JP3166379B2

JP3166379B2 - 絶縁膜の製造方法および製造装置

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Publication number: JP3166379B2
Application number: JP02587293A
Authority: JP
Inventors: 直人辻
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 1993-02-16
Filing date: 1993-02-16
Publication date: 2001-05-14
Anticipated expiration: 2016-05-14
Also published as: JPH06244175A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、マイクロ波が導入さ
れるマイクロ波窓を備えるとともに少なくともプラズマ
原料ガスが導入されるプラズマ生成室と、プラズマ生成
室を同軸に囲みプラズマ生成室内にマイクロ波との電子
サイクロトロン共鳴磁界を形成する主励磁ソレノイド
と、プラズマ生成室と内部空間が連通するとともに基板
をその被成膜面をプラズマ生成室に向けて保持し、高周
波電力の印加および温度制御可能な基板ホールダを内包
する試料室とを備える電子サイクロトロン共鳴プラズマ
ＣＶＤ装置あるいはさらに基板ホールダの反主励磁ソレ
ノイド側に主励磁ソレノイドと同軸に補助励磁ソレノイ
ドが配され基板近傍にミラー磁界を形成可能とした電子
サイクロトロン共鳴プラズマＣＶＤ装置を用い、基板に
形成する絶縁膜として、導入ガスにプラズマ原料ガスと
してプラズマ生成室に導入されプラズマ化される酸素
と、プラズマ化された酸素により活性化されるシランと
を用いて酸化シリコン膜を形成する絶縁膜の製造方法
と、この製造方法を適用する電子サイクロトロン共鳴プ
ラズマＣＶＤ装置の構成とに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】基板上に形成された配線等を覆う絶縁膜
のうちで酸化シリコン膜は、半導体装置の製造プロセス
において、層間絶縁膜として形成される場合が多いが、
この酸化シリコン膜には、低温で成膜できること、膜の
内部応力が小さいこと、エッチングレートが小さいこ
と、膜厚分布が良いこと、段差被覆性が良いこと、耐透
水性に優れていること等の特性が要求されており、成膜
装置としては、良好な膜特性を保ったままでの成膜速度
の向上が要求されている。

【０００３】これらの諸条件を充足する成膜方法とし
て、電子サイクロトロン共鳴プラズマＣＶＤ（以下、Ｅ
ＣＲプラズマＣＶＤという。）法がある。図１１はこの
方法により成膜を行うＥＣＲプラズマＣＶＤ装置の要部
を示す。図に示すように、導波管１内を進行してきたマ
イクロ波をマイクロ波窓２を介してプラズマ生成室３に
導入すると共に、主励磁ソレノイド４によりプラズマ生
成室３内に磁場を形成することによって、第１ガス導入
系５から導入されたプラズマ原料ガスを電子サイクロト
ロン共鳴を利用してプラズマ化する。主励磁ソレノイド
４は、プラズマ引き出し窓６を介してプラズマ生成室３
と繋がっている試料室７に向かって発散磁場を形成して
おり、この発散磁場によりプラズマ生成室３内のプラズ
マは試料室７に引き出される。このプラズマ流は第２ガ
ス導入系８から導入された反応性ガスと反応しながら基
板ホールダ９上に置かれた基板１０に到達し、基板１０
の上に膜を形成することができる。さらに、前記主励磁
ソレノイド４と同軸にかつ基板を挟む軸方向の位置に補
助励磁ソレノイド（以下サブソレノイドと記す）１３を
配置し、このサブソレノイド１３に前記主励磁ソレノイ
ド４と逆方向の磁界を生じさせるように電流を流して基
板近傍で双方の磁界が急激に外方へ広がる、いわゆるカ
プス磁界を形成させ、基板１０の上に形成された膜の膜
厚分布を均一にするカプス磁界型ＥＣＲプラズマＣＶＤ
装置の使用がさかんになりつつある。

【０００４】この方法では、１０^-3〜１０^-4Ｔｏｒｒの
低圧下で高密度のプラズマが得られ、基板１０を加熱す
ることなしに、内部応力が小さく、耐酸性の高い酸化シ
リコン膜を形成することができる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来の成膜方法においては、基板の大型化に対応できず、
基板１０が８インチのウエーハである場合に、成膜速度
が１０００Å／ｍｉｎ程度の比較的低速度でも、形成さ
れた膜の膜厚分布が±１０％以上と大きく、膜厚の均一
性が悪くなってしまうという問題点があり、これは、従
来のプラズマ発生と輸送の方法に限界があることを示し
ている。

【０００６】また、上記方法は、成膜速度の向上に関し
ても限界があり、成膜速度を向上させるためには、より
高密度のプラズマを基板近傍に存在させる必要がある。
また、上記方法は、段差被覆性が充分でないという欠点
を有しており、基板上に配線等の段差がある場合には、
高周波電力を基板に印加し、その自己バイアス効果（高
周波電力を基板に印加すると基板表面に対地負極性の表
面電位が現れ、これによりプラズマ中のイオンが加速さ
れ、成膜速度が速くなり勝ちな配線項面の膜が配線間底
面よりも強くスパッタされながらスパッタと成膜とが同
時進行し、この結果配線が均一な膜に覆われるようにな
る効果）により段差の被覆を行う方法が提案されている
が、高周波電力を基板に印加すると、基板の表面電位に
よる電界強度が基板中央部と周縁部とで異なることから
膜質の均一性が損なわれるという問題もあった。

【０００７】また、上記方法は、段差被覆性に関して、
基板近傍にカプス磁界が形成されている場合には、プラ
ズマ生成室を同軸に囲む主励磁ソレノイドが形成する磁
界に沿って移動する際のプラズマ中イオンの慣性が、平
均自由行程の長さにより保持されるために、斜め入射が
甚だしく、対称性の損なわれた段差被覆性となる（図１
０(a) 参照）。

【０００８】また、成膜中のウエーハが１５０℃未満の
温度の場合、膜中に水分が含まれ、これにより膜中に生
じていた内部応力が、アニーリング熱処理により圧縮側
から引っ張り側に向かって大きく変動し、基板上配線に
ダメージを与えるという問題があった。また、一方、Ｌ
ＳＩの信頼性に大きな影響を与える耐透水性も、成膜中
のウエーハが１５０℃未満の温度の場合、膜の結合状態
が緻密ではないために悪いという問題点もあった。

