JP3159864B2 - 半導体装置の製造方法 - Google Patents

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
に関する。更に詳しくは、本発明は、半導体基板上にオ
ゾン−テトラエトキシシランＣＶＤ法（以下オゾン−Ｔ
ＥＯＳＣＶＤ法とする）により形成された層間絶縁膜の
膜質を改質することからなる半導体装置の製造方法に関
する。

【０００２】

【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】現在、
半導体素子の高密度化及び高集積化によって、半導体基
板上の配線が３次元化している。そのため低温で成膜が
可能で、優れた埋め込み特性及び平坦化能力を有するオ
ゾン−ＴＥＯＳ常圧ＣＶＤ法が、微細な半導体素子にお
いて極めて有望な層間絶縁膜形成法として検討されてい
る。しかし、オゾン−ＴＥＯＳ常圧ＣＶＤ法で形成され
た絶縁膜は、成膜直後から水分を吸着して、素子の特性
に悪影響を与えることが知られている。

【０００３】層間絶縁膜の膜中水分が半導体素子の特性
に及ぼす影響としては、例えば、メタル配線の断線や腐
食による信頼性不良がある。また、ＭＯＳ型トランジス
ターの信頼性に関して、膜中水分の影響によりトランジ
スターのホットキャリアーによる特性劣化が促進される
ことが知られており、層間絶縁膜の膜中水分の低減及び
制御は重要課題となっている。

【０００４】このような層間絶縁膜中の水分は、７００
℃以上の熱処理で除去可能である。しかしながら、金属
層の形成後に層間絶縁膜を形成する場合、金属層への影
響を考慮すると、上限温度は約４００〜４５０℃であ
り、上記のような高温にさらすことは不可能である。従
って、低温で効率的に水分を除去できる方法が切望され
ている。

【０００５】層間絶縁膜の膜質を改質する方法として
は、下地酸化膜にプラズマ照射処理を施すことにより、
その上に形成されるオゾン−ＴＥＯＳ膜の膜質を向上さ
せる方法が特開平４−９４５３９号に開示されている。
しかしながら、これはオゾン−ＴＥＯＳ膜に直接処理を
施すものではなく、膜中水分の低減に寄与しない。オゾ
ン−ＴＥＯＳ膜に直接プラズマ照射処理を施す方法につ
いては、特開平２−２１９２３２号及び特開平３−４１
７３１号に開示されているが、これらは膜中の水分の低
減を目的としてはいない。

【０００６】オゾン−ＴＥＯＳ膜の膜中水分に関して
は、セミコンダクターワールド誌、１９９３年２月号、
pp82-88 、「プラズマ後処理によるＴＥＯＳ−Ｏ₃ ＣＶ
Ｄ膜の吸湿性低減」及び“湿気減少のためのTEOS/O₃ AP
-CVD SiO₂ のプラズマ後処理（PLASMA POST-TREATMENT
OF TEOS/O₃ AP-CVD SiO₂ FOR MOISTURE REDUCTION ）,T
HE 10th IEEE VMIC Conference, pp96-102, 1993"に報
告しているが、いずれも１周波の陽極結合方式平行平板
ＲＦプラズマ装置によるものである。１周波の陽極結合
方式平行平板ＲＦプラズマ装置により水分除去効果を得
るには処理時間が５分程度（但し、枚葉処理）と長くか
かり、水分低減効果も未処理基板の約１／２まで減少す
る程度であり、十分とは言えなかった。

【０００７】

【課題を解決するための手段】かくして本発明によれ
ば、基板上にオゾン−テトラエトキシシランＣＶＤ法を
使用して形成された層間絶縁膜に対して、３５０〜４５
０ｋＨｚの低周波と２ＭＨｚ以上の高周波からなる２周
波平行平板型プラズマ生成手段によって生成したプラズ
マ中で加熱下での処理と、拡散炉型プラズマ生成手段に
よって生成したプラズマ中で加熱下での処理とを行うこ
とを特徴とする半導体装置の製造方法が提供される

【０００８】

【０００９】

【００１０】さらに、本発明によれば、基板上にオゾン
−テトラエトキシシランＣＶＤ法を使用して形成された
層間絶縁膜に対して、反応性イオンエッチングプラズマ
生成手段によって生成したプラズマ中での処理と、拡散
炉型プラズマ生成手段によって生成したプラズマ中で加
熱下での処理とを行うことを特徴とする半導体装置の製
造方法が提供される。

【００１１】本発明の方法を適用できる層間絶縁膜に
は、オゾン−ＴＥＯＳ酸化膜の他に、ＮＳＧ（non-dope
d silicate glass）膜、ＰＳＧ膜、ＢＰＳＧ膜等が挙げ
られる。本発明の方法は、配線間の絶縁、ビアホール等
の穴埋め等に使用される絶縁膜に好適に使用することが
できる。本発明に使用できる基板は特に限定されず、例
えばシリコン、シリコン−ゲルマニウム、ガリウム−砒
素等の公知の基板が挙げられる。また、基板には層間絶
縁膜の膜質を向上させるために予め公知の前処理を施し
ていてもよい。

