JPH01296626A - プラズマ気相反応装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔イ〕発明の利用分野 本発明は、プラズマ化学気相反応により被形成面上に平
坦または概略平坦な高品質の絶縁膜を減圧下で形成する
プラズマ気相反応装置を提供するものである。

本発明は、カソード側に基板に配設する等の方法により
、異方性プラズマＣＶＤ法で絶縁被膜を形成する工程と
、アノード側に基板を配設する等の等方性プラズマエツ
チング方法とを併用して、凹凸表面を有する被形成面上
に被膜作製を行い、かつその上表面を平坦または概略平
坦（上部と底部との間の高低差が少ないまたは滑らかに
連続した形状）に形成するプラズマ気相反応装置を提供
するものである。

〔口〕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。

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
いエツチングにより形成されるのでＬＳＩのパターンの
端面形状は急峻となる。

また、配線が多層となるため、当然ＬＳＩチップ上表面
の凹凸が激しくなる。このようなＬＳＩチップ上表面の
凹凸はパターンの加工精度の低下、配線の断線等、信転
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１層間絶縁膜の上
表面を平坦化する技術が重要視されている。

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）法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°Ｃ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Ｃ
ＶＤ法（プラズマを用いた気相被膜作製方法を以下プラ
ズマＣＶＤ法という）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
、被形成面を有する基板をアノード側に配設し、かつ基
板の加熱温度は２００〜４５０°Ｃの範囲として、成膜
する材料の高密度化を計っていた。アノード側に基板を
配設する理由は、下地材料へのプラズマ損傷をなくすた
めである。

さらにこの被膜形成は、等方性ディポジッションを行う
等方性ＣＶＤ法をその基本思想としていた。

このため、凹部での被膜形成に際しては、その底部のコ
ーナ部にカスプ（巣）が発生しやすく、多層配線に際し
、ステップカバレージを良好にすることが不可能であっ
た。

一方、最近、下地の損傷を防ぐ技術として光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が、成膜速度がプ
ラズマＣＶＤ法の１７１０〜１１５０と遅い欠点を有す
る。

他方、プラズマエツチング方法が半導体集積回路の作製
工程で知られている。これはカソード側に基板を配設し
、セルフバイアスを用いて異方性プラズマエツチングを
行わんとするものである。

この異方性エツチングにより、所定の領域の凹部を急峻
に作らんとしている。

〔ハ〕本発明の目的 本発明は、これら従来より知られた技術とはまったく異
なるもので、プラズマＣＶＤに際し、異方性を有せしめ
て形成する、いわゆる異方性プラズマＣＶＤ法（本発明
をより明らかにするため仮称する）を用いる。さらにプ
ラズマエツチングを等方性を有して行う、等方性プラズ
マエツチングを行うことを基本とし、これを少なくとも
各１回繰り返すプラズマ気相反応装置を提供することを
基本としている。

本発明は、これら従来の問題点を解決するものであり、
急峻な段差のない上表面を有する絶縁膜、特に眉間絶縁
膜を形成することを目的としている。

〔本発明の構成〕

本発明は、異方性ディボジッションをプラズマＣＶＤ法
で行う。すると、もちろん凹凸表面を有する被形成面の
凸部にも成膜するが、特に凹部における底部に十分緻密
な被膜形成をさせ得ることを見出し、この特性を用いて
平坦な上表面を有する絶縁膜を作らんとするものである
。本発明は、この異方性プラズマＣＶＤ法での成膜と、
さらに従来の異方性プラズマエツチング（リアクティブ
・イオン・エツチング　ＲＩＥともいう）とは逆の等方
性プ、ラズマエッチングを繰り返すことにより、同一反
応系（同一反応炉または複数のマルチチャンバ方式の連
続反応炉）にて、上表面が平坦または滑らかに連続した
概略平坦な被膜を作製するプラズマ気相反応装置である
。

本発明は、光化学気相反応を用いて酸化珪素膜等の絶縁
膜を基板上に形成し、プラズマ損傷を軽減した後、異方
性プラズマＣｖＤ法にて、所定の膜厚（例えば０．５〜
３μｍ）にまで酸化珪素被膜を形成した後、同一反応系
内にて等方性プラズマエツチング処理（以下エッチバッ
ク処理という）を施すことを特徴とするものである。

さらに必要に応じて、これらの工程を繰り返すことによ
り、上表面が急峻な凹凸段差のない絶縁膜、即ち平坦ま
たは実質的に平坦な上表面を有する絶縁膜を形成するも
のである。

