JPH07115088A - 絶縁膜形成装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 熱酸化膜と同等あるいは匹敵する酸化硅素薄
膜など、高品質な絶縁膜を形成可能とした絶縁膜形成装
置を提供することを目的としている。 【構成】 誘電体製の中空容器１０と、高周波電力導入
手段１４と、成膜室１２と、マルチカスプ磁場を形成す
るための永久磁石１６と、真空排気手段２２を備えてお
り、成膜室１２にはプラズマ原料ガス供給用の第一のガ
ス供給手段２４と、材料ガス供給用の第二のガス供給手
段２５を具備している。第二のガス供給手段２５の供給
端はリング状の中空パイプ２５ａとしてあり、中空パイ
プ２５ａの内側壁に複数のガス噴射孔２５２が、等間隔
で、かつ、マルチカスプ磁場と空間的に同期した位置に
設けてある。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、プラズマＣＶＤ法に
よる絶縁膜形成装置に係り、半導体電子素子等の製造に
おける酸化硅素（ＳｉＯ₂ ）薄膜等の形成に好適な絶縁
膜形成装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体電子装置においては、数多くの部
分において絶縁膜として酸化硅素膜が用いられている。
熱酸化法と呼ばれる酸化硅素薄膜形成方法は、硅素基板
や硅素薄膜を所定の温度の酸素熱雰囲気中で処理するも
のであり、良好な膜特性が得られることから多用されて
いる。通常、この熱酸化法にて形成される酸化硅素薄膜
は、熱酸化膜と呼ばれる。

【０００３】半導体電子装置の製造における酸化硅素薄
膜形成の場合、下地材料の耐熱特性、形状・構造の制約
等、種々の理由により、熱酸化法以外の方法で、酸化硅
素薄膜を形成する必要が生ずる。

【０００４】熱酸化法以外の方法としてはプラズマＣＶ
Ｄ法による薄膜形成法が知られている。

【０００５】プラズマＣＶＤ法は、従来から用いられて
いる酸化硅素薄膜形成方法であり、原料ガスにモノシラ
ンガスと亜酸化窒素ガス、あるいは二酸化炭素、一酸化
炭素等との混合ガスを用いていた。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このプ
ラズマＣＶＤ法では、原材料ガスに窒素、炭素等を含む
ため、化学結合上良質な酸化硅素薄膜が得られないとい
う問題があった。

【０００７】また、原材料ガスにモノシランガスと酸素
を使用した場合、酸化硅素薄膜形成条件を適正化しない
と、成膜室の気相中で酸化硅素の微粉末が発生して、薄
膜形成に至らなかったり、微粉末が膜中に取り込まれた
りして、膜質を粗悪なものにしてしまう問題があった。

【０００８】最近、誘電体で構成された、プラズマ生成
に使用される中空容器と、前記中空容器の周囲に設けら
れた前記中空容器に高周波電力を導入するための手段
と、前記中空容器と連結している成膜室と、前記成膜室
の周囲に設けられ、前記成膜室内にマルチカスプ磁場を
形成するための手段と、前記中空容器及び成膜室を真空
排気するための手段を備えており、前記成膜室にプラズ
マ原料ガスを供給するための第一のガス供給手段と薄膜
作成用の材料ガスを供給するための第二のガス供給手段
が具備されている薄膜形成装置が開発され、プラズマ原
料ガスに酸素ガス、材料ガスにモノシランガスを用いる
ことにより、熱酸化膜と同等あるいはそれに近い膜質の
酸化硅素薄膜の形成が可能となってきている。

【０００９】しかしながら、この装置においても、原材
料ガスの導入方法を最適化しないと、成膜室の壁面に酸
化硅素膜が堆積し、原材料ガスの成膜効率（半導体ウェ
ハその他の基板上における）を低下させるという問題が
ある。

【００１０】成膜室の壁面に酸化硅素膜が堆積すると、
やがては酸化硅素膜の内部応力により、成膜室壁面より
剥がれ落ちて、微粉末の発生原因となる。

【００１１】また、基板表面においても、酸化硅素膜厚
にムラを生じるようになり（膜厚分布の低下）、商品価
値を低下せしめるという問題を生じる。

【００１２】

【課題を解決するための手段】この発明は前記の如くの
問題点に鑑みてなされたもので、熱酸化膜と同等あるい
は匹敵する酸化硅素薄膜など、高品質な絶縁膜を形成可
能とした絶縁膜形成装置を提供することを目的としてい
る。

