JPH04283928A - 半導体素子の製造方法 - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、半導体素子における
最終保護膜Ｐ−ＳｉＮの形成方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来の技術の説明に当たって、先ず参考
文献をあげておく。

【０００３】１）１９９０ＩＥＥＥ／ＩＲＰＳ（１９９
０）（米）ｐ．２２１−２２９ ２）沖電気研究開発、５５（１）［１３７］（昭和６３
−１）ｐ．６９−７４ ３）Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．４９（４）（１９７８−
４）ｐ．２４７３−２４７７ ４）昭和５８年秋季応用物理学会予稿集（昭５８−９）
２７ａ−Ｏ−８、ｐ．４５０ 以下、上記文献を引用しながら従来の技術を説明する。

【０００４】従来、半導体素子の最終保護膜の形成にお
いては、ＳｉＨ４　ガス、ＮＨ３　ガス、Ｎ２　ガスを
原料としたプラズマＣＶ−Ｄシリコン窒化膜（以下Ｐ−
ＳｉＮ）が広く用いられている。

【０００５】Ｐ−ＳｉＮの最終保護膜は、半導体素子の
実装（パッケージング）を行うにあたって、材料が安価
であるモールドパッケージを使用することが多く、この
モールドパッケージが水分等の侵入に対して、非常に弱
いため必須の膜である。

【０００６】しかしながら、前記文献１）に開示される
ように、Ｐ−ＳｉＮは膜ストレスを持っているために、
半導体素子に通常用いられるＡｌ系合金配線のストレス
マイグレーション劣化、不良を加速する。そこで、従来
はＰ−ＳｉＮの成膜条件設定にあたっては、前記文献１
）に開示されるように、Ｐ−ＳｉＮの成膜時の膜ストレ
ス（Ｉｎｔｒｉｎｓｉｃ　　Ｓｔｒｅｓｓ）と成膜温度
から室温までに温度が下がることによって発生する熱ス
トレス（Ｔｈｅｒｍａｌ　　Ｓｔｒｅｓｓ）を制御しな
ければならないことが明らかにされており、最終保護膜
成膜条件設定は上記Ｉｎｔｒｉｎｓｉｃ　　Ｓｔｒｅｓ
ｓとＴｈｅｒｍａｌ　　Ｓｔｒｅｓｓを留意して行うこ
とになる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、最終保
護膜Ｐ−ＳｉＮは、図５に示すように最終保護膜形成後
、熱処理を加えると、大きな非弾性挙動を示すことがあ
る。

【０００８】図５において、Ａ膜は、温度上昇時と温度
下降時において、各温度における膜ストレスは、あまり
変化しておらず、ほぼ弾性体としての挙動を示している
。

【０００９】しかしＢ、Ｃは温度上昇時３００℃以上に
おいて、温度一定の状態でも膜ストレスはテンサイルス
トレス側（引っ張り応力側）に変化しており（特に、図
５のＣの膜でのｄの部分など顕著である）、その結果温
度を上昇させた後再び室温にもどした状態では、熱処理
前のストレスより１×１０９　ｄｙｎｅ／ｃｍ２　以上
テンサイルストレス側に膜ストレスが変化する。即ち同
図において、矢印の右方向（温度上昇）の線と左方向（
温度下降）の線との幅が広いほど前記膜ストレス変化が
大きいことを表している。このテンサイルストレス側へ
の膜ストレス変化という非弾性挙動は前記文献２）に示
される△ａ−△ｂの値を大きくさせるものであり、文献
２）が示すように最終保護膜形成後の熱処理によってＡ
ｌ欠損いわゆるＡｌ　　Ｖｏｉｄが非常に発生しやすく
なる。またＡｌ　　Ｖｏｉｄが発生しなくても上述の非
弾性挙動分のＰ−ＳｉＮ膜ストレス変化は△ａ−△ｂと
なってＡｌ配線内に応力緩和されずに残ることになり、
Ａｌ配線ストレスマイグレーション劣化を加速する一要
因となるのである。

