JPH0729897A - 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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JPH0729897A
JPH0729897A JP5154048A JP15404893A JPH0729897A JP H0729897 A JPH0729897 A JP H0729897A JP 5154048 A JP5154048 A JP 5154048A JP 15404893 A JP15404893 A JP 15404893A JP H0729897 A JPH0729897 A JP H0729897A
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silicon oxide
oxide film
plasma
silicone
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健司 岡村
Masanobu Yoshiie
昌伸 善家
Yasuhide Den
康秀 田
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NEC Corp
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Abstract

(57)【要約】 【目的】平滑な表面を有し、且つ緻密な膜質のシリコン
酸化膜を形成する。 【構成】金属配線１２が形成された半導体基板１０の表
面にジメチルシロキサン膜１３を形成したのち酸化性プ
ラズマにさらす工程とを同一装置内で交互に繰り返し
て、半導体基板表面にシリコン酸化膜１５を形成する。
ここで、酸化性プラズマの励起周波数に１ＭＨｚ以下の
成分を含ませることにより、シリコン酸化膜１５は緻密
な膜質となる。

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、特にシリコン酸化膜の形成方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】近年、半導体装置においては高集積化、
高速化を目的として２層以上の金属配線が用いられてい
る。これらの金属配線層の層間絶縁膜としては、一般に
シリコン酸化膜が用いられるが、金属配線の微細化，高
アスぺクト比化に伴って、次工程以降の金属配線加工工
程を容易にするために平滑な表面を有する絶縁膜が要求
されている。
【０００３】従来、このような平滑な表面を有するシリ
コン酸化膜の形成方法として、特開平１−１３０５３５
号公報に示されているシリコンと有機基を含むシロキ酸
等のシリコーン膜の塗布およびプラズマ酸化による方法
がある。この第１の従来技術は、シリコーン系膜形成用
塗布液を半導体基板上にスピン塗布し、１５０℃未満の
温度でシリコーン系膜を形成する。引き続いて、誘導結
合型プラズマ処理装置に半導体基板を導入し、酸素プラ
ズマにさらすことにより、シリコーン系膜の表面をシリ
コン酸化膜に改質するものである。
【０００４】第２の従来技術としてはザ ナインティー
ンス コンファレンス オン ソリッド ステート デ
バイセス アンド マテリアルズ（ｔｈｅ １９ｔｈ
Ｃｏｎｆｅｒｅａｃｅ ｏｎ Ｓｏｌｉｄ Ｓｔａｔｅ
Ｄｅｖｉｃｅｓ ａｎｄＭａｔｅｒｉａｌｓ）Ｐ４５
１に示されているように、テトラメチルシランと酸素プ
ラズマとから形成する方法がある。この第２の従来技術
は、半導体基板を反応室に設置し、半導体基板表面にテ
トラメチルシランと酸素プラズマのアフターグローを導
入して反応させることにより、ヘキサメチルジシロキサ
ンに代表される流動性を有するシロキサン膜が形成され
る。
【０００５】第２の従来技術と同様のものとして、シラ
ンと酸素プラズマを−１１０℃に冷却された半導体基板
表面に導入して、流動性を有するシリコン酸化物系の膜
を形成する第３の従来技術の例が第３８回応用物理学関
係連合講演会予稿集（１９９１年）Ｐ６３３に示されて
いる。
