JPH08321502A

JPH08321502A - 半導体装置

Info

Publication number: JPH08321502A
Application number: JP8072296A
Authority: JP
Inventors: Yasuo Kasagi; 泰男笠置
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1995-03-22
Filing date: 1996-03-08
Publication date: 1996-12-03

Abstract

(57)【要約】【課題】ウェハの洗浄工程でのＢＰＳＧ膜からのホウ
素・リンの溶出量を低く抑制して十分な平坦化を実現す
るとともに、ＢＰＳＧ膜内のホウ素およびリンの高濃度
化によりリフロー処理温度を低下させる。【解決手段】半導体基板１の上のポリシリコン配線層
２を介して、ホウ素濃度３．５ｗｔ％〜４．５ｗｔ
％、リン濃度５．５ｗｔ％〜６．５ｗｔ％の第１のＢＰ
ＳＧ膜３を、ＳｉＨ₄、Ｂ₂Ｈ₆、ＰＨ₃およびＯ₂を
原料としたＣＶＤ法により形成し、続いてガス流量を変
えてホウ素濃度２．０ｗｔ％〜３．０ｗｔ％、リン濃
度５．５ｗｔ％〜６．５ｗｔ％の第２のＢＰＳＧ膜４を
形成する。しかる後、半導体基板１を洗浄してから、リ
フロー処理でＢＰＳＧ膜３、４を流動させて平坦化を行
う。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体装置に関
し、特にＢＰＳＧ膜を使用した平坦化技術を適用した半
導体装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、半導体装置の高集積化とともに、
その表面層の平坦化が重要視されるようになってきてい
る。その中で高温熱処理に耐えられるポリシリコンや高
融点金属といった配線層などによる下地膜段差形状の平
坦化を行うには、この配線層の上層の層間絶縁膜にＢＰ
ＳＧ（Boro-Phospho Silicate Glass ）膜が用いられて
いる。ＢＰＳＧ膜とは、ＳｉＯ₂膜にホウ素（Ｂ：ボロ
ン）およびリン（Ｐ）を導入してガラス転移温度を下げ
た絶縁膜であり、このＢＰＳＧ膜に９００℃前後の熱処
理（リフロー処理）を施すことにより、リフローと呼ば
れる膜の流動現象が生じて膜の表面が平坦化される。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかし、半導体素子の
微細化に伴って、ＢＰＳＧ膜の成膜時に成膜装置の搬送
システムなどからウェハ（シリコン基板）の特に裏面に
付着する有機汚染物質・金属汚染物質が、素子特性のば
らつき要因となり、そのために製品歩留りが低下する事
態が生じた。そこで、ＢＰＳＧ膜の成膜処理後にウェハ
を洗浄し、汚染物質を除去してからリフロー処理を行う
方法が広く採用されている。

【０００４】特開昭６２−４８０２７号公報には、層間
絶縁膜がリン及びホウ素を含み、それらの濃度が垂直方
向に連続的に変化した珪素酸硝子膜である半導体装置が
開示されている。即ち、層間絶縁膜として使用されるＢ
ＰＳＧ膜の下部はホウ素濃度が高く、上部にいくほどホ
ウ素濃度が低下し、相対的にリン濃度は高くなる。しか
しながら、このようなＢＰＳＧ膜を形成するためには、
Ｂ₂Ｈ₆等を含むガスを用いる化学的気相成長法におい
て、ＢＰＳＧ膜が成長するに伴いＢ₂Ｈ₆の流量を変化
させなければならず、製造工程が非常に複雑となる。

【０００５】さらに、特開平５−１３４０６号公報に
は、膜の上層部のリン濃度を他の部分よりも高くし、膜
の下層部のホウ素濃度を他の部分よりも高くしたことを
特徴とする、ＬＳＩ素子用のＢＰＳＧリフロー膜が開示
されている。開示されている実施例によれば、ＢＰＳＧ
膜は３層構造となっており、上層部のホウ素濃度は０．
２重量％（ｗｔ％）、リン濃度は８．２重量％であり、
下層部のホウ素濃度は４．５重量％、リン濃度は０．５
重量％である。ここでは、表面拡散のみで形状変化が起
こるものとしたシュミレーションに基づいてＢＰＳＧ膜
の組成を求めている。しかしながら、上記組成によれ
ば、上層部のリン濃度が非常に高いので洗浄により上層
部のリンが大量に溶出するおそれがあるほか、上層部の
ホウ素とリンの合計濃度は８．４重量％であるのに対
し、下層部のホウ素とリンの合計濃度は５．０重量％と
小さいので、上層部に比べ下層部のガラス転移温度はか
なり上昇してしまう。

