JPH08288272A

JPH08288272A - ヘリコン波プラズマｃｖｄ方法

Info

Publication number: JPH08288272A
Application number: JP7092835A
Authority: JP
Inventors: Shingo Kadomura; 新吾門村
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 1995-04-18
Filing date: 1995-04-18
Publication date: 1996-11-01

Abstract

(57)【要約】【目的】ヘリコン波プラズマ装置におけるＣＶＤ原料
ガスの解離状態やチャンバ内イオン電流密度分布を自在
に制御し、大口径ウェハに対しても面内均一性の高いＣ
ＶＤを行う。【構成】プラズマ生成チャンバ１の天板２に対向する
ｍ＝０モード・プラズマ励起用のシングルループ・アン
テナ６と、該チャンバの側壁面を周回するｍ＝１モード
・プラズマ励起用のハーフターン・アンテナ７を設け、
スイッチ１２の操作でこれら両アンテナ６，７に通常の
高周波電源１３またはパルス電源１４のいずれかを接続
し、駆動アンプ６２，７２によりそれぞれの出力を調整
しながら２つのモードのヘリコン波プラズマＰ_H の同時
連続生成または同時間欠生成を行う。プラズマ輸送は外
周側ソレノイド・コイル８ｂに接続されるスイッチ８２
で制御する。【効果】微細な配線間スペースもＳｉＯｘ層間絶縁膜
で良好に埋め込み可能である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、半導体装置の製造等の
微細加工分野に適用されるヘリコン波プラズマＣＶＤ方
法に関し、特にプラズマ生成チャンバ内のイオン密度分
布を自在に変化させながら、高アスペクト比段差を有す
る基板上や多層配線構造上における絶縁膜の平坦性の向
上と膜質の改善を図る方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年のＶＬＳＩ，ＵＬＳＩ等の高集積化
半導体デバイスにおいては、数ｍｍ角のチップ上に数百
万個以上もの素子を集積させることが必要とされる。し
かし、かかる高集積化に二次元的な素子の微細化で対応
することはもはや困難である。このため、素子分離，容
量素子，トランジスタ等の構造部へトレンチを応用した
り、あるいは多層配線を採用する等、デバイス構造の三
次元化が進められており、特にロジック系デバイスでは
４層以上もの多層配線構造も採用されるようになってい
る。このような三次元的構造の内部では、トレンチや配
線間スペースのアスペクト比が優に１を超えている。そ
こで、配線パターンの信頼性やフォトリソグラフィの解
像度を確保する観点から、これらトレンチや配線間スペ
ースを層間絶縁膜で均一に埋め込み、その表面を基板の
全面にわたって平坦化する、いわゆるグローバル平坦化
の重要性が益々増大している。このグローバル平坦化
は、デザイン・ルール０．２５μｍ以降においては必須
の技術となるものとみられている。

【０００３】グローバル平坦化を実現するための主な手
法として、従来より次のものが提案されている。（ａ）塗布型絶縁膜のエッチバック（ｂ）バイアスＥＣＲプラズマＣＶＤ法による層間絶縁
膜の成膜（ｃ）ＣＭＰ（化学機械研磨）上記（ａ）の塗布型絶縁膜のエッチバックとは、基板表
面にＳＯＧ（スピン・オン・グラス）等の液状ガラス材
料を塗布して硬化させた後、この塗膜の膜厚を異方性エ
ッチングにて全面的に減少させる手法である。

【０００４】上記（ｂ）のバイアスＥＣＲプラズマＣＶ
Ｄとは、ＥＣＲ（電子サイクロトロン共鳴）を利用して
低ガス圧下で高いイオン電流密度を有するＥＣＲプラズ
マを生成させて段差被覆性（ステップ・カバレージ）に
優れる膜を成膜すると共に、上記プラズマ生成とは独立
に基板バイアスを制御してイオン・スパッタ作用による
平坦化効果も併せて狙う手法である。バイアスＥＣＲプ
ラズマＣＶＤにより成膜されたＳｉＯｘ膜は、Ｓｉ原
子のダングリングボンドが少ないために水分のトラップ
が少なく、したがってＳｉ−ＯＨ基やＳｉ−Ｈ基の含有
量の低い緻密な膜質を持つことが知られている。

【０００５】さらに、上記（ｃ）のＣＭＰとは、研磨布
を張着した定盤に基板の被研磨面を接触させ、研磨微粒
子を含有するアルカリ性のスラリーを研磨布上に供給し
ながら定盤と基板の双方を回転させることにより平坦化
を達成する手法である。この方法は、スラリーの選択や
研磨布のドレス（研削による表面粗度の調整）等、条件
の最適化に少なからずノウハウを必要とするものの、グ
ローバル平坦化能力の高さから、ＣＰＵ等のようなコス
トに見合うデバイスの製造にすでに導入されている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
た従来の平坦化技術には、解決すべき課題も多い。

【０００７】まず、（ａ）の塗布型絶縁膜のエッチバッ
クについては、実用上十分な平坦度を達成するには塗布
とエッチバックを１回ずつ行うのみでは到底不十分であ
り、多大な工程増によるコストの上昇や、エッチバック
を繰り返すことによる均一性の劣化を招く虞れが大き
い。

【０００８】上記（ｂ）のバイアスＥＣＲプラズマＣＶ
Ｄについては、原料ガスとしてＴＥＯＳ（テトラエトキ
シシラン）等の有機シラン系ガスを用いることができな
い。これは、ＥＣＲプラズマのプラズマ密度が極めて高
いために、流動性に寄与するはずの膜形成前駆体の解離
が進み過ぎてしまい、多量の炭素成分を膜中に残存させ
てＳｉＯｘ膜の膜質を劣化させる虞れが大きいからであ
る。このため、原料ガスとしてＳｉＨ₄ （モノシラン）
等の無機シリコン系化合物ガスを用いざるを得ないが、
平坦化性や埋め込み特性の向上に限界を生じている。

