JP2821138B2

JP2821138B2 - 薄膜形成方法及びその装置

Info

Publication number: JP2821138B2
Application number: JP63128372A
Authority: JP
Inventors: 康道鈴木; 裕斉藤; 俊二笹部; 和博中島
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1988-05-27
Filing date: 1988-05-27
Publication date: 1998-11-05
Anticipated expiration: 2013-11-05
Also published as: JPH01298725A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は、CVD装置に係り、特に活性化した複数のガ
スを半導体素子等の基板上へ供給し、上記ガスの反応温
度より低い温度に加熱した半導体素子等の基板表面に、
高品質の薄膜を高速度で推積するCVDによる薄膜形成方
法及びその装置並びに半導体素子に関する。

〔従来の技術〕

従来の低温でのCVDによる薄膜の形成は、平行平板電
極に高周波電力を印加し、この電界によりプラズマを発
生し、該プラズマにより、薄膜形成用の原料ガスを励起
し、活性化することにより、上記原料ガスが化学反応す
るに必要な温度以下に加熱された基板表面に薄膜を形成
している。この装置では、一方の電極上に基板を載置
し、他方の電極の基板と対向する面に究設した多数の小
孔から複数のガスを混合した反応ガスを導入し、プラズ
マで励起して成膜を行なう。

平行平板型プラズマCVD装置による成膜24は、半導体
基板22の表面に凹凸段差23が存在する場合、第３図に示
すように、配線段差23の上部の角部での膜付着量が多
く、段差底部の角部ではくぼみ25が発生し、この段差幅
が小さい場合には、第３図（ｂ）に示すように膜内に空
洞26が発生する。また、この成膜方法では、半導体基板
22の上にプラズマがあり、平行平板電極に印加した電力
により、上記基板22の上にも電界が発生し、これにより
プラズマ中のイオンと電子が付着膜に入射し、被処理物
にダメージが発生したり、膜質が劣化することが知られ
ている。この影響は、成膜速度を向上すべく平行平板電
極への印加電力を増加すると大きくなることが知られて
いる。

この原因としては、大電力の印加により（１）被処理
物上に誘起される電圧が高くなり、その結果、高いエネ
ルギーを持ったイオンまたは電子が被処理物に衝突する
こと、（２）プラズマから被処理物に入射するＸ線等の
量が増加すること、（３）ガス種によって励起され易さ
が異なるため、活性化ガス濃度のバランスが崩れること
が挙げられる。

このプラズマによるダメージや膜質の劣化を解決する
方法として特開昭57ー26441号公報がある。該発明は、
被処理物を設置する室の他にプラズマが発生可能な室を
持ち、この室に活性化しにくいガスだけを流し、予備励
起した後、活性化しやすいガスと共に被処理物上で発生
させたプラズマ中に導入し、活性化を促進し、被処理物
表面に膜を推積させている。これにより、被処理物を載
置した平行平板電極へ印加する高周波電力を低くおさえ
ても従来よりも早い膜形成ができるようになった。ま
た、反応ガスの活性化密度の制御も可能となり、膜組成
比の制御も可能になった。

また、特開昭57ー167631号公報に記載された方法で
は、活性化しにくいガスの活性化ガス濃度を増加させる
手段としてECR（Electron Cyclotron Resonance）状態
でのマイクロ波プラズマを使用するものがある。ECRと
は、マイクロ波の周波数と電子の磁場中をまわる回転周
波数を一致させる条件であり、2.45GHzのマイクロ波の
場合、マイクロ波と平行に875Gauss以上の磁場を印加し
なければならないが、この条件でマイクロ波はプラズマ
密度に関係なく、プラズマ中を進むことができる。従っ
て、プラズマは10¹²/cm³以上の密度を得ることができ、
活性化ガス濃度も増加すると考えられるが、成膜中の圧
力はプラズマ密度の高い領域である1Pa前後に設定して
おり、反応ガス濃度は低いため、活性化ガス濃度はマイ
クロ波を使ったにも関わらず、従来と同程度であり、成
膜速度もほとんど変わらず、成膜の高速化も図られてい
ない。また前記のようにマイクロ波はプラズマ中をその
密度に関係なく進むため、マイクロ波がウエハを直接加
熱したり、マイクロ波の電界に対応してプラズマ密度分
布が生じ、ウエハ処理が不均一になるという問題もあ
る。更にプラズマは基板と完全に分離されておらず、プ
ラズマの影響、例えはプラズマ中からの電子や光に寄因
するダメージの発生等は避けられない。