【０００６】そこで、本発明の目的は、ウェハの洗浄工
程でのＢＰＳＧ膜からのホウ素・リンの溶出量を低く抑
制して十分な平坦化を実現することができるとともに、
ＢＰＳＧ膜内のホウ素およびリンの高濃度化によりリフ
ロー処理温度をさらに低下させることのできる半導体装
置を提供することである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明の半導体装置は、半導体基板の上に配線層を
介して形成され、３．５ｗｔ％〜４．５ｗｔ％のホウ素
を含む第１のＢＰＳＧ膜と、前記第１のＢＰＳＧ膜の上
に形成されホウ素含有率が前記第１のＢＰＳＧ膜よりも
低い第２のＢＰＳＧ膜とを備えている。

【０００８】本発明の一態様においては、前記第２のＢ
ＰＳＧ膜のホウ素含有率が２．０ｗｔ％〜３．０ｗｔ％
である。

【０００９】本発明の一態様においては、前記第１のＢ
ＰＳＧ膜と前記第２のＢＰＳＧ膜とのリン含有率が略同
じである。

【００１０】本発明の一態様においては、前記第１のＢ
ＰＳＧ膜と前記第２のＢＰＳＧ膜とのリン含有率が５．
５ｗｔ％〜６．５ｗｔ％である。

【００１１】本発明の半導体装置は、別の観点では、半
導体基板の上に配線層を介して形成され、３．５ｗｔ％
〜４．５ｗｔ％のホウ素と５．５ｗｔ％〜６．５ｗｔ％
のリンとを含む第１のＢＰＳＧ膜と、前記第１のＢＰＳ
Ｇ膜の上に形成され、２．０ｗｔ％〜３．０ｗｔ％のホ
ウ素と５．５ｗｔ％〜６．５ｗｔ％のリンとを含む第２
のＢＰＳＧ膜とを備えている。

【００１２】本発明の半導体装置は、別の観点では、半
導体基板の上に配線層を介して形成され、３．５ｗｔ％
〜４．５ｗｔ％のホウ素とホウ素よりも僅かに多い量
のリンとを含む第１のＢＰＳＧ膜と、前記第１のＢＰＳ
Ｇ膜の上に形成され、ホウ素含有率が前記第１のＢＰＳ
Ｇ膜よりも低く、リン含有率が前記第１のＢＰＳＧ膜と
略同じである第２のＢＰＳＧ膜とを備えている。

