JP2017059729A - 半導体装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】配線が形成された半導体基板上に均一な膜厚の層間絶縁膜を形成した半導体装置の製造方法を提供する。【解決手段】半導体基板１上のＡｌ配線２の上に、ＴＥＯＳ系プラズマＣＶＤによるＳｉＯ２膜の絶縁膜３を形成し、次にアンモニアガスまたは笑気ガスを含むガス系でプラズマ照射を行う。その後、シラン系プラズマＣＶＤによるＳｉＯ２膜の絶縁膜４を、絶縁膜３よりも薄い膜厚で形成する。そして所定の膜厚でＴＥＯＳ−Ｏ３系常圧ＣＶＤ膜の絶縁膜５を形成する。【選択図】図２

Description

本発明は半導体の製造方法に関し、特に半導体基板上の配線の上に形成する層間絶縁膜の形成方法に関するものである。

半導体装置の高集積化に伴い、基板表面の平坦化技術の重要性が増している。従来、シラン系ＣＶＤ膜およびＴＥＯＳ系プラズマＣＶＤ膜が層間絶縁膜として用いられていたが、微細化に伴いオーバーハング形状やボイドが発生するようになったため、フロー形状に優れたＴＥＯＳ−Ｏ３系常圧ＣＶＤ膜（以下Ｏ３−ＴＥＯＳ膜と略記）が用いられるようになった。

通常のＯ３−ＴＥＯＳ膜の成膜方法では、まずＡｌ配線層上にプラズマＣＶＤによるＳｉＯ₂膜を成膜する。このＳｉＯ₂膜には、Ｏ３−ＴＥＯＳ膜中に含まれる水分が多いことによる水分ストッパー層としての役割、そしてＯ３−ＴＥＯＳ膜の引っ張り応力の緩和ためのストレス緩和層としての役割がある。また、Ｏ３−ＴＥＯＳ膜は必要以上に厚くするとクラックが入りやすくなるため、下地のプラズマＣＶＤによるＳｉＯ₂膜においても埋め込み状態に応じた膜厚が必要となる。シラン系プラズマＣＶＤによるＳｉＯ₂膜と、ＴＥＯＳ系プラズマＣＶＤによるＳｉＯ₂膜ではＴＥＯＳ系プラズマＣＶＤによるＳｉＯ₂膜の方の埋め込み性が良いため、平坦化の点ではＴＥＯＳ系の方が望ましく、ＴＥＯＳ系プラズマＣＶＤによるＳｉＯ₂膜の方が下地膜として採用されることが多い。

一方、Ｏ３−ＴＥＯＳ膜は下地依存性が強いため、下地の種類や表面状態によって成膜速度が遅くなったり、表面モフォロジーが悪化したりするため、良好な埋め込み形状が得られないといった問題がある。

この問題に対して、下地依存性を排除するための表面改質処理として、例えば、特許文献１では、基板を加熱した状態で高周波プラズマ処理を行い、表面改質をする方法が開示されている。また、特許文献２では、低周波、及び高周波の２周波のＮ₂プラズマ照射を行う方法が開示されている。

特開平４−９４５３９号公報 特開平８−２０３８９１号公報

しかしながら、上記特許文献に開示した方法を行った場合でも、完全に下地依存性が消えるわけではなく、実際のウェハ上で場所によって成膜速度が遅くなる場合が見られ、特にウェハ外周部のＡｌ配線上で成膜速度が低下して、Ｏ３−ＴＥＯＳ膜の膜厚の面内均一性が悪化する場合がある。

そこで、本発明は配線構造を有する半導体基板の上にＯ３−ＴＥＯＳ膜による膜厚均一性の良好な層間絶縁膜を形成することが可能な半導体装置の製造方法を提供することを課題とする。

上記課題を解決するために以下の手段を用いた。
まず、配線が形成された半導体基板上に層間絶縁膜を形成する半導体装置の製造方法において、前記配線が形成された半導体基板上に第１の層間絶縁膜を成膜する工程と、前記第１の層間絶縁膜の表面にプラズマ照射する工程と、次いで、前記第１の層間絶縁膜上に前記第１の層間絶縁膜よりも膜厚の薄い第２の層間絶縁膜を成膜する工程と、前記第２の層間絶縁膜の上に第３の層間絶縁膜を成膜する工程と、からなることを特徴とする半導体装置の製造方法を用いた。

また、前記第１の層間絶縁膜がＴＥＯＳ系プラズマＣＶＤによるＳｉＯ₂膜であり、前記第２の層間絶縁膜がシラン系プラズマＣＶＤによるＳｉＯ₂膜であり、前記第３の層間絶縁膜がＴＥＯＳ−Ｏ３系常圧ＣＶＤ膜であることを特徴とする半導体装置の製造方法を用いた。

また、前記第２の層間絶縁膜であるシラン系プラズマＣＶＤによるＳｉＯ₂膜の成膜において、３００Å以下の膜厚で形成することを特徴とする半導体装置の製造方法を用いた。

また、前記プラズマ照射する工程において、アンモニアガスを含むガス系でプラズマ照射することを特徴とする半導体装置の製造方法を用いた。
また、前記プラズマ照射する工程において、笑気ガスを含むガス系でプラズマ照射することを特徴とする半導体装置の製造方法を用いた。