【０００９】また、一方、周波数がマイクロ波（通常
２．４５ＧＨｚ）よりも２桁以上小さいいわゆる高周波
の周波数（通常１３．５６ＭＨｚ）によりプラズマ生成
が行われるＲＦグロー放電プラズマＣＶＤ装置を用いて
酸化シリコン膜を形成する場合には、成膜中のウエーハ
温度を３５０℃程度として成膜が行われ、この場合には
膜中に水分があまり含まれず、アニーリング熱処理によ
る応力変動は少ないものの、成膜時の熱応力によるダメ
ージが大きく、またプラズマ密度が低いために、耐透水
性が低く、ＬＳＩの信頼性が悪いという問題があった。

【００１０】このような問題を解決するＥＣＲプラズマ
ＣＶＤ装置として、例えば、特開昭６３−２１７６２０
号公報に示すごとき構成のものが知られている。この装
置の要部は、図１２に示すように、プラズマ生成室４４
と、これに接続する処理室４２と、プラズマ生成室４４
の左方端面を気密状態に閉鎖するとともに導波管４７内
を伝播してきたマイクロ波を透過させてプラズマ生成室
４４内に導入するマイクロ波導入窓４８と、静磁場発生
コイル４９および４３と、ガス導入管４５および５１と
を主要構成要素として形成され、処理室４２内に装置の
軸方向に移動可能な基板支持台５３を内包しているもの
で、基本的には通常のＥＣＲプラズマＣＶＤ装置と同一
構成のものである。異なる所は、静磁場発生コイル４９
および４３により通常は軸対称の湾曲面に形成される電
子サイクロトロン共鳴磁場領域の装置軸線上の位置（以
下ＥＣＲ点と記す）と基板４１との距離を１５０ｍｍ以
下に設定した装置とした点である。このようにＥＣＲ点
を基板との距離を小さくすると、プラズマ生成室内で生
じたプラズマ活性種がエネルギー散逸や他粒子との衝突
による失活の度合いが大きくなる前に高い活性度が維持
された状態で基板に到達することができる。これによ
り、プラズマ処理の高効率化すなわち成膜処理では成膜
速度の向上が可能になる。また、高い活性度が維持され
た状態では、基板上に堆積させる分子あるいは原子の電
子エネルギー結合原子間振動力，回転および並進エネル
ギーが高く、分子や原子がプラズマ中で集合体となら
ず、単一粒子である確率が高くなり、堆積された膜質は
熱化学反応組成に近いものが得られる。さらに、基板に
付着した堆積活性種は上記運動エネルギーが高いため、
予め基板上に形成された分子層に、エネルギーが最小と
なる配列、配向位置まで再配列および再配向運動する確
率が高くなる。これにより、得られた膜質の緻密性や結
晶性が高くなる。また、化学組成比も熱化学反応により
形成された膜に近くなる。

【００１１】そして、このような効果は、ＥＣＲ点と基
板間距離が０〜１５０ｍｍの範囲内で顕著に現れること
が、ガス導入管４５からＯ₂，ガス導入管５１からＳｉ
Ｈ₄を導入して堆積させたＳｉＯ膜、同様にＮ₂とＳｉ
Ｈ₄とによるＳｉＮ膜、Ｈ₂とＳｉＨ₄とによる多結晶
Ｓｉ、Ｈ₂とＷＦ₆とによるＷ膜、Ｈ₂，Ｎ₂とＡｌＣ
ｌ₃とによるＡｌＮ膜について示されている。基板位置
がＥＣＲ点に近づき、ガス導入管５１が基板の背面側に
あっても、ＳｉＯ膜堆積実験の結果では、堆積速度はや
や低下するものの依然高い値を維持し、エッチング速
度，屈折率等はガス導入管５１が基板の前面側にある場
合と同様のすぐれた結果を示している。

【００１２】しかし、このようにＥＣＲ点と基板位置と
の距離を近づけると、膜堆積速度や膜質が向上する一
方、距離が近すぎると、基板近傍における磁場強度が強
すぎ、電子とイオンとの移動度に差が生じて電子とイオ
ンとの分離が生じ、これにより基板にダメージが与えら
れるとともに、基板に入る電子とイオンとが平衡せず、
基板に電位を生じ、これが装置内静電破壊の原因とな
り、このために装置の円滑な運転が阻害されるという問
題が生じている。また、ＥＣＲ点と基板位置との距離が
近すぎると、成膜装置として空間的な余裕が少ないとい
う問題点も生じる。

【００１３】一方、上記のような問題点を回避しつつ膜
質を向上させるＥＣＲプラズマＣＶＤ装置として、例え
ば特開昭６３−１８２８２２号に示すごとき構成のもの
が知られている。この装置の要部は、図１３に示すよう
に、プラズマ生成室６０と、プラズマ生成室６０に接続
する試料室６１と、電磁コイル６６と、補助コイル６６
´と、プラズマ生成室６０の下方端面を気密状態に閉鎖
するとともに導波管６５内を伝播してきたマイクロ波を
透過させてプラズマ生成室６０内に導入するマイクロ波
導入窓６４と、プラズマ生成用ガス導入口６８と、反応
ガス導入口６９とを主要構成要素として形成され、被処
理基板６７は試料室６１内にセットされるもので、基本
的には通常のＥＣＲプラズマＣＶＤ装置と同一構成のも
のである。異なる所は反応ガス導入口６９をＥＣＲ点か
らマイクロ波導入窓６４側へ２００ｍｍ，基板６７側へ
５０ｍｍの範囲内に位置させる装置とした点である。こ
の装置により、反応ガス導入口６９を上記範囲内に位置
させてＳｉＯ膜を堆積させた結果、エッチングレートは
上記範囲内で熱酸化膜に近い一定値を示し、距離がマイ
クロ波導入窓側へ２００ｍｍ以上離れると急激に大きく
なる結果が得られている。