【００１３】本発明の一態様においては、前記第１のＢ
ＰＳＧ膜と前記第２のＢＰＳＧ膜とのリン含有率が５．
５ｗｔ％〜６．５ｗｔ％である。

【００１４】本発明の一態様においては、前記第２のＢ
ＰＳＧ膜のホウ素含有率が２．０ｗｔ％〜３．０ｗｔ％
である。

【００１５】本発明の一態様においては、前記第１のＢ
ＰＳＧ膜の膜厚は、前記第２のＢＰＳＧ膜の膜厚の４〜
２０倍である。

【００１６】本発明の一態様においては、前記第１のＢ
ＰＳＧ膜の膜厚が０．４〜１．０μｍであり、前記第２
のＢＰＳＧ膜の膜厚が０．０５〜０．１μｍである。

【００１７】本発明の一態様においては、前記半導体基
板の上に前記配線層を介し、かつ、前記第１のＢＰＳＧ
膜の下層にシリコン酸化膜またはシリコン窒化膜を有す
る。

【００１８】本発明の一態様においては、前記シリコン
酸化膜またはシリコン窒化膜の膜厚が０．１μｍであ
る。

【００１９】本発明では、第１のＢＰＳＧ膜よりもホウ
素含有率の低い第２のＢＰＳＧ膜を第１のＢＰＳＧ膜の
上に形成することにより、半導体基板の洗浄工程におい
て第１、第２のＢＰＳＧ膜から流出するホウ素の量が大
幅に少なくなるので、リフロー処理において第１、第２
のＢＰＳＧ膜の流動が阻害されることがない。また、洗
浄工程において第１のＢＰＳＧ膜から流出するホウ素お
よびリンの量が大幅に少なくなるために、第１のＢＰＳ
Ｇ膜のホウ素およびリンの合計含有率を従来よりも高め
ることができる。従って、第１のＢＰＳＧ膜のガラス転
移温度が低下してリフロー処理温度を十分に下げること
ができるようになる。

【００２０】

【発明の実施の形態】以下、本発明を一実施形態につき
図面を参照して説明する。

【００２１】図１に、本発明をポリシリコン配線層の平
坦化に適用した一実施形態の半導体装置の断面図を製造
工程順に示す。

【００２２】まず、図１（ａ）に示すように、シリコン
基板などの半導体基板１の上にパターン形成した膜厚
０．３μｍ程度のポリシリコン配線層２の上に、ホウ素
を３．５ｗｔ％〜４．５ｗｔ％程度およびリンを５．
５ｗｔ％〜６．５ｗｔ％程度含有した膜厚０．４μｍ〜
１．０μｍ程度の第１のＢＰＳＧ膜３を形成する。この
とき第１のＢＰＳＧ膜３は、ＳｉＨ₄、Ｂ₂Ｈ₆、ＰＨ
₃およびＯ₂を原料ソースとした常圧熱ＣＶＤ法により
成膜するが、低圧熱ＣＶＤ法やプラズマＣＶＤ法を用い
てもよい。

【００２３】また、第１のＢＰＳＧ膜３からのホウ素や
リンの拡散を防止するために、第１のＢＰＳＧ膜３の下
層に膜厚０．１μｍ程度のシリコン酸化膜やシリコン窒
化膜を形成してもよい。なお、第１のＢＰＳＧ膜３の成
膜により、ウェハ（シリコン基板）１の裏面に汚染物質
５が付着する。

【００２４】次に、図１（ｂ）に示すように、第１のＢ
ＰＳＧ膜３の上に、ＳｉＨ₄、Ｂ₂Ｈ₆、ＰＨ₃および
Ｏ₂を原料ソースとした常圧熱ＣＶＤ法により、ホウ素
を２．０ｗｔ％〜３．０ｗｔ％程度およびリンを５．
５ｗｔ％〜６．５ｗｔ％程度含有した第１のＢＰＳＧ膜
３よりもホウ素・リン濃度が低い膜厚０．０５μｍ〜
０．１μｍ程度の第２のＢＰＳＧ膜４を形成する。この
第２のＢＰＳＧ膜４の成膜によっても、ウェハ１の裏面
に汚染物質５が付着する。なお、第２のＢＰＳＧ膜４
は、ガス流量設定を調節して第１のＢＰＳＧ膜３の成膜
工程から連続的に成膜するのが好ましいが、一旦中断し
ても構わない。また、第２のＢＰＳＧ膜４は、低圧熱Ｃ
ＶＤ法やプラズマＣＶＤ法を用いて成膜してもよい。

【００２５】次に、図１（ｃ）に示すように、硫酸およ
び過酸化水素を混合した薬液中でウェハ１を洗浄し、ウ
ェハ１の裏面に付着した汚染物質５を除去する。本工程
のウェハ洗浄では、第２のＢＰＳＧ膜４のホウ素濃度が
比較的低いために、第２のＢＰＳＧ膜４からのホウ素お
よびリンの溶出量は、従来よりも大幅に少なくなる。こ
のときの薬液は塩酸および過酸化水素の混合液などでも
よいが、ウェハ１洗浄が不十分であると次のリフロー処
理中に汚染物質５がウェハ１中に拡散してしまうため、
十分な汚染物質５を除去する能力をもったウェハ洗浄方
法を採用することが肝要である。

