JPH02240266A - 薄膜形成方法および薄膜形成装置 - 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】 〔発明の目的〕 （産業上の利用分野） 本発明は、薄膜形成方法および薄膜形成装置に係り、特
に、凹凸を有する被処理基体表面の凹部への薄膜の埋め
込みに関する。

（従来の技術） 半導体装置の高集積化に伴い、回路の微細化は進む一方
である。そして、最近では、アスペクト比が１以上の溝
内に膜を堆積する技術が求められるようになってきてい
る。

このような半導体装置の製造に際して用いられる薄膜堆
積方法は、化学的気相成長方法ＣＣＶＤ法）と物理学的
気相成長方法＜　ＰＶＤ法）とに大別される。

ＣＶＤ法は、被処理基板表面や、気相中でｊヒ学反応を
生ザしぬ基板表面に薄膜を形成するもので、主として酸
１ヒシリコン膜、窒化シリコン膜等の絶縁膜の形成に用
いられている。

一方ＰＶＤ法は、気相中で生成した堆積粒子を基板、表
面に衝突せしめ薄膜を形成するもので、主として金属膜
等の形成に用いられている。

特に、アスペクト比の高い溝内に膜をｉ積する方法の１
つとして基板にバイアス電圧をかけ、深い溝内にも堆積
粒子を導くようにしたバイアススパッタ法が提案されて
いるが、この方法によってＬアスペクト比が１以上の溝
内に膜を堆積するのは困貿である上、堆積速度が低いと
言う問題があった。

また、テトラエトキシシラン（ＴＥ０１）の熱分解によ
り酸１ヒシリコン膜を堆積する方法も提案されている。

この方法は、堆積種に大きな表面移動度を付与し、優れ
た段差被覆性を得ようとするムのであるが、ＷＡｔの低
下を避けることができず、堆積後希酌弗酸（ＨＦ）を用
いた洗浄処理を行うと、講の中央部での酸化膜の除去速
度が非常に速く、平坦な基板表面を得ることができない
という問題があった。

また、テトラメチルシラン（ＴＭＳ）と酸素プラズマを
用い、低温で溝内に優先的に堆積物（酸１ヒシリコン）
を凝縮させる方法も提案されているか、この方法におい
ても、膜中に含まれる不純物や膜の均一性などについて
も問題があった。

（発明が解決しようとする問題点） このように、アスペクト比の高い溝内に薄膜を形成する
に際しては、溝内部に空洞を生じたり、段差被覆性が十
分でなかったり、堆積ＷＡ質に問題があるなど、アスペ
クト比の高い溝内にも均質でかつ良質な薄膜形成を行う
のは困難であった。

本発明は、前記実・清に鑑みてなされたもので、アスペ
クト比の高い溝内に均質かつ良質な薄膜形成を行うこと
のできる薄膜形成方法および薄膜形成装置を提供するこ
とを目的とする。

〔発明の構成〕 （課題を解決するための手段） そこで本発明の薄膜堆積方法では、第１の反応性ガスお
よび前記第１の反応性ガスによって励起せしめられる第
２の反応性ガスを前記反応容器とは別の領域でそれぞれ
独立または一緒に励起し、反応容器内のガス圧を制御し
つつ反応容器内に導入し、被処理基板の温度を第２の反
応性ガスの反応生成物である堆積材料の沸点あるいは昇
華点以下に冷却せしめるようにしている。

また本発明の薄膜堆積装置によれば、被処理基体を収納
する反応容器と、第１の反応性ガスを前記反応容器外で
励起する第１の励起手段と、励起された第１の反応性ガ
スを反応容器内に供給する第１の反応性ガス供給手段と
、第２の反応性ガスを前記反応容器外で励起する第２の
励起手段と、励起された第２の反応性ガスを反応容器内
に供給する第２の反応性ガス供給手段と、前記第２の反
応性ガスから生成される活性種が被処理基板上で液化ま
たは昇華するように被処理基板の基板温度を凍化点また
は昇華点以下に制御する温度制御手段とを具備するよう
にしている。

（作用） 本発明の方法によれば、被処理基体の表面に形成された
高アスペクト比の清に気体状態で入り込んだ堆積種は、
堆積種の液化点または昇華点以下に制御されている被処
理基板表面上で液化または昇華し、該被処理基板表面の
清白に付着する。

このように液１ヒまたは昇華せしめられた堆積種は、該
被処理基板表面のより低い部分すなわち清白に流入し、
清白に優先的に付着することになる９そして、これをさ
らに続けていくと、講は完全に埋め込まれ、さらにこの
上に薄膜が良好に形成されるようになる。

