JPH0817743A - Cvd装置およびこれを用いた成膜方法 - Google Patents

Cvd装置およびこれを用いた成膜方法

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JPH0817743A
JPH0817743A JP14831494A JP14831494A JPH0817743A JP H0817743 A JPH0817743 A JP H0817743A JP 14831494 A JP14831494 A JP 14831494A JP 14831494 A JP14831494 A JP 14831494A JP H0817743 A JPH0817743 A JP H0817743A
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film forming
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Tetsuo Gocho
哲雄 牛膓
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 光学定数や膜厚の自己診断/調整機能を有す
るCVD装置を構成し、反射防止膜として用いられるS
iON系薄膜を容易に精度良く成膜する。 【構成】 平行平板型プラズマCVD装置の成膜室1に
石英窓4,5を設け、分光器7からの測定光をモニタ用
のウェハW上に成膜されたSiON系薄膜に入射させ、
その反射光を検出器8へ取り込む。この検出結果にもと
づいて解析器9で薄膜の光学定数(n,k)および膜厚
dを算出し、コンピュータ10でこれら算出値と初期設
定値との間の差異にもとづいて生成した制御信号をマス
・フロー・コントローラ11(MFC)とRF電源6に
転送し、N2 O流量と放電継続時間(成膜時間)を補正
する。これら補正値を用いて実作業のSiON成膜を行
う。 【効果】 成膜条件決定作業を半導体デバイスの自動化
製造ラインに組み込むことができる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、たとえば半導体デバイ
スの製造分野で用いられるCVD装置、およびこれを用
いて薄膜、中でも遠紫外線リソグラフィ用反射防止膜と
して用いられるSiON系薄膜を成膜する方法に関し、
特に成膜された薄膜の光学定数や膜厚をその場で (in s
itu に) 測定し、その測定結果から成膜条件の微調整を
自動的に行うことが可能な装置および方法に関する。
【0002】
【従来の技術】半導体デバイスの高集積化が加速度的に
進行するに伴い、その最小加工寸法も急速に縮小されて
いる。たとえば、量産ラインに移行されている現世代の
16MDRAMの最小加工寸法は約0.5μmである
が、次世代の64MDRAMでは0.35μm以下、次
々世代の256MDRAMでは0.25μm以下に縮小
さこの微細化度は、マスク・パターンを形成するフォト
リソグラフィ工程の解像度に大きく依存している。0.
35μm〜0.25μm(ディープ・サブミクロン)ク
ラスの加工では、KrFエキシマ・レーザ光(波長24
8nm)等の遠紫外光源が必要となる。
【0003】しかし、エキシマ・レーザ光のような単色
光を用いるプロセスでは、ハレーションや定在波効果に
よるコントラストや解像度の低下が顕著に現れる。ハレ
ーションとは、下地材料膜の段差部分からの反射光によ
り特定の領域の光強度が高くなる現象であり、実害とし
てはポジ型フォトレジスト・パターンにおけるくびれの
発生が挙げられる。
【0004】一方、定在波効果とは、フォトレジスト膜
内あるいは下地膜との間で生ずる多重反射によりフォト
レジスト膜の膜厚方向に光強度分布が生ずる現象であ
り、実害としてはレジスト・パターンの側壁面の波状の
変形や、基板内におけるレジスト感度のバラつき等が挙
