JP3211955B2 - 層間絶縁膜及びその作製方法 - Google Patents
層間絶縁膜及びその作製方法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凹凸段差を有する被形成面
上に平坦かつなめらかな表面を有する絶縁膜を減圧下で
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。 【０００４】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ＬＳＩ
のパターンの端面形状は急唆となる。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。 【０００５】 【発明が解決しようとする課題】このような問題を解決
する手段として、凹凸を有する被形成面上の層間絶縁膜
の上表面を平坦化またはなめらかな表面にする技術が重
要視されている。 【０００６】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、500 〜800 ℃
の範囲で行われていた。 【０００７】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。 【０００８】またより低温で被膜を形成する方法として
モノシランを用いるプラズマ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200 〜400 ℃の範囲であるが、プラズマという
高エネルギ状態をとるため、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。また凸
部の上部に「ひさし」を作り結果として凹部を巣（ミク
ロな隙間）、カスプを残存させてしまうという欠点を有
していた。この場合も熱CVD 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。 【０００９】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−ジを与えず、理想的な成膜法である。 【００１０】この光CVD 法で形成する時は下地の凹凸に
きわめて忠実に形成させることができることが判明し
た。しかしそれは形成被膜の上表面にもそのまま凹凸が
残ることを意味する。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スピン法によ
り塗布し、加熱処理を施しガラス化する方法が行われて
いる。これら平坦な表面をもつ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、同一製造装置内での
作製は可能であり、コスト高につながっていた。 【００１１】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をもつ被形成面上に平坦なまたはな
めらかな表面（上側配線の微細パタ−ニングを行いうる
程度になめらかに連続した凹凸か又は平坦面を有するこ
とを以下平坦な表面という。）をもつ層間絶縁膜を形成
することを目的としている。 【００１２】 【課題を解決するための手段】本発明の構成の一つは、
凹凸段差を有する被形成面上に、紫外光源励起による光
化学気相反応法または光化学気相反応法と液体状反応性
気体を用いたプラズマＣＶＤ法とにより平坦またはなめ
らかな表面を有する絶縁膜を形成する工程とを有するこ
とを特徴とする。 【００１３】また、上記の構成において反応性気体とし
て光化学気相反応法にはモノシランと亜酸化窒素とを用
いて酸化珪素被膜を形成し、プラズマＣＶＤ法には、テ
トラエトキシシラン（ＴＥＯＳ）と亜酸化窒素又は酸素
とを用いて酸化珪素被膜を積層して形成したことを特徴
とする。 【００１４】また、上記の構成において、凹凸段差を有
する被形成面のライン／スペ−スは共に１μm 以下を有
することを特徴とする。 【００１５】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、液体状反応手段を用いたプラズマＣＶＤ
法にて、同一反応室内膜形成を施すことを特徴とするも
のである。 【００１６】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素珪素絶縁膜を形成する
方法を提供するものであります。 【００１７】 【発明の実施の形態】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。 【００１８】 【実施例】〔実施例１〕図２に本実験で用いた酸化珪素
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−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−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。 【００１９】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−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。 【００２０】さらに、紫外光透過窓（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）と基板支持体
（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。 【００２１】本装置を用いて、図１（Ａ）に示すような
凹凸を有する基板（１２）に反応圧力1500Pa〜7000Pa、
(11 〜53Torr) 基板温度200 ℃〜450 ℃、投入紫外光源
電力は10KHz 〜15MHz 例えば13.56MHzとした。かくする
と50Hzの商用周波数の電源を用いて185nm の光を発光さ
せる場合の２〜５倍に強く発光させうる。50KHz 、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。 【００２２】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、モノシランに対して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−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185 nmと254nm の共鳴線を使
うと光子エネルギ−はそれぞれ6.eV（153Kcal/mol)4.9e
V(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−を切ることは容易である。 【００２３】各原子結合エネルギ−を以下に示す。 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−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。 【００２４】一方N2O の光分解反応は次の過程が考えら
