JPS58151031A - プラズマ化学気相堆積装置 - 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】 本発明はプラズマ化学反応を利用した化学気相堆積（プ
ラズマＣ，ＶＤ）法により／リコン等の基板上にシリコ
ン化合物等の薄膜を°形成する装置に関する。

コンビーータ等を対象とした通信工業用および電装品等
を対ことした産業用のＩＣ，ＬＳＩのように高い信頼性
が要求される半導体装置は、現在主にセラミック製のパ
ッケージに封止されているが、セラミックパッケージは
高価であるために近年これにかわり安価なプラスチック
ノ（ソケージに封止（いわゆるレジンモールド）するこ
とが検討されるようになった。

しかし、プラスチックノくソケージに用いるレジン中に
は不純物イオンが存在するとともに外界の水分がレジン
中を透過するために、レジンモールドした半導体装置に
おいては特性の変動やＡ４配線の腐食等を生じやすい。

レジン材料のこれら欠点を補い半導体装置の高信頼性を
維持するためには、半導体基板上にすぐれた表面保護絶
縁膜、すなわちピンホールやクラック等の欠陥がなく、
マた不純物イオンや水の阻止能力にすぐれた保護膜を形
成することが必要である。特にこの場合の表面保護膜に
は、プラスチックパッケージに封止する際に生ずるレジ
ンの硬化時の収縮ストレスにより膜にクラックが発生し
ないように十分な機械的強度が要求される。

最近上記要求を満足し、それによりプラスチックパッケ
ージに封止した半導体装置の信頼性をセラミックパッケ
ージに封止したものと同等或いはそれ以上にすることを
可能にする表面保護絶縁膜として窒化シリコン膜が注目
され、て来た。現在の半導体工業において窒化シリコン
膜を形成する方法としては２通常の化学気相堆積（ＣＶ
Ｄ。

Ｃｈｅｍｉｃａｌ　Ｖａｐｏｒ　Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ
　）法とプラズマ化学反応を利用した化学気相堆積（プ
ラズマＣＶＤ）法とがある。しかし２通常のＣＶＤ法に
よる場合には、基板を６００℃以上に加熱する必要があ
り。

既にＡ４配線層が形成されていることの多い基板上に表
面保護絶縁膜を形成する方法としては不適当である。こ
れに対してプラズマＣＶＤ法によれば、基板温度が４５
０℃以下の低温においても窒化シリコン膜を形成するこ
とができる。このような理由によりプラズマＣＶＤ法は
半導体工業において薄膜形成技術の一つとして重要な地
位を占めるようになって来た。

本発明の目的は機械的強度の大きい薄膜を形成すること
のできるプラズマＣＶＤ装置を提供することにある。

次に５本発明のプラズマＣＶＤ装置の一実施例を第１図
により説明する。

上部真空容器１．真空容器２および下部真空容器６から
なる真空槽１７内には、上部電極４および下部電極７か
らなる一対の対向電極が設けられており、下部電極７は
交流電源１５に接続され。

上部電極４．および真空槽１７はともに接地されている
。また、排気管１１には排気口１２が設けられ、これに
接続された真空排気装置により、真空槽１７内は減圧さ
れる。ガス導入管５に設けられたガス導入口１０から真
空槽１７内に導入された反応気体中には交流電圧導入端
子８を介して下部電極７に印加された交流電圧によりグ
ロー放電が発生し２反応気体はガスプラズマ状態になる
。

この放電エネルギーにより反応気体間に化学結合が生じ
、下部電極Ｚ上に置かれた基板１３上に薄膜が形成され
る。基板１６上に形成される薄膜の膜質を良好にするた
めに、下部電極７はヒーター１４により加熱される。

ところで、従来、交流電圧は上部電極４に印加され、基
板１３を保持する下部電極７は真空槽１７と共に電気的
に接地されていた。これに対して。

本実施例においては、第１図に示すように、下部電極７
に交流電源１５により交流電圧を印加するようにしたも
のである。このようにすることにより、基板１３上に形
成される薄膜がち密で強固なものになる。その機構につ
いては２次のように考えることができる。すなわち、下
部電極７に交流電圧を印加するとガスプラズマ中におけ
る電子と陽イオンの易動度の差に起因するいわゆる自己
ノくイアス効果により、下部電極７にはガスプラズマに
対して負の電位が発生する。ガスプラズマ中のイオンは
、この命位差により加速され、また、ラジカルおよび励
起粒子は加速されたイオンとの衝突により加速されて、
それぞれ基板１ろに入射する。そのだめ、イオン、ラジ
カルおよび励起粒子間の化合結合により基板１６上に薄
膜が形成される際の各粒子間の結合が強固なものとなり
、形成された薄膜がち密で強固なものになると考えられ
る。