【００１４】しかし、反応ガス導入口がＥＣＲ点から基
板側へ５０ｍｍまでの間の場合、反応ガス導入口近傍の
プラズマ密度が高すぎ、さらにプラズマ生成条件によっ
ては、反応ガス導入口近傍の磁場，電場強度が強すぎる
ために、電子とイオンとの分離が生じて反応ガス導入口
位置で異常放電を起こし、反応ガス導入口から出た反応
ガスが高濃度状態で急激に分解し、反応ガス導入口が閉
塞し、装置の円滑な運転が阻害されるという問題が生じ
る。また、この分解により、絶縁膜を汚染するパーティ
クルも発生する。

【００１５】本発明の目的は、良好な膜質が得られるＥ
ＣＲプラズマＣＶＤ装置の利点を生かしながら成膜速度
の向上と、より一層の膜質向上とを図りながら円滑な装
置運転を可能にする絶縁膜の製造方法と、この製造方法
を適用する絶縁膜製造装置の構成とを提供することであ
る。

【００１６】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明においては、マイクロ波が導入されるマイク
ロ波窓を備えるとともに少なくともプラズマ原料ガスが
導入されるプラズマ生成室と、プラズマ生成室を同軸に
囲みプラズマ生成室内にマイクロ波との電子サイクロト
ロン共鳴磁界を形成する主励磁ソレノイドと、プラズマ
生成室と内部空間が連通するとともに基板をその被成膜
面をプラズマ生成室に向けて保持し、高周波電力の印加
および温度制御可能な基板ホールダを内包する試料室と
を備える電子サイクロトロン共鳴プラズマＣＶＤ装置を
用い、基板に形成する絶縁膜として、導入ガスにプラズ
マ原料ガスとしてプラズマ生成室に導入されプラズマ化
される酸素と、プラズマ化された酸素により活性化され
るシランとを用いて酸化シリコン膜を形成する絶縁膜の
製造方法を、（１）ＥＣＲ点−基板間距離を１００〜１
８０ｍｍに、（２）ＥＣＲ点−シランガス吹き出し口間
距離をＥＣＲ点から基板側へ５０〜８０ｍｍに、設定し
て成膜する方法とする（以下、この方法を第１の絶縁膜
製造方法という）。

【００１７】また、マイクロ波が導入されるマイクロ波
窓を備えるとともに少なくともプラズマ原料ガスが導入
されるプラズマ生成室と、プラズマ生成室を同軸に囲み
プラズマ生成室内にマイクロ波との電子サイクロトロン
共鳴磁界を形成する主励磁ソレノイドと、プラズマ生成
室と内部空間が連通するとともに基板をその被成膜面を
プラズマ生成室に向けて保持し、高周波電力の印加およ
び温度制御可能な基板ホールダを備え、かつ基板ホール
ダの反主励磁ソレノイド側に主励磁ソレノイドと同軸に
配され基板近傍にミラー磁界を形成可能な補助励磁ソレ
ノイドを備えた電子サイクロトロン共鳴プラズマＣＶＤ
装置を用い、基板に形成する絶縁膜として、導入ガスに
プラズマ原料ガスとしてプラズマ生成室に導入されプラ
ズマ化される酸素と、プラズマ化された酸素により活性
化されるシランとを用いて酸化シリコン膜を形成する絶
縁膜の製造方法を、（１）ＥＣＲ点−基板間距離を１０
０〜１８０ｍｍに、（２）ＥＣＲ点−シランガス吹き出
し口間距離をＥＣＲ点から基板側へ５０〜８０ｍｍに、
（３）ｄＢｚ／ｄｚ＝Ｏの位置−基板間距離をｄＢｚ／
ｄｚ＝Ｏの位置から反主励磁ソレノイド側へ０〜１００
ｍｍに設定して成膜する方法とする（以下、この方法を
第２の絶縁膜製造方法という）。

【００１８】そして、上記第１または第２の絶縁膜製造
方法では、（１）基板温度を１５０〜３００℃に、
（２）ガス圧力を０．１〜１００ｍＴｏｒｒに、（３）
高周波電力を基板ホルーダの単位面積当たり１．０〜
６．０Ｗ／ｃｍ²に、（４）酸素とシランとのガス流量
比：酸素／シランを０．８〜２．０に保持するのがよ
い。

【００１９】そして、上記第１または第２の絶縁膜製造
方法により絶縁膜を製造する装置を、電子サイクロトロ
ン共鳴プラズマＣＶＤ装置の主励磁ソレノイドに流す電
流を調整してＥＣＲ面を平坦な面に形成する装置とすれ
ば極めて好適である。また、第１または第２の絶縁膜製
造方法により絶縁膜を製造する装置を、電子サイクロト
ロン共鳴プラズマＣＶＤ装置にシランガスを導入するた
めのガス導入口が、プラズマ生成室内壁面を貫通するよ
うに、かつプラズマ生成室内壁面の周方向に等間隔に複
数個、同一口径で形成され、かつ各ガス吹き出し口の吹
き出し方向および吹き出し量に関し、基板中心へ向かう
ガス量が均一となるように設けられている装置とすれば
さらに好適である。

【００２０】また、第１または第２の絶縁膜製造方法に
より絶縁膜を製造する装置を、シランガス供給源から装
置本体に到るシランガスの管路にホスフィンおよびジボ
ランを該管路に送入するためのガス送入口が設けられた
装置とすれば好適である。また、第１または第２の絶縁
膜製造方法により絶縁膜を製造する装置を、電子サイク
ロトロン共鳴プラズマＣＶＤ装置の試料室内に配されて
基板を保持する基板ホールダの基板保持面を静電チャッ
クの吸着面とした装置とすれば好適である。

【００２１】また、第１または第２の絶縁膜製造方法に
より絶縁膜を製造する装置を、電子サイクロトロン共鳴
プラズマＣＶＤ装置のマイクロ波が導入されるマイクロ
波窓の材質をアルミナ，石英または石英にアルミナコー
ティングを施したものとした装置とすれば好適である。
さらに、第１または第２の絶縁膜製造方法により絶縁膜
を製造する装置を、電子サイクロトロン共鳴プラズマＣ
ＶＤ装置から引き出される排気管を開閉するバルブと並
列にガス通過面積可変のバリアブルオリフィスが設けら
れ、バルブとバリアブルオリフィスとを用いて装置内ガ
ス圧力を０．１〜１００ｍＴｏｒｒの範囲内で調整可能
とするか、電子サイクロトロン共鳴プラズマＣＶＤ装置
から引き出される排気管の途中にガス導入口が設けら
れ、該排気管内ヘプラズマ生成室に導入するガス、窒素
ガスまたは不活性ガスを導入することにより装置内ガス
圧力を０．１〜１００ｍＴｏｒｒの範囲内で調整可能す
るか、るいは、電子サイクロトロン共鳴プラズマＣＶＤ
装置内に、該装置内を真空引きする真空ポンプの回転数
を制御して真空ポンプの排気能力を変化させる真空ポン
プ制御装置が設けられ、装置内ガス圧力を０．１〜１０
０ｍＴｏｒｒの範囲内で調整可能とした装置とすれば好
適である。