〔発明が解決しようとする課題〕

上記の如く、従来技術においては、１μｍ以下の配線
を持つ微細素子に対して良質の膜が形成できないという
課題を有していた。

本発明の第１の目的は、半導体素子等の段差に対して
忠実で良質の膜を得るようにした薄膜形成方法及びその
装置を提供することにある。

また本発明の第２の目的は、成膜を膜質を損なうこと
なく高速化できるようにした薄膜形成方法及びその装置
を提供することにある。

また、本発明の第３の目的は、半導体等の素子がプラ
ズマ、あるいはストレスに起因するダメージを受けない
ようにした薄膜形成方法及びその装置を提供することに
ある。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的を達成するために、本発明では、活性化しに
くい第１の原料ガスと活性化しやすい第２の原料ガスと
を少なくとも含む複数の原料ガスを用いた化学反応によ
る薄膜形成方法において、第１の原料ガスを高周波放電
によりプラズマ状態にして活性化し、この活性化した第
１の原料ガスを複数の小穴を介して予め所定の温度に加
熱された基板上に導入すると共に、活性化しやすい第２
の原料ガスを放電を発生させない程度の低いエネルギ状
態に励起させて複数の小穴と交互に配置した小穴からプ
ラズマ状態にして活性化した第１の原料ガスと一緒に予
め所定の温度に加熱された基板上に導入することによ
り、この基板上で表面反応により薄膜を形成する方法を
採用した。また、薄膜形成装置を、マイクロ波を出力す
るマイクロ波源と、少なくとも一部をマイクロ波を透過
する部材で構成されたプラズマ発生室と、このプラズマ
発生室に第１の原料ガスを供給する第１のガス供給部と
を有し、マイクロ波源から出力されたマイクロ波を前記
マイクロ波を透過する部材を透過させて第１のガス供給
部により第１の原料ガスが供給されたプラズマ発生室の
内部に導入してプラズマを発生させて第１の原料ガスを
第１の活性化状態に励起する第１の活性化室手段と、基
板を載置してこの基板を加熱する載置部を内部に備えた
反応室手段と、第１の活性化室手段と反応室手段との間
にあって第１の複数の小穴を介して反応室手段と第１の
活性化室手段とを接続するとともに第１の複数の小穴と
交互に配置されて反応室手段の側に開口を有する第２の
複数の小穴とこの第２の複数の小穴に第２の原料ガスを
供給する第２の原料ガス供給部とを有して第１の活性化
室手段で励起された第１の原料ガスを第１の複数の小穴
を通して反応室手段に供給するとともに第２の原料ガス
供給部から供給された第２の原料ガスを放電を発生させ
ない程度の低いエネルギ状態に励起させて第２の複数の
小穴から反応室手段に供給する第２の活性化手段とを備
えて構成した。即ち本発明は、活性化しにくい反応ガ
ス、例えばN₂OもしくはO₂（該ガスの活性種の寿命を長
くするためにN₂あるいはAr等の不活性ガスを混合する場
合もある。）、またはN₂に対してはマイクロ波プラズマ
等のエネルギー供給率高いもので活性化し、比較的活性
化しやすいガス、例えばSiH₄もしくはTEOS（tetraethyl
orthosilicate）、またはSiH₄は、高周波プラズマ、
熱、あるいは光等により活性化し、これらを通常の反応
に比べ低温に設定した被処理物基板（半導体素子）上に
導入することにより、段差部を有する第１層の配線（Al
配線）の上に高速度で段差部に多くの成膜量を得て比較
的平坦な絶縁膜、例えばSiO₂、またはSi₃N₄の膜を形成
でき、その上に配線される第２層の配線（Al配線）に段
切れを生じることなく、高信頼度の第２層の配線を形成
するようにしたことにある。

