JPH03263324A - 窒化シリコン膜の製造方法 - 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】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、窒化シリコン膜の製造方法に関し、特に、高
周波電力の印加可能な基板ホルダーを備えている電子サ
イクロトロン共鳴プラズマＣＶＤ装置を用いた窒化シリ
コン膜の製造技術に関するものである。

〔従来の技術〕

窒化シリコン膜は、半導体装置の製造の最終プロセスに
おいて、パッシベーション膜として形成される場合が多
いが、この窒化シリコン膜には、低温で成膜できること
、膜の内部応力が小さいこと、膜内の水素含有濃度が低
いこと、エツチングレートが小さいこと、膜厚分布が良
いこと、段差被覆性が良いこと等の特性が要求されてい
る。

これらの諸条件を充足する成膜方法として、発散磁場型
の電子サイクロトロン共鳴プラズマＣＶＤ（以下、ＥＣ
ＲプラズマＣＶＤという。）法がある。第５図に示すよ
うに、導波管１内を進行してきたマイクロ波を導波窓２
を介してプラズマ生成室３に導入すると共に、励磁ソレ
ノイド４によりプラズマ生成室３内に磁場を形成するこ
とによって、第１ガス導入路５から導入されたガスを電
子サイクロトロン共鳴を利用してプラズマ化する。

励磁ソレノイド４は、プラズマ引出し窓６を介してプラ
ズマ生成室３と繋がっているプラズマ反応室７に向かっ
て発散磁場を形成しており、この発散磁場によりプラズ
マ生成室３内のプラズマはプラズマ反応室７に引き出さ
れる。このプラズマ流は第２ガス導入路８から導入され
たガスと反応しながら基板ホルダー９上に置かれた基板
１０に到達し、基板１０の上に膜を形成する。

さらに、第１０図に示すように、前記励磁ソレノイド４
と同軸にかつ基板を挟む軸方向の位置に第２の励磁ソレ
ノイド（以下サブソレノイド１３と記す）を配置し、こ
のサブソレノイド１３に前記励磁ソレノイド４と逆方向
の磁界を生じさせるように電流を流して基板近傍で双方
の磁界が急激に外方へ広がる、いわゆるカスプ磁界を形
成させ、基板１０の上に形成された膜の膜厚分布を均一
にするカスプ磁界型ＥＣＲプラズマＣＶＤ装置の使用が
さかんになりつつある。

これらの方法では、１０−３〜１０−’Ｔｏｒｒの低圧
下で高密度のプラズマが得られ、基板１ｏを加熱するこ
となしに、内部応力が小さく、水素含有濃度が低く、耐
酸性の高い窒化シリコン膜を形成することができる。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかしながら、上記従来の成膜方法においては、基板１
０の上に形成された膜の膜厚分布の標準偏差が±１０％
以上と大きく、膜厚の均一性が悪いという問題点があっ
た。これは、本来的にプラズマ生成室３内において電子
サイクロトロン共鳴により生成されるプラズマが共振モ
ードに伴う密度分布を有していることによる。

また、カスプ磁界型による成膜方法においては、基板の
大型化に対応できず、基板１０が３１ｎｃｈウエハーで
ある場合に、形成された膜の膜厚分布が±１０％以上と
大きく、膜厚の均一性が悪くなってしまうという問題点
がある。これは、外部からの磁界によるプラズマ制御に
限界があることを示している。

そして、これら上記方法は段差被覆性が充分でないとい
う欠点を有しており、基板上に配線等の段差がある場合
には、高周波電力を基板に加え、その自己バイアス効果
により段差の平坦化被覆を行う方法が提案されているが
、高周波電力を基板に加えると膜の内部応力が増加して
膜が剥離するという問題点もあった。

そこで、本発明は上記問題点を解決するものであり、そ
の課題は、成膜時の圧力を変えることにより、基板に印
加する高周波作用を顕著化し、膜質の良好なＥＣＲプラ
ズマＣＶＤ法の利点を保持しながら、膜厚の均一性と段
差被覆性との双方を満足させる窒化シリコン膜の製造方
法を実現することにある。

