JP2980052B2 - 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】
【発明の属する技術分野】本発明は半導体装置の製造方
法に関し、特に表面の平坦化を図った層間絶縁膜の製造
方法に関する。
【0002】
【従来の技術】半導体装置の高集積化、高速化に伴い、
個々の搭載される半導体素子の微細化が進められてい
る。これに伴い、リソグラフィ技術の限界からトランジ
スタとその上層に設けられる配線とを絶縁する層間絶縁
膜に対する平坦化の要求が高められている。このような
平坦化技術として、層間絶縁膜の表面を化学的機械研磨
法(CMP法)により研磨する技術が提案されている。
しかしながら、この技術ではコストが高くなり、かつ研
磨する層間絶縁膜の形状パターンにより平坦性が変化す
る等の問題がある。また、塗布法によるシリコン酸化膜
(SOG膜)を平坦化に用いる技術が特開平7−378
79号公報に記載されている。この技術は、素子上に形
成されたSOG膜に対して水蒸気雰囲気中で熱酸化を行
い、SOG膜中の不純物成分を除去することでSOG膜
の膜質をBPSG膜と同等の膜質とし、比較的低温での
リフローによる平坦化を可能とするというものである。
【0003】また、他の平坦化技術として、1992年
のJournal of Electrochemical societyに記載されてい
るW.Dauksherらによる「An Three "Low Dt"
Options for Planarizing the Pre-metal Dielectric o
n an Advanced Duuble PolyBiCMOS Process」では、ト
ランジスタ上に形成されたホウ素とリンを含むシリコン
酸化膜(BPSG膜)を水蒸気雰囲気中で熱処理するこ
とにより、BPSG膜をリフローさせ、平坦化する技術
が記載されている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前記し
た従来の技術のうち、前者のSOG膜を水蒸気雰囲気中
で熱処理する技術では、この熱処理によってSOG膜自
体の硬化反応が生じてしまうため、実際には有効な平坦
化は困難である。また、後者のBPSG膜を水蒸気中で
リフローする技術では、BPSG膜の軟化温度が高いた
め、十分な平坦性を得るためには800℃程度の高温が
必要であり、前工程で形成されている拡散層等に影響を
与え、素子の特性が劣化されてしまう等の問題が生じ
る。
【0005】本発明の目的は、低温処理により十分な平
坦性を得ることが可能な製造方法を提供することにあ
る。
【0006】
【課題を解決するための手段】本発明の製造方法は、半
導体基板上に素子を形成し、この素子上に第1の絶縁膜
を形成する工程と、この第1の絶縁膜上にホウ素とリン
を含む第2の絶縁膜を形成する工程と、前記シリコン酸
化膜上に塗布法によりホウ素もしくはリンの少なくとも
一方を含む第3の絶縁膜を形成する工程と、前記基板を
水蒸気を含む高圧雰囲気で熱処理し、続いて不活性なガ
ス雰囲気中で熱処理を行う工程とを含んでいる。例え
ば、第2の絶縁膜としてBPSG膜を、第3の絶縁膜と
してSOG膜を、第1の絶縁膜としてシリコン窒化膜を
用いる。
【0007】
【発明の実施の形態】次に、本発明の実施形態を図面を
参照して説明する。図1〜図3は本発明の第1の実施形
態を製造工程順に示す断面図である。先ず、図1(a)
のように、基板1に、例えばゲート絶縁膜2、ゲート電
極3、サイドウォール4、LDD領域5、ソース・ドレ
イン領域6で構成されるMOSトランジスタ等の素子7
を形成し、この素子7の上に常圧による化学気相成長法
(CVD法)によるシリコン酸化膜8を形成し、さらに
この上にシリコン窒化膜9を形成する。このシリコン窒
化膜9は、後工程での処理による水分が素子7まで侵入
しないようにするための保護膜として機能する。このシ
リコン窒化膜9の膜厚は50〜200Å程度あれば十分
である。
【0008】次に、図1(b)のように、前記シリコン
窒化膜9上にCVD法によりBPSG膜10を形成す
