JP3262334B2 - 半導体ウエハーを処理する方法 - Google Patents

半導体ウエハーを処理する方法

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Description

【発明の詳細な説明】 この発明は、半導体ウエハーを処理する方法に関し、
そして特に、限定するものではないが、平面化処理とし
て知られていることに関する。
短絡回路を防止するために導電層間に絶縁材料の層を
設けることは半導体産業においては通常に行われている
こともある。もしも絶縁材料の層が通常の方法で単純に
蒸着されるならば、その層の起伏は、その層が絶縁の対
象として設計されている金属導電体の上が蒸着洩れとな
る程に大きくなり始める。処理後ほぼ平坦な層がウエハ
ーの頂上面上に存在するように、導電体間の溝や谷間を
導電体の頂上面より上の高さにまで充填する方法によっ
てこの問題を克服するために、種々の技術が開発されて
いる。そのような技術の一例は、その表面を平滑にする
ため複数のポリイミド層の上でスピン回転させることで
ある。但し、実際問題として、狭い溝は不完全に充填さ
れる傾向があり、広い谷間は十分には平らにされない。
素子の二次元寸法が小さいと、これらの問題は強調され
る。
一つの観点から言えば、本発明は、一般式Six（OH）
ｙまたはSixHy（OH）ｚを有する液状の短鎖ポリマーを
ウエハー上に蒸着させて、ほぼ平面である層を形成する
ことを含む半導体ウエハーを処理する方法に在る。
液状のポリマーという上記の言及は、それが蒸着の瞬
間においては気体でもなく、固化してもいないことを単
に示すことを意図するだけである。
一つの観点から言えば、本発明は、シリコン含有のガ
スまたは蒸気と過酸化結合を有する化合物とを蒸気の形
でチャンバー内に導入し、シリコン含有のガスまたは蒸
気と上記の化合物とを反応させて短鎖ポリマーを形成さ
せ、そしてウエハー上にポリマーを凝結させてほぼ平坦
な層を形成させることを含むチャンバーで半導体ウエハ
ーを処理する方法にその本質が在る。
上記のシリコン含有のガスまたは蒸気は、無機物でよ
く、望ましくはシランまたはハイヤーシラン（シリコン
ハイヤー ハイドライド）であり、例えば窒素などの
不活性キャリアガスと共にチャンバー内に導入してもよ
い。前記の化合物は、例えば、過酸化水素またはエタン
ジオールであってもよい。
前記の方法は、さらに、層から水及び／またはOHを除
去することを含んでいてもよいし、例えば、その層を低
圧下に1.5分から2.5分間曝してもよいし、および／また
は、層を40℃から120℃に加熱することができる低エネ
ルギー密度プラズマに曝してもよい。
前記の方法は、更に、そのポリマーの蒸着の前に下部
層を形成または蒸着させることを含んでもよい。この下
部層は二酸化シリコンであってもよく、また、1000から
3000オングストロームの間の厚みとすることができる。
例えば2000オングストロームの厚みであっても良い。そ
の下部層は便宜上プラズマ強化化学蒸着法により蒸着し
てもよい。その下部層とそのウエハーとの何れかまたは
何れも、汚れを除去するために例えばプラズマにより予
備処理してもよい。その場合、活性ガスとして例えば酸
素を用いたプラズマで予備処理してもよい。
同様に、前記の蒸着ポリマー層の表面は、そのポリマ
ー内の鎖の伸張と架橋結合とを高めるために、活性酸素
ガスを用いたプラズマ内で処理してもよい。このガス
は、例えば酸素、窒素または過酸化水素蒸気でもよい
し、そして他のガスが適切であるかも知れない。前記の
プラズマは、架橋結合を高める加熱効果を有するが、種
々のガスからの放射効果があっても良い。この鎖式結合
は前記のポリマー層を紫外線、ｘ線、或はイオン衝撃に
曝すことにより択一的に触媒効果を受けることがある。
しかしながら、多くの応用において、鎖式結合の加速は
好ましくなく、逆に激しい鎖式結合が起こる前にポリマ
ー分子粒を安定させることが望ましい。
前記の方法は蒸着層の表面上にキャップ層を蒸着また
