JP3128811B2 - 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】 〔産業上の利用分野〕 本発明は半導体装置の製造方法に関し、特にサブミク
ロン程度に微細化された多層配線構造に於ける平坦性及
びスルーホールの被覆性、並びにトランジスタ特性の改
善に関する。
〔従来の技術〕
従来、多層配線構造を持った微細半導体装置の製造方
法は、例えば第2図の如く、トランジスタや抵抗等の半
導体素子が作り込まれたシリコン基板11上のフィールド
絶縁膜12等を介して、素子から電極取り出し用のコンタ
クトホールを開孔した後、Al合金等を約0.5〜1.0μmの
厚みにスパッタリングし、フォトエッチングにより所望
形状にパターニングした第1の金属配線13を形成した
後、層間絶縁膜として、SiH4とO2やN2Oの様な支燃性ガ
スをプラズマや熱反応させたシリコン酸化膜24を0.5〜
0.8μm程度気相成長させ、更に微細化構造に於ける平
坦化の必要性からアルコール類にシラノールとP2O5等を
溶かした塗布ガラス膜16をスピンコートし、第1の金属
配線13に支障ない温度でアニールする。この時塗布ガラ
ス膜中に混入させるP2O5は1〜5mol%の濃度で、塗布ガ
ラス膜のストレス緩和と耐クラック効果を向上させる為
である。次に該塗布ガラス膜16とシリコン酸化膜24を、
CF4、CHF3やC2F6ガス等を用いてドライエッチングした
スルーホールを開孔後、Al合金をスパッタリングしフォ
トエッチングした第2の金属配線19を施し、更にパシベ
ーション膜20を積層し、最後に外部電極取り出し用のパ
ッド部を開孔している。
〔発明が解決しようとする課題〕
しかしながら従来技術に於いては、まずSiH4と支燃性
ガスで気相成長させたシリコン酸化膜24は、第1の金属
配線13のスペースが微細化されてくるとカスピングを生
じ、塗布ガラス膜16をスピンコートしてもスペースにボ
イド22が形成されたり、平坦性も好ましくない。又アス
ペクト比が約0.7以上にもなる為、仮にシリコン酸化膜2
4の付き回りが良くても、第1金属配線13のスペース部
には、該配線厚み相当のU字型の溝が形成されるので、
ここに塗布ガラスの液溜まりが出来、例えば0.8〜1.6μ
mの特定スペースには、塗布ガラス膜16が0.5μm以上
にも厚くなりクラック21が発生してしまう。
一方、スルーホールの開孔時、シリコン酸化膜24はド
ライエッチャーにより異方性エッチングされるので、ス
ルーホールの側面はほぼ垂直になり、エッジ部分での第
2の金属配線17のステップカバレージが悪く、コンタク
トやエレクトロマイグレーションの劣化、断線更にはパ
シベーション膜20のボイド23等により信頼性、歩留りが
問題となっている。尚HF系の水溶液でウェットエッチン
グを施して等方的なテーパーをかけることも試みられて
きたが、金属配線上の塗布ガラス膜16は高温アニールが
出来ないので、HF系水溶液に対するエッチング速度が極
めて大きく、サイドエッチングが異常に進んでしまう為
に採用が出来なかった。
この他の層間膜平坦化には、フォトレジストを用いた
エッチバック法やスパッタしながら薄膜成長するバイア
ス気相成長法があるが、ダメージの他に特定スペースの
み平坦化がなされるので、実際のデバイスは多様な寸法
が配置されていたり、下部のゲート電極や配線に用いる
Poly−Si等の2重、3重の段差が、第一の金属配線と平
行あるいはクロスして走る為、実用量産化適用が困難で
あった。
また更に、第2の金属配線19は、吸湿し易い塗布ガラ
ス膜16と直に接触する構造となり、工程途中に侵入した
水分とP2O5でリン酸が形成され、Al等の金属配線が腐触
されたり、この反応過程の水素イオンやOHイオン、水分
がフィールド酸化膜中に侵入し、素子分離用の寄生MOS
トランジスタの反転耐圧を変化させてしまう問題が生じ
ていた。第3図は、Nch側寄生MOSトランジスタの電流テ
ール特性を示すものであるが、通常特性aに対し、bは
反転耐圧が低下したものの特性である。
しかるに本発明は、かかる問題点を解決するもので、
層間絶縁膜のクラックの発生を防ぎ金属配線の平坦性を
確保しながら、スルーホール開孔の為のウェットエッチ
ング処理を可能ならしめ、テーパー化によりスルーホー