【０００６】また第４の従来技術として、１９９１年Ｖ
ＭＩＣ コンファレンス（１９９１ＶＭＩＣ Ｃｏｎｆ
ｅｖｅｎｃｅ）Ｐ４３５に、テトラエトキシランと水蒸
気をパルス状プラズマを励起させることによりシロキサ
ンを合成し、半導体基板表面に輸送してシロキサン膜を
形成する方法が示されている。
【０００７】更に第５の従来技術として、プラズマ励起
されたシランガスを半導体基板表面に導入し、シランラ
ジカル（ＳｉＨX ）を半導体表面に吸着させる工程と、
引き続いてプラズマ励起された酸素ガスを半導体基板表
面に導入して酸化する工程とを同一装置内で繰り返して
シリコン酸化膜を形成する方法が、ザ トウェンティフ
ァースト コンファレンス オン ソリッド ステート
デバイセス アンドマテリアルズ（ｔｈｅ ２１ｓｔ
Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ ＳｏｌｉｄＳｔａｔｅ
Ｄｅｖｉｃｅｓ ａｎｄ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ）Ｐ４
９に示されている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】上述した従来技術によ
る絶縁膜を金属配線層の層間絶縁膜に適用する場合、次
のような種々の困難を生ずる。
【０００９】第１の従来技術の例を金属配線層の層間絶
縁膜に適用した場合について図７を用いて説明する。図
７（ａ）に示すように、Ｓｉ等の半導体基板１０上にシ
リコ酸化膜１１を介してＡｌ等からなる金属配線１２を
形成する。次でこの上にシリコーン系膜２０を形成した
のちその表面を誘導結合型プラズマ処理を行ない、改質
されたシリコン酸化膜２１を形成する。次に図７（ｂ）
に示すように、所定の位置に開孔部を有するフォトレジ
スト膜２２をマスクとし、ドライエッチング法によって
コンタクト孔２３を形成する。次で図７（ｃ）に示すよ
うに、フォトレジスト膜２２を酸素プラズマによって除
去する。この時コンタクト孔２３の側面のシリコーン系
膜２０が酸素プラズマによって酸化され、疎な膜質のシ
リコン酸化膜２４に変質する。この疎な膜質のシリコン
酸化膜２４は吸湿性が高い為、大気中の水分を吸収し、
引き続いて、上層の金属配線層を形成する際、吸収され
たこの水分のアウトガスによって上層の金属配線に断線
を発生させたり、コンタクト抵抗の増大を招くという問
題があった。
【００１０】また、第２の従来技術の例においては、テ
トラメチルシランと酸素との反応が−４０℃という低温
で行なわる為、シリコン酸化物の結合が十分でなく、膜
質が疎となる。これを金属配線層の層間絶縁膜に適用す
る場合、形成されたシロキサン被膜は後工程の熱処理、
例えば４００℃において膜収縮が起りクラックを生じ
る。このクラックはその上に金属配線を形成する際、断
線或は短絡を引き起こすという問題があった。
【００１１】第３および第４の従来技術の例において
も、低温で膜堆積を行なう為、第２の従来技術の場合と
同様にクラックを生じるという問題があった。
【００１２】さらに第５の従来技術の例においては、シ
ランラジカルに流動性が無い為、平滑な表面が得られな
いという欠点がある。また酸化反応に酸素プラズマのア
フターグローを用いるため、ガス分子のイオンエネルギ
ーが小さく、形成されたシリコン酸化膜の膜質が疎とな
り、第２の従来技術の例と同様に、緻密化の熱工程にお
いてクラックを生じるという問題があった。
【００１３】
【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、半導体基板上に配線を形成する工程と、この
配線上にシリコーン系膜を形成する工程と酸化性プラズ
マにさらす工程とを同一装置内で交互に繰り返して規定
の厚さのシリコン酸化膜を形成する工程を備えている。
そして、酸化性プラズマの励起周波数が１ＭＨｚ以下の
成分を含むことを備えている。
【００１４】また前記シリコーン系被膜を、ハロゲン有
機シランまたはハロゲン化有機シロキサンまたは有機シ
ロキサンの少くとも１つと水蒸気を含む減圧下、または
