JP3256708B2

JP3256708B2 - 半導体装置の製造方法

Info

Publication number: JP3256708B2
Application number: JP06885593A
Authority: JP
Inventors: 正中野; 与洋太田; 伸良佐藤
Original assignee: Kawasaki Microelectronics Inc
Current assignee: Kawasaki Microelectronics Inc
Priority date: 1993-03-26
Filing date: 1993-03-26
Publication date: 2002-02-12
Anticipated expiration: 2017-02-12
Also published as: JPH06283509A

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方法、
特に半導体基体および金属配線の上の１次絶縁膜、多層
金属配線間の層間絶縁膜およびパッシベーション膜とし
て作用する最終絶縁膜や金属配線のサイドウォールまた
は電界効果トランジスタのゲート電極のサイドウォール
として使用することができる絶縁膜を有機ケイ素化合物
を原料ガスとして用いる化学気相成長により形成する方
法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、VLSIデバイスの高集積化、高密度
化が急速に進み、半導体加工技術はサブミクロン加工が
必須のものとなってきている。サブミクロン加工が進む
に伴って半導体基体表面の凹凸はますます激しくなり、
アスペクト比が大きくなり、この凹凸がデバイス製造上
の制約となってきている。このような問題の解決のため
に最も強く望まれているのが、多層金属配線間の形成さ
れる層間絶縁膜の平坦化技術である。

【０００３】サブミクロンデバイス用の層間絶縁膜に要
求される特性としては、サブミクロンオーダーのスペー
スを形成することおよび１以上の高アスペクト比を持つ
パターンに対する優れたステップカバレージを実現する
ことなどがある。このような要求を満たす層間絶縁膜の
形成方法として有機シランを原料ガスに用いた化学気相
成長法(CVD法) が知られている。また、CVD 法としては
プラズマCVD 、常圧CVD 法、減圧CVD 法、加圧CVD 法、
光励起CVD 法などが従来より提案されている。

【０００４】これらの内、有機シラン系化合物を原料ガ
スとし、これにオゾンガスを反応ガスとして加えて常圧
CVD 法で形成した絶縁膜、すなわち常圧オゾン−有機シ
ランCVD シリコン酸化膜は、その平坦性が特に優れてい
ることから最も期待されている方法の一つである。この
ようなオゾンおよび有機シラン系化合物の混合ガスを原
料ガスとして用いる常圧CVD 法は、例えば特開昭61-776
95号公報や「電気化学」56, No.7(1988), 527 〜532 頁
などに記載されている。また、有機シラン系化合物とし
てはTEOS(tetraethoxysilane), OMCTS(octamethylcyclo
tetrasiloxane), HMDS(hexamethyldisiloxane)，TMCTS
(tetramethylcyclotetrasiloxane), SOB(trimethylsily
l borate), DADBS(diacetoxydi-tertiary-butoxysilan
e), SOP(trimethylsilyl phosphate) などが知られてい
る。

【０００５】また、半導体装置の最終保護膜として用い
られる絶縁膜においても、VLSIデバイスの高集積化、高
密度化に伴い、その平坦性と、素子の信頼性に影響を与
える膜質の向上が強く要求されている。これは主に最終
配線の側壁からの水分等の侵入を防ぐためである。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、有機シ
ラン系化合物を原料ガスとするCVD 法によって絶縁膜を
形成する従来の半導体装置の製造方法においては、成膜
速度や膜質の下地依存性が大きく、ステップカバレージ
が悪くなるとともにボイドが発生するという欠点があ
る。例えば、層間絶縁膜を形成する場合、下地絶縁膜の
上での成膜速度は遅く、アルミ配線の上での成膜速度が
速く、配線間への回り込みが少ないので配線間が埋まら
ない内に上部が塞がれてしまう結果、アルミ配線間に大
きなボイドが形成されてしまう欠点がある。このように
有機シラン系化合物を原料ガスとするCVD 膜が大きな下
地依存性を有することは、例えば特開昭61-77695号公報
や平成３年に発行された「電気学会論文Ａ」, 111 巻７
号の652 〜658 頁に記載されている。このようにボイド
が形成されると、層間絶縁膜にクラックが発生し、配線
間のリーク電流が増加したり、応力によって配線間のス
ペースが変化し、素子特性に悪影響を及ぼすことにな
る。

