JPH0740569B2 - Ecrプラズマ堆積方法 - Google Patents
Ecrプラズマ堆積方法Info
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Description
回路のための誘電性層の形成方法に係り、特に高いアス
ペクト比を持つサブミクロンの相互接続を平面化するた
めのVLSI加工における電子サイクロトロン共鳴(el
ectroncyclotron resonance、ECR )プラズマ堆積方法
に関する。
成される金属接点間を絶縁するために、しばしば二酸化
ケイ素またはチッ化ケイ素薄膜のような誘電性の層を堆
積することが重要となる。このような誘電性は一般に、
誘電性材料によって接点間の空間を埋めることと接点の
上面を被覆することの両方を含む。
上にあるか、このような接点間の空間上にあるかにかか
わらず、層がその上面が施された領域上に平面をなすよ
うに形成されることがしばしば望ましい。このような平
面状の上面を持つ誘電性層の形成は平面化と呼ばれる。
効である。しかし、比較的低い温度を伴う方法のみが、
金属接点を平面化するために役立つ。即ち金属接点は、
一般にアルミニウムで作られる。アルミニウム接点は約
400℃以上の処理温度には耐えられない。なぜならこ
ような温度においては、アルミニウム薄膜内に小丘が形
成される傾向があるからである。
は、良質のスピン−オン酸化物薄膜は約900℃におい
て焼付けられる必要があるため、不都合である。低温で
焼付けられたスピン−オン酸化物が使用される場合にお
いてアルミニウムを保護し、許容できる素子動作を確実
にするために多層サンドイッチ構造が必要とされる。し
かし、この方法は経費がかさみ、生産量を減少させる。
やチッ化ケイ素の誘電性層を比較的低温において形成す
るためこのことに関して興味深い。特に電子サイクロト
ロン共鳴(ECR)プラズマ反応器は、約150℃以上
で基板を加熱することなく、高品質の二酸化ケイ素及び
チッ化ケイ素の層を作ることが発見された。
オブ アプライド フィジックスレターズ(Japanese
J.Apple.Phys.Lett)、22巻、L210〜212頁
(1983年)のS.マツオ及びM.キウチによる“電
子サイクロトロン共鳴プラズマを利用した低温化学堆積
法”に述べられているようなECRプラズマ反応器の構
成を示している。
着された石英の窓30を通ってプラズマ室10内へ流れ
込む。電磁コイル40はプラズマ室周囲に配置されて、
マイクロ波周波数(一般的には約2.45GHz)にお
けるECR動作に必要な磁界(一般的には約875ガウ
ス)を生じさせる。
へ通って流れる水によって冷却される。堆積ガスは入口
60からプラズマ室内へ、そして入口65から反応室9
0内へ別々に導入される。反応器は出口80から減圧さ
れる。図1に示すようにプラズマ室10の下方に反応室
90があり、その内部に基板支持台100及び基板11
0がある。基板110は少なくとも1つの実質的にプラ
ズマ室10に向かい合う(即ち図1における上方の)表
面を持つ。
5がある。プラズマは発散磁界法(divergent magnetic
field method)によって室10から室90内へ引き出さ
れる。即ち、室90内の磁界はプラズマ室10から試験
片台に向って徐々に弱くなる。循環電子(circulating
electron)は磁界の勾配によって基板に向って急速に拡
散され、結果として、プラズマ室からウェハへのプラズ
マ流に沿ってイオンを加速させる静電界が生じる。プラ
ズマ流内のイオン及びラジカルは反応室内の堆積ガスと
反応し、基板表面へ付着する誘電性物を生成する。
VLSI製造において使用されるような、高いアスペク
ト比を持つサブミクロン相互接続を平面化することが必
要となる。「サブミクロン」とは、図2において、少な
くとも数対の隣り合う金属接点200の間の距離が1ミ
クロン以下であることを意味する。「アスペクト比」と
は接点の高さを、関連する接点の間隔で割った数値を意
味する。
面は、少なくとも最初は下のウェハのトポグラフィーを
再生する傾向がある。従って、上方の誘電性体表面のう
ち接点の上にある部分をここで「プラトー」と呼び、プ
ラトー間に横たわる部分をここで「ウェル」と呼ぶ。
一に充填することは困難である。即ち上部に堆積された
材料が蓄積する傾向にあり、結果的に底部が充填される
以前に閉じ得る肩が成長し、堆積された材料内の気孔の
形成を導く。ウェルを均一に充填する能力、従って気孔
の形成を避ける能力は、反応して誘電体を形成するイオ
