JP2820070B2

JP2820070B2 - プラズマ化学気相成長法とその装置

Info

Publication number: JP2820070B2
Application number: JP7205592A
Authority: JP
Inventors: 康郎池田
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1995-08-11
Filing date: 1995-08-11
Publication date: 1998-11-05
Anticipated expiration: 2013-11-05
Also published as: JPH0897208A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、超高集積半導体装
置の製造方法に関し、特に、絶縁膜の化学気相成長法に
関する。

【０００２】

【従来の技術】従来のプラズマ化学気相成長法は、反応
ガスにＴＥＯＳ及び酸素を用い、反応容器内の対向電極
間に、一定出力の高周波電力を印加し、一定強度のプラ
ズマを発生させながら、被処理基板上に所望の薄膜を形
成していた。

【０００３】図９に、従来のプラズマ気相成長装置の概
略図を示す。シリコン原料となるＴＥＯＳ（テトラエチ
ルオルソシリケート）ガスは、バブラー１３２に入れた
液体状のＴＥＯＳ１３１を、流量調節器１２３にて流量
調節されたヘリウム（Ｈｅ）ガスにてバブリングし、Ｔ
ＥＯＳを蒸発させて生成する。オゾン含有酸素は、流量
調節器１２０で流量調節された酸素ガスをオゾン発生器
１６５を通過させ、濃度１０％程度のオゾンを含有させ
て生成する。ＴＥＯＳガス及びオゾン含有酸素ガスは、
ＴＥＯＳ導入口１３８及び酸素・オゾン導入口１３９よ
りマニホールド１３６に導入され、マニホールド１３６
内で混合されて、ガス拡散板１４０に当たり拡散し、シ
ャワー電極１４２を通ってさらに均一に分散し、基板１
４７の表面に吹き付けられる。基板１４７は、ＳｉＣサ
セプタ１４４上に装着され、石英板１４５を通して加熱
ランプ１４６から光加熱され、３５０℃程度の温度に保
持されている。シャワー電極１４２は、絶縁リング１４
１によって他の部分と電気的に絶縁されており、１３．
５６ＭＨｚ高周波電源１２９およびハイパスフィルター
１３０、４５０ｋＨｚ高周波電源１３３およびローパス
フィルター１３４で生成された２つの周波数の高周波電
圧が、マッチングボックス１３５を介して印加されてい
る。排気管１４８は真空ポンプ１４９に接続されてお
り、反応室１４３の圧力は、数Ｔｏｒｒに保持されてい
る。

【０００４】通常、上記のような装置では、まず、ＴＥ
ＯＳガスと酸素の混合ガスをシャワー電極１４２から基
板１４７に吹き付け、圧力等の安定を確認した後、一定
の高周波電圧をシャワー電極１４２に印加し、ＴＥＯＳ
及び酸素を分解させて基板１４７上に所望の膜を形成す
る。

【０００５】このような単純な方法では、形成された膜
の下地段差に対する段差被覆性（ステップカバレッジ）
が極めて悪い（約５０％）事が判っており、プラズマ化
学気相成長法と、オゾンとＴＥＯＳの熱化学気相成長法
とを交互に行うことが試みられている。図１０に、その
ような方法を行う際に、シャワー電極１４２に印加され
る高周波電力と、プラズマ中の酸素イオン数と、原料ガ
ス中のオゾン濃度の、成膜時間に対する変化を示してい
る。プラズマ化学気相成長を行っており、高周波電力が
印加されている期間は、酸素イオン数が最大値を示す
が、オゾン熱化学気相成長を行っており、高周波電力が
ゼロの期間は、酸素イオン数もゼロになっている。ま
た、高周波電力をゼロにしてから、オゾンを流し始める
ため、オゾン濃度が上昇するまでに一定時間が必要であ
る。

【０００６】上記のように、プラズマ化学気相成長法と
オゾン熱化学気相成長法を交互に行った場合、膜がどの
ように形成されるかを、図１１（ａ）〜（ｄ）に示す。
下地基板上に形成されたアルミ配線１５３上に、まず
（ｂ）の様に、第１のプラズマＣＤＶ膜１５４が形成さ
れる。次に、（ｃ）の様に、アルミ配線間の狭いスペー
スを埋め込むために、第１の熱ＣＶＤ膜１５５が形成さ
れる。さらに、（ｄ）の様に、第２のプラズマＣＶＤ膜
１５６が形成される。このような工程が繰り返されて所
望の膜厚まで膜形成が行われ、第１１図（ｄ）の様に、
多層構造の膜が形成される。特に、このような方法で
は、オゾン熱ＣＶＤ膜１５５がそのままの形で残ってい
る事が重要である。

