JP5943888B2 - 半導体装置の製造方法 - Google Patents

Description

実施形態は、半導体装置の製造方法に関する。

半導体装置の製造過程では、ウェーハ上に形成された複数の半導体素子を覆う多層配線を形成し、半導体素子間、および、半導体素子と外部端子との間を電気的に接続する。そして、多層配線は、複数の層間配線と、それらを相互に絶縁する層間絶縁膜と、を含む。しかしながら、層間絶縁膜は、多層配線の形成過程において損傷を受け、その内部に多数の固定電荷（トラップ準位）を有する場合がある。このような膜中の固定電荷（トラップ準位）は、層間絶縁膜の絶縁耐圧を低下させ、半導体素子の特性を劣化させる恐れがある。

特開２０１２−１８６１８９号公報

実施形態は、層間絶縁膜の損傷を回復させ膜中の固定電荷（トラップ準位）を低減することが可能な半導体装置の製造方法を提供する。

実施形態に係る半導体装置の製造方法は、半導体を含むウェーハ上に少なくともシリコンと酸素とを含む層間絶縁膜を形成する第１のステップと、前記層間絶縁膜の表面から前記ウェーハに向かう方向に延在するコンタクトホールを形成する第２のステップと、前記コンタクトホールの内部にコンタクトプラグを形成する第３のステップと、前記層間絶縁膜の上に前記コンタクトプラグに接続された配線を形成する第４のステップと、前記層間絶縁膜にマイクロ波を照射し、前記第２のステップから前記第４のステップにおいて前記層間絶縁膜中に形成された前記シリコンの未結合手と、前記酸素の未結合手と、を結合させる第５のステップと、を備える。

実施形態に係る半導体装置の製造過程を表すフローチャート。 実施形態に係る半導体装置の製造過程を表す模式断面図。 図２に続く製造過程を表す模式断面図。 実施形態に係る半導体装置の特性を表すグラフ。 実施形態に係る製造過程における層間絶縁膜の変化を表す模式図。 実施形態に係る半導体装置の別の特性を表すグラフ。 比較例に係る半導体装置の製造過程を表す模式図。

以下、実施の形態について図面を参照しながら説明する。図面中の同一部分には、同一番号を付してその詳しい説明は適宜省略し、異なる部分について説明する。なお、図面は模式的または概念的なものであり、各部分の厚みと幅との関係、部分間の大きさの比率などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。また、同じ部分を表す場合であっても、図面により互いの寸法や比率が異なって表される場合もある。

図１は、実施形態に係る半導体装置１の製造過程を表すフローチャートである。半導体装置１は、ＭＯＳ（Metal Oxide Semiconductor）トランジスタ、バイポーラトランジスタ等の半導体素子を含み、例えば、シリコン基板等のウェーハ上に形成される。ウェーハは、例えば、シリコン基板、化合物半導体基板、ＳＯＩ（Silicon on Insulator）等である。また、サファイア等の絶縁性基板上に半導体層を成長したウェーハで有っても良い。すなわち、ウェーハは、半導体を含む。また、半導体素子に限らず、ウェーハ上にキャパシタ、インダクタ等を含むパッシブ回路が設けられていても良い。

実施形態に係る製造方法では、第１のステップ（Ｓ０１）として、半導体を含むウェーハ上に少なくともシリコンと酸素とを含む層間絶縁膜を形成する。層間絶縁膜は、例えば、ＴＥＯＳ（Tetraethyl orthosilicate）を原料としたＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法を用いて形成されるシリコン酸化膜（ＳｉＯ_２）である。また、シリコン酸窒化膜（ＳｉＯＮ）であっても良い。

次に、第２のステップ（Ｓ０２）として、層間絶縁膜の表面からウェーハに向かう方向に延在するコンタクトホールを形成する。例えば、層間絶縁膜の上にエッチングマスクを形成し、ＲＩＥ（Reactive Ion Etching）法を用いて層間絶縁膜を選択的にエッチングする。

次に、第３のステップ（Ｓ０３）として、コンタクトホールの内部にコンタクトプラグを形成する。例えば、コンタクトホールの内部を埋め込み、層間絶縁膜の表面を覆う金属膜を形成する。その後、金属膜の全面をエッチバックし、層間絶縁膜を露出させる。これにより、コンタクトホールの内部に金属プラグを形成することができる。

次に、第４のステップ（Ｓ０４）として、層間絶縁膜の上にコンタクトプラグに接続された配線を形成する。例えば、層間絶縁膜およびコンタクトプラグの上に、配線材料を含む金属膜を形成する。その後、フォトリソグラフィを用いて、金属層の上に所定の配線パターンを有するエッチングマスクを形成する。続いて、ＲＩＥにより金属層を選択的にエッチングして配線を形成する。

