JPH0786190A - 膜形成方法およびその形成装置 - Google Patents
膜形成方法およびその形成装置Info
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Abstract
を利用して絶縁層を形成する膜形成方法およびその形成
装置を提供する。 【構成】 任意の物質よりなる第1物質層の表面が電気
的極性を有するように前記第1物質層を処理する第1工
程と、前記処理された第1物質層の表面の電気的極性と
相反する電気的極性を有する任意の第2物質を前記第1
物質層上に塗布して第2物質層を形成する第2工程とを
含むことを特徴とする。また、絶縁層形成方法を施すた
めに、サセプタ61とガス注入部62の間に直流電源6
3を連結したCVD装置が提供される。これにより、簡
単な工程によって平坦度および蒸着特性の優れた絶縁層
を低温で形成することが可能である。
Description
よびその製造装置に係り、特に半導体素子の膜形成方法
およびその形成装置に関する。
化されるにつれ、金属配線層の間の層間絶縁層やメタル
工程前に形成される層間絶縁層の平坦化の重要性が漸次
強調されている。図1A〜図1Cは従来の一方法による
層間絶縁層の形成工程および平坦化工程を説明するため
に示した工程順序図である。
第1絶縁層12を形成したのち、比較的融点が高い導電
物質、例えばポリシリコン(Polysilicon)、ポリサイド
(Poly+WSi)あるいはタングステン(W)等を蒸着して
パタニングすることにより導電層13を形成する。図1
Bおよび図1Cを参照すれば、前記結果物上にBPSG
(Boro-Phosphorus Silicate Glass:含燐含硼素ガラ
ス)のようにフロー可能な絶縁物質を塗布して第2絶縁
層14を形成し(図1B)、800℃以上の熱処理を通
じてリフローさせることにより前記第2絶縁層14を平
坦化させる(図1C)。
縁層の形成工程および平坦化工程を説明するために示し
た工程順序図である。図2Aを参照すれば、半導体基板
21上に第1絶縁層22を形成したのち、アルミニウム
のように比較的融点が低い導電物質を塗布してパタニン
グすることにより、導電層23を形成する。
を塗布して金属配線、すなわち、前記導電層23の間を
絶縁するための第2絶縁層24を形成する。図2Cおよ
び図2Dを参照すれば、前記第2絶縁層24上にSOG
(Spin onGlass ;25)を塗布した後(図2C)、前
記第2絶縁層の最上部が露出されるまでエッチバックす
ることにより、第2絶縁層の陥没部分にのみ前記SOG
25が残されるようにする(図2D)。これによって、
第2絶縁層24およびSOG25により金属配線の間の
層間絶縁層は平坦化される。
の平坦化方法は、(1) リフローのための高温熱処理によ
り半導体基板に形成されている不純物層の接合形状が変
化し、(2) 工程が複雑な欠点がある。一方、最近には絶
縁層としてO3 −TEOS(Tetra-Ethyl-Ortho-Silica
te)酸化膜やO3 −HMDS(Hexa-Methyl-Di-Siloxan
e )酸化膜が多く用いられている。それはこれらの酸化
膜が従来のSiH4 (silane)を利用した酸化膜より一
層優れた膜蒸着性をもつからである。しかしながら、こ
れらは下部支持物質の性質により蒸着率が異なる下支依
存性を有するが、このような下支依存性は絶縁層形成
時、下部物質の性質により絶縁層の厚さを均一に調節し
にくくし、蒸着率を低くさせるだけでなく絶縁層に多孔
性膜構造をもたせることになり、膜質低下を招く。
化膜は、成長時にその下部物質がSi、BPSGあるい
はAlなどから構成されている際、下支依存性を有する
という(第50回応用物理学会学術講演会予告集、p.67
3, 30a-D-3, 1989年)。日本国公開特許公報平1−20
6631号には、このようなO3 −TEOS酸化膜の下
支依存性を減らすための方法としてO3 −TEOS酸化
膜を形成する前に、下部物質全面にプラズマ−TEOS
酸化膜やプラズマ−SiH4 酸化膜を蒸着する方法が紹
介されている。
は、一般的に下部物質が親水性か疎水性かによって異な
ることが知られている。しかしながら、このような理論
では説明され得ない現象がある。これは、O3−TEO
S酸化膜の蒸着率が下部配線密度により異なる現象であ
