた半導
体装置の製造方法に関し、特に、ＥＣＲ　（電子サイク
ロトロン）　プラズマＣＶＤ法により半導体装置基板上
の段差部、例えば電極や配線等の上に絶縁膜を形成する
技術に関するものである。ＥＣＲプラズマＣＶＤ法が適
用されるＥＣＲプラズマＣＶＤ装置を、この発明では、
軸線上にマイクロ波透過窓を備え導入されたガスをプラ
ズマ化する軸対称のプラズマ生成室と、プラズマ生成室
を同軸に囲んでプラズマ生成室内にマイクロ波との電子
サイクロトロン共鳴磁場領域面を形成するコイルと、プ
ラズマ生成室のマイクロ波透過窓と対面する側に設けら
れたプラズマ引出し窓を介してプラズマ生成室と連通し
内部に被成膜基板が配される反応室とを備えた装置とし
ている。

【０００２】

【従来の技術】半導体集積回路の層間絶縁膜やパッシベ
ーション膜　（表面保護膜）　としては、通常、絶縁膜
の原料となるガス分子の励起に熱エネルギーを用いる熱
ＣＶＤ法や、高周波電圧印加によるプラズマ放電により
ガス分子を励起する高周波プラズマＣＶＤ法により形成
された酸化膜，　窒化膜等が用いられている。しかし、
近年、半導体装置の集積化および高密度化が進み、配線
間隔や配線幅等の構造寸法がサブミクロン領域に移行す
るのに伴って絶縁膜の高品質化が要求されるようになり
、上記の成膜方法以外の手法が種々試みられている。そ
のうちの１つとして、低温成膜が可能で、耐酸性，　緻
密性に優れた絶縁膜を形成できるＥＣＲプラズマＣＶＤ
法が開発されている。

【０００３】このＥＣＲプラズマＣＶＤ法は、所定強度
の磁場中にガスを導入し、ここに磁場強度に対応した周
波数のマイクロ波を入射することによって、マイクロ波
のエネルギーを偶存電子に共鳴吸収させ、エネルギーを
得た偶存電子の衝突によってガス分子が電離することに
より増殖する電子にもエネルギーを吸収させることによ
り高密度に生成されたプラズマを、反応ガスとともに基
板上に導き成膜するものである。

【０００４】ここで、基板上の段差　（例えば、基板上
に形成された電極や配線等による凹凸面）　の上に絶縁
膜を形成する場合には、絶縁特性を向上させ、あるいは
、多層構造を形成可能とするためには、平坦化処理を施
す必要がある。この平坦化処理を特別に必要とすること
なく平坦化が可能であり、かつ、基板上の段差被覆が良
好である絶縁膜の形成方法として、基板に高周波バイア
スを印加し、基板の自己バイアス効果によって基板表面
に負電位を生じさせ、エッチングとデポジションとを同
時に行うバイアススパッタリング法が知られている。こ
の高周波バイアスの印加は、ＥＣＲプラズマＣＶＤ法に
おいても施すことが可能であり、これにより、絶縁膜の
段差被覆性の改善と、膜質の改善とが期待されている。

【０００５】このＥＣＲプラズマＣＶＤ法を適用する装
置として、本発明が対象とするＥＣＲプラズマＣＶＤ装
置の構造例を図５に示す。図５の装置による絶縁膜の形
成は、絶縁膜が例えばＳｉＯ２　膜である場合、軸対称
に形成されたプラズマ生成室５を同軸に囲むコイル４に
より、プラズマ生成室５内にマイクロ波周波数との電子
サイクロトロン共鳴磁場領域面　（以下ＥＣＲ領域面も
しくはＥＣＲ面と略記する）を形成した後、プラズマ生
成室５内に第１ガス導入系３からＯ２　ガスを導入する
とともに、図示されないマイクロ波源で発振されたマイ
クロ波を導波管１を通し、マイクロ波透過窓２を透過さ
せてプラズマ生成室５内へ導入することにより、ＥＣＲ
領域面近傍でＯ２　ガスを電離度高く電離してＯ２　ガ
スプラズマを生成し、このプラズマをコイル４が形成す
る発散磁界に沿って反応室６内へ導くとともに、第２ガ
ス導入系７から反応ガスとしてＳｉＨ４　ガスを反応室
６内へ導入してＯ２ガスプラズマにより分解，活性化し
、基板上にＳｉＯ２　分子を堆積させることにより行わ
れる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ＥＣＲプラズマＣＶＤ
法により形成された絶縁膜は、成膜時に基板に到達する
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、膜厚および膜質の
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
という問題点と配線等の段差部の被覆性にも欠けるとい
う問題点を有していた。