ルエッジ部に於ける金属配線のステップカバレージの向
上やコロージョン対策、更にトランジスタ特性の改善を
施し、多層配線を有する微細半導体装置の安定供給と信
頼性向上を図ることを目的としたものである。
〔課題を解決するための手段〕
本発明の半導体装置の製造方法は、多層配線構造を有
する半導体装置の製造方法であって、 半導体基板上方に複数の第1の金属配線層を形成する
工程と、 前記第1の金属配線層上に、有機シランと酸素とを含
むガスをプラズマ気相反応させて第1のシリコン酸化膜
を形成する工程と、 有機シランとオゾンとを含むガスを熱気相反応させ
て、前記第1のシリコン酸化膜とのトータルストレスが
積層時に圧縮応力となるような膜厚の第2のシリコン酸
化膜を形成する工程と、 前記積層されたシリコン酸化膜を所定量エッチバック
する工程と、 塗布ガラス膜を形成するとともに、前記塗布ガラス膜
を所定量エッチバックする工程と、 第3のシリコン酸化膜を形成する工程と、 前記第1の金属配線上にスルーホールを形成する工程
と、 前記第1の金属配線層と接続される第2の金属配線を
形成する工程と、をこの順序で有することを特徴とす
る。
〔実 施 例〕
本発明の一実施例を、第1図に基づいて詳細に説明す
る。サブミクロンルールのA12層構造のSiゲートCMOSLSI
に適用した場合に於いて、トランジスタや抵抗等の半導
体素子や作り込まれたシリコン基板11上の選択熱酸化や
気相成長シリコン酸化膜によるフィールド絶縁膜12を介
し、電極取り出しの為コンタクトホールを開孔した後、
Al−Cu合金を約0.6μmの厚みでスパッタリングしてか
ら、Cl2等のハロゲンガスを含むドライエッチャーでパ
ターニングし、第1の金属配線13を施した。次に層間絶
縁膜として、まず370〜400℃でTEOS[Si(OC2H5
とO2を380℃、約9torrでプラズマ気相反応させ約0.6μ
mの第1のシリコン酸化膜14成長させた後、続いてO2
ャリアでO3とTEOSを60〜100torr、380℃で減圧熱反応さ
せ第2のシリコン酸化膜15を0.4μm積層させた(第1
図−a)。これらのシリコン酸化膜は従来のSiH4を用い
たものに比べカスピングがなく、特に第1のシリコン酸
化膜は、均一性も良くち密で耐コンタミ性にも優れ、圧
縮応力(例えばSiウェハーに成長したとき凸形に反る)
を持つ。又第2のシリコン酸化膜は段差部での付き回り
はほぼ100%で、溝部への埋まり込みも良好であるが、
引張り応力を有しOH基を多く含む。続いてCHF3、CF4とA
r等によるプラズマエッチャーで約0.45μm異方性エッ
チバックし、平坦部の第2のシリコン酸化膜15を除去
し、第1の金属配線13のスペースに側壁として残す。続
いて塗布ガラス膜16をスピンコートしてから約400℃のN
2雰囲気で30分アニールすると、第1の金属配線13上に
は約5〜700Å、段差部や溝部には厚くても0.4μm以下
の塗布ガラスが溜まり、従来の様に極端に厚くなる領域
はなく平坦化がなされる(第1図(b))。次に、1×
10-4torr程度のAr雰囲気中で400Wの高周波バイアスをか
けスパッタエッチングし、少なくとも第1の金属配線13
上の塗布ガラス膜16は除去する。この塗布ガラス膜16を
除去する工程に於いては、反応性イオンエッチャー等を
用いても良いが、塗布ガラス膜のエッチング速度が気相
成長のシリコン酸化膜よりかなり大きい為に平坦性が劣
るので、スパッタエッチングやイオンミーリングの様な
物理的に除去出来るものか、選択性の低いエッチャーが
好しい。次に、第1のシリコン酸化膜14と同じ方法によ
り約1000Åの厚みで第3のシリコン酸化膜17を成長させ
る(第1図(c))。続いて第1と第2の金属配線のコ
ンタクトをとるスルーホールを開孔する為に、フォトレ
ジスト18をマスクにしてまずHF、NH4Fとの混合水溶液に
より約2500Å分の第3、第1のシリコン酸化膜17、14を
ウェットエッチングし、続けてCHF3、CF4とHeガスを用
い300mtorrの圧力で残った第1のシリコン酸化膜14を選
択ドライエッチングしスルーホールを開孔した(第1図
(d))。この時スルーホールエッジ部は等方的に、又
下部は異方的にエッチングされている。続いてフォトレ
ジスト18を剥離後、Al−Cu合金を約1.0μmの厚みでス
