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発明の名称 絶縁膜形成方法
発行国 日本国特許庁(JP)
公報種別 公開特許公報(A)
公開番号 特開平9−8032
公開日 平成9年(1997)1月10日
出願番号 特願平7−176789
出願日 平成7年(1995)6月20日
代理人
発明者 佐藤 淳一
要約 目的
膜中水酸基の濃度が低くて膜質に優れ、しかもギャップフィル特性が良好で平坦化し易い層間絶縁膜を高い生産性で形成できる方法を提供する。

構成
本絶縁膜形成方法は、半導体基板上に絶縁膜を形成するに当たり、プラズマCVD法により基板の絶縁膜形成面32、34に水分子及び水のプラズマ乖離物を付着させる工程と、次いで、原料ガスとして硅素含有ガス及び無機酸を使用し、CVD法により基板の絶縁膜形成面上に絶縁膜36を形成する工程とを有する。また、常圧CVD法又は減圧CVD法により水分子を基板の絶縁膜形成面に付着させても良い。これにより、絶縁膜の流動性が高くなって、空隙が無く平坦で、しかも膜中の水酸基濃度が低くて膜質の良好な絶縁膜を高い生産性で形成することができる。
特許請求の範囲
【請求項1】 半導体基板上に絶縁膜を形成するに当たり、プラズマCVD法により基板の絶縁膜形成面に水分子及び水分子のプラズマ乖離物を付着させる工程と、次いで、原料ガスとして硅素含有ガス及び無機酸を使用し、CVD法により基板の絶縁膜形成面上に絶縁膜を成膜する工程とを有することを特徴とする絶縁膜形成方法。
【請求項2】 半導体基板上に絶縁膜を形成するに当たり、常圧CVD法又は減圧CVD法により基板の絶縁膜形成面に水分子を付着させる工程と、次いで、原料ガスとして硅素含有ガス及び無機酸を使用し、CVD法により基板の絶縁膜形成面上に絶縁膜を成膜する工程とを有することを特徴とする絶縁膜形成方法。
【請求項3】 前記硅素含有ガスが、Tetra Ethoxy Ortho Silane (以下、TEOSと略称する。)、Octa Methyl Cyclo Tetra Siloxane(以下、OMCTSと略称する。)、Tetra Propoxy Silane(TPOSと略称する。)及びTetraMethyl Cyclo Tetra Siloxane (以下、TMCTSと略称する)のうちのいずれかであることを特徴とする請求項1又は2に記載の絶縁膜形成方法。
【請求項4】 前記無機酸が、オゾン、酸素及び窒化酸素のうちのいずれかであることを特徴とする請求項1又は2に記載の絶縁膜形成方法。
【請求項5】 前記珪素含有ガス及び無機酸からなる原料ガスに塩基性の反応触媒ガスとしてアンモニア及び低級アルキルアミンのうちのいずれかを添加することを特徴とする請求項1又は2に記載の絶縁膜形成方法。
【請求項6】 原料ガスとして硅素含有ガス及び無機酸を使用し、CVD法により基板の絶縁膜形成面上に絶縁膜を形成する工程において、基板に超音波を印加することを特徴とする請求項1又は2に記載の絶縁膜形成方法。
発明の詳細な説明
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、半導体装置の絶縁膜、特に配線層間の層間絶縁膜の形成方法に関し、更に詳細には、メモリー素子等の高度に微細化、高集積化した半導体集積回路の製造の際に、平坦で、しかも膜質の良好な層間絶縁膜をAl 配線層上に形成する方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】半導体デバイスの高集積化及び高密度化に伴って、配線構造は、益々微細化及び多層化の方向に進んでいる。しかし、配線構造の微細化及び多層化は、一面では、半導体デバイスの信頼性を低下させる一因になっている。それは、配線の微細化と多層化によって、層間絶縁膜の段差が大きく、かつ急峻になるため、その上に形成されるAl 配線の加工精度が低下し、その結果、配線の信頼性が低下するからである。そこで、Al 配線層の段差被覆性を大幅に改善するようなAl 層形成技術を開発することが今のところ技術的に困難である以上、配線の信頼性を高めるためには、層間絶縁膜の平坦性を向上させることが必要である。また、層間絶縁膜の平坦性の向上は、ホトリソグラフィ技術の短波長化に伴う焦点深度の低下の点からも重要になりつつある。