【０００７】上述した従来の半導体装置の製造方法の欠
点を軽減するために、絶縁膜を多層構造とすることが提
案されている。例えば、下地依存性を緩和するために下
地表面にプラズマCVD 法によりTEOSとO₂とを原料として
酸化膜を薄く（通常3000Å以下）形成し、その後オゾン
−TEOS 常圧CVD 法によって平坦性に優れたNSG (non-d
oped silicate glass)膜を形成することが提案されてい
る。しかし、この方法でもサブミクロンデバイスにおい
ては配線と配線とのスペースがきわめて狭く、しかもア
スペクト比が１以上と大きな配線段階を埋め込むことは
できない欠点がある。さらに、SOG(Spin On Glass)を用
いて配線段差を埋め込むことも提案されているが、SOG
を用いると、配線間の下部からのガス(H₂Oなど) が抜け
ず、半導体装置の信頼性に悪影響を及ぼす欠点がある。

【０００８】本発明の目的は上述した従来の絶縁膜形成
方法の欠点を解消し、ステップカバレージおよび平坦性
に優れており、特にサブミクロンデバイスの絶縁膜とし
て使用するのに有効であるとともに優れた膜質を有し、
クラックやボイドの発生もない絶縁膜の形成することが
でき、したがって信頼性の高い半導体装置を製造するこ
とができる方法を提供しようとするものである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明による半導体装置
の製造方法は、半導体装置の絶縁膜を有機シランおよび
酸化性ガスを用いる化学気相成長によって形成するに当
たり、先ずプラズマＣＶＤによる第１の成膜を行い、次
に、熱ＣＶＤによる第２の成膜を行い、かつ該第２の成
膜の初期で酸化性ガスによる反応を抑制することを特徴
とするものである。さらに、本発明による半導体装置の
製造方法は、半導体装置の絶縁膜を有機シランおよび酸
化性ガスを用いる化学気相成長によって形成するに当た
り、成膜の初期または途中で酸化性ガスによる反応を、
半導体基板の温度を、該酸化性ガスの熱分解を抑制する
温度まで低下させることによって抑制することを特徴と
するものである。

【００１０】本発明の好適実施例においては、前記酸化
性ガスによる反応の抑制は、酸化性ガスの濃度を低下さ
せて実施することができる。また、この酸化性ガスの濃
度の低下は、反応チャンバへ供給する酸化性ガスの流量
を減少させたり、酸化性ガスと反応し得る還元性ガスを
反応チャンバへ供給することによって実施することがで
きる。

