JP3590451B2

JP3590451B2 - 絶縁膜の作成方法

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Publication number: JP3590451B2
Application number: JP15697495A
Authority: JP
Inventors: 好宏田村
Original assignee: アネルバ株式会社
Priority date: 1995-05-30
Filing date: 1995-05-30
Publication date: 2004-11-17
Anticipated expiration: 2019-11-17
Also published as: JPH08330293A

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本願の発明は、半導体電子素子や液晶ディスプレイ，太陽電池等の製造において、プラズマ気相成長法を用いて基板上に絶縁膜を作成する方法および装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
プラズマ気相成長法は、ガス状態の原材料を真空容器内に導入し、真空容器内でプラズマを形成してプラズマ中の気相反応を利用して薄膜を作成する技術である。このプラズマ気相成長法は、半導体電子素子等の製造の際に必要な絶縁膜の作成にも使用されている。
図８は、プラズマ気相成長法を使用した従来の絶縁膜の作成方法を説明する図であり、この方法に使用されるプラズマ気相成長装置の例を示している。
【０００３】
まず、この方法に使用されるプラズマ気相成長装置は、排気系１１を備えた真空容器１と、真空容器１内に所定のガスを導入するガス導入機構２と、導入されたガスにエネルギーを与えてプラズマを形成するための電力供給機構３と、薄膜作成を行う基板４０を載置するための基板ホルダー４などから主に構成されている。そして、ガス導入機構２は、プラズマ形成用ガスを導入する第一のガス導入系２１と、絶縁膜作成用ガスを導入する第二のガス導入系２２を有している。
【０００４】
真空容器１は、成膜室１０１と、成膜室１０１の下側に位置した少し大きな空間の真空排気室１０２を構成している。また、成膜室１０１の部分の真空容器１は、高さ２３０ｍｍ，直径３６０ｍｍ程度の円筒形状のアルミニウム合金で形成されている。
成膜室１０１の部分の器壁には不図示のゲートバルブが設けられ、真空排気室１０２の部分の器壁には、排気系１１がつながる排気管が設けられている。排気系１１は、粗引きポンプ１１１と、粗引きポンプ１１１の前段に配置された主ポンプ１１２と、これらのポンプ１１１，１１２によって排気する排気経路上に配置された主バルブ１１３及び可変コンダクタンスバルブ１１４とから主に構成されている。
上記真空容器１は、上側にベルジャー１２を有している。真空容器１の上部器壁には中央に円形の開口が設けられ、ベルジャー１２はこの開口に気密に接続されている。ベルジャー１２は、先端が半球状で下端が開口になっている直径１００ｍｍ程度の円筒状の形状を有するものであり、石英ガラス等の誘電体で形成されている。
【０００５】
ガス導入機構２は、前述の通り、プラズマ形成用ガスを導入する第一のガス導入系２１と、絶縁膜作成用ガスを導入する第二のガス導入系２２を有している。各々のガス導入系２１，２２は、不図示のガスボンベに接続された配管２１１，２２１と、配管２１１，２２１の終端に接続されたガス導入体２１２，２２２とから主に構成されている。
【０００６】
図９は、図８のガス導入体２１２，２２２の構成を説明する図である。図９に示すように、ガス導入体２１２，２２２は、断面円形の円環状のパイプから構成されている。このガス導入体２１２，２２２は、真空容器１に設けられた支持棒２３によって支持され、真空容器１の内面に沿う形で水平に配置されている。
また、真空容器１の壁を気密に貫通する状態で輸送管２４が設けられており、この輸送管２４の一端はガス導入体２１２，２２２に接続されている。ガス導入体２１２，２２２の他端は図１の配管２１１，２２１に接続されている。
