JP3015750B2

JP3015750B2 - 半導体装置の製造方法

Info

Publication number: JP3015750B2
Application number: JP8345587A
Authority: JP
Inventors: 秀樹水原; 篤弘西田
Original assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Current assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Priority date: 1996-12-25
Filing date: 1996-12-25
Publication date: 2000-03-06
Anticipated expiration: 2016-12-25
Also published as: JPH10189724A

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
方法に係り、詳しくは、デバイス上に層間絶縁膜を形成
する技術に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、半導体集積回路の更なる高集積化
を実現するために、配線の微細化、多層化を進めること
が要求されている。配線を多層化するには、各配線間に
層間絶縁膜を設けるが、その層間絶縁膜の表面が平坦で
ないと、層間絶縁膜の上部に形成された配線に段差が生
じて断線などの故障が引き起こされる。

【０００３】従って、層間絶縁膜の表面（すなわち、デ
バイスの表面）は可能な限り平坦化されていなければな
らない。このように、デバイスの表面を平坦化する技術
は、平坦化技術と呼ばれ、配線の微細化、多層化に伴っ
てますます重要になっている。平坦化技術において、よ
く用いられる層間絶縁膜としてＳＯＧ膜があり、特に層
間絶縁膜材料のフロー特性を利用した平坦化技術におい
て盛んな検討がなされている。

【０００４】ＳＯＧとは、シリコン化合物を有機溶剤に
溶解した溶液及びその溶液から形成される二酸化シリコ
ンを主成分とする膜の総称である。ＳＯＧ膜を形成する
には、まず、シリコン化合物を有機溶剤に溶解した溶液
を基板上に滴下して基板を回転させる。すると、その溶
液の被膜は、配線によって形成される基板上の段差に対
して、その凹部には厚く、凸部には薄く、段差を緩和す
るように形成される。その結果、その溶液の被膜の表面
は平坦化される。

【０００５】次に熱処理が施されると、有機溶剤が蒸発
すると共に重合反応が進行して、表面が平坦なＳＯＧ膜
が形成される。ＳＯＧ膜には、一般式（１）で表される
ように、シリコン化合物中に有機成分を含まない無機Ｓ
ＯＧ膜と、一般式（２）で表されるように、シリコン化
合物中に有機成分を含む有機ＳＯＧ膜とがある。

【０００６】［ＳｉＯ₂］n ・・・（１）［Ｒ_XＳｉＯ_Y］n ・・・（２）（ｎ，Ｘ，Ｙ：整数、Ｒ：アルキル基又はアリール基）無機ＳＯＧ膜は、水分及び水酸基を多量に含んでいる上
に、ＣＶＤ(ChemicalVapor Deposition）法によって形
成されたシリコン酸化膜に比べて脆弱であり、膜厚を
０．５μｍ以上にすると熱処理時にクラックが発生しや
すいという欠点がある。

【０００７】一方、有機ＳＯＧ膜は、熱処理におけるク
ラックの発生が抑制され、膜厚を０．５〜１μｍ程度に
することができる。従って、有機ＳＯＧ膜を用いれば、
膜厚の大きな層間絶縁膜を得ることができ、基板上の大
きな段差に対しても十分な平坦化が可能になる。このよ
うに、無機ＳＯＧ膜や有機ＳＯＧ膜は、非常に優れた平
坦性を有するが、上述したように無機ＳＯＧ膜は、水分
及び水酸基を多量に含んでいるために、金属配線などに
悪影響を与え、電気的特性の劣化、腐食などの問題が生
じる恐れがある。

【０００８】また、無機ＳＯＧ膜に比べれば少ないもの
の、有機ＳＯＧ膜にも水分及び水酸基が含まれているた
め、同様の問題を有する。そこで、通常は、ＳＯＧ膜を
層間絶縁膜に採用する場合において、水分及び水酸基を
比較的遮断する性質に加えて絶縁性及び機械的強度が高
い性質を持つ、例えばプラズマＣＶＤ法によって形成さ
れたシリコン酸化膜などの絶縁膜をＳＯＧ膜の上層又は
下層に介在させることが行われている（例えば、特開平
５−２２６３３４号公報（Ｈ０１Ｌ２１／３２０５）参
照）。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】従来例にあっては、プ
ラズマＣＶＤ法によって形成されたシリコン酸化膜自身
の耐水能力は、ＳＯＧ膜よりは優れているが、完全では
なく、このシリコン酸化膜を設けたからといって、万全
の耐水効果を得るまでには至っていない。本発明は、半
導体装置の製造方法に関し、平坦性及び絶縁特性に優れ
た層間絶縁膜を得て、半導体装置としての信頼性を高め
ることを目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】請求項１の半導体装置の
製造方法は、半導体基板上に形成されたトランジスタや
配線などの素子を有機ＳＯＧ膜で覆う工程と、前記有機
ＳＯＧ膜にホウ素イオンを注入して、前記有機ＳＯＧ膜
中に含まれる有機成分を分解することにより改質ＳＯＧ
膜を形成する工程と、を含み、前記ホウ素イオンの注入
の際に、電子シャワーを照射することをその要旨とす
る。