次に、第５のステップ（Ｓ０５）として、層間絶縁膜にマイクロ波を照射し、第２のステップから第４のステップにおいて層間絶縁膜中に形成されたシリコンの未結合手と、酸素の未結合手と、を結合させる。例えば、層間絶縁膜、コンタクトプラグおよび配線が形成されたウェーハにマイクロ波を照射し、層間絶縁膜中に形成されたダングリングボンド（未結合手）を修復する。これにより、絶縁膜中のダングリングボンド（所謂、Ｅ’センター）の密度を低減する。

本実施形態は、上記の過程に限定される訳ではなく、マイクロ波を照射するステップ（Ｓ０５）の前に、第１のステップから第４のステップを少なくとも２回以上繰り返し、複数の配線と、複数の層間絶縁膜と、を含む多層配線を形成しても良い。また、マイクロ波照射は、多層配線の形成を完了した後に行うことが好ましい。

次に、図２および図３を参照して、上記の製造方法を具体的に説明する。図２（ａ）〜図３（ｂ）は、実施形態に係る半導体装置１の製造過程を表す模式断面図である。

図２（ａ）は、第１配線１７の上に形成した層間絶縁膜２１を表す断面図である。第１配線１７は、ウェーハ１０の上に設けられた層間絶縁膜１３の上に形成される。ウェーハ１０は、例えば、シリコン基板であり、その表面には、ＭＯＳトランジスタ等の半導体素子を含む電子回路（図示しない）が設けられている。

層間絶縁膜１３は、例えば、シリコン酸化膜であり、ＴＥＯＳ−ＣＶＤ法を用いて形成される。そして、層間絶縁膜１３の中には、ウェーハ１０に設けられた電子回路と、第１配線１７と、を電気的に接続するコンタクトプラグ１５が形成されている。

層間絶縁膜２１は、例えば、シリコン酸化膜であり、ＴＥＯＳ−ＣＶＤ法を用いて第１配線１７および層間絶縁膜１３の上に形成される（Ｓ０１）。

図２（ｂ）は、層間絶縁膜２１に形成したコンタクトホール２５を表す断面図である。コンタクトホール２５は、層間絶縁膜２１の上面２１ａから第１配線１７に連通するように形成する（Ｓ０２）。

具体的には、層間絶縁膜２１の上に、開口２３ａを有するレジストマスク２３を形成し、例えば、ＣＨＦ３（三フッ化メタン）をエッチングガスとして用いるＲＩＥにより、層間絶縁膜２１を選択的にエッチングする。開口２３ａは、例えば、フォトリソグラフィを用いて第１配線１７の上に位置するように形成される。

続いて、レジストマスク２３を剥離する。レジストマスク２３の剥離には、例えば、酸素アッシングを用いることができる。すなわち、酸素プラズマ中でレジストマスク２３を灰化し除去する。

図２（ｃ）は、コンタクトホール２５の中に形成されたコンタクトプラグ２７を表す断面図である。コンタクトプラグ２７は、コンタクトホール２５の底面において第１配線１７に接する。コンタクトプラグ２７は、例えば、タングステン（Ｗ）を含む。

例えば、コンタクトホール２５を形成した層間絶縁膜２１の上に、タングステンを含む金属膜を形成する。金属膜（図示しない）は、コンタクトホール２５の内部を埋め込み、層間絶縁膜２１の上面２１ａを覆う。続いて、その金属膜の全面を、例えば、六フッ化イオウ（ＳＦ６）等のフッ素系ガスのプラズマを用いたドライエッチングによりエッチバックし、層間絶縁膜２１の上面２１ａを露出させるか、あるいは化学的機械的研磨（Chemical Mechanical Polish：ＣＭＰ）を用いて層間絶縁膜２１の上面２１ａを露出させることによりコンタクトホール２５の内部に、コンタクトプラグ２７を形成することができる（Ｓ０３）。

コンタクトプラグ２７は、層間絶縁膜２１および第１配線１７に接するチタン（Ｔｉ）または窒化チタン（ＴｉＮ）と、タングステンと、を積層した構造であっても良い。言い換えれば、タングステンを含むコンタクトプラグ２７と、層間絶縁膜２１と、の間、および、コンタクトプラグ２７と、第１配線１７と、の間に、Ｔｉ層もしくはＴｉＮ層を形成しても良い。

図３（ａ）は、層間絶縁膜２１の上に形成された第２配線２９を表す断面図である。第２配線２９は、コンタクトプラグ２７に接続するように形成される。同図に表すように、コンタクトプラグ２７は、第１配線１７と、第２配線２９と、を電気的に接続する。