そして、ガス導入体２１２，２２２は、図９に示すように、その内側面にガス吹き出し口２５を有している。このガス吹き出し口２５は、直径０．５ｍｍ程度の開口であり、１０ｍｍ程度の間隔をおいて周上に設けられている。
【０００７】
一方、図８に戻り、電力供給機構３は、ベルジャー１２の周囲を取り囲んで配置された高周波コイル３１と、この高周波コイル３１に整合器３２を介して高周波電力を供給する高周波電源３３とから主に構成されている。高周波電源３３には、例えば１３．５６ＭＨｚの高周波電力を発生させるものが採用され、高周波コイル３１からベルジャー１２内にこの高周波電力が供給される。
【０００８】
また、真空容器１内のベルジャー１２の下方位置には、基板ホルダー４が設けられている。この基板ホルダー４は、薄膜作成を行う基板４０を上面に載置させるものであり、必要に応じて基板４０を加熱又は冷却する温度調節機構４１を内蔵している。この温度調節機構４１は、熱交換媒体を循環させる部材や温度検出器等で構成される。
この基板ホルダー４には、生成されるプラズマと高周波との相互作用によって基板４０に所定の基板バイアス電圧を印加するための基板用高周波電源４２が接続されている。基板用高周波電源４２が発生させる高周波は、例えば４００ｋＨｚである。尚、「プラズマと高周波との相互作用によるバイアス電圧」には、基板用高周波電源４２とプラズマとの間に相当のキャパシタンスが存在していることが必要である。従って、基板ホルダー４や基板４０がすべて金属で形成されている場合には、基板ホルダー４０への給電回路上に所定のコンデンサが接続される。
【０００９】
上記構成のプラズマ気相成長装置の動作を説明しながら従来の絶縁膜の作成方法について説明する。
まず、不図示のゲートバルブを通して基板４０を真空容器１内に搬入して基板ホルダー４上に載置する。排気系１１によって真空容器１内を排気した後、最初に第一のガス導入系２１によってプラズマ形成用ガスを導入する。導入されたプラズマ形成用ガスは、真空容器１内を拡散してベルジャー１２に達する。プラズマ形成用ガスの圧力が所定の値に安定したら、電力供給機構３を動作させ、高周波コイル３１を介して高周波電力をベルジャー１２に供給し、これによってプラズマが形成される。この状態で、第二のガス導入系２２によって絶縁膜作成用ガスを導入し、プラズマ中で生じる絶縁膜形成用ガスの気相反応を利用して基板４０の表面に所定の絶縁膜を作成する。
例えば、絶縁膜として酸化硅素薄膜を作成する場合、プラズマ形成用ガスとして酸素ガスを導入し、絶縁膜作成用ガスとしてモノシランガスを導入する。モノシランガスが酸素プラズマ中で分解反応を起こし、酸素と化合することによって基板の表面に酸化硅素薄膜を成長させる。
【００１０】
上記方法を基板４０の状態に即してさらに詳しく説明する。
図１０は、プラズマ気相成長法を使用した絶縁膜の作成方法を基板の表面の状態に即して説明した図である。
図１０（ａ）に示す通り、例えば、硅素半導体基板４０上に、熱酸化膜４０１が約５００ｎｍの厚みで作成されている。熱酸化膜４０１上には、アルミニウムに硅素１％と銅０．５％が添加されたアルミニウム合金からなる導電膜４０２が作成され、所定の配線パターンに形成されている。配線の高さは０．８μｍ、配線の線幅は０．３５μｍ程度である。そしてさらに、導電膜４０２上には、窒化チタニウム薄膜４０３がリソグラフィの際の反射防止膜として約５０ｎｍの厚さにて形成されている。
【００１１】
上記動作のプラズマ気相成長装置において、第一のガス導入系２１から酸素ガスを１２０ＳＣＣＭの流量にて導入し、成膜室１０１内部の圧力を５ｍＴｏｒｒに維持する。前述のようにプラズマを形成した後、第二のガス導入系２２にからモノシランガスを６０ＳＣＣＭの流量にて成膜室１０１に導入すると、図１０（ｂ）に示す通り基板４０の表面上に酸化硅素薄膜４０４が作成される。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
ここで、この際、半導体基板４０に、基板用高周波電源４２によって周波数４００ｋＨｚ電力２ｋＷの高周波電力を印加すると、導電膜４０２上の窒化チタニウム薄膜４０３の角部４０５に電界が集中してスパッタリング現象が生じる。本スパッタリング現象は、当該角部４０５に酸化硅素膜が堆積することを抑制するので、当該半導体基板４０に対して酸化硅素薄膜４０４の成膜を進行させながら、導電膜４０２の配線パターンが形成する孔又は溝の入り口を塞いてしまうことが無いようにする。