【００１１】また、請求項２の半導体装置の製造方法
は、半導体基板上に形成されたトランジスタや配線など
の素子を有機ＳＯＧ膜で覆う工程と、前記有機ＳＯＧ膜
に窒素イオンを注入して、前記有機ＳＯＧ膜中に含まれ
る有機成分を分解することにより改質ＳＯＧ膜を形成す
る工程と、を含み、前記窒素イオンの注入の際に、電子
シャワーを照射することをその要旨とする。

【００１２】また、請求項３の半導体装置の製造方法
は、請求項１又は２に記載の発明において、前記素子と
有機ＳＯＧ膜との間に絶縁膜を形成する工程を更に備え
ることをその要旨とする。

【００１３】また、請求項４の半導体装置の製造方法
は、請求項１〜３のいずれか１項に記載の発明におい
て、前記改質ＳＯＧ膜の上に絶縁膜を形成する工程を更
に備えることをその要旨とする。また、請求項５の半導
体装置の製造方法は、請求項１〜４のいずれか１項に記
載の発明において、前記改質ＳＯＧ膜中のダングリング
ボンドを減少させるために、改質ＳＯＧ膜に熱処理を施
す工程を更に備えることをその要旨とする。すなわち、
有機ＳＯＧ膜にイオン注入などの手法によって、ホウ素
イオン又は窒素イオンを含有させることにより、膜が改
質されて、膜に含まれる水分や水酸基が減少し且つ膜が
吸水しにくくなる。

【００１４】また、有機ＳＯＧ膜にホウ素イオン又は窒
素イオンを導入すると、イオンビーム及び有機ＳＯＧ膜
（改質ＳＯＧ膜）から出た２次電子のために、有機ＳＯ
Ｇ膜（改質ＳＯＧ膜）が正に帯電して、この部分の電界
が高くなり、ついには大電流が基板に向けて流れて、絶
縁膜下のデバイス、例えば、ゲート絶縁膜などの薄い絶
縁膜の絶縁性が破壊される危惧があるが、イオンの導入
と共に電子シャワーも照射するので、有機ＳＯＧ膜が正
に帯電しても、それを中和することができる。

【００１５】特に、ＳＯＧ膜は、一般に、基板上の凹部
に充填されて基板表面を平坦化するものであるから、他
の絶縁膜に比べて膜厚も厚く、しかも基板全面に形成さ
れ、更には、ＳＯＧ膜自身の誘電率も低いので、イオン
注入された場合に正に帯電しやすいが、電子シャワーを
併用することにより、このような問題も解消される。

【００１６】

【発明の実施の形態】本発明を具体化した実施形態の製
造方法を図１及び図２に従って説明する。工程１（図１ａ参照）：（１００）ｐ型（又はｎ型）単
結晶シリコン基板１の上にゲート酸化膜２（膜厚：１０
ｎｍ）及びゲート電極３（膜厚：２００ｎｍ）を形成す
る。そして、ゲート酸化膜２及びゲート電極３をマスク
とするイオン注入法を用いて基板１にｎ型（又はｐ型）
不純物をドープすることにより、ソース・ドレイン領域
４を自己整合的に形成してＭＯＳトランジスタを完成す
る。

【００１７】更に、デバイスの全面にＣＶＤ法によりシ
リコン酸化膜２１を形成した後、ソース・ドレイン領域
４上のシリコン酸化膜２１にコンタクトホール２２を形
成する。その後、スパッタ法を用いてコンタクトホール
２２内を含むデバイスの全面にアルミ合金膜（Ａｌ−Ｓ
ｉ（１％）−Ｃｕ（０．５％））を堆積し、そのアルミ
合金膜が所望のパターンになるように異方性エッチング
を行って、ソース・ドレイン電極（ソース・ドレイン配
線）１０を形成する。

【００１８】工程２（図１ｂ参照）：プラズマＣＶＤ法
を用いて、デバイスの全面にシリコン酸化膜５（膜厚：
５００ｎｍ）を形成する。尚、このプラズマＣＶＤ法で
用いるガスは、モノシランと亜酸化窒素（ＳｉＨ₄＋Ｎ₂
Ｏ）、モノシランと酸素（ＳｉＨ₄＋Ｏ₂）、ＴＥＯＳ
（Tetra-ethoxy-silane）と酸素（ＴＥＯＳ＋Ｏ₂）など
であり、成膜温度は３００〜９００℃である。