【００２６】次に、図１（ｄ）に示すように、窒素雰囲
気中で温度８５０℃〜９５０℃、処理時間３０分間のリ
フロー処理を行って第１、第２のＢＰＳＧ膜３、４を流
動させてウェハ１表面を平坦化させる。なお、第１のＢ
ＰＳＧ膜３の下層にシリコン窒化膜を形成した場合に
は、窒素雰囲気の代わりに水蒸気雰囲気でリフロー処理
を行ってもよい。

【００２７】本実施形態によると、ホウ素濃度の高い第
１のＢＰＳＧ膜３をホウ素濃度の低い第２のＢＰＳＧ膜
４で保護したために、ウェハ洗浄工程で第１、第２のＢ
ＰＳＧ膜３、４からホウ素およびリンの溶出がほとんど
起こらず、リフロー処理においてＢＰＳＧ膜３、４の流
動が阻害されることがない。また、第１のＢＰＳＧ膜３
のホウ素濃度を高くしても流出するホウ素の量が大幅に
少なくなるために、第１のＢＰＳＧ膜３のホウ素含有率
を従来よりも高めることができる。従って、低温でのリ
フロー処理によって容易に平坦化を実現することができ
る。

【００２８】また、第２のＢＰＳＧ膜４は、ガス流量の
設定を変えるだけで第１のＢＰＳＧ膜３から連続して成
膜できるので、スループットや工程数には全く影響がな
い。さらに、第１、第２のＢＰＳＧ膜３、４は、膜質の
差が小さいために、エッチングなどの後工程の際にプロ
セス条件を変更する必要がなく、容易に工程導入を図る
ことができる。

【００２９】次に、本実施形態において、第１、第２の
ＢＰＳＧ膜３、４の組成を上記のように選んだ理由につ
いて説明する。

【００３０】図２は、ウェハ上に形成した単一のＢＰＳ
Ｇ膜（膜厚６００ｎｍ）のリフロー形状のホウ素濃度依
存性を、硫酸洗浄の有無で比較した測定結果を示すグラ
フである。横軸にはＢＰＳＧ膜のホウ素濃度を、縦軸に
はＢＰＳＧ膜のリフロー角度（最大傾斜）θをとってい
る。リフロー処理は、６００℃の温度で窒素を２０リッ
トル／分のレートで流すドライ雰囲気中で６０分間行っ
た。ＢＰＳＧ膜のリン濃度は６．２ｗｔ％に固定してい
るが、これは、リンがイオンの拡散を阻止するゲッタリ
ング能力を有しているため、一定値より下げないことが
望ましいとされており、リン濃度が６ｗｔ％程度になる
と、おおよそその能力が飽和するとされているからであ
る。

【００３１】リフロー角度は小さいほど膜の表面が平坦
化されたことを示している。下層となる第１のＢＰＳＧ
膜は洗浄の影響をほとんど受けないので、硫酸洗浄をし
ない場合と同様に考えればよい。リフロー角度を３０°
以下にすることを目標にすると、第１のＢＰＳＧ膜のホ
ウ素濃度は約３．５ｗｔ％以上である必要があり、リフ
ロー形状の改善効果が飽和する約４．５ｗｔ％までが適
していると考えられる。ホウ素はリンよりもリフロー形
状を改善する効果が高いため、リンを上記濃度で固定し
てホウ素濃度を上げたほうが望ましいからである。

【００３２】一方、硫酸洗浄を行った場合には、ホウ素
濃度が高いほどリフロー形状が劣化する事が分かる。た
だし、ホウ素濃度が２．５ｗｔ％以上であれば、洗浄の
前後による差がほとんど見られない。従って、上層とな
る第２のＢＰＳＧ膜のホウ素濃度は、リフロー形状やガ
ラス転移温度をも考慮して、２．５ｗｔ％程度、具体的
には２．０〜３．０ｗｔ％が適していると考えられる。
ここで、上層である第２のＢＰＳＧ膜のホウ素とリンの
濃度の設定は特に重要であり、これよりも低い濃度で
は、リフロー処理温度を十分に下げることが出来ず、ま
た、リフロー処理でＢＰＳＧ膜を流動させて十分に平坦
化することができない。一方、これよりも高い濃度で
は、ウェハの洗浄時にＢＰＳＧ膜の表層からホウ素及び
リンが溶出してリフロー形状が悪化してしまう。

