JP3123061B2 - バイアスｅｃｒ―ｃｖｄ法による埋め込み平坦化方法 - Google Patents

バイアスｅｃｒ―ｃｖｄ法による埋め込み平坦化方法

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Description

【発明の詳細な説明】 以下の順序で本発明を説明する。
産業上の利用分野 発明の概要 従来の技術 発明の目的 問題点を解決するための手段 作 用 実施例 実施例−１ 実施例−２ 実施例−３ 発明の効果 〔産業上の利用分野〕 本発明は、バイアスECR−CVD法による埋め込み平坦化
方法に関する。本発明は、例えば、各種開口が形成され
た下地を埋め込み平坦化して回路構造を得る半導体装置
の製造方法等、各種電子材料の製造の際の埋め込み平坦
化方法として利用できる。
〔発明の概要〕
本出願の請求項１の発明は、幅ｘ、深さｙの凹部を有
する下地をバイアスECR−CVD法により埋め込み平坦化す
る際、垂直方向への堆積速度の水平方向への堆積速度に
対する比ａを、 の値にしたことによって、埋め込み中の凹部のアスペク
ト比を凹部の当初のアスペクト比と等しく保つことによ
り、中空等の生じない被覆性の良好な埋め込み平坦化を
達成したものである。
本出願の請求項２の発明は、凹部を有する下地をバイ
アスECR−CVD法により埋め込み平坦化する際、含珪素有
機ガスを含有するガス系を用いて堆積を行うことによっ
て、下地のパターン形状による堆積厚の依存性を無く
し、均一で、かつ中空等の生じない被覆性の良好な埋め
込み平坦化を達成したものである。
本出願の請求項３の発明は、凹部を有する下地をバイ
アスECR−CVD法により埋め込み平坦化する際、含珪素有
機ガスを含有するガスを用いた堆積と、水素化珪素を含
有するガスを用いた堆積とを交互に行うことによって、
下地のパターン形状による堆積厚の依存性を無くし、均
一で、かつ中空等の生じない被覆性の良好な埋め込み平
坦化を達成するとともに、含珪素有機ガスによりカーボ
ンリッチになることに伴う問題点を解決するようにした
ものである。
〔従来の技術〕
電子材料の微細化が進む中で、基板等の下地の凹部を
埋め込み平坦化する技術についても、一層の改良が望ま
れている。
例えば、半導体集積回路の微細化・高集積化に伴い、
従来のLOCOS（選択酸化法）や改良LOCOSに替わり、新し
い素子分離技術が要求されており、そのひとつにシャロ
ートレンチアイソレーション法がある。これは、シリコ
ン基板等の基体中に、通常、ドライエッチングにより0.
3〜1.0μｍ程度、より好ましくは0.1〜1.0μｍ程度のト
レンチ（溝）を形成し、該トレンチ部をSiO2などの絶縁
膜で埋め込んでこれを素子分離領域とするものである。
該トレンチアイソレーション法は、微細でかつアスペク
ト比の大きいトレンチを埋め込むので、かかる埋め込み
を良好に信頼性高く達成できる技術が望まれている。
このようなトレンチ埋め込み平坦化には、高アスペク
ト比のトレンチを埋め込む場合のその埋め込み能力の高
いバイアスECR−CVD法が有効であり、本出願人もこれに
関連する技術について鋭意開発に努めてきた。バイアス
ECR−CVD法は、周知の如く、エッチングと堆積とを同時
進行的に行うものであり、凹部の埋め込み等、平坦な層
を形成するために有効に用いることができる。
しかし、単にバイアスECR−CVDを用いて凹部を埋め込
む方法では、第６図に示すように、側壁と底部への堆積
量が同じであると、埋め込みが進むにつれて、残った被
埋め込み凹部のアスペクト比が大きくなってしまうとい
う欠点があった。
即ち第６図（ａ）に示すのは、基体１に形成されたア
スペクト比2.9の凹部10a及び同1.8の凹部10bを埋め込む
場合であり、図中の１〜９の数字は、堆積により形成さ
れたCVD層を、形成される順に模式的に記したものであ
る。図示の場合は、凹部の側壁への堆積速度と、底面へ
の堆積速度は等しい場合であり、かつ、エッチング速度
と堆積速度とが等しくなる面角度は、40゜と70゜と仮定
してある。第６図（ａ）の堆積により形成される層順、
特に凹部10a,10bにおける符号1,2,3の層から明らかなよ
うに、水平方向と垂直方向との堆積速度が等しいとき、
