JPH0660408B2 - Thin film manufacturing method and apparatus - Google Patents
Thin film manufacturing method and apparatusInfo
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Description
【発明の詳細な説明】 (産業上の利用分野) 本発明は、半導体電子デバイス、超電導デバイス、各種
電子部品、各種センサーの絶縁膜、誘電体膜、保護膜の
作製方法および装置に関する。TECHNICAL FIELD The present invention relates to a method and an apparatus for producing an insulating film, a dielectric film and a protective film for semiconductor electronic devices, superconducting devices, various electronic parts, various sensors.
(従来の技術) 半導体電子デバイス、超電導デバイス、各種電子部品、
各種センサーの絶縁膜、誘電体膜、保護膜の作製は、基
体物質の熱酸化、基体表面への熱CVD、スパッタリン
グ、プラズマアシストCVD、スピンコート等の種々の
方法で成膜が試みられている。(Prior Art) Semiconductor electronic devices, superconducting devices, various electronic parts,
Insulating films, dielectric films, and protective films for various sensors have been tried to be formed by various methods such as thermal oxidation of a substrate material, thermal CVD on the substrate surface, sputtering, plasma assisted CVD, and spin coating. .
近年、デバイスの集積化あるいは積層化が進むにつれ
て、段差部への被覆性の良い、または平坦性の良い成膜
方法が求められている。In recent years, as device integration or stacking progresses, a film forming method that has good coverage on the step portion or good flatness is required.
さて、注目されている方法の一つに、テトラエトキシシ
ラン(別名テトラエチルオルソシリケートともいう、以
下”TEOS”と略す)またはジアセトキシジターシャ
リーブトキシシラン(以下”DADBS”と略す)等を
用いたCVD技術がある。(なお、これらTEOS、D
ADBS等は半導体であるシリコンの有機化合物である
が、本明細書ではかかる半導体の有機化合物も一括し
て”有機金属化合物”と表現することにする。Now, as one of the methods attracting attention, CVD using tetraethoxysilane (also known as tetraethylorthosilicate, abbreviated as "TEOS" hereinafter) or diacetoxyditertiary butoxysilane (hereinafter abbreviated as "DADBS"), etc. There is technology. (Note that these TEOS and D
Although ADBS and the like are organic compounds of silicon, which is a semiconductor, such organic compounds of semiconductors will be collectively referred to as “organometallic compounds” in this specification.
例えば、池田らの「電気化学」 Vol.56, No.7(1988)
P.527-P.532 や、その中の引用文献等にその方法に関
する記事がある。For example, Ikeda et al. "Electrochemistry" Vol.56, No.7 (1988)
There are articles on the method in P.527-P.532 and the references cited therein.
池田らは、TEOSとオゾンを用いる大気圧CVDによ
り、段差部への被覆性を良くした平坦性の良い酸化シリ
コン膜(以下”NSG膜”と略す)、リン含有酸化シリ
コン膜(以下”PSG膜”と略す)、および、ホウ素含
有酸化シリコン膜(以下”BSG膜”と略す)を作製し
ている。この場合は酸化源としてオゾンを用い、それに
よって、400℃の低温でNSG膜を作製可能にし、ま
た膜中のOH基を減少して良質なNSG膜を得ている。
しかし欠点があり、成膜速度は約1400Å/minで
あって、1μmのNSG膜を作製するのに約7分を必要
とし枚葉式の装置の要求する成膜速度1μm/minに
は遥かに及ばない。Ikeda et al. Have reported a silicon oxide film (hereinafter abbreviated as “NSG film”) having a good flatness and a step coverage improved by atmospheric pressure CVD using TEOS and ozone, and a phosphorus-containing silicon oxide film (hereinafter “PSG film”). “Abbreviated as“ ”and a boron-containing silicon oxide film (hereinafter abbreviated as“ BSG film ”). In this case, ozone is used as an oxidation source, whereby an NSG film can be produced at a low temperature of 400 ° C., and OH groups in the film are reduced to obtain a good quality NSG film.
However, there is a drawback that the film forming rate is about 1400 Å / min, and it takes about 7 minutes to prepare a 1 μm NSG film, which is much lower than the film forming rate of 1 μm / min required by a single-wafer type device. It does not reach.
また、R.A.LevyらのJ.Electrochem.Soc. Vol.134,No.7
(1987) P.1744-P.1749 やその引用文献では、酸素とD
ADBSまたはTEOSを用いて、NSG膜、PSG
膜、BSG膜およびホウ素・リン含有酸化シリコン膜
(以下”BPSG膜”と略す)を作製したことが紹介さ
れている。この場合は成膜温度が550℃であって先述
のオゾンを用いる方法と比較してかなり高温であるにも
拘らず、成膜速度は300Å/minと遅く、これもま
た産業上利用できるレベルには達していない。Also, RA Levy et al., J. Electrochem. Soc. Vol. 134, No. 7
(1987) P.1744-P.1749 and its references, oxygen and D
NSG film, PSG using ADBS or TEOS
It is introduced that a film, a BSG film, and a boron-phosphorus-containing silicon oxide film (hereinafter abbreviated as "BPSG film") were produced. In this case, although the film forming temperature is 550 ° C., which is considerably higher than the method using ozone described above, the film forming rate is slow at 300 Å / min, which is also industrially applicable. Has not reached.
また、特許公報に見られるものでは、「特開昭61−7
7695号[気相成長方法]」や「米国特許第3,93
4,060号」の発明の成膜方法があるが、先と同様に
これらもまた成膜速度および膜質の点で満足できる水準
に達しているとはいえない。Further, in Japanese Patent Application Laid-Open No. 61-7,
7695 [Vapor growth method] "and" US Pat.
Although there is a film forming method of the invention of "No. 4,060", these cannot be said to have reached a satisfactory level in terms of film forming rate and film quality.
