JPH02308536A

JPH02308536A - Ｅｃｒプラズマ装置とこれを用いた薄膜形成方法

Info

Publication number: JPH02308536A
Application number: JP12955189A
Authority: JP
Inventors: Junichi Sato; 淳一佐藤; Tetsuo Gocho; 哲雄牛膓
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 1989-05-23
Filing date: 1989-05-23
Publication date: 1990-12-21

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】以下の順序に従って本発明を説明する。

Ａ、産業上の利用分野Ｂ１発明の概要Ｃ９従来技術［第５図］Ｄ０発明が解決しようとする問題点Ｅ９問題点を解決するための手段Ｆ１作用Ｇ、実施例［第１図乃至第４図］Ｈ６発明の効果（Ａ、産業上の利用分野）本発明はＥＣＲプラズマ装置、特に電子サイクロトロン
共鳴を利用してプラズマを発生するプラズマ生成室から
プラズマ引出窓を通して反応室へプラズマを発散し反応
室内で外部からの反応ガスを反応させるＥＣＲプラズマ
装置とこれを用いた薄膜形成方法に関する。

（Ｂ、発明の概要）本発明は、上記のＥＣＲプラズマ装置とこれを用いた薄
膜形成方法において、薄膜の膜厚の均一性を高（しつつ薄膜の組成、膜質を高
精度に制御できるようにし、また、三元以上の薄膜の形
成を可能にするため、反応室内の基板上に複数のプラズマ引出窓からプラズマ
を放射するようにし、且つ反応室内へ反応ガスを導入す
るガス導入系を複数設け、各ガス導入系に反応ガスを独
立して供給するようにしたものである。

（Ｃ，従来技術）［第５図］電子サイクロトロン共鳴を利用してプラズマを発生させ
るプラズマ生成室のプラズマ引出窓に面して試料の支持
部材を備える試料室を設けたプラズマ装置は、低ガス圧
で活性度の高いプラズマを生成することができ、イオン
エネルギの広範囲な選択が可能であり、また大きなイオ
ン電流を得ることができるという利点を有している（特
開昭６２−２７６８２３号公報）。そして、かかるプラ
ズマ装置は絶縁膜等のＣＶＤに好適であるので半導体装
置の製造に用いる装置の一つとして注目されている。

第５図はプラズマ装置を示す模式的縦断面図である。図
面において、１はプラズマ生成室、２は冷却水の通流室
、３はプラズマ生成室１の上部を閉塞する石英ガラス板
、４はプラズマ生成室１の上側に設けられたマイクロ波
導波管、５はプラズマ生成室１の底部に形成されたプラ
ズマ引出窓で、図示しない引出用の電極を有している。

６はプラズマ生成室１の周囲に配置された励磁コイル、
７はプラズマ生成室１の下側に配置された反応室で、こ
の内部の上記プラズマ引出窓５の下側に当たる部分に試
料を支持する支持台８が配置され、該支持台８上に試料
、例えば半導体ウェハ９が支持されている。

このプラズマ装置は、プラズマ生成室１、試料室７ヘガ
ス（１）、ガス（２）を供給し、励磁コイル６によって
磁界を形成しつつマイクσ波を導入することによりプラ
ズマ生成室１内にガス（１）のプラズマを生成し、生成
されたプラズマイオンを上記図示しない引出用の電極の
作用と、励磁コイル６が作る発散磁界によって上記反応
室７内の半導体ウェハ９上に投射し、該反応室７内に供
給された原料ガス（２）の気相反応によって半導体ウェ
ハ９の表面に成膜を行うようになっている。

ところで、プラズマ装置においては、励磁コイル６によ
って形成した発散磁界を利用してプラズマイオンを下側
へ投射するようにするので、プラズマ流１０は第５図に
示すように発散した流れとなる。その結果、試料例えば
半導体ウェハ９表面におけるプラズマ流１０の密度が不
均一になり、延いてはＣＶＤにより形成される膜の厚さ
が不均一になるという問題があった。具体的には、プラ
ズマ流１０の密度はプラズマ流の中心軸で最も高（、周
辺に行く程薄（なるので膜成長速度もプラズマ流の中心
軸に当たる部分で速く、周辺に行く程遅くなる。従って
、ＣＶＤ膜の膜厚には半導体ウェハ９の中央部で厚く、
周辺側に行く程薄くなるという半導体ウェハ半径方向に
おける不均一性が生じる。

