JP3331795B2

JP3331795B2 - 段差基体の平坦化方法

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Publication number: JP3331795B2
Application number: JP33872694A
Authority: JP
Inventors: 雅和室山
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 1994-09-06
Filing date: 1994-12-29
Publication date: 2002-10-07
Anticipated expiration: 2017-10-07
Also published as: JPH08130199A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、半導体装置の製造に
適用して好適な段差基体の平坦化方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体装置の製造において、デバイスの
大容量化に伴い、多層配線技術が重要である。すなわ
ち、この多層配線技術は集積回路における配線を多層化
し、基板等の基体内に配置された各素子間の結合に自由
度を与え、高密度のデバイスを形成させるものである。

【０００３】この多層配線技術においては、多層配線の
段切れ（断線）を防止するための段差部の平坦化が重要
である。

【０００４】平坦化技術として近年、段差基体上にＣＶ
Ｄ法により層間絶縁膜を形成した後、塩基性溶液中でシ
リコン酸化物の微粒子を用いた機械的化学的研磨技術が
報告されている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところで、層間絶縁膜
として引張応力を有する層間絶縁膜を用いた場合には、
上述の機械的化学的研磨時に発生する微細なスクラッチ
（引っかき疵）に引張応力が集中し、層間絶縁膜にクラ
ックが発生することが報告されている。この問題を回避
するために引張応力とは逆の圧縮応力を有する層間絶縁
膜を更に堆積し、この層間絶縁膜を研磨する手法が考案
されている。この内容は例えば第４１回応用物理学会学
術講演会予稿集３０ａ−ＺＷ−５に記載されている。

【０００６】また、近年、厚膜化が可能なことやＶＩＡ
ホール（コンタクトホール）からの脱離ガスが起こらな
いことから、例えばヒドロキシシラザンを用いた所謂ス
ピンオングラス法（ＳＯＧ法）による層間絶縁膜（ＳＯ
Ｇ膜）の形成方法が提案されている。本ＳＯＧ膜は上記
特性を有しているために研磨プロセスと併用することに
より、チップ全面にわたる平坦化絶縁膜の形成方法とし
て注目されている。ＳＯＧ膜を用いた平坦化技術につい
ては第５４会応用物理学会学術講演会予稿集２９ａ−Ｘ
−１０に記載されている。

【０００７】しかし、本ＳＯＧ膜は、ＳＯＧ法において
スピンコート後に水蒸気アニールによる酸化反応により
安定な酸化膜に変化させた層間絶縁膜として形成される
が、水蒸気アニールにより膜応力が引張応力となり、上
述のように研磨時にクラックが生じる問題があった。

【０００８】また、これまでに各種の層間絶縁膜の形成
技術及び平坦化技術が開発されてきたが、微細化、多層
化した配線層に適用した場合、配線間隔が広い場合の平
坦性の不足や配線間隔における層間膜でのボイドの発生
により配線間における信頼性不良が重要な問題になって
いる。このようなボイドを発生しない埋め込み特性が優
れたＣＶＤ法としてのバイアスＥＣＲ（エレクトロンサ
イクロトロン共鳴）ＣＶＤ法が知られているが、この方
法による層間絶縁膜の形成では膜質及び平坦性を維持す
るために、基体温度を均一化すると共に、高周波電力を
印加するために設置してある下部電極に密着させる必要
がある。

【０００９】そのため、ウエハー（シリコン基板とその
上の配線等の段差基体を含む）の保持方法としてクラン
プ方法が提案されている。クランプ方法については半導
体基体の周辺部を機械的に保持する方法であり、従来か
ら種々の方法が提案されている。この方法では、クラン
プ部の稼働によりクランプ上に成膜された膜が剥離し、
パーティクルが発生することが確認されている。ウェハ
ー周辺での下部電極の密着性は良好であるが、中心部で
は逆に密着性が劣化する傾向があり、温度分布の劣化の
原因となる。

【００１０】そのため、クランプ方法に代わるウェハー
保持方法として静電チャック方法が提案されている。静
電チャック方法は下部電極に電荷を発生させ、その静電
力によりウェハーを保持する方法であり、ウェハー全面
に、しかも均一に保持力が働くために温度の均一性が高
く優れた保持方法と考えられている。

【００１１】しかし、半導体基体を高温に保持し、しか
も高周波電力の印加の必要性から下部電極の構造が複雑
になる。

【００１２】そこで、この発明は、パーティクルやクラ
ック等が発生しない膜質の良好な平坦化絶縁膜を得るこ
とが可能な段差基体上の平坦化方法を提供することを目
的とする。また、この発明は簡単な方法でウェハー温度
を均一にして平坦化絶縁膜を得ることが可能な段差基体
上の平坦化方法を提供することを目的とする。

