JPH118238A - 初期パーティクルの発生を抑制した酸化シリコン薄膜の形成方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 電子サイクロトロン共鳴プラズマを用いた化
学蒸着により酸化シリコン薄膜を形成する際、初期パー
ティクルの発生を抑制することにより、LSIの信頼性と
製造の歩留りを向上させる。 【解決手段】 予め基板に酸化性ガスプラズマを照射す
ることにより基板表面を活性酸素で終端させ、しかる後
にシラン系の反応ガスをプラズマ室を経由せず直接反応
容器に導入して該薄膜の成長を開始する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、電子サイクロトロ
ン共鳴プラズマ（以降、ECR プラズマと呼ぶ）を用いた
化学蒸着により酸化シリコン薄膜を形成する方法に関す
るものであり、半導体装置の製造工程における配線間の
絶縁層形成技術に属するものである。

【０００２】

【従来の技術】半導体装置の製造工程における配線間の
絶縁層形成技術に関しては、配線間のギャップフィルと
平坦性を合わせ持つ成膜技術が不可欠で、現在、SOG(sp
in onglass)技術とCVD （化学蒸着）技術を組み合わせ
て用いられている。通常のCVDは、段差被覆性に優れる
特性を利用して配線間を埋め込むが、平坦性を持たな
い。また、SOG は、液体の流動性を用いた埋め込み・平
坦化手法であるが、層間絶縁膜としてはバルク特性に問
題があるため、埋め込みの補助的手段として用いられ
る。将来的には補助的手段としても限界がくると言われ
ている（例えば、前田和夫、月刊Semiconductor World
１９９６年２月号１００ページ）。

【０００３】これらに替わる技術として、高密度プラズ
マCVD 技術がある。高密度プラズマCVD は、成膜と同時
にスパッタエッチングを行うことによりギャップフィル
特性を向上させた技術であり、「将来の埋め込み技術の
決定版」（前出、参考文献より引用）と言われている。

【０００４】ECR プラズマを用いたCVD は、この高密度
プラズマCVD 技術の最も代表的な技術である。

【０００５】ECR-CVD により酸化シリコン薄膜を形成す
る場合、プラズマ密度が高いため、N ₂ O の様な活性な
ガスを用いなくても通常の酸素ガスを用いて緻密で良質
な膜ができる利点を有する。また、本手法の技術改良に
より、当初問題点と指摘されていた表面パーティクルに
関しては、反応容器内の構造の工夫やプラズマクリーニ
ングの採用等により改善が図られてきており、次第に量
産技術として採用されるようになってきている。

【０００６】一方、成膜の初期に生成されるパーティク
ルに関しては、これまではあまり注目されていなかっ
た。この初期パーティクルが生成してもその後の膜形成
により隠されてしまい、他に及ぼす影響が少なかったた
めである。しかしながら、LSIの集積度が増すに伴って
初期パーティクルのサイズ以下に配線間隔を狭める必要
がでてくると、初期パーティクルの生成が原因で配線間
を完全に埋め込むことができなくなる。それによる配線
間の空隙形成は、歩留まりや信頼性の低下につながり、
極めて大きな問題と考えられている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、ECR プラズ
マを用いた化学蒸着により酸化シリコン薄膜を形成する
方法において、初期パーティクルの生成が原因で引き起
こされている歩留りや信頼性の低下という問題を解決す
るために、初期パーティクルの生成を抑制しようとする
ものである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明は、ECR プラズマ
を用いた化学蒸着により酸化シリコン薄膜を形成する方
法において、酸素、オゾン、N ₂ O ガス等の酸化性ガス
をプラズマ室に導入後プラズマを生成せしめ、基板に該
プラズマを照射することにより基板表面を活性酸素で終
端させ、しかる後にシラン系の反応ガスをプラズマ室を
経由せず直接反応容器に導入して該薄膜の成長を開始す
ることを特徴とする初期パーティクルの発生を抑制した
酸化シリコン薄膜の形成方法である。