り、図3〜図4は前記現象を説明するために示した概略
的な模式図である。
パッド42と連結されていないパッド43を示し、図3
Bおよび図3Cは該両パッド上に形成される物質層の蒸
着特性が相異なることを示す。図3Bは、微細金属配線
41に連結されたパッド42でのO3 −TEOS酸化膜
の蒸着状態を示す。BPSGからなる絶縁層40上に形
成されたパッド42の表面にプラズマ−酸化膜44を蒸
着したのち、O3 −TEOS酸化膜45を形成させると
縁部分が膨らんだ山峰の形を示す。
いないパッド43でのO3 −TEOS酸化膜45の蒸着
状態を示すが、図3Bに示したものとは異なり、全体的
に平坦な形態を示す。これは図3Aに示したように、隣
接した金属配線41にある電荷間の相互作用(斥力)に
より、パッド42、43での電荷分布が金属配線と連結
されるか否かに応じて異なることにより、その上に蒸着
されるO3 −TEOS酸化膜の蒸着形態が異なるためと
考えられる。
パッド42の電荷分布による電気場を示している。この
とき、下部微細金属配線41のラインスペースが狭いほ
ど微細金属配線にある電荷間の相互作用力が強くなりパ
ッドに蓄積される電荷の量はさらに多くなるため、結果
的にパッド42での電気場の強さはさらに大きくなる。
したがって、下部配線密度により酸化膜の蒸着率が異な
る現象を配線内の電荷分布と関連して説明し得る。
明確に究明し、本発明を完成させるために、O3 −TE
OS酸化膜の下部物質の表面に帯電される電荷の種類お
よび量を異にしながらその蒸着特性の差を観察した。こ
のために、シリコンウェハー上にボロンB(3価イオ
ン)と燐P(5価イオン)イオンを注入量とエネルギー
を異にしてイオン注入をした後O3 −TEOS酸化膜を
蒸着した。
O3 −TEOS酸化膜の蒸着率が異なることを説明する
ためのグラフである。図5を参照すれば、ボロンをイオ
ン注入した場合にはイオン注入をしていない場合に比べ
全ての場合においてO3 −TEOS酸化膜の蒸着率が高
く、燐を注入した場合にはイオン注入量が大きいほど蒸
着率が低くなり注入エネルギーを高くすれば蒸着率が再
び増加する傾向を示した。
リコンウェハー上に正電荷を生成させる場合は蒸着率が
高くなり、燐のように負電荷を生成させる場合は蒸着率
が低くなることが判る。したがって、O3 −TEOS酸
化膜の蒸着率は下部物質表面の電気的極性とその強さに
より異なり、前述した下部金属配線の密度の差による蒸
着形態の差もこれによることが判る。このとき、燐の場
合エネルギーが高いほど蒸着率が高くなる理由は、注入
された燐イオンがウェハー表面から遠くなり、より内側
へ注入されることにより、イオン注入の効果が弱くなる
からである。
特許公開公報平1−206631号の方法をさらに改善
した金属配線間絶縁層の形成方法として、Alからなる
導電層上にPECVD(Plasma Enhanced CVD )酸化膜
を形成し、該PECVD酸化膜の表面にN2 、Arある
いはH2 プラズマ処理を行った後、O3 −TEOS酸化
膜を蒸着することにより下支依存性を改善する方法を開
示している。その理由は、プラズマ処理により下部PE
CVD酸化膜の表面には正イオンが豊かになり、O3 −
TEOSガス状態混合物は酸素原子が豊富であるため、
電気的に負極性を帯びるようになり、両子間には電気的
な引力が作用するからであるという(VMIC 199
3年、6月8〜9日、p.142)。
金属配線間の絶縁層の形成工程を示す工程順序図であ
る。図6Aを参照すれば、半導体基板27上に第1絶縁
層28を形成したのち、アルミニウムのように比較的融
点が低い導電物質を塗布してパタニングすることにより
導電層29を形成する。図6Bを参照すれば、前記結果
物上にPECVD酸化物を塗布して第2絶縁層30を形
成する。図6Cおよび図6Dを参照すると、第2絶縁層
30の表面にN2 、ArあるいはH2 プラズマ処理を行
った後、その結果物上にO3 −TEOS酸化膜を塗布し
て第3絶縁層31を形成する。
酸化膜の下支依存性を下部層の電気的極性と関連させた
という点では本発明者の研究結果に符合するが、この方
法による金属配線間の絶縁層形成方法は、導電層の上部
にPECVD酸化膜を形成させるべきであるため、工程
が複雑となり、形成された絶縁層表面の平坦度が保障さ
れない。言い換えれば、O3 −TEOS酸化膜の下支依
