JPH10125669A

JPH10125669A - プラズマｃｖｄ装置及び酸化膜の成膜方法

Info

Publication number: JPH10125669A
Application number: JP29804496A
Authority: JP
Inventors: Yutaka Kudo; 豊工藤; Masayuki Hachitani; 昌幸蜂谷; Katsumi Oyama; 勝美大山; Masayoshi Saito; 政良斉藤; Yoshio Honma; 喜夫本間
Original assignee: Hitachi Ltd; Hitachi Electronics Engineering Co Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd; Hitachi High Tech Corp
Priority date: 1996-10-22
Filing date: 1996-10-22
Publication date: 1998-05-15

Abstract

(57)【要約】【課題】高い膜質改善効果を有するプラズマＣＶＤ装
置を提供する。【解決手段】上部電極及び下部電極を有するプラズマ
ＣＶＤ装置の反応室内に反応ガスを送入し、これらのガ
スをプラズマ雰囲気下で反応させることにより基板上に
酸化膜を生成する際、有機シラン材料としてのトリエト
キシシラン、テトラエチルオルソシリケート又はトリメ
トキシシランのいずれか一方と、酸化剤としての亜酸化
窒素（Ｎ₂Ｏ）又は酸素のいずれか一方からなる反応ガ
スを送入し、更に、アルゴン（Ａｒ）ガスとアンモニア
（ＮＨ₃）ガス又はヒドラジン（Ｎ₂Ｈ₄）ガスを同時に
又は何れか一方を前記反応ガスに添加し、前記上部電極
に２７ＭＨｚ以上１００ＭＨｚ以下の範囲内の周波数を
有する電圧を印加し、前記下部電極に３００ＫＨｚ以上
１３．５６ＭＨｚ以下の範囲内の周波数を有するバイア
ス電圧を印加することにより該添加ガスのイオンを基板
に加速入射させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はプラズマＣＶＤ装置
に関する。更に詳細には、本発明は膜質改善効果の高い
プラズマＣＶＤ装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体ＩＣの製造においては、基板の表
面に酸化シリコンの薄膜を形成する工程がある。薄膜の
形成方法には化学的気相成長法（ＣＶＤ）が用いられて
いる。ＣＶＤ法には、常圧法、減圧法およびプラズマ法
の３方法があるが、最近の高品質で高精度な薄膜が要求
される超ＬＳＩに対してはプラズマ法が好適であるとし
て注目されている。

【０００３】プラズマ法は、真空中に噴射された反応ガ
スに対し、高周波電圧を印加してプラズマ化し、反応に
必要なエネルギーを得るもので、膜厚の均一性と共に良
好な膜質が得られ、しかも、膜形成速度が速いなど多く
の点で優れている。

【０００４】プラズマ法によるシリコン酸化膜の形成材
料には例えば、ＳｉＨ₄ などが使用されてきたが、半導
体デバイスの微細化に伴ってステップカバレージ（段差
被覆性）の低下が問題となってきた。このモノシランガ
スの代わりに、最近、液体のトリエトキシシラン（ＴＲ
ＩＥＳ）［ＳｉＨ（ＯＣ₂ Ｈ₅ ）₃ ］が使用されるよう
になってきた。トリエトキシシランはステップカバレー
ジに優れた緻密な膜を形成できるためである。トリエト
キシシランを用いてシリコン酸化膜を成膜する場合、ト
リエトキシシランを加熱して気化させ、トリエトキシシ
ランガスとして反応室に供給する。

【０００５】配線密度の増大に伴って、配線浮遊容量が
増大し、その結果、デバイス動作速度が低下する。更
に、形成酸化膜のオーバーハングにより、グローバルな
平坦化が難しくなる。近年、多層配線の低誘電率化及び
配線の高段差被覆性に効果があるフッ素系ガス（例え
ば、ＣＦ₄又はＣ₂Ｆ₆など）添加プラズマＣＶＤ法が提
案されている。しかし、前記の方法では、酸化膜中にＳ
ｉ−Ｆ結合が含まれ、水分吸湿が顕著である。その結
果、Ｓｉ−ＯＨ，Ｈ₂Ｏが発生し、膜質が劣化するとい
う問題がある。また、膜自体に透水性があり、含有水分
の多い膜を間に介在すると容易に水分を透過させてしま
う。そのため、膜中の水分によりホットキャリア耐性の
劣化や、スレッショホールド電圧（Ｖ_th）のシフトなど
のデバイスの電気的特性が不安定になる。更に、膜中に
取り込まれた水分は後のスパッタリング工程で様々な望
ましからざる現象を生じるため、非常に好ましくない。