埋め込まれる途中の凹部は、埋め込みに伴って順次アス
ペクト比が大きくなっていることがわかる。これは、第
６図（ｂ）に示すアスペクト比の小さい凹部10cの場合
は余り問題ではないが、アスペクト比が大きくなると、
この問題が重要である。
このように、埋め込み途上でアスペクト比が大きくな
ると、良好な埋め込みが達成できないで、中空部（voi
d）が生ずるなどの問題の起こるおそれがある。
また、別の問題として、このバイアスECR−CVD法によ
る埋め込み方法には、埋め込みにパターン依存性があ
り、第７図に示すように、広い凹部10cでは、アスペク
ト比の大きい凹部10a,10b（トレンチ部）より、埋め込
み膜厚が多少薄くなるということがある。そのため、広
い凹部10cを丁度埋め込むと、凹部10a,10b上には、第７
図にｌで示す分だけ堆積層が大きくなる。よってマスク
合わせを１度のみにして適正なトレンチ（凹部10a,10
b）埋め込みを行うと、広い凹部10cの埋め込み厚が薄く
なってしまうという欠点があった。また逆に、広い凹部
10cを適正に埋め込んで、上記ｌの分だけ凹部10a,10b上
に堆積層を大きくした場合には、後でこの余分のｌの分
のSiO2を除去しなければならず、この除去のためには、
２度のマスク合わせの必要があり、工程が煩雑になると
ともに、マスク合わせのずれが発生するおそれがあっ
た。（この問題については、本出願人による平成元年10
月25日出願の特願平１−277931号に詳しい）。
〔発明の目的〕
本出願の各発明は、上述した問題点を解決して、バイ
アスECR−CVD法により良好な埋め込みを達成できる技術
を提供することが目的である。
即ち、本出願の請求項１の発明は、埋め込み中に凹部
のアスペクト比が大きくなることを防止して、中空部な
どの生じない良好な埋め込みを達成する埋め込み平坦化
方法を提供せんとするものである。
本出願の請求項２の発明は、広い凹部と狭い凹部との
埋め込みに膜厚差を生じないようにして、容易な工程で
かつ中空部などの生じない良好な埋め込みを達成できる
埋め込み平坦化方法を提供せんとするものである。
本出願の請求項３の発明は、上記請求項２の発明の目
的に加えて、膜質の安定性を一層良好にせんとするもの
である。
〔問題点を解決するための手段〕
上記目的を達成するため、本出願の各発明は、以下の
ような構成とする。
請求項１の発明は、幅ｘ、深さｙの凹部を有する下地
をバイアスECR−CVD法により埋め込み平坦化する際、垂
直方向への堆積速度の水平方向への堆積速度に対する比
ａを、 の値にしたことを特徴とするバイアスECR−CVD法による
埋め込み平坦化方法であって、これにより上記目的を達
成したものである。
請求項２の発明は、請求項１の発明において、凹部を
有する下地をバイアスECR−CVD法により埋め込み平坦化
する際、含珪素有機ガスを含有するガス系を用いて堆積
を行うことを特徴とするバイアスECR−CVD法による埋め
込み方法であって、これにより上記目的を達成したもの
である。
請求項３の発明は、凹部を有する下地をバイアスECR
−CVD法により埋め込み平坦化する際、含珪素有機ガス
を含有するガスを用いた堆積と、水素化珪素を含有する
ガスを用いた堆積とを、少なくとも含珪素有機ガスを含
有するガス系を用いて堆積した膜を、水素化珪素を含有
するガスを用いて堆積した膜で挟むように交互に行うこ
とを特徴とするバイアスECR−CVD法による埋め込み方法
であって、これにより上記目的を達成したものである。
請求項2,3の発明において、含珪素有機ガスとは、TEO
S（テトラエトキシオキシシラン）や、DADBS（デアセト
キシ・デターシャリーブトキシシランdiacetoxyditerti
arybutoxysilane）、TMCTS（テトラメチルサイクロテト
ラシラン）、DES（ジエチルシラン）などの、分子中に
珪素と有機基とを有する化合物であるガスを言う。この
ような化合物は、平坦化性能や被覆性も良く、注目され
ている（日刊工業新聞、90年３月２日の記事、また、19
88年春季応用物理学会予稿集30p−Ｖ−11の赤堀らの報
告、また、SEMICONDUCTOR INTERNATIONAL,MARCH 1990,P
82〜85の論文“Selecting An Organosilicon Source Fo