【０００７】図１２は、従来のプラズマ化学気相成長法
とシリカ塗布法を用いた、多層配線用平坦化絶縁膜の形
成方法を示している。まず、図（ａ），（ｂ）の様に、
基板１５７上に形成されたアルミ配線１５８の上に、プ
ラズマＣＶＤ膜１５９を、配線間スペースに鬆（ボイ
ド）ができない程度の厚さだけ形成する。次に、図
（ｃ）の様にシリカ塗布液を塗布し、溶剤蒸発の為の１
００℃の熱処理、膜質改善の為の３００℃前後の熱処理
を行い、シリカ塗布膜（１回塗布）１６０を形成する。
このままでは、平坦性が不十分なので、図（ｄ）の様
に、図（ｃ）で行ったシリカ塗布及び熱処理の工程を、
２回以上繰り返して、シリカ塗布膜（複数回塗布）１６
１を形成する。さらに、通常の反応性イオンエッチング
法（ＲＩＥ）を用いてエッチバックする。この時、アル
ミ配線上のプラズマＣＶＤ酸化膜が露出すると、酸化膜
から酸素原子が供給されるため、シリカ塗布膜のエッチ
ングレートが大きくなり、図（ｅ）の様に、エッチバッ
ク後のシリカ塗布膜１６２は、アルミ配線段差間のスペ
ース部がへこんでしまう事が知られている。最後に、再
度、プラズマＣＶＤ膜１６３を形成して層間膜が完成す
る。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】上述の従来のプラズマ
化学気相成長法は、段差被覆性（ステップカバレッジ）
が極めて悪く、サブミクロンのアルミ配線間スペースを
埋設する事ができなかった。サブミクロンのアルミ配線
間スペースを埋設する為には、図１１のように、プラズ
マ化学気相成長法と、オゾンとＴＥＯＳの熱化学気相成
長法とを交互に行ったり、図１２の様に、シリカ塗布膜
を多数回形成する必要がある。しかし、１０Ｔｏｒｒ程
度の減圧下で形成されたオゾン−ＴＥＯＳ熱ＣＶＤ膜や
シリカ塗布膜は、膜中に含まれる水分が多く、機械的強
度、絶縁特性等に問題があり、特に、下層アルミ配線と
上層アルミ配線を接続するスルーホールの接続不良が生
じるという欠点があった。また、図１２のようなシリカ
塗布膜をエッチバックする方法では、シリカ塗布膜を形
成する工程や、エッチバックする工程が非常に複雑で、
工程数の増加や、歩留まりの低下を招くという欠点も有
った。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明のプラズマ化学気
相成長法は、原料ガスに周波数が複数の周波数の間を周
期的に変化する高周波電圧を印加して発生させたプラズ
マを用いて薄膜を形成するプラズマ化学気相成長法にお
いて、印加された前記高周波電圧の周波数が大きい時に
成膜された薄膜を印加された前記高周波電圧の周波数が
小さい時に成膜される薄膜と同質の薄膜に改質すること
を特徴とする。また、他の本発明の特徴は、周波数が小
さい期間が前記周期の１周期の内にしめるデューティー
比が０．４〜０．６である事を特徴とする。

【００１０】また、本発明のプラズマ化学気相成長装置
は、反応容器内に載置した基板表面に有機シランおよび
酸素を供給する機構と、前記反応容器内に供給された酸
素をプラズマ化する酸素プラズマイオン源と、前記酸素
プラズマイオン源と前記基板表面との間に基板表面への
前記酸素プラズマイオンの照射強度を周期的に変化させ
る機械的シャッター、或いは、電磁的なシャッターと、
前記基板表面への前記酸素プラズマイオン照射強度が小
さい周期中に形成する化学気相成長膜が前記酸素プラズ
マイオン照射強度が大きい周期中に前記酸素プラズマイ
オン照射強度が大きい時に形成する化学気相成長膜と同
質の膜に改質される膜厚形成されるよう前記酸素プラズ
マイオン照射強度の変化の周期およびデューティー比を
制御する機構を有する事を特徴とする。また、他の本発
明の化学気相成長装置は、反応容器内に載置した基板表
面に有機シランおよびオゾン含有酸素を供給する機構
と、前記反応容器内に供給されたオゾン含有酸素をプラ
ズマ化する酸素プラズマイオン源と、前記酸素プラズマ
イオン源と前記基板表面との間に基板表面への前記酸素
プラズマイオンの照射強度を周期的に変化させる機械的
シャッター、或いは、電磁的なシャッターと、前記基板
表面への前記酸素プラズマイオン照射強度が小さい周期
中に形成する化学気相成長膜が前記酸素プラズマイオン
照射強度が大きい周期中に前記酸素プラズマイオン照射
強度が大きい時に形成する化学気相成長膜と同質の膜に
改質される膜厚形成されるよう前記酸素プラズマイオン
照射強度の変化の周期およびデューティー比を制御する
機構を有する事を特徴とする。

【００１１】さらに、本発明の他の化学気相成長装置
は、有機シランを供給する機構と、酸素を供給する機構
と、１つの反応容器内に設けられたプラズマ強度の異な
る複数のプラズマ照射機構と、前記複数のプラズマ照射
機構の間で基板を移動させる機構とを有する事を特徴と
し、また、別の本発明のプラズマ化学気相成長装置は、
有機シランを供給する機構と、オゾン含有酸素を供給す
る機構と、１つの反応室内に設けられたプラズマ強度の
異なる複数のプラズマ照射機構と、前記複数のプラズマ
照射機構の間で基板を移動させる機構とを有する事を特
徴とする。さらにまた別の本発明の化学気相成長装置
は、薄膜を形成する基板を載置する反応容器と、前記反
応容器内に原料ガスとして有機シランと酸素あるいはオ
ゾンとを供給する機構と、前記反応容器内にあって前記
原料ガスに高周波電圧を印加してプラズマを発生させる
対向した電極と、周波数の異なる複数の高周波電源と、
前記対向した電極に前記周波数の異なる複数の高周波電
圧を交互に周期的に印加し、前記高周波電圧の周波数が
高い周期に形成された薄膜を前記高周波電圧の周波数が
低い周期の間に前記高周波電圧の周波数が低い周期に形
成する薄膜と同質の薄膜に改質されるだけの膜厚形成す
るよう前記周期を制御するパルスジェネレータと、前記
周期に同期して前記基板の温度、反応容器圧力、原料ガ
ス流量、高周波電力をそれぞれ制御する基板温度制御部
と反応容器圧力制御部と原料ガス制御部と高周波制御部
とを備えている。

