JPH09116011A - 半導体装置およびその製造方法 - Google Patents

半導体装置およびその製造方法

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JPH09116011A JP7274010A JP27401095A JPH09116011A JP H09116011 A JPH09116011 A JP H09116011A JP 7274010 A JP7274010 A JP 7274010A JP 27401095 A JP27401095 A JP 27401095A JP H09116011 A JPH09116011 A JP H09116011A
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oxide film
semiconductor device
silicon oxide
substrate
atom
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 膜収縮が減少し、膜ストレスが低減されるよ
うに改良された層間絶縁膜を有する半導体装置を提供す
ること。 【解決手段】 基板１の上に金属配線２ａ，２ｂが形成
されている。金属配線２ａ，２ｂを覆うように、かつ金
属配線２ａと金属配線２ｂとの間のすき間を埋めるよう
に、基板１の上にシリコン酸化膜４が設けられている。
シリコン酸化膜４の化学構造式は、Ｓｉ−Ｆ結合を含ん
でいる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】この発明は一般に半導体装置
に関するものであり、より特定的には、層間絶縁膜の膜
収縮が減少し、膜ストレスが低減されるように改良され
た半導体装置に関する。この発明は、また、そのような
半導体装置の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】シランガス（ＳｉＨ4 ）と過酸化水素
（Ｈ2 Ｏ2 ）を用いて、ＣＶＤ（Chemical Vapor Depos
ition ）法により形成したシリコン酸化膜は、０．２５
μｍ以下の極微細な配線間を埋込むことが可能であり、
さらに、流動性に優れ、それにより自己平坦化作用を示
す。それゆえに、この方法は、従来から使用されていた
ＳＯＧ（Spin-On Glesses ）法等に代わる次世代層間絶
縁膜の平坦化手法として注目されている。この従来方法
は、文献１“Novel Self-planarizing CVD Oxideｆor i
nterlayer dielectric applications ”(Technical dig
est of IEDM 1994）と文献２“Planarisation for sub-
micron divices utilizing a New Chemistry”（Procee
dings of DUMIC conference 1995）に詳述されている。
この従来方法によるシリコン酸化膜の形成反応は、以下
の化学式に示すとおりである。
【０００３】 ＳｉＨ4 ＋２Ｈ2 Ｏ2 → Ｓｉ（ＯＨ）4 ＋２Ｈ2 …（１ａ） ＳｉＨ4 ＋３Ｈ2 Ｏ2 → Ｓｉ（ＯＨ）4 ＋２Ｈ2 Ｏ＋Ｈ2 …（１ｂ） ＳｉＨ4 ＋４Ｈ2 Ｏ2 → Ｓｉ（ＯＨ）4 ＋４Ｈ2 Ｏ…（１ｃ） ｎＳｉ（ＯＨ）4 → ｎＳｉＯ2 ＋２ｎＨ2 Ｏ…（２） まず、ＳｉＨ4 がＨ2 Ｏ2 の酸化作用により、シラノー
ル（Ｓｉ（ＯＨ）4 に変化する（反応式１ａ，１ｂ，１
ｃ）。生じたシラノールは、加水分解あるいは熱エネル
ギーにより、脱水重合反応を起こし、シリコン酸化物
（ＳｉＯ2 ）に変化する（反応式（２））。このような
反応を基板上で行なわせると、層間絶縁膜であるシリコ
ン酸化膜が形成される。
【０００４】次に、上述した従来の方法を用いて、層間
絶縁膜を形成するプロセスについて説明する。
【０００５】図６を参照して、基板１１を準備する。基
板１１は、シリコン基板と、その上に形成された素子
と、絶縁層を含む（図示せず）。基板１１上に、第１の
アルミ配線１２ａと第２のアルミ配線１２ｂを形成す
る。第１および第２のアルミ配線１２ａ，１２ｂを被覆
するように、第１のプラズマ酸化膜１３を形成する。
【０００６】図７を参照して、ＳｉＨ4 およびＨ2 Ｏ2