上記手段を用いることで、配線構造を有する半導体基板上に膜厚均一性の良好な層間絶縁膜を形成できる。

本発明の半導体装置の製造工程を示す断面図である 図１に続く、本発明の半導体装置の製造工程を示す断面図である 本発明の半導体装置の製造方法によってＯ３−ＴＥＯＳ膜を成膜した結果を示す図である

以下、本発明の実施例を説明する。
図１は本発明の実施例を説明する各工程の断面図である。図１（ａ）は半導体基板１上に絶縁膜を介してＡｌ積層配線２を形成した断面図である。絶縁膜は図示されていない。ここで、本実施例では、Ａｌ配線は、上層にＴｉＮの反射防止膜、及び、下層にＴｉＮ／Ｔｉのバリアメタル層を有したＡｌ合金膜の積層配線を使用し、膜厚は６５００Å程度で形成されている。ただし、本発明においては、Ａｌ配線は、Ａｌ合金の単層でも、積層でもよく、半導体プロセスで通常用いられるものを使用することが可能であり特に制限されない。

次に、図１（ｂ）に示すように、Ａｌ積層配線上に、ＴＥＯＳ系プラズマＣＶＤによるＳｉＯ₂膜（Ｐ−ＴＥＯＳ膜）３からなる第１の層間絶縁膜３を形成する。実施例では、４０００Å程度で成膜した。

次に、図１（ｃ）に示すように、Ｐ−ＴＥＯＳ膜３からなる第１の層間絶縁膜３の表面の改質工程として半導体基板上面にプラズマ照射する。プラズマ照射条件の一例としては、高周波電力：４００Ｗ、圧力：６．０Ｔｏｒｒ、Ｎ２：８４０ｓｃｃｍ、ＮＨ₃：４０ｓｃｃｍ、基板温度：４００℃、照射時間：２０秒で行う。上記例では、アンモニアを含むガス系のプラズマ照射を行ったが、この条件に限定されることなく、笑気ガス（Ｎ₂Ｏ、亜酸化窒素）系のプラズマ照射でも良い。窒素（Ｎ）を含むガス系のプラズマ照射により、Ｐ−ＴＥＯＳ膜３の表面は、僅かであるが窒化され、疎水性が高まる。これは、シリコン原子の未結合手が窒素と結合して終端されるためと考えられる。一般に下地が疎水性であるとその上に形成されるＣＶＤによる絶縁膜は、下地の表面状態の影響を受けにくくなり膜厚の均一性が高まるとされている。

次に、図２（ａ）に示すように、シラン系プラズマＣＶＤによるＳｉＯ₂膜（シラン系Ｐ−ＳｉＯ２膜）の第２の層間絶縁膜４を形成する。ここで注意する点は、第２の層間絶縁膜４を形成しているシラン系Ｐ−ＳｉＯ₂膜はＰ−ＴＥＯＳ膜と比べて段差被覆性が悪いので、Ｐ−ＴＥＯＳ膜からなる第１の層間絶縁膜３よりも薄い膜厚で形成する。また、この後に成膜するＯ３−ＴＥＯＳ膜の下地依存性が解消できる膜厚だけ成膜すれば良い。したがって、膜厚の範囲としては１００から８００Åであり、下地となっているＰ−ＴＥＯＳ膜の２から２０％程度でよい。本実施例では、高周波電力：４００Ｗ、圧力：１．８Ｔｏｒｒ、Ｎ２：２５００ｓｃｃｍ、ＳｉＨ₄：６０ｓｃｃｍ、Ｎ₂０：６０００ｓｃｃｍ、成膜温度：４００℃の条件で、３００Å程度で成膜する。

次に、図２（ｂ）に示すように、ＴＥＯＳ−Ｏ３系常圧ＣＶＤ膜（Ｏ３−ＴＥＯＳ膜）からなる第３の層間絶縁膜５を形成する。実施例では、ＴＥＯＳ流量：６７３ｓｃｃｍ、Ｏ₂／Ｏ₃流量：６４００ｓｃｃｍ、Ｏ₃濃度：１５０ｇ／ｍ３、成膜温度：４００℃で行った。

図３に、異なる下地条件（Ａ乃至Ｄ）において形成されたＯ３−ＴＥＯＳ膜の膜厚測定結果を示す。縦軸は実サンプル上に成膜されたＯ３−ＴＥＯＳ膜厚を、ベアＳｉウェハに成膜した場合の膜厚との比で示している。各下地条件において、ウェハ中心部とウェハ外周部において測定した結果を示している。各下地条件は次の通りである。