例えば、コンタクトプラグ２７を含む層間絶縁膜２１の上に、タングステンを含む金属膜を形成する。続いて、金属膜の上に、例えば、フォトリソグラフィを用いてレジストマスク３１を形成する。レジストマスク３１は、コンタクトプラグ２７の上を覆う配線パターンを有する。

次に、レジストマスク３１を用いて、金属層を選択的にエッチングし、第２配線１９を形成する（Ｓ０４）。金属層は、例えば、六フッ化イオウ等のフッ素系ガスプラズマを用いたドライエッチングにより選択的に除去することができる。続いて、例えば、酸素アッシングによりレジストマスク３１を除去する。

図３（ｂ）は、第２配線２９の上に形成された層間絶縁膜３３および第３配線３７を表す断面図である。すなわち、図１に示すステップ１〜４を繰り返すことにより、第２配線２９の上に、第３配線３７を形成する。第２配線２９と、第３配線３７と、の間には、コンタクトプラグ３５を含む層間絶縁膜３３が形成される。そして、第２配線２９と、第３配線３７は、コンタクトプラグ３５により電気的に接続される。

上記の通り、ウェーハ上に配線層を形成する過程では、ＲＩＥ等のドライエッチングおよび酸素アッシングなどのプラズマ処理が多用され、その過程において層間絶縁膜１３、２１、３３はプラズマに曝される。このため、各層間絶縁膜はプラズマダメージを受け、各膜中に固定電荷（トラップ準位）が形成される。本実施形態では、例えば、上記の配線過程を完了した後において、ウェーハ１０にマイクロ波を照射することにより、層間絶縁膜中のプラズマダメージを回復させる。

例えば、ウェーハ１０を窒素またはアルゴンなどの不活性ガス雰囲気中に載置し、周波数５．８ＧＨｚのマイクロ波を照射する。マイクロ波照射は、ウェーハ当たり１００〜２０００Ｗのパワーで行い、ウェーハの温度を、ヘリウム、、ネオン、アルゴン等の不活性ガスまたは窒素ガス等のウェーハへの吹き付け、あるいは、石英板等の温度吸収材をウェーハに近づける方法、または、これらの併用により、例えば、４００℃以下に保持した状態で実施することが望ましい。また、マイクロ波は、例えば、ウェーハ１０の上に形成される層間絶縁膜に比べて波長が長いため、多層配線の層数を多くしても、その全体に浸透しプラズマダメージを回復させることができる。

図４は、実施形態に係る半導体装置１の特性を表すグラフである。図４（ａ）は、層間絶縁膜を用いて形成したＭＩＳ（Metal Insulator Semiconductor）構造のＣ−Ｖ特性を例示するグラフである。横軸は、バイアス電圧（Ｖ）、縦軸は、容量Ｃ（Ｆ／ｃｍ^２）である。図４（ｂ）は、ＭＩＳ構造のＣーＶ特性のヒステリシスΔＶｆｂの変化を表すグラフである。

図４（ａ）に表すように、ＭＩＳ構造の容量Ｃは、バイアスと共に変化する。例えば、バイアス電圧を−５Ｖから５Ｖまで増加させると、容量Ｃは、−３Ｖから−０．５Ｖの間で低下し、その後、漸減する。さらに、バイアスを５Ｖから−５Ｖに減少させると、容量Ｃは、０．５Ｖから−１Ｖの間で上昇する。すなわち、ＭＩＳ構造のＣ−Ｖ特性は、バイアスの変化方向に対してヒステリシスを有する。そして、このヒステリシスの大きさは、膜中の固定電荷（トラップ準位）密度に依存する。すなわち、ヒステリシスが大きい程、膜中の固定電荷（トラップ準位）密度が高い。ここでは、Ｃ−Ｖ特性のフラットバンドバイアスにおけるヒステリシスΔＶｆｂに注目する。

図４（ｂ）は、プロセス履歴に対するΔＶｆｂの変化を表している。同図中に表すＡは、層間絶縁膜（シリコン酸化膜）の形成後を示し、Ｂは、プラズマ処理後、Ｃは、マイクロ波照射後をそれぞれ示している。

図４（ｂ）に表すように、ΔＶｆｂは、ＡからＢの過程において大きくなり、ＢからＣの過程において小さくなる。すなわち、プラズマ処理の後に層間絶縁膜中の固定電荷（トラップ準位）密度は増加し、マイクロ波照射後に減少する。そして、マイクロ波照射後において、層間絶縁膜中の固定電荷（トラップ準位）密度は、層間絶縁膜を形成した直後のレベルに回復することがわかる。

図５は、実施形態に係る製造過程における層間絶縁膜の変化を表す模式図である。図５（ａ）および図５（ｂ）は、ウェーハ１０の上に形成されたシリコン酸化膜４１を酸素プラズマに曝した状態を表し、図５（ｃ）および図５（ｄ）は、プラズマ処理後のシリコン酸化膜４１の状態を模式的に表している。