【００３３】図３（ａ）（ｂ）は、低ホウ素濃度の単一
ＢＰＳＧ膜におけるホウ素及びリンの濃度分布を、硫酸
洗浄の前後で比較した測定結果を示すグラフである。横
軸にはＢＰＳＧ膜における深さを、縦軸にはホウ素濃度
をシリコンイオン強度で標準化した値をとっている。測
定は２次イオン質量分布法（ＳＩＭＳ：secondary ion
mass spectrometry ）により、一次イオンとして１２．
５ｋＶの電圧で加速した酸素イオンを使用し、イオン電
流は３０ｎＡ、ビーム径は６０μｍとした。成膜時のホ
ウ素濃度は２．５ｗｔ％、リン濃度は６．２ｗｔ％であ
る。図３（ａ）が洗浄前、図３（ｂ）が洗浄後の濃度分
布を示しているが、濃度分布にはほとんど変化は見られ
ない。

【００３４】一方、図４（ａ）（ｂ）は、高ホウ素濃度
の単一ＢＰＳＧ膜におけるホウ素及びリンの濃度分布
を、硫酸洗浄の前後で比較した測定結果を示すグラフで
ある。成膜時のホウ素濃度は３．９ｗｔ％である点を除
いては、図３（ａ）（ｂ）の条件と同じである。図４
（ａ）が洗浄前、図４（ｂ）が洗浄後の濃度分布を示し
ているが、硫酸洗浄によってＢＰＳＧ膜の表層における
ホウ素濃度が約１０％に低下し、リン濃度が約５０％に
低下していることが分かる。これは、硫酸洗浄によって
ホウ素及びリンが溶出していることを表している。

【００３５】図３（ａ）（ｂ）、図４（ａ）（ｂ）に示
す測定結果から、上層となる第２のＢＰＳＧ膜のホウ素
濃度が２．５ｗｔ％程度、具体的には２．０ｗｔ％〜
３．０ｗｔ％、リン濃度が６ｗｔ％程度、具体的には
５．５ｗｔ％〜６．５ｗｔ％であれば、ホウ素やリンの
溶出はほとんど生じないと考えられる。

【００３６】以上説明したように、本実施形態によれ
ば、ホウ素濃度の比較的高い第１のＢＰＳＧ膜をホウ素
濃度の比較的低い第２のＢＰＳＧ膜で保護したために、
半導体基板の洗浄工程において第１、第２のＢＰＳＧ膜
からのホウ素やリンの溶出がほとんど起こらず、リフロ
ー処理において第１及び第２のＢＰＳＧ膜の流動が阻害
されることがない。また、第１のＢＰＳＧ膜から流出す
るホウ素及びリンの量が大幅に少なくなるので、第１の
ＢＰＳＧ膜のホウ素及びリンの濃度を従来よりも高める
ことができる。従って、ガラス転移温度が低下して、低
温でのリフロー処理によって第１及び第２のＢＰＳＧ膜
の形状を容易に平坦化することができる。

【００３７】また、第２のＢＰＳＧ膜は、ガス流量の設
定を変えるだけで第１のＢＰＳＧ膜から連続して成膜で
きるので、スループットや工程数には全く影響がない。
さらに、第１、第２のＢＰＳＧ膜は、膜質の差が小さい
ために、エッチングなどの後工程の際にプロセス条件を
変更する必要がない。

【００３８】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によると、
第１のＢＰＳＧ膜よりもホウ素含有率の低い第２のＢＰ
ＳＧ膜を第１のＢＰＳＧ膜の上に形成することにより、
半導体基板の洗浄工程において第１、第２のＢＰＳＧ膜
から流出するホウ素の量が大幅に少なくなるので、リフ
ロー処理において第１、第２のＢＰＳＧ膜の流動が阻害
されることがない。従って、十分な平坦化を実現するこ
とが可能になる。また、洗浄工程において第１のＢＰＳ
Ｇ膜から流出するホウ素の量が大幅に少なくなるため
に、第１のＢＰＳＧ膜のホウ素含有率を従来よりも高め
ることができるので、ガラス転移温度が低下してリフロ
ー処理温度を十分に下げることができるようになる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態の半導体装置を製造工程順
に示す断面図である。