れる。 N2O ＋ｈν(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。光化学反応のみで成膜をさせること
ができる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。 【００２５】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13.56MHz、300 Ｗの成膜
条件下で行った。 【００２６】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−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。 【００２７】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。本発明における被膜形成用基
板表面の凹凸即ちライン／スペ−ス（アルミ配線のある
凸部／アルミ配線間）をそれぞれ１μm 以下を対象とし
ている。すると光化学反応と同時に熱化学反応がおき
る。SiH4＋O2の反応、SiH6＋O2の反応、Si2H 6 ＋N2O の
反応は凸部の上端部にひさしができいわゆる光化学反応
に伴う表面泳動のみを用いていないため実用上あまり好
ましくなかった。そして光化学反応のみで被膜形成が行
われる反応特にSiH4＋N2O の反応が理想的である。 【００２８】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。 【００２９】反応性気体としては室温好ましくは100 ℃
以下の温度（大気圧）で液体状になっている珪化物気体
を用いた。その例としてはメチルシラン（Si(CH3)4、H2
Si (CH3)2)、TEOS(Si(OC2H5)4)、 TMOS(Si(OCH3)4)その
他の有機シランが好ましい。 【００３０】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100 SC
CMである。 【００３１】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。 【００３２】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、絶縁耐
圧が小さく１×106V/cm 程度しか得られない。それは膜
中に−ＯＨ基やＣが膜中に残っているためと推定され
る。 【００３３】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。 【００３４】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。 【００３５】ある反応圧力において基板温度はあまり上
げず液体状の反応性気体特有の特徴である粘性流動を促
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。 【００３６】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。 【００３７】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。 【００３８】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／ｃｍ 2 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。 【００３９】このような光ＣＶＤ法にて、図１（Ａ）に
示すような凹凸形状（凹部の巾は１μm 以内、更に凸部
の巾も１μm 以内とした）を有する基板上に光CVD 法に
より酸化珪素被膜を前述の条件で約5000Å程度形成し
た。すると絶縁耐圧は100V以上を有していた。 【００４０】この図面での基板上の凸部（アルミニュ−
ム配線）は、高さ１μm 程度巾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、この凹凸形状にそって均一に
おおうことができた。（図１（Ｂ）） 【００４１】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13.5
6MHzの電力を80W 印加した。反応性気体はTEOS/N2Oとし
バブリング用N2O 流量は100SCCM とした。その他の条件
は光ＣＶＤと同様とし、プラズマＣＶＤ法にて、酸化珪
素被膜（１１）を約1.5 μm 〜2.0 μm 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液
体状の反応性気体を用いるため凹部に選択的に膜形成が
なされる。そのためこれらの上端部は平坦になる。また
絶縁耐圧は光ＣＶＤに比べておとるが、成膜速度が0.3
〜１μm ／分と速く、生産性に富む。かくして同一反応
炉を用い絶縁耐圧と下地材料との反応防止用に光ＣＶＤ
法での酸化膜を用い、さらに上表面の平坦化には液体状
気体を用いたプラズマＣＶＤ法を採用した。かくして多
層配線用層間絶縁膜を得ることができた。 【００４２】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、これら全体を反応室内の反応
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てもよい。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。 【００４３】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。 【００４４】〔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1500Å形成した後、反応室内の反応性気体を入
れかえた。その後さらに反応性気体を入れかえ、同様の
条件にて再度プラズマＣＶＤ法にて0.3 μm の酸化珪素
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。 【００４５】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。尚層間絶縁
膜として重要な耐圧を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/c
m 以上である。 【００４６】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、ＰＳ
Ｇ（リンガラス）、ＢＰＳＧ（ホウ素、リンガラス）、
アルミナ膜でも応用可能である。 【００４７】 【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、LSI 、
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。 【００４８】本発明の方法において絶縁耐圧が高くアル
ミニュウム等の下地材料と反応をしない酸化珪素被膜を
先ず光ＣＶＤ法で形成し、その後平坦な表面を有せしめ
るために液体状の反応性気体を用い、耐圧は小さくとも
平坦なまたは滑らかな表面を有する絶縁膜をプラズマＣ
ＶＤ法で形成している。 【００４９】かくしてそれぞれの成膜方法の欠点を互い