は形成するステップを更に含んでもよい。このキャップ
層は二酸化シリコンであってもよい。このキャップ層
は、縮合反応の一部が起こり、そして水がその層から除
去された後に、蒸着される。
前記の方法は更に前記のポリマー層を加熱するステッ
プを含むことができ、そしてこの加熱はキャップ層の形
成の後に行うのが望ましい。前記のポリマー層は、50−
70分間、180−220℃に加熱してもよい。例えば、60分
間、220℃に加熱されても良い。次いでその層を周辺温
度にまで十分に冷却させ、その後、30−50分間、430−4
70℃に再加熱してもよい。例えば、二回目の加熱は450
℃で40分間継続しても良い。実際に、この二回目の加熱
で十分であろうし、それは、加熱炉、加熱ランプ、ホッ
トプレートまたはプラズマ加熱を用いて行ってもよい。
１つの好適な順序としては、キャップ層が高温度にお
いて蒸着出来るようにするために、キャップ処理の前
に、ポリマー層を200−450℃に加熱してもよい。但し、
キャップ層は一回またはそれ以上のステップで蒸着でき
る。例えば、平面化層の温度で蒸着される「冷間」キャ
ップ処理層形成ステップ、およびその後に続く、ポリマ
ー層を上述のように最初に200−450℃に加熱した状態で
行う熱間キャップ処理層形成ステップなど、 前記の過酸化水素の密度は、1.20−1.35gms/ccの範囲
でよく、そして1.25gms/ccの密度が特に望ましい。過酸
化水素は、チャンバー内に導入される時には45％から55
％濃度であるのが望ましく、50％濃度であるのが特に好
ましい。
ポリマー層の蒸着中、チャンバー内の雰囲気温度は０
−80℃の範囲内にあっても良いが、ウエハー用プラテン
は０℃またはポリマーの蒸気状態における露点以下であ
るのが望ましい。低圧もまた望ましいが、低温であるこ
とが必要である（例えば、400mT、−10℃）。
プラテンの加熱を避けるために、ウエハーは加熱を含
む各処理ステップ毎にプラテンから持ち上げられるのが
望ましい。
前記の方法は、平面化処理またはギャップ充填を達成
するために使用できる。この後者の場合には、チャンバ
ー雰囲気温度は、好都合なことに、より高くてもよい。
本発明は、上記方法のいずれかにより処理されたウエ
ハーや上記方法により形成されたポリマー層を含む半導
体素子をも包含している。
本発明は種々の方法で実行することができ、そして特
定の形態が次の図を参考にして実例によって説明され
る； 図１は処理方法を実行するための装置の略図である； 図2Aと2Bは前記の方法により処理されたウエハーの断
面の拡大写真である；そして 図3AからＥはその処理プロセスのステップを概略的に
例示するものである。
半導体ウエハーを処理するための装置は図１の10で概
略的に例示される。お分かりのように本発明を理解する
ために特に必要とされる特徴のみが説明され、例示され
ている。このような装置の全体構成は当業者には良く知
られている。
このように、装置10は二重シャワーヘッド12とウエハ
ー支持台13とを有するチャンバー11を含む。上記のシャ
ワーヘッド12はRF電源14に接続されて一方の電極を形成
し、同時に、その支持台13は接地されて他の電極を形成
する。あるいは、RF電源14が支持台13に接続され、シャ
ワーヘッド12が接地されても良い。シャワーヘッド12は
別々の導管（供給源）15と16によりN2または他の不活性
キャリアガスと混合したSiH4の供給源、およびH2O2の供
給源16にそれぞれ接続される。そのキャリアガスはその
装置の動作を容易にするために便宜上使用される。その
プロセスはキャリアガス無しでも実行可能であると考え
られる。
その供給源16はH2O2の貯蔵タンク17、汲出管18、ポン
プ19及びH2O2を蒸気化するためのフラッシュヒーター20
とを含む。
その装置は、使用時、半導体チップの局部または全面
の平面性を得るためまたは「ギャップ充填」のために、
最初は液状の短鎖無機ポリマーを半導体チップ上の接合
点間に蒸着させるように配置される。そのポリマーは、