【００１２】

【発明の実施の形態】次に、本発明について、図面を参
照して説明する。

【００１３】図１は、本発明の参考例１を表すプラズマ
化学気相成長装置の概略縦断面図である。図２は、第１
図のプラズマ化学気相成長装置の動作を、印加高周波電
力、酸素イオン数、オゾン濃度の時間変化について表し
たものである。図３は、本発明の原理の概略を表すモデ
ル図である。図４は、図２のような動作を行った際の、
時間経過と膜の成長過程を表す縦断面図であり、図５
は、図２のような動作を行った際、高周波オン時間（ｔ
ON）の割合（デューティーＤ）と膜成長速度、ステップ
カバレッジ、ＯＨ基の吸収係数の関係を示す。

【００１４】図１のプラズマ化学気相成長装置におい
て、シリコン原料となる珪酸エチル（以下ＴＥＯＳと呼
ぶ）ガスは、この図では表されていないＴＥＯＳタンク
から供給される、液体状のＴＥＯＳを、マスフロー型の
液体流量調節器３で流量調節し、蒸発器１２で完全に気
化させ、流量調節器４で流量調節されたヘリウムと混合
されて生成される。オゾン含有酸素は、流量調節器２で
流量調節された酸素を、無声放電型のオゾン発生器１１
に導入し、１〜１０％のオゾンを含有させて生成され
る。このようにして生成された、ＴＥＯＳガス及びオゾ
ン含有酸素ガスは、ＴＥＯＳ導入口１４及びオゾン導入
口１３からマニホールド１５に導入される。マニホール
ド内では、これらのガスは混合され、ガス拡散板１７に
当たる事によって、ほぼ均一に拡散する。さらに、シャ
ワー電極１９に当たると、さらに均一に分散し、基板２
８の表面に吹き付けられる。基板２８は、ＳｉＣサセプ
タ２１上に装着され、石英板２２を通して加熱ランプ２
３から光加熱され、２００〜４５０℃程度の温度に保持
されている。シャワー電極１９は、絶縁リング１８によ
って他の部分と電気的に絶縁されており、１３．５６Ｍ
Ｈｚ高周波電源３９およびハイパスフィルター３８、４
５０ｋＨｚ高周波電源３６およびローパスフィルター３
５で生成された２つの周波数の高周波電圧が、マッチン
グボックス３７を介して印加されている。排気管２４は
真空ポンプ２６に接続されており、反応室２０の圧力
は、０．１〜数＋Ｔｏｒｒに保持されている。

【００１５】本参考例では、シャワー電極１９に接続さ
れているマッチングボックス３７の内部に、２つの周波
数の高周波電圧を混合する混合器部と、インピーダンス
整合を行うマッチング部と、ダミーロードと、半導体ス
イッチがあり、シャワー電極１９に印加する高周波電圧
をオン・オフ出来るようになっている。また、パルスジ
ェネレータ４０の発生するパルスに同期して、高周波電
源３５，３６の出力を変化させ、シャワー電極１９に印
加される高周波電圧を変化させる事も可能である。これ
らの動作は、基板温度、反応室圧力等も含めて、プロセ
スコントローラー４１で制御される。これらの制御信号
やパルス等の伝達路は、図１中では破線で示されてい
る。

【００１６】ここで、シャワー電極１９に印加する高周
波電圧を、周期１秒でオン・オフした場合の本装置の動
作を、図２乃至図５を用いて説明する。

【００１７】図２最下段は、成膜時間と高周波電力の関
係を示している。高周波電力がオンになっている時間ｔ
_ONの間、シャワー電極１９と基板２８或いはＳｉＣサセ
プタ２１の間にプラズマが発生し、酸素或いはオゾンが
分解し酸素イオンが発生する。図２中段は、その酸素イ
オン数の変化を表している。高周波電力を印加し始めて
からプラズマ状態が安定するまでには、ある一定の時間
が必要で、なで肩の波形になっている。オゾンは酸素よ
り不安定であるため、高周波電圧の印加によるイオン化
効率は高い。そのため、プラズマ中のオゾン分子数は、
図２上段のように、高周波電力がオンの時、かなり低下
する。

【００１８】図３（ａ），（ｂ）は、それぞれ、高周波
オンおよびオフの時の基板表面近傍の様子を表すモデル
図である。高周波オンの時、図１のシャワー電極１９と
基板２８の間にプラズマが発生する。プラズマ中では、
酸素分子やＴＥＯＳ分子は、電子４５，酸素イオン４
７，ＴＥＯＳ解離分子４６，酸素ラジカル５５等に解離
する。また、プラズマと基板の間には、シース電圧が発
生し、酸素イオン４７は、この電圧により加速され、ド
リフトし、基板表面に衝突する。ＴＥＯＳ解離分子４６
も基板表面に向かって拡散し、形成膜表面で、熱分解或
いは酸素イオン衝撃による分解によって膜形成前駆体５
０になる。さらに、形成膜表面で酸素ラジカル等と反応
し、形成膜５１が形成される。この際、形成膜５１の表
面には、非常に多くの酸素イオン衝撃があるため、膜形
成前駆体５０の寿命はかなり短く、形成膜表面での密度
は低い。また、酸素イオン衝撃は、形成膜５１を硬化さ
せる作用があり、膜質が良好で、圧縮応力の膜の形成に
役立っている。

