JPH06349831A - 半導体装置の製造方法 - Google Patents

半導体装置の製造方法

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JPH06349831A
JPH06349831A JP13973793A JP13973793A JPH06349831A JP H06349831 A JPH06349831 A JP H06349831A JP 13973793 A JP13973793 A JP 13973793A JP 13973793 A JP13973793 A JP 13973793A JP H06349831 A JPH06349831 A JP H06349831A
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silicon oxide
film
glass film
oxide glass
forming
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Abstract

(57)【要約】 【目的】平滑な表面を有し、且つ、膜質の緻密な酸化ケ
イ素系ガラス膜を層間絶縁膜として形成する。 【構成】有機シランガスと水蒸気または酸素ガスを含む
プラズマ雰囲気で酸化ケイ素系ガラス膜を形成する工程
と、フッ素を含むガスのプラズマ雰囲気で、酸化ケイ素
系ガラス膜を緻密化する工程を交互に繰り返して所望の
膜厚の緻密な膜質の層間絶縁膜を有する。

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、特に層間絶縁膜の形成方法に関する。
【0002】
【従来の技術】近年の半導体装置の高集積化、高速化に
伴って、金属膜配線は多層化し、金属膜配線自体も微細
化、高アスペクト比化の傾向が著しい。このような半導
体装置を製造していく上で、層次のことなる金属膜配線
間の層間絶縁膜を十分な平滑性をもって形成することが
重要である。
【0003】平滑な表面を有する層間絶縁膜の形成方法
として、例えば、1991 VMICコンファレンス
(VLSL Multilevel Intercon
nection Conference)予稿集、第4
35頁〜第441頁に記載されている、テトラエトキシ
シラン(Si(O2 5 4 )と水蒸気(H2 O)を用
いてプラズマ雰囲気中で酸化ケイ素系ガラス膜を形成す
る方法がある。以下、この従来技術を図面を参照して説
明する。図2は従来技術及び本発明において用いられる
酸化ケイ素系ガラス膜形成装置の模式図である。反応室
1内にガス配管2、上部電極3を通じて、テトラエトキ
シシラン(Si(OC2 5 4 ,又はTEOS)と水
蒸気(H2 O)が導入される。下地基板4(ウェーハ)
は温度制御されたヒーター5の上に保持され、接地され
ている。上部電極3には発振周波数13.56MHzの
高周波電源6が接続されており、必要に応じ矩形波のよ
うに周期的にオン/オフが可能である。このオン時間の
全体時間に対する比は、デューティ比と呼ばれている。
オン/オフの繰返し周波数は例えば100KHzを用い
る。テトラエトキシシランと水蒸気は反応後、排気孔8
より排出される。次に従来技術の酸化ケイ素系ガラス膜
の形成時のガス流量等のタイムチャートを図7に示す。
テトラエトキシシランを100sccm,水蒸気を50
sccmの流量で反応室内に導入する。下地基板は10
0℃に保持される。同時に高周波電源6よりデューティ
比30%でパワーを供給することにより、表面形状が平
滑な酸化ケイ素ガラス膜を形成する。以上述べた従来技
術を半導体装置の層間絶縁膜の形成に適用する場合、図
8(a)に示すように、シリコン基板21上の酸化シリ
コン膜22を選択的に被覆して金属膜配線23が形成さ
れた下地基板を用意し、この上に、前述した従来技術を
用いて、図8(b)に示すように、酸化ケイ素系ガラス
膜24を形成すると平滑な表面が得られる。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】この従来技術の酸化ケ
イ素系ガラス膜の形成においては、高周波パワーがオン
状態において、テトラエトキシシランと水蒸気を気相中
で反応させ、流動性を有した酸化ケイ素ガラス前駆体を
形成し、オフ状態において、この前駆体が下地基板に達
し、流動化し、約100℃に加熱されたヒーターによっ
て、さらに反応が進み、二酸化ケイ素を主成分とする酸
化ケイ素系ガラス膜を形成する。この為、酸化ケイ素系
ガラス膜を形成する熱エネルギーが通常のSOG膜形成
