JPS5827656B2 - プラズマｃｖｄ装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明はプラズマＣＶＤ装置に関する。

現在、半導体装置、特に大規模集積回路（ＬＳ Ｉ ）
の製造工程において、ＳｉＯ２膜（シリコン酸化膜）や
Ｓ １３Ｎ４膜（窒化シリコン膜）のＣＶＤ（Ｃｈｅｍ
ｉｃａｌ Ｖａｐｏｕｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ ）技
術は極めて重要な位置を占めている。

従来、ＳｉＯ２膜は例えばモノシラン（ＳｉＨ４）と酸
素の混合ガスを、４００℃〜５００℃に加熱した試料の
上に、５ｔｓＮ４膜は上記モノシランとアンモニア（Ｎ
Ｈ４）の混合ガスを７８０℃〜９５０℃に加熱した試料
の上に、それぞれ熱分解によって堆積していた。

この５１０２膜は、集積回路の製造工程において単に絶
縁膜ばかりでなく、シリコンの熱酸化膜に匹敵する上質
のフィールド膜として広く用いられており、Ｓ ｔ ３
Ｎ４膜はＬＳＩ製造工程の極めて優れた選択酸化技術
には欠かせないものとなっている。

しかし、この８１０２膜は集積回路のアルミの多層配線
用の絶縁膜として利用する場合、４００〜５００℃の成
長温度では堆積中にアルミがシリコン上のＰ−ｎ（ｎ−
Ｐ）接合につき抜は現象を生じたり、又アルミの粒界成
長等が起り、この利用に対しては不適である。

この高温での堆積を克服するために、現在上記シランと
酸素の混合ガスにリン（Ｐ）を添加してＰ Ｓ Ｇ （
ＰｈｏｓｐｈｏｒｕｓＳｉｌ １ｃａｔｅ Ｇｌａｓｓ
）膜をこの目的のために用いる。

この場合、約３５０℃迄堆積温度を下げることが出来る
。

しかしこのＰＳＧ膜は吸湿性でアルミのコロジョンを起
しアルミ配線の断線を生じることがしばしば起っている
。

またＳ １ ｓ Ｎ４膜は集積回路等の半導体装置がき
らう湿気や、アルカリイオンに対してパッシベーション
効果が大きいことが知られているが、ＡＩ配線を終えた
半導体装置に対しては上記のような堆積温度ではその適
用は不可能である。

又ＧａＡｓやＧａＰ等の拡散用マスクや同じくパッシベ
ーションに対しても、上記の堆積温度ではＡｓやＰが抜
けてしまう結果となって適用され得ないのが現状である
。

しかし８１３Ｎ４膜の更に低温での堆積の強い要求に対
し、最近極めて魅力ある技術が登場して来た。

これはＵ、Ｓ 、Ｐ 、３，７５７，７３３に開示され
て知られているように、上記シランとアンモニアの混合
ガスをコンデンサ型の平行平板電極に導入し、この電極
にＲＦを印加してこれらのガスのプラズマを発生させ、
化学結合を解き放して化学的に活性な状態を作り出し約
２５０℃〜３００’Ｃに加熱した試料上にＳｉ３Ｎ４を
堆積せしめるものである。

このコンデンサ型の方法の他に、真空容器の外部にＲＦ
コイルを設けこれに１３．５６ ＭＨｚ等の高周波を印
加してＮ２やＮＨ３等のガスを導入してこれをプラズ゛
マにしてその中に、モノシランガスを導入して加熱した
試料上にＳ ｉ ｓ Ｎ４を堆積する方法もあり、いず
れも良好な膜を得ているという。

このプラズマによるＣＶＤで形成した５ｉ３Ｎ４−膜に
は、（１）膜質は良好で、欠陥ピンホールが少ない、（
２）ステップカバレージが優れている、（３）アルミニ
ウムや細配線用金属に対する密着性が良い、（４）アル
カリイオンの阻止能力は高温成長のＳ ｉ３ Ｎ４膜と
同等で極めて優れている、等の利点を持っている。

