JP2006108607A - 半導体素子の絶縁膜形成方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】絶縁膜の表面における欠陥発生を最小化し、その上部に形成されるパターンが薄くなり或いは切れる不良などを抑制し、工程の信頼性及び素子の電気的特性を向上させることが可能な、半導体素子の絶縁膜形成方法を提供する。
【解決手段】半導体基板上401に層間絶縁膜402を形成する段階と、層間絶縁膜402に含まれたアウトガッシングソースを除去するために熱処理を施す段階とを含む。
【選択図】図3
【解決手段】半導体基板上401に層間絶縁膜402を形成する段階と、層間絶縁膜402に含まれたアウトガッシングソースを除去するために熱処理を施す段階とを含む。
【選択図】図3
Description
本発明は、半導体素子の絶縁膜形成方法に係り、特に、絶縁膜に発生する欠陥を最小化することが可能な半導体素子の絶縁膜形成方法に関する。
半導体素子の製造工程では、層間絶縁または配線間の絶縁のために絶縁膜が用いられている。このような絶縁膜としてTEOS、BPSG、SODなどが使用されている。
この中でも、LP−TEOS膜は、ステップカバレージ、厚さの均一性及び生産性などに優れてギャップフィル(gap fill)が不要な絶縁膜またはスペーサ用として広く用いられている。しかし、LP−TEOS膜は、膜質が不安定(unstable)であるため、後続の熱工程でアウトガッシング(outgassing)が激しく発生する。
特に、LP−TEOS膜の上部に別の膜(例えば、配線)を蒸着した後、熱工程を施すと、図1(a)に示すように、アウトガッシングによりスポット状の欠陥が多量発生する。
図1(a)はTEOS膜上に発生したスポット状の欠陥を示す断面SEM写真である。図面符号101はTEOS膜、102は窒化膜、103はスポットを示す。
このようなスポット欠陥は、パターンを形成する過程で断線のようなパターンの不良を誘発する。
図1(b)はスポット発生によるパターン不良を示す写真である。図1(b)を参照すると、TEOS膜を形成し、その上部にTi/TiNを蒸着した後、熱処理を施しパターニングを施す場合、凸部&オープンまたはシニング(Thinning)のような欠陥を発生する。このような欠陥は、ウェーハ全体で4000ea以上発生し、約317個のダイから発生することが分かる。
このような不良は、TEOS固有の膜質に起因する。すなわち、LP−TEOS膜はSi(OC2H5)4形態の分子構造を有する膜であって、多量の炭化水素(hydro-carbon;CxHy−)基を有する膜である。このようなLP−TEOS膜は、後続の熱工程を経ると、揮発して除去される特性をもっている。実際、LP−TEOS膜はN2雰囲気で800℃の温度で1時間程度アニーリングを行うと、厚さが約7.5%程度減少する。このような値は相当大きい値に該当する。ところが、このようなアウトガッシングが円滑に行われないか或いは副産物を形成すると、表面にスポット状の欠陥が存在する。
図2はTEOSの表面に存在する不純物の測定結果を示す特性グラフである。図2を参照すると、SIMS分析結果、TEOSの表面には、一般絶縁膜とは異なり、相当量のH、C成分が膜厚の全体に存在することが分かる。
このようなTEOS膜の高レベルのガス成分は、後続の熱工程で無限アウトガッシングソースとして作用し、持続的な問題を引き起こす。特に、パターニング工程の場合、TEOS表面のスポットまたはカーボン成分がフォトレジストと反応し、凸な部分でラインが切れるか薄くなるという不良などが発生する。
そこで、本発明の目的は、絶縁膜を形成し、アニーリングを施して、絶縁膜に含まれたアウトガッシングソースを除去した後、アニーリングによって絶縁膜の表面に形成されたスポットまたは副産物、CH−基を表面処理で除去することにより、絶縁膜の表面における欠陥発生を最小化し、その上部に形成されるパターンが薄くなり或いは切れる不良などを抑制し、工程の信頼性及び素子の電気的特性を向上させることができる、半導体素子の絶縁膜形成方法を提供することにある。