パッタリング、フォトエッチングし第2の金属配線19と
し、その後プラズマナイトライドのパシベーション膜20
を成長し、更に外部電極取り出し用のパッド部を開孔し
てある(第1図(e))。この様にして製造された半導
体装置は、0.5μm以上の特定スペースに限定される事
なく多層配線構造に関わる全体の平坦化を図ることが出
来、又スルーホールエッジ部に於ける第2の金属配線の
被覆性が改善された。更に、塗布ガラス膜と第2の金属
配線の接触がない構造となりAlコロージョンにも強く、
水素イオン等のコンタミ発生もなくなり従来の様に第2
の配線下の寄生トランジスタの反転耐圧の低下問題も無
くなった上に、第3図のcの如く反転耐圧も更に向上し
た。尚、第3のシリコン酸化膜17の厚みは数百Åで良い
が、膜厚制御性等から500Å以上が適当であった。第3
のシリコン酸化膜の代わりにシリコン窒化膜等の絶縁膜
も適用が考えられる。又第1と第2のシリコン酸化膜の
厚み構成比のポイントは、形状結果の他、積層にした時
トータルストレスが圧縮方向になる様にしないと、あと
のエッチングやアニール工程で、該シリコン酸化膜にク
ラックが入ってしまうことが分かった。この他に第2の
シリコン酸化膜15の成長を減圧だけでなく常圧の加熱反
応でも実施したが、同様な平坦効果が得られた。又配線
構造としては、Al配線の上下に高融点金属やそのケイ化
物、窒化物等をコンタクトバリアーやハレーション防止
の為に積層した場合、あるいはそれ等の単独配線にも適
用できる。又、多層構造は金属同志の配線に限らず、多
結晶やアモルファスSiの様な半導体や金属シイリサイド
あるいはTiN等の導電物質等を用いたものにも適用可能
である。
〔発明の効果〕
以上の様に本発明によれば、特に多層配線構造の集積
回路等に於いて、デザインルールに限定されず配線層間
膜の平坦化を行ない、スルーホール部の配線カバレージ
向上、Al等のコロージョン防止、更にトランジスタ等電
気特性の安定化を図り、歩留りが良く高品質な微細半導
体の安定供給を可能にするものである。
【図面の簡単な説明】
第1図は、本発明による半導体装置製造方法の実施例を
示すための概略断面図である。 第2図は、従来の半導体装置製造方法に係わる概略断面
図で、第3図は、寄生MOSトランジスタの電流テール特
性図である。 11……シリコン基板 12……フィールド絶縁膜 13……第1の金属配線 14……第1のシリコン酸化膜 15……第2のシリコン酸化膜 16……塗布ガラス膜 17……第3のシリコン酸化膜 18……フォトレジスト 19……第2の金属配線 20……パジベーション膜 21……クラック 22、23……ボイド 24……シリコン酸化膜
フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01L 21/3205 H01L 21/321 H01L 21/3213 H01L 21/768 H01L 21/314 - 21/318 H01L 21/471 - 21/473

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】多層配線構造を有する半導体装置の製造方
    法であって、 半導体基板上方に複数の第1の金属配線層を形成する工
    程と、 前記第1の金属配線層上に、有機シランと酸素とを含む
    ガスをプラズマ気相反応させて第1のシリコン酸化膜を
    形成する工程と、 有機シランとオゾンとを含むガスを熱気相反応させて、
    前記第1のシリコン酸化膜とのトータルストレスが積層
    時に圧縮応力となるような膜厚の第2のシリコン酸化膜
    を形成する工程と、 前記積層されたシリコン酸化膜を所定量エッチバックす
    る工程と、 塗布ガラス膜を形成するとともに、前記塗布ガラス膜を
    所定量エッチバックする工程と、 第3のシリコン酸化膜を形成する工程と、 前記第1の金属配線上にスルーホールを形成する工程
    と、 前記第1の金属配線層と接続される第2の金属配線を形
    成する工程と、をこの順序で有することを特徴とする半
    導体装置の製造方法。
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