を用いて、ＣＶＤ法により、シリコン酸化膜１４を形成
する。シリコン酸化膜１４は、第１のアルミ配線１２ａ
と第２のアルミ配線１２ｂとの間のすき間を埋める。
【０００７】図８を参照して、シリコン酸化膜１４の上
に、第２のプラズマ酸化膜１５を形成することによっ
て、平坦な層間絶縁膜１６が完成する。
【０００８】図７を参照して、ＳｉＨ4 およびＨ2 Ｏ2
を用いたＣＶＤ法により形成したシリコン酸化膜１４
は、膜形成過程で生成されるシラノールが優れた流動性
を持つことにより、極微細な配線間の埋込みを可能に
し、さらには、優れた自己平坦化特性を実現する。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記反
応式（２）を参照して、シラノールは、シリコン酸化物
に変化する過程で、脱水縮合反応を引き起こすため、形
成されたシリコン酸化膜は、膜収縮による大きなストレ
スを持つ。このストレスが、あまりにも大きい場合、シ
リコン酸化膜自体にクラックを発生させたり、下層に設
けられたメタル配線の信頼性に悪影響を与える。
【００１０】この発明は上記のような問題点を解決する
ためになされたもので、シリコン酸化膜中の膜ストレス
を低減することができるように改良された、半導体装置
を提供することを目的とする。
【００１１】この発明は、また、そのような半導体装置
の製造方法を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】この発明の第１の局面に
従う半導体装置は、基板を備える。上記基板の上に、第
１の金属配線と第２の金属配線が形成されている。上記
第１および第２の金属配線を覆うように、かつ、前記第
１の金属配線と前記第２の金属配線との間のすき間を埋
めるように、上記基板の上にシリコン酸化膜が設けられ
ている。上記シリコン酸化膜の化学構造式は、Ｓｉ−Ｆ
結合を含んでいる。
【００１３】この発明の第１の局面に従う半導体装置に
よれば、層間絶縁膜中にＳｉ−Ｆ結合が導入されるの
で、ＳｉＯＨ結合が、従来の層間絶縁膜に比べて少な
い。したがって、引続き起こる脱水縮合反応が緩和され
るため、膜収縮が減少し、ひいては膜ストレスが低減さ
れる。また、層間絶縁膜中にＳｉ−Ｆ結合が導入される
ので、層間絶縁膜の誘電率が減少したり、残留するＳｉ
−ＯＨ結合を低減させるという効果も奏する。
【００１４】この発明の第２の局面に従う半導体装置の
製造方法によれば、シリコン酸化膜を、フッ素原子が結
合したシリコン原子を有する原料ガスと過酸化水素との
混合ガスを用いて化学気相成長法により形成する。した
がって、生成した層間絶縁膜中に、Ｓｉ−Ｆ結合が導入
される。その結果、シラノールに含まれるＳｉ−ＯＨ結
合が、従来の方法に比べて少なくなる。その結果、引続
き起こる脱水縮合反応が緩和されるため、膜収縮が減少
する。その結果、膜ストレスが低減された、層間絶縁膜
を与える。
【００１５】
【発明の実施の形態】以下、この発明の実施の形態を図
について説明する。
【００１６】発明の実施の形態１ 図１を参照して、基板１の上に第１のアルミ配線２ａと
第２のアルミ配線２ｂを形成する。第１および第２のア
ルミ配線２ａ，２ｂを被覆するように、基板１の上に第
１のプラズマ酸化膜３を形成する。第１のプラズマ酸化
膜３は、プラズマＣＶＤ法により形成される。第１のプ
ラズマ酸化膜３の一般的な形成条件は、形成温度が３０
０℃、圧力が７５０ｍＴｏｒｒ、高周波パワーが５００
Ｗ、用いる原料ガスは、ＳｉＨ4 と過酸化窒素（Ｎ
2 Ｏ）である。形成された第１のプラズマ酸化膜３の膜
厚は、１０００Åであった。この場合、原料ガスとして
ＴＥＯＳ（Tetra ethoxy silane ）と酸素を用い、プラ
ズマＣＶＤ法により形成してもよい（この場合、形成温
度は４００℃、圧力は５Ｔｏｒｒ、高周波パワーは５０
０Ｗが好ましい）。
【００１７】図２を参照して、第１のプラズマ酸化膜３
の上に、ＳｉＨ4 およびＨ2 Ｏ2 を用いてＣＶＤ法によ
り、シリコン酸化膜（以下、ＨＳＯ膜と略する。）４を
形成する。本発明の実施の形態における特徴は、このＨ
ＳＯ膜４の形成方法にある。具体的には、フロロシラン
（ＳｉＨX Ｆ4-X ）をＳｉＨ4 に添加することを特徴と
する。なお、フロロシラン単独を、原料ガスとして用い
てもよい。本発明の実施の形態で用いたフロロシラン
は、ジフロロシラン（ＳｉＨ2 Ｆ2 ）である。代表的な