〔課題を解決するための手段〕

上記課題を解決するために、プラズマ生成室とプラズマ
反応室とを有しており、該プラズマ反応室内には、高周
波電力の印加可能な基板ホルダーを備えている電子サイ
クロトロン共鳴プラズマＣＶＤ装置を用いた窒化シリコ
ン膜の製造方法において、本発明が講じた手段は、以下
の条件にて成膜するものである。

（１）成膜時のガス圧力を８　ＸＩＯ””Ｔｏｒｒ　〜
２　×１０−’Ｔｏｒｒとする。

（２）前記基板ホルダーに印加する高周波電力を１００
１’ｉ〜４００Ｗとする。

もしくは、カスプ磁界型のＥＣＲプラズマＣＶＤ装置を
用いた場合は （１）成膜時のガス圧力を３　×１０−２Ｔｏｒｒ　−
２×１０Ｔｏｒｒとする。

（２）前記基板ホルダーに印加する高周波電力を１００
１！Ｉ〜８００１！Ｉとする。

〔作用〕

ＥＣＲプラズマＣＶＤ法において、通常用いられるガス
圧力１０−３〜１Ｏ−４Ｔｏｒｒよりもプラズマ反応室
内のガス圧力を高めると共に基板に高周波電力を印加す
ることにより、プラズマ反応室内に、基板に印加する高
周波電力によるプラズマが発生する。従って、従来から
存在する電子サイクロトロン共鳴によりプラズマ生成室
で発生するプラズマと、高周波放電によるプラズマとの
双方により成膜が行われると考えられる。この条件で成
膜することにより、窒化シリコン膜の膜厚の均一性が向
上する。

また、高周波電力の印加による膜の内部応力の増加はガ
ス圧力の高圧化による成長条件の変化により抑えられる
一方、基板の自己バイアス効果によるバイアススパッタ
リング法と同様の効果は保持されると考えられ、従来の
ＥＣＲプラズマＣｖＤ法と同様の膜質を維持しながら、
成膜時の段差被覆性が改善される。

〔実施例〕

次に、本発明の実施例を添付図面を参照して説明する。

実施例ｉ 先ず、実施例に用いたＥＣＲプラズマＣＶＤ装置を第１
図を参照して説明する。図示していないマイクロ波電源
に接続された導波管１が導波窓２を介してプラズマ生成
室３に取り付けられており、プラズマ生成室３の周囲に
は励磁ソレノイド４が設置され、更に、プラズマ生成室
３内にガスを導入するための第１ガス導入ｌｉ！８５が
設けられている。

プラズマ生成室３の下部にはプラズマ引出し窓６が設け
られ、このプラズマ引出し窓６を通して、プラズマ反応
室７にプラズマ流が引き出されるようになっている。プ
ラズマ反応室７には第２ガス導入路８が設けられ、プラ
ズマ反応室７の内部には、その導入路８の導入口の下流
にあたる場所に基板ホルダー９が設置されている。基板
ホルダー９は高周波電源１１と接続されており、基板ホ
ルダー９の下には、図示していない真空ポンプに接続す
る排気孔１２を有する。

このＥＣＲプラズマＣＶＤ装置を用いた窒化シリコン膜
の製造方法の実施例を説明する。導波管１、導波窓２を
通して導入するマイクロ波は、周波数２．４５ＧＨｚ　
、電源電力１．５ｋｌｌｉであり、励磁ソレノイド４に
より８７５Ｇａｕｓｓの磁束密度をプラズマ生成室３内
に懲戒する。これらの条件のもとで、第１ガス導入路５
から４０ＳＣＣＭのＮ２ガスをプラズマ生成室３内に導
入してプラズマを発生させる。このプラズマは励磁ソレ
ノイド４が懲戒する発散磁場によりプラズマ反応室７に
引き出され、第２ガス導入路８から流量２０ＳＣＣＭで
導入されるシランガスをプラズマのエネルギーで分解し
て基板ホルダー９の上に静電チャックで固定されている
８インチの基板１０の表面上に到達する。基板ホルダー
９には、１３．５６ＭＨｚの高周波電圧を１００〜４０
いの電力範囲で印加し、また排気孔１２から排気するこ
とにより、プラズマ反応室７内を８０〜２００ｍＴｏｒ
ｒの範囲内の圧力に調整する。なお、上記のＮ２ガスの
代わりにＮＨ３またはＮＨ３とＮ２の混合ガスを用いる
こともできる。