【０００９】バイアスＥＣＲプラズマＣＶＤにはこの
他、装置構成に原理的に起因する問題もある。すなわ
ち、ＥＣＲプラズマＣＶＤ装置においては、近年の大口
径ウェハに対応してプラズマ・ソース内のプラズマ均一
性を向上させるためにプラズマ生成室が大型化する傾向
にあり、またこのプラズマ生成室から発散磁界によって
拡散チャンバへプラズマを引き出しているため、拡散チ
ャンバも必然的に大型化している。したがって、拡散チ
ャンバ内部における堆積物の付着面積もそれだけ大きく
なり、ウェハ近傍に常に大量のパーティクルが存在する
状態となっている。しかも、この拡散チャンバはプラズ
マ・ソースから離れた位置にあるため、プラズマ中から
チャンバ壁面へのイオン入射も余り期待できず、特に拡
散チャンバの側壁面へのイオン入射は少ない。したがっ
て、たとえ成膜サイクルの一部にプラズマ・クリーニン
グを採り入れたとしても、壁面上の堆積物のスパッタ除
去機構を効率良く働かせることができず、パーティクル
・レベルが悪化する結果を招いている。

【００１０】しかも、周波数２．４５ＧＨｚのマイクロ
波を磁場中で回転する電子に共鳴的に吸収させるために
８．７５×１０^-2Ｔ（＝８７５Ｇ）もの強磁場を用いて
いるため、基板の表面近傍にも１×１０^-2Ｔレベルの磁
場が存在する。この磁場の存在のために生ずる反磁性ド
リフトや荷電交換でイオン温度が上昇し、イオンの水平
速度成分が増え、ウェハ周辺部においてイオン・スパッ
タ作用が不均一化するという問題もある。

【００１１】上記（ｃ）のＣＭＰは、プラズマ・ダメー
ジを生ずる虞れもなく、有望視されている手法である
が、ＣＭＰ単独で平坦化を達成することは実際には困難
であり、あくまでもその前段階で層間絶縁膜ができるだ
け平坦に形成されていることが前提となる。現状では、
バイアスＥＣＲプラズマＣＶＤ法との組み合わせで実用
化されているが、バイアスＥＣＲプラズマＣＶＤ法に前
述のような種々の問題があるために、今後は新しいプラ
ズマ・ソースとの組み合わせも考えてゆく必要がある。

【００１２】そこで本発明は、高アスペクト比段差を有
する基板上や多層配線構造上における絶縁膜の平坦性の
向上と膜質の改善を図ることが可能なＣＶＤ方法を提供
することを目的とする。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明のヘリコン波プラ
ズマＣＶＤ方法は、上述の目的を達成するために提案さ
れるものであり、単一のプラズマ生成チャンバ内にｍ＝
０モードのヘリコン波プラズマとｍ＝１モードのヘリコ
ン波プラズマとをそれぞれ励起可能な２系統の高周波ア
ンテナと、磁界生成手段とを備えたヘリコン波プラズマ
装置を用い、該プラズマ生成チャンバに接続される拡散
チャンバ内に収容された基板に対してＣＶＤを行うもの
である。

【００１４】ヘリコン波プラズマは、円筒状のチャンバ
に磁場を印加し、さらにこのチャンバに巻回されるルー
プ・アンテナに高周波を印加して該チャンバ内にヘリコ
ン波を生成させ、このヘリコン波からランダウ減衰の過
程を通じて電子へエネルギーを輸送することにより該電
子を加速し、この電子をガス分子に衝突させて高いイオ
ン化率を達成するプラズマである。ヘリコン波プラズマ
装置では、１０^-4Ｐａ台の低圧下でおおよそ１０¹¹〜１
０¹³／ｃｍ³のイオン密度（イオン電流密度では１６〜
２０ｍＡ／ｃｍ²）を達成することができる。

【００１５】しかもヘリコン波には、イオン・サイクロ
トロン周波数ω_ciと電子サイクロトロン周波数ω_ceの間
の比較的広いＲＦ周波数領域で伝搬できるという特性が
あり、この点で共鳴条件が満足される限られた領域内で
しか電子加熱が行われないＥＣＲ（電子サイクロトロン
共鳴）放電に比べて有利である。また、プラズマ生成に
強磁場を必要としないため、基板近傍の磁界も弱く、基
板周辺部におけるイオンの斜め入射の問題も起こらな
い。

【００１６】ｍ＝０モードおよびｍ＝１モードのヘリコ
ン波プラズマを励起させるためのアンテナとしては、従
来より幾つかのタイプが提案されている。たとえば、ｍ
＝０モードのヘリコン波プラズマは、最も単純なシング
ルループ・アンテナの他、伝搬するヘリコン波の波長の
約半分に等しい距離だけ離間され互いに逆方向の電流が
流れる２個のループでプラズマ生成チャンバを周回させ
たダブルループ・アンテナを用いて励起することができ
る。また、ｍ＝１モードのヘリコン波プラズマは、プラ
ズマ生成チャンバを部分的に周回するハーフターン・ア
ンテナを用いて励起することができる。ただし、本発明
では単一のプラズマ生成チャンバの近傍に２系統のアン
テナを設置する都合上、互いに空間的に障害とならない
ことが必要である。したがってたとえば、ｍ＝０モード
のヘリコン波プラズマを励起させるための第１のアンテ
ナとして、シングルループ・アンテナをプラズマ生成チ
ャンバの天板部分に設置し、ｍ＝１モードのヘリコン波
プラズマを励起させるための第２のアンテナとして、ハ
ーフターン・アンテナをプラズマ生成チャンバの側壁部
に設置すると良い。

【００１７】上記ＣＶＤは、上記２系統の高周波アンテ
ナに同時連続的に高周波電力を供給しながら行っても良
いが、同時間欠的に供給しながら行うこともできる。こ
の同時間欠印加は、パルス電源を用いて実現することが
できる。この電源により発生されるパルスは、その幅が
１０μｓ（マイクロ秒）のオーダーに選択される。これ
は、電子温度の緩和時間がｎｓ（ナノ秒）のオーダーで
あるのに対し、プラズマの寿命が数十μｓのオーダーと
長いことを利用して、プラズマ密度を略一定に維持しな
がら電子温度のみを周期的に増減させるためである。電
子温度はＣＶＤの原料ガスの解離反応や基板表面のシー
ス電圧を決定するパラメータであるから、上述のような
パルス放電により、高度な解離制御やイオン・エネルギ
ーの制御が可能となる。