ンの入射角に強く依存する。
となってくる。従って、1.0及びそれ以上のアスペク
ト比は“高い”と見なされる。ECRプラズマ反応器内
ではイオンは垂直または垂直に近い角度で基板上に入射
するため、ECRプラズマ反応器は、高いアスペクト比
を持つ超小形相互接続の処理のために特に便利である。
入射するイオンによっても、肩、即ちウェルの向い合う
側面の上部は結合する傾向にありウェルが充填される以
前に接近する。結果として、この方法によっても高品質
の平面層を成長させることは困難である。
ゴンスパッターが起こる場合、スパッター速度は角度に
依存している。従って入射イオン方向に対して45°ま
たは45°に近い角度に設置された平面上では比較的高
いスパッター収率が得られる。結果として酸化物側面
(profile)の肩は、僅かな堆積速度の損失だけを代償
に、除去され得る。
板より小さいピーク対谷の関数を持つ上表面が生成さ
れ、そこにおいて小丘の側面は切り立ってはおらずむし
ろ傾斜している。結果としてこれらの小丘さえも除去す
ることができ、平面状の上表面が達成される。
ol.B4.(4巻)818〜821頁(1986年)
のK.マチダ及びH.オイカワによる“バイアシング及
び電子サイクロトロン共鳴プラズマ堆積によるサブミク
ロン相互接続のためのSiO2 平面化技術”に記述され
ているように、ECRプラズマ堆積装置は、堆積中に基
板にrfバイアスを印加するための合体手段によって、
堆積中に同時に行う誘電性層のスパッターエッチングに
応用され得る。図1においてrf発生器120で発生さ
れたrfバイアスは試験体110に印加される。この種
類の装置によって行われるプラズマ堆積は、バイアスE
CRプラズマ堆積と呼ばれる。
許第4,732,761号は、図1に示すような装置を
用いて、バイアスECRプラズマ堆積による二酸化ケイ
素誘電性層の形成に就いて論じている。反応体となる材
料はシランと酸素である。さらにアルゴンが反応器内に
注入される。
内でシランを反応させることによって、二酸化ケイ素誘
電層を形成する方法は便利であるがある不都合を持つ。
即ち、シランは危険物であるためケイ素を含有する反応
体としては比較的好ましくない。さらにこの方法による
と、比較的高いマイクロ波及びrf電力レベル、一般に
は約2.8kWのマイクロ波と1kWのrfが平面化と
商業的に受容できる堆積速度を達成するために必要とさ
れる。
比例する量の電気が消費されることと装置の寿命が短く
なることの両方の理由により好ましくない。さらに商業
的に受容できる堆積速度、例えば5000オングストロ
ーム/分を提供するために、この方法は速い吸排気速度
の減圧システムを必要とし、これは経費をかなり高くす
る。
として、シランに代わってTEOSまたはTMCTSを
用いることによって、バイアスECR反応器内で二酸化
ケイ素誘電性層が形成される時に、マイクロ波とrf電
力レベルを減少させて受容できる高い堆積速度が維持で
きることが発見された。
エチル オルト ケイ酸塩)またはTMCTS(テト
ラ メチル シクロテトラ シロキサン)が用いられる
場合、マイクロ波電力は、一般に約650Wまで下げら
れ、またrf電力は一般に約400Wまで下げられる。
これらの条件下において5000オングストローム/分
またはそれ以上の堆積速度が達成できる。
は、全く予期しないものである。スパッター はスパッ
ターイオンとして酸素のみを用いて実行されるか、また
はスパッターイオン源としてアルゴンが反応器内に注入
され得る。アルゴンが用いられる場合、rf電力レベル
は尚、さらに下げられる。
て、TEOS及びTMCTSはシランよりも危険性の少
ない材料であり、従って取扱いの困難は軽減される。さ
らに特にTMCTSが用いられる場合、比較的高い堆積
速度を達成するために必要な材料の量は減少され、結果
として減圧システムの必要とされる吸排気速度が減少さ
れる。
い、基板110が最初に用意され、支持台100上に取
付けられ、バイアスECR反応器内に設置される。冷却
水を流し始め、反応器は最初に0.1ミリトル以下の圧
力まで減圧される。ガス流が開始された後、バイアスE
CR過程のために要求されることとして周知のように反
応器は50ミリトル以下の圧力に維持される。
れる。マイクロ波の周波数は約2.45GHzであるこ
とが望ましく、これは商業上で用いられる標準的な周波
数であるためである。プラズマ室内の磁界は、サイクロ
トロン領域がプラズマ室10内、望ましくは(図1に示
すように)室の上部内であるように調節される。マイク
ロ波電力は、望まれる堆積速度に依存する。1000〜