【００１３】

【課題を解決するための手段】上述した課題は、段差基
体上に絶縁膜を形成し、この絶縁膜に圧縮応力を付与す
る熱処理工程を行った後、該絶縁膜の少なくとも一部を
研磨することによって該絶縁膜を平坦化する工程を有す
る段差基体の平坦化方法であって、この段差基体にプラ
ズマ処理を行うことを特徴とする段差基体の平坦化方法
によって解決される。

【００１４】

【００１５】

【作用】本発明によれば、段差基体上にヒドロキシシラ
ザン等を用いたスピンオングラス絶縁膜を形成し、その
絶縁膜の少なくとも一部を研磨して段差基体を平坦化す
る際に、研磨時には絶縁膜にクラックが発生しないよう
に研磨前に無水雰囲気で酸化して、絶縁膜の膜応力を圧
縮応力とした後に研磨工程で平坦化するため、研磨時に
絶縁膜にクラックが生じることが抑制される。無水雰囲
気においては絶縁膜中の溶媒の除去は円滑に進行するも
のの、スピンオングラス膜中に存在するＳｉＮ結合の分
解及び再酸化反応は共に進行しないために膜応力は圧縮
応力を示す。

【００１６】また、本発明によれば、上述の段差基体を
平坦化する際、絶縁膜を研磨した後、水蒸気あるいは過
酸化水素の強酸化性雰囲気で熱処理（酸化）を行うた
め、スピンオングラス膜中のＳｉＮ結合の分解及び再酸
化反応が円滑に進行し、膜が緻密化され所望の平坦化膜
が得られる。なお、この研磨後の再酸化反応では絶縁膜
の膜応力は引張応力に転移する。

【００１７】また、本発明によれば、プラズマ中で解離
したガスがイオン化され基体に衝突するため、この衝突
による運動エネルギーによって基体温度が所定温度に加
熱保持される。

【００１８】

【実施例】続いて、本発明の実施例を図面に基づいて詳
細に説明する。図１及び図２は本発明に係る段差基体の
平坦化方法の一実施例を示すそれぞれ工程断面図（Ｉ）
及び（II）である。本実施例は半導体集積回路（ＩＣ）
製造の際に、段差を有する基体であるシリコン基板上に
平坦な絶縁膜を形成する工程を示したものである。

【００１９】まず、図１（ａ）に示すように、シリコン
基板１の上に約６００ｎｍの厚さのＳｉＯ₂からなる層
間絶縁膜２及び約６００ｎｍの厚さのＡｌ配線層３が形
成されたウェハーを用意した。このウェハーはＡｌ配線
層３が層間絶縁膜２上で段差を形成している。本実施例
ではシリコン基板１、層間絶縁膜２及びＡｌ配線層３に
よって段差基体が構成される。

【００２０】次に、図１（ｂ）に示すように、次工程で
形成する平坦化用の層間絶縁膜の膜質を補う目的で１０
０ｎｍ程度の薄い層間絶縁膜４を段差基体上にＣＶＤ法
で形成した。

【００２１】その後、図１（ｃ）に示すようにスピンオ
ングラス（ＳＯＧ）法により、平坦化用の層間絶縁膜
（ＳＯＧ膜）５を約１０００ｎｍの厚さに下記の条件で
形成した。

【００２２】材料溶質ヒドロキシシラザン溶媒メチルイソブチルケトン固形分１４％形成条件回転数４０００ｒｐｍ加熱条件１５０℃ ６０ｓｅｃ層間絶縁膜５を形成後、無水窒素雰囲気で４５０℃の温
度で３０分間熱処理を行うことによって酸化して膜応力
を圧縮応力とすると共に、膜中の水分を除去した。

【００２３】次に、図２（ａ）に示すように、ＳＯＧ膜
である層間絶縁膜５を下記に説明する研磨方法により平
坦化し、平坦層間絶縁膜５ａを形成した。この平坦化工
程では段差部７には層間絶縁膜５を埋め込み、Ａｌ配線
３上方に厚さ約１００ｎｍの層間絶縁膜５ａを残存させ
た。

【００２４】上述の平坦化工程に使用した研磨装置を図
３に示す。１３は上面が円形状の研磨プレート、１２は
スラリー導入管１１から導入されたスラリーであり、研
磨材料である。なお、研磨プレート１３上面には円形パ
ッド１８が配されている。１４は研磨プレート回転軸で
あり、研磨プレート１３を矢印方向に回転する。１５は
ウェハーであり、ウェハー保持試料台１６に配されてい
る。ウェハー保持試料台１６はウェハー保持試料台回転
軸１７により矢印方向に回転する。ウェハー１５はウェ
ハー保持試料台（キャリアー）１６に真空チャック方式
により固定される。一方、研磨プレート（プラテン）１
３上にはパッド１８が固定されており、スラリー導入管
１１からスラリー１２が供給される。ポリッシュ処理中
は上部のウェハー保持試料台回転軸１７及び研磨プレー
ト回転軸１４を回転することにより、ウェハー面内のポ
リッシュの均一性を確保している。