第２図は、上記方法にて懲戒した窒化シリコン膜の膜厚
分布の偏差を成膜圧力に対して高周波電０ 力の値別にプロットしたものである。これによれば、膜
厚分布の偏差が１０％以下となる成膜圧力及び高周波電
力の条件が、 （１）成膜圧力；　８０〜２００ｍＴｏｒｒ（２）高周
波電力；１００〜４００Ｗ の範囲内で存在していることがわかる。即ち、成膜圧力
が（１）の範囲内にあれば、膜厚分布の均一性に関して
最適な高周波電力値が（２）の範囲内に存在するのであ
る。

第３図は、上記（１）及び（２）の範囲内で最適条件に
て成膜した際の窒化シリコン膜の成長速度を示したもの
であり、基板上の互いに垂直なＸ軸及びＹ軸に沿って計
測した２方向の膜厚分布とも極めて高い均一性を有して
いることがわかる。

第４図には成膜した窒化シリコン膜の赤外吸収スペクト
ルを示す。これによれば、５ｉ−Ｈ，ＮＨ結合の格子振
動に基づく吸収ピークは充分に小さく、膜内の水素濃度
が従来通り低いことを表している。更に、窒化シリコン
膜の内部応力は従来通り充分に低く、また、エツチング
レートも濃弗酸を用いた場合は２０００〜３０００人／
　ｍ　ｉ　ｎ　であって、耐酸性も充分に高い。即ち、
窒化シリコン膜の膜質は、従来の低圧化、高周波無印加
の場合と同様に良好であることが確認された。

上記窒化シリコン膜の段差被覆性については、配線の形
成された基板上に上記最適条件にて窒化シリコン膜を成
膜した後、その断面をＳＥＭ（走査電子顕微鏡）で観察
することにより評価を行った。この結果、配線を被覆し
た窒化シリコン膜の形状は充分に改善されていることが
確認されている。

実施例２ 次に、第２の実施例で用いたＥＣＲプラズマＣＶＤ装置
を第６図を参照して説明する。図示していないマイクロ
波電源に接続された導波管１が導波窓２を介してプラズ
マ生成室３に取りつけられており、プラズマ生成室３の
周囲には励磁ソレノイド４が設置され、更に、プラズマ
生成室３内にガスを導入するための第１ガス導入路５が
設けられている。プラズマ生成室３の下部にはプラズマ
引出し窓６が設けられ、このプラズマ引出し窓６を通し
て、プラズマ反応室７にプラズマ流が引き出されるよう
になっている。プラズマ反応室７には第２ガス導入路８
が設けられ、プラズマ反応室７の内部には、その導入路
８の導入口の下流に当たる場所に基板ホルダー９が設置
されている。基板ホルダー９の背面側に前記励磁ソレノ
イド４と同軸に配されたサブソレノイド１３がある。基
板ホルダー９は高周波電源１１と接続されており、基板
ホルダー９の下には、図示していない真空ポンプに接続
する排気孔１２を有する。

このカスプ磁界型ＥＣＲプラズマＣＶＤ装置を用いた窒
化シリコン膜の製造方法の実施例を説明する。導波管１
．導波窓２を通して導入するマイクロ波は、周波数２．
４５ＧＨｚ、電源電力１．５ｋＷであり、励磁ソレノイ
ド４により８７５Ｇａｕｓｓの磁束密度をプラズマ生成
室３内に形成する。これらの条件のもとで、第１ガス導
入路５から４０〜５００ＳＣＣＭのＮ２ガスをプラズマ
生成室３内に導入してプラズマを発生させる。このプラ
ズマは励磁ソレノイド４が形３ 戊する発散磁界によりプラズマ反応室７に引き出され、
第２ガス導入路８から流量３０〜５０ＳＣＣＵで導入さ
れるシランガスをプラズマのエネルギーで分解しつつ、
励磁ソレノイド４とサブソレノイド１３とにより、基板
ホルダー９の近傍に形成されたカスプ磁界領域で、基板
ホルダー９の上にある８ｉｎｃｈの基板ｌＯの表面に到
達する。基板ホルダー９には、１３．５６ＭＨｚの高周
波電力を１００〜８００１！ｌの電力範囲で印加し、ま
た排気孔１２から排気することにより、プラズマ反応室
７内を３０〜２００ｍＴｏｒｒの範囲内の圧力に調整す
る。なお、上記のＮ２ガスの代わりにＮＨ，又はＮＨ３
とＮ２の混合ガスを用いることもできる。