【００１９】工程３（図１ｃ参照）：シリコン酸化膜５
の上に有機ＳＯＧ膜６を形成する。有機ＳＯＧ膜６の組
成は［ＣＨ₃Ｓｉ（ＯＨ）₃］で、その膜厚は６００ｎｍ
である。その形成方法は、まず、前記組成のシリコン化
合物のアルコール系溶液（例えば、ＩＰＡ＋アセトン）
を基板１の上に滴下して基板を回転速度：２３００rpm
で２０秒間回転させ、この溶液の被膜を基板１の上に形
成する。このとき、そのアルコール系溶液の被膜は、基
板１の上の段差に対して、その凹部には厚く、その凸部
には薄く、段差を緩和するように形成される。その結
果、アルコール系溶液の被膜の表面は平坦化される。

【００２０】次に、窒素雰囲気中において、１００℃で
１分間、２００℃で１分間、３００℃で１分間、２２℃
で１分間、３００℃で３０分間、順次熱処理を施すと、
アルコール系が蒸発すると共に重合反応が進行して、表
面が平坦な膜厚３００ｎｍの有機ＳＯＧ膜が形成され
る。この被膜形成〜熱処理作業をもう１回繰り返すこと
により、膜厚６００ｎｍの有機ＳＯＧ膜６を得る。

【００２１】そして、イオン注入法を用いて、ホウ素イ
オン（Ｂ⁺）を加速エネルギー：１４０KeV、ドーズ量：
１×１０¹⁵atoms／cm²の条件で有機ＳＯＧ膜６にドープ
する。このように、有機ＳＯＧ膜６にイオンを注入する
ことで、膜中の有機成分を分解させると共に、膜中に含
まれる水分及び水酸基を減少させる。

【００２２】その結果、有機ＳＯＧ膜６は、有機成分が
含まれず、水分及び水酸基が僅かしか含まれないＳＯＧ
膜（以下、改質ＳＯＧ膜という）７に変えられる。更
に、このイオン注入と同時に、基板１（有機ＳＯＧ膜
６）に対し、電子シャワーを照射する。図３はこのとき
に用いる電子シャワー照射装置５０を示しており、照射
口５１の上方に電子シャワー装置５２が設けられ、照射
口５１の下方に、基板１を載せるための基台５３が設け
られている。そして、基台５３上の基板１に向かって、
図示しないイオン注入装置からのイオンビームと電子シ
ャワー装置５２からの電子シャワーが、基板１に向けて
照射され、同時に基台５３が左右に走査される。

【００２３】こうして、イオン注入と同時に電子シャワ
ーを照射することで、イオンビーム及び有機ＳＯＧ膜６
から出た２次電子のために有機ＳＯＧ膜６が正に帯電す
ることを防止する。図４は有機ＳＯＧ膜へのイオン注入
の際に電子シャワーを照射することの効果を確かめるた
めのテストデバイスの断面構造を示したものである。

【００２４】ｎ型（１００）シリコン基板５５の上にＬ
ＯＣＯＳ法により素子分離領域５６を形成した後、ウェ
ット雰囲気で膜厚１５ｎｍのゲート酸化膜５７を成長さ
せ、その上にポリシリコン電極５８を形成する。更に、
デバイスの全面をＣＶＤ法によりシリコン酸化膜５９で
覆い、ビアホールを介して前記ポリシリコン電極５８に
接続されるアルミ電極配線６０を形成した後、デバイス
の全面を有機ＳＯＧ膜６１で覆う。

【００２５】テストデバイスは一つではなく、ゲート酸
化膜５７の面積を２０×２０μｍ²と一定とし、アンテ
ナ比（（ポリシリコン電極５８の面積＋アルミ電極配線
６０の面積）／ゲート酸化膜５７の面積）が１０００〜
１６０００である複数のデバイスを用いた。このような
テストデバイスにおいて、ゲート酸化膜５７は、ある一
定の電圧又は電流を印加し続けると、ある時間が経過し
た後、絶縁破壊を生じる。例えば、有機ＳＯＧ膜６１は
イオン注入などにより正に帯電しやすく、この正帯電に
より、この部分の電界が高くなり、ついには大電流が基
板５５に向けて流れて、ゲート酸化膜５７の絶縁性が破
壊される。この絶縁破壊に至る時間は絶縁膜に加えられ
る電界強度の関数であり、これが経時的絶縁破壊現象、
すなわち、ＴＤＤＢ（Time-Dependent Dielectric Brea
kdown）と呼ばれる。

【００２６】Ｑbd（破壊に至るまでに酸化膜を流れた電
荷量）は、ポリシリコン電極５８及びアルミ配線電極６
０に定電流ストレスを印加したＴＤＤＢ測定から５０％
破壊に至るまでの時間を求め、次式を用いて計算する。Ｑbd＝ist×tbd ここで、istはストレス電流、tbdは５０％破壊に至るま
での時間である。尚、ストレス電流は１０ｍＡ／ｃｍ²
とする。