なお２本実施例においては、基板１６を下部電極７上に
保持し、これに交流電圧を印加した場合について説明し
たが、基板１３を上部電極４上に保持し、同電極に交流
電圧を印加しても同様な結果が得られる。

第２図は本発明の他の実施例を示す概略断面図である。

本実施例においては、交流電源１５は上部電極４には直
接に、下部電極７にはコンデンサー１６を介して接続さ
れている。このようにすることにより、基板１６上に形
成される薄膜はち密で２強固なものとなる。また、コン
デンサー１６の容量を変えることにより、薄膜の硬度や
堆積応力等の膜質を制御することができる。

その機構については以下のように考えることができる。

下部電極７はコンデンサー１６を介して交流電源１５に
接続されているために、同電極７にも交流電圧が印加さ
れる。そのため、同電極７には第１図の実施例と同様に
して自己ノくイアス効果によりガスプラズマに対して負
の電位が発生する。ガスプラズマ中のイオンは、この電
位差により加速され、また、ラジカルおよび励起粒子は
加速されたイオンとの衝突により加速されて、それぞれ
基板１３に入射する。そのため、ち密で９強固な薄膜が
基板１６上に形成されるものと考えらレル。また、コン
デンサー１６の容量を変えることにより、下部電極３に
印加される交流電圧の振幅を変えることができ、これに
より自己ノくイアスミ圧を変えることができる。自己バ
イアス電圧が変化すれば、基板１６に入射するイオン、
ラジカルおよび励起粒子のエネルギーが変化し、薄膜の
硬度や堆積応力が変化するようになるものと考えられる
。

なお１本実施例においては、下部電極７がコンデンサー
１６を介して上部電極４に接続されている場合を示した
が、コンデンサー１６の代りに。

コイル、抵抗、あるいはこれらの組合せを用いてもよい
。まだ、上部電極４と下部電極７との間のコンデンサー
１６を除去して、詞極間を見かけ上絶縁してもよい。こ
の場合には２両電極が構成するコンデンサーを介して下
部電極７に交流電圧が印加されるようになり、その振幅
は両電極間の容量および下部電極７に付随する浮遊容量
等により決定される。さらにまた、下部電極７と真空槽
１７との間にコンデンサー等を接続してもよく、その容
量等を変えることにより、同電極の自己ノ（イアスミ圧
を変化させることができる。

第６図は本発明のさらに他の実施例を示す概略断面図で
ある。本実施例においては、上部電極４がコンデンサー
１６を介して、下部電極７が直接に交流電源１５に接続
されており、効果は第２図の場合とほぼ同様である。

第４図は本発明の他の実施例を示す概略断面図である。

本実施例においては上部電極４は上部電極用交流電源１
８に、下部電極７は下部電極用電源１９にそれぞれ接続
されてお９．効果は第２図の実施例とほぼ同様である。

なお本実施例においては交流電源１８．１９の電力を変
えることにより下部電極７の自己バイアス電圧を変化さ
せることができる。本実施例においては、２つの交流電
源ｉ［３，１９は相互に独立しているが、適当な同期回
路により両型源の発振電圧の位相を同期させてもよい。

以上、下部電極７に自己バイアス電圧を印加する方法を
種々述べたが、必要な自己バイアス電圧値等を考慮して
、上記の方法を適宜選択すればよい。本発明の要点は、
いずれの方法をとるにせよ。