【００２２】

【作用】マイクロ波によりガスは活性化されるが、特に
電子サイクロトロン共鳴磁場領域（通常軸対称の湾曲面
に形成される。以下ＥＣＲ面という）近傍で最も効率よ
く活性化される。その後、生成した活性種は輸送される
段階で衝突などにより失活が起こる。したがって、被処
理基板をＥＣＲ面に近付けることにより、プラズマ活性
種を活性度の高い状態で被処理基板に到達させることが
でき、効率よくプラズマ処理が行える。

【００２３】図９は発明者等による実験結果を示す。図
９において横軸ＸはＥＣＲ面の装置軸線上の点（ＥＣＲ
点）−基板間距離を示し、縦軸ＹはＭＯＳダイオードの
ゲート耐圧（ゲート電極とダイオード本体を構成するＰ
形Ｓｉサブストレートとの間に介在している酸化シリコ
ン膜の耐圧）（ＭＶ／ｃｍ）の平均値（ｎ＝２０）を示
す。Ｘの原点はＥＣＲ点を示している。本実験から、Ｘ
＝１００〜１８０ｍｍの範囲で耐圧が８ＭＶ／ｃｍ以上
となり、ダメージを与えない成膜が行われていることが
わかる。Ｘ＝０〜１００ｍｍの範囲では、被処理基板が
ＥＣＲ面に近すぎ、その強い磁場により電子のトラップ
が起こり、磁場が均一でも電子とイオンとの分離が生
じ、静電破壊の原因となっていると考えられる。

【００２４】このときのＥＣＲ点−シランガス吹き出し
口間距離は、６０ｍｍに設定されていた。また、反応ガ
スの導入口が、ＥＣＲ点の位置から被処理基板側に５０
ｍｍまでの間の場合、反応ガスの導入口近傍のプラズマ
密度が高すぎ、また更に、プラズマ生成条件によって
は、反応ガス導入口近傍の磁場・電場強度が強くなりす
ぎるため、異常放電を起こして、反応ガスが高濃度状態
で急激に分解し、反応ガスの導入口が閉塞するという欠
点があり、膜質以外の装置運転上の問題点（導入口の閉
塞・パーティクルの発生）から、ＥＣＲ点−シランガス
吹き出し口間距離を５０ｍｍ以上に設定する必要があ
る。一方、良質な膜質を得るにはシランガスの活性化が
必要であり、結局、円滑な装置運転を阻害されることな
く良好な酸化シリコン膜を得るには、（１）ＥＣＲ点−
基板間距離を１００〜１８０ｍｍに、（２）ＥＣＲ点−
シランガス吹き出し口間距離を基板側に５０〜８０ｍｍ
に設定することが適当であることがわかった。

【００２５】また、段差部両側の被覆が対称な、良好な
段差被覆性を得るためには、（３）ｄＢｚ／ｄＺ＝０の
位置−基板間距離をｄＢｚ／ｄＺ＝０の位置から反主励
磁ソレノイド側へ０〜１００ｍｍに設定することが適当
であることがわかった。ここでｄＢｚ／ｄＺは磁束密度
の軸方向変化率を示し、ｄＢｚ／ｄＺ＝０の位置はミラ
ー磁場における磁束密度最小の位置すなわち磁束が最も
膨らんだ位置を示す。

【００２６】そして、上記各絶縁膜製造方法では、基板
温度等の成膜条件を上述の範囲内に保持することによ
り、実施例の項で説明するように良好な膜質の酸化シリ
コン膜が得られることが分かった。また、上記第１また
は第２の絶縁膜製造方法により絶縁膜を製造する装置
を、ＥＣＲ面を平坦に形成する装置とすれば、ＥＣＲ面
から基板へ向かうプラズマ密度が均一化され、膜厚の均
一性が向上する。

【００２７】また、シランガスをプラズマ生成室内に導
入するようにするとともに、基板中心へ向かうシランガ
ス量が均一となるようにシランガス導入口を設けると、
基板をプラズマ生成室内に位置させて成膜することが可
能になり、成膜速度が基板を試料室内に位置させて成膜
する場合と比べて飛躍的に向上する。同時にシランガス
量の分布から膜厚の均一性が向上する。

【００２８】さらに、基板ホールダの基板保持面を静電
チャックの吸着面とすると、基板が全面密着状態に吸着
面に吸着されるので、基板と静電チャック間の熱伝達が
一様にかつ良好に行われ、基板の温度制御が容易とな
る。また、マイクロ波窓を一般に使用されているアルミ
ナあるいは石英のほか、石英にアルミナコーティングを
施したものとすれば、石英は耐熱性がアルミナより高
く、一方、アルミナは装置内部のドライクリーニング時
に使用されるフッ素系クリーニングガスに対して耐蝕性
を有するので、耐熱性，耐蝕性がともに高いマイクロ波
窓とすることができ、成膜とドライクリーニングとが繰
り返し行われるＥＣＲプラズマＣＶＤ装置のマイクロ波
窓を長寿命化することが可能になる。

【００２９】なお、装置内ガス圧力を、バリアブルオリ
フィスを用い、あるいは排気管路へのガス導入により、
あるいは真空ポンプの回転数制御により調整するように
することにより、すべてフィードバック回路を用いて簡
易に圧力調整が可能になる。

