JPH0616505B2 - 絶縁膜形成方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔イ〕発明の利用分野 本発明は有機珪素化合物、例えばテトラエトキシシラン
（ＴＥＯＳ）を用いてプラズマ化学気相反応により被形
成面上に高速でしかも高品質の絶縁膜を減圧下で形成す
る方法を提供するものである。

〔ロ〕従来の技術 最近ＬＳＩの高集積化，大規模化に伴いＩＣチップに占
める配線の面積が増えている。

そのため，配線の多層化，パターン，配線巾の微細化が
ますます重要となりつつある。

配線や接続孔などのパターンの横方向寸法は，スケーリ
ング則に従って，微細化するのに対し，電極配線や絶縁
膜の厚さなど縦方向寸法は，配線抵抗、浮遊容量，絶縁
耐圧や耐マイグレーション性など素子のスペックを満た
す必要があり，横方向並みに微細化することは容易でな
い。

さらに配線や接続孔のパターンは微細化の為異方性の強
いエッチングにより形成されるのでＬＳＩのパターンの
端面形状は急唆となる。

また，配線が多層となるため，当然ＬＳＩチップ表面の
凹凸が激しくなる。このようなＬＳＩチップ表面の凹凸
はパターンの加工精度の低下，配線の断線等信頼性の低
下を招くことになる。

このような問題を解決する手段として，層間絶縁膜を平
坦化する技術が重要視されている。

この層間絶縁膜を作製する方法としては，従来の化学的
気相反応（以下CVD という）による薄膜形成技術として
熱CVD 法が広く知られている。この熱CVD 法は反応室内
に導入した被膜形成用反応気体に熱エネルギを加え、該
気体を分解または活性化させ、被膜を形成するものであ
った。この場合、反応のためのエネルギ供給は熱のみで
あるため、その温度も高く、500 〜800 ℃の範囲で行わ
れていた。

このため、高温に弱い半導体素子を作製することは不可
能であり、次世代LSI 素子として有望な低温で被膜を形
成する技術が求められていた。

またより低温で被膜を形成する方法としてプラズマCVD
法が知られている。この場合は反応室内に導入した反応
性気体に外部より高周波電力を印加し、該気体を分解、
活性化せしめ、加熱された基板上に被膜を形成するもの
である。この場合、加熱温度は200 〜400 ℃の範囲であ
るが、プラズマという高エネルギ状態をとるため、分
解、活性化された反応種が被膜形成面上をたたき、損傷
を与えてしまうため、形成された被膜と下地基板との界
面において良好な特性が得られにくいという欠点を有し
ていた。この場合も熱CVD のときと同様にGaAs等の化合
物半導体には使用不可能であった。

一方、最近、これらの問題を解決する技術として光CVD
法がある。この方法は反応性気体に対して、光エネルギ
を与えて分解、活性化させて、基板上に被膜を形成する
ものであり、熱CVD 法のように高温にする必要がなく、
またプラズマCVD 法のように物理的に下地物質にダメー
ジを与えず、理想的な成膜法である。

上述のような作製方法により形成される絶縁膜を，平坦
化する方法としては有機シリコン化合物の液体を凹凸形
状を有する基板面上に塗布し，加熱処理を施しガラス化
する方法，凹凸形状を有する絶縁膜にエッチバックを施
し，凹凸の形状をなめらかにするエッチバック法等の種
々の方法が行われている。これら平坦な層間絶縁膜を形
成する方法はいづれも，絶縁膜を形成する工程と平坦化
する工程とに分かれており，工程を増やし，作製装置の
数を増やしコスト高につながっていた。

〔ハ〕本発明の目的 本発明はこれら従来の問題点を解決するものであり急唆
な段差のない層間絶縁膜を形成することを目的としてい
る。

〔本発明の構成〕

本発明はＴＥＯＳとN₂Oとの反応を用いたプラズマＣＶ
Ｄ法にて，さらに所定の膜厚にまで酸化珪素被膜を形成
した後同一反応室内にてエッチバック処理を施すことを
特徴とするものである。

さらに必要に応じてこれらの工程を繰り返し急唆な凹凸
段差のない絶縁膜を形成するものである。

すなわち，絶縁膜形成した後，被処理基板へ出すことな
く，急唆な凹凸段差のない酸素珪素絶縁膜を形成する方
法を提供するものであります。

以下に実施例を示し、本発明に示された酸素珪素被膜の
作製方法を示す。

実施例１ 第２図に本実験で用いた酸化珪素被膜形成用装置の概略
図を示す。

図面において、反応室(1)内の紫外光源室(4)内には複数
の紫外光源(6)が設置されており、前記紫外光源室(4)は
反応室(1)の圧力とほぼ等しくなるように調整されてい
る。また被膜形成用基板(3)は基板加熱用ヒータを兼ね
た基板支持体(2)により反応室(1)内に被膜形成面を下向
きになるように設置されている。本装置では成膜時に発
生するフレーク等のゴミが基板に付着しないようにデポ
ジションアップ方式を採用した。

