WO2004086483A1 - プラズマ成膜方法及びプラズマ成膜装置 - Google Patents

プラズマ成膜方法及びプラズマ成膜装置 Download PDF

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Akira Asano
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Description

プラズマ成膜方法及びプラズマ成膜装置 技 術 分 野
本発明は、 絶縁膜、 例えばフ明ッ素添加力一ボン膜 （フロロカーボン膜） をブラ ズマによって成膜するプラズマ成膜方法及ぴプラズマ成膜装置に関する。 細 1
背 景 技 術
半導体デバイスの高集積化を図るための一つの手法として多層配線構造が採用 書
されている。 多層配線構造をとるためには、 n層目の配線層と （n+1) 層目の 配線層との間を導電層で接続すると共に、 導電層以外の領域は層間絶縁膜と呼ば れる薄膜が形成される。 この層間絶縁膜の代表的なものとしてシリコン酸化膜が あるが、 デバイスの動作速度をより一層早くするために層間絶縁膜の比誘電率を 低くすることが要求されている。
このような背景からフッ素添加カーボン膜が注目されており、 このフッ素添加 カーボン膜によればシリコン酸化膜に比べて大幅に比誘電率を下げることができ る。 このようなフッ素添加カーボン膜の成膜方法として、 特閧平 1 1一 1629 60号公報が知られている。 この文献の段落 0016から 0018には、 このフ ヅ素添加力一ボン膜の原料ガスとして環状構造の C5F8を用い、 2. 45 GHz のマイクロ波と 875ガウスの磁場との相互作用により電子サイクロトロン共鳴 (ECR) を起こして A rガスなどのプラズマ発生用のガスをプラズマ化し、 こ のプラズマにより前記 C5F8ガスをプラズマ化してフッ素添加力一ボン膜を半導 体ウェハ （以下ウェハという） 上に成膜することが記載されている。
原料ガスとしては C4F8なども知られているが、 C5F8を用いれば図 8に示す ようにその分解生成物は立体構造を作りやすく、 この結果 C— F結合が強固にな つて誘電率が低く、 リーク電流も小さく、 更に膜強度が大きくかつ耐ストレス性 も大きい層間絶縁膜が得られる利点がある。
ところでプラズマ成膜を行うにあたっては、 プロセス圧力を高くすると気相中 で反応が起こりやすくなり、 その反応生成粒子がウェハ上に付着してその粒子が パ一ティクルとして搬送中などに飛散するおそれがある。 またプラズマ中の電子 密度が低くなつて成膜速度が遅くなり、 スループットの低下から量産プロセスに は適応できなくなってしまう。 このためプロセス圧力 (処理雰囲気の圧力) を例 えば 1 0 0 P aよりも低い圧力に設定して成膜することが前提になる。
しかしながらプロセス圧力を低くすると、 プラズマ中の電子温度が高くなり、 原料ガスが過度に分解して即ち分子がいわば細切れになって全く異なる組成や構 造となってしまい、 もともとの原料組成や構造を生かすことができなくなる。 例 えば C 5 F8ガスを原料として用いた場合には、 細かく分解された分解生成物がゥ ェハ上に降り積もってアモルファス状態になってしまい、 このため比誘電率の低 い膜が得られず、 またリーク電流などの電気特性、 膜強度やストレス耐性などの 機械的特性、 耐水性などの化学的特性が劣化してしまう。 例えば C 5 F8ガスの利 点は、 （C F 2 ) の立体的な連鎖構造を得て、 低誘電率で機械特性などが優れた フッ素添加カーボン膜を得ることにあるが、 実際にはこうした利点を生かし切れ ないのが現状である。 プロセス圧力を高くすれば電子温度が下がり、 原料の過度 の分解は回避できるが、 そうすると既述のようにパーティクル、 成膜速度の問題 が浮上し、 結局これらパラメ一夕はトレードオフの関係にあり、 この結果フッ素 添加力一ボン膜の実現化を阻む要因の一つになっている。
本発明は、 原料ガスをプラズマ化して絶縁膜を成膜するにあたって、 原料組成 を生かし本来の分子結合を有する絶縁膜を得ることのできる装置及び方法を提供 することにある。 本発明の他の目的は、 低誘電率で電気特性に優れた絶縁膜が得 られる成膜装置及び成膜方法を提供することにある。 発 明 の 開 示