【0003】ところで、これまでに、表1に示した各種の絶縁膜の形成技術及び平坦化技術が開発されている。
【表1】

しかし、微細化、多層化した配線構造の層間絶縁膜にこれらの技術を適用したとき、次の問題がある。その一は、層間絶縁膜の膜厚のパターン依存性が強いことである。即ち、配線層上に層間絶縁膜を形成した場合に、水平方向の配線間隔が広い領域の配線層上に形成された層間絶縁膜の膜面の高さは低くなり、一方水平方向の配線間隔が狭い領域の配線層上に形成された層間絶縁膜の膜面の高さは高くなる。その結果、領域間で層間絶縁膜の高低差が大きくなって、層間絶縁膜のグローバルな平坦性が悪くなることである。従って、多層化した場合、その上の配線層及び層間絶縁膜の平坦性が更に悪くなり、上層の配線層及び層間絶縁膜になるつれて、益々平坦性が悪くなることである。その二は、図3に示すように、Al 配線層上に形成された層間絶縁膜の配線と配線との間の部分に″す(空隙部)″(図3中、Gで表示)が形成され、それによって配線間の絶縁性が低下することである。
【0004】そこで、平坦な層間絶縁膜を形成する方法の一つとして、最近、原料ガスとしてTEOS等の有機シランを使用し、CVD法により酸化膜を成膜する方法が注目されている。それは、この反応系で成膜された酸化膜が流動性が高くセルフフローする性質を有するので、ギャップフィルが微細な巾になると共に酸化膜表面が平坦になるため、図3に示すような空隙が存在しない平坦な層間絶縁膜を形成することができるからである。この有機シランのCVD法は、反応設計の違いにより、常圧CVD法とプラズマCVD法とに大別され、それぞれのCVD法において、膜質を更に向上させるために様々な研究、開発が行われている。
【0005】例えば、常圧CVD法では、有機シランと無機酸とをソースガスとして使用し、酸化膜を成膜しつつ酸化膜内で加水分解を進行させて膜中の水酸基を減少させることにより、低水酸基含有量の層間平坦化膜を形成する方法が提案されている(特開平3−116853号公報参照)。しかし、この方法では、酸化膜のフロー形状の下地依存性が強いため、プロセスの安定性及び再現性に欠けると言うことが懸念されている。
【0006】また、プラズマCVD法では、水を添加した有機シランを原料ガスとして使用し、絶縁膜を形成する方法が、1991年第38回応用物理学会関係連合講演会(P632 29p−v−8,29p−v−9)で提案されている。この方法は、絶縁膜形成表面に付着した水によって表面のの濡れ性を高め、それによって絶縁膜を流動し易くすることにより、高アスペクト比のAl 配線層上であっても空隙の無い、平坦な層間絶縁膜が形成されると言われている。また、この方法では、プラズマのイオンエネルギーによって下地が均質化されるため、上述の常圧CVD法と異なり、フロー形状の下地依存性が低い。但し、膜中の水酸基濃度が比較的高い。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】しかし、上述した従来の層間絶縁膜の形成方法ではギャプフィル特性に限界があって、配線幅0.5μm 以下のアスペクト比の大きい次世代半導体デバイスの層間絶縁膜の平坦化は困難である。ところで、ギャップフィル特性の良好な絶縁膜を形成する方法として、TEOS/H2 2 系を原料ガスとして使用し、常圧または減圧CVD法により絶縁膜を形成する方法が提案されている。この方法は、H2 2 から生成する水により絶縁膜形成表面の濡れ性を良くして、成膜された絶縁膜が流動し易いようにする一方、同じくH2 2 から生成するO3 やO2 でTEOSを酸化して、Si O2膜を成膜するものである。しかし、この方法では、水が膜中の取り込まれて膜中水酸基の濃度が大きくなるため、膜質が低下するという問題があった。また、配線幅0.5μm 以下の配線層上に平坦な層間絶縁膜を形成する別の方法として、エッチング反応と成膜反応を競合させるBias・ECR・CVD法が提案されているが、スループットが小さく、量産性に欠けると言う問題があった。
【0008】前記問題点に鑑みて、本発明の目的は、膜中水酸基の濃度が低くて膜質に優れ、しかもギャップフィル特性が良好で平坦化し易い層間絶縁膜を高い生産性で形成できる方法を提供することである。
