JPH04329637A - 絶縁膜の製造方法 - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は半導体集積デバイスにお
ける層間絶縁膜または保護膜に代表される絶縁膜の製造
方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体集積回路素子において、配線層を
素子上で多層に配線する多層配線構造を採用すると、素
子形成可能領域を拡大でき、さらに、配線長を短縮でき
るため、素子の集積化を高めることができる。しかし、
多層配線構造において、各配線層は、層間絶縁膜を介し
て積層されていくため、下層側の層間絶縁膜に凹凸があ
ると、その凹凸が上層側の層間絶縁膜に反映され、上層
側の配線層ほど、凹凸が強調されてしまい、配線層の段
切れなどの不具合が発生しやすくなる。従って、各層に
堆積される層間絶縁膜は平坦化されている必要がある。 そこで、層間絶縁膜や表面保護膜等、平坦な絶縁膜を形
成するプロセスには、絶縁膜の成長とスパッタリングと
を同時進行させることにより、平坦な絶縁膜を形成する
ＲＦ付加ＥＣＲプラズマＣＶＤ法が採用される。

【０００３】ここに、従来のＲＦ付加ＥＣＲプラズマＣ
ＶＤ法について、図４を参照して、説明する。図におい
て、３１はＲＦ付加ＥＣＲプラズマＣＶＤ装置であり、
内部はプラズマ室３２と反応室３３とに区画形成されて
いる。プラズマ室３２には、水晶窓３４を介して矩形導
波管３５が接続され、その外周側には磁気コイル３６が
配置されている。このプラズマ室３２において、矩形導
波管３５から注入されマイクロ波と、磁気コイル３６が
発生する磁界との相互作用によって、電子サイクロトロ
ン共鳴領域３８が形成されており、供給管３７から供給
された酸素−アルゴンの混合ガスは、イオン等の反応種
を発生する。発生した反応種は、磁気コイル３６が形成
する発散磁界３６ａによって、プラズマ流となって、反
応室３３の内部に配置されている試料台３９の上の半導
体基板４０に向かう。ここで、反応室３３には、供給管
４１からシランが供給されており、アルゴンイオンによ
るスパッタリングと同時に、シランと酸素による絶縁膜
の形成が行われる。

【０００４】かかる構成の装置１を使用したＲＦ付加Ｅ
ＣＲプラズマＣＶＤ法における成膜過程を説明する。図
５（ａ）は半導体基板の断面図であり、集積回路素子層
４２と層間絶縁膜４３とが積層された表面上に、アルミ
ニウム配線層４４が形成され、その表面側に層間絶縁膜
４５が堆積されている。この状態から、さらに絶縁膜を
成長させる過程において、図５（ｂ）に示すように、層
間絶縁膜４５に対してスパッタガス４６が入射される。 ここで、スパッタガス４６が垂直方向に入射される層間
絶縁膜表面４５ａでは絶縁膜が成長する一方、スパッタ
ガス４６が斜めに入射される層間絶縁膜表面４５ｂでは
、スパッタリング（スパッタエッチング）が生じる。 従って、図５（ｃ）〜図５（ｄ）に示すように、絶縁膜
が成長するに伴って、層間絶縁膜４５の表面は平坦化さ
れていく。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上記のＲＦ付加ＥＣＲ
プラズマＣＶＤ装置３１においては、絶縁膜の成長とス
パッタリングが同時に進行することによって、平坦な絶
縁膜を形成するものであり、絶縁膜の成長速度及び被覆
形状は、両反応の相対的な速度により規定される。これ
らの速度を制御する方法としては、ガス総量またはシラ
ン、酸素、アルゴン等のガス配合比により制御する方法
、マイクロ波の供給電力（ＲＦ電力）により制御する方
法があるが、ガスの流量、配合比を変えると膜質をも変
化させてしまうので、一般的には、ＲＦ電力により制御
される。