また、プラズマ装置をエツチングに用いた場合にはエツ
チング深さに半導体ウニ八半径方向における不均一性が
生じることになる。即ち、半導体ウェハ９の周辺に行く
程反応が緩慢になるのでエツチング深さが浅くなること
になる。

そこで、特開昭６２−７１２３４号公報において発明の
第１の実施例として示された装置のようにプラズマ発生
源を２個設け、二つのプラズマ流を異なる角度から反応
室内の半導体基板上に投射して互いに一方のプラズマ流
の密のところと他方のプラズマ流の疎のところどうしが
重なり合うようにすることによりプラズマ密度の均一化
を図り、薄膜、エツチング深さが均一になるようにする
ことが試みられ、よりいっそうの均一化に成功しつつあ
る。

（Ｄ　発明が解決しようとする問題点）ところで、ＢＰ
ＳＧ、ＰＳＧ膜等三元以上の薄膜を形成する場合、例え
ばＢ、Ｐの濃度、組成比等を正確に制御し且つこれ等の
均一性を高くする必要性もある。しかし、従来において
は反応室内に反応ガスを供給するガス導入管は１個しか
な（、組成比の微妙なコントロールが不可能であった。

そのため、三元以上の薄膜の形成は非常に難しく不可能
に近かった。

本発明はこのような問題点を解決すべく為されたもので
あり、薄膜の膜厚の均一性を高（しつつ薄膜の組成、膜
質を高精度に制御できるようにし、また、三元以上の薄
膜の形成を可能にすることを目的とする。

（Ｅ、問題点を解決するための手段）本発明は上記問題点を解決するため、反応室内の基板上
に複数のプラズマ引出窓からプラズマを放射するように
し、且つ反応室内へ反応ガスを導入するガス導入系を複
数設け、各ガス導入系に反応ガスを独立して供給するよ
うにしたことを特徴とする。

（Ｆ、イ乍用）本発明によれば、各ガス導入系に異なる反応ガスを供給
し、各反応ガスの供給量を独立して制御できるので、三
元以上の薄膜の組成比を正確に制御でき、均一性も高く
することが可能である。

従って、三元以上の薄膜の形成が可能となる。

（Ｇ、実施例）［第１図乃至第４図］以下、本発明ＥＣＲプラズマ装置とこれを用いた薄膜形
成方法を図示実施例に従って詳細に説明する。

第１図は本発明ＥＣＲプラズマ装置の一つの実施例を示
す縦断面図である。

本ＥＣＲプラズマ装置はプラズマを発生するプラズマ生
成室１、励磁コイル６等からなるプラズマ発生手段を２
つ備え、この２つのプラズマ発生手段により発生したプ
ラズマ流をプラズマ引出窓５．５を通して１つの反応室
７内の支持台８上の半導体ウェハ９表面に放散するよう
にすると共に、各プラズマ引出窓Ｓ、５下にそれぞれ各
別の反応ガスを供給することができるようにガス供給管
１１３．１１４を設けたものである。そして、各プラズ
マ生成室１ａ、１ｂに対応してそこにイオン化するガス
を導入するガス導入管１１１．１１□が設けられている
。

このＥＣＲプラズマ装置は、支持台８上における一方の
プラズマ生成室１ａからのプラズマ流によるプラズマ密
度の疎の部分が、他方のプラズマ生成室１ｂからのプラ
ズマ流によるプラズマ密度の密になり、逆に一方のプラ
ズマ流によるプラズマ密度が密の部分が他方のプラズマ
流による密度の疎の部分になるように調整されている。