上記目的を達成するために、 請求の範囲第 1項に記載の発明は、 気密な処理容 器内の載置部に載置された基板に対し、 原料ガスをプラズマ化したプラズマによ り絶縁膜を成膜するプラズマ成膜方法において、 原料ガス供給口と前記基板の表 面との間のプラズマ発生空間における平均自乗速度で定義した電子温度が 3 e V 以下であり、 かつ電子密度が 5 x 1 0 1 1個/ c m3以上であることを特徴とする。 この発明によれば、 電子温度が 3 e V以下であることから、 原料ガスを過度に分 解することを抑制でき、 このため原料ガスの特性を生かした本来の分子構造が得 られ、 例えば低誘電率で電気特性の優れた絶縁膜を得ることができる。
請求の範囲第 2項に記載の発明は、 マイクロ波を、 導波管を介して、 載置部に 対向して設けられた平面アンテナ部材に導き、 この平面アンテナ部材に周方向に 沿って形成された多数のスロヅトから前記マイクロ波を放出し、 このマイクロ波 のエネルギーによって原料ガスをプラズマ化することを特徴とする。
請求の範囲第 3項に記載の発明は、 前記スロットの長さは、 前記平面アンテナ 部材における前記導波管側のマイクロ波の波長の 1 / 2と、 前記平面アンテナ部 材における前記プラズマ発生空間側のマイクロ波の波長の 1 / 2との間の寸法に 設定されていることを特徴とする。
請求の範囲第 4項に記載の発明は、 前記多数のスロットは、 前記平面アンテナ 部材の中央部を中心として同心円状または渦巻き状に配列されていることを特徴 とする。
請求の範囲第 5項に記載の発明は、 前記平面アンテナ部材から円偏波または直 線偏波としてマイクロ波が放射されることを特徴とする。
請求の範囲第 6項に記載の発明は、 処理雰囲気の圧力が 1 9 . 9 5 P a以下で あることを特徴とする。 この発明によれば、 処理容器内の圧力を 1 9 . 9 5 Pa ( 1 5 O mTorr) 以下に設定して成膜を行うようにしているから、 後述の実験例 からも分かるように、 プロセス条件を選択することにより低誘電率で電気特性の 優れた絶縁膜を得ることができる。
請求の範囲第 7項に記載の発明は、 前記基板に成膜される絶縁膜は、 フッ素添 加力一ボン膜であることを特徴とする。
請求の範囲第 8項に記載の発明は、 前記原料ガスは C 5 F 8ガスであること,を特 徴とする。
請求の範囲第 9項に記載の発明は、 基板を載置する載置部が内部に設けられた 気密な処理容器と、 前記基板に絶縁膜を形成するための原料ガスを前記処理容器 内に供給するための原料ガス供給部と、 前記原料ガスをプラズマ化するためのマ イク口波を発生するマイクロ波発生器と、 このマイクロ波発生手段にて発生した マイク口波を前記処理容器内に導くための導波管と、 この導波管に接続されると 共に前記載置部に対向して設けられ、 周方向に沿って多数のスロットが形成され た平面アンテナ部材とを備え、 前記原料ガス供給部の原料ガス供給口と前記基板 の表面との間のプラズマ発生空間における平均自乗速度で定義した電子温度が 3 e V以下であり、 かつ電子密度が 5 X 1 01 1個/ c m3以上となるように構成さ れたことを特徴とする。
請求の範囲第 1 0項に記載の発明は、 前記スロットの長さは、 前記平面アンテ ナ部材における前記導波管側のマイクロ波の波長の 1 / 2と、 前記平面アンテナ 部材における前記プラズマ発生空間側のマイクロ波の波長の 1ノ2との間の寸法 に設定されていることを特徴とする。
請求の範囲第 1 1項に記載の発明は、 前記多数のスロットは、 前記平面アンテ ナ部材の中央部を中心として同心円状または渦卷き状に配列されていることを特 徴とする。
請求の範囲第 1 2項に記載の発明は、 前記平面アンテナ部材から円偏波または 直線偏波としてマイクロ波が放射されることを特徴とする。
請求の範囲第 1 3項に記載の発明は、 前記基板に成膜される薄膜は、 フッ素添 加カーボン膜であることを特徴とする。
請求の範囲第 1 4項に記載の発明は、 前記原料ガスは C 5 F8ガスであることを 特徴とする。 図面の簡単な説明
図 1は、 本発明の実施の形態であるプラズマ成膜装置の概略を示す縦断面図で ある。
図 2は、 上記ブラズマ成膜装置に用いられる第 2のガス供給部を示す平面図で める。
図 3は、 上記プラズマ成膜装置に用いられるアンテナ部を一部断面で示す斜視 図である。
図 4は、 上記プラズマ成膜装置に用いられる平面アンテナ部材を示す平面図で 図 5は、 電子温度の定義について説明するために電子数と電子温度との関係を 示す説明図である。
図 6は、 絶縁膜の比誘電率とリーク電流を記載した実験結果を示す説明図であ る。
図 7は、 絶縁膜の比誘電率とリーク電流を記載した実験結果を示す説明図であ 図 8は、 原料ガスの分子構造と絶縁膜の分子構造とを示す説明図である。 発明を実施するための最良の形態
