JP3231470B2 - 半導体装置 - Google Patents
半導体装置Info
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Description
のであり、特に、半導体装置を保護するパッシベーショ
ン膜に関するものである。
すなわちパッシベーション技術は、半導体装置に悪影響
を及ぼす、たとえば水分やアルカリイオンなどの種々の
外乱から半導体装置を保護するものであり、装置の信頼
性を左右する非常に重要な技術である。
なものが検討されてきた。中でもプラズマ化学的気相成
長法(プラズマCVD法)によるシリコン窒化膜が、耐
湿性が比較的良いことやアルカリイオンのブロッキング
特性に優れていることから注目されている。しかしなが
ら一般にプラズマCVD法によるシリコン窒化膜は、5
×109dyn/cm2という大きな圧縮応力を有するこ
とから、このようなシリコン窒化膜を半導体基板上に形
成すると、シリコン窒化膜にクラックが発生したり、半
導体基板に反りが生じたり、さらには金属配線のストレ
スマイグレーションによる断線の原因にもなっていた。
また、プラズマCVD法によるシリコン窒化膜は、その
成膜原料ガスとしてSiH4、NH3等を用いることに加
えて、プラズマ密度の小さいRF放電プラズマを用いて
いることから、生成された膜中に多量の水素を含むこと
は避けられず、耐湿性が充分に優れているとはいえず、
半導体素子の特性を劣化させ、その信頼性を低下させる
原因となっていた。
号公報に示されるように、気相成長リンガラス膜(CV
D−PSG膜)を下層とし、その上層にシリコン窒化膜
を形成した2層構造のパッシベーション膜が用いられる
ことが多い。このような2層構造のパッシベーション膜
においては、その特性として引張り応力を有するPSG
膜と、圧縮応力を有するSiN膜を積層構造とすること
により、両者の応力を相殺してクラックの発生等を防止
しようとするものである。
パッシベーション膜では、シリコン窒化膜の形成は依然
としてプラズマCVD法により行なっているので、上述
したように耐湿性は充分に優れているとはいえないもの
である。さらに、上記の従来の技術に記載のパッシベー
ション膜では、気相成長リンガラス膜とシリコン窒化膜
の2層構造としているために、気相成長リンガラス膜成
膜用の装置とシリコン窒化膜成膜用の装置の2つを使用
しなければならず、製造工程も複雑化してしまい、その
ために完成した半導体装置の特性や信頼性の低下を招く
という問題があった。本発明は、上記の問題点を解決す
るためになされたものであり、製造工程が少ない単層
で、水素含有量が少なく、かつ、応力が小さく耐湿性に
優れたパッシベーション膜を備えることにより、特性及
び信頼性の非常に優れた半導体装置を提供することを目
的とする。
にシリコン窒化膜を有する半導体装置において、前記シ
リコン窒化膜における膜中含有水素がN−H結合状態お
よびSi−H結合状態で存在し、前記N−H結合状態の
水素量と前記Si−H結合状態の水素量との比である
(N−H)/(Si−H)の値が前記シリコン窒化膜の
表面側で基板側より小さいことを特徴とするものであ
る。また本発明は、前記半導体装置において、前記シリ
コン窒化膜はECR−CVD法により形成したことを特
徴とするものである。
たパッシベーション膜を、製造工程が少ない単層で、か
つ水素含有量が少なくなるように得ることができるの
で、特性及び信頼性の非常に優れた半導体装置を得るこ
とができる。
置の断面図を示す。1は半導体基板、2は絶縁膜、3は
たとえばアルミニウムなどで形成される金属配線層、4
はシリコン窒化膜である。これは、パッシベーション膜
としてのシリコン窒化膜4が金属配線層3上に形成され
ている様子を示している。シリコン窒化膜は、その成膜
条件によって膜特性が大きく変化する。その様子を、E
CR−CVD法によって作成されたシリコン窒化膜を例
にとり、詳細に説明する。
用いて、通常行なわれているRF放電プラズマによるプ
ラズマCVD法に代えて、電子サイクロトロン共鳴CV
D法(ECR−CVD法)により形成したシリコン窒化
膜の赤外吸収スペクトルであり、横軸を波数、縦軸を透