第７図は、上記方法にて形成した成長速度１０００Ａ／
ｍｉｎ以上、屈折率２０の窒化シリコン膜の膜厚分布を
成膜圧力に対して、高周波電力の値別にプロットしたも
のであり、サブソレノイド１３の磁界強度を変化させ、
圧力が低い場合には、カスプ面が、基板１０の上方２０
ｍｍ程度とし、圧力を高くするにつれて、カスプ面を基
板１０より下方にし、さら４ に高圧では発散磁界のみで成膜を行い、膜厚分布が最小
になるようにしている。これによれば、膜厚分布が±１
０％以下となる成膜圧力及び高周波電力の条件が 〔１〕成膜圧カニ　３　×１０−２Ｔｏｒｒ　−２ｘｌ
Ｏ’Ｔｏｒｒ（２）高周波型カニ　１００Ｗ　〜８００
Ｗの範囲内で存在していることがわかる。

また膜厚分布が±５％以下となる成膜圧力及び高周波電
力の条件が （１）成膜圧カニ　４　×１０−２Ｔｏｒｒ　〜３　ｘ
ｌ（１−２Ｔｏｒｒ（２）高周波型カニ　１００１１〜
８００Ｗの範囲内で存在していることがわかる。

第８図は、上記（１）及び（２）の範囲内で最適条件に
て成膜した際の窒化シリコン膜の成長速度を示したもの
であり、基板上の互いに垂直なＸ軸及びＹ軸に沿って計
測した２方向の膜厚分布とも極めて高い均一性を有して
いることがわかる。第９図には成膜した窒化シリコン膜
の赤外吸収スペクトルを示す。これによれば、５ｉ−Ｈ
，Ｎ−Ｈ結合の格子振動に基づく吸収ピークは充分に小
さく、膜内の水素濃度が従来通り低いことを表している
。更に窒化シリコン膜の内部応力は従来通り充分に低く
、また、エツチングレートも濃弗酸を用いた場合は１０
００〜２００ＯＡ　／ｍｉｎであって、耐酸性も充分に
高い。即ち、窒化シリコン膜の膜質は、従来の低圧下と
同様に良好であることが確認された。

上記窒化シリコン膜の段差被覆性については、配線の形
成された基板上に上記最適条件にて窒化シリコン膜を成
膜した後、その断面を走査電子顕微鏡で観察することに
より評価を行った。この結果、配線を被覆した窒化シリ
コン膜の形状は充分に改善されていることが確認されて
いる。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明は高周波印加可能なＥＣＲ
プラズマＣＶＤ装置を用いて、比較的高ガス圧力下にて
基板に高周波電力を印加することにより、高周波プラズ
マの作用をも加えて成膜することを特徴とするので、以
下の効果を奏する。

