JP2020181873A - 半導体装置とその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 保護膜が層間絶縁膜から剥離することを抑制する。【解決手段】 半導体装置の製造方法であって、半導体基板上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、前記層間絶縁膜を水素雰囲気下で８７０℃以上の温度でアニールする工程と、前記アニール後に前記層間絶縁膜の表層部をエッチングする工程と、前記エッチング後に前記層間絶縁膜の表面に接する保護膜を形成する工程、を有する。この構成によれば、保護膜が層間絶縁膜から剥離することを抑制できる。【選択図】図４

Description

本明細書に開示の技術は、半導体装置とその製造方法に関する。

特許文献１に開示の半導体装置は、半導体基板と、層間絶縁膜と、保護膜を備えている。層間絶縁膜は、半導体基板上に配置されている。より詳細には、半導体基板の表面に接するようにゲート絶縁膜が設けられており、ゲート絶縁膜の表面に接するように層間絶縁膜が設けられている。保護膜は、層間絶縁膜の表面に接している。

特開２０１８−１１７０１６号公報

半導体装置の使用時には、半導体基板が発熱するので、層間絶縁膜と保護膜も高温となる。半導体基板、層間絶縁膜及び保護膜の線膨張係数が互いに異なるので、半導体基板、層間絶縁膜及び保護膜のそれぞれに高い熱応力が加わる。その結果、保護膜が層間絶縁膜から剥離するおそれがある。本明細書では、保護膜が層間絶縁膜から剥離することを抑制する技術を提案する。

半導体装置の製造方法であって、半導体基板上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、前記層間絶縁膜を水素雰囲気下で８７０℃以上の温度でアニールする工程と、前記アニール後に前記層間絶縁膜の表層部をエッチングする工程と、前記エッチング後に前記層間絶縁膜の表面に接する保護膜を形成する工程、を有する。
なお、層間絶縁膜は、半導体基板に直接接してもよいし、層間絶縁膜と半導体基板の間に他の層が介在してもよい。

層間絶縁膜を水素雰囲気下で８７０℃以上の温度でアニールすると、層間絶縁膜中にリンやボロンが凝集した凝集部が形成される。その後、層間絶縁膜の表層部をエッチングすると、凝集部内で層間絶縁膜の表面に微小な凹凸が形成される。このように微小な凹凸を有する層間絶縁膜の表面に保護膜を形成すると、保護膜が層間絶縁膜の表面に強固に接続される。したがって、半導体装置の使用時に層間絶縁膜と保護膜に熱応力が加わっても、保護膜が層間絶縁膜から剥離し難い。このように、この半導体装置によれば、保護膜が層間絶縁膜から剥離することを抑制することができる。

半導体装置の断面図。 層間絶縁膜の上面を撮影した写真。 層間絶縁膜の上面の断面を撮影した写真。 半導体装置の製造方法を示すフローチャート。 半導体装置の製造方法を示す断面図。 水素アニール後の層間絶縁膜の断面図。 エッチング後の層間絶縁膜の断面図。 水素アニール温度と凝集部の発生の関係を示す表。

図１に示す実施形態の半導体装置１０は、半導体基板１２と、層間絶縁膜１４と、電極１６と、保護膜１８を有している。

半導体基板１２は、例えば、ＳｉＣ、Ｓｉ、ＧａＮ等のような半導体により構成されている。図示していないが、半導体基板１２の内部には、スイッチング素子やダイオード等の半導体素子が形成されている。

層間絶縁膜１４は、酸化シリコンにより構成されている。層間絶縁膜１４は、リンとボロンを含む酸化シリコン（いわゆる、ＢＰＳＧ（Boron Phosphorus Silicon Glass））により構成されている。なお、層間絶縁膜１４は、ＢＳＧ（Boron Silicon Glass）やＰＳＧ（Phosphorus Silicon Glass）により構成されていてもよい。層間絶縁膜１４は、半導体基板１２の上面１２ａの外周部を覆っている。層間絶縁膜１４は、コンタクトホール１５を有している。コンタクトホール１５は、半導体基板１２の中央部の上部に配置されている。図２は、層間絶縁膜１４の上面１４ａを撮影した写真を示している。図２に示すように、層間絶縁膜１４には、リンやボロンが凝集した凝集部２０が多数存在している。図３は、凝集部２０内の層間絶縁膜１４の上面１４ａの断面を撮影した写真である。図３に示すように、凝集部２０内では、層間絶縁膜１４の上面１４ａに微小な凸部２２が多数存在する。凸部２２が多数存在することで、凝集部２０内の上面１４ａが凹凸形状となっている。凝集部２０内の上面１４ａの表面粗さＲｚは、１０ｎｍ以上であり、１００ｎｍ以下である。すなわち、凝集部２０内の上面１４ａの凹凸の高さ（すなわち、上面１４ａに対して垂直な方向に測定したときの凸部２２の最上部と凹部の最下部の間の距離）は、１０ｎｍ以上であり、１００ｎｍ以下である。

