JPH03149818A - 半導体装置およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ この発明は、半導体装置およびその製造方法に関し、特
に、その間に絶縁層を介して形成された複数の導電層か
らなる多層配線構造を有する半導体装置およびその製造
方法に関するものである。

［従来の技術】 半導体装置の高集積化・微細化に伴ない、多層配線構造
が採用されてきている。この多層配線技術は、半導体装
置の製造において今後の重要な技術の１つとなっている
。

第３図は、従来の多層配線構造をＨする半導体装置の一
例として、ＤＲＡＭ　（Ｄｙｎａｍｉ　ｃＲａｎｄｏｍ
　Ａｃｃｅｓｓ　　Ｍｅｍｏｒｙ）のメモリセル部の断
面構造を示す部分断面図である。

このメモリセルは、１個のＭＯＳ　（Ｍｅ　ｔ　ａ　１
０ｘｉｄｅ　　Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ））ランジ
スタと、１個のキャパシタとから構成されている。図に
おいて、ｐＪＥ２シリコン基板１０の主表面上部には、
ソースまたはドレイン領域となるｎ型不純物拡散領域１
１．１２が形成されている。

ｎ型不純物拡散領域１１と１２との間のｐ型シリコン基
板１０の上には、ゲート酸化膜１３を介して多結晶シリ
コンよりなるゲート電極１４が形成されている。これに
より、ｎチｔネル型ＭＯＳ）ランジスタが構成されてい
る。ゲート電極１４はワード線を兼ねている。また、一
方のｎ型不純物拡散領域１１は、図において左側に延び
るように蛤成されている。この一方の不純物拡散領域１
１の上には、ゲート酸化膜１３を介して多結晶シリコン
よりなるセルプレート１５が形成されている。

これにより、ＭＯＳ型キャパシタが構成されている。Ｍ
ＯＳ）ランジスタとキャパシタとの両側にはフィールド
酸化［１６が形成されることにより、隣接する他のメモ
リセルとの素子間分離が図られている。ゲート電極１４
とセルプレート１５の上には、下層の層間絶縁膜１７が
被覆されている。

この下層の層間絶縁Ｉ１１７には、他方の不純物拡散領
域１２の表面を露出するようにコンタクトホール１９が
形成されている。ビット線となる下層のアルミニウム配
線層１８は、コンタクトホール１９を介して他方の不純
物拡散領域１２と電気的　に接続されている。下層のア
ルミニウム配線層１８の上には、上層の層間絶縁膜２０
を介して上層のアルミニウム配線層２１が形成されてい
る。この上層のアルミニウム配線層２１を被覆するよう
にパッシベーション膜２２が形成されている。

第４図は、第３図のＩＶ−ＩＶ線に沿った断面を簡略化
して示す部分断面図である。この図によれば、シリコン
基板１０の上には下層の層間絶縁膜１７が形成されてい
る。こＱ下層の層間絶縁膜１７の上には、互いに所定の
間隔を隔てて下層のアルミニウム配線層１８が形成され
ている。上層の層間絶縁膜２０が、下層のアルミニウム
配線層１８を被覆するように形成されている。この上層
の層間絶縁膜２０は、下層のシリコン酸化膜４０と塗布
絶縁膜４１と上層のシリコン酸化膜４２とからなる積層
構造をＨする。この上層の層間絶縁膜２０は、その上に
形成される上層のアルミニウム配線層２１のパターニン
グを良好にし、かつ配線の信頼性を向上させるために、
十分な平坦性が要求される。以下、第４図に示される配
線構造の製造方法について、特に上層の層間絶縁膜２０
の形成工程に着目して説明する。第５Ａ図〜第５Ｄ図は
、上記の配線構造の形成を工程順に示す部分断面図であ
る。

まず、第５Ａ図を参照して、シリコン基板１０の主面上
に、たとえば、化学的気相薄膜成長法（ＣＶＤ法）によ
り、所定の膜厚で下層の層間絶縁膜１７となるシリコン
酸化膜が形成される。この下層の層間絶縁膜１７の上に
は、たとえば、スパッタ法により５０００〜７０００Ａ
程度の膜厚でアルミニウム層が形成される。このアルミ
ニウム層の上に、たとえば、ポジ型のレジストが塗布さ
れた後、フォトリングラフィ技術によるパターニングが
行なわれることにより、レジストパターン（図示省略）
が形成される。このレジストパターンをマスクとして用
いて、たとえば、反応性イオンエッチング（以下、ＲＩ
Ｅと称する。）を施すことにより、アルミニウム層が選
択的にエッチング除去される。その後、レジストパター
ンがアッシング除去される。これにより、下層のアルミ
ニウム配置１Ｍ１８が所定のパターンに従って形成され
る。

