JPH0654775B2

JPH0654775B2 - 半導体装置の製造方法

Info

Publication number: JPH0654775B2
Application number: JP59180664A
Authority: JP
Inventors: 俊郎荻野; 好仁雨宮
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 1984-08-31
Filing date: 1984-08-31
Publication date: 1994-07-20
Anticipated expiration: 2009-07-20
Also published as: JPS6159836A

Description

【発明の詳細な説明】（産業上の利用分野）本発明は、集積回路などの半導体装置の製造方法、詳し
くは絶縁層の製造において、絶縁層の下地の段差もしく
は凹凸を軽減もしくは平坦化しうる絶縁層形成方法に関
するものである。特に、微細素子間分離における絶縁物
の溝埋め込み、及び配線工程における絶縁膜形成に適用
しうるものである。

（従来技術及び発明が解決しようとする問題点）従来集積回路における微細な素子間分離の方法として、
第６図、及び第７図に示す方法が提案されていた。まず
第６図において、１は第１の導電型を有するシリコン基
板、２は第２の導電型を有するエピタキシヤル層、３は
領域２を分離するために形成された分離溝である。第６
図(a)の分離溝３を埋めるためには、まずシリコン基板
１とエピタキシヤル層２の表面を酸化してシリコン酸化
膜４を形成した後、多結晶シリコン層５を堆積する。多
結晶シリコン層５の表面は、分離溝３の幅が１μｍ程度
の場合、ほぼ平坦になるので、第６図(b)の形状を得
る。その後、多結晶シリコン層５をエツチングして、分
離溝３にのみ多結晶シリコン層６を残して第６図(c)の
形状を得る。さらに多結晶シリコン層６の表面を酸化
し、熱酸化膜７を形成する。以上の分離工程において
は、まず、分離溝３の形状や幅Ｗが異なると、第６図
(b)において多結晶シリコン層５が平坦にならなかつた
り、多結晶シリコン層５の溝内に空洞が生じたりする欠
点があつた。また、第６図(d)の多結晶シリコン層６の
酸化において、酸化膜がもとのシリコン膜に比べて約2.
4倍に膨脹することにより、エピタキシヤル層２に歪が
加わり、欠陥を誘発する欠点があつた。さらに、第６図
(d)において、分離溝３内は絶縁物で完全に埋められて
おらず、素子が形成されるエピタキシヤル層２の間の耐
圧が低い欠点があつた。

次に、第７図に示す方法について説明する。図におい
て、11は第１の導電型を有するシリコン層、12は第２の
導電型を有するエピタキシヤル層、14はシリコン酸化
膜、15は金属層である。第７図(a)では分離のための溝1
3が形状されている。第７図(a)の構造に絶縁膜16〜18を
形成する。ここで、プラズマＣＶＤ法等によつて絶縁膜
を形成すると、溝13の側壁部分の絶縁層17の部分は、絶
縁膜16及び18の部分よりもエツチング速度が大きいので
選択的にエツチング除去ができる（第７図(c)）。その
後、金属層15をエツチングすると、絶縁層16は同時に除
去され、絶縁層18が分離溝内に残る。さらに、絶縁層19
を堆積し、表面を平坦にした後（第７図(d)）、この絶
縁層19をエツチングして、第７図(e)の構造を得る。第
７図に示す分離工程においては、第７図(c)に示すよう
に、絶縁層16を除去するのにリフトオフという工程を含
み、そのため歩留りが悪く、工程が複雑であるという欠
点を有していた。

一方、配線工程の前に下地の段差を軽減する方法として
は、従来リンガラスのフローが用いられていた。この方
法は、1000℃前後の熱処理を必要とし、そのため素子領
域の不純物濃度が変化する欠点があつた。従つて微細な
不純物分布を有する素子に適用することができなかつ
た。さらにリンガラスは、通常集積回路工程で用いられ
るエツチング液に対して非常に溶けやすく、リンガラス
の加工において厳密な制御が必要であるという欠点を有
していた。

（問題点を解決するための手段）本発明は上記の欠点を改善するために提案されたもの
で、耐薬品性に優れた絶縁物を簡便な方法で溝に埋め込
み、あるいは下地の段差を緩和することを目的とする。

しかして本発明は、少くとも二酸化ゲルマニウムを含む
二酸化シリコン層を水素中において熱処理することによ
つて、処理中に大きな流動性を生ぜしめ、かつゲルマニ
ウムを揮発放散させることを特徴とするものである。

