JPH043930A - 半導体装置用絶縁膜の堆積方法 - 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〕 本発明は集積回路装置等の半導体装置の保護膜や層間膜
として絶縁膜を化学的気相成長法（以下ＣＶＤ法という
）とくにプラズマＣＶＤ法により堆積する方法に関する
。

〔従来の技術〕

半導体装置に用いる種々の絶縁膜中で、上述の保護膜や
層間膜等用の絶縁膜は従来から主にプラズマＣＶＤ法に
より堆積ないし成長される。

しかし、かかる用途の絶縁膜はアルミの配線膜やポリシ
リコンのゲート等によるがなりの段差をもつ凹凸のある
ウェハ面に堆積されるので、この段差部における被覆性
が良好で、さらには段差を埋めて凹凸面を平坦化できる
ことが要求される。

かかる要求に沿うには、絶縁膜をプラズマＣＶＤ法によ
り堆積する際にウェハの温度を高めるのが一般的には有
利であるが、その反面ウェハがその昇温時や降温時に発
生する熱歪みによって損傷を受けやすい問題がある。

最近、かかる問題の解決に電子サイクロトロン共鳴（以
下ＥＣＲという）を利用してプラズマを高密度電離する
ＣＶＤ法が注目されている。この方法の最大の特長は、
電子をサイクロトロン共鳴させてプラズマの電離率を約
２桁上げ、ＣＶＤ時の堆積速度を増加できることにあり
、この特質を利用して２００℃以下の従来よりずっと低
いウェハ温度でも比較的良好な膜質の絶縁膜を短時間内
に堆積できるので、ウェハの熱歪みを減少させてその損
傷を防止することができる。

かかるＥＣＲプラズマＣＶＤ法では、プラズマ生成室内
で高密度プラズマをまず発生させ、次にプラズマを気相
反応室に引き出して、これにより反応ガスを気相反応さ
せながらこの室内に置かれたウェハ上に絶縁膜を堆積す
る。プラズマ生成室は例えば２４５０ＭＨｚのマイクロ
波に対する空洞共振器でもあって、これに反応ガスの一
部を導入してマイクロ波によって電離させ、さらに特定
の強度例えば８７５ガウスの直流磁界を掛けて電離ガス
中の電子をサイクロトロン共鳴させることによって高密
度プラズマを生成する。気相反応室ではこれから引き出
されたプラズマふん囲気内で反応ガスを気相反応させ、
この反応生成物を例えば１５０°Ｃのウェハ面に絶縁膜
として堆積させる。

なお、上述の眉間膜用の酸化シリコン膜または保ｌｌ＃
用の窒化シリコン膜を堆積するには、プラズマ生成室に
は酸素または窒素を、気相反応室にはいずれの場合もシ
ランをそれぞれ導入する。燐シリケートガラス膜用に燐
を含む酸化シリコン膜を堆積することもできる。

〔発明が解決しようとする課題〕

このようにＥＣＲプラズマＣＶＤ法は低温下で絶縁膜を
堆積できる特長を備えるが、ウェハ面内の堆積厚みの均
一性がまだ良好でなく実用化にはこの点の改善が必要で
ある。これは、サイクロトロン共鳴により発生するプラ
ズマ密度がプラズマ生成室内の空洞共振のモードや磁界
分布で決まる特有の空間的分布を持ち、その中心部から
外側部に行くに従って減少する傾向があるので、これに
応して気相反応室内の反応生成物の分布も不均一になり
やすいためである。

本件発明者はかかる堆積厚みの均一化のためにＣＶＤ中
のウェハに高周波バイアスを掛けることを検討した。こ
れは、従来からウェハ表面の前述の段差による細かな凹
凸を埋めて平坦化する上で有効なことが知られている手
段で、ＣＶＤ堆積中の絶縁膜に対しその厚みを若干減少
させるように高周波バイアスによるスパッタリングを施
すものである。実験結果では堆積厚みのウェハ面内分布
の均一化にもこれが有効なことが判明した。

ところが、堆積厚みが充分均一になるようこの高周波バ
イアスを上げて行くと、絶縁膜の機械的応力が増加して
ウェハ面から非常に剥離しやすくなることが判明した。

そこで、本件発明者はさらに反応ガスの圧力を最適値に
保つことを試みた。

すなわち、この圧力を上げるとウェハ面内の厚みの均一
化には不利なものの、種々の実験の結果では高周波バイ
アス値との兼ね合いで厚みの均一性が悪化せずしかも剥
離が発生しない絶縁膜の最適堆積条件を見出すことが可
能である。

