JPH04337073A - シリコン酸化膜形成方法 - 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】この発明は、半導体製造工程で薄
膜の形成に用いられるプラズマＣＶＤ装置として、電子
サイクロトロン共鳴を利用したマイクロ波プラズマ発生
部と、該マイクロ波プラズマ発生部のプラズマ空間を形
成するプラズマ室と該プラズマ室の開口部を経て連通す
る，被処理ウエハが載置されるステージを内包する反応
室とからなるマイクロ波プラズマＣＶＤ装置を用い、プ
ラズマ室に酸素ガスを供給するとともに反応室にシラン
ガスを供給して被処理ウエハの表面にシリコン酸化膜を
形成する際のシリコン酸化膜形成方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、半導体製造工程のなかでの層間絶
縁膜等の形成には、図５に示すように、ウエハ３１を載
置するウエハステージ３を接地電極とし、これに対向し
て成膜用の原料ガスとして例えばＯ２　とＳｉＨ４との
混合ガス供給を行う多数の細孔を持つシャワー電極４を
配置してこれに高周波電圧を印加し、前記ウエハステー
ジ３との間にプラズマを生ぜしめて成膜するＲＦプラズ
マＣＶＤ法が用いられている。

【０００３】このような装置においては、安定したプラ
ズマを形成するための原料ガス圧力が高くなるため、気
相での反応が進み、緻密な膜の形成が不可能となるため
、例えば水素等を原料ガスの希釈ガスとして実質的な反
応ガスの分圧を低減して必要な膜質を得ている。しかし
、このことが装置の生産性の低下を招いていた。また、
実質的に生産に寄与しない多量のガスを消費すると言う
欠点があった。

【０００４】以上のようなことから、最近、低圧力でも
プラズマ化の可能なマイクロ波プラズマを利用すること
が試みられている。

【０００５】マイクロ波をガスのプラズマ化に利用する
装置としては、電子サイクロトロン共鳴を利用したマイ
クロ波プラズマ発生部と、該マイクロ波プラズマ発生部
のプラズマ空間を形成するプラズマ室と該プラズマ室の
開口部を経て連通する，被処理ウエハが載置されるステ
ージを内包する反応室とからなるマイクロ波プラズマＣ
ＶＤ装置の開発が鋭意進められている。この装置は、マ
イクロ波プラズマ発生部を、その一方の端面にマイクロ
波が透過する真空封止窓を持ち他方の端面にプラズマ導
出用の開口部を持つ円筒状のマイクロ波共振器と、電子
サイクロトロン共鳴を発生するための，　通常マイクロ
波共振器を同心に囲むコイルとで構成し、かつコイルの
幾何学的中心が前記真空封止窓より大気側に位置するよ
うにコイルを配置するとともに酸素ガス供給口を前記真
空封止窓側のマイクロ波共振器端面に配置して、数ｍｔ
ｏｒｒの低圧力での高密度プラズマ形成を可能にし、効
果的に加速電子と酸素イオンおよび中性酸素原子を生成
するとともに、前記マイクロ波共振器　（以下プラズマ
室ともいう）　の開口部を経て連通する反応室内に、ウ
エハを前記真空封止窓の中心から開口部の中心に向かう
直線の延長上に垂直となるように配置し、プラズマ発生
部の下流側でウエハ表面への到達ガス密度がほぼ均一と
なる方向にシランガスを供給して、シランガスを前記マ
イクロ波共振器のプラズマ導出口から反応室内へ移動す
るプラズマ中の加速電子で解離して活性化し、ウエハ表
面を均一照射している前述の酸素原子，　イオンとウエ
ハ表面で効果的に表面反応を起こさせ、良質の酸化膜を
形成しようとするものである。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかし、このように圧
力を低くして成膜を行う場合にも、形成されたシリコン
酸化膜　（以下ＳｉＯ２　膜と記す）　中に、こんどは
シランガス　（ＳｉＨ４　）　中のＨが多く含まれ、十
分緻密な膜が得られないという問題があった。