〔作用〕

所定の薄膜を形成するための反応ガスは、独立した励
起手段を使って活性化する。これにより、反応ガスは、
他の反応ガスの励起エネルギーに関わらず濃度の単独制
御（通常は高密度化）が可能となる。この時励起の方法
としては、プラズマ・光・熱などによるエネルギー供給
があるが、励起しにくいガスの場合高密度プラズマを利
用することが多い。高密度プラズマ発生方法としては、
有磁場中のECR放電の利用があり、10¹²/cm³以上の高密
度プラズマが得られるが、磁場発生機構が必要で装置が
大型化する。活性種濃度はプラズマ濃度より数桁多く空
間の分子密度により飽和してしまうことから、その結果
は小さく手軽な無磁場マイクロ波放電を利用する。ま
た、励起しやすいガスに対しては、従来の高周波グロー
放電により十分活性化できる。ここで、励起しやすいガ
スの活性化に、熱や光のエネルギーを使用するとプラズ
マと違い、ガスに与えるエネルギー幅が小さいため活性
化状態の制御が可能である。

以上のように独立に活性化したガスを反応室内の基板
表面に供給するため、従来のように基板表面で反応ガス
を励起するプラズマが不要となり、ダメージの原因と考
えられる基板への電子あるいはイオンの入射および２次
的に発生するＸ線、基板のチャージアップ等のほとんど
の原因が除去できる。

また、事前に活性化したガスは、反応性が非常に高い
状態にあり、単に反応ガスに大きなエネルギーを与える
だけでは反応ガス混合後、気相中で祈出する反応が頻発
に起こり、膜質、カバレッジともに悪くなってしまう。
そこで、反応ガスの少なくとも一方を完全に活性化状態
にしないように、低密度のプラズマ、あるいは熱、光に
よる低エネルギー状態への励起にとどめておき、気相中
の反応を抑制する。

ここで、基板を事前に気相反応が起きない500℃以下
の一定温度に加熱しておくと反応ガスは基板からのエネ
ルギーを受け、始めて成膜に直接寄与する活性種とな
る。このエネルギーは下地段差の表面から出るため、表
面積の大きい段差の両側側面から放出されるエネルギー
が多く発生し、溝に推積する量がおおく発生する。従っ
て、膜形成反応は基板表面に沿って忠実な膜の推積が行
なわれ、この表面形状は下地に段差があっても、くぼみ
や空洞が生じることなく、なだらかな形状にすることが
できる。即ち本発明の膜推積方法によれば、膜表面は下
地形状に無関係に比較的平坦な形状となる。従って、従
来技術による第５図（ｂ）のような形状の膜では、段差
間の溝内に急俊なくぼみが残り、これをなくすためにか
なりの膜をスパッタエッチにより削り取らなければなら
ない。しかし、本発明によれは、第６図（ｂ）に示すよ
うに下地段差（配線）上に膜を形成してもその膜表面は
ゆるやかになり、多層配線を形成しても断切れ等の問題
もなく、しかもスパッタエッチ量も少なくて済み、生産
性の低下を極力抑えることができる。

以上のように下地にダメージを与えることなく、膜質
のよい膜を高速で、且つ平坦に単一プロセスで形成でき
る半導体等の素子は、信頼性及び量産性の点で優れたも
のとなる。

〔実施例〕

以下、本発明の一実施例を第１図、第２図に基いて説
明する。第１図は第１の一実施例で、活性化室１は一方
にマイクロ波導入の窓２が設けられ、該マイクロ波導入
窓２の先には、活性化室１と入射マイクロ波とのマッチ
ングを取るためのチューナ、入射と反射のマイクロ波電
力を測定するモニタを具備するマイクロ波発生源３が設
置されている。更にマイクロ波を透過し、真空を保持す
る材質（石英、アルミナ磁器等）から成るマイクロ波導
入部材４を、筒状に形成し、該活性化室１のマイクロ波
導入窓２と反対の側に突出するように設置する。活性化
室１は、マイクロ波の空胴共振器を形成するように構成
され、プランジャー５により空胴共振器の寸法を可変に
でき、常に共振条件を満足できるようになっている。該
活性化室１のプランジャー５を反対側の反応室９との結
合部には、活性化しやすい第２の原料ガスを第２の活性
化手段により活性化して反応室９に比較的均一に吹き出
すガス吹出部６があり、更に上記活性化室１で活性化さ
れた第１の原料ガスを反応室９に比較的均一に導入させ
るように多数の貫通孔をほぼ規則的に穿設して形成した
導入部７がある。反応室９には、薄膜を形成する半導体
素子等の基板８を載置する台14が設けられている。