以下に本発明のプラズマ成膜装置の一実施の形態について図 1ないし図 7を用 いて説明する。 図 1に示すように、 このプラズマ成膜装置は、 ラジアルラインス ロットアンテナを用いてプラズマを発生させる C V D (chemical vapor depos ition) 装置である。 図中 1は例えば全体が筒体状に構成された処理容器 （真空 チャンバ） であり、 この処理容器 1の側壁や底部は、 導体例えば A 1添加ステン レススチール等により構成され、 内壁面には酸化アルミニウムよりなる保護膜が 形成されている。
処理容器 1のほぼ中央には、 基板例えばウェハ Wを載置するための載置部であ る載置台 1 1が絶縁材 1 1 aを介して設けられている。 この載置台 1 1は例えば 窒化アルミニウム （A 1 N ) もしくは酸化アルミニウム （A 1 203) より構成さ れ、 内部には冷却媒体を通流させる冷却ジャケット 1 l bが設けられると共に、 この冷却ジャケット 1 1 bと併せて温調部を形成する図示しないヒ一夕が設けら れている。 載置台 1 1の載置面は静電チャックとして構成されている。 また載置 台 1 1には例えば 1 3 . 5 6 M H zのバイアス用高周波電源 1 2が接続され、 バ ィァス用高周波により載置台 1 1の表面を負電位とすることでプラズマ中のィォ ンを高い垂直性で引き込むようにしている。
前記処理容器 1の天井部は開放されており、 この部分には 0リング等のシール 部材 （図示せず） を介して、 載置台 1 1と対向するように、 例えば平面形状が略 円形状に構成された第 1のガス供給部 2が設けられている。 このガス供給部 2は 例えば A 1 203により構成され、 載置台 1 1と対向する面には多数の第 1のガス 供給孔 2 1が形成されている。 ガス供給部 2の内部にはガス供給孔 2 1の一端側 と連通するガス流路 2 2が形成されており、 このガス流路 2 2には第 1のガス供 給路 2 3の一端側が接続されている。 一方、 第 1のガス供給路 2 3の他端側はプ ラズマガスであるアルゴン （A r ) ガスやクリプトン （K r ) ガスなどの供給源 2 4及び水素 ( Η2) ガスの供給源 2 5が接続されており、 これらのガスは、 第 1のガス供給路 2 3を介してガス流路 2 2に供給され、 前記ガス供給孔 2 1を介 して、 第 1のガス供給部 2の下方側の空間に一様に供給される。 この例では、 第 1のガス供給部 2の下面と載置台 1 1上のウェハ Wの表面との間の距離は 5 0 m mに設定されている。
また前記処理容器 1は、 載遅台 1 1と第 1のガス供給部 2との間に、 例えばこ れらの間を区画するように、 例えば平面形状が略円形状に構成された第 2のガス 供給部 3を備えている。 この第 2のガス供給部 3は例えばマグネシウム （M g ) を含んだアルミニウム （A 1 ) 合金や A 1添加ステンレススチール等の導電体に より構成され、 載置台 1 1と対向する面には多数の第 2のガス供給孔 3 1が形成 されている。 このガス供給部 3の内部には、 例えば図 2に示すようにガス供給孔 3 1の一端側と連通する格子状のガス流路 3 2が形成されており、 このガス流路 3 2には第 2のガス供給路 3 3の一端側が接続されている。 また第 2のガス供給 部 3には、 当該ガス供給部 3を貫通するように、 多数の開口部 3 4が形成されて いる。 この開口部 3 4は、 プラズマやプラズマ中の原料ガスを当該ガス供給部 3 の下方側の空間に通過させるためのものであり、 例えば隣接するガス流路 3 2同 士の間に形成されている。
ここで第 2のガス供給部 3は、 第 2のガス供給路 3 3を介して原料ガスである フッ素と炭素とを含む原料ガス例えば C 5 F 8ガスの供給源 3 5と接続され、 この 原料ガスは、 第 2のガス供給路 3 3を介してガス流路 3 2に順次通流していき、 前記ガス供給孔 3 1を介して、 第 2のガス供給部 3の下方側の空間に一様に供給 される。 図中 V 1〜V 3はバルブ、 1 0 1 ~ 1 0 3は流量調整部である。
前記第 1のガス供給部 3の上部側には、 0リング等のシール部材 （図示せず） を介して、 例えば A 1203などの誘電体により構成されたカバープレート 1 3が 設けられ、 このカバ一プレート 1 3の上部側には、 当該カバ一プレート 1 3と密 接するようにアンテナ部 4が設けられている。 このアンテナ部 4は、 図 3に示す ように、 平面形状が円形の下面側が開口する扁平なアンテナ本体 4 1と、 このァ ンテナ本体 4 1の前記下面側の開口部を塞ぐように設けられ、 多数のスロットが 形成された円板状の平面アンテナ部材 （スロット扳) 4 2とを備えており、 これ らアンテナ本体 4 1と平面アンテナ部材 4 2とは導体により構成され、 扁平な中 空の円形導波管を構成している。
