JPH03193878A - 半導体装置の製造方法 - 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】 ［概要］ μ波プラズマＣＶＤによる成膜工程を有する半導体装置
の製造方法に関し、 プラズマＣＶＤ膜の機械的強度を増すことにより、マイ
クロクラック等の障害を未然に防ぎ、生産性を著しく向
上させること、および従来よりも低温で成膜可能なプラ
ズマＣＶＤ法を提供することを目的とし、 イオン加速エネルギーが２０〜１５０ｅＶの条件にてμ
波プラズマＣＶＤを行う。

［産業上の利用分野］ 本発明は半導体装置の製造方法に関するものであり、詳
しく述べるならば、μ波プラズマＣＶＤによる成膜工程
を有する半導体装置の製造方法に関するものである。さ
らに詳しく述べるならば、本発明は、半導体素子および
半導体デバイスのカバー膜、特に窒化物、酸化物または
ＰＳＧなどの他の化合物を、機械的強度と膜質に優れた
薄膜として成長させる方法に関するものである。

プラズマＣＶＤでは、低温プラズマ中で活性な化学種（
励起状態の原子および分子）、イオン、ラジカルを作り
、その反応性を利用して薄膜を形成する。最も一般的な
プラズマＣＶＤ装置は、平行平板の電極間に高周波電圧
を印加する方式である。周波数は５０ＫＨｚから１３．
５６ＭＨｚまで各種ある。

古（から、半導体デバイスの配線層の絶縁膜や保護膜に
高周波放電プラズマを利用したＣＶＤが使用され、通常
のＣＶＤ法よりは低温で成膜を行うことができ、それな
りの成果を挙げてきた。

しかしデバイスの微細化にともない、ＣＶＤプロセスが
配線に与える熱ストレスやプラズマの損傷が問題視され
るようになってくると、損傷を抑止する技術として、マ
イクロ波プラズマやＥＣＲ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ　Ｃｙｃ
ｌｏｔｒｏｎ　Ｒｅ５ｏｎａｎ°ｃｅ；電子サイクロト
ロン共鳴）プラズマを利用したＣＶＤ技術が注目され始
めた。

マイクロ波プラズマＣＶＤとＥＣＲプラズマＣＶＤ装置
の間には、構成上の大きな違いはない。

第６図はＥＣＲプラズマＣＶＤ装置の概略図である。

図中、１はＮ２などのプラズマ原料ガス導入管、２は冷
却水導入管、３は矩形導波管、４はマグネットコイル、
５はＳｉＨ４などの原料ガス導入管、６はプラズマ取出
し窓、７は真空に吸引されているプラズマ反応室、８は
プラズマチャンバー、９はプラズマ流、ｌＯはウェハー
である。

基本的な装置構成はマイクロ波（２，４５ＧＨ２）を輸
送するための矩形導波管３とプラズマを形成するための
プラズマチャンバー８、ＮプラズマとＳ　ｉ　Ｈ４を反
応させて基板上で成膜させるためのプラズマ反応室７で
ある。ＥＣＲプラズマＣＶＤ装置の場合は、プラズマチ
ャンバー８は空洞共振器となり、その周囲にはＥＣＲ条
件を満たすためのマグネットコイル４が配置されている
。

以下、ＥＣＲ条件につき説明する。

一般に静磁場中を運動する電子はローレンツ力を受は回
転運動を行う。この運動の周波数とマイクロ波の周波数
２．４５ＧＨｚを一致させたとき、共鳴吸収が起こりマ
イクロ波エネルギーが電子の運動に効率よく吸収される
。このＥＣＲ現象を利用して共振器内のＮｚ、ＳｉＨ４
などのガスを効率よ（イオン化させることで比較的高真
空でも高密度のプラズマを発生させることができる。