【００１２】本発明のオゾン−ＴＥＯＳＣＶＤ法には、
公知の常圧ＣＶＤ法及び亜常圧ＣＶＤ法（圧力４００〜
７６０ｔｏｒｒ）を使用することができ、また装置も公
知のもの例えばＡＰＴ−４８００（キャノン販売社
製）、Ｐ−５０００Ｍｒｋ．IIＪ（ＡＭＪ社製）等を使
用することができる。ＣＶＤ法の堆積の際の処理条件
は、層間絶縁膜の種類によって異なる。オゾン−ＴＥＯ
Ｓ酸化膜の場合は、オゾン流量（オゾン濃度×Ｏ₂ 流
量）とＴＥＯＳ流量（ＴＥＯＳの飽和蒸気圧÷全圧×バ
ブリングＮ₂ 流量）との比を０．５〜１０．０にして、
基板温度３５０〜４５０℃でＣＶＤ装置内に導入するこ
とによって堆積することができる。ＰＳＧ膜の場合は、
前記酸化膜の混合ガスにＰＨ₃ 等のリン含有ガスを更に
混合させることによって堆積することができ、ＢＰＳＧ
膜の場合は、ＰＨ₃ 等のリン含有ガス及びＢ₂ Ｈ₆ 等の
ホウ素含有ガスを混合させることによって堆積すること
ができる。

【００１３】次に、本発明に使用できるプラズマ生成手
段は、２周波平行平板型プラズマ生成手段、反応性イオ
ンエッチングプラズマ生成手段、拡散炉型プラズマ生成
手段である。この内、２周波平行平板型プラズマ生成手
段としては、陽極結合方式及び陰極結合方式のいずれの
方式でも使用できる。この内、層間絶縁膜へのプラズマ
の入射エネルギーの大きさ及び水分除去効果を考慮する
と陽極結合方式の平行平板型プラズマ生成手段を使用す
ることが好ましい。

【００１４】使用する２周波は、３５０〜４５０ｋＨｚ
の低周波と２ＭＨｚ以上の高周波からなることが好まし
い。２周波とする理由は、低周波にはプラズマが十分追
随するため、基板にプラズマが到達し加熱を効果的に行
うことができる反面、プラズマの発生効率が良くないの
で十分な量のプラズマを発生させることができないとい
う難点があるが、この難点はプラズマの発生効率が良好
な２ＭＨｚ以上の高周波を組み合わせて使用することに
より解決できるからである。なお、高周波のみではプラ
ズマが十分追随できないため、基板にプラズマが到達し
にくく加熱を効果的に行えない。

【００１５】本発明に使用できる陽極結合方式の２周波
平行平板型プラズマ生成装置としては、公知の装置が使
用でき、例えば図１２に挙げる装置を使用することがで
きる。図１２の装置は、基板を１枚ずつ処理する枚葉式
のプラズマ装置である。図中、１１はプロセスチャンバ
ー、１２は基板、１３はプラズマ原料ガス、１４はガス
分散板、１５は下部電極、１６はランプ、１７はローパ
スフィルタ、１８は低周波、１９は高周波、２０は圧力
計及び２１は排気系である。

【００１６】この装置の操作は次のように行う。まず、
排気系２１により基板１２が設置されたプロセスチャン
バー１１を減圧する。次に、プラズマ原料ガス１３を上
部電極を兼ねたガス分散板１４から導入し、圧力計２０
を用いて一定の圧力に保つ。次いで、ローパスフィルタ
１７を通過した低周波１８と高周波１９からなるＲＦを
上部電極から印加し、上部電極と下部電極１５の間にプ
ラズマを発生させる。このプラズマの内、主として低周
波によるプラズマで基板１２の表面が処理されることに
なる。なお、基板１２は、プロセスチャンバー１１の外
部に設置されたランプ１６により基板を裏面から照射す
ることによって加熱される。

【００１７】層間絶縁膜の加熱下での処理の条件として
は、圧力１〜１０ｔｏｒｒ、プラズマ原料ガスの流量５
００〜２０００ｓｃｃｍ、高周波のＲＦパワー５０〜５
００Ｗ、低周波のＲＦパワー５０〜５００Ｗ、基板温度
３５０〜４５０℃、加熱時間６０〜１２０秒で行われ
る。なお、プラズマ原料ガスは、特に限定されないが窒
素、酸素等が使用できる。

【００１８】次に、反応性イオンエッチングプラズマ生
成手段に使用できる装置は、特に限定されず、公知の装
置を使用することができる。プラズマ原料ガスは特に限
定されないが、通常酸素が使用される。基板のプラズマ
照射処理の条件としては、圧力５０〜２００ｍｔｏｒ
ｒ、プラズマ原料ガスの流量５０〜２００ｓｃｃｍ、Ｒ
Ｆパワー５０〜５００Ｗ、周波数１３．５６ＭＨｚ、基
板温度室温〜２００℃、処理時間６０〜１２０秒で行わ
れる。

