JPH05121568A

JPH05121568A - 半導体装置の製造方法

Info

Publication number: JPH05121568A
Application number: JP10727192A
Authority: JP
Inventors: Takashi Kato; 隆加藤; Masanobu Hatanaka; 正信畠中; Akira Tabuchi; 明田渕; Yuji Furumura; 雄二古村
Original assignee: Fujitsu VLSI Ltd; Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu VLSI Ltd; Fujitsu Ltd
Priority date: 1991-05-21
Filing date: 1992-04-27
Publication date: 1993-05-18

Abstract

(57)【要約】【目的】半導体装置の製造方法に関し、微細な段差の
上でも平坦で信頼性のある絶縁膜によって被覆できる製
造方法を提供する。【構成】シラン系ガスと水を原料ガスとしてＣＶＤ法
によりシリコン酸化膜を形成する。また、この原料ガス
に有機シランガス、あるいは、ＰＨ₃，Ｂ₂Ｈ₆，Ａｓ
Ｈ₃等の流動性不純物を添加して平坦なシリコン酸化膜
を形成する。また、このシラン系ガス、有機シランガ
ス、水の少なくとも１つをプラズマ、光等によって連続
的またはパルス的に励起して活性化し緻密で被覆性の良
好なシリコン酸化膜を形成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、半導体装置の製造方法
に関し、さらに詳しくは素子形状の微細化に伴う多層配
線上の微細な段差部を平坦で信頼性のある絶縁膜で被覆
することができる工程を含む半導体装置の製造方法に関
する。

【０００２】

【従来の技術】半導体集積回路装置（ＬＳＩ）において
は、半導体基板上に能動素子や受動素子等の回路素子を
形成し、その上に堆積した絶縁膜の上に形成された配線
層によって回路素子相互間を接続している。ところが、
近年ＬＳＩが高集積化され、回路素子の寸法形状が微細
化され、絶縁膜を形成する下地の段差が峻鋭になってい
る。

【０００３】また、ＬＳＩが高集積化されるにしたがっ
て、その構成素子間を接続するために多層配線を使用す
ることが必要になり、この多層配線は、段差のある部分
に絶縁膜を介して形成されるから、絶縁膜が完全に形成
されていないと、下層配線と上層配線が層間絶縁膜の不
完全部分を通して短絡されることになり、また、絶縁膜
が平坦に形成されず段差が残っていると、上層配線がそ
の段差部分で薄くなって高抵抗化したり、断線したりし
てＬＳＩの信頼性が低下する恐れがあった。

【０００４】従来、前記絶縁膜は、例えばＣＶＤ（Ｃｈ
ｅｍｉｃａｌＶａｐｏｒＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎま
たは化学蒸着）法によって形成されてきたが、回路素子
形状の微細化に伴って生じる基板などの表面の段差を完
全に被覆することができなくなってきている。

【０００５】これは絶縁膜の被覆性が悪いためであり、
現在はＳＯＧ（ＳｐｉｎｏｎＧｌａｓｓ）塗布法を用
いたり、原料ガスとして、例えばＴＥＯＳ（テトラエト
キシシラン）などの有機ガスを用いて被覆性を改善する
試みが成されている。しかし、いずれの場合にも従来の
成膜法による絶縁膜程度の膜質が得られないため、実用
化のためには、異なる工程による絶縁膜を積層して全体
として所望の膜質と平坦性を得るようにせざるを得ない
のが現状である。

【０００６】また、従来、比較的低融点のＰＳＧ（Ｐｈ
ｏｓｐｈｏ−ＳｉｌｉｃａｔｅＧｌａｓｓ），ＢＰＳ
Ｇ（Ｂｏｒｏｎ−ｄｏｐｅｄＰｈｏｓｐｈｏ−Ｓｉｌ
ｉｃａｔｅＧｌａｓｓ）等の絶縁膜を用い、これらの
絶縁膜を堆積した後、アニールすることによりリフロー
して表面を平坦化する工程も採用されていた。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
ようにＰＳＧ，ＢＰＳＧ等の絶縁膜をリフローするため
には９００℃程度の高温で処理することが必要であるた
め、この方法を適用できる範囲が限定されていた。ま
た、上記の場合、水蒸気中でアニールするとアニール温
度を低下できることが知られていたが、このように水蒸
気中でアニールすると絶縁膜の膜質が低下する欠点があ
るため実用化されるにいたっていない。

【０００８】したがって、本発明は、前記の従来技術の
問題点を解決して、素子形状の微細化に伴う微細な段差
部の上でも平坦で信頼性のある絶縁膜によって被覆する
ことができる工程を含む半導体装置の製造方法を提供す
ることを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明の半導体装置の製
造方法においては、微細な段差部状に平坦で信頼性のあ
る絶縁膜を形成するために、シラン系ガスと水を原料ガ
スとしてＣＶＤ法によりシリコン酸化膜を形成し、ある
いは、この場合、この原料ガスに有機シランガス、ある
いは、ＰＨ₃，Ｂ₂Ｈ₆，ＡｓＨ₃等の流動性不純物を
添加し、または、このシラン系ガス、有機シランガス、
水の少なくとも１つをプラズマ、光等によって連続的ま
たはパルス的に励起する工程を採用した。

【００１０】

【作用】本発明者らは、前記従来の絶縁膜の形成方法に
おいて、被覆性が劣化する原因を実験により検討した結
果、絶縁膜の被覆性は成長する下地への吸着係数が大き
く影響していること、および、気相反応が起こりやすい
ガス系を原料ガスとして用いた場合に被覆性が悪くなる
ことを見出した。

