JP2820070B2 - プラズマ化学気相成長法とその装置 - Google Patents

プラズマ化学気相成長法とその装置

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JP2820070B2
JP2820070B2 JP7205592A JP20559295A JP2820070B2 JP 2820070 B2 JP2820070 B2 JP 2820070B2 JP 7205592 A JP7205592 A JP 7205592A JP 20559295 A JP20559295 A JP 20559295A JP 2820070 B2 JP2820070 B2 JP 2820070B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、超高集積半導体装
置の製造方法に関し、特に、絶縁膜の化学気相成長法に
関する。
【0002】
【従来の技術】従来のプラズマ化学気相成長法は、反応
ガスにTEOS及び酸素を用い、反応容器内の対向電極
間に、一定出力の高周波電力を印加し、一定強度のプラ
ズマを発生させながら、被処理基板上に所望の薄膜を形
成していた。
【0003】図9に、従来のプラズマ気相成長装置の概
略図を示す。シリコン原料となるTEOS(テトラエチ
ルオルソシリケート)ガスは、バブラー132に入れた
液体状のTEOS131を、流量調節器123にて流量
調節されたヘリウム(He)ガスにてバブリングし、T
EOSを蒸発させて生成する。オゾン含有酸素は、流量
調節器120で流量調節された酸素ガスをオゾン発生器
165を通過させ、濃度10%程度のオゾンを含有させ
て生成する。TEOSガス及びオゾン含有酸素ガスは、
TEOS導入口138及び酸素・オゾン導入口139よ
りマニホールド136に導入され、マニホールド136
内で混合されて、ガス拡散板140に当たり拡散し、シ
ャワー電極142を通ってさらに均一に分散し、基板1
47の表面に吹き付けられる。基板147は、SiCサ
セプタ144上に装着され、石英板145を通して加熱
ランプ146から光加熱され、350℃程度の温度に保
持されている。シャワー電極142は、絶縁リング14
1によって他の部分と電気的に絶縁されており、13.
56MHz高周波電源129およびハイパスフィルター
130、450kHz高周波電源133およびローパス
フィルター134で生成された2つの周波数の高周波電
圧が、マッチングボックス135を介して印加されてい
る。排気管148は真空ポンプ149に接続されてお
り、反応室143の圧力は、数Torrに保持されてい
る。
【0004】通常、上記のような装置では、まず、TE
OSガスと酸素の混合ガスをシャワー電極142から基
板147に吹き付け、圧力等の安定を確認した後、一定
の高周波電圧をシャワー電極142に印加し、TEOS
及び酸素を分解させて基板147上に所望の膜を形成す
る。
【0005】このような単純な方法では、形成された膜
の下地段差に対する段差被覆性(ステップカバレッジ)
が極めて悪い(約50%)事が判っており、プラズマ化
学気相成長法と、オゾンとTEOSの熱化学気相成長法
とを交互に行うことが試みられている。図10に、その
ような方法を行う際に、シャワー電極142に印加され
る高周波電力と、プラズマ中の酸素イオン数と、原料ガ
ス中のオゾン濃度の、成膜時間に対する変化を示してい
る。プラズマ化学気相成長を行っており、高周波電力が
印加されている期間は、酸素イオン数が最大値を示す
が、オゾン熱化学気相成長を行っており、高周波電力が
ゼロの期間は、酸素イオン数もゼロになっている。ま
た、高周波電力をゼロにしてから、オゾンを流し始める
ため、オゾン濃度が上昇するまでに一定時間が必要であ
る。
【0006】上記のように、プラズマ化学気相成長法と
オゾン熱化学気相成長法を交互に行った場合、膜がどの
ように形成されるかを、図11(a)〜(d)に示す。
下地基板上に形成されたアルミ配線153上に、まず
(b)の様に、第1のプラズマCDV膜154が形成さ
れる。次に、(c)の様に、アルミ配線間の狭いスペー
スを埋め込むために、第1の熱CVD膜155が形成さ
れる。さらに、(d)の様に、第2のプラズマCVD膜
156が形成される。このような工程が繰り返されて所
望の膜厚まで膜形成が行われ、第11図(d)の様に、
多層構造の膜が形成される。特に、このような方法で
は、オゾン熱CVD膜155がそのままの形で残ってい
る事が重要である。
【0007】図12は、従来のプラズマ化学気相成長法
とシリカ塗布法を用いた、多層配線用平坦化絶縁膜の形
成方法を示している。まず、図(a),(b)の様に、
基板157上に形成されたアルミ配線158の上に、プ
ラズマCVD膜159を、配線間スペースに鬆(ボイ
ド)ができない程度の厚さだけ形成する。次に、図
(c)の様にシリカ塗布液を塗布し、溶剤蒸発の為の1
00℃の熱処理、膜質改善の為の300℃前後の熱処理
を行い、シリカ塗布膜(1回塗布)160を形成する。
