JP3488598B2 - 半導体装置の製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はバイア（ＶＩＡ）部
分の導通不良を低減できる絶縁膜を有する半導体装置の
製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、多層配線構造における層間絶縁膜
としては公知のＣＶＤ技術による絶縁膜（ＳｉＯ₂ 膜、
ＰＳＧ膜、ＴＥＯＳ（テトラエトキシシラン）膜）を使
用しているが、多層配線での段差形状を考慮して層間絶
縁膜の平担化が行われており、その結果として層間絶縁
膜構成は複雑になっている。公知の層間絶縁膜平坦化技
術として代表的なものには、ＳＯＧ（Ｓｐｉｎ ｏｎ
Ｇｌａｓｓ）中塗り法、エッチバックによる平坦化法が
ある。

【０００３】図１はＳＯＧ中塗り法を採用した半導体装
置の一例を示す。図１において、半導体基板１上に絶縁
膜２を形成し、その上に第１のメタル配線層３を形成し
た後、層間絶縁膜の下層膜４を形成する。その後、下層
膜４上に層間絶縁膜の中間層としてＳＯＧ塗布膜５を形
成し、表面を平坦化する。その後、このＳＯＧ塗布膜５
上に層間絶縁膜の上層膜６を形成した後、その上に第２
のメタル配線層７を形成する。

【０００４】また、従来プラズマＣＶＤ−ＳｉＯ層（下
層膜）／ＳＯＧ層／プラズマＣＶＤ−ＳｉＯ層（上層
膜）（以下、プラズマＣＶＤ−ＳｉＯ層をＰ−ＳｉＯ層
と呼ぶことがある）のメタル層間膜が微細化されると高
いアスペクト比のためにメタル配線３，７とのカバレッ
ジが低下する。このため、プラズマＣＶＤ−ＴＥＯＳ層
（下層膜）／ＳＯＧ層／プラズマＣＶＤ−ＴＥＯＳ層
（上層膜）（以下、プラズマＣＶＤ−ＴＥＯＳ層をＰ−
ＴＥＯＳ層と呼ぶことがある）のメタル層間膜が使用さ
れるようになった。なぜならＰ−ＳｉＯ層は空間反応に
よるためマイグレーションが低く、回り込まないため、
メタル配線層３、７とのカバレッジが悪く、表面反応で
あるマイグレーションの高いＰ−ＴＥＯＳ層を使用する
ようになった。その反面、ＳＲＡＭ製品などポリシリコ
ンの高抵抗部分を製造するプロセスではメタル層間膜中
のＳｉ−０ダングリングボンドが水素をターミネイトで
きるのでＰ−ＳｉＯなどのＯ／Ｓｉ比を変えられる材料
を使用し高抵抗部へのダメージを低減している。

【０００５】しかし、このＳＯＧ中塗りプロセスによる
と、１）ＳＯＧ膜からの吸湿、２）Ｐ−ＴＥＯＳからの
水分、という原因でＶＩＡ不良（メタル配線３、７の導
通不良）が発生する。またメタル配線層３から層間絶縁
膜層までの厚さが１４００ｎｍ以上であるとＰ−ＳｉＯ
層（下層膜）／ＳＯＧ層／Ｐ−ＳｉＯ層（上層膜）やＰ
−ＴＥＯＳ層（下層膜）／ＳＯＧ層／Ｐ−ＴＥＯＳ層
（上層膜）の積層構造では耐クラック性に劣る。

【０００６】また、一般に、デバイスとコンタクトの欠
落には３つの違った経路を通じて層間膜工程により生じ
るものがある。

【０００７】 １）低品質の酸化膜中の水素と水酸化物イオン ２）プラズマダメージ ３）金属コンククトの吸湿とその後の酸化 最初の二つは閾値電圧（Ｖｔｈ）のシフトとホットキャ
リアの欠落を引き起こし、一方、金属コンタクトの酸化
によりＶＩＡコンタクト抵抗が高くなる。そしてすぐ
に、ＶＩＡのエレクトロマイグレーションが生じる。