マイクロ波導入部材３とガス吹出部６で囲まれた空間
には活性化しにくい反応ガスである第１の原料ガスを導
入するガス導入口A10が設けられている。なお、ガス導
入口A10は、図に示すように上部に設けることにより、
筒状のマイクロ波導入部材３の外周と活性化室１の壁と
の間に形成された狭い間隙を通して下方に流れ、しかも
マイクロ波導入部材３を筒状にしたことにより広い面積
でもってマイクロ波が入ってきて広い範囲に亘ってプラ
ズマを発生することができる。

また、ガス吹出部６は、活性化しやすい第２の原料ガ
スを導入するガス導入口B16を接続して活性化室１から
のガスが流れこまないように中空部11を設け、導入部７
の貫通孔と交互にほぼ規則的に究設した多数個の吹出孔
12により反応室９と空間的に接続されている。空間部11
には、第２の原料ガスを幾分活性化するための第２の活
性化手段であるヒータ13が設置されており、雰囲気温度
の任意設定が可能となっている。

反応室９には、前記ガス吹出部６に対向して半導体素
子等の基板、即ち被処理物８が台14上に載置され、該台
14には、各々活性化されて導入された第１及び第２のガ
スを化学反応させて被処理物８に付着させるための、加
熱手段であるヒータ15が内蔵されており、温度を任意に
設定できるようになっている。特に、上記ヒータ15は、
被処理物８の表面における温度が500℃以下になるよう
に制御される。

以上の構成において、活性化室１と反応室９を真空排
気し、第２の活性化手段であるヒータ13および加熱手段
であるヒータ15に電流を流し、所定の温度にした後、活
性化しにくい第１の原料ガスは、ガス導入口A10から、
また容易に活性化する第２の原料ガスがガス導入口B16
から各々一定流量供給する。例えは、半導体素子におい
て絶縁膜としてSiO₂膜を得る場合には、活性化しにくい
第１の原料ガスとしてN₂OまたはO₂、また活性化しやす
い第２の原料ガスとしてSiH₄またはTEOS（tetraethylor
thosilicate）がある。ここで、上記ガスの活性種の寿
命を長くするために、上記第１の原料ガスとしてN₂、あ
るいはAr等の不活性ガスを混合する場合もある。

上記の他としてSi₃N₄膜を得る場合には、活性化しに
くい第１の原料ガスとしてN₂、また活性化しやすい第２
の原料ガスとしてSiH₄がある。

そして、マイクロ波発振器３によりマイクロ波を発振
し、プランジャー５により印加マイクロ波と該マイクロ
波の空洞共振器である活性化室１との整合をとることに
より、マイクロ波は活性化室１内に入り、該活性化室１
で定在波を形成し、内部電界を高める。該電界はガス導
入口A10からの第１の原料ガスを電離し、プラズマ状態
とする。ここで、マイクロ波（周波数2.45GHz）は、導
入部材４の筒状の広い面積を有する突出部の全面から活
性化室１の狭い間隙部へ入り込み、第１の原料ガスであ
る反応ガスのプラズマ17にエネルギーを供給するため、
該導入部材３の突出部周囲全面に高密度プラズマ（プラ
ズマ密度7.4×10¹⁰/cm³）が発生する。該プラズマ17に
より効率よく高濃度に活性化された第１の原料ガスは、
結合部の貫通孔で形成された導入部７を通って結合部に
対向して台14に載置された被処理物８に均等に供給され
る。