【００１１】そして本発明者らは、種々の実験と考察の
結果、シラン系ガス（Ｓｉ_nＨ_2n+2）と水蒸気状の水
（Ｈ₂Ｏ）を混合したものを原料ガスとして用い、ＣＶ
Ｄ法によってシリコン酸化膜を形成することによって、
前記の問題を解決することに成功した。すなわち、シラ
ン系ガスと水蒸気とは気相で直ちに反応しないから、こ
れらを混合して反応チャンバに供給しても供給過程で直
ちに気相反応を生じてシリコン酸化膜を形成することが
ない。

【００１２】そして、シラン分子より水分子の方が下地
となる材料に対する吸着係数が大きいため、まず、水が
Ｈ₂ＯまたはＯＨ等の形で下地（シリコン基板、ＳｉＯ
₂、金属等）の上に吸着し、次いでシラン分子が、先に
吸着しているＨ₂ＯまたはＯＨと反応して酸化シリコン
（ＳｉＯ₂）が形成される。

【００１３】下地の表面がシリコン酸化膜で完全に覆わ
れてしまうと、シランはその上には吸着せず、また、先
に、水分子がこのシリコン酸化膜の表面に吸着し、次い
でシラン分子が、このＨ₂ＯまたはＯＨと反応してシリ
コン酸化膜を形成するという反応が繰り返される。

【００１４】そのため、反応は完全に表面反応の形で進
み、仮に高温成長時にシラン分子とＨ₂ＯまたはＯＨと
の気相反応が生じたとしても、その量は僅少であり、吸
着係数の小さいシラン分子は、吸着係数が大きいために
先に段差の段部や底部、あるいは、トレンチやコンタク
トホールに奥深く浸入して吸着しているＨ₂ＯまたはＯ
Ｈと反応してシリコン酸化膜を形成するため被覆性が改
善される。

【００１５】本発明の別の態様では、前記シラン系ガス
および水蒸気にさらに有機シランガス、ＴＥＯＳ（テト
ラエトキシシラン）ガス、ＴＭＯＳ（テトラメトキシシ
ラン）ガス、ＴＭＳ（テトラメチルシラン）ガス等のシ
リコンを含む有機ガスを添加してシリコン酸化膜を形成
することにより、絶縁膜をなだらかに堆積して平坦化す
ることもでき、また、これらの二つの態様を組み合わせ
ることにより、優れた膜質のシリコン絶縁膜と、平坦性
の良好なシリコン絶縁膜からなる多層絶縁膜を形成する
こともできる。

【００１６】すなわち、まず第１の態様に従って、シラ
ン系ガスと酸化ガスあるいは水蒸気を原料ガスとして用
いて膜質が良好なシリコン酸化膜を形成し、次いで第２
の態様に従って、原料ガス中に有機シランガスを混合し
てシリコン酸化膜を平坦化することができ、また、この
操作を繰り返すことによって、良質な膜質をもち表面が
平坦な多層のシリコン酸化膜を積層することができる。

【００１７】本発明に従ってシリコン酸化膜を形成する
ために使用する原料ガスは、第１の態様では、シラン系
ガスと水を、好ましくはガス容積比にして１：１００〜
１：１、さらに好ましくは１：１０〜１：２とし、これ
をシラン系ガスと水を合わせたガスの容積％で好ましく
は５０〜１００％のキャリアガス（例えば、Ａｒ，
Ｎ ₂）によって供給する。

【００１８】第２の態様では、前記シラン系ガスおよび
水の合計量１００に対し、有機シランガスを容積％で好
ましくは０．１〜６０％、さらに好ましくは１０〜３０
％添加する。

【００１９】本発明に従ったシリコン酸化膜の形成に使
用するＣＶＤ装置は、従来から使用されている任意のも
のでよく、好ましい条件としては温度２００〜８００
℃、圧力０．１〜７６０Ｔｏｒｒの減圧または常圧ＣＶ
Ｄとすることができる。

【００２０】本発明者らは、さらに、原料ガス中にホス
フィン（ＰＨ₃）、ジボラン（Ｂ₂Ｈ₆）、アルシン
（ＡｓＨ₃）等を添加すると、シリコン酸化膜を流動状
態で堆積して平坦化できることを見出した。

【００２１】この工程においては、前記のように、流動
性不純物としてホスフィン，ジボラン，アルシン等の無
機系ガスを使用することができるほか、Ｐ（Ｃ
Ｈ₃）₃，Ｐ（Ｃ₂Ｈ₅）₃，Ｂ（ＣＨ₃）₃，Ｂ（Ｃ
₂Ｈ₅）₃，Ａｓ（ＣＨ₃）₃，Ａｓ（Ｃ₂Ｈ₅）₃
等の有機系のドーピング不純物ガスを使用することがで
き、この場合はさらに成長中のシリコン酸化膜の流動性
を高め平坦性を改善する。

【００２２】また、この場合、シラン系ガスと酸化ガス
に、水を間欠的に供給するか、上記ホスフィン等の流動
性不純物を間欠的に供給すると、流動性はないが膜質が
良好なシリコン酸化膜と、膜質は多少劣るが流動性があ
るシリコン酸化膜が交互に形成され、両者の中間的なシ
リコン酸化膜が形成される。

【００２３】また、マイクロ波、高周波、直流の電界に
よって原料ガスであるシラン系ガス、有機シランガスお
よび水の少なくとも１つをプラズマ化し、励起して活性
化することによって、成長するシリコン酸化膜をさらに
緻密にし、平坦化できることが見出された。

【００２４】そしてまた、２００〜６００℃の低温にお
いては水とシラン系ガスは反応し難いため、これらを反
応させるためには、プラズマなどにより励起する必要が
あることが実験によって見出された。特にＡｌ配線の多
層化に伴う層間絶縁膜の形成はプラズマＣＶＤ法によっ
て形成したほうが望ましい。

【００２５】プラズマのほかに、紫外線等の光ないし電
磁波によって原料ガスあるいは酸化ガスを励起しても、
成長するシリコン酸化膜を緻密化、あるいは、平坦化す
ることができることが見出された。