しかし同時に、かかる最適条件では絶縁膜自体の表面に
細かな凹凸ができて、被覆性が不完全になりやすいこと
が判明した。第５図はかかる最適条件のＥＣＲプラズマ
ＣＶＤ法で堆積された窒化シリコン膜を示し、同図（ａ
）はＳＥＭ写真、同図（ｂ）はその見取り図である。見
取り図に示すように、写真には窒化シリコン膜の断面Ｃ
Ｓと表面ＳＦが出ており、この例では表面ＳＦに浅いク
レータ状の凹部が一面に発生している。なお、場合によ
ってはその全面に逆に小さな凸部が発生する。

いずれにせよ、かかる絶縁膜表面の細かな凹凸によりそ
の被覆性が不完全になりやすい、第４図にこの様子をウ
ェハ１の上に配設されたアルミの配線＃２による段差部
を窒化シリコン膜３で覆った場合の断面の見取り図で示
す、配線膜２はその高さと幅がいずれも１ｎ程度で、従
ってそのアスペクト比は１である。この例の絶縁膜３の
表面には上述の小凸部が一面に発生しており、このため
絶縁膜３の配線ｌ１１２の上側角部に対応する個所に図
のようにふくらみ３ａが発生し、配線膜２の下側とウェ
ハｌとの間の隅部の対応個所にタラワク状のくびれ３ｂ
が生している。保護膜用のかかる窒化シリコン膜３の被
覆性能上は後者のくびれ３ｂの方がとくに問題で、そこ
から外気が侵入して半導体装置の特性劣化を招きやすい
。

かかる凹凸は反応ガス圧力が１００ｍＴｏｒｒを越える
と発生しやすくなるが、ＥＣＲプラズマＣＶＤ法では１
００〜１５０＋＋Ｔｏｒｒの反応ガス圧力が堆積速度等
の点から見て一般に望ましいので、その実用化にはこの
問題の解決がぜひ必要である。

なお、実験結果ではウェハ温度を４００℃以上に上げれ
ば絶縁膜面のかかる細かな凹凸はほとんどなくなるが、
これではＥＣＲプラズマＣＶＤ法を利用する元々の意味
が失われてしまう。

本発明はかかる現状に立脚し、ＥＣＲプラズマＣＶＤ法
がもつ特長を充分生かしながら、表面に細かな凹凸お発
生がなく従って被覆性能に優れた半導体装置用絶縁膜の
堆積方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〕

本発明方法によればこの目的は、反応ガス内に４０％体
積比以上の不活性ガスを含有させ、ウェハに対し高周波
バイアスを掛けた条件でＥＣＲプラズマＣＶＤ法によっ
て絶縁膜を堆積させることにより達成される。

なお、上述の不活性ガスとしては、アルゴンが最も適当
で、ついでキセノンＸｅをこれに用いることができる。

また、これを反応ガス中に含有させる上限量としては、
１５０％体積比程度とするのが実用上望ましい。

かかる不活性ガスと反応ガスを合わせたふん囲気ガスの
圧力は、５０〜２００麿Ｔｏｒｒとするのがよく、さら
に６０〜１８０ｗＴｏｒｒとするのが好適である。

ウェハに掛ける高周波バイアス電力としては、ウェハの
面積あたりにして０．３〜Ｉ　Ｗ／ｄの範囲が適当であ
り、０．５〜０．７　Ｗ／ｄの範囲とするのがさらに望
ましい。

本発明のＥＣＲプラズマＣＶＤ法による堆積に適する絶
縁膜としては、保護膜用の窒化シリコン膜、眉間膜用の
酸化シリコン膜、保護膜の下地膜や層間膜用の燐シリケ
ートガラス膜等があり、これらの堆積時のウェハ温度は
２００℃以下であってよく、５０〜１５０℃の範囲内と
するのが本発明方法の実施上量も適当である。

〔作用］ 本発明は、絶縁膜面の凹凸発生原因が気相反応による反
応生成物がクラスタ化して堆積する点にあることに着目
して、反応生成物の相互衝突回数を減少させてクラスタ
化を防止することにより、目的の達成に成功したもので
ある。