また、ガス導入口B16からの第２の原料ガスは、ガス
吹出部６の中空部11に導入され、ここで第２の活性化手
段であるヒータ13による熱によって一定のエネルギーを
受けて幾分活性化された後、ガス吹出部６の吹出孔12よ
り被処理物８に向かって均等に供給される。

この時、プラズマ発生源としてマイクロ波を使用して
いるため、高周波電圧を印加する従来技術に比べ反応室
の真空度は低く設定でき、平均自由行程は長く、また、
ガス導入口B16から導入したガスは低エネルギー状態の
励起にとどめておき、十分に活性化された状態でないた
め、被処理物８に到達するまでに反応ガスが気相中で反
応することは少なく、反応ガスの化学反応に必要な温度
（500℃）以下に加熱された被処理物８の表面で上記第
２の原料ガスは成膜反応を起こすのに十分な程度に活性
化され、導入部７を通して導入された第１の原料ガス
は、活性化された第２の原料ガスと被処理物８の表面で
順次反応を繰り返して薄膜を推積する。即ち第２の原料
ガスは完全に活性状態にしないように、熱、光あるいは
低密度のプラズマによる低エネルギー状態の励起にとど
められていて気相中の反応を制御される。そして被処理
物（基板）８が上記のように事前に気相反応が起きない
500℃以下の一定温度に加熱されているので、反応ガス
は被処理物（基板）からエネルギーを受け、始めて成膜
に直接寄与する活性種となり、被処理物（基板）の表面
形状に倣って（沿って）膜形成反応がおこり被処理物
（基板）の表面に沿って忠実な膜の推積が行なわれる。
即ち、段差を有する形状の凸部（配線）の上面より側面
の方が表面積が広いことにより多くエネルギーを受ける
ことになり、凸部（配線）間の溝の方が多く推積して薄
膜（絶縁膜）の表面形状はなだらかなカーブでもって形
成される。これにより、従来技術のように、凸部（配
線）のエッジにおいてオーバハングが生じて空洞が生じ
ることも、また膜の表面に鋭角に尖った溝が生じること
もなくすことができる。

以上のように本実施例によれば、活性化室１内で大容
量の高密度プラズマが得られることにより活性化しにく
い第１の原料ガスの高濃度の活性化ガスを作り、該ガス
を短距離で高濃度を維持したままで半導体素子等の基板
で形成された被処理物８に均一に供給すると共に、容易
に活性化する第２の原料ガスも事前に予備的に活性化し
た後、被処理物８をプラズマにさらさず、プラズマのダ
メージを被処理物に与えることなく、反応ガスを被処理
物（基板）８の表面のみで反応させ、即ち被処理物（基
板）８の表面積（上面部は表面積は小さく、溝部は表面
積が大きい）に応じて反応が進み、段差部を有する下地
に対して急傾斜のないなだらかな表面形状を有する高品
質の薄膜（絶縁膜）を高速度で成膜することができる。

例えば、上記装置において、ガス導入口A10から第１
の原料ガスとしてN₂OガスまたはO₂ガス、ガス導入口B16
から第２の原料ガスとしてSiH₄ガスまたはTEOSガスを導
入し、被処理物の温度を500℃以下に設定することによ
りカバレッジの優れたSiO₂絶縁膜を、プラズマダメージ
を誘発することなく、得ることができる。ここで、被処
理物８の温度を500℃以上に高くしてしまうと、下地のA
l配線が再結晶化してしまったり、雰囲気温度が気相反
応に必要な温度まで上昇してしまい、気相中での折出が
始まってしまう。更に高温成膜はAl配線に与えるストレ
スを増加させ、信頼性等の点で問題が生じる。特に高集
積素子では、ダメージに対する余裕度は更に低下するこ
とが予想され、前記方法によって得られた素子を使用す
ることは信頼性の点で非常に有利である。

ここで、活性化しやすい第２の原料ガスを予備活性化
する第２の活性化手段としては、熱を発生する加熱手段
の他に、紫外線ランプ等の光照射手段で形成することも
十分に考えられる。このように光の場合は、波長を限定
することで反応ガスに単色エネルギーを供給することが
可能なため、プラズマによる反応ガスの励起手段のよう
にさまざまな活性種が自然に生成するのと異なり、反応
ガスとの組合せによっては反応をより高速度で高精度に
制御することができる。