【００１１】本発明においては、前記有機シランとして
は、例えば以下のようなものを用いることができる。テトラアルコキシシラン( オルトケイ酸エステル):テト
ラメトキシシラン(TEOS)、テトラエトキシシラン(TEO
S)、テトラｎプロポキシシラン、テトライソプロポキシ
シラン、テトラｎブトキシシランアルキルアルコキシシラン:メチルトリメトキシシラ
ン、メチルトリエトキシシラン、メチルｎプロポキシシ
ラン、メチルイソプロポキシシラン、エチルトリメトキ
シシラン、エチルトリエトキシシラン、エチルトリｎプ
ロポキシシラン、エチルトリイソプロポキシシラン、ビ
ニルトリメトキシシラン、ビニルトリエトキシシラン、
フェニルトリメトキシシランジメチルジメトキシシラン、ジメチルジエトキシシラ
ン、ジエチルジメトキシシラン、ジエチルジエトキシシ
ラン、ジエチルジｎプロポキシシラン、ジエチルジイソ
プロポキシシラン、メチルビニルジメトキシシラン、メ
チルビニルジエトキシシランメチルジメトキシシラン、メチルジエトキシシランジメチルビニルメトキシシラン、ジメチルビニルエトキ
シシランポリシロキサン:テトラキス（ジメチルシロキシ）シラ
ンシクロシキサン:オクタメチルシクロテトラシロキサン
(OMCTS) 、ペンタメチルシクロテトラシロキサン、テト
ラメチルシクロテトラシロキサン、ヘキサメチルシクロ
トリシロキサン、トリメチルシクロトリシロキサンジシロキサン:ヘキサメチルジシロキサン(HMDS)、テト
ラメチルジメトキシジシロキサン、ジメチルテトラメト
キシジシロキサン、ヘキサメトキシジシロキサンアルキルシラン:モノメチルシラン、ジメチルシラン、
トリメチルシラン、トリエチルシラン、テトラメチルシ
ラン、テトラエチルシラン、アリルトリメチルシラン、
ヘキサメチルジシランシリルアミン:ジメチルトリメチルシリルアミン、ジエ
チルトリメチルシリルアミンシラン窒素誘導体:アミノプロピルトリエトキシシラ
ン、トリメチルシリルアジド、トリメチルシリルシアナ
イドシラザン:ヘキサメチルジシラザン、テトラメチルジシ
ラザン、オクタメチルシクロテトラシラザン、ヘキサメ
チルシクロトリシラザンハロゲン化シランおよび誘導体:トリメチルクロロシラ
ン、トリエチルクロロシラン、トリｎプロピルクロロシ
ラン、メチルジクロロシラン、ジメチルクロロシラン、
クロロメチルジメチルクロロシラン、クロロメチルトリ
メチルシラン、クロロプロピルメチルジクロロシラン、
クロロプロピルトリメトキシシラン、ジメチルジクロロ
シラン、ジエチルジクロロシラン、メチルビニルジクロ
ロシラン、メチルトリクロロシラン、エチルトリクロロ
シラン、ビニルトリクロロシラン、トリフロロプロピル
トリクロロシラン、トリフロロプロピルトリメトキシシ
ラン、トリメチルシリルアイオダイドさらに、有機シランしては、トリス（トリメチルシロキ
シ）ボラン(SOB) 、トリス（トリメチルシロキシ）ホス
ホリル(SOP) 、ジアセトキシ-tert-ブトキシシラン(DAD
BS) などを用いることもできる。本発明においては、上
述した有機シランを単独で用いるかあるいは２以上の有
機シランを混合して用いることができる。混合して用い
る場合の混合割合は適当に定めれば良い。また、気相化
学成長法としては常圧熱CVD 法、減圧熱CVD 法、プラズ
マCVD 法、光CVD 法、オゾンCVD 法などを用いることが
でき、酸化性ガスとしては、酸素ガス、オゾンガスを0.
1 〜7 重量％含む酸素ガス、オゾンガスなどを用いるこ
とができる。

【００１２】

【作用】このような本発明による半導体装置の製造方法
によれば、有機シランおよび酸化性ガスを用いる化学気
相成長によって絶縁膜を形成するに当たり、成膜の初期
または途中で酸化性ガスによる反応を抑制することによ
ってエタノール、メタノールなどが中間反応生成物とし
て多く生成されるようになり、この中間生成物によって
半導体ウエファの表面が下地処理されることになるの
で、絶縁膜の下地依存性が緩和され、段差への埋め込み
性および平坦性に優れているとともにボイドの発生もな
く、水分の含有量も少ない優れた膜質の絶縁膜を形成す
ることができる。このように酸化性ガスによる反応を抑
制することによって段差間への埋め込み性が良好で膜質
の良好な絶縁膜が形成される理由は明確には解明できて
いないが、良好な結果が得られることは実験的に確認さ
れている。

【００１３】有機シランと酸化性ガスとの反応による化
学気相成長によって絶縁膜を成膜する場合のメカニズム
を以下考察する。ここでは、説明の便宜上、有機シラン
としてTEOSを用いる、酸化性ガスとしてオゾンを５重量
％程度含む酸素を用いるものとする。反応チャンバに供
給されたオゾンは、

【化１】O₃→ O + O₂ に示すように反応性酸素と、酸素ガスとに分解される。
このようにして生成される反応性酸素がTEOSと以下のよ
うに反応するが、この過程において下地表面に酸化ケイ
素が生成され、半導体ウエファ上に絶縁膜として成膜さ
れて行く。

【化２】すなわち、TEOSは反応性酸素と反応してエタノール、メ
タノールなどのアルコールや、アセトアルデヒド、ホル
ムアルデヒドなどのアルデヒドや、酢酸や蟻酸などのカ
ルボン酸が中間生成物として生成され、最終的には一酸
化炭素、二酸化炭素および水となる。通常の気相成長に
おいては、酸化ケイ素の成膜を効率良く行うために十分
な反応性酸素を発生させており、したがって上述した中
間生成物の寿命は短いものである。本発明においては、
上述したように成膜の初期または途中において、反応性
酸素の量を減少させることによって上述した中間生成物
の寿命を長くし、多量の中間生成物が半導体ウエファの
下地表面に作用するようにして下地依存性を軽減するも
のである。これらの中間生成物の内では、特に最初に生
成されるエタノールやメタノールのようなアルコールが
下地依存性の軽減に有効に作用するものであると予想さ
れるが、他の中間生成物も作用している可能性はある。