げられる。かかるハレーションや定在波効果を低減させ
るためには、下地材料膜からの反射光を弱めれば良い。
このため、光反射率の高い材料層とフォトレジスト膜と
の間に反射防止膜を設けることが今後は必須になるとみ
られている。
【0005】近年、この反射防止膜の構成材料としてS
iON(酸窒化シリコン)系材料が提案されている。S
iON系材料は、CVDにより成膜することができる
が、この成膜時のガス組成の制御により組成を細かく調
整することができ、これに伴って光学定数(n,k)
(ただし、nは複素屈折率の実数部、kは同じく虚数部
係数を表す。)を広範囲に変化させることができる。こ
のため、広範囲な露光波長、レジスト材料、下地材料層
に対して最適化された反射防止膜を提供できるというメ
リットを有している。特に、エキシマ・レーザ波長域の
ような遠紫外領域で化学増幅系レジスト材料を用いるプ
ロセスにおいて、効果的な反射防止効果を示す膜はほと
んど知られておらず、この意味においてもSiON系薄
膜には大きな期待が込められている。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】ところで、一般にCV
D成膜条件の決定は、予めモニタ・ウェハ上で適当な条
件にて成膜を行った後、このモニタ・ウェハを成膜室か
ら取り出して膜厚や膜質の測定を行い、この測定結果に
もとづいて適正な条件を決定するといった様な手作業で
行われている。しかし、かかる人手を介する作業は、半
導体デバイスの製造ラインの自動化にとって大きな障害
となる。特に、SiON系薄膜のごとく膜質の微調整が
必要な膜については、条件決定作業に多大な時間が費や
される虞れがある。さらに、モニタ・ウェハが成膜室か
ら一旦取り出されて測定に回されるまでの待機時間によ
っては、成膜直後の膜本来の特性が変化してしまう可能
性もある。
【0007】本発明は、かかる課題を解決し、成膜され
た膜の膜厚や膜質を in situに測定することを可能とす
るCVD装置およびこれを用いた成膜方法を提供するこ
とを目的とする。
【0008】
【課題を解決するための手段】本発明は、上述の目的を
達するために提案されるものである。すなわち、本発明
のCVD装置は、壁面の一部に光入射窓と光出射窓とを
備え、内部に保持された基板に対して所定の薄膜を成膜
する成膜室と、前記基板上に前記光入射窓を通じて測定
光を照射する光照射手段と、前記基板上で反射され前記
光出射窓を通じて出射された反射光を検出する光検出手
段と、前記反射光を解析し、前記基板上に成膜された前
記薄膜の光学定数を算出する解析手段と、前記光学定数
の算出値と初期設定値との間の差異にもとづいて前記成
膜室に導入される原料ガス中の成分ガスの流量を変更す
る制御手段とを備えたものである。
【0009】また、前記解析手段は光学定数のみなら
ず、前記薄膜の膜厚も併せて算出するものであっても良
い。この場合、前記制御手段は、前記膜厚の算出値と初
期設定値との間の差異にもとづいて成膜時間を制御する
ものとして好適である。この成膜時間の制御は、CVD
装置の型式にもよるが、ガス供給時間、基板の加熱時
間、プラズマ放電時間等の制御を通じて行うことができ
る。
【0010】なお、CVD装置の型式には、常圧CVD
装置、熱CVD装置、光CVD装置等、様々なものがあ
るが、本発明のCVD装置は前記成膜室内に前記原料ガ
スのプラズマを生成させるようになされたプラズマCV
D装置とすることが特に好適である。さらに、プラズマ
CVD装置の型式は特に問われるものではなく、平行平
板型プラズマCVD装置、ECRプラズマCVD装置の
他、誘導結合プラズマやヘリコン波プラズマ等のいわゆ
る高密度プラズマを用いるCVD装置であっても良い。
【0011】一方、本発明の成膜方法は、上述のCVD
装置を用い、前記薄膜としてSiON系薄膜を成膜する
ものである。なお、実際に成膜されるSiON系膜には
少量の水素が含まれている。上記SiON系薄膜は、層