電極１６は、コンタクトホール１５内の半導体基板１２の上面１２ａを覆っている。電極１６は、半導体基板１２の内部に形成されている半導体素子と電気的に接続されている。

保護膜１８は、ポリイミド等の絶縁樹脂によって構成されている。保護膜１８は、電極１６の外周部と層間絶縁膜１４を覆っている。保護膜１８は、層間絶縁膜１４の上面１４ａに接している。上述したように、層間絶縁膜１４内には、多数の凝集部２０が存在している。凝集部２０内では、上面１４ａに微小な凹凸が存在している。保護膜１８は、上面１４ａに存在する微小な凹凸に対して密着している。このため、保護膜１８は上面１４ａに対して強固に接続されている。

次に、半導体装置１０の製造方法について説明する。図４は、半導体装置１０の製造方法を示している。まず、ステップＳ２において、図５に示すように、半導体基板１２の上面１２ａに、層間絶縁膜１４を形成する。ここでは、リンとボロン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、リンを８〜１１ｗｔ％の濃度で含み、ボロンを７〜１０ｗｔ％の濃度で含むＢＰＳＧ膜を層間絶縁膜１４として形成する。

次に、ステップＳ４において、リフロー炉を用いて、半導体基板１２を加熱する。ここでは、窒素雰囲気下で半導体基板１２を加熱する。半導体基板１２とともに層間絶縁膜１４が加熱される。リンとボロンの少なくとも一方を有する層間絶縁膜１４は、加熱されると流動する。ステップＳ４では、層間絶縁膜１４が流動化することで、層間絶縁膜１４の表面が平坦化する。

次に、ステップＳ６において、水素アニールを実施する。すなわち、水素雰囲気下で半導体基板１２を加熱する。より詳細には、層間絶縁膜１４を備える半導体基板１２を炉内に設置し、炉内に水素ガス（Ｈ_２）を導入して、半導体基板１２とともに層間絶縁膜１４を加熱する。ここでは、略１００％の濃度の水素ガス中で、８７０℃以上の温度に層間絶縁膜１４を加熱する。層間絶縁膜１４中では、ボロン、リン、シリコン、酸素等が互いに結合してネットワークを形成している。水素ガス中で８７０℃以上の温度に層間絶縁膜１４を加熱すると、層間絶縁膜１４中に水素原子が充填され、層間絶縁膜１４中のボロンやリンの結合が切れる。すると、層間絶縁膜１４中でボロンやリンが遊離する。遊離したボロンやリンは、層間絶縁膜１４中で凝集する。その結果、層間絶縁膜１４の内部に、ボロンやリンが凝集した凝集部２０が多数形成される。図６は、凝集部２０内の層間絶縁膜１４の断面を示している。図６に示すように、凝集部２０内の層間絶縁膜１４の内部には、ボロンやリンが凝集したノジュール２４が多数形成される。ノジュール２４は、深い位置ほどノジュール２４のサイズが大きくなるように分布する。

次に、ステップＳ８において、フッ酸によって層間絶縁膜１４をエッチングする。ここでは、層間絶縁膜１４の表層部のみをエッチングする。凝集部２０内では、ノジュール２４のエッチング速度が、ノジュール２４以外の部分の層間絶縁膜１４のエッチング速度よりも遅くなる。このため、層間絶縁膜１４の表層部をエッチングすると、図７に示すように、層間絶縁膜１４の上面１４ａに多数のノジュール２４が露出する。その結果、図３に示すように、凝集部２０内の層間絶縁膜１４の上面１４ａに、高さが１０ｎｍ以上かつ１００ｎｍ以下の多数の凸部２２が形成される。すなわち、上面１４ａが凹凸形状となり、上面１４ａの表面粗さＲｚが１０ｎｍ以上かつ１００ｎｍ以下の値まで増大する。

次に、ステップＳ１０において、層間絶縁膜１４にコンタクトホール１５を形成する。次に、ステップＳ１２において、コンタクトホール１５内に電極１６を形成する。

次に、ステップＳ１４において、層間絶縁膜１４の上面１４ａを覆う保護膜１８を形成する。これによって、図１に示す半導体装置１０が完成する。保護膜１８は、層間絶縁膜１４の上面１４ａに絶縁樹脂を塗布し、その後、絶縁樹脂を硬化させることで形成される。上面１４ａに塗布された絶縁樹脂（硬化前の流動性を有する絶縁樹脂）は、層間絶縁膜１４の上面１４ａに形成された凹凸に対して密着する。その後、絶縁樹脂を硬化させると、凹凸に対して密着した状態で絶縁樹脂が硬化する。このため、保護膜１８が層間絶縁膜１４に強固に接続される。また、層間絶縁膜１４の上面１４ａの凹凸が微小であるので、保護膜１８の上面には凹凸は形成されない。上面が平坦な保護膜１８を形成することができる。