また反応性気体のうち、珪化物気体及び酸化物気体は配
管内でMIX されガスノズル(7)より反応室内へ導入し基
板(3)近くで混合するようになっている。光化学気相反
応を行う紫外光源(6)より照射される紫外光は透過窓(5)
を通って反応性気体に照射される直接励起法を採用し
た。また、透過窓(5)上に被膜が形成されることを防止
するための低蒸気圧のオイルをコートせずに反応を行っ
た。特に本発明の場合、酸化珪素膜を作製するため、透
過窓上に被膜が形成されても紫外光は十分透過するた
め、特にその必要はなかった。

さらに，透外光透過窓(5) の上は，エッチング用のメッ
シュ電極(8) が載せられている。このメッシュ電極(8)
には，基板支持体(2) との間に電源(9) により高周波電
力を印加可能なように構成されており，必要に応じてメ
ッシュ電極(8) と基板支持体(2) 間に電力及びバイアス
電圧を加え透過光窓(5) のエッチング，被処理基板(3)
のエッチバックが同一反応室内にて行なえる構成となっ
ている。

本装置を用いて、第１図（Ａ）に示すような凹凸を有す
る基板に反応圧力1500Pa〜7000Pa、(11〜53Torr)基板温
度200 ℃〜400 ℃、投入紫外光源電力13.56 MHz，200W
〜300Wの条件下にて反応性気体としてモノシランと亜酸
化窒素との割合を変化させて酸化珪素被膜を形成した。

光化学気相反応の場合、酸化性気体はその活性化される
割合が高い為、珪素量に対してN₂O の比を0.005 から〜
0.05の範囲で若干過剰に加え、単結晶珪素半導体基板上
に形成し、エリプソメータにて膜厚と屈折率の測定を行
った。SiH₄とN₂O の反応は例えば紫外光源として低圧水
銀ランプの185ｎｍと254ｎｍの共鳴線を使うと光子エネ
ルギーはそれぞれ6.eV(153Kcal/mol)4.9eV(112.5Kcal/m
ol)であり反応性気体分子に吸収が起こり得れば原子間
結合エネルギーを切ることは容易である。

各原子結合エネルギーを以下に示す。

Si−H ７４．６Kcal/mol Si−Si 76 Kcal/mol H−N 86 Kcal/mol Ｈ−Ｈ 104 Kcal/mol Si−N 105 Kcal/mol O−O 119 Kcal/mol N−O 149 Kcal/mol Si−O 192 Kcal/mol N−N 227 Kcal/mol SiH₄分子の光吸収端は185ｎｍより短波長側にピークを
もっているが若干の光吸収は行われていると考える。

一方N₂O の光分解反応は次の過程が考えられる。

N₂O ＋hr(185nm)→N₂+O(¹D) 活性化されたO(¹D)がSiH₄分子にアタックすると結合が
弱いSi−Hは解離され、酸素ラジカルと置換されSi−O結
合が形成される。

SiH₄／N₂O比を０．００５から0.05の範囲での酸素珪素
被膜の屈折率、赤外吸収から次の反応が考えられる。

SiH₄＋2N₂O→SiO₂＋2N₂ ＋2H₂ ヒドラジン、アンモニアの生成も考えられるが本分析結
果からは考えにくいといえる。

第３図は反応圧力に対する成膜速度の関係を示してい
る。ガス組成比としてはSiH₄／N₂O 比0.01基板温度400
℃、投入紫外光源電力13.56MHz、300 Ｗの成膜条件下で
行った。

反応圧力に上げていくにしたがって単位時間当たりに気
相中に存在する原料（反応）ガスが増加し、成膜に寄与
する活性種が増え、成膜速度は増加するが20〜25torr付
近にピークを持ち、それ以上の領域では活性種が他分子
と衝突する回数が増え成膜に寄与しない（例えば２次生
成物になる等）ことにより成膜速度が低下することも予
想される。

すなわち反応圧力に於いては最適領域が存在することが
考えられる。

第４図はＴＥＯＳと酸化窒素との反応を用いたプラズマ
ＣＶＤ法において高周波電力密度を可変した時の成膜速
度を示している。

反応圧力は0.4torr，基板温度は200 ℃でありバブリン
グ用キャリアガスの亜酸化窒素流量は100SCCM である。

この可変範囲内では高周波電力密度に対しリニアな増加
傾向を示している。

即ちＴＥＯＳの供給律速にはなってない。

ＴＥＯＳは普通600 ℃以下では熱分解しないので反応空
間に導入される際，液体状もしくは粘性の高いガス状態
で基板表面，あるいは気相中に存在することから基板温
度が低く高周波電力密度が小さい条件下では良好なステ
ップカバレージ性を有するが反面，膜質は−ＯＨ基やＣ
が膜中に残り必ずしも良好とは言えない。