【００３０】

【実施例】以下、本発明による絶縁膜製造装置構成の実
施例を図面を用いて詳細に説明する。図１は、前記第１
の絶縁膜製造方法が適用される絶縁膜製造装置構成の一
実施例を示すもので、導波管１内を進行してきたマイク
ロ波をマイクロ波窓２を介してプラズマ生成室３に導入
すると共に、主励磁ソレノイド４によりプラズマ生成室
３内に磁場を形成することによって、第１ガス導入系５
から導入されたガスを電子サイクロトロン共鳴を利用し
てプラズマ化する。主励磁ソレノイド４は、プラズマ引
き出し窓６を介してプラズマ生成室３と繋がっている試
料室７に向かって発散磁場を形成しており，この発散磁
場によりプラズマ生成室３内のプラズマは試料室７に引
き出される。このプラズマ流は第２ガス導入系８から導
入されたガスと反応しながら基板ホールダ９上に置かれ
た基板１０に到達し、基板１０の上に膜を形成すること
ができる。基板ホールダ９は、高周波電源１１により高
周波電力の印加が可能であり、また加熱冷却機構１４に
より温度制御が可能である。基板ホールダ９の下には、
図示してない真空ポンプに接続する真空排気管１２と、
圧力調整を行うための、ガス通過面積可変のバリアブル
オリフィス１７とを有し、圧力を０．１〜１００ｍＴｏ
ｒｒまで任意に制御可能としている。この圧力制御は、
装置内圧力を入力されるフィードバック回路１６を介
し、バリアブルオリフィス１７のオリフィス開度を制御
することにより行われる。なお、図中の符号２１，２２
はそれぞれホスフィンおよびジボランの供給管路を示
す。

【００３１】図２に図１と異なる装置内ガス圧力の制御
方法を示す。同図（ａ）は真空排気管１２の途中に図１
の第１ガス導入系５からプラズマ生成室３に導入するガ
スと同一ガスであるＯ₂ガスを導入し、導入量を流量制
御装置１８で調整するものである。調整量の指示はフィ
ードバック回路１６から与えられる。また、同図（ｂ）
は真空ポンプの回転数を制御することにより圧力を調整
するもので、回転数の制御はフィードバック回路１６の
指示により、同波数変換手段２０から出力される運転電
力の周波数を変化させて行う。

【００３２】上記装置を用い、個々の成膜条件を次表記
載の範囲内で変化させて、直径８インチの基板上に酸化
シリコン膜の形成を行った。

【００３３】

【表１】図３は、上記範囲の成膜条件（成膜圧力：約６ｍＴｏｒ
ｒ，基板温度：２５０℃）にて形成した、成長速度５０
００Å／ｍｉｎ以上の酸化シリコン膜の、膜厚分布のＥ
ＣＲ点−基板間距離依存性の一例を示したもので、膜厚
分布の最適値が、ＥＣＲ点−シランガス吹き出し口間距
離によって決まることを示している。このように、他の
成膜条件が変わっても、基板位置の調整により、膜厚分
布を最小とすることができる。

【００３４】図４は本発明の方法（成膜圧力：約６ｍＴ
ｏｒｒ，基板温度：２５０℃）により形成した酸化シリ
コン膜の成膜特性であり、横軸は高周波電力である。ま
た、図４のエッチングレート（Ｅ．Ｒ．）は、エッチン
グ液に希フッ酸溶液を用い、液温を２９℃として求め
た。図４に示した本発明の酸化シリコン膜はエッチング
レートが３００Å／ｍｉｎ以下であり、従来のＲＦプラ
ズマＣＶＤ法による膜のエッチングレート（３５０Å／
ｍｉｎ）より小さく、耐酸性も充分に高い。即ち酸化シ
リコン膜の膜質は良好であることが確認された。

【００３５】また、屈折率は高周波電力が大きくなると
少し大きくなり、内部応力は逆に小さくなる。アニール
前後の応力変動量は小さく、耐透水性も良好である。耐
透水性の試験は、基板上に形成しておいたＰＳＧ（燐ガ
ラス）あるいはＢＰＳＧ（ホウ素・燐ガラス）膜の上
に、被評価用の酸化シリコン膜を３０００Å成膜し、Ｐ
ＣＴ試験（１２０℃・相対湿度１００％・２気圧の雰囲
気内に１００時間放置する試験）の前後における、ＰＳ
ＧあるいはＢＰＳＧ膜中のＰ＝Ｏ結合（ＰとＯとの２重
結合）の量を比較することによって行われる。透水性が
ある場合には、浸透してきた水によってＰ＝Ｏが加水分
解され、Ｐ＝Ｏの結合量は減少し、透水性が全く無い場
合には、Ｐ＝Ｏの結合量が１００％保存されていること
になる。従来のＲＦプラズマＣＶＤ法の膜では、試験時
間４０時間で耐透水性が４０％以下となり、本発明の酸
化シリコン膜は、極めて耐透水性に優れていることがわ
かる。

【００３６】上記酸化シリコン膜の段差被覆性について
は、幅０．３〜２μｍ、高さ１μｍの配線が形成された
基板上に酸化シリコン膜を成膜した後、その断面を走査
電子顕微鏡で観察することにより評価を行った。この結
果、高周波電力を５００Ｗ以上投入すれば、配線を被覆
した酸化シリコン膜の形状は充分に改善されることが確
認された。磁界形状として発散磁界のみで成膜を行って
おり、基板周辺部でも斜め入射は殆どなく、図１０
（ｂ）のような段差被覆性が得られ、実用上問題が無い
ことが確認された。

【００３７】図５は、上記範囲の成膜条件（成膜圧力：
約７０ｍＴｏｒｒ，基板温度：２５０℃）にて形成し
た、成長速度５０００Å／ｍｉｎ以上の酸化シリコン膜
の、膜厚分布の成膜圧力依存性の一例を示したもので、
膜厚分布の最適値が、成膜圧力によって決まることを示
している。このように、他の成膜条件が変わっても、成
膜圧力の調整により膜厚分布を最小とすることができ
る。

【００３８】図６は本発明の方法（成膜圧力：約７０ｍ
Ｔｏｒｒ，基板温度：２５０℃）により形成した酸化シ
リコン膜の成膜特性であり、横軸は高周波電力である。
また、図６のエッチングレートは、エッチング液に希フ
ッ酸溶液を用い、液温を２９℃として求めた。図６に示
した本発明の酸化シリコン膜はエッチングレートが３０
０Å／ｍｉｎ以下であり、従来のＲＦプラズマＣＶＤ法
による膜のエッチングレート（３５０Å／ｍｉｎ）より
小さく、耐酸性も充分高い。即ち、酸化シリコン膜の膜
質は良好であることが確認された。