【００１３】上記の目的を達成するこの発明の絶縁膜形
成装置は、プラズマ生成のための、誘電体製の中空容器
と、前記中空容器に高周波電力を導入するための手段
と、前記中空容器と連結している成膜室と、前記成膜室
内にマルチカスプ磁場を形成するための手段と、前記中
空容器および成膜室を真空排気するための手段を備えて
おり、前記成膜室にプラズマ原料ガスを供給するための
第一のガス供給手段と、薄膜作成用の材料ガスを供給す
るための第二のガス供給手段を具備している絶縁膜形成
装置において、前記第二のガス供給手段の供給端が前記
成膜室内に設置したリング状の中空パイプであり、該リ
ング状中空パイプの内側壁に複数のガス噴射孔が等間隔
で、かつ、前記マルチカスプ磁場と空間的に同期した位
置に設けてあることを特徴とする絶縁膜形成装置であ
る。

【００１４】

【作用】この発明の絶縁膜形成装置において、第一のガ
ス供給手段によりプラズマ原料ガスである酸素ガスを中
空容器ならびに成膜室に導入し、前記中空容器に高周波
電力を導入すると、酸素ガス分子と高周波電力が相互作
用を起こすことにより、酸素プラズマが生成される。

【００１５】成膜室に拡散した酸素プラズマは、前記成
膜室内に形成されたマルチカスプ磁場により均質化され
る。

【００１６】第二のガス供給手段、すなわち、複数のガ
ス噴射孔を設けたリング状の中空パイプに材料ガスであ
るモノシランガスが導入されると、モノシランガスは、
ガス噴射孔を経由して成膜室に噴射・拡散する。

【００１７】成膜室は、均質化された酸素プラズマで充
たされているので、モノシランガスは、酸素プラズマと
化学反応を起こして、酸化硅素と水に分解・生成する。

【００１８】ここで、ガス噴射孔はリング状の中空パイ
プの内側壁に設けられているので、成膜室に拡散したモ
ノシランガスの殆どは、基板表面に到達し、成膜室の壁
面に酸化硅素膜が堆積することが無くなり、その結果、
微粉末の発生の抑制と、原材料ガスの利用効率を向上さ
せることが出来る。

【００１９】また、ガス噴射孔の開孔方向が、円形基板
の半径の３／４の中心部円内で囲まれた部分に向いてい
る場合、モノシランガスは、基板表面全面に亘り均一に
噴射され、ムラのない酸化硅素薄膜を形成することが出
来る。

【００２０】

【実施例】以下この発明を図示した実施例に基づいて説
明する。

【００２１】図１は、この発明に係る絶縁膜形成装置の
一実施例の構成図を示したものである。この絶縁膜形成
装置は、誘電体で構成された、プラズマ生成に使用され
る中空容器１０とそれに連設されている成膜室１２を備
えている。

【００２２】中空容器１０は、上端が閉じられた直径１
０ｃｍの石英ガラス管によって作られており、下端が成
膜室１２と接続されている。

【００２３】中空容器１０の周囲には、高周波電力導入
手段１４の一構成要素であるループ状アンテナ１４１が
遊嵌状態で配置されている。アンテナ１４１には、整合
器１４２を介して、高周波電源１４３が接続されてい
る。高周波電源には、周波数１３．５６ＭＨｚのソリッ
ドステート型高周波電源を用いることが出来る。

【００２４】成膜室１２は、高さ２３ｃｍ、直径３６ｃ
ｍの円筒状のアルミニウムで構成されている。成膜室１
２の周囲には、成膜室１２の内部にマルチカスプ磁場
（ラインカスプ磁場）を形成するための手段として、１
２対２４極の永久磁石１６が配置されている。

【００２５】さらに、成膜室１２には、真空排気用のチ
ャンバー１８、仕切弁２０ａと絞り弁２０ｂで構成した
バルブ２０を介し、真空排気手段２２が接続されてい
る。真空排気手段には、主排気ポンプにターボ分子ポン
プ２２ａ、補助排気ポンプに油回転ポンプ２２ｂを用い
ることが出来る。

【００２６】また、前記成膜室１２には、プラズマ原料
ガス（酸素ガス）を供給するための第一のガス供給手段
２４と、薄膜作成用の材料ガス（モノシランガス）を供
給するための第二のガス供給手段２５が接続されてい
る。