【００２６】これらの酸化膜を大気中に放置すると水を
吸収し、酸化膜が加熱されるとこの水は放出される。こ
の水の放出は、Ａｌ配線の信頼性を低下させるから、少
なく抑えることが必要である。

【００２７】図１は、ＰＳＧ膜中のリン濃度と脱ガス量
の関係図である。この図の横軸はリン濃度、縦軸は脱ガ
ス量を表しているが、脱ガス量はリンの濃度が４％程度
以上で急激に減少することが示されている。しかしリン
が８％以上になるとＰ₂Ｏ₅の水による溶解により信頼
性の問題が生じるため、リンの濃度をこの８％以内に限
定することが望ましい。

【００２８】本発明者等は、反応温度４２０℃、水（Ｈ
₂Ｏ）の供給量１００ｓｃｃｍ、高周波電力１００Ｗと
する２．９Ｔｏｒｒの減圧ＣＶＤ法によって、ＰＨ₃の
割合を変えて実験した結果、下記の表１に示したよう
に、ＰＨ₃の一定以上の量で取り込まれるリン濃度が制
限されることを見出した。すなわち、ＰＨ₃／Ａｒの供
給量が１０ｓｃｃｍ程度までは比例してリン濃度が増加
するが、それ以上では取り込まれるリンは増加しない。

【００２９】

【表１】

【００３０】すなわち、脱ガスが小さく、Ｐ₂Ｏ₅の溶
解が最適な濃度の膜が自動的に形成されることが示され
ている。シランの量とＰＨ₃の量が同程度で飽和し、そ
れ以上ＰＨ₃を増加してもリン濃度は増加しない。その
原因は、Ｐ₂Ｏ₅の水による溶解と、取込み量が平衡す
るためと考えられる。

【００３１】図２は、成長温度とＮＳＧとＰＳＧの成長
速度とＰＳＧのリン濃度の関係図である。この図による
と、低温になると共にリン濃度が増加することがわか
る。２６０℃付近で一定になるのは、ＰＨ₃を１０ｓｃ
ｃｍと一定にしたためで、供給律則を表し、４００℃以
上でリン濃度は７％程度で一定になり、熱分解が始まる
６００℃程度までこの傾向が続く。すなわち、低温で信
頼性の高い層間絶縁膜を形成するには、ＳｉＨ₄と同程
度のＰＨ₃を供給し、４００〜６００℃の成長温度でプ
ラズマ（ＲＦ）を印加して形成する必要がある。

【００３２】また流動性に注目すると、リン濃度を高く
する必要があり、そのため４００℃以下にしなければな
らないが、あまり低温にすると膜質が急激に低下するた
め好ましくない。図２に示されるように、２００℃程度
以下では破線で示されるように堆積速度が急激に増大し
て膜質が低下する。これらの事実から、平坦性と信頼性
が優れた層間絶縁膜を形成するには、４００〜６００℃
での形成と、２００〜４００℃での形成を交互に繰り返
して積層することが望ましい。

【００３３】

【実施例】以下、本発明の実施例を説明する。ここで説
明する実施例は、本発明の好ましい態様を示すものであ
り、本発明の技術的範囲がこれらの実施例に限定される
ものでないことはいうまでもない。

【００３４】（第１実施例）図３は、第１実施例で用い
るバッチ式ＣＶＤシリコン酸化膜形成装置の概略構成説
明図である。この図において、１は反応管、２はヒータ
ー、３はシリコンウェハ、４は排気口、５はシャワーノ
ズル、６，７，８，９，１０，１１はマスフローコント
ローラ（ＭＦＣ）、１２は水供給装置、１３はＴＥＯＳ
供給装置、１４，１５は恒温槽である。

【００３５】この実施例で用いるバッチ式ＣＶＤシリコ
ン酸化膜形成装置においては、図１に示すように、外周
にヒーター２を備えた石英製反応管１の均熱帯に多数の
シリコンウェハ３を間隔を保って配置し、反応管１にシ
リコン原料ガスとして、シラン（ＳｉＨ₄）、ジジラン
（Ｓｉ₂Ｈ₆）、トリシラン（Ｓｉ₃Ｈ₈）、あるいは
テトラエトキシシラン（ＴＥＯＳ）、テトラメチルシラ
ン（ＴＭＳ）等の有機シランガス、酸化ガスとして酸素
（Ｏ₂）あるいは水蒸気（Ｈ₂Ｏ）を供給し、排気口４
から排気するようになっている。

【００３６】さらに具体的に説明すると、酸化ガスとし
ては、純度の高い水素（Ｈ₂）および酸素（Ｏ₂）をそ
れぞれマスフローコントローラ（ＭＦＣ）６，７により
所定量（モル比でＨ₂：Ｏ₂＝２：１）供給して反応管
１で燃焼して水蒸気状のＨ₂Ｏを得ている。酸化ガスと
しては、上記のほか、従来技術と同様に酸素（Ｏ₂）を
ＭＦＣ９を介して導入することができる。また、水素と
酸素を燃焼してＨ₂Ｏを生成する方法に代えて、恒温槽
１５中の水供給装置１２から、ＭＦＣ１０を通してＨ₂
Ｏを供給する方法をとることもできるようになってい
る。

【００３７】そして、水素と酸素を燃焼してＨ₂Ｏを生
成する領域の下流に、シリコン原料ガスであるジシラン
（Ｓｉ₂Ｈ₆）等をＭＦＣ８を通して原料ガス供給ノズ
ルから反応管１内に供給できるようになっている。ま
た、ＴＥＯＳ等の有機シリコンガスを恒温槽１４中のＴ
ＥＯＳ供給装置１３からＭＦＣ１１を通して供給できる
ようになっている。

【００３８】この装置においては、酸化ガスとして、
０．５％以下の微量のＯ₂またはＨ₂ＯをＳｉ₂Ｈ₆に
混合して導入することにより、または、Ｓｉ₂Ｈ₆の上
流から反応管１に導入することにより、膜質の良好なシ
リコン酸化膜を形成することができる。