【００１８】さらにあるいは、上記ＣＶＤを上記２系統
の高周波アンテナへの電力供給を高速に切り替えながら
行っても良い。この高速切り替えは、電力供給系統に高
速スイッチング手段を設けることにより可能となる。こ
の切り替えを行う場合には、ｍ＝０モード・プラズマと
ｍ＝１モード・プラズマとを交互に生成させることがで
き、両プラズマの生成比は切り替えタイミングに依存す
ることになる。

【００１９】なお、本発明において２系統の高周波アン
テナへの高周波電力の同時連続印加または同時間欠印加
を行う場合には、上記電力供給系統に前記第１のアンテ
ナと第２のアンテナに供給される高周波の位相を互いに
ずらすための位相調整手段を設けておくと一層好適であ
る。これは、両アンテナに供給される高周波の周波数が
等しい場合に共振を防止するためである。この位相調整
手段としては、典型的にはリレー回路を用いることがで
きる。また、この電力供給手段に前記第１のアンテナと
第２のアンテナへ供給する高周波電力を独立に制御する
ための出力調整手段を含めることも優れた方策である。
この出力調整手段としては、典型的には駆動アンプを用
いることができる。

【００２０】以上は高周波電界によるプラズマ制御であ
るが、本発明のヘリコン波プラズマＣＶＤ方法では、磁
界によるプラズマ制御を行っても良い。ここで用いられ
るヘリコン波プラズマＣＶＤの磁界生成手段としては、
ソレノイド・コイル、および該ソレノイド・コイルに対
する電流の供給／遮断を制御する磁界スイッチング手段
を含むものを用いることができる。特に、プラズマ生成
チャンバを内周側と外周側の２系統のソレノイド・コイ
ルで周回させているヘリコン波プラズマ装置では、たと
えば内周側のソレノイド・コイルがヘリコン波の伝搬、
外周側のソレノイド・コイルがヘリコン波プラズマの輸
送に用いられるといったように、各コイルの役割が異な
っている場合がある。このような場合には、たとえば内
周側ソレノイド・コイルに常時電流を印加しておき、外
周側ソレノイド・コイルへの電流の供給／遮断を制御す
ることにより、プラズマ生成チャンバから拡散チャンバ
へのヘリコン波プラズマの輸送を制御することもでき
る。これにより、基板近傍で利用できるプラズマの密度
を自在に変更することが可能となる。

【００２１】以上述べた方法は、本発明における最も基
本的なプラズマ制御のパターンに関するものであるが、
本発明の重要な用途が絶縁膜の成膜であることを考慮す
ると、段差被覆性と膜質（特に耐湿性）に共に優れる絶
縁膜を成膜するために、成膜工程を２工程化することも
有効である。すなわち、前記基板上に段差被覆性に優れ
る第１の薄膜を成膜する第１工程と、耐湿性に優れる第
２の薄膜を成膜する第２工程とに分けてＣＶＤを行い、
両工程間で上述したプラズマ制御を使い分けることが可
能である。

【００２２】具体的には、両工程間で前記２系統の高周
波アンテナへの電力供給比を変化させることにより、ｍ
＝０モードのヘリコン波プラズマとｍ＝１モードのヘリ
コン波プラズマの生成比を変化させること、あるいは前
記第１工程では前記磁界生成手段の制御を通じて前記拡
散チャンバへのヘリコン波プラズマの輸送に寄与する磁
界成分を消滅させ、前記第２工程では該磁界成分を生成
させながら行うこと、さらにあるいは前記第１工程では
前記２系統の高周波アンテナへの電力供給を同時間欠的
に行い、前記第２工程では該電力供給を同時連続的に行
うことができる。

【００２３】ここで、段差被覆性に優れる第１の薄膜と
しては、有機シリコン系化合物を含む原料ガスを用いて
成膜されるシリコン化合物系薄膜が代表的である。この
原料ガスの代表的なものは、Ｏ₂ ／ＴＥＯＳ混合ガス、
Ｈ₂Ｏ／ＴＥＯＳ混合ガスであり、これらを用いてＳｉ
Ｏｘ系絶縁膜が成膜される。あるいは、近年の層間絶縁
膜については微細化に伴う配線間容量の増大を緩和する
目的で誘電率を下げることが望まれているので、第１の
薄膜としてフッ素を含有するシリコン化合物系薄膜を成
膜しても良い。この膜は、たとえばフルオロカーボン系
ガスとＯ₂ 等の酸化性がスの混合ガスを原料ガスとして
成膜されるＳｉＯＦ系絶縁膜である。

【００２４】一方、耐湿性に優れる第２の絶縁膜として
は、シラン系化合物を含む原料ガスを用いて成膜される
シリコン化合物系薄膜が代表的である。具体的には、Ｓ
ｉＨ₄ （モノシラン）、Ｓｉ₂Ｈ₆（ジシラン）等のシラ
ン系ガスとＯ₂ 等の酸化性ガスを用いて成膜されるＳｉ
Ｏｘ系絶縁膜である。

【００２５】

【作用】ヘリコン波は、自由空間内では右手方向に円偏
波する純粋に電磁的な波であるが、プラズマ生成チャン
バのような限定空間内では特定のモードのみが励起さ
れ、静電性も備えた波となる。場の方程式の線形化から
演繹すると、最初の２モードとして図１に示されるよう
な電界パターンが存在する。ここで、（ａ）の図はｍ＝
０モード、（ｂ）の図はｍ＝１モードを表し、ｍの値は
電界増幅の表現中に登場するベッセル関数に対応する。
一連のパターン中、中央に表示されているパターンが位
相角φ＝０、上端が位相角φ＝π／２、下端が位相角φ
＝−π／２にそれぞれ対応している。ｍ＝０モードで
は、波は位相角＝０における完全に電磁的な状態から位
相角＝π/2における完全に静電的な状態に空間的に移行
する。両方の状態間では電界はらせん状であり、波は電
磁的および静電的の両方の性質を持つ。一方、ｍ＝１モ
ードは常に電磁成分と静電成分の混合であり、電場パタ
ーンは波の伝搬と共に単純に時計方向に回転する。