【0009】
【課題を解決するための手段】前記問題点を解決するにあたり、本発明者は、上述したTEOS/H2 2 系原料ガスにより絶縁膜を成膜する方法において、層間絶縁膜内の水酸基濃度が高くなる原因を調べ、その原因がH2 2 の常時供給にあることを見い出した。即ち、H2 2 を常時供給していることは、常に水を原料ガスに添加しているのと実質的に同じであって、水が絶縁膜内に取り込まれるため、膜中の水酸基濃度が上昇するのである。一方、常圧CVD法によるO3 /TEOS・CVD膜の成膜方法から明らかなように、絶縁膜の成膜前に絶縁膜形成表面に有機溶剤を塗布すると、表面が親水性に転化し、絶縁膜の流動性が増大することが知られている。
【0010】そこで、本発明者は、この原理をシラン含有化合物と無機酸による絶縁膜形成に応用し、絶縁膜の成膜工程前に水による表面処理を施して、表面を親水性に転化し、下地表面の濡れ性を良くすることにより、絶縁膜の流動性を高めることを考えた。しかも、水による基板の下地処理を絶縁膜の成膜工程の前に行い、成膜工程中はTEOS/H2 2 法とは異なって原料ガスに水を添加しないことにより、膜中の水酸基濃度を増加させないようにすることを着想した。即ち、有機シラン化合物と無機酸から絶縁膜を形成する際に、まず水で基板表面処理を行い、その後に絶縁膜を成膜することをにより、上記目的を達成しようと試み、実験を重ねて条件を確認し、本発明を完成するに到った。
【0011】上記目的を達成するために、得た知見に基づき、本発明に係る絶縁膜形成方法は、半導体基板上に絶縁膜を形成するに当たり、プラズマCVD法により基板の絶縁膜形成面に水分子及び水分子のプラズマ乖離物を付着させる工程と、次いで、原料ガスとして硅素含有ガス及び無機酸を使用し、CVD法により基板の絶縁膜形成面上に絶縁膜を成膜する工程とを有することを特徴としている。
【0012】本発明方法でプラズマCVD法を使用するのは、プラズマによって水のプラズマ乖離物を生成し、それを基板表面に付着させることが、基板の表面濡れ性を高める上で極めて有効で実際的であるからである。プラズマCVD法による水分子及び水分子のプラズマ乖離物の付着工程は、プラズマCVD装置を使用して、好適には、圧力1.33Paから50Paの範囲、温度50°C から100°C の範囲、H2 O流量20sccmから100sccmの範囲、高周波出力密度0.01から0.1W/cm2 の範囲、及び処理時間30秒から1分の範囲で行われる。また、絶縁膜の成膜工程は、常圧CVD法、減圧CVD法又はプラズマCVD法により通常の成膜条件の下で実施される。従って、従来と同様の絶縁膜の成膜生産性を維持することができるので、前述したBias・ECR・CVD法のように生産性が問題になることは無い。
【0013】また、本発明方法は、半導体基板上に絶縁膜を形成するに当たり、常圧CVD法又は減圧CVD法により基板の絶縁膜形成面に水分子を付着させる工程と、次いで、原料ガスとして硅素含有ガス及び無機酸を使用し、CVD法により基板の絶縁膜形成面上に絶縁膜を成膜する工程とを有することを特徴としている。
【0014】常圧CVD法により水分子を付着させる場合には、常圧CVD装置を使用し、その好適な条件は、圧力が常圧で、温度50°C から100°C の範囲、H2 O流量100sccmから500sccmの範囲、及び処理時間30秒から1分の範囲である。また、減圧CVD法により水分子を付着させる場合には、減圧CVD装置を使用し、その好適な条件は、圧力13.3Paから80Paの範囲、温度50°C から100°C の範囲、H2 O流量50sccmから300sccmの範囲、及び処理時間30秒から1分の範囲である。
【0015】本発明で使用する硅素含有ガスは、特に限定は無いが、例えばTEOS、OMCTS、TPOS及びTMCTSのいずれかを好適に使用できる。本発明で使用する無機酸は、特に限定は無いが、オゾン、酸素、窒化酸素のいずれかを好適に使用できる。