におぎない合わせることにより初めてサブミクロンレベ
ルのＵＬＳＩへの工業化が可能になった。 【００５０】本発明方法により、急唆な凹凸段差を有す
る被形成面上に平坦な表面を有する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。 【００５１】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凹凸段差を有する被形成面
上に平坦かつなめらかな表面を有する絶縁膜を減圧下で
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。 【０００４】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ＬＳＩ
のパターンの端面形状は急唆となる。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。 【０００５】 【発明が解決しようとする課題】このような問題を解決
する手段として、凹凸を有する被形成面上の層間絶縁膜
の上表面を平坦化またはなめらかな表面にする技術が重
要視されている。 【０００６】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、500 〜800 ℃
の範囲で行われていた。 【０００７】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。 【０００８】またより低温で被膜を形成する方法として
モノシランを用いるプラズマ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200 〜400 ℃の範囲であるが、プラズマという
高エネルギ状態をとるため、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。また凸
部の上部に「ひさし」を作り結果として凹部を巣（ミク
ロな隙間）、カスプを残存させてしまうという欠点を有
していた。この場合も熱CVD 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。 【０００９】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−ジを与えず、理想的な成膜法である。 【００１０】この光CVD 法で形成する時は下地の凹凸に
きわめて忠実に形成させることができることが判明し
た。しかしそれは形成被膜の上表面にもそのまま凹凸が
残ることを意味する。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スピン法によ
り塗布し、加熱処理を施しガラス化する方法が行われて
いる。これら平坦な表面をもつ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、同一製造装置内での
作製は可能であり、コスト高につながっていた。 【００１１】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をもつ被形成面上に平坦なまたはな
めらかな表面（上側配線の微細パタ−ニングを行いうる
程度になめらかに連続した凹凸か又は平坦面を有するこ
とを以下平坦な表面という。）をもつ層間絶縁膜を形成
することを目的としている。 【００１２】 【課題を解決するための手段】本発明の構成の一つは、
凹凸段差を有する被形成面上に、紫外光源励起による光
化学気相反応法または光化学気相反応法と液体状反応性
気体を用いたプラズマＣＶＤ法とにより平坦またはなめ
らかな表面を有する絶縁膜を形成する工程とを有するこ
とを特徴とする。 【００１３】また、上記の構成において反応性気体とし
て光化学気相反応法にはモノシランと亜酸化窒素とを用
いて酸化珪素被膜を形成し、プラズマＣＶＤ法には、テ
トラエトキシシラン（ＴＥＯＳ）と亜酸化窒素又は酸素
とを用いて酸化珪素被膜を積層して形成したことを特徴
とする。 【００１４】また、上記の構成において、凹凸段差を有
する被形成面のライン／スペ−スは共に１μm 以下を有
することを特徴とする。 【００１５】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、液体状反応手段を用いたプラズマＣＶＤ
法にて、同一反応室内膜形成を施すことを特徴とするも
のである。 【００１６】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素珪素絶縁膜を形成する
方法を提供するものであります。 【００１７】 【発明の実施の形態】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。 【００１８】 【実施例】〔実施例１〕図２に本実験で用いた酸化珪素
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−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−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。 【００１９】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−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。 【００２０】さらに、紫外光透過窓（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）と基板支持体
（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。 【００２１】本装置を用いて、図１（Ａ）に示すような
凹凸を有する基板（１２）に反応圧力1500Pa〜7000Pa、
(11 〜53Torr) 基板温度200 ℃〜450 ℃、投入紫外光源
電力は10KHz 〜15MHz 例えば13.56MHzとした。かくする
と50Hzの商用周波数の電源を用いて185nm の光を発光さ
せる場合の２〜５倍に強く発光させうる。50KHz 、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。 【００２２】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、モノシランに対して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−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185 nmと254nm の共鳴線を使
うと光子エネルギ−はそれぞれ6.eV（153Kcal/mol)4.9e
V(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−を切ることは容易である。 【００２３】各原子結合エネルギ−を以下に示す。 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−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。 【００２４】一方N2O の光分解反応は次の過程が考えら