間絶縁膜やサイドウォール形成用の絶縁膜としてももち
ろん使用することができるが、最も重要な用途であるフ
ォトリソグラフィ用の反射防止膜として用いる場合に
は、その光学定数を最適化する必要がある。本発明で制
御の対象とする光学定数とは、複素振幅屈折率R(=n
+ki)の実数部nと虚数部係数kである。ただし、実
数部nは成膜条件が変化してもそれほど大きく変化しな
いことが経験的に知られているため、実際に制御する光
学定数は虚数部係数kとし、これを前記解析手段により
算出する。
【0012】上記SiON系薄膜の原子組成比は原料ガ
スの流量比にもとづいて変化させることができ、これに
もとづいて光学定数(n,k)を変化させることができ
る。このプラズマCVDの代表的な原料ガスとしては、
SiH4 /O2 /N2 混合ガス、あるいはSiH4 /N
2 O混合ガスがある。特に後者のSiH4 /N2 O混合
ガスを用いた場合には、前記制御手段によりN2 Oの流
量を変更するだけで極めて簡便に光学定数(n,k)を
変化させることができる。
【0013】なお、上記光学定数(n,k)および膜厚
dの好ましい変化範囲は、下地の材料層の種類によって
異なる。すなわち、下地がSi系材料層である場合はn
=1.8〜2.6,k=0.1〜0.8,d=20〜1
50nm;下地がAlやCuの純金属層,シリサイド層
または合金層である場合にはn=1.78〜2.38,
k=0.55〜1.15,d=20〜40nm;下地が
高融点金属層または高融点金属シリサイド層である場合
にはn=1.8〜3.0,k=0.5〜0.9,d=1
5〜35nmである。
【0014】
【作用】本発明のCVD装置は、光学的な測定手段によ
り基板を成膜室内に置いたままその上に成膜された薄膜
の光学定数や膜厚を測定し、この測定結果を制御手段に
フィードバックして次回の成膜条件を決定する、いわば
自己診断機能と自己調整機能を備えたものである。した
がって、成膜室内外への基板の搬出入に伴う時間を削減
することができ、成膜条件決定作業を半導体デバイスの
自動化製造ラインに組み込むことが可能となる。しか
も、測定そのものも基板を大気開放せず直ちに行われる
ことから、精度の高いものとなる。
【0015】このCVD装置をSiON系薄膜の成膜に
適用すると、下地材料層の種類に応じて決定される最適
な光学定数や膜厚の目標値を正確かつ迅速に達成させ、
良好な光学性能を有する反射防止膜を形成することがで
きる。
【0016】
【実施例】以下、本発明の具体的な実施例について説明
する。実施例1 本実施例は、本発明を適用して平行平板型プラズマCV
D装置を構成した例である。
【0017】図1にこの装置の概略的な構成を示す。こ
の装置において成膜機能を有する本体は、底面において
矢印A方向に真空排気される成膜室1内に、原料ガスを
分散させながら供給するガス供給管を兼ねたシャワー・
ヘッド型の上部電極3とウェハWを載置する下部電極2
とが平行に対面配置され、上部電極3にRF電源6を接
続(アノード・カップリング)することにより、上下電
極間に高周波電界を生成させ、プラズマを生成させるよ
うになされたものである。上記成膜室1の側壁面の一部
には互いに対向する石英窓4,5が設けられている。
【0018】上記本体の外部には、ウェハW上に成膜さ
れた薄膜の膜質や膜厚を光学的手段によりin situ に測
定し、この測定結果を成膜条件の決定にフィードバック
するための測定/制御系統が設けられている。この測定
/制御系統は、上記成膜室1の石英窓4を通じて測定光
をウェハWへ照射する分光器7、上記石英窓5を通じて
出射されたウェハWからの反射光を検出する検出器8、
この検出器8に接続され、該検出器8で生成された光検
出信号にもとづいてウェハW上に形成された薄膜の光学
定数や膜厚を算出する解析器9、この解析器9に接続さ
れ、該解析器9により算出された光学定数や膜厚を予め
記憶されていた初期設定値と比較し、成膜条件を変更す