【００１９】さて、一旦高周波がオフになると（図３
（ｂ）参照）、電子および酸素イオン数は速やかに減少
するが、ＴＥＯＳ解離分子４６や酸素ラジカル５５は、
なおも残っている。これらは、形成膜５１の表面に拡散
して膜形成前駆体５０となりやがて減少する。さらに、
ＴＥＯＳ分子５４とオゾン分子５６も膜表面に向かって
拡散し、反応してＴＥＯＳ解離分子や膜形成前駆体とな
る。形成膜５１の表面では、膜形成反応が熱化学反応の
みであるため、形成膜表面に、膜形成前駆体が高密度で
存在し、膜形成前駆体擬液体層５９が形成される。この
膜形成前駆体擬液体層５９は、液体の性質を示すため、
基板５２に形成されている段差の側面低部の膜厚が厚く
なり、段差側面の傾きを緩和する。

【００２０】図４は、図２のように高周波電力を印加し
たときの時間経過と膜形成の様子をモデル的に示した縦
断面図である。まず、図４（ａ）のように、時間ｔ
_ON（図２では０．５秒）の間、高周波がオンになり、約
１０ｎｍの第１のプラズマＣＶＤ膜６０が形成される。
次に、図４（ｂ）の様に、時間ｔ_OFF（０．５秒）の間
に第１の熱ＣＶＤ膜６２が形成される。時間ｔ_OFFは
０．５秒と非常に短く、第１の熱ＣＶＤ膜６２の膜厚は
１ｎｍ程度である。そのため、次のｔ_ONの初期に酸素イ
オン衝撃等で改質され、プラズマＣＶＤ膜と同等の膜質
になってしまう。よって、図４（ｃ）のように、改質さ
れた第１の熱ＣＶＤ膜６２は、第１のプラズマＣＶＤ膜
６０と区別がつかなくなってしまい、第１のプラズマＣ
ＶＤ膜６０に取り込まれてしまう。熱ＣＶＤ膜は、膜形
成前駆体擬液体層の効果で、配線間の狭小なスペースや
段差低部の角を埋め込み、形状をスムースにする事が出
来るので、続くプラズマＣＶＤ膜成長初期のプラズマ照
射により、熱ＣＶＤと同等の形状でプラズマＣＶＤと同
等の膜質の第２プラズマＣＶＤ膜成長前の形成膜６４を
形成した事になる。第２プラズマＣＶＤ膜成長前の形成
膜６４により、段差低部は丸みを帯びた形状になってい
るため、この上に形成される第２のプラズマＣＶＤ膜６
３の形状も、図４（ｃ）の様に、丸みを帯びる。第２プ
ラズマＣＶＤ膜成長前の形成膜６４と第２のプラズマＣ
ＶＤ膜６３の区別がつかないため、続く第２の熱ＣＶＤ
膜６５の成長段階（ｄ）では、下層膜は第２プラズマＣ
ＶＤ膜成長後の形成膜６６になる。

【００２１】以上のような段階を、多数回繰り返すこと
により、図４（ｅ）のように、アルミ配線６１の間のス
ペース部に鬆（ボイド）無く、プラズマＣＶＤ膜とほぼ
同等の、良好な膜質の形成膜を埋め込む事が出来る。

【００２２】図５は、図２中のｔonとｔOFF から計算
されるデューティー比Ｄ（Ｄ＝ｔON／（ｔON＋ｔOFF
）×１００（％））の値と、成長速度、ステップカバ
レッジ、膜中ＯＨ基の吸収係数との関係を示している。
図５最下段から、成長速度はＤが大きいほど増加する事
が判り、中段から、ステップカバレッジは、Ｄが５０％
を越えると悪化し始める事が判り、上段から、ＯＨ基
は、Ｄが４０％を越えれば十分小さくなる事が判る。図
４から、ステップカバレッジと膜中水分量（膜中ＯＨ基
吸収係数）は相反する傾向にあるが、デューティー比Ｄ
の値を適当な範囲（本参考例の場合は４０から６０パー
セント）に設定することにより両者とも損なわないよう
にする事が出来る事が判る。

【００２３】尚、本参考例では、有機シランガスとし
て、珪酸エチル（ＴＥＯＳ：Ｓｉ（ＯＣ2 Ｈ5 ）4
）を用いたが、テトラメチルシラン（ＴＭＳ：Ｓｉ
（ＣＨ3 ）3 ），テトラメチルシクロテトラシロキサ
ン（ＴＭＣＴＳ），オクタメチルシクロテトラシロキサ
ン（ＯＭＣＴＳ），ヘキサメチルジシラザン（ＨＭＤ
Ｓ），トリエトキシシラン（ＳｉＨ（ＯＣ2 Ｈ5 ）3
），トリジメチルアミノシラン（ＳｉＨ（Ｎ（ＣＨ3
）2 ）3 ）等のシリコン含有化合物を用いても同様
の結果が得られる。また、反応ガス中にオゾンが存在し
なくても、酸素ラジカルやＴＥＯＳ解離分子の寿命はか
なり長いので、デューティー比の値を適当に選べば、同
様の結果が得られる。さらに、反応ガス中に、シラン等
のシリコン無機化合物やアンモニア等窒素化合物や、リ
ン、ホウ素、砒素、アンチモン等の水素化物や有機化合
物を混入させた場合にも同様の結果が得られる。

【００２４】さらにまた、本参考例では、シャワー電極
１９に印加する高周波電力のみを変化させたが、パルス
ジェネレータ４０の生成するパルスに同期して、高周波
電力，反応室圧力，基板温度，ガス流量等を変化させる
と、より良好な段差被覆性が得られる。

【００２５】図６は、本発明の実施例１のプラズマ化学
気相成長装置の反応室を示し、（ａ）はその平面図であ
り、（ｂ）は、（ａ）の二点鎖線ＡＡ′での縦断面図で
ある。尚、（ａ）は、（ｂ）の一点鎖線ＢＢ′での平面
図を表している。反応室７２は、６つの扇型の領域に分
けられ、時計の３時の方向の扇型が熱ＣＶＤ領域７０に
なっており、時計回りに、プラズマＣＶＤ領域、熱ＣＶ
Ｄ領域、プラズマＣＶＤ領域１６６と交互に配置されて
いる。基板６９は、回転軸７９を軸として回転するサセ
プター７１の上に装着され、熱ＣＶＤ領域と、プラズマ
ＣＶＤ領域を交互に通過するようになっている。