また前記平面アンテナ部材 4 2とアンテナ本体 4 1との間には、 例えば A 1 2 03や酸化ケィ素 ( S i 02) ヽ 窒化ケィ素 ( S i 3 N4) 等の低損失誘電体材料に より構成された遅相板 4 3が設けられている。 この遅相板 4 3はマイクロ波の波 長を短くして前記導波管内の管内波長を短くするためのものである。 この実施の 形態では、 これらアンテナ本体 4 1、 平面アンテナ部材 4 2、 遅相板 4 3により ラジアルラインスロヅトアンテナが構成されている。
このように構成されたアンテナ部 4は、 前記平面アンテナ部材 4 2がカバ一プ レート 1 3に密接するように図示しないシール部材を介して処理容器 1に装着さ れている。 そしてこのアンテナ部 4は同軸導波管 4 4を介して外部のマイクロ波 発生手段 4 5と接続され、 例えば周波数が 2 . 4 5 G H zあるいは 8 . 3 G H z のマイクロ波が供給されるようになっている。 この際、 同軸導波管 4 4の外側の 導波管 4 4 Aはアンテナ本体 4 1に接続され、 中心導体 4 4 Bは遅相板 4 3に形 成された開口部を介して平面アンテナ部材 4 2に接続されている。
前記平面アンテナ部材 4 2は例えば厚さ 1 mm程度の銅板からなり、 図 3及び 図 4に示すように例えば円偏波を発生させるための多数のスロット 4 6が形成さ れている。 このスロヅト 4 6は略 T字状に僅かに離間させて配置した一対のスロ ット 4 6 a , 4 6 bを 1組として、 周方向に沿って例えば同心円状や渦巻き状に 形成されている。 このようにスロヅト 4 6 aとスロット 4 6 bとを相互に略直交 するような関係で配列しているので、 2つの直交する偏波成分を含む円偏波が放 射されることになる。
この際、 平面アンテナ部材 4 2の中央部を中心として同心円状または渦巻き状 に配列されたスロット対 4 6 a , 4 6 bを、 遅相板 4 3により圧縮されたマイク 口波の波長に対応した間隔で配列することにより、 マイクロ波が平面アンテナ部 材 42より略平面波として放射される。 具体的にはこの例では、 各スロット 46 a， 46 bのスロッ ト長 L 1が、 例えば平面アンテナ部材 42における導波管側 のマイクロ波の波長の 1/2と、 平面アンテナ部材 42におけるプラズマ発生空 間側のマイクロ波の波長の 1/2との間の寸法に設定される。 つまり、 平面アン テナ部材 42における同軸導波管 44側のマイクロ波の波長の 1/2以下の大き さであって、 かつ平面アンテナ部材 42におけるプラズマ発生空間 (処理容器 2 内） 側のマイクロ波の波長の 1/2よりも大きい寸法に設定され、 マイクロ波が スロット 46を通ってプラズマ空間に入り、 プラズマ空間からは同軸導波管 44 側に戻らないようになつている。 更にまた同心円状に配列されるスロヅト 46に おいて内輪側のスロット 46と外輪側のスロット 46との間隔 L 2は、 例えば同 軸導波管 44側のマイクロ波の波長の 1/2に設定されている。
また処理容器 1の底部には、 排気管 14が接続されており、 この排気管 14は 圧力調整部 51を介して真空排気手段である真空ポンプに接続され、 処理容器 1 内を所定の圧力まで真空引きできるようになつている。
続いてこの装置にて実施される本発明の成膜方法の一例について説明する。 先 ず図示しないゲートバルブを介して例えば表面にアルミニウム配線が形成された 基板であるウェハ Wを搬入して載置台 11上に載置する。 続いて処理容器 1の内 部を所定の圧力まで真空引きし、 第 1のガス供給路 23を介して第 1のガス供給 部 2にプラズマガス例えば Arガスを所定の流量例えば 300 s c cmで供給す ると共に、 第 2のガス供給路 33を介して原料ガス供給部である第 2のガス供給 部 3に原料ガス例えば C5F8ガスを所定の流量例えば 150 s c cmで供給する。 そして処理容器 1内を例えばプロセス圧力 13. 3 Paに維持し、 載置台 11の 表面温度を 350°Cに設定する。