【0016】また、本発明方法の好適な別の実施態様は、前記珪素含有ガス及び無機酸からなる原料ガスに塩基性の反応触媒ガスとしてアンモニア及び低級アルキルアミンのうちのいずれかを添加することを特徴としている。ここで、低級アルキルアミンとは、メチルアミン、エチルアミン、イソプロピルアミン等の炭素数の少ないアルキル基を有するアルキルアミンを意味する。塩基性の反応触媒ガスを添加することにより、有機珪素化合物の脱水縮合反応が円滑に進行して、水酸基濃度の低い良好な膜質を実現できるからである。
【0017】更に、本発明方法の好適な別の実施態様は、原料ガスとして硅素含有ガス及び無機酸を使用し、CVD法により基板の絶縁膜形成面上に絶縁膜を形成する工程において、基板に超音波を印加することを特徴としている。印加する超音波は、好適には、周波数が20kHzから80kHzの範囲、出力が50Wから300Wの範囲である。成膜中にCVD装置の一部、好適には基板を戴置するサセプタに超音波を印加することにより、超音波エネルギーを基板に与え、成膜過程での反応種の流動性を向上させて、空隙の無い平坦化形状の層絶縁膜を形成することができる。また、この超音波の印加は、膜中水酸基の低減にも寄与する。
【0018】
【実施例】以下、添付図面を参照し、実施例に基づいて本発明をより詳細に説明する。
本発明方法の実施装置の一例図1は、本発明方法を実施するプラズマCVD装置の一例の構成を示す模式的断面図である。本例のプラズマCVD装置10(以下、簡単に装置10と略称する)は、反応室12と、高周波電源14とを備えている。
【0019】TEOS等のシラン含有化合物、オゾン等の無機酸及び水蒸気を矢印の方向から導入するために、導入管16が反応室12の上部に接続されている。反応室12内の上部には、反応室12に導入したガスを均一に分散して、高い面内均一性を確保するために設けられた分散板18と、ガスを下方に噴出するシャワーヘッド20とが、導入管16の先端に設けられている。反応室12内の下部には、サセプタ22が配置されていて、層間絶縁膜を形成するウェハWをその上面に戴置するようになっている。サセプタ22内には、ウェハWを所定の反応温度に保つためのヒータ24と、サセプタ22上に載置されたウェハWに超音波を印加するための超音波印加装置26が組み込まれている。超音波印加装置26には、反応室12の外部に設けてある超音波発生装置(図示せず)から超音波が伝達される。
【0020】反応室12は、排気管27を介して外部の真空装置(図示せず)に接続され、所定の真空圧に維持される。シャワーヘッド14は、上部電極28も兼ねていて、高周波電源14より、13.56MHZ の高周波が印加され、サセプタ22との間でグロー放電を行って、反応室12内の空間にプラズマを生成する。水蒸気は、反応室12の外部に設けられた水蒸気発生器(図示せず)により純水を気化させて生成され、導入管16を経由してシラン含有化合物及び無機酸ガスと共に反応室12に導入される。ウェハ戴置の構成や装置10の使用方法は、特に限定されるものでは無く、本発明の要旨を変更しない限り任意に改変できる。
【0021】実施例1本実施例は、Al 配線層上に平坦な層間絶縁膜を形成するために本発明方法を適用した例である。実施例1では、図2(a)に示すように、シリコン半導体基板30上にSiO2 絶縁膜32が成膜され、その上に配線幅が0.35μm で配線と配線との間の間隔が0.40μm で層厚が0.40μm のAl 配線層34が形成されているウェハを試料として用意し、図1に示す装置10を用いて、図2(b)に示すように層間絶縁膜36を本発明方法に従って成膜した。層間絶縁膜36の形成に当たっては、先ず、以下の条件で、装置10の反応室12に導入管16を介して水蒸気を導入しつつ高周波電圧を印加してプラズマを生成し、ウェハの絶縁膜形成表面に水分子及び水のプラズマ乖離物を付着させて、表面の濡れ性を高める工程を実施した。
【0022】処理時間 :30秒ガス流量 :H2 O=50sccm圧力 :40 Pa温度 :50℃RFパワー密度:0.05W/cm2【0023】水蒸気の導入を停止した後、次に、シラン含有ガスとしてTEOSを、無機酸としてオゾンを、それぞれ反応室12に導入して、プラズマCVD法による酸化膜の成膜工程を次の条件で実施した。