【００３９】また、ＴＥＯＳを導入する場合は、ＴＥＯ
Ｓをシラン系ガスに混合してもよいし、酸素等の酸化ガ
スに混合して供給してもよい。この実施例においては、
ＴＥＯＳの供給量を、３０ｓｃｃｍ程度にしたとき最適
の流動性が得られた。

【００４０】反応温度には格別厳格な制限はないが、こ
の実施例では３００〜１０００℃程度が好ましいことが
わかった。形成するシリコン酸化膜を膜厚が厚い層間絶
縁膜として用いる場合には、シリコンウェハの温度を４
５０℃前後に維持し、良好な膜質のシリコン酸化膜を高
い成長速度で形成することができる。

【００４１】この実施例においては、図３に示すバッチ
式ＣＶＤシリコン酸化膜形成装置を用いて、反応管１
に、Ｈ₂を６００ｓｃｃｍ、Ｏ₂を３００ｓｃｃｍ、ジ
シラン（Ｓｉ₂Ｈ₆）を３０ｓｃｃｍ供給し、シリコン
ウェハの温度を４５０℃、圧力を１気圧にしてシリコン
ウェハ３上にシリコン酸化膜を形成した。この際、反応
管１の均熱帯における温度分布は±１℃であった。一
方、比較例としてＳｉ₂Ｈ₆と酸化ガス（Ｏ₂）を上記
と同様に供給してシリコン酸化膜を形成した。

【００４２】図４は、本発明の第１実施例におけるシリ
コンウェハの位置と堆積速度との関係を示すグラフであ
る。この図においては、横軸は原料ガス供給口から排気
口にいたるウェハの位置、縦軸は堆積速度を示してい
る。

【００４３】この実施例では、被覆性が良好であったほ
かに、この図から明らかなように、原料ガス供給口から
排気口にいたる位置での成長速度（実線）が、比較例の
堆積速度（破線）に比較して著しく改善されており、バ
ッチ処理を行っても、各シリコンウェハにほぼ均一な厚
さのシリコン酸化膜が形成できることがわかる。この図
は、ジシランを使用した結果であるが、これ以外のシラ
ン系ガスを用いた場合もほぼ同様の結果が得られ、特
に、このジシランのほかにトリシランを用いた場合に改
善効果が高いことがわかった。

【００４４】以下、この実施例の種々の変形態様を説明
する。１．この実施例においては、反応管内に供給する水を、
水素（Ｈ₂）および酸素（Ｏ₂）の燃焼によって得てい
るが、直接純水をキャリアガスでバブルする方法によっ
て供給することもできる。２．この実施例においては、常圧下でシリコン酸化膜を
形成する例を示したが、排気口に排気ポンプを接続し、
ガス流量をコントロールして減圧ＣＶＤによってシリコ
ン酸化膜を形成してもよい。３．本実施例においては、図１に示されるような縦型反
応管を用いているが、横型反応管でも、常圧のカタパル
ト方式でもよいことはいうまでもない。

【００４５】（第２実施例）図５は、第２実施例で用い
るバッチ式ＣＶＤシリコン酸化膜形成装置の概略構成説
明図である。この図において、２１は反応管、２２はヒ
ーター、２３はシリコンウェハ、２４は排気口、２５は
シャワーノズル、２６，２７，２８，２９，３０，３１
はマスフローコントローラ（ＭＦＣ）、３３，３５は水
供給装置、３７は有機不純物供給装置、３２，３４，３
６は恒温槽である。

【００４６】この実施例に用いるバッチ式ＣＶＤシリコ
ン酸化膜形成装置は、外周にヒーター２２を備え、多数
のシリコンウェハ２３を収容し、シャワーノズル２５と
排気口２４を備えた石英製反応管２１に関する限り第１
実施例のバッチ式ＣＶＤシリコン酸化膜形成装置と同様
であるから説明は省略する。

【００４７】この実施例においては、恒温槽３２に収容
された水供給装置３３から発生する水蒸気をマスフロー
コントローラ（ＭＦＣ）２６を介して反応管２１上流に
供給するようになっている。そして、反応管２１にはＳ
ｉＨ₄，Ｓｉ₂Ｈ₆等のシラン系ガスがＭＦＣ２８を通
してシャワーノズル２５から３０ｓｃｃｍ程度供給され
るが、ここでの温度上昇を防ぐため、窒素（Ｎ₂）、ア
ルゴン（Ａｒ）等の不活性ガスをＭＦＣ２７を介して反
応管２１中に供給される。

【００４８】また、この実施例においては、形成される
シリコン酸化膜を低温で流動化するＰＨ₃，Ｂ₂Ｈ₆，
ＡｓＨ₃等の流動性不純物が必要に応じてキャリアガス
と共にＭＦＣ２９を介して反応管２１中に供給される。
この流動性不純物を導入する場合は、単独に導入するこ
とができるほか、シラン系ガスに混合してもよく、ま
た、水素等に混合してもよい。

【００４９】原料ガス中にホスフィン（ＰＨ₃）、ジボ
ラン（Ｂ₂Ｈ₆）、アルシン（ＡｓＨ₃）等の流動性不
純物を添加すると、シリコン酸化膜が流動状態で堆積す
るため、シリコン酸化膜の平坦化が、従来知られていた
水蒸気アニールによるリフローより低温で実現できるだ
けでなく、膜質の劣化もそれほど著しくないため極めて
有利である。

【００５０】すなわち、従来の水蒸気中でアニールして
リフローする場合には、ＰＳＧ等のシリコン酸化膜中の
酸化燐（Ｐ₂Ｏ₅）が溶出し、その溶出経路がポーラス
化することは避けられないが、この実施例においては、
燐酸の溶出とシリコン酸化膜の形成が同時に起こるた
め、当初から緻密なシリコン酸化膜が形成される。