過率として示してある。なお、透過率の単位は任意単位
として示してある。ECR−CVD法は以下の原理によ
って達成される成膜方法である。
ツ力を受け、回転運動を行なう。この運動の周波数と、
印加するマイクロ波の周波数、たとえば2.45GHz
とを一致させたとき共鳴吸収が起こり、マイクロ波エネ
ルギーが電子の運動に効率よく吸収される。これが電子
サイクロトロン共鳴現象(ECR現象)であり、その条
件は次のように表すことができる。 w=w0 w0=eB/m w:マイクロ波の角周波数 w0:電子サイクロトロン角周波数 e:電子の電荷量 B:共鳴条件の磁束密度 m:電子の質量 以上の条件からマイクロ波の周波数が2.45GHzの
場合、共鳴条件の磁束密度は875ガウスとなる。EC
Rプラズマ中で回転運動する成膜原料ガスの共鳴電子は
反磁性的効果を示し、発散磁界と相互作用しながら、そ
の磁力線に沿って加速される。プラズマが準中性である
ために、成膜原料ガスの電子およびイオンは磁界中で等
しい加速度を持ち、電子と共にイオンも磁界の外に加速
されて、膜を成長させるべく半導体基板にプラズマ流と
して入射し、基板表面に対してプラズマ処理が行なわれ
る。このようにして通常のプラズマCVD法と比較し、
効率良く成膜を行なうことができる。
量比の値を0.15、0.20、0.25、0.33と
し、他は同一の条件で成膜したシリコン窒化膜の赤外吸
収スペクトルを示している。シリコン窒化膜中に取り込
まれた水素は、N−H結合またはSi−H結合の状態で
存在し、図2においてそれぞれ3350cm-1付近およ
び2160cm-1付近に吸収のピークが現われている。
この結果からSiH4の各流量比によって、それぞれの
結合状態に起因するピークの大きさが変化する様子が見
られる。N−H結合およびSi−H結合のピーク面積を
もとに、N−H結合状態の水素およびSi−H結合状態
の水素の量はそれぞれ以下の式で求められることが知ら
れている。ここで、水素の量とは水素の原子数である。
(W.A.Lanford et al:J. App
l.Phys.Vol.49,No.4,April
1978参照) (N−Hピーク面積)×1.4×1.36×1017
(個/cm2) (Si−Hピーク面積)×1.36×1017
(個/cm2) 上記の式にしたがってN−Hピーク面積、Si−Hピー
ク面積から得られた水素の量の値をシリコン窒化膜の膜
厚で割って、それぞれの結合状態の水素含有量を(個/
cm3)として求めたものが図3である。図3において
は、他の成膜条件を同一とした場合のSiH4/(Si
H4+N2)の流量比の値を横軸として、SiH4の流量
比を変化させたときのシリコン窒化膜中におけるN−H
結合状態およびSi−H結合状態の水素量の値を縦軸に
とってある。また、Totalとして示してあるのは、
N−H結合状態の水素量とSi−H結合状態の水素量と
の総和である。この結果から、SiH4の流量比とN−
H結合状態の水素量およびSi−H結合状態の水素量と
の間には相関関係があり、SiH4の流量比を増加させ
るとN−H結合状態の水素量は減少し、逆にSi−H結
合状態の水素量は増加することがわかった。さらに、N
−H結合状態の水素量とSi−H結合状態の水素量との
総和は減少することがわかった。また、SiH4/(S
iH4+N2)の流量比の値に対する、N−H結合状態の
水素量とSi−H結合状態の水素量の比である(N−
H)/(Si−H)の値も併せて示してあるが、SiH
4の流量比の増加にしたがって(N−H)/(Si−
H)の値は急激に減少して1以下の値に飽和する傾向に
あることもわかった。
他の成膜条件を同一とし、成膜原料ガスに与える放電エ
ネルギーとしてのマイクロ波電力のみを変化させた場合
のシリコン窒化膜中におけるN−H結合状態の水素量と
Si−H結合状態の水素量、N−H結合状態の水素量と
Si−H結合状態の水素量の総和、および(N−H)/
(Si−H)比を示しており、横軸としてマイクロ波電
力、縦軸として水素含有量または(N−H)/(Si−
H)比を示してある。この場合にもSiH4の流量比を
変化させた場合ほど顕著ではないが、やはり(N−H)
/(Si−H)比の値が変化する様子が見られる。