【００１９】次に、拡散炉型プラズマ生成手段に使用で
きる装置としては、ＲＦ電極を有している炉であればい
ずれの装置でも使用することができる。このような装置
として、縦型炉及び横型炉が一般に知られているが、設
置面積、加熱均一性の良さ等から縦型炉を使用すること
が好ましい。図１３は本発明に使用できる縦型の拡散炉
型プラズマ生成装置を示している。図中、３１は石英ボ
ート、３２は炉口シャッター（石英インナーチューブを
上げているときにチューブ内が汚染されないためのも
の）、３３はインナー昇降駆動軸、３４は石英インナー
チューブ、３５はガス導入管、３６はヒーター昇降駆動
軸、３７は石英アウターチューブ、３８はヒーター、３
９は基板、４０は排気孔、４１は石英遮熱板をそれぞれ
示している。

【００２０】この装置の操作は次のように行う。まず、
基板３９を石英ボート３１に載置する（この図では基板
５０枚／１バッチ）。次に、炉口シャッター３２をはず
して、インナーチューブ昇降駆動軸３３を動かして石英
インナーチューブ３４を降ろし石英ボート３１を覆う。
次いで、排気孔４０から排気することにより減圧し、ガ
ス導入管３５からプラズマ原料ガスを導入する。次に、
石英インナーチューブ３４に設置されているＲＦ電極
（図示せず）によりプラズマを発生させた後、ヒーター
昇降駆動軸３６を動かして石英アウターチューブ３７を
石英インナーチューブ３４の上にかぶせ、ヒーター３８
により基板を加熱する。なお、図１３のように石英アウ
ターチューブと石英インナーチューブを分ければ、プラ
ズマの発生と加熱を独立して制御することができるので
好ましい。

【００２１】基板の加熱処理の条件としては、圧力１〜
１０ｔｏｒｒ、プラズマ原料ガスの流量５００〜２００
０ｓｃｃｍ、ＲＦパワー５００〜２０００Ｗ、周波数１
３．５６ＭＨｚ、基板温度３５０〜４５０℃、加熱時間
３０〜１２０分で行われる。なお、プラズマ原料ガス
は、特に限定されないが窒素ガスが通常使用される。以
上のように２周波平行平板型プラズマ生成手段或いは拡
散炉型プラズマ生成手段を用いて基板上に形成された層
間絶縁膜を加熱処理することにより、低温（４００℃以
下）で効率的に水分の除去を行うことができ、５００℃
以下で脱離する膜中水分量を未処理基板の１／３〜１／
１４にすることができる。更に、反応性イオンエッチン
グプラズマ生成手段を用いて、プラズマ照射処理を行っ
ても上記と同程度の膜中水分の除去を行うことができ
る。

【００２２】ここで、膜中水分の評価は、ＴＤＳ法によ
り測定した値を比較することにより行っている。ＴＤＳ
法は膜を加熱して脱離した水分量を測定する方法であ
る。従って、本明細書に記載されている膜中水分量は、
５００℃以下で脱離する水分の全量から本発明の方法に
よる水分の脱離量を引いた量を表している。また、２周
波平行平板型プラズマ生成手段或いは反応性イオンエッ
チングプラズマ生成手段と拡散炉型プラズマ生成手段を
組み合わせることにより、５００℃以下で脱離する膜中
水分量を未処理基板の１／３０以下にすることができ
る。これは、２周波平行平板型プラズマ生成手段により
生成したプラズマ中での加熱下の処理或いは反応性イオ
ンエッチングプラズマ生成手段を用いたプラズマ中での
処理が層間絶縁膜の表面に作用して表面の水分の除去及
び再吸着を防止する効果があり、拡散炉型プラズマ生成
手段によって生成したプラズマ中での加熱が膜中からの
水分除去効果が大きいためであると考えられる。また、
組合せの順番は特に限定されないが、拡散炉型プラズマ
生成手段により加熱処理を先に行う場合は、処理後の放
置時間をできるだけ短くすることが好ましい。放置時間
が長くなると水分を再び吸着してしまうからである。

【００２３】

【作用】拡散炉型プラズマ生成手段により生成したプラ
ズマ中での加熱下の処理を行うことにより、低温（４０
０℃以下）で効率的に水分が除去される。本発明の処理
では、特に２５０〜５００℃の中温域で脱離する膜中に
取り込まれた水分が除去される。また、高真空中での加
熱でも同様の効果が得られる。

【００２４】また、２周波平行平板型プラズマ生成手段
により生成したプラズマ中での加熱下の処理や反応性イ
オンエッチングプラズマ生成手段を用いたプラズマ中で
の処理により、主に２５０℃以下の低温域で脱離する膜
表面に吸着した水分が除去される。２周波平行平板型プ
ラズマ生成手段或いは反応性イオンエッチングプラズマ
生成手段と、拡散炉型プラズマ生成手段によるプラズマ
照射処理を組み合わせて行うことにより、膜中水分が未
処理基板の１／３０以下とほぼ完全に除去される。

【００２５】

【実施例】以下に本発明の実施例を図面を用いて説明す
る。オゾン−有機ソース系常圧ＣＶＤ法を用いて層間絶
縁膜の形成には、オゾン−ＴＥＯＳの常圧ＣＶＤ法と亜
常圧ＣＶＤ法を用いた。それぞれ、常圧ＣＶＤ法ではＡ
ＰＴ−４８００（キャノン販売社製）を、亜常圧ＣＶＤ
法ではＰ−５０００Ｍｒｋ．IIＪ（ＡＭＪ社製）を用い
た。それぞれの成膜条件を表１に示す。