【００１４】

【実施例】（実施例１）図１に示すようにシリコン基板
11の上に膜厚が6000ÅのBPSG膜12を形成し、さらにその
上に高さ１μm のアルミ配線13をライン巾0.5 μm 、ス
ペース巾0.5 μm で形成し、このBPSG膜およびアルミ配
線の上にプラズマ−TEOS CVD NSG膜14を3000Åの厚さに
形成した。このプラズマ−TEOS CVD NSG膜14の成膜条件
としては、成膜温度を35０℃、成膜圧力を2.2Torr と
し、TEOSを1.8ml/分の割合で供給し、酸素ガスを4.0ml/
分の割合で供給し、RFパワーとしては400KHz, 500Wと1
3.56MHz, 500Wの合計１KWを使用し、成膜時間を20秒と
した。このプラズマ−TEOS CVDNSG膜14の膜厚はアルミ
配線13の上で3000Åであるが、その側壁には1000Å程度
しか形成されていない。

【００１５】次に、シリコンウエファを化学気相成長を
行う反応チャンバ内に搬入し、以下の成膜条件でオゾン
−TEOS CVD NSG膜15を10000 Åの膜厚に形成した。すな
わち、この実施例においては、有機シランとしてTEOSを
用い、酸化性ガスとしてオゾンを用いるオゾン−TEOS C
VDでSiO₂膜を形成するに当たり、成膜の初期の60秒の期
間には、還元性ガス、すなわちオゾンキラーとして作用
するプロピレン(C₃H₆)を、窒素ガスで２％に希釈したガ
スを７リットル／分の流量で供給することによって酸化
性ガスによる反応を抑制するようにしたものである。他
の条件は以下に示す通りであるが、この明細書では、ガ
ス流量は０℃、１気圧の標準状態での流量を示すもので
ある。

【表１】成膜温度 400 ℃ 成膜圧力大気圧成膜時間 545 秒ガスバブラへの窒素ガス流量 1.5 l/min 恒温槽温度 65 ℃ オゾン発生装置への酸素流量 7.5 l/min オゾン濃度 5 重量% キャリアN₂ガス流量 18 l/min このようにして形成したオゾン−TEOS CVD NSG膜15はア
ルミ配線13間の狭いスペースを埋め、良好なステップカ
バレージを有しているとともに平坦性も優れており、ボ
イドも形成されていない良好の膜質を有するものであっ
た。

【００１６】（比較例１）比較例１として図２に示すよ
うにシリコン基板11の上にBPSG膜12を形成し、さらにそ
の上にアルミ配線13を形成し、BPSG膜およびアルミ配線
上にプラズマ−TEOS CVD NSG 膜14を3000Åの厚さに形
成した。ここまでは上述した実施例１と同様であり、ア
ルミ配線13のライン巾、スペースおよび高さも実施例１
と同様である。その後、反応チャンバ内に入れ、還元性
ガスであるプロピレンを用いることなく、実施例１と同
様の成膜条件でオゾン−TEOS CVD NSG膜16を10000 Åの
厚さに形成した。比較例１ではオゾン−TEOS CVD NSG膜
16のアルミ配線13間の埋め込みが不良であって多数のボ
イド17が形成されており、素子特性を劣化させるもので
あった。

【００１７】（実施例２）この実施例においても、シリ
コン基板の上にアルミ配線を形成し、さらにその上にプ
ラズマ−TEOS CVD NSG膜を形成した後、シリコンウエフ
ァを反応チャンバへ搬入する工程までは、上述した実施
例１と同様である。本例においては、シリコンウエファ
の加熱温度を、オゾンの熱分解を抑制する温度、例えば
350 ℃に最初設定しておき、成膜開始から50秒後に３秒
の時間内で400 ℃に昇温した。その他の条件は実施例１
および２と同様とした。このように、成膜の初期におけ
るシリコンウエファの温度を低下させることによってオ
ゾンの熱分解が抑制され、その結果として反応性の酸素
の発生が抑制され、上述したように下地処理が行われ、
埋め込み性および平坦性に優れているとともにボイドの
ない優れた膜質のオゾン-TEOS CVD NSG 膜を形成するこ
とができる。この実施例のようにシリコンウエファの温
度を急激に上昇させるには、通常の抵抗加熱では困難で
あるので、本例においては、ランプ加熱法を利用した。