【００２６】上述のヘリコン波プラズマの伝搬モード
は、プラズマ生成チャンバの外側におけるアンテナの巻
回様式で変化することが知られており、このモードによ
りプラズマ生成チャンバ内における飽和イオン電流密度
分布も変化する。この変化の様子を図２に示す。図中、
横軸はプラズマ生成チャンバの直径方向の位置（ｍｍ）
を表し、縦軸は飽和イオン電流密度（ｍＡ／ｃｍ²）を
表す。この図からわかるように、ｍ＝０モードでは、飽
和イオン電流密度はチャンバ中央近傍で落ち込みその周
辺で高くなるような分布を示す。一方、ｍ＝１モード
は、チャンバ中央の比較的狭い範囲でピークを持つパタ
ーンを示す。

【００２７】通常のヘリコン波プラズマ装置は、ｍ＝
０，ｍ＝１のいずれか一方のモードのヘリコン波プラズ
マを励起するように設計されているので、いずれのモー
ドを励起した場合にもチャンバの直径方向全体にわたっ
て均一なイオン電流密度を達成することは困難である。
また、飽和イオン電流密度をＣＶＤの途中で変更するこ
とも不可能である。しかし、本発明のヘリコン波プラズ
マＣＶＤ方法に用いられるヘリコン波プラズマ装置は、
２系統の高周波アンテナを備えることによりこれら両方
のモードのヘリコン波プラズマを単一プラズマ生成チャ
ンバ内に励起することが可能とされているため、チャン
バ内のイオン電流密度分布は両方のモードの性格を兼ね
備えたものとなる。すなわち、ｍ＝０モードにおけるチ
ャンバ中央近傍のイオン電流密度の落ち込みを、ｍ＝１
モードにおけるピークで補うことが可能となり、結果と
してチャンバ直径方向の広い範囲にわたってイオン電流
密度を均一化することができる。

【００２８】さらに、高周波電力のパルス印加を行えば
電子温度の制御が可能となり、またｍ＝０，ｍ＝１両モ
ードのプラズマを交互に励起させれば、イオン／ラジカ
ル生成比の制御が可能となり、さらにまたヘリコン波プ
ラズマの輸送に寄与する磁場を制御すればプラズマ励起
とは独立に基板近傍のプラズマ密度の制御が可能となる
といった具合に、所望のプラズマ処理の内容に応じてき
め細かいプラズマの制御を行うことができる。

【００２９】このようなヘリコン波プラズマ装置を用い
てＣＶＤを行うと、一度にいずれか一方のモードのヘリ
コン波プラズマしか励起できなかった従来のヘリコン波
プラズマ装置を用いた場合に比べ、大口径のウェハに対
しても均一性の確保が容易となる。また、最初にＴＥＯ
Ｓ等の有機シリコン系化合物を含む原料ガスを用いて段
差被覆性に優れた絶縁膜を成膜し、次にＳｉＨ₄ 等の無
機シリコン系化合物を含む原料ガスを用いて耐湿性に優
れた絶縁膜を成膜するといった様に、ＣＶＤを２工程化
した場合にも、本発明のメリットは顕著に現れる。たと
えば、有機シリコン系化合物を含む原料ガスを放電させ
る工程では、流動性の高い成膜前駆体を形成し、かつ膜
中の残留有機成分を減少させるためにガスの解離を適度
に制限する必要があるが、逆に無機シリコン系化合物を
含む原料ガスを放電させる工程では十分な堆積速度を確
保するためにガスの解離を促進させる必要があり、各工
程で最適なプラズマ条件は異なっている。本発明の２工
程化されたヘリコン波プラズマＣＶＤ方法によれば、高
周波アンテナへの高周波電力の印加や磁場の印加に関す
る制御パラメータが多いために、このように複雑なプラ
ズマ制御を要求するケースにも容易に対応することが可
能である。

【００３０】

【実施例】以下、本発明の具体的な実施例について説明
する。

【００３１】実施例１本実施例では、ｍ＝０モードとｍ＝１モードのヘリコン
波プラズマを励起可能なヘリコン波プラズマＣＶＤ装置
を用い、ＳｉＨ₄ ／Ｏ₂ ガス系にて成膜されるＳｉＯｘ
層間絶縁膜でＡｌ系配線パターンの微細な配線間スペー
スを埋め込んだ。

【００３２】まず、本実施例で使用するヘリコン波プラ
ズマＣＶＤ装置の概念的な構成について、図３を参照し
ながら説明する。この装置のプラズマ生成部は、内部に
ヘリコン波プラズマＰ_H を生成させるための誘電体材料
からなるプラズマ生成チャンバ１、このプラズマ生成チ
ャンバ１の天板２から挿通される第１のガス供給管１
０、該天板２に対して平行に設けられるｍ＝０モード励
起用のシングルループ・アンテナ６、同じプラズマ生成
チャンバ１の側壁面を部分的に周回するｍ＝１モード励
起用のハーフターン・アンテナ７、上記ハーフターン・
アンテナ７のさらに外側においてプラズマ生成チャンバ
１を周回し、その軸方向に沿った磁界を生成させるソレ
ノイド・コイル８を主な構成要素とする。上記プラズマ
生成チャンバ１の構成材料は、たとえば石英とし、その
直径はたとえば３５ｃｍとした。

【００３３】上述の２系統の高周波アンテナの搭載は、
本装置の最大の特色であるが、これら両アンテナは共通
の電力供給系統に接続されている。この電力供給系統
は、通常の高周波電源１３と高周波パルス電源１４の２
種類の電源を含んでおり、いずれか一方がスイッチ１２
で選択されるようになされている。すなわち、スイッチ
１２の端子Ｓ１を選択すれば通常の高周波電源１３が、
また端子Ｓ２を選択すれば高周波パルス電源１４が両ア
ンテナに接続される。上記スイッチ１２とシングルルー
プ・アンテナ６の間には、位相調整手段としてのリレー
回路（Ｒ／Ｃ）６３、出力調整手段としての駆動アンプ
６２、インピーダンス調整用のマッチング・ネットワー
ク（Ｍ／Ｎ）６１がこの順に接続されている。また、上
記スイッチ１２とハーフターン・アンテナ７との間に
は、駆動アンプ７２とマッチング・ネットワーク（Ｍ／
Ｎ）７１がこの順に接続されている。