ＥＣＲ条件は次のように表すことができる。

ω＝ω。　　・・・働・　（１） ω：マイクロ波の角周波数 ω。：電子サイクロトロン角周波数 ω。＝＝　ｅ　Ｂ　／　ｍ　　・・・・・　（２）ｅ：
電子の電荷量 ｍ：電子の質量 Ｂ：共鳴条件の磁束密度 ＥＣＲプラズマ中で回転運動する共鳴電子は反磁性的効
果を示し、発散磁界と相互作用しながら、その磁力線に
添って加速される。プラズマが準中性であるため、電子
およびイオンは磁界中で等しい加速度をもち、電子とと
もにイオンも磁界の外に加速されて、基板にプラズマ流
として入射する。

プラズマの状態を把握することができる因子には次のよ
うなものがある。

■イオンの平均運動エネルギー これは加速されたイオンのエネルギーであり、その単位
は電子ボルト（ｅＶ）である。

■電子温度 加速された電子のエネルギーであり、単位は電子ボルト
（ｅＶ）である。

■イオン密度および電子密度 単位体積中に存在するイオンおよび電子のの個数である
。

プラズマＣＶＤ法による薄膜は、プラズマ放電中での反
応が複雑なこともあって、形成条件、装置等検討すべき
プロセスパラメータが多いのが現状である。その主なも
のは、イー反応ガス種類、ロー反応条件−温度・圧力・
流量および比率、八−反応系材質および電極構造、ニー
周波数およびパワーなどである。

従ってこれらの成長パラメーターの選択によってプラズ
マＣＶＤ膜の特性が大きくことなる。

その−例をＳｉＮ膜について示すと次のとおりである。

（１）プラズマＣＶＤ 反応系　　　　　ＳＬ）＋４−ＮＨｓ−Ｎ＊湯温度　　
　　　３５０−４１０℃ 圧力　　　　　　１．０−１０　Ｔｏｒｒエツチング速
度　１０００−３０００人／ｍｉｎ　ｃｏｎｃ、ＨＦス
トレス　　　　−Ｉ　ＸＩＯ”　ｄｙｎ／ｃｍ”〜−２
ＸＩＯ”　　ｄｙｎ／ｃｍ” （圧縮応力） 硬度（ヌープ）　　２０００　ｋｇｆ／ｍｍ”　（荷重
２０ｇ）上記した反応温度は通常の熱ＣＶＤ法に比較し
てかなり低くなっている。通常の熱ＣＶＤ法の条件とこ
れにより作られるＳｉＮ膜の特性を以下に示す。

（２）（熱）ＣＶＤ法 反応系　　　　　５ｉＨｉＣ１ａ−ＮＨｓ−Ｎ＊湯温度
　　　　　７００−９００℃ 圧力　　　　　　Ｉ　ＴｏｒｒＮＩＯＴｏｒｒストレス
　　　　Ｉ　Ｘ　１０’　ｄｙｎ／ｃｍ”（引張応力） 硬度（ヌープ）　　４０００−５０００　ｋｇｆ／ｍｍ
”（荷重２０ｇ） プラズマＣＶＤ法も、上述の例では３５０−４１０℃と
いう高温状態における熱的反応を利用していることから
、膜形成すべき基板および下地材料の種類は高温に耐え
かつ高温で特性が劣化しないものに限定されてしまう。

例えば、５ＬＬＳＩにおけるＳｉＮ膜の適用は最終保護
膜としての応用が広く使用されており、ＬＳＩの配線材
料（Ａｌ系）の融点を超えない温度で成長するにはプラ
ズマＣＶＤ法は適用可能である。

［発明が解決しようとする課題］ 半導体デバイスの高集積化が進むにつれ、プロセス温度
の低温化は今さら改めて言うまでもなく必須の状態にあ
り、一方その半導体製品の高生産および耐湿性等の高信
頼性を確保するべくマイクロクラックの低減が極めて重
要な要因になってくる。