それ故最近、ＭＯＳ、バイポーラの両方の半導体装置の
Ａβ配線後の良好なパッシベーション膜として用いられ
、このチップを安価なプラスチックモールドパッケージ
に収めることにより、従来耐湿性、耐アルカリイオンに
問題のあったこのプラスチックモールドに対して極めて
高い信頼性を持たせることが可能になり、高価なセラミ
ックパッケージを排除することができる。

一方この方法によるＳ ｓ ０２膜の形成に関してはま
だ報告がないが、Ｎ２やＮＨ３ガスの代りに０２ガスを
入れることにより原理的に可能であり、上記の多層配線
用等の絶縁膜の低温での形成に適用され、優れた利点を
持つことは考えうる。

しかしながら、ここに重大な問題がある。

このガスプラズマ中での薄膜のＣＶＤは、ガスプラズマ
中の荷電粒子が試料に衝撃を与え、半導体装置の電気的
特性を劣化させることである。

このような劣化はＭＯＳにおいてはｖｔｈの変動、バイ
ポーラにおいてはｈｆｅの変動をもたらすが、この変動
の熱処理による除去は５００℃では不完全で、完全には
９００℃以上を要する。

しかし３００℃前後での低温でプラズマＣＶＤを行った
Ａｌ配線後のウェハーに対しては本来５００’Ｃ以上に
熱処理が不可能なので、上記のような問題が残る。

更に、本方法はプラズマ中に試料を置くので、ウェハー
内、ロフト内において均一な膜厚を得るには、プラズマ
密度つまりＲＦ出力の密度と分布を全領域にわたって均
一に保つ必要があり、これは非常に困難なことである。

又ＲＦ出力の誘導によって熱板の制御が困難であったり
、プラズマ中での堆積過程の監視は肉眼では困難で、又
物理的計測も難しい等の不利な点が存在しているのが現
状である。

これらの不利な点はすべてプラズマの中でＣＶＤを行う
ことに原因している。

この発明の目的は上記の不利な点を除去したプラズマＣ
ＶＤ装置を提供するにある。

即ち酸素ガス又は窒素ガスをマイクロ波又は高周波で励
起してガスプラズマを生成して、そのプラズマから酸素
ラジカル又は窒素ラジカルを導き出して輸送し、このガ
スプラズマ生成部分とは離隔した、励起光と電界の全く
ない部分に導入し、その部分には、同時にモノシランガ
スが上記励起手段を経ないで導入され、そのシランガス
と上記酸素ラジカル又は窒素ラジカルとが反応して加熱
手段によって加熱された試料上に酸素ラジカルの場合は
ＳｉＯ□、窒素ラジカルの場合はＳｉ３Ｎ４を堆積せし
めることに特徴があるプラズマＣＶＤ装置である。

この発明によれば、プラズマから全く離隔した位置でＣ
ＶＤを行うので、（１）半導体装置への荷電粒子による
衝撃が全くなく、従って熱処理等は必要でない、（２庵
界が存在せずシランガスとラジカルとの一対一の反応な
ので、ガス分布を均一によることによって均一なＣＶＤ
が起える、（３）電界の誘導がないので加熱を容易に制
御することが出来る、（４）励起光外なので肉眼で容易
に観察でき、その膜圧の制御が容易になる、等の利点が
あり、以下に本発明を一実施例により図面を参照して説
明する。

第１図は本発明の基になったＣＶＤ装置の概略図である
。

ラジカル発生部はショートプランジャチューニング１機
構付導波管２の電界方向に直径約３８７＃２の石英管３
が貫通しており、その一方に酸素ガス又は窒素ガスのガ
ス導入口４がある。

マイクロ波電源（省略）より、２．４５ ＧＨｚ ６８
０Ｗのマイクロ波エネルギーが５より導かれ、上記ガス
がこの系に導入されて、数Ｔｏｒｒの圧力になると放電
しガスプラズマ６が発生する。