従って、支持台８上におけるプラズマ密度を略均−にす
ることができる。

依って、プラズマＣＶＤを行う場合には膜厚の均一なＣ
ＶＤ膜を形成することができ、また、エツチングをする
場合にはエツチング深さを均一にすることができる。

尚、本ＥＣＲプラズマ装置は高周波（ＲＦ）バイアスを
かけなからＣＶＤを行うことによりＣＶＤ膜の膜厚をよ
り均一にすることができるが、更に支持台８を適宜な遊
星歯車機構により自公転させることによりいっそう膜厚
の均一性を高めることができる。

ところで、本ＥＣＲプラズマ装賀はＰＳＧ膜、ＢＰ−Ｓ
Ｇ膜、５ＬＯＮ膜等三元以上の薄膜の形成を可能にする
。というのは、前述のとおり、プラズマ生成室１ａには
ガス導入管１１１が、また、プラズマ生成室１ａにはガ
ス導入管１１□、反応室７には各プラズマ引出窓５．５
下に反応ガスを噴出する２つのガス導入管１１ｍ、１１
４が接続されており、供給するガスの種類、供給流量を
各ガス導入管１１．〜１１４毎に異ならせ、独立して制
御することができるので三元以上の薄膜の組成比を正確
に制御することができ、また、組成比の均一性も高（す
ることができるからである。

そこで、第１図に示したＥＣＲプラズマ装置により三元
以上の薄膜を形成する薄膜形成方法の三つの例を述べる
。

第１の例はＰＳＧ膜を形成する方法である。

ＰＳＧ膜を形成する場合は、ガス（１）、即ち、ガス導
入管１１．を通じて供給するガスを０２ガスとし、ガス
（２）、即ち、ガス導入管１１□を通じて供給するガス
を同じ（０，ガスとし、ガス（３）、即ち、ガス導入管
１１３を通じて供給する反応ガスをＳ　ｉ　Ｈ４ガスと
し、そして、ガス（４）、即ち、ガス導入管１１４を通
じて供給する反応ガスをＰＨ，とすると良い。

第２の例はＢＰＳＧ膜を形成する方法であり、この場合
は、ガス（１）そしてガス（２）として０２ガスを供給
し、ガス（３）としてＳ　ｉ　Ｈａ＋ＰＨ３を供給し、
ガス（４）としてＳ　ｉ　Ｈ４＋Ｅ３．Ｈａを供給すれ
ば良い。

第３の例は、５ＬＯＮ膜を形成する方法であり、この場
合は、ガス（１）として０□ガスを供給し、ガス（２）
としてＮ２ガスを供給し、ガス（３）そしてガス（４）
としてＳｉＨ＜を供給すると良い。

尚、上記ＥＣＲプラズマ装置に第１図において二点鎖線
で示すシャッター１２．１２を設け、該　　　゛シャッ
ター１２．１２でガス導入管１１３．１１４をその先端
から相離れたところで遮ったり遮らなかったりできるよ
うにし、そのようにしながらプラズマＣＶＤを行うよう
にすると、微細で高アスペクトレシオのトレンチに対す
る薄膜による孔埋めをより完全に行うことができる。こ
の点について技術的背景から詳しく説明する。

微細で高アスペクト比のトレンチを絶縁膜で埋める場合
、ノンバイアスプラズマＣＶＤ法によればボイドができ
てしまうことが知られている。そこで、ＲＦバイアスを
かけるとエツチングレートが大きくなりボイドは生じに
くくなるが、しかしトレンチが埋まってきてアスペクト
レシオが小さくなってくるとＲＦバイアスがかかつてい
てもボイドが生じてしまう。これは、エツチングレート
がデボジショ・ンレートよりも小さいためである。

そこで、ＲＦバイアスを大きくしてエツチングレートを
太き（することが考えられるが、’ＲＦバイアスを大き
くするとイオンにより半導体基板表面が受けるダメージ
が太き（なり好ましくない。

