JP7188264B2 - 半導体装置の製造方法 - Google Patents

Description

本明細書に開示の技術は、半導体装置の製造方法に関する。

特許文献１には、半導体装置の製造方法が開示されている。この製造方法は、半導体基板の表面にリンとボロンの少なくとも一方を含む層間絶縁膜を形成する工程と、層間絶縁膜にコンタクトホールを形成する工程を有する。また、この製造方法は、コンタクトホールの形成前または形成後に、水素雰囲気下で層間絶縁膜をアニールする工程（以下、水素アニールという場合がある）を有する。水素雰囲気下で層間絶縁膜をアニールすることで、層間絶縁膜に水素を充填し、層間絶縁膜の流動性を低下させることができる。このため、その後に層間絶縁膜が加熱されても、コンタクトホールの側壁の角部が丸まることが抑制される。これによって、半導体装置の耐久性が向上する。

特開２０１８－１１７０１６号公報

水素アニールを行うと、後の工程で層間絶縁膜の表面に凹凸が生じる場合がある。これは、水素アニール中に、Ｓｉ（シリコン）やＯ（酸素）と結合しているＢ（ボロン）やＰ（リン）がＨ（水素）によって置換されることでＢやＰが層間絶縁膜中で遊離して凝集するためだと考えられる。本明細書では、層間絶縁膜に対して水素アニールを行うときに、層間絶縁膜の表面での凹凸の発生を抑制する技術を提案する。

本明細書が開示する半導体装置の製造方法は、半導体基板の表面にリンとボロンの少なくとも一方を含む層間絶縁膜を形成する工程と、前記層間絶縁膜にコンタクトホールを形成する工程と、前記コンタクトホールの形成前または形成後に前記層間絶縁膜を水素雰囲気下で８２０℃以上かつ８５０℃以下の温度でアニールする工程、を有する。

この製造方法では、８２０℃以上かつ８５０℃以下の温度で水素アニールを行う。水素アニールを行うので、コンタクトホールの側壁の角部が丸まることを抑制できる。また、８２０℃以上かつ８５０℃以下の温度での水素アニールを行うと、層間絶縁膜の表面での凹凸の発生を抑制することができる。

半導体装置の製造方法を示すフローチャート。 層間絶縁膜形成後のＳｉＣ基板の断面図。 コンタクトホール形成後のＳｉＣ基板の断面図。 ニッケル膜形成後のＳｉＣ基板の断面図。 シリサイド化処理後のＳｉＣ基板の断面図。 ニッケル膜除去後のＳｉＣ基板の断面図。 ニッケル膜除去後のＳｉＣ基板の断面図（比較例）。 コンタクトホールの形状と水素アニール温度の関係を示す表。 グラフェンの発生と水素アニール温度の関係を示す表。 層間絶縁膜表面の凹凸の発生と水素アニール温度の関係を示す表。 バリアメタル形成後のＳｉＣ基板の断面図。 導電体形成後のＳｉＣ基板の断面図。 電極配線形成後のＳｉＣ基板の断面図。 電極配線形成後のＳｉＣ基板の断面図（比較例）。

図１は、実施形態の半導体装置の製造方法を示している。ステップＳ２では、図２に示すように、ＳｉＣ基板１２の表面に、層間絶縁膜１４を形成する。ここでは、ＢとＰの少なくとも一方を含む層間絶縁膜１４を形成する。典型的には、Ｐを８～１２ｗｔ％の濃度で含み、Ｂを７～１０ｗｔ％の濃度で含むＢＰＳＧ膜を層間絶縁膜１４として形成する。ＢとＰの少なくとも一方を有する層間絶縁膜１４は成膜時に流動性を有するので、層間絶縁膜１４の表面が平坦となる。

次に、ステップＳ４において、層間絶縁膜１４に対して水素アニールを実施する。すなわち、層間絶縁膜１４を備えるＳｉＣ基板１２を炉内に設置し、炉内に水素ガス（Ｈ_２）を導入して、ＳｉＣ基板１２とともに層間絶縁膜１４を加熱する。ここでは、１００％の濃度の水素ガス中で、層間絶縁膜１４を８２０℃以上かつ８５０℃以下の温度に所定時間維持する。水素アニールを行うことで、層間絶縁膜１４中に水素が充填される。水素アニールの温度が高すぎると、層間絶縁膜１４中でＢやＰが凝集するとともに層間絶縁膜１４中に多数の空孔が形成される。これに対し、水素アニールの温度を８５０℃以下とすることで、層間絶縁膜１４中でのＢやＰの凝集を抑制するとともに層間絶縁膜１４中での空孔の発生を抑制することができる。