【００３４】本装置では、このように２つの駆動アンプ
６２，７２を用いて上記２系統のアンテナに供給する高
周波電力を独立に制御することができる。このことは、
前出の図２の２本の飽和イオン電流密度分布曲線のピー
クの高さを独立に変更することに等しく、所望のプロセ
スの内容に応じて最適なイオン電流密度分布を設定可能
であることを意味している。

【００３５】なお、上記リレー回路６３は、シングルル
ープ・アンテナ６とハーフターン・アンテナに供給され
る高周波の位相を互いにずらすことを目的としているの
で、図示した例とは逆にハーフターン・アンテナ７側に
接続されていても良い。リレー回路６３による位相のず
れは、たとえばπ／２に設定される。

【００３６】上記ソレノイド・コイル８は２重構造とさ
れており、主としてヘリコン波の伝搬に寄与する内周側
ソレノイド・コイル８ａと、主としてヘリコン波プラズ
マＰ_H の拡散チャンバ３への輸送に寄与する外周側ソレ
ノイド・コイル８ｂとからなる。これらソレノイド・コ
イル８ａ，８ｂは共通のＤＣ電源（Ｄ／Ｃ）８１に接続
されているが、外周側ソレノイド・コイル８ｂに至る電
流経路にはスイッチ８２が介在され、このスイッチ８２
のＯＮ／ＯＦＦによりヘリコン波プラズマＰ_Hの輸送が
制御されるようになされている。

【００３７】上記プラズマ生成チャンバ１には拡散チャ
ンバ３が接続され、上記ソレノイド・コイル８が形成す
る発散磁界に沿って該拡散チャンバ３の内部へヘリコン
波プラズマＰ_H を引き出すようになされている。拡散チ
ャンバ３の側壁面および底面は、ステンレス鋼等の導電
性材料を用いて構成されており、その内部は、図示され
ない排気系統により排気孔４を通じて矢印Ａ方向に高真
空排気されている。またその天井部からは、ウェハＷ近
傍に開口するリング状の吹き出し口を有する第２のガス
供給管５が挿通されており、矢印Ｂ方向にＣＶＤに必要
なガスの供給を受け、さらにその側壁面においてゲート
・バルブ１７を介し、たとえば図示されないロード・ロ
ック室に接続されている。

【００３８】なお、この装置は上述のように、第１のガ
ス供給管１０と第２のガス供給管５との２系統のガス供
給手段を備えている。これは、ヘリコン波プラズマを生
成させるためのガスの解離と、実際の堆積種を供給する
ためのガスの解離を互いにできるだけ離間させるためで
あり、これにより堆積種の効率良く生成させながら、プ
ラズマ生成チャンバ１内部のパーティクル汚染の低減が
図られている。

【００３９】さらに、上記拡散チャンバ３の外部には、
上記ウェハ・ステージ９近傍における発散磁界を収束さ
せ、またチャンバ壁によるプラズマ中の電子や活性種の
消滅を抑制するために、補助磁界生成手段としてマルチ
ポール磁石１１が配設されている。このマルチポール磁
石１１は、拡散チャンバ３内にマルチカスプ磁場を生成
させてプラズマ閉じ込めを行うものである。なお、この
マルチポール磁石１１の配設位置は、図示される例に限
られず、たとえばウェハ・ステージ９の支柱の周囲等の
他の場所であっても良い。さらにあるいは、これをソレ
ノイド・コイルに置き換え、ミラー磁場の形成によって
プラズマ閉じ込めを行うようにしても良い。

【００４０】上記拡散チャンバ３の内部には、その壁面
から電気的に絶縁された導電性のウェハ・ステージ９が
収容され、この上に被処理基板としてたとえばウェハＷ
を保持して所定のプラズマ処理（ここではＣＶＤ）を行
うようになされている。このウェハ・ステージ９には、
プラズマ中から入射するイオンのエネルギーを制御する
ためにウェハＷに基板バイアスを印加するバイアス印加
用高周波電源１６が、第２のマッチング・ネットワーク
（Ｍ／Ｎ）１５を介して接続されている。ここでは、バ
イアス印加用高周波電源１６の周波数を１３．５６ＭＨ
ｚとした。

【００４１】次に、上記の装置を用い、実際にＳｉＯｘ
層間絶縁膜のＣＶＤを行った。本実施例で用いたサンプ
ル・ウェハを図５に示す。このウェハにおいては、Ｓｉ
基板２０上にたとえばＳｉＯｘからなる下地絶縁膜２１
が積層され、さらにこの上にＡｌ系配線パターン２４が
部分的に不規則な間隔をもって形成されている。上記Ａ
ｌ系配線パターン２４は、たとえばＴｉ／ＴｉＮの積層
膜よりなるバリヤメタル２２上にＡｌ−１％Ｓｉ膜２３
が積層された多層膜をパターニングして形成されたもの
である。このパターニングは、具体的にはたとえばハー
フトーン型位相シフト・マスクと化学増幅系レジトスト
材料を用いたＫｒＦエキシマレーザ・リソグラフィを行
い、これにより形成されたレジスト・パターンをマスク
として異方性ドライエッチングを行うことで実現され
る。上記Ａｌ系配線パターン２４および配線間スペース
の最小値は０．２５μｍである。また、配線間スペース
の最大アスペト比は約２である。

【００４２】このウェハを上記ウェハ・ステージ９上に
セットし、スイッチ１２の端子Ｓ１を選択して２系統の
高周波アンテナに通常の高周波電源１３を共通に接続す
る一方、スイッチ８２をＯＮとしてヘリコン波プラズマ
Ｐ_H の輸送は常に行われる状態とした。ここで、一例と
して下記の条件でＳｉＯｘ層間絶縁膜を成膜した。

【００４３】Ｏ₂ 流量（第１のガス供給管１０）５０ＳＣＣＭＳｉＨ₄ 流量（第２のガス供給管５）５０ＳＣＣＭガス圧０．１３Ｐａシングルループ・アンテナ供給電力２５００Ｗ（１３．５６ＭＨｚ）ハーフターン・アンテナ供給電力２５００Ｗ（１３．５６ＭＨｚ）高周波バイアス電力１００Ｗ（１３．５６ＭＨｚ）このＣＶＤにより、図６に示されるように、不均一な配
線間スペースもＳｉＯｘ層間絶縁膜２５で良好に埋め込
むことができた。このときの膜厚均一性は、８インチ径
のウェハについて±２％と、極めて優れていた。