しかしながら、基板温度を下げることにより、堆積速度
が高くなり、不純物の混入等による膜質の低下がまぬが
れ得ないものとなる。また、広いｖ４１４にわたって薄
膜形成を行う場合には、不均一な膜となり易い。

そこで、本発明では、従来は励起しなかった第２の反応
性ガスを励起するなめに添加される第２の反応性ガスを
も励起した状態で、反応容器内に供給するようにしてい
るため、反応性が高められ、広範囲にわたって均一な薄
膜形成を行うことが可能となる。従って、圧力等池の成
膜条件を選択する上での許容度が大幅に向上し、成膜速
度を低下させることなくｇ質が良好で平坦性の高い薄膜
形成が可能となる。

また、第１の反応性ガス供給手段および前記第２の反応
性ガス供給手段を外管と内管とが同軸的に形成された同
軸二重管で構成し、これら第１および第２の反応性ガス
を、該同軸二重管に取り付けられた同一の励起手段で励
起するようにすれば、良好に混合され均一な反応容器内
に供給されるため、ガスの濃度比を一定にし、堆積する
膜の膜厚のさらなる均一化をはかることができる。

さらに、タングステンのカルボニル化合物など昇華性の
反応性ガスを用いてタングステン薄膜などの薄膜形成を
行う場合にも、第１および第２の反応性ガスを同軸二重
管によって供給するようにし、同軸二重管に取り付けら
れた同一の励起手段で励起するようにすれば、良好に混
合され均一な反応容器内に供給されるため、ガスの濃度
比を一定にし、堆積する膜の膜厚のさらなる均一化をは
かることができる。

（実施例） 以下、本発明の実施例について、図面を参照しつつ詳細
に説明する。

第１図は、本発明の方法に用いられる薄膜形成装置の概
略構成図である。

この薄膜形成装置は、内部に被処理基板１を載置する試
料台２を具備してなる反応容器３と、この反応容器３内
に反応性ガスを供給するための外管４ａと内管４ｂとか
らなる同軸二重管４と、この同軸二重管４内を流れるガ
スを励起すべく同軸二重管４に配設されたマイクロ波放
電部５と、反応容器内のガスを排気するための排気管６
とから構成されている。

ここで、外管４ａは、第１の反応性ガス供給系に、内管
４ｂは第２の反応性ガス供給系にそれぞれ接続され、第
１の反応性ガスおよび第２の反応性ガスは、これら２つ
の管からなる同軸二重管４を介して、流れる途上、マイ
クロ波放電部５で励起され、反応容器の入り口で良好に
混合されて容器内に供給されるようになっている。そし
て、それぞれのガス供給量はマスフローコントローラ（
図示せず）によって流量制御できるようになっている。

一方、排気管６には、バルブ（図示せず）が配設され、
反応容器に設けられた真空計（図示せず）の指示値に従
って、バルブのコンダクタンスを変化させ、所望の圧力
となるように制御する。

また、マイクロ波放電部５は、マイクロ波電源７からマ
イクロ波導波管８を介してマイクロ波電力が供給されて
駆動され、マイクロ波放電によってガスプラズマを形成
するように構成されている。

さらに、試料台２は、被処理基板を熱的に良好な接触状
態を保つことができるように構成されており、試料台２
には基板温度をモニタしながら反応性ガスの液化点以下
になるように被処理基板の温度を制御するための温度制
御機梢９が配設されている。なお、この温度制御ＲＷＪ
９は、試料台２に埋め込まれたし−タからなる加熱手段
と、液体窒素を通すように形成されたパイプからなる冷
却手段とから構成されている。

次に、この薄膜堆積装置を用いたシリコン酸化シリコン
膜の堆積方法について説明する。

まず、第２図（ａ）に示すように、被処理基体として凹
部を有するシリコン基板１を試料台２上に設置する。そ
して、外管４ａに第１の反応性カスとして酸素０２を流
量１００ＳＣＣＭ”ｒ供給すると共に、内管４ｂに第２
の反応性カスとしてテトラメトキシシランＳｉ　（ＯＣ
Ｈ３）４　　：ＴＭ０１を流量１１００５ＣＣで供給す
る。このときの反応容器内の全圧力は２Ｔｏ　ｒｒとす
る。そして、マイクロ波放電部５には、マイクロ波電源
７からマイクロ波導波管８を介して２．４５ＧＨｚのマ
イクロ波電力を供給する。また、基板温度は、試料台２
に取り付けられた温度側ｔｎ機構９によって、２０℃に
維持される。