しかしながら、上述のＳｉＮ膜の例でも見られるように
、プラズマＣＶＤによる膜は熱ＣＶＤによる膜に比較し
て硬度が低く、耐マイクロクラック性が劣るという問題
があるので、プロセスの低温化を図りながら、マイクロ
クラックを少な（することは非常に困難である。具体的
に述べると、プラズマＣＶＤ法で得られる膜の機械的強
度は、硬度で例示したように、弱いため、チップ処理お
よびワイヤーボンディング時に発生するマイクロクラッ
ク等の障害を抑制することができない状態にあった。こ
のため、チップ処理中にチップのハンドリングを慎重に
するとか、加熱・冷却をゆるやかに行って熱歪を発生さ
せないようにするとか、あるいはボンディングの速度を
遅（するなどの対策が必要であり、生産性低下の原因に
なっていた。但しボンディング速度の制御は現実的に不
可能である。

また、使用できる基板等の面から見ると、従来のプラズ
マＣＶＤ法でも、通常の熱ＣＶＤ法に比べると低温プロ
セスであるとは言え、やはり高温状態における熱的反応
を利用しているところから、適用できる基板や下地材料
が著しく制限されてしまうという欠点があった。

本発明は、このプラズマＣＶＤ膜の機械的強度を増すこ
とにより、マイクロクラック等の障害を未然に防ぎ、生
産性および耐湿性信頼性能を著しく向上させること、お
よび従来よりも低温で成膜可能なプラズマＣＶＤ法を提
供することを目的とする。

［課題を解決するための手段］ 本発明者は、膜の機械的強度などの特性に影響を与える
プラズマＣＶＤ法のプラズマの状態を解析した。次の表
に解析結果を項目別に要約して示す。

（以下余白） 表Ｉ　　ＥＣＲプラズマと高周波グロー放電の比較項目 ＲＦグロープラズマ 電気励起周波数　　　１３．５６ＭＨｚガス圧力（Ｐａ
）　　　　　１０ 平均自由行程　　　〜０．５ｍｍ イオンエネルＷ−数１００ｅＶまで　分布プラズマ密度
　　　　　　　　　　　　１０１０電離度（ａ）　　　
　　　１０−’ イオンシース幅（ｍｍ）　　　　　　　　　〜ｌ放電用
電極　　　　　要 ＥＣＲプラズマ ２．４５ＧＨｚ ｌＯ″″〜１０−１ 〜１００ ２０〜３０ ３ＸＩＯ” ０−２ 〜０．１ 不要 （中）α＝ｎ　　／（ｎ　　＋ｎ　　）ｐ　　　　　　
　Ｏｐ ｎｏ　：中性粒子の密度、ｎｐ　：プラズマ密度その解
析の結果、■イオンの平均運動エネルギー、■電子温度
、■電子密度は何れも膜質に影響をもつが、■イオンお
よびエレクトロンの電子温度と電子密度の影響が最大で
あり、これを適正な低加速エネルギー値に制御すること
が本発明の目的達成上有効であることが分かった。とこ
ろで、これらの電子温度、電子密度および平均運動エネ
ルギーを制御するためにはプロセスパラメーターのマイ
クロ波のインプットパワーを最大効率で上昇させる操作
が必要である。

また、プラズマ状態の解析の結果、イオンの平均運動エ
ネルギーが適正な低加速エネルギ値に制御した場合、電
子、イオン密度を一定値以上に制御しかつ／または電子
温度を一定値以上に制御するのが好ましいことが分かっ
た。このためには、前述のプロセスパラメーター：イー
反応ガス種類、ロー反応条件−温度・圧力・流量および
比率、バー反応系材質および電極構造、ニー周波数等に
依存して変化する一定値以上のマイクロ波パワーにする
こと必要である。この制御方法においては、運動エネル
ギーが低イオンと高い電子が高密度で存在するプラズマ
状態となる。