【０００６】このため、低誘電率化及び高耐湿性酸化膜
の形成方法が強く求められている。現在までのところ、
酸化膜の低誘電率化方法としてフッ素（Ｆ）を導入する
方法が挙げられる。しかし、前記の通り平行平板型ＣＶ
Ｄ（単周波）装置で反応ガスのトリエトキシシラン系に
ＣＦ₄又はＣ₂Ｆ₆などのフッ素系ガスを添加すると、酸
化膜中のＳｉ−Ｆ結合が不安定で膜質が劣化する。一
方、ＥＣＲ（電子サイクロトロン共鳴）ＣＶＤ装置で、
反応ガスのＳｉＦ₄−Ｏ₂で成膜すると堆積した酸化膜
は、Ｓｉ−Ｆ結合も安定し、高品質な膜質が得られる。
しかし、従来からＥＣＲ（電子サイクロトロン共鳴）Ｃ
ＶＤ装置はコスト的に問題があり、普遍的に使用できる
ものではない。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】従って、本発明の目的
は高い膜質改善効果を有するプラズマＣＶＤ装置を提供
することである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】前記課題は、高周波電源
に接続された上部電極と、高周波バイアス電源に接続さ
れた下部電極とを有し、前記反応室内に、有機シラン材
料としてのトリエトキシシラン、テトラエチルオルソシ
リケート又はトリメトキシシランのいずれか一方と、酸
化剤としての亜酸化窒素（Ｎ₂Ｏ）又は酸素のいずれか
一方からなる反応ガスを送入し、更に、アルゴン（Ａ
ｒ）ガスとアンモニア（ＮＨ₃）ガス又はヒドラジン
（Ｎ₂Ｈ₄）ガスを同時に又は何れか一方を前記反応ガス
に添加する手段を有することを特徴とするプラズマＣＶ
Ｄ装置により解決される。

【０００９】高周波電源は２７．０ＭＨｚ以上１００Ｍ
Ｈｚ以下の高周波電源周波数を有し、高周波バイアス電
源は３００ＫＨｚ以上１３．５６ＭＨｚ以下の高周波バ
イアス電源周波数を有する。好ましくは、高周波電源は
４０ＭＨｚの高周波電源周波数を有し、高周波バイアス
電源は４００ＫＨｚの高周波バイアス電源周波数を有す
る。

【００１０】

【発明の実施の形態】図１は本発明のプラズマＣＶＤ装
置の模式的構成図である。図において、反応室（チャン
バ）１０は気密とされ、反応室１０の蓋板１０２に金属
製のノズル部３０を固定し、その下部にアルミニウム製
で、上面から下面に貫通する微小孔４１を多数有する円
盤状のシャワー電極４０を絶縁リング１０３により支持
する。これを上部電極３２とする。シャワー電極４０に
対して高周波電圧を印加する高周波電源７が設けられて
いる。上部電極３２に対峙して下部電極２０が配設され
ている。下部電極２０は支柱２５により支持されてお
り、この支柱２５は昇降可能に構成されていて、電極間
の間隔を変更することができる。符号２６は気密性の蛇
腹を示す。また、符号２７は支柱台座を示す。支柱２５
の上部にはサセプタ２２が配設され、サセプタ２２の下
部にはヒータ２１が配設されており、サセプタ２２とヒ
ータ２１の周囲にはヒータカバー２３が設けられてい
る。サセプタ２２は例えば、金属製の支柱２５及び台座
２７を介して、高周波バイアス電圧を印加する高周波バ
イアス電源９に接続されている。反応処理においては、
反応室１０の側面１０５に設けられた搬入／搬出路５０
のゲート５１を開き、キャリッジ５２により基板６を搬
入してサセプタ２２の上面略中央部に載置する。ゲート
を閉じて、ダクト１０４から排気することにより反応室
内部を所定の真空度にした後、ヒータによりサセプタが
加熱され、これに載置された基板が所定の温度になる
と、インレット３４及び３６から所定の反応ガス及び／
又は添加ガスを反応室内に送入する。ガスはノズル部３
０を経て、シャワー電極の微小孔４１より基板に向けて
噴射される。