この場合マイクロ波の代りに１３．５６ ＭＨｚの高周
波でも良い。

その時プラズマの軸封等によって導波管２が加熱される
ので、水冷部７が設けられている。

一方本発明者の一人は上記のガスの代りにフレオンと酸
素の混合ガスを同じ方法で励起、解離すると極めて長い
寿命を持ったエツチングガスが生成され、そのガスをエ
ツチングガス生成室と離隔した励起光や電界のないエツ
チング室に導くことにより、シリコン化合物等のエツチ
ング装置を先に提案した。

そのエツチング装置の研究中に、酸素ラジカルや窒素ラ
ジカル自身も比較的長い寿命を持っていることが分り、
特に酸素に極く微量の窒素、窒素に極く微量の酸素を添
加することによりそれぞれのラジカル生成率は極めて高
くなることはＥＳＲ測定から分った。

それ故この窒素又は酸素のガスプラズマ６から内径２ｚ
ｖｒｘｐ長さ約５０ｃｍの石英管８を経て各々のラジカ
ル９が輸送され、石英製ＣＶＤ室１０に導入される。

このそれぞれのガスのプラズマ６は赤ぽい励起光で輝く
がこのＣＶＤ室ではその励起光は全くなく、従って電界
も全くない。

ＣＶＤ室内には熱板１１が備えられ、その上に試料とな
るＡＩ配線後の２インチシリコンウェハー１２が乗って
いる。

１３は熱板の支えである。

この熱板にはフタ１４を通して外部から温度制御中熱電
対１５と熱板用パワー源１６が入る。

一方上記励起手段を経ないで、このＣＶＤ室にモノシラ
ン（ＳｉＨ＊）１６’が導入されると、適当な温度でこ
のシリコンウェハー１２上に、酸素ラジカルの場合はＳ
ｉＯ□、窒素ラジカルの場合はＳｉ３Ｎ４が堆積される
。

１７はこのモノシランの導入口である。

そして１８は上記ガス類の排気口である。

第２図はこの方法によって堆積したＳ １０２の下地温
度の変化に対する堆積速度と屈折率との関係を示してい
る。

その時の条件はモノシランの圧力（ＰＳ ｉＨ４）が０
．１ Ｔｏｒｒ Ｎ酸素の圧力（ＰＯ２）が０．６Ｔｏ
ｒｒである。

後述するが膜の均一性はこの両者のガスの流れに極めて
依存する。

一方屈折率はエリプソメーターで測定したが、Ｂｉの熱
酸化膜の屈折率１゜４５にほとんど近く、堆積したもの
の組成はＳ ｉｏ ２であることを証明している。

そして更に第３図は同じくこの方法によって堆積したＳ
ｉ３Ｎ４の下地温度の変化に対する堆積速度と屈折率と
の関係を示している。

その時の条件はＰＳ １Ｈ４＝ ０．３ Ｔｏｒｒ 、
ＰＯ２−４，８Ｔｏｒｒである。

堆積速度は下地温度に余り依存せず、供給律速的である
ことがわかる。

つまりこの場合も膜の均一性はガスの流れに極めて依存
する。

Ｓ １ ｓ Ｎ４の高温（８００℃前後）堆積での屈折
率は２．０と良く知られているが、この堆積した膜の屈
折率は３３０℃で１．９で、下地温度の低下と共にそれ
は徐々に下り６５℃では１．８５に下る。

しかし上記条件と異なった条件では２．０より高いもの
もありＳ ｔ ３ Ｎ４のＣＶＤは堆積条件に極めて依
存する。

現在使用のモノシランガスの濃度は窒素ベースで３％で
あり、更にシラン濃度を上げ、又ラジカル生成のための
パワーを上げることにより、更に堆積速度を高めること
が出来る。