存性を導電層および導電層下部の絶縁層との有機的関係
中で究明しないことにより、絶縁層形成工程における工
程の単純化と優秀な平坦度という従来の問題点を解決で
きなかった。
物質層の蒸着率と蒸着特性を向上させ得る膜形成方法を
提供することである。本発明の他の目的は、工程が単純
であり、低温で遂行することができ、優れた平坦度が得
られる膜形成方法を提供することである。
の実施に用いられる膜形成装置を提供することである。
目的を達成するために、本発明は任意の物質よりなる第
1物質層の表面が所定の電気的極性を有するように前記
第1物質層または第1物質層を支持する下層物質を処理
する第1工程と、前記処理後の第1物質層の表面の電気
的極性と相反する電気的極性を有する任意の第2物質を
前記第1物質層上に蒸着または気相沈積して第2物質層
を形成する第2工程とを含むことを特徴とする膜形成方
法を提供する。
膜が成長する時、下部配線層の表面と下部絶縁層の表面
の電気的極性に応じてO3−TEOS酸化膜の蒸着率が
異なるようになる現象を利用する。すなわち、O3−T
EOS酸化膜やO3−HMDS酸化膜のようにその形成
過程で中間生成物が電気的極性を帯びる絶縁物質を用い
て絶縁層を形成する際に、下部層の表面の電気的極性を
蒸着される前記絶縁物質と正反対とさせることにより、
両者の電気的引力により蒸着率を高め、蒸着特性を向上
させ得るようにする。
びるO3−TEOS酸化膜を絶縁物質として利用する場
合なら、下部層の表面は電気的に正極性を帯びるように
処理する。この時下部層表面の処理方法としては、下部
層が電気的極性を有するように直流電源を連結する方法
を使用し、また他の方法としては、下部層にプラズマ処
理を行う方法、下部層にイオン注入する方法がある。
めに、本発明は下部絶縁層上に導電物質を塗布しパタニ
ングして前記下部絶縁層の一部分が露出されるように導
電層を形成する第1工程と、前記導電層の表面と前記露
出された下部絶縁層の表面の電気的極性が異なるように
前記導電層と前記下部絶縁層とのいずれか一方あるいは
両方を処理する第2工程と、前記処理された前記導電層
の表面と前記下部絶縁層の表面とのいずれか一方あるい
は両方の電気的極性により蒸着率が異なる絶縁物質を蒸
着する第3工程とを含むことを特徴とする膜形成方法を
提供する。
導電層および前記導電層の間に露出された下部絶縁層上
に層間絶縁層を形成する際に、前記導電層の表面と前記
下部絶縁層の表面の電気的極性を異にするように処理
し、蒸着される絶縁物質の電気的極性により前記導電層
と前記下部絶縁層の蒸着率が異なるようにすることによ
り、平坦な層間絶縁層が得られる。
びるO3−TEOS酸化膜を前記絶縁物質として用いる
場合には、前記導電層の表面は負極性を帯びるように処
理し、前記下部絶縁層の表面は正極性を帯びるように処
理し、層間絶縁層の形成時に前記下部絶縁層上では前記
O3−TEOS酸化膜の中間生成物との電気的引力によ
り蒸着率が高くなり、前記導電層上では電気的斥力が作
用して蒸着率が低くなることにより、全体的に平坦な層
間絶縁層が得られる。
層表面の電気的極性の差は種々の組合せがあり得る。す
なわち、中間生成物が電気的に負極性を帯びるO3−T
EOS酸化膜を前記絶縁物質として用いる場合を例を挙
げて説明すれば、前記導電層の表面は電気的極性を帯び
ないようにし前記下部絶縁層の表面のみ正極性を帯びる
ようにして、前記導電層上には通常の蒸着率を持たせ、
前記下部絶縁層上には高い蒸着率を持たせることもで
き、前記導電層表面に負極性を帯びさせた場合に前記下
部絶縁層の表面を電気的極性を帯びないようにすること
もできる。
酸化膜とは反対に電気的に正極性を有する物質なら、前
記導電層表面と前記下部絶縁層の表面の電気的極性は前
述したものとは反対となるように処理すべきである。こ
こでも前記導電層の表面と前記下部絶縁層の表面が電気
的に異なる極性を有するようにする処理方法は直流電源
やプラズマ処理やイオン注入法などによる。
発明の膜形成装置は、ウェハーを付着する部分であるサ
セプタおよびガス注入部の間に直流電源を連結したCV
D装置であることを特徴とする。
と、下部層の電気的極性により蒸着率が異なる所定物質
を上層膜として形成するため、下部層、例えば、導電層
および下部絶縁層の電気的極性を異にするように処理す
ることによって、上層膜の平坦度および蒸着特性の優れ