【０００６】ここで、半導体基板４０を負にバイアスし
た状態における絶縁膜の成長速度及びスパッタリング速
度のＲＦ電力依存性を、図６に示す。図６において、実
線５１はスパッタリング速度（ＳＲ）とＲＦ電力との関
係を示しており、スパッタリング速度（ＳＲ）は、ＲＦ
電力の増大に伴って直線的に増加している。一方、実線
５２は膜成長速度（ＧＲ）を示しており、ＲＦ電力のレ
ベルが低い場合には、ＲＦ電力の増大に伴って、膜成長
速度（ＧＲ）は暫増しているが、ＲＦ電力のレベルが高
い場合には、ＲＦ電力が増大しても、膜成長速度（ＧＲ
）は飽和状態になっている。これらの膜成長速度とスパ
ッタリング速度の差が、正味の膜成長速度である有効膜
成長速度（ＧＲｅｆｆ　）であり、実線５３で示すよう
に、有効膜成長速度（ＧＲｅｆｆ　）は、ＲＦ電力の増
大に伴って暫減している。このように、膜成長速度及び
スパッタリング速度のＲＦ電力依存性を利用して、成膜
条件をＲＦ電力によって制御することができる。

【０００７】しかしながら、スパッタリング速度を高め
るために、ＲＦ電力を増大させると、絶縁膜の成長面に
おいて、温度が上昇し、アルミニウム配線等にヒルロッ
クが発生する等、ＲＦ付加ＥＣＲプラズマＣＶＤ法の特
徴である低温で膜生成が可能である利点が損なわれてし
まうため、好ましくない。

【０００８】以上の問題点に鑑み、本発明の課題は、半
導体基板表面における発散磁界の磁力線密度を可変とす
ることにより、ＲＦ付加ＥＣＲプラズマＣＶＤ法の利点
を維持したまま、絶縁膜の生成条件を制御可能な絶縁膜
の製造方法を提供することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するた
めに、電子サイクロトロン共鳴プラズマ源によりプラズ
マを発生させると共に、電子サイクロトロン共鳴プラズ
マ源の第１の磁界発生手段によって半導体基板に向かう
発散磁界を形成し、プラズマ内で発生する複数種の反応
種により、絶縁膜成長とスパッタリングとを同時進行さ
せる絶縁膜の製造方法において、発散磁界に対して反対
方向の磁界を発生する第２の磁界発生手段を設け、第２
の磁界発生手段の磁界によって、発散磁界を半導体基板
の近傍で外周側に引出して、半導体基板の配置位置によ
り、半導体基板の表面近傍における発散磁界の磁力線密
度を制御することを特徴とする。

【００１０】ここに、第１の磁界発生手段の発散磁界と
第２の磁界発生手段の磁界との間に、それらの磁力線が
存在しないカプス面を形成し、カプス面と半導体基板の
相対距離により、半導体基板の表面近傍における発散磁
界の磁力線密度を制御することが好ましい。

【００１１】

【作用】本発明における絶縁膜の製造方法においては、
電子サイクロトロン共鳴プラズマ源によりプラズマを発
生させ、電子サイクロトロン共鳴プラズマ源の第１の磁
界発生手段によって半導体基板に向かう発散磁界を形成
すると、プラズマ流は半導体基板に向って引き出され、
プラズマ内で発生した複数種の反応種により、絶縁膜の
成長と共に、スパッタリング（スパッタエッチング）が
生じる。ここで、発散磁界に対して反対方向の磁界を発
生する第２の磁界発生手段を設けておくと、発散磁界は
、第２の磁界発生手段の磁界により斥力を受けて磁束の
外周側（発散方向）に引き出され、発散磁界の磁力線は
、半導体基板の表面近傍において半導体基板に平行な方
向成分をもって横切る状態となる。この磁力線回りでも
プラズマ中の電子がサイクロイド運動を行い、さらに多
数の反応種が半導体基板表面に発生し、マグネスパッタ
リング法と同様に、高濃度のプラズマが発生し、半導体
基板上でのスパッタリング速度を支配する。ここで、半
導体基板に平行な方向成分を有する発散磁界の磁力線の
密度は、発散磁界内から第２の磁界発生手段の磁界内ま
での間で連続的に変化する状態になっているため、半導
体基板の配置位置によって、半導体基板の表面近傍にお
ける上記の磁力線密度を規定すると、半導体基板表面近
傍のプラズマ密度が規定され、絶縁膜生成におけるスパ
ッタリング速度を制御することができる。

【００１２】ここで、第１の磁界発生手段の発散磁界と
第２の磁界発生手段とは、それら磁界の間に磁束がほと
んど存在しないカプス面を形成している場合には、発散
磁界はカプス面で封鎖されるので、半導体基板に平行な
方向成分を有する磁力線を高い密度で形成できる。従っ
て、カプス面と半導体基板との相対距離を規定すること
により、半導体基板表面近傍のプラズマ密度を広い密度
範囲で設定でき、スパッタリング速度を任意のレベルに
設定することができる。