5000オングストローム/分の堆積速度のためには、
マイクロ波電力は一般に約650Wである。
波数は約13.56MHzであることが望ましく、これ
は商業上用いられる標準的な周波数であるためである。
ガスが反応器内に導入され、プラズマが形成された後、
空間電荷がプラズマ内に発現し、dcバイアスを基板上
に発現させる。rfバイアス電圧は適切なバイアススパ
ッターを提供するように調節される。一般にrfバイア
ス電圧は、100から500ボルトの負のdcバイアス
を生じるように調節される。100V以下ではスパッタ
ーが不十分である。500V以上では基板に放射線損傷
を与える危険がある。
は、例えば入口60を通ってプラズマ室内に導入され
る。放電が開始された後、TEOSまたはTMCTS
は、例えば入口65を通って、例えば反応室内に導入さ
れる。さらにアルゴンは、例えば酸素流と共に、入口6
0を通ってプラズマ室内に容易に導入される。
化ケイ素を生成するために酸素流量は、TEOS流量の
約2倍であるべきである。TMCTSが用いられるなら
ば酸素流量はTMCTS流量の約3倍であるべきであ
る。TEOSまたはTMCTSの流量は堆積速度を決定
する。従って、例えばTEOSの流量が2sccm(標
準立方センチメートル/分)から20sccmへ増加す
る場合、酸化物の堆積速度は104オングストローム/
分から1083オングストローム/分へ増加する。
ら16sccmへ増加する場合、酸化物の堆積速度は8
00オングストローム/分から3200オングストロー
ム/分へ増加する。ECR条件が存続するためにはプラ
ズマ室内の圧力を50ミリトル以下に維持することが一
般に必要であるため、許容できる最大流量は減圧システ
ムの吸排気速度によって制限される。
の堆積速度を得るように、マイクロ波電力及びrfバイ
アス電圧(またはバイアス電力)を調節することが必要
である。一般に、マイクロ波電力の増加は堆積速度を上
げ、rfバイアスの増加は堆積速度を下げる。
堆積に加えてスパッターを持つ。スパッターは反応室内
に酸素が存在する時にいつでも(rfバイアスがかかっ
ており、スパッターする材料が存在するという条件で)
起こり、従って、特にスパッターは堆積と同時に起こ
る。さらに、少なくとも幾つかの場合において、少なく
とも1つのスパッター段階を堆積と交互に(即ち堆積さ
れる追加の材料を反応させずに)行うことが望ましい。
れを遮断することによって容易に行われる。例えば50
0Vの負のdcバイアスにおいて、1つの段階でスパッ
ターと共に堆積することにより、ウェルは気孔のない酸
化物で充填され得る。これと対照的に300Vのみのd
cバイアスにおいては少なくとも1つの(堆積を伴わな
い)スパッター段階が同様の結果を得るために必要とさ
れる。
アスにおける堆積後の基板の概略を示している。図3は
酸素によるスパッター後の同じ基板を示す。図4はスパ
ッター段階に続くもう1個の堆積段階後の同じ基板を示
す。
くなるに従い、気孔のない酸化物を形成することはさら
に困難となる。この問題についての1つの解決手段はd
cバイアスの大きさを増加させることである。もう1つ
の解決手段は少なくとも1つのスパッター段階を用いる
ことである。
提供するため有利であるが、許容できるdcバイアスの
大きさは放射線損傷の可能性によって例えば、500V
以下に制限されている。従って、dcバイアス電圧の制
限に加えて、比較的高いアスペクト比が存在する場合に
は、複数の段階の過程を用いるのが有利である。
ために反応室に容易に導入される。しかし、与えられた
吸排気速度に関しては、加えられたアルゴンは反応器に
加えることのできる反応体の量を減少させ、従って堆積
速度を減少させる。結果として、スパッターの速度の増
加が、結果として起こる堆積速度の減少より重要である
場合に限りアルゴンを加えることが望ましい。
内での暴露に先立って約300℃まで基板を加熱するた
めに用いられる。表面温度は例えば10分間の暴露中に
約340℃まで上昇する。このような暴露中においてア
ルミニウムの小丘の形成は観察されない。例え電熱器が
切れている場合でも酸化物層は、電熱器がついている場
合と実質的に同様の堆積速度と、実質的に同様の品質で
得ることが可能である。
いて説明する。上表面に形成されたアルミニウム接点を
持つケイ素ウェハが用意された接点の間の間隔は0.7
μmの広さであり、1.4のアスペクト比を持つ。ウェ
ハはバイアスECR反応器内に設置され、TMCTSを
用いて二酸化ケイ素を堆積した。マイクロ波周波数は
2.45GHzであり、rf周波数は13.56MHz