【０００７】この発明の目的は、Ｈの含有量の少ない，
　緻密度の高いＳｉＯ２　膜が得られるＳｉＯ２　膜形
成方法を提供することである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明においては、電子サイクロトロン共鳴を利用
したマイクロ波プラズマ発生部と、該マイクロ波プラズ
マ発生部のプラズマ空間を形成するプラズマ室と該プラ
ズマ室の開口部を経て連通する，被処理ウエハが載置さ
れるステージを内包する反応室とからなるマイクロ波プ
ラズマＣＶＤ装置を用い、プラズマ室に酸素ガスを供給
するとともに反応室にシランガスを供給して被処理ウエ
ハの表面にシリコン酸化膜を形成する際のシリコン酸化
膜形成方法を、プラズマ室にマイクロ波を注入して酸素
ガスをプラズマ化する際に酸素ガス流量に対するマイク
ロ波電力の値を１５〜４０Ｗ／ＳＣＣＭとするとともに
、反応室に供給するシランガス流量をプラズマ室に供給
する酸素ガス流量の０．８〜１．１倍としてＳｉＯ２　
膜を形成し、被処理ウエハに高周波バイアス電力を供給
してＳｉＯ２　膜を形成する際には、酸素ガス流量に対
するマイクロ波電力と高周波バイアス電力との積の比率
を４×１０４　Ｗ２　／ＳＣＣＭ以下としてＳｉＯ２　
膜を形成するものとする。

【０００９】

【作用】この発明は、次のような成膜時の現象解析に基
づいてなされたものである。

【００１０】電子サイクロトロン共鳴を利用したマイク
ロ波プラズマＣＶＤ装置において、前述の〔従来の技術
〕の項に記載したようなプラズマ発生部，ウエハ位置，
　ガス供給位置とすると、電子はマイクロ波電界とこれ
に直交するコイル磁界成分とにより、磁力線の周りで回
転しつつ加速され、高いエネルギーを持ち、酸素ガスの
電離・解離を効果的に行う。電子はコイルの形成する磁
力線に拘束された回転運動をしているので、コイルの形
成する磁界との相互作用で発散方向　（真空封止窓から
開口部に向かう方向）　に加速される。プラズマはその
本質的な特性から、電気的中性を保つため、イオンも電
子の運動方向に加速され、プラズマは磁界の発散方向に
輸送される　（両極性拡散）　ことになる。

【００１１】プラズマ形成圧力を数ｍｔｏｒｒと低く保
つと、電子はコイルの形成する磁力線に拘束されるため
、結果的にウエハあるいは器壁に到達するまでの飛程が
長く、分子・原子との十分な衝突確率を持つが、イオン
はマイクロ波電界に追随できない両極性拡散のみであり
、また中性の原子・分子は熱運動のみであるから、ウエ
ハあるいは器壁に到達するまでの反応性ラジカル相互間
の衝突確率は極めて小さく、空間での反応は無視し得る
。 従って、空間反応系としては、電子との作用のみを考え
ればよく、表面反応系としては、空間での生成物間の反
応のみを考えればよい。

【００１２】プラズマ室における反応に着目すると、酸
素ガスに対するマイクロ波電力の割合でラジカルの発生
量とそのエネルギーレベルとが決定される。即ち、供給
する酸素ガスに対するマイクロ波電力が大きくなるとプ
ラズマの密度が増大して、酸素ラジカル量が増加すると
同時に衝突から衝突までの電子の加速エネルギーが大き
くなり、酸素の活性化レベルが高くなる。また、シラン
の解離度もプラズマの密度とともに大きくなるが、電子
のエネルギーが高くなると比較的水素ｐｏｏｒのシラン
ラジカルが形成される。この結果、ウエハ表面へ到達す
る反応種はマイクロ波電力の増加とともに増大し、成膜
速度は大きくなる。ただし、シランの解離速度に比べて
酸素の解離速度が大きくなり過ぎると、ウエハ表面へ到
達する反応種は酸素ラジカル過剰の状態となり、ウエハ
表面での反応の際に、酸素−水素結合（−ＯＨ）　が促
進されることになる。−ＯＨ基は長時間の間または温度
上昇により、Ｈ２　Ｏとして膜外へ離脱するため、膜特
性の不安定要因となるので、好ましくない。従って、良
好な膜質を得るには、酸素ガス量に対するマイクロ波電
力の大きさおよびシランガス流量の間には一定の比率関
係が存在することになる。

【００１３】また、アルミ配線等の絶縁層として酸化膜
を利用する場合には、配線上およびエッジ部へは全プラ
ズマ空間からのラジカル飛来があるが、スペース部には
スペース部の幅と配線の高さとで決まる開口の立体角内
の空間からのラジカル飛来のみであるから、配線上およ
びエッジ部の成膜速度に比べスペース部の成膜速度が遅
くなる。甚だしい場合には空洞を形成する。これを防ぐ
には、ウエハにバイアスを加え、高エネルギーでのイオ
ン衝突によるスパッタリングにより、配線上およびエッ
ジ部、特にエッジ部の膜を削りつつ成膜して、良好なカ
バレージ形状を得ることができる。