このままでは、平坦性が不十分なので、図(d)の様
に、図(c)で行ったシリカ塗布及び熱処理の工程を、
2回以上繰り返して、シリカ塗布膜(複数回塗布)16
1を形成する。さらに、通常の反応性イオンエッチング
法(RIE)を用いてエッチバックする。この時、アル
ミ配線上のプラズマCVD酸化膜が露出すると、酸化膜
から酸素原子が供給されるため、シリカ塗布膜のエッチ
ングレートが大きくなり、図(e)の様に、エッチバッ
ク後のシリカ塗布膜162は、アルミ配線段差間のスペ
ース部がへこんでしまう事が知られている。最後に、再
度、プラズマCVD膜163を形成して層間膜が完成す
る。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】上述の従来のプラズマ
化学気相成長法は、段差被覆性(ステップカバレッジ)
が極めて悪く、サブミクロンのアルミ配線間スペースを
埋設する事ができなかった。サブミクロンのアルミ配線
間スペースを埋設する為には、図11のように、プラズ
マ化学気相成長法と、オゾンとTEOSの熱化学気相成
長法とを交互に行ったり、図12の様に、シリカ塗布膜
を多数回形成する必要がある。しかし、10Torr程
度の減圧下で形成されたオゾン−TEOS熱CVD膜や
シリカ塗布膜は、膜中に含まれる水分が多く、機械的強
度、絶縁特性等に問題があり、特に、下層アルミ配線と
上層アルミ配線を接続するスルーホールの接続不良が生
じるという欠点があった。また、図12のようなシリカ
塗布膜をエッチバックする方法では、シリカ塗布膜を形
成する工程や、エッチバックする工程が非常に複雑で、
工程数の増加や、歩留まりの低下を招くという欠点も有
った。
【0009】
【課題を解決するための手段】本発明のプラズマ化学気
相成長法は、原料ガスに周波数が複数の周波数の間を周
期的に変化する高周波電圧を印加して発生させたプラズ
マを用いて薄膜を形成するプラズマ化学気相成長法にお
いて、印加された前記高周波電圧の周波数が大きい時に
成膜された薄膜を印加された前記高周波電圧の周波数が
小さい時に成膜される薄膜と同質の薄膜に改質すること
を特徴とする。また、他の本発明の特徴は、周波数が
さい期間が前記周期の1周期の内にしめるデューティー
比が0.4〜0.6である事を特徴とする。
【0010】また、本発明のプラズマ化学気相成長装置
は、反応容器内に載置した基板表面に有機シランおよび
酸素を供給する機構と、前記反応容器内に供給された酸
素をプラズマ化する酸素プラズマイオン源と、前記酸素
プラズマイオン源と前記基板表面との間に基板表面への
前記酸素プラズマイオンの照射強度を周期的に変化させ
る機械的シャッター、或いは、電磁的なシャッターと、
前記基板表面への前記酸素プラズマイオン照射強度が小
さい周期中に形成する化学気相成長膜が前記酸素プラズ
マイオン照射強度が大きい周期中に前記酸素プラズマイ
オン照射強度が大きい時に形成する化学気相成長膜と同
質の膜に改質される膜厚形成されるよう前記酸素プラズ
マイオン照射強度の変化の周期およびデューティー比を
制御する機構を有する事を特徴とする。また、他の本発
明の化学気相成長装置は、反応容器内に載置した基板表
面に有機シランおよびオゾン含有酸素を供給する機構
と、前記反応容器内に供給されたオゾン含有酸素をプラ
ズマ化する酸素プラズマイオン源と、前記酸素プラズマ
イオン源と前記基板表面との間に基板表面への前記酸素
プラズマイオンの照射強度を周期的に変化させる機械的
シャッター、或いは、電磁的なシャッターと、前記基板
表面への前記酸素プラズマイオン照射強度が小さい周期
中に形成する化学気相成長膜が前記酸素プラズマイオン
照射強度が大きい周期中に前記酸素プラズマイオン照射
強度が大きい時に形成する化学気相成長膜と同質の膜に
改質される膜厚形成されるよう前記酸素プラズマイオン
照射強度の変化の周期およびデューティー比を制御する
機構を有する事を特徴とする。
【0011】さらに、本発明の他の化学気相成長装置
は、有機シランを供給する機構と、酸素を供給する機構
と、1つの反応容器内に設けられたプラズマ強度の異な
る複数のプラズマ照射機構と、前記複数のプラズマ照射
機構の間で基板を移動させる機構とを有する事を特徴と
し、また、別の本発明のプラズマ化学気相成長装置は、
有機シランを供給する機構と、オゾン含有酸素を供給す
る機構と、1つの反応室内に設けられたプラズマ強度の
異なる複数のプラズマ照射機構と、前記複数のプラズマ
照射機構の間で基板を移動させる機構とを有する事を特
徴とする。さらにまた別の本発明の化学気相成長装置
は、薄膜を形成する基板を載置する反応容器と、前記反
応容器内に原料ガスとして有機シランと酸素あるいはオ
ゾンとを供給する機構と、前記反応容器内にあって前記
原料ガスに高周波電圧を印加してプラズマを発生させる
対向した電極と、周波数の異なる複数の高周波電源と、
前記対向した電極に前記周波数の異なる複数の高周波電
圧を交互に周期的に印加し、前記高周波電圧の周波数が
高い周期に形成された薄膜を前記高周波電圧の周波数が