【００２６】熱ＣＶＤ領域７０には、ＴＥＯＳ導入口７
３とオゾン導入口７５から、ＴＥＯＳガス及びオゾン含
有酸素が導入され、ガス分散板８３とシャワーインジェ
クター８１で均一に分散された後、基板６９の表面へ供
給される。基板６９はサセプター７１の裏側に設置され
たヒーター８０によって約３５０℃に加熱されているた
め、基板上でオゾンとＴＥＯＳによる熱ＣＶＤ膜が成長
する。

【００２７】プラズマＣＶＤ領域１６６には、ＴＥＯＳ
導入口７３と酸素導入口７４からＴＥＯＳガス及び酸素
ガスが導入され、ガス分散板８３′とシャワー電極７８
で均一に分散され、基板６９′の表面に供給される。シ
ャワー電極７８は、絶縁リング８２及び絶縁体７６によ
って、反応室の他の部分から電気的に絶縁されており、
ＲＦ導入端子７７から１３．５６ＭＨｚ或いは４５０ｋ
Ｈｚの高周波電圧が印加される。これらの高周波電圧の
印加によって、シャワー電極７８と基板６９′或いは、
サセプター７１の間にプラズマが励起され、プラズマＣ
ＶＤ膜が形成される。

【００２８】前述したように、基板６９は、回転するサ
セプター７１とともに、プラズマＣＶＤ領域と熱ＣＶＤ
領域を交互に通過するため、プラズマＣＶＤ膜と熱ＣＶ
Ｄ膜が交互に形成される。この際、サセプター７１の回
転速度を毎分１０回転程度にすると、熱ＣＶＤ領域７０
で形成される熱ＣＶＤ膜の膜厚は約２ｎｍ程度となり、
隣合うプラズマＣＶＤ領域の成膜初期でプラズマ照射さ
れ、膜質はプラズマＣＶＤ膜と同様になる。このように
して、図４で述べたのと同様に、膜質はプラズマＣＶＤ
膜と同様で、ステップカバレッジ及び段差埋め込み性に
優れたＣＶＤ膜が形成される。

【００２９】尚、本実施例では、反応室を６つの領域に
分割したが、これは２つ以上であれば幾つでも構わな
い。また、成膜領域の種類を熱ＣＶＤ領域とプラズマＣ
ＶＤ領域の２種類にしたが、プラズマＣＶＤ領域を印加
する高周波の周波数や印加電力によって２種以上設けて
も良い。

【００３０】さらに、本実施例では、サセプター７１を
平面のターンテーブル状にし、上方に、シャワーインジ
ェクターやシャワー電極を設けたが、サセプターを円筒
或いは多角柱状にし、その外側面に基板を装着し、基板
と対向してシャワー電極等を設けても同様の結果が得ら
れる。

【００３１】また、本実施例では、有機シランガスとし
て、珪酸エチル（ＴＥＯＳ：Ｓｉ（ＯＣ₂Ｈ₅）₄）を
用いたが、テトラメチルシラン（ＴＭＳ：Ｓｉ（Ｃ
Ｈ₃）₃），テトラメチルシクロテトラシロキサン（Ｔ
ＭＣＴＳ），オクタメチルシクロテトラシロキサン（Ｏ
ＭＣＴＳ），ヘキサメチルジシラザン（ＨＭＤＳ），ト
リエトキシシラン（ＳｉＨ（ＯＣ₂Ｈ₅）₃），トリジ
メチルアミノシラン（ＳｉＨ（Ｎ（ＣＨ₃）₂）₃）等
のシリコン含有化合物を用いても同様の結果が得られ
る。また、反応ガス中にオゾンが存在しなくても、酸素
ラジカルやＴＥＯＳ解離分子の寿命はかなり長いので、
ディーティー比の値を適当に選べば、同様の結果が得ら
れる。さらに、反応ガス中に、シラン等のシリコン無機
化合物やアンモニア等窒素化合物や、リン，ホウ素，砒
素，アンチモン等の水素化物や有機化合物を混入させた
場合にも同様の結果が得られる。

【００３２】図７に、本発明の実施例２のプラズマ化学
気相成長装置の概略を示す。イオン源空洞９３には、流
量調節器１０３で流量調節された酸素ガスＯ2 と、流
量調節器８７で流量調節されたアルゴンガスＡｒが供給
され、圧力は、ｐ＝１ｍＴｏｒｒに保たれている。ま
た、マイクロ波電源８４から、導波管８５及び透過窓８
６を経由して、周波数２．４５ＧＨｚのマイクロ波が供
給されている。さらに、主電磁石コイル９４の作る８７
５ガウスの磁場によって、イオン源空洞９３内では電子
サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ）が起こっており、イオン
化率の高い酸素プラズマが発生する。酸素イオンは主電
磁石コイル９４の発散磁界及び補助コイル９６によって
反応室９５へ引き出され、基板１０６へ照射される。