【０００８】また、Ｐ−ＴＥＯＳ膜やＳＯＧ膜は多孔質
で吸湿性に富んでいる。よって水溶液にさらされると水
分を吸収することはもちろん、クリーンルームの空気で
も空気にさらされるとこれら酸化膜は瞬時に空気中から
水分を吸収する。吸収された水分は、メタルコンタクト
を形成する前に、真空チャンバーで除去する。しかし、
ＶＩＡは配線上に直接に開いているので、ＶＩＡ中の空
気の排除（ポンプ引き）は必ずしもうまくいかず、コン
タクトメタル形成直前に水蒸気がメタル上に化学蒸着さ
れ、メタルが酸化される。この酸化によりコンタクト抵
抗が高くなるが、この現象はＶＩＡの導通不良として知
られている。

【０００９】以上の説明から明らかなように、ＳＯＧ中
塗り法では層間絶縁膜は３層構造で、層間絶縁膜に上層
膜と下層膜が上記のような膜構成（Ｐ−ＳｉＯ層（下層
膜）／ＳＯＧ層／Ｐ−ＳｉＯ層（上層膜）やＰ−ＴＥＯ
Ｓ層（下層膜）／ＳＯＧ層／Ｐ−ＴＥＯＳ層（上層
膜））の場合には、膜の吸湿性およびクラック性のせい
で、デバイスとのコンタクトが欠落するという問題があ
る。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】本発明はＶＩＡ部分の
導通不良を簡便に防止できる半導体装置の製造方法を提
供することを目的とする。

【００１１】

【００１２】

【００１３】

【００１４】

【００１５】

【００１６】

【００１７】

【００１８】

【００１９】

【００２０】

【００２１】

【００２２】

【課題を解決するための手段】本発明にかかる半導体装
置の製造方法の第１の態様は、基板上に絶縁膜を形成す
る工程と、前記絶縁膜上に第１のメタル配線層を形成す
る工程と、前記第１のメタル配線層および前記絶縁膜上
にプラズマＣＶＤ法によりプラズマＣＶＤ−ＴＥＯＳ層
を形成する工程と、前記プラズマＣＶＤ−ＴＥＯＳ層上
にＳＯＧ層を形成する工程と、前記ＳＯＧ層上にプラズ
マＣＶＤ法により温度３６０〜３８０℃、ＲＦパワー１
５０〜１７０ＷでプラズマＣＶＤ−ＳｉＯ層を形成する
工程と、前記プラズマＣＶＤ−ＳｉＯ層上に第２のメタ
ル配線層を形成する工程とを備えたことを特徴とする。

【００２３】 本発明にかかる半導体装置の製造方法の
第２の態様は、基板上に絶縁膜を形成する工程と、前記
絶縁膜上に第１のメタル配線層を形成する工程と、前記
第１のメタル配線層および前記絶縁膜上にプラズマＣＶ
Ｄ法により第１のプラズマＣＶＤ−ＴＥＯＳ層を形成す
る工程と、前記プラズマＣＶＤ−ＴＥＯＳ層上にＳＯＧ
層を形成する工程と、前記ＳＯＧ層上にプラズマＣＶＤ
法により温度４００〜４２０℃、ＲＦパワー４４０〜４
６０Ｗで第２のプラズマＣＶＤ−ＴＥＯＳ層を形成する
工程と、前記第２のプラズマＣＶＤ−ＴＥＯＳ層上に第
２のメタル配線層を形成する工程とを備えたことを特徴
とする。