るための制御信号を生成するコンピュータ10からな
る。このコンピュータ10の制御信号は、ガス流量を制
御するマス・フロー・コントローラ(MFC)11、お
よびRF電源6に転送される。すなわち、マス・フロー
・コントローラ(MFC)11には原料ガス中の特定の
成分ガスの流量を増減させる制御信号が送られ、RF電
源6にはこれをON/OFFすることにより放電継続時
間(成膜時間)を決定する制御信号が送られる。
【0019】かかる構成を有するCVD装置によれば、
ウェハWを何ら成膜室1の外へ取り出すことなく、成膜
後直ちに光学定数や膜厚を測定するか、あるいは成膜中
に時々刻々と光学定数や膜厚をモニタすることが可能と
なる。したがって、たとえば実作業の成膜を開始する前
に、予めモニタ・ウェハ上で光学定数や膜厚の測定を行
い、この測定結果にもとづいて成分ガスの流量や成膜時
間を設定する作業を、人手を介さずに行うことができ
る。
【0020】実施例2 本実施例では、上述のCVD装置内でSiH4 /N2
混合ガスを用いてSiON膜を成膜する場合、所望の光
学定数k(以下、吸収係数と称する。)を達成し得るN
2 O流量を決定する方法について、図2ないし図4を参
照しながら説明する。
【0021】図2は、吸収係数をN2 O流量の関数とし
て表現したグラフであり、実線のグラフはコンピュータ
10に予め記憶されている初期設定関数f(x)、破線
のグラフは測定結果にもとづいて補正された補正関数f
n (x)である。いま、N2 O流量をaとしてモニタ・
ウェハ上に成膜されたSiON膜の吸収係数の実測値が
n であったとする。しかし、初期設定関数f(x)に
よると、流量aにて達成される吸収係数はkとなる筈で
あり〔f(a)=k〕、実測値k n はこの初期設定値か
らずれている。そこで、初期設定関数f(x)を点
(a,kn )を通るように平行移動して補正関数f
n (x)を得、この補正関数fn (x)においてkが達
成されるときのN2 O流量an を補正値とする。次回か
らの成膜にこの補正値an を用いれば、吸収係数kを有
するSiON膜を得ることができる。
【0022】図3は、上述の補正手順を表すフローチャ
ートである。まず、ステップS1にてモニタ・ウェハ上
でSiON膜を成膜し、ステップS2でこのときのN2
O流量実測値aと吸収係数実測値kn を得る。次に、ス
テップS3にて上記aとkn が初期設定関数f(x)に
従っているか否か、すなわちN2 O流量aのときに吸収
係数kが達成されているか否か〔f(a)=k=k
n ?〕を判定する。YESであれば補正の必要はないの
でステップS8の実作業のSiON成膜へ進み、NOで
あればステップS4以下に進んで補正を行う。すなわ
ち、まず初期設定関数f(x)を平行移動して補正関数
n (x)に変換する。この補正関数fn (x)は、f
n (a)=kn を満たすか否かをステップS5にて判定
され、NOである場合はfn (a)=kn が満たされる
まで平行移動が繰り返される。ただし、曲線の平行移動
は一点の座標のみの通過では判定できないため、実際に
は数点の座標を選択し、曲線回帰(カーブ・フィッティ
ング)法により決定する必要がある。YESであれば、
ステップS6に進み、fn (x)=kが成立するときの
xの値an を、N2 O流量の補正値として得る。
【0023】次に、ステップS7にてこの補正値an
コンピュータ10を通じてマス・フロー・コントローラ
11(MFC)に入力し、ステップS8にて実作業のS
iON成膜を行う。実施例3 本実施例では、実施例2の変形例として、吸収係数の実
測値kn と初期設定値kとの差が一定の許容範囲K内に
収まるまでモニタ・ウェハ上でSiON成膜を繰り返
し、収まれば補正が成功したとみなして実作業のSiO
N成膜を行う。
【0024】図4に、本実施例の補正手順を表すフロー
チャートを示す。なお、このフローチャートのステップ