低い周期の間に前記高周波電圧の周波数が低い周期に形
成する薄膜と同質の薄膜に改質されるだけの膜厚形成す
るよう前記周期を制御するパルスジェネレータと、前記
周期に同期して前記基板の温度、反応容器圧力、原料ガ
ス流量、高周波電力をそれぞれ制御する基板温度制御部
と反応容器圧力制御部と原料ガス制御部と高周波制御部
とを備えている。
【0012】
【発明の実施の形態】次に、本発明について、図面を参
照して説明する。
【0013】図1は、本発明の参考例1を表すプラズマ
化学気相成長装置の概略縦断面図である。図2は、第1
図のプラズマ化学気相成長装置の動作を、印加高周波電
力、酸素イオン数、オゾン濃度の時間変化について表し
たものである。図3は、本発明の原理の概略を表すモデ
ル図である。図4は、図2のような動作を行った際の、
時間経過と膜の成長過程を表す縦断面図であり、図5
は、図2のような動作を行った際、高周波オン時間(t
ON)の割合(デューティーD)と膜成長速度、ステップ
カバレッジ、OH基の吸収係数の関係を示す。
【0014】図1のプラズマ化学気相成長装置におい
て、シリコン原料となる珪酸エチル(以下TEOSと呼
ぶ)ガスは、この図では表されていないTEOSタンク
から供給される、液体状のTEOSを、マスフロー型の
液体流量調節器3で流量調節し、蒸発器12で完全に気
化させ、流量調節器4で流量調節されたヘリウムと混合
されて生成される。オゾン含有酸素は、流量調節器2で
流量調節された酸素を、無声放電型のオゾン発生器11
に導入し、1〜10%のオゾンを含有させて生成され
る。このようにして生成された、TEOSガス及びオゾ
ン含有酸素ガスは、TEOS導入口14及びオゾン導入
口13からマニホールド15に導入される。マニホール
ド内では、これらのガスは混合され、ガス拡散板17に
当たる事によって、ほぼ均一に拡散する。さらに、シャ
ワー電極19に当たると、さらに均一に分散し、基板2
8の表面に吹き付けられる。基板28は、SiCサセプ
タ21上に装着され、石英板22を通して加熱ランプ2
3から光加熱され、200〜450℃程度の温度に保持
されている。シャワー電極19は、絶縁リング18によ
って他の部分と電気的に絶縁されており、13.56M
Hz高周波電源39およびハイパスフィルター38、4
50kHz高周波電源36およびローパスフィルター3
5で生成された2つの周波数の高周波電圧が、マッチン
グボックス37を介して印加されている。排気管24は
真空ポンプ26に接続されており、反応室20の圧力
は、0.1〜数+Torrに保持されている。
【0015】本参考例では、シャワー電極19に接続さ
れているマッチングボックス37の内部に、2つの周波
数の高周波電圧を混合する混合器部と、インピーダンス
整合を行うマッチング部と、ダミーロードと、半導体ス
イッチがあり、シャワー電極19に印加する高周波電圧
をオン・オフ出来るようになっている。また、パルスジ
ェネレータ40の発生するパルスに同期して、高周波電
源35,36の出力を変化させ、シャワー電極19に印
加される高周波電圧を変化させる事も可能である。これ
らの動作は、基板温度、反応室圧力等も含めて、プロセ
スコントローラー41で制御される。これらの制御信号
やパルス等の伝達路は、図1中では破線で示されてい
る。
【0016】ここで、シャワー電極19に印加する高周
波電圧を、周期1秒でオン・オフした場合の本装置の動
作を、図2乃至図5を用いて説明する。
【0017】図2最下段は、成膜時間と高周波電力の関
係を示している。高周波電力がオンになっている時間t
ONの間、シャワー電極19と基板28或いはSiCサセ
プタ21の間にプラズマが発生し、酸素或いはオゾンが
分解し酸素イオンが発生する。図2中段は、その酸素イ
オン数の変化を表している。高周波電力を印加し始めて
からプラズマ状態が安定するまでには、ある一定の時間
が必要で、なで肩の波形になっている。オゾンは酸素よ
り不安定であるため、高周波電圧の印加によるイオン化
効率は高い。そのため、プラズマ中のオゾン分子数は、
図2上段のように、高周波電力がオンの時、かなり低下
する。
【0018】図3(a),(b)は、それぞれ、高周波
オンおよびオフの時の基板表面近傍の様子を表すモデル
図である。高周波オンの時、図1のシャワー電極19と
基板28の間にプラズマが発生する。プラズマ中では、
酸素分子やTEOS分子は、電子45,酸素イオン4
7,TEOS解離分子46,酸素ラジカル55等に解離
する。また、プラズマと基板の間には、シース電圧が発
生し、酸素イオン47は、この電圧により加速され、ド
リフトし、基板表面に衝突する。TEOS解離分子46
も基板表面に向かって拡散し、形成膜表面で、熱分解或
いは酸素イオン衝撃による分解によって膜形成前駆体5
0になる。さらに、形成膜表面で酸素ラジカル等と反応
し、形成膜51が形成される。この際、形成膜51の表
面には、非常に多くの酸素イオン衝撃があるため、膜形
成前駆体50の寿命はかなり短く、形成膜表面での密度
は低い。また、酸素イオン衝撃は、形成膜51を硬化さ