【００４４】この後、公知のＣＭＰ法により上記ＳｉＯ
ｘ層間絶縁膜２５の表面を研磨し、図７に示されるよう
に平坦化されたＳｉＯｘ層間絶縁膜２５ｐ（添字ｐは研
磨された膜であることを表す。）を得た。

【００４５】実施例２本実施例では、実施例１で上述したヘリコン波プラズマ
ＣＶＤ装置を用い、まず第１工程で高周波パルス電源１
４を接続してｍ＝０モード・プラズマとｍ＝１モード・
プラズマとを同時間欠生成させ、かつヘリコン波プラズ
マの輸送を抑制しながら段差被覆性に優れる第１のＳｉ
Ｏｘ層間絶縁膜を成膜した後、第２工程で通常の高周波
電源１３を用いて両プラズマを同時連続生成させ、かつ
プラズマ輸送も通常どおり行いながら耐湿性に優れる第
２のＳｉＯｘ層間絶縁膜を成膜した。

【００４６】すなわち、まず第１のＳｉＯｘ層間絶縁膜
の成膜工程では、前出の図５に示したサンプル・ウェハ
を実施例１で述べたヘリコン波プラズマ装置にセット
し、スイッチ１２の端子Ｓ２を選択してシングルループ
・アンテナ６とハーフターン・アンテナ７に高周波パル
ス電源１４を接続した。また、外周側ソレノイド・コイ
ルに接続されるスイッチ８２はＯＦＦとし、拡散チャン
バ３へのヘリコン波プラズＰ_H の輸送を抑制した状態と
した。この第１工程のＣＶＤ条件の一例を以下に示す。

【００４７】［第１工程］Ｏ₂ 流量（第１のガス供給管１０）５０ＳＣＣＭＴＥＯＳ流量（第２のガス供給管５）２０ＳＣＣＭＨ₂Ｏ流量（第２のガス供給管５）５０ＳＣＣＭガス圧０．１３Ｐａシングルループ・アンテナ供給電力２０００Ｗ（１３．５６ＭＨｚ）ハーフターン・アンテナ供給電力１０００Ｗ（１３．５６ＭＨｚ）高周波スイッチング周期３０ μｓ高周波バイアス電力１００Ｗ（１３．５６ＭＨｚ）上記第１工程では、高周波アンテナへの電力供給を間欠
的としたこと、アンテナへの供給電力の絶対値を低く抑
えたこと、ヘリコン波プラズマの拡散チャンバ３側への
輸送を抑制したこと等の要因により、プラズマ密度が１
０¹⁰／ｃｍ³ 台に抑えられ、この結果ＴＥＯＳの解離が
適度に抑制されてウェハ表面に流動性の高い成膜前駆体
が形成された。さらに、高周波バイアス電力の印加によ
るイオン・スパッタ作用が働くことにより、図８に示さ
れるように段差被覆性に優れた第１のＳｉＯｘ層間絶縁
膜２５を形成することができた。

【００４８】次の第２工程では、スイッチ１２の端子Ｓ
１を選択して両アンテナへ通常の高周波電源１３を接続
することにより高周波電力の連続印加を可能とすると共
に、スイッチ８２をＯＮとして拡散チャンバ３へのヘリ
コン波プラズマＰ_H の輸送を可能な状態として第２のＳ
ｉＯｘ層間絶縁膜を成膜した。第２工程のＣＶＤ条件の
一例を以下に示す。

【００４９】［第２工程］Ｏ₂ 流量（第１のガス供給管１０）５０ＳＣＣＭＳｉＨ₄ 流量（第２のガス供給管５）２０ＳＣＣＭガス圧０．１３Ｐａシングルループ・アンテナ供給電力２５００Ｗ（１３．５６ＭＨｚ）ハーフターン・アンテナ供給電力２５００Ｗ（１３．５６ＭＨｚ）高周波バイアス電力１００Ｗ（１３．５６ＭＨｚ）上記第２工程では、耐湿性劣化の原因となる反応生成物
が副生しないため、図８に示されるように緻密で耐湿性
に優れる第２のＳｉＯｘ層間絶縁膜２７を形成すること
ができた。

【００５０】一般に、ＴＥＯＳ等の有機シリコン系化合
物ガスを用いて形成されたＳｉＯｘ膜は、平坦化特性や
埋め込み特性に優れる反面、膜質に問題があると言われ
ている。すなわち、この方法で成膜されるＳｉＯｘ膜中
には、ＣＶＤ反応の副生成物として発生する水分や未反
応のＳｉ−ＯＨ基が成膜条件によっては大量に取り込ま
れるが、このようなＳｉＯｘ膜を半導体デバイスの層間
絶縁膜として利用すると、導通不良（ポイズンドビ
ア）、Ａｌ系配線膜へのヒロックやボイドの発生、ＭＯ
Ｓ−ＦＥＴの閾値の変動やホットキャリア耐性の劣化
等、様々な不良が発生し易いことが知られている。

【００５１】本実施例では、層間絶縁膜を２層化するこ
とで上述のような問題を解決しているが、ＴＥＯＳの解
離制御により第１のＳｉＯｘ層間絶縁膜２５そのものの
膜質も改善することができ、極めて信頼性の高い層間絶
縁膜を得ることができた。

【００５２】この後、公知のＣＭＰ法により、図９に示
されるように基体の全面に平坦な第１のＳｉＯｘ層間絶
縁膜２５ｐが現れる状態まで研磨を行った。さらに、上
記第２工程と同じ条件で改めて第３のＳｉＯｘ層間絶縁
膜２７を形成し、最終的に段差被覆性、平坦性、耐湿性
のいずれにも優れる層間絶縁膜が得られた。

【００５３】実施例３本実施例では、実施例２と類似するが、第１のＳｉＯｘ
層間絶縁膜２５に代えて誘電率の低いＳｉＯＦ膜を成膜
するプロセスについて説明する。第１工程ではｍ＝０モ
ード・プラズマとｍ＝１モード・プラズマの同時間欠生
成と、ヘリコン波プラズマの輸送抑制を行った。この第
１工程のＣＶＤ条件の一例を以下に示す。