上記目的を達成するために、本発明に係る半導体素子の絶縁膜形成方法は、半導体基板上に層間絶縁膜を形成する段階と、層間絶縁膜に含まれたアウトガッシングソースを除去するために熱処理を施す段階とを含む。
前記において、層間絶縁膜はLP−TEOS、BPSG及びSODのいずれか一つで形成される。
熱処理は、O2雰囲気、N2O雰囲気及び真空状態の中から選択された一つの雰囲気で急速熱処理方式によって施すことができる。この際、急速熱処理は700℃以上1000℃以下の温度で20秒以上100秒間以下行うことが好ましい。
一方、熱処理は、O2雰囲気、N2O雰囲気及び真空状態の中から選択された一つの雰囲気のファーネスでアニーリング方式によって施すこともできる。この際、アニーリングは700℃以上1000℃以下の温度で30分以上1時間以下行うことが好ましい。
熱処理を施した後、層間絶縁膜の表面に吸着されたアウトガッシングソースまたは副産物を除去し、層間絶縁膜の表面に形成されたスポット欠陥を除去するために、層間絶縁膜を表面処理する段階をさらに含むことができる。
ここで、表面処理は酸素プラズマ処理、プラズマエッチバック、ウェットエッチング、及び化学的機械的研磨方式の中のいずれか一つで施すことができる。
この際、酸素プラズマ処理方式の表面処理は、200W以上1000W以下のプラズマパワーを印加し、300sccm以上700sccm以下のO2を供給しながら10秒以上60秒間以下施すことができる。
プラズマエッチバック方式の表面処理は、CxFy系またはNF系のようなフッ素含有ガスを使用し、10mTorr以上50mTorr以下の圧力で300W以上500W以下のバイアスを印加しながら10秒以上50秒間以下施すことができる。この際、フッ素含有ガスとしてCHF3、CF4、C3F8の中から選択された一つまたは2つ以上の混合ガスを使用することができ、供給流量は10sccm以上200sccm以下に設定することができる。
ウェットエッチング方式の表面処理は、NH4F系またはNF系のようなフッ素含有液をエッチング剤として用い、常温以上70℃以下で1分以上10分間以下施すことができる。この際、フッ素含有液として、H2OとHFが50:1以上200:1以下で混合されたDHF溶液、またはNH4FとDHFが100:1以上300:1以下で混合されたBOE溶液を使用することが好ましい。
化学的機械的研磨方式の表面処理は、研磨目標厚さを100Å以下に設定し、スラリーとしてシリカ系スラリーを使用することが好ましい。
本発明は、絶縁膜を形成し、アニーリングを施して、絶縁膜に含まれたアウトガッシングソースを除去した後、アニーリングによって絶縁膜の表面に形成されたスポットまたは副産物、CH−基を表面処理で除去することにより、絶縁膜の表面における欠陥発生を最小化し、その上部に形成されるパターンが薄くなり或いは切れる不良などを抑制し、工程の信頼性及び素子の電気的特性を向上させることができる。
以下、添付図面を参照しながら、本発明に係る実施例を詳細に説明する。ところが、これらの実施例は様々な形に変形できるが、本発明の範囲を限定するものではない。これらの実施例は本発明の開示を完全にし、当該技術分野で通常の知識を有する者に発明の範疇を完全に知らせるために提供されるもので、本発明の範囲は本願の特許請求の範囲によって理解されるべきである。
一方、ある膜が他の膜又は半導体基板の「上」にあると記載される場合、前記ある膜は前記他の膜又は半導体基板に直接接触して存在することもあり、或いはその間に第3の膜が介在されることもある。また、図面における各層の厚さ又は大きさは説明の便宜及び明確性のために誇張された。図面上において、同一の符号は同一の要素を意味する。
図3(a)、(b)〜図4(a)、(b)は、本発明の実施例に係る半導体素子の絶縁膜形成方法を説明するための素子の断面図である。
図3(a)を参照すると、トランジスタ、キャパシタ、フラッシュメモリセルまたは金属配線のように半導体素子を形成するためのいろいろの要素(図示せず)が形成された半導体基板401上に層間絶縁膜402を形成する。