【００２４】

【発明の実施の形態】図２を参照してバイア導通不良の
メカニズムを詳細に検討すると、次の通りである。従来
の層間絶縁膜の例としては、第１のメタル配線層として
ＭｏＳｉ−Ａｌ−ＭｏＳｉを設け、この上に設ける層間
絶縁膜の下層膜としてＰ−ＴＥＯＳ膜（Ｐ−ＴＥＯＳ
（１））４ａ、その上にＳＯＧ膜５、さらにその上に上
層膜としてＰ−ＴＥＯＳ膜（Ｐ−ＴＥＯＳ（２））６ａ
を設けた構造である。Ｐ−ＴＥＯＳ（２）／ＳＯＧ／Ｐ
−ＴＥＯＳ（１）の積層構造の層間膜は、ＳＯＧ膜５の
表面にアルコール層、吸湿層が存在し、Ｐ−ＴＥＯＳ
（２）膜６ａ自体の吸湿性も高い。これは成膜方法に起
因し、図２に示すようにＴＥＯＳ−ガスが導入されたと
きにＳＯＧ表層のアルコール中へのＴＥＯＳの溶解が起
こり、ＴＥＯＳの石化反応が阻害され、ＳＯＧ／ＴＥＯ
Ｓ界面に液相ＴＥＯＳ層６ｂが存在する。そして、エッ
チングによりＶＩＡホール８を形成後、アッシングまで
の工程でＳＯＧ／Ｐ−ＴＥＯＳ（２）の界面から上記反
応の未反応物が矢印で示すように噴出する。そしてこれ
により堆積物９がメタル配線層３上に形成されやすくな
る。

【００２５】また、Ｐ−ＴＥＯＳ（２）／ＳＯＧ／Ｐ−
ＴＥＯＳ（１）の積層構造ではＯ／Ｓｉ比が約１．４に
固定されており膜質をその含有Ｈ量で決定している。そ
のため、二次イオン質量分析計（ＳＩＭＳ（Ｓｅｃｏｎ
ｄａｒｙ Ｉｏｎ ＭａｓｓＳｐｅｃｔｒｏｍｅｔｅ
ｒ））によるＨ含有量では膜下層部分３０ｎｍに４５ａ
ｔｏｍｓ％以上、膜上層部分５０ｎｍに１２ａｔｏｍｓ
％程度の高濃度のＨ含有量が存在する。また、ＴＤＳに
よる膜質Ｈ２０の脱離ではＳＯＧ／ＴＥＯＳ（２）系は
ＳＯＧ／ＳｉＯ（２）系と比較し１５０℃付近の脱離ピ
ークが１０倍以上の粗な膜である。ＴＥＯＳは反応時に
できる中間体が液体物質である、着床後にも反応が続行
する表面反応型であるので吸湿しやすく、またＳＯＧ界
面に未反応物が接触する可能性が高い。

【００２６】本発明によれば、上述の欠点を解決するた
めに、図３に示すように、ＳＯＧ中塗り層の上に水不透
過性の絶縁膜１２を層間絶縁膜の上層膜として設ける。
すなわち、図３に示すように、層間絶縁膜を下層膜１０
と、ＳＯＧ層１１と、水不透過性の絶縁膜（上層膜）１
２とからなる３層構造とする。この場合、層間絶縁膜の
上層膜は水透過率が０．５以下であり、０．２５以下で
あるのが好ましい。水透過率が８より大きいと上述のよ
うに吸水によるデバイスとコンタクトの欠落が生じるか
らである。

【００２７】水不透過性絶縁膜を形成する一つの方法と
しては、上層膜に下層膜とは異なるＳＯＧキャッピング
材質の膜を用いる混成膜化方法がある。すなわち、上層
膜成膜時に液相部分を形成せずに上層膜のＳＯＧキャッ
ピング効果を向上することを目的に、ＳｉＨ₄ ／Ｎ₂ ０
ガス系を用いて形成したＰ−ＳｉＯ膜１３をＳＯＧの上
層膜とする（図４）。この場合、Ｐ−ＳｉＯ膜のＯ／Ｓ
ｉ比が１〜２、好ましくは１．４〜１．５である。Ｏ／
Ｓｉ比が１より小さいと耐クラック性が低下し、２より
大きいと水透過率が大きくなる。