また、野口らは、第35回応用物理学関係連合講演会
(昭和63年春季)講演番号 29P-G-5 において、マイ
クロ波放電で作製された酸素原子と、テトラメトキシシ
ラン(以下”TMOS”と略す)を用いることにより、
テトラメチルシラン(以下”TMS”と略す)を用いた
場合よりも、生成膜中の炭素含有量が減少することを示
している。しかしこのTMOSを用いて作られた膜も、
その赤外線吸収スペクトルから、多めのOH基の存在が
観察され、必ずしも良好な膜とは言えないことが明かで
ある。これは酸素活性種の供給量が不足しているためと
考えられる。In addition, Noguchi et al., At the 35th Joint Lecture on Applied Physics (Spring 1988) Lecture No. 29P-G-5, showed that oxygen atoms produced by microwave discharge and tetramethoxysilane (hereinafter "TMOS"). Abbreviated)
It is shown that the carbon content in the produced film is reduced as compared with the case where tetramethylsilane (hereinafter abbreviated as “TMS”) is used. However, the film made using this TMOS
From the infrared absorption spectrum, the presence of a large amount of OH groups is observed, and it is clear that the film is not always a good film. It is considered that this is because the supply amount of oxygen active species is insufficient.
酸素原子を用いた他の例が、特開昭63−83275号
「CVD装置」に記載されており、ここではNSG膜、
PSG膜やBSG膜を作製するのに、酸素原子とシラン
を反応させている。この反応は通常、常温では源圧下で
も急速に進み、酸化シリコンの粉末ダストを生じる。ま
た急速に反応するため、2つのガス成分の反応室への導
入、混合が困難であって均一性の良い膜の作製が難し
い。Another example using an oxygen atom is described in JP-A-63-83275, "CVD apparatus", in which an NSG film,
Oxygen atoms and silane are reacted to form a PSG film or a BSG film. This reaction usually proceeds rapidly at room temperature even under a source pressure to produce powder dust of silicon oxide. Further, since they react rapidly, it is difficult to introduce and mix the two gas components into the reaction chamber, and it is difficult to form a film having good uniformity.
その問題を解決しようと、特開昭63−83275号公
報の発明では、ガスの流出部を冷却することによって酸
素原子とシランの反応をおさえ、加熱した被処理基体の
表面に導入してそこで反応を起させるようにした装置を
示している。しかしこの方法の場合は、ガスの流出部を
冷却することが必要であって装置が複雑になるととも
に、基体表面から離れた空間での反応を完全におさえる
ことが不可能で、どうしても多少のダストが生じてしま
う欠点がある。In order to solve the problem, in the invention of Japanese Patent Laid-Open No. 63-83275, the reaction between oxygen atoms and silane is suppressed by cooling the outflow portion of the gas, and the reaction is carried out by introducing it to the surface of the heated substrate to be treated. Is a device adapted to cause However, in the case of this method, it is necessary to cool the outflow part of the gas, the apparatus becomes complicated, and it is impossible to completely suppress the reaction in the space away from the substrate surface. There is a drawback that occurs.
(発明が解決しようとする問題点) 以上のように、従来の方法では、オゾン+TEOS系、
酸素+DADBS系および酸素+TEOS系の各系で
は、枚葉式装置として産業上必要とされる1μm/mi
n程度の成膜速度を得ることができない欠点があった。(Problems to be Solved by the Invention) As described above, in the conventional method, ozone + TEOS system,
Oxygen + DADBS system and oxygen + TEOS system are 1 μm / mi industrially required as a single-wafer type device.
There is a drawback that a film forming rate of about n cannot be obtained.
また、この速い成膜速度が得られる、酸素原子+シラン
系では、反応が両基体の混合部で急速に生じるため、混
合部およびガスの流出部を冷却して反応を抑える方法が
必要となり、装置が複雑になり、しかも空間での反応に
よるダストの発生を抑えることができないという欠点が
あった。Further, in the oxygen atom + silane system, which can obtain this high film formation rate, the reaction rapidly occurs in the mixing portion of both substrates, so a method of suppressing the reaction by cooling the mixing portion and the gas outflow portion is required, There is a drawback in that the apparatus becomes complicated and the generation of dust due to reaction in space cannot be suppressed.
また、マイクロ波放電で作製された酸素原子と、TMA
またはTMOSを併用する方法では、酸素活性種の量が
不足するため、TMAを用いた場合では炭素系の不純物
を含んだ膜となり、TMOSを用いた場合はOH基を含
んだ膜となり、ともに良質な膜が得られないという欠点
があった。In addition, oxygen atoms produced by microwave discharge and TMA
In addition, in the method of using TMOS together, the amount of oxygen active species is insufficient. Therefore, when TMA is used, a film containing carbon-based impurities is obtained, and when TMOS is used, a film containing an OH group is obtained. However, there is a drawback in that a uniform film cannot be obtained.
(発明の目的) 本発明はこの問題を解決し、オゾンの代わりに高温非平
衡プラズマまたは局所熱平衡プラズマで得た多量の酸素
活性種を用い、またシランの代わりにより反応性の低い
TEOS、DADBS、TMOSまたはタンタルアルコ
ラート等の有機金属化合物を用いることにより、所定の
温度に設定された基体表面に、高速でダストの少ない絶
縁膜、誘電体膜または保護膜を作製する方法と装置を提
供することを目的とする。(Object of the invention) The present invention solves this problem by using a large amount of oxygen active species obtained in a high temperature non-equilibrium plasma or a local thermal equilibrium plasma instead of ozone, and by replacing silane with TEOS, DADBS, which has low reactivity. To provide a method and an apparatus for producing an insulating film, a dielectric film or a protective film at a high speed and with little dust on a substrate surface set at a predetermined temperature by using an organometallic compound such as TMOS or tantalum alcoholate. To aim.
(問題を解決するための手段) 上記の目的を達成するために、本発明は、有機金属化合
物と、高温非平衡プラズマまたは局所熱平衡プラズマで
作製された酸素活性種とを原料気体とし、それらの化学
反応を用いて、基体の表面に酸化膜を作製する薄膜作製
方法、 またそれを実現する装置としては、 気密に保つことが可能な処理室と、該処理室内に設置さ
れた基体と、該基体の温度を調整する基体温度調整機構
と、有機金属化合物を該処理室内の該基体の前面空間に
導入する有機金属化合物導入機構と、高温非平衡プラズ
マまたは局所熱平衡プラズマ発生機構と、それで作製さ
れた酸素活性種を該基体の前面空間に導入する酸素活性
種導入機構と、を備えた薄膜作製装置、 を採用するものである。(Means for Solving the Problem) In order to achieve the above object, the present invention uses an organometallic compound and an oxygen active species produced by high temperature non-equilibrium plasma or local thermal equilibrium plasma as source gases, A thin film forming method for forming an oxide film on the surface of a substrate by using a chemical reaction, and an apparatus for realizing the same include a treatment chamber capable of keeping airtightness, a substrate installed in the treatment chamber, A substrate temperature adjusting mechanism for adjusting the temperature of the substrate, an organometallic compound introducing mechanism for introducing an organometallic compound into the front space of the substrate in the processing chamber, a high temperature non-equilibrium plasma or a local thermal equilibrium plasma generating mechanism, and And an oxygen active species introducing mechanism for introducing oxygen active species into the front space of the substrate.