【０００７】この発明の目的は、ＥＣＲプラズマＣＶＤ
装置の実質的な構造変更やコスト上昇を伴うことなく、
膜厚と膜質とが均一な絶縁膜を形成可能な絶縁膜の形成
方法を提供することである。

【０００８】

【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、軸線上にマイクロ波透過窓を
備え導入されたガスをプラズマ化する軸対称のプラズマ
生成室と、プラズマ生成室を同軸に囲んでプラズマ生成
室内にマイクロ波との電子サイクロトロン共鳴磁場領域
面を形成するコイルと、プラズマ生成室のマイクロ波透
過窓と対面する側に設けられたプラズマ引出し窓を介し
てプラズマ生成室と連通し内部に被成膜基板が配される
反応室とを備えたＥＣＲプラズマＣＶＤ装置を用いて被
成膜基板に絶縁膜を形成する際の絶縁膜形成方法として
、コイルの幾何学的中心が、マイクロ波透過窓のプラズ
マ生成室内部空間側の面のプラズマ生成室内部空間と反
対側に位置するようにコイルを配置するとともに、コイ
ルによる電子サイクロトロン共鳴磁場領域面を、マイク
ロ波透過窓を透過したマイクロ波の電界強度の波高値位
置に形成し、かつ被成膜基板に高周波バイアスを印加し
て絶縁膜を形成する絶縁膜形成方法とするものとする。 ここで、電子サイクロトロン共鳴磁場領域面が形成され
るマイクロ波の電界強度波高値の位置を、マイクロ波透
過窓を透過したマイクロ波の最初の波高値位置とすれば
さらに好適である。また、この方法により絶縁膜を形成
する際の成膜条件を、被成膜基板の温度を室温〜１５０
　℃，　ガス圧力を１×１０−４〜５×１０−３ｔｏｒ
ｒ，　プラズマ生成室に入射されるマイクロ波電力を２
５０　〜４５０　Ｗ，　被成膜基板に印加する高周波バ
イアス電力を６００　〜１０００Ｗに設定して絶縁膜を
形成すれば、この方法の目的を効果的に実現させること
ができる。

【０００９】

【作用】プラズマ生成室内に発生したプラズマは、軸対
称なプラズマ生成室を同軸に囲むコイルが形成する発散
磁界の磁界強度勾配により、磁力線に沿って基板上へと
流れ、基板中央部で厚く周縁側で薄くなる膜厚分布を形
成しようとする。一方、基板には高周波バイアスが印加
され、基板表面に負のバイアス電位が生じており、この
電位による電界は反応室の周壁へ向かうから、電界強度
は基板の中央部より周縁側で大きくなり、基板へ向かう
プラズマ中のイオンを周縁側でより強く吸引しようとす
る。これにより、基板表面には膜厚のより均一な絶縁膜
が形成されるとともに、基板表面の負電位によりイオン
が加速されるので、イオンの衝突により、成膜された膜
をスパッタリングし、同時に成膜することにより緻密な
膜が形成されると考えられる。

【００１０】また、コイルによるＥＣＲ領域面を、マイ
クロ波を透過したマイクロ波の電界強度の波高値位置に
形成することにより、ガス分子を電離する電子に吸収さ
せるマイクロ波のエネルギーが大きくなり、この領域面
近傍で高密度のプラズマが生成され、また、マイクロ波
の波高値近傍では、波高値に近い電界領域の軸方向の幅
が広いことから、ＥＣＲ領域面が多少湾曲している場合
にも、ＥＣＲ領域面はこの幅内に存在し、プラズマ生成
室の半径方向にプラズマが均一に形成され、高周波バイ
アスの印加とあいまって、基板に到達するプラズマ密度
を基板の半径方向に均一化することができる。また、コ
イルの幾何学的中心がマイクロ波透過窓のプラズマ生成
室内部空間側の面よりプラズマ生成室内部空間と反対側
にあるため、コイルが形成する磁界は、プラズマ生成室
内のいずれの位置でもプラズマ引出し窓方向へ発散して
おり、プラズマ生成室内のプラズマがマイクロ波透過窓
へ向かうことはなく、マイクロ波透過窓の破損が防止さ
れ、安定した装置運転が可能になる。