Ａ．下地条件Ａ：プラズマ処理を行わないＰ−ＴＥＯＳのみの場合
Ｂ．下地条件Ｂ：Ｐ−ＴＥＯＳにプラズマ処理無しにシラン系Ｐ−ＳｉＯ₂膜を形成した場合
Ｃ．下地条件Ｃ：Ｐ−ＴＥＯＳにプラズマ処理だけを施した場合
Ｄ．下地条件Ｄ：Ｐ−ＴＥＯＳにプラズマ処理を施し、シラン系Ｐ−ＳｉＯ２膜を形成した場合（本実施例）
下地条件Ａのように下地依存性が強く出てしまう場合には、ベアＳｉウェハ上に比べて、成膜レートが低下してしまうため、比率は低くなる。下地依存性が解消されるに従い、本実施例の下地条件Ｄのように１００％に近づく。

従来のＳｉＨ₄−Ｎ₂Ｏ系Ｐ−ＳｉＯ₂膜を形成せずプラズマ処理したＰ−ＴＥＯＳ単層の下地の場合、実ウェハのＡｌ積層配線上に成膜されるＯ３−ＴＥＯＳの膜厚は、ベアＳｉウェハに成膜した場合のＯ３−ＴＥＯＳ膜厚との比で、外周部では７５％程度であったものが、本実施例の下地条件ＤのようにＰ−ＴＥＯＳ成膜後にプラズマ照射を行い、シラン系Ｐ−ＳｉＯ₂膜を成膜した後にＯ３−ＴＥＯＳ膜を成膜すると、ウェハ中心部で１００％、ウェハ外周部で９５％程度まで向上させることができた。なお、下地条件Ａのようにプラズマ処理を行わないＰ−ＴＥＯＳのみの下地ではウェハ中心部で７６％、ウェハ外周部で６９％程度であり、Ｐ−ＴＥＯＳにプラズマ処理無しにシラン系Ｐ−ＳｉＯ₂膜を形成した場合（下地条件Ｂ）はウェハ外周部で７５％であった。また、Ｐ−ＴＥＯＳにプラズマ処理だけを施した場合（下地条件Ｃ）は、ウェハ中心部で改善は認められるが、ウェハ外周部で７５％であり改善の必要がある。本実施例では、プラズマ処理とシラン系Ｐ−ＳｉＯ２膜形成の両方を施すことで、ウェハ中心部および外周部にて９５％以上の膜厚が得られている。

また、上記ベアＳｉ上膜厚との比の面内均一性は、従来のＳｉＨ₄−Ｎ₂０系Ｐ−ＳｉＯ₂膜を形成せずプラズマ処理したＰ−ＴＥＯＳ単層下地での場合１４％以上あったものが、本実施例の方法においては、２．６％程度に大幅に減少した。

本願の発明を実施した半導体装置の態様は以下のようになる。
１．半導体装置について
半導体基板上に設けられた金属からなる配線と、
前記配線を覆う、前記半導体基板全面に設けられたＴＥＯＳ系プラズマＣＶＤＳｉＯ₂膜からなる第１の層間絶縁膜と、
前記第１の層間絶縁膜の上に設けられたシラン系プラズマＣＶＤＳｉＯ₂膜からなる第２の層間絶縁膜と、
前記第２の層間絶縁膜の上に設けられたＴＥＯＳ−Ｏ３系常圧ＣＶＤ膜からなる第３の層間絶縁膜と、
を有し、
前記第１の層間絶縁膜は窒化された表面を有していることを特徴とする半導体装置となる。

２．前記半導体装置を引用する態様として以下の通り。
前記第２の層間絶縁膜は、膜厚が１００から８００Åであることを特徴とする半導体装置となる。

本発明は半導体製造方法に関するものであり、特に半導体基板上の配線間に形成する層間絶縁膜の形成方法に利用されるものである。

１ 半導体基板
２ Ａｌ積層配線
３ Ｐ−ＴＥＯＳ膜
４ ＳｉＨ₄系Ｐ−ＳｉＯ₂膜
５ Ｏ３−ＴＥＯＳ膜
Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ 下地条件

Claims (4)

1. 半導体装置の製造方法であって、
   配線が形成された半導体基板全面にＴＥＯＳ系プラズマＣＶＤによるＳｉＯ₂膜からなる第１の層間絶縁膜を成膜する工程と、
   前記第１の層間絶縁膜の表面にプラズマ照射する工程と、
   次いで、前記第１の層間絶縁膜上に前記第１の層間絶縁膜よりも膜厚の薄いシラン系プラズマＣＶＤによるＳｉＯ₂膜からなる第２の層間絶縁膜を成膜する工程と、
   前記第２の層間絶縁膜の上にＴＥＯＳ−Ｏ３系常圧ＣＶＤ膜からなる第３の層間絶縁膜を成膜する工程と、からなることを特徴とする半導体装置の製造方法。
2. 前記第２の層間絶縁膜を成膜する工程において、前記第２の層間絶縁膜が１００から８００Åの膜厚となるように形成することを特徴とする請求項１記載の半導体装置の製造方法。
3. 前記プラズマ照射する工程において、アンモニアガスを含むガス系でプラズマ照射することを特徴とする請求項１または２に記載の半導体装置の製造方法。
4. 前記プラズマ照射する工程において、笑気ガスを含むガス系でプラズマ照射することを特徴とする請求項１または２に記載の半導体装置の製造方法。