る。このBPSG膜10の膜厚は半導体素子の設計によ
る適切な膜厚に設定される。このBPSG膜10の形成
後に、膜の安定化のために適切な熱処理を加える。次い
で、図2(a)のように、前記BPSG膜10上に塗布
法によりSOG膜11を形成する。このSOG膜11に
は、後の処理時に十分な平坦性を得るために、リン若し
くはホウ素等の少なくとも一方が含まれた材料を用いて
形成する。このSOG膜11を形成した後、膜中に含ま
れる溶媒を除去するために、窒素若しくはアルゴン等の
不活性ガス雰囲気で200から300℃程度の熱処理を
行う。
【0009】しかる後、以上の処理が行われた基板を高
圧水蒸気雰囲気中で熱処理を行う。この高圧水蒸気雰囲
気中での熱処理を行うと、SGO膜11中の(−Si−
O−Si−)結合が弱いため、加水分解が起こり、膜中
の(−Si−O−Si−)の網目構造が水分子H2 Oに
より(−Si−OH)(HO−Si−)のような形に切
断される。網目構造が切断されたSOG膜11はゲル状
に変化し、可塑性をもつようになる。また、膜中にリン
やホウ素が含まれていると、(−Si−O−Si−)結
合がより弱くなるため、容易にゲル化が進む。さらに、
このとき、外部からの高圧により膜自身に力が加わるこ
とで、図2(b)のように、ゲル状のSOG膜11が平
坦化される。
【0010】図4は高圧水蒸気雰囲気中での熱処理にお
ける圧力、温度における平坦性を示したものである。同
図の斜線部分がデバイス適用上満足できる平坦性が得ら
れる領域を示したものである。圧力が高いほど低温で平
坦性が得られるが、低い圧力では平坦性を得るためには
高い温度が必要となる。また、高い圧力でも温度が高い
ほど平坦性が向上する。さらに、平坦化されたSOG膜
を固めるため、高圧雰囲気のまま窒素もしくは不活性ガ
ス雰囲気中で熱処理を行う。この際、熱処理温度は水蒸
気雰囲気中での熱処理温度を同等若しくはそれ以上の温
度を用い、SOG膜中の水分を完全に除去する。熱処理
後、ドライエッチング法等によるエッチバックを行い、
素子上の絶縁膜の膜厚を適切に調整しても構わない。こ
のように、絶縁膜が平坦化されたことにより、図3に示
すように、その後の素子への電気接続用の金属柱12の
形成や金属配線13の形成が容易に行い得るようにな
る。
【0011】図5〜図7は、本発明の第2の実施形態を
製造工程順に示す断面図であり、前記第1の実施形態と
等価な部分には同一符号を付してある。先ず、図5
(a)のように、第1の実施形態と同様に、基板1にM
OSトランジスタ等の素子7を形成し、その上にCVD
法によりシリコン酸化膜8を形成し、さらにこの上に図
5(b)のように、第1の実施形態と同様なシリコン窒
化膜9を形成する。さらに、このシリコン窒化膜9上に
シリコン酸化膜10Aを形成する。このシリコン酸化膜
10Aの形成方法としては、一般的なCVD法を用い、
その膜厚は半導体素子の設計による適切な膜厚に設定さ
れる。その上で、図6(a)のように、前記シリコン酸
化膜10Aの上に塗布法によりSOG膜11を形成す
る。塗布後、膜中に含まれる溶媒を除去するために、窒
素若しくはアルゴン等の不活性ガス雰囲気中において2
00から300℃程度の熱処理を行う。このSOG膜1
1を形成した後、後の処理での膜の平坦性を向上させる
ため、イオン注入法によりSOG膜11中にリン若しく
はホウ素元素を注入する。注入元素のSOG膜11中で
の分布は、表面層側で濃度が濃くなるように注入するイ
オンの加速度を調整する。
【0012】次に、第1の実施形態と同様に、この基板
を高圧水蒸気雰囲気中で熱処理を行う。この高圧水蒸気
雰囲気中での熱処理を行うと、SGO膜11中の(−S
i−O−Si−)結合が弱いため、加水分解が起こり、
膜中の(−Si−O−Si−)の網目構造が水分子H2
Oにより(−Si−OH)(HO−Si−)のような形
に切断される。網目構造が切断されたSOG膜はゲル状
に変化し、可塑性をもつようになる。また、膜中にリン
やホウ素が含まれていると、(−Si−O−Si−)結
合がより弱くなるため、容易にゲル化が進む。さらに、
このとき、外部からの高圧により膜自身に力が加わるこ