一方マイクロ波発生手段から 2. 45GHz, 2000Wの高周波 （マイクロ 波） を供給すると、 このマイクロ波は、 TMモード或いは TEモード或いは TE Mモードで同軸導波管 44内を伝搬してアンテナ部 4の平面アンテナ部材 42に 到達し、 同軸導波管の内部導体 44 Bを介して、 平面アンテナ部材 42の中心部 から周縁領域に向けて放射状に伝搬される間に、 スロヅト対 46 a, 46 bから マイクロ波がカバ一プレート 13、 第 1.のガス供給部 2を介して当該ガス供給部 2の下方側の処理空間に向けて放出される。 ここでカバ一プレート 1 3と第 1の ガス供給部 2はマイクロ波が透過可能な材質例えば A 1 203により構成されてい るので、 マイク口波透過窓として作用し、 マイクロ波はこれらを効率良く透過し ていく。
このとき既述のようにスロット対 4 6 a， 4 6 bを配列したので、 円偏波が平 面アンテナ部材 4 2の平面に亘つて均一に放出され、 この下方の処理空間の電界 密度が均一化される。 そしてこのマイクロ波のエネルギーにより、 広い処理空間 の全域に亘つて高密度で均一なプラズマが励起される。 そしてこのプラズマは、 第 2のガス供給部 3の開口部 3 4を介して当該ガス供給部 3の下方側の処理空間 に流れ込んで行き、 当該ガス供給部 3からこの処理空間に供給される C5 F8ガス を活性化させてつまりプラズマ化して活性種を形成する。 こうして発生した C5 F 8ガスのプラズマは、 電子温度が例えば 1 . 2 e Vと低い値になっている。 ま たプロセス圧力が低いことから、 電子密度は 1 01 2個/ c m3オーダになってい る o
ここでいう電子温度とは、 平均自乗速度で定義するものとし、 その測定手段は いかなるものでもよい。 また測定ポイントは、 原料ガスの供給部に相当する第 2 のガス供給部 3のガス供給口であるガス供給孔 3 1とウェハ Wとの間の空間であ り、 処理容器 1の壁近傍や載置台 1 1の周囲の下部などは含まない。 また平均自 乗速度で定義するとは、 図 5に示すように、 電子温度と電子の数との関係がマツ クスーボルヅマン分布をなしているものとし、 各電子数の自乗を加算してその平 均値となる電子温度をいうものである。 図 5中 P 1 ~ P 3は夫々最大確立速度、 平均自乗速度、 実効速度である。
このように低い電子温度で高い電子密度のプラズマが得られる理由は、 明確に は把握できていないが、 平面アンテナ部材 4 3の周方向に形成されたスロヅト 4 6から放出されたマイクロ波に基づいて原料ガスをプラズマ化すると、 電界に対 する電子の追従性が良くなるのではないかと考えられる。 即ち電界に追従して電 子を運動させる場合、 追従性が良くないと電界を大きくしなければならないが、 追従性が良好であると電界を大きくしなくても原料がプラズマ化し、 また電界か ら開放されて処理容器 1の壁に衝突して消失する電子も少ないことが要因ではな いかと推測される。
一方ウェハ W上に輸送された活性種は C F膜として成膜されるが、 その際ブラ ズマ引き込み用のバイアス電圧により、 ウェハ Wに引き込まれた A rイオンが、 スパヅ夕エッチング作用によりウェハ W表面のパターン上の角部に成膜した C F 膜を削り取り、 間口を広げながら、 パターン溝底部から C F膜を成膜し、 凹部に C F膜が埋め込まれる。 こうし C F膜が成膜されたウェハ Wは、 図示しないゲ一 トバルブを介して処理容器 1から搬出される。
上逑実施の形態によれば、 低い電子温度でかつ高密度なプラズマにより絶縁膜 を成膜しているので、 後述の実施例からも明らかなように、 低い比誘電率でリー ク電流が小さいなどの電気特性が良好な C F膜が得られる。 この理由は、 原料ガ スとして用いた C 5 F8を過度に分解して環状結合の各々が全て切断されるのでは なく、 C F結合が適度に切れてつまり環状結合の一部が切れて、 切られた C5 F8 同士が繋がって C Fが長く連鎖する立体構造が形成されるためと考えられる。 即 ち原料組成を生かし本来の分子結合を有する C F膜を得ることができ、 このため この C F膜は、 膜強度やストレス耐性が大きいなど機械的特性に優れ、 また耐水 性などの化学的特性にも優れている。 なお高い電子密度を確保しているので、 成 膜速度の低下により量産体制に適用できない、 といった懸念はない。
また C F膜の原料ガスとしては、 C5 F8ガスに限られず、 例えば C 3 F 6ガス、 C4F6ガスまたは C4F8ガスなどであってもよい。 更に本発明において成膜する 絶縁膜は C F膜に限らずシリコン、 酸素及ぴフッ素の化合物である S i 0 F膜な どであってもよく、 他の絶縁膜においても原料組成を生かした本来の結合を備え たものとすることができ、 電気特性などの優れた絶縁膜とすることができる。 更にまた平面アンテナ部材 4 3に形成されるスロヅト 4 6は、 上述のようにス ロヅ ト 4 6 a、 4 6 bをほぽ T字形に配置したものに限らないし、 またマイクロ 波が円偏波ではなく、 直線偏波で放射されるようにスロットを形成してもよい。 また本発明は、 電子サイクロトロン共鳴を利用してプラズマを励起する E C R型 プラズマ処理装置、 平行平板型プラズマ処理装置あるいは誘導結合型プラズマ処 理装置においても、 プロセス条件及び装置構成を工夫して、 電子温度が 3 e V以 下であり、 かつ電子密度が 5 X 1 0 1 1個/ c m3以上のプラズマを生成して絶縁 膜を成膜する場合も含まれる。