【００２６】

【表１】

【００２７】膜中水分の測定には、ＴＤＳ（Thermal De
sorption Spectroscopy)法を用い、ＥＭＤ−ＷＡ１００
０Ｋ（電気科学社製）を用いた。 実施例１ オゾン−ＴＥＯＳ常圧ＣＶＤ法を用いて、図１に示すよ
うにシリコン基板１上にオゾン−ＴＥＯＳ酸化膜２
（０．６０μｍ）を形成した。なお、オゾン−ＴＥＯＳ
酸化膜は基板上に直接堆積させてもよいが、下地の影響
を受けやすいため、基板上に予め酸化膜又はナイトライ
ド膜等下地となる膜を形成した後、その上に堆積させて
もよい。成膜後、基板を温度：２４℃、湿度：４０％Ｒ
Ｈのクリーンルーム内で７２時間保管した。

【００２８】しかる後、基板をＲＦ電極を有する縦型の
拡散炉型プラズマ生成手段を用いて窒素プラズマ雰囲気
中で４００℃で５５分間加熱を行った。圧力は５ｔｏｒ
ｒ、窒素流量は１４００ｓｃｃｍ、ＲＦパワーは１００
０Ｗ、周波数は１３．５６ＭＨｚである。装置として
は、ＴＳ８００２縦型プラズマベーク炉（東京応化社
製）を用いた。

【００２９】この実施例の処理シーケンスを図２に示し
た。図２中ではチャンバーの降下、真空引き、窒素ガ
ス導入、ＲＦオン及びヒーター降下を５分間かけて行
い、では２５分間かけて４００℃へ昇温し、では４
００℃を３０分間保持し、ではＲＦオフ、ヒーター上
昇及び空冷を１５分間かけて行った。なお、処理は１バ
ッチ５０枚で行った。

【００３０】図３に本発明の処理を行った基板（図３
（ａ）参照）と未処理の基板（図３（ｂ）参照）の膜中
水分量の測定結果を示した。本発明の処理を行った基板
では膜中の水分は全体的に減少しており、未処理の基板
の約１／１０になった。従って、本発明の処理は、オゾ
ン−ＴＥＯＳ常圧ＣＶＤ法で形成された絶縁膜中の水分
除去に大きな効果を有することが示された。

【００３１】実施例２ 実施例１のオゾン−ＴＥＯＳ常圧ＣＶＤ法に代わってオ
ゾン−ＴＥＯＳ亜常圧ＣＶＤ法を用いてシリコン基板上
にオゾン−ＴＥＯＳ酸化膜（０．５０μｍ）を形成し
た。成膜後、基板を温度：２４℃、湿度：４０％ＲＨの
クリーンルーム内で７２時間保管した。

【００３２】しかる後、実施例１と同様の方法を用いて
基板をＲＦ電極を有する縦型の拡散炉型プラズマ生成手
段を用いて窒素プラズマ雰囲気中で４００℃で５５分間
加熱を行った。図４に本発明の処理を行った基板（図４
（ａ）参照）と未処理の基板（図４（ｂ）参照）の膜中
水分量の測定結果を示した。本発明の処理を行った基板
では膜中の水分は全体的に減少しており、未処理の基板
の約１／１０になった。本発明の処理はオゾン−ＴＥＯ
Ｓ亜常圧ＣＶＤ法で形成された絶縁膜中の水分除去に対
しても大きな効果を有することが示された。

【００３３】実施例３ 実施例１と同様にオゾン−ＴＥＯＳ常圧ＣＶＤ法を用い
てシリコン基板上にオゾン−ＴＥＯＳ酸化膜（０．６０
μｍ）を形成し、成膜後、基板を温度：２４℃、湿度：
４０％ＲＨのクリーンルーム内で７２時間保管した。し
かる後、基板を高真空雰囲気中で加熱が可能な縦型の拡
散炉型プラズマ生成手段を用いて、１０^-6ｔｏｒｒの高
真空雰囲気中で、４００℃で６０分間加熱をおこなっ
た。装置としては、ＴＳ８００２縦型プラズマベーク炉
（東京応化製）を用いた。処理シーケンスは、におい
てチャンバー降下、１０^-6ｔｏｒｒへの真空引き及びヒ
ーター降下を１０分間かけて行うこと以外は、図２と同
じとした。

【００３４】図５に本発明の処理を行った基板（図５
（ａ）参照）と未処理の基板（図５（ｂ）参照）の膜中
水分量の測定結果を示した。本発明の処理を行った基板
では膜中の水分は全体的に減少しており、未処理の基板
の約１／１０になった。本発明の処理はオゾン−ＴＥＯ
Ｓ常圧ＣＶＤ法で形成された絶縁膜中の水分除去に対し
て大きな効果を有することが示された。

【００３５】実施例４ 実施例１と同様にオゾン−ＴＥＯＳ常圧ＣＶＤ法を用い
てシリコン基板上にオゾン−ＴＥＯＳ酸化膜（０．６０
μｍ）を形成し、成膜後、基板を温度：２４℃、湿度：
４０％ＲＨのクリーンルーム内で７２時間保管した。し
かる後、基板に陽極結合方式の平行平板プラズマ生成手
段を用いて、４００℃に加熱しながら２周波放電方式を
用いてプラズマ照射を行った。窒素プラズマの条件は、
圧力：５ｔｏｒｒ、窒素流量：６００ｓｃｃｍ、ＲＦパ
ワー：３００Ｗ／２００Ｗ、周波数：１３．５６ＭＨｚ
／３５０ＫＨｚの２周波、時間：９０秒とした。

