JP3038473B2 - 絶縁膜形成方法 - Google Patents
絶縁膜形成方法Info
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Description
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は光化学気相反応及び
プラズマ化学気相反応により被形成面上に高速でしかも
高品質の絶縁膜を減圧下で形成する方法を提供するもの
である。 【０００２】 【従来の技術】最近ＬＳＩの高集積化、大規模化に伴い
ＩＣチップに占める配線の面積が増えている。そのた
め、配線の多層化、パターン、配線巾（幅）の微細化が
ますます重要となりつつある。 【０００３】配線や接続孔などのパターンの横方向寸法
は、スケーリング則に従って、微細化するのに対し、電
極配線や絶縁膜の厚さなど縦方向寸法は、配線抵抗、浮
遊容量、絶縁耐圧や耐マイグレーション性など素子のス
ペックを満たす必要があり、横方向並みに微細化するこ
とは容易でない。さらに配線や接続孔のパターンは微細
化の為異方性の強いエッチングにより形成されるのでＬ
ＳＩのパターンの端面形状は急唆となる。 【０００４】また、配線が多層となるため、当然ＬＳＩ
チップ表面の凹凸が激しくなる。このようなＬＳＩチッ
プ表面の凹凸はパターンの加工精度の低下、配線の断線
等信頼性の低下を招くことになる。このような問題を解
決する手段として、層間絶縁膜を平坦化する技術が重要
視されている。 【０００５】この層間絶縁膜を作製する方法としては、
従来の化学的気相反応（以下ＣＶＤという）による薄膜
形成技術として熱ＣＶＤ法が広く知られている。この熱
ＣＶＤ法は反応室内に導入した被膜形成用反応気体に熱
エネルギーを加え、該気体を分解または活性化させ、被
膜を形成するものであった。この場合、反応のためのエ
ネルギ供給は熱のみであるため、その温度も高く、５０
０〜８００℃の範囲で行われていた。このため、高温に
弱い半導体素子を作製することは不可能であり、次世代
ＬＳＩ素子として有望な低温で被膜を形成する技術が求
められていた。またより低温で被膜を形成する方法とし
てプラズマＣＶＤ法が知られている。この場合は反応室
内に導入した反応性気体に外部より高周波電力を印加
し、該気体を分解、活性化せしめ、加熱された基板上に
被膜を形成するものである。この場合、加熱温度は２０
０〜４００℃の範囲であるが、プラズマという高エネル
ギー状態をとるため、分解、活性化された反応種が被膜
形成面上をたたき、損傷を与えてしまうため、形成され
た被膜と下地基板との界面において良好な特性が得られ
にくいという欠点を有していた。この場合も熱ＣＶＤ
（法）のときと同様にＧａＡｓ等の化合物半導体には使
用不可能であった。 【０００６】一方、最近、これらの問題を解決する技術
として光ＣＶＤ法がある。この方法は反応性気体に対し
て、光エネルギを与えて分解、活性化させて、基板上に
被膜を形成するものであり、熱ＣＶＤ法のように高温に
する必要がなく、またプラズマＣＶＤ法のように物理的
に下地物質にダメージを与えず、理想的な成膜法であ
る。上述のような作製方法により形成される絶縁膜を、
平坦化する方法としては、有機シリコン化合物の液体を
凹凸形状を有する基板面上に塗布し、加熱処理を施しガ
ラス化する方法、凹凸形状を有する絶縁膜にエッチバッ
クを施し、凹凸の形状をなめらかにするエッチバック法
等の種々の方法が行われている。これら平坦な層間絶縁
膜を形成する方法はいづれも、絶縁膜を形成する工程と
平坦化する工程とに分かれており、工程を増やし、作製
装置の数を増やしコスト高につながっていた。 【０００７】 【発明が解決しようとする課題】本発明はこれら従来の
問題点を解決するものであり急唆な段差のない層間絶縁
膜を形成することを目的としている。 【０００８】 【課題を解決するための手段】本発明は紫外光源による
光化学気相反応を伴って、珪化物気体及び酸化性気体を
分解または活性化せしめ気相反応を起こし、基板上の被
形成面上に酸化珪素被膜を所定の膜厚に形成するか、ま
たは光化学気相反応を行った後、プラズマＣＶＤ法に
て、さらに所定の膜厚にまで酸化珪素被膜を形成した後
同一反応室内にてエッチバック処理を施すことを特徴と
するものである。 【０００９】さらに必要に応じてこれらの工程を繰り返
し急唆な凹凸段差のない絶縁膜を形成するものである。
すなわち、絶縁膜形成した後、被処理基板へ出すことな
く、急唆な凹凸段差のない酸化珪素絶縁膜を形成する方
法を提供するものである。以下に実験例を示し、本発明