本発明によって堆積した上記の膜のピンホール密度は１
５０℃以上の高温では極めて低く、通常の１μ程度の堆
積では皆無であり、又１μの厚さのＡＩ配線に対するス
ラップカバレージは極めて優れており、又１，８５〜１
．９０の屈折率をもつＳｉ３Ｎ４はアルカリイオンや湿
気に対して十分な効果を持っている。

又Ｓ ｉ０２ ｒ Ｓ ｌ３Ｎ４共堆積した後のＭＯＳ
ダイオードのＣ−■検査ではｖｔｈの変動が全熱なく、
この発明の特徴を明白に証明している。

又ＧａＰ ｔ ＧａＡｓ等の拡散マスクとしても十分な
機能を持っていることも確かめられた。

更に本発明の変形例、応用例を図面を参照しながら説明
する。

第４図は横型のバッチＣＶＤ装置の一変形例である。

ａはその正面図、ｂは側面図である。

放電部、ガス導入部は第１図と基本的に同じである。

１９は酸素又は窒素のガス導入口、２０は放電部導波管
２１からマイクロ波パワーが印加され２２にガスプラズ
マが生成され、上記ガスのラジカル２３が、分散管２４
を通してＣＶＤ室２５へ導入される。

又同時にモノシラン導入口２６からもモノシランが上記
分散管２４と形状は同じだが更にもう一つの分散管２７
を通してＣＶＤ室２５へ導入される。

２８は試料となるシリコンウェハー、２９はその熱板、
３０はその熱板への電源供給源、３１は熱板制御用熱電
対である。

又３２は排気口でロータリポンプに接続されている。

熱板２９の代りにキセノン等のランプによる加熱でも良
い。

第５図は第４図のウェハーをカセットからカセットへ送
りを設けた自動化装置の概略図である。

３３からモノシランがそして３４から酸素又は窒素のラ
ジカルがＣＶＤ室３５に入る、３６はシリコンウェハー
、３７は熱板である。

３８はフィーダ用カセットで３９はまだＣＶＤされてな
いウェハーである。

４０はレシーバ用カセットで４１はＣＶＤされたウェハ
ーである。

４２は３９のつ工バーをＣＶＤ室３５へ送り、更にカセ
ット４０にそのウェハーを収めるための送りのためのス
テップモーターであり、４３．４４はカセット３８゜４
０の上下運動させるためのステップモータである。

４５．４６はゲートバルブである。なお、４７はウェハ
ーの送られる方向を示し、４８は排気口である。

図示しないがこれらの装置は、レーザーを利用した干渉
による膜圧制御用モニターを取り付けることが出来、ウ
ェハー、カセット、ゲトバルブのシーケンス回路に接続
されれば完全自動化となる。

第６図は第５図とは異なり、多数枚ウェハーのバッチＣ
ＶＤ装置の一例を示したものである。

４９からモノシランが入り、５０からラジカルが入る。

５１はステンレス製等の真空容器で、５２はウェハー、
５３は熱板である、５５は排気口である。

上記の方法はすべて集積回路のＡＩ配線した後でのＳ
ｉ０２又はＳ ｉ ｓ Ｎ４のＣＶＤで、その後はフォ
トレジスト工程を経てポンディングパッドをエツチング
してチップ化するわけだが、本発明の利点である荷電粒
子の素子への損傷がないつまりアニールする必要がない
という特徴を用いて、マウントボンディングしたチップ
にそのままＳ ｒ、 ３ Ｎ ４Ｓｉ０２膜をＣＶＤす
ることが出来る。

第７図はその量産化装置である。

つまり、５６は金メッキしたメタルフレームにすでにマ
ウントボンディングされた集積回路のチップであり、こ
れがＣＶＤ室５７に真空シール５８を通して入り、ここ
でＣＶＤされる。