基板１６を保持する電極に交流電圧を印加し、それによ
り自己バイアス電圧を印加する点にある。

以上に述べた種々の方法で基板、１３を保持する電極に
自己バイアス電圧を印加し、それにより形成される薄膜
の機械的強度を向上させるためには。

膜の形成条件を以下の範囲に保つことが必要である： 反応気体圧力・・・・・・１〜１ｋＰａ。

交流電力密度・・・・・・１０−２〜１０　Ｗ／ｃｍ２
゜交流電源周波数・・・・・・１０に〜Ｉ　ＧＨｚ　。

基板温度・・・・・・１００〜５ｏｏ′ｃ。

反応気体としては形成する薄膜に応じて適当なガ−。

スを選択すればよい。たとえば非晶質シリコン膜の形成
には、シランガス或いはシリコンハロゲン化物ガスと必
要に応じてジボラン、ホスフィン。

窒素、水素等の添加ガス或いはＨｅ、Ａｒ等のキャリア
ガス或いはこれらの混合ガスとを混合したガスを用いれ
ばよい。また窒化シリコン膜の形成には非晶質ンリコン
膜の形成に用いる反応気体と窒素ガス或いはアンモニア
ガス或いはその両方とを混合したガスを用いればよい。

また酸化シリコン膜の形成には非晶質シリコン膜の形成
に用いる反応気体と酸素ガス或いはＮ２０．Ｎｏ２等の
酸化窒素カス或いはｃｏ、　ｃｏ２等の酸化炭°素ガス
或いはこれらの混合ガスとを混合したガスを用いればよ
い。

またンリコンオキシナイトライド（８ｉ１１ｃｏｎ　０
ｘｙ−ｎｉｔｒｉｄｅ　）膜の形成には窒化シリコン膜
の形成に用いる反応気体と酸化シリコン膜の形成に用い
る反応気体とを混合したガスを用いればよい。なお」二
記反応気体を構成するガスは必ずしも真空槽１７に導入
する以前に混合する必要はなく、真空槽１７に複数のガ
ス導入口を設けて別々に同真空槽内に導入してもよい。

その他２本発明によるプラズマ化学気相堆積装ｆＲを用
いて堆積膜を形成するだめの条件は、すべてこの分野で
従来から周知のもので差しつかえない。

次に２本発明の効果を調べるために行なった実験の結果
について述べる。

従来装置および第１図と第２図に示した装置により２反
応気体としてモノシラン（ＳｉＨ４）ガス。

窒素ガスおよびアンモニアガスから成る混合ガスを用い
て、シリコン基板１３上に窒化シリコン膜を形成し、同
腹の機械的強度を評価するために微小硬度計を用いてヴ
イッカース硬度を測定した。

その結果を第５図に示した。同図において横軸は膜形成
時に下部電極に印加した自己バイアス電圧の絶対値、縦
軸は形成された窒化シリコン膜のグイノカース硬度であ
る。図中Ａ点は従来装置による結果、Ｂ点および０点は
第２図の装置による結果、Ｄ点は第１図の装置の結果を
それぞれ示す。

なお同図における窒化シリコン膜の形成条件は以下のと
おりである。

ＳｉＨ，の流量：　　２５　ｃｃ／ｒｎｉ　ｎＮ２の流
量　：　２３３　ｃｃ／ｍ１ｎＮＩＩ３の流量　：　　
５６　ｃｃ／ｒｎｉ　ｎ反応気体圧力　：　　０．３０
Ｔｏｒｒ基板濡度　　：２５０℃ 交流電力　　：　０．２１　Ｗ／ｃｍ２交流電源周波数
　：　１３．５６ＭＨｚまた。窒化シリコン膜の膜厚は
約１μｍである。

さらにまだ、第１図の装置の場合、下部電極７に印加し
た自己バイアス電圧の絶対値は３３０Ｖであり、第２図
の装置の場合は１００Ｖと１９０■であり、自己バイア
ス電圧の制御はコンデンサー１６の容量を変化させるこ
とによシ行なった。

同図から、自己バイアス電圧の絶対値の増大とともに、
膜のヴイッカース硬度も増大し、より強固な窒化シリコ
ン膜が形成されていることがわかる。

さらに９本発明による第２図に示した装置は。

プラズマＣＶＤ法のみでなく、プラズマ・エツチング法
にも用いることができる。

以下、この点について第２図によシ説明する。

真空槽１７内を減圧し、ガス導入口１０から真空槽１７
内にエツチング用気体が導入される。導入された気体中
には上部電極４に印加された交流電圧によりグロー放電
が発生し、気体はガスプラズマ状態になる。この放電エ
ネルギーによって生じたイオン、ラジカルおよび励起粒
子が下部電極７上に置かれた基板１６をエツチングする
。なお通常のエツチングにおいては基板１６の温度上昇
を防ぐために下部電極７は水等により冷却され。