に示された酸素珪素被膜の作製方法を示す。 【００１０】 【実施例】 ［実施例１］図２に本実施例で用いた酸化珪素被膜形成
用装置の概略図を示す。図面において、反応室（１）内
の紫外光源室（４）内には複数の紫外光源（６）が設置
されており、前記紫外光源室（４）は反応室（１）の圧
力とほぼ等しくなるように調整されている。また被膜形
成用基板（３）は基板加熱用ヒータを兼ねた基板支持体
（２）により反応室（１）内に被膜形成面を下向きにな
るように設置されている。本装置では成膜時に発生する
フレーク等のゴミが基板に付着しないようにデポジショ
ンアップ方式を採用した。 【００１１】また反応性気体のうち、珪化物気体及び酸
化物気体は配管内でＭＩＸされ、ガスノズル（７）より
反応室内へ導入し基板（３）近くで混合するようになっ
ている。光化学気相反応を行う紫外光源（６）より照射
される紫外光は透過窓（５）を通って反応性気体に照射
される直接励起法を採用した。また、透過窓（５）上に
被膜が形成されることを防止するための低蒸気圧のオイ
ルをコートせずに反応を行った。特に本発明の場合、酸
化珪素膜を作製するため、透過窓上に被膜が形成されて
も紫外光は十分透過するため、特にその必要はなかっ
た。 【００１２】さらに、透外光透過窓（５）の上は、エッ
チング用のメッシュ電極（８）が載せられている。この
メッシュ電極（８）には、基板支持体（２）との間に電
源（９）により高周波電力を印加可能なように構成され
ており、必要に応じてメッシュ電極（８）基板支持体
（２）間に電力及びバイアス電圧を加え透過光窓（５）
のエッチング、被処理基板（３）のエッチバックが同一
反応室内にて行なえる構成となっている。本装置を用い
て、図１（Ａ）に示すような凹凸を有する基板に反応圧
力１５００Ｐａ〜７０００Ｐａ（１１〜５３Ｔｏｒ
ｒ）、基板温度２００℃〜４００℃、投入紫外光源電力
１３．５６ＭＨｚ、２００Ｗ〜３００Ｗの条件下にて反
応性気体としてモノシランと亜酸化窒素との割合を変化
させて酸化珪素被膜を形成した。 【００１３】光化学気相反応の場合、酸化性気体はその
活性化される割合が高い為、珪素量に対してＮ2Ｏ の比
を０．００５から０．０５の範囲で若干過剰に加え、単
結晶珪素半導体基板上に形成し、エリプソメータにて膜
厚と屈折率の測定を行った。ＳｉＨ4とＮ2Ｏの反応は例
えば紫外光源として低圧水銀ランプの１８ｎｍと２５４
ｎｍの共鳴線を使うと光子エネルギーはそれぞれ６．ｅ
Ｖ（１５３Ｋｃａｌ／ｍｏｌ）、４．９ｅＶ（１１２．
５Ｋｃａｌ／ｍｏｌ）であり、反応性気体分子に吸収が
起こり得れば原子間結合エネルギーを切ることは容易で
ある。 【００１４】各原子結合エネルギーを以下に示す。 【表 １】 Ｓｉ−Ｈ ７４．６ Ｋｃａｌ／ｍｏｌ Ｓｉ−Ｓｉ ７６ Ｋｃａｌ／ｍｏｌ Ｈ−Ｎ ８６ Ｋｃａｌ／ｍｏｌ Ｈ−Ｈ １０４ Ｋｃａｌ／ｍｏｌ Ｓｉ−Ｎ １０５ Ｋｃａｌ／ｍｏｌ Ｏ−Ｏ １１９ Ｋｃａｌ／ｍｏｌ Ｎ−Ｏ １４９ Ｋｃａｌ／ｍｏｌ Ｓｉ−Ｏ １９２ Ｋｃａｌ／ｍｏｌ Ｎ−Ｎ ２２７ Ｋｃａｌ／ｍｏｌ ＳｉＨ4 分子の光吸収端は１８５ｎｍより短波長側にピ
ークをもっているが若干の光吸収は行われていると考え
る。 【００１５】一方Ｎ2Ｏの光分解反応は次の過程が考え
られる。 Ｎ2Ｏ ＋ ｈｒ（１８５ｎｍ） → Ｎ2 ＋ Ｏ（1Ｄ） 活性化されたＯ（1Ｄ）がＳｉＨ4分子にアタックすると
結合が弱いＳｉ−Ｈは解離され、酸素ラジカルと置換さ
れＳｉ−Ｏ結合が形成される。ＳｉＨ4／Ｎ2Ｏ比を０．
００５から０．０５の範囲での酸素珪素被膜の屈折率、
赤外吸収から次の反応が考えられる。 ＳｉＨ4 ＋ ２Ｎ2Ｏ → ＳｉＯ2 ＋ ２Ｎ2 ＋ ２Ｈ2 ヒドラジン、アンモニアの生成も考えられるが本分析結
果からは考えにくいといえる。 【００１６】図３は反応圧力に対する成膜速度の関係を
示している。ガス組成比としてはＳｉＨ4／Ｎ2Ｏ比０．
０１、基板温度４００℃、投入紫外光源電力１３．５６
ＭＨｚ、３００Ｗの成膜条件下で行った。反応圧力を上
げていくにしたがって単位時間当たりに気相中に存在す
る原料（反応）ガスが増加し、成膜に寄与する活性種が
増え、成膜速度は増加するが２０〜２５ｔｏｒｒ付近に
ピークを持ち、それ以上の領域では活性種が他分子と衝
突する回数が増え成膜に寄与しない（例えば２次生成物
になる等）ことにより成膜速度が低下することも予想さ
れる。 【００１７】すなわち反応圧力に於いては最適領域が存
在することが考えられる。図４はプラズマＣＶＤ法にお
いて高周波電力密度を可変した時の成膜速度を示してい
る。反応圧力は０．４ｔｏｒｒ、基板温度は２００℃で
ありバブリング用キャリアガスの亜酸化窒素流量は１０