た膜を形成しうる。
説明する。図7A〜図7Cは、本発明の一実施例を説明
するための概略的な工程順序図である。図7Aを参照す
れば、半導体基板51上にBPSGからなる下部絶縁層
52を形成し、前記下部絶縁層52上に約1500Å程
度の厚さのWSi(タングステンシリサイド)と約50
0Å程度の厚さのドープされたポリシリコンを積層した
後パタニングすることにより導電層53を形成する。
+NH3 プラズマ処理を行う。プラズマ処理条件は次の
通りである。処理時間は100秒、圧力は2.5tor
r、電力は400W、温度は400℃、スペーシングは
350mils(約9mm)、N2 フローレートは220
0ccm、NH3 フローレートは80ccmである。こ
こで、前記N2 +NH3 プラズマの代わりにN2 、N2
O、O2 、O3 およびArプラズマ処理を行うこともで
きる。このようにプラズマ処理を行う理由は、後続する
工程である層間絶縁層54の形成工程で絶縁層形成物質
として用いられるO3 −TEOS酸化膜の中間生成物が
電気的に負極性を帯びるため、導電層53のパターンの
間に露出された下部絶縁層52の表面が電気的に正極性
を帯びるようにして、前記露出された下部絶縁層52上
の蒸着率を導電層53上の蒸着率より大きくするためで
ある。ここで、下層BPSGがO3 −TEOS法で形成
されたものであっても、既に固化しているため、蒸着過
程にあって可動性を保ち、分子または分子クラスター、
あるいは化学的変化の途中にある中間生成物としての上
層物質と下層物質は異種のものと考えるべきである。
の効果が得られるイオン注入法を用いることもできる。
すなわち、前記導電層53を形成した後、結果物上に正
のイオンを注入すれば、前記導電層53上に注入された
イオンは導電層の内部に豊かに存する電子により中和さ
れ、前記下部絶縁層52上に注入されたイオンは下部絶
縁層の表面を正に帯電されるようにする。
た結果物の全面にO3 −TEOSUSG(Undoped Sili
cate Glass)を3000Åの厚さで蒸着して層間絶縁層
54を形成する。このように形成された層間絶縁層54
は、下部絶縁層52と導電層53のO3 −TEOS酸化
膜の蒸着率の差により、平坦度が優れる。ここで、前記
O3 −TEOS酸化膜の代わりに、例えばO3 −HMD
S酸化膜のように、中間生成物が電気的極性を帯びる他
の物質を用いることもできる。
成されている絶縁層上に、層間絶縁層を形成する工程に
本発明の思想を適用したが、本発明の基本的な思想が絶
縁層を形成するいずれの工程でも適用され得ることは無
論である。図8Aおよび図8Bは、本発明による膜層形
成方法を施すことのできる半導体製造装置を説明するた
めの図面である。
は本発明によるCVD装置を示す。図8Aに示した従来
のCVD装置は、サセプタ61にウェハー65が直に付
着され、このサセプタとガス注入部の間にはこれらを電
気的に連結する装置が存しない。しかしながら、本発明
によるCVD装置によると(図8B)、サセプタ61と
ガス注入部62の間には直流電源63が連結され、ウェ
ハー65はサセプタに付着されている導体板64に付着
される。
ランクウェハーにO3 −TEOS酸化膜のように中間生
成物が電気的負極性を帯びる絶縁物質を蒸着する際に
は、サセプタ61側にプラス電極を連結すれば、ウェハ
ー65表面に正イオンが生成され、電気的引力によりO
3 −TEOS酸化膜の蒸着率が高くなり、サセプタ61
側にマイナス電極を連結すればウェハー65の表面に負
イオンが生成され、電気的斥力により蒸着率が低くな
る。したがって、蒸着目的により蒸着率の調節が可能で
あり、蒸着特性の優れた絶縁層が得られる。同様な方法
として、下層物質が強誘電体を含む場合には、一時的に
直流電界を加えて強誘電体を分極させ、これによって極
性を付与する加工的処理方法も可能である。
体製造装置を利用して層間絶縁層を形成する方法を説明
するために示した断面図である。O3 −TEOS酸化膜
のような物質を使用する層間絶縁層を形成するために、
本発明によるCVD装置を利用する時には、サセプタ側
に陰極を連結すれば、図9Aに示した通り、導電層68
の表面では負極性を帯びるようになり、O3 −TEOS
酸化膜の蒸着率が低くなり、下部絶縁層67上では正常
的な蒸着率を有する。よって、O3 −TEOS酸化膜6