(実験例 1 )
図 1のプラズマ成膜装置を用い、 原料ガスの種類とプロセス条件を種々代えて CF膜を成膜し、 各 CF膜について比誘電率とリーク電流とを調ぺところ図 6に 示す結果が得られた。 図 6において縦軸は 1 MVZc mの電界を絶縁膜に印加し たときのリーク電流の値であり、 横軸は絶縁膜の比誘電率である。 なお各原料ガ スについて本発明者は膨大なデ一夕をとつているが、 デ一夕の傾向が同様である ため、 図 6では代表的なデ一夕を載せてある。
原料ガスとして、 □のデ一夕は C3F6ガスを用い、 △のデータは C4F6ガスを 用い、 酾のデ一夕は C4F8ガスを用い、 ◊のデータは C5F8ガスを用いている。 そしてこれらのデ一夕に対応する CF膜を得るために設定したプロセス条件につ いては、 プロセス圧力を 6. 65〜： 19. 95 P a (50〜 150 mTorr) 、 マ イク口波電力を 1500〜 3000 W、 アルゴンガスの流量を 100〜 500 s c cm、 原料ガスの流量を 50〜200 s ccm、 ウェハ Wと第 2のガス供給部 3との下面までの距離を 40〜 105 mmの間で振って電子温度が 2 e V以下の プラズマを生成した。 C3F6ガスまたは C4F8ガスを用いたときには、 水素ガス も供給している。
電子温度の測定については、 予め同条件で原料ガスの供給口からウェハに至る までの間の空間について、 ラングミュアプローブにより測定した。 平均自乗速度 で定義した電子温度は、 1. l eV~2. 0 eVの間であった。 そしてプロセス 圧力を 6. 65〜： L 9. 95 P a ( 50〜 150 mTorr) もの低い圧力に設定し ているので、 電子密度は 1012個/ cm3オーダになっており、 このことはラン グミュアプロ一ブ測定により確認している。 なお、 あるプロセス条件で C3F6ガ スなどの原料ガスを用いて成膜したときに、 そのプロセス条件における電子温度 及び電子密度の値を求める方法は、 同じプロセス条件で原料ガスの代わりにアル ゴンガスを用いてプラズマを発生させ、 そのブラズマについてラングミュアプロ ーブにより電子温度及び電子密度を測定することとした。 つまり電子温度及び電 子密度の測定については、 アルゴンガスを用いて評価することとした。 その理由 は CF系のガスを用いるとラングミュアプローブを腐蝕するおそれがあるからで あるが、 電子温度及び電子密度はガス種を変えてもほぼ同じであるから、 評価方 法に問題はない。
一例として比誘電率が 1. 9〜2. 1である 3点の◊のデ一夕に対応するプロ セス条件の具体的数値を挙げると、 プロセス圧力は 1 3. 3 P a ( 100 mTor r) 、 マイクロ波電力は 2000W、 アルゴンガスの流量は 300 s c cm、 原 料ガスの流量は 100 s c cm、 ウェハ Wと平面アンテナ部材との下面までの距 離は 5 0mmであり、 電子温度は、 1. l eVである。 またデ一夕の値は、 ゥェ ハ上の 3ボイントのデ一夕の平均値を示している。
一方〇のデ一夕は、 原料ガスとして C5F8ガスを用い、 成膜装置としては、 既 述の特許文献 1に記載されている E C Rプラズマ装置を用い、 電子温度が 5 e V 〜6 eVのプラズマを発生させて CF膜を得、 その CF膜について調べたもので める。
ところで優れた層間絶縁膜とするには、 比誘電率が低く、 リーク電流が小さい ことが要求され、 本発明者は 2. 2以下の比誘電率で、 リーク電流が 1. 0 E— 08 ( l x l O— 8 ) A/cm2以下を目標としている。 図 6の結果から分かる ように、 電子温度が 5 eVを越えた高い値であると、 CF膜の比誘電率は 2. 5 以上で、 またリーク電流も 1. 0 E— 07 ( l x l O— 7 ) A/cm2もの大き な値になっており、 目標ゾーンからかなり離れているが、 電子温度が 2 eV以下 であると、 比誘電率が低くなるかあるいはリーク電流が小さくなるか、 または両 方とも小さくなつて、 全体として目標ゾーンに寄っていることが分かる。