０ＳＣＣＭである。この可変範囲内では高周波電力密度
に対しリニアな増加傾向を示している。即ちＴＥＯＳの
供給律速にはなってない。ＴＥＯＳは普通６００℃以下
では熱分解しないので反応空間に導入される際、液体状
もしくは粘性の高いガス状態で基板表面、あるいは気相
中に存在することから基板温度が低く高周波電力密度が
小さい条件下では良好なステップカバレージ性を有する
が反面、膜質は−ＯＨ基やＣが膜中に残り必ずしも良好
とは言えない。 【００１８】一方、基板温度が高く高周波電力密度が大
きい条件下ではステップカバレージ性は若干低下する
が、膜質は改善される。しかし、Ａｌ上にヒロックの発
生が多くなり問題となる。以上から基板温度と高周波電
力密度の２つのパラメータに最適な条件が存在すること
が考えられる。ある反応圧力において基板温度はあまり
上げず粘性流動を促進させ膜質は高周波電力と基板にバ
イアス電力を加えることで安定化がはかれることが判明
した。尚、ここでキャリアガスとして用いた亜酸化窒素
は形成される酸化珪素被膜の酸素供給源でもある。 【００１９】図５はプラズマＣＶＤ法において、亜酸化
窒素の流量を可変した時の成膜速度を示している。反応
圧力は０．４ｔｏｒｒ、基板温度は２００℃であり、高
周波電力密度は０．３５Ｗ／ｃｍ2 ある。亜酸化窒素の
流量を５倍に増加しても成膜速度は１５％程度しか増加
しない。すなわち、ＴＥＯＳの分解によって酸化珪素膜
形成に必要な酸素は十分供給されており、亜酸化窒素の
分解による酸素ラジカルは成膜に大きく寄与しないと考
えられる。 【００２０】図６は酸化珪素被膜を六フッ化イオウを用
いてプラズマ、エッチングを行った際の高周波電力密度
を可変した時のエッチング速度である。反応圧力は０．
４ｔｏｒｒ、基板温度は２００℃、ＳＦ6 流量は２５Ｓ
ＣＣＭである。０．５６Ｗ／ｃｍ2 で５００Ａ／ｍｉｎ
〔Ａはオングストロームの意味で、以下同じ。ただし図
１（Ａ）のＡは図面番号〕程度が得られ十分エッチバッ
クプロセスに使えてなおかつ基板に負のバイアス電力を
加えることで、等方性あるいは異方性のエッチング形状
のコントロールができることが判明した。 【００２１】図７は、基板温度を可変した時のエッチン
グ速度である。反応圧力０．４ｔｏｒｒ、高周波電力密
度０．５６Ｗ／ｃｍ2、ＳＦ6流量２５ＳＣＣＭでは基板
温度依存性はほとんどなく、高周波電力密度でほぼ決ま
ってしまうと考えられる。層間絶縁膜を連続形成する際
のエッチング工程ではプロセスに選択性がもてる為、基
板温度は重要なパラメータの１つであるといえる。この
ような光ＣＶＤ法にて、図１（Ａ）に示すような凹凸形
状を有する基板上に酸化珪素被膜を前述の条件で約５０
００Ａ程度形成した。この基板上の凸部は高さ１μｍ程
度、スペース０．８μｍの形状を有していた。この基板
上にまず光ＣＶＤ法にて酸化珪素被膜（１０）を形成し
たので、この凹凸形状を均一におおうことができた〔図
１（Ｂ）〕。 【００２２】この後、反応室内の圧力を１０Ｐａに調整
し、前述の透過光窓（５）上のメッシュ電極（８）と基
板支持体（２）の間に電源（９）により高周波電力例え
ば１３．５６ＭＨｚの電力を８０Ｗ印加した。反応気体
はＴＥＯＳ／Ｎ2Ｏ とし、バブリング用Ｎ2Ｏ 流量は１
００ＳＣＣＭで、その他の条件は光ＣＶＤと同様で行
い、プラズマＣＶＤ法にて、酸化珪素被膜（１１）を約
１．５μｍ〜２．０μｍ形成した〔図１（Ｃ）〕。この
プラズマＣＶＤ法による酸化珪素形成はステップカバレ
ージ性は光ＣＶＤに比べて若干おとるが、成膜速度が
０．５〜１μｍ／分と速く、生産性に富む。 【００２３】図１（Ｃ）のように凹凸をおおって酸化珪
素被膜を厚く形成した後、反応室内の反応性ガスを排気
して除去した後、エッチング用気体であるハロゲン化物
気体例えばＳＦ6、ＣＦ3、ＣＦ4、ＣＦ3Ｈ等を反応室内
に導入し、圧力を１０Ｐａに調整して、メッシュ電極
（８）と基板支持体（２）間に電力を印加しプラズマ放
電を起こし、形成された被膜（１１）のエッチングを行
い凹凸段差の急唆な部分をなくした〔図１（Ｄ）〕。こ
の時、同時にメッシュ電極（８）と基板支持体（２）の
間にバイアス電圧を加えるとエッチングにより凹凸段差
の形状をコントロールすることができた。すなわち基板
側に負のバイアス電圧を加えると凹凸段差がよりなめら
かにすることができた。 【００２４】この処理を行い約０．２〜０．５μｍエッ
チングを行い、図１（Ｄ）に示すように凹凸段差の急唆
な部分を取り除いた。このようにして同一装置、同一反
応室にて急唆な段差のない層間絶縁膜を作製することが
できた。また、エッチング処理時に、同時に反応室内壁
及び透過光窓（５）上についた被膜を除去することがで
