JPH02138474A - 薄膜形成方法 - 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】 〔産業上の利用分野〕 本発明は薄膜形成法に係り、特にＬ　Ｓ　Ｉの多層配線
層間膜および電極配線膜に好適なマイクロ波プラズマＣ
ＶＤに関する。

〔従来の技術〕

有機シラン蒸気を、基板冷却によりウェハ表面の凹部に
凝縮させ、マイクロ波放電によりＳｉ酸化膜を形成し、
平坦化成膜を行なう方法についではエクステンデイドウ
　アブストラクツ　オブザナインティーンズ、コンブエ
レンス　オン　ソリッド　ステイト　アンド　マテリア
ルズ　東京１９８７　第４５１頁から第４５４頁（ピｘ
ｔｅｎｄＡｂｓｔｒａｃｔｓ　　ｏｆ　　ｔｈ＋ｅ　　
１９ｔｈ　　Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ　　ｏｎ　　５ｏｌ
ｉｄＳｔａｔｅ　　ａｎｄ　　Ｍａｔｅｒｊａｌｓ、Ｔ
ｏｋｙ＊、１９８７．円）、４５１−４５−４において
論じられている。

〔発明が解決しようとする課題〕

上記従来技術は、平坦化成膜のみで膜質については配慮
されておらず、堆積膜にはメチル基や水酸基が混在して
いる。多層配線の層間膜として使用する場合、これらが
固定電荷となり絶縁耐圧および素子の動作電圧等に悪影
響を及ぼす問題があつた。また、基板冷却による気体の
凝縮を利用しているため、堆積膜の下部の膜質が悪いこ
とや、パターン寸法依存性が問題であった。

本発明の目的は、段差部での付きまわりが良く、膜質の
良い薄膜を形成することにある。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的の付きまわりを良くするためには、反応圧力を
高くして電子サイクロトロン共鳴位置ＣＥ　ＣＲ点）で
発生した励起分子、および、イオンの平均自由行程を小
さくし、励起分子およびイオン相互間の衝突頻度を大き
くすることにより達成される。特に、基板を冷却し吸着
を利用する方法においても付きまわりが向上する。

反応ガスが有する有機基の膜中への残存量を低減し膜質
を向上させることは、電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ
）を利用し、てプラズマを発生させ。

プラズマ生成位置であるＥＣＲ点を基板に近づけること
により達成される。

〔作用〕

反応圧力を高くしてイオンの平均自由行程をＥＣＲ点か
ら基板までの距離より小さくするごとにより、ＥＣＲ点
で発生したイオンは基板に到達するまでに１回以北他の
粒子と衝突することになる。この結果としてイオンの方
向性が悪くなり、段差部の側面ではほぼ同量のイオンが
到達することになる。このため側面と）１１面の堆積速
度が等しくなり付きまわりが向上する。また、この際に
Ｗ板を冷却し基板に対するガスの吸着を利用すれば、膜
形成反応が基板の表面反応となるため付きまわりが良く
なる。

第２の利用としてプラズマ生成位置であるＥＣＲ点を基
板に近づけることにより、イオンの活性度の高い状態で
ガスおよび吸着物を反応させることができるので膜質の
向上を図ることができる。

第３の作用として吸着した材料ガス分子をマイクロ波プ
ラズマで分解反応させて膜を形成する場合、吸着反応と
プラズマガス流の照射を交互に行なうと、膜質の良い膜
が除々に堆積されるので、全体的に均一で膜質の良い膜
が形成することができる。

〔実施例〕

以下に本発明の詳細な説明する。第１図は実施例の装置
を示す断面図である。１は所定の圧力に減圧される反応
室で、内部に冷却機端２を設けた基板３が設置されてい
る。反応室の下部にはこれと連通してプラズマ生成室４
が設けられている。

このプラズマ生成室の最下部は５石莢製のマイクロ波導
入窓となっている。反応室およびプラズマ生成室の周囲
にはそれぞれ磁気コイル６および７が設置されている。

８からプラズマ生成室内に導入したプラズマ生成用のガ
スは、磁気コイル６および７の磁場とマイクロ波９０周
波敬により電子サイクロトロン共鳴となりプラズマを生
成する。

また、同時に１０より導入したガスにより材料１１をバ
ブリングさせ１石英管１２より反応室内へ導入する。プ
ラズマによる分解、結合反応により膜を基板上に堆積す
る。基板の冷却には１３より液体窒素を入れ、１．４よ
り気体窒素を放出する方法とした。

〈実施例１〉 この装置によって薄膜を形成する一例としてアルミ多層
配線の層間膜としてシリコン酸化膜を形成する場合を具
体的に説明する。

まずターボ分子ポンプを２台直結した真空系で反応室１
およびプラズマ生成室４を３Ｘ１０−’Ｔｏｒｒ程度ま
で排気する。その後真空系バルブを調節して所定の圧力
にする。次にプラズマ生成室にプラズマ生成用の酸素８
を６０８ＣＣＭ導入する。