【００２７】図５は図４に示すテストデバイスにおける
Ｑbdとアンテナ比との関係を、(1)有機ＳＯＧ膜６１に
イオン注入しない場合（unimplanted：図中実線）、(2)
有機ＳＯＧ膜６１にイオン注入した場合（implanted(0m
A)：図中細かな点線■印）、(3)本実施形態と同様、有
機ＳＯＧ膜６１にイオン注入すると同時に電子シャワー
を照射した場合（implanted(50mA)：図中大まかな点線
△印及びimplanted(150mA)図中一点鎖線▲印）のそれぞ
れの場合について示したものである。

【００２８】尚、implanted( mA)のカッコ内の数値
は、電子シャワー装置５２のエミッション電流で、供給
電子の量を制御するパラメータである。図５から明らか
なように、有機ＳＯＧ膜６１にイオン注入した場合は、
アンテナ比が高くなるにつれて、Ｑbdが低下する（酸化
膜の寿命が短くなる）のに対し、有機ＳＯＧ膜６１にイ
オン注入すると同時に電子シャワーを照射した場合は、
有機ＳＯＧ膜６１にイオン注入しない場合とほぼ同様
に、アンテナ比が変わってもＱbdは変化せず、高い値を
保っている。これは、電子シャワーにより、有機ＳＯＧ
膜６１が正帯電することが打ち消されることを示してい
る。

【００２９】このように、本実施形態では、有機ＳＯＧ
膜６へのイオン注入のためにイオンビームを照射して
も、有機ＳＯＧ膜６（改質ＳＯＧ膜７）が正に帯電する
ことが抑制され、膜下のゲート酸化膜２などが絶縁破壊
を起こすことを防止できる。工程４（図２ａ参照）：プラズマＣＶＤ法を用いて、改
質ＳＯＧ膜７の上にシリコン酸化膜８（膜厚：２００ｎ
ｍ）を形成する。シリコン酸化膜８の形成条件はシリコ
ン酸化膜５と同じである。

【００３０】工程５（図２ｂ参照）：四フッ化炭素と水
素の混合ガス系をエッチングガスとして用いる異方性エ
ッチングを行い、ソース・ドレイン領域４の上の各膜
５，７，８にビアホール９を形成する。工程７（図２ｃ参照）：不活性ガス（例えばＡｒ）を用
いたスパッタエッチングによって、ビアホール９内をク
リーニングした後、マグネトロンスパッタ法を用いて、
前記ビアホール９内及びシリコン酸化膜８の上に、Ａｌ
合金膜（Ａｌ−Ｓｉ（１％）−Ｃｕ（０．５％））（膜
厚５００ｎｍ）、Ｔｉ膜（膜厚５０ｎｍ）及びＴｉＮ膜
（膜厚２０ｎｍ）を順次下から形成する。

【００３１】そして、通常のリソグラフィ技術、ドライ
エッチング技術（ＲＩＥ法等）により、レジスト（図示
略）塗布、露光、エッチング作業を経て、アルミ合金
膜、Ｔｉ膜及びＴｉＮ膜を所定形状にパターニングし
て、上層金属配線２３を形成する。このように本実施形
態においては、シリコン酸化膜５、改質ＳＯＧ膜７及び
シリコン酸化膜８からなる３層構造の層間絶縁膜１１が
ＭＯＳトランジスタの上に形成され、改質ＳＯＧ膜７の
存在により、層間絶縁膜１１の膜厚を大きくすることが
でき、基板１上の大きな段差に対しても十分な平坦性が
可能になる。

【００３２】尚、各シリコン酸化膜５，８で改質ＳＯＧ
膜７が挟まれたサンドイッチ構造が採用されているの
は、層間絶縁膜１１全体としての絶縁性及び機械的強度
を更に高めるためでもある。また、一般に、プラズマＣ
ＶＤ法で形成したシリコン酸化膜は、それ自体、有機Ｓ
ＯＧ膜に比べて吸湿性が低く、耐水性にも優れている
が、このシリコン酸化膜にイオンを注入することで、若
干吸湿性が高くなる（それでも有機ＳＯＧ膜よりは遥か
に低い）。シリコン酸化膜５の吸湿性が若干高くなるぶ
んには、上層に吸湿性が少なく、耐水性にも優れた改質
ＳＯＧ膜７が存在するので、あまり問題にならないが、
シリコン酸化膜８の吸湿性が高くなると、上層金属配線
２３に悪影響を与えるので、シリコン酸化膜８は、極力
吸湿性が低い方がよい。従って、本実施形態では、有機
ＳＯＧ膜６へのイオン注入後にシリコン酸化膜８を形成
することで、シリコン酸化膜８の吸湿性が高まることを
防止している。

【００３３】また、改質ＳＯＧ膜７には有機成分が含ま
れていないため、ビアホール９を形成するためのエッチ
ングを、四フッ化炭素と水素の混合ガス系の雰囲気中で
行うことができる。そのため、このエッチングにおい
て、エッチングマスクとしてフォトレジストを用いた場
合でも、そのフォトレジストが侵されることはなく、そ
のフォトレジストでマスクされている改質ＳＯＧ膜７が
エッチングされることもない。従って、微細なビアホー
ル９を正確に形成することができる。