で用いられる300℃以上の温度の場合に比較して低い
こと、プラズマパワーを高くすると流動化しないので低
パワーで成膜する必要があることに起因して、膜の緻密
性が低い酸化ケイ素系ガラス膜が形成されることにな
る。緻密性が低い酸化ケイ素系ガラス膜は強い引張り応
力を有するので、図8(c)に示すようにクラック27
を生じる。このようなクラックは次工程の上層の金属膜
配線形成工程において断線や短絡を引き起こし、半導体
装置の歩留り低下を招くという問題がある。さらに、ビ
アホール部において緻密性が低い酸化ケイ素系ガラス膜
から放出される水蒸気によって断線を生じる。
【0005】すなわち、層間絶縁膜形成後に上層の金属
膜配線を形成する場合、まず、図9(a)に示すよう
に、酸化ケイ素系ガラス膜24を形成した後、図9
(b)に示すように、フォトレジスト膜25をマスクに
してビアホール26を開口する。次に、図9(c)に示
すように、フォトレジスト膜26を除去し、引き続いて
図9(d)に示すように、上層の金属膜配線27を形成
する工程において、緻密性が低い酸化ケイ素系ガラス膜
24は容易に大気中の水蒸気を吸収し、加熱によって放
出する特性がある為、金属膜形成時の加熱によって、水
蒸気が滞留し易いビアホール部には金属膜が付着しな
い、所謂、ポイズンドビアホール28が発生する。この
ポイズンドビアホールによって、金属膜配線は断線し、
半導体装置の著しい歩留りの低下、信頼性の低下という
重大な問題を引き起こす。
【0006】
【課題を解決するための手段】本発明の半導体装置の製
造方法は、有機シランガスと水蒸気または酸素ガスを含
むプラズマ雰囲気から、酸化ケイ素系ガラス膜を形成し
て下地基板を被覆する工程と、フッ素を含むガスのプラ
ズマ雰囲気で、前記酸化ケイ素系ガラス膜を緻密化する
工程とを交互に繰り返して、層間絶縁膜を形成する工程
を備えている。
【0007】
【実施例】次に本発明について、図面を参照して説明す
る。
【0008】本発明の第1の実施例で用いる酸化ケイ素
系ガラス形成装置は従来技術において用いられたものと
同様であり、図2に示す。
【0009】テトラエトキシシラン,水蒸気,四フッ化
炭素の各ガスは各々流量制御され、ガス配管2を通して
上部電極3より反応室1内に導入される。下地基板4は
ヒーター5の上に設置され温度制御されている。また上
部電極3には発振周波数13.56MHzの高周波電源
が接続されており、必要に応じ周期的にオン/オフが可
能である。本発明の第1の実施例における酸化シリコン
系ガラス膜の形成の時のガス流量等のタイムチャートを
図1に示す。
【0010】先ず、テトラエトキシシラン100scc
m,水蒸気50sccm,高周波パワーを150W,加
熱温度100℃において、シリケートガラス膜を厚さ5
0nm形成する。この際、高周波パワーは100kHz
のオン/オフの繰返し周波数でデューティ比30%にす
ることによって流動性が生じ平滑な表面を有する主成分
が2酸化ケイ素の酸化ケイ素系ガラス膜が形成される。
引き続いて、テトラエトキシシランガスを止め四フッ化
炭素ガス10sccmを導入すると同時に高周波パワー
を400W,デューティ比100%に設定する。四フッ
化炭素はプラズマによってフッ素ラジカルを生じるが、
フッ素ラジカルは、酸化ケイ素系ガラス膜中に、テトラ
エトキシシランが未反応で残存したSi−OH結合と水
との重縮合反応を促進する触媒作用があることを見出し
た。このようにして、膜質が緻密化される範囲は表面か
ら50nm程度である。さらに、酸化ケイ素系ガラス膜
の形成とフッ素ラジカルを用いた膜改質(緻密化処理)
を時間的に分けて独立に行なうので、膜改質時の高周波
パワーを高くすることが可能となり、イオンの運動エネ
ルギーを高くでき、膜の緻密化がさらに促進される。以
上を繰り返して行なうことにより、所望の酸化ケイ素系
ガラス膜を得る。
【0011】次に、本実施例の具体例として半導体装置
の層間絶縁膜の形成について説明する。
【0012】まず、図3(a)に示すように、シリコン
基板21にシリコン酸化膜22、図示しないトランジス
タ等の素子、金属膜配線23が形成された下地基板を準
備する。この上に、図3(b)に示すように、テトラエ
トキシシランと水蒸気を用いて、平滑な表面を有する酸
化ケイ素系ガラス膜24−1を厚さ50nm形成する。
引き続いて、図3(c)に示すように、四フッ化炭素プ
ラズマ中のフッ素ラジカル及びイオン29にさらすこと
によって酸化ケイ素系ガラス膜24−1は緻密化された
酸化ケイ素系膜30−1になる。同様に、図4(a)に
示すように、酸化ケイ素系ガラス膜24−2を形成し、
図4(b)に示すように、緻密化処理を行なう。このよ