ヒーター１４は設けられていない。

ところで、基板１ろを保持する下部電極７は。

従来、真空槽１７と共に電気的に接地されていた。

これに対し２本発明のプラズマ・エツチング装置は、プ
ラズマＣＶＤ装置の場合と同様に、下部電極７は接地せ
ずに、コンデンサー１６を介して上部電極４と電気的に
接続するものである。このようにすることにより、基板
１３上に形成される素子の電気的特性の劣化を防ぐこと
ができる。

従来、プラズマ・エツチング、↑反応性スパッタ・エツ
チングにおいては、素子をプラズマにさらすために素子
が放射線損傷を受けることが知られていた。その原因は
、電子、正に荷電したイオン。

電子衝撃により発生したＸ線などが作用しているためと
考えられている。

上記したように、下部電極７をコンデンサー１６を介し
て交流電源１５に接続すると、同電極にも交流電圧が印
加される。そのため同電極は自己バイアスされ、かつ、
上部電極４にかかる交流電圧と位相差を生ずる。このた
め、電子および正イオンのいずれか、または２両者の基
板１３への入射が緩和されて、同基板上に形成されてい
る素子の放射線損傷が著しく軽減される。

この場合、交流電源１５と下部電極７はコンデンサー１
６を介して接続するのみでなく、適当な遅延回路を設け
て、上部電極４と下部電極７０位相差を可変にしてもよ
い。これによって１個々の装置において最適なバイアス
状態を選ぶことができる。

さらに、この装置によれば、自己バイアスによって、基
板に入射する正イオンは方向性を有するため、従来のプ
ラズマ・エツチング装置と比較してサイド・エツチング
の少ないことは言うまでもない。

【図面の簡単な説明】

第１図、第２図、第６図および第４図は本発明の実施例
を示す断面概略図である。第５図は下部電極の自己バイ
アス電圧と窒化シリコン膜のグイッカース硬度との関係
を示すグラフであり、Ａ点は従来装置、Ｂ点、Ｃ点は第
５図に示す実施例。 Ｄ点は第２図に示す実施例による結果である。各図にお
いて、１は上部真空容器、２は真空容器。 ６は下部真空容器、４は上部電極、５はガス導入管、６
は導入管保持用絶縁管、７は下部電極、８は交流電圧導
入端子、９は導入端子保持用絶縁管。 １０はガス導入口、１１は排気管、１２は排気口。 １６は基板、１４はヒーター、１５は交流電源。 １６はコンデンサー、１７は真空槽、１８は上部電極用
交流型−９１９は下部電極用交流電源である。 復代理人弁理士　中村純之助 ２１図 旧 第２図 ０ １Ｐ３図 旧 １−４員 旧 第５図 第１頁の続き ０発　明　者　原田征喜 国分寺市東恋ケ窪−丁目２８０番 地株式会社日立製作所中央研究 所内

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １　排気口とガス導入口とを備えた真空容器内に第１．
   第２の対向する電極を設け、前記第１電極を薄膜を形成
   すべき基板の保持台とし、かつ。 少なくとも前記第１電極に交流電圧を印加するようにな
   っていることを特徴とするプラズマ化学気相堆積装置。 ２、特許請求の範囲第１項記載のプラズマ化学気相堆積
   装置において、前記第１電極には交流電圧が印加され、
   前記第２電極および真空容器は接地されていることを特
   徴とするプラズマ化学気相堆積装置。 ３　特許請求の範囲第１項記載のプラズマ化学気相堆積
   装置において、前記第１電極（又は第２電極）には直接
   に、前記第２電極（又は第１電極）にはコンデンサー、
   コイル又は抵抗もしくはこれらの組合せを介して交流電
   圧が印加され、前記真空容器は接地されていることを特
   徴とするプラズマ化学気相堆積装置。 ４、　特許請求の範囲第１項記載のプラズマ化学気相堆
   積装置において、前記第１電極（又は第２電極）には直
   接に、前記第２電極（又は第１電極）には同電極を見か
   け上第１電極（又は第２電極）と絶縁することにより両
   電極が形成するコンデンサーを介して交流電圧が印加さ
   れ、前記真空容器は接地されていることを特徴とするプ
   ラズマ化学気相堆積装置。