もし、上記スパッタリング現象が生じないと、図１０（ｃ）に示すように、角部４０５の部分に堆積した薄膜によって孔又は溝が塞がれ、絶縁膜内にボイドと呼ばれる空洞４０６が形成されてしまう。
【００１３】
近年、半導体電子素子等の高速動作を図ることを目的として、当該半導体電子素子等を構成するアルミニウム合金等の配線を伝幡する信号の時定数を小さくするために、配線間の絶縁膜あるいは配線層の層間絶縁膜に比誘電率の低い絶縁膜を用いることが要求されている。
比誘電率の低い絶縁膜を形成する方法として、例えば、弗素を含む硅素化合物ガスとして四弗化硅素ガスと酸素ガスまたは亜酸化窒素ガスを用いたプラズマ気相成長法により、弗素を含む硅素酸化物の薄膜を作成することが提案されている（特開平６−３３３９１９号公報参照）。
【００１４】
しかしながら、上記公報の技術を実施すると、下地の配線パターンが著しく損傷し、現実には実施不可能の技術であることを本願の発明者は見いだした。この点を図１１を用いて説明する。図１１は、上記公報に示された従来の弗素を含む酸化硅素薄膜の作成方法の問題点を示した図である。
上記公報の発明では、四弗化硅素ガスと酸素ガスとを用いてプラズマ気相成長法により弗素を含む酸化硅素薄膜を作成している。しかしながら、上記公報の技術を実際に実施してみると、図１１に示すように下地の導電膜４０２の配線パターンが削られて変形し、期待された弗素を含む硅素酸化物薄膜の堆積が殆ど見られないことが見いだされた。
【００１５】
この原因を本願の発明者が鋭意追求してみたところ、次のようなことが判明した。
まず、前記公報の発明は、酸素プラズマ中で四弗化硅素の分解反応が生じ、分解した硅素が酸素と反応して酸化硅素薄膜を堆積すると考えている。そして、分解した弗素がその酸化硅素薄膜中に取り込まれ、薄膜は弗素を含む酸化硅素薄膜となって比誘電率を下げるとしている。
しかしながら、現実には、酸素プラズマ中での四弗化硅素は遊離弗素等の弗素系活性種を生成し、これら弗素系活性種によって基板上の下地材料を激しくエッチングしてしまう。特に、前述したように、ボイドの形成を防止するため基板にバイアス電圧を印加していると、角部４０５に対して電界が集中してこの角部４０５の部分から配線パターンを激しく削ってしまう。この結果、図１１に示すように導電膜４０２の配線パターンが断面三角形状に削られて変形してしまうのである。
【００１６】
一般に、プロセスルールとして、配線パターンがわずか１％削られただけでも不良品であり、そのような絶縁膜の作成方法は採用不可である。従って、上記公報の発明は、現実には実施不可能の技術である。
上記公報の発明では、アルミニウム合金配線と弗素との化学反応を抑制すべく、まずモノシランガスと酸素ガスを用いてアルミニウム合金配線上に弗素を含まない酸化硅素膜を１００ｎｍの厚さで形成した後、モノシランガスを四弗化硅素ガスに変更して弗素を含む酸化硅素膜を作成する例が提案されている。
しかしながら、本願の発明者の実験によれば、たとえ弗素を含まない酸化硅素膜を１００ｎｍの厚みにて作成した後であっても、図１１に示すように下地のアルミニウム合金配線を激しくエッチングしてしまうことが確認された。
【００１７】
これは、弗素系ガスが酸化硅素薄膜のエッチング用ガスとして使用されていることからも分かる通り、四弗化硅素ガスから生成された弗素系活性種が酸化硅素を短時間のうちにエッチングして取り除いてしまい、その下のアルミニウム合金と弗素との反応が容易に開始されてしまうからである。
さらに、上記公報の発明では、酸素を亜酸化窒素に変更したり、アルミニウム合金配線に代えてアルミニウム配線を使用する旨が提示されているが、このように変更しても、配線パターンやその下の熱酸化膜をエッチングしてしまう欠点は改善できないことが、本願発明者の実験で判明した。
【００１８】
このようなことから、いかに弗素を含んだ酸化硅素膜が絶縁性に優れ、比誘電率が小さくとも、上記従来の方法では実用に耐え得る絶縁膜の作成は現実には不可能であった。