【００３９】また、屈折率ｎは高周波電力依存性を殆ど
示さないが、内部応力は、高周波電力が大きくなるにつ
れて小さくなる。アニール前後の応力変動量は小さく、
耐透水性も良好である。上記酸化シリコン膜の段差被覆
性については、幅０．３〜２μｍ、高さ１μｍの配線が
形成された基板上に酸化シリコン膜を成膜した後、その
断面を走査電子顕微鏡で観察することにより評価を行っ
た。この結果、高周波電力を５００Ｗ以上投入すれば、
配線を被覆した酸化シリコン膜の形状は充分に改善され
ることが確認された。成膜圧力の高圧化による平均自由
行程の短縮により、プラズマ中イオンの磁界による慣性
も緩和され、基板周辺部においても、斜め入射は全くみ
られず、図１０（ｃ）のような良好な段差被覆性が得ら
れることも確認された。図７に前記第２の絶縁膜製造方
法が適用される絶縁膜製造装置構成の一実施例を示す。
この装置構成は、図１の構成に対し、さらに、基板ホー
ルダ９の反主励磁ソレノイド側に主励磁ソレノイド４と
同軸にサブソレノイド１３を配置して基板１０近傍にミ
ラー磁界を形成可能としたものであり、それ以外の構成
はすべて図１の構成と同じである。

【００４０】上記装置を用い、個々の成膜条件を次表記
載の範囲内で変化させて酸化シリコン膜の形成を行っ
た。

【００４１】

【表２】図８は本発明の方法（成膜圧力：約６ｍＴｏｒｒ，ｄＢ
ｚ／ｄＺ＝０の位置：約５０ｍｍ反主励磁ソレノイド
側，基板温度２５０℃）により形成した酸化シリコン膜
の成膜特性であり、横軸は高周波電力である。また、図
８のエッチングレート（Ｅ．Ｒ．）は、エッチング液に
希フッ酸溶液を用い、液温を２９℃として求めた。図８
に示した本発明の酸化シリコン膜はエッチングレートが
３００Å／ｍｉｎ以下であり、従来のＲＦプラズマＣＶ
Ｄ法による膜のエッチングレート（３５０Å／ｍｉｎ）
より小さく、耐酸性も充分に高い。即ち、酸化シリコン
膜の膜質は良好であることが確認された。

【００４２】また、屈折率ｎは高周波電力が大きくなる
と少し大きくなり、内部応力は逆に小さくなる。アニー
ル前後の応力変動量は小さく、耐透水性も良好である。
上記酸化シリコン膜の段差被覆性については、幅０．３
〜２μｍ、高さ１μｍの配線が形成された基板上に酸化
シリコン膜を成膜した後、その断面を走査電子顕微鏡で
観察することにより評価を行った。この結果、高周波電
力を５００Ｗ以上投入すれば、配線を被覆した酸化シリ
コン膜の形状は充分に改善されることが確認された。ミ
ラー磁界を形成し、基板に入射するイオンを垂直に矯正
することにより、基板周辺部においても、斜め入射は全
くみられなくなり、図１０（ｃ）のような良好な段差被
覆性が得られることも確認された。

【００４３】

【発明の効果】以上説明したように、本発明ではＥＣＲ
点と基板との距離に下限を設定して基板位置での強磁場
よる電子とイオンとの分離に基づく基板のダメージと装
置内静電破壊の発生とを防止つつプラズマ活性種が高い
活性度を維持した状態で基板に到達できるＥＣＲ点−基
板間距離の範囲を設定したので、プラズマ活性種の高活
性に基づく膜質と成膜速度との向上を、円滑な装置運転
が阻害されることなく行うことが可能となった。また、
反応ガス導入口とＥＣＲ点間距離にも下限を設けつつ反
応ガスの活性化を行うようにしたので、反応ガス導入口
位置での強磁場に基づく異常放電による高濃度反応ガス
の急膨張による導入口の閉塞の発生が防止され、より高
い成膜速度を円滑な装置運転を阻害されることなく実現
することができるようになった。なお、本発明は、円滑
な装置運転を阻害されることなくプラズマ活性種の高活
性を維持するためのＥＣＲ点と基板ならびに反応ガス導
入口位置との間の距離範囲に関するものであり、プラズ
マ原料ガスとしてＯ₂ガスの代りにＮ₂ガスを用いる窒
化シリコン膜にも当然適用可能なものである。

【００４４】そこで、請求項各項の効果として、請求項
１の方法では、上述のように装置の円滑な運転を阻害さ
れることなく膜質と成膜速度とが向上し、絶縁膜の膜質
に対する信頼性と装置のスループットとが向上する。請
求項２の方法では、発散磁場のみを用いる請求項１の方
法により得られる良好な段差被覆性に対し、ミラー磁界
の磁力線の方向からさらに良好な段差被覆性を得ること
ができ、膜質への信頼性がさらに向上する。

【００４５】請求項３の方法では、大直径基板の膜厚分
布が、ガス圧力が数ｍＴｏｒｒオーダでは、この方法で
与えられた範囲内のＥＣＲ点−基板間距離により、また
ガス圧力が数十ｍＴｏｒｒオーダでは、この方法で与え
られた範囲内でのガス圧力の移動により目的レベル以下
となり、この方法における成膜条件範囲内で各成膜条件
を組み合わせることにより、さらに大直径基板の膜厚分
布を向上させることができる。

【００４６】請求項４の装置では、膜厚の均一化がさら
に改善され、請求項５の装置では成膜速度がさらに向上
するとともに、同時に膜厚の均一化を達成することがで
きる。請求項６の装置では、ホスフィン，ジボラン等の
ドーパントがプラズマ生成室に導入される前にシラン源
からプラズマ生成室に到る管路内で予混合され、これら
のガスをより均一化された密度分布でドーピングするこ
とができる。