(作用) 高温非平衡プラズマまたは局所熱平衡プラズマは、デバ
イス作製プロセスに用いるグロー状プラズマまたはマイ
クロ波プラズマに比較して遥かに多量の酸素活性種を作
製する。この酸素活性種と、シランより反応性の小さい
TEOS、DADBS、TMOSまたはタンタルアルコ
ラート等の有機金属化合物を用いることで、所定の温度
に設定された基体の表面だけに化学反応を誘起し、膜
厚、膜質分布の均一な酸化膜を作製することができる。(Operation) The high temperature non-equilibrium plasma or the local thermal equilibrium plasma produces much larger amount of oxygen active species than the glow plasma or the microwave plasma used in the device fabrication process. By using this oxygen active species and an organometallic compound such as TEOS, DADBS, TMOS or tantalum alcoholate, which is less reactive than silane, a chemical reaction is induced only on the surface of the substrate set to a predetermined temperature, and the film thickness An oxide film having a uniform film quality distribution can be manufactured.
(実施例) 本実施例は、本願の出願人の出願になる特願昭61−0
69646号(特開昭62−227089号)「表面処
理方法および装置」を基本技術として、その出願当時一
般に知られていなかった低温酸化膜作製工程にこれを利
用することによって、有用な発明を得ることができたも
のである。前記特許願の明細書中の”LTEプラズマ”
は本願明細書の”局所熱平衡プラズマ”に該当してい
る。(Example) In this example, Japanese Patent Application No. 61-0 filed by the applicant of the present application
A useful invention is obtained by using this as a basic technique of "Surface treatment method and apparatus" in Japanese Patent Application Laid-Open No. 62-227089 (Japanese Patent Application Laid-Open No. 62-227089) and applying it to a low temperature oxide film forming process which was not generally known at the time of the application. I was able to do it. "LTE plasma" in the specification of said patent application
Corresponds to “local thermal equilibrium plasma” in the present specification.
本発明の第1の実施例としてNSG膜の作製につき記述
する。Fabrication of an NSG film will be described as a first embodiment of the present invention.
第1図に本実施例の方法を実現する装置の正面断面図を
示す。21はステンレス製の処理室で、必要に応じて真
空に引いたり気密に保ったりが可能な構造となってい
る。また加圧することも可能な構造となっている。11
は、これからその表面に薄膜を作製せんとする基体であ
る。FIG. 1 shows a front sectional view of an apparatus for realizing the method of this embodiment. Reference numeral 21 denotes a stainless steel processing chamber, which has a structure that can be evacuated or kept airtight as necessary. Further, the structure is such that pressurization is possible. 11
Is a substrate from which a thin film is to be produced.
基体温度調整機構10(12,13,14等)について
記述すると、12は、基体11を保持し基体の温度制御
を行なう基体ホルダーである。13はヒーターで14は
熱電対であって、基体ホルダー12は、直径15cmで
約450℃まで昇温可能である。熱電対14によって基
体ホルダー12の温度を測定し、図示しない温度調節計
とサイリスタユニットの併用により、P、PI、PID
制御または単なるリレーを用いたON、OFF制御によ
り、ヒーター13に加える電力を加減して基体ホルダー
12の温度を調整する。必要のときはこの部分に水冷等
の冷却機構を併用する。The substrate temperature adjusting mechanism 10 (12, 13, 14, etc.) will be described. Reference numeral 12 is a substrate holder that holds the substrate 11 and controls the temperature of the substrate. Reference numeral 13 is a heater and 14 is a thermocouple. The substrate holder 12 has a diameter of 15 cm and can raise the temperature up to about 450 ° C. The temperature of the substrate holder 12 is measured by the thermocouple 14, and P, PI, PID are obtained by using a temperature controller (not shown) and a thyristor unit together.
The temperature of the substrate holder 12 is adjusted by controlling the power applied to the heater 13 by control or ON / OFF control using a simple relay. If necessary, use a cooling mechanism such as water cooling for this part.
処理室21は直径約25cm、高さ約30cmの円筒形
で、バルブ31を通して、メカニカルブースターポンプ
32、油回転ポンプ33を用いて真空に排気することが
可能である。34は真空計で、処理室21内の圧力を測
定する。本実施例では、バルブ31の開閉を加減して処
理室21の圧力を一定に保った。The processing chamber 21 has a cylindrical shape with a diameter of about 25 cm and a height of about 30 cm, and can be evacuated to a vacuum through a valve 31 using a mechanical booster pump 32 and an oil rotary pump 33. A vacuum gauge 34 measures the pressure in the processing chamber 21. In the present embodiment, the pressure of the processing chamber 21 is kept constant by opening / closing the valve 31.
22はガス吹き出し板で、本願の出願人の出願になる特
願昭62−254268号(特開平1−119674
号)「成膜装置および方法」の明細書中の”分配板”に
該当しており、その構造は前記明細書に詳しく述べるも
のと同等であり、24はヒーターで、ガス吹き出し板2
2を所定の温度に設定するためのもの、23は拡散板で
あり、厚さ2mmの板に直径1mm前後の穴を多数密に
あけたものを用いている。Reference numeral 22 is a gas blowing plate, which is the application of the applicant of the present application, Japanese Patent Application No. 62-254268 (JP-A-1-119674).
No.) "Distribution plate" in the specification of "Film forming apparatus and method", the structure is the same as that described in detail in the above specification, and 24 is a heater, which is a gas blowing plate 2
2 is for setting a predetermined temperature, and 23 is a diffusion plate, which is a plate having a thickness of 2 mm and a large number of holes having a diameter of about 1 mm formed densely.