例えば反応ガスの圧力が１００ｍＴｏｒｒの場合、反応
生成物である電離分子の平均自由行程は１１前後である
に対し気相反応場所からウェハまでの距離は数Ｃ−なの
で、この間に反応生成物は数千回程度相互に衝突するこ
とになり、その結果サブミクロンサイズではあるが微視
的には巨大な分子の塊であるクラスタになってウェハ面
に堆積するため、絶縁膜の表面に問題の細かな凹凸が発
生するものと考えられる。

しかし、反応ガスに不活性ガスをかなり大量に含有させ
ると、反応生成物は不活性ガスの原子との衝突が多くな
るので、衝突の全体回数は以前と変わらないものの反応
生成物同士が相互衝突する回数が減少する。この結果、
不活性ガス量をある程度以上に増すと反応生成物はクラ
スタ化しなくなると考えられ、事実それが堆積した絶縁
膜面に細かな凹凸が発生しなくなる０本件発明者の実験
結果によれば、前項中の構成にいうように、反応ガスに
４０％体積比以上の不活性ガスを含有させることによっ
てかかる効果が得られる。

このように絶縁膜の表面が平滑になると、それに応して
段差部に対する被覆性能も向上するが、それだけでは前
述のウェハ面内の厚みの不均一の問題は解決されない、
このため、本発明方法では前項の構成にいうようにウェ
ハに対し高周波バイアスを掛けた条件でＥＣＲプラズマ
ＣＶＤ法により絶縁膜を堆積させる。

この高周波バイアスによる堆積中の絶縁膜へのスパンタ
リング効果は、反応ガスに不活性ガスを含有させた場合
にも有効で、実験結果によればこの効果はむしろかなり
促進され、不活性ガスなしの場合よりも絶縁膜厚みの均
一化に要する高周波バイアス電力を減少させることがで
きる。

このように本発明方法では、反応ガスに不活性ガスを含
有させ、かつ高周波バイアスを併用することにより、ウ
ェハ温度が低温でよいＥＣＲプラズマＣＶＤ法の利点を
生かしながら、それにより堆積された絶縁膜の段差部へ
の被覆性および厚らのウェハ面内の均一性を向上して、
前述の課題を解決することができる。

〔実施例〕

以下、図を参照しながら本発明の実施例を具体的に説明
する。第１図は、本発明による絶縁膜の堆積方法に適す
るＥＣＲプラズマＣＶＤ用装置の要部を例示するもので
ある。以下に述べる実施例では、絶縁膜として保護膜用
の窒化シリコン膜が堆積されるものとする。

図示の装置の本体は符号１０で示した真空容器であって
、内部が図では上側のプラズマ生成室１１と下側の気相
反応室１２に大まかに分けられている。

プラズマ生成室１１にはその上部開口１３に接続された
導波管２０を介してマイクロ波Ｍ−が上側から注入され
て室内で空洞共振する。また、こ５れにはガス導入管１
４を介して反応ガスの一部であるこの例では窒素ガスＮ
が導入され、かつその回りにサイクロトロン共鳴用のコ
イル３０が配置されて上下方向に所定の強度の直流磁界
を発生する。室内の窒素ガスＮはマイクロ波Ｍ−により
電離され、かつ磁界作用下の電子のサイクロトロン共鳴
によって窒素ガスＮの高密度プラズマが生成される。

この生成プラズマは発散性の直流磁界中の勾配によりプ
ラズマ生成室１１から気相反応室１２の方に引き出され
る。気相反応室１２にはガス導入管１５を介して反応ガ
スの他の一部であるシランＳおよび不活性ガスＩＧとし
て例えばアルゴンが導入され、その下部は排気管１６を
介して図では真空Ｖで略示された真空ポンプ系と接続さ
れている。この気相反応室１２に導入されたシランＳは
上述の窒素Ｎのプラズマと混合して気相反応を起こし、
その反応生成物としてこの例では窒化シリコン分子が室
内の中央付近の領域に発生する。室内の下部には、上述
の反応生成物を窒化シリコン膜として堆積すべきウェハ
１がウェハ台４０上に載置される。このウェハ台４０は
ガラス等の高周波用の絶縁物４１により真空容器１０の
底板に支持され、高周波バイアス電ａ５０とリード４２
を介して接続される。なお、この電源５０の周波数は例
えば１３．４５　ＭＨｚとされる。