き、装置をクリーニングのために停止することも必要が
なく生産性向上につながった。また本実施例においては
酸化珪素被膜の作製をプラズマＣＶＤ法と光ＣＶＤ法と
を併用したが、光ＣＶＤ法のみで作製してもいいことは
明らかである。 【００２５】［実施例２］図１（Ａ）に示す基板上に実
施例１と全く同じ条件下にて、光ＣＶＤ法にて酸化珪素
被膜を約５０００Ａ形成した後、反応室内の反応性気体
を入れかえ、実施例１と同様の条件下にてエッチバック
を約５００Ａ程度施した。その後さらに反応性気体を入
れかえ、同様の条件にて再度光ＣＶＤ法にて酸化珪素被
膜を形成する、このようなサイクルを複数回繰り返して
実施例１と同様な急唆な凹凸段差のない層間絶縁膜を形
成することができた。 【００２６】本実施例においては光ＣＶＤによる被膜形
成とプラズマエッチングとの交互に行うので被膜形成に
より汚れた反応室をエッチング工程によりクリーニング
を同時に行なえるという特徴を持つ。なお、層間絶縁膜
の積層構造に於いて最上部は光ＣＶＤ膜であることが望
ましいことをつけ加えておく。なぜなら第２層目Ａｌ膜
をスパッタ被着する際に、最上部がＴＥＯＳ酸化珪素膜
では膜からの放出ガス（水分、Ｈ2 ｅｔｃ）により、Ａ
ｌの膜質に悪影響をおよぼすおそれがあるからである。
よって理想的な層間絶縁膜の積層構造としては光ＣＶＤ
膜／プラズマＣＶＤ膜／光ＣＶＤ膜となる。 【００２７】尚層間絶縁膜として重要な耐圧は１層目の
光ＣＶＤ膜でもたせることは十分可能である。参考まで
に光ＣＶＤ膜の耐圧は５ＭＶ／ｃｍ以上である。以上の
実施例において絶縁膜として酸化珪素被膜を開示した
が、その他の絶縁膜、窒化珪素膜、ＰＳＧ、ＢＰＳＧ、
アルミナ膜でも応用可能である。さらに反応性気体とし
てシランのみでなく、その他のポリシラン類（ＳｉnＨ
2n+2）、ジメチルシラン、テトラメチルシラン等の有機
珪素化合物〔ＳｉＨn（ＣＨ4）4-n〕を必要に応じて使
用することも可能である。 【００２８】 【発明の効果】以上示したように、本発明は従来用いら
れていた条件とは明らかに異なった条件下にて高速で、
しかも高品質の酸化珪素被膜の形成方法であり、ＬＳ
Ｉ、超ＬＳＩ等に使用される層間絶縁膜にも光ＣＶＤ法
にて形成された被膜で始めて使用可能となった。 【００２９】本発明方法により、急唆な凹凸段差のない
層間絶縁膜を同一の装置の同一反応室内で行なえること
ができ、装置コスト製造コストを下げることができた。
また、エッチバック工程時に反応室内壁及び透過光窓の
エッチングも同時に行なえるという特徴を持つ。
プラズマ化学気相反応により被形成面上に高速でしかも
高品質の絶縁膜を減圧下で形成する方法を提供するもの
である。 【０００２】 【従来の技術】最近ＬＳＩの高集積化、大規模化に伴い
ＩＣチップに占める配線の面積が増えている。そのた
め、配線の多層化、パターン、配線巾（幅）の微細化が
ますます重要となりつつある。 【０００３】配線や接続孔などのパターンの横方向寸法
は、スケーリング則に従って、微細化するのに対し、電
極配線や絶縁膜の厚さなど縦方向寸法は、配線抵抗、浮
遊容量、絶縁耐圧や耐マイグレーション性など素子のス
ペックを満たす必要があり、横方向並みに微細化するこ
とは容易でない。さらに配線や接続孔のパターンは微細
化の為異方性の強いエッチングにより形成されるのでＬ
ＳＩのパターンの端面形状は急唆となる。 【０００４】また、配線が多層となるため、当然ＬＳＩ
チップ表面の凹凸が激しくなる。このようなＬＳＩチッ
プ表面の凹凸はパターンの加工精度の低下、配線の断線
等信頼性の低下を招くことになる。このような問題を解
決する手段として、層間絶縁膜を平坦化する技術が重要
視されている。 【０００５】この層間絶縁膜を作製する方法としては、
従来の化学的気相反応（以下ＣＶＤという）による薄膜
形成技術として熱ＣＶＤ法が広く知られている。この熱
ＣＶＤ法は反応室内に導入した被膜形成用反応気体に熱
エネルギーを加え、該気体を分解または活性化させ、被
膜を形成するものであった。この場合、反応のためのエ
ネルギ供給は熱のみであるため、その温度も高く、５０
０〜８００℃の範囲で行われていた。このため、高温に
弱い半導体素子を作製することは不可能であり、次世代
ＬＳＩ素子として有望な低温で被膜を形成する技術が求
められていた。またより低温で被膜を形成する方法とし
てプラズマＣＶＤ法が知られている。この場合は反応室
内に導入した反応性気体に外部より高周波電力を印加
し、該気体を分解、活性化せしめ、加熱された基板上に
被膜を形成するものである。この場合、加熱温度は２０
０〜４００℃の範囲であるが、プラズマという高エネル