このデ一夕からすれば、 電子温度が 2 eVより大きくても、 例えば 3 eVまで であれば、 5 eVのデータに比べて図 6のグラフの左下側に寄ったデ一夕が得ら れること、 つまり比誘電率が低く、 リーク電流が小さいという効果が得られるこ とは明らかである。 従って電子温度を 3 eV以下とすることで、 原料ガスの過度 の分解が抑えられて本来の分子構造が得られることを裏付けている。 例えば原料 として C5F8ガスを用いた場合には、 目標ゾーンに可成り近づいており、 各 C5 F8の分子中の C F結合が適度に切断され、 切断された C5F8分子同士が繋がつ て CFの長い連鎖構造が形成され、 このため比誘電率が低く、 リーク電流が小さ い絶縁膜になったと推察される。 これに対し電子温度が 5 eVもの高い値である と、 C 5 F 8がばらけてしまい本来の連鎖構造が得られなくなつたものと考えられ る。
なお電子密度について、 5 x 10U個 /cm3よりも小さい場合のデ一夕はと つていないが、 従来の E CRなどの装置において通常の使い方をすると、 圧力を 上げれば低い電子温度が得られるが、 このとき電子密度が低くなつてしまうので、 本発明では、 こうした手法と一線を引くために電子密度を規定している。 即ち、 経験的にガスの分離が進んで十分な成膜速度を得るためには、 電子密度が 5 X 1 011個 Z c m3以上であれば全く問題ないことを把握しており、 本発明はこの条 件を前提とした上で低い電子温度でプロセスを行うものである。
(実験例 2)
次に図 1のプラズマ成膜装置を用い、 原料ガスとして C5F8ガスを用いると共 に処理雰囲気の圧力 （プロセス圧力） を 6. 65 Pa (5 OmTorr) , 13. 3 Pa (100 mTorr)、 19. 95 P a (150 mTorr) 、 26. 6 P a (20 0 mTorr) の 4通りの圧力に設定し、 各圧力毎にプロセス条件を種々変えて C F 膜を成膜し、 各 CF膜について比誘電率とリーク電流とを調べた。 結果は図 7に 示す通りである。 図 7において縦軸は 1 MVZc mの電界を絶縁膜に印加したと きのリーク電流の値であり、 横軸は絶縁膜の比誘電率である。 プロセス条件とは、 第 2のガス供給部 3とウェハとの距離 （図 1参照） 、 マイクロ波電力、 アルゴン ガスの流量、 原料ガスの流量及びウェハの温度などであり、 この実験ではプロセ ス圧力を変えずにこれらプロセス条件の組み合わせを種々変えて CF膜を成膜し ている。
図 7から分かるように、 プロセス条件を変えることによりリーク電流及び比誘 電率の値が大きく振れている。 例えば圧力を 13. 3 Paに設定して成膜された CF膜と圧力を 26. 6Paに設定して成膜された CF膜とを比較すると、 前者 の CF膜の方が後者の C F膜に比べてリーク電流及び比誘電率のいずれについて も優れている （小さくなつている） 関係のデ一夕もあれば、 その逆の関係のデ一 夕もある。 CF膜についてはリーク電流が小さくかつ比誘電率が小さいもの程、 絶縁膜の特性が良いことから、 図 7におけるデ一夕としてはグラフの左下に向か うほど絶縁膜の特性が良いということになる。 ここで先の実験例 1の結果も踏まえて図 7の結果を検討すると、 プロセス圧力 も含めてプロセス条件を変えることにより、 リーク電流の値も比誘電率の値も変 わり、 またプロセス圧力を一定にした場合においてもその他のプロセス条件を変 えることによりやはりデ一夕がばらついてくるが、 プロセス圧力の大きさによつ てデ一夕の広がり方が変わってくる。 即ち、 プロセス条件を絞り込むことにより デ一夕を図 7の左下に寄せることができるが、 プロセス圧力の大きさによってそ 'の寄り方が変わってくる。 プロセス圧力が 19. 95 Pa以下の場合には、 比誘 電率が 2. 2付近でかつリーク電流が 1. 0E-08 (1 x 10- 8 ) A/cm 2に近い値のデータが得られるが、 プロセス圧力が 26. 6 P aの場合には、 比 誘電率を 2. 3よりも小さくできない。