【００１１】本発明では、高周波電源７の周波数は２
７．０ＭＨｚ以上１００ＭＨｚ以下である。従来のプラ
ズマＣＶＤ装置の上部電極で使用する高周波電源の周波
数は〜１３．５６ＭＨｚ程度であった。このような低周
波数では広電極間、低圧条件下において成膜速度が遅
く、充分に良好な特性を有するシリコン酸化物膜が得ら
れない。従来のプラズマＣＶＤ装置が低周波数を使用す
る理由は、装置の保守が容易だからである。この周波数
帯を用いる理由は、マイクロ波（２．４５ＧＨｚ）に比
べ、取り扱いが容易であり、更に、コスト的にも比較的
安価であるためである。また、〜１３．５６ＭＨｚ程度
の周波数だと、プラズマを広げたり、狭めたりすること
ができるなどの利点があった。しかし、本発明では従来
よりも遙かに高い電源周波数を使用する。このように高
い電源周波数を使用すると、プラズマ密度が上がり、高
真空状態でも充分な成膜速度が得られる。また、高真空
状態になると、イオン自体の衝突が無くなるので、イオ
ン自体を一層加速して基板に衝突させることができる。
その結果、膜表面の改質効果が充分に発揮され、優れた
膜質を有するシリコン酸化物膜が得られる。

【００１２】上部電極に高周波数を印加すると、上部電
極表面に“電子溜まり”ができ、イオンは電極周辺に集
中するが、基板に向かって移動しない。このため、本発
明では、サセプタに高周波バイアス電源周波数を印加す
ることにより、基板側にセルフバイアスをかける。この
セルフバイアスにより上部電極周辺のイオンが基板側に
向かって引かれ、加速が起こる。高周波バイアス電源９
の周波数は３００ＫＨｚ〜１３．５６ＭＨｚの範囲内が
好ましい。３００ＫＨｚ未満の周波数ではプラズマによ
る損傷が発生し易く、一方、１３．５６ＭＨｚよりも高
い周波数では十分なセルフバイアスの効果が得られない
などの不都合が生じるので好ましくない。高周波バイア
ス電源９とサセプタ２２との間にはブロッキングコンデ
ンサ１２を設けておくことが好ましい。このブロッキン
グコンデンサ１２を設ける理由は下部電極側にセルフバ
イアスを形成するためである。

【００１３】図２（Ａ）はトリエトキシシラン（ＴＲＩ
ＥＳ）のようなシリコンアルコキシドのみを使用し、１
３．５６ＭＨｚの単周波数を用いる従来法により形成さ
れた酸化膜形状を示す。従来法によれば、酸化膜の上端
周縁部が肥大化し、オーバーハング状になる。配線上に
形成する酸化膜の被覆形状がコンフォーマル（配線側壁
厚＝配線上部厚）に近く、０．３５μｍ以下の微細配線
では、ボイド（空隙）が発生し、グローバルな平坦化が
困難になる。これに対し、図２（Ｂ）に示されるよう
に、上部電極と下部電極にそれぞれ異なる周波数の高周
波を印加する２周波法では、配線上に形成する酸化膜の
被覆形状は指向性（側壁厚＜上部厚）を示すが、０．３
５μｍ以下のプロセスにおいては側壁部の膜厚が１００
ｎｍ程度と極端に薄くなる。そのため、側壁部の膜質向
上が必須となる。なお、図中の符号６０は基板を、６２
は配線を、６４はシリコン酸化膜をそれぞれ示す。