【００５１】この工程においては、前記のように、流動
性不純物としてホスフィン，ジボラン，アルシン等の無
機系ガスを使用することができるほか、Ｐ（Ｃ
Ｈ₃）₃，Ｂ（ＣＨ₃）₃，Ａｓ（ＣＨ₃）₃等の有機
系のドーピング不純物ガスを使用することができ、この
場合はさらに成長中のシリコン酸化膜の流動性を高め平
坦性を改善することができる。

【００５２】この場合、シラン系ガスと酸化ガスに、水
を間欠的に供給するか、上記ホスフィン等の流動性不純
物を間欠的に供給すると、流動性はないが膜質が良好な
シリコン酸化膜と、膜質は多少劣るが流動性があるシリ
コン酸化膜が交互に形成され、両者の中間的なシリコン
酸化膜が形成される。

【００５３】（第３実施例）図６は、第３実施例で用い
るバッチ式ＣＶＤシリコン酸化膜形成装置の概略構成説
明図である。この図において、４１は反応管、４２はヒ
ーター、４３はシリコンウェハ、４４はシャワーノズ
ル、４５はエキシマレーザ、４６は第１反射板、４７は
第２反射板である。

【００５４】この実施例で用いるバッチ式ＣＶＤシリコ
ン酸化膜形成装置においては、図４にその要部を示すよ
うに、合成石英製の反応管４１の周囲にヒーター４２を
配置して、反応管４１中に収容したシリコンウェハ４３
を最適成長温度に加熱し、反応管４１の上部からＨ₂Ｏ
を供給し、シャワーノズル４４を通してシリコン系ガス
であるモノシランガス（ＳｉＯ₄）を供給するようにな
っている。

【００５５】そして、Ｈ₂Ｏあるいはモノシランガス
（ＳｉＯ₄）を供給する経路にエキシマレーザ４５から
出射される紫外線を、第１反射板４６によって反射させ
て入射し、第２反射板４７によって再反射させて、Ｈ₂
Ｏガスを励起している。このように、Ｈ₂Ｏあるいはモ
ノシランガスを紫外線等の光によって励起して活性化す
ることにより、シリコン酸化膜の成長が低温化されるだ
けでなく、その平坦性と膜質が改善される。

【００５６】（第４実施例）図７は、第４実施例で用い
るバッチ式ＣＶＤシリコン酸化膜形成装置の要部構成説
明図である。この図において、５１は反応管、５２はヒ
ーター、５３はシリコンウェハ、５４はシャワーノズ
ル、５５はプラズマ室、５６は誘導コイル、５７は高周
波電源、５８，５９，６０はマスフローコントローラ
（ＭＦＣ）である。

【００５７】この実施例で用いるバッチ式ＣＶＤシリコ
ン酸化膜形成装置においては、図７にその要部を示すよ
うに、反応管５１の周囲にヒーター５２を配置して、反
応管５１中に収容したシリコンウェハ５３を加熱し、Ｍ
ＦＣ５８を通してモノシランガスを、ＭＦＣ５９を通し
てＨ₂を混入した（３％）Ａｒキャリアガスを、ＭＦＣ
６０を通してＯ₂ガスを、シャワーノズル５４から反応
管５１に供給する。

【００５８】そして、この混合ガスの経路にプラズマ室
５５を設け、その周囲に配設された誘導コイル５６に高
周波電源５７から高周波電力を供給して混合ガスをプラ
ズマ化して活性化するようになっている。

【００５９】この図に示されたように、高周波電界を用
いるほかに、マイクロ波、直流の電界によって原料ガス
であるシラン系ガス、有機シランガスおよびＨ₂，Ｏ₂
あるいは水の少なくとも１つをプラズマ化し、活性化す
ることによって、成長するシリコン酸化膜をさらに緻密
にし、平坦化することができる。

【００６０】この実施例における原料ガス、酸化ガス等
のプラズマ化は第５実施例に示されているように反応管
内で行うことができ、また、枚葉式ＣＶＤシリコン酸化
膜形成装置においても同様に行うことができる。

【００６１】（第５実施例）図８は、第５実施例に用い
る枚葉式ＣＶＤシリコン酸化膜形成装置の概略構成説明
図である。この図において、６１は反応室、６２はサセ
プタ、６３はヒーター、６４はシャワーノズル、６５は
ソースガス室、６６は排気口、６７，６８，６９，７０
はマスフローコントローラ（ＭＦＣ）、７１は水供給装
置、７２はＴＥＯＳ供給装置、７３，７４は恒温層、７
５は高周波電源、７６はウェハカセット、７７はウェハ
移送装置、７８はシリコンウェハである。

【００６２】この実施例に用いる枚葉式ＣＶＤシリコン
酸化膜形成装置においては、図８に示されるように、反
応室６１の中に、ヒーター６３を備えたサセプタ（基板
載置台）６２を配置し、このサセプタ６２の上にシリコ
ンウェハ７８を載置し、シリコン原料ガスとしてモノシ
ラン（ＳｉＨ₄）をマスフローコントローラ（ＭＦＣ）
６８を介して、あるいは、恒温槽７４内のＴＥＯＳ供給
装置７２から有機シランガスであるＴＥＯＳをＭＦＣ７
０を介して、周囲から絶縁された原料ガス（ソースガ
ス）室６５に供給し、酸化ガスとして酸素（Ｏ₂）をＭ
ＦＣ６７を介して、または、恒温槽７３内の水供給装置
７１から水蒸気（Ｈ₂Ｏ）をＭＦＣ６９を介してソース
ガス室６５に供給されるようになっている。この際、水
を２０ｓｃｃｍ、ジシランを１０ｓｃｃｍ、酸素
（Ｏ₂）を１ｓｃｃｍ程度供給した。