【００５４】［第１工程］Ｃ₂Ｆ₆ 流量（第１のガス供給管１０）２０ＳＣＣＭＯ₂ 流量（第１のガス供給管１０）５０ＳＣＣＭＴＥＯＳ流量（第２のガス供給管５）２０ＳＣＣＭＨ₂Ｏ流量（第２のガス供給管５）５０ＳＣＣＭガス圧０．１３Ｐａシングルループ・アンテナ供給電力２０００Ｗ（１３．５６ＭＨｚ）ハーフターン・アンテナ供給電力１０００Ｗ（１３．５６ＭＨｚ）高周波スイッチング周期３０ μｓ高周波バイアス電力１００Ｗ（１３．５６ＭＨｚ）この第１工程では、ウェハ表面に流動性の高い成膜前駆
体が形成され、図８に示されるようなＳｉＯＦ膜２８が
形成された。このＳｉＯＦ膜２８は、Ｃ₂Ｆ₆から解離生
成したＦを膜中に取り込むことにより、上述の第１のＳ
ｉＯｘ層間絶縁膜２５に比べて低誘電率化が図られてい
る。

【００５５】ただし、このような低誘電率絶縁膜は一般
に耐湿性に劣るので、続いて実施例２で上述した第２工
程を実施し、図８に示されるような緻密で膜質に優れる
第２のＳｉＯｘ層間絶縁膜２６を成膜した。もちろん、
この後のＣＭＰや第３のＳｉＯｘ層間絶縁膜２７も同様
に行い、図９に示されるように基体表面を完全に平坦化
すると共に耐湿性を向上させても良い。

【００５６】実施例４これまでの実施例はすべて、２系統の高周波アンテナへ
の高周波電力の同時供給を行うことによりｍ＝０モード
とｍ＝１モードのヘリコン波プラズマを同時に励起しな
がら行うＣＶＤ方法であったが、本実施例ではシングル
ループ・アンテナ６とハーフターン・アンテナ７への電
力供給を高速に切り替えながら、すなわち両モードのヘ
リコン波プラズマを高速に切り替えながら行うＣＶＤ方
法について説明する。

【００５７】まず、本実施例で用いられるヘリコン波プ
ラズマＣＶＤ装置について、図４を参照しながら説明す
る。この装置は前出の図３に示した装置とは異なり、シ
ングルループ・アンテナ６への電力供給系統に位相調整
用のリレー回路６３が接続されておらず、そのかわり、
通常の高周波電源１３の後段に高速スイッチング回路１
８が接続されている。この高速スイッチング回路１８は
数〜数十μｓのオーダーの周期でスイッチングを行うこ
とが可能であり、プラズマ励起は継続させながらそのモ
ードをｍ＝０とｍ＝１との間で切り替え、これによりチ
ャンバ径方向のイオン電流密度分布を均一化することが
できる。

【００５８】このヘリコン波プラズマ装置に前出の図５
に示したサンプル・ウェハをセットし、一例として下記
の条件でＳｉＯｘ層間絶縁膜２５を成膜した。

【００５９】Ｏ₂ 流量（第１のガス供給管１０）５０ＳＣＣＭＴＥＯＳ流量（第２のガス供給管５）２０ＳＣＣＭＨ₂Ｏ流量（第２のガス供給管５）５０ＳＣＣＭガス圧０．１３Ｐａシングルループ・アンテナ供給電力２５００Ｗ（１３．５６ＭＨｚ）ハーフターン・アンテナ供給電力２５００Ｗ（１３．５６ＭＨｚ）高周波スイッチング周期１５ μｓ高周波バイアス電力１００Ｗ（１３．５６ＭＨｚ）本実施例では、ｍ＝０モードとｍ＝１モードのヘリコン
波プラズマを高速に切り替えてＴＥＯＳの解離状態を最
適に制御することにより、段差被覆性に優れかつ良好な
膜質のＳｉＯｘ層間絶縁膜２５を形成することができ
た。

【００６０】なお、本実施例では外周側ソレノイド・コ
イル８ｂにスイッチ８２を接続してそのＯＮ／ＯＦＦ制
御を行うことにより、ヘリコン波プラズマの輸送を制御
したが、スイッチを内周側ソレノイド・コイル８ａに接
続すれば、ヘリコン波プラズマそのものの生成／消滅を
制御することができる。ただしこの場合、２系統の高周
波アンテナの少なくとも一方に高周波電力が供給されて
いれば高周波電界は存在するため、プラズマ生成チャン
バ内には誘導結合プラズマが生成することになる。つま
り、誘導結合プラズマとヘリコン波プラズマの生成を交
互に切り替えるプラズマ制御が実現する。誘導結合プラ
ズマは一般にラジカルに富み、ヘリコン波プラズマは一
般にイオンに富むプラズマであるから、両プラズマの交
互励起によりラジカル／イオン生成比をきめ細かく制御
することが可能となる。この制御の最適化により、必要
な堆積種の効率良い生成とイオンによる適正な平坦化と
のバランスを最適化することも可能である。

【００６１】以上、本発明を４例の実施例にもとづいて
説明したが、本発明はこれらの実施例に何ら限定される
ものではなく、サンプル・ウェハの構成、ヘリコン波プ
ラズマ装置の構成の細部、ＣＶＤ条件は適宜変更、最適
化が可能である。

【００６２】

【発明の効果】以上の説明からも明らかなように、本発
明を適用すれば、チャンバ径方向のプラズマ密度分布や
原料ガスの解離状態の微調整が可能なヘリコン波プラズ
マ装置を用いてＣＶＤを行うので、ＣＶＤの内容に合わ
せて堆積条件をきめ細かく最適化しながら面内均一性と
膜質に優れる絶縁膜を成膜することができる。したがっ
て本発明は、半導体装置の高集積化、高性能化、高信頼
化に大きく貢献するものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】ｍ＝０モードとｍ＝１モードのヘリコン波プラ
ズマの電界パターンを示す模式図である。