本発明は、異方性プラズマＣＶＤ法と等方性プラズマエ
ツチングとを等温または概略等温く互いに±５０’Ｃ以
下内の温度差）として処理し、１工程と次工程との間の
待ち時間をなくすることにより、その生産性を向上させ
る。さらに本発明は、その好ましい例として、異方性プ
ラズマＣＶＤ法と等方性エツチングとをともに室温の外
部加熱なく（プラズマによる自己加熱はある）行い得る
ことを見出し、かかる室温での異方性プラズマＣＶＤ法
で層間絶縁膜、埋置したフィールド絶縁膜用に十分臭素
被膜の作製方法を示す。

実施例１ 第２図に本発明の絶縁被膜形成用装置の概略図を示す。

図面において、反応室（１）内には一対の電極（２）。

（８）が設けられ、それらはともに接地レベルから絶縁
されている。そしてその一方には、被形成面を有する基
板（３）が配設されている。さらに反応室（１）内には
光ＣＶＤもできるように紫外光源室（４）を有し、ここ
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、反
応容器から絶縁化された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。

プラズマ処理用電源（９）からマツチングコイル（１０
）をへて高周波エネルギが一対の電極（２）　、　（８
）に連結されている。そして一方を接地してアノードと
、他方を負の１００〜５００ｖのバイアスがかかるカソ
ードとすべくスイッチ（１１）により接地（１２）が選
択される。

異方性ＣＶＤを行わんとする場合は、電極（８）を接地
しアノード側とし、基板のある電極（２）をカソード側
とする。

異方性ＣＶＤとは、反応性気体がバイアス電圧で電界方
向に加速され、方向性を有する。そしてこの加速により
被形成面上に衝突すると、そこでこの運動エネルギをも
加わり緻密な膜を作ることができる。この方向性を有す
るため、成膜された被膜の膜厚はバイアス電界と垂直な
面には厚く形成され、バイアス電界と平行な面（側面）
には薄く形成される。とくに凹部の底部にも十分加速さ
れた反応性気体が到達するため、底部でも緻密な膜がで
き、カスプ等の発生を防ぐことができる。

他方、等方性プラズマエツチングを行う時は、電極（２
）を接地し、基板に自己バイアスのかからないアノード
側とし、電極（８）をカソード側とする。

即ち、等方性エツチングは、エツチングされる表面に反
応性気体が電界により加速されることなく、均質に衝突
し、その表面でプラズマ反応をさせんとするものである
。このため凸部にはより多くのラジカルが衝突するため
、エツチングされやすく、凹部はラジカルがなかなか到
達しにくいため、エツチングされにくい。このラジカル
の方向性をもつバイアスをかけないでエツチングをさせ
るのが等方性エツチングである。

異方性ＣＶＤ法において、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。不要気体は（１３）より排気される
。

光化学気相反応に際しては、紫外光源（６）より照射さ
れる紫外光は、石英の透過窓（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。

さらに、透外光透過窓（５）の上は、異方性プラズマＣ
ｖＤ、等方性プラズマエツチング用のメツシュ電極（８
）が載せられている。このメツシュ電極（８）には、基
板支持体用電極（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いる。さらに図示さ
れていないが、異方性プラズマＣＶＤを助長させるため
、必要に応じて電極（２）と基板支持体電極（２）間に
交流バイアス電圧（例えば５０ＫＨｚ、ピーク電圧±３
５０Ｖ、基板側に直流バイアス−１００〜−５００Ｖ）
を加えることは有効である。

本装置を用いて、第１図（Ａ）に示すような凹凸を有す
る基板に反応圧力が０．０１〜０．３ｔｏｒｒ　、基板
温度は室温（室温±５０°Ｃ以下）、投入高周波電力１
３．５６　ＭＨｚ、１００Ｗ〜５００Ｗ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。

イム ５ＩＨ４／Ｎ２０比を０．００５から０．５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＋　２ＮｚＯ→５ｔｏｔ＋　２Ｎ２　＋２Ｈ２
このような異方性プラズマＣＶＤにより、第１図（Ａ）
に示すような凹凸形状を有する被形成面（３〇−１）を
有する基板上に酸化珪素被膜等の絶縁被膜を形成する。

第１図（Ａ）において、凸部（２）、狭い巾の凹部（２
１）、広い巾の凹部（２２）を有する。これらの上面に
、平均膜厚で８０００人の厚さに酸化珪素膜（３０−１
）を異方性プラズマＣＶＤ法により形成した。

すると凸部の上面（２４）、凹部の底面（２２）　、　
（２６）には膜厚が１．０μの厚さに被膜が形成された
。側面（２５）には０．２μの厚さにしか成膜させない
ことができた。