ＨＳＯ膜の形成条件は、以下のとおりである。
【００１８】形成温度：１℃（−１０℃〜１００℃の範
囲が好ましい） 形成圧力：８５０（ｍＴｏｒｒ）（２００ｍＴｏｒｒ〜
６００Ｔｏｒｒの範囲が好ましい） ガス流量：ＳｉＨ4 ４０ＳＣＣＭ（standard cubic cen
timeter per minute） ＳｉＨ2 Ｆ2 ：４０ＳＣＣＭ Ｎ2 ：５００ＳＣＣＭ Ｈ2 Ｏ2 ：０．６５ｇ／分 形状温度が１００℃以上であると、粒状のものが得ら
れ、膜は形成されない。形成圧力が６００Ｔｏｒｒを超
えると、粒状のものが得られ、膜は形成されない。
【００１９】上記条件により形成したシリコン酸化膜
は、模式的に、図４に示す化学構造式を有する。図２か
ら明らかなように、ＳｉＨ4 とＳｉＨ2 Ｆ2 を用いた場
合には、シリコン酸化膜の化学構造式は、下記の単位、
すなわち、酸素原子で結ばれた第１のシリコン原子と第
２のシリコン原子を有し、第１のシリコン原子にはさら
に３個の酸素原子が結合されており、第２のシリコン原
子にはフッ素原子が２個結合している単位を有する。
【００２０】
【化１】
【００２１】なお、比較のために、図５に従来法（Ｓｉ
Ｈ4 およびＨ2 Ｏ2 を用いたＣＶＤ法）によって形成さ
れたシリコン酸化膜の分子構造を示す。従来法によるシ
リコン酸化膜は、Ｓｉ−Ｏ結合およびＳｉ−ＯＨ結合に
より構成されている。一方、本発明の実施の形態による
シリコン酸化膜は、Ｓｉ−Ｏ結合、Ｓｉ−Ｆ結合および
Ｓｉ−ＯＨ結合により構成されている。生成するシラノ
ールについて考えると、上記に示すガス系を使用した場
合、生成するシラノールの結合の内訳は、Ｓｉ−ＯＨ結
合が７５％、Ｓｉ−Ｆ結合が２５％である。Ｓｉ−Ｆ結
合は、上記膜形成条件下では非常に安定であるため、こ
のままシリコン酸化膜中に取り込まれる。一方、原料ガ
スがＳｉＨ4 １００％、つまりＳｉＨ4 が８０ＳＣＣＭ
の場合、生成するシラノールは、Ｓｉ−ＯＨ結合１００
％で構成される。よって、本発明の実施の形態によるシ
リコン酸化膜は、膜形成過程で生成するシラノールに含
まれるＳｉ−ＯＨ結合が、従来法により形成されたもの
より少ないため、引続き起こる脱水縮合反応が緩和され
る。そのため、膜収縮が減少し、ひいては膜ストレスが
低減される。
【００２２】また、膜中にＳｉ−Ｆ結合が導入されるの
で、膜の比誘電率が減少したり、残留するＳｉ−ＯＨ結
合を低減させるという効果も奏する。
【００２３】図３を参照して、ＨＳＯ膜４の上に、第２
のプラズマ酸化膜５を形成する。第２のプラズマ酸化膜
５の形成条件は、第１のプラズマ酸化膜３の形成条件
と、同一条件であってもよいし、異なる条件であっても
よい。たとえ、異なる条件であったとしても、本発明の
実施の形態より生ずる効果に、影響を与えるものではな
い。
【００２４】なお、図示しないが、第２のプラズマ酸化
膜５の上に、第２のアルミ配線を形成すると、半導体装
置が完成する。
【００２５】本発明の実施の形態によれば、ＨＳＯ膜４
の第１および第２のアルミ配線２ａ，２ｂ上の厚みをａ
とし、ＨＳＯ膜４の、基板１上であって、かつ第１のア
ルミ配線２ａと第２のアルミ配線２ｂの間の部分の厚み
をｂとすると、ａ＜ｂという不等式が成立する。
【００２６】なお、ＨＳＯ膜４の形成時に、原料ガス中
にＰＨ3 あるいはＰ2 Ｈ6 を注入すると、ボロン原子ま
たはリン原子がドープされたシリコン酸化膜が得られ
る。ボロン原子またはリン原子が注入されると、ゲッタ
ー効果が生じる。
【００２７】ボロン原子またはリン原子の注入量は、５
モル％〜１０モル％が好ましい。発明の実施の形態２ 発明の実施の形態１では、フロロシランとしてＳｉＨ2
Ｆ2 を使用する場合を例示したが、この発明はこれに限
られるものでなく、トリフロロシラン（ＳｉＨＦ3 ）お
よびモノフロロシラン（ＳｉＨ3 Ｆ）を用いても同様の
効果を奏する。
【００２８】フロロシランとして、トリフロロシランを
用いた場合には、得られたシリコン酸化膜の化学構造式
は、下記の単位を有する。
【００２９】
【化２】
【００３０】フロロシランとして、モノフロロシランを
用いた場合には、得られた層間絶縁膜の化学構造式は、
下記の単位を有する。
【００３１】
【化３】
【００３２】発明の実施の形態３ 上記発明の実施の形態でシリコン化合物として、フロロ
シランを使用する場合を例にしたが、ＴＥＦＳ（Trieth