【００１０】以上述べたように前記文献１）が示すＩｎ
ｔｒｉｎｓｉｃ　　ＳｔｒｅｓｓとＴｈｅｒｍａｌ　　
Ｓｔｒｅｓｓの２点だけに着目したＰ−ＳｉＮ成膜条件
設定を行うと、その後の熱処理によって非弾性挙動を示
しテンサイルストレス側に膜ストレス変化を起こし、Ａ
ｌ系合金配線のストレスマイグレーション劣化を加速す
る。この発明は、以上述べたＰ−ＳｉＮの熱処理による
非弾性挙動を押さえ、Ａｌ合金系配線のストレスマイグ
レーション劣化を加速しないようにすることによって、
より高い配線信頼性を有する半導体素子提供することを
目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】この発明は前述の課題の
解決のために、半導体素子の製造、特に最終保護膜形成
おいて、そのＩｎｔｒｉｎｓｉｃ　　ＳｔｒｅｓｓとＴ
ｈｅｒｍａｌ　　Ｓｔｒｅｓｓだけではなくその後の熱
処理において非弾性挙動を起こさないように形成条件を
設定するものである。

【００１２】非弾性挙動を押さえるには、最終保護膜Ｐ
−ＳｉＮの赤外吸収測定によるＳｉＨの濃度低波数端波
数を高くするようにして膜質を制御するものである。

【００１３】

【作用】本発明は前述のように、最終保護膜形成時の条
件を後述するようにＳｉ−Ｈ３　の存在とＳｉ−Ｈ濃度
を低くし、かつ赤外吸収ピークの低波数端波数を高くす
る条件で行うようにしたので、Ｐ−ＳｉＮの非弾性挙動
によるテンサイルストレス側への膜ストレス変化の抑制
ができ、Ａｌ合金配線のストレスマイグレーション劣化
を起こさない。

【００１４】

【実施例】図１は本発明の実施例による最終保護膜Ｐ−
ＳｉＮのストレス変化説明図であり、従来例の図５に対
応したものである。

【００１５】同図から解るように、以下に述べる条件に
よりＰ−ＳｉＮ膜を形成すれば、明らかに膜ストレスの
変化が抑制されている。従って広い範囲でＩｎｔｒｉｎ
ｓｉｃ　　ＳｔｒｅｓｓとＴｈｅｒｍａｌ　　Ｓｔｒｅ
ｓｓを制御できる。

【００１６】図２〜図４は前記図１の本実施例の裏付け
をするための図であり、以下順に説明する。

【００１７】図２は、各種成膜条件によって成膜したＰ
−ＳｉＮのＳｉ−Ｈ濃度と非弾性挙動による膜ストレス
変化を示したものである。縦軸は膜ストレス変化であり
、数字の負の符号はテンサイルストレス側での変化を示
している。横軸はＳｉ−Ｈ濃度であり、前記文献３）の
方法によって測定したものであり、赤外吸収測定により
得た。

【００１８】この図からわかるように、Ｓｉ−Ｈ濃度が
１０×１０２１ｃｍ−３以上のＰ−ＳｉＮにおいて非弾
性挙動による膜ストレス変化が急激に大きくなっている
。

【００１９】図３は、熱処理前後のＰ−ＳｉＮの赤外吸
収スペクトルの差スペクトルを示したものである。熱処
理後のスペクトルから熱処理前のスペクトルを引いてお
り、正側のスペクトルピークはその吸収が示す結合が熱
処理により増加していることを示しており、負側のスペ
クトルピークは、減少していることを示す。実線が非弾
性挙動を起こす膜であり、破線が非弾性挙動を起こさな
い膜である。この図から分かるように２１１０ｃｍ−１
付近のピークが示す結合の減少が非弾性挙動を起こすこ
とと密接に関係している。この２１１０ｃｍ−１付近の
ピークが示す結合は前記文献３）によれば、Ｓｉ−Ｈ３
　結合である。

【００２０】このＳｉ−Ｈ３　結合の量を見るには、Ｐ
−ＳｉＮの赤外吸収スペクトルによって得られる２２５
０ｃｍ−１付近の吸収ピークの低波数端を見れば良い。 この２２５０ｃｍ−１付近のピークは文献３）が示すよ
うにＳｉ−Ｈ３　結合、Ｓｉ−Ｈ２　結合、Ｓｉ−Ｈ結
合の３つの結合の吸収ピークが重なったものであり、Ｓ
ｉ−Ｈ３　結合は低波数側に位置するのでＳｉ−Ｈ３　
の大小は、低波数端の波数に反映される。

【００２１】図４は、上述のＳｉ−Ｈｎピークの低波数
端波数と非弾性挙動によるテンサイルストレス変化の関
係を示す。この図からわかるように、低波数端波数１９
６０ｃｍ−１以下で非弾性挙動のテンサイルストレス変
化が大きくなっている。