次に、第５８図を参照して、下層のアルミニウム配線層
１８を被覆するように下層の層間絶縁膜１７の全面上に
、たとえば、シラン（Ｓ　Ｉ　Ｈ４）と酸素（０２）の
混合ガス、あるいはシラン（Ｓｉｎ４）と亜酸化窒素（
Ｎ２０）の混合ガスを反応ガスとして用いて、３００〜
４５０℃の温度において熱ＣＶＤ法やプラズマＣＶＤ法
により、下層のシリコン酸化膜４０が所定の膜厚で形成
される。

第５Ｃ図を参照して、このシリコン酸化膜４０の全面上
に、たとえば、シラノール［Ｓｉ　（ＯＨ）４１等を主
成分とする無機塗布絶縁膜４１が、アルミニウム配線層
１８の間の溝を埋めるように形成きれる。その後、たと
えば、４００℃以上の温度でベーキング処理が施される
ことにより、その表面が平坦化される。

第５Ｃ図を参照して、無機塗布絶縁膜４１の全面上に、
第５８図で示された方法と同様の形成方法により、上層
のシリコン酸化膜４２が所定の膜厚で形成される。この
ようにして形成される上層の層間絶縁膜２０の膜厚は、
アルミニウム配線層１８の上において８０００〜１００
ＯＯＡ程度である。

最後に、シリコン酸化膜４０．４２と無機塗布絶縁膜４
１とからなる上層の層間絶縁膜２０の上には、上層のア
ルミニウム配線層２１が形成される。このようにして、
第４図に示される配線構造が完成する。

［発明が解決しようとする課題］ 従来の配線構造における上層の層間絶縁膜２０を、上述
の方法によって形成する場合、以下のような問題点があ
った。

配線の微細化に伴ない、配線間隔が狭くなる。

この配線間隔がサブミクロン・オーダになると、配線層
間に堆積される無機塗布絶縁膜４１の厚み１、が大きく
なる。そのため、後工程においてベーキング処理が施さ
れると、第６図に示されるように無機塗布絶縁膜４１に
クラック４３が発生する。これは、無機塗布絶縁膜４１
がベーキング処理の工程において急激な体積収縮を伴な
うことに起因する。たとえば、シラノール［Ｓｉ（ＯＨ
）４］等を主成分とする無機塗布絶縁膜４１の場合、そ
の厚みを。が０．５μｍ以上になるとクラック４３が発
生しやすくなる。

このように、無機塗布絶縁膜４１にクラック４３が生ず
ると、その上に上層のシリコン酸化膜４２が堆積されて
も、下地の無機塗布絶縁膜４１の形状がシリコン酸化膜
４２に反映され、その平坦性が悪化する。そのため、上
層のアルミニウム配線層２１のパターニングに用いられ
るレジストパターンの寸法制御性が悪くなる。したがっ
て、第７図に示されるように、クラック４３が発生した
部分においてステップ・カバレッジが悪くなるために、
上層のアルミニウム配線ＨＩＩ２１が断線することにな
る。このように、上層の層間絶縁膜に発生したクラック
が配線の信頼性に大きな影響を及ぼす。

そこで、このような無機塗布絶縁膜４１の欠点を解消す
る方法として、ＣＶＤ法によって形成した絶縁膜のみで
平坦化を図るという試みがある。

その１つとして、有機シラン、たとえば、ＴＥＯＳ　［
（ｔｅｔｒａｅｔｈｙｌｏｌｔｈｏｓｉｌｉｃａｔｅ）
、テトラエトキシシラン：ＳＬ（ＱＣ、Ｈ５＞　４１と
酸素（０２）を反応ガスとして用い、３００〜４５０℃
の膜堆積温度でプラズマＣＶＤ法により堆積されるシリ
コン酸化膜（以下、プラズマＴＥＯＳ酸化膜と称する。