有機シロキサンと水蒸気を含むガスのプラズマ雰囲気
中、または有機シロキサンと酸素を含むガスのプラズマ
雰囲気中でそれぞれ形成するものである。
【００１５】
【実施例】次に本発明について、図面を参照して説明す
る。図１は本発明の半導体装置の製造方法において用い
られるシリコン酸化膜形成装置の主要部分の縦断面図で
ある。
【００１６】排気管５を備えた反応室１内には下部電極
２と上部電極３が対向して設けられ、半導体基板１０
は、温度制御された下部電極２の上に設置される。有機
シロキサン，ハロゲン有機シラン等の有機材料ガス及び
酸素または水蒸気等の酸化性ガスはそれぞれ配管６，７
を通って開孔部４を有する上部電極３から反応室１内に
導入され、排気管５より排気される。上部電極３および
下部電極２にはそれぞれ高周波電源８および低周波電源
９が接続されている。
【００１７】次に本発明の第１の実施例について、図面
を参照して順を追って説明する。図２（ａ）〜（ｃ）は
本発明の第１の実施例を説明するための半導体チップの
断面図である。
【００１８】まず図２（ａ）に示すように、半導体基板
１０の上にシリコン酸化膜１１を形成したのちＡｌ等か
らなる金属配線１２を形成する。次でこの上にＣＶＤ法
によりシリコン酸化膜を形成するに当り、まず半導体基
板１０を図１に示した装置の下部電極２上に設置する。
【００１９】次に、配管６からハロゲン化有機シラン、
例えばジクロルジメチルシラン（ＳｉＣｌ2 （ＣＨ3 ）
2 ）を２０ｓｃｃｍ導入し、配管７から水蒸気を５０ｓ
ｃｃｍ導入する。反応室１内を圧力を１０ｍＴｏｒｒ，
下部電極の温度を５０℃に保つことにより、半導体基板
１０上にジメチルシロキサン膜１４を形成する。ジメチ
ルシロキサン膜は表面張力が２０ｄｙｎ／ｃｍと小さい
為、図２（ａ）に示したように、平滑な表面を有する。
厚さ約１００ｎｍのジメチルシロキサン膜１３を形成し
た後、配管６を閉じてジクロルジメチルシランの導入を
止め、高周波電源で６０Ｗ，低周波電源で１４０Ｗの電
力をそれぞれ印加する。高周波としては例えば１３．５
６ＭＨｚ、低周波としては２５０ＫＨｚを用いる。
【００２０】この時発生する水蒸気のプラズマによって
ジメチルシロキサン膜は酸化されて、図２（ｂ）に示す
ように、シリコン酸化膜１３Ａに変質する。１３．５６
ＭＨｚを用いるのは１０Ｔｏｒｒという比較的高圧でプ
ラズマを発生させることにより酸素ラジカル密度を高め
て酸化性を強める為であり、２５０ＫＨｚという低周波
は、後述するように、イオンエネルギーを強め、イオン
ボンバートメントによってシリコン酸化膜１３Ａを緻密
化する為である。この水蒸気のプラズマによって膜厚１
００ｎｍのジメチルシロキサン膜１３は完全に酸化さ
れ、緻密なシリコン酸化膜１３Ａとなる。次に、高周波
電源８及び低周波電源９をしゃ断し、配管６を開けて再
びジクロルジメチルシランを導入しシリコン酸化膜１３
Ａの上に再びジメチルシロキサン膜１４を約１００ｎｍ
の厚さに形成する。引き続いて水蒸気プラズマにさらす
ことにより、ジメチルシロキサン膜１４を緻密なシリコ
ン酸化膜に変質する。
【００２１】以下、ジメチルシロキサン膜の形成と水蒸
気プラズマによる酸化を繰り返すことによって、図２
（ｃ）に示すように、所定の膜厚の緻密なシリコン酸化
膜１５を得る。図３は上述したシリコン酸化膜形成の各
パラメータ（水蒸気，ジクロルジメチルシラン，電力）
の時間変化を図示したものである。
【００２２】下部電極２に印加する低周波電源９の周波
数を変化させて形成したシリコン酸化膜の膜収縮率を図
４に示す。ここで膜収縮率とは、シリコン酸化膜形成時
の膜厚と、９００℃窒素雰囲気で３０分間の熱処理を行
なった後の膜厚の差を形成時の膜厚で規格化したもので
ある。一般に膜収縮率が２％を超えるとシリコン酸化膜
は吸湿性あるいは透湿性が高まり、次工程の上層の金属
配線の形成工程において、脱離した水分によって上層の
金属配線が断線或は短絡し半導体装置の製造歩留り及び
信頼性に重大な問題を生じる。図４によれば、下部電極
２に印加する電源の周波数として１ＭＨｚ以下を選択す
ることにより、大きなイオンエネルギーによって、膜収