【００１４】この際のイオンは主として酸素イオンであ
り、過剰のバイアスは活性酸素の過大供給となり、−Ｏ
Ｈ基の生成促進による膜質低下につながる。即ち、イオ
ンによるスパッタリング作用　（衝突イオン１個当たり
飛び出す分子の数）　はイオンのエネルギーに関し、低
エネルギー領域ではエネルギーの２乗に比例し、中エネ
ルギー領域ではエネルギーの１乗に比例し、高エネルギ
ー領域ではエネルギーの１／２乗に比例する。また、バ
イアス電圧はステージに印加する高周波バイアス電力　
（以下ＲＦ電力と記す）　に比例し、かつプラズマ密度
に反比例する。従って、良好な膜質を得るには、ガス流
量に対するマイクロ波電力とＲＦ電力との間には一定の
比率関係が存在することになる。

【００１５】そこで、本発明者らは、上記比率関係に着
目し、実験により、被処理ウエハへの高周波バイアス電
力供給の有無にかかわらず、プラズマ室にマイクロ波を
注入して酸素ガスをプラズマ化する際に酸素ガス流量に
対するマイクロ波電力の値を１５〜４０Ｗ／ＳＣＣＭと
するとともに、反応室に供給するシランガス流量をプラ
ズマ室に供給する酸素ガス流量の０．８〜１．１倍とし
てＳｉＯ２　膜を形成し、被処理ウエハに高周波バイア
ス電力を供給してＳｉＯ２　膜を形成する場合には、酸
素ガス流量に対するマイクロ波電力と高周波バイアス電
力との積の比率を４×１０４Ｗ２　／ＳＣＣＭ以下とし
てＳｉＯ２　膜を形成すれば、−ＯＨ基の少ない，　緻
密な、また、アニール後の残留応力の小さい良質の膜が
得られることを確認するに至った。

【００１６】

【実施例】図１に本発明によるＳｉＯ２　膜形成方法が
適用されるマイクロ波プラズマＣＶＤ装置の構成例を示
す。図において、符号１は反応室を示し、ウエハ３１を
セットするためのウエハステージ３を内包している。ウ
エハ３１はゲートバルブ１５で開閉可能なウエハ搬送口
３２から図示のない搬送機構で出し入れされる。ガス供
給口４１は図示のないガス供給システムと接続されてお
り、シランガスが供給される。

【００１７】反応室１のウエハステージ３と対向する側
にはプラズマ室２が気密にて接続されている。プラズマ
室２には真空封止用を兼ねたマイクロ波窓２１を通して
マイクロ波電力を供給するための導波管７が接続される
。 コイル８はその幾何学的中心がマイクロ波窓２１の真空
側端面より大気側に位置するように配置されている。４
２はガス供給口で、図示のないガス供給システムから酸
素ガスが供給される。排気口１６は図示のない排気シス
テムと接続されており、プラズマ室２と反応室１の圧力
を所定の値に保つためのものである。また、ウエハステ
ージ３にはＲＦ電力が電源９からコンデンサ９１を介し
て供給される。

【００１８】表１はコイル８に流す電流を一定としたと
きの、ＳｉＯ２膜の残留応力とマイクロ波電力とガス流
量との相関特性に関するデータの一例である。

【００１９】

【表１】 ○　　成膜直後／アニール後とも圧縮応力，×　　成膜
直後圧縮応力，アニールで引張応力。

【００２０】本表をもとにした詳細な実験による特性チ
ェックの結果、図２および図３の如き特性が得られた。 なお、図２の特性は、シランガスとＯ２　ガスとの流量
比を一定に保って求めた。この結果、 （１）　酸素ガス流量に対するマイクロ波電力の値は１
５〜４０Ｗ／ＳＣＣＭ （２）　酸素ガス流量に対するシランガス流量の値は０
．８〜１．１倍が良いことがわかった。

【００２１】図４はガス流量とその比を固定し、ウエハ
ステージにＲＦ電力を供給してＳｉＯ２　膜を形成した
ときのマイクロ波電力とＲＦ電力とによる酸化膜の残留
応力の変化を示している。ガス流量とその比を変えての
同様の実験の結果、 （３）　酸素ガス流量に対する　（マイクロ波電力）　
×　（ＲＦ電力）　の値は４×１０４Ｗ２　／ＳＣＣＭ
以下が良いことがわかった。