次に、ステップＳ６において、図３に示すように、層間絶縁膜１４を部分的にエッチングすることによってコンタクトホール１６を形成する。コンタクトホール１６は、図３の紙面に対して垂直な方向（Ｙ方向）に直線状に伸びている。図示していないが、図３の左右方向（Ｘ方向）に、複数のコンタクトホール１６を間隔を空けて形成する。例えば、各コンタクトホール１６のＸ方向の幅を、５００～１０００ｎｍ程度とすることができる。また、各コンタクトホール１６の間のＸ方向の間隔を、５００～１０００ｎｍ程度とすることができる。

次に、ステップＳ８において、コンタクトホール１６内にニッケルシリサイド層を形成する。詳細には、ステップＳ８は以下のように実施される。まず、図４に示すように、層間絶縁膜１４の表面とコンタクトホール１６の内面を覆うように、ニッケル膜１８を形成する。次に、ＳｉＣ基板１２を熱処理することによって、ニッケル膜１８とＳｉＣ基板１２を反応させる。これによって、図５に示すように、ニッケル膜１８とＳｉＣ基板１２との界面（コンタクトホール１６の底面）にニッケルシリサイド膜２０を形成する。次に、図６に示すように、シリサイド化していないニッケル膜１８をエッチングにより除去する。

ステップＳ８でニッケルシリサイド膜２０を形成するための熱処理（以下、シリサイド化処理という）を行うときに、層間絶縁膜１４が高温となる。シリサイド処理よりも前に水素アニールを行っていないと、シリサイド化処理のときに層間絶縁膜１４が流動し、図７に示すようにコンタクトホール１６の側壁の角部が丸まってしまう。これに対し、本実施形態の製造方法では、シリサイド化処理よりも前に層間絶縁膜１４に対して水素アニールを行っているので、シリサイド化処理のときに層間絶縁膜１４がほとんど流動しない。このため、コンタクトホール１６の側壁の角部が丸まる現象が生じ難い。図８は、水素アニール温度と、コンタクトホール１６の形状の関係を調査した実験結果を示している。図８に示すように、水素アニールの温度が８００℃の場合にはコンタクトホール１６の側壁の角部が丸まるが、水素アニールの温度を８２０℃以上とすることでコンタクトホール１６の側壁の角部がほとんど丸まらない。

また、ステップＳ８のシリサイド化処理のときに、層間絶縁膜１４の表面にグラフェンが発生する場合がある。グラフェン発生のメカニズムは明確になってはいないが、シリサイド化処理時にＳｉＣ基板１２からニッケル膜１８へ炭素が溶け出し、シリサイド化処理後にニッケル膜１８の温度が低下するときにニッケル膜１８中の炭素が析出するためと推測される。層間絶縁膜１４の表面にグラフェンが存在すると、封止樹脂に対する密着性の低下、コンタクトホール１６におけるコンタクト抵抗の増加等の問題が生じる場合がある。図９は、水素アニール温度と、グラフェンの発生の有無との関係を調査した実験結果を示している。図９に示すように、水素アニールの温度が８００℃の場合にはグラフェンが発生する。水素アニールの温度を８２０℃以上の場合には、グラフェンがほとんど発生しない。これは、層間絶縁膜１４中に充填された水素がグラフェンの発生を阻害するためと推測される。

次に、ステップＳ１０で、フッ酸（ＨＦ）により層間絶縁膜１４の表面を洗浄する。水素アニールの温度が高すぎると、フッ酸洗浄時に、層間絶縁膜１４の表面に凹凸が形成される場合がある。これは、水素アニールの温度が高すぎると、層間絶縁膜１４の内部に多数の空孔が形成されるとともに、層間絶縁膜１４の表面にＢまたはＰが凝集した凝集部が形成されるためと推測される。層間絶縁膜１４に空孔が存在すると、フッ酸洗浄時に空孔の部分が凹部となると考えられる。また、層間絶縁膜１４に凝集部が存在すると、凝集部がフッ酸に溶け難いので、フッ酸洗浄時に凝集部が凸状に残存すると考えられる。このため、層間絶縁膜１４の表面に凹凸が形成されると考えられる。図１０は、水素アニールの温度と、フッ酸洗浄後の層間絶縁膜１４の表面状態との関係を調査した実験結果を示している。図１０に示すように、水素アニールの温度が８７０℃の場合には層間絶縁膜１４の表面に凹凸が形成される。水素アニールの温度が８５０℃以下の場合には、層間絶縁膜１４の表面に凹凸がほとんど発生しない。