半導体素子等で見られるように配線が１μｍ以下微細
となり、急俊な段差の存在する半導体等の素子の場合、
従来技術で成膜を行なうと基板22上の配線段差23（下地
段差）の影響を強く受け、第７図（ａ）のようにオーバ
ハングが生じて空洞26が発生してしまい、例えば絶縁膜
（プラズマCVD膜24）においては絶縁性が低下するとい
う問題が生じる。そこで、前記したようにダメージを与
えることなく、良質の膜を下地の表面積に応じて下地段
差に忠実に推積できる本方法によれば、第７図（ｂ）の
ように緻密な素子の断面形状が可能となり、信頼性の高
い素子を得ることができる。

また、高集積化に対応した多層配線素子（基板上の絶
縁膜28を有し、その上に第１層配線27を形成し、その上
に絶縁膜28を形成し、その上の第２層配線29を形成し、
その上に保護膜を形成した多層配線素子）において、第
１層のAl配線間の絶縁膜形成を従来技術で行なうと第８
図（ａ）のように絶縁膜の凹凸が激しく、該絶縁膜上に
形成する第２図の配線膜（図中ではAl）は、凹部で極端
に薄くなったり、分断されて断線30が生じてしまう。こ
れを防止するため第８図（ｂ）のように絶縁膜の平坦化
が必要であるが、従来はSOG（Spin−On−Glass）を使っ
た塗布法で行われていた。SOGを塗布し、平坦な表面と
した後、ベークを行ない固化するものであるが、SOGは
膜質が必ずしも良くないため、SOGの上下はCVDによるSi
O膜を形成しており、絶縁膜は３層から形成されてい
た。従って、工程が複雑であり、また配線が微細化する
と空洞26が発生したり、十分な平坦度が得られなくなっ
ている。

本実施例によれば、第６図（ｃ）に示したように細微
な配線においても、くぼみ25及び空洞26をもたない推積
膜を良質の状態で、かつ急傾斜のないなだらかな表面形
状をもった比較的平坦に近く、単一種で形成することが
できる。

第２図は第２の一実施例で、ガス吹出部６の中空部11
の反応室側の面を絶縁物18によって浮かし、該部分を高
周波電源19と接続する。本構成において、中空部の面20
に高周波電力を印加すると中空部11にプラズマ21が発生
し、該プラズマ21はガス導入口B16からの第２の原料ガ
スを予備的に活性化する。活性化した第２の原料ガスは
吹出孔を通って被処理物８に到達し、活性化室１で活性
化した第１の原料ガスと反応し、被処理物（基板）８表
面で薄膜を形成する。このようにプラズマにより活性化
しやすい第２の原料ガスの活性化しているため、活性化
効率をさらに上げることができる。

前記実施例によれば、反応ガスを活性化する活性化室
１と被処理物８を処理する反応室９が別々であり、活性
化室１は入射マイクロ波の空胴共振器を形成するため、
低圧域（10Pa）でも安定してプラズマが発生し、マイ
クロ波導入部材４が筒状の突出部を有し、発生したプラ
ズマとマイクロ波の接する面積が大きいため、反応ガス
のプラズマは突出表面に沿って大容量で高密度（プラズ
マ密度7.4×10¹⁰/cm³;マイクロ波周波数2.45GHz）とな
る。該高密度プラズマ内へ反応ガス（第１の原料ガス;N
₂OもしくはO₂またはN₂ガス）が供給され、該プラズマ中
を長い距離通過することにより活性化しにくい反応ガス
（第１の原料ガス）も高濃度に活性化された後、該活性
化ガスは貫通孔の導入部６を通って反応室９に導入され
る。この導入された活性化ガスは、低圧力および被処理
物まで短距離であるため濃度が低下することなく、また
均一に被処理物８をプラズマにさらすことなく、被処理
物上に供給できる。