【００２２】

【発明の効果】本発明では、マイクロ波プラズマを用い
て数ｍｔｏｒｒの低圧力領域で高密度の酸素プラズマを
得て、このプラズマ中の加速電子でシランガスを解離し
、空間反応は主としてラジカル生成のみとし、ウエハ表
面でラジカル間反応を行うようにし、かつラジカルの密
度比を制御するための，ガス流量とプラズマ制御因子で
あるマイクロ波電力とＲＦ電力との相互関係を明らかに
している。これにより、 （１）　空間での気相反応がラジカル生成のみとなるた
め、緻密な膜の形成ができる。 （２）　空間での気相反応がラジカル生成のみとなるた
め、高い成膜速度が得られる。

【００２３】なお、本発明の方法では、原料ガスをプラ
ズマ化してＳｉＯ２　膜を形成する方法として、プラズ
マ生成空間と反応空間とが分離された，　低圧力下で安
定したプラズマ化可能な装置を用い、それぞれの空間に
それぞれ別のＳｉＯ２　膜構成元素を有するガスを導入
してＳｉＯ２　膜が形成されるので、両空間が分離され
ないもの　（例えば図５）　と比べ、 （１）　ラジカル生成とイオン加速とをそれぞれ独立に
制御できるため、カバレージ形状制御が容易となる。 （２）　酸素ガスとシラン１００％ガスでの成膜が可能
でキャリアガスを必要とせず、経済的である。 等のメリットを有する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明によるＳｉＯ２　膜形成方法が適用され
るマイクロ波プラズマＣＶＤ装置の一構成例を示す縦断
面図

【図２】図１に示す構成のマイクロ波プラズマＣＶＤ装
置を用いた実験により得られたＯ２　ガス流量−マイク
ロ波電力特性図

【図３】図１に示す構成のマイクロ波プラズマＣＶＤ装
置を用いた実験により得られた，　ＳｉＯ２　膜内残留
応力を零にするためのガス流量比とマイクロ波電力との
関係を示す図

【図４】図１に示す構成のマイクロ波プラズマＣＶＤ装
置を用い、ガス流量とその比を固定してウエハステージ
にＲＦ電力を供給してＳｉＯ２　膜を形成したときの、
マイクロ波電力とＲＦ電力とによる残留応力の変化を示
す図

【図５】従来の、プラズマを利用したＳｉＯ２　膜形成
装置の一構成例を示す縦断面図

【符号の説明】

１　　　　反応室 ２　　　　プラズマ室 ３　　　　ウエハステージ ９　　　　ＲＦ電源（高周波バイアス電源）１０　　　
　マイクロ波電源 ３１　　　　ウエハステージ

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を利用したマイク
   ロ波プラズマ発生部と、該マイクロ波プラズマ発生部の
   プラズマ空間を形成するプラズマ室と該プラズマ室の開
   口部を経て連通する，被処理ウエハが載置されるステー
   ジを内包する反応室とからなるマイクロ波プラズマＣＶ
   Ｄ装置を用い、プラズマ室に酸素ガスを供給するととも
   に反応室にシランガスを供給して被処理ウエハの表面に
   シリコン酸化膜を形成する際のシリコン酸化膜形成方法
   であって、プラズマ室にマイクロ波を注入して酸素ガス
   をプラズマ化する際に酸素ガス流量に対するマイクロ波
   電力の値を１５〜４０Ｗ／ＳＣＣＭとするとともに、反
   応室に供給するシランガス流量をプラズマ室に供給する
   酸素ガス流量の０．８〜１．１倍とすることを特徴とす
   るシリコン酸化膜形成方法。
2. 【請求項２】電子サイクロトロン共鳴を利用したマイク
   ロ波プラズマ発生部と、該マイクロ波プラズマ発生部の
   プラズマ空間を形成するプラズマ室と該プラズマ室の開
   口部を経て連通する，被処理ウエハが載置されるステー
   ジを内包する反応室とからなるマイクロ波プラズマＣＶ
   Ｄ装置を用い、プラズマ室に酸素ガスを供給するととも
   に反応室にシランガスを供給して被処理ウエハの表面に
   シリコン酸化膜を形成する際のシリコン酸化膜形成方法
   であって、被処理ウエハに高周波バイアス電力を供給し
   てシリコン酸化膜を形成する際に、酸素ガス流量に対す
   るマイクロ波電力と高周波バイアス電力との積の比率を
   ４×１０４　Ｗ２　／ＳＣＣＭ以下とすることを特徴と
   するシリコン酸化膜形成方法。