縮率２％以下の緻密な膜質のシリコン酸化膜を得ること
ができる。
【００２３】なお、上記第１の実施例においては、ジメ
チルシロキサン膜とプラズマ酸化を１００ｎｍの膜形成
毎に交互に繰り返して行なったが、これはイオンボンバ
ートメントによって緻密化される膜厚が、表面から１０
０ｎｍ程度の深さに限定されることによる。この為、第
１の従来技術で示したシリコーン系膜を塗布しプラズマ
酸化する方法では、表面近傍がシリコン酸化膜に変質す
るにとどまり、前述したような問題を生じる。
【００２４】また、１００ｎｍずつ分けて、シリコーン
系膜を塗布し、プラズマ酸化する方法に比較して本第１
の実施例では、同一反応室内で膜形成と酸化を行なう
為、プロセス時間を大幅に短縮できるという利点を有す
る。また、第３の従来技術で示したシランラジカルの吸
着と酸化性プラズマを交互に繰り返すことにより、シリ
コン酸化膜を形成する方法に比較して本実施例はシリコ
ーン系膜を用いることにより表面の平滑性が得られると
いう利点および１ＭＨｚ以下の低周波成分を含む酸化性
プラズマによって緻密な酸化膜が得られるという利点を
有している。
【００２５】なお、第１の実施例においては、ハロゲン
化有機シランとしてジクロルジメチルシランを用いた
が、ジクロルジエチルシランやジクロルジフェニルシラ
ン等でも同様の効果が得られる。さらに、ハロゲン化有
機シランとハロゲン化有機シロキサンの混合物、例えば
ジクロジメチルシランとジクロルテトラメチルジシロキ
サンを用いても同様の効果が得られる。
【００２６】次に本発明の第２の実施例について、図面
を参照して説明する。図５は本発明第２の実施例を説明
するためのシリコン酸化膜形成の各パラメータの時間変
化を示したものである。
【００２７】第１の実施例がＣＶＤ法によるシリコーン
系膜の形成方法としてハロゲン化有機シランの加水分解
による重合を用いたのに対し、本第２の実施例において
は、有機シロキサンと酸素のプラズマ重合を用いる。
【００２８】即ち、図１において半導体基板１０を下部
電極２上に設置後配管６から有機シロキサン、例えばオ
クタメチルシクロテトラシロキサン〔Ｓｉ（ＣＨ3 ）2
Ｏ〕4 を２０ｓｃｃｍ，配管７から酸素を１０ｓｃｃｍ
それぞれ反応室１内に導入すると同時に、上部電極に１
３．５６ＭＨｚの高周波電源から２０Ｗの電力を印加さ
せ上部電極と下部電極間にプラズマを発生させる。反応
室１内の圧力は１０Ｔｏｒｒ，下部電極の温度は２００
℃に設定する。このプラズマ内において種々の分子量を
有する有機シロキサン、例えばポリジメチルシロキサン
が生成され、半導体基板１０上に膜が形成される。
【００２９】このようにしてポリジメチルシロキサンに
代表されるシリコーン系膜を約１００ｎｍの厚さに形成
したのち、オクタメチルシクロテトラシロキサンの導入
をしゃ断し、酸素流量を５０ｓｃｃｍにし、同時に下部
電極２に２５０ＫＨｚの低周波電源から２００Ｗの電力
を６０秒間印加する。第１の実施例において詳述したよ
うに、この低周波によるイオンボンバートメントを有す
るプラズマ酸化によって、シリコーン系膜は緻密なシリ
コン酸化膜に変質する。以下、シリコーン系膜の形成と
プラズマ酸化を交互に繰り返すことにより、第１の実施
例と同様に、平滑な表面を有し、且つ緻密な膜質のシリ
コン酸化膜を任意の膜厚だけ形成する。
【００３０】本第２の実施例において有機シロキサンと
してオクタメチルシクロテトラシロキサンを用いたが、
ヘキサメチルシクロトリシロキサン，デカメチルシクロ
ペンタシロキサン，ヘキサメチルシロキサンまたはオク
タメチルトリシロキサン等のメチルシロキサン類を用い
ても同様の効果が得られる。さらにエチルシロキサン類
やフェニルシロキサン類を用いても良い。これらの有機
シロキサン類にジクロルジメチルシランに代表されるハ
ロゲン有機シランを混合すると重合が促進され、シリコ
ーン系膜の成膜速度を高めることが可能となる。
【００３１】第３の実施例としては、第２の実施例にお
いて用いた酸素に代えて水蒸気を用いる。加速分解反応
がプラズマ重合に加わるため、さらにシリコーン系膜の
成膜速度が高まり、生産性を高めることができる。