以上の解析の結果、完成した本発明はイオン加速エネル
ギーが２０〜１５０ｅＶの条件にてμ波プラズマＣＶＤ
を行うことを特徴とする半導体装置の製造方法である。

膜の性能をさらに良好にする好ましい条件は電子密度が
（ｎｅ　）　４　Ｘ　１０　”ｃｍ−”以上である。

さらに好ましい条件は、電子温度（Ｔｅ）が４、０ｅＶ
以上である。

上記方法により、ヌープ硬度（荷重２０ｇ）が２０００
ｋｇｆ／ｍｍ”以上の窒化けい素膜、酸化けい素膜、Ｐ
ＳＧ膜、または酸窒化けい素膜を成長させることができ
る。なお、上記方法は従来と同様の基板温度実施するこ
とを前提としているが、２０００ｋｇｆ／ｍｍ”程度の
ヌープ硬度でも許容できる場合は、薄膜を成長させる基
板の温度を室温３５０℃にすることが可能である。

なお、本発明においては、電子以外のプラズマ種をイオ
ンと総称する。

［作用］ 周波数２．４５ＧＨｚ、ＳｉＨ４、Ｎ＊ガス圧力１０−
”〜ｌ　Ｏ−’Ｐ　ａ、平均自由工程１００ｍｍ以下、
イオンと電子の密度３Ｘ１０”７ｃｍ”電離度（α）１
０１、基板温度１６０℃のプラズマＣＶＤ条件にて、電
子密度をＩ　Ｘ　１０　”ｃｍ−”〜３ｘ　１０”ｃｍ
”まで変化させてプラズマ窒化けい素膜を成長させた。

このプラズマ窒化けい素膜のヌープ硬度および５０％弗
酸でエツチングした時のエッチレートを調べたところ、
電子密度が３〜４ｘｌＯ”ｃｍ−”未満では成膜速度が
遅く、硬度が低下ｌする。また、電子温度が４ｅＶ未満
ではエツチングされ易くなることが分かる。なお、エッ
チレートは膜の緻密さの指標である。

以上の結果より、特に２０００ｋｇｆ／ｍｍ”以上の硬
度が得られる３〜４　Ｘ　１０　”ｃｍ−”以上の電子
密度と４ｅＶ以上の電子温度の範囲を本発明とした。

以下に示す第１図〜第３図はイオンの加速エネルギーを
本発明範囲内の１Ｏ−２５ｅＶにして、プラズマ状態を
調査したデータである。なお、各図において相異する条
件はそれぞれの図中に示す。

第１図により、パルス状マイクロ波のパワーが増大する
とＮ　富％　Ｓ　Ｉ　８４などの解離が進行し、電子密
度ｎ、が増大することが分かる。同じく、第２図よりウ
ェハー位置における磁束密度を増大させると電子の加速
エネルギーが増大し、電子温度（Ｔｅ）が上昇すること
が分かる。このような電子密度（ｎ、）の増大と電子温
度（Ｔｅ）の上昇に伴って起こる現象を第３図に示す。

すなわち、電子密度と電子温度が高いときに高硬度と、
５０％ぶつ酸によるエッチレートで把握できる膜の緻密
性とを有する窒化膜が得られ、また成膜速度が大になる
。なお、第３図では電子密度と電子温度の総合的影響を
知ることができる。第４図および第５図は電子温度のみ
影響をエッチレートについて示した図である。なお、こ
の図では濃ＨＦにより条件がきびしいエツチングを行っ
た。これらの図より、エッチレートは電子密度（ｎ、）
の対数値に依存して直線関係で低下し、電子温度（Ｔｅ
）が約４ｅＶ以上で急激に低下することが分かる。

第５図の結果から、本請求項２の発明では電子温度を４
ｅＶ以上に限定した。また請求項３記載の発明では、第
５図の一定エッチレート（５×１０”Ａ／ｍ１ｎ）が得
られる４　Ｘ　１０　”ａｍ−”以上に電子密度を限定
した。

以上のように３５０〜４００℃という従来のプラズマＣ
ＶＤ温度で機械的強度が、硬度換算で２０００ｋｇｆ／
ｍｍ”以上、特に約６０００ｋｇｆ　／　ｍ　ｍ　＊と
いう、すぐれたＣＶＤ膜が得られた。このことから、基
板温度を従来よりも低くしても従来と同等以上の機械的
強度を有するプラズマＣＶＤ膜を得ることができること
が明らかである。低温プロセスとしての好ましい基板温
度は１５０℃〜３５０℃である。