【００１１】以上により、基板上に形成される絶縁膜の
膜厚および膜質の面内均一性が向上する。高周波バイア
スを制御することにより、電極や配線等の段差被覆性や
平坦度の向上も可能になる。なお、ＥＣＲ領域面を、マ
イクロ波透過窓を透過したマイクロ波の電界強度の最初
の波高値位置に形成する場合の作用、ならびに、基板温
度，　ガス圧力などの成膜条件を上述のように設定する
場合の作用については、上記絶縁膜形成方法が適用され
るＥＣＲプラズマＣＶＤ装置の一実施例による構造と合
わせ、実施例の項で説明する。

【００１２】

【実施例】まず、図１に、本発明による絶縁膜形成方法
を適用するＥＣＲプラズマＣＶＤ装置構造の一実施例を
示す。図において、図５と同一の部材には同一符号が付
されている。この装置が図５の装置と異なる所は、図２
に詳細を示すように、コイル４の幾何学的中心が、マイ
クロ波透過窓２のプラズマ生成室内部空間側の面のプラ
ズマ生成室内部空間と反対側へ十分離れた位置に位置す
るように、かつコイルの下端面が、マイクロ波透過窓２
を透過したマイクロ波の電界強度の最初の波高値位置近
傍に位置するようにコイルが配置され、かつ基板９が載
置される基板台１０に高周波電源１１が接続されている
点である。

【００１３】装置をこのように形成し、コイル４に流す
電流を調整して、ＥＣＲ領域面を前記マイクロ波の電界
強度の最初の波高値位置であるコイル下端面近傍に形成
すると、ＥＣＲ領域面を比較的平坦な面に形成すること
ができ、従って、マイクロ波電界強度の波高値近傍領域
の軸方向幅内にＥＣＲ領域面を存在させることができる
。また、マイクロ波の電界強度波高値は、プラズマ生成
室内で一旦プラズマが形成されると、マイクロ波の進行
方向に減衰するから、本実施例のように、マイクロ波透
過窓を透過したマイクロ波の電界強度が最初に波高値に
達する位置にＥＣＲ領域面を形成するのが、成膜速度を
高めるためにも有効である。

【００１４】そこで、図１に示すＥＣＲプラズマＣＶＤ
装置を用いてＳｉＯ２　膜を形成する場合の成膜条件を
表１のように設定したときのＳｉＯ２　膜の諸特性を以
下に説明する。なお、この成膜条件は、従来の通常の成
膜条件と比べ、プラズマ生成室内に投入されるマイクロ
波電力よりも基板に印加される高周波バイアス電力　（
ＲＦ電力）　を大きくしている点が特徴である。すなわ
ち、この成膜条件では、マイクロ波電力と高周波バイア
ス電力との差異を、それぞれパルス状に印加される電力
のパルス幅とパルス周期との比、すなわちデューティの
差によって生じさせており、高周波バイアス電力のデュ
ーティを大きくすることにより、緻密な膜を形成するこ
とができる。 また、絶縁膜がＳｉＮ膜である場合には、ＳｉＨ４　ガ
スに対するＮ２ガスの流量比をこの表のガス流量比と変
えて絶縁膜を形成する。

【００１５】

【表１】

【００１６】膜厚分布を示す図３に見られるように、従
来の発散磁場により形成されたＳｉＯ２　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が、本実施例により形成され
たＳｉＯ２　膜においては、基板外周縁に到るまで均一
な膜厚を有している。基板８に高周波バイアスを印加す
ることにより、プラズマ密度が均一化し、また、スパッ
タリング効果により平坦化され、従来よりも凹凸が緩和
されることによるものと思われる。

【００１７】図４は、ＳｉＯ２　膜をＢＨＦ　（バッフ
ァ弗酸，　５０％弗酸を水で希釈した溶液）　にてエッ
チングしたときのエッチング速度の分布を示したもので
ある。本実施例の成膜条件により形成されたＳｉＯ２　
膜のエッチング速度の面内均一性は、従来の発散磁場で
形成した場合に較べて極めて優れている。また、全面的
に、従来よりエッ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。これは、本実施例の成膜条
件の高周波バイアス印加によりプラズマ中のイオンが基
板上に衝突することにより、従来より緻密な膜が形成さ
れることによるものと考えられる。