このようにして、第２図（ｂ）に示すように、シリコン
基板の凹部を埋め込むように均一で膜質の良好な酸化シ
リコンｗＡ１０が形成される。

このときの、膜厚は、第３図に示すように基板表面全体
に渡って均一となっている。

また、このようにして堆積された酸化シリコン膜を弗化
水素ＨＦ’６％、弗化アンモニウムＮＨ３Ｆ３０％の水
溶液によってエツチングした場合のエツチング速度は、
約４０００人／ｎｉｎであった。

比較のために、第２の反応性ガスであるテトラメトキシ
シランは励起せず、酸素のみを励起して同様に堆積した
場合の酸化シリコン膜の弗化水素ＨＦ６％、弗化アンモ
ニウムＮＨ３Ｆ３０％の水溶液によるエツチング速度は
約１００００人／ｎｉｎであった。これらの比較結果か
られかるように、す、第１の反応性ガスである酸素のみ
ならず第２の反応性ガスであるテトラメトキシシランを
も励起することにより、緻密で膜質の良好な膜を得るこ
とができることがわかる。

さらにまた、酸素流量を変１ヒさせ、酸素とテトラメト
キシシランとの分圧比を変化させた場合の酸化シリコン
膜の堆積形状および堆積速度を第４図に示す。この図か
ら明らかなように、酸素とテトラメ）・キシシランとの
分圧比が２＝１から０゜７：１までの広範囲にわたり、
溝内を良好に埋め込むことができ、また堆積速度も１２
０ＯＡ／ｎｎ程度と十分に大きくすることが可能となる
。

このように、第１の反応性ガスである酸素のみならず第
２の反応性ガスであるテトラメトキシシランをも励起す
ることにより、溝内を緻密な膜によって良好に埋め込む
ことができ、また堆積速度を十分に大きくすることので
きる分圧比の範囲も増大し、条件設定の自由度が増大す
る。

なお、前記実施例では、同軸二重管を用いたが、第１の
反応性ガスと、これを励起するための第２の反応性ガス
とをそれぞれ別々に独立の励起条件で励起し、反応容器
内に供給するようにしても良い。

また、前記実施例では、酸素とテトラメｌ−’？ジシラ
ンとを反応性ガスとして酸化シリコン膜を堆積する場合
について述べたが、この池、テトラメチルシラン（ＴＭ
Ｓ）、ヘキサメチルジシラサンあるいは、テトラエトキ
シシランと酸素とによる反応をはじめ、他の反応にも適
用可能であることは言うまでもない。この場合、被処理
基板の基板温度は２００℃乃至−１００°０１反応容器
内の全圧力はをｉ　ｏ　ｔｏｒｒ未溝とし、第２の反応
性ガスが被処理基板上で類１ヒする温度に設定し、被処
理基板に形成された凹部に優先的に酸化シリコン膜を形
成するようにする。そして、この範囲内でも、液滴の表
面張力に対する圧力差やマイクロ波放電の圧力の変化に
よる活性種の種類や量の変化に伴う（シリコン基板表面
に生成される）官能基の変化等により、凹部への埋め込
み状態は異なるため、最適条件を選択する必要がある。

さらにまた、前記実施例では、反応性ガスが液化性のも
のについて説明したが、タングステンのカルボニル化合
物などなど、昇華性の反応性ガスについても適用可能で
あり、この場合は基板温度を該反応性ガスの昇華温度以
下に設定するようにすれば良い。

加えて、本発明は、上記実施例に限定されるものではな
く、その要旨を逸脱しない範囲で種々変形可能であるこ
とはいうまでもない。

〔発明の効果〕

以上説明してきたように、本発明の薄膜堆積方法によれ
ば、第１の反応性ガスおよび前記第１の反応性ガスによ
って励起せしめられる第２の反応性ガスを前記反応容器
とは別の領域でそれぞれ独立に励起するようにしている
ため、反応性が高められ、他の成膜条件を選択する上で
の許容度が大幅に向上し、成ＷＡ速度を低下させること
なく膜質が良好かつ均一で平坦性の高い薄膜形成が可能
となり、被処理基体の表面に形成された高アスペクト比
の清白にも良好な薄膜形成が可能となる。