せる作用があり、膜質が良好で、圧縮応力の膜の形成に
役立っている。
【0019】さて、一旦高周波がオフになると(図3
(b)参照)、電子および酸素イオン数は速やかに減少
するが、TEOS解離分子46や酸素ラジカル55は、
なおも残っている。これらは、形成膜51の表面に拡散
して膜形成前駆体50となりやがて減少する。さらに、
TEOS分子54とオゾン分子56も膜表面に向かって
拡散し、反応してTEOS解離分子や膜形成前駆体とな
る。形成膜51の表面では、膜形成反応が熱化学反応の
みであるため、形成膜表面に、膜形成前駆体が高密度で
存在し、膜形成前駆体擬液体層59が形成される。この
膜形成前駆体擬液体層59は、液体の性質を示すため、
基板52に形成されている段差の側面低部の膜厚が厚く
なり、段差側面の傾きを緩和する。
【0020】図4は、図2のように高周波電力を印加し
たときの時間経過と膜形成の様子をモデル的に示した縦
断面図である。まず、図4(a)のように、時間t
ON(図2では0.5秒)の間、高周波がオンになり、約
10nmの第1のプラズマCVD膜60が形成される。
次に、図4(b)の様に、時間tOFF (0.5秒)の間
に第1の熱CVD膜62が形成される。時間tOFF
0.5秒と非常に短く、第1の熱CVD膜62の膜厚は
1nm程度である。そのため、次のtONの初期に酸素イ
オン衝撃等で改質され、プラズマCVD膜と同等の膜質
になってしまう。よって、図4(c)のように、改質さ
れた第1の熱CVD膜62は、第1のプラズマCVD膜
60と区別がつかなくなってしまい、第1のプラズマC
VD膜60に取り込まれてしまう。熱CVD膜は、膜形
成前駆体擬液体層の効果で、配線間の狭小なスペースや
段差低部の角を埋め込み、形状をスムースにする事が出
来るので、続くプラズマCVD膜成長初期のプラズマ照
射により、熱CVDと同等の形状でプラズマCVDと同
等の膜質の第2プラズマCVD膜成長前の形成膜64を
形成した事になる。第2プラズマCVD膜成長前の形成
膜64により、段差低部は丸みを帯びた形状になってい
るため、この上に形成される第2のプラズマCVD膜6
3の形状も、図4(c)の様に、丸みを帯びる。第2プ
ラズマCVD膜成長前の形成膜64と第2のプラズマC
VD膜63の区別がつかないため、続く第2の熱CVD
膜65の成長段階(d)では、下層膜は第2プラズマC
VD膜成長後の形成膜66になる。
【0021】以上のような段階を、多数回繰り返すこと
により、図4(e)のように、アルミ配線61の間のス
ペース部に鬆(ボイド)無く、プラズマCVD膜とほぼ
同等の、良好な膜質の形成膜を埋め込む事が出来る。
【0022】図5は、図2中のtonとtOFF から計算
されるデューティー比D(D=tON/(tON+tOFF
)×100(%))の値と、成長速度、ステップカバ
レッジ、膜中OH基の吸収係数との関係を示している。
図5最下段から、成長速度はDが大きいほど増加する事
が判り、中段から、ステップカバレッジは、Dが50%
を越えると悪化し始める事が判り、上段から、OH基
は、Dが40%を越えれば十分小さくなる事が判る。図
4から、ステップカバレッジと膜中水分量(膜中OH基
吸収係数)は相反する傾向にあるが、デューティー比D
の値を適当な範囲(本参考例の場合は40から60パー
セント)に設定することにより両者とも損なわないよう
にする事が出来る事が判る。
【0023】尚、本参考例では、有機シランガスとし
て、珪酸エチル(TEOS:Si(OC2 H5 )4
)を用いたが、テトラメチルシラン(TMS:Si
(CH3 )3 ),テトラメチルシクロテトラシロキサ
ン(TMCTS),オクタメチルシクロテトラシロキサ
ン(OMCTS),ヘキサメチルジシラザン(HMD
S),トリエトキシシラン(SiH(OC2 H5 )3
),トリジメチルアミノシラン(SiH(N(CH3
)2 )3 )等のシリコン含有化合物を用いても同様
の結果が得られる。また、反応ガス中にオゾンが存在し
なくても、酸素ラジカルやTEOS解離分子の寿命はか
なり長いので、デューティー比の値を適当に選べば、同
様の結果が得られる。さらに、反応ガス中に、シラン等
のシリコン無機化合物やアンモニア等窒素化合物や、リ
ン、ホウ素、砒素、アンチモン等の水素化物や有機化合
物を混入させた場合にも同様の結果が得られる。
【0024】さらにまた、本参考例では、シャワー電極
19に印加する高周波電力のみを変化させたが、パルス
ジェネレータ40の生成するパルスに同期して、高周波
電力,反応室圧力,基板温度,ガス流量等を変化させる
と、より良好な段差被覆性が得られる。
【0025】図6は、本発明の実施例のプラズマ化学
気相成長装置の反応室を示し、(a)はその平面図であ
り、(b)は、(a)の二点鎖線AA′での縦断面図で
ある。尚、(a)は、(b)の一点鎖線BB′での平面
図を表している。反応室72は、6つの扇型の領域に分
けられ、時計の3時の方向の扇型が熱CVD領域70に
なっており、時計回りに、プラズマCVD領域、熱CV