【００３３】シリコン原料となるＴＥＯＳガスは、８０
℃に保たれた恒温容器１１２内に保温されたＴＥＯＳ１
１１から蒸発したＴＥＯＳガスを、流量調節器１１３で
流量調節してＴＥＯＳ導入口１０７から反応室へ導入さ
れる。また、流量調節器１０１で流量調節された酸素ガ
スが、オゾン発生器９８を通過してオゾン含有酸素にな
り、オゾン導入口９７から供給される。基板１０６は、
サセプター１０９上に装着され、ヒーター１１０によっ
て３００℃に加熱されている。また、反応室の圧力は、
流量調節器８８によって流量調節され、Ａｒ導入口１０
８から供給される希釈用アルゴンガスと真空ポンプ１０
５によって、約１ｍＴｏｒｒに保たれている。

【００３４】本実施例のプラズマＣＶＤ装置では、ま
ず、イオン源空洞９３内に酸素プラズマを発生させる。
補助コイル９６、９６′に流す電流は、イオン源から基
板に向かう磁場を発生させる向きで小さな値にしてお
き、酸素プラズマの照射が均一になる程度にしておく。
また、反射磁石コイル１０２、１０２′に流す電流も、
イオン源から基板に向かう磁場を発生させる向きで小さ
な値にしておく。この状態で、基板１０６表面に酸素イ
オンを照射させ、ＴＥＯＳガスを供給すると、ＥＣＲプ
ラズマ気相成長が起こり、膜質の良いプラズマＣＶＤ膜
が形成される。次に、補助コイル９６、９６′に流す電
流の値を強くして、イオン源空洞出口付近にミラー型磁
場が形成されるようにし、主電磁石コイル９４，９４′
の発散磁界によってプラズマから流れ出す電子及びイオ
ンが跳ね返るようにする。すると、基板１０６上には、
ＴＥＯＳガスとイオン源から拡散してくる酸素ラジカ
ル、酸素分子等の中性粒子のみが供給され、熱ＣＶＤ的
な反応のみが起こり、ステップカバレッジの良い成膜が
行われる。そこで、補助コイル９６，９６′に流す電流
を、１秒から１０秒程度の周期で変化させると、基板１
０６に照射される酸素イオン数が周期的に変化し、プラ
ズマＣＶＤ膜と熱ＣＶＤ膜が交互に形成され、さらに、
熱ＣＶＤ膜のプラズマＣＶＤ膜への改質も行われて、図
４と同様に、ステップカバレッジ及び段差埋め込み性に
優れたプラズマＣＶＤが形成される。特に本実施例で
は、反応室圧力を１ｍＴｏｒｒ程度にしているので、ア
スペクト比の大きな溝の埋め込みも可能になる。

【００３５】尚、基板１０６に照射される酸素イオンを
変化させる手段として、上記の例では補助コイル９４に
よって形成されるミラー型磁場を用いたが、反射磁石１
０２，１０２′によって形成されるカスプ型磁場や、サ
セプター１０９に正の電圧を印加して形成される反跳電
場を用いても良い。また、図７には示されていないが、
機械的なシャッターを用いても同様の結果が得られる。
但し、機械的シャッター等を用いて、酸素ラジカルの拡
散を妨げるような構造にした場合には、オゾン発生器９
８を動作させて基板近傍にオゾンを供給し、熱化学気相
成長を促進し、熱ＣＶＤ膜の成長を促進するようにした
方がよいのは言うまでもない。

【００３６】また、上記実施例では、イオン源として電
子サイクロトロン共鳴型（ＥＣＲ）イオン源を用いた
が、酸素イオンの強度を変化させる事が出来れば、その
形式によらず同様の結果が得られる。

【００３７】また、本実施例では、有機シランガスとし
て、珪酸エチル（ＴＥＯＳ：Ｓｉ（ＯＣ₂Ｈ₅）₄）を
用いたが、テトラメチルシラン（ＴＭＳ：Ｓｉ（Ｃ
Ｈ₃）₃），テトラメチルシクロテトラシロキサン（Ｔ
ＭＣＴＳ），オクタメチルシクロテトラシロキサン（Ｏ
ＭＣＴＳ），ヘキサメチルジシラザン（ＨＭＤＳ），ト
リエトキシシラン（ＳｉＨ（ＯＣ₂Ｈ₅）₃），トリジ
メチルアミノシラン（ＳｉＨ（Ｎ（ＣＨ₃）₂）₃）等
のシリコン含有化合物を用いても同様の結果が得られ
る。さらに、反応ガス中に、シラン等のシリコン無機化
合物やアンモニア等窒素化合物や、リン，ホウ素，砒
素，アンチモン等の水素化物や有機化合物を混入させた
場合にも同様の結果が得られる。

【００３８】図８は、本発明の参考例２にもとづき、ア
ルミ多層配線の層間絶縁膜平坦化法を表す縦断面図であ
る。

【００３９】本参考例では、まず、半導体素子等を形成
した基板１１５上にアルミ配線１１４を形成する（図８
（ａ））。次に、本発明の参考例１のプラズマ化学気相
成長装置を用いて、図中（ｂ），（ｃ）のように、本発
明のＣＶＤ膜１１６をアルミ配線の膜厚より厚く形成す
る。レジスト１１７を塗布しハードベークする。レジス
ト１１７と本発明のＣＶＤ膜１１６のエッチングレート
が等しくなるように調整した反応性イオンエッチング法
を用いて、エッチバックを行い、ＣＶＤ膜の表面が平坦
になるようにする。すると、平坦化された層間膜１１８
が出来上がる。

【００４０】尚、本参考例では、平坦化のためにレジス
トを用いたが、ポリスチレンや有機ＳＯＧ等を用いても
同等の結果が得られる。また、平坦化法として、研磨法
を用いれば、基板全面に渡って良好な平坦性が得られ
る。

【００４１】図１３は、図１の参考例１のプラズマ化学
気相成長装置を使用した、実施例３の動作の方法を示し
ている。図１３では、１３．５６ＭＨｚ高周波電力，４
５０ｋＨｚ高周波電力，イオン電流密度，平均イオンエ
ネルギーについて表している。但し、いずれの値も、そ
れぞれの値の最大値で規格化してある。