とで、図6(b)のように、ゲル状のSOG膜11が平
坦化される。
【0013】さらに、平坦化されたSOG膜11を固め
るため、高圧雰囲気のまま窒素若しくは不活性ガス雰囲
気中で熱処理を行う。この際、熱処理温度は水蒸気雰囲
気中での熱処理温度と同等若しくはそれ以上の温度を用
い、SOG膜11中の水分を完全に除去する。熱処理
後、ドライエッチング法等によるエッチバックを行い、
素子上の絶縁膜の膜厚を適切に調整しても構わない。こ
のように、絶縁膜が平坦化されたことにより、図7に示
すように、その後の素子への電気接続用の金属柱12の
形成や金属配線13の形成が容易に行い得るようにな
る。
【0014】なお、前記した第1および第2の実施形態
に加えて、本発明者が種々の実験を行った結果、本発明
方法においては、水蒸気を含む高圧雰囲気は5気圧以上
であることが、また処理温度は400ないし700℃で
あることが、さらに熱処理時間は1から2時間程度が生
産性を考慮した望ましい値であることが判明した。ま
た、不活性ガスは窒素の他に、アルゴン等の希ガスや、
これらのガスに酸素を添加した混合ガスが用いられるこ
とが可能であることも確認されている。
【0015】
【発明の効果】以上説明したように本発明は、第の絶縁
膜上に塗布絶縁膜を形成した上でこれを高圧水蒸気雰囲
気中で熱処理することにより、塗布絶縁膜における加水
分解反応が起こり、ゲル状化した塗布絶縁膜が高圧化で
平坦化されるため、絶縁膜の表面の平坦化が実現でき
る。また、これにより、高圧水蒸気雰囲気中での熱処理
温度を700℃以下にでき、基板に形成した素子に対す
る影響を緩和し、素子特性の劣化が防止できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施形態の製造方法を工程順に
示す断面図のその1である。
【図2】本発明の第1の実施形態の製造方法を工程順に
示す断面図のその2である。
【図3】本発明の第1の実施形態の製造方法を工程順に
示す断面図のその3である。
【図4】SOG膜における平坦性と処理圧力と処理温度
の関係を示す図である。
【図5】本発明の第2の実施形態の製造方法を工程順に
示す断面図のその1である。
【図6】本発明の第2の実施形態の製造方法を工程順に
示す断面図のその2である。
【図7】本発明の第2の実施形態の製造方法を工程順に
示す断面図のその3である。
【符号の説明】
1 半導体基板 2 ゲート絶縁膜 3 ゲート電極 5 LDD領域 6 ソース・ドレイン領域 7 素子(トランジスタ) 8 シリコン酸化膜 9 シリコン窒化膜 10 BPSG膜 10A シリコン酸化膜 11 SOG膜 12 金属柱 13 金属配線

Claims (5)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 半導体基板上に素子を形成し、この素子
    上に第1の絶縁膜を形成する工程と、この第1の絶縁膜
    上にホウ素とリンを含む第2の絶縁膜を形成する工程
    と、前記シリコン酸化膜上に塗布法によりホウ素もしく
    はリンの少なくとも一方を含む第3の絶縁膜を形成する
    工程と、前記基板を水蒸気を含む高圧雰囲気で熱処理
    し、続いて不活性なガス雰囲気中で熱処理を行う工程と
    を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
  2. 【請求項2】 第2の絶縁膜はBPSG膜である請求項
    1の半導体装置の製造方法。
  3. 【請求項3】 第3の絶縁膜はSOG膜である請求項1
    または2の半導体装置の製造方法。
  4. 【請求項4】 第1の絶縁膜はシリコン窒化膜である請
    求項1ないし3のいずれかの半導体装置の製造方法。
  5. 【請求項5】 水蒸気を含む高圧雰囲気は5気圧以上で
    400ないし700℃である請求項1ないし4のいずれ
    かの半導体装置の製造方法。
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