このプロセス条件はＳｉＨ４／Ｎｚ０＝１／２　、高周
波出力３０叶、１３．５６ＭＨｚとし、基板はカソード
側に配設した。この時バイアスは一３５０ｖであった。

そして基板温度は室温とした。常温での成膜にもかかわ
らず、比抵抗は５Ｘ１０”Ωｃｍを有し、耐圧は８×１
０６Ｖ　／ｃｍ（１ｕＡ／ｃｍ”以上の電流の流れる電
圧）を有していた。この場合、プラズマの圧力は０．０
５ｔｏｒｒ、成膜速度は０．１〜１μ／分と速い値が得
られた。

基板（３）の凸部（２３）は高さ１μｍ程度狭い凹部（
２１）のスペース０．８μｍの形状を、広い凹部（２２
）のスペースは２μｍを有していた。この凹凸形状を均
一に覆うことができた。

この上面の厚さ／側面の厚さは２〜２〇一般には３以上
に有せしめ得た。

次にこの絶縁膜に等方性エツチングを施した。

第１図（Ａ）のように凹凸基板表面を覆って酸化珪素被
膜を厚く形成した後２反応室内の反応性ガスを排気して
除去し、エツチング用気体である有機ハロゲン化物気体
、例えばＣＦ４．ＣＦＪまたはＮＰ、。

ＳＦ６等を反応室内に導入し、圧力を０．１ｔｏｒｒに
調整して、メツシュ電極（８）と基板支持体電極（２）
間に高周波電力を印加して等方性プラズマエツチングを
生ぜしめるべく放電を起こし、形成された被膜（３０−
１）のエツチングを行い、凹凸段差の急唆な部分をなく
した。すると第１図（Ｂ）に示す如く、凹部（２８）で
はあまりエツチングされず、凸部上の酸化珪素膜（２４
）の一部または全部を主として工・ンチソグさせること
ができる。そのため、凹部に絶縁膜を意図的にうめこん
で作ることができた。

この処理を行い、凹部でのエツチングを０〜０．２μｍ
と少なくし、かつ凸部上で絶縁膜を約０．２〜０．５μ
ｍの厚さにエツチングを行い、（エツチング比２〜１０
例えば３以上とし得た）第１図（Ｂ）に示すように凹凸
段差の急唆な部分を取り除いた。

かくして同一装置、同一反応室にて急唆な段差のない眉
間絶縁膜（３０−２）を作製することができた。

この図面では凸部上の被膜の厚さが薄すぎること、およ
びまだ十分に上表面が平坦化されていないため、この工
程を再び繰り返した。即ち、第１図（Ｃ）に示される如
く、これらの上に異方性ＣＶＤ法により第１図（Ａ）と
同じく絶縁膜（３０−３）を絶縁膜（３０−２）上に積
層して絶縁膜（３１）を得た。さらにこの後第１図（Ｄ
）に示す如く、第１図（Ｂ）の工程と同じく、等方性プ
ラズマエツチングを行った。

そして絶縁膜（３０−４）を得た。すると凸部上の絶縁
膜は（２８’）と凹部上の絶縁膜（２６°）とをこの境
界（２５”）で滑らかに互いに連続させることができた
。

この滑らかに連続した上表面は、その上に他の微細電気
配線を同一の線巾で作製するためにはきわめて重要であ
る。

さらに必要に応じてこれらを繰り返し行うことにより、
第１図（Ｅ）に示す如く、上表面の平坦な酸化珪素膜（
３０−５）を作ることができた。

また、エツチング処理時に、同時に反応室内壁及び透過
光窓（５）上について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その運転を停止する必要がなく
生産性向上に繋がった。

また本実施例においては、酸化珪素被膜の作製を異方性
プラズマＣＶＤ法と等方性プラズマエツチング法とを併
用したが、この異方性プラズマＣＶＤで成膜する際に凹
凸表面を有する基板上のプラズマ損傷を防ぐため、予め
光ＣＶＤ法でこれら全体を覆って作製し、その後に本発
明の実施例を用いて。