【００１３】

【実施例】本発明の実施例を、図１を参照して、説明す
る。

【００１４】図１は、本例に使用したＲＦ付加ＥＣＲプ
ラズマＣＶＤ装置の概略断面図である。

【００１５】図において、１はＲＦ付加ＥＣＲプラズマ
ＣＶＤ装置であり、内部はプラズマ室２と、プラズマ室
２と連通部３ａを介して連通する反応室３に区画形成さ
れている。プラズマ室２の上部開口２ａには、水晶窓４
を介して矩形導波管５が接続され、矩形導波管５の先端
側にはマイクロ波発生部（ＲＦ発生部／図示せず）に接
続されている。また、プラズマ室２には、酸素ガスとア
ルゴンガスの混合ガスをプラズマ室２の内部に導入する
ための供給管６が接続されている。一方、反応室３の内
部には、連通部３ａの下方位置で、半導体基板７を水平
に支持する試料台８が配置されており、ここに載置され
た半導体基板７は、矩形導波管５に対向するようになっ
ている。反応室３の側面には、反応室３の内部にシラン
ガスを導入するための供給管９が接続されており、反応
室３の下部開口は排出口１０になっている。

【００１６】さらに、プラズマ室２の外周囲には、第１
の磁気コイル１１（第１の磁界発生手段）が配置されて
おり、この磁気コイル１１が発生する磁界と、矩形導波
管５から注入されたマイクロ波との相互作用によって電
子サイクロトロン共鳴領域１２が形成されており、ここ
でサイクロイド運動する電子により、供給管６から供給
された酸素−アルゴンの混合ガスは、イオン等の反応種
を発生する。発生した反応種は、第１の磁気コイル１１
が形成する発散磁界１３によって、プラズマ流となって
、プラズマ室２から反応室３の内部の試料台８の上の半
導体基板７に向けて引き出される。

【００１７】この反応室３の下方位置には、第２の磁気
コイル１４（第２の磁界発生手段）が配置されており、
図２に示すように、第２の磁気コイル１４が発生する磁
力線１４ａの方向は、第１の磁気コイル１１が発生する
発散磁界１３の磁力線１３ａの方向とは逆方向になって
いる。このため、発散磁界１３は外周側に引き出され、
第１の磁気コイル１１の磁界と、第２の磁気コイル１４
の磁界との間に磁束密度が０になる面（カプス面）１５
が、半導体基板７に平行に形成されている。従って、カ
プス面１５の両側で、第１の磁気コイル１１の磁力線１
３ａ、及び第２の磁気コイル１４の磁力線１４ａは、半
導体基板７に平行な方向成分を有する磁力線となってお
り、磁力線１３ａの密度は、カプス面１５からの距離に
よって連続的に変化している。ここで、プラズマは、第
１の磁気コイル１１によって発生している８７５ｇａｕ
ｓｓの磁束密度内部で発生し、さらに、半導体基板７に
平行な方向成分を有する磁力線１３ａの回りでも電子が
サイクロイド運動し、ここでも多数のイオンが発生する
ため、磁力線１３ａの周囲、すなわち、カプス面１５に
おける第１の磁気コイル１１の側では、プラズマ密度が
高い一方、カプス面１５における第２の磁気コイル１４
の側では、プラズマ密度は低くなっている。

【００１８】しかも、カプス面１５における第１の磁気
コイル１１の側においても、磁力線１３ａの密度の高低
分布が形成されているため、半導体基板７の配置位置に
よって、スパッタエッチング速度を規定可能になってい
る。

【００１９】かかる構成のＲＦ付加ＥＣＲプラズマＣＶ
Ｄ装置１を使用して、線幅が約１μｍ、厚さが約５００
０Åの配線層が、約１μｍの間隔で形成された半導体基
板７に、層間絶縁膜を形成する工程を、図１及び図２を
参照して、説明する。

【００２０】まず、マイクロ波が供給されず、供給管６
，９からガスが供給されない状態で、半導体基板７を試
料台８の上に載置する。半導体基板７はカプス面１５に
おける第１の磁気コイル１１の側に配置された状態にあ
る。この状態で、供給管６から酸素ガスをプラズマ室２
に、供給管９からシランガスを反応室３に供給する。