【００４７】請求項７の装置では、基板と静電チャック
との間の熱伝達が良好かつ一様に行われるために基板の
温度制御が容易となり、基板をより正確な、かつ安定し
た温度で成膜処理することができ、膜質のばらつきが小
さくなり、膜の品質が向上する。請求項８の装置では、
マイクロ波窓を石英またはアルミナ等の単一材質で形成
した場合には比較的安価にマイクロ波窓を得ることがで
き、石英にアルミナコーティングを施したものとした場
合には、価格はやや高価となるものの、耐熱性と耐蝕性
とから、成膜とドライクリーニングとを繰り返す装置の
場合、長寿命のマイクロ波窓とすることができる。

【００４８】請求項９，１０および１１の装置では、真
空排気系の構成機器や部材を圧力制御に引き入れること
なく外部からの制御のみで簡易にガス圧力を制御するこ
とができ、成膜条件の設定が容易となるメリットがあ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】請求項第１項に記載の絶縁膜製造方法によって
絶縁膜を製造する絶縁膜製造装置構成の一実施例を示す
縦断面図

【図２】図１に示した絶縁膜製造装置におけるガス圧力
制御方法の，図１と異なる方法を示す図であって、同図
（ａ）はガス圧力の調整を排気管路の途中にガス導入し
て行う方法を示す説明図、同図（ｂ）はガス圧力の調整
を真空ポンプの回転数を制御して行う方法を示す説明図

【図３】請求項第１項および第３項の方法における成膜
条件中、ガス圧力を約６ｍＴｏｒｒ，基板温度を２５０
℃に設定したときの直径８インチ基板における膜厚分布
のＥＣＲ点＝基板間距離依存性を示す線図

【図４】請求項第１項および第３項の方法における成膜
条件中、ガス圧力を約６ｍＴｏｒｒ，基板温度を２５０
℃に設定したときの直径８インチ基板における酸化シリ
コン膜の各膜質の高周波電力依存性を示すものであっ
て、同図（ａ）は酸化シリコン膜の耐透水性、（ｂ）は
形成した酸化シリコン膜のアニール前およびアニール後
の内部応力、（ｃ）は酸化シリコン膜の屈折率およびエ
ッチングレート、（ｄ）は酸化シリコン膜の成膜速度お
よび膜厚分布、それぞれの高周波電力依存性を示す線図

【図５】請求項第１項および第３項の方法における成膜
条件中、ガス圧力を約７０ｍＴｏｒｒ，基板温度を２５
０℃に設定したときの直径８インチ基板における膜厚分
布のガス圧力依存性を示す線図

【図６】請求項第１項および第３項の方法における成膜
条件中、ガス圧力を約７０ｍＴｏｒｒ，基板温度を２５
０℃に設定したときの直径８インチ基板における酸化シ
リコン膜の各膜質の高周波電力依存性を示すものであっ
て、同図（ａ）は酸化シリコン膜の耐透水性、（ｂ）は
形成した酸化シリコン膜のアニール前およびアニール後
の内部応力、（ｃ）は酸化シリコン膜の屈折率およびエ
ッチングレート、（ｄ）は酸化シリコン膜の成膜速度お
よび膜厚分布、それぞれの高周波電力依存性を示す線図

【図７】請求項第２項に記載の絶縁膜製造方法により絶
縁膜を製造する絶縁膜製造装置構成の一実施例を示す縦
断面図

【図８】請求項第２項および第３項の方法における成膜
条件中、ガス圧力を約６ｍＴｏｒｒ，基板温度を２５０
℃に設定したときの直径８インチ基板における酸化シリ
コン膜の各膜質の高周波電力依存性を示すものであっ
て、同図（ａ）は酸化シリコン膜の耐透水性、（ｂ）は
形成した酸化シリコン膜のアニール前およびアニール後
の内部応力、（ｃ）は酸化シリコン膜の屈折率およびエ
ッチングレート、（ｄ）は酸化シリコン膜の成膜速度お
よび膜厚分布、それぞれの高周波電力依存性を示す線図

【図９】本発明が対象とする構成のＥＣＲプラズマＣＶ
Ｄ装置により形成したＭＯＳダイオードのゲート電極部
の酸化シリコン膜の耐圧のＥＣＲ点−基板間距離依存性
を示す線図

【図１０】本発明が対象とする構成のＥＣＲプラズマＣ
ＶＤ装置により基板上の段差部を被覆する際の被覆状況
が、基板表面の磁力線の方向により異なることを示す図
であって、同図（ａ）は磁力線がカスプ磁界の磁力線で
ある場合、同図（ｂ）は磁力線が発散磁界の磁力線であ
る場合、同図（ｃ）は磁力線がミラー磁界の磁力線であ
る場合の被覆状況をそれぞれ示す説明図

【図１１】ＥＣＲプラズマＣＶＤ装置の要部構成を示す
縦断面図

【図１２】特開昭６３−２１７６２０号公報に開示され
た絶縁膜製造方法が対象としたＥＣＲプラズマＣＶＤ装
置の要部構成図

【図１３】特開昭６３−１８２８２２号公報に開示され
た絶縁膜製造方法が対象としたＥＣＲプラズマＣＶＤ装
置の要部構成図

【符号の説明】

１導波管２マイクロ波窓３プラズマ生成室４主励磁ソレノイド５第１ガス導入系７試料室８第２ガス導入系（シランの管路）９基板ホールダ１０基板１１高周波電源１２排気管１３サブソレノイド（補助励磁ソレノイド）１５真空計１７バリアブルオリフィス２０周波数変換手段

フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩ // Ｇ０１Ｒ 33/64 Ｇ０１Ｎ 24/14 (56)参考文献特開昭63−276231（ＪＰ，Ａ) 特開平４−196322（ＪＰ，Ａ) 特開平１−184827（ＪＰ，Ａ) 特開昭63−217620（ＪＰ，Ａ) 特開平５−117867（ＪＰ，Ａ) 特開平７−169762（ＪＰ，Ａ) 実開昭64−18727（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01L 21/316 H01L 21/31