の符号は、図3と一部共通である。まず、ステップS1
にてモニタ・ウェハ上でSiON膜を成膜し、ステップ
S2でこのときのN2 O流量実測値aと吸収係数実測値
n を得る。なお、本実施例ではモニタ・ウェハ上での
SiON成膜がN回を超えない範囲で繰り返される可能
性があるので、ステップS2におけるN2 O流量実測値
は、n回の補正を経た後の補正値an (後述)となる場
合もある。そこで、図4のフローチャートではaまたは
n であることを一括的に表す表記としてa(n) を採用
する。
【0025】次に、ステップS9にて上記aを初期設定
関数f(x)に代入した時の吸収係数の値をkとすると
き〔f(a(n) )=k(初期設定値)〕、この初期設定
値kと実測値kn との差の絶対値が許容範囲K内に収ま
っているか否か〔|k−kn|≦K?〕を判定する。Y
ESであれば、これ以上補正の必要はないので、ステッ
プS7に進んでマス・フロー・コントローラ11(MF
C)に実測値a(n) を入力し、ステップS8にて実作業
のSiON成膜を行う。
【0026】ステップS9の判定結果がNOであれば、
実施例2で述べたように、ステップS4およびステップ
S5で初期設定関数f(x)を平行移動して補正関数f
n (x)に変換し、さらにステップS6でこの補正関数
n (x)にもとづいてN2O流量の補正値an を得
る。次に、この一連の補正作業が何回め(n回め)であ
るかをステップS10にて判定し、NOのとき、すなわ
ち上限回数Nに満たないとき(n≦N)にはステップS
11にてマス・フロー・コントローラ11(MFC)に
2 O流量の補正値an を入力し、ステップS1へ戻っ
てモニタ・ウェハ上で再びSiON成膜を行う。ステッ
プS9で|k−kn |≦K?が確認されれば、補正は成
功したとみなされ、ステップS7,S8へ進んで実作業
のSiON成膜が行われる。
【0027】一方、ステップS10の判定結果がYES
のとき、すなわち上限回数Nを超えた場合(n>N)
は、ステップS12で補正失敗が確定されるので、コン
ピュータはこれ以上の補正作業を行わず、手順を終了す
る。実施例4 本実施例では、上述のCVD装置内でSiH4 /N2
混合ガスを用いてSiON膜を成膜する場合、所望の膜
厚を達成し得る成膜時間を決定する方法について、図5
を参照しながら説明する。
【0028】図5は、膜厚を成膜時間の関数として表現
したグラフであり、実線のグラフはコンピュータ10に
予め記憶されている初期設定関数g(x)、破線のグラ
フは測定結果にもとづいて補正された補正関数g
n (x)である。いま、成膜時間をtとしてモニタ・ウ
ェハ上に成膜されたSiON膜の膜厚の実測値がdn
あったとする。しかし、初期設定関数g(x)による
と、成膜時間tにて達成される膜厚はdとなる筈であり
〔g(t)=d〕、実測値dn はこの初期設定値からず
れている。そこで、初期設定関数g(x)を点(t,d
n )を通るように平行移動して補正関数gn (x)を
得、この補正関数gn (x)においてdが達成されると
きの成膜時間tn を補正値とする。次回からの成膜は、
この補正値tn を用いて成膜を行えば、膜厚dを有する
SiON膜を得ることができる。上記成膜時間の補正値
n は、RF電源6のON時間の制御に用いられる。
【0029】この補正手順のフローチャートは省略する
が、考え方は実施例2および実施例3でN2 O流量につ
いて上述した内容に準ずる。以上、本発明を4例の実施
例にもとづいて説明したが、本発明はこれらの実施例に
何ら限定されるものではない。たとえば、上述の各実施
例では吸収係数の制御と膜厚の制御を個別に論じたが、
実際のSiON成膜ではこれらの制御を双方とも行う必
要がある。そこで、コンピュータ10を通じてマス・フ
ロー・コントローラにN2 O流量の補正値a(またはa
n )を入力した後、引き続き成膜時間に関する補正を行
い、RF電源6に成膜時間の補正値tn を入力する。も