５９はＣＶＤ膜である６０からモノシランが入り、６１
からラジカルが入る。

６２は分散管が第４図の様又は第６図の様に、又はかた
つむり状になったものであることを示している。

６２は排気口である。

このようにしてＣＶＤされたチップは次のゾーンに入っ
て、プラスチックモールド６３される。

６４はプラスチックモールドを自動的に行うための装置
である。

そしてチップはプラスチックモールドされているが電極
用のフレームにもＣＶＤ膜がついているので、次のシン
に入ってその部分だけプラスチックをマスクとしてエツ
チングされる。

このエツチングには前述した本発明者の一人が先に提案
した方法が用いられるとやはり、温度上昇がなく又荷電
粒子によるダメージもなく極めて良好にエツチングされ
、素子の劣化がない。

６５はフレオン１４と酸素の混合ガスをマイクロ波等で
励起した結果の長寿命エツチングガスの導入口であり、
６６はその分散管、６７はその排気口である。

このようにして６８に示すようにプラスチックモールド
した完成した形の集積回路が出来上る。

これはすべて自動化されることが出来る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の基になったＣＶＤ装置の概略図、第２
図、第３図は第１図で示した装置ＣＶＤしたＳ ｉ０２
＋ Ｓ ｉ３Ｎ＋膜の特性図、第４図は本発明を横型
の多数板ＣＶＤ装置の概略図、第５図はセカット方式の
連続ＣＶＤ装置の概略図、第６図は円形の多数枚ＣＶＤ
装置の概略図、第７図はメタルフレームにマウンドボン
ディングされたチップにＣＶＤされ、プラスチックモー
ルドされその後エツチングする集積回路自動プラスチッ
クモールド装置の概略図である。 図において、１・・・・・・ショートプランジャーチュ
ーナー、２，２０・・・・・・導波管、３・・・・・・
放電管、４゜１９・・・・・・窒素又は酸素ガスの導入
口、５，２１・・・・・・マイクロ波パワー、６，２２
・・・・・・プラズマ、７・・・・・・水冷部、８・・
・・・・ラジカル輸送管、９，２３゜３４．５０，６１
・・・・・・酸素又は窒素ラジカルの流れ、１０，２５
，３５，５１，５７・・・・・・ＣＶＤ室、１１．２９
，３７，５４，５６′−・・・・・熱板、１２゜２８．
３６，５３，５５・・・・・・被堆積試料、１３・・・
・・・熱板支持台、１４・・・・・・真空用フタ、１５
，３１・・・・・・熱電対、１６，３０・・・・・・熱
板用電源、１６′。 ２６．３３，４９，６０・・・・・・モノシランの流れ
、１７．２６．１Ｂ、３２．４Ｂ、５５，６２゜６７・
・・・・・排気口、２４，２２，６２・・・・・・分散
管、３８．４０・・・・・・カセット、３９・・・・・
・堆積前試料、４１・・・１０．堆積した試料、４２，
４３，４４・・・・・・ステップモーター、４５，４６
・・・・・・ゲートバルブ、４７・・・・・・ウェハー
の移動の方向、５６・・・・・・メタルフレーム上のチ
ップ、５８・・・・・・真空シール、５９・・・・・・
ＣＶＤ膜、６３・・・・・・プラスチックモールド、６
４・・・・・・プラスチックコート機構、６５・・・・
・・エツチングガス、６６・・・・・・エツチングガス
分散管、６８・・・・・・プラスチックモールドしたフ
レーム上の集積回路チップ。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 酸素ガス又は窒素ガスを励起させて酸素ラジカル又
   は窒素ラジカルを生成するための高周波又はマイクロ波
   発生手段と上記ガスが導入され且つ生成した上記ラジカ
   ルが流通し、上記励起手段を経ないでモノシランガスが
   直接導入される真空容器とから本質的になるＣＶＤ装置
   において、該真空容器がラジカル生成室と、モノシラン
   ガスの導入口と試料の加熱手段が設けられ、励起光と電
   界の存在しないＣＶＤ室と、画室を連通し且つ離隔する
   ラジカル輸送系と、上記ガスを排気する手段とからなる
   ことを特徴とするＣＶＤ装置。