膜厚 :600nmガス流量 :TEOS/O3 =150sccm/100 sccm圧力 :40 Pa温度 :100℃RFパワー密度:0.05W/cm2【0024】本実施例で得た酸化膜を評価するために、そのギャプフィル性を断面SEMにより観察したところ、TEOS/H2 2 法と同等程度に良好であった。また、酸化膜の水酸基濃度をFTIR法により測定したところ、TEOS/H2 2 法による酸化膜より遙に低く、−OHのピークが観察できなかった。
【0025】実施例2本実施例は、実施例1と同様にAl 配線層上に平坦な層間絶縁膜を形成するために本発明方法を適用した例である。本実施例では、実施例1と同じウェハ試料に実施例1と同様にして水蒸気による下地表面のプラズマ処理工程を実施し、次いで、酸化膜成膜工程において、実施例1とは異なり、TEOS及びオゾンに加えて塩基性触媒ガスとしてアンモニアを添加し、次の条件で酸化膜成膜工程を実施した。
膜厚 :600nmガス流量 :TEOS/O3 /NH3=150sccm/100sccm/15sccm圧力 :40 Pa温度 :100℃RFパワー密度:0.05W/cm2【0026】本実施例で得た酸化膜を評価するために、ウェハ上に成膜した酸化膜のギャプフィル性を断面SEMにより観察したところ、TEOS/H2 2 法と同等程度に良好であった。また、酸化膜の水酸基濃度をFTIR法により測定したところ、実施例1の酸化膜より低く、−OHのピークが観察できなかった。
【0027】実施例3本実施例は、実施例1と同様にAl 配線層上に平坦な層間絶縁膜を形成するために本発明方法を適用した例である。本実施例では、実施例1と同じウェハ試料を使用し、実施例1と同じ条件で、水蒸気による下地表面のプラズマ処理工程及びTEOS及びオゾンによる酸化膜成膜工程を試料ウェハ上に実施し、加えて酸化膜成膜工程中、装置10の超音波印加装置26により50kHzの超音波を出力100Wでウェハに印加した。
【0028】本実施例で得た酸化膜を評価するために、ウェハ上に成膜した酸化膜のギャプフィル性を断面SEMにより観察したところ、実施例1の酸化膜より良好であって、アスペクト比の大きい配線間間隙が空隙なく埋め込まれていた。従って、超音波を印加したことにより、酸化膜形成材料の流動性が高くなったと評価できる。また、酸化膜の水酸基濃度をFTIR法により測定したところ、実施例1の酸化膜より良好で、−OHのピークが観察できなかった。
【0029】以上の結果から、実施例1から3で得た酸化膜は、良好な流動性を維持してカバレージに優れ、膜中の水酸基濃度が低い良好な膜質であると評価できる。よって、本発明方法によれば、ギャップフィル特性に優れ、かつ膜質の良好な絶縁膜を配線幅0.35μm の高アスペクト比のAl 配線層上に形成できることができる。
【0030】以上の説明では、プラズマCVD法を例にして本発明方法を説明したが、常圧CVD法又は減圧CVD法によっても本発明方法を実施できる。また、本実施例1〜3は、本発明を具体的に説明するための例示であって、当然のことながら、本発明は、これら実施例に限定されるものでは無く、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で使用装置の構造、処理条件、成膜条件等を適宜変更することができる。
【0031】
【発明の効果】以上述べたように、請求項1又は2に記載の本発明の構成によれば、半導体基板上に絶縁膜を形成するに当たり、絶縁膜の成膜工程前に、予め、プラズマCVD法、常圧CVD法、又は減圧CVD法により基板の絶縁膜形成面に水分子及び/又は水のプラズマ乖離物を付着させる工程を実施することにより、絶縁膜の流動性を高めて、空隙が無く平坦で、しかも膜中の水酸基濃度が低くて膜質の良好な絶縁膜を高い生産性で形成することができる。これにより、配線幅が0.5μm 以下の多層配線構造を形成する場合であっても、本発明方法によれば、配線構造の信頼性を向上させることができる。よって、本発明方法を適用すれば、信頼性の高い配線構造を備えた超LSIを高い生産性で歩留まり良く製造することができる。また、請求項5又は6に記載の本発明の構成によれば、塩基性の反応触媒ガスを原料ガスに添加することにより、また超音波をウェハに印加することにより、更に膜質が良好で平坦な絶縁膜を形成できる。




 

 


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