ここで、層間絶縁膜402は、LP_TEOS(Low Pressure Tetra Ethyl Orthorhombic Silicated)(LP−TEOS)、BPSG(BoronPhosphorous Silicate Glass)またはSOD(Spin On Dielectric)で形成することができる。次に、層間絶縁膜402をLP_TEOS(LP−TEOS)で形成する場合を例として説明する。
図3(b)を参照すると、層間絶縁膜402を形成した後、層間絶縁膜402に含まれたアウトガッシングソースを除去するために熱処理を施す。
層間絶縁膜402には、炭素成分、水素成分またはCxHy−基のような成分が多量含まれており、これらは全てアウトガッシングソースとなる。このようなアウトガッシングソースが層間絶縁膜402に多量含まれた状態でこれらのアウトガッシングが円滑に行われなければ、層間絶縁膜402の表面に副産物が形成されて表面にスポット状の欠陥が多量発生する。
これを防止するために、層間絶縁膜402を形成した後、熱処理を施す。このような熱処理は、層間絶縁膜402を蒸着した温度より高い温度で急速熱処理方式、またはファーネスにおけるアニーリング方式によって行うことができる。
具体的に説明すると、熱処理を急速熱処理で施す場合、O2またはN2O雰囲気または真空状態で700℃〜1000℃の温度にて20秒〜100秒間施すことができる。
熱処理をファーネスで行う場合、O2またはN2O雰囲気または真空状態で700℃〜1000℃の温度で30分〜1時間行うことができる。
図4(a)を参照すると、急速熱処理により、層間絶縁膜402に含まれたアウトガッシングソースを放出させると、層間絶縁膜402に含まれたアウトガッシングソースの量は大幅減少するが、層間絶縁膜402の表面にアウトガッシングソースまたは副産物が残留でき、スポット403のような欠陥が発生できる。
図5(a)は、熱処理を施した後、層間絶縁膜の表面の欠陥状態を示す写真である。
図5(a)に示すように、層間絶縁膜402を形成した後、熱処理を施しても、凸部&オープンまたはシニングのような欠陥が発生する。しかし、ウェーハにおける全体欠陥数は377個に著しく減少し、欠陥が発生したダイの数も155個に半分近く減少することが分かる。
図4(b)を参照すると、図4(a)で説明したアウトガッシングソース、副産物またはスポット欠陥を除去するために、層間絶縁膜402の表面処理を施すことができる。
このような表面処理は、酸素プラズマ処理(O2 Plasma Treatment)、プラズマエッチバック(Plasma Etch Back)、ウエットエッチング(WetEtch Back)または化学的機械的研磨方式で行うことができる。
この中でも、表面処理を酸素プラズマ処理で施す場合、200W〜1000Wのプラズマパワーを印加し、300sccm〜700sccmのO2を供給しながら10秒〜60秒間酸素プラズマ処理を施すことができる。
表面処理をプラズマエッチバックで施す場合、CxFy系またはNF系のようなフッ素含有ガスを使用し、10mTorr〜50mTorrの圧力で300W〜500Wのバイアスを印加して10秒〜50秒間施すことができる。この際、フッ素含有ガスとしてCHF3、CF4、C3F8の中から選択された一つまたは2つ以上の混合ガスを使用することができ、供給流量は10sccm〜200sccmに設定することができる。
表面処理をウェットエッチング方式で施す場合、エッチング剤(Etchant)としてNH4F系またはNF系のようなフッ素(Fluorine)含有液を使用することが好ましく、常温〜70℃で1分〜10分間行うことができる。この際、フッ素含有液としてH2OとHFが50:1〜200:1で混合されたDHF溶液、またはNH4FとDHFが100:1〜300:1で混合されたBOE溶液を使用することができる。
表面処理を化学的機械的研磨方式で施す場合、平坦化目的ではない表面改質または欠陥除去を目的として化学的機械的研磨工程を行うので、研磨目標厚さを100Å以下と設定することが好ましい。この際、スラリーとしては、研磨対象膜がTEOS系酸化膜の場合、シリカ系(SiO2)スラリーを使用することが好ましい。
図5(b)は、表面処理を施した後、層間絶縁膜の表面の欠陥状態を示す写真である。