【００２５】なお、本実施例では枚葉式の研磨装置を使
用したが、ウェハー載置の構成や使用方法の工夫につい
ては、特に限定されるものではない。また、研磨時のウ
ェハーの押し付け圧力については、ウェハー保持試料台
１６に加える力を制御することにより行う。

【００２６】この研磨装置を用いて層間絶縁膜５を平坦
化（研磨）した研磨条件を以下に示す。

【００２７】

【００２８】このようにして層間絶縁膜５を平坦化した
後、水蒸気の強酸化性雰囲気において、４５０℃の温度
で３０分間再酸化反応のための熱処理を施し、層間絶縁
膜５の緻密化を行った。この再酸化工程で膜応力は引張
応力に転移する。

【００２９】最後に、平坦化膜として必要な膜厚を得る
ために、通常のＣＶＤ法により層間絶縁膜５ａ上に厚さ
約２００ｎｍのＳｉＯ₂からなる層間絶縁膜６を形成し
て平坦化が完了する（図２（ｂ））。

【００３０】上述の実施例の他に、無水酸素雰囲気で圧
縮応力に制御した後、研磨により絶縁膜を平坦化する。
その後、過酸化水素雰囲気で熱処理を行い、再酸化によ
り膜の緻密化を達成することができる。

【００３１】続いて、ＥＣＲプラズマＣＶＤ装置を用い
て段差基体を所定温度に保持して絶縁膜を緻密に平坦性
よく形成する実施例を説明する。

【００３２】図４は本実施例で使用したＥＣＲプラズマ
ＣＶＤ装置の模式構成図である。図において、２０はプ
ラズマ発生室、２１はＣＶＤ成膜を行う反応室、２４は
段差基体（ウェハー上に段差が配されたもの）、２５は
段差基体２４を支持し、ヒーター２８を内蔵した下部電
極、２６はＲＦ電源であり下部電極２５に接続されてい
る。２９はＥＣＲ条件を満足させるための磁石、３０は
電磁波１種、μ波３０ａを伝播させるための導波管、３
１はプラズマを発生させるためのアルゴン（Ａｒ）等の
不活性ガスでプラズマ発生室２０内に導入される。３２
はプラズマ発生室２０を周囲から冷やす冷却水である。

【００３３】このように構成されたＥＣＲプラズマＣＶ
Ｄ装置を用いて層間絶縁膜の形成に先立ち、下記の如き
Ａｒプラズマ処理条件で段差基体２４を３００℃に維持
した。この段差基体２４は本例ではシリコン基体１上に
ＳｉＯ₂からなる層間絶縁膜２及びＡｌ配線層３が形成
されたウェハーを用意した。

【００３４】上述のＥＣＲプラズマＣＶＤ装置において
基体上に絶縁膜を形成する前に反応室２１内にＡｒガス
３１を導入し、Ａｒプラズマ処理を以下の条件で行い、
段差基体２４と下部電極２５の密着性を向上させた。

【００３５】Ａｒプラズマ処理条件ガス流量Ａｒ１００ｓｃｃｍ圧力０．１Ｐａ μ波２０００ＷＲＦ１５００Ｗ時間６０秒

【００３６】その後、以下の条件で層間絶縁膜の形成を
連続的に行い、段差基体上への層間絶縁膜の平坦化が完
了する。

【００３７】成膜条件ガス流量ＳｉＨ₄／Ｎ₂Ｏ＝７０／７０ｓｃｃｍ圧力０．１Ｐａ μ波２０００ＷＲＦ２０００Ｗ時間１２０秒

【００３８】次に、上記条件により得られた層間絶縁膜
のＨＦ溶液によるエッチング速度を測定したが、基板温
度分布に起因するエッチング分布の劣化は見られず、層
間絶縁膜の膜厚が均一であることがわかる。

【００３９】続いて、以下に示す実施例は上述の実施例
と同様にＡｌ配線上に層間絶縁膜を形成する場合であ
り、プラズマ処理後の温度変化を最小にするために、ガ
ス種やその流量をできるだけ一定に保持した例である。
そのため、成膜反応に用いるＯ₂ガスを段差基体温度を
一定にするプラズマ処理にも用いて段差基体温度を２０
０℃に制御した。この段差基体も上述の例と同様の材料
構成とした。