ギー状態をとるため、分解、活性化された反応種が被膜
形成面上をたたき、損傷を与えてしまうため、形成され
た被膜と下地基板との界面において良好な特性が得られ
にくいという欠点を有していた。この場合も熱ＣＶＤ
（法）のときと同様にＧａＡｓ等の化合物半導体には使
用不可能であった。 【０００６】一方、最近、これらの問題を解決する技術
として光ＣＶＤ法がある。この方法は反応性気体に対し
て、光エネルギを与えて分解、活性化させて、基板上に
被膜を形成するものであり、熱ＣＶＤ法のように高温に
する必要がなく、またプラズマＣＶＤ法のように物理的
に下地物質にダメージを与えず、理想的な成膜法であ
る。上述のような作製方法により形成される絶縁膜を、
平坦化する方法としては、有機シリコン化合物の液体を
凹凸形状を有する基板面上に塗布し、加熱処理を施しガ
ラス化する方法、凹凸形状を有する絶縁膜にエッチバッ
クを施し、凹凸の形状をなめらかにするエッチバック法
等の種々の方法が行われている。これら平坦な層間絶縁
膜を形成する方法はいづれも、絶縁膜を形成する工程と
平坦化する工程とに分かれており、工程を増やし、作製
装置の数を増やしコスト高につながっていた。 【０００７】 【発明が解決しようとする課題】本発明はこれら従来の
問題点を解決するものであり急唆な段差のない層間絶縁
膜を形成することを目的としている。 【０００８】 【課題を解決するための手段】本発明は紫外光源による
光化学気相反応を伴って、珪化物気体及び酸化性気体を
分解または活性化せしめ気相反応を起こし、基板上の被
形成面上に酸化珪素被膜を所定の膜厚に形成するか、ま
たは光化学気相反応を行った後、プラズマＣＶＤ法に
て、さらに所定の膜厚にまで酸化珪素被膜を形成した後
同一反応室内にてエッチバック処理を施すことを特徴と
するものである。 【０００９】さらに必要に応じてこれらの工程を繰り返
し急唆な凹凸段差のない絶縁膜を形成するものである。
すなわち、絶縁膜形成した後、被処理基板へ出すことな
く、急唆な凹凸段差のない酸化珪素絶縁膜を形成する方
法を提供するものである。以下に実験例を示し、本発明
に示された酸素珪素被膜の作製方法を示す。 【００１０】 【実施例】 ［実施例１］図２に本実施例で用いた酸化珪素被膜形成
用装置の概略図を示す。図面において、反応室（１）内
の紫外光源室（４）内には複数の紫外光源（６）が設置
されており、前記紫外光源室（４）は反応室（１）の圧
力とほぼ等しくなるように調整されている。また被膜形
成用基板（３）は基板加熱用ヒータを兼ねた基板支持体
（２）により反応室（１）内に被膜形成面を下向きにな
るように設置されている。本装置では成膜時に発生する
フレーク等のゴミが基板に付着しないようにデポジショ
ンアップ方式を採用した。 【００１１】また反応性気体のうち、珪化物気体及び酸
化物気体は配管内でＭＩＸされ、ガスノズル（７）より
反応室内へ導入し基板（３）近くで混合するようになっ
ている。光化学気相反応を行う紫外光源（６）より照射
される紫外光は透過窓（５）を通って反応性気体に照射
される直接励起法を採用した。また、透過窓（５）上に
被膜が形成されることを防止するための低蒸気圧のオイ
ルをコートせずに反応を行った。特に本発明の場合、酸
化珪素膜を作製するため、透過窓上に被膜が形成されて
も紫外光は十分透過するため、特にその必要はなかっ
た。 【００１２】さらに、透外光透過窓（５）の上は、エッ
チング用のメッシュ電極（８）が載せられている。この
メッシュ電極（８）には、基板支持体（２）との間に電
源（９）により高周波電力を印加可能なように構成され
ており、必要に応じてメッシュ電極（８）基板支持体
（２）間に電力及びバイアス電圧を加え透過光窓（５）
のエッチング、被処理基板（３）のエッチバックが同一
反応室内にて行なえる構成となっている。本装置を用い
て、図１（Ａ）に示すような凹凸を有する基板に反応圧
力１５００Ｐａ〜７０００Ｐａ（１１〜５３Ｔｏｒ
ｒ）、基板温度２００℃〜４００℃、投入紫外光源電力
１３．５６ＭＨｚ、２００Ｗ〜３００Ｗの条件下にて反
応性気体としてモノシランと亜酸化窒素との割合を変化
させて酸化珪素被膜を形成した。 【００１３】光化学気相反応の場合、酸化性気体はその
活性化される割合が高い為、珪素量に対してＮ2Ｏ の比
を０．００５から０．０５の範囲で若干過剰に加え、単
結晶珪素半導体基板上に形成し、エリプソメータにて膜
厚と屈折率の測定を行った。ＳｉＨ4とＮ2Ｏの反応は例
えば紫外光源として低圧水銀ランプの１８ｎｍと２５４
ｎｍの共鳴線を使うと光子エネルギーはそれぞれ６．ｅ
Ｖ（１５３Ｋｃａｌ／ｍｏｌ）、４．９ｅＶ（１１２．
５Ｋｃａｌ／ｍｏｌ）であり、反応性気体分子に吸収が