そこで、マイクロ波のパワーを下げてデポジションレー
トな小さくすると、エツチングをする酸素の解離が進ま
ず、結局エツチングレートも低下し、やけりボイドがで
きてしまうという問題があった。そこで、反応ガスのプ
ラズマ引出窓５下への供給を間欠的に行うことによりデ
ポジションレートを必要なだけ低下させ、ＲＦパイアイ
を強（しな（てもボイドの発生を防止することができる
ようにすることが案出されたが、上記シャッター１２．
１２はガス導入管１１３．１１４の先端をそこから相離
間した位置にて閉じて該ガス導入管１’１．．１１４か
らの反応ガスとプラズマ引出窓５．５からのプラズマ流
との合流を阻止したり、先端を開いてその合流を許容し
たりするためのものである。

尚、第２図に示すように、ガス供給管１１３（１１４）
先端部をプラズマ引出窓５下の方へ延びる部分と、反応
室７の壁面に沿って下方へ延びる部分とに分岐させ、管
内部の分岐点にコック１３を設け、該コック１３を駆動
することによりガスをプラズマ引出窓５下に向けて噴出
させてガスとプラズマ流を合流する状態にしたり、ガス
を反応室壁面に沿って下方に噴出させてガスとプラズマ
流が混らない状態にしたりするようにしても良い。シャ
ッター１２あるいはコック１３による反応ガスの制御は
、あくまでデポジションに寄与する状態と寄与しない状
態との間での切換えであり、反応室７内への反応ガスの
供給をストップさせるものではない。従って、ＣＶＤ中
における反応室７内の圧力がシャッター１２あるいはコ
ック１３の動作によって悪い影響は受ける虞れがなく、
プラズマＣＶＤ中反応室内圧力を一定に保つことは妨げ
られない。

第３図は本発明ＥＣＲプラズマ装置の別の実施例を示す
縦断面図である。

本実施例においてはプラズマ生成室１が１つであるが、
そのプラズマ生成室１にプラズマ引出窓５が２個設けら
れ、その２個のプラズマ引出窓５ａ、５ｂを通じてプラ
ズマ生成室１が反応室７に連通しており、各プラズマ引
出窓５ａ、５ｂから半導体ウェハ９上に異なる向きでプ
ラズマ流を放散するようになっている。

そして、一方のプラズマ引出窓５ａからのプラズマ流に
よるプラズマ密度の疎の′部分が、他方のプラズマ引出
窓５ｂからのプラズマ流によるプラズマ密度の密になり
、逆に、一方のプラズマ流によるプラズマ密度の密の部
分が他方のプラズマ流による密度の疎の部分になるよう
に調整されている。従って、支持台８上におけるプラズ
マ密度を略均−にすることができ、プラズマＣＶＤを行
う場合には膜厚の均一なＣＶＤ膜を形成することができ
、またプラズマエツチングをする場合にはエツチング深
さを均一にすることができる。

そして、本実施例においても第１図に示したＥＣＲプラ
ズマ装置と同様にプラズマ引出窓５ａ、５ｂ下に各別の
ガス導入管１１３．ｌｉにより反応ガスを供給できるよ
うになっている。

従って、三元以上の薄膜の組成比を正確に制御化するこ
とができ、また、組成比の均一性も高くすることができ
る。

そこで、第３図に示したＥＣＲプラズマ装置により三元
以上の薄膜を形成する薄膜形成方法の一つの例を述べる
。それはＢＰＳＧ膜を形成する薄膜形成方法で、ガス（
１）（プラズマ゛生成室１に供給するガス）として０２
ガスあるいはＯ１＋Ａｒガスを、ガス（３）としてＰＨ
。

＋　Ｓ　ｉ　Ｈ４を、そしてガス（４）としてＢ、Ｈ。

＋　Ｓ　ｉ　Ｈ４を供給することにより行うことができ
る。

尚、プラズマＣＶＤ膜の膜厚の均一化をよりいっそう強
（する方法として第４図（Ａ）、（Ｂ＞に示すように支
持台８内に複数のＲＦ印加電極１４ａ、１４ｂを設け、
ＲＦパワーを独立して調整することにより半導体ウェハ
９上における到達イオンエネルギーを均一化する方法が
ある。