て評価した結果を述べ、(N−H)/(Si−H)比と
応力および耐湿性との関係を説明する。
る。一般に半導体基板上に形成された薄膜の応力σfは
次の式で与えられる。 σf=[Es(ts)2/{6(1−rs)tf}]
(1/R−1/R0) ここで、Es:基板のヤング率、 rs:基板のポアッソン比、 である。結晶方位(100)の単結晶シリコン基板の場
合、 Es/(1−rs)=1.805×1011 N/m2 である。したがって、上式は、 σf={(ts)2/(6tf)}(1/R−1/R0) と変形できる。ただしここで、 ts:基板の厚さ tf:薄膜の膜厚 R :成膜後の基板の曲率半径 R0 :成膜前の基板の曲率半径 である。このときの基板の曲率半径を求める方法として
は、機械的手法により求める方法や光学的手法により求
める方法等が考えられるが、本発明においてはレーザー
光を基板面に照射し、その反射光の変位量から求めると
いう方法を採っている。
性の評価にはプレッシャークッカーテストを用いてい
る。プレッシャークッカーテストは、プレッシャークッ
カー試験機の温度、湿度、圧力等を通常半導体装置が使
用される条件よりも過酷な条件に設定し、所定時間経過
後の膜特性を調べようとするものである。すなわち、こ
の試験を行なうことにより、短時間で通常数年間にわた
って半導体装置が使用されたと同様の状況を作ることが
できる。 プレッシャークッカーテスト後にはフーリエ
変換機能付き赤外吸収スペクトル測定器(FT−IR)
により、P=O(リンと酸素の二重結合)のピークの変
化を調べる。これはシリコン窒化膜の下層となるPSG
膜は、水分と反応するとPSG膜が本来持っているP=
Oの二重結合が切れて、P−O−Hという結合状態に変
化する現象に注目しているものである。すなわち、プレ
ッシャークッカーテストによって長時間高湿度という条
件下にさらした後においてもP=O二重結合のピークが
残っているものほど水分との反応が少なかったもの、つ
まり、水分の侵入が少なかったものと判断でき、耐湿性
に優れていると考えることができる。
過程を説明する。評価に用いた試料は、4インチシリコ
ンウェハ上に減圧CVD法によりPSG膜を以下の成膜
条件で約8,000Å成膜したものを基板として用い
た。 PSG成膜条件 ガス種:SiH4 …… 20SCCM 10%PH3/90%SiH4 …… 80SCCM O2 …… 200SCCM 圧力 :0.2Torr 温度 :430℃ 時間 :42min. 上記の条件で基板上にECR−CVD法により種々の条
件でシリコン窒化膜を約1,000Å成膜したもので耐
湿性の評価を行った。シリコン窒化膜を成膜した4イン
チシリコンウェハは4分割し、その内1枚を初期値(0
時間)評価用とし、他の3枚をプレッシャークッカー試
験機に導入してそれぞれ50時間、100時間、200
時間経過後の試料とした。なお、プレッシャークッカー
テストの条件として、温度121℃、湿度100%R
H、圧力2気圧とした。図5はプレッシャークッカーテ
スト後のFT−IRによる流量比SiH4/(SiH4+
N2)=0.15で成膜したシリコン窒化膜の赤外吸収
スペクトルであり、横軸を波数、縦軸を吸光度として示
してある。なお、吸光度の単位は任意単位として示して
ある。図5においては、1330cm-1付近に現われる
P=Oの二重結合を示すピークが、プレッシャークッカ
ーテストのテスト時間によって変化する様子が示されて
いる。図を見ると、プレッシャークッカーテスト0時間
のときには現われていたP=Oの二重結合を示すピーク
が、プレッシャークッカーテスト時間を長くするにした
がってなくなるように変化しているのがわかる。これは
上述したように、P=Oの二重結合がP−O−Hという
結合に変化すること、すなわちシリコン窒化膜中に水分
が取り込まれていくことを示している。このことをさら
に詳細に解析したもの、すなわち、プレッシャークッカ
ーテスト時間とP=Oピーク面積残存率の関係を示した
ものが図6である。図6においては、P=Oの二重結合
のピーク面積を、初期値(プレッシャークッカーテスト
0時間)を100%として規格化したことにより、異な
る成膜条件でのシリコン窒化膜の耐湿性を比較すること
ができる。