【００２８】 もう一つの方法としては、上層膜を硬質
膜化する方法がある。これは、下層膜１０およびＳＯＧ
膜１１は上述の図４に示す場合と同じであるが、図５に
示すように上述のＰ−ＳｉＯと同等なＳＯＧキャッピン
グ効果のある硬質Ｐ−ＴＥＯＳ膜１４を上層膜として形
成することである。この場合、硬質Ｐ−ＴＥＯＳ膜中の
水素濃度は１．５Ｅ２１／ｃｍ ^３ 以下、好ましくは１．
３Ｅ２１／ｃｍ^３ 以下である。

【００２９】さらに従来、Ｐ−ＴＥＯＳ（１）の圧縮応
力が０．２〜０．４Ｅ９ｄｙｎｅ／ｃｍ2 であるのに対
して、ＳＯＧベーク時の引っ張り応力は−１Ｅ９ｄｙｎ
ｅ／ｃｍ2 でありクラックピンホールが発生する。した
がってクラックの防止のためＰ−ＴＥＯＳ（１）を緻密
化するために、表面吸湿層を形成させない下層膜１０と
すること、Ｐ−ＴＥＯＳ（１）の内部応力を１桁向上し
て２Ｅ９〜４Ｅ９ｄｙｎｅ／ｃｍ² とした緻密な下層膜
１０にすることが好ましい。ＳＯＧ膜は通常内部応力が
６×１０⁷ 〜５×１０⁸ ｄｙｎｅ／ｃｍ² であるのが好
ましい。

【００３０】図６にＰ−ＴＥＯＳ膜の吸湿構造モデルを
示す。（Ａ）はＴＤＳ測定によるパイログラムであり、
（Ｂ）は吸湿モデルを示す模式図である。ＴＤＳ（昇温
脱離ガス分析装置）のＨ₂ ０のカーブでピークＩは膜形
成後の吸湿に起因する。この吸湿は、室温の大気放置で
起こることからＰ−ＴＥＯＳ膜にはかなりのマクロポア
サイトが存在しておりマクロポアサイトに水が侵入する
ものと考える。また、ピークIIはＨ₂ ０が水素結合して
いる。ピークIII は脱離温度がかなり高いことからマク
ロポアサイトのＳｉ−ＯＨであると考えられる。よっ
て、図７に示すように、プラズマＣＶＤ成膜時のＲＦパ
ワーを調節して（ＲＦパワーが大き過ぎるとプラズマダ
メージになる）Ｐ−ＴＥＯＳ膜中の水素濃度を低くして
緻密な膜とすることができる。

【００３１】図８にＳＯＧ膜をＳｉ基板と、Ｐ−ＳｉＯ
膜、中間膜、硬質膜または従来膜の各絶縁膜とでサンド
イッチした構造の吸湿変化を示す。中間膜とは、従来膜
と硬質膜との中間の水素濃度（１．９Ｅ２１／ｃｍ³ ）
をもつ膜を意味する。また、図９にＰ−ＳｉＯ膜、中間
膜、硬質膜または従来膜単層の場合の吸湿変化を示す。
図８および図９から明らかなように、従来膜でサンドイ
ッチした構造のものは、単層のときと同じようにレベル
高く吸湿し続けている。一方、中間膜の方は、単層のと
きと比べ２０時間位で飽和することなく吸湿をし続けて
いる。硬質膜、Ｐ−ＳｉＯ膜は単層のときと同じ吸湿変
化を示し変わらない。

【００３２】次に、図１０、図１１に単層（図９）とサ
ンドイッチ構造（図８）との吸湿変化を重ねてみる。斜
線の部分が単層とサンドイッチ構造との吸湿量の差、す
なわち水の透過分である。従来膜は、初めから差があり
ほとんど大きくなっている。中間膜は、３０時間位は同
挙動を示しているが大気開放時間とともに従来膜と同じ
動きをするがそのレベルは低い。硬質膜、Ｐ−ＳｉＯ膜
はその変化がほとんどない。従来膜が、特にひどい吸湿
を示している。水分が従来膜を通してＳＯＧまで達して
吸湿していることがわかる。従来膜は水分を透過する。
中間膜はそのレベルは低い。硬質膜、Ｐ−ＳｉＯ膜は水
分を透過せず、ＳＯＧキャッピング効果に優れているこ
とがわかる。いずれの場合も７２時間経過後は実質的に
変化がないので７２時間放置後のピーク相対比を水透過
率と定義する。Ｐ−ＳｉＯ膜、硬質膜（硬質Ｐ−ＴＥＯ
Ｓ膜）、中間膜、従来膜の水透過率を表１に示す。