【００２２】以上述べたように、Ｐ−ＳｉＮの非弾性挙
動によるテンサイルストレス側の変化は、Ｓｉ−Ｈ濃度
とＳｉ−Ｈピーク低波数端波数を制御することにより無
くすことができる。Ｓｉ−Ｈ濃度では１０×１０２１ｃ
ｍ−１以下に、低波数端波数は１９６０ｃｍ−１以上に
なるようにＰ−ＳｉＮを形成すれば良い。

【００２３】例えば、電源周波数１３．５６ＭＨｚの高
周波放電によるプラズマＣＶＤ装置において、ＲＦ　　
Ｐｏｗｅｒ＝４００Ｗ、電極間距離＝１２．７ｍｍ、Ｓ
ｉＨ４　流量＝１４０ｓｃｃｍ、Ｎ２　流量＝１５００
ｓｃｃｍ、ＮＨ３　流量＝５０ｓｃｃｍ、圧力＝５Ｔｏ
ｒｒ、成膜温度＝４００℃とすれば、室温の膜ストレス
＝１．７×１０９　ｄｙｎｅ／ｃｍ２　の圧縮応力でか
つ非弾性挙動の膜ストレス変化は０．３×１０９　ｄｙ
ｎｅ／ｃｍ２　以下のＰ−ＳｉＮが得られる。

【００２４】また本実施例は、Ｉｎｔｒｉｎｓｉｃ　　
ＳｔｒｅｓｓとＴｈｅｒｍａｌ　　Ｓｔｒｅｓｓの制御
に、必要以上に制限を加えるものではない。

【００２５】本実施例で示した、Ｓｉ−Ｈ濃度１０×１
０２１ｃｍ−３以下、低波数端波数１９６０ｃｍ−１以
上と膜質に制限を加えても図１に示し冒頭に述べたよう
に、広い範囲でＩｎｔｒｉｎｓｉｃ　　Ｓｔｒｅｓｓと
Ｔｈｅｒｍａｌ　　Ｓｔｒｅｓｓを制御できる。

【００２６】Ｓｉ−Ｈ量を低減し、Ｓｉ−Ｈピーク低波
数端波数を高くするには、Ｐ−ＳｉＮ成膜条件を変えれ
ば良い。例えば電源周波数１３．５６ＭＨｚである高周
波電源のプラズマＣＶＤ装置において■成膜時圧力を高
くする、■ＳｉＨ４　／（ＮＨ３　＋Ｎ２　）生成ガス
流量比を低くする■電極間距離を広くする。のいずれで
も達成できる。なおかつ前記■■■の条件の組合わせで
、Ｉｎｔｒｉｎｓｉｃ　　ＳｔｒｅｓｓとＴｈｅｒｍａ
ｌ　　Ｓｔｒｅｓｓの制御も達成できる。

【００２７】

【発明の効果】以上詳細に説明したように、本発明によ
れば、Ｐ−ＳｉＮの非弾性挙動を誘起するＳｉ−Ｈ３　
の存在と、Ｓｉ−Ｈ濃度を低くすることと、赤外吸収ピ
ークの低波数端波数を高くすることによって、膜を得る
ことで、Ｓｉ−Ｈ３　がない膜が得られるため、Ｐ−Ｓ
ｉＮの非弾性挙動によるテンサイルストレス側への膜ス
トレス変化を抑制でき、高い信頼性をもつＡｌ合金系配
線の保護膜を有する半導体素子を提供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例によるＰ−ＳｉＮ膜のストレス
変化図

【図２】Ｐ−ＳｉＮのＳｉ−Ｈ濃度と膜ストレス変化関
係図

【図３】Ｐ−ＳｉＮの熱処理前後の赤外吸収差スペクト
ル説明図

【図４】Ｓｉ−Ｈピークの低波数端波数と膜ストレス変
化関係図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　半導体素子の製造における最終保護膜
   Ｐ−ＳｉＮ（プラズマＣＶＤシリコン窒化膜）の形成に
   当たって、（ａ）該Ｐ−ＳｉＮの赤外吸収スペクトルの
   ２２５０ｃｍ−１付近に出るＳｉ−Ｈピークによって得
   られるＳｉ−Ｈ濃度が、１０×１０２１ｃｍ−３以下で
   あるようにすることおよび、（ｂ）前記Ｐ−ＳｉＮの前
   記Ｓｉ−Ｈピークの低波数端波数が、１９６０ｃｍ−１
   以上であるようにすること、以上の条件で成膜すること
   を特徴とする半導体素子の製造方法。