また、活性化しやすいガス（第２の原料ガス;SiH₄も
しくはTEOS）は、前記のマイクロ波プラズマに直接させ
ることなく、反応室９に導入する前に分解しておき、該
反応室９に均一に供給すると、最適反応温度に制御され
た被処理物８の表面で活性化室１で活性化した反応ガス
と反応する。そこで、被処理物８はプラズマと完全に分
離し、プラズマによるダメージを生じることがなく、ま
た反応ガスの活性化エネルギーの違いによる活性化濃度
のアンバランスを高濃度を保った状態で適正化できるた
め、ダメージのない高品質の膜を高速に形成できる。ま
た、被処理物が加熱手段によって加熱されて被処理物の
表面から発生するエネルギーはその表面積の大きさに依
存することにより、下地段差を有するものに対して溝部
はエネルギーが大きいことにより溝部は多く推積し、そ
の表面はなだらかとなり、その表面の配線等を形成して
もこの配線が切断されることなく形成できる。

〔発明の効果〕

以上説明したように、被処理物表面にプラズマをさら
すことなく、反応ガスを個別に活性化し、濃度制御が可
能であり、また活性化状態も制御することで、被処理物
表面の膜形成を下地にダメージを与えることなく、下地
段差に忠実に高品質の薄膜を高速で成膜することができ
る。これは、従来両立が困難であった性能を同時に達成
したものであり、生産性を損なうことなく、薄膜、及び
素子特性の信頼性を大きく高めることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１の一実施例のプラズマ処理装置を
示す縦断面図、第２図は本発明の第２の一実施例のプラ
ズマ処理装置を示す縦断面図、第３図は本発明の第３の
一実施例のプラズマ処理装置を示す縦断面図、第４図は
本発明の第４の一実施例のプラズマ処理装置を示す縦断
面図、第５図は従来技術によって下地段差を有する上に
薄膜を形成した場合の断面構造を示す図、第６図は本発
明によって下地段差を有する上に薄膜を形成した場合の
断面構造を示す図、第７図は従来技術及び本発明により
配線上に絶縁膜を形成した素子断面を示す図、第８図は
従来技術及び本発明により配線上に絶縁膜を形成した多
層配線素子断面を示す図である。１……活性化室、２……窓、３……マイクロ波発生源４……マイクロ波導入部材、５……プランジャー６……ガス吹出部、７……導入部、８……被処理部９……反応室、10……ガス導入口Ａ、11……中空部 12……吹出部、13……ヒータ、14……台 15……ヒータ、16……ガス導入口Ｂ 17……プラズマ、18……絶縁物、19……高周波電源 20……中空部の面、21……プラズマ、22……基板 23……配線段差、24……プラズマCVD膜 25……くぼみ、26……空洞、27……第１層配線 28……絶縁膜、29……第２層配線 30……断線

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者笹部俊二東京都青梅市今井2326番地株式会社日立製作所デバイス開発センタ内 (72)発明者中島和博東京都青梅市今井2326番地株式会社日立製作所デバイス開発センタ内 (56)参考文献特開昭54−125972（ＪＰ，Ａ) 特開昭62−230026（ＪＰ，Ａ) 特開昭63−104340（ＪＰ，Ａ)

