JP2643443B2 - 乾式薄膜加工方法 - Google Patents

乾式薄膜加工方法

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Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、LS1製造装置に代表される半導体製造装
置のなかでとくに低温,サブミクロン加工を必要とする
超LSI成膜工程に用いるECR方式の乾式薄膜加工方法に関
する。
〔従来の技術〕
低温成膜における膜質の向上や、サブミクロンパター
ン溝内へのボイドのない成膜を目的としてマイクロ波と
磁場との共鳴効果によるECR(電子サイクロトロン共
鳴)プラズマを用いたCVD装置が研究されている。第6
図に示した装置はその1例であり、下部に開口7を有す
る通過形マイクロ波共振器兼プラズマ生成室3と処理室
9とを真空排気しておき、ガス供給手段4を介し、プラ
ズマ生成室3へ目的に応じてN2,O2,Ar等のキャリアガス
(プラズマ発生用ガス)を流したところへマイクロ波を
導波管1,マイクロ波導入窓2を介して送り込む。マイク
ロ波共振器の外部には励磁ソレノイド6が配置され、共
振器内部にECR条件を満たす磁場が発生しているとECRプ
ラズマが発生する。このプラズマが処理室9内に押し出
され基板支持台10へ向かう空間内に導入管路12を介して
シランガスを送りこんでこのガスを上記プラズマにより
活性化すると、発生した活性種の作用により基板11の表
面にシリコン系薄膜が形成される。
〔発明が解決しようとする課題〕
このようなECR方式の薄膜加工装置において、RFバイ
アス印加と称する技術が公知である(参考文献:J.Vac.S
ci.Technol.B4(4),Jul/Aug,P818,1986)。この技術
は、被処理基板に周波数が100kHzないし数十MHz範囲のR
odio Frequency,通常13.56MHzの電圧を印加して膜を生
成させるものであり、異方性成膜と異方性エッチングと
が同時進行する結果として、サブミクロン幅のAl配線溝
の平坦成膜を行うことが可能である。しかし、この技術
で作成したSiO2膜は透水性や機械的耐力などに問題があ
り、パシベーション(表面保護)膜として用いることは
困難である。配線間隔がサブミクロンオーダの多層配線
のパシベーションは層間絶縁と並んで超LSIテクノロジ
ーの最大のブレークスルーであり、これに対応する技術
の確立が急務となっている。
一方、平行平板式プラズマCVDにより作成されるSiN膜
はパシベーション膜として優れており、広く用いられて
いるが、移動方向が半導体ウェーハの面に平行な成分を
有する活性種による,いわゆる等方性成膜であるため、
Alの配線間隔がサブミクロンオーダになると、Al配線頂
面の被膜が横方向へ張り出して形成され、隣接したAl配
線頂面の被膜とつながり、配線側壁間を埋める膜内にボ
イドが発生する問題がある。この問題を解決するため
に、例えば、第3図に示すように、プラズマ生成室内に
高密度のプラズマを生成して成膜効率を上げるためにプ
ラズマ生成室を兼ねた通過形共振器内に送り込まれる,
ピーク電力の大きいパルス状のマイクロ波と同期して半
導体ウェーハにRFバイアスを印加し、SiN膜を形成する
試みがなされている。しかし、これまでこの方法は技術
的にまだ成功に到っていない。その理由は、SiO2膜にお
いては、キャリアガスとして用いるO2ガスが、それ自身
SiO2に対しスパッタリング効果を持つがAlはスパッタし
ないという選択エッチング効果を持つために、Al配線の
下地層からAl配線頂面にわたる段差被膜すなわちステッ
プカバーレージが効果的に進行する(参考文献:町田;
バイアスECR法,応用物理Vol.57,No.12,P1927(1988)
のに対し、N2ガスはスパッタリング効果が小さく、第5
図に示すように、Al配線頂面の堆積膜の横方向への張り
出し部が除去されずに残る結果、成膜活性種が溝の内部
にまで入りきらず、特に側壁底部での成長が遅すぎ、ス
テップカバレージが不良となる欠点を有していた。
この欠点を補うためにバイアス電圧を大きくすると、
こんどは膜中へのイオン衝撃が強まり、膜中の原子の構
成が安定を欠くため、膜のストレスが増大し、膜はがれ
の問題が生じる。