9が導電層68上と下部絶縁層67上で蒸着率が異なっ
て蒸着されることにより、図9Bに示したように、平坦
度の優れた層間絶縁層が得られる。このとき、符号66
は半導体基板を示す。
OS酸化膜のように中間生成物が電気的陰極性を有する
物質として絶縁層を形成する場合についてのみ説明した
が、本発明が絶縁層形成工程だけでなく、電気的極性
(正極性を含んだ)を有する物質を蒸着する全ての工程
に適用し得ることは無論である。なお、本発明は前記実
施例に限定されるものではなく、本発明の思想を逸脱し
ない範囲で種々の改変をなし得ることは無論である。
着率が高く、蒸着特性の優れた絶縁層が得られる。そし
て、本発明によると、平坦度が優れ、工程が単純であ
り、高温熱処理による接合破壊のない金属配線の間の絶
縁層やメタル工程前の層間絶縁層が得られる。また、本
発明のCVD装置によると、前記の絶縁層形成工程を容
易に施しうる。
成工程および平坦化工程を示す工程順序図である。
工程および平坦化工程を示す工程順序図である。
EOS酸化膜の蒸着特性の差を示す説明図である。
膜の蒸着特性の差を示す説明図である。
の変化を示す特性図である。
来の絶縁層の形成工程を示す工程順序図である。
である。
実施可能な半導体製造装置を示す説明図である。
て層間絶縁層を形成する方法を示す断面図である。
Claims (12)
- 【請求項1】 任意の物質よりなる第1物質層の表面が
所定の電気的極性を有するように前記第1物質層または
第1物質層を支持する下層物質を処理する第1工程と、 前記処理後の第1物質層の表面の電気的極性と相反する
電気的極性を有する任意の第2物質を前記第1物質層上
に蒸着または気相沈積して第2物質層を形成する第2工
程とを含むことを特徴とする膜形成方法。 - 【請求項2】 前記第1工程において、前記処理はプラ
ズマ処理であることを特徴とする請求項1記載の膜形成
方法。 - 【請求項3】 前記プラズマは、N2 +NH3 、N2 、
N2 O、O2 およびArプラズマよりなる群から選択さ
れたいずれか1つであることを特徴とする請求項2記載
の膜形成方法。 - 【請求項4】 前記第2物質は、O3 −TEOS(Tetr
a-Ethyl-Ortho-Silicate)およびO3 −HMDS(Hexa
-Methyl-Di-Siloxane )よりなる群から選択されたいず
れか1つであることを特徴とする請求項3記載の膜形成
方法。 - 【請求項5】 下部絶縁層上に導電物質を塗布しパタニ
ングして前記下部絶縁層の一部分が露出されるように導
電層を形成する第1工程と、 前記導電層の表面と前記露出された下部絶縁層の表面の
電気的極性が異なるように前記導電層と前記下部絶縁層
とのいずれか一方あるいは両方を処理する第2工程と、 前記第2行程により処理された前記導電層の表面と前記
下部絶縁層の表面とのいずれか一方あるいは両方の電気
的極性により蒸着率が異なる絶縁物質を蒸着する第3工
程とを含むことを特徴とする膜形成方法。 - 【請求項6】 前記第2工程の前記処理は、プラズマ処
理であることを特徴とする請求項5記載の膜形成方法。 - 【請求項7】 前記プラズマは、N2 +NH3 、N2 、
N2 O、O2 、O3およびArプラズマよりなる群から
選択されたいずれか1つであることを特徴とする請求項
6記載の膜形成方法。 - 【請求項8】 前記第2工程の前記処理は、イオンをイ
オン注入することを特徴とする請求項5記載の膜形成方
法。 - 【請求項9】 前記第2工程の前記処理は、サセプタと
ガス注入部の間に直流電源を連結した半導体製造装置に
より遂行されることを特徴とする請求項5記載の膜形成
方法。 - 【請求項10】 前記第2工程の前記処理は、前記半導
体装置のサセプタ側に陰極を連結することを特徴とする
請求項9記載の膜形成方法。 - 【請求項11】 前記絶縁物質は、O3 −TEOSおよ
びO3 1 HMDSよりなる群から選択されたいずれか1
つであることを特徴とする請求項10記載の膜形成方
法。 - 【請求項12】 ガス注入部およびウェハーを付着する
部分であるサセプタを含む膜形成用CVD装置におい
て、前記ガス注入部と前記サセプタの間に直流電源を連
結することを特徴とする膜形成装置。
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