本願発明は、上記課題を解決するためになされたものである。即ち、下地材料に対して損傷を与えることなく、弗素を含む酸化硅素薄膜からなる絶縁膜を作成できるようにし、比誘電率の小さい絶縁膜を得ることによって信号の時定数の小さい配線構造を可能にすることで、半導体電子素子等の高速化に貢献することを目的としている。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本願の請求項１記載の発明は、基板の表面に酸化硅素からなる絶縁膜を作成する方法において、基板を配置した成膜室又はこの成膜室に空間的に連続したプラズマ生成室内にプラズマ形成用ガスとして酸素ガス及び水素ガスを導入して酸素及び水素のプラズマを形成し、絶縁膜作成用ガスとして弗素を含む硅素化合物を前記成膜室又はプラズマ生成室に導入して、形成されたプラズマによる気相成長を利用して基板上に弗素を含む酸化硅素からなる絶縁膜を作成するとともに、この際の水素ガスの流量の割合を、弗素を含む硅素化合物のガス流量に対して２００％から４００％の範囲とするという構成を有する。
同様に上記目的を達成するため、請求項２記載の発明は、上記請求項１の構成において、プラズマ形成用ガスには、アルゴンガスが添加されているという構成を有する。
同様に上記目的を達成するため、請求項３記載の発明は、上記請求項２の構成において、基板の表面には、導電膜よるなる配線パターンが形成されており、その配線パターンを覆うように絶縁膜を作成するという構成を有する。
【００２０】
【実施例】
次に、図面を用いて本願発明の実施例を詳細に説明する。
実施例の説明に先立ち、参考例について説明する。図１は、参考例の絶縁膜の作成方法に使用されるプラズマ気相成長装置の概略を示す図である。
図１に示すプラズマ気相成長装置は、ガス導入機構２の構成が異なるのみで、他の部分の構成は図５の装置とほぼ同様である。従って、ガス導入機構２以外の部分の説明は省略する。
【００２１】
図１に示す装置のガス導入機構２は、図５の装置と同様、プラズマ形成用ガスを導入する第一のガス導入系２１と、絶縁膜作成用ガスを導入する第二のガス導入系２１を有している。そして、プラズマ形成用ガスを導入する第一のガス導入系２１の主配管（以下、第一主配管）２１１には、酸素ガスを導入する第一の配管２１１ａと、水素ガスを導入する第二の配管２１１ｂと、アルゴンガスを導入する第三の配管２１１ｃとが接続されている。また、絶縁膜作成用ガスを導入する第二のガス導入系２２の主配管（以下、第二主配管）２２１には、弗素を含む硅素化合物ガスを導入する第四の配管２２１ａと、水素を含む硅素化合物ガスを導入する第五の配管２２１ｂとが接続されている。即ち、第二のガス導入系２２は、弗素を含む硅素化合物ガスと水素を含む硅素化合物ガスとを混合して導入するようになっている。
【００２２】
上記ガス導入機構２において、第一の配管２１１ａ、第二の配管２１１ｂ、第三の配管２１１ｃ、第四の配管２２１ａ、第五の配管２２１ｂには、それぞれのガス流量を調整する流量調整器２１３，２２３が設けられている。また、上記第一第二のガス導入系２１，２２のそれぞれの主配管２１１，２２２の終端は、図５と同様に真空容器１内に配置されたガス導入体２１２，２２２に接続されている。
【００２３】
次に、上記プラズマ気相成長装置を使用して行う参考例の絶縁膜の作成方法について説明する。
まず、基板の表面の状態は、図１０（ａ）に示すものと同様であり、硅素半導体基板４０の表面に熱酸化膜４０１が形成され、その上にアルミニウム合金からなる導電膜４０２の配線パターンが形成されている。
【００２４】
このような基板４０を不図示のゲートバルブを通してを真空容器１内に搬入し、基板ホルダー４上に載置する。排気系１１によって真空容器１内を排気した後、第一のガス導入系２１によってプラズマ形成用ガスを導入する。導入されたガスは、真空容器１内を拡散してベルジャー１２に達する。真空容器１内の圧力が５ｍＴｏｒｒ程度で安定したら、電力供給機構３を動作させ、ベルジャー１２内にプラズマを形成する。
形成されたプラズマは、ベルジャー１２内から基板４に向けて真空容器１内を拡散する。この状態で、第二のガス導入系２２により絶縁膜形成用ガスを導入する。導入された絶縁膜形成用ガスは、ベルジャー１２から拡散するプラズマにより気相反応を生じ、基板４０の表面に弗素を含む酸化硅素薄膜が作成される。