このガス吹き出し板22は、液化し易いTEOSを気体
のままの状態で基体11の前面空間に均一性よく分配し
吹き出すもので、ここで加熱されていないとTEOSに
結露を生じ、プロセスガスの供給が不安定となって、成
膜の安定性、再現性に問題が生じる。The gas blowing plate 22 uniformly distributes TEOS, which is easily liquefied, to the front space of the substrate 11 and blows it out. If it is not heated here, dew condensation occurs on the TEOS and the process gas is supplied. Becomes unstable, causing problems in stability and reproducibility of film formation.
また、このガス吹き出し板22による加熱の別の効能と
して、プロセスガスに熱変性による中間生成物を生じ、
それが成膜に寄与することも考えられる(特願昭62−
254268号「成膜装置および方法」参照)。但し、
現在のところそのメカニズムは明確化されていない。Further, as another effect of heating by the gas blowing plate 22, an intermediate product due to thermal denaturation is generated in the process gas,
It is also possible that it contributes to film formation (Japanese Patent Application No. 62-
No. 254268 “Film forming apparatus and method”). However,
At present, the mechanism has not been clarified.
次に有機金属導化合物入機構40について記述すると、
43はTEOSであって常温常圧では液体である。キャ
リアガスの窒素は、図示しない高圧ボンベから減圧弁、
流量コントローラを通して供給される(矢印45)。4
2はバブラーで、液体の状態にあるTEOS43はバル
ブ44を通して導入された窒素によりバブリングされて
気化し、バルブ41、前記のガス吹き出し板22を通し
て基体11の前面空間に導かれる。Next, the mechanism 40 for introducing an organometallic compound will be described.
43 is TEOS, which is a liquid at normal temperature and pressure. The nitrogen of the carrier gas is a pressure reducing valve from a high pressure cylinder (not shown).
Delivered through the flow controller (arrow 45). Four
Reference numeral 2 is a bubbler, and TEOS 43 in a liquid state is bubbled by nitrogen introduced through a valve 44 and vaporized, and is introduced into the front space of the substrate 11 through the valve 41 and the gas blowing plate 22.
46は恒温槽を示す。バブリング温度を調整したり、液
化しやすいTEOSを、気体のままの状態に保つため、
バルブ41や配管を保温する。本実施例では、バブラー
4の容量は約1とし、それにTEOSを300gづつ
充填して使用した。Reference numeral 46 indicates a constant temperature bath. To adjust the bubbling temperature and keep TEOS, which is easily liquefied, in a gaseous state,
Keep the valve 41 and piping warm. In this example, the bubbler 4 had a capacity of about 1 and was filled with 300 g of TEOS.
次に、高温非平衡プラズマまたは局所熱平衡プラズマ発
生機構50で作られる、もう1つのプロセスガスの酸素
活性種と、それを導入する酸素活性種導入機構60につ
いて記述すると、54は放電管で、石英ガラスの二重管
となっており、二重管の間に水を流して冷却できる構造
となっている。本実施例では、石英ガラス管の内管は直
径3cm、長さ53cmである。56、56′は冷却水
の流れを示す。Next, another oxygen active species of the process gas produced by the high-temperature non-equilibrium plasma or the local thermal equilibrium plasma generation mechanism 50 and the oxygen active species introduction mechanism 60 for introducing the same will be described. It is a double glass tube, and it has a structure that allows water to flow between the double tubes for cooling. In this embodiment, the inner tube of the quartz glass tube has a diameter of 3 cm and a length of 53 cm. 56 and 56 'show the flow of cooling water.
53は銅パイプで作製されたコイルであり、図示しない
がこのパイプも内部から水冷されている。コイル53の
一方は接地され、他方は整合回路52を通して高周波電
源51に接続されている。本実施例では高周波電源51
として周波数13.56MHz、出力10kWの高周波
他励式電源を用いた。酸素(矢印57)は、図示しない
高圧ボンベから減圧弁、流量コントローラーを経て導入
される。Reference numeral 53 is a coil made of a copper pipe, which is also water-cooled from the inside though not shown. One of the coils 53 is grounded and the other is connected to the high frequency power supply 51 through the matching circuit 52. In this embodiment, the high frequency power source 51
A high-frequency separately excited power source having a frequency of 13.56 MHz and an output of 10 kW was used as Oxygen (arrow 57) is introduced from a high pressure cylinder (not shown) through a pressure reducing valve and a flow controller.
処理室21に酸素活性種を導入するための酸素活性種導
入機構60は、ステンレス製配管63と、配管63に溶
接されOリング溝が掘られているステンレス製フランジ
61と、放電管54に溶接されさ石英ガラス製フランジ
58と、両フランジ間でシール作用をするゴム製Oリン
グ59と、両フランジを接合する通常のネジ(図示しな
い)と、バルブ62と、で構成されている。An oxygen active species introduction mechanism 60 for introducing oxygen active species into the processing chamber 21 includes a stainless steel pipe 63, a stainless steel flange 61 welded to the pipe 63 and having an O-ring groove formed therein, and a discharge tube 54. It is composed of a quartz glass flange 58, a rubber O-ring 59 that seals between both flanges, a normal screw (not shown) that joins both flanges, and a valve 62.
特願昭61−069646号公報にも記述されているよ
うに、高周波電源51から高周波電力がコイル53に注
入されると、初は放電管54内に高周波グロー放電が生
じる。そしてさらに注入電力を増大すると、コイル53
の内部に局所的にピンチされた高温非平衡プラズマまた
は局所熱平衡プラズマ55が生じる。(このこのうちの
高温非平衡プラズマについては、三戸らの「真空」第3
1巻第4号(1988) P.271-P.278や、その引用文献に詳し
く記述されている) この高温非平衡プラズマまたは局所熱平衡プラズマは、
高周波グロー放電と比較して非常に発光強度が高く、多
量の活性種が生じていて、特に原子状の活性種が多く、
また電気的にも放電インピーダンスが格段に低くなって
いるという特徴をもっている。高温非平衡プラズマと局
所熱平衡プラズマの違いについては、前掲の「真空」の
271頁左欄の「高温非平衡プラズマとは……局所的熱
平衡にはなっていないが、グロー放電プラズマに比べる
とはるかに高温のプラズマになっている。」との説明に
あるように、局所的な熱平衡が達成されている高温プラ
ズマを局所熱平衡プラズマと呼び、熱平衡は達成されて
いないがグロー放電に比べてはるかに高温であるものを
高温非平衡プラズマと呼んでいる。どちらのプラズマが
形成されるかは、放電管54の径や注入する電力等によ
り異なるので、一該には決められない。また、上記多量
の活性種の生成等のメリットはいずれにもに生じる現象
なので、両者を厳密に峻別する意義はそれほど無い。As described in Japanese Patent Application No. 61-069646, when high frequency power is injected from the high frequency power supply 51 into the coil 53, high frequency glow discharge is initially generated in the discharge tube 54. When the injection power is further increased, the coil 53
A high temperature non-equilibrium plasma or a local thermal equilibrium plasma 55 locally pinched inside is generated. (For the high-temperature non-equilibrium plasma among these, see the “vacuum” by Mito et al.