図５（ａ）に表すように、酸素プラズマに曝したシリコン酸化膜４１は、プラズマ損傷を受ける。具体的には、図５（ｂ）に表すように、シリコン原子Ｓｉと、酸素原子Ｏと、の間の結合が切れ、ダングリングボンド（未結合手）が形成される。

そして、図５（ｃ）に表すように、シリコン酸化膜中にダングリングボンド（Ｅ’センター）が形成される。このＥ’センターは、図５（ｄ）に示すＳｉのダングリングボンドに対応する。

図６は、実施形態に係る半導体装置１の別の特性を表すグラフである。すなわち、プロセス履歴ＢおよびＣに対応する層間絶縁膜中のＥ’センターを電子スピン共鳴（Electric Spin Resonance）で測定した結果を表している。同図に示すように、ＢからＣにおいてシリコンのダングリングボンド密度は、大きく減少する。すなわち、プラズマ処理Ｂの後のマイクロ波照射Ｃにより、シリコンの未結合手と、酸素の未結合手と、を再び結合させ、プラズマダメージを回復させることが可能である。

図７は、比較例に係る半導体装置の製造過程を表す模式図である。図７（ａ）は、電荷蓄積層４５を備えたメモリセル２の断面を表している。図７（ｂ）は、メモリセル２に含まれる金属酸化物の構造の変化を表している。

図７（ａ）に表すメモリセル２は、半導体層４２と、トンネル絶縁膜４３と、電荷蓄積層４５と、ＩＰＤ（Inter-poly Dielectric）膜４７と、制御電極４９と、層間絶縁膜５１と、を含む。ＩＰＤ膜４７は、例えば、酸化アルミニウム等の金属酸化物を含む。

例えば、図７に示す例では、ウェーハを水素雰囲気中で熱処理することにより、層間絶縁膜５１のプラズマダメージを低減する。すなわち、ダングリングボンドを水素原子により終端し、膜中の固定電荷（トラップ準位）密度を低減する。しかしながら、図７（ｂ）に表すように、水素処理を実施すると、例えば、ＩＰＤ膜に含まれる金属酸化膜が還元される。このため、ＩＰＤ膜が不安定となりメモリセルの電荷保持特性の劣化が生じる場合がある。

これに対し、本実施形態では、水素を含まない雰囲気、例えば、水素濃度を０．０１ｐｐｍ以下とした雰囲気中でマイクロ波照射を実施し、プラズマダメージを回復させることができる。すなわち、本実施形態では、金属酸化物を含有する半導体素子を備えた半導体装置であっても、その特性を劣化させずにプラズマダメージの回復を図ることができる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１・・・半導体装置、 ２・・・メモリセル、 １０・・・ウェーハ、 １３・・・層間絶縁膜、 １５、２７、３５・・・コンタクトプラグ、 １７、１９、２９、３７・・・配線、 ２１、３３、５１・・・層間絶縁膜、 ２３、３１・・・レジストマスク、 ２３ａ・・・開口、 ２５・・・コンタクトホール、 ４１・・・シリコン酸化膜、 ４２・・・半導体層、 ４３・・・トンネル絶縁膜、 ４５・・・電荷蓄積層、 ４７・・・ＩＰＤ膜、 ４９・・・制御電極

Claims (5)

1. 半導体を含むウェーハ上に少なくともシリコンと酸素とを含む層間絶縁膜を形成する第１のステップと、
   前記層間絶縁膜の表面から前記ウェーハに向かう方向に延在するコンタクトホールを形成する第２のステップと、
   前記コンタクトホールの内部にコンタクトプラグを形成する第３のステップと、
   前記層間絶縁膜の上に前記コンタクトプラグに接続された配線を形成する第４のステップと、
   前記層間絶縁膜にマイクロ波を照射し、前記第２のステップから前記第４のステップにおいて前記層間絶縁膜中に形成された前記シリコンの未結合手と、前記酸素の未結合手と、を結合させる第５のステップと、
   を備えた半導体装置の製造方法。
2. 前記マイクロ波は、水素濃度が０．０１ｐｐｍ以下の雰囲気中で照射される請求項１記載の半導体装置の製造方法。
3. 前記マイクロ波は、ウェーハの温度を４００℃以下に保持した状態で照射される請求項１または２に記載の半導体装置の製造方法。
4. 前記ウェーハは、金属酸化物を含む半導体素子を有する請求項１〜３のいずれか１つに記載の半導体装置の製造方法。
5. 前記第１のステップから前記第４のステップを少なくとも２回以上繰り返した後に、前記第５のステップを実施する請求項１〜４のいずれか１つに記載の半導体装置の製造方法。