起こり得れば原子間結合エネルギーを切ることは容易で
ある。 【００１４】各原子結合エネルギーを以下に示す。 【表 １】 Ｓｉ−Ｈ ７４．６ Ｋｃａｌ／ｍｏｌ Ｓｉ−Ｓｉ ７６ Ｋｃａｌ／ｍｏｌ Ｈ−Ｎ ８６ Ｋｃａｌ／ｍｏｌ Ｈ−Ｈ １０４ Ｋｃａｌ／ｍｏｌ Ｓｉ−Ｎ １０５ Ｋｃａｌ／ｍｏｌ Ｏ−Ｏ １１９ Ｋｃａｌ／ｍｏｌ Ｎ−Ｏ １４９ Ｋｃａｌ／ｍｏｌ Ｓｉ−Ｏ １９２ Ｋｃａｌ／ｍｏｌ Ｎ−Ｎ ２２７ Ｋｃａｌ／ｍｏｌ ＳｉＨ4 分子の光吸収端は１８５ｎｍより短波長側にピ
ークをもっているが若干の光吸収は行われていると考え
る。 【００１５】一方Ｎ2Ｏの光分解反応は次の過程が考え
られる。 Ｎ2Ｏ ＋ ｈｒ（１８５ｎｍ） → Ｎ2 ＋ Ｏ（1Ｄ） 活性化されたＯ（1Ｄ）がＳｉＨ4分子にアタックすると
結合が弱いＳｉ−Ｈは解離され、酸素ラジカルと置換さ
れＳｉ−Ｏ結合が形成される。ＳｉＨ4／Ｎ2Ｏ比を０．
００５から０．０５の範囲での酸素珪素被膜の屈折率、
赤外吸収から次の反応が考えられる。 ＳｉＨ4 ＋ ２Ｎ2Ｏ → ＳｉＯ2 ＋ ２Ｎ2 ＋ ２Ｈ2 ヒドラジン、アンモニアの生成も考えられるが本分析結
果からは考えにくいといえる。 【００１６】図３は反応圧力に対する成膜速度の関係を
示している。ガス組成比としてはＳｉＨ4／Ｎ2Ｏ比０．
０１、基板温度４００℃、投入紫外光源電力１３．５６
ＭＨｚ、３００Ｗの成膜条件下で行った。反応圧力を上
げていくにしたがって単位時間当たりに気相中に存在す
る原料（反応）ガスが増加し、成膜に寄与する活性種が
増え、成膜速度は増加するが２０〜２５ｔｏｒｒ付近に
ピークを持ち、それ以上の領域では活性種が他分子と衝
突する回数が増え成膜に寄与しない（例えば２次生成物
になる等）ことにより成膜速度が低下することも予想さ
れる。 【００１７】すなわち反応圧力に於いては最適領域が存
在することが考えられる。図４はプラズマＣＶＤ法にお
いて高周波電力密度を可変した時の成膜速度を示してい
る。反応圧力は０．４ｔｏｒｒ、基板温度は２００℃で
ありバブリング用キャリアガスの亜酸化窒素流量は１０
０ＳＣＣＭである。この可変範囲内では高周波電力密度
に対しリニアな増加傾向を示している。即ちＴＥＯＳの
供給律速にはなってない。ＴＥＯＳは普通６００℃以下
では熱分解しないので反応空間に導入される際、液体状
もしくは粘性の高いガス状態で基板表面、あるいは気相
中に存在することから基板温度が低く高周波電力密度が
小さい条件下では良好なステップカバレージ性を有する
が反面、膜質は−ＯＨ基やＣが膜中に残り必ずしも良好
とは言えない。 【００１８】一方、基板温度が高く高周波電力密度が大
きい条件下ではステップカバレージ性は若干低下する
が、膜質は改善される。しかし、Ａｌ上にヒロックの発
生が多くなり問題となる。以上から基板温度と高周波電
力密度の２つのパラメータに最適な条件が存在すること
が考えられる。ある反応圧力において基板温度はあまり
上げず粘性流動を促進させ膜質は高周波電力と基板にバ
イアス電力を加えることで安定化がはかれることが判明
した。尚、ここでキャリアガスとして用いた亜酸化窒素
は形成される酸化珪素被膜の酸素供給源でもある。 【００１９】図５はプラズマＣＶＤ法において、亜酸化
窒素の流量を可変した時の成膜速度を示している。反応
圧力は０．４ｔｏｒｒ、基板温度は２００℃であり、高
周波電力密度は０．３５Ｗ／ｃｍ2 ある。亜酸化窒素の
流量を５倍に増加しても成膜速度は１５％程度しか増加
しない。すなわち、ＴＥＯＳの分解によって酸化珪素膜
形成に必要な酸素は十分供給されており、亜酸化窒素の
分解による酸素ラジカルは成膜に大きく寄与しないと考
えられる。 【００２０】図６は酸化珪素被膜を六フッ化イオウを用
いてプラズマ、エッチングを行った際の高周波電力密度
を可変した時のエッチング速度である。反応圧力は０．
４ｔｏｒｒ、基板温度は２００℃、ＳＦ6 流量は２５Ｓ
ＣＣＭである。０．５６Ｗ／ｃｍ2 で５００Ａ／ｍｉｎ
〔Ａはオングストロームの意味で、以下同じ。ただし図
１（Ａ）のＡは図面番号〕程度が得られ十分エッチバッ
クプロセスに使えてなおかつ基板に負のバイアス電力を
加えることで、等方性あるいは異方性のエッチング形状
のコントロールができることが判明した。 【００２１】図７は、基板温度を可変した時のエッチン
グ速度である。反応圧力０．４ｔｏｒｒ、高周波電力密
度０．５６Ｗ／ｃｍ2、ＳＦ6流量２５ＳＣＣＭでは基板
温度依存性はほとんどなく、高周波電力密度でほぼ決ま
ってしまうと考えられる。層間絶縁膜を連続形成する際
のエッチング工程ではプロセスに選択性がもてる為、基