(Vol. 1, No. 4 (1988) P.271-P.278 and its references). This high temperature non-equilibrium plasma or local thermal equilibrium plasma is
The emission intensity is much higher than that of high-frequency glow discharge, and a large amount of active species are generated. Especially, there are many atomic active species.
In addition, it has a characteristic that the discharge impedance is significantly low electrically. Regarding the difference between high-temperature non-equilibrium plasma and local thermal equilibrium plasma, "High temperature non-equilibrium plasma" in the left column on page 271 of "Vacuum" is ... It is a high-temperature plasma. ”, The high-temperature plasma in which the local thermal equilibrium is achieved is called the local thermal equilibrium plasma. Although the thermal equilibrium is not achieved, it is much higher than that in the glow discharge. What is high temperature is called high temperature non-equilibrium plasma. Which plasma is formed depends on the diameter of the discharge tube 54, the electric power to be injected, and the like, and therefore cannot be determined. In addition, since the merit of producing a large amount of the active species is a phenomenon that occurs in any case, it is not so significant to strictly distinguish the two.
第2図aに高周波またはマイクロ波グロー放電の発光分
光分析で通常観察される一例を、またbには高温非平衡
プラズマまたは局所熱平衡プラズマの発光分光分析で通
常観察される一例を示した。第2図aの縦軸はbの縦軸
と比較して4500倍に拡大してある。(即ち従って、
bの発光強度はaの発光強度と比較して約4500倍強
い)。またbの発光は酸素原子からの発光に強く依存し
ており、高温非平衡プラズマまたは局所熱平衡プラズマ
内では酸素の解離が進んで多量の活性種が生じているこ
とが明かである。FIG. 2a shows an example that is usually observed in the emission spectroscopy of high-frequency or microwave glow discharge, and b is an example that is usually observed in the emission spectroscopy of high-temperature nonequilibrium plasma or local thermal equilibrium plasma. The vertical axis of FIG. 2a is magnified 4500 times as compared with the vertical axis of b. (Ie therefore
The emission intensity of b is about 4500 times stronger than that of a). Further, it is clear that the light emission of b strongly depends on the light emission from oxygen atoms, and in the high temperature non-equilibrium plasma or the local thermal equilibrium plasma, the dissociation of oxygen proceeds to generate a large amount of active species.
この高温非平衡プラズマまたは局所熱平衡プラズマの活
性種を利用する例としては、本願の出願人の出願になる
特願昭63−163350号(特開平2−14801
号)「酸化物超電導体の改善方法」や第46回応用物理
学会学術講演会(昭和63年秋季)講演番号6P−館B
−16、講演予稿集第1分冊、P.131 等があり、その有
用性が明確である。但し、この高温非平衡プラズマまた
は局所熱平衡プラズマの酸素活性種と有機金属化合物を
組み合わせて利用し酸化物薄膜を作製する方法に言及し
た文献はない。As an example of using the active species of the high temperature non-equilibrium plasma or the local thermal equilibrium plasma, Japanese Patent Application No. 63-163350 filed by the applicant of the present application (Japanese Patent Laid-Open No. 14801/1991).
No.) “Methods for improving oxide superconductors” and 46th Academic Meeting of Applied Physics (Autumn 1988) Lecture No. 6P-kan B
-16, Proceedings of Proceedings 1st Volume, P.131, etc., their usefulness is clear. However, there is no reference to a method for producing an oxide thin film by using a combination of an oxygen active species of high temperature non-equilibrium plasma or local thermal equilibrium plasma and an organometallic compound.
さて、本実施例の高温非平衡プラズマまたは局所熱平衡
プラズマ55で生じた酸素活性種は、酸素活性種導入機
構60、ガス吹き出し板22を通って基体11の前面空
間に導入される。Now, the oxygen active species generated in the high temperature non-equilibrium plasma or the local thermal equilibrium plasma 55 of this embodiment is introduced into the front space of the substrate 11 through the oxygen active species introduction mechanism 60 and the gas blowing plate 22.
本実施例においては、処理室21内圧力200Torr、
酸素流量10/min、バブリング窒素流量2/m
in、恒温槽46の温度80℃、ガス吹き出し板22の
温度80℃、基板ホルダー12の温度400℃、高周波
電力85kWにおいて、約1.2μm/minの成膜速
度でNSG膜を得ることが出来た。このNSG膜は、赤
外吸収分光法で炭素の混入が観測されず、OH基も少な
い良質膜であることが分かった。In this embodiment, the pressure inside the processing chamber 21 is 200 Torr,
Oxygen flow rate 10 / min, bubbling nitrogen flow rate 2 / m
In, the temperature of the constant temperature bath 46 is 80 ° C., the temperature of the gas blowing plate 22 is 80 ° C., the temperature of the substrate holder 12 is 400 ° C., and the high frequency power is 85 kW, the NSG film can be obtained at the film forming rate of about 1.2 μm / min. It was It was found that the NSG film was a good quality film in which carbon was not observed by infrared absorption spectroscopy and OH groups were small.
この、約1.2μm/minの成膜速度で良質膜が得ら
れたことは工場上重要であって、枚葉式装置に必要とさ
れている1μm/minの成膜速度を満足するものであ
る。It is important in the factory that a good quality film can be obtained at a film forming rate of about 1.2 μm / min, and it is necessary to satisfy the film forming rate of 1 μm / min required for a single wafer processing apparatus. is there.