）が平坦化のために用いられる。また、もう１つの例と
して、同様に有機シラン、たとえば、ＴＥＯＳとオゾン
（０，）を反応ガスとして用い、３００〜４５０℃の膜
堆積温度で熱ＣＶＤ法により堆積されるシリコン酸化膜
（以下、オゾンＴＥＯＳ酸化膜と称する。、）が平坦化
のために用いられる。

上記のシリコン酸化膜は、いずれも有機シランを用いる
ことにより化学気相反応時の基板表面における反応の割
合が増加するので、従来のシラン（Ｓ　ｉＨａ　）を用
いた場合に比べて、ステップ・カバレッジに優れたシリ
コン酸化膜となる。

しかしながら、前者のプラズマＴＥＯＳ酸化膜５１は、
第８８図に示されるように、従来のシラン（ＳｉＨ４）
を用いたシリコン酸化膜５０（第８Ａ図）に比べると、
ステップ・カバレッジは良好であるが、サブミクロン・
オーダの配線間隔を埋込んで平坦化することはできない
。これは、プラズマＣＶＤ法による膜であるため、プラ
ズマ中における化学気相反応の割合が比較的多いからで
ある。したがって、配線ｒｊＡ陽の狭い部分では、第８
Ｂ図に示されるように空洞５２が生じてしまう。

また、後者のオゾンＴＥＯＳ酸化膜５３は、第９図に示
されるように、その膜厚が大きくなると、クラック５４
が発生しゃすい。これは、基板表面における化学気相反
応（表面綜合化反応）の割合が大きいため、非常に良好
なステップ・カバレッジを呈するが、膜自体が引張り応
力を有するために、冷却過程において収縮応力が働くこ
とに起因する。

そこで、この発明は、上記のような問題点を解消するた
めになされたもので、第１の配線層の上に形成される第
２の絶縁層として、クラック耐性に優れ、かつ平坦性も
良好な絶縁層が形成される半導体装置およびその製造方
法を提俄することをｎ的とする。

【課題を解決するための手段］ この発明に従った半導体装置は、半導体基板と、第１の
絶縁層と、第２の導電層と、第２の絶縁層と、第２の導
電層とを鏝える。第１の絶縁層は、半導体基板の主表面
上に形成されている。第１の導電層は、第１の絶縁層の
上に選択的に間隔を隔てて形成されている。第２の絶縁
層は、第１の絶縁層と第１の導電層の上に形成されてい
る。第２の絶縁層は、有機シランと酸素とを主成分とす
るガスにオゾンを加えた気相からプラズマ励起により化
学気相薄膜成長させられたシリコン酸化物層を少なくと
も含む。第２の導電層は第２の絶縁層の上に形成されて
いる。

この発明に従りｆ半導体装置の製造方法によれば、まず
、第１の絶縁層が半導体基板の主表面上に形成される。

第１の絶縁層の上には、第１の導電層が選択的に間隔を
隔てて形成される。第１の絶縁層と第１の導電層の上に
は、第２の絶縁層が形成される。第２の絶縁層は、有機
シランと酸素とを主成分とするガスにオゾンを添加した
気相中でプラズマを発生させることによって、化学気相
薄膜成長させられたシリコン酸化物層を積層して形成さ
れる。第２の絶縁層の上には第２の導電層が形成される
。

［作用］ この発明においては、第２の絶縁層を構成するシリコン
酸化物層は、有機シランと酸素を主成分とするガスにオ
ゾンを加えた気相からプラズマ励起により化学気相薄膜
成長させられたものである。

そのため、基板表面での気相反応（表面綜合化反応）の
割合が大きい薄膜成長により、シリコン酸化物層が形成
されているので、従来のクラック耐性が良好であるが、
ステップ−カバレッジが十分ではないプラズマＴＥＯＳ
酸化膜のステップ・カバレッジが大きく改５される。し
たがって、クラック耐性とステップ・カバレッジとに優
れたシリコン酸化物層をＨする第２の絶縁層が形成され
るので、サブミクロン・レベルの配線間隔の段差部を平
坦化することが可能となる。