板温度は重要なパラメータの１つであるといえる。この
ような光ＣＶＤ法にて、図１（Ａ）に示すような凹凸形
状を有する基板上に酸化珪素被膜を前述の条件で約５０
００Ａ程度形成した。この基板上の凸部は高さ１μｍ程
度、スペース０．８μｍの形状を有していた。この基板
上にまず光ＣＶＤ法にて酸化珪素被膜（１０）を形成し
たので、この凹凸形状を均一におおうことができた〔図
１（Ｂ）〕。 【００２２】この後、反応室内の圧力を１０Ｐａに調整
し、前述の透過光窓（５）上のメッシュ電極（８）と基
板支持体（２）の間に電源（９）により高周波電力例え
ば１３．５６ＭＨｚの電力を８０Ｗ印加した。反応気体
はＴＥＯＳ／Ｎ2Ｏ とし、バブリング用Ｎ2Ｏ 流量は１
００ＳＣＣＭで、その他の条件は光ＣＶＤと同様で行
い、プラズマＣＶＤ法にて、酸化珪素被膜（１１）を約
１．５μｍ〜２．０μｍ形成した〔図１（Ｃ）〕。この
プラズマＣＶＤ法による酸化珪素形成はステップカバレ
ージ性は光ＣＶＤに比べて若干おとるが、成膜速度が
０．５〜１μｍ／分と速く、生産性に富む。 【００２３】図１（Ｃ）のように凹凸をおおって酸化珪
素被膜を厚く形成した後、反応室内の反応性ガスを排気
して除去した後、エッチング用気体であるハロゲン化物
気体例えばＳＦ6、ＣＦ3、ＣＦ4、ＣＦ3Ｈ等を反応室内
に導入し、圧力を１０Ｐａに調整して、メッシュ電極
（８）と基板支持体（２）間に電力を印加しプラズマ放
電を起こし、形成された被膜（１１）のエッチングを行
い凹凸段差の急唆な部分をなくした〔図１（Ｄ）〕。こ
の時、同時にメッシュ電極（８）と基板支持体（２）の
間にバイアス電圧を加えるとエッチングにより凹凸段差
の形状をコントロールすることができた。すなわち基板
側に負のバイアス電圧を加えると凹凸段差がよりなめら
かにすることができた。 【００２４】この処理を行い約０．２〜０．５μｍエッ
チングを行い、図１（Ｄ）に示すように凹凸段差の急唆
な部分を取り除いた。このようにして同一装置、同一反
応室にて急唆な段差のない層間絶縁膜を作製することが
できた。また、エッチング処理時に、同時に反応室内壁
及び透過光窓（５）上についた被膜を除去することがで
き、装置をクリーニングのために停止することも必要が
なく生産性向上につながった。また本実施例においては
酸化珪素被膜の作製をプラズマＣＶＤ法と光ＣＶＤ法と
を併用したが、光ＣＶＤ法のみで作製してもいいことは
明らかである。 【００２５】［実施例２］図１（Ａ）に示す基板上に実
施例１と全く同じ条件下にて、光ＣＶＤ法にて酸化珪素
被膜を約５０００Ａ形成した後、反応室内の反応性気体
を入れかえ、実施例１と同様の条件下にてエッチバック
を約５００Ａ程度施した。その後さらに反応性気体を入
れかえ、同様の条件にて再度光ＣＶＤ法にて酸化珪素被
膜を形成する、このようなサイクルを複数回繰り返して
実施例１と同様な急唆な凹凸段差のない層間絶縁膜を形
成することができた。 【００２６】本実施例においては光ＣＶＤによる被膜形
成とプラズマエッチングとの交互に行うので被膜形成に
より汚れた反応室をエッチング工程によりクリーニング
を同時に行なえるという特徴を持つ。なお、層間絶縁膜
の積層構造に於いて最上部は光ＣＶＤ膜であることが望
ましいことをつけ加えておく。なぜなら第２層目Ａｌ膜
をスパッタ被着する際に、最上部がＴＥＯＳ酸化珪素膜
では膜からの放出ガス（水分、Ｈ2 ｅｔｃ）により、Ａ
ｌの膜質に悪影響をおよぼすおそれがあるからである。
よって理想的な層間絶縁膜の積層構造としては光ＣＶＤ
膜／プラズマＣＶＤ膜／光ＣＶＤ膜となる。 【００２７】尚層間絶縁膜として重要な耐圧は１層目の
光ＣＶＤ膜でもたせることは十分可能である。参考まで
に光ＣＶＤ膜の耐圧は５ＭＶ／ｃｍ以上である。以上の
実施例において絶縁膜として酸化珪素被膜を開示した
が、その他の絶縁膜、窒化珪素膜、ＰＳＧ、ＢＰＳＧ、
アルミナ膜でも応用可能である。さらに反応性気体とし
てシランのみでなく、その他のポリシラン類（ＳｉnＨ
2n+2）、ジメチルシラン、テトラメチルシラン等の有機
珪素化合物〔ＳｉＨn（ＣＨ4）4-n〕を必要に応じて使
用することも可能である。 【００２８】 【発明の効果】以上示したように、本発明は従来用いら
れていた条件とは明らかに異なった条件下にて高速で、
しかも高品質の酸化珪素被膜の形成方法であり、ＬＳ
Ｉ、超ＬＳＩ等に使用される層間絶縁膜にも光ＣＶＤ法
にて形成された被膜で始めて使用可能となった。 【００２９】本発明方法により、急唆な凹凸段差のない
層間絶縁膜を同一の装置の同一反応室内で行なえること
ができ、装置コスト製造コストを下げることができた。
また、エッチバック工程時に反応室内壁及び透過光窓の