r LPCVD Oxide参照）。
また、請求項３の発明において、水素化珪素とは、Si
H4（シラン）、Si2H6（ジシラン）等、水素と珪素とが
結合して成る化合物を言う。
〔作 用〕
本出願の請求項１の発明の作用について、第１図を参
照して説明すると次のとおりである。
いま、深さｙ、幅ｘのトレンチ（凹部）10があったと
する。そのアスペクト比ARoは、y/xである。
次に側壁と水平面の堆積速度の比、即ち垂直方向の堆
積速度の、水平方向の堆積速度に対する比をａとして、
水平方向（側方向）の堆積速度をｚとすると、側壁にｚ
だけ成長した後のトレンチの幅はｘ−2zとなり、一方、
深さはｙ−azとなる。よってこの時点でのアスペクト比
AR1は、 AR1＝（ｙ−az）／（ｘ−2z） …… となる。
ここで、請求項１の発明においては、 であるので、のアスペクト比のａに上記条件を適用す
ると、のアスペクト比AR1は、 となる。これは当初のアスペクト比AR0と等しい。よっ
て、この発明の条件でバイアスECR−CVDを行うと、アス
ペクト比を変えることなく、堆積を進行できる。
この結果、堆積中にアスペクト比が大きくなることに
伴って生じる、埋め込み不良の発生等のおそれを解消で
きるのである。
次に、本出願の請求項２の発明の作用について述べ
る。
この発明においては、TEOS（テトラエトキシオキシシ
ラン）等の含珪素有機ガスを用い、これと、通常、O2、
O3、NO2等の酸化性ガス等を混合してガス系とするが、
かかる含珪素有機ガスを含有するガス系によれば、凹部
の側壁に堆積する膜の膜厚が、同じく水平面の膜厚より
小さくなる。この結果、中空などの生じない被覆性良好
な埋め込みを達成できるとともに、下地パターンによる
膜厚の依存性を小さくして、均一な水平面上の膜厚を得
ることができる。
次に、本出願の請求項３の発明は、含珪素有機ガスを
含有するガスによる堆積と、シラン等の水素化珪素を含
有するガスによる堆積とを交互に行うので、各ガスによ
り形成される層を交互に得ることができ、サンドイッチ
状の層構成が得られ、これにより、含珪素有機ガスを含
有するガス系のみを用いた場合にカーボンリッチになっ
て、例えば形成された膜に炭素が含有されるようにな
り、絶縁耐圧が劣化すること等の問題を解決できる。
〔実施例〕
以下本出願の各発明の実施例について、説明する。但
し当然のことではあるが、各発明は以下に示す実施例に
より限定されるものではない。
実施例−１ この実施例は、本出願の請求項１の発明を具体化した
ものである。特に、微細化・集積化した半導体装置を形
成する場合に、接続孔としてアスペクト比の大きい凹部
が設けられている下地上に配線を形成するとき、この発
明の埋め込み平坦化法を適用したものである。かかる半
導体装置は、例えば16メガビットクラスのSRAM用素子と
して用いることができる。
この実施例は、請求項１の発明を利用しているので、
凹部を埋め込み平坦化するバイアスECR−CVDの条件を、
垂直方向への堆積速度の水平方向への堆積速度に対する
比ａが、 の値になるように設定する。
このような条件でバイアスECR−CVD法で異方性の成長
を行わせる手段として、具体的には、次のようなものが
ある。
（１）従来行っていた条件より低い圧力とし、反応種の
平均自由工程を大きくして成長させる。
（２）上記条件で堆積が進むような反応ガス系を用い
る。例えば、ガス系をTEOS＋O2系などにする。
本実施例では、上記（１）（２）の如き具体的手段の
内、（１）の手段を用いた。即ち、次のように実施し
た。
圧力を、充分低圧にする。ここでは、圧力を９×10-5
Torr以下にした。
ガス系、及びその他の条件は、次のとおりである。
使用ガス系:SiH4/N2O＝20/35SCCM RFバイアス:500W マイクロ波:800W 磁 場:875Gauss 本実施例では、上記の条件でバイアスECR−CVD法によ
り成膜を行って、下地１である基板の凹部10の埋め込み
平坦化を行った。上記条件であると、堆積種の平均自由
工程が大きくなり、前記したとおりの堆積速度比ａとな
るようにして、異方性堆積が行える。
本実施例によれば堆積中に凹部のアスペクト比が大き
くなることなく、よって中空部（void）の発生なく、良