シランと過酸化水素とを蒸気状でチャンバー内、特に両
電極間に導入し、そしてそれらをチャンバー内、特に両
電極間で自然反応させることにより形成される。結果と
して生じるポリマーが一度ウエハー上に蒸着たとき、そ
の粘度は、大小両方の表面形状またはギャップを充填
し、そして全体として自ら平坦になる程度の粘度である
ことが分かった。ポリマー化が起こる時に効果的に安定
化プロセスが起ると信じられている。完全ポリマー化の
前の安定化がより多く起こる程、割れの可能性はより少
なくなる。非常に小さな寸法のギャップは充填でき、そ
してこれらのギャップはその充填層特性の故に、状況に
よっては、内曲（re−entrant）さえも可能である。
前述のように、ポリマー内の鎖は、放置すれば緩やか
に延び、架橋結合する。状況によっては、プラズマ処理
によりこのプロセスを加速することが望ましい。この処
理は紫外線放射を生成する。そして鎖の延長と架橋結合
の速度とを増加させる原因はこの放射であると信じられ
ている。故に、他の形式の放射処理を同様に適用しても
よい。例えば、全ての不活性ガス、または、水素、窒素
または酸素を含有するガスなど、種々のガスがこの段階
で使用するのに適しているかも知れない。
良質のフィルムを得るために、初期の段階でそのフィ
ルムから出来るだけ多くの水とOHとを除去することが望
ましい。この事は、その層を低圧下に曝してその層から
水を排出させ、次いで、その層を40℃から120℃の間の
温度に加熱することにより行うことができる。ポンプ22
はチャンバー圧力を低減するために準備されている。
しかしながら、ポリマー層を完全に固化させるために
は、その層がより強烈な加熱処理を施されることが一般
に必要であることが分かっている。多くの例では先にポ
リマー上にキャップ層を蒸着することが必要または望ま
しい。こうする事が架橋反応中ポリマー層の機械的安定
性を提供するのに役立っていると信じられている。その
層が加熱中に水を失う速度を制御し、その事が収縮や割
れへの影響を制御することに役立っているものと思われ
る。
適切なキャップ層は二酸化シリコンである。
キャップ処理後の熱処理段階には、架橋反応の副生物
である過剰な水をその層から除去することが含まれる。
焼成はSiOH結合をも除去する。水が除去される速度は重
要である可能性あり、水を除去する幾つかの方法が成功
している。一つの適切な工程は、層を200℃で60分間焼
成し、それを雰囲気温度まで冷却し、それから450℃で4
0分間それを再焼成するステップを含む。マイクロ波加
熱もまた成功している。450℃での単純な焼成もまたし
ばしば十分であるが、あるいは、その焼成は次のステッ
プに置き換えても良い： 1.20−40℃で蒸着された2000オングストロームの「冷
間」キャップ。
2.温度を300−400℃まで昇温するN2O内でのプラズマ加
熱処理。
3.4000−6000オングストロームの「熱間」キャップが蒸
着される。
あるいは、ある場合には、300−400℃で蒸着される一
段階「熱間キャップ」でも十分である。
下の基板材料へのポリマー層の接着が例えば二酸化シ
リコンなどの下部層を蒸着することにより強化できるこ
とが分かった。典型的には、この下部層は2000オングス
トローム程度の厚みであり、それはプラズマ強化化学蒸
着により設けてもよい。尚、下部層を蒸着する場合、あ
らかじめ基板（ウエハー）を40℃から120℃の間の温度
に予備加熱するのが望ましい。
実際に蒸着された層の例が図2Aと2Bの写真に例示され
ている。層21の上部表面は、大きく拡大されているにも
関わらず、ほぼ平面であることが分かる。
SiH4は特にうまく行うことが判明したが、その方法は
大部分のシリコン含有のガスまたは蒸気を用いて適用す
ることが可能であると考えられている。ある程度適切な
ポリマーはいかなる濃度または密度のH2O2ででも得られ
ることが出来るが、密度範囲1.20−1.35gms/ccが特にう
まく行くことが分かっている。最も好適なH2O2密度は1.