【００６３】そして、ソースガス室６５内に供給された
原料ガスは、ここで混合され、シャワーノズル６４から
シリコンウェハ７８に向かって噴射され、シリコン酸化
膜が形成されるが、このときのシリコンウェハ７８は３
５０℃程度に加熱され、雰囲気の圧力は０．１〜３０Ｔ
ｏｒｒ程度にコントロールされる。なお、反応室６１
は、排気口６６をとおして排気できるように構成され、
シリコンウェハ７８はウェハカセット７６からウェハ移
送装置（搬送手）７７によって一枚ずつ順次サセプタ６
２の上に移送される。

【００６４】なお、シャワーノズル６４と接地間に高周
波電源７５によって高周波電力を供給し原料ガスをプラ
ズマ化し励起することによって活性化して、シリコン酸
化膜の緻密化、平坦化を図ることができる。また、この
図では、シャワーノズル６４と接地間に直接高周波電源
７５が接続されているが、高周波電力の導入をサセプタ
６２側にしてバイアス電圧を印加し、その電圧を調節す
ることによって原料ガスのプラズマ化を調節し、シリコ
ン酸化膜の最適の緻密化、平坦化を実現することもでき
る。

【００６５】上記の例では、原料ガスをプラズマ化する
電源として１３．５６ＭＨｚの高周波電力を使用した
が、このほか、マイクロ波や、１０ｋＨｚ程度の低周
波、あるいは直流でもよく、また、複数の周波数の励起
電力を導入することもできる。

【００６６】なお、励起電力をパルス的に印加して原料
ガスをプラズマ化すると、シリコン酸化膜の被覆性およ
び平坦性が向上することが見出された。これはプラズマ
のｏｆｆ状態で水およびジシランの下地への吸着が促進
され、プラズマのｏｎ状態で、前段階で吸着した水およ
びジシランの酸化反応が促進されることの繰り返しによ
ってシリコン酸化膜が層状に規則的に形成されるためと
考えられる。

【００６７】さらに、この励起電力のパルス周期より充
分長い周期でＴＥＯＳの供給をオンオフすることによっ
て、流動化による平坦化とシリコン酸化膜の成長を繰り
返してシリコン酸化膜の平坦性をより向上することがで
きる。

【００６８】図９は、第５実施例により形成された多層
シリコン酸化膜の構成を示す模式図である。この図にお
いて、８１は基板、８２は第１層、８３は第２層、８４
は第３層、８５は第４層、８６は第５層である。

【００６９】この例においては、図７に示されているよ
うに、凹凸を有する基板８１の上に、モノシラン（Ｓｉ
Ｈ₄）と水蒸気（Ｈ₂Ｏ）と酸素（Ｏ₂）の混合ガスを
供給して第１層８２を形成し（コンフォーマルなシリコ
ン酸化膜の形成）、その上にモノシラン（ＳｉＨ₄）と
水蒸気（Ｈ₂Ｏ）と酸素（Ｏ₂）とＴＥＯＳ（２０ｓｃ
ｃｍ）の混合ガスを導入して第２層８３を形成し（流動
性の良好なシリコン酸化膜の形成）、その上にＴＥＯＳ
の供給を停止して、モノシラン（ＳｉＨ₄）と酸素（Ｏ
₂）の混合ガスを供給して第３層８４を形成し（緻密な
シリコン酸化膜の形成）、その上に再びＴＥＯＳを導入
して第４層８５を形成し（平坦化）、その上にＴＥＯＳ
の供給を停止して、モノシラン（ＳｉＨ₄）と水蒸気
（Ｈ₂Ｏ）と酸素（Ｏ₂）の混合ガスを導入して第５層
８６を形成している（コンフォーマルなシリコン酸化膜
の形成）。

【００７０】上記のようにすることで、若干膜質が劣化
するＴＥＯＳ添加時のシリコン酸化膜を、緻密なＴＥＯ
Ｓの含まない原料ガスを用いた時のシリコン酸化膜でカ
バーできるから、結果的に平坦で良質の層間絶縁膜が実
現される。また、ＴＥＯＳ＋水系の反応にシラン系ガス
のシリコンが入ると、ＴＥＯＳからの脱水反応を促進し
て自己酸化されるため、さらに膜質が向上し、堆積速度
が増大する。

【００７１】このシラン＋水＋ＴＥＯＳ系酸化は従来の
水＋ＴＥＯＳで形成された酸化膜より膜質および堆積速
度において著しく上回っている。水＋シラン系酸化に有
機シランを添加する方法は、その量によって２つに分か
れる。

【００７２】すなわち、前述の２０ｓｃｃｍ程度のＴＥ
ＯＳを加える場合と、シラン量の１０％程度３ｓｃｃｍ
以下に抑えた場合である。後者の有機シランを微量添加
する場合は、堆積元素の表面マイグレーションを高める
ことによって完全な被覆が実現する。この程度のＴＥＯ
Ｓの添加では膜質の劣化は見られなかった。

【００７３】（第６実施例）図１０は、第６実施例のマ
ルチチャンバー式ＣＶＤシリコン酸化膜形成装置の概略
構成説明図である。この図において、９１は搬送室、９
２はロードロック、９３はランプアニール室、９４は酸
化膜堆積室、９５はエッチング室である。

【００７４】この実施例のマルチチャンバー式ＣＶＤシ
リコン酸化膜形成装置においては、ランプアニール室９
３、酸化膜堆積室９４、スパッタ、ＲＩＥ等のエッチン
グ室９５が搬送室９１を中心にして外気から密閉されて
接続されている。そして、ロードロック９２から導入さ
れたシリコンウェハは、まずランプアニール室９３に入
る。

【００７５】ここで、シリコンウェハを脱ガスした後、
酸素を導入して１〜１００Ｔｏｒｒ程度でＡｌ配線等の
金属表面を酸化する。その後、シリコンウェハは、搬送
室９１を経由して酸化膜堆積室９４に移送され、ここ
で、前述の本発明によるシリコン酸化膜のＣＶＤ堆積を
施される。