【００１４】二周波励起ＣＶＤ法により形成したプラズ
マ酸化膜の透水性を評価した。評価法は、プッシャーク
ッカ（ＰＣＴ）法を用いた。評価サンプルは、Ｓｉ基盤
上にＰＳＧ膜を２００ｎｍ堆積し、その上に、評価する
プラズマ酸化膜を２００ｎｍ堆積した構造である。この
サンプルを温度１２１℃、湿度１００％、圧力２ａｔｍ
の条件下で加湿試験を行い、試験の前後でＦＴ−ＩＲ測
定を行い、１３２０ｃｍ^-1付近のＰ＝Ｏ結合の吸光度変
化を調べる。このＰ＝Ｏ結合が時間の経過に伴い減少す
るとプラズマ酸化膜の水分がＰＳＧ膜に透過しているこ
とを示す。この評価法の原理を図３（Ａ）に模式的に示
す。図３（Ｂ）は、二周波励起ＣＶＤ法により形成した
プラズマ酸化膜の透水性評価を示す特性図である。図３
（Ｂ）は、横軸に試験時間を示し、縦軸にＰ＝Ｏ結合の
吸光度の減少した割合を示す。従来のＰ−ＴＥＯＳ（単
周波法）は、Ｐ＝Ｏ結合の吸光度の透水率が５０％以下
となる時間が、２０時間であるのに対し、二周波励起の
プラズマＴＥＯＳ酸化膜は９０時間、トリエトキシシラ
ン膜については、２００時間を超えても５０％以下に達
せずに優れた耐湿性を示すことがわかる。

【００１５】図４に反応室内のプラズマ安定放電に関す
る反応室内圧力と電極間隔の関係を示す。従来の１３．
５６ＭＨｚの周波数の場合、ある程度の成膜速度を得る
ために狭電極間隔（５ｍｍ〜８ｍｍ）領域（図４におい
て、で示される領域）を用いてきた。しかし、本発明
では、生成圧力が従来の１〜２桁低く、電極間隔も１０
ｍｍ以上広げた領域（図４において、で示される領
域）で膜生成を行う。一方、この領域で従来の１３．５
６ＭＨｚの単周波で放電すると電極間のプラズマ密度が
不足し、放電が不安定になるという問題がある。そこ
で、本発明では、広電極間隔かつ低圧条件下で安定放電
を得るため、二周波励起を用いて、さらに２７ＭＨｚ以
上の高周波電源を用いて成膜する。その結果、プラズマ
密度の向上による低圧下でのプラズマ放電の安定と、指
向性膜の形成に必要である垂直成分イオン量の増加によ
りオーバーハングの少ない段差被覆性に優れた酸化膜の
形成が可能となった。

【００１６】図５に二周波励起ＣＶＤ法により形成した
プラズマ酸化膜のエッチング速度に対するバイアス出力
依存性を示したものである。サンプル膜は、トリエトキ
シシランと亜酸化窒素の反応ガスで成膜し、処理液は
１：９９のフッ酸を用いた。いずれの圧力帯で形成した
酸化膜もバイアスを印加するとエッチング速度は低下
し、さらにバイアス出力の増加に伴ってエッチング速度
も低下し、膜が緻密化することがわかる。

【００１７】特に、層間絶縁膜形成において、成膜ガス
にアルゴンガスを混合させてバイアスを印加することに
より、スパッタリングと成膜が同時に進行し、ステップ
カバレージが改善される。

【００１８】アンモニア、ヒドラジン及びアルゴンから
なる群から選択される添加ガスは、トリエトキシシラン
及び亜酸化窒素ガスからなる反応ガスと一緒に、又は別
個に反応室内に送入することができる。反応ガスと一緒
に送入すると、プラズマトリエトキシシラン膜の成膜と
同時に前記のような膜質改善効果が得られる。プラズマ
トリエトキシシラン膜の成膜後、該膜の表面処理のため
に添加ガスを使用することもできる。成膜後の表面処理
でも前記と全く同様な膜質改善効果が得られる。