以上に説明したように、この製造方法によれば、層間絶縁膜１４の上面１４ａに微小な凹凸を形成することができ、その凹凸に密着するように保護膜１８を形成することができる。半導体装置１０の使用時に、半導体基板１２が発熱し、層間絶縁膜１４と保護膜１８に熱応力が加わる。凹凸に入り込んだ絶縁樹脂によってアンカー効果が得られるので、保護膜１８を層間絶縁膜１４から引き離す方向に熱応力が作用しても、保護膜１８が層間絶縁膜１４から剥離し難い。また、せん断方向（界面に沿って保護膜１８を層間絶縁膜１４に対してスライドさせる方向）に熱応力が加わっても、保護膜１８は層間絶縁膜１４から剥離し難い。したがって、半導体装置１０の使用時に、保護膜１８が層間絶縁膜１４から剥離することが抑制される。

図８は、水素アニール温度と、エッチング後の層間絶縁膜１４の上面１４ａの状態と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８５０℃以下の場合には凝集部２０が形成されない一方で、水素アニールの温度が８７０℃の場合には層間絶縁膜１４に凝集部２０（すなわち、上面１４ａにおける微小な凹凸）が形成される。上述した凝集部２０の形成メカニズムを考慮すると、水素アニールの温度が層間絶縁膜１４の融点以下であれば、水素アニールの温度を８７０℃以上とすることで凝集部２０を形成することができると考えられる。すなわち、水素アニールの温度を８７０℃以上とすることで、保護膜１８の層間絶縁膜１４からの剥離を抑制することができる。

なお、半導体基板１２は、どのような半導体材料により構成されていてもよいが、半導体基板１２がＳｉＣにより構成されている場合に、実施形態の技術は特に有用である。すなわち、ＳｉＣは線膨張係数が小さいので、熱膨張し難い。また、ＳｉＣは、ヤング率が高く、変形し難い。このため、半導体基板１２がＳｉＣにより構成されている場合には、半導体基板１２に密着している層間絶縁膜１４も熱膨張し難い。他方、保護膜１８は、熱膨張し易い。このため、この場合、層間絶縁膜１４と保護膜１８との間で高い熱応力が生じ易く、保護膜１８が層間絶縁膜１４から特に剥離し易い。このような場合でも、実施形態の技術によれば、保護膜１８の層間絶縁膜１４からの剥離を抑制することができる。

本明細書が開示する技術要素について、以下に列記する。なお、以下の各技術要素は、それぞれ独立して有用なものである。

本明細書が開示する一例の製造方法では、前記層間絶縁膜が、酸化シリコン膜であってもよい。また、本明細書が開示する一例の製造方法では、保護膜が、絶縁樹脂膜であってもよい。また、本明細書が開示する一例の製造方法では、エッチングによって、層間絶縁膜の表面に、１０〜１００ｎｍの高さを有する凹凸が形成されてもよい。

また、本明細書は、新たな半導体装置の構造を提案する。この半導体装置は、半導体基板と、前記半導体基板上に配置された層間絶縁膜と、前記層間絶縁膜の表面に接する保護膜、を有する。前記層間絶縁膜の前記表面が、１０〜１００ｎｍの高さを有する凹凸を有する。

この構造によれば、凹凸を有する層間絶縁膜の表面に保護膜が密着するので、保護膜が層間絶縁膜から剥離することを抑制することができる。

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。

１０ ：半導体装置
１２ ：半導体基板
１４ ：層間絶縁膜
１５ ：コンタクトホール
１６ ：電極
１８ ：保護膜
２０ ：凝集部
２２ ：凸部
２４ ：ノジュール

Claims (5)

1. 半導体装置の製造方法であって、
   半導体基板上に、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、
   前記層間絶縁膜を水素雰囲気下で８７０℃以上の温度でアニールする工程と、
   前記アニール後に、前記層間絶縁膜の表層部をエッチングする工程と、
   前記エッチング後に、前記層間絶縁膜の表面に接する保護膜を形成する工程、
   を有する製造方法。
2. 前記層間絶縁膜が、酸化シリコン膜である請求項１の製造方法。
3. 前記保護膜が、絶縁樹脂膜である請求項１または２の製造方法。
4. 前記エッチングによって、前記層間絶縁膜の前記表面に、１０〜１００ｎｍの高さを有する凹凸が形成される、請求項１〜３のいずれか一項の製造方法。
5. 半導体装置であって、
   半導体基板と、
   前記半導体基板上に配置された層間絶縁膜と、
   前記層間絶縁膜の表面に接する保護膜、
   を有し、
   前記層間絶縁膜の前記表面が、１０〜１００ｎｍの高さを有する凹凸を有する半導体装置。