次に、ステップＳ１２で、図１１に示すように、層間絶縁膜１４の表面とニッケルシリサイド膜２０の表面にバリアメタル２２を形成する。その後、バリアメタル２２を熱処理する。

次に、ステップＳ１４で、図１２に示すように、コンタクトホール１６内に導電体２４（例えば、タングステン）を充填する。より詳細には、まず、バリアメタル２２の表面全体に導電体２４を成長させて、コンタクトホール１６を導電体２４で埋め込む。次に、導電体２４をエッチバックして、コンタクトホール１６内にのみ導電体２４を残存させる。

次に、ステップＳ１６で、図１３に示すように、導電体２４上に電極配線２６（例えば、ＡｌＳｉ）を形成する。電極配線２６は、コンタクトホール１６（すなわち、導電体２４、バリアメタル２２、及び、ニッケルシリサイド膜２０）を介してＳｉＣ基板１２に接続される。

ステップＳ２～Ｓ１６を実施した後に、ＳｉＣ基板１２を複数に分割することで、半導体装置が製造される。

なお、図７のようにコンタクトホール１６の側壁の角部が丸まっていると、図１４のようにコンタクトホール１６内に残存する導電体２４の表面に凹部２４ａが形成され易い。凹部２４ａが存在すると、凹部２４ａ内に電極配線２６が形成される。凹部２４ａ内の電極配線２６が熱によって膨張・収縮すると、層間絶縁膜１４とＳｉＣ基板１２に対して高い応力が加わる。これに対し、コンタクトホール１６の側壁の角部が丸まっていないと、図１３のように導電体２４の表面に凹部が形成されず、層間絶縁膜１４及びＳｉＣ基板１２に加わる応力を抑制することができる。したがって、半導体装置の信頼性を向上させることができる。

以上に説明したように、この製造方法では、水素アニールの温度を８２０℃以上かつ８５０℃以下に制御する。図８～１０から明らかなように、水素アニールの温度を８２０℃以上かつ８５０℃以下とすることで、層間絶縁膜１４の表面の凹凸、コンタクトホール１６の側壁の角部の丸まり、及び、グラフェンの発生のいずれも抑制できる。

なお、上述した実施例では、ステップＳ４の水素アニールを、ステップＳ６のコンタクトホール１６の形成よりも先に行った。しかしながら、ステップＳ４とステップＳ６の順序を入れ替えてもよい。すなわち、水素アニールを、コンタクトホール１６の形成よりも後に行ってもよい。層間絶縁膜１４に対する水素アニールは、ステップＳ８のシリサイド化処理よりも前であればいつ行ってもよい。

以上、実施形態について詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例をさまざまに変形、変更したものが含まれる。本明細書または図面に説明した技術要素は、単独あるいは各種の組み合わせによって技術有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組み合わせに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成するものであり、そのうちの１つの目的を達成すること自体で技術有用性を持つものである。

１２ ：ＳｉＣ基板
１４ ：層間絶縁膜
１６ ：コンタクトホール
１８ ：ニッケル膜
２０ ：ニッケルシリサイド膜
２２ ：バリアメタル
２４ ：導電体
２４ａ ：凹部
２６ ：電極配線

Claims (2)

1. 半導体装置の製造方法であって、
   半導体基板の表面に、リンとボロンの少なくとも一方を含む層間絶縁膜を形成する工程と、
   前記層間絶縁膜にコンタクトホールを形成する工程と、
   前記コンタクトホールの形成前または形成後に、前記層間絶縁膜を水素雰囲気下で８２０℃以上かつ８５０℃未満の温度でアニールする工程と、
   前記コンタクトホールを形成する前記工程および前記アニールする前記工程の後に、前記コンタクトホール内にニッケル膜を形成し、熱処理により前記ニッケル膜と前記半導体基板を反応させてニッケルシリサイド層を形成する工程と、
   前記ニッケルシリサイド層を形成した後に、前記層間絶縁膜の表面をフッ酸により洗浄する工程、
   を有する製造方法。
2. 前記アニールする前記工程では、１００％の濃度の水素ガス中で前記層間絶縁膜をアニールする、請求項１に記載の製造方法。

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