また、ウェハ台４０内にはウェハ１を所定の温度に保つ
ため、図示されていないが適宜な加熱や冷却手段を組み
込むのがよい。

本発明方法で以上の装置内で絶縁膜を堆積するには、ウ
ェハ台４０上に４〜５インチ径のウェハ１を装入し温度
を２００’Ｃ以下、ふつうは５０〜１５０°Ｃに自動調
整し、かつ真空容器ｌＯ内を充分排気した上で反応ガス
と不活性ガスを各所定流量で流す。

この例の窒化シリコン膜の堆積には、窒素ガスＮをプラ
ズマ生成室１１に、シランガスＳを気相反応室１２に導
入する。不活性ガスＩＧはふつうアルゴンで、体積比に
して４０〜１５０％１例えば５０％程度の含有率になる
よう流量を調整しながらふつう気相反応室１２の方に導
入する。かかるふん囲気ガスの容器内圧力は５０〜２０
０ｍＴｏｒｒの範囲内、望ましくは６０〜１８０　＃　
Ｔ　ｏ　ｒ　ｒとされる。

ついで、コイル３０の励磁状態でマイクロ波Ｉを導波管
２０からプラズマ生成室１１に照射し、同時に高周波バ
イアス電源５０から例えば３００Ｗの高周波電力をウェ
ハ１に掛ける。この高周波電力密度は０．３〜Ｉ　Ｗ／
ｄ、望ましくは０．５〜０．７　Ｗ／ｃｊとされるが、
均一な堆積厚み分布が得られる範囲内で低めにするのが
膜の剥離防止上望ましい。

本発明方法により堆積された窒化シリコン膜を第２図（
ａ）のＳＥＭ写真と同図（ｂ）のその見取り図によって
第５図と対応する要領で示す、この堆積時の主な条件は
次のとおりである。

窒素ガス流量：　　　５０ｃｃ／　ｓｉｎ　　（４０ｃ
ｃ／　ｗｉｎ）ソランガス流量：　　２０ｃｃ／　ｓｉ
ｎ　　（２０ｃｃ／■ｉｎ）アルゴンガス流量：８０ｃ
ｃ／ｓｉｎ　　（なし）ふん囲気ガス圧カニ　１２０ｓ
Ｔｏｒｒ　　（１２０＊Ｔｏｒｒ）マイクロ波型カニ　
　１．５ｋＷ　　　　（１，５ｋＷ）高周波電カニ　　
　　３００　Ｗ　　　　（３００Ｗ）図かられかるよう
に、断面ｃｓにウェハの臂開時の縦筋が認められるだけ
で、表面ＳＰには第５図で認められた凹凸が全く観察さ
れず絶縁膜は非常に平滑な表面を有する。この窒化シリ
コン膜の若干の性状を玉揚の括弧内の条件で堆積された
第５図の従来例と比較すると、ウェハ面内の厚みのばら
つきが±４．９％（従来は±４，２％）、屈折率が２．
００（従来は１．９５）、内部応力が９．９ｘｌＯ”ｄ
ｙｎｅ／ｄ　（従来は９．５ｘｌＯ’ｄｙｎｅ／ｄ　）
で、実験誤差内の小差はあるものの実質的には同等なこ
とがわかる。

第３図にウェハ１の上の配線膜２による段差部を本発明
方法により堆積した窒化シリコン膜３で覆った断面の見
取り図を第４図と対比して示す。

この例の配線１１２の高さは第４図の場合と同程度であ
るが幅が狭く、アスペクト比は約３である。

図のように、本発明による絶縁膜３には従来のようなふ
くらみ３ａやくびれ３ｂがなく、段差部に対する被覆性
に優れていることがわかる。

これら第２図および第３図かられかるように、本発明方
法により堆積された絶縁膜は従来と比べてとくに表面の
平滑性に優れており、不活性ガスを含ませることによっ
て前述のように反応ガスの気相反応による生成物のクラ
スタ化が有効に防止されていることがわかる。

なお、以上説明した実施例では絶縁膜が保護膜用の窒化
シリコン膜で、その被覆性改善を主眼にしたが、これが
層間膜用の酸化シリコン膜等で、ウェハ面の平坦化を主
眼とする場合にも本発明を適用でき、この場合には高周
波バイアスを実施例より強めに掛けるのが望ましい。

〔発明の効果〕

以上のように本発明による半導体装置用絶縁膜の堆積方
法では、ふん囲気ガスをＥＣＲ法によってプラズマ化し
、反応ガス内に４０％体積比以上の不活性ガスを含ませ
、かつウェハに対して高周波バイアスを掛けた条件で絶
縁膜を堆積させることにより、次の効果が得られる。