以下、実施例によりさらに実施例により本発明を説明す
る。

［実施例］ 実施例ｌ ＳｉＨ４とＮ８を原料ガスとして下記条件でＳｉＮ膜の
ＣＶＤ成長を行った。

ガス圧：　８　Ｘ　１０−”Ｔｏｒｒ ＳｉＨ４流量：　１８ｃｃ／ｗｉｎ Ｎ２流量：　５５　ｃｃ／ｍｉｎ マイクロ波パワー：６００Ｗ 基板バイアス：１３．５６ＭＨｚ、１００Ｗイオン加速
エネルギー：１５０ｅＶ 電子温度：４．１ｅＶ 電子密度：　７　Ｘ　１０　”７ｃｍ”磁束；　３７５
　Ｇａｕｓｓ共鳴点、ＯＧａｕｓｓ基板近傍 基板材質：８１ 基板温度：１５０℃ ３分間成長を行い、厚さが１．２μｍのＳｉＮ膜を得た
。このＳｉＮ膜のヌープ硬度は７０００ｋｇｆ／ｍｍ”
であった。

実施例２ 実施例１と同じ方法を従来プロセス（基板：Ｓｉ、基板
温度３９０℃）として行ったところ、ＳｉＮ膜のヌープ
硬度は２０００ｋｇｆ／ｍｍ”であった。

［発明の効果］ 請求項１．２．３および４の方法により作られた薄膜は
、機械的強度や緻密性の向上を図ることによりマイクロ
クラックを低減し、また半導体デバイスの耐湿性を改善
し、半導体製造装置の信頼性と生産性向上に寄与する。

請求項５の方法は低温プロセスがゆえにＡｔ−Ｈｌｌｌ
ｏｃｋおよびストレスボイドの発生等の下地配線材料の
損傷抑制に効果が大きくこの配線保護の面でも信頼性向
上に寄与する。

【図面の簡単な説明】

第１図〜第５図はイオンエネルギーを１Ｏ−２５ｅＶの
範囲内で一定にした場合のグラフであって、 第１図はマイクロ波パワーと電子密度の関係を示すグラ
フ、 第２図は磁束密度と電子温度の関係を示すグラ′フ、 第３図はマイクロ波パワーと窒化けい素膜の硬さ、成膜
速度、エッチレートの関係を示すグラフ、 第４図は電子密度とエッチレートの関係を示すグラフ、 第５図は電子温度とエッチレートの関係を示すグラフ、 第６図はプラズマＣＶＤ装置の概略図である。

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. １．μ波プラズマＣＶＤによる薄膜成長工程を有する半
   導体装置の製造方法において、 イオン加速エネルギーが２０〜１５０ｅＶの条件にてμ
   波プラズマＣＶＤを行うことを特徴とする半導体装置の
   製造方法。
2. ２．電子密度が（ｎ＿■）４×１０＾１＾０ｃｍ＾−＾
   ３以上の条件にてプラズマＣＶＤを行うことを特徴とす
   る請求項１記載の半導体装置の製造方法。
3. ３．電子温度（Ｔｅ）が４．０ｅＶ以上の条件にてプラ
   ズマＣＶＤを行うことを特徴とする請求項２記載の半導
   体装置の製造方法。
4. ４．ヌープ硬度（荷重２０ｇ）が２０００ｋｇｆ／ｍｍ
   ＾２以上の窒化けい素膜、酸化けい素膜、ＰＳＧ膜、ま
   たは酸窒化けい素膜を成長させることを特徴とする請求
   項１から３までのいずれか１項記載の半導体装置の製造
   方法。
5. ５．薄膜を成長させる基板の温度を３５０℃以下にする
   ことを特徴とする請求項１から４までのいずれか１項記
   載の半導体装置の製造方法。