【００７６】最後にシリコンウェハはエッチング室９５
に移送され、ここで前工程によって堆積された酸化膜が
Ａｒスパッタによって平坦化される。この場合、ＴＥＯ
Ｓを用いたシリコン酸化膜は、エッチングレートが大き
いため、短時間で平坦化されるだけでなく、この処理に
よって膜質が著しく向上し、表面のＣＶＤシリコン酸化
膜は熱酸化膜に匹敵するほどの膜質になる。

【００７７】なお、このシリコン酸化膜の堆積と、エッ
チングの操作を繰り返すことによってシリコン酸化膜を
さらに平坦化し膜質が優れた多層シリコン酸化膜を形成
することができる。

【００７８】（第７実施例）図１１（Ａ）〜（Ｃ）は、
第７実施例のＳｉ基板上にＳｉウェハを接着する場合の
工程説明図である。この図において、１０１はＳｉ基
板、１０２はＰＳＧ層、１０３はＳｉウェハ、１０４は
チップである。

【００７９】第１工程（図１１（Ａ）参照）Ｓｉ基板１０１の上に水とシランを反応ガスとするＣＶ
Ｄ法によってＰＳＧ層１０２を形成する。

【００８０】第２工程（図１１（Ｂ）参照）第１工程によって形成されたＰＳＧ層１０２を溶融する
ことによってＳｉウェハ１０３を接着する。

【００８１】第３工程（図１１（Ｃ）参照）Ｓｉ基板１０１の上にＰＳＧ層１０２によって接着され
たＳｉウェハを必要に応じてエッチングして分離して複
数のチップ１０４にする。

【００８２】上記のＰＳＧ層１０２を、基板温度を４０
０〜６００℃にし、プラズマを印加して形成すると、膜
中のリン濃度が７％以下になるので、Ｓｉウェハを接着
する際の溶融温度は８００℃以上になる。また、２００
〜４００℃で形成したＰＳＧを用いて接着する場合は８
００℃以下、６００℃程度でも溶融する。これは、ＰＨ
₃ガス流量に応じてリン濃度が上昇できるためで、１０
％以上も容易に達成され、低温で溶融する。

【００８３】これはリン濃度が過剰に取り込まれるため
であるが、先に検討した図２によって所望の溶融温度を
もつＰＳＧ層を形成できる反応ガス圧力、Ｈ₂Ｏの圧
力、ＲＦ電力等の成膜条件を決定することができる。成
長温度で取り込まれるリン濃度は決まるが、表１に示し
たように、この上限濃度に達するようにＰＨ₃ガスは多
めに供給されなければならない。

【００８４】この例では、Ｓｉウェハを接着した後に分
離してチップにしたが、直接チップを接着することもで
きる。

【００８５】（第８実施例）水＋ＳｉＨ₄をプラズマ励
起した低温ＣＶＤ法によって形成されたＳｉＯ₂膜は、
従来のＣＶＤ法によって形成されたＳｉＯ₂膜より膜質
が優れており、従来得られた最高の熱酸化ＳｉＯ₂膜よ
りも良質であることが見出された。

【００８６】図１２（Ａ），（Ｂ）は、第８実施例のＳ
ｉＯ₂膜の耐圧特性図である。これらの図の横軸は耐
圧、縦軸は各耐圧をもつ試料の個数をパーセントで示し
ている。

【００８７】図１２（Ａ）は、熱酸化ＳｉＯ₂膜の耐圧
を示し、８．０８ＭＶ／ｃｍに個数のピークが生じる
が、図１２（Ｂ）は、水＋ＳｉＨ₄をプラズマ励起した
低温ＣＶＤ法によって形成されたＳｉＯ₂膜の耐圧を示
し、１１．９ＭＶ／ｃｍに個数のピークが生じており、
著しく改善されていることがわかる。

【００８８】図１２（Ｂ）に示された試料は、図８の装
置において、モノシラン（ＳｉＨ₄）を２．５ｓｃｃ
ｍ、Ｈ₂Ｏを１００ｓｃｃｍをシャワー６４から供給
し、ＲＦ１００Ｗ印加し、基板を４２０℃にして、ガス
圧力３ＴｏｒｒでＳｉＯ₂膜を形成したもので、従来予
想されなかった結果である。

【００８９】このような高耐圧ＳｉＯ₂膜は、基板温度
２００〜６００℃で、圧力０．１〜２０ＴｏｒｒでＳｉ
Ｈ₄／Ｈ₂Ｏ＝１／１０以下の比で成長したＳｉＯ₂膜
である。この際、プラズマは５０Ｗ以上が必要である。
ここでＯ₂，ＴＥＯＳは使用しなかった。さらに８００
℃以上のアニーリングを行うと耐圧はさらに向上し、信
頼性も向上する。

【００９０】高耐圧、高信頼性を有する膜を得るために
は、Ｈ₂Ｏ＋ＳｉＨ₄の原料ガスでプラズマを印加する
ことが最低限必要で、低温で成長することが重要であ
る。この膜のカバレージも良好であるため凹凸形状での
耐圧の低下はない。

【００９１】低温で形成することができる良質のＳｉＯ
₂膜は、ＭＯＳトランジスタのゲート絶縁膜やキャパシ
タの誘電体等に利用することができる。

【００９２】図１３（Ａ）〜（Ｃ）は、第８実施例のＳ
ｉＯ₂膜形成方法による薄膜トランジスタの製造工程図
である。この図において、１１１はシリコン基板、１１
２はＳｉＯ₂膜、１１３はアモルファスシリコン膜、１
１４はポリシリコン膜、１１５はゲート絶縁膜、１１６
はゲート電極、１１７はソース領域、１１８はドレイン
領域である。