【００３３】

【表１】

【００３４】

【実施例】以下に、本発明の実施例を比較例とともに示
す。

【００３５】（実施例１）平行平板電極式の高周波プラ
ズマ発生装置を用いて温度３８０℃、圧力９Ｔｏｒｒ、
ＴＥＯＳ ｌ０００ｃｃ／分、酸素５００ｃｃ／分、Ｒ
Ｆパワー４００Ｗ、電極間距離４．５ｍｍ、膜応力−２
Ｅ８ｄｙｎｅ／ｃｍ² 、赤外吸収１０７０ｃｍ−1 、ウ
エットエッチレート６５０Ａ／分のＰ−ＴＥＯＳ膜３０
０ｎｍを形成した後、ＳＯＧ膜を塗布しその上層に温度
３７０℃、圧力１．５Ｔｏｒｒ、ＳｉＨ₄ ６０ｃｃ／
分、Ｎ₂ ０ ８００ｃｃ／分、ＲＦパワー３７０Ｗ、電
極間距離９．５ｍｍ、膜応力−４Ｅ８ｄｙｎｅ／ｃｍ
² 、赤外吸収１０３０ｃｍ^-1、ウエットエッチレート６
７０Ａ／分のＰ−ＳｉＯ膜６００ｎｍを形成する。図１
２に示す原子間力顕微鏡（ＦＩＢ）写真からわかるよう
に、キャッピング効果向上およびクラック防止効果向上
がみられる。

【００３６】（実施例２）平行平板電極式の高周波プラ
ズマ発生装置を用いて温度３８０℃、圧力９Ｔｏｒｒ、
ＴＥＯＳ１０００ｃｃ／分、酸素５００ｃｃ／分、ＲＦ
パワー４７０Ｗ、電極間距離４．５ｍｍ、膜応力−１Ｅ
９ｄｙｎｅ／ｃｍ² 、赤外吸収１０７０ｃｍ^-1、ウエッ
トエッチレート５３０Ａ／分のＰ−ＴＥＯＳ膜３００ｎ
ｍを形成した後、ＳＯＧ膜を塗布しその上層に温度４１
０℃、圧力９Ｔｏｒｒ、ＴＥＯＳ流量１０００ｃｃ／
分，酸素５００ｃｃ／分、ＲＦパワー４４０Ｗ、電極間
距離４．７５ｍｍ、膜応力−１１Ｅ８ｄｙｎｅ／ｃｍ
² 、赤外吸収１０７２ｃｍ^-1、ウエットエッチレート４
９７Ａ／分のプラズマＣＶＤ−ＴＥＯＳ膜６００ｎｍを
形成する。キャッピング効果向上およびクラック防止効
果向上がみられる。

【００３７】（比較例１）平行平板電極式の高周波プラ
ズマ発生装置を用いて温度３８０℃、圧力９Ｔｏｒｒ、
ＴＥＯＳ１０００ｃｃ／分、酸素５００ｓｃｃｍ、ＲＦ
パワー４００Ｗ、電極間距離４．５ｍｍ、膜応力−２Ｅ
８ｄｙｎｅ／ｃｍ² 、赤外吸収１０７０ｃｍ^-1、ウエッ
トエッチレート６５０Ａ／分のＰ−ＴＥＯＳ膜３００ｎ
ｍを形成した後、ＳＯＧ膜を塗布しその上層に同様な膜
質のＰ−ＴＥＯＳ膜６００ｎｍを形成する。図１３に示
す透過型電子顕微鏡写真からわかるようにＶＩＡ不良お
よびクラックピンホールが発生する。