【００２５】
次に、上記参考例の方法の有効性について確認した実験の結果について説明する。
図１に示す装置を使用し、酸素ガス流量を１２０ＳＣＣＭ、四弗化硅素ガスとモノシランガスの合計流量を６０ＳＣＣＭとし、四弗化硅素ガスの流量とモノシランガスの流量との比率を変えながら弗素を含む酸化硅素膜を実際に作成した。この結果を示したのが、表１である。
【表１】

【００２６】
表１に示す通り、四弗化硅素ガスの流量がモノシランガスの流量よりも多い場合は、前記半導体基板上に形成されているアルミニウム合金および熱酸化膜をエッチングする現象が観察された。しかしながら、四弗化硅素ガスとモノシランガス流量を同一とした場合、より具体的には、四弗化硅素ガス流量を３０ＳＣＣＭ、モノシランガスを３０ＳＣＣＭとした場合には、アルミニウム合金配線ならびに熱酸化膜のエッチング現象は観察されなかった。
以上の結果より、弗素を含む硅素酸化膜を形成する場合の四弗化硅素ガスの流量の上限は、モノシランガスと同一流量であることが判った。また、四弗化硅素ガスの流量がモノシランガス流量よりも少ない場合にも、アルミニウム合金配線ならびに熱酸化膜のエッチング現象は観測されなかった。
【００２７】
このような参考例の方法のメカニズムについて、完全に解明された訳ではないが、本願の発明者は次のようなものであると考えている。
まず、酸素プラズマ中の四弗化硅素ガスは、酸素と反応してＳｉＯxＦy（例えばＳｉＯＦ_２）という中間生成物を作り出す。この中間生成物がそのまま薄膜として成長すると弗素を含む酸化硅素薄膜が作成できると予想されるが、実際にはこのＳｉＯxＦyという生成物は非常に不安定で、下地金属配線をエッチングする作用を有すると考えられる。
【００２８】
例えば、ＳｉＯｘＦｙの例としてＳｉＯＦ_２を考えてみると、このＳｉＯＦ_２はプラズマによって弗素を遊離し、
ＳｉＯＦ_２ →ＳｉＯＦ＋Ｆ
という反応を生ずると考えられる。生成されたＳｉＯＦは、基板上に弗素を含む薄膜を堆積する前駆体となると推察されるが、その一方で、遊離した弗素は非常に活性で、アルミニウム等の下地金属配線と反応してエッチングしてしまう。従って、薄膜が作成できたとしてもその下地金属配線が著しく変形してしまう。
【００２９】
これに対し、参考例のように、同時にモノシランを導入していると、モノシランガスは、酸素プラズマ中で、例えば、
ＳｉＨ_４＋Ｏ→ＳｉＨ＋Ｈ＋Ｈ_２Ｏ
のような反応を生じ、ＳｉＨと遊離水素を生成する。この遊離水素は、上記遊離弗素と反応して化学的に安定な弗化水素（ＨＦ）を作り出す。この結果、四弗化硅素ガスのみを導入した場合のような激しい下地金属配線のエッチングは抑制される。
【００３０】
一方、ＳｉＨは基板の表面に付着して薄膜に成長する過程でＨとＯを置換しＳｉＯ_２を形成するが、この際、弗素を取り込んで成長することによって弗素を含んだ酸化硅素薄膜になるものと想定される。具体的な反応機構は特定できないが、いずれにしろ、四弗化硅素から直接遊離した弗素か又はＳｉＯＦのような不安定な中間生成物から遊離した弗素を取り込んで弗素を含む酸化硅素薄膜を堆積するものと考えられる。
尚、「弗素を含む酸化硅素薄膜」とは、酸化硅素薄膜中の一部の酸素が弗素で置換されて弗素−硅素結合を有する酸化硅素薄膜という意味である。
【００３１】
図２は、上記参考例の方法により作成された酸化硅素薄膜の比誘電率を調べた結果の図であり、（四弗化硅素ガス流量）／（四弗化硅素ガス流量＋モノシランガス流量）の比（以下、単に四弗化硅素ガス流量比と略す）に対する酸化硅素薄膜の比誘電率の関係が示されている。図２の縦軸は比誘電率、横軸は四弗化硅素ガス流量比を示している。
図２において、横軸の値が０％の場合は、モノシランガスのみを６０ＳＣＣＭの流量にて成膜室１０１に導入する場合を示しており、横軸が５０％の場合は、モノシランガスおよび四弗化硅素ガスをそれぞれ３０ＳＣＣＭの流量にて成膜室１０１に導入する場合に対応している。
【００３２】