プロセス条件とリーク電流及び比誘電率との傾向について述べておくと、 ゥェ 八の温度を低くするとリーク電流が小さくなり、 ガスシャワーへッドである第 2 のガス供給部 3とウェハとの距離を小さくすると比誘電率が小さくなる傾向にあ るといえるが、 デ一夕を図 7の左下に寄せるためには、 ガス流量も含めてプロセ ス条件を微妙に設定する必要がある。 以上の結果から、 プラズマの電子温度を 3 eV以下好ましくは 2 eV以下としかつ電子密度を 5 x 1011個 01113以上に してプロセスを行う場合には、 プロセス圧力を 19. 95 Pa ( 15 OmTorr) 以下にすることが、 良好な特性の絶縁膜を得るにあたって好ましい手法であるこ とが分かる。 なおプロセス圧力の下限については特に規定する意味はなく、 真空 排気容量の大きいポンプを使うことにより、 より低いプロセス圧力を実現できる ならばその圧力でプロセスを行えばよい。 なお図 7において、 比誘電率が 2. 3 以下でかつリ一ク電流が 5. 0 E - 8 ( 5 X 10— 8 ) AZcmZ以下のデ一夕 については、 先の図 6の結果から当然に電子温度は 2 eV以下である。 1 . 気密な処理容器内の載置部に載置された基板に対し、 原料ガスをプラズ マ化したプラズマにより絶縁膜を成膜するプラズマ成膜方法において、
原料ガス供給口と前記基板の表面との間のプラズマ発生空間における平均自乗 速度で定義した電子温度が 3 e SB V以下であり、 かつ電子密度が 5 X 1 01 1個/ c m3以上であることを特徴とするプラズマ成膜方法。 の ^
2 . マイクロ波を、 導波管を介して、 載置部に対向して設けられた平面アン テナ部材に導き、 この平面アンテナ部材に周方向に沿って形成された多数のスロ 囲
ットから前記マイクロ波を放出し、 このマイクロ波のエネルギーによって原料ガ スをプラズマ化することを特徴とする請求の範囲第 1項に記載のプラズマ成膜方 法。
3 . 前記スロットの長さは、 前記平面アンテナ部材における前記導波管側の マイクロ波の波長の 1 Z 2と、 前記平面アンテナ部材における前記プラズマ発生 空間側のマイクロ波の波長の 1 / 2との間の寸法に設定されていることを特徴と する請求の範囲第 2項に記載のプラズマ成膜方法。
4 . 前記多数のスロットは、 前記平面アンテナ部材の中央部を中心として同 心円状または渦巻き状に配列されていることを特徴とする請求の範囲第 2項また は第 3項に記載のプラズマ成膜方法。
5 . 前記平面アンテナ部材から円偏波または直線偏波としてマイクロ波が放 射されることを特徴とする請求の範囲第 2項ないし第 4項のいずれか 1項に記載 のプラズマ成膜方法。
6 . 処理雰囲気の圧力が 1 9 . 9 5 P a以下であることを特徴とする請求の 範囲第 1項ないし第 5項のいずれか 1項に記載のブラズマ成膜方法。

Claims

7 . 前記基板に成膜される絶縁膜は、 フヅ素添加力一ボン膜であることを特 徴とする請求の範囲第 1項ないし第 6項のいずれか 1項に記載のプラズマ成膜方 法。
8 . 前記原料ガスは C 5 F 8ガスであることを特徴とする請求の範囲第 7項に 記載のプラズマ成膜方法。
9 . 基板を載置する載置部が内部に設けられた気密な処理容器と、 前記基板に絶縁膜を形成するための原料ガスを前記処理容器内に供給するため の原料ガス供給部と、
前記原料ガスをプラズマ化するためのマイクロ波を発生するマイクロ波発生器 と、 '
このマイクロ波発生手段にて発生したマイクロ波を前記処理容器内に導くため の導波管と、
この導波管に接続されると共に前記載置部に対向して設けられ、 周方向に沿つ て多数のスロットが形成された平面アンテナ部材と、
を備え、
前記原料ガス供給部の原料ガス供給口と前記基板の表面との間のプラズマ発生 空間における平均自乗速度で定義した電子温度が 3 e V以下であり、 かつ電子密 度が 5 X 1 01 1個/ c m3以上となるように構成されたことを特徴とするプラズ マ成膜装置。
1 0 . 前記スロットの長さは、 前記平面アンテナ部材における前記導波管側 のマイクロ波の波長の 1 / 2と、 前記平面アンテナ部材における前記プラズマ発 生空間側のマイクロ波の波長の 1 / 2との間の寸法に設定されていることを特徴 とする請求の範囲第 9項に記載のプラズマ成膜装置。
1 1 . 前記多数のスロットは、 前記平面アンテナ部材の中央部を中心として 同心円状または渦巻き状に配列されていることを特徴とする請求の範囲第 9項ま たは第 1 0項に記載のプラズマ成膜装置。
1 2 . 前記平面アンテナ部材から円偏波または直線偏波としてマイクロ波が 放射されることを特徴とする請求の範囲第 9項ないし第 1 1項のいずれか 1項に 記載のプラズマ成膜装置。
1 3 . 前記基板に成膜される薄膜は、 フッ素添加カーボン膜であることを特 徴とする請求の範囲第 9項ないし第 1 2項のいずれか 1項に記載のプラズマ成膜
1 4 . 前記原料ガスは C5 F8ガスであることを特徴とする請求の範囲第 1 3 項に記載のブラズマ成膜装置。
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