次に本発明の実施例を説明する。なお実施例は一つの例
示であつて、本発明の精神を逸脱しない範囲で、種々の
変更あるいは改良を行いうることは言うまでもない。

第１図は、本発明の第１の実施例であり、絶縁物の溝埋
め込み分離に適用した場合の実施例である。第１図(a)
において、21は第１の導電型を有するシリコン基板、22
は第２の導電型を有するエピタキシヤル層、23はシリコ
ンの熱酸化膜、24は２μｍの幅，１μｍの深さの幅の広
い分離溝、25は１μｍの幅，１μｍの深さの幅の狭い分
離溝であり、同一基板上に幅の異なる分離溝が形成され
ている。第１図(a)に示す基板上に、少くとも二酸化ゲ
ルマニウムを含む二酸化シリコン層26を形成し、第１図
(b)の構造を得る。ここで二酸化ゲルマニウムを含む二
酸化シリコン層26を形成する方法として、スパツタ法、
シラン，ゲルマン，酸素等を原料ガスとする化学気相成
長法、同様のガスを用いたプラズマ堆積法、Si-Ge合金
層を堆積した後、その合金層を酸化する方法等がある。
ここでは、Si-Ge合金層の酸化により、二酸化シリコン
層26を形成した。Si-Ge合金層は、シランとゲルマンの
混合ガスを450℃で熱分解して堆積するが、酸化後の二
酸化シリコン層26中の二酸化ゲルマニウムの組成比が55
モル％となるように、シランとゲルマンのガス流量比を
調節した。二酸化シリコン層26の表面は第１図(b)に示
すごとく、分離溝の幅によつて異なる形状の凹凸を有す
る。次に、第１図(b)に示すシリコン基板を900℃で、水
素中で10分間熱処理を行なつた。熱処理後、二酸化シリ
コン層26は、第１図(c)の27に示すように表面の凹凸が
なくなり、平坦な膜となつた。また同時に二酸化シリコ
ン層27の膜厚は、水素中での熱処理前の膜厚に比べて約
1/2となつた。水素熱処理後の二酸化シリコン層27中に
は、二酸化ゲルマニウムは存在せず、５モル％以下の単
体ゲルマニウムが存在するだけであることが判明した。
さらに、二酸化シリコン層27を、通常のシリコン酸化膜
のエツチング液を用いてエツチングし、シリコン熱酸化
膜も同様にエツチングし、エピタキシヤル層22が露出し
た時点でエツチングを終了すると、第１図(d)に示す形
状が得られ、分離工程が終了する。ここで、二酸化シリ
コン層27の緩衝フツ酸液に対するエツチング速度は610
Å／分であり、シリコン熱酸化膜のエツチング速度570
Å／分とほぼ同程度であるので、第１図(d)に示すごと
く平坦な表面を得ることができる。

以上のように、この実施例において、二酸化ゲルマニウ
ムを含む二酸化シリコン層を水素中で熱処理すると、処
理中に大きな流動を生じ、様々な幅や形状を有する溝を
同時に絶縁物で埋めることができる。また、水素処理前
の二酸化シリコン層は二酸化ゲルマニウムを含むため耐
湿性や耐薬品性が純粋な二酸化シリコンに比べて劣る
が、水素処理後の二酸化シリコン層は、二酸化ゲルマニ
ウムを含まないため、純粋な二酸化シリコンとほぼ同程
度の化学的性質を示す。水素処理後の二酸化シリコン層
（第１図27）は、なお若干のゲルマニウムを含むが、こ
れを800℃、10分加湿酸素中で処理を行い、残留ゲルマ
ニウムを再び二酸化ゲルマニウムに変え、さらに、900
℃で５分間水素中で熱処理することにより、残留ゲルマ
ニウムを１％以下とすることもできる。必要に応じて、
第１図(b)の二酸化シリコン層26中にリンを添加するこ
とにより水素処理後の二酸化シリコン層27のエツチング
速度を大きくし、あるいはボロンを添加することによ
り、エツチング速度を小さくすることもできる。

この実施例においては、溝を絶縁物のみで埋めることが
でき、多結晶シリコンを用いていないので、素子形成領
域であるエピタキシヤル層22間の耐圧を高くし、容量を
低減することができる。さらに溝内に多結晶シリコンを
埋め込み、その多結晶シリコンを酸化するという工程を
用いておらず、水素中での熱処理の際に生ずる流動性を
用いて溝埋め込みを行つているため、エピタキシヤル層
22には全く歪が加わらない。分離溝24及び25付近の断面
をジルトルエツチング法で調べたところ、欠陥の発生は
全く観察されなかつた。二酸化シリコン層27〜29の電気
的特性を別の試料を用いて評価したところ、絶縁耐圧は
５×10⁶V/cm以上、絶縁抵抗は５×10¹⁵Ω・cm以上であ
り、絶縁体として良好な特性であることが判明した。

なお、この実施例において第１の導電型を有するシリコ
ン基板21のかわりに絶縁体基板、あるいは表面に近い部
分のみ絶縁層である基板を用いた場合においても、同様
の工程によつて分離を行うことができる。