方法によって算出または測定した(N−H)/(Si−
H)比に対するシリコン窒化膜の応力と耐湿性の関係を
示した。用いた試料は、成膜条件として原料ガス圧を1
×10-3Torr、マイクロ波電力を700W、基板温
度を100℃として、原料ガスであるSiH4とN2の流
量比を変化させて得、プレッシャークッカーテストを1
00時間行なった後のものである。図7において応力は
その値の絶対値が大きくなるほど大きくなり、マイナス
の符号は圧縮応力であることを示している。また、耐湿
性については任意単位であり、大きくなるほど耐湿性が
高いことを示している。その結果、(N−H)/(Si
−H)比の値が比較的大きい範囲では耐湿性は若干劣る
が低応力の膜となり、逆に(N−H)/(Si−H)比
の値が比較的小さい範囲では応力はやや大きくなってい
るものの耐湿性に優れた膜が形成されることがわかっ
た。
たような種々の実験によって得た知見に基づいてなされ
たものである。すなわち、上述したような実験を繰り返
すことにより、N−H結合状態の水素量とSi−H結合
状態の水素量との比である(N−H)/(Si−H)の
値を変化させることにより異なる応力と耐湿性を有する
シリコン窒化膜が得られることを知り、さらに、パッシ
ベーション膜は応力が小さく耐湿性に優れていることが
要求されるが、その性質上全領域にわたりこの条件を満
たす必要はなく、基板側では応力が小さければ足り、表
面側では耐湿性に優れていれば足りることを知り、これ
を発明するに至ったのである。以下実施例に基づき、本
発明を詳細に説明する。
縁膜を形成し、さらに絶縁膜上の選択された部分に金属
配線層を形成する。さらに、上記金属配線層上および金
属配線層に覆われていない絶縁膜上に、ECR−CVD
法により以下の条件でシリコン窒化膜を形成する。金属
配線層までの形成方法およびシリコン窒化膜の形成方法
は、従来の半導体装置製造プロセスと同様にして形成で
きる。 成膜圧力 :1×10-3Torr マイクロ波電力:700W 基板温度 :100℃ ガス種 :SiH4,N2 ガス流量 :成膜開始時;SiH4 …… 15SC
CM,N2 …… 75SCCM, 成膜終了時;SiH4 …… 33SCCM,N2 …
… 67SCCM, ここで、ガス流量は成膜開始時、成膜終了時それぞれ上
記のとおりとし、SiH4流量は成膜開始時から成膜終
了時まで連続的に増加するように、また、N2流量は成
膜開始時から成膜終了時まで連続的に減少するようにマ
スフローコントローラによって制御する。この様子を図
8に示した。上記の条件で実際に成膜を行ったところ、
得られたシリコン窒化膜の膜厚は約1μmであった。
の膜厚方向における(N−H)/(Si−H)比を図9
に示した。図9を見ればわかるように、シリコン窒化膜
は基板側(下地側)では(N−H)/(Si−H)比の
値は大きく、表面側に行くにしたがって小さくなってい
る。この結果、図5を参照すれば明らかなように、基板
側では耐湿性では劣るが低応力であり、表面側では応力
は中程度であるが耐湿性に優れたシリコン窒化膜が得ら
れる。SiH4流量とN2流量を成膜開始時から成膜終了
時まで連続的に変化させているので、シリコン窒化膜に
含まれるN−H結合状態の水素量およびSi−H結合状
態の水素量は膜厚方向に連続的に分布し、シリコン窒化
膜全体としては基板との界面で応力が緩和され、かつ、
表面では高い耐湿性を有するパッシベーション膜として
充分な膜を得ることができる。
およびN2流量は成膜開始時から成膜終了時まで連続的
に増加または減少するように制御したが、段階的に増加
または減少するように制御することもできる。図10に
SiH4流量を成膜開始時から成膜終了時まで段階的に
増加するように、また、N2流量を成膜開始時から成膜
終了時まで段階的に減少するようにマスフローコントロ
ーラによって制御した場合のシリコン窒化膜成膜時間と
SiH4およびN2ガス流量との関係を示す。他の条件は
上述した実施例と同一である。この場合には図11に示
すように、シリコン窒化膜の(N−H)/(Si−H)
比の値は基板側(下地側)では大きく、表面側に行くに
したがって段階的に小さくなっている。この場合におい
ても上述した実施例と同様の効果を得ることができる。