【００３４】更に、改質ＳＯＧ膜７には有機成分が含ま
れていないため、改質ＳＯＧ膜７のエッチングレートは
各シリコン酸化膜５，８と同じになる上に、エッチング
マスクとして用いたフォトレジストを除去する際のアッ
シング処理時に改質ＳＯＧ膜７が収縮することはない。
そのため、改質ＳＯＧ膜７にクラックが生じることはな
く、ビアホール９を形成する際にリセスが発生すること
はない。従って、ビアホール９内に上部金属配線２３を
十分に埋め込むことが可能になる。

【００３５】また、改質ＳＯＧ膜７は、酸素プラズマ耐
性にも優れている。図６は酸素プラズマ耐性の指標とし
て、改質ＳＯＧ膜７の膜厚減少に着目して評価すべく、
有機ＳＯＧ膜６にアルゴンイオンを注入して形成した改
質ＳＯＧ膜７を酸素プラズマに晒したときの膜厚変化に
ついて示したものである。尚、イオン注入の条件は、加
速エネルギー：１４０KeV、ドーズ量：１×１０¹⁵atoms
/cm²である。

【００３６】有機ＳＯＧ膜６を酸素プラズマに晒した場
合(O₂ plasma)、当初の有機ＳＯＧ膜６(No treatment)
の膜厚に比べて、膜厚が１６％減少したのに対し、改質
ＳＯＧ膜７を酸素プラズマに晒した場合(O₂ plasma aft
er Ar⁺ impla.)、当初の改質ＳＯＧ膜７(Ar⁺ impla.)の
膜厚に比べて、膜厚がほとんど減少しないことが分かっ
た。但し、改質ＳＯＧ膜７の膜厚は有機ＳＯＧ膜６の膜
厚に比べて２５％減少している。

【００３７】以上の結果から、改質ＳＯＧ膜７は、酸素
プラズマ耐性の優れた膜であることが分かった。また、
酸素プラズマに晒した場合よりも、イオン注入した場合
の方が膜厚減少が大きいことから、イオン注入した方が
膜の密度が大きいと考えられる。このように、改質ＳＯ
Ｇ膜７は、酸素プラズマ耐性に優れているから、例え
ば、ビアホール９を形成するためのエッチングガスとし
て、酸素系のガスをも含有させることができ、ガス種選
択の幅が広がる上に、エッチングマスクとして用いたフ
ォトレジストをアッシングする際にもアッシング効率の
良い酸素系のガスを用いることができる。

【００３８】尚、改質ＳＯＧ膜７には有機成分が含まれ
ず、水分及び水酸基が僅かしか含まれない上に、改質後
もクラックが発生しないから、各シリコン酸化膜５，８
のいずれか一方又は双方を省くこともできる。図７は有
機ＳＯＧ膜６(未処理：unimplanted)及び改質ＳＯＧ膜
７(イオン注入処理：Ar⁺-implanted)のそれぞれに窒素
雰囲気で３０分間の熱処理を施し、ＴＤＳ法(Thermal D
esorption Spectroscopy)を用いて評価した結果を示し
ている。尚、イオン注入条件は、加速エネルギー：１４
０KeV、ドーズ量：１×１０¹⁵atoms/cm²である。

【００３９】この図は、Ｈ₂Ｏ（ｍ／ｅ＝１８）に関す
る脱離量を表したものであり、図から明らかなように、
改質ＳＯＧ膜７はＨ₂Ｏ（ｍ／ｅ＝１８）に関する脱離
が少ないことが分かる。このことは、有機ＳＯＧ６にイ
オン注入を行って、改質ＳＯＧ膜７とすることにより、
有機ＳＯＧ膜６に含まれる水分及び水酸基が減少するこ
とを示している。

【００４０】図８は有機ＳＯＧ膜６及び改質ＳＯＧ膜７
の吸湿性を調べる目的で、有機ＳＯＧ膜６(no treatmen
t)、有機ＳＯＧ膜６を酸素プラズマに晒したもの(O₂ Pl
asma)及び改質ＳＯＧ膜７(Ar⁺)をクリーンルーム内で大
気中に放置し、膜中の水分を評価した結果を示してい
る。膜中の水分量は、ＦＴ−ＩＲ法(Fourier Transform
Infrared Spectroscopy)を用いて、赤外吸収スペクトル
のＯ−Ｈ基に関する吸収（３５００cm^-1付近）の面積強
度を指標とした。イオン注入条件は、加速エネルギー：
１４０KeV、ドーズ量：１×１０¹⁵atoms/cm²である。

【００４１】酸素プラズマに晒した場合、処理前後での
水分増加だけでなく、１日後でも水分が増加しているこ
とが分かる。一方、改質ＳＯＧ膜７は、イオン注入後に
増加していないだけでなく、クリーンルーム内で大気に
放置しても、有機ＳＯＧ膜６に比べて水分の増加は小さ
い。即ち、改質ＳＯＧ膜７は、有機ＳＯＧ膜６に比べて
吸湿性が低いことが分かる。