【００４２】本実施例の動作の方法では、図１３の下か
ら１段目及び２段目の様に、図１の１３．５６ＭＨｚと
４５０ｋＨｚの２つの周波数の高周波電源３９，３６
に、パルスジェネレータ４０からパルスを送り、２つ周
波数の高周波の最大出力が逆位相になるようにして、シ
ャワー電極１９に電圧を印加している。すると、図１３
下から３段目および４段目の様に、イオン電流密度の変
化は小さいが、平均イオンエネルギーは、４５０ｋＨｚ
高周波電力が最大の時に最大値を取り、１３．５６ＭＨ
ｚ高周波電力が最大の時に最小となるように出来る。こ
れは、印加する高周波の周波数が高いと、プラズマと基
板の間に生ずる電圧（シース電圧）が減少する事によ
る。このように、イオン電流密度を変えないで、イオン
エネルギーのみを変化させた場合、イオン衝撃の強度は
周期的に変化し、膜質の劣化が無く、段差被覆性および
溝埋め込み性が改善される点では、実施例１と同様であ
るが、さらに、図１３最上段の様に、膜成長速度の変化
が１０％程度に小さくできるという利点がある。

【００４３】尚、本実施例では、図１の装置を用いた
が、本特許の他の実施例で示した、図６，図７の装置を
用いても同様の結果を得る事が出来る。

【００４４】尚、本実施例では、有機シランガスとし
て、珪酸エチル（ＴＥＯＳ：Ｓｉ（ＯＣ₂Ｈ₅）₄）を
用いたが、テトラメチルシラン（ＴＭＳ：Ｓｉ（Ｃ
Ｈ₃）₃），テトラメチルシクロテトラシロキサン（Ｔ
ＭＣＴＳ），オクタメチルシクロテトラシロキサン（Ｏ
ＭＣＴＳ），ヘキサメチルジシラザン（ＨＭＤＳ），ト
リエトキシシラン（ＳｉＨ（ＯＣ₂Ｈ₅）₃），トリジ
メチルアミノシラン（ＳｉＨ（Ｎ（ＣＨ₃）₂）₃）等
のシリコン含有化合物を用いても同様の結果が得られ
る。また、反応ガス中にオゾンが存在しなくても、酸素
ラジカルやＴＥＯＳ解離分子の寿命はかなり長いので、
デューティー比の値を適当に選べば、同様の結果が得ら
れる。さらに、反応ガス中に、シラン等のシリコン無機
化合物やアンモニア等窒素化合物や、リン，ホウ素，砒
素，アンチモン等の水素化物や有機化合物を混入させた
場合にも同様の結果が得られる。

【００４５】さらにまた、本実施例では、シャワー電極
１９に印加する高周波電力のみを変化させたが、パルス
ジェネレータ４０の生成するパルスに同期して、高周波
電力，反応室圧力，基板温度，ガス流量等を変化させる
と、より良好な段差被覆性が得られる。

【００４６】

【発明の効果】以上説明したように本発明のプラズマ化
学気相成長法は、基板表面へのプラズマ照射強度を周期
的に変化させながら、優れたステップカバレッジを持つ
オゾンとＴＥＯＳの熱ＣＶＤ膜の形成と、その熱ＣＶＤ
膜のプラズマＣＶＤ膜と同等な膜質への改質、および、
プラズマＴＥＯＳ・ＣＶＤ膜の形成を繰り返して行うた
め、微細でアスペクト比の大きい溝を埋め込む事が可能
なほど優秀なステップカバレッジを有し、膜中水分量や
膜中ストレスが小さく、良好な膜質を有するプラズマＣ
ＶＤ膜の形成が可能になる効果がある。

【００４７】また、本発明のプラズマ化学気相成長装置
は、有機シランを供給する機構と、酸素或いはオゾン含
有酸素を供給する機構と、プラズマ発生強度を周期的に
変化させる機構、或いは、１つの反応容器内に設けられ
たプラズマ強度の異なる複数のプラズマ照射機構と、こ
の複数のプラズマ照射機構の間で基板を移動させる機
構、或いは、プラズマ照射強度を周期的に変化させるた
めの機械的或いは電磁的なシャッターとを有しているた
め、本発明のプラズマ化学気相成長法を効果的に実現で
きる。

【００４８】また、本参考例２の多層配線の製造方法
は、有機シランと酸素を原料ガスとし、基板表面へのプ
ラズマ照射強度を周期的に変化させる、本特許記載の化
学気相成長法を用い、金属配線間に鬆（ボイド）の発生
の無い絶縁膜を、金属配線の高さ以上の膜厚だけ形成す
る工程を含むため、シリカ塗布膜を用いる従来の多層配
線の製造方法に比べ、層間膜中の水分量が大幅に減少
し、耐クラック性の向上、ストレスマイグレーションの
低減、スルーホールの導通特性の向上等が図られる。ま
た、本発明の多層配線の製造方法の工程数は、従来の方
法に比べて著しく減少しているので、歩留まりが向上
し、コストが低減されるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の参考例１を表すプラズマ化学気相成長
装置の概略縦断面図である。