もいいことは明らかである。

実施例２ この実施例は他構成の被膜作製装置の概要を示す。

この第３図において、第３図（Ａ）はＡ−Ａ”の縦断面
図を示し、（Ｂ）は上側よりみたものである。

基板のロード／アンロード室（４７）とその前方にバッ
ファ室（４６）を有する。領域（４１）は光ＣＶＯを行
うための反応室、領域（４２）は異方性プラズマＣＶＤ
を行うための反応室、領域（４３）は異方性エツチング
を行うための反応室、領域（４４）は等方性プラズマＣ
ＶＤを行うための空間、または（４５）は等方性プラズ
マエツチングを行うための空間である。各反応室はゲー
ト弁（５１）　、　（５２）　、　（５３）　、　（５
４）　、　（５５）　、　（５６）で仕切られており、
それぞれの反応室で同時に被形成面を有する基板（３−
１）　、　（３−２）　、　（３−３）　、　（３−４
）　、　（３−５）が処理される。この処理中にロード
／アンロード室（４７）とバッファ室（４６）との間で
、成膜した基板（３−６）を取り出し、まだ成膜してい
ない新たな凹凸表面を有する基板を（４７）より（４６
）に挿入配設する。それぞれの反応室で、実施例１に示
す如く、所定の異方性プラズマＣｖＤ、等方性プラズマ
エッチ処理が行われた後、すべての反応室を真空引きし
た。そして各反応室を等圧にした後、（５１）・・・（
５６）のゲート弁を同時に開とする。さらに全基板を隣
の反応室に矢印の如く移設した、即ち基板（３−１）は
（３−２）の位置に、基板（３−２）は（３−３）の位
置に、基板（３−３）は（３−４）の位置に、基板（３
−４）は（３−５）の位置に、基板（３−５）は（３−
６）の位置に移設され、（３−６）の基板は前記した如
く取り出される。

第３図（Ａ）に示す如く、異方性プラズマＣＶＤを行う
には、反応室（４２）　、　（４４）に示す如く、基板
側をカソード側とする。また等方性エツチングを行うに
は反応室（４３）　、　（４５）に示す如く、基板側を
アノード側とする。

かくして第１図に示す如く、平坦または実質的に平坦な
表面を有する絶縁膜を凹凸表面上に作製することができ
た。

第３図に示す如くマルチチャンバ構成とすると、第２図
に示した１つの反応室でのみ作られるに比べて約３倍の
スルーブツトを得ることができた。

さらに第３図において、反応室（４１）　、　（４２）
　、　（４４）は主に成膜のみであるため、異方性プラ
ズマＣＶＤと、等方性プラズマエツチングとを１つづつ
ずらすことにより、自動的に反応室内壁のクリーニング
を行い得る。

第３図において示す如く、基板はすべての反応室で等温
となっており、特にこの実施例では室温±５０’Ｃ以内
とした。するとこれまではプラズマＣＶＤといえども成
膜は３００〜４００°Ｃ、エツチングは室温であるため
、反応室毎に３００°Ｃ以上の温度差を有し、その昇温
、降温に多くの待ち時間を必要とした。しかし本発明に
示す如く、室温で作られた異方性プラズマＣＶＤで成膜
した膜は、予想以上に固い緻密であることを発見したた
め、これら異方性ＣＶＤと等方性エツチングをともに室
温とすることが可能となり、生産性の向上を初め、量産
化が可能なマルチチャンバ構造装置を作ることができた
。

もちろんこのチャンバの数は必要に応じて多くしてもよ
い。またその移設のため、すべてを同時に行うのではな
く、−変名反応室間にバッファ空間を設ける装置として
もよい。

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　（リ
ンガラス）　、　ＢＳＧ　（ホウ素ガラス）、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、モノシランのみでなく、その
他のポリシラン類（ＳｉｎＨｚｎや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）　ａ−ｒ＋　）またはテトラエトキシシラン
（ＴＥ０１）のような有機珪素酸素化物を必要に応じて
使用することも可能である。

〔ホ〕効果 以上示したように、本発明は従来用いられていた「等方
性」プラズマＣＶＤ、「異方性」プラズマエッチとはま
ったく逆に「異方性」プラズマＣＶＤ。

「等方性」プラズマエッチとすることにより、凹凸表面
を有する基板上に平坦または実質的に平坦な上表面を有
する絶縁膜を形成することができた。

そしてプラズマＣＶＤ法が室温またはそれに近い温度で
行い得るため、生産性を以前の３倍以上にすることがで
きた。

また凹部に発生しゃすいカスブも除去することができた
。

本発明のプラズマ気相反応装置により、超ＬＳＩ等の急
峻な凹凸段差のない層間絶縁膜、埋置したフィールド絶
縁膜を同一の装置の同一反応室内でまたは異なる反応室
内で作製することができ、装置コスト製造コストを下げ
ることができた。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の層間絶縁膜作製の工程を示す。 第２図および第３図は本発明のプラズマ気相反応装置の
概略図を示す。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、異方性プラズマＣＶＤを行うための反応装置と、該
   反応装置に連結して等方性プラズマエッチングを行う反
   応装置とを少なくとも１つ有せしめることを特徴とする
   プラズマ気相反応装置。 ２、光ＣＶＤ法を行うための反応装置と、該反応装置に
   連結して少なくとも１つの異方性プラズマＣＶＤを行う
   ための反応装置と、該反応装置に連結して等方性プラズ
   マエッチングを行う反応装置とを有せしめることを特徴
   とするプラズマ気相反応装置。 ３、異方性プラズマＣＶＤを行うための反応装置と、等
   方性プラズマエッチングを行う反応装置とを同一プラズ
   マ反応装置により実施することを特徴とするプラズマ気
   相反応装置。