【００９３】この工程説明図によってこの実施例の製造
方法を説明する。

【００９４】第１工程（図１３（Ａ）参照）シリコン基板１１１の上にＳｉＯ₂膜１１２を形成し、
その上に厚さ５００ｎｍのアモルファスシリコン膜１１
３をＣＶＤ法によって形成する。

【００９５】第２工程（図１３（Ｂ）参照）６００℃程度のアニーニングを行って、アモルファスシ
リコン膜１１３を結晶化してポリシリコン膜１１４を形
成する。

【００９６】第３工程（図１３（Ｃ）参照）トランジスタとして用いない外部のポリシリコン膜１１
４を除去した後、水＋ＳｉＨ₄を供給し、基板温度を４
００℃に保って、プラズマＣＶＤ法によって厚さ３０ｎ
ｍのゲート絶縁膜１１５を形成する。

【００９７】次いで、厚さ３００ｎｍのポリシリコン膜
を堆積してパターニングしてゲート電極１１６を形成す
る。このゲート電極１１６をマスクにしてＡｓをイオン
注入してソース領域１１７とドレイン領域１１８を形成
して薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）を形成する。

【００９８】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によると、
従来技術によるシリコン酸化膜によっては完全に被覆す
ることができなかった微細な段差部を完全に被覆するこ
とができ、例えば深い溝や穴部にも被覆性と膜質が良好
なシリコン酸化膜を形成することができるため、ＬＳＩ
の集積度を飛躍的に向上させることができる。また、バ
ッチ式で成膜された同一バッチのウェハの酸化膜の膜厚
分布の均一性を向上することができ、平坦で信頼性の高
い絶縁膜を高い歩留りで効率よく形成することができ、
その上に形成される配線の信頼性も向上する。

【図面の簡単な説明】

【図１】ＰＳＧ膜中のリン濃度と脱ガス量の関係図であ
る。

【図２】成長温度とＮＳＧとＰＳＧの成長速度とＰＳＧ
のリン濃度の関係図である。

【図３】第１実施例で用いるバッチ式ＣＶＤシリコン酸
化膜形成装置の概略構成説明図である。

【図４】本発明の第１実施例におけるシリコンウェハの
位置と堆積速度との関係を示すグラフである。

【図５】第２実施例で用いるバッチ式ＣＶＤシリコン酸
化膜形成装置の概略構成説明図である。

【図６】第３実施例で用いるバッチ式ＣＶＤシリコン酸
化膜形成装置の概略構成説明図である。

【図７】第４実施例で用いるバッチ式ＣＶＤシリコン酸
化膜形成装置の要部構成説明図である。

【図８】第５実施例に用いる枚葉式ＣＶＤシリコン酸化
膜形成装置の概略構成説明図である。

【図９】第５実施例により形成された多層シリコン酸化
膜の構成を示す模式図である。

【図１０】第６実施例のマルチチャンバー式ＣＶＤシリ
コン酸化膜形成装置の概略構成説明図である。

【図１１】（Ａ）〜（Ｃ）は第７実施例のＳｉ基板上に
Ｓｉウェハを接着する場合の工程説明図である。

【図１２】（Ａ），（Ｂ）は、第８実施例のＳｉＯ₂膜
の耐圧特性図である。

【図１３】（Ａ）〜（Ｃ）は、第８実施例のＳｉＯ₂膜
形成方法による薄膜トランジスタの製造工程図である。

【符号の説明】

６１反応室６２サセプタ６３ヒーター６４シャワーノズル６５ソースガス室６６排気口６７，６８，６９，７０マスフローコントローラ７１水供給装置７２ＴＥＯＳ供給装置７３，７４恒温層７５高周波電源７６ウェハカセット７７ウェハ移送装置７８シリコンウェハ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者田渕明神奈川県川崎市中原区上小田中1015番地富士通株式会社内 (72)発明者古村雄二神奈川県川崎市中原区上小田中1015番地富士通株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】シラン系ガスと水を原料ガスとしてＣＶ
Ｄ法によりシリコン酸化膜を形成する工程を含むことを
特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項２】シラン系ガスと水を原料ガスとし、これ
にＰＨ₃，Ｂ₂Ｈ₆，ＡｓＨ₃等の流動性不純物を添加
してＣＶＤ法によりシリコン酸化膜を形成する工程を含
むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項３】シラン系ガスに水または流動性不純物を
間欠的に導入することを特徴とする請求項２に記載の半
導体装置の製造方法。
【請求項４】原料ガスに有機シランガスを混合するこ
とを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項
に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項５】シラン系ガス、有機シランガスおよび水
の少なくとも１つをプラズマ、光等によって連続的ある
いはパルス的に励起することを特徴とする請求項１ない
し請求項４のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方
法。
【請求項６】シラン系ガスと酸化ガスあるいは水を原
料ガスとしてＣＶＤ法によってシリコン酸化膜を形成す
る工程と、シラン系ガスと酸化ガスあるいは水と有機シ
ランガスを原料ガスとしてＣＶＤ法によってシリコン酸
化膜を形成する工程と、シラン系ガスあるいは水を原料
ガスとし、これにＰＨ₃，Ｂ₂Ｈ₆，ＡｓＨ₃等の流動
性不純物を添加してＣＶＤ法によってシリコン酸化膜を
形成する工程と、原料ガスであるシラン系ガス、有機シ
ランガス、水のすくなくとも１つをプラズマ、光等によ
って励起してＣＶＤ法によってシリコン酸化膜を形成す
る工程のいずれか２つ以上を用いて複数層のシリコン酸
化膜を形成する工程を含むことを特徴とする半導体装置
の製造方法。
【請求項７】ＣＶＤ法によって形成された流動性酸化
膜によってウェハ、チップ等を接着することを特徴とす
る請求項２ないし請求項６のいずれか１項に記載の半導
体装置の製造方法。