【００３２】第４の実施例としては、第１の実施例にお
いて、シリコーン系膜を形成するに先立って、窒素ガス
のプラズマに半導体基板１０をさらすものである。図６
にシリコン酸化膜形成の各パラメータの時間変化を示
す。シリコーン系膜を形成するに先立って、Ｎ2 流量を
１００ｓｃｃｍ，電源パワーを２００Ｗとして１０秒間
さらす。この処理により図２（ａ）におけるシリコン酸
化膜１１の表面が窒化され、疏水性化する。このため、
シリコーン系膜（例えばジメチルシロキサン膜１３）の
ぬれ性が向上し、表面平滑性がさらに向上するという利
点を生じる。窒素ガスの他、アンモニアガス或はそれら
の混合ガスを用いても良い。
【００３３】
【発明の効果】以上説明したように本発明は、配線が形
成された半導体基板上にシリコーン系膜を形成し、酸化
性プラズマにさらす工程とを同一装置内で繰り返し、且
つ、酸化性プラズマの励起電源に１ＭＨｚ以下の成分を
含ませてシリコン酸化膜を形成することにより、平滑な
表面を有し、緻密な膜質のシリコン酸化膜を形成するこ
とができる。この結果、次工程の熱処理工程でシリコン
酸化膜にクラックが発生することがなくなるため、上層
の金属配線を形成してもコンタクト抵抗が増大すること
が無くなり、半導体装置の製造歩留り及び信頼性が大幅
に向上するという大きな効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例で用いられる装置の主要部分の
構成図。
【図２】本発明の第１の実施例を説明するための半導体
チップの断面図。
【図３】本発明の第１の実施例を説明するための各パラ
メータの時間に対する変化を示す図。
【図４】シリコン酸化膜の収縮率と低周波の周波数との
関係を示す図。
【図５】本発明の第２の実施例を説明するための各パラ
メータの時間に対する変化を示す図。
【図６】本発明の第３の実施例を説明するための各パラ
メータの時間に対する変化を示す図。
【図７】従来の半導体装置の一例を説明するための半導
体チップの断面図。
【符号の説明】
１ 反応室 ２ 下部電極 ３ 上部電極 ４ 開孔部 ５ 排気管 ６，７ 配管 ８ 高周波電源 ９ 低周波電源 １０ 半導体基板 １１ シリコン酸化膜 １２ 金属配線 １３，１４ ジメチルシロキサン膜 １３Ａ，１５ シリコン酸化膜 ２０ シリコーン系膜 ２１ シリコン酸化膜 ２２ フォトレジスト膜 ２３ コンタクト孔 ２４ 疎な膜質のシリコン酸化膜

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 半導体基板上に配線を形成する工程と、
    該配線を含む全面にＣＶＤ法によりシリコーン系膜を形
    成する工程と酸化性プラズマにさらしシリコーン系膜を
    シリコン酸化膜に変える工程とを同一装置内で交互に繰
    り返し規定の厚さのシリコン酸化膜を形成する工程とを
    含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
  2. 【請求項２】 前記酸化性プラズマの励起周波数が１Ｍ
    Ｈｚ以下の成分を含む請求項１記載の半導体装置の製造
    方法。
  3. 【請求項３】 ハロゲン化有機シランまたはハロゲン化
    有機シロキサンまたは有機シロキサンの少くとも１つと
    水蒸気とを含む減圧化でシリコーン系膜を形成する請求
    項１記載の半導体装置の製造方法。
  4. 【請求項４】 有機シロキサンと水蒸気とを含むガスの
    プラズマ雰囲気下でシリコーン系膜を形成する請求項１
    記載の半導体装置の製造方法。
  5. 【請求項５】 有機シロキサンと酸素を含むガスのプラ
    ズマ雰囲気下でシリコーン系膜を形成する請求項１記載
    の半導体装置の製造方法。
  6. 【請求項６】 前記シリコーン系膜を形成する工程に先
    立って、同一装置内で窒素を含むガスのプラズマ雰囲気
    に前記半導体基板をさらす請求項１記載の半導体装置の
    製造方法。
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