（１１Ｅ　ＣＲによる高密度プラズマを用いて反応ガス
を気相反応させその反応生成物を堆積することにより、
低いウェハ温度で絶縁膜を堆積できるので熱歪みにより
ウェハが損傷するおそれがない。

（２）反応ガスに不活性ガスを含有させることにより気
相反応生成物の相互衝突回数を減少させてそのクラスタ
化を防止し、堆積される絶縁膜の表面を細かな凹凸がな
い平滑面にし、とくに配線膜等に基づく段差部に対する
絶縁膜の被覆性を向上して半導体装置の信頼性を向上で
きる０本発明による絶縁膜の被覆性は配線膜等のアスペ
クト比が高い場合にも良好で、サブミクロンルールの集
積回路装置への適用にとくに有利である。

（３）ウェハに高周波バイアスを掛はスパッタリングを
施しながら絶縁膜を堆積することにより、口径が犬なウ
ェハの場合にもその全面に亘って均一な厚みで絶縁膜を
堆積できる０反応ガス中の不活性ガスはこの高周波バイ
アスのスパッタリング効果を促進するので、本発明方法
では高周波バイアス電力を比較的小さく設定して絶縁膜
の剥離のおそれをなくすことができる。

かかる特長をもつ本発明方法は窒化シリコン等の保護膜
に最適であるが、酸化シリコンや燐シリケートガラス等
の層間膜にも通用して優れた被覆性能を生かし、さらに
はウェハ面の平坦化に応用することができる。

このように本発明方法は、絶縁膜を低温度下で堆積でき
、ウェハ面上の高アスペクト比の段差部に対する被覆性
が良好で、ウェハ面内の絶縁膜の厚みのばらつきが少な
い等の利点があり、とくにサブミクロンルールの高集積
度の集積回路装置に対して実用性の高い保護膜や層間膜
の堆積方法を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図から第３図までが本発明に関し、第１図は本発明
の半導体装置用絶縁膜の堆積方法に適するＥＣＲプラズ
マＣＶＤ用装置の要部を例示する構成図、第２図（ａ）
は本発明方法による窒化シリコン膜のＳＥＭ写真、同図
（ｂ）はその見取り図、第３図は配線膜による段差部を
本発明方法による窒化シリコン膜で覆った部分の断面の
見取り図である。 第４図以降は従来技術に関し、第４図は配線膜による段
差部を従来方法による窒化シリコン膜で覆った部分の断
面の見取り図、第５図（ａ）は従来方法による窒化シリ
コン膜のＳＥＭ写真、同図［有］）はその見取り図であ
る。これらの図において、１：ウェハ、２：配置１１１
！、　３　：絶縁膜ないしは窒化シリコン膜、３ａ：絶
縁膜のふくらみ、３ｂ：絶縁膜のくびれ、１０：ＥＣＲ
プラズマＣＶＤ装置の真空容器、Ｉｌ：プラズマ生成室
、１２：気相反応室、１３：プラズマ生成室の上部開口
、ｔ４．ｉｓ：ガス導入管、１６：排気管、２ｏ：導波
管、３ｏ：電子サイクロトロン共鳴用励磁コイル、４ｏ
：ウェハ台、４１：絶縁物、４２：リード、５０：高周
波バイアス電源、Ｃ５：ウェハの断面、ＩＧ：不活性ガ
ス、Ｍ−二マイクロ波、Ｎ：反応ガスとしての窒素、Ｓ
：反応ガスとしてのシラン、ＳＦ：ウェハの表面、■：
真空、である。 ５０為Ｂト皮バイア２彎淵 第１ 第３肥 第４閏 手続補正書 （方式） ３、補正をする者 事件との関係 住　　　所 名　　　称 理 所 正 正 正 氏 命令の日付 の対象 の内容 名 平成　２年　特許願　第１０４８３４号半導体装置用絶
縁膜の堆積方法

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 　半導体装置が作り込まれたウエハ面にプラズマＣＶＤ
   法により絶縁膜を堆積する方法であって、ふん囲気ガス
   を電子サイクロトロン共鳴法によりプラズマ化し、反応
   ガスに４０％体積比以上の不活性ガスを含ませ、かつウ
   エハに対し高周波バイアスを掛けた条件で絶縁膜を堆積
   させることを特徴とする半導体装置用絶縁膜の堆積方法
   。