うな酸化ケイ素系ガラス膜の形成と緻密化処理を例えば
10回繰り返すことにより、図4(c)に示すように、
緻密化された酸化ケイ素系ガラス膜30が厚さ1μm層
間絶縁膜として形成される。従来技術において形成した
酸化ケイ素系ガラス膜は、800℃の熱処理後の膜厚
が、形成時の膜厚に比較して15%収縮するような疎な
膜質を有していたが、本発明第1の実施例によれば5%
収縮にまで改善される。その結果、従来技術において見
られた、膜のクラックやポイズンドビアホールを生じる
ことが無くなる。
【0013】次に本発明第2の実施例について図面を参
照して説明する。
【0014】図5は本発明第2の実施例において用いら
れる酸化ケイ素系ガラス膜形成装置の模式図である。
【0015】第1の実施例と異なる点は、プラズマの形
成用の電源として、スイッチ9によって高周波電源6と
低周波電源7が交互に選択できる構造となっている。酸
化ケイ素系ガラス膜の形成について図6を参照して説明
する。
【0016】まず、酸化ケイ素系ガラス膜を第1の実施
例と同様に13.56MHzの高周波をデューティ比3
0%、パワー150Wにして形成する。引き続いて、電
源を400kHzの低周波電源に切り替え、400W、
デューティ比60%、にして20秒の膜改質処理を行な
う。低周波を用いることによって、イオンの運動エネル
ギーは高くなり、第1の実施例に比較してさらに膜の緻
密性は向上し、800℃での熱処理後の膜収縮は3%に
まで改善される。
【0017】以上、テトラエトキシシランを用いて説明
したがその他のアルコキシランやシロキサン等の有機シ
ランを用いて酸化ケイ素系ガラス膜を形成する場合にも
適用できる。また、水蒸気に代えて酸素でも良い。さら
に、フッ素を含むガスとして四フッ化炭素ガスの他に六
フッ化二炭素ガス(C2 F6 ),フッ素ガス(F2 )を
用いても良い。
【0018】
【発明の効果】以上説明したように本発明は、フッ素ラ
ジカルの触媒作用を用いることにより、テトラエトキシ
シランなどの有機シランガスと水蒸気または酸素ガスを
含むプラズマ雰囲気から形成される酸化ケイ素系ガラス
膜を緻密化させて半導体装置の層間絶縁膜を形成するの
で、層間絶縁膜のクラックや上層配線形成時のポイズン
ドビアホールを生じることが無く、半導体装置の歩留
り、及び信頼性が一層改善されるという効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施例におけるガス流量等のタ
イムチャートである。
【図2】本発明第1の実施例及び従来技術において用い
られる酸化ケイ素系ガラス膜形成装置の模式図である。
【図3】本発明の第1の実施例の説明のための(a)〜
(c)に分図して示す工程順断面図である。
【図4】図3に対応する工程の次工程の説明のための
(a)〜(c)に分図して示す工程順断面図である。
【図5】本発明第2の実施例において用いられる酸化ケ
イ素系ガラス膜形成装置の模式図である。
【図6】本発明第2の実施例におけるガス流量等のタイ
ムチャートである。
【図7】従来技術の酸化ケイ素系ガラス膜形成における
ガス流量等のタイムチャートである。
【図8】従来技術の説明のための(a)〜(c)に分図
して示す工程順断面図である。
【図9】従来技術におけるポイズンドビアホールの発生
を説明するための(a)〜(d)に分図して示す工程順
断面図である。
【符号の説明】
1 反応室 2 ガス配管 3 上部電極 4 下地基板 5 ヒーター 6 高周波電源 7 低周波電源 8 排気孔 9 スイッチ 21 シリコン基板 22 酸化シリコン膜 23 金属膜配線 24,24−1,24−2 酸化ケイ素系ガラス膜 25 フォトレジスト膜 26 ビアホール 27 上層の金属膜配線 28 ポイズンドビアホール 29 フッ素ラジカル及びイオン 30,30−1,30−2 緻密化された酸化シリコ
ン系ガラス膜

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 有機シランガスと水蒸気または酸素ガス
    を含むプラズマ雰囲気から酸化ケイ素系ガラス膜を形成
    して下地基板を被覆する工程と、フッ素を含むガスのプ
    ラズマ雰囲気で前記酸化ケイ素系ガラス膜を緻密化する
    工程とを交互に繰り返して層間絶縁膜を形成することを
    特徴とする半導体装置の製造方法。
  2. 【請求項2】 有機シランはテトラエトキシシランであ
    る請求項1記載の半導体装置の製造方法。
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