従来のＥＣＲプラズマＣＶＤ法による膜質、即ち、内部
応力、含有水素濃度、耐酸性等を悪化させることなく、
窒化シリコン膜の膜厚分布の均−性及び段差被覆性を向
上させることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る窒化シリコン膜の製造方法の実施
例に用いたＥＣＲプラズマＣＶＤ装置の構造を示す概略
図である。 第２図は同実施例により成膜した窒化シリコン膜の膜厚
分布の均一性を成膜圧力と高周波電力値に対してプロッ
トしたグラフ図である。 第３図は同実施例により成膜した窒化シリコン膜の成長
速度を基板上の互いに垂直なＸ軸とＹ軸に沿って示すグ
ラフ図である。 第４図は同実施例により成膜した窒化シリコン膜の赤外
線の吸収スペクトルを示すグラフ図である。　　　　　
　　　　　　　　／ 第５図は従来のＥＣＲプラズマＣＶＤ装置の構造を示す
概略図である。 第６図は本発明に係る窒化シリコン膜の製造方法の第２
の実施例で用いたＥＣＲプラズマＣＶＤ装置の構造を示
す概略図である。 ７ 第７図は同第２実施例により成膜した窒化シリコン膜の
膜厚分布の均一性を成膜圧力と高周波電力値に対してプ
ロットしたグラフ図である。 第８図は同第２実施例により成膜した窒化シリコン膜の
成長速度を基板上の互いに垂直なＸ軸とＹ軸に沿って示
す“グラフ図である。 第９図は同第２実施例により成膜した窒化シリコン膜の
赤外線の吸収スペクトルを示すグラフ図である。 第１０図は従来の他のＥＣＲプラズマＣＶＤ装置の構造
を示す概略図である。 〔符号の説明〕 １　導波管、２　導波窓、３　プラズマ生成基、４　励
磁ソレノイド、５　第１ガス導入路、６プラズマ引出し
窓、７　プラズマ反応室、８　第２ガス導入路、９　基
板ホルダー、１０　　基板、１１　　高周波電源、１２
　　排気孔、１３　　サブソレノイ８ ［Ｕｊ山／ＶコピＵ沫匹）Ｆ″ｇ ヨつＮＶ日出ＯＳ日 ヨ０ＮＶＥ！ｌＪＯ９ｅＶ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）プラズマ生成室とプラズマ反応室とを有しており、
   該プラズマ反応室内には、高周波電力の印加可能な基板
   ホルダーを備えている電子サイクロトロン共鳴プラズマ
   ＣＶＤ装置を用いた窒化シリコン膜の製造方法において
   、 成膜時のガス圧力を８×１０＾−＾２Ｔｏｒｒ〜２×１
   ０＾−＾１Ｔｏｒｒ、前記基板ホルダーに印加する高周
   波電力を１００Ｗ〜４００Ｗの範囲内に設定して成膜す
   ることを特徴とする窒化シリコン膜の製造方法。 ２）プラズマ生成室とプラズマ反応室とを有し、該プラ
   ズマ反応室には、高周波電力の印加可能な基板ホルダー
   を備え、かつ、前記プラズマ生成室内に磁場を形成し、
   電子サイクロトロン共鳴を利用して導入ガスをプラズマ
   化すると共に、前記プラズマ反応室に向かって発散磁場
   を形成し、この発散磁場によりプラズマ生成室のプラズ
   マをプラズマ反応室に引き出す第１のソレノイドと、前
   記基板ホルダーを介して前記第１のソレノイドと対向し
   て配置され逆方向の磁界を生じさせる第２のソレノイド
   を有している電子サイクロトロン共鳴プラズマＣＶＤ装
   置を用いた窒化シリコン膜の製造方法において、成膜時
   のガス圧力を３×１０＾−＾２Ｔｏｒｒ〜２×１０＾−
   ＾１Ｔｏｒｒ、前記基板ホルダーに印加する高周波電力
   を１００Ｗ〜８００Ｗの範囲内に設定して成膜すること
   を特徴とする窒化シリコン膜の製造方法。 ３）プラズマ生成室とプラズマ反応室とを有し、該プラ
   ズマ反応室には、高周波電力の印加可能な基板ホルダー
   を備え、かつ、前記プラズマ生成室内に磁場を形成し、
   電子サイクロトロン共鳴を利用して導入ガスをプラズマ
   化すると共に、前記プラズマ反応室に向かって発散磁場
   を形成し、この発散磁場によりプラズマ生成室のプラズ
   マをプラズマ反応室に引き出す第１のソレノイドと、前
   記基板ホルダーを介して前記第１のソレノイドと対向し
   て配置され逆方向の磁界を生じさせる第２のソレノイド
   を有している電子サイクロトロン共鳴プラズマＣＶＤ装
   置を用いた窒化シリコン膜の製造方法において、成膜時
   のガス圧力を４×１０＾−＾２Ｔｏｒｒ〜８×１０＾−
   ＾２Ｔｏｒｒ、前記基板ホルダーに印加する高周波電力
   を１００Ｗ〜８００Ｗの範囲内に設定して成膜すること
   を特徴とする窒化シリコン膜の製造方法。