れる。 N2O ＋ｈν(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。光化学反応のみで成膜をさせること
ができる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。 【００２５】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13.56MHz、300 Ｗの成膜
条件下で行った。 【００２６】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−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。 【００２７】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。本発明における被膜形成用基
板表面の凹凸即ちライン／スペ−ス（アルミ配線のある
凸部／アルミ配線間）をそれぞれ１μm 以下を対象とし
ている。すると光化学反応と同時に熱化学反応がおき
る。SiH4＋O2の反応、SiH6＋O2の反応、Si2H 6 ＋N2O の
反応は凸部の上端部にひさしができいわゆる光化学反応
に伴う表面泳動のみを用いていないため実用上あまり好
ましくなかった。そして光化学反応のみで被膜形成が行
われる反応特にSiH4＋N2O の反応が理想的である。 【００２８】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。 【００２９】反応性気体としては室温好ましくは100 ℃
以下の温度（大気圧）で液体状になっている珪化物気体
を用いた。その例としてはメチルシラン（Si(CH3)4、H2
Si (CH3)2)、TEOS(Si(OC2H5)4)、 TMOS(Si(OCH3)4)その
他の有機シランが好ましい。 【００３０】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100 SC
CMである。 【００３１】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。 【００３２】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、絶縁耐
圧が小さく１×106V/cm 程度しか得られない。それは膜
中に−ＯＨ基やＣが膜中に残っているためと推定され
る。 【００３３】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。 【００３４】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。 【００３５】ある反応圧力において基板温度はあまり上
げず液体状の反応性気体特有の特徴である粘性流動を促
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。 【００３６】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。 【００３７】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。 【００３８】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／ｃｍ 2 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。 【００３９】このような光ＣＶＤ法にて、図１（Ａ）に
示すような凹凸形状（凹部の巾は１μm 以内、更に凸部
の巾も１μm 以内とした）を有する基板上に光CVD 法に
より酸化珪素被膜を前述の条件で約5000Å程度形成し
た。すると絶縁耐圧は100V以上を有していた。 【００４０】この図面での基板上の凸部（アルミニュ−
ム配線）は、高さ１μm 程度巾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、この凹凸形状にそって均一に
おおうことができた。（図１（Ｂ）） 【００４１】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13.5
6MHzの電力を80W 印加した。反応性気体はTEOS/N2Oとし
バブリング用N2O 流量は100SCCM とした。その他の条件
は光ＣＶＤと同様とし、プラズマＣＶＤ法にて、酸化珪
素被膜（１１）を約1.5 μm 〜2.0 μm 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液
体状の反応性気体を用いるため凹部に選択的に膜形成が
なされる。そのためこれらの上端部は平坦になる。また
絶縁耐圧は光ＣＶＤに比べておとるが、成膜速度が0.3
〜１μm ／分と速く、生産性に富む。かくして同一反応
炉を用い絶縁耐圧と下地材料との反応防止用に光ＣＶＤ
法での酸化膜を用い、さらに上表面の平坦化には液体状
気体を用いたプラズマＣＶＤ法を採用した。かくして多
層配線用層間絶縁膜を得ることができた。 【００４２】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、これら全体を反応室内の反応
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てもよい。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。 【００４３】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。 【００４４】〔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1500Å形成した後、反応室内の反応性気体を入
れかえた。その後さらに反応性気体を入れかえ、同様の
条件にて再度プラズマＣＶＤ法にて0.3 μm の酸化珪素
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。 【００４５】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。尚層間絶縁
膜として重要な耐圧を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/c
m 以上である。 【００４６】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、ＰＳ
Ｇ（リンガラス）、ＢＰＳＧ（ホウ素、リンガラス）、
アルミナ膜でも応用可能である。 【００４７】 【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、LSI 、
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。 【００４８】本発明の方法において絶縁耐圧が高くアル
ミニュウム等の下地材料と反応をしない酸化珪素被膜を
先ず光ＣＶＤ法で形成し、その後平坦な表面を有せしめ