【００２７】また、成膜室１２内部には、基板２６を装
着するための基板ホルダー２８が設置されている。この
基板ホルダー２８の内部には、加熱ヒーター３０および
冷却装置（図示せず）および温度検出器（図示せず）が
具備されており、所望の温度での加熱・冷却といった温
度制御が可能としてある。

【００２８】さらに、基板ホルダー２８には、基板２６
にバイアス電力を印加出来るように、高周波電源３２が
接続されている。高周波電源には、周波数４００ｋＨｚ
のソリッドステート型高周波電源を用いることが出来
る。

【００２９】図２は、図１に示した実施例において、基
板２６側から見た成膜室１２の第二のガス供給手段２５
が配置されている部分の断面図である。第二のガス供給
手段２５の供給端がリング状の中空パイプ２５ａで構成
してあり、その中空パイプ２５ａの内側壁に複数のガス
噴射孔２５２が等間隔に設けられている。

【００３０】ここで、ガス噴射孔２５２は、マルチカス
プ磁場形成用の前記１２対２４極の永久磁石１６のＮ極
あるいはＳ極と成膜室１２の中心対称軸１２２を結んだ
直線上（平面上）に配置され、ガス噴射孔２５２がマル
チカスプ磁場と空間的に同期した位置としてある。

【００３１】前記ガス噴射孔２５２は、マルチカスプ磁
場形成用の１２対２４極の永久磁石１６のＮ極とＳ極の
中間点と成膜室１２の中心対称軸１２２を結んだ直線上
（平面上）に配置してもよい。このような配置として
も、ガス噴射孔がマルチカスプ磁場と空間的に同期をと
ることが可能である。

【００３２】次に、図１に示した絶縁膜形成装置を用い
て、６インチ硅素ウエハ試料を基板２６として、該基板
２６上に酸化硅素薄膜を形成する場合を説明する。

【００３３】先ず、プラズマ原料ガスとして酸素ガス
を、第一のガス供給手段２４より成膜室１２および中空
容器１０内部に供給し、成膜室１２および中空容器１０
内部の圧力を約１０ｍＴｏｒｒの圧力下にして、アンテ
ナ１４１に高周波電力を印加することで中空容器１０内
に酸素プラズマを発生させる。

【００３４】次に、材料ガスとしてモノシランガス（Ｓ
ｉＨ４）を、第二のガス供給手段２５より、成膜室１２
内部に設置された基板２６表面に供給する。

【００３５】酸素ガスとモノシランガスの導入量の割合
は、２対１であり、基板表面近傍の気相中にて、酸素プ
ラズマとモノシランガス分子が化学反応を起こし、基板
２６の表面に酸化硅素薄膜が形成される。

【００３６】図３は、上述の方法で６インチ硅素半導体
ウエハ上に、酸化硅素薄膜を形成した場合の、酸化硅素
薄膜の成膜速度の分布（均一性）を示したグラフであ
る。

【００３７】縦軸は、酸化硅素薄膜の単位時間あたりの
成膜速度（単位ｎｍ／ｍｉｎ），横軸は、６インチ硅素
半導体ウエハ中心からの距離（単位ｍｍ）を示したもの
である。

【００３８】曲線Ａは、モノシランガスをリング状の中
空パイプを経由しないで、直接成膜室１２内部へ供給し
た場合の成膜速度の分布を示したものである。

【００３９】曲線Ｂは、実施例である図１の装置を用い
た場合の成膜速度の分布を示したものである。

【００４０】曲線Ａは、６インチ硅素半導体ウエハ中心
から±７０ｍｍの領域において、成膜速度の分布は７％
であり、成膜速度の平均値は２７０ｎｍ／ｍｉｎであっ
た。

【００４１】これに対して、曲線Ｂでは、６インチ硅素
半導体ウエハ中心から±７０ｍｍの領域において、成膜
速度の分布は３％であり、成膜速度の平均値は３００ｎ
ｍ／ｍｉｎであった。

【００４２】このように、モノシランガスをリング状の
中空パイプ２５ａを経由して供給し、その中空パイプ２
５ａの内側壁に複数のガス噴射孔２５２が等間隔に開け
られていて、かつそのガス噴射孔２５２は、マルチカス
プ磁場と空間的に同期をとることにより成膜速度分布の
改善ならびに成膜速度の向上を図ることができた。

