JP2779996B2 - 半導体装置の製造方法 - Google Patents

半導体装置の製造方法

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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、半導体装置の製造方法
に係わり、特に半導体素子上に多層配線を形成する際に
適用される層間膜の形成方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】近年、半導体集積回路の製造において、
高集積化に伴い、多層配線技術は必須のこととなってい
る。多層配線技術の中でも層間膜の平坦化技術におい
て、多くの絶縁膜形成法が開発されている。主に使用さ
れている形成法は、平坦性が容易に得られるゾルを塗布
する方法である。また、最近では、TEOS(テトラエ
トキシシラン)を原料とする化学反応を用いたTEOS
−CVD法を用いるようになってきた。
【0003】しかしながら、前述した形成方法は、膜質
がポーラスであり、膜中に反応生成物として多量の水分
を含んでいることが知られている。一方、MOSFET
の微細化によりドレイン電界が増加し、ホットキャリア
問題が素子信頼性上重要な課題となってきている。この
問題は、高電界中で高エネルギー状態(ホット)になっ
たキャリアがゲート酸化膜中に注入され、酸化膜内に捕
獲されたり、ゲート酸化膜と基板との間に界面準位を発
生させ、素子特性を劣化させる。この際、ゲート酸化膜
中にOH基が多量に存在すると、ホットキャリア注入に
よる素子劣化が大きくなることが知られている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】塗布方法およびTEO
S−CVD法により形成される絶縁膜は、膜中に多量の
水分を含んでおり、この水分がゲート酸化膜中にまで拡
散すると、ゲート酸化膜中にOH基を形成するため、ホ
ットキャリアによる素子劣化を加速する可能性がある。
【0005】このような従来法で形成したときの素子の
ホットキャリア耐性寿命を図6に示す。図6は、素子の
信頼性寿命の単位チャネル幅当たりの基板電流依存性を
示すものである。基板電流は、発生したホットキャリア
の数に比例し、素子に加わる電源電圧が大きいほど、大
きな基板電流が流れる。図6に示すようにホットキャリ
アによる信頼性寿命と基板電流との間にはlog−lo
gプロット上で線形関係があるため、信頼性寿命の予測
には、基板電流を用いるのが通常である。図6から、電
源電圧3.3Vのときの寿命は、半年と予測される。実
用的には、寿命を10年とする必要があり、このような
層間膜の構成による素子では、信頼性を保証できないこ
とが判る。
【0006】したがって本発明は、前述した従来の課題
を解決するためになされたものであり、その目的は、電
子サイクロトロン共鳴法を用いたECRプラズマCVD
堆積法による絶縁膜を、塗布方法またはTEOS−CV
D法により形成される絶縁膜の少なくとも下層に形成
し、絶縁膜からの水分をブロッキングし、素子のホット
キャリア劣化を与えることのない半導体装置の製造方法
を提供することにある。
【0007】
【課題を解決するための手段】このような目的を達成す
るために本発明による半導体装置の製造方法は、半導体
装置の層間膜を形成する工程において、電子サイクロト
ロン共鳴法(ECR)によるプラズマを用いた第1の絶
縁膜を堆積し、この第1の絶縁膜上に塗布法または化学
気相成長法により第2の絶縁膜を堆積した後、この第2
の絶縁膜に電子サイクロトロン共鳴法による酸素ガスの
プラズマの照射と窒素ガスのプラズマの照射とを連続し
て行うようにしたものである。
【0008】
【作用】本発明においては、第2の絶縁膜に電子サイク
ロトロン共鳴法によるプラズマを照射することにより、
第2の絶縁膜中の水分が脱離し、水分による素子のホッ
トキャリアの劣化が回避される。
【0009】
【実施例】以下、図面を用いて本発明の実施例を詳細に
説明する。図1は、本発明による半導体装置の製造方法
をMOSFETの製造方法に適用した一実施例を説明す
るためのMOSFETの要部拡大断面図である。同図に
おいて、1は素子分離領域、2はゲート電極、3はゲー
ト酸化膜、4はシリコン基板、5は絶縁膜、6は配線金
属、7は第1の絶縁膜としての第1の層間膜、8は第2
の絶縁膜としての第2の層間膜、9は第3の絶縁膜とし
ての第3の層間膜である。
【0010】なお、本実施例では、ゲート電極2として
ポリシリコンを約3000Å、ゲート酸化膜3としてド
ライ酸化法により100〜200Å、配線金属6として
AlSiCuを約5000Åの厚さにそれぞれ形成し
た。また、第1の層間膜7および第3の層間膜9として
ECRプラズマCVD法によるSiO2 を用い、それぞ
れ約3000Åおよび約2000Åの厚さに形成し、ま
た、第2の層間膜8としてオゾンTEOSの分解反応を
利用する常圧CVD法により約1000Åの厚さに形成
されるオゾンTEOS−SiO2 膜を用いた。
【0011】ここで、第1の層間膜7としてECRプラ
ズマCVD法による絶縁膜を用いた理由は、本方法によ
る絶縁膜は水分阻止に優れるためであり、可能な限り素
子への水分の拡散を抑えるためである。また、第2の層
間膜8を形成した後、ECR法により酸素プラズマを第
2の層間膜8に照射し、水分を脱離した後、さらに同じ
く窒素プラズマにより表面を窒化し、水分の吸湿を抑え
た後に同一真空内で連続してECRプラズマCVD法に
より第3の層間膜9を形成した。ここで、ECRプラズ
マCVD法とは、約200℃以下の低温で高品質の絶縁
膜を形成する方法である。
【0012】本実施例での形成条件では、SiH4 とO
2 との混合ガスを用い、ガス圧1.0mTorr、マイ
クロ波パワー600Wである。また、本実施例では、E
CRプラズマCVD装置において、RFパワーを印加し
ていないが、RFパワーを印加し、膜質の改善をさらに
行った条件を用いても良いことは言うまでもない。特に