ちろん、N2 O流量の補正と成膜時間の補正の順序を逆
にしても良い。N2 O流量と成膜時間以外の成膜条件と
しては、たとえば次の条件を挙げることができる。
【0030】 装置 平行平板型プラズマCVD装置 SiH4 流量 50 SCCM RFパワー 190 W(13.56 MHz) ガス圧 333 Pa(2.5 Torr) 電極間距離 1 cm(400 mils) また、上述の実施例では補正を平坦なモニタ・ウェハ上
で行ったが、実施例2のように補正作業が1回で終了す
る場合には、実作業用のウェハ上におおよそ2cm×1
cm程度の平坦部を確保しておき、この平坦部で補正の
ための光学測定を行うこともできる。
【0031】
【発明の効果】以上の説明からも明らかなように、本発
明を適用すれば成膜条件決定作業を半導体デバイスの自
動化製造ラインに組み込み、精度の高い測定を迅速に行
うことができる。これにより、反射防止膜としてのSi
ON系薄膜の光学条件や膜厚の最適化が容易となる。
【0032】したがって本発明は、ハレーションや定在
波効果の抑制が不可欠とされる単色光リソグラフィの解
像性能を向上させ、このことを通じて半導体デバイスの
微細化および高集積化に大きく貢献するものである。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明を適用して構成した平行平板型プラズマ
CVD装置の概略断面図である。
【図2】SiH4 /N2 O混合ガス系によるSiON成
膜において、所望の吸収係数を得るためのN2 O流量の
補正の原理を説明するグラフである。
【図3】N2 O流量の補正手順を示すフローチャートで
ある。
【図4】N2 O流量の他の補正手順を示すフローチャー
トである。
【図5】SiON成膜において、所望の膜厚を得るため
の成膜時間の補正の原理を説明するグラフである。
【符号の説明】
1 成膜室 2 下部電極 3 上部電極 4,5 石英窓 6 RF電源 7 分光器 8 検出器 9 解析器 10 コンピュータ 11 マス・フロー・コントローラ(MFC) W ウェハ

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 壁面の一部に光入射窓と光出射窓とを備
    え、内部に保持された基板に対して所定の薄膜を成膜す
    る成膜室と、 前記基板上に前記光入射窓を通じて測定光を照射する光
    照射手段と、 前記基板上で反射され前記光出射窓を通じて出射された
    反射光を検出する光検出手段と、 前記反射光を解析し、前記基板上に成膜された前記薄膜
    の光学定数を算出する解析手段と、 前記光学定数の算出値と初期設定値との間の差異にもと
    づいて前記成膜室に導入される原料ガス中の成分ガスの
    流量を変更する制御手段とを備えたCVD装置。
  2. 【請求項2】 前記解析手段は前記薄膜の膜厚をも算出
    し、 前記制御手段は前記膜厚の算出値と初期設定値との間の
    差異にもとづいて成膜時間を制御するようになされた請
    求項1記載のCVD装置。
  3. 【請求項3】 前記成膜室内に前記原料ガスのプラズマ
    を生成させるようになされた請求項1または請求項2に
    記載のCVD装置。
  4. 【請求項4】 請求項1ないし請求項3のいずれか1項
    に記載のCVD装置を用い、前記薄膜としてSiON系
    薄膜を成膜することを特徴とする成膜方法。
  5. 【請求項5】 前記解析手段により前記光学定数として
    複素振幅屈折率の虚数部係数kを算出する請求項4記載
    の成膜方法。
  6. 【請求項6】 前記原料ガスとしてSiH4 /N2 O混
    合ガスを用い、前記制御手段によりN2 Oの流量を変更
    する請求項4または請求項5に記載の成膜方法。
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