D領域、プラズマCVD領域166と交互に配置されて
いる。基板69は、回転軸79を軸として回転するサセ
プター71の上に装着され、熱CVD領域と、プラズマ
CVD領域を交互に通過するようになっている。
【0026】熱CVD領域70には、TEOS導入口7
3とオゾン導入口75から、TEOSガス及びオゾン含
有酸素が導入され、ガス分散板83とシャワーインジェ
クター81で均一に分散された後、基板69の表面へ供
給される。基板69はサセプター71の裏側に設置され
たヒーター80によって約350℃に加熱されているた
め、基板上でオゾンとTEOSによる熱CVD膜が成長
する。
【0027】プラズマCVD領域166には、TEOS
導入口73と酸素導入口74からTEOSガス及び酸素
ガスが導入され、ガス分散板83′とシャワー電極78
で均一に分散され、基板69′の表面に供給される。シ
ャワー電極78は、絶縁リング82及び絶縁体76によ
って、反応室の他の部分から電気的に絶縁されており、
RF導入端子77から13.56MHz或いは450k
Hzの高周波電圧が印加される。これらの高周波電圧の
印加によって、シャワー電極78と基板69′或いは、
サセプター71の間にプラズマが励起され、プラズマC
VD膜が形成される。
【0028】前述したように、基板69は、回転するサ
セプター71とともに、プラズマCVD領域と熱CVD
領域を交互に通過するため、プラズマCVD膜と熱CV
D膜が交互に形成される。この際、サセプター71の回
転速度を毎分10回転程度にすると、熱CVD領域70
で形成される熱CVD膜の膜厚は約2nm程度となり、
隣合うプラズマCVD領域の成膜初期でプラズマ照射さ
れ、膜質はプラズマCVD膜と同様になる。このように
して、図4で述べたのと同様に、膜質はプラズマCVD
膜と同様で、ステップカバレッジ及び段差埋め込み性に
優れたCVD膜が形成される。
【0029】尚、本実施例では、反応室を6つの領域に
分割したが、これは2つ以上であれば幾つでも構わな
い。また、成膜領域の種類を熱CVD領域とプラズマC
VD領域の2種類にしたが、プラズマCVD領域を印加
する高周波の周波数や印加電力によって2種以上設けて
も良い。
【0030】さらに、本実施例では、サセプター71を
平面のターンテーブル状にし、上方に、シャワーインジ
ェクターやシャワー電極を設けたが、サセプターを円筒
或いは多角柱状にし、その外側面に基板を装着し、基板
と対向してシャワー電極等を設けても同様の結果が得ら
れる。
【0031】また、本実施例では、有機シランガスとし
て、珪酸エチル(TEOS:Si(OC2 5 4 )を
用いたが、テトラメチルシラン(TMS:Si(C
3 3),テトラメチルシクロテトラシロキサン(T
MCTS),オクタメチルシクロテトラシロキサン(O
MCTS),ヘキサメチルジシラザン(HMDS),ト
リエトキシシラン(SiH(OC2 5 3 ),トリジ
メチルアミノシラン(SiH(N(CH3 2 3 )等
のシリコン含有化合物を用いても同様の結果が得られ
る。また、反応ガス中にオゾンが存在しなくても、酸素
ラジカルやTEOS解離分子の寿命はかなり長いので、
ディーティー比の値を適当に選べば、同様の結果が得ら
れる。さらに、反応ガス中に、シラン等のシリコン無機
化合物やアンモニア等窒素化合物や、リン,ホウ素,砒
素,アンチモン等の水素化物や有機化合物を混入させた
場合にも同様の結果が得られる。
【0032】図7に、本発明の実施例のプラズマ化学
気相成長装置の概略を示す。イオン源空洞93には、流
量調節器103で流量調節された酸素ガスO2 と、流
量調節器87で流量調節されたアルゴンガスArが供給
され、圧力は、p=1mTorrに保たれている。ま
た、マイクロ波電源84から、導波管85及び透過窓8
6を経由して、周波数2.45GHzのマイクロ波が供
給されている。さらに、主電磁石コイル94の作る87
5ガウスの磁場によって、イオン源空洞93内では電子
サイクロトロン共鳴(ECR)が起こっており、イオン
化率の高い酸素プラズマが発生する。酸素イオンは主電
磁石コイル94の発散磁界及び補助コイル96によって
反応室95へ引き出され、基板106へ照射される。
【0033】シリコン原料となるTEOSガスは、80
℃に保たれた恒温容器112内に保温されたTEOS1
11から蒸発したTEOSガスを、流量調節器113で
流量調節してTEOS導入口107から反応室へ導入さ
れる。また、流量調節器101で流量調節された酸素ガ
スが、オゾン発生器98を通過してオゾン含有酸素にな
り、オゾン導入口97から供給される。基板106は、
サセプター109上に装着され、ヒーター110によっ
て300℃に加熱されている。また、反応室の圧力は、
流量調節器88によって流量調節され、Ar導入口10
8から供給される希釈用アルゴンガスと真空ポンプ10
5によって、約1mTorrに保たれている。
【0034】本実施例のプラズマCVD装置では、ま
ず、イオン源空洞93内に酸素プラズマを発生させる。
補助コイル96、96′に流す電流は、イオン源から基