である。マイクロ波電力は650Wである。酸素流量は
48sccmでありTMCTS流量は16sccmであ
る。アルゴンは使用しない。
f電力はdc(自己)バイアスについて概略直線的であ
ることがわかり、100Vのバイアスにおける約100
Wから500Vのバイアスにおける約550Wに上昇す
る。
程において、堆積が2分間行われ、続いてスパッターが
4分間、さらに続いて堆積が6分間以上行われる。50
0Vのdcバイアスにおける一段階過程において215
0オングストローム/分の堆積速度が得られる。
さいSi−OH吸光度1%HFにおける約60オングス
トローム/分のエッチ速度、2×10 9 ダイン/cm2 以
下の圧縮応力、優秀なTVS痕跡、及びオージェ(Auge
r)の検出限界より低い不純物レベルを持つ気孔のない酸
化物層が提供される。
として、TEOSまたはTMCTSを用いることによっ
て、バイアスECRプラズマ堆積による良質の二酸化ケ
イ素層の高い堆積速度が達成される。さらにTEOS、
TMCTSは比較的危険性の少ない材料であるために取
扱いも容易となる。また高い堆積速度のため必要な材料
の量が減少し、減圧システムの吸排気速度が下げられ、
従ってシステムの経費が軽減される。
略を示す断面図である。
ている基板の誘電層の堆積における第1の堆積段階後の
概略を示す断面図である。
ている基板の誘電層の堆積におけるスパッター段階後の
概略を示す断面図である。
ている基板の誘電層の堆積における第2の堆積段階後の
概略を示す断面図である。
電磁コイル50 冷却水入口55 冷却水出口60 堆
積ガス入口65 堆積ガス入口80 減圧時の排気口9
0 反応室100 基板支持台110 基板115 仕
切り120 rf生成器140 rf伝送線路200
金属接点210 堆積材料
Claims (3)
- 【請求項1】 プラズマ化学気相成長用のバイアスEC
R反応器内で、表面にアスペクト比が1.0以上の空間
によって分離された金属接点のパターンを有する半導体
基板上に平面化二酸化ケイ素層を堆積するECRプラズ
マ堆積方法において、この方法は、ある流量で前記反応
器に酸素を導入するステップと、酸素流量の3分の1の
流量で前記反応器にTMCTSを導入するステップと、
前記反応器内にマイクロ波および磁界を作用させて反応
性プラズマを生成し、二酸化ケイ素層の少なくとも一部
が少なくとも1000Å/分の速度で成長するように、
前記基板上に二酸化ケイ素層を成長させるステップと、
前記基板に、300Wないし550Wのパワーレベルの
rfバイアスをかけて前記基板の表面に酸素のイオンを
スパッタリングするステップとからなり、酸素およびT
MCTSの流量、マイクロ波のパワーレベル、ならび
に、rfバイアスのパワーレベルは、堆積される二酸化
ケイ素層がボイドを形成することなく金属接点間の空間
を充填するように選択されることを特徴とするECRプ
ラズマ堆積方法。 - 【請求項2】 前記酸素導入ステップ中に前記反応器に
アルゴンを導入するステップをさらに有し、前記基板の
表面に酸素とともにアルゴンのイオンをスパッタリング
するようにしたことを特徴とする請求項1の方法。 - 【請求項3】 二酸化ケイ素層の少なくとも一部を成長
させた後にTMCTSの導入を停止するステップをさら
に有し、前記一部が同時成長なしにスパッタリングされ
るようにしたことを特徴とする請求項1の方法。
Applications Claiming Priority (2)
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---|---|---|---|
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US485418 | 1990-02-27 |
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JPH04216628A JPH04216628A (ja) | 1992-08-06 |
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---|---|---|---|
JP3047330A Expired - Lifetime JPH0740569B2 (ja) | 1990-02-27 | 1991-02-21 | Ecrプラズマ堆積方法 |
Country Status (2)
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