【０００９】

【発明の実施の形態】本発明は、初期パーティクルの生
成機構の解明に取り組んだ結果、もたらされたものであ
る。以下にその詳細を述べる。

【００１０】本発明を実施する上で用いられる装置は特
段変わったものである必要はない。具体例として、模式
的に表した装置の構成図を図１に示す。プラズマ室１と
反応容器２、そして排気系（ターボ分子ポンプ３とロー
タリーポンプ４）とから成る。酸素ガスのECR プラズマ
を基板表面に照射するため、プラズマ室には酸素ガスの
導入ポート５が設けられる。また、シラン系の反応ガス
は導入ポート６を介して反応容器に送り込まれる。基板
７はプラズマ室から発散磁界に沿って伸びたプラズマ流
１７の直下に置かれ、背後から基板加熱ヒーター８によ
って所定の温度まで加熱される。プラズマ中の正イオン
が基板に衝突する時のエネルギーを制御するために、基
板には負バイアスが印加できるような構造となってい
る。図１では、高周波電源９を用いて電力投入すること
により生成する自己バイアスを基板負バイアスに用いて
いる。従って、負バイアスの制御は高周波電力により制
御する。なお、負バイアス（自己バイアス）電圧をモニ
ターするために、高周波の影響をカットするフィルター
１０を介して電圧計１１が接続されている。

【００１１】初期パーティクルの生成原因として、プラ
ズマ中で活性になった反応種が気相で反応を起こし、基
板上に堆積することは考えられない。もし、この気相反
応がパーティクルの発生原因であるならば、初期のみ多
量のパーティクルを生成する事実を説明できないからで
ある。また、気相反応が初期パーティクルの発生原因で
あるならば、マイクロ波出力を上げれば気相反応が促進
され初期パーティクルの数が増加することが期待される
が、実験結果からマイクロ波出力と初期のパーティクル
数に何の相関も見いだすことはできなかった。このこと
は気相での反応が原因ではないことを示唆している。

【００１２】もう１つの可能性として、プラズマを生成
して成膜を開始する前に酸素とシラン系ガスが気相で反
応を起こし、基板上に堆積したとする仮説が立てられ
た。しかしながら、200 ℃の成膜温度で酸素ガスとシラ
ンガスをそれぞれ１分間に5cc及び3cc （１気圧の気体
状態での体積、以降ccm の単位を用いる）導入し、プラ
ズマを生成することなく90分後取り出した基板表面を観
察した結果では、初期パーティクルは全く認められず、
この仮説を検証することはできなかった。

【００１３】以上のような考察、及び実験により、初期
パーティクルの生成原因は気相反応ではなく、表面反応
に基づくものと結論された。

【００１４】従って、初期パーティクルの発生を抑制す
るためには、基板表面での膜の成長機構を制御すること
が重要であることがわかる。鋭意検討の結果、初期パー
ティクルの発生原因は局所的な核生成とその成長による
ものであることがわかった。すなわち、膜が成長する
際、核の発生点を抑える工夫を施すことにより初期パー
ティクルを抑制することができる。

【００１５】図２は、基板表面の初期状態から膜が成長
していく時の様子を酸素ガスとシランガスを用いた場合
を例に模式的に示したものである。A は、従来技術を用
いて膜を作製した場合の成長様式を示している。この場
合、膜成長開始前では、イのところで反応分子が基板表
面上にランダムに吸着しているために、ロで示したよう
に、基板表面上の吸着分子の不均一性に基づいて多数の
核発生が生じる。核の生成密度を抑えるためには、膜が
成長を始める前に基板表面にランダムに吸着した反応分
子が基板表面を十分にマイグレーションする状況を与え
ればよい。具体的には、プラズマを発生させる前に反応
ガス（シラン系ガスと酸素ガス）が基板表面上に一様に
吸着するよう、適度な温度と時間を与える。この場合の
適度な温度と時間とは、独立したものではなく相互に関
係したパラメータであり、かつ雰囲気圧力やガス流れの
ような装置パラメータとも関係するため一概に規定する
ことは難しい。例えば、発明者らによる検討では、200
℃の基板温度で90分のマイグレーション時間が最適であ
ることがわかった。図２のB は、この十分なマイグレー
ション条件を与えた場合を示しており、膜の成長はハの
ように基板表面から均一に膜が成長していく。しかしな
がら、このような条件は、LSI の生産プロセスに用いる
には効率が悪くて用いることができない。なぜなら、実
際の成膜時間が10〜30分程度のプロセスにおいて、前処
理時間として90分を必要とするプロセスの導入は、スル
ープットを大幅に落とす原因となるからである（プロセ
スフローによりこのスループットの低下の度合いは異な
るが、前処理時間が10分以内の場合に比べておよそ1/3
〜1/9 になる）。

【００１６】高効率でしかも核の生成密度を抑えて初期
パーティクルを抑制する手法の開発を目指して研究を重
ねた結果、本発明で開示している手法、すなわち、まず
最初に酸化性プラズマで基板表面を活性酸素で終端させ
た後に膜成長を開始する方法を見いだすに至った。