【００３６】図６に本発明の処理を行った基板（図６
（ａ）参照）と未処理の基板（図６（ｂ）参照）の膜中
水分量の測定結果を示した。本発明の処理を行った基板
では、２５０℃以下の温度で脱離する水分は完全に除去
されており、トータルの水分量も１／１２〜１／１４に
なっており、膜中水分の除去効果があることが解った。 実施例５ 実施例１と、同様にオゾン−ＴＥＯＳ常圧ＣＶＤ法を用
いてシリコン基板上にオゾン−ＴＥＯＳ酸化膜（０．６
０μｍ）を形成し、成膜後、基板を温度：２４℃、湿
度：４０％ＲＨのクリーンルーム内で７２時間保管し
た。

【００３７】しかる後、反応性イオンエッチング装置を
用いて、基板に酸素プラズマ照射を行った。酸素プラズ
マの条件は、圧力：１００ｍｔｏｒｒ、酸素流量：１０
０ｓｃｃｍ、ＲＦパワー：３５０Ｗ、周波数：１３．５
６ＭＨｚ、時間：９０秒とした。図７に本発明の処理を
行った基板（図７（ａ）参照）と未処理の基板（図７
（ｂ）参照）の膜中水分量の測定結果を示した。２５０
℃以下で脱離する水分は消失しており、膜中の水分の総
量も１／１０以下に減少した。

【００３８】実施例６ 本実施例では、ＲＦ電極を有する縦型の拡散炉型プラズ
マ生成手段を用いたプラズマ雰囲気中での加熱と、陽極
結合方式の平行平板プラズマ生成手段を用いて加熱しな
がらプラズマ照射を行う方法を組み合わせた方法につい
て述べる。実施例１と同様にオゾン−ＴＥＯＳ常圧ＣＶ
Ｄ法を用いてシリコン基板上にオゾン−ＴＥＯＳ酸化膜
（０．６０μｍ）を形成し、成膜後、基板を温度：２４
℃、湿度：４０％ＲＨのクリーンルーム内で７２時間保
管した。

【００３９】しかる後、基板に陽極結合方式の平行平板
プラズマ生成手段を用いて４００℃に加熱しながらプラ
ズマ照射を行った。ここでプラズマ原料ガスに窒素ガス
又は酸素ガスを使用した。各原料ガスの使用条件は、窒
素プラズマの場合は、圧力：５ｔｏｒｒ、窒素流量：６
００ｓｃｃｍ、ＲＦパワー：３００Ｗ／２００Ｗ、周波
数：１３．５６ＭＨｚ／３５０ＫＨｚの２周波、時間：
９０秒とし、酸素プラズマの場合は、圧力：５ｔｏｒ
ｒ、酸素流量：１５００ｓｃｃｍ、ＲＦパワー：７００
Ｗ、周波数：１３．５６ＭＨｚ、時間：９０秒とした。

【００４０】続いて、実施例１と同様に基板をＲＦ電極
を有する縦型の拡散炉型プラズマ生成手段を用いて窒素
プラズマ雰囲気中で４００℃で５５分間加熱を行った。
図８に、窒素プラズマの場合の本発明の処理を行った基
板の膜中水分量の測定結果を示した。陽極結合方式の平
行平板プラズマ生成手段での処理後では、膜中水分量は
未処理基板（図８（ａ）参照）の１／１２〜１／１４で
あるが（図８（ｂ）参照）、縦型の拡散炉型プラズマ生
成手段を用いてプラズマ雰囲気中での加熱をさらに施し
た場合、膜中水分量は未処理基板の１／３０以下にまで
減少しており（図８（ｃ）参照）、両処理の組み合わせ
の効果は極めて大きい。また、クリーンルーム内での４
０時間放置後も水分の再吸着はみられず（図８（ｄ）参
照）、吸湿性を低減する効果があることが解った。

【００４１】図９に、酸素プラズマの場合の本発明の処
理を行った基板の膜中水分量の測定結果を示した。陽極
結合方式の平行平板プラズマ生成手段での処理後では、
あまり効果はないが（図９（ａ）及び（ｂ）参照）、縦
型の拡散炉型プラズマ生成手段を用いてプラズマ雰囲気
中での加熱をさらに施した場合では、膜中水分量は未処
理基板の１／３０以下にまで減少しており（図９（ｃ）
参照）、両処理の組み合わせの効果は極めて大きい。し
かし、処理後クリーンルーム中での４０時間放置後では
水分の再吸着を生じ、本発明の処理は処理直後での水分
低減効果が大きいものの吸湿性を低減する効果は小さい
ことが解った（図９（ｄ）参照）。

【００４２】実施例７ 本実施例では、ＲＦ電極を有する縦型の拡散炉型プラズ
マ生成手段を用いたプラズマ雰囲気中での加熱と、陽極
結合方式の平行平板プラズマ生成手段を用いて加熱しな
がらプラズマ照射を行う方法を組み合わせた方法につい
て、実施例６の処理の順序を逆にした場合について述べ
る。