一方，基板温度が高く高周波電力密度が大きい条件下で
はステップカバレージ性は若干低下するが，膜質は改善
される。しかし，Ａｌ上にヒロックの発生が多くなり問
題となる。

以上から基板温度と高周波電力密度の２つのパラメータ
に最適な条件が存在することが考えられる。

ある反応圧力において基板温度はあまり上げず粘性流動
を促進させ膜質は高周波電力と基板にバイアス電力を加
えることで安定化がはかれることが判明した。

尚，ここでキャリアガスとして用いた亜酸化窒素は形成
される酸化珪素被膜の酸素供給源でもある。

第５図はプラズマＣＶＤ法において，亜酸化窒素の流量
を可変した時の成膜速度を示している。

反応圧力は0.4torr，基板温度は200 ℃であり，高周波
電力密度は0.35Ｗ／ｃｍ^２ある。亜酸化窒素の流量を５
倍に増加しても成膜速度は１５％程度しか増加しない。
すなわち，ＴＥＯＳの分解によって酸化珪素膜形成に必
要な酸素は十分供給されていることがわかる。さらに本
発明に示す如く酸化窒素を用いることにより、酸化珪素
膜中に窒素をＳｉ−Ｎ結合を有して存在させるため耐ア
ルカリ性のブロッキング効果が向上し、有効であった。
また反応が表面反応が多くかつラジカルの寿命が長くな
り、下地の凹凸に対しても十分凹部に酸化珪素被膜を形
成させることができた。

第６図は酸化珪素被膜を六フッ化イオウを用いてプラズ
マ，エッチングを行った際の高周波電力密度を可変した
時のエッチング速度である。反応圧力は0.4torr，基板
温度は200 ℃，ＳＦ_６流量は25SCCMである。0.56Ｗ／ｃ
ｍ^２で500 Å／ｍｉｎ程度が得られ十分エッチバックプ
ロセスに使えてなおかつ基板に負のバイアス電力を加え
ることで、等方性あるいは異方性のエッチング形状のコ
ントロールができることが判明した。

第７図は，基板温度を可変した時のエッチング速度であ
る。

反応圧力0.4torr 高周波電力密度0.56Ｗ／ｃｍ^２，ＳＦ
_６流量25SCCMでは基板温度依存性はほとんどなく，高周
波電力密度でほぼ決まってしまうと考えられる。

層間絶縁膜を連続形成する際のエッチグ工程ではプロセ
スに選択性がもてる為，基板温度は重要なパラメータの
１つであるといえる。

このような光ＣＶＤ法にて，第１図（Ａ）に示すような
凹凸形状を有する基板上に酸化珪素被膜を前述の条件で
約5000Å程度形成した。

この基板上の凸部は、高さ１μｍ、程度スペース０．８
μｍの形状を有していた。この基板上にまず光ＣＶＤ法
にて酸化珪素被膜(10)を形成したので，この凹凸形状を
均一におおうことができた。（第１図（Ｂ）） この後 反応室内の圧力を10Paに調整し、前述の透過光
窓(5) 上のメッシュ電極(8) と基板支持体(2) の間に電
源(9) により高周波電力例えば13.56MHzの電力を80W 印
加した。反応気体はTEOS/N₂Oとしバブリング用N₂O 流量
は100SCCM でその他の条件は光ＣＶＤと同様で行いプラ
ズマＣＶＤ法にて，酸化珪素被膜(11)を約１．５μｍ〜
２．０μｍ形成した（第１図（Ｃ））このプラズマＣＶ
Ｄ法による酸化珪素形成はステップカバレージ性は光Ｃ
ＶＤに比べて若干おとるが，成膜速度が０．５〜１μｍ
／分と速く，生産性に富む。

第１図（Ｃ）のように凹凸をおおって酸化珪素被膜を厚
く形成した後，反応室内の反応性ガスを排気して除去し
た後，エッチング用気体であるハロゲン化物気体例えば
SF₆,NF₃,CF₄,CF₃H等を反応室内に導入し，圧力を10Paに
調整して，メッシュ電極(8) と基板支持体(2) 間に電力
を印加しプラズマ放電を起こし，形成された被膜(11)の
エッチングを行い凹凸段差の急唆な部分をなくした。
（第１図（Ｄ））この時、同時にメッシュ電極(8) と基
板支持体(2) の間にバイアス電圧を加えるとエッチング
により凹凸段差の形状をコントロールすることができ
た。すなわち基板側に負のバイアス電圧を加えると凹凸
段差がよりなめらかにすることができた。