【００１７】図２のC は、本発明による膜成長の場合を
示している。すなわち、あらかじめ基板に酸化性プラズ
マを照射することにより、ニに示したように基板表面は
膜の成長前に活性酸素により一様に覆われる。これによ
り、Ａ，Ｂのようなマイグレーション条件に関係なく、
ホに示したように均一に成長が進む。

【００１８】このような成長様式から明らかなように、
本発明で開示している技術では初期パーティクルの抑制
効果はシランガスに特有のものではなく、これに限定す
るものではない。例えば、ジクロロシランやジシランな
ど他のシラン系のガスでも同様に用いられる。また、図
２では酸素ガスを用いているが、酸素の代わりに更に活
性なガスであるN ₂ O やオゾンを用いることができるこ
とは言うまでもない。N ₂ O やオゾンプラズマは、図２
のニのような基板表面を得る上では酸素プラズマと同等
以上の効果を持つためである。従って、本発明で用いら
れる酸化性ガスは、酸素、オゾン及びN ₂ O の少なくと
も１種以上を含んだものであればよい。また、本発明に
よれば、基板表面への吸着分子のマイグレーションを考
慮する必要がないために、基板は加熱する必要がなく、
かつプロセス時間を短縮することができる。但し、膜質
の改善のために、必要に応じて基板を加熱して膜を作製
することもできる。

【００１９】基板表面への酸素プラズマ照射条件は、雰
囲気圧力とプラズマ密度の条件によって処理時間が決定
される。通常用いられる1X10^-4 Torr 台の酸素分圧でパ
ワー密度（投入パワーを処理基板の面積で割った値）0.
3 〜2W/cm ² の条件範囲では、1 分以上5 分未満の短時
間で十分にその効果を得ることができる。これより酸素
分圧あるいはパワー密度が低い場合には、処理時間が多
少長くなるが、それでも10分以上処理に時間をかける必
要はない。但し、時間をかけすぎても特段他に悪影響を
及ぼすことはないので、処理時間は生産性とのバランス
で決めてよい。

【００２０】ECR-CVD は、プラズマのエネルギーを利用
して酸素とシラン系反応ガスを気相中、あるいは基板表
面で反応させて酸化シリコン膜を得る方法である。すな
わち、酸化性プラズマはまず最初、基板表面の改質（活
性酸素終端）に用いられるが、シラン系の反応ガスを導
入して成膜を開始した後も継続して用いられる。シラン
系の反応ガスをプラズマ室へ導入すると、ここに滞留し
ている間に分解反応・活性化反応が促進されるために、
プラズマ室内において酸素との反応が進行してしまい、
気相中での酸化シリコン形成が反応の主過程となる。気
相中の酸化シリコン形成はそのままパーティクルの原因
となる。本発明の方法は、シラン系の反応ガスをプラズ
マ室を経由せず直接反応容器に導入するものである。

【００２１】

【実施例】実施例１ 本発明による効果を示す例として、酸素プラズマ照射を
あらかじめ行ったのちシランガスを導入して０．１μｍ
膜厚の酸化シリコン薄膜を作製した。作製手順は、ま
ず、基板温度が200 ℃になるよう基板加熱ヒーター８
（図１）で加熱を行い、しかる後酸素プラズマを５分間
照射し、しかる後シランガスをプラズマ室を経由せずに
直接反応容器に導入した。ガス流量はそれぞれ5ccm, 3c
cmである。この時の全圧力は1mTorrであった。得られた
膜をSEM 観察した結果を図３に示す。図から初期パーテ
ィクルは全く観察されなかった。

【００２２】実施例２ 実施例１と同様の実験を、基板を加熱することなく行っ
た。得られた膜の表面をSEM 観察した結果を図４に示
す。基板表面で十分なマイグレーションが行なわれない
室温においても初期パーティクルは観察されなかった。

【００２３】比較例１ 従来の方法によって０．１μｍ膜厚の酸化シリコン薄膜
を作製した。作製手順は、まず、基板温度が200 ℃にな
るよう基板加熱ヒーター８（図１）で加熱を行い、温度
が安定した後、酸素ガスとシランガスをそれぞれ5ccm,
3ccm導入を開始した。この時の全圧力は1mTorrであっ
た。１０分後、ECR プラズマを生成させ、成膜を開始し
た。得られた膜をSEM 観察した結果を図５に示す。表面
は一面にパーティクルが観察され、多数の初期パーティ
クルが発生している。これは、上記のように１０分間経
過させても、200 ℃という基板温度の条件では表面吸着
ガスのマイグレーションが十分に行われなかったためで
ある。