【００１８】（実施例３）本例においても前例と同様にしてプラズマTEOS CVD NSG
膜をアルミ配線の上に形成した後、反応チャンバへ搬入
する工程までは前例と同様である。上述した実施例で
は、オゾンの濃度は、供給酸素に対して常に５重量％と
なるようにしたが、本例においては成膜開始後50秒間は
２重量％と少なくし、その後約10秒間で５重量％まで上
昇させたものである。このようにして、成膜初期の段階
でのオゾン濃度を低くして反応性酸素の発生量を少なく
することができ、その結果として反応中間生成物を多量
に発生させ、これによってシリコンウエファの表面を処
理し、段差への埋め込み性が良好で、平坦性にも優れて
いるとともにボイドの発生もない優れた膜質のオゾン-T
EOS CVD NSG 膜を形成することができる。

【００１９】本発明は上述した実施例にのみ限定される
ものではなく、幾多の変更や変形が可能である。有機シ
ランとしては、上述したTEOSのみに限定されるものでは
なく、上述したように種々の有機シランを用いることが
できる。また、酸化性ガスととしては上述したオゾンに
のみ限定されるものではなく、例えば過酸化水素を用い
ることもできる。さらに、上述した実施例ではアルミ配
線の上にプラズマ-TEOS CVD NSG 膜を形成し、その上に
オゾン-TEOS CVD NSG 膜を成膜するようにしたが、プラ
ズマ-TEOS CVD NSG 膜の代わりに他の絶縁膜を形成して
も良いし、またプラズマ-TEOS CVD NSG 膜を省略しても
良い。また、上述した実施例においては、層間絶縁膜を
形成するようにしたが、第１層絶縁膜や最終絶縁膜を形
成することもできる。

【００２０】

【発明の効果】上述したように、本発明による半導体装
置の製造方法によれば、半導体ウエファの表面に有機シ
ランを用いる化学気相成長によって絶縁膜を形成するに
当たり、絶縁膜の下地依存性を軽減することができ、段
差への埋め込み性および平坦性に優れているとともにボ
イドの発生もなく、水分の含有量も少ない優れた膜質の
絶縁膜を形成することができる。したがって、このよう
にして形成される半導体装置の信頼性を向上することが
できる。また、本発明を実施するに当たっては、酸化性
ガスによる反応を抑制するという簡単な工程を従来の気
相成長工程に付加するだけで良いので、製造工程は簡単
となり、スループットも改善されることになる。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は、本発明による半導体装置の製造方法の
一実施例によって形成される半導体装置を示す断面図で
ある。

【図２】図２は、従来の半導体装置の製造方法によって
形成された半導体装置を示す断面図である。

【符号の説明】

11 シリコン基板 12 BPSG膜 13 アルミ配線 14 プラズマ-TEOS CVD NSG 膜 15 オゾン-TEOS CVD NSG 膜

フロントページの続き (56)参考文献特開平４−56323（ＪＰ，Ａ) 特開平３−123029（ＪＰ，Ａ) 特開平３−198340（ＪＰ，Ａ) 特開昭61−77695（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01L 21/316

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】半導体装置の絶縁膜を有機シランおよび
酸化性ガスを用いる化学気相成長によって形成するに当
たり、先ずプラズマＣＶＤによる第１の成膜を行い、次
に、熱ＣＶＤによる第２の成膜を行い、かつ該第２の成
膜の初期で酸化性ガスによる反応を抑制することを特徴
とする半導体装置の製造方法。
【請求項２】前記第２の成膜のＣＶＤの酸化性ガスと
してオゾンを用いることを特徴とする請求項１に記載の
半導体装置の製造方法。
【請求項３】前記第２の成膜における酸化性ガスによ
る反応の抑制を、還元性ガスを反応チャンバへ供給する
ことによって実施することを特徴とする請求項１に記載
の半導体装置の製造方法。
【請求項４】半導体装置の絶縁膜を有機シランおよび
酸化性ガスを用いる化学気相成長によって形成するに当
たり、成膜の初期または途中で酸化性ガスによる反応
を、半導体基板の温度を、該酸化性ガスの熱分解を抑制
する温度まで低下させることによって抑制することを特
徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項５】前記酸化性ガスとしてオゾンを用いるこ
とを特徴とする請求項４に記載の半導体装置の製造方
法。