板に向かう磁場を発生させる向きで小さな値にしてお
き、酸素プラズマの照射が均一になる程度にしておく。
また、反射磁石コイル102、102′に流す電流も、
イオン源から基板に向かう磁場を発生させる向きで小さ
な値にしておく。この状態で、基板106表面に酸素イ
オンを照射させ、TEOSガスを供給すると、ECRプ
ラズマ気相成長が起こり、膜質の良いプラズマCVD膜
が形成される。次に、補助コイル96、96′に流す電
流の値を強くして、イオン源空洞出口付近にミラー型磁
場が形成されるようにし、主電磁石コイル94,94′
の発散磁界によってプラズマから流れ出す電子及びイオ
ンが跳ね返るようにする。すると、基板106上には、
TEOSガスとイオン源から拡散してくる酸素ラジカ
ル、酸素分子等の中性粒子のみが供給され、熱CVD的
な反応のみが起こり、ステップカバレッジの良い成膜が
行われる。そこで、補助コイル96,96′に流す電流
を、1秒から10秒程度の周期で変化させると、基板1
06に照射される酸素イオン数が周期的に変化し、プラ
ズマCVD膜と熱CVD膜が交互に形成され、さらに、
熱CVD膜のプラズマCVD膜への改質も行われて、図
4と同様に、ステップカバレッジ及び段差埋め込み性に
優れたプラズマCVDが形成される。特に本実施例で
は、反応室圧力を1mTorr程度にしているので、ア
スペクト比の大きな溝の埋め込みも可能になる。
【0035】尚、基板106に照射される酸素イオンを
変化させる手段として、上記の例では補助コイル94に
よって形成されるミラー型磁場を用いたが、反射磁石1
02,102′によって形成されるカスプ型磁場や、サ
セプター109に正の電圧を印加して形成される反跳電
場を用いても良い。また、図7には示されていないが、
機械的なシャッターを用いても同様の結果が得られる。
但し、機械的シャッター等を用いて、酸素ラジカルの拡
散を妨げるような構造にした場合には、オゾン発生器9
8を動作させて基板近傍にオゾンを供給し、熱化学気相
成長を促進し、熱CVD膜の成長を促進するようにした
方がよいのは言うまでもない。
【0036】また、上記実施例では、イオン源として電
子サイクロトロン共鳴型(ECR)イオン源を用いた
が、酸素イオンの強度を変化させる事が出来れば、その
形式によらず同様の結果が得られる。
【0037】また、本実施例では、有機シランガスとし
て、珪酸エチル(TEOS:Si(OC2 5 4 )を
用いたが、テトラメチルシラン(TMS:Si(C
3 3),テトラメチルシクロテトラシロキサン(T
MCTS),オクタメチルシクロテトラシロキサン(O
MCTS),ヘキサメチルジシラザン(HMDS),ト
リエトキシシラン(SiH(OC2 5 3 ),トリジ
メチルアミノシラン(SiH(N(CH3 2 3 )等
のシリコン含有化合物を用いても同様の結果が得られ
る。さらに、反応ガス中に、シラン等のシリコン無機化
合物やアンモニア等窒素化合物や、リン,ホウ素,砒
素,アンチモン等の水素化物や有機化合物を混入させた
場合にも同様の結果が得られる。
【0038】図8は、本発明の参考例2にもとづき、ア
ルミ多層配線の層間絶縁膜平坦化法を表す縦断面図であ
る。
【0039】本参考例では、まず、半導体素子等を形成
した基板115上にアルミ配線114を形成する(図8
(a))。次に、本発明の参考例1のプラズマ化学気相
成長装置を用いて、図中(b),(c)のように、本発
明のCVD膜116をアルミ配線の膜厚より厚く形成す
る。レジスト117を塗布しハードベークする。レジス
ト117と本発明のCVD膜116のエッチングレート
が等しくなるように調整した反応性イオンエッチング法
を用いて、エッチバックを行い、CVD膜の表面が平坦
になるようにする。すると、平坦化された層間膜118
が出来上がる。
【0040】尚、本参考例では、平坦化のためにレジス
トを用いたが、ポリスチレンや有機SOG等を用いても
同等の結果が得られる。また、平坦化法として、研磨法
を用いれば、基板全面に渡って良好な平坦性が得られ
る。
【0041】図13は、図1の参考例1のプラズマ化学
気相成長装置を使用した、実施例の動作の方法を示し
ている。図13では、13.56MHz高周波電力,4
50kHz高周波電力,イオン電流密度,平均イオンエ
ネルギーについて表している。但し、いずれの値も、そ
れぞれの値の最大値で規格化してある。
【0042】本実施例の動作の方法では、図13の下か
ら1段目及び2段目の様に、図1の13.56MHzと
450kHzの2つの周波数の高周波電源39,36
に、パルスジェネレータ40からパルスを送り、2つ周
波数の高周波の最大出力が逆位相になるようにして、シ
ャワー電極19に電圧を印加している。すると、図13
下から3段目および4段目の様に、イオン電流密度の変
化は小さいが、平均イオンエネルギーは、450kHz
高周波電力が最大の時に最大値を取り、13.56MH
z高周波電力が最大の時に最小となるように出来る。こ
れは、印加する高周波の周波数が高いと、プラズマと基
板の間に生ずる電圧(シース電圧)が減少する事によ