まず、モノシランガスのみを６０ＳＣＣＭの流量（即ち、四弗化硅素ガス流量比０％の条件）で導入して基板上に作成した酸化硅素膜の比誘電率の値は３．９であった。そして、四弗化硅素ガス流量比を多くするに従い、比誘電率は低下する傾向にあり、モノシランガスおよび四弗化硅素ガスをそれぞれ３０ＳＣＣＭの流量で導入して（即ち、四弗化硅素ガス流量比５０％の条件）、弗素を含む酸化硅素膜を作成した場合の比誘電率の値は３．５であった。
【００３３】
ところで、四弗化硅素ガス流量比が１％よりも少ない領域にて作成した酸化硅素膜は、モノシランガス導入を導入して作成した酸化硅素膜と比べて、比誘電率を含めた電気的特性は殆ど同一であり、区別は困難である。よって、酸化硅素膜中に弗素を含むことで比誘電率が低下する効果を得るには、四弗化硅素ガス流量比を１％以上とすることが望ましい。
従って、以上の結果をまとめれば、弗素を含む酸化硅素膜を作成して比誘電率低下を効果を得るには、四弗化硅素ガス流量比を５０％から１％の範囲にすることが望ましい。
【００３４】
尚、上述した図１の装置の構成において、四弗化硅素ガスとモノシランガスとは別々のガス導入系で導入され、真空容器１の内部で混合されるようになっていてもかまわない。但し、予め混合してから導入する方が真空容器１内で混合するより均一に混ざるため、処理の均一性の点で良好である。
【００３５】
次に、実施例の絶縁膜の作成方法について説明する。
この実施例では、プラズマ形成用ガスとして酸素ガスと水素ガスとを混合して導入し、絶縁膜作成用ガスとして四弗化硅素ガスを導入する。使用する装置の構成としては、図１に示すものと同じものが使用できる。
この実施例では、前述した実施例の方法と同じように真空容器１を排気した後、第一のガス導入系２１によって酸素と水素とを混合して導入し、同様に電力供給機構３を動作させた後、第二のガス導入系２２によって四弗化硅素ガスを導入する。この実施例においても、プラズマ気相成長による酸化硅素薄膜の堆積の際に弗素が膜中に取り込まれ、弗素を含む酸化硅素薄膜が作成される。
【００３６】
同様に具体的な実験結果について説明すると、酸素ガスの流量を１２０ＳＣＣＭ、四弗化硅素ガスの流量を６０ＳＣＣＭとして、四弗化硅素ガス流量に対する水素ガス流量の比率（以下、単に水素ガス流量比と称す）を変えながら、弗素を含む酸化硅素膜を形成した。この結果を示したのが、表２である。
【表２】

【００３７】
表２に示す通り、水素ガスの流量がモノシランガスの流量の２倍よりも少ない場合には、半導体基板上に形成されているアルミニウム合金および熱酸化膜をエッチングする現象が観察された。
しかしながら、水素ガスの流量を四弗化硅素ガス流量の２倍とした場合、より具体的には、水素ガスの流量を１２０ＳＣＣＭ、四弗化硅素ガスの流量を６０ＳＣＣＭとした場合（即ち、水素ガス流量比２００％の場合）には、アルミニウム合金配線ならびに熱酸化膜のエッチング現象は観察されなかった。
以上の結果より、弗素を含む硅素酸化膜を形成する場合の水素ガスの流量の下限は、四弗化硅素ガスの流量の２倍であることが判った。また、水素ガス流量比が２００％より多い場合にも、アルミニウム合金配線ならびに熱酸化膜のエッチング現象は観測されなかった。
【００３８】
図３は、上記実施例の方法によって作成された酸化硅素薄膜の比誘電率を調べた結果の図であり、水素ガス流量比と作成された酸化硅素薄膜の比誘電率との関係を示したグラフである。図３の実験では、酸素ガスの流量を１２０ＳＣＣＭ、四弗化硅素ガスの流量を６０ＳＣＣＭとした。図３の縦軸は酸化硅素薄膜の比誘電率、横軸は水素ガス流量であり、それぞれ比百分率にて表示している。図３において、横軸の値が０％の場合は水素ガス流量が０ＳＣＣＭであることを意味し、横軸の値が２００％の場合は水素ガス流量が１２０ＳＣＣＭであることを意味している。
【００３９】
まず、水素ガスを０ＳＣＣＭの流量（即ち、水素ガス流量比０％）にて成膜室１０１に導入し、半導体基板上に酸化硅素薄膜を作成した場合、比誘電率の値は３．２であった。しかしながら、当該条件では、半導体基板上に形成されたアルミニウム合金配線や熱酸化膜がエッチングされてしまった。
そして、水素ガス流量比を多くするに従い、比誘電率は上昇する傾向にあり、水素ガスの流量を四弗化硅素ガスの流量の２倍の１２０ＳＣＣＭ（即ち、水素ガス流量比２００％）に設定して酸化硅素薄膜を作成した場合には、比誘電率の値は３．５であった。また、水素ガス流量比を４００％とした場合には、弗素を含む酸化硅素薄膜の比誘電率は３．９となり、水素ガス流量比を４００％より多くした場合にも比誘電率は３．９あった。