25gms/ccである。50％のH2O2濃度は非常に効果的である
が、好ましい濃度はその目的が平面化かまたはギャップ
充填かのいずれかを達成するためのものであるかにより
異なると考えられている。H2O2がSiH4よりも多く供給さ
れることが好ましく、そしてH2O2:SiH4の比率が3:1程度
であることが特に好ましい。
ウエハーを処理段階の間でチャンバーから取り出す必
要がある場合、ウエハーをチャンバー内へ戻すさいに
は、露出表面から全ての有機物または他の汚染物質を除
去するために、露出表面を予備処理することが望まし
い。
図3AからＥまでは、好適な処理工程を概略的に例示
し、そして、考えられる化学反応を示す。少なくとも幾
つかの工程段階の間でチャンバーをH2O2で洗浄すること
が有益であろう。
プラテン即ち支持台13は約０℃に保つことが望ましい
ので、ウエハーは、ウエハーの熱が支持台13にあまり伝
達されないように、各加熱プロセス毎に支持台13より上
に持ち上げる事ができる。これはウエハー搭載装置21a
を中間位置23に配置することにより達成できる。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (31)優先権主張番号 ９２２１５２０．１ (32)優先日 平成４年10月14日(1992．10．14) (33)優先権主張国 イギリス（ＧＢ） (56)参考文献 特開 昭62−96674（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−110642（ＪＰ，Ａ) 国際公開92／12535（ＷＯ，Ａ１) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H01L 21/316

Claims (39)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】半導体ウエハーの処理方法において、チャ
    ンバー内にウエハーを配置し、チャンバー内にシリコン
    含有のガスまたは蒸気と過酸化結合を含む化合物を蒸気
    の形で導入し、シリコン含有のガスまたは蒸気を上記の
    化合物と自然に反応させてウエハー上に短鎖ポリマーを
    形成し、ほぼ平面の層を形成することを含むことを特徴
    とする半導体ウエハーの処理方法。
  2. 【請求項２】シリコン含有のガスまたは蒸気がシランま
    たはハイヤーシランであることを特徴とする請求項１に
    記載の方法。
  3. 【請求項３】上記の化合物が過酸化水素またはエタンジ
    オールであることを特徴とする請求項１に記載の方法。
  4. 【請求項４】前記の層からさらに水および／またはOHを
    除去することを更に含むことを特徴とする請求項１に記
    載の方法。
  5. 【請求項５】水および／またはOHを除去するステップが
    前記の層を低圧下に曝すことを含むことを特徴とする請
    求項４に記載の方法。
  6. 【請求項６】前記の層が1.5から2.5分間低圧下に曝され
    ることを特徴とする請求項５に記載の方法。
  7. 【請求項７】水および／またはOHの除去ステップが前記
    の層が低エネルギー密度プラズマに曝すことを含むこと
    を特徴とする請求項４に記載の方法。
  8. 【請求項８】プラズマが40℃から120℃の間の温度に前
    記の層を加熱することを特徴とする請求項７に記載の方
    法。
  9. 【請求項９】ポリマー層の蒸着の前に下部層を形成また
    は蒸着することを更に含むことを特徴とする請求項１に
    記載の方法。
  10. 【請求項１０】下部層が化学蒸着法により蒸着されるこ
    とを特徴とする請求項９に記載の方法。
  11. 【請求項１１】ウエハーが下部層の蒸着の前に予備加熱
    されることを特徴とする請求項10に記載の方法。
  12. 【請求項１２】実質的に全ての水がポリマー層から除去
    された後にポリマー層上にキャップ層を蒸着させるステ
    ップを更に含むことを特徴とする請求項４に記載の方
    法。
  13. 【請求項１３】キャップ層がSiO2であることを特徴とす
    る請求項12に記載の方法。
  14. 【請求項１４】キャップ層が蒸着された後にウエハーを
    加熱処理するステップを含むことを特徴とする請求項12
    のいずれかに記載の方法。
  15. 【請求項１５】ウエハーがシリコン含有蒸気の露点以下
    に維持されたプラテン上に配置されることを特徴とする
    請求項１に記載の方法。
  16. 【請求項１６】ウエハーがそのウエハーの加熱を伴うま
    たは引き起こす全ての処理ステップの間プラテンから離
    して持ち上げられることを特徴とする請求項15に記載の
    方法。
  17. 【請求項１７】持ち上げられる位置がプラテンとウエハ