【００２４】比較例２ マイグレーション条件（基板温度と反応ガス導入後の保
持時間）と初期パーティクルの関係を調べた結果を表1
に示した。マイグレーション条件を除く膜の作製手順
は、比較例１に準拠した。すなわち、基板温度が所定温
度になるよう基板加熱ヒーター８（図１）で加熱を行
い、温度が安定した後、酸素ガスとシランガスをそれぞ
れ5ccm, 3ccm導入を開始した。この時の全圧力は1mTorr
であった。所定時間保持後、ECR プラズマを生成させ、
成膜を開始した。得られた０．１μｍ膜厚の酸化シリコ
ン薄膜のSEM 観察から初期パーティクルを評価した。

【００２５】

【表１】

【００２６】（表１ マイグレーション条件と初期パー
ティクル発生の関係（膜厚はいずれも０．１μｍ））表
中、×は比較例１（図５）に示したような非常にパーテ
ィクル数の多いレベル、○はSEM の同スケール視野でパ
ーティクルが認められないレベルを示す。△はパーティ
クルは認められるが×ほどの一面パーティクルで覆われ
るほどではないことを示している。表から、初期パーテ
ィクルを完全に抑制するためには、基板温度200 ℃で保
持時間９０分が必要であることがわかる。このように、
初期パーティクルの発生を抑制するためにマイグレーシ
ョン条件を制御する従来の方法では、生産性を著しく損
なうことから生産プロセスへの適用は極めて困難であ
る。

【００２７】

【発明の効果】本発明の方法により、酸化シリコン薄膜
の作製において初期パーティクルの発生を容易に抑制す
ることができた。設計ルールがクォーターミクロン以下
の場合、酸化シリコン薄膜の作製をECR-CVD 法で行う
と、初期パーティクルが全体の歩留まりや信頼性に及ぼ
す影響が無視できなくなる。本発明は、簡便な方法でこ
の問題を解決することができるため、その工業的な効果
が大きい。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明を実施する上で用いられる好ましい装置
の構成例を示す図面である。

【図２】基板表面の初期状態から膜が成長していく時の
様子を模式的に示した図面であり、Ａは従来技術（初期
パーティクル発生）、Ｂは従来技術の改良（初期パーテ
ィクル発生は防止できるが生産プロセスには採用できな
い）、Ｃは本発明の技術（初期パーティクルの発生を防
止し、かつ生産プロセスへ適用可能）を示し、イは反応
ガス導入後の表面状態、ロはプラズマ生成後の成長モデ
ル（異常核生成）、ハはプラズマ生成後の成長モデル
（表面マイグレーションの結果、核発生密度減少）、ニ
は酸素プラズマ照射後の表面状態およびホはシランガス
導入後の成長モデル（均一成長）を示す。

【図３】酸素プラズマ照射をあらかじめ行った後シラン
ガスを導入して成膜した０．１μｍ厚の酸化シリコン薄
膜の表面SEM 写真（基板温度２００℃）である。

【図４】酸素プラズマ照射をあらかじめ行った後シラン
ガスを導入して成膜した０．１μｍ厚の酸化シリコン薄
膜の表面SEM 写真（基板加熱なし）である。

【図５】従来の方法によって成膜した０．１μｍ厚の酸
化シリコン薄膜の表面SEM 写真（基板温度２００℃）で
ある。

【符号の説明】

１. プラズマ室 ２. 反応容器 ３. ターボ分子ポンプ ４. ロータリーポンプ ５. 酸素ガス導入ポート ６. シラン系ガス導入ポート ７. 基板 ８. 基板加熱ヒーター ９. 高周波電源 １０. 高周波カットフィルター １１. 電圧計 １２. マイクロ波(2.45GHz) １３. 導波管 １４. 冷却水 １５. 石英窓 １６. 磁気コイル １７. プラズマ流

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プラズマを用い
   た化学蒸着により酸化シリコン薄膜を形成する方法にお
   いて、酸化性ガスをプラズマ室に導入後プラズマを生成
   せしめ、基板に該プラズマを照射することにより基板表
   面を活性酸素で終端させ、しかる後にシラン系の反応ガ
   スをプラズマ室を経由せず直接反応容器に導入して該薄
   膜の成長を開始することを特徴とする初期パーティクル
   の発生を抑制した酸化シリコン薄膜の形成方法。
2. 【請求項２】 前記酸化性ガスが、酸素、オゾン、N ₂
   O ガスのうち少なくとも１種類以上を含むことを特徴と
   する請求項１記載の酸化シリコン薄膜の形成方法。