【００４３】ここでは、前記リング状の中空パイプ２５
ａのリング内径をφ２８０ｍｍ，パイプ直径をφ９．５
ｍｍとして、ウエハ表面より１５０ｍｍ上方に設置し
た。

【００４４】また、ガス噴射孔２５２は、マルチカスプ
磁場形成用の１２対２４極の永久磁石のＮ極あるいはＳ
極と成膜室の中心対称軸を結んだ直線上（平面上）に２
４等配にて配置されている。

【００４５】図４は、ガス噴射孔２５２が、マルチカス
プ磁場と空間的に同期が取られている場合とそうでない
場合について、６インチ硅素半導体ウエハ上での酸化硅
素薄膜の成膜速度の分布（均一性）を示したグラフであ
る。

【００４６】曲線Ｃは、ガス噴射孔２５２が、マルチカ
スプ磁場と空間的に同期が取られている場合であり、具
体的には、ガス噴射孔をマルチカスプ磁場形成用の１２
対２４極の永久磁石のＮ極あるいはＳ極と成膜室の中心
対称軸を結んだ直線上（平面上）に２４等配にて配置し
た場合である。

【００４７】曲線Ｄは、ガス噴射孔２５２が、マルチカ
スプ磁場と空間的に同期が取られていない場合であり、
具体的には、前記のガス噴射孔が、マルチカスプ磁場と
空間的に同期が取られている配置に対して、ガス噴射孔
２５２が、成膜室の中心対称軸を回転中心として、時計
回りに５度旋回した配置の場合である。

【００４８】曲線Ｃ，Ｄともに成膜速度の平均値は３０
０ｎｍ／ｍｉｎ近傍であり、大差は無いが、成膜速度分
布では、曲線Ｃが３％であるのに対して、曲線Ｄは８％
であった。

【００４９】このように、材料ガスであるモノシランガ
スをリング状の中空パイプ２５ａを経由して供給し、そ
の中空パイプ２５ａの内側壁に複数のガス噴射孔２５２
が等間隔に開けられていて、かつそのガス噴射孔２５２
は、マルチカスプ磁場と空間的に同期をとることにより
成膜速度分布の改善を図ることができる。

【００５０】第１表は、図１に示した絶縁膜形成装置を
用いて形成された酸化硅素薄膜と熱酸化膜について、緩
衝弗化水素酸（ＢＨＦ）でのエッチングレートならびに
光学屈折率を比較したものである。

【００５１】

【表１】

【００５２】両者は全く一致しており、図１に示した絶
縁膜形成装置を用いて形成された酸化硅素薄膜は、熱酸
化膜と同等の品質を有することが判る。

【００５３】図５は、図１に示した絶縁膜形成装置にお
いて、プラズマ生成部となる中空容器１０の周囲に磁場
発生手段３４を設置したものである。

【００５４】この磁場発生手段３４は、内側コイル３４
１と外側コイル３４２の二重コイルにより構成されてお
り、前記中空容器１０とそれぞれ同軸となるように配置
されている。

【００５５】内側コイル３４１と外側コイル３４２に
は、それぞれ互いに逆向きの磁場を形成するように、コ
イルターンの向きおよび電流方向が調整される。

【００５６】この磁場発生手段３４を動作状態とした場
合、中空容器１０内部で生成されたプラズマの荷電粒子
を効率的に成膜室１２に輸送することが出来るので、成
膜室１２内部におけるプラズマの高密度化を促進するこ
とが出来る。

【００５７】その結果、放電状態をより安定化、活性化
することが出来るので、酸化硅素薄膜の成膜速度の向上
を図ることができる。

【００５８】尚、前記ガス噴射孔２５２の開口方向を、
ウエハの半径の３／４の中心部円内に向うようにするこ
とによって、モノシランガスをウエハ表面により均一か
つ効率的に供給出来るので、成膜速度分布の改善、成膜
速度の向上を更に図ることができる。

【００５９】また、このガス噴射孔２５２の開口方向
を、ウエハの中心部に向いたものと、ウエハの半径の１
／２の中心部円内に向いたものとし、これらを交互に配
置することによって、モノシランガスの噴射方向に統一
性もしくは周期性を持たせることが出来るので、成膜速
度分布と成膜速度の安定性、再現性を向上することがで
きる。