【００４０】すなわち、本例ではこの段差基体上に層間
絶縁膜を形成する前に、反応室２１内にＯ₂ガスを導入
し、Ｏ₂プラズマ処理を以下の条件で行った。

【００４１】Ｏ₂プラズマ処理条件ガス流量Ｏ₂ １４０ｓｃｃｍ圧力０．１Ｐａ μ波２０００ＷＲＦ２０００Ｗ時間１００秒

【００４２】このようなプラズマ処理によって基板温度
を２００℃に制御し、その後、以下の条件で段差基体上
に層間絶縁膜の形成を連続的に行い、層間絶縁膜の平坦
化が完了する。

【００４３】成膜条件ガス流量ＳｉＨ₄／Ｏ₂＝７０／７０ｓｃｃｍ圧力０．１Ｐａ μ波２０００ＷＲＦ２０００Ｗ時間１２０秒

【００４４】次に、上記条件により得られた層間絶縁膜
のＨＦ溶液によるエッチング速度を測定したが、基板温
度分布に起因するエッチング分布の劣化は見られず、層
間絶縁膜の膜厚が均一であることがわかった。

【００４５】また、本発明によれば段差基体上に絶縁膜
を形成する前に段差基体にプラズマを照射して基体温度
を単独で所定温度に維持したが、プラズマ照射とヒータ
ーの使用によっても可能である。

【００４６】また、プラズマ発生装置としてマイクロ波
電子サイクロトロン共鳴プラズマ装置を用いたが、平行
平板プラズマ、誘導コイル型プラズマ、ヘリコン波プラ
ズマ及びトランス結合プラズマ等のプラズマ励起手段を
有する装置を用いることもできる。

【００４７】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
絶縁膜を所定の雰囲気下で熱処理して圧縮応力を付与
し、その後、この絶縁膜を研磨して平坦化しているた
め、研磨時における絶縁膜でのクラックの発生を抑制す
ることができる。

【００４８】また、基体上に絶縁膜を形成する前に簡単
な方法で段差基体温度を均一に保持することができ、そ
の後の段差基体上の絶縁膜形成において膜質が改善され
た平坦化膜を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る段差基体の平坦化方法の一実施例
を示す工程断面図（Ｉ）である。

【図２】本発明に係る段差基体の平坦化方法の一実施例
を示す工程断面図（II）である。

【図３】実施例で使用した研磨装置模式図である。

【図４】ＥＣＲ型プラズマＣＶＤ装置である。

【符号の説明】

１シリコン基板２層間絶縁膜３Ａｌ配線層４層間絶縁膜５層間絶縁膜（ＳＯＧ膜）５ａ平坦層間絶縁膜６層間絶縁膜１１スラリー導入管１２スラリー１３研磨プレート１４研磨プレート回転軸１５ウェハー１６ウェハー保持試料台１７ウェハー保持試料台回転軸１８研磨布（パッド）２０プラズマ発生室２１反応室２４段差基体２５下部電極２８ヒーター２９磁気コイル

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】段差基体上に絶縁膜を形成し、上記絶縁
膜に圧縮応力を付与する熱処理工程を行った後、該絶縁
膜の少なくとも一部を研磨することによって該絶縁膜を
平坦化する工程を有する段差基体の平坦化方法であっ
て、上記段差基体にプラズマ処理を行うことを特徴とする段
差基体の平坦化方法。
【請求項２】上記プラズマ処理は、上記段差基体上に
絶縁膜を形成する前にＡｒガスを導入した雰囲気下でＡ
ｒプラズマ処理によりなすことを特徴とする請求項１に
記載の段差基体の平坦化方法。
【請求項３】上記プラズマ処理は、プラズマ発生装置
を用いてプラズマ照射することにより行うことを特徴と
する請求項１に記載の段差基体の平坦化方法。
【請求項４】上記プラズマ処理は、成膜反応に用いる
Ｏ２ガスを用いて段差基体温度を一定に制御することに
適用させることを特徴とする請求項１に記載の段差基体
の平坦化方法。
【請求項５】上記プラズマ処理は、ヒータを併用する
ことによりなすことを特徴とする請求項１に記載の段差
基体の平坦化方法。
【請求項６】上記圧縮応力を付与する熱処理工程を無
水雰囲気で行うことを特徴とする請求項１に記載の段差
基体の平坦化方法。
【請求項７】上記研磨工程の後に熱処理工程を行うこ
とを特徴とする請求項１に記載の段差基体の平坦化方
法。
【請求項８】上記研磨工程後の熱処理工程を水蒸気あ
るいは過酸化水素の強酸化性雰囲気で行うことを特徴と
する請求項７に記載の段差基体の平坦化方法。