この処理を行い約０．２〜０．５μｍエッチングを行い
第１図（Ｄ）に示すように凹凸段差の急唆な部分を取り
除いた。このようにして同一装置，同一反応室にて急唆
な段差のない層間絶縁膜を作製することができた。

また，エッチング処理時に，同時に反応室内壁及び透過
光窓(5) 上についた被膜を除去することができ，装置を
クリーニングのために停止することも必要がなく生産性
向上につながった。

また本実施例においては酸化珪素被膜の作製をプラズマ
ＣＶＤ法と光ＣＶＤ法とを併用したが，光ＣＶＤ法のみ
で作製してもいいことは明らかである。

実施例２ 第１図（Ａ）に示す基板上に実施例１と全く同じ条件下
にて、光ＣＶＤ法にて酸化珪素被膜を約5000Å形成した
後，反応室内の反応性気体を入れかえ，実施例１と同様
の条件下にてエッチバックを約500 Å程度施した。その
後さらに反応性気体を入れかえ，同様の条件にて再度光
ＣＶＤ法にて酸化珪素被膜を形成する，このようなサイ
クルを複数回繰り返して実施例１と同様な急唆な凹凸段
差のない層間絶縁膜を形成することができた。

本実施例においては光ＣＶＤによる被膜形成とプラズマ
エッチングとの交互に行うので被膜形成により汚れた反
応室をエッチング工程によりクリーニングを同時に行な
えるという特徴を持つ。

なお、層間絶縁膜の積層構造に於いて最上部は光CVD 膜
であることが望ましいことをつけ加えておく。なぜなら
第２層目Al膜をスパッタ被着する際に、最上部がTEOS酸
化珪素膜では膜からの放出ガス（水分，H₂ etc）によ
り、Ａｌの膜質に悪影響をおよぼすおそれがあるからで
ある。

よって理想的な層間絶縁膜の積層構造としては光CVD 膜
／プラズマCVD 膜／光CVD 膜となる。

尚層間絶縁膜として重要な耐圧は１層目の光CVD 膜でも
たせることは十分可能である。

参考までに光CVD 膜の耐圧は５MV／cm以上である。

以上の実施例において絶縁膜として酸化珪素被膜を開示
したがその他の絶縁膜，窒化珪素膜，ＰＳＧ，ＢＰＳ
Ｇ，アルミナ膜でも応用可能である。

さらに反応性気体としてシランのみでなく、その他のポ
リシラン類（SinH_2n+2），ジメチルシラン，テトラメチ
ルシラン等の有機珪素化合物（SiH_r(CH₄)_4-n）を必要に
応じて使用することも可能である。

〔ホ〕効果 以上示したように、本発明は従来用いられていた条件と
は明らかに異なった条件下にて高速で、しかも高品質の
酸化珪素被膜の形成方法であり、LSI 、超LSI 等に使用
される層間絶縁膜にも光CVD 法にて形成された被膜で始
めて使用可能となった。

本発明方法により，急唆な凹凸段差のない層間絶縁膜を
同一の装置の同一反応室内で行なえることができ，装置
コスト製造コストを下げることができた。

また，エッチバック工程時に反応室内壁及び透過光窓の
エッチングも同時に行なえるという特徴を持つ。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の層間絶縁膜作製の工程を示す。 第２図は本発明にて用いた装置の概略図を示す。 第３図は光CVD 法による酸化珪素被膜の反応圧力に対す
る成膜速度の関係を示す。 第４図はプラズマCVD 法による酸化珪素被膜の高周波電
力密度に対する成膜速度の関係を示す。 第５図はプラズマCVD 法による亜鉛化窒素流量に対する
成膜速度の関係を示す。 第６図は酸化珪素被膜の高周波電力密度に対するエッチ
ング速度の関係を示す。 第７図は酸化珪素被膜のプラズマエッチング時の基板温
度に対するエッチング速度の関係を示す。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】有機珪素化合物と酸化窒素との反応を用い
   たプラズマＣＶＤ法により、凹凸段差を有する基板表面
   上に，酸化珪素絶縁膜を均一に形成する工程とを有する
   ことを特徴とする絶縁膜形成方法。
2. 【請求項２】特許請求の範囲第１項において、プラズマ
   ＣＶＤ法には、テトラエトキシシラン（ＴＥＯＳ）とバ
   ブリングガスとして亜酸化窒素を用いたことを特徴とし
   た絶縁膜形成方法。
3. 【請求項３】特許請求の範囲第１項において、同一チャ
   ンバー内で、プラズマＣＶＤ膜及びハロゲン化物気体を
   用いてかつ負のバイアスを加えたプラズマエッチングに
   よりエッチバックが連続で行えることを特徴とした絶縁
   膜形成方法。