【００４３】実施例１と同様にオゾン−ＴＥＯＳ常圧Ｃ
ＶＤ法を用いてシリコン基板上にオゾン−ＴＥＯＳ酸化
膜（０．６０μｍ）を形成し、成膜後、基板を温度：２
４℃、湿度：４０％ＲＨのクリーンルーム内で７２時間
保管した。しかる後、実施例１に従って基板をＲＦ電極
を有する縦型の拡散炉型プラズマ生成手段を用いて窒素
プラズマ雰囲気中で４００℃で５５分間加熱を行った。

【００４４】続いて、基板に陽極結合方式の平行平板プ
ラズマ生成手段を用いて４００℃に加熱しながらプラズ
マ照射を行った。ここでプラズマ原料ガスに窒素ガス又
は酸素ガスを使用した。各原料ガスの使用条件は、窒素
プラズマの場合は、圧力：５ｔｏｒｒ、窒素流量：６０
０ｓｃｃｍ、ＲＦパワー：３００Ｗ／２００Ｗ、周波
数：１３．５６ＭＨｚ／４６０ＫＨｚの２周波、時間：
９０秒とし、酸素プラズマの場合は、圧力：５ｔｏｒ
ｒ、酸素流量：１５００ｓｃｃｍ、ＲＦパワー：７００
Ｗ、周波数：１３．５６ＭＨｚ、時間：９０秒とした。

【００４５】図１０に窒素プラズマを用いて本発明の処
理を行った基板の膜中水分量の測定結果を示した。縦型
の拡散炉型プラズマ生成手段を用いたプラズマ雰囲気で
の加熱後では、膜中水分量は未処理基板（図１０（ａ）
参照）の１／１０で１００℃〜４００℃にかけてブロー
ドなピークが認められるが（図１０（ｂ）参照）、陽極
結合方式の平行平板プラズマ生成手段を用いて４００℃
に加熱しながらプラズマ照射を行った後では、膜中水分
量は未処理基板の１／３０以下にまで減少しており（図
１０（ｃ）参照）、両処理の組み合わせの効果は実施例
６と同様に、処理順に関係なく極めて大きい。

【００４６】また、クリーンルーム中での４０時間放置
後も水分の再吸着はみられず、吸湿性を低減する効果が
あることが解った。一方、酸素プラズマを用いて本発明
の処理を行った場合は、処理後での水分低減効果は大き
いものの吸湿性を低減する効果は小さいことが解った。 実施例８ 本実施例では、ＲＦ電極を有する縦型の拡散炉型プラズ
マ生成手段を用いたプラズマ雰囲気中での加熱と、反応
性イオンエッチング装置を用いた、プラズマ照射を行う
方法を組み合わせた方法について述べる。

【００４７】実施例１と、同様にオゾン−ＴＥＯＳ常圧
ＣＶＤ法を用いてシリコン基板上にオゾン−ＴＥＯＳ酸
化膜（０．６０μｍ）を形成し、成膜後、基板を温度：
２４℃、湿度：４０％ＲＨのクリーンルーム内で７２時
間保管した。しかる後、反応性イオンエッチング装置を
用いて、基板に酸素プラズマ照射を行った。酸素プラズ
マの条件は、圧力：１００ｍｔｏｒｒ、酸素流量：１０
０ｓｃｃｍ、ＲＦパワー：３５０Ｗ、周波数：１３．５
６ＭＨｚ、時間：９０秒とした。

【００４８】続いて、実施例１に従って基板をＲＦ電極
を有する縦型の拡散炉型プラズマ生成手段を用いて窒素
プラズマ雰囲気中で４００℃で５５分間加熱を行った。
図１１に本発明の処理を行った基板の膜中水分量の測定
結果を示した。反応性イオンエッチング装置を用いた、
プラズマ照射の処理のみでは、膜中水分量は未処理基板
（図１１（ａ）参照）の約１／１０であるが（図１１
（ｂ）参照）、縦型の拡散炉型プラズマ生成手段を用い
てプラズマ雰囲気中で加熱をさらに施した場合では、膜
中水分量は未処理基板の１／３０以下にまで減少してお
り（図１１（ｃ）参照）、両処理の組み合わせの効果は
極めて大きい。また、クリーンルーム中での４０時間放
置後も水分の再吸着はほとんどみられず、吸湿性を低減
する効果もあることが解った（図１１（ｄ）参照）。

【００４９】実施例９ 本実施例では、ＲＦ電極を有する縦型の拡散炉型プラズ
マ生成手段を用いたプラズマ雰囲気中での加熱と、反応
性イオンエッチング装置を用いた、プラズマ照射を行う
方法を組み合わせた、実施例８の処理の順序を逆にした
場合について述べる。

【００５０】拡散炉型プラズマ生成手段及び反応性イオ
ンエッチングプラズマ生成手段での処理条件は実施例８
と同様に行った。基板の膜中水分量は、縦型の拡散炉型
プラズマ生成手段を用いた場合のみでは、膜中水分量は
未処理基板の約１／１０であるが、反応性イオンエッチ
ングプラズマ生成手段のプラズマ照射処理をさらに施し
た場合では、膜中水分量は未処理基板の１／３０以下に
まで減少しており、両処理の組み合わせの効果は極めて
大きい。また、クリーンルーム中での４０時間放置後も
水分の再吸着はほとんどみられず、吸湿性を低減する効
果もあることが解った。