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】マイクロ波が導入されるマイクロ波窓を備
えるとともに少なくともプラズマ原料ガスが導入される
プラズマ生成室と、プラズマ生成室を同軸に囲みプラズ
マ生成室内にマイクロ波との電子サイクロトロン共鳴磁
界を形成する主励磁ソレノイドと、プラズマ生成室と内
部空間が連通するとともに基板をその被成膜面をプラズ
マ生成室に向けて保持し、高周波電力の印加および温度
制御可能な基板ホールダを内包する試料室とを備える電
子サイクロトロン共鳴プラズマＣＶＤ装置を用い、基板
に形成する絶縁膜として、導入ガスにプラズマ原料ガス
としてプラズマ生成室に導入されプラズマ化される酸素
と、プラズマ化された酸素により活性化されるシランと
を用いて酸化シリコン膜を形成する絶縁膜の製造方法に
おいて、（１）ＥＣＲ点−基板間距離を１００〜１８０ｍｍに、（２）ＥＣＲ点−シランガス吹き出し口間距離をＥＣＲ
点から基板側へ５０〜８０ｍｍに、設定して成膜することを特徴とする絶縁膜の製造方法。
【請求項２】マイクロ波が導入されるマイクロ波窓を備
えるとともに少なくともプラズマ原料ガスが導入される
プラズマ生成室と、プラズマ生成室を同軸に囲みプラズ
マ生成室内にマイクロ波との電子サイクロトロン共鳴磁
界を形成する主励磁ソレノイドと、プラズマ生成室と内
部空間が連通するとともに基板をその被成膜面をプラズ
マ生成室に向けて保持し、高周波電力の印加および温度
制御可能な基板ホールダを備え、かつ基板ホールダの反
主励磁ソレノイド側に主励磁ソレノイドと同軸に配され
基板近傍にミラー磁界を形成可能な補助励磁ソレノイド
を備えた電子サイクロトロン共鳴プラズマＣＶＤ装置を
用い、基板に形成する絶縁膜として、導入ガスにプラズ
マ原料ガスとしてプラズマ生成室に導入されプラズマ化
される酸素と，プラズマ化された酸素により活性化され
るシランとを用いて酸化シリコン膜を形成する絶縁膜の
製造方法において、（１）ＥＣＲ点−基板間距離を１００〜１８０ｍｍに、（２）ＥＣＲ点−シランガス吹き出し口間距離をＥＣＲ
点から基板側へ５０〜８０ｍｍに、（３）ｄＢｚ／ｄｚ＝Ｏの位置−基板間距離をｄＢｚ／
ｄｚ＝Ｏの位置から反主励磁ソレノイド側へ０〜１００
ｍｍに設定して成膜することを特徴とする絶縁膜の製造
方法。
【請求項３】請求項第１項または第２項に記載の絶縁膜
の製造方法において、（１）基板温度を１５０〜３００℃に、（２）ガス圧力を０．１〜１００ｍＴｏｒｒに、（３）高周波電力を基板ホルーダの単位面積当たり１．
０〜６．０Ｗ／ｃｍ²に、（４）酸素とシランとのガス流量比：酸素／シランを
０．８〜２．０に保持することを特徴とする絶縁膜の製
造方法。
【請求項４】請求項第１項または第２項に記載の方法に
より絶縁膜を製造する装置であって、電子サイクロトロ
ン共鳴プラズマＣＶＤ装置の主励磁ソレノイドに流す電
流を調整してＥＣＲ面を平坦な面に形成することを特徴
とする絶縁膜の製造方法。
【請求項５】請求項第１項または第２項に記載の方法に
より絶縁膜を製造する装置であって、電子サイクロトロ
ン共鳴プラズマＣＶＤ装置にシランガスを導入するため
のガス導入口が、プラズマ生成室内壁面を貫通するよう
に、かつプラズマ生成室内壁面の周方向に等間隔に複数
個、同一口径で形成され、かつガス各吹き出し口の吹き
出し方向および吹き出し量に関し、基板中心へ向かうガ
ス量が均一となるように設けられていることを特徴とす
る絶縁膜の製造装置。
【請求項６】請求項第１項または第２項に記載の方法に
より絶縁膜を製造する装置であって、シランをシラン源
から電子サイクロトロン共鳴プラズマＣＶＤ装置に導入
するためのシランの管路にホスフィンおよびジボランを
該管路に送入するためのガス送入口が設けられているこ
とを特徴とする絶縁膜の製造装置。
【請求項７】請求項第１項または第２項に記載の方法に
より絶縁膜を製造する装置であって、電子サイクロトロ
ン共鳴プラズマＣＶＤ装置の試料室内に配されて基板を
保持する基板ホールダの基板保持面を静電チャックの吸
着面とすることを特徴とする絶縁膜の製造装置。
【請求項８】請求項第１項または第２項に記載の方法に
より絶縁膜を製造する装置であって、電子サイクロトロ
ン共鳴プラズマＣＶＤ装置のマイクロ波が導入されるマ
イクロ波窓の材質をアルミナ，石英または石英にアルミ
ナコーティングを施したものとすることを特徴とする絶
縁膜の製造装置。
【請求項９】請求項第１項または第２項に記載の方法に
より絶縁膜を製造する装置であって、電子サイクロトロ
ン共鳴プラズマＣＶＤ装置から引き出される排気管を開
閉するバルブと並列にガス通過面積可変のバリアブルオ
リフィスが設けられ、バルブとバリアブルオリフィスと
を用いて装置内ガス圧力を０．１〜１００ｍＴｏｒｒの
範囲内で調整可能としたことを特徴とする絶縁膜の製造
装置。
【請求項１０】請求項第１項または第２項に記載の絶縁
膜の製造方法により絶縁膜を製造する装置であって、電
子サイクロトロン共鳴プラズマＣＶＤ装置から引き出さ
れる排気管の途中にガス導入口が設けられ、該排気管内
ヘプラズマ生成室に導入するガス、窒素ガスまたは不活
性ガスを導入することにより装置内ガス圧力を０．１〜
１００ｍＴｏｒｒの範囲内で調整可能としたことを特徴
とする絶縁膜の製造装置。
【請求項１１】請求項第１項または第２項に記載の絶縁
膜の製造方法により絶縁膜を製造する装置であって、電
子サイクロトロン共鳴プラズマＣＶＤ装置内に、該装置
内を真空引きする真空ポンプの回転数を制御して真空ポ
ンプの排気能力を変化させる真空ポンプ制御装置が設け
られ、装置内ガス圧力を０．１〜１００ｍＴｏｒｒの範
囲内で調整可能としたことを特徴とする絶縁膜の製造装
置。