エッチングも同時に行なえるという特徴を持つ。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の層間絶縁膜作製の工程を示す図。
【図２】本発明にて用いた装置の概略図を示す図。
【図３】光ＣＶＤ法による酸化珪素被膜の反応圧力に対
する成膜速度の関係を示す図。 【図４】プラズマＣＶＤ法による酸化珪素被膜の高周波
電力密度に対する成膜速度の関係を示す図。 【図５】プラズマＣＶＤ法による亜酸化窒素流量に対す
る成膜速度の関係を示す図。 【図６】酸化珪素被膜の高周波電力密度に対するエッチ
ング速度の関係を示す図。 【図７】酸化珪素被膜のプラズマエッチング時の基板温
度に対するエッチング速度の関係を示す図。 【符号の説明】 １ 反応室 ２ 基板支持体 ３ 皮膜形成用基板 ４ 紫外光源室 ５ 透過光窓 ６ 紫外光源 ８ メッシュ電極 ９ 電源 １０ 酸化珪素被膜
する成膜速度の関係を示す図。 【図４】プラズマＣＶＤ法による酸化珪素被膜の高周波
電力密度に対する成膜速度の関係を示す図。 【図５】プラズマＣＶＤ法による亜酸化窒素流量に対す
る成膜速度の関係を示す図。 【図６】酸化珪素被膜の高周波電力密度に対するエッチ
ング速度の関係を示す図。 【図７】酸化珪素被膜のプラズマエッチング時の基板温
度に対するエッチング速度の関係を示す図。 【符号の説明】 １ 反応室 ２ 基板支持体 ３ 皮膜形成用基板 ４ 紫外光源室 ５ 透過光窓 ６ 紫外光源 ８ メッシュ電極 ９ 電源 １０ 酸化珪素被膜
フロントページの続き
(56)参考文献 特開 昭62−132327（ＪＰ，Ａ)
特開 昭57−157529（ＪＰ，Ａ)
特開 昭62−18042（ＪＰ，Ａ)
特開 昭64−35960（ＪＰ，Ａ)
(58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名)
H01L 21/316
ＪＩＣＳＴファイル（ＪＯＩＳ)
ＷＰＩ（ＤＩＡＬＯＧ)
Claims (1)
- (57)【特許請求の範囲】 １．第１のＣＶＤ法により形成された絶縁膜上に、有機
珪素化合物を含む反応気体を用いて前記第１のＣＶＤ法
と励起手段が異なる第２のＣＶＤ法により酸化珪素膜を
形成することを特徴とする絶縁膜形成方法。 ２．請求項１において、第１のＣＶＤ法は有機珪素化合
物を含む反応気体を用いることを特徴とする絶縁膜形成
方法。 ３．請求項１又は請求項２において、第２のＣＶＤ法は
プラズマＣＶＤ法であることを特徴とする絶縁膜形成方
法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP9303494A JP3038473B2 (ja) | 1997-10-17 | 1997-10-17 | 絶縁膜形成方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP9303494A JP3038473B2 (ja) | 1997-10-17 | 1997-10-17 | 絶縁膜形成方法 |
Related Parent Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP7287856A Division JP2767572B2 (ja) | 1995-10-09 | 1995-10-09 | 絶縁膜形成方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH10135204A JPH10135204A (ja) | 1998-05-22 |
| JP3038473B2 true JP3038473B2 (ja) | 2000-05-08 |
Family
ID=17921647
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP9303494A Expired - Lifetime JP3038473B2 (ja) | 1997-10-17 | 1997-10-17 | 絶縁膜形成方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3038473B2 (ja) |
-
1997
- 1997-10-17 JP JP9303494A patent/JP3038473B2/ja not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH10135204A (ja) | 1998-05-22 |
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