【００５１】実施例１０ 実施例１〜９では基板上に成膜したオゾン−ＴＥＯＳ酸
化膜中の水分を除去する方法について述べたが、この方
法をメタル（アルミニウム又はその合金）配線層を２層
有するＭＯＳトランジスタのメタル配線層間のオゾン−
ＴＥＯＳ膜に適用した場合のトランジスタの製造方法と
その特性について述べる。

【００５２】ＭＯＳプロセスを用いてシリコン基板上に
ＬＤＤ（Lightly Doped Drain ）型のｎ−ＭＯＳトラン
ジスタを作成し、次に常圧ＣＶＤ法を用いてＮＳＧ膜
（１００ｎｍ）とＢＰＳＧ膜（４００ｎｍ）を堆積した
後、コンタクトホール及び一層目のメタル配線を形成し
た。しかる後に、プラズマＴＥＯＳ膜を１００ｎｍ堆積
した。プラズマＴＥＯＳ膜の堆積条件は、温度４００
℃、圧力５ｔｏｒｒ、ＴＥＯＳ流量８００ｓｃｃｍ、酸
素流量６００ｓｃｃｍ、ＲＦ周波数１３．５６ＭＨｚと
した。

【００５３】次に、この後に堆積するオゾン−ＴＥＯＳ
膜の下地依存性を低減するためにプラズマＴＥＯＳ膜の
表面に窒素プラズマを照射した。窒素プラズマの照射
は、平行平板型プラズマ装置を用い、温度４００℃、圧
力１ｔｏｒｒ、窒素流量６００ｓｃｃｍ、ＲＦ周波数１
３．５６ＭＨｚ、ＲＦパワー３００Ｗ、時間９０秒の条
件で行った。

【００５４】この後、表１に記載の常圧ＣＶＤ法により
オゾン−ＴＥＯＳ酸化膜（３００ｎｍ）を堆積した。次
いで、平行平板型装置による窒素プラズマ処理とＲＦ電
極を有する縦型炉による窒素プラズマベークの両方を行
ったものである。平行平板型装置による窒素プラズマ処
理の条件は、ＲＦ周波数１３．５６ＭＨｚ／３５０ｋＨ
ｚの２周波、ＲＦパワー３００Ｗ／２００Ｗ、圧力１ｔ
ｏｒｒ、ウエハーステージ温度４００℃、処理時間９０
秒である。ＲＦ電極を有する縦型炉による窒素プラズマ
ベークの条件は、ＲＦ周波数１３．５６ＭＨｚ、ＲＦパ
ワー１０００Ｗ、圧力５ｔｏｒｒ、処理温度４００℃、
処理時間５５分（５０枚／バッチ）とした。

【００５５】この後、プラズマＴＥＯＳ膜を前記と同様
の条件で３００ｎｍ堆積し、さらに２層目のメタル配線
層を形成した。続いて保護膜として常圧ＣＶＤ法を用い
てＰＳＧ膜（燐珪酸ガラス）を２５００ｎｍ、プラズマ
ＣＶＤ法を用いてプラズマシリコン窒化膜を３００ｎｍ
堆積した後、フォトリソグラフィーとドライエッチング
法を用いて電極用窓を形成し、水素中で４２０℃でアニ
ールを行った。

【００５６】トランジスタ特性の測定は、ゲート長さＬ
＝０．５μｍ、ゲート幅Ｗ＝１０μｍのトランジスタに
ついて行った。ホットキャリア加速の条件は、ドレイン
電圧Ｖｄ＝４．０Ｖから６．０Ｖでゲート電圧及び基板
電流が最大となる条件である。トランジスタの寿命は、
トランジスタの相互コンダクタンスｇｍが初期値から１
０％低下した時間とした。

【００５７】以下に、この実施例の結果について述べ
る。まず、オゾン−ＴＥＯＳ酸化膜を用いない場合と成
膜しただけで水分の低減処理を行っていないオゾン−Ｔ
ＥＯＳ酸化膜を用いた場合の膜中の水分量とトランジス
タ寿命の関係について述べる。成膜しただけで水分の低
減処理を行っていないオゾン−ＴＥＯＳ酸化膜は、図１
４に示したように、ホットキャリアによるトランジスタ
寿命の劣化が見られ、オゾン−ＴＥＯＳ酸化膜を用いな
い場合と比較して１桁以上トランジスタの寿命が短くな
った。すなわち、ドレイン電圧３．３Ｖとした時のトラ
ンジスタ寿命は、オゾン−ＴＥＯＳ酸化膜を用いない場
合は３．０×１０⁷ 秒であり、成膜しただけで水分の低
減処理を行っていないオゾン−ＴＥＯＳ酸化膜を用いた
場合は２．０×１０⁶ 秒であった。