る。このように、イオン電流密度を変えないで、イオン
エネルギーのみを変化させた場合、イオン衝撃の強度は
周期的に変化し、膜質の劣化が無く、段差被覆性および
溝埋め込み性が改善される点では、実施例1と同様であ
るが、さらに、図13最上段の様に、膜成長速度の変化
が10%程度に小さくできるという利点がある。
【0043】尚、本実施例では、図1の装置を用いた
が、本特許の他の実施例で示した、図6,図7の装置を
用いても同様の結果を得る事が出来る。
【0044】尚、本実施例では、有機シランガスとし
て、珪酸エチル(TEOS:Si(OC2 5 4 )を
用いたが、テトラメチルシラン(TMS:Si(C
3 3 ),テトラメチルシクロテトラシロキサン(T
MCTS),オクタメチルシクロテトラシロキサン(O
MCTS),ヘキサメチルジシラザン(HMDS),ト
リエトキシシラン(SiH(OC2 5 3 ),トリジ
メチルアミノシラン(SiH(N(CH3 2 3 )等
のシリコン含有化合物を用いても同様の結果が得られ
る。また、反応ガス中にオゾンが存在しなくても、酸素
ラジカルやTEOS解離分子の寿命はかなり長いので、
デューティー比の値を適当に選べば、同様の結果が得ら
れる。さらに、反応ガス中に、シラン等のシリコン無機
化合物やアンモニア等窒素化合物や、リン,ホウ素,砒
素,アンチモン等の水素化物や有機化合物を混入させた
場合にも同様の結果が得られる。
【0045】さらにまた、本実施例では、シャワー電極
19に印加する高周波電力のみを変化させたが、パルス
ジェネレータ40の生成するパルスに同期して、高周波
電力,反応室圧力,基板温度,ガス流量等を変化させる
と、より良好な段差被覆性が得られる。
【0046】
【発明の効果】以上説明したように本発明のプラズマ化
学気相成長法は、基板表面へのプラズマ照射強度を周期
的に変化させながら、優れたステップカバレッジを持つ
オゾンとTEOSの熱CVD膜の形成と、その熱CVD
膜のプラズマCVD膜と同等な膜質への改質、および、
プラズマTEOS・CVD膜の形成を繰り返して行うた
め、微細でアスペクト比の大きい溝を埋め込む事が可能
なほど優秀なステップカバレッジを有し、膜中水分量や
膜中ストレスが小さく、良好な膜質を有するプラズマC
VD膜の形成が可能になる効果がある。
【0047】また、本発明のプラズマ化学気相成長装置
は、有機シランを供給する機構と、酸素或いはオゾン含
有酸素を供給する機構と、プラズマ発生強度を周期的に
変化させる機構、或いは、1つの反応容器内に設けられ
たプラズマ強度の異なる複数のプラズマ照射機構と、こ
の複数のプラズマ照射機構の間で基板を移動させる機
構、或いは、プラズマ照射強度を周期的に変化させるた
めの機械的或いは電磁的なシャッターとを有しているた
め、本発明のプラズマ化学気相成長法を効果的に実現で
きる。
【0048】また、本参考例2の多層配線の製造方法
は、有機シランと酸素を原料ガスとし、基板表面へのプ
ラズマ照射強度を周期的に変化させる、本特許記載の化
学気相成長法を用い、金属配線間に鬆(ボイド)の発生
の無い絶縁膜を、金属配線の高さ以上の膜厚だけ形成す
る工程を含むため、シリカ塗布膜を用いる従来の多層配
線の製造方法に比べ、層間膜中の水分量が大幅に減少
し、耐クラック性の向上、ストレスマイグレーションの
低減、スルーホールの導通特性の向上等が図られる。ま
た、本発明の多層配線の製造方法の工程数は、従来の方
法に比べて著しく減少しているので、歩留まりが向上
し、コストが低減されるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の参考例1を表すプラズマ化学気相成長
装置の概略縦断面図である。
【図2】図1のプラズマ化学気相成長装置の動作を、印
加高周波電力、酸素イオン数、オゾン濃度の時間変化に
ついて表したものである。
【図3】本発明の原理の概略を表すモデル図である。
【図4】図2のような動作を行った際の、時間経過と膜
の成長過程を表す縦断面図である。
【図5】図2のような動作を行った際の、高周波オン時
間(tON)の割合(デューティーD)と膜成長速度、ス
テップカバレッジ、OH基の吸収係数の関係図である。
【図6】本発明の実施例のプラズマ化学気相成長装置
の反応室を示し、(a)は概略平面図であり、(b)
は、(a)の二点鎖線AA′での縦断面図(なお、
(a)は、(b)の一点鎖線BB′での平面図)であ
る。
【図7】本発明の実施例のプラズマ化学気相成長装置
の概略を表す縦断面図である。
【図8】本発明の参考例2のアルミ多層配線の層間絶縁
膜平坦化法を表す縦断面図である。
【図9】従来のプラズマ気相成長装置の概略図である。
【図10】プラズマ化学気相成長法と、オゾンとTEO
Sの熱化学気相成長法とを交互に使用する従来の方法に
おける、シャワー電極に印加される高周波電力と、プラ
ズマ中の酸素イオン数と、原料ガス中のオゾン濃度の、
成膜時間に対する変化図である。
【図11】プラズマ化学気相成長法とオゾン熱化学気相
成長法を交互に行った場合の膜成長を表す縦断面図であ