従来技術におけるいま1つの課題は膜質である。膜の
緻密さの目安として用いられる耐ふっ酸エッチレート
は、RFバイアス・BCR技術を用いた場合、従来のECRプラ
ズマCVDの場合と比べて遅い利点はあるが、実用上はよ
り一層遅くすることが望まれていた。
この発明の目的は、サブミクロン幅の溝にステップカ
バレージが良好に行われるとともに膜のはがれがなく、
かつ耐ふっ酸エッチレートの小い,優れたパシベーショ
ン用SiN膜を形成しうるECRプラズマCVD方式による乾式
成膜加工方法を提供することである。
〔課題を解決するための手段〕
上記の目的を達成するために、本発明によれば、マイ
クロ波発振器と,マイクロ波導波管と,通過形共振器と
からなるマイクロ波立体回路を有し、前記通過形共振器
内で磁場とマイクロ波交番電界との相互作用によりプラ
ズマを発生させ、このプラズマを用いて半導体ウエーハ
表面に膜生成を行う乾式薄膜加工方法において、前記マ
イクロ波発振器を連送波発振器とするとともに前記半導
体ウエーハにRFバイアス電圧を印加する手段を設け、該
マイクロ波発振器から連続波形のマイクロ波を前記通過
形共振器内へ膜生成中間断なく送入するとともに、前記
RFバイアス電圧印加手段からの半導体ウエーハへの電圧
の印加が、第一の強度のバイアス電圧を第一の時間幅加
える工程と、第一の強度より小さい第二の強度のバイア
ス電圧を第一の時間幅より長い第二の時間幅加える工程
と、を繰り返して行われ、半導体ウエーハ表面に膜生成
を行わせるものとする。
〔作用〕
乾式薄膜加工方法をこのような方法とすることによ
り、以下に述べるようなステップカバレージの改良と膜
質の向上とが可能になる。
(1)ステップカバレージの改良: 大きさが時間的に変化するバイアス電圧として強度の
強い電圧が短時間印加され、つづいて電圧を下げてイオ
ンの衝撃が膜の安定な成長を妨げない程度とした電圧が
長時間印加される電圧とすることにより、強度の強い電
圧の短時間印加時に半導体ウェーハ前面側のイオンが加
速されてAl配線頂面の膜の横方向への張り出しが除去さ
れ、また、イオン衝撃が膜の安定成長を妨げない程度の
高さとした電圧の長時間印加により、膜はがれを生じな
い成膜が可能になる。このように、時間的に大きさが変
化するバイアス電圧を印加して、強度の強い電圧と強度
の弱い電圧とで役割を分担させることにより、ステップ
カバレージの良好な,膜はがれを生じない成膜が可能に
なる。
(2)膜質の向上: 従来、マイクロ波発振器は、発振器本体であるマグネ
トロンのアノード電圧に商用周波(50Hzまたは60Hz)の
マイナス極性部分を反転したパルス波形を用いるのが普
通であった。このような運転では、マグネトロンの動作
特性から、マイクロ波の発振波形は、第3図に示すよう
に,duty(ON,OFFの繰返し周期に占めるON時間の割合)
が約20%のパルス発振となっていた。従って、イオンの
膜への衝撃は成膜時間中の約20%の間のみ加えられ、残
りの80%は解離したシランガスの活性種SiH3などがウェ
ーハ上に降りそそいで膜成長が進行する。ところが良く
知られているように、活性種だけで成長しプラズマの当
っていない膜は緻密性に欠け、耐ふっ酸エッチレート特
性が良くない。したがって、形成された膜は20%がプラ
ズマの当たった緻密な膜,残り80%はプラズマの当らな
い粗な膜となり、膜全体として緻密さに欠ける面があっ
た。これに対し、本発明では、連続波発振器を用いるこ
とにより、成膜時間中イオンは常時プラズマの照射を受
け、膜質の向上を前項(1)と同時に達成する。
〔実施例〕
第1図および第2図にそれぞれ本発明の一実施例に用
いる乾式薄膜加工装置の構成と、一実施例である乾式薄
膜加工方法とを示す。第1図において、第6図と同一の
部材には同一符号を付し、説明を省略する。
第1図に示す装置では、図示されないマイクロ波発振
器には連続波発振器が用いられ、他方、被成膜基板であ
る半導体ウェーハ11には、バイアス電圧印加手段として
のRF発振器14の出力端子が、プラズマと基板のRF発振器
側とのインピーダンス整合を行うためのマッチング回路
が内蔵されたマッチングボックス13を介し、処理室9に
形成された導入管路9a内を通って接続されている。
このように構成された乾式薄膜加工装置の成膜運転時
には、まず、図示されないマイクロ波発振器から連続波