磁気コイル６および７に電流を流し磁場を作るとともに
、２．４５ＧＨ２のマイク１」波２７０Ｗを導入して、
ＥＣＲ条件をみたす条件においでプラズマを発生させる
。次に酸化膜形成の材料であるテトラエトキシシランを
１５５ＣＣＨの酸素でバブルし石英管１２より導入する
。前述のプラズマによりテトラエトキシシランが分解し
２酸素と反応してシリコン酸化膜が基板に堆積する。な
お、ＥＣＲ点から基板までの膜離は磁気コイル６を調節
することにより基板から２ａｍ、１２■ｍ、３０（７）
の３種類について行なった。

第２図はパターン寸法２μｍ、膜厚０．８　μｍのアル
ミ配線上に上記条件にてシリコン酸化膜を堆積した時の
反応圧力と付きまわりの関係を示している。ここで付き
まわりとは、平面に堆積し、た膜ノブに対する側面に堆
積した膜厚の比で表わしており、数値が１に近づくほど
付きまわりは良い。

図中ＡはＥＣＲ点と基板の膜纏が３０ｃｍの時でＢは１
２国、Ｃは２国の場合である。いずれの場合でも１反応
圧力が高くなるにつれて付きまわりが向上している。圧
力に対するイオンの平均自由行程は１０−３Ｔｏｒｒ、
１０−”Ｔｏｒｒ、１０−’Ｔｏｒｒのときそれぞれ３
Ｏ−１３ａｎ、３！ｌｌ１１である。

ＥＣＲ点を３０ａ＋＋としたへの場合圧力が１Ｏ−８Ｔ
ｏｒｒより高くなると付きまわりが急激に向上する９前
述のように１０−３Ｔｏｒｒの時の平均自由行程カニ３
０■であるから、　ｌ　Ｏ””’Ｔｏｒｒより高い圧力
ではイオンが３００１１離れた基板に到達するまでに１
戸１以上他の粒子と衝突することになる。この結果、イ
オンの方向性が無くなり付きまわりが向上できた。

また、図中Ｂ、ＣのＥＣＲ点が１５ｍ、２ｃｎも同様に
、平均自由行程がＥＣＲ点と基板間距離より小さくなる
ような圧力にすると付きまわりが向上する。

第３図は圧力と堆積膜のＨＦ：　ＮＦ４Ｆ　　＝Ｌ　：
２０に対するウェットエツチングレートを示す。

Ａ、Ｂ、Ｃ，は第２図と同様に、それぞれＥ　ＣＲ点と
基板の距離が３０■、Ｌ２ｃｍ、２（７）のものである
。圧力を高くするとエツチングレートが増加して膜の緻
密性が悪くなるが、図中ＣのようにＥ　ＣＲ点を２■に
近づけることによりエツチングレートを下げることがで
き緻密性を向上できる。

第４図はＥ　ＣＲ点と基板の距離に対する堆積膜の付き
まわりを示した図である。圧力を１Ｏ−３Ｔｏｒｒ＋　
１０−２Ｔｏｒｒ、　　ｌ　Ｏ−’Ｔｏｒｒのいずれに
してもＥ　ＣＲ点と基板の距離が大きくなるほど付きぶ
、１−りが良くなっている。平均自由行程に対し、ＥＣ
Ｒ点と基板の距離が大きいほど低粒子との衝突回数が増
加し、イオンの方向性が無くなることを示している。

第５図はＥＣＲ点と基板の距離に対する堆積膜のＨＦ：
ＮＦ４Ｆ　　１８２０でのエツチングレートを示す。Ｅ
　ＣＲ点を基板に近づけるほどエツチングレートが小さ
くなるため、膜の緻密性が向上することを示している。

以上の第２図から第４図までの結果より、反応圧力を高
くしてイオンの平均自由行程をＥＣＲ点と基板の距離よ
り大きくするとともに、ＥＣＲ点を基板に近づけること
により、付きまわりが良く膜質の良い薄膜が形成できる
。

〈実施例２〉 マイクロ波プラズマＣＶＤにより、アルミ薄膜形成を試
みた。材料は有機金属のトリイソブチルアルミニウムを
使用し、キャリアガスはＡｒとした。図６は２００個連
続１μｍコンタクトホールにおける断線率を示している
。同図から明らかなように圧力が低い１０″″３Ｔｏｒ
ｒの場合は付きまわりが悪くコンタクトホール内にアル
ミが充分に形成できないため、断線率が７０％と高い。