【００４０】
このように四弗化硅素等の弗素を含む硅素化合物ガスのみを絶縁膜作成用ガスとして導入した場合であっても、プラズマ形成用ガスに水素を添加することによって比誘電率の低い「弗素を含む酸化硅素薄膜」が作成できる。この点もメカニズムも、上記請求項１の発明の実施例と同様、完全には明かではないが、以下のようなものであると考えられる。
【００４１】
即ち、前述の通り、プラズマによって四弗化硅素は弗素をＳｉＯＦ_２等の生成物から弗素を遊離するが、この遊離弗素は酸素・水素の混合プラズマ中で生成される水素イオン又は遊離水素と反応して、前述と同様に弗化水素を生成する。一方、詳細な反応機構は明かではないが、弗素を遊離して生成されたＳｉＯＦ等が前駆体となって酸素と水素の混合プラズマ中で組成変化し、「弗素を含む酸化硅素薄膜」が作成されると考えられる。
【００４２】
ところで、四弗化硅素ガスに対する水素ガス流量の割合を、４００％より多くした領域において形成した弗素を含む酸化硅素膜は、弗素を含まない酸化硅素膜と比べて、比誘電率を含めた電気的特性は殆ど同一であり、区別は困難である。従って、水素ガス流量比は４００％以下とすることが望ましい。
以上の結果をまとめれば、半導体基板に対して弗素を含む酸化硅素膜を形成する場合には、当該水素ガス流量の割合を前記四弗化硅素ガス流量に対して２００％から４００％の範囲にすることが望ましい。
【００４３】
上記参考例又は実施例の方法を実施する際、プラズマ生成用の原料ガスにアルゴンガス（Ａｒ）を混合するとさらに好適である。即ち、アルゴンガスを導入した状態でプラズマを形成するとともに、基板４０にバイアス電圧を印加した場合には、アルゴンイオンによる基板４０表面へのスパッタリング現象が起こるが、アルゴンは酸素や水素に比べてスパッタ率が優れているため、前述した孔又は溝を空洞を形成することなく塞ぐ絶縁膜作成を行う場合に、特に好適な構成となる。
【００４４】
上記参考例又は実施例の方法を実施するプラズマ気相成長装置としては、ヘリコン波プラズマを形成するよう構成することができる。図４は、この種の装置の概略を示したものである。
ヘリコン波プラズマは、強い磁場を加えるとプラズマ振動数より低い周波数の電磁波が減衰せずにプラズマ中を伝搬することを利用するものであり、高密度プラズマを低圧で生成できる技術として最近注目されているものである。プラズマ中の電磁波の伝搬方向と磁場の方向とが平行のとき、電磁波はある定まった方向の円偏光となり螺旋状に進行する。このことからヘリコン波プラズマと呼ばれている。
【００４５】
ヘリコン波プラズマを形成する図４の装置では、図１の高周波コイル３１に代えて、ループ状のアンテナ３４が配置されている。アンテナ３４は、一本の丸棒状又は帯板状の部材を曲げて上下二段のループ状の形状にしたものである。
また、ベルジャー１２の周囲に磁場形成機構３５を設置している。磁場形成機構３５は、内側コイル３５ａと外側コイル３５ｂからなる二重コイルであり、各コイル３５ａ，３５ｂはベルジャー１２と同軸上の位置に配置される。内側コイル３５ａと外側コイル３５ｂは、互いに逆向きの磁場が形成されるように、コイルの巻き方向と通電方向が調整される。磁場形成機構３５を二重コイルの構造とすることで、所望の磁場を作り易いという利点を有する。磁場形成機構３５を単一コイルで構成することもできる。
尚、磁場形成機構３５が発生させる磁場は、ベルジャー１２内部で生成されたプラズマを効率よく成膜室１０１内部に輸送するので、成膜室１０１内におけるプラズマの高密度化を促進することができる。その結果、基板４０表面での化学反応をより安定に促進することができるため、成膜速度の向上といった効果もある。
【００４６】
図５から図７は、参考例又は実施例の絶縁膜の作成方法に使用されるプラズマ気相成長装置の他の例の主要部を示したものであり、プラズマ生成室を構成する部材の他の例について説明したものである。