通常のマイクロ波グロー放電で酸素活性種を作製する場
合、第2図の発光分光分析パターンから、放電プラズマ
中に原子状酸素が生じていることは明らかであるが、そ
の量は高温非平衡プラズマまたは局所熱平衡プラズマに
比較して遥かに少量である。しかもマイクロ波は水によ
り吸収されるため、マイクロ波の電力損失が大きく放電
管の水冷を行なうことが困難であるという欠点がある。When oxygen active species are produced by ordinary microwave glow discharge, it is clear from the emission spectrum analysis pattern in Fig. 2 that atomic oxygen is generated in the discharge plasma, but the amount of oxygen is high temperature non-equilibrium plasma. Alternatively, the amount is much smaller than that of the local thermal equilibrium plasma. Moreover, since microwaves are absorbed by water, there is a drawback that microwave power loss is large and it is difficult to cool the discharge tube with water.
本発明の方法の第2の実施例としては、第1図の装置の
バルブ71を通して窒素キャリアのリン酸トリメチルエ
ステルを導入するものが挙げられる。リン酸トリメチル
エステルは、図示しないバブラー内で流量コントロール
された窒素によりバブリングされ輸送されてくる。バブ
リング温度は60℃、窒素流量1.5/minであ
る。処理室内の圧力、TEOS等、他の条件を第1図の
実施例と同様にして、基体11の表面に(添加したい元
素としてリンを選び)リンが含有された酸化シリコン
膜、即ちPSG膜を1.3μm/minの速度で作製で
きた。A second embodiment of the method of the present invention involves introducing the nitrogen carrier trimethyl phosphate phosphate through valve 71 of the apparatus of FIG. Phosphoric acid trimethyl ester is bubbled and transported by nitrogen whose flow rate is controlled in a bubbler (not shown). The bubbling temperature is 60 ° C. and the nitrogen flow rate is 1.5 / min. Other conditions such as pressure in the processing chamber, TEOS, etc. are the same as in the embodiment of FIG. 1, and a silicon oxide film containing phosphorus (selecting phosphorus as an element to be added), that is, a PSG film is formed on the surface of the substrate 11. It could be produced at a speed of 1.3 μm / min.
また本発明の方法の第3の実施例としては、第2の実施
例のリン酸トリメチルエステルの代わりにトリエトキシ
ホウ素を用いるものが挙げられる。この場合は酸化膜中
に添加したい元素としてホウ素を選び、ホウ素を含有さ
せることができる。トリエトキシホウ素のバブリング温
度を15℃、窒素流量0.2/minとし、他の条件
を第1の実施例と同様にすることで、基体11の表面に
BSG膜を1.3μm/minの速度で作製できた。Further, as a third embodiment of the method of the present invention, a method using triethoxyboron in place of the phosphoric acid trimethyl ester of the second embodiment can be mentioned. In this case, boron can be contained by selecting boron as an element to be added to the oxide film. By bubbling temperature of triethoxyboron at 15 ° C., nitrogen flow rate of 0.2 / min, and other conditions being the same as those of the first embodiment, a BSG film is formed on the surface of the substrate 11 at a speed of 1.3 μm / min. It was made with.
また本発明の第4の実施例としては、第2と第3の実施
例を併用することにより、即ち、リン酸トリメチルエス
テルとトリエトキシホウ素の両者を導入して、基体11
の表面にBPSG膜を1.3μm/minの速度で作製
できるものが挙げられる。In addition, as a fourth embodiment of the present invention, by using the second and third embodiments together, that is, by introducing both phosphoric acid trimethyl ester and triethoxyboron, the substrate 11
The BPSG film on the surface of which can be formed at a rate of 1.3 μm / min.
また、TEOSの代わりにDADBSを用いた場合で
も、同様にNSG膜が作製できた。またTEOSの場合
と同じくリン酸トリメチルエステルやトリエトキシホウ
素を併用すると、PSG膜、BSG膜およびBPSG膜
を高速で良質に作製できた。また、添加したい元素とし
てヒ素の場合、アルシンまたはトリエトキシアルシンを
用いてもよい。Even when DADBS was used instead of TEOS, the NSG film could be similarly prepared. When trimethyl phosphate and triethoxyboron were used together as in the case of TEOS, PSG film, BSG film and BPSG film could be produced at high speed and with good quality. When arsenic is the element to be added, arsine or triethoxyarsine may be used.
また本発明の第5の実施例としては、有機金属化合物と
して第1の実施例のTEOSの代わりに、タンタルメチ
ラートまたはタンタルエチラート等のタンタルアルコラ
ートを用い、バブリング温度60〜160℃、基体ホル
ダー12の温度450℃とすると、基体11の表面に酸
化タンタルの膜が300Å/minの速度で作製できる
ものが挙げられる。この酸化タンタル膜は、主にデバイ
スのコンデンサー部の誘電体膜として使用され、必要と
される膜厚は250Å程度である。このため、成膜は約
1分で完了し産業上有用と考えられる。In addition, as a fifth embodiment of the present invention, tantalum alcoholate such as tantalum methylate or tantalum ethylate is used as the organometallic compound in place of TEOS of the first embodiment, a bubbling temperature of 60 to 160 ° C., and a substrate holder. If the temperature of 12 is 450 ° C., a tantalum oxide film can be formed on the surface of the substrate 11 at a rate of 300 Å / min. This tantalum oxide film is mainly used as a dielectric film of the capacitor part of the device, and the required film thickness is about 250Å. Therefore, the film formation is completed in about 1 minute and is considered to be industrially useful.
以上の実施例は、全て減圧下での成膜例を示したもので
あるが、プロセス圧力は常圧乃至それ以上の加圧であっ
てもよい。特に平坦性を重視するNSG膜、PSG膜、
BSG膜またはBPSG膜の成膜は、圧力が高い方が平
坦性が良好となる。しかしこの場合は、高温非平衡プラ
ズマまたは局所熱平衡プラズマの放電電力の大きいもの
が必要となる。低電力の場合は放電管の内径を小さくす
る必要がある。In the above-mentioned embodiments, all examples of film formation under reduced pressure are shown, but the process pressure may be normal pressure or higher. NSG film, PSG film, which attaches particular importance to flatness,
When forming a BSG film or a BPSG film, the higher the pressure, the better the flatness. However, in this case, high-temperature non-equilibrium plasma or local thermal equilibrium plasma with high discharge power is required. In the case of low power, it is necessary to reduce the inner diameter of the discharge tube.