    ー搭載／非搭載位置との間に在ることを特徴とする請求
    項16に記載の方法。
  18. 【請求項１８】前記の化合物が45％から55％の間の濃度
    の過酸化水素であることを特徴とする請求項１に記載の
    方法。
  19. 【請求項１９】過酸化水素の濃度が50％であることを特
    徴とする請求項18に記載の方法。
  20. 【請求項２０】シリコン含有のガスまたは蒸気と前記の
    化合物とが化学蒸着プロセスで反応することを特徴とす
    る請求項１に記載の方法。
  21. 【請求項２１】前記の反応が電極間で起き、そして前記
    のシリコン含有のガスまたは蒸気と前記の化合物とがそ
    れらが電極間に導入されるまで各々別に保たれることを
    特徴とする請求項20に記載の方法。
  22. 【請求項２２】前記のガスがSiH4であり、前記の化合物
    がH2O2であり、そしてSiH4よりも多くのH2O2が在ること
    を特徴とする請求項１に記載の方法。
  23. 【請求項２３】H2O2:SiH4の比率が3:1程度であることを
    特徴とする請求項22に記載の方法。
  24. 【請求項２４】チャンバーは少なくとも二つ以上の工程
    ステップの間で前記の化合物によって洗浄されることを
    特徴とする請求項１に記載の方法。
  25. 【請求項２５】半導体ウエハーの処理方法において、チ
    ャンバー内にウエハーを配置し、チャンバー内にシリコ
    ン含有のガスまたは蒸気と過酸化結合を含む化合物を蒸
    気の形で導入し、ガスまたは蒸気と化合物は自然に反応
    して短鎖ポリマーを形成することが可能であり、そし
    て、シリコン含有のガスまたは蒸気を上記の化合物と反
    応してウエハー上に短鎖ポリマーを形成してほぼ平面の
    層を形成することを含むことを特徴とする半導体ウエハ
    ーの処理方法。
  26. 【請求項２６】チャンバー内における半導体ウエハーの
    処理方法であって、チャンバー内にシリコン含有のガス
    または蒸気と過酸化水素とを蒸気の形で導入し、シリコ
    ン含有の無機ガスまたは蒸気と過酸化水素とを反応させ
    てウエハー上に短鎖の無機流動性ポリマーを形成し、ほ
    ぼ平面の層を形成することを含むことを特徴とする半導
    体ウエハーの処理方法。
  27. 【請求項２７】クレーム26の方法において、シリコン含
    有ガスまたは蒸気がSiH4で在ることを特徴とするクレー
    ム26の方法。
  28. 【請求項２８】クレーム26の方法において、さらに、ポ
    リマー形成の前にウェーハ上に下層を形成することを含
    むことを特徴とするクレーム26の方法。
  29. 【請求項２９】クレーム28の方法において、下層が二酸
    化珪素であることを特徴とするクレーム28の方法。
  30. 【請求項３０】クレーム28の方法において、下層が1000
    Åと3000Åの間の厚さであることを特徴とするクレーム
    28の方法。
  31. 【請求項３１】クレーム29の方法において、下層が1000
    Åと3000Åの間の厚さであることを特徴とするクレーム
    29の方法。
  32. 【請求項３２】クレーム26の方法において、さらに、ポ
    リマーを酸素ガス中で処理してポリマー中の鎖を長くし
    且つ架橋させることを含むことを特徴とするクレーム26
    の方法。
  33. 【請求項３３】クレーム26の方法において、さらに、ポ
    リマーを紫外線、Ｘ−線およびイオン照射の内の少なく
    とも一つに曝してポリマー中の鎖結合反応に触媒作用を
    及ぼすことを含むことを特徴とするクレーム26の方法。
  34. 【請求項３４】クレーム26の方法において、さらに、ポ
    リマーの上にキャップ層を形成することを特徴とするク
    レーム26の方法。
  35. 【請求項３５】クレーム34の方法において、キャップ層
    が二酸化珪素であることを特徴とするクレーム34の方
    法。
  36. 【請求項３６】クレーム34の方法において、キャップ層
    の形成の後にポリマーを加熱することを含むことを特徴
    とするクレーム34の方法。
  37. 【請求項３７】クレーム35の方法において、キャップ層
    の形成の後にポリマーを加熱することを含むことを特徴
    とするクレーム35の方法。
  38. 【請求項３８】クレーム26の方法において、シリコン含
    有ガスまたは蒸気と過酸化水素とがチャンバー内で自然
    に反応することを特徴とするクレーム26の方法。
  39. 【請求項３９】クレーム38の方法において、シリコン含
    有ガスまたは蒸気がSiH4であることを特徴とするクレー
    ム38の方法。
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