oxy fluorosilane）を代表とする、有機基（アルキル
基）を含有する有機シリコン化合物を用いても、同様の
効果を実現する。
【００３３】なお、この場合には、図３を参照して、層
間絶縁膜の厚みは、ａ＝ｂを満足するようになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 発明の実施の形態１に係る半導体装置の製造
方法の順序の第１の工程における半導体装置の断面図で
ある。
【図２】 発明の実施の形態１における半導体装置の製
造方法の順序の第２の工程における半導体装置の断面図
である。
【図３】 発明の実施の形態１における半導体装置の製
造方法の順序の第３の工程における半導体装置の断面図
である。
【図４】 発明の実施の形態１において形成されるシリ
コン酸化膜の化学構造式を示す図である。
【図５】 従来方法を用いて形成した層間絶縁膜の化学
構造式を示す図である。
【図６】 従来の半導体装置の製造方法の順序の第１工
程における半導体装置の断面図である。
【図７】 従来の半導体装置の製造方法の順序の第２工
程における半導体装置の断面図である。
【図８】 従来の半導体装置の製造方法の順序の第３工
程における半導体装置の断面図である。
【符号の説明】
１ 基板、２ａ，２ｂ アルミ配線、４ シリコン酸化
膜

Claims (12)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 基板と、 前記基板の上に形成された第１の金属配線と第２の金属
    配線と、 前記第１および第２の金属配線を覆うように、かつ、前
    記第１の金属配線と前記第２の金属配線とのすき間を埋
    めるように、前記基板の上に設けられたシリコン酸化膜
    とを備え、 前記シリコン酸化膜の化学構造式は、Ｓｉ−Ｆ結合を含
    んでいる、半導体装置。
  2. 【請求項２】 前記シリコン酸化膜の化学構造式は、酸
    素原子で結ばれた第１のシリコン原子と第２のシリコン
    原子を有し、 前記第１のシリコン原子には、さらに３個の酸素原子が
    結合されており、前記第２のシリコン原子にはフッ素原
    子が１〜３個結合している、単位を有する、請求項１に
    記載の半導体装置。
  3. 【請求項３】 前記シリコン酸化膜の前記第１および第
    ２の金属配線上の厚みをａとし、前記シリコン酸化膜
    の、前記基板上であって、かつ前記第１の金属配線と前
    記第２の金属配線の間の部分の厚みをｂとするとき、以
    下の不等式が成立する、請求項１に記載の半導体装置。 ａ＜ｂ
  4. 【請求項４】 前記シリコン酸化膜中には、ボロン原子
    またはリン原子が含まれている、請求項１に記載の半導
    体装置。
  5. 【請求項５】 前記ボロン原子またはリン原子は、５モ
    ル％〜１０モル％含まれている、請求項１に記載の半導
    体装置。
  6. 【請求項６】 前記第１および第２の金属配線を被覆す
    るプラズマ酸化膜をさらに備える、請求項１に記載の半
    導体装置。
  7. 【請求項７】 金属配線がその上に形成された基板を準
    備する工程と、 フッ素原子が結合したシリコン原子を有する原料ガスと
    過酸化水素との混合ガスを用いて化学気相成長法によ
    り、前記金属配線を覆うように前記基板の上にシリコン
    酸化膜を形成する工程と、を備えた半導体装置の製造方
    法。
  8. 【請求項８】 前記原料ガスとして、ジフロロシランを
    用いる、請求項７に記載の半導体装置の製造方法。
  9. 【請求項９】 前記原料ガスとして、トリフロロシラン
    またはモノシランを用いる、請求項７に記載の半導体装
    置の製造方法。
  10. 【請求項１０】 前記原料ガスとして、フロロアルコキ
    シシランを用いる、請求項７に記載の半導体装置の製造
    方法。
  11. 【請求項１１】 前記シリコン酸化膜の形成を、−１０
    ℃〜１００℃の温度で行なう、請求項７に記載の半導体
    装置の製造方法。
  12. 【請求項１２】 前記シリコン酸化膜の形成を、２００
    ｍＴｏｒｒ〜６００Ｔｏｒｒの圧力下で行なう、請求項
    ７に記載の半導体装置の製造方法。
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