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】活性化しにくい第１の原料ガスと活性化し
やすい第２の原料ガスとを少なくとも含む複数の原料ガ
スを用いた化学反応による薄膜形成方法において、前記
第１の原料ガスを高周波放電によりプラズマ状態にして
活性化し、該活性化した前記第１の原料ガスを複数の小
穴を介して予め所定の温度に加熱された基板上に導入す
ると共に、前記活性化しやすい第２の原料ガスを放電を
発生させない程度の低いエネルギ状態に励起させて前記
複数の小穴と交互に配置した小穴から前記プラズマ状態
にして活性化した前記第１の原料ガスと一緒に前記予め
所定の温度に加熱された基板上に導入することにより、
該基板上で表面反応により薄膜を形成することを特徴と
する薄膜形成方法。
【請求項２】前記第１の原料ガスの高周波放電が、マイ
クロ波を用いたマイクロ波放電であることを特徴とする
請求項１記載の薄膜形成方法。
【請求項３】前記第２の原料ガスの励起を、該第２の原
料ガスを加熱することまたは該第２の原料ガスに励起光
を照射することにより行なうことを特徴とする請求項１
記載の薄膜形成方法。
【請求項４】前記第２の原料ガスに高周波電力を印加し
て前記第２の原料ガスを励起させることを特徴とする請
求項１記載の薄膜形成方法。
【請求項５】前記第１の原料ガスがO₂またはN₂Oであ
り、前記第２の原料ガスがSiH₄またはTEOSであって、前
記基板上にSiO₂膜を形成することを特徴とする請求項１
乃至４の何れかに記載の薄膜形成方法。
【請求項６】前記第１の原料ガス、N₂又はArのうち少な
くとも一方を更に含むことを特徴とする請求項５記載の
薄膜形成方法。
【請求項７】前記基板を500℃以下の温度に加熱するこ
とを特徴とする請求項５記載の薄膜形成方法。
【請求項８】前記第１の原料ガスがN₂またはNH₃であ
り、前記第２の原料ガスがSiH₄又はTEOSであって、前記
基板上にSi₃N₄膜を形成することを特徴とする請求項１
乃至４の何れかに記載の薄膜形成方法。
【請求項９】前記第１の原料ガスが、Arを更に含むこと
を特徴とする請求項８記載の薄膜形成方法。
【請求項１０】前記基板を500℃以下の温度に加熱する
ことを特徴とする請求項８又は９の何れかに記載の薄膜
形成方法。
【請求項１１】マイクロ波を出力するマイクロ波源と、
少なくとも一部をマイクロ波を透過する部材で構成され
たプラズマ発生室と、該プラズマ発生室に第１の原料ガ
スを供給する第１のガス供給部とを有し、前記マイクロ
波源から出力されたマイクロ波を前記マイクロ波を透過
する部材を透過させて前記第１のガス供給部により前記
第１の原料ガスが供給された前記プラズマ発生室の内部
に導入してプラズマを発生させて前記第１の原料ガスを
第１の活性化状態に励起する第１の活性化室手段と、基
板を載置して該基板を加熱する載置部を内部に備えた反
応室手段と、前記第１の活性化室手段と前記反応室手段
との間にあって第１の複数の小穴と介して前記反応室手
段と前記第１の活性化室手段とを接続するとともに前記
第１の複数の小穴を交互に配置されて前記反応室手段の
側に開口を有する第２の複数の小穴と該第２の複数の小
穴に第２の原料ガスを供給する第２の原料ガス供給部と
を有して前記第１の活性化室手段で励起された第１の原
料ガスを前記第１の複数の小穴を通して前記反応室手段
に供給するとともに前記第２の原料ガス供給部から供給
された前記第２の原料ガスを放電を発生させない程度の
低いエネルギ状態に励起させて前記第２の複数の小穴か
ら前記反応室手段に供給する第２の活性化室手段とを備
えたことを特徴とする薄膜形成装置。
【請求項１２】前記マイクロ波を透過する部材が筒状の
形状をしており、前記プラズマ発生室の内部に該プラズ
マ発生室の側壁との間に狭い空間を形成するように配置
されていることを特徴とする請求項11記載の薄膜形成装
置。
【請求項１３】前記プラズマ発生室が、前記供給される
マイクロ波の空洞共振条件を満たすように構成されてい
ることを特徴とする請求項11記載の薄膜形成装置。
【請求項１４】前記第２の活性化室手段が、前記第２の
原料ガスを加熱して前記放電を発生させない程度の低い
エネルギ状態に励起させる加熱部を有することを特徴と
する請求項11記載の薄膜形成装置。
【請求項１５】前記第２の活性化室手段が、前記第２の
原料ガスに光を照射することにより前記放電を発生させ
ない程度の低いエネルギ状態に励起させる光照射部を有
することを特徴とする請求項11記載の薄膜形成装置。
【請求項１６】前記第２の活性化室手段が、高周波電力
を印加して前記第２の原料ガスを前記放電を発生させな
い程度の低いエネルギ状態に励起させる高周波電力印加
部を有することを特徴とする請求項11記載の薄膜形成装
置。