好に穴埋めを実現することができた。
上述の如く、本実施例では、圧力を９×10-5Torr以下
にしてバイアスECR−CVDにより埋め込み平坦化を行うこ
とにより、側壁への成長速度と水平面での成長速度の比
ａを1:2y/xにコントロールして埋め込み平坦化を達成し
たので、常に同じアスペクト比で埋め込みを実現でき、
中空等の発生なく、0.3〜0.35μｍ程度の径（幅）の微
細孔も良好に穴埋めできる。また、埋め込み膜厚のパタ
ーン依頼性が生じないように実施することも可能であ
る。
実施例−２ 次に実施例−２を説明する。この実施例は本出願の請
求項２の発明を具体化したものである。本実施例も、実
施例−１と同様の分野に適用することができるものであ
る。
本実施例では、バイアスECR−CVD法により穴埋めの平
坦化を行うに際し、TEOS＋O2のガス系を用いる。
装置としては、通常のバイアスECR−CVD装置を用い、
そのプラズマ発生室側にO2を流し、プラズマ引き出し窓
付近に設けたガスリングよりTEOSを流す。
具体的なCVD条件は、以下のとおりとした。
使用ガス系:TEOS/O2＝20/30SCCM RFバイアス:500W 圧 力:7×10-4Torr マイクロ波:800W 磁 場:875Gauss このようにして凹部の埋め込み平坦化を行った所、凹
部の側壁につく膜厚と、水平面につく膜厚比が0.8以下
にできた。即ち、第２図に示すとおり、凹部10の垂直方
向の膜厚（水平面につく膜厚）を１とすると、水平方向
の膜厚（側壁につく膜厚）Ａは0.8以下にすることが可
能ならしめられた。
第３図は、横軸に上記Ａをとり、縦軸にアスペクト比
をとって、両者の関係を示したものであるが、本実施例
によれば、Ａを0.8以下とすることができるので、この
第３図より、アスペクト比が2.0以上の高アスペクト比
の凹部の埋め込みが可能ならしめられることがわかる。
上記のように、本実施例によれば、アスペクト比2.0
以上のトレンチの埋め込みが可能になるとともに、高ア
スペクト比の凹部であってもその埋め込みが他の部分
（低アスペクト比の広い凹部等）より厚くなるというこ
とを防止でき、よって高アスペクト比の凹部には厚い膜
が形成されるという問題をも解消できる。従って、これ
により、埋め込み膜厚のパターン依存性が低減できたも
のである。
本実施例は、請求項１の発明を実施するものでもあ
り、請求項１におけるａの値を2y/xにして実施する。こ
のことにより、請求項１の発明の具体例となっている。
かつ、請求項１の発明の一実施態様として、TEOS等の含
珪素有機ガスを用いる手段が好ましいことの例証にもな
っている。
TEOS＋O2系のガス系を用いると側壁の膜厚が水平面の
膜厚より小さくなる理由は、明らかではない。以下のよ
うなことによるものではないかと推定される。
TEOSとO2が反応してできる前駆体は、有機系の側鎖を
持った大きな分子で、基板に到着すると、すぐそこに付
着する。第４図（ａ）に模式的に示す如くである。第４
図（ａ）中、M1でこの分子を示す。分子M1は基板１に付
着して直ちに膜形成し、第４図（ａ）中に符号２で示す
ように水平面で厚く、側壁で薄く成膜する。このように
いわゆる付着係数が１に近いため、ECR−CVDにおける長
い平均自由工程を反映した形で膜形成が起こり、第４図
（ａ）のような堆積となる。一方、例えばSiH4＋O2系の
反応生成物SiOXは、第４図（ｂ）にやはり符号M2で模式
的に示す如く表面で多少マイグレートするため、形成さ
れた膜２′の膜厚比が１に近くなる。
本実施例では、TEOSを用いたが、勿論、TEOSにかえ
て、これと同様の挙動を示す含珪素有機ガスであるDADB
Sなどを用いてもよく、また、O2のかわりにO3、N2Oなど
を用いることもできる。
本実施例によれば、アスペクト比が例えば1.79以上で
ある深い凹部についても、それに中空部が生じないよう
に良好な埋め込みを達成できる。かつ、凹部のアスペク
ト比の大きい部分においても、広い凹部の部分において
も、埋め込み膜厚差を同一でき、埋め込み膜厚差のパタ
ーン依存性を解決できる。
実施例−３ 本実施例は、本出願の請求項３の発明を具体化したも
ので、実施例−1,2と同様な分野に適用できるものであ
る。