第２図は、本発明の第２の実施例を示すものであり、図
において31は第１の導電型を有するシリコン基板、32は
第２の導電型を有するエピタキシヤル層、33はシリコン
の熱酸化膜、34は底部の拡がつた分離溝で、31と32の間
でサイドエツチングが施されている。このような構造
は、31の上面に、32を成長させる前に高濃度のアンチモ
ンあるいはヒ素を拡散させておき、その高濃度拡散層の
エツチング速度の大きいエツチング液を用いてサイドエ
ツチングすることにより形成できる。次に第２図(a)の
基板31上に、二酸化ゲルマニウムを含む二酸化シリコン
層35を、シラン−ゲルマン−酸素を原料ガスとする化学
気相成長法で堆積した（第２図(b)）。このとき、二酸
化ゲルマニウムの組成は、第１の実施例と同様55モル％
となるようにした。第２図(b)で、分離溝34付近の断面
を観察すると、分離溝34の底部に空洞が存在する。この
空洞は、二酸化ゲルマニウムを含む二酸化シリコン層35
の代わりに多結晶シリコンで溝埋めを行つても同様に発
生する。第２図(b)の基板を900℃で、水素雰囲気中で10
分間熱処理を行うと、二酸化シリコン層35中の二酸化ゲ
ルマニウムが揮発放散し、同時に大きな流動性が生ずる
ため、第２図(c)に示すごとく、二酸化シリコン層37の
表面は平坦であり、さらに、分離溝内に空洞は観察され
なかつた。このように、本発明を用いると、分離溝の底
部が横方向へ拡がつた形状であつても、分離溝を絶縁物
で完全に埋めることができる。第２図(c)の二酸化シリ
コン層の性質については第１の実施例で述べたとおりで
ある。

第３図は本発明の第３の実施例を示すものであり、第３
図(a)は金属配線を行う前段階でのシリコン基板の一部
である。図において41はシリコン基板、42は絶縁層、43
は多結晶シリコン抵抗体もしくは多結晶シリコン配線で
ある。ここで、通常の方法で多結晶シリコン層43を絶縁
物で覆い、コンタクト窓をあけた後金属配線を行うと、
段差44の部分で配線切れを生ずるため、歩留りの低下や
信頼性の低下を招く。この実施例では、まず二酸化ゲル
マニウムを含む二酸化シコン層45を形成し（第３図
(b)）、次いで、水素雰囲気中で熱処理し、二酸化ゲル
マニウムを含まない二酸化シリコン層46を形成する（第
３図(c)）。ここの手順は、第１の実施例で述べたとお
りである。ここで、二酸化シリコン層は第３図(c)の46
に示すごとく、水素雰囲気中での熱処理により、段差47
をなだらかに覆う。この効果により、二酸化シリコン層
46にコンタクト窓（第３図(d)）49をあけ、金属配線48
を施したとき、多結晶シリコン層43の段差47を越える部
分での配線切れは全く観察されなかつた。また、第１の
実施例で述べたごとく、二酸化シリコン層は多結晶シリ
コン層43と第１層配線48との間の絶縁層として良好な化
学的・電気的性質を有する。

第４図は本発明の第４の実施例であつて、集積回路の多
層配線工程における層間絶縁膜の形成に適用したもので
ある。第４図(a)は第一層金属配線を行つた直後の断面
図で、図において51はシリコン基板、52は第一層金属配
線、53は第一層金属配線の端である。ここで、第一層金
属配線52としては、モリブデン，タングステン等の高融
点金属を用いる必要があり、この実施例ではモリブデン
とした。次に、第４図(a)の基板上に二酸化ゲルマニウ
ムを含む二酸化シリコン層54を堆積するが（第４図
(b)）、ここでは、第一層金属52が酸化されないように
するため、二酸化ゲルマニウムと二酸化シリコンを50モ
ル％づつ含むターゲツトを用いてスパツタ法によつて形
成した。次いで水素中で900℃で熱処理を行い、段差53
を緩かに覆う（第４図(c)）。第３図に示した第３の実
施例と同様の手順に従い、第２層目の金属配線56を形成
し、第４図(d)の構造を得る。この実施例においては、
高温で行なわれる処理は水素雰囲気中のみであるので、
第一層金属52は全く酸化されずに残る。また、水素中で
の処理時に大きな流動性が生ずるため、第一層金属52
が、例えば５μｍの高さを有していたとしても、二酸化
ゲルマニウムを含む二酸化シリコン層54が十分厚けれ
ば、水素中での処理後の表面は、殆ど平坦であり、厚い
層間絶縁膜の形成が可能である。第５図はその工程を示
すものであり、図中61はシリコン基板、62は高融点金属
を用いた第１層金属配線であり、第４図に示した方法と
全く同じ手順で二酸化ゲルマニウムを含む二酸化シリコ
ン層63を形成し、水素雰囲気中で熱処理を施して63を二
酸化ゲルマニウムの少ない二酸化シリコン層64に変え、
かつ平坦性のよい表面を得る（第５図(c)）。ここで、
第１層金属配線62上の二酸化シリコン層64は十分薄いの
で、第５図(c)の基板を、二酸化シリコンに対して通常
用いられるエツチング液、あるいはプラズマを用いてわ
ずかにエツチングすると、第５図(d)に示すごとく、第
一層金属62の表面を露出させ、かつ、62の間には十分厚
い二酸化シリコン層64を残すことができる。このように
本発明を用いると、厚い層間絶縁膜を形成し、かつ第一
層金属を、その層間絶縁膜の上部まで露出させる工程が
可能となる。