形のマイクロ波が通過形共振器兼プラズマ生成室3内に
成膜中間断なく送り込まれ、ガス供給手段4を介して導
入されたキャリアガスであるN2ガスをプラズマ化する一
方、第2図に示すように、RF発振器14から半導体ウェー
ハに強度の強いRF電圧が短時間印加され、つづいてこの
RF電圧を下げ、イオン衝撃が膜の安定な成長を妨げない
程度の電圧が長時間印加される。半導体ウェーハ上に形
成された,間隔がサブミクロンのAl配線頂面で横方向に
張り出して形成された膜は、強度の強いRF電圧Aにより
加速された半導体ウェーハ前面側のイオンにより除去さ
れ、低減された電圧Bの区間でイオンがプラズマにより
照射された状態でかつ膜の安定性を妨げない程度の電圧
を受けて成膜が行われる。これにより、第4図に示され
るように、ステップカバレージが良好で膜質の緻密な,
膜はがれのない膜が形成される。
〔発明の効果〕
以上に述べたように、本発明によれば、半導体ウェー
ハ表面への膜生成を、マイクロ波発振器から連続波形の
マイクロ波をプラズマ生成室を兼ねた通過形共振器内へ
膜生成中に間断なく送入するとともにバイアス電圧印加
手段から半導体ウェーハに印加される電圧の大きさを時
間的に変化させつつ行わせるようにしたので、バイアス
電圧の高い時間区間と低い時間区間とでバイアス電圧の
役割分担が行われ、バイアス電圧の時間変化を適宜に設
定すことにより、バイアス電圧が高く時間幅の短い時間
区間ではサブミクロンパターン溝の頂面で横方向に張り
出した膜が除去され、バイアス電圧が低く時間幅の長い
時間区間ではイオンがプラズマに照射された状態でかつ
イオン衝撃が膜の安定成長を妨げない程度の電圧のもと
で成膜が行われるため、ステップカバレージが良好で膜
質の緻密な,膜はがれのない膜が形成される。具体例と
して、RFバイアス電圧の高出力時間区間の出力を300W,
低出力時間区間の出力を30Wとし、高出力時間区間のdut
yを5%程度とすることにより、0.5μmのルールに対
し、ステップカバレージが良く、膜のはがれがなく、か
つ耐ふっ酸エッチレートが1000Å/min以下のすぐれたパ
シベーション用siN膜が得られる。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の一実施例に用いる乾式薄膜加工装置の
構成を示す縦断面図、第2図は第1図に示す乾式薄膜加
工装置を用いた本発明の一実施例である乾式薄膜加工方
法を示すマイクロ波パワとRFバイアス電圧とのそれぞれ
の波形図、第3図は従来の乾式薄膜加工装置の運転方法
例を示すマイクロ波パワとRFバイアス電圧とのそれぞれ
の波形図、第4図は本発明により形成されるステップカ
バレージの状態を示す説明図、第5図は従来のステップ
カバレージの状態例を示す説明図、第6図は従来のECR
プラズマCVD方式による乾式薄膜加工装置の構成例を示
す縦断面図である。 1:導波管(マイクロ波導波管)、3:プラズマ生成室(通
過形共振器)、6:励磁ソレノイド、11:基板(半導体ウ
ェーハ)、14:RF発振器(バイアス電圧印加手段)。

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】マイクロ波発振器と,マイクロ波導波管
    と,通過形共振器とからなるマイクロ波立体回路を有
    し、前記通過形共振器内で磁場とマイクロ波交番電界と
    の相互作用によりプラズマを発生させ、このプラズマを
    用いて半導体ウエーハ表面に膜生成を行う乾式薄膜加工
    方法において、前記マイクロ波発振器を連送波発振器と
    するとともに前記半導体ウエーハにRFバイアス電圧を印
    加する手段を設け、該マイクロ波発振器から連続波形の
    マイクロ波を前記通過形共振器内へ膜生成中間断なく送
    入するとともに、前記RFバイアス電圧印加手段からの半
    導体ウエーハへの電圧の印加が、第一の強度のバイアス
    電圧を第一の時間幅加える工程と、第一の強度より小さ
    い第二の強度のバイアス電圧を第一の時間幅より長い第
    二の時間幅加える工程と、を繰り返して行われ、半導体
    ウエーハ表面に膜生成を行わせることを特徴とする乾式
    薄膜加工方法。
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