【図２】ｍ＝０モードとｍ＝１モードのヘリコン波プラ
ズマの飽和イオン電流密度分布を示すグラフである。

【図３】ｍ＝０モードとｍ＝１モードのヘリコン波プラ
ズマの同時連続／間欠励起およびヘリコン波プラズマの
輸送制御が可能なヘリコン波プラズマＣＶＤ装置の一構
成例を示す模式的断面図である。

【図４】ｍ＝０モードとｍ＝１モードのヘリコン波プラ
ズマの交互励起が可能なヘリコン波プラズマＣＶＤ装置
の一構成例を示す模式的断面図である。

【図５】本発明を適用したＳｉＯｘ層間絶縁膜のＣＶＤ
において、下地絶縁膜上にＡｌ系配線パターンが形成さ
れた状態を示す模式的断面図である。

【図６】図５の配線間スペースが第１のＳｉＯｘ層間絶
縁膜で良好に埋め込まれた状態を示す模式的断面図であ
る。

【図７】ＣＭＰを行って第１のＳｉＯｘ層間絶縁膜の表
面を平坦に研磨した状態を示す模式的断面図である。

【図８】第１のＳｉＯｘ層間絶縁膜またはＳｉＯＦ膜の
上に第２のＳｉＯｘ層間絶縁膜を積層した状態を示す模
式的断面図である。

【図９】ＣＭＰを行って図８の第１のＳｉＯｘ層間絶縁
膜またはＳｉＯＦ膜を平坦に研磨し、その上に第３のＳ
ｉＯｘ層間絶縁膜を積層した状態を示す模式的断面図で
ある。

【符号の説明】

１プラズマ生成チャンバ３拡散チャンバ５第２のガス供給管６シングルループ・アンテナ７ハーフターン・アンテナ８ソレノイド・コイル８ａ内周側ソレノイド・コイル８ｂ外周側ソレノイド・コイル９ウェハ・ステージ１０第１のガス供給管１２スイッチ１３高周波電源１４パルス電源１５，６１，７１マッチング・ネットワーク１６バイアス印加用高周波電源１８高速スイッチング回路６２，７２駆動アンプ６３リレー回路８１ＤＣ電源８２スイッチ２１下地絶縁膜２４Ａｌ系配線パターン２５第１のＳｉＯｘ層間絶縁膜２６第２のＳｉＯｘ層間絶縁膜２７第３のＳｉＯｘ層間絶縁膜２８ＳｉＯＦ膜

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】単一のプラズマ生成チャンバ内にｍ＝０
モードのヘリコン波プラズマとｍ＝１モードのヘリコン
波プラズマとをそれぞれ励起可能な２系統の高周波アン
テナと、磁界生成手段とを備えたヘリコン波プラズマ装
置を用い、該プラズマ生成チャンバに接続される拡散チ
ャンバ内に収容された基板に対してＣＶＤを行うヘリコ
ン波プラズマＣＶＤ方法。
【請求項２】前記ＣＶＤは、上記２系統の高周波アン
テナに同時連続的に高周波電力を供給することにより、
ｍ＝０モードのヘリコン波プラズマとｍ＝１モードのヘ
リコン波プラズマとを同時連続的に励起しながら行う請
求項１記載のヘリコン波プラズマＣＶＤ方法。
【請求項３】前記ＣＶＤは、上記２系統の高周波アン
テナに同時間欠的に電力を供給することにより、ｍ＝０
モードのヘリコン波プラズマとｍ＝１モードのヘリコン
波プラズマとを同時間欠的に励起しながら行う請求項１
記載のヘリコン波プラズマＣＶＤ方法。
【請求項４】前記ＣＶＤは、上記２系統の高周波アン
テナへの電力供給を高速に切り替えることにより、ｍ＝
０モードのヘリコン波プラズマとｍ＝１モードのヘリコ
ン波プラズマを交互に励起させながら行う請求項１記載
のヘリコン波プラズマＣＶＤ方法。
【請求項５】前記ＣＶＤは、前記拡散チャンバへのヘ
リコン波プラズマの輸送に寄与する磁界成分の生成／消
滅を前記磁界生成手段の制御を通じて切り替えながら行
う請求項１記載のヘリコン波プラズマＣＶＤ方法。
【請求項６】前記ＣＶＤは、前記基板上に段差被覆性
に優れる第１の薄膜を成膜する第１工程と、耐湿性に優
れる第２の薄膜を成膜する第２工程とに分けて行い、両
工程間で前記２系統の高周波アンテナへの電力供給比を
変化させることにより、ｍ＝０モードのヘリコン波プラ
ズマとｍ＝１モードのヘリコン波プラズマの生成比を変
化させる請求項１記載のヘリコン波プラズマＣＶＤ方
法。
【請求項７】前記ＣＶＤは、前記基板上に段差被覆性
に優れる第１の薄膜を成膜する第１工程と、耐湿性に優
れる第２の薄膜を成膜する第２工程とに分けて行い、前
記第１工程では前記磁界生成手段の制御を通じて前記拡
散チャンバへのヘリコン波プラズマの輸送に寄与する磁
界成分を消滅させ、前記第２工程では該磁界成分を生成
させながら行う請求項１記載のヘリコン波プラズマＣＶ
Ｄ方法。
【請求項８】前記ＣＶＤは、前記基板上に段差被覆性
に優れる第１の薄膜を成膜する工程と、耐湿性に優れる
第２の薄膜を成膜する工程とに分けて行い、前記第１工
程では前記２系統の高周波アンテナへの電力供給を同時
間欠的に行い、前記第２工程では該電力供給を同時連続
的に行う請求項１記載のヘリコン波プラズマＣＶＤ方
法。
【請求項９】前記第１の薄膜が有機シリコン系化合物
を含む原料ガスを用いて成膜されるシリコン化合物系薄
膜である請求項６記載のヘリコン波プラズマＣＶＤ方
法。
【請求項１０】前記第１の絶縁膜がフッ素を含有する
シリコン化合物系薄膜である請求項６記載のヘリコン波
プラズマＣＶＤ方法。
【請求項１１】前記第２の薄膜がシラン系化合物を含
む原料ガスを用いて成膜されるシリコン化合物系薄膜で
ある請求項６記載のヘリコン波プラズマＣＶＤ方法。