【００２１】ここで、酸素ガスとシランガスの流量比は
１とする。これにより、半導体基板７の表面上に、約１
００μｍ〜約３００μｍの酸化物を堆積させる。ここで
、導波管５からマイクロ波注入電力（ＲＦ電力）を供給
せずに、通常のＣＶＤ法と同様な方法により、酸化物を
予め形成しておくのは、酸化膜がプラズマダメージを受
けて、膜質の劣化や膜内に残留電荷が発生することを防
止すると共に、ＲＦ印加による温度上昇によってアルミ
ニウム配線層にアルミニウムヒロックが発生することを
防止するためである。

【００２２】次に、酸素ガスにアルゴンガスを混合して
、この混合ガスを供給管６からプラズマ室２に供給する
と共に、ＲＦ電力を注入する。これにより、導波管５か
らの２．４５ＧＨｚのマイクロ波と、第１の磁気コイル
１１による８７５ｇａｕｓｓの磁界により、電子が磁界
によりサイクロイド運動を行って（サイクロトロン共鳴
）、アルゴンイオン等の反応種を生成する。この反応種
は、半導体基板７の表面での酸化膜の成長反応と同時進
行する状態で、酸化膜表面をスパッタリング（方向性エ
ッチング）し、図５に示す成膜過程と同様に、酸化膜を
平坦化しながら成長させる。

【００２３】本例においては、第２の磁気コイル１４に
よってカプス面１５を形成し、第１の磁気コイル１１が
形成している発散磁界１３に、半導体基板７の近傍で平
行な成分を有する磁力線１３ａを形成している。しかも
、磁力線１３ａの密度は、カスプ面１５からの位置によ
って連続的に変化しており、これに対応して、プラズマ
密度も連続的に変化している。従って、カプス面１５と
半導体基板７との相対位置を変え、半導体基板７の表面
近傍で平行な成分をもつ磁力線１３ａの密度を変化させ
ると、半導体基板７の表面近傍におけるプラズマ密度が
変化する。従って、半導体基板７の配置位置、すなわち
、カプス面１５と半導体基板７との相対位置により、半
導体基板７の表面近傍における磁力線１３ａの密度を規
定できるので、プラズマ密度を規定でき、スパッタリン
グ速度を制御することができる。

【００２４】ここで、半導体基板７とカプス面１５の相
対距離と、スパッタリング速度の関係を、流量４０ｓｃ
ｃｍのアルゴン（スパッタリングガス）を使用し、圧力
を約１０−３Ｔｏｒｒとした条件下で、調査した結果を
図３に示す。

【００２５】図３において、横軸は相対距離Ｄを表し、
正符号はカプス面１５が半導体基板７に対し第１の磁気
コイル１１の側に位置することを示し、負符号はカプス
面１５が半導体基板７に対し第２の磁気コイル１４の側
に位置することを示す。

【００２６】図３の実線２１で示すとおり、半導体基板
７に対するカプス面１５の相対位置と、スパッタリング
速度に相関性があり、相対距離Ｄが−２０〜−２５ｍｍ
の位置、すなわち、カプス面１５が半導体基板７に対し
第２の磁気コイル１４の側に２０〜２５ｍｍの位置でス
パッタリング速度が最大を示し、この位置からカプス面
１５がいずれの方向に形成されても、スパッタリング速
度が低下していく。

【００２７】本例においては、図２に示すとおり、半導
体基板７の配置位置は、上記のスパッタリング速度が最
大の位置、カスプ面１５から第１の磁気コイル１１の側
に約２０ｍｍ〜約２５ｍｍの位置に配置し、スパッタリ
ング速度を最大に設定し、より平坦な層間絶縁膜が形成
されるように設定している。

【００２８】以上のとおり、本例のＲＦ付加ＥＣＲプラ
ズマＣＶＤ装置１においては、第１の磁気コイル１１の
磁力線１３ａに対し、反対方向の磁力線１４ａを発生さ
せる第２の磁気コイル１４を有しているので、両磁力線
によってカプス面１５を形成し、第１の磁気コイル１１
により形成される発散磁界１３を、さらに、カプス面１
５の表面近傍で外周側に引き出している。従って、半導
体基板７とカプス面１５との位置を変化させることによ
り、半導体基板７の表面近傍における磁束密度を変化さ
せ、半導体基板７の表面におけるプラズマ密度を調整す
ることによって、スパッタリング速度を設定できるので
、ＲＦ電力またはガス供給条件を変えてスパッタリング
速度を設定する必要がないため、絶縁膜や配線層に影響
を与えることなく、平坦な膜形成が可能になっている。