常圧ないしそれ以上の加圧の場合は、上記の各図で、必
要に応じてメカニカルブースターポンプ32と油回転ポ
ンプ33は取り外して用いる。In the case of normal pressure or higher pressure, the mechanical booster pump 32 and the oil rotary pump 33 are detached and used as necessary in each of the above drawings.
また矢印57の導入する気体としては、酸素のほかに亜
酸化窒素やオゾン含有酸素が使用できる。As the gas introduced by the arrow 57, nitrous oxide or oxygen containing ozone can be used in addition to oxygen.
なおまた、酸素活性種の量については、藤村らの「月刊
Semiconductor World 1988年7月号 p.131- p.138」や
それに引用されている文献に詳しい。これらの文献に見
られるのと同様に、本実施例の場合も、窒素や微量のフ
ッ素系ガス(三フッ素窒素、フレオン等)の添加は、膜
中のOH基の減少につながり、良好な結果を得ている。Furthermore, regarding the amount of oxygen active species, Fujimura et al.
Semiconductor World 1988 July 1988 p.131-p.138 "and references cited therein. Similarly to those found in these documents, also in the case of the present example, addition of nitrogen or a trace amount of fluorine-based gas (nitrogen trifluoride, freon, etc.) leads to reduction of OH groups in the film, and good results are obtained. Is getting
しかしこの添加ガスが目的とする酸化膜に混入すること
によって生じる酸化膜の電気特性の安定性については、
現時点で明確になっていない。However, regarding the stability of the electrical characteristics of the oxide film that occurs when this added gas mixes into the target oxide film,
Not clear at this time.
本発明の方法の実施に使用される装置の他の例を第3図
に示す。第1図と同じ部材には同じ番号を付けてある。
本実施例は主に第1図の実施例のガス吹き出し板22を
取り外した構造にしたものである。こうした装置では、
生成膜の膜厚や膜質の分布が悪くなる欠点がある。しか
し、有機金属化合物および酸素活性種を直接導入できる
ため、より高速な成膜(約2μm/min)が可能であ
った。膜厚、膜質分布をよくするためには基体を回転さ
せると効果のあることが分かっている。Another example of an apparatus used to carry out the method of the present invention is shown in FIG. The same members as those in FIG. 1 are given the same numbers.
The present embodiment mainly has a structure in which the gas blowing plate 22 of the embodiment shown in FIG. 1 is removed. With these devices,
There is a defect that the distribution of the film thickness and film quality of the produced film is deteriorated. However, since the organometallic compound and the oxygen active species can be directly introduced, higher speed film formation (about 2 μm / min) was possible. It has been found that rotating the substrate is effective for improving the film thickness and film quality distribution.
第4図に本発明の他の実施例を示した。第1図と同じ部
材には同じ番号を付けてある。FIG. 4 shows another embodiment of the present invention. The same members as those in FIG. 1 are given the same numbers.
28は石英ガラス管(内径30cm、長さ80cm)の
処理室で、その外部から電気炉(またはハロゲンランプ
からの放射光)81により基体11を加熱できるように
なっている。82は石英ガラス製の基体ホルダーであ
る。101はハッチであり、基体11を、矢印102の
方向に基体ホルダー82ごと出し入れできる構造となっ
ている。28 is a processing chamber of a quartz glass tube (inner diameter 30 cm, length 80 cm), from which the substrate 11 can be heated by an electric furnace (or radiated light from a halogen lamp) 81. Reference numeral 82 is a base holder made of quartz glass. Reference numeral 101 denotes a hatch, which has a structure in which the base 11 can be taken in and out together with the base holder 82 in the direction of the arrow 102.
92は逆止弁であって矢印91の方向にのみ気体を排気
できる構造となっている。バルブ62を設けないで、石
英ガラスの放電管54と処理室28とを一体に構成して
もよい。この場合、酸素活性種導入機構40は、処理室
28と放電管54の溶着部または接続部のみの簡単なも
のとなる。A check valve 92 has a structure capable of discharging gas only in the direction of arrow 91. The discharge tube 54 made of quartz glass and the processing chamber 28 may be integrally configured without providing the bulb 62. In this case, the oxygen activated species introducing mechanism 40 is simple in only the welding portion or the connecting portion between the processing chamber 28 and the discharge tube 54.
本実施例では多数枚数のウェハーを一挙に処理できる利
点がある。処理室28はこれを縦型構造にしてもよく、
その場合は基体の温度分布性が改善されてより均一性の
よい膜を作製できる可能性がある。This embodiment has an advantage that a large number of wafers can be processed at once. The processing chamber 28 may have a vertical structure.
In that case, there is a possibility that the temperature distribution of the substrate will be improved and a more uniform film can be produced.
また、第1図、第3図、第4図に示した実施例では、有
機金属化合物導入機構40のバブラー42を用いたが、
バブリングによらず、単に有機金属化合物の蒸気圧を利
用して気化させ流量をコントロールして処理室内に導入
するような構造にしてもよいし、また強制的に気化させ
る気化器を設置してもよい。加圧下で成膜を行なう場合
は特に気化器の併用が有効である。Further, in the examples shown in FIGS. 1, 3, and 4, the bubbler 42 of the organometallic compound introduction mechanism 40 was used.
Instead of bubbling, the structure may be such that the vapor pressure of the organometallic compound is simply used for vaporization and the flow rate is controlled to be introduced into the processing chamber, or a vaporizer for forced vaporization may be installed. Good. When forming a film under pressure, it is particularly effective to use a vaporizer together.
なおまた、有機金属化合物のキャリアガスとして窒素を
例に記述したが、アルゴン、ヘリウム等の不活性ガスや
その他反応性が低い気体であれば良い。Although nitrogen has been described as an example of the carrier gas for the organometallic compound, any inert gas such as argon or helium or any other gas having low reactivity may be used.
有機金属化合物と、高温非平衡プラズマまたは局所熱平
衡プラズマで作製された酸素活性種とを用いることによ
り、高速で良質な酸化膜が作製可能となり、半導体電子
デバイス、超電導デバイス、各種電子部品、各種センサ
ーの絶縁膜、誘電体膜、保護膜の作製に利用できる。By using an organometallic compound and an oxygen active species produced by high temperature non-equilibrium plasma or local thermal equilibrium plasma, a high-quality oxide film can be produced at high speed, and semiconductor electronic devices, superconducting devices, various electronic components, various sensors It can be used for the production of insulating films, dielectric films and protective films.