上記説明では、プラズマ生成室を構成するベルジャー１２が半球状又は円筒状であるとして説明したが、これに限られるものではない。即ち、図５に示す如く、金属部材１２１にて一方を閉じられた円筒形状の誘電体容器１２２でもよい。また、図６に示す如く、プラズマ生成室を構成する円筒状の誘電体容器１２２の内部に基板４０が配置されてもよい。さらに、図７に示す如く、円板形状の誘電体蓋１２３を配置して、プラズマ生成室と成膜室とが殆ど同じ空間になるような構成でも良い。
【００４７】
また、前述した説明では、電力供給機構３は周波数１３．５６ＭＨｚの高周波電力を供給して高密度プラズマを形成しているが、１３．５６ＭＨｚに限定されることなく、例えば周波数２ＭＨｚの高周波電力でもよく、また、周波数２．４５ＧＨｚのマイクロ波電力を供給するように構成してもよい。
また、上記説明では、弗素を含む硅素化合物として四弗化硅素ガス、水素を含む硅素化合物としてモノシランガスを用いて例について説明したが、弗素を含む硅素化合物に六弗化２硅素ガス（Ｓｉ_２Ｆ_６）を用いたり、水素を含む硅素化合物にジシランガス（Ｓｉ_２Ｈ_６）あるいはテトラエチルオルソシリケイトガス（Ｓｉ（Ｃ_２Ｈ_５Ｏ）_４）を用いても、本発明が適用できることは容易に類推できる。
【００４８】
【発明の効果】
上記説明した通り、請求項１記載の発明によれば、下地材料に対して損傷を与えることなく弗素を含む酸化硅素薄膜からなる絶縁膜を作成することができる。このため、比誘電率の小さい絶縁膜を得ることによって、信号の時定数の小さい配線構造が可能になり、半導体電子素子等の高速化に貢献できる。
また、請求項２記載の発明によれば、上記請求項１効果を得るに際し、効率の良いスパッタリングを行いながら絶縁膜を作成することができる。
また、請求項３記載の発明によれば、上記請求項２の効果に加え、ボイドを形成することなく配線パターンを絶縁膜で覆うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】参考例の絶縁膜の作成方法に使用されるプラズマ気相成長装置の概略を示す図である。
【図２】参考例の方法により作成された酸化硅素薄膜の比誘電率を調べた結果の図である。
【図３】実施例の方法により作成された酸化硅素薄膜の比誘電率を調べた結果の図である。
【図４】参考例又は実施例の絶縁膜の作成方法の実施に使用される他のプラズマ気相成長装置の概略を示したものである。
【図５】参考例又は実施例の絶縁膜の作成方法に使用されるプラズマ気相成長装置の他の例の主要部を示したものである。
【図６】参考例又は実施例の絶縁膜の作成方法に使用されるプラズマ気相成長装置の他の例の主要部を示したものである。
【図７】参考例又は実施例の絶縁膜の作成方法に使用されるプラズマ気相成長装置の他の例の主要部を示したものである。
【図８】プラズマ気相成長法を使用した従来の絶縁膜の作成方法を説明する図であり、この方法に使用されるプラズマ気相成長装置の例を示している。
【図９】図８のガス導入体２１２，２２２の構成を説明する図である。
【図１０】プラズマ気相成長法を使用した絶縁膜の作成方法を基板の表面の状態に即して説明した図である。
【図１１】従来の弗素を含む酸化硅素薄膜の作成方法の問題点を示した図である。
【符号の説明】
１真空容器
１１排気系
２ガス導入機構
２１第一のガス導入系
２２第二のガス導入系
３電力供給機構
４基板ホルダー

Claims

基板の表面に酸化硅素からなる絶縁膜を作成する方法において、基板を配置した成膜室又はこの成膜室に空間的に連続したプラズマ生成室内にプラズマ形成用ガスとして酸素ガス及び水素ガスを導入して酸素及び水素のプラズマを形成し、絶縁膜作成用ガスとして弗素を含む硅素化合物を前記成膜室又はプラズマ生成室に導入して、形成されたプラズマによる気相成長を利用して基板上に弗素を含む酸化硅素からなる絶縁膜を作成するとともに、この際の水素ガスの流量の割合を、弗素を含む硅素化合物のガス流量に対して２００％から４００％の範囲とすることを特徴とする絶縁膜の作成方法。
前記プラズマ形成用ガスには、アルゴンガスが添加されていることを特徴とする請求項１記載の絶縁膜の作成方法。
前記基板の表面には、導電膜よりなる配線パターンが形成されており、その配線パターンを覆うように絶縁膜を作成することを特徴とする請求項２記載の絶縁膜の作成方法。