上記実施例−２においては、含珪素有機ガスを用い、
これとO2等の酸化性ガスを用いてガス系としたが、この
場合、どうしてもガス中のＣ含有率が多くなって、形成
されるSiO2膜にＣが含有され、デバイスに影響を与える
おそれが出て来る。
これに対し、本実施例では、SiH4ソースのSiO2膜との
サンドイッチ構造をとる構成にして、埋め込みを行っ
た。
本実施例では、通常のバイアスECR−CVD装置を用い
て、次の３工程で、凹部の埋め込みを行った。
（第１工程） まず、下記の条件で埋め込みを行った。
使用ガス系:SiH4/O2（またはN2O）＝20/35SCCM 圧 力:7×10-4Torr RFバイアス:500W マイクロ波:800W 磁 場:875Gauss 上記の条件で、500nmほどSiO2膜を成長させる。
（第２工程） 次に上と全く同じ条件で、ガス系中のSiH4をTEOSにか
えて、80％位まで埋め込みを行う。
（第３工程） 再び第１工程の条件に戻して、100％の埋め込みを行
う。
本実施例に用いる装置では、上記のようにガス系を切
り換えるので、これを容易にするため、ガス導入リング
を複数にしておく構成にすることもできる。
得られた埋め込み構造を第５図に示す。図示のよう
に、TEOSソースSiO2膜32は、SiH4ソースSiO2膜31,33で
サンドイッチされている。従って、TEOSソースSiO2膜32
の含有カーボンが、デバイスに与える影響は、これを挟
むSiH4ソースSiO2膜31,33により遮断される。よって、
ガス系がカーボンリッチであることに伴う問題点は解決
されるのである。
第５図の構造は、凹部10が、その上面開口において削
られることなく、しかも該上面開口に堆積を生じずよっ
て凹部開口をおおってしまうオーバーハングも生じない
良好な埋め込み形状であるが、このような構造は、エッ
チング速度と、堆積速度の面角度依存性を考慮して、最
適ガス比で埋め込みを行うことにより達成されるもので
ある。上述した条件によれば、このような良好な構造の
埋め込みを実現できる。
〔発明の効果〕
上述の如く本出願の請求項1,2,3の発明によれば、良
好な埋め込み平坦化を達成でき、また、下地パターン形
成による膜厚の依存性を解消するように構成することが
でき、また、請求項３の発明によれば、良好な膜質で埋
め込みを達成することができる。
【図面の簡単な説明】
第１図（ａ）（ｂ）は、実施例−１の作用説明図であ
る。第２図は、実施例−２により得られた埋め込み構造
の断面図である。第３図、第４図は実施例−２の作用説
明図であり、第３図は、堆積膜厚比とアスペクト比との
関係を示すグラフ、第４図（ａ）は本実施例による堆積
の状況を示す模式図、第４図（ｂ）は従来例による比較
の堆積の状況を示す模式図である。第５図は、実施例−
３により得られた埋め込み構造の断面図である。第６図
（ａ）（ｂ）及び第７図は、問題点を示す図である。 ｘ……凹部の幅、ｙ……凹部の深さ、１……下地、10…
…凹部。

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】幅ｘ、深さｙの凹部を有する下地をバイア
    スECR−CVD法により埋め込み平坦化する際、垂直方向へ
    の堆積速度の水平方向への堆積速度に対する比ａを、 の値にしたことを特徴とするバイアスECR−CVD法による
    埋め込み平坦化方法。
  2. 【請求項２】凹部を有する下地をバイアスECR−CVD法に
    より埋め込み平坦化する際、含珪素有機ガスを含有する
    ガス系を用いて堆積を行うことを特徴とする請求項１に
    記載のバイアスECR−CVD法による埋め込み方法。
  3. 【請求項３】凹部を有する下地をバイアスECR−CVD法に
    より埋め込み平坦化する際、含珪素有機ガスを含有する
    ガスを用いた堆積と、水素化珪素を含有するガスを用い
    た堆積とを、少なくとも含珪素有機ガスを含有するガス
    系を用いて堆積した膜を、水素化珪素を含有するガスを
    用いて堆積した膜で挟むように交互に行うことを特徴と
    するバイアスECR−CVD法による埋め込み方法。
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