期間中SiH4流量を連続的に増加させ、N2流量を段階
的に減少させることも可能であり、逆に、SiH4流量
を段階的に増加させ、N2流量を連続的に減少させるこ
とも可能である。さらに、成膜期間中SiH4流量を一
定としてN2流量のみを連続的または段階的に減少させ
る、あるいはN2流量を一定としてSiH4流量のみを連
続的または段階的に増加させてもよい。さらに、成膜期
間中SiH4流量およびN2流量を共に連続的または段階
的に増加させても、SiH4流量およびN2流量を共に連
続的または段階的に減少させても、成膜後の(N−H)
/(Si−H)比の値が基板側から表面側にかけて連続
的または段階的に減少するよう諸条件を設定しさえすれ
ば、本発明を達成することができる。要は、成膜後の
(N−H)/(Si−H)比の値が基板側から表面側に
かけて連続的または段階的に減少するようにすればよい
のである。
線層上にシリコン窒化膜を有する半導体装置において、
前記シリコン窒化膜における膜中含有水素がN−H結合
状態およびSi−H結合状態で存在し、前記N−H結合
状態の水素量と前記Si−H結合状態の水素量との比で
ある(N−H)/(Si−H)の値を前記シリコン窒化
膜の表面側で基板側より小さくしているので、応力が小
さく耐湿性に優れたパッシベーション膜を、製造工程が
簡単な単層で得ることができる。また本発明において
は、前記半導体装置において、前記シリコン窒化膜はE
CR−CVD法により形成しているので、パッシベーシ
ョン膜を水素含有量が少なくなるように得ることができ
るので、特性及び信頼性の非常に優れた半導体装置を得
ることができる。
図である。
R−CVD法により形成したシリコン窒化膜の赤外吸収
スペクトルである。
コン窒化膜中におけるN−H結合状態の水素量とSi−
H結合状態の水素量、N−H結合状態とSi−H結合状
態の水素量の総和、および(N−H)/(Si−N)比
の値の関係を示すグラフである。
マイクロ波電力に対するシリコン窒化膜中におけるN−
H結合状態の水素量とSi−H結合状態の水素量、N−
H結合状態とSi−H結合状態の水素量の総和、および
(N−H)/(Si−N)比の値の関係を示すグラフで
ある。
T−IR測定器によるP=Oの二重結合のピークを示し
たものである。
ク面積残存率の関係を示すグラフである。
窒化膜の応力および耐湿性の関係を示すグラフである。
するSiH4流量およびN2流量の関係を示すグラフであ
る。
方向における(N−H)/(Si−H)の比の値を示す
グラフである。
間に対するSiH4流量およびN2流量の関係を示すグラ
フである。
の膜厚方向における(N−H)/(Si−H)の比の値
を示すグラフである。
Claims (6)
- 【請求項1】金属配線層上にシリコン窒化膜を有する半
導体装置において、前記シリコン窒化膜における膜中含
有水素がN−H結合状態およびSi−H結合状態で存在
し、前記N−H結合状態の水素量と前記Si−H結合状
態の水素量との比である(N−H)/(Si−H)の値
が前記シリコン窒化膜の表面側で基板側より小さいこと
を特徴とする半導体装置。 - 【請求項2】前記(N−H)/(Si−H)の比の値が
基板側から表面側にかけて連続的または段階的に減少し
ていることを特徴とする請求項第1項記載の半導体装
置。 - 【請求項3】前記シリコン窒化膜はECR−CVD法に
より形成したことを特徴とする請求項第1項、または第
2項に記載の半導体装置。 - 【請求項4】前記シリコン窒化膜はパッシベーション膜
であることを特徴とする請求項第1項、第2項または第
3項に記載の半導体装置。 - 【請求項5】前記シリコン窒化膜における膜中含有水素
量の総数が3×1022個/cm 3 以下であることを特徴
とする請求項第1項、第2項、第3項、または第4項に
記載の半導体装置。 - 【請求項6】前記シリコン窒化膜における結合状態によ
る水素含有量の比(N−H)/(Si−H)の値が基板
側で4以上であり、表面側で2以下であることを特徴と
する請求項第1項、第2項、第3項または第4項に記載
の半導体装置。
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