【００５８】次に、オゾン−ＴＥＯＳ酸化膜の水分低減
処理を平行平板型装置による窒素プラズマ処理とした場
合のトランジスタ寿命は、オゾン−ＴＥＯＳ酸化膜を用
いない場合と比較して１桁以上短く、上記に示した水分
の低減処理を行っていないオゾン−ＴＥＯＳ酸化膜の場
合と同様であった。すなわち、ドレイン電圧３．３Ｖと
した時のトランジスタ寿命は、２．０×１０⁶ 秒であっ
た。

【００５９】次に、オゾン−ＴＥＯＳ酸化膜の水分低減
処理を平行平板型装置による窒素プラズマ処理とＲＦ電
極を有する縦型炉による窒素プラズマベークの両方を行
ったものについてのトランジスタ寿命は、図１４に示し
たように、オゾン−ＴＥＯＳ酸化膜を用いない場合とほ
ぼ同等であった。すなわち、ドレイン電圧３．３Ｖとし
た時のトランジスタ寿命は、３．０×１０⁷ 秒であっ
た。

【００６０】以上、ＭＯＳトランジスタのメタル配線層
が２層の場合のメタル配線層間のオゾン−ＴＥＯＳ膜の
処理方法について述べたが、メタル配線層が３層又はそ
れ以上の場合でも同様に本発明を適用することができ同
様の効果が得られる。

【００６１】

【発明の効果】以上から明らかなように、本発明による
半導体装置の製造方法は、オゾン−有機ソース系常圧及
び亜常圧ＣＶＤ法で形成された層間絶縁膜の５００℃以
下で脱離する膜中水分を低温（４００℃以下）で効率的
に除去できるものであり、除去後の再吸着を防ぐことが
できるものである。

【００６２】特に、本発明をＭＯＳトランジスタの層間
絶縁膜に適用した場合、層間絶縁膜の膜中水分によって
引き起こされる、膜質劣化のためのメタル間オーミック
接合の不良やチャネル部に発生するホットキャリアがゲ
ート電極に注入されることによって、閾値電圧が変化す
ることによるトランジスター特性劣化等のデバイス特性
の劣化を防止できると共にメタル配線の断線不良や腐
食、ビアホールの接続不良を改善することができ、信頼
性の優れた半導体装置を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】基板の膜構成の概略図である。

【図２】縦型炉を用いたプラズマ雰囲気および高真空雰
囲気での処理シーケンスである。

【図３】実施例１の処理後と未処理基板の膜中水分の測
定結果である。

【図４】実施例２の処理後と未処理基板の膜中水分の測
定結果である。

【図５】実施例３の処理後と未処理基板の膜中水分の測
定結果である。

【図６】実施例４の処理後と未処理基板の膜中水分の測
定結果である。

【図７】実施例５の処理後と未処理基板の膜中水分の測
定結果である。

【図８】実施例６の窒素プラズマ処理後と未処理基板の
膜中水分の測定結果である。

【図９】実施例６の酸素プラズマ処理後と未処理基板の
膜中水分の測定結果である。

【図１０】実施例７の処理後と未処理基板の膜中水分の
測定結果である。

【図１１】実施例８の処理後と未処理基板の膜中水分の
測定結果である。

【図１２】平行平板型プラズマ処理装置の概略図であ
る。

【図１３】ＲＦ電極を有する縦型拡散炉の概略図であ
る。

【図１４】本発明によるトランジスターの寿命の改善例
を示すグラフである。

【符号の説明】

１ 基板 ２ オゾン−ＴＥＯＳＣＶＤ酸化膜 １１ プロセスチャンバー １２ 基板 １３ プラズマ原料ガス １４ ガス分散板 １５ 下部電極 １６ ランプ １７ ローパスフィルタ １８ 低周波 １９ 高周波 ２０ 圧力計 ２１ 排気系 ３１ 石英ボート ３２ 炉口シャッター ３３ インナー昇降駆動軸 ３４ 石英インナーチューブ ３５ ガス導入管 ３６ ヒーター昇降駆動軸 ３７ 石英アウターチューブ ３８ ヒーター ３９ 基板 ４０ 排気孔 ４１ 石英遮熱板

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平４−167431（ＪＰ，Ａ) 特公 平８−10677（ＪＰ，Ｂ２) 特公 昭59−30130（ＪＰ，Ｂ２) 特公 平８−17174（ＪＰ，Ｂ２) 特許3103241（ＪＰ，Ｂ２) 特許3017627（ＪＰ，Ｂ２) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01L 21/316 H01L 21/31 H01L 21/768

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 基板上にオゾン−テトラエトキシシラン
   ＣＶＤ法を使用して形成された層間絶縁膜に対して、３
   ５０〜４５０ｋＨｚの低周波と２ＭＨｚ以上の高周波か
   らなる２周波平行平板型プラズマ生成手段によって生成
   したプラズマ中で加熱下での処理と、拡散炉型プラズマ
   生成手段によって生成したプラズマ中で加熱下での処理
   とを行うことを特徴とする半導体装置の製造方法。
2. 【請求項２】 基板上にオゾン−テトラエトキシシラン
   ＣＶＤ法を使用して形成された層間絶縁膜に対して、反
   応性イオンエッチングプラズマ生成手段によって生成し
   たプラズマ中での処理と、拡散炉型プラズマ生成手段に
   よって生成したプラズマ中で加熱下での処理とを行うこ
   とを特徴とする半導体装置の製造方法。