即ち、一つのＲＦ印加電極１４ａを円板状に形成し、他
のＲＦ印加電極１４ｂを内径が電極１４ａの直径よりも
梢大きな環状に形成する。そして、内側のＲＦ印加電極
１４ａにかけるＲＦバイアスのパワーを、外側のＲＦ印
加電極１４ｂにかけるＲＦバイアスのパワーよりも太き
（する。

すると、膜厚が厚（なりがちな中央部におけるデポジシ
ョンレートをより低くし膜厚が薄（なりがちな周辺部に
おけるデポジション・レートに等しくなるようにするこ
とができる。例えばＲＦ印加電極１４ａのパワーを５０
０Ｗ、ＲＦ印加電極１４ｂのパワーを３００Ｗにする。

ちなみに、プラズマ生成室１に供給するガス［ガス（１
）］は０２ガス２０ＳＣＣＭ、Ａｒガス４３ＳＣＣＭ。

反応室７に供給するガス［ガス（３）あるいは（４）ゴ
はＳｉＨ，１２ｓｃｃＭ、マイクロ波のパワー８００Ｗ
、圧力ｌＸｌ０−”Ｔｏｒｒにする。すると、膜厚がき
わめて均一なＳｉＯ□膿を形成することができた。この
場合Ａｒがエツチング種となる。

尚、上記実施例においては形成する薄膜がＢＰＳＧ膜、
５ｉＯＮ膜等絶縁膜であった。しかしながら、ＧａＡｓ
Ｐ等化合物半導体薄膜の形成にも本発明を適用すること
ができ、ＥＣＲプラズマ技術の適用範囲を非常に広くす
ることができる。

（Ｈ，発明の効果）以上に述べたように、本発明は、反応室内の基板上に複
数のプラズマ引出窓からプラズマを放射するようにし、
且つ反応室内へ反応ガスを導入するガス導入系を複数設
け、各ガス導入系に反応ガスを独立して供給するように
したことを特長とする。

従って、本発明によれば、各ガス導入系に異なる反応ガ
スを供給し、各反応ガスの供給量を独立して制御できる
ので、三元以上の薄膜の組成比を正確に制御でき、均一
性も高くすることが可能である。従って、三元以上の薄
膜の形成が可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明ＥＣＲプラズマ装置の一つの実施例を示
す縦断面図、第２図はガス導入管の変形例を示す断面図
、第３図は本発明ＥＣＲプラズマ装置の他の実施例を示
す縦断面図、第４図（Ａ）、（Ｂ）はＲＦバイアスの印
加方法の一例を示すもので、（Ａ）は支持台の断面図、
（Ｂ）は電極の平面図、第５図はＥＣＲプラズマ装置の
従来例を示す縦断面図である。符号の説明１．１ａ、１ｂ・・・プラズマ生成室、５．５ａ、５ｂ
・・・プラズマ引出窓、７・・・反応室、９・・・基板
、１１ｉ、１１４　・・・ガス導入系。

Claims

【特許請求の範囲】

（１）電子サイクロトロン共鳴を利用してプラズマを発
生しこれをプラズマ引出窓を通して外部へ発散するプラ
ズマ生成室を複数個有し、上記各プラズマ生成室が上記プラズマ引出窓を介して１
つの反応室に連通されたＥＣＲプラズマ装置であって、上記反応室内にガスを導入するガス導入系が複数設けら
れてなることを特徴とするＥＣＲプラズマ装置
（２）各ガス導入系に独立して反応ガスを供給すること
により反応室内に配置された基板上に三元以上の薄膜を
形成することを特徴とする請求項（１）記載のＥＣＲプラズマ装
置を用いた薄膜形成方法
（３）電子サイクロトロン共鳴を利用してプラズマを発
生するプラズマ生成室がプラズマ引出窓を介して反応室
に連通されたＥＣＲプラズマ装置であって、上記プラズマ引出窓が複数設けられ、上記反応室内にガスを導入するガス導入系が複数設けら
れてなることを特徴とするＥＣＲプラズマ装置
（４）各ガス導入系に独立して反応ガスを供給すること
により反応室内に配置された基板上に三元以上の薄膜を
形成することを特徴とする請求項（３）記載のＥＣＲプラズマ装
置を用いた薄膜形成方法