図5(b)に示すように、層間絶縁膜402を形成し熱処理を施した後、表面処理を施しても、凸部&オープンまたはシニングのような欠陥が発生する。しかし、熱処理のみを施す場合よりウェーハにおける全体欠陥数は144個であってよりさらに著しく減少し、同様に欠陥が発生したダイの数も137個であってよりさらに減少することが分かる。
本発明に係る半導体素子の絶縁膜形成方法は、絶縁膜に発生する欠陥を最小化することが可能であり、絶縁膜を形成する際に利用して有利である。
101 TEOS膜
102 窒化膜
103 スポット
401 半導体基板
402 絶縁膜
403 スポット
102 窒化膜
103 スポット
401 半導体基板
402 絶縁膜
403 スポット
Claims (15)
- 半導体基板上に層間絶縁膜を形成する段階と、
前記層間絶縁膜に含まれたアウトガッシングソースを除去するために熱処理を施す段階とを含む半導体素子の絶縁膜形成方法。 - 前記層間絶縁膜はLP−TEOS、BPSG及びSODのいずれか一つで形成されることを特徴とする請求項1記載の半導体素子の絶縁膜形成方法。
- 前記熱処理が、O2雰囲気、N2O雰囲気及び真空状態の中から選択された一つの雰囲気で急速熱処理方式によって施されることを特徴とする請求項1記載の半導体素子の絶縁膜形成方法。
- 前記急速熱処理が700℃以上1000℃以下の温度で20秒以上100秒間以下施されることを特徴とする請求項3記載の半導体素子の絶縁膜形成方法。
- 前記熱処理が、O2雰囲気、N2O雰囲気及び真空状態の中から選択された一つの雰囲気のファーネスでアニーリング方式によって施されることを特徴とする請求項1記載の半導体素子の絶縁膜形成方法。
- 前記アニーリングが700℃以上1000℃以下の温度で30分以上1時間以下施されることを特徴とする請求項5記載の半導体素子の絶縁膜形成方法。
- 前記熱処理を施した後、
前記層間絶縁膜の表面に吸着されたアウトガッシングソースまたは副産物を除去し、前記層間絶縁膜の表面に形成されたスポット欠陥を除去するために、層間絶縁膜を表面処理する段階をさらに含むことを特徴とする請求項1記載の半導体素子の絶縁膜形成方法。 - 前記表面処理が、酸素プラズマ処理、プラズマエッチバック、ウェットエッチング及び化学的機械的研磨方式の中のいずれか一つで施されることを特徴とする請求項7記載の半導体素子の絶縁膜形成方法。
- 前記酸素プラズマ処理方式の表面処理は200W以上1000W以下のプラズマパワーを印加し、300sccm以上700sccm以下のO2を供給しながら10秒以上60秒間以下施されることを特徴とする請求項8記載の半導体素子の絶縁膜形成方法。
- 前記プラズマエッチバック方式の表面処理は、CxFy系またはNF系のようなフッ素含有ガスを使用し、10mTorr以上50mTorr以下の圧力で300W以上500W以下のバイアスを印加しながら10秒以上50秒間以下施されることを特徴とする請求項8記載の半導体素子の絶縁膜形成方法。
- 前記フッ素含有ガスとして、CHF3、CF4、C3F8の中から選択された一つまたは2つ以上の混合ガスが使用されることを特徴とする請求項10記載の半導体素子の絶縁膜形成方法。
- 前記フッ素含有ガスの供給流量が10sccm以上200sccm以下であることを特徴とする請求項11記載の半導体素子の絶縁膜形成方法。
- 前記ウェットエッチング方式の表面処理は、NH4F系またはNF系のようなフッ素含有液をエッチング剤として用い、常温以上70℃以下で1分以上10分間以下施されることを特徴とする請求項8記載の半導体素子の絶縁膜形成方法。。
- 前記フッ素含有液として、H2OとHFが50:1以上200:1以下で混合されたDHF溶液、またはNH4FとDHFが100:1以上300:1以下で混合されたBOE溶液が使用されることを特徴とする請求項13記載の半導体素子の絶縁膜形成方法。
- 化学的機械的研磨方式の表面処理は、研磨目標厚さを100Å以下に設定し、スラリーとしてシリカ系スラリーを使用することを特徴とする請求項8記載の半導体素子の絶縁膜形成方法。
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