るために液体状の反応性気体を用い、耐圧は小さくとも
平坦なまたは滑らかな表面を有する絶縁膜をプラズマＣ
ＶＤ法で形成している。 【００４９】かくしてそれぞれの成膜方法の欠点を互い
におぎない合わせることにより初めてサブミクロンレベ
ルのＵＬＳＩへの工業化が可能になった。 【００５０】本発明方法により、急唆な凹凸段差を有す
る被形成面上に平坦な表面を有する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。 【００５１】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の例を示す。
【図２】本発明にて用いた装置の概略図を示す。
【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５】プラズマCVD 法による亜鉛化窒素流量に対する
成膜速度の関係を示す。 【符号の説明】 １ 反応室 ２ 基板支持体 ３ 被処理基板 ４ 紫外光源室 ５ 透過窓 ６ 紫外光源 ７ ガスノズル ８ メッシュ電極 ９ 電源 １０、１１ 酸化珪素被膜 １２ 凹凸を有する基板
る成膜速度の関係を示す。 【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５】プラズマCVD 法による亜鉛化窒素流量に対する
成膜速度の関係を示す。 【符号の説明】 １ 反応室 ２ 基板支持体 ３ 被処理基板 ４ 紫外光源室 ５ 透過窓 ６ 紫外光源 ７ ガスノズル ８ メッシュ電極 ９ 電源 １０、１１ 酸化珪素被膜 １２ 凹凸を有する基板
フロントページの続き
(56)参考文献 特開 昭63−65630（ＪＰ，Ａ)
特開 昭57−12533（ＪＰ，Ａ)
特開 昭64−35960（ＪＰ，Ａ)
特開 昭59−181648（ＪＰ，Ａ)
特公 平７−7759（ＪＰ，Ｂ２)
特許3086424（ＪＰ，Ｂ２)
(58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名)
H01L 21/316
H01L 21/31
Claims (1)
- (57)【特許請求の範囲】 １．アルミニュームを材料とする第１の配線及び第２の
配線を覆う第１の絶縁膜と、該第１の絶縁膜上に設けら
れた第２の絶縁膜を含む層間絶縁膜であって、前記第１の配線及び第２の配線の幅及び前記第１の配線
と前記第２の配線の間の距離はそれぞれ１μｍ以下であ
って 、 前記第１の絶縁膜は無機化合物を用いたＣＶＤ法により
形成された絶縁膜であって、 前記第２の絶縁膜は有機化合物を用いたＣＶＤ法により
形成された絶縁膜であって、前記第１の配線と前記第２の配線の間を覆っている前記
第２の絶縁膜の膜圧は、前記第１の配線及び前記第２の
配線の上面を覆っている前記第２の絶縁膜の膜厚よりも
大きい部分を有することを特徴とする層間絶縁膜 。 ２．アルミニュームを材料とする第１の配線及び第２の
配線を覆う第１の絶縁膜と、該第１の絶縁膜上に設けら
れた第２の絶縁膜を含む層間絶縁膜であって、前記第１の配線及び第２の配線の幅及び前記第１の配線
と前記第２の配線の間の距離はそれぞれ１μｍ以下であ
って 、 前記第１の絶縁膜は無機化合物を用いたＣＶＤ法により
形成された絶縁膜であって、 前記第２の絶縁膜は有機化合物を用いたＣＶＤ法により
形成され、炭素を含む絶縁膜であって、前記第１の配線と前記第２の配線の間を覆っている前記
第２の絶縁膜の膜圧は、前記第１の配線及び前記第２の
配線の上面を覆っている前記第２の絶縁膜の膜厚よりも
大きい部分を有することを特徴とする層間絶縁膜 。３． 請求項１または２において、前記配線はサブミクロ
ンレベルのＵＬＳＩの配線であることを特徴とする層間
絶縁膜。４． 請求項１乃至３のいずれか一において、前記配線の
高さは１μｍ程度であって、前記配線の幅は０．８μｍ
であることを特徴とする層間絶縁膜。５． 請求項１乃至４のいずれか一において、前記第１の
絶縁膜は酸化珪素膜であることを特徴とする層間絶縁
膜。 ６．請求項１乃至５のいずれか一において、前記第２の
絶縁膜は酸化珪素膜であることを特徴とする層間絶縁
膜。７． アルミニュームを材料とする複数の配線上に無機化
合物を用いたＣＶＤ法により第１の絶縁膜を形成し、 前記第１の絶縁膜上に有機化合物を用いたＣＶＤ法によ
り第２の絶縁膜を形成し、 前記第２の絶縁膜のエッチングによるエッチバックをお
こなうことを特徴とする層間絶縁膜の作製方法であっ
て、 前記配線の幅及び前記配線と配線間の距離はそれぞれ１
μｍ以下である層間絶縁膜の作製方法。８． 請求項７において、前記有機化合物は有機シランで
あることを特徴とする層間絶縁膜の作製方法。９． 請求項７において、前記有機化合物はＳｉ（Ｃ
Ｈ3）4，Ｈ2Ｓｉ（ＣＨ3）2、Ｓｉ（ＯＣ2Ｈ5）4、Ｓｉ
（ＯＣＨ3）4いずれかであることを特徴とする層間絶縁
膜の作製方法。１０． 請求項７乃至９のいずれか一において、前記エッ
チバックは前記第２の絶縁膜に対して負のバイアス電圧
を加えて、前記第２の絶縁膜をエッチングすることであ
ることを特徴とする層間絶縁膜の作製方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP16029199A JP3211955B2 (ja) | 1999-06-07 | 1999-06-07 | 層間絶縁膜及びその作製方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP16029199A JP3211955B2 (ja) | 1999-06-07 | 1999-06-07 | 層間絶縁膜及びその作製方法 |
Related Parent Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP08356231A Division JP3086424B2 (ja) | 1996-12-24 | 1996-12-24 | 層間絶縁膜の作製方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2000031140A JP2000031140A (ja) | 2000-01-28 |
| JP3211955B2 true JP3211955B2 (ja) | 2001-09-25 |
Family
ID=15711816
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP16029199A Expired - Lifetime JP3211955B2 (ja) | 1999-06-07 | 1999-06-07 | 層間絶縁膜及びその作製方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3211955B2 (ja) |
-
1999
- 1999-06-07 JP JP16029199A patent/JP3211955B2/ja not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP2000031140A (ja) | 2000-01-28 |
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