【００１８】以上、説明したように、膜厚と膜質双方の
面内均一性を向上させることができ、また、膜質自体も
従来よりも向上させることができた。

【００１９】

【発明の効果】本発明においては、ＥＣＲプラズマＣＶ
Ｄ法による絶縁膜の形成方法を上述のような方法とした
ので、以下に記載する効果が奏せられる。

【００２０】請求項１の方法では、プラズマ生成室内で
ＥＣＲ領域面の位置とマイクロ波電界強度の波高値位置
とが一致し、かつ、マイクロ波電界強度の波高値近傍領
域の軸方向幅が広くＥＣＲ領域面に多少の湾曲があって
もＥＣＲ領域面がこの幅内に存在するようになるため、
高密度プラズマが半径方向に均一に形成され、このプラ
ズマが発散磁界と基板に印加された高周波バイアスによ
る基板表面の負のバイアス電位とにより、均一な密度で
基板に到達するため、膜厚，膜質の均一性が向上すると
ともに、基板表面の負のバイアス電位によるイオン衝撃
効果により膜質自体も向上する。

【００２１】請求項２の方法では、ＥＣＲ領域面が、マ
イクロ波電界強度の波高値のうち、マイクロ波透過窓に
最も近い最大波高値位置に形成されるため、生成される
プラズマの密度が最大となり、成膜速度がさらに向上す
る。

【００２２】請求項３の方法では、プラズマ生成室に投
入されるマイクロ波電力が小さく、基板に印加される高
周波バイアス電力が大きいため、この設定範囲内で両電
力を調整することにより、膜厚と膜質との半径方向の傾
きを、傾きを無くする方向に制御しつつ膜質の向上を図
ることが可能になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による絶縁膜形成方法を適用するＥＣＲ
プラズマＣＶＤ装置構造の一実施例を示す縦断面図

【図
２】本発明による絶縁膜形成方法を示す説明図

【図３】
本発明による絶縁膜形成方法のもとで成膜条件の一実施
例によりＳｉＯ２　膜を形成したときの膜厚分布を、従
来技術によりＳｉＯ２　膜を形成した場合と対比して示
す線図

【図４】本発明による絶縁膜形成方法のもとで図３と同
一成膜条件によりＳｉＯ２　膜を形成したときのエッチ
ングレートを、従来技術によりＳｉＯ２　膜を形成した
場合と対比して示す線図

【図５】従来の絶縁膜形成方法が適用されるＥＣＲプラ
ズマＣＶＤ装置の構造例を示す縦断面図

【符号の説明】

２　　　　マイクロ波透過窓 ４　　　　コイル ５　　　　プラズマ生成室 ６　　　　反応室 ８　　　　プラズマ引出し窓 ９　　　　基板（被成膜基板） １１　　　　高周波電源

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】軸線上にマイクロ波透過窓を備え導入され
   たガスをプラズマ化する軸対称のプラズマ生成室と、プ
   ラズマ生成室を同軸に囲んでプラズマ生成室内にマイク
   ロ波との電子サイクロトロン共鳴磁場領域面を形成する
   コイルと、プラズマ生成室のマイクロ波透過窓と対面す
   る側に設けられたプラズマ引出し窓を介してプラズマ生
   成室と連通し内部に被成膜基板が配される反応室とを備
   えたＥＣＲプラズマＣＶＤ装置を用いて被成膜基板に絶
   縁膜を形成する際の絶縁膜形成方法であって、前記コイ
   ルの幾何学的中心が、マイクロ波透過窓のプラズマ生成
   室内部空間側の面のプラズマ生成室内部空間と反対側に
   位置するようにコイルを配置するとともに、コイルによ
   る電子サイクロトロン共鳴磁場領域面を、マイクロ波透
   過窓を透過したマイクロ波の電界強度の波高値位置に形
   成し、かつ被成膜基板に高周波バイアスを印加して絶縁
   膜を形成することを特徴とする絶縁膜の形成方法。
2. 【請求項２】請求項１に記載の絶縁膜形成方法において
   、電子サイクロトロン共鳴磁場領域面が形成されるマイ
   クロ波の電界強度波高値の位置を、マイクロ波透過窓を
   透過したマイクロ波の最初の波高値位置とすることを特
   徴とする絶縁膜の形成方法。
3. 【請求項３】請求項１または請求項２に記載の絶縁膜形
   成方法において、被成膜基板の温度を室温〜１５０　℃
   ，　ガス圧力を１×１０−４〜５×１０−３ｔｏｒｒ，
   　プラズマ生成室に入射されるマイクロ波電力を２５０
   　〜４５０　Ｗ，　被成膜基板に印加する高周波バイア
   ス電力を６００　〜１０００Ｗとして絶縁膜を形成する
   ことを特徴とする絶縁膜の形成方法。