［実施例］ 以下、この発明の−実施例を図について説明する。なお
、従来の技術の説明と重複する部分は、適宜その説明を
省略する。

第１図は、この発明に従った配線構造を示す部分断面図
である。この図は、従来の技術の説明で示された第４図
に相当する部分を示している。図において、シリコン基
板１の上には、第１の絶縁層２が形成されている。第１
の絶縁層２の上には、互いに間隔を隔てて第１の配線層
３が形成されている。第１の配線層３番被覆するように
、第１の絶縁層２の上には第２の絶縁層４が形成されて
いる。第２の配線ｗＩ５は、第２の絶縁層４の上に形成
されている。

次に、第１図に示される配線構造において、特に第２の
絶縁層４の形成工程に着目して、配線構造の製造方法に
ついて説明する。第２Ａ図〜第２Ｃ図は、第１図に示さ
れた配ａｔｔｉ造の形成方法を工程順に示す部分断面図
である。

まず、１２Ａ図を参照して、従来の技術の説明と同様に
して、シリコン基板１の上に第１の絶縁層２となるシリ
コン酸化膜が形成される。この第１の絶縁層２の上には
、第１の配線層３となる所定のパターンに従ったアルミ
ニウム層が形成される。

次に、第２８図を参照して、第２の配線層３を被覆する
ように、第１の絶縁層２の全面上に第２の絶縁層４とな
るシリコン酸化膜が形成される。

このシリコン酸化膜の形成は、有機シラン、たとえば、
ＴＥＯＳと酸素（０２）とを反応ガスとして用い、オゾ
ン（０，）ガスを添加しながら、３００〜４５０℃の温
度でプラズマＣＶＤ法によって行なわれる。このシリコ
ン酸化膜の形成は、プラズマＴＥＯＳ酸化膜の形成にお
いて、反応ガスとしてオゾン（０，）を添加することに
よって基板表面での気相反応（表面綜合化反応）の割合
を大きくしたものである。これにより、プラズマＴＥＯ
Ｓ酸化膜では不十分であったステップ・カバレッジが良
好なシリコン酸化膜が形成され得る。

すなわち、オゾン（０３）ガスを添加することにより、
クラックに優れ、ステップ・カバレッジが良好になるた
め、サブミクロン・レベルの配線間隔の段差部の平坦化
が可能となる。− さらに、第２Ｃｌｍに示すように、従来の技術の説明と
同様にして、第２の絶縁層４の上に第２の配線層５とな
る所定のパターンに従ったアルミニウム層が形成される
。

なお、上記実施例においては、ＴＥＯＳと酸素とを反応
ガスとするブラズ々ＣＶＤ法においてオゾンガスを添加
しながら形成されたシリコン酸化膜のみで、第２の絶縁
層の平坦化を行なう場合について述べている。しかしな
がら、第２の絶縁層の平坦性をさらに良くする目的で、
本発明のシリコン酸化膜と、塗布絶縁膜とを組合わせた
り、あるいは本発明のシリコン酸化膜を形成した後に反
応性イオン・エッチングやスパッタ・エッチングなどを
用いてエッチバックを行なっても同様の効果を奏する。

また、上記実施例では、有機シランの一例として、ＴＥ
ＯＳを用いた場合を示している。しかしながら、他の有
機シラン、たとえば、Ｓｉ（ＯＣＨ３）４［テトラメト
キシシラン］、Ｓｉ（ＯｉＣ−Ｈｔ　）　ｓ　　［テト
ライソプロポキシシラン］、（ｔＣ４Ｈｓ　０２　）Ｓ
　ｉ　（００ＣＣＨ３）２　　［ＤＡＤＢＳ、ジターシ
ャリブトキシアセトキシシラン１などの有機シランを用
いても同様の効果を奏する。

上記実施例においては、有機シランと酸素にオゾンを添
加して、膜形成を行なう場合について述べている。これ
らのガスを主成分とし、膜のクラック耐性をさらに向上
させる目的で、リン（Ｐ）やボロン（Ｂ）等の不純物を
シリコン酸化膜中にドーピングする手段として、ＰＯ（
ＯＣＨ３）３［リン酸トリメチルエステル］　、Ｂ　（
ＯＣ２Ｈｓ　）、［ボロン・エチラート］等を添加した
場合でも同様の効果を奏する。