第1図は本発明の一実施例の正面断面図、第2図aは酸
素の通常の高周波またはマイクロ波グロー放電の発光分
光分析パターン、bは高温非平衡プラズマまたは局所熱
平衡プラズマからの発光分光分析パターン、第3図、第
4図は本発明の他の実施例の正面断面図。 10……基体温度調整機構、11……基体、12……基
体ホルダー、21……処理室、22……ガス吹き出し
板、33……油回転ポンプ、40……有機金属化合物導
入機構、42……バブラー、50……発生機構、54…
…放電管、55……高温非平衡プラズマまたは高温平衡
プラズマ、60……酸素活性種導入機構、81……電気
炉、101……ハッチ。FIG. 1 is a front sectional view of an embodiment of the present invention, FIG. 2a is an emission spectrum analysis pattern of a normal high-frequency or microwave glow discharge of oxygen, and b is an emission spectrum from a high-temperature nonequilibrium plasma or a local thermal equilibrium plasma. Analysis patterns, FIG. 3 and FIG. 4 are front sectional views of another embodiment of the present invention. 10 ... Substrate temperature adjusting mechanism, 11 ... Substrate, 12 ... Substrate holder, 21 ... Processing chamber, 22 ... Gas blowing plate, 33 ... Oil rotary pump, 40 ... Organometallic compound introduction mechanism, 42 ... … Bubbler, 50… Generation mechanism, 54…
... Discharge tube, 55 ... high-temperature non-equilibrium plasma or high-temperature equilibrium plasma, 60 ... oxygen activated species introduction mechanism, 81 ... electric furnace, 101 ... hatch.
フロントページの続き (72)発明者 中村 昇 東京都府中市四谷5―8―1 日電アネル バ株式会社内 (56)参考文献 特開 昭61−248418(JP,A)Front page continuation (72) Inventor Noboru Nakamura 5-8-1, Yotsuya, Fuchu-shi, Tokyo Within Nichiden Anelva Co., Ltd. (56) Reference JP-A-61-248418 (JP, A)
Claims (7)
たは局所熱平衡プラズマで作製された酸素活性種とを原
料気体とし、それらの化学反応を用いて、基体の表面に
酸化膜を作製することを特徴とする薄膜作製方法。1. An organic metal compound and oxygen active species produced by high temperature non-equilibrium plasma or local thermal equilibrium plasma are used as source gases, and the chemical reaction thereof is used to produce an oxide film on the surface of a substrate. Characteristic thin film manufacturing method.
であり、該酸化膜が酸化シリコン膜である特許請求の範
囲第1項記載の薄膜作製方法。2. The method for producing a thin film according to claim 1, wherein the organometallic compound is tetraethoxysilane and the oxide film is a silicon oxide film.
であり、該酸化膜が酸化タンタル膜である特許請求の範
囲第1項記載の薄膜作製方法。3. The method for producing a thin film according to claim 1, wherein the organometallic compound is tantalum alcoholate, and the oxide film is a tantalum oxide film.
化物または有機化合物と、高温非平衡プラズマまたは局
所熱平衡プラズマで作製された酸素活性種とを原料気体
とし、それらの化学反応を用いて基体の表面に前記添加
したい元素の含有された酸化膜を作製することを特徴と
する薄膜作製方法。4. An organometallic compound, a hydride or organic compound of an element to be added, and an oxygen active species produced by high temperature non-equilibrium plasma or local thermal equilibrium plasma are used as source gases, and their chemical reaction is used to form a substrate. A method for producing a thin film, characterized in that an oxide film containing the element to be added is produced on the surface of the film.
であり、該添加したい元素がリンとホウ素、またはその
どちらか一方であり、該添加したい元素の有機化合物が
リン酸トリメチルエステルとトリエトキシホウ素、また
はそのどちらか一方であり、該作製する酸化膜がリンと
ホウ素、またはそのどちらか一方の含有された酸化シリ
コン膜であることを特徴とする特許請求の範囲第4項記
載の薄膜作製方法。5. The organic metal compound is tetraethoxysilane, the element to be added is phosphorus and / or boron, and the organic compound of the element to be added is trimethyl phosphate and triethoxyboron. 5. The thin film manufacturing method according to claim 4, wherein the oxide film to be manufactured is a silicon oxide film containing phosphorus and / or boron.
室内に設置された基体と、該基体の温度を調整する基体
温度調整機構と、有機金属化合物を該処理室内の該基体
の前面空間に導入する有機金属化合物導入機構と、高温
非平衡プラズマ又は局所熱平衡プラズマ発生機構と、そ
の高温非平衡プラズマ又は局所熱平衡プラズマ発生機構
で作製された酸素活性種を該基体の前面空間に導入して
該基体の表面に酸化膜を作製する酸素活性種導入機構
と、を備えたことを特徴とする薄膜作製装置。6. A processing chamber which can be kept airtight, a substrate installed in the processing chamber, a substrate temperature adjusting mechanism for adjusting the temperature of the substrate, and an organometallic compound for the substrate in the processing chamber. Organometallic compound introduction mechanism to be introduced into the front space, high-temperature non-equilibrium plasma or local thermal equilibrium plasma generation mechanism, and oxygen active species produced by the high-temperature non-equilibrium plasma or local thermal equilibrium plasma generation mechanism are introduced into the front space of the substrate And an oxygen activated species introducing mechanism for forming an oxide film on the surface of the substrate.
材として、該有機金属化合物を該基体の前面空間に均一
に供給する温度制御されたガス吹き出し板を設置したこ
とを特徴とする特許請求の範囲第6項記載の薄膜作製装
置。7. A temperature-controlled gas blowing plate for uniformly supplying the organometallic compound to the front space of the substrate is provided as a member for introducing the organometallic compound into the processing chamber. The thin film forming apparatus according to claim 6.
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP63318147A JPH0660408B2 (en) | 1988-12-16 | 1988-12-16 | Thin film manufacturing method and apparatus |
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Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH02163379A JPH02163379A (en) | 1990-06-22 |
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