【００３８】

【発明の効果】以上説明したとおり、この発明にかかる
半導体装置の製造方法によれば、高いアスペクト比の積
層構造ができ、下層のＳＯＧの吸湿性やクラック性を上
層膜で簡便に防止できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】ＳＯＧ中塗り平担化を示す模式的断面図であ
る。

【図２】ＶＩＡ不具合モデルを示す模式的断面図であ
る。

【図３】本発明の製造方法による半導体装置の模式的断
面図である。

【図４】本発明の製造方法による混成膜化した層間絶縁
膜の構造を示す断面図である。

【図５】本発明の製造方法による硬質膜化した上層膜を
有する層間絶縁膜の構造を示す断面図である。

【図６】Ｐ−ＴＥＯＳ膜の吸湿構造モデルを示す模式図
である。

【図７】Ｐ−ＴＥＯＳ膜中の水素濃度を示すグラフであ
る。

【図８】ＳＯＧ膜を各膜とのサンドイッチ構造としたと
きの吸湿変化を示すグラフである。

【図９】各膜単層の吸湿変化を示すグラフである。

【図１０】各膜構成の吸湿状態を示すグラフである。

【図１１】各ＴＥＯＳ膜構成の吸湿状態を示すグラフで
ある。

【図１２】実施例１の層間絶縁膜の原子間力顕微鏡（Ｆ
ＩＢ）写真である。

【図１３】比較例１の層間絶縁膜の透過型電子顕微鏡写
真である。

【符号の説明】

１ 半導体基板 ２ 絶縁膜 ３ 第１のメタル配線層 ４，４ａ 下層膜 ５ ＳＯＧ塗布膜 ６，６ａ 上層膜 ７ 第２のメタル配線層 ８ バイアホール ９ 堆積物 １０ ＴＥＯＳ膜（下層膜） １１ ＳＯＧ膜 １２ 水不透過性膜（上層膜） １３ ＳｉＯ膜（上層膜） １４ 硬質Ｐ−ＴＥＯＳ膜（上層膜）

フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01L 21/312 H01L 21/314 H01L 21/316 H01L 21/318 H01L 21/768

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 基板上に絶縁膜を形成する工程と、 前記絶縁膜上に第１のメタル配線層を形成する工程と、 前記第１のメタル配線層および前記絶縁膜上にプラズマ
   ＣＶＤ法によりプラズマＣＶＤ−ＴＥＯＳ層を形成する
   工程と、 前記プラズマＣＶＤ−ＴＥＯＳ層上にＳＯＧ層を形成す
   る工程と、 前記ＳＯＧ層上にプラズマＣＶＤ法により温度３６０〜
   ３８０℃、ＲＦパワー１５０〜１７０ＷでプラズマＣＶ
   Ｄ−ＳｉＯ層を形成する工程と、 前記プラズマＣＶＤ−ＳｉＯ層上に第２のメタル配線層
   を形成する工程とを備えたことを特徴とする半導体装置
   の製造方法。
2. 【請求項２】 基板上に絶縁膜を形成する工程と、 前記絶縁膜上に第１のメタル配線層を形成する工程と、 前記第１のメタル配線層および前記絶縁膜上にプラズマ
   ＣＶＤ法により第１のプラズマＣＶＤ−ＴＥＯＳ層を形
   成する工程と、 前記プラズマＣＶＤ−ＴＥＯＳ層上にＳＯＧ層を形成す
   る工程と、 前記ＳＯＧ層上にプラズマＣＶＤ法により温度４００〜
   ４２０℃、ＲＦパワー４４０〜４６０Ｗで第２のプラズ
   マＣＶＤ−ＴＥＯＳ層を形成する工程と、 前記第２のプラズマＣＶＤ−ＴＥＯＳ層上に第２のメタ
   ル配線層を形成する工程とを備えたことを特徴とする半
   導体装置の製造方法。