段差側壁の改善のためには不可欠である。また、膜形成
用のSiH4 を導入せずに活性ガスを用いて試料表面の
温度は約200℃以下に保たれることは言うまでもな
い。
【0013】また、TEOS−SiO2 膜の形成条件
は、約65℃に保ったTEOS中を通過させる窒素ガス
の流量を3リットル/min,オゾン流量を約38ミリ
リッットル/min,基板温度400℃とした。さらに
本実施例の酸素プラズマ照射条件は、マイクロ波パワー
約900W,O2 ガス1.0mTorr,照射時間5分
とし、引き続き行う窒素プラズマ照射条件は、マイクロ
波パワー約800W,N2 ガス1.0mTorrとし
た。
【0014】図2は、プラズマ照射したときのSOG膜
の膜収縮率を示したものである。図2において、横軸は
照射時間、縦軸は収縮率である。図2に示すようにプラ
ズマ照射時間が約5分で10%程度膜が収縮し、水分が
脱離し、膜質が改善されている。
【0015】図3は、SOG膜をプラズマ処理したとき
の水分の脱離状態を赤外吸収特性により説明する。図3
において、横軸は波数、縦軸は透過率である。図3に示
すように3600cm-1付近はSiOHであり、340
0cm-1は水であり、3300cm-1付近は吸着した水
である。図3から明かなように時間とともに3000c
-1から3700cm-1のピークの面積が減少している
ことおよび3400cm-1の水が減少している。
【0016】図4は、SOG膜のTDS法(Thermal De
sorption Spectroscopy )による水分量の分析結果を示
したものである。この試料は、プラズマ処理後、SOG
膜の表面を大気に晒さないようにプラズマ処理した後に
ECRプラズマCVD法によりSiO2 を形成してあ
る。図4に示すようにプラズマ処理なしでは、水が約3
80℃から脱離し、プラズマ処理をしたものは約410
℃から脱離している。また、ピークの強度もプラズマ処
理してある方が小さい。したがって図4から明かなよう
にプラズマ処理による効果であることが判る。
【0017】図5は、本発明を適用したときの素子の信
頼性寿命特性を示したものであり、プラズマ処理とアニ
ールとの有無について示す。図5から明かなようにアニ
ールなしの場合、素子の寿命が半年と短いことが判る。
また、400℃の窒素アニールを行っても寿命は10年
程度であるのに対し、プラズマ処理の方が寿命が30年
と飛躍的に改善されていることが判る。
【0018】このように素子の寿命が大幅に改善される
理由は、ECRプラズマ処理によってSOG膜からの水
を脱離させたためである。したがってこのような方法に
よれば、ECRプラズマ処理によってSOG膜からの水
分を離脱させることができるので、水分で生じる信頼性
の劣化を回避し、素子の寿命が大幅に改善され、多層配
線に必要な層間膜構造が得られるとともに素子の信頼性
を保証することができる。
【0019】なお、前述した実施例においては、プラズ
マ処理をアニール工程としてスルーホール開口後や金属
配線の加工後に用いても、前述と同様な効果が得られる
ことは言うまでもない。
【0020】また、前述した実施例においては、SOG
膜に対してプラズマ処理を行った場合について説明した
が、他の水分を含むオゾンTEOS膜などにおいても同
様のプラズマ処理を行っても、前述と同様な効果が得ら
れることは言うまでもない。
【0021】
【発明の効果】以上、説明したように本発明によれば、
水分阻止能の高いECRプラズマCVD堆積法による第
1の絶縁膜を形成した後、この第1の絶縁膜上に塗布方
法または化学気相成長法により第2の絶縁膜を形成し、
この第2の絶縁膜に酸素ガスのECRプラズマと窒素ガ
スのECRプラズマ連続して照射して水分を脱離さ
せ、絶縁膜からの水分による素子のホットキャリアの劣
化を回避して層間膜を形成できるので、水分で生じる信
頼性の劣化が回避でき、信頼性を保証した半導体装置が
得られるという極めて優れた効果が有する。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明による半導体装置の製造方法の一実施例
を説明するためのMOSFETの要部拡大断面図であ
る。
【図2】プラズマ照射したときのSOG膜の膜収縮率を
示す図である。
【図3】SOG膜をプラズマ処理したときの水分の脱離
状態を赤外吸収特性により説明する図である。
【図4】SOG膜のTDS法による水分量の分析結果を
示す図である。
【図5】本発明を適用したときの素子の信頼性寿命特性
を示す図である。
【図6】従来の製造方法を適用したときの素子の信頼性
寿命特性を示す図である。
【符号の説明】
1 素子分離領域 2 ゲート電極 3 ゲート酸化膜 4 シリコン基板 5 絶縁膜 6 配線金属 7 第1の層間膜 8 第2の層間膜 9 第3の層間膜
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平1−154536(JP,A) 特開 昭62−277750(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) H01L 21/768 H01L 21/316

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 電子サイクロトロン共鳴法によるプラズ
    マにより第1の絶縁膜を形成する第1の工程と、前記第
    1の絶縁膜上に塗布法または化学気相成長法により第2
    の絶縁膜を形成する第2の工程と、前記第2の絶縁膜に
    電子サイクロトロン共鳴法による酸素ガスのプラズマを
    照射し、連続して窒素ガスのプラズマを照射する第3の
    工程と有することを特徴とする半導体装置の製造方
    法。
  2. 【請求項2】 請求項1において、前記第3の工程の
    後、連続して電子サイクロトロン共鳴法によるプラズマ
    を用いて第3の絶縁膜を形成することを特徴とする半導
    体装置の製造方法。
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