【００４２】図９は改質ＳＯＧ膜７及び有機ＳＯＧ膜６
の水分の透過性を調べる目的で、プレッシャー・クッカ
ー試験（ＰＣＴ）（加湿試験のことで、本実施形態で
は、条件として、１２０℃、２気圧の飽和水蒸気雰囲気
で行った）した結果を示している。ＦＴ−ＩＲ法を用い
て、有機ＳＯＧ膜６中のＯ−Ｈに関する吸収ピーク（３
５００cm^-1付近）の面積強度を求め、ＰＣＴ時間との関
係をプロットした。

【００４３】イオン注入法を用いて表面だけを改質した
試料（Ａｒ⁺２０KeV）を作製し、膜全体を改質したもの
（Ａｒ⁺１４０KeV）や改質しなかったもの（有機ＳＯＧ
膜６：Untreatment）と比較した結果、以下のことが分
かった。（１）改質していない有機ＳＯＧ膜６をＰＣＴした場
合、３５００cm^-1付近（Ｏ−Ｈ基に関する）の吸収強度
が劇的な増加を示す。

【００４４】（２）改質ＳＯＧ膜７では、３５００cm^-1
付近（Ｏ−Ｈ基に関する）の吸収強度の増加は小さい。
膜表面だけを改質した試料でも、膜全体を改質したもの
と同程度である。以上の結果から、イオンを注入することで、水分の透過
性を抑制する層を形成できることが分かる。

【００４５】次に、図１０〜図１４は、図１(a)に示し
たようなＮＭＯＳトランジスタの上にシリコン酸化膜８
／有機ＳＯＧ膜６（改質ＳＯＧ膜７）／シリコン酸化膜
５からなる層間絶縁膜を形成したテストデバイスを用い
て、各種実験を行った結果を示している（尚、このテス
トデバイスは、有機ＳＯＧ膜６にアルゴンイオンを注入
することにより、改質ＳＯＧ膜７を形成する）。

【００４６】図１０はＮＭＯＳトランジスタのホットキ
ャリア寿命（Ｇｍ（相互コンダクタンス）がある一定の
割合劣化するまでの時間のこと、トランジスタの寿命を
示すパラメータの１つ）のドレイン電圧依存性を示した
もので、イオン注入していな有機ＳＯＧ膜を用いたもの
に比べ、改質ＳＯＧ膜７を用いたもの（特に、加速エネ
ルギーを１４０KeVとしたもの）は、ホットキャリア寿
命が約２桁延びることが分かる。

【００４７】図１１及び図１２は加速試験（２００℃の
温度条件下で、テストデバイスのトランジスタに５Ｖの
電圧を２時間印加し続ける試験）の前後におけるしきい
値Ｖtを示したもので、図１１は加速試験前のしきい値
Ｖｔを、図１２は加速試験前後のしきい値Ｖｔの変化量
をそれぞれ示している。図１１に示すように、加速試験
前にあっては、イオン注入していない有機ＳＯＧ膜を用
いたものも改質ＳＯＧ膜７を用いたものもほとんどしき
い値に変化がない。

【００４８】ところが、図１２に示すように、イオン注
入していない有機ＳＯＧ膜を用いたものが、試験の前後
でしきい値Ｖtが大幅に変化するのに対し、改質ＳＯＧ
膜７を用いたもの（特に、加速エネルギーを１４０KeV
としたもの）は、ゲート長に関係なくしきい値Ｖtの変
化がほとんど見られない。この結果は、ＭＯＳトランジ
スタのしきい値特性が長期にわたり安定することを示し
ている。

【００４９】図１３は図１２と同様の加速試験の前後に
おけるトランジスタのＧｍの変化量を示したものであ
る。イオン注入していない有機ＳＯＧ膜を用いたもの
が、試験の前後でＧｍが大幅に変化するのに対し、改質
ＳＯＧ膜７を用いたもの（特に、加速エネルギーを１４
０KeVとしたもの）は、ゲート長に関係なくＧｍの変化
はほとんど見られない。この結果は、ＭＯＳトランジス
タのＧｍが長期にわたり安定することを示している。

【００５０】尚、図１０〜図１３において、改質ＳＯＧ
膜７を加速エネルギーが２０KeVの条件で形成したもの
は、加速エネルギーが１４０KeVの条件で形成したもの
に比べて、その改善効果はわずかである。これは、図１
４の通り、加速エネルギー（注入エネルギー）が有機Ｓ
ＯＧ膜の改質深さとほぼ正の相関関係にあり、加速エネ
ルギーが２０KeVの場合には、有機ＳＯＧ膜６の表層
（約５０ｎｍ）のみ改質されたためと考えられる。