（発明の効果）以上説明したように、本発明方法によれば、半導体基板
上に形成された溝内に絶縁物を埋め込み、分離を行う工
程において、二酸化ゲルマニウムを含む二酸化シリコン
層を堆積し、ついでこの二酸化シリコン層に水素雰囲気
中で熱処理を施し、二酸化ゲルマニウムを揮発放散させ
ることにより、二酸化ゲルマニウムを殆ど含まず、かつ
前記熱処理中に生ずる流動性により平坦化された表面を
有する絶縁層を得ることができる。従つて、形成された
絶縁膜はシリコンの熱酸化膜と同等の化学的性質を有す
ること、前記流動性により、溝埋め込み工程における歪
の発生を抑制でき、様々な形状の溝を同時に埋めること
ができる利点がある。

さらに本発明方法によれば、配線工程において、下地の
段差を緩和し、耐薬品性に優れた絶縁膜を簡便な方法で
得ることができ、必要とする熱処理温度も従来の方法に
比べて100度以上低減できる効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明を用いた第１の実施例で溝埋め込み分離
の工程図、第２図は本発明を用いた第２の実施例で底部
の拡がつた溝を埋め込む分離の工程図、第３図は本発明
の第３の実施例であり、金属配線前の段差緩和の工程
図、第４図及び第５図は本発明の第４の実施例であり、
段差の緩かな層間絶縁膜を形成する工程図、第６図は従
来の溝埋め込み分離の工程図、第７図は従来の溝埋め込
み分離の工程図を示す。１……第１の導電型を有するシリコン基板２……第２の導電型を有するエピタキシヤル層３……分離溝４……シリコン酸化膜５……多結晶シリコン層６……溝内の多結晶シリコン層７……多結晶シリコン層６の熱酸化膜 11……第１の導電型を有するシリコン基板 12……第２の導電型を有するエピタキシヤル層 13……分離溝 14……シリコン酸化膜 15……金属層 16……絶縁膜 17……絶縁膜の側壁部分 18……溝内の絶縁物 19……絶縁層 21……第１の導電型を有するシリコン基板 22……第２の導電型を有するエピタキシヤル層 23……シリコン酸化膜 24……幅の広い分離溝 25……幅の狭い分離溝 26……二酸化ゲルマニウムを含む二酸化シリコン層 27……水素処理を施した二酸化シリコン層 28……24内の二酸化シリコン層 29……25内の二酸化シリコン層 31……第１の導電型を有するシリコン基板 32……第２の導電型を有するエピタキシヤル層 33……シリコン酸化膜 34……底部の拡がつた分離溝 35……二酸化ゲルマニウムを含む二酸化シリコン層 36……35内の空洞 37……二酸化シリコン層 41……シリコン基板 42……絶縁層 43……多結晶シリコン層 44……43の端部 45……二酸化ゲルマニウムを含む二酸化シリコン層 46……二酸化シリコン層 47……46の44の上の部分 48……第１層金属配線 49……コンタクト窓 51……シリコン基板 52……第１層金属配線 53……52の端部 54……二酸化ゲルマニウムを含む二酸化シリコン層 55……二酸化シリコン層 56……第２層金属配線 57……56の53の上の部分 61……シリコン基板 62……第１層金属配線 63……二酸化ゲルマニウムを含む二酸化シリコン層 64……二酸化シリコン層

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】半導体基板上に、少くとも二酸化ゲルマニ
ウムを含む二酸化シリコン層を形成する工程と、ついで
前記の二酸化シリコン層を水素中で熱処理して二酸化ゲ
ルマニウムの一部を揮発させ、二酸化シリコン層を流動
化させることにより、水素中での熱処理前の二酸化シリ
コン層よりも二酸化ゲルマニウムの含有量が少ない二酸
化シリコン層を、半導体基板上に形成する工程とを具備
することを特徴とする半導体装置の製造方法。