【００２９】本例においては、第１及び第２の磁界発生
手段に磁気コイルを使用したが、永久磁石を使用しても
よいものである。

【００３０】なお、形成すべき絶縁物は酸化物に限らず
、窒化物等であってもよい。

【００３１】

【発明の効果】以上のとおり、本発明における絶縁膜の
製造方法においては、半導体基板に向けて引き出された
発散磁界に対して、反対方向の磁界を発生する第２の磁
界発生手段を設けておき、その磁界により発散磁界を半
導体基板の配置位置近傍で外周側に引き出した状態とし
、半導体基板の配置位置により、半導体基板の表面近傍
における発散磁界の磁力線密度を制御することに特徴を
有している。従って、本発明によれば、半導体表面近傍
を横切る磁力線密度により、プラズマ密度を規定し、ス
パッタリング速度を制御することができる。よって、Ｒ
Ｆ付加ＥＣＲプラズマＣＶＤ法の利点を維持したまま、
スパッタリング速度を変えることができるので、膜質等
を劣化させることなく、酸化膜の生成条件を制御できる
。

【００３２】さらに、第１の磁界発生手段の発散磁界と
第２の磁界発生手段の磁界との間に磁束がほとんど存在
しないカプス面を形成し、このカプス面と半導体基板の
相対距離により、発散磁界の磁力線密度を制御する場合
には、発散磁界はカプス面により封鎖されるので、半導
体基板に平行な方向成分を有する磁界を高い密度で形成
でき、しかも、このカプス面と半導体基板との相対距離
によって、半導体基板に対するスパッタリング速度を広
い範囲で設定できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例に使用したＲＦ付加ＥＣＲプラ
ズマＣＶＤ装置の概略断面図である。

【図２】図１の装置において発生する磁界の形成状態を
示す反応室の断面図である。

【図３】本発明の実施例における半導体基板に対するカ
プス面の相対位置と、スパッタリング速度の関係を示す
グラフである。

【図４】従来例のＲＦ付加ＥＣＲプラズマＣＶＤ装置の
概略断面図である。

【図５】ＲＦ付加ＥＣＲプラズマＣＶＤ法における絶縁
膜の成長状態を示す半導体基板の断面図である。

【図６】従来例における膜成長速度、スパッタリング速
度及び有効膜成長速度とＲＦ電力の関係を示すグラフで
ある。

【符号の説明】

１・・・ＲＦ付加ＥＣＲプラズマＣＶＤ装置２・・・プ
ラズマ室 ３・・・反応室 ７・・・半導体基板 １１・・・第１の磁気コイル １３・・・発散磁界 １４・・・第２の磁気コイル

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】電子サイクロトロン共鳴プラズマ源により
   プラズマを発生させると共に、前記電子サイクロトロン
   共鳴プラズマ源の第１の磁界発生手段によって半導体基
   板に向かう発散磁界を形成し、前記プラズマ内で発生す
   る複数種の反応種により、前記半導体基板上で絶縁膜の
   成長とスパッタリングとを同時進行させる絶縁膜の製造
   方法において、前記発散磁界に対して反対方向の磁界を
   発生する第２の磁界発生手段を設け、前記第２の磁界発
   生手段の磁界によって、前記発散磁界を前記半導体基板
   近傍でさらに外周側に引出した状態とし、前記半導体基
   板の配置位置により、前記半導体基板の表面近傍におけ
   る前記発散磁界の磁力線密度を設定することを特徴とす
   る絶縁膜の製造方法。
2. 【請求項２】請求項１において、前記第１の磁界発生手
   段の発散磁界と前記第２の磁界発生手段の磁界との間に
   、それらの磁力線が存在しないカプス面を形成し、前記
   カプス面と前記半導体基板の相対距離により、前記半導
   体基板の表面近傍における前記発散磁界の磁力線密度を
   設定することを特徴とする絶縁膜の製造方法。