【００５１】以上、本実施形態にあっては、有機ＳＯＧ
膜６にイオン注入によって、不純物を含有させることに
より、膜が改質されて、膜に含まれる水分や水酸基が減
少し且つ膜が吸水しにくくなり、信頼性の高い層間絶縁
膜を得ることができる。また、イオン注入と同時に電子
シャワーを照射することで、有機ＳＯＧ膜６（改質ＳＯ
Ｇ膜７）の正帯電を防止し、絶縁特性に優れた層間絶縁
膜を得ることができる。

【００５２】本発明は、上記実施形態に限定されるもの
ではなく、以下のように実施しても同様の作用効果を得
ることができる。１）有機ＳＯＧ膜６に代えて、ポリイミドやシロキサン
編成されたポリイミドなどを用いる。有機ＳＯＧ膜を含
め、これらは総称して有機系ポリマー（又は有機系回転
塗布膜）と呼ばれる。

【００５３】２）各シリコン酸化膜５，８をプラズマＣ
ＶＤ法以外の方法（常圧ＣＶＤ法、減圧ＣＶＤ法、ＥＣ
ＲプラズマＣＶＤ法、光励起ＣＶＤ法、ＴＥＯＳ−ＣＶ
Ｄ法、ＰＶＤ法など）によって形成されたシリコン酸化
膜を用いる。この場合、常圧ＣＶＤ法で用いられるガス
はモノシランと酸素（ＳｉＨ₄＋Ｏ₂）であり、成膜温度
は４００℃以下である。また、減圧ＣＶＤ法で用いられ
るガスはモノシランと亜酸化窒素（ＳｉＨ₄＋Ｎ₂Ｏ）で
あり、成膜温度は９００℃以下である。

【００５４】３）各シリコン酸化膜５，８を、水分及び
水酸基を遮断する性質に加えて機械的強度が高い性質を
持つ他の絶縁膜（シリコン窒化膜、シリケートガラス膜
など）に置き代える。その絶縁膜はＣＶＤ法やＰＶＤ法
などどのような方法によって形成してもよい。４）ソース・ドレイン電極１０、配線２３を、アルミ以
外の導電材料（銅、金、銀、シリサイド、高融点金属、
ドープドポリシリコン、窒化チタン（ＴｉＮ）、タング
ステンチタン（ＴｉＷ）などの合金）及びそれらの積層
構造で形成する。

【００５５】５）改質ＳＯＧ膜７に熱処理を施す。この
場合、改質ＳＯＧ膜７中のダングリングボンドが少なく
なるため。吸湿性が更に小さくなり、水分の透過も更に
少なくなる。６）有機ＳＯＧ膜６の組成を一般式（２）で表されるも
のに置き代える。７）有機ＳＯＧ膜６の組成を一般式（１）で表される無
機ＳＯＧ膜に置き代え、その無機ＳＯＧ膜にイオン注入
を行う。この場合には、無機ＳＯＧ膜に含まれる水分及
び水酸基を減少させることができる。

【００５６】８）改質ＳＯＧ膜７をパッシベーション膜
としても使用する。この場合、デバイスを機械的・化学
的に確実に保護することが可能な優れたパッシベーショ
ン膜を得ることができる。９）上記実施形態では、有機ＳＯＧ膜６に注入するイオ
ンとしてホウ素（ボロン）イオンを用いたが、結果とし
て有機ＳＯＧ膜６を改質するものであればどのようなイ
オンを用いてもよい。

【００５７】具体的には、アルゴンイオン、ホウ素イオ
ン、窒素イオンなどの質量の比較的小さいイオンが適し
ており、中でもホウ素イオンがもっとも適しているが、
これら以外にも以下に示すイオンも十分に効果が期待で
きる。アルゴン以外の不活性ガスイオン（ヘリウムイオ
ン、ネオンイオン、クリプトンイオン、キセノンイオ
ン、ラドンイオン）。不活性ガスは有機ＳＯＧ膜６と反
応しないため、イオン注入によって悪影響が生じる恐れ
が全くない。

【００５８】ホウ素及び窒素以外のIII b,IV b,Ｖ b,VI
b,VII bの各族の元素単体イオン及びそれらの化合物イ
オン。特に、酸素、アルミ、イオウ、塩素、ガリウム、
ゲルマニウム、ヒ素、セレン、臭素、アンチモン、ヨウ
素、インジウム、スズ、テルル、鉛、ビスマスの元素単
体イオン及びそれらの化合物イオン。この中で、金属元
素イオンについては、イオン注入後の有機ＳＯＧ膜６の
誘電率を低く抑えることができる。

【００５９】IVa族,Ｖa族の元素単体イオン及びそれら
の化合物イオン。特に、チタン、バナジウム、ニオブ、
ハフニウム、タンタルの元素単体イオン及びそれらの化
合物イオン。IVa族,Ｖa族の元素の酸化物は誘電率が高
いため、イオン注入後の有機ＳＯＧ膜６の誘電率も高く
なるが、特に低い誘電率の層間絶縁膜が要求される場合
以外には実用上問題ない。