また、圧力が１０−ＩＴｏｒｒでは付きまわりが良いの
でコンタクｌ−ホール内にアルミが充分に形成でき断線
率が２０％と低くなる。このように付きまオ）りが良い
と信頼性が向上することがわかる。

〈実施例３〉 つぎにシリコンを含むガスが標準状態で液体の場合に使
用するキャリアガスについて説明する。

第７図は反応圧力に対するＳｉ／○の比である。

シリコン酸化膜はシリコン原子１個と酸素原子１個で構
成されているのでＳ　ｉ　／　Ｏ比が０．５　である。

赤外吸収スペクトルにより定量したところキャリアガス
として酸素を流した場合は、Ｓｉ／○比が０．５　であ
るが、キャリアガスの酸素を流さない場合はＳ　ｉ　／
　Ｏ比が大きくなりシリコンリッチの膜となることがオ
）かる。また、第８図はＣ７０比を求めたものである。

キャリアガスとして酸素を流した場合はＣ１０比が小さ
く堆積膜中にＣ原子が含まれる獣が少ない。酸素を流さ
ない場合は多くの０Ｍ子が堆積膜中に含まれてしまう。

以上のことから、キャリアガスとしての酸素は薄膜形成
反応にも大きく寄与していることがわかる。

〈実施例４〉 テトラエトキシシランを材料としたマイクロ波プラズマ
ＣＶＤにより薄膜を形成する際５′！ｔｉ板を冷却した
実施例を示す。

基板冷却は第１図１３より液体窒素を導入することによ
るが、基板裏側に設置しである熱電対により導入量が調
節され、温度調節を行なっている。

基板は一１５０℃まで冷却することが可能である。

第９図は基板温度と付きまわりの関係を示している。基
板の温度が一２０℃以下になると付きまわりが向−ヒす
る。この時の堆積条件は、反応圧力１０−”Ｔｏｒｒ、
　Ｅ　ＣＲ点と基板の距離が２　ａｎであるため、前述
の平均自由行程が小さくなることによるイオンの方向性
が無くなる効果ではなく、テトラエトキシシランの吸着
効果と考えられる。また。

第１０図は基板温度に対する堆積速度を示している。こ
の図も一２０℃以下で２、徴に大きくなるため吸着反応
であることを示している。

〈実施例５〉 実施例４の基板冷却によって堆積した膜は、膜のクラッ
クやハガレが発生した。吸着を利用して上記問題点を改
善する方法として次の方法を実施した。

冷却機構により基板の温度を一２０℃に冷却しチオく。

次に第１１図に示したシーケンスに従い材料ガスの導入
およびマイクロ波パワーを印加する。プラズマ生成用の
酸素及び、膜形成材料のテトラエトキシシランとキャリ
アガスの酸素の混合ガスは連続的に導入するが、μ波パ
ワーは間欠的に印加してプラズマを生成する。この方法
はテトラエ１へキシシランの吸着とシリコン酸化膜の形
成を交互に行なうものである。

第１２図に間欠方法の有無による付きまわりを示す。付
きまわりは間欠方法の有無による差は見られない。第１
３図は間欠方法の有無によるＨ　Ｆ：　ＮＨ４Ｆ　＝１
　：　２０でのエツチング１ノートを示している。間欠
方法を適用したほうがエッチレートが小さく緻密な膜と
なる。

〈実施例６〉 シリコン酸化膜を形成する材料は前述のテトラエトキシ
シランのほか、（Ｓ　ｉ　（ＣＨａ）ａ）ｚｏ　Ｔ５ｉ
ＣＱａ等のシリコンを含む液体がある６次にシリコンを
含む材料の一例として５ｉＣＩ２４を用いた場合を示す
。

第１４図は５ｉＣＱａ　を材料として反応圧力と付きま
わりを示す。ＥＣＲ点と基板の膜離は２　ｃｎである。

付きまわりはテトラエトキシシランはどではないが、圧
力を高くすることにより向上する傾向が見られる。これ
も前述のイオンの平均自由行程が小さくなったことが原
因であることを示している。