【００１９】成膜処理を行う際の反応室の圧力は、１０
ｍＴｏｒｒ〜１０Ｔｏｒｒの範囲内であることが好まし
い。従来のプラズマＣＶＤ装置において、１３．５６Ｍ
Ｈｚの高周波電源周波数を用い１０ｍＴｏｒｒの圧力
で、３０ｍｍの電極間で成膜処理すると、安定した放電
が得られず、成膜速度は殆どゼロになってしまう。これ
に対し、本発明では、上部電極に２７ＭＨｚ超の高周波
電源電圧を印加すると共に、下部電極にセルフバイアス
を印加するので、１０ｍＴｏｒｒの圧力でも非常に高い
成膜速度を達成することができる。本発明では、反応室
内圧力は１０ｍＴｏｒｒ〜１Ｔｏｒｒの範囲内に、ま
た、上部電極と下部電極との間隔を２０ｍｍ〜１００ｍ
ｍの範囲内に維持することが好ましい。

【００２０】上部電極に４０ＭＨｚの高周波を印加し、
下部電極に４００ＫＨｚの高周波をそれぞれ印加して、
下部電極３に支持されたウエハに成膜を行うことができ
る。この方式により、従来の１３．５６ＭＨｚのみのプ
ラズマＣＶＤ法、１３．５６ＭＨｚとバイアス印加によ
る２周波励起プラズマＣＶＤ法と比べ、高密度なプラズ
マを得ることができ、順テーパなカバレージ形状を有す
るシリコン酸化膜を配線上に形成することができる。６
４ＭＤＲＡＭ以降の層間絶縁膜形成では、配線間スペー
スの縮小（例えば、０．２５μｍルール）により従来の
「シリコン酸化膜／ＳＯＧ膜／シリコン酸化膜」構造で
は配線間をボイドフリーで埋め込むことが困難となり、
シリコン酸化膜のカバレージ形状の改善が必要となる。
本発明の装置では、上部電極印加周波数を従来の約３倍
にあたる４０ＭＨｚにし、また下部電極側には４００Ｋ
Ｈｚのバイアスを印加することにより上記の三層間構造
においてもボイドフリーの層間絶縁膜を形成することが
できる。

【００２１】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
基板側にセルフバイアスを形成し、プラズマ中のイオン
を加速して基板に入射できるように下部電極から高周波
バイアスが印加できるようになっている。このため、有
機シラン材料としてのトリエトキシシラン、テトラエチ
ルオルソシリケート又はトリメトキシシランのいずれか
一方と、酸化剤としての亜酸化窒素又は酸素のいずれか
一方からなる反応ガスに、アルゴンガスとアンモニアガ
ス又はヒドラジンガスを同時に又は何れか一方を添加
し、これらのイオンを基板に加速入射することで、酸化
膜の膜特性，膜の吸湿性を改善させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のプラズマＣＶＤ装置の一例の模式的構
成図である。