【００６０】各イオンを複数種類組み合わせて用いる。
この場合、各イオンの相乗作用により更に優れた効果を
得ることができる。１０）上記実施形態では、有機ＳＯＧ膜６にイオンを注
入しているが、イオンに限らず、運動エネルギーを有す
る原子、分子、粒子であればよい（本発明ではこれらを
総称して不純物とする）。

【００６１】１１）スパッタリングの方法として、マグ
ネトロンスパッタリング以外に、ダイオードスパッタリ
ング、高周波スパッタリング、四極スパッタリング等の
ようなものであってもよい。１２）スパッタエッチングの方法として、不活性ガスを
用いる以外に、反応性ガス（例えばＣＣｌ₄、ＳＦ₆）を
用いた反応性イオンビームエッチング（ＲＩＢＥ、反応
性イオンミリングとも呼ばれる）を用いてもよい。

【００６２】１３）シリコン酸化膜８を省略する。１４）図２では示していないが、更なる多層配線構造を
実現する場合、上層金属配線２３の上にも改質ＳＯＧ膜
７を形成することが考えられる。この場合においても、
改質ＳＯＧ膜７形成のためのイオン注入と同時に電子シ
ャワーを照射する。

【００６３】

【発明の効果】本発明にあっては、有機ＳＯＧ膜を改質
して、膜に含まれる水分や水酸基が減少し且つ膜が吸水
しにくくなるので、これら水分による周辺素子への悪影
響を防止することができる。従って、平坦性及び絶縁特
性に優れた絶縁膜を得て、半導体装置としての信頼性を
高めることができる。

【００６４】また、電子シャワーを併用することによ
り、絶縁膜の正帯電に起因するデバイス特性の劣化を防
止することができる。従って、平坦性及び絶縁特性に優
れた絶縁膜を得て、半導体装置としての信頼性を高める
ことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明を具体化した実施形態に係る半導体装
置の製造過程を示す概略断面図である。

【図２】本発明を具体化した実施形態に係る半導体装
置の製造過程を示す概略断面図である。

【図３】本発明の実施形態における電子シャワー照射
装置の概略図である。

【図４】本発明の実施形態を説明するためのテストデ
バイスの断面図である。

【図５】本発明の実施形態を説明するための特性図で
ある。

【図６】本発明の実施形態を説明するための特性図で
ある。

【図７】本発明の実施形態を説明するための特性図で
ある。

【図８】本発明の実施形態を説明するための特性図で
ある。

【図９】本発明の実施形態を説明するための特性図で
ある。

【図１０】本発明の実施形態を説明するための特性図
である。

【図１１】本発明の実施形態を説明するための特性図
である。

【図１２】本発明の実施形態を説明するための特性図
である。

【図１３】本発明の実施形態を説明するための特性図
である。

【図１４】本発明の実施形態を説明するための特性図
である。

【符号の説明】

１シリコン基板５シリコン酸化膜６有機ＳＯＧ膜７改質ＳＯＧ膜８シリコン酸化膜５０電子シャワー照射装置

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献特開平１−199456（ＪＰ，Ａ) 特開平２−26055（ＪＰ，Ａ) 特開平４−234149（ＪＰ，Ａ) 特開平６−275229（ＪＰ，Ａ) 特開平５−198523（ＪＰ，Ａ) 米国特許5429990（ＵＳ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01L 21/31 - 21/3213 H01L 21/768

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】半導体基板上に形成されたトランジスタ
や配線などの素子を有機ＳＯＧ膜で覆う工程と、前記有機ＳＯＧ膜にホウ素イオンを注入して、前記有機
ＳＯＧ膜中に含まれる有機成分を分解することにより改
質ＳＯＧ膜を形成する工程と、を含み、前記ホウ素イオ
ンの注入の際に、電子シャワーを照射することを特徴と
した半導体装置の製造方法。
【請求項２】半導体基板上に形成されたトランジスタ
や配線などの素子を有機ＳＯＧ膜で覆う工程と、前記有機ＳＯＧ膜に窒素イオンを注入して、前記有機Ｓ
ＯＧ膜中に含まれる有機成分を分解することにより改質
ＳＯＧ膜を形成する工程と、を含み、前記窒素イオンの
注入の際に、電子シャワーを照射することを特徴とした
半導体装置の製造方法。
【請求項３】前記素子と有機ＳＯＧ膜との間に絶縁膜
を形成する工程を更に備えることを特徴とした請求項１
又は２に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項４】前記改質ＳＯＧ膜の上に絶縁膜を形成す
る工程を更に備えることを特徴とした請求項１〜３のい
ずれか１項に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項５】前記改質ＳＯＧ膜中のダングリングボン
ドを減少させるために、改質ＳＯＧ膜に熱処理を施す工
程を更に備えることを特徴とした請求項１〜４のいずれ
か１項に記載の半導体装置の製造方法。