る。
【図12】プラズマ化学気相成長法とシリカ塗布法を用
いた、従来の多層配線用平坦化絶縁膜の形成方法を示す
縦断面図である。
【図13】図1の参考例1のプラズマ化学気相成長装置
を使用した、実施例の動作の方法を示す、高周波電力
等の時間変化図である。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) H01L 21/316 H01L 21/31 H01L 21/205 C23C 16/50

Claims (7)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】原料ガスに周波数が複数の周波数の間を周
    期的に変化する高周波電圧を印加して発生させたプラズ
    マを用いて薄膜を形成するプラズマ化学気相成長法にお
    いて、印加された前記高周波電圧の周波数が大きい時に
    成膜された薄膜を印加された前記高周波電圧の周波数が
    小さい時に成膜される薄膜と同質の薄膜に改質すること
    を特徴とするプラズマ化学気相成長法。
  2. 【請求項2】反応容器内に載置した基板表面に有機シラ
    ンおよび酸素を供給する機構と、前記反応容器内に供給
    された酸素をプラズマ化する酸素プラズマイオン源と、
    前記酸素プラズマイオン源と前記基板表面との間に基板
    表面への前記酸素プラズマイオンの照射強度を周期的に
    変化させる機械的シャッター、或いは、電磁的なシャッ
    ターと、前記基板表面への前記酸素プラズマイオン照射
    強度が小さい周期中に形成する化学気相成長膜が前記酸
    素プラズマイオン照射強度が大きい周期中に前記酸素プ
    ラズマイオン照射強度が大きい時に形成する化学気相成
    長膜と同質の膜に改質される膜厚形成されるよう前記酸
    素プラズマイオン照射強度の変化の周期およびデューテ
    ィー比を制御する機構を有する事を特徴とするプラズマ
    化学気相成長装置。
  3. 【請求項3】反応容器内に載置した基板表面に有機シラ
    ンおよびオゾン含有酸素を供給する機構と、前記反応容
    器内に供給されたオゾン含有酸素をプラズマ化する酸素
    プラズマイオン源と、前記酸素プラズマイオン源と前記
    基板表面との間に基板表面への前記酸素プラズマイオン
    の照射強度を周期的に変化させる機械的シャッター、或
    いは、電磁的なシャッターと、前記基板表面への前記酸
    素プラズマイオン照射強度が小さい周期中に形成する化
    学気相成長膜が前記酸素プラズマイオン照射強度が大き
    い周期中に前記酸素プラズマイオン照射強度が大きい時
    に形成する化学気相成長膜と同質の膜に改質される膜厚
    形成されるよう前記酸素プラズマイオン照射強度の変化
    の周期およびデューティー比を制御する機構を有する事
    を特徴とするプラズマ化学気相成長装置。
  4. 【請求項4】有機シランを供給する機構と、酸素を供給
    する機構と、1つの反応容器内に設けられたプラズマ強
    度の異なる複数のプラズマ照射機構と、前記複数のプラ
    ズマ照射機構の間で基板を移動させる機構とを有する事
    を特徴とするプラズマ化学気相成長装置。
  5. 【請求項5】有機シランを供給する機構と、オゾン含有
    酸素を供給する機構と、1つの反応室内に設けられたプ
    ラズマ強度の異なる複数のプラズマ照射機構と、前記複
    数のプラズマ照射機構の間で基板を移動させる機構とを
    有する事を特徴とするプラズマ化学気相成長装置。
  6. 【請求項6】薄膜を形成する基板を載置する反応容器
    と、前記反応容器内に原料ガスとして有機シランと酸素
    あるいはオゾンとを供給する機構と、前記反応容器内に
    あって前記原料ガスに高周波電圧を印加してプラズマを
    発生させる対向した電極と、周波数の異なる複数の高周
    波電源と、前記対向した電極に前記周波数の異なる複数
    の高周波電圧を交互に周期的に印加し、前記高周波電圧
    の周波数が高い周期に形成された薄膜を前記高周波電圧
    の周波数が低い周期の間に前記高周波電圧の周波数が低
    い周期に形成する薄膜と同質の薄膜に改質されるだけの
    膜厚形成するよう前記周期を制御するパルスジェネレー
    タと、前記周期に同期して前記基板の温度、反応容器圧
    力、原料ガス流量、高周波電力をそれぞれ制御する基板
    温度制御部と反応容器圧力制御部と原料ガス制御部と高
    周波制御部とを備えたことを特徴とするプラズマ化学気
    相成長装置。
  7. 【請求項7】前記周波数が小さい期間が前記周期の1周
    期の内にしめるデューティー比が0.4〜0.6である
    事を特徴とする請求項1記載のプラズマ化学気相成長
    法。
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