【００６０】更に、リング状の中空パイプ２５ａをウエ
ハと成膜室１２の頂部の中間位置に配置することで、成
膜室内部におけるモノシランガスの供給位置が制限さ
れ、成膜室内部気相中での化学反応領域を制限すること
が出来る。従って、成膜室内部壁面への余計な酸化硅素
膜の堆積を防ぐことができると共に、モノシランガスの
効率的な供給が可能となるので、成膜速度の向上を図る
ことができる。

【００６１】以上に説明したように、この発明は、基板
の表面上に酸化硅素薄膜を形成する場合、成膜速度分布
の改善と成膜速度の向上に有効である。

【００６２】また、成膜室内部壁面への余計な酸化硅素
膜の堆積を防ぐことも出来るので、酸化硅素薄膜の商品
価値を低下せしめる微粉末の発生抑制にも効果がある。

【００６３】尚、実施例では、６インチ硅素半導体ウエ
ハ上に酸化硅素薄膜を形成する場合について説明をした
が、試料、材料の種類、大きさを変えてもこの発明が適
用できることは、言うまでもない。

【００６４】また、実施例では、原料ガスに酸素ガス、
材料ガスにモノシランガスを用いているが、材料ガスに
ジシランガスを用いても同様に実施することができる。

【００６５】さらに、原料ガスを窒素ガスに変更すれ
ば、窒化硅素薄膜が形成され、原料ガスに酸素ガスと窒
素ガスあるいは亜酸化窒素ガスあるいはこれらの原料ガ
スの組み合わせによる混合ガスを使用すれば、良質な窒
化酸化硅素薄膜が形成される。

【００６６】

【発明の効果】この発明によれば、絶縁膜を形成するに
当り、成膜速度分布の改善と成膜速度の向上を図ること
ができる効果がある。また、絶縁膜の商品価値を低下さ
せる微粉末の発生抑制にも効果があり、かつ熱酸化膜と
同等あるいは匹敵する絶縁膜を、高品質な状態で形成可
能とできる効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の実施例の構成図である。

【図２】図１中Ａ−Ａ線における要部断面図である。

【図３】この発明の実施例と従来装置の成膜速度分布を
示したグラフである。

【図４】この発明の実施例と、ガス噴射孔の配置を変化
した装置の成膜速度分布を示したグラフである。

【図５】この発明の他の実施例の構成図である。

【符号の説明】

１０ 中空容器 １２ 成膜室 １４ 高周波電力導入手段 １６ 永久磁石 ２０ バルブ ２２ 真空排気手段 ２４ 第一のガス供給手段 ２５ 第二のガス供給手段 ２５ａ 中空パイプ ２６ 基板 ２８ 基板ホルダー ３０ 加熱ヒーター ３２ 高周波電源 ３４ 磁場発生手段 １２２ 成膜室の中心対称軸 １４１ ループ状アンテナ １４２ 整合器 １４３ 高周波電源 ２５２ ガス噴射孔

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 プラズマ生成のための、誘電体製の中空
   容器と、前記中空容器に高周波電力を導入するための手
   段と、前記中空容器と連結している成膜室と、前記成膜
   室内にマルチカスプ磁場を形成するための手段と、前記
   中空容器および成膜室を真空排気するための手段を備え
   ており、前記成膜室にプラズマ原料ガスを供給するため
   の第一のガス供給手段と、薄膜作成用の材料ガスを供給
   するための第二のガス供給手段を具備している絶縁膜形
   成装置において、前記第二のガス供給手段の供給端が前
   記成膜室内に設置したリング状の中空パイプであり、該
   リング状中空パイプの内側壁に複数のガス噴射孔が等間
   隔で、かつ、前記マルチカスプ磁場と空間的に同期した
   位置に設けてあることを特徴とする絶縁膜形成装置。
2. 【請求項２】 ガス噴射孔は、開口方向が、成膜室内部
   に配置される円形基板の半径の３／４の中心部円内に向
   いている請求項１記載の絶縁膜形成装置。
3. 【請求項３】 ガス噴射孔は、開口方向が、成膜室内部
   に配置される円形基板の中心部に向いたものと、円形基
   板の半径の１／２の中心部円内に向いたものが交互に配
   置してある請求項１記載の絶縁膜形成装置。
4. 【請求項４】 リング状中空パイプは、成膜室内部に配
   置される円形基板と成膜室の頂部の中間位置に配置した
   請求項１乃至３の何れか１項記載の絶縁膜形成装置。