【図２】単一のＢＰＳＧ膜のリフロー形状のホウ素濃度
依存性を示すグラフである。

【図３】低ホウ素濃度の単一ＢＰＳＧ膜におけるホウ素
及びリンの濃度分布を硫酸洗浄の前後で比較した測定結
果を示すグラフである。

【図４】高ホウ素濃度の単一ＢＰＳＧ膜におけるホウ素
及びリンの濃度分布を硫酸洗浄の前後で比較した測定結
果を示すグラフである。

【符号の説明】

１半導体基板２ポリシリコン配線層３第１のＢＰＳＧ膜４第２のＢＰＳＧ膜５汚染物質

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】半導体基板の上に配線層を介して形成さ
れ、３．５ｗｔ％〜４．５ｗｔ％のホウ素を含む第１の
ＢＰＳＧ膜と、前記第１のＢＰＳＧ膜の上に形成されホウ素含有率が前
記第１のＢＰＳＧ膜よりも低い第２のＢＰＳＧ膜とを備
えていることを特徴とする半導体装置。
【請求項２】前記第２のＢＰＳＧ膜のホウ素含有率が
２．０ｗｔ％〜３．０ｗｔ％であることを特徴とする請
求項１に記載の半導体装置。
【請求項３】前記第１のＢＰＳＧ膜と前記第２のＢＰ
ＳＧ膜とのリン含有率が略同じであることを特徴とする
請求項１に記載の半導体装置。
【請求項４】前記第１のＢＰＳＧ膜と前記第２のＢＰ
ＳＧ膜とのリン含有率が５．５ｗｔ％〜６．５ｗｔ％で
あることを特徴とする請求項３に記載の半導体装置。
【請求項５】半導体基板の上に配線層を介して形成さ
れ、３．５ｗｔ％〜４．５ｗｔ％のホウ素と５．５ｗｔ
％〜６．５ｗｔ％のリンとを含む第１のＢＰＳＧ膜と、前記第１のＢＰＳＧ膜の上に形成され、２．０ｗｔ％〜
３．０ｗｔ％のホウ素と５．５ｗｔ％〜６．５ｗｔ％の
リンとを含む第２のＢＰＳＧ膜とを備えていることを特
徴とする半導体装置。
【請求項６】半導体基板の上に配線層を介して形成さ
れ、３．５ｗｔ％〜４．５ｗｔ％のホウ素とホウ素より
も僅かに多い量のリンとを含む第１のＢＰＳＧ膜と、前記第１のＢＰＳＧ膜の上に形成され、ホウ素含有率が
前記第１のＢＰＳＧ膜よりも低く、リン含有率が前記第
１のＢＰＳＧ膜と略同じである第２のＢＰＳＧ膜とを備
えていることを特徴とする半導体装置。
【請求項７】前記第１のＢＰＳＧ膜と前記第２のＢＰ
ＳＧ膜とのリン含有率が５．５ｗｔ％〜６．５ｗｔ％で
あることを特徴とする請求項６に記載の半導体装置。
【請求項８】前記第２のＢＰＳＧ膜のホウ素含有率が
２．０ｗｔ％〜３．０ｗｔ％であることを特徴とする請
求項６に記載の半導体装置。
【請求項９】前記第１のＢＰＳＧ膜の膜厚は、前記第
２のＢＰＳＧ膜の膜厚の４〜２０倍であることを特徴と
する請求項１、５および６のいずれか１項に記載の半導
体装置。
【請求項１０】前記第１のＢＰＳＧ膜の膜厚が０．４
〜１．０μｍであり、前記第２のＢＰＳＧ膜の膜厚が
０．０５〜０．１μｍであることを特徴とする請求項９
に記載の半導体装置。
【請求項１１】前記半導体基板の上に前記配線層を介
し、かつ、前記第１のＢＰＳＧ膜の下層にシリコン酸化
膜またはシリコン窒化膜を有することを特徴とする請求
項１、５および６のいずれか１項に記載の半導体装置。
【請求項１２】前記シリコン酸化膜またはシリコン窒
化膜の膜厚が０．１μｍであることを特徴とする請求項
１１に記載の半導体装置。