【図２】酸化膜形状を示す模式的断面図であり、（Ａ）
は単周波法による酸化膜形状を示し、（Ｂ）は二周波法
による酸化膜形状を示す模式的断面図である。

【図３】（Ａ）は酸化膜の透水性評価方法を示す原理図
であり、（Ｂ）は二周波励起ＣＶＤ法により形成したプ
ラズマ酸化膜の透水性評価を示す特性図である。

【図４】反応室内のプラズマ安定放電に関する反応室内
圧力と電極間隔の関係を示す特性図である。

【図５】二周波励起ＣＶＤ法により形成したプラズマ酸
化膜のエッチング速度に対するバイアス出力依存性を示
す特性図である。

【符号の説明】

１プラズマＣＶＤ装置６基板７高周波電源９高周波バイアス電源１０反応室２０下部電極３２上部電極

フロントページの続き (72)発明者大山勝美東京都渋谷区東３丁目16番３号日立電子エンジニアリング株式会社内 (72)発明者斉藤政良東京都小平市上水本町五丁目20番１号株式会社日立製作所半導体事業部内 (72)発明者本間喜夫東京都国分寺市東恋ヶ窪一丁目280番地株式会社日立製作所中央研究所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】反応室を有するプラズマＣＶＤ装置にお
いて、前記反応室内に、高周波電源に接続された上部電
極と、高周波バイアス電源に接続された下部電極とを有
し、前記反応室内に、有機シラン材料としてのトリエト
キシシラン、テトラエチルオルソシリケート又はトリメ
トキシシランのいずれか一方と、酸化剤としての亜酸化
窒素（Ｎ₂Ｏ）又は酸素のいずれか一方からなる反応ガ
スを送入し、更に、アルゴン（Ａｒ）ガスとアンモニア
（ＮＨ₃）ガス又はヒドラジン（Ｎ₂Ｈ₄）ガスを同時に
又は何れか一方を前記反応ガスに添加する手段を有する
ことを特徴とするプラズマＣＶＤ装置。
【請求項２】高周波電源の電源周波数は２７ＭＨｚ以
上１００ＭＨｚ以下の範囲内であり、高周波バイアス電
源の電源周波数は３００ＫＨｚ以上１３．５６ＭＨｚ以
下の範囲内である請求項１のプラズマＣＶＤ装置。
【請求項３】高周波電源の電源周波数は４０ＭＨｚで
あり、高周波バイアス電源の電源周波数は４００ＫＨｚ
である請求項２のプラズマＣＶＤ装置。
【請求項４】反応室内の圧力は１０ｍＴｏｒｒ〜１Ｔ
ｏｒｒの範囲内であり、上部電極と下部電極との間隔が
２０ｍｍ〜１００ｍｍの範囲内である請求項１の装置。
【請求項５】アルゴン（Ａｒ）ガスとアンモニア（Ｎ
Ｈ₃）ガス又はヒドラジン（Ｎ₂Ｈ₄）ガスを同時に前記
反応ガスに添加する請求項１の装置。
【請求項６】アルゴン（Ａｒ）ガスを前記反応ガスに
添加する請求項１の装置。
【請求項７】アンモニア（ＮＨ₃）ガスを前記反応ガ
スに添加する請求項１の装置。
【請求項８】ヒドラジン（Ｎ₂Ｈ₄）ガスを前記反応ガ
スに添加する請求項１の装置。
【請求項９】上部電極及び下部電極を有するプラズマ
ＣＶＤ装置の反応室内に反応ガスを送入し、これらのガ
スをプラズマ雰囲気下で反応させることにより基板上に
酸化膜を生成する方法において、有機シラン材料として
のトリエトキシシラン、テトラエチルオルソシリケート
又はトリメトキシシランのいずれか一方と、酸化剤とし
ての亜酸化窒素（Ｎ₂Ｏ）又は酸素のいずれか一方とか
らなる反応ガスと共に、又は反応ガス送入後に、反応室
内にアンモニア（ＮＨ₃）、ヒドラジン（Ｎ₂Ｈ₄）及び
アルゴン（Ａｒ）からなる群から選択される少なくとも
一種類の添加ガスを送入し、前記上部電極に２７．０Ｍ
Ｈｚ以上１００ＭＨｚ以下の範囲内の周波数を有する電
圧を印加し、前記下部電極に３００ＫＨｚ以上１３．５
６ＭＨｚ以下の範囲内の周波数を有するバイアス電圧を
印加することにより該添加ガスのイオンを基板に加速入
射させることを特徴とする酸化膜の生成方法。
【請求項１０】高周波電源の電源周波数は２７．０Ｍ
Ｈｚ以上１００ＭＨｚ以下の範囲内であり、高周波バイ
アス電源の電源周波数は４００ＫＨｚである請求項９の
方法。
【請求項１１】高周波電源の電源周波数は４０ＭＨｚ
であり、高周波バイアス電源の電源周波数は４００ＫＨ
ｚである請求項９の方法。
【請求項１２】反応室内の圧力は１０ｍＴｏｒｒ〜１
Ｔｏｒｒの範囲内であり、上部電極と下部電極との間隔
が２０ｍｍ〜１００ｍｍの範囲内である請求項９の方
法。
【請求項１３】アルゴン（Ａｒ）ガスとアンモニア
（ＮＨ₃）ガスを同時に送入する請求項９の方法。
【請求項１４】アルゴン（Ａｒ）ガスとヒドラジン
（Ｎ₂Ｈ₄）ガスを同時に送入する請求項９の方法。
【請求項１５】アルゴン（Ａｒ）ガス、アンモニア
（ＮＨ₃）ガス及びヒドラジン（Ｎ₂Ｈ₄）ガスからなる
群から選択される少なくとも一種類のガスを送入する請
求項９の方法。