上記実施例においては、第１の配線層３および第２の配
線層５が共にアルミニウム層である場合について述べた
が、それらの配線層の両者あるいは一方の材料がタング
ステン（Ｗ）、チタン（Ｔｉ）、モリブデン（ＭＯ）等
の高融点金属や、高融点金属シリサイド（ＷＳｉ２、Ｔ
ｉＳｉ２、ＭｏＳ　１２など）、あるいは多結晶シリコ
ンであっても同様の効果を奏する。

さらに、上記実施例では２層構造を有する配線層につい
て説明しているが、これらに限定されることなく、さら
１．．多層化された配線構造の場合にも本発明は適用さ
れるものである。

［発明の効果］ 以上のように、この発明によれば、有機シランと酸素を
主成分とする反応ガスにオゾンを加えた気相からプラズ
マ励起により化学気相薄膜成長させられたシリコン酸化
物層を第２の絶縁層が含むので、クラック耐性とステッ
プ・カバレッジとを兼備えた第２の絶縁層が形成され得
る。したがって、サブミクロン・レベルの配線間隔の段
差部の平坦化が可能となる。その結果、この第２の絶縁
層の上に形成される第２の配線層のバターニングが安定
になり、断線等を生じない高い信頼性を有する配線が形
成され得る。これにより、高い信頼性を有する多層配線
構造を備えた半導体装置が提洪され得る。

【図面の簡単な説明】

第１図は、この発明に従った配線構造の一実施例を示す
部分断面図である。 第２Ａ図、第２Ｂ図、第２ＣＦＭは、第１図に示された
配Ｉｊ［構造において絶縁層の形成方法を工程順に示す
部分断面図である。　 第３図は、従来の多層配ａ構造を有するＤＲＡＭのメモ
リセル部の断面構造を示す部分断面図である。 第４図は、第３図のＩＶ−ＩＶ線に沿う断面を鮨略化し
て示す部分断面図である。 第５Ａ図、第５Ｂｔｌ！Ｊ、第５Ｃ図、第５Ｄ図は、第
４図に示された従来の配線構造において絶縁層の形成方
法を工程順に示す部分断面図である。 第６図、ｍＶ図は、従来の配線構造において塗布絶縁膜
の問題点を示す部分断面図である。 第８Ａ図、第８Ｂ図は、従来の配線構造において、シラ
ンを用いて形成されるシリコン酸化膜と、ＴＥＯＳと酸
素を用いて形成されるシリコン酸化膜の問題点を示す部
分断面図である。 第９図は、従来の配線構造において、ＴＥＯＳとオゾン
とを用いて形成されるシリコン酸化膜の問題点を示す部
分断面図である。 図において、１はシリコン基板、２は第１の絶縁層、３
は第１の配線層、４は第２の絶縁層、５は第２の配線層
である。 なお、各図中、同一ね号は同一または相当部分を示す。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）その間に絶縁層を介して形成された複数の導電層
   からなる配線構造を有する半導体装置であって、 主表面を有する半導体基板と、 前記半導体基板の主表面の上に形成された第１の絶縁層
   と、 前記第１の絶縁層の上に選択的に間隔を隔てて形成され
   た第１の導電層と、 前記第１の絶縁層および前記第１の導電層の上に形成さ
   れ、有機シランと酸素を主成分とするガスにオゾンを加
   えた気相からプラズマ励起により化学気相薄膜成長させ
   られたシリコン酸化物層を少なくとも有する第２の絶縁
   層と、 前記第２の絶縁層の上に形成された第２の導電層とを備
   えた、半導体装置。
2. （２）その間に絶縁層を介して形成された複数の導電層
   からなる配線構造を有する半導体装置の製造方法であっ
   て、 半導体基板の主表面の上に第１の絶縁層を形成する工程
   と、 前記第１の絶縁層の上に選択的に間隔を隔てて第１の導
   電層を形成する工程と、 有機シランと酸素とを主成分とするガスにオゾンを添加
   した気相中でプラズマを発生させることによって、前記
   第１の絶縁層および前記第１の導電層の上に化学気相薄
   膜成長させられたシリコン酸化物層を積層して第２の絶
   縁層を形成する工程と、 前記第２の絶縁層の上に第２の導電層を形成する工程と
   を備えた、半導体装置の製造方法。