【図２】図１のプラズマ化学気相成長装置の動作を、印
加高周波電力、酸素イオン数、オゾン濃度の時間変化に
ついて表したものである。

【図３】本発明の原理の概略を表すモデル図である。

【図４】図２のような動作を行った際の、時間経過と膜
の成長過程を表す縦断面図である。

【図５】図２のような動作を行った際の、高周波オン時
間（ｔON）の割合（デューティーＤ）と膜成長速度、ス
テップカバレッジ、ＯＨ基の吸収係数の関係図である。

【図６】本発明の実施例１のプラズマ化学気相成長装置
の反応室を示し、（ａ）は概略平面図であり、（ｂ）
は、（ａ）の二点鎖線ＡＡ′での縦断面図（なお、
（ａ）は、（ｂ）の一点鎖線ＢＢ′での平面図）であ
る。

【図７】本発明の実施例２のプラズマ化学気相成長装置
の概略を表す縦断面図である。

【図８】本発明の参考例２のアルミ多層配線の層間絶縁
膜平坦化法を表す縦断面図である。

【図９】従来のプラズマ気相成長装置の概略図である。

【図１０】プラズマ化学気相成長法と、オゾンとＴＥＯ
Ｓの熱化学気相成長法とを交互に使用する従来の方法に
おける、シャワー電極に印加される高周波電力と、プラ
ズマ中の酸素イオン数と、原料ガス中のオゾン濃度の、
成膜時間に対する変化図である。

【図１１】プラズマ化学気相成長法とオゾン熱化学気相
成長法を交互に行った場合の膜成長を表す縦断面図であ
る。

【図１２】プラズマ化学気相成長法とシリカ塗布法を用
いた、従来の多層配線用平坦化絶縁膜の形成方法を示す
縦断面図である。

【図１３】図１の参考例１のプラズマ化学気相成長装置
を使用した、実施例３の動作の方法を示す、高周波電力
等の時間変化図である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) H01L 21/316 H01L 21/31 H01L 21/205 C23C 16/50

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】原料ガスに周波数が複数の周波数の間を周
期的に変化する高周波電圧を印加して発生させたプラズ
マを用いて薄膜を形成するプラズマ化学気相成長法にお
いて、印加された前記高周波電圧の周波数が大きい時に
成膜された薄膜を印加された前記高周波電圧の周波数が
小さい時に成膜される薄膜と同質の薄膜に改質すること
を特徴とするプラズマ化学気相成長法。
【請求項２】反応容器内に載置した基板表面に有機シラ
ンおよび酸素を供給する機構と、前記反応容器内に供給
された酸素をプラズマ化する酸素プラズマイオン源と、
前記酸素プラズマイオン源と前記基板表面との間に基板
表面への前記酸素プラズマイオンの照射強度を周期的に
変化させる機械的シャッター、或いは、電磁的なシャッ
ターと、前記基板表面への前記酸素プラズマイオン照射
強度が小さい周期中に形成する化学気相成長膜が前記酸
素プラズマイオン照射強度が大きい周期中に前記酸素プ
ラズマイオン照射強度が大きい時に形成する化学気相成
長膜と同質の膜に改質される膜厚形成されるよう前記酸
素プラズマイオン照射強度の変化の周期およびデューテ
ィー比を制御する機構を有する事を特徴とするプラズマ
化学気相成長装置。
【請求項３】反応容器内に載置した基板表面に有機シラ
ンおよびオゾン含有酸素を供給する機構と、前記反応容
器内に供給されたオゾン含有酸素をプラズマ化する酸素
プラズマイオン源と、前記酸素プラズマイオン源と前記
基板表面との間に基板表面への前記酸素プラズマイオン
の照射強度を周期的に変化させる機械的シャッター、或
いは、電磁的なシャッターと、前記基板表面への前記酸
素プラズマイオン照射強度が小さい周期中に形成する化
学気相成長膜が前記酸素プラズマイオン照射強度が大き
い周期中に前記酸素プラズマイオン照射強度が大きい時
に形成する化学気相成長膜と同質の膜に改質される膜厚
形成されるよう前記酸素プラズマイオン照射強度の変化
の周期およびデューティー比を制御する機構を有する事
を特徴とするプラズマ化学気相成長装置。
【請求項４】有機シランを供給する機構と、酸素を供給
する機構と、１つの反応容器内に設けられたプラズマ強
度の異なる複数のプラズマ照射機構と、前記複数のプラ
ズマ照射機構の間で基板を移動させる機構とを有する事
を特徴とするプラズマ化学気相成長装置。
【請求項５】有機シランを供給する機構と、オゾン含有
酸素を供給する機構と、１つの反応室内に設けられたプ
ラズマ強度の異なる複数のプラズマ照射機構と、前記複
数のプラズマ照射機構の間で基板を移動させる機構とを
有する事を特徴とするプラズマ化学気相成長装置。
【請求項６】薄膜を形成する基板を載置する反応容器
と、前記反応容器内に原料ガスとして有機シランと酸素
あるいはオゾンとを供給する機構と、前記反応容器内に
あって前記原料ガスに高周波電圧を印加してプラズマを
発生させる対向した電極と、周波数の異なる複数の高周
波電源と、前記対向した電極に前記周波数の異なる複数
の高周波電圧を交互に周期的に印加し、前記高周波電圧
の周波数が高い周期に形成された薄膜を前記高周波電圧
の周波数が低い周期の間に前記高周波電圧の周波数が低
い周期に形成する薄膜と同質の薄膜に改質されるだけの
膜厚形成するよう前記周期を制御するパルスジェネレー
タと、前記周期に同期して前記基板の温度、反応容器圧
力、原料ガス流量、高周波電力をそれぞれ制御する基板
温度制御部と反応容器圧力制御部と原料ガス制御部と高
周波制御部とを備えたことを特徴とするプラズマ化学気
相成長装置。
【請求項７】前記周波数が小さい期間が前記周期の１周
期の内にしめるデューティー比が０．４〜０．６である
事を特徴とする請求項１記載のプラズマ化学気相成長
法。