また、本発明の薄膜堆積装置によれば、第１の反応性ガ
スを反応容器外で励起する第１の励起手段と該第１の反
応性ガスによって励起せしめられる第２の反応性ガスを
反応容器外で励起する第２の励起手段とを具備している
ため、反応性が高められ、他の成膜条件を選択する上で
の許容度が大幅に向上し、成膜速度を低下させることな
く膜質が良好かつ均一で平坦性の高い薄膜形成が可能と
なり、被処理基体の表面に形成された高アスペクト比の
清白にも良好な薄膜形成が可能となる。

また、第１の反応性ガス供給手段および前記第２の反応
性ガス供給手段を外管と内管とが同軸的に形成された同
軸二重管で構成し、これら第１および第２の反応性ガス
を、該同軸二重管に収り付けられた同一の励起手段で励
起するようにすれば、良好に混合され均一な反応容器内
に供給されるため、ガスの濃度比を一定にし、堆積する
膜の膜厚のさらなる均一化をはかることかできる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明実施例の薄膜堆積装置を示す概略図、
第２図（ａ）および第２図（ｂ）は、本発明の方法によ
る堆積工程を示す図、第３図は、本発明の方法で形成し
た薄膜の膜厚分布を示す図、第４図は、本発明の堆積方
法による酸素とテトラメトキシシランとの分圧比と酸１
ヒシリコン膜の堆積形状および堆積速度との関係を示す
図である。 １・・・被処理基板、２・・・試料台、３・・・反応容
器、４ａ・・・外管、４ｂ・・・内管、４・・・同軸二
重管、５・・・マイクロ波放電部、６・・・排気管、７
・・・マイクロ波電源、８・・・マイクロ波導波管、９
・・・温度制御機構、１０・・・酸化シリコン膜。 第２図（０） 第２図（ｂ）

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. （１）反応容器内に、表面に凹凸を有する被処理基体を
   収納し、 第１の反応性ガスと前記第１の反応性ガスによって励起
   せしめられる第２の反応性ガスとの両方を前記反応容器
   とは別の領域で励起し、反応容器内のガス圧を制御しつ
   つ反応容器内に導入し、前記被処理基板の温度を第２の
   反応性ガスの反応生成物である堆積材料の沸点あるいは
   昇華点以下に冷却せしめるようにしたことを特徴とする
   薄膜形成方法。
2. （２）前記第１の反応性ガスは、酸素、窒素、水素、ハ
   ロゲン元素等を含むガス、アルゴン、ヘリウムなどの不
   活性ガスあるいはこれらの混合ガスであることを特徴と
   する請求項（１）記載の薄膜形成方法。
3. （３）前記第１の反応性ガスとして酸素を用い、前記第
   ２の反応性ガスとしてテトラメチルシラン、ヘキサメチ
   ルジシラサン、テトラメトキシシランあるいは、テトラ
   エトキシシランを用い、 被処理基板の基板温度を２００℃乃至 −１００℃とすると共に、反応容器内の全圧力を１０ｔ
   ｏｒｒ未満とし、第２の反応性ガスが被処理基板上で液
   化する温度に設定し、被処理基板に形成された凹部に優
   先的に酸化シリコン膜を形成するようにしたことを特徴
   とする請求項（１）記載の薄膜形成方法。
4. （４）被処理基体を収納する反応容器と、 第１の反応性ガスを前記反応容器外で励起する第１の励
   起手段と、 励起された第１の反応性ガスを反応容器内に供給する第
   １の反応性ガス供給手段と、 第２の反応性ガスを前記反応容器外で励起する第２の励
   起手段と、 励起された第２の反応性ガスを反応容器内に供給する第
   ２の反応性ガス供給手段と、 前記第２の反応性ガスから生成される堆積種が被処理基
   板上で液化または昇華するように被処理基板の基板温度
   を液化点または昇華点以下に制御する温度制御手段とを
   具備し、 被処理基板表面に薄膜を形成するようにしたことを特徴
   とする薄膜形成装置。
5. （５）前記第１の反応性ガス供給手段および前記第２の
   反応性ガス供給手段は、外管および内管が同軸的に形成
   された同軸二重管から構成されており、前記第１の励起
   手段および前記第２の励起手段は、前記同軸二重管に取
   り付けられた同一の励起手段であることを特徴とする請
   求項（４）記載の薄膜形成装置。
6. （６）前記第１の励起手段および前記第２の励起手段は
   、前記第１の反応性ガスおよび前記第２の反応性ガスを
   夫々独立して励起するように構成されていることを特徴
   とする請求項（４）記載の薄膜形成装置。