［発明の効果〕 本発明によれば、付きまわりが良くＩ膜質の良い薄膜が
形成できるため、多層配線の眉間膜や電極配線用金属膜
のコンタクトホールへの穴うめ等に適用できる。層間膜
は段差部での耐圧の向上および凹部の平坦化に効果があ
り、多層配線の信頼性を向上できる。金属膜の穴うめは
、コンタクト４通の信頼性を向上できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例の薄膜形成装置を示す図、第２
図は反応圧力と付きまわりの関係図５第３図は反応圧力
とエッチレートの関係図、第４図はガス導入とマイクロ
波放電のシーケンス表示図、第５図は反応圧力と付きま
わりの関係図、第６図は付きまわりの断面図、第７図は
反応圧力に対するＳ　ｉ　／　Ｏを示す図、第８図はＣ
、／　Ｏ比を示す図、第９図は基板温度と付きまわりの
関係図、第１０図は基板温度と堆積速度の関係図、第１
１図は材料ガスの導入およびマイクロ波パワーを示す図
、第１２図は間欠方法の有無による付きまわりを示す図
、第１３図はエツチングレートを示す図、第１４図は反
応圧力と付きまわりを示す図である。 １・・・反応室、２・・・基板冷却機構、３・・・基板
、４・・プラズマ生成室、５・・・マイクロ波導入窓、
６・・・コン１へロールコイル、７・・・ＥＣＲコイル
、８　・プラズマ生成用酸素、９・・・マイクロ波、１
ｏ・・・テトラエトキシシランバブル用酸素、１１・・
テトラエトキシシラン、１２・・・石英管、１３・・・
液体窒素、第１図 纂４　図 萬２図 第３図 反　ｋ／’Ｅ７７　（丁ｏｒｒ） 反ｋｆＥｔ）　　（７ｏｒｒ） 第６図 反庇Ｆη （Ｔｏγｒ） 第９図 基版菰度（’Ｃ） 第１０囚 巷仮混麿（０Ｃ） 第７図 反応圧力 （Ｔｏγγ） 第８図 βヒ戻１己力　（丁ＯＹγ） 第１１区 第１２図 市 ！３図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、プラズマ生成室内に反応ガスを導入後、マイクロ波
   と所定の強さの磁界により電子サイクロトロン共鳴を発
   生させ、電子サイクロトロン共鳴で発生した高励起プラ
   ズマをプラズマ処理室に導入し、基板の被処理物に薄膜
   を形成する方法において、イオンの平均自由行程が、電
   子サイクロトロン共鳴を発生した所（ＥＣＲ点）から基
   板までの距離以下であるような圧力で形成することを特
   徴とする薄膜形成方法。 ２、前記マイクロ波プラズマＣＶＤにおいて、ＥＣＲ点
   で発生したイオンが基板に到達するまでに少なくても一
   回以上他の粒子と衝突させることを特徴とする薄膜形成
   方法。 ３、前記薄膜を形成する際、表面に微小段差部が存在す
   る基板に付けることを特徴とする特許請求の範囲第１項
   記載の薄膜形成方法。 ４、前記反応ガスとしてシリコンを含むガスを用いてシ
   リコン酸化膜を形成することを特徴とする特許請求の範
   囲第１項記載の薄膜形成方法。 ５、前記薄膜を形成する際所望の堆積膜に含まれる原子
   を少なくても１つ含むガスを使って膜を形成することを
   特徴とする特許請求の範囲第１項記載の薄膜形成方法。 ６、前記ＥＣＲ点を基板に近づけることを特徴とする特
   許請求の範囲第１項記載の薄膜形成方法。 ７、前記反応ガスが標準状態で液体のとき、キャリアガ
   スとして酸素を用いることを特徴とする特許請求の範囲
   第１項ないし第４項のいずれかに記載の薄膜形成方法。 ８、前記基板を材料ガスの沸点以下に冷却することを特
   徴とする特許請求の範囲第１項記載の薄膜形成方法。 ９、前記プラズマを間欠的に発生させることを特徴とす
   る特許請求の範囲第１項ないし第８項のいずれかに記載
   の薄膜形成方法。 １０、前記反応ガスを間欠的に導入することを特徴とす
   る特許請求の範囲第１項ないし第８項のいずれかに記載
   の薄膜形成方法。 １１、前記反応ガスとしてＳｉ（ＯＣ＿２Ｈ＿５）＿４
   、Ｓｉ（ＣＨ＿３）＿４、（Ｓｉ（ＣＨ＿３）＿３）＿
   ２Ｏ、ＳｉＣｌ＿２Ｓｉ＿２Ｈ＿６、ＳｉＨ＿８、Ｓｉ
   Ｈ＿４等のシリコンを含むガスおよび標準状態で液体で
   ある材料を用いてシリコン酸化膜を形成することを特徴
   とする特許請求の範囲第１項記載の薄膜形成方法。 １２、特許請求の範囲第１項から第４項に記載の膜形成
   をＬＳＩの多層配線の層間絶縁膜として使用することを
   特徴とする薄膜形成方法。 １３、特許請求の範囲第１項から第３項、第５項記載の
   膜形成をコンタクトホールへの配線材うめ込みとして使
   用することを特徴とする薄膜形成方法。 １４、Ｐｏｌｙ−Ｓｉ多層配線材料として使用すること
   を特徴とする特許請求の範囲第１項ないし第５項のいず
   れかに記載の薄膜形成方法。